CN112640324B - 具有适应于任意天线响应的波束成形系数的天线阵列码本 - Google Patents

具有适应于任意天线响应的波束成形系数的天线阵列码本 Download PDF

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CN112640324B CN201980057106.6A CN201980057106A CN112640324B CN 112640324 B CN112640324 B CN 112640324B CN 201980057106 A CN201980057106 A CN 201980057106A CN 112640324 B CN112640324 B CN 112640324B
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Abstract

一种接收器，包括用于与发射器进行无线通信的天线(202)和用以接收并处理经由无线电信道(400)在天线处接收到的无线电信号的信号处理器(302，306，306)。接收器构建码本(212)，码本(212)包括针对多个方向的多个波束成形权重集合，码本(212)中的波束成形权重基于发射器的发射器天线阵列(202，304)的第一天线阵列响应矩阵以及发射器从码本(212)中选择波束成形权重集合，以由发射器天线阵列(202，304)形成指向所选方向的发射/接收波束。接收器基于发射器天线阵列(202，304)的模型，使用(a)接收到的发射器天线阵列的天线元件的位置数据和每个天线元件的优选极化，和/或(b)发射器天线阵列的结构和/或几何数据来计算一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))。接收器使用第二天线阵列响应矩阵和一个或多个计算的特征矩阵(G,G(h),G(v))构建码本(212)。第一天线阵列响应矩阵包含针对多个方向的、发射器天线阵列(202，304)的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵包含针对多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于发射器天线阵列(202，304)，以及一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))描述发射器天线阵列(202，304)的一个或多个特征，以及使用第二天线阵列响应矩阵和一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))建模第一天线阵列响应矩阵第一阵列响应向量中的每个是特征矩阵(G,G(h),G(v))和对应第二阵列响应向量的乘积。

Description

具有适应于任意天线响应的波束成形系数的天线阵列码本
技术领域
本发明涉及无线通信系统领域，诸如移动通信网络。本发明的实施例涉及使用预编码器和码本的多天线技术，该码本具有适应于发射器阵列的任意天线响应的波束成形系数。其他实施例涉及可以适应于发射器或接收器阵列的3D天线响应的极化码本的设计，例如用于极化天线阵列响应的2D DFT码本。在接收器处，码本可以用于方向估计。
背景技术
图1是无线网络100或图1的无线通信系统的无线网络基础设施的示例的示意图。无线网络100可以包括多个基站eNB1到eNB5，每个基站服务基站周围的特定区域，该特定区域由各个小区1021到1025示意性地表示。提供基站以服务小区内的用户。用户可以是固定设备或移动设备。此外，可以通过连接到基站或用户的IoT设备访问无线通信系统。IoT设备可以包括具有嵌入在其中的电子器件、软件、传感器、致动器等以及使这些设备能够跨现有网络基础设施收集和交换数据的网络连接的物理设备，车辆，建筑物和其他物品。图2示出仅五个小区的示例性视图，但是无线通信系统可以包括更多这样的小区。图1示出在小区1022中并且由基站eNB2服务的两个用户UE1和UE2，也称为用户设备(UE)。在小区1024中示出由基站eNB4服务的另一个用户UE3。箭头1041，1042和1043示意性地表示上行链路/下行链路连接，用于将数据从用户UE1、UE2和UE3传输到基站eNB2、eNB4，或者用于将数据从基站eNB2、eNB4传输到用户UE1、UE2和UE3。此外，图1示出小区1024中的可以是固定设备或移动设备的两个IoT设备1061和1062。IoT设备1061经由基站eNB4访问无线通信系统以接收和传输数据，如箭头1081示意性表示。IoT设备1062经由用户UE3访问无线通信系统，如箭头1082示意性表示。
无线通信系统可以是基于频分复用的任何单音或多载波系统，如正交频分复用(OFDM)系统，由LTE标准定义的正交频分多址(OFDMA)系统，或者具有或不具有CP的任何其他基于IFFT的信号，例如DFT-s-OFDM。可以使用其他波形，如用于多路访问的非正交波形，例如滤波器组多载波(FBMC)、广义频分复用(GFDM)或通用滤波多载波(UFMC)。
对于数据传输，可以使用物理资源网格。物理资源网格可以包括资源元素集合，各种物理信道和物理信号被映射到资源元素。例如，物理信道可以包括承载用户特定数据(也称为下行链路和上行链路有效载荷数据)的物理下行链路共享信道(PDSCH)和物理上行链路共享信道(PUSCH)，承载例如主信息块(MIB)和系统信息块(SIB)的物理广播信道(PBCH)，承载例如下行链路控制信息(DCI)的物理下行链路控制信道(PDCCH)等。对于上行链路，物理信道还可以包括物理随机接入信道(PRACH或RACH)，一旦UE同步并获得了MIB和SIB，该物理随机接入信道由UE用于访问网络。物理信号可以包括参考信号(RS)、同步信号等。资源网格可以包括帧，帧在时域中具有一定持续时间(例如，10毫秒的帧长)以及在频域中具有给定带宽。帧可以具有一定数量的预定长度的子帧，例如，2个长度为1毫秒的子帧。每个子帧可以包括6或7个OFDM符号的两个时隙，这取决于循环前缀(CP)长度。PDCCH可以由每个时隙的预定义数量的OFDM符号定义。例如，前三个符号的资源元素可以被映射到PDCCH。
在如图1中示意性描绘的无线通信系统中，例如根据LTE可以使用多天线技术，以改善用户数据速率、链路可靠性、小区覆盖范围和网络容量。为了支持多流或多层传输，在通信系统的物理层中使用线性预编码。线性预编码由预编码器矩阵执行，预编码器矩阵将数据层映射到天线端口。预编码可以被看作是波束成形的泛化，它是一种将数据传输在空间上定向/聚焦到预期接收器的技术。
在下文中，将考虑移动多输入多输出通信系统中的下行链路(DL)传输，即承载从基站(eNodeB)到移动用户设备(UE)的数据业务的通信链路。考虑到具有NTx个天线的基站(eNodeB)和具有NRx个天线的移动用户设备(UE)，在UE处的DL传输中的特定时刻接收的符号可以写为
y＝HFs+n (1)
其中表示信道矩阵，/>表示eNodeB处的预编码器矩阵，是接收器处的附加噪声，/>是由eNodeB传输的数据向量，其必须由UE解码，以及Ns表示传输的数据流的数量。
通过求解基于瞬时信道信息的优化问题，可以决定必须在eNodeB处使用的将数据/>映射到NTx个天线端口的预编码器矩阵。在闭环通信模式下，UE估计信道的状态，并经由上行链路(承载从UE到eNodeB的业务的通信链路)中的反馈信道将报告、信道状态信息(CSI)传输给eNodeB，使得eNodeB可以确定预编码矩阵(请参见参考文献[1])。还存在没有来自UE的反馈地执行多层传输以确定预编码矩阵的情况。这种通信方式称为“开环”，并且eNodeB利用信号分集和空间复用来传输信息(参见参考文献[1])。
在下文中，将考虑闭环DL传输模式。在闭环模式中发送到eNodeB的CSI反馈可能有两种不同的类型：隐式和显式。图2示出根据LTE版本8、使用基于码本的预编码的MIMO DL传输的基于块的模型。图2示意性地示出基站200、用户设备300和信道400，如用于基站200和用户设备300之间的无线数据通信的无线电信道。基站包括具有多个天线或天线元件的天线阵列202，以及从码本208接收数据向量206和预编码器矩阵F的预编码器204。信道400可以由信道矩阵402描述。用户设备300经由天线或具有多个天线或天线元件的天线阵列304接收数据向量302。此外，示出用于传输反馈信息的在用户设备300与基站200之间的反馈信道500。
在隐式反馈的情况下，由UE 300在反馈信道500上传输的CSI包括秩索引(RI)、预编码矩阵索引(PMI)和信道质量索引(CQI)，从而在eNodeB 200处允许确定预编码矩阵、以及所传输的符号的调制阶数和编码方案(MCS)。PMI和R1用于从称为“码本”208的预定义矩阵集合Ω中确定预编码矩阵。例如，根据LTE，码本208可以是在表格的每个项中具有矩阵的查找表，并且来自UE的PMI和R1决定从中获得最佳预编码器矩阵的表格的行和列。
