TWI406523B - Ｍｉｍｏ預編碼器中處理通信信號的方法和系統 - Google Patents

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Description

MIMO預編碼器中處理通信信號的方法和系統
本發明涉及通信系統的信號處理。更具體地說，本發明涉及一種用於具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼器的碼書(codebook)設計的方法和系統。
移動通信改變了人們通信的方式，移動電話已經由原來的奢侈品而成為人們日常生活中的必需品。當今移動電話的使用由社會狀態支配而不是被地理位置或技術阻礙。雖然語音連接滿足了通信的基本需要，其中移動語音連接繼續甚至進一步滲透到生活中的每一天中，移動互聯網(Internet)將是移動通信革命的下一步。所述移動互聯網自然地成為日常資訊的一個公共來源，且對這一資料服務的簡單和通用移動接入將是必然的方式。
第三代(3G)蜂窩網路是用來實現所述移動互聯網的這些需求而特地設計的。由於這些服務的使用和普及的增長，相對於目前對於蜂窩網運營商而言，如低成本的網路容量優化和服務質量(QoS)等因素將會變得更加重要。這些因素可以通過細緻的網路規劃和操作，改善發射方法，和改進接收機技術等方法實現。為此，載波需要能使得其增加下行吞吐率的技術，這樣，提供高的QoS性能和速度以抗衡那些由電纜數據機和/或DSL服務提供商提供的服務。
為了滿足這些需求，在發射機和接收機都放置多天線的通信系統因其可在無線衰落環境中很大地提高系統的容量而近來引起了廣泛的注意。這些多天線結構，也就是熟知的智慧天線技術，可以在信號接收時用來減少多徑和/或信號干擾。可以預見智慧天線技術隨著基站設施的鋪開以及蜂窩系統中移 動手機用戶對所述這些系統的處理容量要求的增加將會得到更廣泛的使用。這些要求部分是因從基於語音服務到下一代無線多媒體服務的轉變所引起的，所述多媒體服務將提供語音、視頻和資料通信服務。
多個發射和/或接收天線的使用設計成引入分集增益以及提高自由度以抵抗信號接收處理中產生的干擾。分集增益通過增加接收信噪比和穩定發射鏈路改善系統的性能。另一方面來看，更多的自由度允許多個同時的發射，從而提供了對抗信號干擾的穩固性(robustness)，和/或允許了更高的頻率複用以達到更高的容量。例如，在具有多個天線接收機的通信系統中，M個接收天線集可以用來完全消除(M-1)個干擾效應。因此，N個信號可以在相同的帶寬內使用N個發射天線同時發射，所述N個發射信號接著通過配置在接收機的N個天線集分成N個獨自的信號。使用多個發射和接收天線的系統可以指的是多輸入多輸出(MIMO)系統。在特定的MIMO系統中，多天線系統的一個吸引人的方面指的是通過利用這些發射結構可以很大程度的增加了系統的容量。對於固定的總發射功率和帶寬，MIMO結構可以提供的容量隨著增加的信噪比(SNR)動態變化。例如，在多徑衰弱通道的情況下，對於SNR每增加3dB，MIMO結構可以增加系統的容量到接近M位元/周期(cycle)。
由於體積的增加，複雜度的提高，以及功耗的增加引起的費用增加，從而限制多天線系統被在無線通信中廣泛的使用。這成了無線系統設計和應用需要注意的問題。結果，關於多天線系統的一些研究可能關注于可以支援單用戶點到點的鏈路，其他研究可能關注於多用戶場景。使用多天線的通信系統可以很大程度改善系統的容量。使用MIMO技術是為了獲得非常大的性能增益，然而這需要提供通道資訊給發射機。這樣的通道資料稱為通道狀態資訊。在很多無線系統中，上行和下 行工作在頻分複用(FDD)模式，也就是，上行和下行使用不同的頻率。當處於這種情況時，上行的通道測量結果可能不適用於下行，反之亦然。在這些情況下，僅通過信號接收機測量通道，並將通道狀態資訊反饋給發射機。在有許多天線的情況下，在上行通道中反饋狀態資訊所需要傳輸的資料量很大。因為上行通道帶寬是受限的，所以不希望在上行通道中傳輸大量的通道狀態資訊。
通過與本申請後續部分結合附圖介紹的本發明的多個方面進行比較，現有和傳統方法中存在的限制和弊端，對本領域的普通技術人員來說將變得非常明顯。
本發明涉及一種用於具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼器的碼書設計的方法和系統，在結合至少一個附圖而充分地顯示和/或描述，並在申請專利範圍中更加完全的闡述。
