CN103036656B - 基于施密特正交化的双码本mu-mimo预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于施密特正交化的双码本MU-MIMO预编码方法，属于通信领域；该预编码方法包括以下步骤：一：根据格拉斯曼空间打包原理构造码本I，再根据施密特正交化原理并考虑矢量间弦距离构造码本Ⅱ，双码本共同存储在基站端和移动台；二：根据基站发送的导频信号进行信道估计，之后遍历码本I中的预编码矢量，选出最佳匹配码字，将该码字的索引和对应的SINR值反馈给基站；三：基站根据收集到的反馈信息，在码本Ⅱ中确定当前的预编码矩阵，并在此基础上进行用户调度；采用该方法能够使得码本张成的空间更大，并且保证了预编码矩阵的正交性质，保证了对CCI的抑制能力，同时，基站端的用户调度方案，使得用户匹配失败的情况不再出现。

Description

基于施密特正交化的双码本MU-MIMO预编码方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种LTE系统中基于码本的预编码方法。

背景技术

3GPP LTE项目是近几年3GPP启动的最大的新技术研发项目，LTE具有频谱使用灵活，可以与现有技术无缝互操作，以及网络部署和管理成本低廉等优势，它改进并增强了3G的空中接入技术，能够带来速率更高，技术更简单的增强型移动宽带体验。

在LTE中采用MIMO-OFDM，其中OFDM技术能够抵抗由无线信道多径时延扩展产生的符号间干扰，同时可以使信道均衡从复杂的时域处理转换到简单的频域处理。而MIMO技术通过多天线来提供空间分集和复用，能够获得比传统SISO系统更高的信道容量、传输可靠性和频谱效率。但MIMO系统中不可避免地存在多数据流或者多用户间的干扰，需要通过复杂的检测技术来恢复数据。然而，在LTE系统的下行传输中，由于受限于移动台的尺寸，功耗等，各种复杂的检测技术往往很难实用；另外，在多用户MIMO系统中，由于各个用户接收机只能进行分布式处理，因此接收端的联合检测算法不适用。与接收端的MIMO检测算法不同，预编码技术是发射机利用信道状态信息(Channel State Information，CSI)调整发射策略，能有效地抑制MIMO信道中的多用户干扰，显著提高信道容量，并能大大简化接收机处理复杂度，因而成为MIMO下行链路获得复用增益和分集增益的关键。

脏纸编码DPC(Dirty Paper Coding)证明，如果发送端能够准确的获知干扰信号，在发送端通过某种预编码处理，可使得有干扰系统的信道容量与无干扰系统的信道容量相同。由于DPC理论很难应用到实际系统中，一些次优预编码技术应运而生，一类是基于实时信道处理的预编码技术，如信道反转，信道块对角化等，需要发送端获知完全的信道状态信息，然而，在LTE多用户下行系统中，由于MIMO-OFDM技术的引入，发送端若想获得完全的CSI，反馈量过大而无法实现，因此LTE系统采用另一类预编码技术，即基于码本的预编码技术，在发送端和接收端都预先共存一个相同的码本，移动台根据具体的信道状况从一个确定的码字集合中选取使系统性能最优的一个码字，再将该码字在码本集合中的索引反馈给发送端，此时，该码字就代表了当前信道所处的区域空间，发送端对用户数据预编码后进行实时传送。多用户预编码技术还存在用户调度的问题，实现当前传输用户与当前预编码矩阵的匹配。现有的基于码本的预编码技术的码本构造有基于傅里叶变换的酉矩阵码本，根据格拉斯曼空间打包原理构成的格拉斯曼码本，以及Householder码本等。其中酉码本实现简单，但对信道空间的匹配程度较低，格拉斯曼码本在CCI的抑制方面则有待于提高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于施密特正交化的双码本MU-MIMO预编码方法，采用该方法能够使得各用户在和使用经典预编码码本的反馈量相同的情况下，码本张成的空间更大，对信道矩阵的匹配程度更高，并且可以保证对多用户共道干扰的有效抑制。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种基于施密特正交化的双码本MU-MIMO预编码方法，涉及具体的码本构造方法，移动台对最优预编码码字的选择，以及具体的用户调度方法。

