CN104065405B - 一种3d码本构造方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D码本构造方法及系统，涉及无线通信领域。该方法包括：根据基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt，确定水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV；对水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV进行克罗尼克积，构造3D MIMO母码本F；根据基站的发射天线数Mt，在3D MIMO母码本F中采用随机搜索法选取码字间相关性最小的Mt行，构成最优的3D MIMO码本，该方法及系统充分利用3D MIMO的空间自由度，提高了通信网络容量，提升了通信网络性能。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种3D码本构造方法及系统。
背景技术
为了进一步提高3D MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)技术的频谱效率，同时利用水平维和竖直维空间自由度的3D MIMO技术被提出。其中，诸如垂直扇区分裂、3D波束赋形等技术已经被研究用于提高系统的垂直覆盖和总容量。2D天线阵列是3D MIMO技术的关键。最典型的2D天线阵列是均匀平面阵列。这种天线阵列能够从均匀线性阵列变换得来。为了更好的评估2D天线阵列的性能，需要进行同时考虑水平维和竖直维的3D信道的建模。
由于3D MIMO中，信道在3维空间中建模，传统的DFT(Discrete FourierTransform)码本不再适用。在3D MIMO中，基站通常会在有限的空间内安装大量的天线端口，3D信道通常是相关的。因此，DFT码本中适用于相关信道的恒模特性应当被保留。考虑到码本构造的复杂度，使用两个DFT码本其中一个表征信道的水平维特性，另一个表征信道的竖直维特性—进行克罗尼克乘积构造3D码本既保留了码本的恒模特性，又有利于工程实现。
现有的码本构造方法存在以下问题：采用传统的DFT码本，由于系统的吞吐量较低，导致通信网络容量较低，通信网络性能较差；
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：如何构造一种3D码本，利用3D码本的空间自由度，提高通信网络系统的性能。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种3D码本构造方法，该方法包括：
S1、根据基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt，确定水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV；
S2、对水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV进行克罗尼克积，构造3DMIMO母码本F；
S3、根据基站的发射天线数Mt，在3D MIMO母码本F中采用随机搜索法选取码字间相关性最小的Mt行，构成最优的3D MIMO码本。
优选的，步骤S1中确定水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV具体方法如下：
S10、根据基站发射天线的水平维端口数NtH和竖直维端口数NtV确定水平维的反馈比特数BH和竖直维反馈比特数BV；
S11、由公式Mt＝NtHNtV求出基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt；
S12、根据确定的基站的水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV、发射天线的水平维端口数NtH及竖直维端口数NtV，构造水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV：
优选的，步骤S2中的3D MIMO母码本
其中，表示克罗尼克积，矩阵F的维数为N×N＝NHNV×NHNV。
优选的，步骤S3中所述随机搜索法选取码字间相关性最小的Mt行的具体方法如下：
S30、随机生成一个有Mt个行向量的索引集合；
S31、对Mt个行向量的索引集合进行迭代，每次迭代中，通过改变前一次行向量中的一个元素，计算当次迭代和前一次迭代的3DMIMO码本的最大相关性，若相关性减小，则将当次最优行向量索引集合更改为当前最优行向量索引集合，否则，不更改；
S32、判断当前最优行向量索引集合是否出现过，若出现过，则将其出现次数加1，否则，记录其出现，并将其出现次数记为1；
S33、判断当前最优行向量索引集合是否出现次数最多，若是，则将当次最优行向量索引集合更改为当前最优行向量索引集合，否则，当前最优行向量索引集合与上次迭代的最优行向量索引集合保持一致；
S34、判断迭代次数是否达到限定值，若达到限定值，则最优行索引集合即为最后迭代的最优行向量索引集合，否则返回步骤S31。
优选的，计算当次迭代和前一次迭代的3D MIMO码本的相关性公式如下：
其中，W(:,l)代表Mt个行向量构成的码本W当次迭代的第l列的向量，W(:,l′)代表Mt个行向量构成的码本W前一次迭代的第l′列的向量，uk代表选出的行索引，uk∈[0,1,...,N-1]，k＝1,2,...,Mt，N＝NHNV。
