CN101465684B - Mimo系统用户端码本快速匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MIMO系统用户端码本快速匹配方法，用于无线传输技术领域。本发明用户端计算码本中各码字间互相关系数建立快速匹配表；接着依次从待选码字组中取出一个码字，得到这个码字与信道向量的互相关系数；然后对照快速匹配表，删除待选码字组中部分码字；最后，当所有码字遍历完毕后，经过比较得到信道向量对应码字序号。本发明避免了比较码本中所有的码字，在逐个比较码本中码字的同时删除待选码字组中部分码字；这些被删除的待选码字参考预先得到的快速匹配表确定，可以证明必定不会被选中。通过减少匹配次数，降低了本发明的码本匹配方法复杂度。

Description

MIMO系统用户端码本快速匹配方法

技术领域

本发明涉及一种无线传输技术领域的码本匹配方法，具体是一种MIMO系统用户端码本快速匹配方法。

背景技术

多天线(MIMO)系统广播信道通过合理的预编码技术，系统可以完全获得空分复用增益；此外，当用户数大于发射天线数时，通过用户调度方法，系统可以获得多用户分集增益。在MIMO系统中，各种无线资源管理策略都需要用户端将信道状态信息(CSI)反馈给基站。大部分无线资源管理策略都是在基站能够得到完全信道状态信息的情况下实现的，这种将每个用户的信道状态信息全部反馈给基站时，反馈量很大。然而，在实际情况下，用于信道状态信息反馈的信道资源很少，反馈量受限。因此用户端无法直接反馈信道状态信息，必须先进行量化处理。一种常用的量化方法是基站和用户端预先确定相同的信道向量码本，用户端将信道向量量化为码本中的一个码字，最后用户端只需将码字序号和信道向量的模值反馈给基站。其中，码字序号代表信道方向信息(CDI)。

经对现有技术的文献检索发现，在已有的技术文献中，针对有限反馈的研究主要是码本设计，对于用户端码本匹配的研究很少。然而，Nihar Jindal等在《IEEE Transaction.Information.Theory》(2006年52期11号第5045页)上发表的“MIMO Broadcast Channels With Finite-Rate Feedback”中，认为码本大小决定了信道量化的精度，当码本很大时，信道向量的量化损失很小。并且为了达到多路增益，码本大小必须随着SNR的增大呈指数增加。

由于用户端反馈的信道方向信息为二进制码字序号，码本大小增加一倍反馈量只增加1bit，码本的码字个数增加对反馈量的影响不大。然而使用传统用户端码本匹配方法，需要将信道向量与码本中所有码字逐个比较，如果码本大小增加一倍匹配时间也增加一倍。由于用户端用于码本匹配的时间是有限的，且更快的信息反馈能够减少反馈时延，使得基站更好的进行资源管理。

发明内容

本发明的目的在于正对现有用户端码本匹配方法实现复杂度较高，提供一种快速码本匹配方法。本发明避免了比较码本中所有的码字，在逐个比较码本中码字的同时删除待选码字组中部分码字。这些被删除的待选码字参考预先得到的快速匹配表确定，可以证明必定不会被选中。通过减少匹配次数，降低了本发明的码本匹配方法复杂度。

本发明是通过以下方案实现的，首先，用户端计算码本中各码字间互相关系数建立快速匹配表；接着依次从待选码字组中取出一个码字，得到这个码字与信道向量的互相关系数；然后对照快速匹配表，删除待选码字组中部分码字；最后，当所有码字遍历完毕后，经过比较得到信道向量对应码字序号。

本发明包括如下步骤：

步骤一：由已知码本建立快速匹配表；

步骤二：用户端接收导频信号，并通过信道估计流程得到信道向量；

步骤三：用户端通过单位化流程将信道向量单位化；

步骤四：初始化待选码字组，开始码本匹配流程；

步骤五：从待选码字组中取出码字序号最小的码字，得到信道向量与码字间互相关系数并保存；

步骤六：由步骤五得到的系数，对照快速匹配表比较，删除待选码字组中部分码字；

步骤七：如果待选码字组为空，确定信道向量对应码字，否则转步骤五；

步骤八：重复步骤二，循环执行，开始下一个时隙的用户端码本匹配。

所述步骤一中，快速匹配表的建立方法为：取码本中各个码字与剩余码字互相关系数，经过函数运算后按递增排列为一行，行中每个元素与一个码字向对应，所有码字代表的行组成快速匹配表；如果使用基于DFT矩阵码本，利用码本性质，快速匹配表可简化为一行。

