CN102388628A - 基于克罗内克积的空间信道状态信息反馈的方法和系统 - Google Patents

Abstract

空间信道状态信息(CSI)反馈技术结合进入多输入多输出移动通信技术。空间信道状态信息被在接收装置测量并且然后被分解成分量。然后使用代码本量化该分量并且作为多个索引反馈到发射装置。

Description

基于克罗内克积的空间信道状态信息反馈的方法和系统

优先权

要求在2010年1月12日递交的第61/282,275号美国临时专利申请的优先权，其公开内容通过引用其全部结合到本文。

发明领域

本发明的领域属于为通过多输入多输出技术增强的移动通信提供空间信道状态信息(CSI)。

背景

多输入多输出(MIMO)是一类技术，其在发射器或者在接收器、或者同时在发射器和接收器使用多个天线以开拓(exploit)空间维度，以便改进数据吞吐量和传送可靠性。数据吞吐量能够通过空间复用或者波束成形而增加。

空间复用允许多个数据流通过在MIMO设置中的并行信道向相同的用户同时发射，尤其对在天线之间(在发射器和接收器处)的空间相关性低的分集式天线。波束成形有助于增强信道的信号干扰噪声比(SINR)，因此改进信道速率。这样的SINR改进通过在多个发射天线上的合适的加权实现。加权计算能够基于长期测量(例如开环)或者经由反馈(例如闭环)。在MIMO研究的环境中，闭环发射加权通常被称为预编码。

图1说明用于单用户(SU)的预编码MIMO，其中，M个数据流u₁，...，u_M通过开拓M×N空间信道矩阵H而被空间复用。由于发射天线的数量N大于接收天线的数量M，因此预编码被应用，该预编码被表示为矩阵F。

预编码MIMO还能够在多用户MIMO(MU-MIMO)模式中运算，以进一步改进共享相同的时间和频率资源的多用户的总速率。图2说明两个用户的MU-MIMO，其中波束成形(例如预编码)用于空间分离两个用户(和改进SINR)，而对于每一个用户，两个数据流(亮阴影和暗阴影)是空间复用的。

如在3GPP TR 36.814，v1.1.1“Further Advancements for E-UERA，Physical Layer Aspects，”6月，2009年，中所述，MU-MIMO，尤其是下行MU-MIMO成为第三代伙伴计划(3GPP)演进的长期演进(LTE-Advanced)研究中的热门话题。MU-MIMO还可以增强LTE系统的数据吞吐量。在3GPP物理层工作组(RAN1)中创建了DL MU-MIMO的工程项目。

预编码MIMO的关键的影响规范的方面是闭环预编码要求的空间CSI反馈。如在图1中所见的空间信道矩阵H包含完整的空间CSI。可替换的，N×N协方差矩阵R表示为

R＝H^HH    (1)，

N×N协方差矩阵R能够为发射器预编码提供足够的空间信息，其中上标“H”表示复共轭。总的来说，H或者R的浮点版本由于通常在每一个频带中包含相当数量的复系数，成本太高而不能够反馈。因而需要量化使反馈更加有效。

经常使用接收器和发射器都知晓的代码本用于CSI量化以便只反馈代码字索引。代码字能够被挑选以最大化信道容量或者最小化在浮点CSI和量化的CSI之间的距离。

由于好的代码本必须有效地跨越整个相关的空间距离，代码本设计本身是有很多研究的课题。在这个意义上，一般的代码本很少有效，并且实际上，代码本要被调整以适合不同的天线配置和部署方案。总的来说，天线配置越复杂，代码本设计越困难。

表1是从在3GPP TS 36.211“Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Physical Channels and Modulation”中描述的3GPP RAN1 LTE标准规范中的摘录。代码本用于如在图1中的具有两个发射和两个接收天线(M＝2，N＝2)的非常简单的MIMO配置。这样，复用的流(也被称为层)的总数是2。

表1.LTE规范中用于2×2MIMO的代码本

相较于单用户MIMO(SU-MIMO)，多用户MIMO(MU-MIMO)要求更准确的空间CSI反馈以便执行有效的空间分离和复用运算。结果，在MU-MIMO中的CSI反馈和代码本设计是更加有挑战性的。

