CN103763009A - Mimo波束形成方法和为无线网络构建差分码本的方法 - Google Patents

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Abstract

一种MIMO波束形成方法包括在基站接收有关理想波束形成矩阵与平均波束形成方向之间差异的信息，使用该信息在基站构建波束形成矩阵，以及使用重新构建的波束形成矩阵来执行波束形成操作。备选的是，方法包括在订户站计算平均波束形成方向，在订户站计算对应于差分码本中差分矩阵的量化索引，以及跨无线网络的无线信道来传送量化索引。通过识别码本中心并变换存储在无线网络的组件的存储器中的预定义码本，可构建差分码本。

Description

MIMO波束形成方法和为无线网络构建差分码本的方法
优先权声明
本申请根据35 U. S. C. §119(e)，要求对于2008年9月2日提交的美国临时专利申请61/093699的优先权，该专利申请通过引用以其整体结合于本文中。
技术领域
本发明的公开实施例一般涉及无线通信，并且更具体地说，涉及无线通信网络中的波束形成。
背景技术
在包括订户站和基站的无线网络中的闭环多输入多输出(MIMO)波束形成中，订户站（有时在本文中也称为移动装置）量化理想的波束形成矩阵，并将对应于理想波束形成矩阵的量化索引（quantization index）发送回基站。基站根据反馈索引来重新构建波束形成矩阵，并且进行波束形成。波束形成提高链路性能和系统吞吐量，这是公知的。
本发明的实施例可在无线局域网(WLAN)或包括WiMAX（微波接入全球互操作性）网络或诸如此类的无线城域网(WMAN)中应用。WiMAX技术基于IEEE 802.16标准系列，包括IEEE 802.16e和其它标准。
附图说明
结合图形中的附图阅读下面的详细描述，将更好地理解公开的实施例，其中： 
图1是根据本发明的一实施例的量化器输入分布和码字分布的示意图；
图2是根据本发明的一实施例的带有极冠（polar cap）的量化空间的示意图；
图3是根据本发明的一实施例的酉矩阵到单位向量的分解的图示；
图4-7是示出根据本发明的各种实施例的MIMO波束形成方法的流程图；
图8是根据本发明的一实施例通过码字集中来生成极冠码本的图示；
图9是根据本发明的一实施例的向量或子空间之间减少的弦距离的图示；
图10是示出根据本发明的一实施例为无线网络构建差分码本的方法的流程图；以及
图11-13示出根据本发明的实施例的链路级仿真结果。
为了图示的简明和清晰，图形示出构建的一般方式，并且公知特征和技术的描述和细节可忽略以避免不必要地混淆本发明的所述实施例的讨论。另外，图中的要素不一定按比例画出。例如，图中一些要素的尺寸可能相对于其它要素被夸大，以帮助改进对本发明实施例的理解。不同图形中的相同引用数字表示相同的要素，而类似引用数字可能但不一定表示类似的要素。
说明书和权利要求中存在的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”及诸如此类用于区分类似要素，并且不一定用于描述特定连续或时间顺序。要理解，如此使用的术语在适当情况下可交换，使得本文中所述的本发明的实施例例如能够以本文中所示或其它方式所述之外的顺序进行操作。类似地，如果方法在本文中描述为包括一系列步骤，则如本文中所示的此类步骤的顺序不一定是此类步骤可执行的唯一顺序，并且某些所述步骤可能可以忽略和/或本文中未描述的某些其它步骤可能可添加到方法。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变型旨在包容非详尽的包含，因此，包括要素列表的过程、方法、物品或设备不一定限于那些要素，而是可包括未明确列出的或此类过程、方法、物品或设备所固有的其它要素。
说明书中和权利要求中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”及诸如此类用于描述目的，并且不一定用于描述永久性相对位置。要理解，如此使用的术语在适当情况下可交换，因此，本文中所述的本发明的实施例例如能够以本文中所示或其它方式所述之外的定向进行操作。术语“耦合”在本文中使用时定义为在电或非电方式中直接或间接连接。本文中描述为相互“相邻”的对象可以是相互物理接触、相互位置靠近或者相互在相同一般地区或区域中，具体视对使用本短语的上下文适当的情况而定。本文中出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指相同实施例。
具体实施方式
