Mimo－ofdm系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法及裝置的製作方法
2023-06-06 22:00:21 1
專利名稱：Mimo－ofdm系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種預編碼方法和裝置，具體是一種MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法和裝置。用於無線傳輸技術領域。
背景技術：
在發射機和接收機上使用多根天線，即構成了多輸入多輸出(MIMO)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的容量。在擾動豐富的無線環境中，對於一個擁有MT根發射天線和MR根接收天線的系統，MIMO傳輸方式對信道容量提高的貢獻是和發射天線數和接收天線數相對較小的數值成線性關係的。對於寬帶通信，正交頻分復用(OFDM)技術將頻率選擇性信道分割成一組並行正交的平坦衰落信道，大大的提高了系統頻譜利用率，並能夠有效的克服碼間串繞(ISI)。OFDM技術與MIMO技術相結合，已成為未來寬帶移動通信系統優秀的備選方案。
預編碼技術針對無線信道的衰落特性，以加權的方式使得發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的變化，是提高MIMO系統性能的好方法。針對預編碼技術的研究主要集中在如何提高在信道狀態不完全已知情況下預編碼的性能和如何減少預編碼反饋信息數據量這兩個問題上。目前已知信道狀態信息預編碼技術的相關方法主要有①在接收端已知信道狀態信息的情況下，對MIMO信道矩陣進行奇異值(SVD)分解，用得到的奇異值向量對信號進行預編碼，該方法是理論上能獲得最優性能的方法，但要將計算得到的奇異值向量完全反饋到發射端，反饋信息量相當巨大。參見文獻David J.Love等，「Limited Feedback Precodingfor Spatial Multiplexing Systems」，IEEE Global Telecommunications Conference，2003.GLOBECOM′03.Volume 4，1-5Dec.2003Page(s)1857-1861.
②在接收端已知信道狀態信息的情況下，根據信道狀態信息按照某種準則從預先定義好的碼本中搜索出最佳的向量作為預編碼加權向量，只需反饋碼本矢量序號就可以使發射端完成預編碼，從而可以有效的降低預編碼反饋信息比特數，但性能相對於①會有所下降，而下降的程度依賴於碼本的設計和碼本的大小。參見文獻Shengli Zhou等，「BER Criterion and CodebookConstruction for Finite-Rate Precoded Spatial Multiplexing with LinearReceivers」，IEEE Transactions on Signal Processing，Volume 54，Issue 5，May2006Page(s)1653-1665.
③對於擁有大量子信道OFDM系統，即使採用方法②仍需要反饋大量的比特使發射端完成對所有子信道的預編碼。針對這種情況，有兩種可以進一步減少預編碼反饋比特數的方法(1)內插法將OFDM子信道進行分組，每組含有相同數量的子信道；對於每組的第一個子信道，在碼本中搜索得到預編碼矢量；對於每組的其他子信道，利用相關性，運用內插算法計算得到預編碼矢量。參見文獻Jihoon Choi等，「Interpolation based TransmitBeamforming for MIMO-OFDM with Limited Feedback」，IEEE Transactions onSignal Processing，Volume 53，Issue 11，Nov.2005Page(s)4125-4135.(2)子空間搜索法按照OFDM子信道的順序，對於第一個子信道搜索完整碼本獲得預編碼矢量；對於後面的子信道，在確定所要反饋的信息比特數的前提下，利用相關性，從完整碼本中提取出少數碼本矢量組成子空間，在子空間中搜索得到預編碼矢量。參見文獻Shengli Zhou等，「Recursive and Trellis-basedFeedback Reduction for MIMO-OFDM with Transmit Beamforming」，IEEEGlobal Telecommunications Conference，2005.GLOBECOM′05.Volume 6，28Nov.-2Dec.2005Page(s)5pp。這兩種方法都利用碼本矢量的相關性，子空間搜索法實質上是縮小了碼本搜索的範圍降低了反饋比特數量，但相對於方法②有系統性能的降低，內插法是利用搜索完整碼本得到的幾個預編碼碼本矢量通過計算得到其他的矢量，改善了完全碼本搜索預編碼的系統性能，但增加了系統的運算複雜度。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法及裝置，使其在反饋比特數進一步減少的情況下獲得與子空問搜索算法基本相同的誤碼率性能。本發明所提算法性能穩健，且易於實現。
