专利名称：：基于树形码本的多天线无线通信系统高效反馈方法
技术领域：
：本发明涉及一种无线移动通信系统的自适应技术，尤其涉及一种多天线有限反馈系统中的反馈方法。
背景技术：
：随着时代的不断进步，人们对信息的需求量越来越大。多天线技术由于在提高系统容量，增加系统的分集度方面的优越性，越来越受到人们的重视，在三代(3G)和四代(4G)移动通信系统中都得到了广泛应用。空时编码和波束成形是提高系统分集度最主要的两种方法。相比较而言，波束成形由于利用了信道信息，因而在改善误码率性能方面更胜一筹。利用信道信息进行发送端波束成形，接收端最大比合并可以获得最大分集度。在时分双工(TDD，TimeDivisionDuplex)系统中，发送端的信道信息可以利用信道的互易性得到。而频分双工(FDD,FrequencyDivisionDuplex)系统不具有互易性，它的信道信息只能通过反馈信道获得，当信道状态参数较多时，可以利用有限反馈降低系统的反馈量。有限反馈系统在发送端和接收端都有预先设计好的码本，接收端根据当前的信道信息按一定的失真准则选择码本中的码字，将其序号反馈给发送端，发送端根据反馈的序号确定码字，用以进行发送端的预处理。比较常见的码本设计方法有GLA(GeneralizedLloydAlgorithm)方法和GLP(GrassmannianLinePackings)方法。GLA方法适用于各种场合，理论上能得到最优的码本，但是其复杂度较高。GLP方法对于特定情况存在闭式解，而通常情况下则要用到数值解法。上述码本设计方法都只考虑了信道的空间相关性，对于实际具有时间相关性的信道，反馈量仍然是有冗余的。本发明针对具有时间相关性的信道提出了一种新的反馈方案，在保证系统性能的前提下可以进一步降低系统的反馈量。
发明内容技术问题本发明的目的是提供一种基于树形码本的多天线无线通信系统高效反馈方法，该方法能在具有时间相关性的信道中以较低的反馈量达到和传统有限反馈方法相近的系统性能。技术方案本发明中基于树形码本的多天线无线通信系统高效反馈方法按如下步骤进行步骤一、根据性能和复杂度的要求，利用GLA方法在发送端和接收端设计树形结构的码本；树形码本的级数为iV，每一级的树形码本为W,,/=l,-，iV，第/级码本对应的第y'个码字为w。.，定义第/级码本中任意两个码字w,」和M^C/,A:-1,…,2')之间的距离为第/级码本的量化半径为=max(maxd(w，w,.,.)}C^.定义为第f级码本中第y个码字对应的量化区域<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>步骤二、按照最大化输出信噪比的准则确定发送端最优波束成形矢量和接收端最大比合并矢量的表达式；在接收端，接收的信号可以表示为-其中，H表示A/,xi^的信道矩阵，M,为接收天线数，A/,为发送天线数，H的每一个元素是相互独立的零均值，方差为l的复高斯变量；发送信号为"w和z分别为波束成形矢量和合并矢量，z"表示矢量z的共轭转置；噪声矢量n服从统计独立的复高斯分布，均值为0，方差为W。，对于给定的系统，接收端的信噪比可以表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中p-^ELfUl，||[||2表示2范数，￡[]表示期望，五[i^i]表示发送能量。通常选取w和z为归一化矢量，艮卩||w||22=||z||22=l，因此；/叫zHHw卩p。而|zHHw|^||Z,Hw^=||Hw||〖，当z-Hw/HHwll〖上式取等号，所以w和z的设计可等效为w=argmax||Hv||2z=Hw/||Hw||2其中CV,={neCM':||u||2=l}，C"'表示为M,维复向量空间。步骤三、在接收端基于树形码本对最优波束成形矢量进行量化作为最优码字；接收端首先计算出当前时刻的最优波束成形矢量，然后以前一时刻的最优码字为起点，利用树形码本的树状结构进行自下而上逐级搜索，f时刻最优码字的序号可表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，m;表示未量化时最优波束成形矢量，《j为第/级码本中的第/个码字所对应的第W级子码字序号的集合，表达式为及,，,(h(l,2,…，2"其中m^-'>，/=1,一,^-1表示第^级码字11^所对应的第/级母码字。