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1、10申请公布号CN104184555A43申请公布日20141203CN104184555A21申请号201410445738922申请日20140903H04L1/00200601H04B7/0620060171申请人西安电子科技大学地址710071陕西省西安市太白南路二号72发明人王伟李勇朝马克刘灿井文文张海林74专利代理机构北京世誉鑫诚专利代理事务所普通合伙11368代理人郭官厚54发明名称一种适用于3DMIMO系统的基于双码本的预编码方法57摘要本发明公开了一种适用于3DMIMO系统的基于双码本的预编码方法，其特征在于，在充分考虑实际信道空间特性的前提下，分别在垂直方向和水平方向上进行。
2、了两次预编码设计，由于垂直方向上信道相关性较大，因此垂直方向上采用了DFT码本，由于水平方向上格拉斯曼码本性能更好，因此水平方向上采用了格拉斯曼预编码方案，即DFT码本和格拉斯曼码本联合形成了本发明的预编码方法。本发明的有益之处在于本发明的DFT码本和格拉斯曼码本联合所形成的双码本预编码方法与传统的预编码方案相比，极大地提高了用户的信号性能，有效降低了系统的误比特率。51INTCL权利要求书2页说明书7页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书7页附图2页10申请公布号CN104184555ACN104184555A1/2页21一种适用于3DMIMO系统的基。
3、于双码本的预编码方法，其特征在于，包括以下步骤1假设基站端天线阵列行数为NT，每一根天线上的阵元数为NV，接收端天线数为NR，则获得信道矩阵H的维度NRNTNV，所述基站端采用平面阵列结构，天线阵子在水平和垂直方向上的距离能够调整；2接收端接收到信号后，对信道矩阵H进行估计，从而得到大小为NRNTNV的信道矩阵，假设基站端第I根发射天线与接收天线间子信道矩阵为HI，子信道矩阵HI的大小为NRNV，则将信道矩阵H重写为3在垂直方向上，信道采用空间相关性较大的DFT码本，所述DFT码本的形式如下其中，N表示DFT码本的列数，所述DFT码本的大小为LOG2NBITS；根据DFT码本对每个子信道矩阵H。
4、I进行最佳码字选择，选取DFT码本中的某一列VI为最佳码字，当对所有子信道矩阵完成码字选择后，得到预编码矩阵WV所述预编码矩阵WV在垂直方向上的大小为NTNVNT；此时，等效信道HEQUALHWV，将等效信道HEQUAL视作水平信道；4在水平方向上，采用空间相关性较小的格拉斯曼码本，根据格拉斯曼码本对等效信道HEQUAL进行最佳码字选择，得到水平预编码矩阵WH；5接收端分别将选取的垂直方向上的预编码矩阵WV和水平方向上的预编码矩阵WH所对应的索引反馈给基站端，基站端根据索引选择出对应的垂直方向上的预编码矩阵WV和水平方向上的预编码矩阵WH形成双码本，基站端获得三维预编码矩阵WCODEBOOKW。
5、CODEBOOKWVWH；6基站根据三维预编码矩阵WCODEBOOK对发送信号进行预编码处理，形成三维波束并将处理后的发送信号发射到接收端，接收端接收到信号后，返回到步骤2，若信号发送完成，则通信成功完成。2根据权利要求1所述的适用于3DMIMO系统的基于双码本的预编码方法，其特征在于，在步骤3中，得到预编码矩阵WV的过程为遍历步骤2中信道矩阵H里的每一个子信道矩阵HI，根据以下准则选取DFT码本的列权利要求书CN104184555A2/2页3其中，VM为DFT码本CODEBOOK中的第M列，VMH表示对矩阵VM进行共轭转置操作，HIH表示对矩阵HI进行共轭转置操作，随后，通过加0操作将垂直方。
6、向上的预编码矩阵WV的原维度NTNV扩展为NTNVNT。3根据权利要求1或2所述的适用于3DMIMO系统的基于双码本的预编码方法，其特征在于，在步骤4中，得到水平预编码矩阵WH的过程为遍历规定反馈比特数M下的格拉斯曼码本CODEBOOKH，对步骤3中得到的等效信道矩阵HEQUAL按照吞吐量最大准则或者最小奇异值准则选取预编码矩阵WH。4根据权利要求3所述的适用于3DMIMO系统的基于双码本的预编码方法，其特征在于，在步骤4中，得到水平预编码矩阵WH的过程为WMHEQUALCM，CMCODEBOOKHWMUMSMVMH其中，CM为格拉斯曼码本中的每M个码字，对于吞吐量最大准则DMTRACESMH。
