一種MIMO系統(tǒng)自適應(yīng)碼本設(shè)計方法

張紅　郝東來

摘 要： 提出一種基于碼本旋轉(zhuǎn)的自適應(yīng)碼本設(shè)計方法，在不改變現(xiàn)有的碼本基礎(chǔ)矩陣的基礎(chǔ)上，根據(jù)誤碼率（BER） 和信干噪比（SINR）的統(tǒng)計和估計結(jié)果，生成一組新的旋轉(zhuǎn)矩陣碼本，并結(jié)合反饋開銷考慮與原來基礎(chǔ)碼本矩陣構(gòu)成雙碼本矩陣，根據(jù)信道的實(shí)時變化及時地調(diào)整碼本的精度，從而能夠在有限反饋的情況下更加有效地提高預(yù)編碼的性能。

關(guān)鍵詞： 預(yù)編碼； 自適應(yīng)碼本； 碼本旋轉(zhuǎn)； 旋轉(zhuǎn)矩陣碼本

中圖分類號： TN929.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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系統(tǒng)中，引入預(yù)編碼可以獲得更大的系統(tǒng)容量和更高的頻譜利用率[1]。然而，預(yù)編碼的實(shí)現(xiàn)一般都基于發(fā)射端已知信道狀態(tài)信息（CSI）這樣的條件。為了減少反饋信息量，比較有效的方法之一是采用基于矩陣（或矢量）碼本的預(yù)編碼（或波束形成）方案。文獻(xiàn)[2]對基于Grassman流形子空間包的碼本設(shè)計方案和基于向量量化的碼本設(shè)計方案進(jìn)行了總結(jié)，這兩種算法雖然在理論上都可以達(dá)到最優(yōu)的碼本設(shè)計，但是要在實(shí)際中應(yīng)用還比較困難；文獻(xiàn)[3]提出了基于均勻信道分解的系統(tǒng)碼本設(shè)計，這種方案由于引入了雙碼本，使得反饋的開銷在原有基礎(chǔ)上有所增加，并且在信道秩大于2時，算法的實(shí)現(xiàn)有一定困難；在文獻(xiàn)[4]中討論的自適應(yīng)預(yù)編碼的碼本方案，其量化方法雖然比較簡單，但是在有限的反饋比特下，量化的顆粒度比較粗，量化的誤差會比較大?；诖?，本文提出了一種新的改進(jìn)自適應(yīng)碼本設(shè)計方法，使得在反饋開銷增加很小的情況下擴(kuò)展了碼本的容量，提高了碼本的精度。

1 自適應(yīng)碼本設(shè)計方法

自適應(yīng)碼本設(shè)計是在現(xiàn)有基本碼本集合不變的前提下，以降低系統(tǒng)的誤碼率為目標(biāo)，通過基于旋轉(zhuǎn)碼本[5]的雙碼本自適應(yīng)設(shè)計，使得在開銷增加很小的情況能較好地提高系統(tǒng)的性能。其步驟為：反饋基本碼本矩陣的索引；對誤碼率進(jìn)行統(tǒng)計；信干噪比估計；旋轉(zhuǎn)碼本矩陣的生成。設(shè)計方法流程如圖1所示。

1.1 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和初始信道信息反饋基本碼本矩陣索引

接收側(cè)得到的CSI可以利用式（1）所示SVD奇異值分解方法對其進(jìn)行分解：

[H=UΣVH] （1）

式中：[U]和[V]為正交陣，[Σ=diag（λ1，λ2，…，λn）]為對角陣，其元素由奇異值構(gòu)成。具體原理如圖2所示。

根據(jù)MIMO系統(tǒng)的天線、碼流數(shù)等參數(shù)配置，量化上述[V]陣并以索引號形式對其結(jié)果進(jìn)行反饋，量化以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)碼本集[6]為參考。

