CN102404084A - 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

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Abstract

一种确定用于发射机进行子带预编码的预编码矩阵的方法,其中,该发射机具有M个发射天线,该方法包括如下步骤:a.根据宽带和/或长时信道相关信息,确定最优的第一矩阵W1,该第一矩阵W1对应于宽带和/或长时信道特性;b.将最优的第一矩阵W1与第二码本中的每一个第二矩阵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;c.根据频率选择和/或短时信道状态信息,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;其特征在于,增加DFT波束的数目,从而提高空间分辨率;所述第一矩阵W1中引入了一个对角矩阵;所述第二矩阵W2中引入了相位调整,并且保证调整的相位均匀分布在整个相位空间。

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(R1-101683),子带的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。该两个矩阵的乘积被用作对数据进行预编码的预编码矩阵。 
在提案R1-105011中,提出了一种两阶段的反馈方式,其中W1是一个维度为M×Nb的矩阵,W2是一个维度为Nb×r的矩阵。在该提案对W2的码本设计中,存在一个调相因子,以试图将天线1至M/2的相位和天线M/2至M的相位达成匹配。继而,该提案需要对例如均匀线性阵列天线的调相因子进行数据反馈。这不仅带来了一定的开销,并且该提案的性能有些差强人意。 
发明内容
本发明旨在提供基于一种新码本的预编码方案。 
根据本发明的第一个方面,提供了一种确定用于发射机进行子带预编码的预编码矩阵的方法,其中,该发射机具有M个发射天线,该方法包括如下步骤:a.根据宽带和/或长时信道相关信息,确定最优的第一矩阵W1,该第一矩阵W1对应于宽带和/或长时信道特性;b.将最优的第一矩阵W1与第二码本中的每一个第二矩阵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;c.根据频率选择和/或短时信道状态信息,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;其特征在于,增加DFT波束的数目,从而提高空间分辨率;所述第一矩阵W1中引入了一个对角矩阵;所述第二矩阵W2中加入了相位调整,并且保证调整的相位均匀分布在整个相位空间。 
根据以上方面,在第一矩阵W1中引入了一个对角矩阵,使得相应列可构成完整的DFT波束(beam),与现有技术R1-105011比,增加了适合于ULA的DFT beam数目,既增加了空间分辨率,因而可以提高ULA下的性能。并且,在第二矩阵W2中加入了相位调整,使得每个波束可供调整的相位均匀分布在整个相位空间。 
根据一个优选的实施方式,增加DFT波束的数目,从而提高空间分辨率。 
所述第一矩阵W1选择自以下第一码本C1: 
C 1 = { W 1 ( 0 ) , W 1 ( 1 ) , . . . . . . , W 1 ( p - 1 ) } , W 1 ( k ) = X ( k ) 0 0 X ( k ) Λ ( k ) , k=0,1,…,p-1 
其中,p是第一码本C1中第一矩阵的个数,且: 
X ( k ) = f k 1 f k 2 · · · f k q , Λ ( k ) = diag ( [ e j θ k 1 · ( M / 2 ) , e j θ k 2 · ( M / 2 ) , · · · e jθ k q · ( M / 2 ) ] ) ,
其中,q是每组波束的数目, 
Figure BSA00000273105200023
Figure BSA00000273105200024
是DFT向量相邻两个元素之间的相位差,取值范围为[0,2π); 
并且,当数据流个数为1时,所述第二码本C2包括如下第二矩阵W2: 
C 2 = { W 2 ( 0 ) , W 2 ( 1 ) , . . . . . . , W 2 ( q - 1 ) } , W 2 ( k ) = 1 2 e k a e k , k=0,1,…,q-1 
当数据流个数为2时,所述第二码本C2包括如下第二矩阵W2: 
C 2 = { W 2 ( 0 ) , W 2 ( 1 ) , . . . . . . , W 2 ( q - 1 ) } , W 2 ( k ) = 1 2 e k e k ae k ae k , k=0,1,…,q-1 
其中,ek是除第k+1个元素为1外其他元素都为零的单位向量,a是与天线的极化方式有关的参数。 
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方法,该方法包括如下步骤: 使用根据本发明第一个方面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。 
