CN114553275B - 一种适用于非均匀线/面阵mimo系统的改进型码本设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计方法，应用于非均匀线性/平面分布的天线阵列，获取天线阵列中天线阵元的分布类型和分布参数；根据分布类型及其分布参数生成线阵拓扑导向矢量或面阵拓扑导向矢量；基于线阵拓扑导向矢量生成线阵拓扑非均匀码本，或，基于面阵拓扑导向矢量生成面阵拓扑非均匀码本；本发明通过获取非均匀线性/平面分布的天线阵列中天线阵元的分布类型和分布参数，并将分布类型和分布参数融合到导向矢量中，再根据导向矢量生成对应的码本，使得码本中包含了分布类型和分布参数信息，进而拓宽了码本设计时的适用场景，且可以有效提高系统的频谱效率。

Description

一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计方法 及装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于非均匀线/面阵MIMO 系统的改进型码本设计方法。

背景技术

波束赋形，又称为预编码技术，是一种基于天线阵列的信号处理技术。在多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系统上/下行传输过程中，基站接收到/发送给期望用户的有效信号会受到其它用户信号的干扰，而预编码技术通过调节天线阵列端口加权系数的幅值和相位，可以相长干涉某些角度的信号、同时相消干涉另外一些角度上的信号，从而产生具有指向性的波束，能够使得信号向期望方向上辐射，同时在若干个干扰方向上形成零陷。通过波束赋形，无线传输中信号的衰落与失真得到补偿，接收信号中的干扰得到抑制，目标用户的期望信号变得有效，通信系统能够获得显著的阵列增益，同时也就提高了系统容量与通信质量。

基于码本的预编码技术是在系统的收发两端都共享一套相同的码本集合，码本集合包含多个预编码矩阵，接收端根据信道估计的信道矩阵以某一性能目标在码本集合中选择使系统性能最优的预编码矩阵，再将码本序号反馈给发送端，发送端根据序号选择预编码矩阵进行预编码。由于接收端不再需要反馈大量的信道信息，只需要反馈码本的序号等少量的信息，因而大大减少了反馈量，节约了带宽。

非均匀天线阵列排布设计是在均匀天线阵列排布的基础上进一步优化天线阵元位置的结果，即在保持阵元数目和阵列总尺寸不变情况下，通过改变天线的间距，形成非等间距、中心对称的天线阵。它利用阵列结构的变化来改变信道的相关矩阵，从而实现信道容量的提升。

离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)码本是由于每个预编码向量都与DFT结构相近而得名。DFT码本中每一个码字矢量对应着一个量化角度信息，同时相邻的量化角度又具有相同的角度间隔，并在整个圆周[0,2π]上均匀分布，DFT码本在强相关信道中具有较高的预编码性能。但是，基于DFT结构的码本，局限于根据均匀线性阵列构造基于DFT结构的码本，适用性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计方法，根据非均匀阵列的结构建立对应码本，进而提升码本的适用性。

本发明采用以下技术方案：一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计方法，应用于非均匀线性/平面分布的天线阵列，包括以下步骤：

获取天线阵列中天线阵元的分布类型和分布参数；其中，分布类型包括线阵拓扑或面阵拓扑；

根据分布类型及其分布参数生成线阵拓扑导向矢量或面阵拓扑导向矢量；

基于线阵拓扑导向矢量生成线阵拓扑非均匀码本，或，基于面阵拓扑导向矢量生成面阵拓扑非均匀码本。

进一步地，线阵拓扑导向矢量包括接收端线阵拓扑导向矢量和发送端线阵拓扑导向矢量；

接收端线阵拓扑导向矢量为：

其中，a_r(N_r,θ_p)为接收端线阵拓扑导向矢量，N_r为接收端的天线数，θ_p为第p条路径上的俯仰角，j为虚数符号，k为波数，

为线阵拓扑中第N_r个天线在x轴上的位置系数，d为天线间距基数。

进一步地，发送端线阵拓扑导向矢量为：

其中，a_t(N_t,φ_p)为发送端线阵拓扑导向矢量，N_t为发送端的天线数，φ_p为第p条路径上的方位角。

进一步地，基于线阵拓扑导向矢量生成线阵拓扑非均匀码本包括：

当生成接收端的线阵拓扑非均匀码本时，将不同俯仰角对应的接收端线阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成接收端线阵拓扑矩阵，再对接收端线阵拓扑矩阵进行改写，生成接收端的线阵拓扑非均匀码本；

当生成发送端的线阵拓扑非均匀码本时，将不同方位角对应的发送端线阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成发送端线阵拓扑矩阵，再对发送端线阵拓扑矩阵进行改写，生成发送端的线阵拓扑非均匀码本。

