用于在mimo无线通信系统中提供有效预编码反馈的方法和设备的制作方法
【专利摘要】采用基于Jacobi旋转法的预编码反馈方案以在上行链路中产生反馈。包含了发射机和接收机的无线通信系统可以使用单码字（SCW）或双码字（DCW）。所述预编码方案是以发射波束成形（TxBF）为基础的。考虑到差分反馈，采用周期性非差分反馈以避免因为差分处理而导致的差错累积或传播。
【专利说明】用于在MIMO无线通信系统中提供有效预编码反馈的方法
和设备
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及无线通信系统。特别地，本发明涉及一种通过使用与群组反馈相结合的差分反馈来执行有效的多输入多输出(MMO)预编码处理，由此显著减小单载波频分多址(SC-FDMA)系统中的反馈开销的方法和设备。
【背景技术】
[0002]对演进型通用陆地无线电接入(E-UTRA)来说，要想为正交频分多址(OFDMA)下行链路(DL)提供高数据速率和增大的系统容量，MIMO被视为是不可或缺的。出于相同原因，将MMO用于SC-FDMA上行链路(UL)也是非常理想的。对用于上行链路的SC-FDMA来说，为其使用MIMO预编码处理而在数据速率和吞吐量方面的显著提升业已得到了展示。如果假设采用16-QAM调制，那么在20MHz的上行链路频谱分配(2.5bps/Hz)以内，E-UTRA将会支持大小为50Mb/s的即时上行链路峰值数据速率。
[0003]在使用实际编码速率(例如1/2)时，即时上行链路峰值数据速率是远远低于50Mb/s的。为了在使用实际编码速率的同时达到该数据速率，有必要使用MMO结构。已被注意到的是，要在上行链路传输中实现最高吞吐量，那么势必要用到预编码处理。如果将MIMO用于SC-FDMA上行链路(UL)，那么需要使用至少两个发射机，其中每一个发射机都对应于一个上行链路MMO天线。在WTRU中，具有两个或更多发射机的附加优点是可以使用波束成形来增强多用户MMO以及发射分集方案，例如空时(ST)/频解码(FD)。
[0004]有效的反馈可以减小反馈开销或提高性能。当为本征基础反馈使用Jacobi旋转法时，这时是可以减小反馈开销的。此外，如果用于Jacobi变换的迭代方法使用差分反馈来追踪本征基础增量，并且随后向新的本征基础提供反馈，那么是可以实现附加的开销减小的。
[0005]使用差分反馈和迭代Jacobi旋转法来实现潜在的反馈开销减小和性能提升将会是非常理想的。对具有两个或更多发射天线的MMO建议而言，基于迭代Jacobi变换的反馈是一种很有发展潜力的解决方案。
【发明内容】
[0006]本发明评估了 MMO预编码方案的性能，并且考虑了在包含发射机和接收机的无线通信系统中为MMO预编码处理执行量化、群组反馈和反馈延迟所取得的效果。该系统既可以使用单码字(SCW)结构，也可以使用双码字(DCW)结构。奇异值分解(SVD)可以用于产生预编码矩阵。用于MMO预编码或发射本征波束成形(TxBF)的量化处理可以以码本为基础。群组反馈设想的是每组子载波或资源块(RB)都具有一个反馈。另外，在这里还提供了使用组合的差分和非差分反馈并以码本为基础的MIMO预编码方案。此外，该预编码方案也可以仅仅使用非差分反馈。
[0007]本发明评估了 MMO预编码方案的性能，并且考虑了为MMO预编码处理执行量化、群组反馈和反馈延迟所取得的效果。SVD可以用于产生预编码矩阵。用于MMO预编码或TxBF的量化可以以码本为基础。群组反馈设想的是每组子载波或资源块(RB)都具有一个反馈。此外，我们还考虑了使用组合的差分和非差分反馈并且以码本为基础的MMO预编码方案。