本發明是通過以下技術方案實現的本發明涉及MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法技術方案是首先根據信道狀態信息對所有MIMO子信道矩陣進行奇異值(SVD)分解，對於每一個OFDM子信道提取其對應的MIMO信道矩陣的最大奇異值；其次，找到這些奇異值所在曲線的極點；之後，對於極點所對應的子信道按照某種準則(如接收信號信噪比最大準則、最大似然準則、最小奇異值準則、最小均方誤差準則、信道容量最大準則等)搜索碼本，獲得相應的預編碼碼本矢量序號；對於非極點所對應的子信道，按照極點位置分成若干組，每組以極點對應子信道起始，以極點對應信道的預編碼碼本矢量為起始中心矢量，用子碼本構造和搜索的方法獲得非極點所對應子信道的預編碼碼本矢量。
本發明MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法包括如下步驟步驟一，根據信道狀態信息，對於每一個OFDM子信道所對應的MIMO信道矩陣進行奇異值(SVD)分解，提取所有奇異值中的最大值，以便在下一步中進一步應用。
步驟二，按照OFDM子信道的順序，依賴於子信道間的相關性，可以把所有子信道對應的最大奇異值視為一條光滑曲線上的點。找出這些點中的極點，並記錄所對應的子信道序號。第一個子信道所對應的奇異值(邊界處)總是被認為是一個極點。最後的子信道對應的奇異值(邊界處)不計算在內。
步驟三，對於極點所對應的子信道按照某種準則(如接收信號信噪比最大準則、最大似然準則、最小奇異值準則、最小均方誤差準則、信道容量最大準則等)搜索完整碼本，獲得相應的完整碼本預編碼矢量序號。
步驟四，對於非極點對應的子信道，按照步驟二中找到的極點對應的子信道編號把所有OFDM子信道分成若干組，每組以極點對應子信道作為起始，終止於下一個極點前的子信道。對每個子信道組應用子碼本構造和搜索算法，直到為每個非極點對應的子信道都找到合適的子碼本矢量。
所述子碼本構造，包括以下步驟
步驟①，確定非極點對應子信道所要反饋的比特數。確定了反饋比特數，就確定了子碼本的大小；步驟②，子碼本的構造是以前一個子信道所獲得的碼本矢量為核心，依據最小弦距準則搜索整個預編碼矢量的碼本，找到滿足該準則的碼本矢量，則該矢量就是子碼本中的一個矢量；步驟③，對於非極點對應的子信道採用搜索子碼本的方法獲取預編碼子碼本矢量，並記錄子碼本矢量序號。
設該組的起始子信道，即某一極點奇異值所對應的子信道，獲得的完整碼本矢量為wi，該矢量在完整碼本中的序號為i。以wi為核心構建子碼本Wi，設Wi包含2B2(B2是非極點對應子信道所需反饋比特數)個碼本矢量，則子碼本中的其他碼本矢量相對於wi應滿足最小的弦距準則，使得其他矢量和核心矢量間的弦距d(wi,wj)=1-|wiHwj|2]]>最小。按照和步驟三相同的準則搜索子碼本Wi，為第二個子信道求得子碼本矢量wj(wj∈Wi)，該矢量的子碼本序號為j。以wj為核心重複步驟②為下一個非極點對應的子信道構造子碼本，至子信道組內所有非極點對應的子信道都得到子碼本矢量。搜索子碼本要依據和應用與極點對應子信道碼本搜索的準則相同的準則。
上述步驟四所述的將OFDM子信道分成若干組在對於在頻域變化相對平緩的信道時，採用基於完全碼本搜索的子信道分組方法首先，對所有子信道根據需要依據準則搜索整個碼本，得到每個子信道的預編碼碼本矢量；其次，確定同一分組內不同碼本矢量的個數M，並以第一個子信道的預編碼碼本矢量為中心，按和前面相同的準則搜索整個碼本，找到包括中心矢量在內滿足該準則的M個碼本矢量；再次，從第一個子信道開始，按子信道排列順序，對各子信道的碼本矢量與得到的M個碼本矢量進行比較，如果子信道的碼本矢量屬於M集內，則該子信道屬於同一分組，直到找到子信道m的碼本矢量不屬於M為止，至此以前的所有子信道屬於第一分組；再以子信道m的碼本矢量為中心，按和前面相同的準則構築一新的M個碼本矢量，用其後的子信道的碼本矢量與M比較，得到第二個分組，如此反覆，直到對所有子信道分組完成為止；最後，反饋時，可以採用位置差分的方式形成反饋信息，也可以對每個子信道組除第一個子信道外的其餘子信道進行子碼本的構造和搜索。
