专利名称：基于Uplink Sounding和CSI反馈信道信息的预编码方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线移动通信技术领域，更具体地，涉及一种基于 Uplink Sounding和CSI反馈信道信息的预编码方法及装置。
背景技术：
由于现在无线业务变得越来越重要，对更高网络容量和更高性能 的需求不断增长。但是几种选择方式，如更高带宽、优化的调制方式 甚至代码复用系统实际上提高频谱效率的潜力有限。
MIMO (Multiple Input Multiple Output)系统通过采用天线阵列， 利用空间复用技术来提高所使用带宽的效率。在很多实际应用中，能 够通过接收端至发送端的反馈信道获得信道参数(假设反馈延时远小 于信道相干时间)。另外，在时分双工(TDD)系统中，当数据接收 和发送间隔在乒乓时间内完成时，信道在接收模式下的估计值能够被 用于发送模式中(假设乒乓时间远小于信道相干时间)。因此很自然地 引发出一个问题如何利用这些信道估计值来优化发射机的发送方案 以及设计相应的最优接收机。
目前的研究中主要分为线性和非线性优化预编码(Pre-coding) 技术。非线性预编码方案虽然具有较优的性能但其复杂度远远高于线 性方案，因此线性预编码技术是研究的主要方向。线性预编码技术充 分利用全部或部分信道状态信息(Channel State Information, CSI)获
得尽可能多的波束成形增益。在线性预编码技术中最常用的方法为奇 异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)。基于SVD分解的
线性预编码技术在理论上的传输速率可以达到信道容量。基于SVD 分解的线性预编码技术需要发射端尽可能的知道信道的状态信息 (CSI)。
4基于SVD分解的线性预编码技术的基本原理如下 考虑在平坦衰落信道下， 一个带有Nt个发射天线和K个接收天
线的MIMO系统。设x表示为一个数据码元的复向量，H表示一个 NrXNt的服从瑞利(Rayleigh)分布的信道矩阵，n表示为附加高斯 白噪声向量(Additive White Gaussian Noise， AWGN),则在接收
端的接收码元的矢量被表示为
y=Hx+n (1)
利用SVD分解将信道矩阵H分解成为3个矩阵，即SVD{H} ={U， 2， V}，式子中，U和V表示酉矩阵；S表示为信道矩阵H的奇异值 对角矩阵并且该矩阵按照降序排列。信道矩阵H的SVD分解表达式
为
H=UZV* (2) 基于SVD分解的MIMO系统的框图如图1所示。从图1可以看 出，发送端的数据码元向量x与预编码矩阵V相乘以后通过Nt个天线 被发送出去，数据信号经过MIMO信道到达接收端。接收端利用Nr 个天线接收信号并且利用预解码矩阵LT来除信道影响。接收向量y可 以表示为
y =U*HVx+U*n
=U*UZV*Vx+U*n (3) =Zx+U*n
在MIMO系统中，如果要进行基于SVD分解的预编码处理，则需 要发射端通过两种方式来获得预编码矩阵V。 一种方式是发射端利用 接收端发射uplink sounding的信号来获得信道矩阵H后，利用SVD 分解来获得预编码矩阵V;另一种方式是发射端通过接收端反馈信道 状态信息CSI来获得预编码矩阵V的信息。
通信系统在FDD模式下，由于上下行通信链路占用不同的频带， 所以只能用第二种方式通过接收端反馈来获得预编码矩阵V的信息。 而在TDD模式下，则两种方式都可以运用。如果在TDD模式下，发射端能够准确的获得预编码矩阵V，则可以提高系统的性能并降低接 收端的复杂度。
在TDD模式下，由于第二种方式反馈的信道状态信息会有量化误
差而且反馈所需的开销(overhead)比较大，因此在TDD模式下，MIMO 系统希望采用第一种方式通过uplink sounding的信号来获得信道矩 阵H。但是由于未来MIMO系统发射端的天线数会多于接收端的天线 数，因此造成了上下行链路天线配置不匹配，从而使得发射端无法通 过uplink sounding信号获得全部的信道状态信息CSI，这是需要解决 的问题。
本发明研究的重点是在一帧内利用CSI反馈信道辅助uplink sounding信号使得发射端能够获得完整的下行链路信道状态信息。
