CN102742178A

CN102742178A - 生成码本的方法

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Publication number: CN102742178A
Application number: CN2011800096511A
Authority: CN
Inventors: M.特萨诺维; T.J.莫斯莱; C.C.奇奥
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2031-02-11
Also published as: KR20130009775A; US9036727B2; CN102742178B; JP6515128B2; JP6353188B2; KR20170061181A; JP2013520122A; KR101819911B1; WO2011098975A1; EP2537263B1; JP2017130974A; EP2537263A1; US20120314792A1

Abstract

一种长度为2L的预编码码本矩阵/向量通过选取两个矩阵/向量并且将所述矩阵/向量的其中之一的每一列乘以复系数来生成，所述两个矩阵/向量的每一个来自于预先确定的L×L矩阵集合的其中之一。

Description

生成码本的方法

技术领域

本发明涉及一种在其中站使用MIMO传输的通信系统和通信方法。在特定示例中，本发明涉及移动网络，如UMTS长期演进（LTE）网络。

背景技术

在诸如LTE之类的无线通信中，基站（也称为演进节点B或eNode B）和终端（也称为用户设备或UE）二者典型地配备有多个天线。这允许MIMO操作。移动终端典型地测量每对天线的下行链路信道，并导出信道状态报告发送给基站。基站然后能将该信息用于调度决策，例如：

● 发送给哪些终端；

● 使用哪些频率/时间/码资源；

● MIMO传输模式（例如空间流的数目、SU-MIMO或MU-MIMO）。

用于捕获信道状态信息的一种有效方法是从预编码器的码本选取条目，其如果在发射机处应用将导致最高数据速率。假设的空间流的数目典型地将是这样的报告的一部分。用于高级LTE的一些码本设计发布在以下3GPP文档中得以考虑：

[1]：R1-100083 Precoding Codebooks for 8TX, (Marvell)；

[2]：R1-100051 A Flexible Feedback Concept, (Ericsson, ST-Ericsson);

[3]：R1-100022 Codebook design for 8Tx DL MIMO, (CATT);

[4]：R1-100251 Extensions to Rel-8 type CQI/PMI/RI feedback using double codebook structure, (Huawei); 和

[5]：R1-100531 DL Codebook Design for 8 Tx MIMO in LTE-A, (ZTE)。

在LTE版本8中，为发射机处4个天线的情况定义了码本。已提出了多个方法用于扩展该码本以覆盖8个天线，例如在[5]中。在[5]中的方法的修改需要被提出，以使得经修改的方法更一般并且能够克服以下问题：

- 该新方法在选取向量（来自4×4矩阵而不是8×8矩阵集合的列对）方面具有更多的设计灵活性，以便（例如为了系统性能）优化码本设计

○ 附加参数（指定相位旋转的）可生成比使用[5]中的方法可获得的向量更多的向量。[5]的方法有效地允许{1，-1}的相位旋转。我们提出{1，j，-1，-j}。

- 该新方法不需要附加的2×2矩阵（例如在[5]中给出的示例中需要的5个这样的矩阵）

- 新码本系数可容易地被限制为8PSK字母表（通过限制相位参数的星座）

- 新的设计可更容易被配置为支持用于不同传输秩（rank）的不同码本大小。

发明内容

本发明的目标是提出一种用于生成缓解上述问题的码本的方法。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于操作主站的方法，包括使用长度为2L的预编码码本矩阵/向量，其通过选取均来自于预先确定的L×L矩阵集合的其中之一的两个矩阵/向量并且将所述矩阵/向量的其中之一的每一列乘以复系数而生成。

根据本发明的第二方面，提出了一种用于操作主站的方法，包括使用由索引和传输秩定义的长度为2L的预编码矩阵/向量，所述索引和传输秩一起指定组成预编码矩阵/向量的两个长度为L的码本矩阵/向量，并且复系数被应用于这些矩阵/向量的其中之一的列。

根据本发明的第三方面，提出了一种主站，包括用于生成长度为2L的预编码码本矩阵/向量的装置，所述预编码码本矩阵/向量通过选取均来自于预先确定的L×L矩阵集合的其中之一的两个矩阵/向量并且将所述矩阵/向量的其中之一的每一列乘以复系数而生成。

