用于支持多用户和单用户mimo系统的预编码矩阵反馈的低复杂度、秩可扩展的码书设计 ...的制作方法
【专利摘要】一种在用于支持多用户和单用户多输入和多输出(MIMO)系统的预编码矩阵反馈的移动终端中的无线通信方法。所述无线通信方法还包括在移动终端获得包括至少增益信息和相对相位信息的信道状态信息。此外，所述方法包括生成包括bg、p1、p2和p3比特组的预编码矩阵，其中使用天线元件之间的增益信息和相对相位信息通过量化而生成预编码矩阵中的每一个。所述方法还包括在生成的预编码矩阵中选择最佳预编码矩阵，并且向基站发送表示选择的预编码矩阵的比特序列。
【专利说明】用于支持多用户和单用户MIMO系统的预编码矩阵反馈的低复杂度、秩可扩展的码书设计和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本发明要求2011年10月27日提交的美国临时申请N0.61/552，273的优先权。优先权申请的内容通过引用全部合并于此。
【技术领域】
[0003]本发明的一个或多个实施例涉及一种无线通信技术。具体地，本发明的一个或多个实施例用于改进使用表示预编码矩阵的比特序列以便表示用户的信道状态信息(CSI)的多用户多输入、多输出(MU-MMO)和单用户MMO(SU-MMO)系统的性能。
【背景技术】
[0004]多用户MIMO和特定形式的单用户MIMO需要发送实体了解在发射天线(例如在基站处)和在一个或多个接收器(例如一个或多个移动终端)处的接收天线之间存在的信道状态信息(CSI)。具体地，多用户MMO(MU-MMO)对这种CSI的知识的精确度敏感。具体地，如果在发射器处假设的并且用于选择要服务的用户、向这种用户分配速率并形成承载至这种用户的数据流的波束形成向量的CSI不同于在用于发送的时间和频率经受的CSI，则在不同用户的流之间可能经受高等级的干扰。该“内部”发送干扰可能严重限制可以由MU-MMO支持的速率。
[0005]在确定在发射器和接收器处已知的CSI的“精确度”时集合了许多因素。这些因素中的一些因素取决于信道的物理性质，例如在时间和/或频率上信道改变多快。一些因素取决于由系统设计施加的限制，例如在接收器处估计CS1、将这种CS的知识反馈回发射器以及最终在发射器处使用以指导数据发送之间的时间延迟。另一因素是由接收实体使用以描述经由数字反馈至发射器的CSI的比特数。3GPP的LTE设计的当前版本仅使用4比特来描述秩-1的信道。
[0006]使用该可能干扰限制的4比特LTE设计的部分原因是LTE过去重点强调CS在时间和/或频率上快速改变的场景，或信道反馈必须描述在大带宽(例如5到20MHz)上使用的状态的场景。在这种情况下，通过CS反馈精确度主导信道动态并且MU-MMO出于这种原因而非反馈限制而不能高效操作。另一原因是更加关注需要较不精确的CS的SU-MIM0。
[0007]即使在其中MU-MMO可以高效操作的具有较慢信道动态的情况下，考虑超过4比特的反馈的困难在于设计还支持秩η>1的反馈的大的码书。例如，用户可能想要表示4x2CS的η = 2的子空间的情况。其他考虑包括在发送资源方面使用大量CSI比特和计算/接收器見杂度。
[0008]然而，因为部署场景期望诸如较低移动性用户和较小蜂窝的较低信道动态，所以这种考虑变得较不重要。此外，对于多个用户的情况MIMO频谱效率的改进最终在于通过SU-MIMO改进使MU-MMO高效工作。因此，侧重点转移到改进MU-MMO以允许在SU-MMO上的显著频谱效率。为了这样做，存在在CSI中支持更多反馈比特的固有需要。[0009]LTE当前还支持许多不同的码书设计，包括FFT和基于Householder变换的设计。对于具有N个发射天线的操作，所述设计定义许多规格化正交NxN “预编码矩阵”(PM)，可以由包括表示选择的码向量条目(预编码矩阵)的比特序列的“预编码矩阵指示符”(PMI)从码书选择每一个规格化正交NxNPM。然而，在对全部天线元件给定相同增益，并且仅使用少量PM的情况下，LTE设计非常有限。即，不存在跨天线的增益向量的概念。此外，LTE和学术贡献描述了使用“站内”和“站间”天线相位差的设计。然而，这种设计没有包括在此具体设计和方法中描述的许多特征。