进一步地，当对接收端线阵拓扑矩阵进行改写时包括：

令

其中，p∈{0,1,...,(N-1)}，N为N_r，M为波束个数；

当对发送端线阵拓扑矩阵进行改写时包括：

令

其中，N为N_t。

进一步地，基于面阵拓扑导向矢量生成面阵拓扑非均匀码本包括：

将不同波达角对应的面阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成面阵拓扑矩阵；其中，波达角由俯仰角和方位角组成；

对面阵拓扑矩阵进行改写和分解，生成面阵拓扑矩阵的水平维码本和垂直维码本；

将水平维码本和垂直维码本进行克罗内克积运算，得到面阵拓扑非均匀码本。

进一步地，水平维码本为：

其中，F_x为水平维码本，N_x为面阵拓扑中水平方向x轴上的天线数量，x_i为面阵拓扑中第(i+1)个天线在x轴上的位置系数，i∈{0,1,...,(N_x-1)}， m_x∈{0,1,...,(M_x-1)}、n_x∈{0,1,...,(N_x-1)}，M_x为x轴生成的波束个数。

进一步地，垂直维码本为：

其中，F_y为垂直维码本，N_y为面阵拓扑中垂直方向y轴上的天线数量，y_l为面阵拓扑中第(l+1)个天线在y轴上的位置系数，l∈{0,1,...,(N_y-1)}， m_y∈{0,1,...,(M_y-1)}、n_y∈{0,1,...,(N_y-1)}，M_y为y轴生成的波束个数。

本发明的另一种技术方案：一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计装置，其特征在于，应用于非均匀线性/平面分布的天线阵列，包括：

获取模块，用于获取天线阵列中天线阵元的分布类型和分布参数；其中，分布类型包括线阵拓扑或面阵拓扑；

第一生成模块，用于根据分布类型及其分布参数生成线阵拓扑导向矢量或面阵拓扑导向矢量；

第二生成模块，用于基于线阵拓扑导向矢量生成线阵拓扑非均匀码本，或，基于面阵拓扑导向矢量生成面阵拓扑非均匀码本。

本发明的另一种技术方案：一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的一种适用于非均匀线/面阵 MIMO系统的改进型码本设计方法。

本发明的有益效果是：本发明通过获取非均匀线性/平面分布的天线阵列中天线阵元的分布类型和分布参数，并将分布类型和分布参数融合到导向矢量中，再根据导向矢量生成对应的码本，使得码本中包含了分布类型和分布参数信息，进而拓宽了码本设计时的适用场景，且可以有效提高系统的频谱效率。

附图说明

图1为本发明实施例一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计方法的流程图；

图2为本发明实施例中K＝2,3，...，10的Fekete点分布的天线阵列设计示意图；

图3为本发明实施例中K＝4时Fekete点线阵分布示意图；

图4为本发明实施例中K＝4时Fekete点面阵分布示意图；

图5为本发明实施例中K＝5时Fekete点线阵分布示意图；

图6为本发明实施例中K＝5时Fekete点面阵分布示意图；

图7为本发明实施例中K＝6时Fekete点线阵分布示意图；

图8为本发明实施例中K＝6时Fekete点面阵分布示意图；

图9为本发明实施例中K＝7时Fekete点线阵分布示意图；

图10为本发明实施例中K＝7时Fekete点面阵分布示意图；

图11为本发明实施例中K＝8时Fekete点线阵分布示意图；

图12为本发明实施例中K＝8时Fekete点面阵分布示意图；

图13为本发明实施例中K＝9时Fekete点线阵分布示意图；

图14为本发明实施例中K＝9时Fekete点面阵分布示意图；

图15为本发明实施例中K＝10时Fekete点线阵分布示意图；

图16为本发明实施例中K＝10时Fekete点面阵分布示意图；

图17为本发明实施例中ULA、UPA的DFT码本分层搜索及改进型码本分层搜索方案所实现的频谱效率随着信噪比的变化情况图；

图18为本发明实施例中NULA、NUPA的DFT码本分层搜索及改进型码本分层搜索方案所实现的频谱效率随着信噪比的变化情况图；

图19为本发明实施例一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例公开了一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计方法，应用于非均匀线性/平面分布的天线阵列，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S110、获取天线阵列中天线阵元的分布类型和分布参数；其中，分布类型包括线阵拓扑或面阵拓扑；步骤S120、根据分布类型及其分布参数生成线阵拓扑导向矢量或面阵拓扑导向矢量；步骤S130、基于线阵拓扑导向矢量生成线阵拓扑非均匀码本，或，基于面阵拓扑导向矢量生成面阵拓扑非均匀码本。

