CN101039137A - Mimo－ofdm系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种MIMO－OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈信息比特数的方法和装置，应用于用户和基站之间的空中接口通信，所述用户包括信道状态信息获取单元；信道变化跟踪单元，根据信道状态信息对于每一个OFDM子信道提取对应的MIMO信道矩阵的最大奇异值，并按OFDM子信道的顺序，将所述最大奇异值视为一条光滑曲线上的点，找出极点；码本搜索单元，对极点对应的子信道搜索完整码本，获得相应的完整码本预编码矢量序号，对于非极点所对应的子信道，按OFDM子信道的顺序分成若干个组，用子码本构造和搜索的方法为每组非极点所对应的子信道获得预编码码本的适量的子码本序号；以及反馈信息合成单元，将所获得的一系列码本矢量序号信息反馈到发射端。

Description

MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种预编码方法和装置，具体是一种MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法和装置。用于无线传输技术领域。

背景技术

在发射机和接收机上使用多根天线，即构成了多输入多输出(MIMO)传输模型，这种传输方式可以增强无线连接的可靠性和增加无线通信系统的容量。在扰动丰富的无线环境中，对于一个拥有MT根发射天线和MR根接收天线的系统，MIMO传输方式对信道容量提高的贡献是和发射天线数和接收天线数相对较小的数值成线性关系的。对于宽带通信，正交频分复用(OFDM)技术将频率选择性信道分割成一组并行正交的平坦衰落信道，大大的提高了系统频谱利用率，并能够有效的克服码间串绕(ISI)。OFDM技术与MIMO技术相结合，已成为未来宽带移动通信系统优秀的备选方案。

预编码技术针对无线信道的衰落特性，以加权的方式使得发送信号能够更好的克服信道对信号的衰落，更好的跟踪信道状态的变化，是提高MIMO系统性能的好方法。针对预编码技术的研究主要集中在如何提高在信道状态不完全已知情况下预编码的性能和如何减少预编码反馈信息数据量这两个问题上。目前已知信道状态信息预编码技术的相关方法主要有：

①在接收端已知信道状态信息的情况下，对MIMO信道矩阵进行奇异值(SVD)分解，用得到的奇异值向量对信号进行预编码，该方法是理论上能获得最优性能的方法，但要将计算得到的奇异值向量完全反馈到发射端，反馈信息量相当巨大。参见文献：David J.Love等，“Limited Feedback Precodingfor Spatial Multiplexing Systems”，IEEE Global Telecommunications Conference，2003.GLOBECOM′03.Volume 4，1-5Dec.2003Page(s)：1857-1861.

②在接收端已知信道状态信息的情况下，根据信道状态信息按照某种准则从预先定义好的码本中搜索出最佳的向量作为预编码加权向量，只需反馈码本矢量序号就可以使发射端完成预编码，从而可以有效的降低预编码反馈信息比特数，但性能相对于①会有所下降，而下降的程度依赖于码本的设计和码本的大小。参见文献：Shengli Zhou等，“BER Criterion and CodebookConstruction for Finite-Rate Precoded Spatial Multiplexing with LinearReceivers”，IEEE Transactions on Signal Processing，Volume 54，Issue 5，May2006Page(s)：1653-1665.

③对于拥有大量子信道OFDM系统，即使采用方法②仍需要反馈大量的比特使发射端完成对所有子信道的预编码。针对这种情况，有两种可以进一步减少预编码反馈比特数的方法：(1)内插法：将OFDM子信道进行分组，每组含有相同数量的子信道；对于每组的第一个子信道，在码本中搜索得到预编码矢量；对于每组的其他子信道，利用相关性，运用内插算法计算得到预编码矢量。参见文献：Jihoon Choi等，“Interpolation based TransmitBeamforming for MIMO-OFDM with Limited Feedback”，IEEE Transactions onSignal Processing，Volume 53，Issue 11，Nov.2005Page(s)：4125-4135.(2)子空间搜索法：按照OFDM子信道的顺序，对于第一个子信道搜索完整码本获得预编码矢量；对于后面的子信道，在确定所要反馈的信息比特数的前提下，利用相关性，从完整码本中提取出少数码本矢量组成子空间，在子空间中搜索得到预编码矢量。参见文献：Shengli Zhou等，“Recursive and Trellis-basedFeedback Reduction for MIMO-OFDM with Transmit Beamforming”，IEEEGlobal Telecommunications Conference，2005.GLOBECOM′05.Volume 6，28Nov.-2Dec.2005Page(s)：5pp。这两种方法都利用码本矢量的相关性，子空间搜索法实质上是缩小了码本搜索的范围降低了反馈比特数量，但相对于方法②有系统性能的降低，内插法是利用搜索完整码本得到的几个预编码码本矢量通过计算得到其他的矢量，改善了完全码本搜索预编码的系统性能，但增加了系统的运算复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法及装置，使其在反馈比特数进一步减少的情况下获得与子空问搜索算法基本相同的误码率性能。本发明所提算法性能稳健，且易于实现。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法技术方案是：首先根据信道状态信息对所有MIMO子信道矩阵进行奇异值(SVD)分解，对于每一个OFDM子信道提取其对应的MIMO信道矩阵的最大奇异值；其次，找到这些奇异值所在曲线的极点；之后，对于极点所对应的子信道按照某种准则(如接收信号信噪比最大准则、最大似然准则、最小奇异值准则、最小均方误差准则、信道容量最大准则等)搜索码本，获得相应的预编码码本矢量序号；对于非极点所对应的子信道，按照极点位置分成若干组，每组以极点对应子信道起始，以极点对应信道的预编码码本矢量为起始中心矢量，用子码本构造和搜索的方法获得非极点所对应子信道的预编码码本矢量。

