TWI474687B - 用於德耳塔量化器的處理通信信號的方法和系統 - Google Patents

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Description

用於德耳塔量化器的處理通信信號的方法和系統
本發明涉及通信系統的信號處理。更具體地說，本發明涉及一種用於具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼器的delta(德耳塔，即△)量化器的方法和系統。
移動通信改變了人們通信的方式，移動電話己經由原來的奢侈品而成為人們日常生活中的必需品。當今移動電話的使用由社會狀態支配而不是被地理位置或技術阻礙。雖然語音連接滿足了通信的基本需要，其中移動語音連接繼續甚至進一步滲透到生活中的每一天中，移動英特網將是移動通信革命的下一步。所述移動因特網自然地成為日常資訊的一個公共來源，且對這一資料服務的簡單和通用移動接入將是必然的方式。
第三代(3G)蜂窩網路是用來實現所述移動因特網的這些需求而特地設計的。由於這些服務的使用和普及的增長，相對於目前對於蜂窩網運營商而言，如低成本的網路容量優化和服務質量(QoS)等因素將會變得更加重要。這些因素可以通過細緻的網路規劃和操作，改善發射方法，和改進接收機技術等方法實現。為此，載波需要能使得其增加下行吞吐率的技術，這樣，提供高的QoS性能和速度以抗衡那些由電纜數據機和/或DSL服務提供商提供的服務。
為了滿足這些需求，在發射機和接收機都放置多天線的通信 系統因其可在無線衰落環境中很大地提高系統的容量而近來引起了廣泛的注意。這些多天線結構，也就是熟知的智慧天線技術，可以在信號接收時用來減少多徑和/或信號干擾。可以預見智慧天線技術隨著基站設施的鋪開以及蜂窩系統中移動手機用戶對所述這些系統的處理容量要求的增加將會得到更廣泛的使用。這些要求部分是因從基於語音服務到下一代無線多媒體服務的轉變所引起的，所述多媒體服務將提供語音、視頻和資料通信服務。
多個發射和/或接收天線的使用設計成引入分集增益以及提高自由度以抵抗信號接收處理中產生的干擾。分集增益通過增加接收信噪比和穩定發射鏈路改善系統的性能。另一方面來看，更多的自由度允許多個同時的發射，從而提供了對抗信號干擾的魯棒性(robustness)，和/或允許了更高的頻率複用以達到更高的容量。例如，在具有多個天線接收機的通信系統中，M個接收天線集可以用來完全消除(M-1)個干擾效應。因此，N個信號可以在相同的帶寬內使用N個發射天線同時發射，所述N個發射信號接著通過配置在接收機的N個天線集分成N個獨自的信號。使用多個發射和接收天線的系統可以指的是多輸入多輸出(MIMO)系統。在特定的MIMO系統中，多天線系統的一個吸引人的方面指的是通過利用這些發射結構可以很大程度的增加了系統的容量。對於固定的總發射功率和帶寬，MIMO結構可以提供的容量隨著增加的信噪比(SNR)動態變化。例如，在多徑衰弱通道的情況下，對於SNR每增加3dB，MIMO結構可以增加系統的容量到接近M比特/周期(cycle)。
由於體積的增加，複雜度的提高，以及功耗的增加引起的費用增加，從而限制多天線系統被在無線通信中廣泛的使用。這成了無線系統設計和應用需要注意的問題。結果，關於多天線系統的一些研究可能關注于可以支援單用戶點到點的鏈路，其他研究可能關注於多用戶場景。使用多天線的通信系統可以很大成程度 改善系統的容量。
為了最大化MIMO系統的性能，在發射機端需要知道關於無線通道的資訊，也就是所謂的通道狀態資訊(CSI)。這可以允許發射機自適應發射信號以使得所述通道可以被最優的使用。在大多數情況下，發射機可能需要通過從接收機端反饋到發射機的資訊學習所述通道。對於使用頻分複用(FDD)的很多現代通信系統中，這是個主要的問題。在FDD系統中，上行和下行傳輸使用不同的分開的頻帶。由於頻率上分開，在上行或者下行頻帶上的通道測量對於另外一個頻帶一般是沒有用的。因此，例如在蜂窩網路的下行鏈路，基站發射機可以通過在移動終端獲得的測量值學習發射通道，所述通道資訊是通過反饋而達到基站端的。隨著天線數量的增加，需要從接收機端反饋到發射機端的資訊可能非常大並且是不可忽視的開銷。尤其在下行鏈路，其中通道測量可以在移動終端獲得，且資料率受到很大的限制，反饋需求將是很麻煩的。
通過與本申請後續部分結合附圖介紹的本發明的多個方面進行比較，現有和傳統方法中存在的限制和弊端，對本領域的普通技術人員來說將變得非常明顯。
本發明涉及一種用於具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼器的delta量化器的方法和/或系統，結合至少一個附圖充分地顯示和/或描述，在權利要求中更加完整的描述。
根據本發明的一個方面，一種用於處理通信信號的方法包括：使用代價函數，將MIMO預編碼系統中的通道狀態資訊的變化量化到至少第一和第二碼書上，其中所述每個碼書包括有一個或多個酉矩陣；以及基於至少所述通道狀態資訊產生所述至少第一和第二碼書。
