CN101924585B - 一种两级码本的构造与信道反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多天线系统的多级码本构造方法及信道信息反馈方法，包括利用LBG算法构造第一级码本；通过对第一级码本中的码字在不同平面上进行复数Givens角度旋转获得第二级码本。该方法还包括基站选定全局码本和二级码本的构造参数，在小区内广播；终端根据导频信息进行信道估计与测量，在信道变化剧烈时利用全局码本进行反馈的重置；终端根据基站广播的信息构建二级码本，利用二级码本进行信道反馈。本发明提出利用目前的全局码本通过简单的运算迅速的产生二级码本，有效降低信道开销，同时可以根据需要增加或减少码本精度，便于基站根据用户间干扰的大小对码本精度进行控制。

Description

一种两级码本的构造与信道反馈方法

技术领域

本发明涉及多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)无线通信系统领域，更具体地，本发明涉及一种多天线系统中的两级码本构造与信道反馈方法。

背景技术

在频分复用(FDD)系统中，MIMO传输机制中的预编码机制主要通过接收方反馈信道信息来获得，对发送的数据根据预编码矩阵进行处理。用户接收到的无线信号包括有用信号部分和噪声部分。有用信号部分可以表示成接收用户的信道矩阵乘以预编码向量乘以基站发送信号向量。在接收用户的信道矩阵中，用户利用最大奇异值相应的左奇异向量作为信号合并向量，对接收信号进行译码，也就是接收用户选择其信道质量最好的空间子信道作为传输信道进行译码。

现有码本设计与反馈方案中，通常假设信道是独立同分布的瑞利信道，采用LBG算法来获得码本。LBG算法是由Linde、Buzo和Gray于1980年提出的码本设计算法，该算法可以用于已知信号源概率分布的情况，也可以用于未知信号源概率分布但给出训练序列的情况。LBG算法采用迭代算法来满足以上两个准则：首先设定初始码本，一般是整个训练序列的平均；然后对初始码本进行分裂，并根据以上两个准则对码本进行更新；重复码本的分裂和更新步骤，直到码本个数满足需要。该方法利用一系列向量作为训练序列，根据给定失真测度和码本数量，迭代求得一系列码本。

然而，LBG算法的码本设计使得反馈过程中信道开销较大并且码本精度难以控制。

发明内容

为克服现有LBG编码方法信道开销大和控制码本精度难的缺陷，本发明提出一种多天线系统中的两级码本构造与信道反馈方法。

根据本发明的一个方面，提出了一种多天线系统的多级码本构造方法，包括：

步骤10)、利用LBG算法构造第一级码本；

步骤20)、通过对第一级码本中的码字在不同平面上进行复数Givens角度旋转获得第二级码本。

根据本发明的另一方面，提出了一种基于多级码本的信道信息反馈方法，包括：

步骤10)、基站选定第一级码本和第二级码本的构造参数，在小区内广播；

步骤20)、终端根据导频信息进行信道估计与测量来计算统计信息，通过第一级码本反馈统计信息进行信道反馈的初始化，在信道变化剧烈时利用第一级码本进行反馈的重置；

步骤30)、终端根据基站广播的信息构建第二级码本，利用第二级码本进行信道反馈。

本发明利用目前的全局码本(即第一级码本)通过简单的运算迅速产生二级码本，有效地降低信道开销，同时可以很方便的根据需要增加或减少码本精度，便于基站根据用户间干扰的大小对码本精度进行控制，在反馈精确度与反馈开销之间取得折衷。

附图说明

图1示出根据本发明实施例的信道反馈中的基站处理流程；

图2示出根据本发明实施例的信道反馈中的终端处理流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种多天线系统中的两级码本构造方法与信道反馈方法进行详细描述。

在根据本发明的一个实施例中，本发明提供一种多天线系统的多级码本构造方法。总的来说，本发明的方法包括利用LBG算法构造第一级码本，通过对第一级码本中的码字在不同平面上进行复数Givens角度旋转获得第二级码本。该不同平面包括二维或者多维平面。由于反馈码本中的码字是复向量，因此实数向量的Givens变换不能直接应用到码本的反馈中。在对第一级码本的码字进行角度旋转的步骤中，首先通过矩阵初等变换使得该码字对应的复数向量在选定平面上一个元素变换为0，一个元素变换为1，即单位化；然后利用Givens变换使得在该平面上旋转选定的角度；最后利用该矩阵初等变换的逆变换得到旋转后的复数向量，得到对应的第二级码本。以下详述该方法的具体实现过程。