由圖4可以看出，由于設(shè)計碼本對信道的覆蓋不全面或不均勻，文獻(xiàn)[3]所提的碼本矩陣方法，雖然開銷有較大降低，但性能也損失較大；在本文所提的依據(jù)誤碼率的碼本旋轉(zhuǎn)設(shè)計法中，折中了性能和開銷，在只增加1 b反饋開銷的前提下性能較文獻(xiàn)[3]方法改善近1 dB左右。

在同樣的仿真條件下，對式（12）的性能也進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，在增加了1 b的反饋開銷后，通過雙向旋轉(zhuǎn)，這種方法的性能較圖4所示的基于BER的旋轉(zhuǎn)碼本性能有約0.2～0.3 dB的改善。

3 結(jié) 語

提出了一種基于信干噪比的旋轉(zhuǎn)碼本矩陣設(shè)計方法，該方法在反饋開銷增加很小的情況下擴(kuò)展了碼本容量，提高了碼本精度。仿真結(jié)果表明，基于碼本旋轉(zhuǎn)的自適應(yīng)碼本設(shè)計方法能夠在有限反饋的情況下有效提高預(yù)編碼的性能。

參考文獻(xiàn)

[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] 張雷，李少謙，鄭洪明.多天線系統(tǒng)中有限反饋的碼本設(shè)計[J].電子學(xué)報，2007，35（6）：13?18.

[3] 張博，張忠培，張文坡.基于均勻信道分解的系統(tǒng)碼本設(shè)計[J].信號處理，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： 提出一種基于碼本旋轉(zhuǎn)的自適應(yīng)碼本設(shè)計方法，在不改變現(xiàn)有的碼本基礎(chǔ)矩陣的基礎(chǔ)上，根據(jù)誤碼率（BER） 和信干噪比（SINR）的統(tǒng)計和估計結(jié)果，生成一組新的旋轉(zhuǎn)矩陣碼本，并結(jié)合反饋開銷考慮與原來基礎(chǔ)碼本矩陣構(gòu)成雙碼本矩陣，根據(jù)信道的實(shí)時變化及時地調(diào)整碼本的精度，從而能夠在有限反饋的情況下更加有效地提高預(yù)編碼的性能。

關(guān)鍵詞： 預(yù)編碼； 自適應(yīng)碼本； 碼本旋轉(zhuǎn)； 旋轉(zhuǎn)矩陣碼本

中圖分類號： TN929.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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系統(tǒng)中，引入預(yù)編碼可以獲得更大的系統(tǒng)容量和更高的頻譜利用率[1]。然而，預(yù)編碼的實(shí)現(xiàn)一般都基于發(fā)射端已知信道狀態(tài)信息（CSI）這樣的條件。為了減少反饋信息量，比較有效的方法之一是采用基于矩陣（或矢量）碼本的預(yù)編碼（或波束形成）方案。文獻(xiàn)[2]對基于Grassman流形子空間包的碼本設(shè)計方案和基于向量量化的碼本設(shè)計方案進(jìn)行了總結(jié)，這兩種算法雖然在理論上都可以達(dá)到最優(yōu)的碼本設(shè)計，但是要在實(shí)際中應(yīng)用還比較困難；文獻(xiàn)[3]提出了基于均勻信道分解的系統(tǒng)碼本設(shè)計，這種方案由于引入了雙碼本，使得反饋的開銷在原有基礎(chǔ)上有所增加，并且在信道秩大于2時，算法的實(shí)現(xiàn)有一定困難；在文獻(xiàn)[4]中討論的自適應(yīng)預(yù)編碼的碼本方案，其量化方法雖然比較簡單，但是在有限的反饋比特下，量化的顆粒度比較粗，量化的誤差會比較大?；诖耍疚奶岢隽艘环N新的改進(jìn)自適應(yīng)碼本設(shè)計方法，使得在反饋開銷增加很小的情況下擴(kuò)展了碼本的容量，提高了碼本的精度。