DL传输中的码本设计可以特定于用于传输的天线端口的数量。例如，当使用两个端口进行传输时，码本项来自具有恒定模量项的2x2单式矩阵的列(参见参考文献[2])。对于4端口传输，豪斯霍尔德矩阵的列可以用于预编码器/>(在这种情况下，Ns≤4)，其中/>是具有单位模量项的向量，其中n表示码本索引(参见参考文献[2])。
利用显式CSI反馈，不使用码本确定预编码器。预编码器矩阵的系数由UE显式传输。可替代地，可以传输瞬时信道矩阵的系数，eNodeB从该系数确定预编码器。
可以针对配备有具有固定下倾角的一维均匀线性阵列(ULA)或二维均匀平面阵列(UPA)的eNodeB执行预编码器204和码本208的设计和优化。这些天线阵列202允许控制水平(方位角)方向上的无线电波，使得在eNodeB 200处仅方位角的波束成形是可能的。根据其他示例，码本208的设计被扩展为支持用于在垂直(仰角)和水平(方位角)方向上传输波束成形的UPA，这也被称为全尺寸(FD)MIMO(参见参考文献[3])。
基于理想UPA的阵列响应设计FD-MIMO中的码本208。具有NTx个天线端口的天线阵列的响应(也称为“阵列响应向量”)是大小为NTx×1的复值向量，其包含针对从特定方向入射的波前的在天线阵列202的每个天线端口处引起或获得的(相对)相移和幅度增益。阵列的响应通常表示为到达角或离开角的函数。在诸如FD-MIMO的大型天线阵列的情况下使用的码本208是波束成形权重集合，其使用阵列的阵列响应向量形成在空间上分离的电磁发射/接收波束。阵列的波束成形权重是幅度增益和相位调整，该幅度增益和相位调整被应用到馈送到天线的信号(或从天线接收到的信号)，以朝特定方向发射辐射(或从特定方向获得辐射)。从阵列的码本获得预编码器矩阵的分量，以及PMI和RI用于“读取”码本并获得预编码器。
理想UPA的阵列导向向量可以通过二维离散傅里叶变换(DFT)矩阵的列来描述(参见参考文献[4])，理想UPA具有相同天线，该天线具有理想天线放置(例如由几何形状指定的无限精确放置的天线)以及全向辐射方向图。因此，对于2D UPA的码本，可以使用基于2D-DFT的矩阵。为可扩展数量的天线端口定义了基于2D-DFT的矩阵，例如每个极化/天线定向最多32个天线端口，或者在共极化天线阵列中的64个天线端口(参见参考文献[3])。
FD-MIMO中使用的预编码器矩阵可以具有双级结构：F＝F1F2。这里，矩阵F1包含由2D-DFT码本定义的波束成形向量，即矩阵F1包含应用到阵列的每个天线端口以将辐射指向特定方向的波束成形权重。矩阵F2包含选择和/或线性组合矩阵F1中的2D-DFT波束以获得期望的总波束图的系数。矩阵F2也可以用于在阵列的不同天线定向/极化组之间执行共相位(参见参考文献[3])。
在大型天线阵列中，可以将在不同方向上定向的多个天线放置在阵列中的特定位置处(即，每个位置有P个天线端口)。天线中的每个对所发射或接收的波前的特定极化敏感。由于天线的定向定义了它所敏感的波前的极化方向，因此术语“天线定向”和“天线极化”可以互换使用。但是为了避免与稍后将介绍的波极化混淆，在以下适当的地方使用了“天线定向”代替“天线极化”。考虑到阵列的通用几何形状，对于具有每个定向NTx个天线端口以及天线之间P个不同的天线定向的阵列，FD-MIMO型两级预编码器矩阵的分量如以下等式所示：
矩阵具有块-对角线结构，其中在每个块中具有用于特定定向的天线的阵列导向向量。矩阵F1中的向量/>(d＝1,2,…,D且p＝1,2,…,P)中的每个对应于沿从D个方向中选择的某第d方向、使用在第p方向上定向的天线操控波束的波束成形向量。/> 的可能向量是阵列的所谓“码本”矩阵中包含的列，该矩阵包含针对各种辐射角度的导向向量。
中的向量cd,d＝1,2,…,D′用于执行波束选择或执行波束的线性组合。波束的组合/共相位可以在该矩阵中的不同天线极化内和跨不同天线极化执行。变量D′表示有效形成的波束的数量。
为了说明组合矩阵F2的使用，提供了矩阵中使用的向量的类型以及它们满足的目的。
对于秩-1传输和类型-I报告，针对双极化天线阵列(P＝2)由[7]给出F2(s)
其中包含除第u位置以外的所有位置处的零。
eu这样的定义为每个极化选择第u向量并跨不同极化组合它们。此外，δ1是用于第二极化的量化相位调整。
对于秩-1传输和类型-II报告，针对双极化天线阵列(P＝2)由[7]给出F2(s)
其中量化值pu和δu,u＝1,2,…,2U分别是幅度和相位组合系数。
对于秩-R传输，F2(s)包含R个向量，其中选择每个向量的项以组合每个极化内的单个或多个波束和/或跨不同极化组合单个或多个波束。
FD-MIMO中使用的基于2D-DFT的码本设计是有利的，因为可以将整个码本分为水平码本和垂直码本，以允许单独的方位角预编码和仰角预编码，以及因为针对方位角域和仰角域将单独的反馈信息传递给eNodeB。此外，用于FD-MIMO的基于2D-DFT的码本允许通过2D-DFT矩阵的列描述理想UPA的阵列导向向量(参见参考文献[4])。
虽然基于2D DFT的码本可以用作均匀矩形天线阵列(URA)的码本，但由于URA的天线响应可能由过采样的DFT基向量表示，因此基于2D-DFT的码本可能不会用于任意形状的天线阵列，因为这可能导致不期望的定向波束图。换句话说，尽管用于一个天线阵列的特定码本可以用于控制特定天线阵列(不同于这个天线阵列)，但是该特定码本可能不适合于控制另一或任意天线阵列。因此，为了实现对发射器处的实际任意天线阵列的准确波束成形和/或零点指向，必须将码本适配于发射器的实际或测量的天线阵列响应。这意味着需要为使用的不同天线阵列设计不同的码本。但是，这种天线阵列相依的码本设计是不希望的，因为这些码本还取决于天线配置，诸如天线端口的数量或天线阵列中天线的定向。
US 2016/173180 A1描述了用于基于二维离散傅里叶变换的码本的系统和方法，用于仰角波束成形。该码本支持单流码字和多流码字。通过堆叠两个离散傅立叶变换码本矩阵的矩阵乘积的列，生成基于二维离散傅立叶变换的码本。可以基于所需的方位角和仰角上波束分辨率灵活地设计码本大小。从生成的基于二维离散傅里叶变换的码本中选择最佳码本索引。在信道状态信息报告中提供所选的码本索引。该信道状态信息报告被传输给基站。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，该方法避免了为在各个发射器中使用的不同天线阵列设计不同码本的需要，并且实现了对发射器处使用的实际天线阵列的准确波束成形和/或零点指向。
该目的通过独立权利要求中限定的主题来实现。
实施例在从属权利要求中定义。
附图说明
现在参考附图更详细地描述本发明的实施例，其中：
图1示出用于使用网络切片的概念来实现不同服务的系统的示意图；
图2示出使用隐式CSI反馈的MIMO通信系统的基于块的模型；
图3示出FD-MIMO中的均匀平面阵列和对应预编码矩阵结构的示例；
图4示出根据本发明实施例的类似于图2中的系统的MIMO通信系统的框图，该框图表示控制信息的传输、CSI反馈以及适应于实际天线响应的码本的构建；
图5示出根据本发明实施例的控制信息传输、在接收器处的码本生成以及CSI参数的反馈的方法的流程图；
图6示出根据本发明实施例的类似于图2和图4中的系统的MIMO通信系统的框图，该框图表示控制信息的传输、CSI反馈以及使用在接收器处计算的特征矩阵对适应于实际天线响应的码本的构建；和
图7示出在其上可以执行根据本发明方法描述的单元或模块、以及方法的步骤的计算机系统的示例。
具体实施方式
在下文中，参考附图进一步详细描述本发明的优选实施例，在附图中，具有相同或相似功能的元件由相同的附图标记表示。
根据本发明的实施例，在无线通信系统中，发射器天线阵列由码本控制，该码本已针对不同于发射器天线阵列的特定天线阵列建立。发射器的天线阵列可以是具有任意配置的天线阵列，例如发射器的天线阵列可以包括任何阵列配置的一维天线阵列、二维天线阵列或三维天线阵列。特定码本(例如基于2D DFT的码本)通过描述发射器的天线阵列的配置或性质的一个或多个特征矩阵，适应于发射器的实际或真实天线阵列。因此，根据本发明方法，用于一个天线阵列(不同于发射器天线阵列)的特定码本适应于控制发射器的天线阵列以获得期望的定向波束图。
根据实施例，提供发射器(例如服务一个或多个UE的基站或与基站通信的UE)，该发射器包括具有多个天线的天线阵列和连接到天线阵列的预编码器，多个天线用于与一个或多个接收器无线通信，预编码器用以将波束成形权重集合应用到天线阵列，从码本中选择该波束成形权重集合，以由天线阵列形成指向所选方向的一个或多个发射/接收波束或零点。码本包括针对多个方向的多个波束成形权重集合。码本中的波束成形权重基于第一天线阵列响应矩阵，由第二天线阵列响应矩阵和一个或多个特征矩阵定义第一天线阵列响应矩阵。第一天线阵列响应矩阵包含针对多个方向的、天线阵列的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵包含针对多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于天线阵列，以及一个或多个特征矩阵描述天线阵列的一个或多个特征。
