专利名称：子信道模式选择方法和应用该方法的mimo通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在MIMO通信系统中自适应选择调制编码子信道模式。
背景技术：
在MU-MIMO (多用户多输入多输出)下行链路发送中，基站(即， 节点B)设有M个发送天线，K (尺^M)个用户设有Nk个接收天线， 当可以获得发送方的信道状态信息(CSIT)时，应当采用闭环发送以通 过多个天线提高频谱效率。然而，在反馈链路的带宽比较窄的应用中， 基站不能准确地获得CSIT,从而在这种基于波束形成的闭环系统中，应当 使用基于量化的受限反馈策略。在MIMO-OFDM系统中，由于一个OFDM 符号中的子载波的数量比较大，通常超过512个，并且不同子载波上的 信道衰落并不精确相等，所以在所有数据子载波上用于波束形成的反馈 量是巨大的，这使得不可能进行闭环发送。
对于上述问题的一个解决方案是，在时频域中将子载波划分成若干 个块，对于属于同一块(即，子信道)的所有子载波，应用相同的波束 形成矢量。该方法可以实现依赖于以下两个因素。第一，时频域上的信 道衰落波动直接受时间和频率选择性衰落特性影响，而幸运的是，在大 多数实际应用中， 一个子信道上的波动非常小，因此可以认为一个子信 道上的信道衰落是近似平坦的。第二，移动终端MS和基站B处的公共 码簿是离散的，因为它仅包括2W'个预编码矢量，其中A^是用于表征整个 码簿的比特数。即使属于同一子信道的子载波上的信道衰落具有非常小 的波动，选择的预编码器也可能仍然适合于该子信道中的所有子载波。
上面两点使得块预编码方案可用于慢时变衰落的实际系统，并且时 频域中的每个子信道应当尽可能由具有类似衰落的子载波形成。因此， 需要能任意设计块的结构。而在目前用于从基站B向移动终端MS传送数据的下行链路的子信道结构是固定的。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，提出了本发明。本发明的目的在
于，在MIMO通信系统中实现根据具体的通信环境来自适应地选择适合 于下行链路的子信道结构。
根据本发明的一方面，提供了一种在MIMO通信系统中使用的编码 调制子信道模式自适应选择方法，所述MIMO通信系统包括基站和移动 终端，其中，该方法包括以下步骤移动终端估计其自己的信道状态信 息，并根据所估计出的信道状态信息来确定最适合于向其进行数据传送 的子信道结构；移动终端将所确定的最适合于向其进行数据传送的子信 道结构的信息反馈给基站；以及基站根据移动终端反馈的子信道结构的 信息来确定用于下行链路的子信道结构。
优选的是，在上述方法中，移动终端按照以下方式(a)到(d)中 的任一种来确定最适合于向其进行数据传送的子信道结构(a)使所确 定的子信道上的信道衰落尽可能平坦；(b)使一个子信道内的有效的信 干噪比尽可能最大；(c)使所确定的子信道上的平均物理信噪比尽可能 最大；(d)在(a)、 (b)、 (c)之间进行平衡。
优选的是，在上述方法中，移动终端向基站反馈所确定的子信道结 构的子信道结构索引、基于该子信道结构选择的预编码矢量以及计算出 的信道质量指示符值。
优选的是，在上述方法中，基站基于业务要求、业务质量、功率限 制、延迟要求或吞吐量最大化来根据移动终端反馈的子信道结构确定用 于下行链路的子信道结构。
在上述方法中，若移动终端的数量为多个，则基站基于各移动终端 的优先级或者按使总吞吐量最大的方式来根据各移动终端反馈的子信道 结构确定用于下行链路的子信道结构。
在上述方法中，若一个移动终端是强制发送终端，则基站选择该移 动终端反馈的子信道结构，作为用于下行链路的子信道结构。
5根据本发明的另一方面，还提供了一种应用了上述编码调制子信道
模式自适应选择方法的MIMO通信系统。
根据本发明，可以根据所处的具体通信环境来自适应地改变通信系 统所采用的子信道结构，从而可以改进整体的通信质量和效率。
