CN103959700A - 用于多输入/多输出(mimo)无线通信的空间随机化导频符号传送方法、系统和装置 - Google Patents

用于多输入/多输出(mimo)无线通信的空间随机化导频符号传送方法、系统和装置 Download PDF

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Abstract

压缩取样用来生成导频符号以通过MIMO无线通信装置(100)中的天线阵列(117)来传送。按照跨天线阵列随机变化的空间随机化天线传送函数(610)通过天线阵列来传送导频符号。随机化天线传送函数可随机选择/撤消选择(810)和/或随机改变导频符号传送的幅度和/或相位(830)。信道估计能够在接收器(200)基于传送的空间随机化导频符号来构成。

Description

用于多输入/多输出(MIMO)无线通信的空间随机化导频符号传送方法、系统和装置
 
技术领域
本文所述的各个实施例指向无线通信，以及更具体来说，指向使用多个传送和接收天线的无线通信。
背景技术
在典型的蜂窝无线电系统中，无线终端(又称作用户设备、单元节点、UE和/或移动台)经由无线电接入网(RAN)与一个或多个核心网络进行通信。RAN覆盖分为小区区域的地理区域，其中各小区区域由无线电基站(又称作RAN节点、“NodeB”和/或增强NodeB“eNodeB”)来服务。小区区域是地理区域，其中无线电覆盖由基站站点处的基站设备来提供。基站通过无线电通信信道与基站范围内的UE进行通信。
多天线技术能够显著增加无线通信系统的容量、数据速率和/或可靠性，例如，如由Telatar在“Capacity Of Multi-Antenna Gaussian Channels”(European Transactions On Telecommunications，Vol. 10，第585-595页，1999年11月)中所述，通过引用将其公开完整地结合到本文中，好像本文中全面阐述一样。如果传送器和接收器均配备有多个天线以提供多输入多输出(MIMO)通信信道，则性能可得到改进。这类系统和/或相关技术通常称作MIMO。LTE标准当前用增强MIMO支持和MIMO天线部署进行演进。提供空间复用模式以用于更有利信道条件中的较高数据速率，以及提供传送分集模式以用于不太有利信道条件中的较高可靠性(以较低数据速率)。
例如，在从基站通过MIMO信道从天线阵列传送到无线终端的下行链路中，空间复用(或SM)可允许多个符号流通过同一频率从基站天线阵列的不同天线的同时传送。换言之，多个符号流可通过同一下行链路时间/频率资源元素(TFRE)从基站天线阵列的不同天线传送给无线终端以提供增加的数据速率。在从同一基站从同一天线阵列传送到同一无线终端的下行链路中，传送分集(例如使用时空码)可允许同一符号流通过同一频率从基站天线阵列的不同天线的同时传送。换言之，同一符号流可通过相同时间/频率资源元素(TFRE)从基站天线阵列的不同天线传送给无线终端，以便由于传送分集增益而提供在无线终端的接收的增加的可靠性。
由于它基本上改进无线通信系统的谱效率的可能性，具有每个小区站点至少八个，以及在一些实施例中数十或数百个天线的超大规模MIMO(VL-MIMO)系统、装置和方法近来在学术界和行业界中受到许多关注。参见例如Marzetta的“Noncooperative Cellular Wireless With Unlimited Numbers of Base Station Antennas”(IEEE Trans. on Wireless Communications，Vol. 9，No. 11，第3590-3600页，2010年11月)，通过引用将其公开完整地结合到本文中，好像本文中全面阐述一样。通过利用每个UE的信道响应唯一的不同空间签名，配备有大量天线的基站或接入节点能够通过同一频带同时向一个或多个地理上分隔的UE传送多个独立数据流。这具有基本上改进蜂窝网络的下行链路系统容量的可能性。此外，这样的基站或接入节点还能够利用在接收端的大量天线来对噪声求平均并且消除许多干扰信号，这能够引起上行链路容量的显著增加。
MIMO系统的容量通过使用增加数量的天线的潜在急剧增加长期以来通过随机矩阵理论来保证。例如，对于具有IID条目的nR×nT MIMO信道H，Marcenko-Pastur定律暗示通过接收天线的数量归一化为传送天线数量nT的(单用户)开环容量趋向于无限，并且传送和接收的比率nT / nR → β收敛到如下式给出的常数
其中
因此，开环容量在这种情况下随接收(或传送)天线的数量而线性增长。
VL-MIMO可在高频带(例如60 GHz频带)受到特别关注，其中由于在高频带的小无线电波长，许多天线元素能够封装在少量空间中。在这种情况下，具有高定向性的波束能够以较小孔径大小来形成。这能够在解析UE周围的不同散射中提供改进空间分辨率。
为了获得VL-MIMO可取得的潜在增益，MIMO信道状态信息的知识一般是期望的。MIMO信道状态信息可由接收器用来执行所传送数据符号的解调。MIMO信道状态信息还可在传送器用来对传送信号适当地整形，以改进接收器处的信号干扰和噪声比(SINR)。
在许多现有无线蜂窝通信系统中，通过无线电资源元素(其在时间和频率上与对其它天线或天线端口传送的那些导频符号是不重叠的(换言之，与其正交))，对各天线或天线端口传送导频符号。例如，在LTE的当前版本(Rel. 10)中，已知的参考信号(RS)或导频符号在不同时刻和频率对不同天线端口进行传送，如图1所示。具体来说，图1示出小区特定下行链路参考信号，其可在LTE系统中用于一个、两个和四个天线端口，例如，如由Dahlman等人的标题为“3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband, Second Edition”(2008，pp.325-328)的教材中所述，通过引用将其公开完整地结合到本文中，好像本文中全面阐述一样。使用这些已知RS，接收器则能够估计跨所有时间和频率从各传送天线到各接收天线的信道响应。在这种导频设计方法中，不同天线的相应RS可需要相互不重叠，以便减少或者阻止各天线元素的估计信道响应被其它天线元素的信道响应失真。这种非预期现象有时称作导频污染。
