專利名稱：多天線系統(tǒng)中信道狀態(tài)信息的多層量化的制作方法
多天線系統(tǒng)中信道狀態(tài)信息的多層量化
背景技術：
對于高容量無線系統(tǒng)中增強的頻譜效率來說，在衰落信道中使用多天線是最有前 途的解決方案之一。在這種系統(tǒng)中根本問題在于信道狀態(tài)信息(CSI)在發(fā)送機和接收機中 的可用性。一般來說，如果接收機和發(fā)射機能使用CSI，系統(tǒng)的吞吐量會顯著提高。通常認 為在接收機中全部CSI是可用的，但是由于反饋延遲和噪聲、信道估計錯誤和有限的反饋 帶寬在發(fā)射機中可能只有部分CSI是可用的，這使得要在接收機中量化CSI以最小化反饋 率。這里描述了在多天線系統(tǒng)中信道狀態(tài)信息量化的一項改進。
發(fā)明內(nèi)容
為時間相關信道提供了一種多層CSI向量量化器(VQ)。該VQ通過諸如參考當前 信道狀態(tài)信息和前次信道狀態(tài)量化來進行量化信道狀態(tài)信息操作。也提供了使用多層CSI 向量量化器的系統(tǒng)。還提出了發(fā)送機和接收機之間的增強的信號以方便多層CSI量化器的 使用。該裝置和方法的這些和其他方面在權利要求中陳述，并以引用方式并入本文中。
具體實施例將參考附圖進行描述，作為示例，附圖中相同的附圖標記表示相同的 元素，其中圖1是本領域中公知的原則下信道向量空間的示意圖；圖2是更精細量化的圖1中的信道向量空間的示意圖；圖3是多層量化的圖2中的信道向量空間的示意圖；圖4描述了量化系統(tǒng)的結構；圖5描述設計多層量化器的算法操作；圖6描述多層量化器中使用的一個碼本的區(qū)和對應的下一個高層碼本的對應區(qū)；圖7描述了多層量化器操作的示例；圖8為描述多層量化器操作的流程圖；圖9描述量化器的操作；圖10描述了典型特征值和奇異值相干時間；圖11描述了對比多層量化器和非多層量化器的仿真結果；
具體實施例方式在如圖4所示的多天線系統(tǒng)中，信息通過與多天線36對應的多信道34傳輸。每 個信道34都有會影響該信道上信息傳播的狀態(tài)。多天線系統(tǒng)中在發(fā)送機32和一個或多個 接收機30之間的多信道34的狀態(tài)可以表示為向量。當信道狀態(tài)變化時，該向量在信道向 量空間中移動。信道向量空間可以分成區(qū)(見圖1)。每個區(qū)可由一個索引來表示。如果通 過某種度量每個區(qū)對應于與空間的點集中的特定成員最接近的空間部分，那么上述區(qū)就成 為Voronoi區(qū)20，點成為質(zhì)心22。為最大化吞吐量，優(yōu)選將每個索引關聯(lián)到質(zhì)心22，來表示Voronoi區(qū)20，其中Voronoi區(qū)20是空間中比其他區(qū)更接近質(zhì)心22的部分。多層量化的向量量化器(VQ)是針對有存儲器的傳輸信道，在這些信道中需要減 少反饋帶寬并允許系統(tǒng)按照信道變化的速率自動調(diào)整量化器分辨率。在具有存儲器的多輸 入、多輸出(MIMO)信道的多層CSI向量量化器(即質(zhì)心和Voronoi區(qū)的描述)的示范性的 設計中，VQ使用多個優(yōu)化步長。在典型的CSI VQ中，信道向量空間的量化如圖1所示CSI空間被與表示每個 Voronoi區(qū)中所有向量實現(xiàn)的質(zhì)心22對應的Voronoi區(qū)20填充(對每個質(zhì)心來說，對應的 Voronoi區(qū)是根據(jù)某種度量比其他區(qū)更接近于質(zhì)心的點集)。這種區(qū)(質(zhì)心)的數(shù)量由可 用比特的數(shù)量來定義，可用比特數(shù)也會影響VQ的量化誤差。圖1描述了信道CSI被及時關 聯(lián)并且及時遵循某軌跡觀的情況。如果通過在反饋鏈路中使用更多的比特來提高CSI VQ的分辨率，量化誤差會減 少。圖2描述了與圖1同樣的信道向量實現(xiàn)的軌跡觀，但具有更多的質(zhì)心22和Voronoi區(qū) 20A。圖1中只有兩個不同的質(zhì)心索引被用來表示信道軌跡，但是在圖2中，使用四個這樣 的索引，從而導致對實際信道變化更精確的表示。這一改進的代價在于更多數(shù)量的比特被 用于表征必須反饋回發(fā)射機的量化CSI索引。