CN101796741B - 在mimo系统中提供反馈 - Google Patents

Abstract

提供了操作无线通信系统中具有N根天线的多输入多输出(MIMO)接收机的系统和方法。该方法包括测量N个矢量，每一个矢量限定了发射机的M根天线与所述接收机的对应天线之间的信道转移系数。此外，选择由N个所测量的矢量生成的线性空间中的矢量，并将所选矢量的小于M个的分量的量化值反馈回发射机。

Description

在MIMO系统中提供反馈

技术领域

本发明涉及通信系统。更具体地，本发明涉及具有多根发射机和接收机天线的无线通信系统。

背景技术

本部分旨在向读者介绍可能与本发明的各方面有关的现有技术的各个方面，下面对本发明的各方面进行了描述并要求权利保护。相信这种讨论有助于向读者提供背景信息，以利于更好地理解本发明的各方面。相应地，应该理解，应该就此而论地阅读这些声明，而不是将其视为对现有技术的承认。

在过去几十年间，无线通信产业以难以置信的速度发展着。无线通信的便利和实用性是不能被轻描淡写的。事实上，使用无线通信系统的设备(包括蜂窝电话、个人数字助理和笔记本电脑)已变得几乎随处可见。不管是用于商业或休闲，人们成天使用着该设备。

为了提高设备的实用性和便利性，无线通信产业不断寻求提高无线系统的容量。一种提高无线通信系统容量的方法是将系统配置为在发射机和接收机处具有多根天线。这种系统通常被称为多输入多输出(MIMO)系统。通过使用预编码技术，与在接收机或发射机处仅实现单根天线的系统相比，MIMO系统能够获得增加的容量。使用对发射机所发送的导频波束的信道转移矩阵进行的测量，预编码技术减少或消除不同接收机天线之间的干扰。将该测量反馈回基站，并且通常该测量所提供的关于信道矢量的信息使得整个系统的吞吐量极大增加。

已建议每一个移动设备使用由2^B个范数为1的复M元组组成的量化码本C，其中，B表示作为反馈向基站发送的比特数，M表示基站收发信机的数目。数学上描述为：

$C=\{c_1,...,c_{2^B}\},c_i\∈C^M,\left|\right|c_i\left|\right|=1,---\left(1\right).$

因此，每一个移动设备都执行下面的步骤：

1)定义其信道矢量h₁，...，h_N∈C^M所跨越的矢量空间Q，其中，N是移动台处收发信机的数目，即：

Q＝span(h₁，...，h_N)＝{a₁h₁+...+a_Nh_N：a₁，...，a_N∈C}，(2)；

2)找出码矢量c_r∈C，码矢量c_r∈C具有与Q之间的最小角度，即，找出：

$r=\arg \mathrm{mi}{n}_{c_j\∈C}\left\{\right|\∠(c_j,Q)\left|\right\},---\left(3\right);$ 以及

3)将索引r发送到基站。

在接收到反馈信息(来自无线通信设备中的所有移动设备的索引r)后，基站使用预编码技术来将信息广播到移动设备。例如，可以使用诸如在以下文献中公开的迫零预编码技术：由G.Caire和S.Shamai所著，在IEEE T_RANS.I_NFORM.T_HEORY，vol.49，pp 1691-1706，July 2003中出版的“On the Achievable Throughput of a Multiantenna GaussianBroadcast Channel”，以及由Jindal，N所著，在I_NFORMATION T_HEORY，2006IEEE I_NTERNATIONAL S_YMPOSIUM，pp 2699-2703，July 2006中出版的“A Feedback Reduction Technique for MIMO Broadcast Channels”(可从http://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentCon.jsp？punumber＝4035458获得)。将上述两篇文章并入此处作为参考。

