降低码本平均反馈量及码本优化的实现方法

摘要

本发明针对城市环境提供了一种降低码本平均反馈量及码本优化的实现方法，它属于通信技术领域，主要解决现有3GPP Rel8码本平均反馈量较大及码字搜索复杂度较大的问题。其实现步骤是：利用信道统计特性，对各码字被选概率进行统计；按照各码字被选概率对各码字进行变长编码，并且对吞吐量进行测试；去除概率较小码字并对剩余码字被选概率进行统计，进而得到剩余各码字变长编码及吞吐量测试值；继续去除码字，直到吞吐量测试值及码字搜索复杂度满足系统需求，将剩余码字组成的码本作为最终的码本。本发明有效地减少了码本平均反馈量和码字搜索复杂度，且对吞吐量的影响可忽略不计，可用于LTE-A来满足IMT-Advanced技术需求。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及3GPP Rel8中的码本，具体地说是一种实现降低码本平均反馈量并进而优化码本的方法，可用于多用户MIMO的预编码。

背景技术

为了满足LTE在高数据率和高系统容量方面的需求，LTE系统支持下行应用多输入多输出技术，包括空间复用、波束赋形以及传输分集。对于空间复用，LTE支持开环方式的空间复用，也支持闭环方式的空间复用，即所谓的线性预编码技术。线性预编码操作的作用是将天线域的处理转换为波束域进行处理，在发射端利用已知的空间信道信息进行预处理操作，从而进一步提高用户和系统的吞吐量。

线性预编码操作可以按其预编码矩阵的获得位置划分为非码本的预编码操作和基于码本的预编码操作两大类。

在基于码本的预编码方式中，预编码矩阵在接收端获得，接收端利用预测的信道状态信息，在预定的预编码矩阵码本中进行预编码矩阵的选择，并将选定的预编码矩阵的编码反馈给发射端。在多种预编码矩阵码本的构建方式中，针对四根发送天线，3GPP Rel8采用了基于Householder变换的码本作为其线性预编码矩阵的码本。3GPP Rel8中对确定的码本中码字反馈采用了等长编码“R1-062650，Codebook Design for E-UTRA MIMO Pre-coding，Texas Instruments，9-13 October，2006”，并未考虑到各码字间的不同。即在反馈编码中并未充分利用各码字的信息，进而给出的平均编码比特远大于了信源熵，而且在最优码字的确定中，需要搜索全部码字，即搜索复杂度较高。但为满足IMT-advanced技术的要求，3GPP在LTE基础上继续向LTE-A演进。码本的平均反馈量及码字搜索复杂度均需被降低，即码本的平均编码长度需要尽可能地接近信源熵，并且码字个数尽可能少以减小码字搜索复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，针对城市环境及3GPPRel8确定的码本，提供一种实现低平均反馈量及码本优化的方法，以有效降低码本平均反馈量及码字搜索复杂度。

为实现上述目的，本发明包括如下步骤：

(1)选定通信环境并给定最低吞吐量值TH_L和码本中需要保留的最多码字个数SC_U；

(2)针对选定的城市通信环境，对3GPP Rel8码本中的码字被选概率进行统计并且记当前码本中码字数目为：N_NOW＝N_INIT，此时的当前码本为3GPP Rel8中已确定的码本，N_INIT为3GPP Rel8已确定码本中的码字个数；

(3)在确定的各码字被选概率基础上，按各码字被选概率不同对其进行变长编码，按概率值及变长编码结果计算得到平均反馈量

(4)在当前码本的基础上对用户吞吐量值U_TH进行测试：

当U_TH≤TH_L，执行步骤(7)；

当U_TH＞TH_L，执行步骤(5)；

(5)对平均反馈码长进行比较：

当去除码本中被选概率较低的一个码字，其中为上一次去除码字后得到的平均反馈量，并将剩余码字组成的码本记为当前码本，其码字个数为N_NOW，并对现有码本中各码字被选概率进行统计，重复步骤(3)-(5)；

当执行步骤(6)；

(6)对码本中码字个数进行比较：

当N_NOW＞SC_U，去除码本中被选概率较低的一个码字，并将剩余码字组成的码本记为当前码本，其码字个数为N_NOW，对当前码本各码字被选概率进行统计，并重复步骤(3)-(6)；