所述位置差分的方式形成反饋信息，是指，將每個子信道組開始子信道所獲得的完整碼本矢量序號和該子信道組所含子信道的數量合成，將該合成信息反饋到發射端；發射端可以從收到的合成信息中提取出每組開始子信道完整碼本矢量序號和該子信道組所含子信道的數量信息；對於每個子信道組的其他子信道，不反饋任何信息，而是使用和每組開始子信道相同的預編碼碼本矢量進行預編碼。
步驟五，對於奇異值極點所對應子信道反饋完整碼本矢量序號，對於非極點所對應子信道反饋子碼本矢量序號。在發射端根據反饋信息從碼本中獲取預編碼矢量，使用預編碼碼本矢量對發射信號進行預編碼。對於某個子信道組，在接收端和發射端都擁有相同的、完整的預編碼矢量碼本和都遵守同樣的子碼本矢量編號規則的前提下，發射端從反饋信息中提取預編碼矢量序號的過程包括首先，提取出極點對應的子信道的完整碼本矢量序號，依據該序號，可以從完整碼本中獲得對應的預編碼矢量；其次，提取出非極點對應子信道的子碼本矢量序號，重複步驟五中的子碼本構造過程，構造子碼本，依據子碼本矢量序號就可以從子碼本中提取出所需的預編碼矢量。
基於上述方法，本發明涉及一種MIMO-OFDM系統中基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的接收端裝置技術方案是包括信道狀態信息獲取單元，獲取信道狀態信息；信道狀態跟蹤單元，根據信道狀態獲取單元獲取的信道狀態信息對於每一個OFDM子信道提取對應的MIMO信道矩陣的最大奇異值，並按OFDM子信道的順序，將所述最大奇異值視為一條光滑曲線上的點，找出極點；完整碼搜索單元，獲得所述極點對應的子信道的預編碼碼本矢量完整碼本序號；子碼本搜索單元，對於非極點對應的子信道，按OFDM子信道順序分成若干個組，用子碼本構造和搜索的方法獲得每組非極點對應的子信道的預編碼碼本矢量子碼本序號；
反饋信息合成單元，將所述完整碼搜索單元和子碼本搜索單元合成，並進行反饋。
與上述接收端裝置相配合，本發明提供一種MIMO-OFDM系統中基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的發送端裝置，包括反饋信息處理單元，接收合成的反饋信息，並依照和接收端裝置所使用的相同的方法構造成子碼本；預編碼矢量提取單元，提取完整碼本序號，並在整個碼本中獲得對應的預編碼矢量，提取子碼本序號，並在所述構造的子碼本中獲得對應的預編碼矢量。
本發明方法上述步驟通過發射端裝置和接收端裝置的配合完成。發射端裝置包括反饋信息處理單元和預編碼矢量提取單元。接收端接收到發射端裝置發射的信息後，完成信道狀態信息的獲取、信道變化跟蹤、碼本搜索、反饋信息合成等一系列任務，將反饋信息發射出去；發射端裝置接收到反饋信息後，完成反饋信息處理、預編碼矢量提取等任務，並使用提取出的預編碼矢量對準備傳送的數據進行預編碼，最終形成可發射的信息。
上述裝置的功能單元與本發明方法實現步驟的對應關係是接收端信道狀態信息獲取單元和信道變化跟蹤單元完成步驟一、步驟二以及步驟四中對子信道的分組；碼本搜索單元完成步驟三完整碼本搜索和步驟四子碼本構造和搜索；反饋信息合成單元，以及發射端反饋信息處理單元完成和預編碼矢量提取單元共同完成步驟五。
本發明將基於碼本搜索的子碼本構造和搜索預編碼方法與MIMO信道的奇異值分解相結合，相對於子空間搜索方法，本發明更好的利用了OFDM子信道之間的相關性，從而可以以更少的反饋比特獲得和子空間搜索法相當的系統誤碼率性能。本發明又具有更好的靈活性，能通過奇異值分解更好的跟蹤信道狀態的變化趨勢，很適合實際中應用，可為第三代(3G)、超三代(B3G)、第四代(4G)蜂窩移動通信和數位電視、無線區域網、無線廣域網等系統的預編碼方案提供重要的理論依據和具體的實現方法。
圖1是帶有發射預編碼和接收合併的MIMO-OFDM系統原理2是實際系統裝置示意3是對一個子信道組的預編碼碼本矢量序號的搜索過程流程4是MIMO-OFDM系統MIMO子信道最大奇異值變化曲線圖(Rayleigh信道模型)圖5是MIMO-OFDM系統MIMO子信道最大奇異值變化曲線圖(3GPP空間信道模型)圖6是多徑Rayleigh信道模型誤碼率性能仿真曲線7是多徑Rayleigh信道模型下反饋比特數的對比曲線8是3GPP空間信道模型誤碼率性能仿真曲線9是3GPP空間信道模型下反饋比特數的對比曲線圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術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，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
