CN103493393B

CN103493393B - 用于多输入多输出（mimo）的空间信道状态信息反馈的方法和***

Info

Publication number: CN103493393B
Application number: CN201280018046.5A
Authority: CN
Inventors: 袁弋非; 霍大卫
Original assignee: ZTE Corp; ZTE USA Inc
Current assignee: ZTE Corp; ZTE USA Inc
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2018-02-09
Anticipated expiration: 2032-04-18
Also published as: EP2700177A4; WO2012145342A2; KR20140023371A; US20140056167A1; CN103493393A8; CN103493393A; KR101580380B1; JP5865485B2; JP2014515907A; WO2012145342A3; EP2700177A2

Abstract

用于连接用户设备的接收天线和多个发射天线的整个空间信道的空间CSI的反馈的方法和***。连接用户设备和小区的发射机和接收机处的空间判别信息被作为反馈来提供。利用用户设备提供发射机和接收机侧的每个子信道的空间判别信息作为反馈，可以确定发射天线多个部分上的合成空间CSI。用户设备可能具有一个或多个接收天线，并且所述空间判别信息可以是子带的短期信息。在一些实施方式中，接收机侧的空间判别信息是根据实际的空间信道并同时考虑接收机的实现推导出的。通过使用MIMO预编码的码本，发射机和接收机的空间判别信息可以作为反馈提供。

Description

用于多输入多输出（MIMO）的空间信道状态信息反馈的方法和 ***

背景

1.发明领域

本发明的领域涉及提供用于MIMO技术的下行通信的空间信道状态信息（CSI），特别是当发射天线的数目是四个或更多时的空间信道状态信息（CSI）。具体地，本发明的领域涉及使用多个成员CSI的空间CSI反馈，其中的每个成员CSI用适当的码本中的码字表示。

2.发明背景

依赖于发射机、接收机、或发射机和接收机处的多个天线，MIMO技术可以显著提高数据吞吐量和传输可靠性。数据吞吐量可以在链路级、在***级、或在链路级和***级提高。空间复用和波束成形已经被用来提高频谱效率和数据吞吐量。因为多个数据流通过并行信道被同时传送给同一用户，所以空间复用直接提高了链路级吞吐量和峰值速率。对于发射天线和接收电线，当天线之间的空间相关性低时，空间复用是最有用的。波束成形或预编码提高了信道的信干噪比（SINR），并且从而提高了信道速率。预编码是指在多个发射天线上运用适当的权重。权重的计算基于来自信道的互易性或反馈的空间CSI。

当发射天线的数目大于接收天线的数目时，发射器处的多余的空间维度允许更有效地执行预编码。例如，在信道互易性通常不能保持的频分复用（FDD）***中，预编码需要空间CSI反馈。出于开销的考虑，CSI反馈不能使用太多的比特。通常，随着比特数目的增加，量化误差会降低。因此，通常使用码本来量化空间CSI。有效的码本设计能导致有效的量化，同时减少所用的比特数。

预编码MIMO可以在两种情形中起作用：单用户MIMO（SU-MIMO）和多用户MIMO（MU-MIMO）。在SU-MIMO中，空间复用流被发送给一个用户，并且预编码主要用来提高接收机的SINR。在MU-MIMO中，多个用户的数据流在相同的时频资源上共享同一组发射天线。通过适当的预编码和接收机处理可以获得数据解耦。然而，空间CSI反馈中的量化误差对SU-MIMO和MU-MIMO性能的影响十分不同。对于SU-MIMO，当预编码不能完美地匹配MIMO信道的空间特性时，有限的码本分辨率引起一定的SINR损失。这种SINR损失在不同的信噪比（SNR）工作点，在低信噪比或高信噪比区域是几乎一致的。换句话说，因为解耦同一个用户的多个流完全在接收机完成，这与发射机的预编码无关，所以在空间复用时没有损失。然而，如从图1看到的，并在中兴公司于2009年10月在日本宫崎县召开的3GPPRAN1#58第二次会议上的提案号为R1-093818的名称为“Performance sensitivity to feedback types”的提案中描述的，对于MU-MIMO，量化误差直接引起了交叉用户干扰的提高，所述交叉用户干扰随着SNR的提高迅速饱和MIMO的信道速率。

当发射机天线是相关的（例如，波束成形天线），因为MIMO信道特性退化为线性相位旋转，所以码本设计问题能被显著减少。然而，如果受限于CSI反馈可以承受的比特数目，不相关信道的码本设计通常是困难的。不相关天线的一种典型结构是大间距交叉极化。在散射环境中，两组之间的间隔（通常>4倍波长）保证了它们之间的低相关性。正交极化（+45/-45度）导致每个极化方向上的相当独立的衰落。