当N_NOW≤SC_U，执行步骤(7)；

(7)确定优化码本：

当N_NOW＝N_INIT，最终的码本仍为3GPP Rel8中的码本；

当N_NOW＜N_INIT，最终的码本确定为N_NOW+1个码字所对应的码本；

(8)确定码本中各码字对应的变长编码：

当N_NOW＝N_INIT，最终各码字对应的反馈比特确定为N_INIT个码字所对应的变长编码；

当N_NOW＜N_INIT，最终各码字对应的反馈比特确定为N_NOW+1个码字所对应的变长编码。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(a)本发明针对城市环境信道下3GPP Rel8码本中码字被选概率有较大差别，对不同的码字进行变长编码，得到的平均反馈量小于3GPP Rel8中等长编码的平均反馈量；

(b)本发明针对城市环境信道下3GPP Rel8码本中码字被选概率有较大差别，对3GPP Rel8码本中的码字依概率进行去除，在对吞吐量几乎无影响的前提下，减少了码本中的码字数量，实现码字搜索复杂度的降低。

仿真结果表明：本发明基于3GPP Rel8确定的四根发射天线码本中码字被选概率不同的情况，用变长编码缩小了码字信源熵与码字平均编码长度间的差距，即减小了码本平均反馈量；在各码字被选概率不同的基础上，去除一些被选概率较小的码字再进一步减小平均码长，同时去除概率较小的码字可以减小码字搜索的复杂度，而且对吞吐量的影响几乎是可以忽略不计的。

附图说明

图1是本发明的总流程图；

图2本是发明中针对不同通信环境下信道参数幅值的概率分布图；

图3是本发明中城市微小区通信环境下针对用户一的码字被选概率分布图；

图4本发明中城市宏小区通信环境下针对用户一的码字被选概率分布图；

图5本发明中城市微小区通信环境下针对用户二的码字被选概率分布图；

图6本发明中城市宏小区通信环境下针对用户二的码字被选概率分布图；

图7本发明中城市微小区环境下针对不同码字数量码本在不同SNR下吞吐量对比图；

图8本发明中城市宏小区环境下针对不同码字数量码本在不同SNR下吞吐量对比图。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤一，选定通信环境。

根据对不同通信环境下信道参数幅值概率分布的统计结果，选定信道参数幅度值分布集中的通信环境为本发明的通信环境。图2给出在城市环境、乡村环境、室内环境下的信道参数幅度值的概率分布图，图2明显可以看出针对城市环境，幅值大于2.6的概率分布几乎为零，幅值分布相对集中，因而选城市环境作为具体实施中的通信环境，具体选城市环境中的城市微小区通信环境和城市宏小区通信环境作为具体实施中的通信环境。

步骤二，给定系统的最低吞吐量值TH_L和码本中需要保留的最多码字个数SC_U。

步骤三，针对选定的城市微小区通信环境和城市宏小区环境，对3GPP Rel8码本中的码字被选概率进行统计。

本发明在城市微小区通信环境下针对用户一的码字被选概率分布如图3；在城市宏小区通信环境下针对用户一的码字被选概率分布如图4；在城市微小区通信环境下针对用户二的码字被选概率分布如图5；在城市宏小区通信环境下针对用户二的码字被选概率分布如图6。

从图3至图6可以看出，尽管在城市微小区环境和城市宏小区环境下具有不同的码字被选概率分布，但均呈现出不同码字被选概率分布差距较大的现象，此时记3GPP Rel8已确定的码本为当前码本，当前码本中码字数目为：N_NOW＝N_INIT，N_INIT为3GPP Rel8已确定码本中的码字个数。

步骤四，在步骤三确定的各码字被选概率基础上，按各码字被选概率不同对其进行变长编码，按概率值及变长编码结果计算得到平均反馈量

首先，按各码字被选概率不同对其进行变长编码，其步骤如下：

(4a)将各码字做为编码的信源符号；

(4b)将被选概率最低的两个信源符号配成一对，一个标为0，一个标为1，用这两个符号构成组，并将该组作为新的信源符号来代替概率最低的两个信源符号进行下一次的配对，该信源符号出现的概率是两个信源符号出现概率的总和；

