專利名稱：Mimo預(yù)編碼器中處理通信信號(hào)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信系統(tǒng)的信號(hào)處理。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于具 有有限比率信道狀態(tài)信息反饋的MIMO預(yù)編碼器的碼書(codebook)設(shè)計(jì)的 方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
移動(dòng)通信改變了人們通信的方式，移動(dòng)電話已經(jīng)由原來(lái)的奢侈品而成為 人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?。?dāng)今移動(dòng)電話的使用由社會(huì)狀態(tài)支配而不是被地 理位置或技術(shù)阻礙。雖然語(yǔ)音連接滿足了通信的基本需要，其中移動(dòng)語(yǔ)音連 接繼續(xù)甚至進(jìn)一步滲透到生活中的每一天中，移動(dòng)英特網(wǎng)將是移動(dòng)通信革命 的下一步。所述移動(dòng)因特網(wǎng)自然地成為日常信息的一個(gè)公共來(lái)源，且對(duì)這一 數(shù)據(jù)服務(wù)的簡(jiǎn)單和通用移動(dòng)接入將是必然的的方式。第三代(3G)蜂窩網(wǎng)絡(luò)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)所述移動(dòng)因特網(wǎng)的這些需求而特地設(shè)計(jì) 的。由于這些服務(wù)的使用和普及的增長(zhǎng)，相對(duì)于目前對(duì)于蜂窩網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商而言， 如低成本的網(wǎng)絡(luò)容量?jī)?yōu)化和服務(wù)質(zhì)量(QoS)等因素將會(huì)變得更加重要。這些因 素可以通過(guò)細(xì)致的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和操作，改善發(fā)射方法，和改進(jìn)接收機(jī)技術(shù)等方 法實(shí)現(xiàn)。為此，載波需要能使得其增加下行吞吐率的技術(shù)，這樣,提供高的 QoS性能和速度以抗衡那些由電纜調(diào)制解調(diào)器和/或DSL服務(wù)提供商提供的 服務(wù)。為了滿足這些需求，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都放置多天線的通信系統(tǒng)因其可 在無(wú)線衰落環(huán)境中很大地提高系統(tǒng)的容量而近來(lái)引起了廣泛的注意。這些多 天線結(jié)構(gòu)，也就是熟知的智能天線技術(shù)，可以在信號(hào)接收時(shí)用來(lái)減少多徑和/ 或信號(hào)干擾。可以預(yù)見(jiàn)智能天線技術(shù)隨著基站設(shè)施的鋪開(kāi)以及蜂窩系統(tǒng)中移 動(dòng)手機(jī)用戶對(duì)所述這些系統(tǒng)的處理容量要求的增加將會(huì)得到更廣泛的使用。這些要求部分是因從基于語(yǔ)音服務(wù)到下一代無(wú)線多媒體服務(wù)的轉(zhuǎn)變所引起 的，所述多媒體服務(wù)將提供語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)通信服務(wù)。多個(gè)發(fā)射和/或接收天線的使用設(shè)計(jì)成引入分集增益以及提高自由度以 抵抗信號(hào)接收處理中產(chǎn)生的干擾。分集增益通過(guò)增加接收信噪比和穩(wěn)定發(fā)射 鏈路改善系統(tǒng)的性能。另一方面來(lái)看，更多的自由度允許多個(gè)同時(shí)的發(fā)射，從而提供了對(duì)抗信號(hào)干擾的魯棒性(robustness),和/或允許了更高的頻率復(fù) 用以達(dá)到更高的容量。例如，在具有多個(gè)天線接收機(jī)的通信系統(tǒng)中，M個(gè)接 收天線集可以用來(lái)完全消除(M-1)個(gè)干擾效應(yīng)。因此，N個(gè)信號(hào)可以在相同的 帶寬內(nèi)使用N個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射，所述N個(gè)發(fā)射信號(hào)接著通過(guò)配置在接收 機(jī)的N個(gè)天線集分成N個(gè)獨(dú)自的信號(hào)。使用多個(gè)發(fā)射和接收天線的系統(tǒng)可以 指的是多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)。在特定的MIMO系統(tǒng)中，多天線系統(tǒng)的 一個(gè)吸引人的方面指的是通過(guò)利用這些發(fā)射結(jié)構(gòu)可以很大程度的增加了系統(tǒng) 的容量。對(duì)于固定的總發(fā)射功率和帶寬，MIMO結(jié)構(gòu)可以提供的容量隨著增 加的信噪比(SNR)動(dòng)態(tài)變化。例如，在多徑衰弱信道的情況下，對(duì)于SNR每 增加3dB， MIMO結(jié)構(gòu)可以增加系統(tǒng)的容量到接近M比特/周期(cycle)。由于體積的增加，復(fù)雜度的提高，以及功耗的增加引起的費(fèi)用增加，從 而限制多天線系統(tǒng)被在無(wú)線通信中廣泛的使用。這成了無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用 需要注意的問(wèn)題。結(jié)果，關(guān)于多天線系統(tǒng)的一些研究可能關(guān)注于可以支持單 用戶點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路，其它研究可能關(guān)注于多用戶場(chǎng)景。使用多天線的通信系 統(tǒng)可以很大成程度改善系統(tǒng)的容量。使用MIMO技術(shù)是為了獲得非常大的性 能增益，然而這需要提供信道信息給發(fā)射機(jī)。