专利名称：Mimo预编码器中交替信道量化的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信系统的信号处理，更具体地说，本发明涉及一种用于具 有有限比率信道状态信息反馈的2x2 MIMO预编码器的交替信道5量化的方 法和系统。
背景技术：
移动通信改变了人们通信的方式，移动电话已经由原来的奢侈品而成为 人们日常生活中的必需品。当今移动电话的使用由社会状态支配而不是被地 理位置或技术阻碍。虽然语音连接满足了通信的基本需要，其中移动语音连 接继续甚至进一步渗透到生活中的每一天中，移动英特网将是移动通信革命 的下一步。所述移动因特网自然地成为日常信息的一个公共来源，且对这一 数据服务的简单和通用移动接入将是必然的方式。第三代(3G)蜂窝网络是用来实现所述移动因特网的这些需求而特地设计 的。由于这些服务的使用和普及的增长，相对于目前对于蜂窝网运营商而言， 如低成本的网络容量优化和服务质量(QoS)等因素将会变得更加重要。这些因 素可以通过细致的网络规划和操作，改善发射方法，和改进接收机技术等方 法实现。为此，载波需要能使得其增加下行吞吐率的技术，这样，提供高的 QoS性能和速度以抗衡那些由电缆调制解调器和/或DSL服务提供商提供的 服务。为了满足这些需求，在发射机和接收机都放置多天线的通信系统因其可 在无线衰落环境中很大地提高系统的容量而近来引起了广泛的注意。这些多 天线结构，也就是熟知的智能天线技术，可以在信号接收时用来减少多径和/ 或信号干扰。可以预见智能天线技术随着基站设施的铺开以及蜂窝系统中移 动手机用户对所述这些系统的处理容量要求的增加将会得到更广泛的使用。这些要求部分是因从基于语音服务到下一代无线多媒体服务的转变所引起 的，所述多媒体服务将提供语音、视频和数据通信服务。多个发射和/或接收天线的使用设计成引入分集增益以及提高自由度以 抵抗信号接收处理中产生的干扰。分集增益通过增加接收信噪比和稳定发射 链路改善系统的性能。另一方面来看，更多的自由度允许多个同时的发射，从而提供了对抗信号干扰的鲁棒性(robustness),和/或允许了更高的频率复 用以达到更高的容量。例如，在具有多个天线接收机的通信系统中，M个接 收天线集可以用来完全消除(M-1)个干扰效应。因此，N个信号可以在相同的 带宽内使用N个发射天线同时发射，所述N个发射信号接着通过配置在接收 机的N个天线集分成N个独自的信号。使用多个发射和接收天线的系统可以 指的是多输入多输出(MIMO)系统。在特定的MIMO系统中，多天线系统的 一个吸引人的方面指的是通过利用这些发射结构可以很大程度的增加了系统 的容量。对于固定的总发射功率和带宽，MIMO结构可以提供的容量随着增 加的信噪比(SNR)动态变化。例如，在多径衰弱信道的情况下，对于SNR每 增加3dB， MIMO结构可以增加系统的容量到接近M比特/周期(cycle)。由于体积的增加，复杂度的提高，以及功耗的增加引起的费用增加，从 而限制多天线系统被在无线通信中广泛的使用。这成了无线系统设计和应用 需要注意的问题。结果，关于多天线系统的一些研究可能关注于可以支持单 用户点到点的链路，其它研究可能关注于多用户场景。使用多天线的通信系 统可以很大成程度改善系统的容量。使用MIMO技术是为了获得非常大的性能增益，然而这需要提供信道信 息给发射机以允许MIMO预处理。基于MIMO发射机的MIMO预处理和其 它MIMO技术受益于或需要关于信道的知识，称为信道状态信息(CSI)。此 外，因为许多无线系统是以频分双工(FDD)模式操作，所以上行和下行连接 使用不同的频率。在这些情况下，通过测量接收机的信道并反馈所述信息， 这样才能进行发送机的信道测量。然而，由于MIMO系统中发送和接收天线 数量的增加，反馈信道状态信息包含很大数据量的传输。因此需要限制反馈， 使其尽可能不会影响性能。在这些情况下，还需要在系统自适应速度和反馈比率之间取得折衷。通过与本申请后续部分结合附图介绍的本发明的多个方面进行比较，现 有和传统方法中存在的限制和弊端，对本领域的普通技术人员来说将变得非 常明显。发明内容本发明涉及一种用于具有有限比率信道状态信息反馈的2x2 MIMO预编 码器的交替信道5量化的方法和系统，在结合至少一个附图而充分地显示和/ 或描述，并在权利要求书中更加完全的阐述。根据本发明的一个方面， 一种用于处理通信信号的方法包括使用代价函数，将2x2 MIMO预编码系统中信道状态信息上的变化第一 量化到第一码书上，所述第一码书包括一个或多个酉矩阵；使用代价函数，将2x2 MIMO预编码系统中信道状态信息上的变化第二 量化到第二码书上，所述第二码书包括一个或多个酉矩阵；以及以交替方式重复所述第一量化和所述第二量化。优选地，所述信道状态信息是矩阵V。优选地，所述方法进一步包括使用奇异值分解(SVD)产生所述矩阵V。 优选地，所述方法进一步包括使用几何均值分解(GMD)产生所述矩阵V。 优选地，所述代价函数f(A)由以下关系式定义<formula>formula see original document page 6</formula>