传统的DFT码本在设计时具有局限性，只能根据均匀线性阵列构造出基于 DFT结构的码本，且DFT码本适合在相关性高的场景中，在低相关信道中表现却不尽人意，而本发明设计的码本可以根据非均匀天线阵列拓扑结构的变化灵活去进行设计，即只需获取非均匀线性/平面分布的天线阵列中天线阵元的分布类型和分布参数(各阵元分布的具体位置)，就可根据相应的导向矢量生成对应码本，适用在相关度不同的多种信道环境中，进而拓宽了码本设计时的适用场景，因此更具有普适性。

本发明具体以非均匀Fekete点分布的天线阵列为例(这里指出非均匀Fekete 点分布的天线阵列是非均匀天线阵列中的一种阵列，本发明具体以非均匀Fekete 点分布的天线阵列为例来设计相应码本，之后与传统DFT码本进行对比)，通过获取非均匀Fekete点分布的天线阵列中天线阵元的分布类型和分布参数，并将分布类型和分布参数融合到导向矢量中，再根据导向矢量生成对应码本，使得码本中包含了分布类型和分布参数信息，有效提高了系统的频谱效率。

非均匀Fekete点分布的天线阵列具体是将N个天线阵元分成数量大致相同的K组，每组天线紧凑排列形成一个单独的ULA(均匀线性阵列天线组)，这K 个ULA组的中心位置遵循Fekete点分布。以线性阵列排布为例，阵列两端位置为-1和1。如图2所示，给出了K高达10的一些Fekete点分布。可以看到，当 K＝2和3时，Fekete点分布为传统的均匀分布。当K≥4时，Fekete点分布与均匀分布的区别在于它将点“推”向区间的两端，呈现出对称的离心分布。图表1 所示，为K高达10的一些Fekete点分布具体值。

表1

K	Fekete points
		2	-1,1
3	-1,0,1
		4	-1,-0.4472,0.4472,1
5	-1,-0.6547,0,0.6547,1
		6	-1,-0.7651,-0.2852,0.2852,0.7651,1
7	-1,-0.8302,-0.4688,0,0.4688,0.8302,1
		8	-1,-0.8717,-0.5917,-0.2093,0.2093,0.5917,0.8717,1
9	-1,-0.8998,-0.6772,-0.3631,0,0.3631,0.6772,0.8998,1
		10	-1,-0.9195,-0.7388,-0.4779,-0.1653,0.1653,0.4779,0.7388,0.9195,1

当K＝4时，可将16个天线阵元分成数量大致相同的4组，这4个小组的中心(即物理位置中心)遵循Fekete点分布，线阵拓扑为1×4×4个(表示共4组，每组4个)，其排列示意图如图3所示。扩展到二维平面时，面阵拓扑为4×4个，如图4所示。

进一步地，当获取到天线阵列中天线阵元的分布类型和分布参数后，将其合并到线阵拓扑的计算过程中，进而使得导向矢量以及码本更加精确。对于一个网络来讲，线阵拓扑导向矢量包括接收端线阵拓扑导向矢量和发送端线阵拓扑导向矢量。

在接收端，将分布类型和分布参数纳入计算过程后，接收端线阵拓扑导向矢量具体为：

其中，a_r(N_r,θ_p)为接收端线阵拓扑导向矢量，N_r为接收端的天线数，θ_p为第p条路径上的俯仰角，θ_p分布在[0,π/2]范围内，j为虚数符号，k为波数， k＝2π/λ，λ为电磁波的波长，λ＝c/f，f为电磁波的频率，c为光速，阵元位置表示为

为线阵拓扑中第N_r个天线在x轴上的位置系数，

且x_i为整数，d为天线间距基数，在本实施例中为了方便计算，令 d＝1。

同理，在发送端，将分布类型和分布参数纳入计算过程后，线阵拓扑导向矢量具体为：

其中，a_t(N_t,φ_p)为发送端线阵拓扑导向矢量，N_t为发送端的天线数，φ_p为第p条路径上的方位角，φ_p分布在[0,2π]范围内。

得到线阵拓扑导向矢量之后，基于线阵拓扑导向矢量生成线阵拓扑非均匀码本，该过程具体包括：

当生成接收端的线阵拓扑非均匀码本时，将不同俯仰角对应的接收端线阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成接收端线阵拓扑矩阵，再对接收端线阵拓扑矩阵进行改写，生成接收端的线阵拓扑非均匀码本。

