CN1980080A

CN1980080A - 在使用多天线的无线通信系统中校准信道的装置和方法

Info

Publication number: CN1980080A
Application number: CNA2006101486775A
Authority: CN
Inventors: 黄瑾喆; 崔嵩润; 蔡赞秉; 南承勋
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2006-09-18
Publication date: 2007-06-13
Also published as: KR20070032548A; JP2007089165A; EP1764967B1; EP1764967A3; DE602006003603D1; US20070064823A1; EP1764967A2

Abstract

在使用多天线的无线通信系统中提供一种校准信道的装置和方法。一种无线通信系统中的基站装置包括：信道估计器和计算器。信道估计器接收UL探测信号以估计第一UL CSI和接收使用DL CSI加权的UL探测信号以估计第二UL CSI。计算器使用第一UL CSI和第二UL CSI计算各个天线对的校准值。信道校准必需的信息以模拟格式发送和接收。因此，能够最小化用于信道校准必需的资源和时间的浪费。

Description

在使用多天线的无线通信系统中校准信道的装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2005年9月16日在韩国知识产权局申请的标题为“在使用多天线的无线通信系统中校准信道的装置和方法(Apparatus and Methodfor Calibrating Channel in Radio Communication System Using MultipleAntennas)”，并且分配了序列号2005-86881的申请的优先权，其内容在此合并参考。

技术领域

本发明通常涉及时分双工多输入多输出(TDD-MIMO)无线通信系统，尤其涉及在无线通信系统中校准估计信道的装置和方法。

背景技术

在通用TDD-MIMO无线通信系统中，空中的下行链路(DL)信道和上行链路(UL)信道是彼此对应的，但是在实际基带级检测的DL信道状态信息(CSI)和UL CSI不是彼此对应的。其原因是基站(BS)TX(发送)链和移动站(MS)RX(接收)链之间的和MS TX链和BS RX链之间的增益以及相位不同。

因此，当原样使用UL CSI用于DL加权时，TDD-MIMO无线通信系统性能降低。也就是，因为在BS估计的UL CSI不同于实际DL CSI，使用BS ULCSI获得的最佳加权对于DL信道不是最佳的，这就降低了系统性能。为了解决CSI之间不匹配的问题，必须进行校准来均衡估计CSI和实际CSI。

参考图1，在BS生成的DL信号通过TX链101和DL信道103发送，并且在MS接收。接收的DL信号通过RX链105传送到MS的基带级。基带级信道估计器107使用接收的DL信号估计DL信道H_B→M。奇异值分解(SVD)单元109SVD处理估计DL CSI以创建RX本征向量矩阵U^H _B→M。

同样，在MS生成的UL信号通过TX链111和UL信道113发送并在BS接收。接收的UL信号通过RX链115传送到BS的基带级。基带级的信道估计器117使用接收的UL信号估计UL信道H_M→B。SVD单元119SVD处理估计UL CSI以创建TX本征向量矩阵V_M→B。

BS的加权乘法器121将TX数据乘以TX本征向量矩阵V_M→B以在发送之前形成射束。MS的加权乘法器123将从BS接收的信号乘以RX本征向量矩阵U^H _B→M以恢复RX数据。

DL信道103和UL信道113彼此对应，但是在RX链105和115之间以及在TX链101和111之间的增益以及相位是不同的。因此，在BS的信道估计器117估计的UL CSI不同于实际DL CSI。因此，当使用UL CSI作为DL CSI计算DL加权时，系统性能下降。因此，必须进行校准以使估计UL CSI近似于实际DL CSI。

现有TDD-MIMO系统校准CSI的过程在图2中示出。

在描述该过程之前，在此使用的参数如下：

当相对于不同TX天线TX链完全分离时，TX链的增益和相位可以模型化为对角矩阵E_TB。另外，当相对于不同RX天线RX链完全分离时，RX链的增益和相位可以模型化为对角矩阵E_RM。

假设从发射机的数模转换器(DAC)到每个天线的响应是E_TB＝{t₁，t₂，t₃}，从接收机天线到模数转换器(ADC)的响应是E_RM＝{r₁，r₂，r₃}，无线信道响应是H，在接收机处估计的复合信道响应可表示为方程(1)：

H_B→M＝E_RMHE_TB

H_M→B＝E_RBH^TE_TM

......(1)

因为估计DL CSI不同于实际DL CSI，在传统技术中，如在方程(2)表示地执行校准操作：

H_B→MC_B＝E_RMHE_TBC_B

H_M→BC_M＝E_RBH^TE_TMC_M

......(2)

