CN107836089B - 混合波束成形多天线无线系统 - Google Patents

混合波束成形多天线无线系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出用于MU‑MIMO无线通信系统的方法，MU‑MIMO无线通信系统包括：BS，其具有放置为线性阵列或平面阵列的多个天线；多个UE，用于在BS处进行两级信号处理，以减少系统实现复杂度(即RF预编码/组合和基带预编码/检测)；BS获得每个UE的信道矩阵的二阶统计信息，以通过比BS处的收发天线的导频远更少的数量的导频计算RF预编码矩阵，其中，可以通过上行链路基准信号或下行链路基准信号加上上行链路反馈获得信道矩阵的二阶统计信息。

Description

混合波束成形多天线无线系统
本申请要求2015年4月15日提交的美国临时专利申请No.62/148,089的权益。
技术领域
本专利的领域是多天线无线通信系统。
本发明总体上涉及多入多出(MIMO)无线通信网络或系统，更具体地说，用于基于部分地测量的信道状态信息(CSI)计算模拟波束成形矩阵和基带预编码/检测矩阵的新颖方法以及用于实现该方法的装置和系统。
背景技术
在[1]中首先介绍了大规模多入多出(MIMO)或大型MIMO系统，其中，每个基站(BS)装配有几十至几百个天线，以在相同时间-频率资源中通过多用户MIMO(MU-MIMO)同时服务于几十个用户。因此，它们可以实现比线性波束成形方法(例如迫零(ZF)，其可以实现非常接近信道容量的性能)的传统MU-MIMO系统显著更高的空间复用增益，并且已经引起来自学术界和工业界的极大兴趣([1]-[3])。此外，大规模MIMO视为用于第5代(5G)无线通信系统的最有前途的技术之一，并且已经包括于最新第3代伙伴项目(3GPP)长期演进(LTE)标准发行版13中([4])，其中，其称为全维(FD)MIMO。
无论优点如何，对于将大规模MIMO应用于实际系统，仍存在非常艰难的挑战。为了利用大型天线阵列的增益，采用下行链路作为示例，所有天线的信号首先在基带处受处理(例如，信道估计、预编码等)，然后在通过数模(D/A)转换器、混频器和功率放大器(即射频(RF)链)之后上转换到载波频率。RF链的输出然后与天线元件耦合。因此，其在下行链路中对于每预编码单元的ZF预编码引入巨大的基带计算复杂度(例如O(NtK2))，其中，Nt和K分别是BS处的天线的数量和每MU-MIMO群组的用户的数量。此外，每个天线元件需要专用RF链，当Nt非常大时实质上增加实现成本，并且需要混合信号分量的高功耗，这样对于数字基带预编码可能导致不切实际的高复杂度。另一方面，通过当前电路技术，成本有效可变移相器已经是可用的，这样使得可能应用仅高维相位RF或模拟处理([5]、[6])。归因于这些原因，混合波束成形(HB)([7]、[8])得以提出并且被认为是用于解决实际系统中的该问题的有前途的解决方案(例如最新LTE发行版13([4]))，其中，全局波束成形分别分解为基带数字预编码/检测和RF模拟预编码/组合，从而基带处的信号维度(即RF链的数量)得以减少到比物理天线的数量远更小的数量。模拟预编码/组合又称为天线虚拟化([4])。图1中示出具有HB的BS发射机的架构。具体地说，第一级数字基带预编码2首先处理K×1个基带发送数据矢量s1，即，xBB＝WBBs，其中，WBB是NRF×K数字基带预编码矩阵，其中，NRF是RF链的数量，xBB是NRF×1基带预编码发送码元矢量3,，其中，
Figure BDA0001433223950000021
是xBB中的第i元素。然后，在xBB传递通过这NRF个RF链4之后，应用第二级RF模拟预编码5，即，xRF＝WRFxBB，其中，WRF是Nt×NRFRF模拟预编码矩阵6，其中，θji,i＝1,…,NRF,j＝1,…,Nt是通常实际上由包括相移器7和求和器8的相移网络实现的WRF中的第{j，i}元素，xRF是Nt×1发送RF码元矢量9，其中，
Figure BDA0001433223950000022
是xRF中的第j元素。最后，Nt个天线10发送xRF。相似地，图2中示出具有HB的BS接收机的架构。具体地说，设Nt个天线接收到的并且在带通滤波器(BPF)和低噪声放大器(LNA)11之后的Nt×1RF码元矢量是yRF，其中，
Figure BDA0001433223950000023
是yRF中的第j元素。首先，通过第一级RF模拟组合13处理yRF，即，yBB＝WRF,TyRF，其中，WRF是图1中的Nt×NRFRF模拟组合矩阵，并且yBB是NRF个RF链接收到的NRF×1基带码元矢量，其中，
Figure BDA0001433223950000024
是yBB中的第i元素。然后，应用数字基带检测15，即，
Figure BDA0001433223950000025
其中，GBB是K×NRF数字基带检测矩阵，并且
Figure BDA0001433223950000026
是K×1基带检测码元矢量。除了传统微波商用通信系统之外，HB也已经被认为是用于具有大型天线阵列的毫米波(mm-Wave)通信系统的最有前途的波束成形方法([7]、[8])。
关于下行链路传输，在[9]-[11]中提出现有的三种HB方法。在[9]中，首先基于完整CSI计算每个用户的信道矢量的波束空间或掩蔽(即离散傅立叶变换(DFT)矩阵中的若干矢量)。MU-MIMO群组的模拟预编码矩阵包括所有K个用户的波束空间。在[10]中，推导具有部分CSI的用于单用户MIMO(SU-MIMO)的迭代HB方法。在[11]中，MU-MIMO信道矩阵的相位分量用作模拟预编码矩阵。然而，所有这些方法面临两个以下问题中的至少一个：
1)完整CSI(即每个天线的信道系数)假设为在基带处可用于计算模拟预编码矩阵，这对于具有有限数量的RF链的实际系统是不实际的。然而，如果发送上行链路侦听基准信号(SRS)的用户测量CSI，则归因于HB系统中的有限数量的RF链，完整CSI是不可用的。如果下行链路CSI-RS测量CSI，则因为大量天线，所以导频开销实质上是巨大的。此外，所测量的CSI必须在反馈到BS之前被量化。因此，完整CSI不可用于实际系统。
2)基于单个MU-MIMO群组中的用户的CSI推导模拟预编码矩阵。然而，对于实际的基于OFDM的系统(例如LTE/LTE-A)，由于在一个OFDM码元中调度多个MU-MIMO群组，因此这些算法遭受大的性能损失，因为它们仅适合于单个MU-MIMO群组。
出于这些原因，该专利提供设计为克服现有技术的这些短处的HB方法和装置。所提出的方法首先基于部分CSI中所包含的主角度信息构造用于每个用户的子空间。然后，通过系统中的所有用户的子空间推导统一模拟波束成形矩阵。最后，采用基带波束成形。
附图说明
作为当结合附图时本发明的各个方面的以下详细描述的结果，将更清楚地理解本发明的前述实现方式以及附加实现方式。贯穿附图的若干视图，相同标号指代对应部分。
图1示出具有全局模拟预编码的BS的发射机架构。
图2示出具有全局模拟组合的BS的接收机架构。
图3示出具有部分模拟预编码的示例的BS的发射机架构。
图4示出具有部分模拟组合的示例的BS的接收机架构。
图5示出具有单极化天线的平面天线阵列。
图6示出具有交叉极化天线的平面天线阵列。
图7示出通过本专利中的方法I获得下行链路中的模拟预编码矩阵
Figure BDA0001433223950000031
和上行链路中的模拟组合矩阵
Figure BDA0001433223950000032
的处理。
图8示出通过本专利中的方法II获得下行链路中的模拟预编码矩阵
Figure BDA0001433223950000033
和上行链路中的模拟组合矩阵
Figure BDA0001433223950000034
的处理。
图9示出将
Figure BDA0001433223950000035
应用于估计用于第k UE的下行链路基带有效信道的处理。
图10示出将
Figure BDA0001433223950000036
应用于估计用于第k UE的上行链路基带有效信道的处理。
具体实施方式
现将参照附图，其中，相同标号通篇指代相同部分。现在可以描述本发明示例性实施例。示例性实施例得以提供以示出本发明的各方面，并且不应理解为限制本发明的范围。当参照框图或流程图描述示例性实施例时，每个块可以表示方法步骤或用于执行方法步骤的装置元件。取决于实现方式，可以在硬件、软件、固件或其组合中配置对应装置元件。下文中，导频信号可以表示一个天线为了估计发送天线与一个或多个接收天线之间的信道所发送的信号。其可以又称为基准信号、信道估计信号或测试信号。
考虑MU-MIMO无线通信系统，其中，BS具有用于发送并且接收的Nt个天线。假设需要在下一时间段中受服务的所有用户装备(UE)包括集合Φ，其中，Φ的基数是Nue＝|Φ|。对于基于正交频分复用(OFDM)的系统，通过MU-MIMO技术在相同时间-频率资源上复用K个单天线UE，其中，时间-频率资源组织为时域中的多个连续OFDM码元乘以频域中的多个子载波(例如LTE/LTE-A系统中的一个至若干资源块(RB))。虽然该专利中的描述关注于单天线UE情况，但它们可以直接通用于多天线UE情况。设NRF表示BS处的RF链的数量，考虑资源元素(RE)(即频域中的单个子载波处的时域中的OFDM码元)，关于下行链路传输，MU-MIMO预编码可以写为：
Figure BDA0001433223950000041
其中，W是具有维度Nt×K的有效全局预编码矩阵，
Figure BDA0001433223950000042
