一种预编码矩阵的选择方法.pdf

本发明公开了一种预编码矩阵选择方法，根据码本矩阵的特征，将原有的码本进行分组，分组准则是每组内的矩阵均是由其中一个第一码本矩阵进行行变换得到的，这种行变换包括不同行之间进行的模值不变的交换。在码本矩阵分组的基础上，利用每组的第一码本矩阵进行最优秩的选取，从1个层的选择开始，逐步增加满足信噪比要求的层，最终获得达到该组内最优性能的层数；然后，再利用每组的第一码本矩阵根据不同的性能评价标准进行最优预编码矩阵和MCS的选取。通过上述方式进行的预编码矩阵选择，由于不需要遍历所有码本矩阵而大大降低了计算复杂度，同时经过验证该方式能够接近穷举法的性能。

1、  一种预编码矩阵的选择方法，其特征在于，该方法包括：
a、将所有码本矩阵进行分组，每组中的其他码本矩阵由该组中的第一码本矩阵进行模不变的行变换组成；对于每个组，确定层数为n时该组中各个码本矩阵对应的预编码矩阵所包括的列，以及确定的所述预编码矩阵包括的列在该组的第一码本矩阵中的列编号，将确定的列编号作为层数为n时该组的待选列编号，其中，n＝1，2，...，N，N为发射天线总数；
b、为每个组设置当前列集合，并初始化为空；对于任一组，在该组的第一码本矩阵中选择与层数为1时该组的待选列编号相等编号的列，将选择的列分别左乘信道矩阵H，在得到的结果矩阵中，将与层数为1时该组的待选列编号相等编号的各个行依次作为信号，分别计算所述各个行对应的SINR值，从计算得到的所有SINR值中选择最大值，并将所述任一组的第一码本矩阵中与所述最大值对应的行编号相等编号的列加入该组的当前列集合；将所述最大值对应的调制编码方式作为该组的当前调制编码方式MCS，根据当前列集合中所包括的列和当前MCS确定该组的当前性能参数值；并令每组的当前层数n′＝1执行步骤c；
c、为每个组的当前列集合选择所包括的该组第一码本矩阵中的列，包括：
c1、在层数为n′+1时所述任一组的待选列编号中选择待选列编号，选择的待选列编号包括所述任一组的当前列集合中的所有列；根据选择的任一待选列编号从所述任一组的第一码本矩阵中选择与所述任一待选列编号相等编号的各个列构成矩阵，并左乘信道矩阵H，在得到的结果矩阵中将与所述任一待选列编号中当前列集合中未包括列的列编号相等编号的行作为信号，计算与所述未包括列的列编号相等编号的行对应的SINR值；在根据所有选择的待选列编号而确定的SINR值中选择最大的SINR值，并判断所述最大的SINR值是否存在对应的MCS，若存在，则将与所述最大的SINR值对应的行编号相等的列加入所述任一组的当前列集合，并确定当前列集合包括的所有列在所述最大的SINR值对应的MCS下的性能参数值，当该性能参数值劣于所述任一组的当前性能参数值时，从当前列集合中将与所述最大的SINR值对应的行编号相等的列删除，并结束所述任一组的当前列集合选择，当该性能参数值不劣于所述任一组的当前性能参数值时，将该性能参数值作为所述任一组的当前性能参数值，将所述任一组的当前层数n′加1，并将所述最大的SINR值对应的MCS作为所述任一组的当前MCS，重复执行步骤c1；若不存在对应的MCS，结束所述任一组的当前列集合选择；
c2、当每个组的当前列集合选择均结束时，执行步骤d；
d、在各个组的当前性能参数中选择最大值，确定该最大值对应的组，将确定的组的当前列集合中的所有列顺次排列构成的矩阵作为预编码矩阵，将确定的组的当前层数n′作为选择的层数。

2、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当发射天线总数为4时，所述将所有码本矩阵进行分组为：将由16个码本矩阵W₀～W₁₅分为五组，其中，W₀、W₂、W₈、W₁₀为一组，W₁、W₃、W₉、W₁₁为一组，W₄、W₆为一组，W₅、W₇为一组，W₁₂、W₁₃、W₁₄、W₁₅为一组。

3、  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，W₀、W₁、W₄、W₅、W₁₂分别为各个组的第一码本矩阵。