其中A是NXN的矩阵，aij是矩阵A的元素(ij)。优选地，所述方法进一步包括从第一矩阵和第二矩阵产生所述一个或多 个酉矩阵。优选地，所述方法进一步包括使用吉文斯(Givens)分解产生所述第一 矩阵和第二矩阵。优选地，所述方法进一步包括通过修改步长变量来修改所述第一码书和/或第二码书的动态范围。优选地，所述方法进一步包括在所述MIMO预编码系统中将所述第一码 书或所述第二码书的元素索引从接收机发送到发射机，其中信道状态信息上 的所述变化被量化到所述第一码书或第二码书上。优选地，所述方法进一步包括使用一个所述酉矩阵线性地转换所述 MIMO预编码系统的发射机处的矩阵。根据本发明的一个方面， 一种用于处理通信信号的系统包括包括一个或多个电路的2x2 MIMO预编码系统，所述一个或多个电路用于使用代价函数，将2x2 MIMO预编码系统中信道状态信息上的变化第一 量化到第一码书上，所述第一码书包括一个或多个酉矩阵；使用代价函数，将2x2 MIMO预编码系统中信道状态信息上的变化第二 量化到第二码书上，所述第二码书包括一个或多个酉矩阵；以及以交替方式重复所述第一量化和所述第二量化。优选地，所述信道状态信息是矩阵V。优选地，所述一个或多个电路使用奇异值分解(SVD)产生所述矩阵V。 优选地，所述一个或多个电路使用几何均值分解(GMD)产生所述矩阵V。 优选地，所述代价函数f(A)由以下关系式定义<formula>formula see original document page 7</formula>其中A是NXN的矩阵，aij是矩阵A的元素(i,j)。优选地，所述一个或多个电路从第一矩阵和第二矩阵产生一个或多个酉 矩阵。优选地，所述一个或多个电路使用吉文斯分解产生所述第一矩阵和第二 矩阵。优选地，所述一个或多个电路通过修改步长变量来修改所述第一码书和/ 或第二码书的动态范围。优选地，所述一个或多个电路在所述MMO预编码系统中将所述第一码 书或所述第二码书的元素索引从接收机发送到发射机，其中信道状态信息上 的所述变化被量化到所述第一码书或第二码书上。优选地，所述一个或多个电路使用一个所述酉矩阵线性地转换所述 MIMO预编码系统的发射机处的矩阵。本发明的这些与其他的优点、方面以及新特性，以及其具体的实施例， 可以从下文的描述和图中得到更加完全的理解。
图1A是结合本发明实施例在基站和移动计算终端之间的蜂窝多径通信 的示意图；图IB是依据本发明实施例的MIMO通信系统的示意图； 图2是依据本发明实施例的MIMO预编码收发器链模型的框图； 图3是依据本发明实施例的具有有限比率信道状态信息反馈的MIMO预 编码系统的框图；图4是根据本发明实施例的典型的预编码5量化反馈算法的流程图； 图5是根据本发明实施例的具有4元素码书C的典型的2x2 MIMO系统 的性能图。
具体实施方式
本发明的实施例介绍了一种用于具有有限比率信道状态信息反馈的2x2 MIMO预编码器的交替信道5量化的方法和系统。用于具有有限比率信道状 态信息反馈的2x2 MIMO预编码器的交替信道5量化的方法和系统包括使 用代价函数将2x2 MIMO预编码系统中的信道状态信息上的变化量化到码书 上，并在两个码书之间交替进行，其中每个码书包括一个或多个酉矩阵。所 述信道状态信息是使用奇异值分解(SVD)或者几何均值分解(GMD)产生的矩 阵V。所述代价函数f(A)由以下关系式定义<formula>formula see original document page 9</formula>其中A是NXN的矩阵，aij是矩阵A的元素(i,j)。所述一个或多个酉矩阵从 第一矩阵和第二矩阵产生。所述第一矩阵和第二矩阵可使用吉文斯分解产生。 所述两个码书的动态范围通过修改步长变量进行修改。所述码书的元素索引 在MIMO预编码系统中从接收机被发送到发射机，其中信道状态信息上的所 述变化被量化到所述码书上。