專利名稱：一種兩級碼本的構(gòu)造與信道反饋方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，ΜΙΜΟ)無線通信系 統(tǒng)領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種多天線系統(tǒng)中的兩級碼本構(gòu)造與信道反饋方法。
背景技術(shù)：
在頻分復(fù)用(FDD)系統(tǒng)中，ΜΙΜΟ傳輸機(jī)制中的預(yù)編碼機(jī)制主要通過接收方反饋信 道信息來獲得，對發(fā)送的數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)編碼矩陣進(jìn)行處理。用戶接收到的無線信號包括有用 信號部分和噪聲部分。有用信號部分可以表示成接收用戶的信道矩陣乘以預(yù)編碼向量乘以 基站發(fā)送信號向量。在接收用戶的信道矩陣中，用戶利用最大奇異值相應(yīng)的左奇異向量作 為信號合并向量，對接收信號進(jìn)行譯碼，也就是接收用戶選擇其信道質(zhì)量最好的空間子信 道作為傳輸信道進(jìn)行譯碼。現(xiàn)有碼本設(shè)計(jì)與反饋方案中，通常假設(shè)信道是獨(dú)立同分布的瑞利信道，采用LBG 算法來獲得碼本。LBG算法是由Linde、Buz0和Gray于1980年提出的碼本設(shè)計(jì)算法，該算 法可以用于已知信號源概率分布的情況，也可以用于未知信號源概率分布但給出訓(xùn)練序列 的情況。LBG算法采用迭代算法來滿足以上兩個(gè)準(zhǔn)則首先設(shè)定初始碼本，一般是整個(gè)訓(xùn)練 序列的平均；然后對初始碼本進(jìn)行分裂，并根據(jù)以上兩個(gè)準(zhǔn)則對碼本進(jìn)行更新；重復(fù)碼本 的分裂和更新步驟，直到碼本個(gè)數(shù)滿足需要。該方法利用一系列向量作為訓(xùn)練序列，根據(jù)給 定失真測度和碼本數(shù)量，迭代求得一系列碼本。然而，LBG算法的碼本設(shè)計(jì)使得反饋過程中信道開銷較大并且碼本精度難以控制。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有LBG編碼方法信道開銷大和控制碼本精度難的缺陷，本發(fā)明提出一種 多天線系統(tǒng)中的兩級碼本構(gòu)造與信道反饋方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種多天線系統(tǒng)的多級碼本構(gòu)造方法，包括步驟10)、利用LBG算法構(gòu)造第一級碼本；步驟20)、通過對第一級碼本中的碼字在不同平面上進(jìn)行復(fù)數(shù)Givens角度旋轉(zhuǎn)獲 得第二級碼本。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種基于多級碼本的信道信息反饋方法，包括步驟10)、基站選定第一級碼本和第二級碼本的構(gòu)造參數(shù)，在小區(qū)內(nèi)廣播；步驟20)、終端根據(jù)導(dǎo)頻信息進(jìn)行信道估計(jì)與測量來計(jì)算統(tǒng)計(jì)信息，通過第一級碼 本反饋統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行信道反饋的初始化，在信道變化劇烈時(shí)利用第一級碼本進(jìn)行反饋的重 置；步驟30)、終端根據(jù)基站廣播的信息構(gòu)建第二級碼本，利用第二級碼本進(jìn)行信道反 饋。本發(fā)明利用目前的全局碼本(即第一級碼本)通過簡單的運(yùn)算迅速產(chǎn)生二級碼 本，有效地降低信道開銷，同時(shí)可以很方便的根據(jù)需要增加或減少碼本精度，便于基站根據(jù)用戶間干擾的大小對碼本精度進(jìn)行控制，在反饋精確度與反饋開銷之間取得折衷。