CN103190086B - 用于减小到传送器的信道状态信息反馈量的接收器和方法 - Google Patents

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Abstract

本文中描述了用于减小与反馈到传送器的传送信道相关矩阵有关的信道状态信息的量的接收器和方法。另外，本文中描述了用于使用从接收器接收的减小的信道状态反馈信息来重构传送信道相关矩阵的传送器和方法。

Description

用于减小到传送器的信道状态信息反馈量的接收器和方法
技术领域
本发明涉及用于减小与反馈到传送器的传送信道相关矩阵有关的信道状态信息量的接收器和方法。另外，本文中涉及用于使用从接收器接收的减小的信道状态反馈信息来重构传送信道相关矩阵的传送器和方法。
背景技术
下面的缩略词在此被定义，在随后的现有技术和本发明的描述中涉及了这些缩略词中的至少一些缩略词。
CQI　　　　信道质量指示符
DL　　　　 下行链路
FDD　　 　 频分复用
MIMO　 　 多输入多输出
OFDM　 　 正交频分复用
IID　　　　独立同分布
FFT　　 　 快速傅立叶变换
IFFT　 　　逆快速傅立叶变换
UE　　 　　用户设备
UL　　 　　上行链路
在过去的十年，由于在覆盖和数据率方面的可能改进，在无线通信系统中的传送器和/或接收器上使用多根天线间有相当大的吸引力。不像利用在传送器的信道知识不会大幅改进容量的单天线系统，Telatar和Foschini的开拓性工作已显示，准确的信道状态信息在传送器可用时，能够通过多个天线实现容量的大幅增益（参阅编号1-3的参考文献）。在频分复用(FDD)系统中，在传送器此类信息的提供主要依赖于反馈的使用。虽然由于反馈链路上的容量限制及其往返程延迟，假设在传送器上完美的信道状态信息是不现实的，但人们发现，与在传送器无信道信息的系统相比，在传送器上即使部分信道知识也能提供相当大的增益。这刺激了对设计减小信道状态信息的反馈量而不会造成容量重大牺牲的有效方法的相当大的兴趣。
减小信道状态信息的反馈量而不过度牺牲准确度的一种有效方案涉及利用信道的统计。例如，在共同转让的美国专利申请No. 2009/0016425 A1中，已描述了压缩空间相关MIMO信道的瞬间信道响应的反馈的一种有效方法（参见编号4的参考文献）。图1（现有技术）是示出使用MIMO信道106相互进行通信并且实现利用快速和慢速反馈链路108和110的此反馈方法的传送器102和接收器104的系统图。此反馈方法的基本构想是使用在接收器104的某些二阶信道统计的知识来压缩信道响应信息112。随后，使用快速反馈链路108将瞬间信道响应112的压缩的反馈从接收器104反馈到传送器102。另一方面，信道统计 114通过低速率慢速反馈链路110从接收器104提供到传送器102，与快速反馈链路108相比，慢速反馈链路110发回信息的频繁程度低得多。
美国专利申请No. 2009/0016425 A1中描述的反馈方法的一个重要方面是接收器104应用二维线性变换（跨频率和空间）到MIMO信道106的频率域响应的样本（假设接收器104能够获得每第k个副载波的信道矩阵的准确估计）。此变换用于将变换成变换系数X的向量以便实现相当大的压缩益处。在接收器104，通过逆快速傅立叶变换(IFFT)操作，先将频率域信道响应转换成时间域信道响应。根据系统的假设最大延迟扩展，随后将时间域响应删截成时标的窗口内更少数量的抽头，表示为。结果信道响应的每个抽头还在空间上被变换以获得变换的向量信道抽头集合，随后，该集合在被量化成比特并且在快速反馈链路108上反馈到传送器102之前，被进一步减小成更少数量的参数。
空间变换根据以下等式进行
（对于全部），其中，UT表示带有表示如下的信道相关矩阵的本征向量的矩阵：
在传送器102，逆空间变换被应用到变换的系数以便获得频率域信道响应的再现。很明显的是，执行逆空间变换的传送器102将需要使用传送信道相关矩阵，并且因此传送信道相关矩阵也需要由接收器104反馈到传送器102。接收器104能够使用低速率慢速反馈链路110将传送信道相关矩阵传送到传送器102。然而，此反馈量大约为，并且能够相当大。因此，已经存在并且有减小必须被发送到传送器102的与传送信道相关矩阵有关的反馈的量的需要。本发明解决了此需要和其它需要。
发明内容
本申请的独立权利要求中描述了一种接收器、一种传送器和方法。在从属权利要求中描述了所述接收器、所述传送器和所述方法的有利实施例。
一方面，本发明提供一种由接收器为将信道状态信息反馈到传送器而实现的方法。该方法包括以下步骤(a)接收来自传送器的下行链路信号；(b)使用接收的下行链路信号计算传送信道相关矩阵；(c)使用传送信道相关矩阵，至少估计从传送器到接收器的方位角（以及可能仰角、标准偏差和标准偏差）；以及(d)将与至少该方位角（以及且可能仰角、标准偏差和标准偏差）有关的数据发送到传送器。本发明具有的优点是它减小了接收器与传送器之间慢速反馈信道上的开销。
另一方面，本发明提供一种用于将信道状态信息反馈到传送器的接收器。该接收器包括处理器和存储处理器可执行指令的非暂时性存储器，其中，处理器与非暂时性存储器进行接口并执行处理器可执行指令以便：(a)接收来自传送器的下行链路信号；(b)使用接收的下行链路信号计算传送信道相关矩阵；(c)使用传送信道相关矩阵，至少估计从传送器到接收器的方位角（以及可能仰角、标准偏差和标准偏差）；以及(d)将与至少该方位角（以及且可能仰角、标准偏差和标准偏差）有关的数据发送到传送器。本发明具有的优点是它减小了接收器与传送器之间慢速反馈信道上的开销。
在仍有的另一方面，本发明提供一种由传送器为至少使用从接收器接收的反馈数据来重构传送信道相关矩阵而实现的方法。该方法包括以下步骤：(a)接收来自接收器的与信道状态信息有关的反馈数据；(b)将反馈数据转换成至少估计的方位角（以及可能估计的仰角、估计的标准偏差和估计的标准偏差）；以及(c)使用至少估计的方位角（以及可能估计的仰角、估计的标准偏差和估计的标准偏差），计算传送信道相关矩阵。本发明具有的优点是它减小了接收器与传送器之间慢速反馈信道上的开销。
