CN102148663B - 综合利用长时和短时信道状态信息的自适应传输方法 - Google Patents

Abstract

综合利用长时和短时信道状态信息的自适应传输方法，基站采用长时预编码和短时预编码级联的方式，自适应于长时信道和短时信道的变化，该方法具体为：a、用户利用信道估计的结果获取信道统计信息，并通过反馈信道传送至基站，b、用户根据信道估计的结果以及当前子帧使用的长时预编码矩阵，计算得到短时预编码域的等效信道，c、基站利用从反馈信道或利用上下行链路的统计互易性获得的信道统计信息计算出相关参数，进行长时预编码；d、基站利用从反馈信道获得的秩指示RI、预编码矩阵指示PMI和信道质量指示CQI参数进行短时预编码。基本特点是根据长时和短时信道状态信息的变化，动态调整长时预编码参数和短时预编码参数，应用于高阶MIMO系统中。

Description

综合利用长时和短时信道状态信息的自适应传输方法

技术领域

本发明涉及3GPP LTE(第三代合作伙伴计划的长期演进)标准化进程领域，特别是涉及一种高阶多天线发送和多天线接收(MIMO)系统在各种信道环境下的自适应传输方案。

背景技术

采用多天线发送和多天线接收的MIMO传输技术是挖掘利用空间维度的无线资源、提高频谱利用率和功率利用率的基本途径，十余年来一直是移动通信领域研究开发的主流技术之一。随着计算机和集成电路的飞跃发展，MIMO技术逐渐进入了实际通信系统，在3GPP LTE和IEEE 802.16e等最新标准中，空时编码、空时发送分集、空分复用、以及预编码传输等MIMO技术得到应用。在移动终端移动过程中，由于传输链路可能经历不同的信道条件，系统的信道容量随之而变，MIMO传输技术必须能够自适应于复杂多变的信道环境。为了满足IMT-Advanced技术标准对传输速率和频谱效率的要求，对于下行链路，3GPP标准化进程中提出在基站侧支持八个发送天线的高阶MIMO传输。

在LTE R8标准中，自适应信道环境的下行传输采用基于码本的预编码方式：用户利用信道估计的结果，从码本中选取最优的预编码矩阵，并将其在码本中的预编码矩阵指示(PMI，Precoding Matrix Indication)反馈给发送端；基站根据接收到的反馈信息获得预编码矩阵，进行预编码操作。此外，用户还应反馈秩指示(RI，Rank Indication)和信道质量信息(CQI，ChannelQuality Indication)以辅助发送端获得并行传输的层的个数和每个码字的调制编码方式。由于LTE R8标准支持至多四个天线的MIMO传输技术，其定义的码本仅适用于两个和四个发送天线。显然前，对于支持八个发送天线的高阶MIMO传输，LTE定义的码本已经不能直接适用，需提出实现复杂度低预编码设计方法。

本发明利用高阶MIMO信道通常呈现出较强空间相关性等特点，提出在基站联合使用短时预编码和长时预编码的自适应传输方法。其中，长时预编码利用长时信道状态信息，具有对MIMO信道统计解相关的作用，降低了短时预编码域等效信道的维数，短时预编码则基于LTE码本，利用了短时信道状态信息完成自适应传输。因此，联合使用短时预编码和长时预编码的预编码方案，解决了LTE码本无法适用于高阶MIMO的问题，在适应各种移动速度的同时提高频谱利用率、功率利用率、以及传输的可靠性。

发明内容

技术问题：本发明提供一种综合利用长时和短时信道状态信息的自适应传输方法，能够应用于高阶MIMO系统中，其基本特点是根据长时和短时信道状态信息的变化，动态调整长时预编码参数和短时预编码参数。

