CN102088342A - Mimo系统的反馈装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于MIMO系统的反馈装置与方法，属于无线信息传输领域。本发明提出的反馈方法中，先计算任一数据流的信噪比，并根据该信噪比为各个数据流选择相同的编码调制方式，然后选定其对应的信道质量指示信息，最后利用反馈链路把该指示信息反馈到发送端，发送端依据此信息为每个数据流分配相同的编码调制方式。本发明提出的反馈方法只需向发送端反馈单个数据流的控制信息，从而降低了反馈开销和实现复杂度。

Description

MIMO系统的反馈装置与方法
技术领域
本发明涉及无线信息传输领域的MIMO(多天线)系统，特别涉及一种用于MIMO系统的反馈装置与方法。
背景技术
随着通信业务的蓬勃发展，要求未来的无线/移动通信网络能支持高速率大容量的数据、多媒体等业务。新一代蜂窝移动通信网络3GPP LTE、LTE-Advanced均采用了多天线(MIMO)技术提高频谱效率，单用户MIMO能提高用户的峰值速率，多用户MIMO(MU MIMO)能提高蜂窝系统的平均容量。
单/多用户MIMO的工作模式可分为开环和闭环，其中闭环MIMO在提高系统吞吐量方面有明显优势。闭环MIMO的实现方式有两类：一是基于码本选择的波束成形BF(预编码)，它在有限反馈条件下能获得较好性能；另一是基于信道状态信息(CSI)反馈的波束成形，如对信道矩阵进行特征值分解(SVD)的BF，它在反馈不受限时能获得好的性能。但在多用户MIMO环境中，在系统性能相同时，码本选择的波束成形要求更多的反馈开销，故本发明以CSI直接反馈的闭环MIMO为研究目标。在TDD方式下，发送端可利用信道互易性获得信道信息，然后收发端进行联合BF处理。下面先介绍SVD BF的原理。
设发送信号s经预编码器P后的信号为x＝Ps，则接收信号为y＝HPs+n，其中H为N×N维信道矩阵，n为方差σ2的噪声。对信道矩阵SVD分解
Figure B2009102499051D0000011
得到多个并行独立的子信道，每个子信道增益等于其特征值Λ＝diag{λ1…λK}。从信息论知最优预编码为F＝VΦ，其中Φ＝diag{φ1…φK}，
Figure B2009102499051D0000012
(z)+＝max{0，z}，
Figure B2009102499051D0000013
对接收信号滤波得
Figure B2009102499051D0000014
每个空间子信道信噪比为
SVD BF方式中，由于各子信道增益差异较大，为获得最优系统容量，需采用自适应调制编码技术，即对每个子信道数据流进行调制编码等级(MCS)的选择。一般自适应SVD BF原理如图1，发送数据经预编码(发送BF)后发送至信道，接收端先计算出每天线数据流的信噪比SNR，根据SNR选定每流的调制编码方式及对应的信道质量指示信息(CQI)，然后利用反馈链路把CQI反馈到发送端，发送端依据CQI为每流分配编码调制方式。从图中可以看到，SVD BF的需要的反馈、控制信息与子信道数据流数成正比。当空域数据流数和用户数较多时，为每用户数据流实时分配MCS也难以实现。因此，需要设计新的BF及反馈技术以保证MIMO系统性能，同时能克服SVD BF反馈开销大的缺陷。
参考文献
[1]J.K.Zhang，A.and KM Wong，“Equal-diagonal QR decomposition and its application to precoder design for successive-cancellation detection”，IEEE Trans.Inf.Theory，vol.51，no.1，pp.154-172，Jan.，2005
[2]Y.Jiang，J.Li and Hager，W.W，“Joint transceiver design for MIMO communications using geometric mean
decomposition，”IEEE Trans.Signal Processing，vol.53，no.10，pp.3791-3803，Oct.2005.
