CN101036316A - 用于使用连续量化的MIMO系统的一般化m级波束成形器 - Google Patents

Abstract

在此描述的通信系统实现了用于在装备有多个发射天线和多个接收天线的无线系统中使用的多级波束成形器。该多级波束成形器使用信道条件的有限速率反馈以获得接近由注水算法所指出的理论性能，同时避免了关联于空时码的计算复杂度。另外，在此描述的多级波束成形系统通过在发射速率的更宽范围上维持空时码的增益来改进单元级波束成形方法的性能。

Description

用于使用连续量化的MIMO系统的一般化m级波束成形器

技术领域

本发明的领域通常涉及用于在装备有多个发射天线和多个接收天线的无线系统中使用的波束成形器，并且更具体地，涉及其中在发射器处可获得关于信道状态的有限速率反馈信息的较高级波束成形方法。

背景技术

在现有技术中，已知多种波束成形方法用于装备有多个发射天线和多个接收天线的无线系统。当前，空时编码方案目前被提议用于多天线系统。

图1取自转让给其受让人的序列号6,584,302的美国专利，该图示出了具有用于发射和接收的一组天线单元200-204的收发器。收发器通常是基站，但是它还可以是用户设备。具有数个单元的天线可以是天线阵列或者某种其他类型的天线单元的簇。参考接收器260，从每个天线200-204接收的每个信号进入RF装置206-210，这些RF装置以已知的方式将射频信号转换为基带信号。信号在A/D转换器212-216中被数字化。数字基带信号与形成天线的波束的形状的系数W₁-W_M在乘法器218-222中相乘。系数W₁-W_M是数字复数。接收器搜索产生最佳接收的系数W₁-W_M的值。在天线响应单元224中计算针对每个天线单元的天线响应。在分级和选择单元226中，对天线响应进行分级，并且选择天线响应的集合的子集。

天线单元的响应类似于冲激响应且通过使用相关性来计算。在相关性中，已知的伪随机扩展码与接收到的信号相关L次。L是多径传播信号的路径的数目。在计算出一个相关值之后，扩展码位移ΔT的时间差，ΔT可以与芯片的持续时间相同。

在发射器262中，包括至少一个天线响应的子集被馈送到系数单元230，该系数单元230为发射信号的每个天线单元200-204计算系数a₁-a_M。将要发射的信号使用乘法器232-236与该系数相乘。由系数a₁-a_M加权的信号然后由D/A转换器238-242转换为模拟信号。在此之后，模拟信号在RF装置244-248中转换为射频信号，且该射频信号由天线单元200-204所发射。

在此环境中，寻求到了性能增益。多个发射和多个接收天线环境中的空时编码方案导致了复杂的接收器电路。依照注水(water-filling)算法的在发射器天线处的功率分配可在信噪比方面获得显著改善，这是已知的。然而当使用注水算法时，在信噪比方面的改善是有代价的。首先，在接收器和发射器之间需要反馈信道以向发射器提供关于信道状态的信息。其次，迄今注水算法需要全部的信道信息。在实际的系统中，由于反馈资源有限的属性，在发射器处可能只有部分信道信息是可获取的。

因此，对于在发射器处可获取部分信道信息的情形，本领域技术人员期望基于反馈的发射方案。已经开发出了针对利用量化的信道信息的单接收天线系统的发射方案，但是该方案并不令人满意。

例如，基于使用信道特性的有限速率反馈的单元级波束成形设计的天线系统在空时编码实现上提供显著的优势，这些优势来自减小的接收器复杂度和信噪比的前景。然而，这些优点仅存在于相对有限的发射速率范围。从而，本领域技术人员期望使用信道特性的有限速率反馈的波束成形设计，该信道特性在发射速率增加时保留注水算法的优势。当发射速率增加时对性能优势的维持不应以过度增加接收器复杂度为代价，这在空时码实现上将不提供优势。

较高级的波束成形方案与单元级波束成形在需要的反馈信息的属性上和需要的编码器/解码器上都具有显著差异。单元级波束成形器使用标量编码器和解码器，这获得了低的复杂度。较高级波束成形方案为了好的性能而需要矢量编码器/解码器，并且结果是这些方案更加复杂。然而，本领域技术人员期望得到这样的解码电路的较高级波束成形方法，该解码电路仍然比空时编码方法所需要的解码电路简单。

发明内容

本发明涉及一种算法，该算法将针对多个接收天线的单元级波束成形拓展至一般化的波束成形。在t个发射天线、r个接收天线的系统的情形中，选择m≤min(t，r)个特征向量(对应于m个最大的特征值)用于发射。复杂度和执行问题、以及性能需求将在实践中指示m的选择。对于较低的复杂度需要小的m，而对于较好的性能则需要m尽可能地大。

进一步，本发明的一个方面涉及量化方法，该方法用于可由有限速率反馈信道使用的信道矩阵的特征向量和特征值。用于特征向量的量化方法尤其是基于连续量化原理。本发明的原理可以拓展至包括任意数目的接收天线的情形。

实现连续量化的本发明的一个优选实施方式涉及一种方法，该方法包括以下步骤：从具有t个发射天线的发射器向具有r个接收天线的接收器发射测试信号；通过观察发射对测试信号的影响计算描述信道的数学特性的信道矩阵；计算信道矩阵的预定数目的特征向量；从波束成形器码本中选择最佳逼近信道矩阵的特征向量的每一个的波束成形矢量；发射对最佳逼近信道矩阵的特征向量的每个波束成形矢量进行唯一标识的数字码；以及使用波束成形矢量以修改从发射器向接收器发射的信号。