根据本发明的第三个方面,提供了一种在基站中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,从根据本发明第一个方面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。 
根据本发明的第四个方面,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设备,该设备包括:确定装置,用于使用根据本发明第一个方面的方法确定所述最优的第一矩阵W1和所述预编码矩阵,并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。 
根据本发明的第五个方面,提供了一种在基站中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,从根据本发明第一个方面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。 
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。 
先以对于带有均匀线性阵列(ULA)的M个发射天线的MIMO为例。记码字W1∈C1对应于宽带和/或长时信道特性,并且记W2∈C2对应于频率选择和/或短时信道特性。W1的个数,即码本C1的大小记为p;W2的个数,即码本C2的大小记为q。用于子带的预编码矩阵的形式是W=W1W2。对于紧密间隔(例如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)的ULA,信道矩阵的主特征向量可以被近似于一个DFT向量。因此,本发明提出用于W1和W2的码字,以使得W是一个M×1的DFT向量。以下是所提出的具体W1和W2。 
(1)W1的码本设计 
首先,定义(M/2)×1的DFT向量 
f k n = 1 e j θ k n · 1 · · · e j θ k n · ( M / 2 - 1 ) T
其中, 
Figure BSA00000273105200042
是DFT向量相邻两个元素之间的相位差,取值范围为[0,2π)。 
定义p个维度为(M/2)×q的DFT集合 
X ( k ) = f k 1 f k 2 · · · f k q , k=0,1,…,p-1 
再定义p个对角矩阵 
Λ ( k ) = diag ( [ e j θ k 1 · ( M / 2 ) , e j θ k 2 · ( M / 2 ) , · · · e jθ k q · ( M / 2 ) ] ) , k=0,1,…,p-1 
则W1为 
W 1 ( k ) = X ( k ) 0 0 X ( k ) Λ ( k ) , k=0,1,…,p-1 
即码本C1为 
C 1 = { W 1 ( 0 ) , W 1 ( 1 ) , . . . . . . , W 1 ( p - 1 ) }
(2)W2的码本设计 
记ek是单位向量,即单位阵的第k+1列。 
当数据流为1,即rank 1时,W2为 
W 2 ( k ) = 1 2 e k e k , k=0,1,…,q-1 
当数据流为2,即rank 2时,W2为 
W 2 ( k ) = 1 2 e k e k e k - e k , k=0,1,…,q-1 
码本C2为 
C 2 = { W 2 ( 0 ) , W 2 ( 1 ) , . . . . . . , W 2 ( q - 1 ) }
基于以上设计的码字,对应于的预编码矩阵W=W1W2具有DFT向量的形式,这与紧密间隔的均匀线性阵列的信道相符。值得注意的是,尽管预编码矩阵W写为W1和W2的乘积的形式,在实际实现中,W并不需要进行矩阵乘法运算才能得到,而可以通过根据W2中的值为1的元素的位置来选取W1中对应元素的方式来得到。这样,即使W1的维度较大,实际的计算复杂性也是很低的。 
而对于交叉极化线性阵列(CLA)天线来说,码本C1和码字W1保持不变,通过一个调相因子a对码字W2进行调整。 
具体的,当数据流为1,即rank 1时,W2为 
W 2 ( k ) = 1 2 e k ae k , k=0,1,…,q-1 
当数据流为2,即rank 2时,W2为 
W 2 ( k ) = 1 2 e k e k ae k - ae k , k=0,1,…,q-1 
码本C2为 
C 2 = { W 2 ( 0 ) , W 2 ( 1 ) , . . . . . . , W 2 ( q - 1 ) }
当用于均匀线性阵列天线时,a=1即可。而当用于交叉极化线性阵列时,或者当采用相同的码本用于各种天线极化方式时,a取值于一集合 
Figure BSA00000273105200056
其中m是a的取值个数,β1,β2,…,βm在[0,2π)范围内取值,通常选择均匀分布在[0,2π)上,即 k=1,2,…,m。 
下面以一个实施例说明以上码字W1和W2的设计。在该实施例中,基站eNB具有8个天线元素。 
(1)对于码本C1
B=[b0 b1 … b31], [ B ] 1 + m , 1 + n = e j 2 πmn 32 , m=0,1,2,3,n=0,1,…,31
X(k)∈{[b2k mod32 b(2k+1)mod32 b(2k+2)mod32 b(2k+3)mod32]:k=0,1,…,15} 
W 1 ( k ) = X ( k ) 0 0 X ( k ) Λ ( k )