在仍有的另一方面，本发明提供一种用于至少使用从接收器接收的反馈数据来重构传送信道相关矩阵的传送器。该传送器包括处理器和存储处理器可执行指令的非暂时性存储器，其中，处理器与非暂时性存储器进行接口并执行处理器可执行指令以便：(a)接收来自接收器的与信道状态信息有关的反馈数据；(b)将反馈数据转换成至少估计的方位角（以及可能估计的仰角、估计的标准偏差和估计的标准偏差）；以及(c)使用至少估计的方位角（以及可能估计的仰角、估计的标准偏差和估计的标准偏差），计算传送信道相关矩阵。本发明具有的优点是它减小了接收器与传送器之间慢速反馈信道上的开销。
本发明的另外方面有些部分将在后面的详细描述、图形和任何权利要求中被陈述，并且有些部分可从详细描述中得出，或者能通过本发明的实践而了解。要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述均只是示范和解释性的，并不是将本发明限制为公开的内容。
附图说明
通过对下面详细的描述进行参考（在结合附图进行时），可获得本发明的更完整理解：
图1（现有技术）是示出传送压缩信道响应信息（使用快速反馈链路）和信道相关矩阵（使用慢速反馈链路）到传送器的接收器的框图；
图2是示出根据本发明传送压缩信道响应信息（使用快速反馈链路）和与信道相关矩阵有关的信息（使用慢速反馈链路）到传送器的接收器的框图；
图3是具有示范集束天线配置的图2所示传送器的框图；
图4是示出根据本发明的第一实施例的配置成量化在慢速反馈链路上反馈到传送器的方位角和仰角的图2所示的示范接收器的框图；
图5是示出根据本发明的第一实施例的配置成使用与在慢速反馈链路上从接收器接收的与方位角和仰角有关的反馈信息，重构传送信道相关矩阵的图2所示的示范传送器的框图；
图6是示出根据本发明的第二实施例的配置成量化在慢速反馈链路上反馈到传送器的仰角、标准偏差、方位角和标准偏差的图2所示的示范接收器的框图；
图7-8是根据本发明的第二实施例的用于解释图2所示的示范传送器能够如何配置成使用在慢速为反馈链路上从接收器接收的与方位角、仰角、标准偏差和标准偏差有关的反馈信息，重构传送信道相关矩阵的图；
图9是根据本发明的第三实施例的配置成在利用可选抖动信号的同时量化与参数、、和有关的多个最低有效比特，并且随后在慢速反馈链路上将所述多个最低有效比特反馈到传送器的图2所示的示范接收器的框图；
图10是根据本发明的第三实施例的配置成使用在慢速反馈链路上从接收器接收的可选抖动信号和包含、、和的反馈信息，重构传送信道相关矩阵的图2所示的示范传送器的框图；
图11是在图2所示的示范接收器和传送器的仿真期间获得的并且根据本发明的第一实施例配置的曲线图，该曲线图示出用于3GPP典型市区宏信道（nT=4，nR=2）的本发明的性能；以及
图12是在图2所示的示范接收器和传送器的仿真期间获得的并且根据本发明的第一实施例配置的曲线图，该曲线图示出用于3GPP典型市区微信道（nT=4，nR=2）的本发明的性能。
具体实施方式
参照图2，它示出根据本发明在MIMO信道203上接收信息并且传送压缩信道响应信息204（使用快速反馈链路206）和与信道相关矩阵有关的信息208（使用慢速反馈链路210）到传送器212的接收器202的框图。如下面将详细讨论的，本发明涉及减小与反馈到传送器212的传送信道相关矩阵有关的信道状态信息量的接收器202（例如，移动电话、UE）。另外，本发明涉及能够使用从接收器202接收的信道状态反馈信息208，重构传送信道相关矩阵的传送器212（例如，基站）。本领域技术人员将容易领会到本文中所示和所述示范接收器202和示范传送器212省略了不是解释本发明所需要的许多公知的组件，但确实显示和描述了解释和能够实现本发明所需的组件。
接收器202能够实现下面详细描述的几种有效方法的任何一种方法，以减小与通过慢速反馈链路210反馈到传送器212的传送信道相关矩阵相关联的信道状态信息量。实现任何这些有效方法的接收器202必须有效地估计传送信道协方差矩阵（参见等式2），并且在进行此操作时，传送器212被假设成具有紧密间隔的天线配置（例如，带有半波长间隔）。在该情况下，传送器212具有诸如交叉极化天线等紧密间隔天线的多个集束，则总传送协方差矩阵将具有分块对角结构，各个天线集束的分量传送协方差矩阵作为对角块，即：
其中，表示天线元素的每个单独集束的传送信道协方差矩阵，并且Nc表示天线集束的数量。图3示出具有带两个天线集束302和304的集束天线配置的示例的传送器212，两个天线集束在物理上分隔10个波长，并且每个天线集束302和304具有四个紧密间隔天线306，每个天线之间具有0.5波长间隔。另外，图3示出与两个散射器308和310及接收器202 (UE 202)相关联的出射角展度Δ。下面的讨论将集中在接收器202能够为将用于每个集束n的传送信道协方差矩阵有关的信息208反馈到传送器212而实现的不同方法。为了标记的简单性，将省略下标n。
第一实施例中公开了主要过程。在传送器212具有大约0.5个波长分隔的小间隔的传送天线，并且出射角展度为大约2到3度或更小时，第一实施例适用。此类型的传送器212通常在小区大小大的乡村地区中使用。对于这些情况，信道相关矩阵能够从由方位角和仰角参数化的主导本征向量再现。此外，如果传送器212具有配置成具有均匀线性阵列的传送天线，则信道相关矩阵能够从仅由方位角参数化的主导本征向量再现。下面详细公开了用于在接收器202和传送器212（网络侧）计算和处理这些参数的几种方法。
第二实施例将第一实施例扩展到传送器212具有间隔大约0.5-1个波长分隔和/或出射角展度大约4到10度的传送天线的情况。对于这些情况，信道相关矩阵能够从由方位角和仰角参数化的主导本征向量和由标准偏差和标准偏差参数化的其它小但不可忽略的本征向量之和来再现。此外，如果传送器212具有配置成具有均匀线性阵列的传送天线，则信道相关矩阵能够从仅由方位角和标准偏差参数化的主导本征向量再现。下面讨论用于在接收器202和传送器212（网络侧）计算和处理这些参数的几种方法以便产生表征这些本征向量的组合效应的最低要求的反馈参数。
第三实施例是适用于前两个实施例的反馈过程的改进。此实施例通过识别UL和DL信道的大尺度（scale）互易性而减少反馈比特量。更具体地说，过程要求传送器212组合其自己的要求的参数的大尺度测量和来自接收器202的精细尺度测量反馈，以得出用于重构传送信道相关矩阵的参数的最终测量。下面详细公开了用于对在接收器202和传送器212（网络侧）的这些参数进行比特处理的几种方法以实现有效的处理和反馈。
