CN101636929A - 使用任意预编码基准信号的mu-mimo的通用化基准信令方案 - Google Patents

Abstract

提供了一种多用户MIMO下行链路波束成形系统(200)，使得能够将发射波束成形向量高效地提供给用户装置设备(201.i)的子集，其中在基站(210)处计算空间分离或迫零发射波束成形器(w_i)并且将其用于生成预编码基准信号(216)。预编码基准信号(216)被前馈到用户装置设备(201.i)，该用户装置设备(201.i)向预编码基准信号应用一个或多个假设测试(207.i、208.i)以提取包括被设计用于用户装置的特定的发射波束成形向量(w_UE)的预编码矩阵(W)，并且该提取信息用于生成接收波束成形器(v_i)。

Description

使用任意预编码基准信号的MU-MIMO的通用化基准信令方案

技术领域

[001]本发明总体上涉及信息处理的领域。在一个方面，本发明涉及一种用于在无线MIMO通信系统中传递基准信号信息的系统和方法。

背景技术

[002]无线通信系统在指定电磁频谱中发射和接收信号，但是电磁频谱的容量是有限的。随着对无线通信系统的要求持续扩展，存在提高频谱使用效率的越来越多的挑战。为了在降低系统对噪声和干扰的敏感度和限制发射功率的同时提高系统的通信容量，已提出许多无线通信技术，诸如多输入多输出(MIMO)，该技术是一种传输方法，其中具有多个发射天线的发射机将信号无线地发射到多个接收机，每个接收机具有多个接收天线。例如，空分多址(SDMA)系统可被实现为闭环系统以提高频谱使用效率。SDMA近来涌现为一种用于下一代通信系统的流行技术。在诸如IEEE 802.16和第三代伙伴项目(3GPP)长期演进(LTE)平台的数种当前涌现的标准中已采用基于SDMA的方法。

[003]图1示出了使用SDMA的无线MIMO通信系统100。在MIMO系统中，发射机和接收机均配备有多个天线。无线通信系统100包括一个或多个发射机101(例如，基站)和一个或多个接收机站102.1～102.m(例如，订户站)，其中“m”是表示给定地理区域中的接收机站的数量的整数。当基站和订户站均配备有接收机和发射机时，基站和订户站可以是发射机和接收机。基站通常与多个订户站通信。订户站与基站直接通信并且经由基站与其他订户站间接通信。基站的数量部分取决于待由无线通信系统100服务的地理区域。订户系统实际上可以是任何类型的无线单向或双向通信设备，诸如蜂窝电话、无线装备计算机系统和无线个人数字助理。在基站和订户站之间传递的信号可以包括语音、数据、电子邮件、视频和其他数据、语音和视频信号。

[004]在SDMA-MIMO无线通信系统中，每个基站101和订户站102.i包括用于发射和接收信号的天线阵列。在SDMA中，不同的订户站共享相同的时间-频率信道并且它们之间的分离出现在空间维度中。在传输期间，天线阵列通过将一组发射波束成形权重应用到被施加到天线阵列中的每个天线的信号，来形成波束或多个波束。基站将一组不同的发射波束成形权重应用到与每个订户站的每个通信，目的在于使无线电通信设备信号之间的干扰最小。在诸如时分双工(TDD)的某些传输方案中，基站和订户站之间的波束成形允许在下行链路和上行链路期间将相同的频率信道和不同的时间信道分配给订户站。在诸如频分双工(FDD)的其他传输方案中，基站和订户站之间的波束成形允许在下行链路和上行链路期间将相同的时间信道和不同的频率信道分配给订户站。

[005]如图1中更具体地示出的，MIMO系统基站101使用波束成形通过多个天线发射单个数据流(例如，s₁)，并且接收机组合来自多个接收天线的接收信号以重新构造发射数据。这是通过“波束成形”权重实现的，由此通过将权重向量w_i施加到信号s_i并且在天线阵列上发射结果x_i，在信号处理单元103.i中处理用于传输的信号s_i。加权向量w_i用于引导信号，目的在于提高信号质量或者性能度量，如接收信号的信号-干扰和噪声比(SINR)。在接收机处，使用组合向量v_i处理天线阵列检测的接收信号。具体地，基站101具有N个天线的阵列105，其中N是大于或等于m的整数。基站准备传输信号，对于每个信号s_i，该传输信号由向量x_i表示，其中i∈{1，2，...，m}。(注意：粗体小写字母变量表示向量并且粗体大写字母变量表示矩阵)。根据式[1]确定传输信号向量x_i：

x_i＝w_i·s_i                        [1]

其中w_i是第i个波束成形、N维传输权重向量(还被称为“发射波束成形器”)，并且权重向量w_i的每个系数w_j表示第j个发射天线105上的权重和相移。此外，项“s_i”是待发射到第i个接收机的数据。权重向量w_i的每个系数可以是复权重。除非另外指出，否则传输波束成形向量被称为“权重向量”，并且接收向量被称为“组合向量”，尽管在具有相反信道(reciprocal channel)的系统(诸如TDD系统)中，接收机/订户站处的组合向量v可以用作组合向量(在自发射机/基站接收信号时)和加权向量(在发射到发射机/基站时)。

[006]经由信道矩阵H_i表示的信道发射传输信号向量x_i。信道矩阵H_i表示发射机天线阵列105和第i个订户站102.i处的接收机天线阵列104.i之间的信道增益。因此，信道矩阵H_i可由N×k_i复系数矩阵表示，其中N是基站天线阵列105处的天线数量并且k_i是第i个订户站天线阵列104.i中的天线数量。对于每个订户站，k_i的值可以是唯一的。如将认识到的，信道矩阵H_i可替换地可由k_i×N复系数矩阵表示，在该情况中，相应地调节矩阵运算算法，由此例如，关于N×k_i信道矩阵的右奇异向量计算变为关于k_i×N信道矩阵的左奇异向量计算。信道矩阵H_i的系数至少部分地取决于诸如空气的介质的传输特性，信号通过该介质发射。多种方法可用于确定信道矩阵H_i系数，诸如向接收机发射已知导频信号，由此了解该导频信号的接收机可以使用公知的导频估计技术估计信道矩阵H_i的系数。可替选地，实际的信道矩阵H_i对于接收机是已知的并且也可以对于发射机是已知的。

[007]在订户站102.i处，在k_i个接收天线上接收发射信号。例如，经由信道矩阵H₁表示的信道发射传输信号向量x₁，并且在接收机102.1处将该信号向量x₁作为接收信号向量y₁＝H₁ ^Hx₁+n₁(其中n表示由其他订户站引起的噪声和任何共信道干扰)接收。更具体地，关于第i个订户站102.i的接收信号由根据式[2]的k_i×1接收信号向量y_i表示：

$y_i=s_i^{*}{H}_i^H{w}_i+(\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n^{*}{H}_i^H{w}_n-s_i^{*}{H}_i^H{w}_i)---\left(2\right)$

其中“s_i”是待发射到第i个订户站102.i的数据，“s_n”是发射到第n个订户站102.n的数据，*上标表示复共轭算子，“H₁ ^H”表示将基站101和第i个订户站102.i关联的信道矩阵的复共轭转置，w_i是第i个发射权重向量，并且w_n是第n个发射权重向量。上标“H”在此处用作厄密算子以表示复共轭转置算子。接收信号向量y_i的第j个元素表示在订户站102.i的第j个天线上接收的信号，j∈{1，2，...，k_i}。式[2]的右手侧的第一项是所需接收信号，而求和项减去所需的接收信号表示共信道干扰。最后，为了获得数据信号z_i，该数据信号z_i是发射数据s_i的估计，订户站102.i处的信号处理单元108.i根据式[3]使用组合向量v_i组合在k个天线上接收的信号：

[008]尽管在接收机102.i独自了解通信信道时MIMO的益处是可实现的，但是在发射机101具有关于每个发射机天线元件和接收机102.i的每个接收天线元件之间的信道响应的某种级别的知识时，这些益处在“闭环”MIMO系统中进一步增强。预编码系统提供了闭环系统的示例性应用，该系统利用发射机处的信道侧信息(CSIT)。通过预编码系统，CSIT可以用于多种通信技术以在自发射天线阵列105发射信号之前操作该发射信号。例如，可以在基站101处使用预编码技术以提供多模式波束成形器功能，以最优地使一侧的输入信号与另一侧的信道匹配，由此可以通过使多个用户或订户站在空间维度上分离，在相同的时间-频率资源块(RB)上同时调度该多个用户或订户站。这被称为空分多址(SDMA)系统或者多用户(MU)-MIMO系统。预编码的额外示例包括在将信号传输到接收机102.i之前，使用在接收机102.i处测量的信道质量指示符(CQI)值对该发射信号执行自适应调制和编码(AMC)。