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的信道反饋中的基站處理流程；圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的信道反饋中的終端處理流程。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提供的一種多天線系統(tǒng)中的兩級碼本構(gòu)造 方法與信道反饋方法進(jìn)行詳細(xì)描述。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種多天線系統(tǒng)的多級碼本構(gòu)造方 法?？偟膩碚f，本發(fā)明的方法包括利用LBG算法構(gòu)造第一級碼本，通過對第一級碼本中的碼 字在不同平面上進(jìn)行復(fù)數(shù)Givens角度旋轉(zhuǎn)獲得第二級碼本。該不同平面包括二維或者多 維平面。由于反饋碼本中的碼字是復(fù)向量，因此實(shí)數(shù)向量的Givens變換不能直接應(yīng)用到碼 本的反饋中。在對第一級碼本的碼字進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)的步驟中，首先通過矩陣初等變換使得 該碼字對應(yīng)的復(fù)數(shù)向量在選定平面上一個(gè)元素變換為0，一個(gè)元素變換為1，即單位化；然 后利用Givens變換使得在該平面上旋轉(zhuǎn)選定的角度；最后利用該矩陣初等變換的逆變換 得到旋轉(zhuǎn)后的復(fù)數(shù)向量，得到對應(yīng)的第二級碼本。以下詳述該方法的具體實(shí)現(xiàn)過程。第一級碼本利用LBG算法構(gòu)造，具體地步驟1、給定訓(xùn)練序列τ與可容忍誤差ε ；步驟2、設(shè)置初始碼本Cw =(CP)，上標(biāo)0表示迭代次數(shù)為0，下標(biāo)表示碼本數(shù)量N =1，計(jì)算其平均失，初始碼本Cf為給定訓(xùn)練序列元素Xm的平均值， 其中i = 0，M為訓(xùn)練序列的大小，k表示向量Xm的維度；步驟3、對碼本進(jìn)行分裂，要分裂的碼本來自C(°)，碼本的具體內(nèi)容為C(°)中包含的 具體碼本內(nèi)容，分裂原理和過程如下所述關(guān)于碼本數(shù)量N，對每個(gè)碼本分別乘以(1+ ε )和 乘以(1- O進(jìn)行分裂，分裂結(jié)果為數(shù)量是原來碼本的2倍，并對N更新，更新方法為N = 2ΧΝ ；步驟4、迭代更新碼本，迭代次數(shù)i初始值為0 ；步驟4. 1、在當(dāng)前碼本中求得其量化碼本以及對應(yīng)量化碼字的索引，與向量Xm距離 最小的碼本為其量化碼本，數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為均方誤差最小；步驟4. 2、對于η = 1，2，...，N，對碼本C⑴進(jìn)行更新 表示更新碼本；Q(Xm)為Xm對應(yīng)的量化碼字，級
是指序列元素Xm量化 后等于《的情況；步驟4. 3、設(shè)置迭代次數(shù)i = i+Ι ；步驟4. 4、計(jì)算平均失真fl^ ；
步驟4. 5、如果
則返回步驟4. 1，進(jìn)一步進(jìn)行碼本更新；步驟4. 6、設(shè)
并設(shè)碼本C(°) = C(i)作為迭代完成的碼本；步驟5、重復(fù)步驟3與步驟4直到碼本中碼字?jǐn)?shù)目達(dá)到需求值。第二級碼本通過對第一級碼本中的碼字在不同的平面上進(jìn)行復(fù)數(shù)Givens角度旋 轉(zhuǎn)獲得，復(fù)數(shù)Givens角度旋轉(zhuǎn)分為以下步驟1)、將實(shí)數(shù)Givens變換引入到復(fù)數(shù)碼本的構(gòu)造中，將需要變換的復(fù)數(shù)向量(即第 一級碼本中的一個(gè)碼字)中的一個(gè)分量變換為0，一個(gè)分量變換為1。由于碼本多以二維為 主，則以二維復(fù)向量為例，設(shè)模為1的原始向量(即第一級變換后的向量)為X = (X1X2)1, 上標(biāo)T代表轉(zhuǎn)置，則Givens旋轉(zhuǎn)矩陣G如下
