CN102594491B - 信道状态信息反馈方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于在时分双工TDD系统中反馈下行链路信道状态信息CSI的方法，其中，所述CSI表示下行链路干扰和加性噪声，所述方法包括以下步骤：接收来自基站的信号；根据接收到的信号获得下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω；根据下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω和下行链路信道响应HDL获得基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u；根据下行链路干扰加性噪声的协方差矩阵Ω和所述空间子信道响应u获得下行链路CSI；以及反馈下行链路CSI给基站。与现有技术相比较，本发明中的方法降低了下行链路干扰和噪声的反馈量，可以更高效地利用有限的上行导频信号资源。针对各种线性下行链路多用户多天线预编码方案，比如MET预编码方案，这种有效的改进能够直接转化为更优的下行链路传输性能。

Description

信道状态信息反馈方法和设备

技术领域

本发明的实施例涉及无线通信，具体涉及一种用于在时分双工TDD系统中反馈下行链路信道状态信息CSI的方法及相应的用户设备。

背景技术

在无线蜂窝通信系统中，通过使用线性MET预编码能够实现下行链路传输的近最优高频谱效率。在实际应用中，在频率重用因子是1的情况下，下行链路传输具有小区间干扰。由于传统的MET设计没有考虑到干扰，因此将会恶化下行链路传输性能。

在LTE-A中，信道互易性是TDD系统中有效控制多天线系统的重要特征。3GPP R1-090042首先提出了一种用于下行链路MET预编码设计的基于TDD互易性的干扰辅助信息反馈。具体而言，在3GPP R1-090042中，提出了可以将具有Ω^-1/2·H_DL形式的用户设备侧干扰统计量的下行链路CSI反馈到演进的Node-B(eNB)，其中Ω是UE侧下行链路干扰加性噪声的协方差矩阵，H_DL是下行链路物理信道响应。然后，eNB通过将上行链路参考信号(Refference Signal，RS)预编码为Ω^-1/2·H_DL·p来实现反馈，其中p为上行链路RS，从而无需上行链路方向的显性信道反馈。

通常，由于上行导频信号资源是有限的，3GPP R1-090042中将用户设备侧检测到的完整的协方差矩阵反馈给eNB，会消耗大量上行导频信号资源。本发明中提出了一种下行链路信道状态信息CSI的反馈方案，可以更加有效地利用上行导频信号资源，从而实现更优的下行链路MET预编码性能。

发明内容

本发明的一方面提出了一种用于在时分双工TDD系统中的用户设备处反馈下行链路信道状态信息CSI的方法，其中，所述CSI表示下行链路干扰和加性噪声，所述方法包括以下步骤：接收来自基站的信号；根据接收到的信号获得下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω；根据下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω和下行链路信道响应HDL获得基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u；根据下行链路干扰加性噪声的协方差矩阵Ω和所述空间子信道响应u获得下行链路CSI；以及反馈下行链路CSI给基站。

根据本发明的优选实施例，反馈下行链路CSI给基站的步骤包括：根据所述下行链路CSI，对上行链路参考信号进行线性预编码，并反馈线性预编码的输出。

根据本发明的优选实施例，，所述基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u是与矩阵Ω^-1/2·H_DL中的一个或多个最大特征值相对应的左特征矢量与Ω^-1/2·H_DL中的对角特征值矩阵的平方根的乘积。

根据本发明的优选实施例，所述下行链路CSI是：

w_opt＝u^H·Ω^-1/2，其中，H表示矩阵的共轭转置。

根据本发明的优选实施例，响应于用户设备反馈下行链路CSI反馈给基站，基站接收到的信号为：

$y=H_{\mathrm{UL}}\·w_{\mathrm{opt}}^T\·p+n=H_{\mathrm{DL}}^T\·w_{\mathrm{opt}}^T\·p+n,$

其中，H_UL表示上行链路信道响应，T表示矩阵的转置，p是M×M的上行链路参考信号，M是用户设备处的天线数目，n是基站的环境噪声，第二等式基于TDD系统关于下行链路-上行链路信道互易性的定义。

