CN106464417B - 计算特别是具有三维通信信道的无线通信系统中的pmi - Google Patents

计算特别是具有三维通信信道的无线通信系统中的pmi Download PDF

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Abstract

公开了一种用于计算无线通信系统中的预编码矩阵指示(PMI)的方法。该无线通信系统包括基站(eNB)以及与该eNB相关联的发送天线的集合，其中，该eNB被配置为能够与一个或多个用户设备(UE)进行通信，发送天线被分区成多个天线子集。UE被配置为能够计算针对所述多个天线子集的多个PMI并且向eNB报告该多个PMI以供该eNB在预编码中使用。该方法包括使用针对其它天线子集已经计算出的其它PMI来计算针对给定天线子集的PMI，使得UE向eNB报告的PMI考虑到天线子集之间的相关性。

Description

计算特别是具有三维通信信道的无线通信系统中的PMI
技术领域
本发明涉及通信系统中的预编码矩阵指示(PMI)的计算，其中在该通信系统中，演进型节点B(evolved Node B)将发送天线的集合分区成多个子集，并且UE被配置为报告(反馈)针对多个发送天线子集的多个PMI。
背景技术
众所周知如下的无线通信系统，其中在这种无线通信系统中，基站(还已知为演进型节点B(eNB))与该eNB的范围内的移动装置(还已知为用户设备(UE))进行通信。各eNB将其可用带宽(即，频率和时间资源)针对不同的UE划分为不同的资源分配。存在如下恒定需求：增加这种系统的容量以及改善资源利用的效率，以容纳更多用户(更多UE)、更多数据密集型服务和/或更高的数据传输速率。
OFDM(正交频分复用)是一种用于在无线通信系统中发送数据的技术。基于OFDM的通信方案将待发送的数据符号划分到大量的子载波中；因而得到术语“频分复用”。通过调整数据的相位、振幅或者相位和振幅这两者来将数据调制在子载波上。名称OFDM的“orthogonal(正交)”部分是指子载波在频域中的间隔被选择为在数学意义上与其它子载波正交这一事实。换句话说，子载波在频域中被配置为使得邻接子载波的边带可以重叠但子载波间的干扰足够小以使得这些子载波能够被接收。
在向不同的用户(不同的UE)分配个体子载波或子载波的集合的情况下，结果是被称为OFDMA(正交频分多址)的多址系统。术语OFDM通常意图包括术语OFDMA。因此，为了当前说明的目的，这两个术语可以被视为可交换。通过向小区中的各UE分配不同的频率/时间资源，OFDMA可以有助于避免给定小区内的UE之间的干扰。
基本OFDM方案的另一变形例被称为代表“多输入多输出”的MIMO。这种方案在发送方和/或接收方(经常是这两方)处采用多个天线，以增强发送方和接收方之间可实现的数据容量。通常，使用这种方案来实现eNB和该eNB所服务的用户设备(UE)之间的有所增强的数据容量。
以示例的方式，2×2的“单用户MIMO”(SU-MIMO)结构在发送方处包含2个天线并且在与发送方进行通信的单个接收方处包含2个天线。同样地，4×4的SU-MIMO结构在发送方处包含4个天线并且在与发送方进行通信的单个接收方处包含4个天线。发送方和接收方不必采用相同数量的天线。通常，由于功率、成本和大小限制的差异，因此无线通信系统中的eNB与UE相比将配备有更多天线。还应注意，经常采用所谓的“多用户MIMO”(MU-MIMO)，并且这涉及能够一次进行与多个UE的MIMO通信的单个eNB。以下将进行进一步论述。
术语“信道”通常用来指代发送方和接收方之间的无线链路的频率(或等效的时间延迟)响应。MIMO信道(以下简称为“信道”)包含所有的子载波(参见以上针对子载波的论述)，并且覆盖整个发送带宽。MIMO信道包含许多个体无线链路。这些个体无线链路(各自可以单独地被称为单输入单输出(SISO)信道)的数量是NRX×NTX，其中，NTX是发送方处的天线的数量，并且NRX是接收方处的天线的数量。例如，3×2的SU-MIMO配置包含6个链路，因此该配置具有6个SISO信道。