在TDD模式下，发射端能够准确的获得预编码矩阵V可以通过两 种方式。一种方式是发射端利用接收端发射uplink sounding的信号来 获得信道矩阵H后，利用SVD分解来获得预编码矩阵V;另一种方 式是发射端通过接收端反馈信道状态信息CSI来获得预编码矩阵V的 信息。第二种方式是发射端通过接收端反馈的信道状态信息CSI量化 后的码本来获得预编码矩阵V，这种方法在FDD模式下是非常适用 的，因为在FDD模式下的移动通信系统上下行信道用不同的频率， 因而上下行信道不具备互惠性，只能通过接收端反馈来获得预编码矩 阵V的信息。但是在TDD模式下，通过接收端反馈的码本来获得预 编码矩阵V的方法，就会有信道量化误差，而且反馈开销也非常大。 因为TDD模式下，移动通信系统的上下行链路信道冲激响应具有互 惠性，这就导致可以通过估计上行链路的信道冲激响应来得到下行链
路的信道冲激响应。
目前，在TDD模式下，对于MIMO — OFDM系统，主要通过在数 据帧中插入离散导频信道(Pilot)来估计信道响应。由于要估计信道 冲激矩阵H，则必须通过对估计的离散信道响应进行插值。但是不能 得到比较准确的信道冲激响应H。因此，本发明的目的在于，在TDD的模式下，利用uplink Sounding
信号来支持基于SVD分解的线性预编码从而获得比较准确的信道冲 激矩阵H。
此外，由于未来MIMO系统发射端的天线数会多于接收端的天线 数，因此就造成了上下行链路天线配置不匹配从而使得发射端无法通 过uplink sounding信号获得全部的信道状态信息CSI，这是需要解决 的问题。因此本发明提出了在一帧内利用CSI反馈信道辅助uplink sounding信号使得发射端能够获得完整的下行链路信道状态信息，从 而解决了上下行链路天线配置不匹配导致发射端无法获得完整的信道 状态信息的问题，并且提高系统的性能并且降低了接收端的复杂度， 同时其性能也好于利用码本这种方式来进行预编码。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了 一种时分双工TDD通信系统 的信号通信方法，包括步骤在发射端，对信息比特进行编码和调制， 将得到的信号与预编码矩阵V相乘，并分配到0F画子载波上利用允 许发射的天线进行发射，其中，利用来自接收端的UL Sounding信号 和其余天线的CSI信道反馈信息来得到所述预编码矩阵V;以及在接 收端，对接收到的信号进行处理，利用导频信号估计出信道矩阵H， 利用得到的矩阵H进行预解码和解调，并输出得到的信息比特。
根据本发明的另一方面， 一种时分双工TDD通信系统，包括发射 端，包括信道编码模块，对信息比特进行编码；调制模块，用于对已 编码信息比特进行调制；预编码SVD模块，用于将已调制信息比特与 预编码矩阵V相乘，并分配到OFDM子载波；以及多天线发射模块， 用于利用允许发射的天线发射得到的数据码元，其中，预编码SVD模 块利用来自接收端的UL Sounding信号和其余天线的CSI信道反馈信 息来得到预编码矩阵V;以及接收端，用于对接收到的数据码元进行 处理，利用导频信号估计出信道矩阵H，利用得到的信道矩阵H进行 预解码和解调，并输出得到的信息比特。根据本发明的另一方面， 一种时分双工TDD通信系统的信号发射方
法，包括步骤接收UL Sounding信号和其余天线的CSI信道反馈信 息；利用接收到的UL Sounding信号和其余天线的CSI信道反馈信息 生成预编码矩阵V;对信息比特进行编码和调制，将得到的信号与矩 阵V相乘，并分配到OFDM子载波上利用允许发射的天线进行发射。
本发明采用SVD方法进行下行(Downlink) MIMO预编码处理而 发射端利用Uplink Sounding信号和信道状态信息(channel state information, CSI)反馈信道来估计下行信道脉冲响应，同时给出了详 细流程的示例。通过本发明的设计，解决了MIMO系统中上下行链路 天线配置差异情况下而导致的发射端在一帧内无法获得所有发射天线 的信道状态信息(CSI)的问题，同时提高了系统性能、降低反馈开销并 降低接收端的复杂度。
通过结合附图的以下详细的描述，本发明一定示例实施例的以上
或其它方面、特性和优点将变得更加显而易见，附图中
图1示出了基于SVD分解的MIMO系统的框图；图2示出了根据本发明的基于Uplink Sounding和CSI反馈的SVD
预编码的系统框图3示出了根据本发明的系统的帧结构；
图4示出了根据本发明的基于UL Sounding和CSI反馈信道信息的 详细流程示例。
具体实施例方式
本发明解决了在TDD模式下由于上下行链路天线配置不匹配导致
