CN101924612B - 无线通信系统中相关信道下的码本生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线通信系统中相关信道下的码本生成方法，属于无线通信技术领域。本方法中基站和用户使用两个相同的初始码本，其中一个初始码本使用传统的DFT码字构成，另一个使用随机向量构成。每个用户计算自身信道的相关阵秩信息，将其反馈给基站。基站和用户根据秩信息，利用初始码本以相同的算法独立地生成基于加权DFT码字的新的两级目标码本。本发明所设计的基于加权DFT码字的码本具有灵活的两级目标码本的结构，提高了信道的量化精度，可以自适应地应用于不同信道相关性条件；充分利用了现有标准中已存在的秩反馈信息，不引起额外的系统反馈链路开销，因此可以和现有系统兼容性，并可方便地应用到未来的无线通信系统中。

Description

无线通信系统中相关信道下的码本生成方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信系统中相关信道下的码本生成方法，尤其涉及一种无线通信系统中有限反馈技术在相关信道下基于加权离散傅立叶变换码字的码本设计方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着社会的不断进步和无线通信技术的飞跃发展，人们对无线通信业务的要求已经从单纯的语音业务扩展到包括Internet在内的多媒体业务，因此未来移动通信系统要求更大的系统数据率、更好的通信质量、更远的作用距离、更快的数据率和更低的成本等。然而在复杂的移动通信环境和有限的频谱资源下，传统提高通信系统频谱效率的方法如提高发射功率、增加带宽、提高数字调制级数、采用高性能的编码技术以及在发射或接收端采用分集技术等都存在缺陷，不能有效地提高系统频谱效率。多天线(MIMO)技术结合空间复用技术(以下简称MU-MIMO)在不提高发射功率和不占用更多频率资源的条件下，能使基站和多个用户同时建立通信，显著提高系统频谱效率，因此被现有的无线通信系统广泛采用。

但是实际MU-MIMO技术的频谱效率很大程度受到基站获得用户信道信息(CSIT)的准确程度的限制。在时分双工系统(以下简称TDD)中，CSIT可以依靠信道互易性和信道估计来获得，但是频分双工系统(以下简称FDD)中，由于上下行传输频率间隔较大，不再具有信道互易性的特点，因此用户只能通过特有的反馈链路来向基站反馈自己的信道信息。有限反馈技术正是通过码本量化信道的方式来减小信道信息的反馈链路开销，从而提高系统的频谱效率。

下面以无线通信领域中的蜂窝通信系统为例，来说明有限反馈技术的应用。设蜂窝通信系统中基站有S根发射天线，用户有一根接收天线，有限反馈技术是指基站和每个用户各自储存一个相同的码本C，该码本包含2^B个码字，其中B为每个用户通过反馈链路向基站反馈的比特数。基站通过用户反馈的信息获取每个用户的信道状态，调度系统内的多个用户，并计算相应的预编码进行通信。

每个用户可以根据信道估计获得基站到自身接收天线的信道，并向基站反馈两个信息：一个是信道方向量化信息(以下简称CDI)；另一个是信道质量信息(以下简称CQI)。

假设基站到第k个用户的信道为h_k，用户通过下行训练序列估计获得自身信道以后，通过以下准则选择一个码字

${\hat{h}}_k=\underset{c_i\∈C}{\arg \max }\left|\right|{h_k}^H{c}_i\left|\right|,---\left(1\right)$

其中||□||表示向量取模的运算，(□)^H表示向量共轭转置运算。

为和用户信道h_k的方向最接近的码字，第k个用户将其作为信道方向量化信息，即CDI。

定义第k个用户的真实信道的方向为

设信道方向量化信息

在真实信道的方向上的投影为基站的发射功率为P，接收天线的噪声功率为N₀，第k个用户通过下式计算向基站反馈的CQI

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{{\left|\right|h_k\left|\right|}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}{N_0+P{\left|\right|h_k\left|\right|}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}/S}.---\left(2\right)$

