CN103825678B - 一种基于Khatri‑Rao积3D MU‑MIMO的预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种适用于三维多用户多输入多输出系统的预编码方法，属于无线通信技术领域。各用户分别根据其对应的水平维和垂直维信道状态信息CSI，选择使各用户获得最大信道增益的预编码码字，然后将最优码字对应的索引分别反馈给基站端，基站端根据接收到的反馈信息恢复出对应的水平维和垂直维预编码码字，进而基于Khatri‑Rao积构造3D预编码矩阵，以实现对各用户发送数据进行预编码处理。本发明所提出的预编码码本构造方法不但使得预编码码本与当前信道空间更加匹配，而且可有效地抑制多用户共道干扰CCI，因而，该发明为下行3D MU‑MIMO预编码提供了一种简单而高效的实现方案。

Description

一种基于Khatri-Rao积3D MU-MIMO的预编码方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及移动通信长期演进（LTE-Advanced)技术领域。

背景技术

随着多天线技术研究的深入，MIMO技术已从点对点的单用户系统扩展到了点对多点的多用户MIMO系统。在实际工作环境，MIMO技术的优势极大地依赖于MIMO信道模型。传统的MIMO系统仅仅利用了水平维的信道信息，这并不能满足用户对更高的数据传输速率和更高的频谱效率的要求，因此需要新的天线设计来开发和利用垂直维的信道，即3D MU-MIMO（3-DimensionMulti-User Multiple Input Multiple Output，）MIMO三维多用户多输入多输出)。引入3D MIMO技术后，由于增加了一个新的自由度（垂直维），使其可以更加灵活地进行干扰协调和干扰抑制，从而使得整个系统的误码率性能得到更为明显地提升。

在下行MU-MIMO系统中，多个用户共享同一时频资源，必然会导致CCI的存在，同时，各终端用户之间通常无法相互协作进行通信，因此，针对MU-MIMO系统在基站端对各用户信号进行预处理就显得至关重要，其中多用户预编码技术就是最为有效的一种预处理技术。目前已有的各种预编码技术中，一类为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，然而发送端需要获知完全的信道状态信息，显然，在实际系统由于反馈量太大这类预编码技术很难实现；另外一类为基于码本的预编码技术，由于该类技术反馈 量有限，因此逐渐发展成为预编码技术的主流。

在3D MIMO系统中，基于码本的预编码技术，即3D预编码技术，目前仍处于研究阶段。3D预编码技术不仅要考虑水平维度信道信息，而且也要考虑垂直维信道信息。由于增加了一个新的自由度（垂直维），3D预编码技术可以更加灵活地实现多用户间的干扰协调，从而使得整个系统的误码率和频谱效率得到明显地提升。在3GPP项目组第34会议上，西电提出了一种基于点乘的3D预编码方案，与传统的2D预编码方案相比，该方案在一定程度上可以提升强相关环境下的系统性能，但对多用户共信道干扰CCI（CoherentChannelInterference）的抑制能力有限。本发明提出的基于Khatri-Rao积的3D MIMO预编码方法，不但使得预编码码本与当前信道空间更加匹配，而且可有效地抑制多用户CCI，因而，该发明为下行3D MU-MIMO预编码提供了一种简单而高效的实现方案。

发明内容

本发明针对现有技术对多用户CCI的抑制能力有限，提供一种适用于3DMU-MIMO系统的预编码方法。根据DFT酉变换，生成水平维和垂直维码本，将其共存于基站端和用户端，各用户分别根据其对应的水平维和垂直维信道状态信息CSI(Channel StateInformation)，选择使各用户获得最大信道增益的预编码码字，然后将最优码字对应的索引分别反馈给基站端，基站端根据接收到的反馈信息恢复出对应的水平维和垂直维的预编码码字，进而基于Khatri-Rao积构造3D预编码矩阵，以实现对各用户发送数据进行预编码处理。

一种基于Khatri-Rao积的3D MU-MIMO的预编码方法，包括步骤：基站端采用M×N维均匀面阵，每一根发射天线都能够同时处理水平维度与垂直维度信 息，接收端有K个用户，每个用户接收天线数为N_r，其中M表示均匀面阵的行数，N表示均匀面阵的列数；由离散傅里叶变换DFT（Discrete Fourier

Transformation）产生包含多个矢量的水平维码本W_H={v₁,v₂...v₂ ^B}和垂直维码本W_V={v₁,v₂...v₂ ^B}，其中B表示该系统水平维和垂直维反馈的比特数，并将其作为基站端和用户端预存的固定码本；用户端根据3D MIMO信道矩阵建立该用户水平维和垂直维预编码选择矩阵，获取使得该用户终端获得最大信道增益的水平维码字W_h ^opt和垂直维码字W_v ^opt，并将该码字在码本中对应的索引号反馈回基站端；基站端根据接收到的反馈信息恢复出与之对应的水平维和垂直维最优码字，根据Khatri-Rao积构造3D预编码矩阵，对各用户数据进行3D预编码处理，将预编码处理后的数据从基站天线发射出去。

