專利名稱：一種顯式延時反饋下多用戶預(yù)編碼的魯棒構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是多天線多用戶系統(tǒng)中傳輸預(yù)處理方案設(shè)計，屬于多用戶MIMO系統(tǒng)中的 傳輸預(yù)處理技術(shù)方案領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
相對于單輸入單輸出系統(tǒng)(SIS0)，多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)可以利用適當(dāng)?shù)念A(yù) 處理技術(shù)達(dá)到較高的系統(tǒng)總?cè)萘亢涂煽啃?。在MIMO廣播系統(tǒng)中，一種稱為污紙編碼(DPC) 的非線性預(yù)編碼技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)可以達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)容量。但是，由于DPC技術(shù)方案復(fù)雜， 實(shí)際通信系統(tǒng)至今很難實(shí)現(xiàn)。與此同時，一些次優(yōu)的預(yù)編碼方案，諸如迫零(ZF)波束成形 方案、正交隨機(jī)(OR)波束成形方案以及最小均方誤差(匪SE)預(yù)編碼方案等由于具有較小 的計算和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，因而得到了廣泛的研究。在一些特定的條件下，有研究人員指出這些 低復(fù)雜度的預(yù)編碼方案也能獲得接近最優(yōu)容量的系統(tǒng)性能。在線性預(yù)編碼中，ZF波束成形方案是將整個系統(tǒng)的聯(lián)合信道矩陣取逆作為預(yù)編 碼。當(dāng)基站完全已知系統(tǒng)的信道狀態(tài)信息時，這種技術(shù)可以完全消除多用戶間的相互干擾。 已經(jīng)證明，在很高的系統(tǒng)信噪比(SNR)情況下，ZF波束成形方案獲得的系統(tǒng)容量近似于系 統(tǒng)的最大可達(dá)容量。然而在低SNR下，因?yàn)樵肼暠环糯蟮脑颍琙F方案的性能則較差?；?MMSE的波束成形方案就是針對這個問題而設(shè)計的一種改進(jìn)方案，此方案可以在不同的SNR 上都獲得較好的性能。盡管如此，這些預(yù)編碼設(shè)計方案都是需要在基站一側(cè)完全已知系統(tǒng)中所有無線信 道的信道狀態(tài)信息，而且實(shí)踐證明信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確度直接影響了通信系統(tǒng)的整體性 能。若通信系統(tǒng)采用時分雙工(TDD)，發(fā)送端可以通過互異性原理，在基站估計上行鏈路信 道信息而作為下行鏈路的信道信息，但是上行鏈路和下行鏈路并不是完全對稱的，且上下 行傳輸在TDD工作方式下處于不同的傳輸時刻，因而基站通過互易性獲得的信道狀態(tài)信息 中就不可避免就存在估計誤差等問題；另外，當(dāng)系統(tǒng)采用頻分雙工(FDD)時，通常由用戶終 端來估計下行鏈路信道信息，然后用戶通過反饋鏈路將下行鏈路的信道信息反饋給基站。 但是實(shí)際系統(tǒng)中用戶可以反饋的信息量是有限的。用戶為了符合反饋鏈路的容量要求，往 往是先將信道信息進(jìn)行量化，然后將量化后的有限個比特數(shù)反饋給基站，最后由基站端根 據(jù)此反饋獲得的信息盡可能地恢復(fù)出信道信息。這種方案就會導(dǎo)致基站獲得的系統(tǒng)信道信 息與真實(shí)的信道信息之間存在一定量化誤差。此量化誤差的大小由反饋鏈路的容量決定。 此外采用反饋機(jī)制時還有反饋鏈路帶來的信息延時問題，即基站獲得的反饋信息并不是當(dāng) 前時刻的信道信息，而是在一段延時之前的信道信息。在上述諸多因素的影響下，基站獲得 的下行鏈路信道信息與真實(shí)的信道信息并不完全匹配，因此根據(jù)不完全信道信息而計算得 到預(yù)編碼方案的性能也會受到很大的影響。本發(fā)明主要考慮的是FDD有限反饋系統(tǒng)中存在量化誤差以及反饋信號 延時影響下的魯棒預(yù)編碼設(shè)計。在現(xiàn)有針對顯式反饋多用戶MIMO系統(tǒng)設(shè)計的預(yù) 編碼方案中，都沒有對實(shí)際反饋鏈路帶來的誤差和影響進(jìn)行充分的考慮。絕大部分預(yù)編碼方案只是簡單得將被量化誤差和反饋延時影響后的信道信息當(dāng)作是 準(zhǔn)確的信道信息進(jìn)行使用。