CN108306664B

CN108306664B - 基于用户分布的参数化分块dft码本的生成方法

Info

Publication number: CN108306664B
Application number: CN201810095095.8A
Authority: CN
Inventors: 龙恳; 陈琪
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2038-01-31
Also published as: CN108306664A

Abstract

一种基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法，属于无线通讯技术领域。本方法步骤：1)对码本W^L进行不均匀分块得到m个分块码本；2)分别引入m个可变相位参数α和β来构造基于参数化的分块码本；3)根据信道矩阵H和码字w的最大平均相关性筛选出最优的可变相位参数α_i和β_i；4)生成α_i和β_i的参数表；5)根据不同的用户分布情况，决定采用参数表中对应的一组或多组码字分辨率(α_i,β_i)所构成的一个或者多个分块码本；6)对于码字分辨率(α_i,β_i)所构成的分块码本进行动态修正。本发明适用于用户均匀分布和非均匀分布下的大规模MIMO有限反馈预编码系统中，相较于传统DFT码本和LTE‑A码本有一定性能提升，且随着天线数增多这种优势更加明显。

Description

基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法。

背景技术

随着智能化的普及，数十亿的智能设备需要实现无线连接，给当前无线网络容量带来了前所未有的挑战。现有研究表明，多用户多输入多输出系统(Multi-user multiple-input multiple-output，MU-MIMO)通过空间分集，并根据不同用户设备(UE)的信道状况在同一资源块(Resource block，RB)上调度多个用户，在提高系统容量和频谱利用率(Spectrum efficiency，SE)方面显示出了巨大的潜力。预编码技术作为MU-MIMO系统中的关键技术之一得到了学术界的广泛研究，它通过获取准确的下行信道状态信息(Channelstate information，CSI)消除用户间干扰(Multiuser interference，MUI)和符号间干扰(Intersymbol interference，ISI)，保证了系统性能。在时分双工(TDD)系统中，可以直接利用信道互易性获取CSI。但在频分双工(FDD)系统中，由于上下行信道工作在不同频段，CSI只能通过反馈链路得到。考虑到实际反馈链路中带宽受限，对于容量高、开销小的基于码本的预编码研究变得尤为重要。

当基站端天线阵元数受限时，对应的信道系数相关。对于均匀线性阵列(Uniformlinear arrays,ULA),DFT码本是已知的近似匹配最优波束成形的码本。现有技术中存在一些基于传统DFT构造的码本方法，如LTE-Advanced Release 10则采用DFT矩阵来构造在空间相关信道中有效匹配32个均匀波束的码本，该技术为对空间进行均等划分，其码字分辨率为

适合于用户均匀分布，但码字分辨率过于单一，不够灵活，均匀划分空间使得用户密集区域与稀疏区域采用同一码字分辨率，导致系统性能受限。

专利“大规模MIMO中基于双码本的预编码方法”(专利申请号：201610742843.8，公开号：CN106100712A)公开了一种基于双码本的预编码方法，该方法步骤为：(1)生成第一码本，选择第一码本最优码字；(2)将第一码本最优码字的列向量进行扩展得到第二码本，选择第二码本最优码字；(3)比较两个码本奇异值大小；(4)从第一码本中选择预编码矩阵和索引信息P；(5)从第二码本中选择预编码矩阵和索引信息P；(6)接收端将最优预编码矩阵索引信息P反馈回发射端。该方法通过第一次生成码本进行码字选择后再扩展成第二码本再次进行码字选择，最终进行反馈，虽然降低了反馈索引信息的开销，但是复杂度较大，运算繁琐，且未考虑用户分布特性。专利“重用LTE码本的八天线码本设计方法”(专利申请号：201010293253.4，公开号：CN101958771A)提供了一种重用LTE码本的八天线设计方法，该方法包括：基于旋转DFT码本。生成秩为8的八天线LTE-A码本。该发明保持了LTE-A的后向兼容性，但是只讨论了扩展至八天线，并不能直接用于大规模数量的天线阵列中。

发明内容

基于上述问题，本发明提出一种基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法，能够适用于非均匀分布下的大规模MIMO有限反馈系统。方法包括以下步骤：

1)对反馈比特数为L的码本W^L进行不均匀分块得到m个分块码本；

2)分别引入m个可变相位参数α和β，记作α₀,α₁,...,a_i,...,α_m-1和β₀,β₁,...,β_i,...,β_m-1，来构造基于参数化的分块码本；其中α表示参考波束的相位，β表示相邻波束与第一个波束的相位间距；

