专利名称：矢量量化码书生成方法
技术领域：
本发明涉及无线通信系统技术领域，涉及信道状态信息的矢量量化所需的码书生 成方法，根据本发明，可以生成可裁减、可扩展的通用矢量量化码书，用来使下行用户向基 站反馈信道状态信息。
背景技术：
新一代移动通信系统(4G)需要提供很高的数据速率，在有限的频率资源条件下， 应尽可能地提供高传输速率，这就需要考虑采用频谱利用率高的技术。在理想情况下，采用 多输入多输出(MIM0)技术，信道容量可以随着天线数目的增大而线性增大，理论已证明， 这项技术具有很高的频谱利用率，是未来移动通信系统中最富竞争力的技术之一。在实际 系统中，为实现MIM0技术所能提供的高吞吐量，基站需要尽可能获知足够精确的下行用户 的信道状态信息(CSI)。通常，CSI是由下行用户通过专门的反馈信道，以有限比特率的形 式反馈给基站的。这就涉及到下行用户对CSI作量化的问题。将CSI分解为幅度部分和角 度部分，角度部分的量化误差对基站作用户调度、功率分配以致系统吞吐量的影响极其关 键。目前广泛采用的技术是每个下行用户对基站到该用户的信道向量作矢量量化，然后将 量化后的码字索引反馈给基站。针对矢量量化的码书设计，传统方法主要是基于Lloyd的 局部优化算法，设计码书大小固定、适用于独立复高斯信道分布的信道状态信息码书。例 如，June ChulRoh 等人在 IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY (2006 年 3 月，第 52 卷，1101 1112 页)发表的"Transmit Beamforming inMultiple-Antenna Systems with Finite Rate Feedback :A VQ-BasedApproach”，提出了一种新的量化器设计准则和相关矢 量量化算法，以实现系统吞吐量的最大化。该设计准则以最优码字与量化前的信道向量之 间的均方加权内积最大化为基础，并且与信道容量直接相关。其中，求最优码字与量化前的 信道向量之间的内积，是通过对矢量量化码书将信道空间划分的胞腔作近似，生成近似函 数来实现的。得到上述近似函数后，可以推出因对信道状态信息进行量化后带来的误差，造 成的容量损失的下界以及比特差错率，其中，量化后的码字对信道容量的影响Q为
-2 a
卜-Ml2
i
a2Pr a =' '
l + a2Pr(1)
HW h
V =-
llhll 式中，< >表示求向量内积，h为信道向量，PT为基站的发送功率，信道状态信息 对应的矢量量化码书为，N是码书中码字的个数，并且有|肉卜1。由此， 可以设计新的量化准则所对应的矢量量化器为
8
(2)式中，Q( )表示将信道向量映射到矢量量化码字的函数。经研究发现，CSI码书设计的传统方法的不足之处，主要有以下几个方面今传统的CSI矢量量化方法基于Lloyd算法，得到局部最优化的码本，而矢量量化 的码本设计是典型的非线性问题，因此用局部优化的方法很难得出全局最优解，这会增加 CSI量化的量化误差，影响系统的吞吐量；令训练向量序列由服从独立复高斯分布的随机数产生，使得训练生成的码书对于 服从复高斯分布的信道有良好的特性，但对其它统计分布的信道的量化性能并不理想；令码书大小固定，若考虑到量化精度和系统吞吐量的原因，一味扩大码书，将会对 下行用户有限的存储空间造成极大的压力；令未考虑到随着以后通信系统发展的需要，基站和下行用户的天线数都会大大增 加，若仅仅直接作矢量量化，码书设计与码字搜索的复杂度都会有指数级增长，若通过将高 维的信道向量简单地截短，使之成为一组短向量，则又重新回到了原来的标量量化，牺牲了 较多性能来换取复杂度的降低；今另外，鉴于无线通信系统的信道统计分布的固有特性和MIM0系统中基站作用户 调度对所选用户之间的正交性的要求，码书结构还有优化和改进的余地。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种用于无线通信系统信道状态信息的矢量量 化码书生成方法今引入基于随机松弛技术的全局优化方法，从而在每次迭代更新码书时，产生随 机扰动加在相应的码字上，有效地防止码书的更新过程局部收敛；今根据无线通信系统的信道统计分布的固有特性和MIM0系统中基站作用户调度 对所选用户之间的正交性的要求，合理优化码书结构与码字的各比特位；今为提高码书在多种信道统计分布环境下的鲁棒性，提出码书扩展的方法，根据 具体情况灵活调整码书的大小；令考虑到随着以后通信系统发展的需要，基站和下行用户的天线数都会大大增 加，为码书生成预留接口，即使用于高维矢量量化时，也可以由较低的复杂度达到较高的量 化和系统性能。根据本发明，提出了一种矢量量化码书生成方法，包括生成一组归一化的随机复 向量序列，采用各归一化的随机复向量的角度部分，构成训练向量序列；根据训练向量序 列，生成初始码书；采用随机松弛方法，对原码书作随机扰动，得到新码书；保留原码书和 新码书中性能较好的码书；如果所保留的码书已满足码书生成的终止条件，则结束码书生 成，得到码书；否则，以所保留的码书作为原码书，返回随机松弛更新步骤。优选地，所述随机复向量序列生成步骤包括产生偶数个随机数，以每两个随机数 构成一个复数的实部和虚部，由此组合成一组复向量序列；对各复向量进行归一化处理，得 到一组归一化的随机复向量序列，其中所产生的随机数的个数大于待生成的矢量量化码书 的大小。
优选地，所产生的随机数服从高斯分布或瑞利分布。优选地，所述随机松弛更新步骤采用模拟退火方法，包括给定初始退火温度T、 温度降低因子、最大迭代次数和码书更新接受阈值f，其中温度降低因子和码书更新接受阈 值f是小于1的正数；随机选取一个训练向量，将其从原来的胞腔移至随机选定的另一个胞 腔，得到新码书；分别用原码书和新码书对训练向量序列进行矢量量化；求出原码书与新 码书对应的量化误差的差值Ad ；如果以下不等式成立，则以新码书代替原码书，exp ( A d/T) > f否则，保留原码书；如果迭代次数已达到最大迭代次数，或者量化误差的差值Ad 小于预定收敛阈值，则停止迭代，得到最终的量化码书，否则，将退火温度乘以温度降低因 子后，返回训练向量随机选取步骤。优选地，所述随机松弛更新步骤采用改进的模拟退火方法，包括给定初始退火温 度T、温度降低因子、最大迭代次数、码书更新接受阈值f、和禁忌表Tabu及其长度，其中温 度降低因子和码书更新接受阈值f是小于1的正数，禁忌表Tabu初始为空；随机选取一个 训练向量，将其从原来的胞腔移至随机选定的另一个胞腔，得到新码书；遍历禁忌表Tabu， 如果在禁忌表Tabu中不存在关于新码书的记录，则分别用原码书和新码书对训练向量序 列进行矢量量化，继续执行下一步；如果在禁忌表Tabu中已存在关于新码书的记录，则跳 过下一步；如果原码书与新码书对应的量化误差的差值Ad小于预定负数阈值，则将新码 书的训练矢量和划分的索引与误差差值Ad写入禁忌表Tabu中；否则，如果以下不等式成 立，则以新码书代替原码书，exp ( A d/T) > f否则，保留原码书；如果禁忌表Tabu的长度已达到给定的长度，则从其中删除误 差差值Ad的绝对值最小的一项；如果迭代次数已达到最大迭代次数，或者量化误差的差 值Ad小于预定收敛阈值，则停止迭代，得到最终的量化码书，否则，将退火温度乘以温度 降低因子，返回训练向量随机选取步骤。优选地，所述随机松弛更新步骤采用遗传算法，包括随机产生L个训练向量划 分，构成初始群体，其中L个划分中的每个划分作为初始群体中的一个个体；求每个个体所 对应的个体码书；求每个个体码书对训练向量作矢量量化后的量化误差，并对量化误差取 倒数，作为每个个体的适应度；选出适应度最大的前若干个个体，将它们两两组合成L对个 体作为母本个体；对选出的L对母体中的每一对进行交叉操作在母体1中随机选择一个 胞腔i，找出胞腔i中量化误差最大的训练向量m，在母体2中找到训练向量m所在的胞腔 k，找出胞腔k中量化误差最大的训练向量n，在母体1中找到训练向量n所在的胞腔j，把 母体1中的训练向量m从胞腔i移至胞腔j，由此得到母体1的一个子代个体；对所得到的 每个子代个体，按照预定的概率，进行变异操作随机选取两个胞腔，交换它们当中量化误 差最大的训练向量，求每个个体所对应的个体码书；如果有某个个体码书的量化误差小于 给定的阈值，或是已经达到最大迭代次数，则停止迭代，将所有个体码书中，量化误差最小 的那个作为最终码书，否则，返回量化误差求取步骤。优选地，所述矢量量化码书生成方法还包括确定矢量量化的维数，即基站的发射 天线数与一个下行用户设备的接收天线数的乘积；确定码字的比特数，即对码书中所有码 字的总数取以2为底的对数；确定作矢量量化的每维向量可分配到的比特数，即码字的比特数除以矢量量化的维数后得到的商向靠近0的方向取整；如果每维向量可分配到的比特 数小于1，则将不同维的向量按预定规则进行组合，减少矢量量化的维数，直到每维向量可 分配到的比特数不小于1 ；如果每维向量可分配到的比特数大于2，则预留2位为符号位， 分别标示码字向量的实部与虚部的正负，其余位为数据位；如果每维向量可分配到的比特 数等于2，则预留1位为符号位，标示码字向量的实部与虚部的正负，其余1位为数据位； 如果每维向量可分配到的比特数等于1，则该位为符号位，标示码字向量的实部与虚部的正 负，没有数据位；将每一维码字向量的符号位集中放到码字比特的前部，将每一维码字向量 的数据位集中放到码字比特的后部，并且每一维码字向量的符号位与数据位的先后顺序一 致。