CN102439865A - 多天线系统中传输错误的减少 - Google Patents

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Abstract

公开了改进反馈传输信道上的通信的方法，在所述信道中有可能存在比特错误。一个方法包括下列步骤：选择索引到信道状态的多重映射、对索引到信道状态的映射中的每一个映射估计反馈错误对于传输质量的影响、选择索引到信道状态的映射以减少反馈错误的影响；以及将信道状态信息反馈从所述接收机传送到所述发射机，所述接收机使用由选定的索引到信道状态的映射所确定的索引表示信道状态。

Description

多天线系统中传输错误的减少
技术领域
使用多天线的无线通信。
背景技术
对于高容量无线系统中增强的频谱效率来说，在衰落信道中使用多天线是最有前途的解决方案之一。在这种系统中根本问题在于信道状态信息(CSI)在发射机和接收机中的可用性。通常认为在接收机中全部CSI是可用的，但是由于反馈延迟和噪声、信道估计错误和有限的反馈带宽在发射机中可能只有部分CSI是可用的，这使得要在接收机中量化CSI以最小化反馈率。
发明内容
公开了用于改善反馈传输信道上的通信的方法，在所述反馈传输信道中有可能发生比特错误。抵消这些错误的基本的解决方案是：为了最小化索引误差的影响对CSI向量量化器索引的适当的设计(例如对质心索引的比特表示)、使用错误检测技术来删除错误的索引以及使用其他方法恢复正确的索引(参见发明名称为“多天线系统中量化的信道状态信息预测”的申请号为11/852,206公开号为US2009/0067529的未决的美国专利申请和发明名称为“多天线系统中信道状态信息的多层量化”的申请号为11/852,240公开号为US2009/0067512的未决的美国专利申请)。USSN11/754,965、11/852,240和11/852,206的内容在法律允许的情况下以提述方式纳入本文。
进一步提供了用于减少从接收机到发射机的信道状态信息反馈中的错误的影响的方法和设备。在实施例中，所述方法包括如下步骤：选择索引到信道状态的多重映射、对所述索引到信道状态的映射中的每一个映射估计反馈错误对传输质量的影响、选择索引到信道状态的映射以减少反馈错误的影响、以及将信道状态信息反馈从所述接收机发送到所述发射机，所述接收机使用由选定的索引到信道状态的映射所确定的码字表示信道状态。
这些和其他的方法和设备陈述于权利要求中，并被以提述方式纳入于此。
附图说明
具体实施例将参考附图进行描述，作为示例，附图中相同的附图标记表示相同的元素，其中：
图1是描述了将信道状态空间划分为Voronoi区的示意图。
图2描述了用于实现所述提出的方法的系统的基本结构。
图3a描述了好的索引到质心的映射。
图3b描述了差的索引到质心的映射。
图4描述了索引优化算法的实施例的通用操作。
图5描述了图4的示例性索引设计算法的初始化阶段的操作。
图6描述了图4的示例性索引设计算法的优化阶段的操作。
图7描述了具有错误检测码的系统操作的实施例。
图8描述了不具有错误检测码的系统操作的实施例。
图9描述了索引算法的更通用的实施例。
具体实施方式
在典型的CSI向量量化器(VQ)中，执行信道向量空间的量化如图1所示：可用空间被与表示每个Voronoi区中所有向量实现的质心22对应的Voronoi区20填充。这种区(质心)的数量由可用比特的数量来定义，且每个质心被指派索引23，所述索引23的长度的二进制表示与可用反馈比特数量相等。所述索引也可以表示为符号的任意序列，只要每一个索引被唯一的符号序列所表示，且所述符号可以被所述反馈信道传输。当所述接收机将其信道状态信息传送到所述发射机时，物理上是在所述反馈信道上传送表示所述质心索引的比特(或符号)。当使用术语“二进制索引”时，可以用“表示所述索引的符号序列”来替代。在权利要求中当论及索引到信道状态的映射时，符号序列到索引的映射将起到相同的作用且所述权利要求应被解读为适用于上述两者。
