CN107666339A - 一种发送信道状态信息的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种在无线通信***的基站中用于分配频率资源的方法和设备，一种在无线通信网络的用户设备中发送信道状态信息的方法，其中，所述用户设备向其服务基站发送所述信道状态信息，所述服务基站包括M个天线，M大于等于1，所述方法包括：所述用户设备接收所述服务基站发送的训练序列；所述用户设备根据接收到的所述训练序列获得与所述M个天线对应的M维信道矢量；所述用户设备向所述服务基站发送所述信道矢量。

Description

一种发送信道状态信息的方法和设备
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及信道状态信息的发送。
背景技术
在目前的FDD无线通信领域中，信道状态信息(channel state information简称CSI)是基站(eNB)进行下行数据传输时所需的重要信息，目前的CSI是反馈方法是由用户设备(User Equipment简称UE)接收训练序列(training sequence)后得到相应的信道状态，然后通过从一个预定义的码本(codebook)中选择合适的码字(codeword)表示该信道状态，反馈给eNB。这一目前使用的方法称之为数字化CSI反馈。
显而易见，数字化的CSI反馈具有信令开销小，反馈功率均一等优点，因而被应用于现今的LTE/LTE-A***中。
然而，当考虑到LTE/LTE-A***向5G***的进化，特别是考虑到5G***将引入大规模多天线阵列(64/128天线甚至更大的天线数目)从而提供空分增益的情况，例如采用多用户-多入多出(MU-MIMO)技术可以获得巨大的空分增益。而在大规模多天线***中，上述数字化的CSI反馈方法就变的不再适用。
首先，随着天线数量的显著增加，codebook/codeword的设计变的非常复杂；相应的，随着codebook的增大，UE如何从中选择合适的codeword的工作也变的复杂，开销也随之提高。其次，codebook的有效性取决于信道的特性，例如信道相关性，而当eNB处引入了等效信道例如进行了波束成型(beamforming)的情况下，将难以设计出合适的codebook。第三，数字化的CSI反馈方法具有其精度极限，当信噪比(SNR)上升到一定程度时，会出现误码平台(error floor)，制约性能的提升。最后，由于需要进行相应的编/解码操作，在上行信道资源有限的情况下(例如现有的LTE***的物理上行控制信道Physical Uplink controlchannel简称PUCCH)，编/解码操作的效率会影响到数字化的CSI反馈的精度。
因此需要一种新的CSI反馈的方法，可以适用于天线数量众多的无线通信***，例如MU-MIMO***。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种新的CSI反馈的方法，通过直接反馈信道系数而不进行量化及编码处理，实现模拟CSI反馈，从而可以适用于多天线阵列的无线通信***。
具体地，根据本发明的第一方面，提出了一种在无线通信网络的用户设备中发送信道状态信息的方法，其中，所述用户设备向其服务基站发送所述信道状态信息，所述服务基站包括M个天线，M大于等于1，所述方法包括：所述用户设备接收所述服务基站发送的训练序列；所述用户设备根据接收到的所述训练序列获得与所述M个天线对应的M维信道矢量；所述用户设备向所述服务基站发送所述信道矢量。
优选地，所述获得步骤还包括：以到达角的相位和归一化衰落系数的组合来表达所述信道矢量。
更优选地，所述天线为单极化天线，所述获得步骤还包括：以J个到达角的相位和J-1个归一化衰落系数的组合来表达所述信道矢量，其中，J小于等于M。
更优选地，所述单极化天线为两维天线矩阵，所述获得步骤还包括：以J个高度角的相位、J个方位角的相位和J-1个归一化衰落系数的组合来表达所述信道矢量，其中，J小于等于M。