依赖于期望的系统性能，优选实施方式的变形可得到单元级波束成形实现(其中需要相对较低的发射速率)或多级波束成形实现(其中需要相对较高的发射速率)。

在本发明的一个实施方式中，通过从码本中的矢量之中选择最大化与H(信道矩阵)内积的码本矢量，量化方法选择最佳逼近信道矩阵的主特征向量的该码本矢量。一旦从波束成形码本中可获取的那些值中选择了适当的波束成形矢量，关联于该波束成形矢量的唯一的标识码由接收器在反馈信道上发射到发射器。然后发射器应用选择的波束成形矢量以修改发射的信号。

在优选实施方式的进一步变形中，实现了多级波束成形方法。这些变形需要计算主特征向量以外的信道矩阵的附加特征向量。然后，从提供与信道的附加特征向量的最佳逼近的附加预定波束成形码本中选择波束成形矢量。

用于确定提供对附加信道特征向量的最佳逼近的波束成形码本矢量的优选方法包括以下步骤。以下描述涉及在主特征向量之后选择的下一个(第二)特征向量。在第一附加步骤中，修改的码本根据预定的波束成形矢量的第二波束成形码本构建。然后，使用各种数学形式体系以确定来自修改的码本的哪个码本矢量最大化与第二特征向量的内积。

依照本发明制造的优选波束成形设备，在具有t个发射天线的基站中包括：测试信号发生器和发射器，用于生成并将测试信号发射至移动台；波束成形码本，用于由基站发射到移动台的信号的波束成形；反馈接收器，用于从移动台接收码，该码标识出在从基站向移动台发射信号中应该使用哪些波束成形矢量；并且在具有r个接收天线的移动台中包括：测试信号接收器，用于接收由基站所生成的测试信号；信道矩阵计算器，用于计算通过观察信道对测试信号的影响而确定的信道矩阵的特征向量；波束成形码本，该波束成形码本由与在基站的波束成形码本中的那些值相同的码本矢量构成；波束成形矢量选择器，用于在波束成形码本中选择哪些波束成形矢量最佳逼近信道矩阵的特征向量；波束成形矢量选码器，用于选择唯一标识最佳逼近信道矩阵的特征向量的波束成形矢量的预定码；以及波束成形矢量发码器，用于将标识最佳逼近信道矩阵的特征向量的波束成形矢量的码发射至基站的反馈接收器。在优选实施方式的设备的变形中，可以执行单元级或多级波束成形方法。

在单元级情形中，使用提供沿信道的主特征向量逼近发射的波束成形矢量的单个码本。

在多级情形中，向基站和移动台提供多个码本。多个码本提供沿信道的主特征向量和其他特征向量逼近发射的波束成形矢量。另外，在多级情形中，移动台的波束成形矢量选择器至少从两个码本(从每个码本中选择单个波束成形矢量)中选择两个波束成形矢量，其中选择的波束成形矢量沿信道的主特征向量和第二特征向量最佳逼近发射。与此类似，在多级实现中，波束成形矢量选码器对那些标识选择的波束成形矢量的唯一码进行识别，并且将该码传递至用于向基站发射的波束成形矢量发码器。在进一步的多级实现中，可以将等于并包括从m个波束成形码本中选择的m个波束成形矢量的码发射至基站，其中m＝min(t，r)。

本发明的另一个替换实施方式包括：具有用于生成测试信号并将测试信号发射至移动台的测试信号发生器和发射器的基站；波束成形码本，用于将由基站发射至移动台的信号的波束成形；反馈接收器，用于从移动台接收码，该码标识在将信号从基站发射至移动台中应该使用哪些波束成形矢量；以及波束成形器，用于使用波束成形矢量以改变由基站发射至移动台的信号。

本发明的又一个替换实施方式包括：具有用于接收由基站所生成的测试信号的测试信号接收器的移动台；信道矩阵计算器，用于计算通过观察信道对测试信号的影响而确定的信道矩阵的特征向量；由与基站的波束成形码本中的那些值相同的码本矢量所构成的波束成形码本；波束成形矢量选择器，用于在波束成形码本中选择哪些波束成形矢量最佳逼近信道矩阵的特征向量；波束成形矢量选码器，用于选择唯一标识波束成形矢量的预定码，该波束成形矢量最佳逼近信道矩阵的特征向量；以及波束成形矢量发码器，用于将标识波束成形矢量的码发射至基站的反馈接收器，该波束成形矢量最佳逼近信道矩阵的特征向量。

因而，本领域技术人员应认识到本发明的实施方式克服了现有技术的限制。已知的空时波束成形方案导致了过度复杂的实现，其获得低于注水算法所指示的理论性能。相比之下，本发明的波束成形方法通过向发射器提供关于信道状态的信息，获得了接近注水算法所指示的理论限度的性能。尤其是，接收器从波束成形码本矢量的预定集合中选择哪些波束成形矢量将由发射器使用以达到期望的性能水平。

