CN101212282B - 基于多输入多输出的通信方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，公开了一种基于MIMO的通信方法和系统，能够在有限的CSI反馈的条件下提高MIMO系统的性能。将接收端CSI当前所属的区域通知发送端，发送端可以根据预先的设置，使用与该区域相对应的调制编码方案、模式选择和预编码器，进行数据的发送。发送端通过请求消息将开始反馈的帧号、反馈帧的数量和需要反馈的子信道的序号通知接收端，接收端根据该请求消息中的参数，通过响应消息反馈子信道序号和该子信道的CSI所属的区域的信息。

Description

基于多输入多输出的通信方法和系统 

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及多输入多输出(Multiple InputMultiple Output，简称“MIMO”)技术。 

背景技术

MIMO是当前发展的前沿通信技术之一。理论上已经证明，采用多个发射天线能把无线信道分割成多个并行的窄带信道，具有提高信道比特传输率的潜能，且研究结果显示，信道容量随天线数量增加而线性增大。与接收分集和智能天线相比，MIMO系统不但能够提供分集增益和阵行增益，而且可以采用空分复用(Space Division Multiplex，简称“SDM”)的方式提高系统容量。 

信道状态信息(Channel State Information，简称“CSI”)对MIMO系统非常重要。CSI包括在接收端的CSIR和在发送端的CSIT。在慢衰落信道，一个MIMO系统如果没有CSIT可能会造成系统中断。如果具有完整CSIT，可以通过调制编码方案(Modulation and Coding Scheme，简称“MCS”)自适应以及预编码自适应来消除系统中断。实际上，完整的CSIT是不容易获得的。我们可以仅获得有限的CSIT。 

在IEEE802.22草案中提供了一个对CSI进行有限比特反馈的解决方案，该方案的波束成形设计在总功率约束之外还满足每个天线功率相同。虽然考虑的是时分双工(Time Division Duplex，简称“TDD”)和慢衰落系统，由于上行和下行的子载波分配可能不一样，此时通过上行估计的CSIT不能应用到下行信道，所以我们仍需要假定CSI由有限比特的反馈得到。该草案 中的机制使用自动重传请求(Automatic Repeat Request，简称“ARQ”)来控制传送速率。 

但是上述机制存在如下缺陷： 

数据流的个数(传送模式)不是由CSIT决定的。 

在预编码算法中没有包含功率分配； 

仅简单地由ARQ进行控制速率的自适应会导致性能的弱化，这是因为当数据业务是突发的时候ARQ反馈将过时； 

用户不会工作在固定的信道上。当信道发生改变的时候，ARQ不能预测新信道的CSI； 

当MIMO信道是空间相干时，不能给出哪个传输模式应当被选择(空间复用或空间分集)。 

总之，上述机制对MIMO系统性能的提升有限。 

发明内容

本发明各实施方式要解决的主要技术问题是提供一种基于MIMO的通信方法及系统，能够在有限的CSI反馈的条件下提高MIMO系统的性能。 

本发明的实施方式提供了一种基于多输入多输出的通信方法，包含以下步骤： 

预先将接收端CSI可能的取值空间划分为至少两个区域，设定每个区域对应的发送参数； 

接收端收到数据后，估计当前的CSI并确定该CSI所属的所述区域，将代表该区域的信息反馈给发送端； 

所述发送端根据所述接收端返馈的代表区域的信息，使用该区域所对应的发送参数发送数据； 

其中，所述接收端根据来自所述发送端的请求消息中的参数，通过响应消息反馈信道状态信息所属的区域的信息； 

所述请求消息中携带的参数包括：开始反馈的帧号、反馈帧的数量和需要反馈的子信道的序号； 

所述响应消息中携带的参数包括：反馈的子信道序号，该子信道的信道状态信息。 

本发明的实施方式还提供了一种基于多输入多输出的通信系统，包含发送端和接收端，所述接收端保存有对CSI可能的取值空间进行划分后的区域信息，所述发送端保存有每个所述区域对应的发送参数； 

