專利名稱：協(xié)作通信多分辨率自適應(yīng)波束成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及無線通信領(lǐng)域中協(xié)作通信發(fā)射端自適應(yīng)波束成形方法，具有提高協(xié)作通信的穩(wěn)健性和下行信道頻譜資源利用率的特點(diǎn)。
背景技術(shù)：
在協(xié)作通信中進(jìn)行波束成形時(shí)，接收點(diǎn)到發(fā)射點(diǎn)，接收點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)到發(fā)射點(diǎn)之間均需要進(jìn)行信道狀態(tài)信息(Channel State Information(CSI))的反饋，因此需要反饋的CSI數(shù)據(jù)量較大，可以使用有限反饋來降低反饋比特?cái)?shù)，提高反向信道利用率。有限反饋的效果好壞與收發(fā)兩端所采用波束成形矩陣碼本密切相關(guān)，所以波束成形矩陣碼本的設(shè)計(jì)問題很關(guān)鍵。
Behrouz Khoshnevis 等人在文章"Grassmannian Beamforming for MIMOAmplify-and-Forward Relaying，，(IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Volume :26，Issue :8pp. 1397-1407，October 2008)中提出一種基于格拉斯曼空間裝箱(Grassmanian Space Packing)的碼本設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)協(xié)作通信的波束成形。該方法的實(shí)施步驟是第一，假設(shè)接收端具有CSIjP 中繼節(jié)點(diǎn)知道發(fā)射端到中繼節(jié)點(diǎn)之間的CSI，接收端知道發(fā)射端到接收端之間的CSI和中繼節(jié)點(diǎn)到接收端之間的CSI，通信系統(tǒng)將選擇好的格拉斯曼碼本分別存儲(chǔ)于發(fā)射端和接收端，將另一個(gè)不同的格拉斯曼碼本分別存儲(chǔ)于中繼節(jié)點(diǎn)和接收端；第二，發(fā)射端根據(jù)信道信息在碼本中選擇出發(fā)射端波束成形矢量進(jìn)行波束成形，中繼節(jié)點(diǎn)和接收端分別對接收信號進(jìn)行匹配處理；第三，中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)信道信息在碼本中選擇出中繼波束成形矢量進(jìn)行波束成形，接收端對接收到的信號進(jìn)行匹配處理。該方法證明了最優(yōu)波束成形矩陣的碼本設(shè)計(jì)問題可以轉(zhuǎn)化為最優(yōu)格拉斯曼空間裝箱問題，采用格拉斯曼空間裝箱碼本能夠使系統(tǒng)信噪比的損失最小化，基于格拉斯曼空間裝箱的碼本是量化波束成形矩陣的最優(yōu)選擇。
上述方法的不足之處是當(dāng)涉及到的多天線配置場景、使用場景、信道場景組合多變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的碼本失配現(xiàn)象，導(dǎo)致協(xié)作通信中波束成形自適應(yīng)性和頻譜利用率等性能的下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，針對協(xié)作通信波束成形問題提供一種基于“多分辨率的格拉斯曼空間裝箱”量化方法的波束成形方法，以提升協(xié)作通信中波束成形的自適應(yīng)性和系統(tǒng)的頻譜利用率。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的具體步驟如下 (1)存儲(chǔ)碼本集合 la)確定碼本數(shù)目通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心處理器根據(jù)通信系統(tǒng)平均反饋比特?cái)?shù)的限制，確定多分辨率的格拉斯曼空間裝箱方法最大允許使用的碼本數(shù)目； lb)選擇碼本通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心處理器在格拉斯曼空間裝箱結(jié)果中選擇多個(gè)分辨率按從低到高順序遞增的碼本作為通信系統(tǒng)的碼本集合，每個(gè)碼本中包含多個(gè)碼字，碼字是用來進(jìn)行波束成形的矩陣； Ic)存儲(chǔ)碼本集合通信系統(tǒng)將選擇好的碼本集合分別存儲(chǔ)在發(fā)射端和接收端的寄存器中。
