CN105827289A - 一种广义空间调制***的有限反馈预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种广义空间调制***的有限反馈预编码方法，包括第一步，码本设计和第二步，码字选择；码本设计为收发端共享，利用训练信道矩阵分类并更新相应码字，为不同信道提供预编码库；码字选择根据当前接收端信道信息，从设计的码本中选择合适的码字，并反馈给发送端进行信号预编码。本发明实现了在广义空间调制***中的信号预编码设计，在反馈开销受限的情况下，有效降低误码率从而改善信号检测性能。

Description

一种广义空间调制***的有限反馈预编码方法

技术领域：

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种在广义空间调制***的有限反馈预编码方法。

背景技术：

随着无线通信技术的日趋完善，“绿色、节能、可持续”已成为未来5G移动通信中一大重要的发展方向。空间调制(SM)作为一种新型的多天线调制技术，通过每个时隙仅激活一根发送天线，可有效降低***能耗，并彻底消除信道间干扰(ICI)。为进一步提高频谱效率，广义空间调制(GSM)将激活天线个数从一根扩展到多根，极大提升了信号传输速率。预编码技术对发送信号进行预处理，可有效降低检测误码率从而提高***性能，但针对空间调制***的研究较少。

为保证空间调制信号的特殊结构，一些针对SM/GSM***的预编码方案被提出，主要分为基于互信息最大化和基于自由距离最大化两类，例如XinrongGuan于2013年提出的MISO预编码和WeiWang于2015年提出的对角预编码方案。然而现有方案大多需要发送端已知完整的信道信息(CSIT)，其巨大的反馈开销对于尤其是频分复用(FDD)***来说不具备实际可操作性。D.J.Love在2003年提出传统MIMO***下的有限反馈预编码模型，利用收发端共享同一份码本并仅反馈码字序号，极大程度上降低了反馈开销。Ming-ChunLee于2015年在IEEECommunicationLetter上发表的“LimitedFeedbackPrecoderDesignforSpatialModulationinMIMOSystem”(IEEE组织在通信领域的SCI期刊，《MIMO***中空间调制的有限反馈预编码设计》)，提出了利用D.J.Love有限反馈模型来设计空间调制预编码的方法，填补了SM-MIMO有限反馈预编码的研究空白。然而这种方法需要大量的高维矩阵计算和凸优化求解，运算复杂度极高；并且对于GSM-MIMO***的推广仍具有局限性。这意味着设计一种有效的广义空间调制***下的有限反馈预编码方案还有待开发。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题，针对广义空间调制***，提出一种在广义空间调制***的有限反馈预编码方法，采用D.J.Love的有限反馈模型，利用迭代对训练矩阵归类并基于最大自由距离更新码字来获取码本，并由接收端根据当前信道信息选择合适的码字并反馈序号给发送端进行预编码，从而有效降低信号检测的误码率，提高广义空间调制的***性能。

本发明是根据以下技术方案实现的：

一种广义空间调制***的有限反馈预编码方法，包括第一步，码本设计和第二步，码字选择；码本设计为收发端共享，利用训练信道矩阵分类并更新相应码字，为不同信道提供预编码库；码字选择根据当前接收端信道信息，从设计的码本中选择合适的码字，并反馈给发送端进行信号预编码。具体如下：

步骤A码本设计：对训练信道矩阵基于邻近准则进行分类，并求解最大自由距离问题来更新相应码字，此过程迭代直至收敛从而获取最终码本

每次迭代过程包括如下步骤：

步骤A1：根据当前码本(或初始码本)，将大量训练信道矩阵集基于邻近准则：归为K类，其中

$f(p_q,H)=\frac{1}{\left|C\right|{\log }_2\left|C\right|}\underset{i=1}{\overset{\left|C\right|}{\Σ}}\underset{j\≠i}{\overset{\left|C\right|}{\Σ}}B(i,j)Q\left(\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{d}_{ij}^2\left(p_q\right)}\right)$

为最大似然检测下的误码率上界，B(i,j)为发送信号x_i与x_j之间的错误比特数，为接收信号间的欧氏距离，x′_i和x′_j为基于p_q预编码后的发送信号，ρ为信噪比，|C|为发送信号集的大小，Q(·)为数理统计中的Q函数；

步骤A2：对每一类信道矩阵子集求解最大自由距离问题：

来更新对应的码字p_q从而得到新的码本其中P为总传输能量约束。

所述的步骤A2中求解对应每类码字的更新过程包括如下步骤：

步骤A21：对信道矩阵H和发送信号x，根据激活天线组合序列集以R-TAC方法进行重构，即

$H^{\left(new\right)}=\[H_{L_1},H_{L_2},...,H_{L_N}\]$

$x^{\left(new\right)}={\[x_{L_1}^T,x_{L_2}^T,...,x_{L_N}^T\]}^T$

其中L_n为激活序列下标，N为总激活组合序列集大小；

步骤A22：根据重构的信道矩阵H^(new)和发送信号x^(new)，计算信道矩阵的期望并根据当前码字(初始码字)求解(P1)的近似凸优化问题(P2)：

来更新码字其中(⊙为矩阵哈达马积)，直至满足收敛条件迭代停止。

步骤B码字选择：根据当前信道信息，接收端从码本中基于邻近准则选择合适的码字p_q，并将序号q反馈给发送端，后者将调制信号进行预编码并发送。具体包括如下步骤：

步骤B1：根据当前信道矩阵H，接收端以如下准则从码本中选择码字

$p_q=\arg \underset{p_l}{\min }(p_l,H),l=1,...,K$

并将序号q以log₂K比特的开销反馈给发送端；

步骤B2：发送端接收到序号q后，从码本中将p_q取出并对调制信号x进行预编码处理：

$x_{L_n}^{\′}=diag\left(p_I\right)x_I^{\left(new\right)}$

其中I＝{n_t·(n-1)+1,…,n_t·n}为重构后发送信号x^(new)的非零位置下标集，随后将经由对应的激活天线(下标)发送。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实现了广义空间调制***下的有限反馈预编码。在保证广义空间调制***的信号特性的基础上，通过考虑所有可能星座图调制信号的预处理，有效降低检测的误码率从而提高***性能。同时，利用收发端共用码本的有限反馈模型，有效解决了尤其是频分复用***下反馈开销受限的问题，在实际无线通信***中具有广阔的应用前景。