更为具体地，把N个不同入射角度对应的导向矢量写在一个矩阵中，如下所示：

其中，F为根据导向矢量拓展得到的矩阵(也就是改进型码本)，该矩阵的第一列为第一个入射角度对应的导向矢量，第二列为第二个入射角对应的导向矢量，以此类推，最后一列为第N个入射角度对应的导向矢量，进而就得到了基于天线分布参数的矩阵。

对接收端线阵拓扑矩阵进行改写包括：

令

M为生成的波束个数，改写后的接收端的改进型码本即为：

其中，m∈{0,1,...,(M-1)},n∈{0,1,...,(N_r-1)}。

当生成发送端的线阵拓扑非均匀码本时，将不同方位角对应的发送端线阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成发送端线阵拓扑矩阵，再对发送端线阵拓扑矩阵进行改写，生成发送端的线阵拓扑非均匀码本。

同理，当生成发送端的线阵拓扑非均匀码本时，把N个不同入射角度对应的导向矢量写在一个矩阵中，如下所示：

其中，该矩阵的第一列为第一个入射角度对应的导向矢量，第二列为第二个入射角对应的导向矢量，以此类推，最后一列为第N个入射角度对应的导向矢量，进而就得到了基于天线分布参数的矩阵。

对发送端线阵拓扑矩阵进行改写包括：

令

其中，p∈{0,1,...,(N-1)}，改写后的发送端的改进型码本即为：

在一个实施例中，令x′_i＝x_id，当N_t＝M＝16时，最小阵元间距设置为λ/2，那么有

通过这些数据生成16×16的矩阵，此处由于数据量大，截取其中的部分分别为2×2(前两行前两列)矩阵和 4×4(前四行前四列)矩阵，具体表述如下：

另外，当分布类型为面阵拓扑时，发送端的面阵拓扑导向矢量为：

其中，阵元位置表示为

其中，变量

表示所有阵元在平面直角坐标系中的位置系数矢量，

x_i和y_j都为整数，同样的，不失一般性，令d＝1；

和

分别表示发送端在水平方向x轴与垂直方向y轴上的天线数量，且

同理，接收端的面阵拓扑导向矢量为：

那么，基于面阵拓扑导向矢量生成面阵拓扑非均匀码本包括：

将不同波达角对应的面阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成面阵拓扑矩阵；其中，波达角由俯仰角和方位角组成；对面阵拓扑矩阵进行改写和分解，生成面阵拓扑矩阵的水平维码本和垂直维码本；将水平维码本和垂直维码本进行克罗内克积运算，得到面阵拓扑非均匀码本。

在本发明实施例中，将不同波达角对应的面阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成面阵拓扑矩阵即可得出：

其中，当接收端时N＝N_r，发送端时N＝N_t。

令

则水平维码本为：

其中，F_x为水平维码本，N_x为面阵拓扑中水平方向x轴上的天线数量，x_i为面阵拓扑中第(i+1)个天线在x轴上的位置系数，i∈{0,1,...,(N_x-1)}， m_x∈{0,1,...,(M_x-1)}、n_x∈{0,1,...,(N_x-1)}，M_x为x轴生成的波束个数。

令

则垂直维码本为：

其中，F_y为垂直维码本，N_y为面阵拓扑中垂直方向y轴上的天线数量，y_l为面阵拓扑中第(l+1)个天线在y轴上的位置系数，l∈{0,1,...,(N_y-1)}， m_y∈{0,1,...,(M_y-1)}、n_y∈{0,1,...,(N_y-1)}，M_y为y轴生成的波束个数。

紧接着，将水平维码本与垂直维码本进行Kronecker乘积运算，可得到面阵的改进型码本，即：

作为一种有选的实施例，当为面阵拓扑时，N＝M＝16，x轴上排布的阵元数目为4，y轴上排布的阵元数目也为4，此时N_x＝M_x＝4,N_y＝M_y＝4，且 x′₀＝-1/110，x′₁＝-0.4472/110，x′₂＝0.4472/110，x′₃＝1/110；y′₀＝-1/110， y′₁＝-0.4472/110，y′₂＝0.4472/110，y′₃＝1/110。进而为了方便理解，同样得出其对应矩阵的部分(前两行前两列和前四行前四列)，得到的水平维码本分别为：