[0008]本发明提供了一种用于上行链路MMO并以Jacobi旋转法为基础的预编码反馈方案。另外，本发明还可以应用于使用了 OFDM(A)的下行链路ΜΜ0。在这里考虑的是具有周期性复位的组合式差分和非差分反馈。正如已展示的那样，具有恰当复位的差分反馈将会提高性能。与非差分反馈相比，在保持性能的同时，差分反馈需要的反馈开销是相当小的，其大约是非差分反馈的33%。
[0009]在这里还研究了由于量化、群组反馈和反馈延迟而导致的MMO预编码处理的性能降级。正如已展示的那样，对MMO预编码来说，由于量化而导致的性能降级处于微小的(a fractional) dB以内。由于群组反馈所导致的MMO预编码的性能降级则取决于信道相干带宽以及反馈群组大小。对每25个RB的反馈来说，其损耗是在IdB以内。此外，正如所展示的那样，对很低的速度或较短的反馈延迟、例如3km/h或大小为2个传输时间间隔(TTI)的反馈延迟来说，由于反馈延迟所导致的性能降级处于微小的dB以内。随着速度或反馈延迟的增大，性能降级也会增大。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]从以下关于优选实施例的描述中可以更详细地了解本发明，这些优选实施例是作为实例给出的，并且是结合附图而被理解的，其中:
[0011]图1是显示在使用了典型的市内6 (TU-6)信道模型的情况下的帧差错率(FER)与信噪比(SNR)的对比。并且在这里给出了理想和量化反馈的比较；
[0012]图2是显示在使用空间信道模型扩展C(SCME-C)信道模型的情况下的帧差错率(FER)与信噪比(SNR)的对比。在这里给出的是理想和量化反馈的比较。正如所观察的那样，与TU-6信道模型相比，来自用于SCME-C信道模型的量化反馈的损耗相对较小。这归因于SCME-C信道模型所具有的相关属性；
[0013]图3是用于比较差分反馈和非差分反馈的图示；
[0014]图4是使用了不同复位间隔的反馈的图示；
[0015]图5是对用于低速的SCME-C的差分反馈以及反馈延迟进行比较的图示；
[0016]图6是对用于高速SCME-C的差分反馈以及反馈延迟的图示；
[0017]图7是用于高速SCME-C的非差分反馈和反馈延迟的图示；
[0018]图8A是根据本发明的发射机的框图，其中该发射机包括用于对差分或非差分反馈比特进行处理的预编码矩阵生成器；
[0019]图8B和8C显示的是图8A中的预编码矩阵生成器的细节；
[0020]图9A是根据本发明的接收机的框图，其中该接收机包括用于产生由图8A的发射机中的预编码矩阵生成器处理的反馈比特的反馈生成器；
[0021]图9B和9C显示的是图9A的接收机中的反馈生成器的细节；
[0022]图1OA和IOB显示的是在图9B的反馈生成器中使用的预编码矩阵生成器的不同实施例；[0023]图1OC和IOD显示的是在图9C的反馈生成器中使用的预编码矩阵生成器的不同实施例；
[0024]图11显示的是用于高数据吞吐量SNR区域的单用户MMO(SU-MMO)与单输入多输出(SMO)的双码字性能比较；以及
[0025]图12显示的是在将用于WTRU和演进型节点-B (e节点B)上的两个或多个天线的上行链路预编码MMO与SCME-C信道结合使用的情况下的单、双码字的性能比较。
【具体实施方式】
[0026]下文引用的术语“无线发射/接收单元(WTRU) ”包括但不局限于用户设备(UE)、移动站、固定或移动用户单元、寻呼机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、计算机或是其他任何能在无线环境中工作的用户设备。下文引用的术语“基站”包括但不局限于节点-B、站控制器、接入点(AP)或是其他任何能在无线环境中工作的接口设备。
[0027]非差分反馈
[0028]在这里使用了 Jacobi来执行矩阵对角线化处理。信道响应矩阵H (或信道响应矩阵估计)可以分解成:
[0029]H = UDVh等式(I)
