| 标题 | 一种MIMO系统自适应码本设计方法 |
| 范文 | 张红 郝东来 摘 要： 提出一种基于码本旋转的自适应码本设计方法，在不改变现有的码本基础矩阵的基础上，根据误码率（BER） 和信干噪比（SINR）的统计和估计结果，生成一组新的旋转矩阵码本，并结合反馈开销考虑与原来基础码本矩阵构成双码本矩阵，根据信道的实时变化及时地调整码本的精度，从而能够在有限反馈的情况下更加有效地提高预编码的性能。 关键词： 预编码； 自适应码本； 码本旋转； 旋转矩阵码本 中图分类号： TN929.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）11?0001?03 Abstract： A design method of adaptive codebook based on codebook rotation is proposed in this paper. Without changing the existing codebook base matrix， a new set of rotation matrix codebook is generated according to the statistics and estimation results of bit error rate （BER） and signal to interference plus noise ratio （SINR）. Moreover， a dicodebook matrix is constituted in combination with the overhead of the feedback and the original basic codebook matrix. The accuracy of the codebook is adjusted timely according to the real?time change of the channel， so that the performance of the precoding can be improved more effectively within the limited feedback. Keywords： precoding； adaptive codebook； codebook rotation； rotation matrix codebook 0 引 言 在MIMO系统中，引入预编码可以获得更大的系统容量和更高的频谱利用率[1]。然而，预编码的实现一般都基于发射端已知信道状态信息（CSI）这样的条件。为了减少反馈信息量，比较有效的方法之一是采用基于矩阵（或矢量）码本的预编码（或波束形成）方案。文献[2]对基于Grassman流形子空间包的码本设计方案和基于向量量化的码本设计方案进行了总结，这两种算法虽然在理论上都可以达到最优的码本设计，但是要在实际中应用还比较困难；文献[3]提出了基于均匀信道分解的系统码本设计，这种方案由于引入了双码本，使得反馈的开销在原有基础上有所增加，并且在信道秩大于2时，算法的实现有一定困难；在文献[4]中讨论的自适应预编码的码本方案，其量化方法虽然比较简单，但是在有限的反馈比特下，量化的颗粒度比较粗，量化的误差会比较大。基于此，本文提出了一种新的改进自适应码本设计方法，使得在反馈开销增加很小的情况下扩展了码本的容量，提高了码本的精度。 1 自适应码本设计方法 自适应码本设计是在现有基本码本集合不变的前提下，以降低系统的误码率为目标，通过基于旋转码本[5]的双码本自适应设计，使得在开销增加很小的情况能较好地提高系统的性能。其步骤为：反馈基本码本矩阵的索引；对误码率进行统计；信干噪比估计；旋转码本矩阵的生成。设计方法流程如图1所示。 1.1 根据系统参数和初始信道信息反馈基本码本矩阵索引 接收侧得到的CSI可以利用式（1）所示SVD奇异值分解方法对其进行分解： [H=UΣVH] （1） 式中：[U]和[V]为正交阵，[Σ=diag（λ1，λ2，…，λn）]为对角阵，其元素由奇异值构成。具体原理如图2所示。 根据MIMO系统的天线、码流数等参数配置，量化上述[V]阵并以索引号形式对其结果进行反馈，量化以相关标准或文献码本集[6]为参考。 由图4可以看出，由于设计码本对信道的覆盖不全面或不均匀，文献[3]所提的码本矩阵方法，虽然开销有较大降低，但性能也损失较大；在本文所提的依据误码率的码本旋转设计法中，折中了性能和开销，在只增加1 b反馈开销的前提下性能较文献[3]方法改善近1 dB左右。 在同样的仿真条件下，对式（12）的性能也进行了仿真，结果如图5所示。 由图5可以看出，在增加了1 b的反馈开销后，通过双向旋转，这种方法的性能较图4所示的基于BER的旋转码本性能有约0.2～0.3 dB的改善。 3 结 语 提出了一种基于信干噪比的旋转码本矩阵设计方法，该方法在反馈开销增加很小的情况下扩展了码本容量，提高了码本精度。仿真结果表明，基于码本旋转的自适应码本设计方法能够在有限反馈的情况下有效提高预编码的性能。 参考文献 [1] BOCCARDI F， CLERCKX B， GHOSH A， et al. Multiple?antenna techniques in LTE advanced [J]. IEEE Communications Magazine， 2012， 50（3）： 114?121. [2] 张雷，李少谦，郑洪明.多天线系统中有限反馈的码本设计[J].电子学报，2007，35（6）：13?18. [3] 张博，张忠培，张文坡.基于均匀信道分解的系统码本设计[J].