這樣的信道數(shù)據(jù)稱為信道狀態(tài) 信息。在很多無(wú)線系統(tǒng)中，上行和下行工作在頻分復(fù)用(FDD)模式，也就是， 上行和下行使用不同的頻率。當(dāng)處于這種情況時(shí)，上行的信道測(cè)量結(jié)果可能 不適用于下行，反之亦然。在這些情況下，僅通過(guò)信號(hào)接收機(jī)測(cè)量信道，并 將信道狀態(tài)信息反饋給發(fā)射機(jī)。在有許多天線的情況下，在上行信道中反饋 狀態(tài)信息所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大。因?yàn)樯闲行诺缼捠鞘芟薜?，所以不?望在上行信道中傳輸大量的信道狀態(tài)信息。通過(guò)與本申請(qǐng)后續(xù)部分結(jié)合附圖介紹的本發(fā)明的多個(gè)方面進(jìn)行比較，現(xiàn)有和傳統(tǒng)方法中存在的限制和弊端，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將變得非 常明顯。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種用于具有有限比率信道狀態(tài)信息反饋的MIMO預(yù)編碼 器的碼書設(shè)計(jì)的方法和系統(tǒng)，在結(jié)合至少一個(gè)附圖而充分地顯示和/或描述， 并在權(quán)利要求書中更加完全的闡述。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種用于處理通信信號(hào)的方法包括使用代價(jià)函數(shù)，將MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)中的信道狀態(tài)信息量化到碼書上， 所述碼書包括一個(gè)或多個(gè)酉矩陣；以及基于至少所述信道狀態(tài)信息，反復(fù)更新所述碼書。作為優(yōu)選，所述信道狀態(tài)信息是矩陣V。作為優(yōu)選，所述代價(jià)函數(shù)f(A)由以下關(guān)系式定義<formula>formula see original document page 6</formula>其中A是NXN的矩陣，aij是矩陣A的元素(i，j)。作為優(yōu)選，所述方法進(jìn)一步包括針對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)酉矩陣從所述碼書 產(chǎn)生維諾(Voronoi)區(qū)域。作為優(yōu)選，所述方法進(jìn)一步包括基于所述維諾區(qū)域和所述酉矩陣產(chǎn)生矩 陣集。作為優(yōu)選，所述方法進(jìn)一步包括通過(guò)將所述矩陣集修正為新的酉矩陣集 來(lái)更新所述碼書，其中所述新的酉矩陣集成為所述碼書。作為優(yōu)選，所述方法進(jìn)一步包括，將所述碼書中的元素的索引從所述 MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)中的接收機(jī)發(fā)射到發(fā)射機(jī)，其中所述信道狀態(tài)信息被量化 到所述碼書上。作為優(yōu)選，所述MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)或多 個(gè)接收天線。作為優(yōu)選，所述方法進(jìn)一步包括使用奇異值分解(SVD)產(chǎn)生所述矩陣V。 作為優(yōu)選，所述方法進(jìn)一步包括使用幾何均值分解(GMD)產(chǎn)生所述矩陣V。作為優(yōu)選，所述方法進(jìn)一步包括使用所述酉矩陣之一線性變換所述 MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)處的矢量信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種用于處理通信信號(hào)的系統(tǒng)包括 包括一個(gè)或多個(gè)電路的MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)，其使用代價(jià)函數(shù)將信道狀態(tài)信息量化到包含一個(gè)或多個(gè)酉矩陣的碼書上，并基于至少所述信道狀態(tài)信息反復(fù)更新所述碼書。作為優(yōu)選，所述信道狀態(tài)信息是矩陣V。作為優(yōu)選，所述代價(jià)函數(shù)f(A)可以由以下關(guān)系式定義:/")=。Vl '2、其中A是NXN的矩陣，aij是矩陣A的元素(ij)。作為優(yōu)選，所述一個(gè)或多個(gè)電路針對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)酉矩陣從所述碼書 產(chǎn)生維諾區(qū)域。作為優(yōu)選，所述一個(gè)或多個(gè)電路基于所述維諾區(qū)域和所述酉矩陣產(chǎn)生矩作為優(yōu)選，所述一個(gè)或多個(gè)電路通過(guò)將所述矩陣集修正為新的酉矩陣集 來(lái)更新所述碼書，其中所述新的酉矩陣集成為所述碼書。作為優(yōu)選，所述一個(gè)或多個(gè)電路將所述碼書中的元素的索引從所述 MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)中的接收機(jī)發(fā)射到發(fā)射機(jī)，其中所述信道狀態(tài)信息被量化 到所述碼書上。作為優(yōu)選，所述MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)或多. 個(gè)接收天線。作為優(yōu)選，所述一個(gè)或多個(gè)電路使用奇異值分解(SVD)產(chǎn)生所述矩陣V。 作為優(yōu)選，所述一個(gè)或多個(gè)電路使用幾何均值分解(GMD)產(chǎn)生所述矩陣V。作為優(yōu)選，所述一個(gè)或多個(gè)電路使用所述酉矩陣之一線性變換所述MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)處的矢量信號(hào)。本發(fā)明的這些與其他的優(yōu)點(diǎn)、方面以及新特性，以及其具體的實(shí)施例， 可以從下文的描述和圖中得到更加完全的理解。