[0030]其中U和V是酉矩阵，即UhU = I和VhV = I。D是一个在对角线上具有奇异值的对角矩阵，V是本征矩阵(由本征矢量组成)，并且在发射机上可以将其用作预编码矩阵，而Vh则是预编码矩阵(本征矩阵)V的赫梅(Hermetian)矩阵。信道相关矩阵R是如下定义的:
[0031]R = HhH等式(2)
[0032]它是信道响应矩阵H的赫梅响应与信道响应矩阵H自身的乘积。该信道相关矩阵R可以分解成:
[0033]R = VD2Vh等式(3)
[0034]Jacobi旋转法被用于对信道相关矩阵R执行矩阵对角线化处理，由此:
[0035]D2 = JhRJ等式(4)
[0036] 对角线化处理是一个将任意矩阵转换成对角矩阵的处理。通常，对角线化处理会在无线通信和信号处理应用中被使用，以便分离多个信号和/或分离预期信号与干扰。等式(4)描述的是通过对角线化处理而将信道相关矩阵R变换成对角矩阵D2。在等式(4)中，信道相关矩阵R将会右乘Jacobi旋转矩阵J，并且信道相关矩阵R将会左乘Jaboci旋转矩阵J的赫梅响应。所得到的矩阵则是D2，并且它是一个对角矩阵。在对等式⑴与(3)进行比较时，可以观察到的是，通过对角线化信道响应矩阵H来发现本征矩阵V的处理与通过对角线化信道相关矩阵R来发现本征矩阵V的处理是等价的。等式(3)可以改写为:
[0037]VhRV = D2等式(5)
[0038]在对等式(4)与等式(5)进行比较时，可以观察到的是，当使用本征值分解(或SVD)和用于对角线化变换的Jacobi旋转来对角线化信道相关矩阵R时，Jacobi矩阵J将会变成本征矩阵V。对2X2结构来说，Jacobi旋转变换或预编码矩阵(抑或是Jacobi旋转变换或预编码矩阵的估计)是如下表示的:
【权利要求】
1.一种提供预编码反馈的方法，该方法包括: 接收多个反馈比特； 基于所述反馈比特而更新第一预编码矩阵，其中所述反馈比特是非差分反馈比特或差分反馈比特； 使用所述第一预编码矩阵来对多个频域数据流进行预编码， 接收多个时域数据流，每个时域数据流包括循环前缀CP ； 从所述时域数据流中移除所述CP，以产生多个经处理的数据流； 将所述经处理的数据流转换成频域数据； 对所述频域数据执行信道估计，以产生信道估计值； 基于所述信道估计值而产生第二预编码矩阵；以及 基于所述第二预编码矩阵而产生和发射反馈比特。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二预编码矩阵是增量预编码矩阵，并且所述反馈比特是非差分反馈比特。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二预编码矩阵是完整预编码矩阵，并且所述反馈比特是非差分反馈比特。
4.根据权利要求3所述的方法，其中非差分反馈比特是通过使用Jacobi旋转来对与所述信道估计值相关联的信道响应矩阵和信道相关矩阵中的至少一者执行矩阵对角线化而产生的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述反馈比特是非差分反馈比特，所述方法进一步包括: 通过使用非差分代码本而将所述非差分反馈比特映射到完整预编码矩阵。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法在包括发射机和接收机的无线通信系统中实施。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述接收机被包含在无线发射/接收单元(wtru)中。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述发射机是演进节点-B(eNodeB)。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述发射机是基站。
