CN1878025A - 闭环多入多出天线系统中的发射和接收装置及方法 - Google Patents

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Abstract

提供使用码本的闭环MIMO天线系统的接收机和发射机及其接收和发射方法。MIMO天线系统的接收机包括窗口大小决定器和波束形成加权选择器。窗口大小决定器存储具有波束形成加权的码本，并且从码本中选择对应于窗口大小的波束形成加权，并且波束形成加权选择器根据当前信道状态从窗口大小决定器输出的波束形成加权当中选择最佳的波束形成加权，并且将所选的最佳波束形成加权反馈到发射机。

Description

闭环多入多出天线系统中的发射和接收装置及方法
相关申请交叉引用
本申请要求于2005年6月8日在韩国知识产权局提交的申请No.10-2005-48655的优先权，其全部公开并入这里作为引用。
技术领域
本发明总的涉及通过使用信道信息获得性能增益的闭环(closed-loop)多入多出(MIMO)系统。本发明具体设计一种在使用码本(codebook)的闭环MIMO通信系统中搜索码本的装置和方法。
背景技术
在MIMO通信系统中，尽管接收机知道信道信息，但发射机不知道信道信息。为了改善系统性能，发射机需要知道信道信息。假设上行链路信道与下行链路信道相同，时分双工(TDD)系统可以在发射机处估计下行链路信道。因此，可以在上行链路模式和下行链路模式这两者中使用波束形成。
下面将描述具有使用信道信息执行预编码的发射机的MIMO系统。预编码是指将发射(TX)信号与加权因子相乘的波束形成方法。
发射机将编码信号(x)乘以波束形成加权(w)并将其发射到信道。假设编码信号(x)是单个流，则波束形成加权(w)包括波束形成向量。通过波束形成接收到的信号用下面的式(1)表示。
y = E s N r Hwx + n · · · · · ( 1 )
其中Es，Nr，H和n分别表示符号能量、RX天线数量、信道和零均值高斯噪声。
发射机/接收机在发射/接收之前找出最佳波束形成向量(w)，然后使用最佳波束形成向量(w)执行发射/接收。波束形成器(或码本)(W)是由TX天线数量(Nt)、流的数量(m)和波束形成向量的数量(N)确定的。可以使用“Grassmannian Line Packing”设计波束形成器(W)。波束形成器(W)用下面的式(2)表示。
W＝[w1w2...wN]，wi：i＝1，...，N
                                     .....(2)
其中wi表示第i波束形成因子(Nt×1)。
使用N个波束形成向量设计波束形成器W。通常，波束形成器(或码本)随机生成波束形成向量并且计算向量之间的最小距离。然后，使用使最小距离具有最大值的N个向量来设计波束形成器W。下面的表1示出IEEE802.16e系统中具有四根TX天线、单个流和八个波束形成向量的码本。使用预定义的波束形成向量形成天线波束。
[表1]
  向量索引   1   2   3   4   5   6   7   8
  天线1   1   0.3780   0.3780   0.3780   0.3780   0.3780   0.3780   0.3780
  天线2   0   -0.2698-j0.5668   -0.7103+j0.1326   0.2830-j0.0940   -0.0841+j0.6478   0.5247+j0.3532   0.2058-j0.1369   0.0618-j0.3332
  天线3   0   0.5957+j0.1578   -0.2350-j0.1467   0.0702-j0.8261   0.0184+j0.0490   0.4115+j0.1825   -0.5211j0.0833   -0.3456+j0.5029
  天线4   0   0.1587-j0.2411   0.1371+j0.4893   -0.2801+j0.0491   -0.3272-j0.5662   0.2639+j0.4299   0.6136-j0.3755   -0.5704+j0.2113
为了找到最佳波束形成向量，接收机(或终端)需要进行下面式(3)的运算。
arg min xbit E s N 0 tr { ( I N t + E s N r N 0 w 1 H H H w 1 ) - 1 } · · · · · ( 3 )