技术方案：本发明的综合利用长时和短时信道状态信息的自适应传输方法，基站采用长时预编码和短时预编码级联的方式，自适应于长时信道和短时信道的变化，该方法具体为：

a、用户利用信道估计的结果获取信道统计信息，并通过反馈信道传送至基站，用于基站计算长时预编码所需的参数；

b、用户根据信道估计的结果以及当前子帧使用的长时预编码矩阵，计算得到短时预编码域的等效信道，并根据等效信道计算出短时预编码所需的秩指示RI、预编码矩阵指示PMI和信道质量指示CQI参数，并通过反馈信道传送至基站；

c、基站利用从反馈信道或利用上下行链路的统计互易性获得的信道统计信息计算出相关参数，进行长时预编码；

d、基站利用从反馈信道获得的秩指示RI、预编码矩阵指示PMI和信道质量指示CQI参数进行短时预编码。

所述的长时预编码自适应于长时信道状态信息的变化，基于统计特征模式；而短时预编码自适应于短时信道状态信息的变化，基于长期演进计划LTE定义的码本。

用户所获取的信道的统计信息包括：信道收和发相关矩阵、信道可分辨的独立数据流的个数。

基站利用上下行链路的统计互易性获得信道的统计信息时，用户无需再由反馈信道传送信道的统计信息。

用于短时预编码的秩指示RI、预编码矩阵指示PMI和信道质量指示CQI参数需要用户在带宽内以频率选择性的方式反馈。

有益效果：本发明实施例提供的综合利用长时和短时信道状态信息的高阶MIMO自适应传输方法，具有如下优点：

1、本方法能够基于LTE R8定义的码本，解决高阶MIMO系统中的自适应传输问题；

2、本方法中，基站可以利用上下行链路的统计互易性获得下行信道的统计信息，而不需要用户反馈；

3、本方法能够充分利用信道状态信息，提高频谱利用率、功率利用率、以及传输的可靠性；

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅表明本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为本发明实施例提供的综合利用长时和短时信道状态信息的高阶MIMO自适应传输的系统框图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种综合利用长时和短时信道状态信息的自适应传输方法，该方法可以分为如下两个部分：

一、基于统计特征模式的长时预编码

长时预编码基于基站已知长时信道状态信息，即信道的统计信息。理论研究表明，在通常的分离相关和联合相关MIMO信道中，信道容量最大化下的最优传输方案为统计特征模式传输，即在发送相关矩阵特征向量所确定的方向上并行传输。长时预编码具有对高阶MIMO信道统计解相关的作用，降低了短时预编码域等效信道的维数。由于信道的相关性在带宽内几乎保持不变、在时间上变化缓慢，因此长时预编码矩阵相关的参数不需要频繁地反馈，也不需要在带宽内以频率选择性的方式反馈。

用户在接收到通过MIMO信道传输的信号后，利用导频接收信号进行信道估计，并根据信道估计的结果得到信道的统计信息，包括发送空间相关、接收空间相关。利用这些统计信息可以得到链路自适应控制所需参数，包括长时预编码矩阵、信道可分辨的独立数据流的个数，这些参数将用于后续子帧的数据检测，另外，信道的统计信息将通过反馈信道传送至发送端，经过一定的反馈延迟后，基站从反馈信道中获得信道的统计信息，并通过与接收端相同的计算方法得到链路自适应控制所需的参数，进行长时预编码。值得一提的是，基站可以利用上下行链路的统计互易性得到信道的统计信息，这样用户就无需通过反馈信道将信道的统计信息传送给发送端了。

(1)信道统计信息的获取

所述方案中的信道统计信息包括信道的发送相关矩阵和接收相关矩阵。

为方便描述，假设每K个子帧反馈一次链路自适应控制的参数用于长时预编码，用N_R×N_T的矩阵

表示第k帧的信道估计值，m＝0，1，K，N_sc-1，l＝0，K，N_symb-1分别为频域下标和时域下标，N_sc为数据占用的子载波个数，N_symb为一个子帧中包含的OFDM符号的个数。

利用第k个子帧得到的信道估计参数，其信道的发送相关阵

和接收相关阵

可表示为：

$R_{\mathrm{TX}}^{\left(k\right)}=\frac{1}{N_{\mathrm{sc}}{N}_{\mathrm{symb}}}\underset{l=0}{\overset{N_{\mathrm{symb}}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{sc}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(H_{m,l}^{\left(k\right)}\right)}^H{H}_{m,l}^{\left(k\right)}---\left(1\right)$

$R_{\mathrm{RX}}^{\left(k\right)}=\frac{1}{N_{\mathrm{sc}}{N}_{\mathrm{symb}}}\underset{l=0}{\overset{N_{\mathrm{symb}}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{sc}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{m,l}^{\left(k\right)}{\left(H_{m,l}^{\left(k\right)}\right)}^H---\left(2\right)$