具体来说，本发明所述的基于施密特正交化的双码本MU-MIMO预编码方法包括以下步骤：

步骤一：构造码本；步骤二：计算待调度用户的反馈信息；步骤三：基站根据收到的反馈信息进行用户调度和预编码。

进一步，步骤一中具体包括：

第I码本F₁由格拉斯曼子空间扩张生成的N个矢量构成，即F₁＝[v₁,v₂,…v_N]；

第Ⅱ码本F₂中的N个预编码矩阵均在考虑矢量间弦距离的条件下，按照施密特正交化原理根据第一个码本中的对应矢量生成，即F₂＝[w₁,w₂,…w_N]。

进一步，步骤二具体包括：

a.基站与移动台共存码本F₁和F₂，F₁＝[v₁,v₂,…v_N]，其中||v_i||＝1，i＝1,2,...,N；F₂＝[w₁,w₂,…w_N]，其中N＝2^B，B为移动台反馈的比特数，w_i的构造方式：以码本F₁中的第i列v_i作为w_i中的第一列，然后从码本F₁中除v_i所剩余N-1个矢量中，计算出与v_i弦距离最大的一个矢量v'_i，作为w_i的第二列，即按照如下公式确定：

$v_i^{,}=\underset{v_x\∈F_1,x=1:N;x\≠i}{\arg \max }{d}_{\mathrm{chord}}(v_i,v_x);$

b.移动台根据基站发送的导频信号进行信道估计，然后遍历码本F₁中的预编码矢量，根据下列公式计算出第k个待调度用户相对于F₁中的每个矢量的用户信干噪比SINR_k,i，

其中p_j为用户j的发送功率，H_k代表第k个用户对应的信道矩阵，N_kσ²为第k个用户的加性高斯白噪声功率，v_i是码本F₁中第i个矢量，i＝1,2,...,N；v'_i指w_i的第2列，||·||_F表示Frobenius范数，K表示待调度的总用户数；

c.计算出K×N个SINR值后，每个用户从中选择最大化SINR_k值的最优发送波束即：

然后将与对应的最大SINR_k作为用户k的信道质量指标CQI_k，进而将与对应的索引及CQI_k一并反馈给基站端。

进一步，步骤三具体包括：

a.当基站端收集到K个用户的反馈信息和CQI_k后，将具有最优CQI的用户Y确定为第一被调度用户，将其反馈的第Ⅰ码本中的预编码矢量在第Ⅱ码本中对应的矩阵确定为当前预编码矩阵；

b.将预编码矩阵的第二列与剩余K-1个用户的最优预编码矢量计算弦距离，其最优预编码矢量与弦距离最小的那个用户作为第二被调度用户Z，将预编码矩阵的第二列作为它的预编码矢量，弦距离计算公式为：

$d_{\mathrm{chord}}(V_Y^{{\mathrm{opt}}^{,}},V_k^{\mathrm{opt}})=\frac{1}{\sqrt{2}}\left|\right|V_Y^{{\mathrm{opt}}^{,}}{V}_Y^{{\mathrm{opt}}^{,}*}-V_k^{\mathrm{opt}}{V}_k^{\mathrm{opt}*}\left|\right|,$ 其中k≠Y；表示矢量的共轭转置，表示矢量的共轭转置；第二被调度用户的选取准则为：

$Z=\underset{k=1:K,k\≠Y}{\arg \min }{d}_{\mathrm{chord}}(V_Y^{{\mathrm{opt}}^{,}},V_k^{\mathrm{opt}});$

c.用户和预编码矩阵匹配完成后，基站端进行实时数据的处理和发送并且将当前使用的预编码矩阵在码本Ⅱ中的索引通过专用导频告知用户端，用作接收检测；具体当采用MMSE准则，第k个用户的线性转换矩阵为：

其中：T＝2，表示被调度的用户数；I_M表示M×M维的单位矩阵，N₀为加性高斯白噪声功率谱密度幅值；若第k个用户的接收信号表示为y_k，则：

其中s_i与s_k分别表示基站发送给用户i和用户k的符号矢量，v_i和v_k分别表示与用户i和用户k发送符号相对应的预编码矢量，为多用户之间的干扰，n_k为N_k维的列矢量，表示第k个用户的独立同分布的加性高斯白噪声，且服从CN(0,N₀)的分布，p_k为用户k的发送功率，满足关系其中K表示总的待调度用户数；根据MMSE准则，得到的用户k输出：S_k＝G_ky_k。