优选的，基于生成的最优3D MIMO码本，根据选择预编码码字wt进行预编码，式中H表示基站测得的信道矩阵，w表示在所述最优的3D MIMO码本中使|Hw|最大的码字。
本发明还提供了一种3D码本构造系统，该系统包括矩阵选取模块、矩阵生成模块和码本生成模块；
所述矩阵选取模块，用于根据基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt，确定水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV；
所述矩阵生成模块，用于对所述矩阵选取模块确定的水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV进行克罗尼克积，构造3D MIMO母码本F；
所述码本生成模块，用于根据基站的发射天线数Mt，在3D MIMO母码本F中采用随机搜索法选取码字间相关性最小的Mt行，构成最优的3D MIMO码本。
优选的，所述矩阵选取模块包括选取计算单元和选取构造单元；
所述选取计算单元，用于根据基站发射天线的水平维端口数NtH和竖直维端口数NtV确定水平维的反馈比特数BH和竖直维反馈比特数BV，由公式Mt＝NtHNtV求出基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt；
所述选取构造单元，用于根据所述选取计算单元确定的基站的水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV、发射天线的水平维端口数NtH及竖直维端口数NtV，构造水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV：
优选的，所述矩阵生成模块根据所述矩阵选取模块得到的水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV通过克罗尼克积生成矩阵；
其中，表示克罗尼克积，矩阵F的维数为N×N＝NHNV×NHNV。
优选的，所述码本生成模块包括索引集合生成单元、索引集合迭代单元、索引集合判断单元、索引集合个数判断单元和索引集合限值判断单元；
所述索引集合生成单元，用于随机生成一个有Mt个行向量的索引集合；
所述索引集合迭代单元，用于对Mt个行向量的索引集合进行迭代，每次迭代中，通过改变前一次行向量中的一个元素，计算当次迭代和前一次迭代的3D MIMO码本的最大相关性，若相关性减小，则将当次最优行向量索引集合更改为当前最优行向量索引集合，否则，不更改；
所述索引集合判断单元，用于判断当前最优行向量索引集合是否出现过，若出现过，则将其出现次数加1，否则，记录其出现，并将其出现次数记为1；
所述索引集合个数判断单元，用于判断当前最优行向量索引集合是否出现次数最多，若是，则将当次最优行向量索引集合更改为当前最优行向量索引集合，否则，当前最优行向量索引集合与上次迭代的最优行向量索引集合保持一致；
所述索引集合限值判断单元，用于判断迭代次数是否达到限定值，若达到限定值，则最优行索引集合即为最后迭代的最优行向量索引集合，否则，继续迭代。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种3D码本构造方法及系统，首先利用克罗尼克积对传统适用于2D信道的码本进行变换，构造适用于3D信道的码本结构，然后采用随机搜索的方法在克罗尼克积码本结构上构造码字间相关性最小的码本从而得到最优码本，该方法充分利用3D MIMO的空间自由度，提高了通信网络容量，提升了通信网络性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种3D码本构造方法的步骤图；
图2为本发明实施例提供的基于克罗尼克积的3D MIMO码本的预编码方法与传统的3D MIMO码本的预编码方法的性能比较图。
具体实施方式
下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了本发明提供了一种3D码本构造方法，该方法包括：
S1、根据基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt，确定水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV；
S2、对水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV进行克罗尼克积，构造3DMIMO母码本F；
S3、根据基站的发射天线数Mt，在3D MIMO母码本F中采用随机搜索法选取码字间相关性最小的Mt行，构成最优的3D MIMO码本。
其中，步骤S1中确定水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV具体方法如下：
S10、根据基站发射天线的水平维端口数NtH和竖直维端口数NtV确定水平维的反馈比特数BH和竖直维反馈比特数BV；
S11、由公式Mt＝NtHNtV求出基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt；例如，在LTE系统中4发送天线模式的反馈比特数为4bit。则NH和NV可由公式求得。在本系统中4×2的天线配置下，水平维的反馈比特数可以设置为4，竖直维的反馈比特数可以设置为2，则码本大小N＝NH×NV＝24×22＝16×4。码本大小还应受到系统反馈精度的限制，当系统的反馈比特数有限制时，码本大小应当适当减小；考虑到竖直维的角度区分粒度较小，可以适当减小竖直维的反馈比特数，例如对于4×4的天线配置，由于竖直维的角度分布小于等于水平维角度分布的一半，可以将本来竖直维反馈的4比特减少到3或2比特，此时，总的反馈比特数可减少1到2比特，从而减小系统的开销。
