CN101359952B - 时分双工模式下多输入多输出系统通信方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，公开了一种时分双工模式下多输入多输出系统通信方法及设备，使得TDD模式下MIMO系统的性能得以提高。本发明中，第一设备根据与第二设备的发送天线相关的信道参数，计算第1层数据所使用的伪特征波束形成向量，并计算与该伪特征波束形成向量正交的M-1个候选的波束形成向量；第一设备根据第二设备的反馈，从M-1个候选的波束形成向量中选择K个性能较好的波束形成向量，作为第2至第K+1层数据所使用的波束形成向量。

Description

时分双工模式下多输入多输出系统通信方法及设备

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及时分双工模式下多输入多输出通信技术。

背景技术

多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，简称“MIMO”)技术在无线通信系统中的应用越来越受到重视，无论是从增加系统容量的角度还是改善系统性能的角度，MIMO都有其不可替代的优越性。

在时分双工(Time Division Duplex，简称“TDD”)的情况下，高通在空中接口演进(Air Interface Evolution，简称“AIE”)的提案中，提出了一种用于MIMO传输的，被称为伪特征波束成形(pseudo-eigen-beamforming)的技术，下面对该技术进行具体说明。

假设基站有M个发射天线，移动终端有N根接收天线。现有技术中发射信号和接收信号间的数学表达式如式(1)所示：

式(1)

在式(1)中，r₁至r_N是移动终端的N根接收天线得到的接收信号，n₁至n_N是噪声，h₁₁至h_NM分别是基站第1至第N根发射天线到移动终端第1至第M根接收天线的信道参数(如[h₁₁ h₁₂…h_1M]即是基站第1至第M根发射天线到移动终端的接收天线1的信道参数)，t₁，t₂，…，t_M是基站的M根物理天线发射的信号，该信号是由实际需要发送的数据s₁，s₂，…，s_M组成的向量与预编码矩阵相乘得到的，相应数学表达式如式(2)所示：

式(2)

在式(2)中，

即是预编码矩阵。

假设移动终端的第1根天线既可以发射信号也可以接收信号，从而基站可以根据移动终端向其发射的导频信号，确定移动终端的第1根发射天线到基站第1至第M根接收天线的信道参数[h₁₁ h₁₂…h_1M]，根据TDD模式的信道对称特性，即上下行的信道参数相同的特性，基站同时可以确定下行信道上与移动终端发射天线相关的信道参数，同样为[h₁₁ h₁₂…h_1M]。所以，根据现有技术可以得到第1层数据s₁所使用的波束形成向量，其公式为： $\left[\begin{array}{c}{a}_{11}\\ a_{21}\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_{M1}\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{{\left|h_{11}\right|}^2+{\left|h_{12}\right|}^2+\·\·\·+{\left|h_{1M}\right|}^2}}\left[\begin{array}{c}{h}_{11}^{*}\\ h_{12}^{*}\\ \·\\ \·\\ \·\\ h_{1M}^{*}\end{array}\right],$ 而余下的第2，3，…，M层数据s₂，s₃，…，s_M所使用的波束形成向量，是与第1层数据所使用的波束形成向量正交且彼此间正交的各个向量。

由第1层数据所使用的波束形成向量找到与该向量正交的各个向量的方法有很多种，是众所周知的现有技术，例如可以使用施密特正交化方法，先找到与第1层数据所使用的波束形成向量正交的第二个向量，再找到与第1层数据所用向量正交且与上述第二个向量也正交的第三个向量，然后找到同时与上述的第1层数据所用向量、第二个向量和第三个向量都正交的第四个向量，这样依次找到所有的M层数据所使用的M个波束形成向量。基站根据第1至第M层数据所使用的波束形成向量通过M根天线向移动终端发送数据。

移动终端第一根接收天线接收的信号，只包含s1通过基站各发射天线波束形成后到达第一根接收天线的结果，而余下的第2，3，…，M层数据s₂，s₃，…，s_M所使用的波束形成向量，因为与第1层数据所使用的波束形成向量正交，不会被第一根接收天线接收。从而在接收s₁的过程中，可以认为不存在其它发射信号的干扰。

在基站的发射天线数目M大于移动终端的接收天线数目N时，因为移动终端只有N根接收天线，从而最多只可以接收N层空间复用的波束，从而在这种情况下，基站最多可以向移动终端发射N层数据，即基站只需要N-1个波束形成向量。