构造3D预编码码本具体包括：各用户根据其水平维和垂直维信道状态信息遍历水平维和垂直维码本中的各个码字，选择使该用户终端获得最大信道增益的水平维和垂直维码字，并将该码字在码本中对应的索引号反馈给基站端，基站端分别恢复出使得该用户终端获得最大信道增益的水平维码字W_h ^opt和垂直维码字W_v ^opt，作为每一用户选择的对应维度的最优码字。估计每一用户的3D信道矩阵从中取出与每一行发射天线相对应的信道系数矩阵并对其取均值，作为该用户水平维预编码选择矩阵；从3D信道矩阵中取出与每一列发射天线相对应的信道系数矩阵并对其取均值，作为该用户垂直维预编码选择矩阵选择水平维最优预编码码字W_h ^opt和垂直维最优预编码码字W_v ^opt具体包括：对水平维预编码选择矩阵H_h和垂直维预编码选择矩阵H_v进行奇异值分解：预编码码字选择W_k=[V_k]₁，其中[V_k]₁为V_k中第一列；对第k个用户，选择的预编码矩阵为：根据弦距离d_chord(X,Y)调用公式： 计算码本中码字对应的序号n，令W_k ^opt=v_n获得水平维最优预编码码字W_h ^opt和垂直维最优预编码码字W_v ^opt，其中，弦距离：均是具有相同维数的列矢量，[·]^H表示矢量的共轭转置，||||_F表示F范数，W_l ^opt中脚标l为h和v分别表示水平维预编码码字W_h ^opt和垂直维预编码码字W_v ^opt。根据Khatri-Rao积构造3D预编码矩阵具体包括：根据水平维预编码码字W_h ^opt和垂直维预编码码字W_v ^opt，调用公式：W^3D=W_h ^opt⊙W_v ^opt构造3D预编码矩阵。

离线构造水平维和垂直维码本以实现有限反馈预编码；根据最大信道增益准则，从水平维和垂直维码本中，为每一用户选择对应维度的最优码字。各用户根据接收信号，通过信道估计获得与各用户对应的信道估计矩阵进而得到水平维信道矩阵和垂直维信道矩阵对各用户水平维信道和垂直维信道分别采取奇异值分解，

基于信道增益最大化准则取得各用户水平维度和垂直维度的最优预编码码字，进而将与之对应的索引号反馈给基站。基站根据接收到的各用户的反馈信息分别在水平维和垂直维码本中恢复出使得各用户获得最大信道增益时所对应的水平维最优码字W_h ^opt和垂直维最优码字W_v ^opt，并根据Khatri-Rao积构造3D预编码矩阵。基站端根据得到的3D预编码矩阵对各用户数据进行3D预编码处理，最后将预编码后的数据从基站天线发射出去。

由于各预编码矢量均由DFT变换产生的，因而各用户的预编码矩阵都是正交的，从而能够大大降低多用户间的CCI。

附图说明

图1本发明提出的下行3D MU-MIMO预编码的系统框图，包括信道编码、 调制、预编码以及信道估计和反馈信息的计算；

图2为基于码本的预编码基本操作流程图；

图3为本发明基于码本的操作流程图；

图4为本发明的3D预编码方法流程图；

图5为本发明提出的3D预编码方案与基于点乘的3D预编码方案的误码率（BitError Rate，BER）性能对比图。

具体实施方式

图1为本发明提出的下行3D MU-MIMO预编码的系统框图。基站端采用M×N维均匀面阵，其中M表示均匀面阵的行数，N表示均匀面阵的列数，要求每一根发射天线都能够同时处理水平维度与垂直维度上的信息，接收端有K个用户，每个用户接收天线数用N_r表示，用户端接收到信号后，进行信道估计得到3D信道矩阵

为了简化分析，假设信道衰落是平坦的，则第k个用户接收到的信号可以表示为：

其中表示第k个接收端的期望信号，表示第k个用户收到的来自其他用户信号的干扰，为用户k的发送功率，为除第k个用户的其他用户的发送功率，n_k表示噪声信号，为服从CN(0,N₀)概率分布白高斯噪声。

图2为基于码本的预编码基本操作流程图，图3为基于码本的操作流程图。根据图2和图3可知，基于码本的预编码技术，水平维码本W_H和垂直维码本W_V均共存于基站端和用户端，各用户根据其水平维和垂直维信道状态信息(CSI)遍 历水平维和垂直维码本中的各个码字，选择使得该用户终端获得最大信道增益的水平维和垂直维码字，并将该水平维和垂直维码字在码本中对应的索引号(PMI)反馈给基站端，基站端根据接收到的反馈信息分别恢复出使得该用户终端获得最大信道增益的水平维码字W_h ^opt和垂直维码字W_v ^opt，然后根据基于Khatri-Rao积的3D MU-MIMO的预编码方案构造3D预编码矩阵，从而实现对不同的用户数据进行预编码处理。

