一种基于伪码本的3d mu-mimo预编码方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于伪码本的3D?MU-MIMO预编码方法。基站端采用均匀面天线阵列，与用户端同时储存DFT码本；用户端根据3D信道矩阵，分别在水平维度与垂直维度上进行最优预编码矢量的选取，将索引号反馈给基站端，基站恢复出水平维与垂直维最优预编码矢量，分别计算出与水平维及垂直维最优预编码矢量相似度最高的水平维与垂直维次优预编码矢量。分别进行点乘变换，构建出新的水平维与垂直维最优预编码矢量，进而生成预编码矩阵。本发明中所采用的伪码本思想能够更好的匹配当前的信道信息，而且在不增加系统反馈量的情况下，使得系统性能得到明显提升。
【专利说明】—种基于伪码本的3D MU-MI MO预编码方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信系统领域，主要涉及LTE-Advanced【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着移动互联网的快速发展，业务数据量急剧增长，给现有无线网络带来了极大的调整压力，对于通信系统而言，增加系统容量、降低干扰依然是最重要的发展目标。尤其是作为LTE-Advanced及LTE空中接口的核心技术——MIMO技术，可以在不增加带宽以及发射功率的情况下提高系统容量，通过利用多根天线以及信道的多径传播特性以及随机衰落特性，可以有效地改善了传输质量，并提升传输速率。
[0003]在实际的实践环境下，MMO技术优势的体现极大地依赖于MMO信道模型特性。基于此，最为重要的一点就是建立有效地能够反映真实MMO工作环境的信道模型。然而，传统的MMO信道模型大多建立在二维(2Dimension，2D)平面内，2D MIMO并没有很好地充分利用空间资源，如果单纯从电磁波传播机理来看，该模型仅仅考虑空间电磁波的水平传播，对于空间电磁波的垂直维传播不做任何处理，因此，该信道模型并不完善。为此，学术界包括工业界大量开展了基于3D的MMO信道建模工作。3D MIMO信道模型要求同时考虑方位角和俯仰角，即同时考虑了空间电磁波的水平和垂直传播，因此，信道模型更为准确。考虑到3D MIMO技术的优势，工业界包括高通、阿朗、D0C0M0、诺西等公司专门成立了面向4G的先进空中接口(Advanced Radio Interface Technologies for4G Systems, ARTIST4G)工作组，该工作组指出:基于有源阵列的3D MMO技术将作为未来移动通信系统提高小区边缘用户吞吐量和数据传输率的关键技术。与此同时，3GPP为了满足LTE-Advanced的技术需求，启动了 LTE RlO版本的技术工作，即LTE-Advanced。LTE-Advanced RlO的标准工作于2011年3月完成，相对于LTE其他版本，RlO中引进较多新技术，此外，LTE-Advanced RlO的演进版本Rll也与2012年12月完成。3GPP从2012年年底开始启动了 LTE-AdvancedR12的技术规范标准工作，正式将3D MIMO技术作为LTE-Advanced R12技术规范的核心。以此为契机，吸引了国内外大量的学者、工程师加入到3D MMO关键技术及标准化的研究工作中。
[0004]在LTE-Advanced系统中，基于3D信道的预编码技术包括码本设计、码本的选取等。码本的设计中，DFT码本、随机码本、格拉斯曼码本等属于最基本的预编码码本。码本的选取即对最优预编码矢量的选择，是基于不同的性能指标准则。常见的最优预编码矢量选取准则包括最小奇异值准则、最大容量准则等。在基于码本的预编码系统下，首先将已经设计好的码本储存在发射端与接收端，接收端接收到信号，通过信道估计得到当前信道状态信息(Channel State Information, CSI),然后利用CSI,在所储存的本地码本中，基于预编码选取准则选择最优预编码矢量，并将最优预编码矢量的在码本中所对应的序号反馈给基站端，基站端由接收序号恢复最优预编码矢量，并构建预编码矩阵，对输入数据进行预编码处理之后发射出去。
