CN101471708A - 时分双工多输入多输出的下行波束形成方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种时分双工多输入多输出的波束形成方法，该方法包括：按照最大速率传输准则(MRT)生成第一个数据流的发射波束；生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，使得所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中。本发明实施例还公开了一种基站、接收机和通信系统。应用本发明实施例以后，在无反馈信息的情况下，尽可能地利用由互易性得到的部分精确信道信息，降低了复杂度，并且数据流的速率能够得到提高。

Description

时分双工多输入多输出的下行波束形成方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及时分双工(TDD，Time Duplex Division)技术领域，更具体地，涉及一种时分双工多输入多输出的下行波束形成方法、装置和系统。

背景技术

近年来，信息论的研究已经表明，多天线技术(MIMO，Multiple InputMultiple Output)能够显著地提高通信系统的复用增益和分集增益。如果采用BLAST技术，不同的发射天线将发射不同的数据流，此时系统的容量将与MIMO信道的秩成比例增长；如果采用空时编码、单波束形成技术，所有天线将发射同一个数据流来提高传输可靠性，最大的分集增益可以等于发射天线数与接收天线数的乘积。当然，根据对速率及可靠性的具体要求，还可以将MIMO系统设计为同时利用复用增益与分集增益，即在复用与分集之间达到一个折衷。

在频分双工(FDD，Frequency Duplex Division)系统中，由于下行信道不容易获得，故下行波束形成矢量一般由移动终端计算，并从有限长度的码本(codebook)中选取，选取出来的最优码字(codeword)的编号由移动终端经低速率的反馈信道反馈到基站。这类方法通常被称为有限反馈预编码。

与FDD不同，在时分双工(TDD，Time Duplex Division)系统中，由于上下行链路利用相同的频率资源，故上下行信道存在互易性，即下行信道可以通过上行信道的估计得到。利用此信道信息，可以采用多种预编码技术，如奇异值分解(SVD，Singular Value Decomposition)、迫零(ZF，ZeroForcing)、最小均方误差(MMSE，Minimum Mean Square Error)、Tomlinson-Harashima Precoding(THP)以及Vector Precoding(VP)等。对于TDD-MIMO系统，采用以上预编码技术的前提是移动终端要利用所有的天线进行发射，以使基站得到MIMO信道的所有信息。然而，由于功放功耗及复杂度等方面的限制，目前移动终端虽然可以采用多天线接收，但其上传仍采用单天线。这就使得基站利用互易性仅能得到关于移动终端一根天线所对应的部分信道信息(PCSI，Partial Channel State Information)。显然，仅依靠此部分信道信息，传统的预编码技术无法实现。此时的预编码只能利用部分CSI以及信道统计信息加以实现。

TDD-MIMO系统中，一种现有的预编码实现方法是采用伪特征波束形成技术。其思想是重构信道的相关矩阵，然后利用SVD分解的方法实现多个流的波束选取。重构的相关矩阵由三部分加权形成，即基站侧瞬时部分CSI所形成的秩为1的相关阵、移动终端反馈的长时信道相关阵、以及基站侧随机选取的包含瞬时PCSI的酉空间的长时统计。

然而，这种方法需要移动终端长时统计量的反馈，且基站与移动终端要同时执行SVD分解以选取传输模式，同时基站还要维持一个随机统计量，这个统计量要通过连续的QR分解来实现，因此实现起来复杂度相对较高。另外，这种伪特征波束形成技术中并没有确定最优的权值，实际使用时只能利用经验权值。显然，这种伪特征波束形成技术没有充分利用精确的PCSI，其对应的数据流的速率无法得到保证。

发明内容

本发明实施例提出一种时分双工多输入多输出的下行波束形成方法，以降低实现复杂度。

本发明实施例提出一种时分双工多输入多输出的基站，以降低实现复杂度。

本发明实施例提出一种时分双工多输入多输出的通信系统，以降低实现复杂度。

本发明实施例的技术方案如下：

一种时分双工多输入多输出的下行波束形成方法，该方法包括：

按照最大速率传输准则生成第一个数据流的发射波束；

生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，使得所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中。

一种基站，该基站包括第一个数据流发射波束形成单元和其它数据流发射波束形成单元，其中：

第一个数据流发射波束形成单元，用于按照最大速率传输准则生成第一个数据流的发射波束；

其它数据流发射波束形成单元，用于生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，使得所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中。