附图说明

图1以框图的形式示出了根据现有技术的多天线系统；

图2到图6示出了各种配置的性能；以及

图7描绘了根据本发明的一个优选实施方式制造的波束成形系统。

具体实施方式

I.根据本发明的优选波束成形方法

在这里呈现的波束成形方法相对于当前针对多天线系统所提出的空时编码方案，以可证明的较低的计算复杂度获得改进的性能。当手机(接收器)在其计算能力受到约束时，低接收器复杂度对于下行链路发射来说是一个重要的设计目标。

在发射器处的信道状态信息可显著增强系统性能，这是公知的。然而，在实际系统中，由于反馈资源的受限特性，在发射器处仅有部分信道信息是可获取的。因而，针对在发射器处可获取部分信道信息的情况，设计基于反馈的发射方案是重要的。已经开发出了利用量化信道信息的用于单接收天线系统的发射方案。

在这里呈现出的设计标准和波束成形器构造在系统中利用了有限速率反馈。在本发明的优选实施方式的说明中，首先呈现了用于多个发射天线和多个接收天线系统的单元级波束成形策略。在此之后，呈现了利用有限数目的反馈比特扩展波束成形器码本构造以模拟空间的注水解决方案的算法。可以证明，当与空时编码比较时，两种方案都在较低的解码复杂度方面获得了较好的性能。尤其可以看出，当发射速率小的时候，单元级波束成形方案是有用的。实际上当2^R/r/t＜1时，单元级波束成形方案获得超出空时编码方案的显著性能增益，在这里R是以bits/sec/Hz为单位的发射的速率，r是接收天线的数目，而t是发射天线的数目。当对于单元级波束成形不满足这种条件时，即对于较高的发射速率，本发明基于空间的注水算法、使用有限速率反馈来呈现较高级波束成形方案。

考虑诸如图1中所示的具有t个发射天线和r个接收天线的多天线系统。假设发射发生在R bits/sec/Hz的频谱效率。t×1的发射矢量用X表示，且r×1的接收矢量用Y表示。加性白噪声矢量用W表示，而在发射天线和接收天线之间的频率非选择性瑞利衰落信道由r×t矩阵H所给出。使用这些符号，接收信号Y可表示如下

Y＝HX+W                                         (1)

假设信道衰落在时间上是准静态的；即当信道实现在帧与帧之间是独立的时，信道在一帧之内保持不变。假设在接收器处完全了解信道。在实践中，在系统中通过使用基于前同步码的训练，在接收器处可获得好的信道估计。还假设从接收器到发射器间存在每帧传送B位的无错反馈信道。为了简单起见，不执行随时间的功率调整(即瞬时功率控制)。

现在描述单元级波束成形方案并分析它们的性能。在接收天线的数目被限制为1的重要情形中，单元级波束成形方案在最小化中断(outage)概率的意义中是最佳的。进一步，具有多接收天线的单元级波束成形在将成对码错误概率最小化的意义上是最佳的。另外，单元级波束成形方案获得了具有低计算复杂度的简单解码结构。

沿信道的主特征向量的发射将系统中的成对码错误概率最小化。还显示出，沿信道的主特征向量的发射将接收的SNR最大化，并获得最大的分集。这种发射策略被称为单元级波束成形方法。

本发明的一个有利的特性是，单元级波束成形方案的解码复杂度独立于发射天线的数目。由于是单个的数据流(相应于具有最佳特征值的特征信道)，得到的编码器是标量编码器，且因而独立于发射天线的数目。结果，相应的解码器也是标量解码器，并且因而解码复杂度独立于发射天线的数目。相比之下，空时码以联合的方式跨越所有的发射天线来编码，由此获得了阶数由发射天线的数目所给定的矢量编码器。在如此的情形中，相应的矢量解码器的复杂度是发射天线的数目的指数级，这不是期望的。

考虑由C＝{C₁，C₂，…，C_N}所给出的有限大小波束成形器码本的例子。可以看出，将中断概率最小化的量化器由以下所给出

其中‖.‖2表示 的l₂范数(其中l₂是在t维复空间中的矢量长度的平方)。因此，给出的信道实现H将被映射至将表达式(2)最小化的波束成形矢量C_i。还可看出，当N变大时，由(2)给出的量化规则得到信道的主特征向量。这从瑞利商(Rayleigh quotient)得出，其表示当V是H^H的主特征向量时，‖HV^‖₂被最大化。

进一步建立当波束成形码本的大小被约束至需要log₂(N)比特的N个矢量时，在单元级波束成形方案的中断性能的下限。尤其是，对于t个发射天线和r＝2个接收天线，可看出系统的中断概率被如下限制：

$P_{\mathrm{out}}(R,P)\≥1-N(1+{\mathrm{\γ}}_0)e^{-{\mathrm{\γ}}_0}+e^{-{\mathrm{\γ}}_1}(\underset{k=0}{\overset{2t-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N(1+{\mathrm{\γ}}_0)({\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_0{)}^k-{\mathrm{\γ}}_1^k}{k!})$

$-{\mathrm{Ne}}^{-{\mathrm{\γ}}_1}{\mathrm{\γ}}_0\frac{({\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_0{)}^{2t-1}}{(2t-1)!}---\left(3\right)$

