协作通信多分辨率自适应波束成形方法

摘要

本发明公开一种协作通信多分辨率自适应波束成形方法，解决了现有技术出现的码本失配现象和反向信道频谱利用率低的问题。具体步骤包括：(1)根据系统的性能要求建立多个不同分辨率的码本，将其存储在发射端和接收端；(2)估计出发射端到接收端的等效信道矩阵并对其进行奇异值分解；(3)根据系统的性能要求在码本集合中搜索出最优波束成形矩阵，将其索引号反馈到发射端；(4)发射端根据接收到的索引号在本地码本集合中找出最优波束成形矩阵，完成波束成形。本发明具有对不同的信道场景自适应性较强和平均反馈数据量较小的优点，最大可能的实现了信道适配，提高了协作通信系统反向信道的频谱利用率。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信领域中协作通信发射端自适应波束成形方法，具有提高协作通信的稳健性和下行信道频谱资源利用率的特点。

背景技术

在协作通信中进行波束成形时，接收点到发射点，接收点到中继节点以及中继节点到发射点之间均需要进行信道状态信息(Channel State Information(CSI))的反馈，因此需要反馈的CSI数据量较大，可以使用有限反馈来降低反馈比特数，提高反向信道利用率。有限反馈的效果好坏与收发两端所采用波束成形矩阵码本密切相关，所以波束成形矩阵码本的设计问题很关键。

Behrouz Khoshnevis等人在文章“Grassmannian Beamforming for MIMOAmplify-and-Forward Relaying”(IEEE Journal on Selected Areas in Communications，Volume：26，Issue：8pp.1397-1407，October 2008)中提出一种基于格拉斯曼空间装箱(Grassmanian Space Packing)的码本设计方法来实现协作通信的波束成形。该方法的实施步骤是：第一，假设接收端具有CSI，即：中继节点知道发射端到中继节点之间的CSI，接收端知道发射端到接收端之间的CSI和中继节点到接收端之间的CSI，通信系统将选择好的格拉斯曼码本分别存储于发射端和接收端，将另一个不同的格拉斯曼码本分别存储于中继节点和接收端；第二，发射端根据信道信息在码本中选择出发射端波束成形矢量进行波束成形，中继节点和接收端分别对接收信号进行匹配处理；第三，中继节点根据信道信息在码本中选择出中继波束成形矢量进行波束成形，接收端对接收到的信号进行匹配处理。该方法证明了最优波束成形矩阵的码本设计问题可以转化为最优格拉斯曼空间装箱问题，采用格拉斯曼空间装箱码本能够使系统信噪比的损失最小化，基于格拉斯曼空间装箱的码本是量化波束成形矩阵的最优选择。

上述方法的不足之处是：当涉及到的多天线配置场景、使用场景、信道场景组合多变时，会出现较为严重的码本失配现象，导致协作通信中波束成形自适应性和频谱利用率等性能的下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，针对协作通信波束成形问题提供一种基于“多分辨率的格拉斯曼空间装箱”量化方法的波束成形方法，以提升协作通信中波束成形的自适应性和系统的频谱利用率。

本发明实现上述目的的具体步骤如下：

(1)存储码本集合

1a)确定码本数目：通信系统数据中心处理器根据通信系统平均反馈比特数的限制，确定多分辨率的格拉斯曼空间装箱方法最大允许使用的码本数目；

1b)选择码本：通信系统数据中心处理器在格拉斯曼空间装箱结果中选择多个分辨率按从低到高顺序递增的码本作为通信系统的码本集合，每个码本中包含多个码字，码字是用来进行波束成形的矩阵；

1c)存储码本集合：通信系统将选择好的码本集合分别存储在发射端和接收端的寄存器中。

(2)信道分解

2a)发射训练序列：发射端向中继节点和接收端发射训练序列，中继节点信号处理器将接收到的训练序列采用放大转发的方式转发给接收端；

2b)信道估计：中继节点的信道估计器根据接收到的训练序列估计出发射端到中继节点的信道矩阵，将信道矩阵的信息转发到接收端，接收端信道估计器根据接收到的训练序列分别估计出发射端到接收端的信道矩阵和中继节点到接收端的信道矩阵，接收机信号处理器对三个信道矩阵进行合并处理得到发射端到接收端的等效信道矩阵；