圖1A是結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例在基站和移動(dòng)計(jì)算終端之間的蜂窩多徑通信 的示意圖；圖IB是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MMO通信系統(tǒng)的示意圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIMO預(yù)編碼收發(fā)器鏈模型的框圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有有限比率信道狀態(tài)信息反饋的MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)的框圖；圖4是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的碼書算法的實(shí)現(xiàn)流程圖；圖5是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有MMSE接收機(jī)和有限率反饋的2X2MIMO系統(tǒng)的性能圖；圖6是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有GMD-OSIC接收機(jī)和有限率反饋的2X2MIMO系統(tǒng)的性能圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的實(shí)施例介紹了一種用于具有有限比率信道狀態(tài)信息反饋的 MIMO預(yù)編碼器的碼書設(shè)計(jì)的方法和系統(tǒng)的一些方面。用于具有有限比率信 道狀態(tài)信息反饋的MIMO預(yù)編碼器的碼書設(shè)計(jì)的方法和系統(tǒng)包括，使用代價(jià) 函數(shù)量化MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)中的信道狀態(tài)信息到碼書上，所述碼書包括一個(gè) 或多個(gè)酉矩陣；以及基于至少所述信道狀態(tài)信息反復(fù)更新所述碼書。所述信 道狀態(tài)信息包括矩陣V，所述代價(jià)函數(shù)f(A)由以下關(guān)系式定義廣<formula>formula see original document page 8</formula>其中A是NXN的矩陣， 是矩陣A的元素(i，j)。針對(duì)該酉矩陣，可從所述 碼書產(chǎn)生Voronoi區(qū)域?；谒鯲oronoi區(qū)域和所述酉矩陣可產(chǎn)生矩陣集。 通過(guò)將所述矩陣集修正成新的酉矩陣集，可實(shí)現(xiàn)更新所述碼書，其中所述新 的酉矩陣集成為碼書。在所述MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)中由接收機(jī)發(fā)射所述碼書中 元素的索引到發(fā)射機(jī)，其中所述信道狀態(tài)信息被量化到所述碼書上。所述 MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)發(fā)射天線和接收天線。使用奇異值分解 (SVD)或者幾何均值分解(GMD)可產(chǎn)生所述矩陣V。所述酉矩陣之一可用來(lái) 線性變換所述MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)處的矢量信號(hào)。圖1A示出了結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例在基站和移動(dòng)計(jì)算終端之間的蜂窩多徑 通信。參考圖1A，給出了房子120、移動(dòng)終端122、工廠124、基站126、汽 車128、以及通信路徑130、 132、和134?；?26和移動(dòng)終端122包括有合適的邏輯、電路和/或代碼，用于產(chǎn)生 和處理MIMO通信信號(hào)。在基站126和移動(dòng)終端122之間的無(wú)線通信可以通過(guò)無(wú)線信道進(jìn)行。所 述無(wú)線信道包括多個(gè)通信路徑，例如，通信路徑130、 132、和134。所述無(wú) 線信道可以隨著移動(dòng)終端122和/或汽車128移動(dòng)而動(dòng)態(tài)變化。在一些情況下， 移動(dòng)終端122與基站126為視距傳播(LOS)。在其它情況下，移動(dòng)終端122 與基站126之間可能不是直接視距，射頻信號(hào)在通信實(shí)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(hào)可 由人造結(jié)構(gòu)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(tǒng)指的是非視距(NLOS)通信系統(tǒng)。一個(gè)通信系統(tǒng)可能同時(shí)包括LOS和NLOS信號(hào)分量。如果存在LOS信 號(hào)分量，所述LOS信號(hào)分量比NLOS信號(hào)分量強(qiáng)的多。在一些通信系統(tǒng)中， NLOS信號(hào)分量可以產(chǎn)生干擾并降低接收機(jī)性能。這指的是多徑干擾。例如， 通信路徑130、 132、以及134達(dá)到移動(dòng)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(dòng) 終端122接收到的信號(hào)可以是不同衰減通信路徑130， 132，和域li4的信 號(hào)的求和，這些不同通信路徑在轉(zhuǎn)子上具有永久磁鐵，并且在作為電機(jī)轉(zhuǎn)子關(guān)于電機(jī)定子的角位置的函數(shù)的反電動(dòng)勢(shì)的圖形中電機(jī)還具有不對(duì)稱性和/或偏心，所述繞組中電流的振幅由控制連接到繞組的電流驅(qū)動(dòng)電路的反饋回路調(diào)節(jié)器控制，所述方法包括-在時(shí)段的多于兩個(gè)時(shí)刻獲取由反饋回路調(diào)節(jié)器生成的控制信號(hào)的特性。