(0. 1)G是酉矩陣，石，i = 1，2表示Xi的共軛，并且有如下特性 2)、將Gx左乘以Givens旋轉(zhuǎn)矩陣G，旋轉(zhuǎn)角度為Θ，得到向量χ'，其中χ是第一 級碼本中所選擇的碼字向量，χ = (χΛ)τ屬于第一級碼本；X’是經(jīng)過Givens旋轉(zhuǎn)角度θ 后χ關(guān)于θ信息的表現(xiàn)形式，是Givens變換的中間步驟產(chǎn)生的向量。旋轉(zhuǎn)角度θ選擇大 小的要求是在第一級碼本所選碼字的周圍區(qū)域，不會進(jìn)入其他碼字的區(qū)域；選擇的依據(jù)是 根據(jù)信道變化的情況，信道變化快，需要旋轉(zhuǎn)角度θ就大些，信道變化慢，需要旋轉(zhuǎn)角度θ 就小些，如果信道不變化需要旋轉(zhuǎn)角度θ等于0。
(0. 3)3)、將得到的χ'左乘G的逆矩陣，可以得到將χ旋轉(zhuǎn)角度θ的向量y，因?yàn)镚是 酉矩陣，因此最終得到矩陣是 y = GHx' (0. 4) Gh表示矩陣G的共軛轉(zhuǎn)置。從而，旋轉(zhuǎn)過程可以簡化為
(0. 5)其中G由公式(0. 1)給出，y是二級變換后的碼本。在多維向量的實(shí)施例中，如原始向量為χ = (X1X2X3X4)τ，旋轉(zhuǎn)角度為θ，旋轉(zhuǎn)平面 是e2 X e4 (設(shè)坐標(biāo)為 θ-^ j 2 ？ Θ3 j θ^/ I1)、則Givens旋轉(zhuǎn)矩陣是 得到旋轉(zhuǎn)后的矩陣
2)、將Gx左乘以實(shí)數(shù)Givens旋轉(zhuǎn)矩陣，角度為Θ，得到向量x' 3)、將得到的χ'左乘G的逆矩陣，可以得到將χ旋轉(zhuǎn)角度θ的向量，因?yàn)镚是酉 矩陣，因此最終得到矩陣是y = Ghx' (0.9)通過觀察以上步驟，旋轉(zhuǎn)過程可以簡化為下面的一步就可以完成 其中G由公式(0. 6)給出，y是二級變換后的碼本。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種基于多級碼本的信道信息反饋方法。總的 來說，該方法包括由基站選定全局碼本和二級碼本的構(gòu)造參數(shù)，在小區(qū)內(nèi)廣播；終端根據(jù) 導(dǎo)頻信息進(jìn)行信道估計(jì)與測量，計(jì)算統(tǒng)計(jì)信息；終端通過全局碼本反饋統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行信道 反饋的初始化，在信道變化劇烈時(shí)利用全局碼本進(jìn)行反饋的重置；終端根據(jù)基站廣播的信 息構(gòu)建二級碼本，利用二級碼本進(jìn)行信道反饋。更具體地，在MIMO系統(tǒng)傳輸機(jī)制中，基于多級碼本的信道信息反饋如圖1和圖2 所示。圖1說明基站的處理過程，以Sl開頭的步驟表示；圖2說明終端的處理過程，以S2 開頭的步驟表示，具體步驟如下。Si. 1基站利用LBG算法確定全局碼本，并確定產(chǎn)生二級碼本的旋轉(zhuǎn)平面和旋轉(zhuǎn)角 度；其中，旋轉(zhuǎn)平面和旋轉(zhuǎn)角度確定及依據(jù)是根據(jù)信道狀況使全局碼字Cn所對應(yīng)的第二級 碼本中的碼字在Cn對應(yīng)的量化區(qū)域Sn中均勻分布，選擇當(dāng)前信道對應(yīng)的二級碼本旋轉(zhuǎn)平面和旋轉(zhuǎn)角度，量化區(qū)域Sn的劃分是根據(jù)第一級碼本(即全局碼本)的每個(gè)碼字進(jìn)行相應(yīng)區(qū) 域的劃分。Si. 2基站利用確定的旋轉(zhuǎn)平面和旋轉(zhuǎn)角度，產(chǎn)生第二級碼本；Si. 3基站將以上信息在小區(qū)內(nèi)進(jìn)行廣播；S2. 