CN102474317B - 用于无线通信系统中的频率选择信道的mimo波束成形的装置、方法和系统 - Google Patents

用于无线通信系统中的频率选择信道的mimo波束成形的装置、方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例提供了一种装置，包括：收发机，操作为无线网络中的基站(BS)，所述收发机适用于多输入多输出(MIMO)波束成形，并进一步适用于与接收机进行无线通信，接收机向所述收发机反馈用于每个子频带的多个波束成形矩阵并跨所述子频带对所述波束成形矩阵进行内插。

Description

用于无线通信系统中的频率选择信道的MIMO波束成形的装置、方法和系统
技术领域
本申请涉及无线通信，尤其涉及用于无线通信系统中的频率选择信道的MIMO波束成形的技术。
背景技术
在无线通信中，使用矩阵反馈的波束成形已经被使用，以提供显著的改进。之前，当已经使用了波束成形时，对每个频率子频带仅仅存在一个波束成形矩阵反馈。这导致大约10％的性能下降，因为跨子频带的频率选择性。该波束成形矩阵随后被用于整个子频带的发射波束成形。这导致性能下降，因为信道响应以及随即的理想波束成形矩阵在子频带内发生横跨诸个子载波的变化。该问题在子频带带宽增大时变得更为严重。
因此，强烈需要用于无线通信系统中的频率选择信道的MIMO波束成形的改进技术。
发明内容
根据本发明一方面，提供了一种用于无线通信系统中的频率选择信道的MIMO波束成形的装置，包括：收发机，适用于多输入多输出(MIMO)波束成形，并进一步适用于与接收机进行通信，接收机向所述收发机反馈用于每个子频带的多个波束成形矩阵并跨所述子频带对所述波束成形矩阵进行内插；其中所述内插是使用两个反馈波束成形矩阵对所述子频带中的至少一个波束成形矩阵进行的，其中每一个反馈波束成形矩阵对应于所述子频带两端中的一端。
根据本发明另一方面，提供了一种用于无线通信系统中的频率选择信道的MIMO波束成形的方法，包括：将收发机操作为无线网络中的基站(BS)，所述收发机已经适用于多输入多输出(MIMO)波束成形，并进一步适用于与接收机进行无线通信，接收机向所述收发机反馈用于每个子频带的多个波束成形矩阵并跨所述子频带对所述波束成形矩阵进行内插；其中所述内插是使用两个反馈波束成形矩阵对所述子频带中的至少一个波束成形矩阵进行的，其中每一个反馈波束成形矩阵对应于所述子频带两端中的一端。
根据本发明还有一方面，提供了一种用于无线通信系统中的频率选择信道的MIMO波束成形的设备，包括：用于将收发机操作为无线网络中的基站(BS)的装置，所述收发机已经适用于多输入多输出(MIMO)波束成形，并进一步适用于与接收机进行无线通信，接收机向所述收发机反馈用于每个子频带的多个波束成形矩阵并跨所述子频带对所述波束成形矩阵进行内插；其中所述内插是使用两个反馈波束成形矩阵对所述子频带中的至少一个波束成形矩阵进行的，其中每一个反馈波束成形矩阵对应于所述子频带两端中的一端。
根据本发明再有一方面，提供了一种用于无线通信系统中的频率选择信道的MIMO波束成形的系统，包括：收发机，适用于多输入多输出(MIMO)波束成形，并操作为无线网络中的基站(BS)，所述无线网络符合电气和电子工程师协会(IEEE)802.16标准；以及收发机，操作为所述无线网络中的移动站(MS)，并操作为与所述BS进行通信，其中所述MS向所述BS反馈用于每个子频带的多个波束成形矩阵，并跨所述子频带对所述波束成形矩阵进行内插，其中所述内插是使用两个反馈波束成形矩阵对所述子频带中的至少一个波束成形矩阵进行的，其中每一个反馈波束成形矩阵对应于所述子频带两端中的一端。
附图说明
在说明书的结论部分中特别指出并清楚地要求保护被视为本发明的主题。然而，通过结合附图一起阅读以下详细描述，能够在组织和操作方法及其目的、特性和优势方面最好地理解本发明，在附图中：
图1示出了跨越72个子载波的频率选择信道；
图2示出了用于2x2个MIMO信道的跨越72个子载波的波束成形角度变化；
图3示出根据本发明的实施例的一个波束成形矩阵和经内插的两个波束成形矩阵；
图4提供了根据本发明的实施例的在格拉斯曼流形(grassmannmanifold)上的测地示图；
