CN102624491A - 有限反馈信道的多天线系统中酉预编码方法及选码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了有限反馈信道的多天线系统中酉预编码方法及选码方法。酉预编码方法，把酉预编码分成若干层，首先，在第一层，设计出若干个单位向量；其次，针对每一个向量，定义出它的正交空间；然后在每一个正交空间中，设计出若干个向量，作为第二层；依次类推，构造出下一层，最后得到酉预编码码本。本发明有限反馈信道的多天线系统中酉预编码方法比现有使用一般复格拉斯曼流行的方法更简单。此外，本发明有限反馈信道的多天线系统中酉预编码的选码方法，由于分层结构的特点，预码本具有快速选择的特点，能够极大地降低从码本中选择码字的复杂性。

Description

有限反馈信道的多天线系统中酉预编码方法及选码方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，是一种预编码技术，尤其是在具有有限反馈正交空时分组码系统下的预编码方法及快速选码方法。

背景技术

目前，在通信技术领域的理论及实际应用中，都已证明发送端完全或部分知道信道状态信息能够提高多输入多输出(MIMO)系统性能。一方面，采用波束形成和预编码技术能够提高系统的容量和互信息、降低溢出概率、增加接收信噪比(SNR)、减少系统错误概率。另一方面，一个空时分组码(STBC)预编码的MIMO系统，尤其是正交空时分组码(OSTBC)引起业界的研究热潮，该模型已经被IEEE无线标准所接收。本发明就是基于该系统下的预编码方法的研究。

一种良好的空时编码方法可以使MIMO系统实现由多天线带来的空间分集，同时该码能够提高时间分集和编码增益。此外，STBC的预编码能够进一步提高系统性能。自2001年来，对空时分组码预编码的MIMO系统的研究已有不少，需特别指出的是许多研究都是针对OSTBC预编码。目前已有许多技术是用来构建预编码的，如G.Jongren等人在IEEE Trans.Inform.Theory，vol.48，no.3，pp.611-627，2002上发表的“Combining beanforming andorthogonal space-time block coding”中提出在已完全知信道状态信息情况下的预编码；S.Zhou等人在IEEE Trans.on Signal Process.，vol.50，no.10，pp.2599-2613，Oct.2002上发表的“Optimal transmitter eigen-beamforming and space-time block coding based on channel meanfeedback”和H.Sampath等人在IEEE Commun.Letters，vol.6，no.6，pp.239-241，2002发表的“Linear precoding for space-time coded systems with known fading correlations”中提出在统计信道状态信息情况下的预编码技术。其他还有一些预编码的设计是在接收端知道部分信道状态或量化信道状态信息的情况下提出的。

在上述研究中，D.J.Love等人在IEEE Trans.on Signal Process.，vol.53，no.1，pp.64-73，Jan.2005发表的“Limited feedback unitary precoding for orthogonal space-time block codes”论文中，其能够提供众所周知的预编码码本，其中很多都被IEEE TD-LTE标准所接收。在该文中，作者提出了基于在发射端有限比特信道状态信息的MIMO系统的设计准则和预编码最优选择，并且给出了实际设计方法和具体码本。基于这些码本的仿真表示一个POSTBC系统远远优于在OSTBC之前天线选择的系统。

发明内容

本发明公开了一种具有有限反馈信道的多天线系统中酉预编码方法及快速选码方法。

本发明采取以下技术方案：有限反馈信道的多天线系统中酉预编码方法，其把酉预编码分成若干层，首先，在第一层，根据设计准则，设计出若干个单位向量；其次，针对每一个向量，定义出它的正交空间；然后在每一个正交空间中，根据相同的设计准则，设计出若干个向量，作为第二层；依次类推，构造出下一层，最后得到酉预编码码本。

针对以上设计的预编码码本，本发明还公开了快速选码方法：有限反馈信道的多天线系统中酉预编码的选码方法，其针对上述酉预编码码本，先找出第一层中的向量，然后找出第二层的向量，以此类推，找到最后一个向量得到预编码。此选码方法具有选码复杂度低的特点。

作为优选，参见图1，采用配有N_r根接收天线、N_t根发射天线的MIMO系统来研究基于有限反馈的预编码方案。设输入信源序列S＝{s₁，s₂，…，s_n}的每个符号都是取自某一复平面上的有限点，例如，有限QAM。发射信号是将S序列经过正交空时分组码(OSTBC)后得到M×T(M≤N_t)维的发射信号矩阵X，发射信号再经预编码F之后由发射天线发射出去。假定反馈的总比特数为r。

针对以上系统，基于最小错误概率的客观性，本发明提出预编码码本的最新设计准则，不同于Love基于Choral距离的设计，该新准则是分层设计法。它已经证明每层都应用于最简单的复格拉斯曼流行，复射影空间CPⁿ，n是一整数。因此，该设计比使用一般复格拉斯曼流行的方法简单。其次，由于分层的结构特点，预码本有快速选择方法(也称快速编码)，能够极大降低从码本中选择码字的复杂性。