所述步骤一中，快速匹配表只与码本有关，在第一次码本匹配前建立且以后保持不变。

所述步骤二中，导频信号由基站发送，且在离线时基站与用户端已知。

所述步骤三中，信道向量单位化指信道向量的数乘转换，使得其模值为1。

所述步骤四中，码本匹配流程包含步骤五到步骤七。

所述步骤五中，信道向量与码字间互相关系数指的是信道向量与码字点积的模。在向量空间中互相关系数越大，信道向量与码字夹角越小。码本中与信道向量互相关系数最大的码字能最精确的表征信道方向，其码字序号即CDI。

所述步骤六中，删除待选码字组中部分码字，指的是快速匹配表内正在比较的码字代表的行中各元素与步骤三求得的互相关系数比较，其中值较小的元素所在列对应的码字。这些码字与信道向量的互相关系数必定小于正在比较的码字，其序号不可能被作为信道方向信息，无需再匹配。

所述步骤七中，待选码字组为空，说明码本中所有码字都匹配过或已经在步骤四中删除。

所述步骤七中，确定信道向量对应码字，码字为步骤三中保存的所有互相关系数中最大值对应的码字，码字序号为信道向量的信道方向信息。

本发明通过预先得到的快速匹配表来遍历查找码本，得到需要反馈的信道方向信息。相比于传统匹配方式，即逐个匹配码本中的码字得到信道方向信息，本发明提出的这种码本匹配方法复杂度低、实现较简单且适用于各种码本，可以为第三代(3G)、超三代(S3G)、第四代(4G)蜂窝移动通信等系统的蜂窝小区用户调度策略提供重要的理论依据和具体的实现方法。

附图说明

图1是MIMO有限反馈系统框图；

图2是用户端信道方向信息提取流程图；

图3是使用快速匹配表删除部分待选码字示意图；

图4是使用不同类型码本的码字匹配次数与码本大小比较仿真图；

图5是各种方法浮点运算次数比较图。

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。

本实施例涉及一种用户端码本快速匹配方法，应用的整个系统如图1所示，基站发送导频信号，经无线信道传输，被用户端接收；用户端得到信道状态信息，并通过有限反馈信道反馈给基站。

用户端由接受的导频信号得到信道状态信息的流程如图2所示，用户端接收到导频信号后，通过信道估计得到信道向量h，再经过单位化处理得到

最后参照预先建立的快速匹配表进行码本匹配，得到信道向量对应的码字编号，即信道方向信息。

本实施例具体实施步骤如下：

(1)建立快速匹配表

快速匹配表只与码本有关，不同类型的码本匹配表有所不同。设码本大小为N，每个码字为 $c_n\∈C^M,$ n＝1，2…N，满足‖c_n‖＝1，其中M为发射天线数。任意两个不同码字

和

之间互相关系数 $I_{n_1,n_2}=\left|c_{n_1}{c}_{n_2}^H\right|,$ 定义码字向量在向量空间中的夹角为

满足 $\cos {\mathrm{\θ}}_{n_1,n_2}=I_{n_1,n_2},$ 则满足

$\cos ({\mathrm{\θ}}_{n_1,n_2}/2)=\sqrt{(I_{n_1,n_2}+1)/2}---\left(1\right)$

当使用基于DFT矩阵结构的码本，码字 $c_n=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_1\·n}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_2\·n}& \·\·\·& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_M\·n}\end{array}\right],$ 其中u＝[u₁…u_M]为码本系数。任意两个不同码字

和

之间互相关系数

满足

$I_{n_1,n_2}=\cos {\mathrm{\θ}}_{n_1,n_2}=\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_1\·(n_1-n_2)}\right|---\left(2\right)$

由式(1)可以看出，只与码字序号的差n＝1，2…N-1，故I_a，a+n＝I_0，n，a＝1，2…N-n。计算I_0，n n＝1，2…N-1，按递减排序下标为π(1)，π(2)…π(N-1)。将结果代人式(1)得快速匹配表T_FFT