是具有维度Nt×NRF的RF处的模拟预编码矩阵，WBB是具有维度NRF×K的基带预编码矩阵，xRF是具有维度Nt×1的物理天线端口处所发送的信号矢量，s是具有维度K×1(即，一个用于每个UE)的基带处的所发送的信号矢量，xBB是具有维度NRF×1的从基带发送到RF的信号矢量。
相似地，在解调之前的上行链路信号检测可以公式化为：
Figure BDA0001433223950000043
其中，G是具有维度K×Nt的有效全局检测矩阵，
Figure BDA0001433223950000044
是具有维度NRF×Nt的RF处的模拟组合矩阵，GBB是具有维度K×NRF的基带检测矩阵，yRF是具有维度Nt×1的物理天线端口处的接收到的信号矢量，yBB是具有维度NRF×1的从RF传递到BS的基带的信号矢量，
Figure BDA0001433223950000045
是具有维度K×1(即，一个用于每个UE)的K个UE的所检测的信号矢量。
注意，在(1.1)和(1.2)中，在基带处在频域中应用矩阵WBB和GBB，这说明，它们对于每个子载波可以是不同的，而在RF处在时域中应用
Figure BDA0001433223950000046
或
Figure BDA0001433223950000051
这说明，其在整个频带中保持恒定。因此，需要
Figure BDA0001433223950000052
或
Figure BDA0001433223950000053
关于频域中的不同子载波变化的模拟预编码/组合方法不是可实现的。
对于下行链路传输，当BS完成调度和UE分组时，其需要基于从基带看见的每个RE上的MU-MIMO群组的信道矩阵计算用于每个RE的基带预编码矩阵，即，
Figure BDA0001433223950000054
其定义为：
Figure BDA0001433223950000055
其中，Hdl是下行链路中从BS的所有物理天线到MU-MIMO群组中的K个UE的MU-MIMO信道矩阵。注意，为了简明并且清楚，忽略RE索引，因为其不影响该专利的应用。因此，BS需要首先计算用于待在下一时间段中受服务的UE的唯一模拟预编码矩阵
Figure BDA0001433223950000056
然后
Figure BDA0001433223950000057
基于
Figure BDA0001433223950000058
受测量。
对于上行链路传输，当BS完成调度和UE分组时，其需要计算用于这些UE的模拟组合矩阵
Figure BDA0001433223950000059
从而用于信号检测的在基带处看见的信道矩阵是：
Figure BDA00014332239500000510
其中，Hul是上行链路中从BS的所有物理天线到MU-MIMO群组中的K个UE的MU-MIMO信道矩阵。注意，为了简明并且清楚，忽略RE索引，因为其不影响该专利的应用。因此，BS需要首先计算用于待在下一时间段中受服务的UE的唯一模拟预编码矩阵
Figure BDA00014332239500000511
然后
Figure BDA00014332239500000512
基于
Figure BDA00014332239500000513
受测量。
对于图1中的模拟预编码网络和图2所示的模拟组合网络，
Figure BDA00014332239500000514
或
Figure BDA00014332239500000515
的每个元素可以选取为任何恒定幅度复数，这称为全局模拟波束成形(GAB)，即，在上行链路中，每个RF链的信号是来自所有天线的信号的加权之和，而下行链路中，每个天线处所发送的信号是来自所有RF链的信号的加权之和。
如果除了
Figure BDA00014332239500000516
或
Figure BDA00014332239500000517
的元素的部分对于模拟预编码网络或模拟组合网络是非零恒定幅度复数，其余元素全为零，则这称为部分模拟波束成形(PAB)，即，在上行链路中，每个RF链的信号是来自天线的部分的信号的加权之和，而在下行链路中，每个天线处所发送的信号是来自天线的部分的信号的加权之和。具体地说，在图3和图4中，提出特定PAB示例，其中，每个RF链连接到NRFA个不同天线端口，从而Nt＝NRFANRF。
对于BS侧处的天线阵列，在图5中示出一个实施例，其中，Nt个单极化天线17放置为具有水平维度中针对波长具有空间dh的每行nh个天线以及垂直维度中针对波长具有空间dv的每列nv个天线的平面阵列。首先沿着水平维度然后沿着垂直维度对天线进行索引。在图6中示出另一实施例，其中，Nt个天线是交叉极化天线18，而非图5中所采用的单极化天线。
为了计算用于所服务的Nue个UE的
Figure BDA0001433223950000061
或
Figure BDA0001433223950000062
BS需要构造用于BS天线阵列与每个UE之间的信道矢量的子空间。两种方法可以用于实现该处理。
方法I：第一方法适合于频分双工(FDD)系统和时分双工(TDD)系统二者，其中，每个UE首先在特定上行链路信道(例如LTE/LTE-A中的侦听基准信号(SRS)信道)中发送导频或基准信号(RS)。然后，BS使用模拟组合矩阵
Figure BDA0001433223950000063
以组合所有天线的接收到的信号，并且将所组合的信号传递到基带，以基于RS估计所估计的部分信道矢量中所包含的主空间角度和对应增益。通过这些角度信息和对应增益，BS将用于每个UE的子空间构造为Vk。最后，通过Vk,k＝1,…,Nue构造
Figure BDA0001433223950000064
和
Figure BDA0001433223950000065
以下提供在方法I的情况下关于GAB的该专利的实施例。采用图5作为示例。在BS侧，在通过用于RS的模拟组合矩阵
Figure BDA0001433223950000066
组合之后，接收到的信号传递到基带。设rrf(t)和rbb(t)表示在时间时刻t在物理天线处的接收到的导频信号以及在组合并且传递到基带之后的信号，则它们的关系写为：
Figure BDA0001433223950000067
Figure BDA0001433223950000068
的不同结构表示RF处的不同天线虚拟化方法或模拟组合网络。对于GAB，预留来自任何行或多行的叠加的天线的接收到的信号，以用于水平维度。相似方法应用于天线阵列的列，以用于垂直维度。通过假设nh+nv≤NRF，
Figure BDA0001433223950000069
的选取的两个典型实施例是：
Figure BDA00014332239500000610
以及
Figure BDA00014332239500000611
其中，Ek,k＝1,…,nv表示具有除了第k行的第一元素上的一个1之外全0的nv×nh矩阵，Ak,k＝1,…,nv表示具有除了第k行上的全1之外的全0的nv×nh矩阵，并且0是具有全0的(NRF-nv-nh)×nh矩阵。注意，如果不能满足条件nh+nv≤NRF，则天线处的信号可以进一步分别在水平和垂直维度中受下采样，即，来自天线的行和列的部分的信号传递到基带。通过rbb(t)，在一系列基带处理(即A/D、循环前缀(CP)移除、快速傅立叶变换(FFT)等)之后，信号用于通过例如[12]中的方法估计所采样的天线上的信道。设nh×1矢量
Figure BDA00014332239500000612
和nv×1矢量
Figure BDA00014332239500000613
分别表示水平和垂直维度中的导频子载波上的第k用户的所估计的信道矢量的两个集合，其中，nrs是用于导频信号的子载波的数量。于是，用于表示水平维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量估计为：
Figure BDA0001433223950000071
其中，
Figure BDA0001433223950000072
以及
Figure BDA0001433223950000073
相似地，用于表示垂直维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量估计为：
Figure BDA0001433223950000074
其中，
Figure BDA0001433223950000075
以及
Figure BDA0001433223950000076
接下来，nh×nh酉矩阵通过
Figure BDA0001433223950000077
构造为：
Figure BDA0001433223950000078
其用于在水平方向上搜索信道矢量的其它方向。相似地，通过与水平维度相同的方法通过
Figure BDA0001433223950000079
构造nv×nv酉矩阵作为
Figure BDA00014332239500000710
设
Figure BDA00014332239500000711
并且dhor是包括
Figure BDA00014332239500000712
的对角元素的矢量，其中，dhor的每个元素对应于
Figure BDA00014332239500000713
中的不同列矢量，于是通过dhor中的dhor个最大值构造dhor×1矢量
Figure BDA00014332239500000714
接下来，通过对应于
Figure BDA00014332239500000715
中的值的
Figure BDA00014332239500000716
中的矢量构造矩阵
Figure BDA00014332239500000717
显然，
Figure BDA00014332239500000718