7、SM其中，TRACESMHSM表示矩阵SMHSM的迹；对于最小奇异值准则DM为矩阵SM中的最小非零元素，根据以下方法选择最佳码字序号从而得到水平预编码矩阵WHWHCI,CICODEBOOKH。权利要求书CN104184555A1/7页4一种适用于3DMIMO系统的基于双码本的预编码方法技术领域0001本发明涉及一种预编码方法，具体涉及一种适用于3DMIMO系统的基于双码本的预编码方法，属于无线通信技术领域。背景技术0002传统的预编码技术只是对水平方向上进行波束调整。随着终端数目的增多，用户数据业务的扩张，需求服务的用户也逐渐增多，因此用户间的干扰越来越严重，尤其是处于小区边缘的用户。同样，随。
8、着城市的发展和建筑物的密集，楼层越来越高，传统的二维预编码技术的缺点被放大，无法满足上述不断变化着的技术。00033DMIMOTHREEDIMENSIONMULTIUPLEINPUTMULTIPLEOUTPUT，三维多输入多输出系统及其相关技术是近年来通信行业所密切关注和研究的方向之一。3DMIMO系统可以利用空间的富余，为发送信号带来垂直方向上自由度，可以减少用户间的干扰，提升系统容量，改善小区边缘用户的信号质量。在目前MIMO系统里的预编码技术已经相对成熟，然而，并没有为3DMIMO系统中的空间天线阵列而设计的3D预编码码本。因此，研究针对3DMIMO系统的特性而设计的预编码码本很有必要。。
9、0004目前，已经有一部分学者针对该问题提出了一些解决方案，例如0005文献1EXPLORINGTHEVERTICALDIMENSIONOFDYNAMICBEAMSTEERING采用固定下倾角方案。固定下倾角主要是通过对某特定大小通信系统如小区数、用户数、小区半径已实现固定，使用一组组中固定下倾角的数量大于等于2不同的固定下倾角来调试，得出经验性结论。设定一个NEARDT和FARDT来对固定的通信系统进行调试，具有较多的缺陷和不足不能动态的对准用户，不能使SNR及干扰最优。0006文献2TRANSPARENTUSERSPECIFIC3DMIMOINFDDUSINGBEAMSPACEMETHOD。
10、S在不改变基站天线的阵因子，并且对用户终端不做任何改变的情况下，对基站天线阵元进行独立和自适应的调整，垂直维度实现主瓣方向的灵活调整。预编码反馈方式还是采用传统的2DMIMO方式来进行的。0007文献3DYNAMICBEAMFORMINGFORTHREEDIMENSIONALMIMOTECHNIQUEINLTEADVANCEDNETWORKS偏向于对信道进行划分，将信号划分为水平信道和垂直信道后做两次预编码。但是没有考虑反馈。发明内容0008为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于3DMIMO系统的、能够极大的提高用户的信号性能、有效降低3DMIMO系统的误比特率的、基于双码本的预。
11、编码方法。0009为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案0010一种适用于3DMIMO系统的基于双码本的预编码方法，其特征在于，包括以下步骤说明书CN104184555A2/7页500111假设基站端天线阵列行数为NT，每一根天线上的阵元数为NV，接收端天线数为NR，则获得信道矩阵H的维度NRNTNV，前述基站端采用平面阵列结构，天线阵子在水平和垂直方向上的距离能够调整；00122接收端接收到信号后，对信道矩阵H进行估计，从而得到大小为NRNTNV的信道矩阵，假设基站端第I根发射天线与接收天线间子信道矩阵为HI，子信道矩阵HI的大小为NRNV，则将信道矩阵H重写为001300143在垂直方。
12、向上，信道采用空间相关性较大的DFT码本，前述DFT码本的形式如下00150016其中，N表示DFT码本的列数，前述DFT码本的大小为LOG2NBITS；0017根据DFT码本对每个子信道矩阵HI进行最佳码字选择，选取DFT码本中的某一列VI为最佳码字，当对所有子信道矩阵完成码字选择后，得到预编码矩阵WV00180019前述预编码矩阵WV在垂直方向上的大小为NTNVNT；0020此时，等效信道HEQUALHWV，将等效信道HEQUAL视作水平信道；00214在水平方向上，采用空间相关性较小的格拉斯曼码本，根据格拉斯曼码本对等效信道HEQUAL进行最佳码字选择，得到水平预编码矩阵WH；00225。
