CN104092516A - 一种适用于mu-mimo系统的非正交预编码码本设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于MU-MIMO系统的非正交预编码码本设计方法，属于通信技术领域。该方法通过非正交形式构造两个码本，将其共存在各用户端和基站端，各用户根据当前CSI进行预编码码字选择，并将与最优预编码对应的码本索引反馈给基站端，基站根据各用户反馈索引，恢复出对应的预编码码字，然后根据用户调度策略，对当前被调度用户根据各自最优预编码码字进行预编码处理。相对于正交码本，本方法所构造的码本复杂度低，同时对信道空间的覆盖更大，对信道矩阵的匹配程度更高。此外，本方法采用能效最优准则选择预编码矢量，可使系统能效利用得到一定优化；发送端采用的多用户调度方案，能够使用户匹配失败的情况不再出现。

Description

一种适用于MU-MIMO系统的非正交预编码码本设计方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其是移动通信长期演进(LTE)及先进的移动通信长期演进(LTE-Advanced)技术领域，涉及一种适用于MU-MIMO系统的非正交预编码码本设计方法。

背景技术

多输入多输出系统(Multiple Input Multiple Output，MIMO)在数据传输方面表现出巨大的潜力，为下一代移动通信技术的备选技术，引起了研究者巨大的兴趣。

在LTE物理层增强进程中，MIMO技术作为现代数字通信系统的一个显著突破，是实现系统性能提升的关键，自MIMO问世以来，就在无线接入系统、无线局域网、3G网络中得到广泛的应用，它利用信道的多径衰落特性，可以有效提高系统容量，提高信道的可靠性、降低误码率，且具有很高的频谱利用率。OFDM则在传输带宽和发送功率不增加的条件下，高速的数据信号被转换为并行低速的子数据流，且相互正交的子信道，有效的降低了子信道之间的相互干扰(Inter Channel Interference,ICI)，每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而有效消除符号间干扰(Inter Symbol Interference,ISI)。如今，以MIMO、OFDM等关键技术为核心的LTE系统已成为通信领域国内外研究的热点。

研究表明，发射机根据CSI设计合适的发射机预编码器，可以有效的提高系统的容量和误码率性能；多用户MIMO系统中，预编码技术能够有效地抑制用户间的共信道干扰。但是，无线通信系统的频率资源有限，能够分配给反馈链路的带宽更是少之又少，因此理想的CSI需要很大的反馈量从而根本不符合实际的应用。由此，3GPP规定在LTE系统中首先在接收端进行信道估计，然后将不完全的信道状态信息以预编码码本中码字索引(Precoding MatrixIndex,PMI)的形式反馈给发射端，发射端再通过恢复预编码码字后，对发送信息进行预处理。和理想状态相比，只需要通过反馈非常有限数量的信息，就能够无限接近理想状态下的系统性能。此外，在多用户MIMO下行链路中，通过空分复用接入(Space Division Multiple Access,SDMA)同时服务的用户数是有限的，如何设计用户调度方案获得多用户分集增益，进而提高系统容量称为业内广泛研究的热点。由此可见，对LTE系统下行链路预编码中如何依靠码本中的码字有效的反馈部分信道状态信息以及发射端有效的预编码算法等问题的研究是一件非常有意义的事情。

预编码技术在不同的无线通信系统中具有不同的应用形式。例如：预编码器转化为波束形成器为多天线分集系统获得分集发射增益，降低系统的误码率；预编码器也可以使各发射天线上的信号彼此正交，减少不同天线间的相互干扰，提高多天线空间复用系统的容量；预编码技术还可以实现不同用户的发射信号彼此正交，在多用户系统中提高数据速率并获得多用户分集增益等等。

目前，线性预编码和非线性预编码作为两种主流的预编码技术均有其典型的代表。迫零(Zero-Forcing,ZF)和最小均方误差(Minimum-Mean-Square-Error,MMSE)以及基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的预编码是较为著名的线性预编码算法，概括的说，它们求解预编码矩阵的方法，都是在发射端已知理想CSI的情况下，对信道矩阵H进行适当的分解。而对于包含了加法处理的非线性预编码来说，能够达到MIMO高斯广播信道容量的Costa提出的脏纸编码(Dirty Paper Coding,DPC)最为典型，但复杂性却太高，难以应用于实际，THP(Tomlinson-Harashima Precoding)在DPC的基础上进行了改良，是一种发送端非线性去相关干扰抵消方法。