根据本发明的优选实施例，所述接收到的信号是线性下行链路预编码的输出。

根据本发明的优选实施例，所述线性下行链路预编码是多用户特征值传输预编码。

根据本发明的优选实施例，所述下行链路信道响应H_DL是由用户设备测量得到的。

本发明的另一方面提出了一种用户设备，用于在时分双工TDD系统中反馈下行链路信道状态信息CSI，其中，所述CSI表示下行链路干扰和加性噪声，所述基站包括：接收单元，配置用于接收来自基站的信号；计算单元，下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω获得单元，配置用于根据接收到的信号获得下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω；根据下行链路干扰加性噪声的协方差矩阵Ω和下行链路信道响应H_DL获得基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u，以及根据下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω和基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u获得CSI；以及反馈单元，用于将CSI反馈给基站。

本发明提出了一种下行链路信道状态信息CSI的反馈方案，能够降低下行链路干扰和噪声的反馈量，从而可以更高效地利用有限的上行导频信号资源。针对各种线性下行链路多用户多天线预编码方案，比如MET预编码方案，这种有效的改进能够直接转化为更优的下行链路传输性能。

附图说明

通过下面结合附图说明本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚，其中：

图1示出了本发明应用于其中的TDD系统的基本架构的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的用于TDD系统的CSI反馈方案的原理；

图3示出了根据本发明实施例的CSI反馈方法的流程图；

图4示出了根据本发明实施例的基站的结构框图。

具体实施方式

下面将说明本发明的多种实施例。随后的说明提供了对这些实施例的全面理解的详细细节。但是，本领域的技术人员应当了解，无需一些所述细节也可以实施本发明。此外，可能不会示出或详细说明一些公知的结构或者功能，以免不必要地使本发明多种实施例的相关说明不清楚。

图1示出了本发明应用于其中的TDD系统的基本架构的示意图。假设该TDD系统包括基站10、位于基站10覆盖区域内的用户设备20以及基站10的相邻基站，其中在基站10处具有4个天线，在用户设备20处具有2个天线。也就是说，图1所示的TDD系统是一个4×2的TDD MIMO系统。

基站10向用户设备20发送4×1的信号v(x)，v(x)是线性下行链路MuMIMO预编码器的输出，则用户设备20接收到的信号为：

y＝H_DLv(x)+J                            (1)

其中，y是2×1的向量，H_DL是2×4的下行链路信道矩阵，x是要从基站10发送到用户设备20的1×1的符号，以及J表示2×1的下行链路干扰和加性环境噪声，并且符合均值为零、协方差为Ω的高斯分布，即J～N(0，Ω)。

由此可见，在下行链路中，用户设备20很容易受到下行链路干扰(例如来自图1所示的基站10的相邻基站的较强的干扰)和环境噪声的影响。因此，对于用户设备而言，向基站报告下行链路信道状态信息以用于基站处的线性下行链路MuMIMO预编码是非常有必要的。

在本发明中，将以图1所示的4×2的物理MIMO信道仅传输单个数据流为基础进行描述，这样用户设备处的线性接收机的剩余能力可用于干扰抑制。

图2示出了根据本发明实施例的用于TDD系统的CSI反馈方案的原理，其中该TDD系统包括具有4个天线的基站和具有2个天线的用户设备，即，该TDD系统为4×2的TDD MIMO系统，其中Ω是下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵，H_DL表示下行链路信道响应。

这里，假设v(x)＝V·x是基站处的线性下行链路MuMIMO预编码器的输出，其中V是4×1的线性预编码矢量。在这种情况下，用户设备通常采用线性最小均方差(LMMSE)接收机，该接收机能够最大化所有线性接收机中的信干噪比(SINR)。x的LMMSE解调被表示为：

其中Q(x)将一个复数映射到具有最小欧氏距离的符号星座图中的一个点。此外，表示SINR的优化值，这里是将SINR最大化，其中υ_max(H)表示与矩阵H中的一个或多个最大特征值相对应的右特征矢量的共轭转置。结果，需要反馈给基站以作为基站处的下行链路MuMIMO预编码器设计的下行链路信道状态信息被表示为：

w_optH_DL＝u^H·Ω^-1/2·H_DL                   (2)

