CN106160810A - 一种二维多输入多输出系统的预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种二维MIMO系统的预编码方法，包括：a，基站发送包含水平及垂直信道状态的信息参考符号；b，终端对信息参考符号进行信道估计，获得水平及垂直信道状态信息，构造全部信道状态信息；c，终端根据水平信道状态信息，在水平方向上遍历不同秩的水平预编码码本，找到水平最优矩阵W；d，终端以W为基础，根据全部信道状态信息，在垂直方向上遍历不同秩的垂直预编码码本，依据最优原则找到垂直最优矩阵P；e，终端根据W_P计算信干噪比，得到CQI；f，终端反馈W和P的PMI和RI，同时反馈CQI给基站；g，基站基于W和P的PMI和RI得到W和P，然后计算出W_P用于预编码操作；基于CQI进行链路自适应。

Description

一种二维多输入多输出系统的预编码方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种二维多输入多输出系统的预编码方法。

背景技术

随着多输入输出技术研究的深入，MIMO系统已经得到广泛的应用，它可以对信道容量、链路可靠性和覆盖范围等带来诸多好处。现有LTE支持的下行多输入多输出的发送模式有发送分集和空间复用。其中空间复用的流程如图1所示，具体为：

基站和终端都保存同一个预编码矩阵的集合，称为码本。终端根据小区公共导频估计出水平信道状态信息后，按一定准则从码本中选出一个最优矩阵，记为W。选取的准则可以是最大化互信息量、最大化输出信干噪比等。终端将选出的预编码矩阵在码本中的索引和预编码矩阵的秩通过上行信道反馈到基站，该索引记为PMI(Precoding Matrix Indicator，预编码矩阵索引)，该预编码矩阵的秩称为RI(Rank Indicator，秩指示)。基站由收到的索引值和秩就可以唯一确定该终端应使用的预编码矩阵。终端上报的预编码矩阵可以看作是信道状态信息的量化值。

为了帮助基站实现链路自适应，终端需要根据其信道条件上报信道质量指示信息(Channel Quality Indicator，CQI)。对于采用预编码传输的系统，CQI的计算要依据选出的预编码矩阵。终端上报的CQI由信干噪比SINR得到，假设基站到终端的信道状态矩阵为H，CQI与所选择的预编码矩阵有关：

$\mathrm{SINR}=\frac{{\left|\right|\mathrm{HW}\left|\right|}^2}{I+N_0}.$

终端将计算得到的PMI和CQI通过上行信道传输给基站。基站利用终端上报的PMI进行发射端的预编码处理，利用终端上报的CQI进行链路自适应(包括调制方式和编码速率的选择等)。

从上述流程可知，LTE中预编码过程的基础是基站和终端的码本集合。在LTE-Advance的R8版本4端口的空间复用(TM4)，所用预编码码本包含秩为一层～四层，各自有16个预编码矩阵。在R10中引入了8端口的空间复用，所用预编码码本为双码本的结构。也就是采用长期信道特征和短期信道特征相乘的形式进行预编码，W＝W₁W₂。预编码矩阵W是两个矩阵W₁和W₂的乘积。其中矩阵W₁从长期预编码码本选出，该码本针对的是宽带和/或长时信道特性；另一矩阵W₂从短期预编码码本选出，该码本针对的是频率选择特性和/或短时信道特性。在R12中对4端口的空间复用码本进行增强，Rank1与Rank2的码本延用双码本的结构，预编码矩阵W同样是两个矩阵W₁和W₂的乘积的形式，而Rank3与Rank4码本仍用原R8的码字集合。

在第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，简称为3GPP)LTE65次会议中已经针对全维度多输入多输出技术(Full-Dimension MIMO，简称为FD-MIMO)立项，用于研究支持垂直面与水平面的波束成形。所以，FD-MIMO中不仅需要上述的水平面的预编码码本，同样为了支持垂直面波束倾角调整，还需要增加垂直面预编码码本及进行垂直面预编码的方法。

