TWI449367B

TWI449367B - Channel estimation method, pilot information selection method, user equipment and base station

Info

Publication number: TWI449367B
Application number: TW100149331A
Authority: TW
Original assignee: Alcatel Lucent
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2014-08-11
Also published as: WO2012093333A1; TW201234804A; CN102594739A; CN102594739B

Description

通道估計方法，導頻資訊選擇方法，用戶設備及基地台

本發明大體係關於MIMO通道估計，具體而言係關於一種在MIMO系統中利用空間相關性資訊來改良通道估計之方法、相關聯之導頻資訊選擇方法及使用該通道估計方法之用戶設備及使用該導頻資訊選擇方法之基地台。

在當前之通道估計(CE)方案中，不同發射/接收天線對其間的通道響應獨立地進行估計。然而，實際上，此等通道響應之間具有相關性。此種相關性被稱作空間相關性，可用於採用與時間相關性及頻率相關性類似之方式來改良CE效能。然而，在現有CE方案中，僅使用通道之時間相關性及頻率相關性資訊，而未使用空間相關性資訊。

此外，在現有導頻設計中，所有基地台使用具有相同導頻開銷之導頻圖案。然而，對於具有不同空間相關性之基地台，可使用具有不同導頻開銷之導頻圖案來提高CE之有效性。

本發明之目的在於使用MIMO系統之空間相關性資訊來改良MIMO通道估計(CE)之效能，並使用對應之導頻設計方法，該導頻設計方法根據MIMO通道之空間相關性來調適導頻開銷。

根據本發明之一態樣，提供一種利用與基地台之間的通道之空間相關性來改良通道估計之用戶設備，所述用戶設備包括：導頻信號接收單元，其用於接收導頻信號；第一估計單元，其基於所接收到之導頻信號，估計所述通道在所述基地台處之空間相關性；第二估計單元，其基於所接收到之導頻信號，估計所述通道在所述用戶設備處之空間相關性；及第三估計單元，其基於所接收到之導頻信號、所述通道在所述基地台處之空間相關性之估計及所述通道在所述用戶設備處之空間相關性之估計，估計所述通道之通道響應。

根據本發明之另一態樣，提供一種利用用戶設備與基地台之間的通道之空間相關性來改良通道估計之方法，其包括以下步驟：接收導頻信號；基於所接收到之導頻信號，估計所述通道在所述基地台處之空間相關性；基於所接收到之導頻信號，估計所述通道在所述用戶設備處之空間相關性；及基於所接收到之導頻信號、所述通道在所述基地台處之空間相關性之估計及所述通道在所述用戶設備處之空間相關性之估計，估計所述通道之通道響應。

根據本發明之另一態樣，提供一種基地台，其包括：導頻圖案選擇單元，其根據所述基地台之通道環境及天線配置來選擇導頻圖案；及發信號單元，其將由所述導頻圖案選擇單元選擇之導頻圖案發信號通知給用戶設備。

根據本發明之另一態樣，提供一種導頻資訊選擇方法，其包括以下步驟：根據基地台之通道環境及天線配置來選擇導頻圖案作為導頻資訊；及將所選擇之導頻圖案發信號通知給用戶設備。

本發明具有以下優勢：利用相同之導頻開銷能夠獲得顯著之CE效能增益，或極大地減小導頻開銷而不會使CE效能下降；及依賴於空間相關性之導頻設計策略能夠針對具有不同空間相關性之MIMO系統，適應性地選擇適當之導頻開銷，並在所有通道條件及環境下提供導頻開銷與通道估計精度之間的良好取捨。

藉由在下文結合附圖、僅作為實例對本發明之實施例進行描述，將使本發明之上述及其他目的、特徵及優點變得顯而易見。

根據本發明之實施例，在進行通道估計時，採用了一種聯合MMSE CE方案，其利用通道之空間相關性資訊，對所有發射/接收天線對之通道係數進行聯合估計。然而，應注意，對通道響應之估計不限於此種MMSE CE方案，而亦可採用基於通道之空間相關性進行之其他方法。當空間相關性強時，該方案能夠顯著改良CE效能，或等效地，減小導頻開銷。此外，效能增益隨著空間相關性而增大，即，MIMO系統所具有之空間相關性愈高，其能夠使用愈少之導頻來實現良好之CE效能。由此，進一步需要提供一種依賴於空間相關性之導頻設計策略，該導頻設計策略針對具有不同空間相關性之MIMO系統使用不同導頻開銷。