(2)信道分解 2a)發(fā)射訓(xùn)練序列發(fā)射端向中繼節(jié)點(diǎn)和接收端發(fā)射訓(xùn)練序列，中繼節(jié)點(diǎn)信號處理器將接收到的訓(xùn)練序列采用放大轉(zhuǎn)發(fā)的方式轉(zhuǎn)發(fā)給接收端； 2b)信道估計(jì)中繼節(jié)點(diǎn)的信道估計(jì)器根據(jù)接收到的訓(xùn)練序列估計(jì)出發(fā)射端到中繼節(jié)點(diǎn)的信道矩陣，將信道矩陣的信息轉(zhuǎn)發(fā)到接收端，接收端信道估計(jì)器根據(jù)接收到的訓(xùn)練序列分別估計(jì)出發(fā)射端到接收端的信道矩陣和中繼節(jié)點(diǎn)到接收端的信道矩陣，接收機(jī)信號處理器對三個(gè)信道矩陣進(jìn)行合并處理得到發(fā)射端到接收端的等效信道矩陣； 2c)信道分解接收機(jī)信號處理器按照下列公式對合并得到的等效信道矩陣H進(jìn)行奇異值分解 H = UDVh 其中，H為接收機(jī)估計(jì)得到的等效信道矩陣，U和V為信號處理器進(jìn)行奇異值分解得到的酉矩陣，D為信號處理器分解得到的對角陣，[· ^表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
(3)選擇最優(yōu)波束成形矩陣 3a)在分辨率最低的碼本中選擇最優(yōu)波束成形矩陣接收機(jī)處理器按照最小均方誤差準(zhǔn)則，使用步驟2c)中奇異值分解得到的酉矩陣在步驟la)中得到的碼本分辨率最低的碼本中搜索最優(yōu)波束成形矩陣； 3b)判斷所選矩陣是否滿足要求如果所選最優(yōu)波束成形矩陣產(chǎn)生的均方誤差小于等于通信系統(tǒng)的失配誤差，接收機(jī)寄存器記錄這個(gè)波束成形矩陣的碼本索引號和碼字索引號，完成最優(yōu)波束成形矩陣的選擇；如果所選最優(yōu)波束成形矩陣產(chǎn)生的均方誤差大于通信系統(tǒng)的失配誤差，執(zhí)行步驟3c)； 3c)判斷碼本分辨率是否已經(jīng)最大如果當(dāng)前所使用碼本的分辨率不是碼本集合中分辨率最高的，接收機(jī)處理器將當(dāng)前碼本切換為分辨率高一級的碼本，按照最小均方誤差準(zhǔn)則使用步驟2c)中奇異值分解得到的酉矩陣搜索最優(yōu)波束成形矩陣，返回執(zhí)行步驟 3b)；如果當(dāng)前所使用碼本的分辨率已經(jīng)是碼本集合中分辨率最高的，接收機(jī)寄存器記錄當(dāng)前所選最優(yōu)波束成形矩陣的碼本索引號和碼字索引號，完成最優(yōu)波束成形矩陣的選擇。
(4)反饋信道信息接收機(jī)將選擇出的最優(yōu)波束成形矩陣的碼本索引號和碼字索引號反饋到發(fā)射端。
(5)波束成形 5a)搜索波束成形矩陣發(fā)射機(jī)信號處理器按照接收端反饋的碼本索引號和碼字索引號，在發(fā)射機(jī)寄存器的碼本集合中搜索出對應(yīng)的碼本和對應(yīng)的碼字，將所選碼字作為波束成形矩陣； 5b)波束成形發(fā)射機(jī)使用5a)中搜索出的波束成形矩陣左乘發(fā)射信號獲得加權(quán)信號，天線發(fā)射加權(quán)后的發(fā)射信號，完成波束成形。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn) 第一，由于本發(fā)明使用的碼本集合是由分辨率按從低到高順序遞增的碼本所組成的，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的固定低分辨率的格拉斯曼空間裝箱方法碼本容量固定無法應(yīng)對信道場景變化的不足，具有對不同的信道場景自適應(yīng)性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，最大可能的實(shí)現(xiàn)了信道適配。
