CN108476044A - 通信设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于无线通信系统(500)的第一通信设备，所述第一通信设备(100)包括：处理器(102)，包括外部预编码器(106)和内部预编码器(108)的级联预编码器(104)，以及收发器(110)；其中所述处理器(102)用于确定所述内部预编码器(108)；其中所述收发器(110)用于向第二通信设备(300)发送第一导频序列(P1)，所述第一导频序列(P1)使用所述处理器(102)确定的内部预编码器(108)进行预编码；其中所述收发器(110)用于从所述第二通信设备(300)接收响应于所述第一导频序列(P1)的发送的第一信道估计值(CHE1)；其中所述处理器(102)用于基于所述第一信道估计值(CHE1)，确定所述外部预编码器(106)；其中所述收发器(110)用于向所述第二通信设备(300)发送数据序列和导频序列中的至少一个。此外，本发明还涉及相应的方法、无线通信系统、计算机程序和计算机程序产品。

Description

通信设备及其方法
技术领域
本发明涉及一种用于无线通信系统的通信设备。此外，本发明还涉及相应的方法、无线通信系统、计算机程序和计算机程序产品。
背景技术
未来的无线通信系统被期望提供多个数据流到用户的并发连接。大规模多输入多输出(massive Multiple Input Multiple Output,mMIMO)接入节点(例如，诸如基站BS等网络节点)可用于向配备有多个天线的单个用户(诸如，用户设备UE)提供多个数据流。为了实现mMIMO通信，应该获取空间无线电信道。为了在与具有nr个天线的用户进行mMIMO通信的时分双工(TDD)模式中获知时频栅格中的无线电信道，需要在Tc×Bc尺寸的时频栅格中的nr个正交导频信号，每个正交导频信号都与用户的一个天线相关联，且不论接入节点的天线的数量，其中Tc是信道的相干时间，Bc是信道的相干带宽。这就是TDD是吸引人的mMIMO的解决方案的原因。然而，传统的TDD解决方案不能应用于频分双工(FDD)下行传输，如具体在以下三个问题中的说明。
用于FDD的传统长期演进(LTE)解决方案对于FDD mMIMO不起作用，例如该FDDmMIMO为包含百个天线的大规模天线阵列。为了说明这一点，简而言之，假设发送器和接收器之间的信道是未知的常数。为了获知信道(例如，影响窄带发送的信号的等效复数)，每个未知常数需要至少一个线性方程，以获得大体上有意义的信道估计，特别是当天线间隔被配置为导致满秩信道矩阵的时候。因此，例如为了获知从具有nt个天线的基站到具有nr个天线的用户的下行信道，需要至少nt个导频信号；即，每个天线一个导频，或可选地，需要长度为nt(或跨越尺寸为nt的子空间)的nt个正交序列。然而，对于上行传输，所需的导频符号的数量变为nr。
导频符号的密度取决于随着时频变化的无线电信道特性。然而，时间上的变化取决于用户(诸如，移动用户)的移动性。用户移动速度越快，由于多普勒频率越大，信道在时间上的变化越快。可以假设在相干时间Tc中无线电信道是不变的，无线电信道是载波频率和用户速度的函数。因此，为了获知在相干时间内发送和接收天线端口之间的信道，每个相干时间需要至少一个导频符号。无线电信道在频率上变化与在时间上的变化类似。然而，频率上的变化通常以相干带宽Bc为特征，而Bc取决于信道的时延分布和符号持续时间。因此，通过传统的导频传输，可以看出导频符号的数量随着天线的数量线性增加，因此对于大规模天线阵列，其规模扩大并不有利。
假设用户已经获得了信道。那么在用户处的每个天线端口将有nt个系数，其需要被反馈到基站。这些系数的传统反馈导致高开销，并且不能随着发送天线的数量而扩展。
在获知了信道和发送的反馈之后，重要的是获得能够实现在共享时频资源上并发多流传输的预编码策略。获得预编码器与空间信道估计密切相关。
在用于FDD MIMO链路的多流下行传输的传统方法中，发送器用于协调在天线端口子集上向用户发送在相干间隔中的导频序列；并且接收预编码矩阵索引(PMI)和秩指示(RI)，通过该预编码矩阵索引和秩指示以进一步配置该用户的多个共同空间预编码的符号序列的发送。在LTE和高级LTE中，该预编码策略是标准化的。然而，该解决方案要求在每个天线端口上的信道训练，并且由于非常高的导频和反馈传输开销，传统的信道训练并不能扩展到mMIMO。
为了减少8Tx MIMO的上行开销，LTE包括双码本结构，即级联预编码器，针对意味着空间相关的紧密间隔的天线。第一反馈链路跟踪长期/宽带信道波动，而第二反馈信道携带短期/子带信道状态信息(CSI)。为了减少mMIMO中的反馈，也存在类似的两阶段预编码，其中一个阶段的更新次数较少，因此需要较少的反馈。
然而，为了获知用户侧的信道，该解决方案也受到导频发送的开销的影响。传统的解决方案还要求发送器使用如在LTE系统中实践的经典解决方案，从mMIMO基站发送随着天线数量线性缩放的大量导频符号。此外，传统的解决方案要求用户搜索合适的预编码矩阵。由于用于大天线的预编码码本需要足够大，以使得能够获得mMIMO阵列的增益。这增加了mMIMO系统的用户的电池消耗和复杂性。在假设用户执行正确的信道估计值的情况下，它需要消耗无线电时频资源的反馈，否则可以用于更高性能的UL数据传输。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种减轻或解决传统解决方案的缺陷和问题的解决方案。
本发明的另一个目的是减轻用于使用包括外部预编码器和内部预编码器的级联预编码器的无线通信系统的预编码的过度信道训练和反馈开销的需要。
上述目的和进一步的目的是由独立权利要求的主题来实现的。本发明的进一步有利的实现方式是由从属权利要求限定的。
根据本发明的第一方面，使用用于无线通信系统的第一通信设备来实现上述目的和其它目的，所述第一通信设备包括：
处理器，