在水平方向上包括具有信道矢量的dhor个最大能量的正交方向。水平维度中的第k用户的最终所估计的子空间可以构造为：
Figure BDA00014332239500000719
其中，diag(d)表示具有来自d的对角元素的对角矩阵，并且
Figure BDA00014332239500000720
的维度是nh×dhor。垂直维度中的第k用户的子空间可以相似地构造为具有nv×dver的维度的
Figure BDA00014332239500000721
最后，第k用户的信道矢量的子空间构造为：
Figure BDA00014332239500000722
注意，如果图5中的天线索引化顺序改变为首先垂直维度然后水平维度，则(1.16)改变为
Figure BDA00014332239500000723
以下提供在方法I的情况下关于PAB的该专利的实施例。仍采用图5中的天线阵列作为示例，每列的每个nrfa个相继天线的信号加权组合并且传递到RF链(即沿着垂直维度的天线虚拟化)，这说明，NRFnrfa＝Nt并且
Figure BDA00014332239500000724
是整数。对于接收到的基准信号，选取
Figure BDA00014332239500000725
的一个实施例，从而来自第一行的每个天线的信号传递到基带。此外，来自第一列中的每个nrfa个相继天线之一的信号传递到基带。如果所连接的天线的总数量的数量小于NRF，则天线的选取也可以是任何其它行和列或多行和多列。注意，第一列中的所选择的
Figure BDA0001433223950000081
个天线的空间可以是非均匀的，并且它们相对于第一天线的间隔针对波长是
Figure BDA0001433223950000082
因此，来自
Figure BDA0001433223950000083
个天线的信号传递到基带，其中，前nh个信号用于估计水平维度上的信道，而来自第一列的
Figure BDA0001433223950000084
个信号用于估计垂直维度上的信道。当这些信号传递到基带时，在一系列基带处理(即A/D、CP移除、FFT等)之后，信号用于通过例如[12]中的方法估计所选择的天线上的信道。设nh×1矢量
Figure BDA0001433223950000085
和
Figure BDA0001433223950000086
矢量
Figure BDA0001433223950000087
分别表示水平和垂直维度中的导频子载波上的第k用户的所估计的信道矢量的两个集合，其中，nrs是用于导频信号的子载波的数量。于是，用于表示水平维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.8)-(1.10)估计为
Figure BDA0001433223950000088
相似地，用于表示垂直维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.11)和(1.12)估计为
Figure BDA0001433223950000089
其中，(1.11)中的导向矢量替换为：
Figure BDA00014332239500000810
接下来，如(1.14)中通过
Figure BDA00014332239500000811
构造nh×nh酉矩阵
Figure BDA00014332239500000812
并且如(1.15)中构造水平维度中的子空间
Figure BDA00014332239500000813
最后，第k用户的信道矢量的子空间构造为：
Figure BDA00014332239500000814
其中，
Figure BDA00014332239500000815
注意，如果图5中的天线索引化顺序改变为首先垂直维度然后水平维度，则(1.18)改变为
Figure BDA00014332239500000816
以下提供在方法I的情况下关于PAB的该专利的实施例。仍采用图5中的天线阵列作为示例，每列的每个nrfa个天线(即天线群组)的信号加权组合并且连接到RF链。此外，在两个相邻天线群组中包含多于一个的天线(即，相邻两个群组部分地重叠)，这说明，连接到天线的一个列的RF链的数量
Figure BDA00014332239500000817
满足
Figure BDA00014332239500000818
对于接收到的基准信号，选取
Figure BDA00014332239500000819
的一个实施例，从而来自第一行的每个天线的信号传递到基带。此外，来自第一列中的
Figure BDA00014332239500000820
个天线群组中的
Figure BDA00014332239500000821
个不同天线的信号传递到基带。如果连接到RF链的天线的总数量的数量小于NRF，则天线的选取也可以是任何其它行和列或多行和多列。注意，第一列中的所选择的
Figure BDA00014332239500000822
个天线的空间可以是非均匀的，并且它们相对于第一天线的间隔针对波长是
Figure BDA00014332239500000823
因此，来自
Figure BDA00014332239500000824
个天线的信号传递到基带，其中，前nh个信号用于估计水平维度上的信道，而来自第一列的
Figure BDA00014332239500000825
个信号用于估计垂直维度上的信道。当这些信号传递到基带时，在一系列基带处理(即A/D、CP移除、FFT等)之后，信号用于通过例如[12]中的方法估计所选择的天线上的信道。设nh×1矢量
Figure BDA0001433223950000091
和
Figure BDA0001433223950000092
矢量
Figure BDA0001433223950000093
分别表示水平和垂直维度中的导频子载波上的第k用户的所估计的信道矢量的两个集合，其中，nrs是用于导频信号的子载波的数量。于是，用于表示水平维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.8)-(1.10)估计为
Figure BDA0001433223950000094
相似地，用于表示垂直维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.11)和(1.12)估计为
Figure BDA0001433223950000095
其中，(1.11)中的导向矢量替换为：
Figure BDA0001433223950000096
接下来，如(1.14)中通过
Figure BDA0001433223950000097
构造nh×nh酉矩阵
Figure BDA0001433223950000098
并且如(1.15)中构造水平维度中的子空间
Figure BDA0001433223950000099
最后，第k用户的信道矢量的子空间构造为：
Figure BDA00014332239500000910
其中，
Figure BDA00014332239500000911
注意，如果图5中的天线索引化顺序改变为首先垂直维度然后水平维度，则(1.18)改变为
Figure BDA00014332239500000912
以下提供在方法I的情况下关于PAB的该专利的另一实施例。对于该类型的模拟波束成形，每行的每个nrfa个相继天线的信号加权组合并且传递到RF链(即沿着水平维度的天线虚拟化)，这说明，NRFnrfa＝Nt并且
Figure BDA00014332239500000913
是整数。对于接收到的基准信号，选取
Figure BDA00014332239500000914
的一个实施例，从而来自第一列的每个天线的信号传递到基带。此外，来自第一行中的每个nrfa个相继天线的信号传递到基带。如果所连接的天线的总数量的数量小于NRF，则天线的选取也可以是任何其它行和列或多行和多列。注意，所选择的
Figure BDA00014332239500000915
个天线的空间可以是非均匀的，并且所选择的
Figure BDA00014332239500000916
个天线相对于第一天线的间隔针对波长是
Figure BDA00014332239500000917
因此，来自
Figure BDA00014332239500000918
个天线的信号传递到基带，其中，来自第一列中的nv个天线的前nv个信号用于估计垂直维度上的信道，而来自第一列中的
Figure BDA00014332239500000919
个天线的
Figure BDA00014332239500000920
个信号用于估计水平维度上的信道。当这些信号传递到基带时，在一系列基带处理(即A/D、CP移除、FFT等)之后，信号用于通过例如[12]中的方法估计所采样的天线上的信道。设
Figure BDA00014332239500000921
矢量
Figure BDA00014332239500000922
和nv×1矢量
Figure BDA00014332239500000923
分别表示水平和垂直维度中的导频子载波上的第k用户的所估计的信道矢量的两个集合，其中，nrs是用于导频信号的子载波的数量。于是，用于表示水平维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.8)和(1.9)估计为
Figure BDA0001433223950000101
其中，(1.8)中的导向矢量替换为：
Figure BDA0001433223950000102
