CN100350760C - 基于瞬时和统计信道信息的多天线信道反馈方法 - Google Patents

Abstract

基于瞬时和统计信道信息的多天线信道反馈方法是一种提高无线通信数据率、降低多天线信道的反馈信息和提高多天线系统的鲁棒性的技术方法，该方法包括统计信道信息反馈和瞬时信道信息反馈两种方式支持多种发射模式，根据移动终端的多普勒频率和反馈链路的信噪比高低决定采用哪一种反馈方式，如果是瞬时信道信息反馈，则每个子帧反馈一次，按瞬时信道信息格式反馈；如果是统计信道信息反馈，则多个子帧反馈一次，按统计信道信息格式反馈；在计算统计信道信息时，完成统计信道信息计算与压缩、统计数据流个数计算、统计信道信息的预测与反馈误差的修正；在计算瞬时信道信息时，将数据流进行自适应编码调制，分别映射到对应的发射正交基矢量上。

Description

基于瞬时和统计信道信息的多天线信道反馈方法

技术领域

本发明是一种提高无线通信数据率、降低多天线信道的反馈信息和提高多天线系统的鲁棒性的技术方法，属于高速无线通信传输技术领域。

背景技术

目前及即将到来的无线通信要求数据率达到上行50Mbps和下行100Mbps，频谱效率的要求也比较高。如果只是简单地提高发射功率已经不能够满足未来无线通信要求，因此基于多天线发射和多天线接收的多天线技术开始得到应用。理论和试验证明，在空间不相关信道条件下，和单天线系统同样发射功率的多天线系统可以成倍地提高系统的频谱效率。

多天线技术分为开环和闭环发射两种方案，开环发射不需要任何信道的信息，实现起来相对简单，但是系统的容量比闭环发射方法要小很多。为了尽量挖掘多天线系统的潜力，闭环发射方法成为了高速无线通信的主流实现技术方案，相应的各种具体实现技术非常多。在工程实现过程中，决定一种闭环多天线发射方案容量大小的因素是反馈的信道信息的多少，如果发射机知道了全部信道信息，则可以采用最优的功率注水发射方法，得到非常高的系统容量，其缺点是需要反馈的信息量大。反之，采用反馈信息量少的方法得到的系统容量也少。此外，移动终端的运动、反馈信息的延时和反馈误差将降低多天线系统的容量，因此，如何设计一种性能良好、稳健的多天线信道反馈方法是需要深入研究的课题。

发明内容

技术问题：本发明旨在给出一种低反馈量、适用于不同终端速度、传播环境和收发天线数的、稳健的基于瞬时和统计信道信息的多天线信道反馈方法，该方法具有良好的抗反馈误差性能。

技术方案：本发明的基于瞬时和统计信道信息的多天线信道反馈方法，其特征在于该方法包括统计信道信息反馈和瞬时信道信息反馈两种方式支持多种发射模式，  根据移动终端的多普勒频率和反馈链路的信噪比高低决定采用哪一种反馈方式，如果是瞬时信道信息反馈，则每个子帧反馈一次，按瞬时信道信息格式反馈；如果是统计信道信息反馈，则多个子帧反馈一次，按统计信道信息格式反馈；在计算统计信道信息时，完成统计信道信息计算与压缩、统计数据流个数计算、统计信道信息的预测与反馈误差的修正；在计算瞬时信道信息时，将数据流进行自适应编码调制，分别映射到对应的发射正交基矢量上。

根据移动终端的多普勒频率和反馈链路的信噪比高低决定采用相应的反馈方法是：当多普勒频率比较高、反馈链路的信噪比低时，采用统计信道信息反馈方法；其它情况用瞬时信道信息反馈方法。反馈是分层进行，瞬时信道信息是每个子帧反馈一次；统计信道信息是多个子帧反馈一次。

多种发射模式为：接收端根据信道条件判断采用相应的发射方法，计算对应的发射编码、调制方式，并反馈选定的发射方法的代号及其编码调制方式代号。瞬时信道反馈信息格式包括反馈模式标志、发射方法选择标志、单/多流编码调制方式和数据流个数。统计信道反馈信息格式包括反馈模式标志、发射方法选择标志、统计信道信息和数据流个数。完成统计信道信息计算与压缩时，统计信道信息的迭代计算与统计信息的矢量量化压缩。统计信道信息的预测与反馈误差的修正是在统计信道信息反馈条件下，实现统计信道信息的预测与反馈误差的修正。

由于无线通信面临的环境复杂，尤其在移动环境下一种多天线工作方式无法满足无线通信系统的要求。同时闭环多天线发射可以大大提高系统性能、容量和可靠性，相应地，闭环反馈也有多种方式。