4、  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，层数为1时，
W₀所在组的待选列编号为1、3、2、4；
W₁所在组的待选列编号为1、3、2、4；
W₄所在组的待选列编号为1、3；
W₅所在组的待选列编号为1、3；
W₁₂所在组的待选列编号为1、2、3、4。

5、  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，层数为2时，
W₀所在组的待选列编号为14、34、21、42；
W₁所在组的待选列编号为12、34、32、24；
W₄所在组的待选列编号为14、31；
W₅所在组的待选列编号为14、31；
W₁₂所在组的待选列编号为12、24、31、43。

6、  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，层数为3时，
W₀所在组的待选列编号为124、341、213、432；
W₁所在组的待选列编号为123、341、243、421；
W₄所在组的待选列编号为124、312；
W₅所在组的待选列编号为124、312；
W₁₂所在组的待选列编号为123、214、341、432。

7、  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，层数为4时，
W₀所在组的待选列编号为1234、1432、2143、4231；
W₁所在组的待选列编号为1234、1432、2143、4231；
W₄所在组的待选列编号为1234、3142；
W₅所在组的待选列编号为1234、3142；
W₁₂所在组的待选列编号为1234、2413、1432、4231。

8、  根据权利要求1到7中任一所述的方法，其特征在于，所述预设的性能参数值为吞吐量或误码率。

一种预编码矩阵的选择方法
技术领域
本发明涉及通信系统中的预编码技术，特别涉及一种预编码矩阵的选择方法。
背景技术
在移动通信中采用“中心基站-分散终端”的模式，在这种模式下移动终端很难进行协作发送和接收，因此实际中可行且有效的方式是通过基站来对收、发数据进行集中处理。于是，在上行的点对多点系统中一般采用多用户检测技术，在下行系统的点对多点系统中，一般采用MIMO(Multiple InputMultiple Output)预编码技术。MIMO预编码技术，就是在已知信道状态信息CSI(Channel States Information)的情况下，通过在发送端对发送的信号做一个预先的处理，以方便接收机进行信号检测以及提高信道容量的目的。发送端获得信道信息主要通过以下两种方法：在FDD系统中，发送端可以通过接收端反馈而获得信道状态信息；在TDD系统中，发送端通过下行信道与上行信道所具有的互易性而获得信道状态信息。
在LTE系统中，采用基于码本反馈的预编码技术，发射端和接收端具有相同的码本，接收端根据信道信息从码本中选取最优的预编码矩阵，并且将预编码矩阵索引(PMI，Precoding Metrix Index)反馈到发射端，发射端根据接收端的PMI从码本中选取相应的预编码矩阵，对发射信号进行预编码处理。
接下来以4发射天线为例，说明现有的接收端进行预编码矩阵的选择方法。
在协议中，对应4发射天线的情况，给出了16个码本矩阵和相应的索引值，该16个码本矩阵是由16个码本向量进行householder变换所得到的。对于任一码本矩阵，对应有4种层数选择，从而可以在该任一码本矩阵中选择其中的一列、两列、三列或四列构成待选预编码矩阵，如表1所示。这样，每个码本矩阵对应4个待选预编码矩阵，16个码本矩阵共对应64个待选预编码矩阵。由表1可见，每种层数都对应有16个矩阵，其中，W_i^{j}表示码本矩阵W_i的第i列。

