CN101409576A - 用于管理多用户无线通信系统中的预编码的方法及系统 - Google Patents

Abstract

操作支持基站和多个移动台之间的多用户多输入多输出(MU－MIMO)通信的无线通信系统，包括：产生信道估计；根据信道估计来预测未来信道估计；响应于所预测的未来信道估计，对数据进行预编码；以及发射预编码数据。

Description

用于管理多用户无线通信系统中的预编码的方法及系统

技术领域

本发明总体上涉及无线通信系统，更具体地涉及对多用户无线通信网络中的无线传输的预编码进行管理。

背景技术

建立第三代合作伙伴计划(3GPP)是为了提出全球适用的针对第三代移动系统的技术规范和技术报告，第三代移动通信系统基于演进的全球移动通信系统(GSM)核心网及其所支持的无线接入技术(即以频分双工(FDD)和时分双工(TDD)模式的通用移动电信系统地面无线接入(UTRA))。随后对其范围进行了修正，以便包括包含演进无线接入技术(例如通用分组无线业务(GPRS)和增强型数据速率GSM演进技术(EDGE))的GSM技术规范和技术报告的保持和发展。

在诸如通过3GPP标准化的系统的无线通信系统中，将预编码用于改进信道质量和吞吐量。传统的预编码典型地依靠使用最近所接收到的信息(例如最近接收到的导频符号)所进行的信道估计。尽管信道估计可以精确地反映实际的过去的信道响应，但是信道估计只能向后看(backward-looking)。因为传输条件趋向于随着时间改变，随后的传输可以呈现出不同的信道响应，这相应地可以限制或否定预编码的好处。

发明内容

根据本发明的实施例，将先前所产生的信道估计用于预测未来信道估计，而不直接根据信道估计来进行预编码，并且预编码是响应于所预测的未来信道估计而非直接根据先前所产生的信道估计实现的。因为预编码是响应于关于未来信道估计的预测而非直接根据先前所产生的信道估计(这反映了过去信道条件)实现的，可以使预编码更好地与将要在随后的传输中经历的条件相匹配。

在实施例中，一种用于操作支持基站和多个移动台之间的多用户多输入多输出(MU-MIMO)的无线通信系统的方法，包括：产生信道估计；根据信道估计来预测未来信道估计；响应于所预测的未来信道估计，对数据进行预编码；以及传输预编码数据。

在另一个实施例中，支持基站和多个移动台之间的MU-MIMO通信的基站包括：信道估计器，配置用于根据接收到的符号来产生信道估计；信道估计预测器，配置用于根据信道估计来预测未来信道估计；预编码器，配置用于响应于所预测的未来信道估计而对数据进行预编码；以及发射机，配置用于发射预编码数据。

在另一个实施例中，支持基站和多个移动台之间的MU-MIMO通信的移动台包括：信道估计器，配置用于根据接收到的符号来产生信道估计；信道估计预测器，配置用于根据信道估计来预测未来信道估计；预编码方案选择器，配置用于响应于所预测的未来信道估计来选择预编码方案；以及发射机，配置用于将对预编码方案的指示发射给基站。

附图说明

结合附图，作为示例而例证本发明的原理，从以下详细描述中，本发明的其他方面和优点将变得显而易见，在附图中：

图1描述了支持基站和多个移动台之间的MU-MIMO通信的无线通信系统。

图2描述了包括演进NodeB(eNB)和用户设备(UE)的无线移动系统，其中将UE配置用于预测未来信道估计。

图3描述了在预测未来信道估计中使用的非自适应滤波器。

图4描述了配置用于响应于所预测的未来信道估计而使用奇异值分解(SVD)来实现预编码的eNB的实施例。

图5是用于操作支持基站和多个移动台之间的多用户无线通信的无线通信系统的方法的过程流程图。

在整个说明书中，可以将相似的附图标记用于标识相似的组件。

具体实施方式

多用户多输入多输出(MU-MIMO)是针对无线传输的先进空间复用技术。图1描述了包括基站102(这里称为演进NodeB(eNB))和多个移动台104(这里称为用户设备(UE))的无线通信系统100。无线通信系统操作于使用频分复用(FDD)和时分复用(TDD)的MU-MIMO模式。在图1的实施例中，eNB是支持3GPP LTE规范中所指定的MU-MIMO操作的无线通信基站。eNB包括四个天线106，尽管eNB可以包括多于四个天线。在图1的实施例中，UE是支持3GPPLTE规范中所指定的无线操作的无线通信移动台。UE可以具有一个或两个天线108，尽管UE并不局限于两个天线(例如，UE可以具有多于两个天线)。