[3]Adaptive multi-levels dictionaries and singular value decomposition techniques for autonomic problem determination，USPTO 20090222396
[4]Novel partial channel precoding and successive interference cancellation for multi-input multi-output orthogonal frequency division modulation(mimo-ofdm)systems，USPTO 20090225889
发明内容
本发明的目的在于克服现有SVD BF反馈开销多的缺陷，提供一种用于单/多用户MIMO系统的信号反馈装置及方法，以便既保证获得好的系统性能，又具有实现复杂度低的优点。
根据本发明第一方面，提供了了一种用于MIMO系统的反馈方法，它通过对接收的多天线信道矩阵进行等增益子信道分解，获得代表MIMO系统中每个子信道增益的子信道共享增益，由此降低MIMO系统的反馈开销。
根据本发明第二方面，提供了用于MIMO系统的一个具体的反馈方法，包括以下步骤：
在MIMO接收机与发射机之间建立反馈链路；
在所述接收机通过对接收的多天线信道矩阵进行等增益子信道分解，获得代表MIMO系统中每个子信道增益的子信道共享增益；
利用所述子信道共享增益计算子信道信噪比SNR；
根据所述子信道信噪比SNR选择用于所有子信道的相同编码调制方式MCS；
选定所述编码调制方式MCS所对应的信道质量指示信息CQI；
通过所述反馈链路将所述信道质量指示信息CQI反馈给所述发射机；
发射机根据所反馈的信道质量指示信息CQI，为每个子信道分配与其对应的编码调制方式MCS，从而使发射机的各个子信道采用相同的编码和调制方式对发送比特流进行编码和调制。
其中通过查找所述子信道信噪比SNR与所述编码调制方式MCS的查找表，选择用于所有子信道的相同编码调制方式MCS，即调制方式和编码速率。
其中通过查找所述编码调制方式MCS与所述信道质量指示信息CQI的查找表，选定所述编码调制方式MCS所对应的信道质量指示信息CQI。
其中信道质量指示信息CQI具有分别对应不同级别子信道信噪比SNR和不同调制方式和编码速率的标识符。
其中发射机各个子信道对发送比特流进行编码和调制后，对各个子信道进行逐级干扰预删除和THP预编码处理。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于MIMO系统的反馈装置，包括：
设置在MIMO接收机端的等增益子信道分解单元，用于通过对接收的多天线信道矩阵进行等增益子信道分解，获得代表MIMO系统中每个子信道增益的子信道共享增益；
连接所述等增益子信道分解单元的子信道信噪比计算单元，用于利用等增益子信道分解单元获得的子信道共享增益计算子信道信噪比SNR；
连接所述子信道信噪比计算单元的编码调制方式MCS选择单元，用于根据所述子信道信噪比计算单元计算的子信道信噪比SNR选择用于所有子信道的相同编码调制方式MCS；
连接所述编码调制方式MCS选择单元的信道质量指示信息CQI选定单元，用于选定所述编码调制方式MCS所对应的信道质量指示信息CQI；
建立在MIMO系统接收机与发射机之间的反馈链路；
设置在MIMO发射机端的编码调制方式MCS分配单元，用于根据经由所述反馈链路反馈的所述信道质量指示信息CQI为每个子信道分配与其对应的编码调制方式MCS，从而使发射机的各个子信道采用相同的编码和调制方式对发送比特流进行编码和调制。
其中所述编码调制方式MCS选择单元具有所述子信道信噪比SNR对应于所述编码调制方式MCS的查找表，通过查找所述查找表选择用于所有子信道的相同编码调制方式MCS，即调制方式和编码速率。
其中所述信道质量指示信息CQI选定单元具有所述编码调制方式MCS对应于所述信道质量指示信息CQI的查找表，通过查找所述查找表选定所述编码调制方式MCS所对应的信道质量指示信息CQI。