附图说明：

图1是有限反馈预编码的广义空间调制***框图

图2是本发明有限反馈预编码方法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

在瑞利衰落及加性高斯白噪声(AWGN)环境下，带有有限反馈预编码的广义空间调制***的信号发送接收过程如图1所示。在采用5根发送天线、2根接收天线，激活天线个数为2的情况下，总激活天线组合共8种可能，在BPSK调制下其传输码率为5bit/Hz/s。对每个时隙，由前3个比特决定激活天线序列，后2个比特每个比特对应一个星座图符号并进行预编码处理，随后由激活天线发送到无线信道。该预编码的码字更新由接收端反馈回来的序号决定，其收发端共享同一份码本信息。本发明的有限反馈预编码方法主要针对码本设计和码字选择，方法的流程图如图2所示。具体步骤如下：

①随机生成6000个复高斯矩阵作为训练信道矩阵，初始化码本为集合{p₀,p₀,p₀,p₀}(即K＝4)，其中p₀＝1¹⁶为长度16的全1向量。迭代重复：a)基于码本对6000个训练信道矩阵进行归类(归为4类)：

其中p_q(q＝1,…,4)为码本中的第q个预编码向量；

和b)对每类码字更新来获取新的码本初始并求解

得到作为新的进入下一次迭代，直至迭代停止并得到最终的p_q，其中H^(new)＝[h₁,h₂,h₁,h₃,h₁,h₄,h₁,h₅,h₂,h₃,h₂,h₄,h₂,h₅,h₃,h₄]，x^(new)＝[x₁,x₂,x₁,x₃,x₁,x₄,x₁,x₅,x₂,x₃,x₂,x₄,x₂,x₅,x₃,x₄]。对p₁,…,p₄均更新完后，即得到新的码本

重复a)和b)的过程，直至达到迭代上限或归类不再变化，得到最终码本

②根据当前训练信道矩阵H，接收端根据从码本中选择合适的码字并以2比特({00,01,10,11})的开销反馈给发送端，后者依此更新码字并进行信号预编码。

通过以上步骤，可以实现BPSK调制下(5,2)多天线广义空间调制***的预编码，在接收端采用最大似然(ML)检测并解码为5个比特信息流的情况下，有效降低信号检测的误码率从而提高***性能。

Claims (4)

1.一种广义空间调制***的有限反馈预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A码本设计：对训练信道矩阵基于邻近准则进行分类，求解最大自由距离问题来更新相应码字，此过程迭代直至收敛从而获取最终码本

步骤B码字选择：根据当前训练信道矩阵，接收端从最终码本中基于邻近准则选择合适的码字p_q，并将序号q反馈给发送端，发送端将调制信号进行预编码并发送。

2.根据权利要求1所述的广义空间调制***的有限反馈预编码方法，其特征在于，所述步骤A对训练信道矩阵基于邻近准则进行分类，并求解最大自由距离问题来更新相应码字，具体如下：

步骤A1：根据当前码本将大量训练信道矩阵基于邻近准则：归为K类，其中表示第q类信道矩阵子集，

为最大似然检测下的误码率上界，B(i,j)为发送信号x_i与x_j之间的错误比特数，为接收信号间的欧氏距离，x′_i和x′_j为基于p_q预编码后的发送信号，ρ为信噪比，|C|为发送信号集的大小，Q(·)为数理统计中的Q函数；

步骤A2：对每一类信道矩阵子集求解最大自由距离问题：

来更新对应的码字p_q从而得到新的码本其中E{·}为期望函数，P为总传输能量约束。

3.根据权利要求2所述的广义空间调制***的有限反馈预编码方法，其特征在于，对每一类信道矩阵子集求解最大自由距离问题来更新对应码字，具体如下：

步骤A21：根据激活天线组合序列集对训练信道矩阵H和发送信号x以R-TAC方法进行重构，即

其中L_n为激活序列下标，N为总激活组合序列集大小；

步骤A22：根据重构的训练信道矩阵H^(new)和发送信号x^(new)，计算信道矩阵的期望并根据当前码字求解最大自由距离问题的近似凸优化问题：

来更新码字其中

⊙为矩阵哈达马积，直至满足收敛条件迭代停止。

4.根据权利要求1所述的广义空间调制***的有限反馈预编码方法，其特征在于，所述步骤B，接收端从码本中基于邻近准则选择合适的码字p_q，并将序号q反馈给发送端，发送端对调制信号进行预编码并发送，具体如下：

步骤B1：根据当前训练信道矩阵H，接收端以如下准则从码本中选择码字

并将序号q以log₂K比特的开销反馈给发送端；

步骤B2：发送端接收到序号q后，从码本中将p_q取出并对调制信号x进行预编码处理：

其中I＝{n_t·(n-1)+1,…,n_t·n}为重构后发送信号x^(new)的非零位置下标集，随后将预处理后的各值经由激活序列下标的各天线对应发送。