因为方程(2)中的两个公式是可换位的，校准矩阵C_B和C_M可以表示为方程(3)

C_B＝(E_TB)^-1E_RB

C_M＝(E_TM)^-1E_RM

......(3)

获取校准矩阵C_B和C_M的传统过程将在下面描述。

参考图2，在步骤201，BS向MS发送信道探测(sounding)请求。一接收到请求，在步骤203，MS向BS发送信道探测信号(或导频信号)。在步骤205，BS使用从MS接收的UL导频信号估计DL CSI H_B→M。

在步骤207，BS向MS发送导频信号。在步骤209，MS使用从BS接收的导频信号估计DL CSIH_M→B。在步骤211，MS将估计DL CSI量化为数据信号并发送该数据信号到BS。

在步骤213，BS从MS接收的数据信号中恢复量化的DL CSI。在步骤215，使用DL CSI和UL CSI，BS计算满足方程(4)的校准矩阵C_B和C_M：

H_M→BC_M＝H_B→MC_B

......(4)

BS使用校准矩阵C_B校准UL CSI，并发送校准矩阵G_M到MS。

也就是，步骤217，BS将计算的校准矩阵C_M量化为数据信号并将数据信号发送到MS。在步骤219，MS从BS接收的数据信号中恢复量化的标准矩阵C_M。使用恢复的校准矩阵校准DL CSI。

如上所述，在MS估计的DL CSI必须量化为数据信号，并且必须将数据信号发送到BS(步骤211)。相似地，在BS计算的必须量化为数据信号并且必须将数据信号发送到MS(步骤217)。这就浪费了大量的资源。而且，需要太多的时间来获得校准必需的信息。

发明内容

本发明的一个目的是基本上解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少下述优点。因此，本发明的目的是在TDD无线通信系统中提供一种校准估计的信道的装置和方法。

本发明的另一个目的是在TDD无线通信系统中提供一种最小化信道校准资源浪费的装置和方法。

本发明的一个进一步的目的是在TDD无线通信系统中提供一种最小化信道校准时间浪费的装置和方法。

根据本发明的另一个方面，一种用于使用多天线的无线通信系统的基站装置，包括信道估计器，接收UL探测信号以估计第一UL CSI和接收使用DL CSI加权的UL探测信号以估计第二UL CSI；和计算器，使用第一UL CSI和第二UL CSI为各个天线对计算校准值。

根据本发明的另一方面，一种用于使用多天线的无线通信系统的移动站装置，包括：信道估计器，使用从基站接收的DL导频信号估计DL CSI；探测信号生成器，使用DL CSI加权探测信号以生成信道校准探测信号；发射机，将信道校准探测信号发送到基站。

根据本发明的进一步的方面，一种在使用多天线的无线通信系统中操作基站的方法，包括：接收UL探测信号以估计第一UL CSI；接收使用DL CSI加权的UL探测信号以估计第二UL CSI；以及使用第一UL CSI和第二UL CSI计算各个天线对的校准值。

仍然根据本发明的另一个方面，一种在使用多天线的无线通信系统中操作移动站的方法，包括：接收DL导频信号以估计DL CSI；使用DL CSI加权探测信号以生成信道校准探测信号；以及将信道校准探测信号发送到基站。

仍然根据本发明的另一个方面，一种在使用多天线的无线通信系统中校准信道的方法，包括：使用从接收机接收的UL探测信号在发射机处估计第一UL CSI；使用从发射机接收的DL导频信号在接收机处估计DL CSI，使用DL CSI加权UL探测信号，并将DL CSI加权的探测信号发送到发射机；使用DL CSI加权的探测信号在发射机处估计第二UL CSI；以及使用第一ULCSI和第二UL CSI在发射机处计算各个天线对的信道校准值。

附图说明

当结合附图时，从以下的描述中，本发明的上述和其它目的、特点和优点将变得更加明显，其中：

图1是一个示出了传统SVD-MIMO系统中CSI之间不匹配的图；

图2是一个示出了在传统TDD-MIMO系统中校准CSI过程的流程图；

图3是一个根据本发明使用多天线的无线通信系统的框图；

图4是一个示出了根据本发明在使用多天线的无线通信系统中执行发射机校准模式的过程的流程图；以及

图5是一个示出了根据本发明在使用多天线的无线通信系统中执行接收机校准模式的过程的流程图。

具体实施方式

以下将参考附图在此描述本发明的优选实施例。在下列描述中，将不再详细描述已知功能或结构，因为它们会以不必要的细节混淆发明。同样，根据本发明的功能定义在此使用的术语。因此，根据用户的或操作者的目的和使用术语可能不同。也就是，在此使用的术语必须基于在此完成的描述来理解。