第一实施例
在传送器212具有大约0.5个波长分隔的小间隔的传送天线，并且出射角展度为大约2到3度或更小时，第一实施例适用。由于天线之间的小间隔，传送器212具有高度相关的传送天线。这暗示信道相关矩阵将只具有近似等于向量的一个主导本征向量，如下所示：
其中，λ表示无线电信号的波长，ri是第i个传送天线的空间坐标，以及a是从在传送器212（例如，基站）的传送天线阵列的中心指向在接收器202（例如，UE 202）的接收天线阵列的中心的单位向量。单位向量a能够表述为
其中，和分别表示从传送器212到接收器202的方位角和仰角。
从主导本征向量vT，传送信道协方差矩阵能够简单地通过以下等式取近似值：
其中，g表示标度增益因子。此近似值对于小传送角展度的环境是有效的，例如，在3GPP标准中的典型宏蜂窝环境中。增益因子对于确定期望的空间变换UT不重要。然而，根据应用，在传送器212可需要或不需要等于传送信道协方差矩阵的长期增益因子g。如果必要的话，也能够由接收器量化和反馈长期增益因子g。备选的是，长期增益因子g可由传送器212从上行链路测量，或者从跨频率和时间平均的信道质量指示符(CQI)推导。
明显的是，通过由等式4定义的向量，在传送器212计算向量只需要到接收器202的方向的知识。此信息能够由两个实值限制的标量（即，和）指定。因此，如本文中所述量化和反馈此角信息的有效方法将允许系统减少在慢速反馈链路210上的信息量，与传送信道协方差矩阵的量化元素的直接反馈相比，减少到大约分一。下面提供的讨论详细解释接收器202能够如何量化和反馈此信息到传送器212，以及传送器212在接收此角信息时能够如何重构传送信道协方差矩阵。
用于接收器202 (UE 202)的过程
传送器212具有小传送角展度的紧密间隔天线的第一实施例后的基本构想是传送信道协方差矩阵的主导本征向量能够通过使用等式4和5取接近近似值。因此，如下所述，接收器202只需要量化和反馈方位角和仰角，它们具有紧支持，并且因此更易于量化。
如果传送器212具有均匀线性天线阵列，则在不失一般性的情况下，空间坐标ri能够写为：
其中，，并且d表示天线间隔，以及na表示天线的数量（在集束内），以及等式4还原成：
其中，是等效方位角。在此情况下，仅方位角需要由接收器202反馈，以便传送器212具有足够的信息，能够计算vT并且因此计算传送信道协方差矩阵。
如果传送器212没有均匀线性天线阵列，则接收器202能够通过解以下等式，基于平均传送信道协方差矩阵的长期测量来计算方位角和仰角：
其中，表示在接收器202传送信道协方差矩阵的测量值，并且表示矩阵的Frobenius范数。备选的是，接收器202可通过先计算的表示为的最主导本征向量，然后解以下等式来确定方位角和仰角：
如果传送器212具有均匀线性天线阵列，则接收器202能够通过解以下等式来计算等效方位角：
或者解以下等式：
因此，本发明的一方面是一种用于使得接收器202能够将平均方位角和仰角、或者只是方位角反馈到传送器212的有效方法。由于和具有有限范围，因此，它们每个能够通过接收器202内的均匀量化器轻松进行量化。例如，假设和比特分别被分配用于反馈方位角和仰角，则接收器202能够计算和反馈以下指数（index）（可能以二进制形式）：
和
备选的是，接收器202可使用非均匀量化器，该量化器可根据方位角和仰角的概率分布设计，并且因而能够用于生成反馈到传送器212的指数和。随后，传送器212能够使用非均匀量化器重构方位角和仰角。
如果接收器202将和比特分配用于反馈方位角和仰角，则只存在种重构的方位角和仰角的不同可能组合。因此，解等式9和10的一种方式是在穷举搜索所有可能组合。备选的是，接收器202能够使用诸如最速下降等数值搜索技术以在量化前计算方位角和仰角。另外，接收器202也可以在量化前先执行在重构角的更粗的格（grid）上的搜索以查找方位角和仰角的粗略估计，之后使用数值搜索技术改进方位角和仰角的值。类似的方法能够用于解等式11和12。下面相对于图4，讨论能够量化和反馈方位角和仰角到传送器212的示范接收器。
参照图4，它示出根据本发明的第一实施例的配置成量化反馈到传送器212的方位角和仰角的示范接收器202的框图。如图所示，示范接收器202包括处理器402和存储处理器可执行指令的非暂时性存储器404，其中，处理器402与非暂时性存储器404进行接口并执行处理器可执行指令以便：(a)接收来自传送器212的下行链路信号（步骤406）；(b)使用接收的下行链路信号，计算传送信道相关矩阵（步骤408）；(c)使用传送信道相关矩阵，估计从传送器212到接收器202的仰角和方位角（步骤410）；(d)归一化仰角和方位角（步骤412）；(e)量化编码归一化的仰角和最一化的方位角以生成指数和指数（步骤414）；以及(f)将指数和指数转换成发送到传送器的二进制表示和（步骤416）。如果传送器212具有均匀线性天线阵列，则接收器202只需计算方位角，并且将发送到传送器212。
用于传送器212（例如，基站212）的过程
在均匀量化的情况下，传送器212在接收和（或和）时能够通过以下等式重构方位角和仰角的近似值：
以及， (14)
随后，基于方位角和仰角的重构值，传送器212能够使用等式4和5计算vT，然后使用等式6来计算传送信道相关矩阵。下面相对于图5讨论能够使用从接收器202接收的方位角和仰角，重构传送信道相关矩阵的示范传送器212。
参照图5，它示出根据本发明的第一实施例的配置成使用与从接收器202接收的方位角和仰角有关的反馈信息208，重构传送信道相关矩阵的示范传送器212的框图。如图所示，示范传送器212包括处理器502和存储处理器可执行指令的非暂时性存储器504，其中，处理器502与非暂时性存储器504进行接口并执行处理器可执行指令以便：(a)接收来自接收器212，与信道状态信息有关的反馈数据和（步骤506）；(b)将反馈数据和转换成估计的指数和估计的指数（步骤508）；(c)量化解码估计的指数和估计的指数以生成估计的方位角和估计的仰角（步骤510）；(d)缩放估计的方位角和估计的仰角（步骤512）；以及(e)使用至少缩放的估计的方位角和缩放的估计的仰角，计算传送信道相关矩阵（步骤514）。如果传送器212具有均匀线性天线阵列，则传送器212只需从接收器202接收便具有足够的信息来重构传送信道相关矩阵。
