MU‑MIMO通信所用的方法和系统与流程

本发明涉及高级无线通信网络中的控制信令。特别地，但并非排它地，本发明涉及MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output，多输入多输出)系统中的预编码器的生成。

背景技术：

以下表格包含这里可能会发现的特定缩写/首字母缩略词：

[表1]

众所周知如下的无线通信系统，其中在这种无线通信系统中，基站(还已知为E-UTRAN节点B(eNB))与该eNB的范围内的移动装置(还已知为用户设备(UE))进行通信。各eNB将其可用带宽(即，频率和时间资源)针对不同的UE划分为不同的资源分配。存在如下恒定需求：增加这种系统的容量以及改善资源利用的效率，以容纳更多用户(更多UE)、更多数据密集型服务和/或更高的数据传输速率。

OFDM(正交频分复用)是一种用于在无线通信系统中发送数据的技术。基于OFDM的通信方案将待发送的数据符号划分到大量的子载波中；因而得到术语“频分复用”。通过调整数据的相位、振幅或者相位和振幅这两者来将数据调制在子载波上。名称OFDM的“orthogonal(正交)”部分是指子载波在频域中的间隔被选择为在数学意义上与其它子载波正交这一事实。换句话说，子载波在频域中被配置为使得邻接子载波的边带可以重叠但子载波间的干扰足够小以使得这些子载波能够被接收。

在向不同的用户(不同的UE)分配个体子载波或子载波的集合的情况下，结果是被称为OFDMA(正交频分多址)的多址系统。术语OFDM通常意图包括术语OFDMA。因此，为了当前说明的目的，这两个术语可以被视为可交换。通过向小区中的各UE分配不同的频率/时间资源，OFDMA可以有助于避免给定小区内的UE之间的干扰。

基本OFDM方案的另一变形例被称为代表“多输入多输出”的MIMO。这种方案在发送方和/或接收方(经常是这两方)处采用多个天线，以增强发送方和接收方之间可实现的数据容量。通常，使用这种方案来实现eNB和该eNB所服务的用户设备(UE)之间的有所增强的数据容量。

以示例的方式，2×2的“单用户MIMO”(SU-MIMO)结构在发送方处包含2个天线并且在与发送方进行通信的单个接收方处包含2个天线。同样地，4×4的SU-MIMO结构在发送方处包含4个天线并且在与发送方进行通信的单个接收方处包含4个天线。发送方和接收方不必采用相同数量的天线。通常，由于功率、成本和大小限制的差异，因此无线通信系统中的eNB与UE相比将配备有更多天线。还应注意，经常采用所谓的“多用户MIMO”(MU-MIMO)，并且这涉及能够一次进行与多个UE的MIMO通信的单个eNB。以下将进行进一步论述。

术语“信道”通常用来指代发送方和接收方之间的无线链路的频率(或等效的时间延迟)响应。MIMO信道(以下简称为“信道”)包含所有的子载波(参见以上针对子载波的论述)，并且覆盖整个发送带宽。MIMO信道包含许多个体无线链路。这些个体无线链路(各自可以单独地被称为单输入单输出(SISO)信道)的数量是N_RX×N_TX，其中，N_TX是发送方处的天线的数量，并且N_RX是接收方处的天线的数量。例如，由于3×2的SU-MIMO配置包含6个链路，因此该配置具有6个SISO信道。

考虑到图1中示意性示出的简化的2×3的SU-MIMO系统，可以看出接收方R的接收方天线R0接收来自发送方T的各发送方天线T0、T1和T2的发送。同样地，接收方天线R1接收来自发送方天线T0、T1和T2的发送。因此，接收方处所接收到的信号包括来自发送方天线的发送的组合(即，6个SISO信道的组合)(或者接收方处所接收到的信号由来自发送方天线的发送的组合(即，6个SISO信道的组合)构成)。通常，SISO信道可以按各种方式进行组合以将一个或多个数据流发送至接收方。