本发明的有益效果在于：本发明所述的预编码方法使得移动台与使用经典预编码码本反馈量相同的条件下，码本张成的空间更大，并且保证了预编码矩阵的正交性质，即保证了对CCI的抑制能力，同时，基站端的用户调度方案，使得用户匹配失败的情况不再出现。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述的预编码方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

在LTE下行多用户系统中，基于码本的MIMO预编码方案，其码本构造应该考虑以下几个因素：码本对空间信道的匹配程度(即码本张成的空间大小)，码本中预编码矩阵对多用户CCI的抑制能力，码本的大小。此外，基站端的用户调度问题，是LTE下行多用户系统的重要环节，用来提高多用户分集增益。在综合上述因素的条件下，考虑现有码本的优劣性，本发明提出了一种基于施密特正交化的双码本多用户MIMO预编码方法，通过提高系统的预编码增益和多用户分集增益，使得系统性能得以提升。

在实际应用中，基于码本的预编码技术，码本共存于基站端和移动台，用户根据其信道状态信息遍历码本中的元素，选择最佳匹配当前信道状态的预编码矢量，并将其索引反馈给基站端，此外，基站端需要使用专用导频告知用户端所使用的预编码矩阵，以便数据的解调。

图1为本发明所述的预编码方法的流程图，基于施密特正交化的双码本MU-MIMO预编码方法包括三个步骤：步骤一：根据格拉斯曼空间打包原理构造码本I，再根据施密特正交化原理并考虑矢量间弦距离构造码本Ⅱ，双码本共同存储在基站端和移动台；步骤二：根据基站发送的导频信号进行信道估计，之后遍历码本I中的预编码矢量，选出最佳匹配码字，将该码字的索引和对应的SINR值反馈给基站；步骤三：基站根据收集到的反馈信息，在码本Ⅱ中确定当前的预编码矩阵，并在此基础上进行用户调度。

具体来说，第一步：构造码本：

其中第I码本采用格拉斯曼子空间扩张生成的N个矢量构成，F₁＝[v₁,v₂,…v_N]，由于格拉斯曼码本考虑了码字间的距离，码本张成的空间更大，因此能够得到更优的性能。第Ⅱ码本中的N个预编码矩阵均在考虑矢量间弦距离的条件下，按照施密特正交化原理根据第一个码本中的对应矢量生成，F₂＝[w₁,w₂,…w_N]，例如，w₁的构造方式为，以v₁为第一列，然后在第一个码本中除了v₁的剩余N-1个矢量中计算出与v₁弦距离最大的一个矢量v'_i，作为第二列：

$v_i^{,}=\underset{v_x\∈F_1,x=1:N;x\≠i}{\arg \max }{d}_{\mathrm{chord}}(v_i,v_x);$

由于R8支持调度两个用户，因此预编码矩阵中包含两个矢量。在构造码本Ⅱ中的预编码矩阵时，第二列的选取根据最大弦距离准则，优点在于使得码本的覆盖范围更大，以达到对第二个用户的信道矩阵能够更佳匹配的目的。将其构造成矩阵w'_i＝[v_i,v'_i]，然后对w'_i进行施密特正交化得到w_i，保证预编码矩阵的列相互正交，即：用来有效抑制CCI。

采用双码本的码本构造方法，可以使得移动台与使用经典码本的反馈量相同的情况下，码本张成的空间更大，对信道空间的匹配程度更高，例如，每用户对首选码字的反馈量为4bit,则采用双码本的构造方法，码本大小为16，,因为双码本预编码在用户调度时只需每用户反馈最优预编码矢量在第一个码本中的索引及CQI，而对于经典的酉预编码码本，当每用户对首选码字的反馈量为4bit时，码本大小为8，因为矩阵构成的码本在用户调度时，每用户需要反馈最优预编码矢量所在矩阵的索引，以及最优预编码矢量在该矩阵中的索引以及CQI，并且根据格拉斯曼空间扩张原理构成的第Ⅰ码本，充分考虑了码字间的距离，码本张成的空间更大，对信道矩阵的匹配程度更优。第Ⅱ码本中的矩阵均由依据最大化弦距离选出的矢量与对应的第Ⅰ码本中的矢量经过施密特正交化生成，不仅保证了预编码矢量间的正交性，同时考虑了码本的覆盖范围，对第二被调度用户的最优预编码矢量有了进一步的逼近。