(4c)重复上述步骤(4b)-(4c)，直到所有的信源符号都被配对且被标以相应的0或1；

(4d)将导向各信源符号的所有0，1组成的序列作为各码字对应的变长编码。

其次，按概率值及变长编码结果计算平均反馈量该平均反馈量的计算是根据各码字被选概率值及已确定的变长编码结果，求出码本中所有码字编码长度的数学期望值：将该期望值作为当前码本平均反馈量式中，N为当前码本中的码字个数，η_i为当前码本中第i个码字被选概率值，L_i为当前码本中第i个码字变长编码长度。

按如上各码字被选概率不同对其进行变长编码的步骤及平均反馈量的计算方法得城市微小区环境下各码字变长编码及平均反馈量如表1所示，得到城市宏小区环境下各码字变长编码及平均反馈量如表2所示。

表1城市微小区16码字各码变长编码及平均反馈量

  码字索引  概率值  等长码字编码  变长编码  1  0.0445  0000  0011  2  0.0204  0001  00100  3  0.0017  0010  00000000  4  0.0001  0011  00000001  5  0.1671  0100  101  6  0.0155  0101  000001  7  0.0299  0110  00101  8  0.0171  0111  000011  9  0.1676  1000  01  10  0.0078  1001  000010  11  0.0719  1010  0001  12  0.0074  1011  00000011  13  0.1509  1100  100  14  0.0093  1101  0000101  15  0.0066  1110  00000010  16  0.2824  1111  11  平均反馈量  4  3.0128

  码字信源熵  2.957

表2城市宏小区16码字各码变长编码及平均反馈量

  码字索引  概率值  等长码字编码  变长码字编码  1  0.0010  0000  00000101  2  0.0000  0001  0000000000001  3  0  0010  0000000000000  4  0  0011  000000000001  5  0.0374  0100  00001  6  0.0001  0101  0000000001  7  0.0719  0110  0001  8  0.0002  0111  000000001  9  0.2330  1000  01  10  0.0000  1001  00000000001  11  0.0012  1010  0000001  12  0.0009  1011  00000001  13  0.2156  1100  001  14  0.0015  1101  0000011  15  0.0009  1110  00000100  16  0.4362  1111  1  平均反馈量  4  2.0677  码字信源熵  1.9971

步骤五，在当前码本的基础上对用户吞吐量U_TH进行测试。

当U_TH＞TH_L，执行步骤六；

当U_TH≤TH_L，执行步骤八。

步骤六，对平均反馈量进行比较。

当去除码本中被选概率较低的一个码字，其中为上一次去除码字后得到的平均反馈量，将剩余码字组成的码本记为当前码本，其码字个数为N_NOW，对当前码本中各码字被选概率进行统计，并按步骤三中基于各码字被选概率对其变长编码的步骤及平均反馈量的计算方法得城市微小区环境下去除一个码字的变长编码及平均反馈量如表3所示，得到城市宏小区环境下去除一个码字的变长编码及平均反馈比特值即平均反馈量如表4所示，重复步骤五至步骤六；

当执行步骤七。

表3城市微小区15码字各码变长编码及平均反馈量

  码字索引  概率值  等长码字编码  变长编码  1  0.0445  0000  0011  2  0.0204  0001  00101  3  0.0017  0010  000000000  4  0.0001  0011  000000001  5  0.1671  0100  101  6  0.0155  0101  001001  7  0.0299  0110  00001  8  0.0171  0111  000001  9  0.1690  1000  01  10  0.0078  1001  00000001  11  0.0719  1010  0001  12  0.0139  1011  001000  13  0.1494  1100  100

  14  0.0093  1101  0000001  15  0  1110  16  0.2824  1111  11  平均反馈量  4  2.9921  码字信源熵  2.9422

表4城市宏小区15码字各码变长编码及平均反馈量

  码字索引  概率值  等长码字编码  变长编码  1  0.0010  0000  00000101  2  0.0000  0001  000000000001  3  0  0010  000000000000  码字索引  概率值  等长码字编码  变长编码  4  0  0011  5  0.0374  0100  00001  6  0.0001  0101  0000000001  7  0.0719  0110  0001  8  0.0002  0111  000000001  9  0.2330  1000  01  10  0.0000  1001  000000000011  11  0.0012  1010  0000001  12  0.0009  1011  00000001  13  0.2156  1100  001

  14  0.0015  1101  0000011  15  0.0009  1110  00000100  16  0.4362  1111  1  平均反馈量  4  2.0677  码字信源熵  1.9971