在本发明的系统中，主站可包括用于执行到至少一个次站的MIMO传输的装置。这样的MIMO传输通常涉及预编码以实现最高可能数据速率。

根据本发明的其他方面，提出了一种用于用信号发送信道传递函数（channel transfer function）的方法，其中终端从码本集合选取具有在M×1与M×M之间的维数的矩阵，其中给定维数的矩阵数目取决于较小的矩阵维数。

在本发明该方面的特定实施例中，对于较小维数，条目数目较大。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式更详细地描述本发明，其中：

图1是示意性地表示在其中实现本发明的实施例的系统的图。

具体实施方式

版本8码本

为了参考，我们重复用于4个天线的版本8码本规范：

对于在4个天线端口上的传输，p∈{0,1,2,3}，预编码矩阵W将从表6.3.4.2.3-2或其子集中选取。量

表示由来自于表达式的集合{s}给定的列定义的矩阵，其中I是4×4单位矩阵并且向量

由以下表1给出。

表1：

用于在天线端口{0,1,2,3}上传输的码本

根据本发明的示例性实施例，并且使用与上文相同的符号，用于8个天线的新的码本可以以下形式来定义：

其中

是用于码本索引m和层数υ的新的码本条目，其根据分别由索引n1和n2以及列{s1}和{s2}的集合定义的、来自版本8码本的两组系数推导得到。是适当的缩放因子并且是相位因子，其可以是每列不同的。与UTMS版本8相比，集合{s1}和{s2}可多于一次地包含相同的列（但是相位因子不同）。这对于大于4的传输秩是必需的。

特别地，对于较低的传输秩，可能{s1}={s2}是最佳选择，但是这种情况不是必需的，并且当然不是必要条件。

对于使用ULA传输的秩1，在新码本中的至少一些条目应该匹配来自基于DFT码本的那些条目。我们注意到生成用于8个天线的基于DFT（离散傅里叶变换）的码本条目、从用于4个天线的版本8码本条目开始并扩展向量长度的过程等同于将从行1至4 的Wn中的系数复制到行5至8中。一些系数集合需要求反（negate）以维持DFT属性。这还将由如

的码本结构支持，其中相位值可以每行不同。

如果

相应于基于DFT的码本条目，其中n1=n2且{s1}={s2}，并且适当地选取

，这典型地能够实现。

对于使用交叉极性阵列的秩1传输，应当选择至少一些条目使得

，以便相同的波束图可在每个极化上得以传输。再次在这种情况下，如果n1=n2且{s1}={s2}，则是方便的。如果例如

，可在极化之间应用相位差。

同样地，对于使用交叉极性阵列的秩2传输，应当选择至少一些条目使得

，以便相同的波束图可在每个极化上得以传输。再次在这种情况下，如果n1=n2且{s1}={s2}，则是方便的。为了将每个空间流映射到不同的极化，需要相应的码本条目具有在极化的其中之一上对于天线是0的系数。这可用进一步的泛化（generalization）来实现以包括采取以下形式的更多列：

。

在此，我们明确地指示，对两个极化而言，新的列包括相同的向量（因此相同的波束图是可能的）。同样地，增益因子G现在可取决于选取了哪些列。

如果需要甚至更多的灵活性，则进一步泛化是可能的。例如，具有附加的增益因子：

。

通过针对交叉极性阵列选择适当的增益因子，这将允许生成具有不同极化取向的波束，如可能需要匹配交叉极性接收天线的物理取向。例如，如果n3=n5且{s3}={s5}，则α=1，γ=1将生成一个波束，并且α=1，γ=-1将生成具有成直角极化的第二个波束。可使用中间情况，例如α=1.5，γ=0.5，α=1.5，γ=-0.5。如果天线性阵列使用线性极化，圆极化可通过α=1，γ=j来生成。类似的效果可通过选择来实现，但是灵活性较低。