所述接收端包含：接收数据的单元，在接收数据时估计当前的CSI的单元，确定所估计的当前的CSI所属区域的单元，和将代表该区域的信息反馈给所述发送端的单元； 

所述发送端包含：向所述接收端发送请求消息的单元，该请求消息中携带的参数包括：开始反馈的帧号、反馈帧的数量和需要反馈的子信道的序号；接收所述接收端返馈的代表区域的信息的单元；使用该区域所对应的发送参数发送数据的单元； 

所述接收端根据来自所述发送端的请求消息中的参数，通过响应消息反馈信道状态信息所属的区域的信息，该响应消息中携带的参数包括：反馈的子信道序号，该子信道的信道状态信息所属的区域的信息。 

本发明各实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于： 

因为将接收端CSI当前所属的区域通知发送端，所以发送端可以根据预先的设置，使用与该区域相对应的发送参数(包括调制编码方案、模式选择和预编码器)进行数据的发送，提高了反馈的效率，提高了MIMO系统的有 效吞吐量。 

发送端通过请求消息将开始反馈的帧号、反馈帧的数量和需要反馈的子信道的序号通知接收端，接收端根据该请求消息中的参数，通过响应消息反馈子信道序号和该子信道的CSI所属的区域的信息。通过这种消息机制，发送端可以对所需要的反馈信息进行定制，提高了反馈的效率。 

通过迭代方法优化对CSI可能的取值空间(以下简称为CSI空间)的划分方式，及划分出的每个区域对应的发送参数，并以平均的系统有效吞吐量为最优目标，从而使优化结果可以提高MIMO系统的有效吞吐量 

附图说明

图1是根据本发明较佳实施方式的基于MIMO的通信方法流程图； 

图2是根据本发明较佳实施方式的基于MIMO的系统示意图； 

图3是根据本发明较佳实施方式的WRAN系统中的消息流程图； 

图4是本发明较佳实施方式中2×2系统的仿真结果图； 

图5是本发明较佳实施方式中3×3系统的仿真结果图； 

图6是本发明较佳实施方式中4×2系统的仿真结果图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。 

本发明的实施方式提供了一个在慢衰落以及空间相关信道下MIMO系统的集成有限反馈设计框架。对反馈策略(CSI空间划分)以及传送策略(包括MCS，模式选择以及预编码器)进行了联合设计来优化系统的平均有效吞吐量。该有限反馈设计框架提高了反馈的效率以及提高了系统的有效吞吐量。 

在本发明的较佳实施方式中，在线自适应的流程如图1所示， 

预先将接收端CSI空间划分为2^C _fb个非重叠的区域(以下称为CSI区域)，设定每个CSI区域对应的发送参数，其中，C_fb是反馈的有用比特数。CSI可以以信道传输矩阵H描述。发送参数可以是MCS、模式选择和预编码器，也可以是这三者中的任意一个或二个，还可以包含其它的与发送相关的参数。 

在步骤110，接收端接收来自发送端的数据。本发明中所称的“数据”是指接收端收到的来自发送端的信号，包括这些信号中可能承载业务数据，也可能承载信令(或称为消息)。 

此后进入步骤120，接收端估计当前的CSI。 

此后进入步骤130，接收端确定当前CSI所属的区域。 

此后进入步骤140，接收端将CSI区域标识发送给发送端。假定H属于第i-th个区域，接收端利用C_fb个反馈比特把序号i反馈给MIMO发送端。 

此后进入步骤150，发送端根据CSI区域标识获得对应的MCS、模式选择和预编码器。 

此后进入步骤160，发送端根据所获得的MCS、模式选择和预编码器发送数据。 

例如，使用4个CSI反馈比特，3个发送天线以及3个接收天线。在发送端，有一个预编码器Q、MCS(R)和SM/SDiv模式选择表(16表项)。在接收端，有一个CSIR空间的划分表(16个区域)。 