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法包括 -獲取時(shí)段中第一時(shí)亥啲控制信號(hào)特性的第一變化率；-獲取時(shí)段中第二時(shí)刻的控制信彌性的第二變化率。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一變化率在控制信號(hào)特性達(dá)到最大值之前獲得，而所述第二變化率在控制信號(hào)特性達(dá)到最大值之 后獲得。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，將所述第一變化率與所述第二變化率作比較。圖2示出了依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIMO預(yù)編碼收發(fā)器鏈模型的框圖。參 考圖2，示出了的MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)200包括MIMO發(fā)射機(jī)202、 MIMO等 效基帶信道203、 MIMO接收機(jī)204和加法模塊208。 MIMO發(fā)射機(jī)202包 括發(fā)射機(jī)(TX)基帶處理模塊210和發(fā)射預(yù)編碼模塊214。 MIMO等效基帶信 道203包括無(wú)線信道206、 TX射頻(RF)處理模塊212和接收機(jī)(RX) RF處理 模塊218。 MIMO接收機(jī)204包括預(yù)編碼解碼模塊216和RX基帶處理模塊 220。圖中還示出了符號(hào)矢量s、預(yù)編碼矢量x、噪聲矢量n、接收矢量y和 信道解碼矢量y'。MIMO發(fā)射機(jī)202包括基帶處理模塊210，其包括有合適的邏輯、電路 和/或代碼，用于產(chǎn)生MIMO基帶發(fā)射信號(hào)。所述MIMO基帶發(fā)射信號(hào)可以 傳輸?shù)桨l(fā)射預(yù)編碼模塊214?；鶐盘?hào)在發(fā)射預(yù)編碼模塊214內(nèi)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)?編碼以在無(wú)線信道206中發(fā)射，發(fā)射預(yù)編碼模塊214包括有合適的邏輯、電 路和/或代碼以用于使得其執(zhí)行這些功能。TXRF處理模塊212包括有合適的 邏輯，電路和/或代碼，用于使得傳輸?shù)絋X RF處理模塊212的信號(hào)被調(diào)制 到射頻(RF)以在無(wú)線信道206中發(fā)射。RX RF處理模塊218包括有合適的邏 輯，電路和/或代碼，用于執(zhí)行射頻前端功能以接收在無(wú)線信道206中發(fā)射的 信號(hào)。RXRF處理模塊218包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用于將其輸 入信號(hào)解調(diào)成基帶信號(hào)。加法模塊208表示在MIMO接收機(jī)中將噪聲加到接 收到的信號(hào)內(nèi)。MIMO接收機(jī)204包括預(yù)編碼解碼模塊216，它線性解碼接 收到的信號(hào)并傳輸所述信號(hào)到RX基帶處理模塊220。 RX基帶處理模塊220 包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用于對(duì)該基帶信號(hào)應(yīng)用進(jìn)一步的信號(hào)處 理。MIMO發(fā)射機(jī)202包括基帶處理模塊210，其包括有合適的邏輯，電路 和/或代碼，用于產(chǎn)生MIMO基帶發(fā)射信號(hào)。所述MIMO基帶發(fā)射信號(hào)，也 就是符號(hào)矢量s，被傳輸?shù)桨l(fā)射預(yù)編碼模塊214。符號(hào)矢量s可以是NtxX1 維的矢量。發(fā)射預(yù)編碼模塊214對(duì)符號(hào)矢量s執(zhí)行線性變換，使得x=Ws，('其中W 的維數(shù)為NTx乘以s的長(zhǎng)度，ix=[Xl，X2,"'XNTX]T。預(yù)編碼矢量x的每一個(gè)元素在可用的NTX個(gè)不同的天線上發(fā)射。發(fā)射的預(yù)編碼矢量x通過(guò)MIMO等效基帶信道203。由Nrx個(gè)接收機(jī)天 線接收到的信號(hào)y是發(fā)射信號(hào)x通過(guò)MIMO等效基帶信道203變換(由矩陣 H表示)，并加上噪聲分量(表示為噪聲矢量n)而得到的。如加法模塊208 所示，接收矢量y表示為y=Hx+n=HWs+n。接收矢量y被傳輸?shù)筋A(yù)編碼解 碼模塊216,其中可以對(duì)接收矢量y執(zhí)行線性解碼操作B以得到解碼矢量 y^BVBHHWs+BHn，其中B是適當(dāng)維數(shù)的復(fù)數(shù)矩陣。解碼矢量y'接著被傳 輸?shù)絉X基帶處理模塊220，在此對(duì)預(yù)編碼解碼模塊216的輸出執(zhí)行進(jìn)一步 信號(hào)處理。如果應(yīng)用于發(fā)射預(yù)編碼矢量x的MIMO等效基帶信道203傳輸函數(shù)H 在MIMO發(fā)射機(jī)202和MIMO接收機(jī)204端都已知，則所述信道可以被對(duì)角化，例如，設(shè)置w-v和B-u，其中H-u:svH是奇異值分解。在這些情況下，信道解碼矢量y'為如下關(guān)系式所示y ， = uHU 2 VHVs+UHn= 2 s+UHn因?yàn)镾是對(duì)角矩陣，y'中的符號(hào)矢量s的元素之間沒(méi)有干擾存在，因此所述 無(wú)線通信系統(tǒng)類似于具有高達(dá)NTx個(gè)并行單天線的無(wú)線通信系統(tǒng)那樣，對(duì)于 s的每一個(gè)元素，信道矩陣H的秩可以小于等于NTX。圖3示出了依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有有限比率信道狀態(tài)信息反饋的 MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)的框圖。參考圖3，示出的MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)300包括部 分MIMO發(fā)射機(jī)302、部分MIMO接收機(jī)304、無(wú)線信道306、加法模塊308、 和反饋信道320。