图1示意性地示出了本发明的MIMO通信系统； 图2A和2B示出了子信道结构的两个示例。
具体实施例方式
在本发明中，釆用三个块设计准则，以使基站B的总吞吐量近似最 大化。第一个准则是最小信道波动法，第二个准则是使有效信干噪比最 大化，第三个准则是使一个子信道中的预编码输出功率最大化。这三个 准则都在移动终端MS侧执行。而且，在基站B处选择子信道结构，以 符合不同用户之间的优先级要求或者使吞吐量最大化。
MIMO下行链路中的多用户发送可以提升通信系统的吞吐量，并提 高业务质量(QoS)。对于闭环发送中的下行链路波束形成，并不容易获 得CSIT。基于码簿的反馈是克服CSIT的不准确性并具有良好性能的有 效方法。如果预编码矢量索引反馈基于子载波，则反馈开销量极大，从 而使得不可能执行上行链路信道反馈。在实际系统中，通常采用块预编 码和反馈策略。虽然一个子信道中的信道衰落不精确相同，但不同信道 环境下的子信道的结构应当很好了解。不同用户经历不同的信道衰落， 这使得它们各自的子信道结构彼此不一致。还应当考虑基站B处的子信 道结构的选择，以支持高频谱效率系统中的MU-MIMO发送。
系统模型
在下行链路MU-MIMO系统中，基站B设有M个发送天线，总共有 K个用户等待用同一频带同时与基站B通信。这里，BOl对应于空分多 址(SDMA)发送，K=l对应于SU-MIMO系统。图1示出了这种通信系统的示意图。
在图1中，各移动终端分别估计各自的信道状态信息(CSI)。根据 估计出的CSI，各移动终端确定最适合于向其进行数据传送的各自的子信
道结构。在此可以使用以下准则使预定子信道上的信道衰落尽可能平 坦，或者使得子信道的有效信干噪比最大化。基于预定的子信道结构，
各用户基于接收信噪比(SNR)的最大化来在Nb比特的码簿中选择最佳 的预编码矢量，并且计算信道质量指示符(CQI)值。在此之后，各移动 终端向基站B反馈各自的子信道结构索引、选择的预编码器索引以及CQI 值。基站B统一确定用于所有选定的J个用户的下行链路发送的唯一的 子信道结构。在此可以使用以下准则使总容量最大，比例公平和确保
Qos等。参数j应当满足i;^、M，以尽可能避免多个用户相互间的干
扰。而且，基站B根据QoS要求为各移动终端选择合适的调制编码模式 (MCS)。在一些高级应用中，利用不同用户间的功率分配来进一步提高 频率效率。预编码模块为针对不同用户的发送数据流应用不同的预编码 权重。
本发明致力于确定子信道结构，即，从包含多个可能性的集合中选 择最合适的结构。
在移动终端侧的反馈
假定基站B和各移动终端共知的码簿集表示为^[c。,c,， >]，从基
站B到用户k的信道状态信息表示为//, eC^"(其元素是均值为0的单
位协方差的复高斯分布)。在应用中，假定各用户可以准确估计其信道状 态信息Hk。为方便起见，假定所有移动终端处的噪声功率是相同的，为^ 。 用户k根据以下最大化SNR准则来选择最佳的码簿矢量
<formula>formula see original document page 7</formula> (1)
相应地根据下式获得CQI值
因为码簿集S对于基站B和所有移动终端都是共同的，所以K个移动终端经由专用反馈上行链路信道来向基站B反馈各自从S中选择的矢 量的预编码码簿索引(PVI)。
子信道结构选择
对于OFDMA系统，将时频域中的资源分成多个矩形子信道，通过 下式来计算从基站B的第mt个发送天线到用户k的第mr个接收天线的 一个子信道上的平均信道系数
其中，^二二为第f个子载波第t个OFDMA符号在基站B的第mt个发送 天线到用户k的第mr个接收天线之间的信道衰落，v^-S是一个子信
道中的总子载波数。这里，上行链路反馈基于子信道，使得总反馈量大 大减少，每个子载波的反馈需要S.A^比特，而每个子信道的反馈需要^
比特。 一个子信道在频域上占用若干个子载波，而在时域上占用若干个 OFDMA符号，从而应当很好地设置具有固定总子载波数的一个子信道中 的子载波数和符号数，以使系统性能最大化。
