CN106716856B

CN106716856B - 闭环大规模mimo系统架构

Info

Publication number: CN106716856B
Application number: CN201680002066.1A
Authority: CN
Inventors: 张玉贤; 关文伟; 曾江州
Original assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Current assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2036-12-19
Also published as: CN106716856A

Abstract

提供一种用于经由MIMO信道将有效载荷数据从基站(BS)传输到用户设备(UE)的方法。首先执行信道估计，并且使用信道估计结果来优化数据传输。代替向BS报告CQI、RI和PMI，UE报告表征从原始发送的CSI‑RS符号获得接收的CSI‑RS符号的端到端过程的第一信道传递函数。由于消除CQI、RI和PMI的计算，因此UE处的计算负担减小。在BS处，由天线端口到收发器单元(AP到TXRU)虚拟化操作导致的效应从第一信道传递函数去除以产生第二信道传递函数。由于第二信道传递函数比第一信道传递函数更接近MIMO信道传递函数，更好地利用MIMO信道的“内容”来优化数据传输性能。

Description

闭环大规模MIMO系统架构

技术领域

本发明一般涉及一种多输入多输出(MIMO)无线通信系统。特别地，本发明涉及具有大量天线元件(AE)的MIMO无线通信系统(例如大规模MIMO系统)的闭环信道估计、反馈和数据传输。

背景技术

将在即将到来的移动通信系统中采用大规模MIMO通信技术，其在基站(BS)处采用数十或甚至数百个天线元件(AE)以便与用户设备(UE)通信。使用大量AE的优点是提供大的波束形成增益，高空间分辨率，大的分集增益和大的空间复用增益。为了优化数据传输以便接近MIMO通信系统的信道容量，BS向UE传输信道状态信息(CSI-)参考信号(RS)以用于估计MIMO信道，并且UE将CSI返回BS以使BS能够优化数据传输。

在用大量AE实现BS中，每个天线元件需要一个收发器单元(TXRU)的常规全数字波束形成方法不是成本效益高的。所以，TXRU的数量被认为小于实际的大规模MIMO系统中的AE的数量。图1根据长期演进(LTE)和高级LTE(LTE-A)规范描绘用于在TXRU 124的数量小于AE 111的数量的约束下优化数据传输的BS 110(在LTE和LTE-A规范中称为eNodeB)的典型架构。首先，确定天线端口(AP)113的数量。根据LTE或LTE-A规范，AP是到数字数据符号的逻辑输入端口，其被限定为使得在其上传送AP上的符号的信道可以从在其上传送相同AP上的另一符号信道推断。AP 113的数量小于或等于TXRU 124的数量并且因此小于或等于AE 111的数量。

AP 113到AE 111的映射通过如下的AP虚拟化过程120完成。首先，通过由AP到TXRU虚拟化矩阵V_P建模的AP到TXRU虚拟化操作122来处理用于输入到AP 113的数字调制符号向量以产生合成调制符号向量。合成调制符号向量由TXRU 124转换为多个模拟TXRU信号。然后用由TXRU到AE虚拟化矩阵V_T建模的TXRU到AE虚拟化操作125来处理模拟TXRU信号以给出将在AE 111上传输的模拟信号。模拟波束形成是TXRU到AE虚拟化操作125的主要目的，使得包括移相器和加法器的模拟网络通常用于实现TXRU到AE虚拟化操作125。模拟信号在MIMO信道150上传输到具有多个AE 181的UE 180。MIMO信道150具有信道传递函数H。

在数据传输中，有效载荷数据105通过层映射被映射到一个或多个层。层映射之后的有效载荷数据105通过由预编码矩阵W建模的预编码操作140进行预编码以便实现空间复用或传输分集。然后预编码的数据由AP虚拟化过程120处理以便在AE 111上传输。

BS 110要求UE 180估计MIMO信道150以优化数据传输。BS 110生成CSI-RS作为用于信道估计的导频信号。根据LTE或LTE-A规范，多个CSI-RS符号106首先被确定并由AP虚拟化过程120处理以生成导频信号。在接收到导频信号时，UE 180恢复CSI-RS符号，并且因此估计

