空间相关性与分簇相结合的3D MIMO有限反馈开销降低方法技术

本发明专利技术涉及无线通信技术领域，请求保护一种信道空间相关性与分簇相结合的3D MIMO有限反馈开销降低方法。在3D MIMO有限反馈系统中，基站端采用

【技术实现步骤摘要】
空间相关性与分簇相结合的3DMIMO有限反馈开销降低方法
本专利技术涉及无线通信
，涉及移动通信长期演进（LTE-Advanced)

技术介绍
在无线移动通信中，需要下一代4G通信系统能够提供更高的数据速率和更好的服务质量。为了提高系统容量和频谱效率，诺西、阿朗、DOCOMO、高通及沃达丰等公司成立了ARTIST4G工作组，专门研究4G系统的先进无线接口技术(AdvancedRadioInterfaceTechnologIesfor4GSysTems，ARTIST4G)，其中，3D多天线技术是提高系统容量和频谱效率的关键技术，引起了业界的深度重视。3DMIMO和传统的2DMIMO相比，3DMIMO在竖直维上增加了一维可供利用的维度，在基站端采用2D阵列天线结构。这样，有效的提高了水平维和垂直维的频谱效率。在3DMIMO有限反馈系统中，通过构造一发送端和接收端共知的水平维和垂直维码本，接收端利用水平维和垂直维信道状态信息（CSI），根据某种优化准则在预先设计好的码本中选择最优预编码矩阵，然后分别将水平维和垂直维PMI反馈给发送端，发送端根据接收到的水平维和垂直维PMI，进行某种运算处理，最终形成3D预编码矩阵，这就是3DMIMO系统中基于码本的有限反馈基本原理。在有限反馈系统中，由于上行反馈链路带宽有限，而3DMIMO在竖直维上增加一维可供利用的维度，这样，反馈开销将会比2DMIMO有所增加，因此，对于如何有效地减少3DMIMO的反馈开销成为3DMIMO技术能否商用化的关键。
技术实现思路
鉴于上述的技术问题，本专利技术提出一种空间相关性与分簇相结合的3DMIMO有限反馈开销降低方法，只要在相干距离内，对垂直维信道进行分簇，这样，不仅可以有效降低反馈开销，而且系统性能损失不大。在空间多径衰落信道中，空间相关性对系统的性能影响很大，影响空间相关性的强弱主要有两个因素：天线间隔和角度扩展(AS)的大小。角度扩展固定时，天线间隔越大，相关性越小，天线间隔越小，则相关性越大。一般情况下，可用相干距离Dc来衡量天线间的相关性，相干距离一般取相关系数为0.5时的值，天线间隔小于相干距离，则认为天线之间相关，天线间隔大于相干距离，则认为天线之间不相关。为此，可利用空间相关性来提高3DMIMO系统的频谱效率。一种空间相关性与分簇相结合的3DMIMO有限反馈开销降低方法，其主要实现步骤如下：步骤1：基站端采用N*M天线阵列，接收端采用均匀线阵，分别对3DMIMO的水平维和垂直维进行反馈。由于垂直维信道具有相同的水平相位，因此，水平维信道根据信噪比最大化准则，水平维选择最大信噪比时的一个最优预编码矩阵，记录对应的最优预编码矩阵索引PMI（水平维PMI）；步骤2：在相干距离内将垂直维信道进行分簇，每个簇根据误码率最小化准则，垂直维选择一个误码率最小时的最优预编码矩阵，记录对应的最优预编码矩阵索引PMI（垂直维PMI）；步骤3：对水平维PMI和垂直维PMI分别增加一个辅助比特，并将其反馈给基站端；步骤4：基站端根据水平维和垂直维反馈的PMI，恢复水平维和垂直维最优预编码矩阵，进而分别对其进行扩展，然后将扩展后的矩阵采用点乘运算，得到3D预编码矩阵；3DMIMO的垂直维和水平维均采用独立的有限反馈机制。在反馈PMI时，需要增加辅助比特，以区别垂直维和水平维。基站端根据接收到水平维和垂直维PMI，通过解码，在码本集合中找出相应的水平维和垂直维预编码矩阵，并进行扩展。根据公式：选择垂直维信道的第k个簇的最优预编码矩阵，其中表示第i个垂直维信道信息，Ω＝{w1,w2,...ws...wS}表示码本集合，p表示发射天线总功率，N0表示噪声功率。在水平维PMI前增加比特0，将其反馈给基站端。将m个垂直维信道分为一簇，在垂直维PMI前增加比特1，将其反馈给基站端。当基站端采用8*8的天线阵列，接收端采用2根天线，基站端的相干距离为2.2λ，可将4个垂直维信道分为一个簇。在传统的MIMO系统中，预编码技术只针对水平维方向，本专利技术综合利用电磁波在水平方向上和垂直方向上的信道信息。这样，可以同时利用水平维和垂直维增益来提升系统效用。在垂直维方向上，由于天线间隔较小时，信道响应之间具有较强的相关性，因此本专利技术提出一种空间相关性与分簇相结合的3DMIMO有限反馈开销降低方法，在相干距离内，对垂直维信道进行分簇，然后每一个簇反馈一个PMI，这样可以有效地降低反馈开销。附图说明图1本专利技术3DMIMO基于码本的有限反馈方法系统框图；图2本专利技术有限反馈开销降低方法示意图；图3本专利技术室内NLOS环境下基站端空间相关性仿真；图4本专利技术的反馈比特数对比图；图5本专利技术的系统性能仿真对比图。具体实施方式在3DMIMO系统有限反馈方案中，水平维和垂直维各自反馈最优预编码索引，基站端根据反馈的索引，从码本集合Ω＝{w1,w2,...ws...wS}中找到相应的最优预编码矩阵，经过扩展和点乘，得到3D预编码矩阵，这样可有效降低系统开销。图1所示为本专利技术提出的3DMIMO基于码本的有限反馈方法系统框图。假设基站端采用N*M阵列天线，其中N表示天线阵列的行数，M表示天线阵列的列数，接收端天线数为Nr，输入的数据流经过QPSK调制和层映射，分成L个并行的子流x，为了计算方便，我们假设L＝1。然后经过预编码将L个并行的子流匹配到基站端阵列天线上并发送出去。输出信号可表示为：其中GZF表示迫零检测矩阵，p表示发射天线总功率，H表示3D信道矩阵，W3D表示相应的3D预编码矩阵，x表示并行的数据流，n0服从均值为零，方差为N0的加性高斯白噪声。接收端对信道进行估计获得信道信息H：进一步，对H进行分解，得到第j个水平维信道信息：和第i个垂直维信道信息：接收端接收到信号后，采用迫零检测算法，对应的迫零检测线性变换矩阵为：对应的接收信噪比可表示为：在有限反馈系统中，码本集合Ω中总共包括S个码字{w1,w2,...ws...wS}，接收端根据水平维CSI利用信噪比最大化准则在码本集合中选取最优的预编码矩阵，根据垂直维CSI利用误码率最小化准则，每个簇从码本集合中选取最优预编码矩阵，然后把水平维和垂直维的PMI经过附加辅助比特后反馈到基站端，基站端根据水平维和垂直维反馈的PMI，恢复水平维和垂直维最优预编码矩阵，进而分别对其进行扩展，然后将扩展后的矩阵采用点乘运算，得到3D预编码矩阵W3D。如图2所示为本专利技术提出的有限反馈开销降低方法示意图，其具体步骤如下：(1)根据水平维CSI，在码本集合Ω＝{w1,w2,...ws...wS}中搜索满足信噪比最大化的最优预编码矩阵wh,其中表示第j(j＝1,2...N)个水平维信道信息。(2)根据空间相关性对垂直维信道进行分簇，在相干距离内，信道具有较强相关性，为此，根据空间相关性，将m个垂直维信道分为一簇，m值越大，则反馈的开销越小，但代价是系统性能的损失，m值越小，则系统性能越好，但代价是反馈开销增多，所以在分簇的时候，要在两者之间进行折中。(3)根据误码率最小化准则对垂直维信道的第k个簇选取最优预编码矩阵：其中，表示第i个垂直维信道信息，Ω＝{w1,w2,...ws...wS}表示码本集合，p表示发射天线总功率，N0表示噪声功率，m为每本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间相关性与分簇相结合的3D MIMO有限反馈开销降低方法，其特征在于，包括步骤：基站端采用N*M天线阵列，接收端采用均匀线阵，分别对3D MIMO的水平维和垂直维进行反馈；选择信噪比最大时的一个水平维最优预编码矩阵，记录对应的水平维PMI；在相干距离内，将垂直维信道进行分簇，在每个簇中根据误码率最小化准则选择最优预编码矩阵，记录对应的垂直维PMI；对水平维PMI和垂直维PMI分别增加一个辅助比特，并将其反馈给基站端；基站端根据反馈的水平维和垂直维PMI，恢复水平维和垂直维最优预编码矩阵，分别对其进行扩展后进行点乘运算，得到3D预编码矩阵。