其中 ${\mathrm{\γ}}_0=\frac{2^R-1}{P},$ P是接收的SNR，且γ₁是N、t和γ₀的函数。

因此，利用以上的量化规则，对于单接收天线已知的所有波束成形器构造进一步可适用于多接收天线。在单接收天线情形中，针对好的波束成形器码本的设计标准因而如下给出

$\underset{c}{\min }\underset{i,j:i\&NotEqual;j}{\max }|<C_i,C_j>|---\left(4\right)$

在适当的环境下，以上设计标准在数学上等同于用于非同调星座(non-coherent constellation)的酉空时星座的设计标准。因此，针对酉星座设计的所有可获得的构造还可用于具有(2)所给出的量化度量标准(metric)的波束成形器设计问题。

图2示出了以R＝2bits/sec/Hz发射的具有四个发射天线和两个接收天线的量化的单元级波束成形器的性能(曲线104和106)。为了对比，还给出了不使用任何信道状态信息的空时编码方案的性能(曲线110)以及需要完整信道状态信息的空间的注水解决方案的性能(曲线102)。可以看出，使用6比特的反馈信息(曲线106)，在10^-2的中断性能处，相对于空时编码方案，单元级波束成形方案获得超过2.5dB的增益。当反馈比特的数目增加时，增益进一步增加。注意到使用单元级波束成形方法，可以获得相对空时码的达到4dB的增益。进一步，对于此发射速率，在单元级波束成形方案(曲线104)和较高级注水方案(曲线102)之间的间隙小于0.4dB。除了复杂度的显著降低以外，已经解释了波束成形方案对于空时编码的性能增益。进一步，在图2中还给出了当波束成形矢量的数目变大时作为单元级波束成形的限制的主特征向量波束成形的性能(曲线104)。

已经描述了单元级波束成形，下面是对具有有限速率反馈的较高级波束成形方案(空间的注水)的描述。当发射速率增加时(尤其是当2^R/r/t＜1时，其中R是发射的速率，r是接收天线的数目，并且t是发射天线的数目)，这些方法提供相对空时码和单元级波束成形方案的显著的性能增益。

已经设计出这样一种算法，该算法将针对多接收天线的单元级波束成形方法拓展至针对两个接收天线的情形的量化的空间的注水方法。该算法可以容易地拓展至多于两个接收天线的情形。由于尺寸和成本的约束，期望下一代手机装备有不多于两个的天线。因此，两个接收天线的情形对于蜂窝系统中的下行链路发射是重要的。

对于空间的注水解决方案的情形，发射器需要拥有关于H^H的特征向量和特征值的信息。注意，知道特征值的相对值(例如特征值的比)将不能满足注水功率分配。本发明使用在其中特征向量和功率分配被独立地量化的量化器解决方案。此分离在量化器的设计上推行某结构，该结构有利地降低了实践中量化器的实现的复杂度。

在两个接收天线(r＝2)的情形中，H^H可最多具有两个非零特征值。因此，在发射器处知道的情况应包括这两个特征向量(相应于非零特征值)和相应的特征值。已经认识到，如果在接收器处做出功率分配并且关于两个特征信道中功率分布的信息被传递回发射器，则在反馈资源中可获得显著的节约。进一步，由于可获得的总功率(P)在发射器处已知，如果功率分布矢量P₁、P₂被归一化，则在信息中没有损失。因此可以设计出针对功率分配矢量的计算上简单的量化器。进一步，据观察，2比特量化器有效地传达在发射器处功率分配所需的所有信息。另外，通过注意到相应于主特征向量的P₁总是大于或等于相应于其他特征信道的P₂，这在反馈资源中可获得一个比特。在表1中给出了用于功率分布矢量的量化器。注意，作出了以下指定：P₂＝kP₁，其中0≤k≤1，且P₁≥0.5P，并且其中用2比特描述k。

假定发射器装备有t个发射天线而接收器装备有两个接收天线。令H相应于采样信道实现。进一步，假设存在具有N比特的反馈信道。对量化问题采取去耦(decouple)方法，其中用于特征向量和特征值的量化器彼此独立。这样的分离在量化器设计上利用某结构，其可降低实践中实现的复杂度。令V₁和V₂相应于H^H的特征向量，而λ₁和λ₂是相应的特征值，且λ₁≥λ₂。令P₁和P₂表示针对总功率P而由注水算法所确定的功率电平。

首先，对功率电平P₁和P₂进行量化而不是对特征值进行量化，这是有利的。事实上，注水算法需要特征值的绝对值，且因此例如诸如特征值的比的部分信息是不够的。另一方面，考虑注水算法在接收器处执行并且仅有功率电平被量化的情况。在此情形中，因为可获得的总功率(P₁+P₂＝P)在发射器处是已知的，能够量化功率电平的比

通过注意到P₁≥P₂以至于 $\mathrm{\&rho;}=\frac{P_2}{P_1}$ 总在0和1之间，在反馈比特中可进一步获得节约。

在表1中给出了针对功率分布矢量的量化器。假设P₂＝_ρP₁，其中0≤ρ≤1且P₁≥0.5P₁，其中使用2比特描述ρ。在给这些值赋值时，利用这样的已知情况，即基于第二特征值和剩余发射功率，相应于主特征向量的特征值将获得至少一半的发射功率。