不幸地，随着天线数量增大（例如八个或更多天线），LTE中与不同天线元素的正交导频模式一起使用的相同导频传送方法可用尽导频传送的无线电资源元素的许多或者甚至全部，从而留下极少或者没有无线电资源用于数据传送。
发明内容
本文所述的各个实施例使用“压缩取样”来生成导频符号，以便通过MIMO无线通信装置中的天线阵列来传送。又称作“压缩感测”或“CS”的压缩取样提供感测/取样范例，其相对于数据获取中的常规知识，并且与传统上使用的相比，允许恢复来自少许多的样本或测量的某些信号。本文所述的各个实施例由包括天线阵列的MIMO无线通信装置按照跨天线阵列随机变化的随机天线传送函数、通过在天线阵列上同时传送导频符号序列中的相应导频符号来传送空间随机化导频符号。本文所述的各个实施例能够随UE环境中的干扰信号数量而不是随传送天线数量进行缩放。相应地，大规模MIMO系统可按照本文所述的各个实施例来实现，而无需导频符号用尽可用的无线电资源元素的许多或者甚至全部。
按照本文所述的各个实施例，通过得到预定伪随机数序列并且，并且基于预定伪随机数序列按照跨天线阵列随机变化的随机天线传送函数，通过天线阵列同时传送导频符号序列中的相应导频符号来执行导频符号传送。在一些实施例中，随机天线传送函数包括随机天线选择/撤消选择函数，其使导频符号序列中的相应导频符号通过天线阵列的随机选择的子集同时传送，其中天线阵列的随机选择的子集的范围从天线中的一个至全部。在其它实施例中，随机天线传送函数包括：随机天线传送幅度函数，其使导频符号序列中的相应导频符号以跨天线阵列随机变化的幅度通过天线阵列同时传送，和/或随机天线传送相位函数，其使导频符号序列中的相应导频符号以跨天线阵列随机变化的相位通过天线阵列同时传送。在这些实施例中任一个中，导频符号序列中的相应导频符号按照随机变化天线传送函数在给定频率和/或在给定时隙通过天线阵列同时传送。
按照本文所述的其它实施例，导频符号传送可通过下列步骤来执行：得到随机权重集合，其中相应集合中的相应随机权重与天线的对应天线关联；以及按照得到的随机权重的相应集合、通过天线阵列来传送导频符号序列中的相应导频符号。在一些实施例中，随机权重集合包括预定伪随机权重集合。在一些实施例中，各随机权重具有选择对应天线的第一值或者撤消选择对应天线的第二值。在其它实施例中，各随机权重具有将第一相移应用于由对应天线所传送的导频符号的第一值或者将第二相移应用于由对应天线所传送的导频符号的第二值。在另外的其它实施例中，各随机权重还可具有撤消选择对应天线的第三值。在又一些实施例中，各随机权重具有多个随机值其中之一，其设置由对应天线所传送的导频符号的幅度值和/或相位值。在这些实施例的一部分中，多个随机值包括多个高斯分布复合符号，其中的每个设置由对应天线所传送的导频符号的幅度和/或相位值。在其它实施例中，多个随机值包括多个单位幅度复合变量，其相位值按照某个预定概率分布(例如均匀分布)(其中的每个设置由对应天线所传送的导频符号的相位值)分布在从0至2倍π的间隔中。
上述各个实施例集中于由包括天线阵列的MIMO无线通信装置传送导频符号的方法。但是，按照本文所述的其它实施例，还可提供类似MIMO无线通信节点。这些节点可包括MIMO天线阵列和对应传送器阵列，其中的相应一个配置成通过MIMO天线阵列的相应天线来传送导频符号。处理器配置成同时向传送器阵列提供导频符号序列中的相应导频符号，用于按照跨天线阵列随机变化的随机天线传送函数通过MIMO天线阵列的同时传送。
在一些实施例中，处理器还配置成：得到随机权重集合，其中相应集合中的相应随机权重与天线的对应天线关联；以及同时向传送器阵列提供相应导频符号，用于按照得到的随机权重的相应集合通过MIMO天线阵列的同时传送，以便同时向传送器阵列提供导频符号序列中的相应导频符号，用于按照跨天线阵列随机变化的随机天线传送函数通过MIMO天线阵列的同时传送。在一些实施例中，各随机权重具有选择对应天线的第一值或者撤消选择对应天线的第二值。在其它实施例中，各随机权重具有将第一相移应用于由对应天线所传送的导频符号的第一值或者将第二相移应用于由对应天线所传送的导频符号的第二值。在另外的其它实施例中，各随机权重还可具有撤消选择对应天线的第三值。在又一些实施例中，各随机权重具有多个随机值其中之一，其设置由对应天线所传送的导频符号的幅度值和/或相位值。
按照本文所述的各个其它实施例，还可在接收器从通过MIMO无线通信信道在无线电信号中接收到的导频符号来构成信道估计。可通过得到随机权重集合，并且在一个或多个天线在所指定频率和/或时间(在其上通过MIMO无线通信信道传送导频符号)接收无线电信号来构成信道估计。基于得到的随机权重集合来确定匹配在所指定频率和/或时间(在其上通过MIMO无线通信信道传送导频符号)接收的无线电信号的信道模型参数以构成信道估计。信道模型参数然后变换为信道响应估计或信道估计。
在一些实施例中，可通过从随机权重集合和至少一个信道变换矩阵生成信号模型矩阵，并且从接收的无线电信号和信号模型矩阵计算信道模型参数来确定信道模型参数。然后，从信道模型参数和至少一个信道变换矩阵来确定信道估计。在其它实施例中，通过基于随机权重集合和接收的无线电信号迭代地确定匹配接收的无线电信号的残余信号的对应信道模型参数和信号模型分量，并且从迭代确定的信号模型分量计算信道模型参数的估计来确定信道模型参数。然后，从信道模型参数和至少一个信道变换矩阵来确定信道估计。按照本文所述的各个实施例，还可提供类似接收器，例如UE。
附图说明
附图被包含以提供对本公开的进一步理解，以及结合到本申请中并且构成其一部分，附图示出本发明的某些非限制性实施例。附图中：
图1以图形方式示出不同数量的天线端口的LTE下行链路参考符号的常规映射。
图2是按照本文所述的一些实施例配置的通信系统的框图。
图3是按照图2的一些实施例通过无线信道进行通信的基站和无线终端(UE)的框图。
图4A以图形方式示出通过小间距矩形天线阵列的MIMO信道的信号强度。
图4B示出角域中的MIMO信道的信号强度。
图5是可按照本文所述的各个实施例来提供的节点的框图。
图6是按照本文所述的各个实施例可对MIMO导频符号传送提供的操作的流程图。
