CN102595488B - 一种信道方向信息反馈方法及其设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种信道方向信息反馈方法及其设备。该方法包括：基站基于所服务的多个移动终端中每一个的信道质量确定其各自的码本大小；基站根据所确定的码本大小为所述多个移动终端中的每一个分配传输资源；基站告知所述多个移动终端中的每一个与其对应的码本大小和传输资源；所述多个移动终端中的每一个根据所对应的码本大小，在基本码本中选择与其对应的子码本；以及所述多个移动终端中的每一个根据所确定的子码本，使用所对应的传输资源来反馈信道方向信息，其中，所述基本码本是所述多个移动终端和基站共享的码本。通过以上技术方案，能够在不增加反馈开销的情况下，提高系统的平均吞吐量。

Description

一种信道方向信息反馈方法及其设备

技术领域

本发明的实施例大致通信领域，更具体地，涉及一种信道方向信息反馈方法及其设备。

背景技术

众所周知，由于在提高平均小区吞吐量上的优势，多用户多输入多输出(MU-MIMO)技术已被视为满足无线通信中高数据速率的快速增长需求的关键使能技术。虽然MU-MIMO相对于单用户多输入多输出(SU-MIMO)展示出了很多的优势，然而在应用中也遇到了更多的挑战，因为MU-MIMO对发射机处的信道状态信息(CSIT)的不准确要敏感很多。

如今时分双工(TDD)和频分双工(FDD)模式中广泛地采用基于码本的反馈来作为CSIT获取的手段。由于码本大小受限而造成的CSIT错误将极大地恶化MU-MIMO的吞吐量。更严重的是，在码本大小固定的情况下，吞吐量损失随着信噪比(SNR)而上升，导致针对MU-MIMO，在高SNR处出现平坦的吞吐量对SNR的曲线。当经由MU-MIMO对具有不同路径损耗的用户同时进行服务时，具有更好信道条件的用户将遭受到更大的吞吐量损失，这极大地损害了系统的平均吞吐量，因为具有更好信道条件的用户应该对平均吞吐量的贡献更多。

因此，需要一种信道方向信息反馈方法，使得可以随着接收SNR的增加而保持平均吞吐量的增加。

发明内容

本发明的实施例提出了一种信道方向信息反馈方法及其设备，以解决以上问题。

根据本发明的一个方面，提出了一种基站，包括：码本大小确定单元，用于基于所服务的多个移动终端中每一个的信道质量确定其各自的码本大小；资源分配单元，用于根据所确定的码本大小为所述多个移动终端中的每一个分配传输资源；以及基站收发单元，用于告知所述多个移动终端中的每一个与其对应的码本大小和传输资源。

根据本发明的另一方面，提出了一种移动终端，包括：终端子码本确定单元，用于基于服务基站根据移动终端的信道质量确定的码本大小，在基本码本中选择与所述移动终端对应的子码本，其中，所述基本码本是包括所述移动终端在内的多个移动终端和所述服务基站共享的码本；以及反馈单元，用于根据所确定的子码本，使用服务基站根据所确定的码本大小分配的传输资源来反馈信道方向信息。

根据本发明的再一方面，提出了一种信道方向信息反馈方法，包括：基站基于所服务的多个移动终端中每一个的信道质量确定其各自的码本大小；基站根据所确定的码本大小为所述多个移动终端中的每一个分配传输资源；基站告知所述多个移动终端中的每一个与其对应的码本大小和传输资源；所述多个移动终端中的每一个根据所对应的码本大小，在基本码本中选择与其对应的子码本；以及所述多个移动终端中的每一个根据所确定的子码本，使用所对应的传输资源来反馈信道方向信息，其中，所述基本码本是所述多个移动终端和基站共享的码本。

根据本发明的又一方面，提出了一种通信系统，包括以上所述的基站和移动终端。

上述的技术方案在性能和开销之间进行了很好的折衷，从而能够在不增加反馈开销的情况下提高平均吞吐量。由于信道质量变化得比信道方向信息慢很多，可以以低得多的速率更新针对每个用户的码本大小，因而附加的信令开销非常有限。