1 自適應(yīng)碼本設(shè)計方法

自適應(yīng)碼本設(shè)計是在現(xiàn)有基本碼本集合不變的前提下，以降低系統(tǒng)的誤碼率為目標(biāo)，通過基于旋轉(zhuǎn)碼本[5]的雙碼本自適應(yīng)設(shè)計，使得在開銷增加很小的情況能較好地提高系統(tǒng)的性能。其步驟為：反饋基本碼本矩陣的索引；對誤碼率進(jìn)行統(tǒng)計；信干噪比估計；旋轉(zhuǎn)碼本矩陣的生成。設(shè)計方法流程如圖1所示。

1.1 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和初始信道信息反饋基本碼本矩陣索引

接收側(cè)得到的CSI可以利用式（1）所示SVD奇異值分解方法對其進(jìn)行分解：

[H=UΣVH] （1）

式中：[U]和[V]為正交陣，[Σ=diag（λ1，λ2，…，λn）]為對角陣，其元素由奇異值構(gòu)成。具體原理如圖2所示。

根據(jù)MIMO系統(tǒng)的天線、碼流數(shù)等參數(shù)配置，量化上述[V]陣并以索引號形式對其結(jié)果進(jìn)行反饋，量化以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)碼本集[6]為參考。

由圖4可以看出，由于設(shè)計碼本對信道的覆蓋不全面或不均勻，文獻(xiàn)[3]所提的碼本矩陣方法，雖然開銷有較大降低，但性能也損失較大；在本文所提的依據(jù)誤碼率的碼本旋轉(zhuǎn)設(shè)計法中，折中了性能和開銷，在只增加1 b反饋開銷的前提下性能較文獻(xiàn)[3]方法改善近1 dB左右。

在同樣的仿真條件下，對式（12）的性能也進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，在增加了1 b的反饋開銷后，通過雙向旋轉(zhuǎn)，這種方法的性能較圖4所示的基于BER的旋轉(zhuǎn)碼本性能有約0.2～0.3 dB的改善。

3 結(jié) 語

提出了一種基于信干噪比的旋轉(zhuǎn)碼本矩陣設(shè)計方法，該方法在反饋開銷增加很小的情況下擴(kuò)展了碼本容量，提高了碼本精度。仿真結(jié)果表明，基于碼本旋轉(zhuǎn)的自適應(yīng)碼本設(shè)計方法能夠在有限反饋的情況下有效提高預(yù)編碼的性能。

參考文獻(xiàn)

[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] 張雷，李少謙，鄭洪明.多天線系統(tǒng)中有限反饋的碼本設(shè)計[J].電子學(xué)報，2007，35（6）：13?18.

[3] 張博，張忠培，張文坡.基于均勻信道分解的系統(tǒng)碼本設(shè)計[J].信號處理，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： 提出一種基于碼本旋轉(zhuǎn)的自適應(yīng)碼本設(shè)計方法，在不改變現(xiàn)有的碼本基礎(chǔ)矩陣的基礎(chǔ)上，根據(jù)誤碼率（BER） 和信干噪比（SINR）的統(tǒng)計和估計結(jié)果，生成一組新的旋轉(zhuǎn)矩陣碼本，并結(jié)合反饋開銷考慮與原來基礎(chǔ)碼本矩陣構(gòu)成雙碼本矩陣，根據(jù)信道的實(shí)時變化及時地調(diào)整碼本的精度，從而能夠在有限反饋的情況下更加有效地提高預(yù)編碼的性能。