信号处理，2009，25（2）：274?279. [4] IEEE 802. IEEE 802.16m amendment working document [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Communications. Atlanta： IEEE， 2009： 76?91. [5] CHOI J， CLERCKX B， LOVE D J. Differential codebook for general rotated dual?polarized MISO channels [C]// Procee?dings of IEEE Global Telecommunications Conference. Anaheim， CA： IEEE， 2012： 4222?4227. [6] WANNSTROM J. LTE?Advanced 3GPP Std [R/OL]. [2012?05?21]. Available： http：//www.3gpp.org/lte?advanced. [7] ZHOU Sheng?li， LI Bao?sheng. BER criterion and codebook construction for finite?rate precoded spatial multiplexing with linear receivers [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 2006， 54（5）： 1653?1665. [8] PANDE T， LOVE D J， KROGMEIER J V. Reduced feedback MIMO?OFDM precoding and antenna selection [J]. IEEE Tran?sactions on Signal Processing， 2007， 55（5）： 2284?2293. 摘 要： 提出一种基于码本旋转的自适应码本设计方法，在不改变现有的码本基础矩阵的基础上，根据误码率（BER） 和信干噪比（SINR）的统计和估计结果，生成一组新的旋转矩阵码本，并结合反馈开销考虑与原来基础码本矩阵构成双码本矩阵，根据信道的实时变化及时地调整码本的精度，从而能够在有限反馈的情况下更加有效地提高预编码的性能。 关键词： 预编码； 自适应码本； 码本旋转； 旋转矩阵码本 中图分类号： TN929.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）11?0001?03 Abstract： A design method of adaptive codebook based on codebook rotation is proposed in this paper. Without changing the existing codebook base matrix， a new set of rotation matrix codebook is generated according to the statistics and estimation results of bit error rate （BER） and signal to interference plus noise ratio （SINR）. Moreover， a dicodebook matrix is constituted in combination with the overhead of the feedback and the original basic codebook matrix. The accuracy of the codebook is adjusted timely according to the real?time change of the channel， so that the performance of the precoding can be improved more effectively within the limited feedback. Keywords： precoding； adaptive codebook； codebook rotation； rotation matrix codebook 0 引 言 在MIMO系统中，引入预编码可以获得更大的系统容量和更高的频谱利用率[1]。然而，预编码的实现一般都基于发射端已知信道状态信息（CSI）这样的条件。为了减少反馈信息量，比较有效的方法之一是采用基于矩阵（或矢量）码本的预编码（或波束形成）方案。文献[2]对基于Grassman流形子空间包的码本设计方案和基于向量量化的码本设计方案进行了总结，这两种算法虽然在理论上都可以达到最优的码本设计，但是要在实际中应用还比较困难；文献[3]提出了基于均匀信道分解的系统码本设计，这种方案由于引入了双码本，使得反馈的开销在原有基础上有所增加，并且在信道秩大于2时，算法的实现有一定困难；在文献[4]中讨论的自适应预编码的码本方案，其量化方法虽然比较简单，但是在有限的反馈比特下，量化的颗粒度比较粗，量化的误差会比较大。基于此，本文提出了一种新的改进自适应码本设计方法，使得在反馈开销增加很小的情况下扩展了码本的容量，提高了码本的精度。 1 自适应码本设计方法 自适应码本设计是在现有基本码本集合不变的前提下，以降低系统的误码率为目标，通过基于旋转码本[5]的双码本自适应设计，使得在开销增加很小的情况能较好地提高系统的性能。其步骤为：反馈基本码本矩阵的索引；对误码率进行统计；信干噪比估计；旋转码本矩阵的生成。设计方法流程如图1所示。 