使用一个酉矩阵可以线性地转换MIMO预编码 系统的发射机处的矩阵。图1A示出了结合本发明实施例在基站和移动计算终端之间的蜂窝多径 通信。参考图1A，给出了房子120、移动终端122、工厂124、基站126、汽 车128、以及通信路径130、 132、和134。基站126和移动终端122包括有合适的逻辑、电路和/或代码，用于产生 和处理MIMO通信信号。在基站126和移动终端122之间的无线通信可以通 过无线信道进行。所述无线信道包括多个通信路径，例如，通信路径130、 132、和134。所述无线信道可以随着移动终端122和/或汽车128移动而动 态变化。在一些情况下，移动终端122与基站126为视距传播(LOS)。在其 它情况下，移动终端122与基站126之间可能不是直接视距，射频信号在通 信实体之间的反射通信路径之间传播，如图所示的典型通信路径130、 132、 和134。所述射频信号可由人造结构如房子120、工厂124、或者汽车128、 或者自然存在的障碍如山反射。这样的系统指的是非视距(NLOS)通信系统。通信系统可同时包括LOS和NLOS信号分量。如果存在LOS信号分量， 所述LOS信号分量比NLOS信号分量强的多。在一些通信系统中，NLOS信 号分量可以产生干扰并降低接收机性能。这指的是多径干扰。例如，通信路 径130、 132、以及134达到移动终端122具有不同的延迟。通信路径130、 132、以及134还可以具有不同的衰减。例如，在下行链路中，在移动终端 122接收到的信号可以是不同衰减通信路径130， 132，和域134的信号的求 和，这些不同通信路径可能是不同步的而且动态变化的。这样的信道称为衰弱多径信道。衰弱多径信道可以引入干扰，但是也可以为所述无线信道引入分集和自由度。在基站和/或移动终端具有多天线的通信系统，例如MIMO 系统，特别适合利用无线信道的特性并可以由衰弱多径信道得到很大的性能 增益，相对于在基站126和移动终端122具有单天线的通信系统(特别是 NLOS通信系统)，所述多天线的通信系统可以得到很大的性能提高。图1B示出了依据本发明实施例的MIMO通信系统的示意图。参考图1B， 示出了MIMO发射机102和MIMO接收机104，以及天线106、 108、 110、 112、 114、 116。图中还示出了无线信道，所述信道包括通信路径hu、 h12、h22、 h21、 h2NTX、 hi NTX、 llNRX 1 、 hNRX 2、 tlNRX NTX， 其中hmn可以表示从发射机天线n到接收机天线m的信道系数。可能有NTx个发射机天线和Nrx个接 收机天线。图中还给出了发射符号x。 x2、 xm^和接收符号yl、 y2、 yNRX。MIMO发射机102包括有合适的逻辑，电路和/或代码，用于产生发射符 号Xi U{1,2,...NTX}，所述符号通过如图1B示出的发射天线106、 108、 110发 射。MIMO接收机104包括有合适的逻辑，电路和/或代码，用于处理通过如 图IB所示的接收天线112、 114、 116接收的接收符号yi ie{1,2,...NRX}。在MIMO 系统中发射的和接收的信号之间的输入输出关系可以表示为如下所示y=Hx+n其中y-[",y2,…yNRx]t是具有Nrx个元素的列矢量，7表示矢量转置，H-[Vl:fe(l,2，J^;/e仏2",J^)表示N収xNTx维的信道矩阵，P[巧,X2"腊f是具有Ntx个元素的列矢量，n是具有NRx个元素的噪声采样列矢量。信道 矩阵H在使用奇异值分解(SVD)的情况下可以写成H=U2 VH，其中"表示哈 密顿转置(hermitian transpose), U是Nrx><Ntx的酉矩阵，Z是NTXXNTX 的对角矩阵，而V是NtxXNtx的酉矩降。也可以使用其它矩阵分解而不是 SVD分解以对角化或者变换所述矩阵H。如果MIMO接收机104内执行的 接收机算法是例如排序干扰抵消(OSIC)，则其它可以转换矩阵H到下/上三角 矩阵的矩阵分解也是可以的。这样的分解包括几何均值分解(GMD)，其中H =QRPH，其中R可以是H的奇异值的几何均值位于对角元素上的上三角矩 阵，Q和P可以是酉矩阵。图2示出了依据本发明实施例的MIMO预编码收发器链模型的框图。参 考图2，示出了的MIMO预编码系统200包括MIMO发射机202、 MIMO等 效基带信道203、 MIMO接收机204和加法模块208。 