不幸的是，上述算法的步骤2的强力实现具有很高的复杂度等级并且在计算上是繁重的。例如，如果将20比特发送回基站，即，B＝20，C变成2²⁰个范数为1的M元组，这实在是太多了，并且步骤2变得太复杂。步骤2的复杂度高的原因是子空间Q是多维的。信道矢量h₁，...，h_N是随机矢量，从而Q的维数是随机数。典型地，Q的维数将会等于N，N表示移动设备的接收机的数目。没有用于在码本C的码矢量中进行搜索来找出与多维空间Q的角度最小的码矢量的快速算法。由此，使用当前的技术，测量可能需要接收机中大量的硬件和/或软件和/或接收机中大量的处理时间。然而，对于来自接收机的任何反馈传输，只有有限数量的时间和资源可用。特别地，移动设备只有将少量比特发送回基站的时间。

发明内容

下面将阐述与所公开的实施例范围相称的特定方面。应该理解，展示出这些方面仅是为了向读者提供本发明可能采用的特定方面的简短摘要，并且这些方面并非旨在限制本发明的范围。事实上，本发明可包括下面没有阐述的各个方面。

依照本发明的示例性实施例，提供了操作MIMO系统中具有N根天线的接收机的方法。该方法包括测量N个矢量，每一个矢量限定了发射机的M根天线与所述接收机的对应天线之间的信道转移系数。在由N个所测量的矢量产生的线性空间中选择矢量，并将所选矢量的小于M个的分量的量化值反馈回发射机。

依照备选实施例提供了通信系统。该通信系统包括具有N根天线的接收机和具有M根天线的多输入多输出(MIMO)发射机。发射机被配置为，将数据从M根天线通信到接收机的N根天线。接收机被配置为，响应发射机对导频信号的发送，测量N个矢量，每一个矢量限定了发射机的M根天线和接收机对应的天线之间的信道转移系数。此外，接收机被配置为，选择测量出的矢量所生成的线性空间中的矢量，并向发射机反馈所选矢量的少于M个分量的量化值。

附图说明

在阅读下面的详细描述并参考附图后，本发明的优势可以变得显而易见，在附图中：

图1示出了依照本发明的示例性实施例的示例性无线通信系统；

图2示出了具有多根天线的基站以及具有多根天线的多个无线设备；以及

图3是示出了用于在MIMO系统中提供反馈的技术的流程图。

具体实施方式

下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简明描述，说明书中没有描述实际实现的所有特征。应该意识到，在任何这种实际实现的开发中(如，在任何的工程或设计项目中)，应作出多项实现特定的决策，以实现开发者的特定目标(如符合系统相关和商业相关的约束)，从一个实现到另一个实现这些约束可能是不同的。此外，应该意识到的是，这种开发工作可能是复杂并且耗时的，然而对于受益于本公开的那些普通技术人员来说，这种开发工作不过是设计、装配和生产的常规任务。

依照本技术，提供了一种系统和方法，用于高效地提供信道矢量测量作为对多输入多输出(MIMO)无线通信系统中的发射机的反馈。特别地，提供了用于操作具有N个接收天线的接收机并针对接收机的每一根天线确定M维信道转移矢量的方法，其中，M是能够与接收机通信的发射机的天线数。信道转移矢量的集合限定了线性矢量空间。在线性矢量空间中找出矢量，并且将该矢量的(M-[N-1])个分量进行量化并提供给发射机作为反馈。发射机可使用该反馈分量对MIMO传输进行预编码，以降低发射机项接收机的不同天线发送的数据之间的干扰。在备选的实施例中，接收机很简单和/或能够快速地反馈测量信道传输矩阵的所选矢量的分量。

现在转向附图并起初参考图1，示意了示例性的无线通信系统，并总体以附图标记10进行指示。在任何给定的蜂窝市场(例如典型的城域)中，蜂窝网络(例如无线通信系统10)中可包括一个或多个基站12。基站12可以经由无线通信信道20a-20e与多个无线单元18a-18e通信。