在本文之後續部分將分別詳細描述聯合MMSE CE方案及依賴於空間相關性之導頻設計策略。

現在，參照圖1所示之方塊圖來描述本發明之基地台10。為了簡明起見，此處僅展示了一個基地台，然而，應注意，本發明之MIMO系統中具有多個基地台。

在MIMO系統中，MIMO通道始終具有特定之空間相關性，即，不同發射/接收天線對上之通道響應係相關的。實際上，空間相關性主要由以下兩個因素來判定：通道環境，例如建築物密集之城市、空曠之鄉村、視距(LOS)、非視距(no LOS)等；及天線配置，例如天線數目、間距、極化等等。一旦安置了基地台，此兩個因素即為固定的。然而，對於不同之基地台，此兩個因素係不同的，由此不同基地台之空間相關性亦不相同。

圖1展示根據本發明實施例之基地台10之示意方塊圖。基地台10可包括導頻圖案選擇單元101及發信號單元102。每一基地台10之導頻圖案選擇單元101根據該基地台10之通道環境及天線配置來選擇導頻圖案，其中，所選擇之導頻圖案具有不同之導頻開銷。例如，在建築物密集之城市環境中，導頻開銷較小，而在空曠之鄉村環境中，導頻開銷較大；在視距環境中，導頻開銷較小，而在非視距環境中，導頻開銷較大。此外，例如，導頻開銷隨著天線數目及間距之增大而增大。發信號單元102將由該基地台10之導頻圖案選擇單元101選擇之導頻圖案發信號通知給用戶設備。當基地台與用戶設備進行通信時，用戶設備可能(例如)自一基地台切換至另一基地台。此時，所切換至之基地台10之發信號單元將由該基地台10選擇之導頻圖案發送至用戶設備。

在下文中，參照圖2所示之方塊圖來描述本發明之用戶設備20。

圖2展示根據本發明實施例之用戶設備20之示意方塊圖。用戶設備20可利用與基地台10之通道之空間相關性資訊來進行通道估計。用戶設備20可包括導頻信號接收單元201、導頻圖案接收單元202、基地台空間相關性估計單元203、用戶設備空間相關性估計單元204、時間相關性估計單元205、頻率相關性估計單元206及通道響應估計單元207。

導頻信號接收單元201接收導頻信號。藉由通道接收之導頻信號中之雜訊可為加成性白高斯雜訊(AWGN)。導頻圖案接收單元202可接收由根據本發明之基地台10發送之所選導頻圖案，以進行同步。

為了對基地台10及用戶設備20之所有發射/接收天線對上之通道響應進行估計(例如，本文後續部分詳細說明之聯合MMSE通道估計)，進一步需要對空間相關性/時間相關性/頻率相關性進行估計。

由於空間相關性資訊對於系統而言通常係未知的，因而應首先對此種資訊進行估計。假定基地台10之每根天線發射之導頻之數目相等。基於由導頻信號接收單元201接收到之導頻信號，基地台空間相關性估計單元203及用戶設備空間相關性估計單元204分別可對基地台10處不同天線之間的空間相關性及用戶設備20處不同天線之間的空間相關性進行估計，即對r _Tx (m ,m ')=E(H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k ,i )H ⁽ ⁿ ^, ^m ^') (k ,i )^H )及r _Rx (n ,n ')=E(H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k ,i )H ⁽ ⁿ ^', ^m ⁾ (k ,i )^H )值進行估計，其中，H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k ,t )為基地台10處之第m個發射天線與用戶設備20處之第n個接收天線之間的在第t個OFDM符號中第k個子載波上之頻域通道響應。

接著，時間相關性估計單元205及頻率相關性估計單元206可使用本領域公知之傳統方法來對通道之時間相關性及空間相關性進行估計，即，對r _t (Δ)=E(H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k ,i )H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k ,i +Δ)^H )及r _∫ (Δ)=E(H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k ,i )H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k +Δ,i )^H )值進行估計。

