CN106850010A - 基于混合波束赋形的信道反馈方法及装置 - Google Patents

基于混合波束赋形的信道反馈方法及装置 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例公开了一种基于混合波束赋形的信道反馈方法及装置。该方法包括：估计长时宽带的物理信道相关性矩阵；将所述长时宽带的物理信道相关性矩阵反馈至基站；估计模拟波束赋形后的短时窄带等价信道；以及基于自适应码本，将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站。本公开的实施例还公开了与之相对应的信道反馈方法及相应装置。本公开的实施例提供的基于混合波束赋形的信道反馈解决方案,显著降低了反馈开销，减少了系统射频通道数，并能在相同反馈开销情况下获得比传统纯数字波束赋形方案更好的系统性能。

Description

基于混合波束赋形的信道反馈方法及装置
技术领域
本公开的实施例总体上涉及无线通信领域，具体地，涉及基于混合波束赋形的信道反馈方法及装置。
背景技术
大规模输入输出(MIMO：Multiple Input Multiple Output)或大规模天线系统已经被公认为是5G通信系统的关键适用性技术，其在能量效率、频谱效率、鲁棒性和可靠性等方面具有极大优势。对采用波束赋形(BF：beamforming)的大规模MIMO系统，理论上，应用传统纯数字波束赋形技术能获得最理想的性能，然而，传统纯数字波束赋形要求射频(RF：Radio Frequency)通道的数目与天线数目相同，这导致当天线数目增加时，硬件复杂度和RF通道数目造成的成本增加，同时信号处理的复杂性及能量消耗急剧增大。在实际系统中,成本和功耗的增加成为实施大规模MIMO的障碍。
为了解决这一问题，混合模拟/数字波束赋形被认为是大规模MIMO系统中极具吸引力的技术。混合模拟/数字波束赋形结构使得RF通道数量比纯数字波束赋形方案少得多，因而大规模MIMO技术更实际可用且部署性价比更高。现有技术中对混合波束赋形方式的研究，尤其是混合波束赋形在频分双工(FDD：Frequency DivisionDuplexing)大规模MIMO系统中的应用是研究热点，但直至现在研究成果还非常少。
发明内容
本公开的实施例提供一种基于混合波束赋形的信道反馈解决方案，分为两部分：第一部分是估计长时宽带的物理信道相关性矩阵，并反馈该物理信道相关性矩阵，用于进行模拟波束赋形；第二部分是估计短时窄带等价信道，该等价信道是经过模拟波束赋形后的信道，并反馈该等价信道，用于进行数字波束赋形。该技术方案使得导频开销最小化,在相同的每个天线平均导频开销的情况下可获得比基于纯数字波束赋形方案更好的性能。
根据本公开的实施例的第一个方面，提供了一种基于混合波束赋形的信道反馈方法，包括：估计长时宽带的物理信道相关性矩阵；将所述长时宽带的物理信道相关性矩阵反馈至基站；估计模拟波束赋形后的短时窄带等价信道；以及基于自适应码本，将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站。
根据本公开的实施例的一个实施例，估计长时宽带的物理信道相关性矩阵包括：根据接收的第一导频信号，在长时间尺度中估计物理信道的宽带相关矩阵。
根据本公开的实施例的一个实施例，将所述长时宽带物理信道的相关性矩阵反馈至基站包括：在所述基站采用线性阵列或均匀平面阵列天线时，将水平物理信道相关性矩阵和垂直物理信道相关性矩阵反馈至所述基站。
根据本公开的实施例的一个实施例，估计模拟波束赋形后的短时窄带等价信道包括：根据接收的经过模拟波束赋形后的第二导频信号，在短时间尺度中估计所述短时窄带等价信道。
根据本公开的实施例的一个实施例，基于自适应码本，将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站包括：基于量化的物理信道相关性矩阵和来自所述基站的量化的模拟波束赋形矩阵，计算等价信道相关性矩阵；以及根据所述等价信道相关性矩阵和一个固定码本，计算自适应码本，并基于所述自适应码本，将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站。
根据本公开的实施例的一个实施例，将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站包括：将根据所述短时窄带等价信道而选择的最佳码字反馈至所述基站。