垂直维码本分别为：

将2×2和4×4矩阵时的水平维码本与垂直维码本分别进行Kronecker乘积即得到最终2×2和4×4矩阵时的面阵改进型码本。

在另一个实施例中，当K＝5时，可将25个天线阵元分成数量大致相同的5 组，这5个小组的中心遵循Fekete点分布。线阵拓扑为1×5×5个(5组，每组5 个)，如图5所示。当N＝M＝25时，有x′₀＝-1-λ，

x′₂＝-1，

x′₄＝-1+λ；x′₅＝-0.6547-λ，…；x′₁₀＝0-λ，…；x′₁₅＝0.6547-λ，…； x′₂₀＝1-λ，…，x′₂₄＝1+λ。此时，2×2和4×4矩阵对应的码本分别为：

当为面阵拓扑时，其分布图如图6所示。K＝5时各组对应的阵元位置均除以69，使得最小阵元间距满足λ/2；当N＝M＝25时，x轴上排布的阵元数目为5，y轴上排布的阵元数目也为5，此时N_x＝M_x＝5,N_y＝M_y＝5，且x′₀＝-1/69， x′₁＝-0.6547/69，x′₂＝0/69，x′₃＝0.6547/69，x′₄＝1/69；y′₀＝-1/69， y′₁＝-0.6547/69，y′₂＝0/69，y′₃＝0.6547/69，y′₄＝1/69。此时，2×2和4×4矩阵对应的水平维码本分别为：

2×2和4×4矩阵对应的垂直维码本分别为：

将2×2和4×4矩阵时的水平维码本与垂直维码本分别进行Kronecker乘积，即得到最终2×2和4×4矩阵时的面阵改进型码本。

当K＝6时，可将36个天线阵元分成数量大致相同的6组，这6个小组的中心遵循Fekete点分布。线阵拓扑为1×6×6个(6组，每组6个)，如图7所示。当N＝M＝36时，有

此时，2×2和4×4矩阵对应的码本分别为：

当为面阵拓扑时，其分布图如图8所示。K＝6时各组对应的阵元位置均除以47，使得最小阵元间距满足λ/2；当N＝M＝36时，x轴上排布的阵元数目为 6，y轴上排布的阵元数目也为6，此时N_x＝M_x＝6,N_y＝M_y＝6，且x′₀＝-1/47， x′₁＝-0.7651/47，x′₂＝-0.2852/47，x′₃＝0.2852/47，x′₄＝0.7651/47，x′₅＝1/47；y′₀＝-1/47，y′₁＝-0.7651/47，y′₂＝-0.2852/47，y′₃＝0.2852/47，y′₄＝0.7651/47， y′₅＝1/47。此时，2×2和4×4矩阵对应的水平维码本分别为：

2×2和4×4矩阵对应的垂直维码本分别为：

将2×2和4×4矩阵时的水平维码本与垂直维码本分别进行Kronecker乘积，即得到最终2×2和4×4矩阵时的面阵改进型码本。

当K＝7时，可将49个天线阵元分成数量大致相同的7组，这7个小组的中心遵循Fekete点分布。线阵拓扑为1×7×7个(7组，每组7个)，如图9所示，当N＝M＝49时，有

当为面阵拓扑时，其分布图如图10所示，K＝7时各组对应的阵元位置均除以34，使得最小阵元间距满足λ/2；当N＝M＝49时，x轴上排布的阵元数目为 7，y轴上排布的阵元数目也为7，此时N_x＝M_x＝7,N_y＝M_y＝7，且x′₀＝-1/34， x′₁＝-0.8302/34，x′₂＝-0.4688/34，x′₃＝0/34，x′₄＝0.4688/34，x′₅＝0.8302/34， x′₆＝1/34；y′₀＝-1/34，y′₁＝-0.8302/34，y′₂＝-0.4688/34，y′₃＝0/34， y′₄＝0.4688/34，y′₅＝0.8302/34，y′₆＝1/34。

当K＝8时，可将64个天线阵元分成数量大致相同的8组，这8个小组的中心遵循Fekete点分布。线阵拓扑为1×8×8个(8组，每组8个)，如图11所示。当N＝M＝64时，有

当为面阵拓扑时，其分布图如图12所示，K＝8时各组对应的阵元位置均除以26，使得最小阵元间距满足λ/2；当N＝M＝64时，x轴上排布的阵元数目为 8，y轴上排布的阵元数目也为8，此时N_x＝M_x＝8,N_y＝M_y＝8，且x′₀＝-1/26， x′₁＝-0.8717/26，x′₂＝-0.5917/26，x′₃＝-0.2093/26，x′₄＝0.2093/26， x′₅＝0.5917/26，x′₆＝0.8717/26，x′₇＝1/26；y′₀＝-1/26，y′₁＝-0.8717/26， y′₂＝-0.5917/26，y′₃＝-0.2093/26，y′₄＝0.2093/26，y′₅＝0.5917/26， y′₆＝0.8717/26，y′₇＝1/26。

