CN101548480A

CN101548480A - 减少多输入多输出系统中的开销

Info

Publication number: CN101548480A
Application number: CN200680056571A
Authority: CN
Inventors: 乔舒亚·L·科斯洛夫; 高文; Y·C·吴
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2009-09-30
Also published as: KR20090087907A; US20100067601A1; WO2008069796A1; JP2010512110A; EP2097993A1

Abstract

一种多接入多输入多输出(MIMO)系统，其包括基站(BS)、以及为N个用户服务的多个(N个)用户设备(UE)。BS将N个用户划分为L个移动性组，其中每个移动性组与某个范围的信道动态性相关联。相比于那些具有较高的动态性、即信道动态性改变地较快的移动性组，那些具有较低的信道动态性、即信道动态性改变地较慢的移动性组被利用波束形成信息较不频繁地进行更新。

Description

减少多输入多输出系统中的开销

技术领域

本发明一般地涉及通信系统，更具体地，涉及多输入-多输出(MIMO)系统。

背景技术

多接入MIMO系统是其中无线端点(endpoint)具有多个天线的无线系统。这种系统的一个例子是利用多个发送/接收天线与多个用户设备(UE)进行通信的的基站(BS)，每个UE具有多个发送/接收天线。使用多个天线的好处在于通过空间多路复用(multiplexing)能够显著地增加整个系统的频谱效率。例如，若干个UE能够利用相同的频率同时向BS发送数据，并且BS仍能够区分来自每个UE的数据。

在多接入MIMO系统中，如果存在发射机处可得到的信道状态信息(CSIT)，则能够进一步改进系统的整体的性能(capacity)。例如，如果BS能够访问与每个UE相关的信道状态信息，则BS能够使用这个信道状态信息来选择特定的UE以进行发送。选择UE以进行发送的一项已知的技术是使用瞬时的信道信噪比(SNR)作为信道状态信息的表示。在多接入MIMO系统中，BS与特定的UE之间的瞬时信道SNR的指示物是“信道实现”，其是按照信道状态矩阵的Frobenius范数(norm)来测量的。在这个情境下，如果多接入MIMO系统具有N个用户(每个用户具有相关联的UE)，则BS选择其信道实现超过了特定阈值的k个用户处于“开”(“on”)，其中k≤N。

此外，在多接入MIMO系统中可以使用波束形成(beamforming)信息来改进特定方向上的通信。例如，BS可以将波束形成信息反馈给每个UE以便改进上游(UE到BS)性能。为了更高效地使用反馈比特，提出了一种矢量量化(VQ)技术，其中将从BS到多个“开”用户的波束形成信息进行组合然后同时发出。

发明内容

我们观察到在多接入MIMO系统中，用于传输到多个用户的波束形成信息的创建并没有考虑在用户人群之间的移动性(mobility)的差异。例如，某些用户可能表现出相当静态的信道特性-即，他们可能不移动-然而其他的用户可能表现动态的信道特性-即，他们可能快速地移动。结果，以由最具动态性的信道指示的速率更新和发送对于所有UE的所有的波束形成信息。不幸的是，这导致了系统的整体传输开销的增加。因此，并且根据本发明的原理，作为无线端点的移动性的函数将控制信息(例如，波束形成信息)发送给无线端点。从而，通过考虑各用户的移动性能够可观地减少用于控制信息的整体的传输开销。

在本发明的一个示例性实施例中，多接入MIMO系统包括BS、为N个用户服务的多个(N个)UE，并且控制信息是波束形成信息。BS将N个用户划分为L个移动性组，其中每个移动性组与不同的移动性级别相关联。示例性地，移动性级别与不同范围的信道动态性相关联。相比于那些具有较高的动态性、即信道动态性改变地较快的移动性组，那些具有较低的信道动态性、即信道动态性改变地较慢的移动性组被利用波束形成信息较不频繁地进行更新。以这种方式，通过考虑用户的移动性能够可观地减少用于波束形成的整体的下行链路传输开销。