在本发明中，当提及多个方向中的一个或多个时，这表示多个方向中的一个，多个方向中的两个或更多个，或多个方向中的全部。
换句话说，根据本发明，可以具有任意配置的发射器的天线阵列的阵列响应矩阵基于另一个天线阵列(不同于发射器天线阵列)的已知阵列响应矩阵，其适应于发射器的天线阵列的实际或真实世界实现。这样就产生了发射器的天线阵列的阵列响应，从而构成了发射器待使用的预编码器的基础。该适应使用一个或多个特征矩阵，该一个或多个特征矩阵例如基于发射器的天线阵列的模型、发射器的天线阵列的测量值或其组合描述发射器的天线阵列的一个或多个特征。
根据特定实施例，基于2D DFT的码本被用作发射器的天线阵列的码本的基础。发射器的天线阵列可以是任意3D形状的天线阵列，例如堆叠的均匀圆形阵列。为了实现对发射器处的实际任意天线阵列的准确波束成形和/或零点指向，码本可以适应于发射器的真实或测量的天线阵列响应，例如，发射器的真实或测量的全极化3D天线阵列响应。
一个或多个特征矩阵可以基于天线阵列的模型、或者基于测量的天线阵列响应矩阵，该测量的天线阵列响应矩阵包含针对多个方向中的一些或全部、从天线阵列的测量值确定的测量的阵列响应向量。根据实施例，天线阵列的模型或天线阵列的测量值可以考虑天线阵列中各个天线中的一个或多个的方向性和非同一性，和/或天线阵列中各个天线之间的电磁耦合，和/或天线阵列中的其他实际缺陷。根据其他实施例，天线阵列的模型或天线阵列的测量值可以描述天线阵列的天线中的一个或多个的一个或多个辐射特性，辐射特性包括由于天线在天线阵列中的位置和/或耦合不平衡和/或制造不平衡而导致的相位和幅度中的一个或多个。
根据其他实施例，可以从使用一个或多个特征矩阵修改或适应的第一码本中获得码本。第一码本由第二天线阵列响应矩阵的第二阵列响应向量定义。使用一个或多个特征矩阵调整码本的优点是，可以容易地将关于发射器处的实际天线阵列的信息提供给接收器(例如由基站服务的UE)，无需向UE传输大量信息。根据实施例，通过一个或多个特征矩阵，天线阵列的真实实现的信息由基站传输给UE，或者可以由UE下载。UE处实际eNodeB阵列特性的可用性有助于波束优化、信道估计和CSI反馈。CSI反馈的准确性和数量以及信道估计过程的准确性在很大程度上取决于eNodeB的实际码本(或阵列响应)在UE处的可用性。将适配的阵列响应作为整体传输给UE将导致传输大量的控制信息。根据本发明的实施例，仅传输特征矩阵，从而减少了控制信息开销。根据实施例，除了特征矩阵的传输之外，还可以将用于另一个天线阵列的码本的设计参数(如2D DFT矩阵)传输给接收器。然后，接收器可以生成所需的码本，例如由接收到的参数和接收到的特征矩阵定义的、极化的基于2D-DFT的码本。根据本发明的其他实施例，可以仅将发射器天线阵列的结构和/或几何数据、或接收到的发射器天线阵列的天线元件的位置数据以及每个天线元件的优选极化传输给接收器。
然后，接收器可以从生成的码本中选择最佳码本向量，并将所选码本索引或所选波束成形权重反馈给发射器。
因此，实施例提供一种接收器(例如与基站进行通信的UE或服务一个或多个UE的基站)，该接收器包括天线以及信号处理器，天线用于与发射器进行无线通信，信号处理器用以接收并处理经由无线电信道在天线处接收到的无线电信号。接收器被配置为构建码本，该码本包括针对多个方向的多个波束成形权重集合，码本中的波束成形权重基于发射器的天线阵列的第一天线阵列响应矩阵，以及发射器从码本中选择波束成形权重集合，以由天线阵列形成指向所选方向的发射/接收波束。接收器被配置为使用从发射器接收到的一个或多个特征矩阵和第二天线阵列响应矩阵来构建码本。第一天线阵列响应矩阵包含针对多个方向的、天线阵列的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵包含针对多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于发射器天线阵列，一个或多个特征矩阵描述发射器的天线阵列的一个或多个特征。
在下文中，将在DL通信的实施例的基础上描述本发明方法，在DL通信中，发射器是具有任意3D天线阵列的基站或eNodeB，并且接收器是由eNodeB服务的UE。首先，将描述使用非极化码本的实施例，然后描述使用极化码本的实施例。
非极化码本
可以通过矩阵定义具有NTx个天线端口的任意3D天线阵列的响应。该矩阵也称为天线阵列响应矩阵，
包括MN个导向向量也作为天线阵列响应向量。导向向量/>包括针对第m方位角和第n仰角方向的来自所有天线端口的响应。
参数M和N分别表示在方位角范围和仰角范围/>中的样本的数量。
步骤1：任意3D天线阵列的每个导向向量可以被写为天线阵列的特征矩阵G和导向向量/>的乘积。
如果矩阵对应于阵列响应A的特征矩阵，导向向量/>作为两个Vandermonde向量/>和d(θn)的Kronecker乘积给出
其中
使得Q1·Q2＝Q。
通过收集在等式(10)中定义的大小为Q×1的MN个向量，可以将矩阵定义为
Q1和Q2分别表示水平(行)和垂直(列)方向的天线端口的数量。
大小为NTx×Q的非正方形特征矩阵G提供了发射器的天线阵列的数学模型，并包含对天线元件辐射特性的足够准确的描述，该辐射特性包括由于元件位置、耦合和制造不平衡而导致的相位和幅度。
可以通过求解以下优化问题来计算特征矩阵G
通过天线阵列的有效孔径分布函数(EADF)的概念给出(14)的一种潜在解。EADF表示在方位角范围和仰角范围/>上阵列响应的傅立叶逆变换。为了计算EADF矩阵GEADF，必须将阵列响应作为具有周期为2π的离散周期函数使用。对于A的第q行，矩阵G的元素giq由下式给出：
可替代地，可以通过下式给出的最小二乘(LS)解来计算特征矩阵G。
GLS＝ADH(DDH)-1 (16)
通过对等式(11)和(12)所示的Vandermonde向量引入角度变换和β＝cos(θn)，2D DFT导向矩阵/>也可以被映射到具有Q个“虚拟”天线端口的“虚拟”理想URA的阵列响应。这里，α和β分别表示水平方向和垂直方向上的矩形阵列的相位。
与参考文献[5]中描述的阵列插值或参考文献[6]中描述的波束空间变换相比，等式(9)中的变换方法不会将来自真实阵列响应的导向向量插值到另一个阵列响应，而是改变了真实阵列响应的数学模型。
指定2D DFT矩阵中向量维度的参数Q是设计参数，并且可以自由选择，使得NTx＜＜Q。Q越大，则阵列响应的变换的近似或拟合误差越小
使用更多样本Q来近似特征矩阵会增加大小。
在发射器处，特征矩阵G和2D-DFT矩阵D可以用于设计适应于发射器处的3D天线阵列响应的基于2D-DFT的码本。
步骤2：可以将特征矩阵G和2D DFT矩阵(Q,M,N)的设计参数传输给接收器侧。接收器可以生成由参数(Q,M,N)和特征矩阵G定义的基于2D-DFT的码本Ω。接收器可以从码本中选择最佳码本向量，并将所选码本索引或码本项(波束成形权重)反馈给发射器(例如eNodeB)。
极化码本
在到目前为止描述的实施例中，未对阵列的几何形状、或阵列中涉及的极化的数量做出任何假设，并且到目前为止所描述的码本和天线响应考虑因素都是非极化的，即在天线阵列对所发射或接收的波前的极化状态的敏感性的上下文中，未讨论阵列响应或码本。然而，本发明不限于这样的实施例。
尽管一些码本设计可能是非极化的，并因此倾向于忽略阵列在设计中的实际方面，但是根据其他实施例的本发明方法考虑了天线的基于极化的响应，因为否则波束成形的努力可能证明是完全没用的(参见参考文献[7]和[8])。因此，根据实施例，考虑了天线阵列的天线端口对所发射/接收的波前的水平和垂直极化的响应。
阵列中的天线可以在不同方向上定向，以对具有变化极化的波前敏感。理想地，沿特定方向定向的天线应对仅沿一定方向极化的波前做出响应，并拒绝沿任何其他方向极化的所有分量。在文献中，天线的取向方向与天线做出响应的极化角度相同，因此，使用术语“天线的极化”代替“天线的定向”，但是在本文中，当指代天线时，使用术语“定向”以避免与波极化混淆。然而，实际上，由于天线的非理想性，天线倾向于跨多个极化发射/接收波前的分量。因此，根据实施例，考虑了阵列中天线跨波前的两个正交极化(水平和垂直)的响应，以用于极化码本设计。这里提到的术语“水平和垂直”是波前的极化，而不是天线的水平和垂直定向/极化(或者，例如，FD-MIMO中均匀平面阵列中天线的水平和垂直布置)。还存在一种特定符号用于表示天线对特定波极化的响应：矩阵或向量中的下标/上标“(h)”表示与波前的水平极化相关联，以及下标/上标“(v)”表示与波前的垂直极化相关联。
具有NTx个天线端口的任意3D天线阵列的响应分别关于所发射/接收的波前的水平和垂直极化由两个矩阵和/>定义。矩阵，也称为天线阵列响应矩阵，
包括分别用于水平和垂直极化的MN个导向向量和/>导向向量也称为天线阵列响应向量。导向向量/>和/>包括针对第m方位角和第n仰角方向的来自所有天线端口的响应。