进一步的扩展

作为对版本8中使用的原理的扩展，我们可考虑以下可能性：

● 对于给定的传输秩，具有n1和n2的（多个）相同值的多于一个列集合可被用于生成多于一个码本索引的条目。

● 并非所有码本索引可适用于每个传输秩。为不同极化上的空间流的独立传输设计的条目可能不适用于秩1或非常高秩的情况。

● 码本的有效大小对于传输秩的所有值不必相同（例如对于较低传输秩，有可能具有较大码本大小）。下表中所示的示例将需要8比特来用信号发送码本索引和传输秩（比用于码本索引的6比特和用于秩的3比特的固定大小的情况少1比特）。

码本索引	支持的层数
		0	1至8
1	1至8
		.	1至8
14	1至8
		15	1至8
16	1至4
		17	1至4
.	1至4
		30	1至4
31	1至4
		32	1至2
33	1至2
		.	1至2
46	1至2
		47	1至2
48	1至2
		49	1至2
.	1至2
		62	1至2
63	1至2

其他实施例

本发明的另一个实施例在如支持MIMO传输的LTE那样的系统中。UE向eNB提供可被理解为指示在传输到UE时可由eNB使用的预编码器的空间反馈。这等同于UE从可能的预编码器的码本中选取预编码器。对于给定数目的天线（例如8），指定的码本被设计成具有预先确定的大小（例如4比特）。UE还可以使用例如3比特反馈优选传输秩（空间流的数目）。

码本可包括为针对天线配置（例如8元均匀线性阵列或每元两个交叉极性端口的4元交叉极性阵列）优化的条目。

如上所述，用于定义构成码本的码本条目的方法基于现有码本的使用，其使用诸如以下形式：

。

在该实施例的变型中，码本大小（即适用的码本条目的数目）取决于传输秩。

在其他变型中，对于给定传输秩，具有（多个）相同n1和n2值的多于一个列集合可被使用以生成用于多于一个码本索引的条目。

在基于LTE的另一个实施例中，用于8个传输天线的码本基于以下克罗内克（Kronecker）积结构来构造：

其中：

●

是来自于版本8码本的4×4矩阵

●

是2×k矩阵集合的其中之一

○ k是整数（优选地大于1）

○

的内容是预先确定的

○ 取决于实施例的细节，

的内容可取决于以下的一个或多个：

■ m

■ 传输秩（层数）。

在码本的设计中，为用于不同传输秩/层数的码本（即等同于如上所述的码本

）从

中选择列。对于8个Tx天线，可支持多达8层。

从终端到基站的信道状态反馈至少包括传输秩和索引m和n。取决于实施例的细节，m和n的更新速率可以不同或者可通过不同的方法来用信号发送。在优选实施例中，使用PUCCH来传输m，并且使用PUSCH来传输n。在优选实施例中，m比n更新得更频繁。

对于LTE-A，没有针对在eNB处8个传输天线的情况定义UE信道状态反馈。本文档考虑用于版本8的反馈可如何扩展以支持在该情况下的MIMO传输。

讨论

虽然在eNB处的天线配置将不被标准化，但一些实际配置已被识别，它们最可能部署于真实系统的小区中。在此考虑的用于8个天线的情况的两个主要选项是：

● 8元均匀线性阵列

● 4元交叉极性阵列（具有位于相同位置的水平和垂直天线对，共给出8个端口）

可假设UE具有2、4或8个接收天线，但是至少最初，2个天线（或者可能4个天线）是最可能的配置。UE天线可被设计为提供正交极化。

我们在此假设在高散射传播环境中，具有高达8个空间流的传输的SU-MIMO可能是最恰当的传输方案，但是仅对那些具有适当能力的UE而言。

在具有较低散射的环境中（即接近视线传播），MU-MIMO操作则更可能有益，并且空间流的总数将典型地受到除UE能力之外的其他因素限制。在RAN1方面，已经认同UE空间反馈可被理解为指示可被eNB使用的预编码器。这等同于UE从可能的预编码器的码本中选取预编码器。本文档更详细地考虑对这样的码本的需求，主要强调MU-MIMO操作，并且具有上述天线配置。

