CN101953088A

CN101953088A - 利用部分csi反馈的正交投影预编码和解码方法及其设备

Info

Publication number: CN101953088A
Application number: CN200880125050.5A
Authority: CN
Inventors: 王磊; 吴克颖
Original assignee: Alcatel Lucent Shanghai Bell Co Ltd
Current assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2028-01-22
Also published as: CN101953088B; WO2009094797A9; WO2009094797A1

Abstract

本发明公开了一种利用部分CSI反馈的正交投影预编码和解码方法及其设备。本发明的预编码设备用在包括基站和多个移动站的系统中，包括：信息接收单元，接收部分信道状态信息(CSI)；计算单元，将除了一个移动站之外的所有其它移动站的部分CSI的正交投影矩阵计算为该移动站的预编码矩阵；以及数据产生单元，对该移动站的数据流进行预编码。本发明的解码器包括：接收单元，接收包括一个移动站的部分CSI、以及与除了该移动站之外的所有其它移动站的部分CSI的正交补空间有关的信息的数据；滤波单元，对接收数据进行滤波以获得该移动站的部分CSI；以及投影单元，将该移动站的部分CSI投影到所有其它移动站的部分CSI的正交补空间。还公开了相应的预编码和解码方法。

Description

利用部分 CSI反馈的正交投影预编码和解码方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种预编码方法和解码方法，具体涉及利用部分 CSI反馈的用于

MU-ΜΙΜΟ下行链路的一种正交投影（OP )预编码方法及其设备以及正交投影解码方法和设备。背景技术

近年来，多用户 MIMO ( MU-MIMO ) 系统由于其系统容量比单用户 MIMO

( SU-MIMO )提升更快而受到更多的关注。人们认识到， MU-MIMO系统是提高无线通信系统的频谱效率的一种有效方式。多用户预编码器是 MU-MIMO的关键技术之一。多用户预编码器可以通过正确地设计每个用户的传输信号，极大地减小同信道干扰（CCI)。

现在，对于 MU-MIMO系统，存在多种预编码算法，在这些预编码算法中，块对角化（BD ) 预编码算法是一种典型的算法。 BD预编码算法可将 MU-MIMO 下行信道分解为多个并行独立的 SU-MIMO信道，并且对于每个用户而言，完全消除了 CCI。然而， BD算法严格限制基站（BS )天线的数目必须大于移动站（MS ) 天线之和。

此外，在基站处，为了进行 BD预编码算法，需要所有活跃用户的全部信道状态信息（CSI)。将全部 CSI反馈给基站对于频分复用（FDD ) 系统而言负担很重。因此，提出了一种仅反馈部分 CSI的基于特征值的准奇异子（EB )预编码算法。然而， EB算法不能够消除不同用户的 CCI, 而这将削弱系统性能。

在减小 CSI反馈开销和消除 CCI方面，最佳的己有下行链路预编码算法是多用户本征型传输（MET) 算法，该算法放宽了 BD在基站和移动站天线数目方面的限制。假定在基站处有 M个天线 ,在每个移动站处有 Nr个天线，并且、s₂、 ...、分别是 N个活跃用户的数据流数目。 MET的原理是:在每个移动站处计算 ^χ · 维的接收处理矩阵 „，首先将用户 η 的 NrxM维的信道矩阵转换为等效的 s_nxM维信道矩阵 Γ„= Β_η Η„.₀ 然后，对所有活跃用户的这些等效信道矩阵应用 BD算法，并且对于每个用户而言，可以完全消除 CCI。从上面可见，对于 s„≤Nf , MET算法需要在基站处知道部分信道信息 Γ„。因此， MET是解决减小 CSI反馈负担和消除 MU-MIMO下行链路的 CCI的问题的一种良好解决方案。

然而，为了获得等效信道、消除来自其它用户的 CCI、并分解一个用户的不同数据流，对于每个用户而言， MET算法需要执行 SVD操作三次。当在小区中有大量用户并且使用多用户方案时， MET 的复杂度很高。

