CN102460996A - 用于闭环mimo射束形成的差分反馈方案 - Google Patents

用于闭环mimo射束形成的差分反馈方案 Download PDF

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Abstract

第一秩M的第一N×M码本可用于生成第二秩(N-M)的第二N×(N-M)码本。这个第二码本与第一码本正交且互补。实际上,这可降低闭环MIMO射束形成中的存储需求,原因在于第二码本可由基站和/或移动站根据需要动态生成。在一些情况下,可由较低秩(例如1或2)射束形成矩阵或预编码矩阵形成较高秩射束形成矩阵或预编码矩阵。还公开了生成旋转矩阵的新颖方式。

Description

用于闭环MIMO射束形成的差分反馈方案
技术领域
一般而言,所要求发明的实现可涉及无线通信,并且具体地说,涉及无线通信网络中的射束形成。
背景技术
在包括用户站和基站(BS)的无线网络中的闭环多输入/多输出(MIMO)射束形成的下行链路中,用户站(在本文有时也称为移动站(MS)或用户设备(UE))量化理想射束形成矩阵,并将对应于理想射束形成矩阵的量化索引发送回基站(在本文有时也称为发射器或增强节点B(eNB))。基站根据反馈索引重构射束形成矩阵,并进行射束形成。类似地,在上行链路中,基站量化理想射束形成矩阵,并且用户站根据反馈重构射束形成矩阵。众所周知,射束形成增加了链路性能和系统吞吐量。
可差分地反馈射束形成矩阵。当前射束形成矩阵与前一射束形成矩阵之间的改变可由码本量化,并可反馈对应的量化索引。量化码本决定了射束形成准确性和跟踪能力。可在时间和/或频率上应用差分反馈。
本发明的实施例可应用在无线局域网(WLAN)或(包括WiMAX(全球互通微波接入)网络等等的)无线广域网(WWAN)中。WiMAX技术基于IEEE 802.16系列标准,包括IEEE 802.16e、IEEE 802.16m及其它。本文中的发明也可应用于其它WWAN,诸如根据3GPP长期演进(LTE)或高级LTE等后继的无线标准操作的那些WWAN。另外,虽然在本文中已经作为适当应用的示例阐述了多个特定标准,但是本文的实现不限于任何具体标准或协议。
附图说明
结合在此申请文件中并构成此申请文件的一部分的附图例证了符合本发明原理的一个或多个实现,并与说明书一起说明了此类实现。附图不一定按比例绘制,而是将重点放在例证本发明的原理。在附图中:
图1例证了根据本文公开的一些实现的通信系统的示范框图。
图2例证了根据一些实现的示范通信系统的框图。
图3例证了本文所描述的由N×M码本形成N×(N-M)码本的概念性过程。
图4例证了本文所描述的使用动态生成的差分码本对数据进行预编码或射束形成的过程。
具体实施方式
如下具体实施方式参考附图。在不同附图中可使用相同附图标记来标识相同或相似单元。在如下描述中,为了说明而非限制的目的,阐述了特定细节,诸如具体结构、架构、接口、技术等,以便提供对所要求发明的各方面的全面理解。然而,从本公开获益的本领域技术人员将明白,所要求发明的各个方面可在脱离这些特定细节的其它示例中实施。在某些实例中,省略了对众所周知的装置、电路和方法的描述,从而避免用不必要的细节模糊了本发明的描述。
本文中的一些实现可用于根据第一秩M的第一N×M码本生成第二秩(N-M)的第二N×(N-M)码本。第一码本和第二码本可由这些站用于以任何已知方式进行闭环MIMO预编码。这个第二码本与第一码本正交且互补。实际上,这可降低闭环MIMO射束形成中的存储需求,原因在于第二码本可由基站和/或移动站根据需要动态生成。在一些情况下,可由较低秩(例如1或2)射束形成矩阵或预编码矩阵形成较高秩射束形成矩阵或预编码矩阵。还公开了生成旋转矩阵QV(t-1)的新颖方式。