[0005]在3D MMO多用户系统中，随着用户数的增多，用户分布在小区内不同区域，包括小区中心和小区边缘。传统的预编码技术仅仅利用了水平维的信道信息，而无法在竖直维对用户进行区分，这对于信息的利用并不完善。因此，为了同时提升小区中心和小区边缘用户的容量及用户性能，需要同时利用水平维与垂直维信道信息以实现3D MIMO预编码。
【发明内容】
[0006]本发明针对上述方法的不足，提出一种基于伪码本的3D MU-MMO预编码方法。LTE-Advanced系统中，根据3D MIMO多用户系统的特点，选取合适DFT码本同时储存在基站与用户端，基站采用均匀面天线阵列；接收端根据3D信道矩阵，分别在水平维与垂直维选取最优预编码矢量，并将水平维与垂直维最优预编码矢量在对应码本中序号作为反馈值反馈回基站，基站根据接收到的序号恢复出水平维与垂直维最优预编码矢量，并计算出与水平维最优预编码矢量相似度最高的水平维次优预编码矢量，以及与垂直维最优预编码矢量相似度最高的垂直维次优预编码矢量，最后利用伪码本思想对水平维与垂直维最优预编码矢量再次变换，进而生成预编码矩阵。本发明能够在采用相同反馈量的条件下，分别利用水平纬度与垂直维度上的信道信息，提高系统的整体性能。该方法具体为:
[0007]一种基于伪码本的3D MU-MMO预编码方法，将码本同时储存在基站端和用户端；用户端根据3D信道矩阵，分别在水平维度与垂直维度上选取最优预编码矢量，并将其对应索引号反馈给基站端，基站端根据索引号恢复出水平维与垂直维最优预编码矢量，分别计算出与水平维及垂直维最优预编码矢量相似度最高的水平维与垂直维次优预编码矢量，分别进行点乘变换，构建新的水平维与垂直维最优预编码矢量，进而形成预编码矩阵对发送数据进行预处理。
[0008]用户端在水平维度与垂直维度上基于最大化最小奇异值准则进行最优预编码矢量的选取，具体包括:根据等效信道H Wi的最小非零奇异值Xmin{H Fx}，遍历码本根据公式:Hrg=^w!// Ft\，Fv ιψ! ^avgmaxAi {I/ Fj) (L 为码本中码字数目)选择最
优码字Fh tjpt和Fv tjpt作为水平维度和垂直维度最优预编码矢量。选择与水平维最优预编码矢量IVtjpt相似度最高的预编码矢量作为水平维次优预编码矢量P h-_，选择与垂直维最优预编码矢量Fv,t相似度最高的预编码矢量作为垂直维次优预编码矢量F' ν__，根据公式cos Θ = Fx_opt/F/ x,t = I (F`x-opt)HF/ χ__ I (χ代表水平维度或者垂直维度，即X为h或V分别表示水平维度或垂直维度，Θ为最优预编码矢量Fx,t与次优预编码矢量F'"㈣间的夹角，(Fx_opt)H为Fx,t的共轭转置)知道，当Θ越小时Fx,t与F' x_opt相似度越高，选择Θ最小时的预编码矢量作为次优预编码矢量，即可获得水平维次优预编码矢量F'卜-和垂直维次优预编码矢量F' ν__。水平维最优预编码矢量与次优预编码矢量(FhptF' h_opt)以及垂直维最优预编码矢量与次优预编码矢量(FV__F, ν__)可以理解为:将系统中储存的DFT码本复制成为两个相同的码本I与码本2，在水平维度上，Fhpt可看成从码本I中求出最优预编码矢量，F' h_opt可看成从码本2中求出次优预编码矢量，在垂直维度上，Fv__可看成从码本I中求出最优预编码矢量，F' v,t可看成从码本2中求出次优预编码矢量。再对Fh,t和P h,t做点乘变换=Fh = FhI^F' Μ#所得的Fh代替Fhpt成为新的水平维最优预编码矢量；对Fv_opt和F' rm做点乘变换:FV = Fv_opt.*F' rm,得到的Fv代替F^pt作为新的垂直维最优预编码矢量。[0009]用户端基于最大化最小奇异值准则计算水平维与垂直维最优预编码矢量。用户端反馈信息包含水平维反馈值与垂直维反馈值，其中水平维反馈值为匹配当前水平维信道信息的最优预编码矢量在码本中的索引号，垂直维反馈值为匹配当前垂直维信道信息的最优预编码矢量在对应码本中的索引号。