用户将各自的信道方向量化信息CDI以及信道质量信息CQI通过反馈链路报告给基站。基站根据收到第k个用户的CDI和CQI生成它的复合信道

并依据所有用户的复合信道调度一部分用户，并计算预编码进行通信。

不难看出，不同的码本对于系统的数据率影响巨大。在同样的反馈比特数目情况下，好的码本通常能提高用户量化信道的精度，使用户反馈的CDI和CQI更加准确，从而基站调度更加有效。传统的码本设计方法包括基于Grassmaniann Linear Packing算法的码本(以下简称GLP)，基于随机矢量算法的码本(以下简称RVQ)，和基于离散傅里叶变换算法的码本(以下简称DFT)。已有结论指出：在信道角度扩展极小，也即空间相关性高度相关的时候，DFT码本的性能可以达到最优；另一方面，在信道角度扩展较高，也即空间相关性较差的时候，GLP码本最优，同时RVQ可以达到相当的性能。但是实际的信道，特别是移动蜂窝系统宏小区场景的信道，其角度扩展从低到高变化，信道空间相关性也相应地由强变弱。传统的码本，如GLP码本或者DFT码本很难做到自适应地去匹配不同的信道相关性条件，因此不再具有最优性。

发明内容

本发明的目的是提出一种无线通信系统中相关信道下的码本生成方法，针对空间信道模型(以下简称SCM)的特点进行信息分解，采用了加权DFT码字的形式，构建两级目标码本，分别用来量化信道的波束方向和权重信息，并且通过信道相关阵的秩信息来控制两级目标码本的比特分配方案，从而使生成的码本可以自适应地适用于不同的信道相关性条件。

本发明提出的无线通信系统中相关信道下的码本生成方法，包括以下步骤：

(1)设无线通信系统中移动蜂窝系统的下行链路中，基站有S个发射天线，每个用户各有一个接收天线，基站和所有用户使用相同的初始码本D₁和D₂，其中初始码本D₁为一个S×2^B的矩阵，矩阵中的第b₁列为

b₁＝1，..，2^B，其中B为每个用户向基站反馈的比特数目，2^B为初始码本D₁中的列数，(□)^T表示向量的转置运算；初始码本D₂为2^B×2^B的复高斯随机矩阵，其中第b₂列为随机生成的2^B×1的向量，向量元素服从均值为0方差为1复高斯分布；

(2)设基站向每个用户发射M个下行信道估计训练序列，每个用户从下行信道估计训练序列中获得M个信道真实信息h_m，根据M个信道真实信息h_m计算得到一个相关阵

再计算得到相关阵的秩信息RI＝rank(R_h)，其中rank(□)表示矩阵的秩运算；

(3)每个用户根据秩信息RI，得到

B₁＝B-B₂，

其中

为下取整运算，B₁为分配给目标码本C₁的比特数，B₂为分配给目标码本C₂的比特数，R为目标码本C₁中码字的列数；

(4)每个用户取出上述初始码本D₁矩阵中的连续R列，作为目标码本C₁的一个码字，设D_1，i为初始码本D₁的第i列，则目标码本C₁共有个码字，其中第b₁个码字为

$[D_{1,(b_1-1)R+1},D_{1,(b_1-1)R+2},...,D_{1,b_{1}R}];$

(5)每个用户从初始码本D₂中提取前行和前

列构成新的子矩阵D_2，sub，将新的子矩阵D_2，sub进行正交化得出新的子矩阵D_2，sub的

个正交基，目标码本C₂共有

个码字，其中第b₂个码字与新的子矩阵D_2，sub的第b₂个正交基相对应；

(6)每个用户通过反馈链路将秩信息RI报告给基站；

(7)基站根据收到的每个用户的秩信息，重复步骤(3)-(5)，分别计算得到每个用户的生成码本C₁和C₂。

本发明提出的无线通信系统中相关信道下的码本设计方法，其优点是：

本发明所设计的基于加权DFT码字的码本具有灵活的两级目标码本的结构，通过将SCM信道分解为波束方向和权重的两部分进行分别量化，从而提高信道的量化精度；并可以根据信道空间相关阵的秩信息来调整两级目标码本的比特分配，从而可以自适应地应用于不同信道相关性条件。本发明所设计的码本在信道相关性较高时，可以退化到最优的DFT码本，而在信道相关度较低时，可以退化到传统的RVQ码本，充分克服了传统码本针对信道条件的使用限制。本发明充分利用了现有标准中已存在的秩反馈信息，不引起额外的系统反馈链路开销，因此可以和现有系统兼容性，并可方便地应用到未来的无线通信系统中。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