在本发明的另一示例性实施例中，多用户MIMO系统包括BS、为N个用户服务的多个(N个)UE，并且控制信息是波束形成信息。BS将N个用户划分为L个移动性组，其中每个移动性组与不同的移动性级别相关联。示例性地，移动性级别包括至少一个静止的级别和至少一个移动的级别，其中每个UE被先验地分配到一个移动性级别。相比于那些被分配给至少一个移动级别的UE，被分配给静止的移动性组的任何UE被利用波束形成信息较不频繁地进行更新。

鉴于以上，并且通过阅读详细的描述将会显而易见，其他的实施例和特征也是可能的并且落入本发明的原理之内。

附图说明

图1示出了根据本发明的原理的一种示例性的多接入MIMO系统；

图2示出了根据本发明的原理的、一种用于图1的多接入MIMO系统的示例性无线端点；

图3示出了根据本发明的原理的、一种用于图1的多接入MIMO系统的示例性流程图；

图4示出了一种用于图1的多接入MIMO系统的示例性消息流；

图5示出了用于图3的流程图的、发送控制信息的调度(scheduling)间隔；

图6示出了用于图1的多接入MIMO系统的另一示例性流程图；

图7图示了用于图6的流程图的调度间隔；以及

图8和图9示出了用于图1的多接入MIMO系统的示例性消息流。

具体实施方式

除了本发明构思之外，在图中所示的元件是众所周知的并且将不进行详细地描述。同样，假定多输入多输出(MIMO)系统是熟悉的并且不在此进行详细地描述。例如，除了本发明构思之外，信道状态矩阵、从信道状态矩阵确定Frobenius范数以及矢量量化(VQ)波束形成是已知的并且不在此进行描述。同样，除了本发明构思之外，假定无线传输概念、诸如正交频分多路复用(OFDM)或者正交频分多址(OFDMA)，以及接收机组件、诸如射频(RF)前端，或者接收机部件、诸如低噪声块、调谐器和解调器、相关器、泄露积分器(leak integrator)和平方器(squarer)是熟悉的并且不在此进行描述。类似地，除了本发明构思之外，假定用于生成传输比特流的格式化和编码方法(诸如运动画面专家组(MPEG)-2系统标准(ISO/IEC 13818-1))以及诸如IEEE 802.16,802.11h等的网络技术是熟悉的并且不在此进行描述。还要注意的是使用传统的编程技术可以实现本发明构思，同样地，将不在此对这些传统的编程技术进行描述。最后，图中同样的标号表示类似的元件。

如上注意的，在多接入MIMO系统中，通过利用波束形成信息能够改进在特定方向上的通信。如在本领域已知的，波束形成是一种与发射机或者接收机的阵列一起使用的控制辐射图案的方向性或者对辐射图案的灵敏度的信号处理技术。例如，BS能够将波束形成信息反馈给每个UE以便改进上游(UE到BS)的性能。为了更高效地使用反馈比特，提出了一种矢量量化(VQ)技术，其中将从BS到多个“开”用户的波束形成信息进行组合然后同时发送。然而，我们观察到在多接入MIMO系统中，用于传输到多个用户的波束形成信息的创建并没有考虑在用户人群之间的移动性的差异。例如，某些用户可能表现出相当静态的信道特性-即，他们可能不移动-然而其他的用户可能表现出动态的信道特性-即，他们可能快速地移动。结果，以由最具动态性的信道指示的速率更新和发送对于所有UE的所有的波束形成信息。不幸的是，这导致了系统的整体传输开销的增加。因此，并且根据本发明的原理，作为无线端点的移动性的函数将控制信息(例如，波束形成信息)发送到无线端点。从而，通过考虑用户的移动性能够可观地减少用于控制信息的整体的传输开销。

