CN101325741A - 用于操作多用户多输入多输出(mu-mimo)无线通信系统的方法和系统 - Google Patents
用于操作多用户多输入多输出(mu-mimo)无线通信系统的方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于操作支持在一个基站和多个移动站之间的多用户多输入多输出(MU-MIMO)通信的无线通信系统的技术包括:在移动站生成小区间干扰信息,并将该小区间干扰信息提供给基站。基站使用小区间干扰信息计算信道质量指示(CQI),然后响应CQI作出调度决策。根据调度决策将数据从基站传输至移动站。
Description
技术领域
本发明通常涉及无线通信系统,更具体地,涉及在多用户多输入多输出无线通信网络中管理信道质量指示。
背景技术
基于演进的全球数字移动电话系统(GSM)核心网络和它们所支持的无线接入技术(即,在频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种模式下的通用陆地无线接入(UTRA))建立第三代合作项目(3GPP),以产生第三代移动系统的全球可应用技术规范和技术报告。随后修改该范围以包括包含演进的无线接入技术(例如,通用分组无线业务(GPRS)和增强型数据速率GSM演进(EDGE))的GSM技术规范和技术报告的保持和发展。
在3GPP长期演进(LTE)规范中,当在多用户多输入多输出(MU-MIMO)模式下工作时,演进型节点B(eNB)的调度器需要来自多个不同的用户设备(UE)的信道质量指示(CQI)以作出调度决策。按照惯例,CQI在UE生成并且传输至eNB。当无线系统在单用户多输入多输出(SU-MIMO)模式下工作时,由于UE具有计算CQI所需的所有信息(包括等效信道矩阵、每个空间子信道的使用方案和小区间干扰加加性噪声),所以UE可以准确地计算CQI。然而,当工作在MU-MIMO模式时,UE不必知道将针对每个空间子信道在下一传输时间间隔(TTI)使用的使用方案(预编码)。在MU-MIMO模式中,不同的空间子信道使用方案将导致不同的小区内干扰并因此导致不同的CQI。为了说明可以使用的不同的空间子信道使用方案,并且充分利用多用户调度,UE将需要针对每个不同的空间子信道使用方案来计算不同的CQI,然后通过上行链路信令提供不同的CQI给eNB。在每个UE计算多个不同CQI和将多个不同CQI传输至eNB的缺陷在于:这些操作消耗了宝贵的UE处理和上行链路信令资源。
发明内容
用于操作支持在一个基站和多个移动站之间的MU-MIMO通信的无线通信系统的技术包括:在移动站生成小区间干扰信息和将该小区间干扰信息提供给基站。该基站使用小区间干扰信息来计算CQI,然后响应CQI作出调度决策。根据调度决策将数据从基站传输至移动站。
在根据本发明的实施例中,代替在每个UE处计算多种CQI,在UE处生成小区间干扰信息,并将其传输至eNB。在eNB处,利用eNB的等价信道矩阵和每个空间子信道的使用方案的知识、连同从UE传输的小区间干扰信息一起来计算UE的CQI。由于eNB有来自UE的小区间干扰信息、以及等效信道矩阵和每个空间子信道的使用方案的知识,所计算的CQI准确地反映了在UE上的状况。然后利用所计算的CQI,在eNB处作出调度决策,并且根据调度决策在eNB和UE之间传输数据。在eNB而不是在UE处计算CQI避免了让UE计算多个不同CQI的需要,以及避免了使上行链路信道负担将那些CQI运送eNB的需要。
从下列的详细描述中,结合附图,以本发明的原理的示例的方式的举例说明,本发明的其它方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1描述了支持在基站和多个移动站之间的MU-MIMO通信的无线通信系统。