从每次只有一个激活的接收机的系统到同时有多个接收机被激活的系统中(这里激活的是指正在接收传输)，所有提出的解决方案都可被用于特征值和奇异值码本。必要时，反馈编码解决方案的设计可被用于正交特征值、特征值子集和标量奇异值的量化矩阵。下面的描述在形式上是通配的，因此可以容易地被用在任意类型的CSI量化方案上。
图2描述了在第11/754,965号美国专利申请中提出的系统的基本结构。所述系统工作如下：
1.传输时刻之前，每个接收机38为反馈信道34评估40其信道矩阵H，并使用该信息去执行所述矩阵的奇异值分解(SVD)42。
2.特征值和奇异值组件被分别使用V 46和D 48两个码本各自进行量化44。
3.对选中码字的索引编码52、54并通过反馈信道50反馈56、58到所述发射机36。
4.所述发射机包括索引器和优化器66，所述索引器和优化器使用来自所述系统中所有的接收机的所有解码地60、62索引64去分别地选择68、70预先选定的线性调制矩阵B和功率分配矩阵S。该选择基于预先定义好的规则集合(最大公平性、吞吐量等)。
5.使用调制矩阵74和功率分配矩阵76来调制输入信号72，通过反馈信道34传输至所述接收机，使用天线32，且所述接收机处理所述传输的调制信号。
图2中描述的所述反馈信道50将不可避免的具有传输错误且在所述发射机处将对由所述接收机报告的信道向量索引错误的解码。即使反馈信息是由信道编码保护，在多用户情况下，干扰导致所述索引被检测出错是有可能的，这将降低系统的吞吐量。
例如在图1中，在实际向量轨迹24的开始部分期间，由比特011表示的所述质心索引号码3将被报告至所述发射机。然而，如果出于某些原因，第二索引比特被错误恢复，所述发射机将改为接收到所述质心索引号码1(由bit001表示)，这将导致其选择不合适的调制矩阵B和S(参见之间的部分)。
反馈索引23的基本传输可包括下列步骤：
1.选择表示与实际信道向量最接近的质心22的所述索引23。
2.(可选的)对质心索引的二进制表示增加错误检测校验位。
3.(可选的)增加纠错校验位。
4.发送所有的比特。
5.(前提条件为3)对接收到的比特执行信道解码。
6.(前提条件为2)对接收到的比特执行错误检测。
7.将接收到的信道向量索引报告到图2中的所述优化器/索引器。
8.(可选的)将哪些索引包含错误报告到图2中的所述优化器/索引器。
这一步骤可以使用步骤6或者稍后描述的任意替代的方法的结果。
基于以上8个步骤，所述索引器现在能够为下一传输时刻决定调制矩阵的选择。所述问题的三个示例性方法如下：
1.如果使用了错误检测码或者任意替代的错误检测方法且基站优化器意识到错误的接收机索引，其可以丢弃所述错误的索引并且在优化阶段只使用正确的索引。
2.如果使用了错误检测码或者任意替代的错误检测方法且基站优化器意识到错误的接收机索引，其可以尝试去恢复所述错误索引并在所述优化阶段使用所有接收到的索引(正确的和恢复的)
3.如果根本未使用错误检测，所述优化器假定接收到的索引与实际传输的索引非常接近且按照假设所述索引都是正确的那样使用所述索引。
方法1、2和3的基本区别在于是否在反馈回基站的信道信息索引中使用所述错误检测方法来检测问题。如果使用了这种方法，所述发射机可以识别哪些索引是错误的并可以采取适当的行动。如果没有执行错误检测且接收到的索引被“如现状”的使用，则必须如图3a所示妥善设计所述向量量化器索引。
在量化器中所述索引到所述质心的映射是复杂的任务，当反馈链路中的错误不可以忽略时，这会非常影响所述系统的性能。图3a和3b描述了相同的向量量化器具有不同的索引23的映射以及所述质心索引的传输中一比特错误的结果的情况。
在图3a中，以保证所述索引的最后位置的一比特错误使所述发射机接收到的所述质心与实际质心偏移不远的方式完成映射。换句话说，实际质心索引和接收到的质心索引之间的差别的小的汉明距离对应于实际质心间的短距离26。质心距离2-6函数会在本文中进一步讨论。
在图3b中，索引错误的小汉明重量不对应于小质心距离。在这种情况下，一比特错误使得所述质心远离实际质心，这可能对系统的性能有非常消极的影响。