基站12可采取任何适合的形式。例如，基站12可包括射频(RF)系统14和基带系统16。RF系统14典型地包括在无线通信信道20a-20e上与移动设备18a-18e通信的天线和收发信机(有时称之为基站无线电设备)。移动设备18a-18e可以是任何可对语音、视频和/或数据进行通信的适合的通信设备，如便携式蜂窝电话18a和18e、具有无线调制解调器的计算机系统18b、建筑中的蜂窝电话18c和/或具有移动蜂窝电话和/或导航系统的交通工具18d。

另一方面，基带系统16典型地包括对RF系统14和无线网络控制器17之间的通信进行处理的处理器。基站12典型地通过无线网络控制器17与公共电话交换网(PSTN)22耦合。典型的无线通信系统10包括到PSTN 22的连接，因为所有无线电话呼叫中的大多数通过PSTN 22。PSTN 22可包括附加的交换机和装置以执行特定的功能，如对连接进行路由、控制交换功能、呼叫处理、数据接口、跟踪、寻呼、呼叫切换、计费和用户数据存储。

基站12中的RF系统14可以是分布式的或集中式的系统。在RF系统14中，可将每一个收发信机耦合至天线以形成RF子系统(未示出)。在集中式的RF系统14中，RF子系统可位于和基带系统16相同的位置。RF系统14和基带系统16可经由网络(未示出)耦合在一起，例如，该网络可包括标准的双绞线、光纤、铜或其它适合的方式。在分布式的RF系统14中，可将RF子系统置于与基带系统16分开的多个位置。可经由网络将基带系统16连接到RF子系统以提供无线服务，如上面讨论的CDMA。

不管RF系统14是集中式的还是分布式的，基带系统16可管理RF系统14所提供的无线通信信道20a-20e的功率。因为基带系统16管理针对基站12的呼叫处理，基带系统16可针对传输分配功率，和/或管理针对传输分配的功率，以维持对提供给基站12的有限量的功率的控制。基带系统16管理针对传输提供给无线单元18a-18e的功率，以维持针对移动设备18a-18e的服务等级。由此，基带系统16管理功率分配，以维持所限定的服务等级，或管理对其它移动设备18a-18e的附加通信信道20a-20e的添加。

基带系统16还管理针对各种不同技术(如，TDMA、FDMA、CDMA和GSM)的通信链路。特别地，关于CDMA，基站12可提供CDMA2000服务，CDMA2000服务是在相同的频谱量内提供更高容量的3G标准。CDMA2000包括不同的阶段，包括第一阶段CDMA20001x以及第二阶段CDMA20001x演进数据和语音(1xEVDV)和CDMA20001x纯演进数据(1xEVDO)。CDMA20001x的第二阶段与第一阶段后向兼容。由此，可以在基站12中利用不同的硬件设备和软件程序，以通过CDMA20001x(可包括1x传统信道)和/或CDMA2000 1xEVDV(可包括EVDV高速数据信道)提供服务。

可将指派给特定无线服务(如，CDMA2000)的一部分射频频谱中的通信信道20a-20e的集合指派给基站12和RF系统14。通信信道20a-20e可包括前向信道和反向信道。前向信道是从基站12到移动设备18a-18e的信号路径。例如，如果RF子系统14利用了CDMA2000，前向信道可包括一条或多条在导频信道上向移动设备18a-18e发送的码信道。前向信道可由基站12产生，以对用户和信令业务进行通信。反向信道可以是从移动设备18a-18e到基站12的信号路径。例如，如果系统利用CDMA，反向信道也可包括一条或多条码信道。可利用反向信道来从移动设备18a-18e向基站12通信数据和信令业务。通过这些前向信道和反向信道的使用，基站12和移动设备18a-18e彼此进行通信。