考虑到图1中示意性示出的简化的2×3的SU-MIMO系统，可以看出接收方R的天线R0接收来自发送方T的各发送方天线T0、T1和T2的发送。同样地，接收方天线R1接收来自发送方天线T0、T1和T2的发送。因此，接收方处所接收到的信号包括来自发送方天线的发送的组合(即，6个SISO信道的组合)(或者接收方处所接收到的信号由来自发送方天线的发送的组合(即，6个SISO信道的组合)构成)。通常，SISO信道可以按各种方式进行组合以将一个或多个数据流发送至接收方。
图2是更广义的SU-MIMO系统的概念图。在图2中，发送方利用NTX个发送天线来发送信号，并且单个接收方利用NRX个接收天线接收来自发送方的信号。为了创建MIMO信道(在这种情况下为SU-MIMO信道)整体的特性的数学模型，需要表示发送方和接收方之间的独立SISO信道。如图2所示，个体SISO信道由表示，并且如图中所建议，构成通常被称为“信道矩阵”或信道响应矩阵H的矩阵的项。应识别出，H0,0表示从发送天线0向接受天线0发送信号的信道特性(例如，信道频率响应)。同样地，表示从发送天线NTX-1向接收天线NRX-1发送信号的信道特性，等等。
在图2中，表示分别使用发送天线0～NTX-1所发送的信号元素的符号一起构成发送信号向量其中()T表示向量转置。(换句话说，x是从发送方发送来的信号)。同样地，接收天线0～NRX-1分别接收到的接收信号元素一起构成接收信号向量y＝(换句话说，y是接收方处所接收到的信号)。图2所示的简化单用户系统所用的向量y和x之间的关系可以通过基本SU-MIMO系统等式来建模：
y＝Hx+n
(等式0)
其中，H是参考上述的信道矩阵，并且n是表示噪声(通常假定为加性白高斯噪声)的向量。
应注意，此时，(以上论述的)图1和图2均涉及“单用户”MIMO(SU-MIMO)系统。然而，同样如上所述，经常采用所谓的“多用户”MIMO(MU-MIMO)，并且这涉及具有多个天线并且能够一次进行与多个UE(各UE也可以具有多个天线)的MIMO通信的单个eNB。在图3中给出MU-MIMO系统的示意性表示。
更具体地，图3示出eNB将数据在相同的时间频率上从多个发送天线发送至不同的UE的一般MU-MIMO系统。为了使UE之间的干扰最小化，eNB通过预编码来创建发送波束。
根据例如维基百科，“预编码”是广义的“波束成形”，并且用于支持多天线无线通信中的多流发送。在传统的单流波束成形中，以适当的权重(相位和增益)从各发送天线发出相同的信号，以使得接收方处的信号功率最大化。然而，在接收方具有多个天线的情况下，单流波束成形无法使所有接收天线处的信号水平同时最大化。为了使多个接收天线系统中的吞吐量最大化，通常需要多流发送。
在多用户MIMO(MU-MIMO)中，如上所述，多天线发送方与(各自具有一个或多个天线的)多个接收方同时通信。从实现的观点，针对MU-MIMO系统的预编码算法分为线性预编码类型和非线性预编码类型。容量实现算法通常是非线性的，但线性预编码方式仍可以以低得多的复杂性来实现合理的性能。线性预编码策略例如包括最大比发送(MRT)、迫零(ZF)预编码和发送维纳(Wiener)预编码。
尽管性能最大化在点对点MIMO中具有明确的解释，但多用户系统通常无法针对所有用户使性能同时最大化。因此，可以说多用户系统涉及多目标优化问题，其中，各目标与用户之一的容量的最大化相对应。解决该问题的一个常见方式是选择系统实用功能；例如，权重与系统的目标用户优先级相对应的加权总和容量。
在任何情况下，在接收侧，UE使用后编码(解码)来从所接收到的信号获得数据。
根据以上论述，本领域技术人员应理解，预编码通常高度依赖于信道的状态(即，预编码依赖于“信道状态”)-参见以下。
数学上，可以通过按以下方式修改上述的简化单用户MIMO系统等式(等式0)来描述MU-MIMO系统(对MU-MIMO系统进行建模)：
(等式1)
在以上等式1中：
y(i)是第i个UE处的接收信号，
x(i)是针对第i个UE的数据信号，
H(i)是针对第i个UE的信道矩阵，
V(i)是第i个UE的预编码矩阵，
n(i)是第i个用户处的加性白高斯噪声。