在相同頻帶中連續(xù)傳輸時刻之間的信道實現(xiàn)是相關的，所以在某種意義上說CSI 向量的典型軌跡觀是部分可預測的。相關性隨著減少的接收機-發(fā)射機對之間的相對速 率與在可預測的時間內(nèi)統(tǒng)計的包含在給定Voronoi區(qū)中的軌跡凈效應配對而增加。時間 可以以多種方式進行量化描述，比如使用稱為特征值相干時間和奇異值相干時間的時間度 量。在CSI VQ方面，相干時間越長，需要報告回發(fā)射機的VQ索引變化越不頻繁。多層VQ允許信道相干時間相當長的系統(tǒng)中的反饋率顯著降低。設計量化器過程 中，Voronoi區(qū)按照2、3、4和更多層中選定的任何標準進行最優(yōu)化，其中連續(xù)的Voronoi區(qū) 嵌套在之前的區(qū)中，例如圖3所示的2層設計。在圖3的例子中，2層CSI VQ被分成主23Voronoi區(qū)和二級MVoronoi區(qū)以及對 應的質(zhì)心25，26。在VQ操作的第一個階段，只有主區(qū)被用來為信道向量分配主質(zhì)心索引。 第二個階段中，在信道向量實現(xiàn)離開主區(qū)之前，只有二級質(zhì)心和第一個被標識的主區(qū)中的 主質(zhì)心被報告到基站。以這種方式，只要信道向量不是很快的變化，就能在非常低的反饋率 下得到高量化分辨率，因為量化點集中在單個主Voronoi區(qū)空間內(nèi)。此外，該機制允許接收 機按照信道變化的速率自動的調(diào)節(jié)向量分辨率。發(fā)射機和接收機必須有一種方式識別哪個 Voronoi g (主、二級等)的VQ索引被報告。以下符號用來描述示范性的多層VQ · M-CSI向量量化器設計中的層數(shù)接收機k當前層索引· mk-接收機k當前基站層索引· Nm-CSI MIMO VQ每層用于表示CSI的比特數(shù)。圖4中描述了使用為多天線系統(tǒng)的信道狀態(tài)信息量化而設計的雙VQ碼本的系統(tǒng)。 該示例描述了依照發(fā)明人于2007年5月四日提交的第11/7M，965號美國專利申請的系 統(tǒng)。從每次只有一個激活的接收機的系統(tǒng)到同時有多個接收機被激活的系統(tǒng)中，多層VQ均 可被用作特征值和奇異值碼本(這里激活的是指正在接收傳輸)。多層碼本的設計按需要適用于正交特征值矩陣、特征值子集和標量奇異值。下面的描述可適用于任何類型的CSI
量化方案。圖4中，發(fā)射機32使用天線36通過前饋信道66和反饋信道38與接收機30通信。 接收機30包括信道評估器40，用于解碼傳輸?shù)木€性處理器68，奇異值處理單元42，功率分 配和特征值選擇器44，以及碼本48和46。接收機30的各部分可使用不同的已知的電子處 理器，在一個實施例中可使用單塊集成電路專用芯片。接收機30的功能可部分或全部由硬 件，固件和/或軟件來提供。發(fā)射機32包括索引器和優(yōu)化器M以及存儲調(diào)制矩陣56和功 率分配矩陣58。輸入數(shù)據(jù)流60被送入調(diào)制器62，該調(diào)制器應用從存儲調(diào)制矩陣組56中選 取的線性調(diào)制矩陣。調(diào)制數(shù)據(jù)送入功率分配器64，該功率分配器應用從存儲功率分配矩陣 組58中選取的功率分配矩陣。圖4中的系統(tǒng)工作如下1.傳輸時刻之前，每個接收機30為反饋信道66評估40其信道矩陣H34，并使用 該信息去執(zhí)行42矩陣的奇異值分解(SVD)。2.特征值和奇異值(功率分配)組件被分別使用V 46和D 48兩個碼本各自的量 化44。3.選中碼字的索引50通過反饋信道38被反饋到發(fā)射機。4.發(fā)射機使用系統(tǒng)中來自所有的接收機50，52的所有索引去分別地選擇56，58預 先計算的線性調(diào)制矩陣B62和功率分配矩陣S64。該選擇基于預先定義好的規(guī)則集合(最 大吞吐量、公平等)。5.使用選定的線性調(diào)制矩陣B62和功率分配矩陣S64調(diào)制信號(\到*&)60，通 過反饋信道66進行傳輸。6.被傳輸?shù)囊颜{(diào)制信號被接收機68處理。從而，發(fā)射機32有一個被配置成實現(xiàn)上述4-5步驟的處理器，每一個接收機有一 個或多個天線36以及被配置成實現(xiàn)上述步驟1-3和6的處理器。