专利名称：多天线系统中信道状态信息的多层量化的利记博彩app
多天线系统中信道状态信息的多层量化
背景技术：
对于高容量无线系统中增强的频谱效率来说，在衰落信道中使用多天线是最有前 途的解决方案之一。在这种系统中根本问题在于信道状态信息(CSI)在发送机和接收机中 的可用性。一般来说，如果接收机和发射机能使用CSI，系统的吞吐量会显著提高。通常认 为在接收机中全部CSI是可用的，但是由于反馈延迟和噪声、信道估计错误和有限的反馈 带宽在发射机中可能只有部分CSI是可用的，这使得要在接收机中量化CSI以最小化反馈 率。这里描述了在多天线系统中信道状态信息量化的一项改进。
发明内容
为时间相关信道提供了一种多层CSI向量量化器(VQ)。该VQ通过诸如参考当前 信道状态信息和前次信道状态量化来进行量化信道状态信息操作。也提供了使用多层CSI 向量量化器的系统。还提出了发送机和接收机之间的增强的信号以方便多层CSI量化器的 使用。该装置和方法的这些和其他方面在权利要求中陈述，并以引用方式并入本文中。
具体实施例将参考附图进行描述，作为示例，附图中相同的附图标记表示相同的 元素，其中图1是本领域中公知的原则下信道向量空间的示意图；图2是更精细量化的图1中的信道向量空间的示意图；图3是多层量化的图2中的信道向量空间的示意图；图4描述了量化系统的结构；图5描述设计多层量化器的算法操作；图6描述多层量化器中使用的一个码本的区和对应的下一个高层码本的对应区；图7描述了多层量化器操作的示例；图8为描述多层量化器操作的流程图；图9描述量化器的操作；图10描述了典型特征值和奇异值相干时间；图11描述了对比多层量化器和非多层量化器的仿真结果；
具体实施例方式在如图4所示的多天线系统中，信息通过与多天线36对应的多信道34传输。每 个信道34都有会影响该信道上信息传播的状态。多天线系统中在发送机32和一个或多个 接收机30之间的多信道34的状态可以表示为向量。当信道状态变化时，该向量在信道向 量空间中移动。信道向量空间可以分成区(见图1)。每个区可由一个索引来表示。如果通 过某种度量每个区对应于与空间的点集中的特定成员最接近的空间部分，那么上述区就成 为Voronoi区20，点成为质心22。为最大化吞吐量，优选将每个索引关联到质心22，来表示Voronoi区20，其中Voronoi区20是空间中比其他区更接近质心22的部分。多层量化的向量量化器(VQ)是针对有存储器的传输信道，在这些信道中需要减 少反馈带宽并允许系统按照信道变化的速率自动调整量化器分辨率。在具有存储器的多输 入、多输出(MIMO)信道的多层CSI向量量化器(即质心和Voronoi区的描述)的示范性的 设计中，VQ使用多个优化步长。在典型的CSI VQ中，信道向量空间的量化如图1所示CSI空间被与表示每个 Voronoi区中所有向量实现的质心22对应的Voronoi区20填充(对每个质心来说，对应的 Voronoi区是根据某种度量比其他区更接近于质心的点集)。这种区(质心)的数量由可 用比特的数量来定义，可用比特数也会影响VQ的量化误差。图1描述了信道CSI被及时关 联并且及时遵循某轨迹观的情况。如果通过在反馈链路中使用更多的比特来提高CSI VQ的分辨率，量化误差会减 少。图2描述了与图1同样的信道向量实现的轨迹观，但具有更多的质心22和Voronoi区 20A。图1中只有两个不同的质心索引被用来表示信道轨迹，但是在图2中，使用四个这样 的索引，从而导致对实际信道变化更精确的表示。这一改进的代价在于更多数量的比特被 用于表征必须反馈回发射机的量化CSI索引。在相同频带中连续传输时刻之间的信道实现是相关的，所以在某种意义上说CSI 向量的典型轨迹观是部分可预测的。相关性随着减少的接收机-发射机对之间的相对速 率与在可预测的时间内统计的包含在给定Voronoi区中的轨迹净效应配对而增加。时间 可以以多种方式进行量化描述，比如使用称为特征值相干时间和奇异值相干时间的时间度 量。在CSI VQ方面，相干时间越长，需要报告回发射机的VQ索引变化越不频繁。多层VQ允许信道相干时间相当长的系统中的反馈率显著降低。设计量化器过程 中，Voronoi区按照2、3、4和更多层中选定的任何标准进行最优化，其中连续的Voronoi区 嵌套在之前的区中，例如图3所示的2层设计。在图3的例子中，2层CSI VQ被分成主23Voronoi区和二级MVoronoi区以及对 应的质心25，26。