表1：在4个发射天线和2个接收天线的情形中，针对功率分配矢量所使用的量化器。

对于4个发射天线和2个接收天线的情形，在图3中可看到将功率分配矢量进行量化至如表1所给出的2比特的效果。这假设对于此仿真，在发射器处的特征向量是完全已知的，以研究功率分配矢量的量化的效果。图3示出了由完全信道信息所配置的两比特量化器的结果。容易看出，两条曲线基本相同，因而相对于完全信道状态信息的情形，2比特功率量化器的性能损失是可以忽略的。

现在将描述H^H的两个活动特征向量的量化。考虑如在前面章节中所描述而构建的大小N的有限大小波束成形器码本C。首先，应用上一章节中所介绍的量化规则以确定在C中的可获得的矢量中与主特征向量的最佳逼近。注意，在发射器处的该矢量的指定需要log₂(N)个反馈比特。然而，通过注意以下的有用属性，可以在第二特征向量的指定中获得效率。

注意H^H的特征向量在

中。进一步，特征向量都是相互正交的。因而，第一特征向量的指定确定包含第二活动特征向量的子空间。尤其是，第二特征向量位于与主特征向量正交的t-1维子空间中。因而，通过在t-1维而不是在原始的t维空间中构建第二码本，第二矢量的描述可被显著地改进。

然而，因为包括第二矢量的正交子空间依赖于主特征向量，所以基于第一特征向量修改第二特征向量的码本的组成是不理想的。因此给出了两个波束成形器码本都独立于实际信道实现的算法。

令C₁是在由 $N_1=2^{B_1}$ 个矢量构成的

中的波束成形器码本。类似地，令C₂是在由 $N_2=2^{B_2}$ 个矢量构成的

中的波束成形器码本。令H是信道实现，而V₁和V₂是H^H的活动特征向量。首先，使用上一章节中所述的量化规则V₁在C₁中被量化。尤其是，选择C_i ¹使得 $C_i^1\&Element;C_1$ (注意上标相应于码本索引)，这使得

是对于C₁中的所有矢量的最大值。不失一般性地，假设在C₁的所有矢量之中，C₁ ¹最大化与H的内积。

现在，考虑C₂中的矢量。从C₂构建码本C₂′使得C₂′存在于

中。因此，C₂是

中C₂′的嵌入(embedding)。通过构造，C₂′使得所有矢量的第一坐标设置为零。因此，C₂′中的矢量存在于

的轴[1，0，…，0]的正交子空间中。进一步，将C₂′嵌入C₂的规则是这样的，C₂′的第一坐标下降以获取在C₂中相应的矢量。因此，如果 $C_i^{2^{\&prime;}}=[0,c_1,c_2,...,c_{i-1}],$ 则在C₂中相应的C_i ²由[c₁，c₂，…，c_t-1]所给出。

本方法利用了这样的性质，C₂′在

中e₁＝[1，0，…，0]的正交子空间中。尤其是，旋转C₁中的矢量使得C₁ ¹与e₁相符。令A是t×t单位矩阵，该单位矩阵以预定方式从C₁ ¹构建使得

现在，在对第二矢量进行量化之前，由相同的矩阵A旋转信道矩阵H。同样，由矩阵A旋转第二矢量V₂以给出V₂′＝A^V₂。现在，在第二波束成形器码本C₂ ^2′中量化V₂′。假定C_k ^2′是在C₂ ^2′中最大化与V₂′内积的矢量。接着发射器获得标号k且发射器使用A(C₂′)^T用于发射，其中上标T表示矩阵转置操作。注意A仅是C₁ ¹的函数，并且由于发射器经由反馈信道具有关于C₁ ¹的信息，矩阵A在发射器处可再生。因此，得到的码本C₁和C₂两者都独立于实际信道实现。

表2：示出解码复杂度是发射天线的数目(t)、接收天线的数目(r)以及在调制星座中点的数目(|Q|)的函数的表。

发射方案	解码复杂度
		空时编码	∝r|Q|t
单元级波束成形	∝r|Q|
		空间的注水	∝r|Q|min(t，r)

注意，量化的空间的注水解决方案需要跨越活动特征信道的联合的编码和解码。因此，在得到两个活动特征信道的四个发射天线和两个接收天线的情形中，需要跨越两个特征信道的联合编码。例如，等级2的空时编码可用于获得在下一章节中描述的性能。在缺乏信道状态信息时，将需要相应于四个发射天线的等级4的空时码。注意，空时码的解码复杂度与码的等级呈指数关系。因而，除了在性能增益中所获得的好处以外，量化的空间的注水解决方案相对于空时编码还获得了显著较低的解码复杂度。在表2中示出了解码复杂度对于发射天线的数目和接收天线的数目的依赖。

还模拟了在3个和4个发射天线连同2个接收天线的情形中的量化的一般波束成形的性能。图4示出了具有针对3个发射天线的6反馈比特的总预算的量化的波束成形的性能。6比特中的2比特用于描述在如前面章节中所述的特征向量之间的功率分配。主特征向量使用在

中构建的4元素波束成形器码本进行量化。为了量化第二特征向量，构建了在 的2维子空间中的具有4个矢量的第二波束成形器码本。在此情形中，可以观察到针对修改的码本构造，性能增益等于0.5dB。

图5示出了在具有4个发射天线和2个接收天线的情形中的量化的波束成形的性能。该图示出了当6和8比特被用于反馈信道时的性能。在两种情形中，只有2比特用于功率分配矢量。其余的反馈比特在其他特征向量的描述之间平均分布。在此情形中，用以描述第二矢量的修改的码本在