其中可以利用几何平均分解(GMD)法、统一信道分解(UCD)法或等对角元分解法执行所述等增益子信道分解。
由于本发明的只需计算任一子信道增益值，并输出一个信噪比值，从而降低了反馈开销。此外，该反馈装置及方法可以适用于单用户和多用户MIMO通信系统。并且，上述反馈装置及方法也适用于单码字和多码字MIMO系统。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1a和图1b分别显示了目前建议的反馈装置及反馈流程的示意图；
图2a和图2b分别显示了本发明的反馈装置及反馈流程的示意图；
图3显示了本发明的反馈方法应用于MIMO BF中的流程图；
图4a和图4b显示了应用本发明的一个具体实例；
图5是对图4所示实例的仿真结果。
具体实施方式
本发明的基本思想是：对多天线信道矩阵进行分解，使得每天线支路信道增益相同，即每流信噪比也相同，接收端反馈CQI时仅需反馈单个子信道信息。
图2a显示了实现MIMO系统反馈的装置，它包括计算信噪比SNR、编码调制选择MCS、CQI选定以及MCS分配等单元或模块。在接收端，与一般的反馈装置不同，提出的装置中SNR计算模块仅需根据任一子信道的增益计算出SNR值。相应地，MCS选择模块对所有子信道选择一种MCS，故反馈链路也只需反馈一个CQI信息。
具体地说，本发明的用于MIMO系统的反馈装置包括：
设置在MIMO接收机端的等增益子信道分解单元10(参见图4a)，用于通过对接收的多天线信道矩阵进行等增益子信道分解，获得代表MIMO系统中每个子信道增益的子信道共享增益；
子信道信噪比计算单元11，用于利用等增益子信道分解单元10获得的子信道共享增益计算子信道信噪比SNR；
编码调制方式MCS选择单元12，用于根据子信道信噪比计算单元11计算的子信道信噪比SNR选择用于所有子信道的相同编码调制方式MCS；
信道质量指示信息CQI选定单元13，用于选定由编码调制方式MCS选择单元12所选择的编码调制方式MCS所对应的信道质量指示信息CQI；
建立在MIMO系统接收机与发射机之间的反馈链路14；
设置在MIMO发射机端的编码调制方式MCS分配单元15，用于根据经由反馈链路14反馈的信道质量指示信息CQI为每个子信道分配与其对应的编码调制方式MCS，从而使发射机的各个子信道采用相同的编码和调制方式对发送比特流进行编码和调制。
图2a所示的编码调制方式MCS选择单元12具有子信道信噪比SNR对应于编码调制方式MCS的查找表，通过查找所述查找表选择用于所有子信道的相同编码调制方式MCS，即调制方式和编码速率。
图2a所示的信道质量指示信息CQI选定单元13具有编码调制方式MCS对应于信道质量指示信息CQI的查找表，通过查找该查找表可以选定所述编码调制方式MCS所对应的信道质量指示信息CQI。
本发明的用于MIMO系统的反馈方法是通过图2a所示的反馈装置实现的，该反馈方法包括以下步骤：
在MIMO接收机与发射机之间建立反馈链路；
在所述接收机通过对接收的多天线信道矩阵进行等增益子信道分解，获得代表MIMO系统中每个子信道增益的子信道共享增益；
利用所述子信道共享增益计算子信道信噪比SNR；
根据所述子信道信噪比SNR选择用于所有子信道的相同编码调制方式MCS；
选定所述编码调制方式MCS所对应的信道质量指示信息CQI；
通过所述反馈链路将所述信道质量指示信息CQI反馈给所述发射机；
发射机根据所反馈的信道质量指示信息CQI，为每个子信道分配与其对应的编码调制方式MCS，从而使发射机的各个子信道采用相同的编码和调制方式对发送比特流进行编码和调制。
其中，通过查找子信道信噪比SNR对应于编码调制方式MCS的查找表，可以选择用于所有子信道的相同编码调制方式MCS，即调制方式和编码速率。
其中，通过查找编码调制方式MCS对应于信道质量指示信息CQI的查找表，可以选定所述编码调制方式MCS所对应的信道质量指示信息CQI。
图2b显示了实现本发明的MIMO系统反馈方法的流程图，该流程开始于步骤20，然后在步骤21计算用于每个子信道的单个数据流的信噪比SNR；在步骤22中，根据所计算的SNR为每个子信道或数据流选择相同的编码调制方式(MCS)；在步骤23中，选定与MCS对应的一个CQI；在步骤24中，通过反馈链路将CQI反馈到发射机端；发射机在步骤25中根据CQI为每个数据流分配相同的MCS。流程最后结束于步骤26。