作為優選，所述通道狀態資訊是矩陣V。
作為優選，所述方法包括使用奇異值分解(SVD)產生所述矩陣 V。
作為優選，所述方法包括使用幾何均值分解(GMD)產生所述矩陣V。
作為優選，所述代價函數f(A)由以下關係式定義：
其中A是N×N的矩陣，aij 是矩陣A的元素(i,j)。
作為優選，所述方法包括從至少第一矩陣集和第二矩陣集中為所述至少第一碼書產生所述一個或多個酉矩陣。
作為優選，所述方法包括從一個或者多個吉文斯(Givens)矩陣中產生所述第一矩陣集。
作為優選，所述方法包括通過修改所述至少第一碼書的步長(step size)以修改所述至少第一碼書的動態範圍。
作為優選，所述方法包括通過修改所述至少第一碼書的基數(cardinality)以修改所述至少第一碼書的精度。
作為優選，所述方法包括通過修改一組角度等級(angular level)以修改所述至少第一碼書的基數。
作為優選，所述方法包括從所述至少第二碼書中為所述至少第二碼書的一個或多個酉矩陣產生維諾(Voronoi)區域。
作為優選，所述方法包括基於所述維諾(Voronoi)區域和所述一個或者多個酉矩陣產生一個矩陣集。
作為優選，所述方法包括通過將所述矩陣集修改成為新的酉矩陣集的方式更新所述至少第二碼書，其中所述新的酉矩陣集成為所述至少第二碼書。
作為優選，所述方法包括，將所述至少第一和第二碼書中每者的元素的索引從所述MIMO預編碼系統中的接收機發射到發射機，其中所述通道狀態資訊被量化到所述至少第一和第二碼書上。
作為優選，包含所述MIMO預編碼系統的通信系統包括一個 或者多個發射天線和一個或者多個接收天線。
作為優選，所述方法包括使用多個所述酉矩陣的結合來線性變換所述MIMO預編碼系統中發射機端的矩陣。
根據本發明的一個方面，本發明給出了一種用於處理通信信號的系統，所述系統包括：MIMO預編碼系統中的一個或者多個電路，所述一個或者多個電路使用代價函數將MIMO預編碼系統中的通道狀態資訊的變化量化到至少第一和第二碼書上，其中所述每個碼書包括有一個或多個酉矩陣；以及基於至少所述通道狀態資訊產生所述至少第一和第二碼書。
作為優選，所述通道狀態資訊是矩陣V。
作為優選，所述一個或者多個電路使用奇異值分解(SVD)產生所述矩陣V。
作為優選，所述一個或者多個電路使用幾何均值分解(GMD)產生所述矩陣V。
作為優選，所述代價函數f(A)由以下關係式定義：
其中A是N×N的矩陣，aij 是矩陣A的元素(i,j)。
作為優選，所述一個或者多個電路從至少第一矩陣集和第二矩陣集中為所述至少第一碼書產生所述一個或多個酉矩陣。
作為優選，所述一個或者多個電路從一個或者多個吉文斯(Givens)矩陣中產生所述第一矩陣集。
作為優選，所述一個或者多個電路通過修改所述至少第一碼書的步長(step size)以修改所述至少第一碼書的動態範圍。
作為優選，所述一個或者多個電路通過修改所述至少第一碼書的基數(cardinality)以修改所述至少第一碼書的精度。
作為優選，所述一個或者多個電路通過修改一組角度等級 (angular level)以修改所述至少第一碼書的基數。
作為優選，所述一個或者多個電路從所述至少第二碼書中為所述至少第二碼書的一個或多個酉矩陣產生維諾(Voronoi)區域。
作為優選，所述一個或者多個電路基於所述維諾(Voronoi)區域和所述一個或者多個酉矩陣產生一個矩陣集。
作為優選，所述一個或者多個電路通過將所述矩陣集修改成為新的酉矩陣集的方式更新所述至少第二碼書，其中所述新的酉矩陣集成為所述至少第二碼書。
作為優選，所述一個或者多個電路將所述至少第一和第二碼書中每者的元素的索引從所述MIMO預編碼系統中的接收機發射到發射機，其中所述通道狀態資訊被量化到所述至少第一和第二碼書上。
作為優選，所述系統包括一個或者多個發射天線和一個或者多個接收天線。
作為優選，所述系統包括使用多個所述酉矩陣的結合來線性變換所述MIMO預編碼系統中發射機端的矩陣。
本發明的這些與其他的優點、方面以及新特性，以及其具體的實施例，可以從下文的描述和圖中得到更加完全的理解。
120‧‧‧房子
122‧‧‧移動終端
124‧‧‧工廠
126‧‧‧基站
128‧‧‧汽車
130、132、134‧‧‧通信路徑
102‧‧‧MIMO發射機
104‧‧‧MIMO接收機
106、108、110、112、114、116‧‧‧天線
200‧‧‧MIMO預編碼系統
202‧‧‧MIMO發射機
203‧‧‧MIMO等效基帶通道
204‧‧‧MIMO接收機
206‧‧‧無線通道
208‧‧‧加法模組
210‧‧‧發射機(TX)基帶處理模組
212‧‧‧TX射頻(RF)處理模組
214‧‧‧發射預編碼模組
216‧‧‧預編碼解碼模組
218‧‧‧接收機(RX)RF處理模組
220‧‧‧RX基帶處理模組
300‧‧‧MIMO預編碼系統
302‧‧‧部分MIMO發射機
304‧‧‧部分MIMO接收機
306‧‧‧無線通道
308‧‧‧加法模組
310‧‧‧通道量化模組
312‧‧‧通道分解模組
