CN106301493A - 一种基于mimo-ofdma系统下行链路的波束成形方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形方法，包括：系统根据格拉斯曼方法对连续码本进行初步量化得到有限状态码本；系统根据Lloyd矢量量化方法，对所述有限状态码本进行联合量化；接收端确定每个载波频带的波束成形信息，将所述波束成形信息的对应码本的索引利用有限反馈模型反馈到发射端；所述发射端根据所述索引在码本中查找对应的波束成形信息，根据插值法，获取所有子载波的波束成形信息。本发明和现有技术相比，可有效的减少反馈数据量，提高系统的下行容量。

Description

一种基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形方法和装置

技术领域

本发明属于通信领域，尤其涉及一种基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形方法和装置。

背景技术

多用户的MIMO-OFDM(多入多出正交频分复用)系统中，有可能存在载波对于用户A的衰落较大，但对用户B的衰落却很小，因此，可采用频分多址(FDMA)获得分集增益，我们称使用这种方法的系统为MIMO-OFDMA系统。关于现有的OFDM(正交频分复用)和MIMO-OFDM(多入多出正交频分复用)系统波束成形的研究中，反馈CSI(信道状态信息)到发射端的方法，主要有统计量模型和有限反馈模型。

其中，在所述统计量模型中，将信道的统计量(如均值、方差等)反馈到发射端；这些方案共同的缺点是反馈CSI占用了大量的频谱资源。

在所述有限反馈模型中，预先构建反馈信息码本，在发射端和接收端都存贮这个码本，每次反馈的为元素在码本中的索引，从而大大减少了反馈信息量。

关于现有的OFDM和MIMO-OFDM的载波和功率分配以及多用户MIMO-OFDMA载波和比特分配的研究中，都是假设了发射端具有理想的信道状态信息(CSI)或者是部分的CSI，这些方案共同的缺点是反馈CSI占用了大量的频谱资源。

在子载波数目较大的情况下时，随着用户数和天线数的增加，反馈信道频谱的浪费也越来越大，不利于提高系统的下行容量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形方法，以解决现有技术在子载波数目较大的情况下时，随着用户数和天线数的增加，反馈信道频谱的浪费也越来越大，不利于提高系统的下行容量。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形方法，所述方法包括：

系统根据格拉斯曼方法对连续码本进行初步量化得到有限状态码本；

系统根据Lloyd矢量量化方法，对所述有限状态码本进行联合量化，得到联合量化后的小规模码本；

接收端根据容量最大化原则确定每个载波频带的波束成形矩阵和所分配的用户的波束成形信息，并将所述波束成形信息的对应码本的索引利用有限反馈模型反馈到发射端；

所述发射端根据所述索引在码本中查找对应的波束成形信息，根据插值法，获取所有子载波的波束成形信息。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能实现方式中，所述系统根据格拉斯曼方法对连续码本进行初步量化得到有限状态码本步骤包括：

根据m维欧氏空间C^m中含有N个1维子空间的集合中，对于C^m最优的装箱是N条直线之间最小夹角最大的那个集合，通过公式：

确定在第c个载波上对应的有限状态码本矩阵W，其中，是码本W的第s列，k表示载波分给的用户索引，表示第k个用第c个载波上的信道响应，双竖线表示取模运算。

结合第一方面，在第一方面的第二种可能实现方式中，所述根据Lloyd矢量量化方法，对所述有限状态码本进行联合量化，得到联合量化后的小规模码本步骤包括：

对于任一有限状态码本：计算最优分割单元：

$H_i=\left\{H\∈\mathrm{\Ψ}:\det \[I-\Σ\[{\mathrm{\Φ\Φ}}^H-V^H{\hat{F}}_i{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_i{{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_i}^H{\hat{F}}_i^{H}V\]\]\≥\det \[I-\Σ\[{\mathrm{\Φ\Φ}}^H-V^H{\hat{F}}_j{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_j{{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_j}^H{\hat{F}}_j^{H}V\]\],\∀j\≠i\right\}$

其中，i＝1,…,L，H_i为集合Ψ对于的最优分割单元，Ψ为包含大量信道实现的集合，为波束成形矩阵，为功率分配矩阵，V为对H进行奇异值分解得到的酉矩阵，即：H＝UDV^H。

