CN102326336A - 用于无线网络的差分码本、利用它的mimo波束成形系统以及利用它减少用于无线网络的mimo波束成形系统中的量化误差的方法 - Google Patents

Abstract

用于无线网络的差分码本包括多个码字和作为该多个码字的中心位置的

其中e_k表示包括多行的列向量，所述多行包含第k行，且其中第k行上的条目是1且该多行中除第k行外的每行上的条目是0，其中G是包括单位矩阵的任意N_s乘N_s酉矩阵，且其中N_s表示无线网络中的若干空间流。多个码字中的至少两个关于中心位置对称。

Description

用于无线网络的差分码本、利用它的MIMO波束成形系统以及利用它减少用于无线网络的MIMO波束成形系统中的量化误差的方法

发明领域

本发明公开的实施例一般涉及无线通信，且尤其涉及无线通信网络中的波束成形。

发明背景

在包括用户站和基站的无线网络中的闭环多输入/多输出(MIMO)波束成形中，用户站(在本文中有时也称为移动设备或接收机)量化理想的波束成形矩阵并将与理想的波束成形矩阵相对应的量化索引(quantization index)发送回基站(在本文中有时也称为发射机)。基站根据反馈的索引重新构造波束成形矩阵并进行波束成形。已知波束成形提高链路性能和系统吞吐量。

可差分地反馈波束成形矩阵。可通过码本量化当前波束成形矩阵和前一波束成形矩阵之间的变化，并且可反馈相应的量化索引。量化码本确定波束成形准确性和跟踪能力。

本发明的实施例可应用于包括WiMAX(全球微波互连接入)网络或类似物的无线局域网(WLAN)或无线城域网(WMAN)。WiMAX技术基于包括IEEE 802.16e、IEEE 802.16m等的IEEE 802.16标准族。

附图简述

通过阅读以下的详细描述并结合附图将更好地理解所公开的实施例，在附图中：

图1是根据本发明实施例的差分码本的程式化表示；

图2和3是根据本发明的实施例利用输入对称的量化码本的描绘；

图4是根据本发明的实施例的格拉斯曼流形(Grassmannian manifold)上的正交矩阵的简明表示；以及

图5是示出根据本发明的实施例减少用于无线网络的MIMO波束成形系统中的量化误差的方法的流程图。

为了简化和清楚说明的目的，附图示出一般的构造方式，且省略公知特征和技术的描述和细节，以避免不必要地使所述本发明的实施例的讨论晦涩。此外，附图中的各要素不一定按比例绘制。举例而言，相对于其它要素，附图中一些要素的尺寸可被放大来帮助改善对本发明各实施例的理解。不同附图中的相同附图标记表示相同要素，而类似附图标记可能但不限于表示类似要素。

在说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果有的话)用于在类似元件之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下如此使用的这些术语可互换，例如使得本文所述的本发明实施例能够以不同于本文所述或所示的其它顺序来操作。类似地，如果本文所述的方法包括一系列步骤，本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所陈述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其它步骤可被添加到该方法。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变形旨在适用非排他地包括，使得包括一系列要素的过程、方法、制品或装置不一定限于那些要素，但可包括未明确列出或这些过程、方法、制品或装置所固有的其它要素。

在说明书和权利要求书中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”等(如果有的话)用于描述的目的，且不一定用于描述永久的相对位置。应该理解如此使用的术语在适当情况下是可以互换的，使得本文所述的本发明的实施例例如能够以本文示出或以其它方式描述的方向以外的其它方向操作。如本文所使用的术语“耦合”被定义为电或非电方式的直接或间接连接。在本文中描述为彼此“相邻”的物体按照适于使用该短语的上下文可以在物理上彼此接触、彼此紧邻或彼此处于同一通用区域或区。在本文中短语“在一个实施例中”的出现不一定全指同一实施例。

具体实施方式

在很多情况下量化码本的输入关于中心

对称。因此码本可被设计成利用该对称，诸如通过选择码本位置以便减少量化误差。因此，在本发明的至少一个实施例中，用于无线网络的差分码本包括多个码字和作为该多个码字的中心位置的 $\left[\begin{array}{ccc}{e}_1& \·\·\·& e_{N_s}\end{array}\right]G,$ 其中e_k表示包括多行的列向量，所述多行包含第k行，且其中第k行上的条目是1，且该多行中除第k行外的每行上的条目是0，其中G是包括单位矩阵的任意N_s乘N_s酉矩阵，且其中N_s表示无线网络中的若干空间流。多个码字中的至少两个关于中心位置对称。当G是单位矩阵时， $\left[\begin{array}{ccc}{e}_1& \·\·\·& e_{N_s}\end{array}\right]G=\left[\begin{array}{ccc}{e}_1& \·\·\·& e_{N_s}\end{array}\right].$