可以说MIMO发送方案是“非自适应的”或“自适应的”。在非自适应的情况下，发送方不具有信道的条件或性质的任何知识。换句话说，发送方不具有所发送的信号随着其“经由空气”被发送而发生改变的方式的任何知识。这种对与“信道状态”有关的知识的缺乏可能限制性能，这是由于发送方无法考虑到例如引起信道的状态或性质的变化的条件的变化(该条件的变化影响所发送的信号“在空气中”如何改变)。自适应方案依赖于从接收方向发送方(即，上行链路(UL)中)的信息(所谓的“信道状态信息”或CSI)的反馈，使得能够修改所发送的下行链路(DL)信号，从而考虑到正在变化的条件(即，考虑到正在变化的信道状态)并且使数据吞吐量最大化。换句话说，可以使用CSI的反馈，以便于或者辅助进行预编码。本发明主要关注于这些自适应型的MIMO方案。在图4中示出来自不同UE的上行链路中的CSI的反馈。
以下表格包含这里可能会发现的特定缩写/首字母缩略词：
应清楚地理解，这里对先前或现有装置、设备、产品、系统、方法、实践、公开或针对任何其它信息、或者针对任何问题或议题的单纯引用并没有确认或承认以下内容：以上任何事物单独或以任何组合形式形成本领域技术人员的公知常识或者以上任何事物是被承认的现有技术。
发明内容
在一个广泛形式中，本发明涉及一种用于计算无线通信系统中的预编码矩阵指示(PMI)的方法，所述无线通信系统包括基站(eNB)以及与所述eNB相关联的多个发送天线的集合，其中，所述eNB被配置为能够与一个或多个用户设备(UE)进行通信，并且与所述eNB相关联的多个发送天线被分区成多个发送天线子集，所述UE被配置为能够计算针对所述多个发送天线子集中的各发送天线子集的多个PMI并且向所述eNB报告所述多个PMI以供所述eNB在预编码中使用，所述方法包括以下步骤：使用针对给定发送天线子集以外的其它发送天线子集已经计算出的(或者预先设置的)其它PMI，来计算针对所述给定发送天线子集的PMI。认为这样可以有助于使得UE向eNB报告的PMI能够考虑到发送天线子集之间的相关性。
实现以上形式的发明的实施例的无线通信系统可以是多输入多输出(MIMO)系统。如上所述，在MIMO系统中，与所述eNB相关联的多个发送天线被配置为能够发送与UE相关联的多个接收方天线能够接收到的信号。以上形式的发明的实施例还可以适用于实现与所述eNB相关联的多个发送天线被配置为能够一次向各自具有多个接收方天线的多个UE发送信号的多用户MIMO(MU-MIMO)系统。
在多数情况下，预设UE将被配置为能够在上行链路中向所述eNB报告所述多个PMI。在这种情况下，UE所进行的使用针对其它发送天线子集已经计算出的(或预先设置的)其它PMI来计算针对给定发送天线子集的PMI的步骤可以包括：使用要在给定上行链路发送中向所述eNB报告的已经计算出的(或预先设置的)其它PMI，来计算同样要在同一上行链路发送中向所述eNB报告的给定PMI。换句话说，UE所计算出的(针对各发送天线子集的)PMI可以基于UE要在同一上行链路发送中向eNB报告的其它PMI(而并不基于例如在先前上行链路发送中所报告的PMI)。这样，UE可以报告与信道的当前(或最近)的状态相对应的PMI，从而向eNB提供与信道的状态有关的最新信息以供在预编码中使用。(附带地，应理解，在UE正在计算要在给定上行链路发送中发送的PMI的情况下，对于首个要计算的所述PMI，将不存在要在该同一上行链路发送中报告的已经计算出的其它PMI。因此，为了计算该首个PMI，可以在计算中使用预先设置的或者预先初始化的参数(等效于预先设置的PMI)。这将在以下的具体实施方式部分进一步论述。)
从以上继续进行说明，应理解，UE向所述eNB报告的PMI通常将构成该UE在上行链路中向所述eNB报告的信道状态信息(CSI)的一部分。在这方面，应注意，除PMI以外，CSI通常还将包括秩指示(RI)和信道质量指示(CQI)。