包括外部预编码器和内部预编码器的级联预编码器，以及
收发器；
其中所述处理器用于确定所述内部预编码器；
其中所述收发器用于向第二通信设备发送第一导频序列，所述第一导频序列使用所述处理器确定的内部预编码器进行预编码；
其中所述收发器用于从所述第二通信设备接收响应于所述第一导频序列的发送的第一信道估计值；
其中所述处理器用于基于所述第一信道估计值，确定所述外部预编码器；
其中所述收发器用于向所述第二通信设备发送数据序列和导频序列中的至少一个。
根据第一方面可知，无线通信系统提供了许多优点。由于从第一通信设备发送到第二通信设备的(导频序列的)导频符号的数量减少，所以从第一通信设备到第二通信设备的发送开销随之减少，这与外部预编码器的输出符号的数量成比例。同样，通过从第二通信设备中移除用于内部预编码器的反馈，减少了反馈开销。此外，与天线数量相比具有较小尺寸的等效内部预编码信道的尺寸减小，也减少了反馈开销。而且，与只有内部预编码器的情况相比，外部预编码器提供了增强的信道适配。
根据第一方面所述的第一通信设备，在第一种可能的实现方式中，所述数据序列和导频序列中的至少一个使用所述处理器确定的外部预编码器和所述处理器确定的内部预编码器进行预编码。
由确定的内部预编码器和确定的外部预编码器预编码的导频发送有助于第二通信设备估计外部-内部预编码信道。第二通信设备可能不知道在第一通信设备处的预编码器的选择，因此导频发送对于估计等效的外部-内部预编码信道至关重要。
根据第一方面的第一种实现方式或根据第一方面所述的第一通信设备，在第二种可能的实现方式中，所述第一信道估计值与从所述第一通信设备到所述第二通信设备的第一无线电信道相关联。
根据第一方面的第二种实现方式所述的第一通信设备，在第三种可能的实现方式中，所述收发器用于从所述第二通信设备接收数据序列和第二导频序列中的至少一个；其中所述处理器用于基于所述数据序列和第二导频序列中的至少一个，计算与从所述第二通信设备到所述第一通信设备的第二无线电信道相关联的第二信道估计值，并且基于所述第二信道估计值，确定所述内部预编码器。
这提供了一种基于无需反馈的第二信道估计值来选择内部预编码器的方法。例如，与TDD mMIMO系统相反，在FDD mMIMO中没有完整的信道互易。然而，如下述详细描述的，存在可以用于内部预编码的某些“部分互易”。因此，第二信道估计值对于确定内部预编码器是有用的。
根据第一方面的第三种实现方式所述的第一通信设备，在第四种可能的实现方式中，所述处理器用于基于所述第二信道估计值，计算所述第二无线电信道的相关矩阵，并且基于所述第二无线电信道的相关矩阵，确定所述内部预编码器。
第二无线电信道的相关矩阵通常也表示FDD中的互易。因此，在该实现方式中，使用第二无线电信道的相关矩阵来确定内部预编码器。内部预编码器提供了长期的信道适配，从而提高了性能。
根据第一方面的第四种实现方式所述的第一通信设备，在第五种可能的实现方式中，所述处理器用于基于所述第二无线电信道的相关矩阵，计算所述第一无线电信道的相关矩阵，并且基于所述第一无线电信道的相关矩阵，确定所述内部预编码器。
该实现方式与前一实现方式类似。然而，在确定内部预编码器之前，处理器将第二无线电信道的相关矩阵变换为第一无线电信道的相关矩阵。
根据第一方面的第三种实现方式到第五种实现方式中任一项所述的第一通信设备，在第六种可能的实现方式中，所述处理器用于估计所述数据序列和第二导频序列中的至少一个的到达角，并基于所述估计的所述数据序列和第二导频序列中的至少一个的到达角，计算所述第一无线电信道的相关矩阵，以及基于所述第一无线电信道的相关矩阵，确定所述内部预编码器。
该实现方式提出了形成用于内部预编码器的相关矩阵的方法。通常，到达角也显示了FDD中的某些互易。因此，关于到达角的信息也可以用于计算第一无线电信道的相关矩阵，以确定内部预编码器。
根据第一方面的第六种实现方式所述的第一通信设备，在第七种可能的实现方式中，所述到达角是倾斜角和方位角中的至少一个。
根据第一方面的第五种实现方式到第种七实现方式中任一项所述的第一通信设备，在第八种可能的实现方式中，所述处理器用于执行对所述第一无线电信道的相关矩阵的奇异值分解SVD，并且基于所述SVD，确定所述内部预编码器。
该实现方式表明如何使用SVD从相关矩阵中形成内部预编码器。通过SVD，可以订购并选择朝向第二通信设备的最强的发送波束，并且还可以对内部预编码器的尺寸进行控制，该内部预编码器的尺寸影响到第二通信设备的导频发送的数量以及反馈开销。
根据第一方面的第八种实现方式所述的第一通信设备，在第九种可能的实现方式中，所述处理器用于基于所述SVD的最主导特征向量的子集，确定所述内部预编码器。
通过选择朝向第二通信设备的最强的发送波束，即最主导特征向量，可以提供更好的信道增益，以及处理器对内部预编码器的尺寸进行控制，该内部预编码器的尺寸影响到第二通信信道的导频发送的大小以及用于外部预编码器的反馈开销。
根据第一方面的前述实现方式中任一项所述的第一通信设备，在第十种可能的实现方式中，所述收发器用于从所述第二通信设备接收外部预编码指示；以及其中所述处理器用于根据所述外部预编码指示，确定所述外部预编码器。
该实现方式提供了用于确定外部预编码器的反馈机制。
根据第一方面的第十种实现方式所述的第一通信设备，在第十一种可能的实现方式中，所述外部预编码指示为预编码矩阵索引PMI或秩指示RI。
根据第一方面的前述实现方式中任一项所述的第一通信设备，在第十二种可能的实现方式中，所述外部预编码器的输出流的数量nb小于所述第一通信设备的发送天线的数量nt。
由于大的开销导致无线通信系统的频谱效率的巨大损耗，第一通信设备不能使用常规策略来发送导频序列，而这为mMIMO提供了方法。另一优点是减少反馈，因为等效信道具有较小的尺寸。
根据第一方面的前述实现方式中任一项所述的第一通信设备，在第十三种可能的实现方式中，所述处理器用于使用度量函数确定所述内部预编码器。
该度量函数可能涉及容量、信噪比(SNR)、信干噪比(SINR)、矩阵相关及距离倒数等。