图2举例说明在无线通信系统中的基站和移动站之间的信令时间线(timeline),其中,在基站而不是在移动站处计算CQI。
图3举例说明在无线通信系统中的eNB和UE之间的信令时间线,其中,在eNB处利用来自UE的小区间干扰信息来计算CQI,这里将小区间干扰信息作为平均值、标准差、以及索引提供给eNB。
图4描述了配置用于参照图2和3如上所述进行操作的eNB和UE。
图5是用于操作支持在基站和多个移动站之间的MU-MIMO通信的无线通信系统的方法的处理流程图。
图6是与信噪比误差相关的索引比特的编号图。
贯穿说明书,相似的参考数字可以用于标识相似的元件。
具体实施方式
多用户多输入多输出(MU-MIMO)是用于下行链路传输的高级空间多路复用技术。图1描述包括基站102(此处称为演进型节点B(eNB))和多个移动站104(此处称为用户设备(UE))的无线通信系统100。该无线通信系统利用时分双工(TDD)在MU-MIMO模式下工作。在图1的实施例中,eNB是支持如在3GPP长期演进(LTE)规范中规定的MU-MIMO操作的无线通信基站。该eNB包括四根天线106,但是该eNB可以包括多于四根天线。在图1的实施例中,UE是支持如在3GPP LTE规范中规定的MU-MIMO操作的无线通信移动站。每个UE具有两根天线108,但是UE不限于两根天线(例如UE可以仅仅包括一根天线或者多于两根天线)。
在包括要从eNB传输至最多M个UE的M个独立编码的数据流的MU-MIMO无线通信系统中,要在任意时间点传输的数据符号可以被表示为x=[x1x2...xM]T,其中[]T是矢量转置。由一个Mr×Mt复数矩阵H代表存在于发射天线和接收天线之间的信道,其中,Mt是发射天线的数量,以及Mr是接收天线数量。Mr根接收天线分布在M个UE中,且每个UE可以配备有单根天线或者多根天线。由hij代表的H的每个实体表示在接收天线i和发射天线j之间的信道增益。在MU-MIMO模式下工作的无线通信系统(诸如无线通信系统100)中,发射机根据预编码矩阵E(它是Mt×M矩阵)来使数据符号矢量x倍乘。工作在MU-MIMO模式下的无线通信系统的通用数学表示可以表述为:
y=HEx+z (1)
其中,是在UE的接收天线处的信号矢量,以及z是小区间干扰加加性噪声,其中,仅将小区间干扰加加性噪声简单地称为小区间干扰。另外,预编码矩阵常常表示为列的格式E=[e1e2...ek...eM],其中,ek(k=1,2,...,M)是Mt×1的列矢量,以及将E中的每列称为“码字”。此外,HE可以表示为H′=[h′1h′2h′3...],并被称为等效信道矩阵。由于H′的列是承载用户数据的实际的矢量信道,所以将它们称为空间子信道。
当无线通信系统使用信道相关调度以利用多用户分集时,在eNB上的调度器需要预先知道每个UE的信道质量指示(CQI)。在3GPP规范中,将CQI表示为整数索引。在一个实施例中,将CQI表示为32个CQI索引中的一个,每个CQI索引具有相应的信噪比(SINR)阈值。在实施例中,通过计算信道的SINR来计算CQI,然后选择具有小于所计算SINR的最高SINR阈值的CQI索引。为了准确地计算每个UE的CQI,eNB需要三条信息:1)等效信道矩阵;2)每个空间子信道的使用方案(例如,列的大小或数量,因而从预定的备选预编码矩阵集中具体选择前述矩阵E);以及3)在UE处的小区间干扰加加性噪声。
在实施例中,由UE使用最小均方误差(MMSE)作为基线接收机检测方法。下面描述针对工作在MU-MIMO模式下的无线通信系统,对在UE处的所检测信号进行计算,其中eNB有四根发射天线,有四个单根天线的UE,并且所有四个空间子信道都在使用中。对于UE,例如UE#1,所检测信号可以表示为:
y=h′1x1+h′2x2+h′3x3+h′4x4+z (2)
该UE的CQI可以计算为:
其中,
