CN102594419B

CN102594419B - 用于交叉极化天线阵列的预编码方法和预编码器

Info

Publication number: CN102594419B
Application number: CN201110002379.6A
Authority: CN
Inventors: 陈晋辉; 武露; 宋扬; 杨红卫; 吕荻; 刘皓
Original assignee: Alcatel Lucent Shanghai Bell Co Ltd
Current assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-01-04
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2031-01-04
Also published as: WO2012093332A1; JP2014506426A; BR112013017293A2; EP2661821B1; KR20130112930A; TWI483467B; JP5893047B2; EP2661821A1; US20130279619A1; KR101528503B1; US8953701B2; TW201232922A; CN102594419A

Abstract

本发明提供了一种用于交叉极化天线阵列的预编码方法，所述交叉极化天线阵列包括第一组共面极化天线和第二组共面极化天线，所述方法包括以下步骤：针对至少一层数据流，产生包括多个码字在内的反馈码本；接收对反馈码本中的码字的选择；根据所接收的选择，从反馈码本中确定相应码字；以及基于所确定的码字来产生预编码矩阵，以对所述至少一层数据流进行预编码；其中，反馈码本中的每个码字包括与第一组共面极化天线相对应的第一系数部分和与第二组共面极化天线相对应的第二系数部分，所述第一系数部分和所述第二系数部分中与同一层数据流相对应的系数之间具有复比例关系。相应地，本发明还提供了一种用于交叉极化天线阵列的预编码器。

Description

用于交叉极化天线阵列的预编码方法和预编码器

技术领域

本发明涉及通信技术，更具体地，本发明涉及一种使用基于复比例因子的反馈码本的、用于交叉极化天线阵列的预编码方法和预编码器。

背景技术

在长期演进LTE***中，将广泛采用交叉极化的线性天线阵列。交叉极化的线性天线阵列可以被视为两组共面极化天线，每一组中的天线具有相同的极化。

以下首先对交叉极化的线性天线阵列的信道特性进行示意。交叉极化的线性天线阵列的信道h可以表示为：

h = (\begin{matrix} h_{1} \\ h_{2} \end{matrix})

其中h₁表示具有一个极化的第一组天线的子信道，h₂表示具有另一极化的第二组天线的子信道。

在文献L.Jiang，L.Thiele，and V.Jungnickel，“On the Modelling ofPolarized MIMO Channel，”13th European Wireless Conference，Paris，France，Apr.2007和L.Jiang，L.Thiele，and V.Jungnickel，“PolarizationRotation Evaluation for Macrocell MIMO Channel，”in Proc.IEEEISWCS，Italy，Sept.2009中，简单直接地指出，在没有散射的情况下，在h₁和h₂之间存在复比例因子

β^{'} e^{j δ^{'}} = \frac{h_{2}}{h_{1}}

其中β′表示模，δ′表示相位。

对于交叉极化的线性天线阵列，需要高效的反馈码本和预编码器来进行单用户或多用户预编码。

目前，在3GPP中关于LTE-A的讨论中，针对交叉极化的线性天线阵列已经提出了多种反馈方案。在R1-103026，“Views on thefeedback framework for Rel 10”，Samsung，3GPP TSG RAN1 WG1 61和R1-101742，“Further refinements of feedback framework”，Ericsson，3GPP TSG RAN1 WG1 60b中，所产生的预编码器矩阵F具有共相位的形式：

F = (\begin{matrix} f_{1}^{'} & . . . & f_{L}^{'} \\ e^{j {δ^{'}}_{1}} f_{1}^{'} & . . . & e^{j {δ^{'}}_{L}} f_{L}^{'} \end{matrix}) - - - (1)

其中，F是大小为M′×L′的预编码矩阵，M′为天线数目，L′为数据流层数，是F的大小为M′/2×L′的上子矩阵，表示第一组天线的预编码矩阵，是F的大小为M′/2×L′的下子矩阵，表示第二组天线的预编码矩阵，其中δ′₁，...，δ′_L为非负实数。

