CN103684657A - 预编码矩阵构造和索引值反馈方法及相关通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于构造三维多输入多输出(MIMO)预编码矩阵的方法、用于反馈三维MIMO预编码矩阵索引值的方法以及相关的通信设备。所述用于构造三维MIMO预编码矩阵的方法包括：构造具有块对角矩阵形式的第一成分矩阵，所述第一成分矩阵的对角子矩阵是二维天线阵列的三维波束成形子预编码器；构造第二成分矩阵，所述第二成分矩阵包含相位加权因子作为矩阵元素，所述相位加权因子表征对来自二维天线阵列的信号的相干合并；以及根据所构造的第一成分矩阵和第二成分矩阵，构造预编码矩阵。所述用于反馈三维MIMO预编码矩阵索引值的方法，包括：对MIMO信道进行估计；以及根据信道估计结果，选择并反馈第一索引值、第二索引值和第三索引值。

Description

预编码矩阵构造和索引值反馈方法及相关通信设备
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及用于构造三维多输入多输出(MIMO)预编码矩阵的方法、用于反馈三维MIMO预编码矩阵索引值的方法以及相关的通信设备。
背景技术
现代无线移动通信***呈现出两个显著特点，一是宽带高速率，比如***无线移动通信***的带宽可达100MHz，下行速率高达1Gbps；二是移动互联，推动了移动上网、手机视频点播、在线导航等新兴业务。这两个特点对无线移动通信技术提出了较高要求，主要有：超高速率无线传输、区域间干扰抑制、移动中可靠传输信号、分布式/集中式信号处理等等。在未来的增强***(4G)及第五代(5G)无线移动通信***中，为了满足上述发展需求，各种相应的关键技术开始被提出和论证，值得本领域的研究人员广泛关注。
在2007年10月，国际电信联盟(ITU)批准全球微波互联接入***(WiMax，Worldwide Interoperability for Microwave Access)成为第四个3G***标准。这一发生在3G时代末期的事件，实际上是4G标准争夺战的预演。事实上，为了应对以无线局域网和WiMax为代表的无线IP技术流的挑战，从2005年开始，第三代3GPP组织就着手进行全新的***升级，即长期演进***(LTE，Long Term Evolution)的标准化工作。这是一个基于正交频分复用技术(OFDM，Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)的准四代***，已于2009年初推出第一版，并在2010年陆续在全球开始商用。与此同时，3GPP组织关于***无线移动通信***(4G，the Fourth Generation)的标准化制定工作也已经于2008年上半年启动，该***称为先进的长期演进***(LTE-A，LongTerm Evolution Advanced)。该***的物理层过程的关键标准化文书已于2011年初完成。在2011年11月，ITU组织在中国重庆正式宣布，LTE-A***和WiMax***是4G***的两个官方标准。目前，LTE-A***的商用过程正在全球范围逐步展开。
虽然以LTE-A***和WiMax***为代表的***无线移动通信***能够为用户提供较高速率和较好体验的通信服务，但它们仍然不能充分满足未来几年及十几年的用户需求。目前，移动通信***的用户数约为55亿，据估计，到2015年该数字将上升至73亿。其中，智能手机用户数的增长尤为显著。在2011年，世界上的智能手机终端约为4.28亿部，到2015年，该数字将成倍增长至10亿。功能强大的智能手机的普及已经带动无线移动通信速率的快速增长。最近几年，全球范围的无线通信速率以年均2倍的趋势稳步上升。照此趋势，10年之后，无线移动通信***必须比目前的***有超过1000倍的速率提升才能够满足未来用户在通信速率方面的基本需求。当然，所述速率主要是指数据业务(目前占总业务量的九成左右)，如智能手机软件的下载、实时导航、个人资料云端同步与共享等等。而语音业务受制于人口增长相对较慢的客观条件，在未来10年中不会出现大幅增长。