【发明内容】
[0010]根据本发明的一个或多个实施例，一种在用于支持多用户和单用户多输入和多输出(MIMO)系统的预编码矩阵反馈的移动终端中的无线通信方法包括在移动终端获得至少包括增益信息和相对相位信息的信道状态信息。无线通信方法还包括生成包括bg、pl、p2和p3比特组的预编码矩阵，其中使用天线元件之间的增益信息和相对相位信息通过量化而生成预编码矩阵中的每一个。所述方法还包括在生成的预编码矩阵中选择最佳预编码矩阵，并且向基站发送表示选择的预编码矩阵的比特序列。
[0011]根据本发明的一个或多个实施例，一种非临时性计算机可读介质包括软件指令，当执行所述软件指令时，其被配置为执行在用于支持多用户和单用户多输入和多输出(MIMO)系统的预编码矩阵反馈的移动终端中的无线通信方法。非临时性计算机可读介质还包括获得至少包括增益信息和相对相位信息的信道状态信息。无线通信方法还包括生成包括bg、pl、p2和p3比特组的预编码矩阵，其中使用增益信息和相对相位信息通过量化而生成预编码矩阵中的每一个。所述非临时性计算机可读介质包括在生成的预编码矩阵中选择最佳预编码矩阵，并且向基站发送表示选择的预编码矩阵的比特序列。
[0012]根据本发明的一个或多个实施例，一种移动终端支持多用户和单用户多输入和多输出(MIMO)系统的预编码矩阵反馈。移动终端包括用于选择预编码矩阵的结构化的码书，其中结构化的码书包括至少联合增益和排列码书、子向量内相位码书以及子向量间相位码书。移动终端还包括接收器，其中移动终端的接收器接收包括至少增益信息和相对相位信息的信道状态信息(CSI)。此外，移动终端包括生成单元，其中移动终端的生成单元通过至少使用天线元件之间的增益信息和相对相位信息而生成表示用于最优预编码矩阵的联合增益和排列码书、子向量内相位码书和子向量间相位码书中的每一个的比特分配的比特序列。移动终端还包括发射器，其中移动终端的发射器至少向基站发送比特序列。
[0013]根据下列描述和所附权利要求将清楚本发明的其他方面和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是根据本公开的一个或多个实施例的量化过程的流程图。
[0015]图2是根据本公开的一个或多个实施例的对相位分量使用自适应比特分配的量化过程的流程图。
[0016]图3是根据本公开的一个或多个实施例的2比特联合增益和排列码书的表I。
[0017]图4是根据本公开的一个或多个实施例的3比特联合增益和排列码书的表2。
[0018]图5是根据本公开的一个或多个实施例的4比特联合增益和排列码书的表3。[0019]图6是根据本公开的一个或多个实施例的4比特联合增益、排列和比特分配码书的表4。
[0020]图7a_7c是根据本公开的一个或多个实施例的使用所提出的码书结构的基于与单个4x1目标向量匹配的秩-1的PMI低复杂度搜索的流程图的表5。
[0021]图8a_8d是根据本公开的一个或多个实施例的包括在天线I和2以及天线3和4之间的增益差Gdiff的操作的流程的表6。
[0022]图9是示出对来自具有非视距数据和1/2波长天线间隔的ITU-R城市微信道模型的数据进行测试而得出的最优设计的表7。根据本公开的一个或多个实施例，通过期望量化误差性能的log2()值(值越小越好)测量性能。
[0023]图10是示出经由“秩指示符”和对于秩1、2、3和4的相关联的向量指示秩的方法的表8。