[009]尽管通过使用上行链路探通(sounding)技术可以在发射机101处获得全面的宽带信道知识(例如，对于时分双工(TDD)系统)，但是大部分预编码MIMO系统(例如，对于TDD或频分双工(FDD)系统)使用信道反馈技术在接收机102.i处测量信道信息并且随后将测量的信道信息反馈到发射机101。然而，在近区中的其他接收机的通信状态未知时，难于准确地测量信道信息或者关于特定接收机的关联的信道特性(诸如SINR或信道质量信息(CQI))。在SDMA系统中，由于发送到其他接收机的信号信息可能在预期的接收机102.i处呈现为干扰或噪声，导致了接收机处的不完整的知识，尽管在测量信道特性时不能期望接收机具有该知识。为了解决在测量信道信息时每个接收机站具有关于传输条件的不完整的知识，发射机站101可以前馈基于来自接收机站102.1～102.m的信道反馈信息计算的预编码矩阵信息W＝[w₁，w₂，...w_m]。然而，与将预编码矩阵信息前馈到每个接收机站关联的信令开销可能是非常大的，特别是在预编码矩阵信息可被任意计算为来自每个接收机站的信道向量反馈信息的函数时。而且，有限的前馈资源要求将任何实用的系统设计为具有低的前馈速率，而用于前馈预编码矩阵信息的现有系统可以具有不可接受的高的前馈数据速率。可以使用专用基准信号，由此对一个或多个基准信号加权并且使用与波束成形数据信号相同的发射波束成形向量发射该一个或多个基准信号。然而，专用基准信号典型地需要极大的信令开销用于向每个接收机通知其专用的基准信号，诸如用于指出预编码流的数量的控制信号和用于每个接收机的所需基准信号。即使该信令开销被包括作为通常的调度开销的一部分，其仍然消耗可观的开销。

[010]因此，需要一种用于MIMO-SDMA系统中的信号处理和控制信令的改进的系统和方法。还需要一种多用户MIMO系统，该系统在不需要基站调度算法或其他接收机的高级知识的情况下高效地向特定接收机传送预编码矩阵信息。此外，需要一系列用于生成关于MIMO-SDMA的发射和接收阵列向量的信号处理算法，该算法克服了诸如上文概述的前馈数据速率的限制和本领域的其他问题。在通过参考下文的附图和详细描述阅读本申请的剩余部分之后，常规的过程和技术的进一步的限制和缺点对于本领域的技术人员是显而易见的。

附图说明

[011]在结合下面的附图考虑下面的优选实施例的详细描述时，可以理解本发明并且可以获得本发明的许多目的、特征和优点，在附图中：

[012]图1(标为现有技术)示出了无线通信系统；

[013]图2示出了其中前馈预编码基准信号以向每个接收机站传送下行链路发射波束成形矩阵信息的无线通信系统；

[014]图3示出了用于生成预编码基准信号信息并且将其前馈到一个或多个用户装置设备的预编码方法的第一示例性流程；

[015]图4示出了使用任意预编码基准信号的用于多用户MIMO系统的通用化基准信令方案的示例性流程；并且

[016]图5示出了使用单个预编码基准信号的用于多用户MIMO系统的通用化基准信令方案的示例性流程。

具体实施方式

[017]描述了一种基准信号前馈系统和方法，用于在无线多用户多输入多输出(MIMO)SDMA系统中高效地向接收机提供预编码矩阵信息。一旦发射机(例如，基站)使用任意多用户MIMO波束成形算法生成预编码向量，则预编码基准信号被前馈到某些或全部接收机(例如，用户装置设备)以向(一个或多个)接收机提供预编码向量的知识。使用专用的预编码基准信号，由此对一个或多个基准信号加权并且使用与波束成形数据信号相同的发射波束成形向量将其发射。然而，专用基准信号典型地要求极大的信令开销以用于向每个接收机通知其专用基准信号，诸如控制信号，以指出预编码流的数量和关于每个接收机的所需基准信号。即使该信令开销被包括作为通常的调度开销的一部分，但是其仍然消耗可观的开销。在接收机处，诸如通过使用例如，最小均方差(MMSE)标准，利用一个或多假设测试处理预编码基准信号，以提取实现被设计用于接收机的接收波束成形器的波束成形向量和/或矩阵信息。在所选择的实施例中，在接收机处执行第一测试以处理预编码基准信号，用于在不需要前馈显性信息的情况下检测哪个预编码基准信号预期用于所讨论的接收机。通过第二测试，接收机处理预编码基准信号以识别发射机使用的全部预编码向量W＝[w₁，w₂，...w_m]，由此易化接收机处的MMSE解码。这样，实现了一种使用任意预编码基准信号的用于MU-MIMO系统的通用化基准信令方案。

[018]现将通过参考附图详细描述本发明的多种说明性实施例。尽管在下文的描述中阐述了多种细节，但是将认识到，可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明，并且对于此处描述的本发明可以做出许多关于特定实现方案的决定，以实现设备设计人员的特定目的，诸如符合依据实现方案变化的处理技术或设计相关约束。尽管该开发努力可能是复杂的和耗时的，但是对于受益于本公开内容的本领域的普通技术人员，这是应采取的例行程序。例如，以框图形式示出了所选择的方面，而非详细示出所选择的方面，以便于避免限制或模糊本发明。此外，此处提供的详细描述的某些部分是根据关于计算机存储器中的数据的算法或者操作而呈现的。本领域的技术人员使用该描述和表示向本领域的其他技术人员描述和传达其工作的本质。现将通过参考附图详细描述本发明的多种说明性实施例。

[019]图2示出了无线通信系统200，其中从发射机210(例如，基站)将N个预编码基准信号216前馈到一个或多个接收机201.1～m(例如，订户站)以向每个接收机站201.i传送下行链路发射波束成形矩阵信息。发射机210包括用于与接收机201.1至201.m通信的天线阵列226，每个接收机包括用于与发射机210通信的接收天线阵列202.i。在操作中，由信号处理器224.i将出现在发射机210处的用于传输到接收机201.i的数据信号s_i变换为由向量x_i表示的传输信号。自发射天线226发射的信号传播通过矩阵信道H_i并且由接收天线202.i接收，其中该信号由向量y_i表示。对于从发射机210到第i个接收机201.i的MIMO信道，该信道由H_i，i∈{1，2，...，m}表示。信道矩阵H_i可被表示为N×k_i复条目矩阵，该复条目表示每个发射-接收天线对之间的传输信道的复系数，其中N表示发射天线阵列226中的发射天线的数量，并且k_i表示第i个接收机201.i的天线数量(反之亦然)。在接收机201.i处，信号处理单元203.i处理在k个天线上接收的y_i个信号以获得数据信号z_i，该数据信号z_i是发射数据信号s_i的估计。接收的y_i信号的处理可以包括使y_i信号与最小均方差(MMSE)接收机设计模块209.i生成的适当的组合向量信息v_i组合。如此处描述的，接收机201.i使用预编码基准信号提取在发射机210处生成的发射波束成形向量矩阵信息W，并且随后使用任何所需的接收波束成形器设计方法，例如MMSE方法，使用所提取的发射波束成形向量矩阵信息W计算或选择组合向量信息v_i。

[020]通过使每个接收机201.i在信道估计信号处理单元203.i中确定其MIMO信道矩阵其描述了发射机和第i个接收机之间的传输信道，可以实现发射机处的发射波束成形或预编码。例如，在MIMO实现方案中，每个接收机201.1至m通过使用导频估计或探通技术确定或估计信道矩阵H_i的系数，确定其MIMO信道矩阵H_i。每个接收机201.i使用估计的MIMO信道矩阵或其他信道相关信息(该信息可以是信道系数或信道统计或者其函数，诸如预编码器、波束成形向量或调制阶数)生成或计算初始接收或组合波束成形向量v_i。例如，每个接收机201.i处的接收波束成形设计模块204.i诸如通过使预定的接收信号-干扰和噪声(SINR)度量最大，计算表示最优盲接收波束成形向量的初始或最优接收波束成形向量V_opci。可替选地，得到或生成关于接收机201.i的接收波束成形向量v_opti，以使其基本上等效于对应于发射机210和接收机201.i之间的信道矩阵的最大奇异值的右奇异向量(例如，v_opti＝RSV_max(H_i))。然而，所计算的初始波束成形向量V_opti用于，诸如通过计算或选择表示向量Hv_opti的向量码字u_i，在设计模块204.i中生成有效信道信息。在所选择的实施例中，向量码字u_i表示用于接收机201.i的优选预编码向量，其中该优选预编码向量是一个或多个酉矩阵的列，可被称为基向量。如将认识的，除了有效信道信息u_i之外或者替换有效信道信息u_i，每个接收机201.i可以计算和反馈其他信息，诸如信道质量信息(CQI)或者在发射机处用于生成预编码矩阵W信息的任何其他信息。

[021]不同于反馈有效信道信息的完整标量、向量或矩阵表述(诸如所选择的码字u_i或者需要大量比特的完整CQI值)，接收机201.i可以使用量化器205.i量化有效信道信息u＝H_i v_opti，该信息由设计模块204.i生成并且将由发射机210用于控制针对接收机201.i的信号传输。例如，在量化有效信道信息u时，接收机201.i处的反馈码本211.i可用于存储可能码字u的索引集合，由此向量设计模块204.i生成的码字u可由量化器205.i使用以自反馈码本211.i检索对应的索引并且在反馈信道218.i(例如，低速率反馈信道215)上向发射机210提供所检索的索引。