在数学上，用

表示的克罗内克积是在导致分块矩阵的两个任意大小的矩阵上的运算。例如，

克罗内克积已经被用于代码本设计，例如用于在3GPP，R1-094752，“DL codebook design for 8T×MIMO in LTE-A”ZTE，RAN#59，济州，韩国，十一月，2009年中描述的交叉极化天线。更具体地，代码本被通过LTEREL-8代码本和归一2×2矩阵的克罗内克积构造。注意，在3GPP，R1-094752，“DL codebook design for 8T×MIMO in LTE-A”ZTE，RAN#59，济州，韩国，十一月2009年中描述的构思是具有单代码本并且反馈依然是该代码本的单个索引。

如在3GPP，R1-094844，“Low-overhead feedback of spatial covariancematrix”Motorola，RAN1#59，济州，韩国，十一月，2009年中所述，克罗内克积能够用于将较大的发射协方差矩阵R分解成为两个较小的矩阵R_ULA和R_Pol，以便能够降低反馈开销：

$R=R_{\mathrm{Pol}}\⊗R_{\mathrm{ULA}}---\left(3\right).$

通过应用克罗内克积的混合积属性，上面的分解在本征域(eigen-domain)中也起作用，

$R=R_{\mathrm{Pol}}\⊗R_{\mathrm{ULA}}$

$=\left[V_{\mathrm{Pol}}{D}_{\mathrm{Pol}}{V_{\mathrm{Pol}}}^H\right]\⊗\left[V_{\mathrm{ULA}}{D}_{\mathrm{ULA}}{V_{\mathrm{ULA}}}^H\right]$

$=[V_{\mathrm{Pol}}\⊗V_{\mathrm{ULA}}][D_{\mathrm{Pol}}\⊗D_{\mathrm{ULA}}][{V_{\mathrm{Pol}}}^H\⊗{V_{\mathrm{ULA}}}^H]---\left(4\right)$

其中矩阵“V_xx”分别地包含发射协方差矩阵“R_xx”的本征矢量。对角矩阵“D_xx”包含发射协方差矩阵“R_xx”的本征值。

要指出的关键问题是，在3GPP，R1-094844，“Low-overhead feedback ofspatial covariance matrix”Motorola，RAN1#59，济州，韩国，十一月，2009年中所述的CSI反馈的设计原理是以逐个元素的方式直接地量化发射协方差矩阵。这样的方法与在先提及的基于代码本的量化截然不同。因此，即使在克罗内克分解以后，反馈的内容依然是协方差矩阵(或多个矩阵)，而不是代码本索引(或多个索引)。

发明概述

本发明针对无线通信方法和系统，其提供MIMO运算的准确的空间CSI反馈，同时保持反馈开销尽可能的低。

在这些方法和系统中，空间信道状态信息在接收装置测量，产生CSI。在一些实施方式中，CSI在信道矩阵或者协方差矩阵上并且还可以通过代码本的使用而量化。

CSI被分解，产生分量CSI。每一个分量CSI可以表示波束成形天线或者交叉极化天线的特性。波束成形天线还可以表示为均匀线性阵列(ULA)。

在一些实施方式中，通过使用克罗内克积进行分解。进一步地，协方差矩阵的分解可以包含应用克罗内克积的混合积属性。

还使用代码本量化分量CSI，产生索引。使用的代码本可以相同或者不同，并且索引可以指向在代码本内的矢量或者矩阵。

索引被反馈到发射装置并且可以计算外积(outer product)。

由优选的实施方式的描述将呈现改进的其他方面和优点。

附图的简要描述

本发明的实施方式经由所附附图说明，其中：

图1说明预编码的SU-MIMO与最小均方差(MMSE)接收器的框图；

图2说明两个用户的MU-MIMO与两套紧密排列的交叉极化的天线；

图3说明与本发明相关的反馈建立和框图；和

图4说明由波束成形天线和交叉极化天线组成的八个发射天线的例子。

优选的实施方式的详细描述

在3GPP，R1-094844，“Low-overhead feedback of spatial covariancematrix”Motorola，RAN1#59，济州，韩国，十一月，2009年中所述的克罗内克积应用于基于代码本的CSI量化。该方法尤其适用于包含多个紧密排列的交叉极化天线的天线设置。在这样的设置中，交叉极化天线和波束成形天线的空间相关性统计是非常不同的。

