CN108880642B - 基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法。该方法包括：选取码本中不同方向的多个码字，每个码字为一个方向向量，将所有的方向向量构成方向向量集合，将方向向量集合平均划分为多个组，在每个分组内选取一个方向向量作为该组的方向标记；针对待量化的用户的信道向量，计算出信道向量与各个组的方向标记之间的距离值，将距离值最小的方向标记所在组确定为待选码本组；从待选码本组中的所有方向向量中选择出信道向量对应的最优码字。本发明实施例的方法缩小了待选码字的数量，降低了系统在信道向量的量化过程中的计算复杂度，通过对系统容量以及计算复杂度之间的权衡可以提高系统性能。

Description

基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法。

背景技术

大规模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出技术)被视为下一代移动通信的核心技术。在MIMO系统中，基站与用户之间信息传输需要基站端具备下行链路的信道状态信息来对信息进行预编码，因此CSI(Channel State Information，信道状态信息)在信息传输中发挥着至关重要的作用。

TDD(Time Division Duplexing，时分双工)技术在同一频率信道中进行发送和接收，上下行链路具有对称的特性，因此基站端可以通过用户端发送的导频序列估计上行信道，再通过对称性得到下行信道信息。但是不同小区的用户向基站端发送导频序列时准确度降低，从而产生了导频污染问题。

在采用FDD(Frequency Division Duplex，频分双工)技术的Massive MIMO系统中，由于FDD下的上下行链路并不具有即时对称性，基站端不能直接得到信道状态信息，因此需要用户端通过反馈链路将量化得到的信道状态信息反馈给基站端。

在现有技术中的采用FDD技术的Massive MIMO系统中，研究了FDD系统下使用随机矢量量化方法时的有限反馈系统性能与反馈比特之间的关系。还提出了FDD系统有限反馈中基于随机矢量量化用于提高和速率的软切换模型。

现有技术中的采用FDD技术的Massive MIMO系统的缺点为：将有限反馈技术运用到massive MIMO技术中，由于用户数量大，反馈比特数增加，码本数增加，量化的复杂度随之大大增加。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法，以克服现有技术的缺点。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法，包括：

选取不同方向的方向向量构成方向向量集合，该方向向量集合称之为码本。码本中每个方向向量为一个码字，将所述方向向量集合平均划分为多个组，在每个分组内选取一个方向向量作为该组的方向标记；

针对待量化的用户的信道向量，分别计算出所述信道向量与各个组的方向标记之间的距离值，将距离值最小的方向标记所在组确定为待选码本组；

从所述待选码本组中的所有方向向量中选择出所述信道向量对应的最优码字。

进一步地，所述的选取码本中不同方向的多个码字，每个码字为一个方向向量，将所有的方向向量构成方向向量集合，将所述方向向量集合平均划分为多个组，包括：

随机选取码本中2^B个不同方向的码字，每个码字为一个方向向量v，将所有的方向向量v构成集合C，

B为反馈比特数，C为码本；

对方向向量集合C进行平均分组，将方向向量集合C分为L组：C₁,C₂,C₃,..C_l.,C_L，

其中，l＝1,2,3,...,L，L<2^B。

进一步地，所述在每个分组内选取一个方向向量作为该组的方向标记，包括：在每个分组内，选取位于分组中间的方向向量d_l作为该组的方向标记，

进一步地，所述的针对待量化的用户的信道向量，分别计算出所述信道向量与各个组的方向标记之间的距离值，将距离值最小的方向标记所在组确定为待选码本组，包括：

对第i个用户的信道向量h_i进行量化时，分别计算出信道向量h_i与所有组的方向标记d_l之间的距离值，所述距离值为内积值，分别计算出信道向量h_i与所有组的方向标记d_l之间的内积值Q_l；

得到最小的内积值Q_lmin对应的方向标记d_lmin，将方向标记d_lmin所在组确定为待选码本组。

进一步地，所述的从所述待选码本组中的所有方向向量中选择出所述信道向量对应的最优码字，包括：

待选码本组中的所有向量为：

分别计算出信道向量h_i与待选码本组内所有向量之间的距离值，将最小的距离值对应的向量确认为与信道向量h_i最相近的向量，该最相近的向量即为所述信道向量h_i的最优码字。