其中w1是从之前已知的码本中选择的波束形成向量，而I，Nt，Nr，H，Es，和N0分别表示单位矩阵、TX天线的数量、RX天线的数量、TX天线与RX天线之间的信道、信号和噪声。
接收机通过反馈信道将通过式(3)的运算选择的波束形成向量(w1)发送给发射机。
图1是使用码本的传统闭环MIMO系统的方框图。
参照图1，发射机包括编码器/调制器100、波束形成器110、波束形成向量决定器120和多根TX天线130。接收机包括多根RX天线140、信道估计器/符号检测器150、解调器/解码器160和波束形成向量选择器170。
在发射机中，编码器/调制器100以给定的编码方案编码输出的数据，并且通过以给定的调制方案调制编码数据来生成复符号。波束形成向量决定器120根据从接收机反馈的索引生成波束形成向量。波束形成向量决定器120因为在存储器中具有码本信息，因此可以生成对应于索引的波束形成向量。波束形成器110将复符号与波束形成向量相乘并且将得到的信号通过天线130发射。
在接收机中，信道估计器/符号检测器150通过RX天线140接收信号。这里，信号包含噪声分量n1和nNr。信道估计器/符号检测器150通过信道估计计算信道系数矩阵，并且使用RX向量和信道系数矩阵检测RX符号。解调器/解码器160将来自信道估计器/符号检测器150的RX符号解调和解码成原始信息数据。
波束形成向量选择器170使用信道系数矩阵选择最佳波束形成向量。码本信息存储在存储器中。波束形成向量选择器170使用从存储器中读取的波束形成向量和信道系数矩阵执行式(3)的运算，以选择最佳波束形成向量。此外，波束形成向量选择器170通过反馈信道将所选波束形成向量的索引反馈到发射机。由于发射机也具有码本信息，因此只反馈波束形成向量的索引。即，由于只发送波束形成向量的索引，因此可以减少反馈信息的大小。例如，当使用8个波束形成向量设计码本时，可以用3比特表示索引。
IEEE802.16e系统使用3比特、6比特的量化反馈信息确定波束形成向量。即，可以根据反馈信息使用8或64个波束形成向量设计码本。在使用64个波束形成向量设计码本的情况下，接收机从64个波束形成向量中选择一个满足式(3)的波束形成向量，并且将所选波束形成向量反馈到发射机。这里，式(3)的搜索操作(或计算操作)需要执行与波束形成向量数量一样多的次数。因此，基于码本的系统的问题在于，计算量随着波束形成向量数量增加而增加。
因此，需要一种在使用码本的闭环MIMO系统中发射和接收的改善装置和方法。
发明内容
本发明示例性实施例解决至少上述问题和/或缺点，并且提供至少下面的优点。因此，本发明的一个目的是提供一种可以减少闭环MIMO通信系统中码本搜索的计算量的装置和方法。
本发明的另一个示例性目的是提供一种可以减少闭环MIMO通信系统中码本搜索所需时间量的装置和方法。
本发明的再一个示例性目的是提供一种可以在闭合MIMO通信系统中通过根据波束图对准(align)码本的波束形成向量来降低由于码本搜索而导致的复杂度的装置和方法。
本发明的再一个示例性目的是提供一种可以在闭合MIMO通信系统中通过根据信道环境调节将要搜索的波束形成向量数量来降低由于码本搜索而导致的复杂度的装置和方法。
根据本发明的一个方面，MIMO天线系统的接收机包括：窗口大小决定器，用于存储包括波束形成加权的码本，并且从码本中选择对应于窗口大小的波束形成加权；和波束形成加权选择器，用于根据当前信道状态从窗口大小决定器输出的波束形成加权当中选择最佳的波束形成加权，并且将所选的最佳波束形成加权反馈到发射机。
根据本发明另一示例性方面，MIMO天线系统的发射机包括：波束形成加权决定器，用于存储包括根据波束方向对准的波束形成加权的码本，并且根据从接收机反馈的码本索引生成波束形成加权；和波束形成器，用于通过将要发射的符号与从波束形成加权决定器输出的波束形成加权相乘来形成波束。
根据本发明的另一方面，包括具有波束形成加权的码本的MIMO天线系统的接收方法包括：从码本中选择对应于窗口大小的波束形成加权；根据当前信道状态从所选波束形成加权当中选择最佳的波束形成加权，并且将所选的最佳波束形成加权反馈到发射机。
根据本发明的另一示例性方面，包括具有波束形成加权的码本的MIMO天线系统的接收方法包括：根据波束方向对准码本；从码本中选择对应于窗口大小的波束形成加权；以及根据当前信道状态从所选波束形成加权当中选择最佳波束形成加权，并且将所选的最佳波束形成加权反馈到发射机。