根据本公开的实施例的第二个方面，提供了一种基于混合波束赋形的信道反馈方法，包括：根据来自用户设备的长时宽带的物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵；基于预定码本，广播所述模拟波束赋形矩阵；基于自适应码本和来自用户设备的模拟波束赋形后的短时窄带等价信道，获得对应的短时窄带等价信道；以及根据来自多个用户设备的短时窄带等价信道，获得数字波束赋形矩阵。
根据本公开的实施例的一个实施例，该方法进一步包括：向所述用户设备发送第一导频信号，以使所述用户设备估计所述长时宽带的物理信道相关性矩阵；以及向所述用户设备发送经过模拟波束赋形后的第二导频信号，以使所述用户设备估计所述短时窄带等价信道。
根据本公开的实施例的一个实施例，根据来自用户设备的长时宽带的物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵包括：在采用线性阵列或均匀平面阵列天线时，根据来自用户设备的水平物理信道相关性矩阵和垂直物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵。
根据本公开的实施例的一个实施例，根据来自用户设备的水平物理信道相关性矩阵和垂直物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵包括：通过所述水平物理信道相关性矩阵和所述垂直物理信道相关性矩阵的克罗内克积计算，得到所述长时宽带物理信道相关性矩阵。
根据本公开的实施例的一个实施例，广播所述模拟波束赋形矩阵包括：以半静态方式向所有服务用户设备广播量化后的所述模拟波束赋形矩阵。
根据本公开的实施例的一个实施例，基于自适应码本和来自用户设备的模拟波束赋形后的短时窄带等价信道反馈，获得对应的短时窄带等价信道包括：基于自适应码本和来自用户设备的根据所述短时窄带等价信道而选择的最佳码字，获得对应的短时窄带等价信道。
根据本公开的实施例的一个实施例，基于自适应码本和来自用户设备的模拟波束赋形后的短时窄带等价信道反馈，获得对应的短时窄带等价信道包括：基于量化的物理信道相关性矩阵和量化的模拟波束赋形矩阵，获得等价信道相关性矩阵；以及根据所述等价信道相关性矩阵和一个固定码本，计算自适应码本，并基于所述自适应码本和所述最佳码字，得到所述短时窄带等价信道。
根据本公开的实施例的第三方面，提供了一种基于混合波束赋形的信道反馈装置，包括：第一估计单元，被配置为估计长时宽带的物理信道相关性矩阵；第一反馈单元，被配置为将所述长时宽带物理信道的相关性矩阵反馈至基站；第二估计单元，被配置为估计模拟波束赋形后的短时窄带等价信道；以及第二反馈单元，被配置为基于自适应码本，将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站。
根据本公开的实施例的第四方面，提供了一种基于混合波束赋形的信道反馈装置，包括：第一计算单元，被配置为根据来自用户设备的长时宽带的物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵；广播单元，被配置为基于预定码本，广播所述模拟波束赋形矩阵；第二计算单元，被配置为基于自适应码本和来自用户设备的模拟波束赋形后的短时窄带等价信道反馈，获得对应的短时窄带等价信道；以及第三计算单元，被配置为根据来自多个用户设备的短时窄带等价信道，获得数字波束赋形矩阵。
本公开的实施例提出的用于大规模多输入多输出系统的信道估计和反馈解决方案,显著降低了反馈开销，减少了系统射频通道数，并能在相同反馈开销情况下获得比传统纯数字波束赋形方案更好的系统性能。系统仿真验证了相同反馈开销的情况下，基于混合波束赋形的信道估计和反馈方案可获得比基于纯数字波束赋形方案更好的性能且RF通道数减至其1/4。
附图说明
通过参考下列附图所给出的对非限制性实施例的详细描述，将更好地理解本公开的实施例，并且本公开的实施例的其他目的、细节、特点和优点将变得更明显。在附图中：
图1是示出一种基于混合波束赋形的系统结构Ⅰ示意图；
图2是示出一种基于混合波束赋形的系统结构Ⅱ示意图；
图3是示出根据本公开的一个实施例的基于混合波束赋形的信道反馈流程图；
图4是示出根据本公开的另一个实施例的基于混合波束赋形的信道反馈流程图；
图5示出根据本公开的一个实施例的详细基于混合波束赋形的信道反馈流程图；
图6示出UPA天线阵列的示意图；
图7是示出根据本公开的一个实施例的基于混合波束赋形的信道反馈装置图；
