CN103051420A - 一种mimo系统码本生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO系统码本生成方法，具体为：中央控制站通过信道信息分解计算获得预编码矩阵P，且求迹运算trace(PP^H)=P₀，其中P₀是MIMO系统总的发送功率，P^H是P的共轭矩阵；对所述预编码矩阵P进行转换二进制操作，得到元素均为2的幂值的矩阵

其中代表转换二进制操作；设MIMO系统的发送信号为s，则接收信号为

其中H是信道矩阵，n表示均值为零的加性高斯白噪声，矩阵

与发送信号s之间的乘法通过二进制移位实现。本发明在没有显著性能损失的情况下大幅降低了计算复杂度，减少了硬件资源占用率，能够达到未来通信网络节约能源的要求。

Description

一种MIMO系统码本生成方法

技术领域

本发明涉及无线移动通信技术领域，具体涉及一种基于二进制的MIMO系统码本生成方法。

背景技术

预编码技术作为一种增强技术广泛应用，用来增强MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系统在容量和频谱效率方面的优势。而在MIMO系统中，基于码本的预编码技术有诸多好处，如它能帮助解决反馈时延和信道估计误差的问题。码本的设计是在线下完成并储存在发送端和接收端。当前，人们提出了多种码本设计算法，但是无论何种方法，都没有考虑到节省硬件资源的问题。在实际的MIMO系统中，比如调制信号和预编码的数据是数字化的，以方便操作。信号数据流和码本的复数乘法在硬件实现中总是需要大量计算单元和硬件资源，而每个芯片中的资源并不充足，特别是考虑到未来通信网络高吞吐量和精确控制的特点，资源效率和节约能源变得越来越重要。

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：在MIMO系统中，如何使基于码本的预编码技术在硬件实现中减少硬件资源占用率，提高资源效率，达到未来通信网络节约能源的要求。

（二）技术方案

本发明提供了一种MIMO系统码本生成方法，包括以下步骤：

S101、中央控制站通过信道信息分解计算获得预编码矩阵P，且求迹运算trace(PP^H)=P₀，其中P₀是MIMO系统总的发送功率，P^H是P的共轭矩阵；

S102、对所述预编码矩阵P进行转换二进制操作，得到元素均为2的幂值的矩阵

其中

代表转换二进制操作；

S103、设MIMO系统的发送信号为s，则接收信号为

其中H是信道矩阵，n表示均值为零的加性高斯白噪声，矩阵

与发送信号s之间的乘法通过二进制移位实现。

优选的，所述转换二进制操作具体为：

将相邻两个2的幂值的中间值设为阈值，将所述预编码矩阵P中的元素与距离该元素最近的阈值进行比较，找出距离该元素最近的2的幂值，并将该元素的值转换为所述距离该元素最近的2的幂值。

优选的，使用以下方法来修正所述转换二进制操作对功率归一性的限制：

Step1、计算

将其值与1作比较，其中为对所述预编码矩阵P进行转换二进制操作后得到的矩阵，

为

的共轭矩阵；

Step2、令

其中a_ij、

分别是矩阵

和

中的元素，如果Δ>0，在与a_ij相应的正的Δ_ij中找到最大值；如果Δ<0，在与a_ij相应的负的Δ_ij中找到最小值；并记此时的元素为a_Δm；

Step3、在

到a_Δm之间取值对此元素进行调整，使MIMO系统的功率归一化为1，其中

为对a_Δm进行转换二进制操作得到的值，如果调整一个元素不能达到功率的归一化，就继续找符合step2条件的元素进行调整，直到满足功率的归一化条件为止。

优选的，所述2的幂值都不大于1，且表示为2^-p，其中p是二进制移位中右移的位数，移位过程中最左位为符号位不变，0代表正，1代表负，其余位进行右移补零操作后，溢出位被丢弃。

（三）有益效果

本发明方法可以移植到许多码本设计算法中，在接收端应用垂直层的QR-SIC方法的单用户场景下，本发明不仅达到了节约资源的目的，还避免了过多的性能损失。本发明的性能甚至优于3GPP LTE-AR10DFT码本。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是利用DSP48Es和Slice Logic时普通码本生成方法和本发明基于二进制码本生成方法的资源占用率比较图；

图3是在8×8MIMO系统中的LTE R10码本、理想GMD码本和本发明基于二进制码本生成方法的BER性能比较曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例的一个基于码本的预编码的单用户MIMO系统中，有M根发送天线和N根接收天线。发送端将发送K条数据流，且K≤min(M,N)。s为有K条数据流的发送信号，且有E(ss^H)＝I。接收端应用垂直层的QR-SIC(基于QR分解的串行干扰抵消)方法。工程实现采用Xilinx Virtex5系列中的XC5VSX95T，合成工具选择Xilinx ISE设计套件12.2。

结合图1，本发明方法的步骤如下：

S101：中央控制站通过信道信息等分解计算获得预编码矩阵P，且trace(PP^H)＝P₀，P₀是总的发送功率；

S102：对预编码矩阵P进行转换二进制操作，得到元素均为2次幂的预编码矩阵

其中

代表转换二进制的操作；

S103：系统的发送信号为s，则接收信号为其中H∈C^N×M是信道矩阵，n表示均值为零，方差为N₀的加性高斯白噪声，预编码矩阵与发送信号s之间的乘法通过二进制移位实现。