附图说明

结合附图对本发明的实施例进行详细的描述，可更好地理解本发明，其中：

图1示出了根据本发明实施例的通信系统的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的基站的示意性方框图；

图3示出了根据本发明实施例的移动终端的示意性方框图；

图4示出了根据本发明实施例的反馈方法的流程图；

图5示出了对图4的方法进行仿真的效果图。

具体实施例

下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。

本发明的实施例提出了一种通信系统，包括以下描述的基站(BS)和移动终端(MS)。图1示出了这种通信系统的一个示意图。需要注意的是，虽然为了简洁起见，图1中仅示出了一个基站和三个移动终端(MS1、MS2和MS3)，然而在实际的布网中，也可以包括更多的基站和更多的移动终端。还应该注意的是，此处的基站泛指任何能执行以下所述的基站的各种功能作用的设备，如节点B(NodeB)、增强型节点B(eNB)、基站(BS)等，此处的移动终端也泛指任何能执行以下所述的移动终端的各种功能的设备，如移动台(MS)、用户设备(UE)或其它起到相似作用的各种便携式移动设备。

本发明的实施例还提出了一种基站，如图2所示，该基站包括码本大小确定单元230，用于根据每一个移动终端的信道质量为该移动终端确定对应的码本大小，资源分配单元240，用于根据所确定的码本大小为各个移动终端分配对应的反馈资源。这样，移动终端便能够使用所确定的码本大小确定子码本，并根据所确定的子码本使用所分配的反馈资源来反馈信道方向信息，其中，子码本是移动终端和基站共享的基本码本的子集。

该基站还包括基站子码本确定单元250，用于根据所确定的码本大小从基本码本中为各个移动终端分别选择其各自的子码本。

该基站还包括基站收发单元210，用于从各个移动终端接收对该移动终端的信道质量的指示(如，信道质量指示符)，以及将所确定的码本大小和所分配的反馈资源通知给对应的移动终端。优选地，通过发送信令的形式来进行通知。基站收发单元210中包括了用于射频(RF)处理和基带处理的各个组件，这些都已为本领域技术人员所知，为简洁起见，在此不再赘述。

该基站还包括了基站存储单元220，用于存储基站收发单元210接收到对各个移动终端的信道质量的指示，以供码本大小确定单元230使用。基站存储单元220还可用于存储码本大小确定单元230、资源分配单元240和基站子码本确定单元250在处理中所需的各种数据和变量。本领域技术人员能够在不背离本发明的原理和精神的情况下将基站存储单元220实施为各种非易失性存储器、易失性存储器、缓存或其组合。

本发明的实施例还提出了一种移动终端，如图3所示，该移动终端包括终端子码本确定单元320，用于根据基站根据上述方式确定的码本大小在基本码本中选择子码本，其中，子码本是移动终端和基站共享的基本码本的子集。反馈单元330，用于根据子码本，使用基站根据所确定的码本大小分配的反馈资源来反馈信道方向信息。

该移动终端还包括终端收发单元310，用于从基站接收针对该移动终端确定的码本大小和分配的反馈资源。终端收发单元310还用于向基站发送对该移动终端的信道质量的指示。与基站收发单元210类似，终端收发单元310中包括了用于射频(RF)处理和基带处理的各个组件，在此同样不再赘述。

该移动终端还包括了终端存储单元340。终端存储单元340用于存储终端子码本确定单元320和反馈单元330在处理中所需的各种数据和变量。同样地，本领域技术人员能够在不背离本发明的原理和精神的情况下将终端存储单元340实施为各种非易失性存储器、易失性存储器、缓存或其组合。

虽然上面以分离的功能模块的形式描述了本发明实施例的基站和移动终端，但是图2和图3中示出的每一个组件在实际应用中可以用多个器件实现，示出的多个组件在实际应用中也可以集成在一块芯片或一个设备中。例如，示例性地，可以使用单个处理器实现基站中的码本大小确定单元230和资源分配单元240。该基站和移动终端也可包括用于其它目的的任何单元和装置。