为了解决减小 CSI反馈开销和消除 CCI的问题，在本发明中，提出一种仅需要向基站反馈部分 CSI并且可完全消除每个用户的 CCI的正交投影（OP) 预编码方法。

与 MET相比，本发明所提出的 OP算法对于每个用户仅需要执行奇异值分解（SVD) —次，因此与 MET相比极大地降低了复杂度。发明内容

本发明的目的是提供一种新的用于多用户 MIMO (MU-MIMO )下行链路的预编码方法，该方法基于正交投影，在仅向基站反馈每个活跃用户（下面也称为移动站（MS ) ) 的部分信道状态信息（CSI) 的情况下消除其它用户的 CCI。

所提出方案的基本思想是通过将用户 n的部分 CSI投影到所有其它用户的部分 CSI的正交补空间，可完全消除用户 n的 CCI。

在本发明的一个方面中，提供了一种预编码设备，用在包括基站（BS ) 和多个移动站（MS ) 的系统中，所述预编码设备包括：信息接收单元，接收从所有移动站反馈的部分信道状态信息（CSI) ; 计算单元，将除了一个移动站之外的所有其它移动站的部分 CSI 的正交投影矩阵计算为所述一个移动站的预编码矩阵；以及数据产生单元，使用该预编码矩阵来对针对所述一个移动站的数据流进行预编码。

优选地，部分 CSI包括相应 MS的信道矩阵的 PRSV, 并且相应 MS的信道矩阵的 PRSV是通过对相应 MS的信道矩阵执行 SVD而获得的。

优选地，该预编码设备用于 MU-MIMO下行链路。

在本发明的另一方面中，提供了一种解码器，用在包括基站（BS ) 和多个移动站（MS ) 的系统中，所述解码器包括：接收单元，从基站接收针对一个移动站的数据，其中接收数据是基站发送给所有用户的数据与所述一个移动站的信道矩阵的乘积，所述接收数据可分为两个部分，一部分是针对所述一个移动站自身的信号，包括与所述一个移动站的部分 CSI有关的信息，另一部分属于来自除了所述一个移动站之外的所有其它移动站的同信道干扰（CCI)，包括与除了所述一个移动站之外的所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间有关的信息；滤波单元，对接收数据进行滤波以获得所述一个移动站的部分 CSI; 以及投影单元，将所述一个移动站的部分 CSI投影到由与除了所述一个移动站之外的所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间有关的所述信息限定的所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间。

优选地，与所述一个移动站的部分 CSI 有关的信息包括所述一个移动站的信道矩阵的 PRSV, 并且与所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间有关的信息是所有其它移动站的 PRSV的正交投影矩阵。

优选地，滤波单元通过使用所述一个移动站的信道矩阵的 PLSV来滤出所述一个移动站的信道矩阵的 PRSV。

优选地，投影单元通过将 PRSV与所有其它移动站你的 PRSV的正交投影矩阵相乘，来将所述一个移动站的信道矩阵的 PRSV 投影到所有其它移动站的 PRSV的正交补空间。

在本发明的另一方面中，提供了一种预编码方法，用在包括基站（BS ) 和多个移动站（MS ) 的系统中，所述预编码方法包括以下步骤：接收从所有移动站反馈的部分信道状态信息（CSI ); 将除了一个移动站之外的所有其它移动站的部分 CSI的正交投影矩阵计算为所述一个移动站的预编码矩阵；以及使用该预编码矩阵来对针对所述一个移动站的数据流进行预编码。