表1
现有的最优预编码矩阵选择方案是：根据信道矩阵H，对64个待选预编码矩阵进行遍历，计算相应的吞吐量或SINR等性能参数，选择性能最优的待选预编码矩阵作为最终的预编码矩阵，其对应的层数即为选择的层。可见，在该预编码矩阵选择方式中，需要进行64个预编码矩阵的性能计算，才能选定层及预编码矩阵。由于该方式采用了遍历操作，计算复杂度高，计算量大，尤其在码本向量和码本矩阵较多、发射天线数目较大的情况下，计算复杂度迅速增加，因此，该遍历方式实现的预编码矩阵选择不适于码本数目多的情况。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种预编码矩阵选择方法，能够降低预编码矩阵选取的计算复杂度，并能够接近穷举法的性能。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种预编码矩阵的选择方法，包括：
a、将所有码本矩阵进行分组，每组中的其他码本矩阵由该组中的第一码本矩阵进行模不变的行变换组成；对于每个组，确定层数为n时该组中各个码本矩阵对应的预编码矩阵所包括的列，以及确定的所述预编码矩阵包括的列在该组的第一码本矩阵中的列编号，将确定的列编号作为层数为n时该组的待选列编号，其中，n＝1，2，...，N，N为发射天线总数；
b、为每个组设置当前列集合，并初始化为空；对于任一组，在该组的第一码本矩阵中选择与层数为1时该组的待选列编号相等编号的列，将选择的列分别左乘信道矩阵H，在得到的结果矩阵中，将与层数为1时该组的待选列编号相等编号的各个行依次作为信号，分别计算所述各个行对应的SINR值，从计算得到的所有SINR值中选择最大值，并将所述任一组的第一码本矩阵中与所述最大值对应的行编号相等编号的列加入该组的当前列集合；将所述最大值对应的调制编码方式作为该组的当前调制编码方式MCS，根据当前列集合中所包括的列和当前MCS确定该组的当前性能参数值；并令每组的当前层数n′＝1执行步骤c；
c、为每个组的当前列集合选择所包括的该组第一码本矩阵中的列，包括：
c1、在层数为n′+1时所述任一组的待选列编号中选择待选列编号，选择的待选列编号包括所述任一组的当前列集合中的所有列；根据选择的任一待选列编号从所述任一组的第一码本矩阵中选择与所述任一待选列编号相等编号的各个列构成矩阵，并左乘信道矩阵H，在得到的结果矩阵中将与所述任一待选列编号中当前列集合中未包括列的列编号相等编号的行作为信号，计算与所述未包括列的列编号相等编号的行对应的SINR值；在根据所有选择的待选列编号而确定的SINR值中选择最大的SINR值，并判断所述最大的SINR值是否存在对应的MCS，若存在，则将与所述最大的SINR值对应的行编号相等的列加入所述任一组的当前列集合，并确定当前列集合包括的所有列在所述最大的SINR值对应的MCS下的性能参数值，当该性能参数值劣于所述任一组的当前性能参数值时，从当前列集合中将与所述最大的SINR值对应的行编号相等的列删除，并结束所述任一组的当前列集合选择，当该性能参数值不劣于所述任一组的当前性能参数值时，将该性能参数值作为所述任一组的当前性能参数值，将所述任一组的当前层数n′加1，并将所述最大的SINR值对应的MCS作为所述任一组的当前MCS，重复执行步骤c1；若不存在对应的MCS，结束所述任一组的当前列集合选择；
c2、当每个组的当前列集合选择均结束时，执行步骤d；
d、在各个组的当前性能参数中选择最大值，确定该最大值对应的组，将确定的组的当前列集合中的所有列顺次排列构成的矩阵作为预编码矩阵，将确定的组的当前层数n′作为选择的层数。
较佳地，当发射天线总数为4时，所述将所有码本矩阵进行分组为：将由16个码本矩阵W₀～W₁₅分为五组，其中，W₀、W₂、W₈、W₁₀为一组，W₁、W₃、W₉、W₁₁为一组，W₄、W₆为一组，W₅、W₇为一组，W₁₂、W₁₃、W₁₄、W₁₅为一组。
较佳地，W₀、W₁、W₄、W₅、W₁₂分别为各个组的第一码本矩阵。
较佳地，层数为1时，
W₀所在组的待选列编号为1、3、2、4；
W₁所在组的待选列编号为1、3、2、4；
W₄所在组的待选列编号为1、3；
W₅所在组的待选列编号为1、3；
W₁₂所在组的待选列编号为1、2、3、4。
较佳地，层数为2时，
W₀所在组的待选列编号为14、34、21、42；