更优选地，所述双极化天线为两维天线矩阵，所述获得步骤还包括：以J个高度角的相位、J个方位角的相位和2J-1个归一化衰落系数的组合来表达所述信道矢量，其中，J小于等于M。
更优选地，所述发送步骤还包括：只发送所述衰落系数中大于预定门限的衰落系数。
更优选地，所述获得步骤还包括：以第一M维矢量和第二M维矢量的点积表示所述信道矢量，其中，所述第一M维矢量表示与功率相关的部分，所述第二M维矢量表示与相位相关的部分；所述发送步骤进一步包括：分别发送所述第一M维矢量和所述第二M维矢量。
更优选地，所述发送步骤进一步包括：使用第一函数对所述第一M维矢量进行相位调制后再进行发送，其中，所述第一函数对所述第一M维矢量中的每个元素作为输入的输出结果是一一对应的。
更优选地，所述发送步骤进一步包括：当满足特定条件时，不发送所述第一M维矢量。
更优选地，所述特定条件包括：所述用户设备接收到所述服务基站发送的不发送所述第一M维矢量的指示。
更优选地，所述特定条件包括：所述用户设备确定所述第一M维矢量中的功率变动小于预定门限。
优选地，所述发送步骤还包括：对所述信道矢量进行资源重映射得到待发送的信道矢量，使得所述待发送的信道矢量的长度等于所述无线通信网络的物理上行控制信道的子载波数；以及将所述待发送的信道矢量的每个元素分别对应到所述物理上行控制信道的一个子载波上进行发送。
更优选地，所述发送步骤还包括：将所述待发送的信道矢量乘以第一正交序列，使得所述待发送的信道矢量的每个元素散布到所述物理上行控制信道时域的不同位置，其中，所述第一正交序列与所述服务基站的其他用户设备使用的正交序列分别正交。
根据本发明的第二方面，提出了一种在无线通信网络的用户设备中发送信道状态信息的设备，其中，所述用户设备向其服务基站发送所述信道状态信息，所述服务基站包括M个天线，M大于等于1，所述设备包括：接收模块，用于所述用户设备接收所述服务基站发送的训练序列；获得模块，用于所述用户设备根据接收到的所述训练序列获得与所述M个天线对应的M维信道矢量；发送模块，用于所述用户设备向所述服务基站发送所述信道矢量。
本发明中，通过反馈不经量化/编码处理的信道系数，实现了模拟CSI反馈，从而解决了数字化CSI反馈不适用于多天线***的问题；而且在优化的方案中，提出了压缩的参数化模拟CSI反馈方法，进一步减少了信令开销；通过将信道系数的功率部分与相位部分分离的方法，使得单独反馈相位信息成为可能，对于功率部分，采用相位调制的方式，解决了发射功率变动过大的问题，使得拟CSI反馈可以在不改变现有的上行信道结构的情况下应用到LTE/LTE-A***；同时还提出了一种新的PUCCH结构，可以在节约上行资源的同时，同样解决发射功率变动过大的问题。
附图说明
通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优势将会更为明显。
图1示出了根据本发明的CSI反馈流程图；
图2示出了根据本发明的PUCCH示意图；
图3示出了根据本发明的CSI反馈设备框图。
其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的步骤特征或装置/模块。
具体实施方式
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。
不失一般性，假设UE为单天线，而eNB具有M个天线，其中，M≥1。那么UE侧接收到的训练序列信号r可以表示为公式(1)：
r＝PDLsh+nDL (1)
其中，h表示M×1的下行信道矢量，S代表eNB侧的M×M信号矩阵，PDL代表下行信道的路径损益，nDL代表下行信道的噪声。根据本发明的方法，使用模拟CSI反馈的话，UE只需要报告模拟的CSI，即下行信道矢量不经量化/编码处理的版本，以g表示。可以简单的认为g＝r，或者使用最小二乘(LS)信道估计方法如公式(2)：
其中，常量δ用于归一化信道矢量的功率。为了将模拟CSI矢量的纬度与上行信道的数量匹配，需要将上述信道矢量与幺正矩阵U相乘，这样，最终UE发送的信号是Ug。于是在eNB处，接收到的信号Y可以表示为下式：
Y＝PULhULgHUH+NUL (3)
