CN102299774B - 用于确定预编码矩阵的方法及相应的通信方法和设备 - Google Patents

Abstract

为了提高用于紧邻设置的交叉极化的CLA天线的预编码方案的性能，本发明提供了一种新的预编码码本及预编码矩阵。本发明还提供了基于这种新的预编码码本和矩阵的，用于确定预编码矩阵的方法以及相应的、用于使用该预编码矩阵进行通信的方法和设备。本发明提供的新的预编码码本和矩阵具有较好的性能。

Description

用于确定预编码矩阵的方法及相应的通信方法和设备

技术领域

本发明涉及多天线技术，尤其涉及多天线技术中的预编码方法。

背景技术

根据目前业内商定的LTE-A第10版(Rel-10)标准，子带预编码由两个预编码矩阵组成，其中的一个预编码矩阵对应于宽带和/或长时信道特性，该矩阵记为W₁；而另一个预编码矩阵对应于频率选择和/或短时信道特性，该矩阵记为W₂。基站通过用户设备的长时宽带反馈确定W₁，并通过用户设备的短时窄带反馈确定W₂。

对于紧邻地设置的多天线来说，预编码方案可以考虑紧邻带来的天线相关特性，从而简化预编码方案的设计。业内目前已经对紧邻设置的、相同极化的ULA天线的预编码码本进行了商讨。对于紧邻设置的、交叉极化的CLA天线的预编码来说，在R1-103026中，三星公司提出了一种方案，其中W₁是一个M×r的矩阵，W₂是一个的M×M矩阵；在R1-101742中，爱立信公司提出了另一种方案，其中W₁是一个M×2的矩阵，W₂是一个的2×r矩阵，其中M是天线的数量，r是数据流的个数。这两种方案在MU-MIMO场景下的性能表现，例如数据吞吐量都差强人意。

发明内容

本发明提供了基于一种新的码本的预编码方案，该方案具有较好的数据吞吐量。

根据本发明的一个方面，提供了一种确定用于子带预编码的预编码矩阵的方法，其中，发射机具有两组交叉极化的天线，该两组极化方向不同的天线的信道矢量为H₁和H₂，该些天线紧邻地设置，M是发射天线的数量，r是数据流的个数，该两组天线的信道矢量H₁和H₂满足以下复数关系：

H₂＝βe^jδH₁

其中，β是两个信道矢量的复数关系的幅度，δ是两个信道矢量的复数关系的角度；

该方法包括如下步骤：

-根据长时信道相关信息，确定最优的维度为M×M的第一矩阵W₁，该第一矩阵对应于宽带和/或长时信道特性，第一矩阵W₁选择自以下第一码本：

$W_1=\left(\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& R\end{array}\right),$

其中，R为H₁的发送空间相关矩阵的近似，v₁是由DFT向量近似的H₁的发送空间相关矩阵的主特征向量v₁＝[1，e^-jθ，...，e^-j(M/2-1)θ]，θ是DFT向量相邻两项的角度差；

-将第一矩阵W₁与第二码本中的、维度为M×r的每一个第二矩阵W₂相乘，得到多个候选的预编码矩阵，该第二矩阵W₂对应于频率选择和/或短时信道特性，第二矩阵W₂选择自以下第二码本：