基于估计的

UE 180计算CSI并通过上行链路信道186向BS 110反馈CSI。CSI包括信道质量指示符(CQI)，秩指示(RI)，和预编码矩阵指示符(PMI)。关于错误性能，可以以不超过0.1的传输块错误概率实现在返回的CQI中指示的调制方案和传输块大小的组合。对于空间复用，RI对应于有用传输层的数量。UE通过PMI报告优选使用哪个W。

当前CSI采集方案存在一些缺点。第一，AP虚拟化模式被限制到有限数量的选择。在LTE和LTE-A规范中，仅存在两个选择，即对应于所谓的“非预编码CSI-RS”的一对一映射或对应于所谓的“波束形成CSI-RS”的一对多(对于每个极化)映射。具有有限数量的选择对于完全优化数据传输是不灵活的。第二，需要UE 180确定CQI、RI和PMI。由于对于大规模MIMO系统AP 113的数量大，因此涉及大的计算复杂性。第三，在给定的AP到TXRU虚拟化矩阵V_P下确定W对于一些AP到TXRU虚拟化模式在数据传输中不提供最佳性能。次优性能导致MIMO信道150的低效使用。

在本领域中，已进行了旨在解决前述问题的一些努力。为了接近最佳性能，US20160072562建议BS基于上行链路测量来确定基本向量的有限集合，并且将所选择的基本向量子集发信号给UE。然后UE基于信道估计来计算关于所选择的基本向量子集的系数并且通知BS。然而，将所选择的基本向量子集发信号给UE引起额外的信令开销。此外，需要UE基于所选择的子集来导出信道系数，增加了UE的计算负担。在WO2016052824中，向UE发送具有虚拟化信息的新的、额外的CSI-RS类型指示符以供UE确定CQI、RI和PMI。尽管可以改善数据传输性能，但是该方法也遭受额外的信令负荷和增加的UE计算负担。

在本领域中仍然需要一种技术以通过优化MIMO信道的使用来改善数据传输性能而不对信令和UE的计算要求增加额外负担。

发明内容

本发明提供一种用于将有效载荷数据经由MIMO信道从具有多个BS AE的BS传输到具有多个UE AE的UE的方法。BS也具有多个TXRU，每个TXRU用于从单独的调制符号序列生成TXRU信号。

在该方法中，BS确定AP到TXRU虚拟化操作和TXRU到AE虚拟化操作。AP到TXRU虚拟化操作和TXRU到AE虚拟化操作的串联产生AP虚拟化映射。

之后，通过用AP到TXRU虚拟化操作、由TXRU生成TXRU信号的操作和TXRU到AE虚拟化操作的第一级联处理预定的CSI-RS符号，由BS生成用于信道估计的多个导频信号。导频信号经由BS AE传输到UE。

BS然后从UE接收第一信道传递函数。第一信道传递函数表征从预定的CSI-RS符号获得在UE处恢复的接收的CSI-RS符号的端到端过程。

在接收到第一信道传递函数之后，BS通过从第一信道传递函数去除由AP到TXRU虚拟化操作导致的效应估计第二信道传递函数。

知道第二信道传递函数，BS确定：有效载荷数据的调制方案、码率和效率；用于层映射有效载荷数据的一个或多个层的第一数量；以及用于通过在层映射之后预编码有效载荷数据实现空间复用或传输分集的预编码操作。特别地，有效载荷数据被映射到用于实现空间复用的一个或多个层，其中空间复用的程度取决于所确定的第一数量而不受AP虚拟化映射限制。之后，BS根据所确定的第一数量和第二信道传递函数确定预编码操作。预编码操作用于通过在层映射之后预编码有效载荷数据实现空间复用或传输分集。

BS然后通过在层映射之后用预编码操作、由TXRU生成模拟TXRU信号的操作和TXRU到AE虚拟化操作的第二级联处理有效载荷数据，从有效载荷数据生成多个数据信号。数据信号在MIMO信道上传输到UE。

该方法在包括多个BS AE、多个TXRU、模拟网络和一个或多个处理器的BS中可实现。每个TXRU用于从单独的调制符号序列生成TXRU信号。模拟网络用于实现TXRU到AE虚拟化操作，其处理由TXRU生成的多个TXRU信号并且映射到BS AE以便传输。一个或多个处理器执行计算和控制功能。控制功能包括控制TXRU，和配置模拟网络以实现TXRU到AE虚拟化操作。特别地，TXRU、模拟网络和一个或多个处理器布置成根据所公开的方法传输有效载荷数据。

