基于DFT碼本的預(yù)編碼

1、題目：基于DFT碼本的預(yù)編碼 學(xué) 院 ：通信工程學(xué)院 專 業(yè) ：電子與通信工程 姓 名 ：李小瑜 學(xué) 號(hào) ：1501120442基于DFT碼本的預(yù)編碼基于DFT碼本的預(yù)編碼摘 要 本文主要研究了在預(yù)編碼技術(shù)中，針對(duì)反饋開銷十分昂貴，為了節(jié)約成本采用基于DFT碼本選擇的預(yù)編碼，并對(duì)預(yù)編碼過程進(jìn)行了性能仿真。仿真結(jié)果表明，在4×2天線模式下基于DFT碼本的預(yù)編碼簡(jiǎn)單實(shí)用，并且隨著不同反饋比特?cái)?shù)的增加，基于DFT碼本的預(yù)編碼技術(shù)的系統(tǒng)性能隨之增加。關(guān)鍵詞 預(yù)編碼 DFT 碼本選擇1. 引言 隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信中對(duì)吞吐量和頻譜效率要求的不斷提高，對(duì)于基于多天線的多輸入多輸出的MIMO技術(shù)的研究

2、不斷深入。而在多用戶MIMO系統(tǒng)中，存在的主要問題就是各個(gè)用戶之間存在干擾。預(yù)編碼技術(shù)的提出則有效的抑制了MIMO信道中的多用戶干擾，不僅如此預(yù)編碼技術(shù)在MIMO系統(tǒng)中能顯著提升信道容量，并大大降低接收機(jī)的復(fù)雜度，成為當(dāng)前的研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。 預(yù)編碼技術(shù)就是在已知信道狀態(tài)信息（CSI）的情況下,在發(fā)射端調(diào)整發(fā)射策略，接收端進(jìn)行均衡，從而提高M(jìn)IMO系統(tǒng)的性能。在多用戶MIMO下行鏈路中，各個(gè)用戶之間無法相互協(xié)作，不能利用上行鏈路的聯(lián)合檢測(cè)來恢復(fù)發(fā)射信號(hào)，因此預(yù)編碼是多用戶MIMO下行鏈路獲得復(fù)用增益和分集增益的關(guān)鍵。 預(yù)編碼技術(shù)可以分為基于碼本的預(yù)編碼方式和基于非碼本的預(yù)編碼方式。基于碼本的

3、預(yù)編碼方法要求發(fā)送端和接收端共享一套碼本集合，然后根據(jù)具體的信狀況從一個(gè)確定的矩陣集合中選取一個(gè)使系統(tǒng)性能最優(yōu)的矩陣，再將矩陣在碼本集合中的序號(hào)反饋給發(fā)送端。這樣的編碼方案是針對(duì)反饋信道十分昂貴的開銷提出的，并且反饋信道所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，只需要幾個(gè)比特的大小，大大節(jié)約了成本。而基于非碼本的預(yù)編碼是在發(fā)送端已知信道信息狀態(tài)的情況下，對(duì)信道信息矩陣H進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆纸猓M(jìn)而得到相應(yīng)的發(fā)射端預(yù)編碼矩陣、接收端均衡矩陣和將MIMO信道變換成若干個(gè)獨(dú)立子信道的等效信道矩陣.2.基本原理2.1預(yù)編碼基本原理預(yù)編碼技術(shù)是在發(fā)射端已知或可以獲得信道狀態(tài)信息的情況下，利用信道狀態(tài)信息對(duì)待發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理的技術(shù)

4、，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的吞吐量。預(yù)編碼可以表述為：其中，X為發(fā)射信號(hào)向量，W為預(yù)編碼矩陣，R為接收向量，H為空間信道矩陣，n為噪聲向量，H為經(jīng)過預(yù)編碼之后的等效空間信道矩陣。預(yù)編碼技術(shù)要求將信道劃分為N個(gè)互不影響的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由M個(gè)比特組成的索引值來表示，并且為每個(gè)信道區(qū)域確定一個(gè)合適的發(fā)射模式。2.2基于碼本選擇的預(yù)編碼 預(yù)編碼技術(shù)一般是要通過反饋在接收端獲得完整或部分的信道信息狀態(tài)，每次通過反饋有限個(gè)比特的數(shù)據(jù)信息來傳遞更多有效的信息數(shù)據(jù)。為了使反饋資源充分利用，預(yù)編碼技術(shù)采用基于碼本與非碼本的設(shè)方法。目前常見的基于非碼本的預(yù)編碼方式有：基于線性接收機(jī)的SVD(奇異值分解)算法、基于ZF-

