多個傳輸模式的多輸入、多輸出(mimo)系統的製作方法

2023-10-06 06:54:39

專利名稱：多個傳輸模式的多輸入、多輸出(mimo)系統的製作方法
背景領域本發明一般涉及數據通信，尤其涉及帶有多種傳輸模式的多信道通信系統(例如多輸入、多輸出(MIMO)系統)。
背景在無線通信系統中，來自發射機單元的RF已調信號可以通過多個傳播路逕到達接收機單元。傳播路徑的特徵一般由於諸如衰落和多徑的多個因子而隨時間改變。為了提供抗有害路徑影響的分集並改善性能，可以使用多個發射和接收天線。如果發射和接收天線間的傳播路徑是線性獨立的(即在一個路徑上的傳輸不是由其它路徑上的傳輸的線性組合形成的)，這在一定程度上為真，則正確地接收到數據傳輸的可能性隨著天線數目的增加而增加。一般，發射和接收天線增加導致分集增加和性能改善。
多輸入多輸出(MIMO)通信系統使用多個(NT)發射天線和多個(NR)接收天線進行數據傳輸。由NT個發射天線和NR個接收天線形成的MIMO信道可能被分解為NS個獨立信道，其中NS≤min{NT，NR}。NS個獨立信道的每個還被稱為MIMO信道的空間子信道，並對應一維。如果使用由多個發射和接收天線建立的附加維數，則MIMO系統能提供改善的性能(例如增加的傳輸容量)。例如，可以在NS個空間子信道的每個上發送獨立數據流以增加系統頻譜效率。
MIMO系統的空間子信道可以經歷不同信道條件(例如不同的衰減和多徑效應)且可能對於給定發射功率量獲得不同信號對噪聲和幹擾比(SNR)。因此，空間子信道可以支持的數據速率可以每個子信道不同，這取決於分配給數據流和其獲得SNR的發射功率量。由於信道條件一般隨時間改變，則空間子信道的傳輸容量也隨著時間改變。
編碼的通信系統內的關鍵挑戰是有效利用總發射功率Ptot，該總功率是基於信道條件在NS個空間子信道上在發射機處可用於數據傳輸的功率。各種方案可以用於在空間子信道上發送數據。每個傳輸方案可以要求關於MIMO信道的一定類型的信息，並做出一定關於在發射機接收機處的信號處理的假定。一般，更複雜的傳輸方案可以獲得接近最優的頻譜效率，這是通過將不同量的發射功率分配給不同容量的空間子信道並在這些子信道上發送之前對數據流進行預調整。然而，這些傳輸方案議案需要關於MIMO信道更多的信息，這可能在接收機處很難獲得，且還需要空中連結資源以報告給發射機。較不複雜的傳輸方案可以在有限範圍的操作條件上提供較好的性能，但需要較少的信道信息。
因此領域內需要一種能在MIMO系統內發送數據以獲得高頻譜效率並減少複雜度的技術。
概述在此提供一些在多信道通信系統內的可用傳輸信道上發送數據的方法，以獲得更高的總系統頻譜效率和/或其他好處。傳輸信號可以對應MIMO系統的空間子信道、OFDM系統的頻率子信道或MIMO-OFDM系統內的頻率子信道的空間子信道。
在一方面，多個傳輸方案被選擇性地用於提供接近最優的總效率。每種傳輸方案取決於在發射機處是否有全或部分信道狀態信息(CSI)(在以下描述)以在傳輸信道上傳輸前在發射機處處理數據。對於部分CSI傳輸方案，數據流可以在每個發射天線上被發送(例如在天線的峰值發射功率)。NT個發射天線的所有或一個子集可以用於在任何時刻的數據傳輸。
對於全CSI傳輸方案，一個或多個數據流基於全CSI處理(或其變體，如下描述)在發射機處經處理，並在MIMO信道上發送。全CSI傳輸方案包括灌水傳輸方案、「選擇性信道求逆」傳輸方案、「均勻」傳輸方案、「主本徵模式波束成形」傳輸方案以及「波束操縱」傳輸方案，所有都依賴於發射機處的全CSI處理。灌水傳輸方案將更多的發射功率分配給噪聲較少的傳輸信道，而將更少的發射功率分配給噪聲較多的傳輸信道。灌水傳輸方案是最優的，且可以獲得容量。選擇性信道求逆傳輸方案將發射功率不均勻地在選擇的傳輸信道上分配，使得檢測後SNR對於選定的傳輸信道類似。均勻傳輸方案將總發射功率均勻地在所有傳輸信道間分配，且波束成形傳輸方案將所有發射功率分配給帶有最佳性能的單個傳輸信道。波束操縱傳輸方案均勻地將總發射功率分配給所有用於發送單個數據流的發射天線，但數據流從這些發射天線以合適的相位被發送。一般，任何數量和類型的傳輸方案可以為多模式MIMO系統用於提供改善的總性能。
每個傳輸方案可以為特定操作條件範圍提供好或接近最優性能，性能可以由操作信號對噪聲和幹擾比(SNR)量化。這些多個不同類型的傳輸方案(即基於部分CSI、全CSI等)可以以每部分的方式經組合以形成「多模式」傳輸方案，這覆蓋了MIMO系統支持的全範圍SNR。用於在任何給定時刻發送數據的特定傳輸方案然後取決於在該時刻系統經歷的特定操作條件。