发射端无法获得完整的信道状态信息的问题。本发明的基本思想在于 利用一帧内的CSI反馈信道辅助uplink sounding信号使得发射端能
够获得完整的下行链路信道状态信息，从而解决了上下行链路天线配 置不匹配导致发射端无法获得完整的信道状态信息的问题。UL Sounding信号主要在上行帧的最后一个码元上传输，其主要 作用是在TDD系统中，接收端发射一些已知码元给发射端，用于发射 端来估计上行信道的信道矩阵H，从而利用TDD模式中上下行信道具 有互惠特性来决定发射端到接收端的下行信道的响应。而传统的方式 是接收端根据发射端的在数据码元中插入的导频信号(pilot)进行插 值后来获得信道矩阵H。这一方法估计的信道不够准确从而降低了预 编码技术的性能。
UL Sounding信号发射方式有两种第一种方式为离散型，即在 所分配的频带上离散的插入UL Sounding信号，该方式主要是根据接 收端发射的UL sounding信号来判断信道质量，选择子信道最好的来
发射数据；第二种方式为接收端占据所分配的频带上的所有子载波。 本发明主要是利用CSI反馈信道来辅助uplink sounding信号，使得 发射端获得比较可靠的下行信道状态信息，从而支持基于SVD分解的 预编码技术。
根据本发明的预编码方法主要在于由发射端发射控制信令通知 接收端要进行预编码处理，而且要求接收端发射UL Sounding信号及 信号要占据分配子带的所有子载波，同时要求接收端通过CSI反馈信 道反馈其余天线的信道状态信息，从而解决了上下行链路天线配置不 匹配导致发射端无法获得完整的信道状态信息的问题，并且提高系统 的性能并且降低了接收端的复杂度，同时其性能也好于利用码本这种 方式来进行预编码。
根据本发明，主要在CSI反馈信道(如:Sounding域或者CQICH 信道)或者在数据特定分配信道上传输CSI反馈信息，其主要作用在 于在接收端通过导频信号估计出信道状态信息H以后，对其余天线 的信道状态信息Hrest进行量化编码，然后反馈没有发射uplink sounding信号的其余天线的信道状态信息Hrest。
下面将参考图2-4来详细描述根据本发明的预编码方案。 在TDD模式下，根据本发明的基于Uplink Sounding的SVD预编码 的系统框图如图2所示。从图2中可以看出，该系统可以包括发射端 100、接收端200及MIM0信道模块300。发射端100可以包括信道
9编码模块、调制模块、预编码SVD分解模块、快速傅立叶逆变换模块、
多天线发射模块、信道估计模块及信道合并模块。接收端200可以包 括多天线接收模块、快速傅立叶变换模块、预解码SVD分解模块、信 道解码模块及信道估计模块。
在发射端，首先通过信道编码模块对信息比特进行编码；编码后的 数据通过调制模块进行基带调制，然后与SVD分解的矩阵V进行相乘， 最后分配到OFDM子载波上发射出去。其中，利用以下方式得到SVD 分解中的矩阵V:利用接收端的UL Sounding信号和其余天线的CSI 信道反馈信息来合并成信道矩阵H，然后根据TDD系统的信道互惠理 论，计算出SVD中的矩阵V是利用接收端的UL Sounding信号估计出 道矩阵H,(允许发射的天线的信道矩阵)和反馈的剩余天线的CSI信
信
道信息HUt来合并成信道矩阵H(H = [H[;Hrest
)，然后根据TDD
系统的信道互惠理论(参见H. A. Lorentz, "The theorem of Poynting concerning the energy in the electromagnetic field and two general propositions concerning the propagation of light," /Amsfe厂cfamme厂 /Uadem/e c/er WefenschappeA 4 p. 176,1996,)，计算出SVD中的矩阵V， 用于发射数据码元。
数据码元通过信道到达接收端200。接收端200首先通过快速傅立 叶变换模块对接收到的数据码元进行傅立叶变换。利用导频信号估计 出信道矩阵H，再利用SVD分解出矩阵IT。接收端利用SVD分解得到
的ir进行预解码，然后通过解调模块将数据码元映射成比特流。再利 用信道解码模块对比特数据进行纠错，最后输出信息比特。
系统的帧结构设计
根据本发明的系统的帧结构如图3所示。从图3中可以看出，系统 的帧结构可以分为六部分控制信道子帧、导频信号序列、下行载荷、 上行载荷、UL Sounding信号和反馈信道。通过控制信道子帧，发射 端100要求接收端200发射一个UL Sounding ，在反馈信道内反馈其