图5示出了根据本发明的实施例的角域和矢量域中的内插；
图6示出了根据本发明的实施例的随着时间的子频带反馈；以及
图7提供了根据本发明的实施例的具有单个流传输的弱相关2x2信道的信道容量对比图。
应理解，为了简单且清楚地说明，附图中的元素不一定是按比例绘制的。例如，为了清楚起见，一些元素的尺寸可相对于其它元素被放大。
更进一步地，在认为适当时，附图标记在附图中被重复使用以指示相应或相似的元素。
具体实施方式
在以下详细描述中，陈述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，本领域的技术人员将理解无需这些具体细节就可实践本发明。在其它实例中，未对已知方法、程序、组件以及电路进行详细描述以免模糊本发明。
虽然本发明的各实施例不限于此方面，但是采用诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“建立”、“分析”、“检查”等的术语的讨论可指计算机、计算平台、计算系统、或其它电子计算设备的操作和/或处理，其将计算机寄存器和/或存储器内的表示为物理(例如电子)量的数据处理和/或转换为计算机寄存器和/或存储器或其它可存储执行操作和/或处理的指令的信息存储介质内的类似地表示为物理量的其它数据。
虽然本发明的实施例不限于此方面，但如本文中所使用的术语“复数个”和“多个”可包括例如“多个”或“两个或两个以上”。术语“复数个”或“多个”可在说明书通篇中使用以描述两个或更多个部件、设备、元件、单元、参数等。例如，“多个站”可包括两个或两个以上站。
本发明的诸个实施例提供了对每个子频带反馈多个(诸如，两个)波束成形矩阵并跨子频带内插波束成形矩阵的方案。在本发明的实施例中，提供了一种新颖的内插方案，该方案最小化了内插误差。对于在相同的反馈开销下的典型信道，获得了4.1％的增益。取决于系统配置，整个频带可包含一个或多个子频带。
如前所述的，在现有系统中，仅仅对每个频率子带反馈一个波束成形矩阵。该波束成形矩阵随后被用于整个子频带的发射波束成形。这导致性能下降，因为信道响应以及随即的理想波束成形矩阵在子频带内发生横跨诸个子载波的变化。该问题在子频带带宽增大时变得严重。
对于多用户多输入多输出(MIMO)，使用较大的子频带带宽，以增加用户配对的几率。因此，该子频带通常具有72个子载波，即，大约800kHz。在子频带内的信道响应的变化导致理想波束成形角度对典型信道(空间上不相关的以及空间上弱相关的MIMO信道)变化大约60度。信道响应的实部的示例被示出在图1中，概括地示为100。对应的跨越72个子载波的波束成形角度被示出在图2中，概括地示为200。角度变化减小了子频带的边沿的波束成形精确度，并导致多用户MIMO的下行链路的跨诸个用户信号的强干扰。此外，子频带内的信号质量的变化也会限制高速率信道编码的使用。期望减小该变化，并提高波束成形精确度。
在本发明的诸个实施例中，替代一个波束成形矩阵，本发明提供了反馈多个(诸如，两个)波束成形矩阵。这在如果上行链路反馈带宽是可用的，或一个用户的粗糙的波束成形导致对其他用户的强干扰的情况下尤其有用。对移动用户而言，对每个子频带生成两个反馈是可选的配置。因为反馈信道可以实际上对强用户承载更多的比特，所以该选项允许强用户从它们的良好信道中获益。两个波束成形矩阵分别用于子频带的两端中的每一端。可使用两个反馈矩阵对子频带内的所有波束成形矩阵进行内插。被应用的波束成形矩阵跨子频带变化，并且本发明的一些实施例在考虑到内插的情况下在两个子频带端点集合地选择两个波束成形矩阵的反馈指数。现在考虑到图3在300处示出的本发明的实施例，示出了现有技术使用的单个波束成形矩阵310、360和370，其中在330、320、340和350处示出了本发明使用具有内插的多个波束成形矩阵。
存在多种方法来对两个反馈波束成形矩阵之间的波束成形矩阵进行内插。注意到波束成形矩阵是酉阵并且位于格拉斯曼流形(grassmannmanifold)上，如图4所示，概括地示出为400。存在连接两个反馈矩阵A410和B420的多条曲线，并且内插矩阵是位于连接曲线430上。每条曲线对应于一系列随机信道实现。最小化了平均内插误差的曲线是连接A410和B420的测地线430。