除了1000倍速率增长的挑战之外，另一个挑战来自于移动互联网的兴起。目前，70％的互联网接入已经是由移动终端所发起的。未来10年将是IT行业的崭新机遇期，其主要机会在于，传统的PC互联网已经逐渐被移动互联网所代替。于是，新的用户习惯催生出一系列业务新模式，如面向手持通信设备及触摸屏的软件开发、基于个人定位的社交网络、以个人为中心的资料云管理等等。而移动互联网对于无线移动通信***的影响主要体现在两方面。第一，移动视频数据流量显著增长，预计到2016年，其将占到总数据流量的66％左右。这种实时性等级相对较高的业务，对于无线移动通信***的可靠性提出了较高要求。第二，在未来，大多数移动数据通信将发生在室内和小区热点区域，这对于无线移动通信***的覆盖也提出了挑战。
另外，到2020年，全球将有200亿的机器通信设备，其数据流量比目前将有500％的增长。如何设计***以支持数量庞大的机器通信设备，也是一项需要深入研究的课题。
根据未来十年的挑战，对于增强的***无线移动通信***，大致有以下几点发展需求：
●更高的无线宽带速率，且重点优化局部的小区热点区域
●进一步提高用户体验，特别需要优化小区边界区域的通信服务
●考虑到可用频谱不可能有1000倍的扩展，故需要继续研究能够提高频谱利用效率的新技术
●高频段的频谱(5GHz，甚至更高)必将投入使用，以获得较大的通信带宽
●现有网络(2G/3G/4G，WLAN，WiMax等)的协同工作，以分担数据流量
●针对不同业务、应用和服务特定优化
●加强***支持大规模机器通信的能力
●灵活、智能且廉价的网络规划与布网
●设计方案以节省网络的用电量和用户设备的电池消耗
为了实现上述发展需求，今年6月份，国际第三代伙伴计划(3GPP)组织在斯洛文尼亚召开了一次特别工作会议，讨论增强的***无线移动通信***的关键技术。在该会议上，共发表和讨论了42份提案，最终入围的关键技术主要有3项，分别为：增强型小小区技术、三维MIMO技术、和增强的多点协作通信技术。
其中，三维MIMO技术是一项提高频谱利用效率的新方法。传统的发射天线和接收天线，一般采用水平线性阵列的摆放方式，故其只能分辨水平角，从而产生水平方向的波束，进行多用户MIMO的操作。考虑到未来的通信***在高楼林立的城市密集区域的广泛应用，故可以采用网格面阵列方式，布置发射天线和接收天线，从而同时产生水平与垂直方向的波束，使楼宇里面位于不同楼层的用户能够同时与基站通信。三维MIMO技术主要有两项研究课题。一方面是三维信道的建模，需要研究理论模型，并与实际测试的结果进行拟合，这是研究三维MIMO技术的关键预备步骤。目前已有的信道建模的相关研究，主要针对二维信道，即只有水平方向，这主要是出于简化理论与支持传统二维MIMO技术的考虑。另一方面是三维波束成形，需要研究导频信号的设计、三维预编码的码本、低开销的信道状态信息的反馈、三维多用户MIMO发射方案等等。在前述的信道建模的步骤中，因为三维信道是客观存在的现实，故不需要考虑网格面阵列天线。然而，在三维波束成形的研究中，需要充分考察网格面阵列天线所生成的信道矩阵的关键特征，从而进行针对性的设计。
本申请重点关注于上述三维MIMO技术，特别关注于以下两方面问题：(1)如何针对预编码矩阵W设计有效的三维预编码码本；以及(2)如何实现低开销的信道状态信息的反馈。
针对问题(1)，参考文献1(Vincent Lau，Youjian Liu，and Tai-AnnChen，On the Design of MIMO Block-Fading Channels withFeedback-Link Capacity Constraint，IEEE Transactions onCommunications，vol.52，no.1，pp.62-70，Jan.2004)提出了基于LIoyd算法(又称Voronoi迭代或松弛)来找出最优码本的理论方案。虽然参考文献1所提出的方法能够在数学上给出最优的码本设计，但以下原因导致该方法在实际***中并未得到采用：