余天线的信道状态信息并通知接收端准备进行预编码接收。接收端200接收到控制信道子帧后，在上行链路中发射叩link Sounding信 号和反馈信息。发射端接收到uplink sounding信号和反馈信道信息， 然后估计下行信道响应矩阵H从而得到SVD分解中的发射矩阵V。接 下来，发射端IOO开始发射导频信号序列(pilot)以及下行载荷。接 收端200接收到载荷后，对载荷进行预解码。
下面将结合图2和图4来详细描述根据本发明的基于UL Sounding及 CSI反馈信道信息的具体流程。从图4中可以看出，首先，发射端100 发送控制信令给接收端200，要求接收端在第j帧(Frame (j))在分配子 带的所有子载波上发送UL Soimding信号和CSI反馈信息。这里，发射 端100可以利用第j帧(Frame (j))下行中的控制信道子帧来发送控制信
接收端接收到控制信令后，在第j帧(FrameQ))上行中，在分配 子带的所有子载波上发送UL Sounding信号并且利用第j帧(Frame (j)) 的导频信号估计整个信道状态信息H并量化没有发射UL Sounding信 号的其余天线信道状态信息H^t，然后，利用CSI反馈信道反馈没有 发射UL Sounding信号的其余天线的信道状态信息Hrest。发射端接收 到UL Sounding和CSI反馈信息H^t后，利用UL Sounding估计出信 道矩阵H,， H!表示UL sounding估计出的信道矩阵。根据TDD系统上 下行信道具有互惠特性(HDL=HULT) (H. A. Lorentz, "The theorem of Poynting concerning the energy in the electromagnetic field and two general propositions concerning the propagation of light," yAmsfe厂c/amme厂 /A/cad簡'e cte厂,eA sc/ appe" 4 p. 176,1996.)，将H,与H^t合并得到信 道矩阵H(H-[H,T;Hr])。接下来，发射端根据信道矩阵H计算出预编码 SVD分解中的预编码矩阵V，然后将对第j + l帧的数据部分进行预编 码。最后将预编码的数据部分匹配到0FDM子载波上发射出去。
接收端200接收到第j+l帧后，通过FFT进行OFDM解调，利用第j 帧(Frame (j))中的导频信号(pilot)估计信道矩阵H并且计算SVD 分解中的矩阵IT (即接收端的预解码矩阵)。同时，接收端加0利用 计算出的矩阵IT来预解码第j + l帧(Frame(j + l))中的数据。在IEEE 802.16m系统中，系统采用TDD模式进行工作，当用户 (MS)在很长时间需要在同一个信道上发射数据的时候，同时需要实 时准确地知道下行链路(BS—MS)的信道响应，这时就会选择MS发 射UL Sounding信号来估计信道响应H的方式。但是由于系统要求下 行链路的收发天线个数为2发2收，上行链路的收发天线的个数为1 发2收，这样就使得上下行链路的MIMO配置不一致从而导致利用UL Sounding信号无法获得全部下行链路的信道状态信息，因此就需要利 用CSI反馈信道反馈其余天线的信道状态信息。
本发明的适用情况可以推广到Nt发Nr收(Nt〉Nr)MIMO系统。系统可 能会要求下行链路的收发天线个数为Nt发Ii收，上行链路的收发天线 的个数为Nk(Nk<Nr)S Nt收。这时上下行链路的M頂O配置不一致从而 导致利用UL Sounding信号无法获得全部下行链路的信道状态信息， 因此需要利用CSI反馈信道来反馈其余天线(li-Nk)的信道状态信息。
因此，本发明利用一帧内CSI反馈信道辅助uplink sounding信号
使得发射端能够获得完整的下行链路信道状态信息，从而解决了上下 行链路天线配置不匹配导致发射端无法获得完整的信道状态信息的问 题，并且提高系统的性能并且降低了接收端的复杂度，同时其性能也 好于利用码本这种方式来进行预编码。
同时，本发明采用的UL Sounding信号可以减少信道反馈开销和信 道量化误差。
本发明采用占据分配子带的所有子载波的UL Sounding信号来估 计信道要比采用导频信号(pilot)来估计信道要准确；从而提高了预编 码的性能。
本发明是利用一帧内的CSI反馈信道辅助uplinksounding信号使得