图8是示出根据本公开的另一个实施例的基于混合波束赋形的信道反馈装置图。
具体实施方式
现将结合附图对本公开的实施例进行具体的描述。所附附图仅仅通过示例的方式示出了能够实现本公开的特定的实施例，示例的实施例并不旨在穷尽根据本公开的所有实施例。本领域的技术人员可以在不偏离本公开的实施例精神和保护范围的基础上从下述描述得到替代的实施方式，进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本公开的实施例的范围由所附的权利要求所限定。需要说明的是，尽管附图中以特定顺序描述了本公开的实施例中有关方法的步骤，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果，相反，本文中所描述的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
在本公开的实施例中，以频分双工(FDD)系统为例来说明本公开的实施例的技术方案，本领域技术人员应该理解的是本公开的实施例的技术方案也可适用于其它采用频分双工技术的通信系统。
在没有精确校准天线的时分双工(TDD：Time Division Duplexing)或FDD系统中，由于上行链路(UL)和下行链路(DL)的信道互易性较差，混合波束赋形技术需要信道状态信息(CSI：Channel StateInformation)反馈。本公开的实施例提出的基于混合波束赋形的信道反馈分两部分：
1)估计长时宽带的物理信道相关性矩阵，并反馈该物理信道相关性矩阵，用于进行模拟波束赋形；以及
2)估计短时窄带等价信道，该等价信道是经过模拟波束赋形后的信道，并反馈该等价信道，用于进行数字波束赋形。
由于等价信道具有相对物理信道小得多的维度，相比于纯数字波束赋形，信道估计所需导频开销要低得多。另一方面,物理信道相关性矩阵的变化比衰减系数的变化慢得多,所以第一部分可以在一个比第二部分更长的时间尺度中重复。
图1示出了一种基于混合模拟数字波束赋形的系统结构Ⅰ示意图。图1中示意系统包括基站和K个用户终端(UE：User Equipment)，其中，基站包括数字波束赋形模块(DBF)和模拟波束赋形模块(ABF)，并具有K个数据流，即SO(t)，…，SK-1(t)，NT个天线和K≤N≤NT个RF通道。以基站发射信号为例，对K个数字数据流进行数字波束赋形,产生N个数字波束赋形流。然后这N个数字数据流通过离散傅里叶逆变换(IDFT：Inverse Digital Fourier Transform)从频域转换到时域并且输入到N个RF通道以从数字域转换到模拟域,生成N个模拟数据流。然后对N个模拟数据流进行模拟波束赋形并生成NT个流,每个流映射到基站的一个传输天线。基站接收信号过程是类似的但是逆转的。
图2示出了一种基于混合模拟数字波束赋形的系统结构Ⅱ示意图。与图1中所示的系统结构差别在于，在图1中每个RF通道与所有NT个天线连接，而图2结构中，每个RF通道仅与NT个天线中的部分天线连接，即每个RF通道与NT/N个天线连接。根据应用场景的不同，可以配置不同的系统结构。
由此可见,采用混合模拟数字波束赋形的系统,RF通道数目N可以在K和NT之间灵活选择，在大规模MIMO系统中,很有可能射频通道数量远小于天线数量，也即N<<NT。
在本公开的实施例中，用户设备和基站应当被理解为泛指无线通信系统中的用户侧移动终端设备和网络侧基站(或无线接入节点)设备。
以下讨论中，假设在一个具有NFFT个子载波的下行OFDM大规模MIMO系统中，基站通过多用户波束赋形同时支持K个用户，并且基站配置了NT个天线和K≤N≤NT个RF通道。每个用户配置了单天线。
图3示出了根据本公开的一个实施例的基于混合波束赋形的信道反馈流程图。根据本公开的一个实施例，基于混合波束赋形的信道反馈方法包括以下步骤：
S301：估计长时宽带的物理信道相关性矩阵。在该步骤中，根据接收的第一导频信号，在长时间尺度中估计物理信道的宽带相关矩阵。
S302：将所述长时宽带的物理信道相关性矩阵反馈至基站。在该步骤中，如果基站采用采用线性阵列或均匀平面阵列天线，用户设备可以将水平物理信道相关性矩阵和垂直物理信道相关性矩阵反馈至基站，由基站计算得到物理信道相关性矩阵，具体过程将在下文中详细描述，由此可进一步降低上行反馈开销。
由于宽带物理信道相关性矩阵的变化相对而言是缓慢的,所以宽带物理信道相关性矩阵的反馈可以在一个相对更长的时间尺度中重复。这也意味着物理信道相关性矩阵的反馈可以半静态地进行，上行开销仍然非常有限。