在图1中示出了根据本发明的原理的一种示例性的多接入MIMO系统(以下简称为系统100)。系统100包括基站(BS)110和由UE 105-1到105-N表示的多个用户设备(UE)。BS 110、UE 105-1和UE 105-N表示无线端点，并且，同样的，系统100是无线通信系统。每个UE可以是静止的或者移动的。为了此描述的目的，假定每个UE与一用户相关，即，系统100具有N个用户。然而，本发明不限于此并且每个UE可以与多于一个的用户相关和/或一个用户可以与多于一个UE相关。如图1所示，每个无线端点具有用于发送和接收的多个天线。对于BS 110图示了其具有j个天线，101-1到101-j，其中j>1。同样，在上行链路方向上BS 110接收来自每个UE的多个信号，如以虚线箭头形式表示的(例如，参见与UE 105-N和BS 110之间的上行链路信道相关的箭头106)。为了简化，在图1中除了下行链路控制信道111之外，没有示出从BS 110到UE的下行链路方向上对应的通信。后者从BS110到每个UE传达控制信息。下行链路控制信道111在此也被称为反馈信道或者反馈链路。应当注意的是，除了本发明构思之外，MIMO系统中的反馈信道的使用是众所周知的，并且同样的，不在此进行描述。为了该描述的目的，假定经由下行链路控制信道111从BS 110到每个UE提供有关上行链路信道的信道信息。在这个情境下，由于BS 110终结(terminate)了上行链路信道，假定BS 110具有有关上行链路信道的全部的知识并且经由下行链路控制信道111向每个UE提供有关上行链路信道的信道状态信息。实际上，由于很可能在下行链路控制信道111的一些控制场(field)(未示出)内承载信道状态信息，能够被传递给每个UE的信道信息量是速率受限的(rate limited)，并且同样的，假定每个UE接收有关各自上行链路信道的至少一部分信道信息。

现在转到图2，示出了根据本发明的原理的无线端点的示例性部分。仅仅示出了与本发明构思相关的无线端点的部分。在这个例子中，无线端点被表示为BS 110。然而，本发明的构思不限于此并且可以应用到任何无线端点，例如，图1的UE 105-1等等。从图2中能够观察到，BS 110是基于处理器的系统并且包括一个或者多个处理器和相关联的存储器，如由处理器290和存储器295表示的(后者以虚线形式示出)。在这个情境下，在存储器295中存储由处理器290执行的计算机程序或者软件。处理器290表示一个或者多个存储程序的控制处理器，并且这些处理器不是必须专用于任何一个特定的功能，例如，处理器290也可以控制未在此描述的BS 110的其他功能。存储器295表示任何存储器件，例如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等等；存储器295可以位于处理器290的内部和/或外部；并且必要时作为易失性的和/或非易失性的。BS 110还包括多个天线101-1到101-j\以及收发机部件285。收发机部件285包括被耦接到从天线101-1到101-j中的各个天线的一个或者多个收发机(发射机-接收机)，用于从图1所图示的多个UE接收无线信号并且向图1所图示的多个UE发送无线信号。在这个情境下，收发机部件285可以包括物理上分离的收发机元件或者被实现使得通过例如数字信号处理器来提供需要的收发机功能。处理器290经由信令路径289控制收发机部件285并且从收发机部件285接收信息。信号路径289表示信号/数据总线并且可以包含用于将处理器290与收发机部件285耦接的其他组件。

现在参照图3，示出了根据本发明的原理的、一种用于提供控制信息的示例性流程图。在这个例子中，控制信息是波束形成信息并且移动性的级别与通信信道的动态性(信道动态性)的不同测量相关联。现在转到图3的细节，假定在系统100中存在总共N个用户。在步骤S305中，处理器290确定每个用户的移动性。示例性地，处理器290对每个用户使用信道状态矩阵Hk作为对于每个用户的信道动态性的测量。如本领域中已知的，信道状态矩阵H表示从发射天线到接收天线的信道矢量并且例如指示来自每个发送天线的不同的发送流之间的流间(inter-stream)干扰。BS 110能够使用上行链路信道通过估算来确定信道状态矩阵H。同样的，并且根据本发明的原理，如果UE以高速移动(例如，在汽车中)，则各自的信道状态矩阵H_k中的值将随时间很快地改变-即，该用户是高度移动的。然而，如果UE以低速移动(例如，人在行走)，则相比于高速移动的UE，相应的信道状态矩阵H_k中的值将较慢地改变。在这种情形中，该用户是中度移动的。类似的，如果UE是静止的，则相比于以低速移动的UE，相应的信道状态矩阵H_k中的值将较慢地改变并且信道状态矩阵H_k中的值甚至可能出现不变。在这种情形中，该用户被认为是静止的，即，不移动的。