图2为本发明方法中目标码本的生成过程。

具体实施方式

本发明提出的无线通信系统中相关信道下的码本生成方法，其流程框图如图1所示，包括以下步骤：

(1)设无线通信系统中移动蜂窝系统的下行链路中，基站有S个发射天线，每个用户各有一个接收天线，基站和所有用户使用相同的初始码本D₁和D₂，其中初始码本D₁为一个S×2^B的矩阵，矩阵中的第b₁列为：

b₁＝1，...，2^B，其中B为每个用户向基站反馈的比特数目，2^B为初始码本D₁中的列数，(□)^T表示向量的转置运算；

初始码本D₂为2^B×2^B的复高斯随机矩阵，其中第b₂列为随机生成的2^B×1的向量，向量元素服从均值为0方差为1复高斯分布；

(2)设基站向每个用户发射M个下行信道估计训练序列，每个用户从下行信道估计训练序列中获得M个信道真实信息h_m，根据M个信道真实信息h_m计算得到一个相关阵

再计算得到相关阵的秩信息RI＝rank(R_h)，其中rank(□)表示矩阵的秩运算；

(3)每个用户根据秩信息RI，得到

B₁＝B-B₂，其中为下取整运算，B₁为分配给待生成目标码本C₁的比特数，B₂为分配给待生成目标码本C₂的比特数，R为目标码本C₁中码字的列数；

(4)每个用户取出上述初始码本D₁矩阵中的连续R列，作为目标码本C₁的一个码字，设D_1，i为初始码本D₁的第i列，则目标码本C₁共有

个码字，其中第b₁个码字为

$[D_{1,(b_1-1)R+1},D_{1,(b_1-1)R+2},...,D_{1,b_{1}R}];$

(5)每个用户从初始码本D₂中提取前

行和前

列构成新的子矩阵D_2，sub，将新的子矩阵D_2，sub进行正交化得出新的子矩阵D_2，sub的个正交基，目标码本C₂共有个码字，其中第b₂个码字与新的子矩阵D_2，sub的第b₂个正交基相对应；

(6)每个用户通过反馈链路将秩信息RI报告给基站；

(7)基站根据收到的每个用户的秩信息，重复步骤(3)-(5)，分别计算得到每个用户的生成码本C₁和C₂。

以下结合附图详细说明本发明的内容：

根据SCM信道模型，假设每个用户的信道有N个反射簇，每个簇有M个反射路径，则在频率上可以表示成以下模型

$h_{f_n,t_p}={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{M}u\left({\mathrm{\θ}}_{n,m,\mathrm{AoD}}\right)a_{n,m,\mathrm{AoD}}(t_p,f_n),---\left(3\right)$

其中

k表示2π/λ(λ为载波波长)，d_s表示基站天线间距，θ_n，m，AoD表示信道的波束方向，a_n，m，AoD(t_p，f_n)表示与信道符号时间、频率和波束方向有关的复数增益。

忽略部分能量较弱的反射路径，假设所有NM个反射路径中有R个能量较强的路径，则定义

用户的信道模型可以等效表示为

h＝Up    (4)

其中p＝[p₁，…，p_R]^T为反射路径的加权向量。定义S_r为

所覆盖的反射路径的集合，则

$p_r={\mathrm{\Σ}}_{n,m\∈S_r}{a}_{n,m,\mathrm{AoD}}(t_p,f_n).$

根据式(4)，码本可以由两级目标码本C₁和C₂来生成：其中用户使用第一级目标码本C₁量化反射路径的波束方向，即矩阵U，并作为长期地或宽带的反馈信息W₁；而使用第二级目标码本C₂量化波束方向上的权重，即向量p，并作为短期的或窄带的反馈信息W₂。基站通过接收到的用户的两级反馈码字，通过相乘获得用户的最终的信道方向

$\hat{h}=W_1{W}_2,$ W₁∈C₁并且W₂∈C₂。 (5)

在本设计方案中，第一级目标码本C₁中的码字使用多个传统的DFT码字构造；而第二级码本C₂的使用传统的RVQ码字进行构造。

以单小区下行系统为例，假设基站共有S根发射天线，假设用户信道角度扩展为8度根据图2所示的流程图来具体解释每步的操作方法。

步骤1、基站和用户初始化码本D₁和D₂。设无线通信系统中移动蜂窝系统的下行链路中，基站有S个发射天线，每个用户各有一个接收天线，基站和所有用户使用相同的初始码本D₁和D₂，其中初始码本D₁为一个S×2^B的矩阵，矩阵中的第b₁列为：

b₁＝1，...，2^B，其中B为每个用户向基站反馈的比特数目，2^B为初始码本D₁中的列数，

初始码本D₂为2^B×2^B的复高斯随机矩阵，其中第b₂列为随机生成的2^B×1的向量，向量元素服从均值为0方差为1复高斯分布；

步骤2、用户获取秩信息。设基站向每个用户发射M个下行信道估计训练序列，每个用户从下行信道估计训练序列中获得M个信道真实信息h_m，根据M个信道真实信息h_m计算得到一个相关阵