图4为本发明3D预编码方法流程图。

步骤一：基站端采用M×N维均匀面阵，每一根发射天线都能够同时处理水平维度与垂直维度信息，接收端有K个用户，每个用户接收天线数为N_r，其中M表示均匀面阵的行数，N表示均匀面阵的列数；

步骤二：由离散傅里叶变换(DFT)产生包含多个矢量的水平维酉码本W_H={v₁,v₂Lv_2B}和垂直维酉码本W_V={v₁,v₂Lv_2B}，其中B表示该系统水平维和垂直维反馈的比特数，并将其作为基站端和用户端预存的固定码本，基站端和用户端共存水平维和垂直维码本，通过有限反馈方式对多用户实现预编码；

步骤三：用户端根据估计3D MIMO信道矩阵分别从水平维和垂直维码本中选择使得该用户终端获得最大信道增益的码字，并将该水平维和垂直维码字在码本中对应的索引号反馈回基站端。各个用户根据当前水平维信道状态信息CSI和垂直维信道状态信息CSI，选择使得该用户终端获得最大信道增益的水平维码字W_h ^opt和垂直维码字W_v ^opt，并将该水平维和垂直维码字在码本中对应的索引号反馈给基站端，基站端根据接收到的索引号分别在水平维码本W_H和垂直维码本W_V中恢复出对应的水平维码字和垂直维码字，基于Khatri-Rao积构造3D预编码矩阵，从而实现对不同用户数据进行预编码处理；

步骤四：基站端根据接收到的反馈信息恢复出与之对应的水平维和垂直维最优码字，进而根据Khatri-Rao积构造3D预编码码本，以实现对各用户发送数据进行预编码处理。

图4中：步骤41：水平维和垂直维码本的构造。

首先离线设计水平维和垂直维码本，本发明利用DFT酉变换生成水平维和垂直维码本如下：

W_H为水平维预编码码本，W_V为垂直维预编码码本，其中M表示面天线阵列的行数，N表示面天线阵列的列数。

步骤42：确定预编码选择矩阵。

估计每一用户的3D信道矩阵从中取出与每一行发射天线相对应的信道系数矩阵（共M个），对其取均值，将该均值作为该用户水平维预编码选择矩阵类似地，从3D信道矩阵中取出与每一列发射天线相对应的信道系数矩阵并对其求均值，作为该用户垂直维预编码选择矩阵

步骤43：水平维和垂直维码本选择。

基于最大信道增益准则，根据水平维预编码选择矩阵H_h选择水平维预编码码字W_h，根据垂直维预编码选择矩阵H_v选择垂直维预编码码字W_v。具体过程如下：

(a)对水平维预编码选择矩阵H_h进行奇异值分解

H_h=UΣV^H

其中，酉矩阵U为水平维预编码选择矩阵H_h的左奇异向量矩阵，Σ为水平维预编码选择矩阵H_h的特征值按由大到小顺序构成的矩阵，酉矩阵V为水平维预编码选择矩阵H_h的右奇异向量矩阵，如果水平维预编码码字选择W_h=[V]₁([V]₁表示矩阵V的第一列)，则等效信道为：

||H_hW_h||₂ ²=||H_h[V]₁||₂ ²=(λ^max)²||[U]1||₂ ²=(λ^max)²，其中λ^max为水平维预编码选择矩阵H_h的最大奇异值，从上式可看出，当W_h=[V]₁时，用户可以获得最大信道增益，本发明选择的预编码码字尽可能逼近最优的预编码码字，以获得最大的信道增益。

(b)采用最小弦距离准则逼近最大信道增益根据水平维预编码选择矩阵H_h，从离线水平维码本W_H={v₁,v₂Lv_2B}（B表示该系统水平维和垂直维反馈的比特数）中选择使各用户获得最大的信道增益的水平维最优预编码码字W_h ^opt，具体如下：