优选地，该预编码方法用于 MU-MIMO下行链路。

在本发明的另一方面中，提供了一种解码方法，用在包括基站（BS ) 和多个移动站（MS ) 的系统中，所述解码方法包括以下步骤：从基站接收针对一个移动站的数据，其中接收数据是基站发送给所有用户的数据与所述一个移动站的信道矩阵的乘积，所述接收数据可分为两个部分，一部分是针对所述一个移动站自身的信号，包括与所述一个移动站的部分 CSI有关的信息，另一部分属于来自除了所述一个移动站之外的所有其它移动站的同信道干扰（CCI), 包括与除了所述一个移动站之外的所有其它移动站的部分 csi的正交补空间有关的信息；对接收数据进行滤波以获得所述一个移动站的部分 CSI; 以及将所述一个移动站的部分 CSI投影到由与除了所述一个移动站之外的所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间有关的所述信息限定的所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间。

优选地，对接收数据进行滤波以获得所述一个移动站的部分 CSI 的步骤包括：通过使用所述一个移动站的信道矩阵的 PLSV来滤出所述一个移动站的信道矩阵的 PRSV。

优选地，将所述一个移动站的信道矩阵的 PRSV 投影到所有其它移动站的

PRSV的正交补空间的步骤包括将所述一个移动站的信道矩阵 PRSV与所有其它移动站的 PRSV的正交投影矩阵相乘。本发明的效果

本发明具有以下三个优点：

1 . 所提出的 OP算法仅需要从移动站向基站部分反馈 CSI, 因此与 BD算法相比，减小了 CSI反馈的幵销。

2. 与现有的部分 CSI反馈方案的 EB算法相比，本发明的 OP算法对于每个用户可完全地消除 CCI，并且在性能上比 EB算法有显著的提高。

3. 与现有的最佳的 MET算法相比， OP算法具有与 MET相同的性能，但是其实现复杂度比 MET低。

在本发明中，部分 CSI是指每个用户的信道矩阵的主右奇异矢量（PRSV)。具体地，所提出的方案如下。附图说明

图 1是根据本发明的预编码设备的框图；

图 2是根据本发明的解码器的框图；

图 3是根据本发明的预编码方法的流程图；

图 4是根据本发明的解码方法的流程图；以及

图 5-7是本发明的方法与其它现有预编码方法的比较图。具体实施方式

如上所述， MU-MIMO系统被认为是提高无线通信系统的频谱效率的一种有效方式。作为 MU-MIMO的关键技术之一，多用户预编码算法可通过正确地设计每个用户的传输信号，极大地减小同信道干扰（CCI )。在现有的多用户预编码算法中，存在 BD、 EB和 MET算法，这些算法用于 MU-MIMO下行链路。

关于本发明提出的正交投影预编码算法，与 BD、 EB和 MET相同的是，本发明的正交投影方法也用于 MU-MIMO下行链路中。然而，对于现有的 BD、 EB和

MET预编码方法，它们的反馈机制、预编码矩阵的计算和解码器与本发明的 OP 预编码方法不同。

所提出方案的基本思想是通过将用户 n的部分 CSI投影到所有其它用户的部分 CSI的正交补空间，可完全消除用户 n的 CCI。下面，参考附图来描述本发明的优选实施例。

图 1是根据本发明的用于实现 OP预编码方法的 OP预编码设备 100的框图。如图 1所示， OP预编码设备 100包括信息接收单元 10、预编码矩阵计算单元 12和数据产生单元 14。图 2是根据本发明的用于实现 OP解码方法的解码器 200的框图。如图 2所示，解码器 200包括接收单元 20、滤波单元 22和投影单元 24。应该注意到，附图中省略了与本发明的发明点无关的部分。