3)定义信道矩阵H和码字w的平均相关性，并根据最大平均相关性筛选出最优的可变相位参数α_i和β_i；

4)根据不同天线数、不同反馈比特数和不同用户方位角来生成筛选后的α_i和β_i的参数表；

5)根据不同的用户分布情况，决定采用参数表中对应的一组或多组码字分辨率(α_i,β_i)所构成的一个或者多个分块码本。

进一步的，所述对反馈比特数为L的码本W^L进行不均匀分块得到m个分块码本的具体方法为：

将反馈比特数为L的码本W^L不均匀的分为反馈比特数分别为l₀,l₁,...,l_m-1的m个分块码本，则：

上述m个分块码本中的相邻码字间隔分别为r₀,r₁,...,r_m-1，且r₀≠r₁≠...≠r_m-1，则表示为：

…

进一步的，基于参数化的分块码本构造方法如下：

码本

中码字如下：

n₀＝0,1,...,N₀-1，

码本

中码字如下：

n₁＝0,1,...,N₁-1

…

码本

中码字如下:

n_m-1＝0,1,...,N_m-1-1

则各分块码本生成为：

…

其中，M表示基站端采用的天线数；N表示码本中的码字数；N_m-1表示第m个分块码本中的码字数。

进一步的，所述定义信道矩阵H和码字w的平均相关性为：

其中：

表示单功率的归一化信道，||·||符号表示的含义是取模运算。

进一步的，根据最大平均相关性筛选出最优的可变参数α_i和β_i具体方法为：

α'_i,β'_i代表可选的所有α和β参数相位值，w(α'_i,β'_i)表示待筛选的码字，E[·]表示求均值。

进一步的，所述根据不同的用户分布情况，决定采用参数表中对应的一组或多组码字分辨率(α_i,β_i)所构成的分块码本包括：

当用户均匀分布时，小区采用同一组码字分辨率(α_i,β_i)构成的单个分块码本；

当用户非均匀分布时，小区采用多组不同码字分辨率(α_i,β_i)构成的多个分块码本。

进一步的，当用户均匀分布时，小区采用同一码字分辨率(α_i,β_i)构成的单个分块码本的具体方法为：根据整个小区用户密度确定选用码本的码字数量，从而确定反馈比特数，再根据天线数、用户方位角的具体取值，在参数表中查找一组(α_i,β_i)构成的一个分块码本。

进一步的，所述当用户非均匀分布时，采用多个不同码字分辨率(α_i,β_i)构成的分块码本的具体方法为：首先根据用户密集程度对小区划分区域，根据小区内不同区域的不同用户密度确定各区域选用码本的码字数，从而确定反馈比特数，再根据天线数、用户方位角的具体取值，在参数表中查找对应的多组(α_i,β_i)构成的多个分块码本。

进一步的，还包括步骤6)对于码字分辨率(α_i,β_i)所构成的分块码本进行动态修正。

进一步的，所述对于码字分辨率(α_i,β_i)所构成的分块码本均进行动态修正的方法为：用户密度大的区域采用码字数量较大，反馈数较大的分块码本；用户密度小的区域采用码字数量较小，反馈数较小的分块码本；用户密度发生变化时，通过更新(α_i,β_i)来更新区域所采用的分块码本。

本发明的有益技术效果为：本发明的方法通过调整选择最优解的参数生成具有灵活可变分辨率的码本，使之与用户非均匀分布下的多维信道矩阵的平均相关性最大，在不同用户方位角，不同反馈比特数，不同天线数目时性能较传统的DFT方式构造的码本有所提升，且这种优势在随着基站天线数量级增长较为明显，同时适用于用户均匀分布和非均匀分布下的大规模MIMO有限反馈预编码系统中。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为基于分块码本的有限反馈预编码系统模型；

图3为用户均匀分布状态下的密度示意图；

图4为用户非均匀分布状态下的密度示意图；

图5为基于传统DFT构造码本均匀划分空间的示意图；

图6为基于参数化的分块码本不均匀划分空间的示意图；

图7为最大化平均相关性的参数值；

图8为不同用户方位角下的码本性能对比图；

图9为不同反馈比特数下的码本性能；

图10为基站端天线数目不同时的码本性能对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种基于用户分布的多用户有限反馈传输方法进行具体描述。