的3维子空间中被构建。而且，针对修改的码本设计获得了等于0.5dB的增益。进一步，在具有4个发射天线和2个接收天线时，从6至8比特的反馈资源的增加导致等于1dB的总增益。

在图6中给出了在具有4个发射天线和2个接收天线的量化的注水解决方案的其他性能模拟。与完全信息注水方案、空时编码以及完全信息特征向量波束成形对比(都以R＝6bits/sec/Hz的速率发射)，该图示出了量化的注水方案的性能。对于量化的波束成形方案，使用表1中给出的量化器，已经使用2比特用于空间的功率控制信息。在图6中可看出两个不同码本构造的性能。在第一情形中，码本C₁在4维空间中构建具有16个矢量，而码本C₂在3维空间中构建具有16个矢量，由此对于每个码本需要3反馈比特。因此，使用总共10比特的反馈用于此方案。可以注意到，使用10反馈比特，当提供对空时编码约2dB的增益时，获得的性能远离完全反馈信息约1dB。对于8反馈比特的情形，2比特用于空间的功率控制。而且，现在C₁在4维中具有8个矢量，而C₂在3维中具有8个矢量，因而每个需要3比特。使用8反馈比特，可以观察到对空时编码方案约1.5dB的增益。还应指出，在此情形中单元级波束成形方案执行得比空时码差。

当在发射器处只有部分信道状态信息是可获取的时候，应用上述的用于多发射和接收天线系统的波束成形方案。单元级波束成形方案获得低复杂度的解码结构，以及对信道不可知的空时编码方案的性能增益。还已经示出了用于实现诸如空间的注水解决方案的较高级发射方案、使用低复杂度量化器的算法。在所有的情形中，在发射器处的信道状态信息的几个比特可导致实质的性能增益以及解码复杂度的降低。

II.根据本发明制造的优选波束成形系统

在图7中描绘了根据本发明的优选实施方式制造的波束成形系统。如所描绘可见，用以完成在这里描述的波束成形方法的必要元件分布于基站300和移动台400之间。基站300包括t＝4个发射天线311-314、和相关联的RF过滤器321-324、以及信号处理器330。基站300进一步包括测试信号生成器和发射器340用于生成将从基站300发射至移动台400的测试信号。测试信号将由在基站300和移动台400之间的信道500所削弱。基站300进一步包括波束成形码本380，该码本包括用于将由基站向移动台发射的信号进行波束成形的预定码本矢量。基站300通过在反馈接收器350中接收码，对将信号发射至移动台中使用哪个或哪些波束成形矢量进行选择。控制器360接收由移动台所发射的码或多个码，并且选择相应于该码或多个码的唯一波束成形矢量或多个波束成形矢量。然后，使用该波束成形矢量或多个波束成形矢量对由移动台发射至基站的信号进行波束成形。

现在描述存在于移动台400中的本发明的波束成形装置的元件。除了包括本发明的波束成形装置，移动台400还包括r＝2个接收天线411-412，用于接收由基站400所发射的信号。关联于接收天线411-412的是RF过滤器421-422和信号处理器430。如在此所使用的，“移动台”通常涉及许多不同的设备，并且包括但不限于蜂窝电话、便携式因特网设备、具有无线连通性的游戏设备、或者任何期望的蜂窝或非蜂窝无线通信/数据处理设备。

移动台进一步包括用于接收由基站所生成的测试信号的测试信号接收器440。信道矩阵计算器470通过观察信道对测试信号的影响以公知的方式计算信道矩阵的特征向量。移动台400在计算机存储器中还包含存在于基站300中的波束成形码本或多个波束成形码本的副本480。然后，波束成形矢量选择器490确定在波束成形码本480中哪些波束成形矢量最逼近信道矩阵的特征向量。一旦选择了波束成形矢量，标识所选择的波束成形矢量的唯一码从系统存储器恢复，并且由波束成形矢量发码器450所发射，该波束成形矢量发码器发射标识最佳逼近信道矩阵的特征向量的预定波束成形矢量的码。

上述描述通过示例性和非限制性例子的方式，提供了当前发明者设想的最佳方法和装置的全部和信息描述用于实现本发明。然而，考虑到上述描述，当结合附图和所附权利要求一同阅读时，各种修改和改编对于相关技术的技术人员是显而易见的。例如，本领域技术人员可以尝试使用其他类似的或等同的使用连续量化方法的m级波束成形器。然而，本发明的教义的所有如此和类似的修改仍将落入本发明的范围。

进一步，本发明的某些特征仅在于优势，而与其他特征的相应使用无关。这样，仅考虑将上述描述作为本发明的原理的例证性，且不局限于其中。

Claims (16)

1.一种在通信系统中使用的方法，该系统用于通过形成用于从发射器向接收器发射信号的电磁辐射束，从具有t个发射天线的所述发射器和具有r个接收天线的所述接收器发射信号，所述方法包括：