第二实施例
在传送器212具有间隔大约0.5-1个波长分隔和/或出射角展度大约4到10度的传送天线时第二实施例适用。此类型的传送器212通常在微蜂窝环境中使用。对于这些情况，传送信道相关矩阵能够通过以下等式取接近近似值：
其中，，，M是预定的整数，和是某些预定的角度，以及其中，和分别表示在和中角展角的标准偏差。在此情况下，完全根据、、和确定。不同于在传送信道相关矩阵中的元素，所有这些参数具有紧支持（即，有限范围），并且因此它们能够被有效地反馈。在第二实施例中，接收器202使用更容易压缩和反馈到传送器212的参数、、和（而不是的元素）表征传送信道相关矩阵捕获的统计信息。下面提供的讨论解释接收器202能够如何计算参数、、和，并且将此信息反馈到传送器212，以及传送器212在接收这些参数、、和时能够如何重构传送信道协方差矩阵。
用于接收器202 (UE 202)的过程
根据本发明的第二实施例，在存在更大传送角展角时的情况下，接收器202应也分别测量和反馈方位角展度和仰角展度的标准偏差和及平均方位角和仰角和。此外，如果传送器212具有配置成具有均匀线性阵列的传送天线，则在接收器202只提供方位角和标准偏差时能够再现信道相关矩阵。
通过解以下等式，能够计算标准偏差和：
其中，和能够从等式9和10获得。如果传送器212具有均匀线性天线阵列，则接收器202能够通过解以下等式来计算等效方位角的标准偏差：
其中，能够从等式11或12获得。
之后，通过在接收器202计算对应指数和和在传送器212的对应重构和，能够以与第一实施例中类似的方式量化和反馈标准偏差和。下面相对于图6，讨论能够量化和反馈参数、、和到传送器212的示范接收器202。
参照图6，它示出根据本发明的第二实施例的配置成量化反馈到传送器212的仰角、标准偏差、方位角和标准偏差的示范接收器202的框图。如图所示，示范接收器202包括处理器602和存储处理器可执行指令的非暂时性存储器604，其中，处理器602与非暂时性存储器604进行接口并执行处理器可执行指令以便：(a)接收来自传送器212的下行链路信号（步骤606）；(b)使用接收的下行链路信号，计算传送信道相关矩阵（步骤608）；(c)使用传送信道相关矩阵，估计方位角、标准偏差、方位角和标准偏差（步骤610）；(d)最一化仰角、标准偏差、方位角和标准偏差（步骤612）；(e)量化编码归一化的仰角、归一化的标准偏差、归一化的方位角和归一化的标准偏差以生成指数、指数、指数和指数（步骤614）；以及(f)将指数、指数、指数和指数转换成发送到传送器的二进制表示、、和（步骤616）。如果传送器212具有均匀线性天线阵列，则接收器202只需计算方位角和标准偏差，并且将和发送到传送器212。
用于传送器212（基站212）的过程
传送器212在接收、、和时能够重构、、和的值，并且随后基于“模板”角度的预定义集合使用等式15，计算传送信道相关矩阵。图7是指示这些预定义的角度可通过基于分别用于和，表示为和的基础归一化（零均值和单位方差）概率分布函数，通过压缩到扩展如下计算的曲线图：
和
用于及的合理选择是高斯或Laplacian分布函数。下面相对于图8讨论能够使用从接收器202接收的参数、、和，重构传送信道相关矩阵的示范传送器212。
参照图8，它示出根据本发明的第二实施例的配置成使用从接收器202接收的与方位角、仰角、标准偏差和估计的标准偏差有关的反馈信息208，重构传送信道相关矩阵的示范传送器212的框图。如图所示，示范传送器212包括处理器802和存储处理器可执行指令的非暂时性存储器804，其中，处理器802与非暂时性存储器804进行接口，并且执行处理器可执行指令以便：(a)接收来自接收器212，与信道状态信息有关的反馈数据、、和（步骤806）；(b)将反馈数据、、和转换成估计的指数、估计的指数、估计的指数和估计的指数（步骤808）；(c)量化解码估计的指数、估计的指数、估计的指数和估计的指数以生成估计的仰角、估计的标准偏差、估计的方位角和估计的标准偏差（步骤810）；(d)缩放估计的仰角、估计的标准偏差、估计的方位角和估计的标准偏差（步骤812）；以及(e)使用至少缩放的估计的仰角、缩放的估计的标准偏差、缩放的估计的方位角和缩放的估计的标准偏差，计算传送信道相关矩阵（步骤814）。如果传送器212具有均匀线性天线阵列，则传送器212只需从接收器202接收和便具有足够的信息来重构传送信道相关矩阵。
第三实施例
第三实施例是适用于前两个实施例的反馈过程的改进。此实施例通过识别UL和DL信道的大尺度互易性而减少反馈比特量。在此方面，也在传送器212从上行链路测量两个标量和。然而，为使接收器202和传送器212具有相同酉变换矩阵UT，有关和（以及和）的一些信息需要从接收器202反馈到传送器212，或备选从传送器212通过信号发送到接收器202。根据第三实施例，公开了通过利用传送器212（或备选接收器）能够测量在反向链路中这些参数的接近近似值的知识来进一步减小用于和（以及和）的反馈（或信令）要求的方法。随后，接收器202只反馈所述多个最低有效比特（相对于某个预定义基）到传送器212，并且允许传送器从上行链路进行测量以确定更多有效数字（more significantdigits）。也可添加可选的抖动噪声序列以平均出（average out）量化间隔的边界效应。
传送器212能够获得平均角和的估计及标准偏差和，它们是来自在上行链路上测量的有关信道的统计信息，这是因为下行链路的信道统计与在上行链路中的那些统计是互易性的（且反之亦然）。虽然接收器202不知道这些估计，但接收器202仍能够利用此类端侧信息在传送器212可用于减小用于、、和的反馈的量的事实。