在特定實施例中，提供一方法，用於在多信道通信系統內的多個傳輸信道上發送數據。根據該方法，開始時確定系統的操作條件(即工作SNR)，且從多個可能的傳輸方案中基於確定的操作條件和發射機處可用的信道狀態信息量而選擇特定傳輸方案。每個傳輸方案用於相應的工作SNR範圍。要發送的一個或多個數據流然後基於選定的傳輸方案被確定。一個或多個數據流然後基於選定的傳輸方案和可用CSI而經處理。例如，用於每個數據流的數據速率和編碼和調製方案可以基於CSI被確定。在一實施例中，如果工作SNR在閥值SNR以上，則選用部分CSI傳輸方案，且如果工作SNR在閥值SNR以下，則選用波束成形傳輸方案。
本發明的各個方面和實施例在以下進一步詳述。本發明還提供實現本發明的各個方面、實施例和特徵的方法、處理器、發射機單元、接收機單元、基站、終端、系統和其他裝置和元件，如以下將詳述。
附圖的簡要描述通過下面提出的結合附圖的詳細描述，本發明的特徵、性質和優點將變得更加明顯，附圖中相同的符號具有相同的標識，其中

圖1示出使用灌水、帶有MMSE-SC的部分CSI以及波束成形傳輸方案的4×4 MIMO系統可獲得的三張效率曲線圖；圖2是基於多模式傳輸方案在MIMO系統內在可用傳輸信道上發送數據的過程實施例流圖；以及圖3是發射機系統和接收機系統的實施例框圖。
詳細描述在此描述的數據傳輸技術可以用於各種多信道通信系統。該種多信道通信系統包括多輸入多輸出(MIMO)通信系統、正交頻分多路復用(OFDM)通信系統、利用OFDM的MIMO系統(即MIMO-OFDM系統)以及其他。多信道通信系統還實現碼分多址(CDMA)、時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)或一些其他多址技術。多址通信系統可以支持多個終端(即用戶)的進發通信。為了清楚起見，本發明的一些方面和實施例特定為諸如多天線無線通信系統的MIMO系統描述。
多輸入多輸出(MIMO)通信系統使用多個(NT)發射天線和多個(NR)接收天線進行數據傳輸。由NT個發射天線和NR個接收天線形成的MIMO信道可能被分解為NR×NTMIM0系統，且可以被分解為NS個獨立信道，其中NS≤min{NT，NR}。NS個獨立信道的每個還被稱為MIMO信道的空間子信道(或傳輸信道)。空間子信道的數目由MIMO信道的本徵模式數目確定，這接著取決於信道響應矩陣H，該矩陣描述NT個發射天線和NR個接收天線間的響應。
信道響應矩陣H的元素由獨立高斯隨機變量組成，如下H=h1,1h1,2h1,NTh2,1h2,2h2,NThNR,1hNR,2hNR,NT---(1)]]>其中hi，j是第j個發射天線和第i個接收天線間的耦合(即複數增益)。
MIMO系統的模型可以表示為y＝Hx+n， (2)其中y是接收到的向量，即y=y1y2yNRT,]]>其中{yj}是在第j個接收天線上接收到的項，且i∈(1，...，NR)；x是發送的向量，即x=x1x2xNTT,]]>其中{xi)是從第i個發射天線上發送的項，且j∈{1，...，NT)；H是MIMO信道的信道響應矩陣；A是數據流{Ai}的幅度的對角矩陣；n是一加性高斯白噪聲(AWGN)，其均值向量為0，且協方差矩陣為n=2I,]]>其中0是零向量，I是單位矩陣，對角線為1，其餘為零，且σ2是噪聲方差；以及[.]T表示[.]的轉置。
為了簡潔，MIMO信道被假設為平緩衰落窄帶信道。在該情況下，信道響應矩陣H的元素是標量，且每個發射一接收天線對間的耦合hj，i可以由單個標量值表示。然而，在此描述的技術還可以用於帶有在不同頻率處的信道增益的頻率選擇信道。在該種頻率選擇信道中，操作帶寬可以被分成多個(相等或不等帶寬)的頻帶，使得每個頻帶被認為平緩衰落信道。然後可以為每個頻帶使用特定傳輸方案，這受到一定限制，諸如將給定發射天線的所有頻帶的總發射功率維持在天線的峰值發射功率內。這樣，單個頻帶的信道響應可以在數據傳輸內得到考慮。
由於傳播環境內的散射，從NT個發射天線發送的NS個數據流相互在接收機處幹擾。多個數據流可以在空間子信道上使用信道狀態信息(CSI)被發送，CSI描述MIMO信道的特性。CSI可以被歸類為「全CSI」或「部分CSI」。全CSI包括在(NR×NT)MIMO矩陣內發射-接收天線對間傳播路徑的充分特性(例如幅度和相位)以及數據流的調製/編碼信息。部分CSI可以包括例如數據流的信號對噪聲和幹擾比(SNR)。全或部分CSI可以在接收機處被確定(例如基於接收到的導頻和/或話務數據)並報告給發射機。