图 3是根据本发明的 OP预编码方法的流程图，图 4是根据本发明的解码方法的流程图。

下面参考图 1-4来详细描述所提出的方法。该方法实现在包括基站和多个移动站（活跃用户）的系统中。

如图 3所示，在步骤 S101处，预编码设备 100中的信息接收单元 10接收所有用户反馈的部分 CSI。具体地，在本实施例中，每个移动站估计其信道矩阵，并对其信道矩阵执行 SVD以获得 PRSV, 然后将 PRSV发送到基站。信息接收单元 10 接收所有移动站的 PRSV。然后在步骤 S102处，针对一个移动站，预编码设备 100 的预编码矩阵计算单元 12计算除了该移动站之外的所有其它移动站的部分 CSI的正交投影（OP )矩阵，作为该移动站的预编码矩阵。其后，在步骤 S103处，数据产生单元 14将该预编码矩阵与针对一个移动站的数据流相乘以产生要发送的数据，然后向该移动站发送所产生的数据。如图 4所示，该移动站在步骤 S201处接收来自基站的信号。然后，在步骤 S202 处，滤波单元 22对接收信号进行滤波以获得该移动站的部分 CSI。之后，在步骤 S203处，通过将该移动站的部分 CSI与 OP矩阵相乘，投影单元 24可将该移动站的 PRSV投影到所有其它用户的 PRSV的正交补空间，从而获得没有其它移动站的 cci的数据。在本实施例中，该移动站所接收的信号是发送数据（其中包括发送给其他用户的数据）与信道矩阵的乘积，而发送数据是通过在基站将针对该移动站的数据流与相应的 OP矩阵相乘而获得的，因此接收信号中包含与 OP矩阵有关的信息。将移动站信道矩阵的主左奇异矢量（PLSV) 用作滤波矢量，将 PLSV与信道矩阵相乘可分离移动站的 PRSV, 而后通过将移动站的 PRSV与 OP矩阵相乘，可将 PRSV投影到所有其它移动站的 PRSV的正交补空间。

具体地，所提出的方法可解释如下。

考虑在基站处具有 M个天线、在每个移动站处有 Nr个天线、并且有 N个活跃用户的一个 MU-MIMO下行链路系统。基站和用户 n之间的平坦衰落 MIMO 信道表示为 NrxM的矩阵 H„。本发明的 OP预编码算法可分为两步：

步骤 1: 假定每个用户可准确地估计其信道 H„，则针对 H„ 执行 SVD,

H„:U„A„V„^H。将^，和^表示为 1„和^的第一列， I ^和 ^分别代表《„的主左和主右奇异矢量。然后，所有 N个活跃用户都将其主右奇异矢量] ^作为部分 CSI 反馈反馈给基站。

步骤 2: 针对用户 " =1~N，计算 MxM维预编码矩阵 Γ„。定义 ζ>_η=[ … ^_lllii+u…；^ ,]; 将 Z)_n 的正交投影矩阵计算为 ^/"-^(Z^^)—¹^, 其中 N≤M; z 设定 τ - ^¹. 在预编码之后，在用户《处接收到的信号可表示为 r_n=H_nT_nb_n+H_n X T_tb_t+^ 其中^ =1^ 是用户 "的 u维发送矢量，在这里被用作波束形成矢量' 而 ^是用户 n 的数据符号， //„是均值为零、方差为 σ²的 NnU 维加性高斯白噪声 (AWGN) 矢量。然后，将主左奇异矢量的共轭转置 ,作为接收矢量与相乘，所接收信号变为

由于 Γ„= /^，所以很容易验证对于 w≠"，、H„T_m = 0。因此，对于用户 "而可完全地消除中的 CCI项，并且 _Λ可写为其中 1„,是的第一奇异值，《„仍然是均值为零、方差为 σ²的 AWGN。将所有 N 个活跃用户的总发射功率归一化，可以得到用户 n 的信噪比 ^，即

\λ. Νσ² 与 MET算法的比较

1. OP算法对于每个用户支持一个数据流，并且活跃用户数目 N不能大于基站天线数目 M; MET算法对于用户 "支持个数据流，但是所有 N个活跃用户的数据流数目的总和不能大于 M，即！ _Λ≤Μ。因此，可见，这两个算法支持相同总数的数据流。

2. 根据上面的分析， CSI反馈开销对于 ΟΡ和 MET算法而言是相同的。根据算法的说明，可见， OP算法对于每个用户执行 SVD—次。然而，为了实现获得等效信道、消除来自其它用户的 CCI并分解一个用户的不同数据流这三个任务， MET算法对于每个用户需要执行 SVD三次。因此，当小区中有大量用户并且使用多用户方案时， OP的复杂度与 MET相比极大地减小。

