CN102725991A

CN102725991A - 针对天线阵列的相关矩阵反馈方法和系统

Info

Publication number: CN102725991A
Application number: CN2010800622762A
Authority: CN
Inventors: 陈晋辉; 李栋; 杨红卫; 宋扬
Original assignee: Alcatel Lucent Shanghai Bell Co Ltd
Current assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2030-04-06
Also published as: EP2557719A4; EP2557719B1; EP2557719A1; US20130022139A1; US8982973B2; JP2013526130A; WO2011123977A1; JP5706514B2; KR101481982B1; BR112012025385A2; CN102725991B; KR20120135434A

Abstract

提出了一种针对天线阵列的相关矩阵反馈方法和系统。所述方法包括步骤：在接收端根据预定准则，从包括多个码字的预定相关矩阵码本中选择码字，用于代表要反馈的相关矩阵(300)；以及向发射端反馈所选择的码字在预定相关矩阵码本中的索引(302)；其中，每一个码字是对发射端的天线阵列的相关矩阵进行近似的码字矩阵。根据本发明，能够充分利用紧密间隔的ULA天线及其空间相关性的特点，设计相应的量化和反馈码本，减小反馈开销以及计算复杂度，从而提高MIMO系统等空间相关辅助系统的系统性能。

Description

针对天线阵列的相关矩阵反馈方法和系统技术领域

本发明的实施例涉及通信技术领域，具体涉及一种针对天线矩阵的相关矩阵反馈方法和系统。背景技术

众所周知，在多输入多输出（MIMO ) 系统中，在发射端知道发射天线的空间相关矩阵能够显著地提高系统性能。在实际应用中，相关矩阵是无法预先获知的。对于例如频分双工（FDD ) 系统而言，有必要通过量化和反馈，使发射端知道相关矩阵的近似。因此，反馈开销和量化的精度是 MIMO系统中有关相关矩阵反馈的主要关注点。

在 LTE-A讨论中，提出了反馈以多个离散余弦变换（DFT)矢量码本而量化的多个特征矢量以及以均匀标量码本量化的对应的特征值，并且在发射端利用量化的特征矢量和特征值来重建相关矩阵。 Marwell公司提出了反馈以均匀标量码本量化的两个或四个实标量，并且在发射端以量化的标量来重建相关矩阵。这些基于特征矢量和基于标量的反馈方案尚没有利用空间相关矩阵的矩阵结构及特殊的天线配置，例如均匀线性阵列（ULA ) 天线，需要反馈的数据量依然较大，导致较高的反馈幵销。

目前，对于使用紧密间隔的 ULA天线的典型天线配置，还未提出对应的相关矩阵反馈方法。由于紧密间隔的 ULA天线的天线间隔很小，其相关矩阵具有对角线元素均为 1 等特点。对于这种特殊的天线配置，需要设计相应的相关矩阵反馈方法以及用于相关矩阵量化和反馈的码本，从而以较小的反馈开销和较低的复杂度来获得良好的系统性能。发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种针对天线阵列的相关矩阵反馈方法，包括步骤：

在接收端根据预定准则，从包括多个码字的预定相关矩阵码本中选择码字，用于代表要反馈的相关矩阵；以及向发射端反馈所选择的码字在预定相关矩阵码本中的索引；其中，每一个码字是对发射端的天线阵列的相关矩阵进行近似的码字矩阵。根据本发明优选实施例，天线阵列包括紧密间隔的均匀线性阵列 ULA天线。根据本发明优选实施例，每一个码字矩阵是对相关矩阵进行近似的指数相关矩阵，指数相关矩阵中第（/， )元素 _{P /}为 ^ = _ ⁽'_^，其中 e 代表自然数， / 和 j是大于 0且不大于 N的整数、或者是不小于 0且不大于 N-1的整数， N表示发射端的天线阵列的天线'数目， r和 0是彼此独立的随机正实值变量。

根据本发明优选实施例， r和各自具有与其分布相对应的码本，的分布是在（0,2 r]区间的均匀分布， r大于 0.5且小于 1。

根据本发明优选实施例，每一个码字矩阵是利用 r和 0的码本，根据

_{Λ/ = Γ}ι'Λ ' ^)θ计算得到的。

根据本发明优选实施例，预定准则包括矩阵共线性准则，选择码字的步骤包括：计算预定相关矩阵码本中每一个码字矩阵与要反馈的相关矩阵之间的共线性，并选择共线性最大的码字矩阵来代表要反馈的相关矩阵。