[022]一旦来自接收机201.i的有效信道信息，诸如所选择的码字u_i和CQI值，被标注索引并且在低速率反馈信道215上反馈到发射机210，则发射机210使用基于码本的解量化器220解码或解量化该索引反馈信息，该解量化器220接入反馈码本221以获得关于接收机201.i的有效信道信息(例如，u_i)。如将认识到的，发射机反馈码本221与接收机201.i处使用的反馈码本211.i相同。检索的有效信道信息被提供给设计模块222，设计模块222计算调度信息并且设计用于每个接收机201.i的发射波束成形向量w_i。当接收机201.i计算的所选择的码字u_i表示接收机的有效信道时，u_i＝H_iv_i/||H_iv_i||，发射机210处的设计模块222可以使用诸如迫零波束成形(ZFBF)的空间分离算法(或者其变体，诸如正则化迫零波束成形)，设计每个发射波束成形向量 $w_i={\tilde{w}}_i/\left|\right|{\tilde{w}}_i\left|\right|,$ 由此

如果i＝j， ${{\tilde{w}}_i}^H{u}_j\≥{\mathrm{\γ}}_1$

如果i≠j， ${{\tilde{w}}_i}^H{u}_j\≤{\mathrm{\γ}}_2---\left(4\right)$

其中γ₁＞0和γ₂是常数，由此γ₂＜＜γ₁。通常，γ₂≈0。式4是典型的空间分离约束式，其确保所需的信号分量被加强并且使接收机处的不需要的干扰项最小。上文特定的实施例是迫零波束成形式，其中γ₁＝1并且γ₂＝0。

[023]对γ₁＝1且γ₂＝0的式4的迫零版本的一个近似解由下式给出：

$\tilde{W}=X{(X^{H}X+\mathrm{\αI})}^{-1}---\left[5\right]$

其中X＝[u₁u₂...u_k]，I是单位矩阵并且α是标量常数，α提供了光滑化函数以考虑由于量化或其他原因引起的有效信道的知识的不完全性。式(5)中的解对于α＝0时的式(4)是准确的。这确保了由于其他用户的传输引起的对用户的干扰接近于零。在所选择的实施例中，设计的预编码向量w_i被计算为接收机请求的优选预编码向量的函数。然而，尽管迫零波束成形可用于生成波束成形矩阵W＝[w₁，w₂，...w_m]223，但是将认识到，设计模块222可以使用任何(任意)多用户MIMO算法生成波束成形矩阵信息W 223。根据多种实施例，所设计的发射波束成形向量选自接收机201.i也已知的候选发射波束成形向量的已定义集合，即使任何给定的接收机不具有关于哪个发射波束成形向量预期用于哪个接收机的预先知识。

[024]一旦设计模块222设计用于每个接收机201.i的发射波束成形向量wi，则设计模块222向一个或多个信号处理器224.i提供预编码信息223中包含的所设计的发射波束成形向量wi，其中在生成发射信号xi的过程中施加该发射波束成形向量wi以对数据输入信号si预编码，其中在发射天线阵列226上将发射信号xi发射到(一个或多个)接收机201.i。

[025]在使用预编码信息控制针对接收机201.i的信号传输之前，发射波束成形向量w_i可被组装为波束成形矩阵W＝[w₁，w₂，...w_m]的形式并且通过(a)使用承载预编码导频码元的基准信号，或者(b)在控制信道上发送表示传输矩阵W的比特，将波束成形向量w_i传送到接收机。

[026]在使用一个或多个基准信号传送波束成形矩阵W时，基准信号生成器228中的编码器模块225使用波束成形矩阵W生成可被前馈到接收机201.i的高达N个预编码基准信号216。在多种实施例中，依赖于如何编码和接收发射波束成形矩阵，该预编码基准信号可以意指一个或多个(高达N个)预编码基准信号。这样，发射机210发射对应于发射波束成形矩阵或者一个或多个其计算的发射波束成形向量的一个或多个预编码基准信号。例如，如果发射机天线阵列226具有四个发射天线，在使用迫零波束成形时可以同时支持高达四个接收机。在该情况中，利用预编码向量(例如，w₁、w₂、w₃和w₄)对高达四个基准信号(例如，RS₁、RS₂、RS₃和RS₄)预编码，由此生成高达四个预编码基准信号(例如，RS₁w₁、RS₂w₂、RS₃w₃和RS₄w₄)。

[027]在使用比特级信令传送波束成形矩阵W时，通过在控制信道上发送表示所使用的传输矩阵的比特216，将波束成形矩阵W前馈到每个接收机201.i。该方法假设从M个可能的候选矩阵集合中选择传输矩阵W，由此每个候选矩阵可由最少的log₂(M)个比特唯一识别。为了实现比特级信令，前馈码本227可用于存储每个候选矩阵及其对应的比特索引值。表示传输矩阵W的比特索引可由发射机发射到每个接收设备。并且由于接收设备预先具有全部可能候选传输矩阵的信息(例如，存储在前馈码本212.i中)，因此接收设备可以使用该比特索引通过单次查找检索适当的传输矩阵W，并且随后可以使用该传输矩阵W设计其接收波束成形器。在一个实施例中，发射上文的唯一识别传输矩阵W的比特序列并且接收机通过查找其候选传输矩阵的数据库检索该传输矩阵W。在可替选的实施例中，发射机和接收机可以预先共享传输向量的码本，并且所使用的最终传输矩阵W将是至多N个不同的传输向量的组合。在该情况中，发射机可以通过发送N个K比特序列用信号通知传输矩阵W，其中每个序列唯一表示包括传输矩阵W的传输向量，其中K是唯一表示每个候选传输向量所需的比特的最少数量。在另一可替选的实施例中，发射机可以发送N个比特序列，每个比特序列唯一识别由每个复用用户反馈到发射机的码字，其中K是用于唯一表示每个候选传输向量所需的最少数量的比特。在该情况中，发射机使用全部接收单元已知的预定算法将码字映射到所使用的最终传输矩阵W。接收机首先使用由发射机前馈到该接收机的比特序列检索全部复用用户的码字，并且随后使用已知算法构建传输矩阵W。任一上文实施例的执行结果是接收机处的传输矩阵W的知识。一旦传输矩阵W已知，则接收单元执行第二测试以确定W中包含的哪个传输向量用于该接收单元。在一个实施例中，通过计算max_j＝_{1，2，..，N}|w_j ^HHv_opt|²执行该测试，其中v_opt是最优盲接收波束成形器，H是MIMO信道矩阵并且w_j是W的第j列。

[028]可由前馈控制字段生成器229在前馈信道219.i(例如，低速率前馈信道215)上将预编码基准信号(RS₁w₁，RS₂w₂，...RS_Mw_M)216前馈到接收机201.i。一旦将预编码基准信号信息216前馈到接收机201.i，则接收机201.i对该信息解码并且将预编码基准信号信息提供给波束成形矩阵估计模块206.i。例如，前馈控制解码器(未示出)用于对前馈信号解码以获得发射机210生成的预编码基准信号信息。

[029]然而所恢复的检索预编码基准信号信息由波束成形矩阵估计模块206.i处理，用于在不具有关于哪个特定预编码向量w_UE预期用于接收机或者发射机210使用哪个波束成形算法生成预编码向量w₁，w₂，...w_m的现有知识的情况下实现MMSE接收操作。这样，发射机210在设计其波束成形矩阵和预编码算法时具有完全灵活性。为了提供该灵活性，波束成形矩阵估计器206.i处理接收的预编码基准信号以检测发射机210使用哪个准确的预编码向量w₁，w₂，...w_m，并且检测哪个预编码向量预期用于所讨论的接收机。

[030]为了检测来自预编码基准信号的该信息，波束成形矩阵估计器206.i对接收的预编码基准信号执行假设测试。通过第一假设测试，提取模块207.i通过有效地将接收的预编码基准信号投影到其最优盲接收波束成形器，确定使用预期用于接收机的传输向量对所发射的“m”个基准信号中的哪个基准信号编码。实际上，比较函数使用接收的预编码基准信号确定哪个基准信号预期用于接收机。在示例性实现方案中，检测函数应用如下测试：

$\underset{j=\mathrm{1,2,3,4}}{\max }{\left|v_{\mathrm{opt}}^H{y}_j\right|}^2---\left[6\right]$

其中v_opt是由接收机设计模块204.i初始设计的最优盲接收波束成形器，y_j是接收的N个预编码基准信号(例如，y_j＝RS_iw_i)，并且H是针对所讨论的接收机的信道矩阵。对于给定的预编码基准信号y，所选择的所需基准信号是使式[6]中定义的测试最大的基准信号。实际上，该测试提供了每个预编码向量关于用户有效信道如何“对准”的测度。结果，可以将预编码基准信号前馈到接收机，而且不需要前馈用于识别哪个预编码向量预期用于接收机的显性信息。

[031]除了检测预期基准信号之外，波束成形矩阵估计器206.i也可以对接收的预编码基准信号执行额外的假设测试以提取发射机使用的预编码矩阵W以易化接收机处的MMSE解码。为此，提取模块208.i应用第二假设测试以自预定集合提取用于生成每个预编码基准信号的准确的预编码向量，由此获得由发射机生成的全部预编码向量的信息。实际上，提取函数测试每个预编码基准信号以识别来自预定预编码向量集合的哪个预编码向量用于生成预编码基准信号。在示例性实现方案中，比较函数应用如下测试：

min_i||y-H^Hw_i||²                                [7]