具体而言，能够实现此操作的一种方式是接收器202只将、、和的二进制表示的多个最低有效比特反馈到传送器212。例如，假设=5，并且具有01001的二进制表示。随后，接收器202将只反馈的二进制表示的最低有效个比特所捕获的“精细”信息，它们是01 (01001)。基本构想是从获得的来自上行链路的角度的估计中，传送器212能够获得个更多有效比特所捕获的“粗略”信息，即示例中的010 (01001)。由于信道统计互易性，如果经适当选择，则上行链路角估计允许传送器212以高概率计算个有效比特。这些比特也应与在接收器212侧基于下行链路测量以高概率生成的那些对应比特一致，以便在下行链路上无需另外的信令。组合这些比特和从接收器202反馈的那些，传送器212能够重构的近似值。类似的过程也能够应用到、和。
可在接收器202和传送器212应用基于预定的伪随机抖动序列的可选抖动信号以平均出“粗略”与“精细”信息之间的边界效应。例如，接收器202能够计算和反馈以下指数：
和
其中，和可从间隔[0.5,0.5]从实数的预存储伪随机抖动序列来获得，而和是预定的正数。用于和的合理选择分别是和，其中，表示所述多个最低有效比特。在接收和时，传送器212能够通过以下等式重构和的近似值：
和
下面相对于图9更详细地描述根据本发明在接收器202执行的操作，其中，、、和分别表示从、、和的完全二进制表示提取的多个最低有效比特。下面相对于图10，更详细地描述在从接收器202接收、、和时，在传送器212执行的重构、、和的对应操作，其中，、、和分别表示从上行链路测量估计的、、和的那些二进制表示中更大有效性的比特。备选的是，如果传送器212具有的传送天线带有大约0.5个波长分隔的小间隔并且出射角展度为大约2到3度或更小，则接收器202只需要将与方位角和仰角有关的多个最低有效比特反馈到传送器212。如果此传送器212也具有配置成具有均匀线性天线阵列的传送天线，则接收器202只需要将与方位角有关的多个最低有效比特反馈到传送器212。
用于接收器202 (UE 202)的过程
参照图9，它示出能够在利用可选抖动信号的同时量化与参数、、和有关的多个最低有效比特，并且随后将所述多个最低有效比特反馈到传送器212的示范接收器202。如图所示，示范接收器202包括处理器901和存储处理器可执行指令的非暂时性存储器904，其中，处理器902与非暂时性存储器904进行接口并执行处理器可执行指令以便：(a)接收来自传送器212的下行链路信号（步骤906）；(b)使用接收的下行链路信号，计算传送信道相关矩阵（步骤908）；(c)使用传送信道相关矩阵，估计仰角、标准偏差、方位角和标准偏差（步骤910）；(d)归一化仰角、标准偏差、方位角和标准偏差（步骤912）；(e)基于从存储器914获得的、、和，应用抖动信号到归一化的仰角、归一化的标准偏差、归一化的方位角和归一化的标准偏差（步骤916）；(f)量化编码归一化的仰角、归一化的标准偏差、归一化的方位角和归一化的标准偏差以生成指数、指数、指数和指数（步骤918）；以及(g)将指数、指数、指数和指数转换成二进制表示、、和（步骤920）；(h)从、、和提取所述多个最低有效比特以形成发送到传送器的、、和（步骤922）。
用于传送器212（基站212）的过程
参照图10，它示出配置成使用包含从接收器202接收的、、和的可选抖动信号和反馈信息208，重构传送信道相关矩阵的示范传送器212的框图。如图的示，示范传送器212包括处理器1002和存储处理器可执行指令的非暂时性存储器1004，其中，处理器1002与非暂时性存储器1004进行接口并执行处理器可执行指令以便：(a)接收来自接收器212，与信道状态信息有关的反馈数据、、和（步骤1006）；(b)接收上行链路信号（步骤1008）；(c)使用接收的上行链路信号，估计参数、、和（步骤1010）；(d)量化编码估计的参数、、和（步骤1012）；(e)将编码的参数、、和转换成二进制表示（步骤1014）；(f)从参数、、和的二进制表示提取多个最高有效比特以获得、、和（步骤1016）；(g)组合、、和、、、和（步骤1018）；(h) 将组合的比特转换成估计的指数、估计的指数、估计的指数和估计的指数（步骤1020）；(i)量化解码估计的、、和以生成估计的仰角、估计的标准偏差、估计的方位角和估计的标准偏差（步骤1022）；(j)基于从存储器1024获得的、、和，应用抖动信号到估计的、、和（步骤1026）；(k)缩放估计的仰角、估计的标准偏差、估计的方位角和估计的、、、（步骤1028）；以及(e)使用至少缩放的估计的仰角、缩放的估计的标准偏差、缩放的估计的方位角和缩放的估计的标准偏差，计算传送信道相关矩阵（步骤1030）。
仿真
在此部分中，通过使用MIMO-OFDM系统来演示本发明的性能益处。总系统带宽假设为5MHz，FFT大小为512。占用的子载波数量为300，这些子载波已被平均分成25个块（每个块12个子载波）。子载波间隔为15 kHz。在宏小区和微小区环境中通过带有行人B信道简档的3GPP空间信道模型来仿真该性能。图11和12示出曲线图，曲线图显示了在传送器212具有四个传送天线，并且接收器202具有两个接收天线时本发明的性能。用于评估的性能测度是针对SNR绘出的平均数据率（每信道使用），其中，SNR被定义为总传送功率与在接收器噪声的方差的比率。在相同曲线图中，对应于美国专利申请No. 2009/0016425 A1（编号4参考文献）的反馈方案绘出平均数据率。图11对应于角展角适中的宏小区环境，并且图12对应于角展度大的微小区环境。如能够看到的，在宏小区环境中，只使用平均方位角的本发明的性能和使用传送相关矩阵的全部反馈，与美国专利申请No. 2009/0016425 A相关联的方案几乎相同。在带有更大角展度的微小区环境中，在本发明的方案与美国专利申请No.2009/0016425 A1的方案之间的性能差距不超过1.5 dB。
从上述内容，本领域技术人员将领会到，本发明至少旨在提供用于减小与在慢速反馈信道上反馈到传送器212的传送信道相关矩阵有关的信道状态信息量的接收器202和方法。另外，本文中涉及用于使用从接收器202接收的减小的信道状态反馈信息，重构传送信道相关矩阵的传送器212和方法。另外，为提供改进先进的信道反馈技术的压缩效率的方法，通过为传送器212提供与传送信道相关矩阵有关的信息，本发明表示此信息能够用于增强诸如在编号5参考文献中所述技术等许多协调的波束形成技术，以产生有希望的系统性能增益。此外，反馈传送协方差矩阵的本发明能够与协调用于一个或多个基站的传送波束形成方向的已知技术（如在参考文献5中所述的那些技术）结合使用。在本申请中，基站也将需要知道一个或多个移动终端的传送协方差矩阵以选择用于所有用户的适当传送波束形成方向，以便能够最小化在用户之间的相互干扰并且能够最大化总用户数据吞吐量。最后，本领域技术人员应领会到，本发明不取决于美国专利申请No. 2009/0016425 A1中的教导，因为反馈信息208无需在慢速反馈链路210上被发送，本发明也不要求将压缩信道响应信息204发送到传送器212。