根据第一方面的前述实现方式中任一项所述的第一通信设备，在第十四种可能的实现方式中，所述处理器用于根据离散傅立叶变换DFT码本，确定所述内部预编码器。
根据本发明的第二方面，使用用于包括级联预编码器的第一通信设备的方法来实现上述目的和其它目的，所述级联预编码器包括外部预编码器和内部预编码器，所述方法包括：
确定所述内部预编码器；
向第二通信设备发送第一导频序列，所述第一导频序列使用所述确定的内部预编码器进行预编码；
从所述第二通信设备接收响应于所述第一导频序列的发送的第一信道估计值；
基于所述第一信道估计值，确定所述外部预编码器；
向所述第二通信设备发送数据序列和导频序列中的至少一个。
根据第二方面所述的方法，在第一种可能的实现方式中，所述数据序列和导频序列中的至少一个使用所述处理器确定的外部预编码器和所述处理器确定的内部预编码器进行预编码。
根据第二方面的第一种实现方式或根据第二方面所述的方法，在第二种可能的实现方式中，所述第一信道估计值与从所述第一通信设备到所述第二通信设备的第一无线电信道相关联。
根据第二方面的第二种实现方式所述的方法，在第三种可能的实现方式中，所述方法还包括从所述第二通信设备接收数据序列和第二导频序列中的至少一个，基于所述数据序列和第二导频序列中的至少一个，计算与从所述第二通信设备到所述第一通信设备的第二无线电信道相关联的第二信道估计值，并且基于所述第二信道估计值，确定所述内部预编码器。
根据第二方面的第三种实现方式所述的方法，在第四种可能的实现方式中，所述方法还包括基于所述第二信道估计值，计算所述第二无线电信道的相关矩阵，并且基于所述第二无线电信道的相关矩阵，确定所述内部预编码器。
根据第二方面的第四种实现方式所述的方法，在第五种可能的实现方式中，所述方法还包括基于所述第二无线电信道的相关矩阵，计算所述第一无线电信道的相关矩阵，并且基于所述第一无线电信道的相关矩阵，确定所述内部预编码器。
根据第二方面的第三种实现方式到第五种实现方式中任一项所述的方法，在第六种可能的实现方式中，所述方法还包括估计所述数据序列和第二导频序列中的至少一个的到达角，并基于所述估计的所述数据序列和第二导频序列中的至少一个的到达角，计算所述第一无线电信道的相关矩阵，以及基于所述第一无线电信道的相关矩阵，确定所述内部预编码器。
根据第二方面的第六种实现方式所述的第一通信设备，在第七种可能的实现方式中，所述到达角是倾斜角和方位角中的至少一个。
根据第二方面的第五种实现方式到第七种实现方式中任一项所述的方法，在第八种可能的实现方式中，所述方法还包括执行对所述第一无线电信道的相关矩阵的奇异值分解SVD，并且基于所述SVD，确定所述内部预编码器。
根据第二方面的第八种实现方式所述的方法，在第九种可能的实现方式中，所述方法还包括基于所述SVD的最主导特征向量的子集，确定所述内部预编码器。
根据第二方面的前述实施方式中任一项或根据第二方面所述的方法，在第十种可能的实现方式中，所述方法还包括从所述第二通信设备接收外部预编码指示，以及根据所述外部预编码指示，确定所述外部预编码器。
根据第二方面的第十种实现方式所述的方法，在第十一种可能的实现方式中，所述外部预编码指示为预编码矩阵索引PMI或秩指示RI。
根据第二方面的前述实现方式中任一项或根据第二方面所述的方法，在第十二种可能的实现方式中，所述外部预编码器的输出流的数量nb小于所述第一通信设备的发送天线的数量nt。
根据第二方面的前述实现方式中任一项或根据第二方面所述的方法，在第十三种可能实现的方式中，所述方法还包括使用度量函数确定所述内部预编码器。
根据第二方面的前述实现方式中任一项或根据第二方面所述的方法，在第十四种可能的实现方式中，所述方法还包括根据离散傅立叶变换DFT码本，确定所述内部预编码器。
根据第二方面所述的方法的优点与根据第一方面所述的第一通信设备的优点相同。
根据本发明的第三方面，使用一种无线通信系统来实现上述目的和其它目的，所述无线通信系统包括根据前述权利要求中任一项所述的至少一个第一通信设备和至少一个第二通信设备，其中所述第一通信设备是诸如基站或接入点的接入网络节点，第二通信设备是用户设备(例如，UE)或包括中继节点的网络节点。
本发明的实施例也涉及计算机程序，其特征在于代码装置，当由处理装置运行时，所述计算机程序使所述处理装置执行根据本发明的任何方法。另外，本发明也涉及包括计算机可读介质和所述计算机程序的计算机程序产品，其中所述计算机程序包括在所述计算机可读介质中，并且包括来自以下组中的一个或多个：只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存存储器、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和硬盘驱动器。
通过以下具体实施方式，本发明的其它应用和优点将是显而易见的。
附图说明
附图旨在阐明和解释本发明的不同实施例，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的第一通信设备；
图2示出了根据本发明的实施例的方法；
图3示出了根据本发明的实施例的无线通信系统；
图4-6示出了本发明的另一个实施例；
图7示出了本发明的实施例的信令方面和配置方面；
图8示出了示例性的发送帧结构；以及
图9-10示出了性能结果。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的第一通信设备100。该第一通信设备100包括可通信地耦连到收发器110和级联预编码器104的处理器102。收发器110用于数据的无线发送和接收。在该示例中，收发器110耦连到具有多个物理天线或天线端口nt的天线设备112。天线端口的数量小于或等于物理天线的数量。该级联预编码器104包括与内部预编码器108级联耦连的外部预编码器106。该级联预编码器104受处理器102控制。