上述提出的预编码F码本的设计方法，具体步骤如下：

第一步，取出P个正整数r₁，r₂，L，r_P使得r₁+r₂+L+r_P＝r，令s＝1，2，…，P；

第二步，设计J₁个M维复单位向量

使得(1≤t≠s≤J₁)的最大值尽可能小；

第三步，由于v_1，s是C^M中的一个向量，找到M ×M酉阵Q_1，s，s＝1，2，3，L J₁，使得

v_1，s＝Q_1sv_1，1

其中W_1，1＝I_M·令

则Q₁是正交到v_1，1的一个子空间；

第四步，在子空间Q₁中选择J₂个向量

使得

(1≤t≠s≤J₂)的最大值尽可能小；令

v_1，s＝Q_1sv_1，1，1≤s≤J₁₁，1≤t≤J₁₂

注意，对任意的固定整数s，由于Q_1，s是酉阵，得到

第五步，定义

因此，Q₂也是正交到v_1，1和v_2，1的一个子空间。于是，找到酉阵Q_2，s(s＝1，2，3，L J₂)，且Q_2，1＝I_M使得对于每个s，Q_2，sQ₁＝Q₁，也有Q_2，sv_2，1＝v_2，s(s＝1，2，3，L J₂)。

重复上述步骤，得到向量

1≤t≤P；利用这些向量，得到如下的酉阵V_j：

$V_{\mathrm{\φ}\left(\begin{array}{cc}{j}_1,j_{2}L& j_t\end{array}\right)}=\left(\begin{array}{cccc}{v}_{1,j_1}& v_{2,j_1,j_2}& L& \end{array}{v}_{\begin{array}{cc}{i,j}_1,j_{2}L& j_i\end{array}}\right)$

其中1≤j_t≤J_t，φ是从集合{(j₁，j₂L_ji)|1≤j_t≤J_t}到集合{1，2，L，J}的任意双射。

以上步骤可用图表示，详细见图2，第一层包含多个向量

其中第一层的每个向量又包含相应的向量，它们组成第二层。例如，对于向量v_j，相应的层包含向量

针对以上设计的预编码码本，本发明的快速选码方法：

第一步，从第一层

中选择一个向量使得

第二步，从第二层

中选择一个向量

使得

以此类推，将上述两步骤应用于其余各层，编码过程即可完成。

采用上述方法，搜索计算的总次数是J₁+J₂+L+J_P，而最优编码的总次数是J₁J₂LJ_P＝J。

本发明有限反馈信道的多天线系统中酉预编码方法比现有使用一般复格拉斯曼流行的方法更简单。此外，本发明有限反馈信道的多天线系统中酉预编码的选码方法，由于分层结构的特点，预码本具有快速选择的特点，能够极大地降低从码本中选择码字的复杂性。

附图说明

图1是基于码本有限反馈的MIMO预编码系统框图。

图2是预编码的结构层。

具体实施方式

下面对本发明实施例作详细说明。

针对新的码本优化设计方法，本实施例具体给出码本设计的例子。

在N_r＝2、N_t＝4的MIMO系统中，OSTBC编码选取最简单的2×2维的Alamouti编码，对应的预编码器F为4×2维。那么在其具体码本的设计过程中，M＝2，T＝2，设反馈比特数r＝r₁+r₂＝6，取r₁＝3，r₂＝3，则对应

码本个数N＝2^r＝64。

步骤1：根据以上设计方法，首先取码本C＝{F₁，F₂，…，F₈}＝{F_DFT，ΘF_DFT，…，Θ⁷F_DFT}，且令F_DFT＝{F_DFT1，F_DFT2}，F_DFT1和F_DFT2分别为FDFT的两个列向量。F_DFT矩阵的第一列F_DFT1和Θ矩阵分别表示为：

F_DFT1＝1/2[1，1，1，1]^T

$\mathrm{\Θ}=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{i(2\mathrm{\π}/8)u_1}& 0& 0& 0\\ 0& e^{i(2\mathrm{\π}/8)u_2}& 0& 0\\ 0& 0& e^{i(2\mathrm{\π}/8)u_3}& 0\\ 0& 0& 0& e^{i(2\mathrm{\π}/8)u_4}\end{array}\right]$

对角矩阵Θ的参数向量U表示为U＝[u₁，u₂，u₃，u₄]^T。通过仿真可以选出参数向量为U＝[2，3，5，6]^T，从而构造出对角矩阵Θ。从而就可以得出v_1，s＝Q_1sF_DFT1＝Θ^s-1F_DFT1＝Θ^s-1v_1，1s＝1，2，3，…，8，即v_1，1＝F_DFT1。