314‧‧‧發射預編碼模組
316‧‧‧預編碼解碼模組
318‧‧‧碼書處理模組
320‧‧‧回饋通道
322‧‧‧通道估計模組
602‧‧‧理想波束成型的曲線圖
604‧‧‧7位元碼書的曲線圖
606‧‧‧6位元碼書的曲線圖
608‧‧‧5位元碼書的曲線圖
圖1A是結合本發明實施例在基站和移動計算終端之間的蜂窩多徑通信的示意圖；圖1B是依據本發明實施例的MIMO通信系統的示意圖；圖2是依據本發明實施例的MIMO預編碼收發器鏈模型的框圖；圖3是依據本發明實施例的具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼系統的框圖；圖4是依據本發明實施例的Cd 碼書產生演算法的實現流程圖； 圖5是依據本發明實施例的Cp 碼書產生演算法的實現流程圖；圖6是依據本發明實施例的4×2 MIMO系統的性能曲線圖。
本發明的實施例介紹一種用於具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼器的delta量化器的方法和系統。本發明的方法包括使用代價函數，將MIMO預編碼系統中的通道狀態資訊的變化量化到至少第一和第二碼書上，其中所述至少第一和第二碼書中每者包括有一個或者多個酉矩陣；以及基於至少所述通道狀態資訊產生所述至少第一和第二碼書。所述通道狀態資訊可以是矩陣V，所述代價函數可以用以下關係式定義：
其中A是N×N的矩陣，aij 是矩陣A的元素(i,j)。從至少第一矩陣集和第二矩陣集中可為至少第一碼書產生一個或者多個酉矩陣，而所述第一矩陣集可從一個或者多個Givens矩陣中產生，並且所述第一碼書的動態範圍可以通過步長來修改。
所述至少第一碼書的精度可以通過調整碼書的基數而修改。這可以通過修改一組角度等級來實現。從所述至少第二碼書中，可以為所述至少第二碼書的酉矩陣產生Voronoi區域。基於所述Voronoi區域和所述一個或者多個酉矩陣可以產生一個矩陣集。該矩陣集可修改成酉矩陣集，以便形成所述至少第二碼書，從而更新所述至少第二碼書。通道狀態資訊的改變被量化到其上的所述至少第一和第二碼書中每者的元素的索引，從所述MIMO預編碼系統中的接收機發射到發射機。所述矩陣V可以使用奇異值分解(SVD)或幾何均值分解(GMD)來產生。所述MIMO預編碼系統的發射機端的矩陣可以使用多個所述酉矩陣的組合來進行線性變換。
圖1A示出了結合本發明實施例在基站和移動計算終端之間 的蜂窩多徑通信。參考圖1A，給出了房子120、移動終端122、工廠124、基站126、汽車128、以及通信路徑130、132、和134。
基站126和移動終端122包括有合適的邏輯、電路和/或代碼，用於產生和處理MIMO通信信號。在基站126和移動終端122之間的無線通信可以通過無線通道進行。所述無線通道包括多個通信路徑，例如，通信路徑130、132、和134。所述無線通道可以隨著移動終端122和/或汽車128移動而動態變化。在一些情況下，移動終端122與基站126為視距傳播(LOS)。在其他情況下，移動終端122與基站126之間可能不是直接視距，射頻信號在通信實體之間的反射通信路徑之間傳播，如圖所示的典型通信路徑130、132、和134。所述射頻信號可由人造結構如房子120、工廠124、或者汽車128、或者自然存在的障礙如山反射。這樣的系統指的是非視距(NLOS)通信系統。
一個通信系統可能同時包括LOS和NLOS信號分量。如果存在LOS信號分量，所述LOS信號分量比NLOS信號分量強的多。在一些通信系統中，NLOS信號分量可以產生干擾並降低接收機性能。這指的是多徑干擾。例如，通信路徑130、132、以及134達到移動終端122具有不同的延遲。通信路徑130、132、以及134還可以具有不同的衰減。例如，在下行鏈路中，在移動終端122接收到的信號可以是不同衰減通信路徑130，132，和/或134的信號的求和，這些不同通信路徑可能是不同步的而且動態變化的。這樣的通道稱為衰弱多徑通道。衰弱多徑通道可以引入干擾，但是也可以為所述無線通道引入分集和自由度。在基站和/或移動終端具有多天線的通信系統，例如MIMO系統，特別適合利用無線通道的特性並可以由衰弱多徑通道得到很大的性能增益，相對於在基站126和移動終端122具有單天線的通信系統(特別是NLOS通信系統)，所述多天線的通信系統可以得到很大的性能提高。
圖1B示出了依據本發明實施例的MIMO通信系統的示意 圖。參考圖1B，示出了MIMO發射機102和MIMO接收機104，以及天線106、108、110、112、114、116。圖中還示出了無線通道，所述通道包括通信路徑h11 、h12 、h22 、h21 、h2NTX 、h1NTX 、hNRX1 、hNRX2 、hNRX NTX ，其中hmn 可以表示從發射機天線n到接收機天線m的通道係數。可能有NTX 個發射機天線和NRX 個接收機天線。圖中還給出了發射符號x1 、x2 、xNTX 和接收符號y1、y2、yNRX 。