W₁所在组的待选列编号为12、34、32、24；
W₄所在组的待选列编号为14、31；
W₅所在组的待选列编号为14、31；
W₁₂所在组的待选列编号为12、24、31、43。
较佳地，层数为3时，
W₀所在组的待选列编号为124、341、213、432；
W₁所在组的待选列编号为123、341、243、421；
W₄所在组的待选列编号为124、312；
W₅所在组的待选列编号为124、312；
W₁₂所在组的待选列编号为123、214、341、432。
较佳地，层数为4时，
W₀所在组的待选列编号为1234、1432、2143、4231；
W₁所在组的待选列编号为1234、1432、2143、4231；
W₄所在组的待选列编号为1234、3142；
W₅所在组的待选列编号为1234、3142；
W₁₂所在组的待选列编号为1234、2413、1432、4231。
较佳地，所述预设的性能参数值为吞吐量或误码率。
由上述技术方案可见，本发明中，根据码本矩阵的特征，将原有的码本进行分组，分组准则是每组内的矩阵均是由其中一个第一码本矩阵进行行变换得到的，这种行变换包括不同行之间进行的模值不变的交换。在码本矩阵分组的基础上，利用每组的第一码本矩阵进行最优秩的选取，从1个层的选择开始，逐步增加满足信噪比要求的层，最终获得达到该组内最优性能的层数；然后，再利用每组的第一码本矩阵根据不同的性能评价标准(如容量最大化、BER最小化等)进行最优预编码矩阵和MCS的选取。通过上述方式进行的预编码矩阵选择，由于不需要遍历所有码本矩阵而大大降低了计算复杂度，同时经过验证，该方式能够接近穷举法的性能。
附图说明
图1为本发明中预编码矩阵选择方法的总体流程图。
图2为本发明的方案与背景技术中方案的性能比较示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术手段和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明做进一步详细描述。
本发明的基本思想是：对所有码本矩阵按照特性进行分组，然后在每组内根据其中一个矩阵进行最优秩的选择，再在组间选择性能最优的预编码矩阵。
图1为本发明中预编码矩阵选择方法的总体流程图。如图1所示，该方法包括：
步骤101，将所有码本矩阵进行分组，每组中的其他码本矩阵由该组中的第一码本矩阵进行模不变的行变换组成；对于每个组，确定层数为n时该组中各个码本矩阵对应的预编码矩阵所包括的列，以及确定的所述预编码矩阵包括的列在该组的第一码本矩阵中的列编号，将确定的列编号作为层数为n时该组的待选列编号。
其中，n＝1，2，...，N，N为发射天线总数。每个组中可以指定任意一个矩阵为该组的第一码本矩阵。本步骤中，根据现有协议中层数与各个已知码本矩阵中列的对应关系，将不同层数时，各个码本矩阵中对应选择的列均转换为在第一码本矩阵中的列编号，并记录这些编号。从而可以在后续处理中，仅根据第一码本矩阵来进行每个组中最优秩的选择。
步骤102，为每个组设置当前列集合，并初始化为空；对于任一组，在该组的第一码本矩阵中选择与层数为1时该组的待选列编号相等编号的列，将选择的列分别左乘信道矩阵H，在得到的结果矩阵中，将与层数为1时该组的待选列编号相等编号的各个行依次作为信号，分别计算各个行对应的SINR值，从计算得到的所有SINR值中选择最大值，并将所述任一组的第一码本矩阵中与所述最大值对应的待选列编号相等编号的列加入该组的当前列集合；将所述最大值对应的调制编码方式作为层数为1时该组的当前调制编码方式(MCS)，根据当前列集合中所包括的列和当前MCS确定该组的当前性能参数值；并令每组的当前层数n′＝1执行步骤103。
本发明中，为每个组设置当前列集合，用于保存该组内被选中的列在第一码本矩阵中的列编号，最终将由该当前列集合中的所有列顺序排列形成一个矩阵，再在每个组所形成的矩阵中选择一个性能最优的作为预编码矩阵。
本发明在初始设置当前列集合时，将其置空，然后通过后续操作逐个向该当前列集合中加入合适的列。本步骤中，对每个组，进行该组内层数为1时的最优列选择，该最优列对应的SINR值最大，也就相当于在层数为1时，该组内的各个码本矩阵中选择最优的一个。
