CN106100712B - 大规模mimo系统中基于双码本的预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO系统中基于双码本的预编码方法，主要解决现有技术接收端反馈开销大、码本搜索复杂度高的问题。其实现步骤是：1.接收端生成第一码本；2.接收端根据Householder变换生成第二码本；3.接收端选择第一码本最优码字并记录对应的奇异值；4.接收端选择第二码本最优码字并记录对应的奇异值；5.接收端确定最优预编码矩阵及最优预编码矩阵索引信息，并将该最优预编码矩阵索引信息反馈到发射端；6.发射端根据接收端反馈的索引信息选择预编码矩阵，进行预编码。本发明减少了接收端反馈索引信息的开销，降低了码本的搜索复杂度，可用于大规模MIMO无线通信系统。

Description

大规模MIMO系统中基于双码本的预编码方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种多输入多输出MIMO预编码方法，具有码本搜索复杂度低，反馈开销低等特点。

背景技术

近年来，大规模多输入多输出MIMO技术和毫米波技术被认为是未来第五代5G移动通信关键技术的一部分，引起了学术界的广泛关注。大规模MIMO是在传统MIMO基础上扩展而来的，相比传统MIMO，大规模MIMO天线数目急剧增加，在相同的时频资源条件下，可以等效更多的平行子信道，进一步提高系统的传输速率。然而，由于基站端的空间有限，部署大规模天线阵列需要减小天线间的距离。毫米波频段波长短，可以在小间距的情况下保证天线间相互独立，为大规模MIMO技术的实现提供了可能。

MIMO预编码技术可以改变发送功率，调整发射方向使得系统得到更高的系统容量、更低的误码率和更低的复杂度，但是大规模MIMO系统中，因天线数目庞大使得信道矩阵H维数迅速增大，基于非码本的预编码技术不再适用，而基于码本的线性预编码技术成了关注的焦点，其中码本的设计是至关重要的，因为信道的反馈是有限的，维数大的码本可以增加预编码的性能，但是在大规模系统中反馈的长度和系统的复杂度是值得注意的因素。因此，我们需要均衡预编码准确性和反馈长度使得系统整体性能最大化。

普天信息技术研究院有限公司申请的专利“一种采用双码本进行信道信息反馈的方法和系统”(专利申请号：201010289774.2，公开号：CN102412939A)公开了一种采用双码本进行信道信息反馈的方法。该方法的步骤为：第一，信号接收方从现有技术的预编码矩阵的码本中选出一级最优码字；第二，信号接收方结合信道状态信息和所述一级最优码字组成的函数，按容量最大化标准从预先设置的二级码本中选出二级最优码字；第三，信号接收方生成包含所选择的一级最优码字的码字索引和二级最优码字的码字索引的反馈信息并发送至信号发送方；第四，信号发送方根据所接收反馈信息，生成预编码矩阵为一级最优码字和二级最优码字的乘积。该方法利用双码本进行信道信息反馈，更为精确的反映实际的信道条件，提高系统的整体性能。该方法的不足之处是：码本生成较复杂，反馈开销较大，并且码本搜索复杂度较高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种大规模MIMO系统中基于双码本的预编码方法，以减小接收端的反馈开销，降低码本搜索复杂度。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)接收端生成第一码本W₁：

(2)接收端根据第一码本生成第二码本W₂：

2a)接收端根据Householder变换对第一码本的每一列进行扩展，得到第二码本矩阵W_2n，其中n表示第一码本列的序号，n＝1,…,N，N为第一码本的波束矢量数目；

2b)根据第二码本矩阵W_2n最终生成第二码本W₂＝{W_2n}；

(3)接收端选择第一码本最优码字：

3a)接收端根据最大化最小奇异值选择准则遍历第一码本产生第一码本最优码字U_1p，并将第一码本最优码字U_1p表示为列向量α_l的集合，即U_1p＝[α₁,α₂,…,α_l,…,α_L]，其中α_l为第一码本最优码字的第l列向量，l＝1,…,L，L为空间复用层数；