根据本发明的另一示例性方面，MIMO天线系统的发射方法包括：存储具有根据波束方向对准的波束形成加权的码本，并且根据从接收机反馈的码本索引生成波束形成加权；以及将要发射的符号与波束形成加权相乘并且将得到的信号通过多根TX天线发射。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，本发明特定示例性实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更加清楚，其中：
图1是使用码本的传统闭环MIMO系统的方框图；
图2是根据本发明示例性实施例的闭环MIMO通信系统的方框图；
图3是示出根据本发明示例性实施例的接收机的码本搜索处理的流程图；和
图4是示出根据本发明示例性实施例的码本搜索的例子的图。
在附图中，认为相同的附图标记指代相同的元件、特征和结构。
具体实施方式
说明书中定义的诸如具体结构和元件之类的内容是供帮助全面理解本发明实施例的目的，因而仅仅是示例性的。因此，本领域技术人员将认识到在不背离本发明范围和宗旨的前提下对这里描述的实施例进行各种改变和修改。此外，为了清晰和简明起见，省略对公知功能和结构的描述。
下面示例性地描述可以降低码本搜索复杂度的使用码本的闭环MIMO通信系统。可以根据传输流的数量使用波束形成矩阵或波束形成向量设计码本。下面将以使用波束形成向量设计的码本作为例子。
图2是根据本发明示例性实施例的闭环MIMO通信系统的方框图。
参照图2，发射机包括编码器/调制器200、波束形成器210、波束形成向量决定器220和多根TX天线230。接收机包括多根RX天线240、信道估计器/符号检测器250、解调器/解码器260、波束形成向量选择器270和窗口大小决定器280。
在发射机中，编码器/调制器200以给定的编码方案编码输出的数据，并且通过以给定的调制方案调制编码数据来生成复符号。编码方案的例子包括卷积码、turbo码、卷积turbo码、低密度奇偶校验(LDPC)码等。调制分案的例子包括将1比特(s＝1)映射到单个信号点(复信号)的二进制相移键控(BPSK)、将2比特(s＝2)映射到单个复信号的正交相移键控(QPSK)、将3比特(s＝3)映射到单个复信号的8进制正交幅度调制(8QAM)、将4比特(s＝4)映射到单个复信号的16QAM、将6比特(s＝6)映射到单个复信号的64QAM等。
波束形成向量决定器220存储码本，其中在码本中根据波束方向对准波束形成向量，并且生成对应于从接收机反馈的索引的波束形成向量。波束形成器210将来自编码器/调制器200的复符号与来自波束形成向量决定器220的波束形成向量相乘并且将得到的信号通过TX天线230发射。
在接收机中，信道估计器/符号检测器250通过RX天线240接收信号。这里，信号包含噪声分量n1和nNr。信道估计器/符号检测器250通过信道估计计算信道系数矩阵，并且使用RX向量和信道系数矩阵检测RX符号。RX符号检测算法的例子包括迫零(ZF)算法、最小均方误差(MMSE)算法等。解调器/解码器260将来自信道估计器/符号检测器250的RX符号解调和解码成原始信息数据。
窗口大小决定器280存储码本，在码本中根据波束方向对准波束形成向量。窗口大小决定器280根据信道变化决定搜索窗口大小。此外，窗口大小决定器280根据对于之前RX信号的波束形成向量选择对应于窗口大小的波束形成向量，并且将所选波束形成向量提供给波束形成向量选择器270。当信道变化大时搜索窗口大小设置得大，而当信道变化小时它设置得小。可以使用RX信号噪声比(SNR)或终端的移动速度预测信道变化。例如，当RX
SNR的变化大或者终端的移动速度高时，可以确定信道变化大。换句话说，搜索窗口大小(或者要搜索的波束形成向量的数量)可以随着信道变化而改变，或者可以固定为一个值(例如，码本的总大小的1/4或1/2)。当搜索窗口大小改变时，其更新周期可以具有预定义的值或者根据信道环境而改变。
波束形成向量选择器270使用窗口大小决定器280选择的波束形成向量和信道估计器/符号检测器250生成的信道系数矩阵(H)，通过执行式(3)的运算来选择最佳波束形成向量。然后，波束形成向量选择器270将所选波束形成向量的索引反馈到发射机。图3中示出用于选择波束形成向量的多种算法之一。也可以使用其他算法来选择最佳波束形成向量。