本发明MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法包括如下步骤：

步骤一，根据信道状态信息，对于每一个OFDM子信道所对应的MIMO信道矩阵进行奇异值(SVD)分解，提取所有奇异值中的最大值，以便在下一步中进一步应用。

步骤二，按照OFDM子信道的顺序，依赖于子信道间的相关性，可以把所有子信道对应的最大奇异值视为一条光滑曲线上的点。找出这些点中的极点，并记录所对应的子信道序号。第一个子信道所对应的奇异值(边界处)总是被认为是一个极点。最后的子信道对应的奇异值(边界处)不计算在内。

步骤三，对于极点所对应的子信道按照某种准则(如接收信号信噪比最大准则、最大似然准则、最小奇异值准则、最小均方误差准则、信道容量最大准则等)搜索完整码本，获得相应的完整码本预编码矢量序号。

步骤四，对于非极点对应的子信道，按照步骤二中找到的极点对应的子信道编号把所有OFDM子信道分成若干组，每组以极点对应子信道作为起始，终止于下一个极点前的子信道。对每个子信道组应用子码本构造和搜索算法，直到为每个非极点对应的子信道都找到合适的子码本矢量。

所述子码本构造，包括以下步骤：

步骤①，确定非极点对应子信道所要反馈的比特数。确定了反馈比特数，就确定了子码本的大小；

步骤②，子码本的构造是以前一个子信道所获得的码本矢量为核心，依据最小弦距准则搜索整个预编码矢量的码本，找到满足该准则的码本矢量，则该矢量就是子码本中的一个矢量；

步骤③，对于非极点对应的子信道采用搜索子码本的方法获取预编码子码本矢量，并记录子码本矢量序号。

设该组的起始子信道，即某一极点奇异值所对应的子信道，获得的完整码本矢量为w_i，该矢量在完整码本中的序号为i。以w_i为核心构建子码本W_i，设W_i包含2^B2(B₂是非极点对应子信道所需反馈比特数)个码本矢量，则子码本中的其他码本矢量相对于w_i应满足最小的弦距准则，使得其他矢量和核心矢量间的弦距 $d(w_i,w_j)=\sqrt{1-{\left|w_i^H{w}_j\right|}^2}$ 最小。按照和步骤三相同的准则搜索子码本W_i，为第二个子信道求得子码本矢量w_j(w_j∈W_i)，该矢量的子码本序号为j。以w_j为核心重复步骤②为下一个非极点对应的子信道构造子码本，至子信道组内所有非极点对应的子信道都得到子码本矢量。搜索子码本要依据和应用与极点对应子信道码本搜索的准则相同的准则。

上述步骤四所述的将OFDM子信道分成若干组在对于在频域变化相对平缓的信道时，采用基于完全码本搜索的子信道分组方法：

首先，对所有子信道根据需要依据准则搜索整个码本，得到每个子信道的预编码码本矢量；其次，确定同一分组内不同码本矢量的个数M，并以第一个子信道的预编码码本矢量为中心，按和前面相同的准则搜索整个码本，找到包括中心矢量在内满足该准则的M个码本矢量；再次，从第一个子信道开始，按子信道排列顺序，对各子信道的码本矢量与得到的M个码本矢量进行比较，如果子信道的码本矢量属于M集内，则该子信道属于同一分组，直到找到子信道m的码本矢量不属于M为止，至此以前的所有子信道属于第一分组；再以子信道m的码本矢量为中心，按和前面相同的准则构筑一新的M个码本矢量，用其后的子信道的码本矢量与M比较，得到第二个分组，如此反复，直到对所有子信道分组完成为止；最后，反馈时，可以采用位置差分的方式形成反馈信息，也可以对每个子信道组除第一个子信道外的其余子信道进行子码本的构造和搜索。

所述位置差分的方式形成反馈信息，是指，将每个子信道组开始子信道所获得的完整码本矢量序号和该子信道组所含子信道的数量合成，将该合成信息反馈到发射端；发射端可以从收到的合成信息中提取出每组开始子信道完整码本矢量序号和该子信道组所含子信道的数量信息；对于每个子信道组的其他子信道，不反馈任何信息，而是使用和每组开始子信道相同的预编码码本矢量进行预编码。

步骤五，对于奇异值极点所对应子信道反馈完整码本矢量序号，对于非极点所对应子信道反馈子码本矢量序号。在发射端根据反馈信息从码本中获取预编码矢量，使用预编码码本矢量对发射信号进行预编码。对于某个子信道组，在接收端和发射端都拥有相同的、完整的预编码矢量码本和都遵守同样的子码本矢量编号规则的前提下，发射端从反馈信息中提取预编码矢量序号的过程包括：首先，提取出极点对应的子信道的完整码本矢量序号，依据该序号，可以从完整码本中获得对应的预编码矢量；其次，提取出非极点对应子信道的子码本矢量序号，重复步骤五中的子码本构造过程，构造子码本，依据子码本矢量序号就可以从子码本中提取出所需的预编码矢量。

基于上述方法，本发明涉及一种MIMO-OFDM系统中基于码本搜索减少预编码反馈比特数的接收端装置技术方案是：包括：

信道状态信息获取单元，获取信道状态信息；

信道状态跟踪单元，根据信道状态获取单元获取的信道状态信息对于每一个OFDM子信道提取对应的MIMO信道矩阵的最大奇异值，并按OFDM子信道的顺序，将所述最大奇异值视为一条光滑曲线上的点，找出极点；

完整码搜索单元，获得所述极点对应的子信道的预编码码本矢量完整码本序号；

子码本搜索单元，对于非极点对应的子信道，按OFDM子信道顺序分成若干个组，用子码本构造和搜索的方法获得每组非极点对应的子信道的预编码码本矢量子码本序号；

反馈信息合成单元，将所述完整码搜索单元和子码本搜索单元合成，并进行反馈。

与上述接收端装置相配合，本发明提供一种MIMO-OFDM系统中基于码本搜索减少预编码反馈比特数的发送端装置，包括：

反馈信息处理单元，接收合成的反馈信息，并依照和接收端装置所使用的相同的方法构造成子码本；

预编码矢量提取单元，提取完整码本序号，并在整个码本中获得对应的预编码矢量，提取子码本序号，并在所述构造的子码本中获得对应的预编码矢量。

本发明方法上述步骤通过发射端装置和接收端装置的配合完成。发射端装置包括反馈信息处理单元和预编码矢量提取单元。接收端接收到发射端装置发射的信息后，完成信道状态信息的获取、信道变化跟踪、码本搜索、反馈信息合成等一系列任务，将反馈信息发射出去；发射端装置接收到反馈信息后，完成反馈信息处理、预编码矢量提取等任务，并使用提取出的预编码矢量对准备传送的数据进行预编码，最终形成可发射的信息。