MIMO發射機102包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於產生發射符號xi i{1,2,...NTX }，所述符號通過如圖1B示出的發射天線106、108、110發射。MIMO接收機104包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於處理通過如圖1B所示的接收天線112、114、116接收的接收符號yi i{1,2,...NRX }。在MIMO系統中發射的和接收的信號之間的輸入輸出關係可以表示為如下所示：y=Hx+n
其中y=[y1 ,y2 ,...yNRX ]T 是具有NRX 個元素的列向量，T 表示向量轉置，H=[hij ]：i{1,2,…NRX }；j{1,2,…NTX }表示NRX ×NTX 維的通道矩陣，x=[x1 ,x2 ,…xMTX ]T 是具有NTX 個元素的列向量，n是具有NRX 個元素的雜訊採樣列向量。通道矩陣H在使用奇異值分解(SVD)的情況下可以寫成H=U Σ VH ，其中H 表示哈密頓轉置(hermitian transpose)，U是NRX ×NTX 的酉矩陣，Σ是NTX ×NTX 的對角矩陣，而V是NTX ×NTX 的酉矩陣。也可以使用其他矩陣分解而不是SVD分解以對角化或者變換所述矩陣H。如果MIMO接收機104內執行的接收機演算法是例如排序干擾抵消(OSIC)，則其他可以轉換矩陣H到下/上三角矩陣的矩陣分解也是可以的。這樣的分解包括幾何均值分解(GMD)，其中H=QRPH ，其中R可以是H的奇異值的幾何均值位於對角元素上的上三角矩陣，Q和P可以是酉矩陣。
圖2示出了依據本發明實施例的MIMO預編碼收發器鏈模型的框圖。參考圖2，示出了的MIMO預編碼系統200包括MIMO 發射機202、MIMO等效基帶通道203、MIMO接收機204和加法模組208。MIMO發射機202包括發射機(TX)基帶處理模組210和發射預編碼模組214。MIMO等效基帶通道203包括無線通道206、TX射頻(RF)處理模組212和接收機(RX)RF處理模組218。MIMO接收機204包括預編碼解碼模組216和RX基帶處理模組220。圖中還示出了符號向量s、預編碼向量x、雜訊向量n、接收向量y和通道解碼向量y'。
MIMO發射機202包括基帶處理模組210，其包括有合適的邏輯、電路和/或代碼，用於產生MIMO基帶發射信號。所述MIMO基帶發射信號可以傳輸到發射預編碼模組214。基帶信號在發射預編碼模組214內經過適當地編碼以在無線通道206中發射，發射預編碼模組214包括有合適的邏輯、電路和/或代碼以用於使得其執行這些功能。TX RF處理模組212包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於使得傳輸到TX RF處理模組212的信號被調製到射頻(RF)以在無線通道206中發射。RX RF處理模組218包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於執行射頻前端功能以接收在無線通道206中發射的信號。RX RF處理模組218包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於將其輸入信號解調成基帶信號。加法模組208表示在MIMO接收機中將雜訊加到接收到的信號內。
MIMO接收機204包括預編碼解碼模組216，它線性解碼接收到的信號並傳輸所述信號到RX基帶處理模組220。RX基帶處理模組220包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於對該基帶信號應用進一步的信號處理。
MIMO發射機202包括基帶處理模組210，其包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於產生MIMO基帶發射信號。所述MIMO基帶發射信號，也就是符號向量s，被傳輸到發射預編碼模組214。符號向量s可以是NTX ×1維的向量。
發射預編碼模組214對符號向量s執行線性變換，使得 x=Ws，其中W的維數為NTX 乘以s的長度，且x=[x1 ,x2 ,...xNTX ]T 。預編碼向量x的每一個元素在可用的NTX 個不同的天線上發射。
發射的預編碼向量x通過MIMO等效基帶通道203。由NRX 個接收機天線接收到的信號y是發射信號x通過MIMO等效基帶通道203變換(由矩陣H表示)，並加上雜訊分量(表示為雜訊向量n)而得到的。如加法模組208所示，接收向量y表示為y=Hx+n=HWs+n。接收向量y被傳輸到預編碼解碼模組216，其中可以對接收向量y執行線性解碼操作B以得到解碼向量y'=BH y=BH HWs+BH n，其中B是適當維數的複數矩陣。解碼向量y'接著被傳輸到RX基帶處理模組220，在此對預編碼解碼模組216的輸出執行進一步信號處理。