S303：估计模拟波束赋形后的短时窄带等价信道。在该步骤中，根据接收的经过模拟波束赋形后的第二导频信号，在短时间尺度中估计等价信道。
S304：基于自适应码本，将等价信道反馈至基站。在该步骤中，首先，基于量化的物理信道相关性矩阵和来自基站的量化的模拟波束赋形矩阵，计算等价信道相关性矩阵；接着，根据等价信道相关性矩阵和一个固定码本，计算自适应码本，并基于自适应码本，将等价信道反馈至基站。
本公开的实施例提出的基于自适应码本反馈等价信道的方案，由于用户设备和基站都可以计算得到等价信道相关性矩阵，因而不同于传统的自适应码本反馈方式，用户设备只需要反馈最佳码字，而不用反馈等价信道相关性矩阵。具体过程将在下文中详细描述。
图4示出了根据本公开的另一个实施例的基于混合波束赋形的信道反馈流程图。根据本公开的另一个实施例，基于混合波束赋形的信道反馈方法包括以下步骤：
S401：根据来自用户设备的长时宽带的物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵。在该步骤中，将用户设备反馈的物理信道相关性矩阵进行奇异值分解，计算得到模拟波束赋形矩阵。
S402：基于预定码本，广播所述模拟波束赋形矩阵。在该步骤中，定义码本，量化模拟波束赋形矩阵，并向所有服务用户广播量化后的模拟波束赋形矩阵。
S403：基于自适应码本和来自用户设备的模拟波束赋形后的短时窄带等价信道反馈，获得对应的短时窄带等价信道。在该步骤中，首先，基于量化的物理信道相关性矩阵和量化的模拟波束赋形矩阵，计算等价信道相关性矩阵；接着，根据所述等价信道相关性矩阵和一个固定码本，计算自适应码本，并基于自适应码本和用户设备反馈的等价信道信息，得到对应的短时窄带等价信道。
S404：根据来自多个用户设备的短时窄带等价信道，获得数字波束赋形矩阵。在该步骤中，根据多个用户设备反馈的等价信道，可以采用现有数字波束赋形算法得到数字波束赋形矩阵。之后，基站可以进行多用户调度以及进行混合波束赋形发送下行数据。
为了更清楚地描述本公开的实施例的技术方案，下面以一个具体例子来描述所需要的操作步骤。为了简单起见，以下讨论中，结合在以上描述已定义的变量和步骤，主要以单个用户为例，本领域技术人员应该理解的是系统中的K个用户都采用类似操作，并且本公开的实施例的技术方案并不局限于特定的用户数量或特定的OFDM符号个数。
图5中示出了根据本公开的一个实施例的详细基于混合波束赋形的信道反馈流程图。该流程主要包括物理信道相关性矩阵的估计和反馈及等价信道的估计和反馈两个部分，其中，物理信道相关性矩阵的估计和反馈在长时间尺度进行，等价信道估计和反馈在短时间尺度进行。信道估计是基于导频的方式，本领域技术人员应该理解，也可以采用其他方式进行信道估计。
S501.基站(BS)向用户设备(UE)发送第一导频信号，该第一导频信号用于估计长时宽带的物理信道相关性矩阵。
S502.基于来自BS的第一导频信号，UE在长时间尺度中估计物理信道的宽带相关矩阵。
UE在长时间尺度中估计物理信道的宽带相关矩阵。这里的物理信道相关性矩阵的估计，可以通过先估计所有子带上的物理信道，然后再计算出物理信道的相关性矩阵。这里物理信道的估计可以采用传统方法，例如传统的最小均方误差(MMSE:Minimum Mean SquareError)信道估计器、最小二乘法信道估计器(LS:Least Square)等，在此不再赘述。本领域技术人员应该理解的是物理信道相关性矩阵的估计也可以用其它任何合适的方法来实现。
S503.UE量化并反馈长时宽带的物理信道相关性矩阵至BS。
每个UE对估计出的长时宽带的物理信道相关性矩阵Rk(其中k为用户标号，表示第k个用户)进行量化，然后将量化后的结果反馈至BS。
由于几何尺寸的实际限制，均匀平面阵列(UPA)天线被广泛用于大规模MIMO系统中。在本公开的一个实施例中，假设基站采用如图6所示的UPA天线阵列，其由Mc行×Mr列天线构成，即Nt＝MrMc。可得知，UPA的Nt×Nt物理信道相关性矩阵RUPA可近似等于分别对应于水平和垂直线性阵列的两个子信道相关性矩阵的克罗内克积，即
其中，Rr和Rc分别表示Mr×Mr水平子信道相关性矩阵和Mc×Mc垂直子信道相关性矩阵。
因此，UPA的物理信道相关性矩阵的反馈可由分别对应于水平和垂直线性阵列的两个更低维度的子信道相关性矩阵反馈代替。这样，物理信道相关性矩阵的反馈开销能显著降低。水平和垂直子信道相关性矩阵Rr和Rc的量化和反馈可利用现有的针对线性阵列的方法。以单极化线性阵列为例，相关性矩阵近似为