MIMO发射机202包 括发射机(TX)基带处理模块210和发射预编码模块214。 MIMO等效基带信 道203包括无线信道206、 TX射频(RF)处理模块212和接收机(RX) RF处理 模块218。 MIMO接收机204包括预编码解码模块216和RX基带处理模块 220。图中还示出了符号矢量s、预编码矢量x、噪声矢量n、接收矢量y和 信道解码矢量y'。MIMO发射机202包括基带处理模块210，其包括有合适的逻辑、电路 和/或代码，用于产生MIMO基带发射信号。所述MIMO基带发射信号可以 传输到发射预编码模块214。基带信号在发射预编码模块214内经过适当地 编码以在无线信道206中发射，发射预编码模块214包括有合适的逻辑、电 路和/或代码以用于使得其执行这些功能。TXRF处理模块212包括有合适的 逻辑，电路和/或代码，用于使得传输到TX RF处理模块212的信号被调制 到射频(RF)以在无线信道206中发射。RXRF处理模块218包括有合适的逻 辑，电路和/或代码，用于执行射频前端功能以接收在无线信道206中发射的 信号。RXRF处理模块218包括有合适的逻辑，电路和/或代码，用于将其输 入信号解调成基带信号。加法模块208表示在MIMO接收机中将噪声加到接 收到的信号内。MIMO接收机204包括预编码解码模块216，它线性解码接 收到的信号并传输所述信号到RX基带处理模块220。 RX基带处理模块220 包括有合适的逻辑，电路和/或代码，用于对该基带信号应用进一步的信号处 理。MIMO发射机202包括基带处理模块210，其包括有合适的逻辑，电路 和/或代码，用于产生MIMO基带发射信号。所述MIMO基带发射信号，也 就是符号矢量s，被传输到发射预编码模块214。符号矢量s可以是NTXX 1 维的矢量。发射预编码模块214对符号矢量s执行线性变换，使得x-Ws，其中W 的维数为NTx乘以s的长度，ix=[Xl,X2， xNTX]T。预编码矢量x的每一个元素在可用的NTX个不同的天线上发射。发射的预编码矢量x通过MIMO等效基带信道203。由Nrx个接收机天 线接收到的信号y是发射信号x通过MIMO等效基带信道203变换(由矩阵 H表示)，并加上噪声分量(表示为噪声矢量n)而得到的。如加法模块208 所示，接收矢量y表示为y=Hx+n=HWs+n。接收矢量y被传输到预编码解 码模块216，其中可以对接收矢量y执行线性解码操作B以得到解码矢量 y'-BHj^BHHWs+BHn，其中B是适当维数的复数矩阵。解码矢量y'接着被传输到RX基带处理模块220，在此对预编码解码模块216的输出执行进一步 信号处理。如果应用于发射预编码矢量x的MIMO等效基带信道203传输函数H 在MIMO发射机202和MIMO接收机204端都己知，则所述信道可以被对 角化，例如，设置W-V和B-U，其中H-USVH是奇异值分解。在这些情 况下，信道解码矢量y'为如下关系式所示y， =UHU2VHVs+UHn=5:s+UHn 因为S是对角矩阵，y'中的符号矢量s的元素之间没有干扰存在，因此所述 无线通信系统类似于具有高达ntx个并行单天线的无线通信系统那样，对于 s的每一个元素，信道矩阵H的秩可以小于等于Nxx。图3示出了依据本发明实施例的具有有限比率信道状态信息反馈的 MIMO预编码系统的框图。参考图3，示出的MIMO预编码系统300包括部 分MIMO发射机302、部分MIMO接收机304、无线信道306、加法模块308、 和反馈信道320。部分MIMO发射机302包括发射预编码模块314。部分 MIMO接收机304包括预编码解码模块316、信道估计模块322、信道量化 模块310、信道分解模块312、以及码书处理模块318。图3还示出了符号矢 量s、预编码矢量x、噪声矢量n、接收矢量y、以及解码矢量y'。发射预编码模块314、无线信道306、加法模块308、以及预编码解码模 块316与图2中所示的发射预编码模块214、 MIMO等效基带信道203、加 法模块208和预编码解码模块216基本相同。信道估计模块322包括有合适 的逻辑，电路和/或代码，用于估计无线信道206的传输函数。信道估计值可传送给信道分解模块312，信道分解模块312包括有合适的逻辑，电路和/或 代码，用于分解信道。在这方面，被分解的信道通信连接到信道量化模块310。 信道量化模块310包括有合适的逻辑，电路和/或代码，用于将所述信道部分 量化到码书上。