CN102255701A - 基于统计信道状态信息反馈下的组合码本选择处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于统计信道状态信息反馈下的组合码本选择处理方法，包括以下步骤：1)发送端与接收端均使用一组子码本表示信道状态信息的变化情况；2)接收端根据信道状态的选择不同的子码本，并在子码本中选择最佳的波束成型向量；3)通过一个低速的反馈信道将最佳的波束成型向量在子码本索引中的PMI传输给发送端。与现有技术相比，本发明具有反馈量低、精度高等优点。

Description

基于统计信道状态信息反馈下的组合码本选择处理方法

技术领域

本发明涉及一种组合码本选择处理方法，尤其是涉及一种基于统计信道状态信息反馈下的组合码本选择处理方法。

背景技术

近年来，移动通信技术飞速发展，3G标准刚刚商用化，4G标准的制定工作又在紧张地开展中。ITU-R于2008年发出通函，向各国和各标准化组织征集IMT-Advanced技术提案。IMT-Advanced技术需要在支持灵活广泛的服务和应用的基础上，达到世界范围内的高度通用性；支持基于包传输的高质量移动业务；实现更高的数据率和更大的系统容量，目标峰值速率为：低速移动、热点覆盖场景下1Gbit/s以上，高速移动、广域覆盖场景下100Mbit/s。

为了达到系统要求的高数据率和高容量，系统应该采用MIMO技术。在采用MIMO技术的移动通信系统中，可以通过空时编码或分集传输，提高传输的可靠性；也可以通过空分复用传输，提高频谱效率；亦可以通过包含传统波束成形在内的预编码传输，提高功率效率，并降低共信道干扰。在3GPP LTE和IEEE 802.16e等最新标准中，空时编码、空时发送分集、空分复用、以及预编码传输等MIMO技术已经得到应用。然而即使采用一体化的单用户或多用户自适应MIMO传输技术，传统蜂窝系统存在的小区边缘问题仍然制约着系统频谱效率的提高，需要采用新的传输技术和新型网络架构来改进这一问题。

在MIMO传输中，发送端的预处理技术可以有效提高系统的增益，满足下一代网络的要求。预处理技术的基础需要发送端接受到反馈的信息，在固定或者低速移动环境下，发送端可以利用信道的瞬时状态信息，理论上，此时可达到MIMO信道容量的最大，而且其最优传输方案为空域注水传输，也称为特征模式传输，即在信道矩阵的特征矢量所确定的方向上并行传输，并依据其特征值的大小进行功率分配。在频分双工(FDD)系统中，由于上下行链路采用不同的载波频率，上下行链路的瞬时信道不存在互易性，传统MIMO系统中码本尺寸较小，矢量量化的计算复杂度也较为适中，但在新型采用协作MIMO技术的系统中，基站端收发天线的个数显著增加，低反馈和低实现复杂性的有限反馈自适应传输方法值得进一步研究。

在中高速移动环境下，发送端难以获得较为准确的瞬时信道状态信息，这时可以利用统计信道状态信息，即在发送相关矩阵特征向量所确定的方向上并行传输，并根据特征空间中信道矩阵各元素的方差进行功率分配。在协作MIMO通信系统中，由于协作节点处在不同的位置，增强MIMO信道的统计相关性降低，由此显著提供空间分集增益和空间复用增益，这与利用瞬时信道状态信息的自适应传输方法一致。信道的统计状态信息反映场景的变化，与瞬时信道状态信息相比，其发生变化的时间尺度要大的多。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种反馈量低、精度高的基于统计信道状态信息反馈下的组合码本选择处理方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于统计信道状态信息反馈下的组合码本选择处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)发送端与接收端均使用一组子码本表示信道状态信息的变化情况；

2)接收端根据信道状态的选择不同的子码本，并在子码本中选择最佳的波束成型向量；

3)通过一个低速的反馈信道将最佳的波束成型向量在子码本索引中的PMI(预编码矩阵序列)传输给发送端。

所述的子码本创建过程如下：

11)在目标小区预先通过信道测量的方法将其分为不同的特征区域，每一块特征区域对应一组特征向量作为一级码本，同时在该特征区域内分布若干个旋转之前的码本作为二级码本；