(1)帶有發射預編碼和接收合併的MIMO-OFDM系統的構造帶有發射預編碼和接收合併的MIMO-OFDM系統的構造如圖1所示，本發明採用4發2收的帶有發射預編碼和接收合併的MIMO-OFDM系統，子載波個數為64，採用QPSK調製方式。信道狀態信息在接收端獲取，本發明不涉及具體的獲取方式。碼本搜索算法單元利用信道狀態信息搜索碼本，最終形成預編碼反饋信息。發射端依據反饋信息完成對發射信號的預編碼。為了全面測試本發明對系統誤碼率性能的影響，採用多徑Rayleigh信道模型和3GPP空間信道模型進行系統級性能仿真。多徑Rayleigh信道模型的信道多徑數目為3，其歸一化功率、延時參數為[11/exp(1)1/exp(2)]，其中exp(α)代表自然對數的底數的α次冪。使用3GPP空間信道模型中基本的4發2收「UrbanMicro」模型，具體參數設置請參考「ETSI TR 125 996 V6.1.0 Universal MobileTelecommunications System(UMTS)；Spacial channel model for Multiple InputMultiple Output(MIMO)simulations」。
(2)實際系統裝置配置如圖2，實際系統裝置示意圖所示。接收端用戶Us包括信道狀態信息獲取單元CSIU，信道變化跟蹤單元CTU，包含完整碼本搜索單元CBSU和子碼本搜索單元SCBSU的碼本搜索單元，以及反饋信息合成單元FBIU；發射端基站B包括反饋信息處理單元FBIU和預編碼矢量提取單元PCVU。用戶Us接收到基站B發射的信息FWI後，完成信道狀態信息的獲取、信道變化跟蹤、碼本搜索、反饋信息合成等一系列任務，將反饋信息FBI發射出去；基站B接收到反饋信息FBI後，完成反饋信息處理、預編碼矢量提取等任務，並使用提取出的預編碼矢量對準備傳送的數據進行預編碼，最終形成可發射的信息FWI。
(3)預編碼碼本本發明不涉及碼本的設計問題，本發明所做的一切仿真、分析和說明都使用如下表所示的含有64個預編碼矢量的碼本，碼本中的預編碼矢量的編號如矢量上方表格內容所示
(4)MIMO信道矩陣的奇異值分解在實際系統中，本發明的該過程由信道狀態信息獲取單元(CSIU)，信道變化跟蹤單元(CTU)完成。對第k個OFDM子信道對應的MIMO信道矩陣進行奇異值分解可表示成H(k)=U(k)(k)VH(k)=[u1(k),u2(k),...,uMr(k)][v1(k),v2(k),...,vMt(k)]H,]]>其中矩陣Λ的第一個對角線元素就是MIMO信道矩陣最大的奇異值。利用MIMO子信道矩陣的最大奇異值所在曲線的變化規律進行預編碼碼本的搜索和子碼本的構造是本發明的核心。圖4所示是採用Rayleigh信道模型的情況下MIMO子信道矩陣的最大奇異值所在曲線的變化情況圖。同時，這裡給出根據最大信噪比準則完全搜索碼本所獲得的預編碼矢量對應的碼本序號表格[11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 23 23 23 23 23 2525 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 63 63 6363 63 63 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 1313 13 13 13 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50]。對照碼本序號表格和圖4，可以發現，碼本序號的變化往往發生在曲線極點的附近。圖5所示是採用3GPP空間信道模型的情況下MIMO子信道矩陣的最大奇異值所在曲線的變化情況圖。同時，這裡給出根據最大信噪比準則完全搜索碼本所獲得的預編碼矢量對應的碼本序號表格[62 2 2 2 2 262 62 62 62 62 62 62 62 62 62 62 62 62 27 27 2727 62 62 62 62 62 62 2 2 2 62 62 62 62 62 62 6262 62 62 62 62 62 62 62 2 2 2 2 2 2 2 35 35 3535 35 35 62 62 62 62]。同樣，對照碼本序號表格和圖5，可以發現，碼本序號的變化往往發生在曲線極點的附近。
(5)預編碼碼本的搜索、子信道分組以及預編碼子碼本的生成碼本的搜索可以根據需要依據接收信號信噪比最大準則、最大似然準則、最小奇異值準則、最小均方誤差準則、信道容量最大準則等準則中的某一種。本發明將依據接收信號信噪比最大準則對碼本搜索過程進行說明。這裡首先簡單的介紹最大似然準則、最小奇異值準則、最小均方誤差準則、信道容量最大準則。這幾種準則的介紹也可參考文獻Love，D.J.，Heath，R.W.，Jr.，「Limited feedback unitary precoding for spatial multiplexing systems，」IEEETrans.Info.Theo.Vol 51(8)，Aug.2005 Page(s)2967-2976。