图3显示了本发明的反馈方法应用于MIMO BF的流程。流程开始于步骤30；在步骤31中，利用信道分解方法把信道分解为增益相等的子信道，即等增益子信道分解，可以利用已有的几何平均分解(GMD)法、统一信道分解(UCD)法或等对角元分解法执行所述等增益子信道分解；若利用几何平均分解(GMD)方法，则把信道分解为：HH＝QRP，其中P，Q为正交阵，R[rij]为等对角元的下三角阵，其对角元
Figure B2009102499051D0000061
rank(H)＝K。在步骤32中，接收机先计算出用于各数据流的共享信噪比SNR，并根据此SNR信息反馈一个CQI信息，然后发送端依据CQI为每个数据流选择相同的编码调制方式；在步骤33中，发射机对发送比特流编码、调制后进行逐级干扰预删除处理：例如设第1…N幅天线端依次发送的数据流分别为s1，s2，…，sN，第1幅天线数据流s1先发送。第2幅天线端发送数据流s2时，先消除s1对其的干扰，即
Figure B2009102499051D0000062
同时，为避免干扰删除操作带来的功率放大影响，需要对干扰删除信号进行THP(Tomlinson-Harashima Precoding)预编码，即
Figure B2009102499051D0000063
如对脉冲幅度调制(PAM)信号，THP操作定义为
Figure B2009102499051D0000064
其中M为调制符号阶数，d为星座符号间距；其他各流发送数据可类推，如第N幅天线发送信号为在步骤34中，发射机利用矩阵P对流间干扰预删除后的信号x＝[x1…xN]T相乘得到预编码(发射BF)后的信号Px并发送到信道。在步骤35中，接收机利用矩阵对接收信号y均衡
Figure B2009102499051D0000067
以及THP操作后恢复发送信号。
上述GMD BF可进一步应用到多用户情形，其信号收发操作如下。
第1步：从K个用户组成的的信道矩阵HH中，选出对第一个用户的信道矩阵
Figure B2009102499051D0000068
(剩余矩阵为
Figure B2009102499051D0000069
)，利用几何平均分解方法对其进行信道分解
Figure B2009102499051D00000610
获得第一个用户的发送BF矩阵P1和接收BF矩阵Q1。为了消除第一个用户发送信号对其他用户的干扰，将其投影到其他用户信道
Figure B2009102499051D00000611
这通过正交投影矩阵
Figure B2009102499051D00000612
实现，即
Figure B2009102499051D00000613
然后，从
Figure B2009102499051D00000614
中选出对第二个用户的信道矩阵进行GMD分解，得到其发送BF矩阵P2和接收BF矩阵Q2。依次类推，获得K个用户发送、接收BF矩阵；
第2步：反馈装置端计算出每用户各数据流的信噪比SNR，并根据此SNR信息反馈一个信道质量指示信息(CQI)，发送端依据CQI选择合理的编码调制方式。
第3步：发送端对各发送数据流间进行逐级干扰预删除处理：
设第1…N幅天线端依次发送的数据流分别为s1，s2，…，sN，第1幅天线数据流s1先发送，第2幅天线端发送干扰删除后的数据流
Figure B2009102499051D0000071
可类推到第N幅天线发送信号为
Figure B2009102499051D0000072
第4步：对每个用户分别利用对应的BF矩阵P对流间干扰预删除后的信号x＝[x1…xN]T相乘得到预编码后的信号Px并发送到信道；
第5步：每个用户端利用相应的矩阵
Figure B2009102499051D0000073
对接收信号y均衡
Figure B2009102499051D0000074
以及THP操作后恢复发送信号。