图2是更广义的SU-MIMO系统的概念图。在图2中，发送方利用N_TX个发送天线来发送信号，并且单个接收方利用N_RX个接收天线接收来自发送方的信号。为了创建MIMO信道(在这种情况下为SU-MIMO信道)整体的特性的数学模型，需要表示发送方和接收方之间的个体SISO信道。如图2所示，个体SISO信道由表示，并且如图中所建议，构成通常被称为“信道矩阵”或信道响应矩阵H的矩阵的项。应识别出，H_0，0表示从发送天线0向接收天线0发送信号的信道特性(例如，信道频率响应)。同样地，表示从发送天线N_TX-1向接收天线N_RX-1发送信号的信道特性，等等。

在图2中，表示使用发送天线0～N_TX-1所发送的信号元素的符号一起构成发送信号向量其中()^T表示向量转置。同样地，接收天线0～N_RX-1所接收到的接收信号元素一起构成接收信号向量图2所示的简化单用户系统所用的向量y和x之间的关系可以通过基本MIMO系统等式来建模：

y＝Hx+n (等式0)

其中，H是参考上述的信道矩阵，并且n是表示噪声(通常假定为加性白高斯噪声)的向量。

应注意，此时，(以上论述的)图1和图2均涉及“单用户”MIMO(SU-MIMO)系统。然而，同样如上所述，经常采用所谓的“多用户”MIMO(MU-MIMO)，并且这涉及能够一次进行与多个UE(各UE还可以具有多个天线)的MIMO通信的具有多个天线的单个eNB。特别地，在MU-MIMO中，eNB将数据在相同的时间频率上从多个发送天线发送至不同的UE。为了使UE之间的干扰最小化，eNB通过预编码来创建发送波束。

根据例如维基百科，“预编码”是广义的“波束成形”，并且用于支持多天线无线通信中的多流(或多层)发送。在传统的单流波束成形中，以适当的权重(相位和增益)从各发送天线发出相同的信号，以使得接收方处的信号功率最大化。然而，在接收方具有多个天线的情况下，单流波束成形无法使所有接收方天线处的信号水平同时最大化。为了使多个接收方天线系统中的吞吐量最大化，通常需要多流发送。

在多用户MIMO(MU-MIMO)中，如上所述，多天线发送方与(各自具有一个或多个天线的)多个接收方同时通信。从实现的观点，针对MU-MIMO系统的预编码算法分为线性预编码类型和非线性预编码类型。容量实现算法通常是非线性的，但线性预编码方式仍可以以低得多的复杂性来实现合理的性能。线性预编码策略例如包括最大比发送(MRT)、迫零(ZF)预编码和发送维纳(Wiener)预编码。

尽管性能最大化在点对点MIMO中具有明确的解释，但多用户系统通常无法针对所有用户使性能同时最大化。因此，可以说多用户系统涉及多目标优化问题，其中，各目标与用户之一的容量的最大化相对应。

在任何情况下，在接收侧，UE使用后编码(解码)来获得其数据。

根据以上论述，本领域技术人员应理解，预编码通常高度依赖于信道的状态(即，预编码依赖于“信道状态”)-参见以下。

数学上，可以通过按以下方式修改上述的简化单用户MIMO系统等式(等式0)来描述MU-MIMO系统(对MU-MIMO系统进行建模)：

在以上等式1中：

y(i)是第i个UE处的接收信号，

x(i)是针对第i个UE的数据信号，

H(i)是针对第i个UE的信道矩阵，

V(i)是第i个UE的预编码矩阵，

n(i)是第i个用户处的加性白高斯噪声。

可以说MIMO发送方案是“非自适应的”或“自适应的”。在非自适应的情况下，发送方不具有信道的条件或性质的任何知识。换句话说，发送方不具有所发送的信号随着其“经由空气”被发送而发生改变的方式的任何知识。这种对与“信道状态”有关的知识的缺乏可能限制性能，这是由于发送方无法考虑到例如引起信道的状态或性质的变化的条件的变化(该条件的变化影响所发送的信号“在空气中”如何改变)。自适应方案依赖于从接收方向发送方(即，上行链路(UL)中)的信息(所谓的“信道状态信息”或CSI)的反馈，使得能够修改所发送的下行链路(DL)信号，从而考虑到正在变化的条件(即，考虑到正在变化的信道状态)并且使数据吞吐量最大化。换句话说，可以使用CSI的反馈，以便于或者辅助进行预编码。本发明主要关注于这些自适应型的MIMO方案。