①最大似然準則在系統使用最大似然接收機時，接收端對接收信號的判決輸出可表示成S^k=argmins||rk-Hwis||22.]]>最大似然接收的誤符號率的上界是星座間最小歐式距離dmin,R=mins1,s2,s1s2||Hwi(s1-s2)||2]]>的函數。則碼本搜索的最大似然準則是wopt=argmaxwiWdmin,R.]]>上述公式中，ψ代表調製星座集合；rk代表接收信號；s代表發射的符號； 代表接收端判決輸出的符號；wi代表碼本矢量。
②最小奇異值準則該準則對應線性接收機。迫零接收機是線性接收機的一種，迫零接收的最小信噪比的下限可以表示成SNRminmin2sN0,]]>其中λmin是Hw1的最小奇異值。則碼本搜索的最小奇異值準則是wopt=argmaxw1Wmin.]]>上述 是發射信號信噪比。
③最小均方誤差準則該準則同樣對應線性接收機。最小均方誤差接收機是線性接收機的另一種形式，接收信號的均方誤差可表示成MSE=(1+wiHHHHwi)-1.]]>則碼本搜索的最小均方誤差準則是wopt=argminwiWMSE.]]>④信道容量最大準則根據香農信道容量公式，MIMO信道容量是C=log2det(I+wiHHHHwiN0).]]>則碼本搜索的信道容量最大準則是wopt=argmaxCwiW.]]>上述N0代表噪聲方差。
在實際系統中，本發明的該過程由包含完整碼本搜索單元(CBSU)和子碼本搜索單元(SCBSU)的碼本搜索單元完成。本發明採用上述含有64個預編碼矢量的碼本，這裡基於最大信噪比準則對碼本搜索進行說明。完整碼本可表示成W＝[w1，w2，...，w64]，則在發射端進行預編碼後，接收端的某一根天線所接收到的信號可表示成r(k)＝wkH(k)s(k)+n(k)，其中H(k)為第k個OFDM子信道的MIMO信道矩陣，s(k)為發送信號，n(k)為加性高斯白噪聲。根據該接收信號，可以得到接收信噪比的表達式為(k)=|wkH(k)|2sN0,]]>其中εs為發送信號的平均能量，N0為加性高斯白噪聲的方差。為了使接收信號的信噪比最大，碼本搜索的最大信噪比準則可以表示成wopt=argmaxwkW|wkH(k)|2,]]>即wopt為碼本中可以使接收信號信噪比最大的碼本矢量。
本發明中，對於所有MIMO子信道矩陣的奇異值中的極點所對應的OFDM子信道，在完整碼本中搜索最優的預編碼碼本矢量，即對於含有64個預編碼矢量的碼本，每個極點對應的子信道需要反饋的比特數為6。之後，將子信道分組，每組以極點對應的子信道作為起始，終止於下一個極點前的子信道。對一個子信道組的預編碼碼本矢量的搜索過程如圖3所示。為了降低反饋比特數，對於非極點對應子信道採用子碼本構造和搜索的方式。設對於某一極點所對應的子信道按照最大信噪比準則求得的完整碼本矢量為wi。若希望能夠使該子信道組中其餘非極點對應子信道反饋1比特的預編碼信息，則子碼本是含有兩個碼本矢量的碼本。這裡基於弦距最短準則對子碼本的構造進行說明。例如，對於極點對應子信道相鄰的子信道，其子碼本構造是以wi為核心搜索整個碼本，尋找使得弦距d(wi,wj)=1-|wiHwj|2]]>最短的矢量wj，這樣wi和wj就一起構成了一個子碼本。依此類推，以前一個子信道的預編碼碼本矢量為核心，搜索整個碼本找到距核心弦距最短的矢量構造子碼本，直到所有子信道都獲得子碼本。若希望能夠使子信道組中其餘非極點對應子信道反饋2比特的預編碼信息，則子碼本是含有4個碼本矢量的碼本。構成方式仍然可以依據最短弦距定理，但所選碼本矢量是整個碼本中到核心矢量弦距相對最短的三個矢量。
另外，對於在頻域變化相對平緩的信道，基於完全碼本搜索的子信道分組方法十分有效。具體方法是首先，對所有子信道依據某種準則(如接收信號信噪比最大準則、最大似然準則、最小奇異值準則、最小均方誤差準則、信道容量最大準則等)搜索整個碼本，得到每個子信道的預編碼碼本矢量；其次，確定同一分組內不同碼本矢量的個數M，該數值M影響到系統性能及反饋開銷；再次，以第一個子信道m0的預編碼碼本矢量為中心，同樣可以按最小弦距準則搜索整個含有64個預編碼矢量的碼本，找到包括中心矢量在內和核心矢量弦距最小的M個碼本矢量。並從第一個子信道開始，按子信道排列順序，對各子信道的碼本矢量與得到的M個碼本矢量進行比較，如果子信道的碼本矢量屬於M集內，則該子信道屬於同一分組，直到找到子信道m1的碼本矢量不屬於M為止。至此以前的所有子信道屬於第一分組。再以子信道m1的碼本矢量為中心，按最小弦距準則構築一新的M個碼本矢量，用m1後的子信道的碼本矢量與M集比較，如果子信道的碼本矢量屬於M集內，則該子信道屬於同一分組，直到找到子信道m2的碼本矢量不屬於M為止，從而得到第二分組，如此反覆，直到對所有子信道分組完成為止。最後，反饋時，可以採用位置差分的方式形成反饋信息，即每一分組只需反饋該組內第一個子信道(m0，m1，m2，……)的碼本矢量以及該組內的子信道個數。M的大小可以根據系統要求確定。另外，也可以對每個子信道組除第一個子信道外的其餘子信道進行子碼本的構造和搜索。