10.一种提供预编码反馈的方法，包括: 接收多个反馈比特； 基于所述反馈比特更新第一预编码矩阵，其中所述反馈比特是差分反馈比特； 使用第一预编码矩阵来对多个频域数据流进行预编码； 使用差分代码本将所述差分反馈比特映射到增量预编码矩阵；以及 基于所述增量预编码矩阵来产生完整预编码矩阵。
11.一种提供预编码反馈的方法，包括: 接收多个反馈比特，所述反馈比特代表矩阵变换的参数的变化或差别； 基于所述反馈比特来更新第一预编码矩阵；以及 使用第一预编码矩阵来对多个频域数据流进行预编码。
12.根据权利要求11所述的方法，其中反馈每N个传输时间间隔(TTI)被复位，其中N是预定整数。
13.根据权利要求11所述的方法，其中反馈每N个反馈间隔被复位，其中N是预定整数。
14.根据权利要求11所述的方法，反馈被非周期性地复位以避免由于差分处理造成的差错累积或传播。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述方法在包括发射机和接收机的无线通信系统中实施。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述接收机被包含在无线发射/接收单元WTRU中。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述发射机是演进节点-B(eNodeB)。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述发射机是基站。
19.一种提供预编码反馈的方法，包括: 接收多个反馈比特； 基于所述反馈比特更新第一预编码矩阵，其中所述反馈比特包括差分反馈比特和非差分比特；以及 使用第一预编码矩阵来对多个频域数据流进行预编码，其中非差分反馈每N个传输时间间隔(TTI)或每N个反馈间隔出现，并且差分反馈被用于剩余TTI或反馈间隔，其中N是预定整数。
20.根据权利要求19所述的方法，其中两(2)个比特被用于差分反馈，并且三(3)个比特被用于非差分反馈。
21.根据权利要求20所述的方法，其中为非差分反馈使用由八个码字组成的码本，所述码字需要三(3 )个反馈比特来用于量化。
22.根据权利要求20所述的方法，其中为差分反馈使用由四个码字组成的码本，所述码字需要两(2 )个反馈比特来用于量化。
23.一种用于为发射机提供反馈以更新由所述发射机用以预编码多个频域数据流的第一预编码矩阵的接收机，该接收机包括: 信道估计器，该信道估计器被配置成通过对与由所述发射机发射的多个时域数据流相关联的频域数据执行信道估计来产生信道估计值；以及 与所述信道估计器电耦合的反馈生成器，所述反馈生成器被配置成基于所述信道估计值而产生传输到所述发射机的反馈比特，其中所述反馈比特是非差分反馈比特或差分反馈比特； 被配置成接收所述时域数据流的多个天线； 与所述天线中相应的天线电耦合的多个循环前缀(CP)移除单元，每一个CP移除单元被配置成从由所述天线接收的多个时域数据流中的每一个时域数据流中移除CP，以产生经处理的数据流；以及 与所述CP移除单元中相应的CP移除单元以及所述信道估计器电耦合的多个快速傅立叶变换(FFT)单元，每一个FFT单元被配置成将所述经处理的数据流转换成频域数据。
24.根据权利要求23所述的接收机，其中所述反馈生成器包括: 预编码矩阵生成器，该预编码矩阵生成器被配置成基于所述信道估计值而产生第二预编码矩阵；以及与所述预编码矩阵生成器电耦合的反馈比特生成器，该反馈比特生成器被配置成基于所述第二预编码矩阵来产生和发射反馈比特。
25.根据权利要求24所述的接收机，其中所述第二预编码矩阵是完整预编码矩阵，而所述反馈比特是非差分反馈比特。
26.根据权利要求23所述的接收机，其中所述接收机是无线发射/接收单元(WTRU)。
