CN103326812B - 量化信道状态信息的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种量化信道状态信息的方法与装置。根据本发明的一实施例，其提供从用户设备向基站提供码字索引的方法，该基站配置有N_t根定向天线。该方法包含：根据所估计的信道矩阵，用户设备基于一预定准则确定秩为r的非恒模码本中的码字，r＝1，2，…N_t；其中该非恒模码本由用于全向天线配置的预定义码本与反映定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量来确定；及将码字的码字索引发送至基站。本发明使用非恒模码本，相较于恒模码本，其包含了各天线单元间功率不平衡的问题，可显著提高系统的性能。

Description

量化信道状态信息的方法与装置

技术领域

本发明是关于一种量化信道状态信息的方法与装置，尤其是关于一种无线通信系统中量化信道状态信息的方法与装置。

背景技术

众所周知，信道状态信息(CSI，ChannelStateInformation)量化是频分复用(FDD，FrequencyDivisionDuplex)系统中的一个关键问题。其中对于定向天线而言，其信道量化与反馈问题则更富挑战。以常见的定向圆形天线阵列(CAA，Circularantennaarray)为例，由于到达角(DoA，DegreeofArrival)不同，每个天线对相同的用户设备(UE，UserEquipment)有不同的天线增益，如可在小于-1dB至天线增益的最低水平(如，-15dB)间波动。

然而，业界目前广泛使用的是针对全向天线的码本，其无法反映定向天线的天线单元之间的功率不平衡问题。因而，业内亟需解决定向天线的量化信道状态信息的问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种无线通信系统中量化信道状态信息的方法与装置，其适用于定向天线配置，可反馈定向天线的天线单元之间的功率不平衡问题。

根据本发明的一实施例，其提供一种方法，其从用户设备向基站提供码字索引信息，该基站配置有N_t根定向天线。该方法包含：根据所估计的信道矩阵，用户设备基于一预定准则确定秩为r的非恒模码本中的码字，r＝1，2，...N_t；其中该非恒模码本由用于全向天线配置的预定义码本与反映定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量来确定；及将码字的码字索引信息发送至基站。

在本发明的一实施例中，该非恒模码本是用于全向天线配置的预定义码本与反映定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量的对角化矩阵的乘积。在一实施例中，非恒模码本包含两级反馈结构；相应的预定义码本包含第一码本与第二码本，其中第一码本包含宽带信道方向估计信息，第二码本包含子带信道方向估计信息。非恒模码本的第一级反馈由预定义码本的第一码本与定向天线中每一个天线单元的幅度定义的向量的对角化矩阵确定。非恒模码本的第二级反馈由预定义码本的第二码本确定。

根据本发明的另一实施例，其提供一种基站确定码字的方法。该方法包含：接收秩为r的非恒模码本中的码字的索引信息，r＝1，2，…N_t；其中该非恒模码本由用于全向天线配置的预定义码本与反映定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量来确定；及根据码字的索引信息确定码字。

根据本发明的另一实施例，其提供向基站提供码字索引信息的用户设备。该用户设备包含：码字确定装置；根据所估计的信道矩阵，用户设备基于一预定准则确定秩为r的非恒模码本中的码字，r＝1，2，…N_t；其中该非恒模码本由用于全向天线配置的预定义码本与反映定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量来确定；及码字索引信息发送装置，将码字的码字索引信息发送至基站。

本发明的一实施例还提供一种基站，包含：码字索引信息接收装置；接收秩为r的非恒模码本中的码字的索引信息，r＝1，2，…N_t；其中该非恒模码本由用于全向天线配置的预定义码本与反映定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量来确定；及码字确定装置，根据码字的索引信息确定码字。

本发明提供的非恒模(non-constantmodulus)码本适用于定向天线配置，可反馈天线的功率不平衡；相较于恒模码本具有非常显著的系统性能增益和有限的额外反馈开销。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的用户设备提供码字索引信息给基站的流程图；

图2是根据本发明一实施例的基站确定码字的流程图；

图3是根据本发明一实施例的用于量化信道状态信息的系统结构方块图。

具体实施方式

为更好的理解本发明的精神，以下结合本发明的部分优选实施例对其作进一步说明。

本发明的用于量化信道状态信息的方法和装置，针对定向天线使用非恒模码本。该非恒模码本反映了各定向天线间的功率不平衡信息，从而更准确的量化信道状态信息。

根据本发明的一实施例，在下行链路多进多出(MIMO，MultipleInputMultipleOutput)系统中，基站，装配有N_t根定向天线，如可配置成定向圆形天线阵列等。针对各个秩r，r＝0，1，…，N_t，分别构建对应的非恒模码本，其中该非恒模码本由用于全向天线配置，如全向圆天线阵列的预定义码本与反映定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量来确定。具有不同秩的非恒模码本，及码本的确定规则分别存储于基站与用户设备，用于量化信道状态信息。用户设备提供量化信道状态信息的码字索引信息给基站，基站基于收到的码字索引信息确定码字而获得信道状态信息。在码字的索引信息不包含其对应的码本的秩信息时，用户设备还需发送该秩信息给基站。