13、接收端分别将选取的垂直方向上的预编码矩阵WV和水平方向上的预编码矩阵WH所对应的索引反馈给基站端，基站端根据索引选择出对应的垂直方向上的预编码矩阵WV和水平方向上的预编码矩阵WH形成双码本，基站端获得三维预编码矩阵WCODEBOOK0023WCODEBOOKWVWH；00246基站根据三维预编码矩阵WCODEBOOK对发送信号进行预编码处理，形成三维波束并将处理后的发送信号发射到接收端，接收端接收到信号后，返回到步骤2，若信号发送完成，则通信成功完成。0025前述的适用于3DMIMO系统的基于双码本的预编码方法，其特征在于，在步骤3中，得到预编码矩阵WV的过程为说明书CN104184555A3。
14、/7页60026遍历步骤2中信道矩阵H里的每一个子信道矩阵HI，根据以下准则选取DFT码本的列00270028其中，VM为DFT码本CODEBOOK中的第M列，0029VMH表示对矩阵VM进行共轭转置操作，0030HIH表示对矩阵HI进行共轭转置操作，0031随后，通过加0操作将垂直方向上的预编码矩阵WV的原维度NTNV扩展为NTNVNT。0032前述的适用于3DMIMO系统的基于双码本的预编码方法，其特征在于，在步骤4中，得到水平预编码矩阵WH的过程为0033遍历规定反馈比特数M下的格拉斯曼码本CODEBOOKH，对步骤3中得到的等效信道矩阵HEQUAL按照吞吐量最大准则或者最小奇异值准则选。
15、取预编码矩阵WH。0034前述的适用于3DMIMO系统的基于双码本的预编码方法，其特征在于，在步骤4中，得到水平预编码矩阵WH的过程为0035WMHEQUALCM，CMCODEBOOKH0036WMUMSMVMH0037其中，CM为格拉斯曼码本中的每M个码字，0038对于吞吐量最大准则0039DMTRACESMHSM0040其中，TRACESMHSM表示矩阵SMHSM的迹；0041对于最小奇异值准则0042DM为矩阵SM中的最小非零元素，根据以下方法选择最佳码字序号00430044从而得到水平预编码矩阵WH0045WHCI,CICODEBOOKH。0046本发明的有益之处在于在充分考虑实际信道。
16、空间特性的前提下，分别在垂直方向和水平方向上进行了两次预编码设计，由于垂直方向上信道相关性较大，因此垂直方向上采用了DFT码本，由于水平方向上格拉斯曼码本性能更好，因此水平方向上采用了格拉斯曼预编码方案，本发明的DFT码本和格拉斯曼码本联合所形成的双码本预编码方法与传统的预编码方案相比，极大地提高了用户的信号性能，有效降低了系统的误比特率。附图说明0047图1是本发明的预编码方法的主要流程图；0048图2是产生双码本的流程图；0049图3是本发明的方法与传统预编码方法在单流下的性能对比图；0050图4是本发明的方法与传统预编码方法在双流下的性能对比图。说明书CN104184555A4/7页7具。
17、体实施方式0051本发明的预编码方法，其在充分考虑实际信道空间特性的前提下，分别在垂直方向和水平方向上进行了两次预编码设计，由于垂直方向上信道相关性较大，因此垂直方向上采用DFT码本，由于水平方向上格拉斯曼码本性能更好，因此水平方向上采用格拉斯曼预编码方案，DFT码本和格拉斯曼码本联合形成了本发明的预编码方法。0052本发明的预编码方法是基于双码本形成的，适用于3DMIMO系统。在本方法所适用的3DMIMO系统场景中，基站采用的是有源天线阵列系统，天线阵列为均匀平面阵，即天线是2D摆放，水平和垂直间距能够动态调整。0053以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。0054参照图1和图2，本。
18、发明的适用于3DMIMO系统的基于双码本的预编码方法包括以下步骤00551、假设基站端天线阵列行数为NT，每一根天线上的阵元数为NV，接收端天线数为NR，则获得信道矩阵H的维度NRNTNV。0056在本实施例中，基站端采用44天线阵列，接收端两根天线，即NR2。00572、接收端接收到信号后，对信道矩阵H进行估计，从而得到大小为NRNTNV的三维信道矩阵，假设基站端第I根发射天线与接收天线间子信道矩阵为HI，子信道矩阵HI的大小为NRNV，则将信道矩阵H重写为005800593、由于信道在垂直方向具有较大的空间相关性，因此，在垂直方向上信道采用空间相关性较大的DFT码本，该DFT码本的形式如下。
19、00600061其中，N表示DFT码本的列数，DFT码本的大小为LOG2NBITS。0062根据DFT码本对每个子信道矩阵HI进行最佳码字选择，选取DFT码本中的某一列VI为最佳码字，当对所有子信道矩阵完成码字选择后，得到预编码矩阵WV00630064其中，预编码矩阵WV在垂直方向上的大小为NTNVNT。0065在本实施例中，得到预编码矩阵WV的详细过程为说明书CN104184555A5/7页80066遍历步骤2中信道矩阵H里的每一个子信道矩阵HI，根据以下准则选取DFT码本的列00670068其中，VM为DFT码本CODEBOOK中的第M列，0069VMH表示对矩阵VM进行共轭转置操作，00。
