CN113508539B - Mimo系统中的信道估计 - Google Patents

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Abstract

一种在多输入多输出(MIMO)通信系统中执行信道估计的方法，该MIMO通信系统包括被设置为通过通信信道进行通信的下行链路装置和上行链路装置，该方法包括：在上行链路装置处：在角域中分析表示下行链路装置与上行链路装置的第一天线之间的信道增益的第一信道向量，以识别角域支持点集合，各角域支持点指示第一信道向量在角域中的各元素；根据角域支持点集合生成值向量，该值向量包含第一信道向量在角域中的表示最大信道增益的元素；从上行链路装置向下行链路装置反馈值向量的指示；在下行链路装置处：在角域中分析表示下行链路装置与上行链路装置的第二天线之间的信道增益的第二信道向量，以识别相同的角域支持点集合；根据角域支持点集合生成发射引导矩阵；以及根据从上行链路装置反馈的值向量的指示和所生成的发射引导矩阵生成第一信道向量的估计。

Description

MIMO系统中的信道估计
技术领域
本发明涉及在MIMO通信系统中执行信道估计。
背景技术
由于毫米波(mmWave)无线通信系统保证满足无线装置的递增带宽要求而越来越受到关注。毫米波系统通常在30GHz至300GHz的频带中操作。这是比当前用于长期演进(LTE)网络的子6GHz带更大的频带，因此与当前用在子6GHz带中操作的现有系统支持的带宽相比，可以支持更大的带宽。
与毫米波通信关联的一个问题是可能经历的较高自由空间路径损耗。该高路径损耗可能引起经历阻塞或跨长距离通信的信号的严重衰减。
克服该问题的一种方法是在多输入多输出(MIMO)系统内实现毫米波通信。与当在子6GHz带中操作时可实现的相比，毫米波通信的较短波长使得能够减小MIMO系统的天线间隔，因此使得能够以较小物理尺寸包装较大天线阵列(包含例如256至1024个天线元件)。这些大天线阵列能够有效补偿由毫米波的更高频率通信引起的高路径损耗。
MIMO系统可以通过全数字预编码实现。图1中示出了具有全数字预编码的示例MIMO基站(BS)。
基站100包括数字预编码器102和耦合到数字预编码器102的多个射频(RF)链(通常表示为104)。各RF链耦合到天线(通常表示为108)。在这里示出的示例中，各RF链由放大器耦合到各天线。放大器通常表示为106。
数字预编码器102接收通常表示为110的多个数据流，并且操作为控制各所接收数据流的振幅和相位，以实现来自天线108的具有期望方向和增益的发射波束。数据流一旦被预编码就借助RF链104来传递。各RF链可以支持单个数据流。RF链操作为将数字预编码数据流转换成用于由天线108发送的模拟信号。各RF链通常包括收发器电路，该收发器电路用于根据所接收的数字预编码数据流生成模拟信号。收发器电路可以包括例如数模(DAC)转换器、混频器以及频率转换器。然后由各放大器放大由各RF链生成的输出信号，并从各天线发送这些信号。
另选地，MIMO系统可以使用混合预编码来实现，该混合预编码将预编码操作分成模拟域和数字域。数字预编码可以使用数字预编码器控制与各RF链关联的权重来实现。模拟预编码可以通过使用移相器控制由天线发送的信号的相位来实现。
已经理解，用于MIMO系统的基站与用户装置之间的通信信道的准确信道状态信息(CSI)估计对于MIMO系统的性能是重要的。例如，下行链路传输速率(即，从BS到用户装置的传输速率)可能取决于预编码以减轻不同数据流之间的干扰。因此，CSI的准确知识可以用于设置预编码的参数，以减轻干扰并因此提高性能。
已经发现，获得准确下行链路信道估计的难度可能随着BS处的天线的数量增加而增大。在上行链路信道与下行链路信道之间的信道互易性保持的系统中，这些问题可以通过获得用于从上行链路信道估计预编码的CSI来避免。然而，存在全信道互易性不保持的特定无线系统。例如，一些用户装置被配置为与在下行链路方向上接收所采用的天线相比，采用较少天线用于在上行链路方向上发送。这可以在发送RF链比接收RF链更多功率和硬件密集的基础上来进行，以降低装置的功率和硬件要求。在这些情况下，仅部分信道互易性保持，这使得从用户装置到BS的某一形式的信道反馈期望获得全CSI估计。
发明内容
根据本发明，提供了一种在多输入多输出(MIMO)通信系统中执行信道估计的方法，该MIMO通信系统包括被设置为通过通信信道进行通信的下行链路装置和上行链路装置，该方法包括以下步骤：
在上行链路装置处：
在角域中分析表示下行链路装置与上行链路装置的第一天线之间的信道增益的第一信道向量，以识别角域支持点集合，各角域支持点指示第一信道向量在角域中的各元素；
根据角域支持点集合生成值向量，该值向量包含第一信道向量在角域中的表示最大信道增益的元素；