本发明提供一种在TDD-MIMO无线通信系统中校准估计CSI的方案，将详细描述该方案。尤其是，本发明提供一种使用最小资源和时间校准CSI的方案。

在以下描述中，“下行链路(DL)”表示从执行校准的发射机到接收机的方向，“上行链路(UL)”指示从发射机到接收机的方向。

参考图3，无线通信系统的BS 300包括去复用器301，加权乘法器303，多个逆快速傅立叶变换(IFFT)处理器305-1到305-N_T，多个天线307-1到307-N_T，信道估计器309，校准矩阵计算器311，信道校准器313，和加权生成器315。无线通信系统的MS 320包括多个天线321-1到321-N_R，多个快速傅立叶变换(FFT)处理器323-1到323-N_R，加权乘法器325，MIMO检测器327，信道估计器329，加权生成器331，导频信号生成器333，多个IFFT处理器335-1到335-N_R。

校准方相应于使用CSI发送数据的一方。当MS是校准方时，附图标记300和320可以分别指示MS和BS。另一方面，BS是校准方，附图标记300和320可以分别指示BS和MS。以下的描述是BS为校准方的一个示例。

现在将详细描述BS 300的操作。

信道估计器309使用通过天线307-1到307-N_T接收的导频信号(或探测信号)估计第一UL CSI HM_N→B(i，j)。另外，信道估计器309使用通过天线307-1到307-N_T接收的DL CSI加权的导频信号估计第二UL CSI H(i，j)。第二UL信道H(i，j)可以表示为方程(5)；

H(i，j)＝H_M→B(i，j)·H_B→M(i，j)

......(5)

其中i是BS的天线索引，j是MS的天线索引。

如此估计的第一和第二UL CSI提供给校准矩阵计算器311。使用第一和第二UL CSI，校准矩阵计算器311计算各个天线对的校准值C(i，j)，如方程(6)所示：

C (i, j) = \frac{H (i, j)}{{(H_{M &RightArrow; B} (i, j))}^{2}} . . . . . . (6)

计算的校准值C(i，j)被提供给信道估计校准器313。

使用校准值C(i，j)，信道校准器313校准第一UL CSI H_M→B(i，j)以输出校准的信道响应矩阵新H_M→B(i，j)，如方程(7)所示：

新H_M→B(i，j)＝H_M→B(i，j)·C(i，j)

......(7)

基于校准的信道响应矩阵新H_M→B(i，j)，加权生成器315生成加权矩阵并将其提供给加权乘法器303。

去复用器301去复用输入用户数据以输出TX矢量。用户数据是通过信道编码器和调制器编码和调制的数据。加权乘法器303将来自去复用器301的TX矢量乘以来自加权生成器315的加权矩阵以生成多个天线信号。

生成的天线信号提供给相应的IFFT处理器305-1到305-N_T。IFFT处理器305-1到305-N_TIFFI处理天线信号。IFFT处理的信号通过相应天线307-1到307-N_T发送。详细地，IFFT处理的信号转换为模拟基带信号，模拟基带信号转换为射频(RF)信号，RS信号通过相应天线307-1到307-N_T发送。

现在将详细描述MS 320的操作。

通过天线321-1到321-N_R接收的多个信号转换为基带信号，并且将基带信号转换为数字信号(取样数据)。数据信号输入到相应FFT处理器323。FFT处理器323-1到323-N_R FFT处理数字信号。

信道估计器329从FFT处理器323-1到323-N_R的输出信号中提取导频信号(或探测信号)，并使用提取的导频信号估计DL CSI H_B→M(i，j)。如本领域公知的，为了DL信道的估计，BS将导频信号插入数据，相应MS从接收的信号中提取导频信号以估计DL信道。

使用估计的DL CSI H_B→M(i，j)和/或从BS接收的信息，加权生成器331生成并输入加权矩阵。例如，加权生成器331生成并输出基于电码本的预编码矩阵或基于SVD的本征向量矩阵。加权乘法器325将FFT处理器323-1到323-N_R的输出信号乘以加权生成器331的加权矩阵。相应于MIMO方案，MIMO检测器327根据预定规则解码加权乘法器325的输出信号，从而输出RX码元。RX码元由解调器和信号解码器解调和解码为原始数据。