图1例证了根据本文一些实现的通信系统100的示范框图。系统100包含能够通过MIMO信道106与接收器104通信的发射器102。可选地,发射器102可以是感知失真的。发射器102配置成接收要发射的源。如下面隐式或者显式进一步说明的一样,发射器102在利用来自接收器104的闭环反馈进行信道编码期间将信道条件考虑进去。发射器102基于从该接收器反馈的码字索引根据从其码本当中选择的码字通过MIMO信道向接收器104发射源。接收器104配置成接收MIMO传输并重构该传输以生成重构源。
应该注意,发射器102可以是基站(BS)/eNB或移动站(MS)/UE,并且接收器104可以是基站/eNB或移动站/UE中的另一个。如闭环MIMO射束形成中的实施一样,BS或者MS可以确定(例如基于SINR或一个或多个其它信道品质条件)在哪个秩发射和接收信息。例如,在比较低的SINR,N×1方案(即秩1)可用于在单个流中发射所有能量,其中如果SINR改进到大约5dB,则可使用N×2(即秩2)配置。类似地,如果SINR超过例如20dB,则可使用N×3(即秩3)方案来增大吞吐量。在任何情况下,BS和MS可在发射之前各生成适当秩的码本。然后,来自接收装置(例如MS或BS)的、码字索引形式的反馈允许发射装置(例如BS或MS)从其生成的码本中选择适当的码字用于射束形成传输。
本文所用的术语“射束形成矩阵”和“预编码矩阵”可以互换。技术上,前者是后者的单个流(即秩1)实例,但在较广的意义上,预编码矩阵将结果输出成形或形成结果输出,即便没有要形成的单个流(即对于其中有多个流的秩2或更高秩)也是如此。由此,在一般意义上,在本文中“射束形成”可以指“预编码”,并且反之亦然。
图2例证了根据一些实现的闭环MIMO传输的系统200的示例。为此,系统200包含配置成通过MIMO信道206与接收器204无线地通信的发射器202。发射器202包含多个发射天线208,所述多个发射天线208用于与接收器204处的多个接收天线210进行MIMO通信。发射器202也包含发射电路或装置212,诸如用于通过MIMO信道206发射信号的无线电前端或其它无线传输机构。类似地,接收器204可包含接收电路或装置214,诸如用于从发射器202接收信号的无线电前端或其它无线接收机构。
此外,发射器202可包含一个或多个耦合到存储器218或其它处理器可读存储介质的处理器216。类似地,接收器204可包含一个或多个耦合到存储器224的处理器222。
在一些实现中,一个或多个处理器216、222可以是单个处理单元或多个处理单元,它们都可包含多个计算单元或多个核。一个或多个处理器216、222可实现为一个或多个微处理器、微计算机、微控制器、数字信号处理器、中央处理单元、状态机、逻辑电路和/或基于操作指令操控信号的任何装置。除了其它能力之外,处理器216、222还可配置成取并执行分别存储在存储器218、224或其它处理器可读存储介质中的处理器可执行指令。
存储器218、224可包含本领域已知的任何处理器可读存储介质,例如包括易失性存储器(例如RAM)和/或非易失性存储器(例如闪存等)、大容量存储装置,诸如硬盘驱动器、固态驱动器、可拆卸介质,包括外部驱动器、可拆卸驱动器、软盘、光盘等,或它们的任何组合。存储器218、224将计算机可读处理器可执行程序指令存储为可分别由处理器216、222执行的计算机程序代码,作为用于执行在本文实现中描述的方法和功能的具体体系(machine)。另外,存储器218、224也可包含存储在其中并可分别由处理器218、222执行的其它程序模块,以便执行本文中实现,诸如编解码器等。例如,存储器218可包含源编码器228和信道编码器230,如上所述。类似地,存储器224可包含源解码器232和空间-时间解码器234,如上所述。存储器218、224也可包含数据结构,诸如存储的SNR矢量、查找表、MIMO MCS方案、预编码矩阵等等(未示出),如上所述。