从上行链路装置向下行链路装置反馈值向量的指示；
在下行链路装置处：
在角域中分析表示下行链路装置与上行链路装置的第二天线之间的信道增益的第二信道向量，以识别相同的角域支持点集合；
根据角域支持点集合生成发射引导矩阵(transmit steering matrix)；以及
根据从上行链路装置反馈的值向量的指示和所生成的发射引导矩阵生成第一信道向量的估计。
该方法还可以包括以下步骤：使用第一信道向量的估计来生成对在下行链路装置与上行链路装置之间的信道建模的信道矩阵的估计。
该方法还可以包括以下步骤：使用所估计的信道矩阵导出数字预编码矩阵，以便用于对要从下行链路装置发送的数据进行预编码。
上行链路装置可以被设置为将第一天线仅用于从下行链路装置接收通信，并且将第二天线用于从下行链路装置接收通信并向下行链路装置发送通信。
在角域中分析第一信道向量的步骤可以包括：使用离散傅里叶变换(DFT)矩阵将第一信道向量变换到角域。
角域支持点集合可以从第一信道矩阵在角域中的非零元素来识别。
值向量可以通过选择第一信道向量在角域中的P个最大元素来生成，其中，P是在下行链路装置与上行链路装置之间的可解路径的数量。
该方法可以包括：使用码本在上行链路装置处量化值向量，值向量的指示包括码本的所选索引。
值向量的指示还可以包括值向量的幅值。
仅所选索引和值向量的幅值可以从上行链路装置反馈到下行链路装置。
所选索引In可以根据来选择，其中，是值向量的厄米(Hermitian)共轭，是码本，ci是码本c的量化向量，并且B是访问码本的位数。
所识别的角域支持点集合的各角域支持点可以取决于用于下行链路装置与上行链路装置之间的各路径的波束发射角。
发射引导矩阵可以使用从角域支持点集合计算的一个或更多个波束发射角来生成。
角域支持点集合φ可以由下式给出其中，d是下行链路装置的相邻天线元件之间的间隔；λ是从下行链路装置发射的信号的波长；N是下行链路装置处的天线元件的数量，并且φp是由下行链路装置沿着下行链路装置与上行链路装置之间的第p个路径发射的信号波束的发射角(angle of departure)。
在角域中分析第二信道向量的步骤可以包括使用离散傅里叶变换(DFT)矩阵将第二信道向量变换到角域。
MIMO通信系统可以是时分双工(TDD)MIMO通信系统。
根据本公开的第二方面，提供了一种多输入多输出(MIMO)通信系统，该MIMO通信系统包括被配置为通过通信信道进行通信的下行链路装置和上行链路装置；
上行链路装置包括：
多个天线；和
处理单元，该处理单元被配置为：
在角域中分析表示下行链路装置与上行链路装置的第一天线之间的信道增益的第一信道向量，以识别角域支持点集合，各角域支持点指示第一信道向量在角域中的各元素；
根据角域支持点集合生成值向量，该值向量包含第一信道向量在角域中的表示最大信道增益的元素；并且
向下行链路装置反馈值向量的指示；
下行链路装置包括：
多个天线；以及
处理单元，该处理单元被配置为：
在角域中分析表示下行链路装置与上行链路装置的第二天线之间的信道增益的第二信道向量，以识别相同的角域支持点集合；
根据角域支持点集合生成发射引导矩阵；并且
根据从上行链路装置反馈的值向量的指示和所生成的发射引导矩阵生成第一信道向量的估计。
附图说明
现在将参照附图用示例的方式描述本发明。在附图中：
图1示出了全数字预编码MIMO发送器的示例。
图2示出了MIMO通信系统的示例。
图3示出了根据本公开的用于执行信道估计的步骤的流程图。
图4A和图4B示出了由角域中的信道向量定义的函数的示例。
图5示出了将用这里描述的信道估计技术和用传统信道估计技术实现的数据速率进行比较的模拟结果。
具体实施方式
解决在仅部分信道互易性的情况下获得全CSI估计的问题的一种方法是向BS反馈用于BS与用户装置的仅接收天线之间的信道的信道估计(即，信道向量)。这可以通过借助为BS和用户装置所知的向量的量化码本的使用执行有限反馈来进行。在用户装置处，使用码本量化信道向量，并且向BS反馈针对量化信道向量的码本的所选向量的索引。该方法的反馈开销是B位，其中，B是对码本编索引所需的位数(即，码本包含多达2B个已量化向量)。在该方法中，通常是以下情况：量化全维信道向量(例如，对于包含N个天线的BS，量化N元素信道向量并将其返回到BS)。