在本发明的一个实施例中，在无线网络的基站执行MIMO波束形成方法。基站包括传送天线。在一个实施例中，方法包括在基站接收有关理想波束形成矩阵与平均波束形成方向之间差异的信息，在基站使用该信息来构建重新构建的波束形成矩阵，以及使用重新构建的波束形成矩阵在传送天线上执行波束形成操作。在其它实施例中，在无线网络的订户站执行MIMO波束形成方法。在一个此类实施例中，方法包括在订户站计算平均波束形成方向，在订户站计算对应于差分码本中差分矩阵的量化索引，其中，差分矩阵旋转平均波束形成方向，并且跨无线网络的无线信道来传送量化索引。在任一实施例中或在其它实施例中，通过识别码本中心并变换存储在无线网络的组件的存储器中的预定义码本，可构建差分码本。
本发明的实施例利用差分反馈方案以便减少反馈开销和增加波束形成准确度。在跨空间、频率和时间的波束形成矩阵中存在相关，并且相关暗示着反馈中的重叠或冗余。差分码本方案通过只反馈相对于某一参考（例如，平均波束形成方向，其从长期信道状态信息、宽带信道状态信息、以前的短期反馈或诸如此类来计算）的差别来利用此相关。
应理解，平均波束形成方向可慢慢改变。平均计算例如可在（量化波束形成方向的）样本的窗口上执行。另外，可在样本上应用权重向量以便计算平均值。例如，以前量化和反馈的L个波束形成方向是                                                
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE001
。权重向量是
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE002
。对于时间k+L+1的平均波束形成方向计算为或
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE004
，其中，正交化和归一化运算orth(X)将矩阵（或向量）X转换为酉或正交矩阵Y，其列与X的列跨相同的子空间。作为一个示例，运算orth(X)能够通过Grant-Schmidt正交化来实现。酉矩阵由相互正交且具有单位范数的列组成。另外，酉矩阵中行的数量能够与列的数量不同。平均波束形成方向也能够使用以前平均的波束形成方向和以前反馈的波束形成方向递归计算得出。例如，另一项
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE005
能够添加到前面两个等式，产生
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE006
或
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE007
。由于在传送器和接收器已知以前反馈的波束形成方向
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE008
而不是未量化的理想波束形成方向，因此，能够在两侧同时计算（移动）平均值。权重向量能够根据以前反馈的波束形成方向进行更新，或者能够仅是常系数的集合。系数的量值能够为简明起见是相同的，或者能够随用于w l 的索引
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE009
而降低。此外，移动平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE010
能够视为使用所有以前反馈的对于时间k+L+1的理想波束形成方向的预测，即
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE011
。理想波束形成方向和预测之间的差异，即，对传送器而言是未知的，并且需要反馈。在此类情况下，权重向量是可以为Wiener滤波器的预测滤波器。注意，在L=w 1=1的特殊情况下，方案回退到只使用以前的反馈作为参考的常规差分反馈。
本发明的实施例通过802.16e码本的变换来构建差分码本。变换提供到802.16e的后向兼容性，并且使得码本能够适用于各种信道情形。另外，本发明的实施例使差分码本适应于MIMO配置和移动速度。
图1中示出根据本发明的一实施例的差分反馈方案。到量化器的输入是理想波束形成矩阵。如果不存在相关，则如图1的左侧所示，输入广泛散布在整个量化空间内。相反，如果存在高相关，则如图1的右侧所示，输入限于小的子空间，并且几个量化码字便足够。
在如上所述的高相关情况下，子空间的中心需要识别出并反馈到传送器，并且具有适合大小（在码字数量和有效覆盖范围方面）的小码本需要构建以覆盖子空间。下面将更详细描述这些活动。
系统模型
假设的系统模型是
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE013
其中，n是带有方差N 0 的复加性白高斯噪声(AWGN)；s是带有单位功率的N s 乘1传送的向量；N s 是空间流的数量；y是接收的向量；H是大小为N r 乘N t 的信道向量；以及
Figure DEST_PATH_IMAGE014
是大小为N t 乘N s 的波束形成矩阵（或向量）。相关的信道矩阵H从带有独立同分布(i.i.d)元（entry）的信道矩阵H w 生成为