如果應用於發射預編碼向量x的MIMO等效基帶通道203傳輸函數H在MIMO發射機202和MIMO接收機204端都已知，則所述通道可以被對角化，例如，設置W=V和B=U，其中H=UΣVH 是奇異值分解。在這些情況下，通道解碼向量y'為如下關係式所示：y'=UH UΣVH Vs+UH n=Σs+UH n因為Σ是對角矩陣，y'中的符號向量s的元素之間沒有干擾存在，因此所述無線通信系統類似于具有高達NTX 個並行單天線的無線通信系統那樣，對於s的每一個元素，通道矩陣H的秩可以小於等於NTX 。
圖3示出了依據本發明實施例的具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼系統的框圖。參考圖3，示出的MIMO預編碼系統300包括部分MIMO發射機302、部分MIMO接收機304、無線通道306、加法模組308、和反饋通道320。部分MIMO發射機302包括發射預編碼模組314。部分MIMO接收機304包括預編碼解碼模組316、通道估計模組322、通道量化模組310、通道分解模組312、以及碼書處理模組318。圖3還示出了符號向量s、 預編碼向量x、雜訊向量n、接收向量y、以及解碼向量y'。
發射預編碼模組314、無線通道306、加法模組308、以及預編碼解碼模組316與圖2中所示的發射預編碼模組214、MIMO等效基帶通道203、加法模組208和預編碼解碼模組216基本相同。通道估計模組322包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於估計無線通道206的傳輸函數。通道估計值可傳送給通道分解模組312，通道分解模組312包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於分解通道。在這方面，被分解的通道通信連接到通道量化模組310。通道量化模組310包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於將所述通道部分量化到碼書上。碼書處理模組318包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用於產生碼書。反饋通道320表示為從部分MIMO接收機304傳輸通道狀態資訊到部分MIMO發射機302的通道。
在很多無線系統中，通道狀態資訊，也就是關於通道傳輸矩陣H的瞭解，對於發射機和接收機可能是不知道的。然而，為了利用如圖2所示的預編碼系統，可能希望在發射機端知道至少部分通道資訊。在如圖2所公開的本發明的實施例中，MIMO發射機302需要有用於在MIMO發射機202的發射預編碼模組214內進行預編碼的酉矩陣V。
在頻分複用(FDD)系統中，用於從基站到移動終端的下行通信的通信頻帶與用於上行通信的頻帶是不一樣的。由於頻帶的不同，上行鏈路的通道測量一般對於下行鏈路是沒有用的，反之亦然。在這些情況下，僅在接收機端執行所述測量，而通道狀態資訊(CSI)可以通過反饋的方式傳輸回發射機。對於這個原因，CSI可以通過反饋通道320從部分MIMO接收機304反饋回到部分MIMO發射機302的發射預編碼模組314。發射預編碼模組314、無線通道306、以及加法模組308與圖2所示的對應的模組214、203、以及208基本相同。
在部分MIMO接收機304處，接收信號y在通道估計模組222中可以用來估計通道傳輸函數H，用表示。例如，所述估計值可以進一步分解成對角矩陣或者三角矩陣形式，這取決於特定接收機實現，如圖2所解釋。例如，通道分解模組312可以執行SVD分解：。矩陣H和可以是秩r=NRX 的矩陣。如當接收天線數量比發射天線數量小的時候，也就是NRX NTX 的情況。
在多個天線的情況下，矩陣U和Σ和V的維數增加的很快。在這些情況下，可能希望將矩陣V量化成NTX ×NRX 的矩陣Vk ，其中Vk 可以按如下關係式給出： 並且可以由Vk 之前時刻的情況(也就是Vk-1 )、來自之前分別定義的有限酉矩陣集Cd ={Qi }和Cp ={Pi }的酉旋轉矩陣和來生成。是一個倍數因數。矩陣Uk-1 是酉矩陣並與Vk-1 正交，滿足=0。Uk-1 的維數是NTX ×(NTX -r)。可以發現很多Uk-1 的解。矩陣Uk-1 由矩陣Vk-1 決定並構造。通過使用確定性處理方法來構造Uk-1 ，Uk-1 可以由一個已知矩陣Vk-1 來構造。這使得發射機端的矩陣構造沒有必要明確地反饋矩陣Uk-1 。
例如，一種方法使用Givens反射來構造Uk-1 =[u1 ,u2 ,Λ,uNTX-NRX ]，其中Uk-1 的第一列向量u1 可以是矩陣的第一非零列向量，其可以歸一化為單位矩陣，也就是。Uk-1 的第(j+1)列向量被選擇作為矩陣的第一非零列向量，其可以歸一化為單位矩陣。所述構造一直叠代下去，直到完全生成了矩陣Uk-1 。
