CN105337650A - 确定波束成形器的向量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了在具有模拟波束成形器的MIMO通信系统中用于确定发射波束成形器的向量和接收波束成形器的向量的方法和装置。本发明的技术方案能够减少用于信道测量的带宽，以及减少测量信号的数目。

Description

确定波束成形器的向量的方法和装置

技术领域

本发明涉及通信系统，尤其涉及在具有模拟波束成形器的MIMO通信系统中用于确定发射波束成形器和接收波束成形器的向量的方法和装置。

背景技术

归因于足够可用的频带，毫米波通信对于第5代蜂窝网络而言是非常有前途的技术，从而可以极大地改善网络性能。如图1中所示出的，毫米波通信能够用于宏小区和小小区之间的无线回传以及小小区和其用户终端之间的无线接入。

由于毫米波信号的波长较短，因此，其天线单元可以非常小，由此大规模的天线阵列能够被用于毫米波通信。考虑到成本和功耗问题，模拟波束成形技术将被广泛用于毫米波通信中，以降低功耗和减少大量射频链的复杂性。波束成形通过数控移相器来实现。然而，对于使用模拟波束成形技术的毫米波无线通信系统，需要解决信道测量和波束成形器确定等问题。

发明内容

在模拟波束成形技术中，如图2所示，仅有单个模数转换器(analogtodigitalconverter，ADC)和数模转换器(digitaltoanalogconverter，DAC)。将信道矩阵表示为H。发送数据被发射波束成形器相乘，其中f_i是第i个发射天线单元的移相器。在接收端，在所有天线单元上接收到的信号与接收波束成形器相结合，其中z_i是第i个接收天线单元的移相器。因此，对于发送数据，接收到的信号为r＝z^HHfx+n，其中n是噪声。

模拟波束成形存在的问题是接收端只能估计z^HHf，但不能估计信道矩阵H。因此，无法通过信道矩阵H的函数来自获得发射和接收波束成形器。

因此，有必要提供一种模拟波束成形器的确定(也即，确定模拟波束成形器的向量)方案。

需要说明的是，本发明的确定发射模拟波束成形器的向量和接收模拟波束成形器的向量的方案不仅适用于毫米波通信系统，而且可适用于任何使用模拟波束成形器的MIMO系统。

根据本发明的一个方面，在一个实施例中，提供了一种在具有模拟波束成形器的MIMO通信系统的发射机中用于确定发射波束成形器的向量的方法，所述方法包括以下步骤：

A.获取发射波束成形器的向量集合F⁽ⁿ⁾，其中

$F^{\left(n\right)}=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}{C}_n,& n=1\\ \frac{f_{n-1}^{(*)}+C_n}{|f_{n-1}^{(}+C_n|},& n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·\end{array}\right.,$ C_n为码本；

B.依次使用所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的各向量对测量信号进行处理后发送至接收机；

C.接收来自所述接收机的反馈信息，所述反馈信息用于指示所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的一个向量；

D.将所述反馈信息指示的所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的所述向量作为所述发射波束成形器的当前向量

E.使用所述当前向量对测量信号进行处理后发送至所述接收机；

F.设置n＝n+1，并重复执行上述步骤，直至从所述接收机接收到终止信令或者判断到预定条件已满足。

有利的，其中，其中C为任一码本。

有利的，所述反馈信息包括由所述接收机对接收到的所述测量信号进行解码后确定的满足预定规则的测量信号的索引i_n，所述步骤D包括：将所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的第i_n个向量作为所述发射波束成形器的当前向量