取決於在發射機處是否有全或部分CSI可以使用不同的傳輸方案。當全CSI可用時，數據流可以在MIMO信道的本徵模式上被發送。這可以通過在發射機處基於從信道響應矩陣H導出的(右)本徵向量集合對數據流預調整而獲得，如下所述。在接收機處，發送的數據流可以通過將接收到的碼元流乘以(左)本徵向量集合而被恢復，該本徵向量基於矩陣H導出。全CSI(或本徵模式)傳輸方案因此取決於已知信道響應矩陣H。全CSI傳輸方案和該方案的變體在以下詳細描述。
當只有部分CSI時，數據流可以從發射天線被發送而不在發射機處進行預調整。在接收機處，接收到的碼元流根據特定空間或空時接收機處理技術經處理以試圖分離數據流。部分CSI傳輸方案還在以下詳細描述。
對於全CSI和部分CSI傳輸方案，每個數據流的數據速率和編碼和調製取決於數據流獲得的SNR。每個數據流的SNR可以在接收機處被估計。用於每個數據流的描述估計的SNR或特定編碼和調製方案的信息可以被提供給發射機並用於在MIMO信道上傳輸前處理數據流。
當全CSI可用時，一種去除或減少數據流間幹擾的技術是「對角線化」MIMO信道，使得數據流實際上在正交空間子信道上被發送。一種對角線化MIMO信道的技術是在信道響應矩陣H上實現奇異值分解，這可以表示為H＝UDVH， (3)
其中U是NR×NR酉陣(即UHU＝I)；D是NR×NT矩陣；V是NT×NT酉陣；以及「H」標識矩陣的復共軛。
矩陣D的對角項是G＝HHH的本徵值的方根，用λi表示，且i∈{1，...，NS}，其中NS≤min{NT，NR}是可分辨數據流的數目。D的所有非對角線項為零。
對角線矩陣D因此包含沿著對角線的非負實值，其餘為零，其中非負實值為di=i.]]>di指信道響應矩陣H的奇異值。奇異值分解是領域內已知的技術，且在各種參考內描述。一種該種參考為Gilbert Strang的書，題為「LinearAlgebra and its Applications」，第二版，Academic Press，1980，在此引入作為參考。
奇異值分解將信道響應矩陣H分解為兩個酉陣U和V，以及，以及對角陣D。矩陣D描述MIMO信道的本徵模式，這對應空間子信道。酉陣U和V包括接收機和發射機響應的「操縱」向量(或相應的左或右本徵向量)，這可以用於對角線化MIMO信道。尤其是，為了對角線化MIMO信道，信號向量s可以在發射機處左乘矩陣V以提供發送的向量x，如下x＝Vs(4)該向量x然後在MIMO信道上被發送到接收機。
在接收機處，接收到的向量y＝Hx+n可以左乘矩陣UH以獲得恢復的向量r，如下r=UHHVs+UHn]]>=Ds+n^---(5)]]>其中 是n的簡單旋轉，產生與n有相同均值向量和協方差矩陣的加性高斯白噪聲。
如等式(4)示出的，信號向量s左乘矩陣V以及接收到向量y和矩陣UH的左乘生成有效的對角矩陣D，這是信號向量s和恢復向量r之間的傳遞函數。因此，MIMO信道被分解成NS個獨立、無幹擾、正交和平行信道。這些獨立信道還被稱為MIMO信道的空間子信道。空間子信道i或本徵模式i有等於本徵值λi的增益，其中i∈I且集合I被定義為I＝{1，...，NS}。如果發射機被提供有信道響應矩陣H，則可以實現MIMO信道的對角線化以獲得NS個正交空間子信道。
對於全CSI傳輸方案，可以在NS個空間子信道即本徵模式的每個上發送一個數據流。對於要用於數據傳輸的每個空間子信道，發射機被提供以(右)本徵向量以及該子信道相關的調製/編碼信息。因此如果所有的NS都用於數據傳輸，則發射機被提供以或是信道響應矩陣H或是酉陣V，以及相關的調製/編碼信息。
對於部分CSI傳輸方案，一個數據流可以在NT個發射天線的每個上被發送(假設H是滿秩矩陣，且NS＝NT＝NR)。對於部分CSI傳輸方案，發射機不需要被提供以信道響應矩陣H或酉陣V，因為數據流在MIMO信道上傳輸前不經預調整。
對於部分CSI傳輸方案，各種接收機處理技術可以在接收機處用於處理接收到碼元流以分離發送的數據流。這些接收機處理技術包括空間接收機處理技術(這可以用於帶有平緩衰落的非彌散信道)以及空時接收機處理技術(這可以用於帶有頻率選擇性衰落的彌散信道)。空間接收機處理技術包括信道相關矩陣求逆(CCMI)技術以及最小均方誤差(MMSE)技術。空時接收機處理技術包括MMSE線性均衡器(MMSE-LE)、判決反饋均衡器(DFE)以及最大似然序列估計器(MLSE)。一般這些空間和空時接收機處理技術需要接收機處信道響應矩陣的估計(但不是發射機處)。
「連續抵消/均衡以及幹擾抵消」接收機處理技術(這還被稱為「連續幹擾抵消」或「連續抵消」接收機處理技術)還可以連同上述的空間或空時技術的任何一種一起使用以提供改善的性能。例如，連續幹擾抵消還可以與MMSE(即MMSE-SC)一起使用以在接收機處處理接收到的碼元流以恢復數據流。