本公开致力于在MIMO系统中执行信道估计的方法，在该方法中，在角域中分析信道向量。在角域中表示的信道向量在这里可以被称为角域信道向量。MIMO系统包括下行链路装置(例如，BS)和上行链路装置(例如，用户装置)。在上行链路装置处，识别在角域中表达的信道向量(即，角域信道向量)的一个或更多个元素的集合。下行链路装置不知晓该信道向量。各所识别元素的值可以表示用于MIMO系统的下行链路装置与上行链路装置之间的各物理路径的信道增益。在一些示例中，角域信道向量的所识别元素的集合是该向量的非零元素的集合。所识别元素的集合在这里被称为角域支持点，因为这些点识别角域中的信道向量的非零分量。从角域支持点集合，识别由表示最大信道增益的角域向量的元素形成的向量。该向量在这里可以被称为值向量。值向量通常具有小于N的维度(size)，其中，N是下行链路装置处的天线的数量，并且在一些示例中，值向量可以具有维度L，其中，L是下行链路装置与上行链路装置之间的可解物理路径的数量。对于大规模MIMO系统，通常是以下情况：L显著小于N。然后例如使用量化码本从上行链路装置向下行链路装置反馈所识别的值向量的指示。在下行链路装置处，在角域中分析为下行链路装置所知的另外信道向量，以识别相同的角域支持点集合。这些角域支持点与所反馈的已量化向量一起用于在下行链路装置处生成未知信道向量的估计。该方法使得能够在不需要反馈已量化N维信道向量的情况下在下行链路装置处形成信道估计。它还避免反馈已经被识别为上行链路装置和下行链路装置共用的角域支持点的需要。这可以降低信道反馈开销。
下面将更详细地描述本公开的多个方面。
图2示出了MIMO通信系统200。系统200包括下行链路装置202和上行链路装置204。下行链路装置202例如可以是基站(BS)，或更一般地为MIMO发送器。上行链路装置204可以是用户装置或MIMO接收器。下行链路装置202操作为通过通信信道206沿下行链路方向向装置204发送无线通信信号。由信道限定的物理通信路径的数量被表示为P。在该示例中，为了例示，P＝3。P表示有效或可解物理路径的数量。可解或有效路径可以是信号功率超过某一阈值的路径。散射对象208和210操作为散射从部分限定可解路径的下行链路装置202接收的信号。
MIMO系统200是时分双工(TDD)系统(TDD MIMO系统)。
下行链路装置202包括数字预编码器212、通常表示为214的一组RF链、天线阵列216和处理单元218。天线阵列216包括N个天线。天线阵列216在该示例中是均匀线性阵列(ULA)。
数字预编码器212接收多个(Ns个)数据流220并对这些流执行数字预编码。预编码流然后借助RF链214传递。各RF链可以支持单个数据流。RF链的数量可以等于天线的数量N。RF链连接到天线阵列216。
上行链路装置204包括在该示例中也是ULA的透镜阵列222。透镜阵列222包括M个天线。在图2所示的示例中，M＝2。透镜阵列222耦合到一组RF链224。该组RF链耦合到数字组合器226。上行链路装置204还包括处理单元228。
在操作中，预编码器212接收多个(Ns个)数据流。预编码器对这些数据流执行数字预编码。预编码可以包括调节各数据流的权重和/或相位。预编码可以被执行为减少不同数据流之间的干扰。预编码可以通过向数据流应用数字预编码矩阵F来执行。预编码数据流通过该组RF链214来传递，以生成模拟信号。单个数据流借助各RF链来传递；即，各RF链支持单个数据流。由RF链生成的模拟信号指示或表示借助该RF链传递的数据流。由RF链生成的信号被传递到天线阵列216，以便通过信道206发送到上行链路装置204。信号被发送到天线阵列216的天线，使得由阵列216发送的信号形成多个离散波束。波束是指沿特定方向或行进角聚焦的一个或更多个信号的集合。信号从天线阵列216发送，使得波束沿着各通信路径行进；即，各波束沿着各物理路径行进。在该所例示的示例中，所发射信号形成三个波束：在第一路径上行进的第一波束、在第二路径上行进的第二波束以及在第三路径上行进的第三波束。
各波束具有来自天线阵列216的发射角(AoD)。发射角可以相对于关于阵列限定的参考方向来测量。第一路径上的波束的发射角被表示为φ1，第二路径上的波束的发射角被表示为φ2，并且第三路径上的波束的发射角被表示为φ3。
发射波束通过信道来传输并在装置204处被接收。各波束以到达角(AoA)入射在天线阵列222上。各波束的到达角相对于关于阵列222限定的参考方向来测量。第一路径上的波束的到达角被表示为θ1，第二路径上的波束的到达角被表示为θ2，并且第三路径上的波束的到达角被表示为θ3。
波束在天线阵列222处被接收。阵列222的天线耦合到该组链224的RF链。阵列222的各天线可以耦合到各RF链。RF链224执行与装置202的RF链214相反的操作。即，尽管RF链214对所接收的预编码数据流执行处理操作以生成模拟信号，但RF链224操作为生成表示来自所接收模拟信号的预编码数据流的数字信号。由各RF链生成的数字信号然后被传输到组合器226。组合器226操作为撤销(undue)或去除由装置202的预编码器212施加至数据流的预编码，以生成解码数据流230。
装置204处接收的信号可以被建模为：
y＝HFs+n (1)
