3GPP LTE系统的预编码码本选择方案 - 副本
２０１０年２月北京邮电大学学报
Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
Ｆｅｂ．２０１０Ｖ０１．３３Ｎｏ．１
第３３卷第１期ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ
文章编号：１００７－５３２１（２０１０）０１－００２３－０４
３ＧＰＰ
ＬＴＥ系统的预编码码本选择方案
林雪红，
牛凯，贺志强，林家儒
（北京邮电大学信息与通信１－程学院，北京１００８７６）
摘要：利用等效矩阵和树搜索方法，提出了第三代合作伙伴计划长期演进（３ＧＰＰＬＴＥ）系统中发射天线数为４的预编码码本选择方案．将１６组预编码码本等效为５组预编码码本，再通过树搜索找到最佳码本．与最优码本选择方案相比，本方案有效减少了码本选择数目，降低了计算复杂度．仿真结果表明，此方案性能非常接近最优码本选择
方案．
关键词：第三代合作伙伴计划长期演进；多输入多输出；预编码；码本中图分类号：ＴＮ９２９．５
文献标志码：Ａ
ＳｅｌｅｃｔｉｏｎＳｔｒａｔｅｇｙｏｆＣｏｄｅｂｏｏｋｆｏｒＰｒｅｃｏｄｉｎｇＢａｓｅｄ
ＬＩＮＸｕｅ－ｈｏｎｇ，
（Ｓｃｈｏｏｌｏｆ
Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ
ｏｎ
３ＧＰＰＬＴＥＳｙｓｔｅｍ
ＮＩＵＫａｉ，ＨＥＺｈｉ・ｑｉａｎｇ，ＬＩＮＪｉａ－ｒｕ
ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓ
ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｓｉｎｅｅｒｔｎｓ，ＢｅｉｊｉｎｇａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７６。Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍａｔｒｉｃｅａｎｄ
ａｎｔｅｎｎａ
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ｓｅａｒｃｈ，ｃｏｄｅｂｏｏｋ—ｂａｓｅｄｐｒｅｃｏｄｉｎｇｓｅｌｅｃｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙ
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Ｏ
引言
长期演进（ＬＴＥ）项目是第三代（３Ｇ）的长期演
通过下行信道与上行信道的互易性获得信道状态信息．针对接收端反馈信道状态信息提出的基于码本设计的有限反馈预编码技术…，指接收端根据估计的信道矩阵和一定的性能准则，选择码本中的１个码字作为发送端的预编码．
码本设计旧刮和码本选择¨１是有限反馈预编码的２个主要研究内容，在码本设计中，一般采用格拉斯曼尼子空间装箱原理（Ｇｒａｓｓｍａｎｎｉａｎ
ｓｕｂｓｐａｃｅ
进，要求提供比３Ｇ系统更高的频谱效率、传输速率和更低的传输时延．多输入多输出（ＭＩＭＯ）预编码技术通过在发送端对数据进行集中处理达到抑制或消除干扰、提高信道容量、降低接收端复杂度的目的，因此ＭＩＭＯ预编码技术已经成为ＬＴＥ系统的关键技术之一．
在频分双工系统中，发送端可通过接收端的反馈获得信道状态信息；在时分双工系统中，发送端可
收藕日期：２００９－０６－０１
ｐａｃｋｉｎｇ）和离散傅里叶变换（ＤＦＴ）等设计方法．在ＬＴＥ系统中，利用Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｅｒ矩阵是酉矩阵的特点，在发射天线数为４时，利用Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｅｒ变换矩
基金项目：国家高技术研究发展计划项目（２００９ＡＡ０１２２３３）；新一代宽带无线移动通信网科技重大专项项目（２００８ＺＸ０３００３－００５）作者简介：林雪红（１９７７一），女，讲师，Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｈｌｉｎ＠ｂｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．
