專利名稱：用于無線通信系統中的頻率選擇信道的mimo波束成形的技術的制作方法
用于無線通信系統中的頻率選擇信道的ΜΙΜΟ波束成形的
技術
背景技術：
在無線通信中，使用矩陣反饋的波束成形已經被使用，以提供顯著的改進。之前， 當已經使用了波束成形時，對每個頻率子頻帶僅僅存在一個波束成形矩陣反饋。這導致大約10%的性能下降，因為跨子頻帶的頻率選擇性。該波束成形矩陣隨后被用于整個子頻帶的發射波束成形。這導致性能下降，因為信道響應以及隨即的理想波束成形矩陣在子頻帶內發生橫跨諸個子載波的變化。該問題在子頻帶帶寬增大時變得更為嚴重。因此，強烈需要用于無線通信系統中的頻率選擇信道的MIMO波束成形的改進技術。
在說明書的結論部分中特別指出并清楚地要求保護被視為本發明的主題。然而， 通過結合附圖一起閱讀以下詳細描述，能夠在組織和操作方法及其目的、特性和優勢方面最好地理解本發明，在附圖中圖1示出了跨越72個子載波的頻率選擇信道；圖2示出了用于2x2個MIMO信道的跨越72個子載波的波束成形角度變化；圖3示出根據本發明的實施例的一個波束成形矩陣和經內插的兩個波束成形矩陣；圖4提供了根據本發明的實施例的在格拉斯曼流形(grassmarm manifold)上的測地示圖；圖5示出了根據本發明的實施例的角域和矢量域中的內插；圖6示出了根據本發明的實施例的隨著時間的子頻帶反饋；以及圖7提供了根據本發明的實施例的具有單個流傳輸的弱相關2x2信道的信道容量對比圖。應理解，為了簡單且清楚地說明，附圖中的元素不一定是按比例繪制的。例如，為了清楚起見，一些元素的尺寸可相對于其它元素被放大。更進一步地，在認為適當時，附圖標記在附圖中被重復使用以指示相應或相似的元素。具體描述在以下詳細描述中，陳述了許多具體細節以提供對本發明的透徹理解。然而，本領域的技術人員將理解無需這些具體細節就可實踐本發明。在其它實例中，未對已知方法、程序、組件以及電路進行詳細描述以免模糊本發明。雖然本發明的各實施例不限于此方面，但是采用諸如“處理”、“計算”、“運算”、“確定”、“建立”、“分析”、“檢查”等的術語的討論可指計算機、計算平臺、計算系統、或其它電子計算設備的操作和/或處理，其將計算機寄存器和/或存儲器內的表示為物理(例如電子) 量的數據處理和/或轉換為計算機寄存器和/或存儲器或其它可存儲執行操作和/或處理的指令的信息存儲介質內的類似地表示為物理量的其它數據。雖然本發明的實施例不限于此方面，但如本文中所使用的術語“復數個”和“多個” 可包括例如“多個”或“兩個或兩個以上”。術語“復數個”或“多個”可在說明書通篇中使用以描述兩個或更多個部件、設備、元件、單元、參數等。例如，“多個站”可包括兩個或兩個以上站。本發明的諸個實施例提供了對每個子頻帶反饋多個(諸如，兩個)波束成形矩陣并跨子頻帶內插波束成形矩陣的方案。在本發明的實施例中，提供了一種新穎的內插方案， 該方案最小化了內插誤差。對于在相同的反饋開銷下的典型信道，獲得了 4. 的增益。取決于系統配置，整個頻帶可包含一個或多個子頻帶。如前所述的，在現有系統中，僅僅對每個頻率子帶反饋一個波束成形矩陣。該波束成形矩陣隨后被用于整個子頻帶的發射波束成形。這導致性能下降，因為信道響應以及隨即的理想波束成形矩陣在子頻帶內發生橫跨諸個子載波的變化。該問題在子頻帶帶寬增大時變得嚴重。對于多用戶多輸入多輸出(MIMO)，使用較大的子頻帶帶寬，以增加用戶配對的幾率。因此，該子頻帶通常具有72個子載波，S卩，大約800kHz。在子頻帶內的信道響應的變化導致理想波束成形角度對典型信道(空間上不相關的以及空間上弱相關的MIMO信道)變化大約60度。信道響應的實部的示例被示出在圖1中，概括地示為100。對應的跨越72個子載波的波束成形角度被示出在圖2中，概括地示為200。角度變化減小了子頻帶的邊沿的波束成形精確度，并導致多用戶MIMO的下行鏈路的跨諸個用戶信號的強干擾。此外，子頻帶內的信號質量的變化也會限制高速率信道編碼的使用。期望減小該變化，并提高波束成形精確度。在本發明的諸個實施例中，替代一個波束成形矩陣，本發明提供了反饋多個(諸如，兩個)波束成形矩陣。這在如果上行鏈路反饋帶寬是可用的，或一個用戶的粗糙的波束成形導致對其他用戶的強干擾的情況下尤其有用。對移動用戶而言，對每個子頻帶生成兩個反饋是可選的配置。因為反饋信道可以實際上對強用戶承載更多的比特，所以該選項允許強用戶從它們的良好信道中獲益。兩個波束成形矩陣分別用于子頻帶的兩端中的每一端。可使用兩個反饋矩陣對子頻帶內的所有波束成形矩陣進行內插。