然而，等式(1)中的预编码器的形式不能完全匹配交叉极化的线性天线阵列的信道特性。通过优化反馈码本的设计以匹配信道特性，可以进一步改进***性能。

因此，尽管已经提出了多种预编码方案，但是现有方案不能完全匹配交叉极化的线性天线阵列的信道特性，因此不能高效地工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于交叉极化天线阵列的预编码方法和预编码器，以解决上述现有技术中的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种用于交叉极化天线阵列的预编码方法，所述交叉极化天线阵列包括第一组共面极化天线和第二组共面极化天线，所述方法包括以下步骤：针对至少一层数据流，产生包括多个码字在内的反馈码本；接收对反馈码本中的码字的选择；根据所接收的选择，从反馈码本中确定相应码字；以及基于所确定的码字来产生预编码矩阵，以对所述至少一层数据流进行预编码；其中，反馈码本中的每个码字包括与第一组共面极化天线相对应的第一系数部分和与第二组共面极化天线相对应的第二系数部分，所述第一系数部分和所述第二系数部分中与同一层数据流相对应的系数之间具有复比例关系。

优选地，所述复比例关系包括幅度和相位；反馈码本中与每一层数据流相对应的系数是根据多个候选幅度和多个候选相位构成的多个复比例系数以及多个候选单极化系数来产生的。

优选地，所述多个候选幅度是根据交叉极化天线阵列的信道特性来预先设置的。

优选地，所述多个候选幅度包括1和/或互为倒数的成对值。

优选地，所述多个候选相位包括预定区间内均匀分布的相位值。

优选地，所述区间为0到2π。

优选地，所述交叉极化天线阵列是紧密间隔的线性天线阵列，所述第一系数部分和/或第二系数部分包括离散傅立叶变换DFT向量。

优选地，所述对码字的选择包括码字在反馈码本中的索引。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于交叉极化天线阵列的预编码器，所述交叉极化天线阵列包括第一组共面极化天线和第二组共面极化天线，所述预编码器包括：反馈码本产生单元，针对至少一层数据流，产生包括多个码字在内的反馈码本；接收单元，接收对反馈码本中的码字的选择；确定单元，根据接收单元所接收选择，从反馈码本中确定相应码字；以及预编码单元，基于确定单元所确定的码字来产生预编码矩阵，以对所述至少一层数据流进行预编码；其中，所述反馈码本产生单元被配置为，使得所产生的反馈码本中的每个码字包括与第一组共面极化天线相对应的第一系数部分和与第二组共面极化天线相对应的第二系数部分，所述第一系数部分和所述第二系数部分中与同一层数据流相对应的系数之间具有复比例关系。

优选地，所述复比例关系包括幅度和相位；所述反馈码本产生单元被配置为，根据多个候选幅度和多个候选相位构成的复比例系数以及多个候选单极化系数来产生反馈码本中与每一层数据流相对应的系数。

优选地，所述反馈码本产生单元被配置为，根据交叉极化天线阵列的信道特性来预先设置所述多个候选幅度。

优选地，所述反馈码本产生单元被配置为，将所述多个候选幅度设置为包括1和/或互为倒数的成对值。

优选地，所述反馈码本产生单元被配置为，将所述多个候选相位设置为预定区间内均匀分布的相位值。

优选地，所述预定区间为0到2π。

优选地，所述接收单元被配置为接收反馈码本中的索引。

根据本发明的预编码器和预编码方法能够完全匹配交叉极化的线性天线阵列的信道特性，从而实现较高的编码性能。另一方面，由于达到同样性能的码本尺寸较小，从而本发明的预编码方案具有较低的反馈开销和较低的计算复杂度。

附图说明

图1是根据本发明实施例的预编码器的示意框图；

图2是根据本发明实施例的预编码方法的流程图；

图3是根据本发明原理的码本与对比码本之间的性能比较。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细的说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

参照图1，图1是根据本发明实施例的预编码器100的示意框图。如图1所示，预编码器100包括：交叉极化天线阵列，进一步包括第一天线组1011和第二天线组1012；反馈码本产生单元102；接收单元103；确定单元104；以及预编码单元105。