与其它现有算法的比较

这部分比较了所提出的 OP算法与现有典型的 BD、 EB和 MET预编码算法的性能。在所有的仿真中，每个用户的信道都是独立准静态、频率平坦的瑞利衰落信道，并且信道矩阵中的每个元素是分布为 CN(0,1)的复高斯随机变量。对于归一化的总发射功率， AWGN的分布为 CNifi,漏 K)。

图 5将 OP算法与 EB算法相比较，其中所有用户都将其信道矩阵的 PRSV 作为部分 CSI反馈给基站。在该仿真中，在基站使用 Λ =4个发射天线，并且每个用户有 "=l个接收天线。总用户数目分别设置为 6、 10和 20。通过使用多用户调度算法，从个用户中选择 N-4个用户作为活跃用户。对于 OP算法使用贪婪搜索调度，而对于 EB算法使用最小 CCI用户搜索调度，因为 EB不能够消除来自其它用户的 CCI。从图 5可清楚地看出， OP算法优于 EB算法，因为 OP 对于每个用户可完全地消除 CCI。

图 6给出了在每个用户处有多个接收天线的情况下 OP算法与 BD算法的容量图。在该仿真中，在基站处使用 M=4 个发送天线，并且每个用户的接收天线数目被分别设置为 Nr =2和 4。总用户数目是 =20，并且对于两种算法均使用贪婪搜索调度。图 6 示出了对于每个用户处具有多个接收天线的情况，所提出的 OP算法的性能优于 BD算法。原因是 BD算法对于基站和移动站的天线数目有严格的限制。对于 M=4个基站天线，并且每个用户有 A =2和 4个天的情况，采用 BD算法时的活跃用户的数目仅分别为 N=2和 1，这极大地限制了系统容量。而利用该天线配置， OP算法对于每次调度可选择个活跃用户。

图 7提供了 OP与现有的最佳的 MET算法的容量比较。该仿真的天线配置与图 6中的相同，并且对于两个算法均使用贪婪搜索调度。从图中可观察到， OP 算法的性能与 MET相同，这是因为这两个算法可支持相同总数的数据流，并且完全消除每个用户的 CCI。

从上面的说明可见，本发明所提出的方法具有三个突出的特点： CSI反馈开销更小、性能好以及实现复杂度低。所有这些特点使得本发明的 OP算法可成为诸如 IEEE 802.16和 3GPP LTE的宽带无线通信标准的实际方案。

尽管参考特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以认识到，在不背离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节上做出改变。

Claims

权利要求

1 . 一种预编码设备，用在包括基站 BS和多个移动站 MS的系统中，所述预编码设备包括：

信息接收单元，接收从所有移动站反馈的部分信道状态信息 CSI;

计算单元，将除了一个移动站之外的所有其它移动站的部分 CSI 的正交投影矩阵计算为所述一个移动站的预编码矩阵；以及

数据产生单元，使用该预编码矩阵来对针对所述一个移动站的数据流进行预编码。
2. 根据权利要求 1所述的预编码设备，其中部分 CSI包括相应移动站的信道矩阵的主右奇异矢量 PRSV, 并且相应移动站的信道矩阵的 PRSV是通过对相应移动站的信道矩阵执行奇异值分解 SVD而获得的。
3 . 根据权利要求 1 或所述的预编码设备，其中该预编码设备用于 MU-MIMO下行链路。
4. 一种解码器，用在包括基站 BS和多个移动站 MS的系统中，所述解码器包括：

