CN101867463B - 一种基于码本方式的预编码方法和码本构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于码本方式的预编码方法和码本构建方法，应用于两发射天线的多输入多输出系统中，所述预编码方法包括：构建出V矩阵的码本，其中，当秩为1时，码本中至少包括：

及

当秩为2时码本中至少包括：

及

将该码本配置在发射端和接收端后，执行如下：接收端根据信道矩阵得到发射端的预编码矩阵V；接收端从配置在其上的码本中找到与预编码矩阵V最接近的码本矩阵，并将该码本矩阵的序号发送给发射端；发射端根据接收到的码本矩阵的序号，从配置在发射端上的码本中得到对应的码本矩阵，然后用对应的码本矩阵作为预编码矩阵对数据流进行预编码。采用本发明，可以在开销不大的情况下使得两个发射天线系统得到较好的性能。

Description

一种基于码本方式的预编码方法和码本构建方法

技术领域

本发明涉及一种多输入多输出(MIMO)无线移动通信系统，尤其涉及一种基于码本方式的预编码方法和码本构建方法。

背景技术

多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)系统由于能有效提高信道容量而成为LTE(Long Term Evolution，第三代移动通讯长期演进系统)研究中一项倍受人们关注的技术。使用预编码技术进行多数据流与天线之间的复用能够更加有效的利用现有信道资源，通过对数据流的功率分配能够提高系统容量，并能够减小数据流之间的干扰，提高系统的整体性能。因此预编码技术也成为新的研究热点。

在本部分将介绍预编码的基本理论方法及实现方式，这种方法的基本思想是接收端通过信道估计得到信道矩阵，对该信道矩阵进行奇异值分解(SVD)后得到发送端和接收端所使用的预编码矩阵V和U。当发射天线使用V矩阵的第i个列向量作为其权值发送数据流，而接收天线使用U矩阵的第i个列向量作为其权值时(i＝1，2，…s)接收数据流时，该数据流就在且仅在第i个空间子信道中传输。发送端能够得到V矩阵的具体元素值的情况，称为理想预编码方法，即基于非码本方式的预编码方法。基于码本方式的引出是由于需要将V矩阵的元素值反馈给发射端，但反馈空间不足以传输V矩阵中所有元素的信息，所以需要通过构建码本来简化反馈信息，通过反馈与V矩阵近似的码本来进行预编码。

现有技术中，对于基于码本方式的预编码方案的系统实现，如图1和图2所示。接收端通过SVD分解计算，在预编码权值码本中寻找到最接近的一个码本，将此码本的序号反馈给发射端，发射端将信源产生的信息经过编码、交织、调制后，结合接收到的码本序号重建出码本，对信息进行加权后，经OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)调制后，发送到接收端；接收端收到后，对其进行OFDMA解调、检测、解调、解交织、信道译码后还原出该信息。

发明内容

本发明提供了一种基于码本方式的预编码方法和码本构建方法，以解决两个发射天线的系统的预编码问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种基于码本方式的预编码方法，应用于两个发射天线的多输入多输出系统中，构建出V矩阵的码本，其中，当秩为1时，所述码本中至少包括以下码本矩阵：

