CN101606329B - 用于在移动通信系统中传输数据的方法、移动站和基站 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于在移动通信系统中传输数据的方法、移动站和基站，其中所述数据在至少一个信道上传输，该信道在至少一个具有多个天线的基站和至少一个用户设备之间。基站基于预定义编码本集合应用预编码于所述数据。具有来自所述预定义编码本集合的第一编码本的第一追踪模式用于所述预编码，并且具有来自所述预定义编码本集合的第二编码本的至少一个第二追踪模式用于所述预编码。基站根据所述信道的至少一个条件在第一追踪模式和第二追踪模式之间切换。

Description

用于在移动通信系统中传输数据的方法、移动站和基站
技术领域
本发明涉及一种用于在移动通信系统中传输数据的方法、移动站和基站。具体来说，本发明涉及用于在多天线通信系统中传输基于编码本的预编码数据的方法。
背景技术
移动通信系统(特别是无线蜂窝系统)以相邻单元的形式组织而成，其中每个单元由一个基站(BS)提供服务。该基站提供了与移动站(即，用户设备(UE))往来的通讯设施。
通用移动无线电通讯系统(Universal MobileTelecommunications System，UMTS)是第三代(3G)移动电话技术之一。UMTS的长期演变(long term evolution，LTE)(即3G的后继技术，也称为第四代(4G)技术)在第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)中被标准化。
LTE的重要一点是在多天线通信系统(例如多输入多输出(MIMO)或者多输入单输出(MISO)通信系统)中的预编码。术语MIMO在下面包括多种变化形式，比如MISO或者单输入多输出(SIMO)通信系统。
由于可以增加信道容量，提高可靠性和相对于单天线系统而言更大的范围，MIMO系统近年来变得越来越重要。MIMO系统主要的优势包括分集增益(这使系统在衰落时的可靠性得到加强)和多路复用增益(这扩大了系统的容量)。
在发射机中采用预编码来补偿由信道响应和/或在调制解调接收器中使用的噪声白化滤波器引起的失真。预编码意味着在发射机端应用的方法使接收器端的检测更为容易。即，为了补偿通信信道的失真，在发射机内采用预编码。
预编码的一个缺点是，如果没有仔细设计从用户设备到基站的反馈链路，则预编码所造成的反馈开销可能会非常高。
为克服高反馈开销的缺点，引入基于编码本的预编码。编码本是一种预定义的预编码矩阵集，其中每个预编码矩阵由一个预编码矩阵索引确认。因此，计划建立连接的用户设备对信道质量进行估计。用户设备仅仅选择并传送回编码本中的最合适的预编码矩阵的索引，而不是将整个信道矩阵发送回基站作为反馈。
作为进一步的改进，在3GPP LTE中建议对于编码本采用追踪方法。由于不必将完整的编码本索引从用户设备反馈到BS，因此在用户设备移动或无线信道随时间变化时，该追踪方法是有用的。只有Δ索引从用户设备传回。由于整个编码本只有一小部分有可能成为下一次预编码矩阵选择的候选对象，因此该Δ索引比起完整的索引，可用更少的比特数传输。
在波束成形的情况下(一种特殊类型的预编码，其中采用信号处理技术来控制信号接收或传输的方向性)，编码本可能在一个给定区域内定义一个规则波束集。当用户设备移动时，只有邻近的波束可能是下一次选择的候选对象。当基站有很多天线元件并且要非常精确地选择最佳波束时，编码本将会很大。如果通过减少编码本的尺寸来使反馈开销最小化，则缺点是次优的预编码导致的性能降低。
追踪可以减少反馈开销，但如果编码本的尺寸太小，那么将限制所能达到的精度。
对于诸如联合发射或非线性预编码之类的更高级的MIMO算法(其中多个波束之间会发生干扰并且发射功率同波束角度都需要作非常精确的调整)，小尺寸的编码本将导致性能严重下降而大尺寸的编码本将增加过多的反馈开销。
发明内容
本发明实施例的一个目标就是解决上述讨论的问题。本发明的一个具体的目标是在有限的编码本尺寸下，使预编码的性能最佳。
所述问题通过独立权利要求所提到的特征得以解决。本发明的优选实施例在从属权利要求中描述。
本发提供一种用于在移动通信系统中传输数据的方法，其中所述数据在至少一个信道上进行传输，该信道位于至少一个具有多天线的基站和至少一个用户设备之间。基站基于预定义的编码本集对数据进行预编码。带有所述预定义的编码本集中的第一编码本的第一追踪模式用于所述预编码，至少一个带有所述预定义的编码本集中的至少一个第二编码本的第二追踪模式用于所述预编码。基站根据所述信道的至少一个条件在所述第一追踪模式和所述第二追踪模式间切换。