一种接收机，该接收机用于接收上述基站发射的波束。

一种通信系统，该通信系统包括基站和接收机，其中：

基站，用于按照最大速率传输准则生成第一个数据流的发射波束，并生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，使得所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中；

接收机，用于接收所述第一个数据流的发射波束和所述除了该第一个数据流之外的其它数据流的发射波束。

从上述技术方案中可以看出，在本发明实施例中，为了尽可能地利用由互易性得到的部分精确信道信息，第一个波束按最大速率传输准则设计，而其它波束则在第一个波束的零空间当中，并在统计意义上使历经容量最大化来选取，以最小化其它波束对第一个波束的干扰，同时在统计意义上保证其它波束的可达速率。由此可见，本发明实施例运算简单，不需要SVD分解等复杂操作，且不需要从移动终端反馈长时信道统计量到基站，因此降低了实现复杂度。

附图说明

图1是根据本发明实施例时分双工多输入多输出的下行波束形成方法流程示意图。

图2是根据本发明实施例没有反馈情况下，ρ＝0.2时信噪比(SNR)与Sum Rate(码率和)的仿真对比图；

图3是根据本发明实施例没有反馈情况下，ρ＝0.2时SNR与误符号率(SER)的仿真对比图；

图4是根据本发明实施例没有反馈情况下，ρ＝0.8时SNR与Sum Rate的仿真对比图；

图5是根据本发明实施例没有反馈情况下，ρ＝0.8时SNR与SER的仿真对比图；

图6是根据本发明实施例基站结构示意图；

图7是根据本发明实施例的时分双工通信系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明实施例中，在无反馈信息的情况下，在最大限度地利用精确PCSI的同时，从统计意义上保证其它数据流的速率。为了保证精确PCSI所带来的速率，其它流的发射波束被限制在PCSI的零空间当中，即PCSI所对应的数据流没有任何流间干扰。

图1是根据本发明实施例时分双工多输入多输出的下行波束形成方法流程示意图。

如图1所示，该方法包括：

步骤101：按照最大速率传输准则生成第一个数据流的发射波束。

步骤102：生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，使得所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中。

优选地，第一个数据流是移动终端发射天线对应的数据流；所述除了第一个数据流之外的其它数据流是移动终端非发射天线对应的数据流。而且，第一个数据流与所述除了第一个数据流之外的其它数据流既可以属于同一个编码块，也可以不属于同一个编码块。并且当所述移动终端发射天线数大于1时，将所有移动终端发射天线对应的数据流都归为第一个数据流。其中，生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，从统计意义上使得所生成的所述其它数据流对应的等效信道增益最大。

下面对本发明实施例的算法进行详细说明。

首先描述本发明实施例的系统模型。可以考虑如下单用户MIMO系统模型：

假设基站天线数为M，移动终端天线数为N(不失一般性，这里假设N＝2)，M大于等于N。移动终端通过所有天线接收数据，但仅通过其中的一根天线上传数据。根据信道互易性，基站侧能够得到与移动终端上传天线所对应的下行信道信息。

假设基站同时复用N_s个数据流下发给用户，则数据先通过一个波束形成矩阵(预编码矩阵)W，然后通过各个天线发射出去。相应的基带输入-输出关系可以描述为：

$Y=\sqrt{\frac{E_s}{N_s}}\mathrm{HWS}+n=\sqrt{\frac{E_s}{N_s}}\stackrel{\‾}{H}S+n---\left(1\right)$

其中E_s是总的发射功率；n是加性高斯白噪声，其分布服从

H＝HW。预编码矩阵满足约束trace(WW^H)＝N_s。，其中Y是接收到的信号，S是发射信号。

MIMO信道之间的相关性通常可以利用Kronecker积的形式加以表示，即

$H=R_r^{1/2}{H}_w{R}_t^{1/2}---\left(2\right)$

其中R_t是M×M发射端相关阵；

R_r是N×N接收端相关阵；

H_w是N×M空间不相关MIMO信道，一般假设其每个元素服从正态高斯分布N(0，1)。

由于移动终端常处于丰富的散射环境之中，可以认为移动终端不存在相关性；而基站由于周围缺少散射体，通常相关性不可忽略。

由以上分析，实际的MIMO系统可以用以下简化相关模型加以近似：

$H=H_w{R}_t^{1/2}={\left(\begin{array}{cccc}{h}_1& h_2& \·\·\·& h_N\end{array}\right)}^H---\left(3\right)$