从所述发射器向所述接收器发射测试信号；

通过观察发射对所述测试信号的影响计算信道矩阵；

选择所述信道矩阵的至少一个特征向量以实现期望的性能水平；

从预定波束成形矢量的至少一个码本中选择波束成形矢量，其中所选择的波束成形矢量最佳逼近所述至少一个特征向量；

将标识所述选择的波束成形矢量的信息从所述接收器向所述发射器发射；以及

使用所述选择的波束成形矢量以将信号从所述发射器向所述接收器发射以便实现所述期望的性能水平。

2.根据权利要求1的方法，其中所述期望的性能水平相应于较低的发射速率，以便沿所述信道的单个特征向量的发射足以达到所述期望的性能水平，由此相应于所述信道的主特征向量的单个特征向量被选择用于发射目的，且提供与所述主特征向量最佳逼近的单个波束成形矢量被选择用于发射目的。

3.根据权利要求1的方法，其中所述期望的性能水平相应于较高的发射速率，以便需要沿所述信道的多个特征向量的发射以达到所述期望的性能水平，由此从所述主特征向量开始的所述信道的多个特征向量被选择用于发射目的，且其中提供与所述多个特征向量最佳逼近的多个码本矢量被从多个预定波束成形码本中选出，用于将信号从所述发射器向所述接收器发射中。

4.根据权利要求1的方法，其中H是所述信道矩阵，V相应于H^H的所述主特征向量，C₁是由 $N_1=2^{B_1}$ 个矢量构成的

中的波束成形器码本，其中通过选定 $C_i^1{\&Element;C}_1$ 来选择在提供与所述主特征向量V的最佳逼近的C₁中的所述码本矢量，这使得‖H(C_i ¹)^‖₂对于C₁中的所有矢量是最大值。

5.根据权利要求4的方法，其中在C₁中的所有矢量之中，C_i ¹最大化与H的内积。

6.根据权利要求4的方法，其中V₁相应于所述主特征向量，V₂相应于H^H的第二活动特征向量，C₂是包含 $N_2=2^{B_2}$ 个矢量的 中的波束成形器码本，其中提供与V₂最佳逼近的所述码本矢量依据以下附加步骤选择：

从C₂构建码本C′₂，使得C′₂存在于

中，其中构造C′₂使得所有矢量的第一坐标设置为零，结果是在C′₂中的矢量存在于

的轴[1，0，...，0]的正交子空间中，且C′₂在

中的e₁＝[1，0，...，0]的正交子空间中；

旋转C₁中的所述矢量，使得C₁ ¹与e₁相一致；

由C₁ ¹将A构建为t×t单位矩阵，使得AC₁ ¹＝e₁；

用所述矩阵A旋转所述第二矢量V₂以给出V′₂＝A^V₂；

通过选择C₂ ^2′中最大化与V₂′内积的所述C_k ^2′矢量，将所述第二波束成形器码本C₂ ^2′中的V₂′量化；

将标识到C_k ^2′的信息发射到所述发射器；

使用A(C₂′)^T以便发射，其中所述上标T涉及矩阵转置操作。

7.一种在通信系统中使用的方法，该通信系统包括具有t个发射天线的发射器和具有r个接收天线的接收器，其中发射在由信道矩阵H在数学上表示的信道上发生，且其中在所述发射器和接收器之间的信号发射依据注水算法的逼近而发生，该注水算法通过选择用于修改将从所述发射器发射到所述接收器的信号的预定波束成形码本而实现，所述方法包括：

指定期望的性能水平规格，用于表征在操作条件的范围上所述通信系统的所述性能；

联合地确定反馈预算和达到在所述性能水平规格中所阐明的所述性能标准的波束成形码本规格，其中所述反馈预算至少部分地涉及从所述接收器向所述发射器发射标识包含在所述波束成形码本规格中的矢量的比特，其中所述码本矢量用于修改由所述发射器向所述接收器发射的信号。

8.根据权利要求7的方法，包括：

针对所述通信系统选择期望的性能水平；

从所述发射器向所述接收器发射测试信号；

通过观察发射对所述测试信号的影响计算信道矩阵；

从所述信道矩阵的所述主特征向量开始选择充分的特征向量，以达到所述期望的性能水平；

从预定矢量的码本中为所述充分特征向量的每个选择最佳逼近，其中提供与所述充分特征向量最佳逼近的所述码本矢量被称作所述选择的码本矢量；

对标识所述选择的码本矢量的每个的唯一比特码进行识别；

将标识所述选择的码本矢量的信息从所述发射器向所述接收器发射；以及

使用所述码本矢量以将信号从所述发射器向所述接收器发射，使得所述期望的性能水平得以实现。

9.根据权利要求8的方法，其中所述期望的性能水平相应于较低的发射速率，这使得沿所述信道的单个特征向量的发射足以达到所述期望的性能水平，由此相应于所述信道的所述主特征向量的单个特征向量被选择用于发射目的，且提供与所述主特征向量的最佳逼近的单个码本矢量被选择用于发射目的。

10.根据权利要求8的方法，其中所述期望的性能水平相应于较高的发射速率，这使得需要沿所述信道的多个特征向量的发射以达到所述期望的性能水平，由此从所述主特征向量开始的所述信道的多个特征向量被选择用于发射目的，且其中提供与所述多个特征向量的最佳逼近的多个码本矢量被选择用于将信号从所述发射器向所述接收器发射中。

11.根据权利要求8的方法，其中V相应于H^H的所述主特征向量，C₁是在包括 $N_1=2^{B_1}$ 个矢量的

中的波束成形器码本，其中在提供与所述主特征向量V的最佳逼近的C₁中的所述码本矢量通过选定 $C_i^1{\&Element;C}_1$ 而选择，这使得‖H(C_i ¹)^‖₂对于C₁中的所有矢量是最大值。