其中，u是基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应，具体由与矩阵Ω^-1/2·H_DL中的一个或多个最大特征值相对应的左特征矢量与Ω^-1/2·H_DL中的对角特征值矩阵的平方根的乘积表示。在实际的LTE蜂窝无线系统的下行链路中，当采用高性能的线性预编码(例如MET预编码算法)时，绝大部分的下行链路传输速率可以在取单个最大特征值的时候取得。

总体上，考虑到上行链路信道状态，针对最大化接收机性能的线性下行链路MuMIMO预编码器的下行链路信道状态信息是公式(2)中的有效4×1大小的下行链路矩阵，而不是3GPP R1-090042中针对非线性下行链路预编码而需要反馈有效4×1大小的充分统计特性。

利用TDD系统的上下性信道互易性，通过对上行链路参考信号进行预编码，可以按照以下等式将下行链路信道状态信息反馈给基站，即基站接收到预编码后的上行链路参考信号为：

$y=H_{\mathrm{UL}}\·w_{\mathrm{opt}}^T\·p+n=H_{\mathrm{DL}}^T\·w_{\mathrm{opt}}^T\·p+n---\left(3\right)$

其中，y是4×2的接收信号，p是2×2的上行链路参考信号，n是2×1的基站接收机的环境噪声，第二等式基于TDD系统的下行链路-上行链路信道互易性的定义，即上行链路信道响应矩阵等于下行链路信道响应矩阵的转置。

在基站处，可以从接收到的信号处提取出并将其用于下行链路MuMIMO预编码器(例如MET预编码器)的设计。然而，在多于一个用户设备的情况下，根据本发明实施例的CSI反馈方案在于：通过在用户设备处对上行链路参考信号的预编码，向基站反馈最强的一个或若干个空间子信道响应u，以用于基站的下行链路多用户多天线预编码。

图3示出了根据本发明实施例的CSI反馈方法的流程图。在本发明的实施例中，CSI表示下行链路干扰和加性噪声。

如图3所示，在步骤S301中，用户设备接收来自基站的信号。这里，来自基站的信号是基站处的MuMIMO预编码器的输出。在步骤S303中，用户设备从接收到的信号中提取出下行链路干扰和加性噪声，并计算得到下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω。

接着，用户设备根据下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω和下行链路信道响应H_DL获得基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u(步骤S305)。这里，下行链路信道响应H_DL可以由用户设备以各种现有的方式获得，而基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u是对白化后的下行链路干扰和加性噪声进行奇异值分解得到的，具体由与矩阵Ω^-1/2·H_DL中的一个或多个最大特征值相对应的左特征矢量与Ω^-1/2·H_DL中的对角特征值矩阵的平方根的乘积表示。在本发明中，对于下行链路干扰和加性噪声所采用的白化操作属于现有技术的范畴，因而这里不再加以赘述。

然后，根据下行链路干扰加性噪声的协方差矩阵Ω和基于奇异值分解SVD的空间子信道响应u获得CSI(步骤S307)。在本发明中，CSI表示为：

w_opt＝u^H·Ω^-1/2。

最后，用户设备将CSI反馈发送给基站(步骤S309)。

具体而言，用户设备通过对上行链路参考信号进行预编码，按照以下等式将下行链路信道状态信息反馈给基站：

$y=H_{\mathrm{UL}}\·w_{\mathrm{opt}}^T\·p+n=H_{\mathrm{DL}}^T\·w_{\mathrm{opt}}^T\·p+n$

其中，y是4×2的接收信号，p是2×2的上行链路参考信号，n是2×1的基站接收机的环境噪声，第二等式基于TDD系统的下行链路-上行链路信道互易性的定义，即上行链路信道响应矩阵等于下行链路信道响应矩阵的转置。在基站处，可以从接收到的信号处提取出并将其用于下行链路MuMIMO预编码器(例如MET预编码器)的设计。

在多于一个用户设备的情况下，基站接收到来自用户设备的CSI反馈，然后将接收到的CSI反馈进行合并(图中未示出)，所述合并得到的CSI反馈可以表示为：

$y=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{i,\mathrm{DL}}^T\·w_{i,\mathrm{opt}}^T\·p_i+n$