参数M和N分别表示在方位角范围和仰角范围/>内的样本的数量。
步骤1：关于发射器的任意3D天线阵列的水平极化的每个导向向量可以被写为天线阵列的特征矩阵G(h)和导向向量/>的乘积。
并且类似地，关于垂直极化的每个导向向量可以被写为
如果矩阵对应于阵列响应A(h)的特征矩阵，导向向量/>作为两个Vandermonde向量/>和d(θn)的Kronecker乘积给出
其中
使得Q1·Q2＝Q。
通过收集等式(25)中定义的大小为Q×1的MN个向量，可以将矩阵定义为
Q1和Q2分别表示水平(行)和垂直(列)方向的天线端口的数量。
大小为NTx×Q的非正方形特征矩阵G(h)和G(v)提供了天线阵列的数学模型，并包含对天线元件辐射特性的足够准确的描述，该辐射特性包括由于元件位置、耦合和制造不平衡而导致的相位和幅度。
可以通过求解以下优化问题来计算特征矩阵G(h)和G(v)
其中 是优化问题的解。天线阵列的有效孔径分布函数(EADF)的概念给出了等式(29)的一种潜在解。EADF表示在方位角范围/>和仰角范围/>上阵列响应的傅立叶逆变换。为了计算EADF矩阵G(h)EADF和G(v)EADF，阵列响应必须在方位角和仰角上分别可作为具有周期为2π的离散周期函数。对于A(h)的第q行，矩阵G(h)的元素g(h)iq由下式给出
类似地，矩阵G(v)的元素g(v)iq由下式给出
可替代地，也可以通过下式给出的最小二乘(LS)解来计算特征矩阵G(h)和G(v)。
其中使得Q<MN以存在逆。/>
注意的是，当等式(21)和(22)中的角度被选择为使得D对应于2D DFT矩阵时，由等式(30)和(31)中的EADF以及由等式(32)中LS方法得到的解可以是相同的。
使用等式(23)和(24)中的变换方法，将阵列响应和/>转换为由2DDFT矩阵给出的新阵列响应/>
通过对等式(26)和(27)所示的Vandermonde向量引入角度变换和β＝cos(θn)，新2D DFT导向矩阵/>也可以被映射到具有Q个“虚拟”天线端口的“虚拟”理想URA的阵列响应。α和β分别表示矩形阵列在水平和垂直方向上的相位。
与参考文献[5]中描述的阵列插值或参考文献[6]中描述的波束空间变换相比，等式(23)和(24)中的变换方法不会将来自真实阵列响应的导向向量插值到另一个阵列响应，而是改变真实阵列响应的数学模型。
指定2D DFT矩阵中向量维度的参数Q是设计参数，并且可以自由选择，使得NTx＜＜Q。Q越大，则阵列响应的变换的近似或拟合误差或/>越小
使用更多样本Q来近似特征矩阵会增加大小。
极化码本的设计(Ω(h),Ω(v))
特征矩阵G(h)和G(v)以及2D-DFT矩阵D可以用于设计基于2D-DFT的码本，其适应于发射器处的极化3D天线阵列响应。极化码本包括分别关于水平极化和垂直极化的两个子码本Ω(h)和Ω(v)。
其中，子码本Ω(h)和Ω(v)在角度范围中的总共MN个点(方位角中的M个点和仰角中的N个点)上定义，其中在方位角上分辨率为在仰角上分辨率为/>
然后，在发射器处使用的对应预编码器基于Ω(h)和Ω(v)的向量的子集。
另外，等式(35)和(36)中的项可以被归一化以满足发射器处的功率约束。例如，限制功率的一种方法是分别将Ω(h)和Ω(v)中的码本项乘以归一化矩阵N(h)和N(v)。然后由下式给出满足特定功率约束的归一化码本
其中N(h)和N(v)是大小为MN×MN的对角矩阵，其中项被定义为使得满足特定功率约束。
步骤2：可以将特征矩阵G(h)和G(v)以及2D DFT矩阵的设计参数(Q,M,N)传输给接收器侧。接收器可以生成极化的基于2D-DFT的码本Ω(h)和Ω(v)，其由参数(Q,M,N)以及特征矩阵G(h)和G(v)定义。接收器可以从Ω(h)和Ω(v)中选择最佳码本向量，并且将所选码本索引或所选波束成形权重反馈给发射器(例如，eNodeB)。
(一个或多个)特征矩阵可以由eNodeB离线确定，例如可以在不与UE进行通信的情况下进行计算，然后由UE下载(一个或多个)特征矩阵以构建适应于“非理想”阵列响应的eNodeB的码本。发送给UE的特征矩阵是“控制信息”的一部分，如图4所示。
图4示出MIMO系统的框图，该框图示出控制信息的传输、CSI反馈以及适应于发射器天线阵列的真实天线响应的码本的构建的实施例。参考极化码本的使用描述图4的实施例，然而，本发明不限于这样的实施例。本发明方法同样适用于非极化码本。对应于以上已经参考图2描述的那些的MIMO系统的那些元件已经被分配了相同的附图标记。根据本发明的实施例，基站200包括特征矩阵特征矩阵/>可以如以上描述的被确定并且可以被存储在基站200处，例如在存储设备210中。基于特征矩阵/>和用于某个天线阵列(不同于天线阵列202)的码本208(可以是用于URA天线阵列的2D DFT码本)，阵列响应自适应的码本212由预编码器获得并使用以获得预期的定向波束图。根据实施例，特征矩阵/>可以例如作为无线通信系统的PDCCH 502中的控制信息504传输给UE 300。发送到接收器300的控制信息504可以包括特征矩阵G(h)和G(v)以及用于码本208的设计参数(Q,M,N)。使用这些参数，接收器在306处生成表示码本208的2D DFT矩阵D，并且在308处构建适应于在发射器200处使用的阵列202的3D天线响应的极化码本Ω(h)和Ω(v)。
UE 300在eNodeB或基站200的构建码本的基础上执行改进的波束优化、信道估计和CSI反馈，考虑了发射器200处真实天线阵列，从而改进了信道估计过程的准确性以及CSI反馈500的准确性和数量。
图5是根据本发明实施例的控制信息传输、在接收器处码本的生成以及CSI参数的反馈的方法的流程图。在S100处，基于发射器200的3D天线响应计算特征矩阵{G(h),G(v)}和大小为Q×MN的2D DFT矩阵d，以及在S102处，特征矩阵{G(h),G(v)}和设计参数(Q,M,N)作为控制信息504被传输到接收器300。在S104处，在接收器300处基于(Q,M,N)生成2D DFT码本，并且在接收器300处构建极化码本{Ω(h),Ω(v)}。在S106处，计算CSI参数(CQI，PMI，R1)并将其从接收器300反馈给发射器200。在S108处，基于从接收器300接收到的反馈，从极化码本{Ω(h),Ω(v)}中选择预编码器用于下一次传输。
其他实施例
1.准确性和零点/波束成形能力
阵列流形技术在选择非平方特征矩阵G(h)和G(v)的维度/大小上提供灵活性，取决于在角度域中期望的准确性。在特征矩阵中选择更多样本实现准确的波束成形以及在期望方向上的零点指向。另一方面，EADF矩阵中样本数量的少量减少可能不会显著降低波束成形能力和准确性，但可能会对期望的零点指向能力产生很大影响。
2.通过矩阵G(h)和G(v)的压缩来减少控制信息开销
即使特征矩阵的大小相比于3D天线响应矩阵和/>是小的，也可以进一步减小它们的大小。一种方法是选择参考行(例如，可用天线端口中的一个的EADF)，并获取相对于所选参考行的每一行(所有其他天线端口)的残差。通过这样做，残差中的许多值都接近于零。通过忽略接近零的项并仅发送显著项以及所选择的参考行，可以减少控制信息中的开销。接收器可以重新构建特征矩阵。
3.使用特征矩阵作为固定预编码器
如果仅使用来自天线元件的EADF的少量样本表示特征矩阵，则特征矩阵也可以用作固定预编码器。通过这样做，不需要经由控制信道将这些矩阵发送给接收器。结果，可以减少控制信息开销。可以将在发射器处的固定预编码器定义为特征矩阵G(h)和G(v)的函数f(.)。通过这样做，接收器可以简单地使用基于2D DFT的码本并且基于有效信道Heff＝HF反馈CSI参数，其中F＝f(G(h),G(v))。仅需要设计参数(Q,M,N)即可在接收器处构建阵列响应。
4.特征矩阵作为预编码器在多用户场景中的应用
在多用户场景中，可以利用特征矩阵在期望方向上操控零点和波束的能力。通过从设计/构建的极化码本中适当地选择预编码器，可以在每个用户的期望方向上操控零点，并因此可以减轻多用户干扰。
5.可替代实施例
尽管已经针对其中基站用作发射器而UE用作接收器的下行链路数据传输描述了以上实施例，但是本发明方法不限于这样的实施例。根据其他实施例，本发明方法同样适用于移动多输入多输出通信系统的上行链路(UL)传输，例如承载从移动用户设备(UE)到基站eNodeB的数据业务的通信链路。在这样的实施例中，UE用作发射器而基站用作接收器。
尽管以上实施例描述了将一个或多个特征矩阵从发射器或基站传输给UE或接收器，但是本发明不限于这样的实施例。根据其他实施例，可以在接收器处基于发射器天线阵列的模型直接计算一个或多个特征矩阵。
