CN102006111A

CN102006111A - Mimo系统中预编码的码本生成方法及装置

Info

Publication number: CN102006111A
Application number: CN2010105346614A
Authority: CN
Inventors: 李立华; 张平; 王化磊; 宋磊; 罗元
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2011-04-06

Abstract

本发明公开了一种MIMO系统中预编码的码本生成方法，包括如下步骤：对MIMO信道矩阵进行GMD分解，获得待量化的预编码矩阵V；由MIMO的传输信道矩阵获得待量化的预编码矩阵V的概率分布函数p(V)；根据所述的预编码矩阵V及其概率分布函数p(V)，获得系统的平均量化误差；根据所述系统的平均量化误差，获得码本矩阵。本发明还提供了一种与上述方法对应的码本生成装置，包括计算模块、获取模块，码本生成模块。本发明提供的码本矩阵生成方法与信道矩阵是相匹配的，因而适合于各种信道条件；而且，对于接收机采用垂直分层方法的MIMO预编码系统，本发明的方法可获得较好的性能提升。

Description

MIMO系统中预编码的码本生成方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种MIMO系统中预编码的码本生成方法及装置。

背景技术

多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术是无线移动通信领域技术的重大突破。MIMO技术是指数据的发送和接收都采用了多根天线。研究表明，利用MIMO技术可以提高无线通信系统的容量。使用预编码技术进行多数据流与天线之间的复用，可以更加有效的利用现有信道资源。因此预编码技术也成为新的研究热点。在实际系统中，由于信道时延等因素，发送端不能获得理想的信道信息，因而，基于码本的预编码技术成为目前研究的主流方向。

在基于码本的预编码技术中，发送端和接收端都存储一套相同的码本，接收端根据一定的码本选择公式，选出最优的码本，并将其序号反馈给发端，发送端根据此接收的序号，将其对应的码本作为预编码矩阵，进行预编码。

目前，有各种各样的码本设计方法，有针对MIMO信道函数的矢量码本设计方法。然而，对于码本矩阵设计，现有的码本不是基于MIMO信道函数出发，不同的MIMO信道共用一种码本，因此不能保证码本与MIMO信道的对应性。而且，目前并没有有效的码本设计方法适用于接收机(接收端)采用垂直分层的MIMO系统。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能够解决现有技术中生成的MIMO码本矩阵与实际的MIMO信道不对应的问题，以及提升接收机采用垂直分层的MIMO系统的性能的MIMO系统中预编码的码本生成方案。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种MIMO系统中预编码码本的生成方法，该方法包括步骤：

S101：对多输入多输出MIMO信道矩阵进行几何均值分解，获得待量化的预编码矩阵V；

S102：由MIMO信道的信道传输矩阵获得待量化的预编码矩阵V的概率分布函数p(V)；

S103：根据所述的待量化的预编码矩阵V及其概率分布函数p(V)，获得MIMO系统的平均量化误差；

S104：根据所述MIMO系统的平均量化误差，获得码本矩阵。

其中，所述步骤S101具体为：对MIMO信道矩阵H按照几何均值分解公式H＝UR′V^H进行分解操作，其中R′为对角线元素相等的上三角矩阵，U为左酉矩阵，V为右酉矩阵，V的上标H表示共轭转置，所述右酉矩阵V即为待量化的预编码矩阵V。