及

当秩为2时所述码本中至少包括以下码本矩阵：

及将该码本配置在发射端和接收端后，执行如下：

a、所述接收端根据信道矩阵得到所述发射端的预编码矩阵V；

b、所述接收端从配置在其上的码本中找到与所述预编码矩阵V最接近的码本矩阵，并将该码本矩阵的序号发送给所述发射端；

c、所述发射端根据接收到的所述码本矩阵的序号，从配置在所述发射端上的码本中得到对应的码本矩阵，然后用所述对应的码本矩阵作为预编码矩阵对数据流进行预编码。

进一步地，上述方法还可具有以下特征：

步骤b中，所述接收端从配置在所述接收端上的码本中找到与所述预编码矩阵V最接近的码本矩阵的步骤，具体包括：

b1、根据

求出θ_k和φ_k；

b2、分别找出与所述θ_k和φ_k最接近的量化的角度值θ′_k和φ′_k，从配置在所述接收端上的码本中找到与所述θ′_k和φ′_k对应的码本矩阵。

进一步地，上述码本的构建方法包括：

将θ_k划分为i个等级的量化的角度值，将φ_k划分为j个等级的量化的角度值；

将量化后的角度值分别代入

求出矩阵，并将该矩阵除以待发送的数据流数目N的开方后，取出该矩阵的前N列，得到码本。

进一步地，上述方法还可具有以下特征：

所述φ_k以π/2为量级进行划分，所述φ_k相位起始点任意；所述θ_k量化后的取值为：{π/4 π/4+π/2 π/4+π π/4+3π/2}。

进一步地，上述方法还可具有以下特征：

所述φ_k的取值为：{0π/2π3π/2}。

进一步地，上述方法还可具有以下特征：

当N＝2时，码本中码本矩阵的个数为16；当N＝1时，码本中码本矩阵的个数为8。

本发明还提供了一种码本的构建方法，应用于两个发射天线的多输入多输出系统中，包括以下步骤：

将θ_k和φ_k分别划分为i、j个等级的量化的角度值；

将量化后的角度值分别代入

求出矩阵，并将该矩阵除以待发送的数据流数目N的开方后，取出该矩阵的前N列，得到码本；其中，当秩为1时，所述码本中至少包括码本矩阵

及当秩为2时所述码本中至少包括码本矩阵

及

进一步地，上述方法还可具有以下特征：

所述φ_k以π/2为量级进行划分，所述φ_k相位起始点任意；所述θ_k量化后的取值为：{π/4 π/4+π/2 π/4+π π/4+3π/2}。

进一步地，上述方法还可具有以下特征：

所述φ_k的取值为：{0π/2π3π/2}。

进一步地，上述方法还可具有以下特征：

当N＝2时，码本中码本矩阵的个数为16；当N＝1时，码本中码本矩阵的个数为8。

采用本发明，可以在开销不大的情况下使得两个发射天线系统得到较好的性能。而且本方案不仅适用于OFDMA系统，同样也适用于其它方案的系统。

附图说明

图1为现有技术中基于码本方式的预编码方案的发射天线流程框图；

图2为现有技术中基于码本方式的预编码方案的接收天线流程框图；

图3为本发明实施例中预编码方法的流程图。

具体实施方式

基于码本方式的预编码是在使用非码本方式预编码的基础上，对于V矩阵选择最接近的码本进行对应。

码本构建的方法如下所示。

对于两个发射天线的情况，由于V矩阵是酉矩阵，2×2的V矩阵有着自身的特性，根据其性质可以将V矩阵表达为：

$V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)\end{array}\right]$

其中，φ_k用于表征V矩阵的相位值，其相位起始点任意。可以以π/2为量级对其进行划分，需要2比特的反馈空间资源。推荐的4个相位为：{0π/2π3π/2}；

θ_k为用于表征幅度值量化的角度。为了进一步减小反馈开销，所以不对幅度进行量化，仅使所有元素的幅度都相等，只利用各元素的相位φ_k构造码本，所以θ_k只能取以下4个值：

{π/4 π/4+π/2 π/4+π π/4+3π/2}。

本发明所提出的码本的构建方法，包括以下步骤：

对θ_k和φ_k进行量化后，将各量化的角度值带入到

中，求出各量化值对应的矩阵。根据待发送的数据流的数目N(对于两个发射天线系统来说，N＝1或2)，当N＝1时，取出这16个矩阵中每一个矩阵的第一列作为码本，但由于在这16个矩阵中，对于每一个矩阵的第一列来说，都存在一个其他的矩阵跟它的第一列相等，因此，对于Rank1情况(即N＝1的情况)，该码本中的码本矩阵的个数为8，如表1所示；当N＝2时，将16个矩阵除以N的开方，得到Rank2情况下V矩阵的16个码本矩阵，如表2所示，并将其分别配置到发送端和接收端。

表1  Rank1方式下V矩阵的码本

表2  Rank2方式下V矩阵的码本

其中，Rank1方式指的是信道矩阵的秩为1，仅有1个层可以使用，且发射天线只发送一个数据流；而Rank2方式指的是信道矩阵的秩为2，有2个层可以使用，发射天线可以同时发送2个数据流。码本矩阵前的系数(Rank1方式为