第一天线组1011和第二天线组1012分别由相应共面极化天线组成。第一天线组1011的极化方向与第二天线组1012的极化方向垂直，从而构成交叉极化天线阵列。

反馈码本产生单元102被配置为，针对至少一层数据流，产生包括多个码字在内的反馈码本，使得所产生的反馈码本中的每个码字包括与第一天线组1011相对应的第一系数部分和与第二天线组1012相对应的第二系数部分，所述第一系数部分和所述第二系数部分中与同一层数据流相对应的系数之间具有复比例关系。

具体地，在一个示例实施例中，假定有L层数据流(L≥1)，交叉极化天线阵列的天线数目为M，天线组1011和天线组1012分别包括M/2根天线。针对L层数据流，反馈码本产生单元102产生包括K(K≥1)个码字在内的反馈码本w。所产生的反馈码本w中的每个码字W_k表示为：

W_{k} = (\begin{matrix} w_{1, k}^{'} & . . . & w_{L, k}^{'} \\ β_{1, k} e^{j δ_{1, k}} w_{1, k}^{'} & . . . & β_{L, k} e^{j δ_{L, k}} w_{L, k}^{'} \end{matrix}), k = 0, . . . K - 1 - - - (2)

其中，码字矩阵W_k的大小为M×L，k为码字在码本w中的索引；是W_k的上子矩阵，大小为M/2×L，形成与第一天线组1011相对应的第一系数部分，其中元素表示针对第i层数据流的、索引为k的单极化系数；是W_k的下子矩阵，大小为M/2×L，形成与第二天线组1012相对应的第二系数部分，其中元素表示针对第i层数据流的、索引为k的单极化系数。可以看到，第一系数部分和第二系数部分中与同一层数据流相对应的系数之间具有复比例关系。该复比例关系包括幅度β和相位δ，其中β_1，k，...β_L，k和δ_1，k，...，δ_L，k为非负实数。

在一个实施例中，反馈码本产生单元102被配置为，根据多个候选幅度和多个候选相位构成的多个复系数以及多个候选单极化系数来产生反馈码本中与每一层数据流相对应的系数。具体地，对于码本中与第i层数据流相对应的部分，反馈码本产生单元102基于n₁个候选β值、n₂个候选δ值和n₃个候选单极化系数来产生n₁n₂n₃个不同预编码系数。反馈码本产生单元102对L层数据流执行类似的预编码系数产生过程，以构成最终的反馈码本w。

在一个实施例中，反馈码本产生单元102被配置为，根据交叉极化天线阵列的信道特性来预先设置上述多个候选幅度。

在一个实施例中，反馈码本产生单元102被配置为，将上述多个候选幅度设置为包括1和/或互为倒数的成对值。

在一个实施例中，反馈码本产生单元102被配置为，将上述多个候选相位设置为预定区间内均匀分布的相位值，所述预定区间可以是0到2π。

在一个实施例中，交叉极化天线阵列是紧密间隔的线性天线阵列。此时，第一系数部分和/或第二系数部分包括离散傅立叶变换DFT向量。

接收单元103被配置为接收对反馈码本中的码字的选择。在一个实施例中，接收单元103接收反馈码本w中的索引k。

确定单元104被配置为根据所接收的选择，从反馈码本w中确定相应码字。在一个实施例中，在接收单元103接收到索引k的情况下，确定单元104可以直接使用反馈码本中具有索引k的码字W_k，或者根据其他准则结合反馈码字来确定要使用的码字。

预编码单元105被配置为基于确定单元所确定的码字来产生预编码矩阵，以对数据流进行预编码。

以下参照图2，图2示出了根据本发明实施例的预编码方法200的流程图。预编码方法200可以用于如图1所示的交叉极化天线阵列，该交叉极化天线阵列包括第一组共面极化天线和第二组共面极化天线。预编码方法200可以由图1所示的预编码器100执行，并包括以下步骤。

在步骤201，反馈码本产生单元102针对至少一层数据流，产生包括多个码字在内的反馈码本；其中，反馈码本中的每个码字包括与第一组共面极化天线相对应的第一系数部分和与第二组共面极化天线相对应的第二系数部分，所述第一系数部分和所述第二系数部分中与同一层数据流相对应的系数之间具有复比例关系。