则由当前K个子帧统计得到的信道的发送相关阵

和接收相关阵

为：

$R_{\mathrm{TX}}^{\left(\mathrm{cur}\right)}=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{TX}}^{\left(k\right)}=\frac{1}{{\mathrm{KN}}_{\mathrm{sc}}{N}_{\mathrm{symb}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=0}{\overset{N_{\mathrm{symb}}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{sc}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(H_{m,l}^{\left(k\right)}\right)}^H{H}_{m,l}^{\left(k\right)}---\left(3\right)$

$R_{\mathrm{RX}}^{\left(\mathrm{cur}\right)}=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{RX}}^{\left(k\right)}=\frac{1}{{\mathrm{KN}}_{\mathrm{sc}}{N}_{\mathrm{symb}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=0}{\overset{N_{\mathrm{symb}}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{sc}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{m,l}^{\left(k\right)}{\left(H_{m,l}^{\left(k\right)}\right)}^H---\left(4\right)$

为了使统计得到的相关阵在时域上具有记忆性，用遗忘因子β对相邻K个子帧获得的结果进行平滑，即：

$R_{\mathrm{TX}}^{\left(\mathrm{new}\right)}=(1-\mathrm{\β})R_{\mathrm{TX}}^{\left(\mathrm{cur}\right)}+\mathrm{\β}{R}_{\mathrm{TX}}^{\left(\mathrm{old}\right)}---\left(5\right)$

$R_{\mathrm{RX}}^{\left(\mathrm{new}\right)}=(1-\mathrm{\β})R_{\mathrm{RX}}^{\left(\mathrm{cur}\right)}+\mathrm{\β}{R}_{\mathrm{RX}}^{\left(\mathrm{old}\right)}---\left(6\right)$

其中，上标new和old分别表示当前K个子帧和上K个子帧。

(2)链路自适应参数计算

发送端得到信道的统计信息后，需要计算出相关链路自适应控制的参数用于长时预编码，这些参数包括长时预编码矩阵和可分辨的独立数据流的个数。

a)长时预编码矩阵计算

长时预编码矩阵基于信道发送相关矩阵的特征值分解，对当前K个子帧平滑后的发送相关阵

和接收相关阵

进行特征分解：

$R_{\mathrm{TX}}^{\left(\mathrm{new}\right)}=U_t{\mathrm{\Λ}}_t{U}_t^H---\left(7\right)$

$R_{\mathrm{RX}}^{\left(\mathrm{new}\right)}=U_r{\mathrm{\Λ}}_r{U}_r^H---\left(8\right)$

其中 λ_t，i(i＝1，2，...，N_T)，λ_r，j(j＝1，2，...，N_R)分别是

与

按降序排列的的特征值，U_t、U_r分别是与之相对应的和

的特征矩阵。U_t和Λ_t统称为信道的特征模式，由U_t的若干列组成的矩阵即为所需的长时预编码矩阵，列的选择由下述流控制部分决定。

b)流控制

MIMO自适应传输系统一个很重要的组成部分是流控制机制。接收机通过对信道的统计特性进行分析，综合考虑MIMO信道的发射相关、接收相关以及直达径等因素的影响，从能量的观点出发，确定实际可传送的流个数N_S。

当和

的特征分解确定后，可以用下面的公式来选择N_S。记：

$Q_t=\arg \underset{i}{\min }\{\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{t,i}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{t,1}}<{\mathrm{\&alpha;}}_t\}---\left(9\right)$

$Q_r=\arg \underset{j}{\min }\{\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{r,j}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{r,1}}<{\mathrm{\&alpha;}}_r\}---\left(10\right)$

其中α_t，α_r分别为发送端和接收端的流选择因子(一般情况下在0.3左右取值)，则发送流个数的初始值为：

N_S＝min{Q_t，Q_r}        (11)

上述流控制方法综合考虑了发端相关，收端相关以及直达径的影响。从公式(9)和公式(10)可以看出：公式(9)包括了信道的直达径和发相关信息，公式(10)则蕴涵了直达径和收相关信息。进行流控制时只考虑公式(9)或公式(10)都是不够完善的。

另外，由于流的个数N_S为短时预编码域的等效发射天线的个数，为使短时预编码能够使用LTE的码本，则等效发射天线的个数必须为2或4，因此，在公式(11)的基础上，进一步做如下规定：若N_S≤3，则取N_S＝2，否则，取N_S＝4