相似地，用于表示垂直维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.11)-(1.13)估计为
Figure BDA0001433223950000103
接下来，如(1.14)中通过
Figure BDA0001433223950000104
构造nv×nv酉矩阵
Figure BDA0001433223950000105
并且如(1.15)中构造垂直维度中的子空间
Figure BDA0001433223950000106
最后，第k用户的信道矢量的子空间构造为：
Figure BDA0001433223950000107
其中，
Figure BDA0001433223950000108
注意，如果图5中的天线索引化顺序改变为首先垂直维度然后水平维度，则(1.22)改变为
Figure BDA0001433223950000109
以下提供在方法I的情况下关于PAB的该专利的另一实施例。对于该类型的模拟波束成形，每行的每个nrfa,h个相继天线和每列的每个nrfa,v个相继天线的信号加权组合并且传递到RF链(即2维(2D)天线虚拟化)，这说明，NRFnrfa,hnrfa,v＝Nt，
Figure BDA00014332239500001010
以及
Figure BDA00014332239500001011
是两个整数。对于接收到的基准信号，选取
Figure BDA00014332239500001012
的一个实施例，从而来自第一行中的每个nrfa,h个相继天线之一的信号传递到基带。此外，来自第一行中的每个nrfa,v个相继天线的信号传递到基带。如果所连接的天线的总数量的数量小于NRF，则天线的选取也可以是任何其它行和列或多行和多列。所选择的
Figure BDA00014332239500001013
个天线的空间可以是非均匀的，并且所选择的
Figure BDA00014332239500001014
个天线相对于第一天线的间隔针对波长是
Figure BDA00014332239500001015
Figure BDA00014332239500001016
所选择的
Figure BDA00014332239500001017
个天线的空间可以是非均匀的，并且所选择的
Figure BDA00014332239500001018
个天线相对于第一天线的间隔针对波长是
Figure BDA00014332239500001019
因此，来自
Figure BDA00014332239500001020
个天线的信号传递到基带，其中，来自第一列中的
Figure BDA00014332239500001021
个天线的前
Figure BDA00014332239500001022
个信号用于估计垂直维度上的信道，而来自第一列中的
Figure BDA00014332239500001023
个天线的
Figure BDA00014332239500001024
个信号用于估计水平维度上的信道。当这些信号传递到基带时，在一系列基带处理(即A/D、CP移除、FFT等)之后，信号用于通过例如[12]中的方法估计所采样的天线上的信道。设
Figure BDA00014332239500001025
矢量
Figure BDA00014332239500001026
和
Figure BDA00014332239500001027
矢量
Figure BDA00014332239500001028
分别表示水平和垂直维度中的导频子载波上的第k用户的所估计的信道矢量的两个集合，其中，nrs是用于导频信号的子载波的数量。于是，用于表示水平维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.8)和(1.9)估计为
Figure BDA00014332239500001029
其中，(1.8)中的导向矢量替换为：
Figure BDA00014332239500001030
相似地，用于表示垂直维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.11)和(1.12)估计为
Figure BDA0001433223950000111
其中，(1.11)中的导向矢量替换为：
Figure BDA0001433223950000112
接下来，
Figure BDA0001433223950000113
矩阵
Figure BDA0001433223950000114
通过
Figure BDA0001433223950000115
构造为：
Figure BDA0001433223950000116
其用于在水平方向上搜索信道矢量的其它方向。设
Figure BDA0001433223950000117
并且dhor是包括
Figure BDA0001433223950000118
的对角元素的矢量，其中，dhor的每个元素对应于
Figure BDA0001433223950000119
中的不同列矢量，于是通过dhor中的dhor个最大值构造dhor×1矢量
Figure BDA00014332239500001110
接下来，通过对应于
Figure BDA00014332239500001111
中的值的
Figure BDA00014332239500001112
中的矢量构造矩阵
Figure BDA00014332239500001113
显然，
Figure BDA00014332239500001114
在水平方向上包括具有信道矢量的dhor个最大能量的正交方向。水平维度中的第k用户的最终所估计的子空间可以构造为
Figure BDA00014332239500001115
垂直维度中的子空间
Figure BDA00014332239500001116
相似地构造为
Figure BDA00014332239500001117
最后，第k用户的信道矢量的子空间构造为：
Figure BDA00014332239500001118
注意，如果图5中的天线索引化顺序改变为首先垂直维度然后水平维度，则(1.22)改变为
Figure BDA00014332239500001119
方法II：该第二方法适合于FDD系统和TDD系统二者。BS首先在下行链路中发送CSI导频或RS(例如LTE/LTE-A中的CSI-RS)，其中，模拟预编码矩阵
Figure BDA00014332239500001120
用于RS。然后，通过接收到的导频信号，每个UE分别估计水平和垂直维度中的信道矢量的角度及其对应增益。此后，UE通过特定上行链路信道(例如LTE/LTE-A中的物理上行链路控制信道(PUCCH))将角度和增益信息反馈到BS。最后，BS通过角度和增益信息构造用于每个UE的子空间。
在该部分中提供在方法II的情况下关于GAB的该专利的实施例。在BS侧处，仅天线的部分(例如第一行和第一列的天线)需要发送CSI-RS。天线的选取也可以是任何其它行和列或多行和多列。可以通过选择WBB＝[IK 0]T实现该情况，其中，0是(NRF-K)×K零矩阵，并且
Figure BDA00014332239500001121
其中，Ek,k＝2,…,nv表示具有除了第k行的第一元素上的一个1之外的全0的nv×nh矩阵。在nh+nv-1个不同RE中发送用于nh+nv-1个天线的导频，例如，对于第l(l＝1,…,nh+nv-1)天线，Nt个天线处所发送的导频信号可以公式化为
Figure BDA00014332239500001122
其中，
Figure BDA00014332239500001123
是除了第l元素之外的全0矢量。对于第k UE，设nh×1矢量
Figure BDA0001433223950000121
和nv×1矢量
Figure BDA0001433223950000122
分别表示水平和垂直维度中的导频子载波上的第k用户的所估计的信道矢量的两个集合，其中，nrs是用于导频信号的子载波的数量。于是，用于表示水平维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.8)-(1.10)中的相同方法估计为
Figure BDA0001433223950000123
相似地，用于表示垂直维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.11)-(1.13)中的相同方法估计为
Figure BDA0001433223950000124
接下来，如在(1.14)中通过
Figure BDA0001433223950000125
构造nh×nh酉矩阵
Figure BDA0001433223950000126
其用于在水平方向上搜索信道矢量的其它方向。相似地，通过与水平维度相同的方法通过
Figure BDA0001433223950000127
构造nv×nvs酉矩阵作为
Figure BDA0001433223950000128
设
Figure BDA0001433223950000129
并且dhor是包括
Figure BDA00014332239500001210
的对角元素的矢量，其中，dhor的每个元素对应于
Figure BDA00014332239500001211
中的不同列导向矢量，于是通过dhor中的dhor个最大值和
Figure BDA00014332239500001212
的列矢量中所包含的对应角度构造两个dhor×1矢量
Figure BDA00014332239500001213
和