在方程(1)中，y是在下行链路装置204处接收的信号向量；H是对装置202与装置204之间的信道建模的空间信道矩阵；F是由数字预编码器212施加的数字预编码器矩阵，s是从装置202发送的信号向量，并且n是噪声向量。
向量y具有维度M×1，即，它是M元素向量。向量s具有维度N×1，即，它是N元素向量。信道矩阵H是M×N矩阵，即，具有M行和N列的矩阵。信道矩阵H被定义为：
H＝[h1，h2，...，hM]T (2)
其中，hi表示装置202的天线与装置204的第i个天线之间的信道向量。因此，各信道向量hi是N×1向量(即，N元素向量)，信道向量的第j个元素[hi]j表示下行链路装置202的第j个天线与上行链路装置204的第i个天线之间的信道。
数字预编码器矩阵F是N×N矩阵。噪声向量n是加性高斯(Gaussian)白噪声(AWGN)向量，该向量满足：
n～CN(0，σ2IM) (3)
其中，σ2表示噪声功率的变化，并且IM是M×M单位矩阵。
预编码器矩阵F满足以下功率约束：
其中，ρ是接收器处的平均接收信号功率。
发送信号向量s满足：
E(ssH)＝IM (5)
天线阵列216是均匀线性阵列(ULA)，因此，对信道建模的信道矩阵可以被表示为：
其中，gp是用于第p个物理路径的路径增益，a(φ，N)和a(θ，M)分别是下行链路装置202和上行链路装置204处的阵列响应向量，φp是第p个路径的发射角，并且θp是第p个路径的到达角。gp的值满足CN(0,1)和
阵列响应向量a(φ，N)可以被写为：
其中，λ是信号的波长，并且d是下行链路装置202处的相邻天线之间的间隔。λ和d的值以相同单位(例如，米)来表达。
矩阵A可以被定义为：
A＝[a(φ1，N)，a(φ2，N)...a(φP，N)] (8)
并且向量gm可以被定义为：
gm＝[g1a(θ1，M)(m)，g2a(φ2，M)(m)，...，gLa(φP，M)(m)]T (9)
凭借这些定义，具有(使用方程(2)和(6))：
hm＝Agm (10)
矩阵A是发射引导矩阵；即，下行链路装置202的阵列216的引导矩阵。
方程(10)概述了信道向量hm可以从取决于发射角φ的引导矩阵以及可以被视为接收器增益向量的gm确定。
在图2所示的示例中，上行链路装置204包含两个天线元件，由此，H＝[h1，h2]。根据方程10：
h1＝Ag1 (11)
h2＝Ag2 (12)
上行链路装置204被配置为使得其天线中的第一个(被称为天线1)被设置为从装置202接收下行链路传输并向装置202传送上行链路传输，并且其天线中的第二个(被称为天线2)仅被设置为从装置202接收下行链路传输。即，装置204无法从天线2传送上行链路传输，即，它无法从天线2沿上行链路方向发送信号。因此，仅存在信道206的部分互易性，这意味着下行链路装置202能够例如借助上行链路信道估计技术来确定表示装置202的天线与装置204的天线1之间的信道向量的信道向量h1的估计，但不能使用类似技术准确估计h2(表示装置202的天线与装置204的天线2之间的信道向量)。
现在将参照图3中的流程图描述用于在下行链路装置202处估计信道向量h2的方法。在以下描述中，假定下行链路装置202能够计算信道向量h1的估计(例如，借助上行链路信道估计)。还假定上行链路装置204能够例如借助下行链路信道估计来计算两个信道向量h1和h2的估计。
在步骤302处，上行链路装置204在角域中分析信道向量h2，以识别用于向量h2的角域支持点集合。步骤302介意由装置204的处理单元228来执行。装置204通过分析信道向量h2的角域表示(被表示为)来在角域中分析信道向量h2。换言之，是h2的角域向量，或者换句话说，是角域中的信道向量h2。各角域支持点指示或识别角域向量的各元素。
角域向量可以通过对信道向量h2执行离散傅里叶变换(DFT)来生成。这可以使用DFT矩阵来实现。信道向量h2可以乘以DFT矩阵D，以生成角域向量数学地，装置204根据下式生成角域向量：
DFT矩阵D可以被表达为：
由此，D的元素由下式给出：
其中，p′，q′＝0，1，...，N-1。
为了理解可以如何使用角域向量的分析来识别角域支持点，考虑以下示例：上行链路装置204仅包含单个天线(即，M＝1)，并且仅存在一个物理路径(即，P＝1)。在这种情况下，a(θ，M)＝1和方程(10)减至：
H＝h＝g1a(φ1，N) (16)
还具有：
根据方程(15)，因此，D的第p行由下式给出：
使用方程(7)、(16)、(17)以及(18)，的第p个元素可以被写为：
其中，
取方程(19)的模量给出：
其中，
方程(20)显示是在样本点ηp处的函数f(ηp)的样本。换言之，角域向量的元素的值由在样本点ηp处的函数f(ηp)给出。函数f(ηp)给出中心点为f(0)的辛格(sinc)状分布。
根据方程20，因此，在ηp＝0时：
其中，p0是与函数f(ηp)的中心点对应的角域向量的元素。因此，p0的值被给出为：