根據本發明的一個方面，一種用於處理通信信號的方法包括：使用代價函數，將MIMO預編碼系統中的通道狀態資訊量化到碼書上，所述碼書包括一個或多個單位矩陣；以及基於至少所述通道狀態資訊，反復更新所述碼書。
作為優選，所述通道狀態資訊是矩陣V。
作為優選，所述代價函數f(A)由以下關係式定義：
其中A是N×N的矩陣，aij 是矩陣A的元素(i,j)。
作為優選，所述方法進一步包括針對所述一個或多個單位矩陣從所述碼書產生維諾(Voronoi)區域。
作為優選，所述方法進一步包括基於所述維諾區域和所述 單位矩陣產生矩陣集。
作為優選，所述方法進一步包括通過將所述矩陣集修正為新的單位矩陣集來更新所述碼書，其中所述新的單位矩陣集成為所述碼書。
作為優選，所述方法進一步包括，將所述碼書中的元素的索引從所述MIMO預編碼系統中的接收機發射到發射機，其中所述通道狀態資訊被量化到所述碼書上。
作為優選，所述MIMO預編碼系統包括一個或多個發射天線和一個或多個接收天線。
作為優選，所述方法進一步包括使用奇異值分解(SVD)產生所述矩陣V。
作為優選，所述方法進一步包括使用幾何均值分解(GMD)產生所述矩陣V。
作為優選，所述方法進一步包括使用所述單位矩陣之一線性變換所述MIMO預編碼系統中發射機處的向量信號。
根據本發明的一個方面，一種用於處理通信信號的系統包括：包括一個或多個電路的MIMO預編碼系統，其使用代價函數將通道狀態資訊量化到包含一個或多個單位矩陣的碼書上，並基於至少所述通道狀態資訊反復更新所述碼書。
作為優選，所述通道狀態資訊是矩陣V。
作為優選，所述代價函數f(A)可以由以下關係式定義：
其中A是N×N的矩陣，aij是矩陣A的元素(i,j)。
作為優選，所述一個或多個電路針對所述一個或多個單位矩陣從所述碼書產生維諾區域。
作為優選，所述一個或多個電路基於所述維諾區域和所述單位矩陣產生矩陣集。
作為優選，所述一個或多個電路通過將所述矩陣集修正為 新的單位矩陣集來更新所述碼書，其中所述新的單位矩陣集成為所述碼書。
作為優選，所述一個或多個電路將所述碼書中的元素的索引從所述MIMO預編碼系統中的接收機發射到發射機，其中所述通道狀態資訊被量化到所述碼書上。
作為優選，所述MIMO預編碼系統包括一個或多個發射天線和一個或多個接收天線。
作為優選，所述一個或多個電路使用奇異值分解(SVD)產生所述矩陣V。
作為優選，所述一個或多個電路使用幾何均值分解(GMD)產生所述矩陣V。
作為優選，所述一個或多個電路使用所述單位矩陣之一線性變換所述MIMO預編碼系統中發射機處的向量信號。
本發明的這些與其他的優點、方面以及新特性，以及其具體的實施例，可以從下文的描述和圖中得到更加完全的理解。
本發明的實施例介紹了一種用於具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼器的碼書設計的方法和系統的一些方面。用於具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼器的碼書設計的方法和系統包括，使用代價函數量化MIMO預編碼系統中的通道狀態資訊到碼書上，所述碼書包括一個或多個單位矩陣；以及基於至少所述通道狀態資訊反復更新所述碼書。所述通道狀態資訊包括矩陣V，所述代價函數f(A)由以下關係式定義：
其中A是N×N的矩陣，aij 是矩陣A的元素(i,j)。針對該單 位矩陣，可從所述碼書產生Voronoi區域。基於所述Voronoi區域和所述單位矩陣可產生矩陣集。通過將所述矩陣集修正成新的單位矩陣集，可實現更新所述碼書，其中所述新的單位矩陣集成為碼書。在所述MIMO預編碼系統中由接收機發射所述碼書中元素的索引到發射機，其中所述通道狀態資訊被量化到所述碼書上。所述MIMO預編碼系統包括一個或多個發射天線和接收天線。使用奇異值分解(SVD)或者幾何均值分解(GMD)可產生所述矩陣V。所述單位矩陣之一可用來線性變換所述MIMO預編碼系統中發射機處的向量信號。
圖1A示出了結合本發明實施例在基站和移動計算終端之間的蜂窩多徑通信。參考圖1A，給出了房子120、移動終端122、工廠124、基站126、汽車128、以及通信路徑130、132、和134。