W₂＝(W₂ ¹，W₂ ²，...W₂ ^r)，

其中，W₂ ⁱ是W₂的第i列，令

W₂ ⁱ的第n个元素为1，第n+M/2个元素当mod(i，2)＝1时为βe^jδ，当mod(i，2)＝0时为1/βe^-jδ，其他元素全为零；

-根据短时信道状态信息，基于预定规则，从多个候选的预编码矩阵中选择一个最优的预编码矩阵，用于对待发送的数据进行预编码。

根据本发明的第二个方面，提供了一种在用户设备中用于向基站反馈用于子带预编码的预编码矩阵的相关信息的方法，该方法包括如下步骤：

-使用前述根据本发明的第一个方面所述的方法，确定最优的所述第一矩阵W₁和所述预编码矩阵；

-确定与所述最优的预编码矩阵对应的、最优的第二矩阵W₂；

-将所述最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂的标识提供给基站。

相应地，本发明还提供了一种在用户设备中用于向基站反馈用于子带预编码的预编码矩阵的设备，该设备包括：

-确定装置，用于使用根据权利要求1至4中任一项所述的方法确定所述最优的第一矩阵W₁和所述预编码矩阵，用于确定与所述最优的预编码矩阵对应的、最优的第二矩阵W₂；

-发送装置，用于将所述最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂的标识提供给基站。

根据本发明的第三个方面，提供了一种在基站中确定进行数据预编码的方法，该方法包括如下步骤：

-接收用户设备反馈的第一矩阵W₁和最优的第二矩阵W₂的标识；

-根据该些标识，从前述根据本发明的第一个方面所述的方法中的该第一码本和该第二码本中确定最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂；

-将最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂相乘，得到最优的用于子带预编码的预编码矩阵；

-使用该最优的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。

相应地，本发明还提供了一种在基站中确定进行数据预编码的设备，该设备包括：

-接收装置，用于接收用户设备反馈的最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂的标识；

-查询装置，用于根据该些标识，从根据权利要求1至4中任一项所述的方法中的该第一码本和该第二码本中确定最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂；

-计算装置，用于将最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂相乘，得到最优的用于子带预编码的预编码矩阵；

-预编码器，用于使用该最优的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码，从而将该数据发送给用户设备。

本发明的以上特性及其他特性将在下文中的实施例部分进行明确地阐述。

具体实施方式

下面首先对根据本发明的码本设计进行描述。

对于两组交叉极化的天线，通过观察，申请人发现，该两组天线之间存在快速变化的复向量关系，如下面的公式所示：

H₂＝βe^jδH₁     (1)

其中，H₁是对应于一种极化的一天线组的信道矢量，H₁是对应于另一种极化的另一天线组的信道矢量。其中，β是两个信道矢量的复数关系的幅度，δ是两个信道矢量的复数关系的角度。H₁可以被视为长时宽带统计信道。这一观察与参考文献(L.Jiang，L.Thiele，and V.Jungnickel，“On the Modelling of Polarized MIMO Channel，”13th European Wireless Conference，Paris，France，Apr.2007)对交叉极化天线的理论分析是一致的。

对于紧邻地设置的天线，H₁的主特征向量v₁能够由一DFT向量近似为：

v₁＝[1，e^-jθ，...，e^-j(M/2-1)θ]     (2)

在单层(数据流个数为1)的情况下，用于子带预编码的预编码矩阵W如下公式所示：

$W=\left(\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& R\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}1\\ 0\\ {\mathrm{\βe}}^{\mathrm{j\δ}}\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{v}_1^T\\ {\mathrm{\βe}}^{\mathrm{j\δ}}{v}_1^T\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，维度为M×M的预编码矩阵 $W_1=\left(\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& R\end{array}\right),$

并且，维度为M×1的预编码矩阵W₂＝[1，0，βe^jδ，0]^T。

对于紧邻地放置的交叉极化CLA天线来说，W₁可以看作是两组交叉极化天线的信道相关矩阵，R可以看成是与H₁对应的天线组的信道相关矩阵。紧邻地设置的天线的相关系数的模值大于一预定阈值，或天线的间距小于或等于1/2倍信号波长。

对于两层(数据流个数为2)的情况，W₁不变，W₂按以下公式定义：

$W_2=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 0& 0\\ {\mathrm{\βe}}^{\mathrm{j\δ}}& \frac{1}{\mathrm{\β}}{e}^{-\mathrm{j\δ}}\\ 0& 0\end{array}\right).$