其中，表示p0被给予最接近整数(因为p0识别角域向量的元素)。
在φ1满足方程(21)时，角域向量仅具有一个非零元素p0。如果φ1不满足方程(21)，那么可以具有多个非零元素。然而，因为在典型系统中，N(下行链路装置202处的天线的数量)的值较大，所以将仍然围绕点p0分布，并且仅在点p0附近的向量元素将取不可忽略值。换言之，即使不满足方程(21)，角域向量的不可忽略值也仍然将集中在向量元素p0周围。
图4A和图4B例示了示例f(ηp)和图4A显示φ1满足方程(21)时的情况，并且图4B显示了φ1不满足方程(21)时的情况。在图4A中可以看到，仅角域向量的非零元素是p0。图4B示出了角域向量包含多个非零元素，但仅在p0附近内的那些(在404和406处示出)具有不可忽略值。在两个附图中，圆形标记表示角域向量的元素的值。实线表示由角域中的信道向量定义的函数f(ηp)。
上述说明例示了一个物理路径形成与角域向量的元素po对应的角域中的信道向量的单个中心点。换句话说，信道向量定义具有单个中心点的角域中的函数，中心点对应于角域向量的元素po。中心点可以与元素po准确对齐(如果φ1满足方程(21))，或者元素po可以是位于最靠近函数的中心点的元素(如果φ1不满足方程(21)，例如，如图4B所示)。中心点(且因此元素po)取决于用于物理路径的波束的发射角φ1。
当在装置202与204之间存在多个物理路径时，角域向量定义各具有与向量的各元素对应的单个中心点的函数的线性组合。换言之，对于P个物理路径，角域向量定义P个函数的线性组合，其中，P个函数中的每一个具有与角域向量的元素对应的单个中心点。各元素取决于用于各物理路径的波束发射角，即，元素取决于物理路径p的波束发射角，其中，p＝1，…，P。元素的该集合在这里被称为角域支持点集合。
返回参照图2所示的示例系统，上行链路装置204分析角域向量以计算由下式给出的用于向量的角域支持点集合Φ2：
由此，各角域支持点识别角域向量的各元素。各个角域支持点处的角域向量的值表示用于各物理路径的增益。
在步骤304处，上行链路装置204根据角域支持点集合生成值向量。该步骤也可以由处理单元228来执行。
值向量由表示最大信道增益的角域向量的元素形成。值向量可以通过选择角域向量的L个最大元素来生成。在一些示例中，L＝P。在其它示例中，L小于P。
数学地，值向量可以通过首先向信道向量h2应用DFT矩阵D的所选行来计算。要应用的DFT矩阵的行由角域控制点来确定。具体地，行号等于角域支持点的行将被应用至信道向量。这在数学上表达为：
或者换句话说：
其中，是由P个角域支持点Φ2所识别的角域向量的P个元素形成的向量。向量可以被称为中间值向量。
向量然后按降序由其范数排序，然后选择表示最大信道增益的L个元素。这可以通过选择向量的L个最大元素来进行。
数学地：
其中，等于按降序由元素幅值排序的中间值向量，并且是由角域向量的最大L个元素形成的L元素向量。换言之，向量由表示L个最大信道增益的角域向量的L个元素形成。
值向量在该示例中为向量注意，下标“2”表示值向量被形成用于信道向量h2形成。
如上所述，L的值可以根据实施方案来选择，并且在一些示例中等于可解物理路径的数量P。如果L的值＝P，则不需要执行选择向量的L个最大元素的步骤。由此，在一些布置中，值向量是向量或者它在以下的基础上可以是向量如果保持由角域支持点识别的所有P个元素，则向量元素不需要排序。
在步骤306处，上行链路装置204向下行链路装置202反馈所生成值向量的指示。
处理单元228可以向RF链224传输值向量的指示，这些RF链然后生成表示被传递到天线阵列222的天线1(该天线是能够沿上行链路方向发送的唯一天线)的值向量的指示的模拟信号。天线1然后沿上行链路方向向装置202发送表示值向量的指示，以向装置202反馈值向量的指示。
值向量的指示可以使用为上行链路装置204和下行链路装置202这两者所知的量化码本C来生成。量化码本由量化向量的集合形成。上行链路装置204可以使用量化码本C来量化所生成的值向量。然后，可以向下行链路装置202反馈针对被选择为量化值向量的量化向量编索引的量化码本的索引。换言之，向下行链路装置反馈的值向量的指示包括量化码本的所选索引。码本的量化向量可以为单位范数向量。在这种情况下，处理单元228还可以计算值向量的幅值，并且将该幅值连同量化码本的索引一起反馈。由此，在码本包含单位范数向量时的实施方案中，值向量的指示包括码本C的所选索引和值向量的幅值。
码本C可以在数学上表示为：
其中，2B是码本中的量化向量的数量，并且B是对码本编索引所需的位数，即，各码本索引是B位。
处理单元228可以从最紧密匹配值向量的码本C选择量化向量ci。具体地，处理单元228可以选择码本C的索引In来根据下式量化值向量：
然后向下行链路装置202反馈值向量的索引In和幅值。