具體而言，這些方案是將基站獲得的量化信道矩陣 H作為真實(shí)的信道信息去替代原有的ZF波束成形方案或者M(jìn)MSE波束成形方案中的真實(shí)信 道信息矩陣H。在既存在量化誤差又存在延時的實(shí)際系統(tǒng)中，這些波束成形方案通常不能 得到滿意的性能。本發(fā)明既考慮了信道信息的量化誤差，也考慮了反饋鏈路帶來的延時影 響，通過最小化系統(tǒng)在這些因素影響下的MSE期望值，設(shè)計出的預(yù)編碼可以有效的抵抗量 化誤差和延時的影響，而獲得較好的性能。尤其在量化誤差和延時比較嚴(yán)重的系統(tǒng)中，該發(fā) 明更可以體現(xiàn)出更高的魯棒性而不增加對計算和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的需求。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于，在維持與傳統(tǒng)線性預(yù)編碼方案具有相當(dāng)計算復(fù)雜 度的基礎(chǔ)上，給出一種高性能的魯棒性預(yù)編碼設(shè)計方案，從而可以克服實(shí)際顯式反饋系統(tǒng) 中存在的量化誤差和反饋延時兩大因素的影響，使得預(yù)編碼方案在實(shí)際應(yīng)用場景中獲得更 優(yōu)的性能。技術(shù)方案本發(fā)明適用于采用顯式有限反饋技術(shù)的多用戶MIMO系統(tǒng)。在實(shí)際的有限反饋系統(tǒng)中，往往不可避免的都會存在量化誤差和反饋延時的問 題，從而使得傳統(tǒng)的預(yù)編碼方案在實(shí)際中的所能獲得的性能收到影響。本發(fā)明利用Nihar Jindal于2006年提出的矢量量化信道分解模型(見文獻(xiàn)[Jindal06] :N. Jindal, "ΜΙΜΟ broadcast channels with finite-rate feedback,，，IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 52，no. 11，pp. 5045 - 5060, Nov. 2006.)以及經(jīng)典的單信號延時信道模型(見文獻(xiàn) 如[Heath09] :J. Zhang, R. W. Heath, Jr. , Μ. Kountouris, and J. G. Andrews, Mode switching for the MIMO broadcast channel based on delay and channel quantization, EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, special issue on Multiuser Limited Feedback, vol. 2009，2009.)，并綜合以上兩個基本模型，首先推 導(dǎo)出了一種既存在量化誤差又有反饋信道延時影響的綜合信道模型。將得到的綜合信道模 型，利用最小化MSE期望值的準(zhǔn)則，計算并給出一種新型的魯棒預(yù)編碼構(gòu)造公式。新的預(yù) 編碼方案根據(jù)一個閉式表達(dá)式可以方便地計算得到預(yù)編碼矩陣。同時，由于本發(fā)明同時考 慮了量化誤差和反饋延時的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，比起傳統(tǒng)的MMSE預(yù)編碼具有更高的魯棒 性。具體說來，該發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下
由基站對其服務(wù)的所有用戶進(jìn)行調(diào)查，得到每位用戶的平均移動速率，由速率計算出 每位用戶的多普勒平移，再根據(jù)克拉克散射模型計算出用戶的延時相關(guān)系數(shù)，組成延時系 數(shù)矩陣，最后，基站通過由用戶端反饋回來的量化信道信息，結(jié)合已經(jīng)獲得的延時系數(shù)矩 陣，代入該發(fā)明給出的魯棒預(yù)編碼構(gòu)造公式獲得預(yù)編碼， 該方法表述為按照如下順序執(zhí)行的步驟
1)基站首先調(diào)研每個用戶終端的平均移動速率，由每位用戶的平均移動速率計算出 該用戶的多普勒頻移，最后再根據(jù)克拉克散射模型計算出該用戶的延時相關(guān)系數(shù)，由延時 相關(guān)系數(shù)組成延時系數(shù)對角矩陣；