其中，PUL，hUL NUL分别代表上行信道的路径损益、快速衰落信道及上行噪声。而eNB通过上行训练可以获得PUL和hUL，由此，eNB可以恢复出下行信道矢量g，例如使用最小均方差(MMSE)信道估计方法由公式(4)计算出：
至此，eNB通过接收UE发送的模拟CSI，得到了下行信道矢量，从而完成CSI反馈操作。以上为根据本发明的方法，实现CSI发送的基本流程。
附图1示出了根据上述具体实施方式，在无线通信***的基站中用于分配频率资源的方法，包括以下步骤：
S11.所述用户设备接收所述服务基站发送的训练序列；
S12.所述用户设备根据接收到的所述训练序列获得与所述M个天线对应的M维信道矢量；
S13.所述用户设备向所述服务基站发送所述信道矢量。
在上述模拟CSI反馈方法中，当M数字较大时，由于每次UE都需要反馈M维的信道矢量，因此可能导致较大的上行控制信道开销。所以根据本发明的一个实施例，可以对上述模拟CSI反馈方法进行优化，以减少需要发送的数据量。
首先，考虑视距内(LOS)传送的情况，这时的信道矢量可以表示为g＝c0aM(θ0)，其中，c0代表衰落系数，θ0代表LOS路径的到达角(AoA)，阵列响应矢量可以用公式(5)表示：
am(θ)＝[1 ej2πd·cos(θ)/λ … ej2π(m-1)d·cos(θ)/λ]T (5)
其中，d表示相邻天线阵元间的距离，λ代表波长。由于c0与eNB的预编码无关，因此在LOS情况下UE只需要传送到达角信息即可。从而减少了需要发送的数据量。
考虑到实际的信道状态不会只存在视距路径，而是有大量的散射路径同时存在。因此单一的相位信息不能反映出实际的信道空间情况，这时，我们可以使用数个相位信息与对应的衰落系数的组合来提高反馈的精度。
例如，对于单极化天线，我们可以让UE发送J个相位信息，例如以的形式。其中函数f是满足的预定义函数，即函数f的输入输出一一对应，从而确保在eNB处可以恢复出相位信息。同时UE还发送对应的一组归一化衰落系数c1，…，cJ-1，(对于LOS，即J＝1，则不需要发送)其中，J≤M。实际上，我们可以使得J远小于M，即只需要发送少数几个主要路径的信息即可，从而可以大大减少上行开销，也就是说，UE只需要发送J个到达角的相位信息和对应的J-1个归一化衰落系数即可。此时，eNB可以通过公式(6)恢复出CSI：
类似的，对于双极化天线，UE只需要发送J个相位信息和对应的两组归一化衰落系数，和其中，J≤M。实际上，我们可以使得J远小于M，即只需要发送少数几个主要路径的信息即可，从而可以大大减少上行开销。而eNB可以根据上述信息恢复出CSI，
g＝[g(1)T g(2)T]T
其中，
分别对应两个极化方向上的信道矢量。
作为优选的，考虑到某些情况下，有些归一化衰落系数可能很小甚至接近于零，从而可以忽略，因此UE可以只发送那些比较显著的衰落系数。即UE可以只发送大于预定门限的那些衰落系数。
另外，上述实施例针对的是均一的线性天线阵列(uniform Iinear array简称ULA)，但本发明同样适用于2维天线阵列，只需将上述的J个到达角相位信息变为J个高度角的相位J个方位角的相位即可，相应的，公式(6)、(7)、(8)分别变为：
其中，N代表垂直方向上的天线数量，表示克罗内克积。
由于模拟CSI反馈方法中，信道矢量未经过量化处理，因此可能导致UE的发送信号在时域上产生很大的功率跳变，以下根据本发明的另一个实施例，提出了一种改进方法，可以解决功率跳变的问题。
首先将信道矢量g改写为公式(13)的形式：
其中，⊙代表点积运算，根据公式(13)，信道矢量g被表达为两个矢量，前一个和功率相关，而后一个仅和相位相关而和功率无关。换句话说，只有前一个矢量会引起功率跳变而后一个不会。因此，可以在发送前对前一个矢量进行相位调制，使得其每个元素的模相同，就可以避免发送时引起功率跳变。例如以公式(14)的形式发送前一个矢量：
其中函数fm是满足fm(p1，…，pM)：的预定义函数，即函数fm的输入输出一一对应，从而确保在eNB处可以恢复出功率信息。举例来说，不失一般性的，fM可以是下列任意一种函数：