各種接收機處理技術在以下美國專利申請中有描述美國專利申請號09/993087內描述，題為「Multiple-Access Multiple-InputMultiple-Output(MIMO)Communication System」，提交於2001年11月6日；美國專利申請序列號09/8542325，題為「Method and Apparatus for ProcessingData in a Multiple-Input Multiple-Output(MIMO)Communication SystemUtilizing Channel State Information」，提交於2001年5月11日；以及美國專利申請序列號09/826481以及09/956449，兩者均題為「Method andApparatus for Utilizing Channel State Information in a WirelessCommunication System」，相應地提交於2001年3月23日以及2001年9月18日。這些申請被轉讓給本發明的受讓人，並在此引入作為參考。
全CSI信息方案需要更多關於MIMO信道的信息(例如矩陣H)，這一般在接收機處被導出，且報告給發射機。因此，實現全CSI傳輸方案需要更高的開銷費用。部分CSI傳輸方案不需要該附加信息。
在一般MIMO系統內，可以對NT個發射天線的每個施加Pmax的峰值發射功率。在該情況下，在發射機處所有NT個發射天線可用的總發射功率Ptot可以表示為Ptot＝NT·Pmax(6)總發射功率Ptot可以基於各種方案被分配給數據流。
多個傳輸方案可以基於全CSI傳輸方案而導出，每個該種傳輸方案取決於(部分)總發射功率如何被分配給本徵模式。這些傳輸方案包括「灌水」傳輸方案、「選擇性信道求逆」傳輸方案、「均勻」傳輸方案、「主本徵模式波束成形」(或簡單地「波束成形」)傳輸方案，以及「波束操縱」傳輸方案。還可以考慮更少、附加和/或不同的傳輸方案，且這在本發明的範圍內。對於灌水傳輸方案總發射功率的分配使得將更多的發射功率分配給噪聲較少的傳輸信道，而將更少的發射功率分配給噪聲較多的傳輸信道。選擇性信道求逆傳輸方案將發射功率不均勻地在選擇的傳輸信道上分配，使得檢測後SNR對於選定的傳輸信道類似。均勻傳輸方案將總發射功率均勻地在所有傳輸信道間分配，且波束成形傳輸方案將所有發射功率分配給帶有最佳性能的單個傳輸信道。波束操縱傳輸方案均勻地將總發射功率分配給所有用於發送單個數據流的發射天線，但數據流從這些發射天線以合適的相位被發送。這些傳輸方案依賴於在發射機處對每個選用的傳輸信道的全CSI處理(或其變體)。這些各種基於全CSI的傳輸方案在以下詳細描述。
灌水傳輸方案將總發射功率Ptot分配給本徵模式，以最大化傳輸容量(即頻譜效率)。灌水技術類似於將固定量的水灌入有不規則底部的容器，其中每個頻率區段的每個本徵模式對應容器底部的一個點，且在任何給定點的底部高度對應與該本徵模式相關的信噪比(SNR)的倒數。低的高度因此對應高的SNR，相反高的高度對應低的SNR。總可用發射功率Ptot然後被「注入」該容器，使得容器內的較低點(即較高SNR)首先被注滿，然後注滿較高點(即較低SNR)。功率分布取決於總可用發射功率Ptot以及容器在底部上的深度。在所有可用的發射功率被注入後容器的水平面在容器的所有點上是常數。且在水面高度以上的點未經注入(即本徵模式的SNR低於一特定閥值的不用)。灌水技術由RobertG.Gallager在「information Theory and Reliable Communication」內描述，John Wiley and Sons，1968，在此引入作為參考。
容量被定義為信息可以以任意低的差錯概率被發送的最高頻譜效率，且一般單位為比特每赫茲每秒(bps/Hz)。一個SNR為γ的高斯信道容量可以被表示為C＝log2(1+γ) (7)對於帶有受限總發射功率Ptot的MIMO系統，灌水傳輸方案可以最優地將總發射功率分配給NS個空間子信道，以達到容量。灌水傳輸方案將總發射功率Ptot分布在本徵模式內的方式使得帶有最低噪聲方差的本徵模式(即最高SNR)接收到總功率的最大部分。作為灌水結果分配給本徵模式i的功率量可以用Pi表示，其中i∈I，且其中Ptot=iIPi---(8)]]>基於為本徵模式i分配的發射功率Pi，i∈I。本徵模式i的有效SNR γi可以表示為i=Pii2,---(9)]]>其中λi是子信道i上的信道增益且σ2是MIMO信道的噪聲方差，假設在所有子信道上相同的噪聲方差。NS個空間子信道通過灌水傳輸方案獲得的容量然後可以表示為C=i=1Nslog2(1+i)---(10)]]>每個本徵模式的頻譜效率可以基於以SNR的特定單調遞增函數而經確定。一個可以用於頻譜效率的函數是等式(7)示出的容量函數。在該情況下，本徵模式i的頻譜效率ρi可以表示為ρi＝log2(1+γi) (11)系統的總頻譜效率是所有本徵模式的頻譜效率之和，每個可以如等式(1)內所示的確定。
