CN103138891A - 一种用于流最大化传输下的有限反馈预编码码本选取方法 - Google Patents

Abstract

一种用于流最大化传输下的有限反馈预编码码本选取方法，包括如下步骤：(1)在无线通信多输入多输出系统的收发端，预先存储一样的预编码码本；(2)接收端通过信道估计得到当前的信道信息，并通过码本选取准则从预编码码本中选取最优的预编码矩阵，记录该最优预编码矩阵的索引值；(3)接收端通过反馈信道将最优预编码矩阵的索引发送给发射端，发射端根据该索引得到最优的预编码矩阵F，通过对待发送的符号向量s进行预编码得到最终的发射信号。本发明能够在流最大化传输的情况下采用有限反馈预编码方案提升系统的误码性能。

Description

一种用于流最大化传输下的有限反馈预编码码本选取方法

技术领域：

本发明涉及的是在多输入多输出系统当中，用于流最大化传输情况下的一种有限反馈预编码码本选取方法，属于无线通信技术领域。

背景技术：

多输入多输出技术（MIMO，Multiple Input Multiple Output），通过在通信系统引入多根接收与发送天线，在收发两端建立了多条并行传输信道，利用这些信道并行的传输数据，有效的提升了系统的容量和频谱利用率，是新一代无线通信系统中具有突破性的技术。

MIMO预编码技术作为多输入多输出技术的一个研究方向，其主要技术特点为：发端通过已知的MIMO信道状态信息（CSI，Channel State Information），对发送前的信号矩阵预先进行处理，然后再发送出去，能够在发送端提前消除MIMO信道的邻道干扰，提升系统性能，同时还能够完全避免接收端检测带来的误码传播，降低差错概率。

MIMO预编码技术的一个关键环节在于发端如何获得MIMO信道状态信息。传统的方法主要有：在频分复用（FDD）系统中，发送端通过接收端反馈获得CSI；在时分复用（TDD）系统中，发送端能够利用上行与下行信道的互易性，不需要接收端反馈就能够获得CSI。

在FDD系统当中，采用反馈的方式获取CSI会抢占有限的信道资源，造成额外的系统开销。因此人们提出了有限反馈预编码的方案，通过在收发两端存储预先设计好的相同预编码码本，这样反馈信道仅需传输码本索引，极大的减少了反馈信道所需传输的信息量。专利200610156109.x提出了“一种多输入多输出空间复用预编码矩阵的选择方法”，对有限反馈预编码的实现过程进行了较为详细的描述。

然而，在流最大化传输的情况下以往的码本选取方法将不再适用。流最大化传输是指在信道条件较好、输入信噪比较高的情况下，系统发射端层映射后的流数等于发射天线的个数，此时系统将获得最大的复用增益。文献[1]详细证明了在流最大化传输的情况下传统的有限反馈预编码方法均是失效的，专利200610156109.x所述的方法当然也包括在内。因此本专利将提出一种的新的有限反馈预编码码本选取方法，以便在流最大化传输的情况下也能采用有限反馈预编码方案提升系统性能。

参考文献：

[1]Chen Qiu,Peng Chen,Lin Gui.“Stream maximization transmission for MIMOsystem with limited feedback unitary precoding,”The 9th International Forum ofDigital TV & Wireless Multimedia Communication(9th IFTC),2012.

发明内容：

针对现有方案均无效的情况，本发明的目的在于提出一种用于流最大化传输下的有限反馈预编码码本选取方法。该方法包括如下步骤：

(1)在无线通信多输入多输出系统的收发端，预先存储一样的预编码码本；

(2)接收端通过信道估计得到当前的信道信息，并通过码本选取准则从预编码码本中选取最优的预编码矩阵，记录该最优预编码矩阵的索引值；

(3)接收端通过反馈信道将最优预编码矩阵的索引发送给发射端，发射端根据该索引得到最优的预编码矩阵F，通过对待发送的符号向量s进行预编码得到最终的发射信号

x=Fs。

其中，所述步骤(1)中的无线通信多输入多输出系统，采用的是流最大化传输的模式，在该种模式下系统并行发送的信号流数（又称为层数）达到了最大值，即等于发送天线的根数。

其中，所述步骤(2)中的码本选取准则采用的是最小化1范数准则，其选择过程可以表达为

其中

表示预编码矩阵个数为k的预编码码本，

是与信道信息和接收机相关的加权矩阵，符号||·|₁代表求矩阵的1范数，F为码本遍历后得到的最优预编码矩阵。

其中，所述步骤(2)中采用的最小化1范数准则，其加权矩阵通过如下的方式得出：

设接收端通过信道估计得出的当前的信道信息矩阵矩阵为H，对正规矩阵H^HH进行特征值分解，公式如下：

H^HH=QΛQ^H

其中，Q=[q₁，q₂，…，q_N]为酉矩阵，q_i表示Q的第i列，Λ=diagλ₁，λ₂，…，λ_N}为对角矩阵，λ_i表示Λ的第i个对角元素，且有λ₁≥λ₂≥…≥λ_N>0，N表示发射天线的根数。

令加权矩阵 $\stackrel{\‾}{Q}=[{\stackrel{\‾}{q}}_1,{\stackrel{\‾}{q}}_2,...,{\stackrel{\‾}{q}}_N],$