第二，由于本發(fā)明首先在分辨率較低的碼本中搜索最優(yōu)波束成形矩陣，其次在分辨率較高的碼本中搜索最優(yōu)波束成形矩陣，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的固定高分辨率的格拉斯曼空間裝箱方法反饋數(shù)據(jù)量過大導(dǎo)致協(xié)作通信系統(tǒng)反向信道利用率較低的不足，具有平均反饋數(shù)據(jù)量大大減小的優(yōu)點(diǎn)，提高了協(xié)作通信系統(tǒng)反向信道的頻譜利用率。


圖1為本發(fā)明的流程圖。
圖2為本發(fā)明的協(xié)作通信波束成形場景示意圖。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
在圖2所示的協(xié)作通信波束成形場景中，本發(fā)明完成協(xié)作通信波束成形的過程如圖1所示，其實(shí)現(xiàn)的步驟如下 步驟(1)存儲(chǔ)碼本集合 la)確定碼本數(shù)目。通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心處理器根據(jù)通信系統(tǒng)平均反饋比特?cái)?shù)的限制，按照下列公式計(jì)算多分辨率的格拉斯曼空間裝箱方法最大允許使用的碼本數(shù)目
權(quán)利要求
1. 一種協(xié)作通信多分辨率自適應(yīng)波束成形方法，包括如下步驟(1)存儲(chǔ)碼本集合la)確定碼本數(shù)目通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心處理器根據(jù)通信系統(tǒng)平均反饋比特?cái)?shù)的限制， 確定多分辨率的格拉斯曼空間裝箱方法最大允許使用的碼本數(shù)目；lb)選擇碼本通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心處理器在格拉斯曼空間裝箱結(jié)果中選擇多個(gè)分辨率按從低到高順序遞增的碼本作為通信系統(tǒng)的碼本集合，每個(gè)碼本中包含多個(gè)碼字，碼字是用來進(jìn)行波束成形的矩陣；Ic)存儲(chǔ)碼本集合通信系統(tǒng)將選擇好的碼本集合分別存儲(chǔ)在發(fā)射端和接收端的寄存器中；(2)信道分解2a)發(fā)射訓(xùn)練序列發(fā)射端向中繼節(jié)點(diǎn)和接收端發(fā)射訓(xùn)練序列，中繼節(jié)點(diǎn)信號處理器將接收到的訓(xùn)練序列采用放大轉(zhuǎn)發(fā)的方式轉(zhuǎn)發(fā)給接收端；2b)信道估計(jì)中繼節(jié)點(diǎn)的信道估計(jì)器根據(jù)接收到的訓(xùn)練序列估計(jì)出發(fā)射端到中繼節(jié)點(diǎn)的信道矩陣，將信道矩陣的信息轉(zhuǎn)發(fā)到接收端，接收端信道估計(jì)器根據(jù)接收到的訓(xùn)練序列分別估計(jì)出發(fā)射端到接收端的信道矩陣和中繼節(jié)點(diǎn)到接收端的信道矩陣，接收機(jī)信號處理器對三個(gè)信道矩陣進(jìn)行合并處理得到發(fā)射端到接收端的等效信道矩陣；2c)信道分解接收機(jī)信號處理器按照下列公式對合并得到的等效信道矩陣H進(jìn)行奇異值分解 H = UDVh其中，H為接收機(jī)估計(jì)得到的等效信道矩陣，U和V為信號處理器進(jìn)行奇異值分解得到的酉矩陣，D為信號處理器分解得到的對角陣，[· ]H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置；(3)選擇最優(yōu)波束成形矩陣3a)在分辨率最低的碼本中選擇最優(yōu)波束成形矩陣接收機(jī)處理器按照最小均方誤差準(zhǔn)則，使用步驟2c)中奇異值分解得到的酉矩陣在步驟la)中得到的碼本分辨率最低的碼本中搜索最優(yōu)波束成形矩陣；3b)判斷所選矩陣是否滿足要求如果所選最優(yōu)波束成形矩陣產(chǎn)生的均方誤差小于等于通信系統(tǒng)的失配誤差，接收機(jī)寄存器記錄這個(gè)波束成形矩陣的碼本索引號和碼字索引號，完成最優(yōu)波束成形矩陣的選擇；如果所選最優(yōu)波束成形矩陣產(chǎn)生的均方誤差大于通信系統(tǒng)的失配誤差，執(zhí)行步驟3c)；3c)判斷碼本分辨率是否已經(jīng)最大如果當(dāng)前所使用碼本的分辨率不是碼本集合中分辨率最高的，接收機(jī)處理器將當(dāng)前碼本切換為分辨率高一級的碼本，按照最小均方誤差準(zhǔn)則