CN102006147A - 降低码本平均反馈量及码本优化的实现方法 - Google Patents

降低码本平均反馈量及码本优化的实现方法 Download PDF

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CN102006147A CN2010105687286A CN201010568728A CN102006147A CN 102006147 A CN102006147 A CN 102006147A CN 2010105687286 A CN2010105687286 A CN 2010105687286A CN 201010568728 A CN201010568728 A CN 201010568728A CN 102006147 A CN102006147 A CN 102006147A
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Abstract

本发明针对城市环境提供了一种降低码本平均反馈量及码本优化的实现方法，它属于通信技术领域，主要解决现有3GPP Rel8码本平均反馈量较大及码字搜索复杂度较大的问题。其实现步骤是：利用信道统计特性，对各码字被选概率进行统计；按照各码字被选概率对各码字进行变长编码，并且对吞吐量进行测试；去除概率较小码字并对剩余码字被选概率进行统计，进而得到剩余各码字变长编码及吞吐量测试值；继续去除码字，直到吞吐量测试值及码字搜索复杂度满足系统需求，将剩余码字组成的码本作为最终的码本。本发明有效地减少了码本平均反馈量和码字搜索复杂度，且对吞吐量的影响可忽略不计，可用于LTE-A来满足IMT-Advanced技术需求。

Description

降低码本平均反馈量及码本优化的实现方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及3GPP Rel8中的码本，具体地说是一种实现降低码本平均反馈量并进而优化码本的方法，可用于多用户MIMO的预编码。
背景技术
为了满足LTE在高数据率和高系统容量方面的需求，LTE系统支持下行应用多输入多输出技术，包括空间复用、波束赋形以及传输分集。对于空间复用，LTE支持开环方式的空间复用，也支持闭环方式的空间复用，即所谓的线性预编码技术。线性预编码操作的作用是将天线域的处理转换为波束域进行处理，在发射端利用已知的空间信道信息进行预处理操作，从而进一步提高用户和系统的吞吐量。
线性预编码操作可以按其预编码矩阵的获得位置划分为非码本的预编码操作和基于码本的预编码操作两大类。
在基于码本的预编码方式中，预编码矩阵在接收端获得，接收端利用预测的信道状态信息，在预定的预编码矩阵码本中进行预编码矩阵的选择，并将选定的预编码矩阵的编码反馈给发射端。在多种预编码矩阵码本的构建方式中，针对四根发送天线，3GPP Rel8采用了基于Householder变换的码本作为其线性预编码矩阵的码本。3GPP Rel8中对确定的码本中码字反馈采用了等长编码“R1-062650，Codebook Design for E-UTRA MIMO Pre-coding，Texas Instruments，9-13 October，2006”，并未考虑到各码字间的不同。即在反馈编码中并未充分利用各码字的信息，进而给出的平均编码比特远大于了信源熵，而且在最优码字的确定中，需要搜索全部码字，即搜索复杂度较高。但为满足IMT-advanced技术的要求，3GPP在LTE基础上继续向LTE-A演进。码本的平均反馈量及码字搜索复杂度均需被降低，即码本的平均编码长度需要尽可能地接近信源熵，并且码字个数尽可能少以减小码字搜索复杂度。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，针对城市环境及3GPPRel8确定的码本，提供一种实现低平均反馈量及码本优化的方法，以有效降低码本平均反馈量及码字搜索复杂度。
为实现上述目的，本发明包括如下步骤：
(1)选定通信环境并给定最低吞吐量值THL和码本中需要保留的最多码字个数SCU；
(2)针对选定的城市通信环境，对3GPP Rel8码本中的码字被选概率进行统计并且记当前码本中码字数目为：NNOW＝NINIT，此时的当前码本为3GPP Rel8中已确定的码本，NINIT为3GPP Rel8已确定码本中的码字个数；
(3)在确定的各码字被选概率基础上，按各码字被选概率不同对其进行变长编码，按概率值及变长编码结果计算得到平均反馈量
Figure BDA0000035609070000021
(4)在当前码本的基础上对用户吞吐量值UTH进行测试：
当UTH≤THL，执行步骤(7)；
当UTH＞THL，执行步骤(5)；
(5)对平均反馈码长
Figure BDA0000035609070000022
进行比较：
当
Figure BDA0000035609070000023
去除码本中被选概率较低的一个码字，其中
Figure BDA0000035609070000024
为上一次去除码字后得到的平均反馈量，并将剩余码字组成的码本记为当前码本，其码字个数为NNOW，并对现有码本中各码字被选概率进行统计，重复步骤(3)-(5)；