参考文献
1. A. Goldsmith和P. Varaiya的“Capacity of fading channels withchannel side information,”（IEEE Trans. Info. Thy.，vol.43，pp. 1986-1992，1997年11月）。
2. E. Telatar的“Capacity of multi-antenna Gaussian channels,”（Euro.Trans. Telecomm. ETT，vol. 10，no. 6，pp. 585-596，1999年11月）。
3. G.J. Foschini 的“Layered space-time architecture for wirelesscommunication in fading environments when using multi-element antennas,”（BellLabs Tech. Journal，pp. 41-50，1996）。
4. 美国专利申请No. 2009/0016425 A1
5. M. Schubert 等人的“Solution of the Multiuser Downlink BeamformingProblem with Individual SINR Constraints”（IEEE Transactions on VehicularTechnology，Vol. 53，No.l，pp. 18-28，2004年1月）。
这些参考文献的内容通过引用于结合于本文中。
虽然附图中显示且在上面的具体实施方式中描述了本发明的多个实施例，但应理解，本发明并不限于公开的实施例，而是在不脱离随附权利要求内陈述和定义的本发明的情况下，也能够进行多种重置、修改和替代。

Claims (49)

1.一种由接收器为将信道状态信息反馈到传送器而实现的方法，所述方法包括以下步骤：
接收来自所述传送器的下行链路信号；
使用所接收的下行链路信号来计算传送信道相关矩阵；
使用所述传送信道相关矩阵来估计从所述传送器到所述接收器的仰角和方位角；以及
将与所述仰角和所述方位角有关的数据发送到所述传送器。
2.如权利要求1所述的方法，其中将与至少所述方位角有关的数据发送到所述传送器的步骤还包括确定与所述方位角相关联的多个最高有效比特和多个最低有效比特，并且将与所述方位角相关联的所述多个最低有效比特发送到所述传送器。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述确定步骤还包括应用预定的伪随机抖动序列以平均出与所述方位角相关联的所述多个最高有效比特与所述多个最低有效比特之间边界效应。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述传送器具有紧密间隔天线的多个集束。
5.如权利要求4所述的方法，其中将与所述仰角和所述方位角有关的数据发送到所述传送器的步骤还包括确定与所述仰角和所述方位角的每个相关联的多个最高有效比特和多个最低有效比特，并且随后将与所述仰角和所述方位角的每个相关联的所述多个最低有效比特发送到所述传送器。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述确定步骤还包括应用预定的伪随机抖动序列以平均出与所述仰角和所述方位角相关联的所述多个最高有效比特与所述多个最低有效比特之间的边界效应。
7.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
使用所述传送信道相关矩阵，估计从所述传送器到所述接收器的仰角、所述仰角中角展度的标准偏差、从所述传送器到所述接收器的所述方位角及所述方位角中角展度的标准偏差；以及
将与所述仰角、所述标准偏差、所述方位角及所述标准偏差有关的数据发送到所述传送器。
8.如权利要求7所述的方法，其中将与所述仰角、所述标准偏差、所述方位角及所述标准偏差有关的数据发送到所述传送器的步骤还包括确定与所述仰角、所述标准偏差、所述方位角和所述标准偏差的每个相关联的多个最高有效比特和多个最低有效比特，并且随后将与所述仰角、所述标准偏差、所述方位角和所述标准偏差的每个相关联的所述多个最低有效比特发送到所述传送器。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述确定步骤还包括应用预定的伪随机抖动序列以平均出与所述仰角、所述标准偏差、所述方位角和所述标准偏差相关联的所述多个最高有效比特与所述多个最低有效比特之间的边界效应。
10.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
使用所述传送信道相关矩阵，估计从所述传送器到所述接收器的所述方位角和所述方位角中角展度的标准偏差；以及
将与所述方位角和所述标准偏差有关的数据发送到所述传送器。
11.如权利要求10所述的方法，其中将与所述方位角和所述标准偏差有关的数据发送到所述传送器的步骤还包括确定与所述方位角和所述标准偏差的每个相关联的多个最高有效比特和多个最低有效比特，并且随后将与所述方位角和所述标准偏差的每个相关联的所述多个最低有效比特发送到所述传送器。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述确定步骤还包括应用预定的伪随机抖动序列以平均出与所述方位角和所述标准偏差相关联的所述多个最高有效比特与所述多个最低有效比特之间的边界效应。
13.一种用于将信道状态信息反馈到传送器的接收器，所述接收器包括：
处理器；以及