Figure BDA00014332239500001214
与水平情况相似地构造两个dver×1矢量
Figure BDA00014332239500001215
和
Figure BDA00014332239500001216
然后，
Figure BDA00014332239500001217
和θver的元素受量化并且由UE通过特定上行链路信道反馈到BS。通过
Figure BDA00014332239500001218
BS通过
Figure BDA00014332239500001219
中的dhor个导向矢量和dhor个角度构造酉矩阵。然后，水平维度中的子空间构造为：
Figure BDA00014332239500001220
其中，diag(d)表示具有来自d的对角元素的对角矩阵，并且
Figure BDA00014332239500001221
的维度是nh×dhor。垂直维度中的第k用户的子空间可以相似地构造为具有nh×dver的维度的
Figure BDA00014332239500001222
最后，第k用户的信道矢量的子空间构造为：
Figure BDA00014332239500001223
注意，如果图5中的天线索引化顺序改变为首先垂直维度然后水平维度，则(1.29)改变为
Figure BDA00014332239500001229
以下提供在方法II的情况下关于PAB的该专利的实施例。对于该类型的模拟波束成形，每行的每个nrfa个相继天线的信号是来自单个RF链的信号的不同相移版本(即沿着水平维度的天线虚拟化)，这说明，NRFnrfa＝Nt并且
Figure BDA00014332239500001224
是整数。对于发送下行链路CSI-RS，选取
Figure BDA00014332239500001225
的一个实施例，从而仅天线阵列的第一行中的每个nrfa个相继天线之一连接到RF链。此外，天线阵列的第一列的每个天线连接到RF链。如果所连接的天线的总数量的数量小于NRF，则天线的选取也可以是任何其它行和列或多行和多列。注意，所选择的
Figure BDA00014332239500001226
个天线的空间可以是非均匀的，并且所选择的天线相对于第一天线的间隔针对波长是
Figure BDA00014332239500001227
因此，仅所选择的
Figure BDA00014332239500001228
个天线需要发送CSI-RS，其中，第一列中的前nv个天线的导频信号用于估计垂直维度上的信道，而来自第一行的天线的
Figure BDA0001433223950000131
个信号的导频信号用于估计水平维度上的信道。对于第k UE，设
Figure BDA0001433223950000132
矢量
Figure BDA0001433223950000133
和nv×1矢量
Figure BDA0001433223950000134
i＝1,…,nrs分别表示水平和垂直维度中的导频子载波上的第k用户的所估计的信道矢量的两个集合，其中，nrs是用于导频信号的子载波的数量。于是，用于表示水平维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.8)和(1.9)中的相同方法估计为
Figure BDA0001433223950000135
其中，
Figure BDA0001433223950000136
相似地，用于表示垂直维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.11)-(1.13)中的相同方法估计为
Figure BDA0001433223950000137
接下来，如在(1.14)中通过
Figure BDA0001433223950000138
构造nv×nv酉矩阵
Figure BDA0001433223950000139
其用于在水平方向上搜索信道矢量的其它方向。设
Figure BDA00014332239500001310
并且dver是包括
Figure BDA00014332239500001311
的对角元素的矢量，其中，dver的每个元素对应于
Figure BDA00014332239500001312
中的不同列导向矢量，于是通过dver中的dver个最大值和
Figure BDA00014332239500001313
的列矢量中的对应角度构造两个dver×1矢量
Figure BDA00014332239500001314
和
Figure BDA00014332239500001315
然后，
Figure BDA00014332239500001316
以及
Figure BDA00014332239500001317
和
Figure BDA00014332239500001318
的元素受量化并且由UE通过特定上行链路信道反馈到BS。通过
Figure BDA00014332239500001319
BS通过
Figure BDA00014332239500001320
中的dver个导向矢量和dver个角度构造酉矩阵。然后，垂直维度中的子空间构造为：
Figure BDA00014332239500001321
其中，diag(d)表示具有来自d的对角元素的对角矩阵，并且
Figure BDA00014332239500001322
的维度是nv×dver。水平子空间构造为：
Figure BDA00014332239500001323
最后，第k用户的信道矢量的子空间构造为：
Figure BDA00014332239500001324
注意，如果图5中的天线索引化顺序改变为首先垂直维度然后水平维度，则(1.32)改变为
Figure BDA00014332239500001325
以下提供在方法II的情况下关于PAB的该专利的另一实施例。对于该类型的模拟波束成形，每列的每个nrfa个相继天线的信号是来自单个RF链的信号的不同相移版本(即沿着垂直维度的天线虚拟化)，这说明，NRFnrfa＝Nt并且
Figure BDA00014332239500001326
是整数。对于发送下行链路CSI-RS，选取用于CSI-RS的模拟预编码矩阵
Figure BDA00014332239500001327
的一个实施例，从而仅天线阵列的第一列中的每个nrfa个相继天线之一连接到RF链。此外，天线阵列的第一行的每个天线连接到RF链。如果所连接的天线的总数量的数量小于NRF，则天线的选取也可以是任何其它行和列或多行和多列。注意，所选择的
Figure BDA00014332239500001328
个天线的空间可以是非均匀的，并且所选择的天线相对于第一天线的间隔针对波长是
Figure BDA00014332239500001329
Figure BDA0001433223950000141
因此，仅所选择的
Figure BDA0001433223950000142
个天线需要发送CSI-RS，其中，第一行中的nh个天线的导频信号用于估计水平维度上的信道，而第一列的
Figure BDA0001433223950000143
个天线的导频信号用于估计垂直维度上的信道。对于第k UE，设nh×1矢量
Figure BDA0001433223950000144
和
Figure BDA0001433223950000145
矢量
Figure BDA0001433223950000146
分别表示水平和垂直维度中的导频子载波上的第k用户的所估计的信道矢量的两个集合，其中，nrs是用于导频信号的子载波的数量。于是，用于表示水平维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.8)-(1.10)中的相同方法估计为
Figure BDA0001433223950000147
相似地，用于表示垂直维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.11)和(1.12)中的相同方法估计为
Figure BDA0001433223950000148
其中，
Figure BDA0001433223950000149
接下来，如在(1.14)中通过
Figure BDA00014332239500001410
构造nh×nh酉矩阵
Figure BDA00014332239500001411
其用于在水平方向上搜索信道矢量的其它方向。设
Figure BDA00014332239500001412
并且dhor是包括
Figure BDA00014332239500001413
的对角元素的矢量，其中，dhor的每个元素对应于
Figure BDA00014332239500001414
中的不同列导向矢量，于是通过dhor中的dhor个最大值和
Figure BDA00014332239500001415
的列矢量中所包含的对应角度构造两个dhor×1矢量
Figure BDA00014332239500001416
和
Figure BDA00014332239500001417
然后，
Figure BDA00014332239500001418
以及
Figure BDA00014332239500001419
和
Figure BDA00014332239500001420
的元素受量化并且由UE通过特定上行链路信道反馈到BS。BS基于
Figure BDA00014332239500001421
中的dhor个角度通过dhor个导向矢量构造酉矩阵。然后，水平维度中的子空间构造为：