本发明提出的反馈方法有如下优势：只需向发送端反馈一个SNR信息，发送端根据此SNR信息为所有数据流选择相同的调制编码方式，从而降低了实现复杂度。
下面以3GPP LTE为例对本发明进一步说明，选取的参数基于3GPP LTE标准，如下表
Figure B2009102499051D0000075
单码字传输的发送、接收机框图如图4a，信息比特经过信道编码器后送入各天线支路，对每支路比特流分别进行调制后送入干扰删除器进行发送数据流间的干扰预删除，然后经过预编码、IFFT调制后发送到信道。与发送端相比，接收端的操作较为简单，对信号进行FFT解调、均衡、解调和译码后即可恢复信号。
其实现步骤如下：
第1步：等增益子信道分解单元10对信道矩阵进行GMD信道分解，如对某时刻信道H分解后
Figure B2009102499051D0000081
Figure B2009102499051D0000082
Figure B2009102499051D0000083
Figure B2009102499051D0000091
Figure B2009102499051D0000093
Figure B2009102499051D0000094
Figure B2009102499051D0000101
第2步：子信道信噪比计算单元11计算代表每个子信道增益的子信道共享增益，MCS选择单元12确定天线支路的调制编码方式，CQI选定单元根据MCS等级选定相应CQI，使得接收机能够根据SNR信息为各数据流反馈反映调制、编码方式选择的信道质量指示信息(CQI)，发射机依据CQI选择合理的编码调制方式。对双码字SVD BF系统中，由于2个码流信道增益不同，需要反馈2个CQI信息。按LTE规定，每个CQI需要4比特即需反馈，故双码字SVDBF需反馈8个比特。在GMD BF系统中，由于2个码流信道增益相同，需要反馈1个CQI信息，即4个比特。可以看出，SVD BF的CQI反馈与码流数量成正比关系，而GMD BF仅需反馈一个CQI信息。
第3步：发射机对各发送数据流间进行逐级干扰预删除处理：
设每幅天线发送信号分别为[-0.7071+0.7071i 0.7071+0.7071i 0.7071+0.7071i 0.7071+0.7071i 0.7071-0.7071i 0.7071-0.7071i 0.7071+0.7071i -0.7071-0.7071i]，经干扰预删除及THP预编码后的发送信号为[-0.7071+0.7071i -0.6541-0.7601i -0.0109-0.7287i 0.7685+0.9005i 0.7847-0.7991i 1.0577-1.0526i 0.1656+1.2447i -0.0526 -1.0054i]。
第4步：发射机利用矩阵P对流间干扰预删除后的信号预编码(发射BF)后的信号为[0.6954 -0.0569i 1.1188-0.6200i 0.0910+0.4695i 1.4896+1.0346i1.3353-0.1398i -1.1861-0.9185i -0.2853+0.1838i 0.3858-0.2270i]；
第5步：发送信号经过信道后，到达接收端的信号为[-2.2531 -1.8943i 2.1776+16429i -25133+1.1838i 1.2045 -0.6614i -0.3442 +1.1179i -1.2274 -0.5398i 1.5773-1.4722i  -2.1004+1.7615i]，利用矩阵
Figure B2009102499051D0000102
对接收信号均衡和THP操作后信号为[0.5881+1.2530i  0.4604+0.6951i 0.7188+0.9120i0.5861-1.3643i 0.8778-0.6228i 0.5351-0.0212i 0.2821+0.2501i -1.3337-0.0627i]。对该信号解调、译码后可恢复发送比特流。
图4b显示了一个CI、SNR、MCS即调制方式和码率的查找表。