上述装置的功能单元与本发明方法实现步骤的对应关系是：接收端信道状态信息获取单元和信道变化跟踪单元完成步骤一、步骤二以及步骤四中对子信道的分组；码本搜索单元完成步骤三完整码本搜索和步骤四子码本构造和搜索；反馈信息合成单元，以及发射端反馈信息处理单元完成和预编码矢量提取单元共同完成步骤五。

本发明将基于码本搜索的子码本构造和搜索预编码方法与MIMO信道的奇异值分解相结合，相对于子空间搜索方法，本发明更好的利用了OFDM子信道之间的相关性，从而可以以更少的反馈比特获得和子空间搜索法相当的系统误码率性能。本发明又具有更好的灵活性，能通过奇异值分解更好的跟踪信道状态的变化趋势，很适合实际中应用，可为第三代(3G)、超三代(B3G)、第四代(4G)蜂窝移动通信和数字电视、无线局域网、无线广域网等系统的预编码方案提供重要的理论依据和具体的实现方法。

附图说明

图1是带有发射预编码和接收合并的MIMO-OFDM系统原理图

图2是实际系统装置示意图

图3是对一个子信道组的预编码码本矢量序号的搜索过程流程图

图4是MIMO-OFDM系统MIMO子信道最大奇异值变化曲线图(Rayleigh信道模型)

图5是MIMO-OFDM系统MIMO子信道最大奇异值变化曲线图(3GPP空间信道模型)

图6是多径Rayleigh信道模型误码率性能仿真曲线图

图7是多径Rayleigh信道模型下反馈比特数的对比曲线图

图8是3GPP空间信道模型误码率性能仿真曲线图

图9是3GPP空间信道模型下反馈比特数的对比曲线图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

(1)带有发射预编码和接收合并的MIMO-OFDM系统的构造

带有发射预编码和接收合并的MIMO-OFDM系统的构造如图1所示，本发明采用4发2收的带有发射预编码和接收合并的MIMO-OFDM系统，子载波个数为64，采用QPSK调制方式。信道状态信息在接收端获取，本发明不涉及具体的获取方式。码本搜索算法单元利用信道状态信息搜索码本，最终形成预编码反馈信息。发射端依据反馈信息完成对发射信号的预编码。为了全面测试本发明对系统误码率性能的影响，采用多径Rayleigh信道模型和3GPP空间信道模型进行系统级性能仿真。多径Rayleigh信道模型的信道多径数目为3，其归一化功率、延时参数为[11/exp(1)1/exp(2)]，其中exp(α)代表自然对数的底数的α次幂。使用3GPP空间信道模型中基本的4发2收“UrbanMicro”模型，具体参数设置请参考“ETSI TR 125 996 V6.1.0 Universal MobileTelecommunications System(UMTS)；Spacial channel model for Multiple InputMultiple Output(MIMO)simulations”。

(2)实际系统装置配置

如图2，实际系统装置示意图所示。接收端用户Us包括信道状态信息获取单元CSIU，信道变化跟踪单元CTU，包含完整码本搜索单元CBSU和子码本搜索单元SCBSU的码本搜索单元，以及反馈信息合成单元FBIU；发射端基站B包括反馈信息处理单元FBIU和预编码矢量提取单元PCVU。用户Us接收到基站B发射的信息FWI后，完成信道状态信息的获取、信道变化跟踪、码本搜索、反馈信息合成等一系列任务，将反馈信息FBI发射出去；基站B接收到反馈信息FBI后，完成反馈信息处理、预编码矢量提取等任务，并使用提取出的预编码矢量对准备传送的数据进行预编码，最终形成可发射的信息FWI。

(3)预编码码本

本发明不涉及码本的设计问题，本发明所做的一切仿真、分析和说明都使用如下表所示的含有64个预编码矢量的码本，码本中的预编码矢量的编号如矢量上方表格内容所示：

0	1
		0.356951624498497+0.087021253122628i0.087538247968263+0.157842790148989i0.464961899023787+0.003310516186638i0.785006382746187+0i	-0.393640804251131+0.226679583108209i0.391843572449198+0.335386198677016i-0.365548690067920+0.274081968806544i0.564704547407226+0i
2	3
		0.078477545103364-0.293480305674212i-0.748797597782116+0.35426817874787i0.274858149722221-0.279091431849834i0.260898007615250+0i	-0.226952477440298+0.302495440405902i0.045813840483885-0.159771933576918i-0.756129550925118-0.024227116679576i0.506995317348923+0i
4	5
		0.016629383219082-0.548100260407838i0.329918987649270+0.053568193785053i0.593755741268673-0.212741728402888i0.435647282861194+0i	0.062745512342009+0.28903524130746i-0.051072769902764+0.815841095860682i-0.410536827740416+0.025453682338864i0.274095114087804+0i
6	7
		-0.680589371770339+0.122208496083638i-0.308379033726114+0.236137877996725i-0.061891702690689-0.23780305510512i0.557336154194487+0i	0.702899821781835-0.21213319868808i-0.353011734553576-0.142865131733656i-0.335861517352320+0.300679480971262i0.335697046219173+0i
8	9