步骤七，对码本中码字个数进行比较。

当N_NOW＞SC_U，去除码本中被选概率较低的一个码字，并将剩余码字组成的码本记为当前码本，其码字个数为N_NOW，对当前码本各码字被选概率进行统计，并按步骤三基于各码字被选概率对其变长编码的步骤及平均反馈量的计算方法得到城市微小区环境下去除两个码字的变长编码及平均反馈量如表5所示，得到城市宏小区环境下去除两个码字的变长编码及平均反馈量如表6所示，重复步骤五至步骤七；

当N_NOW≤SC_U，执行步骤八。

表5城市微小区14码字各码变长编码及平均反馈量

  码字索引  概率值  等长码字编码  变长编码  1  0.0454  0000  0001  2  0.0205  0001  00001  3  0.0017  0010  00000000  4  0.0001  0011  00000001  5  0.1683  0100  101  6  0.0163  0101  001000  7  0.0301  0110  00101  8  0.0174  0111  001001  9  0.1728  1000  01  10  0.0079  1001  0000001

  11  0.0719  1010  0011  12  0  1011  码字索引  概率值  等长码字编码  变长编码  13  0.1528  1100  100  14  0.0092  1101  000001  15  0  1110  16  0.2826  1111  11  平均反馈量  4  2.9294  码字信源熵  2.8764

表6城市宏小区14码字各码变长编码及平均反馈码长

  码字索引  概率值  等长码字编码  变长编码  1  0.0010  0000  00000101  2  0.0000  0001  00000000001  3  0  0010  00000000000  4  0  0011  5  0.0375  0100  00001  6  0.0001  0101  0000000001  7  0.0719  0110  0001  8  0.0002  0111  000000001  9  0.2329  1000  01  10  0  1001  11  0.0012  1010  0000001

  12  0.0009  1011  00000001  13  0.2157  1100  001  14  0.0015  1101  0000011  15  0.0009  1110  00000100  16  0.4362  1111  1  平均反馈量  4  2.0683  码字信源熵  1.9971

步骤八，确定优化码本。

当N_NOW＝N_INIT，最终的码本仍为3GPP Rel8中的码本；

当N_NOW＜N_INIT，最终的码本确定为N_NOW+1个码字所对应的码本。

步骤九，确定码本中各码字对应的变长编码。

当N_NOW＝N_INIT，最终各码字对应的反馈比特确定为N_INIT个码字所对应的变长编码；

当N_NOW＜N_INIT，最终各码字对应的反馈比特确定为N_NOW+1个码字所对应的变长编码。

本发明低反馈量的效果可以通过表1至表6得到验证，3GPP Rel8已确定码本的平均反馈量为4，而从表1、表3及表5可以看到针对城市微小区环境，本发明的平均反馈量分别为3.0128、2.9921及2.9294，从表2，表4，表6可以看到针对城市宏小区环境，平均反馈量分别为2.0677、2.0677及2.0683，可见本发明实现了码本平均反馈量的降低。

本发明低搜索复杂度的效果通过去码字得以实现，在本发明实施步骤六和实施步骤七中均对码本中码字进行了去除，因而可降低码字搜索复杂度；本发明中去除码字对吞吐量的影响可通过以下仿真得到验证：

1.仿真条件：

通信环境选定为城市微小区环境与城市宏小区环境，多用户MIMO选定为两用户，每用户两流数据，基站四根天线，3GPP确定的四根发射天线对应的基于Householder码本。

2.仿真内容：

在城市微小区环境下，对3GPP Rel8码本前提下的用户一吞吐量与去除一个、两个码字后用户一的吞吐量进行对比，其对比曲线图如图7所示；

在城市宏小区环境下，对3GPP Rel8码本前提下的用户一吞吐量与去除一个、两个码字后用户一的吞吐量进行对比，其对比曲线图如图8所示；

3.仿真结果：

图7中给出的是在城市微小区环境下，用户一在去除码字前即16码字码本、去除一个码字后的15码字码本及去除两个码字后的14码字码本对应的吞吐量的对比曲线，从图7可以看出，去除一些被选概率较小的码字对于整体吞吐量的影响是可以忽略不计的；

图8中给出的是在城市宏小区环境下，用户一在去除码字前即16码字码本、去除一个码字后的15码字码本及去除两个码字后的14码字码本对应的吞吐量的对比曲线，从图中可以看出，去除一些被选概率较小的码字对于整体吞吐量的影响是可以忽略不计的。