S12、根据确定的基站的水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV、发射天线的水平维端口数NtH及竖直维端口数NtV，构造水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV：
步骤S2中的3D MIMO母码本
其中，表示克罗尼克积，矩阵F的维数为N×N＝NHNV×NHNV。采用克罗尼克积构造的码本对3D MIMO相关信道有很好的适应性，对于F矩阵的第l列，其向量表达式如下：
在3D MIMO系统中，3维天线阵列被广泛使用，常用的天线阵列包括UPA(uniformedplanar arrays)天线阵列及UCyA(uniformed circular y arrays)天线阵列。其中，UPA天线阵列因为其便于安装的特性被视作极有前景的一类天线阵列，在本专利中推荐使用UPA天线阵列。
步骤S3中在随机搜索法中需要定义一些随机搜索的辅助变量，具体定义有：um、分别代表第m次迭代时的当次迭代行索引组合、当次估计最优行索引组合、当次最优行索引组合；辅助矩阵代表已经出现过的行索引组合，其中为了降低计算复杂度Nx＝MMt，M为缩放因子，通常取值为500；代表每种行索引向量出现的概率；在πm每次更新的过程中，表示除了第qm元素为1其余元素均为0的向量。如果用遍历法搜索最优的Mt行，在计算量上是不允许的。因此采用随机搜索的方法寻找接近最优的Mt行是更为可行的方法。随机搜索产生接近最优的码本W3D的主要思想是在每次迭代中改变一位行索引并计算改变以后的码字相关性。通过统计找出出现次数最多的最优行索引集合认为其是最优行索引集合。随机搜索方法虽然不能保证找出最优的行索引集合但其大大降低了搜索最优码本的计算量，是经过计算量和计算结果准确度折中后的最好方法
步骤S3中所述随机搜索法选取码字间相关性最小的Mt行的具体方法如下：
S30、随机生成一个有Mt个行向量索引集合u0，令 矩阵U的第一行赋值U(1,:)＝u0。设置令其第一个元素π0(1)＝1，迭代计数t＝0，v＝0；
S31、对Mt个行向量的索引集合进行迭代，每次迭代中，在每次迭代中，令k＝0,1,...,Mt-1，令迭代序号m＝nMt+k，计算当次迭代中选取的行索引集合um产生的码本的码字间相关性I(um)，更改um中的第k个元素，生成计算相关性若则t＝m+1，否则um+1＝um；
其中，计算当次迭代和前一次迭代的3D MIMO码本的相关性有如下公式：
其中，W(:,l)代表Mt个行向量构成的码本W当次迭代的第l列的向量，W(:,l′)代表Mt个行向量构成的码本W前一次迭代的第l′列的向量，uk代表选出的行索引，uk∈[0,1,...,N-1]，k＝1,2,...,Mt，N＝NHNV；
S32、更新出现概率向量π。判断是否um+1∈U，若是，则令qm＝the found row indexin U，qm＝m+1，若否，将um+1存储进U。更新πm+1＝πm+(r[qm]-πm)/(m+1)，其中r[qm]的含义为除了第qm元素为1其余元素均为0的向量；
S33、判断当前最优行索引集合时候出现次数最多。即判断是否πm+1(t)>πm+1(v)，若是，则v＝t；否则，即当次迭代的最优行索引集合更改为当前最优行索引集合，否则，当次迭代的最优行索引集合与上次迭代的最优行索引集合保持一致；
S34、判断迭代次数是否达到最大，若达到最大，则最优行索引集合即为最后迭代的最优行索引集合否则，返回步骤S31。
本发明实施例还可以基于生成的最优3D MIMO码本，根据选择预编码码字wt进行预编码，式中H表示基站测得的信道矩阵，w表示在所述最优的3D MIMO码本中使|Hw|最大的码字。
在进行预编码时的信道以3D MIMO方式建模，推荐SCM(Supply ChainManagement)信道模型。在3D MIMO信道模型中，到达角和离开角需要在方位角和竖直仰角两个维度来建模，信道冲击响应如下：
其中，和表示基站端第s根天线在竖直极化和水平极化方向上的冲击响应，φn,m和θn,m分别表示第n条路径第m条子径上的离开方位角和离开仰角；是基站端第s根天线的位置向量；表示第n条路径第m条子径上的离开角单位向量；和分别表示用户端第u根天线在竖直极化和水平极化方向上的冲击响应；和Ψn,m分别表示第n条路径第m条子径上的到达方位角和到达仰角；是第u根天线的位置向量；vn,m表示多普勒频移，它是由到达方位角到达仰角Ψn,m、用户移动速度v、用户移动方向θv获得。
本发明还提供了一种3D码本构造系统，该系统包括矩阵选取模块、矩阵生成模块和码本生成模块；
所述矩阵选取模块，用于根据基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt，确定水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV；
所述矩阵生成模块，用于对所述矩阵选取模块确定的水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV进行克罗尼克积，构造3D MIMO母码本F；
所述码本生成模块，根据基站的发射天线数Mt，在3D MIMO母码本F中随机选取码字间相关性最小的Mt行，构成最优的3D MIMO码本。
优选的，所述矩阵选取模块包括选取计算单元和选取构造单元；
