CN107528623A - 基于3dmu‑mimo预编码矩阵构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于3D MU‑MIMO预编码矩阵构造方法，包括：构造3D MU‑MIMO预编码矩阵W为表示宽带或长期信道特性的第一码本矩阵W1与表示窄带或短期信道特性的第二码本矩阵W2的乘积，所述第一码本矩阵为：
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法。
背景技术
多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)系统中，一个基站上通常设置有超过128根的基站天线。同时基站通过有线线缆分别与多个无线接入端口(RadioAccess Port，RAP)连接，这些无线接入端口分布在该基站覆盖范围下的蜂窝小区的不同位置处，每个无线接入端口上都部署有多个射频天线。基站发射端在利用基站天线发射信号之前，需要对待发射的信号进行预编码。预编码技术是一种基站发射端利用信道状态信息对发射信号进行预处理，以提高系统容量或降低系统的误码率为目的的信号处理技术。
一般地,获取预编码是通过获取基站天线与多个无线接入端口之间的信道的信道信息矩阵；根据信道信息矩阵得到干扰信道矩阵；对干扰信道矩阵进行拓展，得到拓展干扰信道矩阵；对拓展干扰信道矩阵的共轭转置矩阵进行奇异值分解(Singular ValueDecomposition， SVD)，得到第一层预编码矩阵；对第一层预编码矩阵左乘信道信息矩阵后得到的矩阵进行SVD 分解，得到第二层预编码矩阵；根据第一层预编码矩阵和第二层预编码矩阵计算得到预编码矩阵。
具体地，MIMO技术的实施将依赖于对于信道状态信息(CSI)的利用，为了通过在发送端进行预编码来提高系统传输性能，发送端需要获知信道状态信息(Channel StatementInformation，CSI)，而信道状态信息CSI通常由接收端利用参考序列进行信道估计得到，这通常需要接收端信道状态信息CSI并将其反馈给发送端，用于在发送端计算合适的预编码或者波束成形参数。然而，CSI反馈信道的有限性决定了预编码码本的设计是必要的。为了减少反馈量，在关于高秩与低秩的情况提出了一种由两层组成的双码本W＝W1*W2的预编码方法， W1与W2分别是长期预编码矩阵(即，利用信道状态信息的长期统计计算的预编码矩阵)与短期预编码矩阵(即，利用信道状态信息的短期统计计算的预编码矩阵)。
尽管在现有技术中提出了基于双码本的预编码方案，比如现有的LTE R8系统是基于镜像变换Householder设计的4天线码本与LTE R10系统基于双码本设计的8天线码本，主要针对水平向天线设计，没有考虑垂直向天线的自由度，在空间资源的自由度并没有被充分利用，尤其是在垂直域的空间资源没有被充分利用，因而在多个用户分布于同一建筑物的不同楼层的情况下，这些方案难以支持多用户传输，直接用于AAS基站天线部署时，系统性能将严重下降。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，应用于4G LTE、 LTE-A及5G IMT-2020移动通信系统eMBB中，利用包括支持垂直方向与水平方向量化的预编码矩阵，可以充分利用有源天线系统垂直方向的自由度，从而提高CSI反馈的精度和系统吞吐量。
本发明提出了一种基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，其特征在于，包括：
构造3D MU-MIMO预编码矩阵W为表示宽带或长期信道特性的第一码本矩阵W1与表示窄带或短期信道特性的第二码本矩阵W2的乘积，所述第一码本矩阵为：
其中，Λ、RCLA,H、RCLA,V、RULA,H、RULA,V是对角矩阵，矩阵DULA,H、DULA,V、DULA,H、DULA,V的各列为离散傅里叶变换DFT向量。
优选地，所述预编码矩阵W采用发射相关阵的特征矢量或正交随机码本作为码本。
优选地，当所述3D MU-MIMO系统的发送天线为四天线且仅传输一个码字时，所述信道独立预编码传输为一层传输，或者为一个码字使用两层进行重传传输。
优选地，当所述3D MU-MIMO系统的发送天线为为八天线且仅传输一个码字时，所述信道独立预编码传输为一层传输，或者为两个码字使用四层或八层传输。
优选地，所述第一码本矩阵W1中的矩阵RCLA,H、RCLA,V、RULA,H、RULA,V的各列在[0，2π]相位区间内均匀分布的离散傅里叶变换DFT向量中选取。
