CN101969366B - 用于8发射天线mimo***的预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于8发射天线MIMO***的预编码方法，该方法采用双码本，双码本通过选择性的继承LTE的部分码字，然后进行一定的扩充确定。本发明应用该双码本进行预编码，减小了***反馈开销，并获得良好的性能增益，适用于在多用户-多输入多输出(MU-MIMO)***。

Description

用于8发射天线MIMO***的预编码方法

技术领域

本发明涉及多输入多输出(MIMO)通信技术领域，特别是涉及一种用于8发射天线MIMO***的预编码方法。 

背景技术

在闭环MIMO传输中，接收端向发射端反馈信道状态信息，发射端在发射数据前基于反馈信息进行预编码处理，可以有效提升***性能。 

在长期演进(Long Term Evolution，LTE)闭环方式的空分复用中，采用线性预编码技术，即在发射端利用已知的空间信道信息进行预编码处理，从而提高***和用户的吞吐量。线性预编码操作可以表述为： 

y＝HWx+n                                (1) 

y是接收端接收向量，x是发送端发送向量，H为空间信道矩阵，n为噪声向量，W是预编码矩阵，预编码矩阵索引(Precoding Matrix Indicator，PMI)表示选择的预编码矩阵W在对应码本中的索引。 

在LTE-A R10中，提升多用户多入多出MU-MIMO的性能增益并保证低反馈开销是一个重要目标。于是提出了双码本的形式：W＝W₁W₂或者W＝W₂W₁，其中矩阵W₁反映长期信道信息，矩阵W₂反映瞬时的频率选择性特征，W₁和W₂分别从两个不同的码本C₁和C₂中选择，W₁和W₂对应的索引PMI₁和PMI₂共同最终决定预编码矩阵。 

基于W＝W₂W₁结构的旋转差分码本需要满足以下要求： 

W是一个N_t×R的酉预编码矩阵，N_t为发射天线数目，R表示用户选择的秩的值 

W₁∈C₁表示宽带即长期信道特征，是一个N_t×R的酉矩阵 

W₂∈C₂表示频率选择性即瞬时信道特征，是一个N_t×N_t的对角矩阵 

基于上面的设计准则，三星公司设计了一套码本，但是该码本中C₂码本的粒度选择不合适，使得码本在MU-MIMO时性能很差。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于8发射天线MIMO***的码本，减小了***反馈开销，并获得良好的性能增益。 

用于8发射天线MIMO***的预编码方法，在发送端和接收端均存***本C_{1_8Tx}和C_{2_8Tx}，该方法包括以下步骤： 

(1)发送端发送导频； 

(2)接收端根据导频估计信道H； 

(3)接收端计算第一码字W₁的索引PMI₁：首先计算统计信息 

以当前时刻为计时点向前计数，H_i表示第i个时刻的信道估计值， 

表示H_i的共轭转置，N等值于W₁的反馈周期内的信道估计次数，在码本C_{1_8Tx}中找到最接近R的主右奇异矢量的码字，该码字对应的索引则为PMI₁； 

(4)接收端计算第二码字W₂的索引PMI₂：计算第二码字 

在码本C_{2_8Tx}中查询W₂对应的索引PMI₂； 

(5)接收端反馈索引PMI₁和PMI₂给发送端； 

(6)发送端根据反馈的索引PMI₁和PMI₂，从码本C_{1_8Tx}和C_{2_8Tx}中选择其对应的码字组成预编码矩阵； 

(7)发送端利用预编码矩阵进行预编码； 

所述码本C_{1_8Tx}和C_{2_8Tx}分别如表1如表2所示： 

表1 

表2 

其中，T表示转置，diag{}表示为对角矩阵。 

本发明的技术效果体现在：预编码矩阵在理论上是以逼近信道矩阵H右奇异矩阵为目标，在本发明基于旋转的差分码本中，W₁直接逼近了信道的右奇异矩阵，W₂是一个酉对角矩阵，反映在W₁上是一个小角度的旋转增量，是为了追踪W₁的波动。由于采用了这种双码本结构，W₁反映的是长期信道信息，反馈周期长，W₂反映的短期信道信息，反馈周期短，W₁反馈需要4bits，而W₂反馈只需要2bits，可以有效减小反馈开销。同时合理的选择W₂的粒度θ也是码本设计的关键部分，通过数值仿真，基于性能最优的考虑，得到了本发明所使用的W₂的粒度值。 