此外,发射器202和接收器204可在各种装置和系统(诸如蜂窝通信系统、Wi-Fi系统等等)中实现。例如,发射器202可合并在移动计算装置(诸如蜂窝电话、智能电话、膝上型计算机等)中,而接收器204可在小区塔、无线接入点、第二计算装置等中实现,或反过来。另外,虽然已经描述了示范系统架构,但仍要认识到,其它实现不限于本文描述的具体系统架构。例如,本文描述的技术和架构可合并在各种无线通信装置中的任一种装置中,并且本文中的实现不限于任何类型通信装置。
在下游情况或下行链路情况下,上面一般地命名的发射器102和/或202在本文的系统级可互换地称为基站(BS)或增强节点B(eNB)或接入点(AP)。在这个下行链路情况下,上面的接收器104和/或204在本文的系统级可互换地称为移动站(MS)或用户设备(UE)或用户站(STA)。另外,根据正在使用哪种无线协议,术语BS、eNB和AP可在概念上互换,因此本文对BS的引用也可看作对eNB或AP的引用。类似地,本文对MS的引用也可看作对UE或STA的引用。
下面列出对差分反馈的描述。在下行链路中,基站或移动站选择流的数量,即射束形成矩阵的秩。基站和移动站都根据用于所选秩的规范生成相同码本。移动站例如可反馈码字的索引,即所选射束形成矩阵。基站然后从相同码本中查找射束形成矩阵。然而,在一些情况下,基站可反馈码字的索引,即所选射束形成矩阵。移动站然后可从相同码本中查找射束形成矩阵。
802.16m差分反馈的翻新:
差分反馈利用时间或频率上相邻的预编码矩阵之间的相关性。最初通过发送自身就完整地描绘预编码器的一次性反馈来启动反馈,以及周期地通过发送自身就完整地描绘预编码器的一次性反馈来重新启动反馈。至少有一个差分反馈将跟着启动反馈和重新启动反馈。启动反馈和重新启动反馈采用对于基本模式定义的码本,并通过在MFM 3和6的反馈分配A-MAP IE中定义的长期报告来发送。差分反馈通过在MFM 3和6的反馈分配A-MAP IE中定义的短期报告来发送。
反馈索引、对应的反馈矩阵和对应的预编码器分别由t、D(t)和V(t)表示。在Tmax+1将顺序索引复位成0。启动反馈和重新启动反馈的索引为0。令A为矢量或矩阵,并且QA为由A确定的旋转矩阵。随后差分反馈的索引是1、2、…、Tmax,并且对应的预编码器是:
对于t=0,1,2,…,Tmax,V(t)=QV(t-1)D(t),
其中旋转矩阵QV(t-1)是根据前一预编码器V(t-1)计算的酉矩阵Nt×Nt;Nt是发射天线的数量。反馈矩阵D(t)的维度是Nt×Mt,其中Mt是空间流的数量。
QV(t-1)具有形式QV(t-1)=[V(t-1) V(t-1)],其中V(t-1)由各具有单位范数(unit norm)并与QV(t-1)的其它列正交的列组成。对于Mt=1,其中V(t-1)是矢量,
Figure BPA00001496691500051
其中‖V(t-1)‖=1并且ω=e-jθV(t-1)-e1;θ是V(t-1)第一项的相位;e1=[1 0…0]T。对于Mt>1,令L=Nt-Mt
为了计算QV(t-1),添加L列到V(t-1),从而形成方矩阵M=[V(t-1) E],并且添加的列为:
E = e τ 1 . . . e τ L
其中是第τj行上的项是1而其它项是0的Nt×1矢量。
QV(t-1)是通过对M的列正交化和标准化计算的。为了得到正交化和标准化过程的数值稳定性,选择索引τj,j=1,…,L。令:
g=(|Re(V(t-1))|+|Im(V(t-1))|)a
其中a是其中所有项都等于1的1×Mt矢量;Re( )和Im( )分别取输入矩阵的实部和虚部;||取输入矩阵逐项的绝对值。矢量g的第i行具有同一行上V(t-1)所有实部和虚部的绝对值之和。
g的项按升序分类。如果gi=gj并且i<j,则在顺序列表中使用gi<gj。顺序列表是
g k 1 < . . . < g k N t ,
其中ki(i=1,…,Nt)是g的行索引。列表中的前L个索引被指配给E中如下的索引τj
τj=kj,j=1,…,L。