图6示出根据本发明实施例的类似于图2和图4中的系统的MIMO通信系统的框图，该框图表示CSI反馈以及使用在接收器处计算的特征矩阵对适应于真实天线响应的码本的构建。参考极化码本的使用描述图6的实施例，然而，本发明不限于这样的实施例。本发明方法同样适用于非极化码本。对应于以上已经参考图2或图4描述的那些的MIMO系统的那些元件已经被分配了相同的附图标记。根据本发明的该实施例，在接收器300处计算特征矩阵如310所示，并且基站200不包括特征矩阵/>可以如以上描述的使用发射器天线202的模型确定特征矩阵/>发射器天线202的模型可以存储在接收器300处，例如存储设备312中。根据实施例，控制信息502可以例如在无线通信系统的PDCCH 504中被传输给UE 300。发送给接收器300的控制信息504可以包括用于码本208的设计参数(Q,M,N)。使用这些参数，接收器300在306处生成或计算表示码本208的2D DFT矩阵D，并且在308处使用在310处计算的特征矩阵/>和在306处计算的2D DFT矩阵D构建适应于发射器200处使用的阵列202的3D天线响应的极化码本G(h)和Ω(v)。
接收器300可以基于发射器天线阵列202的模型312以及基于(a)接收到的发射器天线阵列的天线元件的位置数据和每个天线元件的优选极化和/或(b)发射器天线阵列的结构和/或几何数据，计算特征矩阵G,G(h),G(v)中的一个或多个。可以在接收器300处从基站或发射器200接收该附加数据，例如作为控制信息504的一部分。
每个天线元件的优选极化可以包括第一极化或第二极化，第一极化和第二极化彼此正交。例如，第一极化可以是水平极化(0°极化)，并且第二极化可以是垂直极化(90°极化)。根据其他示例，第一极化可以是+45°极化，并且第二极化可以是-45°极化。自然地，可以针对第一极化和第二极化选择任何其他正交极化角度。
发射器天线阵列的结构和/或几何数据可以包括天线元件的数量、以及天线元件的优选极化、以及布置天线元件的距离中的一个或多个。如果发射器天线阵列包括圆柱形阵列，结构和/或几何数据包括发射器天线阵列的半径。
UE 300基于eNodeB或基站200的构建码本执行改进的波束优化、信道估计和CSI反馈，考虑发射器200处的真实天线阵列，从而改进信道估计过程的准确性以及CSI反馈500的准确性和数量。
尽管已经参考如均匀线性阵列的一维天线阵列或如均匀平面阵列的二维天线阵列描述了以上实施例，但是本发明方法不限于这样的实施例。根据其他实施例，本发明的方法同样适用于任何天线阵列，如任何阵列配置的一维天线阵列或二维天线阵列或三维天线阵列。
以上一些实施例涉及水平极化和垂直极化，并且水平极化可以被称为0°极化，并且垂直极化可以被称为90°极化。然而，本发明不限于这种水平极化和垂直极化，而是根据其他实施例，可以针对第一极化和第二极化选择任何其他正交极化角度。例如，可以使用+45°第一极化和-45°第二极化。
现在描述本发明的其他实施例。
第一实施例提供一种包括天线阵列和预编码器的发射器，天线阵列具有用于与一个或多个接收器进行无线通信的多个天线，预编码器连接到天线阵列，预编码器用以将波束成形权重集合应用到天线阵列，从码本中选择波束成形权重集合，以由天线阵列形成指向所选方向的一个或多个发射/接收波束或零点，其中，码本包括针对多个方向的多个波束成形权重集合，其中，码本中的波束成形权重基于第一天线阵列响应矩阵，第一天线阵列响应矩阵由第二天线阵列响应矩阵和一个或多个特征矩阵定义，以及其中第一天线阵列响应矩阵包含针对多个方向的、天线阵列的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵包含针对多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于天线阵列，以及一个或多个特征矩阵描述天线阵列的一个或多个特征。
第二实施例提供第一实施例的发射器，其中，一个或多个特征矩阵基于天线阵列的模型或基于测量的天线阵列响应矩阵，测量的天线阵列响应矩阵包含针对多个方向中的一些或全部、从天线阵列的测量值确定的测量的阵列响应向量。
第三实施例提供第二实施例的发射器，其中，天线阵列的模型或天线阵列的测量值考虑天线阵列中各个天线中的一个或多个的方向性和非同一性，和/或天线阵列中各个天线之间的电磁耦合，和/或天线阵列中的其他实际缺陷。
第四实施例提供第一或第二实施例的发射器，其中，天线阵列的模型或天线阵列的测量值描述天线阵列的天线中的一个或多个的一个或多个辐射特性，辐射特性包括由于天线在天线阵列中的位置和/或耦合不平衡和/或制造不平衡而导致的相位和幅度中的一个或多个。
第五实施例提供第一到第四实施例中的一个的发射器，其中，另一个天线阵列包括一维天线阵列、或二维天线阵列或三维天线阵列。
第六实施例提供第一到第五实施例中的一个的发射器，其中，第二天线阵列响应矩阵由基于2D-DFT的矩阵定义。
第七实施例提供第一到第六实施例中的一个的发射器，其中，使用第二天线阵列响应矩阵和一个或多个特征矩阵建模第一天线阵列响应矩阵。
第八实施例提供第一到第七实施例中的一个的发射器，其中，从使用一个或多个特征矩阵修改的第一码本中获得码本，第一码本由第二天线阵列响应矩阵的第二阵列响应向量定义。
第九实施例提供第一到第八实施例中的一个的发射器，其中，第一天线阵列响应矩阵包括第一天线阵列响应子矩阵和第二天线阵列响应子矩阵，其中第一天线阵列响应子矩阵包含针对多个方向的、天线阵列中所有天线端口关于波前的水平极化的阵列响应向量，并且其中第二天线阵列响应子矩阵包含针对与第一子矩阵相同的方向的、天线阵列中所有天线端口关于波前的垂直极化的阵列响应向量。
第十实施例提供第九实施例的发射器，包括对应于水平极化的第一特征矩阵以及对应于垂直极化的第二特征矩阵，第一天线阵列响应子矩阵由第二天线阵列响应矩阵的第二阵列响应向量和第一特征矩阵建模，第二天线阵列响应子矩阵由第二天线阵列响应矩阵的第二阵列响应向量和第二特征矩阵建模。
第十一实施例提供第十实施例的发射器，其中，码本包括极化码本，极化码本包含第一子码本和第二子码本，其中第一子码本包含所有天线端口关于水平极化的波束成形权重，波束成形权重基于第一天线阵列响应子矩阵，并且其中第二子码本包含所有天线端口关于垂直极化的波束成形权重，波束成形权重基于第二天线阵列响应子矩阵。
第十二实施例提供第一到第十一实施例中的一个的发射器，其中发射器被配置为将一个或多个特征矩阵传输到一个或多个接收器。
第十三实施例提供第十二实施例的发射器，其中，发射器被配置为将一个或多个特征矩阵作为控制信息的一部分传输到接收器。
第十四实施例提供第十二或第十三实施例的发射器，其中，发射器被配置为将另一个天线阵列的码本的一个或多个设计参数传输到接收器侧。
第十五实施例提供第一到第十四实施例中的一个的发射器，其中天线阵列包括一维天线阵列、或二维天线阵列或三维天线阵列。
第十六实施例提供第十五实施例的发射器，其中二维天线阵列或三维天线阵列控制用于在垂直方向和水平方向上进行波束成形的无线电波，预编码器具有双级结构，第一级包含基于码本待应用到天线阵列的每个天线元件的波束成形权重集合，第二级包含选择和/或线性组合第一级所定义的波束以获得期望的波束图的系数。
第十七实施例提供一种包括天线和信号处理器的接收器，天线用于与发射器进行无线通信；信号处理器用以接收并处理经由无线电信道在天线处接收到的无线电信号，其中，接收器被配置为构建码本，码本包括针对多个方向的多个波束成形权重集合，码本中的波束成形权重基于发射器的天线阵列的第一天线阵列响应矩阵，并且发射器从码本中选择波束成形权重集合，以由天线阵列形成指向所选方向的发射/接收波束，其中，接收器被配置为使用第二天线阵列响应矩阵和从发射器接收到的一个或多个特征矩阵构建码本，以及其中，第一天线阵列响应矩阵包含针对多个方向的、天线阵列的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵包含针对多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于发射器的天线阵列，以及一个或多个特征矩阵描述发射器的天线阵列的一个或多个特征。
第十八实施例提供第十七实施例的接收器，其中，接收器被配置用于与第一到第十六实施例中的一个的发射器进行无线通信。
第十九实施例提供第十七或第十八实施例的接收器，包括信道估计器，用以估计无线电信道的状态，其中，接收器被配置为基于无线电信道估计和构建的码本确定对发射器的反馈，发射器基于反馈从码本中选择波束成形权重集合以形成发射/接收波束，以及其中，反馈包括控制信号，发射器基于控制信号选择波束成形权重集合，或者反馈将波束成形权重集合从接收器传输到发射器。
第二十实施例提供一种无线通信网络，包括第一到第十六实施例中的一个的发射器和一个或多个第十七到第十九实施例中的一个的接收器。
第二十一实施例提供第二十实施例的无线通信网络，包括蜂窝网络、无线局域网或无线传感器系统。
第二十二实施例提供第二十或第二十一实施例的无线通信网络，其中，发射器包括服务用户设备的基站，或者由基站服务的用户设备，或者其中，接收器包括服务用户设备的基站或由基站服务的用户设备。
第二十三实施例提供第二十二实施例的无线通信网络，其中，用户设备包括移动终端或IoT设备、或在例如汽车或机器人的移动车辆内部或在例如无人飞行器(UAV)或飞机的飞行设备内部实现的设备。