提出了下列算法：
1.用于CSI MIMO向量量化器的索引设计。
2.使用编码反馈链路结合具有有或没有错误检测的CSI MIMO量化器的系统的实际操作。
可以在任意合适的计算装置中执行索引设计的算法，所述计算装置包括例如笔和纸。通常在所述MIMO系统初始化之前执行所述设计。
会使用下列符号：
●Vk-码本V中的第k个质心。
●k，l-码本V中的质心索引。
●dkl-由索引k和l指定的所述质心间的距离。
●d(k；e)-对于质心Vk和给定比特错误数量e的距离表示。
●GDP(e)-对于给定比特错误数量e的全局距离表示。
●i，j-向量量化器中的码字的二进制索引。
●Hij-索引i和j之间的汉明距离。
●I-索引优化算法的迭代数量。
●N-质心索引i、j的二进制表示的长度。
假定索引设计遵循使用任意公知方法的信道向量量化器V的设计，所述方法例如在发明名称为“多天线系统中信道状态信息的量化”(第11/754,965号美国未决专利)的专利申请或这里提到的其它美国专利申请。对所述量化器索引算法的输入为距离矩阵D，所述距离矩阵D行和列的数目与所有质心Vk的数目相同(用这里的符号行和列的数目等于2N)。矩阵中的条目为质心间的距离-例如，第k行第l个条目表示为dkl。特别是所述矩阵对角线上的条目为0。在本发明申请中用于计算所述距离矩阵D以及质心距离的方法并不重要。然而，一些为所述矩阵D计算所述质心距离的方法可定义如下：
1.dkl是质心Vk和Vl·之间的角。
2.dkl是质心Vk和Vl·之间的角与质心Vk和-Vl·之间的角中的较小的角。
3.dkl是质心Vk和Vl·之间的欧氏距离。
4.dkl是当选择Vk而不是Vl·时的平均系统吞吐量损失。
5.dkl是当选择Vk而不是Vl·时的用户系统吞吐量损失。
6.基于所述系统设计参数的任意其他距离定义。
除了用距离度量dkl表示两个指定的量化器质心间的距离，还使用一组距离表示d(k；e)以及全局距离表示GDP(e)来表示所述索引的量化器的距离表示。对于给定的质心k和比特错误数量e的距离表示d(k；e)表示对应于对所述质心Vk的所有错误的表示与实际质心Vk之间的距离的一组数，假定在传输其对应索引i时出现了e个错误。换句话说，
d(k；e)＝{d1，d2，d3，...，dn，...，dE}，其中E是在长度为N的码本索引的二进制表示中e元素子集的数目，dn对应于所述质心Vk与其包含e个比特索引错误的错误版本Vl之间的距离dkl。
最后，为了描述整个码本，将全局距离表示GDP(e)定义为所有距离表示d(k；e)的联合。
索引设计算法
使用启发式算法分两个阶段来执行基于所述距离矩阵D的索引的设计：初始化阶段和优化阶段。因为算法的初始化阶段基于索引的随机的初始选择，推荐以给定的迭代次数I重复执行所述算法的两个阶段在每个优化步骤之后存储索引映射，直到找到最好的解决方案或者满足了设计约束。索引设计算法的通常的操作如图4所示并在下面描述。
通用算法：
1.在步骤80，初始化迭代计数器i，在步骤82初始化之前的全局距离表示GDPprevious。
2.在步骤84，进行所述算法的初始化阶段(见下文)。
3.在步骤86，进行所述算法的优化阶段(见下文)。
4.在步骤88，存储索引映射并计算新的全局距离表示GDP(e)。
5.在步骤90比较GDP(e)和GDPprevious；在步骤92检查GDP(e)是否对GDPprevious作出改进且如果是的话则在步骤94将GDPprevious与GDP(e)交换并存储当前索引映射。
6.在步骤96对i加1。
7.在步骤98如果i＜I则转到2。
8.在步骤100，停止。
初始化阶段：
1.在步骤102，生成所述距离矩阵D；在步骤104初始化未指派的索引、质心和D中处理过的条目的列表。
2.在步骤106，在所述矩阵D中找出最小的未处理的条目dkl＞0。
3.将条目dkl标记为处理过的。
4.在步骤108搜索对应于dkl的质心Vk和Vl；在步骤110检查是否任意的索引已经被指派给任一质心。如果对应于dkl的质心Vk和Vl都没有被指派任意的索引i或j，在步骤112(a-c)、步骤118(d-e)和步骤120(f)：