具体地，在步骤101中，已经将每个组中各个码本矩阵在层数为1时被选择的列转换为在第一码本矩阵中对应的列编号，因此，本步骤对于任一组而言，只需要在第一码本矩阵中被转换成的列编号所指向的列中进行选择，也就相当于在该组中所有码本矩阵中进行选择。
另外，根据SINR值确定对应的调制编码方式可以按照现有方式实现，这里就不再赘述。
本步骤中需要根据当前列集合计算一个性能参数值。该性能参数值可以是用于表示系统性能的任意参数，例如容量值或误码率等。具体计算性能参数值的方式可以采用现有的方式，这里就不再赘述。
步骤103，为每个组的当前列集合选择所包括的该组第一码本矩阵中的列。
本步骤中，对于每个组的操作均是相同的，这里以其中一个组A为例说明具体的列选择方式。
步骤103a，在层数为n′+1时组A的待选列编号中选择待选列编号，该选择的待选列编号包括组A的当前列集合中的所有列；根据选择的任一待选列编号从所述任一组的第一码本矩阵中选择与所述任一待选列编号相等编号的各个列构成矩阵，并左乘信道矩阵H，在得到的结果矩阵中将与所述任一待选列编号中当前列集合中未包括列的列编号相等编号的行作为信号，计算所述未包括列的列编号相等编号的行对应的SINR值；在根据所有选择的待选列编号而确定的SINR值中选择最大的SINR值。
本步骤中，在层数n′+1下继续进行列选择。首先选择层数n′+1时，组A中包括当前列集合中所有列的待选列编号。在选择出待选列编号后，对于每个待选列编号，如前所述，选择对应的列与信道矩阵相乘，并计算相应行的SINR值，最后再在根据所有选择出的待选列编号所确定的SINR值中选择最大值。
具体地，对于每个选择出的待选列编号，选择相应的列继而计算SINR值的过程均相同，以待选列编号m为例，该过程包括：在组A中的第一码本矩阵中选择与待选列编号m相等的各个列构成矩阵，并左乘信道矩阵H，在得到的结果矩阵中将与待选列编号m中当前列集合中未包括列的列编号相等编号的行作为信号，计算与所述未包括列的列编号相等编号的行对应的SINR值，即为由待选列编号m所确定的SINR值。
步骤103b，判断步骤103a中计算得到的最大的SINR值是否存在对应的调制编码方式，若是，则执行步骤103c，否则，结束组A的当前列集合选择。
本步骤中，若计算得到的最大SINR值不存在对应的调制编码方式，则表明该组A中所选择的预编码矩阵的层数应为当前层数n′，该组中不能再增加层。否则，则表明该组A中有可能仍然可以再增加层，具体是否可以，通过步骤103c来进一步确定。
步骤103c，将第一码本矩阵中与步骤103a中选择出的最大SINR值对应的行相等编号的列加入组A的当前列集合，并确定当前列集合包括的所有列在步骤103a中选择的最大SINR值对应的MCS下的性能参数值。
如前所述，可以采用现有的方式计算性能参数值。
步骤103d，判断步骤103c计算得到的性能参数值是否劣于组A的当前性能参数值，若是，则从当前列集合中将与所述最大的SINR值对应的行编号相等的列删除，并结束所述任一组的当前列集合选择；否则，执行步骤103e。
对于不同的性能参数，其对应的数值大小与表征的系统优劣关系可能不同。对于容量值而言，容量值越大表明系统性能越优，容量值越小表明系统性能越劣；而对于误码率而言，误码率越大表明系统性能越劣，容量值越小表明系统性能越优。本步骤中，通过性能参数值的比较，确定加入新的列后，是否会造成系统性能更差。如果会，则不会加入该新的列，即将刚刚加入的列从当前列集合中删除；如果不会，则表明组A可以进一步增加层数，则通过步骤103e更新组A的各项参数值。
步骤103e，将步骤103c计算得到的性能参数值作为组A的当前性能参数值，将组A的当前层数n′加1，且将步骤103a选择的最大SINR值对应的MCS作为组A的当前MCS，并返回步骤103a。
步骤104，在各个组的当前性能参数中选择最大值，确定该最大值对应组，将确定的组的当前列集合中的所有列顺次排列构成的矩阵作为预编码矩阵，将确定的组的当前层数n′作为选择的层数。
至此，本发明中的预编码矩阵选择方法结束，可以根据预编码矩阵确定相应的码本矩阵，并将该码本矩阵编号和相应的层数反馈给发送端。
以下以4根发射天线为例，对上述预编码矩阵选择方法进行详细描述。
将表1中的16个码本矩阵进行总结分类，共组成5组，每组中其他几个矩阵是由第一码本矩阵进行模不变的行变换所组成的。5个第一码本矩阵分别为W₀，W₁，W₄，W₅，W₁₂，矩阵之间的关系如表2所示。