為MIMO-OFDM系統實現灌水功率分配的特定算法在美國專利申請序列號09/978337內描述，題為「Method and Apparatus for Dertermining powerAllocation in a MIMO Communcation System」，提交於2001年10月15日。用於實現MIMO系統灌水功率分配的特定算法在美國專利申請序列號[代理人號020038]內描述，題為「Reallocation of Excess Power in a Multi-ChannelCommunication System」，提交於2002年1月23日。這些申請在此轉讓給本發明的受讓人，並在此引入作為參考。
選擇性信道求逆傳輸方案將總發射功率Ptot不均勻地分配到NS個本徵模式的選定本徵模式上，使得在這些選定本徵模式上發送的數據流的檢測後SNR大致類似。對於該傳輸方案，較差的本徵模式不被選用。類似的檢測後SNR使得能對所有數據流使用相同的編碼和調製方案，這可以簡化在發射機和接收機處的處理。
用於分配發射功率以獲得類似的檢測後SNR的技術在以下美國專利申請序列號內描述序列號為09/860274提交於2001年5月17日；序列號為09/881610，提交於2001年6月14日以及序列號09/892379，提交於2001年6月26日，三者的題為「Method and Apparatus for Processing Data forTransmission in a Multi-Channel Communication System Using SelectiveChannel Inversion」，被轉讓給本發明的受讓人，並在此引入作為參考。
均勻傳輸方案將總發射功率Ptot均等地在所有NS個本徵模式上分配。這可以通過將Ptot/NS分配給每個本徵模式而獲得。基於為本徵模式i分配的發射功率Ptot/NS，i∈I，本徵模式i的有效SNR 可以被表示為^i=PtotiNs2---(12)]]>NS個空間子信道的均勻傳輸方案獲得的頻譜效率可以表示為C^=i=1Nslog2(1+^i)---(13)]]>波束成形傳輸方案將總發射功率Ptot分配給單個本徵模式。為了接近容量，總發射功率被分配給對應最高本徵值λmax的本徵模式。給定了使用單個本徵模式用於數據傳輸的限制，這最大化了SNR。單個(最佳)本徵模式的有效SNR可以被表示為~=Ptotmax2---(14)]]>本徵值λi，i∈I可以按降序排序。在該情況下，λI是最高本徵值(即λI＝λmax)。
NS個空間子信道的波束成形傳輸方案獲得的頻譜效率可以表示為C~=log2(1+~)---(15)]]>由於只有一個本徵模式用於數據傳輸，等式(15)不包括在NS個空間子信道上的求和，這是相應的灌水和平均傳輸方案的等式(10)和(13)的情況。
雖然波束成形傳輸方案基於在發射機處的全CSI處理，需要較少的信道狀態信息以實現該傳輸方案，因為只使用一個本徵值進行數據傳輸。尤其是，只有對應選定的本徵模式的一個奇異向量需要被提供給發射機，它然後使用該向量以在MIMO信道上傳輸之前對數據流進行預調整。該奇異向量可以在接收機處基於信道響應矩陣H導出，並提供給發射機。
波束操縱傳輸方案將總發射功率Ptot均勻地分配給用於發送單個數據流的所有發射天線。在低SNR處，灌水傳輸用於將總發射功率的一大部分分配給主本徵模式，這是對應最高本徵值λmax的本徵模式。對于波束成形傳輸方案，單個數據流在主本徵模式上發送，且該數據流由與用於數據傳輸的每個發射天線相關聯的複數增益值經比例縮放，該值由對應主本徵模式的奇異向量確定。複數增益值的幅度確定了用於發射天線的發射功率量。
波束操縱傳輸方案類似于波束成形方案且在MIMO信道上發送單個數據流。然而，由於只發送了數據流，則不一定要對角線化傳輸信道或限制對應主本徵模式的單個傳輸信道上的該數據流傳輸。波束操縱傳輸方案依賴主本徵模式，它獲得最佳性能，但將總發射功率不均勻地分配給所有用於數據傳輸的發射天線。這樣，為數據流使用更高的發射功率，這會導致改善的性能。