在根据本发明的校准模式中，信道估计器329向导频信号生成器333提供估计DL CSIH_B→M(i，j)。导频信号生成器333使用估计DL CSI H_B→M(i，j)加权输入的导频信号、并向IFFT处理器335-1到335-N_R输出DL CSI加权的导频信号。

IFFT处理器335-1到335-N_R将DL CSI加权的导频信号映射到预定副载波位置，并处理生成的信号。IFFT处理的信号通过相应天线321-1到321-N_R发送。详细的，IFFT处理的信号转换为模拟基带信号，模拟基带信号转换为RF信号，RF信号通过相应天线321-1到321-N_R发送。在BS 300使用DL CSI加权的导频信号计算校准矩阵。

参考图4，当需要校准时，作为校准方并假设为BS的发射机测量信道随时间的改变。当测量的信道变化小于或等于预定阈值时，发射机启动校准模式。

在步骤401，BS向处于校准模式的MS发送信道探测请求。在步骤403，BS确定是否从MS接收到探测信号(导频信号)。如果是，过程前进到步骤405；以及如果不是，过程重复步骤403。

在步骤405，BS使用接收的导频信号估计第一UL CSI UL CSI H_M→B(i，j)。在步骤407，BS向MS发送对用于信道校准的导频信号的请求。在下文中，用于信道校准的导频信号简称为“信道校准导频信号”。在步骤409，BS确定是否从MS接收到信道校准导频信号(即，DL CSI加权的导频信号)。如果是，过程前进到步骤411；以及如果不是，过程重复步骤409。

在步骤411，BS使用接收的信道校准导频信号估计第二UL CSI，并使用第一和第二UL CSI计算天线对的校准值C(i，j)，如方程(6)所示。

在步骤413，如方程(7)所示，BS将估计的UL CSI乘以校准值，从而校准UL CSI。此后，BS使用校准的UL CSI计算加权矩阵，将TX矢量乘以加权矩阵，并将生成信号发送到MS。

在下文中，接收机假设为MS。参考图5，在步骤501，MS确定是否从BS接收到信道探测请求。如果是，过程前进到步骤503；如果不是，过程进行到步骤511。在步骤511，MS执行其它模式。在步骤503，MS向BS发送探测信号(例如导频信号)。

在步骤505，MS确定是否从BS接收到信道校准导频信号。如果是，过程前进到步骤507；以及如果不是，过程重复步骤505。在步骤507，MS使用从BS接收的DL导频信号估计DL CSI H_B→M(i，j)。在步骤509，MS使用估计的DL CSI H_B→M(i，j)加权UL导频信号，并发送DL CSI加权的导频信号(即信道校准导频信号)到BS。

如上所述，用于信道校准的必要信息以模拟格式发送和接收。因此，能够最小化用于信道校准必需的资源和时间的浪费。

已经参考本发明特定优选实施例示出了和描述了本发明，本领域的技术人员应该理解在不脱离进一步由权利要求书定义的本发明精神和范围下，可以在形式上有各种变化和完成各种细节。