对于第i个分割单元，最优的码元为：

$\left({\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_i\right)=\arg \underset{{\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_i}{\max }E\left\{\det \[I-\Σ\[{\mathrm{\Φ\Φ}}^H-V^H{\hat{F}}_i{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_i{{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_i}^H{\hat{F}}_i^{H}V\]\],H\∈H_i\right\},$

${\hat{F}}_i{\hat{F}}_i^H=I,$

$Tr\left\{{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_i{{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_i}^H\right\}=\frac{P_T}{N}$

其中，P_T为总发射功率，表示对求迹运算。

结合第一方面，在第一方面的第三种可能实现方式中，所述发射端根据所述索引在码本中查找对应的波束成形信息，根据插值法，获取所有子载波的波束成形信息步骤具体为：

将反馈索引得到的波束成形矩阵作为每个频带中间的子载波的波束成形矩阵，其他子载波的波束成形矩阵，根据所述每个频带中间的子载波的波束成形矩阵，由插值法生成。

结合第一方面的第三种可能实现方式，在第一方面的第四种可能实现方式中，所述其它子载波的波束成形矩阵，根据所述每个频带中间的子载波的波束成形矩阵，由插值法生成步骤具体为：

$\hat{G}=U_{\hat{G}}{D}_{\hat{G}}{V}_{\hat{G}}^H$

根据确定子载波的波束成形矩阵，其中：

$\widehat{\mathrm{\Φ}}=\frac{\sqrt{P}{D}_{\hat{G}}}{Tr\left(D_{\hat{G}}{D}_{\hat{G}}^H\right)}$

$\hat{G}({\mathrm{mod}}_N(qv-\frac{v}{2}+s),\mathrm{\θ})=(1-{\mathrm{\β}}_s)G(qv-\frac{v}{2})+{\mathrm{\β}}_s{e}^{j\mathrm{\θ}}G\left({\mathrm{mod}}_N(qv+\frac{v}{2})\right),$ 样点为 $G(\mathrm{qv}-\frac{v}{2}),1\≤q\≤M,$ 符号mod_N(g)表示取模N，θ为相位旋转参数，且当第q个载波频带分给了第k个用户，令v为每个频带载波数，M为频带个数，N为子载波个数，第q个频带的θ最佳值θ_q为：

${\mathrm{\&theta;}}_q=\arg \underset{0\&le;\mathrm{\&theta;}<2\mathrm{\&pi;}}{\max }\left\{\underset{m=(q-\frac{1}{2})v}{\overset{{\mathrm{mod}}_N(qv+\frac{v}{2}-1)}{\&Sigma;}}{\log }_2\det \&lsqb;I+\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_{m,\mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&Gamma;}}_{m,\mathrm{\&theta;}}^H}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\&rsqb;\right\},$ 其中，σ²为信道噪声方差，为波束成形矩阵，和为对进行奇异值分解得到的酉矩阵，即： $\hat{G}=U_{\hat{G}}{D}_{\hat{G}}{V}_{\hat{G}}^H.$

结合第一方面，在第一方面的第五种可能实现方式中，所述方法还包括：

发射端根据得到的波束成形信息，通过贪婪算法进行功率分配和自适应调制。

结合第一方面的第五种可能实现方式，在第一方面的第六种可能实现方式中，所述发射端根据得到的波束成形信息，通过贪婪算法进行功率分配和自适应调制步骤包括：

每次分配一个比特，计算由于增加这个比特所对应的每个载波的发射功率的增量，获取发射功率的增量最小的载波进行波束发射。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形装置，所述装置包括：

第一量化单元，用于由系统根据格拉斯曼方法对连续码本进行初步量化得到有限状态码本；

第二量化单元，用于由系统根据Lloyd矢量量化方法，对所述有限状态码本进行联合量化，得到联合量化后的小规模码本；

索引反馈单元，用于由接收端根据容量最大化原则确定每个载波频带的波束成形矩阵和所分配的用户的波束成形信息，并将所述波束成形信息的对应码本的索引利用有限反馈模型反馈到发射端；

信息获取单元，用于由所述发射端根据所述索引在码本中查找对应的波束成形信息，根据插值法，获取所有子载波的波束成形信息。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能实现方式中，所述第一量化单元具体用于：