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE015
其中，R r是N r 乘N t 接收协方差矩阵，并且R t是在订户站测量的N t 乘N t 传送协方差矩阵。协方差（或相关）矩阵R t包含用于波束形成的平均方向。
将R t的本征值分解表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，其中，Q是N t 乘N t 酉矩阵（即，Q H Q=I），并且Σ是对角矩阵，带有降序的本征值σ i 的平方根，i=1, ..., N t ，σ i ≥σ i+1 。
空间域差异
此处可注意到，理想的波束形成矩阵在Q的列所跨越的主要子空间（principal subspace）具有其分布峰值，其中，主要子空间对应于Σ的大本征值。理想波束形成矩阵集中在主要子空间上，随着相关增大而带有越来越高的概率。这暗示在主要子空间周围的局部码本对于量化已足够。简化的码本具有两个分量：码本中心和极冠。码本中心是Q的列所跨越的主要子空间。如图2对向量情况所示，极冠是仅覆盖802.16e码本的一小部分量化空间的码本。如图2所示，完全量化空间210包括带有中心向量码字的极冠211，中心向量码字表示为 
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE017
。 
应注意，如果理想波束形成矩阵不需要是方形，则可能不需要主要子空间的概念。以系统具有四个传送天线和两个接收天线的实施例为例。理想波束形成矩阵因而可视为是4x4。然而，如果发送一个或两个空间流，则理想波束形成矩阵可备选视为是4x1或4x2。对应于信道矩阵的主要奇异值的后一4x1或4x2矩阵的子空间称为前一4x4矩阵的主要子空间。
对于量化，订户站先旋转极冠的中心到Q的主要子空间，然后计算并量化理想波束形成矩阵与主要子空间之间的差异（称为差分矩阵（本文中表示为D））。等效的是，订户站可先从理想波束形成矩阵去除主要子空间，然后使用极冠码本来量化剩余矩阵。基站接收量化索引，并将差分矩阵添加到量化主要子空间以便重新构建波束形成矩阵。
假设
Figure DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE019
是量化的Q，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
是N t  x N s ，并且是用于波束形成的量化主要子空间，N t 和N s 分别是传送天线的数量和空间流的数量，以及
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE021
是N t  x (N t  – N s )，带有与
Figure 297756DEST_PATH_IMAGE020
正交的互补列。应注意，
Figure 214897DEST_PATH_IMAGE020
是从以前（量化）反馈来计算的酉或正交矩阵格式中的平均波束形成方向。在一个实施例中，波束形成、量化和重新构建的操作写为：
在订户站的差分：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
在订户站的量化：
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE023
在基站的波束形成矩阵重新构建：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
在基站的波束形成： 
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE025
在(4)中，N t  x N s V是理想波束形成矩阵，并且
Figure DEST_PATH_IMAGE026
由与
Figure 886312DEST_PATH_IMAGE020
正交的互补列的集合组成并且能够通过N s  x N s 旋转而与
Figure 281521DEST_PATH_IMAGE021
不同。换而言之，
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE027
是N s  x N s 酉矩阵。
Figure 954948DEST_PATH_IMAGE026
能够通过使用Householder反射或诸如此类从
Figure 777410DEST_PATH_IMAGE020
计算，以便订户站无需估计信道样本中隐藏的
Figure 106761DEST_PATH_IMAGE021
。
Figure 305661DEST_PATH_IMAGE020
是旋转的差分码本的中心，并且是按顺序从所有以前反馈（即
Figure DEST_PATH_IMAGE028