其中，步骤S101中接收节点的加权矩阵为Q^H，其中Q是有效信道HP进行QR分解后的酉矩阵。接收信号表示为

y=HPs+n

QR=HP

其中，P是预编码矩阵，且trace(PP^H)＝P₀，P₀是总的发送功率。R是上三角矩阵，H∈C^N×M是信道矩阵。n表示均值为零，方差为N₀的加性高斯白噪声。在接收机为QR-SIC接收机时，令P=P_m，其中P_m是从基于信道H的训练序列的GMD分解后得到的右酉矩阵中选出的码本矩阵，有GMD[H]=UR′P_m，其中H是信号训练序列，R′是对角线元素相等的上三角矩阵，U和P_m是酉矩阵。

步骤S102将精确的数据转换为基于二进制但不够精确的数据的操作如下：将阈值设为两相邻2次幂数据的中间值，矩阵中的每个元素与此阈值相比较，找2次幂中离自己“最近的数值”。例如，0.125与0.25的阈值是0.1875，0.25与0.5的阈值是0.375，故在集合（0.1875,0.375）内的矩阵元素均转换为0.25，集合（0.375,1）内的矩阵元素均转换为0.5。

由于步骤S102转换二进制操作肯定会改变P的功率归一性，即P₀归一化为1。矩阵和其共轭矩阵的求迹运算实际上是矩阵中各元素与其对应的共轭元素乘积的求和，即

其中a_ij是m×n矩阵中(i,j)-th元素。提出一种次优方法来修正功率限制：

Step1:计算

将其与1作比较；

Step2:令

如果Δ>0，在与a_ij相应的正的Δ_ij中找到最大值；如果Δ<0，在与a_ij相应的负的Δ_ij中找到最小值；记此元素为a_Δm；

Step3:在

到a_Δm间取值调整此元素，使功率为1。如果调整一个元素不能达到功率的归一化，就找剩下元素中符合step2条件的元素继续进行调节，直到满足功率条件为止。

这样矩阵中只有极少数元素不是2次幂，不会给系统带来过多计算负荷。

步骤S103与预编码矩阵相乘的调制信号是复数值，预编码矩阵中的元素都是2次幂值且不大于1，可以表示为2^-p，p是需要右移的位数。最左位为符号位不变，‘0’代表正，‘1’代表负，为补码表示。其余位进行右移补零操作后，溢出位被丢弃。例如，原始数据为“00110101”，此二进制数乘以2^-3，即此数右移3位，最左边符号位不变为零，移位补零，即“00110101”→“00000110”。

下面将给出本发明的基于二进制的码本生成方法与现有的其它码本生成方法的比较，以使本发明的优势及特征更加明显。

基于二进制的码本性能优于3GPP LTE-AR10DFT码本。将本发明的方案与LTE-A码本作比较主要有两个原因：第一，LTE-A码本设计方法具有普适性，而本发明方法因有信道训练序列也适用于任何类型的信道。第二，部分LTE码本由0，1，j构成，与本发明方法有相同的实现复杂度。

仿真采用16QAM调制，接收机是QR-SIC。传输6条数据流，形成8×8MIMO组态。信道编码采用编码率为0.7567的低密度校验码（LDPC）。信道信息训练序列通过瑞利信道获得。在每一次的传输过程中，接收端根据QR=HP，利用所有存储的码本计算R，然后保留每个R矩阵中对角元素中的最小值，最后选择所有保留值中的最大值。对应矩阵的指数反馈到发送端，在下一次传输过程中，这一矩阵将作为预编码矩阵。图2可以看出，不管用DSP48Es或者Slice Logic来完成操作，基于二进制的机制都显著降低了占用率，可以显著节约资源。图2表明基于二进制的码本与理想GMD码本相比性能损失了一点，但仍比LTER10码本性能好。考虑到在实际应用中，基于二进制的码本节约了大量硬件资源，所以允许少量的性能损失。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种MIMO系统码本生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、中央控制站通过信道信息分解计算获得预编码矩阵P，且求迹运算trace(PP^H)=P₀，其中P₀是MIMO系统总的发送功率，P^H是P的共轭矩阵；

S102、对所述预编码矩阵P进行转换二进制操作，得到元素均为2的幂值的矩阵其中

代表转换二进制操作；

S103、设MIMO系统的发送信号为s，则接收信号为

其中H是信道矩阵，n表示均值为零的加性高斯白噪声，矩阵与发送信号s之间的乘法通过二进制移位实现。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转换二进制操作具体为：

将相邻两个2的幂值的中间值设为阈值，将所述预编码矩阵P中的元素与距离该元素最近的阈值进行比较，找出距离该元素最近的2的幂值，并将该元素的值转换为所述距离该元素最近的2的幂值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，使用以下方法来修正所述转换二进制操作对功率归一性的限制：

Step1、计算

将其值与1作比较，其中

为对所述预编码矩阵P进行转换二进制操作后得到的矩阵，

为

的共轭矩阵；

Step2、令

其中a_ij、

分别是矩阵和中的元素，如果Δ>0，在与a_ij相应的正的Δ_ij中找到最大值；如果Δ<0，在与a_ij相应的负的△_ij中找到最小值；并记此时的元素为a_Δm；

Step3、在

到a_Δm之间取值对此元素进行调整，使MIMO系统的功率归一化为1，其中

为对a_Δm进行转换二进制操作得到的值，如果调整一个元素不能达到功率的归一化，就继续找符合step2条件的元素进行调整，直到满足功率的归一化条件为止。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述2的幂值都不大于1，且表示为2^-p，其中p是二进制移位中右移的位数，移位过程中最左位为符号位不变，0代表正，1代表负，其余位进行右移补零操作后，溢出位被丢弃。

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