-0.457390837755998+0.55116645731328i0.021380119536013-0.279580227893189i0.162807090376393-0.335416964056339i0.519014697360117+0i	0.149563267442602-0.346171404703475i0.209012658651896+0.189430403807373i-0.482325266216683+0.566653853689253i0.473805620378527+0i
		10	11
0.210480050619146+0.414360979093343i-0.499094844549650+0.222532973365597i0.470349215239227-0.483670307957973i0.173842423271414+0i	-0.258660106307685-0.008496869979997i-0.692865418484841+0.079069893051379i-0.072569706565812+0.621267010174366i0.235518908463983+0i
		12	13
0.592015373254703+0.582355760172544i0.137019118275859-0.143269960836841i0.292202723735543-0.244861887726547i0.354597335231372+0i	-0.256613271153266-0.091773159204282i0.444582372069229-0.075705941773748i0.117910323634874+0.117736149668846i0.833413340296762+0i
		14	15
0.779451639250902-0.27838255497303i0.029228998147820+0.410981176917134i0.028440861125743+0.010322193764359i0.379846025090652+0i	-0.365866268109414+0.500489303630263i-0.591561695325715-0.137529791722979i-0.058558302195821+0.096041249531479i0.483879790294821+0i
		16	17
0.198785135059516-0.058438557326465i0.098174556352726-0.446556612228481i0.344698349054737-0.473674291371931i0.636265720834603+0i	0.169038697576193+0.019359745330828i0.366757380072909-0.367406471855126i0.401393703959202+0.591479400329905i0.436563673466750+0i
		18	19
-0.273005656043511-0.240724221834976i0.156095048882922+0.379725386314942i0.092760706513432-0.465209026582785i0.688432088448403+0i	0.255643589375425+0.25617698318559i-0.654447998902842-0.458557853996416i-0.208827387136597+0.196628812333964i0.384929152324533+0i
		20	21
-0.175582147145863+0.144707451932447i-0.484354552481520-0.483192765015156i-0.409130940680855-0.51582615400427i0.216081777364644+0i	0.448722246314840-0.372022311830466i0.382031070878501-0.242298080725016i0.078279327339982+0.174224175560373i0.647387001479322+0i
		22	23
0.049798100221768+0.45924093946434i0.174895890779308+0.287942212081821i0.040594128577570-0.514501244811295i0.637776766930883+0i	-0.181371423473449-0.573540928709123i-0.188723792573650+0.08380375101276i0.226471926851179+0.149795235860783i0.722348478877908+0i
		24	25

0.364829964775585+0.19150525478417i-0.008250428063829-0.191266279743798i-0.506689375673734-0.666596155526833i0.304120727471565+0i	-0.453357286673871-0.402026115053686i0.411688167268537-0.453012316602812i0.343929096827416+0.200287784083603i0.315804444671273+0i
		26	27
0.232880390136569-0.155421457730254i0.264866801115886+0.284139463489054i-0.328403962010150-0.122473753164011i0.804905121640799+0i	-0.354572014701710+0.389177388602744i-0.003322736245235+0.231567165882527i0.242004033236088+0.343349482839371i0.701947600773093+0i
		28	29
-0.084395681191154-0.573279917610033i-0.667889547678047-0.150590354339682i-0.333686085724523-0.137468999090408i0.255400612423906+0i	-0.128044176520414+0.471261964994374i0.342698802460669-0.639191367347149i0.430437688271587+0.0567095957038i0.216832179761858+0i
		30	31
-0.072478278975765-0.38836384646231i0.848118516524330+0.096531142087918i-0.128613092605241-0.186969142111614i0.252583361847224+0i	0.057141581238298+0.179258048448113i-0.341078752348845+0.610202639065212i0.239717042694033-0.033363578105601i0.646020144292873+0i
		32	33
-0.171505335254686-0.134757917562604i-0.388895473216825+0.198405977364231i-0.432805853749264+0.161175034947204i0.740623591145402+0i	0.577181639701887-0.480167049799375i-0.170021239188678-0.381086665863719i0.461636056260068+0.064602745120702i0.211861575768583+0i
		34	35
-0.830770266184756+0.172983099955473i0.380415651704306-0.113436574360985i-0.240844188993775-0.139336461672781i0.211879953193259+0i	0.239806463023271-0.198372401614427i-0.384336890258112+0.23468693316285i0.773905095579232+0.235209328758199i0.214699612158360+0i
		36	37
0.356770849229954+0.553478205199716i0.092786046491057+0.175345642735536i-0.291929432685644+0.180521007975391i0.639695603134996+0i	-0.101623100881888-0.19590127478446i-0.352349776957874-0.70323613976498i0.158637155485356+0.003918420427685i0.554457303308403+0i
		38	39
0.141933765309632+0.150677408944564i0.679096291662266-0.04082554856478i-0.603919404264782+0.010701685494794i0.359832534679353+0i	-0.565179977062548+0.340497252396964i0.387712462008401+0.520258704253664i0.163337614239901-0.209632218032129i0.270218983468458+0i
		40	41

-0.076661489911072-0.442008718045616i0.026065211825916+0.715873570181332i-0.036829806572261+0.215285245324433i0.487742528264697+0i	-0.074654379543847+0.191302256058694i-0.149793970111646-0.188824263538624i-0.110780325568535-0.180710840365141i0.924558622316897+0i
		42	43
-0.629775675001484-0.514079974368504i0.000607037287624+0.018292730862026i-0.107798265316786+0.456756100718282i0.344271382900709+0i	0.735011225323959+0.281521711188846i0.488654688984417+0.297928392967882i-0.100544817488804-0.17697596619727i0.107375692961120+0i
		44	45
-0.185513532879718+0.269163746978718i0.149664323243531+0.152827688388859i0.263958467753102+0.871054286622889i0.137732536090646+0i	0.443058265048865-0.285279938515542i-0.389080403666089-0.038989156485028i0.099975020782261-0.210203445281907i0.717795599334016+0i
		46	47
-0.410591664888992-0.011686224336499i0.134112239909072-0.447990746441809i-0.283862524396876+0.478437777002363i0.550559239204643+0i	0.386241903875835-0.22423342391646i0.386264836612171+0.133097048839162i0.101033827292290-0.690263953551393i0.383339347115087+0i
		48	49
0.040204760299369+0.720677724417516i-0.125018218749566+0.325210527697812i-0.057083889171037+0.576427201892237i0.148623224795631+0i	-0.150909618206174-0.077941771926269i-0.361585454565060+0.138211290641578i-0.174195917272322-0.758759089934615i0.463945461617288+0i
		50	51
0.186037591658573-0.034259861330377i-0.192806043199926-0.208562835801435i-0.037259583122348+0.542496202925689i0.766715881468691+0i	-0.201188419138141+0.148127042281698i0.531882163455516-0.384658233323257i-0.146157404458416-0.516555506190961i0.467471313804239+0i
		52	53
0.323635364458280+0.027615654264899i-0.072751957246294+0.458121425331828i0.041316847738780+0.620724875720926i0.540669016713939+0i	0.578724934885432-0.322482909727906i0.184565521363491-0.025953175095286i-0.032138138619195+0.723923080786462i-0.035309161025197+-0i
		54	55
-0.268616297407505-0.419234687217999i-0.477930105825920-0.252448706975998i0.358909378953723+0.488565081164877i0.304020139558371+0i	0.295294083242106+0.393657162774235i0.311422730547897-0.504100626651494i-0.083036569044721+0.062962104331736i0.629185652511092+0i
		56	57