a)从未使用的索引列表中选择随机索引i。
b)将索引i指派给质心Vk。
c)将已使用的索引列表中的第i个条目标记为占用。
d)从未使用的索引列表中选取任意的索引j使得对应的Hij最小化。
e)将所述索引j指派给所述质心Vl·。
f)将已使用的索引列表中的第j个条目标记为占用，且在已使用的质心列表中将Vl标记为已被分配索引。
5.在步骤114，检查质心Vk或Vl两者中是否只有一个已经被指派索引且如果是的话则在步骤118(a-b)和步骤120(c)中：
a)从未使用的索引列表中选取任意的索引j使得对应的Hij最小化，其中(步骤116)假定i是已被指派索引的所述质心的二进制索引。
b)将所述索引j指派给所述未指派索引的质心。
c)将已使用的索引列表中的第j个条目标记为占用，且将所述未指派索引的质心标记为已被指派索引。
6.如果质心Vk和Vl都已被指派索引，转到7。
7.在步骤112，如果仍然存在未被指派的索引，转到2。
8.在步骤124，停止。
在图5中介绍了初始化阶段的操作。
在初始化阶段完成之后，所述码本V中的所有质心Vk都已经被指派了所述二进制索引i，且使得矩阵D中与二进制索引i和j相耦合的最小距离dkl中的多数具有小汉明距离。然而，初始化阶段只能达到局部的最优解决方案，在下一步骤中，反复的寻求改良的方案。
优化阶段：
1.在步骤130，生成所述距离矩阵D并初始化全局距离表示GDP(e)。
2.在步骤132，初始化D中处理过的条目的列表。
3.在步骤134，将之前的通用错误距离设置为GDPprevious＝GDP(e)。
4.在步骤136，在所述矩阵D中找出最小的未处理的条目dkl＞0，并将其标记为处理过的。
5.在步骤138，找到指派给质心Vk和Vl的二进制索引i和j。按下列方式选择是否交换它们：
a)在步骤140，将质心Vk映射到索引i质心Vl映射到索引j计算全局距离表示GDPoriginal(e)。
b)在步骤142和144，将质心Vk映射到索引j质心Vl映射到索引i计算全局距离表示GDPswapped(e)。
c)在步骤146从6a)和6b)中选择与较好的全局距离表示相对应的映射，并在步骤148相应地为质心指派索引。
6.在步骤150，检查已处理的条目dkl的列表，如果仍然存在未处理的条目，转到4。
7.在步骤152，使用当前的质心和索引的映射计算所述GDP(e)。如果其优于GDPprevious则转到2。
8.在步骤154，如果对于GDPprevious没有改进则停止。
在图6中介绍了优化算法的操作。
优化阶段通过交换最接近配对的二进制表示来反复的搜索质心和索引间的更好的映射。每次这种交换之后，将交换的映射的全局距离表示与未交换的映射相比较，选择全局较佳解决方案。经由所有的质心反复地重复所述算法并在连续的索引交换不能改善时停止。
在图9中描述了这种索引方法的更通用的版本。在图5中，根据选定的距离尺寸选择互相相近的质心对(就是说，为了量化的目的表示信道状态空间的区的信道状态)并被指派在汉明距离上互相接近的索引，汉明距离是一个索引被错误的接收为另一个的概率的代理(距离越小，越可能被混淆)。因为反馈带宽是有限的，肯定有在汉明距离上互相接近的索引且如果这样接近的索引被指派给接近的信道状态，反馈错误的影响将会减小，进而如果它们被误认为彼此，将减小对传输质量的影响。所以图5中描述的初始化阶段可以认为是在步骤220选择索引到信道状态的多重映射(对信道状态对的不同的可能的索引指派)、在步骤222估计每一个映射的反馈错误的影响(这里使用汉明距离作为代理)、以及在步骤224中选择一个映射(这里是指具有最小汉明距离的一个)以减小传输错误的影响。同样在图6中描述的优化阶段包括在步骤220选择索引到信道状态的多重映射(这里通过交换索引对互相区别)、以及选择映射以减小反馈错误的预期的影响(这里通过选择具有最好全局距离表示的一个)。不管映射是怎样选择的，在步骤226其用于将关于信道状态的信息反馈从接收机发送到发射机，所述接收机为信道状态所处的信道状态空间的区使用映射到所述示例性状态(例如质心)的索引来表示所述信道状态。