优选地，所述矢量量化码书生成方法还包括选取与所产生的随机数所服从的统 计分布不同的统计分布特征；根据所选取的统计分布特征，在生成好的码书的基础上，通过 内插产生新码字，新码字向量的符号位与原码书的码字向量的符号位保持一致，新码字向 量的扩充数据位附在原码书的码字向量的数据位之后；重复码字内插操作多次，直至生成 所需数量的新码字。优选地，所述矢量量化码书生成方法还包括确定新码字向量的数据位的比特数 原来码书中的码字总数加新产生的码字总数取以2为底的对数向正无穷大的方向取整，再 减去原来码书中的码字向量的数据位的比特数；遍历新产生的码字向量，从原码书中找到 与新产生的码字向量的距离最小的三个码字向量，按距离从小到大的顺序，将原码书中的 码字向量所对应的数据位记录在数组1中，数组1的下标是新产生的码字向量的序号；新建 布尔型数组2和数组3，其各自的大小均为新码字的个数，初始化为全非；遍历数组1，从中 找到当前存放的距离值最小的元素，对该数组元素对应的新产生的码字向量分配数据位比 特，其中，数据位比特的前半部分为该数组元素中的找到的最小距离值对应的原来码书中 的码字向量的数据位，后半部分为新码字向量的扩充数据位，从00…01起排，查看数组2， 若直到11-11，该数组的元素值均为是，则将该新产生的码字向量的序号对应的数组3中 的元素置为是，否则，分配新码字向量的扩充数据位，并将数组2中对应的元素置为是；从 数组1中删除该元素；重复上一步，直至数组1为空；如果数组3中的元素值为全非，则结束 操作；依次从数组3中取元素值为是的元素所对应的新生成的码字，再从数组2中找到元素 值为非的元素，将其对应的比特位分配给该新生成的码字，并对数组2中相应的元素值置 是；重复上一步，直至数组3中的元素已取遍。优选地，所述矢量量化码书生成方法还包括确定未来通信系统所需的矢量量化 的总维数，即基站所有的发射天线数与一个下行用户设备的接收天线数的乘积；比较未来 通信系统所需的矢量量化的总维数与原码书的维数，确定新码书中码字向量的组合方式； 根据码字向量的组合方式，执行第二次矢量量化，得到新码书，排列码字向量的比特位，完 成接口预留。本实施例提出的生成用于无线通信系统技术领域的信道状态信息的矢量量化所 需的码书的方法，有以下优点今引入基于随机松弛技术的全局优化方法，从而在每次迭代更新码书时，都通过 特定的途径产生随机扰动加在相应的码字上，有效地防止码书的更新过程局部收敛。今根据无线通信系统的信道统计分布的固有特性和MIM0系统中基站作用户调度对所选用户之间的正交性的要求，合理优化码书结构与码字的各比特位。本实施例提出的生成用于无线通信系统技术领域的信道状态信息的可裁减、可扩 展的通用矢量量化码书和用于将来的无线通信系统的接口码书的方法，有以下优点今为提高码书在多种信道统计分布环境下的鲁棒性，提出码书扩展的方法，根据 具体情况灵活调整码书的大小。令考虑到随着以后通信系统发展的需要，基站和下行用户的天线数都会大大增 加，为码书生成预留接口，即使用于高维矢量量化时，也可以由较低的复杂度达到较高的量 化和系统性能。
根据以下结合附图对本发明非限制实施例的详细描述，本发明的以上和其他目 的、特征和优点将变得更加清楚，其中图1是示出了单小区MU-MIM0系统应用环境的示意图；图2是示出了多小区MU-MIM0系统应用环境的示意图；图3A是根据本发明的、用于对信道状态信息进行矢量量化所需的码书的码书生 成方法的流程图，其中采用了模拟退火算法作为随机松弛方法；图3B是根据本发明的、用于对信道状态信息进行矢量量化所需的码书的码书生 成方法的流程图，其中采用了遗传算法作为随机松弛方法；图4是根据本发明的、用于信道状态信息的可裁减、可扩展的通用矢量量化码书 和用于将来的无线通信系统的接口码书的码书生成方法的流程图；图5是示出了在本发明中进行码书扩展后的码字向量的各比特位安排的示意图；图6是示出了在本发明中为将来系统预留接口后、二次量化得到的码字向量的各 比特位安排的示意图。
具体实施例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为前 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。技术方案概述本发明是通过以下技术方案实现的本发明引入全局优化的方法生成CSI矢量量化码书，具体包括如下步骤生成一组随机的复向量序列，对其作归一化处理，保留角度部分的信息，作为生成 CSI矢量量化码书用的训练向量序列；在训练向量序列的基础上，得到初始码书；采用随机松弛的方法，对上一步操作之后的原码书作随机扰动，得到新码书，比较 原码书与新码书的优劣，从而决定保留原码书还是用新码书来替代原码书；若满足码书生成的终止条件(随机扰动次数已达到预设值，或者新码书相对于原 码书的性能改善小于预设改善阈值)，则结束码书生成，得到码书；否则，返回上一步继续 更新码书。
所述生成随机的复向量序列包括产生偶数个独立的服从高斯分布的随机数，将 它们组合成一组复数向量序列，即每两个随机数构成一个复数的实部和虚部；也包括产生 服从其它统计分布特性(例如，瑞利分布)的随机数，而且随机数之间可以有一定的相关 性。随机数的个数应该远大于待生成的矢量量化码书的大小(通常，随机数的个数应该至 少是矢量量化码书的大小的20倍)。所述对生成的随机复向量序列作归一化处理包括将复向量序列中的每个复向量 分别除以各自的2-范数。所述得到初始码书包括对由训练向量序列张成的线性空间作随机划分，划分的 数目与待生成的码书大小一致，划分之后的线性空间有若干胞腔，这些胞腔可以是交叉的。 每个胞腔对应一个码书中的码字，即用隶属于该胞腔中的训练向量的算术平均值作为码 字，并且作归一化处理，也可以用隶属于该胞腔中的训练向量的加权平均值作为码字，权重 的选取与量化的要求和训练向量在胞腔中的空间位置有关。在得到初始码书之后，为加快后续操作，通常需对初始码书作预处理，具体的方法 是通过Lloyd算法，随机选取一个训练向量，将其从原来的胞腔移至随机选定的另一个胞 腔，得到新码书，分别用原码书和新码书对训练向量序列进行矢量量化。若新码书的量化误 差较原来减小，则接受新码书。由此，对初始码书进行若干次优化。优化的次数不宜过多， 否则会令码书陷入局部优化之中，对后续操作产生影响，增加后续全局优化时的计算量。上述量化误差的衡量标准包括码书中的码字与训练向量的欧式距离，考虑到码 书中的码字与训练向量均经过归一化处理，即均为单位向量，衡量标准也包括码书中的码 字与训练向量的内积的相反数，以及码书中的码字与训练向量的夹角的正弦值。所述随机松弛的方法，具体在本发明中，包括模拟退火、遗传算法、及其变体算法 等。其目的是对由训练向量所生成线性空间的划分附加随机扰动，使码书优化的过程有跳 出量化误差局部极小的机会。上述模拟退火的方法可以包括如下步骤给定初始的退火温度T，温度降低因子(为小于1的正数)，最大迭代次数，码书更 新接受阈值f(为小于1的正数)；随机选取一个训练向量，将其从原来的胞腔移至随机选定的另一个胞腔，得到新 码书，分别用原码书和新码书对训练向量序列进行矢量量化；求出原码书与新码书对应的量化误差的差值Ad，若有式(3)成立，则接受更新， 用新码书代替原码书，否则，保留原码书；exp (A d/T) > f(3)若迭代次数已达到最大迭代次数，或量化误差的差值Ad足够小(通常取10_2 10_0，则停止迭代，得到最终的量化码书，否则，将退火温度乘以温度降低因子，返回训练向 量随机选取步骤，继续迭代。上述模拟退火的方法为减少复杂度，通常需要引入禁忌表，改进之后的方法可以 包括如下步骤给定初始的退火温度T，温度降低因子(为小于1的正数)，最大迭代次数，码书更 新接受阈值f (为小于1的正数)，禁忌表的长度，禁忌表Tabu初始为空；随机选取一个训练向量，将其从原来的胞腔移至随机选定的另一个胞腔，得到新码书；产生一个随机扰动后，遍历Tabu，若在Tabu中没有记录，则分别用原码书和新码 书对训练向量序列进行矢量量化，继续执行下一步；如果Tabu中已存在该记录，则跳过下