具体地说，在现有技术中，如前所述，基站可通过已知的[h₁₁ h₁₂…h_1M]确定第1层数据s₁所使用的波束形成向量 $\left[\begin{array}{c}{a}_{11}\\ a_{21}\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_{M1}\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{{\left|h_{11}\right|}^2+{\left|h_{12}\right|}^2+\·\·\·+{\left|h_{1M}\right|}^2}}\left[\begin{array}{c}{h}_{11}^{*}\\ h_{12}^{*}\\ \·\\ \·\\ \·\\ h_{1M}^{*}\end{array}\right],$ 并根据该波束形成向量推导出M-1个与第1层数据所使用的波束形成向量正交且彼此间正交的波束形成向量，在M＞N的情况下，基站从与第1层数据所使用的波束形成向量正交且彼此间正交的M-1个波束形成向量中随机选取的N-1个向量，第1至第N层数据使用对应的波束形成向量，通过M根天线向该移动终端发送数据。

然而，本发明的发明人发现，从M-1个波束形成向量中随机选取N-1个向量的方法，无法反映移动终端第N-1个信道真正对应的最优波束，没有完整利用信道信息优化性能，不能达到系统最佳的性能。

发明内容

本发明实施方式要解决的主要技术问题是提供一种时分双工模式下多输入多输出系统通信方法及设备，使得TDD模式下MIMO系统的性能得以提高。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种时分双工模式下多输入多输出系统通信方法，第一设备有M根天线用于接收和发送；第二设备有N根天线用于接收，其中一根天线还用于发送；M和N为正整数，M＞N，该方法包括以下步骤：

第一设备根据与第二设备的发送天线相关的信道参数，计算第1层数据所使用的伪特征波束形成向量，并计算与该伪特征波束形成向量正交的M-1个候选的波束形成向量；

第一设备根据第二设备的反馈，从M-1个候选的波束形成向量中选择K个性能较好的波束形成向量，作为第2至第K+1层数据所使用的波束形成向量，并根据第1至第K+1层数据所使用的波束形成向量通过M根天线向该第二设备发送数据，其中K是小于或等于N-1的正整数。

本发明的实施方式还提供了一种通信设备，用于时分双工模式下多输入多输出系统，该通信设备包括M根用于接收和发送的天线；与该通信设备通信的对端设备有N根天线用于接收，其中一根天线还用于发送，M和N为正整数，M＞N，该通信设备还包括：

计算单元，用于根据与对端设备发送天线相关的信道参数计算第1层数据所使用的伪特征波束形成向量，并计算与该伪特征波束形成向量正交的M-1个候选的波束形成向量；

反馈接收单元，用于接收来自对端设备的反馈；

选择单元，用于根据对端设备的反馈，从计算单元输出的M-1个候选的波束形成向量中选择K个性能较好的波束形成向量，作为第2至第K+1层数据所使用的波束形成向量，其中K是小于或等于N-1的正整数；

发送单元，用于根据第1至第K+1层数据所使用的波束形成向量通过M根天线向对端设备发送数据。

本发明的实施方式还提供了一种通信设备，用于时分双工模式下多输入多输出系统，该通信设备包括N根用于接收的天线，其中一根天线还用于发送；与该通信设备通信的对端设备有M根天线用于接收和发送，M和N为正整数，M＞N，该通信设备还包括：

计算单元，用于根据对端设备发射的导频信号、以及该通信设备接收到的对端设备的导频信号，估计得到完整的信道参数，根据与该对端设备相同的算法，计算第1层数据所使用的伪特征波束形成向量，和与该伪特征波束形成向量正交的M-1个候选的波束形成向量；

选择单元，用于根据完整的信道参数从计算单元输出的M-1个候选的波束形成向量中选出K个性能较好的波束形成向量，其中K是小于或等于N-1的正整数；

反馈单元，用于将代表选择单元选出的波束形成向量的信息反馈给对端设备。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

第一设备根据第二设备的反馈选择的K个性能较好的波束形成向量作为第2至第K+1层数据所使用的波束形成向量，其中K是小于或等于N-1的正整数，可以更好地利用信道信息优化性能，使得整个MIMO系统的性能得以提高。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的TDD模式下MIMO系统通信方法流程图；

图2是根据本发明第二实施方式的TDD模式下MIMO通信系统结构图。

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的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种TDD模式下MIMO系统通信方法，在本实施方式中基站和移动终端都工作于TDD模式，根据TDD模式的上下行信道对称特性，可以认为上行的信道参数与下行的信道参数相等，本实施方式中将其统称为信道参数。在本实施方式中，基站有M根天线用于接收和发送，移动终端有N根天线用于接收，其中一根天线用于发送；M和N均为正整数，M＞N。典型的情况是M＝4，N＝2。