第一级码本利用LBG算法构造，具体地：

步骤1、给定训练序列τ与可容忍误差ε；

步骤2、设置初始码本

上标0表示迭代次数为0，下标表示码本数量N＝1，计算其平均失真

初始码本为给定训练序列元素X_m的平均值，

$D_{\mathrm{avg}}^{\left(i\right)}=\frac{1}{\mathrm{Mk}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{|x_m-Q\left(x_m\right)|}^2$

其中i＝0，M为训练序列的大小，k表示向量X_m的维度；

步骤3、对码本进行分裂，要分裂的码本来自C⁽⁰⁾，码本的具体内容为C⁽⁰⁾中包含的具体码本内容，分裂原理和过程如下所述：关于码本数量N，对每个码本分别乘以(1+ε)和乘以(1-ε)进行分裂，分裂结果为数量是原来码本的2倍，并对N更新，更新方法为N＝2×N；

步骤4、迭代更新码本，迭代次数i初始值为0；

步骤4.1、在当前码本中求得其量化码本以及对应量化码字的索引，与向量X_m距离最小的码本为其量化码本，数学上表现为均方误差最小；

步骤4.2、对于n＝1，2，...，N，对码本C⁽ⁱ⁾进行更新：

$c_n^{(i+1)}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{Q\left(x_m\right)=c_n^{\left(i\right)}}{x}_m}{{\mathrm{\Σ}}_{Q\left(x_m\right)=c_n^{\left(i\right)}}1}$

表示更新码本；Q(X_m)为X_m对应的量化码字，

是指序列元素X_m量化后等于

的情况；

步骤4.3、设置迭代次数i＝i+1；

步骤4.4、计算平均失真

步骤4.5、如果则返回步骤4.1，进一步进行码本更新；

步骤4.6、设

并设码本C⁽⁰⁾＝C⁽ⁱ⁾作为迭代完成的码本；

步骤5、重复步骤3与步骤4直到码本中码字数目达到需求值。

第二级码本通过对第一级码本中的码字在不同的平面上进行复数Givens角度旋转获得，复数Givens角度旋转分为以下步骤：

1)、将实数Givens变换引入到复数码本的构造中，将需要变换的复数向量(即第一级码本中的一个码字)中的一个分量变换为0，一个分量变换为1。由于码本多以二维为主，则以二维复向量为例，设模为1的原始向量(即第一级变换后的向量)为x＝(x₁x₂)^T，上标T代表转置，则Givens旋转矩阵G如下：

$G=\sqrt{{\left|x_1\right|}^2+{\left|x_2\right|}^2}\left(\begin{array}{cc}\frac{{\stackrel{\‾}{x}}_1}{{\left|x_1\right|}^2+{\left|x_2\right|}^2}& \frac{{\stackrel{\‾}{x}}_2}{{\left|x_1\right|}^2+{\left|x_2\right|}^2}\\ -\frac{x_2}{{\left|x_1\right|}^2+{\left|x_2\right|}^2}& \frac{x_1}{{\left|x_1\right|}^2+{\left|x_2\right|}^2}\end{array}\right)---\left(0.1\right)$

G是酉矩阵，

i＝1，2表示x_i的共轭，并且有如下特性：

$\mathrm{Gx}=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)---\left(0.2\right)$

2)、将Gx左乘以Givens旋转矩阵G，旋转角度为θ，得到向量x′，其中x是第一级码本中所选择的码字向量，x＝(x₁x₂)^T属于第一级码本；x’是经过Givens旋转角度θ后x关于θ信息的表现形式，是Givens变换的中间步骤产生的向量。旋转角度θ选择大小的要求是在第一级码本所选码字的周围区域，不会进入其他码字的区域；选择的依据是根据信道变化的情况，信道变化快，需要旋转角度θ就大些，信道变化慢，需要旋转角度θ就小些，如果信道不变化需要旋转角度θ等于0。

$x^{\′}=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right)---\left(0.3\right)$

3)、将得到的x′左乘G的逆矩阵，可以得到将x旋转角度θ的向量y，因为G是酉矩阵，因此最终得到矩阵是

y＝G^Hx′(0.4)

G^H表示矩阵G的共轭转置。从而，旋转过程可以简化为：

$y=G^H\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right)---\left(0.5\right)$