2c)信道分解：接收机信号处理器按照下列公式对合并得到的等效信道矩阵H进行奇异值分解：

H＝UDV^H

其中，H为接收机估计得到的等效信道矩阵，U和V为信号处理器进行奇异值分解得到的酉矩阵，D为信号处理器分解得到的对角阵，[·]^H表示矩阵的共轭转置。

(3)选择最优波束成形矩阵

3a)在分辨率最低的码本中选择最优波束成形矩阵：接收机处理器按照最小均方误差准则，使用步骤2c)中奇异值分解得到的酉矩阵在步骤1a)中得到的码本分辨率最低的码本中搜索最优波束成形矩阵；

3b)判断所选矩阵是否满足要求：如果所选最优波束成形矩阵产生的均方误差小于等于通信系统的失配误差，接收机寄存器记录这个波束成形矩阵的码本索引号和码字索引号，完成最优波束成形矩阵的选择；如果所选最优波束成形矩阵产生的均方误差大于通信系统的失配误差，执行步骤3c)；

3c)判断码本分辨率是否已经最大：如果当前所使用码本的分辨率不是码本集合中分辨率最高的，接收机处理器将当前码本切换为分辨率高一级的码本，按照最小均方误差准则使用步骤2c)中奇异值分解得到的酉矩阵搜索最优波束成形矩阵，返回执行步骤3b)；如果当前所使用码本的分辨率已经是码本集合中分辨率最高的，接收机寄存器记录当前所选最优波束成形矩阵的码本索引号和码字索引号，完成最优波束成形矩阵的选择。

(4)反馈信道信息：接收机将选择出的最优波束成形矩阵的码本索引号和码字索引号反馈到发射端。

(5)波束成形

5a)搜索波束成形矩阵：发射机信号处理器按照接收端反馈的码本索引号和码字索引号，在发射机寄存器的码本集合中搜索出对应的码本和对应的码字，将所选码字作为波束成形矩阵；

5b)波束成形：发射机使用5a)中搜索出的波束成形矩阵左乘发射信号获得加权信号，天线发射加权后的发射信号，完成波束成形。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明使用的码本集合是由分辨率按从低到高顺序递增的码本所组成的，克服了现有技术存在的固定低分辨率的格拉斯曼空间装箱方法码本容量固定无法应对信道场景变化的不足，具有对不同的信道场景自适应性较强的优点，最大可能的实现了信道适配。

第二，由于本发明首先在分辨率较低的码本中搜索最优波束成形矩阵，其次在分辨率较高的码本中搜索最优波束成形矩阵，克服了现有技术存在的固定高分辨率的格拉斯曼空间装箱方法反馈数据量过大导致协作通信系统反向信道利用率较低的不足，具有平均反馈数据量大大减小的优点，提高了协作通信系统反向信道的频谱利用率。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的协作通信波束成形场景示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明做进一步的描述。

在图2所示的协作通信波束成形场景中，本发明完成协作通信波束成形的过程如图1所示，其实现的步骤如下：

步骤(1)存储码本集合

1a)确定码本数目。通信系统数据中心处理器根据通信系统平均反馈比特数的限制，按照下列公式计算多分辨率的格拉斯曼空间装箱方法最大允许使用的码本数目：

${\log }_{2}L+\underset{k=0}{\overset{L-1}{\Sigma }}{\log }_2\left(2^{k}m\right)\le B$

其中，L为码本集合中码本的数目，∑(·)表示累加和，k为计数因子(0≤k≤L-1)，m为分辨率最低的码本中的元素个数，表示向上取整，N_T为发射端发射天线数与中继节点的发射天线数之和，B为通信系统限制的最大平均反馈比特数；

1b)选择码本。通信系统数据中心处理器在维度为G(N_T，N_T)的格拉斯曼空间装箱结果中选择L个分辨率按从低到高顺序递增的码本，G(·，·)表示格拉斯曼空间装箱结果的维度，N_T为发射端发射天线数与中继节点的发射天线数之和，选择出的L个码本组成通信系统的码本集合，码本中包含的码字个数按分辨率从低到高分别为2^km(k＝0，1，…L-1)，m为分辨率最低的码本中的元素个数，码字为矩阵形式，用以进行波束成形，码字的维度为N_T×N_T；