12)当发送端估计出当前信道的方向时，首先判断落在小区的哪一个特征区域内，接收端选择相应的一级码本，随后计算此时方向与哪一组二级码本的距离最近，则采用该码本作为二级码本。

所述的子码本包括一级码本、二级码本。

所述的步骤2)中的在子码本中选择最佳的波束成型向量判断标准如下：

选择的波束成型向量使得接收端的性噪比γ最大，其中：

$\mathrm{\γ}=\frac{E_s{\left|z^H\mathrm{Hw}\right|}^2}{{\left|\right|z\left|\right|}_2^2{N}_0}$

式中，H为信道矩阵，z为接收合并向量，w为发送波束成型向量，x为发送符号，E_s＝E|x|²为符号能量，N₀为噪声的方差，如果发送端具有完全的信道状态信息，则最优的波束成型向量为信道矩阵H的最大奇异值对应的右奇异向量。

与现有技术相比，本发明可应用于高速移动通信环境中，可实施多用户MIMO的联合传输、反馈量低、精度高。

附图说明

图1为本发明的子码本的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于统计信道状态信息反馈下的组合码本选择处理方法，包括以下步骤：

1)发送端与接收端均使用一组子码本表示信道状态信息的变化情况；

2)接收端根据信道状态的选择不同的子码本，并在子码本中选择最佳的波束成型向量；

3)通过一个低速的反馈信道将最佳的波束成型向量在子码本索引中的PMI传输给发送端。

如图1所示，所述的子码本包括一级码本、二级码本。

考虑一个MIMO系统，采用N_T发和N_R收天线，信道矩阵H为N_R×N_T，z为接收合并向量；w为发送波束成型向量；x为发送符号；n为接收端端的噪声，元素分布为CN(0，N₀)的独立同分布随机变量。如果接收端和发送端具有一个相同的码本W，由发送波束成型向量组成，根据不同的信道条件，接收端从该码本中选择最佳的波束成型向量，通过一个低速的反馈信道将最佳的波束成型向量在子码本索引中的PMI传输给发送端。选择的最佳的波束成型向量使得接收端的信噪比γ最大

$\mathrm{\γ}=\frac{E_s{\left|z^H\mathrm{Hw}\right|}^2}{{\left|\right|z\left|\right|}_2^2{N}_0}$

式中，E_s＝E|x|²为符号能量，N₀为噪声的方差，如果发送端具有完全的信道状态信息，则最优的波束成型向量为信道矩阵H的最大奇异值对应的右奇异向量。给定了发送波束成型的矢量，也可以得到最优的接受合并矢量为H^w/||H_w||₂，信道反馈的失真可以用公式表示为：

$G\left(W\right)=E_H[{\mathrm{\λ}}_1\·{\left|\right|H{Q}_w\left(H\right)\left|\right|}_2^2]$

在上述公式中，λ₁是H^HH的最大特征值，且

于是设计的目标变成了根据信道的统计特征选择码本，使得反馈性能最优，即失真最小。

信道的统计特征取决于天线的几何分布，物理散射环境，工作的频率等等。通常因为天线间隔不够大，散射不够多，实际的系统，接收端是可以自由移动的，信道环境会随着接收端的运动而不断变化，因此信道的相关特征也会不断变化。在比较长的一段时间内，信道的特征方向会遍历整个空间，因此，可以用AR模型来仿真时间相关信道。

传统的码本设计都是基于独立同分布的前提下进行研究，然而在实际通信系统中，独立同分布的信道与瑞利衰落相差较远，有学者提出了利用相关信道存在统计特征方向的特性，可以采用发送协方差矩阵来对传统Grassmannian码本进行旋转操作，进而生成适用于相关信道的码本。然而这种旋转的方法只能在特征方向上的信道状态量化反馈效果较好，因此可以采用与传统码本结合的方法，来适应存在一定扰动的信道状态。若接收端不断移动，那么信道环境也会随着接收端的移动而变化，因而可以通过事先的仿真，将不同的信道环境以及对应的特征方向计算出来并存在码本中，每当信道环境发生变化时变选择对应的一组子码本，使得发送端的预编码方法能够获得更好的性能。