1.1 根据系统参数和初始信道信息反馈基本码本矩阵索引 接收侧得到的CSI可以利用式（1）所示SVD奇异值分解方法对其进行分解： [H=UΣVH] （1） 式中：[U]和[V]为正交阵，[Σ=diag（λ1，λ2，…，λn）]为对角阵，其元素由奇异值构成。具体原理如图2所示。 根据MIMO系统的天线、码流数等参数配置，量化上述[V]阵并以索引号形式对其结果进行反馈，量化以相关标准或文献码本集[6]为参考。 由图4可以看出，由于设计码本对信道的覆盖不全面或不均匀，文献[3]所提的码本矩阵方法，虽然开销有较大降低，但性能也损失较大；在本文所提的依据误码率的码本旋转设计法中，折中了性能和开销，在只增加1 b反馈开销的前提下性能较文献[3]方法改善近1 dB左右。 在同样的仿真条件下，对式（12）的性能也进行了仿真，结果如图5所示。 由图5可以看出，在增加了1 b的反馈开销后，通过双向旋转，这种方法的性能较图4所示的基于BER的旋转码本性能有约0.2～0.3 dB的改善。 3 结 语 提出了一种基于信干噪比的旋转码本矩阵设计方法，该方法在反馈开销增加很小的情况下扩展了码本容量，提高了码本精度。仿真结果表明，基于码本旋转的自适应码本设计方法能够在有限反馈的情况下有效提高预编码的性能。 参考文献 [1] BOCCARDI F， CLERCKX B， GHOSH A， et al. Multiple?antenna techniques in LTE advanced [J]. IEEE Communications Magazine， 2012， 50（3）： 114?121. [2] 张雷，李少谦，郑洪明.多天线系统中有限反馈的码本设计[J].电子学报，2007，35（6）：13?18. [3] 张博，张忠培，张文坡.基于均匀信道分解的系统码本设计[J].信号处理，2009，25（2）：274?279. [4] IEEE 802. IEEE 802.16m amendment working document [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Communications. Atlanta： IEEE， 2009： 76?91. [5] CHOI J， CLERCKX B， LOVE D J. Differential codebook for general rotated dual?polarized MISO channels [C]// Procee?dings of IEEE Global Telecommunications Conference. Anaheim， CA： IEEE， 2012： 4222?4227. [6] WANNSTROM J. LTE?Advanced 3GPP Std [R/OL]. [2012?05?21]. Available： http：//www.3gpp.org/lte?advanced. [7] ZHOU Sheng?li， LI Bao?sheng. BER criterion and codebook construction for finite?rate precoded spatial multiplexing with linear receivers [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 2006， 54（5）： 1653?1665. [8] PANDE T， LOVE D J， KROGMEIER J V. Reduced feedback MIMO?OFDM precoding and antenna selection [J]. IEEE Tran?sactions on Signal Processing， 2007， 55（5）： 2284?2293. 摘 要： 提出一种基于码本旋转的自适应码本设计方法，在不改变现有的码本基础矩阵的基础上，根据误码率（BER） 和信干噪比（SINR）的统计和估计结果，生成一组新的旋转矩阵码本，并结合反馈开销考虑与原来基础码本矩阵构成双码本矩阵，根据信道的实时变化及时地调整码本的精度，从而能够在有限反馈的情况下更加有效地提高预编码的性能。 关键词： 预编码； 自适应码本； 码本旋转； 旋转矩阵码本 中图分类号： TN929.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）11?0001?03 Abstract： A design method of adaptive codebook based on codebook rotation is proposed in this paper. Without changing the existing codebook base matrix， a new set of rotation matrix codebook is generated according to the statistics and estimation results of bit error rate （BER） and signal to interference plus noise ratio （SINR）. Moreover， a dicodebook matrix is constituted in combination with the overhead of the feedback and the original basic codebook matrix. The accuracy of the codebook is adjusted timely according to the real?time change of the channel， so that the performance of the precoding can be improved more effectively within the limited feedback. Keywords： precoding； adaptive codebook； codebook rotation； rotation matrix codebook 0 引 言 在MIMO系统中，引入预编码可以获得更大的系统容量和更高的频谱利用率[1]。