●LIoyd算法给出的码本不具有期望的属性(如，嵌套结构、单位规范权重等)，实际***实现复杂度高；
●对LIoyd算法的设计细节难以达成一致意见；
●通过LIoyd算法找出的最优码本所需的反馈开销可能较大。
考虑到以上因素，参考文献2(3GPP TS 36.211 V10.1.0(2011-03))在第6.3.4.2.3节中规定：针对如图1所示的一维交叉极化线性天线阵列，采用次优的码本设计。作为示例，以下表1和表2分别列出了MIMO信道秩为1和秩为2时使用的预编码码本。其中，i1和i2分别是双码字W1和W2的索引号。
表1
Figure BDA00002091015700041
表2
Figure BDA00002091015700052
其中，以单个离散傅里叶变换(DFT)矢量来表征极化分量方向相同的每组天线的波束成形方向，并且使用相位加权因子矢量来表征如何对来自极化分量方向不同的两组天线的信号进行相干合并。所述相位加权因子和DFT矢量的具体公式如下：
        (相位加权因子)
vm＝[1 ej2πm/32 ej4πm/32 ej6πm/32]T(DFT矢量)
由上可见，参考文献2实际上针对一维天线阵列的情形，提出了采用与双码字W1和W2相对应的双预编码器(即，DFT矢量表示的预编码器和相位加权因子矢量表示的预编码器)来构造预编码矩阵的方法。由于一维天线阵列仅能分辨方向角而不能分辨仰角，少考虑了一个空间维度，参考文献2中的方案仅适用于可以被建模为二维信道模型的特定传播环境，而不适用于标准地被建模为三维信道模型的一般传播环境。对于如图2所示的既利用方向角又利用仰角的二维天线阵列，这意味着：参考文献2中的方案仅适用于小区半径极大以致于大部分用户具有极小的可以近似忽略的仰角这一特殊情形。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种针对二维天线阵列的、对三维传播环境普遍适用的构造MIMO预编码矩阵的方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于构造三维MIMO预编码矩阵的方法，包括：构造具有块对角矩阵形式的第一成分矩阵，所述第一成分矩阵的对角子矩阵表征对二维天线阵列的三维波束成形；构造第二成分矩阵，所述第二成分矩阵包含相位加权因子作为矩阵元素，所述相位加权因子表征对来自二维天线阵列的信号的相干合并；以及根据所构造的第一成分矩阵和第二成分矩阵，构造三维MIMO预编码矩阵。
优选地，所述第一成分矩阵的对角子矩阵是第一DFT矢量和第二DFT矢量的克罗内克积。
优选地，所述第一DFT矢量和所述第二DFT矢量分别应用于所述二维天线阵列的水平和垂直天线阵列。
优选地，所述第一DFT矢量的集合、所述第二DFT矢量的集合以及所述第二成分矩阵的集合限定了三维MIMO预编码码本。
相应地，根据本发明的第二方面，提供了一种用于反馈三维MIMO预编码矩阵索引值的方法，包括：对MIMO信道进行估计；以及根据信道估计结果，选择并反馈第一索引值、第二索引值和第三索引值，使得能够根据上述方法构造三维MIMO预编码码本中的预编码矩阵，其中，所述第一索引值指示第一DFT矢量集合中的第一DFT矢量，所述第二索引值指示第二DFT矢量集合中的第二DFT矢量，所述第三DFT矢量指示第二成分矩阵集合中的第二成分矩阵。
根据本发明的第三方面，提供了一种通信设备，适于构造三维MIMO预编码矩阵，所述通信设备包括：第一成分矩阵构造单元，用于构造具有块对角矩阵形式的第一成分矩阵，所述第一成分矩阵的对角子矩阵表征对二维天线阵列的三维波束成形；第二成分矩阵构造单元，用于构造第二成分矩阵，所述第二成分矩阵包含相位加权因子作为矩阵元素，所述相位加权因子表征对来自二维天线阵列的信号的相干合并；以及预编码矩阵构造单元，用于根据所构造的第一成分矩阵和第二成分矩阵，构造三维MIMO预编码矩阵。
