專利名稱：：基于有限反饋的多用戶mimo系統(tǒng)信道量化方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種無線傳輸
技術(shù)領(lǐng)域：
的方法和裝置，具體是一種基于有限反饋的多用戶MIMO系統(tǒng)信道量化方法和裝置。
背景技術(shù)：
：在發(fā)射機和接收機上使用多根天線，即構(gòu)成了多輸入多輸出(MIM0)傳輸模型，這種傳輸方式可以增強無線連接的可靠性和增加無線通信系統(tǒng)的容量。在電磁干擾較為嚴重的無線環(huán)境中，對于一個擁有M"艮發(fā)射天線和M,根接收天線的系統(tǒng)，MIMO傳輸方式對信道容量提高的貢獻，與發(fā)射天線數(shù)以及接收天線數(shù)，相對較小的數(shù)值成線性關(guān)系。因此，MIMO技術(shù)己成為未來寬帶移動通信系統(tǒng)優(yōu)秀的備選方案。預編碼技術(shù)針對無線信道的衰落特性，以加權(quán)的方式使得發(fā)送信號能夠更好的克服信道對信號的衰落，更好的跟蹤信道狀態(tài)的變化，是提高MIM0系統(tǒng)性能的有效方法之一。近些年來，由于M頂0技術(shù)的發(fā)展，使得預編碼技術(shù)成為無線通信領(lǐng)域重要的研究方向。預編碼技術(shù)著眼于提高無線通信的數(shù)據(jù)傳輸速率，在2005年成為IEEE802.16e標準的一部分，包括開環(huán)和閉環(huán)的預編碼方法。在3GPP標準中也使用了基于預編碼的有限反饋的預編碼方法。由于MIM0系統(tǒng)的容量與發(fā)射端和接收端的最小天線數(shù)相關(guān)，而在實際系統(tǒng)中，移動端由于體積和功率的限制，天線的數(shù)量受到約束，而基站則不受此限制。因此，為了在這種情況下實現(xiàn)空間分集，多用戶MIM0廣播信道(BroadcastChannel,BC)的研究近年來引起了學術(shù)界廣泛的興趣。已有的研究結(jié)果表明，臟紙編碼(DirtyPaperCoding,DPC)能夠達到M頂O廣播信道的容量域。然而，在發(fā)射端和接收端實現(xiàn)DPC所需要額外的復雜度極高。并且如何構(gòu)造實用的、達到系統(tǒng)容量的DPC碼的問題至今沒有得到解決。線性預編碼技術(shù)具有計算復雜度低，實現(xiàn)簡單的優(yōu)點。已有的研究結(jié)果表明，迫零波束成形(Zero-foringBearaforming,ZFBF)能夠消除各個用戶天線之間的干擾，性能接近最優(yōu)。在實際FDD系統(tǒng)中，CSI可以由接收機的信道估計獲得，并通過反饋信道傳輸?shù)桨l(fā)射機。但是，由于反饋信道的帶寬是有限的，一般不可能將全部的CSI信息傳輸?shù)桨l(fā)射機，只能通過反饋有限比特的信息來表示CSI。由于用有限比特的信息來量化CSI，存在著量化的誤差。導致預編碼的性能，與發(fā)射端完全已知CSI的理想情況相比，有較大的損失。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，PeiluDing等在IEEETransactiononSignalProcessing(2007年第55巻第7期，3417-3428頁)上發(fā)表的"MultipleAntennaBroadcastChannelsWithShapeFeedbackandLimitedFeedback"。該文中提出了有限反饋的預編碼方法，其中信道量化的具體方法為用戶接收機首先估計出信道狀態(tài)矢量；然后從預先構(gòu)造的碼本中選擇與信道狀態(tài)矢量距離最小的碼字，來代表用戶的信道狀態(tài)矢量；最后將所選擇的碼字編號反饋給發(fā)射機，由發(fā)射機生成預編碼矩陣。其不足在于為了減少量化的誤差，必須增加量化碼本的大小。增加碼本大小意味著，系統(tǒng)對碼本存儲空間的需求加大，以及量化過程中，計算復雜度的增加。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于有限反饋的多用戶M頂O系統(tǒng)信道量化方法和裝置，能夠減少量化的誤差，提高系統(tǒng)的容量性能，在達到相同的速率和容量時，本發(fā)明具有所使用的碼本小，復雜度低的優(yōu)點。