20、70HIH表示对矩阵HI进行共轭转置操作，0071随后，通过加0操作将垂直方向上的预编码矩阵WV的原维度NTNV扩展为NTNVNT。0072经过上述垂直预编码后，信道已经等效为二维的MIMO信道。此时等效信道HEQUALHWV，预编码矩阵WV由DFT码本变换而来，等效信道HEQUAL等效为天线阵列行数为NT、接收端天线数为NR的2D环境下的MIMO信道，等效信道HEQUAL可视作水平信道。00734、由于信道在水平方向上的空间相关性较小，因此，在水平方向上采用空间相关性较小的格拉斯曼码本，格拉斯曼码本即利用格拉斯曼空间装箱原理准则而设计的码本，然后根据格拉斯曼码本对等效信道HEQUAL进行最佳。
21、码字选择，得到水平预编码矩阵WH。0074在本实施例中，得到水平预编码矩阵WH的过程为0075遍历规定反馈比特数M下的格拉斯曼码本CODEBOOKH，对步骤3中得到的等效信道矩阵HEQUAL按照吞吐量最大准则或者最小奇异值准则选取预编码矩阵WH。0076得到水平预编码矩阵WH的更详细的过程为0077WMHEQUALCM，CMCODEBOOKH0078WMUMSMVMH0079其中，CM为格拉斯曼码本中的每M个码字，0080对于吞吐量最大准则0081DMTRACESMHSM0082其中，TRACESMHSM表示矩阵SMHSM的迹；0083对于最小奇异值准则0084DM为矩阵SM中的最小非零元素，。
22、根据以下方法选择最佳码字序号00850086从而得到水平预编码矩阵WH0087WHCI,CICODEBOOKH。00885、接收端分别将选取的垂直方向上的预编码矩阵WV和水平方向上的预编码矩阵WH所对应的索引反馈给基站端，基站端根据索引选择出对应的垂直方向上的预编码矩阵WV和水平方向上的预编码矩阵WH形成双码本，基站端获得三维预编码矩阵WCODEBOOK0089WCODEBOOKWVWH。00906、基站根据三维预编码矩阵WCODEBOOK对发送信号进行预编码处理，形成三维波束并将处理后的发送信号发射到接收端，假设经过调制的发送信号为S，则接收信号为0091YHWDOUBLECODEBOOKS。
23、N0092接收端接收到信号后，返回到步骤2，若信号发送完成，则通信成功完成。说明书CN104184555A6/7页90093本发明的双码本预编码方法由DFT码本和格拉斯曼码本联合所形成，与传统的预编码方案相比，极大地提高了用户的信号性能，有效降低了系统的误比特率。本发明的方法所带来的有益效果可以通过以下仿真和分析来进一步进行说明。0094具体的仿真参数配置见表1。0095表1仿真参数配置表0096信道类型WIM3D小区半径200MBS、MS最大最小距离10M，100M基站天线间距水平05波长，垂直05波长发送天线数44接收端天线数20097仿真中基站端所使用的有源天线阵列系统，其天线方向图参照。
24、3GPPTR37840如下00981水平方向上00990100其中，为水平3DB波束宽度，大小为为水平发射角，AM30DB；01012垂直方向上01020103其中，3DB为垂直3DB波束宽度，大小为3DB65O，为垂直发射角，SLAV30DB。0104最终的3D天线方向图为01050106基站端发送数据采用4QAM的调制方式，仿真中进行本发明所提出的基于双码本的预编码方法与现有的预编码方法的性能比较。即在同样的系统参数配置中表1，分别仿真两种预编码方案下的误比特率曲线。0107图3为在单流环境下，本发明所提的预编码方法与传统的预编码方法以及单流下单用户性能最优的SVD方法的误比率性能比较图。。
25、0108图4为在双流环境下，本发明所提出的预编码方法与传统的预编码方法的误比特率性能比较图。0109由图3和图4可以看出，在同样的反馈比特数下，与现有的预编码方法相比，本发明所提出双码本预编码方法给系统带来了极大的性能改善。0110综上所述，本发明所提出的基于双码本的预编码方法充分利用了信道信息，增加了垂直维度的预编码处理，使得天线主瓣更好地对准用户，不仅有效提高了用户的信号性能，而且显著降低了系统的误比特率。说明书CN104184555A7/7页100111需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。说明书CN104184555A101/2页11图1图2说明书附图CN104184555A112/2页12图3图4说明书附图CN104184555A12。