优选地，所述通信设备是发射点和/或用户设备，所述发射点可以是基站。
根据本发明的第四方面，提供了一种通信设备，适于反馈三维MIMO预编码矩阵索引值，所述通信设备包括：信道估计单元，用于对MIMO信道进行估计；以及反馈单元，用于根据信道估计结果，选择并反馈第一索引值、第二索引值和第三索引值，使得根据权利要求9所述的通信设备能够构造三维MIMO预编码码本中的预编码矩阵，其中，所述第一索引值指示第一DFT矢量集合中的第一DFT矢量，所述第二索引值指示第二DFT矢量集合中的第二DFT矢量，所述第三DFT矢量指示第二成分矩阵集合中的第二成分矩阵。
优选地，所述通信设备是用户设备。
利用本发明的技术方案，还可以获得至少以下有益效果：
●预编码矩阵由两个成分矩阵构造而成，实现复杂度低；
●成分矩阵易于构造；
●信令开销小，仅需反馈3个索引值即可构造预编码矩阵。
附图说明
通过下面结合附图说明本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚，其中：
图1是仅能分辨方向角而不能分辨仰角的一维交叉极化线性天线阵列的示意图；
图2是既能分辨方向角又能分辨仰角的二维交叉极化线性天线阵列的示意图；
图3是示出了根据本发明的用于构造三维MIMO预编码矩阵的方法；
图4是示出了根据图3所示的方法构造的第一成分矩阵的示例矩阵的示意图；
图5是示出了根据本发明的用于反馈三维MIMO预编码矩阵索引值的方法；
图6是示出了根据本发明的适于构造三维MIMO预编码矩阵的通信设备的示意结构框图；以及
图7是示出了根据本发明的适于反馈三维MIMO预编码矩阵索引值的通信设备的示意结构框图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。
为了清楚详细地阐述本发明的实现步骤，下面给出一些本发明的具体实施例，适用于LTE-Release 12的蜂窝通信***。需要说明的是，本发明不限于实施例中所描述的应用，而是可适用于其他通信***，比如LTE-Release 12之后的LTE***。相应地，本文提到的技术术语名称也可能随版本的变更而发生改变。此外，在以下描述中，基于图2所示的二维交叉极化线性天线阵列的配置，对本发明的原理及其具体示例进行了详细描述。然而，所属领域技术人员将理解，下述示例中给出的依赖于天线阵列具体配置(如，天线数目、阵列形状、极化方式，等)的示例仅仅是说明性而非限制性的。例如，所属领域技术人员易于想到以下所列公式的多种等效变型，并易于根据本发明的教导想到如何将本发明应用于由更多天线构成的天线阵列，采用主极化方式的天线阵列，或圆形天线阵列。
首先，参照图3描述根据本发明的用于构造三维MIMO预编码矩阵的方法。如图所示，方法起始于步骤S310。在该步骤中，构造具有块对角矩阵形式的第一成分矩阵W1，3D，所述第一成分矩阵的对角子矩阵用以表征对二维天线阵列的三维波束成形。
以秩为1的情况为例，第一成分矩阵W1，3D可以具有图4所示的形式，其中，对角子矩阵f3D，red和f3D，blue分别对应于天线阵列的不同的极化分量方向。为了表征三维波束成形，可以将f3D表示为两个离散傅里叶变换(DFT)矢量的克罗内克积
Figure BDA00002091015700081
根据克罗内克积的数学定义，假设A是大小为m*n的矩阵，B是大小为p*q的矩阵，两者的克罗内克积是大小为mp*nq的块矩阵，计算公式为
更具体地，
Figure BDA00002091015700092
对于图2所示的线性天线阵列，第一DFT矢量和第二DFT矢量特别适于分别应用于二维天线阵列的水平和垂直天线阵列，并且相应地记为f1，H和f1，V。在该情况下，f3D具有以下数学形式
f 3 D = f 1 , H ⊗ f 1 , V .