具体流程如图1所示。在步骤101中，移动终端使用一根天线向基站发射导频信号。

在步骤102中，基站用M根天线接收该导频信号，并根据该导频信号对信道进行估计，得到与该移动终端的发射天线相关的部分信道参数，即本基站的M根发射天线到该移动终端的用于发射和接收的天线的信道参数[h₁₁ h₁₂…h_1M]，并根据[h₁₁ h₁₂…h_1M]得到第1层数据所使用的伪特征波束形成向量 $\left[\begin{array}{c}{a}_{11}\\ a_{21}\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_{M1}\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{{\left|h_{11}\right|}^2+{\left|h_{12}\right|}^2+\·\·\·+{\left|h_{1M}\right|}^2}}\left[\begin{array}{c}{h}_{11}^{*}\\ h_{12}^{*}\\ \·\\ \·\\ \·\\ h_{1M}^{*}\end{array}\right],$ 再采用预定算法，如施密特正交化方法等，计算得到M-1个与第1层数据所使用的伪特征波束形成向量正交的波束形成向量。

在步骤103中，基站用M根天线向移动终端发射导频信号。

在步骤104中，该移动终端使用N根天线接收该导频信号，根据该导频信号对信道进行估计，得到完整的信道参数

并与基站一样，根据该基站的M根发射天线到本移动终端的用于发射和接收的天线的信道参数[h₁₁ h₁₂…h_1M]得到第1层数据所使用的伪特征波束形成向量 $\left[\begin{array}{c}{a}_{11}\\ a_{21}\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_{M1}\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{{\left|h_{11}\right|}^2+{\left|h_{12}\right|}^2+\·\·\·+{\left|h_{1M}\right|}^2}}\left[\begin{array}{c}{h}_{11}^{*}\\ h_{12}^{*}\\ \·\\ \·\\ \·\\ h_{1M}^{*}\end{array}\right],$ 再使用与基站相同的预定算法，如施密特正交化方法等，计算得到M-1个与第1层数据所使用的伪特征波束形成向量正交的波束形成向量，称为候选的波束形成向量。

在步骤105中，移动终端根据完整的信道参数

从M-1个候选的波束形成向量中选择N-1个性能最好的波束形成向量，其中性能可以用传输速率、吞吐量、信干比(即信号与干扰噪声比)等指标衡量。因为移动终端知道与基站间的完整的信道参数，所以有能力从各候选波束形成向量中选出性能最好的N-1个波束形成向量，确保使得本实施方式的可实现性。

在步骤106中，移动终端将代表所选的波束形成向量的信息反馈给基站。比如说，移动终端可以对候选的各波束形成向量进行编号，将所选的波束形成向量的编号反馈给基站；如果M和N较为接近，需要反馈的编号较多，也可以将未被选中的波束形成向量的编号反馈给基站。又如，可以用M-1比特代表M-1个候选的波束形成向量，如果某个波束形成向量被选中就将该波束形成向量对应的比特置为1，没有被选中的各波束形成向量对应的比特置为0。还可以对候选的各波束形成向量的各种组合进行编号，将所选中的组合的编号反馈给基站。

举例而言，在M＝4而N＝2的典型场景，需要从3个候选波束形成向量中选出1个，那么，只需要2比特就可以反馈相应的信息，例如可以用00表示选择第1个候选波束形成向量，用01表示选择第2个候选波束形成向量，而用10表示选择第3个候选波束形成向量，传输的信息量较少。如果需要从3个候选波束形成向量中选出2个，则可以用00表示第1个候选波束形成向量和第：个候选波束形成向量的组合，用01表示第2个候选波束形成向量和第3个候选波束形成向量的组合，用11表示第1个候选波束形成向量和第3个候选波束形成向量的组合，这样也只需要2个比特就可以完成反馈了。

由于移动终端可接收到基站M根发送天线发送的导频信号，因此可以估计得到M根发送天线与N根接收天线间完整的信道参数，只要移动终端使用与基站相同的算法，就可以在移动终端中获得与基站相同的各候选波束形成向量，通过对各候选波束形成向量编号等手段，移动终端只要少量信息就可以通知基站哪些波束形成向量性能较好。

在步骤107中，基站收到来自移动终端的反馈后，将该移动终端所选的N-1个波束形成向量作为第2至第N层数据所使用的波束形成向量，并根据第1至第N层的波束形成向量构成预编码矩阵