图1为本发明的方法流程示意图，如图所示，本发明首先将反馈比特数为L的码本W^L进行不均匀分块得到m个反馈比特数分别为l₀,l₁,...,l_m-1的分块码本，表示为：

其中m个分块码本中的相邻码字间隔分别为r₀,r₁,...,r_m-1，且r₀≠r₁≠...≠r_m-1。

再分别引入m个可变相位参数α和β，记作α₀,α₁,...,a_i,...,α_m-1和β₀,β₁,...,β_i,...,β_m-1，来构造基于参数化的分块码本，其中α表示参考波束的相位，β表示相邻波束与第一个波束的相位间距。

之后，定义信道矩阵H和码字w的平均相关性，根据最大平均相关性筛选出最优的可变参数α_i和β_i。不论用户均匀分布或者非均匀分布，采用码本的码字分辨率(α_i,β_i)均满足信道矩阵H和码字w的最大平均相关性。

然后根据不同天线数、不同反馈比特数和不同用户方位角来生成α_i和β_i的参数表。当用户均匀分布时，小区采用同一码字分辨率(α_i,β_i)构成的单个分块码本；当用户非均匀分布时，小区采用多组不同码字分辨率(α_i,β_i)构成的分块码本。上述码字分辨率(α_i,β_i)是根据天线数、反馈比特数和用户方位角的情况在参数表中查找到的。对于码字分辨率(α_i,β_i)构成的分块码本还可以进行动态修正。

实施例1

本发明的重点在于基于参数化的分块码本的构造，在此之前需要构造出码本W^L的m个不等间隔的分块码本。对此可以参考大规模MIMO下有限反馈预编码系统模型，如图2所示。考虑一个有K个用户的MIMO系统下行链路，基站有N_t个天线，用户k有N_r,k根天线，则所有用户的总天线数为

C_k为信息流的数目，

表示预编码矩阵，

表示用户k的信道矩阵，其中符号

表示复数集。

上式中预编码矩阵W_k为码本W^L的码字，L表示反馈比特数，其中W^L为基于旋转DFT的预编码矩阵集合。

将码本W^L不均匀的分为反馈比特数分别为l₀,l₁,...,l_m-1的m个小码本:

上述m个分块码本中的相邻码字间隔分别为r₀,r₁,...,r_m-1，且r₀≠r₁≠...≠r_m-1，其产生形式如下：

…

实施例2

需要构造出码本W^L的m个不等间隔的分块码本后，再构造基于参数化的分块码本。此时，引入m个可变的相位参数α₀,α₁,...,α_i,...,α_m-1和β₀,β₁,...,β_i,...,β_m-1，其中α表示参考波束的相位，β表示相邻波束与第一个波束的相位间距，基于参数化的分块DFT码本

构造如下：

码本

中码字如下：

n₀＝0,1,...N₀-1

码本

中码字如下：

n₁＝0,1,...N₁-1

…

码本

中码字如下:

n_m-1＝0,1,...N_m-1-1

则各分块码本生成为：

…

实施例3

再构建了基于参数α和β的分块码本后，根据不同天线数、不同反馈比特数和不同用户方位角来生成α_i和β_i参数表。

上述相位参数α_i和β_i是根据信道矩阵H和码字w的最大平均相关性筛选出来的，且信道矩阵H和码字w的平均相关性为：

上式中

不管用户均匀分布或者非均匀分布，(α_i,β_i)的选取均要满足最大化平均相关性，即：

α'_i,β'_i代表可选的所有α和β参数相位值，w(α'_i,β'_i)表示待筛选的码字，

E[·]表示求均值。

当用户均匀分布时，小区采用同一组码字分辨率(α_i,β_i)构成的单个分块码本；当用户非均匀分布时，小区采用多组不同码字分辨率(α_i,β_i)构成的多个分块码本。

对于用户均匀分布的情况，如图3所示，可以用均匀SPPP(Spatial Poisson PointProcess，空间泊松点过程)来描述。通常应用在基站的位置分布建模，用户的均匀分布场景等。假设小区半径为R，单个用户的用户方位角为φ,小区的面积为A，小区内用户数K服从强度值为λ的空间泊松点分布K～Poisson(λA)，根据泊松分布性质有：

E[K]＝λ|A|

则小区内有K个用户的概率可以表示为:

单一泊松分布反映的是用户的均匀分布，考虑到用户位置特殊性，均匀SPPP过程难以反映出用户的非均匀分布场景，会忽略一些如办公楼，商场等热点覆盖区域，当这些热点区域集中在某一扇区或者某个方位角区间时，用户呈非均匀分布，例如图4所示，热点区域主要集中在方位角为[-45°,45°]的范围内。为了描述这种非均匀分布特性，本文引入用户概率密度函数f_den(φ)：

