CN101442349B - 多用户mimo码本子集选择方法 - Google Patents

Abstract

提供一种选择多用户MIMO码本子集的方法，包括步骤：a.从码本中去除具有最宽波瓣的波束向量；以及b.从剩余的波束向量中选择位于与扇区数量相应的连续空间方向内的波束向量，构成多用户MIMO的码本子集。

Description

多用户MIMO码本子集选择方法

技术领域

本发明总的来说涉及多用户多入多出(MU-MIMO)的码本设计，更具体地说，涉及一种多扇区配置情况下MU-MIMO码本子集的选择方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，多用户多入多出(MU-MIMO)技术被广泛地用于各种无线通信系统。

当前的MU-MIMO码本设计针对全向小区。例如，在3GPP LTE(长期演进)的“Reuse(a part of)the rank-1 SU-MIMO precoding possibilities definedfor 2 TX and 4 TX antennas；UE and Node B uses the same codebook”中指定MU-MIMO沿用SU-MIMO(单用户MIMO)的码本。用于4Tx天线的Rank-1SU-MIMO码本由16个波束向量组成，可将这16个波束向量分组为4个酉矩阵：M₁＝[u₁ u₂ u₃ u₄]，M₂＝[u₅ u₆ u₇ u₈]，M₃＝[u₉ u₁₀ u₁₁ u₁₂]，M₄＝[u₁₃ u₁₄ u₁₅ u₁₆]，其中，M₁和M₂为DFT(离散傅立叶变换)矩阵，其中的DFT向量能够很好地与LOS(视距)信道匹配，而LOS信道被公认为MU-MIMO工作的主要环境。

然而，M₃和M₄并不适用于MU-MIMO码本，且尚未提出任何关于针对多扇区配置情况的码本子集选择方案。因此，针对空间覆盖收缩特性(在3扇区情况下为120°，在6扇区情况下为60°)，有必要提出一种关于多扇区配置的码本子集选择方法，通过这种方法选择的码本子集可导致控制信令开销的减少，并能够优化MU-MIMO的性能。

发明内容

在下面的描述中将部分地阐明本发明另外的方面和/或优点，通过描述，其会变得更加清楚，或者通过实施本发明可以了解。

本发明的目的在于提供一种MU-MIMO码本子集的选择方法，通过该方法，可针对分扇区的小区配置，选择MU-MIMO码本的子集。

根据本发明的一方面，提供一种选择多用户MIMO码本子集的方法，包括步骤：a、从码本中去除具有最宽波瓣的波束向量；以及b、从剩余的波束向量中选择位于与扇区数量相应的连续空间方向内的波束向量，构成多用户MIMO的码本子集。

附图说明

通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述和/或其它目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1示出根据本发明实施例的多用户MIMO码本子集选择方法的流程图；

图2示出具有取自M₁和M₂的8个波束向量的均匀线性阵列(ULA)的波束赋形图案；以及

图3示出具有取自4比特DFT码本的16个波束向量的ULA的波束赋形图案。

具体实施方式

现将详细参照本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本发明。

图1示出根据本发明实施例的多用户MIMO码本子集选择方法的流程图。参见图1，在步骤100，参照给定码本中的各个波束向量的波束赋形图案，从码本中去除具有最宽波瓣的波束向量。然后，在步骤200，从剩余的波束向量中选择位于与给定扇区数量相应的连续空间方向内的波束向量，构成多用户MIMO的码本子集。可选择地，在步骤200中产生多个码本子集的情况下，在步骤300，按照优化规则对所述多个码本子集进行进一步的选择。

以下将结合图2和图3的示例具体说明如何基于分扇区的配置从多用户MIMO的码本中选择码本子集。

图2示出具有取自M₁和M₂的8个波束向量的均匀线性阵列(ULA)的波束赋形图案。所述M₁和M₂即为3GPP LTE中指定的MU-MIMO码本。参照图2所示的波束赋形图案，首先在步骤100中，从MU-MIMO码本[u₁ u₂ u₃u₄ u₅ u₆ u₇ u₈]中去除具有最宽波瓣的波束向量u₃。在3扇区小区配置的情况下，由于3扇区配置相应于120°的空间覆盖收缩，而剩余的波束向量u₁ u₂ u₄ u₅ u₆u₇ u₈又均位于连续的空间方向内(在这种情况下为120°内)，因此，在没有性能损失的情况下，在步骤200中，剩余的波束向量均被选择，以构成多用户MIMO码本子集[u₁ u₂ u₄ u₅ u₆ u₇ u₈]。相应于该码本子集，天线阵列旋转120°。此外，在6扇区小区配置的情况下，由于6扇区配置相应于60°的空间覆盖收缩，因此，在步骤200中，从剩余的波束向量[u₁ u₂ u₄ u₅ u₆ u₇ u₈]中选择位于连续的空间方向内(在这种情况下为60°内)的波束向量来分别构成码本子集[u₂ u₅ u₁ u₈]或[u₅ u₁ u₈ u₄]。