有利的，所述预定规则为信干噪比最优。

有利的，所述预定条件为所述n达到预定最大迭代次数N。

在另一个实施例中，提供了一种在具有模拟波束成形器的MIMO通信系统的接收机中用于确定接收波束成形器的向量的方法，所述方法包括以下步骤：

a.接收来自发射机的使用发射波束成形器的向量集合F⁽ⁿ⁾中的各向量进行处理后的测量信号；

b.使用接收波束成形器的当前向量分别解码所述测量信号，其中为码本C中任一码字；

c.基于解码后的所述测量信号，发送反馈信息至所述发射机，所述反馈信息用于指示所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的一个向量；

d.获取接收波束成形器的向量集合Z⁽ⁿ⁾，其中

$Z^{\left(n\right)}=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}{C}_n,& n=1\\ \frac{z_{n-1}^{(*)}+C_n}{|z_{n-1}^{(}+C_n|},& n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·\end{array}\right.,$ C_n为码本；

e.接收来自所述发射机的使用发射波束成形器的向量进行处理后的测量信号；

f.依次使用所述向量集合Z⁽ⁿ⁾中的各向量分别解码所述测量信号；

g.将解码后的所述测量信号中满足第一预定规则的测量信号所对应的所述向量集合Z⁽ⁿ⁾中的向量作为所述接收波束成形器的当前向量

h.设置n＝n+1，并重复执行上述步骤，直至从所述发射机接收到终止信令或者判断到预定条件已满足。

有利的，所述步骤g包括：

-记录解码后的所述测量信号中满足所述第一预定规则的测量信号的索引j_n；

-将所述向量集合Z⁽ⁿ⁾中的第j_n个向量作为所述接收波束成形器的当前向量

有利的，所述第一预定规则为信干噪比最优。

有利的，所述反馈信息包括解码后的所述测量信号中满足第二预定规则的测量信号的索引i_n。

有利的，所述第二预定规则为信干噪比最优。

有利的，所述预定条件为所述n达到预定最大迭代次数N，和/或本次信干噪比与上一次信干噪比的变化率小于预定阈值。

根据本发明的另一个方面，在一个实施例中，提供了一种在具有模拟波束成形器的MIMO通信系统的发射机中用于确定发射波束成形器的向量的装置，所述装置包括：

第一获取单元，用于获取发射波束成形器的向量集合F⁽ⁿ⁾，其中

$F^{\left(n\right)}=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}{C}_n,& n=1\\ \frac{f_{n-1}^{(*)}+C_n}{|f_{n-1}^{(}+C_n|},& n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·\end{array}\right.,$ C_n为码本；

第一处理单元，用于依次使用所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的各向量对测量信号进行处理后发送至接收机；

第一接收单元，用于接收来自所述接收机的反馈信息，所述反馈信息用于指示所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的一个向量；

第一确定单元，用于将所述反馈信息指示的所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的所述向量作为所述发射波束成形器的当前向量

第二处理单元，用于使用所述当前向量对测量信号进行处理后发送至所述接收机；

第一执行单元，用于设置n＝n+1，并重复执行上述步骤，直至从所述接收机接收到终止信令或者判断到预定条件已满足。

在另一个实施例中，提供了一种在具有模拟波束成形器的MIMO通信系统的接收机中用于确定接收波束成形器的向量的装置，所述装置包括：

第二接收单元，用于接收来自发射机的使用发射波束成形器的向量集合F⁽ⁿ⁾中的各向量进行处理后的测量信号；

第一解码单元，用于使用接收波束成形器的当前向量分别解码所述测量信号，其中为码本C中任一码字；

第一发送单元，用于基于解码后的所述测量信号，发送反馈信息至所述发射机，所述反馈信息用于指示所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的一个向量；

第二获取单元，用于获取接收波束成形器的向量集合Z⁽ⁿ⁾，其中

$Z^{\left(n\right)}=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}{C}_n,& n=1\\ \frac{z_{n-1}^{(*)}+C_n}{|z_{n-1}^{(}+C_n|},& n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·\end{array}\right.,$ C_n为码本；

第三接收单元，用于接收来自所述发射机的使用发射波束成形器的向量进行处理后的测量信号；

第二解码单元，用于依次使用所述向量集合Z⁽ⁿ⁾中的各向量分别解码所述测量信号；

第二确定单元，用于将解码后的所述测量信号中满足第一预定规则的测量信号所对应的所述向量集合Z⁽ⁿ⁾中的向量作为所述接收波束成形器的当前向量

第二执行单元，用于设置n＝n+1，并重复执行上述步骤，直至从所述发射机接收到终止信令或者判断到预定条件已满足。

本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1示出了毫米波通信系统的拓扑图；

图2示出了模拟波束成形器的示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的确定波束成形器的向量的方法流程图。