优选地，所述第一码本矩阵W1中的矩阵RCLA,H、RCLA,V、RULA,H、RULA,V的各列所组成的波束组子集之间是相邻重叠的。
优选地，当所述预编码矩阵W集合中的矩阵多于一个时，对不同的子载波轮流按照正序使用所述预编码矩阵W集合中的矩阵对数据进行预编码。
优选地，所述预编码矩阵W对于至少一个等级指数RI，所述第二码本矩阵W2的每个码字在第二码本矩阵W2的所有其他码字上由每层至少两个波束选择向量区分。
优选地，所述预编码矩阵W码本由基站天线相关阵的N个最大特征值组成，所述N为移动终端的天线数。
优选地，基站在同一子帧接收来自用户设备的各项预编码索引，在多个子帧接收来自用户终端的各项预编码矩阵索引。
本发明的有益效果：本发明的基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，利用包括支持垂直方向与水平方向量化的预编码矩阵，可以充分利用有源天线系统垂直方向的自由度，解决了 4G LTE、LTE-A及5G IMT-2020移动通信系统eMBB中的CSI反馈的精度与系统吞吐量的问题。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，这是本发明的较佳实施例。
在发送器处设置具有垂直与水平极化的交叉极化阵列趋于导致良好分离的发送通道，这对于多流MIMO发送具有吸引力。因为分块对角结构预编码矩阵的使用与分块对角信道矩阵的分块对角结构匹配，所以利用分块对角结构的预编码是合适的。从这点看，一般使用的+/-45 度交叉极化阵列因为发送来自垂直极化和水平极化两者上的两个不同极化混合，则信道矩阵很可能不再如使用了水平和垂直极化那样是分块对角的了，这潜在地增加了流间干扰，并由此损害MIMO性能，因而被认为不具有吸引力。由此，对于+/-45度交叉极化情况来说，分块对角预编码矩阵结构不是最佳的，但其设置在现有部署中是非常普通的。
在这情况下，预编码矩阵乘积结构是有益的，因为它涉及将预编码矩阵分解成两个矩阵的乘积，导致具有成为分块对角的趋势的新生成信道。因为有效地获取分块对角虚拟信道，所以现在可以使用乘积结构中的分块对角预编码矩阵W1来匹配其特征。
本发明提出了一种3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，包括：
构造3D MU-MIMO预编码矩阵W为表示宽带或长期信道特性的第一码本矩阵W1与表示窄带或短期信道特性的第二码本矩阵W2的乘积W＝W1*W2。
对于位于同一建筑的不同楼层的用户终端UE，传统的两维MIMO有时不能在空间上将它们区分，从而导致它们往往不能够同时用同一时频资源调度，即不能够采用MU-MIMO。
当3D MU-MIMO系统的发送天线为四天线且仅传输一个码字时，信道独立预编码传输为一层传输，或者为一个码字使用两层进行重传传输；当3D MU-MIMO系统的发送天线为为八天线且仅传输一个码字时，信道独立预编码传输为一层或二层传输，或者为两个码字使用四层或八层传输。
当预编码矩阵W集合中的矩阵多于一个时，对不同的子载波轮流按照正序使用预编码矩阵W集合中的矩阵对数据进行预编码。
基于共相与选择W2的设计遵循用于R10版本8Tx码本设计的结构，共相允许在两个极化组之间进行相位调节并根据两个块对角矩阵生成DFT向量。由于W2表示窄带或短期信道特性的码本矩阵，反馈周期比较短，因而过分地依赖于W2进行共相调节，不利于反馈开销。
预编码矩阵W对于至少一个等级指数RI，第二码本矩阵W2的每个码字在第二码本矩阵W2的所有其他码字上由每层至少两个波束选择向量区分。其中，预编码矩阵W采用发射相关阵的特征矢量或正交随机码本作为码本。
进一步地，预编码矩阵W码本由基站天线相关阵的N个最大特征值组成。其中，N为移动终端的天线数。
同时，基站在同一子帧接收来自用户设备的各项预编码索引，在多个子帧接收来自用户终端的各项预编码矩阵索引。
本实施例，在发送器处的水平方向有对双极化天线，在垂直方向有对双极化天线，它们共同构成双极化均匀平面天线阵列，在空间上可以区分不同的UE。那么，第一码本矩阵为：
其中，Λ、RCLA,H、RCLA,V、RULA,H、RULA,V是对角矩阵，矩阵DCLA,H、DCLA,V、DULA,H、DULA,V的各列为离散傅里叶变换DFT向量，很好地与天线阵列响应的向量形式相匹配。