[0024]图11是示出根据本公开的一个或多个实施例的指示秩I或秩2的方法的表9，其中灵活定义秩2的伴随向量。
【具体实施方式】
[0025]在本发明的实施例中，阐述许多具体细节以便提供本发明的更透彻的理解。然而，本领域普通技术人员将清楚，在没有这些具体细节的情况下，也可以实践本发明。在其他情况下，未详细描述公知特征以避免使本发明晦涩。
[0026]为了可读性和说明性，本公开的一个或多个实施例总地涉及码书设计。根据一个或多个实施例，码书W是用于量化信道矩阵或其特征向量等的被索引的码向量的集合。此夕卜，量化比特越多，可越好地匹配在接收器估算的信道。此外，在基于码书的预编码发送中的重要问题是如何设计码书使得仅向发射器侧反馈用于生成预编码发送向量的相对少量的比特，从而消耗相对有限的上行链路资源。另一重要问题是如何选择用于从可用集合W选择最佳码书向量的度量。例如，在4个发射天线并且其中用户具有高达2个接收天线的场景中，系统可以向例如四个用户中的每一个发送单个流，经由MU-MMO在时间和频率上并行发送流。为了允许该联合MU-MMO发送，在该场景中每一个这种用户将对发射器描述其在发射器和他们的两个接收天线之间经受的全部4x2信道状态空间的4x1优选预编码发送向量(子空间表示(即“秩I近似”))。本领域中普通技术人员将理解可扩展本发明的实施例以包括更多发射天线和接收天线。因此，本发明不限于4个发射天线和2个接收天线。
[0027]根据本公开的一个或多个实施例，存在其中天线的CS相对独立的情况，以及其中信道在时间上(例如20毫秒)足够稳定并且在频率块上(例如在IMHz上)足够相干，使得CS精确度不被信道动态或反馈中的延迟强烈影响的信道/部署(employment)场景。在这种情况下，当用户具有在6和IOdB之间的信噪比(SNR)时，描述每一个用户的CSI所需的最小比特数可以在8到20“CSI反馈比特”的范围内。CSI反馈比特表示提供足够的CSI精确度所需的最小比特数，使得MU-MMO发送不被内部干扰强烈限制。
[0028]本发明的一个或多个实施例提供能够支持更大量的CSI反馈比特(例如8到12比特、多至20比特和更多比特)的低复杂度装置和方法。所述设计被结构化，将CSI反馈比特断开为在操作序列中可以单独搜索的不同参数。选择的具体结构允许在确定CSI反馈比特中以及在计算诸如秩和信道质量的相关联的参数中的低复杂度方法。经由联合排列和增益向量的增益的具体表示是非常高效的。此外，所述设计经由简单操作将秩-1的元素扩展为秩_(η>1)元素。此外，所述设计可以自然扩展为用于8个发射天线的设计。增益信息和相对相位参数的使用还具有扩展为诸如协调多点(CoMP)和各种极化天线关系的情况的潜力。
[0029]更具体地，根据本公开的一个或多个实施例，公开结合经典乘积向量量化器、排列向量量化器和偏序比特分配量化器的原理的结构化码书设计。此外，本发明的实施例允许对信道状态信息(CSI)量化的实施例和与适用于不同无线部署场景的实施例匹配的结构化搜索的具体应用。
[0030]根据本公开的一个或多个实施例的码书设计和搜索方法提供支持比当前在LTE中使用的数量大的PMI比特的低复杂度方法。所述设计被结构化，将PMI比特断开为可以使用操作序列在子向量组中单独搜索的不同参数。在一些情况下，这种操作和子向量组自然地与天线部署场景和天线的期望属性匹配。
[0031]根据本发明的一个或多个实施例，结构化码书可以包括联合增益和排列码书、子向量内相位码书和子向量间相位码书。
[0032]根据本公开的一个或多个实施例的设计和搜索方法还可以提供一种通过对秩I的元素进行简单操作(例如排列和共轭)而容易地定义秩η>1的预编码矩阵码书的方法。这进一步使得结构化计算能够减少在PMI和信道质量指示(CQI)确定中的计算负荷。所述设计可以有利地使用由预编码矩阵指示符和秩指示符组成的LTE中的现有类型的反馈机制。