一般地，对于数据流个数为r的情况，W₂＝(W₂ ¹，W₂ ²，...W₂ ^r)，其中，W₂ ⁱ是W₂的第i列，令

W₂ ⁱ的第n个元素为1，第n+M/2个元素当mod(i，2)＝1时为βe^jδ，当mod(i，2)＝0时为1/βe^-jδ，其他元素全为零。

例如，在一个实施方式中，对于M个传输天线和最大两层，4比特的第二码本W₂中的16个码字w_2，i按下表1中的公式确定：

表1

其中β₀＝0.5，β₁＝1，β₂＝2，β₃＝4，同时δ₀＝-π/2，δ₁＝π/2，δ₂＝0，δ₃＝π。

8比特的第一码本W₁的256个码字w_1，i按下表2中的公式确定：

表2

其中，α₀＝0.25，α₁＝0.5，α₂＝1，α₃＝2，r＝1，同时θ_n＝nπ/32，n＝0，...，2⁶-1。

以上实施方式中选用的幅值α、β的取值是用于覆盖复数关系的幅值落在一定范围内的情况，角度差δ、θ的取值是用于覆盖角度差落在0-2π内的不同位置的情况，从而比较均匀和完整地提供多个候选的复数关系，以用于根据信道状态信息选择最为接近的第一矩阵和第二矩阵。可以理解，在第一码本和第二码本的比特数，即第一矩阵和第二矩阵的个数发生变化的情况下，幅值和角度差的取值可以相应地进行调整，以均匀和完整地提供多个候选的复数关系。

上面以一个例子对根据本发明确定的码字进行了描述。可以理解本发明并不限于这套码字，本领域的一般技术人员可以根据本发明的披露确定适合的码字。

下面对基于本发明所确定的码字，进行预编码通信的实施方式进行描述。

首先，用户设备测量长时信道相关信息，并根据该长时信道相关信息，从第一码本，例如表2中的码本中确定最优的维度为M×M的第一矩阵W₁。根据长时信道相关信息选择对应的最优的码本的方法是本领域的一般技术人员所熟知的，这里不再赘述。

接着，将第一矩阵W₁与第二码本中的、维度为M×r的每一个第二矩阵W₂相乘，得到多个候选的预编码矩阵，第二码本例如表1中的码本所示。

然后，用户设备根据测量得到的短时信道状态信息，基于预定规则，从多个候选的预编码矩阵中选择一个最优的预编码矩阵。该预定规则例如是选择能够最大化信道容量的候选预编码矩阵。可以理解，其他准则也能够适用于此，这里不再赘述。

接着，用户设备能够确定与选择的、最优的预编码矩阵对应的、最优的第二矩阵W₂。

最后，用户设备将所选择的最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂的标识，例如它们在码本中的序号，提供给基站。

在基站端，它接收用户设备反馈的最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂的标识。

接着，根据这些标识，基站能够从第一码本和第二码本中确定最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂。

然后，基站将最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂相乘，得到最优的用于子带预编码的预编码矩阵；

最后，基站使用该最优的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码，从而将该数据发送给用户设备。

申请人对本发明提出的码本的性能进行了仿真，并与现有技术所提出的方案的仿真结果进行了比较。下表3中示出了仿真所基于的假定的无线网络环境。

表3

仿真结果如下表4所示：

表4

	平均吞吐量	小区边缘吞吐量
			R1-101742	2.8(100％)	0.08(100％)
R1-103026	2.3(82.1％)	0.10(125％)
			本发明	3.0(107.1％)	0.11(137.5％)

可以看出，本发明获得了较现有技术更好的性能。

那些本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。在发明的现实应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

Claims (8)

1.一种确定用于子带预编码的预编码矩阵的方法，其中，发射机具有两组交叉极化的天线，该两组极化方向不同的天线的信道矢量分别为H₁和H₂，该些天线紧邻地设置，M是发射天线的数量，r是数据流的个数，该两组天线的信道矢量H₁和H₂满足以下复数关系：

H₂＝βe^jδH₁

其中，β是两个信道矢量的复数关系的幅度，δ是两个信道矢量的复数关系的角度；

该方法包括如下步骤：

a.根据长时信道相关信息，确定最优的维度为M×M的第一矩阵W₁，该第一矩阵对应于宽带和/或长时信道特性，第一矩阵W₁选择自以下第一码本：

$W_1=\left(\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& R\end{array}\right),$