5、SIC（破零串行干擾消除）接收機(jī)的GMD(幾何均值分解)算法、改進(jìn)的UCD(統(tǒng)一信道分解)算法。但是由于反饋信道的開銷十分昂貴，本文主要研究的是基于碼本的預(yù)編碼。常用的基于碼本設(shè)計(jì)方式有基于Household變換、基于DFT矩陣以及直接量化等方式?；诖a本的預(yù)編碼就是在接收端和發(fā)送端都共享一個(gè)已知碼本集合，碼本集合包含多個(gè)預(yù)編碼矩陣，接收端根據(jù)信道估計(jì)的信道矩陣以某一性能目標(biāo)在碼本集合中選擇使系統(tǒng)性能最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣，再將碼本序號(hào)反饋給發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)序號(hào)選擇預(yù)編碼矩陣進(jìn)行預(yù)編碼。由于反饋信息只需要碼本序號(hào)，大大減少了反饋量，節(jié)約了帶寬。預(yù)編碼數(shù)據(jù)流信道碼本選擇信道估計(jì)碼本序號(hào)均衡 圖2-1

6、 基于碼本選擇的預(yù)編碼的系統(tǒng)流程框圖3. 基于DFT陣的碼本設(shè)計(jì)基于DFT矩陣的碼本實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單易行，故本文采用的基于碼本的預(yù)編碼選擇的是DFT陣。 若發(fā)送天線數(shù)目為M，U為預(yù)編碼矩陣，um-1為矩陣U的第m個(gè)預(yù)編碼向量。預(yù)編碼矩陣構(gòu)造如下：, 因?yàn)槊總€(gè)預(yù)編碼向量類似于DFT結(jié)構(gòu)，所以稱為DFT碼本算法。如果M=2，則預(yù)編碼矩陣為：如果M=4，則預(yù)編碼矩陣為：根據(jù)上面構(gòu)造的碼本和秩的自適應(yīng)可以構(gòu)造出基DFT的碼本，其原則是根據(jù)秩的大小選取碼本中的子集。一般來講,基于DFT矩陣構(gòu)造的碼本都是以上述矩陣為基礎(chǔ)乘以權(quán)值進(jìn)行的。由于上述的DF碼本在滿秩的情況下，其預(yù)編碼矩陣只有一個(gè)，進(jìn)一步改進(jìn)上述的D

7、FT預(yù)編碼矩陣 。若U(0) U(G-1)為預(yù)編碼矩陣集，其中為第g個(gè)預(yù)編碼矩陣，u(g)m-1為矩陣U(g)的第m個(gè)預(yù)編碼向量。其定義為： 其中 ；其中G的大小決定滿秩情況下的碼本大小。比如，當(dāng)發(fā)送天線M=2，G=2時(shí)，其預(yù)編碼碼本大小為2，碼本包括如下兩個(gè)預(yù)編碼矩陣，即：，當(dāng)M=4，G=2時(shí)，碼本將包含如下兩個(gè)預(yù)編碼，即：，4性能仿真及分析 本文主要是針對(duì)基于DFT選擇碼本的預(yù)編碼過程進(jìn)行了仿真分析，在這樣預(yù)編碼中，反饋信道所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，一般只有幾個(gè)比特的大小，大大節(jié)約了資源。圖3-1分別仿真了反饋信道為2比特、4比特和7比特的系統(tǒng)性能，以4為發(fā)射天線，2為接收天線，數(shù)據(jù)經(jīng)過層映射

8、后分為2層數(shù)據(jù)流，經(jīng)過預(yù)編碼處理后，由4根發(fā)射天線發(fā)射。接收端天線進(jìn)行信道估計(jì)后進(jìn)行DFT預(yù)編碼碼本的選擇，最后將反饋結(jié)果發(fā)給發(fā)送端。仿真過程是以QPSK調(diào)制，接收端采用MMSE均衡算法，以平坦瑞利衰落信道為模型進(jìn)行的。從圖2-1中可以看出隨著反饋比特?cái)?shù)的增加，基于DFT碼本的預(yù)編碼技術(shù)的系統(tǒng)性能也隨之增加。 圖4-1 不同反饋比特對(duì)基于DFT碼本預(yù)編碼的系統(tǒng)性能的影響5. 結(jié)束語 本文主要針對(duì)預(yù)編碼技術(shù)中的基于DFT碼本選擇的預(yù)編碼進(jìn)行了分析研究，并使用MATLAB仿真工具對(duì)其預(yù)編碼過程進(jìn)行了性能仿真。仿真結(jié)果表明，采用基于DFT碼本的預(yù)編碼技術(shù)的系統(tǒng)性能隨著其反饋比特?cái)?shù)的增加而增加，基于D