根据m维欧氏空间C^m中含有N个1维子空间的集合中，对于C^m最优的装箱是N条直线之间最小夹角最大的那个集合，通过公式：

确定在第c个载波上对应的有限状态码本矩阵W，其中，是码本W的第s列，k表示载波分给的用户索引，表示第k个用第c个载波上的信道响应，双竖线表示取模运算。

结合第二方面，在第二方面的第二种可能实现方式中，所述第二量化单元具体用于：

对于任一有限状态码本：计算最优分割单元：

$H_i=\left\{H\&Element;\mathrm{\&Psi;}:\det \&lsqb;I-\&Sigma;\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}^H{\hat{F}}_i^{H}V\&rsqb;\&rsqb;\&GreaterEqual;\det \&lsqb;I-\&Sigma;\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_j{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_j{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_j}^H{\hat{F}}_j^{H}V\&rsqb;\&rsqb;,\&ForAll;j\&NotEqual;i\right\}$

其中，i＝1,…,L，H_i为集合Ψ对于的最优分割单元，Ψ为包含大量信道实现的集合，为波束成形矩阵，为功率分配矩阵，V为对H进行奇异值分解得到的酉矩阵，即：H＝UDV^H；

对于第i个分割单元，最优的码元为：

$\left({\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i\right)=\arg \underset{{\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}{\max }E\left\{\det \&lsqb;I-\&Sigma;\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}^H{\hat{F}}_i^{H}V\&rsqb;\&rsqb;,H\&NotEqual;H_i\right\},$

${\hat{F}}_i{\hat{F}}_i^H=I,$

$Tr\left\{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i^H\right\}=\frac{P_T}{N}$

其中，P_T为总发射功率，表示对求迹运算。

在本发明中，经过格拉斯曼方法对码本进行初始量化后，通过将矢量量化的有限反馈模型应用到多用户MIMO-OFDMA系统中进一步量化，根据得到小规模码本，获取波束成形信息对应的码本反馈至发射端，发射端结合插值法，从而可获取所有子载波的波束成形信息。本发明和现有技术相比，可有效的减少反馈数据量，提高系统的下行容量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形装置的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的仿真结果示意图；

图4为本发明实施例提供的又一仿真结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的一种基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形方法的实现流程，详述如下：

在步骤S101中，系统根据格拉斯曼方法对连续码本进行初步量化得到有限状态码本。

在本发明实施例中，系统模型为多用户MIMO-OFDMA系统，OFDM载波数为N，用户数为K。基站和每个用户的天线数分别为N_T和N_R，系统表达式为y＝ZHFΦx+n，其中，x为发射信号矢量，y为接收信号矢量，Φ为功率分配矩阵，F为波束成形矩阵，H为信道响应矩阵，Z为接收合并矩阵，n为加性高斯白噪声。

通过系统根据格拉斯曼方法对连续码本进行初步量化得到有限状态码本的步骤，具体解释如下：

格拉斯曼空间G(m,n)的定义：G(m,n)为所有m维欧式空间Ε^m(Ε＝R或Ε＝C)的n维子空间的集合。格拉斯曼空间装箱问题为当N一定，在Ε^m中找到N个n维子空间，使其是这个格拉斯曼空间G(m,n)的最佳近似。

存在如下定理1：C^m中含有N个1维子空间的集合中，对于C^m最优的装箱是N条直线之间最小夹角最大的那个集合。

因为信道冲激响应为复数，所以Ε＝C。此时格拉斯曼空间G(m,1)为N条过原点C^m的直线，两条直线之间的夹角定义为将定理一作为构建波束成形矢量码本的标准。将得到的码本用一个N×m的矩阵W表示(本文中m＝N_T)，w_i为其第i列元素。在第c个载波上，采用如下的方案选择波束成形矢量：

