CN101553996B - 多输入多输出（mimo）通信系统中的通信信道优化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多输入输出(MIMO)通信系统中的传输方法，MIMO通信系统中的发射器和MIMO通信系统。该方法包括如下步骤：从MIMO通信系统的各个接收器接收表示信道状态信息的反馈数据；基于接收的反馈数据将接收器分为一个或多个组；基于接收的反馈数据，获得用于每组接收器的预编码矩阵，使得与每组接收器的各个接收器相关联的预编码矩阵中的预编码向量或子矩阵是彼此正交的；以及将预编码矩阵应用到被传输至所述每组接收器的输入信号。

Description

多输入多输出(MIMO)通信系统中的通信信道优化方法和系统

技术领域

本发明广泛涉及多输入多输出(MIMO)通信系统中的传输方法、用于MIMO通信系统的发射器以及MIMO通信系统。

背景技术

多输入多输出(MIMO)通信系统通常使用在无线衰落信道上提供高信道性能的技术。希望改善MIMO通信系统的信道性能。这包括给用户提供最优质量信道以及通过多用户分集增加数据吞吐量。

闭环MIMO系统通常将信道状态信息从接收器传输至发射器。因此，预编码/波束成形能够通过利用从接收器反馈的信道状态信息提供信道优化。然而，通常使用还可用于传输数据业务的带宽传输信道状态信息。

关于预编码，当前用于多用户(MU)-MIMO系统的预编码方法通常基于分块对角化算法(block diagonalization algorithm)，该分块对角化算法利用预编码强制使有效信道成为分块对角矩阵的形式，然后通常仅消除用户间干扰。然而，当使用这些方法时，通常不能保证空间波束之间的正交性，由此该信道优化方法通常没有效率。此外，通常对这些MIMO系统中的天线配置的尺寸有约束，该约束是发射天线的数量不能小于接收天线的总数。在使用这些方法时出现的一个问题是这个约束在实际情况中通常得不到满足。

在第2006/0120478号美国专利申请中描述了一种可选的预编码方法。如其中所述，该方法通过奇异值分解(SVD)对从接收器反馈的信道信息执行QR分解，并且基于QR分解结果执行波束成形。然而，使用该方法，通常不能通过波束成形消除其它用户的干扰。由于通常在每个接收器中没有其它用户的信道信息，因此实际上难以在每个接收器处消除用户间干扰。所以实际上通过该预编码方法不能获得高数据吞吐量。

在上述的预编码方法中，通常从接收器直接将MU-MIMO系统中每个接收器的信道状态信息反馈至发射器以用于计算预编码矩阵。所以，可能出现的一个问题是增加的反馈开销通常导致带宽的非有效性(non-efficiency)。

存在许多关于减少反馈开销的方法，这些方法利用发射器和接收器已知的码本。码本通常包含可被发射器用来预编码的预编码信息。接收器通过传输标识码本元素的索引来标识发射器所使用的码本元素。然而，这些基于码本的预编码方法通常仅用于单用户(SU)-MIMO系统，因为在MU-MIMO系统的每个接收器中不能得到其它用户的信道信息。换句话说，在MU-MIMO系统中，接收器通常不能标识直接由发射器中的预编码使用的码本元素。

因此，需要多输入多输出(MIMO)通信系统中的通信信道优化方法和系统来解决上述问题中的至少一个。

发明内容

根据本发明的第一方法，提出了一种多输入多输出(MIMO)通信系统中的传输方法，所述方法包括如下步骤：从所述MIMO通信系统的各个接收器接收表示信道状态信息的反馈数据；基于接收的反馈数据将所述接收器分为一个或多个组；基于所述接收的反馈数据，获得用于每组接收器的预编码矩阵，使得与所述每组接收器中的各个接收器相关联的所述预编码矩阵中的预编码向量或子矩阵是彼此正交的；以及将所述预编码矩阵应用到待传输至所述每组接收器的输入信号。

所述反馈数据包括在所述各个接收器得到的信道矩阵的各个右奇异矩阵的一个或多个行列式列。

所述方法可进一步包括确定被分配给所述各个接收器的流的数量t_k，所述反馈数据包括在所述各个接收器处得到的所述右奇异矩阵的第一t_k列。

如果t是MIMO通信系统中的发射器的发射天线的数量，则可将接收器分为一个或多个组，所述一个组或多个组中的每一个包括小于或等于t个接收器。

获得所述预编码矩阵可包括通过使每组接收器中的每个接收器的预编码向量或子矩阵位于由在每组接收器中的各个其它接收器处得到的各个右奇异矩阵的所述一个或多个行列式列构造的零空间内，以计算用于每组接收器中的每个接收器的预编码向量或子矩阵。

所述方法可进一步包括：在所述各个接收器处得到信道向量的各个右奇异矩阵，将得到的右奇异矩阵与码本中的矩阵进行比较，确定最接近得到的各个右奇异矩阵的码本元素，其中，表示所述信道状态信息的所述反馈数据可包括标识所述码本元素的各个索引。

所述方法可进一步包括：确定分配给各个接收器的流的数量t_k，用于所述各个接收器的所述码本元素是(t×t_k)矩阵，其中t是所述MIMO通信系统中发射天线的数量，以及将在所述各个接收器处得到的所述右奇异矩阵的所述第一t_k列与用于确定最接近的码本元素的所述各个码本进行比较。

对所述接收器进行分组以及获得用于所述各个组的所述预编码矩阵可包括：将已对正交的码本元素进行标识的接收器进行分组，从所述正交的码本元素构造所述预编码矩阵。

所述方法可进一步包括作为所述MIMO通信系统中的发射器的发射天线的数量t，每组接收器包括小于或等于t个接收器。

根据本发明的第二方面提出了一种用于多输入所述(MIMO)通信系统的发射器，所述发射器包括：控制模块，用于从所述MIMO通信系统的各个接收器接收表示信道状态信息的反馈数据；调度器单元，基于接收的反馈数据将所述接收器分为一个或多个组，所述调度器单元能够基于所述接收的反馈数据获得用于每组接收器的预编码矩阵，使得与所述每组接收器的各个接收器相关联的所述预编码向量或子矩阵是彼此正交的；以及预编码模块，将所述预编码矩阵应用到待传输至所述每组接收器的输入信号。