1終端開機(jī)后進(jìn)行信道的估計(jì)與測量，獲得信道狀態(tài)信息；S2. 2終端記錄信道狀態(tài)信息，并計(jì)算統(tǒng)計(jì)量和統(tǒng)計(jì)信息(包括信道矩陣)；S2. 3終端選擇最優(yōu)的空間子信道，獲得其右奇異向量并利用基站廣播的全局碼本 進(jìn)行向量量化，將其序號反饋到基站；其中，最優(yōu)的空間子信道是信道條件最好的空間子信 道，空間子信道中其增益最大。S2. 4終端利用基站廣播的角度旋轉(zhuǎn)信息，求得第二級碼本；S2. 5終端利用第二級碼本對空間子信道的右奇異向量進(jìn)行精確量化，并反饋到基 站；S2. 6終端檢測信道的變化程度是否超出第二級碼本可以表示的范圍，如果是則反 饋到終端處理步驟S2. 2，重新利用全局碼本反饋；Si. 4基站收到終端利用全局碼本反饋的信道信息；Si. 5基站將終端信息和其信道在全局碼本中的序號保存下來；Si. 6基站收到終端利用第二級碼本反饋的信道信息；Si. 7基站利用保存的終端全局碼本的序號以及終端利用第二級碼本反饋的信息 還原出信道狀態(tài)信息；Si. 8基站利用還原出的信道信息進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；S2. 7終端進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以描述本發(fā)明的技術(shù)方案而不是對本技術(shù)方法 進(jìn)行限制，本發(fā)明在應(yīng)用上可以延伸為其他的修改、變化、應(yīng)用和實(shí)施例，并且因此認(rèn)為所 有這樣的修改、變化、應(yīng)用、實(shí)施例都在本發(fā)明的精神和教導(dǎo)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種多天線系統(tǒng)的多級碼本構(gòu)造方法，包括步驟10)、利用LBG算法構(gòu)造第一級碼本；步驟20)、通過對第一級碼本中的碼字在不同平面上進(jìn)行復(fù)數(shù)Givens角度旋轉(zhuǎn)來獲得第二級碼本。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，步驟20)包括 步驟210)、通過矩陣初等變換使得第一級碼本中的碼字對應(yīng)的復(fù)數(shù)向量在選定平面上 變換為單位向量；步驟220)、將該單位向量利用Givens變換在該平面上旋轉(zhuǎn)選定的角度； 步驟230)、利用該矩陣初等變換的逆變換得到旋轉(zhuǎn)后的復(fù)數(shù)向量，獲取第二級碼本。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，步驟20)中，所述不同平面包括二維或者多維平面。
4.權(quán)利要求2的方法，其中，步驟220)中，根據(jù)信道變化情況選擇選定的角度，其大小 要求在第一級碼本所選碼字的周圍區(qū)域，不進(jìn)入其他碼字的區(qū)域。
5.權(quán)利要求4的方法，其中，步驟220)中，信道變化快，選定的角度大些；信道變化慢， 選定的角度小些；如果信道不變化，則選定的角度等于0。
6.權(quán)利要求1的方法，其中，步驟20)包括步驟210)、將第一級碼本中的碼字X通過復(fù)數(shù)Givens變換，Gx = 步驟220)、將Gx左乘Givens旋轉(zhuǎn)矩陣G，旋轉(zhuǎn)角度為θ，得到碼字向量χχ =f COS 沒sinf(V‘COS 汐、、-sin 6*cos θ^Λ、-sin 義G χ步驟230)、將χ'左乘G的逆矩陣，得到將χ旋轉(zhuǎn)角度θ的第二級碼本向量y，y = ，Gh表示矩陣G的共軛轉(zhuǎn)置。