下面参考图4对上述基站和移动终端进行更详细的阐述。

图4是根据本发明实施例的反馈方法的流程图。如图4所示，在步骤401中，基站中的码本大小确定单元230针对每个MS的信道质量来确定其各自的码本大小。

容量分析

考虑到k个用户经由迫零(ZF)的多用户预编码来共享相同的无线资源的MU-MIMO系统，分别使用N_T和N_R来表示每个BS的发射天线数和每个MS的接收天线数。应该注意到，在MU-MIMO系统中，可以将k个每个都装备了N_R根天线的用户视为K·N_R个单天线用户。从而，下面将只考虑N_R＝1的情况，并假定K＝N_T。

使用h_k来表示BS和第k个MS之间的信道矢量。在具有理想的CSIT的情况下，选择针对每一个用户(如，第k个用户)的预编码矢量p_k，以使得对于有在反馈受限的情况下，使用h_k的量化版本作为CSIT，并且选择针对每一个用户(如，第k个用户)的预编码矢量q_k，以使得对有可以针对每个用户(如，第k个用户)，如下计算理想CSIT的情况下的平均每MS容量与有限的反馈下的平均每MS容量之差：

${\mathrm{\ΔC}}_k=E\left({\log }_2(1+\frac{P}{{\mathrm{\σ}}_k^2{N}_T}{\left|h_k^H{p}_k\right|}^2)\right)-E\left({\log }_2(1+\frac{\frac{P}{{\mathrm{\σ}}_k^2{N}_T}{\left|h_k^H{q}_k\right|}^2}{1+\frac{P}{{\mathrm{\σ}}_k^2{N}_T}{\mathrm{\Σ}}_{k^{\′}\≠k}{\left|h_k^H{q}_{k^{\′}}\right|}^2})\right)$

$=E\left({\log }_2(1+\frac{P}{{\mathrm{\σ}}_k^2{N}_T}{\left|h_k^H{p}_k\right|}^2)\right)-E\left({\log }_2(1+\frac{P}{{\mathrm{\σ}}_k^2{N}_T}{\left|h_k^H{q}_k\right|}^2+\frac{P}{{\mathrm{\σ}}_k^2{N}_T}{\mathrm{\Σ}}_{k^{\′}\≠k}{\left|h_k^H{q}_{k^{\′}}\right|}^2)\right)+E\left({\log }_2(1+\frac{P}{{\mathrm{\σ}}_k^2{N}_T}{\mathrm{\Σ}}_{k^{\′}\≠k}{\left|h_k^H{q}_{k^{\′}}\right|}^2)\right)$

$\≤E\left({\log }_2(1+\frac{P}{{\mathrm{\σ}}_k^2{N}_T}{\mathrm{\Σ}}_{k^{\′}\≠k}{\left|h_k^H{q}_{k^{\′}}\right|}^2)\right)$

$\≤E\left({\log }_2(1+\frac{P}{{\mathrm{\σ}}_k^2{N}_T}{\mathrm{\Σ}}_{k^{\′}\≠k}({\left|\right|h_k\left|\right|}^2-{\left|h_k^H{\hat{h}}_k\right|}^2))\right)$

$\≤{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\α}}_{k}P}{{\mathrm{\σ}}_k^2}(N_T-1){\stackrel{\‾}{D}}_k)$

$...\left(1\right)$

其中，P表示总的发射功率，是第k个用户的平均干扰噪声功率，α_k是第k个用户的长期衰落系数，以及是D_k的期望值。公式(2)示出了量化误差的上限：

${\stackrel{\‾}{D}}_k\≤2^{-\frac{B_k}{N_T-1}}---\left(2\right)$

其中，B_k表示反馈比特数，公式(2)的推理过程为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。将(2)带入(1)，得到公式(3)

${\mathrm{\ΔC}}_k{\≤\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\α}}_{k}P}{{\mathrm{\σ}}_k^2}(N_T-1)2^{-\frac{B_k}{N_T-1}})---\left(3\right)$

或等效地

$B_k\≈(N_T-1)({\log }_2({\mathrm{\α}}_{k}P/{\mathrm{\σ}}_k^2)+{\log }_2(N_T-1)-{\log }_2(2^{{\mathrm{\ΔC}}_k}-1))---\left(4\right)$