酉矩陣集Cd 和Cp 被稱為碼書。矩陣于通道的更新速率要慢。在這些情況下，發送更新給前一量化矩陣Vk-1 而不是新的矩陣Vk 並使用通道記憶體會更經濟些。通過找到可以產生在某種意義上非常接近矩陣的Vk 的矩陣和，便能夠發射矩陣和的索引q和m到發射預編碼模組314。這可以由通道量化模組310 通過反饋通道320實現。部分MIMO發射機302可能需要知道碼書Cd 和Cp 。所述碼書Cd 和Cp 比通道傳輸函數H變化慢得多，因而能夠從碼書處理模組318通過反饋通道320在發射預編碼模組314中周期性地更新碼書Cd 和Cp 。碼書Cd 和Cp 可以靜態的或者自適應的選擇。而且，所述碼書Cd 和Cp 還可以從一個碼書集中自適應或者非自適應地選擇，這些碼書包括自適應和/或靜態設計的碼書。在這些情況下，部分MIMO接收機304可以在任何時間點告知所使用的碼書給部分MIMO發射機302。矩陣可以按如下描述的關係式量化成Vk ：
其中A=[aij ]且A的維數是N×N。因此，矩陣和可以從碼書Cd 和Cp 中選擇，那樣可以最大化如上定義的函數。函數f(.)可以對其輸入矩陣的對角元素的絕對值的平方求平均。通過最大化f(.)，在某種意義上，矩陣Vq 的選擇滿足乘積最大程度相似於單位矩陣。以上f(.)的運算式可以在某些近似法下最大化所述預編碼MIMO系統的暫態容量。因此，通道H可以在通道估計模組322中估計出，並在通道分解模組312中分解。
在通道量化模組310內，矩陣例如，可以量化成矩陣，且索引q和m可以通過反饋通道320反饋回部分MIMO發射機302。由於比索引q和m變化的頻率慢的多，碼書處理模組318內的碼書Cd 和Cp 可以通過反饋通道320發射到部分MIMO發射機302。所述碼書Cd 和Cp 還可以選擇為時間上保持不變的。而且，所述碼書Cd 和Cp 還可以從碼書集中自適應或者非自適應地選擇，這些碼書包括自適應和/或靜態設計 的碼書。為了反饋索引q，當碼書Cd 的基數| Cd |小於或等於2M ，即| Cd |<2M 時，M個比特就足夠了。當碼書Cp 的基數| Cp 小於或等於2N ，即| Cp |<2N 時，N個比特就足以用於反饋索引。反饋M+N個比特便可以發射索引q和m兩者。
發射預編碼模組314可以執行例如線性變換。接收機端的預編碼解碼模組316可以實現線性變換。
碼書Cd 可包括複數酉矩陣{Qq }。一個期望的碼書是包括有易調整地動態範圍的碼書。這可解釋旋轉矩陣{Qq }，意味著Cd 集可旋轉的角度的絕對值範圍是可適應性修改或配置的，以及間隔尺度(granularity，即相鄰的矩陣Qq 之間的步長)也是如此。所述動態範圍的適應性使得所述碼書可以適用於很大範圍的不同通道條件。特別地，碼書Cd 可以適應於無線通道矩陣H的變化速率。
一種用於構造碼書Cd 典型的協定可以利用矩陣{Qq }的單一特性。一個平方複酉矩陣Qq 可以由多個對角矩陣Di 和多個Givens矩陣Gk,l 構造成。矩陣{Qq }可以按以下關係式給出：
其中矩陣Di 可以具有如下關係式給出的結構：
其中角度和索引i可以定義出Di 的結構。lk =Ik 可以表示維數為k×k的單位矩陣。索引k和i以及角度φ k,i 可以決定矩陣Gk,l ，如下關係式所示：
上述角度變化的角度範圍是：[-π/2,π/2]和φ k,i [-π,π]。在給定的Qq 是單位矩陣的情況下，也不需要旋轉處理。因此從某種意義上說，矩陣{Qq }近似於單位矩陣。碼書Cd 可以按以下所示的關係式構成：
其中δ1/Nd 是步長。在一些情況下，m和n的值可以選擇不是0。
碼書Cd 可以從矩陣集{Qq }來構成，該矩陣集可以依據方程(1)的多個角度來產生。在所述碼書的一個實施例中，所構建的Cd 集可包含矩陣{Qd }，所述矩陣{Qd }是由方程(2)和方程(1)定義的角度集=±mδ ．π /2,φ k,i =±nδ ．π 的可能組合構成的。由方程(1)可以看出，Qq 矩陣集可以由-NTX 個角度和φ k,i 來定義。由於在方程(2)中構造的碼書，每一個角度可以採用2Nd +1個不同的值。將{Qq }中的可能角度組合與該角度的可能值相結合，可以得到具有基數為的碼書，也就是，在Cd 集中包含| Cd |個不同的矩陣Qq 。這些情況下，需要從部分接收機304反饋B個比特到部分MIMO發射機302，以反饋所選擇的矩陣的索引q。
對於Nd =2的典型情況下，對於索引q的每次通道更新的反饋 率可以是2比特。步長δ1/Nd 可以允許調整矩陣{Qq }的動態範圍，由此通過上述的碼書構建，可以提供適用於不同變化率的大範圍時變衰弱通道矩陣H。
圖4示出了依據本發明實施例的Cd 碼書的產生演算法的實現流程圖。參考圖4，示出開始步驟402、結束步驟424、處理步驟404、408、410、414、416、418、420、和422、以及判斷步驟406和412。