如下面的实施例所示，公开本发明的其它方面。

附图说明

图1根据LTE和LTE-A规范描绘在存在有限数量的TXRU的约束下用于信道估计、反馈和数据传输的BS的典型架构。

图2描绘BS的示例性系统架构，其中系统架构适于支持CSI采集和数据传输的优化。

图3描绘在AP虚拟化过程中将AE映射到AP的不同示例。

图4是示出根据本发明的示例性实施例的用于使用信道估计将有效载荷数据从BS传输到UE的方法的流程图。

图5是有用于实现图2的BS系统架构的BS的示例性硬件结构的示意图。

具体实施方式

本发明的一方面提供一种用于经由MIMO信道将有效载荷数据从BS传输到UE的方法。特别地，本文所公开的方法旨在优化数据传输性能，同时通过消除CQI、RI和PMI的计算来减少UE的计算负荷。在该方法中，首先通过在传输有效载荷数据之前向UE发送导频信号来执行信道估计。信道估计结果是从UE到BS的闭环反馈，并且由BS使用以优化用于传输的有效载荷数据的处理。

该方法借助图2和3进行说明。图2描绘用于支持所公开的方法的BS的示例性系统架构。BS 210旨在通过包括作为无线电信道的MIMO信道250的下行链路将有效载荷数据205传输到UE 280。BS 210具有多个BS AE 211，并且UE 280具有多个UE AE 281。此外，BS 210具有多个TXRU224，每个TXRU用于从单独的调制符号序列生成TXRU信号。示例性地，该方法由图4中所示的流程图描绘。

在第一步骤412中，BS确定AP到TXRU虚拟化操作222和TXRU到AE虚拟化操作225。AP到TXRU虚拟化操作222和TXRU到AE虚拟化操作225相应地由AP到TXRU虚拟化矩阵V_P(CSI-RS)和TXRU到AE虚拟化矩阵V_T建模。通常，根据UE特定信道统计来确定AP到TXRU虚拟化操作222。对于TXRU到AE虚拟化操作225，通常根据特定OFDM符号/时隙/子帧的波束形成模式来确定它。应当注意，AP到TXRU虚拟化操作222和TXRU到AE虚拟化操作225的串联产生AP虚拟化映射220。AP虚拟化映射220主要用于将CSI-RS符号206变换为导频信号以用于信道估计，因此AP虚拟化映射220针对信道估计被优化。CSI-RS符号206是通过BS210和UE280之间的一些协议(例如，公布的移动通信标准)由UE280已知的预定导频符号。

为了说明，图3描绘AP虚拟化映射220的不同示例，其中BS AE布置在交叉极化AE对的矩形阵列中。每对由BS AE中的两个组成。在子图(a)中，显示有三个AP，每个AP被分配有相同极化的所有BS AE，使得波束形成被用于形成CSI-RS(即，导频信号)。子图(b)显示三个AP，每个分配有BS AE中的仅仅一个AE，由此产生非预编码的CSI-RS。如子图(c)中所示，BSAE被划分成多个子阵列，每个被分配给一个AP。子图(d)显示基于维度的虚拟化方案。AP 0被分配具有一个极化的AE的水平列表。AP 1被分配有在相同水平列表上的AE，但是所分配的AE具有另一极化。AE的垂直列表被分配给AP 2。

在步骤413中，BS通过用AP到TXRU虚拟化操作222、由TXRU生成TXRU信号的操作224和TXRU到AE虚拟化操作225的第一级联处理CSI-RS符号206，生成用于信道估计的多个导频信号。然后导频信号经由BS 210的BS AE 211传输到UE 280。

UE 280接收已传播通过MIMO信道250的导频信号。可选地，UE 280配备有用于从所选方向接收导频信号的波束形成器282(步骤414)以便增加接收的导频信号的信号干扰噪声比(SINR)。在步骤415中，UE 280从接收到的导频信号恢复CSI-RS符号(表示为包含信道信息的接收到的CSI-RS符号)。UE 280也通过将接收到的CSI-RS符号与原始发送的CSI-RS符号206比较来估计表示为

