专利名称：：空分多址系统基于最优量化误差码本的方法及装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种无线传输
技术领域：
的正交波束成形方法和装置，具体是一种空分多址系统基于最优量化误差码本的方法及装置。
背景技术：
：MIM0技术作为下一代移动通信(4G)系统的核心技术，能够有效地提高分集增益、增加系统容量，满足用户的高速数据传输基本要求。在移动通信系统中，必须满足同时为多个用户提供服务，对于MIM0下行系统，即广播信道情况，为了提高复用增益，使系统容量与基站发射天线数呈线性关系，可以采用空分多址(SDMA)方式，该方式已被IEEE802.16e标准采纳，同时也向3GPP长期演进标准进行了提交。为了有效对抗多用户之间的干扰，目前理论上已证明基于干扰预消除的脏纸编码(DPC)技术是最优的一种方法，但是这种方法需要连续编码和解码，计算复杂度较大，不易于在实际系统中实现。作为次优方式的波束成形技术，在能满足同时为多用户提供服务的前提下，针对无线信道的衰落特性，以加权的方式使得发送信号，能够有效地克服信道对信号的衰落，而复杂度可低于脏纸编码(DPC)方式。对移动通信系统而言，合理的发送方式结合有效的调度模式，才能更好地利用系统资源，SDMA方式结合多用户调度，可以充分利用多用户分集增益。对于波束成形和用户调度算法的实现，都充分依赖于基站获知的信道状态信息(CSI)，而实际系统中要想获得完全信道状态信息是不现实的，因此，在SDMA系统中如何有效地将信道状态信息反馈给基站，如何利用有限比特，有效地表征信道状态信息，是当前学术界和产业界所关注的问题。经对现有技术的文献检索发现，基于部分信道状态信息的S函A方式中，KaibingHuang等在《IEEETransactionsonSignalProcessing》(信号处理)2007年第7期上发表的"SDMAwithasumfeedbackrateconstraint"(反馈速率限制下的空分多址接入)，该文中提出基于正交波束成形的SDMA技术一单一基础流用户和速率控制(PU2RC)，具体方法为多用户波束成形矢量从具有多个正交波束成形矢量集的码本中选取，其不足在于正交波束成形矢量集之间是独立产生的，不具有相关性，不能很有效地量化信道状态〈曰息。
发明内容本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种空分多址系统基于最优量化误差码本的方法及装置，使其在反馈比特数不增加的情况下降低量化误差，从而提高系统的吞吐量。本发明性能稳健，且易于实现。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及的一种空分多址系统基于最优量化误差码本的方法，首先根据最近准则，将训练样本分配到各个码字对应的矢量空间区域；其次，根据最优准则，更新各个矢量空间区域的代表码字；之后，通过正交三角分解来更新同一正交波束成形矢量集中的码字，保证这些码字的正交性。本发明上述方法包括如下步骤步骤一，根据系统支持的反馈比特数生成相应的初始正交码本集vw，同时随机选取个信道矩阵训练样本、J=l,...,W,ra,，，所述初始正交码本集的方法为，正交码本子集合数为乂，随机生成N维复数阵，对其进行正交三角分解，得到酉阵中的列向量即构成一个初始正交码本子集，而数个正交码本子集构成正交码本集。所述信道矩阵训练样本是根据采用多径Rayleigh(瑞利)信道模型产生，是随机生成的一系列元素服从高斯分布的复数矩阵。步骤二，采用最近准则，将训练样本分配到各个码字区域中，训练样本h划归码字区域R"当且仅当其与码字V,(")的量化误差最小，即R;")={h:Z)(h,V)"))^D(h，V");V脏[1,…，X]，ye[1,…，其中量化误差函数"定义为"(V,h卜l-lhw!2;步骤三，采用最优准则，使量化误差最小，根据各个区域中的样本更新所在区域的码本，(W"))=argmaXWHct)W,其中cf为码字V,W对应区域中训练样本的等效相关矩阵ct^E[hh"lheR^]，新码字应为cf最大特征值所对应的特征向量，并记录量化误差五[Z)]，其中五[]表示求期望；所述的新码本，按照量化误差最小准则，即为码字区域中样本的平均相关矩阵中最大特征值对应的特征向量。步骤四，对同一正交码本子集中的新的码本进行正交三角分解(QR分解)，将码本更新为分解得到的酉阵的列，保证同一码本子集中码字之间的正交性；所述的码本更新是为了保证同一码本子集中码字之间的正交性，对步骤三得到的码本中，属于同一子集的进行正交三角分解。步骤五，判断量化误差是否收敛，若收敛则停止，否则回到步骤二。