）积累的累积量。是N t 乘N s 正交矩阵。这是需要由订户站传送到基站的量。
由于理想的D是一个连续量，因此，订户站需要离散码本以量化连续的D，并发回码本中选定码字的索引。在如图2所示的小范围内散布的码字包括量化码本。码字例如被编制索引为0、1、2、...、Ncw。每个码字是不同的N t 乘N s 正交矩阵。订户站选择Ncw个矩阵之一并发回选定矩阵的索引。例如，假设第一矩阵是
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE029
，并且订户站认为在码本中所有Ncw个码字中此矩阵对下一波束形成给出最佳性能。换而言之，D1替代(6)中的
Figure 233482DEST_PATH_IMAGE028
对(7)的波束形成信道中的
Figure DEST_PATH_IMAGE030
给出最佳性能。随后，订户站将通过反馈信道而发送索引“1”到基站。
Figure 351261DEST_PATH_IMAGE020
由订户站反馈。基于相同的
Figure 353852DEST_PATH_IMAGE020
，订户站和基站均使用相同的方法来生成相同的
Figure 877237DEST_PATH_IMAGE026
。在(5)中，D i 是由C p 表示的极冠码版本的第i个码字矩阵。在一个实施例中，量化准则可将接收信号功率最大化。在其它实施例中，可使用诸如信道容量或均方误差(MSE)等其它准则。作为一种备选，由于D是酉的，因此，可以先将它分解，之后可在分解的分量（例如，单位向量）上进行量化。（图3中示出将酉矩阵分解成单位向量的图示。）在(7)中，是N t  x N s 重新构建的波束形成矩阵，s是N s  x 1数据向量，以及H是带有传送天线相关R t的信道矩阵。
图4是示出根据本发明的一实施例的MIMO波束形成方法400的流程图。
方法400的步骤410是在无线网络的基站接收信息，其中，基站包括传送天线，所述信息与理想波束形成矩阵与平均波束形成方向之间的差异有关。在一个实施例中，理想波束形成矩阵与平均波束形成方向之间的差异由差分矩阵来表示，并且步骤410包括接收对应于差分矩阵的量化版本的量化索引。在至少一个实施例中，差分矩阵的量化版本是正交矩阵，并且在一特定实施例中，差分矩阵的量化版本是N t  x N s 正交矩阵。
方法400的步骤420是在基站使用该信息来构建重新构建的波束形成矩阵。
方法400的步骤430是使用重新构建的波束形成矩阵，在传送天线上执行波束形成操作。在一个实施例中，步骤430可包括为到传送天线的输入加权。在另一实施例中，步骤430可包括操控传送天线所传送的波束。
图5是示出根据本发明的另一实施例的MIMO波束形成方法500的流程图。
方法500的步骤510是在无线网络的基站接收有关平均波束形成方向的量化信息。方法500的步骤520是使用接收信息来计算平均波束形成方向。
方法500的步骤530是接收量化索引，量化索引对应于表示理想波束形成矩阵与平均波束形成方向之间差异的差分矩阵。
方法500的步骤540是检索差分矩阵。在一个实施例中，步骤540包括生成差分码本，并随后从生成的差分码本来选择差分矩阵。作为一个示例，生成差分码本能够包括在基站的存储器装置中存储的预定义非差分或一致码本（例如一致的802.16e码本）上执行变换。
方法500的步骤550是组合差分矩阵与平均波束形成方向，由此构建波束形成矩阵。在一个实施例中，步骤550包括生成第二矩阵（例如，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
）（该矩阵包括与平均波束形成方向正交的互补列的集合），并组合差分矩阵和第二矩阵以及平均波束形成方向。作为一个示例，这可相当于根据(6)来查找用于
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE033
的值。
方法500的步骤560是传送已通过波束形成矩阵加权的数据向量。
图6是示出根据本发明仍有的另一实施例的MIMO波束形成方法600的流程图。
方法600的步骤610是在无线网络的基站计算平均波束形成方向。
方法600的步骤620是接收量化索引。
方法600的步骤630是根据量化索引来计算差分矩阵。
方法600的步骤640是使用差分矩阵和平均波束形成方向来计算波束形成矩阵，该波束形成矩阵包括至少一个向量。在一个实施例中，步骤640包括将差分矩阵乘以从平均波束形成方向所计算的矩阵。
方法600的步骤650是使用波束形成矩阵的所述至少一个向量来传送数据流。应注意的是，波束形成矩阵能够降级为用于单个流传送的波束形成向量。在此情况下，反馈索引可称为差分向量码本。
图7是示出根据本发明还有的另一实施例的MIMO波束形成方法700的流程图。
方法700的步骤710是在无线网络的订户站计算平均波束形成方向。作为一个示例，该计算可使用以前的反馈信息进行，以便传送器和接收器均能生成相同的平均波束形成方向。