$(k,w_c^s)=\underset{w_i\&Element;W}{\underset{k\&Element;(1,\mathrm{...},K)}{\mathrm{argmax}}}\left|\right|H_c^k{w}_i|{|}^2$

k表示此载波分给的用户索引，即是码本W的第s列。等效增益表示为：

$G_E^c=\left|\right|H_c^k{w}_c^s|{|}^2.$

在步骤S102中，系统根据Lloyd矢量量化方法，对所述有限状态码本进行联合量化，得到联合量化后的小规模码本。

根据Lloyd矢量量化方法具体为：对于包含大量信道实现的集合Ψ，设计一个映射使得平均容量损失最小

$\hat{f}=\underset{(\hat{F},\widehat{\mathrm{\&Phi;}})=f\left(H\right),H\&Element;\mathrm{\&Psi;}}{max}E\{\det \&lsqb;I-\mathrm{\&Sigma;}\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H\hat{F}\widehat{\mathrm{\&Phi;}}{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}^H{\hat{F}}^{H}V\&rsqb;\&rsqb;\}.$

$C_d=-E\{{\log }_2\det \&lsqb;I-\mathrm{\&Sigma;}\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H\hat{F}\widehat{\mathrm{\&Phi;}}{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}^H{\hat{F}}^{H}V\&rsqb;\&rsqb;\}$

其中： $\mathrm{\&Sigma;}={(I+\frac{{\mathrm{DD}}^H{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}^{-1}\frac{{\mathrm{DD}}^H}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}$

具体过程如下:

①随机选择一个有限状态码本：计算最优分割单元：

$H_i=\left\{H\&Element;\mathrm{\&Psi;}:\det \&lsqb;I-\&Sigma;\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}^H{\hat{F}}_i^{H}V\&rsqb;\&rsqb;\&GreaterEqual;\det \&lsqb;I-\&Sigma;\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_j{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_j{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_j}^H{\hat{F}}_j^{H}V\&rsqb;\&rsqb;,\&ForAll;j\&NotEqual;i\right\}$

其中，i＝1,…,L，H_i为集合Ψ对于的最优分割单元。

②对于第i个分割单元，最优的“码元”为：

$\left({\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i\right)=\arg \underset{{\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}{\max }E\left\{\det \&lsqb;I-\&Sigma;\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}^H{\hat{F}}_i^{H}V\&rsqb;\&rsqb;,H\&Element;H_i\right\},$

${\hat{F}}_i{\hat{F}}_i^H=I,$

$Tr\left\{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i^H\right\}=\frac{P_T}{N}$

上式目前无法得到闭式解，这里给出一个次优解的求解方法：其思想为将包含无穷元素的空间和分别离散化，即用有限元素的子空间来近似表示整个空间。对于它为一个N_T×N_T的空间，采用格拉斯曼空间装箱的方法可以用包含w个N_T×N_T的酉矩阵的集合W来近似表示N_T×N_T的空间。对于可将发射功率P_T平均分成d份，则所有可能的功率分配结果的集合为B。求解就变为在集合W和B中搜索最优解。其中w和d的大小决定了搜索复杂度，但求解过程是离线进行的，对通信系统的复杂度没有影响，为了保证求解的精确度，w和d的取值可以适当大一些。

③上述两个步骤反复迭代，直到C_d收敛为止。

在步骤S103中，接收端根据容量最大化原则确定每个载波频带的波束成形矩阵和所分配的用户的波束成形信息，并将所述波束成形信息的对应码本的索引利用有限反馈模型反馈到发射端。

在步骤S104中，所述发射端根据所述索引在码本中查找对应的波束成形信息，根据插值法，获取所有子载波的波束成形信息。

所述根据插值法，获取所有子载波的波束成形信息具体可以包括：

a.将N个子载波分成M个频带(设N能被2M整除)，每个频带载波数为v＝N/M。每个频带分给对它来说可实现信道容量最大的用户。以第q个频带为例：

$\&lsqb;\left({\hat{F}}_q,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_q\right),k\&rsqb;=\arg \underset{1\&le;k\&le;K}{\underset{({\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i)\&Element;\mathrm{\&Omega;}}{\max }}\left\{\underset{m=(q-1)v}{\overset{qv-1}{\&Sigma;}}{\log }_2\det \&lsqb;I+\frac{H_m^k{\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{\left(H_m^k{\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i\right)}^H}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\&rsqb;\right\}$

b.将反馈索引得到的波束成形矩阵作为每个频带中间的子载波的波束成形矩阵，其他子载波的波束成形矩阵由插值得到,具体过程如下：

现有的“样点”为其中插值方案如下：

$\hat{G}({\mathrm{mod}}_N(qv-\frac{v}{2}+s),\mathrm{\&theta;})=(1-{\mathrm{\&beta;}}_s)G(qv-\frac{v}{2})+{\mathrm{\&beta;}}_s{e}^{j\mathrm{\&theta;}}G\left({\mathrm{mod}}_N(qv+\frac{v}{2})\right)$

