CN102017452B - 根据谁具有最大估计信道容量来选择开环或闭环mimo - Google Patents

Abstract

一种MIMO OFDM接收器，其周期性地形成信道估计并且将a：发射器将利用接收器的信道估计(闭环)时对信道容量的估计与b：发射器将不利用信道估计(开环)时对信道容量的估计作比较，并且仅当(b-a)＞k时将信道估计的数据发送到发射器，其中k是预设的阈值。

Description

根据谁具有最大估计信道容量来选择开环或闭环MIMO

技术领域

本发明涉及通信信道估计，具体来讲，涉及确定何时发送信道估计。

背景技术

近年来，作为增加无线链接的覆盖面或容量的方法，多元件天线结构已经变为热门研究的主题。(参见Paulraj、Nabar和Gore所著的“Introducation to Space-Time Wireless Communiations”)。通常的情况是链路上的发射器和接收器均具有多个天线元件，这些天线元件都工作于同一无线电信道并且优点是利用了这些天线元件之间的空间和时间差。该系统被称作MIMO(多输入、多输出)，并且通常基于空间复用。

可以实现MIMO的方式有多种，但是通常可以分为两类。

在第一类的系统中，发射器不使用信道知识来确定什么信号借助那个天线来发送。这类的系统被称作开环MIMO。在开环MIMO中，发射器通常从每个天线元件发射相等的能量，并且应用与各信道状况适应的符号编码。这种编码的实例是由WiMAX论坛规定的Alamouti编码。

在第二类的系统中，发射器使用信道知识来确定什么信号借助那个天线来发送。这种知识是通过来自接收器的反馈获得的。这类的系统被称作闭环MIMO。在闭环MIMO系统中，发射器可以利用算法根据其信道知识对天线设置能量分配和编码。这可以增加容量和/或信噪比。然而，为了实现这些增益，接收器必须反馈关于信道的信息。这种反馈占用一些容量，因此需要在从更详细的信道信息得到的增益与由于发送信道返回信息而损失的容量消耗之间平衡。

为了解决这种平衡，大量的研究正寻找使用最小反馈实现最大的闭环MIMO系统的覆盖面和容量。这种方法存在的问题是，当信道中的任何部分发生改变时(例如当发射器或接收器移动时，或者当物体沿着传播路径移动时)信道特性随之变化。因此，当采用最小反馈时，与开环的情况相比，覆盖面和容量没有显著增加。

3GPP(第三代伙伴计划)已经在其LTE(长期演进)系统中采用了码本方法。在码本系统中，将标签发送给发射器，从该发射器中可以查询与信道与最配的多路矩阵，这与目录中的项类似。然而，该系统受信道类型的数量的限制的并且远远达不到最佳水平。(参见David Love所著的“Grassmannian Beamforming for MIMO Wireless Systems”关于码本的整体讨论)。用于减小提供信道反馈信息所需带宽的另一种方法是由接收器周期性地估算信道并且将信道状况编号发送回发射器(参见例如2005年由Heath和Paulraj所著的“Switching Between Diversity and Multiplexing inMIMO systems”)。

需要改善利用信道信息在空间复用MIMO发射器处得到的增益与由于向发射器反馈信道信息导致的带宽损失之间的平衡。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种在空间复用天线通信系统中工作的收发器，该接收器包括信号处理装置，所述信号处理装置被构造用于：形成所述收发器和第二收发器之间信道的信道估计；根据所述信道估计来估计所述信道的容量；根据估计出的所述信道容量来确定是否向所述第二收发器发送表示所述估计的数据；以及仅在所述确定的结果是肯定时，才使所述收发器向所述第二收发器发送表示所述估计的数据。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制空间复用天线通信系统中工作的收发器的方法，所述方法包括：形成所述收发器和第二收发器之间信道的信道估计；根据所述信道估计来估计所述信道的容量；根据估计出的所述信道容量来确定是否向所述第二收发器发送表示所述估计的数据；以及仅在所述确定的结果为肯定时，才向所述第二收发器发送表示所述估计的数据。

所述确定可以包括：估计所述第二收发器知道所述信道估计时所述信道的容量(“a”)；以及估计所述第二收发器不具有所述信道的知识时所述信道的容量(“b”)；如果(a-b)超过预定阈值，则确定应该发送表示所述信道估计的数据。所述预定阈值可以为0，或者可以大于0或小于0。所述收发器可以被构造用于通过注水算法来估计a的值。