的第一信道传递函数。第一信道传递函数表征从原始发送的CSI-RS符号获得在UE 280处恢复的接收到的CSI-RS符号的端对端过程。也就是说，

或

如果使用由传递函数矩阵表征的波束形成器282的话。由UE 280经由上行链路信道286向BS 210反馈第一信道传递函数。由于UE 280仅向BS210报告

因此有利地消除UE 280在计算CQI、RI和PMI上的计算负担。此外，AP虚拟化映射220对UE 280是透明的，也有利地减小UE 280处的计算开销。

在步骤416中接收

之后，BS 210通过在随后的步骤417中从第一信道传递函数去除由AP到TXRU虚拟化操作222导致的效应来估计第二信道传递函数

也就是说，

或

如果UE 280配备有波束形成器282的话。可以以以下方式进行估计。作为用于说明的示例，考虑图3中所示的交叉极化AE对的矩形阵列。子图(a)反映基于窄波束的虚拟化(原因是很窄的波束可以由大量的AE形成)。AP到TXRU虚拟化矩阵的适宜选择是V_P(CSI-RS)，使得

然后可以通过计算

从

估计

如果阵列被划分为如子图(c)和(d)中所示的多个子阵列，则对每个子阵列进行估计，并且对于单独的子阵列的每个估计与以上用于基于窄波束的虚拟化的估计相同。上述方法不利用在UE 280处接收到的导频信号的SINR的知识。如果在步骤416中也由BS 210从UE 280接收到SINR，则最小均方误差(MMSE)估计可以用于以更大的精度从

估计

知道

BS 210确定有效载荷数据205的调制方案、码率和效率，以及确定用于根据第二信道传递函数层映射有效载荷数据205的一个或多个层的第一数量(步骤418)。如果

不包含V_P(CSI-RS)，则有效载荷数据205被映射到用于实现空间复用的一个或多个层，其中空间复用的程度取决于所确定的第一数量而不受AP到TXRU虚拟化操作222或AP虚拟化映射220限制。有效载荷数据205的调制方案、码率和效率的确定对应于图1的UE 180处的CQI的确定。用于层映射有效载荷数据205的一个或多个层的第一数量的确定对应于图1的UE 180处的RI的确定。本文所公开的方法有利地减轻UE 280计算CQI和RI的负担。在步骤418中，BS210还根据所确定的第一数量和第二信道传递函数来确定由预编码矩阵W表征的预编码操作240。预编码操作240用于通过在层映射之后预编码有效载荷数据205实现空间复用或传输分集。通过从所确定的第一数量和

确定W来确定预编码操作240。在步骤418中，第一数量和W的确定基于

而不是

由于

不包括V_P(CSI-RS)，因此在某种意义上

比

更接近H。因此，结果是确定的第一数量和W可以更好地利用MIMO信道250的“内容”来优化数据传输性能。

在完成信道估计之后，BS 210通过在层映射之后用预编码操作240、由TXRU生成模拟TXRU信号的操作224和TXRU到AE虚拟化操作225的第二级联处理有效载荷数据205，从有效载荷数据205生成多个数据信号(步骤419)。数据信号在MIMO信道250上传输到UE 280。

图5示例性地描绘有用于实现图2的BS系统架构的BS 500的硬件结构的示意图。BS500包括连接到模拟网络540的多个BS AE 510。应当注意，BS AE 510可以用作发射天线或接收天线，使得模拟网络540双向连接到BS AE 510。模拟网络540的一个用途是实现TXRU到AE操作225。由于TXRU到AE操作225通常用于模拟波束形成，因此模拟网络540优选地包括用于实现波束形成功能的多个移相器和多个加法器。另外，模拟网络540可重新配置以便实现TXRU到AE操作225的不同实例。模拟网络540双向连接到多个TXRU 530(对应于TXRU 224)。TXRU 530连接到一个或多个(计算)处理器520以便发送和接收数字数据。一个或多个处理器520执行控制和计算功能。特别地，一个或多个处理器520控制TXRU 530并且配置模拟网络540以实现TXRU到AE操作225。本领域技术人员可以容易地对一个或多个处理器520进行编程和配置以执行以下任务：在步骤412中确定AP到TXRU虚拟化操作222和TXRU到AE操作225；在步骤413中执行AP到TXRU虚拟化操作222；在步骤417中估计

