CN101146078A - 一种多输入多输出空间复用预编码矩阵的选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多输入多输出空间复用预编码矩阵的选择方法，主要包括步骤：首先，预先定义一组发射机和接收机都已知的预编码码本；将所述预编码码本存储在所述发射机和所述接收机中；所述接收机根据估计得到的当前信道信息，从所述预定义的预编码码本中选择一个预编码矩阵。在此基础上，所述接收机在信道的相干时间，将该选择的所述预编码矩阵的索引通过反馈信道反馈到所述发射机；所述发射机根据接收到的所述预编码矩阵的索引，确定当前选择的预编码矩阵。本发明利用有限的反馈比特数提高了通信性能。

Description

一种多输入多输出空间复用预编码矩阵的选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信中的多天线技术领域，尤其涉及使用多输入多输出MIMO(Multiple Input Multiple output)的无线通信系统中预编码的空间复用技术。

背景技术

无线通信领域中MIMO技术的一个突出特点就是能极大地提高系统的频谱效率(或系统容量)和无线链路的可靠性。基于信息论可以推导出，如果各发射天线总的发射功率都相同(即假设发射端对信道矩阵没有先验知识)，MIMO通信系统的容量随min{Mt，Mr}线性增长，其中Mt、Nr分别为发射和接收天线数。同时，一些学者提出，如果发射端完全已知或部分已知信道矩阵，且充分利用已知的信道矩阵信息来调整MIMO通信系统各发射天线的功率，则能进一步提高MIMO通信系统的容量。因此，为了使MIMO通信系统的容量尽可能大，很多专利提出了闭环预编码的MIMO系统，即MIMO通信系统的接收机将估计的全部或部分信道信息反馈给发射机，发射机利用接收到的信道信息对发射信号进行预编码。

在多输入多输出(MIMO)的无线通信系统中，空间复用(spatialmultiplexing)通过将输入数据分成几路独立的并行子序列来同时传送，从而获得了较高的频率利用效率，然而由于多路传输技术在空域上没有冗余，而易受MIMO信道矩阵秩不足的影响。预编码技术首先将发送序列分成M个并行子序列，再与预编码矩阵相乘后分配到不同的发射天线，从而可以有效地抑制MIMO信道矩阵的秩不足对系统性能的影响。

对预编码的研究，大都基于发射端完全已知信道状态信息这一假设条件，然而在很多MIMO系统中，上、下行信道不具有互易性，如FDD系统中，此时发射端只能通过反馈信道来获取信道的状态信息，然而由于有限的频谱资源，在信道的相干时间内反馈信道仅仅可以提供有限的反馈比特数。这种情况 下如何利用有限的反馈比特数来提高通信性能，是一个实用而富有挑战性的研究课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种多输入多输出空间复用预编码矩阵的选择方法，以利用有限的反馈比特数来提高通信性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多输入多输出空间复用预编码矩阵的选择方法，包括如下步骤：

(1)预先定义一组发射机和接收机都已知的预编码码本；

(2)将所述预编码码本存储在所述发射机和所述接收机中；

(3)所述接收机根据估计得到的当前信道信息，从所述预定义的预编码码本中选择一个预编码矩阵。

所述方法进一步包括：

(4)所述接收机在信道的相干时间，将该选择的所述预编码矩阵的索引通过反馈信道反馈到所述发射机；

(5)所述发射机根据接收到的所述预编码矩阵的索引，确定当前选择的预编码矩阵。

其中，步骤(1)所述预编码码本，是以子空间的投影的二范数最小距离最大化的原则而被预先定义，或者是以子空间的Fubini-Study最小距离最大化的原则预定义，或者是以子空间的弦最小距离最大化的原则预定义。