N.Jindal在2006年11月的IEEE Transaction on Information Theory的第52卷，第11期，第5045-5060页发表的文章“MIMO broadcast channels with finite-ratefeedback”证明了，为了获得MU-MIMO的全部复用增益，每个用户的CSI量化需要的比特数应该随着以dB为单位的工作SNR线性增加，表示如下：

其中M是发射天线数。

在4G无线***中，移动终端被假定为具有两个接收天线，这意味着为了有效预编码，M应该等于或大于四。即使M=4，当SNR的工作点向更高移动1dB时，所需的比特数目也需要被提高1dB。如果在低SNR（即<3dB）时B=2比特，那么在高SNR（即>16dB）时B可能超过15比特。如此大的码本（2¹⁵=32768）的设计和储存是具有挑战性的，并且码字的搜索会需要大量的基带处理。这种和其他的情况呈现的问题和障碍由本发明的方法和***所克服。

发明概述

本发明针对提供用于使用多个成员CSI的MIMO技术的下行通信的空间CSI的无线通信方法和***。

在该方法中，多个发射天线被分割为对应于子信道的子集。每个子信道的空间CSI被测量并被分解成每个子信道的成员CSI，一成员CSI表征发射天线的相应子集上的空间判别信息，并且一成员CSI表征相应接收机的空间判别信息。每个子信道的成员CSI随后被用作反馈。可选择地，每个子信道的成员CSI可以用码本来量化，同时每个子信道的量化的成员CSI被用作反馈。每个UE将接收机和发射天线的多个部分的空间判别信息提供为反馈，并且发射机根据这些信息合成整个发射天线的合成空间CSI。

在该***中，用户设备和多个发射天线的部分建立具有每个子信道的空间CSI的空间子信道连接。***中包括了用于将每个子信道的空间CSI分解成每个子信道的成员CSI的装置，其中一个成员CSI表征发射机的空间判别信息，并且另一个成员CSI表征接收机的空间判别信息。最后，***包括用于每个子信道的成员CSI的反馈的装置。可选择地，可能包括使用码本来量化每个子信道的成员CSI的装置，所述装置随后将量化的成员CSI作为反馈提供。另外，可能包括用于确定对应多个天线的合成空间CSI的装置。

本改进的其他的方面和优点将从优选实施方式的描述中体现。

附图简述

本发明的实施方式通过附图的方式进行了说明。

图1示出了预编码MIMO的性能对CSI反馈的灵敏度。

图2示出了下行MIMO的空间CSI反馈的例子的框图。

图3示出了发射天线分割的例子。

发明详述

下面描述的***和方法提供了准确反馈不相关的MIMO信道的空间CSI的有效办法，特别是当发射天线的数目等于或大于四时。

MIMO的每个子信道的空间判别信息被提供为多天线发射机和多天线接收机的，连接UE和发射天线的一部分的反馈。通过每个小区-UE连接的UE发射机（在多个部分）和接收机侧的空间判别信息，发射机能确定全部发送点的发射天线上的合成空间CSI。这种技术适用于带有单个或多个接收天线的移动终端。空间判别信息主要是子带的短期信息。

接收机侧的用于发射天线的每个部分的空间判别信息可以直接从空间信道（显式反馈，例如，奇异值分解）获得，或通过考虑接收机实现（隐式反馈）来得到。隐式反馈假定一定的接收机处理，并且通常采取预编码矩阵指示（PMI）或其增强版本的形式。显式反馈尝试“客观地”捕捉空间信道特性而没有考虑接收机处理。空间信道从信道状态信息参考信道（CSI-RS）测量。CSI-RS由高层配置。

在发射天线的每个部分和接收天线的空间判别信息被提供为使用码本的反馈。可以重用早期LTE版本，例如，版本8/9/10中的码本。比如空间信道的特征值的SNR的相关信息也能利用版本8/9/10的CQI或其增强形式作为反馈提供。

图2的框图示出了本发明的反馈设置的例子。框图中有两个主要部件：eNB和UE。需要了解的是，eNB的发射天线可以驻留在不同的地理位置并具有不同的极化方式。

发射天线被分割成多个子集。图3示出了宽距交叉极化天线（总共四个元件）如何被分割成两个子集的例子，所述两个子集是：包括两个相隔很远的＋45度极化天线的元件1和2，同时包括两个相隔很远的-45度极化天线的元件3和4。假定移动终端具有两个接收天线，4乘2的MIMO信道被如下分割：