基站126和移動終端122包括有合適的邏輯、電路和/或代碼，用於產生和處理MIMO通信信號。
在基站126和移動終端122之間的無線通信可以通過無線通道進行。所述無線通道包括多個通信路徑，例如，通信路徑130、132、和134。所述無線通道可以隨著移動終端122和/或汽車128移動而動態變化。在一些情況下，移動終端122與基站126為視距傳播(LOS)。在其他情況下，移動終端122與基站126之間可能不是直接視距，射頻信號在通信實體之間的反射通信路徑之間傳播，如圖所示的典型通信路徑130、132、和134。所述射頻信號可由人造結構如房子120、工廠124、或者汽車128、或者自然存在的障礙如山反射。這樣的系統指的是非視距(NLOS)通信系統。
一個通信系統可能同時包括LOS和NLOS信號分量。如果存在LOS信號分量，所述LOS信號分量比NLOS信號分量強的多。在一些通信系統中，NLOS信號分量可以產生干擾並降 低接收機性能。這指的是多徑干擾。例如，通信路徑130、132、以及134達到移動終端122具有不同的延遲。通信路徑130、132、以及134還可以具有不同的衰減。例如，在下行鏈路中，在移動終端122接收到的信號可以是不同衰減通信路徑130，132，和/或134的信號的求和，這些不同通信路徑可能是不同步的而且動態變化的。這樣的通道稱為衰弱多徑通道。衰弱多徑通道可以引入干擾，但是也可以為所述無線通道引入分集和自由度。在基站和/或移動終端具有多天線的通信系統，例如MIMO系統，特別適合利用無線通道的特性並可以由衰弱多徑通道得到很大的性能增益，相對於在基站126和移動終端122具有單天線的通信系統(特別是NLOS通信系統)，所述多天線的通信系統可以得到很大的性能提高。
圖1B示出了依據本發明實施例的MIMO通信系統的示意圖。參考圖1B，示出了MIMO發射機102和MIMO接收機104，以及天線106、108、110、112、114、116。圖中還示出了無線通道，所述通道包括通信路徑h11 、h12 、h22 、h21 、h2NTX 、h1NTX 、hNRX1 、hNRX2 、hNRX NTX ，其中hmm 可以表示從發射機天線n到接收機天線m的通道係數。可能有NTX 個發射機天線和NRX 個接收機天線。圖中還給出了發射符號x1 、x2 、xNTX 和接收符號y1 、y2 、yNRX 。
MIMO發射機102包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於產生發射符號xi i{1,2,…NTX }，所述符號通過如圖1B示出的發射天線106、108、110發射。MIMO接收機104包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於處理通過如圖1B所示的接收天線112、114、116接收的接收符號yi i{1,2,...NRX }。在MIMO系統中發射的和接收的信號之間的輸入輸出關係可以表示為如下所示：y=Hx+n
其中y=[y1 ,y2 ,…yNRX ]T 是具有NRX 個元素的列向量，T 表示向量轉置，H=[hij ]：i{1,2,...NRX }；j{1,2,…NTX }表示NRX ×NTX 維的通道矩陣，x=[x1 ,x2 ,…xNTX ]T 是具有NTX 個元素的列向量，n是具有NRX 個元素的雜訊採樣列向量。通道矩陣H在使用奇異值分解(SVD)的情況下可以寫成H=U Σ VH ，其中H表示哈密頓轉置(hermitian transpose)，U是NRX ×NTX 的單位矩陣，Σ是NTX ×NTX 的對角矩陣，而V是NTX ×NTX 的單位矩陣。也可以使用其他矩陣分解而不是SVD分解以對角化或者變換所述矩陣H。如果MIMO接收機104內執行的接收機演算法是例如排序干擾抵消(OSIC)，則其他可以轉換矩陣H到下/上三角矩陣的矩陣分解也是可以的。這樣的分解包括幾何均值分解(GMD)，其中H=QRPH ，其中R可以是H的奇異值的幾何均值位於對角元素上的上三角矩陣，Q和P可以是單位矩陣。