值向量的指示由天线阵列216和RF链214在下行链路装置202处接收并传递到处理单元218。
在步骤308处，下行链路装置202分析为装置所知的信道向量h1，以识别由上行链路装置在步骤302处识别的相同的角域支持点集合。这可以由处理单元218来执行。
下行链路装置202通过在角域中分析信道向量h1来识别角域支持点。在角域中表示的信道向量h1被表示为即，是角域向量。角域向量可以通过使用离散傅里叶变换(DFT)矩阵D对信通向量h1执行DFT来生成。信道l向量h1可以乘以DFT矩阵D，以生成角域向量数学地，装置202根据下式生成角域向量：
下行链路装置202以上行链路装置204如何分析角域向量的类似方式(如在上面关于步骤302描述的)来分析角域向量以生成角域支持点。在这样做时，下行链路装置202生成用于向量的角域支持点集合，该集合被表示为由下式给出的Φ1：
因此，用于向量的角域支持点等同于由方程(23)给出的用于向量的角域支持点。为了看到这一点，注意，用于向量的角域支持点仅取决于发射角φp，而不取决于到达角θp。从方程(11)和(12)还已经观察到：h1＝Ag1，并且h2＝Ag2，并且从方程(8)还已经观察到：引导矩阵A取决于与角域支持点相同的发射角。因此，向量h1和h2具有共同的角域支持，即，它们共享等同的角域支持点。这与MIMO系统200的物理解释一致：通常，上行链路装置204的相邻天线之间的距离远小于散射对象(例如，208和210)与上行链路装置之间的距离。这意味着用于两个天线的物理传播路径经由相同散射对象，因此，用于两个天线的信道向量取决于相同发射角。
在步骤310处，下行链路装置202根据所计算的角域支持点集合Φ1生成发射引导矩阵A。如下面将更详细说明的，下行链路装置202根据从角域支持点Φ1计算的一个或更多个发射角生成发射引导矩阵。通常，下行链路装置202根据从表示L个最大信道增益的角域向量的各L个元素计算的L个发射角来生成发射引导矩阵。即，发射引导矩阵A根据表示L个最大信道增益的L个角域支持点的集合来生成。
为了从角域支持点Φ1识别表示最大信道增益的L个角域支持点的集合，下行链路装置202根据角域支持点Φ1生成值向量。值向量由表示最大信道增益的角域向量的元素形成。值向量通过选择角域向量的L个最大元素来生成。
数学地，值向量通过首先向信道向量h1应用DFT矩阵D的所选行来以与上述值向量类似的方式被计算。要应用的DFT矩阵的行由角域控制点Φ1来确定。具体地，行号等于角域支持点的行将被应用至信道向量。这在数学上表达为：
或者换句话说：
其中，是由P个角域支持点Φ1所识别的角域向量的P个元素形成的向量。向量可以被称为中间值向量。
向量然后按降序由其范数排序，然后选择表示最大信道增益的L个元素。这可以通过选择向量的L个最大元素来进行。
数学地：
其中，等于按降序由元素幅值排序的中间值向量，并且是由角域向量的最大L个元素形成的L元素向量。换言之，向量由表示L个最大信道增益的角域向量的L个元素形成。向量是由下行链路装置202计算的值向量。下标“1”表示值向量被形成用于信道向量h1形成。
下行链路装置还计算描述的元素以排序维数排列为的索引向量I1。因此，向量I1是指示的重新排列的P元素向量。因此，向量l1的前L个元素识别表示最大信道增益的向量的L个元素或对其编索引。
因此，可以根据下式从角域支持点集合Φ1识别表示最大信道增益的L个角域支持点的集合：
由此，总之，下行链路装置202根据为该装置所知的信道向量h1计算P个角域支持点集合Φ1。这些角域支持点中的每一个识别角域向量的各元素。然后识别表示最大信道增益的L个角域支持点的集合其中，L小于或等于P。在上述示例中，点的该集合通过计算由P个角域支持点集合Φ1所识别的角域向量的P个元素形成的中间值向量来识别。中间值向量然后按降序由其范数排序，然后由索引向量I1识别表示最大信道增益的L个元素。然后使用索引向量来对在P个角域支持点集合Φ1中的对应L个角域支持点编索引。
与方程(31)和(36)一致地，用于l＝l，...L的发射角φl可以如下从所识别的L个角域支持点的集合来计算：
与方程(8)一致地，用于L个所识别的发射角的引导矩阵A由下行链路装置202计算为：
矩阵A表示由在下行链路装置202处计算的角域支持点集合Φ1来计算的发射引导矩阵。它是N×L矩阵。
在步骤312处，装置202根据装置204所反馈的值向量的指示和在装置202处计算的引导矩阵A计算信道向量h2的上行链路估计(被表示为)。
具体地，下行链路装置202可以根据下式计算信道向量估计
其中，cF是来自根据从装置204反馈的索引In选择的码本C的量化向量，并且是从装置204反馈的值向量的幅值。
向量是无法借助下行链路估计技术计算的信道向量h2的所计算估计。
