CN103840870A - 3d mimo信道下一种有限反馈开销降低方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体公开了3D MIMO信道下一种将多用户有限反馈开销降低方法。在多用户3D MIMO-OFDM有限反馈系统中，针对每一用户，基于子载波间的频率响应相关性，分别对3D MIMO-OFDM垂直维度与水平维度各子载波进行分簇处理，利用垂直维度与水平维度前一子载波簇的最优码字构造当前子载波簇的新码本，新码本中的码字索引按照与前一子载波簇最优码字的相关性降序编制，对垂直维度与水平维度最优码字索引采用可变长编码并添加辅助比特位，使系统反馈开销得到很大程度地降低。该方法不但可大幅度降低多用户有限反馈系统中被调度用户的反馈开销，而且实现复杂度低。

Description

3D MIMO信道下一种有限反馈开销降低方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及3D MIMO信道下一种将邻域与分簇相结合的、基于码本的多用户有限反馈开销降低方法。 

背景技术

在LTE-Advanced系统中，基站端对发送信号进行预编码可给系统带来诸多有利之处，比如系统容量的提升，系统误码率的降低等。正是由于这些优点，预编码技术作为多用户MIMO-OFDM系统的关键技术被广泛研究。其中，基于码本的多用户有限反馈预编码技术，由于其能够有效地降低系统开销，而逐渐成为预编码技术研究的主要方向。但是，现有预编码技术基于2维（2Dimension，2D）MIMO模型，因此，仅能通过水平预编码矩阵来实现波束在水平维度跟踪目标用户。在实际的无线环境中，不但存在电磁波的水平传播，而且存在电磁波的垂直传播，因此，现有的2D MIMO信道模型并不完善。为此，学术界包括工业界大量开展了基于三维（3Dimension，3D）的MIMO信道建模工作。3D MIMO信道模型要求同时考虑空间电磁波的水平和垂直传播，即要求同时考虑方位角和俯仰角，因此，信道模型更加准确。考虑到3D MIMO的潜在优势，为此，高通、阿朗、DOCOMO、诺西及沃达丰等公司成立了ARTIST4G工作组，专门研究4G系统的先进无线接口技术(Advanced Radio Interface Technologies for4G Systems，ARTIST4G)，其中3D MIMO预编码技术由于增加垂直维度信息后，使得波束指向性更加明确，波束的能量更加易于集中于目标用户，从而可以有效地减小用户（特别是小区边缘用户）间干扰，提高用户吞吐量和数据传输速率，因此，3D MIMO预编码技术作为未来移动通信增强性关键技术，引起了业界的高度重视。 

与现有有限反馈系统类似，基站端与用户端分别存储预先设计好的码本。不同之处在于，3D MIMO有限反馈系统中，基站端和用户端要分别存储一垂直维码本和一水平维码本。用户端综合利用垂直维度与水平维度信道信息，根据选择准则，分别从预存码本中选出最优的垂直维度与水平维度预编码矩阵，并将对应索引号反馈回基站端，基站端根据索引号选择对应的预编码矩阵并进行扩展，从而形成最终3D预编码矩阵，最后利用该矩阵对发送数据进行预编码处理。 

在多用户系统中，由于用户数和每用户子载波数目都比较大，而基站端为了得到各用户每个子载波的最优预编码矩阵，必须针对各用户每个子载波采取类似的预编码反馈处理机制，因此，系统反馈开销十分巨大，而实际系统反馈链路带宽又十分有限，特别是3D MIMO信道下，由于垂直维自由度的开发，给本来就紧张的反馈链路更是雪上加霜，因此，提出适宜于3D MIMO信道的有限反馈开销降低技术将是3D MIMO技术能否有效商业化的关键之一，目前多用户有限反馈开销降低方法的研究主要集中在2D领域。 