在一个时隙中，接收端估计当前的CSI并确定其落在16个区域的哪一个。 

接收端把区域序号(例如为3)利用反馈链路的4比特反馈给发送端。发送端使用表中第3项对应的MCS，模式选择以及预编码器发送数据。 

从这个例子可以看出，本发明技术方案的优点是开销小(4比特)以及 复杂度低。 

图2示出本实施方式在MIMO系统中的示意图。主要分为发送端和接收端两部分。 

接收端保存有对CSI可能的取值空间进行划分后的区域信息，发送端保存有每个区域对应的发送参数； 

接收端包含：接收数据的单元，在接收数据时估计当前的CSI的单元，确定所估计的当前的CSI所属区域的单元，和将代表该区域的信息反馈给发送端的单元； 

发送端包含：接收接收端返馈的代表区域的信息的单元；确定该区域所对应的发送参数(包括MCS、模式选择和预编码器)单元；使用所确定的发送参数发送数据的单元。 

本发明的实施方式中，与CSI区域相对应的MCS、模式选择和预编码器又称为码书。该码书由发送端和接收端共享，码书的设计以及接收端CSI空间的划分对MIMO系统的影响较大。本实施方式中提出联合优化表的构造以及CSIR的划分来最大化系统的有效吞吐量。 

下面说明CSI区域的划分和码书的设计方式。为了说明方便，定义如下参数： 

Q：预编码矩阵； 

R：发送速率； 

M：传送模式(独立的数据流的个数)； 

{H}：CSI空间的区域，也可以称为信道划分。 

u：无错反馈。假定开销为N比特。 

最优目标为系统有效吞吐量： 

由于慢衰落以及有限反馈，对于发送机的给定CSIT，瞬间的信道容量存在不确定性。因此，即使使用很好的信道编码，仍然存在误包并因此导致包的中断。为了捕获潜在包错误，我们考虑系统的有效吞吐量，用来衡量成功传送到接收机的b/s/Hz(比特每秒每赫兹)，b/s/Hz的含义是在每赫兹的带宽上每秒内成功传送接收机的比特数。瞬间的有效吞吐量定义为： 

ρ＝R×1(R＜C(H，Q，M))，其中，C(H，Q，M)指H、Q、M一定时的信道容量。 

因此，平均的系统有效吞吐量定义为： 

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}=E[R\&times;1(R<C(H,Q,M))]$

$=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}E[R\&times;1(R<C(H,Q,M))|H\&Element;H_i\left]\mathrm{Pr}\right[H\&Element;H_i]$

$=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_i\mathrm{Pr}[R<C(H,Q,M))|H\&Element;H_i\left]\mathrm{Pr}\right[H\&Element;H_i]$

其中，E代表期望值，Pr代表概率。 

CSI区域的划分和码书的设计问题可以描述为： 

通过有限反馈设计来选择一个CSIR划分{H}以及发送机码书{{R}，{Q}，{M}}来最大化平均系统的有效吞吐量。 

$({\left\{H_i\right\}}^{*},{\left\{R_i\right\}}^{*},{\left\{Q_i\right\}}^{*},{\left\{M_i\right\}}^{*})=\underset{\left\{H_i\right\},\left\{R_i\right\},{\{Q}_i\},\{M_i\}}{\arg \max }\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}\left(\right\{H_i\},\{R_i\},\{Q_i\},\{M_i\left\}\right)$