其中，B_k是用户k维持对使用理想CSIT可获得的容量的恒定容量损失ΔC_k所需的反馈比特数，P是发射功率，N_T是基站(BS)处的发射天线数，α_k是针对用户k的长期衰落系数，以及，是用户k的平均干扰噪声功率。

从公式(3)中可以看出在码本大小固定的情况下，具有更好的信道质量的用户(即，具有更大的有效接收SINR(如，)的用户)将遭受到更大的容量损失，这极大地削弱了平均吞吐量，因为这些用户应该对平均吞吐量的贡献更大。

为了使每一个用户保持恒定的容量损失(以使得当SNR增加时总的容量可以与理想容量保持恒定的间隔)，随着有效接收SNR的增加，码本大小应该线性增加，这意味着BS需要对每个用户根据其信道质量来调整码本大小。

在本发明的实施例中，可以针对每一个用户，根据其信道质量自动地调节码本的大小。

首先，BS和MS应该共享一个大的码本，称之为基本码本。

理想情况下，基本码本的大小应该大得足以满足具有最佳信道质量的用户的要求。但是在某些情况下，这个值可能非常之大而不可实现，因此在实际中使用较小的基本码本大小来在开销和性能之间取得折衷。

BS中的码本大小确定单元230基于每一个用户的信道质量来根据上述公式估计该每一个用户所需的码本大小。

假定BS和MS共享大小为的基本码本，该码本被表示为其中，c_m是N_T×1的单位范数矢量。假定最小的码本大小是这意味着对于具有最差信道条件的用户(即，小区边沿的用户，如MS1)来说，将使用大小为的码本，而对于具有较好的信道质量的用户(如，MS2)来说，将使用较大的码本大小。假设小区边沿用户的有效接收信干噪声比(SINR)(表示为ρ₀)大约为0dB。对于有效接收SINR为ρ_k的用户来说，根据公式(4)得出的优选的反馈比特数为：

其中，表示不小于x的最小整数，对该用户来说，优选的码本大小是

优选地，基于每一个用户所报告的信道质量指示符(CQI)，BS的码本大小确定单元230可以根据等式(5)确定针对每一个用户(如，第k个)的优选码本大小，在此，信道质量指示符(CQI)是ρ_k的量化版本。CQI可由基站收发单元210接收并存储在基站存储单元220中。

在步骤420中，BS的资源分配单元240应该相应地调整为每一个用户分配的反馈资源。

应该基于为每一个MS选择的码本大小，相对应地为每一个MS分配反馈资源。假定一个反馈信道可以容纳最多N个信息比特，则BS必须为第k个用户分配条反馈信道。

在步骤430中，经由基站收发单元210将码本大小和所分配的反馈资源通知给每一个用户。

一旦为第k个用户选择了码本大小B_k，BS需要将该信息告知第k个用户。为此目的可以使用发送信令。应该注意到ρ_k是长期信道信息，并且变化得比短期的信道方向信息慢得多。从而，B_k的值也缓慢地变化并且以慢得多的速度进行更新。因此，在本发明实施例所提出的技术方案中，附加信号开销相对较低。

在步骤440中，移动终端中的终端子码本确定单元320遵循之前与基站确定的方式，根据终端收发单元310接收到的为其分配的码本大小来从基本码本选择适合的子集。

将基本码本的大小表示为M，以及将针对具体用户的码本大小表示为N。应该注意到，M应该总是N的倍数。用户可以在基本码本中从每M/N个连续的码字中选择一个码字，以形成大小为N的子集。优选地，从第一个码字开始选择。

例如，当MS被BS告知优选的码本大小B_k时，遵循预先确定的方式从基本码本中选择大小为的子集。例如，如下所示，MS可以在基本码本中从每个连续的码字中选择一个码字，然后，所选的码字示例性地顺序排列组成针对该MS的码本：

$C_{\mathrm{sub}}=\{c_m,m=i+2^{B_{\max }-B_k}j|1\≤i\≤2^{B_{\max }-B_k},j=0~2^{B_k}-1\}---\left(6\right)$