其中，所述步骤S103具体包括如下步骤：

生成一组信道的训练矩阵H_k，k＝1，...，K，K为该矩阵的总个数；

对这组信道的训练矩阵进行几何均值分解，获得一组训练矩阵P_k；

依据待量化的预编码矩阵V的概率分布函数和该组训练矩阵P_k计算系统的平均量化误差。

其中，所述依据待量化的预编码矩阵V及其概率分布函数和该组训练矩阵P_k获得系统的平均量化误差的过程如下：

在酉空间中为每一个训练矩阵划分一个胞元；

根据所述胞元中所述训练矩阵与待量化的预编码矩阵之间的距离和所述待量化的预编码矩阵的概率分布函数计算系统的平均量化误差。

其中，所述在酉空间中为每一个训练矩阵划分一个胞元的步骤具体包括：

对每一个训练矩阵，通过矩阵距离函数计算训练矩阵与所有待量化的预编码矩阵的距离，将此训练矩阵划分到最小距离对应的待量化的预编码矩阵的胞元里，所述矩阵距离函数为：

其中V和

是任意两个酉矩阵，I是单位矩阵，该距离函数是求F范数。

其中，所述系统的平均量化误差通过下式获得：

其中p(V∈C_k)为待量化的预编码矩阵V在胞元C_k内的概率分布函数，L为胞元的个数，

表示所述距离的期望值。

其中，所述根据所述胞元中所述训练矩阵与待量化的预编码矩阵之间的距离和所述待量化的预编码矩阵的概率分布函数计算系统的平均量化误差的步骤具体包括：

分别计算每个胞元的新的质心矩阵；

用所得到的新的质心矩阵替换胞元中待量化的预编码矩阵；

计算胞元的平均量化误差；

依据胞元的平均量化误差，计算系统的平均量化误差。

其中，所述计算每个胞元的酉空间质心更新输出矩阵具体包括：

分别对各胞元中的所有训练矩阵对应的训练信道矩阵之和求平均，得到各胞元的平均信道矩阵

分别对各胞元的平均信道矩阵

做几何均值分解，分解后得到的各右酉矩阵即为每个胞元的新的质心矩阵。

其中，所述系统的平均量化误差通过以下公式获得：

其中f(i)表示在胞元C_i中训练矩阵的个数。

其中，所述步骤S104根据所述系统的平均量化误差公式，获得码本矩阵的具体过程如下：

进行迭代运算，对每次迭代所计算出的所述系统的平均量化误差进行比较以得到最小的系统的平均量化误差，则此最小的系统的平均量化误差所对应的一组待量化矩阵即为所求的码本矩阵。

本发明还提供了一种MIMO系统中预编码码本生成装置，包括计算模块，获取模块以及生成模块：

所述计算模块，用于对MIMO信道矩阵做几何均值分解，计算出待量化的预编码矩阵；

所述确定模块，用于由MIMO信道的信道传输矩阵获得待量化的预编码矩阵的概率分布函数以及平均量化误差；

所述生成模块，用于根据所述平均量化误差生成MIMO系统的码本矩阵。

其中，所述生成模块包括：

计算子模块，用于通过计算每个胞元的新的质心矩阵，生成新的待量化的预编码矩阵；

系统平均量化误差计算模块，根据MIMO信道的概率分布函数以及待量化的预编码矩阵与训练矩阵的距离计算系统的平均量化误差；

比较模块，通过比较每次迭代的平均量化误差，选择最小的系统的平均量化误差对应的待量化的预编码矩阵为码本矩阵。

(三)有益效果

本发明中待量化的预编码矩阵是基于对应的MIMO实际信道进行设计的，因而提出的码本(或称码本矩阵)设计方法适合于各种信道条件；而且，利用GMD(Geometric Mean Decomposition，几何均值分解)方案获得待量化的预编码矩阵以及训练矩阵，可使得各层的信噪比近似相同，因而能更有效地提升接收端采用垂直分层的MIMO系统的性能；同时，本发明还给出了生成码本矩阵的K-均值迭代算法，此迭代算法具有良好的收敛性，易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例的MIMO系统中预编码的码本生成方法的流程图；

图2为本发明实施例的MIMO系统中预编码的码本生成方法中K-均值迭代算法的流程图；

图3为本发明实施例的方法中K-均值迭代算法中每个胞元的质心更新输出矩阵的流程图；

图4为本发明实施例的MIMO系统中预编码的码本生成装置结构示意图；

图5为基于本发明的方法与基于DFT(Discrete Fourier Transform离散傅里叶变换)码本的系统BER比较曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例的MIMO系统中预编码的码本生成方法，结合附图说明如下：

如图1所示，该方法包括以下步骤：

S101：对MIMO信道矩阵(或称为信道传输矩阵、传输信道矩阵)进行GMD分解，获得待量化的预编码矩阵V。具体过程如下：

按照GMD分解公式H＝UR′V^H对MIMO信道矩阵H进行分解，GMD分解公式中，R′为对角线元素相等的上三角矩阵，U为左酉矩阵，V为右酉矩阵，上标H代表共轭转置。此酉矩阵V即为待量化的预编码矩阵V。