[0010]本发明中，基站端采用均匀面天线阵列，用户端根据3D信道矩阵分别在水平维度与垂直维度上进行最优预编码矢量的选取，然后将两个矢量对应索引号反馈给基站端，基站端根据索引号恢复水平维与垂直维最优预编码矢量，并利用伪码本思想，对水平维最优预编码矢量与水平维次优预编码矢量进行点乘变换，同时对垂直维最优预编码矢量与垂直维次优预编码矢量也进行点乘变换，构建出新的水平维与垂直维最优预编码矢量，生成整体预编码矩阵。本发明中所采用的伪码本思想能够在不增加系统反馈量的情况下，使所构建的预编码矩阵通过分别利用水平维与垂直维上信道信息能够更好的表述当前的信道信息，同时提闻系统性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明提出的多用户下3D MMO预编码方法的系统框图；
[0012]图2为基于码本的预编码基本操作流程图；
[0013]图3为本发明中3D预编码方案操作流程图；
[0014]图4为本发明中伪码本思想操作示意图；
[0015]图5为WINNER信道下“Al”场景本发明预编码方法与DFT码本预编码在相同反馈量下误码率性能比较图。
【具体实施方式】
[0016]图1所示为本发明基于伪码本的3D MU-MIMO预编码方法系统框图，在基站端采用均匀面天线阵列结构，其中均匀面天线阵列的行数用η来表示，均匀面天线阵列的列数用m表示，保证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r个。第i个用户接收到的信号可以表示为:
【权利要求】
1.一种基于伪码本的3D MU-MMO预编码方法，其特征在于，将码本同时储存在基站端和用户端；用户端根据3D信道矩阵，分别在水平维度与垂直维度上选取最优预编码矢量，将水平维度最优预编码矢量与垂直维度最优预编码矢量在对应码本中的索引号反馈给基站端，基站端根据索引号恢复出水平维与垂直维最优预编码矢量，分别计算出与水平维及垂直维最优预编码矢量相似度最高的水平维与垂直维次优预编码矢量，分别进行点乘变换，构建新的水平维与垂直维最优预编码矢量，进而得到预编码矩阵对发送数据进行预处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用户端在水平维度与垂直维度上基于最大化最小奇异值准则进行最优预编码矢量的选取，具体包括:根据等效信道H Wi的最小非零奇异值遍历码本，根据公式:
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选择与水平维最优预编码矢量？11__相似度最高的预编码矢量作为水平维次优预编码矢量F’ h__，选择与垂直维最优预编码矢量Fv__相似度最高的预编码矢量作为垂直维次优预编码矢量F' v__，根据公式cose =Fx-opt/F/ x-_= |(Fx__)hF' x,t|选择最优预编码矢量Fx,t与次优预编码矢量F' _间的夹角Θ最小的F' x__，作为水平维次优预编码矢量F' Μ#和垂直维次优预编码矢量F' v,t，其中，脚标X为h表示水平维、脚标X为V表示垂直维，(匕-广为^—的共轭转置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建新的水平维与垂直维最优预编码矢量具体包括:将系统中储存的DFT码本分解为两个相同的码本I与码本2，在水平维度上，由码本I中选择最优预编码矢量作为水平维最优预编码矢量Fh__，从码本2中选择最优预编码矢量作为水平维次优预编码矢量F/ h_opt,对Fh__和F/ h_opt做点乘变换:Fh =
hit所得的Fh代替Fh,t成为新的水平维最优预编码矢量；在垂直维度上，从码本I中获得最优预编码矢量作为垂直维最优预编码矢量Fv,t，从码本2中获得次优预编码矢量作为垂直维次优预编码矢量F' ν__，对Fv,t和F' v_opt做点乘变换:FV = Fv_opt.*F' v_opt,得到的Fv代替FvIt作为新的垂直维最优预编码矢量。
【文档编号】H04B7/06GK103825679SQ201410080644
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2014年3月6日
【发明者】景小荣, 张靖悦, 陈前斌 申请人:重庆邮电大学