现有技术的MIMO系统的问题是这些MIMO系统通常在计算方面复杂。

应清楚地理解，这里对先前或现有装置、设备、产品、系统、方法、实践、公开或针对任何其它信息、或者针对任何问题或议题的单纯引用并没有确认或承认以下内容：以上任何事物单独或以任何组合形式形成本领域技术人员的公知常识的一部分或者以上任何事物是被承认的现有技术。

技术实现要素：

发明要解决的问题

本发明涉及高级无线通信网络中的数据通信，该数据通信至少可以克服上述缺点至少之一或者向消费者提供有用或商业的选择。

用于解决问题的方案

有鉴于以上所述，本发明在一个形式中，大致在于多输入多输出(MIMO)系统中的数据通信的方法，所述MIMO系统包括基站和多个用户设备(UE)，所述基站包括多个天线，所述方法包括以下步骤：

从所述多个UE中的第一UE接收与所述多个天线的第一子集有关的第一信道信息；

根据所述第一信道信息生成第一子预编码器；

从所述第一UE接收与所述多个天线的第二子集有关的第二信道信息；

根据所述第二信道信息生成第二子预编码器；

至少部分地根据所述第一子预编码器和所述第二子预编码器来生成预编码器；以及

使用所述预编码器将数据发送至所述第一UE。

优选地，所述第一信道信息和所述第二信道信息各自包括预编码矩阵指示(PMI)。

优选地，所述MIMO系统包括多用户多输入多输出(MU-MIMO)系统。

所述天线可以被分区成多个子集，其中，所述多个子集包括所述第一子集和所述第二子集。

所述方法还可以包括以下步骤：至少根据所述第一信道信息和所述第二信道信息，针对所述第一UE确定一个或多个代表子信道；以及针对所述一个或多个代表子信道各自生成子预编码器。

可以根据所述第一UE的秩指示(RI)来确定所述代表子信道。例如，在所述第一UE的秩等于所述第一UE的接收方天线的数量的情况下，可以根据以下等式来确定所述代表子信道

其中，并且Ω_RI包含大小为N_RX×μ_TX的矩阵m＝1,...，以及W_i表示与所报告的PMI相对应的码本预编码器。可选地，可以通过计算针对多个子信道的相关值并基于所述相关值选择所述代表子信道，来确定所述代表子信道。