對于波束操縱傳輸方案，對應最高本徵值λmax的本徵模式開始時被標識(例如在接收機處)，且確定對應該本徵模式的奇異向量。該奇異向量包括用於NT個發射天線的NT個複數增益的複數值。波束操縱傳輸方案從NT個發射天線以全功率發送單個數據流但帶有合適的相位，這些相位是奇異向量內的NT個複數增益值的相位。因而，只是奇異向量中的NT個元素的相位需要被提供給發射機。數據流然後從NT個發射天線以標準化的(例如全)發射功率但以主本徵模式的相位被發送。這使得來自NT個發射天線的傳輸可以被建設性地(即相干地)在接收機處被組合，這可以提供改善的性能。
多個傳輸方案還可以基於部分CSI傳輸方案導出。在一方案中，峰值發射功率Pmax用於每個數據流，且NT個數據流從NT個發射天線使用部分CSI處理(即在發射機處沒有預調整)被發送。在另一方案中(這被稱為「選擇性部分CSI方案」)，只有NT個發射天線的選定天線用於數據傳輸，且一個數據流從每個選定的發射天線被發送(例如使用峰值發射功率)。還可以形成部分CSI傳輸方案的其他變體。
因此有多個傳輸方案可以用於數據傳輸。每個傳輸方案取決於全或部分CSI是否在發射機處可用。圖1示出使用上述灌水、均勻和波束成形傳輸方案的實例4×4 MIMO系統獲得的效率三條曲線圖。效率是基於假設不相關複數高斯信道模型而確定的，其中MIMO信道經歷加性高斯白噪聲(AWGN)但沒有其他幹擾。
對於灌水傳輸方案，大量隨機信道集合(即帶有隨機本徵值的空間子信道集合)在開始時被生成。這些信道集合然後為不同的噪聲方差σ2離散值而經評估，其中每個噪聲方差值對應特定「操作」SNR，如下所述。對於每個信道集合，灌水用於基於子信道的本徵值為各種噪聲方差值將總發射功率分配給集合內的空間子信道。每個集合內的空間子信道的有效SNR取決於子信道的本徵值、分配的發射功率以及噪聲方差，且可以如等式(9)內示出。每個信道集合的效率然後為每個噪聲方差值確定，如等式(10)內示出。然後獲得每個噪聲方差值的所有信道集合的效率的統計平均。
對于波束成形傳輸方案，評估相同隨機生成的信道集合，除了只選用對應最高本徵值的本徵模式。每個信道集合類似地被噪聲方差σ2的各個離散值而經評估，且為每個噪聲方差值獲得這些頻率集合的效率統計平均。對於均勻傳輸方案，總發射功率均勻地被分配給每個隨機生成的信道集合內的本徵模式。還為各個離散噪聲方差值評估每個集合，且為每個噪聲方差值獲得信道集合效率的統計平均。
如圖1示出，每個傳輸方案獲得的效率根據工作SNR繪製的。工作SNR是接收機處的加性高斯白噪聲的功率的倒數，可以被定義為op=12---(16)]]>工作SNR是MIMO信道的操作條件的測量。如等式(16)示出，工作SNR和噪聲方差σ2反相關。為每個傳輸方案的各個噪聲方差獲得效率因此可以根據工作SNR而不是噪聲方差而經繪製，這是為了理解簡單。如圖1示出，圖112示出的灌水傳輸方案的頻譜效率是三種傳輸方案中最佳的，且可以示出等於容量。均勻和波束成形傳輸方案的效率相應地由圖114和116示出。在低SNR處，波束成形傳輸方案接近最優(即灌水傳輸方案)，因為只有一個本徵模式在這些SNR是活動的。在高SNR處，均勻傳輸方案接近灌水傳輸方案的最優性能。
圖114示出的均勻傳輸方案的效率使用發射機處的全CSI處理而獲得。尤其是，等式(13)指明效率 可以基於空間子信道的有效SNR 而獲得，且等式(12)指示需要全CSI(例如信道響應矩陣H)以導出本徵值λi，該值然後被用於確定有效SNR。然而，如果在接收機處使用MMSE-SC接收機處理技術以處理並恢復發送的數據流，則可以示出對部分CSI傳輸方案也可以獲得效率 如果在接收機處使用一些其他的接收機處理技術而不是MMSE-SC技術，則部分CSI傳輸方案的效率會小於等式(13)示出的。
為了獲得灌水傳輸方案的最優效率，發射機需要MIMO信道的完全知識，即全CSI。全CSI可以由信道響應矩陣H以及噪聲方差σ2提供。信道響應矩陣H然後可以經評估(例如使用奇異值分解)以確定矩陣G＝HHH的本徵模式和本徵值。總發射功率然後基於本徵值和噪聲方差使用灌水傳輸方案而分配給本徵模式。
灌水傳輸方案可能不是較佳或對於一些MIMO系統由於各種因素而不可用。首先，全CSI可能很難獲得(例如一般在接收機處)，因為這會需要每個發射-接收天線對之間的信道增益測量。需要第二附加空中鏈路資源以從接收機將所有本徵模式的全CSI報告回發射機。第三，可能需要更高的準確度(即更多的比特)表示信道增益，因為任何差錯會轉換成對應的正交性的丟失。第四，如果MIMO信道是時變的，則信道增益對測量和報告延時更敏感。這些因子會使得灌水方法不能用於一些MIMO系統。
在一方面，似乎次優的效率但需要更少的CSI以實現的多個傳輸方案被選擇性地用於提供接近最優的總效率。這些次優傳輸方案可以包括例如上述的部分CSI傳輸方案(例如帶有MMSE-SC接收機處理)以及波束成形傳輸方案(或波束操縱傳輸方案)。還可以使用不同和/或附加的傳輸方案，且在本發明的範圍內。