所述反馈数据可包括在所述各个接收器处得到的信道矩阵的各个右奇异矩阵的一个或多个行列式列。

所述调度器单元确定分配给所述各个接收器的流的数量t_k，所述反馈数据包括在所述各个接收器处得到的所述右奇异矩阵的所述第一t_k列。

如果t是所述发射器的发射天线的数量，则所述调度器单元将所述接收器分为一个或多个组，每组包括小于或等于t个接收器。

获得所述预编码矩阵可包括通过使每组接收器中的每个接收器的所述预编码矩阵或子矩阵位于由在每组接收器中的各个其它接收器处得到的所述各个右奇异矩阵的所述一个或多个行列式列构造的零空间内，以计算用于每组接收器中的每个接收器的所述预编码矩阵或子矩阵。

来自每个接收器并表示所述信道状态信息的所述反馈数据可包括标识码本中的码本元素的索引，通过比较在所述每个接收器处得到的信道矩阵的右奇异矩阵与所述码本中的矩阵，所述码本元素被确定为最接近得到的右奇异矩阵。

所述调度器单元可确定分配给所述各个接收器的流的数量t_k，用于所述各个接收器的所述码本元素是(t×t_k)矩阵，其中t是所述MIMO通信系统中的发射天线的数量，以及将在所述各个接收器处得到的所述右奇异矩阵的第一t_k列可与用于确定最接近的码本元素的所述各个码本进行比较。

所述调度器单元可将已对正交的码本元素进行标识的接收器进行分组，并且从所述各个正交的码本元素构造所述预编码矩阵。

如果t是所述MIMO通信系统中的所述发射器的发射天线的数量，则每组接收器可包括小于或等于t个接收器。

根据本发明的第三方面，提出了一种多输入多输出(MIMO)通信系统，所述MIMO通信系统包括：至少一个发射器；一个或多个接收器，由从所述至少一个发射器接收的信号得到反馈数据，并且将所述反馈数据传输至所述至少一个发射器；其中，每个发射器包括：控制模块，用于从所述MIMO通信系统的各个接收器接收表示信道状态信息的所述反馈数据；调度器单元，基于接收的反馈数据将所述接收器分为一个或多个组，所述调度器单元能够基于所述接收的反馈数据获得用于每组接收器的预编码矩阵，使得与所述每组接收器的各个接收器相关联的所述预编码矩阵的预编码向量或子矩阵是彼此正交的；以及预编码模块，将所述预编码矩阵应用到待传输至所述每组接收器的输入信号。

所述反馈数据可包括在所述各个接收器处得到的信道矩阵的各个右奇异矩阵的一个或多个行列式列。

所述调度器单元可确定分配给所述各个接收器的流的数量t_k，所述反馈数据可包括在所述各个接收器处得到的所述右奇异矩阵的第一t_k列。

如果t是所述发射器的发射天线的数量，则所述调度器单元可将所述接收器分为一个或多个组，每组包括小于或等于t个接收器。

获得所述预编码矩阵可包括通过使每组接收器中的每个接收器的预编码向量或子矩阵位于由在每组接收器中的各个其它接收器处得到的各个右奇异矩阵的所述一个或多个行列式列构造的零空间内时，以计算用于每组接收器中的每个接收器的所述预编码向量或子矩阵。

来自每个接收器并表示所述信道状态信息的所述反馈数据可包括标识码本中的码本元素的索引，通过比较在所述每个接收器处得到的信道矩阵的右奇异矩阵与所述码本中的矩阵，所述码本元素可被确定为最接近得到的右奇异矩阵。

所述调度器单元可确定分配给所述各个接收器的流的数量t_k，用于所述各个接收器的所述码本元素是(t×t_k)矩阵，其中t是所述MIMO通信系统中的发射天线的数量，以及可将在所述各个接收器处得到的所述右奇异矩阵的所述第一t_k列与用于确定所述最接近的码本元素的所述各个码本进行比较。

所述调度器单元可将已对正交的码本元素进行标识的接收器进行分组，并且由所述各个正交的码本元素构造所述源编码矩阵。

如果t是所述MIMO通信系统中的所述发射器的发射天线的数量，则每组接收器可包括小于或等于t个接收器。

附图说明

结合附图，仅通过实施例的方式，通过下文的描述使本发明的实施方式能够由本领域的技术人员更好地理解并且变得更显而易见，其中：

图1是多输入多输出(MIMO)系统中的传输方法的示意性流程图；

图2是多用户MIMO通信系统的示意性框图；

图3是在一个示例性实施方式中的接收器内信号处理的示意性流程图；

图4是该示例性实施方式中的发射器内信号处理的示意性流程图；

图5是另一实施方式中的接收器内信号处理的示意性流程图；

图6是该示例性实施方式中的发射器内信号处理的示意性流程图；

图7是说明示例性实施方式的吞吐量性能的吞吐量与几何结构(Geometry)的关系图。

具体实施方式

下面描述的示例性实施方式可增强通信系统中的通信信道的性能，并且改善例如多用户MIMO通信系统的传输性能。

用算法和对计算机存储器内的数据操作的函数或符号表示明确或含蓄地给出了下文的某些部分。这些算法描述和函数或符号表示是本领域技术人员在数据处理中使用的方法，以最有效地将他们的工作实质传达给本领域的其它技术人员。算法通常被构思为导致期望结果的有条理的步骤序列。这些步骤是对物理量进行物理操作，例如，对电信号、磁信号或光信号进行存储、转换、组合、比较以及其它操作。