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及的一種基于有限反饋的多用戶MIM0系統(tǒng)信道量化方法，它首先根據(jù)信道狀態(tài)信息，從碼本中選擇出與其夾角最小的碼字，并計算量化誤差；再從碼本中選擇出與量化誤差夾角最小的碼字矢量；將信道矢量向選擇出的兩個碼字矢量構(gòu)成的空間作投影，計算得到復比例因子；用預先生成的量化階集合對復比例因子進行量化。本發(fā)明上述方法包括如下步驟步驟一，每個用戶根據(jù)信道狀態(tài)信息，從碼本C,上選擇最優(yōu)的碼字，對信道矢量h,進行量化，并計算量化誤差e,。所述的從碼本q上選擇最優(yōu)的碼字W。其方法為遍歷選擇與信道矢]夾角最小的碼字。所述計算量化誤差e,，為碼字矢量與信道矢量的差值。w,=argmaxh,argminsin(Z(h,.，w,))e,.=h,—(hfw)w！(1)步驟二，從碼本(:2中選擇最優(yōu)的碼字2，對量化誤差e,進行量化。所述的從碼本q中選擇最優(yōu)的碼字W2，其方法為遍歷選擇與量化誤差矢量夾角最小的碼字。w，=argmaxZ。w，eC，《w2=argminsin(Z(e,.,w2))(2)歩驟三，計算空間^朋(WpW2)的正交基得到Wi和W'2。其中，W,和W2為步驟一和步驟二中選出的碼字矢量，求解復比例因子"Of=w/h,(3)其中，復比例因子"表示量化后的信道狀態(tài)矢量中，w,分量和w〗分量的比例。步驟四，分別對復比例因子a的實部和虛部進行量化。用1比特信息表示實部(虛部)的符號。用選擇預先構(gòu)造好量化階集合，對實部(虛部)的絕對值進行量化。選擇與實部(虛部)絕對值歐式距離最短的量化階，量化其大小。步驟五，將w,和W2在碼本q和q中的編號，以及復比例因子"的量化信息反饋給發(fā)射端。步驟六，發(fā)射端根據(jù)反饋信息，重構(gòu)量化后的信道矢量6,其中，^和^分別為復比例因子"實部和虛部的符號；^和&,分別為復比例因子"實部和虛部絕對值的量化階大小。所述碼本q和C,，其構(gòu)造包括以下步驟步驟①，確定發(fā)射端發(fā)射天線數(shù)M，以及碼本C,的大小2^，以及碼本q的大小2、步驟②，從^維空間單位球上，隨機選取2"'個矢量構(gòu)成碼本C,;選擇碼本C,的前個矢量構(gòu)成碼本C2。所述復比例因子"實部(虛部)量化階集合，其構(gòu)造包括以下步驟步驟①，通過Matlab(數(shù)學實驗室)仿真，確定碼本q和碼本q下，復比例因子"實部(虛部)的近似統(tǒng)計特性；步驟②，根據(jù)選定量化階集合的大小，復比例因子"實部(虛部)絕對值的近似統(tǒng)計特性。搜索構(gòu)造量化階集合，使得平均的量化誤差最小。基于上述方法，本發(fā)明涉及一種基于有限反饋的多用戶MIMO系統(tǒng)信道量化的裝置，包括接收端裝置及與其配合的發(fā)送端裝置，其中所述的接收端裝置，包括信道狀態(tài)信息獲取單元，獲取信道狀態(tài)信息；信道矢量量化單元，對信道狀態(tài)獲取單元獲取的信道狀態(tài)信息進行量化。從碼本中分別選擇兩個碼字矢量，并計算復比例因子。用碼字的線性組合來量化表示信道矢量；量化信息反饋單元，將兩個碼字矢量在碼本中的編號，以及復比例因子的量化結(jié)果反饋到發(fā)射端；所述的發(fā)送端裝置，包括反饋信息重構(gòu)單元，接收反饋的信道量化信息。計算重構(gòu)信道矢量的量化結(jié)果；預編碼單元，根據(jù)各個用戶量化后的信道狀態(tài)信息，計算相應的預編碼矩陣。本發(fā)明的方法步驟通過發(fā)射端裝置和接收端裝置的配合完成。發(fā)射端裝置包括反饋信息重構(gòu)單元和預編碼單元；發(fā)射端裝置包括信道狀態(tài)信息獲取單元，信道矢量量化單元和量化信息反饋單元。接收端接收到發(fā)射端裝置發(fā)射的信息后，完成信道狀態(tài)信息的獲取、信道矢量的量化一系列任務，將反饋信息發(fā)射出去；發(fā)射端裝置接收到反饋信息后，完成反饋信息重構(gòu)、預編碼矩陣計算等任務，并使用計算得到的預編碼矩陣對準備傳送的數(shù)據(jù)進行預編碼，最終形成可發(fā)射的信息。