码书处理模块318包括有合适的逻辑，电路和/或代码，用于 产生码书。反馈信道320表示为从部分MIMO接收机304传输信道状态信息 到部分MIMO发射机302的信道。在很多无线系统中，信道状态信息，也就是关于信道传输矩阵H的了解， 对于发射机和接收机可能是不知道的。然而，为了利用如图2所示的预编码 系统，可能希望在发射机端知道至少部分信道信息。在如图2所公开的本发 明的实施例中，MIMO发射机302需要有用于在MIMO发射机202的发射预 编码模块214内进行预编码的酉矩阵V。在频分复用(FDD)系统中，用于从基站到移动终端的下行通信的通信频 带与用于上行通信的频带是不一样的。由于频带的不同，上行链路的信道测 量一般对于下行链路是没有用的，反之亦然。在这些情况下，仅在接收机端 执行所述测量，而信道状态信息(CSI)可以通过反馈的方式传输回发射机。对 于这个原因，CSI可以通过反馈信道320从部分MIMO接收机304反馈回到 部分MIMO发射机302的发射预编码模块314。发射预编码模块314、无线 信道306、以及加法模块308与图2所示的对应的模块214、 203、以及208 基本相同。在部分MIMO接收机304处，接收的信号y可在信道估计模块222中用 来估计信道传输函数H，用6表示。例如，所述估计值可以进一步分解成对 角矩阵或者三角矩阵形式，这取决于特定接收机实现，如图2所解释。例如， 信道分解模块312可以执行SVD分解:ft = tji々H 。矩阵H和ft是秩r=2的矩 阵。这可以是以下情况，例如，当发送天线的数量和接收天线的数量为2的 时候，即Ntx-Nrx-2。需要将矩阵々量化成维数为NTxXNTx的矩阵Vk，其 中K = 《从最后一个Vk生成，即Vw，酉旋转矩阵《从预定义的有限 酉矩阵集Qr(QJ中生成。所述酉矩阵集Cd便称为码书。矩阵々的改变相对 于信道更新速率会缓慢一些。在这些情况中，发送更新给前一量化矩阵Vk.,(而不是发送给新的矩阵Vk)并使用信道存储，这样会更加经济。通过从生成 Vk的码书Ca中寻找矩阵《，在某种意义上，Vk最接近于矩阵々，这足以将 矩阵《的索引q发送到发射预编码模块314。上述过程可以通过来自信道量 化模块310的反馈信道320完成。部分MIMO发射机302需要知道码书Cd。 码书Cd比信道传输函数H变化更慢，从而足以在发射预编码模块314中通 过反馈信道320从码书处理模块318周期性地更新码书Cd。码书Cd可以是 静态的或者自适应的。此外，码书Qj还可以从一个码书集中自适应或者非自 适应地选择，这些码书包括自适应和/或静态设计的码书。在这些情况下，部 分MIMO接收机304可以在任何时间点告知所使用的码书给部分MIMO发 射机302。在信道矩阵H可相对于信道状态信息反馈速率缓慢变化的情况下，进一 步以减小瞬时自由度的代价减小反馈速率是可行的。这可以通过将较大码书 C 分 成 两 个 码 书 来 完 成， 即 C={Q.} = {C,uC} = {C_ = {Q.}uC^ = {< 》}。码书Ce彻和C。dd各包括C的一半元素。在一些情况中，码书Ceven和C。dd是不重叠的，即= n C。必== 0}，其中0表示空集。矩阵々每次被量化成Vk时， 码书Ceven或C。dd两者中只有一个用于量化目的，因为量化码书Ge{Gw/;,C^}。码书Cd针对不同的量化情况，在码书Ceven和C。dd之间以轮转(rmmd-robin)方式进行交替。例如，如果々量化成Vk发生在时间点H 其中l是整数且T是连续量化情况之间的时间间隔，那么当l是偶数时使用 码书Ceven，当X:是奇数时使用码书C。dd。这需要部分MIMO接收机304的索 引l保持与部分MIMO发射机302对应索引的同步。通过以上述方式对码书 进行划分，量化码书Cd在任何量化点仅包括码书C的一半元素，即C的基 数是W = 2" == 2.|(^| = 2 2M—1 。而这足以反馈使C中元素被索引的M比特。通过选择用于量化的码书的基数为lGlHcl/^lc;J叫cJ，足以反馈M-l比特，如以上等式所示。既然码书C^QJ的元素是旋转，使用减小大小的码 书Cd可以被解释为在每个量化点限定所述旋转为坐标的子集。然而，虽然所 述码书可以在Ce皿和C。dd之间交替，在C中绕任何轴(或坐标)的旋转是可能的，但是在Ceven和C。dd中可包括一定数量的连续旋转。因此，减小反馈速率 是可行的，因为可使用减小大小的码书Cd用于量化。