如果预编码技术从码本特性来分，可分为基于正交码本的预编码技术和基于非正交码本的预编码技术。对于正交码本目前常见的有离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transformation,DFT)码本，基于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。由于非正交的码本无法完全抑制掉多用户间干扰，因此研究地相对较少，但是与基于正交码本的预编码方案相比，基于非正交码本预编码方案复杂度更低，同时可涨成更大的码本空间，即对CSI的匹配程度更高，因此，非正交码本在预编码应用方面具有一定的潜在优势。

当基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同的用户时，称为多用户MIMO(Multiple User MIMO,MU-MIMO)。此时由于基站在同一时刻要与多个用户进行通信，因此各个用户除了接收到该用户有用信号外，还有其他用户的共信道干扰信号。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于MU-MIMO系统的非正交预编码码本设计方法，该方法通过非正交形式构造两个码本，将其共存在各用户端和基站端，各用户根据当前CSI进行预编码码字选择，并将与最优预编码对应的码本索引反馈给基站端，基站根据各用户反馈索引，恢复出对应的预编码码字，然后根据用户调度策略，对当前被调度用户根据各自最优预编码码字进行预编码处理。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于MU-MIMO系统的非正交预编码码本设计方法，包括以下步骤：步骤一：采用非正交双码本结构设计码本Ⅰ和码本Ⅱ；步骤二：设计好码本Ⅰ和码本Ⅱ后，存放于基站与用户端，根据各用户信道状态信息(Channel State Information，CSI)从码本Ⅰ中选择最佳匹配当前CSI的预编码矢量，将其在码本Ⅰ的索引记为l_opt，然后基于能效最优准则，从码本Ⅱ中第l_opt个矢量组中选择最佳预编码矢量并将与对应的索引反馈给基站端；因此，该选码方法使得选出的预编码矢量不但最佳匹配信道，而且实现能效优化；步骤三：基站收到反馈信息后，根据预编码索引恢复出与各用户关联的预编码矢量；步骤四：基站根据多用户调度准则，从X个用户中调度K个用户，然后依次对这K个用户数据进行相应的预编码处理，再进行传输。

进一步，在步骤一中，构造码本Ⅰ具体包括以下步骤：

首先随机生成包含n个M维列矢量集合然后归一化得到集合依据其中τ表示一极小值，从选出L个列矢量组成码本Ⅰ，Ω＝{r₁,r₂,L,r_L}。码本Ⅰ中各列矢量不要求正交，从而降低了码本构造的复杂度。

进一步，在步骤一中，码本Ⅱ的构造如下：首先生成包含N_s个M维列矢量集合：然后归一化得到集合码本Ⅱ包含L个矢量组：Φ＝{{g_1,1,g_1,2,L,g_1,T},{g_2,1,g_2,2,L,g_2,T},L,{g_L,1,g_L,2,L,g_L,T}}，其中第l个矢量组中第t个矢量g_l,t与码本Ⅰ中第l个矢量r_l满足关系：1-|r_l ^Hg_l,t|≤η，其中表示一极小值。码本Ⅱ使得整个码本张成的空间更大。

进一步，LTE-A系统的物理层链路为多个用户共享，码本Ⅰ和码本Ⅱ分别存放在收发两端，码矢量选择过程在用户端完成。

本发明的有益效果在于：相对于正交码本，本方法所构造的码本复杂度低，同时对信道空间的覆盖更大，对信道矩阵的匹配程度更高。此外，本方法采用能效最优准则选择预编码矢量，可使系统能效利用得到一定优化；发送端采用的多用户调度方案，能够使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为多用户有限反馈系统的方案示意图；

图2为基于码本的预编码实施流程图；

图3为码本Ⅰ的构造示意图；

图4为码本Ⅱ的构造示意图；

图5为本发明所述方法的操作流程图。

具体实施方式

本发明提出的多用户MIMO系统中非正交码本设计方法，包括码本Ⅰ的构造、码本Ⅱ的构造以及相应的选码准则和基站的用户的调度准则。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1给出基于非正交码本预编码的多用户系统示意图。假设基站配置M根天线，各用户配置N根天线，假设被调度用户数为K。每个用户采用单层传输，其对应的输入信息比特流经过信道编码、调制和层映射，分成K个并行的子流，满足关系K≤M。忽略子载波间的差异，即所有子载波所经历的衰落相同。基站对K个用户数据经过预编码处理后，将其映射到M个发射天线上进行传送。考虑单个子载波，则用户k(k＝1,2,...,K)的接收信号可表示为：

$y_k=\sqrt{p_k}{H}_k{g}_k^{\′}{s}_k+\underset{i=1,i\≠k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{p_i}{H}_k{g}_i^{\′}{s}_i+n_k,k=\mathrm{1,2},\·\·\·,K$