27.根据权利要求23所述的接收机，其中所述发射机是演进型节点-B(eNodeB)。
28.根据权利要求23所述的接收机，其中所述发射机是基站。
29.一种用于为发射机提供反馈以更新由所述发射机用以预编码多个频域数据流的第一预编码矩阵的接收机，该接收机包括: 信道估计器，该信道估计器被配置成通过对与由所述发射机发射的多个时域数据流相关联的频域数据执行信道估计来产生信道估计值；以及 与所述信道估计器电耦合的反馈生成器，该反馈生成器被配置成基于所述信道估计值而产生传输到所述发射机 的反馈比特，其中所述反馈比特是差分反馈比特，所述反馈生成器包括: 预编码矩阵生成器，其被配置成基于所述信道估计值来产生增量预编码矩阵；以及 反馈比特生成器，其电耦合到增量矩阵生成器，所述反馈比特生成器被配置成基于所述增量预编码矩阵来生成和发射反馈比特。
30.一种用于为发射机提供反馈以更新由所述发射机用以预编码多个频域数据流的第一预编码矩阵的接收机，该接收机包括: 信道估计器，该信道估计器被配置成通过对与由所述发射机发射的多个时域数据流相关联的频域数据执行信道估计来产生信道估计值；以及 与所述信道估计器电耦合的反馈生成器，该反馈生成器被配置成基于所述信道估计值而产生传输到所述发射机的反馈比特，所述反馈比特表示矩阵变换的参数的变化或差别。
31.根据权利要求30所述的接收机,其中反馈每N个传输时间间隔(TTI)被复位，其中N是预定整数。
32.根据权利要求30所述的接收机，其中反馈每N个反馈间隔被复位，其中N是预定整数。
33.根据权利要求30所述的接收机，其中反馈被非周期性地复位，以避免由于差分处理而导致的差错累积或传播。
34.根据权利要求30所述的接收机，其中所述接收机是无线发射/接收单元(WTRU)。
35.根据权利要求30所述的接收机，其中所述发射机是演进型节点-B(eNodeB)。
36.根据权利要求30所述的接收机，其中所述发射机是基站。
37.一种用于为发射机提供反馈以更新由所述发射机用以预编码多个频域数据流的第一预编码矩阵的接收机，该接收机包括: 信道估计器，该信道估计器被配置成通过对与由所述发射机发射的多个时域数据流相关联的频域数据执行信道估计来产生信道估计值；以及 与所述信道估计器电耦合的反馈生成器，该反馈生成器被配置成基于所述信道估计值而产生传输到所述发射机的反馈比特，其中所述反馈比特包括差分反馈比特和非差分比特，其中非差分反馈每N个传输时间间隔(TTI)或每N个反馈间隔出现，而差分反馈被用于剩余TTI或反馈间隔，其中N是预定整数。
38.根据权利要求37所述的接收机，其中两(2)个比特被用于差分反馈，而三(3)个比特被用于非差分反馈。
39.根据权利要求37所述的接收机，其中为非差分反馈使用由八个码字组成的码本，并且所述码字需要三(3 )个反馈比特来用于量化。
40.根据权利要求37所述的接收机，其中为差分反馈使用由四个码字组成的码本，所述码字需要两(2 )个反馈比特来用于量化。
41.一种基于由接收机提供的反馈来执行预编码的发射机，所述反馈是基于所述接收机从所述发射机接收的多个时域数据流而产生的，所述发射机包括: 预编码矩阵生成器，该预编码矩阵生成器被配置成接收来自所述接收机的反馈比特并且基于所述反馈比特来更新预编码矩阵，其中所述反馈比特是非差分反馈比特或差分反馈比特；以及 与所述预编码矩阵生成器电耦合的预编码器，该预编码器被配置成使用所述预编码矩阵来对多个频域数据流进行预编码，所述预编码器包括: 反馈比特-增量预编码映射单元，用于将差分反馈比特映射成增量预编码矩阵；以及 完整预编码矩阵产生和更新单元，用于基于所述增量预编码矩阵而产生和更新完整预编码矩阵，其中所述 预编码器使用所述完整预编码矩阵来对所述频域数据流进行预编码。
42.根据权利要求41所述的发射机，其中所述预编码器包括: 反馈比特-完整预编码映射单元，用于将非差分反馈比特映射成完整预编码矩阵，其中所述预编码器使用所述完整预编码矩阵来对所述频域数据流进行预编码。