附图说明

图1为本发明方法流程图。 

本发明的核心创新点在于码本形式，下面主要说明本发明码本的由来及特点。 

在发送天线为数目为8(8Tx)时，双极化天线配置是设计时优先考虑的天线场景，因此设计8Tx时主要考虑+/-45度的双极化天线的场景。 

双极化天线时，发射相关矩阵H^HH有如下的块对角形式： 

$H^{H}H=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ B& A\end{array}\right]---\left(1\right)$

A和B为矩阵。 

在强相关信道中，B趋近于0矩阵，所以经过奇异值分解(SVD)后，奇异矩阵V形式如下： 

$V=\left[\begin{array}{cc}{U}_1& U_2\\ \±U_1& m{U}_2\end{array}\right]---\left(2\right)$

U₁和U₂为矩阵。 

因此，在8Tx时，可以将8Tx等效为两组独立的4Tx来进行码本设计，这两组独立的4Tx的极化方向相互垂直，每组4Tx天线内的4个天线极化方向相同，且为紧密排列的均匀线性阵列(Uniform Linear Array，ULA)。对于4Tx的ULA，码本C₁采用离散傅里叶变化(Discrete Fourier Transform，DFT)码字最优，按如下表达式生成： 

$P_g(m,n)=\frac{1}{\sqrt{N_t}}\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}}{N}m(n+\frac{g}{G})\right)---\left(3\right)$

m＝O，L，N_t-1；n＝O，L，N_t-1；g＝O，L G-1 

P_g(m，n)表示生成DFT矩阵的第m行第n列的值，N_t表示生成DFT矩阵的维数，即是N_t×N_t的方阵，G表示生成矩阵的个数。 

在N_t＝4，G＝2的情况下，码本矩阵为： 

$D_1=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& j& -1& -j\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& -j& -1& j\end{array}\right],$ $D_2=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ \frac{1+j}{\sqrt{2}}& \frac{-1+j}{\sqrt{2}}& \frac{-1-j}{\sqrt{2}}& \frac{1-j}{\sqrt{2}}\\ j& -j& j& -j\\ \frac{-1+j}{\sqrt{2}}& \frac{1+j}{\sqrt{2}}& \frac{1-j}{\sqrt{2}}& \frac{-1-j}{\sqrt{2}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

所以8Tx的预编码码本C_{1_8Tx}采用如下方式生成： 

$M=\frac{1}{8}[K\⊗D_1,K\⊗D_2]---\left(5\right)$

这里 

D₁和D₂是(4)中的DFT矩阵， 表示克罗内克(Kronecker)积。M是一个8×16的矩阵，选取M的16个列向量作为W₁的秩为1(rank-1)时的码字。 

8发射天线时的C₂码本由C_{2_8Tx}表示，C_{2_8Tx}是对角酉矩阵，也可以将它等效为两组独立的4Tx进行设计，其结构如下所示： 

$W_2=\left[\begin{array}{cccccccc}{e}^{\mathrm{j\π\θ}}& & & & & & & \\ & e^{\mathrm{j\π}2\mathrm{\θ}}& & & & & & \\ & & e^{\mathrm{j\π}3\mathrm{\θ}}& & & & & \\ & & & e^{\mathrm{j\π}4\mathrm{\θ}}& & & & \\ & & & & e^{\mathrm{j\π\θ}}& & & \\ & & & & & e^{\mathrm{j\π}2\mathrm{\θ}}& & \\ & & & & & & e^{\mathrm{j\π}3\mathrm{\θ}}& \\ & & & & & & & e^{\mathrm{j\π}4\mathrm{\θ}}\end{array}\right]---\left(6\right)$