计算信道向量的上述方法可以提供超过信道估计的传统技术的若干优点。被量化并反馈到下行链路装置202的向量是降维L维向量，其中，L小于或等于可解物理路径的数量P。物理路径的数量通常远小于下行链路装置处的天线的数量N，由此，该方法有利地与N维向量被量化并反馈的有限反馈的传统方法进行比较。通过减小要量化的向量的尺寸，可以针对给定维度的码本执行更准确的量化。此外，已经理解，在角域中的信道之间存在相关性，由此，下行链路装置的不同接收器的信道具有共同角域支持(即，它们共享角域点的共同集合)。这使得能够省略角域支持点的反馈，这降低信道反馈开销。
图5示出了由发明人获得的显示上述方法使得能够以较低信道反馈开销实现高求和速率性能的模拟结果。
在该模拟中，值向量使用6位随机向量量化(RVQ)码本来量化。502处示出了可以用理想信道状态信息(CSI)实现的求和速率性能。504处示出了可以使用最佳(即，非量化)值向量实现的求和速率性能。506处示出了可以用本反馈方案和使用6位RVQ码本量化的值向量实现的求和速率性能，并且508处示出了使用RVQ码本的传统有限反馈。观察到，这里描述的反馈方案胜过量化N维向量的传统RVQ码本方案。此外，可以观察到，由于量化值向量引发的性能损失较小，这意味着可以在与传统方案相比不增加信道反馈开销的情况下实现具有良好性能的信道反馈方案。
如果已经计算信道向量h2的估计，则下行链路装置202可以使用所估计的信道向量和所计算的信道向量估计h1(例如，从上行链路信道估计获得)来计算信道矩阵H的估计，以获得完全CSI。如果已经计算信道矩阵H，则下行链路装置202可以计算更新后的预编码矩阵F。为此，下行链路装置可以使用奇异值分解(SVD)来将信道矩阵分解为：
H＝U∑VH (40)
其中，U是左奇异矩阵，∑是按降序由奇异值构成的对角矩阵，并且V是右奇异矩阵。
然后可以根据V的前M列将预编码矩阵F计算为：
F＝V[IM 0]T (41)
其中，IM是M×M单位矩阵。
下行链路装置然后可以使用更新或优化后的预编码矩阵F通过天线阵列216传输信号。
在这里描述的示例中，上行链路装置204包含两个天线，这些天线中的一个不能沿上行链路方向发送。将理解，这仅是为了例示的目的，并且这里描述的技术适用于具有任意合适数量的天线的下行链路装置。总之，这里描述的技术使得能够使用可用于下行链路装置的其它信道向量(例如，使用上行链路估计技术获得)和包含从上行链路装置反馈的角域中的信道向量h的元素的值向量的指示，在下行链路装置处计算下行链路装置与上行链路装置的天线之间的信道向量h的估计。在一些实施方案中，例如，上行链路装置可以包含8个天线，这些天线中的四个被限于接收下行链路传输(即，仅四个天线能够沿上行链路方向发送)。
在上述示例中，L个角域支持点的集合被识别并用于计算信道向量估计。在一些示例中，L等于P。在这些情况下，可以不需要对向量排序并选择L个元素来在上行链路装置处生成值向量：向量可以被当作值向量，该值向量然后被量化并反馈到下行链路装置。此外，在下行链路装置处，可以不需要通过计算向量识别L个角域支持点的集合：相反，可以与方程(37)一致地，直接从P个角域支持点集合Φ1计算用于计算矩阵A的P个发射角。
申请人将这里描述的各独立特征以及两个或更多个这种特征的任意组合独立地公开到以下程度：这种特征或组合能够鉴于本领域技术人员的公知常识整体基于本说明书来执行，而不管这种特征或特征的组合是否解决这里公开的任何问题，并且不限制权利要求的范围。申请人指出，本发明的多个方面可以由任意这种独立特征或特征的组合构成。鉴于前述说明书，对本领域技术人员将明显的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。

Claims (16)

1.一种在多输入多输出MIMO通信系统中执行信道估计的方法，所述MIMO通信系统包括被设置为通过通信信道进行通信的下行链路装置和上行链路装置，所述方法包括以下步骤：
在所述上行链路装置处：
在角域中分析表示所述下行链路装置与所述上行链路装置的第一天线之间的信道增益的第一信道向量，以识别角域支持点集合，各角域支持点指示所述第一信道向量在所述角域中的各元素；
根据所述角域支持点集合生成值向量，所述值向量包含所述第一信道向量在所述角域中的表示最大信道增益的元素；
从所述上行链路装置向所述下行链路装置反馈所述值向量的指示；
在所述下行链路装置处：
在所述角域中分析表示所述下行链路装置与所述上行链路装置的第二天线之间的信道增益的第二信道向量，以识别相同的角域支持点集合；
根据所述角域支持点集合生成发射引导矩阵；以及
根据从所述上行链路装置反馈的所述值向量的指示和所生成的发射引导矩阵生成所述第一信道向量的估计，