3b)储存第一码本最优码字对应的奇异值λ₁及第一码本最优码字U_1p在第一码本中的索引信息P1；

(4)接收端选择第二码本最优码字：

4a)接收端根据第一码本最优码字U_1p的第l列向量α_l，找到第l列向量α_l扩展得到的第二码本矩阵W_2k∈W₂，用所有L列向量扩展的得到的第二码本矩阵W_2k组成第二码本矩阵集{W_2k}，其中k表示第一码本最优码字U_1p的第l列向量α_l在第一码本中的序号，k∈1,…,N；

4b)接收端每次从第二码本矩阵集{W_2k}的每个第二码本矩阵中各选择一列组成待选码字U₂，用所有选出的待选码字组成待选码字集{U₂}；

4c)接收端根据最大化最小奇异值选择准则遍历待选码字集{U₂}产生第二码本最优码字U_2p；

4d)储存第二码本最优码字对应的奇异值λ₂及第二码本最优码字U_2p在第二码本中的索引信息P2；

(5)接收端比较奇异值大小：

接收端将第一码本最优码字对应的奇异值λ₁与第二码本最优码字对应的奇异值λ₂进行比较：若λ₁>λ₂，则执行步骤(6)，若λ₁<λ₂，则执行步骤(7)；

(6)从第一码本中选择预编码矩阵和索引信息P：

选择第一码本最优码字U_1p作为最优预编码矩阵，选择第一码本最优码字U_1p在第一码本中的索引信息P1作为最优预编码矩阵的索引信息P；

(7)从第二码本中选择预编码矩阵和索引信息P：

选择第二码本最优码字U_2p作为最优预编码矩阵，选择第二码本最优码字U_2p在第二码本中的索引信息P2作为最优预编码矩阵的索引信息P；

(8)接收端将最优预编码矩阵索引信息P反馈回发射端；

(9)发射端根据最优预编码矩阵索引信息P，在相同的码本中找到对应的预编码矩阵U，用索引信息P对应的预编码矩阵对待发送信息x进行预编码，得到预编码后的发送信息x_t＝Ux。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)由于本发明中第二码本是根据第一码本得到，在搜索相应的第二码本最优码字时，不需要遍历第二码本所有码字，只需要找到第一码本最优码字的列向量对应的第二码本矩阵集，在第二码本矩阵集中找出第二码本最优码字，克服了现有的双码本方案码本搜索复杂度高的不足，减小了搜索的复杂度。

2)本发明的接收端由于在两个码本的最优码字中选择其中一个码本的最优码字作为预编码矩阵，接收端仅需要反馈其中一个码本的最优码字的索引信息，克服了现有的双码本方案反馈两个码本的最优码字的索引信息，造成反馈开销大的不足，减小了接收端的反馈开销。

3)本发明由于在接收端对第一码本最优码字的奇异值和第二码本最优码字的奇异值进行比较决定最优预编码矩阵，这种自适应的选择方式，克服了现有技术只使用第一码本最优码字匹配信道状态信息不够精确的不足，提高了匹配信道状态信息的精确性。

附图说明

图1为本发明的实现总流程图。

图2为本发明中确定最优预编码矩阵及最优预编码矩阵索引信息的子流程图。

具体实施方式

考虑一个点对点大规模MIMO无线通信系统，该系统配有M根发射天线，R根接收天线。待发送信息x通过预编码矩阵U进行预预编码，接收端接收到的等效基带信号y的形式如下：

y＝HUx+n

其中，H表示基站天线对应的信道增益，n为噪声矢量，其中元素服从均值为0，方差为N₀的独立同分布的复高斯分布。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1、接收端生成第一码本W₁。

现有技术中，生成第一码本W₁的方式较多，例如：IEEE802.15.3c码本生成方式、DFT码本生成方式、Kerdock码本生成方式、LTE R8码本生成方式、格拉斯曼装箱码本生成方式、矢量量化码本生成方式等。

本发明采用的码本生成方式为：IEEE802.15.3c码本生成方式和DFT码本生成方式。

实施例1，接收端采用IEEE802.15.3c码本生成方式生成第一码本W₁：

首先，生成第一码本W₁的第m行第n列的元素值：

其中，fix(·)表示元素向零取整符号，mod(·)表示元素取余数符号，m表示第一码本行的序号，m＝1,…,M，M为发射天线数目，n表示第一码本列的序号，n＝1,…,N，N为第一码本的波束矢量数目，j表示为(-1)^1/2。