典型的碼書生成開始于步驟402。在步驟404，變數被初始化，例如，步長δ、角度等級(angular levels)的數量Nd 以及與方程(1)中的索引i非常類似的計數器變數i=1。在步驟406，將變數i與由發射天線數量NTX 確定的門限值進行比較。如果變數i比NTX -1小，該處理可以產生矩陣集{Di }。這個矩陣集{Di }可以是由根據上述描述構建的矩陣Di 產生的，也就是，由從上述角度範圍[-π/2,π/2]內選擇出的不同角度值的組合，=±mδ ．π /2來產生的。在步驟410，計數器變數k設置成i的函數。變數k與方程(1)中的變數k非常相似。步驟412中，將變數k與由NTX 確定的門限值進行比較。如果k小於NTX ，可以產生矩陣集{Gk,i }。這可以通過使用φ k,i =±nδ ．π 的不同值來產生矩陣Gk,i 的方式實現，其中角度範圍定位為如上所述的φ k,i [-π,π]。在步驟416，將變數k遞增，處理步驟迴圈回到步驟412。如果步驟412中k超過了NTX ，則執行處理步驟418。在步驟418，根據方程(1)，產生的矩陣集{Di }和{Gk,i }可以合併以形成一個新的集Yi，如以下關係式給出： 在步驟420，變數i遞增，該演算法迴圈回到步驟406。如果在步驟406中變數i超過NTX -1，則執行步驟422。在步驟422，根據 方程(1)，從所產生的集Yi中生成碼書Cd ={Qq }。然後在步驟424完成碼書的生成。
圖5示出了依據本發明實施例的Cp 碼書的產生演算法的實現流程圖。參考圖5，示出了開始步驟502、結束步驟518、處理步驟504、506、510、512和514、以及判斷步驟508。
碼書Cp 的選擇對於決定圖3中所示的反饋系統的性能是非常重要的。圖5中的流程圖提供了一種實現碼書演算法的典型方法，所述演算法適合於任何量化精度(即碼書Cp ={Pi }中矩陣Pi 的數量)以及任何數量的接收和發射天線。然而，碼書可以設計成最小化以下關係式：
其中Ep ={.}是相對於P的期望值，P可以是(NTX -NRX )×r的隨機矩陣，其中r一般是NRX ，且隨機元素均勻地分佈在單位空間上，其中。∥‧∥ F 指的是frobenius(弗羅貝尼烏斯)矩陣範數。以上關係式表明，最好的碼書選擇，在一些情況下，是包含矩陣Pq 的碼書Cp ，那樣可以在所有可能的碼書上，將函數∥‧∥ F 的關於隨機矩陣P的期望值最小化。這可以參考圖5中的演算法實現。
在步驟504，初始化所述碼書。例如，碼書Cp ={Pi }可以從隨機矩陣Pi 來構造。矩陣Pi 的初始選擇是隨意的。在步驟506，將變數W的值初始化為“不收斂”。儘管在判斷步驟508中W的值未被設置成“收斂”，該演算法可在步驟510中根據碼書Cp 計算出Voronoi區域。在步驟510，碼書Cp 所包含的多維空間可以分解成多個區(cell)Ri ，即為Voronoi區域，那樣的話，每一個區Ri 表示一個子空間，所述子空間可能從某種意義上說與矩陣Pi 最相似，如以下關係式所示：
在步驟512，碼書Cp 可基於在步驟510中計算的Voronoi區域進行更新。對於任何給定的區域Ri ，可以按以下關係式產生一個新的矩陣Pi ：
其中X是具有合適維數的矩陣。對以上的最優問題的求解可以按如下的關係式給出：
其中UA 和VA 是矩陣A的SVD的左邊和右邊的酉矩陣，從而。矩陣A可以由以下關係式確定：
對於以上方程，可通過例如採樣空間的採樣平均來計算出相對於某些變數P的期望值Ep ={.}。
在步驟514，用於收斂的一個測試可以應用於碼書Cp 以驗證所述碼書是否收斂於一個穩定的集。例如，一個收斂測試可以通過每一個矩陣Pi 在連續的步驟512之間的改變的程度是多少來測量。如果改變小於門限值，可以認為達到了收斂。在步驟514，如果碼書收斂，變數W可以設置為“收斂”，否則變數W設置為“不收斂”。如果，在步驟514，變數W已經設置為“收斂”，包括步驟510、512以及514的迴圈可以在步驟518跳出，從而產生的碼書Cp 被認為已經完成。
圖6是依據本發明實施例的4×2 MIMO系統的性能曲線圖。參考圖6，示出了頻譜效率(比特/秒/Hz)軸和信噪比(SNR)軸，還示出了理想波束成型的曲線圖602、7比特碼書的曲線圖604、6比特碼書的曲線圖606以及5比特碼書的曲線圖608。
對於4×2 MIMO系統中的具有4個元素的碼書Cb ，可選擇每次通道更新反饋2比特。對於具有Np =2b 個元素的碼書Cp ，b可 以分別選擇為3、4、和/或5個反饋比特。加上碼書Cd 需要的2比特反饋，總共需要分別反饋5、6和/或7比特到發射機，分別對應於曲線圖604、606、和608。矩陣Vk-1 和Uk-1 可以通過例如以下給出的關係式進行初始化：
由圖6可以看出，在特定假設條件下，5比特碼書沒有6比特碼書以及7比特碼書性能好，如5比特碼書曲線圖608、6比特碼書曲線圖606以及7比特碼書曲線圖604所示。然而，對於特定仿真參數，6比特碼書曲線圖606可以看出性能與如理想波束成型曲線圖602所示的完全CSI反饋接近的性能。
根據本發明的一個方面，一種用於具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼器的delta量化器的方法和系統包括使用代價函數，將MIMO預編碼系統中的通道狀態資訊的變化量化到至少第一和第二碼書上，其中所述至少第一和第二碼書中每者包括有一個或者多個酉矩陣；以及基於至少所述通道狀態資訊產生所述至少第一和第二碼書。所述通道狀態資訊可以是矩陣V，所述代價函數可以用以下關係式定義：