发明内容

本发明针对现有技术3D MIMO信道下基站端为了得到各用户每个子载波的最优预编码矩阵，必须针对各用户每个子载波采取类似的预编码反馈处理机制，系统反馈开销十分巨大，反馈链路紧张的问题，本发明提出3D MIMO信道下一种将邻域与分簇相结合的、基于码本的多用户有限反馈开销降低方法。 

在多用户3D MIMO-OFDM有限反馈系统中，基站端依据多用户调度算法同时调度K个用户，每个被调度用户分别对垂直维度与水平维度子载波进行分簇处理，进而利用前一子载波簇的最优码字构造当前子载波簇的码本空间，新码本中的码字索引按照与前一子载波簇的最优码字的相关性进行降序排列，分别得到每一用户垂直维度与水平维度所有子载波簇在新码本下的最优码字索引集合，进而 对其进行可变长编码并添加辅助比特位，从而降低系统反馈开销。该方法包括以下步骤： 

3D MIMO信道下一种有限反馈开销降低方法，在多用户3D MIMO-OFDM有限反馈系统中，基站端同时调度一个多用户组中的全部K个用户，每个被调度用户分别对垂直维度与水平维度子载波进行分簇处理，利用前一子载波簇的最优码字构造当前子载波簇的码本空间，当前子载波簇的码本中的码字索引按照与前一子载波簇的最优码字的相关性进行降序排列，从中分别选择当前垂直维度和水平维度子载波簇的最优码字，完成垂直维度与水平维度所有子载波簇的最优码字选择后，分别得到每一用户垂直维度与水平维度子载波簇的最优码字索引集合；对集合中的索引号进行可变长编码，同时分别对垂直维索引与水平维索引添加辅助比特位，得到新的索引集合；基站端对接收到的用户的最优码字索引集合，按位逐级译码，得到与该用户垂直维度与水平维度所有子载波簇相对应的码字索引，得到与之对应的最优预编码矩阵，用该最优预编码矩阵对发射信号进行预编码处理，以提高系统性能。 

对垂直维度与水平维度子载波进行分簇处理具体包括：在含有L个码字的初始码本中选择与垂直维度和水平维度第一个子载波簇相对应的最优码字和 

根据垂直维度最优码字的码本C={w₁,w₂,L,w_L}构造垂直维度新码本C′={w₁,w₂,L,w_L′}，根据水平维度最优码字的码本构造水平维度新码本 

其中，C′、C^h′分别由

的L′个相邻码字组成，并根据与

的距离降序排列编制索引，最终形成与垂直维度和水平维度所有子载波簇相对应的新码本。选择最优码字和

具体包括：取每根接收天线对应的信道矩阵的第j列，构成垂直维信道矩阵H_v，即  $H_v={\left[\begin{array}{c}{H}_{n\×m\×k}(:,j,1)\\ H_{n\×m\×k}(:,j,2)\\ M\\ H_{n\×m\×k}(:,j,k)\end{array}\right]}_{n\×k}$ 取每根接收天线对应的信道矩阵的第i行，构成水平维信道矩阵H_h，即 $H_h={\left[\begin{array}{c}{H}_{n\×m\×k}(i,:,1)\\ H_{n\×m\×k}(i,:,2)\\ M\\ H_{n\×m\×k}(i,:,k)\end{array}\right]}_{m\×k},$ 将垂直维度与水平维度子载波分簇，以分簇内所有子载波的信道均值作为该簇预编码矩阵选择信道，即：

根据最小奇异值最大化准则选择最优码字

所述多用户组的组成具体为，各用户端遍历码本中的每个矩阵，分别计算以每个向量作为其用户的预编码向量时对应的信噪比，各用户将信噪比值最大时所对应的最优预编码向量索引反馈到基站端，基站端获得所辖小区内所有用户端上报的最优预编码向量和信道质量信息CQI，从多用户中选择最大CQI的用户作为第一调度用户，依据信噪比降序原则，从除第一调度用户外的其他用户中，选择所采用最优预编码矢量不但互不相同而且与第一调度用户所采用的最优预编码矢量不同的其它K-1个终端用户与之配对，从而组成一个多用户组。 