使用8元均匀线性阵列的MU-MIMO操作

如在[1]中所示，我们注意到基于DFT的码本设计很好地适应于具有秩1传输的MU-MIMO操作。由UE为到eNB的反馈选取这些码本条目的其中之一等同于用信号发送UE位置相对于eNB天线性阵列的方位角（假设接近视线传播）。这允许eNB在UE方向上形成波束。该方面在用于4个天线的版本8码本中很好地得到支持并适用于秩1传输，该码本包括8个等同于来自基于DFT的码本的条目的条目。这提供pi/8弧度的角分辨率。

为了支持至少具有8个天线以及为4个天线完成的秩1 MU-MIMO，可能希望版本10提供具有匹配DFT码本的条目的至少8个条目且具有至少如pi/8弧度精确的角分辨率的秩1码本。

为了允许比用于版本8更好的性能，可考虑提供具有pi/16角分辨率的基于16DFT的码本条目。然而，在这个阶段不清楚这是否有益。

使用4元交叉极性阵列的MU-MIMO操作

在[2]中，注意到使用交叉极性阵列的信道系数可能在两个极化间高度相关（除了相位因子外），并且相同的波束图可适合用于两个极化。对于视线条件，倘若交叉极性元件位于相同位置，这在物理上是合理的。

图1：根据[1]，示出在不同极化上到相同UE的两个波束图之间高度相关的情况

因此，4元（8端口）交叉极性阵列可被视为提供4源线性阵列的两个实例（由正交极化来区分）。另外，在版本10中应当被支持的一个重要情况是其中相同的预编码加权将被应用在两个极化上，具有可能的相位差，类似于在[3,4]中的提议。

因此，假设相同的预编码将应用于两个极化，我们现在考虑取决于UE天线属性的两个低秩情况：

（a）UE不能区分使用正交极化接收的信号。在该情况下，如果eNB在每个极化上传输空间流的一个拷贝，秩1 MU-MIMO操作可以被支持。这将使用具有结构

的码本来实现，其中A标上可应用于一个极化的预编码向量/矩阵集合的其中之一，并且Ø是相位差集合的其中之一。需要相位差来避免两个极化间相消干涉的可能性。典型地，UE应当在它的反馈中包括该相位差。

（b）UE可区分使用正交极化接收的信号。在该情况下，如果eNB使用相同的波束但是正交的极化来传输两个空间流，秩2 MU-MIMO操作可被支持。取决于实际的UE天线取向，这可通过使用诸如

之类的码本结构将一个空间流映射到每个天线极化来实现。所以，对于这种情况，UE可不必反馈两个极化间的相位差，即使该相位差不为0。然而，在更一般的情况下，可能需要其他的正交预编码加权集合。

使用4元交叉极性阵列和8元线性阵列的SU-MIMO操作

为了有效地支持使用交叉极性阵列的秩8传输，，可能UE将需要还具有交极化天线，在这种情况下，信道系数可能在两个极化间相关（除了相位差之外）。在该情况下，用于码本设计的适当方法将要求在两个极化上具有相同波束成形系数但是允许相位差的条目。在该情况下，诸如

之类的结构可能是适当的，其中θ、Ø均来自于可能相位值的集合。

当应用于8元线性阵列（或其他结构）时，不同的相位旋转将允许多种正交波束图得以生成。

一般提议

考虑以上讨论和在版本10中尽可能保持版本8码本及其属性的愿望，在[5]中的提议似乎是一个很好的起始点。这重用来自于用于4个天线的版本8码本的向量以生成用于8个天线的码本条目。该提议在以下附件中进一步讨论和改进。所得到的码本结构将具有以下属性：