则用户落在该区域的概率为：

v是指数因子，C是使用户落在小区内概率为1的归一化因子。

在图3中，当指数因子为v＝1时，小区用户呈均匀分布。在图4中，稀疏区域用户呈均匀分布，v＝1；密集区域指数因子为v＝0.01。

对于如图3所示的用户均匀分布，整个小区采用满足最大化平均相关相关性的同一码字分辨率(α_i,β_i)构成的单个码本。如图5所示，如果用单位圆表示水平维空间，当N＝N₀时，表示把空间平均分成N₀份，再参考基站侧天线数，在参数表选出当前构成码本最优同一码字分辨率(α₀,β₀)。

对于如图4所示的用户非均匀分布，采用多组满足不同码字分辨率(α_i,β_i)构成的分块码本。利用最大平均相关性筛选出的(α_i,β_i)最优参数值，因为通过增加反馈比特数L从而使码字数N＝2^L增大，可将基于参数的分块DFT码本应用到大规模天线阵列的系统中。

本发明对于码字分辨率(α_i,β_i)构成的分块码本可以进行动态修正，即用户密度大的区域使用码字数量较大，反馈数较大的分块码本；用户密度小的区域使用码字数量较小，反馈数较小的分块码本。所以，当用户密度发生变化时，通过更新(α_i,β_i)来更新分块码本。

因为其灵活的波束分辨率，通过赋予特定的α_i,β_i值，生成不同码字分辨率的小码本，来适应多天线下的用户非均匀分布场景。例如，对于如图4所示的非均匀分布，密集区域可以采用码字为w₁(α₁,β₁)，码字数为

的码本，稀疏区域可以采用码字为w₂(α₂,β₂)，码字数为

的码本，l₁>l₂，因为N₁>N₂，密集区域采用码本的码字数较多，码字的间隔就越小，所以分辨率比较高，稀疏区域采用码本的码字数较少，码字的间隔就越大，所以分辨率比较低。图4所示的非均匀分布下的基于参数化的分块码本应用如图6所示。

基于参数化的DFT码本的有效性可以通过SCM信道下的多天线MIMO系统来验证，SCM模型是由3GPP联合3GPP2的联合Ad-Group提出的，为评估不同室外MIMO环境而形成的公共参考，建模方法为通过在PDP、PAS和天线阵列结构的基础上叠加子径，来建立具有时域和频域统计特性的几何随机信道模型。当采用SCM Urban Macrocell场景，基站采用天线数为M＝4的ULA交叉极化天线，用户端采用天线数U＝1的极化天线，簇数N_cluster＝6，每个簇的子径数N_path＝20时，对参数化DFT分块码本中的参数求解最优解。取反馈比特数L＝2,3,4,5，码字数分别为N＝4,8,16,32时，可以分别得到对应的(α₁,β₁)(α₂,β₂)(α₃,β₃)(α₄,β₄)四组最优解。

根据上式求解最大平均相关性在不同用户方位角下通过遍历搜索的方式得到的最优α,β值。图7给出了当天线数为M＝4，反馈比特数L＝2,3,4,5的一个参数样表，可以看出，用户方位角φ从0°到60°，最优α₁,α₂,α₃,α₄近似为四条斜率相近的直线，而β₁,β₂,β₃,β₄为四条斜率几乎相同的直线，这说明当基站天线数为M＝4时，码字数对α的值影响较为明显，对β的值影响较小。并且，随着用户方位角的增大，α的值近似为线性增长，β的值近似不变。通过上述实验统计的方式，可以求出任意天线数，任意反馈比特数和任意用户方位角时的最优参数值，来得到与信道矩阵的平均相关性最大的DFT码本。

仿真结果与分析

为评估所提基于可变参数的分块DFT码本性能，仿真的部分关键参数如表1所示。

表1仿真参数

图8对比了三种码本(LTE-A码本、DFT码本和基于参数化的DFT码本)，当基站的天线数M＝4，码字数N＝4时，不同用户方位角下的码本性能。可以看出，当用户方位角φ从0°增大到60°，LTE-A码本性能随之单调下降，而基于参数化的DFT码本性能随之单调递增，在φ＝60°时，μ最大为0.84。传统DFT码本性能介于二者之间但不稳定。