在该示例中，该处理器102包括两个模块，即第一模块102:1，用于控制外部预编码器106，以及第二模块102:2，用于控制内部预编码器108。第一模块102:1和第二模块102:2可以通过软件、硬件或其组合来执行实现。根据该解决方案，处理器102用于确定内部预编码器108。收发器110用于向第二通信设备300(见图3)发送第一导频序列P1，其中第一导频序列P1使用处理器102确定的内部预编码器108进行预编码，如图1所示，第一导频序列P1直接进入内部预编码器108。图1中的短划线箭头示出了第一导频序列P1到第二通信设备的发送。收发器110还用于从第二通信设备300接收响应于第一导频序列P1的第一信道估计值CHE1。图1中的虚线箭头则示出了该接收。图1还示出了第一模块102:1是如何接收第一信道估计值CHE1的。处理器102还用于基于从第二通信设备300接收的第一信道估计值CHE1，确定外部预编码器106。最终，收发器110用于向第二通信设备300发送数据序列和导频序列(用“数据/导频”箭头示出)中的至少一个。用于发送的数据和/或导频序列由级联预编码器104接收。
图2示出了可以在诸如图1所示的第一通信设备中实现的相应的方法200。方法200包括确定202内部预编码器108的步骤。方法200还包括向第二通信设备300发送204第一导频序列P1的步骤，其中第一导频序列P1使用确定的内部预编码器108进行预编码。方法200还包括从第二通信设备300接收206响应于第一导频序列P1的发送的第一信道估计值CHE1的步骤。方法200还包括基于第一信道估计值CHE1，确定208外部预编码器106的步骤。最后，方法200包括向第二通信设备300发送210数据序列和导频序列中的至少一个的步骤。
在下述公开中，本发明的实施例主要用3GPP上下文中的术语进行描述。然而，本发明的实施例并不限于诸如LTE和高级LTE等3GPP通信系统。在众多所公开的示例中，第一通信设备100是BS(或更普遍地网络节点)；而第二通信设备300是UE(或更普遍地用户设备)。然而，相反的情况也是可能的，即第一通信设备100是UE，而第二通信设备300是BS。
(无线电)网络节点或接入节点或接入点或基站，例如无线电基站(Radio BaseStation，RBS)，在某些网络中可以被称为发送器、“eNB”、“eNodeB”、“NodeB”或“B node”，这取决于所使用的技术和术语。基于发送功率和小区大小，无线电网络节点可以是不同类型的，例如宏eNodeB、家庭eNodeB或微微基站。无线电网络节点可以是站(Station，STA)，其是包含到无线媒介(Wireless Medium，WM)的符合IEEE 802.11的媒体接入控制(MediaAccess Control，MAC)和物理层(Physical Layer，PHY)接口的任何设备。
用户设备可以是能够在无线通信系统中，有时也称为蜂窝无线电系统中进行无线通信的用户设备(UE)、移动站(MS)、无线终端或移动终端中的任何一个。UE还可以被称为具有无线能力的移动电话、蜂窝电话、计算机平板电脑或便携式电脑。例如，该上下文中的UE可以是能够经由无线电接入网络与另一实体(例如，另一接收器或服务器)进行语音或数据通信的便携式的、口袋可存储的、手持式的、计算机内置的或车载的移动设备。UE可以是站(STA)，其是包含到无线媒介(WM)的符合IEEE 802.11的媒体接入控制(MAC)和物理层(PHY)接口的任何设备。
在多数可用信道建模中，普遍认为，信道随频率的不同而不同。因此，通常认为FDD中的UL和DL信道是不相关的。这导致了误解的出现，即由于信道不相关，UL信道的知识不能用于DL发送。而发明人已经认识到，不同频率处的信道可能仍然包含可用于DL发送的公共参数。当发送的频带改变时，无线电信道的一些属性将保持不变。在本公开中，我们将这些参数称为频率弹性信道参数。例如，这些参数包括所谓的长期信道统计。在现有技术中，较长期的信道衰减随着频率缓慢改变，使得对于标准频率间隔而言，上行和下行信道呈现出空间相关互易。鉴于此，设计了级联预编码器，使得使用在UE处的DL信道估计的反馈链路来配置外部预编码器。
物理传播信道的常见建模是将双向脉冲响应考虑为多个离散多径分量的和
其中是衰减复数，θl,ψl是第l路径的偏离角和到达角。
假设在第一通信设备100的发送器侧具有全向接收天线和均匀线性阵列(uniformlinear array，ULA)，那么第m个发送天线的非定向信道响应，即集成角度的定向信道响应是其中τl是第一(参考)天线的时延，d是天线间隔，c表示光速。
傅里叶变换之后，信道的频率脉冲响应是
应该考虑到包括距离相关和频率相关的路径损耗的路径衰减也是频率的函数。
最后，以频率建模的MIMO信道可以写为
其中
·h表示具有nt个天线元素的MIMO发送器(即第一通信设备100)的信道向量；
·f是信号频率；
·L表示从接收器(即第二通信设备300)到天线阵列的可分解路径的数量，对于毫米波来说，这是很小的；
·d表示发送器处的天线间隔；
·c表示光速；
·αl表示从接收器到发送器的天线阵列的路径l的强度，其包括路径损耗、小规模衰落和大规模衰落系数；
·θl表示从接收器到天线阵列的路径l的方位角；
·τl表示来自天线阵列的第一天线的第l个路径的时延；
·φl表示第l个路径的衰减相位，其取决于沿路径行进的波长数量。该参数通常被认为是高度随机的，并且在路径之间是不相关的。
天线m和n之间的相关是
因此，信道的发送相关矩阵由下式示出
其中
在上述模型中，发送的信号的偏离角是频率弹性参数。虽然衰减是频率相关的，但是L个路径之间的相对衰减可以被良好地建模为频率弹性。
信道衰减主要由远距离相关的路径损耗构成，示出为
其中G是天线增益，m(f)是路径损耗指数。
例如，对于LOS路径，自由空间路径损耗为m(f)＝2。已有报告显示对于非LOS路径的自由空间路径损耗的取值为2到6.5的范围内。作为一般趋势，路径损耗指数随着载波频率的增加而增加。该所报告的取值的示例包括当频率从2.4GHz增加到11.5GHz时，路径损耗指数从3.3增加到4.5。