进一步地，本发明提供用于实现该方法和相应的通讯系统的基站和用户设备。
所提出的发明的优点是在有限编码本尺寸下使预编码的性能最佳。
在本方法的进一步改进中，通过测量信道的易变性来确定条件。然后将该易变性与阈值进行比较。
在本方法的进一步改进中，如果信道的易变性超过阈值，则基站切换到第一追踪模式。
在本方法的进一步改进中，如果信道的易变性等于或低于阈值，基站切换到第二追踪模式。
在本方法的进一步改进中，基于至少一个关于该信道的长期信道估计来确定条件。
在本方法的进一步改进中，基站基于触发器在第一追踪模式和第二追踪模式间切换切换。
在本方法的进一步改进中，触发器由用户设备发送到基站。
在本方法的进一步改进中，预定义编码本集中的每个编码本为一个预定义的预编码矩阵集。每个预编码矩阵由预编码索引标识。
在本方法的进一步改进中，预编码通过应用波束成形完成。
本发明的基础是一个修改后的追踪方法。假定诸如联合发射或非线性预编码之类的更高级的MIMO算法只适用于用户设备低速移动的情况，此时无线信号在较长的时间间隔内都是稳定的。另外，许多无线信道具有很小的子空间尺度，即，仅有少量的多路径分量。对于小的子空间尺度，业已证明的是，以非常小的反馈就可以作出非常准确的信道预测。例如，在开放空间LOS连接的情况下，一个相位值就足以预测无线信道。
上述追踪方法无助于提高精度。此外，它降低了反馈开销。由于这种原因，这里提出两种不同的追踪模式。第一模式(即如上所述的粗追踪模式)用于例如移动的用户设备的场合。基于目前的编码本选择，下一次编码本的选择由相对于目前值的差值来决定。该差值从用户设备传输到基站。
根据本发明的第二追踪模式还基于目前的、激活的编码本的选择来选择新的编码本条目。与第一追踪模式不同，第二追踪模式用于增加预编码的精度。因此，在每个追踪步骤中，选择一个具有精细分辨率的编码本条目。假设对于每一反馈步骤，反馈率是恒定的，因此精度得到改进，如果使用合适的算法，则精度的改进可提高系统性能。
刚开始当预编码精度较低时，选择更健壮的传输(例如更高的编码率和/或更小的调制格式)。随着精度的增加，可选择更高的调制和/或编码方案。
在一实施例中，基于由用户设备实现的长期信道估计，选择两种不同的MIMO追踪模式。例如基于由基站在公共导频信道上(Common PilotChannel，CPICH)传输的公共导频信号来完成。
对于变化迅速的无线信道，采用针对移动的用户设备的第一追踪模式，即，粗追踪。对于稳定的或容易预测的无线信道，采用第二追踪模式，其中预编码的精度逐步提高。
在本方法的进一步改进中，在预定义数量的步骤之后，即，当达到一定的精度时，该系统自动切换到第二追踪模式。在第二追踪模式中，预编码矩阵跟随剩余的信道变化量。
在本发明一实施例中，用户设备基于信道易变性的知识将步骤的数量告知基站。
在另一实施例中，只要信道变化量在阈值之下，即，只要信道变化量小于一定水平的预编码精度，系统就保持第二追踪模式。如果达到了该水平，用户设备就通知基站切换到第一模式，即粗追踪模式。
好处是均一化(unitary)和非均一化(non-unitary)的预编码权重的反馈被组合在一起。在第一步骤中，每一用户设备(这里假定是多个用户MIMO)返回一个索引到小尺寸的均一化的预编码矩阵。通过多用户安排，基站选择两个已经反馈相互正交的向量的用户设备，这样在预编码之后可认为互相干扰较小。
在进一步的步骤中，预编码的精度按照来自各用户设备的基于非均一化的反馈而逐步增加。这种方案的优点是，在所有用户设备必需反馈有关选择合适用户组合的信息的步骤1中，反馈的数量少，而对于分辨率更高的下一步骤，只有活动用户设备必需发送反馈信息。因此，在本发明一实施例中，间歇性地采用所述两种追踪模式，例如，有一个步骤采用第一追踪模式并有两个步骤采用第二追踪模式。
在另一实施例中，所述第一追踪模式基于均一化预编码，并且所述第二追踪模式是非均一化的追踪模式。均一化的追踪模式定义为W*W’＝I，其中W为预编码矩阵，W’为W的共轭矩阵，I为单位矩阵。非均一化追踪模式包括例如对预编码权重的相位和幅值的精细调整。
第一追踪模式和第二追踪模式之间的切换很少被定义或者改变(例如在每一无线帧内)，而以较快的时间尺度(例如传输时间间隔(Transmiss ion Time Interval，TTI))跟踪无线信道是有利的。这是可能的，因为诸如无线信道的时间变量或尺度之类的基本信道特性只是作缓慢的变化。