其中，θ为W₂对W₁波束的相位调整角度。在简化码本反馈开销(通常设计为2bit)条件下，建议θ取值为0，1/16，-1/16，1/8，其相应码本空间为： 

C_{2_8Tx，0}＝diag{1，1，1，1，1，1，1，1} 

$C_{2\_8\mathrm{Tx},1}=\mathrm{diag}\{e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{16}},e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{16}},e^{-j\frac{3\mathrm{\π}}{16}},e^{-j\frac{4\mathrm{\π}}{16}},e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{16}},e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{16}},e^{-j\frac{3\mathrm{\π}}{16}},e^{-j\frac{4\mathrm{\π}}{16}}\}$

$C_{2\_8\mathrm{Tx},2}=\mathrm{diag}\{e^{j\frac{\mathrm{\π}}{16}},e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{16}},e^{j\frac{3\mathrm{\π}}{16}},e^{j\frac{4\mathrm{\π}}{16}},e^{j\frac{\mathrm{\π}}{16}},e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{16}},e^{j\frac{3\mathrm{\π}}{16}},e^{j\frac{4\mathrm{\π}}{16}}\}---\left(8\right)$

$C_{2\_8\mathrm{Tx},3}=\mathrm{diag}\{e^{j\frac{\mathrm{\π}}{8}},e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{8}},e^{j\frac{3\mathrm{\π}}{8}},e^{j\frac{4\mathrm{\π}}{8}},e^{j\frac{\mathrm{\π}}{8}},e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{8}},e^{j\frac{3\mathrm{\π}}{8}},e^{j\frac{4\mathrm{\π}}{8}}\}$

其中C_{2_8Tx，0}，C_{2_8Tx，1}，C_{2_8Tx，2}，C_{2_8Tx，3}表示码本C_{2_8Tx}码本中的4个码字。 

本发明设计给出了8Tx的码本设计方案，码本结构为： 

W₁码本通过Kronecker积方式构造，W₂为对角酉矩阵。 

具有以下特点： 

1.预编码矩阵是W＝W₂W₁的形式，W₂是一个方阵，W₁是一个高矩阵(tall matrix)； 

2.以DFT矢量为基础； 

3.复用LTE R8码本； 

4.低反馈开销，W₁为4bits，W₂为2bits。 

表1和表2中给出8Tx时，秩为1的码字列表，C_{1_8Tx}码本中有16个码字，C_{2_8Tx}码本中有4个码字。 

本码本虽然是在+/-45度的双极化天线的场景下设计，但是其应用不受此限制，可应用于现有的任何天线配置环境。 

预编码矩阵在理论上是以逼近信道矩阵H右奇异矩阵为目标，在基于旋转的差分码本中，W₁直接逼近了信道的右奇异矩阵，W₂是一个酉对角矩阵， 反映在W₁上是一个小角度的旋转增量，是为了追踪W₁的波动。由于采用了这种双码本结构，W₁反映的是长期信道信息，反馈周期长，W₂反映的短期信道信息，反馈周期短，W₁反馈需要4bits，而W₂反馈只需要2bits，有效减小反馈开销。 

Claims (1)

1.用于8发射天线MIMO***的预编码方法，在发送端和接收端均存***本C_{1_8Tx}和C_{2_8Tx}，该方法包括以下步骤：

（1）发送端发送导频；

（2）接收端根据导频估计信道H；

（3）接收端计算第一码字W₁的索引PMI₁：首先计算统计信息H_i表示从当前时刻往前计数的第i个时刻的信道估计值，

表示H_i的共轭转置，N等值于W₁的反馈周期内的信道估计次数，在码本C_{1_8Tx}中找到最接近R的主右奇异矢量的码字，该码字的索引则为PMI₁；

（4）接收端计算第二码字W₂的索引PMI₂：计算第二码字

在码本C_{2_8Tx}中查询W₂的索引PMI₂；

（5）接收端反馈索引PMI₁和PMI₂给发送端；

（6）发送端根据反馈的索引PMI₁和PMI₂，从码本C_{1_8Tx}和C_{2_8Tx}中选择其对应的码字组成预编码矩阵；

（7）发送端利用预编码矩阵进行预编码；

所述码本C_{1_8Tx}如表1所示：

表1

所述码本C_{2_8Tx}如表2所示：

表2

其中，T表示转置，diag{}表示为对角矩阵。

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