步骤四、在接收端根据当前时刻和前一时刻最优码字序号确定反馈量，并将反馈信息通过反馈信道传给发送端；假设前一时刻选择的码字为，当前时刻搜索得到的最优码字为，/n,w=1...2w，那么需要反馈比特数可以通过下面的表达式获得6=argmin{A:}其中集合K={/|/=0，l，...，iV;L(w-l)/2'」=L("-l)/2'」}，L」是取整符号。步骤五、发送端根据反馈信息从码本中选择对应码字作为波束成形矢量。假设前一时刻最优码字为w^.(("，反馈信息为/(6)，6表示反馈的比特数6=0,1,…,W，则发送端选择的波束成形矢量是w^.(,"和/(6)的函数，可记为W,*(,)、W,*、〃其中F是编码规则。有益效果在无线通信系统中，利用有限反馈选择波束成形矢量可以获得较好的通信性能。传统的有限反馈系统每次反馈相同的比特数，其反馈量决定于码本的大小。本发明提供了一种多天线系统中基于树形码本的有限反馈的方法，该方法通过利用信道的时间相关性进一步降低反馈量。本发明设计的高效反馈方法能以较低的反馈量获取与传统方案相似的系统性能。图1为多天线有限反馈系统的结构框图。图2是本发明中使用的3级树形码本的结构示意图，树形码本的每一个节点v^.表示一个码字，其中第一个下标/表示第/级码本，第二个下标_/表示该级码本中码字所对应的序号。具体实施方式本发明提供一种多天线系统中基于树形码本的有限反馈的方法，其具体实施方式如下步骤一、在发送端和接收端构造树形结构的码本；将整个矢量空间的矢量中心进行分裂，利用GLA(GeneralizedLloydAlgorithm)方法将该矢量空间一分为二，新生成的两个子矢量空间的矢量中心作为第1级码本，该码本中的矢量称为第1级码字，这些码字可以用同样的方法再进行分裂，这样逐步分裂直至所需的码本矢量数。图2所示为一个3级的树形码本。步骤二、在接收端获取最优波束成形矢量的表达式；图l所示为多天线有限反馈系统的结构框图，在接收端，根据最大化接收端信噪比准则，确定最优波束成形矢量的表达式为接收的信号可以表示为w=argmax||HvVE其中H是信道矩阵，Q={UeCw':||ii||2=l}，C^'表示为A/,维复向量空间。步骤三、在接收端基于树形码本对最优波束成形矢量进行量化；接收端首先计算出当前时刻的最优波束成形矢量，然后利用树形码本的树状结构进行搜索，确定f时刻最优码字的序号为F(0=argmin(,w)}其中，w。p,表示未量化时最优波束成形矢量，及,力为第/级码本中的第_/个码字所对应的第W级子码字序号的集合，表达式为及,,{"{1，2，".，2^:《—其中ng-/=1，…，jV-l表示第AT级码字沿着树形结构向上找所对应的第/级母码字。步骤四、在接收端根据当前时刻和前一时刻最优码字序号确定反馈量；假设前一时刻选择的码字为Ww，m，当前时刻搜索得到的最优码字为MV，附,"=1-.2、那么需要反馈比特数可以通过下面的表达式获得其中集合尺={/|/=0,1,.",^;L(w—l)/2'」=L("-l)/2'」}，L」是取整符号。从图2树形码本的树状结构直观地看即为，当前时刻和前一时刻最优码字的序号一样则不需要反馈；若两者上一级对应着同一个母码字就反馈一个比特，上两级对应着同一个母码字就反馈两个比特，依次类推。最后将反馈信息通过反馈信道传送给发送端。步骤五、发送端根据反馈信息从码本中选择对应码字作为波束成形矢量；发送端根据反馈信息/(6)，6表示反馈的比特数，6=0,1,…，iV，和前一时刻选择的最优码字M^,(w)，利用树形码本确定当前时刻的最优码字w^.(,)，其中AT表示第AT级码本，f表示当前时刻，A:'(f)为最优码字的序号。权利要求1.