參見圖5，多層碼本(D或V)的設計執(zhí)行如下1.基于預期的系統(tǒng)參數(shù)(信道類型，必需的反饋率，必需的性能等)為m= 1， 2，. .，M的每一個值設置參數(shù)M和Nm。2.設置 m = 1 (步驟 70)。3.任何不同的向量量化器都可用來設計使用N1個分辨率比特的接收機VQ(步 驟72)。舉例如下，該示例引自發(fā)明名稱為“多天線系統(tǒng)中的信道狀態(tài)信息量化”的第 11/754，965號美國專利申請。4.為VQ的m層存儲Voronoi區(qū)和質(zhì)心的描述。5.如果m小于M(步驟76)，按如下方式繼續(xù)設計a)創(chuàng)建可能信道實現(xiàn)的大列表(步驟78)。b)使用m層VQ量化(步驟80)上述信道實現(xiàn)。c)選擇對應于每個m層VQ索引的信道實現(xiàn)(步驟82)。d)在每一個m層Voronoi區(qū)內(nèi)，使用任何不同的VQ設計來執(zhí)行m+1層向量量化器 的設計，例如下述的第11/754，965號美國專利申請中這樣的。在每個區(qū)內(nèi)算法使用Mm+1個 分辨率比特并使m+1層每個區(qū)的質(zhì)心中的一個與對應于該區(qū)得m層質(zhì)心相同(步驟84)。 現(xiàn)在，每個區(qū)的新碼本的碼本條目被認為是與m層對應區(qū)內(nèi)碼本條目相關聯(lián)的m+1層條目組。e)重用的m層質(zhì)心被分配給為0的Nlrt索引比特。f)將 m 力口 1 (步驟 86)。g)跳轉到步驟4。6.如果m彡M，結束VQ設計(步驟76)。7.使用任何不同的調(diào)制矩陣設計技術設計與已設計的多層VQ相對應的調(diào)制矩 陣，例如在第11/7M，965號美國專利申請中描述的算法那樣的設計技術，如下所示(步驟 88)。算法到此結束(步驟90)。在m+1層質(zhì)心和Voronoi區(qū)(參見上面的5d)的設計階段重用m層質(zhì)心中的一個 的基本原理是在不同的用戶使用不同的VQ層報告它們的量化信道信息的系統(tǒng)中，可使用 相同設置的調(diào)制矩陣。由于所有的m層質(zhì)心包含在m+1層質(zhì)心中，容易使用有效的索引去 決定使用哪個質(zhì)心。圖6描述了如下示例索引為1111 92的單個主區(qū)和索引為000，001 等94的二級區(qū)給出1111000,1111001等的有效索引。96注意主質(zhì)心與索引為000的二級 質(zhì)心在同一位置。此外，由于這種設計，基站可提供向量量化器的不同應用給用戶，比如變 化的VQ層數(shù)。由于碼字的嵌入，所有此類情況都將得到支持。“多天線系統(tǒng)中的信道狀態(tài)信息量化”的算法如下每次只有一個激活的接收機的情況下，我們引入啟發(fā)式失真度量表示如下珥=HDVifVfn) - >\Ρ{!}其中々㈣是預先定義的信道對角線矩陣集合中的第η個條目，I I · I ^是？！“油拙土卯 范數(shù)。為了表述清楚在(1)中我們省略了下標條目j。我們假定需要用？》= Of 1，— 1來表述向量h"),其中Nv是在反饋鏈路中每個信 道實現(xiàn)中需要的比特數(shù)。為了使用(1)設計量化器，我們把整個信道實現(xiàn)H空間分成,個 區(qū)Vi,Vi = {H:yv(i ；H) < yv(j ；H) for all j 乒 i}·(2)該算法首先創(chuàng)建質(zhì)心V的碼本，基于上述結果，將量化空間劃分成區(qū)\。碼本以如 下方式創(chuàng)建1.創(chuàng)建L隨機矩陣H(I)的大訓練集合。2.對于每一個隨機矩陣H(I)，進行奇異值分解以得到D(I)和V(I)如下yj - B^xi + Ui = (UiDiVf) (VjSi) + ^β)3.設置迭代計數(shù)器i = 0。創(chuàng)建@個隨機矩陣H(均的集合。4.對每一個矩陣H(B)使用奇異值分解計算相應的令 (句。5.對每一個訓練元素H(I)和碼本條目吩叫 )用式(1)計算度量。為每一個1選擇 對應于最小的；H(I))的索引n。pt(l)。6.用下面的方法計算新的1集合作為對應于相同索引η的所有條目V(I) 的球面平均的表格。(直接平均是不可能的，因為它不保留特征向量之間的正交性。)對于 所有的η計算子集L (η) = {1 :nopt(l) = η}，如果它們各自的基數(shù)|L(n)|乒0對應的矩陣 Q(i+1) (η)可以如下算式得到:
權利要求
1.一種多輸入傳輸系統(tǒng)中量化信道狀態(tài)信息的方法，所述系統(tǒng)至少包括一個發(fā)射機和 一個接收機，所述方法包括以下步驟量化關于第一信道狀態(tài)的信息以產(chǎn)生第一量化信息，并將所述第一量化信息發(fā)送到所 述發(fā)射機；參考(1)所述第二信道狀態(tài)和( 所述第一量化信息，量化關于第二信道狀態(tài)的信息 以產(chǎn)生第二量化信息，并將所述第二量化信息發(fā)送到所述發(fā)射機。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于使用碼本執(zhí)行所述第一信道狀態(tài)和所述 第二信道狀態(tài)的量化，所述碼本具有碼本條目，每個碼本條目代表可能信道狀態(tài)的空間的 一個區(qū)，所述量化包括用代表包括所述信道狀態(tài)在內(nèi)的可能信道狀態(tài)的空間的區(qū)的碼本條 目來代表每個信道狀態(tài)，并發(fā)送代表所述碼本條目的碼字索引。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于用單一碼本來量化所述第一信道狀態(tài)和 所述第二信道狀態(tài)，所述碼本的碼本條目被安排在多層中。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于所述碼本具有一最低層，對除所述最底層 以外的每一層來說，每一單獨層的碼本條目被按組安排，使得每一所述組與較低層的一個 或多個碼本條目相關聯(lián)；除最底層以外的每一層的每一碼本條目被所在組中的碼本條目中唯一的索引代表。
5.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于在用來表示第一信道狀態(tài)的碼本條目在 初始層中，且比初始層高的層中至少一組碼本條目具有如下特性與該組關聯(lián)的一個或多 個碼本條目包括用于表示第一信道狀態(tài)的碼本條目，且與該組相關聯(lián)的一個或多個碼本條 目還包括在初始層中表示可能信道狀態(tài)的空間的條目，所述可能信道狀態(tài)包括所述第二信 道狀態(tài)時，那么用至少一組具有上述特性的較高層條目中的一個來量化所述第二信道狀 態(tài)。
6.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于除最底層以外的任一層中的每一條目組 都唯一的關聯(lián)于更低層的單個條目。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于在使用第一碼本條目量化第一信道狀態(tài)， 且第二信道狀態(tài)不在由所述碼本條目表示的可能信道狀態(tài)的空間的區(qū)中時，則使用表示包 括這兩個狀態(tài)的可能信道狀態(tài)的空間的區(qū)的碼本條目，該碼本條目在有表示包括這兩個狀 態(tài)的可能信道狀態(tài)的空間的區(qū)的碼本條目的最高層中。
8.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于在用第一碼本條目組中的第一碼本條目 量化第一信道狀態(tài)，且第二信道狀態(tài)不在任一碼本條目組中由每一碼本條目所表示可能信 道狀態(tài)的空間的區(qū)內(nèi)時，使用第一信道狀態(tài)在由碼本條目組中的一個條目表示的可能信道 狀態(tài)的空間的區(qū)中的碼本條目組中的碼本條目來量化第二信道狀態(tài)，且第二信道狀態(tài)也在 由條目組中的一個條目所表示的可能信道狀態(tài)空間的區(qū)中，如果有一個以上這種組存在， 則使用包含這種組的最高層的組，如果不存在這種組，則使用最底層的碼本條目來量化第 二信道狀態(tài)。