被應用的波束成形矩陣跨子頻帶變化，并且本發明的一些實施例在考慮到內插的情況下在兩個子頻帶端點集合地選擇兩個波束成形矩陣的反饋指數。現在考慮到圖3在300處示出的本發明的實施例， 示出了現有技術使用的單個波束成形矩陣310、360和370，其中在330、320、340和350處示出了本發明使用具有內插的多個波束成形矩陣。存在多種方法來對兩個反饋波束成形矩陣之間的波束成形矩陣進行內插。注意到波束成形矩陣是酉陣并且位于格拉斯曼流形(grassmarm manifold)上，如圖4所示，概括地示出為400。存在連接兩個反饋矩陣A 410和B 420的多條曲線，并且內插矩陣是位于連接曲線430上。每條曲線對應于一系列隨機信道實現。最小化了平均內插誤差的曲線是連接A 410和B 420的測地線430。HM = AHB，其中A和B是反饋波束成形矩陣，A和B是Ntx Ns個酉矩陣，即AhA = I且BhB = I ;Nt是發射天線的數量，Ns是波束成形流的數量。特別地，單個空間流被發送， 并且當Ns = 1時波束成形矩陣A和B是NtX 1個矢量。M的奇異值分解由下式給出
M=QA^Qb(1)其中A和％是NsxNs個正交矩陣，且Σ是對角矩陣。使X = AQa且§ = BQb隨后
η
Ai Et j(2》
i χ.~使^二⑶^^^寸于土 = “ ---，Ns。θ i是又的第i個列(由來表示)與g的第 i個列(由ζ來表示)之間的角度，如圖4的右側所示。線性內插首先在主角e^s的域中
執行，如圖4左側所示。第k個子載波的內插角由下式來計算θ Jk)= θ i，對于 i = 1，---, Ns(3)其中
\ ~fAak = f-f-
A 1B(4)與A的子載波和B的子載波之間的頻率間隔成反比，即I fA_fB I，并且與A的子載波和第k個子載波之間的頻率間隔成正比，S卩|fK-fA|。當角被內插之后，計算在義的第i個列( )以及§的第i個列(ξ )之間內插的矢量i(k)，如圖5的右側所示。Ci (k)具有單位范數，并且位于ξ和6；所橫跨的平面中。此外，和ζ之間的角度是9i(k)。最后，經內插的波束成形矩陣由下式形成S(k)=p(k)…(5)如果不是酉矩陣，可使用諸如QR分解或Grantlchmidt運算之類的算法將其被轉換為橫跨相同子空間的酉矩陣。為了最小化跨子頻帶的波束成形矩陣的相位遷躍，NsX Ns的正交矩陣Q(k)可從右側被乘至每個波束成形矩陣(包括A、B、和6(k))。例如，可按照如下方式被轉換為C (k)C(k)=C(k)Q(k)，(6)其中Q(k)可等于Q=，C(k)被用于實際波束成形。現在參見圖5，在500處示出了在角域510和矢量域520中的內插。應該理解到， 可以跨頻率和/或時間而進行內插。其中當被應用到時域中時，可以與信道預測技術一起使用。可通過對對應的信道矩陣的預測來預測將來時間的波束成形矩陣。可從內插中計算出在最近觀測到的一個信道和預測信道之間的波束成形矩陣。此外，可使用單次反饋或差分反饋來進行內插。使用差分反饋，可如圖6的600處所示的運行對每個子頻帶的兩個波束成形矩陣的反饋。在每個反饋周期的開始時，需要單次反饋，該單次反饋充分顯示了不需要先前反饋的波束成形矩陣。單次反饋用于子頻帶的一端，用于子頻帶另一端的反饋可以是單次反饋610、640、670或差分反饋620、650、630和660。如果單次反饋被再次使用，則會提高可靠性，因為如果兩個單次反饋中的一個被破壞時波束成形將仍舊部分有效。另一方面，使用單次作為基準的差分反饋減少了反饋開銷。在使用單次反饋的初始化之后，使用如圖5的500處所示的先前反饋來一次發送兩個差分反饋。
為了復雜度的減低和性能的增強，接收機可選擇鄰近子頻帶兩端的兩個波束成形矩陣，并對波束成形矩陣進行內插以僅僅用于所選的子載波子集。例如，接收機可將子頻帶內的72個子載波劃分為具有18個子載波的組。每個組中的18個子載波是毗鄰的。組中央子載波的波束成形矩陣被反饋或內插。經反饋和內插的波束成形矩陣被用于每個組，而不需要進一步的內插。現在參見圖7，在700處是用于具有單個流傳輸的弱相關2x2信道的信道容量對比圖。對具有1流傳輸和Pedestrian B eITU信道但沒有空間相關性的2x2單用戶MIMO進行仿真。作為基線，802. 16e 3比特碼本被用于子頻帶的中央子載波，即第37個子載波。將其與本發明的諸個實施例所包括的兩個增強選項進行比較。第一個通過使用具有均勻分布碼字的最佳6比特碼本來增加碼本的解析度。反饋僅僅用于中央子載波，性能增加2. 5%。 然而，增加6比特碼本增加了碼本的數量，并復雜化了系統設計。另一個選項使用如圖3的 300所示的802. 16e 3比特碼本來發送兩個反饋。選擇兩個反饋碼字，使得具有內插的波束成形增益被最大化。第二個選項使性能增加了 4.1%，而不增加新的碼本。因此，從性能和復雜性兩方面考慮，第二選項更合乎需要。雖然本發明的特定特征已經在此被示出和描述，但本領域技術人員可料想到其他修改、替換、改動和等效實現。因此，應該理解到，所附的權利要求書旨在覆蓋所有這些落入本發明的真實精神范圍內的修改和改動。