然后用所有行、列的元素值构成第一码本

实施例2，接收端采用DFT码本生成方式生成第一码本W₁：

首先生成第一码本W₁的第m行第n列的元素值：

然后用所有行、列的元素值构成第一码本

步骤2、接收端生成第二码本W₂。

2a)接收端根据Householder变换对第一码本的每一列进行扩展，得到第二码本矩阵W_2n：

其中，I表示单位矩阵，w₁(n)表示第一码本的第n列，表示第一码本的第n列的复共轭转置。

2b)根据第二码本矩阵W_2n最终生成第二码本W₂＝{W_2n}。

步骤3、接收端选择第一码本最优码字。

3a)接收端根据最大化最小奇异值选择准则遍历第一码本产生第一码本最优码字U_1p：

其中argmaxf(·)表示取满足函数f(·)最大的自变量，λ_1min(·)表示第一码本待选码字对应的奇异值的最小值，H表示基站天线对应的信道增益，U₁表示第一码本的一个待选码字。

3b)将第一码本最优码字U_1p表示为列向量α_l的集合，即U_1p＝[α₁,α₂,…,α_l,…,α_L]，其中α_l为第一码本最优码字的第l列向量，l＝1,…,L，L为空间复用层数。

3c)储存第一码本最优码字对应的奇异值λ₁及第一码本最优码字U_1p在第一码本中的索引信息P1。

步骤4、接收端选择第二码本最优码字。

4a)接收端根据第一码本最优码字U_1p的第l列向量α_l，找到第l列向量α_l扩展得到的第二码本矩阵W_2k∈W₂，用所有L列向量扩展的得到的第二码本矩阵W_2k组成第二码本矩阵集{W_2k}，其中k表示第一码本最优码字U_1p的第l列向量α_l在第一码本中的序号，k∈1,…,N。

4b)接收端每次从第二码本矩阵集{W_2k}的每个第二码本矩阵中各选择一列组成待选码字U₂，用所有选出的待选码字组成待选码字集{U₂}。

4c)接收端根据最大化最小奇异值选择准则遍历待选码字集{U₂}产生第二码本最优码字U_2p：

其中λ_2min(·)表示第二码本待选码字对应的奇异值的最小值，U₂表示第二码本的一个待选码字。

4d)储存第二码本最优码字对应的奇异值λ₂及第二码本最优码字U_2p在第二码本中的索引信息P2。

步骤5、接收端比较奇异值大小，选择预编码矩阵和索引信息P。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

5a)接收端将第一码本最优码字对应的奇异值λ₁与第二码本最优码字对应的奇异值λ₂进行比较：若λ₁>λ₂，则执行步骤5b)，若λ₁<λ₂，则执行步骤5c)。

5b)选择第一码本最优码字U_1p作为最优预编码矩阵，选择第一码本最优码字U_1p在第一码本中的索引信息P1作为最优预编码矩阵的索引信息P。

5c)选择第二码本最优码字U_2p作为最优预编码矩阵，选择第二码本最优码字U_2p在第二码本中的索引信息P2作为最优预编码矩阵的索引信息P。

步骤6、接收端将最优预编码矩阵索引信息P反馈回发射端。

步骤7、发射端根据最优预编码矩阵索引信息P，在相同的码本中找到对应的预编码矩阵U，用索引信息P对应的预编码矩阵对待发送信息x进行预编码，得到预编码后的发送信息x_t＝Ux。

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 (5)

1.大规模MIMO系统中基于双码本的预编码方法，包括如下步骤：

(1)接收端生成第一码本W₁：

(2)接收端根据第一码本生成第二码本W₂：

2a)接收端根据Householder变换对第一码本的每一列进行扩展，得到第二码本矩阵W_2n，其中n表示第一码本列的序号，n＝1,…,N，N为第一码本的波束矢量数目；