在等式(3)中,e是可以用来选择CQI索引的接收信号的所计算的SINR。在等式(4)中,KI是用来计算CQI的临时矩阵,从MMSE接收机的检测算法中推导出KI,以及P是空间子信道h′1上的传输功率。从等式(4)中可以看出,针对接收信号的SINR的计算需要等效信道矩阵、每个空间子信道的使用方案以及小区间干扰加加性噪声的知识。如果这些参数中的任意一个是不可用的,那么将能完成CQI计算。
在传统的MIMO系统中,在UE上计算CQI,并将其反馈回eNB。当在SU-MIMO模式时,UE可以使用等效信道矩阵、使用方案以及小区间干扰,因而可以在UE上计算所希望的CQI,并将其反馈回eNB。然而,当在MU-MIMO模式时,只有在eNB上知道使用方案,并且不将它提供给UE。因此,UE不具有计算CQI所需的所有信息。特别地,由于当无线通信系统工作在MU-MIMO模式时,使用方案对小区间干扰具有显著影响,所以所计算的CQI将依据相对于每个空间子信道的使用方案所作的假设而显著地变化。为了更好地利用多用户分集,每个UE将必须基于各种不同的使用假设来计算多个CQI,并且将那些CQI通过上行链路信道提供给eNB。在每个UE处的多个CQI的计算和传输将显著地影响UE处理和上行链路信令的使用。
在根据本发明的实施例中,代替在每个UE上计算各种CQI,在UE上生成小区间干扰信息,并将其传输至eNB。在eNB上,利用eNB的等效信道矩阵和每个空间子信道的使用方案的知识、连同从UE传输的小区间干扰信息一起来计算UE的CQI。由于eNB有来自UE的小区间干扰信息、以及等效信道矩阵和每个空间子信道的使用方案,所以所计算的CQI准确地反映了UE上的状况。利用所计算的CQI,在eNB上作出调度决策,并且根据调度决策,在eNB和UE之间传输数据。在eNB上而不是在UE上计算CQI避免了让UE计算多个不同CQI的需要,以及避免了使上行链路信道负担将那些CQI运送eNB的需要。
图2举例说明了在无线通信系统100(图1)中的基站(例如,eNB102)和移动站(例如,UE104)之间的信令时间线,其中,在基站上而不是在移动站上计算CQI。参见图2,在移动站生成小区间干扰信息110,然后将其从移动站传输至基站。在实施例中,小区间干扰信息包括与在UE上接收的信号有关的信息。基站使用小区间干扰信息来计算CQI,并且利用CQI来作出调度决策。在实施例中,调度决策可以既包含调度也包含资源分配参数,包括例如供每个UE使用的传输频率和空间子信道的选择。然后根据调度决策将数据112从基站传输至移动站。
在根据本发明的实施例中,将小区间干扰信息作为平均值、标准差,以及索引提供给eNB。在UE具有两根接收天线的情况下,小区间干扰z是2×1的复数矢量,可以表示为:[(a+bi)(c+di)]T。该表达式包括四个条目a、b、c和d,它们代表z的实部和虚部,并且可以假设a和b两者都遵循具有相应均值(μ1)和相应标准差(σ1 2)的高斯分布,以及c和d两者都遵循具有相应均值(μ2)和相应标准差(σ2 2)的高斯分布。在实施例中,一组预定矢量 (此处称为“码本”)之一用来代表小区间干扰z,其中每个矢量是具有均值为0和标准差为1的高斯分布的样本。表1是用于a、b、c和d的码本的示例,其中使用4比特的索引来唯一标识16个不同的码本条目。
索引 | ai | bi | ci | di |
0 | -0.5 | -0.5 | -0.5 | -0.5 |
1 | -0.5 | -0.5 | -0.5 | +0.5 |
2 | -0.5 | -0.5 | +0.5 | -0.5 |
3 | -0.5 | -0.5 | +0.5 | +0.5 |
4 | -0.5 | +0.5 | -0.5 | -0.5 |
5 | -0.5 | +0.5 | -0.5 | +0.5 |
6 | -0.5 | +0.5 | +0.5 | -0.5 |