当
Figure BDA0000035609070000025
执行步骤(6)；
(6)对码本中码字个数进行比较：
当NNOW＞SCU，去除码本中被选概率较低的一个码字，并将剩余码字组成的码本记为当前码本，其码字个数为NNOW，对当前码本各码字被选概率进行统计，并重复步骤(3)-(6)；
当NNOW≤SCU，执行步骤(7)；
(7)确定优化码本：
当NNOW＝NINIT，最终的码本仍为3GPP Rel8中的码本；
当NNOW＜NINIT，最终的码本确定为NNOW+1个码字所对应的码本；
(8)确定码本中各码字对应的变长编码：
当NNOW＝NINIT，最终各码字对应的反馈比特确定为NINIT个码字所对应的变长编码；
当NNOW＜NINIT，最终各码字对应的反馈比特确定为NNOW+1个码字所对应的变长编码。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(a)本发明针对城市环境信道下3GPP Rel8码本中码字被选概率有较大差别，对不同的码字进行变长编码，得到的平均反馈量小于3GPP Rel8中等长编码的平均反馈量；
(b)本发明针对城市环境信道下3GPP Rel8码本中码字被选概率有较大差别，对3GPP Rel8码本中的码字依概率进行去除，在对吞吐量几乎无影响的前提下，减少了码本中的码字数量，实现码字搜索复杂度的降低。
仿真结果表明：本发明基于3GPP Rel8确定的四根发射天线码本中码字被选概率不同的情况，用变长编码缩小了码字信源熵与码字平均编码长度间的差距，即减小了码本平均反馈量；在各码字被选概率不同的基础上，去除一些被选概率较小的码字再进一步减小平均码长，同时去除概率较小的码字可以减小码字搜索的复杂度，而且对吞吐量的影响几乎是可以忽略不计的。
附图说明
图1是本发明的总流程图；
图2本是发明中针对不同通信环境下信道参数幅值的概率分布图；
图3是本发明中城市微小区通信环境下针对用户一的码字被选概率分布图；
图4本发明中城市宏小区通信环境下针对用户一的码字被选概率分布图；
图5本发明中城市微小区通信环境下针对用户二的码字被选概率分布图；
图6本发明中城市宏小区通信环境下针对用户二的码字被选概率分布图；
图7本发明中城市微小区环境下针对不同码字数量码本在不同SNR下吞吐量对比图；
图8本发明中城市宏小区环境下针对不同码字数量码本在不同SNR下吞吐量对比图。
具体实施方式
参照图1，本发明的具体实施步骤如下：
步骤一，选定通信环境。
根据对不同通信环境下信道参数幅值概率分布的统计结果，选定信道参数幅度值分布集中的通信环境为本发明的通信环境。图2给出在城市环境、乡村环境、室内环境下的信道参数幅度值的概率分布图，图2明显可以看出针对城市环境，幅值大于2.6的概率分布几乎为零，幅值分布相对集中，因而选城市环境作为具体实施中的通信环境，具体选城市环境中的城市微小区通信环境和城市宏小区通信环境作为具体实施中的通信环境。
步骤二，给定系统的最低吞吐量值THL和码本中需要保留的最多码字个数SCU。
步骤三，针对选定的城市微小区通信环境和城市宏小区环境，对3GPP Rel8码本中的码字被选概率进行统计。
本发明在城市微小区通信环境下针对用户一的码字被选概率分布如图3；在城市宏小区通信环境下针对用户一的码字被选概率分布如图4；在城市微小区通信环境下针对用户二的码字被选概率分布如图5；在城市宏小区通信环境下针对用户二的码字被选概率分布如图6。
从图3至图6可以看出，尽管在城市微小区环境和城市宏小区环境下具有不同的码字被选概率分布，但均呈现出不同码字被选概率分布差距较大的现象，此时记3GPP Rel8已确定的码本为当前码本，当前码本中码字数目为：NNOW＝NINIT，NINIT为3GPP Rel8已确定码本中的码字个数。
步骤四，在步骤三确定的各码字被选概率基础上，按各码字被选概率不同对其进行变长编码，按概率值及变长编码结果计算得到平均反馈量
Figure BDA0000035609070000041
首先，按各码字被选概率不同对其进行变长编码，其步骤如下：
(4a)将各码字做为编码的信源符号；
(4b)将被选概率最低的两个信源符号配成一对，一个标为0，一个标为1，用这两个符号构成组，并将该组作为新的信源符号来代替概率最低的两个信源符号进行下一次的配对，该信源符号出现的概率是两个信源符号出现概率的总和；
(4c)重复上述步骤(4b)-(4c)，直到所有的信源符号都被配对且被标以相应的0或1；
(4d)将导向各信源符号的所有0，1组成的序列作为各码字对应的变长编码。
其次，按概率值及变长编码结果计算平均反馈量该平均反馈量
Figure BDA0000035609070000043
的计算是根据各码字被选概率值及已确定的变长编码结果，求出码本中所有码字编码长度的数学期望值：
Figure BDA0000035609070000044
将该期望值作为当前码本平均反馈量
Figure BDA0000035609070000045
式中，N为当前码本中的码字个数，ηi为当前码本中第i个码字被选概率值，Li为当前码本中第i个码字变长编码长度。
按如上各码字被选概率不同对其进行变长编码的步骤及平均反馈量
Figure BDA0000035609070000046