其中，i是预先确定的，并为BS和MS所知，j表示这是该MS所使用的码本空间(即，子码本)中的j个码字。

应该注意的是，基站也可以基于与移动终端在步骤440中的处理相同的方式选择针对每个用户的子码本，以便使用子码本从用户反馈的信息中恢复该用户的信道方向信息。该步骤可在步骤410中确定针对每个用户的子码本大小之后进行。基站中进行子码本确定的可以是单独的子码本确定单元(如，基站子码本确定单元250)，也可以是码本大小确定单元230或者其它适合的单元。

随后，在步骤450中，MS中的反馈单元330根据所确定的子码本，使用基站分配的传输资源来反馈信道方向信息。

在上述步骤中，在终端子码本确定单元320和反馈单元330的处理中所需的各种数据和变量可以存储在终端存储单元340中。

与已存在的解决方案(例如，具有固定码本大小的MU-MIMO)相比，所提出的技术可以在相同或更小的总反馈开销的情况下获得更高的总吞吐量。随后将通过仿真的方式来证明本发明实施例所提出的技术方案的优势。

图5示出了本发明实施例的技术方案的性能示意图。假定MU-MIMO系统具有4根发射天线和1根接收天线(即，N_T＝4，N_R＝1)，并且同时服务的用户数为k＝4。并假设不同用户的有效接收SINR分别为ρ₁＝ρ₂＝10ρ₃＝10ρ₄，B_max足够大。对于固定码本大小的现有技术(方案1)来说，选择B₁＝B₂＝B₃＝B₄＝9比特。针对本发明实施例所提出的技术方案(方案2)，选择B₃＝B₄＝4比特，并根据公式(5)选择比特。可见方案1与方案2具有相同的总的反馈负荷。从图5中可以看出，方案2的曲线更接近于理想CSIT情况下的曲线，并且随着接收SNR的增加，方案2能够获得比方案1更高的容量，例如，在接收SNR为10dB处，方案2的容量比方案1高0.5bps/Hz左右，而当接收SNR增加到20dB时，方案2的容量比方案1高1bps/Hz以上。

因此可以看出，与现有技术的解决方案相比，本发明实施例所提出的技术方案在性能和开销之间进行了很好的折衷，能够在不增加反馈开销的情况下提高平均吞吐量。由于信道质量变化得比短期信道信息慢很多，附加的信令开销非常有限，因此，可以以低得多的速率更新针对每个用户的码本大小。

本领域技术人员应该很容易认识到，可以通过编程计算机实现上述方法的不同步骤。在此，一些实施例同样包括机器可读或计算机可读的程序存储设备(如，数字数据存储介质)以及编码机器可执行或计算机可执行的程序指令，其中，该指令执行上述方法的一些或全部步骤。例如，程序存储设备可以是数字存储器、磁存储介质(如磁盘和磁带)、硬件或光可读数字数据存储介质。实施例同样包括执行上述方法的所述步骤的编程计算机。

描述和附图仅示出本发明的原理。因此应该意识到，本领域技术人员能够建议不同的结构，虽然这些不同的结构未在此处明确描述或示出，但体现了本发明的原理并包括在其精神和范围之内。此外，所有此处提到的示例明确地主要只用于教学目的以帮助读者理解本发明的原理以及发明人所贡献的促进本领域的构思，并应被解释为不是对这些特定提到的示例和条件的限制。此外，此处所有提到本发明的原则、方面和实施例的陈述及其特定的示例包含其等同物在内。

上面的描述仅用于实现本发明的实施例，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本发明的权利要求来限定的范围，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种用于反馈信道方向信息的基站，包括：

码本大小确定单元，用于基于所服务的多个移动终端中每一个的信道质量确定其各自的码本大小；

资源分配单元，用于根据所确定的码本大小为所述多个移动终端中的每一个分配传输资源；以及

基站收发单元，用于告知所述多个移动终端中的每一个与其对应的码本大小和传输资源，从而所述多个移动终端中的每一个根据所对应的码本大小，在基本码本中选择与其对应的子码本，以及根据所确定的子码本，使用所对应的传输资源来反馈信道方向信息，其中所述基本码本是所述多个移动终端和所述基站共享的码本。