当K＝9时，可将81个天线阵元分成数量大致相同的9组，这9个小组的中心遵循Fekete点分布，线阵拓扑为1×9×9个(9组，每组9个)，如图13所示。当N＝M＝81时，有x′₀＝-1-2λ，

x′₂＝-1-λ，

x′₄＝-1，

x′₆＝-1+λ，

x′₈＝-1+2λ；x′₉＝-0.8998-2λ，…； x′₁₈＝-0.6772-2λ，…；x′₂₇＝-0.3631-2λ，…；x′₃₆＝0-2λ，…； x′₄₅＝0.3631-2λ，…；x′₅₄＝0.6772-2λ，…；x′₆₃＝0.8998-2λ，…；x′₇₂＝1-2λ，…， x′₈₀＝1+2λ。

当为面阵拓扑时，其分布图如图14所示，K＝9时各组对应的阵元位置均除以20，使得最小阵元间距满足λ/2；当N＝M＝81时，x轴上排布的阵元数目为 9，y轴上排布的阵元数目也为9，此时N_x＝M_x＝9,N_y＝M_y＝9，且x′₀＝-1/20， x′₁＝-0.8998/20，x′₂＝-0.6772/20，x′₃＝-0.3631/20，x′₄＝0/20，x′₅＝0.3631/20， x′₆＝0.6772/20，x′₇＝0.8998/20，x′₈＝1/20；y′₀＝-1/20，y′₁＝-0.8998/20， y′₂＝-0.6772/20，y′₃＝-0.3631/20，y′₄＝0/20，y′₅＝0.3631/20，y′₆＝0.6772/20， y′₇＝0.8998/20，y′₈＝1/20。

当K＝10时，可将100个天线阵元分成数量大致相同的10组，这10个小组的中心遵循Fekete点分布。线阵拓扑为1×10×10个(10组，每组10个)，如图 15所示。当N＝M＝100时，有

当为面阵拓扑时，其分布图如图16所示，K＝10时各组对应的阵元位置均除以16，使得最小阵元间距满足λ/2。当N＝M＝100时，x轴上排布的阵元数目为10，y轴上排布的阵元数目也为10，此时N_x＝M_x＝10,N_y＝M_y＝10，且 x′₀＝-1/16，x′₁＝-0.9195/16，x′₂＝-0.7388/16，x′₃＝-0.4779/16，x′₄＝-0.1653/16， x′₅＝0.1653/16，x′₆＝0.4779/16，x′₇＝0.7388/16，x′₈＝0.9195/16，x′₉＝1/16； y′₀＝-1/16，y′₁＝-0.9195/16，y′₂＝-0.7388/16，y′₃＝-0.4779/16，y′₄＝-0.1653/16， y′₅＝0.1653/16，y′₆＝0.4779/16，y′₇＝0.7388/16，y′₈＝0.9195/16，y′₉＝1/16。

根据上述方案设计不同类型的改进型码本之后，分别将这些码本集合共存于发送端和接收端，各接收端根据其对应的信道状态信息(Channel State Information，CSI)，选择使接收端获得最大系统容量的预编码矩阵(这里采用分层搜索方法进行码本搜索，并结合最大化系统容量这一选码准则进行最优选取)，然后将最优预编码矩阵对应的索引(Precoding Matrix Index，PMI)反馈给发送端，发送端根据接收到的反馈信息恢复出对应的预编码矩阵，进而实现对各用户发送数据时进行的预编码处理。

本发明通过Matlab仿真来验证了所述改进型码本方案的有效性。采用几何的Saleh-Valenzuela窄带群簇信道模型，设定信道群簇数为2，每一簇内的子径数为1，到达角和离开角服从[0,2π]上的均匀分布。基站端配备16根发送天线，移动台侧共有4个用户，每个用户终端配备4根接收天线，射频链数与数据流数均为4，信号调制为QPSK，仿真次数为100000次。

图17表示ULA、UPA的DFT码本分层搜索及改进型码本分层搜索方案所实现的频谱效率随着信噪比的变化情况。从图中可以看出，在搜索的码本数相同情况下，本发明设计的改进型码本分层搜索方案的性能优于传统的DFT码本分层搜索方案，其中天线排列方式为ULA的改进型码本分层搜索方案对应的频谱效率更高。

图18表示NULA、NUPA的DFT码本分层搜索及改进型码本分层搜索方案所实现的频谱效率随着信噪比的变化情况。其中，“F点”指的是非均匀Fekete 点分布。从图中可以看出，在搜索的码本数相同情况下，本发明设计的改进型码本分层搜索方案的性能优于传统的DFT码本分层搜索方案，其中天线排列方式为NULA的改进型码本分层搜索方案对应的频谱效率更高。