-0.362511326434096-0.060875223704766i0.294873758731290+0.273937649399616i0.698666982434460+0.18002202195594i0.427017441407025+0i	0.418488279723962+0.267481861798854i-0.516535233257670+0.151993667423685i-0.271085559689180-0.327359855290397i0.531750350898891+0i
		58	59
-0.212611632435715+0.071517425941793i-0.255921518813918-0.14058435517616i0.647511353545195-0.090322820975941i0.661054159557580+0i	0.243047968835183-0.34562457662559i0.041659489454298-0.430931057629066i-0.487221916898723-0.0868728463902i0.623780538042166+0i
		60	61
0.197488858119452+0.217163988928689i0.767053752307653+0.212160612074468i0.305520373049332+0.017726045058834i0.432200714442446+0i	-0.085224534478317-0.632441952077555i0.023195573343403+0.309113061372416i-0.458777954437545-0.39238178043336i0.363626681567204+0i
		62	63
0.259926879091315+0.54767982311008i-0.286684701719544-0.253104836931113i0.330304609170848+0.350160955758209i0.504500567322775+0i	-0.432452335626408-0.496846053976878i0.022699616845970-0.346693920599429i-0.171558792957541-0.275236294256694i0.583292029566757+0i

(4)MIMO信道矩阵的奇异值分解

在实际系统中，本发明的该过程由信道状态信息获取单元(CSIU)，信道变化跟踪单元(CTU)完成。对第k个OFDM子信道对应的MIMO信道矩阵进行奇异值分解可表示成：

$H\left(k\right)=U\left(k\right)\mathrm{\Λ}\left(k\right)V^H\left(k\right)=[u_1\left(k\right),u_2\left(k\right),...,u_{M_r}\left(k\right)]\mathrm{\Λ}{[v_1\left(k\right),v_2\left(k\right),...,v_{M_t}\left(k\right)]}^H,$ 其中矩 阵Λ的第一个对角线元素就是MIMO信道矩阵最大的奇异值。利用MIMO子信道矩阵的最大奇异值所在曲线的变化规律进行预编码码本的搜索和子码本的构造是本发明的核心。图4所示是采用Rayleigh信道模型的情况下MIMO子信道矩阵的最大奇异值所在曲线的变化情况图。同时，这里给出根据最大信噪比准则完全搜索码本所获得的预编码矢量对应的码本序号表格：[11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 23 23 23 23 23 2525 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 63 63 6363 63 63 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 1313 13 13 13 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50]。对照码本序号表格和图4，可以发现，码本序号的变化往往发生在曲线极点的附近。图5所示是采用3GPP空间信道模型的情况下MIMO子信道矩阵的最大奇异值所在曲线的变化情况图。同时，这里给出根据最大信噪比准则完全搜索码本所获得的预编码矢量对应的码本序号表格：[62 2 2 2 2 262 62 62 62 62 62 62 62 62 62 62 62 62 27 27 2727 62 62 62 62 62 62 2 2 2 62 62 62 62 62 62 6262 62 62 62 62 62 62 62 2 2 2 2 2 2 2 35 35 3535 35 35 62 62 62 62]。同样，对照码本序号表格和图5，可以发现，码本序号的变化往往发生在曲线极点的附近。

(5)预编码码本的搜索、子信道分组以及预编码子码本的生成

码本的搜索可以根据需要依据接收信号信噪比最大准则、最大似然准则、最小奇异值准则、最小均方误差准则、信道容量最大准则等准则中的某一种。本发明将依据接收信号信噪比最大准则对码本搜索过程进行说明。这里首先简单的介绍最大似然准则、最小奇异值准则、最小均方误差准则、信道容量最大准则。这几种准则的介绍也可参考文献：Love，D.J.，Heath，R.W.，Jr.，“Limited feedback unitary precoding for spatial multiplexing systems，”IEEETrans.Info.Theo.Vol 51(8)，Aug.2005 Page(s)：2967-2976。

①最大似然准则

在系统使用最大似然接收机时，接收端对接收信号的判决输出可表示成： $\hat{S}k=\underset{s\∈\mathrm{\ψ}}{\arg \min }{\left|\right|r_k-H{w}_{i}s\left|\right|}_2^2.$ 最大似然接收的误符号率的上界是星座间最小欧式距离 $d_{\min ,R}=\underset{s_1,s_2\∈\mathrm{\ψ},s_1\≠s_2}{\min }{\left|\right|{\mathrm{Hw}}_i(s_1-s_2)\left|\right|}_2$ 的函数。则码本搜索的最大似然准则是： $w_{\mathrm{opt}}=\underset{w_i\∈W}{\arg \max }{d}_{\min ,R}.$ 上述公式中，ψ代表调制星座集合；r_k代表接收信号；s代表发射的符号；