一旦确定了每个用户的移动性，则在步骤S310中，处理器290将每个用户划分到或者分配到L个移动性组中的一个，其中L≤N。每个移动性组与某个范围的信道动态性相关联。应当注意到尽管步骤S305和S310被示为分离的步骤，但是本发明不限于此，并且这些步骤可以被组合，例如，在确定了用户的移动性时，将用户分配给移动性组。

最后，在步骤S315中，处理器290控制收发机285以经由下行链路控制信道111将VQ波束形成信息作为相应的UE被分配的移动性组的函数返回提供给相应的UE。这在图4的消息流程图表中图示。如图4图示的，当UE被调度来接收控制信息时，BS 110发送例如消息501中的VQ波束形成信息。示例性地，向特定的UE提供波束形成信息的速率直接与移动性组的移动性级别相关，例如，位于具有高级别的移动性的移动性组中的UE比位于具有较低级别的移动性的移动性组中的UE更频繁地接收波束形成信息。

继续以上的例子，在L＝2个移动性组的情境下图示图3的流程图，其中移动性组2与静止级别的移动性相关，移动性组1与任何级别的移动性相关。在步骤305中，处理器290识别其信道状态矩阵H_k不随时间段而改变、即静止的信道状态矩阵的那些用户。在步骤310中，处理器290将那些具有静止信道状态矩阵的UE分配到移动性组2并且将所有其他的UE分配到移动性组1。换言之，在这个例子中，被分配给移动性组1的UE比那些被分配给移动性组2的UE更具有移动性。在步骤S315中，处理器290控制收发机285以将VQ波束形成信息作为相应的UE被分配的移动性组的函数返回提供给相应的UE。这在图5的时间表(timeline)做了进一步的图示，图5图示了作为所分配的移动性组的函数的用于向UE提供控制信息的调度间隔。那些被分配给移动性组1的UE以速率1/T₁接收VQ波束形成信息；而那些被分配给移动性组2的UE以速率1/T₂接收VQ波束形成信息；其中T₂>T₁。如从图5中能够观察到的，相比于那些与移动性组2相关的UE，那些与移动性组1相关的UE被调度来以三倍的频率接收VQ波束形成信息。

应当注意的是能够以多种方式中的任何一种来确定用户的移动性。例如，作为信道状态矩阵的函数的Frobenius范数也可以用作移动性的测量，尽管这可能比上述的使用信道状态矩阵H_k的精确度低。同样，可以先验地(a priori)将用户预分配到不同级别的移动性。示例性地，移动性的级别包括至少一个静止级别和至少一个移动级别。相比于那些被分配给至少一个移动级别的UE，任何被分配给静止的移动性组的UE被较不频繁地利用波束形成信息更新。这些到特定的移动性组的分配(图3的步骤305和310)能够基于例如在注册(registration)时从UE到基站传达的(communicate)用户指定的优选；或者，例如作为在注册时刻UE的类型、例如膝上型计算机、蜂窝电话等等的函数。

最后，如之前注意的，如果存在发射机处可得到的信道状态信息(CSIT)则能够进一步改进多接入MIMO系统的整体性能。例如，如果BS能够访问与每个UE相关联的信道状态信息，则BS能够使用该信道状态信息来选择特定的UE以进行发送。在本发明构思的情境下，可以使用任何选择技术来选择UE以进行发送。例如，用于选择UE以进行发送的一项已知的技术使用瞬时的信道信噪比(SNR)作为信道状态信息的表示。在多接入MIMO系统中，BS与特定的UE之间的瞬时信道SNR的指示物是“信道实现”，其是按照信道状态矩阵的Frobenius范数来测量的。在这个情境下，如果多接入MIMO系统具有N个用户(每个用户具有相关联的UE)，则BS选择其信道实现超过了特定阈值的k个用户处于“开”，其中k≤N。