所述收发器可以是MIMO收发器和/或ODFM收发器。

所述收发器可以被构造为用于根据之前将信道估计发送到所述第二收发器的频率来确定何时形成所述信道估计。

表示所述信道估计的所述数据可以是表示自信道估计最近被发送到所述第二收发器之后所述信道估计的变化的数据。

附图说明

现在，将参照附图以示例的方式描述本发明。在附图中：

图1是通信系统的示意图。

图2示出BER性能与注水和未注水的SVD的对比。

图3示出BER性能与量化的反馈以及最佳CSI的对比。

图4示出当没有更新时注水性能如何随时间而劣化。交点表示注水的性能等于未注水的性能的时刻。

图5示出用于确定何时用信道信息更新发射器的算法。

具体实施方式

图1中的系统是MIMO系统，其接收器采用用于确定何时开始反馈信道信息的算法。广义地说，算法涉及估计信道容量以及根据估计出的信道容量来确定何时开始反馈信道信息。例如，接收器可以周期性地将

a：发射器使用接收器的信道信息时对信道容量的估计，与

b：发射器不使用信道信息时对信道容量的估计

进行比较，并且仅当(b-a)＞k时更新发射器，其中k是预设的阈值。该阈值可以为零，在这种情况下，如果b＞a，则将进行更新。

图1示出了其中可以使用本方法的空间复用天线系统。该系统包括发射器1和接收器2。发射器具有多个天线元件101、102，接收器具有多个天线元件201、202，因此在发射器和接收器之间存在四个通信信道：11至201、101至202、102至201以及102至202。该发射器和接收器优选地为MIMO收发器。该发射器具有：基带处理器部分103，其接收要发送的通信数据并且产生供每个天线发送的符号；以及两个模拟发射链104、105，其包括用于将这些信号上变频为射频的混合器106、107以及用于放大经上变频的信号以驱动各个天线的放大器108、109。接收器具有：模拟接收链203、204，其包括放大各个天线接收的信号的放大器205和206；混合器207、208，其用于下变频经放大的信号；以及模数转换器209、210，其用于将经下变频的信号数字化，以向基带处理器部分211提供输入。

接收器2还可以向发射器1提供反馈，并且发射器1可以接收该反馈。为此，接收器2具有与发射器1的发射链类似的发射链212、213，并且发射器1具有与接收器2的接收链类似的接收链110、111。以下的说明将讨论从接收器2至发射器1的信道估计反馈，但是可以使用类似的原理来控制从发射器1至接收器2的信道估计反馈，以用于使随后接收器2的发射最佳化。

基带处理部分103、211包括处理器112、214。各处理器执行相关存储器113、215中存储的指令，以执行其功能。在该示例中，发射器和接收器根据OFDM(正交频分复用)协议来工作。

如在其它闭环MIMO-OFDM系统中一样，接收器2可以利用处理部分211估计发射器与其自身之间的信道。这些估计被称作接收器可以向发射器发送消息，以更新发射器对接收器估计的知识。如上所述，接收器不是以预定间隔反馈而是基于当前的信道状况决定何时反馈

反馈消息中的信息可以采用各种形式。反馈的三种示例性形式为的变化(或)、码本标签(codebook label)或奇异值分解(SVD)的特征向量。在本示例中，接收器将的变化发送到发射器，并且接下来在发射器和接收器执行SVD。虽然该方法会需要额外的处理，但是将的变化发送回去而非发送本身，通常在总体上更有效。优选地，除了报告的变化之外，还不时地也发送完整的

现在将描述本方法的仿真。虽然用于确定何时反馈信息所表现的指标与所使用的调制方案无关，但是本仿真使用不带前向纠错的格雷码QPSK。OFDM与大小为256的快速傅立叶变换(FFT)一起使用。

仿真中使用的信道模型基于ITU信道B步行(Pedestrian)6-抽头模型(参见1997年ITU-R Reconmendation M.1225的“Guidelines forEvaluation of Radio Transmission Technologies for IMT-2000”的第28页)，该模型基于根据2006年第16卷的Ericsson的“MIMO Channel model forTWG RCT ad-hoc proposal”的相关方法，为MIMO的使用进行了修改并且使用从3GPP空间信道模型(SCM)获取的天线和角分布参数(参见在线可得自http://www.3gpp.org/的3GPP，“Spatial channel model for MIMOsimulations”(TR 25.996 V 6.1.0(2003-09))，Technical Report)。选择Pedestrian B信道是因为在与信噪比(SNR)相对照的比特误码率(BER)性能方面它是ITU信道模型中最苛刻的。这是因为在尺寸上与初始信号相当的一个抽头会造成非常深的快速衰落。当在空时分组码(STBC)模式下时，使用Alamouti码(参见S.M.Alamouti，“A simple transmit diversitytechnique for wireless communications”，IEEE J.Sel.Area Commun.，第16卷第8期，第1451-1458页，1998年10月)。