2.根据权利要求1所述的基站，还包括：

基站子码本确定单元，用于基于所确定的码本大小，在基本码本中选择与所述多个移动终端中每一个分别对应的码本。

3.根据权利要求1或2所述的基站，其中所述码本大小确定单元通过以下步骤确定多个移动终端中每一个的码本大小：

为所述多个移动终端中信道质量最差的移动终端分配最小的码本大小；

将所述多个移动终端中信道质量最差的移动终端作为比较基准，与信道信干噪比的对数成线性关系地为所述多个移动终端中的其它移动终端分配各自的反馈比特数，

其中码本大小与反馈比特数具有2的指数的关系。

4.根据权利要求3所述的基站，所述资源分配单元通过以下步骤为所述多个移动终端中的每一个分配传输资源：

为所述多个移动终端中的每一个分配反馈信道，以使得能够全部反馈分别为所述多个移动终端中的每一个分配的反馈比特。

5.根据权利要求4所述的基站，其中所述基站收发单元通过以下步骤告知所述多个移动终端中的每一个与其对应的码本大小和传输资源：

使用发送信令来告知所述多个移动终端中的每一个与其对应的码本大小和传输资源。

6.一种用于反馈信道方向信息的移动终端，包括：

终端子码本确定单元，用于基于服务基站根据移动终端的信道质量确定的码本大小，在基本码本中选择与所述移动终端对应的子码本，其中所述基本码本是包括所述移动终端在内的多个移动终端和所述服务基站共享的码本；以及

反馈单元，用于根据所确定的子码本，使用服务基站根据所确定的码本大小分配的传输资源来反馈信道方向信息。

7.根据权利要求6所述的移动终端，还包括：

终端收发单元，用于接收所述码本大小和所述传输资源，并向所述服务基站发送对信道质量的指示。

8.根据权利要求6或7所述的移动终端，其中所述终端子码本确定单元通过以下步骤在基本码本中选择子码本：

将所述基本码本空间划分成包含连续码字的多个子空间，所述多个子空间的数目与所述子码本的大小相等；

按照预定的顺序从所述多个子空间的每一个中选择一个码字，顺序地组成所述子码本。

9.一种信道方向信息反馈方法，包括：

基站基于所服务的多个移动终端中每一个的信道质量确定其各自的码本大小；

基站根据所确定的码本大小为所述多个移动终端中的每一个分配传输资源；

基站告知所述多个移动终端中的每一个与其对应的码本大小和传输资源；

所述多个移动终端中的每一个根据所对应的码本大小，在基本码本中选择与其对应的子码本；以及

所述多个移动终端中的每一个根据所确定的子码本，使用所对应的传输资源来反馈信道方向信息，

其中所述基本码本是所述多个移动终端和基站共享的码本。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述基于多个移动终端中每一个的信道质量确定其各自的码本大小包括：

为所述多个移动终端中信道质量最差的移动终端分配最小的码本大小；

将所述多个移动终端中信道质量最差的移动终端作为比较基准，与信道信干噪比的对数成线性关系地为所述多个移动终端中的其它移动终端分配各自的反馈比特数，

其中码本大小与所述反馈比特数具有2的指数的关系。

11.根据权利要求9所述的方法，所述根据所确定的码本大小为所述多个移动终端中的每一个分配传输资源包括：

为所述多个移动终端中的每一个分配反馈信道，以使得能够全部反馈分别为所述多个移动终端中的每一个分配的反馈比特。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述告知所述多个移动终端中的每一个与其对应的码本大小和传输资源包括：

使用发送信令来告知所述多个移动终端中的每一个与其对应的码本大小和传输资源。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述根据所对应的码本大小在基本码本中选择与其对应的子码本包括：

将所述基本码本空间划分成包含连续码字的多个子空间，所述多个子空间的数目与所述子码本的大小相等；

按照预定的顺序从所述多个子空间的每一个中选择一个码字，顺序地组成所述子码本。

14.根据权利要求9所述的方法，其中使用信道质量指示符作为信道质量的指示。

15.一种通信系统，包括根据权利要求1至5中任一项所述的基站以及根据权利要求6至8中任一项所述的移动终端。