的计算方法得城市微小区环境下各码字变长编码及平均反馈量
Figure BDA0000035609070000047
如表1所示，得到城市宏小区环境下各码字变长编码及平均反馈量
Figure BDA0000035609070000048
如表2所示。
表1城市微小区16码字各码变长编码及平均反馈量
  码字索引   概率值   等长码字编码   变长编码
  1   0.0445   0000   0011
  2   0.0204   0001   00100
  3   0.0017   0010   00000000
  4   0.0001   0011   00000001
  5   0.1671   0100   101
  6   0.0155   0101   000001
  7   0.0299   0110   00101
  8   0.0171   0111   000011
  9   0.1676   1000   01
  10   0.0078   1001   000010
  11   0.0719   1010   0001
  12   0.0074   1011   00000011
  13   0.1509   1100   100
  14   0.0093   1101   0000101
  15   0.0066   1110   00000010
  16   0.2824   1111   11
  平均反馈量   4   3.0128
  码字信源熵   2.957
表2城市宏小区16码字各码变长编码及平均反馈量
  码字索引   概率值   等长码字编码   变长码字编码
  1   0.0010   0000   00000101
  2   0.0000   0001   0000000000001
  3   0   0010   0000000000000
  4   0   0011   000000000001
  5   0.0374   0100   00001
  6   0.0001   0101   0000000001
  7   0.0719   0110   0001
  8   0.0002   0111   000000001
  9   0.2330   1000   01
  10   0.0000   1001   00000000001
  11   0.0012   1010   0000001
  12   0.0009   1011   00000001
  13   0.2156   1100   001
  14   0.0015   1101   0000011
  15   0.0009   1110   00000100
  16   0.4362   1111   1
  平均反馈量   4   2.0677
  码字信源熵   1.9971
步骤五，在当前码本的基础上对用户吞吐量UTH进行测试。
当UTH＞THL，执行步骤六；
当UTH≤THL，执行步骤八。
步骤六，对平均反馈量
Figure BDA0000035609070000061
进行比较。
当
Figure BDA0000035609070000062
去除码本中被选概率较低的一个码字，其中
Figure BDA0000035609070000063
为上一次去除码字后得到的平均反馈量，将剩余码字组成的码本记为当前码本，其码字个数为NNOW，对当前码本中各码字被选概率进行统计，并按步骤三中基于各码字被选概率对其变长编码的步骤及平均反馈量
Figure BDA0000035609070000064
的计算方法得城市微小区环境下去除一个码字的变长编码及平均反馈量
Figure BDA0000035609070000065
如表3所示，得到城市宏小区环境下去除一个码字的变长编码及平均反馈比特值即平均反馈量
Figure BDA0000035609070000066
如表4所示，重复步骤五至步骤六；
当
Figure BDA0000035609070000067
执行步骤七。
表3城市微小区15码字各码变长编码及平均反馈量
  码字索引   概率值   等长码字编码   变长编码
  1   0.0445   0000   0011
  2   0.0204   0001   00101
  3   0.0017   0010   000000000
  4   0.0001   0011   000000001
  5   0.1671   0100   101
  6   0.0155   0101   001001
  7   0.0299   0110   00001
  8   0.0171   0111   000001
  9   0.1690   1000   01
  10   0.0078   1001   00000001
  11   0.0719   1010   0001
  12   0.0139   1011   001000
  13   0.1494   1100   100
  14   0.0093   1101   0000001
  15   0   1110