通過提供給發射機必要的CSI可以為次優傳輸方案獲得「接近最優」的總性能。該CSI可以包括在NS個本徵模式上的數據傳輸的「處理後」SNR，如在接收機處在實現了空間接收機處理之後確定的，如以下描述。處理後SNR可以為發射機用於(1)從多個可能的傳輸方案中選擇特定的用於數據傳輸的傳輸方案，(2)為每個數據流選擇要用的數據速率和編。
對于波束形成方案，與所述本徵模式(例如對應最高本徵值λmax的)相關的標量的奇異向量v被提供給發射機並用于波束形成該本徵模式上的數據傳輸。該接收機將接收到的向量y在乘對應的奇異向量u以恢復發送的數據流。
為了只使用部分CSI獲得高性能，接收機可以使用MMSE-SC接收機處理技術，這會獲得由均勻傳輸方案獲得的頻譜效率，該種情況需要全CSI。
隨著SNR減少，灌水傳輸方案將總發射功率的較大一部分分配給帶有更佳性能的主本徵模式。在一些閥值SNR γth處，更好的策略是將總發射功率分配給對應最大本徵值的本徵模式，如圖1示出，波束成形方案的性能(圖116)在逐漸變低的SNR處接近灌水傳輸方案的最優效率(圖112)。相反，隨著SNR增加，相對於總功率，灌水傳輸方案分配的每本徵模式功率差減少，且功率分配更佳均勻。隨著SNR增加，噪聲方差σ2減少，且不同本徵模式的上升(這被確定為σ2/λi)變低。如圖1示出的，均勻傳輸方案和帶有MMSE-SC方案的部分CSI的性能(圖114)在逐漸變高的SNR處接近灌水傳輸方案的效率。
在接收機處帶有MMSE-SC(或等價方案)的部分CSI傳輸方案可以達到在一定條件下的均勻傳輸方案的頻譜效率，但沒有均勻傳輸方案要求的全CSI相關的額外「費用」。如圖1可見，帶有MMSE-SC方案的部分CSI的頻譜效率在低SNR處大大減少。
在一方面，MIMO系統可以有利地利用多個傳輸方案(例如帶有MMSE-SC方案和波束成形或波束操縱傳輸方案的部分CSI)以提供在更寬SNR範圍上改善的性能。MIMO系統使用的每個傳輸方案可以對應相應的操作模式。「多模式」MIMO系統然後可以在各種支持的操作模式間切換(例如部分CSI和波束成形模式)，這取決於信道(或操作)條件。這樣，對於給定操作條件提供最佳性能的傳輸方案可以選用於提供高性能。
圖1還示出使用部分CSI(帶有MMSE-SC)和波束成形傳輸方案的多模式MIMO系統可以獲得曲線圖120(用圈點表示)。在任何工作SNR該多模式系統可獲得的Cmm可以被表示為Cmm=max(C^,C~),---(17)]]>其中 和 是等式(13)和(15)給出的使用MMSE-SC和波束成形傳輸方案的部分CSI的頻譜效率。使用這兩個傳輸方案效率的最大損失發生在接近工作SNR γop＝0dB處，且對於使用四個發射天線和四個接收天線的該示例MIMO系統大致為1.75dB。實現該多模式系統後，效率損失在低和高SNR處均減少。如圖1示出，波束成形傳輸方案用於為MIMO系統提供擴展操作範圍(即覆蓋低SNR)。帶有MMSE-SC和波束成形傳輸方案的部分CSI的性能採用不相關信道模型。隨著信道越來越相關，在接收機處的可分辨數據流減少。因此，帶有MMSE-SC的部分CSI和波束成形傳輸方案的交叉轉移到更高的SNR，且波束成形傳輸方案變成在低端更大SNR範圍選擇的操作模式。
在此描述的一些傳輸方案(例如波束成形傳輸方案)還可以為系統使用。還可以使用其他傳輸方案，且這在本發明範圍內。例如，可以使用「選擇性本徵模式」傳輸方案以均勻地在NS個本徵模式子集間分配總發射功率。例如如果兩個或多個本徵模式獲得一些閥值SNR以上的有效SNR，則可以選用該方案。還可以使用「選擇性部分CSI」傳輸方案，其中只有一些發射天線用於數據傳輸，且剩餘發射天線會被關閉。
還可以實現在此描述的傳輸方案的變體，且這在本發明的範圍內。例如，還可以使用發射分集方案，其中單個數據流在以全功率在所有NT個發射天線上被發送而沒有任何波束成形。對於帶有MMSE-SC方案的部分CSI，這在一定條件下與均勻傳輸方案產生相同頻譜效率，用於給定數據流的實際發射功率可以經調整為給定(量化)數據速率需要的最小量。
一般，任何數量和類型的傳輸方案還可以為多模式MIMO系統用於提供改善的總性能。每個傳輸方案可以提供在一些操作條件下(例如特定SNR範圍)提供較好或接近最優性能。這些多個傳輸方案然後可以分片方式經組合以形成多模式傳輸方案，該方案覆蓋了MIMO系統支持的所有操作條件(例如全SNR範圍)。
圖1示出三種(灌水、均勻和波束形成)的每種獲得的頻譜效率，這一般為真。然而圖1示出的頻譜效率不考慮與奇異向量的量化、信道相關和其他因系相關的損失。