在一些情况中，通过限 定量化码书Cd的大小以及有效旋转的方向来减小反馈速率，可能需要多个旋 转以获得通过使用完整码书C以更少旋转完成的相同结果。因此，使用交替 码书可解释为对反馈数据速率以及获得任意旋转的速率之间的折衷。然而， 在许多情况中，矩阵々可缓慢旋转，且牺牲旋转速度而减小反馈速率是有利 的，由此减少上行链路上的控制信息开销并增加可用数据有效载荷是可行的。 矩阵々可以按如下描述的关系量化成Vk:其中A呵aij]和A的维数是NXN。因此，可以选择矩阵《为码书中Cd中的 矩阵么，其可以最大化如上定义的函数f(々H、—函数f(.)可以对其输入 矩阵的对角元素的绝对值的平方求平均。通过最大化f(.)，在某种意义上，矩 阵Vk的选择满足乘积々H、最大程度相似于单位矩阵。以上f(.)的表达式可以 在某些近似法下最大化所述预编码MIMO系统的瞬时容量。因此，信道H 可以在信道估计模块322中估计出，并在信道分解模块312中分解。在信道量化模块310内，矩阵，例如々，可以量化成矩阵^=^— 索引q通过反馈信道320反馈回部分MIMO发射机302。来自码书处理模块 318的码书C，可以通过反馈信道320发送到部分MIMO发射机302，但其 反馈频率比索引q缓慢。所述码书C还可以选择为不随时间变化。而且，所 述码书C还可以从码书集中自适应或者非自适应地选择，这些码书包括自适 应和/或静态设计的码书。当码书Cd的基数ICd蹄足ICdl《2M时，为了反馈索 引q， M比特就足够了。发射预编码模块314可以执行例如线性变换x-V,s。接收机端的预编码解码模块316可以执行线性变换y、tjHy 。码书C可包括复酉矩阵(QJ。理想的码书是包括易调整动态范围的码书。 针对旋转矩阵(QJ，这可以解释为集C可旋转的角度的绝对范围是可调整或 可设定的，粒度(granularity)亦是如此，所述粒度为相邻矩阵Qq之间的步长。 动态范围的自适应性使得码书可适用于宽范围的不同信道条件。尤其是，码 书C可适应于无线信道矩阵H的变化的速率。一个构造码书Cd的典型协议可使用矩阵(Qq)的单式特性。用于典型2x2 MIMO预处理系统的2x2复酉矩阵Qq根据吉文斯分解(Givens decomposition) 并通过两个角度参数化表示为如下关系<formula>formula see original document page 16</formula>其中上述角度变化的角度范围是^G[-;r/2，;r/2]及(^Hr，;r]。在指定Qq 是单位矩阵的情况下，没有旋转发生。因此，在某种意义上，矩阵(QcJ近似 单位矩阵。码书C以如下关系来构造<formula>formula see original document page 16</formula>其中^^1是步长。也就是，可以从矩阵集(QJ中构造出码书C，矩阵集(QcJ可根据等式(l)从一定数量的角度中生成。在所述码书的一个实施例中，构造 的集C包括从角度集^^土&;r/2，(^土&;r的可能组合中构造出的矩阵(Qq)，如等式(2)和等式(l)所定义。将(QcJ中的可能角度组合结合上通过角度推定出 的可能值，将得到基数IC卜4的码书，即iq不同于包含在集c中的矩阵Qq。集(^皿和C。dd每个都包括2个元素Qq。在本发明的一个实施例中，所述码 书可以选择但不限于以下关系给出的码书<formula>formula see original document page 16</formula>步长5 S 1允许调整矩阵(Qq)的动态范围，因此上述码书构造C= {CemJU 6^}适合用于不同变化速率的宽范围时变衰弱信道矩阵H。在这些情况中，将 BCd=l比特从部分MIMO接收机304反馈回部分MIMO发射机302，以此从 码书C^(C^"uC^〉反馈矩阵《选择的索引q。如上所解释的，相对于量化 码书Q等于C时所需要的反馈速率Bc=2，这种方法将减少1个反馈比特。 对于典型的2x2 MIMO系统，因此反馈速率可以是1比特/信道更新。图4是根据本发明实施例的典型的预编码5量化反馈算法的流程图。参 考图4，示出了开始步骤402、判断步骤406和处理步骤408、 410、 412、 414、 416、 418、 420。在步骤404，通过设置计数变量k开始一种典型的预编码5量化反馈算法。变量k用于分别反映偶和奇码书Ceven和C。dd的使用。变量k在MIMO接收机和MIMO发射机处初始化，并且变量k需要在两个实体处保持同步， 即在MIMO接收机和MIMO发射机处保持同步。