非暂时性存储器，所述存储器存储处理器可执行指令，其中所述处理器与所述非暂时性存储器进行接口并执行所述处理器可执行指令以便：
接收来自所述传送器的下行链路信号；
使用所接收的下行链路信号来计算传送信道相关矩阵；
使用所述传送信道相关矩阵来估计从所述传送器到所述接收器的仰角和方位角；以及
将与所述仰角和所述方位角有关的数据发送到所述传送器。
14.如权利要求13所述的接收器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以通过确定与所述方位角相关联的多个最高有效比特和多个最低有效比特，并且将与所述方位角相关联的所述多个最低有效比特发送到所述传送器，从而将与至少所述方位角有关的数据发送到所述传送器。
15.如权利要求14所述的接收器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以应用预定的伪随机抖动序列而平均出与所述方位角相关联的所述多个最高有效比特与所述多个最低有效比特之间的边界效应。
16.如权利要求13所述的接收器，其中所述传送器具有紧密间隔天线的多个集束。
17.如权利要求16所述的接收器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以便通过确定与所述仰角和所述方位角的每个相关联的多个最高有效比特和多个最低有效比特，并且随后将与所述仰角和所述方位角的每个相关联的所述多个最低有效比特发送到所述传送器，从而将与所述仰角和所述方位角有关的数据发送到所述传送器。
18.如权利要求17所述的接收器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以应用预定的伪随机抖动序列而平均出与所述仰角和所述方位角相关联的所述多个最高有效比特与所述多个最低有效比特之间的边界效应。
19.如权利要求13所述的接收器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以便：
使用所述传送信道相关矩阵，估计从所述传送器到所述接收器的仰角、所述仰角中角展度的标准偏差、从所述传送器到所述接收器的所述方位角及所述方位角中角展度的标准偏差；以及
将与所述仰角、所述标准偏差、所述方位角及所述标准偏差有关的数据发送到所述传送器。
20.如权利要求19所述的接收器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以便通过确定与所述仰角、所述标准偏差、所述方位角和所述标准偏差的每个相关联的多个最高有效比特和多个最低有效比特，并且随后将与所述仰角、所述标准偏差、所述方位角和所述标准偏差的每个相关联的所述多个最低有效比特发送到所述传送器，从而将与所述仰角、所述标准偏差、所述方位角及所述标准偏差有关的数据发送到所述传送器。
21.如权利要求20所述的接收器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以应用预定的伪随机抖动序列而平均出与所述仰角、所述标准偏差、所述方位角和所述标准偏差相关联的所述多个最高有效比特与所述多个最低有效比特之间的边界效应。
22.如权利要求13所述的接收器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以便：
使用所述传送信道相关矩阵，估计从所述传送器到所述接收器的所述方位角和所述方位角中角展度的标准偏差；以及
将与所述方位角和所述标准偏差有关的数据发送到所述传送器。
23.如权利要求22所述的接收器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以将与所述方位角和所述标准偏差有关的数据发送到所述传送器还包括确定与所述方位角和所述标准偏差的每个相关联的多个最高有效比特和多个最低有效比特，并且随后将与所述方位角和所述标准偏差的每个相关联的所述多个最低有效比特发送到所述传送器。
24.如权利要求23所述的接收器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以应用预定的伪随机抖动序列而平均出与所述方位角和所述标准偏差相关联的所述多个最高有效比特与所述多个最低有效比特之间的边界效应。
25.一种由传送器为至少使用从接收器所接收的反馈数据来重构传送信道相关矩阵而实现的方法，所述方法包括以下步骤：
接收来自所述接收器的与信道状态信息有关的反馈数据；
将所述反馈数据至少转换成从所述传送器到所述接收器的估计的方位角和估计的仰角；以及
使用至少所述估计的方位角和所述估计的仰角来计算所述传送信道相关矩阵。
26.如权利要求25所述的方法，其中计算所述传送信道相关矩阵的步骤还包括组合与至少在所述传送器测量的方位角相关联的大尺度测量和与至少所述估计的方位角相关联的小尺度测量。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述组合步骤还包括应用预定的伪随机抖动序列以平均出与所述方位角相关联的多个最高有效比特与多个最低有效比特之间的边界效应。
28.如权利要求25所述的方法，其中所述传送器具有紧密间隔天线的多个集束。
29.如权利要求28所述的方法，其中计算所述传送信道相关矩阵的步骤还包括组合与在所述传送器测量的至少方位角和仰角相关联的大尺度测量和与至少所述估计的方位角和所述估计的仰角相关联的小尺度测量。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述组合步骤还包括应用预定的伪随机抖动序列以平均出与所述方位角和所述仰角相关联的多个最高有效比特与多个最低有效比特之间的边界效应。
31.如权利要求25所述的方法，还包括以下步骤：
将所述反馈数据至少转换成从所述传送器到所述接收器的所述估计的方位角、估计的仰角、估计的标准偏差和估计的标准偏差；以及
使用至少所述估计的方位角、所述估计的仰角、所述估计的标准偏差和所述估计的标准偏差来计算所述传送信道相关矩阵。