图7是按照本文所述的各个实施例可执行以按照随机函数来传送导频符号的操作的流程图。
图8是按照本文所述的各个实施例可执行以得到随机权重集合的操作的流程图。
图9示出按照本文所述的各个实施例在时间/频率网格中的随机天线激励选择。
图10示出按照本文所述的各个实施例利用天线选择/撤消选择的伪随机导频符号传送。
图11是按照本文所述的各个实施例可执行以构成信道估计的操作的流程图。
图12是按照本文所述的各个实施例的基追踪信道估计的信号流程图。
图13是按照本文所述的各个实施例可执行用于匹配追踪信道估计的操作的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出本发明的实施例的示例。但是，本发明可按照许多不同形式来实施，而不应当被认为是局限于本文所阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是透彻和完整的，并且将全面地将本发明的范围传达给本领域技术人员。还应当注意，这些实施例不是互斥的。来自一个实施例的组件可默认地假定为存在于/用于另一个实施例中。
仅为了便于图示和解释，本文中在运行于通过无线电通信信道与无线终端(又称作UE)进行通信的RAN的上下文中描述本发明的这些及其它实施例。但是将会理解，本发明并不局限于这类实施例，而是可一般在任何类型的通信网络中实施。如本文所使用的，无线终端或UE能够包括从通信网络接收数据的任何装置，并且可包括但不限于移动电话(“蜂窝”电话)、膝上型/便携计算机、袖珍计算机、手持计算机和/或台式计算机。
在RAN的一些实施例中，若干基站能够(例如通过陆线或无线电信道)连接到无线电网络控制器(RNC)。无线电网络控制器有时又称作基站控制器(BSC)，它监控和协调与其连接的多个基站的各种活动。无线电网络控制器通常连接到一个或多个核心网络。
通用移动电信系统(UMTS)是第三代移动通信系统，其从全球移动通信系统(GSM)演进，并且意图基于宽带码分多址(WCDMA)技术来提供改进的移动通信服务。UTRAN(UMTS陆地无线电接入网的缩写)是组成UMTS无线电接入网的节点B和无线电网络控制器的统称。因此，UTRAN基本上是将宽带码分多址用于UE的无线电接入网。
第三代合作伙伴项目(3GPP)已经着手进一步演进基于UTRAN和GSM的无线电接入网技术。在这点上，演进通用陆地无线电接入网(E-UTRAN)的规范在3GPP中正在进行。演进通用陆地无线接入网(E-UTRAN)包括长期演进(LTE)和系统架构演进(SAE)。
注意，虽然来自3GPP(第三代合作伙伴项目)LTE(长期演进)的术语在本公开中用来例示本发明的实施例，但是这不应当被看作是将本发明的范围仅局限于这些系统。包括WCDMA(宽带码分多址)、WiMax(全球微波接入互操作性)、UMB(超级移动宽带)、HSDPA(高速下行链路分组接入)、GSM(全球移动通信系统)等的其它无线系统也可获益于利用本文所公开的本发明的实施例。
还要注意，诸如基站(又称作eNodeB或演进节点B)和无线终端(又称作UE或用户设备)之类的术语应当认为是非限制性的，而不是暗示两者之间的某种分级关系。一般来说，基站(例如“eNodeB”)和无线终端(例如“UE”)可被理解为通过无线无线电信道相互进行通信的相应不同通信装置的示例。虽然本文所述的实施例可集中于从eNodeB到UE的下行链路中的无线传送，但是本发明的实施例也可例如应用于上行链路中。
图2是配置成按照本文所述的一些实施例进行操作的通信系统的框图。示出RAN 60的示例，其可以是长期演进(LTE)RAN。LTE RAN是3GPP RAN的变型，其中无线电基站(例如eNodeB)100直接连接到一个或多个核心网络70而不是连接到无线电网络控制器(RNC)节点。在LTE中，无线电网络控制器(RNC)节点的功能由无线电基站100执行。无线电基站100通过无线信道300与无线终端(又称作用户设备节点或UE)200(其处于它们各自的服务小区(又称作覆盖区域)之内)进行通信。无线电基站100能够通过X2接口相互通信并且通过S1接口与一个或多个核心网络70进行通信，如本领域的技术人员众所周知的。
图3是按照本发明的一些实施例根据图2的一些实施例的基站100和无线终端200通过MIMO无线信道300进行通信的框图。如所示，基站100可包括：收发器109，其耦合在处理器101与MIMO天线阵列117(包括多个天线)之间；以及存储器118，其耦合到处理器101。此外，无线终端200可包括：收发器209，其耦合在一个或多个天线217与处理器201之间；以及用户接口221和存储器218可耦合到处理器201。相应地，基站100可通过收发器109和MIMO天线阵列117传送通信以供在无线终端200通过一个或多个天线217和收发器209的接收，以及无线终端200可通过收发器209和一个或多个天线217来传送通信以供在基站100通过MIMO天线阵列117和收发器109的接收。
按照本文所述的各个实施例，压缩取样技术可用来按照跨天线阵列117随机变化的随机天线传送函数通过MIMO天线阵列同时传送相应的空间随机化导频符号。本文所述的各个实施例可产生于压缩取样可用于MIMO系统中的导频符号传送的认识。如本领域的技术人员已知，对信号取样的常规方式一般遵循香农理论，其中取样率是信号中存在的最大频率的至少两倍(所谓的尼奎斯特（Nyquist）速率)。相比之下，又称作“压缩感测”或“CS”的压缩取样使用唯一感测/取样范例，其相对于数据获取中的常规知识。CS理论声称，能够从比香农理论所规定的要少许多的样本或测量恢复某些信号和图像。为了使其成为可能，CS一般依靠两个原理：“稀疏性”，其与感兴趣信号有关；以及“不相干性”，其与感测形态有关。
稀疏性表达如下思路：连续时间信号的“信息速率”可比其带宽所建议的要小许多，或者离散时间信号取决于多个自由度，其可比地比其(有限)长度要小许多。更准确来说，CS能够利用如下事实：许多自然信号在按照适当基础来表达时在它们具有准确表示的意义上是稀疏的或者可压缩的。不相干性扩展时间与频率之间的二元性，并且表达如下思路：具有稀疏表示的对象在获取它们的域中展开。换句话说，不相干性陈述：不像感兴趣的信号，取样/感测波形具有极密集的表示。按照压缩取样，能够设计有效感测或取样协议，其捕获稀疏信号中嵌入的有用信息内容，并且将它浓缩成少量数据。