其中y_k表示第k个用户的接收信号，H_k表示用户k的MIMO信道冲激响应，g_k′为用户k的预编码矢量，p_k为基站为用户k分配的功率,满足关系n_k表示加性高斯白噪声，服从CN(0,N₀)的分布。

图2所示为基于码本的预编码实施流程图，在实际应用中，基于码本的预编码技术是这样实现的，预先设计好的码本共存于发送端和接收端，各用户根据当前信道状态信息遍历码本中的矢量，依据一定准则，根据当前CSI选择最优预编码矢量，并将其对应的索引反馈给基站端，基站端根据码本索引恢复出对应预编码矢量，并根据用户调度准则对被调度用户实现预编码处理，进而实现数据传输。

图3所示为码本Ⅰ的构造示意图。码本Ⅰ的构造：首先随机生成包含n个M维列矢量集合 ${\mathrm{\Ω}}_o=\{{\stackrel{\mathrm{\τ}}{r}}_1,{\stackrel{\mathrm{\τ}}{r}}_2,L,{\stackrel{\mathrm{\τ}}{r}}_n\},$ 然后归一化得到集合 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ω}}}_o=\{\stackrel{\‾}{r_1},\stackrel{\‾}{r_2},L,\stackrel{\‾}{r_n}\};$ 依据

$\begin{array}{cc}\left|{\stackrel{\‾}{r_i}}^H\stackrel{\‾}{r_j}\right|\≤\mathrm{\τ}& i\≠j\end{array}$

其中τ表示一极小值，从选出L个列矢量组成码本ⅠΩ＝{r₁,r₂,L,r_L}。

图4所示为码本Ⅱ的构造示意图：

首先生成包含N_s个M维的列矢量集合然后归一化得集合码本Ⅱ包含L个矢量组：

即Φ＝{{g_1,1,g_1,2,L,g_1,T},{g_2,1,g_2,2,L,g_2,T},L,{g_L,1,g_L,2,L,g_L,T}}，其中第l个矢量组中第t个矢量与码本Ⅰ中第l个矢量r_l满足关系：

1-|r_l ^Hg_l,t|≤η

$s.t.g_{l,t}\∈{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}}_o$

其中l＝1,2,L,L，t＝1,2,L,T，η表示一极小值。

图5为本发明的流程图，具体包括以下步骤：

步骤51码本的构造

511：码本Ⅰ从包含n个M维列矢量归一化的随机矢量集合中选择满足内积为一个极小值的L个M维矢量构成，得到：

Ω＝{r₁,r₂,L,r_L}

各码字矢量之间非正交，使得构造码本的复杂度大大降低，容易得到覆盖较大的码本空间，从而减小匹配失败的概率。

512：码本Ⅱ的构造包括：首先生成包含N_s个M维的列矢量集合然后归一化得集合码本Ⅱ包含L个矢量组，即Φ＝{{g_1,1,g_1,2,L,g_1,T},{g_2,1,g_2,2,L,g_2,T},L,{g_L,1,g_L,2,L,g_L,T}}，其中第l个矢量组中第t个矢量与码本Ⅰ中第l个矢量r_l满足关系：1-|r_l ^Hg_l,t|≤η，l＝1,2,L,L，t＝1,2,L,T，其中的η表示一极小值。这样的码本构造方法使得码本更加精细地表征信道空间。

步骤52：待调用户信息的反馈

521：基站端和用户端共存两个码本分别为Ω和Φ，码本ⅠΩ＝{r₁,r₂,L,r_L}：码本ⅡΦ＝{{g_1,1,g_1,2,L,g_1,T},{g_2,1,g_2,2,L,g_2,T},L,{g_L,1,g_L,2,L,g_L,T}}。由于只需反馈码本Ⅱ中矢量的索引，因此反馈的总比特数为B＝log₂L+log₂T。

522：各用户根据导频序列估计得到当前CSI，然后遍历码本Ω的所有码字，从码本Ω中选出最佳匹配当前信道的码字。假设对于第k个用户，根据下式，从码本Ω中选择匹配当前CSI的码字，其对应的最优索引可表示为：

$l_{\mathrm{opt}}=\underset{1\≤l\≤L}{\arg \max }\left|H_k{r}_l\right|$

其中r_l为码本Ω中的第l矢量，r_l∈{r₁,r₂,L,r_L}。假设从码本Ω中选择到最佳匹配信道的矢量为则遍历码本Φ中第l_opt组矢量分别计算与之对应的能效比：