[0033]此外，所述设计可以自然地扩展为适应其他数量的发射天线，例如5、6、8等。增益信息和相对相位参数的使用还具有扩展为诸如CoMP和各种极化天线关系的情况的潜力。
[0034]根据本公开的一个或多个实施例，通过将增益信息和相位信息分别编码为不同比特来表示B比特码书Cb的秩-1的元素V: V e C4X1。每一个向量由定义两个2-维子向量和这种子向量之间的关系的信息表不O相位信息表不在每一个子向量内的相对相位和子向量之间的相对相位两者。使用具有相关联的比特分配的排列的码书来跨4维向量联合编码增益信息。排列向各种天线分配子向量，并且因此向各种天线分配给可能的增益值。由增益向量定义的增益值还可以定义对不同相位分量的比特分配。
[0035]根据本公开的一个或多个实施例，对于目标向量q:q e C4xS码书被设计为相对于向量的精确相位使信道方向的量化最大化。具体地，由下列等式选择码书中的最优元素:
[0036]=ai max ts€i|tbi|
[0037]应注意，该最优元素的定义的一个效果是最优选择不被目标向量或任何一个码书元素的总相位缩放(scaling)影响。具体地，至少在下列等式中示出该影响的缺乏:
[0038]V- = _匪爲卜**.丨=義匪韻λ卜
[0039]此外，如在一般操作中，q是向量范数-1的向量。表示信道的例如信噪比总强度的、对该向量的任何额外的“增益”由其他参数表示，例如信道质量指示符(CQI)值。
[0040]结果是码书结构具有比如果其被设计为表示对V的均方误差近似需要表示的复数维少一维的复数维。少的一维来自一个非相关总相位和对范数-1的向量的限制的组合。因此，码书元素“有效地”存在于4-维空间的3维子空间中。事实上通过假设每一个向量V e Cb的元素中的一个元素事实上是实数正标量(相位=O)并且对于全部V e CB, |v|=I的码书，来在码书中表不。
[0041]秩I的PM向量和参数
[0042]根据本公开的一个或多个实施例，由4个参数定义每一个元素V。第一参数是使用bg比特指定的联合增益向量和排列。这还可以用于定义在3个不同相位分量之间的比特分配。第二和第三参数分别是由pi和p2表不的两个子向量内相对相位标量91和θ2。第四参数是由ρ3比特表示的子向量间相位标量Θ 3°
[0043]此外，根据本公开的一个或多个实施例，对于在码书中定义的全部可能向量元素，B比特码书由!^+PjPfP3 = B而定义。因此,在4个参数的全部值的全部组合中表示比特的2B个组合定义2b个唯一码向量。
[0044]注意，对于码书的不同元素，值p1、p2和p3不一定相同。如上所述，p1、p2和p3的值可以适用于在bg个增益/排列比特中定义的信息。对于大的B可能对此特别感兴趣。
[0045]根据本公开的一个或多个实施例，每一个元素V具有下列结构:
【权利要求】
1.一种在用于支持多用户和单用户多输入和多输出(MIMO)系统的预编码矩阵反馈的移动终端中的无线通信方法，包括: 在所述移动终端获得至少包括增益信息和相对相位信息的信道状态信息； 生成包括bg、pU p2和p3比特组的预编码矩阵，其中通过至少使用天线元件之间的所述增益信息和所述相对相位信息的量化而生成所述预编码矩阵中的每一个； 在所生成的预编码矩阵中选择最佳预编码矩阵；以及 向基站发送表示所选择的预编码矩阵的比特序列。
2.如权利要求1所述的无线通信方法，其中所述预编码矩阵中的至少一个使用至少8比特来进行量化，并且至少取决于所述信道状态信息可以自适应地将比特的不同排列分配给bg、p1、p2和p3中的每一个。