所述方法还可以包括以下步骤：确定所述第一UE的子发送功率，以及根据所述子发送功率来确定与所述第一UE相关联的子预编码器。

可以至少根据所述第一信道信息和所述第二信道信息，使用联合收发优化来生成子预编码器。特别地，根据以下等式，迭代m次来生成子预编码器F_i(m)：

其中，G_i(m)是第i个用户的解码器，H(i)是信道矩阵，I是单位矩阵，以及υ_(m)是拉格朗日乘数。

可以通过以下步骤来计算所述拉格朗日乘数υ_(m)：

a)计算作为以下分解的奇异值的

b)设置υ_(m+1)＝(υ_max+υ_min)/2；

c)计算以下量

d)判断是否成立，如果成立，则设置υ_min＝υ_(m+1)，否则，设置υ_max＝υ_(m+1)；以及

e)重复步骤b)、c)和d)，直到为止。

所述方法还可以包括以下步骤：针对所述第一UE估计噪声方差，以及根据所述噪声方差生成子预编码器。

可以根据以下等式来确定所述噪声方差

i＝1,...,N_UE，其中，L_i是第i个UE所使用的码字的数量，P是发送功率，以及SINR_il是信号与干扰加噪声比。

可以通过堆叠子预编码器来生成所述预编码器。

所述多个天线可以包括4×4的天线阵列。所述4×4的天线阵列被分区成包括四(4)个天线的四(4)个子集。

所述方法还可以包括以下步骤：

从所述多个UE中的第二UE接收与所述多个天线的所述第一子集有关的第三信道信息；

根据所述第三信道信息生成第三子预编码器；

从所述第二UE接收与所述多个天线的所述第二子集有关的第四信道信息；

根据所述第二信道信息生成第四子预编码器；

至少部分地根据所述第三子预编码器和所述第四子预编码器生成第二预编码器；以及

使用所述第二预编码器将第二数据发送至所述第二UE。

所述第二数据可以是与所述数据被发送至所述第一UE同时地被发送至所述第二UE。

在另一形式中，本发明大致在于一种MIMO基站，包括多个天线、处理器和所述处理器可执行的指令代码，所述指令代码用于执行以下步骤：

从多个UE中的第一UE接收与所述多个天线的第一子集有关的第一信道信息；

根据所述第一信道信息生成第一子预编码器；

从所述第一UE接收与所述多个天线的第二子集有关的第二信道信息；

根据所述第二信道信息生成第二子预编码器；

至少部分地根据所述第一子预编码器和所述第二子预编码器生成预编码器；以及

使用所述预编码器将数据发送至所述第一UE。

本发明的特定实施例的优点包括支持以下PMI报告机制的能力：将天线集合分区成多个子集并且配置多个PMI报告。结果，在与现有技术的方法比较的情况下可以改善性能。

特定实施例使得能够在不需要信道的完整知识的情况下，例如仅通过使用PMI反馈来进行联合收发优化，继而可以降低复杂性。

这里所述的任何特征可以在本发明的范围内与这里所述的其它特征中的任何一个或多个以任意组合的形式进行组合。

发明的效果

根据本发明，可以提供用于克服上述缺点至少之一或者向消费者提供有用或商业的选择的改进技术。

附图说明

根据针对本领域技术人员提供足以进行本发明的信息的以下具体实施方式部分，可以辨别出本发明的优选特征、实施例和变形例。具体实施方式部分没有被视为以任何方式限制前述的本发明的发明内容部分的范围。具体实施方式部分将参考如下的多个附图：

图1示意性示出简化的2×3的SU-MIMO系统；

图2是更广义的SU-MIMO系统的概念图；

图3是示出根据本发明的实施例的多用户多输入多输出(MU-MIMO)无线通信系统的示意图；

图4示出根据本发明的实施例的图3的MU-MIMO无线通信系统的消息流图；

图5示出根据本发明的实施例的二维(2D)天线阵列；

图6示出根据本发明的实施例的图3的MU-MIMO系统中的数据通信用的PMI报告和预编码器生成的方法；

图7示出根据本发明的实施例的图3的MU-MIMO系统的多个天线的示例分区；

图8示出根据本发明的实施例的用于针对UE生成预编码器的方法；以及

图9示出根据本发明的实施例的用于生成子预编码器的方法。

具体实施方式

图3是示出根据本发明的实施例的多用户多输入多输出(MU-MIMO)无线通信系统300的示意图。

MU-MIMO无线通信系统300包括E-UTRAN节点B(eNodeB)305形式的基站和多个用户设备(UE)310。eNodeB 305包括数据的MU-MIMO发送所用的多个天线315。因而，如以下更详细所述，无线通信系统300使得能够进行从eNodeB 305向多个UE 310的数据的MU-MIMO发送。

图4示出根据本发明的实施例的MU-MIMO无线通信系统300的消息流图400。

如405a(下行链路(DL)数据)所示，从eNodeB 305向多个UE 310中的第一UE 310a发送第一下行链路数据，并且如405b(下行链路(DL)数据)所示，从eNodeB 305向多个UE 310中的第二UE 310b发送第二下行链路数据。在接收到第一数据时，第一UE 310a生成采用预编码矩阵指示(PMI)的第一集合的形式的信道信息(CI)。同样地，第二UE 310b生成采用PMI的第二集合的形式的信道信息。

如410a(上行链路(UL)CI)所示，第一UE 310a将PMI的第一集合发送至eNodeB 305，并且如410b(上行链路(UL)CI)所示，第二UE 310b将PMI的第二集合发送至eNodeB 305。eNodeB 305分别使用PMI的第一集合和第二集合来针对第一UE 310a和第二UE 310b生成预编码器。