在图1的实施例中，eNB 102包括用于对下行链路传输进行预编码的预编码器110。通常，预编码包括对传输自eNB的信号进行独立加权，以最大化信道吞吐量。在传统意义上，预编码是直接根据信道估计而实现的。在根据本发明的实施例中，将先前所产生的信道估计用于预测未来信道估计，而不直接根据信道估计来进行预编码，并且响应于所预测的未来信道估计而非直接根据先前所产生的信道估计来实现预编码。因为预编码是响应于关于未来信道的估计而非反映实际过去的条件的信道估计的预测而实现，所以可以将预编码更好地与将要在随后的传输中经历的条件相匹配。

两种预编码包括基于码本(codebook)的预编码和基于非码本的预编码。下面参考图2和图3对可应用于基于码本的预编码的本发明实施例进行描述，并且下面参考图4对可应用于基于非码本的预编码的本发明实施例进行描述。

基于码本的预编码

基于码本的预编码是一种能够在无线通信中有效地发送预编码信息的技术，所述发送典型地在从UE到eNB的上行链路方向上。该技术包括建立码本，该码本包括预测矩阵集合，该集合中的每个预测矩阵都可由码本索引唯一地识别。在操作中，发射机(例如eNB 102)将诸如导频符号之类的数据发射给接收机(例如UE 104)。UE使用该导频符号来产生信道估计，接收机使用该信道估计来从预编码矩阵集合中选择预编码矩阵之一。典型地，选择最大化信道吞吐量的预编码矩阵。一旦选择了预编码矩阵，则将相应的码本索引发射回eNB，然后eNB使用所选预编码矩阵来对随后的下行链路传输进行预编码。例如，UE还可以产生信道质量信息作为信道质量指示符(CQI)，并将CQI连同码本索引一起提供给eNB。然后，由eNB使用该码本索引和CQI来建立预编码方案。

将示例性的基于码本的预编码方案称为每个用户一元速率控制(PU²RC)(Per-User Unitary Rate Control)方案。在操作于在eNB处具有M个发射天线的MIMO系统中的PU²RC方案中，采用预测编码矩阵集合，即码本E＝{E⁽⁰⁾...E^(G-1)}。给定预编码矩阵集合，则可以将第g个预编码矩阵表示成： $E^{\left(g\right)}=\left[\begin{array}{ccc}{e}_0^{\left(g\right)}& \·\·\·& e_{M-1}^{\left(g\right)}\end{array}\right],$ 并且e_m ^(g)是预编码矩阵集合中的第m个预编码向量。

在操作中，每个UE 104都产生信道估计，并针对集合E中的每个矩阵中的每个向量，计算CQI值。每个UE还选择可以由码本索引所识别的优选预编码矩阵。然后，将码本索引和CQI反馈给eNB 102。eNB收集指示优选预编码矩阵的索引和针对矩阵中的所有预编码向量的CQI的反馈信息。然后，eNB将识别相同优选预编码矩阵的UE进行分组，并在不同的组之间选择具有最高组优选级的组。同时，在所选预编码组之内，eNB将每个预编码向量分配给具有最高优先级的用户。最后，eNB建立与所选组相对应的预编码方案。

在实施例中，可以将一个预编码矩阵中的预编码向量分配给多个用户或相同用户的多个流。在另一个实施例中，可以将预编码矩阵设置成一元矩阵，由于预编码矩阵中的不同预编码向量之间的正交性，这可以减轻不同发射天线之间的干扰。