● 与版本8的4天线码本共享的结构

● 对于均匀线性阵列，该码本

○ 包含适用于MU-MIMO秩1传输的、匹配基于DFT的码本的条目

● 对于交叉极性阵列，该码本

○ 支持用于不同极化的相同波束图

○ 提供极化间的相位差

○ 为跨越极化的秩2传输提供正交预编码器加权，并适用于MU-MIMO

● 与MU-MIMO和SU-MIMO二者兼容

● UE PMI反馈可包括

○ 秩1至8（3比特）

○ 码本索引（4比特或更多）。

结论

从上述关于用于UE反馈以支持具有8个天线的DL MIMO的码本设计的讨论，我们得出以下结论：

● 对于版本10中高效的MU-MIMO，希望保持出现在现有版本8码本中的条目的一半中的DFT码本属性。

● 对于高效的具有使用交叉极性阵列的秩1的 MU-MIMO，希望具有显式支持两个极化的码本结构

○ 这暗示需要允许在不同极化上相同波束图、但在极化间具有可能的相位差的码本向量

● 对于高效的使用交叉极性阵列的秩2传输，希望具有显式支持两个极化的码本结构

○ 这暗示需要允许在不同极化上相同或相似的波束图、但在极性间具有可能的相位差的码本向量

○ 同样希望将空间流映射到极化的码本条目

● 版本8码本结构和设计原理的重用将是希望的，以便简化实施方式

● 已提出了一种用于从用于4个天线的版本8码本导出满足以上要求的用于8个天线的版本10码本的方法，并且该方法并具有以下属性：

○ 与MU-MIMO和SU-MIMO二者兼容

○ 与版本8的4天线码本共享的结构

○ UE PMI反馈可方便地包括：

■ 秩1至8（3比特）

■ 码本索引（4比特或更多）

● 所提出的方法将不排除进一步的增强（例如改善的反馈精度）

● 在码本比较中，应当存在认可的天线索引方案，特别地对于交叉极性阵列，因为不同的假设可能对性能有显著的影响。

在示例性实施例中，预编码码本在基站中生成。然而，在本发明的变型中，移动站或用户设备也可根据本发明生成预编码码本。

本发明具有特别但并非排他的无线通信系统方面的应用，其在主站和次站间采用多模式传输，最特别地为MIMO和MU-MIMO模式。示例包括诸如UMTS、UMTS LTE和高级UMTS LTE之类的蜂窝系统以及无线LAN（IEEE 802.11n）和宽带无线（IEEE 802.16）。

在本说明书和权利要求中，在元件前的词语“一”或“一个”并不排除存在多个这样的元件。另外，词语“包括”并不排除存在除那些列出的之外的其他元件或步骤。

在权利要求中圆括号中包括的附图标记旨在帮助理解，而并不旨在限定。

通过阅读本公开，其他修改对本领域技术人员而言将是明显的。这样的修改可以涉及在无线电通信领域中已知的其他特征。

Claims

1.一种用于操作主站的方法，该主站包括用于执行到至少一个次站的MIMO传输的装置，所述MIMO传输涉及预编码，该方法包括使用长度为2L的预编码码本矩阵/向量，其是通过选取均来自于预先确定的L×L矩阵集合的其中之一的两个矩阵/向量并且将所述矩阵/向量的其中之一的每一列乘以复系数而生成的。

2.一种用于操作主站的方法，该主站包括用于执行到至少一个次站的MIMO传输的装置，所述MIMO传输涉及预编码，该方法包括使用由索引和传输秩定义的长度为2L的预编码矩阵/向量，所述索引和传输秩一起指定组成预编码矩阵/向量的两个长度为L的码本矩阵/向量，并且复系数被应用于所述矩阵/向量的其中之一的列。

3.权利要求1或2的方法，其中L=4。

4.权利要求3的方法，其中所述复系数是{0,1,-1,j,-j}。

5.权利要求1或2的方法，其中所述预编码码本被使用，而不管在MIMO模式中与所述主站通信的次站的数目。

6.权利要求1的方法，其中所述预编码码本具有如的结构，其中A表示可被应用于一个极化的预编码向量/矩阵的集合的其中之一，并且Ø是相位差集合的其中之一。

7.权利要求8的方法，其中A是基于离散傅里叶变换的码本的元素。

8.权利要求8或9的方法，其中所述相位差集合由值

组成。

9.权利要求1的方法，其中所述码本的有效大小对于所有传输秩的值而言是不相同的。

10.一种包括用于执行到至少一个次站的MIMO传输的装置的主站，所述MIMO传输涉及预编码，该主站进一步包括用于生成长度为2L的预编码码本矩阵/向量的装置，所述预编码码本矩阵/向量通过选取均来自于预先确定的L×L矩阵集合的其中之一的两个矩阵/向量并且将所述矩阵/向量的其中之一的每一列乘以复系数而生成。