对第k个用户，选择的水平维最优预编码矩阵如下：

令W_h ^kopt=v_n

其中v_i，v_n分别表示码字V的第i列和第n列，弦距离d_chord(X,Y)定义如下：

其中X,Y均是具有相同维数的列矢量，[·]^H表示矢量的共轭转置，||||_F表示F范数。

（c）对垂直维预编码选择矩阵H_v采取类似于（a）和（b）中的步骤，获得与第k个用户垂直维度CSI相对应的最优预编码码字

具体如下：对垂直维预编码选择矩阵H_v进行奇异值分解：

H_v=UΣV^H

采用最小弦距离准则逼近最大信道增益，根据垂直维预编码选择矩阵H_v，从离线垂直维码本W_V={v₁,v₂Lv_2B}中选择使第k个用户获得最大信道增益的垂直维最优预编码码字W_v ^kopt，此处的酉矩阵U为垂直维预编码选择矩阵的左奇异向量矩阵，Σ为垂直维预编码选择矩阵的特征值按由大到小顺序构成的矩阵，酉矩阵V为垂直维预编码选择矩阵的右奇异向量矩阵。

步骤44：构造3D预编码码本。

用户端将水平维和垂直维的最优预编码码字所对应的索引号反馈给基站，基站根据该索引号恢复出对应的水平维预编码码字W_h ^opt和垂直维预编码码字W_v ^opt，调用公式：W^3D=W_h ^opt⊙W_v ^opt得到3D的预编码矩阵。

由于DFT酉码本中的码字两两正交，而且满足恒模特性，采用以上方法得到的3D预编码码本仍然相互正交，并且仍然满足恒模特性。因此采用本发明构造的3D码本可以有效抑制用户间的CCI。

从图5的结果可以看出，本发明的预编码码本构造方案比点乘扩展方案在误码率性能方面有明显的优势，这是因为本发明构造的3D码本对3D MIMO信道实现了更为精确的覆盖，而且本发明的3D预编码码本构造方法保证了各个用户的码字相互正交，这样可以有效抑制多用户间的共信道干扰(CCI)，因此系统的误码率性能大大的降低。

Claims (6)

1.一种基于Khatri-Rao积的3D MU-MIMO的预编码方法，其特征在于，包括步骤：基站端采用M×N维均匀面阵，其中M表示均匀面阵的行数，N表示均匀面阵的列数；由离散傅里叶变换产生包含多个矢量的水平维码本和垂直维码本其中B表示该系统水平维和垂直维反馈的比特数，将其作为基站端和用户端预存的固定码本；用户端根据3D MIMO信道矩阵其中N_r为每个用户接收天线数，建立该用户水平维和垂直维预编码选择矩阵，获取使得该用户终端获得最大信道增益的水平维码字W_h ^opt和垂直维码字W_v ^opt，并将该码字在码本中对应的索引号反馈回基站端；基站端根据接收到的反馈信息恢复出与之对应的水平维和垂直维最优码字，根据Khatri-Rao积构造3D预编码矩阵，对各用户数据进行3D预编码处理，将预编码处理后的数据从基站天线发射出去。

2.根据权利要求1所述的预编码方法，其特征在于，构造3D预编码码本具体包括：各用户根据其水平维和垂直维信道状态信息遍历水平维和垂直维码本中的各个码字，选择使该用户终端获得最大信道增益的水平维和垂直维码字，并将该码字在码本中对应的索引号反馈给基站端，基站端分别恢复出使得该用户终端获得最大信道增益的水平维码字和垂直维码字，作为用户选择的对应维度的最优码字。

3.根据权利要求1所述的预编码方法，其特征在于，估计每一用户的3D信道矩阵从中取出与每一行发射天线相对应的信道系数矩阵并对其取均值，作为该用户水平维预编码选择矩阵从3D信道矩阵中取出与每一列发射天线相对应的信道系数矩阵并对其取均值，作为该用户垂直维预编码选择矩阵

4.根据权利要求1所述的预编码方法，其特征在于，获得水平维最优预编码码字W_h ^opt和垂直维最优预编码码字W_v ^opt具体包括：对水平维预编码选择矩阵H_h和垂直维预编码选择矩阵H_v进行奇异值分解：H_l＝UΣV^H，计算弦距离d_chord(X,Y)，调用公式：计算码本中码字对应的序号n，令W_k ^opt＝v_n，获得第k个用户水平维最优预编码码字W_h ^opt和垂直维最优预编码码字W_v ^opt，其中，其中v_i、v_n分别表示码字V的第i列和第n列，酉矩阵U、V、Σ为预编码选择矩阵的左奇异向量矩阵、右奇异向量矩阵、特征值按由大到小顺序构成的矩阵，[V_k]₁为码字V_k中第一列，H_l中脚标l为h和v分别表示水平维预编码选择矩阵H_h和垂直维预编码选择矩阵H_v。

5.根据权利要求2所述的预编码方法，其特征在于，根据Khatri-Rao积构造3D预编码矩阵具体包括：根据水平维预编码码字W_h ^opt和垂直维预编码码字W_v ^opt，调用公式：构造3D预编码矩阵。

6.根据权利要求4所述的预编码方法，其特征在于，根据公式：计算弦距离d_chord(X,Y)，其中，[·]^H表示矢量的共轭转置，|| ||_F表示F范数。