CN102474312B - 多小区mimo信道信息反馈设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动终端，包括：信道状态信息反馈计算单元，用于计算所述移动终端与其服务小区及所有协同小区之间的信道状态信息反馈；信道质量信息反馈计算单元，用于计算对应于所述移动终端的服务小区的信道质量信息反馈；以及传输单元，用于将所述信道状态信息反馈和所述信道质量信息反馈传输至所述服务小区。本发明极大地提高了LTE-A***的性能，极大地降低了反馈开销。本发明是一种可升级的反馈方案，能够灵活地应用于多种多点协同传输的场景。

Description

多小区MIMO信道信息反馈设备和方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种多小区MIMO信道信息反馈设备和方法。

背景技术

目前，在3GPP LTE-A***中，用于支持下行链路多点协同(DLCoMP)的信道反馈机制仍在讨论和制定中。现有的用于进行信道反馈以使得下行多点协同传输为可能的解决方案包括：(1)预编码矩阵索引(PMI)反馈；(2)上行链路(UL)测深(sounding)反馈；以及(3)物理信道矩阵反馈。然而，上述反馈方法具有下面的缺点：

(1)PMI反馈在单基站(BS)传输模式中效率较高，然而在多小区传输中，PMI反馈可能会极大地限制所涉及的多个小区的预编码自由度。

(2)UL测深反馈在时分复用(TDD)模式中效率较高，但难以应用于频分复用(FDD)模式。此外，下行链路(DL)和上行链路(UL)之间不对称的干扰分布将对信道信息估计的准确度造成损害。

(3)物理信道矩阵反馈会导致过大的反馈开销。例如，NTT DoCoMo在3GPP RAN WG1#58bis会议的提案R1-094244中描述的反馈方案，无论是基于信道矢量量化的方法(示例1)还是基于信道元素量化的方法(示例2)都会导致过大的反馈开销(例如在示例1中高达26.6比特/子带/小区，而在示例2中高达53.3比特/子带/小区)，这在实际***中是难以接受的。

发明内容

因此，为了解决上述问题，本发明提出了一种用于支持下行链路多点协同(DL CoMP)的信道状态信息(CSI)/信道质量信息(CQI)反馈方案。具体地，本发明提供了一种用于支持DL CoMP的CSI反馈方案以及一种相关的CQI反馈方案，两者共同形成了用于支持CoMP的完整的信道信息反馈方案。

本发明的主要思想如下：

(1)CSI反馈包括基于信道矢量量化(CVQ)的每小区信道方向信息(CDI)反馈和基于标量量化的小区间相对相位和/或幅度反馈。可以通过信道协方差矩阵对用于执行CVQ的码本(codebook)进行变换来提高CDI反馈的精度。

(2)CQI反馈仅对应于服务小区，并表示来自服务小区的接收信号功率与来自协同小区集之外的小区的噪声加干扰功率之比。这里，CQI反馈表示具体的功率比数值，基站可以根据所应用的传输模式由CQI反馈和小区间相对幅度反馈来导出最终期望的检测后(post-detection)信号与干扰加噪声比(SINR)的数值。

本发明的一个方面提供了一种移动终端，包括：信道状态信息反馈计算单元，用于计算所述移动终端与其服务小区及所有协同小区之间的信道状态信息反馈；信道质量信息反馈计算单元，用于计算对应于所述移动终端的服务小区的信道质量信息反馈；以及传输单元，用于将所述信道状态信息反馈和所述信道质量信息反馈传输至所述服务小区。

优选地，所述信道状态信息反馈包括基于信道矢量量化的每小区信道方向信息反馈和基于标量量化的小区间相对相位和/或幅度反馈，并且所述信道状态信息反馈计算单元包括：信道方向信息反馈计算单元，用于计算基于信道矢量量化的每小区信道方向信息反馈；以及相对幅度/相位反馈计算单元，用于计算基于标量量化的小区间相对相位和/或幅度反馈。

优选地，所述相对幅度/相位反馈计算单元包括以下至少一个：相对幅度反馈计算子单元，用于计算基于标量量化的小区间相对幅度反馈；以及相对相位反馈计算子单元，用于计算基于标量量化的小区间相对相位反馈。