9.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于與除最低層外每層中的每個碼本條目組 中的碼本條目以及最低層的碼本條目相對應的可能信道狀態(tài)的空間的區(qū)，在某種質(zhì)心選擇 和度量下為Voronoi區(qū)。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于較低層的質(zhì)心對應于較高層質(zhì)心的子集。
11.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于用于量化第二信道狀態(tài)的碼本條目屬于 哪一層的信息，同碼字索引一同傳輸。
12.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于用于量化第二信道狀態(tài)的碼本條目屬于 哪一層的信息，通過使用據(jù)所用的層變長的碼字來傳輸。
13.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于用預測的方式來預測用于量化第二信道 狀態(tài)的碼本條目屬于哪一層。
14.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于使用權利要求11，12和13所述方法的 混合ο
15.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于使用預測來從同步誤差或丟失關于用于 量化第二信道狀態(tài)的碼本條目屬于哪一層的信息中恢復。
16.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于為了從同步誤差或丟失關于用于量化第 二信道狀態(tài)的碼本條目屬于哪一層的信息中恢復，發(fā)射機以不直接依賴于丟失的或錯誤的 量化的方式發(fā)送請求去做再一次量化。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于發(fā)射機將關于用作第一量化信息的信 息放在所述請求中。
18.一種用于構建適用于權利要求5所述方法的碼本的方法，包含以下步驟創(chuàng)建單層碼本，用作多層碼本的最低層；為所述最底層的每個條目，選擇可能信道狀態(tài)的空間的區(qū)并構建精細碼本來量化可能 信道狀態(tài)的空間的區(qū)，并將所述精細碼本的條目作為與所述最低層條目相關聯(lián)的第二層中 的條目組；如果需要多個層，與以第一層構造第二層相同的方式以第二層構造更高層。
19.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于用于構建下一層條目組的可能信道狀 態(tài)空間的區(qū)與由該條目所表示的可能信道狀態(tài)空間的區(qū)相同。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于被每個碼本條目所代表的可能信道狀 態(tài)空間的區(qū)是Voronoi區(qū)，且每一更高層的每一條目組都必須有一個所述Voronoi區(qū)中的 質(zhì)心，該所述Voronoi區(qū)與由相關聯(lián)的較低層條目表示的區(qū)的質(zhì)心協(xié)同定位。
21.裝置包括接收機包含一個或多個天線和處理模塊處理模塊，所述模塊配置成實現(xiàn)權利要求1的 方法步驟；發(fā)射機包含天線和處理模塊，該處理模塊被配置成處理用權利要求1的方法量化的來 自一個或多個接收機的信道狀態(tài)信息，并按照信道狀態(tài)信息調(diào)制發(fā)送到一個或多個接收機 的信號。
全文摘要
提供了一種時間相關信道的多層CSI向量量化器(VQ)。該VQ通過參考當前信道狀態(tài)信息和前次信道狀態(tài)量化來進行量化信道狀態(tài)信息操作。也提供了使用多層CSI量化器的系統(tǒng)。還提出了發(fā)送機和接收機之間的增強的信號以方便多層CSI量化器的使用。
文檔編號H04B7/005GK102084612SQ200880110137
公開日2011年6月1日 申請日期2008年9月5日 優(yōu)先權日2007年9月7日
發(fā)明者巴爾托什·米爾扎萊克, 維托爾德·A·克日米恩 申請人:維蘭有限公司