使用步驟2c)中奇異值分解得到的酉矩陣搜索最優(yōu)波束成形矩陣，返回執(zhí)行步驟3b)；如果當(dāng)前所使用碼本的分辨率已經(jīng)是碼本集合中分辨率最高的，接收機(jī)寄存器記錄當(dāng)前所選最優(yōu)波束成形矩陣的碼本索引號和碼字索引號，完成最優(yōu)波束成形矩陣的選擇；(4)反饋信道信息接收機(jī)將選擇出的最優(yōu)波束成形矩陣的碼本索引號和碼字索引號反饋到發(fā)射端；(5)波束成形5a)搜索波束成形矩陣發(fā)射機(jī)信號處理器按照接收端反饋的碼本索引號和碼字索引號，在發(fā)射機(jī)寄存器的碼本集合中搜索出對應(yīng)的碼本和對應(yīng)的碼字，將所選碼字作為波束成形矩陣；5b)波束成形發(fā)射機(jī)使用5a)中搜索出的波束成形矩陣左乘發(fā)射信號獲得加權(quán)信號， 天線發(fā)射加權(quán)后的發(fā)射信號，完成波束成形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)作通信多分辨率自適應(yīng)波束成形方法，其特征在于，所述步驟la)中通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心處理器根據(jù)通信系統(tǒng)平均反饋比特?cái)?shù)的限制，確定多分辨率的格拉斯曼空間裝箱方法最大允許使用的碼本數(shù)目，按照下列公式進(jìn)行
其中，L為碼本集合中碼本的數(shù)量，Σ (·)表示累加和，k為計(jì)數(shù)因子(0<k<L-l)， !!！為分辨率最低的碼本中的元素個(gè)數(shù)，^二乂、 1，「·1表示向上取整，Nt為發(fā)射端天線數(shù)， B為通信系統(tǒng)限制的最大平均反饋比特?cái)?shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)作通信多分辨率自適應(yīng)波束成形方法，其特征在于，所述步驟3a)中的最小均方誤差準(zhǔn)則由下列公式確定
其中，Wopt為搜索得到的最優(yōu)波束成形矩陣，arg min( ·)表示根據(jù)自變量的變化取最小值，F(xiàn)1為分辨率最低的碼本，W為最優(yōu)波束成形矩陣搜索引資，U和V為步驟2c)中得到的酉矩陣，H為步驟2b)中得到的等效信道矩陣，I I · I I2表示對矩陣的模求平方值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)作通信多分辨率自適應(yīng)波束成形方法，其特征在于，所述步驟3b)中判斷當(dāng)前所選的最優(yōu)波束成形矩陣產(chǎn)生的均方誤差是否小于等于通信系統(tǒng)的失配誤差，按照下列公式進(jìn)行
其中，U和V為步驟2c)中得到的酉矩陣，H為步驟2b)中得到的等效信道矩陣，W-為搜索得到的最優(yōu)波束成形矩陣，I I · I I2表示對矩陣的模求平方值，δ為通信系統(tǒng)所能容忍的最大失配誤差。
全文摘要
本發(fā)明公開一種協(xié)作通信多分辨率自適應(yīng)波束成形方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)出現(xiàn)的碼本失配現(xiàn)象和反向信道頻譜利用率低的問題。具體步驟包括(1)根據(jù)系統(tǒng)的性能要求建立多個(gè)不同分辨率的碼本，將其存儲(chǔ)在發(fā)射端和接收端；(2)估計(jì)出發(fā)射端到接收端的等效信道矩陣并對其進(jìn)行奇異值分解；(3)根據(jù)系統(tǒng)的性能要求在碼本集合中搜索出最優(yōu)波束成形矩陣，將其索引號反饋到發(fā)射端；(4)發(fā)射端根據(jù)接收到的索引號在本地碼本集合中找出最優(yōu)波束成形矩陣，完成波束成形。本發(fā)明具有對不同的信道場景自適應(yīng)性較強(qiáng)和平均反饋數(shù)據(jù)量較小的優(yōu)點(diǎn)，最大可能的實(shí)現(xiàn)了信道適配，提高了協(xié)作通信系統(tǒng)反向信道的頻譜利用率。
文檔編號H04B7/06GK102185643SQ20111012962
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者劉毅, 李勇朝, 王曉元, 張海林 申請人:西安電子科技大學(xué)