北京邮电大学学报
第３３卷
阵得到６４个码本¨１．在码本选择中，要达到最优性能，采用遍历的方法计算每个码本的代价函数（如最大化最小特征值、最小化均方误差（ＭＳＥ）矩阵的迹、最小误码率、最大吞吐量等旧’６１）并选择其最优的码本作为预编码码本旧ｊ．
本文研究了ＬＴＥ系统发射天线数为４的预编码码本的选择方案．由于采用遍历的方法寻找最优码本计算复杂度太大，因此本文根据码本的特点提出了新的码本选择方案．将１６组预编码码本分成５组，然后通过树搜索找到最佳码本，其码本选择数和计算复杂度均减少一半左右．经３ＧＰＰＬＴＥ系统的仿真验证，本文方案性能非常接近最优码本选择．１
３ＧＰＰ
３ＧＰＰ
逆快速傅里叶变换（ＩＦＦＴ）和加循环前缀（ＣＰ）等过程，通过多个天线发射到信道传输．
卧肝
图１
３ＧＰＰ
层射
预
编码
子载波映射
ＬＴＥ下行链路发射端
假设层映射输出信号工经过发送端处理后，经过信道矩阵为日的信道传输，在接收端ＯＦＤＭ解调信号为
Ｙ＝ＨＷ．ｘ＋Ｎ
（１）
ＬＴＥ系统模型
式中，Ⅳ为高斯噪声；Ｗ。为发送端选择的预编码矩阵．
ＬＴＥ下行链路系统发射机系统框图如图
当发射天线数为４时，巩采用表１中Ｈｏｕｓｅ－
ｈｏｌｄｅｒ码本得到预编码矩阵，即
１所示．在发送端，输入端信息流分别经过信道编码、交织和调制后进行层映射，所得的多层的数据流通过预编码和子载波映射，然后对每层输出信号分别经过正交频分复用（ＯＦＤＭ）处理，即子载波映射、
表１
３ＧＰＰ
Ｗ．＝Ｉ－警
式中叫引表示从％选取集合｛ｓ｝中的列得到的矩阵．
ＬＴＥ中发射天线数为４的预编码码本‘５】
２码本选择
２．１码本选择准则
接收端获取信道信息后，从码本中选取最优的
萎萎器量笑篓墨茎薹盖蓦篓雾黧墨淼
择方案．
步骤１计算第ｉ层比特流、第Ｊ｝个子载波上分
第１期林雪红等：３ＧＰＰＬＴＥ系统的预编码码本选择方案
层空时码（ＶＢＬＡＳＴ）检测后的信干噪比（ＳＩＮＲ）
ＳＩＮＲＩ．１．
假设接收端采用最小均方误差（ＭＭＳＥ）检测，则
刚Ｒ¨：－—坐生Ｌ一乏互，．，慨～。ＩＩ２圳酬Ｉ
２Ⅳｏ（２）
式中，Ｐ为发射总功率；肘为层数；＾，为第后个子载波等效信道矩阵ＩＩ￡＝ＨＷ。的第ｉ列；Ｎｏ为加性高斯白噪声（ＡＷＧＮ）的单边功率谱密度；民．；为第再个子载波ＶＢＬＡＳＴ检测矩阵Ｇ的第ｉ行，且
Ｇｎ：（ｗ：：１日ｎ日巩＋警）－。ｗ：日Ｈ
（３）
步骤２计算第ｉ层比特流的等效信干噪比．在ＬＴＥ系统中，每层的比特流通过相同的编码调制后被分配到ＯＦＤＭ的不同子载波传输，因此可以通过指数有效ＳＩＮＲ映射（ＥＥＳＭ）计算第ｉ层比特流的等效信干噪比。列为
．１‘监．
ｓＩＮＲｅｎ一／３１ｎ（去荟ｅ９）
（４）
式中，Ｋ是第ｉ层比特流映射的子载波数目；口是尺度因子，与载波所使用的调制编码方式（ＭＣＳ）
有关．
步骤３根据等效信干噪比选择ＭＣＳ模式．
给定ＡＷＧＮ信道下不同ＭＣＳ的性能，在满足系统错误率的范围内查找式（４）等效信干噪比所对应的ＭＣＳ，并计算吞吐量．
对每个码本分别进行上述操作，比较各码本的吞吐量，将吞吐量最大的码本标号和相应的ＭＣＳ信息反馈给发射端．２．２新的码本选择方案
从上述预编码码本选择过程可以看出，计算复杂度主要体现在式（３）和式（４）．为降低预编码选择复杂度，本文采用减少码本数量的码本选择方法．
若预编码矩阵满足
Ｗ；＝Ｐ％
（５）
式中尸的每行和每列都恰好只有１个元素为｛１，一Ｉ，ｉ，一ｉ｝，其余元素全为０。由式（２）一（４）可知，
眠和啊的等效信干噪比相等，因此采用暇和彤
系统的吞吐量相同．
将３ＧＰＰＬＴＥ中的１６个Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｅｒ矩阵分成
｛巩，毗，眠，Ｗ。。｝、｛Ｗ。，Ｗ，，％，Ｗ。。｝、｛ｗ４，ｗ６｝、
｛吧，％｝和｛ＷＩ：，Ｗ。３，彬…Ｗｌ，｝５组，每组Ｈｏｕｓｅ－
ｈｏｌｄｅｒ矩阵满足式（５），则在预编码矩阵选择时，仅对每组中的任意一个矩阵计算等效信干噪比即可减
少计算复杂度．不失一般性，本文选择眠、ｗｌ、眠、眠、Ｗ。：，称为基础矩阵．将３ＧＰＰＬＴＥ中的“个预
编码矩阵等效为基础矩阵不同列的组合．等效码本如表２所示．表中的数字指码本对应该组基础矩阵的列序号．
表２等效码本
基于上述等效预编码码本，提出了新的码本选
择方案，步骤如下．