第二十四实施例提供第二十到第二十三实施例中的一个的无线通信网络，使用基于IFFT(快速傅立叶逆变换)的信号，其中基于IFFT的信号包括具有CP的OFDM、具有CP的DFT-s-OFDM、不具有CP的基于IFFT的波形、f-OFDM、FBMC、GFDM或UFMC。
第二十五实施例提供一种方法，包括确定由发射器的预编码器使用的码本，发射器包括天线阵列和预编码器，天线阵列具有用于与一个或多个接收器进行无线通信的多个天线，预编码器连接到天线阵列，码本包括针对多个方向的多个波束成形权重集合，码本中的波束成形权重基于第一天线阵列响应矩阵，其中确定码本包括使用第二天线阵列响应矩阵和一个或多个特征矩阵获得第一天线阵列响应矩阵，以及其中，第一天线阵列响应矩阵包含针对多个方向的、天线阵列的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵包含针对多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于天线阵列，以及一个或多个特征矩阵描述天线阵列的一个或多个特征。
第二十六实施例提供第二十五实施例的方法，包括将一个或多个特征矩阵传输给一个或多个接收器，以允许接收器在接收器处构建码本。
第二十七实施例提供一种方法，包括在具有用于与发射器进行无线通信的天线的接收器处，接收和处理经由无线电信道在天线处接收到的无线电信号，无线电信号包括一个或多个特征矩阵，以及在接收器处构建码本，码本包括针对多个方向的多个波束成形权重集合，码本中的波束成形权重基于发射器的天线阵列的第一天线阵列响应矩阵，以及发射器从码本中选择波束成形权重集合，以由天线阵列形成指向所选方向的发射/接收波束，其中，使用从发射器接收到的一个或多个特征矩阵和第二天线阵列响应矩阵构建码本，以及其中，第一天线阵列响应矩阵包含针对多个方向的、天线阵列的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵包含多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于发射器的天线阵列，以及一个或多个特征矩阵描述发射器的天线阵列的一个或多个特征。
第二十八实施例提供一种非暂时性计算机程序产品，包括存储指令的计算机可读介质，指令在计算机上执行时执行第二十五到第二十七实施例中的一个的方法。
尽管已在装置的上下文中描述了所描述概念的某些方面，但是很显然的是，这些方面也表示对应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应框或项目或特征的描述。
本发明的各种元件和特征可以以硬件(使用模拟和/或数字电路)、软件(通过一个或多个通用或专用处理器对指令的执行)、或者硬件和软件的组合来实现。例如，可以在计算机系统或另一处理系统的环境中实现本发明的实施例。图7示出计算机系统600的示例。这些单元或模块以及这些单元执行的方法的步骤可以在一个或多个计算机系统600上执行。计算机系统600包括一个或多个处理器602，如专用或通用数字信号处理器。处理器602连接到如总线或网络的通信基础设施604。计算机系统600包括主存储器606(例如随机存取存储器(RAM))以及辅助存储器608(例如硬盘驱动器和/或可移动存储驱动器)。辅助存储器608可以允许将计算机程序或其他指令加载到计算机系统600中。计算机系统600可以进一步包括通信接口610，以允许软件和数据在计算机系统600和外部设备之间传输。通信可以是电子、电磁、光或能够由通信接口处理的其他信号的形式。通信可以使用电线或电缆、光纤、电话线、蜂窝电话链路、RF链路和其他通信信道612。
术语“计算机程序介质”和“计算机可读介质”通常用于指有形存储介质，诸如可移动存储单元或安装在硬盘驱动器中的硬盘。这些计算机程序产品是用于向计算机系统600提供软件的装置。计算机程序(也称为计算机控制逻辑)存储在主存储器606和/或辅助存储器608中。也可以经由通信接口610来接收计算机程序。计算机程序在被执行时使计算机系统600能够实现本发明。特别地，计算机程序在被执行时使处理器602能够实现本发明的过程，诸如本文描述的方法中的任一个。因此，这样的计算机程序可以表示计算机系统600的控制器。在使用软件来实现本公开的情况下，可以将软件存储在计算机程序产品中并且使用可移动存储驱动器、如通信接口610的接口将其加载到计算机系统600中。
可以使用具有存储在其上的电子可读控制信号的数字存储介质(例如，云存储、软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存)执行硬件或软件中的实施，数字存储介质与可编程计算机系统协作(或能够协作)，从而执行各方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作，从而执行本文描述的方法中的一个。
通常，本发明的实施例可以被实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，程序代码可用于执行方法中的一个。程序代码可以例如存储在机器可读载体上。
其他实施例包括存储在机器可读载体上的、用于执行本文描述的方法中的一个的计算机程序。换句话说，因此，本发明方法的实施例是一种计算机程序，计算机程序具有当计算机程序在计算机上运行时，用于执行本文描述的方法中的一个的程序代码。
因此，本发明方法的其他实施例是一种数据载体(或数字存储介质，或计算机可读介质)，包括记录在其上的用于执行本文描述的方法中的一个的计算机程序。因此，本发明方法的其他实施例是表示用于执行本文描述的方法中的一个的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接(例如经由互联网)传输。其他实施例包括处理装置(例如计算机或可编程逻辑设备)，处理装置被配置为或适于执行本文描述的方法中的一个。其他实施例包括一种计算机，在计算机上安装有用于执行本文描述的方法中的一个的计算机程序。
在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如现场可编程门阵列)可以用于执行本文描述的方法的功能中的一些或全部。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以便执行本文描述的方法中的一个。通常，方法优选地由任何硬件装置执行。
现在描述另一些其他实施例。
第一实施例提供一种包括天线阵列(202，304)和预编码器(204)的发射器，天线阵列(202，304)具有用于与一个或多个接收器进行无线通信的多个天线，预编码器(204)连接到天线阵列(202，304)，预编码器(204)用以将波束成形权重集合应用到天线阵列(202，304)，从码本(212)中选择波束成形权重集合，以由天线阵列(202，304)形成一个或多个指向所选方向的发射/接收波束或零点；其中，码本(212)包括针对多个方向的多个波束成形权重集合，其中，码本(212)中的波束成形权重基于第一天线阵列响应矩阵第一天线阵列响应矩阵/>由第二天线阵列响应矩阵/>和一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))定义，以及其中，第一天线阵列响应矩阵/>包含针对多个方向的、天线阵列(202，304)的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵/>包含针对多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于天线阵列(202，304)，以及一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))描述天线阵列(202，304)的一个或多个特征。
第二实施例提供第一实施例的发射器，其中，一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))基于天线阵列(202，304)的模型或测量的天线阵列响应矩阵，测量的天线阵列响应矩阵包含针对多个方向中的一些或全部、从天线阵列(202，304)的测量值确定的测量的阵列响应向量。
第三实施例提供第二实施例的发射器，其中，天线阵列(202，304)的模型或天线阵列(202，304)的测量值考虑天线阵列(202，304)的各个天线中的一个或多个的方向性和非同一性，和/或天线阵列(202，304)中各个天线之间的电磁耦合，和/或天线阵列(202，304)中的其他实际缺陷。
第四实施例提供第二或第三实施例的发射器，其中，天线阵列(202，304)的模型或天线阵列(202，304)的测量值描述天线阵列(202，304)的天线中的一个或多个的一个或多个辐射特性，辐射特性包括由于天线在天线阵列(202，304)中的位置和/或耦合不平衡和/或制造失衡而导致的相位和幅度中的一个或多个。
第五实施例提供第一到第四实施例中任一个的发射器，其中，另一个天线阵列包括一维天线阵列、或二维天线阵列或三维天线阵列。