其中：β_s＝s/v，0≤s≤v-1，符号mod_N(g)表示取模N，θ为相位旋转参数，引入它可以减少相位旋转导致的性能损失。假设第q个载波频带分给了第k个用户，令第q个频带的θ最佳值(记为θ_q)由下式来确定：

${\mathrm{\&theta;}}_q=\arg \underset{0\&le;\mathrm{\&theta;}<2\mathrm{\&pi;}}{\max }\left\{\underset{m=(q-\frac{1}{2})v}{\overset{{\mathrm{mod}}_N(qv+\frac{v}{2}-1)}{\&Sigma;}}{\log }_2\det \&lsqb;I+\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_{m,\mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&Gamma;}}_{m,\mathrm{\&theta;}}^H}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\&rsqb;\right\},$

为了简化上式的求解，将角度在[0,2π)内进行量化，均匀地分成T份，形成一个集合 $\mathrm{\&Theta;}=\{0,\frac{2\mathrm{\&pi;}}{T},\frac{4\mathrm{\&pi;}}{T},...,\frac{2(T-1)\mathrm{\&pi;}}{T}\}$

上式的求解变为在Θ内搜索最优解θ_q。将θ_q,(1≤q≤M)在Θ内的索引反馈到发射端，发射端在相同的Θ内找到每个载波频带的相位旋转参数，就可以由式进行插值，得到后，子载波的波束成形矩阵由下式确定：

$\hat{G}=U_{\hat{G}}{D}_{\hat{G}}{V}_{\hat{G}}^H$

$\hat{F}=V_{\hat{G}}$

$\widehat{\mathrm{\&Phi;}}=\frac{\sqrt{P}{D}_{\hat{G}}}{Tr\left(D_{\hat{G}}{r}_{\hat{G}}^H\right)}$

可进一步优化的实施方式，所述方法还可包括步骤S105，在步骤S105中，发射端根据得到的波束成形信息，通过贪婪算法进行功率分配和自适应调制。具体描述如下：

假设子载波上采用的M-PSK调制，当系统的误码率为P_e＝BER₀，则载波c上的信噪比与调制比特数的关系(以下用SNR＝f(b_c,P_e)表示)为：

$SNR=\left\{\begin{array}{cc}0,& b_c=0\\ \frac{1}{2}{\&lsqb;Q^{-1}\left(P_e\right)\&rsqb;}^2,& b_c=1\\ \frac{1}{2}{\&lsqb;Q^{-1}(1-\sqrt{1-P_e})\&rsqb;}^2& b_c=2\\ \frac{1}{2}{\&lsqb;\frac{Q^{-1}(P_e/2)}{sin(\mathrm{\&pi;}/2^c)}\&rsqb;}^2& b_c\&GreaterEqual;3\end{array}\right.$

其中Q(x)代表Q函数获得了波束成形信息后。进行载波上的功率分配和自适应调制,利用贪婪算法来进行载波上自适应分配比特，在总发射功率和误码率的约束下使系统容量最大。通过上面的算法，自适应的确定了载波上分配的功率和比特数(调制方式由比特数决定)，在总发射功率和系统QoS约束下，使系统容量达到最大。