Gram-Schmidt正交化和标准化过程被逐列应用在M的最后L列上,并如下得到QV(t-1)
Figure BPA00001496691500064
其中
Figure BPA00001496691500065
是M的第τj行和第k列上项的共轭。
反馈矩阵D(t)选自差分码本。该码本由D(Nt,Mt,Nw)表示,其中Nw是码本中的码字数量。D(Nt,Mt,Nw)的第i个码字由Di(Nt,Mt,Nw)表示。Di(Nt,Mt,Nw)的旋转矩阵
Figure BPA00001496691500071
包括由QD(Nt,Mt,Nw)表示的Nt×Nt矩阵集合。
根据QD(4,1,Nw)计算差分码本D(4,3,Nw)。D(4,3,Nw)的由Di(4,3,Nw)表示的第i个码字计算为:
D i ( 4,3 , N w ) = 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 Q ~ i ( 4,1 , N w )
其中
Figure BPA00001496691500073
由QD(4,1,Nw)中第i个矩阵的最后三列构成。根据QD(4,2,Nw)计算差分码本D(4,4,Nw)。D(4,4,Nw)的第i个码字是QD(4,2,Nw)中的第i个矩阵。
分别根据D(8,3,Nw)、D(8,2,Nw)和D(8,1,Nw)计算差分码本D(8,5,Nw)、D(8,6,Nw)和D(8,7,Nw)。D(8,5,Nw)、D(8,6,Nw)和D(8,7,Nw)的第i个码字Di(8,5,Nw)、Di(8,6,Nw)和Di(8,7,Nw)分别计算为:
D i ( 8,5 , N w ) = 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 Q ~ i ( 8,3 , N w )
D i ( 8,6 , N w ) = 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 Q ~ i ( 8,2 , N w )
D i ( 8,7 , N w ) = 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 Q ~ i ( 8,1 , N w )
其中
Figure BPA00001496691500082
由QD(8,k,Nw)中第i个矩阵的最后8-k列构成。根据D(8,4,Nw)计算差分码本D(8,8,Nw)。D(8,8,Nw)的第i个码字是QD(8,4,Nw)中的第i个矩阵。
应该注意本文中本发明的两个方面。第一方面是Nt×Mt码本与Nt×(Nt-Mt)码本之间的互补关系。第二方面是互补扩展的有效计算,即,向给定矢量或矩阵增加互补且正交的列。该计算用于计算QV(t-1)
Figure BPA00001496691500083
对于第一方面,发明人已经发现部分秩码本之间的互补关系。也就是说,Nt×Mt码本的码字跨越的子空间(也称为范围)可以与Nt×(Nt-Mt)码本的码字的子空间(或范围)正交且互补。为清楚起见,这里Nt是天线数量,并且Mt是第一秩或发射天线数量。因此,量(Nt-Mt)定义第二秩或流的数量,第二秩或流的数量当加到Mt时得到满秩(例如流的数量等于天线数量N)。因此,可根据Nt×Mt码本生成Nt×(Nt-Mt)码本。尽管两个码本中的码字数量可能不相同,但仍应该注意,可根据Nt×Mt码本的子集生成Nt×(Nt-Mt)码本的子集。下面概括这些步骤,并且一些步骤在概念上显示为图3中的过程300。
首先,从Nt×Mt码本中挑选码字DN×M。接下来,向DN×M添加Nt-Mt列,使得添加的列与DN×M的列正交[动作310]。
添加的Nt-Mt列形成矩阵
Figure BPA00001496691500084
Figure BPA00001496691500085