第六实施例提供第一到第五实施例中任一个的发射器，其中，第二天线阵列响应矩阵由基于2D-DFT的矩阵定义。
第七实施例提供第一到第六实施例中任一个的发射器，其中，使用第二天线阵列响应矩阵和一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))建模第一天线阵列响应矩阵/>
第八实施例提供第一到第七实施例中任一个的发射器，其中，从使用一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))修改的第一码本(208)中获得码本(212)，第一码本(208)由第二天线阵列响应矩阵的第二阵列响应向量定义。
第九实施例提供第一到第八实施例中任一个的发射器，其中，第一天线响应包括第一天线阵列响应矩阵第一天线阵列矩阵/>包含针对多个方向的、天线阵列中所有天线端口的阵列响应向量。
第十实施例提供第九实施例的发射器，包括第一特征矩阵(G)，第一天线阵列响应矩阵由第二天线阵列响应矩阵/>的第二阵列响应向量和特征矩阵(G)建模。
第十一实施例提供第十实施例的发射器，其中，码本(212)Ω包含用于所有天线端口的波束成形权重，波束成形权重基于第一天线阵列响应矩阵
第十二实施例提供第一到第十一实施例中任一个的发射器，其中，第一天线阵列响应矩阵包括第一天线阵列响应子矩阵和第二天线阵列响应子矩阵第一天线阵列响应子矩阵/>包含针对多个方向的、天线阵列(202，304)中所有天线端口关于波前的水平极化的阵列响应向量，并且第二天线阵列响应子矩阵包含针对与第一子矩阵/>中的方向相同的方向的、天线阵列(202，304)中所有天线端口关于波前的垂直极化的的阵列响应向量。
第十三实施例提供第十二实施例的发射器，包括对应于水平极化的第一特征矩阵(G(h))和对应于垂直极化的第二特征矩阵(G(v))，第一天线阵列响应子矩阵由第二天线阵列响应矩阵/>的第二阵列响应向量和第一特征矩阵(G(h))建模，第二天线阵列响应子矩阵/>由第二天线阵列响应矩阵/>的第二阵列响应向量和第二特征矩阵(G(v))建模。
第十四实施例提供第十三实施例的发射器，其中，码本(212)包括极化码本，极化码本包含第一子码本(Ω(h))和第二子码本(Ω(v))，第一子码本(Ω(h))包含所有天线端口关于水平极化的波束成形权重，波束成形权重基于第一天线阵列响应子矩阵第二子码本(Ω(v))包含所有天线端口关于垂直极化的波束成形权重，波束成形权重基于第二天线阵列响应子矩阵/>
第十五实施例提供第一到第十四实施例中任一个的发射器，其中，发射器被配置为将一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))作为用于接收器的控制信息(504)的一部分传输给一个或多个接收器。
第十六实施例提供第十五实施例的发射器，其中，发射器被配置为将另一个天线阵列的码本(208)的一个或多个设计参数传输给接收器侧。
第十七实施例提供第一到第十六实施例中任一个的发射器，其中，天线阵列(202，304)包括一维天线阵列、或二维天线阵列或三维天线阵列，以及其中，二维天线阵列或三维天线阵列控制用于在垂直方向和水平方向上进行波束成形的无线电波，预编码器(204)具有双级结构，第一级包含基于码本(212)待应用到天线阵列(202，304)的每个天线的波束成形权重集合，第二级包含选择和/或线性组合第一级所定义的波束以获得期望的波束图的系数。
第十八实施例提供一种接收器，包括天线(202，304)和信号处理器(302、306、306)，天线(202，304)用于与发射器进行无线通信，信号处理器(302，306，306)接收并处理经由无线电信道(400)在天线处接收到的无线电信号；其中，接收器被配置为构建码本(212)，码本(212)包括针对多个方向的多个波束成形权重集合，码本(212)中的波束成形权重基于发射器的天线阵列(202，304)的第一天线阵列响应矩阵以及发射器从码本(212)中选择波束成形权重集合，以由天线阵列(202，304)形成指向所选方向的发射/接收波束，其中，接收器配置为使用从发射器接收到的一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))和第二天线阵列响应矩阵/>构建码本(212)，以及其中，第一天线阵列响应矩阵/>包含针对多个方向的、天线阵列(202，304)的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵/>包含针对多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于发射器的天线阵列(202，304)，以及一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))描述发射器的天线阵列(202，304)的一个或多个特征。
第十九实施例提供第十八实施例的接收器，其中，接收器被配置用于与第一到第十七实施例中任一个的发射器进行无线通信。
第二十实施例提供第十八或第十九实施例的接收器，包括信道估计器，用以估计无线电信道的状态，其中，接收器被配置为基于无线电信道估计和构建的码本(212)确定对发射器的反馈(500)，发射器基于反馈从码本(212)中选择波束成形权重集合以形成发射/接收波束，以及其中，反馈包括控制信号，发射器基于控制信号选择波束成形权重集合，或者反馈将波束成形权重集合从接收器传输给发射器。
第二十一实施例提供一种无线通信网络，包括第一到第十四实施例中任一个的发射器，和一个或多个第十八到第二十实施例中任一个的接收器。
第二十二实施例提供第二十一实施例的无线通信网络，其中，发射器包括服务用户设备的基站，或者由基站服务的用户设备，或者接收器包括服务用户设备的基站，或者由基站服务的用户设备。
第二十三实施例提供一种方法，包括确定由发射器的预编码器(204)使用的码本(212)，发射器包括天线阵列(202，304)以及连接到天线阵列(202，304)的预编码器(204)，天线阵列(202，304)具有用于与一个或多个接收器进行无线通信的多个天线，码本(212)包括针对多个方向的多个波束成形权重集合，码本(212)中的波束成形权重基于第一天线阵列响应矩阵其中确定码本(212)包括使用第二天线阵列响应矩阵/>和一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))获得第一天线阵列响应矩阵以及其中，第一天线阵列响应矩阵/>包含针对多个方向的、天线阵列(202，304)的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵包含针对多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于天线阵列(202，304)，以及一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))描述天线阵列(202，304)的一个或多个特征。
第二十四实施例提供一种方法，包括：在具有用于与发射器进行无线通信的天线的接收器处，接收和处理经由无线电信道在天线处接收到的无线电信号，无线电信号包括一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))；以及在接收器处构建码本(212)，码本(212)包括针对多个方向的多个波束成形权重集合，码本(212)中的波束成形权重基于发射器的天线阵列(202，304)的第一天线阵列响应矩阵以及发射器从码本(212)中选择波束成形权重集合，以由天线阵列(202，304)形成指向所选方向的发射/接收波束，其中，使用从发射器接收到的一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))和第二天线阵列响应矩阵/>构建码本(212)，以及其中，第一天线阵列响应矩阵包含针对多个方向的、天线阵列(202，304)的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵/>包含针对多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于发射器的天线阵列(202，304)，以及一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))描述发射器的天线阵列(202，304)的一个或多个特征。
第二十五实施例提供一种非暂时性计算机程序产品，包括存储指令的计算机可读介质，指令在计算机上执行时执行第二十或第二十一实施例的方法。
上面描述的实施例仅用于说明本发明的原理。应当理解，本文描述的布置和细节的修改和变化对于本领域的其他技术人员将是显而易见的。因此，本发明的意图仅由待决的专利权利要求的范围限制，而不受通过本文的实施例的描述和解释而给出的具体细节的限制。