Rank2方式为

)的作用是使得发射功率归一化，不会因为使用码本加权而增大发射功率。

码本构建完成后，采用该码本进行预编码的方法，包括以下步骤：

第一步：接收端根据信道估计得到信道矩阵H，对其进行SVD分解后，得到发射端的预编码矩阵V和接收端的预编码矩阵U；

第二步：从配置在其上的码本中找到与V矩阵最接近的码本矩阵，并把该码本矩阵的序号反馈给发射端；查找最接近的码本矩阵的步骤具体包括：

(1)根据公式对V矩阵进行分解，求出其中的θ_k和φ_k；

(2)找出与求得的θ_k和φ_k最接近的量化的角度值，得到与该量化的角度值相对应的码本矩阵，该码本矩阵即为与V矩阵最为接近的码本矩阵；

第三步：发射端根据接收到的序号从配置在其上的码本中得到相对应的预编码矩阵，使用这个矩阵按照现有技术对数据流进行预编码。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

Claims (9)

1.一种基于码本方式的预编码方法，应用于两个发射天线的多输入多输出系统中，构建出V矩阵的码本，其中，当秩为1时，所述码本中至少包括以下码本矩阵： $\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right],\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ -1\end{array}\right],\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ j\end{array}\right]$ 及 $\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ -j\end{array}\right];$ 当秩为2时所述码本中至少包括以下码本矩阵： $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$ 及 $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ i& -i\end{array}\right];$ 将该码本配置在发射端和接收端后，执行如下：

a、所述接收端根据信道矩阵得到所述发射端的预编码矩阵V；

b、所述接收端从配置在其上的码本中找到与所述预编码矩阵V最接近的码本矩阵，并将该码本矩阵的序号发送给所述发射端；

c、所述发射端根据接收到的所述码本矩阵的序号，从配置在所述发射端上的码本中得到对应的码本矩阵，然后用所述对应的码本矩阵作为预编码矩阵对数据流进行预编码；

其中，所述码本的构建，包括：

将θ_k划分为i个等级的量化的角度值，将φ_k划分为j个等级的量化的角度值；φ_k用于表征V矩阵的相位值，其相位起始点任意，θ_k为用于表征幅度值量化的角度；

将量化后的角度值分别代入 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 求出矩阵，并将该矩阵除以待发送的数据流数目N的开方后，取出该矩阵的前N列，得到码本。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中，所述接收端从配置在所述接收端上的码本中找到与所述预编码矩阵V最接近的码本矩阵的步骤，具体包括：

b1、根据 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 求出θ_k和φ_k；

b2、分别找出与所述θ_k和φ_k最接近的量化的角度值θ′_k和φ′_k，从配置在所述接收端上的码本中找到与所述θ′_k和φ′_k对应的码本矩阵。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述φ_k以π/2为量级进行划分，所述φ_k相位起始点任意；所述θ_k量化后的取值为：{π/4π/4+π/2π/4+ππ/4+3π/2}。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述φ_k的取值为：{0π/2π3π/2}。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当N＝2时，码本中码本矩阵的个数为16；当N＝1时，码本中码本矩阵的个数为8。

6.一种码本的构建方法，应用于两个发射天线的多输入多输出系统中，其特征在于，包括以下步骤：

将θ_k和φ_k分别划分为i、j个等级的量化的角度值；其中，φ_k用于表征V矩阵的相位值，其相位起始点任意，θ_k为用于表征幅度值量化的角度；

将量化后的角度值分别代入 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 求出矩阵，并将该矩阵除以待发送的数据流数目N的开方后，取出该矩阵的前N列，得到码本；其中，当秩为1时，所述码本中至少包括码本矩阵 $\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right],\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ -1\end{array}\right],$ $\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ j\end{array}\right]$ 及 $\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ -j\end{array}\right],$ 当秩为2时所述码本中至少包括码本矩阵 $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$ 及 $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ i& -i\end{array}\right].$

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述φ_k以π/2为量级进行划分，所述φ_k相位起始点任意；所述θ_k量化后的取值为：{π/4π/4+π/2π/4+ππ/4+3π/2}。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述φ_k的取值为：{0π/2π3π/2}。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当N＝2时，码本中码本矩阵的个数为16；当N＝1时，码本中码本矩阵的个数为8。

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