如上所述，通过高效地降低或消除接收机天线之间的干扰，操作多输入多输出(MIMO)无线通信系统可提高无线系统的容量。转向图2，示出了将图1的基站12和移动设备18a-18e示出为具有多根天线的MIMO系统60。虽然图2示出了基站12处的三根发射天线62和每一个移动设备18a-18e处的两根天线64，然而可以有任何数目的天线，并且假定每一个移动设备18a-18e装配有N根接收天线以及假定基站12装配有M根发射天线。基站12使用发射天线62向移动设备18a-18e发送信息。此外，只要对于移动设备18a-18e，不等式M＞N保持成立，不同的移动设备可以具有不同数目的天线。

起初，在基站12和移动设备18a-18e之间的通信期间，基站12向移动设备18a-18e发送导频信号。导频信号是已经为移动设备18a-18e所知并允许移动设备18a-18e得知其信道矢量的信号。特别地，将从第i个发射天线62(其中，1≤i≤M)到移动设备的第j个接收天线64(其中，1≤j≤N)的信号与信道系数h_ij相乘。信道系数h_1，j，...，h_M，j形成了第j个信道矢量h_j，即h_j＝(h_1，j，...，h_M，j).。如果在基站12处知道关于信道矢量的全部或部分信息，便可获得对整个系统60的吞吐量的极大增加。

向MIMO系统60中的每一个移动设备18a-18e提供到基站12的反馈信道66。可将反馈信道66用于将与其信道矢量有关的信息传送到基站12。然而，如上所述，用于提供反馈的资源(如，时间和计算能力)是受限的。

为了解决这个问题，如图3的流程图80中所示，在信道转移矢量所定义的线性空间上寻找矢量，并且对(M-[N-1])个分量进行量化并提供作为反馈。起初，如框82所示，基站12向移动设备18a-18e发送导频信号。特别地，从基站12处的多个发射天线向移动设备18a-18e处的多个接收天线发送导频信号。如框84所示，移动设备18a-18e计算信道矢量并形成信道转移矩阵。可如下形成信道转移矩阵：

$H=\left(\begin{array}{c}{h}_{\mathrm{1,1}},h_{\mathrm{2,1}},...,h_{M,1}\\ h_{\mathrm{1,2}},h_{\mathrm{2,2}},...,h_{M,2}\\ ........................\\ h_{1,N},h_{2,N},...,h_{M,N}\end{array}\right),---\left(4\right).$

如框86所示，然后可以使用高斯消去，将矩阵简化成如下形式：

$H^{\′}=\left(\begin{array}{c}{h}_{\mathrm{1,1}},h_{\mathrm{2,1}}........................,h_{M,1}\\ 0,{h^{\′}}_{\mathrm{2,2}},.......................,{h^{\′}}_{M,N}\\ ...................................................\\ \mathrm{0,0},.......,0,{h^{\′}}_{M-N+1,N,}...,{h^{\′}}_{M,N}\end{array}\right),---\left(5\right).$

如框88所示，可将简化矩阵H′的最后一行用来形成矢量h。这提供了具有N-1个零坐标并属于矢量子空间Q的信道矢量的线性组合。特别地，通过以下矢量来表示该线性组合：h＝(0，0，......，0，h′_M-N+1，N，…，h′_M，N)   (6)。

接下来，如框90所示，可使用算法来找出具有相对于矢量h的最小角度的码矢量c_r。这是对矢量h的非零项的量化。为了执行该量化，算法搜索码本C以找出码矢量c_r。存在很多已知的快速且简单的用于在码本C的码矢量之间进行搜索以找出与给定矢量h之间具有最小距离的码矢量的算法。由于码矢量c_r与h具有小的角度，这意味着码矢量c_r同样与矢量子空间Q具有小的角度。此外，由于矢量h在矢量子空间Q中，在计算中矢量子空间Q不再是必需的。

一旦找出码矢量c_r，如框92所示，可将其索引r发送到基站12作为反馈信号。基站12可以具有码本C的副本并从而能够使用码矢量c_r来确定信道矢量测量。基站12使用信道矢量测量来对传输进行预编码，以提高无线通信系统的效率。特别地，基站12以降低接收机处的干扰的方式来对传输预编码。