在VQ操作的第一个阶段，只有主区被用来为信道向量分配主质心索引。 第二个阶段中，在信道向量实现离开主区之前，只有二级质心和第一个被标识的主区中的 主质心被报告到基站。以这种方式，只要信道向量不是很快的变化，就能在非常低的反馈率 下得到高量化分辨率，因为量化点集中在单个主Voronoi区空间内。此外，该机制允许接收 机按照信道变化的速率自动的调节向量分辨率。发射机和接收机必须有一种方式识别哪个 Voronoi g (主、二级等)的VQ索引被报告。以下符号用来描述示范性的多层VQ · M-CSI向量量化器设计中的层数接收机k当前层索引· mk-接收机k当前基站层索引· Nm-CSI MIMO VQ每层用于表示CSI的比特数。图4中描述了使用为多天线系统的信道状态信息量化而设计的双VQ码本的系统。 该示例描述了依照发明人于2007年5月四日提交的第11/7M，965号美国专利申请的系 统。从每次只有一个激活的接收机的系统到同时有多个接收机被激活的系统中，多层VQ均 可被用作特征值和奇异值码本(这里激活的是指正在接收传输)。多层码本的设计按需要适用于正交特征值矩阵、特征值子集和标量奇异值。下面的描述可适用于任何类型的CSI
量化方案。图4中，发射机32使用天线36通过前馈信道66和反馈信道38与接收机30通信。 接收机30包括信道评估器40，用于解码传输的线性处理器68，奇异值处理单元42，功率分 配和特征值选择器44，以及码本48和46。接收机30的各部分可使用不同的已知的电子处 理器，在一个实施例中可使用单块集成电路专用芯片。接收机30的功能可部分或全部由硬 件，固件和/或软件来提供。发射机32包括索引器和优化器M以及存储调制矩阵56和功 率分配矩阵58。输入数据流60被送入调制器62，该调制器应用从存储调制矩阵组56中选 取的线性调制矩阵。调制数据送入功率分配器64，该功率分配器应用从存储功率分配矩阵 组58中选取的功率分配矩阵。图4中的系统工作如下1.传输时刻之前，每个接收机30为反馈信道66评估40其信道矩阵H34，并使用 该信息去执行42矩阵的奇异值分解(SVD)。2.特征值和奇异值(功率分配)组件被分别使用V 46和D 48两个码本各自的量 化44。3.选中码字的索引50通过反馈信道38被反馈到发射机。4.发射机使用系统中来自所有的接收机50，52的所有索引去分别地选择56，58预 先计算的线性调制矩阵B62和功率分配矩阵S64。该选择基于预先定义好的规则集合(最 大吞吐量、公平等)。5.使用选定的线性调制矩阵B62和功率分配矩阵S64调制信号(\到*&)60，通 过反馈信道66进行传输。6.被传输的已调制信号被接收机68处理。从而，发射机32有一个被配置成实现上述4-5步骤的处理器，每一个接收机有一 个或多个天线36以及被配置成实现上述步骤1-3和6的处理器。参见图5，多层码本(D或V)的设计执行如下1.基于预期的系统参数(信道类型，必需的反馈率，必需的性能等)为m= 1， 2，. .，M的每一个值设置参数M和Nm。2.设置 m = 1 (步骤 70)。3.任何不同的向量量化器都可用来设计使用N1个分辨率比特的接收机VQ(步 骤72)。举例如下，该示例引自发明名称为“多天线系统中的信道状态信息量化”的第 11/754，965号美国专利申请。4.为VQ的m层存储Voronoi区和质心的描述。5.如果m小于M(步骤76)，按如下方式继续设计a)创建可能信道实现的大列表(步骤78)。b)使用m层VQ量化(步骤80)上述信道实现。c)选择对应于每个m层VQ索引的信道实现(步骤82)。d)在每一个m层Voronoi区内，使用任何不同的VQ设计来执行m+1层向量量化器 的设计，例如下述的第11/754，965号美国专利申请中这样的。在每个区内算法使用Mm+1个 分辨率比特并使m+1层每个区的质心中的一个与对应于该区得m层质心相同(步骤84)。 现在，每个区的新码本的码本条目被认为是与m层对应区内码本条目相关联的m+1层条目组。e)重用的m层质心被分配给为0的Nlrt索引比特。f)将 m 力口 1 (步骤 86)。g)跳转到步骤4。6.如果m彡M，结束VQ设计(步骤76)。7.使用任何不同的调制矩阵设计技术设计与已设计的多层VQ相对应的调制矩 阵，例如在第11/7M，965号美国专利申请中描述的算法那样的设计技术，如下所示(步骤 88)。算法到此结束(步骤90)。在m+1层质心和Voronoi区(参见上面的5d)的设计阶段重用m层质心中的一个 的基本原理是在不同的用户使用不同的VQ层报告它们的量化信道信息的系统中，可使用 相同设置的调制矩阵。