9、FT碼本的預(yù)編碼過程簡(jiǎn)單易行，反饋信道所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，只需要幾個(gè)比特的大小。參考文獻(xiàn)1 SAMPATH H,STOICAP,PAULRAJA,Ceneralized linear precoder and decoder design formimo channels using the weighted mmse criterion.IEEE Trans Commun,2001,49:21982206.2 S Parkvall, A Furuskar,E Dahlman.Evolution of LTE toward IMT-Advanced J.IEEE Communications

10、 Magazine,2011,49(2):84-91.3 劉峰.MIMO無線通信系統(tǒng)的預(yù)編碼技術(shù)D. 上海: 上海交通大學(xué)，2009.4 戴繼生. 線性MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼技術(shù)的研究D. 合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.5 Texas Instruments.Codebook Design for E-UTRA MIMO Pre-codingJ.3GPP TSG RAN WG1 46bis,Seoul,Korea,2006.6 Jr R W Heath,S Sandhu,A Paulraj. Antenna selection for soatial multiplexing systems

11、 with linear receivers J. Communications Letters,IEEE,2001,5(4): 142-144.7 Yuan X J,Guo Q H,Wang X D,et al.Evolution analysis of low-cost iterative equalization in coded linear systems with cyclic pre-fixes. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2008,26(2):301310 8 M Joham,W Utschick, J A

12、 Nossek.Linear transmit processing in MIMO communications systemsJ.Signal Processing,IEEE Transactions on,2005,53(8):2700-2712.附錄：仿真代碼如下：clc;clear all;GG=128; %產(chǎn)生128個(gè)DFT碼本for m=1:4 for n=1:2 for g=1:GG W3(m,n,g)=exp(i*2*pi*(m-1)*(n-1)+(g-1)/GG)/4)/2; end endendW3load;L=1000;X=rand(1,L);for i=1:L if

13、X(i)<0.5 X(i)=0; else X(i)=1; endend %隨機(jī)生成1000個(gè)信源序列x=QPSK(X); %QPSK調(diào)制 s=layer(x,2); %信號(hào)分層for G=1:100 %循環(huán)100次 G H=(randn(2,4)+j*randn(2,4)/sqrt(2); %隨機(jī)生成復(fù)高斯分布的信道特性矩陣 %DFT碼本反饋2bit m=1;for SN=-6:2:14 error=0; N=1/10(SN/10); n=sqrt(N)*(randn(2,L/4)+j*randn(2,L/4)/sqrt(2); for i=1:4 M=H*W3(:,:,i); U1,

14、S1,V1=svd(M); D1=diag(S1); d1(i)=D1(2); end t1,A=max(d1); F=W3(:,:,A); y1=H*F*s+n; K=H*F; y2=(K'*K+N*eye(2)K'*y1; y=reshape(y2,1,L/2); Y=QPSKJT(y); for i=1:L if Y(i)=X(i) error=error+1; end end Pe_svd4(G,m)=error/L; m=m+1; SNend%DFT碼本反饋4bit m=1;for SN=-6:2:14 error=0; N=1/10(SN/10); n=sqrt(N

15、)*(randn(2,L/4)+j*randn(2,L/4)/sqrt(2); for i=1:16 M=H*W3(:,:,i); U2,S2,V2=svd(M); D2=diag(S2); d2(i)=D2(2); end t2,B=max(d2); F=W3(:,:,B); y1=H*F*s+n; K=H*F; y2=(K'*K+N*eye(2)K'*y1; y=reshape(y2,1,L/2); Y=QPSKJT(y); for i=1:L if Y(i)=X(i) error=error+1; end end Pe_svd5(G,m)=error/L; m=m+1;

16、SNend%DFT碼本反饋7比特m=1;for SN=-6:2:14 error=0; N=1/10(SN/10); n=sqrt(N)*(randn(2,L/4)+j*randn(2,L/4)/sqrt(2); for i=1:128 M=H*W3(:,:,i); U3,S3,V3=svd(M); D3=diag(S3); d3(i)=D3(2); end t3,C=max(d3); F=W3(:,:,C); y1=H*F*s+n; K=H*F; y2=(K'*K+N*eye(2)K'*y1; y=reshape(y2,1,L/2); Y=QPSKJT(y); for i=1:L if Y(i)=X(i) error=error+1; end end Pe_svd6(G,m)=error/L; m=m+1; SNendend%求平均值m=1;for SN=-6:2:14 Pe_svd4_1(m)=mean(Pe_svd4(:,m); Pe_svd5_1(m)=mean(Pe_svd5(:,m); Pe_svd6_1(m)=mean(Pe_svd6(:,m); m=m+1; enda=-6:2:14%DFT碼本中反饋比特?cái)?shù)目