關(guān)鍵詞： 預(yù)編碼； 自適應(yīng)碼本； 碼本旋轉(zhuǎn)； 旋轉(zhuǎn)矩陣碼本

中圖分類號： TN929.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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系統(tǒng)中，引入預(yù)編碼可以獲得更大的系統(tǒng)容量和更高的頻譜利用率[1]。然而，預(yù)編碼的實(shí)現(xiàn)一般都基于發(fā)射端已知信道狀態(tài)信息（CSI）這樣的條件。為了減少反饋信息量，比較有效的方法之一是采用基于矩陣（或矢量）碼本的預(yù)編碼（或波束形成）方案。文獻(xiàn)[2]對基于Grassman流形子空間包的碼本設(shè)計方案和基于向量量化的碼本設(shè)計方案進(jìn)行了總結(jié)，這兩種算法雖然在理論上都可以達(dá)到最優(yōu)的碼本設(shè)計，但是要在實(shí)際中應(yīng)用還比較困難；文獻(xiàn)[3]提出了基于均勻信道分解的系統(tǒng)碼本設(shè)計，這種方案由于引入了雙碼本，使得反饋的開銷在原有基礎(chǔ)上有所增加，并且在信道秩大于2時，算法的實(shí)現(xiàn)有一定困難；在文獻(xiàn)[4]中討論的自適應(yīng)預(yù)編碼的碼本方案，其量化方法雖然比較簡單，但是在有限的反饋比特下，量化的顆粒度比較粗，量化的誤差會比較大?；诖?，本文提出了一種新的改進(jìn)自適應(yīng)碼本設(shè)計方法，使得在反饋開銷增加很小的情況下擴(kuò)展了碼本的容量，提高了碼本的精度。

1 自適應(yīng)碼本設(shè)計方法

自適應(yīng)碼本設(shè)計是在現(xiàn)有基本碼本集合不變的前提下，以降低系統(tǒng)的誤碼率為目標(biāo)，通過基于旋轉(zhuǎn)碼本[5]的雙碼本自適應(yīng)設(shè)計，使得在開銷增加很小的情況能較好地提高系統(tǒng)的性能。其步驟為：反饋基本碼本矩陣的索引；對誤碼率進(jìn)行統(tǒng)計；信干噪比估計；旋轉(zhuǎn)碼本矩陣的生成。設(shè)計方法流程如圖1所示。

1.1 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和初始信道信息反饋基本碼本矩陣索引

接收側(cè)得到的CSI可以利用式（1）所示SVD奇異值分解方法對其進(jìn)行分解：

[H=UΣVH] （1）

式中：[U]和[V]為正交陣，[Σ=diag（λ1，λ2，…，λn）]為對角陣，其元素由奇異值構(gòu)成。具體原理如圖2所示。

根據(jù)MIMO系統(tǒng)的天線、碼流數(shù)等參數(shù)配置，量化上述[V]陣并以索引號形式對其結(jié)果進(jìn)行反饋，量化以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)碼本集[6]為參考。

由圖4可以看出，由于設(shè)計碼本對信道的覆蓋不全面或不均勻，文獻(xiàn)[3]所提的碼本矩陣方法，雖然開銷有較大降低，但性能也損失較大；在本文所提的依據(jù)誤碼率的碼本旋轉(zhuǎn)設(shè)計法中，折中了性能和開銷，在只增加1 b反饋開銷的前提下性能較文獻(xiàn)[3]方法改善近1 dB左右。

在同樣的仿真條件下，對式（12）的性能也進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，在增加了1 b的反饋開銷后，通過雙向旋轉(zhuǎn)，這種方法的性能較圖4所示的基于BER的旋轉(zhuǎn)碼本性能有約0.2～0.3 dB的改善。

3 結(jié) 語

提出了一種基于信干噪比的旋轉(zhuǎn)碼本矩陣設(shè)計方法，該方法在反饋開銷增加很小的情況下擴(kuò)展了碼本容量，提高了碼本精度。仿真結(jié)果表明，基于碼本旋轉(zhuǎn)的自適應(yīng)碼本設(shè)計方法能夠在有限反饋的情況下有效提高預(yù)編碼的性能。

參考文獻(xiàn)

[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] 張雷，李少謙，鄭洪明.多天線系統(tǒng)中有限反饋的碼本設(shè)計[J].電子學(xué)報，2007，35（6）：13?18.

[3] 張博，張忠培，張文坡.基于均勻信道分解的系統(tǒng)碼本設(shè)計[J].信號處理，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.