图6的流程图示出了选择发射机的另一方法。假定图1和图2的BS110以图7所图示的周期性的时间间隔执行用户调度。现在转到图6的细节，假定在系统100中存在总共N个用户。在每个调度(时间)间隔(例如，图7的间隔m)，在步骤605中，处理器290为每个用户k确定信道状态矩阵的Frobenius范数，其中k的范围从1到N。对于特定的用户k，在此将时间间隔m中的Frobenius范数表示为F_k[m]。如在之前注意的，信道状态矩阵的Frobenius范数的确定是已知的并且在此不做描述。然后，在步骤610中，处理器290为每个用户k确定F_k[m]的平均值，其表示为T_k[m]。具体地，使用以下示例性的指数加权的低通滤波器更新T_k[m]

在等式(1)中，参数α是权重因子，示例性的，例如α＝0.1。从等式(1)中应当观察到取决于第k个用户是否当前被开启，处理器290执行不同的计算。同样的，假定处理器290在例如存储器295中保留了用于指示当前被开启的用户的表(该表未示出)。现在转到步骤615，处理器290确定在调度间隔m下每个用户k的信道状态矩阵的Frobenius范数与信道状态矩阵的Frobenius范数的平均值之间的比率。该比率表示归一化的SNR，即，

归一化的

{SNR}_{k} = \frac{F_{k} [m]}{T_{k} [m]} - - - (2)

最后，在步骤S620中，作为归一化的SNR的函数，处理器290选择要被开启的K个用户。例如，BS 110可以选择其归一化的SNR超过预定阈值的用户。可替换地，BS 110可以选择在调度间隔m下相比于剩余的N-K个用户具有较大的归一化的SNR_k值的K个用户来开启，其中K>0。K的具体的值可以通过实验确定。作为步骤620的选择处理的一部分，或者在步骤620的选择处理之后，BS 110向相应的UE发送消息以开启(turn“on”)或者关闭(turn“off”)。这在图8和图9的消息流程图中图示。如果UE被选择为开启，则如图8所图示的，BS 110发送开启消息701。另一方面，如果UE未被选择为开启，则如图9所图示的，BS 110发送关闭消息702。应注意：如果特定的UE未被选择为开启并且已经被关闭，则BS 110可以不必发送关闭消息。同样的，如果特定的UE被选择为开启并且该UE已经被开启，则BS 110可以不必发送开启消息。

无论使用什么选择处理，对于其中只有特定的UE被开启的那些系统而言，可以容易地修改本发明构思。例如，对于N用户MIMO系统，假定用户被分为两个移动性组，其中第一移动性组包含具有高信道动态性的N₁个用户，第二移动性组包含具有低信道动态性的(N-N₁)个用户。进一步假定由BS使用的选择处理(例如在图6的流程图中所示的那个选择处理)开启系统中的l个用户。为了公平(fair)调度，图2的处理器290在第一移动性组中开启

个用户，并且在第二移动性组中开启

个用户。

作为使用示例性的波束形成信息的上述通信处理的结果，通过考虑用户的移动性能够可观地减少用于控制信息的整体的传输开销。应当注意的是，尽管以上例示的例子中将控制信息被反馈到无线端点的速率直接地与组的移动性级别相关，但本发明不限于此，并且例如，控制信息被反馈的速率可以是组的移动性级别的任意函数。例如，在一些系统中，可以确定那些具有较低级别的移动性的用户比那些具有较高级别的移动性的用户更频繁地接收控制信息。或者，每个级别的移动性可以被分配控制信息的不同的传输速率，其中不同的传输速率不直接对应于移动性级别。例如，考虑三个移动性组1、2和3，其中移动性级别从移动性组1到移动性组3增加，即，移动性组3比移动性组2更具有移动性，移动性组2比移动性组1更具有移动性。然而，可以对这个系统确定这样的反馈控制信息的速率，即，使得移动性组2应当比其他两个移动性组中的一个移动性组中的UE更频繁地接收控制信息。此外，应注意的是本发明构思不要求移动性组具有被分配给它的任何UE。例如，可以是这样的情形，所有的UE都被分配给相同的移动性组。还应当注意尽管以移动性组的情境描述了本发明构思，但本发明不限于此，并且，例如术语“移动性组”等效于例如术语“反馈组”，其中反馈组只是将控制信息的传输速率与特定的无线端点相关联。最后，还要注意的是尽管在图1的BS 110的情境下描述一些图，例如图2的无线端点，但本发明不限于此并且还应用于例如UE 105-1，其也可以根据本发明的原理进行操作。