Figure BDA00014332239500001422
其中，diag(d)表示具有来自d的对角元素的对角矩阵，并且
Figure BDA00014332239500001423
的维度是nh×dhor。垂直子空间构造为：
Figure BDA00014332239500001424
最后，第k用户的信道矢量的子空间构造为：
Figure BDA00014332239500001425
注意，如果图5中的天线索引化顺序改变为首先垂直维度然后水平维度，则(1.35)改变为
Figure BDA00014332239500001426
以下提供在方法II的情况下关于PAB的该专利的另一实施例。对于该类型的模拟波束成形，每列的每个nrfa,v个相继天线和每行的每个nrfa,h个天线的信号是来自单个RF链的信号的不同相移版本(即2D天线虚拟化)，这说明，
Figure BDA00014332239500001427
并且
Figure BDA00014332239500001428
和
Figure BDA00014332239500001429
是两个整数。对于发送下行链路CSI-RS，选取用于CSI-RS的模拟预编码矩阵
Figure BDA00014332239500001430
的一个实施例，从而仅天线阵列的第一行中的每个nrfa,h个相继天线之一连接到RF链。此外，天线阵列的第一列的每个nrfa,v个相继天线之一连接到RF链。如果所连接的天线的总数量的数量小于NRF，则天线的选取也可以是任何其它行和列或多行和多列。所选择的
Figure BDA0001433223950000151
个天线的空间可以是非均匀的，并且所选择的天线相对于第一天线的间隔针对波长是
Figure BDA0001433223950000152
所选择的
Figure BDA0001433223950000153
个天线的空间可以是非均匀的，并且所选择的天线相对于第一天线的间隔针对波长是
Figure BDA0001433223950000154
因此，仅所选择的
Figure BDA0001433223950000155
个天线需要发送CSI-RS，其中，第一行中的
Figure BDA0001433223950000156
个天线的导频信号用于估计水平维度上的信道，而第一列的
Figure BDA0001433223950000157
个天线的导频信号用于估计垂直维度上的信道。对于第k UE，设
Figure BDA0001433223950000158
矢量
Figure BDA0001433223950000159
和
Figure BDA00014332239500001510
矢量
Figure BDA00014332239500001511
分别表示水平和垂直维度中的导频子载波上的第k用户的所估计的信道矢量的两个集合，其中，nrs是用于导频信号的子载波的数量。于是，用于表示水平维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.8)和(1.9)估计为
Figure BDA00014332239500001512
其中，(1.8)中的导向矢量替换为：
Figure BDA00014332239500001513
相似地，用于表示垂直维度中的第k用户的信道的第一主导向矢量通过(1.11)和(1.12)估计为
Figure BDA00014332239500001514
其中，(1.11)中的导向矢量替换为：
Figure BDA00014332239500001515
接下来，
Figure BDA00014332239500001516
矩阵
Figure BDA00014332239500001517
通过
Figure BDA00014332239500001518
构造为：
Figure BDA00014332239500001519
其用于在水平方向上搜索信道矢量的其它方向。设
Figure BDA00014332239500001520
并且dhor是包括
Figure BDA00014332239500001521
的对角元素的矢量，其中，dhor的每个元素对应于
Figure BDA00014332239500001522
中的不同列导向矢量，于是通过对应于dhor中的dhor个最大值的
Figure BDA00014332239500001523
的列矢量中所包含的dhor个角度构造矢量
Figure BDA00014332239500001524
接下来，与构造
Figure BDA00014332239500001525
的处理相似地构造矢量
Figure BDA00014332239500001526
然后，
Figure BDA00014332239500001527
和
Figure BDA00014332239500001528
中的元素受量化并且由UE通过特定上行链路信道反馈到BS。BS基于
Figure BDA00014332239500001529
中的dhor个角度通过dhor个导向矢量构造矩阵
Figure BDA00014332239500001530
并且基于
Figure BDA00014332239500001531
中的dver个角度通过dver个导向矢量构造矩阵
Figure BDA00014332239500001532
最后，第k用户的信道矢量的子空间构造为：
Figure BDA00014332239500001533
注意，如果图5中的天线索引化顺序改变为首先垂直维度然后水平维度，则(1.35)改变为
Figure BDA00014332239500001534
对于待在下一时间段(例如LTE/LTE-A系统中的一个至若干OFDM码元或一个至多个子帧)中调度的Nue个UE，BS计算唯一模拟预编码/组合矩阵。首先，BS将用于Nue个UE的协方差矩阵计算为
Figure BDA00014332239500001535
其中，γ是比例因子，例如，γ＝1/Nue。然后，其通过对应于NRF个最大本征值的R的前NRF个本征矢量构造Nt×NRF矩阵Q。当发送新的导频或RS时可以相应地更新矩阵R，以估计子空间Vk。
分别在图7和图8中示出用于估计用于UE的子空间的方法I和方法II的处理。图7概述通过本专利中的方法I获得下行链路中的模拟预编码矩阵
Figure BDA0001433223950000161
和上行链路中的模拟组合矩阵
Figure BDA0001433223950000162
的处理。具体地说，在处理开始(19)之后，每个UE在特定OFDM码元中将RS(例如SRS)发送到BS(20)。然后，BS通过
Figure BDA0001433223950000163
接收RS信号(21)。接下来，BS通过接收到的RS信号构造用于每个UE的子空间Vk(22)。最后，通过Vk构造模拟波束成形矩阵
Figure BDA0001433223950000164
和模拟组合矩阵
Figure BDA0001433223950000165
然后处理结束(24)。图8概述通过本专利中的方法II获得下行链路中的模拟预编码矩阵
Figure BDA0001433223950000166
和上行链路中的模拟组合矩阵
Figure BDA0001433223950000167
的处理。具体地说，在处理开始(25)之后，BS通过特定模拟波束成形矩阵
Figure BDA0001433223950000168
发送下行链路CSI-RS(26)。然后，每个UE估计信道矢量的角度和对应增益(27)。在量化之后，每个UE将角度和/或增益反馈到BS(28)。接下来，BS通过接收到的RS信号构造用于每个UE的子空间Vk(29)。最后，通过Vk构造模拟波束成形矩阵
Figure BDA0001433223950000169
和模拟组合矩阵
Figure BDA00014332239500001610
然后处理结束(31)。
对于GAB，关于[0030]和[0036]中的实施例的下行链路中的模拟预编码矩阵是
Figure BDA00014332239500001611
其中，Arg(Q)表示Q的每个元素的相位，exp[·]表示输入矩阵的每个元素的指数函数。上行链路中的模拟组合矩阵的一个实施例是
Figure BDA00014332239500001612
对于PAB，关于[0033]和[0037]中的实施例的下行链路中的模拟预编码矩阵(其中，每行的nrfa个相继天线连接到单个RF链，即，
Figure BDA00014332239500001613
是整数)是
Figure BDA00014332239500001614
其中，P定义为
Figure BDA00014332239500001615
其中，1是具有全1的nrfa×1矢量，并且ο表示两个矩阵的Hadamard乘积。上行链路中的模拟组合矩阵的一个实施例是
Figure BDA00014332239500001616
对于PAB，关于[0031]和[0038]中的实施例的下行链路中的模拟预编码矩阵(其中，每列的nrfa个相继天线连接到单个RF链，即，
Figure BDA00014332239500001617
是整数)是
Figure BDA00014332239500001618
其中，P定义为
Figure BDA00014332239500001619
其中，T是定义为
Figure BDA00014332239500001620
的nhnrfa×nh矩阵。上行链路中的模拟组合矩阵的一个实施例是
Figure BDA00014332239500001621