由于所有的m层质心包含在m+1层质心中，容易使用有效的索引去 决定使用哪个质心。图6描述了如下示例索引为1111 92的单个主区和索引为000，001 等94的二级区给出1111000,1111001等的有效索引。96注意主质心与索引为000的二级 质心在同一位置。此外，由于这种设计，基站可提供向量量化器的不同应用给用户，比如变 化的VQ层数。由于码字的嵌入，所有此类情况都将得到支持。“多天线系统中的信道状态信息量化”的算法如下每次只有一个激活的接收机的情况下，我们引入启发式失真度量表示如下珥=HDVifVfn) - >\Ρ{!}其中々㈣是预先定义的信道对角线矩阵集合中的第η个条目，I I · I ^是？！“油拙土卯 范数。为了表述清楚在(1)中我们省略了下标条目j。我们假定需要用？》= Of 1，— 1来表述向量h"),其中Nv是在反馈链路中每个信 道实现中需要的比特数。为了使用(1)设计量化器，我们把整个信道实现H空间分成,个 区Vi,Vi = {H:yv(i ；H) < yv(j ；H) for all j 乒 i}·(2)该算法首先创建质心V的码本，基于上述结果，将量化空间划分成区\。码本以如 下方式创建1.创建L随机矩阵H(I)的大训练集合。2.对于每一个随机矩阵H(I)，进行奇异值分解以得到D(I)和V(I)如下yj - B^xi + Ui = (UiDiVf) (VjSi) + ^β)3.设置迭代计数器i = 0。创建@个随机矩阵H(均的集合。4.对每一个矩阵H(B)使用奇异值分解计算相应的令 (句。5.对每一个训练元素H(I)和码本条目吩叫 )用式(1)计算度量。为每一个1选择 对应于最小的；H(I))的索引n。pt(l)。6.用下面的方法计算新的1集合作为对应于相同索引η的所有条目V(I) 的球面平均的表格。(直接平均是不可能的，因为它不保留特征向量之间的正交性。)对于 所有的η计算子集L (η) = {1 :nopt(l) = η}，如果它们各自的基数|L(n)|乒0对应的矩阵 Q(i+1) (η)可以如下算式得到:
权利要求
1.一种多输入传输系统中量化信道状态信息的方法，所述系统至少包括一个发射机和 一个接收机，所述方法包括以下步骤量化关于第一信道状态的信息以产生第一量化信息，并将所述第一量化信息发送到所 述发射机；参考(1)所述第二信道状态和( 所述第一量化信息，量化关于第二信道状态的信息 以产生第二量化信息，并将所述第二量化信息发送到所述发射机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用码本执行所述第一信道状态和所述 第二信道状态的量化，所述码本具有码本条目，每个码本条目代表可能信道状态的空间的 一个区，所述量化包括用代表包括所述信道状态在内的可能信道状态的空间的区的码本条 目来代表每个信道状态，并发送代表所述码本条目的码字索引。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于用单一码本来量化所述第一信道状态和 所述第二信道状态，所述码本的码本条目被安排在多层中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述码本具有一最低层，对除所述最底层 以外的每一层来说，每一单独层的码本条目被按组安排，使得每一所述组与较低层的一个 或多个码本条目相关联；除最底层以外的每一层的每一码本条目被所在组中的码本条目中唯一的索引代表。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于在用来表示第一信道状态的码本条目在 初始层中，且比初始层高的层中至少一组码本条目具有如下特性与该组关联的一个或多 个码本条目包括用于表示第一信道状态的码本条目，且与该组相关联的一个或多个码本条 目还包括在初始层中表示可能信道状态的空间的条目，所述可能信道状态包括所述第二信 道状态时，那么用至少一组具有上述特性的较高层条目中的一个来量化所述第二信道状 态。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于除最底层以外的任一层中的每一条目组 都唯一的关联于更低层的单个条目。