代表接收端判决输出的符号；w_i代表码本矢量。

②最小奇异值准则

该准则对应线性接收机。迫零接收机是线性接收机的一种，迫零接收的最小信噪比的下限可以表示成： ${\mathrm{SNR}}_{\min }\≥{\mathrm{\λ}}_{\min }^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{N_0},$ 其中λ_min是Hw₁的最小奇异值。则码本搜索的最小奇异值准则是： $w_{\mathrm{opt}}=\underset{w_1\∈W}{\arg \max }{\mathrm{\λ}}_{\min }.$ 上述

是发射信号信噪比。

③最小均方误差准则

该准则同样对应线性接收机。最小均方误差接收机是线性接收机的另一种形式，接收信号的均方误差可表示成： $\stackrel{\‾}{\mathrm{MSE}}={(1+w_i^H{H}^H{\mathrm{Hw}}_i)}^{-1}.$ 则码本搜索的最小均方误差准则是： $w_{\mathrm{opt}}=\underset{w_i\∈W}{\arg \min }\stackrel{\‾}{\mathrm{MSE}}.$

④信道容量最大准则

根据香农信道容量公式，MIMO信道容量是： $C={\log }_2\det (I+\frac{w_i^H{H}^H{\mathrm{Hw}}_i}{N_0}).$

则码本搜索的信道容量最大准则是： $w_{\mathrm{opt}}=\underset{w_i\∈W}{\arg \max C}.$ 上述N₀代表噪声方差。

在实际系统中，本发明的该过程由包含完整码本搜索单元(CBSU)和子码本搜索单元(SCBSU)的码本搜索单元完成。本发明采用上述含有64个预编码矢量的码本，这里基于最大信噪比准则对码本搜索进行说明。完整码本可表示成W＝[w₁，w₂，...，w₆₄]，则在发射端进行预编码后，接收端的某一根天线所接收到的信号可表示成r(k)＝w_kH(k)s(k)+n(k)，其中H(k)为第k个OFDM子信道的MIMO信道矩阵，s(k)为发送信号，n(k)为加性高斯白噪声。根据该接收信号，可以得到接收信噪比的表达式为 $\mathrm{\γ}\left(k\right)={\left|w_{k}H\left(k\right)\right|}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{N_0},$ 其中ε_s为发送信号的平均能量，N₀为加性高斯白噪声的方差。为了使接收信号的信噪比最大，码本搜索的最大信噪比准则可以表示成 $w_{\mathrm{opt}}={\arg \underset{w_k\∈W}{\max }\left|w_{k}H\left(k\right)\right|}^2,$ 即w_opt为码本中可以使接收信号信噪比最大的码本矢量。

本发明中，对于所有MIMO子信道矩阵的奇异值中的极点所对应的OFDM子信道，在完整码本中搜索最优的预编码码本矢量，即对于含有64个预编码矢量的码本，每个极点对应的子信道需要反馈的比特数为6。之后，将子信道分组，每组以极点对应的子信道作为起始，终止于下一个极点前的子信道。对一个子信道组的预编码码本矢量的搜索过程如图3所示。为了降低反馈比特数，对于非极点对应子信道采用子码本构造和搜索的方式。设对于某一极点所对应的子信道按照最大信噪比准则求得的完整码本矢量为w_i。若希望能够使该子信道组中其余非极点对应子信道反馈1比特的预编码信息，则子码本是含有两个码本矢量的码本。这里基于弦距最短准则对子码本的构造进行说明。例如，对于极点对应子信道相邻的子信道，其子码本构造是以w_i为核心搜索整个码本，寻找使得弦距 $d(w_i,w_j)=\sqrt{1-{\left|w_i^H{w}_j\right|}^2}$ 最短的矢量w_j，这样w_i和w_j就一起构成了一个子码本。依此类推，以前一个子信道的预编码码本矢量为核心，搜索整个码本找到距核心弦距最短的矢量构造子码本，直到所有子信道都获得子码本。若希望能够使子信道组中其余非极点对应子信道反馈2比特的预编码信息，则子码本是含有4个码本矢量的码本。构成方式仍然可以依据最短弦距定理，但所选码本矢量是整个码本中到核心矢量弦距相对最短的三个矢量。

另外，对于在频域变化相对平缓的信道，基于完全码本搜索的子信道分组方法十分有效。具体方法是：首先，对所有子信道依据某种准则(如接收信号信噪比最大准则、最大似然准则、最小奇异值准则、最小均方误差准则、信道容量最大准则等)搜索整个码本，得到每个子信道的预编码码本矢量；其次，确定同一分组内不同码本矢量的个数M，该数值M影响到系统性能及反馈开销；再次，以第一个子信道m₀的预编码码本矢量为中心，同样可以按最小弦距准则搜索整个含有64个预编码矢量的码本，找到包括中心矢量在内和核心矢量弦距最小的M个码本矢量。并从第一个子信道开始，按子信道排列顺序，对各子信道的码本矢量与得到的M个码本矢量进行比较，如果子信道的码本矢量属于M集内，则该子信道属于同一分组，直到找到子信道m₁的码本矢量不属于M为止。至此以前的所有子信道属于第一分组。再以子信道m₁的码本矢量为中心，按最小弦距准则构筑一新的M个码本矢量，用m₁后的子信道的码本矢量与M集比较，如果子信道的码本矢量属于M集内，则该子信道属于同一分组，直到找到子信道m₂的码本矢量不属于M为止，从而得到第二分组，如此反复，直到对所有子信道分组完成为止。最后，反馈时，可以采用位置差分的方式形成反馈信息，即每一分组只需反馈该组内第一个子信道(m₀，m₁，m₂，……)的码本矢量以及该组内的子信道个数。M的大小可以根据系统要求确定。另外，也可以对每个子信道组除第一个子信道外的其余子信道进行子码本的构造和搜索。