圖2示出了依據本發明實施例的MIMO預編碼收發器鏈模型的框圖。參考圖2，示出了的MIMO預編碼系統200包括MIMO發射機202、MIMO等效基帶通道203、MIMO接收機204和加法模組208。MIMO發射機202包括發射機(TX)基帶處理模組210和發射預編碼模組214。MIMO等效基帶通道203包括無線通道206、TX射頻(RF)處理模組212和接收機(RX)RF處理模組218。MIMO接收機204包括預編碼解碼模組216和RX基帶處理模組220。圖中還示出了符號向量s、預編碼向量x、雜訊向量n、接收向量y和通道解碼向量y'。
MIMO發射機202包括基帶處理模組210，其包括有合適的邏輯、電路和/或代碼，用於產生MIMO基帶發射信號。所述MIMO基帶發射信號可以傳輸到發射預編碼模組214。基帶信號在發射預編碼模組214內經過適當地編碼以在無線通道206中發射，發射預編碼模組214包括有合適的邏輯、電路和/或代碼以用於使得其執行這些功能。TX RF處理模組212包括有 合適的邏輯，電路和/或代碼，用於使得傳輸到TX RF處理模組212的信號被調制到射頻(RF)以在無線通道206中發射。RX RF處理模組218包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於執行射頻前端功能以接收在無線通道206中發射的信號。RX RF處理模組218包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於將其輸入信號解調成基帶信號。加法模組208表示在MIMO接收機中將雜訊加到接收到的信號內。MIMO接收機204包括預編碼解碼模組216，它線性解碼接收到的信號並傳輸所述信號到RX基帶處理模組220。RX基帶處理模組220包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於對該基帶信號應用進一步的信號處理。
MIMO發射機202包括基帶處理模組210，其包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於產生MIMO基帶發射信號。所述MIMO基帶發射信號，也就是符號向量s，被傳輸到發射預編碼模組214。符號向量s可以是NTX ×1維的向量。
發射預編碼模組214對符號向量s執行線性變換，使得x=Ws，其中W的維數為NTX 乘以s的長度，且x=[x1 ,x2 ,...xNTX ]T 。
預編碼向量x的每一個元素在可用的NTX 個不同的天線上發射。
發射的預編碼向量x通過MIMO等效基帶通道203。由NRX 個接收機天線接收到的信號y是發射信號x通過MIMO等效基帶通道203變換(由矩陣H表示)，並加上雜訊分量(表示為雜訊向量n)而得到的。如加法模組208所示，接收向量y表示為y=Hx+n=HWs+n。接收向量y被傳輸到預編碼解碼模組216，其中可以對接收向量y執行線性解碼操作B以得到解碼向量y'=BH y=BH HWs+BH n，其中B是適當維數的複數矩陣。解碼向量y'接著被傳輸到RX基帶處理模組220，在此對預編 碼解碼模組216的輸出執行進一步信號處理。
如果應用於發射預編碼向量x的MIMO等效基帶通道203傳輸函數H在MIMO發射機202和MIMO接收機204端都已知，則所述通道可以被對角化，例如，設置W=V和B=U，其中H=UΣVH 是奇異值分解。在這些情況下，通道解碼向量y'為如下關係式所示：y'=UH UΣVH Vs+UH n=Σs+UH n
因為Σ是對角矩陣，y'中的符號向量s的元素之間沒有干擾存在，因此所述無線通信系統類似于具有高達NTX 個並行單天線的無線通信系統那樣，對於s的每一個元素，通道矩陣H的秩可以小於等於NTX 。
圖3示出了依據本發明實施例的具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼系統的框圖。參考圖3，示出的MIMO預編碼系統300包括部分MIMO發射機302、部分MIMO接收機304、無線通道306、加法模組308、和反饋通道320。部分MIMO發射機302包括發射預編碼模組314。部分MIMO接收機304包括預編碼解碼模組316、通道估計模組322、通道量化模組310、通道分解模組312、以及碼書處理模組318。圖3還示出了符號向量s、預編碼向量x、雜訊向量n、接收向量y、以及解碼向量y'。