7 | -0.5 | +0.5 | +0.5 | +0.5 |
8 | +0.5 | -0.5 | -0.5 | -0.5 |
9 | +0.5 | -0.5 | -0.5 | +0.5 |
10 | +0.5 | -0.5 | +0.5 | -0.5 |
11 | +0.5 | -0.5 | +0.5 | +0.5 |
12 | +0.5 | +0.5 | -0.5 | -0.5 |
13 | +0.5 | +0.5 | -0.5 | +0.5 |
14 | +0.5 | +0.5 | +0.5 | -0.5 |
15 | +0.5 | +0.5 | +0.5 | +0.5 |
表1z的码本设计示例
参见表1,4比特索引“7”对应值:a=-0.5,b=+0.5,c=+0.5,和d=+0.5。码本的特征是码本条目数量的函数。具有更多条目并因此具有更精细粒度的码本要求具有更多比特的索引来唯一地标识每个条目,以及具有较少条目的码本可以由具有较少比特的索引来表示。码本的大小是特定于实施方式的。
在一个示例操作中,每个UE计算在它的两根天线上接收的信号的均值和标准差。在实施例中,基于在长时段(例如1个无线帧)内测量的所有小区间干扰信息来计算每个接收信号的均值和标准差μ1,σ1 2和μ2,σ2 2。在实施例中,均值和标准差均被量化为m×10-n,其中m由三比特表示,以及n由三比特表示。一旦计算了,便将均值和标准差传输至eNB以供计算CQI使用。
在实施例中,从码本中选择索引包括在特定时刻将小区间干扰归一化:
z=[(a+bi)(c+di)]T,到
z′=[(a′+b′i)(c′+d′i)]T
这遵循标准的高斯分布(0,1):
然后归一化的小区间干扰z′如下映射到码本中最近的矢量Ni:
一旦从码本中选择了索引,便将索引传输至eNB。在实施例中,索引与均值和标准差独立地被传输至eNB。
一旦eNB接收到如上所述来自UE的均值、标准差以及索引,便可以在eNB处重新生成小区间干扰z。在实施例中,以如下方式在eNB处重新生成小区间干扰:
z″=[a″+b″i c″+d″i]T
例如,假设索引“7”被反馈回eNB,则根据下列表达式重新生成小区间干扰:
z″=[(μ1-0.5×σ1)+(μ1+0.5×σ1)i (μ2+0.5×σ2)+(μ2+0.5×σ2)i]T
然后eNB使用重新生成的小区间干扰z″来计算相应UE的至少一个CQI。然后eNB使用所计算的CQI来作出调度决策。根据该调度决策,将数据从eNB传输至UE。
由于均值和标准差将以相对较低的频率变化,所以在实施例中,在相对较长的时间间隔(例如每10个无线帧)上,将接收信号的均值和标准差提供给eNB,同时以相对较短的时间间隔(例如在LTE TDD类型1帧结构中大约为10ms的每个TTI),将索引提供给eNB。
图3举例说明在无线通信系统中的eNB和UE之间的信令时间线,其中,在eNB上利用来自UE的小区间干扰信息计算CQI,其中,将小区间干扰信息作为平均值、标准差、以及索引提供给eNB。首先eNB向UE提供码本120以供选择索引使用。取决于应用,码本可以是静态的或半静态的。在实施例中,经由广播或公共控制信道,将码本提供给多个UE。接下来,UE从eNB接收信号,测量接收信号的特征(例如信号功率),并且计算每个接收信号的均值和标准差。另外,UE选择代表所测量的接收信号特征的索引。将均值、标准差和索引全都传输至eNB。在实施例中,以相对较长的时间段(例如每10个无线帧的一个数据集)一起传输均值和标准差122,且以相对较短的时间段(例如每个TTI一个索引,如在LTE TDD类型1帧结构中的10ms)单独地传输索引i124。
eNB利用以均值、标准差和索引提供的小区间干扰信息,在各种不同的使用方案(例如h′1h′2h′3...)下计算CQI或多个CQI。然后eNB利用这些CQI作出调度决策或者多个调度决策,以及根据调度决策,将用户数据126传输至UE。除了用户数据之外,eNB还可以将与调度决策相关的调度和控制信息128传输至UE。