必须首先确定具体的天线配置的合适的克罗内克分解，以便能够区分天线的不同分量的不同空间特性。分量协方差矩阵的大小可以不同。然后，对每一个分量协方差矩阵，从适于分量天线配置的合适的代码本中选择代码字的索引。

重复多次上面的过程以为每一个分量协方差矩阵找到一套代码字索引，其导致在量化的协方差矩阵和浮点协方差矩阵之间最好的匹配。该套代码字索引被反馈到发射器。

在发射器处，分量协方差矩阵的每一个量化版本通过在对应的代码本中寻找代码字索引来重新构造。通过对所有量化的分量协方差矩阵进行克罗内克积，合成复合协方差矩阵。

更加详细地，在图3中示出与本发明相关的反馈建立和框图。图3作为双重说明服务：一个用于实体框说明，和另一个用于过程的框图。

在建立中有两个主要的实体：演进的节点B(eNB)表示基站，并且用户装置(UE)表示移动设备。在这个下行例子中(数据从eNB向UE传输)，反馈是从UE到eNB。eNB和UE都具有用于预编码MIMO的多个天线。特别注意的是在UE的接收天线的数量少于在eNB的发射天线的数量的配置。

基于空口规范，eNB和UE都知晓代码本，并且该代码本可以是在标准中指定的代码本的子集。每一个分量CSI的实际代码本依赖于天线配置和部署环境，并且通常由网络确定。该信息能够经由半静态无线资源控制(RRC)信令通知给UE。

在UE，首先测量空间CSI。该测量可以直接针对信道矩阵H、或者针对协方差矩阵R、或者其他的矩阵。在本发明的某些实施方式中，主要关心R，如公式(1)所示，其可以被直接估计或者后处理。此处，虽然芯片实现经常使用定点算法，但是出于简化表述，假设测量的空间CSI(例如R)是浮点精度的。换句话说，预期在芯片中的内部量化比反馈的量化精细的多。

一旦估计出协方差矩阵R，可以执行矩阵分解。为了进一步说明该过程，在图4中示出八个发射天线(N＝8)的例子，其中在每一个极化(亮阴影和暗阴影)有四个天线。对于四对的每一对，两个天线沿正交极化方向、+45/-45角度、或者所谓的交叉极化安装。在毗邻的波束成形元素之间的间距通常是实现四元素波束成形的波长的一半。由于天线间距是均匀的，这样的波束成形设置还被称为均匀线性阵列(ULA)。

在这样的天线配置中，预期在四个相同极化的天线之间有高空间相关性，而预期在不同的极化天线之间有低空间相关性。因而，在波束成形天线和交叉极化天线之间分解空间CSI是合理的，如公式(3)所示。更具体的，8×8协方差矩阵被分解成为4×4的分量矩阵R_ULA和2×2的分量矩阵R_Pol。

然后，对于每一个分量协方差矩阵，使用合适的代码本以进行量化。可以选择代码字索引来最小化在量化的协方差矩阵和浮点协方差矩阵之间的距离。例如，该距离可以如下度量，

$\mathrm{MSE}=\frac{1}{N^2}{\left|\right|\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\λ}}_i\right|}^2{\tilde{v}}_i{\tilde{v}}_i^H-R_{\mathrm{ULA}/\mathrm{Pol}}\left|\right|}_{\mathrm{Frobenius}}^2---\left(5\right),$

其中，是空间信道H的第i个量化的本征矢量，其对应于代码字的第i列，并且|λ_i|²是R_ULA或者R_Pol的第i个本征值。注意，索引可以指示在代码本中的矢量或者矩阵。

对于在图4中示出的天线配置，最可能地一个索引指示对应于R_ULA的4×1矢量(代码字)。数学上，这样的4×1矢量可以表示为[1，e^j2∏θ，e^j4∏θ，e^j6∏θ]^T，其中，θ由波长、在毗邻的ULA元素之间的天线间距、和移动设备对于ULA的瞄准线的发射角(AoD)确定。另一个索引指示对应于R_Pol的2×1矢量(代码字)或者2×2矩阵(代码字)。2×1矢量可以从表1中选择(层数＝1)，例如，当忽略归一化常数时，形式为[1，a₁]^T。2×2矩阵可以从表1中选择(层数＝2)，例如，当忽略归一化常数时，形式为[1，a₁；1，a₂]^T。这样，空间CSI反馈将包含两个索引。