$T_{\mathrm{FFT}}=[\sqrt{(I_{0,\mathrm{\π}\left(1\right)}+1)/2},\sqrt{(I_{0,\mathrm{\π}\left(2\right)}+1)/2}\·\·\·\sqrt{(I_{0,\mathrm{\π}(N-1)}+1)/2}]---\left(3\right)$

当使用除基于导频信号DFT矩阵结构的其他码本，取码字c_n，n＝1，2…N，得到c_n与其余码字的互相关系数 $I_{n,n_1}=\left|c_n{c}_{n_1}^H\right|,$ n₁＝1，2…N，n₁≠n，按递减排序得到快速匹配表的第n行T⁽ⁿ⁾满足

$T^{\left(n\right)}=[\sqrt{(I_{n,\mathrm{\π}\left(1\right)}+1)/2},\sqrt{(I_{n,\mathrm{\π}\left(2\right)}+1)/2}\·\·\·\sqrt{(I_{n,\mathrm{\π}(N-1)}+1)/2}]---\left(4\right)$

依次计算各码字，最终得到快速匹配表T。

(2)用户端信道估计并得到信道向量

用户端通过各种信道估计方法，从由基站发送、经无线信道传输的导频信号中得到信道向量。

(3)信道向量单位化

通过信道估计得到信道向量h，将h单位化为满足

$\tilde{h}=h/\left|\right|h\left|\right|---\left(5\right)$

(4)初始化待选码字组

初始化的待选码字组为码本中所有码字的集合。

(5)得到信道向量与码字间互相关系数

从待选码字中取出码字c_n，c_n与信道向量

的互相关系数 $I_n=\left|{\mathrm{hc}}_n^H\right|.$

(6)删除待选码字组中部分码字

从码本中任选两个码字间夹角为

互相关系数为

设信道向量

与这两个码字间夹角分别为互相关系数分别为

可以证明下列不等式恒成立

${\mathrm{\θ}}_{n_1}+{\mathrm{\θ}}_{n_2}\≥{\mathrm{\θ}}_{n_1,n_2}---\left(6\right)$

当 ${\mathrm{\θ}}_{n_1}\≤{\mathrm{\θ}}_{n_1,n_2},$ 即 $I_{n_1}=\cos {\mathrm{\θ}}_{n_1}\≥\cos ({\mathrm{\θ}}_{n_1{n}_2}/2),$ 由式(6)可得

${\mathrm{\θ}}_{n_2}\≥{\mathrm{\θ}}_{n_1{n}_2}-{\mathrm{\θ}}_{n_1}\≥{\mathrm{\θ}}_{n_1{n}_2}/2\≥{\mathrm{\θ}}_{n_1}$

$\⇒\cos {\mathrm{\θ}}_{n_1}\≥\cos {\mathrm{\θ}}_{n_2}---\left(7\right)$

$\⇒I_{n_1}\≥I_{n_2}$

由于CDI是与信道向量互相关系数最大的码字编号，所以码字必定不会被选中。由此规则从待选码字组中删除部分码字。

当使用基于DFT矩阵结构的码本，将步骤(3)所得互相关系数I_n依次与快速匹配表T_FFT中各元素 $\left\{\sqrt{(I_{0,\mathrm{\π}\left(k\right)}+1)/2}\right|k=\mathrm{1,2}\·\·\·N-1\}$ 比较。若 $I_n\≥\sqrt{(I_{0,\mathrm{\π}\left(k\right)}+1)/2},$ 则编号为(n+π(k))modN，(n-π(k))modN的码字从待选码字组中删除，如图3所示。

当使用除基于DFT矩阵结构的其他码本，将步骤(3)所得互相关系数I_n依次与快速匹配表T⁽ⁿ⁾中各元素 $\left\{\sqrt{(I_{n,\mathrm{\π}\left(k\right)}+1)/2}\right|k=\mathrm{1,2}\·\·\·N-1\}$ 比较。若 $I_n\≥\sqrt{(I_{n,\mathrm{\π}\left(k\right)}+1)/2},$ 则编号为π(k)的码字从待选码字组中删除。