其中，所述步骤(3)中，所述接收机根据导频估计得到所述当前信道信息。

其中，所述步骤(3)中，所述当前信道信息包括当前信道的信道状态信息。

其中，所述步骤(3)中，所述当前信道信息包括当前信道的信噪比信息。

其中，所述步骤(3)中，所述从预定义的预编码码本中选择一个预编码矩阵的步骤，是按照均方误差矩阵的迹最小化或容量最大化或均方误差矩阵的行列式最小化的原则选择的。

本发明实现的多输入多输出空间复用预编码矩阵的选择方法，在无线通信系统中，仅利用有限的反馈比特数提高了通信性能。

附图说明

图1是本发明实施例流程图；

图2为基于本发明的空间复用的预编码方法实施例流程图；

图3是非编码系统中使用预编码的空间复用的链路性能的仿真结果。

具体实施方式

本发明意欲提供一种多输入多输出空间复用预编码矩阵的选择方法，用在无线通讯系统中使用闭环MIMO的预编码的方法中，利用有限的反馈比特数提高通信性能，主要包括如下步骤：

(101)以子空间的投影的二范数最小距离最大化的原则，预先定义一组发射机和接收机都已知的预编码码本；

(102)将预编码码本存储在发射机和接收机中；

(103)接收机根据导频估计得到当前的信道信息，包括当前信道的信道状态信息和信噪比信息，按照均方误差矩阵的迹最小化或容量最大化或均方误差矩阵的行列式最小化的原则，从预定义的预编码码本中选择一个预编码矩阵。

上述方法进一步包括：

(104)接收机在信道的相干时间，将该选择的预编码矩阵的索引通过反馈信道反馈到发射机；

(105)发射机根据接收到的预编码矩阵的索引，确定当前选择的预编码矩阵。

上述步骤(101)中，还可以根据子空间的Fubini-Study最小距离最大化或子空间的弦最小距离最大化的原则，预定义所述发射机和接收机都已知的预编码码本。

在发射端，比特流经过编码、调制以后，然后被解复用(或者称为串/并变换)成M路调制符号流；一个可替代的方案是比特流先被解复用(或者称为串/并变换)成M路比特流，然后每一路经过编码、调制以后成为M路调制符号流。这样在时刻k，产生了符号向量Sk＝[S_k，1  S_k，2...S_k，M]^T。此符号向量S_k然后乘以一个M_tX M预编码矩阵F(此预编码矩阵的选择以后会加以描述)产生长度为Mt的向量 $X_k=\sqrt{\frac{E_s}{M}}F{S}_k,$ 这里E_s是总的发射功率。如果使用了OFDM调制，那么每路符号流再进行相应的OFDM的操作，再通过多根天线发射出去；如果没有使用OFDM，则直接通过多根天线发射出去。

在接收端，接收的基带等效信号为：

$Y_k=\sqrt{\frac{E_s}{M}}\mathrm{HF}{S}_k+V_k,$ 这里H是信道矩阵，V_k是噪声向量。

在接收端使用MMSE(minimum mean-square error)接收机进行译码。在此，以线性MMSE接收机为例： $G={\[F^H{H}^H\mathrm{HF}+\left(\frac{M{N}_0}{E_s}\right)I_M\]}^{-1}{F}^H{H}^H.$

在接收机端按如下形式进行译码：

${\hat{S}}_k=G{Y}_k$

这里的信道矩阵H和

可以通过导频在接收端通过信道估计算法和信噪比估计算法获得。

接收机虽然以线性MMSE为例进行说明，但是不局限于线性MMSE，对于其他类型的MMSE接收机同样适用，例如迭代MMSE接收机。

在接收端，本发明按照如下的原则在预编码码本中选择预编码矩阵(即码字)：

$F=\underset{F_i\∈F}{\arg \min \mathrm{trace}}\left(\mathrm{MSE}\left(F_i\right)\right)$