發射預編碼模組314、無線通道306、加法模組308、以及預編碼解碼模組316與圖2中所示的發射預編碼模組214、MIMO等效基帶通道203、加法模組208和預編碼解碼模組216基本相同。通道估計模組322包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於估計無線通道206的傳輸函數。通道估計值可傳送給通道分解模組312，通道分解模組312包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於分解通道。在這方面，被分解的通道通信連接到通道量化模組310。通道量化模組310包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於將所述通道部分量化到碼書上。 碼書處理模組318包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於產生碼書。反饋通道320表示為從部分MIMO接收機304傳輸通道狀態資訊到部分MIMO發射機302的通道。
在很多無線系統中，通道狀態資訊，也就是關於通道傳輸矩陣H的瞭解，對於發射機和接收機可能是不知道的。然而，為了利用如圖2所示的預編碼系統，可能希望在發射機端知道至少部分通道資訊。在如圖2所公開的本發明的實施例中，MIMO發射機302需要有用於在MIMO發射機202的發射預編碼模組214內進行預編碼的單位矩陣V。
在頻分複用(FDD)系統中，用於從基站到移動終端的下行通信的通信頻帶與用於上行通信的頻帶是不一樣的。由於頻帶的不同，上行鏈路的通道測量一般對於下行鏈路是沒有用的，反之亦然。在這些情況下，僅在接收機端執行所述測量，而通道狀態資訊(CSI)可以通過反饋的方式傳輸回發射機。對於這個原因，CSI可以通過反饋通道320從部分MIMO接收機304反饋回到部分MIMO發射機302的發射預編碼模組314。發射預編碼模組314、無線通道306、以及加法模組308與圖2所示的對應的模組214、203、以及208基本相同。
在部分MIMO接收機304處，接收信號y在通道估計模組222中可以用來估計通道傳輸函數H，用表示。例如，所述估計值可以進一步分解成對角矩陣或者三角矩陣形式，這取決於特定接收機實現，如圖2所解釋。例如，通道分解模組312可以執行SVD分解：。在有多個天線的情況下，矩陣U、Σ和V的維數增加得很快。在這些情況下，可能希望將矩陣量化成維數為NTX ×NRX 的矩陣Vq ，其中Vq 可以從之前定義的有限單位矩陣集C={Vi }中選擇。所述單位矩陣集C便稱為碼書。通過從所述碼書中找到接近矩陣的矩陣Vq ，在某種意義上，如果部分MIMO發射機302知道所述碼書C， 便足以能夠從通道量化模組310通過反饋通道320發射索引q到發射預編碼模組314。所述碼書C的變化比通道傳輸函數H的變化慢得多，從而能夠從碼書處理模組318通過反饋通道320周期性地更新發射預編碼模組314中的碼書。選擇的所述碼書C可以是靜態的或者自適應的。而且，所述碼書還可以從一個碼書集中自適應或者非自適應地選擇，這些碼書包括自適應和/或靜態設計的碼書。在這些情況下，部分MIMO接收機304可以在任何時間點告知所使用的碼書給部分MIMO發射機302。矩陣可以如下描述的關係量化成Vq ：
其中A=[aij ]和A的維數是N×N。因此，可以選擇矩陣Vq 為碼書中的矩陣，其可以最大化如上定義的函數f ()。函數f(.)可以對其輸入矩陣的對角元素的絕對值的平方求平均。通過最大化f(.)，在某種意義上，矩陣Vq 的選擇滿足乘積最大程度相似於單位矩陣。以上f(.)的運算式可以在某些近似法下最大化所述預編碼MIMO系統的暫態容量。因此，通道H可以在通道估計模組322中估計出，並在通道分解模組312中分解。
在通道量化模組310內，矩陣，例如，可以量化成矩陣Vq ，索引q通過反饋通道320反饋回部分MIMO發射機302。所述碼書C還可以選擇為不隨時間變化。而且，所述碼書C還可以從碼書集中自適應或者非自適應地選擇，這些碼書包括 自適應和/或靜態設計的碼書。來自碼書處理模組318的碼書C，比索引q變化緩慢，可以通過反饋通道320發送到部分MIMO發射機302。當碼書C的基數| C |小於或等於| C |<2M時，為了反饋索引q，M個位元就足夠了。