首先考虑每一个单独子码本设计，通过旋转发送相关矩阵，Grassmannian码本中的码字被调整到MIMO相关信道的某一个特征方向上面。在实际系统中，信道可能经历扰动的情况，信道H的右奇异向量会指向一个统计的方向，用W_st表示。大多数情况下，实际信道的方向W₁都会和W_st的方向保持一致，但是有的时候它们之间的夹角还比较大。有人已经证明这种事件的概率随着发送和接受天线数的增加而趋向于零，但是可靠数据接收的信噪比往往是由这些小概率事件决定的，码本的设计必须充分考虑这些小概率事件的情况，因此需要对旋转Grassmannian的方法加以改进。改进的方法之一可以利用本文提出的二级码本设计方案，这种方案将码本分为两个部分，第二级码本则通过Grassmannian流型包设计生成，而第一级采用旋转第二级生成的Grassmannian码本的方法，反映信道的特征方向。

扩展到信道具有多个不同的特征方向的场景，如附图所示，假如采用n比特反馈，则一级码本与二级码本的数量分别为2^n-1个，根据所采用的反馈准则，每次根据信道估计的结果，选择确定与其特征方向最为接近的一级码本的PMI，随后再根据当前信道的特征方向，确定二级码本的PMI，与一级码本合并作为当前使用的码本。因为信道的统计特征是相对比较稳定的，一般不会变化太大，可以证明该方法的优点在于反馈量比较稳定，适用于不同的信道状态，而且算法简单，不存在收敛性的问题。

所述的子码本创建过程如下：

11)在目标小区预先通过信道测量的方法将其分为不同的特征区域，每一块特征区域对应一组特征向量作为一级码本，同时在该特征区域内分布若干个旋转之前的码本作为二级码本；

12)当发送端估计出当前信道的方向时，首先判断落在小区的哪一个特征区域内，接收端选择相应的一级码本，随后计算此时方向与哪一组二级码本的距离最近，则采用该码本作为二级码本。

关于接收相关矩阵的反馈，是由接收天线间隔和接收信号的AoA决定的。给定的系统，接收天线间隔是固定的，相关矩阵是AoA的函数。将AoA均匀分割得到量化集合Ω_AoA＝{AoA₁AoA₂，…，AoA_N}。设计通信系统时可以预先将所有AoA值的相关矩阵计算得到，并得到集合Ω_R＝{R₁R₂，…，R_N}。

Claims (4)

1.一种基于统计信道状态信息反馈下的组合码本选择处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)发送端与接收端均使用一组子码本表示信道状态信息的变化情况；

2)接收端根据信道状态的选择不同的子码本，并在子码本中选择最佳的波束成型向量；

3)通过一个低速的反馈信道将最佳的波束成型向量在子码本索引中的PMI传输给发送端。

2.根据权利要求1所述的一种基于统计信道状态信息反馈下的组合码本选择处理方法，其特征在于，所述的子码本创建过程如下：

11)在目标小区预先通过信道测量的方法将其分为不同的特征区域，每一块特征区域对应一组特征向量作为一级码本，同时在该特征区域内分布若干个旋转之前的码本作为二级码本；

12)当发送端估计出当前信道的方向时，首先判断落在小区的哪一个特征区域内，接收端选择相应的一级码本，随后计算此时方向与哪一组二级码本的距离最近，则采用该码本作为二级码本。

3.根据权利要求1所述的一种基于统计信道状态信息反馈下的组合码本选择处理方法，其特征在于，所述的子码本包括一级码本、二级码本。

4.根据权利要求1所述的一种基于统计信道状态信息反馈下的组合码本选择处理方法，其特征在于，所述的步骤2)中的在子码本中选择最佳的波束成型向量判断标准如下：

选择的波束成型向量使得接收端的性噪比γ最大，其中：

$\mathrm{\γ}=\frac{E_s{\left|z^H\mathrm{Hw}\right|}^2}{{\left|\right|z\left|\right|}_2^2{N}_0}$

式中，H为信道矩阵，z为接收合并向量，w为发送波束成型向量，x为发送符号，E_s＝E|x|²为符号能量，N₀为噪声的方差，如果发送端具有完全的信道状态信息，则最优的波束成型向量为信道矩阵H的最大奇异值对应的右奇异向量。

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