在步骤406，如果k是偶数， 量化码书设定为Cd=Ceven。如果k是奇数，量化码书设定为Cd=C。dd。所述量 化可以在MIMO发射机以及MIMO接收机处进行设定。在步骤412，在MIMO 发射机处，在信道估计模块322中获得信道估计值。这样可以提供信道矩阵A 形式的信道估计值。在步骤414，为了获得矩阵々，分解信道矩阵A。例如， 信道分解模块312可使用奇异值分解(SVD)或几何均值分解(GMD)以获得矩 阵々。在步骤416，基于当前的量化码书Cd，矩阵々被量化成矩阵Vk，其 为旋转矩阵(^eC;的函数。这可在信道量化模块310中完成。在步骤418， 对应于《eC^的索引q从MIMO接收机被发送到MIMO发射机，例如，通 过反馈信道320，从信道量化模块310发送到发送预编码模块314，如图3 所示。在步骤420，在MIMO发射机和MIMO接收机处均递增计数变量k， 然后所述反馈算法循环回步骤406。图5是根据本发明实施例的有具4元素码书C的典型的2x2 MIMO系统 的性能图。参考图5，示出了频谱效率(比特/秒/Hz辦和信噪比(SNR)轴。图 中也示出了理想的波束赋形曲线502和2比特码书曲线504。因为码书C有4个元素，码书C,^^Ce^,C^J包括2个元素，因此需要 反馈5=1(^2(2) = 1比特。步长可选为5S1。尽管只反馈l比特，2比特码书曲线504的性能与理想的波束赋形曲线502相似。从图5中可以看出，2比 特码书504的性能接近理想波束赋形502的性能。在理想的波束赋形502的 情况下，发射机202的发射预编码模块214处完整地、准确地知道信道状态 信息，即无线信道H。因此，使用上述2比特码书504引起的性能损失，相 对于理想信道状态信息来说是相对比较小的。根据本发明的实施例， 一种用于具有有限速率信道状态信息反馈的2x2 MIMO预编码器的交变信道5量化的方法和系统包括在信道量化模块310 中使用代价函数将2x2 MIMO预编码系统300中信道状态信息上的变化量化 到码书上，以及在两上码书之间交替信道处理模块318中码书，其中每个码 书包括一个或多个酉矩阵。所述信道状态信息是使用奇异值分解(SVD)或者 几何均值分解(GMD)在码书处理模块318中产生的矩阵V。所述代价函数f(A) 由以下关系式定义其中A是NXN的矩阵，aij是矩阵A的元素(i，j)。所述一个或多个酉矩阵从 码书处理模块318中的第一矩阵和第二矩阵产生。第一矩阵和第二矩阵可使 用吉文斯分解产生。所述两个码书的动态范围通过修改步长变量进行修改。 所述码书的元素索引在MIMO预编码系统300中从接收机304被发送到发射 机302，其中信道状态信息上的所述变化被量化到所述码书上。在发射预编 码模块314中，可以使用一个酉矩阵线性地转换MIMO预编码系统的发射机 处的矩阵。本发明的另外一个实施例提供一个机器可读存储器，其上存储的计算机 程序具有至少一个可由机器执行的代码段，从而促使该机器执行这里描述的 一种用于具有有限速率信道状态信息反馈的2x2 MIMO预编码器的交变信道 ^量化的方法的各步骤。因此，本发明可以通过硬件、软件，或者软、硬件结合来实现。本发明 可以在至少一个计算机系统中以集中方式实现，或者由分布在几个互连的计算机系统中的不同部分以分散方式实现。任何可以实现所述方法的计算机系 统或其它设备都是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的 通用计算机系统，通过安装和执行所述程序控制计算机系统，使其按所述方 法运行。在计算机系统中，利用处理器和存储单元来实现所述方法。本发明还可以通过计算机程序产品进行实施，所述程序包含能够实现本 发明方法的全部特征，当其安装到计算机系统中时，通过运行，可以实现本 发明的方法。本文件中的计算机程序所指的是可以采用任何程序语言、代 码或符号编写的一组指令的任何表达式，该指令组使系统具有信息处理能力， 以直接实现特定功能，或在进行下述一个或两个步骤之后实现特定功能a) 转换成其它语言、编码或符号；b)以不同的格式再现。本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白， 在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。 另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发 明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本 发明权利要求范围内的全部实施方式。