一步；若Ad小于预定负数阈值，则将训练矢量和划分的索引与误差差值写入Tabu ；否 则，按式(3)处理。若禁忌表已满，则从其中删除误差差值的绝对值最小的那一项；若迭代次数已达到最大迭代次数，或量化误差的差值Ad足够小(通常取10_2 10_0，则停止迭代，得到最终的量化码书，否则，将退火温度乘以温度降低因子，返回训练向 量随机选取步骤，继续迭代。上述遗传算法的方法可以包括如下步骤随机产生L个训练向量划分构成初始群体，其中L个划分中的每个划分作为群体 中的一个个体；求每个个体所对应的个体码书；求每个个体码书对训练向量作矢量量化后的量化误差，并对量化误差取倒数，作 为每个个体的适应度；选出适应度最大的前若干个个体，将它们两两组合成L对个体作为母本个体；对选出的L对母体中的每一对进行交叉操作在母体1中随机选择一个胞腔i，找 到其中量化误差最大的训练向量m，在母体2中找到该训练向量所在的胞腔k，找到其中量 化误差最大的训练向量n，在母体1中找到n所在的胞腔j，把母体1中的训练向量m从胞 腔i移至胞腔j，由此得到的母体1即为一个子代个体；对上一步中得到的每个子代个体，按照预定的概率，进行变异操作随机选取两个 胞腔，交换它们当中量化误差最大的训练向量，求每个个体所对应的个体码书；若有某个个体码书的量化误差小于给定的阈值或是上述迭代已经达到一定的次 数，则停止迭代，将所有个体码书中，量化误差最小的那个作为最终码书，否则，返回量化误 差求取步骤，继续迭代。在上述全局优化的CSI矢量量化码书生成方法的基础上，本发明还根据无线通信 系统的信道统计分布的固有特性，和MIM0系统中基站作用户调度对所选用户之间的正交 性的要求，优化码书结构与码字的比特位，包括如下步骤确定矢量量化的维数，即基站的发送天线数与一个下行用户的接收天线数的乘 积；确定码字的比特数，即对码书中所有码字的总数取以2为底的对数；确定作矢量量化的每维向量可以分配到的比特数，即码字的比特数除以矢量量化 的维数后得到的商；若每维向量可以分配到的比特数小于1，则说明码字的比特数过小，即码书中的码 字总数过少，此时应将不同维的向量按预定规则进行组合，减少矢量量化的维数，直到每维 向量可以分配到的比特数大于1，进行下一步；若每维向量可以分配到的比特数大于2，则预留2位为符号位，分别标示码字向量 的实部与虚部的正负，正用比特0，负用比特1，其余位为数据位，若每维向量可以分配到的 比特数等于2，则预留1位为符号位，标示码字向量的实部与虚部的正负，其余1位为数据
14位，若每维向量可以分配到的比特数等于1，则该位为符号位，标示码字向量的实部与虚部 的正负，没有数据位；将每一维码字向量的符号位集中放到码字比特的前部，将每一维码字向量的数据 位集中放到码字比特的后部，并且每一维码字向量的符号位与数据位的先后顺序一致。所述每维向量可以分配到的比特数，若出现分数值的情况，则向靠近0的方向取 整(下取整)。此时，会出现多余的码字比特，将其全部置0，表示码字比特的终止。所述每维向量可以分配到的比特数小于1时，减少矢量量化的维数，具体方法可 以包括如下步骤先将下行用户的接收天线两两组合，即每两根接收天线视为一根自由接 收天线，则对应的向量由原来的2维降为1维，矢量量化的维数缩小到原来的一半，每维向 量可以分配到的比特数扩大为原来的2倍；若执行上述操作一次后，每维向量可以分配到 的比特数仍然小于1，再按照上述方法继续组合下行用户的接收天线，即将两组用户天线组 合为一组，视为一根自由接收天线；若直至下行用户的自由接收天线的数目为1时，每维向 量可以分配到的比特数仍然小于1，再将基站的发送天线按上述方法两两组合，直至每维向 量可以分配到的比特数等于1。所述每维向量可以分配到的比特数等于2或1时，用1位比特表示符号位，其方法 包括码字向量的实部与虚部同号用比特0，异号用比特1 ；也包括码字向量的实部与虚部全 为负时用比特0，其它情况下用比特1。所述码字向量的符号位均用来标示码字向量的实部与虚部为正值或负值，不包含 码字向量的实部或虚部出现0的情况，若有这种情况发生，应该对该码字的数据位作调整， 使之在满足2-范数为1的前提下，出现0的部分为一个较小的正数(例如，10_3或更小)。所述优化码书结构与码字的比特位的方法，应用于全局优化的方法生成CSI矢量 量化码书，包括如下步骤若每维向量可以分配到的比特数等于1，依次用00…0 11…1(长度为码字的比 特数)表示各码字，结束码书生成；若每维向量可以分配到的比特数等于2，依次用0和1填 充码字向量的符号位；若每维向量可以分配到的比特数大于2，依次用00 11填充码字向 量的符号位；生成一组随机的复向量序列，对其作归一化处理，并取绝对值，保留角度部分的信 息，作为生成CSI矢量量化码书用的训练向量序列；在训练向量序列的基础上，得到初始无符号码书，初始无符号码书的个数为2的 码字向量的数据位次幂，作为码字向量的数据位；采用随机松弛的方法，对上一步操作之后的原无符号码书作随机扰动，得到新无 符号码书，比较原无符号码书与新无符号码书的优劣，从而决定保留原无符号码书还是用 新无符号码书来替代原无符号码书；若满足无符号码书生成的终止条件，则结束无符号码书生成，将符号位与数据位 组合得到码书；否则，返回随机松弛步骤继续更新无符号码书。本发明的码书扩展方法包括如下步骤按照本发明的全局优化生成CSI矢量量化码书，结合优化码书结构与码字的比特 位的方法，生成CSI矢量量化码书；选取一种与在本发明中引入全局优化的方法生成CSI矢量量化码书的部分中，训练向量序列用到的统计分布，不同的统计分布特征；根据上一步中选取的统计分布特征，在生成好的码书的基础上，通过内插产生新 码字，新码字向量的符号位须与原来码书的码字向量的符号位保持一致，新码字向量的扩 充数据位附在原来码书的码字向量的数据位之后；重复码字内插操作多次，直至生成足够数量的新码字。所述选取不同的统计分布特征，主要指无线通信环境中常见的统计分布，并且要 求该统计分布的数学表达式关于原点具有对称性，以便在后续操作中优化码书结构与码字 的比特位。在本发明中，为生成对服从多种统计分布的信道有良好适应性的码书，选取独立 均勻分布，这是因为均勻分布代表了最大的不确定性，服从均勻分布的信道条件对于基站 有最大的熵；另外，均勻分布的复变量的角度部分服从区间W，2ji)的均勻分布，因此，复 变量服从均勻分布就等价于复变量的角度部分服从均勻分布。所述通过内插产生新码字的方法包括根据选取的统计分布特征，确定新码字与 已有码字之间的数学关系式，从而通过已有码字推衍出新码字。以均勻分布的统计分布特 征为例，则内插新码字的具体方法包括如下步骤设定距离阈值，用来确定已生成的CSI矢量量化码书中两个码字在信道向量所张 成的线性空间中的位置关系，即判决它们在空间上是否是邻近关系；依次从已生成的码书中取出一个码字，从码书中剩下的码字里，找到与之前取出 的码字的距离，在满足小于上一步中设定的距离阈值的前提下，最大的一个或几个码字；若 能找到这样的码字，则生成新码字，新码字向量等于取出的码字向量与找到的码字向量的 数学平均；若找不到这样的码字，则继续从已生成的码书中取出下一个码字；若已生成的码书中所有的码字均已取遍或是找到，则进行下一步，否则，返回上一
止
少；应用全局优化随机松弛方法，保持码书中原来的码字不变，对新码字产生随机扰 动，优化新码字。上述码书中的码字指不考虑符号影响的码字，即码字向量的实部和虚部已经做过 取绝对值运算，对应于码字向量的数据位。由此，通过内插所产生的新码字也只有数据位， 而其符号位与原码字一致，所以通过内插产生的新码字的个数，应该等于所要求的新码字 的个数除以2(若每维向量可以分配到的比特数等于1)或者等于所要求的新码字的个数除 以4(若每维向量可以分配到的比特数等于2)。上述两个码字之间的距离是对两个码字向量作差后得到的向量求2-范数。距离阈值的设定方法可以包括从码书中随机取多个(大于等于10个)码字， 分别统计它们两两之间的距离，并对该距离按从小到大的顺序排序，找到排序后位于前 30% 40%处的距离值，作为距离阈值。确定所述新码字向量的数据位的操作包括如下步骤确定新码字向量的数据位的比特数，即原来码书中的码字总数加新产生的码字总 数取以2为底的对数，再减去原来码书中的码字向量的数据位的比特数，若得到的新码字 向量的数据位的比特数不是整数，则应该将该比特数向靠近正无穷的方向近似取整(上取 整)；遍历新产生的码字向量，从原来码书中找到与新产生的码字向量的距离最小的三个码字向量，按距离从小到大的顺序，将原来码书中的码字向量所对应的数据位记录在数 组1中，数组1的下标是新产生的码字向量的序号；新建布尔型数组2和数组3，其大小为新码字的个数，初始化为全非；遍历数组1，从其中找到当前存放的距离值最小的元素，对该数组元素对应的新产 生的码字向量分配数据位比特，其中，数据位比特的前半部分为该数组元素中的找到的最 小距离值对应的原来码书中的码字向量的数据位，后半部分为新码字向量的扩充数据位， 从00…01起安排，查看数组2，若直到11，该数组的元素值均为是，则将该新产生的码 字向量的序号对应的数组3中的元素置为是，否则，分配新码字向量的扩充数据位，并将数 组2中对应的元素置为是；删除数组1中的该元素；重复上一步，直至数组1为空；若数组3中的元素值为全非，则结束操作，否则进行下一步；依次从数组3中取元素值为是的元素所对应的新生成的码字，再从数组2中找到 元素值为非的元素，将其对应的比特位分配给该新生成的码字，并对数组2中相应的元素 值置是；重复上一步，直至数组3中的元素已取遍。