發射預編碼模組314可以執行，例如，線性變換x=Vq s。接收機端的預編碼解碼模組316可以執行線性變換y'=。在一些情況下，通道矩陣H的秩r小於發射天線的數量，也就是滿足rNTX 。在這些情況下，可能希望映射減小了數量的空域(spatial)流到向量x，如圖2所描述。例如，向量s可以選擇成滿足x=Ws，其中W的維數是NTX ×s的長度，而s的長度是空域流的數量，一般比秩r小。例如，矩陣W可以由Vq中的希望的列來構造。在本發明的另外一個實施例中，如上所述，向量x可以由x=Vq s產生，且長度為NTX 的向量s的某些適當選擇的元素設置為0，那樣一般向量s中非0元素小於秩r。在這些情況下，s中設置成0的元素對應於沒有被使用的空域流。
圖4示出了依據本發明實施例的碼書演算法的實現流程圖。參考圖4，示出了開始步驟402、結束步驟418、處理步驟404、406、410、412、414、416以及判斷步驟408。
碼書C的選擇對於決定如圖3所示的反饋系統的性能是很重要的。圖4中的流程圖給出了執行適合於任何量化精度的碼書演算法的示例方法，也就是碼書C={Vi }中矩陣Vi 的數量，以及任何數量的接收和發射天線。然而，碼書可以設計成最大化以下關係：
其中E H ={.}是通道實現H的集合的期望值。以上關係式表明，最好的碼書選擇，在一些情況下，可以是包括矩陣Vq 的碼書，那樣可以最大化函數f(.)的關於通道H的期望值。這可以通過圖4的演算法實現。
在步驟404中，初始化碼書。例如，碼書C={Vi }可以由隨機矩陣Vi 構造。所述矩陣Vi 的初始選擇可以是隨意的。在步驟406中，將變數W初始化為值“不收斂”。雖然在判斷步驟408中A未被設置成值“收斂”，該演算法可以在步驟410中從碼書C中計算出Voronoi區域。在步驟410中，將碼書所包含的多維空間分解成多個區(cell)Ri ，即為Voronoi區域，這樣的話，每一個區Ri 表示一個子空間，所述子空間可能從某種意義上說與特定矩陣Vi 最相似，如以下關係式所示： 在步驟412中，碼書C可基於在步驟410中計算出的Voronoi區域進行更新。對於任何給定的區域Ri ，可以產生一個新的矩陣Vi =〔Vi,1 ,Vi,2 ,Λ Vi,NTX 〕，其中Vi,k 是長度為NTX 的列向量，如以下關係式所示： 其中Vk 是矩陣V的第k列。對於以上最優問題的求解為如下關係式所示：v i,k =u MAX
λ MAX ．u MAX =R kk u MAX
其中Vi,k 選擇為對應於矩陣Rkk 的最大特徵值λMAX 的特徵向量UMAX 。對以上方程，對變數Z的期望值Ez{.}可以通過採用空間的採樣平均值來計算得到。
在步驟414中，用於收斂的一個測試可以應用於碼書C，以驗證所述碼書是否收斂於一個穩定的集。例如，一個收斂測試可以通過每一個矩陣Vq 在連續的步驟412之間的改變程度是多少來測量。如果改變小於門限值，可以認為達到了收斂。在步驟414，如果碼書已收斂，變數A將設置為值“收斂”，否則變數A設置為值“不收斂”。
如果，在步驟414中，變數A已經設置為“收斂”，包括步驟410、512、以及414在內的迴圈可以在步驟416跳出，最終產生的碼書C是正交的。矩陣{Vi }也期望是正交的，也就是：
其中I 表示單位矩陣，而0 表示元素全為0的矩陣。得到的碼書C={Vi }可以通過對矩陣{Vi }應用例如Gram-Schmidt(葛萊姆-斯密特)正交化而是正交的。碼書的正交化在結束步驟418終止碼書的生成。
圖5是依據本發明實施例的有最小均方誤差(MMSE)接收機和有限率反饋的2×2 MIMO系統的性能圖。參考圖5，示出了信噪比(SNR)軸和頻譜效率軸(Seff)。還示出了全反饋奇異值分解SVD(Fit-FB)的曲線圖502、2位元反饋SVD(SVD-2B)的曲線圖504、SVD-3B的曲線圖506、SVD-4B的曲線圖508、SVD-5B的曲線圖510以及SVD-6B的曲線圖512。
如圖3所解釋，可用於反饋的位元數量決定了單位矩陣的量化精度。對於M位元，碼書C包括| C |2M 個元素{Vi }。因此，大的數量的反饋位元可以允許更好的通道量化並可以提 供更好的性能。如圖5所示，依據本發明的一個實施例儘管使用很少的反饋位元卻可以提供與全反饋SVD(Fit-FB)502接近的性能。曲線圖SVD-2B 504、SVD-3B 506、SVD-4B 508、SVD-5B 510以及SVD-6B 512與SVD(Fit-FB)502也是接近。在圖5中可以使用最小均方誤差(MMSE)接收機。