进一步地，所述的方法还包括：

所述信道向量h_i与待选码本组内所有向量之间的距离值为内积值Q_j，计算公式如下：

得到最小的内积值Q_jmin对应的向量v_jmin，将向量v_jmin确认为与所述信道向量h_i最相近的向量，向量v_jmin即为所述信道向量h_i的最优码字，用户端将所述最优码字的码本标号反馈给基站端。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例在大规模MIMO有限反馈系统中基站与用户之间，提出了基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法。复杂度分析与仿真结果表明，本发明实施例的方法缩小了待选码字的数量，降低了系统在信道向量的量化过程中的计算复杂度，通过对系统容量以及计算复杂度之间的权衡可以提高系统性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于方向标记的量化方法的处理流程图；

图2为本发明实施例提供的一种对方向向量v进行平均分组的示意图。

图3为本发明实施例提供的一种量化码本分组与未分组的系统容量对比示意图。

图4为本发明实施例提供的一种不同分组数量的系统容量对比示意图。

图5为本发明实施例提供的一种不同分组数量与未分组的系统容量对比示意图。

图6为本发明实施例提供的一种不同用户数目时系统容量的对比示意图。

图7为本发明实施例提供的一种不同反馈比特数时码本分组量化方法的系统容量对比示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

为了减小计算复杂度，本发明实施例提出了一种基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法。

本发明实施例提出了基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法，首先将码本中2^B个码字平均均匀分组，在每一组中选取一个方向向量为本组方向标记向量，对某一信道向量进行量化时，首先与方向标记进行比较，选取与信道向量之间内积最小的方向标记所在组为待选码本组，在待选码本组内进行量化，选取内积最小的码字为上述信道向量的最优码字。

考虑一个大规模MIMO系统中下行系统，系统为单基站模型，基站端天线数为M，在实际中此天线数量通常大于100，小区中随机分布的用户数为K，则第i个用户(其中i＝1,2,...,K)接收到的信号如公式(1)所示。

其中n_i是均值为0，方差为1的加性高斯白噪声，h_i第i个用户的信道向量，假定信道为块衰落并且块与块之间的衰落是独立的，信道服从瑞丽衰落且为平坦信道。v_i和x_i是对第i个用户的预编码向量和发送信息向量,其中

基站的发射功率为P,即满足E||x²||≤P。

每个用户端将信道信息量化成B个比特反馈给基站端。每个量化码本包含2^B个单位方向向量

用户端在2^B个单位方向向量中选取与信道向量最接近的最佳码字v_clost，然后，将最佳码字的码本标号反馈给基站端，基站端才能得到信道状态信息。码本标号通常由内积表示。其中第i个用户的码本标号R_i如公式(2)所示

然后将码本标号R_i反馈给基站端，基站端选择码本标号R_i的码字作为信道状态信息，再根据信道状态信息进行预编码。

则第i个用户的信噪比如公式(3)所示

系统容量C为

为了解决大规模MIMO系统下量化过程计算复杂度较大的问题，本发明实施例提出了基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法。此算法将量化码本平均分组，每组内选取一个量化向量为本组的方向标记向量。量化时，信道向量与各组的方向标记向量进行比较，与信道向量最接近的方向标记向量所在组为待选码本组，在待选码本组内进行量化，与信道向量最接近的向量为最佳码字。

本发明实施例提供的一种基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤S10：初始化，随机选取码本中2^B个(B为反馈比特数)不同方向的码字，每个码字为一个方向向量v，将所有的方向向量v构成集合C，

步骤S20：图2为本发明实施例提供的一种对方向向量集合进行平均分组的示意图。对选取的方向向量集合C进行平均分组，将方向向量集合C分为L组：C₁,C₂,C₃,..C_l.,C_L，