除非特别说明，显而易见的是，可理解本说明书使用的术语(例如，“扫描”、“计算”、“确定”、“替换”、“生成”、“初始化”、“输出”等)指计算系统或类似的电子设备的动作和处理，对表示计算系统内的物理量的数据进行操作并将其转换为类似地表示计算系统或其它信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。

本说明书还公开了用于执行这些方法的操作的装置。该装置可特别地为需要的目标而构造，或者可包括通用目的的计算机、或可选地由存储在计算机内的计算机程序激活或重新配置的其它设备。本文中给出的算法不是固有地与任何特定的计算机或其它装置相关。各种通用目的的机器可与根据本文中教导的程序一起使用。可选地，构造更专用的装置来执行所要求的方法步骤可能是适当的。

此外，本说明书还含蓄地公开了计算机程序、在其内存储有计算机程序的数据存储介质，本文描述的方法的各个步骤可由计算机代码实现对本领域的技术人员是显而易见的。计算机程序不限于任何特定的编程语言及其实现。可理解各种编程语言及其编码可用于实现本文中包含的公开内容的教导。而且，计算机程序不限于任何特定的控制流。还存在许多计算机程序的其它变体，它们使用不同的控制流且不背离本发明的精神或范围。

本发明还可以被实现为硬件模块。更具体地，在硬件意义中，模块是被设计为与其它部件或模块一起使用的功能硬件单元。例如，模块可通过离散电子部件实现，或者它能够构成整个电子电路(例如，专用集成电路(ASIC))的一部分。存在大量其它可能性。本领域的技术人员将理解系统还能够被实现为硬件模块和软件模块的组合。

图1是多输入多输出(MIMO)通信系统中的传输方法的示意性流程图100。在步骤102，从MIMO通信系统的各个接收器接收表示信道状态信息的反馈数据。在步骤104，基于接收到的反馈数据将接收器分成一个或多个组。在步骤106，基于接收到的反馈数据获得用于每组接收器的预编码矩阵，使得与每组接收器的各个接收器相关联的预编码矩阵中的预编码向量或子矩阵彼此正交。在步骤108，将预编码矩阵应用到待传输至每组接收器的输入信号。

在示例性实施方式中，一个或多个接收器基于从发射器接收的参考信号获得信道状态信息。每个接收器对信道状态信息执行SVD并且将从SVD产生的右奇异矩阵(right singular matrix)的列信息反馈给发射器。然后，发射器基于列信息形成预编码矩阵。列信息可以是矩阵/向量的形式。发射器通过预编码矩阵将预编码权值应用到数据信号。预编码权值可能基于全部或部分信道状态信息。在每个接收器处，接收数据信号，并通过滤波器矩阵和预编码向量的逆对该数据信号进行解码。这可提供数据信号的子集，该子集仅仅是接收器预期的数据信号。

在另一实施方式中，使用基于预编码的码本。在该示例性实施方式中，利用码本参考(reference)列信息。在该实施方式中，发射器接收从每个接收器反馈的码本元素索引，并且将接收器预期的信号分成多个组，在这些接收器之间由反馈索引指示的码本元素是正交的。然后，发射器将分组的信号调度给时频资源，集合与分组的信号相关联的码本元素以形成各个预编码矩阵，从而执行预编码。

在下面描述中，首先提供了用于实现本发明的示例性实施方式的多用户MIMO系统中的发射器和一个或多个接收器的概述，然后，给出了用于示例性实施方式中的预编码的算法的更详细的描述。

图2是用于实现本发明的示例性实施方式的多用户MIMO通信系统200的示意性框图。系统200包括具有多个发射天线(例如204、206)的发射器202和一个或多个接收器(例如208、210)，每个接收器具有多个接收天线(例如212、214)。通过多用户MIMO信道216将数据流从发射器202传输至接收器(例如208、210)。

在发射器202处提供了控制器218，控制器218在标识220处从每个接收器(例如208、210)接收反馈信道信息和一个或多个信道质量指示符。发射器202还包括调度器(scheduler)222、自适应调制和编码(AMC)模块224和预编码器226。在一个实施方式中，形成预编码矩阵包括通过使预编码向量/子矩阵位于由从该组接收器的其它接收器传输的右奇异矩阵的行列式列构成的零空间内，计算用于每个接收器的预编码向量/子矩阵。然后，集合用于接收器的预编码向量/子矩阵来形成预编码矩阵。

在另一实施方式中，如果利用一个或多个码本元素索引反馈信道信息，则控制器218从码本定位各个反馈信道向量/矩阵。信道向量/矩阵是利用索引标识的码本元素。调度器222根据反馈信道向量/矩阵对接收器(例如208、210)进行分组，(即，调度器222对具有彼此正交或接近正交的反馈矩阵/向量的接收器(例如，208、210)进行分组)并且集合向量来形成用于该组接收器的预编码矩阵。在一个实现中，发射器202可选择最多t个接收器将其分为一组，其中t是可用空间流的最大数量。然后，调度器222根据预定的调度策略(例如，正比公平(PF)调度或基于最大吞吐量的调度)选择具有最高传输优先级的一组接收器。

如果没有接收器可以分组，则调度器222计算使用发射天线的所有单个用户的吞吐量，选择具有最高优先级的接收器以根据调度策略(例如，PF调度或基于最大吞吐量的调度)对传输进行调度。

AMC 224根据来自控制器218的控制信息，对将要传输给调度的接收器的数据流执行调制和信道编码。控制器218提供了控制信息，该控制信息基于从接收器(例如208、210)接收的信道质量指示符，为每个空间流决定调制和信道编码级别。预编码器226通过将来自与调度的一组接收器对应的调度器222的预编码矩阵应用到来自AMC模块的编码的信号而执行预编码。