其中，L表示当前叠加在一起的上行链路参考信号的数目，必须小于或等于系统允许的最大的上行链路参考信号的数目，p表示上行链路参考信号，n表示基站处的环境噪声。

在本发明中，用户设备可以根据给定系统参数将CSI反馈发送给基站，其中给定系统参数由基站设定，表示可用于反馈的上行链路参考信号的数目。也就是说，能将自身计算得到的CSI反馈给基站的用户设备的数目取决于该给定系统参数。假定该给定系统参数为N，那么在每个用户设备只传输单个数据流的情况下，最多只能有N个用户设备将自身计算得到的CSI反馈给基站。也就是说，本发明向基站反馈最强的一个或若干个空间子信道响应u，以用于基站的下行链路多用户多天线预编码。

图4示出了根据本发明实施例的用于执行CSI反馈的基站的结构框图。应注意，这里的CSI表示下行链路干扰和加性噪声。

如图4所示，基站400包括接收单元401、计算单元403、预编码单元405和发送单元407。

接收单元401配置用于接收来自基站的信号。这里，来自基站的信号是基站处的MuMIMO预编码器的输出。

提取单元403配置用于根据接收到的信号获得下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω。

计算单元405还被配置用于根据下行链路干扰加性噪声的协方差矩阵Ω和下行链路信道响应H_DL获得基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u。这里，下行链路信道响应H_DL可以由用户设备以各种现有的方式获得，而基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u是对白化后的下行链路干扰和加性噪声进行奇异值分解得到的，具体由与矩阵Ω^-1/2·H_DL中的k个最大特征值相对应的左特征矢量与Ω^-1/2·H_DL中的对角特征值矩阵的平方根的乘积表示。

然后，计算单元403还可以根据下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω和基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u获得CSI。在本发明中，CSI表示为：

w_opt＝u^H·Ω^-1/2。

预编码单元405配置用于根据CSI对上行链路参考信号进行预编码，然后由发送单元407将预编码单元405的输出发送给基站，从而将CSI反馈给基站。

在本发明的实施例中，预编码单元405利用TDD系统的上下性信道互易性，按照下列等式对上行链路参考信号进行预编码，预编码的输出表示为：

$y=H_{\mathrm{UL}}\·w_{\mathrm{opt}}^T\·p+n=H_{\mathrm{DL}}^T\·w_{\mathrm{opt}}^T\·p+n$

在多于一个用户设备的情况下，基站接收到来自用户设备的CSI反馈，并将接收到的CSI反馈进行合并(图中未示出)，所述合并得到的CSI反馈可以表示为：

$y=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{i,\mathrm{DL}}^T\·w_{i,\mathrm{opt}}^T\·p_i+n$

其中，L表示当前叠加在一起的上行链路参考信号的数目，必须小于或等于系统允许的最大的上行链路参考信号的数目，p表示上行链路参考信号，n表示基站处的环境噪声。也就是说，本发明可以向基站反馈最强的一个或若干个空间子信道响应，以用于基站的下行链路多用户多天线预编码。

尽管以上描述涉及多个单元，但是通过将一个单元划分为多个单元或将多个单元组合为一个单元，只要其仍能执行相应的功能，也可以实现本发明。另外，前述实施例仅例证了只有一个中继设备的情况，然而前述实施例也适用于多个中继设备的情况。

需要注意的是，尽管上述实施例以单个用户MIMO为例进行描述，由于单个用户MIMO仅仅是多用户MIMO的一个特例，因而本发明也适用于多用户MIMO的场景。

另外，尽管上述以MET预编码方案为例，对本发明进行描述。然而，应理解，这仅仅作为示例，实际上，本发明也可以应用于MET预编码方案以外的其他线性预编码方案。

本领域技术人员应该很容易认识到，可以通过编程计算机实现上述方法的不同步骤。在此，一些实施方式同样包括机器可读或计算机可读的程序存储设备(如，数字数据存储介质)以及编码机器可执行或计算机可执行的程序指令，其中，该指令执行上述方法的一些或全部步骤。例如，程序存储设备可以是数字存储器、磁存储介质(如磁盘和磁带)、硬件或光可读数字数据存储介质。实施方式同样包括执行上述方法的所述步骤的编程计算机。