其中：

$\mathrm{trace}\left(\mathrm{MSE}\left(F\right)\right)=\mathrm{trace}\left(\frac{E_s}{M}{\[\left(\frac{E_s}{M{N}_0}\right)F^H{H}^H\mathrm{HF}+I_M\]}^{-1}\right);$

trace表示矩阵的迹(即对角元素之和)。

对于使用OFDM的无线通讯系统，

$\mathrm{trace}\left(\mathrm{MSE}\left(F\right)\right)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{trace}\left(\frac{E_s}{M}{\[\left(\frac{E_s}{M{N}_0}\right)F^H{H}_j^H{H}_{j}F+I_M\]}^{-1}\right),$ 其中H_j表示第j个子载波的信道系数矩阵。

对发射机、接收机都预先已知的预编码码本按照如下原则设计：选择使得任意一对码字矩阵(预编码矩阵)的列空间的投影二范数中最小值最大的码本。即预编码码本F的设计应该最大化 $\underset{1\≤i\≤j\≤G}{\min }{d}_{P^2}(F_i,F_j),$ 这里d_p2(F_i，F_j)表示F_i和F_j所张的子空间的投影二范数，定义如下：

$d_{P^2}(F_i,F_j)={\left|\right|F_i{F}_j^H-F_j{F}_i^H\left|\right|}_2$

按照此原则设计，对于4根发射天线2根接收天线4比特反馈的闭环的空间复用系统最优的码本如下：

表1：4根发射天线2根接收天线4比特反馈的码本

预编码矩阵索引号	Column1	Column2
			1	0.0962+0.4648i	0.2347-0.6270i
0.2782+0.6514i	-0.0843-0.0245i
		-0.4252-0.21 35i		-0.2324-0.4021i
-0.2156	-0.5731
		2		0.0191-0.0914i	0.2654+0.3 875i
-0.1905+0.2672i	0.5781-0.5601i
			-0.01 30+0.2955i	-0.0510-0.0784i
0.8922	0.3504
			3	0.2122-0.2470i	0.1605-0.6748i

	-0.2191+0.2717i	0.2446-0.1753i
			0.3803+0.0452i	0.3978+0.3933i
	0.7908	-0.3397
			4	-0.1473+0.5963i	-0.0588+0.0246i
-0.3022+0.2338i	0.2828-0.4373i
		0.0940+0.3170i		0.1248-0.6161i
0.6061	0.5741
		5		-0.1746-0.6538i	0.3520+0.4416i
0.4352-0.1163i	-0.0459-0.3497i
			-0.0629+0.1223i	0.1256-0.3156i
0.5659	0.6643
			6	0.1884-0.8249i	-0.1363+0.0803i
0.0684-0.4147i	0.2392+0.4012i
		-0.0119-0.0658i		-0.4829-0.2019i
0.3208	0.6949
		7		-0.0638+0.7263i	-0.4474-0.3599i
-0.0019-0.3922i	-0.1876-0.0408i
			-0.4584+0.0946i	0.0055+0.5974i
0.3091	0.5259
			8	-0.3021+0.0419i	0.6658-0.1688i
0.0253-0.0299i	-0.3959-0.5629i
		-0.5238+0.6615i		-0.0908+0.1090i
-0.4399	-0.1858
		9		0.5049-0.0156i	0.1661+0.4162i
-0.0721+0.1338i	0.0001-0.0592i
			-0.4751-0.2763i	0.3718+0.6728i
0.6478	0.4525
			10	0.4704+0.1170i	0.1461+0.1383i
0.4108-0.0525i	-0.7159+0.5112i
		-0.6526-0.3397i		-0.4100+0.1242i
0.2288	0.0467