其中h_i是移动终端第i根天线与基站多天线之间的信道矢量。

R_t一般可以利用如下相关系数矩阵加以近似：

其中ρ为相邻天线之间的相关系数。

以上发射端天线之间的相关阵实际上由系统载频、基站天线排列、天线之间距离等因素决定。可以通过基站侧的计算得到，也可以通过移动终端经过长时统计得到并反馈到基站。在本发明实施例中，假设由式(4)确定的相关阵在发射端可以通过基站侧的长时统计得到。

下面描述无反馈时的波束形成算法：

不失一般性，假设移动终端通过第一根天线上传，即基站利用互易性可以得到h₁。为了尽可能地利用这个精确的PCSI，将第一个流按最大速率发射(MRT，Maximum Ratio Transmission)准则加以设计，即

w₁＝h₁/‖h₁‖         (5)

由定义：H＝(h₁h₂…h_N)H； $W=\left[\begin{array}{cccc}{w}_1& w_2& \·\·\·& w_{N_s}\end{array}\right]:$

此时等效信道矩阵为

其中 $W=\left[\begin{array}{cccc}{w}_1& w_2& \·\·\·& w_{N_s}\end{array}\right].$

为了使第一个流的速率达到最大，要求没有流间干扰(ISI，Inter StreamInterference)，即H的第一行中除了第一个元素外，其它均为零。因此，可以设计其它波束，使其在

的零空间之中，即：

$w_i\∈\mathrm{Null}\left(h_1^H\right),i=2,...,N_s---\left(7\right)$

在式(7)的约束下，第一路的信噪比(SNR)为：

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{E_s}{N_s{\mathrm{\σ}}_n^2}{\left|\right|h_1\left|\right|}^2---\left(8\right)$

从式(8)可以看出，如果移动终端在上传之前，选择信道矢量模值最大的天线上传，则第一路的SNR可以达到最大，即：

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{E_s}{N_s{\mathrm{\σ}}_n^2}\underset{i=1,...,N}{\max }{\left|\right|h_i\left|\right|}^2---\left(9\right)$

对于其它N_s-1个波束的选择，只能依靠一些统计信息。

假设

的零空间可以由A的列张成，即 $\mathrm{span}\left(A\right)=\mathrm{Null}\left(h_1^H\right),$

则式(7)可以转化为：

w_i＝Aξ_i，i＝2，...，N_s            (10)

其中ξ_i是w_i在A上的坐标分量，A即组成

零空间的矩阵。

希望H的对角元能够最大化，以提高系统的可达速率。由于缺乏精确CSI，只能从统计意义上使上述目标最大化，即：

$\underset{{\mathrm{\ξ}}_i}{\max }E\left(w_i^H{h}_i{h}_i^H{w}_i\right)=w_i^H{\mathrm{Rw}}_i={\mathrm{\ξ}}_i^H{A}^H\mathrm{RA}{\mathrm{\ξ}}_i,i=2,...,N_s---\left(11\right)$

显然，最优的坐标分量ξ_i是A^HRA最大特征值所对应的特征矢量。

当N_s>2时，N_s-1个坐标分量可以取为A^HRA的N_s-1个最大特征值所对应的特征矢量。这种波束选取方法类似于传统的特征波束形成方法。

通过MMSE接收机，移动终端可以得到发射信号的估计：

其中 $G=R_Y^{-1}{R}_{\mathrm{YS}}=\sqrt{\frac{N_s}{E_s}}{[{\mathrm{HWW}}^H{H}^H+\frac{N_s}{E_s}{\mathrm{\σ}}_n^{2}I]}^{-1}\mathrm{HW}.$

此时第i路的SNR为：

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{1}{{\mathrm{MSE}}_i}-1=\frac{1}{{[I-W^H{H}^H{({\mathrm{HWW}}^H{H}^H+\frac{N_s}{E_s}{\mathrm{\σ}}_n^{2}I)}^{-1}\mathrm{HW}]}_{\mathrm{ii}}}-1---\left(13\right)$