32.如权利要求31所述的方法，其中计算所述传送信道相关矩阵的步骤还包括组合与至少在所述传送器测量的方位角、仰角、标准偏差和标准偏差相关联的大尺度测量和与至少所述估计的方位角、所述估计的仰角、所述估计的标准偏差和所述估计的标准偏差相关联的小尺度测量。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述组合步骤还包括应用预定的伪随机抖动序列以平均出与所述方位角、所述仰角、所述标准偏差和所述标准偏差相关联的多个最高有效比特与多个最低有效比特之间的边界效应。
34.如权利要求25所述的方法，还包括以下步骤：
将所述反馈数据至少转换成从所述传送器到所述接收器的所述估计的方位角和估计的标准偏差；以及
使用至少所述估计的方位角和所述估计的标准偏差来计算所述传送信道相关矩阵。
35.如权利要求34所述的方法，其中计算所述传送信道相关矩阵的步骤还包括组合与至少在所述传送器测量的方位角和标准偏差相关联的大尺度测量和与至少所述估计的方位角和所述估计的标准偏差相关联的小尺度测量。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述组合步骤还包括应用预定的伪随机抖动序列以平均出与所述方位角和所述标准偏差相关联的多个最高有效比特与多个最低有效比特之间的边界效应。
37.一种用于至少使用从接收器接收的反馈数据来重构传送信道相关矩阵的传送器，所述传送器包括：
带有天线的多个集束的传送天线；
处理器；以及
非暂时性存储器，所述存储器存储处理器可执行指令，其中所述处理器与所述非暂时性存储器进行接口并执行所述处理器可执行指令以便：
接收来自所述接收器的与信道状态信息有关的反馈数据；
将所述反馈数据至少转换成从所述传送器到所述接收器的估计的方位角和估计的仰角；以及
使用至少所述估计的方位角和所述估计的仰角来计算所述传送信道相关矩阵。
38.如权利要求37所述的传送器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以便通过组合与至少在所述传送器测量的方位角相关联的大尺度测量和与至少所述估计的方位角相关联的小尺度测量来计算所述传送信道相关矩阵。
39.如权利要求37所述的传送器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以应用预定的伪随机抖动序列而平均出与所述方位角相关联的多个最高有效比特与多个最低有效比特之间的边界效应。
40.如权利要求37所述的传送器，其中所述天线的多个集束是紧密间隔天线的多个集束。
41.如权利要求40所述的传送器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以便通过组合与至少在所述传送器测量的方位角和仰角相关联的大尺度测量和与至少所述估计的方位角和所述估计的仰角相关联的小尺度测量来计算所述传送信道相关矩阵。
42.如权利要求41所述的传送器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以应用预定的伪随机抖动序列而平均出与所述方位角和所述仰角相关联的多个最高有效比特与多个最低有效比特之间的边界效应。
43.如权利要求37所述的传送器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以便：
将所述反馈数据至少转换成从所述传送器到所述接收器的所述估计的方位角、估计的仰角、估计的标准偏差和估计的标准偏差；以及
使用至少所述估计的方位角、所述估计的仰角、所述估计的标准偏差和所述估计的标准偏差来计算所述传送信道相关矩阵。
44.如权利要求43所述的传送器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以便通过组合与至少在所述传送器测量的方位角、仰角、标准偏差和标准偏差相关联的大尺度测量和与至少所述估计的方位角、所述估计的仰角、所述估计的标准偏差和所述估计的标准偏差相关联的小尺度测量来计算所述传送信道相关矩阵。
45.如权利要求44所述的传送器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以应用预定的伪随机抖动序列而平均出与所述方位角、所述仰角、所述标准偏差和所述标准偏差相关联的多个最高有效比特与多个最低有效比特之间的边界效应。
46.如权利要求37所述的传送器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以便：
将所述反馈数据至少转换成从所述传送器到所述接收器的所述估计的方位角和估计的标准偏差；以及
使用至少所述估计的方位角和所述估计的标准偏差来计算所述传送信道相关矩阵。
47.如权利要求46所述的传送器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以便通过组合与至少在所述传送器测量的方位角和标准偏差相关联的大尺度测量和与至少所述估计的方位角和所述估计的标准偏差相关联的小尺度测量来计算所述传送信道相关矩阵。
48.如权利要求47所述的传送器，其中所述处理器执行所述处理器可执行指令以应用预定的伪随机抖动序列而平均出与所述方位角和所述标准偏差相关联的多个最高有效比特与多个最低有效比特之间的边界效应。
49.一种通信系统，它包括：
接收器：
传送器；
所述接收器包括处理器和存储处理器可执行指令的非暂时性存储器，其中所述处理器与所述非暂时性存储器进行接口并执行所述处理器可执行指令以便：
接收来自所述传送器的下行链路信号；
使用所接收的下行链路信号来计算传送信道相关矩阵；
使用所述传送信道相关矩阵来至少估计从所述传送器到所述接收器的方位角和仰角；以及
将与至少所估计的方位角和所估计的仰角有关的数据发送到所述传送器；以及
所述传送器包括带有天线的多个集束的传送天线、处理器和存储处理器可执行指令的非暂时性存储器，其中所述处理器与所述非暂时性存储器进行接口并执行所述处理器可执行指令以便：
接收来自所述接收器的与信道状态信息有关的数据；
将所述数据至少转换成从所述传送器到所述接收器的估计的方位角和估计的仰角；以及
使用至少所述估计的方位角和所述估计的仰角来计算所述传送信道相关矩阵。
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