改进型码本的设计目标为在相同反馈开销(与传统DFT码本的码本数相同，因此反馈的比特数也相同)以及信噪比一定的情况下，相对传统的DFT码本在均匀线性阵列时其频谱效率性能约有8bit/s/Hz提升，在均匀平面阵列时其频谱效率性能约有11bit/s/Hz提升，在非均匀线性阵列时其频谱效率性能约有21bit/s/Hz 提升，在非均匀平面阵列时其频谱效率性能约有22bit/s/Hz提升，以此来获得更高的性能增益。在搜索的码本数相同情况下，本发明的改进型码本分层搜索方案的性能优于传统的DFT码本分层搜索方案，能获得较高的频谱效率。

针对天线部署方式为非均匀Fekete点分布时，效果优于传统均匀阵列。那么当码本基于非均匀Fekete点拓扑结构设计时，根据Matlab仿真结果显示：此结构设计的码本要优于传统均匀阵列设计的码本。

此外，当系统配置均匀天线阵列和非均匀天线阵列时，由仿真结果进一步得出所提的改进型码本均具有优良的性能，能够有效提高系统的频谱效率，其中当系统配置非均匀天线阵列时所提的改进型码本具有的性能最突出，综上可得出本发明设计的改进型码本是一种适用广泛的高效码本设计方案。

本发明还公开了一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计装置，应用于非均匀线性/平面分布的天线阵列，如图19所示，包括：获取模块210，用于获取天线阵列中天线阵元的分布类型和分布参数；其中，分布类型包括线阵拓扑和面阵拓扑；第一生成模块220，用于根据分布类型及其分布参数生成线阵拓扑导向矢量或面阵拓扑导向矢量；第二生成模块230，用于基于线阵拓扑导向矢量生成线阵拓扑非均匀码本，或，基于面阵拓扑导向矢量生成面阵拓扑非均匀码本。

需要说明的是，上述装置的模块之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本申请方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明还公开了一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计方法。

所述装置可以是桌上小型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。该装置可包括但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，该装置可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如还可以包括输入输出设备、网络接入设备等。

所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器在一些实施例中可以是所述装置的内部存储单元，例如装置的硬盘或内存。所述存储器在另一些实施例中也可以是所述装置的外部存储设备，例如所述装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述装置的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(BootLoader)、数据以及其他程序等，例如所述计算机程序的程序代码等。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

Claims (4)

1.一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计方法，其特征在于，应用于非均匀线性/平面分布的天线阵列，包括以下步骤：

获取所述天线阵列中天线阵元的分布类型和分布参数；其中，所述分布类型包括线阵拓扑或面阵拓扑；

根据所述分布类型及其分布参数生成线阵拓扑导向矢量或面阵拓扑导向矢量；

基于所述线阵拓扑导向矢量生成线阵拓扑非均匀码本，或，基于所述面阵拓扑导向矢量生成面阵拓扑非均匀码本；

所述线阵拓扑导向矢量包括接收端线阵拓扑导向矢量和发送端线阵拓扑导向矢量；

所述接收端线阵拓扑导向矢量为：

其中，a_r(N_r,θ_p)为接收端线阵拓扑导向矢量，N_r为接收端的天线数，θ_p为第p条路径上的俯仰角，j为虚数符号，k为波数，

为线阵拓扑中第N_r个天线在x轴上的位置系数，d为天线间距基数；

所述发送端线阵拓扑导向矢量为：

其中，a_t(N_t,φ_p)为发送端线阵拓扑导向矢量，N_t为发送端的天线数，φ_p为第p条路径上的方位角；

基于所述线阵拓扑导向矢量生成线阵拓扑非均匀码本包括：

当生成接收端的线阵拓扑非均匀码本时，将不同俯仰角对应的接收端线阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成接收端线阵拓扑矩阵，再对所述接收端线阵拓扑矩阵进行改写，生成接收端的线阵拓扑非均匀码本；

当生成发送端的线阵拓扑非均匀码本时，将不同方位角对应的发送端线阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成发送端线阵拓扑矩阵，再对所述发送端线阵拓扑矩阵进行改写，生成发送端的线阵拓扑非均匀码本；

基于所述面阵拓扑导向矢量生成面阵拓扑非均匀码本包括：

将不同波达角对应的面阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成面阵拓扑矩阵；其中，所述波达角由俯仰角和方位角组成；