具体的，如图1所示，用户设备藉由上行链路提供量化信道状态信息的码字索引信息给基站。在步骤100中，根据所估计的信道矩阵，用户设备基于一预定准则确定秩为r的非恒模码本中的码字；如前所述该非恒模码本由用于全向天线配置的预定义码本与反映定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量来确定。例如，该非恒模码本是用于全向天线配置的预定义码本与反映定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量的对角化矩阵的乘积。然后，在步骤101中用户设备将该码字的码字索引信息发送至基站。

相应的，在基站侧。如图2所示，在步骤200基站接收秩为r的非恒模码本中的码字的索引信息；然后在步骤201中，根据接收的码字的索引信息确定码字，从而获得信道状态信息。

本发明的非恒模码本可使用任意的用于全向天线阵列的码本来量化定向天线的信道状态信息。根据本发明的一实施例，该非恒模码本可以是包含两级反馈结构的码本，相应的用于全向天线配置的预定义码本包含第一码本与第二码本；其中第一码本包含宽带信道方向估计信息，第二码本包含子带信道方向估计信息。非恒模码本的第一级反馈可由预定义码本的第一码本与定向天线中每一个天线单元的幅度定义的向量的对角化矩阵确定，第二级反馈也可由预定义码本的第二码本确定。鉴于第一级反馈结构的反馈周期通常长于或等于第二级反馈结构，反映各天线功率不平衡的信息通常仅体现在第一级反馈结构便可。即，非恒模码本的第二级反馈可直接使用预定义码本的第二码本。

如此，具有两级反馈结构的非恒模码本包含两个预编码矩阵索引(PrecodingMatrixIndicator)，分别用于指示系统宽带的信道性能、及子带和/或短期的信道性能。与LTERel-10码本相比，其可不增加预编码矩阵索引的反馈开销的情况下，显着提高系统性能。如本领域技术人员所了解的预编码矩阵索引与码字索引为相同概念，在本发明中会交替使用。

以下以一具有两级反馈结构的非恒模码本为例，进一步演示本发明的一实施例如何对信道状态信息进行量化，即产生用于量化信道状态信息的具有上述两级反馈结构的非恒模码本。本领域技术人员基于该具有两级反馈结构的非恒模码本的产生可很容易的掌握一级反馈结构的非恒模码本的生成，本文不再赘述。

根据本发明的一实施例，各定向天线的功率不平衡通过下行链路信道的信号功率进行测量，从而得到各天线的幅度。则对于N_t根定向天线，由每个天线的幅度定义一向量

假定该定向天线是定向圆阵列配置，其预定义码本较佳的使用用于全向圆阵列的码本。

对于全向圆阵列配置的N_t根天线，其中第n根天线的方位角为θ_n。由于各天线在同一圆周上均匀分配，θ_n可表示为：

${\mathrm{\θ}}_n=\frac{2\mathrm{\π}}{N_t}n,n=\mathrm{0,1},\·\·\·N_t-1$

将该基站发射的电磁波的发射角(AoD，AngleofDeparture)表示为(α，β)，其中α与β分别为该基站发射的电磁波的水平方位角和仰角。则基站至用户设备之间的信道矩阵的主要特征向量具有如下形式：

$v={[e^{-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_0)},e^{-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_1)},\·\·\·,e^{-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Nt}-1})}]}^T---\left(1\right)$

其中α∈[0，2π)，β∈[0，π)，R是均匀圆阵列的半径，λ是基站发射的电磁波的波长。

在本实施例中，基于该信道矩阵构建本发明的具有两级反馈结构的预定义码本。针对各个秩rr＝0，1，...，N_t，构建对应的预定义码本，各不同秩r的预定义码本，包含相应的第一码本C₁与第二码本C₂。其中第一码本C₁包含若干第一码字W₁，表示对宽带信道方向估计的一组波束(beam)，如M个相邻的波束；而第二码本C₂包含若干第二码字W₂，其选择第一码字W₁中的一个波束用来刻画子带信道方向。

可以将α在整个相位空间上分别均匀量化为N个值，即：

$\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\πn}}{N},n=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1;$