优选地，所述信道方向信息反馈计算单元通过信道协方差矩阵对用于执行信道矢量量化的码本进行变换。

本发明的另一方面提供了一种基站，包括：传输单元，用于从移动终端接收移动终端与其服务小区及所有协同小区之间的信道状态信息反馈和对应于所述移动终端的服务小区的信道质量信息反馈；信号与干扰加噪声比计算单元，基于所述传输单元接收到的信道状态信息反馈和信道质量信息反馈，根据所应用的传输模式来计算期望的检测后信号与干扰加噪声比；用户调度和传输格式确定单元，基于检测后信号与干扰加噪声比来执行用户调度和传输格式的确定；多点协同预编码器计算单元，根据所调度的移动终端与服务小区及所有协同小区之间的信道状态信息反馈，计算多点协同预编码矩阵；以及多点协同预编码及发送单元，根据所述多点协同预编码器计算单元计算的多点协同预编码矩阵，对用户数据进行相应的预编码处理并发送。

优选地，所述传输格式的确定包括调制和编码方案的确定。

优选地，根据迫零算法或块对角化算法来实现所述多点协同预编码器计算单元执行的计算。

本发明的又一方面提供了一种信道信息反馈方法，包括：计算移动终端与其服务小区及所有协同小区之间的信道状态信息反馈；计算对应于所述移动终端的服务小区的信道质量信息反馈；以及将所述信道状态信息反馈和所述信道质量信息反馈传输至所述服务小区。

优选地，所述信道状态信息反馈包括基于信道矢量量化的每小区信道方向信息反馈和基于标量量化的小区间相对相位和/或幅度反馈。

优选地，在计算信道方向信息反馈时，通过信道协方差矩阵对用于执行信道矢量量化的码本进行变换，以提高基于码本的矢量量化的精度。

本发明的再一方面提供了一种通信***，包括上文所述的移动终端和基站。

本发明极大地提高了LTE-A***的性能，具有如下优点：

1)基于矢量量化的每小区CDI反馈和基于标量量化的小区间相对相位及幅度反馈极大地降低了反馈开销。

2)用户仅需要反馈与服务小区有关的CQI，基站能够根据小区间CSI反馈来导出其他协同小区的CQI，从而进一步降低了反馈开销。

3)本发明是一种可升级的反馈方案，能够灵活地应用于多种多点协同传输的场景。

附图说明

通过下文结合附图的详细描述，本发明的上述和其他特征将会变得更加明显，其中：

图1是示出了根据本发明一个实施例的移动终端的框图；

图2是示出了根据本发明一个实施例的基站的框图；

图3是示出了根据本发明一个实施例的、由移动终端执行的信道信息反馈方法的流程图；以及

图4是示出了包括根据本发明的移动终端和基站的示例通信***。

具体实施方式

下面，通过结合附图对本发明的具体实施例的描述，本发明的原理和实现将会变得明显。应当注意的是，本发明不应局限于下文所述的具体实施例。另外需要说明，为了简便起见，附图中没有示出与本发明直接相关的公知组件。

图1是示出了根据本发明一个实施例的移动终端的框图。在图1中，移动终端1包括CSI反馈计算单元10、CQI反馈计算单元11和传输单元12。其中，CSI反馈计算单元10包括CDI反馈计算单元110和相对幅度/相位反馈计算单元120，而相对幅度/相位反馈计算单元120进一步包括相对幅度反馈计算子单元120-1和相对相位反馈计算子单元120-2。在操作中，CSI反馈计算单元10和CQI反馈计算单元11分别计算CSI反馈和CQI反馈，并将计算出的CSI反馈和CQI反馈传递给传输单元12，从而通过传输单元12最终将其传输至服务小区。下面，对移动终端1中的各个组件进行详细描述。

CSI反馈计算单元10包括CDI反馈计算单元110和相对幅度/相位反馈计算单元120，分别用于计算基于矢量量化的每小区CDI反馈和基于标量量化的小区间相对相位和/或幅度反馈。下文中，将小区i∈S和用户之间的信道表示为H_i∈C^NxM，其中S表示协同小区索引集，其大小为|S|(即协同小区集中的小区个数)，C^NxM表示NxM的复信号空间，而M和N分别表示基站的天线个数和用户天线个数。不失一般性，假定用户的服务小区的索引号是k，而且所有的协同小区具有相同的传输天线数目。

接下来描述CDI反馈计算单元110计算从所有协同小区至用户的所有信道的每小区CDI反馈的具体操作。在本示例中，每小区CDI反馈基于根据码本的矢量量化。码本被表示为V_i＝{V_i，1，V_i，2，…，V_i，L}，其中V_i，l∈C^Mxl表示具有单位模值(unit norm)的码字，可以将对码本内的码字编制索引所需的比特数表示为

其中L是码本内码字的个数。C^Mxl表示Mxl的复信号空间。

首先，CDI反馈计算单元110计算接收矢量W，该接收矢量的一个例子是与服务小区信道相关联的左主奇异向量(1eft dominantsingular vector)：