$G\left(Q_{l_{\mathrm{opt}},t}\right)=\frac{{\log }_2|I_N+p_k{H}_k{Q}_{l_{\mathrm{opt}},t}{H_k}^H|}{\mathrm{Tr}\left(Q_{l_{\mathrm{opt}},t}\right)}$

其中为码本Φ中第l_opt个矢量组中的第t个矢量的协方差矩阵，即I_N为N×N的单位矩阵，p_k为发送信号功率，Tr(·)表示矩阵的迹。根据最优能效准则，有

$t_{\mathrm{opt}}=\underset{1\≤t\≤T}{\arg \max }\left\{g\left(Q_{l_{\mathrm{opt}},t}\right)\right\}$

确定t_opt后，获得与当前用户CSI相对应的最优预编码矢量为以此对所有K个用户采用类似操作，从而取得所有用户的最优预编码矢量为为了表示简洁，在此并未标注用户索引号。

步骤53：基站根据收到的反馈信息进行用户调度和预编码

531：当基站收集到各个用户反馈的与最优预编码矢量所对应的索引信息后，将能效最优的用户作为第一被调度的用户，并根据第一个被调用户在码本Φ中的码本索引对应预编码矢量。

532：在确定了第一个被调度用户及对应的最优预编码矢量后，在码本Φ中，选择最佳预编码矢量与第一个被调用户最佳预编码矢量来此不同矢量组的用户作为第二个被调用户，依次类推处理，即第k个被调用户的最优预编码矢量均与前面k-1个被调度用户的最优预编码矢量来此于不同的矢量组，因此，最大调度用户数为K。由于来至不同矢量组中预编码矢量的相关性相对较小，因此该调度策略有利于抑制多用户间干扰。

533：用户调度完成之后，基站端对用户数据进行预编码和传输。接收端根据接收到的数据，采用与发送端相反的处理流程进行数据恢复，其中对于MIMO检测，这里采用MMSE准则，即对第k个用户，其对应的检测矩阵为：

$R_k=h_k^H{(H_k{H}_k^H+\frac{{\mathrm{KN}}_0}{P_0}{I}_N)}^{-1}$

其中h_k＝[H_k]_k＝[H_kT]_k，T＝{g₁′,g₂′,L,g_K′}，[·]_k表示矩阵的第k列，p₀为发送功率，N₀为高斯噪声功率，I_N为N×N的单位矩阵。通过检测处理后，第k个用户的恢复数据可表示为：

s_k＝R_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 (4)

1.一种适用于MU-MIMO系统的非正交预编码码本设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：采用非正交双码本结构设计码本Ⅰ和码本Ⅱ；

步骤二：设计好码本Ⅰ和码本Ⅱ后，存放于基站与用户端，根据各用户信道状态信息从码本Ⅰ中选择最佳匹配当前CSI的预编码矢量，将其在码本Ⅰ的索引记为l_opt，然后基于能效最优准则，从码本Ⅱ中第l_opt个矢量组中选择最佳预编码矢量并将与对应的索引反馈给基站端；

步骤三：基站收到反馈信息后，根据预编码索引恢复出与各用户关联的预编码矢量；

步骤四：基站根据多用户调度准则，从X个用户中调度K个用户，然后依次对这K个用户数据进行相应的预编码处理，再进行传输。

2.根据权利要求1所述的一种适用于MU-MIMO系统的非正交预编码码本设计方法，其特征在于：在步骤一中，构造码本Ⅰ具体包括以下步骤：

首先随机生成包含n个M维列矢量集合然后归一化得到集合依据其中τ表示一极小值，从选出L个列矢量组成码本Ⅰ，Ω＝{r₁,r₂,L,r_L}。

3.根据权利要求1所述的一种适用于MU-MIMO系统的非正交预编码码本设计方法，其特征在于：在步骤一中，码本Ⅱ的构造如下：首先生成包含N_s个M维列矢量集合然后归一化得到集合码本Ⅱ包含L个矢量组，Φ＝{{g_1,1,g_1,2,L,g_1,T},{g_2,1,g_2,2,L,g_2,T},L,{g_L,1,g_L,2,L,g_L,T}}，其中第l个矢量组中第t个矢量g_l,t与码本Ⅰ中第l个矢量r_l满足关系：其中表示一极小值。

4.根据权利要求1所述的一种适用于MU-MIMO系统的非正交预编码码本设计方法，其特征在于：LTE-A系统的物理层链路为多个用户共享，码本Ⅰ和码本Ⅱ分别存放在收发两端，码矢量选择过程在用户端完成。