根据本发明优选实施例，该方法还包括：在接收到从接收端反馈的码字索引后，在发射端利用该索引从预定相关矩阵码本中获取相应的码字，以获知相关矩阵的近似。

根据本发明优选实施例，接收端包括用户设备，发射端包括基站。

本发明还提出了一种针对天线阵列的相关矩阵反馈系统，包括：

选择装置，位于接收端，用于根据预定准则，从包括多个码字的预定相关矩阵码本中选择码字，用于代表要反馈的相关矩阵；以及

反馈装置，位于接收端，用于向发射端反馈所选择的码字在预定相关矩阵码本中的索引；

其中，每一个码字是对发射端的天线阵列的相关矩阵进行近似的码字矩阵。根据本发明优选实施例，选择装置计算预定相关矩阵码本中每一个码字矩阵与要反馈的相关矩阵之间的共线性，并选择共线性最大的码字矩阵来代表要反馈的相关矩阵。

根据本发明优选实施例，该系统还包括：获取装置，位于发射端，用于在发射端接收到从接收端反馈的码字索引后，利用该索引从预定相关矩阵码本中获取相应的码字，以获知相关矩阵的近似。相比于现有的量化和反馈方法，根据本发明的相关矩阵反馈方法和系统充分利用了紧密间隔的 ULA天线及其空间相关性的特点，设计了相应的量化和反馈码本，能够减小反馈开销以及计算复杂度，从而提高 MIMO系统等空间相关辅助系统的系统性能。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示出了本发明优选实施例应用环境的示例，其中示意性示出了作为发射端的基站（BS ) 以及作为接收端的用户设备（UE：)。

图 2示出了根据本发明优选实施例的相关矩阵反馈系统的结构框图。

图 3示出了根据本发明优选实施例的相关矩阵反馈方法的流程图。具体实施方式

在 MIMO系统等空间相关辅助系统中，为提高系统性能，需要接收端向发射端反馈有关天线阵列的空间相关矩阵，以便发射端能够利用反馈的信息，来获知相关矩阵的近似，执行期望的发射操作。本发明针对使用紧密间隔的 ULA 天线的典型天线配置，提出了对应的相关矩阵反馈方法及系统，以充分利用 ULA 天线配置的特点，减少反馈开销和计算复杂度，提高此类系统的系统性能。

对于针对紧密间隔的 ULA天线的实信道而言，可以通过指数相关模型来近似由最大对角线元素归一化的归一化空间相关矩阵，在该指数相关模型中，第

(， )元素的形式为 ^ = —^|， p是实数，下标/和的取值与发射端天线阵列的天线数目有关， %代表了第 /个天线与第个天线的相关性。例如，如果发射端的天线数目为 4，则 /和的取值为 0到 3或者 1到 4的整数。由于天线是紧密间隔的，所以所有对角线元素都等于 1 (具体内容可参见参考文献 V. A. Aalo, "Performance of maximal-ratio diversity systems in a correlated Nakagami-fading environment",

IEEE Transaction on Communications, Vol. 43, No. 8, Aug. 1995. )。进一步考虑复信道，本申请的发明人注意到，可以将该归一化模型扩展为复指数相关模型，其中第元素的形式为 A ^ ^' w , 其中，下标 /和的取值与发射端天线阵列的天线数目有关， /¾代表了第个天线与第个天线的相关性。同样，由于天线是紧密间隔的 ULA天线，所以 r可以是小于 1且大于 0.5的正实值， 0的分布可以是在（0, 2 τ]区间的均匀分布。 r和 ^可以是彼此独立的两个随机正实值变量。

进一步，本申请的发明人注意到，可以设计分别与 r和 0的分布对应的两个码本，并且可以通过将 r和 ^的码本组合来产生相关矩阵码本，并且将该相关矩阵码本预先存储在接收端和发射端。例如，首先可以根据系统配置以及性能要求，设定 r和 0的码本，例如分别为反映了 /·和 0的分布的 4 和 4，其中， 4={a, b，..， h}， 4={mr/m|"=0， ....，m- l }， a、 b、 ... .、 h均为小于 1且大于 0.5的正实值， m为大于 0的整数，典型地为 2的幂。《为不大于 m- 1的整数。随后，根据发射端天线阵列的天线数目以及公式 A - rHe^"^ , 得到针对某个取值的 r和 0的矩阵。例如，对于 r =a和 0=π/ιη，得到相应的矩阵，该矩阵的维度与发射端天线阵列的天线数目相同，即与要反馈的相关矩阵的维度相同。按照上述方式，利用码本 4 和 ^中所有元素，得到多个矩阵，将这些矩阵作为码字，来构建用于相关矩阵量化和反馈的相关矩阵码本。按照上述设计方式，最终的相关矩阵码本包含了多个码字，其中每一个码字是对发射端的天线阵列的相关矩阵进行近似的码字矩阵，例如是如上所述的指数相关矩阵。