其中A是N×N的矩陣，aij 是矩陣A的元素(i,j)。如圖4所示，為至少第一碼書，可以從步驟422內的至少第一矩陣集和第二矩陣集產生一個或者多個酉矩陣，其中所述第一矩陣集在步驟414內從一個或者多個Givens矩陣中生成，且所述至少第一碼書的動態範圍可在步驟404內通過步長來修改。在步驟404，通過調整碼 書的基數可以修改所述至少第一碼書的精度。這可以通過修改一組角度等級來實現。如圖5所示，依據所述至少第二碼書，可在步驟510中為所述至少第二碼書的酉矩陣產生Voronoi區域。基於Voronoi區域以及一個或者多個酉矩陣，在步驟512可以產生一個矩陣集。這個矩陣集可以修改成酉矩陣集，從而形成所述至少第二碼書，以更新所述至少第二碼書。如圖3所示，通道狀態資訊的改變被量化在其上的所述至少第一和第二碼書中每者的元素的索引可以在所述MIMO預編碼系統300中通過反饋通道320從接收機304發射到發射機302。包含所述MIMO預編碼系統300的通信系統可包括一個或者多個發射和接收天線。矩陣V可以利用奇異值分解(SVD)或者幾何均值分解(GMD)產生。MIMO預編碼系統中的發射機302端的矩陣可以使用多個所述酉矩陣的組合來進行線性變換。
本發明的另外一個實施例提供一個機器可讀記憶體，其內存儲的電腦程式具有至少一段由機器執行的代碼段，從而促使該機器執行這裏描述的一種具有有限比率通道狀態資訊反饋的MIMO預編碼器的delta量化器的方法和系統中的步驟。
本發明可以通過硬體、軟體，或者軟、硬體結合來實現。本發明可以在至少一個電腦系統中以集中方式實現，或者由分佈在幾個互連的電腦系統中的不同部分以分散方式實現。任何可以實現所述方法的電腦系統或其他設備都是可適用的。常用軟硬體的結合可以是安裝有電腦程式的通用電腦系統，通過安裝和執行所述程式控制電腦系統，使其按所述方法運行。在電腦系統中，利用處理器和存儲單元來實現所述方法。
本發明還可以通過電腦程式產品進行實施，所述套裝程式含能夠實現本發明方法的全部特徵，當其安裝到電腦系統中時，通過運行，可以實現本發明的方法。本文件中的電腦程式所指的是：可以採用任何程式語言、代碼或符號編寫的一組指令的任何運算 式，該指令組使系統具有資訊處理能力，以直接實現特定功能，或在進行下述一個或兩個步驟之後實現特定功能：a)轉換成其他語言、編碼或符號；b)以不同的格式再現。
本發明是通過幾個具體實施例進行說明的，本領域技術人員應當明白，在不脫離本發明範圍的情況下，還可以對本發明進行各種變換及等同替代。另外，針對特定情形或具體情況，可以對本發明做各種修改，而不脫離本發明的範圍。因此，本發明不局限於所公開的具體實施例，而應當包括落入本發明權利要求範圍內的全部實施方式。
圖4為流程圖，無元件符號說明。

Claims (2)

  1. 一種用於處理通信信號的方法，其特徵在於，所述方法包括：在一通道中接收多個天線NTX 所傳送的一信號y；透過所接收的該信號y估計該通道中的一估測傳輸函數；將該估測傳輸函數執行SVD分解，；將MIMO預編碼系統中的通道狀態資訊的變化量化到包含單一矩陣{Qq }的一第一碼書和包含單一矩陣{Pi }的一第二碼書上，並藉由從代價函數最大化的該第一碼書Cd 選擇一矩陣和該第一碼書Cp 選擇一矩陣；其中A是N×N的矩陣，aij 是矩陣A的元素(i,j)；其中；以及其中A是一個倍數因數；基於至少所述通道狀態資訊產生所述該第一和該第二碼書；其中該第一碼書為 其中，其中， 其中，以及其中δ1/Nd 是可調整的一步長，該步長允許調整該第一碼書Cd 之矩陣{Qq }的動態範圍，並可以提供適用於不同變化率的大範圍時變衰弱該通道中的一傳輸函數H。
  2. 一種用於處理通信信號的系統，其特徵在於，所述系統包括：在一通道中接收多個天線NTX 所傳送的一信號y；透過所接收的該信號y估計該通道中的一估測傳輸函數；將該估測傳輸函數執行SVD分解，；MIMO預編碼系統中的一個或者多個電路，所述一個或者多個電路使用代價函數將MIMO預編碼系統中的通道狀態資訊的變化量化到一包含單一矩陣{Qq }的第一和包含單一矩陣{Pi }的一第二碼書上，並藉由從代價函數最大化的該第一碼書Cd 選擇一矩陣和該第一碼書Cp 選擇一矩陣；其中A是N×N的矩陣，aij 是矩陣A的元素(i,j)；其中；以及其中A是一個倍數因數；基於至少所述通道狀態資訊產生所述該第一和該第二碼書； 其中該第一碼書 其中，其中，其中，以及其中δ1/Nd 是可調整的一步長，該步長允許調整該第一碼書Cd 之矩陣{Qq }的動態範圍，並可以提供適用於不同變化率的大範圍時變衰弱該通道中的一傳輸函數H。
TW97100826A 2007-01-09 2008-01-09 用於德耳塔量化器的處理通信信號的方法和系統 TWI474687B (zh)

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