如以下更详细所述，从接收方向发送方的信道信息(例如，PMI)的反馈使得eNodeB 305能够修改下行链路(DL)信号，以考虑到正在变化的条件并且使数据吞吐量最大化。特别地，UE 310在PMI的码本中搜索最能表现信道的特性的PMI。

如图5所示，并且根据本发明的实施例，多个天线315定义二维(2D)天线阵列500。由于天线阵列500是二维的(即，4×4个天线)，因此相对应的通信信道变成三维(3D)的。

图6示出根据本发明的实施例的MU-MIMO系统300中的数据通信用的PMI报告和预编码器生成的方法600。

在步骤605中，将多个天线305分区成多个子集。尽管在eNodeB 305处有利地将多个天线分区成子集，但这些天线例如可以根据预定义模式来进行分区。

图7示出根据本发明的实施例的多个天线305的示例分区700a、700b和700c。将天线305分区成多个子集705。各子集705包括四(4)个天线305，这样，在示例分区700a、700b、700c各自中存在总共四(4)个子集705。

参考回图6，在610中生成针对多个子集中的各子集的PMI。特别地，第一UE 310a将针对多个天线315中的至少第一子集和第二子集生成PMI。本领域技术人员将容易理解，天线315可以分区成任意数量的适当子集。

然后，第一UE 310a在PMI的码本中搜索最能表现子信道(即，与多个子集中的各子集相对应的子信道)的特性的PMI。然后，将PMI提供至eNodeB 305。

在步骤615中，如下所述，在eNodeB 305处生成预编码器，以供后面与第一UE 310a的通信使用。

图8示出根据本发明的实施例的用于针对UE生成预编码器的方法800。例如可以使用方法800来在方法600的步骤615中生成预编码器。

在步骤805中，如下所述计算UE的子发送功率β：

其中，P是eNodeB的发送功率，并且N是UE的数量。

在步骤810中，计算子预编码器F_i(n),n＝1,...,N_sub-channel,i＝1,...,N_UE。特别地，计算与所报告的PMI相对应的代表子信道，并且针对代表子信道各自生成子预编码器。

如下所述，可以确定针对天线子集的代表子信道。

令W_i表示与所报告的第i个UE的PMI相对应的码本预编码器；令Ω_RI表示可以从PMI码本中生成的代表信道矩阵的固定码本；并且令为针对信道H_i的代表子信道。如下所述，针对不同的秩指示(RI)存在不同的Ω_RI：

针对RI＝N_RX，Ω_RI包含大小为N_RX×μ_TX的矩阵

针对RI_i＜N_RX，Ω_RI包含大小为μ_TX×1的向量m＝1,...。

如果RI_i＝N_RX，则i＝1,...,N_UE，其中，

如果RI_i＜N_RX，则：

a)计算相关值：

b)进行排序以找出N_RX个最大的相关值以及

N_RX个相应的以形成信道矩阵：

注意，如果PMI包括PMI#1和PMI#2，则W_i＝W_i(1)×W_i(2)。

在步骤815中，如下所述通过堆叠子预编码器F_i(n)，来计算预编码器V_i：

图9示出根据本发明的实施例的用于生成子预编码器的方法。可以使用方法900来在方法800的步骤810中生成子预编码器。如下所述，方法900是迭代的，并且m表示算法的第m次迭代。

在块905中，将合成信道矩阵G_i(m＝0)初始化为G_i(m＝0)＝J_i,i＝1,...,N_UE，其中J_i是元素(a,b)在a≠b的情况下为0且在a＝b的情况下为1的RI_i×N_RX的矩阵。此外，将拉格朗日乘数υ_(m＝0)初始化为1。