$H_k\stackrel{\mathrm{SVD}}{=}\left[\begin{array}{ccc}{u}_1& ...& u_N\end{array}\right]\mathrm{\Σ}{\left[\begin{array}{ccc}{v}_1& ...& v_M\end{array}\right]}^H$

其中u_i，i＝1，…，N且v_j，j＝1，…，M分别表示左奇异矢量和右奇异矢量。矩阵∑是具有降序的奇异值的对角矩阵。一般地，假定每用户的数据流个数为一。在这种情况下，接收组合矢量是

W＝u₁

然后，CDI反馈计算单元110计算等效信道h_i，i∈S。考虑到矢量W的接收合并操作，协同小区i∈S和用户之间的等效信道可表示为h_i＝W^HH_i∈C^lxM。

之后，CDI反馈计算单元110根据码本对所有等效信道进行矢量量化。具体说来，CDI反馈计算单元110在该码本内查找与要量化的归一化等效信道最接近的码字：

$\widehat{h_i}=\underset{V_{i,l}\∈V_i}{\arg \min }\left\{d({\tilde{h}}_i^T,V_{i,l})\right\},i\∈S---\left(1\right)$

其中

且

表示归一化等效信道(将要量化的)与码字V_i，l之间的失真度量。例如，最常见的失真度量是欧几里得距离度量表示为：

$d\left({{{\tilde{h}}_i}^T,V}_{i,l}\right)={\left|\right|{{\tilde{h}}_i}^T-\left({V_{i,l}}^H{{\tilde{h}}_i}^T\right)V_{i,l}\left|\right|}^2$

在欧几里得距离测量下，可以推导出等式(1)等同于

${\hat{h}}_i=\underset{V_{i,l}\∈V_i}{\arg \max }\left\{\right|V_{i,l}^H{{\tilde{h}}_i}^T\left|\right\}---\left(2\right)$

最后，CDI反馈计算单元110将计算得到的CDI反馈提供给传输单元12，以通过传输单元12将等效信道量化的索引反馈至其服务小区(即假定的小区k)。

备选地，可以通过使用小区特定的协方差矩阵对码本进行变换，从而提高基于码本的矢量量化的精度，该协方差矩阵表示如下：

l＝1，…，L；i∈S

在上述例子中，可以将等式(2)替换为：

然而，每小区CDI反馈仅包括等效小区的纯粹的方向信息，缺少幅度和/或相位信息。对于多小区协同预编码操作来说，幅度和/或相位信息是不可缺少的。因此，接下来描述相对幅度/相位反馈计算单元120计算反馈幅度和/或相位信息的具体操作。在本发明中，为了节省反馈开销，仅计算非服务协同小区等效信道的相位和幅度相对于服务小区等效信道的相位和幅度的相对值。

相对幅度反馈计算子单元120-1计算等效信道h_i相对于服务小区信道h_k的相对相位信息。具体地：

首先，计算等效信道量化中丢失的相位，即

${\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{angle}\left({{\hat{h}}_i}^H{{\tilde{h}}_i}^T\right),$ i∈S，

其中函数angle()返回输入的复数值的相位，范围是[-π，π)。

其次，计算所有非服务小区相对于服务小区的相位，即

${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_i={\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_k$ mod2π，i∈S\k，

其中集合S\k表示除了服务小区索引k以外的协同小区索引集合。注意，执行mod2π运算的目的是确保角度落入[-π，π)的范围内。

再次，对获得的相对相位执行标量量化，从而获得要反馈的索引

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i=\underset{{\mathrm{\θ}}_p\∈\mathrm{\Θ}}{\arg \min }\left\{\right|{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_i-{\mathrm{\θ}}_p\left|\right\},$ i∈S\k，

其中Θ＝[θ₁ θ₂ … θ_P]表示用于相对相位的标量量化的码本。假定相对相位均匀分布在范围[-π，π)内，则可以把标量量化码本设计为

其中 $\mathrm{\Δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{P}$

相对相位反馈计算子单元120-2计算等效信道h_i相对于服务小区信道h_k的相对幅度信息。具体地：

首先，计算等效信道在投影到其矢量量化版本后的幅度值

$A_i=\left|{\hat{h}}_i^H{h}_i^T\right|=\left|\right|h_i\left|\right|\·\left|{\hat{h}}_i^H{{\tilde{h}}_i}^T\right|,$ i∈S。