所述判断量化误差是否收敛，通过比较当前量化误差和前次量化误差的比例与一预设门限的大小来实现。基于上述方法，本发明涉及的空分多址系统基于最优量化误差码本的方法生成码本的接收端装置和与其配合的发送端装置所述的空分多址系统基于最优量化误差码本的方法生成码本的接收端装置包括信道状态信息获取单元，获取信道状态信息；信道方向信息量化单元，根据最小量化误差准则，将信道方向信息量化为码本集合中的一个码字，获取该码字对应的序号；信道质量信息量化单元，将信道增益量化为设定的量化级，获得相应量化级的序号；以及反馈信息合成单元，将所获得的一系列码本矢量序号信息和信道增益量化级序号信息反馈到发射端。所述的空分多址系统基于最优量化误差码本的方法生成码本的发送端装置，包括反馈信息处理单元，接收合成的反馈信息，提取信道方向信息和信道质量信息；用户选择单元，基于最大化系统容量准则，利用信道状态信息选取量化信道相互正交的N个用户作为服务对象；波束成形单元，根据信道方向信息，为被选中的用户分配波束成形矢量，再将待发信息用波束成形矢量进行加权合成。本发明方法上述步骤通过发射端装置和接收端装置的配合完成。发射端装置包括反馈信息处理单元、用户选择单元和波束成形单元。接收端接收到发射端的信息后，完成信道状态信息的获取、信道方向信息量化、信道质量信息量化单元、反馈信息合成等一系列任务，接收端将反馈信息发射出去；发射端装置接收到反馈信息后，完成反馈信息处理、用户选择和波束成形等任务，并使用提取出的预编码矢量对准备传送的数据进行预编码，最终形成可发射的信息。本发明SDMA系统，基于改进型Lloyd算法的正交码本集的生成方法，在保证码字正交性的同时，优化了矢量空间的量化，相对于以往随机产生正交码本集的方案，本发明更好的降低了平均量化误差，从而可以以相同的反馈比特，获得比随机正交码本集更高的系统吞吐量。本发明又具有更好的灵活性，码字的实现属于离线操作，并不增加系统的运行复杂度，很适合在实际系统中的应用，可为第三代(3G)、超三代(B3G)、第四代(4G)蜂窝移动通信和数字电视、无线局域网、无线广域网等系统的波束成形方案，提供重要的理论依据和具体的实现方法。图1是SDMA系统原理图。图2是实际系统装置示意图。图3是正交码本集的生成方法生成码本过程中平均量化误差的收敛情况。图4是不同信噪比情况下，利用本发明提出码本和随机生成码本得到的系统容量曲线图。图5是不同用户数情况下，利用本发明提出码本和随机生成码本得到的系统容量曲线图。具体实施方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案的前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。(1)SDMA系统的构造带有发射波束成形和接收检测的SDMA系统的构造如图1所示，本发明采用基站发射天线数为4，用户接收天线为l的带有发射波束成形和接收检测的SDMA系统。信道状态信息在接收端获取，本发明不涉及具体的获取方式。信道量化单元，利用信道状态信息搜索码本，最终形成反馈信息。发射端依据反馈信息完成对用户的选择和发射信号的波束成形。为了全面测试本发明对系统容量性能的影响，采用多径Rayleigh信道模型。多径Rayleigh信道模型的信道多径数目为3，其归一化功率、延时参数为[l1/exp(l)l/exp(2)]，其中expO)代表以自然对数为底数的《次幂。(2)实际系统装置配置实际系统装置示意图如图2所示。接收端用户Us包括信道状态信息获取单元CSIU，信道状态信息量化单元CSIQU，包含信道方向信息量化单元CDIQU和信道方向信息量化单元CQIQU，以及反馈信息合成单元FBIU;发射端基站B包括用户选择单元USU和波束成形单元BFU。用户Us接收到基站B发射的信息FWI后，完成信道状态信息的获取、信道量化、反馈信息合成等一系列任务，将反馈信息FBI发射出去；基站B接收到反馈信息FBI后，完成反馈信息处理、用户选择、波束成形矢量提取等任务，并使用提取出的波束成形矢量对准备传送的数据进行加权合并，最终形成可发射的信息FWI。实施例1本实施例生成正交码本子集合数^=16的4维正交码本集，训练样本为按照上述的多径Rayleigh信道模型生成信道的方向，训练样本数目为AL,"^=6400，初始正交码本集通过对随机生成的iV,个4维复数阵做正交三角变换取得。生成的正交码本集如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>M,啤=25600，初始正交码本集通过对随机生成的^个4维复数阵做正交三角变换取得。