反馈链路中具有错误检测的系统操作
如果所述系统在反馈链路中使用错误检测码，其操作可总结如下：
1.在步骤160，初始化传输时刻为t＝1。
2.在步骤162，每个接收机估计其信道矩阵H[t]。
3.在步骤164，每个接收机对信道状态信息执行向量量化。
4.在步骤166，使用错误检测码(例如CRC)对信道状态信息编码。
5.(可选的)在步骤168，使用纠错码(例如卷积码或turbo码)对具有错误-检测冗余的信道状态信息索引编码。
6.在步骤170，将编码的信道状态信息索引反馈至所述发射机。
7.(前提条件为5)在步骤172，在尝试纠正可能的信道传输错误的信道解码器中对接收到的信道状态信息索引解码。
8.在步骤174，错误-检测解码器检测解码的索引。
9.在步骤176，所述接收机对错误的解码的索引计数。
10.基于(在步骤178)执行，所述接收机之后可以：
a)在步骤180，如果仍有足够的索引用于优化处理，删除错误的索引，且只处理剩下的索引。
b)在步骤184，忽略错误并使用错误的索引。
c)在步骤186，恢复错误的索引，例如，通过使用发明名称为“多天线系统中量化的信道状态信息预测”的申请号为11/852,206的未决美国专利申请中的信道预测技术。
11.在步骤186，所述发射机使用任意方法(最大公平、最大吞吐量等)选择活跃的用户并选择对应的调制矩阵。
12.将信号发送到选中的活跃的用户。
13.在步骤188，增加传输时刻为t＝t+1。
14.转到2。
图7中描述了所述算法的操作。
反馈链路中不具有错误检测的系统操作
如果所述系统在反馈链路中不使用错误检测码，其操作可总结如下：
1.在步骤190，初始化传输时刻为t＝1。
2.在步骤192，每个接收机估计其信道矩阵H[t]。
3.在步骤194，每个接收机对信道状态信息执行向量量化。
4.(可选的)在步骤196，使用纠错码(例如卷积码或turbo码)对具有错误-检测冗余的信道状态信息索引编码。
5.在步骤198，使用之前部分描述的方法将编码的信道状态信息索引反馈至所述发射机。
6.(前提条件为4)在步骤200，在尝试纠正可能的信道传输错误的信道解码器中对接收到的信道状态信息索引解码。
7.如果(步骤202)所述索引错误检测可能使用选择性的方法，例如，诸如发明名称为“多天线系统中量化的信道状态信息预测”的申请号为11/852,206的未决美国专利申请中提出的信道预测技术，所述发射机可以：
a)在步骤206，如果仍有足够的索引用于优化处理，删除错误的索引，
b)在步骤204，使用例如信道预测技术恢复错误的索引。
8.如果(步骤202)所述索引错误检测是不可能的，在步骤208所述接收机将接收到的索引作为正确的索引使用。
9.在步骤210，所述发射机使用任意方法(最大公平、最大吞吐量等)选择活跃的用户并选择对应的调制矩阵。
10.将信号发送到选中的活跃的用户。
11.在步骤212，增加传输时刻为t＝t+1。
12.转到2。
图8中描述了所述算法的操作。
在不偏离权利要求所涵盖的范围的情况下，可以对本文描述的实施例进行非实质性修改。在权利要求中，“包括”一词表示包含性而不排除存在其它元素。权利要求特征之前的不定冠词“a”不排除存在一个以上的特征。在这里描述的独有特征中的每一个可被用于一个或多个实施例中，也不会由于只在这里描述而被解释为对权利要求限定的所有实施例都是必要的。

Claims (20)

1.减少从接收机到发射机的信道状态信息反馈中的错误的影响的方法，包括：
选择索引到信道状态的多重映射；
对于索引到信道状态的映射中的每一个映射估计反馈错误对传输质量的影响；
选择索引到信道状态的映射以减小反馈错误的影响；以及
将信道状态信息反馈从接收机传输到发射机，所述接收机使用由选定的索引到信道状态的映射所确定的索引表示信道状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在反馈的传输中使用错误检测。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在反馈的传输中使用纠错。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使用信道预测来检测错误。