例如在Candés等人的“An Introduction to Compressive Sampling”，IEEE Signal Processing Magazine，2008年3月，第21-30页以及在Candés的“Compressive Sampling”，Proceedings of the International Congress of Mathematicians，Madrid Spain，2006年8月22-30日，第1433-1452页中描述压缩取样，通过引用将两者的公开完整地结合到本文中，好像本文中全面阐述一样。
本文所述的各个实施例可产生于如下认识：VL-MIMO系统中的导频符号传送意外地可满足压缩取样的稀疏性和不相干性原理。因此，本文所述的各个实施例能够为VL-MIMO提供导频传送方法，其能够随在每个UE的周围环境中的给定时间(或者在码片持续时间之内)的可解析散射的数量而缩放，而不是随传送天线的大数量而缩放。本文所述的各个实施例可产生于如下认识：不管各传送器所配备的传送天线的数量，MIMO信道响应中的独立基本参数的数量应当通过每个UE的散射环境来规定，并且应当主要保持相同。也就是说，应当存在大规模MIMO信道响应后面的稀疏模型，以及总导频传送的数量应当与稀疏模型中的独立参数的最大数量而不是传送天线的数量成比例。
图4A和图4B以图形方式提供MIMO信道的角域中的基本稀疏模型的示例。图4A示出通过具有Nx水平元素和Ny垂直元素的小间距矩形天线阵列的信号强度，其中较深阴影指示较高信号强度。图4B示出MIMO信道的变换域，即角域中的信号强度。
因此，当例如具有宏小区站点的传送器中安装的小间距矩形天线阵列的MIMO信道变换为其角域(在海拔高度和方位上)表示时，变换系数将仅在少量角组合中具有显著幅值，如图4B所示，取决于散射相对于基站的位置。
本文所述的各个实施例能够通过在MIMO天线的某个子集或全部上的随机导频符号模式的传送利用大规模MIMO信道的基本稀疏模型的存在。导频符号的随机集合能够在UE提供与稀疏模型的基本表示基础“不相干”的一组观察。这使接收器（例如UE）能够应用各种压缩感测技术来基于由随机激励所产生的信号投影的小集合从所有天线元素重构信道。
再次参照图3，按照本文所述的各个实施例，MIMO无线通信节点（例如基站100）包括MIMO天线阵列117以及可包含在传送器-接收器(X-ceiver)109中的对应传送器阵列，其中的相应一个配置成通过MIMO天线阵列117的相应天线来传送导频符号。处理器（例如图3的处理器101）配置成同时向收发器109中的传送器阵列提供导频符号序列中的相应导频符号，用于按照跨MIMO天线阵列117随机变化的空间随机天线传送函数通过MIMO天线阵列117的同时传送。
在一些实施例中，如下面将详细描述的，例如通过从预定种子生成预定伪随机数序列来得到预定伪随机数序列，以及基于预定伪随机数序列，按照跨天线阵列117随机变化的随机天线传送函数，通过MIMO天线阵列117同时传送导频符号序列中的相应导频符号。在一些实施例中，如下面将详细描述的，随机天线传送函数包括随机天线选择/撤消选择函数，其使导频符号序列中的相应导频符号通过天线阵列117的随机选择的子集同时传送，其中天线阵列117的随机选择的子集的范围从天线中的一个到全部。在其它实施例中，随机天线传送函数包括：随机天线传送幅度函数，其使导频符号序列中的相应导频符号以跨天线阵列117随机变化的幅度通过天线阵列117同时传送，和/或随机天线传送相位函数，其使相应导频符号以跨天线阵列117随机变化的相位通过天线阵列117同时传送。导频符号可按照随机变化的天线传送函数在给定频率和/或给定时隙通过天线阵列117来传送。
现在将提供本文所述的各个实施例的分析说明。更具体来说，考虑图2或图3的大规模MIMO信道300的下列信号模型：
其中，Y[n]表示由UE 200采用nR接收天线212在第n信道使用(在特定时隙和频率)所接收的nR维向量信号，X[n] = W[n]s[n]表示在第n信道使用通过基站100的nT天线117所传送的总nT维导频信号向量，是nT维伪随机、每天线权重向量，是要在第n信道使用传送的(基本)导频符号，H表示×的MIMO信道，Y表示由UE在N信道使用的相干(时间和频率)周期上所接收的×N信号矩阵，X表示在N信道使用的相干(时间或频率)周期上所传送的×N导频信号矩阵，W表示×N权重矩阵，S表示其中作为对角元素的N×N对角线矩阵，以及N表示×N噪声加干扰矩阵。
图5是例如图2或图3的基站100中合并的MIMO传送器的框图。如图5所示，基站或其它MIMO无线通信节点100包括MIMO天线阵列117和对应传送链阵列509，其中的相应一个配置成通过MIMO天线阵列117的相应天线来传送导频符号。传送链509可包含在基站收发器109中，并且可包括多个射频(RF)前端510、数模转换器520和基带变换/过滤单元530。处理器101配置成：得到随机权重集合，其中相应集合中的相应随机权重与MIMO天线阵列117中的对应一个关联；以及向传送链509提供导频符号序列中的相应导频符号，用于按照得到的随机权重集合通过MIMO天线阵列117的同时传送。
相应地，如图6所示，MIMO导频符号传送600可通过下列步骤来得到：向传送链509提供导频符号序列中的相应导频符号，用于按照跨天线阵列117随机变化的随机天线传送通过MIMO天线阵列117的同时传送，如框610所示。更具体来说，如图7所示，随机权重集合在框710得到，其中相应集合中的相应随机权重与天线阵列117的天线的对应天线关联。将导频符号序列中的相应导频符号提供给传送链509，用于按照得到的随机权重的相应集合通过MIMO天线阵列117的同时传送，如框720所示。 