在每个接收器(例如208、210)处，提供了检测器230和解码器232。处理器228从发射器202接收参考信号并且估计信道状态信息。预先设计参考信号并将其插入通过发射天线(例如204、206)从发射器202发射的数据流中。然后，在一个实施方式中，处理器228对信道状态信息执行SVD，并将从SVD产生的右奇异矩阵的行列式列反馈给发射器202。在使用码本的示例性实施方式中，处理器228将右奇异矩阵与码本中的元素进行比较以找到作为最接近右奇异矩阵的反馈向量/矩阵的码本元素，并且将对应的码本元素索引传输给发射器202。为了选择最接近右奇异矩阵的反馈向量/矩阵，确定右奇异矩阵的行列式列与码本中的码本元素之间的间距，选择与右奇异矩阵的行列式列具有最小间距的码本元素作为反馈向量/矩阵。通过基于信道状态信息的发射器预编码矩阵的逆，使用检测器230来检测接收的信号。检测器230还计算信道质量指示符以反馈给发射器202。检测器232用于对检测到的由发射器202发射的多个数据信号的子集进行解调和解码，该子集仅仅是接收器(例如208、210)预期的数据信号。

现在描述不同示例性实施方式中的发射器和接收器处的处理的详细内容。

图3是一个示例性实施方式中的接收器(例如208、210)内的信号处理的示意性流程图300。在该示例性实施方式中，通过用于信道优化的预编码在MU-MIMO信道上执行数据通信。接收器(例如，208、210)可以在无线MIMO通信设备(未示出)内。在步骤302处，接收器从发射器接收参考信号。在步骤304处，接收器估计信道状态信息，并且测量输出的信号与干扰加噪声比(SINR)。这可对应于接收器计算用于描述当前空间信道状态的当前信道矩阵。基于信道状态信息获得信道状态信息矩阵。在同一步骤中，接收器对信道状态信息矩阵执行SVD以计算它的右奇异矩阵。在步骤306处，接收器将作为信道向量的右奇异矩阵的行列式列和对应的输出SINR反馈给发射器。如果t_k是接收器预期的空间流的数量，则从右奇异矩阵中选择右奇异矩阵的行列式列作为第一t_k列。

图4是该示例性实施方式中的发射器202(图2)内的信号处理的示意性流程图400。发射器202可以在无线MIMO通信设备(未示出)内。在步骤402处，发射器从一个或多个接收器接收反馈信道向量。在步骤404处，发射器基于反馈信道向量计算预编码权值。换句话说，计算每个接收器预期的数据流的预编码向量，使其与其它接收器的反馈信道向量正交。在步骤406处，发射器通过将预编码权值应用到调度的接收器预期的对应的数据信号中来执行信道优化，以消除用户间干扰。在该示例性实施方式中，将接收器分为一个或多个组，每组包括小于或等于t个接收器，其中t是基于调度策略用于发射的发射天线(例如，204、206)的数量。

图5是另一示例性实施方式中的接收器(例如，208、210)内的信号处理的示意性流程图500。在该示例性实施方式中，通过基于预编码的码本在MU-MIMO信道上实现数据通信。接收器(例如，208、210)可以在无线MIMO通信设备(未示出)内。在步骤502处，接收器从发射器接收一个或多个参考信号。在步骤504处，接收器估计信道状态信息并测量输出SINR。这可对应于接收器计算用于描述空间信道当前状态的当前信道矩阵。在同一步骤中，接收器对信道矩阵执行SVD以计算信道状态信息矩阵的右奇异矩阵。在步骤506处，接收器将右奇异矩阵与码本中的元素进行比较以找到反馈向量/矩阵。反馈向量/矩阵可对应于将在发射器处形成的预编码矩阵的列子集。在步骤508处，将标识反馈向量/矩阵的索引和对应的输出SINR一起传输/反馈给发射器。

图6是通过基于预编码的码本，在该示例性实施方式中的发射器202内的信号处理的流程图600。发射器202可以在无线MIMO通信设备(未示出)内。在步骤602处，发射器接收从一个或多个接收器反馈的索引，并且从码本找到对应的元素作为反馈矩阵/向量。在步骤604处，发射器根据反馈矩阵/向量对接收器进行分组。换句话说，发射器对具有正交反馈向量/矩阵的接收器进行分组，每组中最多有t个接收器，其中t是发射天线例如204、206的数量。在同一步骤中，发射器集合向量来形成用于该组接收器的预编码矩阵。在步骤606处，发射器根据调度策略选择具有最高传输优先级的一组接收器。如果没有接收器可以分组，则发射器计算使用传输流的所有单个用户的吞吐量，并根据调度策略选择具有最高优先级的接收器以调度和传输。在步骤608处，发射器将预编码矩阵应用到预期传输至调度的接收器的信号。

下面提供了用于该示例性实施方式中的预编码的算法的更详细的描述。

回到图2，发射器202包括多个(t)发射天线(例如，204、206)并与K个接收器(例如，208、210)通信，每个接收器(例如，208、210)包括多个(r_k)接收天线(例如，212、214)。因此，接收天线总的数量r是

$r=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_k---\left(1\right)$

如果分配给第k个接收器的并行空间流的数量是t_k，则

$t=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{t}_k.---\left(2\right)$

接收器k的信道输出被建模为

y_k＝H_ks+z_k    (3)

其中，s表示从发射天线(例如204、206)发射给接收器k的(t×1)输入信号向量，z_k表示被应用到接收器k的(r_k×1)随机噪声向量。(r_k×t)复杂矩阵H_k表示发射器202与接收器k之间的信道。

因此，多用户MIMO系统200可表示为

Y＝Hs+Z    (4)