使M＝AHB，其中A和B是反馈波束成形矩阵，A和B是NtxNs个酉矩阵，即AHA＝I且BHB＝I；Nt是发射天线的数量，Ns是波束成形流的数量。特别地，单个空间流被发送，并且当Ns＝1时波束成形矩阵A和B是Ntx1个矢量。M的奇异值分解由下式给出：
M = Q A ΣQ B H - - - ( 1 )
其中QA和QB是NsxNs个正交矩阵，且Σ是对角矩阵。使
且随后
使σi＝cosθi对于i＝1,---,Ns。θi是的第i个列(由来表示)与的第i个列(由来表示)之间的角度，如图4的右侧所示。线性内插首先在主角θi·S的域中执行，如图4左侧所示。第k个子载波的内插角由下式来计算：
θi(k)＝akθi,对于i＝1,---,Ns(3)
其中：
a k = | f k - f A f A - f B | - - - ( 4 )
与A的子载波和B的子载波之间的频率间隔成反比，即|fA-fB|，并且与A的子载波和第k个子载波之间的频率间隔成正比，即|fK-fA|。当角被内插之后，计算在的第i个列以及的第i个列之间内插的矢量如图5的右侧所示。ci(k)具有单位范数，并且位于和所横跨的平面中。此外，和之间的角度是θi(k)。最后，经内插的波束成形矩阵由下式形成：
如果不是酉矩阵，可使用诸如QR分解或Grant-Schmidt运算之类的算法将其被转换为横跨相同子空间的酉矩阵。为了最小化跨子频带的波束成形矩阵的相位迁跃，NsxNs的正交矩阵Q(k)可从右侧被乘至每个波束成形矩阵(包括A、B、和)。例如，可按照如下方式被转换为C(k)：
其中Q(k)可等于C(k)被用于实际波束成形。
现在参见图5，在500处示出了在角域510和矢量域520中的内插。应该理解到，可以跨频率和/或时间而进行内插。其中当被应用到时域中时，可以与信道预测技术一起使用。可通过对对应的信道矩阵的预测来预测将来时间的波束成形矩阵。可从内插中计算出在最近观测到的一个信道和预测信道之间的波束成形矩阵。此外，可使用单次反馈或差分反馈来进行内插。使用差分反馈，可如图6的600处所示的运行对每个子频带的两个波束成形矩阵的反馈。在每个反馈周期的开始时，需要单次反馈，该单次反馈充分显示了不需要先前反馈的波束成形矩阵。单次反馈用于子频带的一端，用于子频带另一端的反馈可以是单次反馈610、640、670或差分反馈620、650、630和660。如果单次反馈被再次使用，则会提高可靠性，因为如果两个单次反馈中的一个被破坏时波束成形将仍旧部分有效。另一方面，使用单次作为基准的差分反馈减少了反馈开销。在使用单次反馈的初始化之后，使用如图5的500处所示的先前反馈来一次发送两个差分反馈。
为了复杂度的减低和性能的增强，接收机可选择邻近子频带两端的两个波束成形矩阵，并对波束成形矩阵进行内插以仅仅用于所选的子载波子集。例如，接收机可将子频带内的72个子载波划分为具有18个子载波的组。每个组中的18个子载波是毗邻的。组中央子载波的波束成形矩阵被反馈或内插。经反馈和内插的波束成形矩阵被用于每个组，而不需要进一步的内插。
现在参见图7，在700处是用于具有单个流传输的弱相关2x2信道的信道容量对比图。对具有1流传输和PedestrianBeITU信道但没有空间相关性的2x2单用户MIMO进行仿真。作为基线，802.16e3比特码本被用于子频带的中央子载波，即第37个子载波。将其与本发明的诸个实施例所包括的两个增强选项进行比较。第一个通过使用具有均匀分布码字的最佳6比特码本来增加码本的解析度。反馈仅仅用于中央子载波，性能增加2.5％。然而，增加6比特码本增加了码本的数量，并复杂化了系统设计。另一个选项使用如图3的300所示的802.16e3比特码本来发送两个反馈。选择两个反馈码字，使得具有内插的波束成形增益被最大化。第二个选项使性能增加了4.1％，而不增加新的码本。因此，从性能和复杂性两方面考虑，第二选项更合乎需要。
虽然本发明的特定特征已经在此被示出和描述，但本领域技术人员可料想到其他修改、替换、改动和等效实现。因此，应该理解到，所附的权利要求书旨在覆盖所有这些落入本发明的真实精神范围内的修改和改动。

Claims (27)

1.一种用于无线通信系统中的频率选择信道的MIMO波束成形的装置，包括：