将理解，随机权重在一些实施例中可以是真正地随机权重，以及随机权重集合可由基站100生成或者提供给基站100，并且还由UE 200生成和/或提供给UE 200用于导频符号重构，如下面将描述的。但是，在其它实施例中，随机权重的各种集合包括预定伪随机权重集合，其可例如使用预定伪随机数发生器和预定种子来生成。当使用伪随机权重时，伪随机权重可提供给基站100或者在基站100中生成，并且提供给UE 200或者在UE 200中生成以用于重构。但是，备选地，当基站100和UE 200均配备有相同预定伪随机数发生器时，只有预定种子可需要提供给UE 100或者由UE 100生成，并且同一预定种子可提供给UE 200或者由UE 200生成以用于导频符号重构。
MIMO信道响应可建模为：
                               
其中和是具有正交列的固定矩阵(即，并且)，其用作这个表示的基本函数，以及独立地(但不一定相同地)包含分布条目的信道模型参数矩阵。和分别称作接收和传送信道变换矩阵。作为示例，和可从FFT矩阵的列选择。这个模型还称作Weichselberger模型，其对许多实际MIMO信道以经验验证。参见Weichselberger等人的“A Stochastic MIMO Channel Model With Joint Correlation of Both Link Ends”(IEEE Trans. Wireless Communications，Vol. 5，No. 1，2006年1月，第90-100页)，通过引用将其公开完整地结合到本文中，好像本文中全面阐述的一样。
参照图8，按照本文所述的各个实施例，随机权重的各个实施例可按照图7的框710来得到。例如，在一些实施例中，如在框810所示，各随机权重具有选择对应天线(天线“接通”)的第一值或者撤消选择对应天线(天线“关断”)的第二值。因此，按照这些实施例，权重矩阵W的每列能够包含伪随机1和0。实际上，天线阵列117中的所有天线的随机子集选择为在各信道使用被激励。图9示出对阵列中的8个天线的集合要在时间频率网格上被激励的天线的随机选择的示例。给定位置中的数字表示给定天线1-8在任何特定时隙和频率被激励。如图9所示，在任何给定时隙和频率，选择天线的随机子集以被激励，使得所传送信号是通过所选天线传送的基本导频符号的重叠。这可与图1所示的常规技术(其中只有一个指定的天线在特定导频传送时隙和频率被激励)形成对照。
相应地，图9和框810示出在图7的框710得到的随机权重集合，其中各随机权重具有选择对应天线的第一值或者撤消选择对应天线的第二值，以便提供随机天线传送函数，其包括使导频符号序列中的相应导频符号通过天线阵列117的随机选择的子集同时传送的随机天线选择/撤消选择函数，其中天线阵列117的随机选择的子集的范围从天线中的一个至全部。
图10在概念上示出传送器，例如基站100’，其中只有MIMO天线阵列117的子集被选择以在任何给定传送时间间隔来传送信号。如图10所示，只有由K所表示的传送链509的子集被选择用于由处理器101和天线开关/选择单元1010进行的导频符号传送，其中K可比天线元素总数nT要小许多。相应地，在按照这些实施例的导频符号传送期间，需要使用少于全部传送链509和天线117，这能够在基站100’产生降低的功率消耗。备选地，未使用的传送链509和/或天线117可应用于备选使用，例如传送除了导频符号之外的信息。
又参照图8，按照其它实施例，如在框820所示，权重矩阵W的每列可包含正1和负1的伪随机选择。实际上，随机180度相移在各信道使用在导频传送期间应用于所有天线。相应地，图8的框820示出实施例，其中各随机权重具有将第一相移应用于由对应天线所传送的导频符号的第一值，或者将第二相移应用于由对应天线所传送的导频符号的第二值。
按照又一些实施例，如在框822所示，权重矩阵W的每列可包含0、正1和负1的伪随机选择。实际上，所有天线的随机子集被选择以在各信道使用被激励，其中应用随机180度相移。因此，按照这些实施例，各随机权重具有将第一相移应用于由对应天线所传送的导频符号的第一值，将第二相移应用于由对应天线所传送的导频符号的第二值，或者撤消选择对应天线的第三值。
按照又一些实施例，如在框830所示，权重矩阵W的每列可包含独立复合符号，例如高斯分布复合符号(框832)。实际上，随机幅度增益和相移在各信道使用在导频传送期间应用于所有天线。
在又一些实施例中，权重矩阵W可由单位幅度复合变量的伪随机集合组成，如框834所示，其名义上但是不一定均匀地分布在间隔[0, 2*π]中。这可相当于将独立的相移器应用于独立天线元素，其可比使用高斯分布复合幅度(框832)的先前实施例更加易于实现。 
相应地，框830示出按照本文所述的各个实施例具有多个随机值其中之一的随机权重，其中的每个设置由对应天线所传送的导频符号的幅度值和/或相位值。框832示出实施例，其中多个随机值包括多个高斯分布复合符号，其中的每个设置由对应天线所传送的导频符号的幅度和/或相位值。此外，框834示出实施例，其中多个单位幅度复合变量包括按照某个预定概率分布(例如均匀分布)分布在从0至2倍π的间隔中的相位值，其中的每个设置由对应天线所传送的导频符号的相位值。
总之，按照本文所述的各个实施例，随机天线传送函数可包括随机天线选择/撤消选择函数，其使导频符号序列中的相应导频符号通过天线阵列117的随机选择的子集同时传送，其中天线阵列117的随机选择的子集的范围从天线中的一个至全部(框810)。在其它实施例中，随机天线传送函数可包括：随机天线传送幅度函数，其使导频符号序列中的相应导频符号以跨天线阵列117随机变化的幅度通过天线阵列117同时传送，和/或随机天线传送相位函数，其使相应导频符号以跨天线阵列117随机变化的相位通过天线阵列117同时传送(框820、822、830、832和/或834)。
将理解，本发明并不限于压缩取样的上述实施例，并且这些和/或其它实施例可扩展到多种压缩取样技术，其能够提供导频符号的压缩取样传送。此外，可组合图8中的各个实施例。例如，框834的单位幅度复合变量可与掩蔽特定天线元素的附加技术组合，如通过零值的使用实施的(框810)。
按照压缩取样理论，能够示出，如果是k稀疏（即，仅具有k个非零条目)，则UE仅需要导频传送的大约信道使用来在随机导频符号被使用时评估大规模MIMO信道H。作为比较，常规非正交导频传送的导频传送的信道使用的数量是，其对大量传送天线能够充分大于N。实际上，如通过N所反映的，导频资源量可按照散射环境的显著可解析路径的最大数量(其又可取决于小区大小)来选择。因此，在一些实施例中，对不同小区大小(宏、微微或毫微微)或者小区环境可选择N的不同数量。