在此，应当根据信道特性来选择子信道的结构。图2A和2B示出了 子信道结构的两个示例。在图2A中，在时域上分布了较多的OFDMA码 元，而在频域上分布了较少的子载波。因为在时频域上的子信道是矩形 的，所以可以通过若干对整数的乘积来分解子信道中的总子载波数。假 定S具有如下所示的L个可能的分解-
(4) 方法1
第一个子信道结构选择准则使一个子信道上的信道衰落尽可能平 坦。在本发明中采用了下式所示的针对公式(4)中的所有可能分解的最 小相关协方差
一l
一l
Co
-I方法2
第二个准则是使一个子信道内的有效信干噪比(ESINR)最大化。 对于一个特定子信道结构的所有信道的衰落值，使用链路级到系统级映 射方法，计算该子信道的SINR，在本发明中采用如下通用的链路级到系 统级映射方法，
五s扁'=,《，…，《:'《) (6)
这里F为所采用的链路级到系统级映射方法，实际系统设计中可以 采用EESM、 MMIB或者RBIR等方法。公式(6)针对SISO情况说明 ESINR的计算方法，在MIMO情况下，ESINR的计算依赖于所采用的 MIMO发送技术。此时根据公式(6)得到使得ESINR最大化的子信道 结构，
(S;'p' . S;p' ) = arg max孤層' (7 )
方法3
第三个准则是使一个子信道上的平均物理SNR最大。对于子信道结
构的所有选项，根据平均信道系数，选择对应的预编码器，应当找出具 有最大平均SNR的子信道结构。对于特定的子信道结构(《，《)，基于
下式表示的平均化信道来确定预编码器
《a=￡iX、 (8)
接着，根据下式获得预编码矢量索引
w, =argmax(|^c』2) (9)
。eC 'i 1!2
基于的当前信道的实际平均SNR是
f/V卩 ao)
纖*
因此，通过求解以下优化问题的最大值来确定子信道结构:
(S广 V ) = org max證* (11)在每个用户确定最佳子信道模式后，对应的预编码的PVI和CQI， 所有这些信息被反馈给基站B。
基站B处的操作
假定反馈信道是无差错的且反馈延迟为0。基站B对来自所有用户 的关于预编码矢量索引和CQI以及各子信道结构的信息进行解调，接着 确定实际使用的子信道模式，有效用户集，即，该有效用户集包含被许 可用于下行链路数据发送的用户索引。
对于从各用户反馈的所有子信道模式，基站B根据用户优先级和同 一子信道模式的最大数量来选择实际的子信道结构，即，如果具有子信 道模式A的用户是强制发送用户，则基站B选择子信道模式A作为所述 子信道结构。否则，基站B选择最多数用户所要求的子信道结构。在单 用户情形下，根据受关注用户的反馈信息来确定子信道结构，并且波束 形成矢量是以PVI标示的预编码器。
对于多用户的情况，可以基于贪婪算法来选择有效用户和进行波束 形成。
尽管以上仅选择了优选实施例来例示本发明，但是本领域技术人员 根据这里公开的内容，很容易在不脱离由所附权利要求限定的发明范围 的情况下进行各种变化和修改。上述实施例的说明仅是例示性的，而不 构成对由所附权利要求及其等同物所限定的发明的限制。
通过引用将以下参考文献的全部内容并入本申请的说明书中，如同 在此作了详细说明一样- Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, 正EE 802.16 (Draft Mar, 2007)， Revision of IEEE Std 802.16-2004， as amended by IEEE Std 802.16f-2005 and IEEE 802.16e-2005 [2] 3GPP Rl-072422， NTT DoCoMo, "Investigation on precoding scheme
for MU-MIMO in E画UTRA downlink" [3] 3GPP, Rl-060335， Samsung, "Downlink MIMO for EUTRA"[4] 3GPP， R1-060495， Huawei, "Precoded MIMO concept with system