发射端能够获得完整的下行链路信道状态信息，从而解决了上下行链 路天线配置不匹配导致发射端无法获得完整的信道状态信息的问题。UL Sounding信号主要在上行帧的最后一个码元上传输，CSI反馈信息 主要在CSI反馈信道或者在数据特定分配信道上传输。
尽管已经参考特定示例实施例示出并描述了发明，本领域技术人 员将理解，在不脱离由权利要求及其等价物所限定的本发明的精神和 范围的前提下，可以进行形式和细节上的各种修改。
权利要求
1.一种时分双工TDD通信系统的信号通信方法，包括步骤在发射端，对信息比特进行编码和调制，将得到的信号与预编码矩阵V相乘，并分配到OFDM子载波上利用允许发射的天线进行发射，其中，利用从接收端接收到的UL Sounding信号和其余天线的CSI信道反馈信息来得到所述预编码矩阵V；以及在接收端，对接收到的信号进行处理，利用导频信号估计出信道矩阵H，利用得到的矩阵H进行预解码和解调，并输出得到的信息比特。
2. 根据权利要求l所述的信号通信方法，其中，通过以下步骤得 到预编码矩阵V:发射端利用接收到的UL Sounding信号估计第一矩 阵，将第一矩阵与其余天线的CSI信道反馈信息合并得到所述信道矩 阵H，并根据TDD系统的信道互惠理论处理所述信道矩阵H。
3. 根据权利要求1或2所述的信号通信方法，其中，发射端向接 收端发射控制信令，通知接收端发射UL Sounding信号及UL Sounding 信号要占据分配子带的所有子载波，并通知接收端通过CSI反馈信道 反馈其余天线的信道状态信息。
4. 根据权利要求3所述的信号通信方法，其中，接收端在接收到 来自发射端的通知时，利用当前帧的导频信号估计并量化没有发射UL Sounding信号的其余天线的信道状态信息(Hrest)，作为所述CSI信道反馈信息。
5. —种时分双工TDD通信系统，包括发射端，包括信道编码模块，对信息比特进行编码；调制模块，用 于对已编码信息比特进行调制；预编码SVD模块，用于将已调制信息 比特与预编码矩阵V相乘，并分配到OFDM子载波；以及多天线发射 模块，用于利用允许发射的天线发射得到的数据码元，其中，预编码 SVD模块利用来自接收端的UL Sounding信号和其余天线的CSI信道 反馈信息来得到所述预编码矩阵V;以及接收端，用于对接收到的数据码元进行处理，利用导频信号估计出 信道矩阵H，利用预编码矩阵H进行预解码和解调，并输出得到的信 息比特。
6. 根据权利要求5所述的通信系统，其中，发射端利用接收到的 UL Smmding信号估计第一矩阵，并将第一矩阵与其余天线的CSI信 道反馈信息合并得到所述信道矩阵H，根据TDD系统的信道互惠理论， 得到预编码矩阵V。
7. 根据权利要求5或6所述的通信系统，其中，发射端向接收端 发射控制信令，通知接收端发射UL Sounding信号及UL Sounding信 号要占据分配子带的所有子载波，并通知接收端通过CSI反馈信道反 馈其余天线的信道状态信息。
8. 根据权利要求7所述的通信系统，其中，接收端在接收到来自 发射端的通知时，利用当前帧的导频信号估计并量化没有发射UL Sounding信号的其余天线的信道状态信息(Hrest)，作为所述CSI信道 反馈信息。
9. 一种时分双工TDD通信系统的信号发射方法，包括步骤 接收到UL Sounding信号和其余天线的CSI信道反馈信息； 利用接收到的UL Sounding信号和其余天线的CSI信道反馈信息生成预编码矩阵V;对信息比特进行编码和调制，将得到的信号与矩阵V相乘，并分配 到OFDM子载波上利用允许发射的天线进行发射。
全文摘要
一种时分双工TDD通信系统的信号通信方法，包括步骤在发射端，对信息比特进行编码和调制，将得到的信号与矩阵V相乘，并分配到OFDM子载波上利用允许发射的天线进行发射，其中，利用来自接收端的UL Sounding信号和其余天线的CSI信道反馈信息来得到所述矩阵V；以及在接收端，对接收到的信号进行处理，利用导频信号估计出信道矩阵H，利用得到的矩阵H进行预解码和解调，并输出得到的信息比特。利用本发明，解决了MIMO系统中上下行链路天线配置差异情况下而导致的发射端在一帧内无法获得所有发射天线的信道状态信息的问题，同时提高了系统性能、降低反馈开销并降低接收端的复杂度。
文档编号H04B1/707GK101621309SQ200810127499
公开日2010年1月6日 申请日期2008年7月3日 优先权日2008年7月3日
发明者雷 周, 梁宗闯, 铮 赵 申请人:三星电子株式会社;北京三星通信技术研究有限公司