7.一種基于二級碼本的信道信息反饋方法，包括步驟10)、基站選定第一級碼本和第二級碼本的構(gòu)造參數(shù)，在小區(qū)內(nèi)廣播； 步驟20)、終端根據(jù)導(dǎo)頻信息進(jìn)行信道估計(jì)與測量來計(jì)算統(tǒng)計(jì)信息，通過第一級碼本反 饋統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行信道反饋的初始化，在信道變化劇烈時(shí)利用第一級碼本進(jìn)行反饋的重置； 步驟30)、終端根據(jù)基站廣播的信息構(gòu)建第二級碼本，利用第二級碼本進(jìn)行信道反饋。
8.權(quán)利要求7的方法，其中，步驟10)中，基站利用LBG算法確定第一級碼本，并確定產(chǎn) 生第二級碼本的旋轉(zhuǎn)平面和旋轉(zhuǎn)角度；其中，根據(jù)信道狀況使第一級碼字所對應(yīng)的第二級 碼本中的碼字在對應(yīng)的量化區(qū)域中均勻分布，選擇當(dāng)前信道對應(yīng)的第二級碼本的旋轉(zhuǎn)平面 和旋轉(zhuǎn)角度；根據(jù)第一級碼本的每個(gè)碼字劃分量化區(qū)域。
9.權(quán)利要求8的方法，其中，步驟10)還包括基站利用確定的旋轉(zhuǎn)平面和旋轉(zhuǎn)角度， 產(chǎn)生第二級碼本。
10.權(quán)利要求7的方法，其中，步驟20)中，終端記錄信道狀態(tài)信息，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量和統(tǒng)計(jì)信息；根據(jù)空間子信道中增益最大來選擇選擇最優(yōu)的空間子信道，獲得其右奇異向量并利 用基站廣播的第一級碼本進(jìn)行向量量化，將其序號反饋到基站。
11.權(quán)利要求7的方法，其中，步驟30)中，終端利用基站廣播的角度旋轉(zhuǎn)信息，獲得第 二級碼本；利用第二級碼本對空間子信道的右奇異向量進(jìn)行向量量化，并反饋到基站。
12.權(quán)利要求11的方法，其中，步驟30)還包括基站收到終端利用第一級碼本反饋的信道信息，將終端信息和其信道在第一級碼本中 的序號保存下來；基站收到終端利用第二級碼本反饋的信道信息，利用保存的終端的第一級碼本的序號 以及終端利用第二級碼本反饋的信息還原出信道狀態(tài)信息； 基站利用還原出的信道信息進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送； 終端進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。
13.權(quán)利要求7-12的其中一個(gè)的方法，其中，所述二級碼本是通過權(quán)利要求1-6所述的 方法構(gòu)建的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多天線系統(tǒng)的多級碼本構(gòu)造方法及信道信息反饋方法，包括利用LBG算法構(gòu)造第一級碼本；通過對第一級碼本中的碼字在不同平面上進(jìn)行復(fù)數(shù)Givens角度旋轉(zhuǎn)獲得第二級碼本。該方法還包括基站選定全局碼本和二級碼本的構(gòu)造參數(shù)，在小區(qū)內(nèi)廣播；終端根據(jù)導(dǎo)頻信息進(jìn)行信道估計(jì)與測量，在信道變化劇烈時(shí)利用全局碼本進(jìn)行反饋的重置；終端根據(jù)基站廣播的信息構(gòu)建二級碼本，利用二級碼本進(jìn)行信道反饋。本發(fā)明提出利用目前的全局碼本通過簡單的運(yùn)算迅速的產(chǎn)生二級碼本，有效降低信道開銷，同時(shí)可以根據(jù)需要增加或減少碼本精度，便于基站根據(jù)用戶間干擾的大小對碼本精度進(jìn)行控制。
文檔編號H04B7/04GK101924585SQ20101024976
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者吳志龍, 龐迪, 楊育波, 田霖, 石晶林, 金鑫 申請人:中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所