本发明考虑到随着以后通信系统发展的需要，基站和下行用户的天线数都会大大 增加，为码书生成预留接口，包括如下步骤生成基站和下行用户的天线数未增加时，原始的CSI矢量量化码书；确定以后通信系统所需的矢量量化的总维数，即基站所有的发送天线数与一个下 行用户的接收天线数的乘积；比较以后通信系统所需的矢量量化的总维数与原始码书的维数，确定新码书中码 字向量的组合情况；根据码字向量的组合情况，作第二次矢量量化，得到新码书，安排码字向量的比特 位，预留接口。所述生成原始的CSI矢量量化码书，码书大小应该取得略小，即原始码书的大小 不超过未来接口码书的大小，从而要求码字向量的比特数应该取得略小。基站所有的发送天线数包括未来无线通信系统中，应用网络MIM0时，多小区合作 的情形；以三个小区合作为例，假设每个基站拥有相同的发送天线数，此时，基站所有的发 送天线数等于每个基站的发送天线数的3倍。确定新码书中码字向量的组合的操作可以包括如下步骤确定分组数，为(以后通信系统所需的矢量量化的总维数)+ (原始码书的维数减 1)所得到的商向正无穷的方向近似取整(上取整)，即 分组；将信道向量的所有元素按不同的基站、不同的下行用户接收天线的顺序排 列，每一组信道向量的元素的个数等于原始码书的维数，相邻两组信道向量的首尾元素是 重叠的，即前一组的最后一个元素也是后一组的第一个元素。
根据码字向量的组合情况，作第二次矢量量化，可以包括如下步骤对原始码书作码书扩展，码字向量的扩展部分的比特数取2的倍数，且不应大于 原始码字中每维向量的数据位的比特数的2倍；分别从码字向量的第一维和最后一维的数据位中减少若干比特位，减少的位数等 于码字向量的扩展部分的比特数除以2 ；合并码字向量的第一维和最后一维在上一步中减少的比特位对应的码字，具体方 法是找到所有码字向量的第一维和最后一维减少的比特位对应的码字，将它们按距离邻近 的关系进行合并，由此，从码书中删减部分码字，直至码书中的码字数与原始码书的码字数 一致；由此得到的码书为接口码书，接口码书的大小等于原始码书的大小；根据码字向量的组合情况得到的组合数，对组合数个接口码书进行第二次矢量量 化，具体方法是先生成对应的二次量化用的码书，然后对组合数个码字向量的不同组合情 况分配二次量化用的码书中的码字。生成二次量化用的码书具体包括为每一组信道向量(即划分在同一组的信道向 量)分配相同的比特数，也包括为每一组信道向量(即划分在同一组的信道向量)分配不 同的比特数，其中为第一组信道向量分配最少的比特数，为其它组信道向量分配的比特数 依次递增；二次矢量量化的对象是接口码书中的码字，目的是通过作两次矢量量化，降低原 来通过一次矢量量化直接对高维信道向量作量化时的维度，即下行用户可以快速地将各组 信道向量组合成整体，基站可以快速地解开这种组合。因此，二次量化码书的码字向量，其 比特位没有符号位，只有数据位。数据位安排的原则是，高位在后，低位在后，统计接口码 书中各码字在某种常见的无线通信系统的信道统计分布中(例如，复高斯分布)，出现的 频度，据此，对二次码书中的码字作哈夫曼编码，从而在统计意义上，减少冗余，提高编码效 率。详细实施例本实施例提供了一种用于对信道状态信息进行矢量量化所需的码书的码书生成 方法，该方法通过随机松弛技术，对CSI矢量量化码书作全局优化，合理分配码字向量的各 比特位，并生成可裁减、可扩展的通用矢量量化码书，此外，为将来的无线通信系统生成了 接口码书。本实施例的应用环境1参照图1，为单小区的多用户-多输入多输出(MU-MIM0)系 统。基站有4根独立的发送天线，用于向下行用户转发来自对应的上行用户的数据。每个 下行用户均只有1根接收天线。基站通过下行链路向下行用户发送数据，下行用户通过专 门的反馈链路向基站发送量化后的CSI码字向量的比特位(即码字索引)。假设下行用户 可以通过信道检测与估计的方法，精确地得到CSI。对下行信道的统计分布特性不作特殊要 求。本实施例的应用环境2参照图2，为多小区的多用户-多输入多输出(MU-MIM0)系 统，3个小区联合调度下行用户。每个基站有8根独立的发送天线，用于向下行用户转发来 自对应的上行用户的数据。每个下行用户均有2根独立的接收天线。基站通过下行链路向 该基站选中的下行用户发送数据，下行用户通过专门的反馈链路向3个基站发送量化后的 CSI码字向量的比特位(即码字索引)。假设下行用户可以通过信道检测与估计的方法，精 确地得到CSI。对下行信道的统计分布特性不作特殊要求。
图3A是根据本发明的、用于对信道状态信息进行矢量量化所需的码书的码书生 成方法的流程图，其中采用了模拟退火算法作为随机松弛方法。参照图3A，本实施例针对应用环境1，生成用于对无线通信系统技术领域的信道 状态信息进行矢量量化所需的码书。步骤la，生成一组随机的复向量序列，对其作归一化处理，保留角度部分的信息， 并取绝对值，作为生成CSI矢量量化码书用的训练向量序列。在本实施例中，产生1000个独立服从高斯分布的随机数，将它们组合成一组复数 向量序列，即每两个随机数构成一个复数的实部和虚部，并将复向量序列中的每个复向量 分别除以各自的2-范数。步骤lb，在训练向量序列的基础上，得到初始无符号码书，初始无符号码书的个数 为2的码字向量的数据位次幂，作为码字向量的数据位。本实施例中，码书中码字的个数取为256，因此每个码字向量的比特位数是8 ；矢 量量化的维数，等于基站的发送天线数与一个下行用户的接收天线数的乘积，即4。因此，作 矢量量化的每维向量可以分配到的比特数，即码字的比特数除以矢量量化的维数后得到的 商，为2。每维向量可以分配到的比特数等于2，预留1位为符号位，标示码字向量的实部与 虚部的正负，其余1位为数据位；一共有4维向量，所以码字向量的数据位总共有4位，初始 无符号码书的个数为2的4次幂，即16。本实施例中，对由训练向量序列张成的线性空间作随机划分，划分的数目与待生 成的无符号码书大小一致，为16，划分之后的线性空间有若干胞腔，这些胞腔可以是交叉 的。每个胞腔对应一个码书中的码字，即用隶属于该胞腔中的训练向量的算术平均值作为 码字，并且对码字作归一化处理。本实施例中，在得到初始无符号码书之后，为加快后续操作，通常需对初始无符号 码书作预处理，具体的方法是通过Lloyd算法，随机选取一个训练向量，将其从原来的胞腔 移至随机选定的另一个胞腔，得到新码书，分别用原码书和新码书对训练向量序列进行矢 量量化。量化误差的衡量标准为所有码字中、与训练向量有最大内积的码字所对应的内积 的相反数。若新码书的量化误差较原来减小，则接受新码书。由此，对初始码书进行适当次 数的优化(例如，5次优化)。步骤lc，给定初始的退火温度T，温度降低因子(为小于1的正数)，最大迭代次 数，码书更新接受阈值f(为小于1的正数)，禁忌表的长度，禁忌表Tabu初始为空。本实施例中，T取80，温度降低因子取0. 25，最大迭代次数取200，f取0. 5，禁忌表 的长度取4，禁忌表是一个结构体数组，每个结构体有4个元素，分别是训练向量编号，该训 练向量对应的原来的胞腔和新胞腔，原码书与新码书对应的量化误差的差值。步骤ld，随机选取一个训练向量，将其从原来的胞腔移至随机选定的另一个胞腔， 作出随机扰动，遍历Tabu，若在Tabu中没有该随机扰动记录，则得到新码书，分别用原码书 和新码书对训练向量序列进行矢量量化。步骤le，求出原码书与新码书对应的量化误差的差值Ad，若Ad小于预定负数阈 值，则将训练矢量和划分的索引与误差差值写入Tabu ；若Ad大于等于所述预定负数阈值， 若有式(3)成立，则接受更新，用新码书代替原码书，否则，保留原码书；若禁忌表已满，则 从其中删除误差差值的绝对值最小的一项。
本实施例中，上述预定负数阈值取-1. 0。步骤If，判断是否满足无符号码书生成的终止条件，若迭代次数已达到最大迭代 次数，或量化误差的差值Ad足够小(通常取10_2 1CT1)(即，满足无符号码书生成的终止 条件)，则停止迭代，否则，将退火温度乘以温度降低因子，返回步骤ld，继续迭代。本实施例中，量化误差的差值Ad小于0.05时，则可以停止迭代。本实施例中，由上述参数的选取可知，执行完步骤If后(步骤If 是)，满足无符 号码书生成的终止条件(随机扰动次数已达到预设值(最大迭代次数)，或者新码书相对于 原码书的性能改善(Ad)小于预设改善阈值(0.05))，可以直接进行下一步。由此，可以得 到的一个无符号码书的示例如表1所示。
步骤lh，组合码字向量的符号位与对应的无符号码书中的码字的数据位，结束码 书生成。图3B是根据本发明的、用于对信道状态信息进行矢量量化所需的码书的码书生 成方法的流程图，其中采用了遗传算法作为随机松弛方法。参考图3B，本实施例针对应用环境1，生成用于对无线通信系统技术领域的信道 状态信息进行矢量量化所需的码书。