发明内容

本发明提出一种二维多输入多输出系统的预编码方法，该方法包括以下步骤：a，基站发送包含水平信道状态及垂直信道状态的信息参考符号；b，终端对接收到的信息参考符号进行信道估计，获得水平及垂直信道状态信息，构造全部信道状态信息；c，终端根据水平信道状态信息，在水平方向上遍历不同秩的水平预编码码本，找到一个水平最优矩阵W；d，终端以水平最优矩阵为基础，根据全部信道状态信息，在垂直方向上遍历不同秩的垂直预编码码本，依据最优原则找到一个垂直最优矩阵P，使得最优预编码矩阵所对应的系统性能最优；e，终端根据最优预编码矩阵W_P计算信干噪比SINR，得到CQI；f，终端反馈水平最优矩阵的PMI和RI以及垂直最优矩阵的PMI和RI，同时反馈CQI给基站；g，基站基于水平最优矩阵的PMI和RI得到水平最优矩阵，基于垂直最优矩阵的PMI和RI得到垂直最优矩阵，然后计算出最优预编码矩阵W_P用于进行预编码操作；基于CQI进行链路自适应。

优选的，水平预编码码本为双码本，W＝W₁W₂，矩阵W₁从水平长期预编码码本中选出，矩阵W₂从水平短期预编码码本中选出；垂直预编码码本为单码本； $W_P=(W_1\⊗P)W_2.$

优选的，水平预编码码本为单码本；垂直预编码码本为双码本，P＝P₁P₂，矩阵P₁从垂直长期预编码码本中选出，矩阵P₂从垂直短期预编码码本中选出； $W_P=(W\⊗P_1)P_2.$

优选的，水平预编码码本为双码本，W＝W₁W₂，矩阵W₁从水平长期预编码码本中选出，矩阵W₂从水平短期预编码码本中选出；垂直预编码码本为双码本，P＝P₁P₂，矩阵P₁从垂直长期预编码码本中选出，矩阵P₂从垂直短期预编码码本中选出； $W_P=(W_1\⊗P_1)(W_2\⊗P_2).$

优选的，垂直预编码码本只包含秩为1的码本，可以有以下两种优选方式：

(1)：垂直预编码码本为单码本并且为过采样DFT向量的形式，其中：第k个垂直预编码矩阵P(k)表示为：

$P\left(k\right)={\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{j\frac{2\mathrm{\π}\·k}{Q}}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}\·2k}{Q}}& \·\·\·& e^{j\frac{2\mathrm{\π}(N-1)k}{Q}}\end{array}\right]}^T,$

N为垂直端口个数；Q为固定的过采样率，大于等于N；k＝0,1,…,T-1；T的取值范围为1～Q/2。

(2)：垂直预编码码本为双码本，其中：

垂直长期预编码码本为块对角阵结构的形式，第k个垂直长期预编码矩阵P₁ ^(k)表示为：

$P_1^{\left(k\right)}=\left[\begin{array}{cc}{X}^{\left(k\right)}& 0\\ 0& X^{\left(k\right)}\end{array}\right],$

块对角元素X^(k)为过采样DFT矩阵，由从维度为的过采样DFT矩阵B中选出的C_R列向量组成，k＝0,1,…,V₁-1，V₁不超过从矩阵B中选出C_R列向量的可选总数；N为垂直端口个数；Q₁为固定的过采样率，大于等于N；C_R为固定值；矩阵B的第1+m行，1+n列的元素[B]_1+m,1+n表示为：

${\left[B\right]}_{1+m,1+n}=e^{j\frac{2\mathrm{\πmn}}{Q_1}},m=\mathrm{0,1},...,\frac{N}{2}-1,n=\mathrm{0,1},...,Q_1-1.$

垂直短期预编码码本表示为:

$\{\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ Y\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{jY}\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ -Y\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ -\mathrm{jY}\end{array}\right]\}$

$Y\∈\{{\tilde{e}}_1,{\tilde{e}}_2,...,{\tilde{e}}_{N/2}\}$

为C_R×1维的波束选择单位向量，表示为

以上所有方法的步骤d中，所述最优原则可以为最大吞吐量原则、最大SNR原则或最小奇异值原则。

本发明提供了一种二维预编码方法，在此方法中终端同时遍历水平及垂直码本，并选择出水平最优矩阵及垂直最优矩阵反馈给基站，同时还反馈根据上述两个最优矩阵确定的CQI，基站由反馈信息进行下行调度。采用本发明后，下行可以同时控制水平及垂直两个方向的波束，不仅能够更加精准的控制下行单个终端的波束方向，还能够减少MU-MIMO情况下终端之间的互相干扰，可以更加灵活的调度多个终端，以及同时调度更多个数终端或同时调度更多下行数据层数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为背景技术的现有MIMO系统的预编码流程图；

图2为实施例1的二维MIMO系统的预编码流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例具体说明二维MIMO系统中的预编码方法，其流程如图2所示，步骤说明如下：

1，基站发送包含水平信道状态及垂直信道状态的信息参考符号CSI-RS。

2，终端通过对CSI-RS进行信息估计获得水平及垂直信道状态信息，构造全部信道状态信息。

3，终端根据上述水平信道状态信息，依据最大吞吐量原则，或最大SNR原则，或最小奇异值原则等，遍历水平方向的不同秩的所有水平预编码码本，找到一个最优矩阵W做为水平最优矩阵，其中包含RI和PMI信息，RI即为水平最优矩阵的列数，PMI即为W在秩为RI时的索引号。

4，终端在上述水平最优矩阵的基础上，根据全部信道状态信息，依据最大吞吐量原则(或最大SNR原则，或最小奇异值原则等)，遍历垂直方向的不同秩的所有垂直预编码码本，找到一个最优矩阵P做为垂直最优矩阵，使得最优预编码矩阵对应的吞吐量最大(或SNR最大，或奇异值最小等)。即根据下式找到最优矩阵P：

$i=\underset{p_i\∈C}{\arg \max }\left(\mathrm{capacity}(W\⊗p_i,H,c)\right)$

其中H为全部信道状态信息，w为水平最优矩阵，C是垂直预编码码本，p_i为垂直预编码码本C中的矩阵，c是干扰相关矩阵。

最优矩阵P包含v-RI和v-PMI信息，v-RI即为垂直最优矩阵的列数，v-PMI即为P在秩为v-RI时的索引号。

5，终端根据最优预编码矩阵W_P，计算信干噪比SINR，对应得到此时CQI。假设基站到终端全部信道状态信息矩阵为H，则信干噪比SINR为：

$\mathrm{SINR}=\frac{{\left|\right|{\mathrm{HW}}_P\left|\right|}^2}{I+N_0}=\frac{{\left|\right|H(W\⊗P)\left|\right|}^2}{I+N_0}.$

6，终端按现有方式反馈水平最优矩阵的PMI和RI，同时反馈垂直最优矩阵的v-PMI和v-RI，以及CQI给基站。

7，基站收到PMI、RI、v-PMI、v-RI和CQI后，基于PMI和RI得到水平最优预编码矩阵；基于v-PMI和v-RI得到垂直最优预编码矩阵；同样按照的形式计算出最终的预编码矩阵做为下行预编码的参考信息；基站还利用CQI进行频域选择性调度和MCS选择。

按照所采用的水平和垂直预编码码本不同，最终形式也不同。

当水平预编码码本为单码本时：

■如果垂直预编码码本为单码本，则

■如果垂直预编码码本为双码本，则P＝P₁P₂，矩阵P₁从垂直长期预编码码本(针对的是宽带和/或长时信道特性)中选出，矩阵P₂从垂直短期预编码码本(针对的是频率选择特性和/或短时信道特性)中选出， $W_p=(W\⊗P_1)P_2.$