与备选的方法相比，以上方法需要更少的时间和更低的计算能力。这是部分由于在计算中没有使用矢量子空间Q这一事实。此外，只使用了矢量h中的非零项来寻找码矢量c_r。矢量h具有的项数越小，越可以更好地由来自码本C的码矢量c_r进行近似。例如，如果矢量h是1000元组，换言之其具有1000项(如，h＝(h₁，h₂...，h₁₀₀₀))，其不能被具有2²⁰个码矢量的码本C中的任何矢量精确地近似。备选地，如果h仅是3元组(h＝(h₁，h₂，h₃))，便可以由来自C的码矢量只以可忽略的误差进行近似。在步骤3，获得其前N-1项是零的矢量h，产生(M-[N-1])元组。从而，h的项数的这种减少允许以小的量化误差对h进行近似。

移动设备18a-18e中的每一个包括对移动设备18a-18e的功能进行控制的处理器68a-e，处理器68a-e一般在软件编程的控制之下。将存储器70a-e耦合至处理器68a-e，以存储并利于软件程序的执行。存储器70a-e可以包括动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、cd-roms或其它存储设备。由此，处理器68a-e可利用存储器70a-e存储可能与移动设备和基站12处的天线的通信信道有关的数据。该数据可包括信号能量信息和与通信信道20a-20e有关的天线信息。由此，可以软件和/或硬件实现在此描述的技术，以允许移动设备18a-18e向基站12提供反馈。

虽然本发明可能易受到各种修改和备选形式的影响，然而特定的实施例已通过附图中的示例的方式示出并已在此进行了详细的描述。然而，应该理解，并非旨在将本发明限制于所公开的具体形式。相反，本发明将覆盖所有落入由以下所附权利要求限定的本发明的精神和范围之内的修改、等效物和替换。

Claims (10)

1.一种操作具有N根天线的接收机的方法，包括：

测量N个矢量，每一个矢量限定了发射机的M根天线与所述接收机的对应天线之间的信道转移系数，其中N大于等于2，且M＞N；

在由N个所测量的矢量生成的线性空间中选择矢量，其中所选矢量在所述线性空间中具有一个或多个零分量；以及

将所选矢量的小于M个的非零分量的量化值提供给所述发射机作为反馈。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所测量的矢量的每一个分量与所述发射机的天线中对应的一根的信道转移矩阵元素相对应。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所选矢量具有N-1个零分量。

4.根据权利要求1所述的方法，包括接收来自所述发射机的M根天线的导频信号，并使用所述导频信号测量所述N个矢量。

5.一种通信系统，包括：

具有N根天线的接收机；

具有M根天线的多输入多输出(MIMO)发射机，所述发射机被配置为，将数据从所述发射机的M根天线通信到接收机的N根天线，其中N大于等于2，且M＞N，以及

其中，所述接收机被配置为，响应于所述发射机对导频信号的发送，来测量N个矢量，每一个矢量限定了所述发射机的M根天线与所述接收机的对应天线之间的信道转移系数；接收机被配置为，在由所测量的矢量生成的线性空间中选择具有一个或多个零分量的矢量，并将所选矢量的小于M个的非零分量的量化值反馈回所述发射机。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述发射机被配置为：基于反馈分量对数据进行预编码，以向所述接收机传输。

7.一种用于在无线通信系统中提供反馈的方法，包括：

在移动设备的N个接收机处，接收来自基站的M个发射机的导频信号，其中N大于等于2，且M＞N；

基于接收到的导频信号计算N个信道矢量；

找出具有N-1个零项的N个信道矢量的线性组合；

对所述线性组合的非零项进行量化；以及

向所述基站发送量化后的值。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，对线性组合的非零项进行量化包括：找出码本中、相对于所述线性组合具有最小角度的码矢量。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，基于接收到的导频信号计算N个信道矢量包括：计算信道转移矩阵。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，找出具有N-1个零项的N个信道矢量的线性组合包括：对矩阵执行高斯消去以简化矩阵。

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