贪婪算法的基本思想是：每一次分配一个比特到由于增加这个比特使发射功率的增量最小的那个载波上，步骤如下：

1).初始化：当c＝1…N_c,令b_c＝0,P_c＝0。

2.)对于所有的c，计算 ${\hat{P}}_c=\frac{N_0}{G_E^c}f(b_c+1,P_e)$ 和 ${\mathrm{\&Delta;P}}_c={\hat{P}}_c-P_c,c^{\&prime;}=\underset{c=1,\mathrm{...},N_c}{\mathrm{argmin}}{\mathrm{\&Delta;P}}_c,$

b_c′＝b_c′+1，

3).如果转到步骤2；否则转到步骤4。

4).b_c′＝b_c′-1,结束。

这里，N_c为载波数，b_c′为分配到第c'个载波的比特数，P_c′为分配到第c'个载波的发射功率，为第c个载波上的等效信道增益，N₀为噪声单边功率谱密度。

本发明实施例与现有技术相比，至少包括以下优点：

1)、相同的反馈量下本发明比现有方案能获得更大的下行容量；

2)按单位容量来衡量，本文方案所需的反馈数据量是最小的；

3)、可达到的容量与载波分成的频带数M，码本中元素数目L，角度量化份数T有关，增大任一个参数都使容量得到提高，但也会使反馈数据量相应增加，对于实际的通信系统，可以在反馈开销和下行容量之间择中选择；

4)、随着用户数和天线数的增加，有限反馈的优势越来越明显，适用于未来移动通信；

5)、通过合适选择码本元素的数目，可以在保证下行容量与理想CSI相近的同时，大大减少反馈数据量。

图2为本发明实施例提供的基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形装置示意图，详述如下：

本发明实施例所述基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形装置，包括：

第一量化单元201，用于由系统根据格拉斯曼方法对连续码本进行初步量化得到有限状态码本；

第二量化单元202，用于由系统根据Lloyd矢量量化方法，对所述有限状态码本进行联合量化，得到联合量化后的小规模码本；

索引反馈单元203，用于由接收端根据容量最大化原则确定每个载波频带的波束成形矩阵和所分配的用户的波束成形信息，并将所述波束成形信息的对应码本的索引利用有限反馈模型反馈到发射端；

信息获取单元204，用于由所述发射端根据所述索引在码本中查找对应的波束成形信息，根据插值法，获取所有子载波的波束成形信息。

优选的，所述第一量化单元具体用于：

根据m维欧氏空间C^m中含有N个1维子空间的集合中，对于C^m最优的装箱是N条直线之间最小夹角最大的那个集合，通过公式：

确定在第c个载波上对应的有限状态码本矩阵W，其中，是码本W的第s列，k表示载波分给的用户索引，表示第k个用第c个载波上的信道响应，双竖线表示取模运算。

优选的，所述第二量化单元具体用于：

对于任一有限状态码本：计算最优分割单元：

$H_i=\left\{H\&Element;\mathrm{\&Psi;}:\det \&lsqb;I-\&Sigma;\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}^H{\hat{F}}_i^{H}V\&rsqb;\&rsqb;\&GreaterEqual;\det \&lsqb;I-\&Sigma;\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_j{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_j{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_j}^H{\hat{F}}_j^{H}V\&rsqb;\&rsqb;,\&ForAll;j\&NotEqual;i\right\}$

其中，i＝1,…,L，H_i为集合Ψ对于的最优分割单元，Ψ为包含大量信道实现的集合，为波束成形矩阵，为功率分配矩阵，V为对H进行奇异值分解得到的酉矩阵，即：H＝UDV^H；

对于第i个分割单元，最优的码元为：

$\left({\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i\right)=\arg \underset{{\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}{\max }E\left\{\det \&lsqb;I-\&Sigma;\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}^H{\hat{F}}_i^{H}V\&rsqb;\&rsqb;,H\&Element;H_i\right\},$

${\hat{F}}_i{\hat{F}}_i^H=I,$

$Tr\left\{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i^H\right\}=\frac{P_T}{N}$

其中，P_T为总发射功率，表示对求迹运算。

本发明实施例所述基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形装置与图1所述基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形方法对应，在此不作重复赘述。

图3和图4为本发明提供的仿真实验效果示意图，具体描述如下：

(1)仿真条件：

子载波数为64，载波频带数M＝16，角度量化参数T＝16，仿真信道模型为COST207-RA信道，收发天线数目为4。无CSI方案采用BPSK调制，Choi方案采用16QAM调制，其他方案的调制比特c从集合中{[1,1,1,1],[2,1,2,0],[3,1,0,0],[2,2,0,0],[4,0,0,0]}选取，调制比特c＝0,1,2,3,4分别与无发送、BPSK、4QAM、8QAM、16QAM相对应。