fm(p1，…，pM)＝k1pm (15)
fm(p1，…，pM)＝cos(pm/max{p1，…，pM}) (17)
其中，k1和k2代表预定义标量。即UE可以分别发送相位相关矢量和经过相位调制的功率相关矢量来反馈模拟信道矢量。
进一步的，为了减少信令开销，可以考虑不必每次都发送功率相关矢量，只有相位相关矢量是每次都需要发送的，而功率相关矢量可以根据特定条件来确定是否发送。
例如可以由eNB指示UE是否发送功率相关矢量；也可以是由UE计算出功率变动范围l小于预定门限时，不发送功率相关矢量，其中，功率变动范围l的计算方法是l＝maxm{pm}/minm{pm}。
上述实施例可以沿用现有的LTE***的PUCCH或者PUSCH发送，因此满足后向兼容。然而考虑到需要分别发送功率部分与相位部分，因此与直接发送信道矢量的方式相比较，该实施例有时需要加倍的上行信道资源。为此，根据本发明的另一个实施例，提出了一种PUCCH的新设计，可以在直接发送信道矢量的前提下，解决功率跳变的问题。
首先，本实施例的基本思路是将模拟CSI符号的不同幅度映射到上行信道的不同子载波(subcarriers)上，而不是OFDM符号上。因为考虑到每个UE的信道矢量的功率是可以归一化的，只要使用正交序列在时域上复用不同的UE，就可以保证在时域上OFDM信号的功率平衡。
具体的，参见附图2，附图2表示一个用于发送模拟CSI的资源块(resource block简称RB)，其中深色部分是保留给参考信号的，不用于发送CSI。首先将模拟信道矢量g进行资源重映射操作得到待发送的矢量T，该操作使得T的维度等于subcarriers的数量，优选的，此时还可以对g进行立方度量(cubic metric简称CM)消减操作以进一步减少功率跳变。然后对T的功率进行归一化操作(使得所有UE的||THT||相同)。再将归一化的待发送CSI矢量T的每个元素分别映射到RB的每个subcarriers上进行发送。
进一步的，可以将T与一个正交序列相乘，从而将T的每个元素散布到时域上，该正交序列表示为sk＝[Sk，1 … Sk，14]T，此处，不同的UE需要选用不同的正交序列以确保它们在每个subcarriers上两两正交，由此，得到在第n个OFDM符号上，进行IFFT操作之前的频域信号为：
zn＝[S1，n … S12，n]T⊙T (18)
其中⊙代表点积运算，如附图2所示。通过这种PUCCH设计，同样可以解决功率跳变问题，而且不需要进行两次发送，节约了宝贵的上行信道资源。
以下再来结合框图来介绍本发明所提供的与上述方法相对应的设备，鉴于其中的单元/装置特征与上述方法中的步骤特征有对应关系，将从简。
附图3示出了一种在无线通信网络的用户设备中发送信道状态信息的设备S30的框图，其中，所述用户设备向其服务基站发送所述信道状态信息，所述服务基站包括M个天线，M大于等于1，该设备S30包括：
接收模块3001，用于所述用户设备接收所述服务基站发送的训练序列；
获得模块3002，用于所述用户设备根据接收到的所述训练序列获得与所述M个天线对应的M维信道矢量；
发送模块3003，用于所述用户设备向所述服务基站发送所述信道矢量。
以上对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于特定的***、设备和具体协议，本领域内技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。
那些本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。在本发明中，“第一”、“第二”仅表示名称，不代表次序关系。在发明的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种在无线通信网络的用户设备中发送信道状态信息的方法，其中，所述用户设备向其服务基站发送所述信道状态信息，所述服务基站包括M个天线，M大于等于1，所述方法包括：
a.所述用户设备接收所述服务基站发送的训练序列；
b.所述用户设备根据接收到的所述训练序列获得与所述M个天线对应的M维信道矢量；