这样，本发明的相关矩阵反馈系统和方法能够反馈对相关矩阵进行近似或量化的矩阵型码字的索弓 I ,发射端能够根据该索引直接获得相关矩阵的近似或量化矩阵，而不再需要像现有方法那样在发射端根据量化的特征矢量、特征值或标量等来重建相关矩阵。因此，本发明的相关矩阵反馈系统和方法能够降低计算复杂度。

在本说明书的稍后部分给出了码本 4 和 ^的示例以及最终得到的相关矩阵码本的示例。

下面参考图 1 -3，描述根据本发明的针对天线阵列的相关矩阵反馈系统及其方法，其中利用了如上设计的相关矩阵码本来进行相关矩阵的量化和反馈。

图 1 示出了本发明优选实施例应用环境的示例，其中示意性示出了作为发射端的基站（BS ) 以及作为接收端的用户设备（UE：)。这里，可以考虑空间相关辅助的 MU-MIMO (多用户多输入多输出）系统，基站可以是在 3GPP LTE的无线通信应用环境下的增强基站 eNB，并且具有紧密间隔的 ULA天线的天线配置。本领域技术人员可以理解，本发明的系统和方法也可以应用于其他任何适当的通信系统或环境，并且发射端和接收端也可以是其他任何适当的设备或装置。在以下描述中，省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能、以及本领域技术人员熟知的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。

在基站 BS和各个用户设备 UE中都预先存储了如上设计的相关矩阵码本。用户设备 UE根据预定准则，从相关矩阵码本中选择码字，用于代表要反馈的相关矩阵，并且向基站 BS反馈所选择的码字在预定相关矩阵码本中的索引，该索引可以是指示了所选码字是第几个码字的值。此外，预定准则可以是矩阵共线性准则，用户设备 UE计算相关矩阵码本中每一个码字矩阵与要反馈的相关矩阵之间的共线性，并选择共线性最大的码字矩阵来代表要反馈的相关矩阵。基站 BS在接收到从接收端反馈的码字索引后，利用该索引从预先存储的相关矩阵码本中获取相应的码字，以获知相关矩阵的近似。

图 2示出了根据本发明优选实施例的相关矩阵反馈系统的结构框图。如图所示，相关矩阵反馈系统 20包括：选择装置 202，位于用户设备 UE处（即，接收端），用于根据预定准则，从包括多个码字的预定相关矩阵码本中选择码字，用于代表要反馈的相关矩阵；以及反馈装置 204 , 位于用户设备 UE处（即，接收端），用于向基站 BS (即，发射端）反馈所选择的码字在预定相关矩阵码本中的索引。相关矩阵反馈系统 20还可以包括获取装置 206，位于基站 BS处（即，发射端），用于在基站 BS接收到从用户设备 UE反馈的码字索引后，利用该索引从预定相关矩阵码本中获取相应的码字，以获知相关矩阵的近似。

预定相关矩阵码本是如上设计和构建的相关矩阵码本。下面针对具有 4个发射天线的紧密间隔 ULA天线配置，描述相关矩阵码本的两个示例，其中利用了复指数相关模型以及计算公式 _Pij = ^eⁱ⁽ⁱ-^j)e

示例一

= {0.6,0.8} , ^_θ = {ηπ / 4 \ η = 0,...,7}

« = 8,...,15 —

m = n -8 这里，相关矩阵码本的码字数目为码本 4 中元素数目和 4中元素数目的乘积，即 2x8=16。码字的索引分别为" =0,...,7和" =8,...,15, S , 仅需要 4个比特就足够将所选码字的索引反馈给发射端。

示例二

={0.6,0.8}, ^ 16|" = 0，—, 31}

这里，相关矩阵码本的码字数目为码本 4 中元素数目和 4中元素数目的乘积，即 2x32=64。码字的索引分别为"=0,...,31和"=32,...，63, 即，仅需要 6 个比特就足够将所选码字的索引反馈给发射端。

以上仅作为示例来描述本发明的系统和方法，码本和 4中元素 r和 0的数目和取值可以依据系统配置、应用需要、经验等因素来设定，本发明并不限于上述示例。

选择装置 202从相关矩阵码本中选择码字时，可以采用预定的准则来进行选择。在本发明优选实施例中，可以采用共线性准则，以选择与要反馈的相关矩阵的共线性最大的码字来用于反馈。选择装置 202可以按照公式