其中，l＝1,2,3,...,L，L<2^B。

每个分组可以看成一个区域，因此，可以看出将方向向量集合C均匀划分为L个区域C₁,C₂,C₃,..C_I.,C_L

步骤S30：在L个分组内每组选取一个方向向量作为该组的方向标记，作为本发明的一个优先实施例，方向标记可以选取每组中间的向量

不同的方向标记的选取方案会影响系统性能，具体的影响在本发明实施例中不做研究。

步骤S40：不失一般性，以量化第i个用户的信道向量h_i为例，对信道向量h_i进行量化时，计算出信道向量h_i与所有组的方向标记d_l之间的距离值，得到最小的距离值对应的方向标记。优选地，上述距离值由内积值表示，根据下面的公式5计算出信道向量h_i与所有组的方向标记d_l之间的内积值。

内积值：

得到最小的内积值Q_Imin对应的方向标记d_lmin。

步骤5：内积最小的方向标记d_lmin所在组为待选码本组，待选码本组中的所有向量为：

在待选码本组内进行量化，分别将信道向量h_i与待选码本组内所有向量进行比较，分别计算出信道向量h_i与待选码本组内所有向量之间的距离值，得到最小的距离值对应的向量确认为与信道向量h_i最相近的向量，该最相近的向量即为用户i的信道向量h_i的最优码字。

优选地，上述距离值可以为内积值Q_j，计算公式如下：

得到最小的内积值Q_jmin对应的向量v_jmin，将向量v_jmin确认为与信道向量h_i最相近的向量，向量v_jmin即为用户i的信道向量h_i的最优码字。然后，用户端将上述最优码字的码本标号反馈给基站端。

本领域技术人员应能理解上述内积值的计算公式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的内积值的计算方式如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

仿真结果

为了观察提出的算法的性能，用Matlab软件进行了仿真实验，构建了大规模MIMO下的有限反馈系统，并且在量化过程中使用了码本分组量化方法，并且使用系统容量为衡量系统性能的指标。仿真过程中设置的具体参数为基站数S为1，基站端天线数N为100，单位小区的用户数K为4，反馈比特数B为4。

首先对采取了基于方向标记的分组量化方法的系统容量与传统量化方法下的系统容量进行仿真对比。

在发送端配置天线数N为100，接收端用户数K为2，反馈比特数B为4时，在有限反馈系统中使用码本分组与未使用码本分组在信噪比0dB-30dB的区间内，间隔为5dB取7个观测点。图3为本发明实施例提供的一种量化码本分组与未分组的系统容量对比示意图，由图3可知，码本分组量化与未分组量化在相同的信噪比下系统容量较差，两者都随着信噪比增加系统容量而增加，并且两者之间的容量差在0dB-15dB之间较小，在15dB-25dB之间先增大在减小，大于25dB时逐渐增大，未分组情况下量化码本是在2^B的不同方向向量中逐一进行比较，分组时首先只能与分组数目相同的方向标记向量进行比较，此时与未分组情况相比，量化向量与信道向量之间的误差增加，系统容量降低。

在天线数N为100，反馈比特数B为4，在提出的基于有限反馈的码本分组量化方法下，当分组数量增加时观察系统容量的变化，图4为本发明实施例提供的一种不同分组数量的系统容量对比示意图，由图4可知，随着分组数量的增加，X为4、8、12时，随着信噪比的增加，系统容量的增长趋势相同，并且当分组数增加时方向标记向量数目随之增加，选取方向标记时与原始信道向量之间的误差降低，因此系统容量增加,可知当分组数目增加时可以在一定程度上提高系统容量。

图5为本发明实施例提供的一种不同分组数量与未分组的系统容量对比示意图，由图5可知，当分组数目X为4、8、12、未分组时，系统容量的增长趋势相同，未分组情况相当于将码本分为2^B组，即为分组数的最大值，此时为分组情况下可以达到的误差最小的情况，系统容量达到最大值。因此当分组数增加时，系统容量逐渐接近未分组时的系统容量曲线。当分组数达到12时与未分组相比系统容量差距为未分组系统容量的14％左右。