二、基于码本的短时预编码

通过长时预编码，短时预编码域的等效信道的维数为N_R×N_S，N_R为用户端接

收天线的个数，N_S为可同时发送的流的个数(N_S＝2或N_S＝4)，即短时预编码域等效发送天线的个数。短时预编码采用基于LTE R8码本的方式自适应短时信道状态的变化。

(1)用户根据当前子帧信道估计的结果以及相应的长时预编码矩阵，获得短时预编码域N_R×N_S维的等效信道参数，并利用该等效信道参数进行短时预编码矩阵选择、秩选择和编码调制方式选择，将选择的预编码矩阵在码本中的PMI、选择的秩对应的RI和选择的编码调制模式所对应的CQI通过反馈信道传送至基站。

(2)基站收到来自反馈信道的信息后，根据RI确定码字和层的个数，根据CQI确定每个码字的编码调制模式，由此对需要发送的信息比特进行自适应编码调制；调制符号经过层映射后，基站根据PMI，进行相应的短时预编码操作，最后经过长时预编码，通过OFDM调制送至MIMO信道。需要说明的是反馈信道一般为上行共享信道或者上行控制信道。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明实施例提供的综合利用长时和短时信道状态信息的自适应传输方法，能够在高阶MIMO系统中自适应于信道环境的变化，其系统框图如图1所示。具体实施方式如下：

用户：

(1)利用接收导频信号进行信道估计，并根据公式(1)-(8)计算发送相关阵

和接收相关阵

(2)分别对

和

进行特征值分解，得到U_t、Λ_t、Λ_r；

(3)根据公式(2)中相关阵特征值分解的结果，根据公式(9)-(11)计算可独立传输的数据流的个数N_S，若N_S≤3，则取N_S＝2，否则取N_S＝4；

(4)利用信道估计结果和当前子帧使用的长时预编码矩阵，相乘得到短时预编码域的等效信道；

(5)根据短时预编码域的等效信道，计算参数秩指示(RI)、预编码矩阵指示(PMI)和信道质量指示(CQI)，并通过反馈信道传送至基站；

基站：

(6)根据信道的统计信息，采用与用户侧利用公式(2)和公式(3)进行计算的方法，得到长时预编码矩阵和可独立传输的数据流的个数；

(7)根据RI确定码字和层的个数，根据CQI确定每个码字的编码调制模式，由此对需要发送的信息比特进行自适应编码调制；调制符号经过层映射后，基站根据PMI，进行相应的短时预编码操作，最后根据公式(6)中得到的长时预编码矩阵进行长时预编码，通过OFDM调制后，发送到MIMO信道。

Claims (4)

1.一种综合利用长时和短时信道状态信息的自适应传输方法，其特征在于，基站采用长时预编码和短时预编码级联的方式，自适应于长时信道和短时信道的变化，该方法具体为：

a、用户利用信道估计的结果获取信道统计信息，并通过反馈信道传送至基站，用于基站计算长时预编码所需的参数；

b、用户根据信道估计的结果以及当前子帧使用的长时预编码矩阵，计算得到短时预编码域的等效信道，并根据等效信道计算出短时预编码所需的秩指示RI、预编码矩阵指示PMI和信道质量指示CQI参数，并通过反馈信道传送至基站；

c、基站利用从反馈信道或利用上下行链路的统计互易性获得的信道统计信息计算出相关参数，进行长时预编码；

d、基站利用从反馈信道获得的秩指示RI、预编码矩阵指示PMI和信道质量指示CQI参数进行短时预编码；

所述的长时预编码自适应于长时信道状态信息的变化，基于统计特征模式；而短时预编码自适应于短时信道状态信息的变化，基于长期演进计划LTE定义的码本。

2.根据权利要求1所述的综合利用长时和短时信道状态信息的自适应传输方法，其特征在于，用户所获取的信道的统计信息包括：信道收和发相关矩阵、信道可分辨的独立数据流的个数。

3.根据权利要求1所述的综合利用长时和短时信道状态信息的自适应传输方法，其特征在于，基站利用上下行链路的统计互易性获得信道的统计信息时，用户无需再由反馈信道传送信道的统计信息。

4.根据权利要求1所述的综合利用长时和短时信道状态信息的自适应传输方法，其特征在于，用于短时预编码的秩指示RI、预编码矩阵指示PMI和信道质量指示CQI参数需要用户在带宽内以频率选择性的方式反馈。

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