如上所述，根据本发明示例性实施例的码本搜索装置包括窗口大小决定器280和波束形成向量选择器270。由于现有的码本(具有随机特性的码本)是通过使用“Grassmannian Line Packing”随机生成波束形成向量来设计的，因此波束形成向量没有根据波束图对准。然而，根据本发明的示例性实施例，使用导引向量(steering vector)画出波束形成向量的波束，并且通过在0-180°角度上决定波束形成向量的顺序(或索引)来设计码本。
即，本发明的示例性实施例使用其中波束形成向量被根据波束方向对准的码本。如果对准了码本，则在信道变化小的环境中将有很大可能使用相邻波束形成向量。因为相对于前一RX信号的波束形成向量的相邻向量将有很大可能被选为下一RX信号的波束形成向量，因此可以相对于前一RX信号的波束形成向量(或窗口大小)适当地选择要搜索的波束形成向量数量。本发明示例性实施例可以通过仅搜索一部分波束形成向量来找出最佳波束形成向量，而不是通过搜索所有波束形成向量找出最佳波束形成向量。
图3是示出根据本发明示例性实施例的接收机的码本搜索处理的流程图。
参照图3，在步骤301和303中，当接收到第i Rx信号时，接收机通过使用RX信号或导频信号执行信道估计来计算信道系数矩阵。例如，当在一帧周期执行波束形成向量搜索时，第i RX信号成为第i帧信号。在步骤305中，接收机根据信道变化决定搜索窗口大小(要搜索的波束形成向量数量)。当信道变化大时搜索窗口大小设置得大，而当信道变化小时它设置得小。
在步骤307中，接收机检查对于前一RX信号(即，第(i-1)RX信号)的波束形成向量的索引。在步骤309中，接收机访问码本并根据第(i-1)波束形成向量选择对应于窗口大小的波束形成向量。
在步骤311中，接收机通过使用所选波束形成向量和信道系数矩阵执行式(3)的运算，来决定最佳波束形成向量。在步骤313中，接收机将决定的最佳波束形成向量的索引反馈给发射机。
如果在步骤301中接收到第一RX信号，则没有关于前一波束形成向量的信息。因此，通过对于所有波束形成向量执行式(3)的运算来决定最佳波束形成向量。然后，在根据前一RX信号的波束形成向量选择对应于窗口大小的波束形成向量的同时，对于接下来的RX信号执行搜索操作。例如，在根据前一RX信号的波束形成向量定义了窗口大小之后，在选择窗口内的波束形成向量的同时执行搜索操作。
图4是示出根据本发明示例性实施例的码本搜索及其结果的例子的图。特别地，图4示出本发明示例性实施例的窗口搜索与传统的码本搜索达到相似的性能。
图4的码本示出TX天线数量为4、传输流数量为1以及波束形成向量的索引用6比特表示的情况。特别地，IEEE 802.16e中采用的码本(4，1，6)被根据波束方向重新对准。
在示例性实施例中，如果搜索窗口大小为所有波束形成向量的1/4，则搜索窗口大小(要搜索的波束形成向量数量)为16。如上所述，通过在第一RX信号时间(t＝1)搜索所有波束形成向量来决定最佳波束形成向量。接着(t＞1)，只搜索与最佳波束形成向量相邻的16个波束形成向量。如图4所示，可以看出对于RX信号时间t＝2到6，对于所有波束形成向量(向量1-64)计算出的最佳波束形成向量(□)与对于窗口内所选的波束形成向量(例如，在RX信号时间t＝2时为向量3到19)计算出的最佳波束形成向量 相同。因此，由于要搜索的波束形成向量的数量减少了1/4，因此接收机的复杂度可以降低1/4。
如上所述，在使用码本的闭环MIMO系统中，可以改善由于码本搜索导致的复杂度。通过根据波束图对准随机设计的码本，搜索在窗口内所选的码本可以实现与搜索整个码本相似的性能。此外，由于要搜索的波束形成向量的数量减少，因此可以大大降低接收机的复杂度。
尽管参照其特定示例性实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，可以在不背离权利要求书定义的本发明范围及其等效物的全部范围的前提下对形式和细节进行各种改变。

Claims (28)

1.一种无线通信系统中的接收机，包括：
窗口大小决定器，用于存储包括波束形成加权的码本，并且从码本中选择对应于窗口大小的至少一个波束形成加权；和
波束形成加权选择器，用于根据当前信道状态从来自窗口大小决定器的至少一个波束形成加权当中选择最佳的波束形成加权，并且将所选的最佳波束形成加权传送到发射机。