注意，本文所述的空间(天线)域中的导频减少的各个实施例可宽松地类推到时域或频域中常用的导频减少。例如，时域和频域中传送的导频符号量通常按照信道响应的丰富度和基本散射环境(如最大支持的延迟扩展和多普勒扩展所指示的)来选择。
为了避免相邻小区之间的导频污染，相邻小区可使用时间频率资源的不同变换来传送这些伪随机导频。备选地，不同正交覆盖码可在不同小区传送之前应用于导频信号矩阵。也就是说，具有正交覆盖码的新导频信号矩阵由X' = DjX给出，其中Dj是nT×nT对角矩阵，其具有为小区j所选的作为对角元素的正交覆盖码序列。备选地，正交覆盖码也可采用X'=XCj作为新导频信号矩阵来跨不同信道使用而应用，其中Cj是N×N对角矩阵，其具有为小区j所选的作为对角元素的正交覆盖码序列。
如上所述，各个实施例能够提供MIMO无线通信节点和方法，其中导频符号序列中的相应导频符号按照跨天线阵列随机变化的随机天线传送函数通过MIMO天线阵列同时传送。现在将描述从由接收器（例如图2和图3的UE 200）通过MIMO无线通信信道（例如MIMO无线通信信道300）在无线电信号中接收的导频符号构成信道估计。
现在参照图11，在框1120，可通过在框1110得到随机权重集合，并且在一个或多个天线在指定频率和/或时间(即，在指定时间频率无线电资源)(在其上通过MIMO无线通信信道300来传送导频符号)接收无线电信号来构成信道估计。无线电信号包括由于MIMO衰落信道、噪声、干扰等引起的原始导频符号的失真形式。在框1130，基于得到的随机权重集合来确定信道模型参数匹配以及在一些实施例中最佳匹配在指定频率和/或时间(在其上通过MIMO无线通信信道传送导频符号)接收的无线电信号。然后，在框1140，将信道模型参数变换为信道响应估计。信道估计然后基于确定的信道模型参数来构成。现在将结合图12和图13来描述基于随机权重集合从接收的无线电信号确定信道模型参数以构成信道估计(图11的框1130)的两个实施例。但是，也可使用用来提供压缩取样系统中的稀疏信号恢复的其它技术，例如，如上述Candés等人和Candés参考文献中所述的。
现在参照图12，现在将描述信道估计的“基跟踪”技术。基跟踪涉及服从于L1正则项的最小平方优化问题的解，并且备选地是服从于最小平方限制的L1稀疏最小化的双倍。该技术可按照下列方式使用：给定接收信号向量Y(以上又称作“无线电信号”)，UE能够应用基跟踪技术以通过求解下列优化问题首先估计信道模型参数矩阵(框1210)：
     服从于
其还能够表达为
   服从于
其中表示Frobenius范数，以及表示最大容错，其是设计参数。将称作信号模型矩阵。这个优化问题还能够根据拉格朗日表达为：
  
其中，μ表示拉格朗日乘数，表示Kronecker乘积，以及表示标准逐列向量化运算。这被称为凸优化问题，并且能够通过许多数值方法有效地求解(框1220)。在计算的估计之后，MIMO信道的估计通过给出(框1230)。
相应地，信道模型参数可按照基跟踪实施例通过下列步骤来确定：从随机权重集合和至少一个信道变换矩阵来生成信号模型矩阵(框1220)；从接收的无线电信号和信号模型矩阵来计算信道模型参数(框1210)；以及从信道模型参数和至少一个信道变换矩阵确定MIMO无线通信信道的信道估计(框1230)。
备选地，能够使用如图13所示并且如下所述的“迭代匹配追踪”技术来估计。对于任何列索引集合J，令GJ表示其列是由J索引的G的列的矩阵。
框1310：将匹配分量索引集合初始化为空向量，接收信号残余向量，并且设置迭代索引。
框1320：计算最佳匹配索引 
                     。
框1330：更新匹配分量索引集合。
框1340：更新接收信号残余
            
和残余的平方幅值(框1350)
  。
框1370：使迭代索引n递增并且回到框1320，直到或者达到某个停止标准(框1360)。停止标准的一个示例在于的某个缩放形式不小于，其中缩放可按照Akaike信息标准 (AIC)来选择。参见Akaike的“A New Look at the Statistical Model Identification”(IEEE Trans. Automatic Control，Vol. 19，No. 6，第716-723页，1974年12月)，通过引用将其公开完整地结合到本文中，好像本文中全面阐述一样。
框1380：计算信道估计
                     
其中，按照使得的方式来得到，以及表示最终迭代索引。
然后，信道变换可在框1230发生，如以上结合图12所述。相应地，迭代匹配追踪构造实施例可基于随机权重集合和接收到的导频符号迭代地确定信号模型分量和对应信道模型参数(其(最佳)匹配接收到的无线电信号的残余信号)(框1310-1370)，从迭代确定的信号模型分量计算信道模型参数的估计(框1380)，以及从信道模型参数和至少一个信道变换矩阵来确定MIMO无线通信信道的信道估计(框1230)。
当传送天线的数量超出基本散射环境所提供的自由度时，本文所述的各个实施例能够显著降低大规模MIMO系统中的导频开销。用于降低的导频传送的这种方法可以是合意的，并且甚至是实现具有频分双工(FDD)模式中的相干下行链路多用户波束形成的VL-MIMO系统的使用所必需的。
在本发明的各个实施例的以上描述中，要理解，本文所使用的术语仅是为了便于描述具体实施例，而不是意在限制本发明。除非另加说明，否则本文所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的技术人员通常所理解的相同的含意。还将会理解，诸如常用词典中定义的那些术语之类的术语应当被理解为具有与它们在本说明书和相关领域的上下文中的含意一致的含意，而不会以理想化或过分正式意义来理解，除非本文中这样明确定义。