通过M根天线向终端发送数据。由于作为第2至第N层数据所使用的波束形成向量的N-1个波束形成向量为移动终端选中的性能较好的波束形成向量，从而可以更好地利用信道信息优化性能，使得整个MIMO系统的性能得以提高。

本发明第二实施方式涉及一种TDD模式下MIMO通信系统，包括基站和移动终端，如图2所示。其中，该基站包括M根用于接收和发送的天线；该移动终端包括N根用于接收的天线，其中一根接收天线也用于发送，M和N为正整数，M＞N。

该基站还包括：

估计单元，用于根据终端设备发射的导频信号通过信道到达基站的接收信号，估计得到与移动终端发送天线相关的信道参数。

计算单元，用于根据与移动终端发送天线相关的信道参数计算第1层数据所使用的伪特征波束形成向量，并计算与该伪特征波束形成向量正交的M-1个候选的波束形成向量。

反馈接收单元，用于接收来自移动终端的反馈。

选择单元，用于根据该移动终端的反馈，从计算单元输出的M-1个候选的波束形成向量中选择N-1个性能较好的波束形成向量，作为第2至第N层数据所使用的波束形成向量。

发送单元，用于根据第1至第N层数据所使用的波束形成向量通过M根天线向移动终端发送数据。

由于基站根据移动终端的反馈选择的N-1个性能较好的波束形成向量作为第2至第N层数据所使用的波束形成向量，从而可以更好地利用信道信息优化性能，使得整个MIMO通信系统的性能得以提高。

该移动终端还包括：

计算单元，用于根据基站发射的导频信号、以及该导频信号通过信道到达终端的接收信号，估计得到完整的信道参数，根据与基站相同的方法，由上述信道参数计算第1层数据所使用的伪特征波束形成向量，和与该伪特征波束形成向量正交的M-1个候选的波束形成向量。

选择单元，用于根据该完整的信道参数从本移动终端的计算单元输出的M-1个候选的波束形成向量中选出N-1个性能较好的波束形成向量，选择的指标可以是传输速率、吞吐量、信干比等。

反馈单元，用于将表示该选择单元选出的波束形成向量的信息反馈给该基站。

由于移动终端可接收到第一设备M根发送天线发送的导频信号，因此可以估计得到M根发送天线与N根接收天线间完整的信道参数，只要移动终端使用与基站相同的算法，就可以在移动终端侧获得与基站侧近似相同的各候选波束形成向量，并且，因为移动终端知道与基站间的完整的信道参数，所以有能力从各候选波束形成向量中选出性能最好的N-1个波束形成向量，通过对各候选波束形成向量编号等手段，移动终端只要少量信息就可以通知基站哪些波束形成向量被选中。

上述实施方式都是以选出N-1个波束形成向量为例进行说明的，实质上所选择的波束形成向量的数目也可以少于N-1。例如，M＝5、N＝4时，候选波束形成向量的总数是M-1等于4，可以选择3个波束形成向量(此时发射端发4层数据)，也可以只选择2个(此时发射端发3层数据)或1个波束成形向量(此时发射端发2层数据)。

综上所述，在本发明的实施方式中，第一设备根据第二设备的反馈选择的N-1个性能较好的波束形成向量作为第2至第N层数据所使用的波束形成向量，可以更好地利用信道信息优化性能，使得整个MIMO系统的性能得以提高。

由于第二设备可接收到第一设备M根发送天线发送的导频信号，因此可以估计得到M根发送天线与N根接收天线间完整的信道参数，只要第二设备使用与第一设备相同的算法，就可以在第二设备中获得与第一设备近似相同的各候选波束形成向量，通过对各候选波束形成向量编号等手段，第二设备只要少量信息就可以通知第一设备哪些波束形成向量被选中。

因为第二设备知道与第一设备间的完整的信道参数，所以有能力从各候选波束形成向量中选出性能最好的N-1个波束形成向量。

该第二设备(如移动终端)可以参照传输速率、吞吐量、和信干比等指标，根据完整的信道参数从M-1个候选的波束形成向量中选出N-1个波束形成向量，执行起来较为简单，不会增加第二设备过多的负担，使得本发明的实施方式的可行性较好。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，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 (9)

1.一种时分双工模式下多输入多输出系统通信方法，其特征在于，第一设备有M根天线用于接收和发送；第二设备有N根天线用于接收，其中一根天线还用于发送；M和N为正整数，M＞N，该方法包括以下步骤：