图4描述了eNB102和UE104的功能框图,eNB和UE配置用于在MU-MIMO环境中实现上述技术。eNB包括码本模块140、CQI计算器142、调度器144和MU-MIMO发射机146。码本模块是从eNB分布到UE的码本的源。CQI计算器响应从UE接收的小区间干扰信息来计算CQI。调度器利用由CQI计算器生成的CQI作出调度决策。MU-MIMO发射机将包括码本、用户数据以及调度和控制信息的信息传输至UE。UE包括干扰计算器150、码本模块152、索引选择器154、信号接收和测量模块156、以及发射机158。信号接收和测量模块接收和测量在UE天线上接收的信号。干扰计算器响应由信号接收和测量模块生成的测量信息来计算接收信号的均值和标准差。码本模块存储码本,以及索引选择器响应接收信号,从码本中选择索引。发射机将均值、标准差和索引传输给基站以供在计算CQI中使用。尽管为了说明的目的只示出了一个UE,但是eNB可以支持多于一个UE并与该eNB进行交互。另外,尽管在图4中示出了特定的功能元件,但是与功能元件相关联的功能可以在整个eNB或UE上分布。此外,功能元件可以被具体化为硬件、软件、固件、或者它们的任意组合。
图5是用于操作支持在基站和多个移动站之间的MU-MIMO通信的无线通信系统的方法的处理流程图。在块502中,在移动站处生成小区间干扰信息。在块504中,将小区间干扰信息从移动站传输到基站。在块506中,在基站上利用从移动站传输的小区间干扰信息来计算移动站的CQI。在块508中,响应CQI,在基站上作出调度决策。在块510中,根据调度决策将数据从基站传输到移动站。
上述技术可以以这种方式实现:相对于在UE中生成CQI的传统技术,降低在MU-MIMO模式下操作无线通信系统所需的上行链路的信令数量。例如,在4×4 MU-MIMO传输方案中,eNB有四根发射天线,以及UE有两根接收天线,导致了四个空间信道。利用在UE上生成CQI的技术,可以以表2所示的那样来计算所产生的反馈信令开销。
表2传统的CQI反馈开销
如表2所示,由于总共有四个子信道可用,所以UE利用两个比特表示优选的空间子信道,且如果选择了两个空间子信道,则相应的开销将是2*2=4比特。另外,五个比特用来表示调制和编码方案(MCS)选择。因而,从表2中可看出:在一个分配周期(例如10ms)中,总的CQI反馈开销是32比特。
利用以上参照图1-4描述的技术来将小区间干扰信息提供给eNB,并且假设每10个无线帧反馈回均值和标准差,则将与均值和标准差相关的开销计算为每100ms 2*2*6=24比特。此外,采用利用了每一个无线帧(10ms)反馈回的16比特索引的码本,将平均上行链路反馈开销计算为每10ms 24/(100/10)+16=18.4比特。与参照表2所述的传统技术相比较,每10ms18.4比特的开销表示在开销方面超过42%的降低。
将针对参照图1-4所描述的技术的CQI计算误差与在图6的图表中的理想CQI计算相比较,图6绘出了x轴上的索引比特数相对y轴上的SINR误差。在图6的图表中,码本在大小上涵盖了从4个比特到16个比特,并且将在估计SNIR(在线性单元)与准确的SNIR之间的相对线性绝对误差用作性能度量。如在图6的图表中所示,当索引大于约12比特时,SINR误差160是非常小的。在图6中反映的小的误差将趋于改善MCS选择的准确度,且块误差率(BLER)性能将可能接近理想的方案。
上述的技术利用了在TDD无线通信系统中的eNB和UE之间的信道相互关系,其中信道相互关系实质上包括在上行链路和下行链路方向上的等效信道响应。
尽管已经描述和举例说明了本发明的特定实施例,本发明不限于在此描述和举例说明的部分的特定的形式或者设置。本发明仅由权利要求进行限定。