本发明针对多用户3D MIMO-OFDM系统，提出了一种有限反馈开销降低方法。该方法综合利用垂直维度与水平维度信道信息，在原有水平维预编码的基础上，增加垂直维预编码，有效提高了系统性能。同时，通过利用垂直维度和水平维度各子载波间频率相关性，引入子载波分簇、新码本构造、可变长编码及添加辅助比特位处理，提高了反馈链路的有效性，从而大幅度降低反馈开销。 

附图说明

图1为基于码本的3D MIMO多用户有限反馈部分系统框图； 

图2为本发明实施流程图； 

图3为初始码本下定长编码反馈实例图； 

图4为本发明可变长编码反馈实例图； 

图5为本发明室内NLOS环境下垂直维度平均每次反馈量对比图； 

图6为本发明室内NLOS环境下水平维度平均每次反馈量对比图。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。 

在多用户3D MIMO-OFDM有限反馈系统中，基站依据多用户调度算法同时调度K个用户。针对每一用户，基于子载波间的频率响应相关性，分别对3D MIMO-OFDM垂直维度与水平维度各子载波进行分簇处理，进而分别利用垂直维度与水平维度前一子载波簇的最优码字构造当前垂直维度与水平维度子载波簇的新码本，新码本中的码字索引则按照与前一子载波簇最优码字的相关性降序编制，在得到该用户垂直维度与水平维度所有子载波簇在新码本下的最优码字索引集合后，进而对垂直维度与水平维度最优码字索引采用可变长编码并添加辅助比特位，从而使得系统反馈开销得到很大程度地降低。该方法不但可大幅度降低多用户有限反馈系统中被调度用户的反馈开销，而且实现复杂度低。 

如图1所示3D MIMO信道下基于码本的多用户有限反馈部分系统框图，包括：OFDM调制/解调模块、3D预编码模块、3D信道估计及预编码矩阵选择模块、反馈信息获取模块、及3D信号发送/接收模块。 

假设基站端采用均匀面阵，发射天线数为

同时要求每一根发射天线都能够同时处理水平维度与垂直维度上的信息，用户端接收天线数为N_r，且考虑K个用户被同时调度。 

用户i（(i=1,2,...,K)）的接收信号矢量可表示为 

$y_i=H_i{w}_i{x}_i+\underset{i\≠j}{\mathrm{\Σ}}{H}_i{w}_j{x}_j+n_i$

其中K为用户数，y_i表示用户i的接收信号矢量，H_i表示信道矩阵，w_i表示预编码矩阵，x_i表示发送信号矢量，表示其他用户对该用户的干扰信号，n_i表示加性高斯白噪声，服从CN(0,N₀)的分布。 

用户端通过信道估计获得信道状态信息H_i，若采用多用户迫零（Zero-Forcing，ZF）检测，则用户i发送信号x_i的检测值为

其中G_i表示用户端采用ZF检测时用户i的线性转换矩阵，表示为G_i=(H_iw_i)^-1，其中，w_i∈C={w₁,w₂,L,w_L}为预编码矩阵。用户i的信噪比SINR可表示为： 

${\mathrm{SINR}}_i=\frac{{\left|G_i{H}_i{w}_i\right|}^2}{\underset{j=1,j\≠i}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|G_i{H}_i{w}_j\right|}^2+{\left|G_i\right|}^2{N}_0}$

在多用户有限反馈系统中，码本C包含有L个预编码矩阵{w₁,w₂,L,w_L}，各用户端遍历码本中的每个矩阵，分别计算以每个向量作为其用户的预编码向量时对应的信噪比SINR，各用户将信噪比值最大时所对应的最优预编码向量索引反馈到基站端。基站端获得所辖小区内所有用户端上报的最优预编码向量和信道质量信息（Channel Quality Information，CQI）后，从多用户中选择最大CQI的用户作为第一调度用户，进而依据信噪比值降序原则，从除第一调度用户外的其他上报用户中，选择所采用最优预编码矢量不但互不相同而且与第一调度用户所采用的最优预编码矢量不同的其它K-1个终端用户与之配对，从而组成一个多用户组。基站端同时调度K个用户，其中每个被调度用户进行单独的有限反馈。 