从编码本设计的角度来看，在第一追踪模式的情况下，使用整个编码本的子集(即，可能的预编码矩阵集)，这降低了反馈率。在如本发明引入的第二追踪模式中，没有必要限制编码本的大小。例如，在一实施例中，采用一编码本产生规则来定义如何从现行的追踪步骤生成一个子编码本，从而在当前工作点附近获得更精细的粒度。该编码本产生规则可进一步以迭代的方式被重复应用，以在跟踪步骤变化时达到更细的预编码粒度，也就是说，当波束成形时，在每个后继的追踪步骤中，两个相邻束之间的角度差逐步减少，使得用户设备所使用的波束越来越能准确地适配用户设备的位置。
附图说明
现在通过参考以下附图描述本发明的优选实施例：
图1：示出移动通信系统的部件
图2：示出工作在第一粗追踪模式的通信系统
图3：示出工作在第二精细追踪模式的通信系统
具体实施方式
图1示出移动通信系统的部件，该系统包括基站BS和用户设备UE。数据在至少一个下行链路信道DL上，从基站BS传输到用户设备UE；并至少在一个上行链路信道UL上，从用户设备UE传输到基站。
图2示出工作在第一粗追踪模式的通信系统。以下，本发明的描述针对一种通信系统，其采用作为特殊类型的预编码的波束成形。显然，这些实施例并不限于这种类型的通信系统而是可以适用于所有受上述至少一个问题影响的通信系统。
图2描述工作在上面说明的第一粗追踪模式的通信系统，其应用波束成形作为预编码数据的变例。
从预定义的波束b1-b5的集合中，用户设备选择出最佳波束并将其用于传输。当用户设备从第一位置p1移动到第二位置p2，选中邻近的左或右波束，即，波束跟随移动的用户设备。在图2所示的例子中，用户设备位于第一位置p1，接收第二波束b2的数据，当位于第二位置p2时，用户设备接收第三波束b3的数据，其中波束b3相邻于波束b2的右边。
在波束很多的情况下，根据第一追踪模式来追踪的优点在于，与整个信道反馈相比，节省了反馈开销。
图3示出工作在第二精细追踪模式的通信系统，其以波成形作为预编码的变例。
与如图2所示的场景一样，第一追踪模式用于确定粗波束集合中的最佳波束。在如图3所示的场景中，用户设备的位置稳定，因此信道易变性较低。更进一步，所达到的预编码精度不是优化的，即，信道的易变性等于或者低于预定义的阈值。因此，基站切换到第二追踪。在随后的追踪步骤中，波束b6，b7，b8间的角度差逐步减少，使得波束越来越能准确地适配用户设备的位置p3。该方法增强了系统性能，因为通过使用第二追踪模式改进了预编码的精度，其中就所用的编码本而言，第二追踪模式相比第一追踪模式提供更细的粒度。
本发明的优点在于，所引入的第二追踪模式减少了基于预编码MIMO方案的编码本中的反馈开销。虽然到目前为止，提出的采用编码本的追踪只是用来跟随无线信道的变化，但是第二追踪模式可以改进慢时间变量和/或无线信道的尺度随时间变化缓慢的无线信道的预编码精度。
对于两种追踪模式，可以采用具有相同反馈比特数的相同的反馈结构，其中比特的含义根据所应用的MIMO模式而改变。
在保持低反馈开销和进一步实施更具挑战性的MIMO算法(例如扇区间的内部基站协同，这依赖于十分精确的信道状态信息(CSI))时，本发明引入的第二追踪模式可能是唯一的方式。
如果在固定的反馈率下没有从第一追踪模式到第二追踪模式的切换，则可能出现资源浪费，因为此时对于第一追踪模式下的固定不动的(例如非移动的)用户设备，在每一追踪步骤中采用的是相同但并不非常合适的编码本条目来预编码。相反，在这样的情况下采用第二追踪模式，则可以逐步改进系统性能。
由于只有在传输的数据较多时，高级MIMO算法的总体系统增益才是有意义的，因此相比从传输开始即采用较大尺寸的编码本从而导致上述大的反馈开销的方案，在经历较长的时间间隔之后才达到某个预编码精度是可以容忍的。
本方法可应用于所有受至少一个上述问题影响的通信系统。

Claims (20)

1.一种用于在移动通信系统中传输数据的方法，其中所述数据在至少一个信道(UL，DL)上传输，所述信道位于至少一个具有多个天线的基站(BS)和至少一个用户设备(UE)之间，其中所述基站(BS)基于预定义编码本集合对所述数据进行预编码，其中具有来自所述预定义编码本集合的第一编码本的第一追踪模式用于所述预编码，并且具有来自所述预定义编码本集合的至少一个第二编码本的至少一个第二追踪模式用于所述预编码，并且其中所述基站(BS)根据所述信道(DL)的至少一个条件在第一追踪模式和第二追踪模式之间切换。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，间歇地使用所述第一追踪模式和所述第二追踪模式。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一追踪模式基于均一化预编码和所述第二追踪模式为非均一化追踪模式。