在图中，相同或类似的附图标记表示相同或相对应的部件或特征。

具体实施方式

下文中将对本发明的各实施例进行详细描述。

如上文中所论述的，本发明的技术方案可适用于任何使用模拟波束成形器的MIMO通信系统。在本申请的技术方案中，采用循环迭代的方式执行各步骤来逐渐逼近较为理想的发射波束成形器的向量和接收波束成形器的向量。

参照图3，首先在步骤S301中，发射机获取发射波束成形器的向量集合F⁽ⁿ⁾，其中 $F^{\left(n\right)}=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}{C}_n,& n=1\\ \frac{f_{n-1}^{(*)}+C_n}{|f_{n-1}^{(}+C_n|},& n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·\end{array}\right.,$ C_n为码本。

在一个实施例中，其中，C为任一码本。具体来说，在第一次迭代时，C₁＝C，F⁽¹⁾＝C；在第二次迭代时， $F^{\left(2\right)}=\frac{f_1^{(*)}+\frac{C}{2}}{|f_1^{(*)}+\frac{C}{2}|};$ 在第三次迭代时， $C_3=\frac{C}{2^2},$ $F^{\left(2\right)}=\frac{f_2^{(*)}+\frac{C}{2^2}}{|f_2^{(*)}+\frac{C}{2^2}|};$ 以此类推。

需要说明的是，以上示出的码本C_n的构建方式仅为一个实施例，本领域技术人员可以理解，其他的层次式的码本设计方式也是可行的。

然后，在步骤S302中，发射机依次使用上述向量集合F⁽ⁿ⁾中的各向量对测量信号进行处理后发送至接收机。例如，如果向量集合中有L个向量，也即码本C_n中有L个码字，那么，发射机依次使用向量集合F⁽ⁿ⁾中的L个向量分别对测量信号进行处理后发送至接收机。

在接收机端，接收机接收到来自发射机端的使用向量集合F⁽ⁿ⁾中的各向量进行处理后的测量信号后，在步骤S303中，使用接收波束成形器的当前向量分别解码这些测量信号，其中为码本C中任一码字。需要说明书的是，由于发射机端依次使用向量集合F⁽ⁿ⁾中的L个向量分别对测量信号进行处理后发送，因此，接收机端使用当前向量进行解码后得到的是解码后的L组测量信号。

然后，在步骤S304中，接收机基于该解码后的L组测量信号，发送反馈信息至发射机，该反馈信息用于指示向量集合F⁽ⁿ⁾中的一个向量。

在一个实施例中，反馈信息中可以包括解码后的L组测量信号中满足预定规则的那组测量信号的索引i_n。该预定规则可以是例如信干噪比最优。

在发射机端，发射机接收到来自接收机端的反馈信息后，在步骤S305中，将向量集合F⁽ⁿ⁾中的第i_n个向量作为发射波束成形器的当前向量

然后在步骤S306中，发射机使用当前向量对测量信号进行处理后发送至接收机。

相应地，在接收机端，在步骤S307中，接收机获取接收波束成形器的向量集合Z⁽ⁿ⁾，其中 $Z^{\left(n\right)}=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}{C}_n,& n=1\\ \frac{z_{n-1}^{(*)}+C_n}{|z_{n-1}^{(}+C_n|},& n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·\end{array}\right.,$ C_n为码本。在一个实施例中，其中，C为任一码本。

需要说明的是，上述步骤S307与步骤S301-306之间并没有必然的先后顺序关系。

接收机接收到来自发射机端的使用发射波束成形器的向量进行处理后的测量信号后，在步骤S308中，依次使用向量集合Z⁽ⁿ⁾中的各向量分别解码该测量信号。例如，如果向量集合Z⁽ⁿ⁾中有L个向量，那么，接收机依次使用向量集合Z⁽ⁿ⁾中的L个向量分别解码该测量信号，从而获得解码后的L组测量信号。