同时，码本的大小，也是决定系统性能的一个重要因素，码本越大，对信道的量化区域覆盖的就越准确，但是，在实际应用中，码本越大，代表码本中码字的索引比特数也就越多，换言之，反馈量也就越大，因此在实际应用中需要权衡这两方面的因素进行综合考虑，一般采用码本的大小为16。

第二步：待调度用户反馈信息的计算：

a.基站与移动台共存的码本为F₁＝[v₁,v₂,…v_N]，其中||v_i||＝1，i＝1,2,…,N；和F₂＝[w₁,w₂,…w_N]，其中N＝2^B，B为移动台反馈的比特数；

b.移动台根据基站发送的导频信号进行信道估计，然后遍历码本F₁中的预编码矢量，根据下列公式计算出第k个待调度用户相对于F₁中的每个矢量的用户信干噪比SINR，

p_j为用户j的发送功率，H_K代表第k个用户对应的信道矩阵，N_kσ²为第k个用户的加性高斯白噪声功率，v_i是码本F₁中第i个矢量，i＝1,2,…,N；v'_i指w_i的第2列；

c.计算出K×N个SINR值后，每个用户从中选择最大化SINR_k值的最优发送波束即：然后将其索引以及该发送波束对应的SINR_k作为用户k的信道质量指标CQI_k一并反馈给基站端。

第三步：基站根据收到的反馈信息进行预编码和用户调度：

a.当基站端收集到K个用户的反馈信息和CQI_k后，确定最优CQI的那个用户Y为第一被调度用户，其反馈的第Ⅰ码本中的预编码矢量在第Ⅱ码本中对应的矩阵作为当前的预编码矩阵；

b.将该预编码矩阵的第二列与剩余K-1个用户的最优预编码矢量计算弦距离，其最优预编码矢量与距离最小的那个用户作为第二被调度用户Z，预编码矩阵的第二列就将作为它的预编码矢量，弦距离公式为： $d_{\mathrm{chord}}(V_Y^{{\mathrm{opt}}^{,}},V_k^{\mathrm{opt}})=\frac{1}{\sqrt{2}}\left|\right|V_Y^{{\mathrm{opt}}^{,}}{V}_Y^{{\mathrm{opt}}^{,}*}-V_k^{\mathrm{opt}}{V}_k^{\mathrm{opt}*}\left|\right|,$ 其中k≠Y；第二被调度用户的选取准则为：

c.用户和预编码矩阵匹配完成后，基站端进行实时数据的处理和发送并且将当前使用的预编码矩阵在码本Ⅱ中的索引通过专用导频告知用户端，用作接收检测，采用MMSE准则，第k个用户的线性转换矩阵为：其中：T＝2，表示被调度的用户数；I_M表示M×M维的标准矩阵，N₀为加性高斯白噪声功率谱密度幅值；若第k个用户的接收信号表示为y_k，

$y_k=p_k{H}_k{v}_k{s}_k+\underset{i=1,i\≠k}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{H}_k{v}_i{s}_i+n_k,$ 其中 $\underset{i=1,i\≠k}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{H}_k{v}_i{s}_i$ 为多用户之间的干扰，n_k为N_k维的列矢量，为第k个用户的独立同分布的加性高斯白噪声，且服从CN(0,N₀)的分布，p_k为用户k的发送功率，满足关系其中K表示总的待调度用户数。根据MMSE准则，得到的用户输出为：S_k＝G_ky_k。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.基于施密特正交化的双码本MU-MIMO预编码方法，包括以下步骤：步骤一：构造码本；步骤二：计算待调度用户的反馈信息；步骤三：基站根据收到的反馈信息进行预编码和用户调度；