有人指出，在成对的频谱分配中，UL和DL频带通常处于相对较近的附近区域。在LTE中，双工间隔(duplex spacing，DS)的范围为30MHz至400MHz，并且几乎所有频带的双工间隔都小于100MHz。对于该间隔，路径损耗指数也可以被认为是频率弹性的。
就LTE的第一频带(DS：190MHz，DL：2140MHz，UL：1950MHz)来说，DL的路径损耗为LOS处的UL路径损耗的0.83倍，以及为m(f)＝2.2处的0.81倍。
就第二频带(DS：80Mhz，DL：1960MHz，UL：1880MHz)来说，DL的路径损耗为LOS处的上行路径损耗的0.92倍，以及为m(f)＝2.2.处的0.91倍。因此，在众多频带分配中，有可能从UL相关矩阵中获得DL相关矩阵的良好估计。
需要强调，上述物理建模与i.i.d.一致。如果反射的数量高(后跟中心极限定理)，瑞利衰落(Rayleigh fading)被广泛使用：
当d足够大且L→∞时，
然而，有些场合中反射的数量是有限的。具体而言，对于某一频带中的毫米波通信而言，最主导的路径是视线(line-of-sight，LoS)链路。在上述模型中，因为考虑到接收器处的理想的全向天线方向模式，所以仅仅考虑了到达角。
将本申请的解决方案延伸到其它类型的阵列，例如可能由于诸如设计和性能等偏好而选择的圆柱形或任何其它几何形状，并没有超出本公开的解决方案的精神。当UE向大规模阵列发送UL信号时，所发送的信号在多个路径上传播。频率的改变具有以下效果：
·对于路径损耗分量，频率越大，路径损耗越高。这个改变很慢。
·小规模衰落在不同频率上通常是独立的。这是由随机角度φl上的路径的固有组合引起的。
·然而，大规模的阴影衰落并没有改变。
·角度没有改变，但是它们的传播在统计学上是变化的。
图3示出了根据本发明的又一实施例的无线通信系统500。该无线通信系统500包括至少一个第一通信设备100以及至少一个第二通信设备300，在该特定示例中，第一通信设备100是基站(BS)，第二通信设备300是用户设备(UE)。图3示出了在第一无线电信道R1中，即从BS到UE的信道，或者相应地从第一通信设备100到第二通信设备300的信道中，BS向UE发送DL导频P1(即，第一导频序列)。UE估计该第一无线电信道R1，并且向BS发送第一信道估计值CHE1。因此，第一信道估计值CHE1与第一无线电信道R1相关联。基于接收到的第一信道估计值CHE1，BS确定外部预编码器106。最后，BS向UE发送数据序列和导频序列中的至少一个。在本发明的一个实施例中，数据序列和导频序列中的至少一个使用处理器102确定的外部预编码器106和确定的内部预编码器108进行预编码。
图3还示出了当UE向BS发送数据和/或UL导频P2(即，第二导频序列)的实施例。基于接收到的数据和/或UL导频P2，BS计算与从UE到BS，或相应地从第二通信设备300到第一通信设备100的第二无线电信道R2相关联的第二信道估计值CHE2。根据该实施例，BS使用第二信道估计值CHE2确定内部预编码器108。
另外，发明人已经认识到，第一无线电信道R1和第二无线电信道R2之间的关系可用于本申请的预编码解决方案中。因此，第一通信设备100的处理器102用于基于第二信道估计值CHE2，计算第二无线电信道R2的相关矩阵，并且基于第二无线电信道R2的相关矩阵，确定内部预编码器108。此外，第一通信设备100的处理器102用于基于第二无线电信道R2的相关矩阵，计算第一无线电信道R1的相关矩阵，并且基于第一无线电信道R1的相关矩阵，确定内部预编码器108。
图4示出了本申请解决方案的一个实施例。在该示例中，第一通信设备100仍是BS，第二通信设备是UE。通过使用在UL信道中使用UL训练导频序列(第二导频序列P2)发送，获得内部预编码器108，这样能够消除对过多导频开销的需要，因为对于UL，导频序列的数量与在UE处的天线数量成比例，而UE处的天线数量通常是受限制的。这也消除了来自UE的用于确定内部预编码器108的反馈需要。内部预编码器108可以利用空间相关结构将信道压缩成具有较低维度的有效信道。然而，在短期信道实现中，FDD中的UL和DL信道之间没有完全互易。外部预编码器106被设计为通过使用来自UE的反馈(经由反馈信道402)来确定，但是由于内部预编码器108可以减小外部预编码器106的尺寸，所以导频开销和反馈保持如经典MIMO系统那样，并且因此所提出的设计将其本身适用于mMIMO系统的可扩展设计。外部预编码器106还使得无线通信系统500对于基于UL确定的内部预编码器108可能发生的潜在不匹配而更加鲁棒，因为外部预编码器106基于DL有效信道来配置，DL有效信道的尺寸通过内部预编码器108的帮助而减小。BS接收用于DL发送的数据和/或导频，使用外部预编码器106、内部预编码器108和处理器102根据该解决方案对接收到的数据和/或导频进行预编码，以及使用收发器110发送预编码的数据和/或导频。图4还示出了处理器102包括UL信道估计值模块和反馈接收模块。在图4-6中，为了说明的目的，反馈信道402直接指向处理器102。然而，来自UE的反馈可以经由收发器110或BS的任何其它通信接收装置来接收。
在图4中，UE使用其收发器304接收两种类型的导频序列，并且使用其处理器302执行信道估计。仅由内部预编码器108进行预编码的导频序列P1从BS发送，以帮助UE估计等效的内部预编码信道，即第一信道估计值CHE1，以向BS提供反馈。第一信道估计值CHE1经由反馈信道402发送，以便在BS处配置外部预编码器106。导频序列P12由BS的外部预编码器106和内部预编码器108进行预编码，以帮助UE估计等效的内部-外部预编码信道，以便使用解调器和解码块306解调数据序列。一般来说，UE对于在BS处的内部和外部预编码器的选择可能是不知的，因此有必要发送用于数据解调和检测的导频序列P12。此外，图4示出了UE在UL信道中向BS发送用于在BS处配置内部预编码器108的UL导频(即，P2)的实施例。