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步骤11a，生成一组随机的复向量序列，对其作归一化处理，保留角度部分的信息， 并取绝对值，作为生成CSI矢量量化码书用的训练向量序列。在本实施例中，产生1000个独立服从高斯分布的随机数，将它们组合成一组复数 向量序列，即每两个随机数构成一个复数的实部和虚部，并将复向量序列中的每个复向量 分别除以各自的2-范数。步骤11b，在训练向量序列的基础上，得到初始无符号码书，初始无符号码书的个 数为2的码字向量的数据位次幂，作为码字向量的数据位。本实施例中，码书中码字的个数取为256，因此每个码字向量的比特位数是8 ；矢 量量化的维数，等于基站的发送天线数与一个下行用户的接收天线数的乘积，即4。因此，作 矢量量化的每维向量可以分配到的比特数，即码字的比特数除以矢量量化的维数后得到的 商，为2。每维向量可以分配到的比特数等于2，预留1位为符号位，标示码字向量的实部与 虚部的正负，其余1位为数据位；一共有4维向量，所以码字向量的数据位总共有4位，初始 无符号码书的个数为2的4次幂，即16。本实施例中，对由训练向量序列张成的线性空间作随机划分，划分的数目与待生 成的无符号码书大小一致，为16，划分之后的线性空间有若干胞腔，这些胞腔可以是交叉 的。每个胞腔对应一个码书中的码字，即用隶属于该胞腔中的训练向量的算术平均值作为 码字，并且对码字作归一化处理。本实施例中，在得到初始无符号码书之后，为加快后续操作，通常需对初始无符号 码书作预处理，具体的方法是通过Lloyd算法，随机选取一个训练向量，将其从原来的胞腔 移至随机选定的另一个胞腔，得到新码书，分别用原码书和新码书对训练向量序列进行矢 量量化。量化误差的衡量标准为所有码字中、与训练向量有最大内积的码字所对应的内积 的相反数。若新码书的量化误差较原来减小，则接受新码书。由此，对初始码书进行适当次 数的优化(例如，5次优化)。步骤11c，给定L个训练向量划分构成初始群体，其中L个划分中的每个划分作为 群体中的一个个体。本实施例中，L取10。步骤lld，求每个个体所对应的个体码书；求每个个体码书对训练向量作矢量量 化后的量化误差，并对量化误差取倒数，作为每个个体的适应度。本实施例中，个体码书是在步骤lib产生的初始无符号码书的基础上，通过对随 机选取的码字所在的训练矢量胞腔进行随机地重新划分，而得到的。步骤lie，选出适应度最大的t个体，将它们两两组合成L对个体作为母本个体； 对选出的L对母体中的每一对进行交叉操作在母体1中随机选择一个胞腔i，找到其中量 化误差最大的训练向量m，在母体2中找到该训练向量所在的胞腔k，找到其中量化误差最 大的训练向量n，在母体1中找到n所在的胞腔j，把母体1中的训练向量m从胞腔i移至 胞腔j，由此得到的母体1即为一个子代个体；对上一步中得到的每个子代个体，按照预定 的概率，进行变异操作随机选取两个胞腔，交换它们当中量化误差最大的训练向量，求每 个个体所对应的个体码书，找到量化误差最小的个体码书。本实施例中，选出适应度最大的个体的数目t应该满足的条件是C,22L。步骤llf，求出本次迭代时量化误差最小的个体码书(新码书)与上次迭代时量化误差最小的个体码书(原码书)对应的量化误差的差值Ad。步骤llg，判断是否满足无符号码书生成的终止条件，若迭代次数已达到最大迭代 次数，或量化误差的差值Ad足够小(通常取10_2 1CT1)(即，满足无符号码书生成的终止 条件)，则停止迭代，否则，返回步骤lie，继续进行遗传迭代。本实施例中，由上述参数的选取可知，执行完步骤llg后(步骤llg 是)，满足无 符号码书生成的终止条件(随机扰动次数已达到预设值(最大迭代次数)，或者新码书相 对于原码书的性能改善(Ad)小于预设改善阈值(例如0.05))，可以直接进行下一步。由 此，可以得到的一个无符号码书的示例如表1所示。步骤llh，组合码字向量的符号位与对应的无符号码书中的码字的数据位，结束码 书生成。图4是根据本发明的、用于信道状态信息的可裁减、可扩展的通用矢量量化码书 和用于将来的无线通信系统的接口码书的码书生成方法的流程图。参照图4，本实施例针对应用环境2，生成用于无线通信系统技术领域的信道状态 信息的可裁减、可扩展的通用矢量量化码书和用于将来的无线通信系统的接口码书，具体 方法为步骤2a，基于全局优化的方法，结合优化码书结构与码字的比特位的方法，生成 CSI矢量量化码书；选取一种与训练向量序列用到的统计分布不同的统计分布特征；设定 两个码字的距离阈值，码字的距离即两个码字向量作差后得到的向量求2-范数。本实施例中，在应用于将来的通信系统之前，假设有4根发送天线，每个下行用户 有2根接收天线，单小区模式。基站码书中码字的个数取为256，因此每个码字向量的比特 位数是8 ；矢量量化的维数，等于基站的发送天线数与一个下行用户的接收天线数的乘积， 即8。因此，作矢量量化的每维向量可以分配到的比特数，即码字的比特数除以矢量量化的 维数后得到的商，为1。考虑到步骤2b及后续操作的需要，将下行用户的接收天线两两组 合，则对应的向量由原来的2维降为1维，矢量量化的维数缩小到原来的一半，每维向量可 以分配到的比特数扩大为原来的2倍。每维向量可以分配到的比特数等于2，预留1位为符 号位，标示码字向量的实部与虚部的正负，其余1位为数据位；一共有4维向量，所以码字向 量的数据位总共有4位，初始无符号码书的个数为2的4次幂，即16。本实施例中，采用基于随机松弛的模拟退火码书生成方法(图3，步骤la lh)， 并引入禁忌表。结合优化码书结构与码字的比特位的方法，将码字向量分成比特位与数据 位两部分。训练向量的统计分布特征为复高斯分布，选取的不同的统计分布特征为复数域 的均勻分布。两个码字的距离阈值取0.4。步骤2b，依次从已生成的码书中取出一个码字，从码书中剩下的码字里，找到与之 前取出的码字的距离，在满足小于步骤2a中设定的距离阈值的前提下，最大的一个或几个 码字；若能找到这样的码字，则生成新码字，新码字向量等于取出的码字向量与找到的码字 向量的数学平均；若找不到这样的码字，则继续从已生成的码书中取出下一个码字。步骤2c，若已生成的码书中所有的码字均已取遍或是找到，则进行步骤2d，否则， 返回步骤2b。步骤2d，判断是否已生成足够数量的新码字，如尚未生成足够数量的新码字，则在 步骤2dl，增大码字的距离阈值，重复步骤2b的操作若干次，直至生成足够数量的新码字。
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本实施例中，将码字向量扩展2位，因此，新码书的码字向量共有10位比特位，码 字总数为2的10次幂，即1024，新码字的数量为1024-256 = 768。步骤2e，应用全局优化的方法，保持码书中原来的码字不变，对新码字产生随机扰 动，优化步骤2b中生成的新码字。本实施例中，上述码书中的码字，指不考虑符号影响的码字，即码字向量的实部和 虚部已经做过取绝对值运算，对应于码字向量的数据位。由此，通过内插所产生的新码字也 只有数据位，而其符号位与原码字一致，所以，通过内插产生的新码字的个数，应该等于所 要求的新码字的个数除以4(若每维向量可以分配到的比特数等于1)或者等于所要求的新 码字的个数除以16(若每维向量可以分配到的比特数等于2)。本实施例中，通过内插产生 的新码字的个数，等于48。由此，得到的扩展码书的码字向量的各比特位的安排如图5所示。步骤2f，遍历新产生的码字向量，从原来码书中找到与新产生的码字向量的距离 最小的三个码字向量，按距离从小到大的顺序，将原来码书中的码字向量所对应的数据位 记录在数组1中，数组1的下标是新产生的码字向量的序号。步骤2g，新建布尔型数组2和数组3，其大小为新码字的个数，初始化为全非；其 中，数组2表示对应的新码字索引是否已分配，数组3表示对应的新码字是否未分配索引。步骤2h，遍历数组1，从其中找到当前存放的距离值最小的元素，对该数组元素对 应的新产生的码字向量分配数据位比特，其中，数据位比特的前半部分为该数组元素中的 找到的最小距离值对应的原来码书中的码字向量的数据位，后半部分为新码字向量的扩充 数据位，从00…01起安排，查看数组2，若直到11…11，该数组的元素值均为是，则将该新产 生的码字向量的序号对应的数组3中的元素置为是，否则，分配新码字向量的扩充数据位， 并将数组2中对应的元素置为是；删除数组1中的该元素。步骤2i，重复步骤2h，直至数组1为空。步骤2j，若数组3中的元素值为全非，则执行步骤2m，否则执行步骤2k。步骤2k，依次从数组3中取元素值为是的元素所对应的新生成的码字，再从数组 2中找到元素值为非的元素，将其对应的比特位分配给该新生成的码字，并对数组2中相应 的元素值置是；步骤21，重复步骤2k，直至数组3中的元素已取遍。由此，得到基站和下行用户的 天线数未增加时，对应的扩展后的原始CSI矢量量化码书。由此，可以得到的一个无符号码书扩展后对应的扩展部分的示例如表2所示。表2:扩展码书(续下页)
码字
0 . 858154 + jO. 0.812963+jO. 1.177704+jl. 1.088137+j0.