现在参考附图，图1是根据本发明的实施例的差分码本100的程式化表示。在发射机和接收机处已知先前的波束成形矩阵

需要相对于差分量化当前的波束成形矩阵量化码本围绕

部署，使得码字之一可接近

最接近

的码字的索引被反馈至发射机。

在美国专利申请S/N 12/584,142中详细讨论了可利用差分码本100和差分反馈方案及以上陈述的概念，该专利通过引用整体结合于此。为了方便，以下重现该示例性差分反馈方案的某些细节。

在用户站处的差分：

$D={\left[\begin{array}{cc}\hat{V}(t-1)& {\hat{V}}^{\⊥}(t-1)\end{array}\right]}^{H}V\left(t\right).---\left(1\right)$

在用户站处的量化：

$\hat{D}=\underset{D_i\∈C_d}{\arg \max }{\left|\right|D^H{D}_i\left|\right|}_F.---\left(2\right)$

在基站处的波束成形矩阵重新构造：

$\hat{V}\left(t\right)=\left[\begin{array}{cc}\hat{V}(t-1)& {\hat{V}}^{\⊥}(t-1)\end{array}\right]\hat{D}.---\left(3\right)$

在基站处的波束成形：

$y=H\hat{V}\left(t\right)s+n.---\left(4\right)$

在(1)中，N_txN_s V(t)和

分别是对于帧t的理想波束成形矩阵和经量化波束成形矩阵，且

是N_tx(N_t-N_s)且具有正交于的互补列。N_t是发射机处的发射天线的数量。在(2)中，可将差分码本C_d称为极帽。在(4)中，y是接收的向量，H是大小为N_rxN_t的信道矩阵(其中N_r是接收天线的数量)，

是大小为N_t乘N_s的重新构造的波束成形矩阵(或向量)，s是N_sx1数据向量，且n是复加性白高斯噪声加干扰。

实际上，(1)和(2)是说明性的且趋向于使性能劣化，(1)和(2)被组合。接收机使经波束成形的信道容量(或另一种性能度量)最大化，这通过将每个码字插入测试中的经波束成形的信道容量完成的，如下

$\hat{D}=\underset{D_i\∈C_d}{\arg \max }\det (I+\frac{\mathrm{\γ}}{N_s}{D}_i^{H}Q{(t-1)}^H{H}^H\mathrm{HQ}(t-1)D_i),---\left(5\right)$

其中 $Q(t-1)=\left[\begin{array}{cc}\hat{V}(t-1)& {\hat{V}}^{\⊥}(t-1)\end{array}\right].$ 表达式(5)可被简化为 $\hat{D}=\underset{D_i\∈C_d}{\arg \max }{\left|\right|H{\left[\begin{array}{cc}\hat{V}(t-1)& {\hat{V}}^{\⊥}(t-1)\end{array}\right]}^H{D}_i\left|\right|}^2.$

因为最可能的结果是

与

保持相同，所以极帽C_d应具有

作为码字，使得在(3)中重新构造后

仍与

相同。即，

$\hat{V}(t-1)={\left[\begin{array}{cc}\hat{V}(t-1)& {\hat{V}}^{\⊥}(t-1)\end{array}\right]}_{[e_1\·\·\·e_{N_s}]}---\left(6\right)$

这允许波束成形矩阵对于低移动性信道停留在最佳点。(在没有

码字的情况下，码本将倾向于在最佳点周围振动。)此外，

的位置关于

对称。因此，除中心码字外，其余的量化码字将关于

对称。

一个简单的配置如下。其余的码字具有至中心相等的距离。注意所有的码字均在适当的(包括但不限于格拉斯曼、斯蒂菲尔(Stiefel))流形上。对于两个码字之间的距离有多个定义，例如，弦距离和平均信道容量损耗。对于低信噪比(SNR)区域，距离可以是

d(A，B)＝求迹(A^HBB^HA)，          (7)

其中A和B是两个N_txN_s码字。对于其他SNR区域，距离可以是

$d(A,B)=\det (I+\frac{\mathrm{\γ}}{N_s}{A}^H{\mathrm{BB}}^{H}A),---\left(8\right)$

其中γ是信噪比或预定标量。

为了简化起见，可将(8)简化为

d(A，B)＝det(A^HBB^HA).            (9)