接着，在步骤S309中，接收机将解码后的该L组测量信号中满足预定规则的测量信号所对应的向量集合Z⁽ⁿ⁾中的向量作为接收波束成形器的当前向量例如，接收机可以首先记录解码后的L组测量信号中满足预定规则的测量信号的索引j_n，然后，将向量集合Z⁽ⁿ⁾中的第j_n个向量作为接收波束成形器的当前向量该预定规则可以是例如信干噪比最优。

然后，在步骤S310，接收机对当前n值进行更新，也即n＝n+1，并且判断预定条件是否满足。例如，该预定条件可以是更新后的n值达到预定最大迭代次数N。又例如，该预定条件可以是本次信干噪比与上一次信干噪比的变化率小于预定阈值。再例如，该预定条件可以是更新后的n值达到预定最大迭代次数N，以及本次信干噪比与上一次信干噪比的变化率小于预定阈值，也就是说，当两者之一符合，则预定条件得到满足。

如果预定条件满足，那么接收机停止迭代，将当前向量作为接收波束成形器的最终向量，并且发送终止信令给发射机。发射机接收到该终止信令后即知晓迭代终止，则将当前向量作为发射波束成形器的最终向量，并且开始进行正常的数据发送。

如果预定条件不满足，那么接收机再次返回上述步骤S301，依次执行后续步骤。

可以理解的是，在另一种实施方式中，也可以由发射机对当前n值进行更新，也即n＝n+1，并且判断预定条件是否满足(该判断步骤可以在步骤S305之后执行)。例如，该预定条件可以是更新后的n值达到预定最大迭代次数N。如果预定条件满足，则停止迭代，并且发送终止信令给接收机。接收机接收到该终止信令后即知晓迭代终止，则将当前向量作为接收波束成形器的最终向量。如果预定条件不满足，则继续执行S306步骤及后续步骤。

经过一次或多个循环迭代，可使得最终获得的发射波束成形器的向量和接收波束成形器的向量逐渐逼近较为理想值。

需要说明的是，上述实施例仅是示范性的，而非对本发明的限制。任何不背离本发明精神的技术方案均应落入本发明的保护范围之内，这包括使用在不同实施例中出现的不同技术特征，装置方法可以进行组合，以取得有益效果。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其他权利要求或说明书中未列出的装置或步骤。

Claims (15)

1.一种在具有模拟波束成形器的MIMO通信系统的发射机中用于确定发射波束成形器的向量的方法，所述方法包括以下步骤：

A.获取发射波束成形器的向量集合F⁽ⁿ⁾，其中

$F^{\left(n\right)}=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}{C}_n,& n=1\\ \frac{f_{n-1}^{(*)}+C_n}{|f_{n-1}^{(}+C_n|},& n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·\end{array}\right.,$ C_n为码本；

B.依次使用所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的各向量对测量信号进行处理后发送至接收机；

C.接收来自所述接收机的反馈信息，所述反馈信息用于指示所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的一个向量；

D.将所述反馈信息指示的所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的所述向量作为所述发射波束成形器的当前向量

E.使用所述当前向量对测量信号进行处理后发送至所述接收机；

F.设置n＝n+1，并重复执行上述步骤，直至从所述接收机接收到终止信令或者判断到预定条件已满足。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中C为任一码本。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反馈信息包括由所述接收机对接收到的所述测量信号进行解码后确定的满足预定规则的测量信号的索引i_n，所述步骤D包括：

-将所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的第i_n个向量作为所述发射波束成形器的当前向量

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预定规则为信干噪比最优。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定条件为所述n达到预定最大迭代次数N。