在步骤418中确定有效载荷数据205的调制方案、码率和效率；在步骤418中确定第一数量和W；以及在步骤419中对有效载荷数据205执行预编码操作240。

在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他具体形式实施。所以本实施例在所有方面都被认为是示例性的而不是限制性的。本发明的范围由附带的权利要求而不是由前述的描述指示，并且因此在权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化都旨在被包括在其中。

Claims

1.一种用于将有效载荷数据经由多输入多输出MIMO信道从具有多个基站BS天线元件AE的BS传输到具有多个用户设备UE AE的UE的方法，BS具有多个收发器单元TXRU，每个收发器单元用于从单独的调制符号序列生成TXRU信号，所述方法包括：

由BS确定天线端口AP到TXRU虚拟化操作和TXRU到AE虚拟化操作，由此AP到TXRU虚拟化操作和TXRU到AE虚拟化操作的串联产生AP虚拟化映射；

通过用AP到TXRU虚拟化操作、由TXRU生成TXRU信号的操作和TXRU到AE虚拟化操作的第一级联处理预定的信道状态信息参考信号CSI-RS符号，由BS生成用于信道估计的多个导频信号，由此导频信号经由BS AE传输到UE；

由BS从UE接收第一信道传递函数，其中第一信道传递函数表征从预定的CSI-RS符号获得在UE处恢复的接收的CSI-RS符号的端到端过程，其中UE通过将接收到的CSI-RS符号与原始发送的CSI-RS符号进行比较来估计第一信道传递函数；

由BS通过从第一信道传递函数去除由AP到TXRU虚拟化操作导致的效应估计第二信道传递函数；

根据第二信道传递函数，由BS确定：

有效载荷数据的调制方案、码率和效率；

用于层映射有效载荷数据的一个或多个层的第一数量，由此有效载荷数据被映射到用于实现空间复用的一个或多个层，其中空间复用的程度取决于所确定的第一数量而不受AP虚拟化映射限制；以及

预编码操作，所述预编码操作用于通过在层映射之后预编码有效载荷数据实现空间复用或传输分集；

以及

通过在层映射之后用预编码操作、由TXRU生成模拟TXRU信号的操作和TXRU到AE虚拟化操作的第二级联处理有效载荷数据，由BS从有效载荷数据生成多个数据信号，由此数据信号在MIMO信道上传输到UE。

2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

由BS接收在UE处接收的导频信号的信号干扰噪声比SINR，由此BS将SINR用于通过最小均方误差MMSE估计来估计第二信道传递函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中根据UE特定信道统计确定AP到TXRU虚拟化操作。

4.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

在导频信号传播通过MIMO信道并且在UE处被接收之后，由UE从接收的导频信号恢复接收的CSI-RS符号；

通过将接收的CSI-RS符号与预定的CSI-RS符号比较，由UE估计第一信道传递函数；以及

由UE将第一信道传递函数发送到BS。

5.根据权利要求4所述的方法，其还包括：

在恢复接收的CSI-RS符号之前，由UE用波束形成操作来处理接收的导频信号以便增加信号干扰噪声比SINR。

6.一种基站BS，其包括：

多个BS天线元件AE；

多个收发器单元TXRU，每个收发器单元用于从单独的调制符号序列生成TXRU信号；

用于实现TXRU到AE虚拟化操作的模拟网络，TXRU到AE虚拟化操作处理由TXRU生成的多个TXRU信号并且映射该多个TXRU信号到BS AE以便传输；以及

用于执行计算和控制功能的一个或多个处理器，所述控制功能包括控制TXRU和配置所述模拟网络以实现TXRU到AE虚拟化操作；

其中所述TXRU、所述模拟网络和所述一个或多个处理器布置成通过权利要求1-3中任一项所述的方法经由多输入多输出MIMO信道将有效载荷数据从BS传输到具有多个用户设备UE AE的UE。

7.根据权利要求6所述的BS，其中BS AE布置为交叉极化AE对的矩形阵列，每个AE对由两个BS AE组成。

8.根据权利要求6所述的BS，其中所述模拟网络包括多个移相器和多个加法器。