方法700的步骤720是在订户站计算对应于差分码本中差分矩阵（码字）的量化索引，其中，差分矩阵旋转平均波束形成方向。在一个实施例中，步骤720包括计算表示理想波束形成矩阵与平均波束形成方向之间差异的差分矩阵，然后量化差分矩阵。作为一个示例，计算差分矩阵可相当于根据(4)来查找用于D的解。作为另一示例，量化差分矩阵可相当于查找产生
Figure DEST_PATH_IMAGE034
的最大值的Di值，其中，D i 是差分码本的码字矩阵 - 换而言之，包括求解(5)。
差分矩阵表示理想波束形成矩阵与平均波束形成方向之间的差异。差分矩阵不一定需要在订户站明确计算得出以便获得量化索引，因为反馈的量化索引对应于量化码本中的差分矩阵。每个差分矩阵能够将参考波束形成方向（即，平均的或以前的波束形成方向）按某一小的量来旋转。
在一个实施例中，订户站根据无线信道的状态，自适应地更改差分码本。例如，码本的跨度或范围能够对于慢衰落更小，并且对于快衰落更大。在下面极冠码本讨论中提供了使用天线相关矩阵来自适应更改差分码本的示例。
方法700的步骤730是跨无线网络的无线信道来传送量化索引。
现在将通过带有4 x 2 Q 1的示例来说明Q 1的量化和的计算。将Q 1的两列表示为Q 1=[p q]。注意，p能够由802.16e的4 x 1 6比特码本来量化。将量化的p表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE036
。4 x 1 q通过802.16e标准中定义如下的Householder运算，转换为3 x 1
Figure 2014100049893100002DEST_PATH_IMAGE037
：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，并且
Figure DEST_PATH_IMAGE040
。随后，通过802.16e的3 x 1 6比特码本来量化
Figure DEST_PATH_IMAGE041
。将量化的p和
Figure 854552DEST_PATH_IMAGE041
表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure DEST_PATH_IMAGE043
。实际上由基站和订户站用于波束形成计算的[Q 1 Q 3]的量化版本计算为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
。
极冠码本
极冠概念一直用于生成分层码本。为了后向兼容性，极冠码本能够从一致的802.16e码本来生成。从一致的802.16e码本到极冠码本的变换减少了每个码字与如图8所示矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE045
之间的弦距离。注意，每个3比特向量码本和802.16e的一些其它码本具有码字
Figure DEST_PATH_IMAGE046
。该变换是
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
是用于相关情形ρ的对角矩阵，并且orth(X)将输入矩阵（或向量）X转换为带有与X的列跨相同子空间的正交列的正交矩阵。注意，orth(X)基本上是X的列的正交化，并且能够简单地通过Grant-Schmidt运算来实现。我们预定义N ρ（比如说4）个情形，并且为每个情形预计算
Figure DEST_PATH_IMAGE049
。例如，对于0.5波长天线间隔，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
。对于另一示例，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
是单位矩阵。即，在一致的(802.16e)码本上不进行变换，并且极冠打开到最大孔径。订户站通过根据例如N r 、N t 、N s 、天线相关和移动速度等MIMO配置而发送ρ的索引来选择极冠的适合大小。在订户站例如使用2比特来反馈选定ρ的索引后，基站和订户站均能够生成相同的极冠码本。
现在将描述用于极冠生成的一个备选过程。由于用于量化分解的向量的专用码本要求另外的存储复杂性，因此，从802.16e向量码本来生成量化码本可以是有利的。802.16e向量码本的码字一致地分布在球体上，并且我们将使它们集中围绕一个码字，例如确实在每个802.16e 3比特向量码本中存在的
Figure 47242DEST_PATH_IMAGE017
（如图9所示）。事实表明，3比特码本对于差分应用是足够的。如果
Figure 322366DEST_PATH_IMAGE017
在802.16e码本中不存在，则我们能挑选一个码字并且旋转整个码本，以便通过使用Householder反射或其它方法，选定码字成为