当接收端采用迫零接收机，则有

当接收端采用最小均方误差接收机，则有snr为多输入多输出系统当前的输入信噪比。

本发明实现新的有限反馈预编码码本选取方法，能够在流最大化传输的情况下替代传统方法发挥作用，使得在这种特殊条件下也能采用有限反馈预编码方案提升系统的误码性能。

附图说明：

图1是本发明用于流最大化传输下的有限反馈预编码码本选取方法的流程图。

图2无信道编码系统中使用最小化1范数准则的有限反馈预编码性能仿真

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1流程图所示，在接收端采用迫零接收机的情况下，本发明的一种用于流最大化传输下的有限反馈预编码码本选取方法的具体步骤如下：

(1)在无线通信多输入多输出系统的收发端，预先存储一样的预编码码本；

(2)接收端通过信道估计得到当前的信道信息矩阵H，对正规阵H^HH进行特征值分解

H^HH=QΛQ^H

其中Q=[q₁，q₂，…，q_N]为酉矩阵，Λ=diagλ₁，λ₂，…，λ_N}且有λ₁≥λ₂≥…≥λ_N>0，N表示发射天线的根数。

令加权矩阵 $\stackrel{\‾}{Q}=[{\stackrel{\‾}{q}}_1,{\stackrel{\‾}{q}}_2,...,{\stackrel{\‾}{q}}_N],$ 且1≤k≤N，计算 ${\stackrel{\‾}{q}}_k=q_k/\sqrt{{\mathrm{\λ}}_k},$ 并将这些列向量拼接成加权矩阵使得

对于预编码矩阵个数为k的预编码码本

将这些预编码矩阵逐个代入计算

的值，并比较这些值的大小，获得取最小值的预编码矩阵索引。

(3)接收端通过反馈信道将最优预编码矩阵的索引发送给发射端，发射端根据该索引得到最优的预编码矩阵F，通过对待发送的符号向量s进行预编码得到最终的发射信号

x=Fs

实施例2

如图1流程图所示，在接收端采用最小均方误差接收机的情况下，本发明的一种用于流最大化传输下的有限反馈预编码码本选取方法的具体步骤如下：

(1)在无线通信多输入多输出系统的收发端，预先存储一样的预编码码本；

(2)接收端通过信道估计得到当前的信道信息矩阵H，对正规矩阵H^HH进行特征值分解

H^HH=QΛQ^H

其中Q=[q₁，q₂，…，q_N]为酉矩阵，Λ=diag{λ₁，λ₂，…，λ_N}且有λ₁≥λ₂≥…≥λ_N>0，N表示发射天线的根数。

(3)令加权矩阵

对所有的1≤k≤N，计算

并将这些列向量拼接成加权矩阵

使得

(4)对于预编码矩阵个数为k的预编码码本将这些预编码矩阵逐个代入计算

的值，并比较这些值的大小，获得取最小值的预编码矩阵索引。

(5)接收端通过反馈信道将最优预编码矩阵的索引发送给发射端，发射端根据该索引得到最优的预编码矩阵F，通过对待发送的符号向量s进行预编码得到最终的发射信号

x=Fs

如图2所示，我们对使用本发明提出的最小化1范数准则进行有限反馈预编码的性能进行了仿真，仿真条件如下：

天线配置：4发8收；

信道模型：每根MIMO系统子信道采用衰落独立同分布的准静态的平坦瑞利衰落信道；

接收机：ZF接收机与MMSE接收机。

可以看出，与无预编码和失效的传统准则相比，最小化1范数准则有接近1dB的性能增益。

Claims (2)

1.一种用于流最大化传输下的有限反馈预编码码本选取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)在无线通信多输入多输出系统的接收端和发射端分别存储相同内容的接收端预编码码本和发射端预编码码本；

(2)接收端通过信道估计得到当前的信道信息，并通过码本选取准则从接收端预编码码本中选取最优预编码矩阵，记录该最优预编码矩阵的索引值；

所述的码本选取准则采用的是最小化1范数准则，其选择过程表达式如下：

其中

表示预编码矩阵个数为k的预编码码本，

是与信道信息和接收端相关的加权矩阵，符号||·|₁代表求矩阵的1范数，F为码本遍历后得到的最优预编码矩阵；

(3)接收端通过反馈信道将最优预编码矩阵的索引值发送给发射端，发射端根据该索引值得到最优的预编码矩阵F，通过对待发送的符号向量s进行预编码得到最终的发射信号x，公式如下：

x=Fs。

2.根据权利要求1所述的码本选取准则，其特征在于，所述的加权矩阵计算方式如下：

设接收端通过信道估计得出当前的信道信息矩阵为H，对正规矩阵H^HH进行特征值分解，公式如下：

H^HH=QΛQ^H

其中，Q=[q₁，q₂，…，q_N]为酉矩阵，q_i表示Q的第i列，Λ=diag{λ₁，λ₂，…，λ_N}为对角矩阵，λ_i表示Λ的第i个对角元素，且有λ₁≥λ₂≥…≥λ_N>0，N表示发射天线的根数。

令加权矩阵 $\stackrel{\‾}{Q}=[{\stackrel{\‾}{q}}_1,{\stackrel{\‾}{q}}_2,...,{\stackrel{\‾}{q}}_N],$

当接收端采用迫零接收机，则有

当接收端采用最小均方误差接收机，则有snr为多输入多输出系统当前的输入信噪比。

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