Claims (20)
1、一种用于操作无线通信系统的方法,所述无线通信系统支持在基站和多个移动站之间的多用户多输入多输出MU-MIMO通信,所述方法包括:
在移动站;
生成小区间干扰信息;
将所述小区间干扰信息传输至所述基站;
在所述基站;
使用传输自移动站的所述小区间干扰信息,计算所述移动站的信道质量指示CQI;
响应所述CQI作出调度决策;以及
根据所述调度决策,将数据传输至所述移动站。
2、根据权利要求1所述的方法,其中在基站,除了从移动站接收的小区间干扰信息之外,还利用等效信道矩阵信息和空间子信道的使用方案信息来计算所述CQI。
3、根据权利要求1所述的方法,其中生成小区间干扰信息包括:计算在移动站接收的多个信号的均值和标准差。
4、根据权利要求3所述的方法,其中生成小区间的干扰信息包括:在移动站作出信号测量,并且响应所述信号测量,从码本中选择索引,其中所述索引代表所测量的信号。
5、根据权利要求4所述的方法,进一步包括将所述码本传输到UE,其中所述码本定义了多个索引。
6、根据权利要求1所述的方法,其中生成小区间干扰信息包括在移动站作出信号测量,响应所述信号测量来计算均值,响应所述信号测量来计算标准差,以及响应所述信号测量从码本中选择索引。
7、根据权利要求6所述的方法,进一步包括:以比提供索引给基站的间隔长的间隔来将所述均值和标准差提供给基站。
8、根据权利要求1所述方法,进一步包括:在基站,针对各种使用方案来计算与移动站相关的CQI,并且响应所计算的CQI来作出调度决策。
9、一种用于无线通信系统的基站,所述无线通信系统支持在基站和多个移动站之间的多用户多输入多输出MU-MIMO通信,所述基站包括:
信道质量指示CQI计算器,配置用于响应从移动站接收的小区间干扰信息,计算所述移动站的CQI;
调度器,配置用于响应所述CQI作出调度决策;以及
MU-MIMO发射机,配置用于根据所述调度决策,将数据传输至所述移动站。
10、根据权利要求9所述的基站,其中,除了从移动站接收的小区间干扰信息之外,所述CQI计算器还利用等效信道矩阵信息和空间子信道的使用方案信息来计算所述CQI。
11、根据权利要求10所述的基站,其中从移动站接收的小区间干扰信息包括在移动站接收的信号的均值和标准差。
12、根据权利要求11所述的基站,其中从移动站接收的小区间干扰信息包括来自码本的索引,其中所述索引代表在移动站上测量的信号。
13、根据权利要求9所述的基站,进一步包括:配置用于存储码本的码本模块。
14、根据权利要求13所述的基站,其中所述码本模块配置用于将所述码本分配给移动站。
15、根据权利要求9所述的基站,其中所述CQI计算器针对各种使用方案来计算与移动站相关的CQI,并且响应所计算的CQI来作出调度决策。
16、一种用于无线通信系统的移动站,所述无线通信系统支持在基站和多个移动站之间的多用户多输入多输出MU-MIMO通信,所述移动站包括:
信号接收和测量模块,配置用于接收和测量多个输入信号;
装置,用于生成小区间干扰信息;以及
发射机,配置用于将所述小区间干扰信息传输至基站,以用于计算信道质量指示CQI。
17、根据权利要求16所述的移动站,其中用于生成小区间干扰信息的装置包括:干扰计算器,配置用于计算所接收信号的均值和标准差。
18、根据权利要求17所述的移动站,其中用于生成小区间干扰信息的装置包括:索引选择器,配置用于响应所接收的信号,从码本中选择索引。
19、根据权利要求18所述的移动站,其中以比传输索引至基站的间隔长的间隔来将所述均值和标准差传输至基站。
20、根据权利要求18所述的移动站,进一步包括:码本模块,配置用于存储码本。
Priority Applications (6)
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