在许多实施例中，与所述eNB相关联的多个发送天线的集合可以包括发送天线的二维(2D)阵列。在这些实施例中，对所述发送天线的阵列进行分区可以包括：将个体天线分组到一起以构成多组天线，使得各组构成发送天线子集。通常，将针对不同的发送天线阵列结构预先定义所述分区。针对给定的天线阵列结构，还可能存在多于一个可能的分区配置(模式)，如果如此，则可以由所述eNB来配置使用可能的分区配置(模式)中的哪个分区配置(模式)。
如以上背景技术部分中所述，信道H是与所述eNB相关联的发送天线和与所述UE相关联的接收方天线之间的无线链路的频率响应。将发送天线的阵列分区成N个发送天线子集，这可以使所述信道分区成N个子信道。在该上下文中，Hn是指针对第n个天线子集的信道(或信道估计)。此外，所述子信道的大小可以是NRX×μTX，其中NRX是与所述UE相关联的接收方天线的数量，NTX是与所述eNB相关联的发送天线的数量，并且
在某些特定实施例中，用于计算PMI的方法可以包括以下步骤：
A)使初始复合信道矩阵G0初始化以及使初始复合预编码矩阵V0初始化(注意，如上所述，这些是预先设置/预先初始化的参数)；
B)针对各天线子集进行以下处理，其中，n＝1,...,N：
(i)使用先前复合信道矩阵Gn-1和当前天线子集的信道估计Hn来生成新的复合信道矩阵Gn；
(ii)使用先前复合预编码器候选Vn-1和PMI码本的预编码器(码字)Wp,p＝1,...,Np来生成复合预编码器候选Vp，p＝1,…,Np，其中Wp的大小为μTX×RI；
(iii)使用复合信道矩阵Gn和复合预编码器候选Vp来得出当前天线子集的PMI pn；以及
(iv)对新的复合预编码器进行赋值。
在涉及上述特定算法的本发明的实施例中，所述初始复合信道矩阵G0和初始复合预编码矩阵V0均可以被初始化为空矩阵，或者可选地可以被赋予预先设置的初始值/条目。
此外，在涉及上述特定算法的本发明的实施例中，可以根据以下等式来进行生成新的复合信道矩阵Gn的步骤(i)：
Gn＝[Gn-1Hn]。
另外，在涉及上述特定算法的本发明的实施例中，可以根据以下等式来进行生成复合预编码器候选Vpn的步骤(ii)，其中p＝1,…,Np：
此外，在涉及上述特定算法的本发明的实施例中，可以根据以下等式来进行得出当前天线子集的PMI pn的步骤(iii)：
然后，在涉及上述特定算法的本发明的实施例中，可以根据以下等式来进行对(计算下一天线子集的PMI所需的)新的复合预编码器进行赋值的步骤(iv)：
Vn＝Vpn。
这里所述的任何特征可以在本发明的范围内与这里所述的其它特征中的任何一个或多个以任意组合的形式进行组合。
附图说明
根据针对本领域技术人员提供足以进行本发明的信息的以下具体实施方式部分，可以辨别出本发明的优选特征、实施例和变形例。具体实施方式部分没有被视为以任何方式限制前述的本发明的发明内容部分的范围。具体实施方式部分将参考如下的多个附图：
图1示意性示出简化的2×3的SU-MIMO系统。
图2是更广义的SU-MIMO系统的概念图。
图3示出eNB将数据在相同的时间频率上从多个发送天线发送至不同的UE的一般MU-MIMO系统，并且各UE也具有多个天线。
图4示出从eNB至不同的UE的下行链路中的数据的发送以及从不同的UE向eNB的上行链路中的CSI的反馈。
图5示意性示出发送天线的一维(1D)阵列(即，一维天线集合)。
图6示意性示出发送天线的二维(2D)阵列(即，二维天线集合)。
图7示出发送天线的二维(2D)阵列(即，二维天线集合)可以分区成多个天线子集的方式的各种(非限制性)示例。
图8是天线分区处理的图形表示。
图9是根据本发明的一个特定实施例的用于计算PMI的算法的图形表示。
具体实施方式
在MIMO系统中，演进型节点B可以配备有发送天线的一维(1D)阵列(参见作为示例的图5)或者配备有发送天线的二维(2D)阵列(参见作为示例的图6)。在2D发送天线阵列的情况下，通信信道变成三维(3D)的。特别是对于(创建3D信道的)2D发送天线阵列而言，信道矩阵的尺寸也可以非常大，由此，尤其是针对预编码器的计算以及CSI的计算，可能导致非常大的计算复杂性。
为了有助于解决这些问题(即，有助于降低上述的计算复杂性)，演进型节点B可以将天线集合分区成多个子集并且配置UE(或各UE)以计算并报告多个PMI。在图7中给出可以对天线集合进行分区的方式的示例。