1c)存储码本：通信系统将选择好的码本集合分别存储在发射端和接收端的寄存器中。

步骤(2)信道分解

2a)发射训练序列。发射端向中继节点和接收端发射训练序列，中继节点信号处理器将接收到的训练序列采用放大转发的方式转发给接收端，中继节点放大器的放大增益为A；

2b)信道估计。本发明的实施例采用了基于训练序列的信道估计，基于训练序列的信道估计适用于突发传输方式的系统，通过发送已知的训练序列，在接收端进行初始的信道估计，当发送有用的信息数据时，利用初始的信道估计结果进行一个判决更新，完成实时的信道估计。本发明实施例由于采用基于训练序列的信道估计技术，虽然频谱利用率较低，但是时延性能更好。

中继节点的信道估计器根据接收到的训练序列估计出发射端到中继节点的信道矩阵，将信道矩阵的信息转发到接收端，接收端信道估计器根据接收到的训练序列分别估计出发射端到接收端的信道矩阵和中继节点到接收端的信道矩阵，对三个信道矩阵按照下列公式进行合并处理得到发射端到接收端的等效信道矩阵：

H＝[AH₂H₁ H₀]

其中，H为发射端到接收端的等效信道矩阵，A为中继节点放大器的放大增益，H₂为中继节点到接收端的信道矩阵，H₁为发射端到中继节点的信道矩阵，H₀为发射端到接收端的直达信道矩阵。

2c)信道分解。接收机信号处理器按照下列公式对估计得到的等效信道矩阵H进行奇异值分解：

H＝UDV^H

其中，H为接收机估计得到的等效信道矩阵，U和V为信号处理器进行奇异值分解得到的酉矩阵，D为信号处理器分解得到的对角阵，[·]^H表示矩阵的共轭转置。

步骤(3)选择最优波束成形矩阵

3a)在分辨率最低的码本中选择最优波束成形矩阵。接收机处理器使用步骤2c)中奇异值分解得到的酉矩阵，在步骤1a)中得到的码本分辨率最低的码本F₁中按照下列公式搜索最优波束成形矩阵W_opt：

$W_{\mathrm{opt}}=\arg \underset{W\in F_1}{\min }{\left|\right|U^H\mathrm{HV}-U^H\mathrm{HW}\left|\right|}^2$

其中，W_opt为搜索得到的最优波束成形矩阵，arg min(·)表示根据自变量的变化取最小值，F₁为分辨率最低的码本，W为最优波束成形矩阵搜索引资，U和V为步骤2c)中得到的酉矩阵，H为步骤2b)中得到的等效信道矩阵，||·||²表示对矩阵的模求平方值。

3b)判断所选矩阵是否满足要求。接收机信号处理器按照下列公式判断当前所选的最优波束成形矩阵产生的均方误差是否小于等于通信系统的失配误差：

$\frac{{\left|\right|U^H\mathrm{HV}-U^{H}H{W}_{\mathrm{opt}}\left|\right|}^2}{{\left|\right|H\left|\right|}^2}\le \delta$

其中，U和V为步骤2c)中得到的酉矩阵，H为步骤2b)中得到的等效信道矩阵，W_opt为搜索得到的最优波束成形矩阵，||·||²表示对矩阵的模求平方值，δ为通信系统所能容忍的最大失配误差。

如果W_opt产生的均方误差小于等于通信系统的最大失配误差，接收机寄存器记录W_opt的码本索引号和码字索引号，完成最优波束成形矩阵的选择；如果W_opt产生的均方误差大于通信系统的最大失配误差，执行步骤3c)；

3c)判断码本分辨率是否已经最大。接收端信号处理器将当前使用码本与码本集合中所有码本比较，判断当前使用码本的分辨率是不是码本集合中分辨率最高的。如果当前所使用码本的分辨率不是码本集合中分辨率最高的，接收机处理器将当前码本切换为分辨率高一级的码本，按照步骤3a)中的搜索方法搜索最优波束成形矩阵，返回执行步骤3b)；如果当前所使用码本的分辨率已经是码本集合中分辨率最高的，接收机寄存器记录当前所选最优波束成形矩阵的码本索引号和码字索引号，完成最优波束成形矩阵的选择。

步骤(4)反馈信道信息。接收机将选择出的最优波束成形矩阵W_opt的码本索引号和码字索引号反馈到发射端。

步骤(5)波束成形

5a)搜索波束成形矩阵。发射机信号处理器按照接收端反馈的码本索引号和码字索引号，在发射机寄存器的码本集合中搜索出对应的码本和对应的码字，将所选码字作为波束成形矩阵。

5b)波束成形。发射机使用5a)中搜索出的波束成形矩阵左乘发射信号获得加权信号，天线发射加权后的发射信号，完成波束成形。