CN101394216B - 一种基于码本方式的预编码方法和码本构建方法 - Google Patents

Abstract

一种码本的构建方法，应用于2发射天线的多输入多输出***中，包括：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数据流数目N的开方后，取出该矩阵的前N列，得到码本。基于上述码本方式的预编码方法，在将上述码本配置在发射端和接收端后，执行：接收端对信道估计得到的信道矩阵进行奇异值分解后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V矩阵最接近的码本矩阵，并将其序号发送给发射端；发射端根据接收到的码本矩阵的序号，从配置在其上的码本中得到预编码矩阵后，用其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2发射天线***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***，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)***由于能有效提高信道容量而成为LTE(第三代移动通讯长期演进***)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***容量，并能够减小数据流之间的干扰，提高***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***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(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2发射天线的***的预编码问题。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供了一种基于码本方式的预编码方法，应用于2发射天线的多输入多输出***中，对θ_k和φ_k进行量化并根据 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 构建出V矩阵的码本，并将该码本配置在发射端和接收端后，执行以下步骤：

a、接收端根据信道矩阵得到发射端的预编码矩阵V；

b、接收端从配置在其上的码本中找到与V矩阵最接近的码本矩阵，并将该码本矩阵的序号发送给发射端；

c、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预编码矩阵后，用预编码矩阵对数据流进行预编码。

进一步地，步骤b中，接收端从配置在接收端上的码本中找到与V矩阵最接近的码本矩阵的步骤，具体包括：

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

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

进一步地，码本的构建方法，包括：

m、将θ_k和φ_k分别划分为i、p个等级的量化的角度值；

n、将量化后的角度值分别代入 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 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。

进一步地，φ_k以π/2为量级进行划分，φ_k相位起始点任意；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，φ_k的取值为：{0 π/2 π 3π/2}。

进一步地，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2发射天线的多输入多输出***中，包括以下步骤：

A、将θ_k和φ_k分别划分为i、p个等级的量化的角度值；

B、将量化后的角度值分别代入 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 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。

进一步地，φ_k以π/2为量级进行划分，φ_k相位起始点任意；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，φ_k的取值为：{0 π/2 π 3π/2}。

进一步地，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2发射天线***得到较好的性能。而且本方案不仅适用于OFDMA***，同样也适用于其它方案的***。

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

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

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2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：

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

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：

{0 π/2 π 3π/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，所以不对隔度进行量化，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 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 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2发射天线***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Rankl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2Rank2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将该序号反馈给发射端；查找最接近的码本矩阵的步骤具体包括：

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

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于码本方式的预编码方法，应用于2发射天线的多输入多输出***中，其特征在于，对θ_k和φ_k进行量化并根据 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 构建出码本，其中，θ_k为用于表征幅度值量化的角度，φ_k用于表征V矩阵的相位值，所述j为虚数单位，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；

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预编码矩阵后，用所述预编码矩阵对数据流进行预编码；

所述码本的构建方法，包括：

m、将θ_k和φ_k分别划分为i、p个等级的量化的角度值；

n、将量化后的角度值分别代入 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 求出各量化值对应的矩阵，并将各矩阵除以待发送的数据流数目N的开方后，取出各矩阵的前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V矩阵最接近的码本矩阵的步骤，具体包括：

b1、根据 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 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/4 π/4+π/2 π/4+π π/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：{0 π/2 π 3π/2}。

5.如权利要求3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2发射天线的多输入多输出***中，其特征在于，包括以下步骤：

A、将θ_k和φ_k分别划分为i、p个等级的量化的角度值，其中，θ_k为用于表征幅度值量化的角度，φ_k用于表征V矩阵的相位值；

B、将量化后的角度值分别代入 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 求出各量化值对应的矩阵，并将各矩阵除以待发送的数据流数目N的开方后，取出各矩阵的前N列，得到码本，其中，j为虚数单位。

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/4 π/4+π/2 π/4+π π/4+3π/2}。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述φ_k的取值为：{0 π/2 π 3π/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。

Images