其中，和分别为水平和垂直阵列的发射相关系数。由此，Rr和Rc的反馈简化为反馈ρr和ρc。
在本公开的一个实施例中，例如，将水平和垂直阵列发射系数分别以6比特量化，那么共12比特用于物理信道相关性矩阵反馈。显然地，对采用线性阵列天线的系统，同样可采用上述类似方法反馈。
由于是在长时宽带层级估计物理信道相关性矩阵，因此，物理信道相关性矩阵可被半静态地信号反馈，上行开销仍然非常有限。
S504.基于UE反馈的长时宽带物理信道相关性矩阵，BS计算宽带模拟波束赋形矩阵。
在本公开的一个实施例中，基于UE反馈的水平和垂直子信道相关性矩阵Rr和Rc，BS可根据式(1)计算得到其长时宽带物理信道相关性矩阵。
BS根据K个用户反馈的物理信道相关性矩阵，得到所有子载波上的长时宽带物理信道相关性矩阵R。宽带模拟波束赋形矩阵T是在所有子载波上的宽带矩阵，由长时宽带物理信道相关性矩阵R计算得到。根据本公开的一个实施例，由R的对应N个最大的特征值的特征向量组成，即
T＝U(：，1∶N) (4)其中
R＝UΛUH (5)U代表酉矩阵，Λ代表对角矩阵，Λ由R的特征向量在对角线以递减的次序组成。在式(4)中，U(：，1∶N)指示U的前N列。
S505.基于定义的码本，BS量化模拟波束赋形矩阵。
为了量化模拟波束赋形矩阵T，定义码本U，该码本同时被放置在UE和BS中。一般地，可根据某些规则例如基于系统最大容量化来为每个RF通道选择U中的最佳码字。
在本公开的一个实施例中，对于码本设计，假设每个RF通道接连到由mc行×mr列天线构成的子UPA，码本U则为分别对应于mr-Tx水平和mc-Tx垂直线性阵列的水平码本Ur和垂直码本Uc的克罗内克积，即
例如,对单极化UPA，Ur和Uc可以分别设计为mr-Tx和mc-Tx的DFT码本。
下面参考图1和图2做进一步说明。在图1示出的混合波束赋形结构Ⅰ中，每个RF通道连接到所有的Nt发射天线，因此，mr＝Mr，mc＝Mc。在图2示出的混合波束赋形结构Ⅱ中，如果每个RF通道仅连接列发射天线，即mr＝1，mc≤Mc，则码本U＝Uc。更进一步地，在某些情况下当用户具有相似垂直离开角AoD(例如，在建筑物的同一层)时，对所有RF通道采用相同波束也是可行的，这样可以降低模拟波束赋形矩阵指示的开销到1/N并等于码本U的比特数。
S506.BS向其所服务的所有UE广播量化的模拟波束赋形矩阵。
模拟波束赋形矩阵是基于长时宽带物理信道相关性矩阵而得到的，它同样可以被半静态的广播。广播模拟波束赋形矩阵量化的总开销为码本比特数和RF通道数目的乘积。
S507.BS向UE发送第二导频信号，用于估计短时窄带等价信道。
为了UE估计模拟波束赋形后的等价信道，BS向UE发送第二导频信号，第二导频信号是经过模拟波束赋形的，即采用了上述的模拟波束赋形矩阵T，等价信道即是模拟波束赋形后的信道。由于等价信道具有相对物理信道小得多的维度，与纯数字波束赋形相比，信道估计所需导频开销要低得多。
S508.UE估计模拟波束赋形后的短时窄带等价信道。
等价信道的估计可以采用传统方法，例如传统的最小均方误差(MMSE)信道估计器，在此不再赘述。可选的，也可以用最小二乘法信道估计器(LS)。本领域技术人员应该理解的是估计等价信道也可以用其它任何合适的信道估计器来实现。
S509.基于自适应码本，UE量化并反馈等价信道。
在传统CSI反馈方法中，由于自适应码本与信道的主导本征空间相匹配，自适应码本已被证实非常有效且适于多种天线配置。
在本公开的一个实施例中，基于自适应码本，UE反馈等价信道。在自适应码本中，最终的码本是等价信道相关性矩阵Reff和预定码本W的乘积，即
预定码本W同时被放置在UE和BS中，其可以是常用码本如DFT码本。
设为频域物理信道矩阵，为频域等价信道矩阵，则等价信道相关性矩阵Reff可根据下式计算得到：
从式(8)中可以看出，等价信道相关性矩阵可直接由模拟波束赋形矩阵和物理信道相关性矩阵计算得到。
基于步骤S6中来自BS广播的量化的模拟波束赋形矩阵，UE根据式(8)计算得到等价信道相关性矩阵，并根据式(7)计算得到自适应码本本公开的一个实施例中，UE根据估计的等价信道，只需要选择和反馈式(7)中计算出的中最好的码字。
本公开的实施例中，UE和BS均能够根据式(8)自身直接计算得到等价信道相关性矩阵，因而与传统自适应码本反馈不同，并不需要反馈Reff。另外，值得注意的是，如果UE基于测量的等价信道得到等价信道相关性矩阵，那么在BS计算的和用户侧测量的等价信道的相关性矩阵之间将会存在不匹配，这会导致显著的系统性能下降。因此，本公开的实施例中UE和BS根据式(8)直接计算得到等价信道相关性矩阵。