平均量化误差随迭代次数变化的曲线如图3所示，本发明设计码本的算法是收敛的，在迭代20次左右时，平均量化误差稳定下来，可以得到性能良好的正交码本集。实施例3本实施例是基于上述多径Rayleigh信道模型，分别采用实施例1生成的正交码本集和随机生成的正交码本集作为码本，系统调度策略为PU2RC，系统用户数为《=100时，比较不同信噪比下采用两种码本所获得的速率和，结果如图4所示。可以发现本发明提出的码本设计算法生成的码本，在不同信噪比情况下，都优于传统随机码本设计算法生成的码本，可见本发明提出的算法对不同信噪比的环境具有良好的适应性。实施例4本实施例基于上述多径Rayleigh信道模型，分别采用实施例1生成的正交码本集和随机生成的正交码本集作为码本，系统调度策略为PU2RC，系统信噪比为10dB，比较不同用户数下采用两种码本所获得速率和，结果如图5所示，可以发现本发明提出的码本设计算法生成的码本，在不同用户数情况下，都优于传统随机码本设计算法生成的码本，可见本发明提出的算法在不同用户数情况下都具有优势。本发明的适应性上述是针对不同信噪比和不同用户数情况下的实施，结果例表明，本发明算法生成的正交码本集对不同的环境和不同规模的系统都具有适应性。权利要求1.一种空分多址系统基于最优量化误差码本的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一，根据系统支持的反馈比特数生成相应的初始正交码本集，同时随机选取信道矩阵训练样本；步骤二，采用最近准则，将训练样本分配到各个码字区域中；步骤三，采用最优准则，使量化误差最小，根据各个区域中的样本更新所在区域的码本，并记录量化误差；步骤四，对同一正交码本子集中的新的码本进行正交三角分解，将码本更新为分解得到酉阵的列；步骤五，判断量化误差是否收敛，若收敛则停止，否则回到步骤二。2、如权利要求1所述的空分多址系统基于最优量化误差码本的方法，其特征是，步骤一中，所述的初始正交码本集的方法为，随机生成N维复数阵，对其进行正交三角分解，得到酉阵中的列向量即构成一个初始正交码本子集，而数个正交码本子集构成正交码本集。3、如权利要求1或2所述的空分多址系统基于最优量化误差码本的方法，其特征是，步骤一中，所述的信道矩阵训练样本是随机生成的一系列元素服从高斯分布的复数矩阵。4、如权利要求1所述的空分多址系统基于最优量化误差码本的方法，其特征是，步骤三中，所述的新码本，按照量化误差最小准则，即为码字区域中样本的平均相关矩阵中最大特征值对应的特征向量。5、如权利要求1所述的空分多址系统基于最优量化误差码本的方法，其特征是，步骤四中，所述的码本更新是为了保证同一码本子集中码字之间的正交性，对步骤三得到的码本中，属于同一子集的进行正交三角分解。6、如权利要求l所述的空分多址系统基于最优量化误差码本的方法，其特征是，步骤五中，所述判断量化误差是否收敛，通过比较当前量化误差和前次量化误差的比例与一预设门限的大小来实现。7、一种空分多址系统基于最优量化误差码本的方法生成码本的接收端装置，其特征在于，包括信道状态信息获取单元，获取信道状态信息；信道方向信息量化单元，根据最小量化误差准则将信道方向信息量化为码本集合中的一个码字，获取该码字对应的序号；信道质量信息量化单元，将信道增益量化为设定的量化级，获得相应量化级的序号；以及反馈信息合成单元，将所获得的一系列码本矢量序号信息和信道增益量化级序号信息反馈到发射端。8、一种空分多址系统基于最优量化误差码本的方法生成码本的发送端装置，包括反馈信息处理单元，接收合成的反馈信息，提取信道方向信息和信道质量信息；用户选择单元，基于最大化系统容量准则，利用信道信息选取量化信道相互正交的N个用户作为服务对象；波束成形单元，根据信道方向信息，为被选中的用户分配波束成形矢量全文摘要一种空分多址系统基于最优量化误差码本的方法及装置，用于无线传输
技术领域：
。方法步骤为步骤一，根据系统支持的反馈比特数生成相应的初始正交码本集，同时随机选取信道矩阵训练样本；步骤二，采用最近准则，将训练样本分配到各个码字区域中；步骤三，采用最优准则，使量化误差最小，根据各个区域中的样本更新所在区域的码本，并记录量化误差；步骤四，对同一正交码本子集中的新的码本进行正交三角分解，将码本更新为分解得到酉阵的列；步骤五，判断量化误差是否收敛，若收敛则停止，否则回到步骤二。所述装置包括接收端装置以及与其配合的发射端装置。本发明在反馈比特数不增加的情况下降低量化误差，提高系统的吞吐量，性能稳健，易于实现。文档编号H04B1/707GK101286756SQ20081003820公开日2008年10月15日申请日期2008年5月29日优先权日2008年5月29日发明者锋佘,宇张,静张,罗汉文,磊陈申请人:上海交通大学