出于简化考虑，仰角β设为则第一码本C₁中的第一码字W₁中的波束表示为：

$b_n={[e^{-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\frac{2\mathrm{\πn}}{N}-{\mathrm{\θ}}_0)},e^{-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\frac{2\mathrm{\πn}}{N}-{\mathrm{\θ}}_1)},\·\·\·,e^{-j\frac{2\mathrm{\πR}}{\mathrm{\λ}}\cos (\frac{2\mathrm{\πn}}{N}-{\mathrm{\θ}}_{N_t-1})}]}^T,n=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1---\left(2\right)$

当第一码字W₁包含M个相邻波束时，则第一码本C₁中的第k个第一码字W₁表示为：

$W_1^{\left(k\right)}=\left[\begin{array}{cccc}{b}_{\frac{\mathrm{Mk}}{2}\mathrm{mod}N}& b_{(\frac{\mathrm{Mk}}{2}+1)\mathrm{mod}N}& \·\·\·& b_{(\frac{\mathrm{Mk}}{2}+M-1)\mathrm{mod}N}\end{array}\right],k=\mathrm{0,1},\·\·\·,\frac{2(N-M)}{M}+1---\left(3\right)$

本实施例中k代表第一码字W₁的索引，并依需要经编码后进行存储和传输。

第一码字W₁的第一码本C₁是

$C_1=\{W_1^{\left(0\right)},W_1^{\left(1\right)},W_1^{\left(2\right)},\·\·\·,W_1^{(\frac{2(N-M)}{M}+1)}\}---\left(4\right)$

根据本发明一实施例的非恒模码本的第一级反馈包含了功率不平衡信息，即该第一级反馈结构由预定义码本的第一码本与定向天线中每一个天线单元的幅度定义的向量的对角化矩阵确定。可使预定义码本的第一码本与定向天线中每一个的幅度定义的向量的对角化矩阵相乘，则该非恒模码本的第一级反馈中的第k个第一码字F₁表示为：

${F_1}^{\left(k\right)}=\mathrm{diag}\left({\tilde{p}}_{1x{N}_t}\right)x{W_1}^{\left(k\right)}\text{---}\left(5\right)$

在本实施例中设定秩为1至N_t的第一码本C₁都相同，则不同秩的非恒模码本也相同。

第二码字W₂是选择具有相应秩的第一码字W₁中的一波束，即等式(3)中的一列。因此，秩为1的第二码本C₂中的第i个第二码字W₂是

$W_2^{\left(i\right)}=\frac{1}{\sqrt{N_t}}\left[{\tilde{e}}_i\right],i=\mathrm{0,1},\·\·\·,M-1---\left(6\right)$

其中是除第i+1个元素外均为0的M*1基本向量。相应的，该秩为1的第二码本C₂表示为：

C₂＝{W₂ ⁽⁰⁾，W₂ ⁽¹⁾，…，W₂ ^(M-1)}

(7)

对于具有更高秩r的第二码本C₂，则其第i个第二码字W₂ ⁽ⁱ⁾表示为：

本实施例中i代表第二码字W₂的索引，并依需要经编码后进行存储和传输。

本实施例中，非恒模码本主要反映长期的功率不平衡信息，因而其第二级反馈可直接使用预定义码本中第二码本C₂。即秩为r的非恒模码本的第二级反馈，其第i个第二码字F₂ ⁽ⁱ⁾表示为：

非恒模码本最后的码字F是基于第一级反馈的第一码字F₁与第二级反馈的第二码字F₂确定的。以秩为1的最终预定义码本为例，根据本发明一实施例其码字F可以是F₁与F₂相乘，即

F＝F₁F₂

(10)

本发明还提供用于量化信道状态信息的装置，其针对定向天线使用非恒模码本。

图3示例了根据本发明一实施例的量化信道状态信息的装置的系统框图，在该系统中，用户设备30向基站40提供码字索引信息，该基站40配置有N_t根定向圆阵列配置的天线。用户设备30包含：码字确定装置300，其根据所估计的信道矩阵，基于一预定准则确定秩为r的非恒模码本中的码字，r＝1，2，...N_t；其中该非恒模码本由用于全向天线配置的预定义码本与反映定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量来确定；及码字索引信息发送装置301，将码字的码字索引信息发送至基站。

相应的，基站40包含：码字索引信息接收装置400，其接收用户设备30提供的秩为r的非恒模码本的码字的索引信息；以及码字确定装置401，基于接收的码字索引信息确定码字。