当水平预编码码本为双码本时，W＝W₁W₂，矩阵W₁从水平长期预编码码本中选出，矩阵W₂从水平短期预编码码本中选出，此时：

■如果垂直预编码码本为单码本，则

■如果垂直预编码码本为双码本，则

8，基站按照调度算法，参考上述反馈信息，确定第k个用户发端的MCS等级、预编码矩阵及层数。

9，基站对数据进行预编码操作；对专用导频进行预编码操作；基站发送数据及专用导频。

10，终端收到上述专用导频后进行信道估计，可获得包含预编码信息的信息状态信息。

11，终端由上述信息状态对数据进行解调。

实施例2

本实施例以实施例1为基础，预编码步骤中的水平预编码码本采用现有协议中的预编码码本，垂直预编码码本只包含秩为1的码本，即固定v-RI为1，此时不需要显式反馈秩指示v-RI，相比原预编码流程，只需增加垂直码本的索引指示。

本实施例的垂直预编码码本为单码本，并且为过采样DFT向量的形式，由T个垂直预编码矩阵组成，第k个垂直预编码矩阵P(k)表示为：

$P\left(k\right)={\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{j\frac{2\mathrm{\π}\·k}{Q}}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}\·2k}{Q}}& \·\·\·& e^{j\frac{2\mathrm{\π}(N-1)k}{Q}}\end{array}\right]}^T,$

N为垂直端口个数；Q为固定的过采样率，大于等于N，可以由系统设置；k＝0,1,…,T-1；T的取值范围为1～Q/2，对应垂直波束方向为[0，PI]，所以在全部Q个可选波束角度中只需要选择其中Q/2个即可。特别的Q＝2⁸＝256。

实施例3

本实施例与实施例2的不同之处在于：垂直预编码码本采用双码本结构，即长期预编码码本的矩阵与短期预编码码本的矩阵相乘的形式，P＝P₁P₂。

垂直长期预编码码本为块对角阵结构的形式，第k个垂直长期预编码矩阵P₁ ^(k)表示为：

$P_1^{\left(k\right)}=\left[\begin{array}{cc}{X}^{\left(k\right)}& 0\\ 0& X^{\left(k\right)}\end{array}\right],$

块对角元素X^(k)为过采样DFT矩阵，由从维度为的过采样DFT矩阵B中选出的C_R列向量组成，代表第k个矩阵有C_R个波束，总共有V₁种选法，即k＝0,1,…,V₁-1，V₁不超过从矩阵B中选出C_R列向量的可选总数；N为垂直端口个数；Q₁为固定的过采样率，大于等于N，可以由系统设置；C_R为固定值，可以由系统设置；矩阵B的第1+m行，1+n列的元素[B]_1+m,1+n表示为：

${\left[B\right]}_{1+m,1+n}=e^{j\frac{2\mathrm{\πmn}}{Q_1}},m=\mathrm{0,1},...,\frac{N}{2}-1,n=\mathrm{0,1},...,Q_1-1.$

垂直短期预编码码本表示为:

$P_2\∈\{\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ Y\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{jY}\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ -Y\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ -\mathrm{jY}\end{array}\right]\}$