当从UE接收到CSI反馈时，要执行一系列的运算。首先，通过在对应的代码本中查找反馈索引，然后执行外积，例如

来重新构造每一个量化的分量CSI，例如R_ULA和R_Pol。接下来，通过量化的R_ULA和R_Pol的克罗内克积来推导量化的复合CSI，例如R。最后，量化的复合CSI用于计算预编码矩阵。

上面在发射器处的复合空间CSI重构造过程还能够通过将波束成形ULA的代码本和交叉极化的代码本结合来预处理。原理遵循公式(4)，其是波束成形ULA和交叉极化的本征值的克罗内克积。特别地，该结合通过交叉极化的代码字矢量或者矩阵(例如[1，a₁]^T或者[1，a₁；1，a₂]^T)和ULA的代码字矢量(例如[1，e^j2∏θ，e^j4∏θ，e^j6∏θ])的克罗内克积执行。每一个在结合的代码本中的代码字，当依然分别地为ULA和交叉极化索引时，对于等级为1将采用诸如[1，e^j2∏θ，e^j4∏θ，e^j6∏θ，a₁，a₁e^j2∏θ，a₁e^j4∏θ，a₁e^j6∏θ]^T的形式，或者对于等级为2将采用诸如[1，e^j2∏θ，e^j4∏θ，e^j6∏θ，a₁，a₁e^j2∏θ，a₁e^j4∏θ，a₁e^j6∏θ；1，e^j2∏θ，e^j4∏θ，e^j6∏θ，a₂，a₂e^j2∏θ，a₂e^j4∏θ，a₂e^j6∏θ]^T的形式。

尽管示出和描述了本发明的实施方式，对于本领域技术人员来说明显的是，多种不脱离本文的发明构思的修改是可能的。因而，除非在所附的权利要求的精神内，本发明不被限制。

Claims (32)

1.一种为具有发射装置和接收装置的多输入多输出技术提供空间信道状态信息的方法，所述方法包括：

在所述接收装置测量空间信道状态信息，产生CSI；

分解所述CSI，产生至少第一分量CSI和第二分量CSI；

使用多个代码本中的一个或者多个来量化所述第一分量CSI和所述第二分量CSI，产生至少第一索引和第二索引；和

向所述发射装置反馈所述第一索引和所述第二索引。

2.如权利要求1所述的方法，其中分解所述CSI包含使用克罗内克积来分解所述CSI。

3.如权利要求1所述的方法，其中分解所述CSI包含根据

来分解所述CSI，其中R_ULA是所述第一分量CSI，并且R_Pol是所述第二分量CSI。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述CSI针对信道矩阵H和协方差矩阵R之一。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述信道矩阵H和所述协方差矩阵R的至少一个被量化。

6.如权利要求4所述的方法，还包括将所述协方差矩阵R分解成为4×4的第一分量矩阵R_ULA和2×2的第二分量矩阵R_Pol。

7.如权利要求4所述的方法，其中分解所述协方差矩阵R包含应用克罗内克积的混合积属性。

8.如权利要求1所述的方法，其中量化所述第一分量CSI和所述第二分量CSI包含分别使用所述多个代码本的不同的代码本来量化所述第一分量CSI和所述第二分量CSI。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述量化包括计算被度量为 $\mathrm{MSE}=\frac{1}{N^2}{\left|\right|\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\λ}}_1\right|}^2{\tilde{v}}_i{\tilde{v}}_i^H-R_{\mathrm{ULA}/\mathrm{Pol}}\left|\right|}_{\mathrm{Frobenius}}^2$ 的距离，其中，