11	-0.6454+0.2182i	0.0394+0.2796i
			0.4437+0.1299i	-0.6793-0.0264i
	-0.2522-0.0133i	-0.3539-0.4647i
			0.5083	0.3418
	12	0.0806+0.1836i			0.0954+0.0929i
-0.1701-0.2366i			0.4952+0.4922i
		0.0921+0.8482i		0.0159-0.1082i
-0.3832			-0.6949
		13		-0.4611-0.3301i	0.0644+0.0628i
0.3125-0.0822i	-0.2357+0.6715i
			-0.0444+0.4814i	0.4004-0.2255i
0.5834	0.5237
			14	-0.1412-0.4628i	-0.0714-0.3358i
-0.1229+0.2240i	0.0195-0.4623i
		-0.1449+0.5543i		0.2737-0.5859i
0.6102	0.4998
		15		0.8628+0.0608i	0.1373-0.2705i
0.1006+0.3005i	-0.8524+0.0032i
			0.3175-0.0168i	-0.2812-0.0314i
0.2247	0.3185
			16	-0.4669-0.0392i	0.2133+0.2619i
-0.1828+0.1433i	-0.8201+0.0924i
		-0.2339-0.6949i		0.1072+0.2616i
-0.4346	-0.3533

表1所示的预编码码本有如下特点：此预编码码本是酉码本，其中的任意一个预编码矩阵的列向量是相互正交的，其中列向量是相互正交满足如下条件：

F_g ^HF_g＝I_M，    g＝1，...，G，    G＝2^B；  B是反馈的比特数。

接收机按照 $F_{\mathrm{select}}=\underset{F_i\∈F}{\arg \min \mathrm{trace}}\left(\mathrm{MSE}\left(F_i\right)\right)$ (均方误差矩阵的迹最小化)的原则(这里，也可以是容量最大化原则或均方误差矩阵的行列式最小化原则)从预定义的码本中选择一个预编码矩阵，并且通过反馈信道在信道的相干时间内将此预编码矩阵的索引反馈到发射机，发射机根据此预编码矩阵的索引来获得预编码矩阵(预编码码本预先存储在发射机和接收机中)，然后根据此预编码矩阵对发射信号向量进行预编码操作，从而形成一个闭环的预编码的空间复用的过程。

如图2所示，为基于本发明的空间复用的预编码方法实施例流程图。包括如下步骤：

按子空间的投影的二范数最小距离最大化的原则定义一个优化的预编码的码本(步骤201)；

发射机对符号流进行空时编码(步骤202)；

发射机根据预编码矩阵索引选择相应的预编码矩阵，并且进行相应的预编码操作(步骤203)；

接收机按照均方误差矩阵的迹最小化的原则从预编码的码本中选择一个最佳的预编码矩阵(步骤204)；

接收机通过反馈信道在信道的相干时间内将此预编码矩阵的索引反馈到发射机(步骤205)。

如图3所示，为非编码系统中使用预编码的空间复用的链路性能的仿真结果，其仿真条件如下：

带宽：5MHz；

频点：2GHz；

OFDM相关参数：

子载波间隔：9.6KHz；

FFT点数：512；

有用子载波个数：480；

保护子载波个数：32；

天线配置：4根发射天线，2根接收天线；

信道模型：简化的SCM信道模型；

接收机：线性MMSE接收机；

信道估计：理想信道估计。

图3中所示的文献[1]为：3GPP2 TSG-C WG3 ContributionC30-20060731-039R2，”Fourier-based MIMO Precoders”；

所示的文献[2]为：3GPP2 TSG-C WG3 Contribution C30-20060911-072，”MIMO Design for LBC-FDD”。

Claims (9)

1.一种多输入多输出空间复用预编码矩阵的选择方法，用以提高无线通信系统的通信性能，其特征在于，包括如下步骤：

(1)预先定义一组发射机和接收机都已知的预编码码本；

(2)将所述预编码码本存储在所述发射机和所述接收机中；

(3)所述接收机根据估计得到的当前信道信息，从所述预定义的预编码码本中选择一个预编码矩阵。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