其中， $Y={[y_1^T,y_2^T,...y_K^T]}^T$ 是在K个接收器(例如，208、210)处接收的通信信号的向量， $Z={[z_1^T,z_2^T,...z_K^T]}^T$ 是影响传输的通信信号的噪声向量。H(r×t)是从发射器202至K个接收器(例如，208、210)的MU-MIMO信道，并由发射器202与接收器(例如，208、210)之间的信道H_k(k＝1，…，K)连接。即：

$H=\left[\begin{array}{c}{H}_1\\ H_2\\ .\\ .\\ .\\ H_K\end{array}\right]---\left(5\right)$

为了获得信道优化以消除多用户MIMO系统200内的用户间干扰，通过使用发射器202内的预编码W和K个接收器(例如，208、210)内的相应的接收器滤波器P将等式(5)的MU-MIMO信道分解为分离的(separate)SU-MIMO信道。因此，产生的有效信道是分块对角矩阵

以及

其中，P_k(k＝1，…，K)是被应用到每个接收器(例如208、210)内的滤波器矩阵。

因此，等式(4)的系统模型表示变为

Y＝(PHW)s+(P)Z    (8)

即：

(9)

$=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Σ}}_{r_1\×t_1}{s}_1\\ {\mathrm{\Σ}}_{r_2\×t_2}{s}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\Σ}}_{r_K\×t_K}{s}_K\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{z}}_1\\ {\stackrel{\‾}{z}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{\‾}{z}}_K\end{array}\right]$

其中，s_k是接收器k预期的(t_k×1)输入信号向量，z_k是被应用到接收器k的(r_k×1)有效噪声向量。

是发射器202与接收器k之间的有效信道，在发射器202内执行预编码，在K个接收器(例如，208、210)内实现滤波器P。如等式(9)所示，利用这类信道优化能够将多用户MIMO系统200分解为分离的SU-MIMO系统。

下面描述发射器202内预编码矩阵W和K个接收器(例如，208、210)内接收器滤波器P的设计。在每个接收器(例如，208、210)处对信道H_k进行SVD，SVD可表示为

H_k＝U_kΛ_kV_k ^H，k＝1，…，K    (10)

其中，U_k和V_k分别是具有(r_k×r_k)和(t×t)维的酉矩阵(unitary matrice)，Λ_k是(r_k×t)维对角矩阵。因此U_k和V_k分别是信道矩阵H_k的左奇异矩阵和右奇异矩阵，Λ_k在其对角元素内包含H_k的奇异值。

用于每个矩阵(例如208、210)的滤波器矩阵被选为

P_k＝U_k，k＝1，…，K    (11)

因此，通过等式(5)、(6)和(7)，发射器202与每个接收器k(k＝1，…，K)之间的有效信道表示为

$P_1^H{H}_{1}W=U_1^H{U}_1{\mathrm{\Λ}}_1{V}_1^{H}W={\mathrm{\Λ}}_1{V}_1^{H}W=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\Σ}}_{r_1\×t_1}& 0& ...& 0\end{array}\right]---(12-1)$

$P_2^H{H}_{2}W=U_2^H{U}_2{\mathrm{\Λ}}_2{V}_2^{H}W={\mathrm{\Λ}}_2{V}_2^{H}W=\left[\begin{array}{cccc}0& {\mathrm{\Σ}}_{r_2\×t_2}& ...& 0\end{array}\right]---(12-2)$

.                       .

.                          .

$P_K^H{H}_{K}W=U_K^H{U}_K{\mathrm{\Λ}}_K{V}_K^{H}W={\mathrm{\Λ}}_K{V}_K^{H}W=\left[\begin{array}{cccc}0& ...& 0& {\mathrm{\Σ}}_{r_K\×t_K}\end{array}\right]---(12-K)$

在发射器202处，预编码矩阵W是基于等式(12-1)至(12-K)的反馈信道信息。由于Λ_k是对角矩阵，因此，仅将V_k反馈给发射器以构造预编码矩阵W。即，W被选为

$V_1^{H}W=\left[\begin{array}{cccc}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}}_{t\×t_1}& 0& ...& 0\end{array}\right]---(13-1)$

$V_2^{H}W=\left[\begin{array}{cccc}0& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}}_{t\×t_2}& ...& 0\end{array}\right]---(13-2)$

.           .

.           .

.           .

$V_K^{H}W=\left[\begin{array}{cccc}0& ...& 0& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}}_{t\×t_K}\end{array}\right]---(13-K)$

表示

W＝[W₁ W₂… W_K]     (14)

其中，W_k是被应用到输入信号s_k并具有(t×t_k)维的预编码矩阵/向量，表示

${\tilde{V}}_k{=\left[\begin{array}{cccccc}{V}_1^T& ...& V_{k-1}^T& V_{k+1}^T& ...& V_K^T\end{array}\right]}^T---\left(15\right)$

因此，根据等式(13-1)至(13-K)的约束，矩阵W_k位于

的零空间内。通过对

执行SVD

${\tilde{V}}_k={\tilde{S}}_k{\tilde{D}}_k{\left[\begin{array}{cc}{\tilde{Q}}_k^{\left(0\right)}& {\tilde{Q}}_k^{\left(1\right)}\end{array}\right]}^H---\left(16\right)$

其中，

支持第一秩(

)右奇异向量。按下式执行SVD

$V_k{\tilde{Q}}_k^{\left(1\right)}=S_k{D}_k{\left[\begin{array}{cc}{Q}_k^{\left(0\right)}& Q_k^{\left(1\right)}\end{array}\right]}^H---\left(17\right)$

其中Q_k ⁰支持第一秩(

)右奇异向量。然后按下式计算预编码向量

$W_k={\tilde{Q}}_k^{\left(1\right)}{Q}_k^{\left(0\right)}---\left(18\right)$

在理想情况下，上述等式迫使W_k位于的零空间以实现零用户间干扰。然而，本领域技术人员可理解，存在对天线配置的尺寸的约束，即，发射天线的数量必须不小于接收天线的总数(即，t≥r)。