这里，复比例关系包括幅度和相位。反馈码本中与每一层数据流相对应的系数是根据多个候选幅度、多个候选相位和多个候选单极化系数来产生的。在这种情况下，所述多个候选幅度可以是根据交叉极化天线阵列的信道特性来预先设置的。另外，优选地，所述多个候选幅度可以包括1和/或互为倒数的成对值。优选地，所述多个候选相位可以包括预定区间内均匀分布的相位值，所述预定区间可以是0到2π。

优选地，应用预编码方法200的交叉极化天线阵列可以是紧密间隔的线性天线阵列。在这种情况下，所述第一系数部分和/或第二系数部分包括离散傅立叶变换DFT向量。

在步骤202，接收单元103接收对反馈码本中的码字的选择。这里，对码字的选择包括码字在反馈码本中的索引。

在步骤203，确定单元104根据所接收的选择，从反馈码本中确定相应码字。

在步骤204，预编码单元105基于所确定的码字来产生预编码矩阵，以对所述至少一层数据流进行预编码。

接下来给出根据本发明的预编码方案的性能分析。参照图3，示出了在一级反馈***中，应用根据本发明原理的码本的预编码方案与应用对比码本的预编码方案之间的性能比较。

在示例性一级反馈***中，假定基站eNodeB具有8个交叉极化的天线元作为发射天线，天线阵元之间的间隔为0.5个波长。同时假定总反馈开销被限制在8比特，并且数据流层数为1。注意，这里的配置仅是示意性的，本领域技术人员可以认识到，本发明的天线数目、天线间隔、反馈开销和数据流层数不限于上述具体数值。例如，本发明可以应用于L层数据流的情况(L≥1)。

根据本发明，示例反馈码本(码本1)设计如下：

由于假定L＝1，上式(2)简化为：

W_{k} = (\begin{matrix} w_{k}^{'} \\ β_{k} e^{j δ_{k}} w_{k}^{'} \end{matrix}), k = 0, . . . K - 1 - - - (3)

这里，假定β_k从候选β_k值的全集中选择；δ_k从候选δ_k值的全集中选择；单极化系数从候选值的全集中选择。按照这种方式，所产生的码本1如下表1所示。

表1-码本1(建议)

为了进行比较，以下给出4种可能的对比码本。

码本2：单极化系数从候选值的全集中选择，形成下表2所示的码本：

表2-码本2

码本3：δ_k从候选δ_k值的全集中选择；单极化系数从候选值的全集中选择，形成下表3所示的码本：

表3-码本3

码本4：δ_k从候选δ_k值的全集中选择；单极化系数从候选值的全集中选择，形成下表4所示的码本：

表4-码本4

码本5：δ_k从候选δ_k值的全集中选择；单极化系数从候选值的全集中选择，形成下表5所示的码本：

表5-码本5

对应用根据本发明的码本1的预编码方案和分别应用4个对比码本2-5之一的预编码方案进行性能仿真。下表6给出了仿真条件假设：

表6-仿真条件假设

下表7给出了分别应用上述5种码本的预编码方案仿真得到的平均量化误差，图3示出了量化误差的累积分布函数。

表7-平均量化误差

码本	码本1	码本2	码本3	码本4	码本5
						平均QE	0.17	0.53	0.20	0.24	0.38

从图3和表7中可以看出，应用根据本发明提出的复比例关系原理设计的建议码本(码本1)的预编码方案在量化误差性能上优于应用其他可选码本(码本2-5)的预编码方案。

此外，根据本发明提出的复比例关系原理的码本/预编码器设计还可以用于提高两级反馈方案(例如R1-104164，“Way forward on 8Txcodebook for Rel.10 DL MIMO”，CATT et al.，3GPP TSG RAN1 WG161b中提出的基于GoB的反馈方案)的性能。以下使用根据本发明的复比例关系原理来改进R1-104164中提出的基于GoB的反馈方案中反馈码字W₂的码本c₂，从而提高预编码器的性能。