图4所示的级联预编码器104可以以多种方式实现。图5和图6分别示出了两个特定的实施例。
图5描绘了图4中的级联预编码器104的数字实现方式，其中信道估计与数字预编码器码本一起用于确定预编码器矩阵索引(precoder matrix index，PMI)。使用内部预编码的DL信道估计值(即，CHE1)和在BS和UE处已知的数字外部预编码码本的知识，获得外部预编码器106的PMI。基于信道估计值和通过使用内部预编码的第一导频序列P1，UE选择要反馈给BS的PMI。因此，在本实施例中，UE的处理器302包括内部预编码的DL信道估计值模块和外部预编码器码本。基于接收到的PMI反馈，BS的处理器102配置数字外部预编码器。然而，使用UL信道估计值(即，CHE2)和数字内部码本获得的内部预编码器108的PMI来配置数字内部预编码器。图5中的处理器102包括UL信道估计值模块、反馈接收模块和内部预编码器码本。
图6描绘了图4中的级联预编码器104的混合数字模拟实现方式。使用DL信道估计值(即，CHE1)和在BS和UE处已知的数字外部预编码码本的知识，获得外部预编码器106的PMI。基于信道估计值且通过使用内部预编码的第一导频序列P1，UE选择要反馈给BS的PMI。因此，在本实施例中，UE的处理器302包括DL信道估计值模块和外部预编码器码本。基于接收到的PMI反馈，BS的处理器102配置数字外部预编码器。然而，使用UL信道估计值(即，CHE2)，获得模拟内部预编码器108。图6中的处理器包括UL信道估计值模块和反馈接收模块。
图7示出了本发明的另一个实施例，其中突出显示了预编码器的配置和信令方面。在A处，UE 300发送UL导频，在B处，BS 100接收该UL导频，并且基于接收到的UL导频，在C处，BS的处理器102估计UL信道。在D处，处理器102还确定内部预编码器108，以及在E处，向UE发送使用确定的内部预编码器108预编码的DL导频。在F处，基于接收到的DL导频，UE估计DL信道。进一步地，基于内部预编码的DL信道估计值，UE确定外部预编码器106的PMI。在G处，向BS发送PMI，在H处，BS接收PMI，并且在I处，根据接收到的PMI，选择外部预编码器106。最后，在J处，BS向UE发送使用配置的外部预编码器106和内部预编码器108预编码的数据或导频，或者数据和导频。在K处，UE接收发送的数据或导频、或者数据和导频，以估计等效的外部-内部预编码的DL信道，并且对接收的数据进行解调和检测。
图8示出了用于提出的解决方案的发送帧结构，其中在FDD模式中配置UL和DL发送。x轴示出了时间，y轴示出了频率。在该示例中，诸如UE等多个用户用于UL和DL发送。上行导频序列用于可用于UL数据解码的信道估计。此外，使用UL导频进行信道分解，从而可以提取出频率弹性参数。然后使用这些参数来获得用于DL发送的预编码矩阵。信道估计和参数提取的时间由Tpro表示，随后可以开始DL发送。为了使UE能够估计预编码的DL信道，DL导频符号与预编码的DL数据进行复用。图8所示的每个发送都可以包括一个或多个资源元素(resource element，RE)。
在发送和接收基带信号的上下文中，DL发送方程可以被假定为
y＝HWx+z (8)
其中
-H表示nr×nt矩阵的MIMO信道，被建模为其中是具有复高斯矩阵的元(entry)，RDL是天线阵列空间相关，nr是接收器处的天线数量。
-W表示具有级联结构的下行预编码器矩阵，即W＝WiWo，其中
·Wo表示外部预编码器，其是根据上行探测参数化并选择的nb×ns矩阵，其中nb是外部预编码器处的输出流的数量(即，到内部预编码器的流的数量)，ns是流的数量。
·Wi表示内部预编码器，其是从下行探测和反馈中参数化并选择的nt×nb矩阵。
-x表示预编码之前的调制信号向量。
-z表示接收器处的AWGN向量。
该解决方案的一个重要特征在于可以选择的设计参数nb，使得nb≤nt，以便减少DL导频和反馈。设计参数nb可以减少到数据流的数量。换言之，外部预编码器106的输出流的数量nb小于第一通信设备100的发送天线的数量nt。这种方式将显著地减小等效的内部预编码的MIMO信道的大小，并且转而实现了低导频开销和低反馈开销的发送。
为UE分配将要从UL信道发送的导频序列上行导频序列，也被表示为第二导频序列P2，应该在接近DL数据的时间内被分配，以确保频率弹性信道参数没有显着变化。在多用户情况下，为了避免导频污染，当导频序列被映射到相同的时频资源时，让UL导频序列相互正交是有益的。UL导频序列可以使用时分复用(TDM)、频分复用(FDM)、码分复用(CDM)或这些方法的任何组合来发送。该步骤是可选的，因为如上所述，没有专用的上行导频序列，也可以配置内部预编码器108。
BS从UL导频序列中估计UL空间相关RUL。在相干时间内，使用在不同频率中发送的UL导频序列，可以估计长期统计参数。例如，对于线性阵列，当信道具有到阵列的一条主导单路径时，BS可以容易地估计出倾斜角(或仰角)，因此，关于经典参数估计值的问题减少。
BS构建DL信道的空间相关矩阵的估计值BS可以使用完整的UL空间相关矩阵RUL或仅使用特定的频率弹性参数。例如，对于呈现出到阵列的单个强主导路径的信道，BS可以仅使用来自RUL的AoD估计值来构建也可以应用在UL和DL频率载波之间基于不同频率的校正。
另一实施例是使用基于DFT的码本，提供均匀线性阵列(Uniform Linear Array，ULA)相关矩阵的特征向量的最佳近似，这是众所周知的。这种方法与信道的虚拟信道参数化一致。此外还表明，当nt→∞时，ULA的相关矩阵的特征向量实际上渐近地等于DFT向量。
然后，BS对编码的和调制的符号进行预编码。速率R、调制阶数M以及预编码矩阵Wi由处理器102指示，处理器102也可以被看作是控制器。