当元件被说成是与另一个元件“连接”、“耦合”、对另一个元件进行“响应”或者其变型时，它能够直接与另一元件连接、耦合、对另一元件进行响应或者其变型，或者中间元件可存在。相反，当某个元件被说成是与另一个元件“直接连接”、“直接耦合”、对另一个元件进行“直接响应”或者其变型时，不存在中间元件。相似标号通篇表示相似元件。此外，如本文所使用的“耦合”、“连接”、“响应”或者其变型可包括无线耦合、连接或响应。如本文中所使用，单数形式“一”、“一个”和“该”预计也包括复数形式，除非上下文另加明确说明。为了简洁和/或清楚起见，可能没有详细描述众所周知的功能或构造。术语“和/或”包括关联的列出项的一个或多个的任何组合。
如本文所使用的术语“包括”、“包含”、“具有”或者其变型是可扩充的，并且包括一个或多个所述特征、整体、元件、步骤、组件或功能，但是并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、元件、步骤、组件、功能或者它们的编组。此外，如本文所使用的派生于拉丁短语“exempli gratia”的常见缩写词“例如”可用于介绍或明确说明先前所述项的一般示例或者多个示例，而不是要限制这样的项。派生于拉丁短语“id est”的常见缩写词“即”可用于从更一般的叙述中明确说明特定项。
本文中参照计算机实现方法、设备(系统和/或装置)和/或计算机程序产品的框图和/或流程图图示描述了示例实施例。理解的是，框图和/或流程图图示的框以及框图和/或流程图图示中的框的组合能够通过由一个或多个计算机电路所执行的计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可提供给通用计算机电路的处理器电路、专用计算机电路和/或其它可编程数据处理电路以产生机器，使得经由计算机和/或其它可编程数据处理设备的处理器运行的指令变换和控制晶体管、存储器位置中存储的值以及这样的电路中的其它硬件组件以实现框图和/或流程图框或多个框中指定的功能/动作，并且由此创建用于实现框图和/或流程图框(多个框)中指定的功能/动作的部件(功能性)和/或结构。
这些计算机程序指令还可存储在有形计算机可读介质中，其能够指导计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式起作用，使得计算机可读介质中存储的指令产生制品，其包括实现框图和/或流程图的框或多个框中所指定的功能/动作的指令。
有形非暂时计算机可读介质可包括电子、磁、光、电磁或半导体数据存储系统、设备或装置。计算机可读介质的更具体示例将包括以下：便携计算机磁盘，随机存取存储器(RAM)电路，只读存储器(ROM)电路，可擦可编程只读存储器(EPROM或闪速存储器)电路、便携压缩盘只读存储器(CD-ROM)以及便携数字视频盘只读存储器(DVD/Blu-Ray)。
计算机程序指令还可加载到计算机和/或其它可编程数据处理设备上，以便使一系列操作步骤在计算机和/或其它可编程设备上执行，以产生计算机实现过程，使得在计算机或其它可编程设备上运行的指令提供用于实现框图和/或流程图的框或多个框中所指定功能/动作的步骤。相应地，本发明的实施例可通过硬件和/或通过在诸如数字信号处理器之类的统称为“电路”、“模块”或者其变型的处理器上运行的软件(包括固件、常驻软件、微代码等)来实施。
还应当注意，在一些备选实现中，框中所示的功能/动作可不按照流程图中所示的顺序出现。例如，接连示出的两个框实际上可基本同时运行，或者框有时可按照相反顺序来运行，取决于所涉及的功能性/动作。此外，流程图和/或框图的给定框的功能性可分为多个框，和/或流程图和/或框图的两个或更多框的功能性可至少部分相结合。最后，可在示出的框之间添加/插入其它框，和/或可省略框/操作，而没有背离本发明的范围。此外，虽然一些附图包括通信路径上的箭头以表明通信的主要方向，但是要理解，通信可沿与所示箭头相反的方向进行。
本文中结合以上描述和附图公开了许多不同的实施例。将会理解，字面上描述和说明这些实施例的每一个组合和子组合会是过度反复和困惑的。相应地，包括附图的本说明书将被理解为构成实施例以及制作和使用它们的方式及过程的各种示例组合和子组合的完整书面描述，并且将支持对任何这种组合或子组合的权利要求。  
可对实施例进行许多变更和修改，而没有实质上背离本发明的原理。所有这类变更和修改预计在本文中包含在本发明的范围之内。相应地，以上所公开的主题被认为是说明性而不是限制性的，并且预计所附权利要求涵盖落入本发明的精神和范围之内的所有这类修改、增强和其它实施例。因此，在法律所允许的最大程度上，本发明的范围通过随附的权利要求及其等同物的最广泛允许的解释来确定，并且不受前面的详细描述约束或限制。

Claims (25)

1.一种由包括天线阵列(117)的多输入多输出(MIMO)无线通信装置(100)传送导频符号的方法，所述方法包括：
按照跨所述天线阵列随机变化的随机天线传送函数通过所述天线阵列(117)同时传送(610)导频符号序列中的相应导频符号。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述传送包括：
得到预定伪随机数序列(710)；以及 
基于所述预定伪随机数序列，按照跨所述天线阵列随机变化的随机天线传送函数通过所述天线阵列(117)同时传送(720)所述导频符号序列中的相应导频符号。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述随机天线传送函数包括随机天线选择/撤消选择函数(810)，所述随机天线选择/撤消选择函数(810)使所述导频符号序列中的所述相应导频符号通过所述天线阵列(117)的随机选择的子集同时传送，其中所述天线阵列的所述随机选择的子集的范围从天线中的一个至全部。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述随机天线传送函数包括随机天线传送幅度函数(822)，所述随机天线传送幅度函数(822)使所述导频符号序列中的所述相应导频符号以跨所述天线阵列随机变化的幅度通过所述天线阵列(117)同时传送；和/或随机天线传送相位函数(820)，所述随机天线传送相位函数(820)使所述相应导频符号以跨所述天线阵列随机变化的相位通过所述天线阵列(117)同时传送。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述传送包括：  