其中，所述上行链路装置被设置为将所述第一天线仅用于从所述下行链路装置接收通信，并且将所述第二天线用于从所述下行链路装置接收通信并向所述下行链路装置发送通信。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：使用所述第一信道向量的估计来生成对所述下行链路装置与所述上行链路装置之间的信道建模的信道矩阵的估计。
3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括以下步骤：使用所估计的信道矩阵导出数字预编码矩阵，以用于对要从所述下行链路装置发送的数据进行预编码。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述角域中分析所述第一信道向量的步骤包括：使用离散傅里叶变换DFT矩阵将所述第一信道向量变换到所述角域。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述角域支持点集合是来自所述第一信道向量在所述角域中的非零元素的集合的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述值向量是通过选择所述第一信道向量在所述角域中的P个最大元素来生成的，其中，P是所述下行链路装置与所述上行链路装置之间的可解路径的数量。
7.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括以下步骤：使用码本在所述上行链路装置处量化所述值向量，所述值向量的指示包括所述码本的所选索引。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述值向量的指示还包括所述值向量的幅值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，仅把所选索引和所述值向量的幅值从所述上行链路装置反馈到所述下行链路装置。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，所选索引In是根据来选择的，其中，是所述值向量的厄米共轭，是所述码本，ci是所述码本C的量化向量，并且B是访问所述码本的位数。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述角域支持点集合中的各角域支持点取决于用于所述下行链路装置与所述上行链路装置之间的各路径的波束发射角。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述发射引导矩阵是使用根据所述角域支持点集合计算的一个或更多个波束发射角来生成的。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述角域支持点集合φ由下式给出：其中，d是所述下行链路装置的相邻天线元件之间的间隔；λ是从所述下行链路装置发射的信号的波长；N是所述下行链路装置处的天线元件的数量，并且φp是由所述下行链路装置沿着所述下行链路装置与所述上行链路装置之间的第p个路径发射的信号波束的发射角。
14.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述角域中分析所述第二信道向量的步骤包括：使用所述离散傅里叶变换DFT矩阵将所述第二信道向量变换到所述角域。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MIMO通信系统是时分双工TDD MIMO通信系统。
16.一种多输入多输出MIMO通信系统，所述MIMO通信系统包括被配置为通过通信信道进行通信的下行链路装置和上行链路装置；
所述上行链路装置包括：
多个天线；以及
处理单元，所述处理单元被配置为：
在角域中分析表示所述下行链路装置与所述上行链路装置的第一天线之间的信道增益的第一信道向量，以识别角域支持点集合，各角域支持点指示所述第一信道向量在所述角域中的各元素；
根据所述角域支持点集合生成值向量，所述值向量包含所述第一信道向量在所述角域中的表示最大信道增益的元素；并且
向所述下行链路装置反馈所述值向量的指示；
所述下行链路装置包括：
多个天线；以及
处理单元，所述处理单元被配置为：
在所述角域中分析表示所述下行链路装置与所述上行链路装置的第二天线之间的信道增益的第二信道向量，以识别相同的角域支持点集合；
根据所述角域支持点集合生成发射引导矩阵；并且
根据从所述上行链路装置反馈的所述值向量的指示和所生成的发射引导矩阵生成所述第一信道向量的估计，
其中，所述上行链路装置被设置为将所述第一天线仅用于从所述下行链路装置接收通信，并且将所述第二天线用于从所述下行链路装置接收通信并向所述下行链路装置发送通信。
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