c.所述用户设备向所述服务基站发送所述信道矢量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤b进一步包括：
以到达角的相位和归一化衰落系数的组合来表达所述信道矢量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述天线为单极化天线，所述步骤b进一步包括：
以J个到达角的相位和J-1个归一化衰落系数的组合来表达所述信道矢量，其中，J小于等于M。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述天线为双极化天线，所述步骤b进一步包括：
以J个到达角的相位和2J-1个归一化衰落系数的组合来表达所述信道矢量，其中，J小于等于M。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述单极化天线为两维天线矩阵，所述步骤b进一步包括：
以J个高度角的相位、J个方位角的相位和J-1个归一化衰落系数的组合来表达所述信道矢量，其中，J小于等于M。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述双极化天线为两维天线矩阵，所述步骤b进一步包括：
以J个高度角的相位、J个方位角的相位和2J-1个归一化衰落系数的组合来表达所述信道矢量，其中，J小于等于M。
7.根据权利要求4或6所述的方法，所述步骤c进一步包括：
只发送所述衰落系数中大于预定门限的衰落系数。
8.根据权利要求2所述的方法，其中所述步骤b进一步包括：
以第一M维矢量和第二M维矢量的点积表示所述信道矢量，其中，所述第一M维矢量表示与功率相关的部分，所述第二M维矢量表示与相位相关的部分；
所述步骤c进一步包括：
分别发送所述第一M维矢量和所述第二M维矢量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述步骤c进一步包括：
使用第一函数对所述第一M维矢量进行相位调制后再进行发送，其中，所述第一函数对所述第一M维矢量中的每个元素作为输入的输出结果是一一对应的。
10.根据权利要求8或9所述的方法，所述步骤c进一步包括：
当满足特定条件时，不发送所述第一M维矢量。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述特定条件包括：
所述用户设备接收到所述服务基站发送的不发送所述第一M维矢量的指示。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述特定条件包括：
所述用户设备确定所述第一M维矢量中的功率变动小于预定门限。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤c进一步包括：
对所述信道矢量进行资源重映射得到待发送的信道矢量，使得所述待发送的信道矢量的长度等于所述无线通信网络的物理上行控制信道的子载波数；以及
将所述待发送的信道矢量的每个元素分别对应到所述物理上行控制信道的一个子载波上进行发送。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述步骤c进一步包括：
将所述待发送的信道矢量乘以第一正交序列，使得所述待发送的信道矢量的每个元素散布到所述物理上行控制信道时域的不同位置，其中，所述第一正交序列与所述服务基站的其他用户设备使用的正交序列分别正交。
15.一种在无线通信网络的用户设备中发送信道状态信息的设备，其中，所述用户设备向其服务基站发送所述信道状态信息，所述服务基站包括M个天线，M大于等于1，所述设备包括：
接收模块，用于所述用户设备接收所述服务基站发送的训练序列；
获得模块，用于所述用户设备根据接收到的所述训练序列获得与所述M个天线对应的M维信道矢量；
发送模块，用于所述用户设备向所述服务基站发送所述信道矢量。
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