根据本公开的实施例，尽管下行链路中，BS需要广播量化的模拟波束赋形矩阵，但下行资源相对而言不如上行资源那么稀缺，这种方法比传统自适应码本减少了上行开销；同时，如前所述，模拟波束赋形矩阵是基于长时宽带物理信道相关性矩阵而得到的，因此它可以被半静态地广播，下行开销仍然非常有限。
S510.基于自适应码本，BS计算得到短时窄带等价信道。
基于量化的模拟波束赋形矩阵和物理信道相关性矩阵，BS根据式(8)计算得到等价信道相关性矩阵，并根据式(7)计算得到自适应码本然后利用从UE的反馈中得到近似的等价信道即
S511.基于来自所有所服务的UE的等价信道，BS进行数字波束赋形和多用户调度。
数字波束赋形可以用任何现有的算法来实现，例如用信道求逆算法，在第w子载波上的数字预编码矩阵可由公式(9)计算
其中
式(9)中P为对角矩阵，其对角元素代表K个UE的传输功率，式(10)中表示第k个用户在第w子载波上的等价信道估值。
BS可以采用现有的用户调度算法例如基于贪婪搜索的比例公平调度算法等进行用户调度。
S512.BS进行下行数据传输。
BS采用模拟波束赋形矩阵T和数字波束赋形矩阵Bw进行下行数据传输。
其中，代表在第w子载波上的接收信号，代表在第w子载波上传输的数据信号以及代表加性高斯白噪声。
图7示出了根据本公开的一个实施例的基于混合波束赋形的信道反馈装置，该装置包括：第一估计单元701，被配置为估计长时宽带的物理信道相关性矩阵；第一反馈单元702，被配置为将所述长时宽带物理信道的相关性矩阵反馈至基站；第二估计单元703，被配置为估计模拟波束赋形后的短时窄带等价信道；以及第二反馈单元704，被配置为基于自适应码本，将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站。
图8示出了根据本公开的另一个实施例的基于混合波束赋形的信道反馈装置，该装置包括：第一计算单元801，被配置为根据来自用户设备的长时宽带的物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵；广播单元802，被配置为基于预定码本，广播所述模拟波束赋形矩阵；第二计算单元803，被配置为基于自适应码本和来自用户设备的模拟波束赋形后的短时窄带等价信道反馈，获得对应的短时窄带等价信道；以及第三计算单元804，被配置为根据来自多个用户设备的短时窄带等价信道，获得数字波束赋形矩阵。
在19个站点、每站点3个小区的同构网络系统中，系统仿真结果验证了本公开的实施例的优点。仿真参数和条件如表1，仿真结果如表2。
表1仿真参数和条件
每个BS配置8行×8列的单极化平面阵列天线，服务10个单天线用户。如图1和图2所示的结构Ⅰ和Ⅱ中都采用16个RF通道，并应用子带调度的多用户MIMO。在仿真中，纯数字波束赋形和混合波束赋形方法均采用自适应码本。αr＝αc＝0.9,θr和θc分别以6比特量化，共12比特用于物理信道相关性矩阵反馈。自适应码本中的码本W是4比特DFT码本。关于模拟波束赋形量化，混合波束赋形结构Ⅰ中，基于两个4比特DFT码本的克罗内克积得到的8比特码本用于独立量化每个RF波束；混合波束赋形结构Ⅱ中，假设所有RF通道都采用同样的波束并由4比特DFT码本量化RF波束。
表2不同方案的性能比较
从表2可知，混合波束赋形结构Ⅰ实现了最佳性能，在64Tx FDD系统中，相同信道反馈开销的情况下，相对于传统纯数字波束赋形方法，甚至有10％的小区平均容量增益和21％的小区边缘用户容量增益，而RF通道数目可被显著减少为1/4。混合波束赋形结构Ⅱ相对于纯数字波束赋形方法也限制了性能降低，有大约9％小区平均容量损失和1％小区边缘用户容量损失。另外，相比于现有的LTE R10 8TxMU-MIMO系统，提出的混合波束赋形方法，通过增加天线数目至64并仅用双倍的RF通道，在结构Ⅰ中有78％的小区平均容量增益和105％的小区边缘用户容量增益，结构Ⅱ中有46％的小区平均容量增益和67％的小区边缘用户容量增益。
通过以上描述和相关附图中所给出的教导，这里所给出的本公开的实施例的许多修改形式和其它实施方式将被本公开的实施例相关领域的技术人员所意识到。因此，所要理解的是，本公开的实施方式并不局限于所公开的具体实施方式，并且修改形式和其它实施方式意在包括在本公开的实施例的范围之内。此外，虽然以上描述和相关附图在部件和/或功能的某些示例组合形式的背景下对示例实施方式进行了描述，但是应当意识到的是，可以由备选实施方式提供部件和/或功能的不同组合形式而并不背离本公开的实施例的范围。就这点而言，例如，与以上明确描述的有所不同的部件和/或功能的其它组合形式也被预期处于本公开的实施例的范围之内。虽然这里采用了具体术语，但是它们仅以一般且描述性的含义所使用而并非意在进行限制。