(4)所述接收机在信道的相干时间，将该选择的所述预编码矩阵的索引通过反馈信道反馈到所述发射机；

(5)所述发射机根据接收到的所述预编码矩阵的索引，确定当前选择的预编码矩阵。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述预编码码本，是以子空间的投影的二范数最小距离最大化的原则而被预先定义，或者是以子空间的Fubini-Study最小距离最大化的原则预定义，或者是以子空间的弦最小距离最大化的原则预定义。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述接收机根据导频估计得到所述当前信道信息。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述当前信道信息包括当前信道的信道状态信息。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述当前信道信息包括当前信道的信噪比信息。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述从预定义的预编码码本中选择一个预编码矩阵的步骤，是按照均方误差矩阵的迹最小化或容量最大化或均方误差矩阵的行列式最小化的原则选择的。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在4根发射天线2根接收天线4个反馈比特的情况下，所述发射机和所述接收机预定义预编码码本是酉码本，其中的任意一个预编码矩阵的列向量是相互正交的。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在4根发射天线2根接收天线4个反馈比特的情况下，所述预编码矩阵是：

  预编码矩阵索引号 Column1  Column2     1  0.0962+0.4648i 0.2347-0.6270i  0.2782+0.6514i -0.0843-0.0245i  -0.4252-0.2135i -0.2324-0.4021i  -0.2156 -0.5731     2  0.0191-0.0914i 0.2654+0.3875i  -0.1905+0.2672i 0.5781-0.5601i  -0.0130+0.2955i -0.0510-0.0784i  0.8922 0.3504     3  0.2122-0.2470i 0.1605-0.6748i  -0.2191+0.2717i 0.2446-0.1753i  0.3803+0.0452i 0.3978+0.3933i  0.7908 -0.3397     4  -0.1473+0.5963i -0.0588+0.0246i  -0.3022+0.2338i 0.2828-0.4373i  0.0940+0.3170i 0.1248-0.6161i  0.6061 0.5741     5  -0.1746-0.6538i 0.3520+0.4416i  0.4352-0.1163i -0.0459-0.3497i  -0.0629+0.1223i 0.1256-0.3156i  0.5659 0.6643     6  0.1884-0.8249i -0.1363+0.0803i  0.0684-0.4147i 0.2392+0.4012i  -0.0119-0.0658i -0.4829-0.2019i  0.3208 0.6949     7  -0.0638+0.7263i -0.4474-0.3599i  -0.0019-0.3922i -0.1876-0.0408i

-0.4584+0.0946i  0.0055+0.5974i 0.3091  0.5259     8 -0.3021+0.0419i  0.6658-0.1688i 0.0253-0.0299i  -0.3959-0.5629i -0.5238+0.6615i  -0.0908+0.1090i -0.4399  -0.1858     9 0.5049-0.0156i  0.1661+0.4162i -0.0721+0.1338i  0.0001-0.0592i -0.4751-0.2763i  0.3718+0.6728i 0.6478  0.4525     10 0.4704+0.1170i  0.1461+0.1383i 0.4108-0.0525i  -0.7159+0.5112i -0.6526-0.3397i  -0.4100+0.1242i 0.2288  0.0467     11 -0.6454+0.2182i  0.0394+0.2796i 0.4437+0.1299i  -0.6793-0.0264i -0.2522-0.0133i  -0.3539-0.4647i 0.5083  0.3418     12 0.0806+0.1836i  0.0954+0.0929i -0.1701-0.2366i  0.4952+0.4922i 0.0921+0.8482i  0.0159-0.1082i -0.3832  -0.6949     13 -0.4611-0.3301i  0.0644+0.0628i 0.3125-0.0822i  -0.2357+0.6715i -0.0444+0.4814i  0.4004-0.2255i 0.5834  0.5237     14 -0.1412-0.4628i  -0.0714-0.3358i -0.1229+0.2240i  0.0195-0.4623i -0.1449+0.5543i  0.2737-0.5859i 0.6102  0.4998     15 0.8628+0.0608i  0.1373-0.2705i 0.1006+0.3005i  -0.8524+0.0032i

0.3175-0.0168i  -0.2812-0.0314i 0.2247  0.3185     16 -0.4669-0.0392i  0.2133+0.2619i -0.1828+0.1433i  -0.8201+0.0924i -0.2339-0.6949i  0.1072+0.2616i -0.4346  -0.3533

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