本发明基于上述考虑，提出了基于瞬时信道信息和统计信道信息联合设计多天线系统的反馈信道，本发明包括七个方面：

(1)瞬时与统计信道信息的分层反馈；

(2)多种发射方法的支持；

(3)瞬时信道反馈信息格式的确定；

(4)统计信道反馈信息格式的确定；

(5)统计信道信息计算与压缩；

(6)统计数据流个数计算；

(7)统计信道信息的预测与反馈误差的修正。

本发明首先进行瞬时与统计信道信息的分层反馈；如图1所示，在多天线系统中接收机首先完成每个子帧的信道估计，根据移动终端的多普勒频率和反馈链路的信噪比高低决定采用什么反馈方法，当多普勒频率比较高、反馈链路的信噪比低时，采用统计信道信息反馈方法；其它情况用瞬时信道信息反馈方法。

本发明支持多种发射方法，根据信道估计出的相关性大小、前向链路的信噪比高低决定采用相应的发射方法，比如采用空间分集、空间复用、波束形成或它们的组合，使得系统性能最优。该发射方法由后面介绍的发射方法选择标志指明。

本发明还包括瞬时信道反馈信息格式的确定，如图2所示，瞬时信道反馈信息格式包括反馈模式标志、发射方法选择标志、单/多流编码调制方式和数据流个数，每个子帧反馈一次瞬时信道信息。反馈模式标志是1比特，此时指明瞬时信道信息反馈。单/多流编码调制方式和数据流个数的计算如下：

将瞬时估计的信道矩阵H(t-k)投影到与选定发射方法对应的一组正交基矢量上{v₁，…，v_M}，即

$q_m=v_m^{H}H{(t-k)}^{H}H(t-k)v_m,m=1,\·\·\·,M$ (公式1)

这里H(t-k)表示第t个子帧段中第k个子帧的M×N维信道矩阵，每个子帧段包含K个子帧，上标H表示共轭转置运算。

从{q₁，…，q_M}中选择出投影值大的J个流，对应的投影值分别为{μ₁，…，μ_J)，那么相应的J个数据流的编码调制方式由下面公式计算：

(公式2)

这里 表示在一组设定的编码调制表里面、小于对应的流容量并具有最大传输数据率的某个编码调制方式。数据率个数J也将反馈到发射端。

本发明还包括统计信道反馈信息格式的确定，如图3所示，统计信道反馈信息格式包括反馈模式标志、发射方法选择标志、统计信道信息和数据流个数，多个子帧反馈一次统计信道信息。

本发明包括统计信道信息的计算与压缩；我们利用估计出来的连续多个子帧的信道矩阵计算发射相关矩阵，得到当前子帧段的平均发射相关矩阵。该平均矩阵与前一个子帧段计算出来的统计发射相关矩阵如权求和，得到当前子帧段的统计发射相关矩阵，用数学表达式表示为：

$R\left(t\right)=(1-\mathrm{\β})R(t-1)+\mathrm{\β}\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{H}^H(t-k)H(t-k)$ (公式3)

这里β表示加权因子，R(t)是第t个子帧段时的统计发射相关矩阵。对R(t)的对角元素及严格下三角矩阵元素进行矢量量化，压缩后的数据作为反馈信息。

本发明还包括统计数据流个数计算；

将R(t)投影到与选定的发射方法对应的一组正交基矢量上{v₁，…，v_M}可得

$p_m=v_m^{H}R\left(t\right)v_m,m=1,\·\·\·,M$ (公式4)

这组正交基矢量可以是固定的基矢量，如傅立叶变换基矢量，也可以是统计发射相关矩阵的特征矢量。

我们将公式(4)计算出来的投影值按从大到小得到新的一组数值，即：

λ₁≥λ₂≥…≥λ_M                          (公式5)

它们对应的正交基矢量为{u₁，…，u_M}，该组矢量是由前面的基矢量重新排序形成的。现在我们选择前面的L个投影值，且L满足

$\left\{\begin{array}{c}L\≤\min \{M,N\}\\ \frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_1}{\underset{m=I}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_m}\≥\mathrm{\α}\end{array}\right.$ (公式6)

这里α是一个小于且接近于1的常数。L就是统计发射数据流个数。

本发明还包括统计信道信息的预测与反馈误差的修正；由于统计信道信息随着时间是慢变的，因此我们可以用前面两次反馈的信息预测当前反馈信息，即

$\hat{R}\left(t\right)=\mathrm{\γR}(t-1)+(1-\mathrm{\γ})R(t-2)$ (公式7)

这里γ是一个大于0.5的预测系数，将预测矩阵里面的每个数据的实部和虚部与反馈过来的统计发射相关矩阵的对应数据逐个比较，如果两者的差大于设定的一个值，说明反馈误差存在，用预测值代替反馈值。

附图说明

图1是多天线系统及信道反馈原理图。

图2是瞬时信道信息反馈示意图。

图3是统计信道信息反馈示意图。

具体实施方式

本发明的具体实施过程如下：

1、接收机利用正交性比较好的导频序列采用MMSE方法估计信道矩阵，用公式表示为

Y＝H(t-k)S+N_t                               (公式8)