图9对比了当基站的天线数为M＝4，不同反馈比特数下的三种不同码本的性能，由仿真结果可以看出，当反馈比特数L为1，2，3，4时，即码字数N对应为2，4，8，16时，参数化码本性能平稳略微上升，而传统DFT码本在反馈比特数较低时性能较差，在反馈比特数较高时性能较好，接近于参数化DFT码本性能。这是因为参数化码本采用灵活可变的码字分辨率，无论反馈比特数较多或者较少时，都能筛选出性能最佳的码本。

由图10可以看出，当码字数采用N＝32，随着基站端天线数目增大，信道矩阵维数增大，因为基于参数化的DFT码本通过遍历循环，筛选出的是与信道矩阵平均相关性最大的码本，而传统DFT码本忽略了相关性的考虑，所以本发明所提出的码本性能优于传统DFT码本，这种优势在天线数较大时更为明显，适用于用户不均匀分布下的大规模天线的多用户MIMO系统中。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)分别引入m个可变相位参数α和β，记作α₀，α₁，...，α_i，...，α_m-1和β₀，β₁，...，β_i，...，β_m-1，来构造基于参数化的分块码本；其中α表示参考波束的相位，β表示相邻波束与第一个波束的相位间距；

5)根据不同的用户分布情况，决定采用参数表中对应的一组或多组码字分辨率(α_i，β_i)所构成的一个或者多个分块码本；

所述对反馈比特数为L的码本W^L进行不均匀分块得到m个分块码本的具体方法为：

将反馈比特数为L的码本W^L不均匀的分为反馈比特数分别为l₀，l₁，...，l_m-1的m个分块码本，则：

上述m个分块码本中的相邻码字间隔分别为r₀，r₁，...，r_m-1，且r₀≠r₁≠…≠r_m-1，则表示为：

…

2.根据权利要求1所述的基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法，其特征在于，基于参数化的分块码本构造方法如下：

码本

中码字如下：

n₀＝0，1，...，N₀-1，

码本

中码字如下：

n₁＝0，1，...，N₁-1

…

码本

中码字如下：

n_m-1＝0，1，...，N_m-1-1

则各分块码本生成为：

…

3.根据权利要求1-2任意一项所述的基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法，其特征在于，所述定义信道矩阵H和码字w的平均相关性为：

其中：

4.根据权利要求3所述的基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法，其特征在于，所述根据最大平均相关性筛选出最优的可变参数α_i和β_i的具体方法为：

α′_i，β′_i代表可选的所有α和β参数相位值，w(α′_i，β′_i)表示待筛选的码字，E[·]表示求均值。

5.根据权利要求1所述的基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法，其特征在于，所述根据不同的用户分布情况，决定采用参数表中对应的一组或多组码字分辨率(α_i，β_i)所构成的分块码本包括：

当用户均匀分布时，小区采用同一组码字分辨率(α_i，β_i)构成的单个分块码本；

当用户非均匀分布时，小区采用多组不同码字分辨率(α_i，β_i)构成的多个分块码本。

6.根据权利要求5所述的基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法，其特征在于，当用户均匀分布时，小区采用同一码字分辨率(α_i，β_i)构成的单个分块码本的具体方法为：根据整个小区用户密度确定选用码本的码字数量，从而确定反馈比特数，再根据天线数、用户方位角的具体取值，在参数表中查找一组(α_i，β_i)构成的一个分块码本。

7.根据权利要求5所述的基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法，其特征在于，所述当用户非均匀分布时，采用多个不同码字分辨率(α_i，β_i)构成的分块码本的具体方法为：首先根据用户密集程度对小区划分区域，再根据小区内不同区域的不同用户密度确定各区域选用码本的码字数，从而确定反馈比特数，再根据天线数、用户方位角的具体取值，在参数表中查找对应的多组(α_i，β_i)构成的多个分块码本。

8.根据权利要求1所述的基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法，其特征在于，还包括步骤6)对于码字分辨率(α_i，β_i)所构成的分块码本进行动态修正。

9.根据权利要求8所述的基于用户分布的参数化分块DFT码本的生成方法，其特征在于，所述对于码字分辨率(α_i，β_i)所构成的分块码本均进行动态修正的方法为：用户密度大的区域采用码字数量较大，反馈数较大的分块码本；用户密度小的区域采用码字数量较小，反馈数较小的分块码本；用户密度发生变化时，通过更新(α_i，β_i)来更新区域所采用的分块码本。