描述和附图仅示出本发明的原理。因此应该意识到，本领域技术人员能够建议不同的结构，虽然这些不同的结构未在此处明确描述或示出，但体现了本发明的原理并包括在其精神和范围之内。此外，所有此处提到的示例明确地主要只用于教学目的以帮助读者理解本发明的原理以及发明人所贡献的促进本领域的构思，并应被解释为不是对这些特定提到的示例和条件的限制。此外，此处所有提到本发明的原则、方面和实施方式的陈述及其特定的示例包含其等同物在内。

上面的描述仅用于实现本发明的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本发明的权利要求来限定的范围，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种用于在时分双工TDD系统中的用户设备处反馈下行链路信道状态信息CSI的方法，其中所述CSI表示下行链路干扰和加性噪声，所述方法包括以下步骤：

接收来自基站的信号；

根据接收到的信号获得下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω；

根据下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω和下行链路信道响应H_DL获得基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u；

根据下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω和所述空间子信道响应u获得下行链路CSI；以及

反馈下行链路CSI给基站。

2.根据权利要求1所述的方法，其中反馈下行链路CSI给基站的步骤包括：根据所述下行链路CSI，对上行链路参考信号进行线性预编码，并反馈线性预编码的输出。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u是与矩阵Ω^-1/2·H_DL中的一个或多个最大特征值相对应的左特征矢量与Ω^-1/2·H_DL中的对角特征值矩阵的平方根的乘积。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述下行链路CSI是：

W_opt＝u^H·Ω^-1/2，

其中H表示矩阵的共轭转置。

5.根据权利要求4所述的方法，其中响应于用户设备反馈下行链路CSI反馈给基站，基站接收到的信号为：

$y=H_{\mathrm{UL}}\·w_{\mathrm{opt}}^T\·p+n=H_{\mathrm{DL}}^T\·w_{\mathrm{opt}}^T\·p+n$

其中H_UL表示上行链路信道响应，T表示矩阵的转置，p是M×M的上行链路参考信号，M是用户设备处的天线数目，n是基站的环境噪声，第二等式基于TDD系统关于下行链路-上行链路信道互易性的定义。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述接收到的信号是线性下行链路预编码的输出。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述线性下行链路预编码是多用户特征值传输预编码。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述下行链路信道响应H_DL是由用户设备测量得到的。

9.一种用户设备，用于在时分双工TDD系统中反馈下行链路信道状态信息CSI，其中所述CSI表示下行链路干扰和加性噪声，所述用户设备包括：

接收单元，配置用于接收来自基站的信号；

计算单元，配置用于根据接收到的信号获得下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω；根据下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω和下行链路信道响应H_DL获得基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u，以及根据下行链路干扰和加性噪声的协方差矩阵Ω和基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u获得CSI；以及

反馈单元，用于将CSI反馈给基站。

10.根据权利要求9所述的用户设备，其中所述反馈单元包括：

预编码单元，配置用于根据CSI对上行链路参考信号进行预编码；以及

发送单元，配置用于将预编码的结果发送给基站。

11.根据权利要求9所述的用户设备，其中所述基于奇异值分解SVD的干扰白化后的空间子信道响应u是与矩阵Ω^-1/2·H_DL中的一个或几个最大特征值相对应的左特征矢量与Ω^-1/2·H_DL中的对角特征值矩阵的平方根的乘积。

12.根据权利要求11所述的用户设备，其中所述下行链路CSI是：

w_opt＝u^H·Ω^-1/2，

其中H表示矩阵的共轭转置。

13.根据权利要求9-12中任一项所述的用户设备，其中所述接收到的信号是线性下行链路预编码的输出。

14.根据权利要求13所述的用户设备，其中所述线性下行链路预编码是多用户特征值传输预编码。

15.根据权利要求9-12中任一项所述的用户设备，其中所述下行链路信道响应H_DL是由用户设备测量得到的。