旋转Nt×Nt,使得旋转的Nt×(Nt-Mt)码本在期望位置[动作320]。期望位置是作为Nt×Mt码本的方位的那个方位(在图3中显示为北极或顶部方向)。
生成互补差分码本的这个方案除了图3显示的之外,还可在数学上例证如下:
Figure BPA00001496691500091
例如,原始码字 D N &times; M = 1 0 0 . 添加的列形成 D ~ N &times; ( N - M ) = 0 0 1 0 0 1 . 由于 1 0 0 通常是原始码本的中心,并且 1 0 0 1 0 0 是互补码本的中心,因此我们需要将 D ~ N &times; ( N - M ) = 0 0 1 0 0 1 旋转到 1 0 0 1 0 0 . 对于这个示例,旋转矩阵可以是 R N &times; N = 0 1 0 0 0 1 1 0 0 . 一般而言,该旋转矩阵具有块对角线结构,并且可以是 R N t &times; N t = I N t - M t I M t ,
其中IK是K×K单位矩阵。如果差分码本均匀地分布在酉矩阵集合中,则可跳过旋转步骤。此外,如果差分码本是关于中心对称的,则旋转矩阵R可应用。否则,如果期望的话,可使用其它旋转矩阵来实现类似目的。
对于第二方面,QV(t-1)的计算也是图3中的互补扩展Q,和上述
Figure BPA000014966915000910
Nt-Mt个添加列不是唯一的,并且不同的选项(option)仅相差(Nt-Mt)×(Nt-Mt)旋转矩阵,原因在于
Figure BPA000014966915000911
其中Q(N-M)×(N-M)是(Nt-Mt)×(Nt-Mt)旋转矩阵。为了有效计算QV(t-1)或图3中的Q,我们首先添加L=Nt-Mt个在项中有单个一的矢量,并且然后如下将添加的矩阵正交化。每个矢量中的单个一减少了相乘次数。
为了计算QV(t-1),L列被添加到V(t-1),从而形成方矩阵M=[V(t-1) E],并且添加的列是:
E = e &tau; 1 . . . e &tau; L
其中
Figure BPA000014966915000913
是第τj行上的项是1而其它项是0的Nt×1矢量。通过正交化并标准化M的列来计算QV(t-1)。为了得到正交化和标准化过程的数值稳定性,选择索引τj,j=1,…,L。令:
g=(|Re(V(t-1))|+|Im(V(t-1))|)a
其中a是其中所有项都等于1的1×Mt矢量;Re( )和Im( )分别取输入矩阵的实部和虚部;||取输入矩阵逐项的绝对值。矢量g的第i行具有同一行上V(t-1)的所有实部和虚部的绝对值之和。
g的项按升序分类。如果gi=gj并且i<j,则在顺序列表中使用gi<gj。顺序列表是
g k 1 < . . . < g k N t ,
其中ki(i=1,…,Nt)是g的行索引。列表中的前L个索引被指配给E中如下的索引τj
τj=kj,j=1,…,L。
Gram-Schmidt正交化和标准化过程被逐列应用在M的最后L列上,并得到QV(t-1)如下:
Figure BPA00001496691500102
其中
Figure BPA00001496691500103
是M的第τj行和第k列上项的共轭。
图4例证了本文所描述的使用动态生成的差分码本对数据进行预编码或射束形成的过程400。BS或者MS(或它们的对应部分UE或eNB中的一个)可决定改变闭环MIMO射束形成(或预编码)中使用的射束形成矩阵的秩[动作402]。例如,信道条件(例如SINR)可充分提高5、10或20dB,使得BS或MS决定将秩从较低数(例如一个数据流)改变为较高秩(例如对于4天线情况的3个流)。
BS和MS都可获得互补秩的差分码本[动作404]。在一些实现中,例如秩1或2的这些码本可存储在BS和MS中的存储器中,存储大小比较小。
然后,BS和MS各可利用本文描述的互补过程生成新秩的码本[动作406]。有时,这个新秩将高于互补秩。在一些实现中,可将新差分码本本地存储在动态存储器中,以便在需要新差分码本时使用。