2.如权利要求1所述的接收机，其中，根据波束方向对准码本的波束形成加权。
3.如权利要求1所述的接收机，其中，窗口大小决定器根据之前选择的波束形成向量选择对应于窗口大小的至少一个波束形成加权。
4.如权利要求1所述的接收机，其中，根据信道环境改变窗口大小。
5.如权利要求4所述的接收机，其中，根据信道环境改变窗口大小的更新周期。
6.如权利要求1所述的接收机，其中，窗口大小包括固定值。
7.如权利要求1所述的接收机，其中，码本包括使用根据波束方向对准的Grassmannian Line Packing的设计。
8.如权利要求1所述的接收机，其中，波束形成加权选择器将所选波束形成加权的码本索引传送到发射机。
9.如权利要求1所述的接收机，还包括信道估计器，用于通过使用通过至少一个RX天线接收的信号来估计信道，并且向波束形成加权选择器提供信道系数矩阵。
10.一种无线通信系统中的发射机，包括：
波束形成加权决定器，用于存储包括根据波束方向对准的波束形成加权的码本，并且根据从接收机送来的码本索引生成波束形成加权；和
波束形成器，用于通过将要发射的符号与来自波束形成加权决定器的波束形成加权相乘来形成波束。
11.如权利要求10所述的发射机，其中，码本包括使用根据波束方向对准的Grassmannian Line Packing的设计。
12.一种在包括具有波束形成加权的码本的无线通信系统中的接收方法，该方法包括：
从码本中选择对应于窗口大小的至少一个波束形成加权；以及
根据当前信道状态从所述至少一个所选波束形成加权当中选择最佳的波束形成加权，并且将所选的最佳波束形成加权传送到发射机。
13.如权利要求12所述的接收方法，其中，根据波束方向对准码本的波束形成加权。
14.如权利要求12所述的接收方法，其中，所述选择至少一个波束形成加权的步骤包括：
检查之前选择的波束形成向量；和
根据之前选择的波束形成向量选择对应于窗口大小的至少一个波束形成加权。
15.如权利要求12所述的接收方法，还包括根据信道环境改变窗口大小。
16.如权利要求12所述的接收方法，还包括根据信道环境改变窗口大小的更新周期。
17.如权利要求12所述的接收方法，其中，窗口大小包括固定值。
18.如权利要求12所述的接收方法，其中，码本包括使用根据波束方向对准的Grassmannian Line Packing的设计。
19.如权利要求12所述的接收方法，其中，所述传送最佳波束形成加权的步骤包括：
根据当前信道状态从所选的波束形成加权中选择最佳波束形成加权；和
将所选波束形成加权的码本索引传送到发射机。
20.如权利要求12所述的接收方法，其中，所述传送最佳波束形成加权的步骤包括：
通过使用通过多个RX天线接收的至少一个信号执行信道估计来生成信道系数矩阵；
使用信道系数矩阵来根据当前信道状态从所选的波束形成加权中搜索最佳波束形成加权；和
将搜索的最佳波束形成加权的码本索引传送给发射机。
21.一种包括具有波束形成加权的码本的MIMO天线系统的接收方法，该方法包括：
根据波束方向对准码本；
从对准的码本中选择对应于窗口大小的波束形成加权；以及
根据当前信道状态从所选波束形成加权当中选择最佳波束形成加权，并且将所选的最佳波束形成加权传送到发射机。
22.如权利要求21所述的接收方法，其中，所述选择波束形成加权的步骤包括：
检查之前选择的波束形成向量；和
根据之前选择的波束形成向量选择对应于窗口大小的波束形成加权。
23.如权利要求21所述的接收方法，还包括根据信道环境改变窗口大小。
24.如权利要求21所述的接收方法，还包括根据信道环境改变窗口大小的更新周期。
25.如权利要求21所述的接收方法，其中，窗口大小包括固定值。
26.如权利要求21所述的接收方法，其中，所述传送最佳波束形成加权的步骤包括：
根据当前信道状态从所选的波束形成加权中选择最佳波束形成加权；和
将所选波束形成加权的码本索引传送到发射机。
27.一种无线通信系统中的发射方法，包括：
存储包括根据波束方向对准的波束形成加权的码本，并且根据从接收机送来的码本索引生成波束形成加权；和
将发射符号与波束形成加权相乘并且将得到的信号通过多根TX天线发射。
28.如权利要求27所述的发射方法，其中，码本包括使用根据波束方向对准的Grassmannian Line Packing的设计。
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