有限反饋系統中基於信漏噪比的預編碼構造方法
2023-05-25 09:38:51 2
專利名稱：有限反饋系統中基於信漏噪比的預編碼構造方法
技術領域：
本發明屬於無線通信技術領域，涉及多用戶多天線系統中的傳輸預處理技術，為 一種有限反饋系統中基於信漏噪比的預編碼構造方法。
背景技術：
研究表明，當基站端擁有M根發送天線，用戶端擁有N根接收天線時，對於這種多 輸入多輸出MIMO的單用戶通信系統相對於單輸入單輸出SISO的系統可以獲得min{M，N} 倍的系統容量增益，其中min{M，N}表示Μ、N中較小的那個數。但是，在移動用戶的接收端 往往受產品尺寸和生產成本的限制，接收天線的數目往往都會遠遠小於基站發送端的天線 數目，這就很大程度上限制了 MIMO系統的通信容量。尤其在時分復用多址接入TDMA系統 中，由於基站同一時刻只能服務一個用戶，因此多天線技術並不能讓該系統的分集度獲得 有效的提高。解決這一問題的辦法就是能夠實現在同一時刻同時服務多個用戶。一種被稱為 汙紙編碼的技術可以實現這一目標，同時還能夠解決由多用戶通信帶來的用戶間幹擾的問 題。雖然汙紙編碼已經被證實可以獲得MIMO通信系統的最優容量，但是，由於汙紙編碼在 算法上過於複雜，實際系統中至今很難實現它。因此，一種次優的被稱為波束成形的方法應 運而生，它可以讓多天線系統實現同一時刻為多個用戶提供傳輸服務，並且較汙紙編碼卻 有較低的計算複雜度，非常易於實際系統實現。已經證實，在多輸入單輸出MISO系統中，當 用戶數很大時，波束成形方案達到的系統容量接近於汙紙編碼方法可以達到的最佳系統容 量。傳統的波束成形向量設計方法是基於優化用戶接收端的信幹噪比SINR來設計 的。但是，由於最大化SINR是一個非凸優化難題，基於SINR設計出最優的波束成形向量 同樣也是個難題。一方面，迫零波束成形技術ZFBF已經是一個被廣泛接受的次優波束成形 方法，它很簡單地通過將系統聯合信道矩陣取逆或者偽逆來構造預編碼矩陣，從而完美地 解決了用戶間互相干擾的問題並且避免了最大化SINR所帶來的非凸優化難題。已經有文 獻證實，在用戶數和信噪比都很大的情況下，如果基站具有完全的信道狀態信息，通過ZFBF 方案帶來的系統容量接近於最優汙紙編碼方法。但是，當信噪比較低時，環境噪聲對整個通 信系統的影響就佔據了主導作用，此時的ZFBF性能則較差。另一方面，當實際系統中基站 側無法獲得完全的下行鏈路信道狀態信息時，根據信道信息有限反饋設計的ZTOF性能則 跟最優的系統預編碼設計方案有著較為明顯的性能差距，特別是在信噪比較高的情況下， 這一現象更為明顯。
發明內容
本發明要解決的問題是波束成形方案有利於通信系統實現最優容量，但傳統的 波束成形向量設計方法在信噪比較低時性能較差，需要在有限反饋系統中提高波束成形技 術的性能。
本發明的技術方案為有限反饋系統中基於信漏噪比的預編碼構造方法，用於採 用顯式有限反饋技術的多用戶MIMO通信系統中，由用戶端估計下行鏈路信道信息，並將之 歸一化和量化，通過有限反饋鏈路將量化後的信道信息傳給基站端，基站基於獲得的量化 後的信道方向信息計算並最大化每位用戶的信漏噪比，來計算波束成形向量，基站將計算 出來的每位用戶的波束成形向量合併成預編碼矩陣，並將需要發送的信號乘以預編碼矩陣 進行發送。