CN107707284B - 一种基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法，具体如下：首先基站依据发送信号信噪比及天线数，用户数和系统频谱效率等信息来确定模拟预编码和有效信道信息的反馈比特数；用户接收之后依此估计基站到该用户之间的信道信息；然后用户设计基站对该用户的量化模拟预编码矢量后反馈给基站，基站整合反馈为模拟预编码矩阵并进行模拟预编码并发送经过模拟预编码的有效信道的训练序列；用户接收之后估计有效信道并使用基于信道统计量的码本进行量化；最后用户反馈量化的有效信道信息给基站，基站根据反馈的信道信息进行数字预编码。本发明能够有效地应用于实际场景中，可以充分减小信道量化的误差，同时提高系统的容量性能。

Description

一种基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法
技术领域
本发明涉及一种基于信道信息量化反馈设计混合预编码技术，属于大规模天线系统中混合预编码传输方法设计领域。
背景技术
近年来，大规模多天线系统由于5G无线通信的发展获得了广泛的关注。近年来的研究指出，大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)系统可以显著提升频谱效率与功率效率，并利用简单的多用户线性预编码方案，如匹配滤波(MatchedFilter，简称MF)或迫零(zero-forcing,ZF)预编码，获得空间复用增益并获取接近最优的性能。然而，与传统的多天线系统不同，随着射频(radio frequency,RF)链数量的大幅增长，功率消耗和硬件复杂度的剧烈增长成为了大规模多天线系统实现上的瓶颈。为了解决这个困境，混合预编码技术因为只需要有限数目的RF链而成为了最有吸引力的方案之一。混合预编码分为模拟预编码和数字预编码两个部分，其系统结构与传统多天线系统结构有很大的差异。在频分双工系统中，预编码环节依赖于信道估计和反馈，而反馈码本的设计在很大程度上影响了系统的传输性能。针对混合预编码系统的信道反馈与传统的MIMO系统不同。传统的MIMO系统中，基站的预编码只需要依据原始信道的信道信息。而在混合预编码系统中，基站的模拟预编码需要针对原始信道的角度信息设计；数字预编码需要依据经过模拟预编码后的有效信道信息。因此，针对混合预编码系统的信道不能使用传统的方案而需要设计新的反馈方案。
现有方案中，由于移相器具有一定精度，模拟预编码一般使用均匀角度量化码本来量化；有效信道的量化使用随机矢量量化码本。虽然现有方案完全不需要统计信道信息，实现简单且计算量小，但是它并不符合混合预编码系统的特性。传统MIMO系统的信道信息量化多使用随机矢量量化码本的原因是不同天线-用户链的信道被假设为独立同分布的。可是在混合预编码系统中的数字预编码依赖于有效信道而非原始信道，并且有效信道由于模拟预编码已经不再是独立同分布而具有一定的相关性。对于混合预编码系统中的有效信道量化，若仍使用随机矢量量化码本，信道的量化精度将会剧烈下降，进一步的，系统传输性能也将会大大降低。此外，在大规模多天线系统中反馈量也随着天线数量的增加而剧烈增加，使用低效率的反馈码本无疑会进一步加剧信道反馈的负担，使得系统传输效率进一步下降。以上原因使得广泛应用于MIMO系统的随机矢量量化码本在混合预编码系统中不再适用。
基本信道统计的码本能够很好地刻画信道的相关性，使得信道反馈的精度提高，从而提高系统的传输性能。因而，我们非常有必要研究该系统下基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法，提高系统的通信容量。
发明内容
技术问题：
针对现有技术的不足，本发明提出一种大规模多天线系统中基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法，用于解决现有方案量化精度较低导致传输性能降低的不良影响。
技术方案：
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法，具体包含如下步骤：
步骤1，依据基站的发射信号信噪比SNR、基站天线数M、用户数K和用户平均频谱效率log2b,确定模拟预编码的反馈比特数B1和有效信道信息的反馈比特数B2；
步骤2，基站将原始信道的训练序列发送给所有用户；用户k依据接收的训练序列进行下行信道估计进而获得基站到用户k的下行信道信息hk；依据
Figure BDA0001359277970000021
设计基站对用户k的模拟预编码矢量
Figure BDA0001359277970000022
之后用户k发送自己的模拟预编码矢量给基站，其中：A为量化码本，且
Figure BDA0001359277970000023
hk,j和
Figure BDA0001359277970000024
分别为hk和
Figure BDA0001359277970000025
中第j个元素，k和j都为正整数且1≤k≤K，1≤j≤M，B1为针对模拟预编码的反馈比特数；
步骤3，基站整合反馈矢量为模拟预编码矩阵并进行模拟预编码，并向所有用户发送经过模拟预编码的有效信道的训练序列；
步骤4，用户k使用基于有效信道统计量的码本Γ依据
Figure BDA0001359277970000026