5822540.810672+jl.301169
6931550.725736+j0.711659
0415040.727342+j0.422297
6547791.268456+j0.642512
1.323060+j0.781897 1.332655+jl.468185 0.571757+j0.646815 0.644155+j0.744236
1.140184+jl. 1.578391+jl. 0.927024+j0. 0.709606+j0.
002497 014785 603753 825569
对应原码书最 小距离序号
12 5 8
数据位(4) + 扩展位(2)
0011 (01)
1011(01)
0100(01)
0111(01)
0.548672+jl.386013 0.542750+jl.033779 0.669757+jl.016232 0.570680+j0.918307 1.126172+jl.296315 0.437994+j0.523713 0 . 623481 + jO.432817
0.582185+j0. 0.634638+j0. 0.992632+j0. 0 .772446 +jO. 1.312449+jO. 1.276048+j0, 0.699535+jl,
9430680.475385+j0.569031
5091030.577121+j0.641268
7942730.440050+j0.450525
4414640.465065+jl.091222
5798000.595821+j0.481285
6641710.488597+j0.574134
2543570.583702+j0.619190
0.812482+j0.
0.918713+jl.
1.445471+jO.
0.841180+j0.
0.707965+j0,
0.593814+j0
0 . 606899 +jO
566111 048254 584682 484857 775983 771576 748470
6
13 6
15 6 7 9
0101(10) 1100(01) 0101(11) 1110(01) 0110 (00) 0110(01) 1000(01)
IND
cn
1.510438+j0. 1.116950+j0. 1.243957+j0, 1.700372+j0, 0.527561+j0,
602340 618257 600710 880792 910439
0.731286+jO. 0.475555+j0. Q.833549+jO, 1.153366+jO. 0.734934+j0.
5436170.625422+j0.740103
5620660.726098+j0.736429
8472360.589027+j0.545687
6327630.744799+j0.576446
4439560.416200+j0.476713
0.677124+jl. 0 .753671 +jl. 1.280429+j0. 0.542923+j0. 0.811231+j0.
323383 047446 583873 775174 549760
10 5
14
5
6
1001 (01) 0100 (10) 1101(01) 0100(11) 0101(01)
〔019s
cz 101854223 A
18/23 X 步骤2m，确定以后通信系统所需的矢量量化的总维数，即基站所有的发送天线数 与一个下行用户的接收天线数的乘积；比较以后通信系统所需的矢量量化的总维数与原始码书的维数，确定分组数，为以后通信系统所需的矢量量化的总维数除以原始码书的维数 减1后，得到的商向正无穷的方向近似取整；将信道向量的所有元素按不同的基站、不同的 下行用户接收天线的顺序排列，每一组信道向量的元素的个数等于原始码书的维数，相邻 两组信道向量的首尾元素是重叠的，即前一组的最后一个元素也是后一组的第一个元素。本实施例中，多小区的多用户-多输入多输出(MU-MIM0)系统，3个小区联合调度 下行用户。每个基站有8根独立的发送天线，用于向下行用户转发来自对应的上行用户的 数据。每个下行用户均有2根独立的接收天线。因此将来通信系统所需的矢量量化的总维 数等于3X8X2 = 48。步骤2n，分别从码字向量的第一维和最后一维的数据位中减少若干比特位，减少 的位数等于码字向量的扩展部分的比特数除以2。本实施例中，减少的位数等于码字向量的扩展部分的比特数除以2，为1。因为每 维向量可以分配到的数据位仅有1位，减少的位数等于1。即，码字向量的第一维和最后一 维只有符号位，删除数据位。步骤20，合并码字向量的第一维和最后一维在上一步中减少的比特位对应的码 字，具体方法是找到所有码字向量的第一维和最后一维减少的比特位对应的码字，将它们 按距离邻近的关系进行合并，由此，从码书中删减部分码字，直至码书中的码字数与上一步 中减少比特位数后一致；由此得到的码书为接口码书，接口码书的大小等于扩展前的原始 码书的大小。本实施例中，第一维和第四维压缩后只有符号位，因此可以忽略它们的数据位所 代表的部分，从而大大降低了复杂度。并且将第二维和第三维组成的码字向量按照距离相 近的原理，每四个为一组重新生成一个码字。因为第1、4维压缩后只有符号位，因此忽略它 们的数据位所代表的部分(即XXXXXXX)，同时大大降低了量化时的复杂度。步骤2p，根据码字向量的组合情况得到的组合数，对组合数个接口码书进行第二 次矢量量化，具体方法是先生成对应的二次量化用的码书，然后对组合数个码字向量的不 同组合情况分配二次量化用的码书中的码字。本实施例中，上述生成二次量化用的码书，采用非均勻的量化方式，其方法为每一 组信道向量(即划分在同一组的信道向量)分配不同的比特数，其中为第一组信道向量分 配最少的比特数，为其它组信道向量分配的比特数依次递增；二次矢量量化的对象是接口 码书中的码字，目的是通过作两次矢量量化，降低原来通过一次矢量量化直接对高维信道 向量作量化时的维度，即下行用户可以快速地将各组信道向量组合成整体，基站可以快速 地解开这种组合。因此，二次量化码书的码字向量，其比特位没有符号位，只有数据位。数 据位安排的原则是，高位在前，低位在后，统计接口码书中各码字在某种常见的无线通信系 统的信道统计分布中(例如，复高斯分布)，出现的频度，据此，对二次码书中的码字作哈夫 曼编码，从而在统计意义上，减少冗余，提高编码效率。本实施例中，由于采用非均勻的二次量化方式，每一组信道向量(即划分在同一 组的信道向量)分配的比特数不同。为了对每一组信道向量公平量化，采用时间片轮转的 方法，即每次下行用户在作二次量化之前，将每一组信道向量下移，而将最后一组信道向量 移至第一组。基站在解码时，同样按照此轮转方法，将解开的信道向量组合对应起来。本实施例中，接口码书的各码字对应的索引分别为0 15，由4维向量生成48维
步骤2q，在二次量化得到的码字向量的结尾，附加二次量化结束码和同步码。本实施例中，附加二次量化结束码的目的是使基站能够正确地区分接收到的反馈
29
向量，共需组合10次，假设用二次量化的码字长30位，则分配前5组各2位，后5组各占4 位，即对于前5组每组原码字比特符号为+数据位长8位，现压缩为2位；对于后5组 每组原码字比特符号为+数据位长8位，现压缩为4位。由此得到的一个扩展码书对应的 接口码书的示例如表3所示。
ITIT TI0I HTT0 TT00 0TTT 0T0I 0110 0100 T0TT T00T T0T0 T000
00HH
000T
00H0 0000
XXXXXXX XXXXXXX XXJtXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX X3CXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX 3CXXXXXX
z-wlrlHzo IP+I>wlnTINo . T
Ir-山 ozro_Tf + TZ.voOZE,T WW w 寸olvo, lf +6u>vo寸avVD, I CNu>0 T su}, T-I-1+swo Iln泊 T crlwlntrlTO H V^^^WHO . H
寸二CNootN-IT寸二 S8「T
z.[vlnlno(Tl rH,I-l+>tNlnlrlo(Tl. H
T-r-l+ICNLTICNT寸
T-r1+z.roILrlsCN,T Tf + Iror-8寸S.I I+eTlor-ofT If + oo^lrlzro,T 0f+CNln￡:evoLrl,0
o-r-t+寸r~0Eoolrl. 0
TP + Ia*o 寸寸"TI
OP+CN寸寸寸 oal, 0
TcntSCNT^ r-roIlr)tNtN Irnz.8 寸 S ETvot--o[--
00 寸InZE cnlt)￡EU>S
守ioss Ialo 寸寸T CN寸寸寸 0(T1
roooCNTt--CNJ, T-r1+ro8 S T I
8 S 0 寸 TP+sLno 寸 T
？ 910T olo-T P+ro9 WT0lo,l-l
ro 邙Inocs守，T f + 8 寸IrloCN寸，T