本发明提出的3D MIMO信道下基于码本的多用户有限反馈开销降低方法的具体实现流程如图2，其中，基站端采用n×m天线阵列，每个用户端采用k根接收天线，具体包括： 

1）用户i接收到信号后，通过3D信道估计，得到3D信道矩阵H_n×m×k，取每 根接收天线对应的信道矩阵的第j列，构成垂直维信道矩阵H_v，即 

$H_v={\left[\begin{array}{c}{H}_{n\×m\×k}(:,j,1)\\ H_{n\×m\×k}(:,j,2)\\ M\\ H_{n\×m\×k}(:,j,k)\end{array}\right]}_{n\×k}$

取出每根接收天线对应的信道矩阵的第i行，构成水平维信道矩阵H_h，即 

$H_h={\left[\begin{array}{c}{H}_{n\×m\×k}(i,:,1)\\ H_{n\×m\×k}(i,:,2)\\ M\\ H_{n\×m\×k}(i,:,k)\end{array}\right]}_{m\×k}$

其中n代表天线阵列中水平维度天线数，m代表垂直维度天线数，k代表用户端接收天线数。由于水平维度的空间信道矩阵和天线阵列每一行的元素均相关，垂直维度的空间信道矩阵和天线阵列每一列的元素均相关，因此，i和j可选取1,2……k之间的任意数。 

2）将垂直维度与水平维度信道矩阵H_v、H_h按照子载波间的频率相关性进行分簇，以簇内所有子载波的信道均值作为该簇预编码矩阵选择信道，即 

$H_n^h=\frac{1}{N}\underset{m=\mathrm{nN}+1}{\overset{\mathrm{nN}+N}{\mathrm{\Σ}}}{H}_h\left(m\right)$

其中，

代表垂直维度第n个子载波簇的信道均值，代表水平维度第n个子载波簇的信道均值，N表示簇内子载波数，可根据仿真需求自行确定其大小，但是，由于子载波间的频率相关性有限，N将影响系统性能。m表示第m个子载波。 

3）在含有L个码字的码本C中选择与垂直维度第一个子载波簇相对应的最优码字

可根据最小奇异值最大化准则选择最优码字

有： 

$v_{\mathrm{opt}}^v\left(1\right)=\arg \underset{w\∈C}{\max }\min \left\{\mathrm{svd}\left(H_1^{v}w\right)\right\}$

其中，C表示码本空间，w表示预编码矩阵，表示垂直维度第一个子载波簇的信道均值。 

4）根据最优码字确定新码本C′。C′由

的L′个相邻码字组成（包括

本身），并根据与

的距离降序排列来编制索引。即 

C′={w₁,w₂Lw_L′} 

其中

新码本大小L′可根据信道环境条件己确定。 

5）根据最小奇异值最大化准则，在新码本C′中选择与第二个子载波簇对应的最优码字。 

6）依次执行步骤4）-5），直到取得与垂直维度最后一子载波簇相对应的最优码字。 

7）针对水平维度各子载波簇，执行上述步骤3）-5)，即 

首先获得水平维度第一个子载波簇所对应的最优码字： 

$v_{\mathrm{opt}}^h\left(1\right)=\arg \underset{w\∈C}{\max }\min \left\{\mathrm{svd}\left(H_1^{h}w\right)\right\}$

然后根据最优码字确定新码本C′，即 

C′={w₁,w₂Lw_L′} 

其中 $\⟨v_{\mathrm{opt}}^h\left(1\right),w_1\⟩>\⟨v_{\mathrm{opt}}^h\left(1\right),w_2\⟩>L>\⟨v_{\mathrm{opt}}^h\left(1\right),w_{L^{\′}}\⟩$