以下通过对系统级性能的仿真，进一步凸显本发明应用于定向天线时相较于恒模码本的优点。

在表1中，比较了多用户多进多出(MU-MIMO，MultipleUser-MultipleInputMultipleOutput)模式中，定向圆阵列配置的8天线在使用两种不同圆阵列码本时的系统性能。其中一个是根据本发明一实施例的非恒模码本，己考虑功率不平衡问题；另一个码本则没有考虑功率不平衡问题，称为恒模码本。

作为对比，基准MIMO模式采用Rel.8两天线单用户多进多出(SU-MIMO，SingleUser-MultipleInputMultipleOutput)模式。根据表1，相较于Rel.8两天线SU-MIMO，8天线的非恒模码本可获得147％的小区平均增益和214％小区边缘增益，性能胜过恒模码本。

表18天线定向圆阵列天线配置的系统层仿真结果

表2比较了两种具有两级反馈的圆阵列码本的反馈开销。可见，为反映天线增益不平衡的长期特征，根据本发明一实施例的非恒模圆阵列码本仅引入约2％，非常有限的额外反馈开销。

表2反馈开销比较

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求书所涵盖。

Claims (16)

1.一种从用户设备向基站提供码字索引信息的方法，所述基站配置有N_t根定向天线；所述方法包含：

根据所估计的信道矩阵，所述用户设备基于一预定准则确定秩为r的非恒模码本中的码字，r＝1,2,...N_t；其中该非恒模码本由用于全向天线配置的预定义码本与反映所述定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量来确定；及

将所述码字的码字索引信息发送至所述基站。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于该非恒模码本是用于全向天线配置的预定义码本与反映所述定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量的对角化矩阵的乘积。

3.如权利要求1或2之一所述的方法，其特征在于所述非恒模码本包含两级反馈结构；相应的所述预定义码本包含第一码本与第二码本，其中所述第一码本包含宽带信道方向估计信息，所述第二码本包含子带信道方向估计信息。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述非恒模码本的第一级反馈由所述预定义码本的第一码本与所述定向天线中每一个天线单元的幅度定义的向量的对角化矩阵确定。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述非恒模码本的第二级反馈由所述预定义码本的第二码本确定。

6.一种基站确定码字的方法，所述基站配置有N_t根定向天线；所述方法包含：

接收秩为r的非恒模码本中的码字的索引信息，r＝1,2,...N_t；其中该非恒模码本由用于全向天线配置的预定义码本与反映所述定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量来确定；及

根据所述码字的索引信息确定所述码字。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于该非恒模码本是用于全向天线配置的预定义码本与反映所述定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量的对角化矩阵的乘积。

8.如权利要求6或7之一所述的方法，其特征在于所述非恒模码本包含两级反馈结构；相应的所述预定义码本包含第一码本与第二码本，其中所述第一码本包含宽带信道方向估计信息，所述第二码本包含子带信道方向估计信息。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述非恒模码本的第一级反馈由所述预定义码本的第一码本与所述定向天线中每一个天线单元的幅度定义的向量的对角化矩阵确定。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述非恒模码本的第二级反馈由所述预定义码本的第二码本确定。

11.一种用户设备，向基站提供码字索引信息，所述基站配置有N_t根定向天线；所述用户设备包含：

码字确定装置；根据所估计的信道矩阵，所述用户设备基于一预定准则确定秩为r的非恒模码本中的码字，r＝1,2,...N_t；其中该非恒模码本由用于全向天线配置的预定义码本与反映所述定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量来确定；及

码字索引信息发送装置，将所述码字的码字索引信息发送至所述基站。

12.如权利要求11所述的用户设备，其特征在于该非恒模码本是用于全向天线配置的预定义码本与由所述定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量的对角化矩阵的乘积。

13.如权利要求11或12之一所述的用户设备，其特征在于所述非恒模码本包含两级反馈结构；相应的所述预定义码本包含第一码本与第二码本，其中所述第一码本包含宽带信道方向估计信息，所述第二码本包含子带信道方向估计信息。

14.一种基站，配置有N_t根定向天线；所述基站包含：

码字索引信息接收装置；接收秩为r的非恒模码本中的码字的索引信息，r＝1,2,...N_t；其中该非恒模码本由用于全向天线配置的预定义码本与反映所述定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量来确定；及

码字确定装置，根据所述码字的索引信息确定所述码字。

15.如权利要求14所述的基站，其特征在于该非恒模码本是用于全向天线配置的预定义码本与反映所述定向天线中每一个天线单元幅度变化的量化向量的对角化矩阵的乘积。

16.如权利要求14或15之一所述的基站，其特征在于所述非恒模码本包含两级反馈结构；相应的所述预定义码本包含第一码本与第二码本，其中所述第一码本包含宽带信道方向估计信息，所述第二码本包含子带信道方向估计信息。