在一个实施例中，使用预先确定的数字码本，获得用于内部预编码器108的内部预编码矩阵，其中内部码本由Ci＝{Ci，1,…,Ci，n}表示，内部预编码器矩阵被选择为
其中f(.)是将用于内部预编码器的选择映射到上行信道的度量函数。度量函数的示例包括但不限于容量、SNR、SINR、矩阵相关性和距离倒数。
在另一实施例中，其通用形式的预编码矩阵Wi是从中选择的。一个关键特征是预编码矩阵Wi提供尺寸减小的等效信道，用于选择具有更少的开销的外部预编码器106。
在又一实施例中，W通过其主导特征向量的nb≤nt估计考虑到从UL相关矩阵RUL的转换中获得的的估计值，其奇异值分解(singular valuedecomposition，SVD)给出其中处理器102可以将内部预编码器108配置为
其中nb≤nt。也就是说，在该特定示例中，选择U的第一nb列，以形成内部预编码器108。
在另一实施例中，BS可以通过获得到达倾斜角(a.k.a.仰角)或/和方位角中的至少一个来构建相关矩阵，然后使用如上所述的SVD操作来配置内部预编码器108。
在又一实施例中，参数为倾斜角和方位角，预编码为角度预编码。处理器102可以使用估计的角度接入参数化的一组预编码矩阵。处理器102形成以下波束的选择
其中
其中，fDL是下行载波频率，是来自UL AoA的估计的DL AoD。方程式(11)中的映射可以扩展到具有倾斜角(a.k.a.仰角)或/和方位角的情况。
由于用于信道估计的导频序列的数量会随着数据流的数量而变化，所以可以使用传统导频发送对UE的内部预编码信道进行训练。例如，导频序列可以类似于LTE系统中的导频序列一样被发送，其中通过导频序列估计内部预编码器信道。可以使用时分复用(TDM)、频分复用(FDM)、码分复用(CDM)或这些方法的任何组合来发送预编码的DL导频序列由于内部预编码器108的配置，所提出的解决方案显着地减少了信道训练和反馈工作。
估计了等效的内部预编码信道之后，UE在反馈链路上发送信息，以使得BS的处理器102能够配置外部预编码器，即Wo。反馈信息可以是基于在发送器侧和接收器侧都已知的预编码码本的PMI以及表示调度的数据流的数量的RI。由于用于外部预编码器的数据流的数量受限，因此所需的反馈比特的数量可以与常规MIMO系统中的保持类似。
然后，UE从DL导频发送中估计有效信道Heff＝H Wi，并且向BS返回反馈信息，以配置外部预编码器，即Wo(f(H Wi))，其中f(.)表示映射。一个解决方案是使用基于码本的策略。考虑到码本其中ncb是码字的数量，常规的SVD选择被示出为
其中，使用有效信道Heff的SVD作为其ns-主导的右奇异向量，获得
另一较低复杂度的选择可以通过最大化接收功率来完成，使得
该解决方案不需要SVD操作。由于等效信道的尺寸较小，所以也可以使用模拟反馈。
当外部预编码器106和内部预编码器108都是由BS配置时，可以通过与数据序列一起发送一些附加的预编码导频序列来估计UE的等效下行信道，即HWiWo。
估计了预编码信道后，UE的解码器进行解码。如果控制器(或调度器)选择的速率满足下式，则解码成功
其中，假定信道相干块为N＝TcBc，为图8中BS发送用于DL导频1和DL导频2的外部预编码器配置的预编码导频序列的时间。
图9和图10比较了用于三种不同的方案的具有完美CSI的可实现速率。在图9中，x轴示出了SNR，y轴示出了以bps/Hz为单位的速率。图9示出了ρ＝0.8的可实现速率。在图10中，x轴示出了SNR＝10dB的相关因子ρ，y轴示出了以bps/Hz为单位的速率。
图10考虑了三种不同的解决方案，即：
·本解决方案：我们考虑了具有64个Tx天线的mMIMO的单天线UE，其中UE处的接收信号被建模为y＝hwx+n，其中是一个1×64的复高斯向量，R是一个64×64的遵循指数模型的相关矩阵，即[R]m,n＝ρ|m-n|exp(i(m-n)θ)。预编码器是级联预编码器w＝Wiwo。内部预编码器Wi是由作为R的8个最大特征向量的8个相关波束形成的64×8的矩阵。外部预编码器wo是有效信道的最优MRT，其中heff＝hWi。
·基线解决方案：我们考虑了使用最大比率发送(Maximum Radio Transmission，MRT)预编码器的参考8×1MIMO系统，给定w＝hH/||h||。该系统具有与提出的解决方案相同数量的DL导频信令和反馈。
·精灵边界(Genie Bound)：为了比较，我们还考虑也使用完整的CSI的理想MRT预编码器的一个完整的64×1mMIMO系统。这种具有完整CSI的mMIMO系统在FDD中是不切实际的，但是我们认为这是上限。
对于经典的基线MIMO解决方案，速率随着空间相关缓慢降低。本解决方案的有趣之处在于其容量随着相关性的增加而增加，直到其接近最大相关才开始下降。该图提倡为单用户情况的FDD mMIMO使用高度相关的阵列。
另外，根据本发明的实施例的任何方法都可以在具有代码装置的计算机程序中实现，当由处理装置运行时，使得处理装置执行该方法的步骤。计算机程序包括在计算机程序产品的计算机可读介质中。计算机可读介质可以包括基本上任何存储器，例如只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、闪存、电可擦除可编程只读存储器(ElectricallyEPROM，EEPROM)或硬盘驱动器。
此外，本领域技术人员认识到，第一通信设备100包括例如以功能、装置、单元、元件等形式的必要通信能力，用于执行本解决方案。其它此类装置、单元、元件和功能的示例是：处理器、存储器、缓冲器、控制逻辑、编码器、解码器、速率匹配器、去速率匹配器、映射单元、乘法器、决策单元、选择单元、开关、交织器、解交织器、调制器、解调器、输入、输出、天线、放大器、接收器单元、发送器单元、DSP、MSD、TCM编码器、TCM解码器、电源单元、馈电部、通信接口、通信协议等，其被适当地布置在一起，以执行本解决方案。