Λ ( k ) = diag ( [ e j 2 π 4 32 ( 2 k mod 32 ) , e j 2 π 4 32 ( ( 2 k + 1 ) mod 32 ) , e j 2 π 4 32 ( ( 2 k + 2 ) mod 32 ) , e j 2 π 4 32 ( ( 2 k + 3 ) mod 32 ) ] )
C 1 = { W 1 ( 0 ) , W 1 ( 1 ) , W 1 ( 2 ) , . . . . . . , W 1 ( 15 ) }
(2)对于码本C2
当数据流为1,即rank 1时, 
W 2 ∈ C 2 = { 1 2 Y aY }
Y∈{e0,e1,e2,e3}, 
其中,ek是除第k+1个元素为1外其他元素都为零的单位向量。 
当数据流为2,即rank 2时, 
W 2 ∈ C 2 = { 1 2 Y 1 Y 2 a Y 1 - a Y 2 }
(Y1,Y2)∈{(e0,e0),(e1,e1),(e2,e2),(e3,e3)} 
Figure BSA00000273105200068
当码本C2用于均匀线性阵列时,C2包括四个第二矩阵W2,当码本C2同时用于均匀线性阵列和交叉极化阵列时,C2包括十六个第二矩阵W2。 
值得注意的是,在现有技术R1-105011中,由于调相因子只有4个选择,所以8天线DFT波束只有16个而不能增加到32个。而本发明提出的上面的例子将8天线DFT波束的数目从16增加到32,从而提高了空间分辨率。 
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,本发明并不限于以上码字设计。当天线元素、码字W1、码字W2、相位 
Figure BSA00000273105200069
和调相因子a中的至少一个的个数发生变化的情况下,码字可 以相应地进行调整。 
以上对根据本发明提出的码字进行了论述,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,用户设备的确定装置测量宽带和/或长时信道相关信息,并根据该信道相关信息,从第一码本C1中确定第一矩阵,即码字W1。可根据容量最大化原则或者与信道相关矩阵特征向量距离最小原则确定宽带和/或长时信道相关信息对应的最优的码本。 
接着,确定装置将第一矩阵W1与第二码本C2中的每一个第二矩阵,即码字W2相乘,得到多个候选的预编码矩阵。 
然后,确定装置根据测量得到的频率选择和/或短时信道状态信息,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,或者是与信道相关矩阵特征向量距离最小的候选预编码矩阵。可以理解,其他准则也能够适用于此,这里不再赘述。 
接着,确定装置能够确定与选择的、最优的预编码矩阵对应的、最优的第二矩阵W2。 
最后,用户设备的发送装置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,基站的接收装置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,基站的查询装置根据这些标识,从第一码本C1和第二码本C2中确定最优的第一矩阵W1和第二矩阵W2。 
然后,基站的计算装置根据第一矩阵W1和第二矩阵W2,以前述的方法得到最优的用于子带预编码的预编码矩阵; 
最后,基站的预编码器使用该最优的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码,从而将经过预编码的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R1-105011所提出的方案的仿真结果进行了比较。该仿真使用了19个小区/57个五边形扇区。下表3中示出了仿真所基于的假定的无线 网络环境。 
表1 
Figure BSA00000273105200081
Figure BSA00000273105200091
仿真结果如下表2所示: 
表2 
可以看出,本发明获得了较现有技术更好的性能。 
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。 

Claims (9)

1.一种确定用于发射机进行子带预编码的预编码矩阵的方法,其中,该发射机具有M个发射天线,该方法包括如下步骤:
a.根据宽带和/或长时信道相关信息,确定最优的第一矩阵W1,该第一矩阵W1对应于宽带和/或长时信道特性;
b.将最优的第一矩阵W1与第二码本中的每一个第二矩阵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;
c.根据频率选择和/或短时信道状态信息,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;
其特征在于,增加DFT波束的数目,从而提高空间分辨率;所述第一矩阵W1中引入了一个对角矩阵;所述第二矩阵W2中引入了相位调整,并且保证调整的相位均匀分布在整个相位空间。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,增加DFT波束的数目,从而提高空间分辨率。
所述第一矩阵W1选择自以下第一码本C1
C 1 = { W 1 ( 0 ) , W 1 ( 1 ) , . . . . . . , W 1 ( p - 1 ) } , W 1 ( k ) = X ( k ) 0 0 X ( k ) Λ ( k ) , k=0,1,…,p-1