Figure DEST_PATH_IMAGE052
。对于码字集中，一种简单的方式是减小中心向量与任何其它向量之间的角度。假设
Figure DEST_PATH_IMAGE053
是挑选为码本中心的向量，并且v是码本中的另一向量码字。因此，在e 1与v之间的角度为，其中，v 1是v的第1个元，并且v 1=
Figure DEST_PATH_IMAGE055
。我们将更改或更精确地说减小θ。变换可以是
Figure DEST_PATH_IMAGE056
对于i=2,3,…
其中，ρ是大于一的某一正数，并且取决于相关和移动速度，v i是v的第i个元，并且
Figure DEST_PATH_IMAGE057
是变换的向量的第i个元。由于v 1在802.16e的3比特码本中是实值的和正的，因此，能够为变换3比特码本跳过上述三个表达式中的范数运算。为降低实现复杂性，用于ρ的几个不同值的码本能够提前生成并存储在移动装置。在运算模式中，移动装置选择ρ并反馈选定ρ的索引。另外，移动装置合成来自对应于选定ρ的存储向量码本的差分码本。由于只存储向量码本，因此，存储复杂性较低。
图10是示出根据本发明的一实施例为无线网络构建差分码本的方法1000的流程图。
方法1000的步骤1010是识别码本中心。在一个实施例中，步骤1010包括定义酉矩阵的列所跨越的主要子空间，主要子空间对应于平均波束形成方向。在一特定实施例中，酉矩阵具有多行和多列，其数量均等于无线网络的传送天线的数量。此处应提到的是，上述等式(3)-(6)（及下面的等式(11)-(13)）是用于带有单位矩阵的前Ns列作为码本中心的差分码本，其中，Ns是数据流的数量。如果差分码本已经在平均波束形成方向附近居中，则不需要(3)-(6)和(11)-(13)中的运算。在该情况下，接收器直接搜索差分码本，以查找用于传送器的(14)中的
Figure DEST_PATH_IMAGE058
和(7)中的最佳
Figure DEST_PATH_IMAGE059
。
方法1000的步骤1020是变换无线网络的组件的存储器中存储的预定义码本。在一个实施例中，预定义码本是包括一致分布在球体上的多个向量码字的向量码本，并且步骤1020包括选择向量码字之一作为差分码本的中心向量，并且操纵预定义码本，使得多个向量码字集中围绕中心向量。作为一个示例，操纵预定义码本能够包括减少中心向量与多个向量码字的任何其它码字之间的角度。在一个实施例中，方法1000还包括例如使用Householder反射或其它方法来旋转预定义码本。
时间/频率域差异
如上所述，在相邻频率与帧中的波束形成矩阵之间存在强相关，并且此相关能够用于减少反馈开销。我们以时间域相关为例，以示出差分反馈方案。除
Figure 654252DEST_PATH_IMAGE020
替代为用于前一帧的反馈波束形成矩阵外，它与上面所示极冠方案相同。
在订户站的差分：
在订户站的量化：
Figure DEST_PATH_IMAGE061
在基站的波束形成矩阵重新构建：
Figure DEST_PATH_IMAGE062
在基站的波束形成： 
Figure DEST_PATH_IMAGE063
在(11)中，N t  x N s V(t) 和分别是用于帧t的理想和量化的波束形成矩阵，并且
Figure DEST_PATH_IMAGE065
具有与
Figure DEST_PATH_IMAGE066
正交的互补列，并且能够如在(9)中一样通过Householder运算从计算得出。在(12)中，D i 是表示为Cd的差分码本的码字矩阵，并且量化准则将接收信号功率最大化（但如上所述，也能使用诸如信道容量或MSE等其它准则）。
极冠码本能用作差分码本以实现后向兼容性。在(10)中给出的变换方案的一个备选如下所述。为降低计算复杂性，我们将极冠向量码本级联以构建极冠矩阵码本而无orth( )运算。级联运算是802.16e标准中定义的Householder运算。假设C d (m,l)表示其码字是v i 的m x 1的极冠码本，。用于C d (m+1,2)表示的(m x 1) x 2矩阵的极冠码本通过以下等式生成
Figure DEST_PATH_IMAGE068
其中，V(i, j)是C d (m+1,2)的码字，
Figure DEST_PATH_IMAGE069
，并且
Figure DEST_PATH_IMAGE070
是802.16e标准中定义的v i 的m x n Householder矩阵。注意，如果系统仅具有四个传送天线，则4 x 3波束形成矩阵可由与波束形成矩阵正交的互补4 x 1向量来表示，并且极冠向量码本可直接被使用而无需级联。
仿真结果