在多数情况下，适合于多用户MIMO系统的码本为DFT码本，图3示出具有取自4比特DFT码本的16个波束向量的ULA的波束赋形图案。

参照图3所示的波束赋形图案，首先在步骤100中，从MU-MIMO码本[u₁ u₂ u₃ u₄ u₅ u₆ u₇ u₈ u₉ u₁₀ u₁₁ u₁₂ u₁₃ u₁₄ u₁₅ u₁₆]中去除具有最宽波瓣的波束向量u₃。在3扇区小区配置的情况下，由于3扇区配置相应于120°的空间覆盖收缩，而剩余的波束向量u₁₄ u₁₀ u₆ u₂ u₁₃ u₉ u₅ u₁ u₁₆ u₁₂ u₈ u₄ u₁₅ u₁₁和u₁₀ u₆ u₂ u₁₃u₉ u₅ u₁ u₁₆ u₁₂ u₈ u₄ u₁₅ u₁₁ u₇分别位于连续的空间方向内(在这种情况下为120°内)，因此，在没有性能损失的情况下，在步骤200中，它们分别被选择，以构成多用户MIMO码本子集[u₁₄ u₁₀ u₆u₂ u₁₃ u₉ u₅ u₁ u₁₆ u₁₂u₈ u₄ u₁₅ u₁₁]或[u₁₀ u₆u₂ u₁₃ u₉ u₅ u₁ u₁₆ u₁₂ u₈ u₄ u₁₅ u₁₁ u₇]。此外，在6扇区小区配置的情况下，由于6扇区配置相应于60°的空间覆盖收缩，因此，在步骤200中，选择位于连续的空间方向内(在这种情况下为60°内)的波束向量来分别构成码本子集[u₂ u₁₃u₉ u₅ u₁ u₁₆ u₁₂ u₈]或[u₁₃ u₉ u₅ u₁ u₁₆ u₁₂ u₈ u₄]。

在某些应用中，需要限定码本子集的大小(即，波束向量的数量)。如果在步骤200中选择的波束向量的个数超过给定的码本子集大小，那么，需要对步骤200中选择的每个码本子集中的所有波束向量进行组合。优选地，在这一组合处理之后，可应用一定的优化规则以进一步选择最优的组合。

以下，详细说明根据本发明实施例的基于信号干扰比(SIR)计算来进行优化的处理。

首先，根据下面的等式(1)来计算每个组合的码本子集中第i个波束相对于第j个波束的SIR_i，j：

${\mathrm{SIR}}_{i,j}=\underset{\mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\α}}_i}{\min }{\left|\frac{A_i\left(\mathrm{\θ}\right)}{A_j\left(\mathrm{\θ}\right)}\right|}^2---\left(1\right)$

其中，α_i表示第i个波束的波束赋形增益最大化的空间角区间，可通过波束赋形图案计算得出，θ表示α_i中的空间角，A_i(θ)表示第i个波束朝向空间角θ的波束增益。可根据下面的等式(2)和(3)来计算A_i(θ)：

$A_i\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\mathrm{space}\left(\mathrm{\θ}\right)u_i^H\right|---\left(2\right)$

$\mathrm{space}\left(\mathrm{\θ}\right)[1,e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\θ}},...,e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n-1)d\sin \mathrm{\θ}}...e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(N-1)d\sin \mathrm{\θ}}...]---\left(3\right)$

在等式(2)中，u_i表示第i个波束向量，在等式(3)中，λ代表波长，d代表发送天线阵元之间的间隔，n表示第n个天线阵元，N表示发送天线阵元的数量。

应注意：从等式(1)可以看出，相对于邻近波束的SIR总是为1，因此不必对其进行计算，从物理意义上说，在空分多址(SDMA)或多用户MIMO中，不能同时使用邻近的波束。

在计算出所有组合的码本子集中的各个非邻近波束的SIR_i，j之后，选择在所述各个码本子集的最小SIR_min中具有最大值的SIR_min所对应的码本子集，作为优化的码本子集。

举例说来：在从4比特DFT码本选择码本子集的情况下，如果存在3扇区，则如上所述，选择出码本子集[u₁₄ u₁₀ u₆ u₂ u₁₃ u₉ u₅ u₁ u₁₆ u₁₂ u₈ u₄ u₁₅ u₁₁]和[u₁₀ u₆ u₂ u₁₃ u₉ u₅ u₁ u₁₆ u₁₂ u₈ u₄ u₁₅ u₁₁ u₇]。此时，如果码本子集的大小受限于例如3比特，则需要进一步从以上的每个码本子集中选择出8个波束向量组成的码本子集，以符合给定的大小3比特。为此，需要应用上述基于SIR计算的优化规则。首先，基于14个波束向量来重新组合出C₁₄ ⁸个组合的码本子集，对于每个组合，可计算出多个SIR_i，j，其中存在一个最小SIR值，即，SIR_min，在各个组合的SIR_min中，值最大的SIR_min所对应的组合即为优化的码本子集。同时，与该最大的SIR_min对应的空间角θ即为天线阵列的旋转角度。也就是说，当存在多个码本子集时，根据基于SIR计算的优化准则，与所得到的最优码本子集相应的空间角θ即为天线阵列的旋转角度。通过这种方式可以确定，在3GPP LTE MU-MIMO码本的情况下，当存在6扇区时，天线阵列的旋转角度大约为150°。