使用位置差分法所形成的反饋信息是由一些二維的矢量所組成。例如，當M取1時，對所有子信道按照最大信噪比準則搜索得到的碼本矢量序號為[5 5 5 5 5 5 5 5 50 50 50 54 54 54 54 18 18 18 18 1818 18 18 18 26 5 5 5 5 5 5 5 5 17 52 52 52 25 25 2525 25 25 25 25 25 25 25 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 55 5 5 5]。按照上述分組方式得到的子信道分組情況是0～7、8～10、11～14、15～23、24、25～32、33、34～36、37～47、48～63，共10組。反饋每組子信道對應的碼本矢量序號和子信道組所含子信道數目組成的二維矢量就可形成反饋信息[(5，8)，(50，3)，(54，4)，(18，9)，(26，1)，(5，8)，(17，1)，(52，3)，(25，11)，(5，16)]，該信息可以唯一的反映當前預編碼矢量碼本的搜索情況。若碼本矢量序號和位置差分信息都採用6比特編碼，則某個時刻內反饋信息的總比特數為120左右。
對於子碼本構造和搜索法反饋信息的形成和使用將在下面一節進行詳細說明。
(6)子碼本的搜索、反饋信息的形成以及發射端對反饋信息的使用子碼本搜索的前提，是要對子碼本中的碼本矢量依據一定的規則進行編號。編號規則是靈活的，本發明並不做特殊的限定，只要求這個編號規則被接收端和發射端同時遵守。子碼本搜索過程和搜索整個碼本的過程相同，而且依據相同的準則(如接收信號信噪比最大準則、最大似然準則、最小奇異值準則、最小均方誤差準則、信道容量最大準則等)。在所有子信道都獲得相應的碼本矢量或者子碼本矢量序號後，就要形成反饋數據流，以一個含有9個子信道的子信道組為例設子信道組的第一個子信道，即極點對應的子信道，搜索完整碼本獲得的完整碼本矢量序號為60號。其餘的8個子信道，即非極點對應的子信道，搜索對應的依據上述子碼本構造方法構造出的子碼本(設子碼本用1比特生成)獲得的子碼本矢量序號分別為1號，1號，1號，1號，1號，0號，0號，0號，0號。則對於這個子信道組，反饋信息就是[60，1，1，1，1，1，0，0，0，0]。在實際系統中，該過程由反饋信息合成單元(FBIU)完成。
發射端(反饋信息處理單元(FBIU)和預編碼矢量提取單元(PCVU))收到該反饋信息後，首先提取出碼本矢量序號60，即極點對應子信道的碼本矢量序號。依據該序號，發射端可以從完整碼本中提取出60號碼本矢量。隨後，發射端提取出的將是子碼本矢量序號1，1，1，1，1，0，0，0，0，在依據子碼本矢量序號提取子碼本矢量之前，發射端首先要應用前面介紹的子碼本構造方法，為非極點對應的子信道構造相應的子碼本，並使用相同的規則對子碼本中的矢量進行編號，然後依據從反饋信息中提取出的子碼本矢量序號，從對應的子碼本中提取出子碼本矢量。
(7)實施例實施例1本實施例基於上述的多徑Rayleigh信道模型。首先假設信道狀態是準靜態的，即在一個數據包的傳輸過程中信道狀態是不變的。本案例使用的數據包含1920數據比特，經過符號映射和QPSK調製生成含有960個符號的數據包。假設在接收端已經獲得信道狀態信息，則反饋生成單元根據信道狀態信息完成奇異值分解、極點搜索、碼本搜索、子信道分組、子碼本生成、子碼本搜索、形成預編碼碼本序號反饋信息比特等過程。本實施例使用1比特生成子碼本，即每個子碼本含有2個碼本矢量。預編碼碼本序號反饋信息比特經反饋信道到達發射端。發射端的信號經過OFDM調製，並形成4路準備加載到4根發射天線的信號。預編碼功能單元依據預編碼碼本序號反饋比特信息，從碼本中選擇預編碼碼本矢量，對4路待發射信號進行預編碼。預編碼之後，信號被加載到4根發射天線發射，經過多徑Rayleigh信道，在接收端被兩根接收天線接收。兩根接收天線的接收信號分別進行OFDM解調。接收端同樣根據預編碼碼本序號反饋比特信息從碼本中提取預編碼矢量，對解調信號加權合併。合併信號最終依據最大似然準則進行解碼獲得數據符號，經過QPSK解調獲得數據比特。