进行信道估计获得量化后的基站到用户k的有效信道信息并反馈给基站；
步骤5，基站根据反馈的信道信息进行数字预编码。
作为本发明一种基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法的进一步优选方案，在步骤2中，模拟预编码的反馈比特数B1和有效信道信息的反馈比特数B2由下述公式确定：
Figure BDA0001359277970000027
其中：log2b为用户平均频谱效率；b1为中间变量，log2b1为假设有效信道没有信道估计反馈误差的用户平均频谱效率；log2b2为由有效信道估计反馈带来的用户平均频谱效率损失。若基站侧系统结构为分连接结构，ζ＝0；若基站侧系统结构为全连接结构，ζ＝1。
作为本发明一种基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法的进一步优选方案，在步骤3中，模拟预编码矩阵为
Figure BDA0001359277970000031
有效信道为
Figure BDA0001359277970000032
其中hk为基站到用户k的下行信道信息，H为共轭转置符号。
作为本发明一种基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法的进一步优选方案，在步骤4中，有效信道统计量的码本Γ的具体计算如下：
Figure BDA0001359277970000033
其中：Rk为用户k有效信道的相关矩阵；vi为服从独立同分布的随机复高斯矢量。
作为本发明一种基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法的进一步优选方案，用户k有效信道的相关矩阵为
Figure BDA0001359277970000034
其中：
若基站侧系统结构为分连接结构，
Figure BDA0001359277970000035
若基站侧系统结构为全连接结构
Figure BDA0001359277970000036
其中sinc(x)为辛格函数，其表达式为
Figure BDA0001359277970000037
x为任意实数。
有益效果：
基于上述理论基础，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明所提出的大规模多天线系统中基于统计量码本反馈的混合预编码方案可以充分刻画经过模拟预编码的有效信道的统计特性，减小有效信道量化误差，从而提高系统容量性能；
(2)本发明在预编码时，模拟预编码采用原始信道角度的共轭，数字预编码采用ZF预编码，均为线性过程，具有运算简单、实现方便的特点，且在大规模多天线系统中，其性能趋近于最优；
(3)本发明还提供了为达到系统容量需求的码本大小，对系统实现具有指导意义。
附图说明
图1是本发明提出的大规模多天线系统中基于统计量码本反馈的混合预编码方法的流程图；
图2是本发明提出的大规模多天线系统中基于统计量码本反馈的混合预编码方法的系统框图；
图3是本发明提出的基于信道统计量码本反馈的混合预编码方案与传统的基于随机矢量量化码本反馈的混合预编码在不同信噪比下的性能对比图；
图4是本发明提出的基于信道统计量码本反馈的混合预编码方案与传统的基于随机矢量量化码本反馈的混合预编码在不同基站天线数下的性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明按如下步骤实施：
1)系统依据基站的发射信号信噪SNR比、基站天线数M、用户数K和用户平均频谱效率log2b等信息，依据下式来确定模拟预编码和有效信道信息的反馈比特数的分别为B1和B2：
Figure BDA0001359277970000041
其中：log2b为用户平均频谱效率；b1为中间变量，log2b1为假设有效信道没有信道估计反馈误差的用户平均频谱效率；log2b2为由有效信道估计反馈带来的用户平均频谱效率损失；若基站侧系统结构为分连接结构，ζ＝0；若基站侧系统结构为全连接结构，ζ＝1；
2)传输开始之前，基站先发送原始信道的训练序列给所有用户；用户k依据训练序列进行下行信道估计获得基站到本用户的下行信道信息hk，并使用
Figure BDA0001359277970000042
为量化码本依据
Figure BDA0001359277970000043
设计基站对本用户的模拟预编码矢量
Figure BDA0001359277970000051
其中：hk,j和
Figure BDA0001359277970000052
分别为hk和
Figure BDA0001359277970000053
中第j个元素,k和j都为正整数且1≤k≤K，1≤j≤M，B1为针对模拟预编码的反馈比特数；之后用户k发送基站对自己的模拟预编码矢量给基站；
3)基站整合模拟预编码矩阵为
Figure BDA0001359277970000054
并进行模拟预编码，之后向所有用户发送经过模拟预编码的有效信道
Figure BDA0001359277970000055
的训练序列，其中hk为基站到用户k的下行信道信息，H为共轭转置符号；
4)用户k依据
Figure BDA0001359277970000056