对于PAB，关于[0034]和[0039]中的实施例的下行链路中的模拟预编码矩阵(其中，每列的nrfa,v个相继天线连接到单个RF链，即，
Figure BDA00014332239500001622
是整数，并且每行的nrfa,h个相继天线连接到单个RF链，即，
Figure BDA0001433223950000171
是整数)是
Figure BDA0001433223950000172
其中，P是指示矩阵。在矩阵P中，除了对应于连接到第n RF链的天线的元素是1之外，第n列(n＝1,…,NRF)的所有元素是0。上行链路中的模拟组合矩阵的一个实施例是
Figure BDA0001433223950000173
对于如图6中的交叉极化天线阵列，[0029]至[0045]中所描述的方法可以应用于具有单个阵列的子阵列，以获得模拟预编码矩阵作为
Figure BDA0001433223950000174
于是取决于天线阵列的索引化方法，最终模拟预编码矩阵是
Figure BDA0001433223950000175
或
Figure BDA0001433223950000176
其中，vcp＝[1 ej α]是取决于极化角度的交叉极化矢量，例如，关于±π/4交叉极化，vcp＝[1 -1]。上行链路中的模拟组合矩阵的一个实施例是
Figure BDA0001433223950000177
在确定
Figure BDA0001433223950000178
之后，对于FDD或TDD系统，一个实施例是：BS通过模拟预编码矩阵
Figure BDA0001433223950000179
发送CSI-RS。第k UE将从基带看见的×NRF信道矢量估计为
Figure BDA00014332239500001710
然后，在量化之后，
Figure BDA00014332239500001711
反馈到BS作为
Figure BDA00014332239500001712
对于特定MU-MIMO群组，该特定群组中的UE的索引是i1,…,ik，于是有效基带信道矩阵是
Figure BDA00014332239500001713
通过线性预编码方法(例如ZF)，基带处的预编码矩阵是
Figure BDA00014332239500001714
图9概述将
Figure BDA00014332239500001715
应用于估计用于第k UE的下行链路基带有效信道的处理。具体地说，在处理开始(32)之后，BS在RF处使用所估计的
Figure BDA00014332239500001716
发送下行链路CSI-RS(33)。然后，第kUE估计基带信道
Figure BDA00014332239500001717
接下来，每个UE将量化后的
Figure BDA00014332239500001718
反馈到BS(35)。最后，通过
Figure BDA00014332239500001719
BS完成UE调度和基带预编码矩阵计算，以用于下行链路传输(36)，然后处理结束(37)。
在确定
Figure BDA00014332239500001720
之后，对于TDD系统，一个实施例是：每个UE在特定上行链路信道(例如SRS信道)上将RS发送到BS。BS通过模拟组合矩阵
Figure BDA00014332239500001721
接收RS。因此，第k UE的NRF×1信道矢量在基带处估计为
Figure BDA00014332239500001722
归因于信道矢量的互易性质，下行链路中的信道矢量估计为
Figure BDA00014332239500001723
对于下行链路中的特定MU-MIMO群组，所分组的UE的索引是i1,…,ik，于是有效基带信道矩阵是
Figure BDA00014332239500001724
通过线性预编码方法(例如ZF)，基带处的预编码矩阵是
Figure BDA00014332239500001725
图10概述将
Figure BDA00014332239500001726
应用于估计用于第k UE的上行链路基带有效信道的处理。具体地说，在处理开始(38)之后，第k UE将RS发送到BS(39)。然后，BS通过模拟组合矩阵
Figure BDA00014332239500001727
接收RS(40)。接下来，BS估计用于第k UE的基带信道
Figure BDA0001433223950000181
最后，通过
Figure BDA0001433223950000182
BS完成UE调度和基带预编码/检测矩阵计算，以用于下行链路/上行链路传输(42)，然后处理结束(43)。
在确定
Figure BDA0001433223950000183
之后，对于FDD或TDD系统，一个实施例是：每个UE在特定上行链路信道(例如SRS信道)上将RS发送到BS。BS通过模拟组合矩阵
Figure BDA0001433223950000184
接收RS。因此，第k UE的NRF×1信道矢量在基带处估计为
Figure BDA0001433223950000185
对于上行链路中的特定MU-MIMO群组，所分组的UE的索引是i1,…,ik，于是有效基带信道矩阵是
Figure BDA0001433223950000186
通过线性检测方法(例如ZF)，基带处的检测矩阵是
Figure BDA0001433223950000187
在确定
Figure BDA0001433223950000188
之后，对于FDD或TDD系统上行链路数据传输，一个实施例是：导频插入在时间-频率资源的数据传输区域中。BS通过模拟组合矩阵
Figure BDA0001433223950000189
接收信号。通过基带处的接收到的导频信号，因此，第k UE的NRF×1信道矢量在基带处估计为
Figure BDA00014332239500001810
对于上行链路中的特定MU-MIMO群组，所分组的UE的索引是i1,…,ik，于是有效基带信道矩阵是
Figure BDA00014332239500001811
Figure BDA00014332239500001812
通过线性检测方法(例如ZF)，基带处的检测矩阵是
Figure BDA00014332239500001813
虽然本发明优选实施例的前面描述已经示出、描述或说明本发明的基本新颖特征或原理，但应理解，在不脱离本发明的精神的情况下，本领域技术人员可以进行所示的方法、要素或装置的细节的形式及其使用方面的各种省略、替换和改变。因此，本发明的范围不应限于前面描述。此外，本发明的原理可以应用于广泛范围的方法、系统和装置，以实现在此所描述的优点并且实现其它优点或同样满足其它目的。

Claims (48)

1.一种MU-MIMO TDD无线通信系统，其包括具有多个天线的BS，其中，RF链的数量小于天线的数量；BS通过每个UE发送的上行链路导频信号获取信道状态信息(CSI)；BS计算第一级矩阵，以用于RF处理；以及BS计算第二级矩阵，以用于基带处理；
其中，BS所服务的UE在上行链路信道中发送导频信号，以用于BS获取信道状态信息(CSI)，以计算第一级矩阵，以及
BS在每个时间-频率资源单元上通过用于每个MU-MIMO群组的所估计的信道系数计算第二级矩阵，
其中，BS将第一级矩阵和第二级矩阵同时应用于在下行链路中发送信号或在上行链路中接收信号。
2.如权利要求1所述的系统，还包括：使用第一级矩阵，以耦合BS的RF链和物理天线。
3.如权利要求1所述的系统，还包括：使用第二级矩阵，以耦合调制模块的输出和BS的RF链。
4.如权利要求1所述的系统，还包括：BS沿着天线维度对接收到的信号进行采样，从而传递到RF链的信号的数量不大于RF链的数量NRF。
5.如权利要求4所述的系统，还包括：当BS处的天线放置为线性阵列时，通过从接收天线的部分选择信号实现采样。
6.如权利要求4所述的系统，还包括：当BS处的天线放置为平面阵列时，分别通过从水平维度中的接收天线的一个行和垂直维度中的接收天线的一个列选择信号实现采样。
7.如权利要求4所述的系统，还包括：当BS处的天线放置为平面阵列时，分别通过从水平维度中的接收天线的一个行的部分和垂直维度中的接收天线的一个列的部分选择信号实现采样。
8.如权利要求4所述的系统，还包括：当BS处的天线放置为平面阵列时，通过分别从水平维度中的接收天线的一个行的和垂直维度中的接收天线的一个列的部分选择信号或分别从水平维度中的接收天线的一个行的部分和垂直维度中的接收天线的一个列选择信号实现采样。
9.如权利要求1所述的系统，还包括：通过耦合矩阵表示所选择的接收天线与RF链之间的耦合，耦合矩阵的元素是二进制，其中，一个值表示RF链和天线的特定配对是连接的，而另一值表示断连。
10.如权利要求4所述的系统，还包括：所选择的导频信号传递到基带，以在BS处估计每个UE与所选择的接收天线之间的信道系数。
11.如权利要求9所述的系统，还包括：当BS处的天线放置为线性阵列时，BS通过用于每个UE的所估计的信道系数构造用于表示沿着水平维度的信道信息的nh个相互正交矢量。
12.如权利要求9所述的系统，还包括：当BS处的天线放置为平面阵列时，通过用于每个UE的所估计的信道系数，BS分别构造用于表示沿着水平维度的信道信息的用于第k UE的nh个相互正交矢量和关联增益
Figure FDA0002916555640000021
以及用于表示沿着垂直维度的信道信息的nv个相互正交矢量和关联增益
Figure FDA0002916555640000022
13.如权利要求12所述的系统，还包括：用于第k UE的沿着水平和垂直维度的矢量由
Figure FDA0002916555640000023