其次，计算所有非服务小区相对于服务小区的相对幅度

注意，这里取决于A_i和A_k之间的关系，将相对幅度限制为(0，1]，这有利于后面的标量量化。

再次，对获得的相对幅度执行标量量化，从而获得要反馈的索引

${\hat{A}}_i=\underset{A_q\∈\mathrm{\Λ}}{\arg \min }\{{\tilde{A}}_i,A_q\}$

其中Λ＝[A₁ A₂ … A_Q]表示用于相对幅度的标量量化的码本。注意，应当将表示A_i和A_k之间的关系(例如0表示A_i＜A_k，1表示其他情况)的一个比特连同

的索引一同反馈，从而基站能够清楚地重构不同的等效信道幅度之间的关系。假定相对幅度均匀分布在范围(0，1]内，可以把标量量化码本设计为

最后，相对幅度/相位反馈计算单元120将计算得到的相对幅度反馈和相对相位反馈提供给传输单元12，以通过传输单元12反馈至服务小区(即假定的小区k)。

在实际***中，需要CQI反馈以实现信道相关用户调度和传输格式确定(例如调制和编码方案)。因此，有效的CQI反馈方案对于***操作来说非常重要。在传统***中，CQI反馈仅仅是推荐的调制和编码方案的直接指示。在本申请文件中，这种CQI反馈被称为隐式CQI反馈。隐式CQI反馈在单小区操作中，特别是在单用户MIMO(SU-MIMO)中是一种有效的方案。然而，在多小区传输中，隐式CQI反馈很难或几乎不可能反馈推荐的调制和编码方案自身。相反，在这种情况下，更方便的做法是反馈一个特定值，基站根据该特定值能够计算每一个涉及的用户的最终信道质量。在本申请文件中，这种方法被称为显式CQI反馈。

CQI反馈计算单元11是用于多小区MIMO传输的显式CQI反馈计算单元。CQI反馈计算单元11与上文所述的CSI反馈计算单元10相结合，使得小区间相对幅度反馈在CSI反馈和CQI反馈之间共享。因此，移动终端仅需要反馈与服务小区有关的CQI，如下所示

${\widetilde{\mathrm{\γ}}}_k=\frac{A_k^2}{P_{\mathrm{ni}}}=\frac{\left|\right|h_k\left|\right|\·\left|{\hat{h}}_k^H{\tilde{h}}_k^T\right|}{P_n+\underset{i\∉S}{\mathrm{\Σ}}{P}_i}$

注意，CQI反馈可以基于标量量化，如下

${\widehat{\mathrm{\γ}}}_k=\underset{{\mathrm{\γ}}_g\∈\mathrm{\Γ}}{\arg \min }\left\{d({\widetilde{\mathrm{\γ}}}_k,{\mathrm{\γ}}_g)\right\}$

其中Γ＝[γ₁ γ₂ … γ_G]表示CQI标量量化的码本，

表示失真度量。最后，CQI反馈计算单元11将计算得到的CQI反馈提供给传输单元12，从而通过传输单元12反馈至服务小区(即假定的小区k)。

图2示出了根据本发明一个实施例的基站的框图。在图2中，基站2包括传输单元22、SINR计算单元20、用户调度和传输格式确定单元21，多点协同预编码器计算单元23以及多点协同预编码及发送单元24。在没有反馈非服务小区的CQI的情况下，基站中的SINR计算单元20首先根据服务小区的CQI反馈以及小区间相对幅度反馈而导出与非服务协同小区相对应的CQI值：

之后，基于所获得的与所有协同小区相关联的用户的CQI值，SINR计算单元20能够根据所应用的传输模式来计算期望的检测后信干燥比(SINR)。基于计算得到的后检测SINR，用户调度和传输格式确定单元21执行用户调度和传输格式的确定(例如调制和编码方案的确定)。

多点协同预编码器计算单元23根据所调度用户与服务小区及所有协同小区之间的信道状态信息反馈计算多点协同预编码矩阵。在多点协同预编码器计算中，不同的下行多点协同传输方式需要不同的信道状态信息反馈，具体来说，多点协同的调度/波束赋型传输方式只需要基于码本的每小区的信道方向反馈；多点协同的基于每小区本地预编码的联合传输方式，除了需要基于码本的每小区的信道方向反馈信息外，也需要小区间相对相位信息来增强传输性能；对于多点协同的基于多小区全局预编码的联合传输方式，基于码本的每小区的信道方向反馈信息以及小区间相对相位和幅度信息都是需要的。多点协同预编码器的计算可以根据迫零算法(Zero-Forcing)或块对角化算法(Block-Diagonization)来实现。