權利要求
1.一種裝置，包括收發機，適用于多輸入多輸出(MIMO)波束成形，并進一步適用于與接收機進行通信， 接收機向所述收發機反饋用于每個子頻帶的多個波束成形矩陣并跨所述子頻帶對所述波束成形矩陣進行內插。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述用于每個子頻帶的多個波束成形矩陣是用于所述子頻帶的每一端的兩個波束成形矩陣。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述內插是使用所述兩個反饋矩陣對所述子頻帶中的至少一個波束成形矩陣進行的，其中所述波束成形矩陣跨所述子頻帶變化，并且所述兩個波束成形矩陣在所述兩個子頻帶端的反饋指數是被集合地選擇以將內插考慮在內。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述內插被跨頻域或時域施加，并且當其被施加在時域中時與信道預測技術一起使用。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，在每個反饋周期的開始，從所述接收器發出單次反饋，所述單次反饋完全顯示了不具有先前反饋的波束成形矩陣，并且其中所述單次反饋用于所述子頻帶的一端，用于所述子頻帶的另一端的反饋是單次反饋或差分反饋。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，在使用所述單次反饋的初始化之后，使用先前的反饋一次發送兩個差分反饋。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，為了復雜度的減少以及性能的增強，所述接收機選擇鄰近所述子頻帶的兩端的兩個波束成形矩陣，并僅僅針對所選的子載波子集內插所述波束成形矩陣。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，存在多種方法來對兩個反饋波束成形矩陣之間的波束成形矩陣進行內插，所述波束成形矩陣是酉陣并且位于格拉斯曼流形上，存在連接所述兩個反饋矩陣的多條曲線，并且所述經內插的矩陣是位于連接曲線上的，其中每條曲線對應于信道變化的隨機實現，并且最小化了平均內插誤差的曲線是連接所述多條曲線的測地線。
9.一種方法，包括將收發機操作為無線網絡中的基站(BS)，所述收發機已經適用于多輸入多輸出 (MIMO)波束成形，并進一步適用于與接收機進行無線通信，接收機向所述收發機反饋用于每個子頻帶的多個波束成形矩陣并跨所述子頻帶對所述波束成形矩陣進行內插。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述用于每個子頻帶的多個波束成形矩陣是用于所述子頻帶的每一端的兩個波束成形矩陣。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，還包括使用所述兩個反饋矩陣對所述子頻帶中的所有波束成形矩陣進行內插，其中所述波束成形矩陣跨所述子頻帶變化，并且所述兩個波束成形矩陣在所述兩個子頻帶端的反饋指數是被集合地選擇以將內插考慮在內。
12.如權利要求9所述的方法，其特征在于，還包括跨頻域或時域而施加所述內插，并且當所述內插被施加在時域中時與信道預測技術一起使用。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，還包括在每個反饋周期的開始時從所述接收器發出單次反饋，所述單次反饋完全顯示了不具有先前反饋的波束成形矩陣，并且其中所述單次反饋用于所述子頻帶的一端，用于所述子頻帶的另一端的是單次反饋或差分反饋。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，還包括在使用所述單次反饋的初始化之后，使用先前反饋一次發送兩個差分反饋。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，為了復雜度的減少以及性能的增強，所述接收機選擇鄰近所述子頻帶的兩端的兩個波束成形矩陣，并僅僅針對所選的子載波子集內插所述波束成形矩陣。