R_k = arg max_{R eTC} ^——― ~~―

k^R'^eK II R,.|I_FII Rll_F 来计算每个码字与相关矩阵之间的共线性，并确定共线性最大的码字。该公式中 R是要反馈的相关矩阵， R,是相关矩阵码本中的第个码字， H是代表共轭转置的运算符号， II ||_F代表 Frobenius范数， tr( )代表矩阵的迹， argmaxO表式让括号内表达式取值最大的参数， R_t是选择的对相关矩阵进行近似或量化的码字，本领域技术人员可以理解，除了共线性准则之外，还可以利用其他任何合适的准则来选择码字。例如，可以利用欧式距离准则来选择与相关矩阵的距离最小的码字来进行反馈。

在选择装置 202选择了用于代表要反馈的相关矩阵的码字（即，选择了对要反馈的相关矩阵进行近似或量化的矩阵）之后，反馈装置 204 将所选择的码字在相关矩阵码本中的索引反馈给发射端。例如，选择装置 202 选择示例一中的码字 R₂来对相关矩阵进行近似或量化，则反馈装置 204反馈数值 2，即" 0010 " 这 4个比特给发射端。

获取装置 206 在发射端接收到从用户设备 UE 反馈的码字索引（例如 " 0010 ") 后，利用该索引从相关矩阵码本中获取相应的码字（例如 R₂ )，从而获知了相关矩阵的近似ά = R₂。

图 3示出了根据本发明优选实施例的相关矩阵反馈方法的流程图。结合图 2所示的系统，在步骤 300，选择装置 202根据预定准则，从相关矩阵码本中选择码字，用于代表要反馈的相关矩阵。在步骤 302，反馈装置 204向发射端反馈所选择的码字在相关矩阵码本中的索引。在步骤 304，获取装置 206在发射端接收到从接收端反馈的码字索引后，利用该索引从相关矩阵码本中获取相应的码字，以获知相关矩阵的近似。

以上具体描述了本发明优选实施例。相比于现有的量化和反馈方法，根据本发明的相关矩阵反馈方法和系统充分利用了紧密间隔的 ULA天线及其空间相关性的特点，设计了相应的量化和反馈码本，能够减小反馈开销以及计算复杂度，从而提高 MIMO系统等空间相关辅助系统的系统性能。为了进一步体现本发明的优点，下面给出本发明的相关矩阵反馈方法和系统的仿真数据。

在空间相关辅助的 MU-MIMO系统中，在基站 BS具有 4个半波长间隔的 ULA天线、每个 UE具有 2个天线的情况下，应用上述示例一和二的码本设计，系统仿真结果如下：

吞吐量小区边缘无空间相关辅助 3.2502 (100%) 0.1128 理想的空间相关辅助 3.8517 (118.5%) 0.1218 示例一（反馈 4比特） 3.6688 (112.9%) 0.1147 示例二（反馈 6比特） 3.7743 (116.1%) 0.1173 主特征矢量和 DFT码本 (反馈 6比特） 3.5304 (108.6%) 0.1125 两个特征矢量、两个 DFT码本和一个

3.6831 (113.3%) 0.1179 标量码本（反馈 12比特）

Marwell (反馈 8比特） 3.7561 (115.6%) 0.1174 上述仿真环境的具体参数如下：

参数仿真环境采用的假定条件部署场景 3GPP case 1三维信道，空间信道模型，城市宏小区

速度： 3km/h

双工方法和带宽 FDD;下行链路 10MHz

网络同步性已同步

切换余量 1.0 dB

相关，共极性： 4个发射天线，彼天线配置（基站）

此间隔 0.5个波长 (4 Tx: mi ) 共极性： 2个接收天线，彼此间隔天线配置（用户设备）

0.5个波长 (2 Rx: ||)

单小区发射端相关辅助下行传输方案

MU-MIMO, 每个用户设备单流下行调度时间与频率上的比例公平

子带预编码矩阵指示（PMI ) , 子带信道质量指示（CQI)，长期宽带发送相关矩阵报告

预编码矩阵指示 /信道质量指示 / 流指示报告周期为 5毫秒， 6毫秒反馈假设

的延迟

发送相关矩阵的报告周期为 100 毫秒， 6毫秒的延迟

子带信道质量指示的测量误差：每个物理资源块 N(0,l dB)。

下行混合自动重传（HARQ ) 方案 Chase 合并

下行接收机类型最小均方误差（MMSE )