3.如权利要求1所述的无线通信方法，其中所述移动终端中的量化包括: 通过定义指定联合排列-增益码书中的索引的bg反馈比特来选择排列和增益信息； 基于所述排列将目标向量划分为两个子向量； 通过定义描述Θ i的pi比特来选择子向量I的子向量内相位信息； 通过定义描述Θ 2的P2比特来选择子向量2的子向量内相位信息； 通过定义描述Θ 3 的P3比特来选择子向量间相位；以及 将信息的bg、pl、p2和p3比特分组为用于向所述基站发送的表示所选择的预编码矩阵的比特序列。
4.如权利要求3所述的无线通信方法，其中选择排列和增益信息还包括: 当使用2比特码书时，选择具有最大增益的天线；以及 当使用3比特码书或4比特码书时，选择具有最大增益的两个天线并且选择这两个天线中的最佳的天线， 其中，当增益相等时，考虑具有不相等增益向量的排列，并且对于所述排列/增益组合两者和对于所述相等增益向量根据下列等式计算排列-增益索引(gaininerp):3β_卿=￡；』(*)_))，并且选择提供最佳排列-增益索引的天线。
5.如权利要求3所述的无线通信方法，其中选择子向量I的子向量内相位信息还包括: 当g(l) = g(2)时，如下定义最优索引
咖丨； 将最优向量定义为以及 如下定义所述最优索引，其中g(l)不等于g(2)， ? * Wgmax 樣n I Crl I "、 LfC2)fW2))J。
6.如权利要求3所述的无线通信方法，其中选择子向量2的子向量内相位信息还包括: 对于g(3) =g(4)的情况，如下定义最优索引 卿.: arImajW,1 Cfl21 ；将最优向量定义为02，m;以及 对于g(3)不等于g(4)的情况，如下定义所述最优索引，
7.如权利要求3所述的无线通信方法，其中选择子向量间相位还包括: 给定所述子向量内相位选择，选择ql和q2之间的所述子向量间相位； 定义
8.如权利要求1所述的无线通信方法，其中在所述移动终端中使用自适应比特分配和相位分量的量化包括: 通过定义指定联合排列-增益码书中的索引的bg反馈比特来选择排列和增益信息； 基于排列将所述目标向量划分为两个子向量； 从联合排列-增益码书中的索引对相位分量推导比特分配{pl，p2，p3}； 给定Pl，通过定义描述Θ i的pi比特来选择子向量I的子向量内相位信息； 给定P2，通过定义描述Θ 2的P2比特来选择子向量2的子向量内相位信息； 给定P3，通过定义描述Θ 3的P3比特来选择子向量间相位；以及将信息的bg、pl、p2和p3比特分组为用于向所述基站发送的表示所选择的预编码矩阵的比特序列。
9.如权利要求8所述的无线通信方法，其中选择排列和增益信息还包括: 当使用2比特码书时，选择当使用2比特码书时具有最大增益的天线；以及 当使用3比特码书或4比特码书时，选择具有最大增益的两个天线并且选择这两个天线中的最佳的天线， 其中，当增益相等时，考虑具有不相等增益向量的排列，并且对于所述排列/增益组合两者和对于所述相等增益向量根据下列等式计算排列-增益索引(gaininerp):
10.如权利要求8所述的无线通信方法，其中推导对相位分量的比特分配{pl，p2，p3}还包括:
计算 dBdiff = log (I I [g2 (I)，g2 (2) ] I I / I [g2 (3)，g2 (4) ] | |)， 其中dBdiff的舍入整数值定义对p1、p2和p3比特分配。
11.如权利要求8所述的无线通信方法，其中给定pl，选择子向量I的子向量内相位信息还包括: 对于g2(l) = g2(2)的情况，如下定义最佳索引
12.如权利要求8所述的无线通信方法，其中给定p2，选择子向量2的子向量内相位信息还包括: 对于g2(3) = g2(4)的情况，如下定义最佳索引
13.如权利要求8所述的无线通信方法，其中给定p3，选择子向量间相位还包括:定义