部分MIMO發(fā)射機(jī)302包括發(fā)射預(yù)編碼模塊314。部分 MIMO接收機(jī)304包括預(yù)編碼解碼模塊316、信道估計(jì)模塊322、信道量化 模塊310、信道分解模塊312、以及碼書處理模塊318。圖3還示出了符號(hào)矢 量s、預(yù)編碼矢量x、噪聲矢量n、接收矢量y、以及解碼矢量y'。發(fā)射預(yù)編碼模塊314、無(wú)線信道306、加法模塊308、以及預(yù)編碼解碼模 塊316與圖2中所示的發(fā)射預(yù)編碼模塊214、 MIMO等效基帶信道2p、加 法模塊208和預(yù)編碼解碼模塊216基本相同。信道估計(jì)模塊322包括^合適 的邏輯，電路和/或代碼，用于估計(jì)無(wú)線信道206的傳輸函數(shù)。信道估計(jì)值可傳送給信道分解模塊312，信道分解模塊312包括有合適的邏輯，電路和/或 代碼，用于分解信道。在這方面，被分解的信道通信連接到信道量化模塊310。 信道量化模塊310包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用于將所述信道部分 量化到碼書上。碼書處理模塊318包括有合適的邏輯，電路和/或代碼，用于 產(chǎn)生碼書。反饋信道320表示為從部分MIMO接收機(jī)304傳輸信道狀態(tài)信息 到部分MIMO發(fā)射機(jī)302的信道。在很多無(wú)線系統(tǒng)中，信道狀態(tài)信息，也就是關(guān)于信道傳輸矩陣H的了解， 對(duì)于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可能是不知道的。然而，為了利用如圖2所示的預(yù)編碼 系統(tǒng)，可能希望在發(fā)射機(jī)端知道至少部分信道信息。在如圖2所公開(kāi)的本發(fā) 明的實(shí)施例中，MIMO發(fā)射機(jī)302需要有用于在MIMO發(fā)射機(jī)202的發(fā)射預(yù) 編碼模塊214內(nèi)進(jìn)行預(yù)編碼的酉矩陣V。在頻分復(fù)用(FDD)系統(tǒng)中，用于從基站到移動(dòng)終端的下行通信的通信頻 帶與用于上行通信的頻帶是不一樣的。由于頻帶的不同，上行鏈路的信道測(cè) 量一般對(duì)于下行鏈路是沒(méi)有用的，反之亦然。在這些情況下，僅在接收機(jī)端 執(zhí)行所述測(cè)量，而信道狀態(tài)信息(CSI)可以通過(guò)反饋的方式傳輸回發(fā)射機(jī)。對(duì) 于這個(gè)原因，CSI可以通過(guò)反饋信道320從部分MIMO接收機(jī)304反饋回到 部分MIMO發(fā)射機(jī)302的發(fā)射預(yù)編碼模塊314。發(fā)射預(yù)編碼模塊314、無(wú)線 信道306、以及加法模塊308與圖2所示的對(duì)應(yīng)的模塊214、 203、以及208 基本相同。在部分MIMO接收機(jī)304處，接收信號(hào)y在信道估計(jì)模塊222中可以用 來(lái)估計(jì)信道傳輸函數(shù)H，用6表示。例如，所述估計(jì)值可以進(jìn)一步分解成對(duì) 角矩陣或者三角矩陣形式，這取決于特定接收機(jī)實(shí)現(xiàn)，如圖2所解釋。例如， 信道分解模塊312可以執(zhí)行SVD分解:6 = Ot々H 。在有多個(gè)天線的情況下， 矩陣U、 2和V的維數(shù)增加得很快。在這些情況下，可能希望將矩陣；量化 成維數(shù)為NtoXNrx的矩陣Vq，其中Vq可以從之前定義的有限酉矩陣集 C^Vi)中選擇。所述酉矩陣集C便稱為碼書。通過(guò)從所述碼書中找|]接近矩 陣々的矩陣Vq，在某種意義上,如果部分MIMO發(fā)射機(jī)302知道所述碼書C， 便足以能夠從信道量化模塊310通過(guò)反饋信道320發(fā)射索引q到發(fā)射預(yù)編碼模塊314。所述碼書C的變化比信道傳輸函數(shù)H的變化慢得多，從而能夠從 碼書處理模塊318通過(guò)反饋信道320周期性地更新發(fā)射預(yù)編碼模塊314中的 碼書。選擇的所述碼書C可以是靜態(tài)的或者自適應(yīng)的。而且，所述碼書還可 以從一個(gè)碼書集中自適應(yīng)或者非自適應(yīng)地選擇，這些碼書包括自適應(yīng)和/或靜 態(tài)設(shè)計(jì)的碼書。在這些情況下，部分MIMO接收機(jī)304可以在任何時(shí)間點(diǎn)告 知所使用的碼書給部分MIMO發(fā)射機(jī)302。矩陣々可以如下描述的關(guān)系量化成Vq:<formula>formula see original document page 14</formula>其中A=[aij， A的維數(shù)是NXN。因此，可以選擇矩陣Vq為碼書中的矩陣義.， 其可以最大化如上定義的函數(shù)f(々H々i)。函數(shù)f(.)可以對(duì)其輸入矩陣的對(duì)角元 素的絕對(duì)值的平方求平均。通過(guò)最大化f(.)，在某種意義上，矩陣Vq的選擇滿足乘積々H々i最大程度相似于單位矩陣。以上f(.)的表達(dá)式可以在某些近似法下最大化所述預(yù)編碼MIMO系統(tǒng)的瞬時(shí)容量。因此，信道H可以在信道 估計(jì)模塊322中估計(jì)出，并在信道分解模塊312中分解。在信道量化模塊310內(nèi)，矩陣，例如々，可以量化成矩陣Vq，索引q通 過(guò)反饋信道320反饋回部分MIMO發(fā)射機(jī)302。所述碼書C還可以選擇為不 隨時(shí)間變化。而且，所述碼書C還可以從碼書集中自適應(yīng)或者非自適應(yīng)地選 擇，這些碼書包括自適應(yīng)和/或靜態(tài)設(shè)計(jì)的碼書。來(lái)自碼書處理模塊318的碼 書C，比索引q變化緩慢，可以通過(guò)反饋信道320發(fā)送到部分MIMO發(fā)射機(jī) 302。當(dāng)碼書C的基數(shù)iq小于或等于iq〈 2M時(shí)，為了反饋索引q， M個(gè)比特 就足夠了。發(fā)射預(yù)編碼模塊314可以執(zhí)行，例如，線性變換x-V,s。接收機(jī)端的預(yù) 編碼解碼模塊316可以執(zhí)行線性變換y'-(jHy。