因此，发明人已经认识到对于t＜r的情况，通过仅从每个接收器反馈V_k的第一t_k列，即，V_k＝V_k(：，1：t_k)，然后用V_k替换等式(16)中的V_k，可计算合适的预编码矩阵。因此，在示例性实施方式中将等式(13-1)至(13-K)改变为

$V_1^{H}W={\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{V}}_1& {\hat{V}}_1\end{array}\right]}^H\left[\begin{array}{cccc}{W}_1& W_2& ...& W_K\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cccc}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}}_{t_1\×t_1}^{\left(1\right)}& 0_{t_1\×t_2}& ...& 0_{t_1\×t_K}\\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}}_{(t-t_1)\×t_1}^{\left(2\right)}& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}}_{(t-t_1)\×t_2}& ...& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}}_{(t-t_1)\×t_K}\end{array}\right]---(19-1)$

$V_2^{H}W={\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{V}}_2& {\hat{V}}_2\end{array}\right]}^H\left[\begin{array}{cccc}{W}_1& W_2& ...& W_K\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cccc}{0}_{t_2\×t_1}& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}}_{t_2\×t_2}^{\left(1\right)}& ...& 0_{t_2\×t_K}\\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}}_{(t-t_2)\×t_1}& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}}_{(t-t_2)\×t_2}^{\left(2\right)}& ...& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}}_{(t-t_2)\×t_K}\end{array}\right]---(19-2)$

.                 .

.                   .

.                 .

$V_K^{H}W={\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{V}}_K& {\hat{V}}_K\end{array}\right]}^H\left[\begin{array}{cccc}{W}_1& W_2& ...& W_K\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cccc}{0}_{t_K\×t_1}& 0_{t_K\×t_2}& ...& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}}_{t_K\×t_K}^{\left(1\right)}\\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}}_{(t-t_K)\×t_1}& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}}_{(t-t_K)\×t_2}& ...& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}}_{(t-t_K)\×t_K}^{\left(2\right)}\end{array}\right]---(19-K)$

基于等式(19-1)至(19-K)，可以为每个用户消除来自其它用户的行列式干扰。因此，有效信道具有如下结构：

$P^H\mathrm{HW}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\Σ}}_{t_1\×t_1}^{\left(1\right)}& 0_{t_1\×t_2}& ...& 0_{t_1\×t_K}\\ {\mathrm{\Σ}}_{(r_1-t_1)\×t_1}^{\left(2\right)}& {\mathrm{\Φ}}_{(r_1-t_1)\×t_2}& ...& {\mathrm{\Φ}}_{(r_1-t_1)\×t_K}\\ 0_{t_2\×t_1}& {\mathrm{\Σ}}_{t_2\×t_2}^{\left(1\right)}& ...& 0_{t_2\×t_K}\\ {\mathrm{\Φ}}_{(r_2-t_2)\×t_1}& {\mathrm{\Σ}}_{(r_2-t_2)\×t_2}^{\left(2\right)}& ...& {\mathrm{\Φ}}_{(r_2-t_2)\×t_K}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ 0_{t_K\×t_1}& 0_{t_K\×t_2}& ...& {\mathrm{\Σ}}_{t_K\×t_K}^{\left(1\right)}\\ {\mathrm{\Φ}}_{(r_K-t_K)\×t_1}& {\mathrm{\Φ}}_{(r_K-t_K)\×t_2}& ...& {\mathrm{\Σ}}_{(r_K-t_K)\×t_K}^{\left(2\right)}\end{array}\right]---\left(20\right)$

假设输入到发射器202的传输信号表示为s＝[s₁ s₂ … s_K]^T， $s_k={\left[\begin{array}{ccc}{s}_{k,1}& ...& s_{k,t_k}\end{array}\right]}^T$ (1，... K)表示第k个接收器预期的信号流，每个接收器处的信道输出y_k表示为

$y_k=P_k^H{H}_k\mathrm{Ws}+P_k^H{z}_k$

$=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Σ}}_{t_k\×t_k}^{\left(1\right)}{s}_k\\ {\mathrm{\Σ}}_{(r_k-t_k)\×t_k}^{\left(2\right)}{s}_k+\underset{j\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\Φ}}_{(r_k-t_k)\×t_j}{s}_j\end{array}\right]+{\stackrel{\‾}{z}}_k---\left(21\right)$

通过示例性实施方式的这种信道优化方法，能够近似地将多用户MIMO系统200分解为分离的SU-MIMO系统，并且由于用预编码权值有效地消除了用户间干扰，因此在特定接收器内仅对该接收器预期的对应信号进行检测和解码。

对于示例性实施方式中描述的信道优化方法，对信道矩阵H_k的右奇异矩阵V_k、或V_k的一个或多个行列式列进行量化并将它们反馈回发射器202。由于这可能导致反馈带宽的使用，因此为了降低反馈开销，其它示例性实施方式可利用码本和码本搜索技术。

对于基于预编码矩阵的码本，期望的预编码矩阵W/W_k可被看作格拉斯曼流形(Grassmann manifold)G(N，M)上的点，该格拉斯曼流形是N维空间内的一组M维超平面。格拉斯曼流形G(N，M)可被量化为相等的部分。可搜索不同的部分以确定W/W_k位于哪个部分，然后可将相关部分的对应索引反馈给发射器202。可通过格拉斯曼设计预定义码本以包含一组带索引的矩阵作为与W/W_k具有相同维数的码本元素。选择与W/W_k具有最小间距的码本，并将其对应的索引反馈给发射器202。发射器202使用由传输的索引标识的码本元素以形成用于波束成形的预编码矩阵。