是空间信道H的第i个量化的本征矢量，所述第i个量化的本征矢量对应于代码字的第i列，|λ_i|²是第一分量矩阵R_ULA和第二分量矩阵R_Pol的其中之一的第i个本征值，N是发射器天线的数量。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述第一索引和所述第二索引指向在所述多个代码本之一中的矢量。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述第一索引和所述第二索引指向在所述多个代码本之一中的矩阵。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述第一分量CSI和所述第二分量CSI的至少一个通过两个代码字的克罗内克积表示，第一代码字是4×1矢量，并且第二代码字是2×1矢量和2×2矩阵之一。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述第一分量CSI表示波束成形天线的特性，并且所述第二分量CSI表示交叉极化天线的特性。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述波束成形天线的特性通过包含四个元素的均匀线性阵列(ULA)表示，所述交叉极化天线的特性通过两个天线元素表示。

15.如权利要求1所述的方法，还包括计算外积。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述计算通过表征，其中，

是空间信道H的第i个量化的本征矢量，所述第i个量化的本征矢量对应于代码字的第i列，|λ_i|²是第一分量矩阵R_ULA和第二分量矩阵R_Pol的其中之一的第i个本征值。

17.一种为多输入多输出技术提供空间信道状态信息的系统，所述系统包括：

用于在接收装置测量空间信道状态信息并产生CSI的设备；

用于分解所述CSI并产生至少第一分量CSI和第二分量CSI的设备；

用于使用多个代码本中的一个或者多个来量化所述第一分量CSI和所述第二分量CSI并产生至少第一索引和第二索引的设备；和

向发射装置反馈所述第一索引和所述第二索引。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述用于分解所述CSI的设备包含用于使用克罗内克积分解所述CSI的设备。

19.如权利要求17所述的系统，其中所述用于分解所述CSI的设备包含用于根据

分解所述CSI的设备，其中R_ULA是所述第一分量CSI，并且R_Pol是所述第二分量CSI。

20.如权利要求17所述的系统，其中所述CSI针对信道矩阵H和协方差矩阵R之一。

21.如权利要求20所述的系统，其中所述信道矩阵H和所述协方差矩阵R的至少一个被量化。

22.如权利要求20所述的系统，还包括将所述协方差矩阵R分解成为4×4的第一分量矩阵R_ULA和2×2的第二分量矩阵R_Pol的设备。

23.如权利要求20所述的系统，其中所述用于分解所述协方差矩阵R的设备包含应用克罗内克积的混合积属性。

24.如权利要求17所述的系统，其中量化所述第一分量CSI和所述第二分量CSI包含分别使用所述多个代码本的不同的代码本来量化所述第一分量CSI和所述第二分量CSI。

25.如权利要求17所述的系统，其中所述用于量化的设备包括计算被度量为 $\mathrm{MSE}=\frac{1}{N^2}{\left|\right|\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\λ}}_i\right|}^2{\tilde{v}}_i{\tilde{v}}_i^H-R_{\mathrm{ULA}/\mathrm{Pol}}\left|\right|}_{\mathrm{Frobenius}}^2$ 的距离，其中，

是空间信道H的第i个量化的本征矢量，所述第i个量化的本征矢量对应于代码字的第i列，|λ_i|²是第一分量矩阵R_ULA和第二分量矩阵R_Pol的其中之一的第i个本征值，N是发射器天线的数量。

26.如权利要求17所述的系统，其中所述第一索引和所述第二索引指向在所述多个代码本之一中的矢量。

27.如权利要求17所述的系统，其中所述第一索引和所述第二索引指向在所述多个代码本之一中的矩阵。

28.如权利要求17所述的系统，所述第一分量CSI和所述第二分量CSI的至少一个通过两个代码字的克罗内克积表示，第一代码字是4×1矢量，第二代码字是2×1矢量和2×2矩阵之一。

29.如权利要求17所述的系统，其中所述第一分量CSI表示波束成形天线的特性，并且所述第二分量CSI表示交叉极化天线的特性。

30.如权利要求29所述的系统，其中所述波束成形天线的特性通过包含四个元素的均匀线性阵列(ULA)表示，并且所述交叉极化天线的特性通过两个天线元素表示。

31.如权利要求17所述的系统，还包括用于计算外积的设备。

32.如权利要求31所述的系统，其中所述用于计算的设备通过

表征，其中，是空间信道H的第i个量化的本征矢量，所述第i个量化的本征矢量对应于代码字的第i列，并且|λ_i|²是第一分量矩阵R_ULA和第二分量矩阵R_Pol的其中之一的第i个本征值。

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