图8示出天线分区处理。如图8所示，在eNB将发送天线集合分区成多个天线子集的情况下，(作为该处理的一部分)eNB配置UE以报告针对所定义的各天线子集的PMI。因此，UE计算针对各天线子集的PMI并且将这些PMI(作为上行链路中发送的CSI的一部分)报告回至eNB，然后eNB使用所报告的PMI来针对后续(下行链路中的)数据发送生成预编码器。
这里所述的本发明的至少一些实施例可以涉及如下的PMI计算方法，其中该PMI计算方法是在UE处所进行的，并且意图在以下情况下使用：演进型节点B将发送天线集合分区成多个子集(不分配个体天线或子集作为参考)，并且eNB配置UE以测量/计算并报告多个PMI。在某些特定实施例中，UE针对特定天线子集所进行的PMI的计算可以基于其它已经计算出的(或者预先设置的)其它天线子集的PMI中的PMI(可能基于所有其它已经计算出的(或者预先设置的)针对所有其它天线子集的PMI)。
将发送天线的集合分区成子集(即，将TxAn集合分区成子集)使得作为这样处理的结果将信道整体(其中，信道整体的大小为NRX×NTX)分区成大小为NRX×μTX的N个子信道，其中，NμTX＝NTX。可以针对不同的发送天线阵列结构预先定义分区。换句话说，可以按特定的预定义方式对给定的发送天线阵列结构进行分区，并且针对不同的天线阵列结构可能存在不同的预先定义的分区配置(模式)。针对给定的天线阵列结构还可能存在多于一个可能的分区配置(模式)(图7中的示例展示了这种情况)，并且可以由eNB来配置使用这些可能的分区配置(模式)中的哪个分区配置(模式)。
以下说明并且在图9中示出PMI计算可以使用的一个特定算法。在该算法中：
-大小为NRX×μTX的Hn,n＝1,...,N表示第n个天线子集的信道估计；
-大小为μTX×RI的Wp,p＝1,...,Np表示PMI码本的预编码器(码字)；以及
-pn,n＝1,...,N表示第n个天线子集的PMI。
该特定算法如下：
A)使空矩阵初始化：G0＝[],V0＝[]；
B)对于n＝1,...,N，进行以下处理：
(i)使用下式生成复合信道矩阵Gn：
Gn＝[Gn-1 Hn]
(等式2)
(ii)使用下式生成复合预编码器候选：
(iii)使用下式得出PMI pn：
(iv)对新的复合预编码器候选进行赋值：
Vn＝Vpn
(等式5)
C)结束
本发明被认为应实现的优点其中之一是由于以下事实而产生的：天线阵列整体的不同天线元件被认为呈现相关性(即，不同的个体天线和不同的天线子集被认为是相关的)。在PMI计算的传统方法中，针对天线阵列整体的不同天线元件的PMI是独立于彼此而计算的。与此相对，本发明使得能够以“联合”的方式来计算PMI(即，在本发明中，针对一个天线子集的PMI的计算是使用针对其它天线子集已经计算出的(或者预先设置的)PMI来进行的)，使得利用本发明，一起报告回eNB的针对不同天线子集的PMI能够捕捉到被认为存在于天线子集之间的相关性。
通过进一步说明，由于PMI计算所用的传统方法以独立于彼此的方式来确定针对不同天线元件的PMI(即，不参考针对相关天线元件的其它PMI)，因此认为这些传统方法可能没有考虑到存在于天线元件之间的相关性。这继而可能引起这些传统方法提供不准确的信道状态信息(注意，PMI作为上行链路中的CSI的一部分从UE反馈回至eNB)。并且，由于eNB依赖于反馈回的CSI以针对后续的数据发送计算预编码器，因此不准确的信道状态信息可能会引起预编码性能低下。可以认为，本发明通过更好地考虑到被认为存在于天线元件之间的相关性而可以至少有助于解决该问题。
在本说明书和权利要求书(如果存在)中，词语“包括”及其衍生物(包括“comprises”和“comprise”)包括所述的各个整数，但并不排除包括一个或多个其它整数。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的指代是指在本发明的至少一个实施例中包括与该实施例结合说明的特定特征、结构或特性。因而，贯穿本说明书出现在各处的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”未必全部指代同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合成一个或多个组合。
