认识5G(一)：5G 单天线阵面Type I码本（Type I Single Panel codebook）生成过程

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认识5G(一)：5G 单天线阵面Type I码本（Type I Single Panel codebook）生成过程
零. 关于5G码本的分类
一.DFT码本的基础知识
二.NR的Type I单天线阵面码本设计
三.3GPP中的Type I单天线阵列码本
- 1.两天线
- 2. 4,8,12,16,24,32天线
- - 1.根据天线阵列大小和形状配置过采样倍数,也就是根据N1N2N_1N_2N1N2选择O1O2O_1O_2O1O2
  - 2.根据i1中的i1,3i_1中的i_{1,3}i1中的i1,3配置两个参数k1k_1k1和k2k_2k2,这个参数是234层专属的,但这个配置2层和3-4层是不同的,
  - 3.1 Layer情况下的码本
  - 4. 2 layers
  - 5. 3-layer
  - 6.4-layer
  - 6.5-layer
  - 7.6-layer
  - 8.7-layer
  - 9.8-layer
- 3.总结
附加:Type I 多天线阵面码本
参考资料

零. 关于5G码本的分类

5G码本分为Type I和Type II两类，也可以分为单天线阵面和多天线阵面，Type I是常规精度码本，Type II是高精度码本，具体情况如下表

一.DFT码本的基础知识

5G中Type I码本是基于DFT码本生成的，什么是DFT码本，可以看这篇博客https://blog.csdn.net/weixin_39274659/article/details/108894763，讲的非常详细，因为CSDN常常抽风，我这里做截图，并做简要讲解

DFT变换可以用矩阵形式表示，而此矩阵的每一列形式都和ULA天线的响应向量形式类似，借用这样的思路，我们排列N NN 个不同入射角度对应的响应向量，并确保N个入射角的sin值形成公差为N2\frac{N}{2}2N，映射在[-1,1]之间就可以得到一个DFT码本，该天线每一列互相正交，因此对于任意一个入射角，可以很容易的进行结算，只需要与其共轭转置相乘即可
在扩展到UPA的情况下，变为对应二维DFT变换，实际上这就是做kron积，或者也可以说是做向量化后进行拼接，此时入射角有两个，要确保cos(ϕ)cos(\phi)cos(ϕ)和sin(ϕ)cos(θ)sin(\phi)cos(\theta)sin(ϕ)cos(θ)为N2和M2\frac{N}{2}和\frac{M}{2}2N和2M的等差数列，即可以组成码本

二.NR的Type I单天线阵面码本设计

NR的Type I单天线阵面码本是一个典型的UPA二维DFT码本，由两个DFT波束构成，但区别是NR还进行了过采样，也就是说角域上的分辨率变得更精细了，这个过采样是有一个旋转因子实现的，最后他是一个大小为N1O1N_1O_1N1O1的vec，每一个vec都是一个DFT波束，讲这两维DFT波束做kron，就得到了空域波束集合D，共有N1O1N2O2N_1O_1N_2O_2N1O1N2O2个DFT波束。

就如同使用显微镜先调粗准焦螺旋，再调细准焦螺旋一样，码本的选择也是先选择一个宽带波束组，再进行具体的选择和量化

宽带波束选择通过选出L个波束，组成块对角来实现
选择和量化通过一个长度为L的01数组来实现，并给其添加一个相位差

当然，以上说的这些在3GPP中是看不到，他们直接给出了码本的结果，下面我们来对应看看是不是码本和这是一致的

这里进行一个补充,当codebookmode=1的时候, L=1,当codebookmode=2的时候,L=4,其区别是L=1时在宽带就直接选择出了波束,而L=2时宽带只选出了一个候选波束组,具体的选择由窄带选择来完成https://www.weixiuzhan.cn/news/show-32795.html

三.3GPP中的Type I单天线阵列码本

本段的内容来自TS38.214-f10，注意预编码矩阵的大小永远是（NTx，NLayers）

1.两天线

两天线和LTE是类似的，非常简洁的一个码本

2. 4,8,12,16,24,32天线

此种情况下比较复杂，码本由两个参数i1,i2i_1,i_2i1,i2决定, 且i1i_1i1包含多个参数,参数的数量由层数来决定

此外,码本定义了一些变量

可以看到,v即上面提到的二维DFT波束的kron积,其中m对应n2O2+q2n_2O_2+q_2n2O2+q2的取值,l对应n1O1+q1n_1O_1+q_1n1O1+q1的取值,这就选出了一个波数组,同时ϕ\phiϕ和θ\thetaθ对应着波束选择中的相移操作,而v~\widetilde{v}v是在某些层数和天线数的特例,那么具体的npml如何选择呢,这与刚才所说的i1,i2i_1,i_2i1,i2有关

再补充一些,UE会被配置一个大小为N1N2O1O2N_1N_2O_1O_2N1N2O1O2的bit数列,其中0位表示对应的lm的DFT波束不可以使用

接来下我们来看i1,i2i_1,i_2i1,i2还有天线数是如何配置码本的

1.根据天线阵列大小和形状配置过采样倍数,也就是根据N1N2N_1N_2N1N2选择O1O2O_1O_2O1O2

2.根据i1中的i1,3i_1中的i_{1,3}i1中的i1,3配置两个参数k1k_1k1和k2k_2k2,这个参数是234层专属的,但这个配置2层和3-4层是不同的,

3.1 Layer情况下的码本

4. 2 layers

5. 3-layer

6.4-layer

6.5-layer

7.6-layer

8.7-layer

9.8-layer

3.总结

具体使用哪一个码本,是由层数决定的,这也是一个链路自适应量RI,所以说RI和PMI是一起决定的,哪个precoding matrix的SINR最小,就选择他的层数来反馈
当天线端口大于2的时候,码本由两个参数决定,i1和i2i_1和i_2i1和i2,其中i1i_1i1决定了波束编号,i2i_2i2决定了相位因子,层数为234时,i1i_1i1由三个参数组成,否则则是两个参数组成
codebookmode=1,直接使用i1i_1i1就锁定了具体波束,codebookmode=2,使用i1i_1i1就锁定了候选波束组,i2i_2i2再做具体选择
码本的通用形式可以看作,其列数与层数相等,234层特殊,会引入
每个参数的具体含义如图

i1,1i_{1,1}i1,1和i1,2i_{1,2}i1,2可以看作是DFT波束的角度,i1,3i_{1,3}i1,3是特例,i2i_2i2则对应的相位因子

最后得到的码本,一个v的大小是(N1N2,1),也即(2N1N2, NLayer),这和Ntx是一致的,满足假设
PMI汇报i1,i2i_1,i_2i1,i2两个值作为码本选择,同时汇报RI选择码本种类

附加:Type I 多天线阵面码本

这是单天线阵面的简单延伸

只是调整了相位因子,不做过多描述,想详细了解可以去看3GPP的详细描述

参考资料

[1]刘慧, 赵奕晨, 江甲沫和赵楠德, 《面向5G新空口的码本设计标准化研究》, 移动通信, 卷 43, 期 4, 页 2–7, 2019.

[2]https://www.weixiuzhan.cn/news/show-32795.html

[3]https://blog.csdn.net/weixin_39274659/article/details/108894763

[4]3GPP TS 38.214 V15.1.0 (2018-03)