其特征在于：

步骤一中具体包括：

第I码本F₁由格拉斯曼子空间扩张生成的N个矢量构成，即F₁＝[v₁,v₂,…v_N]；

第Ⅱ码本F₂中的N个预编码矩阵均在考虑矢量间弦距离的条件下，按照施密特正交化原理根据第一个码本中的对应矢量生成，即F₂＝[w₁,w₂,…w_N]；

步骤二具体包括：

a.基站与移动台共存码本F₁和F₂，F₁＝[v₁,v₂,…v_N]，其中||v_i||＝1，i＝1,2,...,N；F₂＝[w₁,w₂,…w_N]，其中N＝2^B，B为移动台反馈的比特数，w_i的构造方式：以码本F₁中的第i列v_i作为w_i中的第一列，然后从码本F₁中除v_i所剩余N-1个矢量中，计算出与v_i弦距离最大的一个矢量v'_i，作为w_i的第二列，即按照如下公式确定：

$v_i^{,}=\underset{v_x\∈F_1,x=1:N;x\≠i}{\arg \max }{d}_{\mathrm{chord}}(v_i,v_x);$

b.移动台根据基站发送的导频信号进行信道估计，然后遍历码本F₁中的预编码矢量，根据下列公式计算出第k个待调度用户相对于F₁中的每个矢量的用户信干噪比SINR_k,i，其中p_j为用户j的发送功率，H_k代表第k个用户对应的信道矩阵，N_kσ²为第k个用户的加性高斯白噪声功率，v_i是码本F₁中第i个矢量，i＝1,2,...,N；v'_i指w_i的第2列，||·||_F表示Frobenius范数，K表示待调度的总用户数；

c.计算出K×N个SINR值后，每个用户从中选择最大化SINR_k值的最优发送波束即：然后将与对应的最大SINR_k作为用户k的信道质量指标CQI_k，进而将与对应的索引及CQI_k一并反馈给基站端；

步骤三具体包括：

a.当基站端收集到K个用户的反馈信息和CQI_k后，将具有最优CQI的用户Y确定为第一被调度用户，将其反馈的第Ⅰ码本中的预编码矢量在第Ⅱ码本中对应的矩阵确定为当前预编码矩阵；

b.将预编码矩阵的第二列与剩余K-1个用户的最优预编码矢量计算弦距离，其最优预编码矢量与弦距离最小的那个用户作为第二被调度用户Z，将预编码矩阵的第二列作为它的预编码矢量，弦距离计算公式为：

$d_{\mathrm{chord}}(V_Y^{{\mathrm{opt}}^{,}},V_k^{\mathrm{opt}})=\frac{1}{\sqrt{2}}\left|\right|V_Y^{{\mathrm{opt}}^{,}}{V}_Y^{{\mathrm{opt}}^{,}*}-V_k^{\mathrm{opt}}{V}_k^{\mathrm{opt}*}\left|\right|,$ 其中k≠Y；表示矢量的共轭转置，表示矢量的共轭转置；第二被调度用户的选取准则为：

$Z=\underset{k=1:K,k\≠Y}{\arg \min }{d}_{\mathrm{chord}}(V_Y^{{\mathrm{opt}}^{,}},V_k^{\mathrm{opt}});$

c.用户和预编码矩阵匹配完成后，基站端进行实时数据的处理和发送并且将当前使用的预编码矩阵在码本Ⅱ中的索引通过专用导频告知用户端，用作接收检测；具体当采用MMSE准则，第k个用户的线性转换矩阵为：

其中：T＝2，表示被调度的用户数；I_M表示M×M维的单位矩阵，N₀为加性高斯白噪声功率谱密度幅值；

若第k个用户的接收信号表示为y_k，则：

其中s_i与s_k分别表示基站发送给用户i和用户k的符号矢量，v_i和v_k分别表示与用户i和用户k发送符号相对应的预编码矢量，为多用户之间的干扰，n_k为N_k维的列矢量，表示第k个用户的独立同分布的加性高斯白噪声，且服从CN(0,N₀)的分布，p_k为用户k的发送功率，满足关系其中K表示总的待调度用户数；根据MMSE准则，得到的用户k输出：S_k＝G_ky_k。