本仿真中所使用的信道模型产生任何所需数量的H MIMO信道指标，并且其在该路径被当作从发射器到接收器的基带的意义上是“非物理的(non-physical)”，包括天线的关联性。这种对天线的依赖是略微有限制性的，但是与射线追踪或几何方法相比，模型更简单。这种限制不被认为是重要的，这是由于在发射器(假设为基站)使用的是潜在的4λ间隔的常规天线构造而在接收器(假定为用户端)使用的是λ/2间隔的天线构造。

对于具有N_R个接收器天线和N_τ个发射器天线的MIMO系统，使用以下公式来执行信道矩阵H的计算。

$\mathrm{vec}\left(H\right)=R_{\mathrm{MIMO}}^{1/2}\mathrm{vec}\left(G\right)---\left(1\right)$

其中vec(.)用于对给定矩阵进行矢量化。R_MIMO表示针对所有MIMO信道的空间相关矩阵，该矩阵可以通过Kronecker函数被分为在发射器端看到的相关性和在接收器端看到的相关性：

$R_{\mathrm{MIMO}}=R_{\mathrm{rx}}\⊗R_{\mathrm{RX}}---\left(2\right)$

其基于如下假设：每个发射器天线元件同等地照射接收器阵列中的每个元件。

在2×2的MIMO系统中，R_TX和R_RX具有以下的元素：

$R_{\mathrm{TX}}=\left[\begin{array}{cc}1& \mathrm{\α}\\ {\mathrm{\α}}^{*}& 1\end{array}\right]$ $R_{\mathrm{RX}}=\left[\begin{array}{cc}1& \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\β}}^{*}& 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中α和β的复数值针对以上列出的天线元件间隔取自Ericsson的“MIMO Channel model for TWG RCT ad-hoc proposal”(V16，2006)，并且α和β的复数值对于每个抽头是不同的。这个参考文献还包含针对其它普通元件间隔的值。N_R×N_T矩阵G由源自Rayleigh、Ricean和对数正态遮蔽分布函数的i.i.d元素组成，并且其还根据3GPP，“Spatial channel modelfor MIMO simulations”(TR 25.996V 6.1.0(2003-09))通过将时间变化因子乘以其各个元素来合并多普勒(Doppler)效应。

由该模型得到的信道矩阵H是四维的，第一个两维包含接收器和发射器天线的索引并且第三维和第四维分别包含抽头索引和信道脉冲响应的时间样本。

在OFDM系统中，希望将MIMO技术应用到每个子载波或每个组。因为在频域中存在这种分割，所以更方便得到信道频率响应的H，信道频率响应可以通过执行FFT由脉冲响应得到，将结果表示为H(f)。

如上所述，在闭环MIMO-OFDM系统中，接收器估计信道并且将信道状态的更新发送到发射器。发射器使用这些更新来选择则最适宜的发射方案。如果接收器和发射器已知最佳信道状态信息(CSI)，则可以使用奇异值分解(SVD)将每个子载波上的MIMO信道分解为并行的非干扰子信道。因此，对于某一时间样本而言，第i个信道段上的瞬时信道传输矩阵可以被表示为：

$H{\left(f\right)}_i=U_i{D}_i{V}_i^H---\left(4\right)$

其中U_i和V_i是酉矩阵，D_i是H(f)_i的奇异值的对角矩阵，运算符(·)^H是共轭转置运算符。然后，在第i个子载波上接收到的符号向量具有如下形式：

$r_i=U_i{D}_i{V}_i^H{s}_i+n---\left(5\right)$

其中s_i是发送的符号向量并且n是加性噪声。现在如果在发射器和接收器处分别使用预编码矩阵V_i和解码矩阵则接收到的符号变为：

${\stackrel{\‾}{r}}_i=D_i{s}_i+\tilde{n}---\left(6\right)$

由于U_i矩阵是酉矩阵，因此(5)和(6)中的噪声变化相同。等式(6)还意味着，发送的进入K＝min(N_R，N_T)个并行子信道的符号向量将被奇异值放大或者减小，并且进入索引大于k的信道的符号向量将被丢失。