上述裝置的功能單元與本發(fā)明方法實現(xiàn)步驟的對應關(guān)系是接收端信道矢量量化單元完成步驟一、步驟二、步驟三以及步驟四中信道矢量的量化；量化信息反饋單元完成步驟五；發(fā)射端反饋信息重構(gòu)單元完成步驟六。本發(fā)明提出一種新的信道量化方法，采用兩個碼字的線性組合來量化信道矢量，從而降低了量化的誤差，提高了多用戶預編碼的性能。相對于現(xiàn)有的方法，在同樣性能下，本發(fā)明具有更低的碼本存儲需求和更低的計算復雜度，很適合實際中應用，可為第三代(3G)、超三代(B3G)、第四代(4G)蜂窩移動通信和數(shù)字電視、無線局域網(wǎng)、無線廣域網(wǎng)等系統(tǒng)的技術(shù)方案提供重要的理論依據(jù)和具體的實現(xiàn)方法。圖1是帶有發(fā)射預編碼的多用戶M頂0系統(tǒng)原理圖。圖2是實際系統(tǒng)裝置示意圖。圖3是信道矢量量化過程流程圖。圖4是12比特的碼本，復比例因子《實部(虛部)的近似統(tǒng)計特性圖。圖5是MIM0廣播信道下系統(tǒng)速率和容量仿真曲線圖。圖6是不同量化階集合下系統(tǒng)速率和容量仿真曲線圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。系統(tǒng)包含1個基站和k個用戶(用戶1，用戶2，…，用戶k)。基站有k根發(fā)射天線，每個用戶接收機有l(wèi)根接收天線。圖1中，4(i=l，2，…，k)為發(fā)送給第i個用戶的數(shù)據(jù)；i;表示為第i個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)的線性預編碼過程；R,表示為第i個用戶的接收機。在每個用戶接收端，估計出各自的信道狀態(tài)矢量，然后根據(jù)預先設(shè)計好的碼本，對信道狀態(tài)矢量進行量化，并且通過反饋信道，傳送回基站?；窘邮辗答佇畔?，重構(gòu)各個用戶的信道狀態(tài)矢量，最后根據(jù)重構(gòu)的信道狀態(tài)矢量，進行多用戶預編碼。(1)本實施例的多用戶MIMO系統(tǒng)參數(shù)配置，具體如下基站數(shù)1基站發(fā)射天線數(shù)6用戶數(shù)6用戶接收天線數(shù)1即如圖1所示，用戶數(shù)1(=6的情況。信道模型為MIMO廣播信道(MIM0BroadcastChannel),具體請參考"MultipleAntennaBroadcastChannelsWithShapeFeedbackandLimitedFeedback",IEEETRANSACTIONSONSIGNALPROCESSING,VOL.55，NO.7，July2007。(2)碼本構(gòu)造隨機構(gòu)造大小為8比特、12比特、16比特和20比特的碼本q。即按照如圖3中，碼本構(gòu)造的流程，分別構(gòu)造含有256、4,096、65，536和1，048,576個碼字的碼本集。(3)復比例因子cr量化階集合按照如圖3中，碼本構(gòu)造的流程，對12比特的碼本q，從中選出的6比特碼本c"仿真得到復比例因子"實部(虛部)的近似統(tǒng)計特性。仿真曲線如圖4所示，采用仿真的方法近似獲取復比例因子"實部及虛部的概率密度函數(shù)曲線。復比例因子"的統(tǒng)計特性用于搜索最優(yōu)的量化階系數(shù)。搜索得到兩組不同反饋量的量化階集合。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>按照如圖3中，碼本構(gòu)造的流程，對8比特的碼本C"從中選出的6比特碼本(:2。仿真得到復比例因子"實部(虛部)的近似統(tǒng)計特性。搜索得到兩組不同反饋量的量化階集合。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>(4)量化方式參數(shù):<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>方式1和方式2應用現(xiàn)有的信道量化方式，分別采用20比特碼本和16比特碼本，作為本發(fā)明算法性能比較的參照。