其中，R为H₁的发送空间相关矩阵的近似，v₁是由DFT向量近似的H₁的发送空间相关矩阵的主特征向量空间相关矩阵v₁＝[1，e^-jθ，...，e^-j(M/2-1)θ]，θ是DFT向量相邻每一两项的角度差；

b.将最优的第一矩阵W₁与第二码本中的、维度为M×r的每一个第二矩阵W₂相乘，得到多个候选的预编码矩阵，该第二矩阵W₂对应于频率选择和/或短时信道特性，第二矩阵W₂选择自以下第二码本：

W₂＝(W₂ ¹，W₂ ²，...W₂ ^r)，

其中，W₂ ⁱ是W₂的第i列，令

W₂ ⁱ的第n个元素为1，第n+M/2个元素当mod(i，2)＝1时为βe^jδ，当mod(i，2)＝0时为1/βe^-jδ，其他元素全为零；

c.根据短时信道状态信息，基于预定规则，从多个候选的预编码矩阵中选择一个最优的，用于对待发送的数据进行预编码。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于第二码本W₂，当数据流个数为1时，

W₂＝[1，0，βe^jδ，0]^T；

当数据流个数为2时，

$W_2=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 0& 0\\ {\mathrm{\βe}}^{\mathrm{j\δ}}& \frac{1}{\mathrm{\β}}{e}^{-\mathrm{j\δ}}\\ 0& 0\end{array}\right).$

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对于M个传输天线和最大两层，4比特的第二码本W₂中的码字按如下公式确定：

$W_{2,i}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 0& 0\\ {\mathrm{\β}}_m{e}^{j{\mathrm{\δ}}_n}& \frac{1}{{\mathrm{\β}}_m}{e}^{-j{\mathrm{\δ}}_n}\\ 0& 0\end{array}\right),$

其中i＝0，...，2⁴-1，n＝mod(i，2²)，并且β₀＝0.5，β₁＝1，β₂＝2，β₃＝4，同时δ₀＝-π/2，δ₁＝π/2，δ₂＝0，δ₃＝π；

8比特的第一码本W₁的码字W_1，i按如下公式确定：

$W_{1,i}=\left(\begin{array}{cc}{R}_n& 0\\ 0& {\mathrm{\α}}_m{R}_n\end{array}\right),$ 且

其中，i＝0，...，2⁸-1，

n＝mod(i，2⁶)，并且α₀＝0.25，α₁＝0.5，α₂＝1，α₃＝2，r＝1，同时θ_n＝nπ/32，n＝0，...，2⁶-1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述紧邻地设置的天线的相关系数的模值大于一预定阈值，或天线的间距小于或等于1/2倍信号波长。

5.一种在用户设备中用于向基站反馈用于子带预编码的预编码矩阵的方法，该方法包括如下步骤：

-使用根据权利要求1至4中任一项所述的方法确定所述最优的第一矩阵W₁和所述预编码矩阵；

-确定与所述最优的预编码矩阵对应的、最优的第二矩阵W₂；

-将所述最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂的标识提供给基站。

6.一种在基站中确定进行数据预编码的方法，该方法包括如下步骤：

-接收用户设备反馈的最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂的标识；

-根据该些标识，从根据权利要求1至4中任一项所述的方法中的该第一码本和该第二码本中确定最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂；

-将最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂相乘，得到最优的预编码矩阵；

-使用该最优的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码，从而将该数据发送给用户设备。

7.一种在用户设备中用于向基站反馈用于子带预编码的预编码矩阵的设备，该设备包括：

-确定装置，用于使用根据权利要求1至4中任一项所述的方法确定所述最优的第一矩阵W₁和所述预编码矩阵，用于确定与所述最优的预编码矩阵对应的、最优的第二矩阵W₂；

-发送装置，用于将所述最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂的标识提供给基站。

8.一种在基站中确定进行数据预编码的设备，该设备包括：

-接收装置，用于接收用户设备反馈的最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂的标识；

-查询装置，用于根据该些标识，从根据权利要求1至4中任一项所述的方法中的该第一码本和该第二码本中确定最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂；

-计算装置，用于将最优的第一矩阵W₁和第二矩阵W₂相乘，得到最优的用于子带预编码的预编码矩阵；

-预编码器，用于使用该最优的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码，从而将该数据发送给用户设备。