圖6所示多徑Rayleigh信道模型下的誤碼率性能仿真曲線和圖7所示反饋比特數對比曲線表明，本發明在反饋比特數減少43左右的情況下，獲得了和使用2比特生成子碼本的子空間搜索算法基本相同的誤碼率性能；在反饋比特數減少295左右，盡4倍的情況下，誤碼率性能相對於完全搜索碼本的情況僅有0.5-2.5dB的損失。
實施例2本實施例基於上述3GPP空間信道模型。該信道模型相對於上述多徑Rayleigh信道模型是一種快衰落的信道模型。故本實施例可以驗證本發明在快衰落信道條件下的性能。本實施例的具體的實施過程與實施例1相同。圖8所示3GPP空間信道模型下的誤碼率性能曲線和圖9所示反饋比特數對比曲線表明，在3GPP空間信道模型條件下，本發明在反饋比特數減少32左右的情況下，獲得了略好於使用2比特生成子碼本的子空間搜索算法的誤碼率性能；在反饋比特數減少281，盡4倍的情況下，誤碼率性能相對於完全搜索碼本的情況僅有0.5-2dB的損失。另外，從圖9所示的反饋比特數對比曲線上可以看到兩處明顯的波動，這是3GPP空間信道模型的變化相對較劇烈的引起的，這也表明本發明算法能更好的跟蹤信道變化，是一種更靈活的減少預編碼反饋信息比特數的方法。
(8)本發明的適應性上述針對兩種變化劇烈程度不同的實施例表明，本發明算法對不同的信道有一定的適應性。這種適應性主要體現在瞬時反饋比特數的波動特性上。波動的趨勢是，當信道變化較劇烈時，反饋信息比特數會隨之增加；當信道變化較平穩時，反饋信息比特數會隨之降低或保持平穩。這種適應性也證明，本發明算法能更好的跟蹤信道的變化，是一種考慮信道變化，減少反饋信息比特數的方法。
權利要求
1.一種MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟一，根據信道狀態信息對於每一個OFDM子信道提取對應的MIMO信道矩陣的最大奇異值；步驟二，按照OFDM子信道的順序，將這些最大奇異值視為一條光滑曲線上的點，尋找這些奇異值中的極點；步驟三，對於極點所對應的子信道搜索完整碼本，獲得相應的完整碼本預編碼矢量序號；步驟四，對於非極點所對應的子信道，按OFDM子信道順序分成若干個組，用子碼本構造和搜索的方法為每組非極點所對應子信道獲得預編碼碼本矢量的子碼本序號；步驟五，將所獲得的一系列碼本矢量序號信息反饋到發射端，發射端利用該信息提取碼本矢量，完成發射預編碼。
2.如權利要求1所述的MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法，其特徵是，步驟一中所述的提取每一個OFDM子信道對應的MIMO信道矩陣的最大奇異值方法為，對MIMO子信道矩陣進行奇異值分解。
3.如權利要求1所述的MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法，其特徵是，步驟一中所述的提取每一個OFDM子信道對應的MIMO信道矩陣的最大奇異值方法為，通過求取MIMO信道矩陣與MIMO信道矩陣共扼轉置矩陣乘積的最大特徵值。
4.如權利要求1所述的MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法，其特徵是，步驟二中所述的極點，按照OFDM子信道的順序，第一個子信道所對應的奇異值為一個極值點，最後一個子信道對應的奇異值不作為極值點。
5.如權利要求1所述的MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法，其特徵是，步驟四中所述的分組是按照極點位置分成若干組，每組以極點對應子信道起始，終止於下一個極點前的子信道；每組以極點對應子信道的預編碼碼本矢量為起始中心矢量實施子碼本構造和搜索。
6.如權利要求5所述的MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法，其特徵是，所述子碼本構造和搜索，包括步驟①，確定非極點對應子信道所要反饋的比特數。確定了反饋比特數，就確定了子碼本的大小；步驟②，子碼本的構造是以前一個子信道所獲得的碼本矢量為核心，依據最小弦距準則搜索整個預編碼矢量的碼本，找到滿足該準則的碼本矢量，則該矢量就是子碼本中的一個矢量；步驟③，對於非極點對應的子信道採用搜索子碼本的方法獲取預編碼子碼本矢量，並記錄子碼本矢量序號。
7.如權利要求6所述的MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法，其特徵是，步驟③中所述的搜索子碼本要依據和應用與極點對應子信道碼本搜索的準則相同的準則。