其中y是接收预编码基准信号(例如，y＝RS₁w₁)，H是针对所讨论的接收机的信道矩阵，并且w_i用于存储在接收机处的预定预编码向量集合(例如，w₁，w₂，...w_m)中的每个向量。对于每个预编码基准信号y，选择使式[7]中定义的测试最小的发射波束成形器w_i。实际上，该测试提供了用于识别哪个预编码向量(例如，w₁，w₂，...w_m)是用于生成预编码基准信号的波束成形向量w的距离测度。一旦测试了每个预编码基准信号，则识别完整的预编码向量集合，并且作为结果，识别传输矩阵W。

[032]一旦提取完整的预编码向量集合(其可由预编码矩阵W表示)，波束成形矩阵估计器将该信息提供给MMSE接收机设计模块209.i，该MMSE接收机设计模块209.i计算关于接收机201.i的调节组合向量v_i。接收机信号处理单元203.i使用该调节组合向量v_i处理在k个天线上接收的y_i信号，以通过使该y_i信号与该调节组合向量信息v_i组合获得数据信号z_i。

[033]在可替选的实施例中，基站可以选择针对接收机i的传输向量w_i，由此该传输向量w_i可以潜在地是N维复空间中的任何向量，在该情况中由于可能的预编码向量集合在接收机处是未知的，因此不能应用式[7]中的测试。在该情形下，使用下面的规程设计接收波束成形器。假设y_j(t)，j＝1，2，...，N表示时间t处的第j个基准信号，假设对于每个基准信号发送k个导频时间样本，即t＝1，2，...，k，其中k大于或等于1。首先，使用式[6]中的第一假设测试，接收机201.i确定N个基准信号中的哪个基准信号用于其自身。例如，我们可以假设接收机201.i确定y₁基准信号预期用于接收机201.i。一旦检测到预期基准信号，则使用如下函数设计MMSE接收波束成形器：

$v_{\mathrm{MMSE}}={(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{k}\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\left(t\right)y_i{\left(t\right)}^H+{{\mathrm{\σ}}_n}^{2}I)}^{-1}\left(\frac{1}{k}\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_1\left(t\right)\right)---\left[8\right]$

其中I是单位矩阵并且σ_n ²是白色噪声频谱密度。

[034]在另一实施例中，可以使用如下函数设计接收波束成形器：

$v_{\mathrm{MMSE}}=\mathrm{\β}\max \mathrm{eig}\left[{(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{k}\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\left(t\right)y_i{\left(t\right)}^H+{{\mathrm{\σ}}_n}^{2}I)}^{-1}\left(\frac{1}{k}\underset{t=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_1\left(t\right)y_1{\left(t\right)}^H\right)\right]---\left[9\right]$

其中“max eig(X)”表示矩阵X的主导特征向量。

[035]图3示出了用于生成预编码基准信号信息并且将其前馈到一个或多个用户装置设备的预编码方法300的通用化示例性流程。作为初步步骤，通过将导频信号从发射机或基站发射到接收机或用户装置(步骤302)，估计针对给定接收机站的MIMO传输信道。通常，通过将被称为训练码元的预定码元集合嵌入在基站处并且在用户装置处处理该训练码元以产生初始信道估计集合，可以估计传输信道。在该示例中，在用户装置处估计的MIMO传输信道可由信道矩阵H表征。

[036]基于信道估计信息，用户装置设计或计算最优盲接收波束成形向量v(步骤306)。这可以通过对MIMO信道矩阵采用奇异值分解(SVD)H＝U Λ V^H实现，其中矩阵U是表示发射信号方向的左奇异矩阵，矩阵Λ表示信道的强度(或者增益)并且矩阵V是表示接收信号方向的右奇异矩阵。用户装置也诸如通过计算或选择码字u，使用信道估计信息H计算有效信道向量信息(步骤308)。通过多种不同的方式可以计算接收波束成形向量v和码字u。例如，可以通过选择使预定性能度量最大的值v和u＝Q(Hv)设计向量v和码字u，其中Q(.)是某个量化函数。然而所确定的码字u被标注索引并且被反馈到基站。如此处公开的，基于码本的反馈索引标注技术可用于量化码字u，其中基站和用户设备共享相同的反馈码本。

[037]在基站处，将来自用户装置的反馈信息解量化(步骤312)为有效信道向量信息(例如，码字u)。基站使用任何任意多用户MIMO波束成形算法，诸如正则化ZFBF算法，使用该解量化有效信道向量信息，设计发射波束成形向量w_i(步骤314)。发射波束成形向量w_i可被表示为波束成形矩阵W＝[w₁，w₂，...w_m]。如将认识的，在实现自适应调制和编码(AMC)机制的系统中，解量化有效信道向量信息也可用于选择适当的调制和编码级别。一旦设计了发射波束成形向量w_i，则基站诸如利用发射波束成形向量w_i对一个或多个基准信号预编码，使用向量w_i计算预编码基准信号(步骤316)。在其他实施例中，基站使用向量w_i得到对应于自向量w_i形成的预编码矩阵W的比特索引值。随后将预编码基准信号(或索引比特值)直接前馈到用户装置或者通过使用前馈码本的量化形式前馈到用户装置，作为下行链路数据传输的一部分(步骤318)。

[038]在用户装置处，对前馈信息解码以获得预编码基准信号。如将认识的，基站和(一个或多个)用户装置设备共享相同的前馈码本。然而解码的预编码基准信号被测试以获得用于执行MMSE接收操作所需的信息(步骤320)。如此处描述的，该测试由一个或多个假设测试组成，该假设测试考虑接收机处的高斯噪声的存在。结果，该测试的鲁棒性直接地是存在的额外噪声和存在的干扰的函数。

[039]在测试预编码基准信号时，第一测试(步骤322)用于从预期用于所讨论的用户装置的预编码基准信号中提取预编码向量w，但是不需要前馈用于指明预期的预编码向量的显性信息。在示例性实现方案中，通过从预编码向量的有限集合(例如，w₁、w₂、w₃、w₄)中选择使距离测度

最小的预编码向量，根据预编码基准信号识别预期基准信号。在所选择的空间分离算法的实施例中，第一提取测试322使用迫零类型波束成形技术的属性，由此通过所使用的最优接收波束成形器v_opt，其他预编码向量将基本上与等效信道H v_opt正交。

[040]预编码基准信号的测试还可以包括第二测试(步骤324)，该测试通过从每个预编码基准信号中提取用于对预编码基准信号预编码的预编码向量w_i，从预编码基准信号中提取预编码矩阵W，再一次地，不需要前馈指明预编码矩阵W的显性信息。在示例性实现方案中，通过从预定的预编码向量集合(例如，w₁、w₂、w₃、w₄)中选择使距离测度min_i||y-H^Hw_i||²最小的预编码向量，从预编码基准信号中提取预编码矩阵W。用户装置诸如通过使用MMSE接收机得到接收波束成形向量v_i，使用所提取的预编码向量信息设计用于用户装置的接收波束成形向量v_i(步骤326)。

[041]通过参考图4也说明了本发明的所选择的实施例，图4示出了使用任意预编码基准信号的用于多用户MIMO系统的通用化基准信令方案的示例性流程400。如示出的，该过程开始(步骤401)，接收机站基于关于MIMO传输信道的估计的信道信息确定传输信道简档(步骤402)。基于该信道简档信息，接收机站设计其最优盲接收波束成形器v并且选择最优码字u＝Hv(步骤404)以表示针对接收机站的有效信道。在示例性实现方案中，通过从索引预编码参数的码本中选择使用于估计接收SINR的预定性能度量最大的候选值，可以共同设计向量u和v，其中该度量被定义为减小由基于码本的选择过程导致的量化误差。为了考虑接收机站不具有关于来自其他接收机站的潜在干扰的预先知识这一事实，接收机站使用计算的向量v作为初始接收波束成形向量。在使最优的码字u量化之后(诸如通过使用索引值的码本检索对应的索引)，索引有效信道信息随后作为反馈信号在反馈控制信道上传递到发射机站(步骤406)并且接收机在下一设计循环过程中重复前面的序列(如针对步骤402的反馈线指出的)。

[042]在发射机站处，解码来自接收机站的反馈信号以生成关于每个接收机站的有效信道信息，并且该信息用于使用任何任意多用户MIMO技术，诸如迫零波束成形，来设计发射波束成形器w₁，w₂，...w_m(步骤408)。发射机随后使用每个设计发射波束成形器对一个或多个基准信号(例如，RS₁、RS₂等)预编码，并且将得到的N个预编码基准信号(例如，y₁＝RS₁w₁，y₂＝RS₂w₂等)直接前馈到接收机或者以量化形式前馈到接收机(步骤410)。

[043]在接收机处接收之后，测试N个预编码基准信号以检测预期用于该接收机的发射波束成形器，并且提取发射机生成的全部发射波束成形器(步骤412)。对于第一测试(步骤411)，通过从预定的预编码向量的有限集合中选择使目标函数