其中,p是第一码本C1中第一矩阵的个数,且:
X ( k ) = f k 1 f k 2 · · · f k q , Λ ( k ) = diag ( [ e j θ k 1 · ( M / 2 ) , e j θ k 2 · ( M / 2 ) , · · · e jθ k q · ( M / 2 ) ] ) ,
其中,q是每组波束的数目,
Figure FSA00000273105100015
Figure FSA00000273105100016
是DFT向量相邻两个元素之间的相位差,取值范围为[0,2π);
并且,当数据流个数为1时,所述第二码本C2包括如下第二矩阵W2
C 2 = { W 2 ( 0 ) , W 2 ( 1 ) , . . . . . . , W 2 ( q - 1 ) } , W 2 ( k ) = 1 2 e k a e k , k=0,1,…,q-1
当数据流个数为2时,所述第二码本C2包括如下第二矩阵W2
C 2 = { W 2 ( 0 ) , W 2 ( 1 ) , . . . . . . , W 2 ( q - 1 ) } , W 2 ( k ) = 1 2 e k e k ae k - ae k , k=0,1,…,q-1
其中,ek是除第k+1个元素为1外其他元素都为零的单位向量,a是与天线的极化方式有关的参数。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,当所述天线的极化方式是均匀线性阵列时,a的值为1。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,当所述天线的极化方式是交叉极化线性阵列时,或者当采用相同的码本用于各种天线极化方式时,a取值于一集合
Figure FSA00000273105100021
其中m是a的取值个数,β1,β2,…,βm在[0,2π)范围内取值,通常选择均匀分布在[0,2π)上,即
Figure FSA00000273105100022
k=1,2,…,m。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,当发射机具有8个天线元素时,对于码本C1
B=[b0 b1…b31], [ B ] 1 + m , 1 + n = e j 2 πmn 32 , m=0,1,2,3,n=0,1,…,31
X(k)∈{[b2k mod32 b(2k+1)mod32 b(2k+2)mod32 b(2k+3)mod32]:k=0,1,…,15}
W 1 ( k ) = X ( k ) 0 0 X ( k ) Λ ( k )
Λ ( k ) = diag ( [ e j 2 π 4 32 ( 2 k mod 32 ) , e j 2 π 4 32 ( ( 2 k + 1 ) mod 32 ) , e j 2 π 4 32 ( ( 2 k + 2 ) mod 32 ) , e j 2 π 4 32 ( ( 2 k + 3 ) mod 32 ) ] )
C 1 = { W 1 ( 0 ) , W 1 ( 1 ) , W 1 ( 2 ) , . . . . . . , W 1 ( 15 ) }
对于码本C2
当数据流为1,
W 2 ∈ C 2 = { 1 2 Y aY }
Y∈{e0,e1,e2,e3},
Figure FSA00000273105100028
其中,ek是是除第k+1个元素为1外其他元素都为零的单位向量。
当数据流为2,即rank 2时,
W 2 ∈ C 2 = { 1 2 Y 1 Y 2 a Y 1 - a Y 2 }
(Y1,Y2)∈{(e0,e0),(e1,e1),(e2,e2),(e3,e3)}
Figure FSA00000273105100031
当码本C2用于均匀线性阵列时,C2包括四个第二矩阵W2,当码本C2同时用于均匀线性阵列和交叉极化阵列时,C2包括十六个第二矩阵W2
6.一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5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。
7.一种在基站中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5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。
8.一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5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,并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。
9.一种在基站中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5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。
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