步骤2：首先，定义满足D^HD＝I₄的4×4维的矩阵D

$D=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& 1& -1& -1\\ -1& 1& 1& -1\end{array}\right]$

其次，先分别设置3维的F_DFT2和Θ矩阵，并构造出3维的码本，且3维方阵Θ中的参数向量U通过仿真可以得出其值为U＝[1，3，4]^T，由此产生8个3维向量。然后将每个向量第一个分量前加一个0，使向量扩展成4维向量。再用D^H左乘每个向量来做旋转，得到与v_1，1相正交的8个4维向量，并令其为

即正交空间

中的8个向量，则F_DFT矩阵的第二列F_DFT2就是从这8个列向量中选出的最优向量。

步骤3：步骤1中的其它向量可以通过v_1，s＝Q_1sv_1，1＝Θ^s-1v_1，1，s＝1，2，3，…，J₁来获得。那么相应的在v_1，s正交空间中得出的J₂＝8个向量的构成可以通过与v_1，1相正交的8个向量可以用Q_1s＝Θ^s-1来旋转得到，即在v_1，s正交空间中得出的J₂＝8个向量为[v_2，1，v_2，2，…，v_2，8]＝[v_2，1，Θv_2，1，…，Θ⁷v_2，1]。

针对该仿真实例，码本C＝{F₁，F₂，…，F₈}＝{F_DFT，ΘF_DFT，…，Θ⁷F_DFT}中F_DFT矩阵和Θ矩阵可以通过以上步骤得出，从而构造出最终的码本C＝{F₁，F₂，…，F_N}。然后可以通过最优选码方法或快速选码方法，选出码本中的最优预编码码字矩阵，从而实现对MIMO系统的预编码。

以上对本发明的优选实施例作了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在上述具体实施方式、应用范围上均会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.有限反馈信道的多天线系统中酉预编码方法，其特征是把酉预编码分成若干层，首先，在第一层，设计出若干个单位向量；其次，针对每一个向量，定义出它的正交空间；然后在每一个正交空间中，设计出若干个向量，作为第二层；依次类推，构造出下一层，最后得到酉预编码码本。

2.如权利要求1所述的有限反馈信道的多天线系统中酉预编码方法，其特征是：假定系统采用配有N_r根接收天线、N_t根发射天线的MIMO系统，设输入信源序列S＝{s₁，s₂，…，s_n}的每个符号都是取自某一复平面上的有限点，发射信号是将序列S经过正交空时分组码后得到M×T(M≤N_t)维的发射信号矩阵X，发射信号再经预编码F之后由发射天线发射出去；假定反馈的总比特数为r；具体步骤如下：

第一步，取出P个正整数r₁，r₂，L，r_P使得r₁+r₂+L+r_P＝r，令

s＝1，2，…，P；

第二步，设计J₁个M维复单位向量

使得

(1≤t≠s≤J₁)的最大值尽可能小；

第三步，对于每一个向量v_1，s，找到M×M酉阵Q_1，s＝1，2，3，L J₁，使得

v_1，s＝Q_1sv_1，1

其中Q_1，1＝I_M·令

则Q₁是正交到v_1，1的一个子空间；

第四步，在子空间Q₁中选择J₂个向量

使得

(1≤t≠s≤J₂)的最大值尽可能小；令

v_1，s＝Q_1sv_1，1，1≤s≤J₁₁，1≤t≤J₁₂

对任意的固定整数s，由于Q_1，s是酉阵，得到

第五步，定义

因此，Q₂也是正交到v_1，1和v_2，1的一个子空间；于是，找到酉阵Q_2，s(s＝1，2，3，L J₂)，且Q_2，1＝I_M使得对于每个s，Q_2，sQ₁＝Q₁，也有Q_2，sv_2，1＝v_2，s(s＝1，2，3，L J₂)；重复上述步骤，得到向量1≤t≤P；利用这些向量，得到如下的酉阵V_j：

$V_{\mathrm{\φ}\left(\begin{array}{cc}{j}_1,j_{2}L& j_t\end{array}\right)}=\left(\begin{array}{cccc}{v}_{1,j_1}& v_{2,j_1,j_2}& L& \end{array}{v}_{\begin{array}{cc}{i,j}_1,j_{2}L& j_i\end{array}}\right)$

其中1≤j_t≤J_t，φ是从集合{(j₁，j₂L j_i)|1≤j_t≤J_t}到集合{1，2，L，J}的任意双射。

3.有限反馈信道的多天线系统中酉预编码的选码方法，其特征是在权利要求1或2的酉预编码码本中，先找出第一层中的向量，然后找出第二层的向量，以此类推，找到最后一个向量得到预编码。

4.如权利要求3所述的有限反馈信道的多天线系统中酉预编码的选码方法，其特征是：

第一步，从第一层

中选择一个向量

使得

第二步，从第二层

中选择一个向量

使得

以此类推，将上述两步骤应用于其余各层，编码过程即可完成。

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