Claims

1.一种用于使用多天线的无线通信系统的基站装置，该基站装置包括：

信道估计器，接收上行链路(UL)探测信号以估计第一UL信道状态信息(CSI)，和接收使用下行链路(DL)CSI加权的UL探测信号以估计第二UL CSI；以及

计算器，使用第一UL CSI和第二UL CSI计算各个天线对的校准值。

2.如权利要求1的基站装置，进一步包括信道校准器，使用校准值校准第一UL CSI以获得校准的信道响应矩阵。

3.如权利要求2的基站装置，其中当无线通信系统是时分双工(TDD)通信系统时，校准的信道响应矩阵作为DL信道响应矩阵使用。

4.如权利要求2的基站装置进一步包括：

加权生成器，基于校准的信道响应矩阵生成TX矢量的加权矩阵；以及

加权乘法器，将TX矢量乘以加权矩阵以生成多个天线信号。

5.如权利要求4的基站装置，进一步包括：

多个IFFT处理器，IFFT处理生成的天线信号；以及

多个RF处理器，将IFFT处理的信号转换为RF信号以通过相应天线发送RS信号。

6.如权利要求4的基站装置，其中，由加权生成器生成的加权矩阵是基于电码本的预编码矩阵或基于奇异矢量分解(SVD)的本征向量矩阵。

7.如权利要求1的基站装置，其中计算器使用方程

C (i, j) = \frac{H (i, j)}{{(H_{M &RightArrow; B} (i, j))}^{2}}

计算第i个TX天线和第j个RX天线的校准值C(i，j)，其中H(i，j)和H_M→B(i，j)是第二UL CSI和第一UL CSI。

8.如权利要求1的基站装置，进一步包括发射机，发送用于估计DL CSL的DL导频信号。

9.一种在使用多天线的无线通信系统中的移动站装置，移动站装置包括：

信道估计器，使用从基站接收的DL导频信号估计下行链路(DL)信道状态信息CSI；

探测信号生成器，使用DL CSI加权探测信号以生成信道校准探测信号；以及

发射机，将信道校准探测信号发送到基站。

10.如权利要求9的移动站装置，其中发射机包括：

多个IFFT处理器，将信道校准探测信号映射到预定副载波位置，IFFT处理生成信号；以及

多个RF处理器，将IFFT处理的信号转换为RF信号以通过相应天线发送RF信号。

11.一种在使用多天线的无线通信系统中操作基站的方法，该方法包括步骤：

接收UL探测信号以估计第一UL CSI；

接收使用DL CSI加权的UL探测信号以估计第二UL CSI；以及

使用第一UL CSI和第二UL CSI计算各个天线对的校准值。

12.如权利要求11的方法，进一步包括：使用校准值校准第一UL CSI以获得校准的信道响应矩阵。

13.如权利要求12的方法，其中当无线通信系统是TDD通信系统时，校准的信道响应矩阵作为DL信道响应矩阵使用。

14.如权利要求12的方法，进一步包括：

基于校准的信道响应矩阵生成用于TX矢量的加权矩阵；以及

将TX矢量乘以加权矩阵以生成多个天线信号。

15.如权利要求14的方法，进一步包括：

处理生成的天线信号以输出IFFT处理的信号；以及

将IFFT处理的信号转换为RF信号以通过相应天线发送RF信号。

16.如权利要求14的方法，其中加权矩阵是基于电码本的预编码矩阵或基于SVD的本征矢量矩阵。

17.如权利要求11的方法，其中使用方程

C (i, j) = \frac{H (i, j)}{{(H_{M &RightArrow; B} (i, j))}^{2}}

18.如权利要求11的方法，进一步包括发送用于估计DL CSI的DL导频信号。

19.一种在使用多天线的无线通信系统中操作移动站的方法，该方法包括步骤：

接收DL导频信号以估计DL CSI；

使用DL CSI加权探测信号以生成信道校准探测信号；以及

将信道校准探测信号发送到基站。

20.如权利要求19的方法，其中发送信道校准探测信号的步骤进一步包括：

将信道校准探测信号映射到预定载波位置，处理生成信号，并输出IFFT处理的信号；以及

将IFFT处理的信号转换为RF信号以通过相应天线发送RF信号。

21.一种在使用多天线的无线通信系统中校准信道的方法，该方法包括步骤：

使用从接收机接收的UL探测信号在发射机处估计第一UL CSI；

使用从发射机接收的DL导频信号在接收机处估计DL CSI，使用DL CSI加权UL探测信号，并将DL CSI加权的探测信号发送到发射机；

使用DL CSI加权的探测信号在发射机处估计第二UL CSI；以及

使用第一UL CSI和第二UL CSI在发射机处计算各个天线对的校准值。

22.如权利要求21的方法，进一步包括使用计算的信道校准值在发射机校准第一UL CSI以获得校准的信道响应矩阵。

23.如权利要求22的方法，其中当无线通信系统是TDD通信系统时，校准的信道响应矩阵作为DL信道使用。

24.一种用于使用多天线的无线通信系统的移动站装置，该移动站装置包括：

信道估计器，接收下行链路(DL)探测信号以估计第一DL信道状态信息(CSI)和接收使用上行链路(UL)CSI加权的DL探测信号以估计第二DLCSI；以及

计算器，使用第一DL CSI和第二DL CSI计算各个天线对的校准值。

25.一种在使用多天线的无线通信系统中的基站装置，该移动站装置包括：

信道估计器，使用从移动站接收的UL导频信号估计上行链路(UL)CSI；

探测信号生成器，使用UL CSI加权探测信号以生成信道校准探测信号；以及

发射机，将信道校准探测信号发送到移动站。