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在使用第一码本条目量化第一信道状态， 且第二信道状态不在由所述码本条目表示的可能信道状态的空间的区中时，则使用表示包 括这两个状态的可能信道状态的空间的区的码本条目，该码本条目在有表示包括这两个状 态的可能信道状态的空间的区的码本条目的最高层中。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在用第一码本条目组中的第一码本条目 量化第一信道状态，且第二信道状态不在任一码本条目组中由每一码本条目所表示可能信 道状态的空间的区内时，使用第一信道状态在由码本条目组中的一个条目表示的可能信道 状态的空间的区中的码本条目组中的码本条目来量化第二信道状态，且第二信道状态也在 由条目组中的一个条目所表示的可能信道状态空间的区中，如果有一个以上这种组存在， 则使用包含这种组的最高层的组，如果不存在这种组，则使用最底层的码本条目来量化第 二信道状态。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于与除最低层外每层中的每个码本条目组 中的码本条目以及最低层的码本条目相对应的可能信道状态的空间的区，在某种质心选择 和度量下为Voronoi区。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于较低层的质心对应于较高层质心的子集。
11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于用于量化第二信道状态的码本条目属于 哪一层的信息，同码字索引一同传输。
12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于用于量化第二信道状态的码本条目属于 哪一层的信息，通过使用据所用的层变长的码字来传输。
13.根据权利要求3所述的方法，其特征在于用预测的方式来预测用于量化第二信道 状态的码本条目属于哪一层。
14.根据权利要求3所述的方法，其特征在于使用权利要求11，12和13所述方法的 混合ο
15.根据权利要求3所述的方法，其特征在于使用预测来从同步误差或丢失关于用于 量化第二信道状态的码本条目属于哪一层的信息中恢复。
16.根据权利要求3所述的方法，其特征在于为了从同步误差或丢失关于用于量化第 二信道状态的码本条目属于哪一层的信息中恢复，发射机以不直接依赖于丢失的或错误的 量化的方式发送请求去做再一次量化。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于发射机将关于用作第一量化信息的信 息放在所述请求中。
18.一种用于构建适用于权利要求5所述方法的码本的方法，包含以下步骤创建单层码本，用作多层码本的最低层；为所述最底层的每个条目，选择可能信道状态的空间的区并构建精细码本来量化可能 信道状态的空间的区，并将所述精细码本的条目作为与所述最低层条目相关联的第二层中 的条目组；如果需要多个层，与以第一层构造第二层相同的方式以第二层构造更高层。
19.根据权利要求19所述的方法，其特征在于用于构建下一层条目组的可能信道状 态空间的区与由该条目所表示的可能信道状态空间的区相同。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于被每个码本条目所代表的可能信道状 态空间的区是Voronoi区，且每一更高层的每一条目组都必须有一个所述Voronoi区中的 质心，该所述Voronoi区与由相关联的较低层条目表示的区的质心协同定位。
21.装置包括接收机包含一个或多个天线和处理模块处理模块，所述模块配置成实现权利要求1的 方法步骤；发射机包含天线和处理模块，该处理模块被配置成处理用权利要求1的方法量化的来 自一个或多个接收机的信道状态信息，并按照信道状态信息调制发送到一个或多个接收机 的信号。
全文摘要
提供了一种时间相关信道的多层CSI向量量化器(VQ)。该VQ通过参考当前信道状态信息和前次信道状态量化来进行量化信道状态信息操作。也提供了使用多层CSI量化器的系统。还提出了发送机和接收机之间的增强的信号以方便多层CSI量化器的使用。
文档编号H04B7/005GK102084612SQ200880110137
公开日2011年6月1日 申请日期2008年9月5日 优先权日2007年9月7日
发明者巴尔托什·米尔扎莱克, 维托尔德·A·克日米恩 申请人:维兰有限公司