針對不同的反饋量大小，用本發(fā)明的算法設(shè)計不同的量化方式3—6。(5)系統(tǒng)裝置對于不同的量化方式3—6，發(fā)射端和接收端的裝置相同，如圖2所示，基站裝置包括反饋信息重構(gòu)單元和預編碼單元。每個用戶接收端裝置包括信道狀態(tài)信息獲取單元、信道矢量量化單元和量化信息反饋單元。接收端的裝置用于量化信道狀態(tài)矢量，其工作的流程如圖3所示，包括預先設(shè)計碼本、量化階集合的流程以及用戶接收機量化信道狀態(tài)信息矢量的流程。碼本設(shè)計的流程為首先確定碼本集q，然后從中選擇出碼本集<:2，最后根據(jù)q和q，搜索出最優(yōu)的量化階集合。量化信道狀態(tài)信息矢量的流程為，首先提取信道狀態(tài)信息，然后遍歷碼本集q確定碼字w,，接著遍歷碼本<:2確定碼字界2，再根據(jù)選出的碼字w,和W2，計算并量化復比例因子"，最后反饋量化的結(jié)果。(6)仿真結(jié)果仿真的結(jié)果如圖5、圖6所示。其中圖5按照實施例中的參數(shù)，比較了不同量化方式下，整個系統(tǒng)的速率和性能的仿真結(jié)果。圖6按照實施例中的參數(shù)，比較了采用不同的量化階集合，整個系統(tǒng)的速率和性能的仿真結(jié)果。方式1、方式2采用現(xiàn)有的量化方法作為比較參照，方式3、方式4采用本發(fā)明提出的新方法。如圖5所示，方式3與方式1相比較、方式4與方式2相比較，系統(tǒng)的容量性能幾乎完全一致。但是本發(fā)明所采用碼本的大小僅為現(xiàn)有方法碼本大小的1/256，因此，具有較低的存儲空間需求和量化計算的開銷，從而降低了實現(xiàn)復雜度。方式5、方式6表明了，在固定的碼本情況下，本發(fā)明的性能上界。如果不考慮"的量化，方式6和方式2的量化反饋量相同。但是，本發(fā)明不僅所用的碼本較小，而且容量性能要優(yōu)于現(xiàn)有方法。在SNR^30dB時，采用8比特碼本的新方法，系統(tǒng)的速率和容量可以達到10.0bps/Hz;相對于現(xiàn)有的方法，采用16比特碼本，只能達到8.1bps/Hz?？紤]到a的量化的比特信息，本發(fā)明的反饋量會有所增加。圖6比較了對于4，096個碼字的碼本，A=12bit，&=6bit的情況下，"不同量化方式對速率和容量的影響。與a未量化時的容量性能相比，若采用4bit信息進行量化(表l，表2)，性能就比較接近；若采用6bit信息進行量化，性能幾乎一致。綜合考慮反饋量的增加與性能的損失，一般采用4bit信息來量化"就足夠了。隨著碼本大小的增加，"實部(虛部)的平均量化誤差越來越小，反饋"的比特開銷所占的比重也越來越小，本發(fā)明的優(yōu)勢愈加明顯。權(quán)利要求1.一種基于有限反饋的多用戶MIMO系統(tǒng)信道量化方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，每個用戶根據(jù)信道狀態(tài)信息，從碼本C1上選擇最優(yōu)的碼字w1，對信道矢量hi進行量化，并計算量化誤差ei；步驟二，從碼本C2中選擇最優(yōu)的碼字w2，對量化誤差ei進行量化；步驟三，計算空間span(w1，w2)的正交基得到w1和w2′，求解復比例因子α；步驟四，分別對復比例因子α的實部和虛部進行量化；步驟五，將w1和w2在碼本C1和C2中的編號，以及復比例因子α的量化信息反饋給發(fā)射端；步驟六，發(fā)射端根據(jù)反饋信息，重構(gòu)量化后的信道矢量id="icf0001"file="S2008100382053C00011.gif"wi="5"he="5"top="145"left="146"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/>2、如權(quán)利要求1所述的基于有限反饋的多用戶MIM0系統(tǒng)信道量化方法，其特征是，步驟一中，所述的從碼本q上選擇最優(yōu)的碼字w,，其方法為遍歷選擇與信道矢量夾角最小的碼字。