其中G由公式(0.1)给出，y是二级变换后的码本。

在多维向量的实施例中，如原始向量为x＝(x₁x₂x₃x₄)^T，旋转角度为θ，旋转平面是e₂×e₄(设坐标为e₁，e₂，e₃，e₄)：

1)、则Givens旋转矩阵是：

$G=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \frac{\stackrel{\‾}{x_2}}{\sqrt{{\left|x_2\right|}^2+{\left|x_4\right|}^2}}& 0& \frac{x_4}{\sqrt{{\left|x_2\right|}^2+{\left|x_4\right|}^2}}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& -\frac{x_4}{\sqrt{{\left|x_2\right|}^2+{\left|x_4\right|}^2}}& 0& \frac{x_2}{\sqrt{{\left|x_2\right|}^2+{\left|x_4\right|}^2}}\end{array}\right)---\left(0.6\right)$

得到旋转后的矩阵

$\mathrm{Gx}=\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ \sqrt{{\left|x_2\right|}^2+{\left|x_4\right|}^2}\\ x_3\\ 0\end{array}\right)---\left(0.7\right)$

2)、将Gx左乘以实数Givens旋转矩阵，角度为θ，得到向量x′

$x^{\′}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& 0& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& -\sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ \sqrt{{\left|x_2\right|}^2+{\left|x_4\right|}^2}\\ x_3\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ \cos \mathrm{\θ}\sqrt{{\left|x_2\right|}^2+{\left|x_4\right|}^2}\\ x_3\\ -\sin \mathrm{\θ}\sqrt{{\left|x_2\right|}^2+{\left|x_4\right|}^2}\end{array}\right)---\left(0.8\right)$

3)、将得到的x′左乘G的逆矩阵，可以得到将x旋转角度θ的向量，因为G是酉矩阵，因此最终得到矩阵是

y＝G^Hx′(0.9)

通过观察以上步骤，旋转过程可以简化为下面的一步就可以完成：

$y=G^H\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ \cos \mathrm{\θ}\sqrt{{\left|x_2\right|}^2+{\left|x_4\right|}^2}\\ x_3\\ -\sin \mathrm{\θ}\sqrt{{\left|x_2\right|}^2+{\left|x_4\right|}^2}\end{array}\right)---\left(0.10\right)$

其中G由公式(0.6)给出，y是二级变换后的码本。

在本发明的另一个实施例中，提供一种基于多级码本的信道信息反馈方法。总的来说，该方法包括：由基站选定全局码本和二级码本的构造参数，在小区内广播；终端根据导频信息进行信道估计与测量，计算统计信息；终端通过全局码本反馈统计信息进行信道反馈的初始化，在信道变化剧烈时利用全局码本进行反馈的重置；终端根据基站广播的信息构建二级码本，利用二级码本进行信道反馈。

更具体地，在MIMO系统传输机制中，基于多级码本的信道信息反馈如图1和图2所示。图1说明基站的处理过程，以S1开头的步骤表示；图2说明终端的处理过程，以S2开头的步骤表示，具体步骤如下。

S1.1基站利用LBG算法确定全局码本，并确定产生二级码本的旋转平面和旋转角度；其中，旋转平面和旋转角度确定及依据是根据信道状况使全局码字C_n所对应的第二级码本中的码字在C_n对应的量化区域S_n中均匀分布，选择当前信道对应的二级码本旋转平面和旋转角度，量化区域S_n的划分是根据第一级码本(即全局码本)的每个码字进行相应区域的划分。

S1.2基站利用确定的旋转平面和旋转角度，产生第二级码本；

S1.3基站将以上信息在小区内进行广播；

S2.1终端开机后进行信道的估计与测量，获得信道状态信息；

S2.2终端记录信道状态信息，并计算统计量和统计信息(包括信道矩阵)；

S2.3终端选择最优的空间子信道，获得其右奇异向量并利用基站广播的全局码本进行向量量化，将其序号反馈到基站；其中，最优的空间子信道是信道条件最好的空间子信道，空间子信道中其增益最大。

S2.4终端利用基站广播的角度旋转信息，求得第二级码本；

S2.5终端利用第二级码本对空间子信道的右奇异向量进行精确量化，并反馈到基站；

S2.6终端检测信道的变化程度是否超出第二级码本可以表示的范围，如果是则反馈到终端处理步骤S2.2，重新利用全局码本反馈；

S1.4基站收到终端利用全局码本反馈的信道信息；

S1.5基站将终端信息和其信道在全局码本中的序号保存下来；

S1.6基站收到终端利用第二级码本反馈的信道信息；

S1.7基站利用保存的终端全局码本的序号以及终端利用第二级码本反馈的信息还原出信道状态信息；

S1.8基站利用还原出的信道信息进行数据发送；

S2.7终端进行数据接收。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (11)