步骤１确定必选的一层．按照式（２）一（４）分别计算每个层数为１的预编码矩阵的等效信干噪比，在每个基础矩阵中，比较等效信干噪比的大小，选择最大的等效信干噪比作为必选层，并确定调制编码方式．
步骤２根据已选的层，按照树形结构搜索，确定能达到最大吞吐量的预编码矩阵．
根据等效后的预编码矩阵得出５个基础矩阵的
树形结构．以图２所示的眠的树形结构为例，图中
数字为从Ｗ。选取集合｛ｓ｝中的列所得到的矩阵．
图２ｗｏ＇¨层数选择的树形结构
不妨假设在步骤１第１组基础矩阵中，州１Ｉ的
ＳＩＮＲ最大，则确定第１层为必选层，此时以峨１｝作
为树根进行层数搜索．
在２层预编码的选择中，比较矾１Ｉ、州１引和
州２１Ｉ的吞吐量，若酬“‘的吞吐量最大，增加层数
北京邮电大学学报
第３３卷
进一步比较，并以叫“。为节点比较州１４。、矾Ⅲ’和州圳。的吞吐量．若州１圳（ｗ０＇３４１‘）吞吐量最大，则计算层数为４的码本眠的吞吐量，并比较州１２４‘
（咧３４１‘）和眠吞吐量．在搜索过程中，若增加层数
后不能提高吞吐量，则停止后续的层数选择过程．
其他４组的基础矩阵码本搜索方法相同．步骤３比较５组预编码的吞吐量，将吞吐量
最大的预编码矩阵的序号和编码调制模式反馈给发
送端．
在最优算法中，需要搜索６４个预编码码本，计算４８次矩阵的逆运算（层数为１时，式（３）的运算仅为倒数运算）；而本文方案只要搜索３８个预编码码本、计算２２次矩阵的逆运算，计算复杂度减少
约５５％．
３
性能仿真
为比较本文方案与最优预编码码本选择方案的
性能，在３ＧＰＰＬＴＥ系统下行链路仿真平台中进行仿真验证．仿真参数如下：信道模型为ＳＣＭ．ＭｏｄｅｌＣ，载频为２ＧＨｚ，信道带宽为５ＭＨｚ，Ｔｕｒｂｏ码，调制方式为正交相移键控（ＱＰＳＫ）和１６正交幅度调制（１６ＱＡＭ），４发４收，用户的移动速度为３ｋｍ／ｈ，每个用户分配３ＲＢ（３６个子载波），仿真结果如图３所示．
图３２种预编码选择方案性能比较
从图３可以看出，本文方案在性能上非常接近最优预编码码本选择方案，仅在信噪比（ＳＮＲ）为
１６—３２
ｄＢ区间内稍逊于最优预编码码本选择方
案．这主要是因为该ＳＮＲ区间内，信道条件大多支持层数为３的情况，而在层数为３时，由于基础预编
码矩阵眠和ｗ５不能达到最优点，故性能有所下
降．如在某次选择中１２４是最佳的，但在选择过程中，层数为Ｉ时，膨为３的吞吐量大于膨为Ｉ的吞
吐量，下面的层搜索就偏离了最佳的层（Ｍ＝１２４）．４
结束语
３ＧＰＰ
ＬＴＥ系统中，当发射天线为４时，采用
Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｅｒ变换将１６个向量转化成矩阵，根据数据流层数的不同构成６４个预编码矩阵．本文将１６个Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｅｒ矩阵等效为５个Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｅｒ基础矩阵，并将每个基础矩阵通过树形的方法搜索码本．采用该方案不仅能减少码本的选择数目，而且比最优码本选择方案的计算复杂度降低一半多．在
３ＧＰＰ
ＬＴＥ系统中的仿真结果表明，本文方案与最优
预编码码本选择方案性能非常接近．参考文献：
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ｍｏｂｉｌｅｎｅｔｗｏｒｋ［Ｃ］∥２ｎｄ
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Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ：
ＩＥＥＥＰｒｅｓｓ。２００５：５．
3GPP LTE系统的预编码码本选择方案
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
林雪红， 牛凯， 贺志强， 林家儒， LIN Xue-hong， NIU Kai， HE Zhi-qiang， LIN Jia-ru
北京邮电大学,信息与通信工程学院,北京,100876
北京邮电大学学报
JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS2010，33(1)0次
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