所述第一设备根据所述第二设备发射的导频信号、以及从接收信道上收到的所述第二设备的导频信号进行信道估计，得到与该第二设备的发送天线相关的信道参数；

所述第一设备根据与所述第二设备的发送天线相关的信道参数，计算第1层数据所使用的伪特征波束形成向量，并计算与该伪特征波束形成向量正交的M-1个候选的波束形成向量；

所述第一设备根据所述第二设备的反馈，从所述M-1个候选的波束形成向量中选择K个性能较好的波束形成向量，作为第2至第K+1层数据所使用的波束形成向量，并根据第1至第K+1层数据所使用的波束形成向量通过所述M根天线向该第二设备发送数据，其中K是小于或等于N-1的正整数。

2.根据权利要求1所述的时分双工模式下多输入多输出系统通信方法，其特征在于，在所述第一设备根据第二设备的反馈，从所述M-1个候选的波束形成向量中选择K个性能较好的波束形成向量的步骤之前，还包括以下步骤：

所述第二设备使用N根天线接收所述第一设备通过M根天线发射的导频信号；

所述第二设备根据所述第一设备发射的导频信号、以及所述接收到的导频信号，估计得到完整的信道参数，并根据与第一设备相同的算法，计算第1层数据所使用的伪特征波束形成向量，和与该伪特征波束形成向量正交的M-1个候选的波束形成向量，根据所述完整的信道参数从M-1个所述候选的波束形成向量中选出K个性能较好的波束形成向量，将代表所选的波束形成向量的信息反馈给所述第一设备。

3.根据权利要求2所述的时分双工模式下多输入多输出系统通信方法，其特征在于，在所述第二设备根据完整的信道参数从M-1个所述候选的波束形成向量中选出K个性能较好的波束形成向量的步骤中，根据以下性能指标之一选出所述K个性能较好的波束形成向量：

传输速率、吞吐量、信干比。

4.根据权利要求1所述的时分双工模式下多输入多输出系统通信方法，其特征在于，所述计算与所述伪特征波束形成向量正交的M-1个候选的波束形成向量的步骤中，使用施密特正交化算法进行所述计算。

5.一种通信设备，用于时分双工模式下多输入多输出系统，该通信设备包括M根用于接收和发送的天线；与该通信设备通信的对端设备有N根天线用于接收，其中一根天线还用于发送，M和N为正整数，M＞N，其特征在于，该通信设备还包括：

计算单元，用于根据与所述对端设备发送天线相关的信道参数，计算第1层数据所使用的伪特征波束形成向量，并计算与该伪特征波束形成向量正交的M-1个候选的波束形成向量；

反馈接收单元，用于接收来自所述对端设备的反馈；

选择单元，用于根据所述对端设备的反馈，从所述计算单元输出的M-1个候选的波束形成向量中选择K个性能较好的波束形成向量，作为第2至第K+1层数据所使用的波束形成向量，其中K是小于或等于N-1的正整数；

发送单元，用于根据第1至第K+1层数据所使用的波束形成向量通过M根天线向所述对端设备发送数据；

估计单元，用于根据接收信道上收到的所述对端设备的导频信号进行信道估计，得到所述与对端设备发送天线相关的信道参数。

6.根据权利要求5所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备是基站，所述对端设备是移动终端。

7.一种通信设备，用于时分双工模式下多输入多输出系统，该通信设备包括N根用于接收的天线，其中一根天线还用于发送；与该通信设备通信的对端设备有M根天线用于接收和发送，M和N为正整数，M＞N，其特征在于，该通信设备还包括：

计算单元，用于根据所述对端设备发射的导频信号、以及所述通信设备接收到的所述对端设备的导频信号，估计得到完整的信道参数，根据与该对端设备相同的算法，计算第1层数据所使用的伪特征波束形成向量，和与该伪特征波束形成向量正交的M-1个候选的波束形成向量；

选择单元，用于根据所述完整的信道参数从所述计算单元输出的M-1个所述候选的波束形成向量中选出K个性能较好的波束形成向量，其中K是小于或等于N-1的正整数；

反馈单元，用于将代表所述选择单元选出的波束形成向量的信息反馈给所述对端设备。

8.根据权利要求7所述的通信设备，其特征在于，所述选择单元根据以下至少一个性能指标选出所述K个性能较好的波束形成向量：

传输速率、吞吐量、信干比。

9.根据权利要求7或8所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备是移动终端，所述对端设备是基站。

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