根据本发明的实施例，在使用基于码本的预编码时，将在特定UE处所进行的信道估计用于预测未来信道估计，并且使用所预测的未来信道估计代替先前所产生的信道估计来选择预编码矩阵并计算CQI。图2描述了包括eNB 102和UE 104的无线通信系统，其中将UE配置用于预测未来信道估计。eNB包括发射机120、接收机122以及预编码器110，预编码器110配置用于根据响应于所预测的未来信道估计所选择的基于码本的预编码方案来对数据进行预编码。UE包括发射机124、接收机126、信道估计器128、信道估计预测器130、以及信道反馈模块132。信道反馈模块包括预编码矩阵选择器134和CQI计算器136。UE的发射机和接收机支持无线通信。信道估计器根据接收到的信号而产生信道估计，信道估计预测器根据信道估计来产生所预测的未来信道估计，信道反馈模块使用所预测的未来信道估计来选择预编码矩阵，以识别相应的码本索引，并计算CQI。UE将码本索引和CQI发射给eNB，用于随后对下行链路传输的预编码。

现在，参考图2对系统操作进行更详细的描述。首先，参照信道估计器128的操作，假设在无线通信系统中存在M个发射天线(未示出)和N个接收天线(未示出)，并且假设将在第m个发射天线处所发射的导频信号表示为s_m。通过不同时间或频率分配将导频信号s_m与其他天线处的导频信号加以区别。将在针对第k个用户的第m个发射天线和第n个接收天线处的信道响应表示成：h_m，n，k，其中k＝1，...，K，K是UE的数量。可以将针对第k个UE所接收到的信号表示成：

y_m，n，k＝s_mh_m，n，k+η_m，n，k    (1)

其中η_m，n，k是噪声。产生信道估计包括寻找h_m，n，k的值。用于寻找h_m，n，k的值的基本过程包括将y_m，n，k与(s_ms_m ^*)^-1s_m ^*相乘，其中上标*和-1分别表示共轭和倒数。这个过程可以表示成：

${\hat{h}}_{m,n,k}={\left(s_m{s}_m^{*}\right)}^{-1}{s}_m^{*}{y}_{m,n,k}---\left(2\right)$

在实施例中，使用以下信道响应矩阵来表示针对第k个UE的信道估计：

${\hat{H}}_k=\left[\begin{array}{ccc}{\hat{h}}_{\mathrm{1,1},k}& \·\·\·& {\hat{h}}_{M,1,k}\\ \·& \·\·\·& \·\\ {\hat{h}}_{1,N,k}& \·\·\·& {\hat{h}}_{M,N,k}\end{array}\right]---\left(3\right)$

每个预编码向量的SNR计算如下：

${\mathrm{SNR}}_k=\frac{e_k^H{\hat{H}}_k^H{\hat{H}}_k{e}_k}{{\mathrm{\σ}}_k^2}---\left(4\right)$

其中，e_k是预编码向量，而σ_k ²是平均噪声方差。从SNR的值中得到CQI。

再次参照图2，将来自信道估计器128的信道估计

提供给信道估计预测器130。信道估计预测器基于所接收到的信道估计来预测信道估计未来会是什么。将在时间t处所预测的未来信道估计表示为

可以使用不同技术来进行信道估计预测。一种用于预测未来信道估计的技术包括滤波，例如包括自适应滤波或非自适应滤波。自适应滤波基于从滤波器输入所推导出的统计特性来跟踪信道响应中的变化。例如，自适应滤波技术包括最小均方(LMS)滤波、递推最小平方(RLS)滤波以及Kalman滤波。

非自适应滤波利用关于无线传播信道的实时信息来更新滤波器系数。参考图3，描述非自适应预测滤波器的示例。具体地，图3描述了包括横向(transversal)单元142、加权单元144、以及求和单元146的线性横向预测滤波器140。预测滤波器操作用于基于先前所产生的信道估计在时间t处产生预测的未来信道估计。

参照图3，滤波器操作用于通过使用先前在一连串过去时间处所产生的信道估计 $({\hat{h}}_{m,n,k}(t-1),{\hat{h}}_{m,n,k}(t-2),...,{\hat{h}}_{m,n,k}(t-\mathrm{\Δ}))$ 来预测未来信道估计

通过使用图3中的滤波器，将对所预测的未来信道估计的计算表示成：

${\tilde{h}}_{m,n,k}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{\hat{h}}_{m,n,k}(t-i)---\left(5\right)$