进行信道估计获得量化后的基站到本用户的有效信道信息并反馈给基站；基于有效信道统计量的码本Γ由下式表示：
Figure BDA0001359277970000057
其中：
Rk为用户k有效信道的相关矩阵，且
Figure BDA0001359277970000058
vi为服从独立同分布的随机复高斯矢量；
B2为有效信道信息的反馈比特数；
若系统结构为分连接结构，
Figure BDA0001359277970000059
若系统结构为全连接结构
Figure BDA00013592779700000510
其中sinc(x)为辛格函数，其表达式为
Figure BDA00013592779700000511
x为任意实数；
5)基站接收之后整合有效信道矩阵为
Figure BDA00013592779700000512
并进行迫零数字预编码，即
Figure BDA00013592779700000513
图2是本发明提出的大规模多天线系统中基于统计量码本反馈的混合预编码方法的系统框图，表明了混合预编码基站系统和用户的系统结构关系。
图3是本发明提出的基于信道统计量码本反馈的混合预编码方案与传统的基于随机矢量量化码本反馈的混合预编码方案在不同信噪比下的性能对比，利用蒙特卡洛仿真得到。从图中可以很明显地看出，在信噪比相同的情况下，本发明提出方案的容量性能明显高于基于随机矢量量化码本反馈的混合预编码方案。
图4是本发明提出的基于信道统计量码本反馈的混合预编码方案与传统的基于随机矢量量化码本反馈的混合预编码方案在不同基站天线数下的性能对比，利用蒙特卡洛仿真得到。从图中可以很明显地看出，在基站天线数M相同的情况下，本发明提出方案的容量性能明显高于基于随机矢量量化码本反馈的混合预编码方案。
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 (3)

1.一种基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法，其特征在于：具体包含如下步骤：
步骤1，依据基站的发射信号信噪比SNR、基站天线数M、用户数K和用户平均频谱效率log2b，确定模拟预编码的反馈比特数B1和有效信道信息的反馈比特数B2；
步骤2，基站将原始信道的训练序列发送给所有用户；用户k依据接收的训练序列进行下行信道估计进而获得基站到用户k的下行信道信息hk；依据
Figure FDA0002620789730000011
设计基站对用户k的模拟预编码矢量
Figure FDA0002620789730000012
之后用户k发送自己的模拟预编码矢量给基站，其中：A为量化码本，且
Figure FDA0002620789730000013
hk,j和
Figure FDA0002620789730000014
分别为hk和
Figure FDA0002620789730000015
中第j个元素，k和j都为正整数且1≤k≤K，1≤j≤M，B1为针对模拟预编码的反馈比特数；
步骤3，基站整合反馈矢量为模拟预编码矩阵并进行模拟预编码，并向所有用户发送经过模拟预编码的有效信道的训练序列；
步骤4，用户k使用基于有效信道统计量的码本Γ依据
Figure FDA0002620789730000016
进行信道估计获得量化后的基站到用户k的有效信道信息并反馈给基站；
gk表示下行等效信道，
Figure FDA0002620789730000017
表示量化的下行等效信道；
在步骤4中，有效信道统计量的码本Γ的具体计算如下：
Figure FDA0002620789730000018
其中：Rk为用户k有效信道的相关矩阵；vi为服从独立同分布的随机复高斯矢量；
用户k有效信道的相关矩阵为
Figure FDA0002620789730000019
其中：
若基站侧系统结构为分连接结构，
Figure FDA00026207897300000110
若基站侧系统结构为全连接结构
Figure FDA0002620789730000021
其中sinc(x)为辛格函数，其表达式为
Figure FDA0002620789730000022
x为任意实数；
步骤5，基站根据反馈的信道信息进行数字预编码。
2.根据权利要求1所述的一种基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法，其特征在于：在步骤2中，模拟预编码的反馈比特数B1和有效信道信息的反馈比特数B2由下述公式确定：
Figure FDA0002620789730000023
其中：log2b为用户平均频谱效率；b1为中间变量，log2b1为假设有效信道没有信道估计反馈误差的用户平均频谱效率；log2b2为由有效信道估计反馈带来的用户平均频谱效率损失；若基站侧系统结构为分连接结构，ζ＝0；若基站侧系统结构为全连接结构，ζ＝1。
3.根据权利要求1所述的一种基于信道统计量码本量化反馈的混合预编码方法，其特征在于：在步骤3中，模拟预编码矩阵为
Figure FDA0002620789730000024
有效信道为
Figure FDA0002620789730000025
其中hk为基站到用户k的下行信道信息，H为共轭转置符号。
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