其中H₁和H₂分别表示对应+45度和-45度极化天线的两个子信道。公式（2）中的从1到4的“h”的第一下标是发射天线的索引，而公式（2）中的从1到2的“h”的第二下标是接收天线的索引。

每个部分，“H₁”或“H₂”，通过CSI-RS的方式测量。对于每个子信道（“H₁”或“H₂”），CSI的分解通过分离发射机侧和接收机侧的空间判别来完成，每个都通过码本进行量化。也就是，对每个子信道，存在一个发射机侧的空间判别码本索引，以及另一个接收机侧的空间判别码本索引。

CSI分解可以根据如下的奇异值分解（SVD）来描述：

矩阵V₁和V₂表示发射机侧的空间判别，而U₁和U₂表示接收机侧的空间判别。SVD帮助消除很小的特征值，从而相比于将空间信道矩阵直接作为反馈提供减少了信令开销。

虽然SVD是捕获空间CSI的有效方法，这种“显式的”反馈未考虑可能不同于信息论将预测的最佳接收机的接收机实现。实质上，SVD假设：

1.对发射机的空间CSI的全面了解，以使能执行预编码来最大化信号功率并最小化交叉信道/用户干扰；

2.接收机的具有理想解调和信道编码的联合译码器，以使MIMO信道速率能被重写为空间信道的每个特征值的速率的总和。

接收机的空间判别特性可以通过简单地在“H₁”或“H₂”上执行SVD；或可选择地，通过本领域技术人员所了解的其他方法和方式来确定。例如，对于单个码字最小均方误差（MMSE）的线性接收机，空间鉴别器，例如，2乘2矩阵的MMSE空间滤波器，采用了与“U”矩阵不同的形式。

虽然已经示出和描述了所述方法和***的实施方式，但是本领域的技术人员需要了解的是可能存在不背离这里的发明概念的许多修改。因此，本发明，不被下面的权利要求的精神之外的东西限制。

Claims

1.一种用于一个或多个空间信道的空间CSI的反馈方法，所述空间信道连接UE和一个或多个小区，所述方法包括：

把发射机的多根发射天线分割成多个子集，每个子集对应一个子信道；

测量每个子信道的空间CSI；

分解每个子信道的空间CSI，每个子信道产生至少两个成员CSI，每个子信道的第一成员CSI表征所述发射机的空间判别信息，并且每个子信道的第二成员CSI表征接收机的空间判别信息；以及

将所述每个子信道的成员CSI作为反馈提供；

其中，所述分解为奇异值分解SVD，并且所述分解通过分离发射机侧和接收机侧的空间判别来完成。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述每个子信道的成员CSI被表示成矢量或矩阵。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述分解包括矩阵乘法。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：

使用至少一个码本量化所述每个子信道的至少两个成员CSI；以及

将所述每个子信道的经量化的成员CSI作为所述反馈提供。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：

推导每个子信道的空间CSI的同时考虑相应的接收机实现。

6.如权利要求1所述的方法，其中将所述每个子信道的成员CSI作为反馈提供包括使用MIMO预编码的一个或多个码本。

7.如权利要求1所述的方法，还包括通过使用所述每个子信道的成员CSI来确定合成的空间CSI。

8.一种用于连接UE和多根发射天线的空间信道的空间信道状态信息的反馈***，所述***包括：

一个或多个UE，以及发射机的多根发射天线中的一根或多根，所述发射机被配置成建立所述一个或多个UE和所述多根发射天线中的一根或多根之间的一个或多个空间子信道连接，其中每个子信道的空间CSI均与相应的所述空间子信道连接相对应；

用来将所述每个子信道的空间CSI分解成每个子信道的至少两个成员CSI的装置，其中第一成员CSI表征所述发射机的空间判别信息，并且第二成员CSI表征接收机的空间判别信息；以及

用来将所述每个子信道的至少两个成员CSI作为反馈提供的装置；

9.如权利要求8所述的***还包括用来确定对应所述多根发射天线的合成的空间CSI的装置。

10.如权利要求8所述的***还包括将所述每个子信道的成员CSI表示成矢量或矩阵的装置。

11.如权利要求8所述的***，其中用于分解的装置被配置成用于矩阵乘法。

12.如权利要求8所述的***，还包括：

使用至少一个码本来量化所述每个子信道的至少两个成员CSI的装置；以及

将所述每个子信道的经量化的成员CSI作为所述反馈提供的装置。

13.如权利要求8所述的***，还包括用于推导所述每个子信道的空间CSI并同时考虑接收机实现的装置。

14.如权利要求8所述的***，其中所述用于将所述每个子信道的经量化的成员CSI作为反馈提供的装置被配置成使用MIMO预编码的一个或多个码本。