最大的向量，检测预期用于用户装置接收机的预编码向量w_UE，其中v_opt是由接收机初始设计的最优盲接收波束成形器，y_j是第j个接收预编码基准信号(例如，y_j＝RS_jw_j)，H是针对所讨论的接收机的信道矩阵。对于第二测试(步骤413)，通过从预定的预编码向量的有限集合中选择使第二距离函数mini||y-H^Hw_i||²最小的向量，检测哪个预编码向量用于生成每个预编码基准信号，得到预编码向量矩阵W，其中y是目标预编码基准信号(例如，y＝RS₁w₁)，H是针对所讨论的接收机的信道矩阵，并且w_i用于存储在接收机处的预定的预编码向量的有限集合中的每个向量(例如，w₁、w₂等)。

[044]一旦提取发射波束成形器信息，则接收机使用所提取的信息设计用于MMSE接收机的接收波束成形器v_i(步骤414)，并且接收机随后使用所设计的接收波束成形器v_i接收用于接收机的利用发射波束成形器w_i编码的OFDM码元子载波(步骤416)。

[045]通过参考所选择实施例提供了到此为止所提供的描述，其中将多个预编码基准信号前馈到用户装置接收机。在这些实施例中，每个接收机能够在未接收到关于发射机使用的特定的预编码和波束成形算法的预先知识的情况下，通过从存储在每个接收机处的预先定义的预编码向量集合(例如，w₁，w₂，...w_m)中选择，或者通过估计预编码向量而非假设测试它们是否是任意的(即，它们并非来自预先定义的集合而是得自任意连续空间)，从预编码基准信号中提取发射预编码向量信息。然而，本发明的所选择的实施例通过结合正则化迫零波束成形技术使用构造的预编码基准信号有效地传送具有最小单个预编码基准信号的发射预编码矩阵W，提供用于多用户MIMO系统的更加高效的基准信令方案。换言之，公开了一种机制，利用该机制，通过仅使用一个预编码基准信号，可以将关于N×N传输矩阵(对于任何N)的信息前馈到每个接收机。结果，可以将波束成形矩阵的完整知识提供给每个接收机，但是该操作是以如下方式实现的，即前馈信息的尺寸未与N的尺寸成比例(scale)。如将认识的，通过添加后面说明的更多的基准信号可以提高该算法的可靠性或鲁棒性。

[046]为了说明紧凑的基准信令方案，现在参考图2中示出的无线通信系统。如示出的，具有多个发射天线226的发射机基站210在多用户MIMO模式中与多个用户装置接收机201.1～201.m通信，每个接收机具有多天线阵列202.i。发射机基站210经由波束成形发射信号，由此发射到给定的用户装置接收机201.i的由s_i表示的信号未向系统中的其他接收机提供干扰。为了实现这一点，发射机基于每个接收机在反馈信道218.i上反馈的下行链路信道信息u_i选择适当的发射波束成形器w_i。下行链路信道估计在每个接收机201.i处完成并且使用已知的反馈码本211.i被量化，由此从码本211.i中选择码字并且将该码字馈送到发射机210。由于发射机210处的不完全的信道知识，每个接收机201.i遭遇来自针对其他接收机的传输的干扰，尽管发射机努力分离多用户流。

[047]在单个基准信号示例中，向量设计模块222使用预定的MU-MIMO算法获得用户分离，在一个实施例中该算法可以是正则化迫零波束成形(R-ZFBF)算法。在R-ZFBF算法的一个实施例中，给定预定的候选等效信道码字集合(表示为U)，“m”个接收机反馈来自该集合U的等效信道向量(表示为u₁，u₂，...，u_m)。基于“m”个等效信道向量，R-ZFBF算法用于使用(X＝[u₁ u₂...u_m])设计波束成形矩阵W，W＝X[X^HX+αI]^-1，其中I是单位矩阵并且α是提供光滑化函数以使由于量化或其他原因引起的有效信道估计中的不完全性正则化的标量常数。实际波束成形矩阵W的列被进一步归一化为具有单位标准。

[048]利用该方法，接收机201.i处的最优接收机/组合器是MMSE接收机，该MMSE接收机通过使用此处描述的紧凑前馈方案在数据传输之前在前向下行链路信道上接收单个预编码基准信号，获得波束成形矩阵W的知识。该方法利用如下事实，即对应于可能码字u_i的每个唯一组合的预编码矩阵W是唯一的。由于每个可能的预编码矩阵W是唯一的，因此通过有序索引可以布置每个可能X中的码字，由此在下行链路广播信道上发送的预编码基准信号或者导频使用所设计的波束成形矩阵W的单个预定列(例如，第一列、或者第二列、或者第三列等)。在检测预编码基准信号时，每个接收机站201.i中的提取模块208.i通过针对全部可能W(其是预定的和本地存储的)的预定列(例如，第一列)假设测试预编码基准信号，确定预编码矩阵W。如可以看到的，不需要提取模块207.i(上文通过参考多基准信号实施例描述的)检测单个预编码基准信号表示哪个预编码矩阵W。

[049]依赖于发射机210是否将反馈的请求码字u_i用作用于给定接收机201.i的发射码字c_i，可能出现两种情形。在第一情形中，如果发射机210不使用给定接收机201.i请求的码字u_i而是使用不同的发射码字c_i，则接收机201.i在全部可能的W上搜索。在第二情形中，如果发射机210使用给定接收机201.i请求的码字u_i用于发射码字c_i，则接收机201.i仅在X包含u_i＝c_id的W上搜索。通过减少搜索的候选码字W的数量，可以减少码字估计过程和复杂度。根据所选择的实施例，通过消除一个或多个高度不可能的组合可以进一步减小搜索空间。

[050]在示例性实现方案中，接收机201.i通过选择对应于使如下统计测试最小的预定列向量w_t的W，从预编码基准信号中提取预编码矩阵W：

z_test＝||y-H^Hw_t||²，w_t在W_S(：，1)中                      [10]

其中y是接收的预编码基准信号(例如，y＝RS₁w₁H)，H是MIMO下行链路信道矩阵，并且W_S(：，1)是全部W_S的第一列的空间(尽管将认识到，可替换地可以使用第二列，或者第三列，或者任何预定列)。因此，所选择的预编码矩阵W是发射机210使用的发射波束成形矩阵的估计，并且由接收机201.i中的MMSE接收机209.i使用以设计接收波束成形向量v_i。

[051]在用于前馈传输矩阵信息的可替选的实施例中，每个可能的传输矩阵可以与来自前馈向量码本的唯一向量关联。通过该码本，可以利用表示所使用的传输矩阵的向量对基准信号编码。在该情况中，式[10]中的测试被修改以在前馈码本中的全部可能向量码字上测试基准信号(代替第一列上的搜索)，目的在于识别用于预编码的码字。一旦识别了码字，则该码字唯一表示的传输矩阵对于接收机变得已知。

[052]为了说明单个基准信号的实施例的潜在优点，考虑4×2(或4×4)多用户MIMO系统的情况，其中在每个接收机201.i处使用尺寸为K的码本211.i反馈有效信道码字u。在该示例中，基于可能的码字组合的候选发射波束成形矩阵的总数是(K选择4)，意指用于将波束成形矩阵传送到接收机所需的最小比特级信令是log₂(K选择4)。结果，仅需要一个预编码导频码元用于确定波束成形矩阵，由此极大地减少用于传送预编码矩阵信息所需的控制开销并且使得能够在接收机处执行全面的MMSE。当然，所选择的实施例考虑发送不止一个基准信号用于增加鲁棒性。

[053]结合本发明的所选择的单个基准信号实施例，图5示出了用于多用户MIMO系统的通用化基准信令方案的示例性流程500。如示出的，该过程开始(步骤501)，接收机站基于关于MIMO传输信道的估计的信道信息确定传输信道简档(步骤502)。基于该信道简档信息，接收机站设计其最优盲接收波束成形器v并且选择最优码字u＝Hv(步骤504)以表示针对接收机站的有效信道。实际上，码字u是接收机请求的发射波束成形器w。在示例性实现方案中，通过从索引预编码参数的码本中选择使用于估计接收SINR的预定性能度量最大的候选值，可以共同设计向量u和v，其中该度量被定义为减小由基于码本的选择过程导致的量化误差。为了考虑接收机站不具有关于来自其他接收机站的潜在干扰的现有知识这一事实，接收机站使用计算的向量v作为初始接收波束成形向量。在量化最优的码字u之后(诸如通过使用索引值的码本检索对应的索引)，随后将索引有效信道信息作为反馈信号在反馈控制信道上传递到发射机站(步骤506)并且接收机在下一设计循环过程中重复前面的序列(如针对步骤502的反馈线指出的)。

[054]在发射机站处，将来自接收机站的反馈信号解码以生成关于每个接收机站的有效信道信息，并且该信息用于通过使用正则化迫零波束成形(R-ZFBF)算法，设计将使接收机分离的发射波束成形器w₁，w₂，...w_m(步骤508)。所设计的发射波束成形器一起构成发射波束成形矩阵W。发射机随后直接地或者使用比特级信令方案将使用所设计的发射波束成形矩阵W的预定列(第一、第二、第三等)编码的单个预编码基准或导频信号前馈到接收机(步骤510)。