为了研究用户数目对码本分组量化方法的影响，在仿真过程中分别将用户数设置为2、4、8，对比此时的不同用户数目下的系统容量。图6为本发明实施例提供的一种不同用户数目时系统容量的对比示意图，由图6可以发现，当用户数目逐渐递增时，系统容量逐渐增长。SNR在0-15dB时系统容量增长不明显，在SNR为20dB时K＝8的系统容量达到20bps/HZ,K＝4为10bps/HZ左右，K＝2的系统容量仅为5bps/HZ。SNR在20-30dB之间增长速度增加，在30dB时K＝8时的系统容量达到100bps/HZ以上。

图7为本发明实施例提供的一种不同反馈比特数时码本分组量化方法的系统容量对比示意图，由图7可知，当反馈比特数B为2、4、8逐渐增加时，系统容量随之增加。反馈比特数增加时，量化码本数2^B随之增加，量化码本之间的间隔减小，量化过程中与原始信道向量之间的误差减小，因此系统容量增加。

综上所述，本发明实施例在大规模MIMO有限反馈系统中基站与用户之间，提出了基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法。复杂度分析与仿真结果表明，本发明实施例的方法缩小了待选码字的数量，降低了系统在信道向量的量化过程中的计算复杂度，通过对系统容量以及计算复杂度之间的权衡可以提高系统性能。

本发明实施例的方法与现有技术中的信道向量的量化方法相比，在一定程度上降低了计算复杂度，但是由于码字分组之后误差增大，增加了系统容量损失，因此本论文提出的方法是在系统性能与降低计算复杂度之间的折中。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。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可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中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模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于方向标记的信道向量有限反馈量化方法，其特征在于，包括：

选取不同方向的方向向量构成方向向量集合，该方向向量集合称之为码本，码本中每个方向向量为一个码字，将所述方向向量集合平均划分为多个组，在每个分组内选取一个方向向量作为该组的方向标记；

针对待量化的用户的信道向量，分别计算出所述信道向量与各个组的方向标记之间的距离值，将距离值最小的方向标记所在组确定为待选码本组；

从所述待选码本组中的所有方向向量中选择出所述信道向量对应的最优码字；

所述的选取不同方向的方向向量构成方向向量集合，该方向向量集合称之为码本，码本中每个方向向量为一个码字，将所述方向向量集合平均划分为多个组，包括：

随机选取码本中2^B个不同方向的码字，每个码字为一个方向向量v，将所有的方向向量v构成集合C，

B为反馈比特数，C为码本；

对方向向量集合C进行平均分组，将方向向量集合C分为L组：C₁,C₂,C₃,..C_l.,C_L，

其中，l＝1,2,3,...,L，L<2^B；

所述的针对待量化的用户的信道向量，分别计算出所述信道向量与各个组的方向标记之间的距离值，将距离值最小的方向标记所在组确定为待选码本组，包括：

对第i个用户的信道向量h_i进行量化时，分别计算出信道向量h_i与所有组的方向标记d_l之间的距离值，所述距离值为内积值，分别计算出信道向量h_i与所有组的方向标记d_l之间的内积值Q_l；

得到最小的内积值Q_lmin对应的方向标记d_lmin，将方向标记d_lmin所在组确定为待选码本组。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在每个分组内选取一个方向向量作为该组的方向标记，包括：在每个分组内，选取位于分组中间的方向向量d_l作为该组的方向标记，

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的从所述待选码本组中的所有方向向量中选择出所述信道向量对应的最优码字，包括：

待选码本组中的所有向量为：

分别计算出信道向量h_i与待选码本组内所有向量之间的距离值，将最小的距离值对应的向量确认为与信道向量h_i最相近的向量，该最相近的向量即为所述信道向量h_i的最优码字。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：

所述信道向量h_i与待选码本组内所有向量之间的距离值为内积值Q_j，计算公式如下：

得到最小的内积值Q_jmin对应的向量v_jmin，将向量v_jmin确认为与所述信道向量h_i最相近的向量，向量v_jmin即为所述信道向量h_i的最优码字，用户端将所述最优码字的码本标号反馈给基站端。

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