在实施例中，可以使用Wiener-Hopf方程：

w_i＝R^-1p    (6)

来得到滤波器系数w_i。其中R是向量 ${\hat{h}}_{m,n,k}=[{\hat{h}}_{m,n,k}(t-1),{\hat{h}}_{m,n,k}(t-2),\·\·\·,{\hat{h}}_{m,n,k}(t-\mathrm{\Δ})]$ 的自相关矩阵的期望均值，而P是

和期望响应

之间的互相关的期望。尽管参考图3对用于预测未来信道估计的一种滤波技术进行了描述，也可以使用其他技术来预测未来信道估计。

一旦信道估计预测器130产生了预测的未来信道估计，则将所预测的未来信道估计提供给信道反馈模块132。信道反馈模块的预编码矩阵选择器134使用所预测的未来信道估计来选择预编码矩阵并识别相应的码本索引。信道反馈模块的CQI计算器136使用所预测的未来信道估计来为UE 104计算CQI。然后，通过上行链路将预编码矩阵信息(例如，以相应的码本索引的形式)和CQI发射给eNB 102，用以进行预编码。

基于非码本的预编码

如上面所提到的，本发明的另一个实施例包括在利用基于非码本的预编码的系统中使用所预测的未来信道估计。基于非码本的预编码包括直接根据信道估计来产生预编码矩阵。用于进行预编码的一种基于非码本的技术利用奇异值分解(SVD)来从信道估计中产生预编码矩阵。在实施例中，假设有M个发射天线和N个接收天线，可以将由针对第k个UE的信道响应矩阵所表示的信道估计表示成：

$H_k=\left[\begin{array}{ccc}{h}_{\mathrm{1,1},k}& \·\·\·& h_{M,1,k}\\ \·& \·\·\·& \·\\ h_{1,N,k}& \·\·\·& h_{M,N,k}\end{array}\right]---\left(7\right)$

将对信道响应矩阵的奇异值(singular value)分解表示为：

H_k＝U_kΛ_kV_k ^H    (8)

其中，U_k将在接收处理中被采用，即：

发射信号：S_k

预编码信号：X_k＝V_kS_k

接收信号：Y_k＝H_kX_k

处理信号： $R_k=U_k^H{Y}_k={\mathrm{\Λ}}_k{S}_k$

以及Λ_k是对角元素为非负实数并且非对角线元素为零的矩阵。对角元素λ₁≥λ₂≥…≥λ_q是矩阵H_k的有序奇异值，其中q＝min(M，N)。将V_k用作针对第k个用户所加权的预编码矩阵。在实施例中，预编码有效地将MIMO信道转化成一组并行的平坦衰落子信道。

根据本发明的实施例，将信道估计用于产生预测的未来信道估计，并且将所预测的未来信道估计代替先前所产生的信道估计用于在SVD操作中产生预编码矩阵。图4描述了配置用于响应于所预测的未来信道估计而使用奇异值分解来实现预编码的eNB 102的实施例。图4中所描述的eNB包括发射机120、接收机122、信道估计器158、信道估计预测器160、SVD模块162、以及预编码器110。信道估计器和信道估计预测器与参考图2和图3所描述的那些相似，并且SVD模块执行如上所述的奇异值分解。预编码器包括特定流编码器164和加法器166，尽管也可以使用其他编码器配置。

在操作中，信道估计器158根据通过下行链路信道所接收到的信息而产生信道估计。例如，信道估计器使用已知技术来产生信道估计。将信道估计提供给将信道估计用于预测未来信道估计的信道估计预测器160。如上所述，例如信道估计预测器可以利用自适应或非自适应滤波技术来产生预测未来信道估计。然后，将由信道估计预测器所产生的预测的未来信道估计提供给SVD模块162，用于奇异值分解。SVD模块直接根据所预测的未来信道估计来产生预编码矩阵(例如V₁-V_K)，并由预编码器110将预编码矩阵用于对随后的下行链路传输进行预编码。上述技术利用TDD无线通信系统中的eNB和UE之间的信道互易性，其中信道互易性包括在上行链路和下行链路方向上的基本相同的信道响应。