表示，其中，Nh是水平维度中的天线的数量，并且其中
Figure FDA0002916555640000024
Nv是垂直维度中的天线的数量。
14.如权利要求13所述的系统，还包括：取决于天线阵列的索引化，UE的信道由
Figure FDA0002916555640000031
和
Figure FDA0002916555640000032
表示为
Figure FDA0002916555640000033
或
Figure FDA0002916555640000034
其中，矩阵
Figure FDA0002916555640000035
和
Figure FDA0002916555640000036
是
Figure FDA0002916555640000037
以及
Figure FDA0002916555640000038
其中，
Figure FDA0002916555640000039
Figure FDA00029165556400000310
diag(a)生成对角矩阵，a是其对角元素。
15.如权利要求14所述的系统，还包括：BS通过Rk，k∈Φ计算用于随后时隙的第一级矩阵，其中，Φ是包含随后时隙中所调度的UE的集合。
16.如权利要求15所述的系统，还包括：BS计算定义为R＝∑k∈ΦβkRk的矩阵R的本征矢量，其中，βk是取决于对第k UE所分配的时间-频率资源的比例的加权因子，并且通过对应于前NRF个最大本征值的前NRF个本征矢量构造Nt×NRF矩阵VRF，其中NRF表示RF链的数量。
17.如权利要求16所述的系统，还包括：BS计算第一级矩阵作为WRF＝exp[jArg(VRF)]，其中，Arg(VRF)表示VRF的每个元素的相位。
18.如权利要求1所述的系统，还包括：在不同频率资源中所调度并且复用的两个或更多个MU-MIMO群组在RF处理中使用相同第一级矩阵。
19.如权利要求1所述的系统，还包括：第一级矩阵应用于视线(LoS)和非视线(NLoS)信道条件二者。
20.如权利要求1所述的系统，还包括：BS通过使得UE在上行链路中发送导频信号估计每个UE的信道系数，并且BS将第一级矩阵应用于耦合物理接收天线和RF链。
21.如权利要求1所述的系统，还包括：周期性地或当BS请求时发送用于计算第一级矩阵的导频信号，其由BS确定并且通过下行链路控制消息通知给UE。
22.一种用于MU-MIMO TDD无线通信的系统，其包括具有多个天线的BS，其中，RF链的数量小于天线的数量，BS发送下行链路测量导频信号并且UE将量化后的所测量的信道状态信息(CSI)反馈到BS，BS通过量化后的所测量的信道状态信息(CSI)计算用于RF处理的第一级矩阵，并且BS计算用于基带处理的第二级矩阵；
其中，BS在每个时间-频率资源单元上通过用于每个MU-MIMO群组的所估计的信道系数计算第二级矩阵，
其中，BS将第一级矩阵和第二级矩阵同时应用于在下行链路中发送信号或在上行链路中接收信号。
23.如权利要求22所述的系统，还包括：BS对于UE在下行链路中从发送天线的部分发送导频信号，以获得信道有关信息。
24.如权利要求22所述的系统，还包括：BS选择NRF个天线，以通过频分复用(FDM)或时分复用(TDM)或码分复用(CDM)或这三种复用方法的任何组合在所指定的时隙中发送导频信号，其中NRF表示RF链的数量。
25.如权利要求24所述的系统，还包括：当Nt个天线放置为线性阵列时，BS选择连续
Figure FDA0002916555640000041
个天线以发送导频信号，其中，
Figure FDA0002916555640000042
26.如权利要求24所述的系统，还包括：当Nt个天线放置为平面阵列时，BS选择行中的
Figure FDA0002916555640000043
个天线和列中的
Figure FDA0002916555640000044
个天线，以发送导频信号，其中，
Figure FDA0002916555640000045
27.如权利要求22所述的系统，还包括：通过耦合矩阵表示所选择的发送天线与RF链之间的耦合，耦合矩阵的元素是二进制，其中，一个值表示RF链和天线的特定配对是连接的，而另一值表示断连。
28.如权利要求22所述的系统，还包括：UE估计所选择的BS发送天线和接收天线的每个配对之间的所指定的带宽中的信道系数，并且分析BS与自身之间的信道矩阵的主分量。
29.如权利要求28所述的系统，还包括：当BS天线放置为线性阵列时，UE估计nh个角度
Figure FDA0002916555640000051
和对应增益
Figure FDA0002916555640000052
30.如权利要求28所述的系统，还包括：当BS天线放置为平面阵列时，UE估计用于水平维度的nh个角度
Figure FDA0002916555640000053
和对应增益
Figure FDA0002916555640000054
以及用于垂直维度的
Figure FDA0002916555640000055
和对应增益
Figure FDA0002916555640000056
31.如权利要求29所述的系统，还包括：角度和对应增益可以量化为预定离散值并且由UE通过上行链路控制信道反馈到BS。
32.如权利要求30所述的系统，还包括：角度和对应增益可以量化为预定离散值并且由UE通过上行链路控制信道反馈到BS。
33.如权利要求31所述的系统，还包括：当BS处的天线放置为线性阵列时，在UE通过上行链路控制信道将归一化反馈到BS之后，水平维度中的nh个增益可以通过它们之一和其余nh-1个值得以归一化。
34.如权利要求32所述的系统，还包括：当天线放置为平面阵列时，在UE通过上行链路控制信道将归一化反馈到BS之后，水平维度中的nh个增益可以通过它们之一和其余nh-1个值得以归一化，并且在UE通过上行链路控制信道将归一化反馈到BS之后，垂直维度中的nv个增益可以通过对它们之一和其余nv-1个值得以归一化。
35.如权利要求29所述的系统，还包括：BS构造矩阵，以由UE通过反馈角度和对应增益表示所有发送天线与UE之间的信道状态信息(CSI)有关信息。
36.如权利要求30所述的系统，还包括：BS构造矩阵，以由UE通过反馈角度和对应增益表示所有发送天线与UE之间的信道状态信息(CSI)有关信息。
37.如权利要求35所述的系统，还包括：当BS处的天线放置为线性阵列时，对于第k UE，通过
Figure FDA0002916555640000061
构造nh个矢量，其中，Nh是在水平维度中所装配的天线的数量。
38.如权利要求36所述的系统，还包括：当BS处的天线放置为平面阵列时，对于第k UE，通过
Figure FDA0002916555640000062
构造nh个矢量，其中，Nh是水平维度中所装配的天线的数量，并且如果采用平面天线阵列，则对于第k UE，通过
Figure FDA0002916555640000063
构造nv个矢量，其中，Nv是垂直维度中所装配的天线的数量。
39.如权利要求37所述的系统，还包括：如果在BS处采用线性天线阵列，则通过矩阵
Figure FDA0002916555640000064
表示第k UE的信道，其中，
Figure FDA0002916555640000065
其中，
Figure FDA0002916555640000066
diag(a)生成对角矩阵，a是其对角元素。
40.如权利要求38所述的系统，还包括：如果在BS处采用平面阵列，则取决于天线阵列的索引化通过矩阵
Figure FDA0002916555640000067
或
Figure FDA0002916555640000068
表示第k UE的信道，其中，
Figure FDA0002916555640000069
其中，
Figure FDA00029165556400000610
其中，
Figure FDA00029165556400000611
diag(a)生成对角矩阵，a是其对角元素。
41.如权利要求40所述的系统，还包括：BS通过Rk，k∈Φ计算用于随后时隙的第一级矩阵，其中，Φ是包含随后时隙中所调度的UE的集合。
42.如权利要求41所述的系统，还包括：BS计算定义为R＝∑k∈ΦβkRk的矩阵R的本征矢量，其中，βk是取决于对第k UE所分配的时间-频率资源的比例的加权因子，并且通过对应于前NRF个最大本征值的前NRF个本征矢量构造Nt×NRF矩阵VRF，其中NRF表示RF链的数量。
43.如权利要求42所述的系统，还包括：BS计算第一级矩阵作为WRF＝exp[jArg(VRF)]，其中，Arg(VRF)表示VRF的每个元素的相位。
44.如权利要求22所述的系统，还包括：在不同频率资源中所调度并且复用的两个或更多个MU-MIMO群组关于RF处理使用相同第一级矩阵。
45.如权利要求22所述的系统，还包括：第一级矩阵应用于视线(LoS)和非视线(NLoS)信道条件二者。
46.如权利要求22所述的系统，还包括：BS通过使得UE在上行链路中发送导频信号估计每个UE的信道系数，并且BS将第一级矩阵应用于耦合物理接收天线和RF链。
47.如权利要求22所述的系统，还包括：BS通过使得BS在下行链路中发送导频信号获得每个UE的信道系数，其中，第一级矩阵应用于耦合物理发送天线和RF链，并且UE反馈从接收到的导频信号估计的量化后的信道系数。
48.如权利要求22所述的系统，还包括：周期性地或当BS请求时发送用于计算第一级矩阵的导频信号，其由BS确定并且通过下行链路控制消息通知给UE。
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