在步骤910中，如下所述使用合成信道矩阵G_i(m)和拉格朗日乘数υ_(m)来计算预编码器F_i(m+1)(其中，i＝1,...,N_UE)：

在步骤915中，如下所述使用预编码器F_i(m+1)来计算下一合成信道矩阵G_i(m+1)(其中，i＝1,...,N_UE)：

其中，是噪声方差估计。

根据特定实施例，如下所述基于所报告的CQI在步骤920中生成噪声方差估计

1)基于信号与干扰加噪声比SINR阈值在CQI查找表中找出SINR_il；

2)如下所述使用SINR_il和发送功率P来计算噪声方差估计

其中，L_i是第i个UE所使用的码字的数量。

根据例如用以降低复杂性的替代实施例，如下所述，噪声方差可以固定为0：

在步骤925中，如下所述，确定当前合成信道矩阵G_i(m)和下一合成信道矩阵G_i(m+1)之间的差E：

其中，表示弗罗伯尼(Frobenius)范数。

重复步骤905～920，直到该差E小于阈值ε为止。特别地，在步骤930中，m递增，并且在步骤935中计算新的拉格朗日乘数υ_(m+1)。

可以如下所述计算新的拉格朗日乘数υ_(m+1)：

a)计算作为以下分解的奇异值的

b)设置υ_(m+1)＝(υ_max+υ_min)/2

c)计算以下量

d)检查是否成立，如果成立，则设置υ_min＝υ_(m+1)，否则设置υ_max＝υ_(m+1)

e)重复步骤b)、步骤c)和步骤d)，直到为止。

在差E小于阈值ε的情况下，在步骤940中输出F_i(m+1),i＝1,...,N_UE。

以上将子集描述为各自包括4个天线305。然而，本领域技术人员应容易理解，子集可以包括任何适当数量的天线，其中，任何适当数量的天线包括多个天线和单个天线。

在本说明书和权利要求书(如果存在)中，词语“包括”及其衍生物(包括“comprises”和“comprise”)包括所述的各个整数，但并不排除包括一个或多个其它整数。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的指代是指在本发明的至少一个实施例中包括与该实施例结合说明的特定特征、结构或特性。因而，贯穿本说明书出现在各处的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”未必全部指代同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合成一个或多个组合。

按照规定，已经采用或多或少特定于结构或方法特征的语言说明了本发明。应理解，本发明不限于所示出或描述的特定特征，这是由于这里所述的方式包括使本发明生效的优选形式。因此，要求在本领域技术人员适当地解释的所附权利要求书(如果存在)的适当范围内以任何形式或修改来保护本发明。

另外，本发明显然不限于上述示例性实施例，但可以在没有背离已经说明的本发明的范围的情况下对本发明进行各种修改。例如，上述示例性实施例说明了本发明是硬件结构，但本发明不限于此。本发明还可以通过使CPU(中央处理单元)对计算机程序执行任意处理来实现。在这种情况下，可以使用任何类型的非瞬态计算机可读介质来存储程序并将其提供给计算机。

非瞬态计算机可读介质的示例包括：磁性存储介质(例如，软盘、磁带或硬盘驱动器等)；磁光存储介质(例如，磁光盘)；紧凑型光盘只读存储器(CD-ROM)、可录紧凑盘(CD-R)、可写紧凑盘(CD-R/W)；数字多功能盘(DVD)、BD(蓝光(Blu-ray)(注册商标)盘)；以及半导体存储器(例如，掩膜ROM、PROM(Programmable ROM，可编程ROM)、EPROM(Erasable PROM，可擦除PROM)、闪速ROM、RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)等)。可以使用任何类型的瞬态计算机可读介质来将该程序提供至计算机。瞬态计算机可读介质的示例包括电气信号、光学信号和电磁波。瞬态计算机可读介质可以经由有线通信线路(例如，电线和光纤)或者无线通信线路将程序提供至计算机。

本申请基于并要求2014年6月16日提交的澳大利亚临时专利申请2014902280的优先权，其全部内容通过引用包含于此。

附图标记列表

R0 天线

R1 接收方天线

R 接收方

T0、T1、T2 发送方天线

T 发送方

300 MU-MIMO无线通信系统

305 eNodeB

310 UE

315 天线

400 消息流图

405 下行链路(DL)数据

410 上行链路(UL)信道信息(CI)

500 二维(2D)天线阵列

700a、700b、700c 示例分区

705 子集