预编码的反馈方式研究

刘亚辉，王　卉（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

预编码的反馈方式研究

刘亚辉，王卉
（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

本文主要对预编码的两种反馈方式进行研究。首先介绍了预编码技术，然后分别对1bit反馈法、随机矢量量化码本反馈法进行介绍和分析，比较不同反馈方式对于预编码性能的影响。1bit反馈法的系统性能可以接近完全信道信息反馈的系统性能，并能大大减少反馈数据量。

信道状态信息；预编码；1bit反馈

1　预编码技术简介

预编码技术是MIMO系统中的的一项关键技术，预编码操作需要发射端需要根据接收端反馈回来的信道状态信息（CSI），反馈的方式有标量量化反馈、矢量量化反馈、基于码本的反馈，等等。对于不同的反馈算法，对预编码的性能会产生不同的影响。由于存在着信道估计、信道量化、信道反馈的误差，发端获得的信道状态信息往往是不完善的，从而使得发送端不能以准确的信道状态信息完全消除用户间干扰。因此，分析不完善信道信息对预编码性能的影响及获取并利用信道状态信息的方法有较大研究和实用价值。而选择有较好性能的预编码反馈方法，需要对每种预编码的原理、算法等特性有详细地了解和准确地掌握。

由于多天线广播信道中所有终端是分布式的接收机，彼此之间的信号不能进行协调检测，这导致了多用户之间存在干扰，大大影响了多用户在空间域的复用。多用户预编码技术的核心就在于在发送端对发送信号进行预处理，消除多用户之间的干扰，即符号间干扰和天线之间的干扰，从而实现多用户通信，同时能更好地挖掘信道信息，进一步提升信道容量，提高系统性能。

预编码技术是MIMO通信技术的一个重要领域，预编码技术在国内外通信界得到了广泛的关注。以下对两种预编码方法进行简要介绍。

2　预编码反馈方式

信道状态信息（CSI）包括信道方向信息（CDI）和信道质量信息（CQI）。信道质量信息是衡量无线链路通信质量的一个很重要的标准。一般情况下，信道质量信息较高则表示信道质量较好，反之则表示信道质量较差。信道质量信息一般包括信噪比（SNR）、信道干扰噪声比（SINR）、信号噪声失真比（SNDR）、信号泄露噪声比（SLNR）、信道范数等，信道质量信息是整个通信系统的质量的反映。若用户数较少并且系统对性噪比要求不是很高、长时间工作在中低性噪比时，可通过反馈信漏噪比的方式来获得良好的系统和速率性能；如果小区用户数目较多，或系统需长时间工作于高性噪比时，可通过反馈信道干扰噪声比或反馈信号泄露噪声比的方式来获得良好性能；如果系统对性能的要求不是很高，并且用户数较少，则可选择反馈信道范数的方式。在实际中可以选择不同的信道质量信息作为反馈标准，以下将介绍一种经典且实用的标量量化反馈方式—— 1bit反馈法。

在多用户MIMO系统中所有的子信道上，所有用户都反馈信道质量信息至发送端，当系统中子信道与用户总数过多时会造成系统的反馈量过大。当系统中每个用户都反馈各自的信息到基站会占用大量的频率资源，为反馈信息预留太大的频率资源在实际应用中是不切实际的。1bit反馈法正解决了反馈量过大的问题，减小了反馈开销。在瑞利平坦衰落信道模型中，调度算法的最佳策略是在某时刻只调度信道条件最优的移动终端。因此，应该在前向广播（一对多）链路中最大限度地利用多用户分集，即只向信道条件最优的用户传输数据。多用户分集的核心就在于前向广播信道具有时变性，即当一个基站与多用户通信时存在一个有较好信道条件的用户的几率非常高，接收端只需反馈有较好信道条件的用户的信道信息。多用户分集可改善衰落的同时还能使系统容量明显增大。