按照所述随机变化的天线传送函数，在给定频率和/或在给定时隙通过所述天线阵列同时传送所述导频符号序列中的所述相应导频符号。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述传送包括： 
得到随机权重集合(710)，其中相应集合中的相应随机权重与所述天线的对应天线关联；以及
按照得到的随机权重的相应集合，通过所述天线阵列(117)传送(720)所述导频符号序列中的相应导频符号。
7.如权利要求6所述的方法，其中，随机权重的所述集合包括预定伪随机权重集合。
8.如权利要求6所述的方法，其中，各随机权重(810)具有选择所述对应天线的第一值或者撤消选择所述对应天线的第二值。
9.如权利要求6所述的方法，其中，各随机权重(820)具有将第一相移应用于由所述对应天线传送的所述导频符号的第一值或者将第二相移应用于由所述对应天线传送的所述导频符号的第二值。
10.如权利要求9所述的方法，其中，各随机权重(822)具有将第一相移应用于由所述对应天线传送的所述导频符号的所述第一值、将第二相移应用于由所述对应天线传送的所述导频符号的所述第二值或撤消选择所述对应天线的第三值。
11.如权利要求6所述的方法，其中，各随机权重具有多个随机值(830)其中之一，其设置由所述对应天线传送的所述导频符号的幅度值和/或相位值。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个随机值包括多个高斯分布复合符号(832)，其中的每个设置由所述对应天线传送的所述导频符号的幅度和/或相位值。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个随机值包括多个单位幅度复合变量(834)，所述多个单位幅度复合变量(834)的相位值按照预定概率分布来分布在从0至2倍π的间隔中，所述相位值中的每个设置由所述对应天线传送的所述导频符号的相位值。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述预定概率分布是均匀分布。
15.一种多输入多输出(MIMO)无线通信节点(100)，包括：
MIMO天线阵列(117)；
对应传送器阵列(109)，其中的相应传送器配置成通过所述MIMO天线阵列的相应天线来传送导频符号；以及
处理器(101)，其配置成同时向所述传送器阵列提供导频符号序列中的相应导频符号，用于按照跨所述天线阵列随机变化的随机天线传送函数(610)通过所述MIMO天线阵列的同时传送。
16.如权利要求15所述的MIMO无线通信节点，其中，所述处理器还配置成：得到随机权重集合(710)，其中相应集合中的相应随机权重与所述天线的对应天线关联；以及同时向所述传送器阵列提供所述导频符号序列中的相应导频符号，用于按照得到的随机权重的相应集合通过所述MIMO天线阵列的同时传送(720)，以便同时向所述传送器阵列提供所述导频符号序列中的相应导频符号，用于按照跨所述天线阵列随机变化的所述随机天线传送函数通过所述MIMO天线阵列的同时传送。
17.如权利要求16所述的MIMO无线通信节点，其中，各随机权重(810)具有选择所述对应天线的第一值或撤消选择所述对应天线的第二值。
18.如权利要求16所述的MIMO无线通信节点，其中，各随机权重(820)具有将第一相移应用于由所述对应天线传送的所述导频符号的第一值或将第二相移应用于由所述对应天线传送的所述导频符号的第二值。
19.如权利要求18所述的MIMO无线通信节点，其中，各随机权重(822)具有将第一相移应用于由所述对应天线传送的所述导频符号的所述第一值、将第二相移应用于由所述对应天线传送的所述导频符号的所述第二值或撤消选择所述对应天线的第三值。
20.如权利要求16所述的MIMO无线通信节点，其中，各随机权重(830)具有多个随机值其中之一，其设置由所述对应天线传送的所述导频符号的幅度值和/或相位值。
21.一种从通过多输入多输出(MIMO)无线通信信道在无线电信号中接收的导频符号来构成信道估计的方法，所述方法包括：
 得到随机权重集合(1110)；
在一个或多个天线处，在指定频率和/或时间接收所述无线电信号(1120)，在所述指定频率和/或时间上通过所述MIMO无线通信信道传送所述导频符号；
基于得到的随机权重的所述集合来确定匹配在所述指定频率和/或时间接收的所述无线电信号的信道模型参数(1130)，在所述指定频率和/或时间上通过所述MIMO无线通信信道传送所述导频符号，以及
基于确定的所述信道模型参数来构成所述信道估计。
22.如权利要求21所述的方法，其中，随机权重的所述集合包括预定伪随机权重集合。
23.如权利要求21所述的方法，其中，所述确定包括：
从所述随机权重的集合和至少一个信道变换矩阵来生成信号模型矩阵(1220)；以及
从接收的所述无线电信号和所述信号模型矩阵来计算信道模型参数(1210)；
其中所述构成包括从所述信道模型参数和所述至少一个信道变换矩阵来确定所述MIMO无线通信信道的信道估计(1230)。
24.如权利要求21所述的方法，其中，所述确定包括：
基于所述随机权重的所述集合和接收的所述无线电信号来迭代地确定匹配接收的所述无线电信号的残余信号的对应信道模型参数和信号模型分量(1320)；以及
从迭代确定的所述信号模型分量来计算信道模型参数的估计(1380)；
其中所述构成包括从所述信道模型参数和至少一个信道变换矩阵来确定所述MIMO无线通信信道的信道估计(1230)。
25.一种通信装置(200)，包括：
一个或多个天线(217)；
收发器(209)，配置成在指定频率和/或时间接收无线电信号(1120)，在所述指定频率和/或时间通过多输入多输出(MIMO)无线通信信道传送导频符号；以及 
处理器(201)，配置成： 
得到随机权重集合(1110)；
基于得到的随机权重的所述集合来确定匹配在所述指定频率和/或时间接收的所述无线电信号的信道模型参数(1130)，在所述指定频率和/或时间通过所述MIMO无线通信信道传送所述导频符号；以及
基于确定的信道模型参数来构成所述信道估计。
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