  16   0.2824   1111   11
  平均反馈量   4   2.9921
  码字信源熵   2.9422
表4城市宏小区15码字各码变长编码及平均反馈量
  码字索引   概率值   等长码字编码   变长编码
  1   0.0010   0000   00000101
  2   0.0000   0001   000000000001
  3   0   0010   000000000000
  码字索引   概率值   等长码字编码   变长编码
  4   0   0011
  5   0.0374   0100   00001
  6   0.0001   0101   0000000001
  7   0.0719   0110   0001
  8   0.0002   0111   000000001
  9   0.2330   1000   01
  10   0.0000   1001   000000000011
  11   0.0012   1010   0000001
  12   0.0009   1011   00000001
  13   0.2156   1100   001
  14   0.0015   1101   0000011
  15   0.0009   1110   00000100
  16   0.4362   1111   1
  平均反馈量   4   2.0677
  码字信源熵   1.9971
步骤七，对码本中码字个数进行比较。
当NNOW＞SCU，去除码本中被选概率较低的一个码字，并将剩余码字组成的码本记为当前码本，其码字个数为NNOW，对当前码本各码字被选概率进行统计，并按步骤三基于各码字被选概率对其变长编码的步骤及平均反馈量
Figure BDA0000035609070000071
的计算方法得到城市微小区环境下去除两个码字的变长编码及平均反馈量
Figure BDA0000035609070000072
如表5所示，得到城市宏小区环境下去除两个码字的变长编码及平均反馈量
Figure BDA0000035609070000073
如表6所示，重复步骤五至步骤七；
当NNOW≤SCU，执行步骤八。
表5城市微小区14码字各码变长编码及平均反馈量
  码字索引   概率值   等长码字编码   变长编码
  1   0.0454   0000   0001
  2   0.0205   0001   00001
  3   0.0017   0010   00000000
  4   0.0001   0011   00000001
  5   0.1683   0100   101
  6   0.0163   0101   001000
  7   0.0301   0110   00101
  8   0.0174   0111   001001
  9   0.1728   1000   01
  10   0.0079   1001   0000001
  11   0.0719   1010   0011
  12   0   1011
  码字索引   概率值   等长码字编码   变长编码
  13   0.1528   1100   100
  14   0.0092   1101   000001
  15   0   1110
  16   0.2826   1111   11
  平均反馈量   4   2.9294
  码字信源熵   2.8764
表6城市宏小区14码字各码变长编码及平均反馈码长
  码字索引   概率值   等长码字编码   变长编码
  1   0.0010   0000   00000101
  2   0.0000   0001   00000000001
  3   0   0010   00000000000
  4   0   0011
  5   0.0375   0100   00001
  6   0.0001   0101   0000000001
  7   0.0719   0110   0001
  8   0.0002   0111   000000001
  9   0.2329   1000   01
  10   0   1001
  11   0.0012   1010   0000001
  12   0.0009   1011   00000001
  13   0.2157   1100   001
  14   0.0015   1101   0000011
  15   0.0009   1110   00000100
  16   0.4362   1111   1
  平均反馈量   4   2.0683
  码字信源熵   1.9971
步骤八，确定优化码本。
当NNOW＝NINIT，最终的码本仍为3GPP Rel8中的码本；
当NNOW＜NINIT，最终的码本确定为NNOW+1个码字所对应的码本。
步骤九，确定码本中各码字对应的变长编码。
当NNOW＝NINIT，最终各码字对应的反馈比特确定为NINIT个码字所对应的变长编码；
当NNOW＜NINIT，最终各码字对应的反馈比特确定为NNOW+1个码字所对应的变长编码。