[055]在接收机处接收之后，测试预编码基准信号以检测由发射机使用的发射波束成形矩阵W(步骤512)。每个接收机通过针对全部可能W_S的预定列(或者在发射机不改变用于接收机的请求码字c_i时，针对可能码字的子集)对接收的预编码基准信号进行假设测试，以确定W。在所示出的示例中，所应用的该测试(步骤513)首先从W_S(：，1)选择使测试函数z_test＝||y-H^Hw_t||²最小的向量w_t。在该测试中，y是接收的预编码基准信号，H是MIMO下行链路信道矩阵，并且W_S(：，1)是全部W_S的预定列的空间。在可替选的实施例中，可以使用前馈向量码本替换第一列，其是可被定义为每个传输矩阵由该集合中的不同向量唯一定义的码本/向量集合。随后可以使用表示所使用的传输矩阵的码本向量完成参考信令，并且可以修改上文的测试以在该码本中的全部向量码字上搜索。对应于使该测试函数最小的所选择的向量w_t的发射波束成形矩阵W是接收机的波束成形矩阵的估计。接收机201.i中的MMSE接收机209.i使用发射波束成形矩阵W的该估计设计接收波束成形向量v_i(步骤514)，并且接收机随后使用所设计的接收波束成形器v_i接收利用用于接收机的发射波束成形器w_i编码的数据(步骤516)。

[056]一旦在接收设备处识别传输矩阵W，第二测试包括检测W的哪个列构成用于接收设备的波束成形向量。需要该信息以设计MMSE接收机209.i，并且可以通过识别使度量max_j|w_j ^HHv_opt|²最大的列而获得该信息，其中H是信道矩阵，并且v_opt是最优盲接收波束成形器。使上文的函数最大的j是作为预期用于其自身的波束成形向量的传输矩阵的列。

[057]到此为止，应认识到，提供了一种使用多个预编码基准信号传送发射波束成形信息的用于多输入多输出(MIMO)空分多址(SDMA)系统的前向参考信令方法和系统。如公开的，发射设备(例如，基站)接收自多个接收设备(例如，用户装置设备)中的每个接收设备反馈的有效信道信息，诸如优选的预编码向量或者表示优选的预编码向量的信息。发射设备诸如通过使用空间分离算法，诸如迫零波束成形，使用接收的有效信道信息生成发射波束成形向量，以输出发射波束成形向量。通过从发射波束成形向量的已定义集合中选择发射波束成形向量，可以生成发射波束成形向量。该发射波束成形向量用于通过使用每个发射波束成形向量对基准信号编码生成预编码基准信号。例如，可以利用第一发射波束成形向量对第一基准信号编码以生成被设计用于第一接收设备的第一预编码基准信号，并且可以利用第二发射波束成形向量对第二基准信号编码以生成被设计用于第二接收设备的第二预编码基准信号。该预编码基准信号随后可被前馈到多个接收设备，其中在每个接收设备处生成接收波束成形向量时接收和使用该预编码基准信号，其中每个接收设备从预编码基准信号中提取多个发射波束成形向量，并且在不需要识别被设计用于所述接收设备的发射波束成形向量或预编码基准信号的额外的信息被前馈的情况下，识别哪个发射波束成形向量被设计用于所述接收设备。通过向在接收设备处接收的预编码基准信号应用第一测试以识别哪个发射波束成形向量被设计用于所述接收设备，可以实现该提取，其中该第一测试从发射基准信号y_j的有限集合中选择使第一投影测度|v_opt ^Hy_j|²最大的基准信号并且其中v_opt是由所述接收设备初始设计的最优盲接收波束成形向量，y_j是预编码基准信号。此外或者在替选方案中，通过向在接收设备处接收的预编码基准信号应用第二测试以识别发射设备生成的多个发射波束成形向量，可以实现该提取，其中对于每个预编码基准信号，第二测试从发射波束成形向量w_i的有限集合中选择使第二距离测度||y-H^Hw_i||²最小的发射波束成形向量，其中y是预编码基准信号并且H是针对所述接收设备的信道矩阵。对于第二测试，通过从发射波束成形向量的已定义集合中选择发射波束成形向量，提取多个发射波束成形向量。在前馈预编码基准信号之后，发射设备可以使用发射波束成形向量作为用于发射设备发射到多个接收设备中的至少一个接收设备的信号的加权向量。因此，公开了一种用于前馈基准信号的基准信令框架和方法，该基准信号表示利用将用户反馈的码字映射到实际的传输矩阵的任意算法形成的传输矩阵信息，其中使用选自接收设备未知的任意向量集合的N个传输向量形成N个预编码导频，使用该N个预编码导频生成基准信号。例如，在通过使用针对N个用户的传输向量对N个基准信号编码形成N个预编码导频或基准信号时，在每个接收设备处测试该N个基准信号以便于推断N个基准信号中的哪个基准信号用于所讨论的接收设备。一旦检测到，则接收机使用该N个基准信号和被设计用于接收机的基准信号来设计接收机波束成形器。

[058]在另一实施例中，提供了一种使用最小的一个预编码基准信号传送发射波束成形信息的用于MIMO SDMA系统的前向基准信令方法和系统。如公开的，发射机接收自多个接收设备反馈的有效信道信息，诸如优选的预编码向量或者表示优选的预编码向量的信息，并且随后使用诸如迫零波束成形的空间分离算法基于接收的有效信道信息设计发射波束成形矩阵，其中所设计的发射波束成形矩阵选自发射波束成形矩阵的已定义集合。尽管可以使用任何类型的迫零波束成形，但是在示例性实施例中，可以通过使用(X＝[c₁c₂...c_m])设计波束成形矩阵W，W＝X[X^HX+αI]^-1，设计发射波束成形矩阵，其中c₁，c₂，...c_m是自“m”个接收设备接收的候选发射波束成形向量，α是光滑化函数常数并且I是单位矩阵。所设计的发射波束成形矩阵用于通过使用全部或部分所设计的发射波束成形矩阵对一个或多个基准信号编码，生成一个或多个预编码基准信号。对于第一示例，通过利用发射波束成形矩阵的预定列对第一基准导频编码可以生成预编码基准信号。在该情况中，接收机可以将假设测试应用到接收的预编码基准信号以通过从候选发射波束成形矩阵的有限集合中选择发射波束成形矩阵来提取发射波束成形矩阵，其中所选择的发射波束成形矩阵具有使距离测度z_test＝||y-H^Hw_t||²最小的预定列w_t，其中y是接收的预编码基准信号，并且H是针对所述接收设备的MIMO下行链路信道矩阵。对于第二示例，通过利用选自预定的向量集合的第一向量b对第一基准导频编码，可以生成预编码基准信号，其中该预定的向量集合中的每个向量唯一表示候选发射波束成形矩阵。在第二示例中，每个发射波束成形矩阵可被构造为以发射设备和多个接收设备已知的预定顺序布置的多个列。此外或者在替选方案中，每个发射波束成形矩阵可以唯一地与来自前馈向量码本的一个或多个唯一识别向量关联，其中利用高斯类型码本生成每个唯一识别向量。可替选地，与传输波束成形矩阵关联的每个唯一识别向量可以是来自传输波束成形矩阵的预定列。然而所定义的与全部或部分设计的发射波束成形矩阵关联的唯一识别向量可用于对第一基准导频编码，由此生成预编码基准信号。在该情况中，接收机可以通过针对预定向量集合对接收的预编码基准信号进行假设测试来提取发射波束成形矩阵，其中该预定向量集合中的每个向量唯一表示候选发射波束成形矩阵。在示例性假设测试中，接收机通过从候选发射波束成形矩阵的有限集合中选择唯一对应于向量b的发射波束成形矩阵来提取发射波束成形矩阵，通过测试预编码基准信号以识别来自预定的向量集合的哪个向量b使距离测度z_test＝||y-H^Hb_i||²最小，来选择该向量b，其中y是接收的预编码基准信号，H是针对所述接收设备的MIMO下行链路信道矩阵，并且b_i是预定的向量集合。在发射机生成预编码基准信号之后，将该信号前馈到接收设备，以在每个接收设备处生成接收波束成形向量时使用，其中每个接收设备从至少预编码基准信号中提取发射波束成形矩阵，并且在不需要识别被设计用于所述接收设备的发射波束成形向量的额外信息被前馈的情况下，识别被设计用于所述接收设备的发射波束成形向量。如此处描述的，通过针对全部可能的候选发射波束成形矩阵对接收的预编码基准信号进行假设测试，或者可替选地在用于接收设备的发射波束成形向量由反馈到发射设备的有效信道信息确定时，通过针对全部可能的候选发射波束成形矩阵的子集对接收的预编码基准信号进行假设测试，可以提取所设计的发射波束成形矩阵。除了从(一个或多个)预编码基准信号中提取所设计的发射波束成形矩阵之外，接收设备还通过测试所生成的发射波束成形矩阵的全部列，诸如通过从发射基准信号y_j的有限集合中选择使第一目标测度|v_opt ^Hy_j|²最大的基准信号，使用(一个或多个)预编码基准信号识别被设计用于接收设备的设计的发射波束成形矩阵中的列，其中v_opt是由所述接收设备初始设计的最优盲接收波束成形向量并且y_j是预编码基准信号。因此，在接收设备处可以使用单个预编码基准信号提取所设计的发射波束成形矩阵。可替选地，在接收设备处可以使用多个预编码基准信号提取所设计的发射波束成形矩阵。