具體實現步驟為1)基站端預先利用勞埃德算法為每個用戶生成一個獨立的碼本，將碼本信息告知 用戶端；2)用戶k利用最小方差和最小均方誤差信道估計算法估計出此時從基站到用戶k 的信道信息hk;3)用戶將獲得到的瞬時信道信息hk歸一化，根據基站分配的碼本按照最小相關性 準則量化到碼本中的一個碼字，記為I將該碼字在碼本中對應的索引號通過有限反饋鏈 路反饋給基站端；4)基站根據接收到的用戶反饋的索引號，讀出對應的用戶碼本中的碼字I此碼 字即代表著從基站到該用戶之間無線信道的量化信道狀態信息；5)基站將每位用戶的量化信道狀態信息代入預編碼構造公式，根據信漏噪比準則 計算出每位用戶的預編碼向量，也就是波束成形向量，預編碼向量Wk構造公式為
權利要求
1.有限反饋系統中基於信漏噪比的預編碼構造方法，其特徵是用於採用顯式有限反饋 技術的多用戶MIMO通信系統中，由用戶端估計下行鏈路信道信息，並將之歸一化和量化， 通過有限反饋鏈路將量化後的信道信息傳給基站端，基站基於獲得的量化後的信道方向信 息計算並最大化每位用戶的信漏噪比，來計算波束成形向量，基站將計算出來的每位用戶 的波束成形向量合併成預編碼矩陣，並將需要發送的信號乘以預編碼矩陣進行發送。
2.根據權利要求1所述的有限反饋系統中基於信漏噪比的預編碼構造方法，其特徵是 具體實現步驟為1)基站端預先利用勞埃德算法為每個用戶生成一個獨立的碼本，將碼本信息告知用戶端；2)用戶k利用最小方差和最小均方誤差信道估計算法估計出此時從基站到用戶k的信 道信息hk ；3)用戶將獲得到的瞬時信道信息hk歸一化，根據基站分配的碼本按照最小相關性準則 量化到碼本中的一個碼字，記為、，將該碼字在碼本中對應的索引號通過有限反饋鏈路反饋給基站端；4)基站根據接收到的用戶反饋的索引號，讀出對應的用戶碼本中的碼字^，此碼字即 代表著從基站到該用戶之間無線信道的量化信道狀態信息；5)基站將每位用戶的量化信道狀態信息代入預編碼構造公式，根據信漏噪比準則計算 出每位用戶的預編碼向量，也就是波束成形向量，預編碼向量Wk構造公式為其中Pk表示基站為第k個用戶分配的發射功率，ζω表示返回括號內矩陣最大的特 徵值所對應的特徵向量，矩陣rk是為了計算出預編碼向量Wk的中間變量，rk按照如下公 式計算(KΛΓ V1..V^ U ffu , ivO TU HC\i=\Mk^k J其中O—1表示對括號內的矩陣取逆，^ff表示對^構成的矩陣求共軛轉置，Ntl是噪聲功 率，Im為M維單位矩陣，M為基站天線數；6)基站將獲得到的預編碼向量直接堆疊成預編碼矩陣W，乘以需要發送的信源信號並 發送。
全文摘要
有限反饋系統中基於信漏噪比的預編碼構造方法，用於採用顯式有限反饋技術的多用戶MIMO通信系統中，由用戶端估計下行鏈路信道信息，並將之歸一化和量化，通過有限反饋鏈路將量化後的信道信息傳給基站端，基站基於獲得的量化後的信道方向信息計算並最大化每位用戶的信漏噪比，來計算波束成形向量，基站將計算出來的每位用戶的波束成形向量合併成預編碼矩陣，並將需要發送的信號乘以預編碼矩陣進行發送。本發明可以實現在不同的信噪比情況下都可以獲得較高的系統容量和可靠性，比起現有的迫零波束成形ZFBF方案，本發明可以獲得更高的系統通信容量和可靠性，而且和ZFBF具有相當的複雜度。
文檔編號H04L1/06GK102142938SQ20111007677
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月29日 優先權日2011年3月29日
發明者戴斌斌, 許威, 趙春明 申請人:東南大學