圖6是依據本發明實施例的有GMD-OSIC接收機和有限率反饋的2×2 MIMO系統的性能圖。參考圖6，示出了信噪比(SNR)軸和頻譜效率軸(Seff)。還示出了全反饋幾何均值分解(GMD Fit-FB)602的曲線圖、2位元反饋GMD(GMD-2B)的曲線圖604、GMD-3B的曲線圖606、GMD-4B的曲線圖608、GMD-5B的曲線圖610以及GMD-6B的曲線圖612。
如圖6所示的性能曲線圖利用的是排序連續干擾抵消(OSIC)接收機。使用的是GMD，而不是SVD，如結合圖1B所述。如圖6可以看出，本發明的一個實施例使用幾個反饋位元的性能，例如GMD-2B 604、GMD-3B 606、GMD-4B 608、GMD-5B 610以及GMD-6B 612，與有全反饋的系統的性能(GMD Fit-FB 602的曲線圖)很接近。
根據本發明的一個方面，一種用於具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼器的碼書設計的方法和系統包括：在通道量化模組310中，使用代價函數量化MIMO預編碼系統200和300中的通道狀態資訊到碼書上，所述碼書包括一個或多個單位矩陣，並在碼書處理模組318中，基於至少所述通道狀態資訊反復地更新所述碼書。在通道估計模組322中獲得的通道狀態資訊包括在通道分解模組312中產生的矩陣V。所述代價函數f(A)由以下關係式定義：
其中A是N×N的矩陣，aij 是矩陣A的元素(i,j)。在碼書處 理模組318中，針對該單位矩陣可從所述碼書中產生Voronoi區域。而且，在碼書處理模組318中，基於所述Voronoi區域和所述單位矩陣產生一個矩陣集。通過將所述矩陣集修正成一個新的單位矩陣集，可實現更新所述碼書，其中所述新的單位矩陣集成為碼書。在通道量化模組310中，通道狀態資訊被量化到其上的碼書中的元素的索引通過反饋通道320從所述MIMO預編碼系統中的接收機發射到發射機。MIMO預編碼系統200/300包括一個或多個發射天線和接收天線。在通道分解模組312中，使用奇異值分解(SVD)或者幾何均值分解(GMD)產生所述矩陣V。在發射預編碼模組314中，所述單位矩陣之一用來線性變換所述MIMO預編碼系統中發射機端的向量信號。
本發明的另外一個實施例提供一個機器可讀記憶體，其上存儲的電腦程式具有至少一個可由機器執行的代碼段，從而促使該機器執行這裏描述的一種用於具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼器的碼書設計的方法的各步驟。
因此，本發明可以通過硬體、軟體，或者軟、硬體結合來實現。本發明可以在至少一個電腦系統中以集中方式實現，或者由分佈在幾個互連的電腦系統中的不同部分以分散方式實現。任何可以實現所述方法的電腦系統或其他設備都是可適用的。常用軟硬體的結合可以是安裝有電腦程式的通用電腦系統，通過安裝和執行所述程式控制電腦系統，使其按所述方法運行。在電腦系統中，利用處理器和存儲單元來實現所述方法。
本發明還可以通過電腦程式產品進行實施，所述套裝程式含能夠實現本發明方法的全部特徵，當其安裝到電腦系統中時，通過運行，可以實現本發明的方法。本文件中的電腦程式所指的是：可以採用任何程式語言、代碼或符號編寫的一組指令的任何運算式，該指令組使系統具有資訊處理能力，以直接 實現特定功能，或在進行下述一個或兩個步驟之後實現特定功能：a)轉換成其他語言、編碼或符號；b)以不同的格式再現。
本發明是通過幾個具體實施例進行說明的，本領域技術人員應當明白，在不脫離本發明範圍的情況下，還可以對本發明進行各種變換及等同替代。另外，針對特定情形或具體情況，可以對本發明做各種修改，而不脫離本發明的範圍。因此，本發明不局限於所公開的具體實施例，而應當包括落入本發明申請專利範圍內的全部實施方式。
120‧‧‧房子
122‧‧‧移動終端
124‧‧‧工廠
126‧‧‧基站
128‧‧‧汽車
130、132、134‧‧‧通信路徑
102‧‧‧MIMO發射機
104‧‧‧MIMO接收機
106、108、110、112、114、116‧‧‧天線
200‧‧‧MIMO預編碼系統
202‧‧‧MIMO發射機
203‧‧‧MIMO等效基帶通道
204‧‧‧MIMO接收機
206‧‧‧無線通道
208‧‧‧加法模組