对所述面阵拓扑矩阵进行改写和分解，生成面阵拓扑矩阵的水平维码本和垂直维码本；

将所述水平维码本和垂直维码本进行克罗内克积运算，得到面阵拓扑非均匀码本；

所述水平维码本为：

其中，F_x为所述水平维码本，N_x为所述面阵拓扑中水平方向x轴上的天线数量，x_i为面阵拓扑中第(i+1)个天线在x轴上的位置系数，i∈{0,1,...,(N_x-1)}，m_x∈{0,1,...(M_x-1)}、n_x∈{0,1,...,(N_x-1)}，M_x为x轴生成的波束个数；

所述垂直维码本为：

其中，F_y为所述垂直维码本，N_y为所述面阵拓扑中垂直方向y轴上的天线数量，y_l为面阵拓扑中第(l+1)个天线在y轴上的位置系数，l∈{0,1,...,(N_y-1)}，m_y∈{0,1,...,(M_y-1)}、n_y∈{0,1,...,(N_y-1)}，M_y为y轴生成的波束个数。

2.如权利要求1所述的一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计方法，其特征在于，当对所述接收端线阵拓扑矩阵进行改写时包括：

令，

其中，p∈{0,1,...,(N-1)}，N为N_r，M为波束个数；

当对所述发送端线阵拓扑矩阵进行改写时包括：

令，

其中，N为N_t。

3.一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计装置，其特征在于，应用于非均匀线性/平面分布的天线阵列，包括：

获取模块，用于获取所述天线阵列中天线阵元的分布类型和分布参数；其中，所述分布类型包括线阵拓扑或面阵拓扑；

第一生成模块，用于根据所述分布类型及其分布参数生成线阵拓扑导向矢量或面阵拓扑导向矢量；

第二生成模块，用于基于所述线阵拓扑导向矢量生成线阵拓扑非均匀码本，或，基于所述面阵拓扑导向矢量生成面阵拓扑非均匀码本；

所述线阵拓扑导向矢量包括接收端线阵拓扑导向矢量和发送端线阵拓扑导向矢量；

所述接收端线阵拓扑导向矢量为：

其中，a_r(N_r,θ_p)为接收端线阵拓扑导向矢量，N_r为接收端的天线数，θ_p为第p条路径上的俯仰角，j为虚数符号，k为波数，

为线阵拓扑中第N_r个天线在x轴上的位置系数，d为天线间距基数；

所述发送端线阵拓扑导向矢量为：

其中，a_t(N_t,φ_p)为发送端线阵拓扑导向矢量，N_t为发送端的天线数，φ_p为第p条路径上的方位角；

基于所述线阵拓扑导向矢量生成线阵拓扑非均匀码本包括：

当生成接收端的线阵拓扑非均匀码本时，将不同俯仰角对应的接收端线阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成接收端线阵拓扑矩阵，再对所述接收端线阵拓扑矩阵进行改写，生成接收端的线阵拓扑非均匀码本；

当生成发送端的线阵拓扑非均匀码本时，将不同方位角对应的发送端线阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成发送端线阵拓扑矩阵，再对所述发送端线阵拓扑矩阵进行改写，生成发送端的线阵拓扑非均匀码本；

基于所述面阵拓扑导向矢量生成面阵拓扑非均匀码本包括：

将不同波达角对应的面阵拓扑导向矢量作为矩阵中不同的列组成面阵拓扑矩阵；其中，所述波达角由俯仰角和方位角组成；

对所述面阵拓扑矩阵进行改写和分解，生成面阵拓扑矩阵的水平维码本和垂直维码本；

将所述水平维码本和垂直维码本进行克罗内克积运算，得到面阵拓扑非均匀码本；

所述水平维码本为：

其中，F_x为所述水平维码本，N_x为所述面阵拓扑中水平方向x轴上的天线数量，x_i为面阵拓扑中第(i+1)个天线在x轴上的位置系数，i∈{0,1,...,(N_x-1)}，m_x∈{0,1,...(M_x-1)}、n_x∈{0,1,...,(N_x-1)}，M_x为x轴生成的波束个数；

所述垂直维码本为：

其中，F_y为所述垂直维码本，N_y为所述面阵拓扑中垂直方向y轴上的天线数量，y_l为面阵拓扑中第(l+1)个天线在y轴上的位置系数，l∈{0,1,...,(N_y-1)}，m_y∈{0,1,...,(M_y-1)}、n_y∈{0,1,...,(N_y-1)}，M_y为y轴生成的波束个数。

4.一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-2任一项所述的一种适用于非均匀线/面阵MIMO系统的改进型码本设计方法。

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