本发明低反馈量的效果可以通过表1至表6得到验证，3GPP Rel8已确定码本的平均反馈量为4，而从表1、表3及表5可以看到针对城市微小区环境，本发明的平均反馈量分别为3.0128、2.9921及2.9294，从表2，表4，表6可以看到针对城市宏小区环境，平均反馈量分别为2.0677、2.0677及2.0683，可见本发明实现了码本平均反馈量的降低。
本发明低搜索复杂度的效果通过去码字得以实现，在本发明实施步骤六和实施步骤七中均对码本中码字进行了去除，因而可降低码字搜索复杂度；本发明中去除码字对吞吐量的影响可通过以下仿真得到验证：
1.仿真条件：
通信环境选定为城市微小区环境与城市宏小区环境，多用户MIMO选定为两用户，每用户两流数据，基站四根天线，3GPP确定的四根发射天线对应的基于Householder码本。
2.仿真内容：
在城市微小区环境下，对3GPP Rel8码本前提下的用户一吞吐量与去除一个、两个码字后用户一的吞吐量进行对比，其对比曲线图如图7所示；
在城市宏小区环境下，对3GPP Rel8码本前提下的用户一吞吐量与去除一个、两个码字后用户一的吞吐量进行对比，其对比曲线图如图8所示；
3.仿真结果：
图7中给出的是在城市微小区环境下，用户一在去除码字前即16码字码本、去除一个码字后的15码字码本及去除两个码字后的14码字码本对应的吞吐量的对比曲线，从图7可以看出，去除一些被选概率较小的码字对于整体吞吐量的影响是可以忽略不计的；
图8中给出的是在城市宏小区环境下，用户一在去除码字前即16码字码本、去除一个码字后的15码字码本及去除两个码字后的14码字码本对应的吞吐量的对比曲线，从图中可以看出，去除一些被选概率较小的码字对于整体吞吐量的影响是可以忽略不计的。

Claims (3)

1.一种实现低平均反馈量及码本优化的方法，包括如下步骤：
(1)选定通信环境并给定最低吞吐量值THL和码本中需要保留的最多码字个数SCU；
(2)针对选定的城市通信环境，对3GPP Rel8码本中的码字被选概率进行统计并且记当前码本中码字数目为：NNOW＝NINIT，此时的当前码本为3GPP Rel8中已确定的码本，NINIT为3GPP Rel8已确定码本中的码字个数；
(3)在确定的各码字被选概率基础上，按各码字被选概率不同对其进行变长编码，按概率值及变长编码结果计算得到平均反馈量
Figure FDA0000035609060000011
(4)在当前码本的基础上对用户吞吐量值UTH进行测试：
当UTH≤THL，执行步骤(7)；
当UTH＞THL，执行步骤(5)；
(5)对平均反馈码长
Figure FDA0000035609060000012
进行比较：
当
Figure FDA0000035609060000013
去除码本中被选概率较低的一个码字，其中
Figure FDA0000035609060000014
为上一次去除码字后得到的平均反馈量，并将剩余码字组成的码本记为当前码本，其码字个数为NNOW，并对现有码本中各码字被选概率进行统计，重复步骤(3)-(5)；
当
Figure FDA0000035609060000015
执行步骤(6)；
(6)对码本中码字个数进行比较：
当NNOW＞SCU，去除码本中被选概率较低的一个码字，并将剩余码字组成的码本记为当前码本，其码字个数为NNOW，对当前码本各码字被选概率进行统计，并重复步骤(3)-(6)；
当NNOW≤SCU，执行步骤(7)；
(7)确定优化码本：
当NNOW＝NINIT，最终的码本仍为3GPP Rel8中的码本；
当NNOW＜NINIT，最终的码本确定为NNOW+1个码字所对应的码本；
(8)确定码本中各码字对应的变长编码：
当NNOW＝NINIT，最终各码字对应的反馈比特确定为NINIT个码字所对应的变长编码；
当NNOW＜NINIT，最终各码字对应的反馈比特确定为NNOW+1个码字所对应的变长编码。
2.根据权利要求书1所述的实现低平均反馈量及码本优化的方法，其中步骤(3)所述的按各码字被选概率不同对其进行变长编码，按如下步骤进行：
(2a)将各码字做为编码的信源符号；
(2b)将被选概率最低的两个信源符号配成一对，一个标为0，一个标为1，用这两个符号构成组，并将该组作为新的信源符号来代替概率最低的两个信源符号进行下一次的配对，该信源符号出现的概率是两个信源符号出现概率的总和；
(2c)重复上述步骤(2b)-(2c)，直到所有的信源符号都被配对且被标以相应的0或1；
(2d)将导向各信源符号的所有0，1组成的序列作为各码字对应的变长编码。
3.根据权利要求书1所述的实现低平均反馈量及码本优化的方法，其中步骤(3)所述的按概率值及变长编码结果计算得到平均反馈码长
Figure FDA0000035609060000021
是根据各码字被选概率值及已确定的变长编码结果，求出码本中所有码字编码长度的数学期望值：将该期望值作为当前码本平均反馈码长
Figure FDA0000035609060000023
式中，N为当前码本中的码字个数，ηi为当前码本中第i个码字被选概率值，Li为当前码本中第i个码字变长编码长度。
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