鉴于以上，上文仅仅例示了本发明的原理并且从而将要理解的是本领域的技术人员将能够设计出尽管未在此明确描述的、但体现了本发明的原理并且在本发明的精神和范围内的众多可替换的布置。例如，尽管以分离的功能元件的情境进行例示，但这些功能元件可以被包含在一个或者多个集成电路(IC)中。类似地，尽管被示为分离的元件，但这些元件的任何或者全部可以在存储程序控制的处理器中实现，例如，执行相关联的软件、例如对应于例如图3中示出的一个或者多个步骤的数字信号处理器等等。此外，本发明的原理不限于MIMO系统，并且本发明的原理可应用于其他类型的通信系统、例如无线保真度(Wi-Fi)等等。因此，要理解的是，可以对示例性的实施例做出众多的修改并且可以设计出其他的布置，而不脱离由所附的权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种用于第一无线端点的方法，该方法包含：

将第二无线端点分配到多个移动性组中的一个；并且

作为所分配的移动性组的函数，向第二无线端点发送控制信息。

2.如权利要求1所述的方法，其中分配步骤包括以下步骤：

确定所述第二无线端点的移动性；并且

作为所确定的所述第二无线端点的移动性的函数，将所述第二无线端点分配到所述多个移动性组中的一个。

3.如权利要求2所述的方法，其中确定步骤包括以下步骤：

测量在所述第一无线端点和所述第二无线端点之间的通信信道的动态性；

其中所测量的动态性表示所述第二无线端点的移动性。

4.如权利要求3所述的方法，其中测量步骤测量信道状态矩阵的改变的速率。

5.如权利要求3所述的方法，其中测量步骤测量信道状态矩阵的Frobenius范数的改变的速率。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述多个移动性组中的每一个与不同的传输速率相关联。

7.如权利要求6所述的方法，其中每个移动性组与移动性级别相关联，并且其中相比于具有较低的移动性级别的移动性组，具有较高的移动性级别的移动性组与较高的传输速率相关联。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述控制信息是波束形成信息。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述第一无线端点是多输入多输出(MIMO)系统的一部分。

10.一种用于第一无线端点的装置，该装置包含：

发射机，用于将控制信息发送到第二无线端点；以及

处理器，用于将第二无线端点分配到多个移动性组中的一个；并且用于控制所述发射机使得作为所分配的移动性组的函数将所述控制信息发送给所述第二无线端点。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述处理器确定所述第二无线端点的移动性；并且作为所确定的所述第二无线端点的移动性的函数，将所述第二无线端点分配到所述多个移动性组中的一个。

12.如权利要求11所述的装置，其中所述处理器通过测量在所述第一无线端点和所述第二无线端点之间的通信信道的动态性来确定所述移动性，其中所测量的动态性表示所述第二无线端点的移动性。

13.如权利要求12所述的装置，其中所述处理器通过测量信道状态矩阵的改变的速率来测量所述通信信道的动态性。

14.如权利要求12所述的装置，其中所述处理器通过测量信道状态矩阵的Frobenius范数的改变的速率来测量所述通信信道的动态性。

15.如权利要求10所述的装置，其中所述多个移动性组中的每一个与不同的传输速率相关联。

16.如权利要求10所述的装置，其中每个移动性组与移动性级别相关联，并且其中相比于具有较低移动性级别的移动性组，具有较高的移动性级别的移动性组与较高的传输速率相关联。

17.如权利要求10所述的装置，其中所述控制信息是波束形成信息。

18.如权利要求10所述的装置，其中所述第一无线端点是多输入多输出(MIMO)系统的一部分。