故当接收端采用MMSE接收机时，本发明实施例所提出的预编码方法能够达到的系统速率为：

$C_{\mathrm{sum}}=\underset{i=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_i)---\left(14\right)$

以上详细描述了无反馈时的波束形成算法。

无反馈时的波束形成算法实现起来简单，但由于对其它波束的选择限定在第一波束的零空间当中，自由度损失很大，有时会影响实现性能。

上述实施例详细描述了移动终端双天线的情形。实际上，本发明实施例可以适用于移动终端多天线的情形，此时移动终端的发射天线可以依次轮流发射，还可以将本发明实施例推广到上行发射时移动终端部分天线发射部分天线不发射的情形。

图2是根据本发明实施例没有反馈情况下，ρ＝0.2时SNR与Sum Rate的仿真对比图；图3是根据本发明实施例没有反馈情况下，ρ＝0.2时SNR与SER的仿真对比图；图4是根据本发明实施例没有反馈情况下，ρ＝0.8时SNR与Sum Rate的仿真对比图；图5是根据本发明实施例没有反馈情况下，ρ＝0.8时SNR与SER的仿真对比图。

图2-5给出了没有反馈情况下系统的仿真性能。从仿真结果可以看出，根据本发明实施例的算法相对于EB及PEB能够带来2bits/Hz/s(ρ＝0.2)及超过1bit/Hz/s(ρ＝0.8)的速率提升。正如所预期的，基于PCSI的EVD方法有最差的性能，不管是可达速率还是误符号率(SER)，这是因为该方法是在PCSI的正交空间中随机选取其它波束的，没有加以优化。此外，本发明实施例的方法在信道相关系数为ρ＝0.8时，其SER性能相对于EB及PEB有约1dB的增益。随着信道相关系数的减小，SER的增益也随之减小。一个极端的情况是相关系数为0，即天线之间相互独立，几种方法将有几乎一致的性能，因为此时信道相关阵将不再提供任何有用的信息。

本发明实施例还提出了一种基站和接收机。

图6是根据本发明实施例基站结构示意图。

如图6所示，该基站包括第一个数据流发射波束形成单元601和其它数据流发射波束形成单元602，其中：

第一个数据流发射波束形成单元601，用于按照最大速率传输准则生成第一个数据流的发射波束；

其它数据流发射波束形成单元602，用于生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，使得所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中。

优选的，所述其它数据流发射波束形成单元602，生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，并从统计意义上使得所生成的所述其它数据流对应的等效信道增益最大，其中所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中。

接收机可以接收由上述基站所发射的该第一个数据流的发射波束和以及所述除了该第一个数据流之外的其它数据流的发射波束。

本发明实施例还提出了一种时分双工通信系统。

图7是根据本发明实施例的时分双工通信系统的结构示意图。

如图7所示，该系统包括基站701和接收机702，其中：

基站701，用于按照最大速率传输准则生成第一个数据流的发射波束，并生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，使得所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中；

接收机702，用于接收所述第一个数据流的发射波束和所述除了该第一个数据流之外的其它数据流的发射波束。

优选地，接收机可以为最小均方误差(MMSE)接收机。

类似的，基站701可以具体包括第一个数据流发射波束形成单元和其它数据流发射波束形成单元，其中：

第一个数据流发射波束形成单元，用于按照最大速率传输准则生成第一个数据流的发射波束；

其它数据流发射波束形成单元，用于生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，使得所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中。

优选地，其中第一个数据流是接收机发射天线对应的数据流；所述除了第一个数据流之外的其它数据流是接收机非发射天线对应的数据流。而且，第一个数据流与所述除了第一个数据流之外的其它数据流既可以属于同一个编码块，也可以不属于同一个编码块。并且当所述接收机发射天线数大于1时，将所有接收机发射天线对应的数据流都归为第一个数据流。