依据上述步骤，分别对单码字和双码字GMD BF进行仿真，结果如图5，可见GMD BF的误块率性能优于SVD BF。这主要由于GMD BF的各子信道增益相同，能克服SVD BF性能受特征值小的子信道影响。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于MIMO系统的反馈方法，通过对接收的多天线信道矩阵进行等增益子信道分解获得代表MIMO系统中每个子信道增益的子信道共享增益，由此降低MIMO系统的反馈开销。
2.一种用于MIMO系统的反馈方法，包括以下步骤：
在MIMO接收机与发射机之间建立反馈链路；
在所述接收机通过对接收的多天线信道矩阵进行等增益子信道分解，获得代表MIMO系统中每个子信道增益的子信道共享增益；
利用所述子信道共享增益计算子信道信噪比SNR；
根据所述子信道信噪比SNR选择用于所有子信道的相同编码调制方式MCS；
选定所述编码调制方式MCS所对应的信道质量指示信息CQI；
通过所述反馈链路将所述信道质量指示信息CQI反馈给所述发射机；
发射机根据所反馈的信道质量指示信息CQI，为每个子信道分配与其对应的编码调制方式MCS，从而使发射机的各个子信道采用相同的编码和调制方式对发送比特流进行编码和调制。
3.根据权利要求2所述的方法，其中通过查找所述子信道信噪比SNR与所述编码调制方式MCS的查找表，选择用于所有子信道的相同编码调制方式MCS，即调制方式和编码速率。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中通过查找所述编码调制方式MCS与所述信道质量指示信息CQI的查找表，选定所述编码调制方式MCS所对应的信道质量指示信息CQI。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中信道质量指示信息CQI具有分别对应不同级别子信道信噪比SNR和不同调制方式和编码速率的标识符。
6.根据权利要求1所述的方法，其中发射机各个子信道对发送比特流进行编码和调制后，对各个子信道进行逐级干扰预删除和THP预编码处理。
7.一种用于MIMO系统的反馈装置，包括：
设置在MIMO接收机端的等增益子信道分解单元(10)，用于通过对接收的多天线信道矩阵进行等增益子信道分解，获得代表MIMO系统中每个子信道增益的子信道共享增益；
连接所述等增益子信道分解单元(10)的子信道信噪比计算单元(11)，用于利用等增益子信道分解单元(10)获得的子信道共享增益计算子信道信噪比SNR；
连接所述子信道信噪比计算单元(11)的编码调制方式MCS选择单元(12)，用于根据所述子信道信噪比计算单元(11)计算的子信道信噪比SNR选择用于所有子信道的相同编码调制方式MCS；
连接所述编码调制方式MCS选择单元(12)的信道质量指示信息CQI选定单元(13)，用于选定所述编码调制方式MCS所对应的信道质量指示信息CQI；
建立在MIMO系统接收机与发射机之间的反馈链路(14)；
设置在MIMO发射机端的编码调制方式MCS分配单元(15)，用于根据经由所述反馈链路反馈的所述信道质量指示信息CQI为每个子信道分配与其对应的编码调制方式MCS，从而使发射机的各个子信道采用相同的编码和调制方式对发送比特流进行编码和调制。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述编码调制方式MCS选择单元(12)具有所述子信道信噪比SNR对应于所述编码调制方式MCS的查找表，通过查找所述查找表选择用于所有子信道的相同编码调制方式MCS，即调制方式和编码速率。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中所述信道质量指示信息CQI选定单元具有所述编码调制方式MCS对应于所述信道质量指示信息CQI的查找表，通过查找所述查找表选定所述编码调制方式MCS所对应的信道质量指示信息CQI。
10.根据权利要求1或2或7所述的方法或装置，其中利用几何平均分解(GMD)法、统一信道分解(UCD)法或等对角元分解法执行所述等增益子信道分解。
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