2.11bit反馈法原理

在发射天线数为Nt，接收天线数为Nr的MIMO无线通信系统中，其形成的无线链路信道为瑞利平坦衰落信道，其信道矩阵H是Nt×Nr瑞利平坦衰落信道矩阵，其元素符合瑞利分布，即元素为复数，其实部和虚部都服从均值为零，单位方差的高斯分布。

首先，对信道矩阵H实施归一化处理，归一化信道相关矩阵为

式中，[●]H为矩阵的共轭转置；tr[●]矩阵的迹，即矩阵主对角线上所有元素之和；求出的R为埃尔米特矩阵（Hermitian Matrix），即其对角线上元素为非负实数，上三角和下三角的对称元素互为共轭复数。然后，对归一化信道相关矩阵R中的元素进行1bit量化，量化步骤如下：

（1）提取信道相关矩阵R的实部与虚部，分别得到两个实数矩阵A和B。A由R中对映的元素的实部构成，B由R中对映的元素的虚部构成，rij=ai+ibj。

（2）对矩阵A的对角元素进行量化。矩阵A的对角线上的元素为非负实数且已归一化处理，则可设门限为0.5。当＜0.5时，取=0.25：当aii≥0.5时，取=0.75。

（3）对矩阵A的非对角元素进行量化。A的非对角元素服从均值为零的高斯分布，则可设门限为0。当aij＜0时，取=-0.25：当aij≥0时，取=0.25，得到量化后的矩阵

（4）对矩阵B的非对角元素进行量化。由于矩阵R的对角线上的元素为非负实数，其虚部为0，所以矩阵 的对角线上的元素为0。B的非对角元素服从均值为零的高斯分布，则可设门限为0。当＜0时，取bii=-0.25：当bij≥0时，取=0.25，得到量化后的矩阵B。

2.21bit反馈法的系统容量

当系统将发射功率平均地分配到每个子信道上，使每个子载波上的发射功率均为 ，所以对于每个子信道的1bit反馈法的系统容量为[11]：

在完全CSI反馈的系统中，每个子信道上的容量为

在文献[10]中，作者对在每个子信道上的功率为10dB时，不同用户数所对应的系统容量进行了仿真。仿真结果显示完全CQI反馈法和1bit反馈法对应的频谱效率都远远高于高斯无衰落信道的频谱效率。但是1bit反馈法比全CQI反馈法会带来一定的容量损失。

2.31bit反馈法的反馈量

由于信道质量超过门限值的每个用户需要反馈的比特数都为1，所有CQI的反馈量等于每个子信道都需要向基站反馈的用户数。用户的信道增益的平方h的分布函数为

在一个子信道中，有i个用户的h超过门限α的概率为

则反馈量E为

3　结束语

1bit反馈法是指每个衰落块只需反馈1bit信息的算法，其思想是基于选择反馈法，即只有当接收端的接收功率达到预设的反馈门限值时，才能将该用户的信道状态信息反馈至发送端。每一条链路上的每一个接收端都只反馈1bit数据来指示该用户所对应的信道增益有没有超过预定门限值，这可以将系统的反馈量降到更低。当用户的信道增益超过门限时只反馈1bit信息，系统容量任然可以快速增长。虽然1bit反馈算法能有效的降低系统反馈量，但是会引起不可忽视的系统容量的损失。

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The Feedback Research of Precoding

Liu Yahui, Wang Hui
(State Radio_monitoring_center Testing Center, Beijing, 100041)

In this paper, In this paper, the main work is the research of feedback methods of precoding. First, it introduce the precoding technology. Then, it introduce and analysis the 1bit feedback, Random Vector Quantization codebook feedback, It compares different feedback methods effect about precoding. System capability of 1 bit feedback near to system capacity of a fully information feedback and the feedback data are greatly decreased.

CSI; Precoding; 1bit feedback

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.02.006

TN82

A

1672-7274（2016）02-0023-04

刘亚辉，男，1987年生，汉族，本科，现就职于国家无线电监测中心检测中心，主要研究方向是移动终端的射频测试技术。王卉，女，1990年生，汉族，本科，现就职于国家无线电监测中心检测中心，主要研究方向是LTE性能指标的分析与测试。