图11-13示出根据本发明的实施例的链路级结果。图11和图13示出低相关情况的结果，并且图12示出高相关情况的结果。信道模型是ITU步行B。基站具有四个传送天线，并且订户站具有两个接收天线。对于具有低和高相关的实际安装，基站传送天线的天线间隔是4个波长和0.5个波长。一个数据流被传送。调制和码率为64QAM和0.5。显示了用于四个码本的测试结果：(1)常规802.16e码本；(2) DFT码本；(3) Intel的变换码本；以及(4)根据本发明的一实施例的差分码本。DFT码本由Samsung向802.16m提议。
对于低和高相关两种情况，根据本发明的实施例的差分码本实现了与具有最佳量化性能的变换码本几乎相同的性能。对于相同性能，差分码本使用4比特反馈，而其它码本使用6比特反馈。因此，根据本发明的实施例的差分码本将复杂性减少了50%，并仍实现相同的量化性能。由于（6比特-4比特）/6比特=50%，因此，4比特差分的开销少了50%。图13中的吞吐量比较显示根据本发明的实施例的差分码本优于遗留802.16e码本0.8 dB的信噪比(SNR)和50%的开销。
虽然本发明已参照特定实施例描述，但本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可进行各种更改。相应地，本发明的实施例的公开旨在说明本发明的范围而无意于限制。本发明的范围旨在将仅限于随附权利要求所要求的范围。例如，对于本领域技术人员，将容易明白本文中讨论的MIMO波束形成方法和有关结构可在多种实施例中实现，并且这些实施例的某些实施例的以上讨论不一定表示所有可能实施例的完整描述。
另外，已相对于特定实施例描述了益处、其它优点及问题的解决方案。然而，这些益处、优点、问题的解决方案以及可促使任何益处、优点、解决方案发生或变得更明显的任何要素不可视为任何或所有权利要求的关键的、要求的或基本的特征或要素。
另外，如果本文中公开的实施例和/或限制：(1)未在权利要求中明确声明；以及(2)在等同原则下是或可能是权利要求中明确的要素和/或限制的等同，则这些实施例和限制根据奉献原则未奉献于公众。

Claims (20)

1.一种用于无线网络的基站，包括：
接收器，通过闭环多输入和多输出（MIMO）系统的通信信道从移动装置接收一对索引，所述一对索引包括表示从所述通信信道的宽带信息所计算的传送器天线的集合的第一方向的第一索引，以及表示与所述第一方向相对的所述传送器天线的第二方向的第二索引。
2.如权利要求1所述的基站，所述第一方向包括平均波束形成方向。
3.如权利要求1所述的基站，所述第二方向包括理想波束形成方向。
4.如权利要求1所述的基站，所述第二索引包括差分值，所述差分值表示所述第一和第二方向之间波束形成方向的差异。
5.如权利要求1所述的基站，所述第二索引包括4个比特。
6.如权利要求1所述的基站，所述第一索引或所述第二索引对应于带有一个或多个波束形成矩阵的码本。
7.如权利要求1所述的基站，包括在所述第一和第二方向中在传送器天线的所述集合上传送信息的传送器。
8. 一种用于无线网络的基站，包括：
接收器，通过闭环多输入和多输出（MIMO）正交频分多址（OFDMA）系统的通信信道接收一对索引；
电路，基于所述一对索引为传送天线的集合选择天线权重，所述一对索引包括表示从所述通信信道的宽带信息所计算的第一传送方向的第一索引，以及表示与所述第一传送方向相对的第二传送方向的第二索引；以及
传送器，使用所述天线权重来执行传送器天线的所述集合上的传送操作。
9.如权利要求8所述的基站，所述第一传送方向包括平均波束形成方向。
10.如权利要求8所述的基站，所述第二传送方向包括理想波束形成方向。
11.如权利要求8所述的基站，所述第二索引包括差分值，所述差分值表示所述第一和第二传送方向之间传送方向的差异。
12.如权利要求8所述的基站，所述第二索引包括4个比特。
13.如权利要求8所述的基站，所述天线权重包括传送天线的所述集合的波束形成矩阵的部分，所述波束形成矩阵包括Nt乘Ns矩阵。
14.如权利要求8所述的基站，包括存储与所接收的索引相对应的码本的存储器。
15.如权利要求8所述的基站，其中所述传送器利用8个传送器天线（Nt）。
16.一种用于无线网络的移动装置，包括：
传送器，通过闭环多输入和多输出（MIMO）系统的通信信道向基站传送一对索引，所述一对索引包括表示在所述基站从所述通信信道的宽带信息所计算的传送器天线的集合的第一方向的第一索引，以及表示与所述第一方向相对的所述传送器天线的第二方向的第二索引。
17.如权利要求16所述的移动装置，所述第一方向包括平均波束形成方向，以及所述第二传送方向包括理想波束形成方向。
18.如权利要求16所述的移动装置，所述第一方向是从所述通信信道的测量的信道状况的第一集合来计算的，以及所述第二方向是从测量的信道状况的第二集合来计算的。
19.如权利要求16所述的移动装置，所述第二索引包括差分值，所述差分值表示所述第一和第二方向之间传送方向的差异。
20.如权利要求16所述的移动装置，包括存储与所传送的索引相对应的码本的存储器。
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