综上所述，本发明提出适用于TDD系统的简单有效的下行波束形成方法。在无反馈信息的情况下，为了尽可能地利用由互易性得到的部分精确信道信息，第一个波束按最大速率传输准则设计，而其它波束则在第一个波束的零空间当中，并在统计意义上使历经容量最大化来选取，以最小化其它波束对第一个波束的干扰，同时在统计意义上保证其它波束的可达速率。所提方法运算简单，不需要SVD分解等复杂操作，且不需要从移动终端反馈长时信道统计量到基站，这与PEB方法形成了鲜明的对比。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1、一种时分双工多输入多输出的下行波束形成方法，其特征在于，该方法包括：

按照最大速率传输准则生成第一个数据流的发射波束；

生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，使得所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中。

2、根据权利要求1所述的时分双工多输入多输出的下行波束形成方法，其特征在于，该方法包括：

生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，从统计意义上使得所生成的所述其它数据流对应的等效信道增益最大。

3、根据权利要求1或2所述的时分双工多输入多输出的下行波束形成方法，其特征在于，

所述第一个数据流是移动终端发射天线对应的数据流；所述除了第一个数据流之外的其它数据流是移动终端非发射天线对应的数据流。

4、根据权利要求3所述的时分双工多输入多输出的下行波束形成方法，其特征在于，

所述第一个数据流与所述除了第一个数据流之外的其它数据流属于同一个编码块或者不属于同一个编码块。

5、根据权利要求3所述的时分双工多输入多输出的下行波束形成方法，其特征在于，

所述移动终端发射天线数大于1时，将所有移动终端发射天线对应的数据流都归为第一个数据流。

6、一种基站，其特征在于，该基站包括第一个数据流发射波束形成单元和其它数据流发射波束形成单元，其中：

第一个数据流发射波束形成单元，用于按照最大速率传输准则生成第一个数据流的发射波束；

其它数据流发射波束形成单元，用于生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，使得所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中。

7、根据权利要求6所述的基站，其特征在于，

所述其它数据流发射波束形成单元，用于生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，并从统计意义上使得所生成的所述其它数据流对应的等效信道增益最大，其中所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中。

8、根据权利要求6所述的基站，其特征在于，

所述第一个数据流是移动终端发射天线对应的数据流；所述除了第一个数据流之外的其它数据流是移动终端非发射天线对应的数据流。

9、根据权利要求8所述的基站，其特征在于，

所述第一个数据流与所述除了第一个数据流之外的其它数据流属于同一个编码块或者不属于同一个编码块。

10、根据权利要求8所述的基站，其特征在于，

所述移动终端发射天线数大于1时，将所有移动终端发射天线对应的数据流都归为第一个数据流。

11、一种接收机，其特征在于，该接收机用于接收由权利要求4所述基站发射的波束。

12、根据权利要求11所述的接收机，其特征在于，该接收机为最小均方误差MMSE接收机。

13、一种通信系统，其特征在于，该通信系统包括基站和接收机，其中：

基站，用于按照最大速率传输准则生成第一个数据流的发射波束，并生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，使得所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中；

接收机，用于接收所述第一个数据流的发射波束和所述除了该第一个数据流之外的其它数据流的发射波束。

14、根据权利要求13所述的通信系统，其特征在于，该基站包括第一个数据流发射波束形成单元和其它数据流发射波束形成单元，其中：

第一个数据流发射波束形成单元，用于按照最大速率传输准则生成第一个数据流的发射波束；

其它数据流发射波束形成单元，用于生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，使得所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中。

15、根据权利要求14所述的通信系统，其特征在于，

所述其它数据流发射波束形成单元，用于生成除了所述第一个数据流之外的其它数据流的发射波束，并从统计意义上使得所生成的所述其它数据流对应的等效信道增益最大，其中所述其它数据流的发射波束被限制在所述第一个数据流的发射波束的零空间当中。

16、根据权利要求13所述的通信系统，其特征在于，该接收机为最小均方误差MMSE接收机。

17、根据权利要求13-16中任一项所述的通信系统，其特征在于，所述第一个数据流是接收机发射天线对应的数据流；所述除了第一个数据流之外的其它数据流是接收机非发射天线对应的数据流。

18、根据权利要求17所述的通信系统，其特征在于，

所述第一个数据流与所述除了第一个数据流之外的其它数据流属于同一个编码块或者不属于同一个编码块。

19、根据权利要求17所述的通信系统，其特征在于，

所述接收机发射天线数大于1时，将所有接收机发射天线对应的数据流都归为第一个数据流。

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