在示例情况中，使用2比特增强，码本c₂设计如下：

秩1：

W_{2} &Element; c_{2} = {\frac{1}{\sqrt{2}} [\begin{matrix} Y \\ Y \end{matrix}], \frac{1}{\sqrt{2}} [\begin{matrix} Y \\ jY \end{matrix}], \frac{1}{\sqrt{2}} [\begin{matrix} Y \\ - Y \end{matrix}], \frac{1}{\sqrt{2}} [\begin{matrix} Y \\ - jY \end{matrix}]}

\cup {\frac{4}{\sqrt{17}} [\begin{matrix} Y \\ 0.25 Y \end{matrix}], \frac{4}{\sqrt{17}} [\begin{matrix} Y \\ j 0.25 Y \end{matrix}], \frac{4}{\sqrt{17}} [\begin{matrix} Y \\ - 0.25 Y \end{matrix}], \frac{4}{\sqrt{17}} [\begin{matrix} Y \\ - j 0.25 Y \end{matrix}]}

\cup {\frac{2}{\sqrt{5}} [\begin{matrix} Y \\ 0.5 Y \end{matrix}], \frac{2}{\sqrt{5}} [\begin{matrix} Y \\ j 0.5 Y \end{matrix}], \frac{2}{\sqrt{5}} [\begin{matrix} Y \\ - 0.5 Y \end{matrix}], \frac{2}{\sqrt{5}} [\begin{matrix} Y \\ - j 0.5 Y \end{matrix}]}

\cup {\frac{1}{\sqrt{5}} [\begin{matrix} Y \\ 2 Y \end{matrix}], \frac{1}{\sqrt{5}} [\begin{matrix} Y \\ j 2 Y \end{matrix}], \frac{1}{\sqrt{5}} [\begin{matrix} Y \\ - 2 Y \end{matrix}], \frac{1}{\sqrt{5}} [\begin{matrix} Y \\ - j 2 Y \end{matrix}]}

其中

Y &Element; {{\tilde{e}}_{1}, {\tilde{e}}_{2}, {\tilde{e}}_{3}, {\tilde{e}}_{4}} .

秩2：

W_{2} &Element; c_{2} = {\frac{1}{2} [\begin{matrix} Y_{1} & Y_{2} \\ Y_{1} & - Y_{2} \end{matrix}], \frac{1}{2} [\begin{matrix} Y_{1} & Y_{2} \\ j Y_{1} & - j Y_{2} \end{matrix}]}

\cup {\frac{4}{17} [\begin{matrix} Y_{1} & Y_{2} \\ {0.25 Y}_{1} & - 4 Y_{2} \end{matrix}], \frac{4}{17} [\begin{matrix} Y_{1} & Y_{2} \\ j {0.25 Y}_{1} & - j {4 Y}_{2} \end{matrix}]}

\cup {\frac{2}{5} [\begin{matrix} Y_{1} & Y_{2} \\ 0.5 Y_{1} & - {2 Y}_{2} \end{matrix}], \frac{2}{5} [\begin{matrix} Y_{1} & Y_{2} \\ j 0.5 Y_{1} & - j {2 Y}_{2} \end{matrix}]}

\cup {\frac{2}{5} [\begin{matrix} Y_{1} & Y_{2} \\ 2 Y_{1} & - 0.5 Y_{2} \end{matrix}], \frac{2}{5} [\begin{matrix} Y_{1} & Y_{2} \\ j {2 Y}_{1} & - j {0.5 Y}_{2} \end{matrix}]}

其中

(Y_{1}, Y_{2}) &Element; {({\tilde{e}}_{1}, {\tilde{e}}_{1}), ({\tilde{e}}_{2}, {\tilde{e}}_{2}), ({\tilde{e}}_{3}, {\tilde{e}}_{3}), ({\tilde{e}}_{4}, {\tilde{e}}_{4}), ({\tilde{e}}_{1}, {\tilde{e}}_{2}), ({\tilde{e}}_{2}, {\tilde{e}}_{3}), ({\tilde{e}}_{1}, {\tilde{e}}_{4}), ({\tilde{e}}_{2}, {\tilde{e}}_{4})} .