对于本领域技术人员而言，显然本公开的实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本公开的实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本公开的实施例。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (26)

1.一种基于混合波束赋形的信道反馈方法，包括：
估计长时宽带的物理信道相关性矩阵；
将所述长时宽带的物理信道相关性矩阵反馈至基站；
估计模拟波束赋形后的短时窄带等价信道；以及
基于自适应码本，将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站。
2.根据权利要求1所述的方法，其中估计长时宽带物理信道相关性矩阵包括：
根据接收的第一导频信号，在长时间尺度中估计物理信道的宽带相关性矩阵。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述长时宽带物理信道的相关性矩阵反馈至基站包括：
在所述基站采用线性阵列或均匀平面阵列天线时，将水平物理信道相关性矩阵和垂直物理信道相关性矩阵反馈至所述基站。
4.根据权利要求1所述的方法，其中估计模拟波束赋形后的短时窄带等价信道包括：
根据接收的经过模拟波束赋形后的第二导频信号，在短时间尺度中估计所述短时窄带等价信道。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中基于自适应码本，将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站包括：
基于量化的物理信道相关性矩阵和来自所述基站的量化的模拟波束赋形矩阵，计算等价信道相关性矩阵；以及
根据所述等价信道相关性矩阵和一个固定码本，计算自适应码本,并基于所述自适应码本，将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站。
6.根据权利要求5所述的方法，其中将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站包括：
将根据所述短时窄带等价信道而选择的最佳码字反馈至所述基站。
7.一种基于混合波束赋形的信道反馈方法，包括：
根据来自用户设备的长时宽带的物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵；
基于预定码本，广播所述模拟波束赋形矩阵；
基于自适应码本和来自用户设备的模拟波束赋形后的短时窄带等价信道反馈，获得对应的短时窄带等价信道；以及
根据来自多个用户设备的短时窄带等价信道，获得数字波束赋形矩阵。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
向所述用户设备发送第一导频信号，以使所述用户设备估计所述长时宽带的物理信道相关性矩阵；以及
向所述用户设备发送经过模拟波束赋形后的第二导频信号，以使所述用户设备估计所述短时窄带等价信道。
9.根据权利要求7所述的方法，其中根据来自用户设备的长时宽带的物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵包括：
在采用线性阵列或均匀平面阵列天线时，根据来自用户设备的水平物理信道相关性矩阵和垂直物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵。
10.根据权利要求9所述的方法，其中根据来自用户设备的水平物理信道相关性矩阵和垂直物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵包括：
通过所述水平物理信道相关性矩阵和所述垂直物理信道相关性矩阵的克罗内克积计算，得到所述长时宽带的物理信道相关性矩阵。
11.根据权利要求7所述的方法，其中广播所述模拟波束赋形矩阵包括：
以半静态方式向所有服务用户设备广播量化后的所述模拟波束赋形矩阵。