3、如權(quán)利要求1或2所述的基于有限反饋的多用戶MIM0系統(tǒng)信道量化方法，其特征是，步驟一中，所述計算量化誤差e,，為碼字矢量與信道矢量的差值。4、如權(quán)利要求1所述的基于有限反饋的多用戶MM0系統(tǒng)信道量化方法，其特征是，步驟二中，所述的從碼本(:2中選擇最優(yōu)的碼字界2，其方法為遍歷選擇與量化誤差矢量夾角最小的碼字。5、如權(quán)利要求1所述的基于有限反饋的多用戶MMO系統(tǒng)信道量化方法，其特征是，步驟三中，所述的計算空間^7cm(w,，W2)的正交基得到^和w;，其求解復比例因子"為復比例因子a表示量化后的信道矢量中，w,分量和w'2分量的比例。6、如權(quán)利要求1所述的基于有限反饋的多用戶MIM0系統(tǒng)信道量化方法，其特征是，歩驟四中，所述復比例因子的量化的方法為，從量化階集合中選擇與復比例因子實部或虛部絕對值歐式距離最短的量化階。7、如權(quán)利要求1或6所述的基于有限反饋的多用戶MIMO系統(tǒng)信道量化的方法，其特征是，所述復比例因子"量化階集合，其構(gòu)造包括以下步驟步驟①，通過Matlab仿真，確定碼本C,和碼本C2下，復比例因子"實部或虛部的近似統(tǒng)計特性；步驟②，根據(jù)選定量化階集合的大小，復比例因子"實部或虛部絕對值的近似統(tǒng)計特性，搜索構(gòu)造量化階集合，使得平均的量化誤差最小。8、如權(quán)利要1所述的基于有限反饋的多用戶MM0系統(tǒng)信道量化的方法，其特征是，步驟六中，所述發(fā)射端利用反饋信息重構(gòu)量化后的信道矢量ii,，具體為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，^和^分別為復比例因子"實部和虛部的符號；^和^分別為復比例因子a實部和虛部的量化階大小。9、如權(quán)利要求1所述的基于有限反饋的多用戶MM0系統(tǒng)信道量化方法，其特征是，所述碼本C,和C^，其構(gòu)造包括以下步驟步驟①，確定發(fā)射端發(fā)射天線數(shù)M，以及碼本q的大小2^'，以及碼本q的大小2&;步驟②，從M維空間單位球上，隨機選取2A個矢量構(gòu)成碼本q，選擇碼本C,的前2&個矢量構(gòu)成碼本<:2。10、一種基于有限反饋的多用戶MIM0系統(tǒng)信道量化的裝置，包括接收端裝置及與其配合的發(fā)送端裝置，其特征在于所述的接收端裝置，包括信道狀態(tài)信息獲取單元，獲取信道狀態(tài)信息；所述的信道矢量量化單元，對信道狀態(tài)獲取單元獲取的信道狀態(tài)信息進行量化，從碼本中分別選擇兩個碼字矢量，并計算復比例因子，用碼字的線性組合來量化表示信道矢量；所述的量化信息反饋單元，將兩個碼字矢量在碼本中的編號，以及復比例因子的量化結(jié)果反饋到發(fā)射端；所述的發(fā)送端裝置，包括反饋信息重構(gòu)單元、預編碼單元；所述的反饋信息重構(gòu)單元，接收反饋的信道量化信息，計算重構(gòu)信道矢量的量化結(jié)果；所述的預編碼單元，根據(jù)各個用戶量化后的信道狀態(tài)信息，計算相應的預編碼矩陣。全文摘要一種無線傳輸
技術(shù)領(lǐng)域：
的基于有限反饋的多用戶MIMO系統(tǒng)信道量化方法和裝置，所述方法首先根據(jù)信道狀態(tài)信息，從碼本中選擇出與其夾角最小的碼字，并計算量化誤差；再從碼本中選擇出與量化誤差夾角最小的碼字矢量；將信道矢量向選擇出的兩個碼字矢量構(gòu)成的空間作投影，計算得到復比例因子；用預先生成的量化階集合對復比例因子進行量化。接收端裝置包括信道狀態(tài)信息獲取單元，信道矢量量化單元，量化信息反饋單元，發(fā)送端裝置包括反饋信息重構(gòu)單元，預編碼單元。本發(fā)明能夠減少量化的誤差，提高系統(tǒng)的容量性能，在達到相同的速率和容量時，具有所使用的碼本小，復雜度低的優(yōu)點。文檔編號H04L1/06GK101304300SQ20081003820公開日2008年11月12日申請日期2008年5月29日優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日發(fā)明者俞子豐,李洪星,超王,羅漢文,佳郭申請人:上海交通大學