收发机，适用于多输入多输出(MIMO)波束成形，并进一步适用于与接收机进行通信，接收机向所述收发机反馈用于每个子频带的多个波束成形矩阵并跨所述子频带对所述波束成形矩阵进行内插；
其中所述内插是使用两个反馈波束成形矩阵对所述子频带中的至少一个波束成形矩阵进行的，其中每一个反馈波束成形矩阵对应于所述子频带两端中的一端。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用于每个子频带的多个波束成形矩阵是用于所述子频带的每一端的两个波束成形矩阵。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内插被跨频域或时域施加，并且当其被施加在时域中时，通过对对应的信道矩阵的预测来预测将来时间的波束成形矩阵。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，在每个反馈周期的开始，从所述接收机发出单次反馈，所述单次反馈充分显示了不需要先前反馈的波束成形矩阵，并且其中所述单次反馈用于所述子频带的一端，用于所述子频带的另一端的反馈是单次反馈或差分反馈。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，在使用所述单次反馈的初始化之后，使用先前的反馈一次发送两个差分反馈。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述子频带包括多个子载波，为了复杂度的减少以及性能的增强，所述接收机选择邻近所述子频带的两端的两个波束成形矩阵，并仅仅针对所述多个子载波中一所选的子载波子集内插所述波束成形矩阵。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，存在多种方法来对两个反馈波束成形矩阵之间的波束成形矩阵进行内插，所述波束成形矩阵是酉阵并且位于格拉斯曼流形上，存在连接所述两个反馈矩阵的多条曲线，并且所述经内插的矩阵是位于连接曲线上的，其中每条曲线对应于信道变化的随机实现，并且最小化了平均内插误差的曲线是连接所述两个反馈波束成形矩阵的测地线。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，使用所述两个反馈波束成形矩阵对子频带内的所有波束成形矩阵进行内插。
9.一种用于无线通信系统中的频率选择信道的MIMO波束成形的方法，包括：
将收发机操作为无线网络中的基站(BS)，所述收发机已经适用于多输入多输出(MIMO)波束成形，并进一步适用于与接收机进行无线通信，接收机向所述收发机反馈用于每个子频带的多个波束成形矩阵并跨所述子频带对所述波束成形矩阵进行内插；
其中所述内插是使用两个反馈波束成形矩阵对所述子频带中的至少一个波束成形矩阵进行的，其中每一个反馈波束成形矩阵对应于所述子频带两端中的一端。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述用于每个子频带的多个波束成形矩阵是用于所述子频带的每一端的两个波束成形矩阵。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：跨频域或时域而施加所述内插，并且当所述内插被施加在时域中时，通过对对应的信道矩阵的预测来预测将来时间的波束成形矩阵。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：在每个反馈周期的开始时从所述接收机发出单次反馈，所述单次反馈充分显示了不需要先前反馈的波束成形矩阵，并且其中所述单次反馈用于所述子频带的一端，用于所述子频带的另一端的是单次反馈或差分反馈。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括:在使用所述单次反馈的初始化之后，使用先前反馈一次发送两个差分反馈。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述子频带包括多个子载波，为了复杂度的减少以及性能的增强，所述接收机选择邻近所述子频带的两端的两个波束成形矩阵，并仅仅针对所述多个子载波的一所选的子载波子集内插所述波束成形矩阵。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，存在多种方法来对两个反馈波束成形矩阵之间的波束成形矩阵进行内插，所述波束成形矩阵是酉阵并且位于格拉斯曼流形上，存在连接所述两个反馈矩阵的多条曲线，并且所述经内插的矩阵是位于连接曲线上的，其中每条曲线对应于信道的随机实现，并且最小化了平均内插误差的曲线是连接所述两个反馈波束成形矩阵的测地线。