在一些情況下，信道矩陣H 的秩r小于發(fā)射天線的數(shù)量，也就是滿足KNn。在這些情況下，可能希望 映射減小了數(shù)量的空域(spatial)流到矢量x，如圖2所描述。例如，矢量s可以選擇成滿足x-Ws，其中W的維數(shù)是NtxXs的長(zhǎng)度，而s的長(zhǎng)度是空域 流的數(shù)量， 一般比秩r小。例如，矩陣W可以由Vq中的希望的列來(lái)構(gòu)造。 在本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例中，如上所述，矢量x可以由x-V,s產(chǎn)生，且長(zhǎng) 度為Ntx的矢量s的某些適當(dāng)選擇的元素設(shè)置為0，那樣一般矢量s中非0 元素小于秩r。在這些情況下，s中設(shè)置成O的元素對(duì)應(yīng)于沒(méi)有被使用的空域 流。圖4示出了依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的碼書算法的實(shí)現(xiàn)流程圖。參考圖4，示 出了開(kāi)始步驟402、結(jié)束步驟418、處理步驟404、 406、 410、 412、 414、 416 以及判斷步驟408。碼書C的選擇對(duì)于決定如圖3所示的反饋系統(tǒng)的性能是很重要的。圖4 中的流程圖給出了執(zhí)行適合于任何量化精度的碼書算法的示例方法，也就是 碼書C^VJ中矩陣Vi的數(shù)量，以及任何數(shù)量的接收和發(fā)射天線。然而，碼 書可以設(shè)計(jì)成最大化以下關(guān)系其中eh".1是信道實(shí)現(xiàn)H的集合的期望值。以上關(guān)系式表明，最好的碼書選 擇，在一些情況下，可以是包括矩陣Vq的碼書，那樣可以最大化函數(shù)f(.)的 關(guān)于信道H的期望值。這可以通過(guò)圖4的算法實(shí)現(xiàn)。在步驟404中，初始化碼書。例如，碼書C^VJ可以由隨機(jī)矩陣Vi構(gòu) 造。所述矩陣Vi的初始選擇可以是隨意的。在步驟406中，將變量W初始 化為值"不收斂"。雖然在判斷步驟408中A未被設(shè)置成值"收斂"，該算法 可以在步驟410中從碼書C中計(jì)算出Voronoi區(qū)域。在步驟410中，將碼書 所包含的多維空間分解成多個(gè)區(qū)(cell) Ri，即為Voronoi區(qū)域，這樣的話，每 一個(gè)區(qū)Ri表示一個(gè)子空間，所述子空間可能從某種意義上說(shuō)與特定矩陣Vi 最相似，如以下關(guān)系式所示在步驟412中，碼書C可基于在步驟410中計(jì)算出的Voronoi區(qū)域進(jìn)行 更新。對(duì)于任何給定的區(qū)域Ri，可以產(chǎn)生一個(gè)新的矩陣Vi4Vi,，V、2，…Vi,慰l，C = maxCJBH{/(々HVq)其中V,.k是長(zhǎng)度為NTx的列矢量，如以下關(guān)系式所示<formula>formula see original document page 16</formula>其中Vk是矩陣V的第k列。對(duì)于以上最優(yōu)問(wèn)題的求解為如下關(guān)系式所示:義A^ UA￡4JT = RjWtuAfcLST其中V,k選擇為對(duì)應(yīng)于矩陣RKK的最大特征值XMAX的特征矢量U^。對(duì)以上方程，對(duì)變量Z的期望值Ej)可以通過(guò)采用空間的采樣平均值來(lái)計(jì)算得到。 在步驟414中，用于收斂的一個(gè)測(cè)試可以應(yīng)用于碼書C，以驗(yàn)證所述碼書是否收斂于一個(gè)穩(wěn)定的集。例如，一個(gè)收斂測(cè)試可以通過(guò)每一個(gè)矩陣Vq在連續(xù)的步驟412之間的改變程度是多少來(lái)測(cè)量。如果改變小于門限值，可 以認(rèn)為達(dá)到了收斂。在步驟414,如果碼書已收斂，變量A將設(shè)置為值"收 斂"，否則變量A設(shè)置為值"不收斂"。如果，在步驟414中，變量A已經(jīng)設(shè)置為"收斂"，包括步驟410、 512、 以及414在內(nèi)的循環(huán)可以在步驟416跳出，最終產(chǎn)生的碼書C是正交的。矩 陣(VJ也期望是正交的，也就是其中I表示單位矩陣，而o表示元素全為o的矩陣。得到的碼書C^VJ可以 通過(guò)對(duì)矩陣(VJ應(yīng)用例如Gram-Schmidt (葛萊姆一斯密特)正交化而是正交 的。碼書的正交化在結(jié)束步驟418終止碼書的生成。圖5是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的有MMSE接收機(jī)和有限率反饋的2X2 MIMO系統(tǒng)的性能圖。參考圖5，示出了信噪比(SNR)軸和頻譜效率軸(Seff)。 還示出了全反饋奇異值分解SVD(Fit-FB)的曲線圖502、 2比特反饋SVD (SVD-2B)的曲線圖504、 SVD-3B的曲線圖506、 SVD-4B的曲線圖508、 SVD-5B的曲線圖510以及SVD-6B的曲線圖512。 (如圖3所解釋，可用于反饋的比特?cái)?shù)量決定了酉矩陣々的量化精度。對(duì) 于M比特，碼書C包括ICl《2^個(gè)元素(Vi)。因此，大的數(shù)量的反饋比特可以允許更好的信道量化并可以提供更好的性能。如圖5所示，依據(jù)本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例盡管使用很少的反饋比特卻可以提供與全反饋SVD(Fit-FB) 502 接近的性能。曲線圖SVD-2B504、 SVD-3B506、 SVD-4B 508、 SVD-5B510 以及SVD-6B 512與SVD(Fit-FB) 502也是接近。在圖5中可以使用最小均方 誤差(MMSE)接收機(jī)。圖6是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的有GMD-OSIC接收機(jī)和有限率反饋的2X2 MIMO系統(tǒng)的性能圖。參考圖6，示出了信噪比(SNR)軸和頻譜效率軸(Seff)。 還示出了全反饋幾何均值分解(GMDFit-FB)602的曲線圖、2比特反饋GMD (GMD-2B)的曲線圖604、 GMD-3B的曲線圖606、 GMD-4B的曲線圖608、 GMD-5B的曲線圖610以及GMD-6B的曲線圖612。