8.如權利要求1所述的MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法，其特徵是，步驟四中所述的分組是，對於在頻域變化相對平緩的信道，採用基於完全碼本搜索的子信道分組方法首先，對所有子信道根據需要依據準則搜索整個碼本，得到每個子信道的預編碼碼本矢量；其次，確定同一分組內不同碼本矢量的個數M，並以第一個子信道的預編碼碼本矢量為中心，按相同的準則搜索整個碼本，找到包括中心矢量在內滿足該準則的M個碼本矢量；再次，從第一個子信道開始，按子信道排列順序，對各子信道的碼本矢量與得到的M個碼本矢量進行比較，如果子信道的碼本矢量屬於M集內，則該子信道屬於同一分組，直到找到子信道m的碼本矢量不屬於M為止，至此以前的所有子信道屬於第一分組；再以子信道m的碼本矢量為中心，按相同的準則構築一新的M個碼本矢量，用其後的子信道的碼本矢量與M比較，得到第二個分組，如此反覆，直到對所有子信道分組完成為止；最後，反饋時，採用位置差分的方式形成反饋信息，或對每個子信道組除第一個子信道外的其餘子信道進行子碼本的構造和搜索。
9.如權利要求8所述的MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法，其特徵是，所述位置差分方式反饋，是指將每個子信道組開始子信道所獲得的完整碼本矢量序號和該子信道組所含子信道的數量合成，將該合成信息反饋到發射端；發射端從收到的合成信息中提取出每組開始子信道完整碼本矢量序號和該子信道組所含子信道的數量信息；對於每個子信道組中除開始子信道之外的子信道，不反饋任何信息，而是使用和每組開始子信道相同的預編碼碼本矢量進行預編碼。
10.如權利要求1所述的MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法，其特徵是，步驟五中所述發射端利用反饋信息從碼本中提取碼本矢量，完成發射預編碼，包括步驟①，對於極點對應的子信道，直接利用反饋信息中的碼本矢量序號從完整的碼本中提取出碼本矢量，進行發射端預編碼；步驟②，對於非極點對應的子信道，首先，要採用和接收端相同的機制構造子碼本；其次，利用反饋信息中的子碼本矢量序號從子碼本中提取出碼本矢量，進行發射端預編碼。
11.如權利要求10所述的MIMO-OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數的方法，其特徵是，步驟②，接收端和發射端採用相同的子碼本構造機制的同時，還要採用相同的子碼本矢量的編號方法。
12.一種如權利要求1所述MIMO-OFDM系統中基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數方法的接收端裝置，其特徵在於，包括信道狀態信息獲取單元，獲取信道狀態信息；信道狀態跟蹤單元，根據信道狀態獲取單元獲取的信道狀態信息對於每一個OFDM子信道提取對應的MIMO信道矩陣的最大奇異值，並按OFDM子信道的順序，將所述最大奇異值視為一條光滑曲線上的點，找出極點；完整碼搜索單元，獲得所述極點對應的子信道的預編碼碼本矢量完整碼本序號；子碼本搜索單元，對於非極點對應的子信道，按OFDM子信道順序分成若干個組，用子碼本構造和搜索的方法獲得每組非極點對應的子信道的預編碼碼本矢量子碼本序號；反饋信息合成單元，將所述完整碼搜索單元和子碼本搜索單元合成，並進行反饋。
13.一種如權利要求1所述MIMO-OFDM系統中基於碼本搜索減少預編碼反饋比特數方法的發送端裝置，包括反饋信息處理單元，接收合成的反饋信息，並依照和接收端裝置所使用的相同的方法構造成子碼本；預編碼矢量提取單元，提取完整碼本序號，並在整個碼本中獲得對應的預編碼矢量，提取子碼本序號，並在所述構造的子碼本中獲得對應的預編碼矢量。
全文摘要
一種MIMO－OFDM系統基於碼本搜索減少預編碼反饋信息比特數的方法和裝置，應用於用戶和基站之間的空中接口通信，所述用戶包括信道狀態信息獲取單元；信道變化跟蹤單元，根據信道狀態信息對於每一個OFDM子信道提取對應的MIMO信道矩陣的最大奇異值，並按OFDM子信道的順序，將所述最大奇異值視為一條光滑曲線上的點，找出極點；碼本搜索單元，對極點對應的子信道搜索完整碼本，獲得相應的完整碼本預編碼矢量序號，對於非極點所對應的子信道，按OFDM子信道的順序分成若干個組，用子碼本構造和搜索的方法為每組非極點所對應的子信道獲得預編碼碼本的適量的子碼本序號；以及反饋信息合成單元，將所獲得的一系列碼本矢量序號信息反饋到發射端。
文檔編號H04B1/707GK101039137SQ20071003962
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月19日 優先權日2007年4月19日
發明者楊博, 佘峰, 羅漢文, 劉仁茂, 顏重光 申請人:上海交通大學, 夏普株式會社