210‧‧‧發射機(TX)基帶處理模組
212‧‧‧TX射頻(RF)處理模組
214‧‧‧發射預編碼模組
216‧‧‧預編碼解碼模組
218‧‧‧接收機(RX)RF處理模組
220‧‧‧RX基帶處理模組
300‧‧‧MIMO預編碼系統
302‧‧‧部分MIMO發射機
304‧‧‧部分MIMO接收機
306‧‧‧無線通道
308‧‧‧加法模組
310‧‧‧通道量化模組
312‧‧‧通道分解模組
314‧‧‧發射預編碼模組
316‧‧‧預編碼解碼模組
318‧‧‧碼書處理模組
320‧‧‧回饋通道
322‧‧‧通道估計模組
502‧‧‧全回饋奇異值分解SVD(Fit-FB)的曲線圖
504‧‧‧2位元回饋SVD(SVD-2B)的曲線圖
506‧‧‧SVD-3B的曲線圖
508‧‧‧SVD-4B的曲線圖
510‧‧‧SVD-5B的曲線圖
512‧‧‧SVD-6B的曲線圖
602‧‧‧全回饋幾何均值分解(GMD Fit-FB)的曲線圖
604‧‧‧2位元回饋GMD(GMD-2B)的曲線圖
606‧‧‧GMD-3B的曲線圖
608‧‧‧GMD-4B的曲線圖
610‧‧‧GMD-5B的曲線圖
612‧‧‧GMD-6B的曲線圖
圖1A是結合本發明實施例在基站和移動計算終端之間的蜂窩多徑通信的示意圖；圖1B是依據本發明實施例的MIMO通信系統的示意圖；圖2是依據本發明實施例的MIMO預編碼收發器鏈模型的框圖；圖3是依據本發明實施例的具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼系統的框圖；圖4是依據本發明實施例的碼書演算法的實現流程圖；圖5是依據本發明實施例的具有MMSE接收機和有限率反饋的2×2 MIMO系統的性能圖；圖6是依據本發明實施例的具有GMD-OSIC接收機和有限率反饋的2×2 MIMO系統的性能圖。
102‧‧‧MIMO發射機
104‧‧‧MIMO接收機
106、108、110、112、114、116‧‧‧天線

Claims (10)

  1. 一種用於處理通信信號的方法，其特徵在於，所述方法包括：使用代價函數，將MIMO預編碼系統中的通道狀態資訊量化到碼書上，所述碼書包括一個或多個單位矩陣；以及基於至少所述通道狀態資訊，反復更新所述碼書。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述通道狀態資訊是矩陣V。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述代價函數f(A)由以下關係式定義： 其中A是N×N的矩陣，aij 是矩陣A的元素(i,j)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述方法進一步包括針對所述一個或多個單位矩陣從所述碼書產生維諾區域。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中，所述方法進一步包括基於所述維諾區域和所述單位矩陣產生矩陣集。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中，所述方法進一步包括通過將所述矩陣集修正為新的單位矩陣集來更新所述碼書，其中所述新的單位矩陣集成為所述碼書。
  7. 一種用於處理通信信號的系統，其特徵在於，所述系統包括：包括一個或多個電路的MIMO預編碼系統，其使用代價函數將通道狀態資訊量化到包含一個或多個單位矩陣的碼書上，並基於至少所述通道狀態資訊反復更新所述碼書。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的系統，其中，所述通道狀態資訊是矩陣V。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的系統，其中，所述代價函數f(A) 可以由以下關係式定義： 其中A是N×N的矩陣，aij 是矩陣A的元素(i,j)。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的系統，其中，所述一個或多個電路針對所述一個或多個單位矩陣從所述碼書產生維諾區域。
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