2)基站利用勞埃德算法為每個用戶預(yù)先獨(dú)立生成一個碼本，碼本大小由實(shí)際系統(tǒng)中 可以支持的有限反饋比特數(shù)以及基站天線數(shù)決定，基站預(yù)先告知每個用戶自己的碼本；3)在一個傳輸時隙開始，基站向所有用戶發(fā)送導(dǎo)頻信號，用戶接收到該信號后通過經(jīng) 典信道估計方法獲得此時刻從基站到該用戶的信道狀態(tài)信息；
4)每個用戶將估計到的信道狀態(tài)信息歸一化，然后根據(jù)基站給定的各自碼本將歸一 化以后的信道狀態(tài)信息按照最小相關(guān)性的原理量化到碼本中的某一個碼字，最后，用戶將 該碼字對應(yīng)的索引號反饋給基站端；
5)基站根據(jù)接收到的用戶反饋的索引號，讀出對應(yīng)的用戶碼本中的碼字，也就得到從 基站到各用戶之間無線信道的量化碼字；
6)基站將得到的每位用戶的量化信道碼字組成量化信道矩陣，結(jié)合步驟1)中得到的 延時系數(shù)矩陣，根據(jù)該發(fā)明給出的魯棒預(yù)編碼W的構(gòu)造公式
權(quán)利要求
1. 一種顯式延時反饋下多用戶預(yù)編碼的魯棒構(gòu)造方法，其特征在于由基站對其服務(wù) 的所有用戶進(jìn)行調(diào)查，得到每位用戶的平均移動速率，由速率計算出每位用戶的多普勒平 移，再根據(jù)克拉克散射模型計算出用戶的延時相關(guān)系數(shù)，組成延時系數(shù)矩陣，最后，基站通 過由用戶端反饋回來的量化信道信息，結(jié)合已經(jīng)獲得的延時系數(shù)矩陣，代入該發(fā)明給出的 魯棒預(yù)編碼構(gòu)造公式獲得預(yù)編碼，該方法表述為按照如下順序執(zhí)行的步驟1)基站首先調(diào)研每個用戶終端的平均移動速率，由每位用戶的平均移動速率計算出 該用戶的多普勒頻移，最后再根據(jù)克拉克散射模型計算出該用戶的延時相關(guān)系數(shù)，由延時 相關(guān)系數(shù)組成延時系數(shù)對角矩陣；2)基站利用勞埃德算法為每個用戶預(yù)先獨(dú)立生成一個碼本，碼本大小由實(shí)際系統(tǒng)中 可以支持的有限反饋比特數(shù)以及基站天線數(shù)決定，基站預(yù)先告知每個用戶自己的碼本；3)在一個傳輸時隙開始，基站向所有用戶發(fā)送導(dǎo)頻信號，用戶接收到該信號后通過經(jīng) 典信道估計方法獲得此時刻從基站到該用戶的信道狀態(tài)信息；4)每個用戶將估計到的信道狀態(tài)信息歸一化，然后根據(jù)基站給定的各自碼本將歸一 化以后的信道狀態(tài)信息按照最小相關(guān)性的原理量化到碼本中的某一個碼字，最后，用戶將 該碼字對應(yīng)的索引號反饋給基站端；5)基站根據(jù)接收到的用戶反饋的索引號，讀出對應(yīng)的用戶碼本中的碼字，也就得到從 基站到各用戶之間無線信道的量化碼字；6)基站將得到的每位用戶的量化信道碼字組成量化信道矩陣， 結(jié)合步驟1)中得到的延時系數(shù)矩陣，根據(jù)該發(fā)明給出的魯棒預(yù)編碼 w的構(gòu)造公式從而計算出魯棒預(yù)編碼m其中D和H分別為延時系數(shù)矩陣和量化信道矩陣，(·)表 示對括號內(nèi)的矩陣做共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算，參數(shù)P和 分別為傳送能量限制因子和正規(guī)化因子，I 是和D、Η擁有相同維數(shù)的單位矩陣。r.￥=,7 TiJdh
全文摘要
一種顯式延時反饋下多用戶預(yù)編碼的魯棒構(gòu)造方法適用于無線多天線傳輸系統(tǒng)中基于顯式反饋的多用戶并行傳輸。本方法由基站對其服務(wù)的所有用戶進(jìn)行調(diào)查，得到每位用戶的平均移動速率，由速率計算出每位用戶的多普勒平移，再根據(jù)克拉克散射模型計算出用戶的延時相關(guān)系數(shù)，組成延時系數(shù)矩陣，最后，基站通過由用戶端反饋回來的量化信道信息，結(jié)合已經(jīng)獲得的延時系數(shù)矩陣，代入該發(fā)明給出的魯棒預(yù)編碼構(gòu)造公式獲得預(yù)編碼；本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)施步驟包括1)信道估計；2)延時反饋；3)魯棒性預(yù)編碼計算。若采用本發(fā)明給出的預(yù)編碼構(gòu)造方案，應(yīng)用效率可以更高。
文檔編號H04B7/06GK102098244SQ201110000629
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月5日
發(fā)明者戴斌斌, 許威, 趙春明 申請人:東南大學(xué)