上述极值条件为： 

其中tr代表矩阵的迹，M是加载到信道上的数据流个数，因此Q为M×Nt(Nt为发送天线数)矩阵。 

下面通过Lloyd’s迭代算法搜索最优的CSI区域划分和码书，该迭代算法有两个步骤： 

步骤1：给定信道划分{H}，确定最优的码书{{R}，{Q}，{M}}。 

对每个M，最优的Q由如下给出： 

为E[H^HH|H∈H_i]的M个主特征向量。 

发送速率R由数值搜索给出。 

步骤2：给出码书{{R}，{Q}，{M}}，确定最优的信道划分{H}。 

不失一般性，设{R_[i]}依大小排列，即R_[1]≥R_[2]≥…≥R_[N]，则 

是用如下优化分法划分： 

$H_{\left[1\right]}^{**}=\{H\&Element;C^{n_R\&times;n_T}:\log \det (I+{\mathrm{PHQ}}_{\left[1\right]}{H}^H)\&GreaterEqual;R_{\left[1\right]}\}$

$H_{\left[i\right]}^{**}=\{H\&Element;C^{n_R\&times;n_T}:R_{\left[i\right]}>\log \det (I+{\mathrm{PHQ}}_{\left[i\right]}{H}^H)\&GreaterEqual;R_{\left[i\right]}\}$

对i＝2，3…，N-1， $H_{\left[N\right]}^{**}=\{H\&Element;C^{n_R\&times;n_T}:\log \det (I+{\mathrm{PHQ}}_{\left[1\right]}{H}^H)<R_{[N-1]}\}$

在上面的公式中，前面的公式具有更高优先级。比如，存在某些H满足多个公式。第一满足公式的将决定信道H的划分。 

反复迭代运行步骤1和步骤2直至达到预定的迭代次数或预定的收敛条件，可以获得优化的码书以及对应的信道划分。 

发送端可以对需要从接收端得到的返馈信息进行控制，以免持续地接收不必要的返馈。为了实现这种控制，发送端需要向接收端发送一个请求消息，其中携带的参数包括：开始反馈的帧号、反馈帧的数量和需要反馈的子信道的序号等。接收端根据来自发送端的请求消息中的参数，通过响应消息反馈：反馈的子信道序号，该子信道的信道状态信息所属的区域的信息等。因为控制了返馈信息的数量，所以通信系统的整体效率得以提高。 

以WRAN为例，假定对一个子信道有若干反馈比特(例如4)。一个CPE占用若干子信道(例如2个连续的子信道)。可以通过两个相应的控制消息结构以及消息流程来支持有限的反馈结构。消息流程如图3所示。 

BS通过CFB-REQ消息通知CPE什么时候需要CPE占用的两个子信道上的反馈，CFB-REQ将承载：开始反馈帧号、反馈帧的数量、和需要反馈的 子信道的序号。 

当CPE接收到反馈请求消息，需要使用CFB-RSP消息来上报有限反馈给BS(每个信道4比特)，CFB-RSP将承载：反馈的子信道序号和每个信道的有限反馈比特。 

相关控制消息的结构如表1至表4所示。 

表1-CFB-REQ消息格式 

格式	大小	备注
			CFB-REQ_Message_Format(){
Management Message Type＝60	8比特
			Message Body	可变	见表2
}

表2-CFB-REQ消息体 

格式	大小	备注
			CFB-REQ_Message_Body(){
Frame Number	8比特	开始进行测量的帧号低8个比特
			Number of Frames	7比特	需要测量的帧数
Number of sub-channels，c	8比特	被请求估计和反馈子信道数量
			Fori＝1:c{
sub-channel index	8比特	被请求估计和反馈子信道序号
			}
reserved	1比特	设为0
			}

表3-CFB-RSP消息格式 

格式	大小	备注
			CFB-RSP_Message_Format(){
Management Message Type＝61	8比特
			Message Body	可变	见表4
}

表4-CFB-RSP消息体 

格式	大小	备注
			CFB-RSP_Message_Body(){
Number of sub-channels，c	8比特	被请求估计和反馈子信道数量
			Fori＝1:c{
sub-channel index	8比特	被请求估计和反馈子信道序号
			Feedback for the sub-channels	8比特	CSI属于的区域序号。必须通过反向链路  反馈给发送机。发送机必须在前向链路中   使用对应码书中的速率，模式选择和预编  码。
}
			}