根据哪个站正在发射以及哪个站正在接收,BS或MS可接收或发射索引[动作408],所述索引告诉另一站新码本中的哪个码字用于预编码以便进行闭环MIMO数据传输。再次根据哪个站正在发射以及哪个站正在接收,BS或MS可接收或发射用对应于在动作408发射或接收的索引的码字预编码的数据[动作410]。这是本文描述的码本和旋转矩阵生成方案如何用在闭环MIMO射束形成(或预编码)中。
由此,本文的方案可用于根据第一秩M的第一N×M码本生成第二秩(N-M)的第二N×(N-M)码本。这个第二码本与第一码本正交且互补。实际上,这可降低闭环MIMO射束形成中的存储需求,原因在于第二码本可由基站和/或移动站根据需要动态生成。在一些情况下,可由较低秩(例如1或2)射束形成矩阵或预编码矩阵形成较高秩射束形成矩阵或预编码矩阵。还公开了生成旋转矩阵QV(t-1)的新颖方式。
一个或多个实现的以上描述提供了例证和描述,但并未打算是详尽的或将本发明范围局限于公开的精确形式。修改和改变根据以上示教是有可能的,或者可从本发明的各种实现的实施中获取。例如,图3或4中的任何动作或所有动作或类似描述的过程都可作为由计算机(或处理器或专用逻辑)执行包含在计算机可读介质(诸如存储器、盘等)上的指令的结果来执行。
本申请的说明书中使用的单元、动作或指令不应解释为对本发明而言是关键的或必不可少的,除非这样明确描述了。还有,本文所用的不定冠词旨在包含一项或多项。在基本上不脱离本发明精神和原理的情况下,可对上面描述的所要求发明的实现进行改变和修改。在本文中,所有这种修改和改变都旨在包含在由如下权利要求书保护的本公开的范围内。

Claims (14)

1.一种执行基于码本的预编码的方法,所述方法包括:
获得具有第一秩的第一差分码本的至少一部分;
根据所述第一差分码本生成具有第二秩的第二差分码本的至少一部分;
利用多个天线中的至少一个天线从远程站接收到所述第二差分码本中的索引;以及
使用基于所述索引从所述第二差分码本中选择的码字来预编码用于利用所述多个天线传输的数据。
2.如权利要求1所述的方法,其中所述获得包括从存储器中读取所述第一差分码本。
3.如权利要求1所述的方法,其中所述第一秩是1或2或更大,并且其中所述第二秩是所述多个天线的数量与所述第一秩之间的差。
4.如权利要求1所述的方法,其中所述第二秩大于所述第一秩。
5.如权利要求1所述的方法,还包括:
将所述第二差分码本存储在存储器中。
6.如权利要求1所述的方法,其中所述生成包括:
在所述第一差分码本上执行互补扩展以生成具有所述第二秩的中间码本;以及
旋转所述中间码本以生成所述第二差分码本。
7.处理器可读存储介质,包含用于由处理器执行以便实现如权利要求1所述的方法的处理器可执行指令。
8.一种执行利用N个天线的基于码本的闭环传输的方法,其中N是整数2或更大整数,所述方法包括:
提供N×M差分码本,其中M是数据流的小于N的整数数量;
根据所述N×M差分码本生成N×(N-M)差分码本包括:
执行所述N×M差分码本的互补扩展;以及
使用从所述N×(N-M)差分码本中选择的码字来预编码用于利用所述N个天线传输的数据的(N-M)个流。
9.如权利要求8所述的方法,其中所述提供包括从存储器中读取所述N×M差分码本。
10.如权利要求8所述的方法,其中M是1或2或更大。
11.如权利要求8所述的方法,其中N是2、3、4或8。
12.如权利要求8所述的方法,还包括:
将所述N×(N-M)差分码本存储在存储器中。
13.如权利要求8所述的方法,其中所述生成包括:
旋转通过互补扩展所述N×M差分码本而产生的中间矩阵。
14.处理器可读存储介质,包含用于由处理器执行以便实现如权利要求8所述的方法的处理器可执行指令。
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