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Claims (22)

1.一种接收器，包括：
天线(202，304)，用于与发射器进行无线通信；以及
信号处理器(302，306，306)，用以接收并处理经由无线电信道(400)在天线处接收到的无线电信号；
其中，接收器被配置为构建码本(212)，码本(212)包括针对多个方向的多个波束成形权重集合，码本(212)中的波束成形权重基于发射器天线阵列(202，304)的第一天线阵列响应矩阵以及发射器从码本(212)中选择波束成形权重集合，以由发射器天线阵列(202，304)形成指向所选方向的发射/接收波束，
其中，接收器被配置为基于发射器天线阵列(202，304)的模型，使用以下来计算一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))：
(a)接收到的发射器天线阵列的天线元件的位置数据和每个天线元件的优选极化，和/或
(b)发射器天线阵列的结构和/或几何数据；
其中，接收器被配置为使用第二天线阵列响应矩阵和一个或多个计算的特征矩阵(G,G(h),G(v))构建码本(212)，以及
其中，第一天线阵列响应矩阵包含针对多个方向的、发射器天线阵列(202，304)的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵/>包含针对多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于发射器天线阵列(202，304)，以及一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))描述发射器天线阵列(202，304)的一个或多个特征，以及
其中，使用第二天线阵列响应矩阵和一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))建模第一天线阵列响应矩阵/>第一阵列响应向量/> 中的每个是特征矩阵(G,G(h),G(v))和对应第二阵列响应向量的乘积。
2.根据权利要求1所述的接收器，其中，每个天线元件的优选极化包括第一极化或第二极化，第一极化和第二极化彼此正交。
3.根据权利要求1所述的接收器，其中，发射器天线阵列的结构和/或几何数据包括天线元件的数量、以及天线元件的优选极化、以及在其处布置天线元件的多个距离值中的一个或多个。
4.根据权利要求3所述的接收器，其中，如果发射器天线阵列包括圆柱形阵列，结构和/或几何数据包括发射器天线阵列的半径。
5.根据权利要求1所述的接收器，其中，发射器天线阵列(202，304)的模型考虑发射器天线阵列(202，304)中的各个天线中的一个或多个的定向性和非同一性，和/或发射器天线阵列(202，304)中各个天线之间的电磁耦合，和/或发射器天线阵列(202，304)中的其他实际缺陷。
6.根据权利要求1所述的接收器，其中，发射器天线阵列(202，304)的模型描述发射器天线阵列(202，304)的天线中的一个或多个的一个或多个辐射特性，辐射特性包括由于天线在发射器天线阵列(202，304)中的位置和/或耦合不平衡和/或制造不平衡导致的相位和幅度中的一个或多个。
7.根据权利要求1所述的接收器，其中，另一个天线阵列包括一维天线阵列、或二维天线阵列、或三维天线阵列。
8.根据权利要求1所述的接收器，其中，第二天线阵列响应矩阵由基于2D-DFT的矩阵定义。
9.根据权利要求1所述的接收器，其中，从使用一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))修改的第一码本(208)中获得码本(212)，第一码本(208)由第二天线阵列响应矩阵的第二阵列响应向量定义。
10.根据权利要求1所述的接收器，其中，第一天线响应包括天线阵列响应矩阵第一天线阵列响应矩阵/>包含针对多个方向的天线阵列(202，304)中的所有天线端口的阵列响应向量。
11.根据权利要求10所述的接收器，包括第一特征矩阵(G)，第一天线阵列响应矩阵由第二天线阵列响应矩阵/>的第二阵列响应向量和特征矩阵(G)建模。
12.根据权利要求11所述的接收器，其中，码本(212)包含用于所有天线端口的波束成形权重，波束成形权重基于第一天线阵列响应矩阵
13.根据权利要求1所述的接收器，其中
第一天线阵列响应矩阵包括第一天线阵列响应子矩阵和第二天线阵列响应子矩阵/>
第一天线阵列响应子矩阵包含针对多个方向的、天线阵列(202，304)中所有天线端口关于波前的水平极化的阵列响应向量，以及
第二天线阵列响应子矩阵包含针对与第一子矩阵/>中的方向相同的方向的、发射器天线阵列(202，304)中所有天线端口关于波前的垂直极化的阵列响应向量。
14.根据权利要求13所述的接收器，包括：
对应于水平极化的第一特征矩阵(G(h))，第一天线阵列响应子矩阵由第二天线阵列响应矩阵/>的第二阵列响应向量和第一特征矩阵(G(h))建模，以及
对应于垂直极化的第二特征矩阵(G(v))，第二天线阵列响应子矩阵由第二天线阵列响应矩阵/>的第二阵列响应向量和第二特征矩阵(G(v))建模。
15.根据权利要求14所述的接收器，其中：
码本(212)包括极化码本，极化码本包含第一子码本(Ω(h))和第二子码本(Ω(v))，
第一子码本(Ω(h))包含所有天线端口关于水平极化的波束成形权重，波束成形权重基于第一天线阵列响应子矩阵以及
第二子码本(Ω(v))包含所有天线端口关于垂直极化的波束成形权重，波束成形权重基于第二天线阵列响应子矩阵
16.根据权利要求1所述的接收器，其中，发射器被配置为将一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))作为用于接收器的控制信息(504)的一部分传输给一个或多个接收器。
17.根据权利要求1所述的接收器，其中
发射器天线阵列(202，304)包括一维天线阵列、或二维天线阵列、或三维天线阵列，以及
二维天线阵列或三维天线阵列控制用于在垂直方向和水平方向上进行波束成形的无线电波，预编码器(204)具有双级结构，第一级包含基于码本(212)待应用到发射器天线阵列(202，304)的每个天线的波束成形权重集合，第二级包含选择和/或线性组合第一级所定义的波束以获得期望波束图的系数。
18.根据权利要求1所述的接收器，包括：
信道估计器，用以估计无线电信道的状态，
其中，接收器被配置为基于无线电信道估计和构建的码本(212)确定对发射器的反馈(500)，发射器基于反馈从码本(212)中选择波束成形权重集合以形成发射/接收波束，以及
其中，反馈包括控制信号，发射器基于控制信号选择波束成形权重集合，或者反馈将波束成形权重集合从接收器传输到发射器。
19.一种无线通信网络，包括：
发射器；以及
一个或多个根据权利要求1所述的接收器。
20.根据权利要求19所述的无线通信网络，其中
发射器包括服务用户设备的基站，或者由基站服务的用户设备，或者
接收器包括服务用户设备的基站，或者由基站服务的用户设备。
21.一种用于在接收器处构建码本的方法，包括：
在具有用于与发射器进行无线通信的天线的接收器处，接收并处理经由无线电信道在天线处接收到的无线电信号；
在接收器处，基于发射器天线阵列(202，304)的模型，使用以下来计算一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))：
(a)接收到的发射器天线阵列的天线元件的位置数据和每个天线元件的优选极化，和/或
(b)发射器天线阵列的结构和/或几何数据；以及
在接收器处构建码本(212)，码本(212)包括针对多个方向的多个波束成形权重集合，码本(212)中的波束成形权重基于发射器天线阵列(202，304)的第一天线阵列响应矩阵以及发射器从码本(212)中选择波束成形权重集合，以由发射器天线阵列(202，304)形成指向所选方向的发射/接收波束，
其中，使用第二天线阵列响应矩阵和一个或多个计算的特征矩阵(G,G(h),G(v))构建码本(212)，
其中第一天线阵列响应矩阵包含针对多个方向的、发射器天线阵列(202，304)的第一阵列响应向量，第二天线阵列响应矩阵/>包含针对多个方向中的一个或多个的、另一个天线阵列的第二阵列响应向量，另一个天线阵列不同于发射器天线阵列(202，304)，以及一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))描述发射器天线阵列(202，304)的一个或多个特征，以及
其中，使用第二天线阵列响应矩阵和一个或多个特征矩阵(G,G(h),G(v))建模第一天线阵列响应矩阵/>第一阵列响应向量/> 中的每个是特征矩阵(G,G(h),G(v))和对应第二阵列响应向量的乘积。
22.一种包括存储指令的计算机可读介质，指令在计算机上执行时执行权利要求21所述的方法。
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