再计算得到相关阵的秩信息RI＝rank(R_h)，其中rank(□)表示矩阵的秩运算；

步骤3、生成两级目标码本比特分配方案。每个用户根据秩信息RI，得到

B₁＝B-B₂，

其中为下取整运算，B₁为分配给目标码本C₁的比特数，B₂为分配给目标码本C₂的比特数，R为目标码本C₁中码字的列数；

步骤4、生成目标码本C₁。本步骤可以参见附图二说明。每个用户将上述初始码本D₁矩阵中的连续R列合成一个新的量化矩阵，作为目标码本C₁的一个码字，设D_1，i为初始码本D₁的第i列，则目标码本C₁共有

个码字，其中第b₁个码字为

$[D_{1,(b_1-1)R+1},D_{1,(b_1-1)R+2},...,D_{1,b_{1}R}];$

步骤5、生成目标码本C₂。本步骤可以参见附图二说明。每个用户从初始码本D₂中提取前行和前

列构成新的子矩阵D_2，sub，并通过格兰姆-史密特(Gram-Schmidt)正交化方法将新的子矩阵D_2，sub进行正交化得出该子矩阵的

个正交基，生成码本C₂共有

个码字，其中第b₂个码字与新的子矩阵D_2，sub的第b₂个正交基相对应；

步骤6、每个用户将秩信息RI报告给基站；

步骤7、基站生成码本。基站根据收到的每个用户的秩信息，重复步骤(3)-(5)，分别计算得到每个用户的生成码本C₁和C₂。

两级码本生成以后，每个用户可以使用生成码本C₁去长期或者宽带地量化信道信息，使用生成码本C₂去短期或者窄带地量化信道信息，并作两级分开反馈，基站在收到每个用户的两级反馈的码字以后，可以通过矩阵相乘恢复用户反馈的完整码字。

Claims (1)

1.一种无线通信系统中相关信道下的码本生成方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)设无线通信系统中移动蜂窝系统的下行链路中，基站有S个发射天线，每个用户各有一个接收天线，基站和所有用户使用相同的初始码本D₁和D₂，其中初始码本D₁为一个S×2^B的矩阵，矩阵中的第b₁列为：

b₁＝1，...，2^B，其中B为每个用户向基站反馈的比特数目，2^B为初始码本D₁中的列数，(·)^T表示向量的转置运算；

初始码本D₂为2^B×2^B的复高斯随机矩阵，其中第b₂列为随机生成的2^B×1的向量，向量元素服从均值为0方差为1复高斯分布；

(2)设基站向每个用户发射M个下行信道估计训练序列，每个用户从下行信道估计训练序列中获得M个信道真实信息h_m，根据M个信道真实信息h_m计算得到一个相关阵

再计算得到相关阵的秩信息RI＝rank(R_h)，其中rank(·)表示矩阵的秩运算；

(3)每个用户根据秩信息RI，得到

B₁＝B-B₂，

其中

为下取整运算，B₁为分配给待生成目标码本C₁的比特数，B₂为分配给待生成目标码本C₂的比特数，R为目标码本C₁中码字的列数；

(4)每个用户取出上述初始码本D₁矩阵中的连续R列，作为目标码本C₁的一个码字，设D_1，i为初始码本D₁的第i列，则目标码本C₁共有

个码字，其中第b₁个码字为

(5)每个用户从初始码本D₂中提取前行和前

列构成新的子矩阵D_2，sub，将新的子矩阵D_2，sub进行正交化得出新的子矩阵D_2，sub的

个正交基，目标码本C₂共有

个码字，其中第b₂个码字与新的子矩阵D_2，sub的第b₂个正交基相对应；

(6)每个用户通过反馈链路将秩信息RI报告给基站；

(7)基站根据收到的每个用户的秩信息，按照步骤(3)-(5)中用户计算目标码本的方法，分别计算得到每个用户的目标码本C₁和C₂。

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