在闭环SU-MIMO系统中，期望的预编码矩阵是信道矩阵的右奇异矩阵(即V_k)。因此，接收器将V_k与酋矩阵的码本进行比较，然后决定用于预编码的码本元素。在示例性实施方式的闭环MU-MIMO系统200中，基于从每个调度接收器(例如，208、210)看到的所有信道，确定期望的预编码矩阵。由于在每个接收器内没有可用的其它接收器的信道信息，因此基于来自每个接收器(例如，208、210)的信道反馈，在发射器202处而不是在每个接收器处确定用于MU-MIMO系统200的期望的矩阵。

基于用预编码的期望的MU-MIMO信道优化，在使用基于预编码的码本的示例性实施方式中，矩阵的码本和/或向量的码本用于行列式信道信息的反馈。行列式信道信息是每个接收器中的V_k的第一t_k列，其中t_k是第k个接收器预期的空间流的数量。在基于示例性实施方式的该码本中，发射器202调度每个接收器预期的信号，并通过由码本元素索引指示的反馈信道信息确定用于调度信号的预编码矩阵。

如上所述，对于使用基于预编码的码本的示例性实施方式，可使用两大类码本。它们是矩阵码本和向量码本。在接收器(例如，208、210)处，通过SVD计算期望的预编码向量。每个接收器基于酉码本C反馈它的右奇异矩阵V_k的第一t_k列(即，V_k)，码本的元素C₁，C₂，…，C_L全是(t×t_k)酋矩阵。

将V_k与码本C进行比较以找到最接近V_k的码本元素，然后标识与该码本元素对应的索引用于反馈传输至发射器202。例如，当t_k＝1时，码本C的元素是(t×1)向量，并且可由下式标识索引

$i=\underset{i}{\arg }\underset{C_i\∈C}{\max }\left|\right|C_i^{\′}{\stackrel{\‾}{V}}_k\left|\right|---\left(22\right)$

其中，t_k＞1，码本C的元素是矩阵，可由下式标识索引

$i=\underset{i}{\arg }\underset{C_i\∈C}{\max }\left|\right|{\stackrel{\‾}{V}}_k-C_i\left|\right|---\left(23\right)$

i是最接近V_k的码本元素的索引，每个接收器(例如，208、210)将i反馈给发射器202。发射器202利用由索引(例如，等式(22)和/或等式(23))标识的反馈矩阵/向量以用时频资源调度接收器(例如，208、210)，并且确定用于传输至接收器(例如，208、210)的预编码矩阵。例如，如果接收器k₁反馈索引以标识码本元素C_m，另一接收器k₂反馈索引以标识另一码本元素C_n，通过空间复用在相同的时频资源内调度两接收器k₁和k₂预期的、位于发射器202处的数据信号。由于码本元素C_m和C_n分别是信道

和

的近似值，因此由C_m和C_n之间的正交性，C_m和C_n可被近似地看作位于

和的零空间内。因此，W＝[C_m C_n]可被选择作为用于调度的接收器k₁和接收器k₂的MU-MIMO传输的信道优化的预编码矩阵。在每个接收器(例如，208、210)处，对所有传输的信号进行检测，但是仅对用于各个接收器的相关的预期信号进行解码。

图7是现有开环MU-MIMO系统与示例性实施方式MU-MIMO系统之间的吞吐量性能比较的吞吐量702与几何704的图标700。点划线706图示了在闭环MU-MIMO系统中使用基于预编码的码本的示例性实施方式的吞吐量性能。点划线708图示了没有预编码的通常开环MU-MIMO系统的吞吐量性能。该示例性实施方式和通常MU-MIMO系统是具有10个有源接收器的2×2MIMO系统。通过比较点划线706与点划线708，可见该示例性实施方式在该典型系统上获得大约2至3dB的系统吞吐量性能增益。

如上所述，示例性实施方式可通过使用基于信道状态信息的预编码，利用多个空间信道，在无线通信系统内提供通信信道优化。

本领域的技术人员可理解，可对特定实施方式中示出的本发明进行各种变体和/或修改且不背离宽泛描述的本发明的精神或范围。因此，本文中的实施方式在各个方面被认为是示例性且不是限制性的。

Claims (27)

1.一种多输入多输出MIMO通信系统中的传输方法，所述方法包括如下步骤：

从所述MIMO通信系统的各个接收器接收表示信道状态信息的反馈数据；

基于接收的反馈数据将所述接收器分为一个或多个组；

基于所述接收的反馈数据，获得用于每组接收器的预编码矩阵，使得与所述每组接收器中的各个接收器相关联的预编码矩阵中的预编码向量或子矩阵是彼此正交的；以及

将所述预编码矩阵应用到待传输至所述每组接收器的输入信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述反馈数据包括在所述各个接收器处得到的信道矩阵的各个右奇异矩阵的一个或多个行列式列。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括确定被分配给所述各个接收器的流的数量t_k，所述反馈数据包括在所述各个接收器处得到的所述右奇异矩阵的第一t_k列。

4.如权利要求3所述的方法，其中t是MIMO通信系统中的发射器的发射天线的数量，所述一个组或所述多个组中的每一个包括小于或等于t个接收器。

5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，获得所述预编码矩阵包括通过使每组接收器中的每个接收器的预编码向量或子矩阵位于由在每组接收器的各个其它接收器处得到的各个右奇异矩阵的所述一个或多个行列式列构造的零空间内，以计算用于每组接收器中的每个接收器的预编码向量或子矩阵。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述各个接收器处得到信道向量的各个右奇异矩阵，将得到的右奇异矩阵与矩阵的码本进行比较，确定最接近得到的各个右奇异矩阵的码本元素，其中，表示所述信道状态信息的所述反馈数据包括标识所述码本元素的各个索引。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括：确定分配给所述各个接收器的流的数量t_k，用于所述各个接收器的所述码本元素是(t×t_k)矩阵，其中t是所述MIMO通信系统中发射天线的数量，将在所述各个接收器处得到的所述右奇异矩阵的第一t_k列与用于确定最接近的码本元素的各个码本进行比较。