根据最小奇异值最大化准则，在新码本C′中选择与水平维度第二个子载波簇对应的最优码字。以此类推，直到取得与水平维度最后一子载波簇相对应的最优码字。 

8）垂直维度与水平维度所有子载波簇完成最优码字选择后，确定与垂直维度与水平维度所有子载波簇相对应的最优码字索引集合。 

9）对最优码字索引集合中的索引号进行可变长编码，同时对垂直维索引与水平维索引分别添加辅助比特位，例如：添加的垂直维度辅助比特为1，水平维度辅助比特为0，从而得到最终基于二进制表示的新的码字索引集合。编码规则 如表1所示。 

表1 可变长编码、定长编码与索引之间的关系 

本发明通过利用分簇与邻域及可变长编码，大幅度降低反馈开销，提高反馈链路有效性。本发明带来的益处可通过仿真进一步说明。 

仿真参数配置如表2所示： 

表2 仿真参数配置 

仿真子帧数	200子帧
		信道类型	3D SCM
系统带宽	10MHz
		基站天线间距	水平10λ 垂直0.5λ
基站天线数	8×8
		用户数	4
用户天线数	2
		仿真环境	室内NLOS
子载波数	300

在初始码本L=16，新码本L′=4时，图3、图4分别给出采用定长编码及本发明所述的可变长编码后的反馈实例图。同时，垂直维度与水平维度子载波簇个数分别为5，每个簇内子载波数为5，且每个簇最优码字在初始码本中对应索引为{7,7,6,6,5,9,9,9,8,8}。若对垂直维度和水平维度子载波不进行分簇，则添加辅助比特位后，反馈量可达（5×5+5×5）×5=250bit；若采用子载波分簇后，每个子载波 簇依然采用初始码本时，即根据图3所示采用定长编码时，编码后的数据为{10111,10111,10110,10110,10101,01001,01001,01001,01000,01000}，反馈量开销可达50bit，较于理想子载波反馈的250bit，已经有很大降低；如果采用本发明所述的可变长编码时，如图4所示，首先构造新码本，且在新码本中进行最优码字选择，进而得到在新码本下的最优码字索引集合，即{7,1,2,1,2,9,1,1,2,1}，接着对其进行可变长编码及添加辅助比特，得到编码后的数据为{10111,11,111,11,111,01001,01,01,011,01}，反馈总开销降为29bit，因此，充分显示出本发明在反馈开销降低上的优势。 

在初始码本大小L=16，新码本大小L′=8，簇内子载波数N不同时，图5给出3D MIMO-OFDM系统反馈开销对比图。如果仅考虑每个子载波反馈比特的降低（即N=1），由于新码本大小L′=8<L=16，因此使得反馈开销在一定程度上得到减小，但其总反馈开销依然很大，无法满足3GPP协议规定的反馈带宽限制。进一步，从仿真结果可看出，簇内子载波数越大，反馈量越低，即加大簇内子载波数，能够大幅度降低系统反馈开销。当新码本大小L′=8，N=12时，其对应的反馈开销最小，而且该反馈开销量基本满足3GPP协议规定的反馈带宽限制（105bit）。 

图6给出初始码本大小L=16，新码本大小L′=8，簇内子载波数N不同时系统误码率性能仿真结果。从图上可以看出，N越小，则系统性能越接近于理想子载波反馈，这是因为，簇内子载波数越少，该簇信道均值越能充分代表每个子载波，由此选择出的预编码矩阵更接近于针对每个子载波选择的预编码矩阵，所以系统性能越好。此外，当N=12，尽管性能相比理想反馈有明显下降，但满足反馈通道带宽的要求，因此，本发明所述方法大幅度降低系统反馈开销是以牺牲系统性能为代价的，这相对于所带来的好处来说是值得的。 