【技术特征摘要】
1.一种空间相关性与分簇相结合的3DMIMO有限反馈开销降低方法，其特征在于，包括步骤：基站端采用N*M天线阵列，接收端采用均匀线阵，分别对3DMIMO的水平维和垂直维进行反馈；选择信噪比最大时的一个水平维最优预编码矩阵，记录对应的水平维PMI；在相干距离内，将垂直维信道进行分簇，在每个簇中根据误码率最小化准则选择最优预编码矩阵，记录对应的垂直维PMI；对水平维PMI和垂直维PMI分别增加一个辅助比特，并将其反馈给基站端；基站端根据反馈的水平维和垂直维PMI，恢复水平维和垂直维最优预编码矩阵，分别对其进行扩展后进行点乘运算，得到3D预编码矩阵。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在水平维上，根据公式：在码本集合Ω＝{w1,w2,...ws...wS}中搜索满足信噪比最大化的最优预编码矩阵wh，其中，表示第j(j＝1,2...N)个水平维信道信息。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据误码率最小化准则选择最优预编码矩阵具体为：根据公式：选择垂直维信道的第k个簇的最优预编码矩阵；其中，表示第i个垂直维信道...

【专利技术属性】
技术研发人员：景小荣，刘利，张祖凡，陈前斌，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50