6.一种在具有模拟波束成形器的MIMO通信系统的接收机中用于确定接收波束成形器的向量的方法，所述方法包括以下步骤：

a.接收来自发射机的使用发射波束成形器的向量集合F⁽ⁿ⁾中的各向量进行处理后的测量信号；

b.使用接收波束成形器的当前向量分别解码所述测量信号，其中为码本C中任一码字；

c.基于解码后的所述测量信号，发送反馈信息至所述发射机，所述反馈信息用于指示所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的一个向量；

d.获取接收波束成形器的向量集合Z⁽ⁿ⁾，其中

$Z^{\left(n\right)}=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}{C}_n,& n=1\\ \frac{z_{n-1}^{(*)}+C_n}{|z_{n-1}^{(}+C_n|},& n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·\end{array}\right.,$ C_n为码本；

e.接收来自所述发射机的使用发射波束成形器的向量进行处理后的测量信号；

f.依次使用所述向量集合Z⁽ⁿ⁾中的各向量分别解码所述测量信号；

g.将解码后的所述测量信号中满足第一预定规则的测量信号所对应的所述向量集合Z⁽ⁿ⁾中的向量作为所述接收波束成形器的当前向量

h.设置n＝n+1，并重复执行上述步骤，直至从所述发射机接收到终止信令或者判断到预定条件已满足。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，其中C为任一码本。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤g包括：

-记录解码后的所述测量信号中满足所述第一预定规则的测量信号的索引j_n；

-将所述向量集合Z⁽ⁿ⁾中的第j_n个向量作为所述接收波束成形器的当前向量

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一预定规则为信干噪比最优。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述反馈信息包括解码后的所述测量信号中满足第二预定规则的测量信号的索引i_n。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二预定规则为信干噪比最优。

12.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预定条件为所述n达到预定最大迭代次数N，和/或本次信干噪比与上一次信干噪比的变化率小于预定阈值。

13.一种在具有模拟波束成形器的MIMO通信系统的发射机中用于确定发射波束成形器的向量的装置，所述装置包括：

第一获取单元，用于获取发射波束成形器的向量集合F⁽ⁿ⁾，其中 $F^{\left(n\right)}=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}{C}_n,& n=1\\ \frac{f_{n-1}^{(*)}+C_n}{|f_{n-1}^{(}+C_n|},& n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·\end{array}\right.,$ C_n为码本；

第一处理单元，用于依次使用所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的各向量对测量信号进行处理后发送至接收机；

第一接收单元，用于接收来自所述接收机的反馈信息，所述反馈信息用于指示所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的一个向量；

第一确定单元，用于将所述反馈信息指示的所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的所述向量作为所述发射波束成形器的当前向量

第二处理单元，用于使用所述当前向量对测量信号进行处理后发送至所述接收机；

第一执行单元，用于设置n＝n+1，并重复执行上述步骤，直至从所述接收机接收到终止信令或者判断到预定条件已满足。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，其中C为任一码本。

15.一种在具有模拟波束成形器的MIMO通信系统的接收机中用于确定接收波束成形器的向量的装置，所述装置包括：

第二接收单元，用于接收来自发射机的使用发射波束成形器的向量集合F⁽ⁿ⁾中的各向量进行处理后的测量信号；

第一解码单元，用于使用接收波束成形器的当前向量分别解码所述测量信号，其中为码本C中任一码字；

第一发送单元，用于基于解码后的所述测量信号，发送反馈信息至所述发射机，所述反馈信息用于指示所述向量集合F⁽ⁿ⁾中的一个向量；

第二获取单元，用于获取接收波束成形器的向量集合Z⁽ⁿ⁾，其中

$Z^{\left(n\right)}=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}{C}_n,& n=1\\ \frac{z_{n-1}^{(*)}+C_n}{|z_{n-1}^{(}+C_n|},& n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·\end{array}\right.,$ C_n为码本；

第三接收单元，用于接收来自所述发射机的使用发射波束成形器的向量进行处理后的测量信号；

第二解码单元，用于依次使用所述向量集合Z⁽ⁿ⁾中的各向量分别解码所述测量信号；

第二确定单元，用于将解码后的所述测量信号中满足第一预定规则的测量信号所对应的所述向量集合Z⁽ⁿ⁾中的向量作为所述接收波束成形器的当前向量

第二执行单元，用于设置n＝n+1，并重复执行上述步骤，直至从所述发射机接收到终止信令或者判断到预定条件已满足。