以上示例易于推广至秩大于1的情形。以秩为2的情况为例，第一成分矩阵W1，3D可表示为
Figure BDA00002091015700094
其中，
Figure BDA00002091015700095
i表示MIMO信号传输的流数，即秩。
接着，方法前进至步骤S320。在该步骤中，构造第二成分矩阵W2，所述第二成分矩阵包含相位加权因子作为矩阵元素。与参考文献2中的方案一致，所述相位加权因子表征对来自二维天线阵列的信号的相干合并。
最后，方法前进至步骤S330。在该步骤中，利用在步骤S310中构造的第一成分矩阵和在步骤S320中构造的第二成分矩阵，构造三维MIMO预编码矩阵。
根据上述方法，给定第一DFT矢量的集合、第二DFT矢量的集合以及第二成分矩阵的集合，可以得到完整的三维MIMO预编码码本。对于图2所示的线性天线阵列，在信道秩为1的情况下，可以得到以下表3所示的码本：
表3
Figure BDA00002091015700101
其中，
φn＝ejπn/2
v m , k = 1 e j 2 πm / 32 e j 4 πm / 32 e j 6 πm / 32 T ⊗ 1 e j 2 πk / 32 e j 4 πk / 32 e j 6 πk / 32 T .
在信道秩为2的情况下，可以得到以下表4所示的码本：
表4
Figure BDA00002091015700103
其中，
φn＝ejπn/2
v m , k = 1 e j 2 πm / 32 e j 4 πm / 32 e j 6 πm / 32 T ⊗ 1 e j 2 πk / 32 e j 4 πk / 32 e j 6 πk / 32 T .
由以上码本示例可见，根据本发明的用于构造三维MIMO预编码矩阵的方法仅需3个索引值i1、i1’和i2即可构造预编码矩阵。反馈索引值所需的信令开销较小。
相应地，图5示出了根据本发明的用于反馈三维MIMO预编码矩阵索引值的方法。如图所示，该方法起始于步骤S510。在该步骤中，对MIMO信道进行估计。接着，执行步骤S520，根据步骤S510中的信道估计结果，选择并反馈第一索引值、第二索引值和第三索引值，使得能够根据本发明提出的方法构造三维MIMO预编码矩阵，其中，所述第一索引值指示第一DFT矢量集合中的第一DFT矢量，所述第二索引值指示第二DFT矢量集合中的第二DFT矢量，所述第三DFT矢量指示第二成分矩阵集合中的第二成分矩阵。
(本发明的硬件实现)
为了以硬件方式实现上述方法，本发明提供了一种通信设备600，适于构造三维MIMO预编码矩阵。图6示出了该通信设备600的示意结构框图。如图所示，通信设备600包括：第一成分矩阵构造单元610，用于构造具有块对角矩阵形式的第一成分矩阵，所述第一成分矩阵的对角子矩阵表征对二维天线阵列的三维波束成形；第二成分矩阵构造单元620，用于构造第二成分矩阵，所述第二成分矩阵包含相位加权因子作为矩阵元素，所述相位加权因子表征对来自二维天线阵列的信号的相干合并；以及预编码矩阵构造单元630，用于根据所构造的第一成分矩阵和第二成分矩阵，构造三维MIMO预编码矩阵。所述通信设备可以是发射点和/或用户设备。每个发射点由一个或多个基站的全部或部分发射端口构成。在特定情况下，一个发射点对应于一个基站。
相应地，本发明还提供了一种通信设备700，适于反馈三维MIMO预编码矩阵索引值。图7示出了该通信设备700的示意结构框图。如图所示，通信设备700包括：信道估计单元710，用于对MIMO信道进行估计；以及反馈单元720，用于根据信道估计结果，选择并反馈第一索引值、第二索引值和第三索引值，使得根据权利要求9所述的通信设备能够构造三维MIMO预编码码本中的预编码矩阵，其中，所述第一索引值指示第一DFT矢量集合中的第一DFT矢量，所述第二索引值指示第二DFT矢量集合中的第二DFT矢量，所述第三DFT矢量指示第二成分矩阵集合中的第二成分矩阵。所述通信设备可以是用户设备。