(7)确定信道向量对应码字

当待选码字组为空，说明所有码字遍历完毕，即码本中所有码字都匹配过或已经在步骤四中说明不是信道向量对应码字。从步骤(5)保存的所有互相关系数中取最大值，所对应的码字编号即为待反馈的CDI。码本匹配流程完毕，用户端将CDI经过有限速率反馈信道传递给基站。

(8)开始下一个时隙的用户端码本匹配

基站在下一个时隙重新发送导频信号，开始下一个时隙的用户端码本匹配，保障无线小区的基站和所有用户正常运行。

本实施例方法复杂度低、实现较简单且适用于各种码本，这些可以在仿真中证实。

为了测试本方法的通用性，仿真中使用了两种常用码本：基于随机量化(RVQ)的码本和基于Lloyd方法的码本，这种码本基于格拉斯曼空间装箱原理，使码本中码字间相关系数的最大值尽可能小。

图4描述了本实施例的快速匹配方法在不同类型码本下的码字匹配次数。其中横坐标为对数坐标表示码字个数，纵坐标为码字匹配次数。由图4可以看出，无论使用哪种码本，本实施例的快速匹配方法的匹配次数都小于码字个数，而遍历匹配方法的码字匹配次数恒等于码本数，所以本实施例优于传统的码本遍历匹配方法。并且，随着码字个数的增加，匹配次数增长缓慢。

图5比较了两种方法的浮点运算(包括实数加减乘除和比较运算)次数。由于遍历匹配方法的码字，匹配次数和比较次数仅与码字个数有关，而使用不同码本，快速匹配方法的码字匹配次数相差不大，所以这里仅使用基于RVQ的码本。由图5可以看出，快速匹配方法的浮点运算次数少，且随着码字个数增加，本实施例方法的优势更加明显。因此，相比传统方法，本实施例所提出的码本快速匹配方法，很大程度上降低了方法复杂度。

本实施例是一种优化方法，能够降低码本匹配次数从而降低方法复杂度。可为无线通信中有限反馈管理方案的用户端码本匹配策略提供重要的理论依据和具体的实现方法。

Claims (7)

1.一种MIMO系统用户端码本快速匹配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：由已知码本建立快速匹配表，其中，快速匹配表的建立方法为：取所述码本中各个码字与剩余码字互相关系数，经过函数运算后按递增排列为一行，行中每个元素与一个码字相对应，所有码字代表的行组成快速匹配表；

步骤二：用户端接收导频信号，并通过信道估计流程得到信道向量；

步骤三：用户端通过单位化流程将信道向量单位化；

步骤四：初始化待选码字组，开始码本匹配流程；

步骤五：从待选码字组中取出码字序号最小的码字，得到信道向量与码字间互相关系数并保存，其中，信道向量与码字间互相关系数指的是信道向量与码字点积的模；

步骤六：由步骤五得到的系数，对照快速匹配表比较，删除待选码字组中部分码字；

步骤七：如果待选码字组为空，确定信道向量对应码字，否则转步骤五；

步骤八：重复步骤二，循环执行，开始下一个时隙的用户端码本匹配。

2.根据权利要求1所述的MIMO系统用户端码本快速匹配方法，其特征是，所述步骤一中，快速匹配表只与码本有关，在第一次码本匹配前建立且以后保持不变。

3.根据权利要求1所述的MIMO系统用户端码本快速匹配方法，其特征是，所述步骤二中，导频信号由基站发送，且在离线时基站与用户端已知。

4.根据权利要求1所述的MIMO系统用户端码本快速匹配方法，其特征是，所述步骤三中，信道向量单位化指的是信道向量的数乘转换，使得其模值为1。

5.根据权利要求1所述的MIMO系统用户端码本快速匹配方法，其特征是，所述步骤六中，按照规则删除的部分码字，指的是快速匹配表内正在比较的码字代表的行中比信道向量与码字间的互相关系数小的列元素对应的码字。

6.根据权利要求1所述的MIMO系统用户端码本快速匹配方法，其特征是，所述步骤七中，待选码字组为空，是指所有码字都遍历完毕。

7.根据权利要求1所述的MIMO系统用户端码本快速匹配方法，其特征是，所述步骤七中，确定信道向量对应码字，其中码字为步骤五中保存的所有互相关系数中最大值对应的码字，码字序号为信道向量的信道方向信息。

Images