4.如权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，通过测量所述信道(DL)的易变性来确定所述条件，并且其中所述易变性与阈值相比较。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述信道(DL)的所述易变性超过所述阈值的情况下，所述基站(BS)切换到所述第一追踪模式。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述信道(DL)的所述易变性等于或者低于所述阈值的情况下，所述基站(BS)切换到所述第二追踪模式。
7.如任权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，基于所述信道(DL)的至少一个长期信道估计来确定所述条件。
8.如权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，所述基站(BS)基于触发器在所述第一追踪模式和所述第二追踪模式间切换。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述触发器由所述用户设备(UE)传送到所述基站(BS)。
10.如权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，所述预编码通过应用波束成形完成。
11.如权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，基于所述第一编码本或者基于所述第二追踪模式中的所述第二编码本，应用预定义的编码本产生规则来产生子编码本。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述编码本产生规则以迭代的方式被重复应用以达到更细的预编码粒度。
13.基站(BS)，具有用于在至少一个信道(UL，DL)上接收和传输移动通信系统的数据的装置，并具有多个天线，进一步包括：
-用于基于预定义编码本集合对所述数据进行预编码的装置，
所述装置用于采用具有来自所述预定义编码本集合的第一编码本的第一追踪模式进行所述预编码，
所述装置用于采用具有来自所述预定义编码本集合的至少一个第二编码本的至少一个第二追踪模式进行所述预编码，
所述装置用于根据所述信道(DL)的至少一个条件在所述第一追踪模式和所述第二追踪模式之间切换。
14.根据权利要求13的基站(BS)，进一步包括装置，用于基于所述第一编码本或者基于所述第二追踪模式中的所述第二编码本，应用预定义的编码本产生规则来产生子编码本的方法。
15.根据权利要求14的基站(BS)，进一步包括装置，用于重复应用所述编码本产生规则以达到更细的预编码粒度。
16.根据权利要求13，14，15中的一项所述的基站(BS)，进一步包括用于基于由用户设备(UE)发送的触发器在所述第一追踪模式和所述第二追踪模式之间切换的装置。
17.一种用于在移动通信系统中分别在至少一个下行链路(DL)上接收数据和在至少一个上行链路(UL)上传输数据的用户设备，该用户设备包括装置，该装置：用于确定至少一个信道(DL)的至少一个条件，
用于比较所述条件与阈值，
用于发送触发器到基站(BS)，所述触发器使得所述基站(BS)在具有来自所述预定义编码本集合的第一编码本的第一追踪模式与具有来自所述预定义编码本集合的至少一个第二编码本的至少一个第二追踪模式之间切换。
18.根据权利要求17的用户设备(UE)，进一步包括：装置，用于基于所述第一编码本或基于在所述第二追踪模式中的第二编码本，应用预定义编码本产生规则来产生子编码本。
19.根据权利要求18的用户设备(UE)，进一步包括：用于重复应用编码本产生规则以达到更细的预编码粒度的装置。
20.通信系统，具有至少一个根据权利要求13，14，15，16之一所述的基站(BS)和至少一个根据权利要求17，18，19之一所述的用户设备(UE)。
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