如圖6所示的性能曲線圖利用的是排序連續(xù)干擾抵消(OSIC)接收機(jī)。使 用的是GMD,而不是SVD，如結(jié)合圖1B所述。如圖6可以看出，本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例使用幾個(gè)反饋比特的性能，例如GMD-2B 604、 GMD-3B 606、 GMD -4B 608、 GMD -5B 610以及GMD -6B 612，與有全反饋的系統(tǒng)的性能 (GMD Fit-FB 602的曲線圖)很接近。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種用于具有有限比率信道狀態(tài)信息反饋的 MIMO預(yù)編碼器的碼書設(shè)計(jì)的方法和系統(tǒng)包括:在信道量化模塊310中，使用 代價(jià)函數(shù)量化MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)200和300中的信道狀態(tài)信息到碼書上，所 述碼書包括一個(gè)或多個(gè)酉矩陣，并在碼書處理模塊318中，基于至少所述信 道狀態(tài)信息反復(fù)地更新所述碼書。在信道估計(jì)模塊322中獲得的信道狀態(tài)信 息包括在信道分解模塊312中產(chǎn)生的矩陣V。所述代價(jià)函數(shù)f(A)由以下關(guān)系 式定義<formula>formula see original document page 17</formula>其中A是NXN的矩陣，aij是矩陣A的元素(ij)。在碼書處理模塊3JL8中， 針對(duì)該酉矩陣可從所述碼書中產(chǎn)生Voronoi區(qū)域。而且，在碼書處理l莫塊318 中，基于所述Voronoi區(qū)域和所述酉矩陣產(chǎn)生一個(gè)矩陣集。通過(guò)將所述矩陣集修正成一個(gè)新的酉矩陣集，可實(shí)現(xiàn)更新所述碼書，其中所述新的酉矩陣集成為碼書。在信道量化模塊310中，信道狀態(tài)信息被量化到其上的碼書中的 元素的索引通過(guò)反饋信道320從所述MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)中的接收機(jī)發(fā)射到發(fā) 射機(jī)。MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)200/300包括一個(gè)或多個(gè)發(fā)射天線和接收天線。在 信道分解模塊312中，使用奇異值分解(SVD)或者幾何均值分解(GMD)產(chǎn)生 所述矩陣V。在發(fā)射預(yù)編碼模塊314中，所述酉矩陣之一用來(lái)線性變換所述 MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)端的矢量信號(hào)。本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例提供一個(gè)機(jī)器可讀存儲(chǔ)器，其上存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī) 程序具有至少一個(gè)可由機(jī)器執(zhí)行的代碼段，從而促使該機(jī)器執(zhí)行這里描述的 一種用于具有有限比率信道狀態(tài)信息反饋的MIMO預(yù)編碼器的碼書設(shè)計(jì)的 方法的各步驟。因此，本發(fā)明可以通過(guò)硬件、軟件，或者軟、硬件結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明 可以在至少一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中以集中方式實(shí)現(xiàn)，或者由分布在幾個(gè)互連的計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)中的不同部分以分散方式實(shí)現(xiàn)。任何可以實(shí)現(xiàn)所述方法的計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)或其它設(shè)備都是可適用的。常用軟硬件的結(jié)合可以是安裝有計(jì)算機(jī)程序的 通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)安裝和執(zhí)行所述程序控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使其按所述方 法運(yùn)行。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，利用處理器和存儲(chǔ)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)所述方法。本發(fā)明還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)施，所述程序包含能夠?qū)崿F(xiàn)本 發(fā)明方法的全部特征，當(dāng)其安裝到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中時(shí)，通過(guò)運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)本 發(fā)明的方法。本文件中的計(jì)算機(jī)程序所指的是可以采用任何程序語(yǔ)言、代 碼或符號(hào)編寫的一組指令的任何表達(dá)式，該指令組使系統(tǒng)具有信息處理能力， 以直接實(shí)現(xiàn)特定功能，或在進(jìn)行下述一個(gè)或兩個(gè)步驟之后實(shí)現(xiàn)特定功能a) 轉(zhuǎn)換成其它語(yǔ)言、編碼或符號(hào)；b)以不同的格式再現(xiàn)。本發(fā)明是通過(guò)幾個(gè)具體實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明的，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白， 在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變換及等同替代。 