使用位置差分法所形成的反馈信息是由一些二维的矢量所组成。例如，当M取1时，对所有子信道按照最大信噪比准则搜索得到的码本矢量序号为：[5 5 5 5 5 5 5 5 50 50 50 54 54 54 54 18 18 18 18 1818 18 18 18 26 5 5 5 5 5 5 5 5 17 52 52 52 25 25 2525 25 25 25 25 25 25 25 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 55 5 5 5]。按照上述分组方式得到的子信道分组情况是：0～7、8～10、11～14、15～23、24、25～32、33、34～36、37～47、48～63，共10组。反馈每组子信道对应的码本矢量序号和子信道组所含子信道数目组成的二维矢量就可形成反馈信息：[(5，8)，(50，3)，(54，4)，(18，9)，(26，1)，(5，8)，(17，1)，(52，3)，(25，11)，(5，16)]，该信息可以唯一的反映当前预编码矢量码本的搜索情况。若码本矢量序号和位置差分信息都采用6比特编码，则某个时刻内反馈信息的总比特数为120左右。

对于子码本构造和搜索法反馈信息的形成和使用将在下面一节进行详细说明。

(6)子码本的搜索、反馈信息的形成以及发射端对反馈信息的使用子码本搜索的前提，是要对子码本中的码本矢量依据一定的规则进行编号。编号规则是灵活的，本发明并不做特殊的限定，只要求这个编号规则被接收端和发射端同时遵守。子码本搜索过程和搜索整个码本的过程相同，而且依据相同的准则(如接收信号信噪比最大准则、最大似然准则、最小奇异值准则、最小均方误差准则、信道容量最大准则等)。在所有子信道都获得相应的码本矢量或者子码本矢量序号后，就要形成反馈数据流，以一个含有9个子信道的子信道组为例：设子信道组的第一个子信道，即极点对应的子信道，搜索完整码本获得的完整码本矢量序号为60号。其余的8个子信道，即非极点对应的子信道，搜索对应的依据上述子码本构造方法构造出的子码本(设子码本用1比特生成)获得的子码本矢量序号分别为：1号，1号，1号，1号，1号，0号，0号，0号，0号。则对于这个子信道组，反馈信息就是[60，1，1，1，1，1，0，0，0，0]。在实际系统中，该过程由反馈信息合成单元(FBIU)完成。

发射端(反馈信息处理单元(FBIU)和预编码矢量提取单元(PCVU))收到该反馈信息后，首先提取出码本矢量序号60，即极点对应子信道的码本矢量序号。依据该序号，发射端可以从完整码本中提取出60号码本矢量。随后，发射端提取出的将是子码本矢量序号1，1，1，1，1，0，0，0，0，在依据子码本矢量序号提取子码本矢量之前，发射端首先要应用前面介绍的子码本构造方法，为非极点对应的子信道构造相应的子码本，并使用相同的规则对子码本中的矢量进行编号，然后依据从反馈信息中提取出的子码本矢量序号，从对应的子码本中提取出子码本矢量。

(7)实施例

实施例1

本实施例基于上述的多径Rayleigh信道模型。首先假设信道状态是准静态的，即在一个数据包的传输过程中信道状态是不变的。本案例使用的数据包含1920数据比特，经过符号映射和QPSK调制生成含有960个符号的数据包。假设在接收端已经获得信道状态信息，则反馈生成单元根据信道状态信息完成奇异值分解、极点搜索、码本搜索、子信道分组、子码本生成、子码本搜索、形成预编码码本序号反馈信息比特等过程。本实施例使用1比特生成子码本，即每个子码本含有2个码本矢量。预编码码本序号反馈信息比特经反馈信道到达发射端。发射端的信号经过OFDM调制，并形成4路准备加载到4根发射天线的信号。预编码功能单元依据预编码码本序号反馈比特信息，从码本中选择预编码码本矢量，对4路待发射信号进行预编码。预编码之后，信号被加载到4根发射天线发射，经过多径Rayleigh信道，在接收端被两根接收天线接收。两根接收天线的接收信号分别进行OFDM解调。接收端同样根据预编码码本序号反馈比特信息从码本中提取预编码矢量，对解调信号加权合并。合并信号最终依据最大似然准则进行译码获得数据符号，经过QPSK解调获得数据比特。

图6所示多径Rayleigh信道模型下的误码率性能仿真曲线和图7所示反馈比特数对比曲线表明，本发明在反馈比特数减少43左右的情况下，获得了和使用2比特生成子码本的子空间搜索算法基本相同的误码率性能；在反馈比特数减少295左右，尽4倍的情况下，误码率性能相对于完全搜索码本的情况仅有0.5-2.5dB的损失。

实施例2

本实施例基于上述3GPP空间信道模型。该信道模型相对于上述多径Rayleigh信道模型是一种快衰落的信道模型。故本实施例可以验证本发明在快衰落信道条件下的性能。本实施例的具体的实施过程与实施例1相同。图8所示3GPP空间信道模型下的误码率性能曲线和图9所示反馈比特数对比曲线表明，在3GPP空间信道模型条件下，本发明在反馈比特数减少32左右的情况下，获得了略好于使用2比特生成子码本的子空间搜索算法的误码率性能；在反馈比特数减少281，尽4倍的情况下，误码率性能相对于完全搜索码本的情况仅有0.5-2dB的损失。另外，从图9所示的反馈比特数对比曲线上可以看到两处明显的波动，这是3GPP空间信道模型的变化相对较剧烈的引起的，这也表明本发明算法能更好的跟踪信道变化，是一种更灵活的减少预编码反馈信息比特数的方法。

(8)本发明的适应性

上述针对两种变化剧烈程度不同的实施例表明，本发明算法对不同的信道有一定的适应性。这种适应性主要体现在瞬时反馈比特数的波动特性上。波动的趋势是，当信道变化较剧烈时，反馈信息比特数会随之增加；当信道变化较平稳时，反馈信息比特数会随之降低或保持平稳。这种适应性也证明，本发明算法能更好的跟踪信道的变化，是一种考虑信道变化，减少反馈信息比特数的方法。

Claims (13)

1、一种MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据信道状态信息对于每一个OFDM子信道提取对应的MIMO信道矩阵的最大奇异值；