应当注意的是，在以上的描述中，仅以示例的方式，示出了本发明的技术方案，但并不意味着本发明局限于上述步骤和单元结构。在可能的情形下，可以根据需要对步骤和单元结构进行调整和取舍。因此，某些步骤和单元并非实施本发明的总体发明思想所必需的元素。因此，本发明所必需的技术特征仅受限于能够实现本发明的总体发明思想的最低要求，而不受以上具体实例的限制。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (13)

1.一种用于构造三维多输入多输出MIMO预编码矩阵的方法，包括：
构造具有块对角矩阵形式的第一成分矩阵，所述第一成分矩阵的对角子矩阵表征对二维天线阵列的三维波束成形；
构造第二成分矩阵，所述第二成分矩阵包含相位加权因子作为矩阵元素，所述相位加权因子表征对来自二维天线阵列的信号的相干合并；以及
根据所构造的第一成分矩阵和第二成分矩阵，构造三维MIMO预编码矩阵。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一成分矩阵的对角子矩阵是第一离散傅里叶变换DFT矢量和第二DFT矢量的克罗内克积。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一DFT矢量和所述第二DFT矢量分别应用于所述二维天线阵列的水平和垂直天线阵列。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述第一DFT矢量的集合、所述第二DFT矢量的集合以及所述第二成分矩阵的集合限定了三维MIMO预编码码本。
5.一种用于反馈三维MIMO预编码矩阵索引值的方法，包括：
对MIMO信道进行估计；以及
根据信道估计结果，选择并反馈第一索引值、第二索引值和第三索引值，使得能够根据权利要求4所述的方法构造三维MIMO预编码码本中的预编码矩阵，其中，所述第一索引值指示第一DFT矢量集合中的第一DFT矢量，所述第二索引值指示第二DFT矢量集合中的第二DFT矢量，所述第三DFT矢量指示第二成分矩阵集合中的第二成分矩阵。
6.一种通信设备，适于构造三维MIMO预编码矩阵，所述通信设备包括：
第一成分矩阵构造单元，用于构造具有块对角矩阵形式的第一成分矩阵，所述第一成分矩阵的对角子矩阵表征对二维天线阵列的三维波束成形；
第二成分矩阵构造单元，用于构造第二成分矩阵，所述第二成分矩阵包含相位加权因子作为矩阵元素，所述相位加权因子表征对来自二维天线阵列的信号的相干合并；以及
预编码矩阵构造单元，用于根据所构造的第一成分矩阵和第二成分矩阵，构造三维MIMO预编码矩阵。
7.根据权利要求6所述的通信设备，其中，所述第一成分矩阵的对角子矩阵是第一DFT矢量和第二DFT矢量的克罗内克积。
8.根据权利要求7所述的通信设备，其中，所述第一DFT矢量和所述第二DFT矢量分别应用于所述二维天线阵列的水平和垂直天线阵列。
9.根据权利要求7或8所述的通信设备，其中，所述第一DFT矢量的集合、所述第二DFT矢量的集合以及所述第二成分矩阵的集合限定了三维MIMO预编码码本。
10.根据权利要求6所述的通信设备，其中，所述通信设备是发射点和/或用户设备。
11.根据权利要求10所述的通信设备，其中，所述发射点是基站。
12.一种通信设备，适于反馈三维MIMO预编码矩阵索引值，所述通信设备包括：
信道估计单元，用于对MIMO信道进行估计；以及
反馈单元，用于根据信道估计结果，选择并反馈第一索引值、第二索引值和第三索引值，使得根据权利要求9所述的通信设备能够构造三维MIMO预编码码本中的预编码矩阵，其中，所述第一索引值指示第一DFT矢量集合中的第一DFT矢量，所述第二索引值指示第二DFT矢量集合中的第二DFT矢量，所述第三DFT矢量指示第二成分矩阵集合中的第二成分矩阵。
13.根据权利要求12所述的通信设备，其中，所述通信设备是用户设备。
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