对量化码本的输入关于中心

对称的实现允许利用该对称的码本的设计。图2和3描绘根据本发明的两种这样的设计。这两种描绘的码本被设计成使量化误差最小化。

图2描绘根据本发明的实施例的差分码本200。差分码本200的中心是

但无码字位于该中心上。在这种情况下，所有的码字被设置在处的中心周围。由于至少以下两种原因该配置是期望的。第一，任意两个码字之间的距离可大于任意码字和中心

之间的距离。换言之，在中心外量化误差比在中心附近要大。因此，没有码字被设置在中心上，以减少中心外的大量化误差。第二，在某些情形下，波束成形矩阵可倾向于在相邻反馈之间显著改变。因此，码字

不需要将波束成形矩阵保持在相同位置。码字具有至中心相等的距离d₀。任意码字对之间的距离是d₁。当码字的数量不远远大于差分码本200的自由度且码本的半径相对较大时，该结构会是期望的。例如，用于跟踪4x2波束成形矩阵的差分码本具有自由度7。如果码字和码本中心之间的距离是20度且码本的数量是8，则差分码本200会是期望的。

图3描绘根据本发明的实施例的差分码本300。与差分码本200不同，差分码本300具有中心码字。从中心码字至其它码字的距离是d₀。非中心码字彼此等距，具有分离距离d₁，如图所示。

无线网络可定义若干具有不同尺寸d₀的差分码本。d₀越小，量化误差越小。因此，在一个实施例中，如下进一步讨论的，减小MIMO波束成形系统中的量化误差的方法包括使d₀最小化，或者换言之，使d₀限制为小于某一预定极限。然而，对于小的d₀，反馈可能不能跟踪波束成形矩阵的快速变化，该波束成形矩阵在两相邻反馈之间变化大于d₀。另一方面，大的d₀良好地跟踪信道变化，代价是较大的量化误差。

实际上，基站可根据例如其天线配置(或相互关系)和移动速度选择差分码本之一。然后可将所选的码本的索引发送到移动站。或者，移动站可基于例如理想波束成形矩阵的相互关系(或变化)选择差分码本之一。例如，移动站可根据训练序列(mid-ambles)估计信道矩阵并计算理想的波束成形矩阵。还计算波束成形矩阵的变化。基于变化，移动站选择一个差分码本并将相应的码本索引发送至基站。

因此，本发明的某些实施例涉及用于无线网络的MIMO波束成形系统，其包括多个差分码本，每个差分码本类似于本文之前描述的差分码本，即，每个差分码本(除其它特性外)具有多个码字且包含 $\left[\begin{array}{ccc}{e}_1& \·\·\·& e_{N_s}\end{array}\right]G$ 作为多个码字的中心位置，如前所述。每个差分码本还包含关于中心位置对称且各自与码本中心分离开一分离距离的附加码字，如前所述。每个差分码本具有其自身的唯一的分离距离。换言之，多个差分码本的每一个的分离距离与多个差分码本中其余的每一个的分离距离不同。在某些实施例中，对于多个差分码本中的每一个，附加码字与该码本中的每个其它码字等距。

为了降低复杂度，每个码字的每列的一个条目可转换成实数。例如，可通过减去每个列的全局相来将码字的第一行转换成正数或0。对于格拉斯曼码本，其码字是格拉斯曼流形中的子平面或线，可进一步降低存储和计算复杂度。可将码字矩阵转换成在码字矩阵的四角之一处具有零三角形的矩阵，如图4所示。

图5是示出根据本发明的实施例减少用于无线网络的MIMO波束成形系统中的量化误差的方法500的流程图。

方法500的步骤510是定义差分码本，其包括码本中心、多个码字、作为多个码字的中心位置的 $\left[\begin{array}{ccc}{e}_1& \·\·\·& e_{N_s}\end{array}\right]G$ 以及关于该中心位置对称且各自与码本中心分离一分离距离的附加码字。作为一示例，差分码本可类似于在图1、2和3中分别示出的差分码本100、200和300中的一个或多个。

方法500的步骤520是将分离距离限制为小于预定限值。在一个实施例中，预定限值可以是15或20度，即中心和任意外部码字之间的角度。

尽管已经参照特定实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将理解可在不背离本发明的范围的情况下进行各种改变。因此，本发明实施例的公开内容旨在说明本发明的范围，而非旨在限制。本发明的范围旨在应仅由所附权利要求所主张的范围来限制。例如，对于本领域普通技术人员，显而易见的是可在各个实施例中实现本文讨论的差分码本和相关联的结构和方法，且这些实施例中的某些实施例的前述某些讨论不一定表示所有可能实施例的全部描述。