最後，通道響應估計單元207基於所接收到之導頻信號、所估計出之時間相關性及頻率相關性、基地台10處不同天線之間的空間相關性以及用戶設備20處不同天線之間的空間相關性，對MIMO通道之通道響應進行估計，例如，進行如下所述之聯合MMSE估計。

較佳地，通道響應估計單元207亦包括第一相關性矩陣估計單元208、第二相關性矩陣估計單元209及通道響應最終估計單元210，為了簡明起見，此三個單元208、209及210均未在圖中展示。

第一相關性矩陣估計單元208可基於所估計出之基地台10處不同天線之間的空間相關性、用戶設備20處不同天線之間的空間相關性、時間相關性及頻率相關性，對如以下對聯合MMSE CE之詳細說明中詳述之相關性矩陣 R _dp 進行估計，該相關性矩陣 R _dp 表示資料子載波上之通道響應與導頻子載波上之通道響應之間的相關性矩陣。

第二相關性矩陣估計單元209可基於所估計出之基地台10處不同天線之間的空間相關性、用戶設備20處不同天線之間的空間相關性、時間相關性及頻率相關性，對如以下對聯合MMSE CE之詳細說明中詳述之相關性矩陣進行估計，該相關性矩陣 R _pp 表示導頻子載波上之通道響應之相關性矩陣。

通道響應最終估計單元210可基於所估計出之資料子載波上之通道響應與導頻子載波上之通道響應之間的相關性矩陣及所估計出之導頻子載波上之通道響應之相關性矩陣，對通道響應進行估計。

圖3展示根據本發明實施例之基地台所使用之導頻資訊選擇方法300之流程圖。本發明需要針對不同環境中之具有不同天線配置之MIMO系統而使用具有不同開銷之導頻圖案。為此，提出了依賴於空間相關性之導頻資訊選擇方法。在步驟S301中，每一基地台根據對其空間相關性產生影響之其通道環境及天線配置來選擇導頻圖案。導頻開銷可在如以下圖5A及圖5B所示之導頻圖案中看出。在步驟S302中，向用戶設備發信號通知所選擇之導頻圖案。

圖4展示根據本發明實施例之用戶設備所使用之通道估計方法400之流程圖。在步驟S401中，自基地台接收導頻信號。接著，在步驟S402中，基於所接收到之導頻信號，對基地台處不同天線之間的空間相關性進行估計。在步驟S403中，基於所接收到之導頻信號，對用戶設備處不同天線之間的空間相關性進行估計。接著，在步驟S404中，使用本領域公知之傳統方法來對通道之時間相關性及頻率相關性進行估計。最後，在步驟S405中，基於所接收到之導頻信號、所估計之時間相關性及頻率相關性、基地台處不同天線之間的空間相關性以及用戶設備處不同天線之間的空間相關性，對MIMO通道之通道響應進行估計，例如，進行如下所述之聯合MMSE估計。

較佳地，可將步驟S405劃分為子步驟S405-1、S405-2及S405-3。為了簡明起見，在圖中未展示此等子步驟。

在子步驟S405-1及S405-2中，基於所估計出之基地台處不同天線之間的空間相關性、用戶設備處不同天線之間的空間相關性、時間相關性及頻率相關性，分別對如以下對聯合MMSE CE之詳細說明中詳述的、資料子載波上之通道響應與導頻子載波上之通道響應之間的相關性矩陣 R _dp 及導頻子載波上之通道響應之相關性矩陣 R _pp 進行估計。在子步驟S405-3中，基於所估計出之及，對通道響應進行估計。

在下文中，首先詳細論述聯合MMSE CE方案之實現，接著詳細論述依賴於空間相關性之導頻設計策略，從而更清楚地理解上述各步驟之相互關係及具體計算方式。

聯合MMSE CE

考慮在發射器(如本文中之基地台101)處具有N _T 個天線且在接收器(如本文中之終端機102)處具有N _R 個天線之MIMO-OFDM系統。圖5A及圖5B為展示針對具有N _T =4個發射天線之MIMO系統而使用不同開銷之導頻圖案之示意圖。如圖所示，在由K _d 個子載波及T 個OFDM符號構成之指定無線資源區塊上均勻插入導頻信號。同樣如圖所示，以正交之方式對來自不同發射天線之導頻進行多工。藉由在導頻子載波處之樣本之間進行內插來估計資料子載波上之通道響應。可使用時間相關性/頻率相關性/空間相關性資訊，經由例如MMSE方案來改良內插效能。