12.根据权利要求11的方法，其中在C₁中的所有矢量之中，C_i ¹最大化与H的内积。

13.根据权利要求11的方法，其中V₁相应于所述主特征向量，V₂相应于H^H的第二活动特征向量，C₂是包含 $N_2=2^{B_2}$ 个矢量的

中的波束成形器码本，其中提供与V₂的最佳逼近的所述码本矢量依据以下附加步骤选择：

从C₂构建码本C′₂，使得C′₂存在于

中，其中构造C′₂使得所有矢量的第一坐标被设置为零，结果是在C′₂中的矢量存在于 的轴[1，0，...，0]的正交子空间中，且C′₂在

中的e₁＝[1，0，...，0]的正交子空间中；

旋转C₁中的所述矢量，使得C₁ ¹与e₁相一致；

由C₁ ¹将A构建为t×t单位矩阵，使得AC₁ ¹＝e₁；

用所述矩阵A旋转所述第二矢量V₂以给出V′₂＝A^V₂；

通过选择C₂ ^2′中最大化与V₂′内积的所述C_k ^2′矢量，将所述第二波束成形器码本C₂ ^2′中的V₂′量化；

将相应于C_k ^2′的比特码发射到所述发射器；

使用A(C₂′)^T用于发射，其中所述上标T涉及矩阵转置操作。

14.一种在通信系统中使用的波束成形系统，该通信系统包括至少一个具有t个发射天线的基站和至少一个具有r个接收天线的移动台，所述波束成形系统用于在从所述基站向所述移动台发射的信号的波束成形中使用，所述波束成形系统包括：

在所述基站中：

测试信号生成器和发射器，用于生成将从所述基站向所述移动台发射的测试信号；

至少一个波束成形码本，包括预定波束成形矢量，用于由所述基站向所述移动台发射的信号的波束成形；

反馈接收器，用于从所述移动台接收码，该码标识在至少一个波束成形码本中可用的哪些波束成形矢量将使用在由所述基站向所述移动台发射的信号的波束成形中；

波束成形器，用于使用由所述移动台所选择的所述波束成形矢量以对从所述基站向所述移动台发射的信号进行波束成形；

在所述移动台中：

测试信号接收器，用于接收由所述基站的所述测试信号生成器和发射器所发射的所述测试信号；

信道矩阵计算器，用于通过观察所述信道对所述测试信号的影响而计算信道矩阵的至少所述主特征向量，该信道矩阵描述了在所述基站和所述移动台之间的所述发射信道的状态；

至少一个波束成形码本，其包括用于对从所述基站向所述移动台发射的信号进行波束成形的预定波束成形矢量，其中包括所述波束成形码本的所述波束成形矢量与包括位于所述基站中的至少一个波束成形码本的那些矢量相同；

波束成形矢量选择器，用于在所述至少一个波束成形码本中选择哪个波束成形矢量最佳逼近所述信道矩阵的所述主特征向量；

波束成形矢量选码器，用于选择标识所述波束成形矢量的所述唯一预定码，该波束成形矢量最佳逼近所述信道矩阵的所述主特征向量；

波束成形矢量发码器，用于将标识所述波束成形矢量的所述码向所述基站的所述反馈接收器发射，该波束成形矢量最佳逼近所述信道矩阵的所述主特征向量。

15.一种具有t个发射天线的基站，用于在包括所述基站和具有r个接收天线的移动台的通信系统中使用，所述基站包括：

测试信号生成器和发射器，用于生成将从所述基站向移动台发射的测试信号；

至少一个波束成形码本，包括预定波束成形矢量，用于由所述基站向所述移动台发射的信号的波束成形；

反馈接收器，用于从所述移动台接收码，该码标在由所述基站向所述移动台发射的信号的波束成形中应该使用在至少一个波束成形码本中可用的哪些波束成形矢量；

波束成形器，用于使用由所述移动台所选择的所述波束成形矢量以对从所述基站向所述移动台发射的信号进行波束成形。

16.一种具有r个接收天线的移动台，用于在包括所述移动台和具有t个发射天线的基站的通信系统中使用，所述移动台包括：

测试信号接收器，用于接收由基站所发射的测试信号；

信道矩阵计算器，用于通过观察所述信道对所述测试信号的影响而计算信道矩阵的至少所述主特征向量，该信道矩阵描述了在所述基站和所述移动台之间的所述发射信道的状态；

至少一个波束成形码本，其包括用于从所述基站向所述移动台发射的信号的波束成形的预定波束成形矢量，其中包括所述波束成形码本的所述波束成形矢量与包括位于所述基站中的至少一个波束成形码本的那些矢量相同；

波束成形矢量选择器，用于在所述至少一个波束成形码本中选择哪个波束成形矢量最佳逼近所述信道矩阵的所述主特征向量；

波束成形矢量选码器，用于选择标识所述波束成形矢量的所述唯一预定码，该波束成形矢量最佳逼近所述信道矩阵的所述主特征向量；

波束成形矢量发码器，用于将标识所述波束成形矢量的所述码向基站发射，该波束成形矢量最佳逼近所述信道矩阵的所述主特征向量。

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