所述选取计算单元，用于根据基站发射天线的水平维端口数NtH和竖直维端口数NtV确定水平维的反馈比特数BH和竖直维反馈比特数BV，由公式Mt＝NtHNtV求出基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt；
所述选取构造单元，用于根据所述选取计算单元确定的基站的水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV、发射天线的水平维端口数NtH及竖直维端口数NtV，构造水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV：
优选的，所述矩阵生成模块根据所述矩阵选取模块得到的水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV通过克罗尼克积生成矩阵
其中，表示克罗尼克积，矩阵F的维数为N×N＝NHNV×NHNV。
优选的，所述码本生成模块包括索引集合生成单元、索引集合迭代单元、索引集合判断单元、索引集合个数判断单元和索引集合限值判断单元；
所述索引集合生成单元，用于随机生成一个有Mt个行向量的索引集合；
所述索引集合迭代单元，用于对Mt个行向量的索引集合进行迭代，每次迭代中，通过改变前一次行向量中的一个元素，计算当次迭代和前一次迭代的3D MIMO码本的最大相关性，若相关性减小，则将当次最优行向量索引集合更改为当前最优行向量索引集合，否则，不更改；
所述索引集合判断单元，用于判断当前最优行向量索引集合是否出现过，若出现过，则将其出现次数加1，否则，记录其出现，并将其出现次数记为1；
所述索引集合个数判断单元，用于判断当前最优行向量索引集合是否出现次数最多，若是，则将当次最优行向量索引集合更改为当前最优行向量索引集合，否则，当前最优行向量索引集合与上次迭代的最优行向量索引集合保持一致；
所述索引集合限值判断单元，用于判断迭代次数是否达到限定值，若达到限定值，则最优行索引集合即为最后迭代的最优行向量索引集合，否则，继续迭代。
通过上述过程，构造完成最优的3D MIMO码本，同时完成了基于该码本的预编码，由于无线信道的统计特性趋于稳定，最优码本可以离线生成，从而减小通信的复杂度。
本发明实施例仿真采用UPA天线阵列结构，其水平维天线阵列阵元数为4，竖直维天线阵元数为2，天线阵列间阵元间隔d＝0.5λ,系统载波频率设为5.25×109。
如表1所示，本发明所提3D MIMO码本构造方法与传统3D MIMO码本构造方法的码本码字间的相关性比较，很明显可以看出，本发明所提3D MIMO码本构造方法的相关性较小。
如图2所示本发明实施例提供的基于克罗尼克积的3D MIMO码本的预编码方法与传统的3D MIMO码本的预编码方法的性能比较图，很明显可以看出，本发明实施例提供的基于克罗尼克积的3DMIMO码本的预编码方法的码本性能相比于传统码本性能提高很大，
同时基于该码本的预编码方法相比于基于传统码本的预编码方法系
统性能提高达15％。
表1
以上所述仅是本发明优选实施方式，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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种3D码本构造方法，其特征在于，该方法包括：
S1、根据基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt，确定水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV；
S2、对水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV进行克罗尼克积，构造3DMIMO母码本F；
S3、根据基站的发射天线数Mt，在3D MIMO母码本F中采用随机搜索法选取码字间相关性最小的Mt行，构成最优的3D MIMO码本；
步骤S3中所述随机搜索法选取码字间相关性最小的Mt行的具体方法如下：
S30、随机生成一个有Mt个行向量的索引集合；
S31、对Mt个行向量的索引集合进行迭代，每次迭代中，通过改变前一次行向量中的一个元素，计算当次迭代和前一次迭代的3DMIMO码本的最大相关性，若相关性减小，则将当次最优行向量索引集合更改为当前最优行向量索引集合，否则，不更改；
S32、判断当前最优行向量索引集合是否出现过，若出现过，则将其出现次数加1，否则，记录其出现，并将其出现次数记为1；
S33、判断当前最优行向量索引集合是否出现次数最多，若是，则将当次最优行向量索引集合更改为当前最优行向量索引集合，否则，当前最优行向量索引集合与上次迭代的最优行向量索引集合保持一致；
S34、判断迭代次数是否达到限定值，若达到限定值，则最优行索引集合即为最后迭代的最优行向量索引集合，否则返回步骤S31。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中确定水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV具体方法如下：
S10、根据基站发射天线的水平维端口数NtH和竖直维端口数NtV确定水平维的反馈比特数BH和竖直维反馈比特数BV；
S11、由公式Mt＝NtHNtV求出基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt；