(2)仿真内容及结果:

在COST207-RA信道模型下，仿真了本发明方案、理想CSI方案、Roh方案,、无CSI方案,、Choi方案的信道容量和误比特率随信噪比的关系。仿真结果如图3和图4所示。图3表明本发明方案和Ideal CSI方案的信道容量最接近，且比现有Roh方案,、Choi方案和无CSI的信道容量大。图4表明本发明方案的误比特率性能最接近理想CSI方案，比现有方案的误比特率性能优。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形方法，其特征在于，所述方法包括：

系统根据格拉斯曼方法对连续码本进行初步量化得到有限状态码本；

系统根据Lloyd矢量量化方法，对所述有限状态码本进行联合量化，得到联合量化后的小规模码本；

接收端根据容量最大化原则确定每个载波频带的波束成形矩阵和所分配的用户的波束成形信息，并将所述波束成形信息的对应码本的索引利用有限反馈模型反馈到发射端；

所述发射端根据所述索引在码本中查找对应的波束成形信息，根据插值法，获取所有子载波的波束成形信息。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述系统根据格拉斯曼方法对连续码本进行初步量化得到有限状态码本步骤包括：

根据m维欧氏空间C^m中含有N个1维子空间的集合中，对于C^m最优的装箱是N条直线之间最小夹角最大的那个集合，通过公式：确定在第c个载波上对应的有限状态码本矩阵W，其中，是码本W的第s列，k表示载波分给的用户索引，表示第k个用第c个载波上的信道响应，双竖线表示取模运算。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据Lloyd矢量量化方法，对所述有限状态码本进行联合量化，得到联合量化后的小规模码本步骤包括：

对于任一有限状态码本：计算最优分割单元：

$H_i=\{H\&Element;\mathrm{\&Psi;}:\det \&lsqb;I-\mathrm{\&Sigma;}\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}^H{{\hat{F}}_i}^{H}V\&rsqb;\&rsqb;\&GreaterEqual;\det \&lsqb;I-\mathrm{\&Sigma;}\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_j{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_j{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_j}^H{{\hat{F}}_j}^{H}V\&rsqb;\&rsqb;,\&ForAll;j\&NotEqual;i\}$

其中，i＝1，…，L，H_i为集合Ψ对于的最优分割单元，Ψ为包含大量信道实现的集合，为波束成形矩阵，为功率分配矩阵，V为对H进行奇异值分解得到的酉矩阵，即：H＝UDV^H；

对于第i个分割单元，最优的码元为：

$({\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i)=\arg \underset{{\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}{max}E\{\det \&lsqb;I-\mathrm{\&Sigma;}({\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}^H{{\hat{F}}_i}^{H}V)\&rsqb;,H\&Element;H_i\},$

${\hat{F}}_i{{\hat{F}}_i}^H=I,$

$Tr\left\{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}^H\right\}=\frac{P_T}{N}$

其中，P_T为总发射功率，表示对求迹运算。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述发射端根据所述索引在码本中查找对应的波束成形信息，根据插值法，获取所有子载波的波束成形信息步骤具体为：

将反馈索引得到的波束成形矩阵作为每个频带中间的子载波的波束成形矩阵，其他子载波的波束成形矩阵，根据所述每个频带中间的子载波的波束成形矩阵，由插值法生成。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述其它子载波的波束成形矩阵，根据所述每个频带中间的子载波的波束成形矩阵，由插值法生成步骤具体为：

根据 $\begin{array}{c}\hat{G}=U_{\hat{G}}{D}_{\hat{G}}{V}_{\hat{G}}^H\\ \hat{F}=V_{\hat{G}}\\ \widehat{\mathrm{\&Phi;}}=\frac{\sqrt{P}{D}_{\hat{G}}}{Tr\left(D_{\hat{G}}{D}_{\hat{G}}^H\right)}\end{array}$ 确定子载波的波束成形矩阵，其中：