16.如权利要求9所述的方法，其特征在于，使用所述两个反馈波束成形矩阵对子频带内的所有波束成形矩阵进行内插。
17.一种用于无线通信系统中的频率选择信道的MIMO波束成形的设备，包括：
用于将收发机操作为无线网络中的基站(BS)的装置，所述收发机已经适用于多输入多输出(MIMO)波束成形，并进一步适用于与接收机进行无线通信，接收机向所述收发机反馈用于每个子频带的多个波束成形矩阵并跨所述子频带对所述波束成形矩阵进行内插；
其中所述内插是使用两个反馈波束成形矩阵对所述子频带中的至少一个波束成形矩阵进行的，其中每一个反馈波束成形矩阵对应于所述子频带两端中的一端。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述用于每个子频带的多个波束成形矩阵是用于所述子频带的每一端的两个波束成形矩阵。
19.如权利要求17所述的设备，其特征在于，还包括：用于跨频域或时域而施加所述内插的装置，并且当所述内插被施加在时域中时，通过对对应的信道矩阵的预测来预测将来时间的波束成形矩阵。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，还包括：用于在每个反馈周期的开始时从所述接收机发出单次反馈的装置，所述单次反馈充分显示了不需要先前反馈的波束成形矩阵，并且其中所述单次反馈用于所述子频带的一端，用于所述子频带的另一端的反馈是单次反馈或差分反馈。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，还包括：用于在使用所述单次反馈的初始化之后，使用先前反馈一次发送两个差分反馈的装置。
22.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述子频带包括多个子载波，为了复杂度的减少以及性能的增强，所述接收机选择邻近所述子频带的两端的两个波束成形矩阵，并仅仅针对所述多个子载波的一所选的子载波子集内插所述波束成形矩阵。
23.如权利要求17所述的设备，其特征在于，存在多种方法来对两个反馈波束成形矩阵之间的波束成形矩阵进行内插，所述波束成形矩阵是酉阵并且位于格拉斯曼流形上，存在连接所述两个反馈矩阵的多条曲线，并且内插矩阵是位于连接曲线上的，其中每条曲线对应于信道的随机实现，并且最小化了平均内插误差的曲线是连接所述两个反馈波束成形矩阵的测地线。
24.如权利要求17所述的设备，其特征在于，使用所述两个反馈波束成形矩阵对子频带内的所有波束成形矩阵进行内插。
25.一种用于无线通信系统中的频率选择信道的MIMO波束成形的系统，包括：
收发机，适用于多输入多输出(MIMO)波束成形，并操作为无线网络中的基站(BS)，所述无线网络符合电气和电子工程师协会(IEEE)802.16标准；以及
收发机，操作为所述无线网络中的移动站(MS)，并操作为与所述BS进行通信，其中所述MS向所述BS反馈用于每个子频带的多个波束成形矩阵，并跨所述子频带对所述波束成形矩阵进行内插，其中所述内插是使用两个反馈波束成形矩阵对所述子频带中的至少一个波束成形矩阵进行的，其中每一个反馈波束成形矩阵对应于所述子频带两端中的一端。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述用于每个子频带的多个波束成形矩阵是用于所述子频带的每一端的两个波束成形矩阵。
27.如权利要求25所述的系统，其特征在于，使用所述两个反馈波束成形矩阵对子频带内的所有波束成形矩阵进行内插。
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