16.如權利要求9所述的方法，其特征在于，存在多種方法來對兩個反饋波束成形矩陣之間的波束成形矩陣進行內插，所述波束成形矩陣是酉陣并且位于格拉斯曼流形上，存在連接所述兩個反饋矩陣的多條曲線，并且所述經內插的矩陣是位于連接曲線上的，其中每條曲線對應于信道的隨機實現，并且最小化了平均內插誤差的曲線是連接所述多條曲線的測地線。
17.一種計算機可讀介質，其上編碼有計算機可執行指令，當被存取時，使得機器執行以下操作，包括將收發機操作為無線網絡中的基站(BS)，所述收發機已經適用于多輸入多輸出(MIMO)波束成形，并進一步適用于與接收機進行無線通信，接收機向所述收發機反饋用于每個子頻帶的多個波束成形矩陣并跨所述子頻帶對所述波束成形矩陣進行內插。
18.如權利要求17所述的編碼有計算機可執行指令的計算機可讀介質，其特征在于， 所述用于每個子頻帶的多個波束成形矩陣是用于所述子頻帶的每一端的兩個波束成形矩陣。
19.如權利要求18所述的編碼有計算機可執行指令的計算機可讀介質，其特征在于， 還包括額外指令以提供使用所述兩個反饋矩陣對所述子頻帶中的所有波束成形矩陣進行內插，其中所述波束成形矩陣跨所述子頻帶變化，并且所述兩個波束成形矩陣在所述兩個子頻帶端的反饋指數是被集合地選擇以將內插考慮在內。
20.如權利要求19所述的編碼有計算機可執行指令的計算機可讀介質，其特征在于， 還包括額外指令以提供跨頻域或時域而施加所述內插，并且當所述內插被施加在時域中時與信道預測技術一起使用。
21.如權利要求20所述的編碼有計算機可執行指令的計算機可讀介質，其特征在于， 還包括額外指令以提供在每個反饋周期的開始時從所述接收器發出單次反饋，所述單次反饋完全顯示了不具有先前反饋的波束成形矩陣，并且其中所述單次反饋用于所述子頻帶的一端，用于所述子頻帶的另一端的反饋是單次反饋或差分反饋。
22.如權利要求21所述的編碼有計算機可執行指令的計算機可讀介質，其特征在于， 還包括額外指令以提供在使用所述單次反饋的初始化之后，使用先前反饋一次發送兩個差分反饋。
23.如權利要求22所述的編碼有計算機可執行指令的計算機可讀介質，其特征在于， 為了復雜度的減少以及性能的增強，所述接收機選擇鄰近所述子頻帶的兩端的兩個波束成形矩陣，并僅僅針對所選的子載波子集內插所述波束成形矩陣。
24.如權利要求17所述的編碼有計算機可執行指令的計算機可讀介質，其特征在于， 存在多種方法來對兩個反饋波束成形矩陣之間的波束成形矩陣進行內插，所述波束成形矩陣是酉陣并且位于格拉斯曼流形上，存在連接所述兩個反饋矩陣的多條曲線，并且內插矩陣是位于連接曲線上的，其中每條曲線對應于信道的隨機實現，并且最小化了平均內插誤差的曲線是連接所述多條曲線的測地線。
25.—種系統，包括收發機，適用于多輸入多輸出(MIMO)波束成形，并操作為無線網絡中的基站(BS)，所述無線網絡符合電氣和電子工程師協會(IEEE)802. 16標準；以及收發機，操作為所述無線網絡中的移動站(MS)，并操作為與所述BS進行通信，其中所述MS向所述BS反饋用于每個子頻帶的多個波束成形矩陣，并跨所述子頻帶對所述波束成形矩陣進行內插。
26.如權利要求25所述的系統，其特征在于，所述用于每個子頻帶的多個波束成形矩陣是用于所述子頻帶的每一端的兩個波束成形矩陣。
27.如權利要求沈所述的系統，其特征在于，使用所述兩個反饋矩陣對所述子頻帶中的所有波束成形矩陣進行內插，其中所述波束成形矩陣跨所述子頻帶變化，并且所述兩個波束成形矩陣在所述兩個子頻帶端的反饋指數是被集合地選擇以將內插考慮在內。
全文摘要
本發明的實施例提供了一種裝置，包括收發機，操作為無線網絡中的基站(BS)，所述收發機適用于多輸入多輸出(MIMO)波束成形，并進一步適用于與接收機進行無線通信，接收機向所述收發機反饋用于每個子頻帶的多個波束成形矩陣并跨所述子頻帶對所述波束成形矩陣進行內插。
文檔編號H04B7/04GK102474317SQ201080033752
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月6日 優先權日2009年7月20日
發明者X·E·林, 張森杰, 李慶華, 黎光潔 申請人:英特爾公司