之后，多点协同预编码及发送单元24根据多点协同预编码器计算单元23计算的多点协同预编码矩阵对用户数据进行相应的预编码处理，然后进行发送。

图3示出了根据本发明一个实施例的、由移动终端执行的信道信息反馈方法的流程图。该方法在步骤S30开始。在步骤S32，计算基于信道矢量量化(CVQ)的每小区信道方向信息(CDI)反馈。在步骤S34，计算基于标量量化的小区间相对幅度和/或相位反馈。在步骤S36，计算对应于服务小区的CQI反馈。在步骤S38，将计算的信道信息反馈至服务小区。然后，该方法在步骤S40结束。

图4示出了包括根据本发明的移动终端和基站的示例通信***。该通信***包括移动终端MS1和MS2以及基站1和基站2。例如，移动终端MS1和MS2可以是根据图1中所示的本发明的移动终端，而基站1和基站2可以是根据图2中所示的本发明的基站。在图4中，移动终端MS1和MS2分别将其下行链路多点协同CSI和CQI反馈传输至服务小区，并且基站1和基站2基于该反馈信息计算得到检测后SINR，并基于该SINR来执行用户调度和传输格式确定。

尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此，本发明不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。

Claims (9)

1.一种移动终端，包括：

信道状态信息反馈计算单元，用于计算所述移动终端与其服务小区及所有协同小区之间的信道状态信息反馈；

信道质量信息反馈计算单元，用于计算对应于所述移动终端的服务小区的信道质量信息反馈；以及

传输单元，用于将所述信道状态信息反馈和所述信道质量信息反馈传输至所述服务小区，

其中，所述信道状态信息反馈包括基于信道矢量量化的每小区信道方向信息反馈和基于标量量化的小区间相对相位和/或幅度反馈，并且所述信道状态信息反馈计算单元包括：

信道方向信息反馈计算单元，用于计算基于信道矢量量化的每小区信道方向信息反馈；以及

相对幅度/相位反馈计算单元，用于计算基于标量量化的小区间相对相位和/或幅度反馈。

2.如权利要求1所述的移动终端，其中，所述相对幅度/相位反馈计算单元包括以下至少一个：

相对幅度反馈计算子单元，用于计算基于标量量化的小区间相对幅度反馈；以及

相对相位反馈计算子单元，用于计算基于标量量化的小区间相对相位反馈。

3.如权利要求1或2所述的移动终端，其中，所述信道方向信息反馈计算单元通过信道协方差矩阵对用于执行信道矢量量化的码本进行变换。

4.一种基站，包括：

传输单元，用于从移动终端接收移动终端与其服务小区及所有协同小区之间的信道状态信息反馈和对应于所述移动终端的服务小区的信道质量信息反馈，其中，所述信道状态信息反馈包括基于信道矢量量化的每小区信道方向信息反馈和基于标量量化的小区间相对相位和/或幅度反馈；

信号与干扰加噪声比计算单元，基于所述传输单元接收到的信道状态信息反馈和信道质量信息反馈，根据所应用的传输模式来计算期望的检测后信号与干扰加噪声比；

用户调度和传输格式确定单元，基于检测后信号与干扰加噪声比来执行用户调度和传输格式的确定；以及

多点协同预编码器计算单元，根据所调度的移动终端与服务小区及所有协同小区之间的信道状态信息反馈，计算多点协同预编码矩阵；以及

多点协同预编码及发送单元，根据所述多点协同预编码器计算单元计算的多点协同预编码矩阵，对用户数据进行相应的预编码处理并发送。

5.如权利要求4所述的基站，其中，所述传输格式的确定包括调制和编码方案的确定。

6.如权利要求4所述的基站，其中，根据迫零算法或块对角化算法来实现所述多点协同预编码器计算单元执行的计算。

7.一种信道信息反馈方法，包括：

计算移动终端与其服务小区及所有协同小区之间的信道状态信息反馈，其中计算所述信道状态信息反馈包括计算基于信道矢量量化的每小区信道方向信息反馈，以及计算基于标量量化的小区间相对相位和/或幅度反馈；

计算对应于所述移动终端的服务小区的信道质量信息反馈；以及

将所述信道状态信息反馈和所述信道质量信息反馈传输至所述服务小区。

8.如权利要求7所述的信道信息反馈方法，其中，在计算信道方向信息反馈时，通过信道协方差矩阵对用于执行信道矢量量化的码本进行变换。

9.一种通信***，包括根据权利要求1至3中任意一项所述的移动终端和根据权利要求4至6中任意一项所述的基站。

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