43.根据权利要求41所述的发射机，其中所述接收机是无线发射/接收单元(WTRU)。
44.根据权利要求41所述的发射机，其中所述发射机是演进型节点-B(eNodeB)。
45.根据权利要求41所述的发射机，其中所述发射机是基站。
46.一种基于由接收机提供的反馈来执行预编码的发射机，所述反馈是基于所述接收机从所述发射机接收的信号而产生的，所述发射机包括: 预编码矩阵生成器，该预编码矩阵生成器被配置成接收来自所述接收机的反馈比特并基于所述反馈比特而产生预编码矩阵，其中所述反馈比特代表矩阵变换的参数的变化或差别；以及 与预编码矩阵生成器电耦合的预编码器，所述预编码器被配置成使用所述预编码矩阵来对多个频域数据流进行预编码。
47.根据权利要求46所述的发射机，其中反馈每N个传输时间间隔(TTI)被复位，其中N是预定整数。
48.根据权利要求46所述的发射机，其中反馈每N个反馈间隔被复位，其中N是预定整数。
49.根据权利要求46所述的发射机，其中反馈被非周期性地复位，以避免由于差分处理而导致的差错累积或传播。
50.根据权利要求46所述的发射机，其中所述接收机是无线发射/接收单元(WTRU)。
51.根据权利要求46所述的发射机，其中所述发射机是演进型节点-B(eNodeB)。
52.根据权利要求46所述的发射机，其中所述发射机是基站。
53.一种基于由接收机提供的反馈来执行预编码的发射机，所述反馈是基于所述接收机从所述发射机接收的信号而产生的，所述发射机包括: 预编码矩阵生成器，该预编码矩阵生成器被配置成接收来自所述接收机的反馈比特并基于所述反馈比特而产生预编码矩阵，其中所述反馈比特包括差分反馈比特和非差分比特；以及 与预编码矩阵生成器电耦合的预编码器，所述预编码器被配置成使用所述预编码矩阵来对多个频域数据流进行预编码， 其中非差分反馈每N个传输时间间隔(TTI)或每N个反馈间隔出现，而差分反馈被用于剩余TTI或反馈间隔，其中N是预定整数。
54.根据权利 要求53所述的发射机，其中两(2)个比特被用于差分反馈，而三(3)个比特被用于非差分反馈。
55.根据权利要求53所述的发射机，其中为非差分反馈使用由八个码字组成的码本，所述码字需要三(3)个反馈比特来用于量化。
56.根据权利要求53所述的发射机，其中为差分反馈使用由四个码字组成的码本，所述码字需要两(2 )个反馈比特来用于量化。
57.根据权利要求53所述的发射机，其中所述预编码器包括: 反馈比特-完整预编码映射单元，用于将非差分反馈比特映射成完整预编码矩阵，其中所述预编码器使用所述完整预编码矩阵来对频域数据流进行预编码。
58.一种基于由接收机提供的反馈来执行预编码的发射机，所述反馈是基于所述接收机从所述发射机接收的信号而产生的，所述发射机包括: 预编码矩阵生成器，该预编码矩阵生成器被配置成接收来自所述接收机的反馈比特并基于所述反馈比特而产生预编码矩阵，其中所述反馈比特表示矩阵变换的参数的变化或差别；以及 与预编码矩阵生成器电耦合的预编码器，所述预编码器被配置成使用所述预编码矩阵来对多个频域数据流进行预编码，所述预编码器包括: 反馈比特-增量预编码映射单元，用于将反馈比特映射成增量预编码矩阵；以及 完整预编码矩阵产生和更新单元，用于基于所述增量预编码矩阵来产生和更新完整预编码矩阵，其中所述预编码器使用完整预编码矩阵来对频域数据流进行预编码。
【文档编号】H04L1/16GK103986556SQ201410210349
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2007年8月15日 优先权日:2006年8月17日
【发明者】K·J·L·潘, R·L·奥勒森, D·M·格列可 申请人:英特尔公司