另外，参考特定实施例描述了益处、其它优点和问题解决方案。但是，这些好处、优点、对问题的解决方案以及可使任何好处、优点或解决方案产生或变得更显著的任何元素不能被解释为任何或所有权利要求的关键的、必要的、或实质的特征或要素。

此外，如果实施例和/或限制有以下情况时，在专用原则下本文所公开的实施例和限制不专用于公众：(1)在权利要求中未明确要求的；且(2)其在等价原则下，权利要求中明确的元素和/或限制的可能等价物。

Claims (19)

1.一种用于无线网络的差分码本，所述差分码本包括：

多个码字；以及

作为所述多个码字的中心位置的 $\left[\begin{array}{ccc}{e}_1& \·\·\·& e_{N_s}\end{array}\right]G,$ 其中e_k表示包括多行的列向量，所述多行包含第k行，且其中第k行上的条目是1且所述多行中除第k行外的每行上的条目是0，其中G是包括单位矩阵的任意N_s乘N_s酉矩阵，且N_s表示无线网络中的若干空间流，

其中：

所述多个码字中的至少两个关于中心位置对称。

2.如权利要求1所述的差分码本，其特征在于：

所述多个码字中的一个处于中心位置。

3.如权利要求2所述的差分码本，其特征在于：

所述多个码字与中心位置等距。

4.如权利要求3所述的差分码本，其特征在于：

所述多个码字彼此等距。

5.如权利要求1所述的差分码本，其特征在于：

没有码字处于中心位置。

6.如权利要求5所述的差分码本，其特征在于：

所述多个码字与中心位置等距。

7.如权利要求6所述的差分码本，其特征在于：

所述多个码字彼此等距。

8.如权利要求1所述的差分码本，其特征在于：

所述码字的每列的至少一个条目是实数。

9.一种用于无线网络的MIMO波束成形系统，所述MIMO波束成形系统包括：

多个差分码本，每一个差分码本：

具有码本中心和多个码字；

包含作为所述多个码字的中心位置的 $\left[\begin{array}{ccc}{e}_1& \·\·\·& e_{N_s}\end{array}\right]G,$ 其中e_k表示包括多行的列向量，所述多行包含第k行，且其中第k行上的条目是1且所述多行中除第k行外的每行上的条目是0，其中G是包括单位矩阵的任意N_s乘N_s酉矩阵，且N_s表示无线网络中的若干空间流；以及

包含关于所述中心位置对称且各自与码本中心分离开一分离距离的至少两个码字，

其中：

所述多个差分码本的每一个的分离距离与所述多个差分码本中其余的每一个的分离距离不同。

10.如权利要求9所述的MIMO波束成形系统，其特征在于：

对于所述多个差分码本中的每一个，所述码字之一在码本中心。

11.如权利要求10所述的MIMO波束成形系统，其特征在于：

对于所述多个差分码本中的每一个，所述多个码字彼此等距。

12.如权利要求9所述的MIMO波束成形系统，其特征在于：

没有码字处于所述多个差分码本中的任一个的中心。

13.如权利要求12所述的MIMO波束成形系统，其特征在于：

对于所述多个差分码本中的每一个，所述多个码字彼此等距。

14.如权利要求9所述的MIMO波束成形系统，其特征在于：

对于所述多个差分码本中的每一个，所述码字的每列的至少一个条目是实数。

15.一种减小用于无线网络的MIMO波束成形系统中的量化误差的方法，所述方法包括：

定义差分码本，所述差分码本包括：

码本中心和多个码字；

作为所述多个码字的中心位置的 $\left[\begin{array}{ccc}{e}_1& \·\·\·& e_{N_s}\end{array}\right]G,$ 其中e_k表示包括多行的列向量，所述多行包含第k行，且其中第k行上的条目是1且所述多行中除第k行外的每行上的条目是0，其中G是包括单位矩阵的任意N_s乘N_s酉矩阵，且N_s表示无线网络中的若干空间流；以及

关于所述中心位置对称且各自与码本中心分离开一分离距离的至少两个码字；以及

将所述分离距离限制为小于预定限值。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于：

所述预定限值是20度。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于：

所述码字的每列的至少一个条目是实数。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于：

所述码字之一处于所述差分码本的中心位置；以及

所述多个码字彼此等距。

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于：

没有码字处于中心位置；以及

所述多个码字彼此等距。

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