守TLrl9I￡-Tf +寸 Tg^Te.T ilx>^u}z.z.-I-l—l+l>lo^ I>r--,T
山wlnI寸寸，TP+U>沩ST寸寸，T
SCT1Z.CT1卬 8 , I- -l+(Ncrlc--CT*c71oo, I
寸 ￡寸wu>-TIf + 1E-ro^ >voI,T
Hssoo . Sf+ IS8lr)00 . S
寸 8io￡:WI-r-t+寸 8iorolo,T 叽CT\I 8cr\<N, T-I-l+lna\I sals, T 仂扪 S i eCNI, IP +wlnCNieCN, T e 6 0 寸roz.. o-rn+row 0 寸 0 的 m 们U3CT1S o-r-l+srolrlu}CTlLn, 0
iosr-crlf of + z-osr-crli. 0
XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XX3CXXXX 3CXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX
( 頡fLI扫瞇J)量化码字是原始量化码字还是接口码书经过二次量化后的将来码字。由于采用时间片轮转 的方法，附加同步码的目的是使下行用户在作二次量化与基站解码时，移动每一组信道向 量达到同步，基站能够将解开的信道向量组合正确地对应起来。本实施例中，最后附结束码1与循环码0/1，循环码0表示分配前5组各2位，后5 组各占4位，1表示交换前5组与后5组的次序。由此，得到的为将来系统预留接口后，二次 量化得到的码字向量的各比特位安排。如图6所示。此外，应当注意的是，在以上的描述中，仅以示例的方式，示出了本发明的技术方 案，但并不意味着本发明局限于上述步骤。在可能的情形下，可以根据需要对步骤进行调整 和取舍。因此，某些步骤并非实施本发明的总体发明思想所必需的元素，本发明所必需的 技术特征仅受限于能够实现本发明的总体发明思想的最低要求，而不受以上具体实例的限 制。以上实施例只是用于示例目的，并不倾向于限制本发明。本领域普通技术人员应 该理解的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以存在对该实施例的各种修改和 代替，并且这些修改和代替落在所附权利要求所限定的范围中。
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权利要求
一种矢量量化码书生成方法，包括生成一组归一化的随机复向量序列，采用各归一化的随机复向量的角度部分，构成训练向量序列；根据训练向量序列，生成初始码书；采用随机松弛方法，对原码书作随机扰动，得到新码书；保留原码书和新码书中性能较好的码书；如果所保留的码书已满足码书生成的终止条件，则结束码书生成，得到码书；否则，以所保留的码书作为原码书，返回随机松弛更新步骤。
2.根据权利要求1所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于所述随机复向量序列生 成步骤包括产生偶数个随机数，以每两个随机数构成一个复数的实部和虚部，由此组合成一组复 向量序列；对各复向量进行归一化处理，得到一组归一化的随机复向量序列，其中所产生的随机 数的个数大于待生成的矢量量化码书的大小。
3.根据权利要求2所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于所产生的随机数服从高 斯分布或瑞利分布。
4.根据权利要求2所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于所述归一化处理包括 将每个复向量分别除以各自的2-范数。
5.根据权利要求1所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于所述初始码书生成步骤 包括将由训练向量序列张成的线性空间作随机划分为多个胞腔，划分得到的胞腔的数目与 待生成的码书大小一致，每个胞腔对应码书中的一个码字；用隶属于每个胞腔的训练向量的算术平均值或加权平均值作为码字，并对所生成的码 字进行归一化处理，得到初始码书。
6.根据权利要求5所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于所述多个胞腔彼此交叉 或不交叉。
7.根据权利要求5所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于用于计算加权平均值的权重取决于量化的要求和训练向量在胞腔中的空间位置。
8.根据权利要求1所述的矢量量化码书生成方法，在所述初始码书生成步骤之后，还 包括采用已知的Lloyd算法，对初始码书进行预处理随机选取一个训练向量，将其从原来的胞腔移至随机选定的另一个胞腔，得到新初始 码书；分别用原初始码书和新初始码书对训练向量序列进行矢量量化； 如果新初始码书的量化误差小于原初始码书，则接受新初始码书。
9.根据权利要求1所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于 所述随机松弛更新步骤采用模拟退火方法，包括给定初始退火温度T、温度降低因子、最大迭代次数和码书更新接受阈值f，其中温度 降低因子和码书更新接受阈值f是小于1的正数；随机选取一个训练向量，将其从原来的胞腔移至随机选定的另一个胞腔，得到新码书；分别用原码书和新码书对训练向量序列进行矢量量化； 求出原码书与新码书对应的量化误差的差值Ad; 如果以下不等式成立，则以新码书代替原码书， exp ( A d/T) > f 否则，保留原码书；如果迭代次数已达到最大迭代次数，或者量化误差的差值A d小于预定收敛阈值，则 停止迭代，得到最终的量化码书，否则，将退火温度乘以温度降低因子后，返回训练向量随 机选取步骤。
10.根据权利要求1所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于 所述随机松弛更新步骤采用改进的模拟退火方法，包括给定初始退火温度T、温度降低因子、最大迭代次数、码书更新接受阈值f、和禁忌表 Tabu及其长度，其中温度降低因子和码书更新接受阈值f是小于1的正数，禁忌表Tabu初 始为空；随机选取一个训练向量，将其从原来的胞腔移至随机选定的另一个胞腔，得到新码书；遍历禁忌表Tabu，如果在禁忌表Tabu中不存在关于新码书的记录，则分别用原码书和 新码书对训练向量序列进行矢量量化，继续执行下一步；如果在禁忌表Tabu中已存在关于 新码书的记录，则跳过下一步；如果原码书与新码书对应的量化误差的差值Ad小于预定负数阈值，则将新码书的训 练矢量和划分的索引与误差差值Ad写入禁忌表Tabu中；否则，如果以下不等式成立，则以 新码书代替原码书， exp ( A d/T) > f否则，保留原码书；如果禁忌表Tabu的长度已达到给定的长度，则从其中删除误差差 值Ad的绝对值最小的一项；如果迭代次数已达到最大迭代次数，或者量化误差的差值A d小于预定收敛阈值，则 停止迭代，得到最终的量化码书，否则，将退火温度乘以温度降低因子，返回训练向量随机 选取步骤。
11.根据权利要求1所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于所述随机松弛更新步 骤采用遗传算法，包括随机产生L个训练向量划分，构成初始群体，其中L个划分中的每个划分作为初始群体 中的一个个体；求每个个体所对应的个体码书；求每个个体码书对训练向量作矢量量化后的量化误差，并对量化误差取倒数，作为每 个个体的适应度；选出适应度最大的前若干个个体，将它们两两组合成L对个体作为母本个体； 对选出的L对母体中的每一对进行交叉操作在母体1中随机选择一个胞腔i，找出胞腔i中量化误差最大的训练向量m，在母体2中找到训练向量m所在的胞腔k，找出胞腔k中量化误差最大的训练向量n，在母体1中找 到训练向量n所在的胞腔j，把母体1中的训练向量m从胞腔i移至胞腔j，由此得到母体 1的一个子代个体；对所得到的每个子代个体，按照预定的概率，进行变异操作随机选取两个胞腔，交换它们当中量化误差最大的训练向量，求每个个体所对应的个 体码书；如果有某个个体码书的量化误差小于给定的阈值，或是已经达到最大迭代次数，则停 止迭代，将所有个体码书中，量化误差最小的那个作为最终码书，否则，返回量化误差求取步骤。
12.根据权利要求1 11之一所述的矢量量化码书生成方法，还包括确定矢量量化的维数，即基站的发射天线数与一个下行用户设备的接收天线数的乘积；确定码字的比特数，即对码书中所有码字的总数取以2为底的对数； 确定作矢量量化的每维向量可分配到的比特数，即码字的比特数除以矢量量化的维数 后得到的商向靠近0的方向取整；如果每维向量可分配到的比特数小于1，则将不同维的向量按预定规则进行组合，减少 矢量量化的维数，直到每维向量可分配到的比特数不小于1 ；如果每维向量可分配到的比特数大于2，则预留2位为符号位，分别标示码字向量的实 部与虚部的正负，其余位为数据位；如果每维向量可分配到的比特数等于2，则预留1位为符号位，标示码字向量的实部与 虚部的正负，其余1位为数据位；如果每维向量可分配到的比特数等于1，则该位为符号位，标示码字向量的实部与虚部 的正负，没有数据位；将每一维码字向量的符号位集中放到码字比特的前部，将每一维码字向量的数据位集 中放到码字比特的后部，并且每一维码字向量的符号位与数据位的先后顺序一致。