信道估计理想 ITU 标准，下行控制信道为 3 个

OFDM 符号

控制信道和参考信号幵销

LTE Rel.8： 0.3158

LTE-A: 0.3063

从上述系统仿真结果可以看出，在反馈的比特数目（即，反馈开销）相同的情况下，本发明的相关矩阵反馈系统和方法能够达到更好的系统性能。同时，在系统性能大致相同的情况下，本发明的相关矩阵反馈系统和方法的反馈开销更低。同时，本发明的相关矩阵反馈系统和方法反馈对相关矩阵进行近似或量化的矩阵型码字的索引，发射端能够根据该索引直接获得相关矩阵的近似或量化矩阵，而不再需要像现有方法那样在发射端根据量化的特征矢量、特征值或标量等来重建相关矩阵。因此，本发明的相关矩阵反馈系统和方法能够降低反馈开销和计算复杂度，从而提高系统性能。

在以上的描述中，针对各个步骤，列举了多个实施例，虽然发明人尽可能地标示出彼此关联的实例，但这并不意味着这些实例必然按照相应的标号存在对应关系。只要所选择的实例所给定的条件间不存在矛盾，可以在不同的步骤中，选择标号并不对应的实例来构成相应的技术方案，这样的技术方案也应视为被包含在本发明的范围内。

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。

应当注意的是，在以上的描述中，仅以示例的方式，示出了本发明的技术方案，但并不意味着本发明局限于上述步骤和单元结构。在可能的情形下，可以根据需要对步骤和单元结构进行调整和取舍。因此，某些步骤和单元并非实施本发明的总体发明思想所必需的元素。因此，本发明所必需的技术特征仅受限于能够实现本发明的总体发明思想的最低要求，而不受以上具体实例的限制。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims

权利要求书

1 . 一种针对天线阵列的相关矩阵反馈方法，包括步骤：

在接收端根据预定准则，从包括多个码字的预定相关矩阵码本中选择码字，用于代表要反馈的相关矩阵；以及

向发射端反馈所选择的码字在预定相关矩阵码本中的索引；

其中，每一个码字是对发射端的天线阵列的相关矩阵进行近似的码字矩阵。
2. 根据权利要求 1 所述的方法，其中，天线阵列包括紧密间隔的均匀线性阵列 ULA天线。
3 . 根据权利要求 2所述的方法，其中，每一个码字矩阵是对相关矩阵进行近似的指数相关矩阵，指数相关矩阵中第 (/, )元素/ ¾为 = — ) 其中 e 代表自然数， /和是大于 0且不大于 N的整数、或者是不小于 0且不大于 N- 1 的整数， N表示发射端的天线阵列的天线数目， /·和 ^是彼此独立的随机正实值变量。
4. 根据权利要求 2 所述的方法，其中， r和 ^各自具有与其分布相对应的码本。
5 . 根据权利要求 3所述的方法，其中， ^的分布是在（0，2ττ]区间均匀分布。
6. 根据权利要求 3所述的方法，其中， r大于 0.5且小于 1。
7.根据权利要求 4所述的方法，其中，每一个码字矩阵是利用 r和 ^的码本，根据 = ^Aejii-J)e而计算得到的。
8. 根据权利要求 1所述的方法，其中，预定准则包括矩阵共线性准则，选择码字的步骤包括：计算预定相关矩阵码本中每一个码字矩阵与要反馈的相关矩阵之间的共线性，并选择共线性最大的码字矩阵来代表要反馈的相关矩阵。
9. 根据权利要求 1所述的方法，还包括：在接收到从接收端反馈的码字索引后，在发射端利用该索引从预定相关矩阵码本中获取相应的码字，以获知相关矩阵的近似。
10. 根据权利要求 1 所述的方法，其中，接收端包括用户设备，发射端包括基站。
1 1 . 一种针对天线阵列的相关矩阵反馈系统，包括：选择装置，位于接收端，用于根据预定准则，从包括多个码字的预定相关矩阵码本中选择码字，用于代表要反馈的相关矩阵；以及

反馈装置，位于接收端，用于向发射端反馈所选择的码字在预定相关矩阵码本中的索引；

其中，每一个码字是对发射端的天线阵列的相关矩阵进行近似的码字矩阵。
12. 根据权利要求 I I所述的系统，其中，预定准则包括矩阵共线性准则，选择装置计算预定相关矩阵码本中每一个码字矩阵与要反馈的相关矩阵之间的共线性，并选择共线性最大的码字矩阵来代表要反馈的相关矩阵。
13. 根据权利要求 11 所述的系统，还包括：获取装置，位于发射端，用于在发射端接收到从接收端反馈的码字索引后，利用该索引从预定相关矩阵码本中获取相应的码字，以获知相关矩阵的近似。