14.一种包括软件指令的非临时性计算机可读介质，当执行所述软件指令时，其被配置为执行在用于支持多用户和单用户多输入和多输出(MIMO)系统的预编码矩阵反馈的移动终端中的无线通信方法，所述无线通信方法包括: 在所述移动终端获得至少包括增益信息和相对相位信息的信道状态信息； 生成包括bg、pU p2和p3比特组的预编码矩阵，其中通过至少使用所述增益信息和所述相对相位信息的量化而生成所述预编码矩阵中的至少一个； 在所生成的预编码矩阵中选择最佳预编码矩阵；以及 向基站发送表示所选择的预编码矩阵的所述比特序列。
15.如权利要求14所述的非临时性计算机可读介质，其中所述移动终端中的量化包括: 通过定义指定联合排列-增益码书中的索引的bg反馈比特来选择排列和增益信息； 基于所述排列将所述目标向量划分为两个子向量； 通过定义描述Θ i的pi比特来选择子向量I的子向量内相位信息； 通过定义描述Θ 2的P2比特来选择子向量2的子向量内相位信息； 通过定义描述Θ 3的P3比特来选择子向量间相位；以及 将信息的bg、pl、p2和p3比特分组为用于向所述基站发送的表示所选择的预编码矩阵的比特序列。
16.如权利要求15所述的非临时性计算机可读介质，其中选择排列和增益信息还包括: 当使用2比特码书时，选择具有最大增益的天线；以及 当使用3比特码书或4比特码书时，选择具有最大增益的两个天线并且选择这两个天线中的最佳的天线， 其中，当增益相等时，考虑具有不相等增益向量的排列，并且对于所述排列/增益组合两者和对于所述相等增益向量根据下列等式计算排列-增益索引(gaininerp):
17.如权利要求14所述的非临时性计算机可读介质，其中在所述移动终端中使用自适应比特分配和相位分量的量化包括: 通过定义指定联合排列-增益码书中的索引的bg反馈比特来选择排列和增益信息； 基于排列将所述目标向量划分为两个子向量； 从联合排列-增益码书中的索引对相位分量推导比特分配{pl，p2，p3}； 给定Pl，通过定义描述Θ i的pl比特来选择子向量I的子向量内相位信息； 给定P2，通过定义描述Θ 2的P2比特来选择子向量2的子向量内相位信息；给定p3，通过定义描述Θ 3的P3比特来选择子向量间相位；以及 将信息的bg、pl、p2和p3比特分组为用于向所述基站发送的表示预编码矩阵的比特序列。
18.如权利要求17所述的非临时性计算机可读介质， 其中选择排列和增益信息还包括: 当使用2比特码书时，选择当使用2比特码书时具有最大增益的天线；以及当使用3比特码书或4比特码书时，选择具有最大增益的两个天线并且选择这两个天线中的最佳的天线，其中，当增益相等时，考虑具有不相等增益向量的排列，并且对于所述排列/增益组合两者和对于所述相等增益向量根据下列等式计算排列-增益索引(gaininerp):
19.一种用于支持多用户和单用户多输入和多输出(MIMO)系统的预编码矩阵反馈的移动终端，所述移动终端包括: 用于选择预编码矩阵的结构化的码书，其中所述结构化的码书包括: 联合增益和排列码书； 子向量内相位码书；以及 子向量间相位码书； 接收器，其中所述移动终端的接收器接收包括至少增益信息和相对相位信息的信道状态信息(CSI)； 生成单元，其中所述移动终端的生成单元通过至少使用天线元件之间的所述增益信息和所述相对相位信息而生成表示 用于所述最优预编码矩阵的联合增益和排列码书、子向量内相位码书和子向量间相位码书中的每一个的比特分配的比特序列；以及发射器，其中所述移动终端的发射器至少向基站发送比特序列。
【文档编号】H04W16/28GK104012019SQ201280052675
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年10月26日 优先权日:2011年10月27日
【发明者】A.本杰鲍尔, S.拉姆普拉沙德 申请人:株式会社Ntt都科摩