8.如权利要求7所述的方法，其中，对所述接收器进行分组以及获得用于各个组的所述预编码矩阵包括：将已对正交的码本元素进行标识的接收器进行分组，以及由所述正交的码本元素构造所述预编码矩阵。

9.如权利要求8所述的方法，其中t是所述MIMO通信系统中的发射器的发射天线的数量，每组接收器包括小于或等于t个接收器。

10.一种用于多输入多输出MIMO通信系统的发射器，所述发射器包括：

控制模块，用于从所述MIMO通信系统的各个接收器接收表示信道状态信息的反馈数据；

调度器单元，基于接收的反馈数据将所述接收器分为一个或多个组，所述调度器单元能够基于所述接收的反馈数据获得用于每组接收器的预编码矩阵，使得与所述每组接收器的各个接收器相关联的所述预编码向量或子矩阵是彼此正交的；以及

预编码模块，将所述预编码矩阵应用到待传输至所述每组接收器的输入信号。

11.如权利要求10所述的发射器，其中，所述反馈数据包括在所述各个接收器处得到的信道矩阵的各个右奇异矩阵的一个或多个行列式列。

12.如权利要求11所述的发射器，其中，所述调度器单元确定分配给所述各个接收器的流的数量t_k，所述反馈数据包括在所述各个接收器处得到的所述右奇异矩阵的第一t_k列。

13.如权利要求12所述的发射器，其中t是所述发射器的发射天线的数量，所述调度器单元将所述接收器分为一个或多个组，每组包括小于或等于t个接收器。

14.如权利要求11至13中任一项所述的发射器，其中，获得所述预编码矩阵包括通过使每组接收器中的每个接收器的预编码向量或子矩阵位于由在每组接收器的各个其它接收器处得到的各个右奇异矩阵的所述一个或多个行列式列构造的零空间内，以计算用于每组接收器中的每个接收器的预编码向量或子矩阵。

15.如权利要求10所述的发射器，其中，来自每个接收器并表示所述信道状态信息的所述反馈数据包括标识码本中的码本元素的索引，通过比较在所述每个接收器处得到的信道矩阵的右奇异矩阵与所述码本中的矩阵，所述码本元素被确定为最接近得到的右奇异矩阵。

16.如权利要求15所述的发射器，其中，所述调度器单元确定分配给所述各个接收器的流的数量t_k，用于所述各个接收器的所述码本元素是(t×t_k)矩阵，其中t是所述MIMO通信系统中的发射天线的数量，以及将在所述各个接收器处得到的所述右奇异矩阵的第一t_k列与用于确定最接近的码本元素的各个码本进行比较。

17.如权利要求16所述的发射器，其中，所述调度器单元将已对正交的码本元素进行标识的接收器进行分组，并且由所述各个正交的码本元素构造所述预编码矩阵。

18.如权利要求17所述的发射器，其中，t是所述MIMO通信系统中的所述发射器的发射天线的数量，每组接收器包括小于或等于t个接收器。

19.一种多输入多输出MIMO通信系统，所述MIMO通信系统包括：

至少一个发射器；

一个或多个接收器，由从所述至少一个发射器接收的信号得到反馈数据，并且将所述反馈数据传输至所述至少一个发射器；

其中，每个发射器包括：

控制模块，用于从所述MIMO通信系统的各个接收器接收表示信道状态信息的所述反馈数据；

调度器单元，基于接收的反馈数据将所述接收器分为一个或多个组，所述调度器单元能够基于所述接收的反馈数据获得用于每组接收器的预编码矩阵，使得与所述每组接收器的各个接收器相关联的所述预编码矩阵的预编码向量或子矩阵是彼此正交的；以及

预编码模块，将所述预编码矩阵应用到待传输至所述每组接收器的输入信号。

20.如权利要求19所述的MIMO通信系统，其中，所述反馈数据包括在所述各个接收器处得到的信道矩阵的各个右奇异矩阵的一个或多个行列式列。

21.如权利要求20所述的MIMO通信系统，其中，所述调度器单元确定分配给所述各个接收器的流的数量t_k，所述反馈数据包括在所述各个接收器处得到的所述右奇异矩阵的第一t_k列。

22.如权利要求21所述的MIMO通信系统，其中，t是所述发射器的发射天线的数量，所述调度器单元将所述接收器分为一个或多个组，每组包括小于或等于t个接收器。

23.如权利要求20至22中任一项所述的MIMO通信系统，其中，获得所述预编码矩阵包括通过使每组接收器中的每个接收器的预编码向量或子矩阵位于由在每组接收器的各个其它接收器处得到的各个右奇异矩阵的所述一个或多个行列式列构造的零空间内，以计算用于每组接收器中的每个接收器的预编码向量或子矩阵。

24.如权利要求19所述的MIMO通信系统，其中，来自每个接收器并表示所述信道状态信息的所述反馈数据包括标识码本中的码本元素的索引，通过比较在所述每个接收器处得到的信道矩阵的右奇异矩阵与所述码本中的矩阵，所述码本元素被确定为最接近得到的右奇异矩阵。

25.如权利要求24所述的MIMO通信系统，其中，所述调度器单元确定分配给所述各个接收器的流的数量t_k，用于所述各个接收器的所述码本元素是(t×t_k)矩阵，其中t是所述MIMO通信系统中的发射天线的数量，以及将在所述各个接收器处得到的所述右奇异矩阵的第一t_k列与用于确定所述最接近的码本元素的各个码本进行比较。

26.如权利要求25所述的MIMO通信系统，其中，所述调度器单元将已对正交的码本元素进行标识的接收器进行分组，并且由各个正交的码本元素构造所述预编码矩阵。

27.如权利要求26所述的MIMO通信系统，其中，t是所述MIMO通信系统中的所述发射器的发射天线的数量，每组接收器包括小于或等于t个接收器。

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