本发明提出的3D MIMO信道下多用户有限反馈开销降低方法，在多用户有限反馈系统中加入了子载波分簇、新码本构造及可变长编码，通过利用子载波间的频率相关性，对3D MIMO-OFDM信道垂直维度与水平维度子载波进行分簇，根据与前一子载波簇最优码字的相关性为下一子载波簇构造新码本，并从中选择最优码字，依此类推，直到得到垂直维度与水平维度所有子载波簇的最优码字索引集合，同时对该索引集合重新进行可变长编码及添加辅助比特位，从而大幅度降低了反馈开销，提高了反馈链路的有效性。 

Claims (4)

1.3D MIMO信道下一种有限反馈开销降低方法，其特征在于，包括步骤：在多用户3D MIMO-OFDM有限反馈系统中，基站端同时调度一个多用户组中的全部K个用户，每个被调度用户分别对垂直维度与水平维度子载波进行分簇处理，利用前一子载波簇的最优码字构造当前子载波簇的码本空间，当前子载波簇码本中的码字索引按照与前一子载波簇的最优码字的相关性进行降序排列，从中分别选择当前垂直维度和水平维度子载波簇的最优码字，完成垂直维度与水平维度所有子载波簇的最优码字选择后，分别得到每一用户垂直维度与水平维度子载波簇的最优码字索引集合；对集合中的索引号进行可变长编码，同时分别对垂直维度索引与水平维度索引添加辅助比特位，得到新的索引集合；基站端对接收到的用户的最优码字索引集合，按位逐级译码，得到与该用户垂直维度与水平维度所有子载波簇相对应的码字索引，及其最优预编码矩阵，用该最优预编码矩阵对发射信号进行预编码处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对垂直维度与水平维度子载波进行分簇处理具体包括：在含有L个码字的初始码本中选择与垂直维度和水平维度第一个子载波簇相对应的最优码字

和

根据垂直维度最优码字的码本C={w₁,w₂,L,w_L}构造垂直维度新码本C′={w₁,w₂,L,w_L′}，根据水平维度最优码字的码本构造水平维度新码本

其中，C′、C^h′分别由

的L′个相邻码字组成，并根据与

的距离降序排列编制索引，最终形成与垂直维度和水平维度所有子载波簇相对应的新码本。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多用户组的组成具体为，各用户端遍历码本中的每个矩阵，分别计算以每个向量作为其用户的预编码向量时对应的信噪比，各用户将信噪比值最大时所对应的最优预编码向量索引反馈到基站端，基站端获得所辖小区内所有用户端上报的最优预编码向量和信道质量信息CQI，从多用户中选择最大CQI的用户作为第一调度用户，依据信噪比降序原则，从除第一调度用户外的其他用户中，选择所采用最优预编码矢量互不相同而且与第一调度用户的最优预编码矢量不同的其它K-1个终端用户与之配对，从而组成一个多用户组。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，选择最优码字

和

具体包括：取每根接收天线对应的信道矩阵的第j列，构成垂直维信道矩阵H_v，即 $H_v={\left[\begin{array}{c}{H}_{n\&times;m\&times;k}(:,j,1)\\ H_{n\&times;m\&times;k}(:,j,2)\\ M\\ H_{n\&times;m\&times;k}(:,j,k)\end{array}\right]}_{k\&times;n}$ 取每根接收天线对应的信道矩阵的第i行，构成水平维信道矩阵H_h，即 $H_h={\left[\begin{array}{c}{H}_{n\&times;m\&times;k}(i,:,1)\\ H_{n\&times;m\&times;k}(i,:,2)\\ M\\ H_{n\&times;m\&times;k}(i,:,k)\end{array}\right]}_{k\&times;m},$ 将垂直维度与水平维度子载波分簇，以分簇内所有子载波的信道均值作为该簇预编码矩阵选择信道，即：

对预编码矩阵选择信道根据最小奇异值最大化准则选择最优码字

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