图5是用于操作支持基站和多个移动台之间的多用户无线通信的无线通信系统的方法的过程流程图。在框502中，产生信道估计。在框504中，根据信道估计来预测未来信道估计。在框506中，响应于所预测的未来信道估计，对数据进行预编码。在框508中，发射预编码数据。

尽管已经对本发明的特定实施例进行了描述和例证，本发明并不局限于这里所描述并例证的部分的特定形式和布置。本发明仅由权利要求所限定。

Claims (20)

1.一种用于操作支持基站和多个移动台之间的多用户多输入多输出(MU-MIMO)通信的无线通信系统的方法，所述方法包括：

产生信道估计；

根据所述信道估计来预测未来信道估计；

响应于所预测的未来信道估计来对数据进行预编码；以及

发射预编码数据。

2.如权利要求1所述的方法，其中，响应于所预测的未来信道估计来对数据进行预编码包括：响应于所预测的未来信道估计来识别预编码方案。

3.如权利要求2所述的方法，其中，识别预编码方案包括：响应于所预测的未来信道估计来选择预编码矩阵。

4.如权利要求3所述的方法，其中，选择预编码矩阵包括：响应于所预测的未来信道估计来选择码本索引。

5.如权利要求1所述的方法，其中，响应于所预测的未来信道估计来对数据进行预编码包括：对所预测的未来信道估计执行奇异值分解(SVD)，并响应于所述SVD来对数据进行预编码。

6.如权利要求5所述的方法，包括：响应于所述SVD来产生预编码矩阵。

7.如权利要求1所述的方法，其中，预测未来信道估计包括：对所述信道估计进行滤波。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述滤波包括：对所述信道估计进行自适应滤波。

9.如权利要求1所述的方法，其中，预测未来信道估计包括：对所述信道估计的时间序列进行滤波。

10.一种用于操作支持基站和多个移动台之间的多用户多输入多输出(MU-MIMO)通信的无线通信系统的方法，所述方法包括：

接收与信道相关的符号；

根据接收到的符号来产生信道响应信息；

响应于所述信道响应信息来预测未来信道响应信息；

响应于所预测的未来信道响应信息来对数据进行预编码；以及

发射预编码数据。

11.如权利要求10所述的方法，其中，响应于所预测的未来信道响应信息来对数据进行预编码包括：响应于所预测的未来信道响应信息来估计识别预编码方案，并响应于所识别的预编码方案来对数据进行预编码。

12.如权利要求11所述的方法，其中，识别预编码方案包括：响应于所预测的未来信道响应信息来选择预编码矩阵。

13.如权利要求12所述的方法，其中，选择预编码矩阵包括响应于所预测的未来信道响应信息来选择码本索引。

14.一种支持基站和多个移动台之间的多用户多输入多输出(MU-MIMO)通信的基站，所述基站包括：

信道估计器，配置用于根据接收到的符号来产生信道估计；

信道估计预测器，配置用于根据所述信道估计来预测未来信道估计；

预编码器，配置用于响应于所预测的未来信道估计来对数据进行预编码；以及

发射机，配置用于发射预编码数据。

15.如权利要求14所述的基站，还包括奇异值分解(SVD)模块，所述奇异值分解(SVD)模块配置用于响应于所预测的未来信道估计来产生预编码矩阵。

16.如权利要求15所述的基站，其中，所述预编码器配置用于响应于来自SVD模块的预编码矩阵来对数据进行预编码。

17.一种支持基站和移动台之间的多用户多输入多输出(MU-MIMO)通信的移动台，所述移动台包括：

信道估计器，配置用于根据接收到的符号来产生信道估计；

信道估计预测器，配置用于根据所述信道估计来预测未来信道估计；

预编码方案选择器，配置用于响应于所预测的未来信道估计来选择预编码方案；以及

发射机，配置用于将所述预编码方案的指示发射给基站。

18.如权利要求17所述的移动台，其中，所述预编码方案选择器配置用于响应于所预测的未来信道估计来选择预编码矩阵。

19.如权利要求18所述的移动台，其中，所述预编码方案选择器配置用于选择识别所选预编码矩阵的码本索引。

20.如权利要求17所述的移动台，其中，预测未来信道估计包括：对所述信道估计进行滤波。

Images