13.根据权利要求12所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于将不同维的向量按预 定规则进行组合包括先将下行用户设备的接收天线两两组合，则对应的向量由原来的2维降为1维，矢量量 化的维数缩小到原来的一半，每维向量可分配到的比特数扩大为原来的2倍；如果每维向量可分配到的比特数仍然小于1，再将下行用户设备的组合后的接收天线 两两组合；如果直至下行用户设备的组合后的接收天线的数目为1时，每维向量可分配到的比特 数仍然小于1，再将基站的发送天线按上述规则两两组合，直至每维向量可分配到的比特数 不小于1。
14.根据权利要求12所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于在每维向量可分配到的比特数等于2或1时，作为符号位的1位表示码字向量的实部 与虚部是否同号、是否同为正、或者是否同为负。
15.根据权利要求12所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于在码字向量的实部或虚部出现0的情况下，在满足2-范数为1的前提下，将0值的实部或虚部调整为不大于10_3的正数。
16.根据权利要求12所述的矢量量化码书生成方法，还包括如果每维向量可分配到的比特数等于1，依次用长度等于码字的比特数的00…0至 11…1表示各码字，结束码书生成；如果每维向量可分配到的比特数等于2，依次用0和1填充码字向量的符号位； 如果每维向量可分配到的比特数大于2，依次用00至11填充码字向量的符号位， 其中在对所生成的各归一化的随机复向量取绝对值之后，再执行矢量量化码书生成，得到 无符号码书，作为码字向量的数据位；以及 将符号位与数据位组合成完整的码书。
17.根据权利要求3所述的矢量量化码书生成方法，还包括选取与所产生的随机数所服从的统计分布不同的统计分布特征； 根据所选取的统计分布特征，在生成好的码书的基础上，通过内插产生新码字，新码字 向量的符号位与原码书的码字向量的符号位保持一致，新码字向量的扩充数据位附在原码 书的码字向量的数据位之后；重复码字内插操作多次，直至生成所需数量的新码字。
18.根据权利要求17所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于所述与所产生的随机数所服从的统计分布不同的统计分布特征是无线通信环境中、数 学表达式关于原点具有对称性的统计分布特征。
19.根据权利要求18所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于所述与所产生的随机数所服从的统计分布不同的统计分布特征是独立均勻分布。
20.根据权利要求19所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于码字内插步骤包括 针对已生成的矢量量化码书的无符号码书部分，取出一个码字，从与所取出的码字的距离小于距离阈值的码字中，找出与所取出的码 字的距离最大的一个或多个码字，所述距离阈值用于确定已生成的矢量量化码书中的两个 码字在信道向量所张成的线性空间中的位置关系；如果能够找出符合上述条件的码字，则生成新码字，新码字向量等于所取出的码字向 量与所找出的码字向量的数学平均；如果找不到符合上述条件的码字，则从已生成的码书中选取下一个码字，重复以上操作；在所有的码字已被取遍或是被找到后，采用随机松弛方法，保持码书中原有的码字不 变，对新码字产生随机扰动，优化新码字。
21.根据权利要求20所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于两个码字之间的距离 是对两个码字向量作差后得到的向量的2-范数。
22.根据权利要求20所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于所述距离阈值按照如 下规则设定从已生成的矢量量化码书的无符号码书部分中随机取多个码字，分别统计它们两两之 间的距离，并对所得到的距离按从小到大的顺序进行排序，选取排序后位于前30% 40% 处的距离值，作为所述距离阈值。
23.根据权利要求1或17所述的矢量量化码书生成方法，还包括确定新码字向量的 数据位的比特数原来码书中的码字总数加新产生的码字总数取以2为底的对数向正无穷 大的方向取整，再减去原来码书中的码字向量的数据位的比特数；遍历新产生的码字向量，从原码书中找到与新产生的码字向量的距离最小的三个码字 向量，按距离从小到大的顺序，将原码书中的码字向量所对应的数据位记录在数组1中，数 组1的下标是新产生的码字向量的序号；新建布尔型数组2和数组3，其各自的大小均为新码字的个数，初始化为全非； 遍历数组1，从中找到当前存放的距离值最小的元素，对该数组元素对应的新产生的码 字向量分配数据位比特，其中，数据位比特的前半部分为该数组元素中的找到的最小距离 值对应的原来码书中的码字向量的数据位，后半部分为新码字向量的扩充数据位，从⑷… 01起排，查看数组2，若直到11，该数组的元素值均为是，则将该新产生的码字向量的 序号对应的数组3中的元素置为是，否则，分配新码字向量的扩充数据位，并将数组2中对 应的元素置为是；从数组1中删除该元素； 重复上一步，直至数组1为空； 如果数组3中的元素值为全非，则结束操作；依次从数组3中取元素值为是的元素所对应的新生成的码字，再从数组2中找到元素 值为非的元素，将其对应的比特位分配给该新生成的码字，并对数组2中相应的元素值置 是；重复上一步，直至数组3中的元素已取遍。
24.根据权利要求1或17所述的矢量量化码书生成方法，还包括确定未来通信系统所需的矢量量化的总维数，即基站所有的发射天线数与一个下行用 户设备的接收天线数的乘积；比较未来通信系统所需的矢量量化的总维数与原码书的维数，确定新码书中码字向量 的组合方式；根据码字向量的组合方式，执行第二次矢量量化，得到新码书，排列码字向量的比特 位，完成接口预留。
25.根据权利要求24所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于 新码书中码字向量的组合方式的确定包括确定分组数等于未来通信系统所需的矢量量化的总维数+原码书的维数减1所得到 的商向正无穷大的方向取整，即未来通信系统所需的矢量量化的总维数原码书的维数-1；将信道向量的所有元素按不同的基站、不同的下行用户设备接收天线的顺序排列，每 一组信道向量的元素的个数等于原始码书的维数，相邻两组信道向量的首尾元素是重叠 的，即前一组的最后一个元素也是后一组的第一个元素。
26.根据权利要求24所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于 所述第二次矢量量化步骤包括对原码书作码书扩展，码字向量的扩展部分的比特数取2的倍数，且不大于原码字中 每维向量的数据位的比特数的2倍；分别从码字向量的第一维和最后一维的数据位中减少多个比特位，减少的位数等于码 字向量的扩展部分的比特数除以2 ；找出所有码字向量的第一维和最后一维减少的比特位对应的码字，按距离邻近的关系 进行合并，由此，从码书中删减部分码字，直至码书中的码字数与原始码书的码字数一致； 由此得到的码书为接口码书，接口码书的大小等于原始码书的大小；根据码字向量的组合情况得到的组合数，对组合数个接口码书进行第二次矢量量化。
27.根据权利要求26所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于为每一组信道向量， 即划分在同一组的信道向量，分配相同的比特数。
28.根据权利要求26所述的矢量量化码书生成方法，其特征在于为每一组信道向量， 即划分在同一组的信道向量，分配不同的比特数，其中为第一组信道向量分配最少的比特 数，为其它组信道向量分配的比特数依次递增。
全文摘要
本发明提出了一种矢量量化码书生成方法，引入基于随机松弛技术的全局优化方法，在每次迭代更新码书时，产生随机扰动，加在相应的码字上，有效地防止码书更新过程的局部收敛。本发明还根据无线通信系统的信道统计分布的固有特性和MIMO系统中基站作用户调度对所选用户之间的正交性的要求，合理优化码书结构与码字的各比特位。此外，为了提高码书在多种信道统计分布环境下的鲁棒性，本发明还引入了码书扩展的方法，根据具体情况灵活调整码书的大小。考虑到随着以后通信系统发展的需要，基站和下行用户设备的天线数都会大大增加，本发明可以为未来的码书生成预留接口，即使用于高维矢量量化时，也可以较低的复杂度实现较高的量化和系统性能。
文档编号H03M13/39GK101854223SQ20091013171
公开日2010年10月6日 申请日期2009年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者刘市, 张宇, 杨大毛, 罗汉文, 郭佳, 黄磊 申请人:上海交通大学;夏普株式会社