12.根据权利要求7-11中任一项所述的方法，其中基于自适应码本和来自用户设备的模拟波束赋形后的短时窄带等价信道反馈，获得对应的短时窄带等价信道包括：
基于自适应码本和来自用户设备的根据所述短时窄带等价信道而选择的最佳码字，获得对应的短时窄带等价信道。
13.根据权利要求12所述的方法，其中基于自适应码本和来自用户设备的模拟波束赋形后的短时窄带等价信道，获得对应的短时窄带等价信道包括：
基于量化的物理信道相关性矩阵和量化的模拟波束赋形矩阵，获得等价信道相关性矩阵；以及
根据所述等价信道相关性矩阵和一个固定码本，计算自适应码本，并基于所述自适应码本和所述最佳码字，获得对应的短时窄带等价信道。
14.一种基于混合波束赋形的信道反馈装置，包括：
第一估计单元，被配置为估计长时宽的带物理信道相关矩阵；
第一反馈单元，被配置为将所述长时宽带的物理信道相关性矩阵反馈至基站；
第二估计单元，被配置为估计模拟波束赋形后的短时窄带等价信道；以及
第二反馈单元，被配置为基于自适应码本，将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述第一估计单元进一步被配置为：
根据接收的第一导频信号，在长时间尺度中估计物理信道的宽带相关矩阵。
16.根据权利要求14所述的装置，其中所述第一反馈单元进一步被配置为：
在所述基站采用线性阵列或均匀平面阵列天线时，将水平物理信道相关性矩阵和垂直物理信道相关性矩阵反馈至所述基站。
17.根据权利要求14所述的装置，其中所述第二计算单元进一步被配置为：
根据接收的经过模拟波束赋形后的第二导频信号，在短时间尺度中估计所述短时窄带等价信道。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的装置，其中所述第二反馈单元进一步被配置为：
基于量化的物理信道相关性矩阵和来自所述基站的量化的模拟波束赋形矩阵，计算等价信道相关性矩阵；以及
根据所述等价信道相关性矩阵和一个固定码本，计算自适应码本，并基于所述自适应码本，将所述短时窄带等价信道反馈至所述基站。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述第二反馈单元进一步被配置为：
将根据所述短时窄带等价信道而选择的最佳码字反馈至所述基站。
20.一种基于混合波束赋形的信道反馈装置，包括：
第一计算单元，被配置为根据来自用户设备的长时宽带的物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵；
广播单元，被配置为基于预定码本，广播所述模拟波束赋形矩阵；
第二计算单元，被配置为基于自适应码本和来自用户设备的模拟波束赋形后的短时窄带等价信道反馈，获得对应的短时窄带等价信道；以及
第三计算单元，被配置为根据来自多个用户设备的短时窄带等价信道，获得数字波束赋形矩阵。
21.根据权利要求20所述的装置，进一步包括发送单元，所述发送单元被配置为：
向所述用户设备发送第一导频信号，以使所述用户设备估计所述长时宽带的物理信道相关性矩阵；以及
向所述用户设备发送经过模拟波束赋形后的第二导频信号，以使所述用户设备估计所述短时窄带等价信道。
22.根据权利要求20所述的装置，其中所述第一计算单元进一步被配置为：
在采用线性阵列或均匀平面阵列天线时，根据来自用户设备的水平物理信道相关性矩阵和垂直物理信道相关性矩阵，获得模拟波束赋形矩阵。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述第一计算单元进一步被配置为：
通过所述水平物理信道相关性矩阵和所述垂直物理信道相关性矩阵的克罗内克积计算，得到所述长时宽带物理信道相关性矩阵。
24.根据权利要求20所述的装置，其中所述广播单元进一步被配置为：
以半静态方式向所有服务用户设备广播量化后的所述模拟波束赋形矩阵。
25.根据权利要求20-24中任一项所述的装置，其中所述第二计算单元进一步被配置为：
基于自适应码本和来自用户设备的根据所述短时窄带等价信道而选择的最佳码字，获得对应的短时窄带等价信道。
26.根据权利要求25所述的装置，其中所述第二计算单元进一步被配置为：
基于量化的物理信道相关性矩阵和量化的模拟波束赋形矩阵，获得等价信道相关性矩阵；以及
根据所述等价信道相关性矩阵和一个固定码本，计算自适应码本，并基于所述自适应码本和所述最佳码字，得到所述短时窄带等价信道。
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