需要说明的是，注意CFB-REQ/RSP消息都可以应用到上行和下行的传送。在表4中，每个子信道的最大比特数为8。但是这不是强制的。如果码书比较小，实际的反馈比特可以少于8。由于对于大码书，在线自适应的处理将需要更多的处理时间。 

最后说明一下本发明实施方式的具体效果。图3示出了2×2系统的仿真结果，图4示出了3×3系统的仿真结果，图5示出了4×2系统的仿真结果。从三个图中可以看出，本发明实施方式所提出的自适应的MCS、模式和预编码器方案最接近理想情况，优于自适应的MCS和预编码器方案，更优于固定的MSC、模式和预编码器方案。 

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。 

Claims (7)

1.一种基于多输入多输出的通信方法，其特征在于，包含以下步骤：

预先将接收端信道状态信息可能的取值空间划分为至少两个区域，设定每个区域对应的发送参数；

接收端收到数据后，估计当前的信道状态信息并确定该信道状态信息所属的所述区域，将代表该区域的信息反馈给发送端；

所述发送端根据所述接收端反馈的代表区域的信息，使用该区域所对应的发送参数发送数据；

其中，所述接收端根据来自所述发送端的请求消息中的参数，通过响应消息反馈信道状态信息所属的区域的信息；

所述请求消息中携带的参数包括：开始反馈的帧号、反馈帧的数量和需要反馈的子信道的序号；

所述响应消息中携带的参数包括：反馈的子信道序号，该子信道的信道状态信息。

2.根据权利要求1所述的基于多输入多输出的通信方法，其特征在于，所述发送参数包含以下之一或其任意组合：

调制编码方案、模式选择、预编码器。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的基于多输入多输出的通信方法，其特征在于，通过反复迭代执行以下步骤将接收端信道状态信息可能的取值空间划分为至少两个区域：

根据最初给定或上一步确定的{H}，确定最优的码书{{R}，{Q}，{M}}；

根据上一步确定的码书{{R}，{Q}，{M}}，确定最优的{H}；

其中，Q为预编码矩阵，R为发送速率，M为独立的数据流的个数，{H} 为接收端信道状态信息可能的取值空间的区域。

4.根据权利要求3所述的基于多输入多输出的通信方法，其特征在于，确定最优的{H}或码书{{R}，{Q}，{M}}时，以平均的系统有效吞吐量为最优目标，平均的系统有效吞吐量定义为：

其中，Pr代表概率，i为接收端信道状态信息可能的取值空间的区域的序号，C(H，Q，M)代表H、Q、M一定时的信道容量。

5.一种基于多输入多输出的通信系统，包含发送端和接收端，其特征在于，所述接收端保存有对信道状态信息可能的取值空间进行划分后的区域信息，所述发送端保存有每个所述区域对应的发送参数；

所述接收端包含：接收数据的单元，在接收数据时估计当前的信道状态信息的单元，确定所估计的当前的信道状态信息所属区域的单元，和将代表该区域的信息反馈给所述发送端的单元；

所述发送端包含：向所述接收端发送请求消息的单元，该请求消息中携带的参数包括：开始反馈的帧号、反馈帧的数量和需要反馈的子信道的序号；接收所述接收端反馈的代表区域的信息的单元；确定该区域所对应的发送参数单元；使用所确定的发送参数发送数据的单元；

所述接收端根据来自所述发送端的请求消息中的参数，通过响应消息反馈信道状态信息所属的区域的信息，该响应消息中携带的参数包括：反馈的子信道序号，该子信道的信道状态信息所属的区域的信息。

6.根据权利要求5所述的基于多输入多输出的通信系统，其特征在于，所述发送参数包含以下之一或其任意组合：

调制编码方案、模式选择、预编码器。

7.根据权利要求5或6中任一项所述的基于多输入多输出的通信系统，其 特征在于，所述通信系统为无线区域网络。 

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