令P ⁽ ^m ⁾ (1 m N _T )為指定之無線資源區塊中自第m個發射天線發射之導頻之數目，{,p =1~P (m )}為其子載波索引，{,p =1~P ⁽ ^m ⁾ }為其OFDM符號索引，{,p =1~P ⁽ ^m ⁾ }為導頻之值。在第n個接收天線處接收之導頻的有雜訊版本為：

其中， z ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ =為自第m個發射天線發射之、在第n個接收天線處接收之導頻之有雜訊版本，H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k ,t )為第m個發射天線與第n個接收天線之間的在第t個OFDM符號中第k個子載波上之頻域通道響應， x ⁽ ^m ⁾ =為在第m個發射天線處發射之導頻向量， n ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ =為均值為0、方差為σ² 之加成性高斯白雜訊(AWGN)，其方差可由終端機估計獲知。將每一除以對應之導頻信號，得到：

其中， y ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ =，其中，並且，η ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ =，其中。利用來表示第m個發射天線與第n個接收天線之間在導頻子載波處之頻域通道響應，即：

該方案之目的為針對所有(n ,m )對，對給定之無線資源區塊內之所有子載波處之頻域通道響應進行估計，即：

=[H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (0,0)…H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (K _d -1,0)…H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (0,T -1)…H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (K _d -1,T -1)]^T 對於(m ,n )

定義y =、 H _p =、 H _d =，則聯合MMSE CE可實現為：

其中，ρ =E()/σ² 為導頻之信雜比(SNR)， R _dp =E( H _d )且 R _pp =E( H _p )，其中上標H表示共軛轉置。 R _dp =E( H _d )之物理含義為資料子載波上之通道響應與導頻子載波上之通道響應之間的相關性矩陣， R _pp =E( H _p )之物理含義為導頻子載波上之通道響應之相關性矩陣。

因此，自方程式(3)可看出，為了對所有子載波處之通道響應進行估計，必須首先對未知之 R _dp 及 R _pp 進行估計。以下將論述對相關性矩陣 R _dp 及 R _pp 之估計，即上述子步驟S405-1及S405-2。

定義

r _t (Δ)=E(H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k ,i )H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k ,i +Δ)^H )

r _f (Δ)=E(H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k ,i )H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k +Δ,i )^H )

r _Rx (n ,n ')=E(H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k ,i )H ⁽ ⁿ ^', ^m ⁾ (k ,i )^H )

r _Tx (m ,m ')=E(H ⁽ ⁿ ^, ^m ⁾ (k ,i )H ⁽ ⁿ ^, ^m ^') (k ,i )^H )

其中，r _t 、r _f 、r _Rx 及r _Tx 分別表示時間相關性、頻率相關性、接收器側之空間相關性及發射器側之空間相關性。利用k _p (i )、t _p (i )、n _p (i )及m _p (i )來表示 H _p 中之第i個元素之子載波、符號、接收天線及發射天線之索引。由r _pp (i ,j )表示之、 R _pp 之第(i ,j )元素可計算如下：

類似地， R _dp 之第(i ,j )元素可計算如下：

由於相關性統計資料對於系統而言係未知的，因此需要在通道估計之前對相關性統計資料進行估計。可使用如下傳統方式來估計時域及頻域相關性。

其中，ω _d =2πT _f f _d ，T _f 為OFDM符號之長度，f _d =vf _c /c 為具有速度v 之多普勒頻率，f _c 為載頻，且c 為光速，F ={f _k _, _l }=，K 為OFDM符號中子載波之數目，D =diag ，L = W τ_max +1，其中W 為頻寬，且τ_max 為最大延遲擴展。