2b)根据第二码本矩阵W_2n最终生成第二码本W₂＝{W_2n}；

(3)接收端选择第一码本最优码字：

3a)接收端根据最大化最小奇异值选择准则遍历第一码本产生第一码本最优码字U_1p，并将第一码本最优码字U_1p表示为列向量α_l的集合，即U_1p＝[α₁,α₂,…,α_l,…,α_L]，其中α_l为第一码本最优码字的第l列向量，l＝1,…,L，L为空间复用层数；

3b)储存第一码本最优码字对应的奇异值λ₁及第一码本最优码字U_1p在第一码本中的索引信息P1；

(4)接收端选择第二码本最优码字：

4a)接收端根据第一码本最优码字U_1p的第l列向量α_l，找到第l列向量α_l扩展得到的第二码本矩阵W_2k∈W₂，用所有L列向量扩展的得到的第二码本矩阵W_2k组成第二码本矩阵集{W_2k}，其中k表示第一码本最优码字U_1p的第l列向量α_l在第一码本中的序号，k∈1,…,N；

4b)接收端每次从第二码本矩阵集{W_2k}的每个第二码本矩阵中各选择一列组成待选码字U₂，用所有选出的待选码字组成待选码字集{U₂}；

4c)接收端根据最大化最小奇异值选择准则遍历待选码字集{U₂}产生第二码本最优码字U_2p；

4d)储存第二码本最优码字对应的奇异值λ₂及第二码本最优码字U_2p在第二码本中的索引信息P2；

(5)接收端比较奇异值大小：

接收端将第一码本最优码字对应的奇异值λ₁与第二码本最优码字对应的奇异值λ₂进行比较：若λ₁＞λ₂，则执行步骤(6)，若λ₁＜λ₂，则执行步骤(7)；

(6)从第一码本中选择预编码矩阵和索引信息P：

选择第一码本最优码字U_1p作为最优预编码矩阵，选择第一码本最优码字U_1p在第一码本中的索引信息P1作为最优预编码矩阵的索引信息P；

(7)从第二码本中选择预编码矩阵和索引信息P：

选择第二码本最优码字U_2p作为最优预编码矩阵，选择第二码本最优码字U_2p在第二码本中的索引信息P2作为最优预编码矩阵的索引信息P；

(8)接收端将最优预编码矩阵索引信息P反馈回发射端；

(9)发射端根据最优预编码矩阵索引信息P，在相同的码本中找到对应的预编码矩阵U，用索引信息P对应的预编码矩阵对待发送信息x进行预编码，得到预编码后的发送信息x_t＝Ux。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中接收端生成第一码本，包括如下生成方式：

第一种方式：根据IEEE802.15.3c中码本的生成方式生成第一码本W₁的第m行第n列的元素值：

其中，fix(·)表示元素向零取整符号，mod(·)表示元素取余数符号，m表示第一码本行的序号，m＝1,…,M，M为发射天线数目，n表示第一码本列的序号，n＝1,…,N，N为第一码本的波束矢量数目，j表示为(-1)^1/2；

用所有行、列的元素值构成第一码本第二种方式：根据DFT码本生成方式生成第一码本W₁的第m行第n列的元素值：

用所有行、列的元素值构成第一码本

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2a)中接收端根据Householder变换对第一码本的每一列进行扩展，得到第二码本矩阵W_2n，表示如下：

其中，I表示单位矩阵，w₁(n)表示第一码本的第n列，表示第一码本的第n列的复共轭转置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3a)中接收端根据最大化最小奇异值选择准则遍历第一码本产生第一码本最优码字U_1p，表示如下：

其中argmax(·)表示取满足函数f(·)最大的自变量，λ_1min(·)表示第一码本待选码字对应的奇异值的最小值，H表示基站天线对应的信道增益，U₁表示第一码本的一个待选码字。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4c)中接收端根据最大化最小奇异值选择准则遍历第二码本产生第二码本最优码字U_2p，表示如下：

其中argmax(·)表示取满足函数f(·)最大的自变量，λ_2min(·)表示第二码本待选码字对应的奇异值的最小值，H表示基站天线对应的信道增益，U₂表示第二码本的一个待选码字。