同时，发射器可以将可用的总功率分配给所有子载波的子信道，以将MI最大化，这是由于其具有CSI。通过使用注水算法(参见M.A.Khalighi，J.-M.Brossier，G.Jourdain and K.Raoof的，“water fillingCapacity of Rayleigh MIMO channels”(IEEE International Symposium onPersonal，Indoor and Mobile Radio Communications，第1卷，第155-158页，2001)和I.E.Telatar的“Capacity of multi-antenna Gaussian channels”(Europ.Trans.Telecommun.，第10卷第6期，第585-595页，1999年11月至12月))可以得到最佳功率分配。要注意的是，对于这种MIMO-OFDM情况而言，用于最佳化的总功率的限制变为N_T·n_f，其中n_f表示所使用的子载波的数量。因此，在预编码和功率分配之后，第i个子载波上发送的符号向量变为：

x_i＝V_iQ_is_i (7)

其中对角矩阵Q_i表示包括分配到各子信道的功率的功率分配矩阵。

在图2的仿真结果中示出了对注水算法产生的BER性能改进的说明。该仿真是针对各独立的瑞利(Rayleigh)衰落信道在2×2的MIMO-OFDM系统中进行的，FFT大小为256，速度为3公里/小时。注水算法在低SNR时发挥最大的益处。在高SNR时，注水算法几乎同等地对子信道分配功率，因此曲线是收殓的。这强调了从接收器到发射器的CSI反馈具有重要的价值。

在反馈系统中，发射器的CSI将延迟一定的量，该量取决于系统协议。在t_n的时刻，通过(5)和(7)将得到接收到的信号：

$r_i\left(t_n\right)=U_i\left(t_n\right)D_i\left(t_n\right)V_i^H\left(t_n\right)V_i\left(t_x\right)Q_i\left(t_x\right)s_i\left(t_n\right)+n---\left(8\right)$

其中tx是过去的时间样本。现在，将描述仿真对tn和tx之间的最大间隔选择的影响。

假设接收器进行最佳信道估计，已经仿真了针对2×2系统使用1公里/小时的速度下的ITU-B步行模型，各子载波的时间样本t₁＝t₀和t₁＝t₀+500处的H(f)变化，其中每个样本是一个OFDM符号和10波特的符号率。将第一子载波作为示例，以下示出了针对具有500个样本间隔的两个时间样本的H(f)的具体值：

$H\left(f\right)(:,:,\mathrm{1,1})=\left[\begin{array}{cc}0.4022-0.5119i& 0.6935-0.1160i\\ -0.1292+0.5553i& 0.6860-0.0247i\end{array}\right]$

$H\left(f\right)(:,:,\mathrm{1,501})=\left[\begin{array}{cc}0.3588-0.4263i& -0.6672-0.0832i\\ -0.0131+0.5477i& 0.6969-0.1626i\end{array}\right]$

这说明的优点是：反馈的是H(f)的变化而不是反馈H(f)本身，从而减少了反馈占用的开销。

假设发射器和接收器在仿真开始时都具有最佳CSI，则可以建立如下作用的模型：将H(f)的变化(即，ΔH(f))发送到发射器，其中统一量子化为0.03，更新率为500个样本。表1示出了为保持1dB的降低，针对2×2系统在各种速度下的ITU-B步行模型的每个元素的实部和虚部必须发送回的位数。量化位由用于表示所述变化是增大的变化还是减小的变化的一个符号位和用于表示绝对值变化的其它位构成：

表1H(f)大小随时间变化的范围

图3示出了假定最佳CSI时BER性能与量化反馈的对比。该仿真结果表示：在具有SVD(非注水)的2×2MIMO-OFDM系统中，与发射器的最佳CSI相比，使用量化反馈的速度为1公里/小时的BER性能具有1dB的降低。

用于控制反馈间隔的矩阵基于互信息(MI)。

未注水和注水的MI通过如下公式计算：

未注水(相同的功率分配)：

$c_I=\frac{1}{n_f}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n_f}{\log }_2\det (I+\frac{P}{N_t{\mathrm{\σ}}^2}H{\left(f\right)}_i\left(t_n\right)H{\left(f\right)}_i^H\left(t_n\right))---\left(10\right)$

注水功率分配：

其中P是发射器的总功率，I是N_R×N_R单位矩阵，σ²是噪声变量并且是通过将注水算法应用到第t_x个时间样本得到的第i个子载波的功率分配矩阵。

由于给出的功率分配将变得与随时间变化的信道H(f)_i(t_n)越来越不匹配，因此注水算法性能随时间而劣化，并且在数个时间样本之后，其性能将变得比没有使用注水(即，相同的功率分配)的系统的性能更差。这可以有利地被用作阈值，该阈值用于确定何时向发射器反馈信道信息。如果C_WF≤C_I，则更新发射器CSI。