S102：由MIMO信道矩阵获得待量化的预编码矩阵V的概率分布函数p(V)；

由MIMO信道矩阵获取待量化的预编码矩阵V，待量化的预编码矩阵V的概率分布函数可以是能够表征其概率分布特性的任意一个函数，比如累积分布函数，概率分布密度等。

S103：根据所述的预编码矩阵V及其概率分布函数p(V)，获得MIMO系统的平均量化误差；

S104：根据所述MIMO系统的平均量化误差，获得码本(或称码本矩阵)。

图2为本发明实施例的MIMO信道的码本生成方法中的K-均值迭代算法的流程图，包括如下步骤：

假定要获得L个码本，信道的训练矩阵的个数为K，则需要K的取值远大于L的取值，即K＞＞L。

S201：获得训练矩阵。具体方法为随机生成一组信道的训练矩阵H_k，k＝1，…，K，对每个训练矩阵H_k分别实施GMD分解，获得训练矩阵P_k。

S202：初始化各参数。设置初始迭代次数i＝0，平均量化误差D(0)＝0，随机选择一组训练矩阵P_k，k＝1，…，L，作为待量化的预编码矩阵

也就是初始码本。

S203：在酉空间中将每个训练矩阵P_k划分到一个相应的胞元。具体，对每一个训练矩阵P_k，通过矩阵距离函数计算训练矩阵P_k与所有待量化的预编码矩阵的距离，然后按照如下公式划分到最小距离对应的待量化的预编码矩阵的胞元里：

对任意n不等于j(该式表示如果P_k在胞元C_k里，那么满足右边；如果右边满足，那么Pk就被划分到胞元C_k)，且n，j∈[1，L]，C_n表示第n个码本矩阵对应的胞元。所述矩阵距离函数为：

其中V和

是任意两个酉矩阵，I为单位矩阵，该距离函数为求F范数。

S204：更新每个胞元的质心(即胞元的中心)矩阵，质心矩阵也就是待量化的预编码矩阵，初始质心矩阵也就是上述的初始码本。

S205：计算本次迭代中系统的平均量化误差。具体计算按照如下公式：

其中f(i)表示在胞元C_i中训练矩阵的个数。

S206：比较系统的平均量化误差。利用迭代算法对每次迭代所计算出的所述系统的平均量化误差进行比较，以得到最小的系统的平均量化误差对应的一组待量化的预编码矩阵。具体方法按照如下：如果满足|D(i)-D(i-1)|/D(i-1)≤ε，其中ε为一非常小的值，比如10^-8，则停止迭代，

即为所求的码本；如果不满足|D(i)-D(i-1)|/D(i-1)≤ε，则将i加1，并返回步骤S203继续迭代。

S207：选择最小平均量化误差对应的待量化的预编码矩阵为码本矩阵。

图3为本发明实施例K-均值迭代算法中步骤S204的计算流程图。

S301：根据每个训练矩阵的划分，找出其所对应的胞元。

S302：分别对每个胞元对应的所有训练矩阵求平均，得到平均训练矩阵

S303：分别对每个平均训练矩阵

做GMD分解

U_j为第j个码本矩阵的左酉矩阵，R_j为第j个码本矩阵对应的对角线元素相等的上三角矩阵，则

即为其更新的待量化的预编码矩阵，也就是每个胞元的新的质心矩阵。

图4为本发明实施例的MIMO信道的码本生成装置结构示意图，该系统包括：计算模块401、获取模块402以及码本生成模块403。

其中所述计算模块401，用于对MIMO信道矩阵作GMD分解，计算出待量化的预编码矩阵；所述获取模块S402，用于由MIMO信道的概率分布函数获得待量化的预编码矩阵的概率分布函数以及平均量化误差；所述码本生成模块403，用于根据系统的平均量化误差公式，生成系统的码本矩阵。

其中码本生成模块403进一步包括计算子模块4031，系统平均量化误差计算模块4032、比较模块4033。计算子模块4031，用于质心更新，生成新的待量化的预编码矩阵；系统平均量化误差计算模块4032，根据MIMO信道的概率分布以及待量化的预编码矩阵与训练矩阵的距离计算系统平均量化误差；比较模块4033，通过比较每次迭代的平均量化误差，选择最小平均量化误差对应的待量化的预编码矩阵为码本矩阵。

此外，如图5所示，在不同的信噪比(图中用snr表示，BER为误码率)条件下，基于本发明的预编码系统与基于DFT码本的预编码系统的误码率的仿真比较图。系统为4发4收的MIMO系统，接收端采用QR-SIC(基于QR分解的串行干扰抵消(Successive Interference Cancellation，SIC))译码，信道为空间相关瑞利衰落的信道，发送端天线间的相关系数为0.9，接收端天线间的相关系数为0.3。由图5可以看出，因为本发明的码本与信道是相匹配的，且训练码本来源于GMD分解，使得各层的信噪比近似相同，从而提高了系统性能。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。