[059]在另一形式中，提供了使用比特索引值传送发射波束成形信息的用于MIMO SDMA系统的前向基准信令方法和系统。如公开的，接收设备向发射设备反馈优选的预编码向量或者表示优选的预编码向量的信息。至少部分基于该优选预编码向量或者表示预编码向量的信息，发射设备使用诸如迫零波束成形的空间分离算法生成发射波束成形矩阵，并且随后在前馈信道上发射表示所生成的发射波束成形矩阵的一个或多个索引比特。使用该索引比特，接收设备从候选发射波束成形矩阵的有限集合中检索所生成的发射波束成形矩阵，并且使用该发射波束成形矩阵在接收设备处生成接收波束成形向量。在所选择的实施例中，发射设备和接收设备共享包含候选发射波束成形矩阵的有限集合的前馈码本。因此，公开了使用表示所使用的传输矩阵的比特用于前馈传输矩阵信息的基准信令框架和方法。当接收机在前馈信道上接收索引比特值时，针对被生成为预编码向量或码字的全部可能组合的集合的传输矩阵的候选集合评估该索引比特值，其中任何预编码向量(码字)可用于接收设备，与其反馈无关。为了减小评估时间和复杂度，接收机可以针对被生成为预编码向量(码字)的全部可能组合的集合的传输矩阵的候选集合评估该索引比特值，其中一个预编码向量(码字)被固定为由接收设备反馈的预编码向量(码字)。在多种实施例中，传输矩阵的候选集合可被压缩以移除不太可能的矩阵。

[060]如此示出和描述的用于在无线多用户多输入多输出(MIMO)SDMA系统中使用预编码基准信号向接收机高效地提供预编码矩阵信息的方法和系统可以通过存储在计算机可读介质上并且作为通用或专用接收机上的执行特定任务的计算机程序的软件完整地或部分地实现。对于硬件实现方案，用于在发射机处执行多种信号处理步骤(例如，接收和解码量化信道向量信息、设计发射波束成形向量、生成预编码基准信号、选择前馈索引、预调预编码信号、对数据编码和调制、对调制信号预编码等)和/或在接收机处执行多种信号处理步骤(例如，恢复发射信号、估计信道信息、反馈量化信道向量信息、对恢复的信号解调和解码、接收和解码量化预编码基准信号信息、从预编码基准信号中提取预编码信息、设计接收波束成形向量等)的元件可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计用于执行此处描述的功能的其他电子单元或者这些器件的组合中实现。此外或者在替选方案中，可以使用软件实现方案，由此可以通过执行此处描述的功能的模块(例如，进程、函数等)实现每个发射机和接收机处的某些或全部信号处理步骤。将认识到，为了说明的目的而将功能分为模块，并且替选实施例可以将多个软件模块的功能合并到单个模块中或者可以采用替选的模块功能分解。在任何软件实现方案中，软件代码可由处理器或控制器执行，该代码以及任何底层或处理的数据存储在任何机器可读介质或者计算机可读存储介质中，诸如板上或外部存储器单元中。

[061]尽管此处公开的所描述的示例性实施例涉及多种多用户MIMO系统和用于使用其的方法，但是本发明没有必要限于此处说明的示例性实施例。例如，此处公开的MIMO预编码系统和设计方法的多种实施例可以结合多种专利或无线通信标准实现，诸如IEEE802.16e、3GPP-LTE、DVB和其他多用户MIMO系统。因此，上文公开的特定实施例仅是说明性的并且不应被视为本发明的限制，这是因为，对于受益于此处的教授内容的本领域的技术人员显而易见的是，可以通过不同但等效的方式修改和实践本发明。因此，前面的描述不应将本发明限于所阐述的特定形式，而是相反地，应涵盖如附属权利要求限定的本发明的精神和范围内包括的该替选、修改和等效方案，由此本领域的技术人员应理解，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以进行多种改变、替换和替选。

[062]上文通过参考特定实施例描述了益处、其他优点和对问题的解决方案。然而，益处、优点、对问题的解决方案以及可以使任何益处、优点或解决方案出现或变得更加显著的任何元素，不应被解释为任何或全部权利要求的关键的、必需的或基本的特征或元素。如此处使用的术语“包括”或其任何其他变化形式，应涵盖非排他的内含物，由此包括元素列表的过程、方法、物品或装置不仅包括这些元素，而且可以包括未明确列出的或者对于该过程、方法、物品或装置是固有的其他元素。

Claims (40)

1.一种用于多输入多输出(MIMO)空分多址(SDMA)系统的前向基准信令方法，包括：

在发射设备处自多个接收设备接收有效信道信息；

基于所述有效信道信息，生成多个发射波束成形向量；

通过使用每个发射波束成形向量对基准信号编码，来生成预编码基准信号；和

将所述预编码基准信号前馈到多个接收设备，以用于在每个接收设备处生成接收波束成形向量，其中，每个接收设备从所述预编码基准信号中提取所述多个发射波束成形向量，并且在不需要额外信息被前馈的情况下，识别哪个发射波束成形向量被设计用于所述接收设备，所述额外信息用于识别被设计用于所述接收设备的所述发射波束成形向量或预编码基准信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中生成多个发射波束成形向量的步骤包括：使用空间分离方案来生成多个发射波束成形向量。

3.如权利要求1所述的方法，其中生成多个发射波束成形向量的步骤包括：从发射波束成形向量的已定义集合中选择发射波束成形向量。

4.如权利要求1所述的方法，其中接收有效信道信息的步骤包括：自所述多个接收设备中的每个接收设备接收优选的预编码向量。

5.如权利要求1所述的方法，其中生成预编码基准信号的步骤包括：

利用第一发射波束成形向量对第一基准信号编码，以生成被设计用于第一接收设备的第一预编码基准信号；和

利用第二发射波束成形向量对第二基准信号编码，以生成被设计用于第二接收设备的第二预编码基准信号。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：向在接收设备处接收的所述预编码基准信号应用第一测试，以识别哪个发射波束成形向量被设计用于所述接收设备，其中所述第一测试包括：从发射基准信号y_j的有限集合中选择使第一目标测度|v_opt ^Hy_j|²最大的基准信号，其中v_opt是由所述接收设备初始设计的最优盲接收波束成形向量，并且y_j是所述预编码基准信号。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：向在接收设备处接收的所述预编码基准信号应用第二测试，以识别由所述发射设备生成的所述多个发射波束成形向量中的每个发射波束成形向量，其中对于每个预编码基准信号，所述第二测试包括：从发射波束成形向量w_i的有限集合中选择使距离测度||y-H^Hw_i||²最小的发射波束成形向量，其中y是预编码基准信号并且H是针对所述接收设备的信道矩阵。

8.一种用于多输入多输出(MIMO)空分多址(SDMA)系统的前向基准信令方法，包括：

自接收设备向发射设备反馈有效信道信息；

在前馈信道上自所述发射设备接收通过使用多个发射波束成形向量而生成的多个预编码基准信号，至少部分基于所述有效信道信息来生成所述多个发射波束成形向量；

在所述接收设备处，从所述多个预编码基准信号中提取所述多个发射波束成形向量；

在不需要额外信息被前馈的情况下识别哪个发射波束成形向量被设计用于所述接收设备，所述额外信息用于识别被设计用于所述接收设备的所述发射波束成形向量或预编码基准信号；和

在所述接收设备处，使用所述发射波束成形向量来生成接收波束成形向量。

9.如权利要求8所述的方法，其中使用用于生成所述多个发射波束成形向量的空间分离算法，在所述发射设备处生成所述多个发射波束成形向量，所述空间分离算法诸如迫零波束成形。

10.如权利要求8所述的方法，其中提取所述多个发射波束成形向量的步骤包括：从发射波束成形向量的已定义集合中选择发射波束成形向量。

11.如权利要求8所述的方法，其中反馈有效信道信息的步骤包括：自所述接收设备反馈优选的预编码向量。

12.如权利要求8所述的方法，其中所述多个预编码基准信号包括：

第一基准信号，利用第一发射波束成形向量对该第一基准信号编码，以生成被设计用于所述接收设备的第一预编码基准信号；和

第二基准信号，利用第二发射波束成形向量对该第二基准信号编码，以生成被设计用于不同接收设备的第二预编码基准信号。

13.如权利要求8所述的方法，其中识别哪个发射波束成形向量被设计用于所述接收设备的步骤包括：向所述多个预编码基准信号应用第一测试，以识别哪个发射波束成形向量被设计用于所述接收设备，其中所述第一测试包括：从发射基准信号y_j的有限集合中选择使第一目标测度|v_opt ^Hy_j|²最大的基准信号，其中v_opt是由所述接收设备初始设计的最优盲接收波束成形向量，y_j是所述预编码基准信号，并且H是针对所述接收设备的信道矩阵。

14.如权利要求8所述的方法，其中在所述接收设备处提取所述多个发射波束成形向量的步骤包括：向所述多个预编码基准信号应用第二测试，以识别由所述发射设备生成的所述多个发射波束成形向量，其中对于每个预编码基准信号，所述第二测试包括：从发射波束成形向量w_i的有限集合中选择使距离测度||y-H^Hw_i||²最小的发射波束成形向量，其中y是预编码基准信号，并且H是针对所述接收设备的信道矩阵。