5.根据权利要求2、3或4所述的方法，其特征在于：所述发射机丢弃确定为错误的反馈。
6.根据权利要求2、3或4所述的方法，其特征在于：所述发射机尝试恢复错误的反馈。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使用距离度量来估计所述发射机错误地使用一个信道状态而不是另一个信道状态对传输质量的影响。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：选择的索引到信道状态的多重映射包括由方法所选择的映射，所述方法包括：
选择信道状态间具有小的距离的信道状态对；
对于每一个信道状态对，为所述信道状态选择具有高的被误认为另一个的可能性的索引。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：选择的索引到信道状态的多重映射包括至少一个通过交换索引对由另一个映射修改得到的映射。
10.为信道状态指派索引以减少从接收机到发射机的信道状态信息反馈中的错误的影响的方法，包括：
选择按照距离测量彼此靠近的信道状态对；以及
为所述信道状态对中任意的未被指派索引的信道状态指派索引以最小化所述索引间的汉明距离。
11.改进对信道状态的索引指派以减少从接收机到发射机的信道状态信息反馈中的错误的影响的方法，包括：
选择已经被指派索引的信道状态对；
确定交换指派给所述状态的所述索引是否会减少信道状态信息反馈中的错误的影响；以及
按照之前的步骤的决定来重新指派所述索引。
12.操作多天线通信系统的方法，所述系统包括发射机和一个或多个接收机，所述方法包括：
每个接收机估计其信道状态；
每个接收机基于其各自估计的信道状态来选择表示信道状态的索引；
每个接收机将其各自选择的索引传送到所述发射机；以及
所述发射机使用所述选择的索引来估计所述信道状态，将信息传送到一个或多个所述接收机。
13.权利要求12的方法进一步包括：
每个接收机使用错误-检测码对其各自的选择的索引编码；
每个接收机通过将其各自的编码的索引传送到所述发射机的方式来将其各自的选择的索引传送到所述发射机；
所述发射机使用错误-检测解码器来对编码的索引进行解码；以及
所述发射机使用解码的索引作为选择的索引来估计所述信道状态，将信息传送到一个或多个所述接收机。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于：通过按照权利要求1、10或11的方法或者图4、5、6、7、8或9中各自的方法为信道状态指派索引来实现选择索引。
15.根据权利要求12、13或14所述的方法，其特征在于：在所述接收机使用纠错码对所述索引进行编码，在所述接收机使用纠错解码器对其进行解码。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的方法，其特征在于：所述发射机尝试确定每个接收到的索引是否是正确或者错误的。
17.根据权利要求12-16中任一项所述的方法，其特征在于：所述发射机在到所述接收机的传输中不使用被确定为错误的索引。
18.根据权利要求12-17中任一项所述的方法，其特征在于：所述发射机尝试恢复被确定为错误的索引。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：所述发射机使用信道预测来恢复被确定为错误的索引。
20.装置包括：
接收机，包含一个或多个天线和接收机处理模块；
发射机，包含天线和发射机处理模块；以及
所述接收机处理模块和发射机处理模块被配置为实现权利要求12-19中任一项的方法步骤。
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