以上情况仅是示例性的，在任何存在多个码本子集的情况下，均可以应用优化规则在多个码本子集中实施进一步的选择。实际中存在多种优化规则，上述基于SIR计算的优化规则仅仅是示例性的，本领域的技术人员应该清楚：针对不同情况，可替换的优化规则同样适用。作为示例，可将和速率(sum rate)最大化的优化规则应用于码本子集的优化选择。

根据本发明的上述实施例，可以看出，通过本发明的从多用户MIMO的码本中选择码本子集的方法，可得到有效且优化的码本子集，这样会减少控制信令开销。例如，在3GPP LTE多用户MIMO的情况下，完整的码本(M₁和M₂)包括8个波束向量(即，需要3比特控制信令开销)，对于6扇区的情况，可选择包括4个波束向量的码本子集，这样，仅需要2比特控制信令开销，从而节约了1比特的信令开销。而对码本子集的优化也必然提高多用户MIMO的性能。

尽管已经示出并描述了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应认识到：在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行改变，其中，本发明的范围在权利要求及其等同物中限定。例如，尽管所述实施例针对的是3GPP LTE中指定的码本或其它DFT码本，但是本发明并不受限于此，而是可在分扇区配置的情况下应用于任何码本。

Claims (10)

1.一种选择多用户MIMO码本子集的方法，包括步骤：

a、从码本中去除具有最宽波瓣的波束向量；以及

b、从剩余的波束向量中选择位于与扇区数量相应的连续空间方向内的波束向量，构成多用户MIMO的码本子集。

2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：

c、在步骤b中得到多个码本子集的情况下，对所述多个码本子集进行优化选择。

3.如权利要求1所述的方法，其中，多用户MIMO码本为3GPP LTE中指定的MU-MIMO，在3扇区的情况下，码本子集为[u₁ u₂ u₄ u₅ u₆ u₇ u₈]。

4.如权利要求1所述的方法，其中，多用户MIMO码本为3GPP LTE中指定的MU-MIMO，在6扇区的情况下，码本子集为[u₂ u₅ u₁ u₈]或[u₅ u₁ u₈u₄]。

5.如权利要求1所述的方法，其中，多用户MIMO码本为4比特DFT码本，在3扇区的情况下，码本子集为[u₁₄ u₁₀ u₆ u₂ u₁₃ u₉ u₅ u₁ u₁₆ u₁₂ u₈ u₄ u₁₅ u₁₁]或[u₁₀ u₆ u₂ u₁₃ u₉ u₅ u₁ u₁₆ u₁₂ u₈ u₄ u₁₅ u₁₁ u₇]。

6.如权利要求1所述的方法，其中，多用户MIMO码本为4比特DFT码本，在6扇区的情况下，码本子集为[u₂ u₁₃ u₉ u₅ u₁ u₁₆ u₁₂ u₈]或[u₁₃ u₉ u₅ u₁ u₁₆u₁₂ u₈ u₄]。

7.如权利要求2所述的方法，在步骤c中，基于SIR计算来实现码本子集的优化选择，其中，将每个码本子集中的第i个波束相对于第j个波束的SIRi，j定义为：

${\mathrm{SIR}}_{i,j}=\underset{\mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\α}}_i}{\min }{\left|\frac{A_i\left(\mathrm{\θ}\right)}{A_j\left(\mathrm{\θ}\right)}\right|}^2$

其中，α_i表示第i个波束的波束赋形增益最大化的空间角区间，θ表示α_i中的空间角，A_i(θ)表示第i个波束朝向空间角θ的波束增益，A_j(θ)表示第j个波束朝向空间角θ的波束增益：

$A_i\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\mathrm{space}\left(\mathrm{\θ}\right)u_i^H\right|$

$\mathrm{space}\left(\mathrm{\θ}\right)=[1,e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\θ}},...,e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n-1)d\sin \mathrm{\θ}}...e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(N-1)d\sin \mathrm{\θ}}]$

其中，u_i代表第i个波束向量，λ代表波长，d代表发送天线阵元之间的间隔，n表示第n个天线阵元，N表示发送天线阵元的数量；

选择在所述各个码本子集的最小SIR_min中具有最大值的SIR_min所对应的码本子集，作为优化的码本子集。

8.如权利要求7所述的方法，其中，在步骤c中不计算邻近波束的SIR。

9.如权利要求7所述的方法，其中，天线阵列的旋转角度与优化的码本子集的空间角θ相应。

10.如权利要求2所述的方法，其中，在步骤c中，基于最大和速率优化来实现码本子集的优化选择。

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