一种基于树形码本的多天线无线通信系统高效反馈方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、根据性能和复杂度的要求，利用GLA方法在发送端和接收端设计树形结构的码本；步骤二、按照最大化输出信噪比的准则确定发送端最优波束成形矢量w和接收端最大比合并矢量z的表达式<math-cwu><![CDATA[<math><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>w</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mi>arg</mi><munder><mi>max</mi><mrow><mi>v</mi><mo>∈</mo><msub><mi>Ω</mi><msub><mi>M</mi><mi>t</mi></msub></msub></mrow></munder><mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><mi>Hv</mi><mo>|</mo><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>z</mi><mo>=</mo><mi>Hw</mi><mo>/</mo><msub><mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><mi>Hw</mi><mo>|</mo><mo>|</mo></mrow><mn>2</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0001"file="S2008100232041C00011.gif"wi="35"he="14"top="96"left="85"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/-->其中ΩMt＝{u∈CMt∶||u||2＝1}CMt表示为Mt维复向量空间，id="icf0002"file="S2008100232041C00013.gif"wi="5"he="4"top="115"left="147"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/>表示2范数，H表示Mr×Mt的信道矩阵，Mr为接收天线数，Mt为发送天线数，符号argmax表示在v∈ΩMt的范围内使表达式||Hv||2达到最大的v的值赋给w；步骤三、在接收端基于树形码本对最优波束成形矢量进行量化作为最优码字，接收端计算出当前时刻的最优波束成形矢量，然后以前一时刻的最优码字为起点，利用树形码本的树状结构进行自下而上逐级搜索，在欧氏空间中和最优波束成形矢量距离最小的码字即为最优码字；步骤四、在接收端根据当前时刻和前一时刻最优码字序号确定反馈量b，并将反馈信息通过反馈信道传给发送端，b为满足式子id="icf0003"file="S2008100232041C00014.gif"wi="47"he="7"top="187"left="126"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/>且不大于N的最小非负整数，其中m，n＝1...2N，m表示前一时刻最优码字的序号，n表示当前时刻最优码字的序号，N为树形码本的级数，id="icf0004"file="S2008100232041C00015.gif"wi="5"he="5"top="211"left="137"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/>是取整符号；步骤五、发送端根据反馈信息从码本中选择相应码字作为波束成形矢量。2、根据权利要求1所述的基于树形码本的多天线无线通信系统高效反馈方法，其特征在于树形码本的空间结构对应于信道在时间上的慢变特性。3、根据权利要求1所述的基于树形码本的多天线无线通信系统高效反馈方法，其特征在于反馈信道反馈的信息是增量信息。全文摘要基于树形码本的多天线无线通信系统高效反馈方法利用了实际信道在时间上的相关性，首先在发送端和接收端构造了树形结构的码本，然后按照最大化输出信噪比的准则在接收端获取最优波束成形矢量的表达式，根据该表达式和树形码本的树状结构对最优波束成形矢量进行量化，将量化得到的增量信息反馈给发送端，发送端再根据反馈信息选择相应码字作为波束成形矢量。传统的有限反馈系统每次反馈相同的比特数，其反馈量决定于码本的大小，本发明利用了信道的时间相关性，能以较低的反馈量获取与传统方案相似的系统性能。文档编号H04L1/06GK101252381SQ20081002320公开日2008年8月27日申请日期2008年4月1日优先权日2008年4月1日发明者律丁,彬江,高西奇申请人:东南大学