1.一种多天线系统的多级码本构造方法,包括：

步骤10）、利用LBG算法构造第一级码本；

步骤20）、通过对第一级码本中的码字在不同平面上进行复数Givens角度旋转来获得第二级码本；所述步骤20）包括下列子步骤：

步骤210）、通过矩阵初等变换使得第一级码本中的码字对应的复数向量在选定平面上变换为单位向量；

步骤220）、将该单位向量利用Givens变换在该平面上旋转选定的角度；

步骤230）、利用该矩阵初等变换的逆变换得到旋转后的复数向量，获取第二级码本。

2.权利要求1的方法，其中，步骤20）中，所述不同平面包括二维或者多维平面。

3.权利要求1的方法，其中，步骤220）中，根据信道变化情况选择选定的角度，其大小要求在第一级码本所选码字的周围区域，不进入其他码字的区域。

4.权利要求3的方法，其中，步骤220）中，信道变化快，选定的角度大些；信道变化慢，选定的角度小些；如果信道不变化，则选定的角度等于0。

5.权利要求1的方法，其中，步骤20）包括：

步骤210）、将第一级码本中的码字x通过复数Givens变换， $\mathrm{Gx}=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right),$ $G=\sqrt{{\left|x_1\right|}^2+|x_2}\left(\begin{array}{cc}\frac{{\stackrel{\‾}{x}}_1}{{\left|x_1\right|}^2+{\left|x_2\right|}^2}& \frac{{\stackrel{\‾}{x}}_2}{{\left|x_1\right|}^2+{\left|x_2\right|}^2}\\ -\frac{x_2}{{\left|x_1\right|}^2+{\left|x_2\right|}^2}& \frac{x_1}{{\left|x_1\right|}^2+{\left|x_2\right|}^2}\end{array}\right),$

表示x_i的共轭，其中i=1、2；

步骤220）、将Gx左乘Givens旋转矩阵，旋转角度为θ，得到码字向量x'， $x^{\′}=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right);$

步骤230）、将x'左乘G的逆矩阵，得到将x旋转角度θ的第二级码本向量y，y=G^Hx',G^H表示矩阵G的共轭转置。

6.一种基于二级码本的信道信息反馈方法，包括：

步骤1）、基站选定第一级码本和第二级码本的构造参数，在小区内广播；

步骤2）、终端根据导频信息进行信道估计与测量来计算统计信息，通过第一级码本反馈统计信息进行信道反馈的初始化，在信道变化剧烈时利用第一级码本进行反馈的重置；

步骤3）、终端根据基站广播的信息构建第二级码本，利用第二级码本进行信道反馈；所述第二级码本是通过权利要求1-5中任一项所述的方法构建的。

7.权利要求6的方法，其中，步骤1）中，基站利用LBG算法确定第一级码本，并确定产生第二级码本的旋转平面和旋转角度；其中，根据信道状况使第一级码字所对应的第二级码本中的码字在对应的量化区域中均匀分布，选择当前信道对应的第二级码本的旋转平面和旋转角度；根据第一级码本的每个码字划分量化区域。

8.权利要求7的方法，其中，步骤1）还包括：基站利用确定的旋转平面和旋转角度，产生第二级码本。

9.权利要求6的方法，其中，步骤2）中，终端记录信道状态信息，计算统计量和统计信息；根据空间子信道中增益最大来选择选择最优的空间子信道，获得其右奇异向量并利用基站广播的第一级码本进行向量量化，将其序号反馈到基站。

10.权利要求6的方法，其中，步骤3）中，终端利用基站广播的角度旋转信息，获得第二级码本；利用第二级码本对空间子信道的右奇异向量进行向量量化，并反馈到基站。

11.权利要求10的方法，其中，步骤3）还包括：

基站收到终端利用第一级码本反馈的信道信息，将终端信息和其信道在第一级码本中的序号保存下来；

基站收到终端利用第二级码本反馈的信道信息，利用保存的终端的第一级码本的序号以及终端利用第二级码本反馈的信息还原出信道状态信息；

基站利用还原出的信道信息进行数据发送；

终端进行数据接收。

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