接收单元，从基站接收针对一个移动站的数据，其中接收数据是基站发送给所有用户的数据与所述一个移动站的信道矩阵的乘积，所述接收数据可分为两个部分，一部分是针对所述一个移动站自身的信号，包括与所述一个移动站的部分信道状态信息 CSI有关的信息，另一部分属于来自除了所述一个移动站之外的所有其它移动站的同信道干扰 CCI，包括与除了所述一个移动站之外的所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间有关的信息；

滤波单元，对接收数据进行滤波以获得所述一个移动站的部分 CSI; 以及投影单元，将所述一个移动站的部分 CSI 投影到由与除了所述一个移动站之外的所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间有关的所述信息限定的所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间。
5. 根据权利要求 4所述的解码器，其中与所述一个移动站的部分 CSI有关的信息包括所述一个移动站的信道矩阵的主右奇异矢量 PRSV, 并且与所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间有关的信息是所有其它移动站的 PRSV的正交投影矩阵。
6. 根据权利要求 5所述的解码器，其中滤波单元通过使用所述一个移动站的信道矩阵的主左奇异矢量 PLSV来滤出所述一个移动站的信道矩阵的 PRSV。
7. 根据权利要求 5所述的解码器，其中投影单元通过将 PRSV与所有其它移动站你的 PRSV 的正交投影矩阵相乘，来将所述一个移动站的信道矩阵的

PRSV投影到所有其它移动站的 PRSV的正交补空间。
8. 一种预编码方法，用在包括基站 BS和多个移动站 MS的系统中，所述预编码方法包括以下步骤：

接收从所有移动站反馈的部分信道状态信息 CSI;

将除了一个移动站之外的所有其它移动站的部分 CSI 的正交投影矩阵计算为所述一个移动站的预编码矩阵；以及

使用该预编码矩阵来对针对所述一个移动站的数据流进行预编码。
9. 根据权利要求 8所述的预编码方法，其中部分 CSI包括相应 MS的信道矩阵的主右奇异矢量 PRSV,并且相应 MS的信道矩阵的 PRSV是通过对相应 MS 的信道矩阵执行奇异值分解而获得的。
10. 根据权利要求 8 或 9 所述的预编码方法，其中该预编码方法用于 MU-MIMO下行链路。
11. 一种解码方法，用在包括基站 BS和多个移动站 MS的系统中，所述解码方法包括以下步骤：

从基站接收针对一个移动站的数据，其中接收数据是基站发送给所有用户的数据与所述一个移动站的信道矩阵的乘积，所述接收数据可分为两个部分，一部分是针对所述一个移动站自身的信号，包括与所述一个移动站的部分 CSI有关的信息，另一部分属于来自除了所述一个移动站之外的所有其它移动站的同信道干扰 CCI, 包括与除了所述一个移动站之外的所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间有关的信息；

对接收数据进行滤波以获得所述一个移动站的部分 CSI; 以及

将所述一个移动站的部分 CSI 投影到由与除了所述一个移动站之外的所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间有关的所述信息限定的所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间。
12. 根据权利要求 11所述的解码方法，其中与所述一个移动站的部分 CSI 有关的信息包括所述一个移动站的信道矩阵的主右奇异矢量 PRSV, 并且与所有其它移动站的部分 CSI的正交补空间有关的信息是所有其它移动站的 PRSV的正交投影矩阵。
13. 根据权利要求 12所述的解码方法，其中对接收数据进行滤波以获得所述一个移动站的部分 csi的步骤包括：通过使用所述一个移动站的信道矩阵的主左奇异矢量 PLSV来滤出所述一个移动站的信道矩阵的 PRSV。
14. 根据权利要求 12所述的解码方法，其中将所述一个移动站的信道矩阵的 PRSV投影到所有其它移动站的 PRSV的正交补空间的步骤包括将所述一个移动站的信道矩阵 PRSV与所有其它移动站的 PRSV的正交投影矩阵相乘。