图4示出了在10公里/小时的速度下ITU-B步行模型的C_I和C_WF的绘图。记得假定在t＝0时，发射器具有最佳CSI。C_WF≤C_I对应的点在大约500个数据点处，此后曲线发散并且C_WF的曲线一直低于C_I的曲线，这意味着更新的时间位置是两条曲线的交点。根据该指标估算的所需的更新时间段与CMD方法类似，假定该更新时间段是有优势的。

与一些另选的算法相比，由于需要两次求和，MI具有更多的计算开销，然而MI的益处在于，当信道秩降低使得系统不能支持SM时，其可以扩展到将发射器从SM切换到STBC。另外，如果SNR高但是秩低，则会存在强的直射信号，并且该信息可以作为辅助发送到发射器，以适应性地变化调制和编码方案。

在本方法的一个实施例中，是否向发射器发送更新是根据采用信道知识的信道容量(R1)以及没有采用信道知识的信道容量(R2)来确定的。如上所述，如果R1相对于R2下降为低于预定的阈值，则执行更新。可以使用已知的公式在接收器处计算R1和R2。在图5中示出了该方法的示例。图5还示出了在其中可以计算R1和R2的间隔可以根据更新发送到发射器的频率而变化。接收器将周期性地执行容量计算，并且基于是否超过差值阈值来决定是否发送反馈。基于超过阈值的量和阈值历史，接收器可以适应性地改变进行计算之间的时间段。这是由图5中的“变化太频繁”的框所执行的功能。

本文描述的指标与系统类型无关，因此可以被改进为适合任何采用的系统的协议和框架结构。例如，对于WiMAX，尽管用户端可以决定何时发送更新，但是803.16协议要求基站必须分配用以发送更新的时隙并且这个过程将增加延迟。

申请人由此以单独的方式公开了本文描述的各个特性以及两个或更多个这类特征的任何组合，使得能够根据本领域技术人员的公知常识并基于本发明的整个说明书来执行这些特征或组合，而与这类特征或特征的组合是否解决了本文所公开的任何问题无关，其不构成对权利要求范围的限制。申请人表示，本发明的各个方面可以由任何这类单个特征或特征的组合组成。根据以上的说明，对于本领域的技术人员来说，在本发明的范围内可以进行各种修改是明显的。

Claims (8)

1.一种用于在空间复用天线通信系统中工作的收发器，所述收发器包括信号处理装置，所述信号处理装置被构造用于：

形成所述收发器和第二收发器之间的信道的信道估计；

根据所述信道估计来估计所述第二收发器获知所述信道估计时所述信道的容量“a”；

根据所述信道估计来估计所述第二收发器不具有所述信道的知识时所述信道的容量“b”；

确定a-b是否超过预定阈值；以及

仅在所述确定的结果为肯定时，才使所述收发器向所述第二收发器发送表示所述信道估计的数据，

其特征在于，基于超过所述预定阈值的量和阈值历史适应性地改变估计所述第二收发器获知所述信道估计时所述信道的容量“a”和估计所述第二收发器不具有所述信道的知识时所述信道的容量“b”之间的时间段。

2.根据权利要求1所述的收发器，其中所述预定阈值为0。

3.根据权利要求1或2所述的收发器，其中所述收发器被构造为利用注水算法估计a。

4.根据权利要求1或2所述的收发器，其中所述收发器是MIMO收发器。

5.根据权利要求1或2所述的收发器，其中所述收发器是ODFM收发器。

6.根据权利要求1或2所述的收发器，其中所述收发器被构造用于根据之前将所述信道估计发送到所述第二收发器的频率来确定何时形成所述信道估计。

7.根据权利要求1或2所述的收发器，其中，所述表示所述信道估计的数据是表示自所述信道估计最近被发送到所述第二收发器之后所述信道估计的变化的数据。

8.一种用于控制在空间复用天线通信系统中工作的收发器的方法，所述方法包括：

形成所述收发器和第二收发器之间的信道的信道估计；

根据所述信道估计来估计所述第二收发器获知所述信道估计时所述信道的容量“a”；

根据所述信道估计来估计所述第二收发器不具有所述信道的知识时所述信道的容量“b”；

确定a-b是否超过预定阈值；以及

仅在所述确定的结果为肯定时，才向所述第二收发器发送表示所述信道估计的数据，

其特征在于，基于超过所述预定阈值的量和阈值历史适应性地改变估计所述第二收发器获知所述信道估计时所述信道的容量“a”和估计所述第二收发器不具有所述信道的知识时所述信道的容量“b”之间的时间段。