注意，以上等式中是4x1选择向量，除了第n个元素值为1外，其余元素值均为0。

为了对应用上述码本的预编码方案的性能进行仿真，下表8给出了仿真条件假设。

表8-仿真条件假设

下表9示出了***级仿真的结果。

表9-对基于GoB的两级反馈的***级仿真结果

表9示出，相对于R1-104164中提出的基于GoB的两级反馈方案，通过根据本发明的复比例关系原理改进之后的基于GoB的两级反馈方案在平均频谱效率和边缘频谱效率方面能够实现良好的增益。

已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims

1.一种用于交叉极化天线阵列的预编码方法，所述交叉极化天线阵列包括第一组共面极化天线和第二组共面极化天线，所述方法包括以下步骤：

针对至少一层数据流，产生包括多个码字在内的反馈码本；

接收对反馈码本中的码字的选择；

根据所接收的选择，从反馈码本中确定相应码字；以及

基于所确定的码字来产生预编码矩阵，以对所述至少一层数据流进行预编码；

其中，反馈码本中的每个码字包括与第一组共面极化天线相对应的第一系数部分和与第二组共面极化天线相对应的第二系数部分，所述第一系数部分和所述第二系数部分中与同一层数据流相对应的系数之间具有复比例系数βe^jδ，其中β表示幅度，δ表示相位，β和δ均为非负实数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，反馈码本中与每一层数据流相对应的系数是根据多个候选幅度和多个候选相位构成的多个复比例系数以及多个候选单极化系数来产生的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多个候选幅度是根据交叉极化天线阵列的信道特性来预先设置的。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述多个候选幅度包括1和7或互为倒数的成对值。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述多个候选相位包括预定区间内均匀分布的相位值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述区间为0到2π。

7.根据权利要求1所述方法，其中，所述交叉极化天线阵列是紧密间隔的线性天线阵列，所述第一系数部分和7或第二系数部分包括离散傅立叶变换DFT向量。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对码字的选择包括码字在反馈码本中的索引。

9.一种用于交叉极化天线阵列的预编码器，所述交叉极化天线阵列包括第一组共面极化天线和第二组共面极化天线，所述预编码器包括：

反馈码本产生单元，针对至少一层数据流，产生包括多个码字在内的反馈码本；

接收单元，接收对反馈码本中的码字的选择；

确定单元，根据接收单元所接收选择，从反馈码本中确定相应码字；以及

预编码单元，基于确定单元所确定的码字来产生预编码矩阵，以对所述至少一层数据流进行预编码；

其中，所述反馈码本产生单元被配置为，使得所产生的反馈码本中的每个码字包括与第一组共面极化天线相对应的第一系数部分和与第二组共面极化天线相对应的第二系数部分，所述第一系数部分和所述第二系数部分中与同一层数据流相对应的系数之间具有复比例系数βe^jδ，其中β表示幅度，δ表示相位，β和δ均为非负实数。

10.根据权利要求9所述的预编码器，其中，所述反馈码本产生单元被配置为，根据多个候选幅度和多个候选相位构成的多个复比例系数以及多个候选单极化系数来产生反馈码本中与每一层数据流相对应的系数。

11.根据权利要求10所述的预编码器，其中，所述反馈码本产生单元被配置为，裉据交叉极化天线阵列的信道特性来预先设置所述多个候选幅度。

12.根据权利要求9或10所述的预编码器，其中，所述反馈码本产生单元被配置为，将所述多个候选幅度设置为包括1和/或互为倒数的成对值。

13.根据权利要求9或10所述的预编码器，其中，所述反馈码本产生单元被配置为，将所述多个候选相位设置为预定区间内均匀分布的相位值。

14.根据权利要求13所述的预编码器，其中，所述预定区间为0到2π。

15.根据权利要求9所述的预编码器，其中，所述交叉极化天线阵列是紧密间隔的线性天线阵列，所述第一系数部分和/或第二系数部分包括离散傅立叶变换DFT向量。

16.根据权利要求9所述的预编码器，其中，所述接收单元被配置为接收反馈码本中的索引。