15.一种用于多输入多输出(MIMO)空分多址(SDMA)系统的前向基准信令方法，包括：

在发射设备处自多个接收设备接收有效信道信息；

使用诸如迫零波束成形的空间分离算法，基于所述有效信道信息来设计发射波束成形矩阵；

通过使用所设计的发射波束成形矩阵中的全部或一部分而对所述一个或多个基准信号编码，来生成一个或多个预编码基准信号；和

将所述一个或多个预编码基准信号前馈到多个接收设备，以用于在每个接收设备处生成接收波束成形向量，其中，每个接收设备从所述一个或多个预编码基准信号中的至少一个预编码基准信号中提取所述发射波束成形矩阵，并且在不需要额外信息被前馈的情况下识别被设计用于所述接收设备的发射波束成形向量，所述额外信息用于识别被设计用于所述接收设备的所述发射波束成形向量。

16.如权利要求15所述的方法，其中使用诸如迫零波束成形的空间分离算法来设计发射波束成形矩阵的步骤包括：从发射波束成形矩阵的已定义集合中选择发射波束成形矩阵。

17.如权利要求15所述的方法，其中接收有效信道信息的步骤包括：自所述多个接收设备中的每个接收设备接收优选的预编码向量或者表示优选的预编码向量的信息。

18.如权利要求15所述的方法，其中生成一个或多个预编码基准信号的步骤包括：利用所述发射波束成形矩阵的预定列，来对第一基准导频编码。

19.如权利要求15所述的方法，其中使用空间分离算法来设计发射波束成形矩阵的步骤包括：使用(X＝[c₁c₂...c_m])来设计波束成形矩阵W，W＝X[X^HX+αI]^-1，其中c₁，c₂，...c_m是自“m”个接收设备接收的候选发射波束成形向量，α是光滑化函数常数并且I是单位矩阵。

20.如权利要求15所述的方法，进一步包括：将假设测试应用到在接收设备处接收的所述一个或多个预编码基准信号，以提取所述发射波束成形矩阵，其中所述假设测试包括：从候选发射波束成形矩阵的有限集合中选择发射波束成形矩阵，其中所选择的发射波束成形矩阵具有使距离测度z_test＝||y-H^Hw_t||²最小的预定列w_t，其中y是接收的预编码基准信号，并且H是针对所述接收设备的MIMO下行链路信道矩阵。

21.如权利要求15所述的方法，其中生成一个或多个预编码基准信号的步骤包括：利用选自预定向量集合中的第一向量b来对第一基准导频编码，其中所述预定向量集合中的每个向量唯一地表示候选发射波束成形矩阵。

22.如权利要求21所述的方法，进一步包括：将假设测试应用到在接收设备处接收的所述一个或多个预编码基准信号，以提取所述发射波束成形矩阵，其中所述假设测试包括：从候选发射波束成形矩阵的有限集合中选择唯一对应于向量b的发射波束成形矩阵，以识别来自所述预定的向量集合的哪个向量b使距离测度z_test＝||y-H^Hb_i||²最小，通过测试所述一个或多个预编码基准信号来选择所述向量b，其中y是接收的预编码基准信号，H是针对所述接收设备的MIMO下行链路信道矩阵，并且b_i是所述预定的向量集合。

23.如权利要求15所述的方法，其中每个发射波束成形矩阵包括多个列，所述多个列按照所述发射设备和所述多个接收设备已知的预定顺序进行布置。

24.如权利要求15所述的方法，其中每个发射波束成形矩阵与来自前馈向量码本的唯一地识别所述发射波束成形矩阵的一个或多个向量关联。

25.如权利要求24所述的方法，其中利用高斯类型码本，来生成所述一个或多个向量。

26.如权利要求24所述的方法，其中所述一个或多个向量包括来自所述传输波束成形矩阵的预定列。

27.如权利要求24所述的方法，其中生成一个或多个预编码基准信号的步骤包括：利用与所设计的发射波束成形矩阵关联的所述一个或多个向量来对第一基准导频编码。

28.如权利要求15所述的方法，其中使用空间分离算法来设计发射波束成形矩阵的步骤包括：将波束成形矩阵W＝[w₁，w₂，...w_m]设计为 $w_i={\tilde{w}}_i/\left|\right|{\tilde{w}}_i\left|\right|$ 并且

如果i＝j，则 ${{\tilde{w}}_i}^H{u}_j\≥{\mathrm{\γ}}_1$

如果i≠j，则 ${{\tilde{w}}_i}^H{u}_j\≤{\mathrm{\γ}}_2$

其中γ₁＞0并且γ₂是常数，使得γ₂＜＜γ₁，并且u₁，u₂，...u_m是自“m”个接收设备接收的候选发射波束成形向量。

29.一种用于多输入多输出(MIMO)空分多址(SDMA)系统的前向基准信令方法，包括：

自接收设备向发射设备反馈有效信道信息；

在前馈信道上自所述发射设备接收预编码基准信号，其中使用发射波束成形矩阵中的全部或一部分来生成所述预编码基准信号，使用诸如迫零波束成形的空间分离算法至少部分基于所述有效信道信息来生成所述发射波束成形矩阵；

在所述接收设备处，从至少所述预编码基准信号中提取所生成的发射波束成形矩阵；和

在所述接收设备处，使用所述发射波束成形矩阵来生成接收波束成形向量。

30.如权利要求29所述的方法，其中提取所生成的发射波束成形矩阵的步骤包括：从发射波束成形矩阵的已定义集合中选择发射波束成形矩阵。

31.如权利要求29所述的方法，其中所述预编码基准信号包括第一基准导频，所述第一基准导频是利用所述发射波束成形矩阵的预定列编码的。

32.如权利要求29所述的方法，其中在所述发射设备处，利用使用(X＝[c₁c₂...c_m])的正则化迫零波束成形W，W＝X[X^HX+αI]^-1，来设计所述发射波束成形矩阵，其中c₁，c₂，...c_m是自“m”个接收设备接收的候选发射波束成形向量，α是光滑化函数常数并且I是单位矩阵。

33.如权利要求29所述的方法，其中利用选自预定的向量集合中的第一向量b对第一基准导频编码，来生成所述预编码基准信号，其中所述预定的向量集合中的每个向量唯一地表示候选发射波束成形矩阵。

34.如权利要求33所述的方法，其中从至少所述预编码基准信号中提取所生成的发射波束成形矩阵的步骤包括：针对预定的向量集合，对在所述接收设备处接收的所述预编码基准信号进行假设测试，其中所述预定的向量集合中的每个向量唯一地表示候选发射波束成形矩阵。

35.如权利要求29所述的方法，进一步包括：通过测试所生成的发射波束成形矩阵的全部列，在所述接收设备处从所生成的发射波束成形矩阵中识别被设计用于所述接收设备的列。

36.如权利要求29所述的方法，其中提取所生成的发射波束成形矩阵的步骤包括：将假设测试应用到在接收设备处接收的所述预编码基准信号，以提取所述发射波束成形矩阵，其中所述假设测试包括：从候选发射波束成形矩阵的有限集合中选择发射波束成形矩阵，其中所选择的发射波束成形矩阵具有使距离测度z_test＝||y-H^Hw_t||²最小的预定列w_t，其中y是接收的预编码基准信号，并且H是针对所述接收设备的MIMO下行链路信道矩阵。

37.如权利要求29所述的方法，进一步包括：向在接收设备处接收的所述预编码基准信号应用第一测试，以识别哪个发射波束成形向量被设计用于所述接收设备，其中所述第一测试包括：从发射基准信号y_j的有限集合中选择使第一目标测度|v_opt ^Hy_j|²最大的基准信号，其中v_opt是由所述接收设备初始设计的最优盲接收波束成形向量并且y_j是所述预编码基准信号。

38.如权利要求29所述的方法，其中从至少所述预编码基准信号中提取所生成的发射波束成形矩阵的步骤包括：针对全部可能的候选发射波束成形矩阵，对在接收设备处接收的所述预编码基准信号进行假设测试。

39.如权利要求29所述的方法，其中从至少所述预编码基准信号中提取所生成的发射波束成形矩阵的步骤包括：在通过反馈到所述发射设备的所述有效信道信息确定用于所述接收设备的发射波束成形向量时，针对全部可能的候选发射波束成形矩阵的子集，对在接收设备处接收的所述预编码基准信号进行假设测试。

40.一种用于多输入多输出(MIMO)空分多址(SDMA)系统的前向基准信令方法，包括：

自接收设备向发射设备反馈优选的预编码向量或者表示优选的预编码向量的信息；

在前馈信道上接收表示发射波束成形矩阵的一个或多个索引比特，使用诸如迫零波束成形的空间分离算法至少部分基于所述优选的预编码向量或者表示优选的预编码向量的信息来生成所述发射波束成形矩阵；

在所述接收设备处，使用所述索引比特来从候选发射波束成形矩阵的有限集合中检索所生成的发射波束成形矩阵；和

在所述接收设备处，使用所述发射波束成形矩阵来生成接收波束成形向量。

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