说明本申请引用并要求申请号为60/889374、申请日为2007年2月12日的 美国临时专利申请的优先权，并将其全文引入本申请中。 本申请还参考申请号为60/889382的美国专利申请，申请日为2007年2月12日； 申请号为60/889397的美国专利申请，申请日为2007年2月12日； 申请号为60/889406的美国专利申请，申请日为2007年2月12日； 申请号为_的美国专利申请(代理案号18340US02)，申请日为2007年8月30日；申请号为_的美国专利申请(代理案号18341US02)，申请日为2007年8月30日；申请号为_的美国专利申请(代理案号18342US02)，申请日为以上所述给出的每一件申请在此作为整体而参考引用。
权利要求
1、一种用于处理通信信号的方法，其特征在于，所述方法包括使用代价函数，将2×2MIMO预编码系统中信道状态信息上的变化第一量化到第一码书上，所述第一码书包括一个或多个酉矩阵；使用代价函数，将2×2MIMO预编码系统中信道状态信息上的变化第二量化到第二码书上，所述第二码书包括一个或多个酉矩阵；以及以交替方式重复所述第一量化和所述第二量化。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道状态信息是矩阵所述方法进一步包括使用所述方法进一步包括使用所述代价函数f(A)由以下V。
3、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于 奇异值分解产生所述矩阵V。
4、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于 几何均值分解产生所述矩阵V。
5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于 关系式定义<formula>formula see original document page 2</formula>其中A是NXN的矩阵，aij是矩阵A的元素(i,j)。
6、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括从第 一矩阵和第二矩阵产生所述一个或多个酉矩阵。
7、 一种用于处理通信信号的系统，其特征在于，包括 包括一个或多个电路的2x2 MIMO预编码系统，所述一个或多个电路用于使用代价函数，将2x2 MIMO预编码系统中信道状态信息上的变化第一 量化到第一码书上，所述第一码书包括一个或多个酉矩阵；使用代价函数，将2x2 MIMO预编码系统中信道状态信息上的变化第二量化到第二码书上，所述第二码书包括一个或多个酉矩阵；以及 以交替方式重复所述第一量化和所述第二量化。
8、 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述信道状态信息是矩阵<formula>formula see original document page 3</formula>
9、 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述一个或多个电路使用 奇异值分解产生所述矩阵V。
10、 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述一个或多个电路使 用几何均值分解产生所述矩阵V。
全文摘要
本发明公开了一种用于具有有限比率信道状态信息反馈的2×2MIMO预编码器的交替信道δ量化的方法和系统，包括使用代价函数将2×2MIMO预编码系统中信道状态信息上的变化量化到码书上，以及在两个码书之间交替进行，其中每个码书包括一个或多个酉矩阵。所述信道状态信息是使用奇异值分解或者几何均值分解产生的矩阵V。所述代价函数f(A)由右边关系式定义，其中A是N×N的矩阵，a<sub>ij</sub>是矩阵A的元素(i，j)。所述一个或多个酉矩阵从第一矩阵和第二矩阵产生。第一矩阵和第二矩阵可使用吉文斯分解产生。
文档编号H04B7/04GK101247157SQ200810009720
公开日2008年8月20日 申请日期2008年1月28日 优先权日2007年2月12日
发明者尤里·兰道, 文科·厄斯戈, 军 郑, 马克·肯特 申请人:美国博通公司