本实施例，W1表示宽带或长期信道特性的码本矩阵，W2表示窄带或短期信道特性的码本矩阵。W2可以用于选择矩阵W1中的列向量从而构成矩阵W，或者用于线性加权组合矩阵W1中的列向量从而构成矩阵W。波束组的选择操作允许波束角在相同子带内的资源块(RB)上的细化或调整，从而使频率选择性预编码增益最大，而相位调节的功能主要由来W1承担，有效地解决了短期码本反馈开销较高的问题。
在实现中，为保证每个波束向量组内边缘波束的选择精确性，相邻波束向量直接通常有一定的交叠。波束角的重叠对于减少“边缘效应”可以是有利的，即当使用子带预编码或CSI 反馈时，确保公用W1矩阵能更好被选择用于相同预编码子带内的不同资源块(RB)。
第一码本矩阵W1中的矩阵RCLA,H、RCLA,V、RULA,H、RULA,V的各列在[0，2π]相位区间内均匀分布的离散傅里叶变换DFT向量中选取。并且，第一码本矩阵W1中的矩阵RCLA,H、RCLA,V、RULA,H、RULA,V的各列所组成的波束组子集之间是相邻重叠的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (10)
1.一种基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，其特征在于，包括：
构造3D MU-MIMO预编码矩阵W为表示宽带或长期信道特性的第一码本矩阵W1与表示窄带或短期信道特性的第二码本矩阵W2的乘积，所述第一码本矩阵为：
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其中，Λ、RCLA,H、RCLA,V、RULA,H、RULA,V是对角矩阵，矩阵DCLA,H、DCLA,V、DULA,H、DULA,V的各列为离散傅里叶变换DFT向量。
2.根据权利要求1所述的基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，其特征在于，所述预编码矩阵W采用发射相关阵的特征矢量或正交随机码本作为码本。
3.根据权利要求1所述的基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，其特征在于，当所述3DMU-MIMO系统的发送天线为四天线且仅传输一个码字时，所述信道独立预编码传输为一层传输，或者为一个码字使用两层进行重传传输。
4.根据权利要求1所述的基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，其特征在于，当所述3DMU-MIMO系统的发送天线为为八天线且仅传输一个码字时，所述信道独立预编码传输为一层传输，或者为两个码字使用四层或八层传输。
5.根据权利要求1所述的基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，其特征在于，所述第一码本矩阵W1中的矩阵RCLA,H、RCLA,V、RULA,H、RULA,V的各列在[0，2π]相位区间内均匀分布的离散傅里叶变换DFT向量中选取。
6.根据权利要求1所述的基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，其特征在于，所述第一码本矩阵W1中的矩阵RCLA,H、RCLA,V、RULA,H、RULA,V的各列所组成的波束组子集之间是相邻重叠的。
7.根据权利要求1-6任一所述的基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，其特征在于，当所述预编码矩阵W集合中的矩阵多于一个时，对不同的子载波轮流按照正序使用所述预编码矩阵W集合中的矩阵对数据进行预编码。
8.根据权利要求7所述的基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，其特征在于，所述预编码矩阵W对于至少一个等级指数RI，所述第二码本矩阵W2的每个码字在第二码本矩阵W2的所有其他码字上由每层至少两个波束选择向量区分。
9.根据权利要求8所述的基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，其特征在于，所述预编码矩阵W码本由基站天线相关阵的N个最大特征值组成，所述N为移动终端的天线数。
10.根据权利要求8所述的基于3D MU-MIMO预编码矩阵构造方法，其特征在于，基站在同一子帧接收来自用户设备的各项预编码索引，在多个子帧接收来自用户终端的各项预编码矩阵索引。
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