另外，針對(duì)特定情形或具體情況，可以對(duì)本發(fā)明做各種修改，而^脫離本發(fā) 明的范圍。因此，本發(fā)明不局限于所公開(kāi)的具體實(shí)施例，而應(yīng)當(dāng)包括落入本 發(fā)明權(quán)利要求范圍內(nèi)的全部實(shí)施方式。說(shuō)明本申請(qǐng)引用并要求申請(qǐng)?zhí)枮?0/884118、申請(qǐng)日為2007年1月9日的美 國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，并將其全文引入本申請(qǐng)中。 本申請(qǐng)還參考申請(qǐng)?zhí)枮?0/884118的美國(guó)專利申請(qǐng)，申請(qǐng)日為2007年1月9日； 申請(qǐng)?zhí)枮?0/884133的美國(guó)專利申請(qǐng)，申請(qǐng)日為2007年1月9日； 申請(qǐng)?zhí)枮?0/884132的美國(guó)專利申請(qǐng)，申請(qǐng)日為2007年1月9日； 申請(qǐng)?zhí)枮開(kāi)的美國(guó)專利申請(qǐng)，(代理案號(hào)18183US02),申請(qǐng)日為2007年6月22曰；申請(qǐng)?zhí)枮開(kāi)的美國(guó)專利申請(qǐng)，(代理案號(hào)18184US02)，申請(qǐng)日為2007年6月22日；申請(qǐng)?zhí)枮開(kāi)的美國(guó)專利申請(qǐng)，(代理案號(hào)18185US02),申請(qǐng)日為2007年6月22日；以上所述給出的每一件申請(qǐng)?jiān)诖俗鳛檎w而參考引用。
權(quán)利要求
1、一種用于處理通信信號(hào)的方法，其特征在于，所述方法包括使用代價(jià)函數(shù)，將MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)中的信道狀態(tài)信息量化到碼書上，所述碼書包括一個(gè)或多個(gè)酉矩陣；以及基于至少所述信道狀態(tài)信息，反復(fù)更新所述碼書。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道狀態(tài)信息是矩陣V。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述代價(jià)函數(shù)f(A)由以下 關(guān)系式定義L w -、飼=1 I、 2其中A是NXN的矩陣，aij是矩陣A的元素(i，j)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括針對(duì) 所述一個(gè)或多個(gè)酉矩陣從所述碼書產(chǎn)生維諾區(qū)域。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括基于 所述維諾區(qū)域和所述酉矩陣產(chǎn)生矩陣集。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括通過(guò) 將所述矩陣集修正為新的酉矩陣集來(lái)更新所述碼書，其中所述新的酉矩陣集 成為所述碼書。
7、 一種用于處理通信信號(hào)的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括包括一個(gè)或多個(gè)電路的MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)，其使用代價(jià)函數(shù)將信道狀態(tài) 信息量化到包含一個(gè)或多個(gè)酉矩陣的碼書上，并基于至少所述信道狀態(tài)信息 反復(fù)更新所述碼書。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信道狀態(tài)信息是矩陣V。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述代價(jià)函數(shù)f(A)可以由以下關(guān)系式定義:<formula>formula see original document page 3</formula>其中A是NXN的矩陣，aij是矩陣A的元素(g)。
10、根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)電路針 對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)酉矩陣從所述碼書產(chǎn)生維諾區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于具有有限比率信道狀態(tài)信息反饋的MIMO預(yù)編碼器的碼書設(shè)計(jì)的方法和系統(tǒng)。所述方法包括使用代價(jià)函數(shù)，將MIMO預(yù)編碼系統(tǒng)中的信道狀態(tài)信息量化到碼書上，所述碼書包括一個(gè)或多個(gè)酉矩陣；以及基于至少所述信道狀態(tài)信息，反復(fù)更新所述碼書。所述信道狀態(tài)信息可以是矩陣V。所述代價(jià)函數(shù)f(A)可以用以下關(guān)系式定義(如圖)其中A是N×N的矩陣，a_ij是矩陣A的元素(i，j)。針對(duì)該酉矩陣，可從所述碼書產(chǎn)生Voronoi區(qū)域?；谒鯲oronoi區(qū)域和所述酉矩陣可產(chǎn)生矩陣集。通過(guò)將所述矩陣集修正成新的酉矩陣集，可實(shí)現(xiàn)更新所述碼書，其中所述新的酉矩陣集成為碼書。
文檔編號(hào)H04L1/06GK101232475SQ20081000218
公開(kāi)日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2008年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月9日
發(fā)明者文科·厄斯戈, 軍 鄭, 馬克·肯特 申請(qǐng)人:美國(guó)博通公司