$Y\∈\{{\tilde{e}}_1,{\tilde{e}}_2,...,{\tilde{e}}_{N/2}\}$

上式的为C_R×1维的波束选择单位向量，表示为 $i=\mathrm{1,2},...,\frac{N}{2}.$

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种二维多输入多输出系统的预编码方法，该方法包括以下步骤：

a，基站发送包含水平信道状态及垂直信道状态的信息参考符号；

b，终端对接收到的信息参考符号进行信道估计，获得水平及垂直信道状态信息，构造全部信道状态信息；

c，终端根据水平信道状态信息，在水平方向上遍历不同秩的水平预编码码本，找到一个水平最优矩阵W；

d，终端以水平最优矩阵为基础，根据全部信道状态信息，在垂直方向上遍历不同秩的垂直预编码码本，依据最优原则找到一个垂直最优矩阵P，使得最优预编码矩阵所对应的系统性能最优；

e，终端根据最优预编码矩阵W_P计算信干噪比SINR，得到CQI；

f，终端反馈水平最优矩阵的PMI和RI以及垂直最优矩阵的PMI和RI，同时反馈CQI给基站；

g，基站基于水平最优矩阵的PMI和RI得到水平最优矩阵，基于垂直最优矩阵的PMI和RI得到垂直最优矩阵，然后计算出最优预编码矩阵W_P用于进行预编码操作；基于CQI进行链路自适应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

水平预编码码本为双码本，W＝W₁W₂，矩阵W₁从水平长期预编码码本中选出，矩阵W₂从水平短期预编码码本中选出；垂直预编码码本为单码本； $W_P=(W_1\⊗P)W_2.$

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

水平预编码码本为单码本；垂直预编码码本为双码本，P＝P₁P₂，矩阵P₁从垂直长期预编码码本中选出，矩阵P₂从垂直短期预编码码本中选出； $W_P=(W\⊗P_1)P_2.$

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

水平预编码码本为双码本，W＝W₁W₂，矩阵W₁从水平长期预编码码本中选出，矩阵W₂从水平短期预编码码本中选出；垂直预编码码本为双码本，P＝P₁P₂，矩阵P₁从垂直长期预编码码本中选出，矩阵P₂从垂直短期预编码码本中选出； $W_P=(W_1\⊗P_1)(W_2\⊗P_2).$

5.根据权利要求1述的方法，其特征在于：

垂直预编码码本只包含秩为1的码本。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

垂直预编码码本为单码本并且为过采样DFT向量的形式，其中：第k个垂直预编码矩阵P(k)表示为：

$P\left(k\right)={\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{j\frac{2\mathrm{\π}\·k}{Q}}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}\·2k}{Q}}& ...& e^{j\frac{2\mathrm{\π}(N-1)k}{Q}}\end{array}\right]}^t,$

N为垂直端口个数；Q为固定的过采样率，大于等于N；k＝0,1,…,T-1；T的取值范围为1～Q/2。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

垂直预编码码本为双码本，其中：

垂直长期预编码码本为块对角阵结构的形式，第k个垂直长期预编码矩阵表示为：

$P_1^{\left(k\right)}=\left[\begin{array}{cc}{X}^{\left(k\right)}& 0\\ 0& X^{\left(k\right)}\end{array}\right],$

块对角元素X^(k)为过采样DFT矩阵，由从维度为的过采样DFT矩阵B中选出的C_R列向量组成，k＝0,1,…,V₁-1，V₁不超过从矩阵B中选出C_R列向量的可选总数；N为垂直端口个数；Q₁为固定的过采样率，大于等于N；C_R为固定值；矩阵B的第1+m行，1+n列的元素[B]_1+m,1+n表示为：

${\left[B\right]}_{1+m,1+n}=e^{j\frac{2\mathrm{\πmn}}{Q_1}},m=\mathrm{0,1},...,\frac{N}{2}-1,n=\mathrm{0,1},...,Q_1-1;$

垂直短期预编码码本表示为:

$\{\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ Y\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{jY}\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ -Y\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ -\mathrm{jY}\end{array}\right]\},$

$Y\∈\{{\tilde{e}}_1,{\tilde{e}}_2,...,{\tilde{e}}_{N/2}\},$

为C_R×1维的波束选择单位向量，表示为

8.根据权利要求1～7所述的方法，其特征在于步骤d：

所述最优原则为最大吞吐量原则、最大SNR原则或最小奇异值原则。