S12、根据确定的基站的水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV、发射天线的水平维端口数NtH及竖直维端口数NtV，构造水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV：
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中的3D MIMO母码本
其中，表示克罗尼克积，矩阵F的维数为N×N＝NHNV×NHNV。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，计算当次迭代和前一次迭代的3D MIMO码本的相关性的公式如下：
其中，W(:,l)代表Mt个行向量构成的码本W当次迭代的第l列的向量，W(:,l′)代表Mt个行向量构成的码本W前一次迭代的第l′列的向量，uk代表选出的行索引，uk∈[0,1,...,N-1]，k＝1,2,...,Mt，N＝NHNV。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，基于生成的最优3D MIMO码本，根据选择预编码码字wt进行预编码，式中H表示基站测得的信道矩阵，w表示在所述最优的3D MIMO码本中使|Hw|最大的码字。
6.一种3D码本构造系统，其特征在于，该系统包括矩阵选取模块、矩阵生成模块和码本生成模块；
所述矩阵选取模块，用于根据基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt，确定水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV；
所述矩阵生成模块，用于对所述矩阵选取模块确定的水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV进行克罗尼克积，构造3D MIMO母码本F；
所述码本生成模块，用于根据基站的发射天线数Mt，在3D MIMO母码本F中采用随机搜索法选取码字间相关性最小的Mt行，构成最优的3D MIMO码本；
所述码本生成模块包括索引集合生成单元、索引集合迭代单元、索引集合判断单元、索引集合个数判断单元和索引集合限值判断单元；
所述索引集合生成单元，用于随机生成一个有Mt个行向量的索引集合；
所述索引集合迭代单元，用于对Mt个行向量的索引集合进行迭代，每次迭代中，通过改变前一次行向量中的一个元素，计算当次迭代和前一次迭代的3D MIMO码本的最大相关性，若相关性减小，则将当次最优行向量索引集合更改为当前最优行向量索引集合，否则，不更改；
所述索引集合判断单元，用于判断当前最优行向量索引集合是否出现过，若出现过，则将其出现次数加1，否则，记录其出现，并将其出现次数记为1；
所述索引集合个数判断单元，用于判断当前最优行向量索引集合是否出现次数最多，若是，则将当次最优行向量索引集合更改为当前最优行向量索引集合，否则，当前最优行向量索引集合与上次迭代的最优行向量索引集合保持一致；
所述索引集合限值判断单元，用于判断迭代次数是否达到限定值，若达到限定值，则最优行索引集合即为最后迭代的最优行向量索引集合，否则，继续迭代。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述矩阵选取模块包括选取计算单元和选取构造单元；
所述选取计算单元，用于根据基站发射天线的水平维端口数NtH和竖直维端口数NtV确定水平维的反馈比特数BH和竖直维反馈比特数BV，由公式Mt＝NtHNtV求出基站水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV和发射天线数Mt；
所述选取构造单元，用于根据所述选取计算单元确定的基站的水平维的反馈精度NH、竖直维的反馈精度NV、发射天线的水平维端口数NtH及竖直维端口数NtV，构造水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV：
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述矩阵生成模块根据所述矩阵选取模块得到的水平维矩阵FH和竖直维矩阵FV通过克罗尼克积生成矩阵其中，表示克罗尼克积，矩阵F的维数为N×N＝NHNV×NHNV。
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| CN (1) | CN104065405B (zh) |
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Citations (3)
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2014
- 2014-06-04 CN CN201410245811.8A patent/CN104065405B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 3D-MIMO codebook aided multiple user pairing scheme in LTE-Advanced systems;PENG Fei;《The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications》;20140228;第4-5页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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