这里Y、S和N_t分别是M×P维接收信号矩阵、N×P维导频符号矩阵和M×P维噪声矩阵，P是导频序列在时间上的数目。那么信道矩阵的估计方法为：

$H(t-k)={\mathrm{YS}}^H{({\mathrm{SS}}^H+{\mathrm{\σ}}_n^2{I}_N)}^{-1}$ (公式9)

2、利用控制信道和接收机估计的信道矩阵判断反馈链路的信噪比高低以及移动终端的多普勒频率；

3、根据移动终端的多普勒频率和反馈链路的信噪比高低决定采用什么反馈方法。

(1)当多普勒频率比较高、反馈链路的信噪比低时，采用统计信道信息反馈方法，用迭代更新方法计算统计发射相关矩阵和发射数据流个数，利用矢量量化方法压缩统计协方差矩阵。

(2)当多普勒频率不高且反馈链路的信噪比不低时，采用瞬时信道信息反馈方法，计算单/多流编码调制方式，确定它们对应的发射数据流个数。

4、统计与瞬时信道信息的分层反馈，该反馈信道设计支持多种发射模式并根据发射方法选择标志进行切换。

当进行统计信道信息反馈时，多个子帧反馈：反馈模式指示标志、发射方法选择标志、压缩后的统计发射相关矩阵和数据流个数，具体格式见图2所示。发射方法选择标志进行编码，如第一种发射方法的编号对应000，第二种发射方法的编号对应001，如此进行，有几种发射方法，就按顺序编几种编号。

当进行瞬时信道信息反馈时，每一个子帧反馈：反馈模式指示标志、发射方法选择标志、单/多流编码调制方式和数据流个数，具体格式见图3所示。对应瞬时信道信息反馈的发射方法不一定和统计信道信息反馈时的相同，同样，此时发射方法也进行编号，方法同前面所述。

5、发射端接收到从接收机传过来的反馈信息，如果反馈模式指示标志表明是统计信道信息反馈，通过前两次反馈信息预测当前反馈有无错误，并进行修正。发射端根据反馈信息确定单/多流发射编码调制方式和发射方法，对单/多数据流进行线性预编码映射到各个天线上，发射出去。接收机接收发射数据，完成译码、解调等工作。系统实现如图1所示。

Claims (7)

1.一种基于瞬时和统计信道信息的多天线信道反馈方法，其特征在于该方法包括统计信道信息反馈和瞬时信道信息反馈两种方式支持多种发射模式，根据移动终端的多普勒频率和反馈链路的信噪比高低决定采用哪一种反馈方式，如果是瞬时信道信息反馈，则每个子帧反馈一次，按瞬时信道信息格式反馈；如果是统计信道信息反馈，则多个子帧反馈一次，按统计信道信息格式反馈；在计算统计信道信息时，完成统计信道信息计算与压缩、统计数据流个数计算、统计信道信息的预测与反馈误差的修正；在计算瞬时信道信息时，计算单/多流编码调制方式和数据流个数，单/多流编码调制方式和数据流个数的计算方法包括：将瞬时估计的信道矩阵H(t-k)投影到与选定发射方法对应的一组正交基矢量上。

2.根据权利要求1所述的基于瞬时和统计信道信息的多天线信道反馈方法，其特征在于根据移动终端的多普勒频率和反馈链路的信噪比高低决定采用相应的反馈方法是：当多普勒频率比较高、反馈链路的信噪比低时，采用统计信道信息反馈方法；其它情况用瞬时信道信息反馈方法。

3.根据权利要求1所述的基于瞬时和统计信道信息的多天线信道反馈方法，其特征在于支持多种发射模式为：接收端根据信道条件判断采用相应的发射方法，计算对应的发射编码、调制方式，并反馈选定的发射方法的代号及其编码调制方式代号。

4.根据权利要求1所述的基于瞬时和统计信道信息的多天线信道反馈方法，其特征在于瞬时信道信息格式包括反馈模式标志、发射方法选择标志、单/多流编码调制方式和数据流个数。

5.根据权利要求1所述的基于瞬时和统计信道信息的多天线信道反馈方法，其特征在于统计信道信息格式包括反馈模式标志、发射方法选择标志、统计信道信息和数据流个数。

6.根据权利要求1所述的基于瞬时和统计信道信息的多天线信道反馈方法，其特征在于利用统计信道信息的迭代计算与统计信道信息的矢量量化压缩来完成统计信道信息计算与压缩。

7.根据权利要求1所述的基于瞬时和统计信道信息的多天线信道反馈方法，其特征在于统计信道信息的预测与反馈误差的修正是在统计信道信息反馈条件下，实现统计信道信息的预测与反馈误差的修正。

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