按照规定，已经采用或多或少特定于结构或方法特征的语言说明了本发明。应理解，本发明不限于所示出或描述的特定特征，这是由于这里所述的方式包括使本发明生效的优选形式。因此，要求在本领域技术人员适当地解释的所附权利要求书(如果存在)的适当范围内以任何形式或修改来保护本发明。
本申请基于并要求2014年6月16日提交的澳大利亚临时专利申请2014902276的优先权，其全部内容通过引用包含于此。

Claims (10)

1.一种用于计算无线通信系统中的预编码矩阵指示即PMI的方法，所述无线通信系统包括基站即eNB以及与所述eNB相关联的多个发送天线的集合，所述eNB被配置为能够与一个或多个用户设备即UE进行通信，与所述eNB相关联的多个发送天线被分区成多个发送天线子集，其中：所述UE被配置为能够计算针对所述多个发送天线子集中的各发送天线子集的多个PMI并且向所述eNB报告所述多个PMI以供所述eNB在预编码中使用，所述方法包括以下步骤：
使用针对给定发送天线子集以外的其它发送天线子集已经计算出的其它PMI，来计算针对所述给定发送天线子集的PMI。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无线通信系统是多输入多输出系统即MIMO系统，其中与所述eNB相关联的多个发送天线被配置为能够发送与UE相关联的多个接收方天线能够接收到的信号。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述无线通信系统是多用户MIMO系统即MU-MIMO系统，其中与所述eNB相关联的多个发送天线被配置为能够一次向各自具有多个接收方天线的多个UE发送信号。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述UE被配置为能够在上行链路中向所述eNB报告所述多个PMI。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，UE所进行的使用针对其它发送天线子集已经计算出的其它PMI来计算针对给定发送天线子集的PMI的步骤包括：使用要在给定上行链路发送中向所述eNB报告的已经计算出的其它PMI，来计算同样要在同一上行链路发送中向所述eNB报告的给定PMI。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，UE向所述eNB报告的PMI构成该UE在上行链路中向所述eNB报告的信道状态信息即CSI的一部分。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述CSI包括所述PMI、秩指示即RI和信道质量指示即CQI。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，与所述eNB相关联的多个发送天线的集合包括发送天线的二维阵列即2D阵列。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，对发送天线的阵列进行分区包括：将个体天线分组到一起以构成多组天线，使得各组构成发送天线子集。
10.一种无线通信系统，包括：
基站即eNB以及与所述eNB相关联的多个发送天线的集合，所述eNB被配置为能够与一个或多个用户设备即UE进行通信，与所述eNB相关联的多个发送天线被分区成多个发送天线子集，
其中，所述UE被配置为能够计算针对所述多个发送天线子集中的各发送天线子集的多个PMI，并且向所述eNB报告所述多个PMI以供所述eNB在预编码中使用，以及
针对给定发送天线子集的PMI是使用针对其它发送天线子集已经计算出的其它PMI来计算的。
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