步骤二，按照OFDM子信道的顺序，将这些最大奇异值视为一条光滑曲线上的点，寻找这些奇异值中的极点；

步骤三，对于极点所对应的子信道搜索完整码本，获得相应的完整码本预编码矢量序号；

步骤四，对于非极点所对应的子信道，按OFDM子信道顺序分成若干个组，用子码本构造和搜索的方法为每组非极点所对应子信道获得预编码码本矢量的子码本序号；

步骤五，将所获得的一系列码本矢量序号信息反馈到发射端，发射端利用该信息提取码本矢量，完成发射预编码。

2、如权利要求1所述的MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法，其特征是，步骤一中所述的提取每一个OFDM子信道对应的MIMO信道矩阵的最大奇异值方法为，对MIMO子信道矩阵进行奇异值分解。

3、如权利要求1所述的MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法，其特征是，步骤一中所述的提取每一个OFDM子信道对应的MIMO信道矩阵的最大奇异值方法为，通过求取MIMO信道矩阵与MIMO信道矩阵共扼转置矩阵乘积的最大特征值。

4、如权利要求1所述的MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法，其特征是，步骤二中所述的极点，按照OFDM子信道的顺序，第一个子信道所对应的奇异值为一个极值点，最后一个子信道对应的奇异值不作为极值点。

5、如权利要求1所述的MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法，其特征是，步骤四中所述的分组是按照极点位置分成若干组，每组以极点对应子信道起始，终止于下一个极点前的子信道；每组以极点对应子信道的预编码码本矢量为起始中心矢量实施子码本构造和搜索。

6、如权利要求5所述的MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法，其特征是，所述子码本构造和搜索，包括：

步骤①，确定非极点对应子信道所要反馈的比特数。确定了反馈比特数，就确定了子码本的大小；

步骤②，子码本的构造是以前一个子信道所获得的码本矢量为核心，依据最小弦距准则搜索整个预编码矢量的码本，找到满足该准则的码本矢量，则该矢量就是子码本中的一个矢量；

步骤③，对于非极点对应的子信道采用搜索子码本的方法获取预编码子码本矢量，并记录子码本矢量序号。

7、如权利要求6所述的MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法，其特征是，步骤③中所述的搜索子码本要依据和应用与极点对应子信道码本搜索的准则相同的准则。

8、如权利要求1所述的MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法，其特征是，步骤四中所述的分组是，对于在频域变化相对平缓的信道，采用基于完全码本搜索的子信道分组方法：

首先，对所有子信道根据需要依据准则搜索整个码本，得到每个子信道的预编码码本矢量；其次，确定同一分组内不同码本矢量的个数M，并以第一个子信道的预编码码本矢量为中心，按相同的准则搜索整个码本，找到包括中心矢量在内满足该准则的M个码本矢量；再次，从第一个子信道开始，按子信道排列顺序，对各子信道的码本矢量与得到的M个码本矢量进行比较，如果子信道的码本矢量属于M集内，则该子信道属于同一分组，直到找到子信道m的码本矢量不属于M为止，至此以前的所有子信道属于第一分组；再以子信道m的码本矢量为中心，按相同的准则构筑一新的M个码本矢量，用其后的子信道的码本矢量与M比较，得到第二个分组，如此反复，直到对所有子信道分组完成为止；最后，反馈时，采用位置差分的方式形成反馈信息，或对每个子信道组除第一个子信道外的其余子信道进行子码本的构造和搜索。

9、如权利要求8所述的MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法，其特征是，所述位置差分方式反馈，是指：将每个子信道组开始子信道所获得的完整码本矢量序号和该子信道组所含子信道的数量合成，将该合成信息反馈到发射端；发射端从收到的合成信息中提取出每组开始子信道完整码本矢量序号和该子信道组所含子信道的数量信息；对于每个子信道组中除开始子信道之外的子信道，不反馈任何信息，而是使用和每组开始子信道相同的预编码码本矢量进行预编码。

10、如权利要求1所述的MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法，其特征是，步骤五中所述发射端利用反馈信息从码本中提取码本矢量，完成发射预编码，包括：

步骤①，对于极点对应的子信道，直接利用反馈信息中的码本矢量序号从完整的码本中提取出码本矢量，进行发射端预编码；

步骤②，对于非极点对应的子信道，首先，要采用和接收端相同的机制构造子码本；其次，利用反馈信息中的子码本矢量序号从子码本中提取出码本矢量，进行发射端预编码。

11、如权利要求10所述的MIMO-OFDM系统基于码本搜索减少预编码反馈比特数的方法，其特征是，步骤②，接收端和发射端采用相同的子码本构造机制的同时，还要采用相同的子码本矢量的编号方法。

12、一种如权利要求1所述MIMO-OFDM系统中基于码本搜索减少预编码反馈比特数方法的接收端装置，其特征在于，包括：

信道状态信息获取单元，获取信道状态信息；

信道状态跟踪单元，根据信道状态获取单元获取的信道状态信息对于每一个OFDM子信道提取对应的MIMO信道矩阵的最大奇异值，并按OFDM子信道的顺序，将所述最大奇异值视为一条光滑曲线上的点，找出极点；

完整码搜索单元，获得所述极点对应的子信道的预编码码本矢量完整码本序号；

子码本搜索单元，对于非极点对应的子信道，按OFDM子信道顺序分成若干个组，用子码本构造和搜索的方法获得每组非极点对应的子信道的预编码码本矢量子码本序号；

反馈信息合成单元，将所述完整码搜索单元和子码本搜索单元合成，并进行反馈。

13、一种如权利要求1所述MIMO-OFDM系统中基于码本搜索减少预编码反馈比特数方法的发送端装置，包括：

反馈信息处理单元，接收合成的反馈信息，并依照和接收端装置所使用的相同的方法构造成子码本；

预编码矢量提取单元，提取完整码本序号，并在整个码本中获得对应的预编码矢量，提取子码本序号，并在所述构造的子码本中获得对应的预编码矢量。

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