特别地，该第一通信设备100的处理器可以包括，例如中央处理单元(CPU)、处理单元、处理电路、处理器、专用集成电路(ASIC)、微处理器或可解释和执行指令的其它处理逻辑的一个或多个实例。因此，术语“处理器”可以表示包括多个处理电路的处理电路，例如上述的任何一个、一些或全部处理电路。处理电路还可以执行用于输入、输出的数据处理功能，以及执行包括数据缓冲和设备控制功能的数据处理，例如呼叫处理控制、用户界面控制等。
最后，应当理解，本发明不限于上述实施例，而是涉及并包括在所附独立权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (15)

1.一种用于无线通信系统(500)的第一通信设备，所述第一通信设备(100)包括：
处理器(102)，
包括外部预编码器(106)和内部预编码器(108)的级联预编码器(104)，以及
收发器(110)；
其中所述处理器(102)用于确定所述内部预编码器(108)；
其中所述收发器(110)用于向第二通信设备(300)发送第一导频序列(P1)，所述第一导频序列(P1)使用所述处理器(102)确定的内部预编码器(108)进行预编码；
其中所述收发器(110)用于从所述第二通信设备(300)接收响应于所述第一导频序列(P1)的发送的第一信道估计值(CHE1)；
其中所述处理器(102)用于基于所述第一信道估计值(CHE1)，确定所述外部预编码器(106)；
其中所述收发器(110)用于向所述第二通信设备(300)发送数据序列和导频序列中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的第一通信设备(100)，其中所述数据序列和导频序列中的至少一个使用所述处理器(102)确定的外部预编码器(106)和所述处理器(102)确定的内部预编码器(108)进行预编码。
3.根据权利要求1或2所述的第一通信设备(100)，其中所述第一信道估计值(CHE1)与从所述第一通信设备(100)到所述第二通信设备(300)的第一无线电信道(R1)相关联。
4.根据权利要求3所述的第一通信设备(100)，其中所述收发器(110)用于从所述第二通信设备(300)接收数据序列和第二导频序列(P2)中的至少一个；其中所述处理器(102)用于基于所述数据序列和第二导频序列(P2)中的至少一个，计算与从所述第二通信设备(300)到所述第一通信设备(100)的第二无线电信道(R2)相关联的第二信道估计值(CHE2)，并且基于所述第二信道估计值(CHE2)，确定所述内部预编码器(108)。
5.根据权利要求4所述的第一通信设备(100)，其中所述处理器(102)用于基于所述第二信道估计值(CHE2)，计算所述第二无线电信道(R2)的相关矩阵，并且基于所述第二无线电信道(R2)的相关矩阵，确定所述内部预编码器(108)。
6.根据权利要求5所述的第一通信设备(100)，其中所述处理器(102)用于基于所述第二无线电信道(R2)的相关矩阵，计算所述第一无线电信道(R1)的相关矩阵，并且基于所述第一无线电信道(R1)的相关矩阵，确定所述内部预编码器(108)。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的第一通信设备(100)，其中所述处理器(102)用于估计所述数据序列和第二导频序列(P2)中的至少一个的到达角，并基于所述估计的所述数据序列和第二导频序列(P2)中的至少一个的到达角，计算所述第一无线电信道(R1)的相关矩阵，以及基于所述第一无线电信道(R1)的相关矩阵，确定所述内部预编码器(108)。
8.根据权利要求6或7所述的第一通信设备(100)，其中所述处理器(102)用于执行对所述第一无线电信道(R1)的相关矩阵的奇异值分解SVD，并且基于所述SVD，确定所述内部预编码器(108)。
9.根据权利要求8所述的第一通信设备(100)，其中所述处理器(102)用于基于所述SVD的最主导特征向量的子集，确定所述内部预编码器(108)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的第一通信设备(100)，其中所述收发器(110)用于从所述第二通信设备(300)接收外部预编码指示；以及其中所述处理器(102)用于根据所述外部预编码指示，确定所述外部预编码器(106)。
11.根据权利要求10所述的第一通信设备(100)，其中所述外部预编码指示为预编码矩阵索引PMI或秩指示RI。
12.根据前述权利要求中任一项所述的第一通信设备(100)，其中所述外部预编码器(106)的输出流的数量nb小于所述第一通信设备(100)的发送天线的数量nt。
13.根据前述权利要求中任一项所述的第一通信设备(100)，其中所述处理器(102)用于根据离散傅立叶变换DFT码本确定所述内部预编码器(108)。
14.一种用于包括级联预编码器(104)的第一通信设备(100)的方法，所述级联预编码器(104)包括外部预编码器(106)和内部预编码器(108)，所述方法包括：
确定(202)所述内部预编码器(108)；
向第二通信设备(300)发送(204)第一导频序列(P1)，所述第一导频序列(P1)使用所述确定的内部预编码器(108)进行预编码；
从所述第二通信设备(300)接收(206)响应于所述第一导频序列(P1)的发送的第一信道估计值(CHE1)；
基于所述第一信道估计值(CHE1)，确定(208)所述外部预编码器(106)；
向所述第二通信设备(300)发送(210)数据序列和导频序列中的至少一个。
15.一种具有程序代码的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，用于执行根据权利要求14所述的方法。
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