$\hat{G}({\mathrm{mod}}_N(qv-\frac{v}{2}+s),\mathrm{\&theta;})=(1-{\mathrm{\&beta;}}_s)G(qv-\frac{v}{2})+{\mathrm{\&beta;}}_s{e}^{j\mathrm{\&theta;}}G\left({\mathrm{mod}}_N(qv+\frac{v}{2})\right),$ 样点为 $G(qv-\frac{v}{2}),1\&le;q\&le;M,$ β_s＝s/v，0≤s≤v-1，符号mod_N(g)表示取模N，θ为相位旋转参数，且当第q个载波频带分给了第k个用户，令v为每个频带载波数，M为频带个数，N为子载波个数，第q个频带的θ最佳值θ_q为：

${\mathrm{\&theta;}}_q=\arg \underset{0\&le;\mathrm{\&theta;}<2\mathrm{\&pi;}}{\max }\left\{\underset{m=(q-\frac{1}{2})v}{\overset{{\mathrm{mod}}_N(qv+\frac{v}{2}-1)}{\&Sigma;}}{\log }_2\det \&lsqb;I+\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_{m,\mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&Gamma;}}_{m,\mathrm{\&theta;}}^H}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\&rsqb;\right\},$ 其中，σ²为信道噪声方差，为波束成形矩阵，和为对进行奇异值分解得到的酉矩阵，即： $\hat{G}=U_{\hat{G}}{D}_{\hat{G}}{V}_{\hat{G}}^H.$

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括：

发射端根据得到的波束成形信息，通过贪婪算法进行功率分配和自适应调制。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述发射端根据得到的波束成形信息，通过贪婪算法进行功率分配和自适应调制步骤包括：

每次分配一个比特，计算由于增加这个比特所对应的每个载波的发射功率的增量，获取发射功率的增量最小的载波进行波束发射。

8.一种基于MIMO-OFDMA系统下行链路的波束成形装置，其特征在于，所述装置包括：

第一量化单元，用于由系统根据格拉斯曼方法对连续码本进行初步量化得到有限状态码本；

第二量化单元，用于由系统根据Lloyd矢量量化方法，对所述有限状态码本进行联合量化，得到联合量化后的小规模码本；

索引反馈单元，用于由接收端根据容量最大化原则确定每个载波频带的波束成形矩阵和所分配的用户的波束成形信息，并将所述波束成形信息的对应码本的索引利用有限反馈模型反馈到发射端；

信息获取单元，用于由所述发射端根据所述索引在码本中查找对应的波束成形信息，根据插值法，获取所有子载波的波束成形信息。

9.根据权利要求8所述装置，其特征在于，所述第一量化单元具体用于：

根据m维欧氏空间C^m中含有N个1维子空间的集合中，对于C^m最优的装箱是N条直线之间最小夹角最大的那个集合，通过公式：

确定在第c个载波上对应的有限状态码本矩阵W，其中，是码本W的第s列，k表示载波分给的用户索引，表示第k个用第c个载波上的信道响应，双竖线表示取模运算。

10.根据权利要求8所述装置，其特征在于，所述第二量化单元具体用于：

对于任一有限状态码本：计算最优分割单元：

$H_i=\{H\&Element;\mathrm{\&Psi;}:\det \&lsqb;I-\mathrm{\&Sigma;}\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}^H{{\hat{F}}_i}^{H}V\&rsqb;\&rsqb;\&GreaterEqual;\det \&lsqb;I-\mathrm{\&Sigma;}\&lsqb;{\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_j{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_j{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_j}^H{{\hat{F}}_j}^{H}V\&rsqb;\&rsqb;,\&ForAll;j\&NotEqual;i\}$

其中，i＝1,…,L，H_i为集合Ψ对于的最优分割单元，Ψ为包含大量信道实现的集合，为波束成形矩阵，为功率分配矩阵，V为对H进行奇异值分解得到的酉矩阵，即：H＝UDV^H；

对于第i个分割单元，最优的码元为：

$({\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i)=\arg \underset{{\hat{F}}_i,{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}{max}E\{\det \&lsqb;I-\mathrm{\&Sigma;}({\mathrm{\&Phi;\&Phi;}}^H-V^H{\hat{F}}_i{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}^H{{\hat{F}}_i}^{H}V)\&rsqb;,H\&Element;H_i\},$

${\hat{F}}_i{{\hat{F}}_i}^H=I,$

$Tr\left\{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i{{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_i}^H\right\}=\frac{P_T}{N}$

其中，P_T为总发射功率，表示对求迹运算。