根據如下之有雜訊導頻觀測結果來估計空間域相關性。假定對於 m 有P ⁽ ^m ⁾ =P ，則對r _Rx 及r _Tx 之估計如下：

其中， y ⁽ ⁿ ⁾ =且 y ⁽ ^m ⁾ =。

估計值及即為上述估計步驟S402、S403及S404之結果。

基於方程式(6)至(8)，聯合MMSE CE可實現為：

其中，在方程式(4)及(5)中分別代入各個估計值及來替換r _t 、r _f 、r _Rx 及r _Tx ，導出及，從而得到所有子載波處之通道響應之估計值。

依賴於空間相關性之導頻設計策略

所提出之聯合MMSE CE隨空間相關性之升高而增強，此可自以下模擬結果中看出。此意味著MIMO系統所具有之空間相關性愈高，其需要使用之導頻信號愈少。實際上，MIMO系統之空間相關性主要由以下兩個因素來判定：通道環境，如建築物密集之城市環境/空曠之鄉村環境、LOS/非LOS等；及天線配置，如天線數目及間距等。此需要針對不同環境中之具有不同天線配置之MIMO系統使用具有不同開銷之導頻圖案。為此，提出了依賴於空間相關性之導頻設計策略。

依賴於空間相關性之導頻設計策略包括以下程序：

‧藉由針對通道環境(如建築物密集之城市環境/空曠之鄉村環境、LOS/非LOS)及天線配置(如天線數目、間距、極化)之每種組合而進行模擬，判定適當之導頻開銷。

‧每一基地台根據其環境及天線配置來選擇導頻圖案。

‧每一基地台向其終端機發信號通知正在使用之導頻圖案。

以下，使用數值結果來印證本發明之技術之優勢。

考慮在基地台處有N _T =4個天線且在每一終端機處有N _R =2個天線之MIMO-OFDM系統。使用3GPP空間通道模型(SCM)。考慮具有不同空間相關性之以下兩種通道情形：

‧情形1：城市小型小區，LOS，天線間距在BS及終端機處均為0.5個波長；

‧情形2：城市巨型小區，非LOS，天線間距在BS處為4個波長，在終端機處為0.5個波長。

在以下方程式(10)及(11)中，針對此兩種情形在BS及終端機處均給出藉由模擬導出之空間相關性矩陣。容易發現，情形1具有相對較強之空間相關性，情形2之空間相關性要弱很多。

情形1之空間相關性矩陣為：

情形2之空間相關性矩陣為：

如圖5A及圖5B所示，在模擬中使用了具有不同開銷之兩個導頻圖案。圖6A及圖6B在兩種情形下比較了本發明提出之聯合MMSE通道估計器與傳統之MMSE通道估計器之均方誤差(MSE)。針對聯合MMSE通道估計器，使用了以下兩個導頻圖案：聯合MMSE-1：使用圖5A中之導頻圖案A；聯合MMSE-2：使用圖5B中之導頻圖案B，僅具有圖A中開銷之一半開銷。

針對傳統MMSE通道估計器，始終使用圖5A中之導頻圖案A。自該圖中可看出，在圖6A所示之情形1中，聯合MMSE通道估計器可實現與傳統MMSE通道估計器類似之效能。當空間相關性高時，可顯著減小導頻開銷。當空間相關性低時，如在圖6B所示之情形2中，聯合MMSE及傳統MMSE通道估計器具有相似之效能，且需要相似之導頻開銷。此種觀測結果指示：應根據通道之空間相關性統計來調整導頻開銷，以便在所有環境中提供導頻開銷與通道估計精度之間的最佳取捨。

參照上述實施例描述了本發明，然而，應理解，在不脫離本發明之精神及範疇之情況下，熟習此項技術者能夠對本發明之實施例進行修改及變更。本發明之範疇僅由所附申請專利範圍來限定。

10．．．基地台

20．．．用戶設備

101．．．導頻圖案選擇單元

102．．．發信號單元

201．．．導頻信號接收單元

202．．．導頻圖案接收單元

203．．．基地台空間相關性估計單元

204．．．用戶設備空間相關性估計單元

205．．．時間相關性估計單元

206．．．頻率相關性估計單元

207．．．通道響應估計單元

圖1展示根據本發明實施例之基地台之示意方塊圖；

圖2展示根據本發明實施例之用戶設備之示意方塊圖；

圖3展示根據本發明實施例之基地台所使用之導頻資訊選擇方法之流程圖；

圖4展示根據本發明實施例之用戶設備所使用之通道估計方法之流程圖；

圖5A及圖5B為展示針對具有N _T =4個發射天線之MIMO系統而使用不同開銷之導頻圖案之示意圖；及

圖6A及圖6B為展示在相同之導頻開銷及減半之導頻開銷之情況下，傳統MMSE-CE與聯合MMSECE之間的比較之示意圖。