simulation results in macrocells" [5] 3GPP， Rl-062483, Philips, "Comparison between MU-MIMO
codebook-based channel reporting techniques for LTE downlink" [6] 3GPP， Rl-060362， NES Group, "MIMO techniques for downlink
E-UTRA: detailed description and simulation results" [7] IEEE 802.16m-07/037r2， "Draft IEEE 802.16m Evaluation
Methodology" 3GPP， Rl-063028, Philips, "System-level simulation results for channel vector quantization feedback for MU-MIMO"
li
权利要求
1、一种在MIMO通信系统中使用的编码调制子信道模式自适应选择方法，所述MIMO通信系统包括基站和移动终端，其中，该编码调制子信道模式自适应选择方法包括以下步骤移动终端估计其自己的信道状态信息，并根据所估计出的信道状态信息来确定最适合于向其进行数据传送的子信道结构；移动终端将所确定的最适合于向其进行数据传送的子信道结构的信息反馈给基站；以及基站根据移动终端反馈的子信道结构的信息来确定用于下行链路的子信道结构。
2、 如权利要求1所述的编码调制子信道模式自适应选择方法，其中， 移动终端按照以下方式(a)到(d)中的任一种，来确定最适合于向其 进行数据传送的子信道结构(a) 使所确定的子信道上的信道衰落尽可能平坦；(b) 使一个子信道内的有效的信干噪比尽可能最大；(c) 使所确定的子信道上的平均物理信噪比尽可能最大；(d) 在(a)、 (b)、 (c)之间进行平衡。
3、 如权利要求1所述的编码调制子信道模式自适应选择方法，其中， 移动终端向基站反馈所确定的子信道结构的子信道结构索引、基于该子 信道结构选择的预编码矢量以及计算出的信道质量指示符值。
4、 如权利要求1所述的编码调制子信道模式自适应选择方法，其中， 基站基于业务要求、业务质量、功率限制、延迟要求或吞吐量最大化来 根据移动终端反馈的子信道结构确定用于下行链路的子信道结构。
5、 如权利要求1所述的编码调制子信道模式自适应选择方法，其中， 若移动终端的数量为多个，则基站基于各移动终端的优先级或者按使总 吞吐量最大的方式来根据各移动终端反馈的子信道结构确定用于下行链 路的子信道结构。
6、 如权利要求5所述的编码调制子信道模式自适应选择方法，其中，若一个移动终端是强制发送终端，则基站选择该移动终端反馈的子信道 结构，作为用于下行链路的子信道结构。
7、 一种应用了如权利要求1-6中的任一项所述的编码调制子信道模式自适应选择方法的MIMO通信系统。
全文摘要
本发明涉及子信道模式选择方法和应用该方法的MIMO通信系统。本发明的编码调制子信道模式自适应选择方法适于在MIMO通信系统中使用，所述MIMO通信系统包括基站和移动终端，其中，该方法包括以下步骤移动终端估计其自己的信道状态信息，并根据所估计出的信道状态信息来确定最适合于向其进行数据传送的子信道结构；移动终端将所确定的最适合于向其进行数据传送的子信道结构的信息反馈给基站；以及基站根据移动终端反馈的子信道结构的信息来确定用于下行链路的子信道结构。根据本发明，可以根据所处的具体通信环境来自适应地改变通信系统所采用的子信道结构，从而可以改进整体的通信质量和效率。
文档编号H04B7/06GK101527591SQ20081008292
公开日2009年9月9日 申请日期2008年3月7日 优先权日2008年3月7日
发明者华 周, 杰 张, 薛金银 申请人:富士通株式会社