然而，预编码的实现一般都基于发射端已知信道状态信息（CSI）这样的条件。为了减少反馈信息量，比较有效的方法之一是采用基于矩阵（或矢量）码本的预编码（或波束形成）方案。文献[2]对基于Grassman流形子空间包的码本设计方案和基于向量量化的码本设计方案进行了总结，这两种算法虽然在理论上都可以达到最优的码本设计，但是要在实际中应用还比较困难；文献[3]提出了基于均匀信道分解的系统码本设计，这种方案由于引入了双码本，使得反馈的开销在原有基础上有所增加，并且在信道秩大于2时，算法的实现有一定困难；在文献[4]中讨论的自适应预编码的码本方案，其量化方法虽然比较简单，但是在有限的反馈比特下，量化的颗粒度比较粗，量化的误差会比较大。基于此，本文提出了一种新的改进自适应码本设计方法，使得在反馈开销增加很小的情况下扩展了码本的容量，提高了码本的精度。 1 自适应码本设计方法 自适应码本设计是在现有基本码本集合不变的前提下，以降低系统的误码率为目标，通过基于旋转码本[5]的双码本自适应设计，使得在开销增加很小的情况能较好地提高系统的性能。其步骤为：反馈基本码本矩阵的索引；对误码率进行统计；信干噪比估计；旋转码本矩阵的生成。设计方法流程如图1所示。 1.1 根据系统参数和初始信道信息反馈基本码本矩阵索引 接收侧得到的CSI可以利用式（1）所示SVD奇异值分解方法对其进行分解： [H=UΣVH] （1） 式中：[U]和[V]为正交阵，[Σ=diag（λ1，λ2，…，λn）]为对角阵，其元素由奇异值构成。具体原理如图2所示。 根据MIMO系统的天线、码流数等参数配置，量化上述[V]阵并以索引号形式对其结果进行反馈，量化以相关标准或文献码本集[6]为参考。 由图4可以看出，由于设计码本对信道的覆盖不全面或不均匀，文献[3]所提的码本矩阵方法，虽然开销有较大降低，但性能也损失较大；在本文所提的依据误码率的码本旋转设计法中，折中了性能和开销，在只增加1 b反馈开销的前提下性能较文献[3]方法改善近1 dB左右。 在同样的仿真条件下，对式（12）的性能也进行了仿真，结果如图5所示。 由图5可以看出，在增加了1 b的反馈开销后，通过双向旋转，这种方法的性能较图4所示的基于BER的旋转码本性能有约0.2～0.3 dB的改善。 3 结 语 提出了一种基于信干噪比的旋转码本矩阵设计方法，该方法在反馈开销增加很小的情况下扩展了码本容量，提高了码本精度。仿真结果表明，基于码本旋转的自适应码本设计方法能够在有限反馈的情况下有效提高预编码的性能。 参考文献 [1] BOCCARDI F， CLERCKX B， GHOSH A， et al. Multiple?antenna techniques in LTE advanced [J]. IEEE Communications Magazine， 2012， 50（3）： 114?121. [2] 张雷，李少谦，郑洪明.多天线系统中有限反馈的码本设计[J].电子学报，2007，35（6）：13?18. [3] 张博，张忠培，张文坡.基于均匀信道分解的系统码本设计[J].信号处理，2009，25（2）：274?279. [4] IEEE 802. IEEE 802.16m amendment working document [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Communications. Atlanta： IEEE， 2009： 76?91. [5] CHOI J， CLERCKX B， LOVE D J. Differential codebook for general rotated dual?polarized MISO channels [C]// Procee?dings of IEEE Global Telecommunications Conference. Anaheim， CA： IEEE， 2012： 4222?4227. [6] WANNSTROM J. LTE?Advanced 3GPP Std [R/OL]. [2012?05?21]. Available： http：//www.3gpp.org/lte?advanced. [7] ZHOU Sheng?li， LI Bao?sheng. BER criterion and codebook construction for finite?rate precoded spatial multiplexing with linear receivers [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 2006， 54（5）： 1653?1665. [8] PANDE T， LOVE D J， KROGMEIER J V. Reduced feedback MIMO?OFDM precoding and antenna selection [J]. IEEE Tran?sactions on Signal Processing， 2007， 55（5）： 2284?2293. |
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