一般，在任何給定時刻每個傳輸方案獲得的頻譜效率是工作SNR以及該時刻信道的函數。因此，為了獲得高性能，當選擇使用哪個傳輸方案時，信道(和其他因素)還可以被考慮。對於慢變信道，實時信道估計可以用於評估可能的傳輸方案。對於較快變的信道，可以獲得信道的時間平均，並用作信道估計。
用於任何給定時刻的數據傳輸的特定傳輸方案可以以各種方式選擇。傳輸方案選擇取決於系統在該時刻經歷的特定操作條件，且可以進一步考慮其他因素。以下描述選擇傳輸方案的幾個方法。
在選擇傳輸方案的一方法中，用於數據傳輸的特定傳輸方案只基於工作SNR而被選擇。該方法易於實現且可以提供期望的性能水平。
在另一選擇傳輸方案的方法中，接收機評估每個可能的傳輸方案，並選擇產生最佳頻譜效率的傳輸方案。對於只支持波束成形和部分CSI傳輸方案的系統，接收機可以評估波束成形方案(使用量化的奇異向量)以及帶有MMSE-SC(或一些其他接收機處理)的部分CSI方案。接收機然後可以選擇產生最高吞吐量的傳輸方案，並將該信息提供給發射機。
在另一選擇傳輸方案的方法中，接收機評估每個可能的傳輸方案，並基於可獲得頻譜效率和其他考慮選擇一個傳輸方案。例如，接收機可以評估波束成形和均勻傳輸方案達到的性能。如果頻譜效率比(例如波束成形頻譜效率/均勻頻譜效率)大於某一閥值，則選擇波束成形傳輸方案。否則，選用部分CSI傳輸方案。均勻傳輸方案一般比帶有MMSE-SC方案的部分CSI「更容易」被評估(較少的計算代價，更快)，且可以用作替代(接收機可以評估均勻傳輸方案的性能，因為它能獲得全CSI)。然而，由於一些實現損失，均勻傳輸方案的頻譜效率不完全等於帶有MMSE-SC的部分CSI方案的效率。另外，有與波束成形傳輸方案相關聯的量化損失。因此，可以選擇閥值以考慮這些各種因素。
還可以設計選擇在任何給定時刻使用的特定傳輸方案的其他方法，且這在本發明的範圍內。一般，可以評估任何數量的可能傳輸方案(或其等價)，且用於數據傳輸的特定傳輸方案可以基於各種因素而被選擇，諸如(1)可獲得的頻譜效率，(2)估計的實現損失等。
圖2是過程200的實施例流圖，用於基於多模式傳輸方案在MIMO系統內發送數據。開始時，確定MIMO系統的操作條件(步驟212)。操作條件可以由工作SNR量化，這可以基於如等式(16)示出的噪聲方差和/或其他因子而經確定。操作條件可以基於連同數據發送的導頻而經估計，如領域內已知的。
然後從多個傳輸方案中基於確定的操作條件選擇特定傳輸方案(步驟214)。如上所述，MIMO系統可以支持任何數量的傳輸方案。用於數據傳輸的特定傳輸方案可以通過將工作SNR與一個或多個閥值SNR比較而確定。如果MIMO系統只支持部分CSI以及波束成形方案，則如果工作SNR等於或大於閥值SNRγth，則選擇部分CSI方案，且如果工作SNR小於閥值SNR，則選擇波束成形方案。
然後確定要發送的數據流數，其數目取決於選定的傳輸方案(步驟216)。例如，單個數據流可以在對應波束成形傳輸方案的最高本徵值的單個本徵模式上被發送，且對於部分CSI傳輸方案可以在NT個發射天線上發送NT個數據流。系統可用的總發射功率Ptot然後基於選定傳輸方案(步驟218)被分配給一個或多個數據流。一個或多個數據流然後基於選定的傳輸方案並根據分配的發射功率以及可用的CSI經處理(步驟220)。圖2內示出的過程可以在每個傳輸間隔內被實現，且這對應調度間隔。
在此描述的傳輸技術還可以用於其他多信道通信系統，諸如OFDM系統、MIMO-OFDM系統等。
OFDM系統有效地將系統帶寬分成多個(NF)頻率子信道，這一般被稱為頻率區段即子帶。每個頻率子信道與相應的子載波(或頻調)相關聯，在其上進行數據調製。在每個時隙內，時隙是取決於頻率子信道帶寬的特定時間間隔，可以在NF個頻率子信道的每個上發送調製碼元。對於OFDM系統，每個頻率子信道可以被稱為傳輸信道，且對於OFDM系統有NC＝NF個傳輸信道。
OFDM系統的頻率子信道可以經歷頻率選擇性衰減(即對於不同頻率子信道不同的衰減量)。頻率子信道的特定響應取決於發射和接收天線間的傳播路徑的特性(例如衰落和多徑效應)。因此，可以為給定的發射功率量為不同的頻率子信道獲得不同的有效SNR。在該情況下，可以為NF個頻率子信道選用特定傳輸方案，其方式類似於上述本徵模式的方式。
MIMO-OFDM系統包括NS個本徵模式的每個的NF個頻率子信道。每個本徵模式的每個頻率子信道可以被稱為傳輸信道，且MIMO-OFDM系統有NC＝NF·NS個傳輸信道。MIMO-OFDM系統內的每個本徵模式的頻率子信道可能經歷類似的不同信道條件，且對於給定發射功率量可能獲得不同的SNR。在該情況下，可以為NF個頻率子信道的每個選用特定的傳輸方案，其方式類似於上述本徵模式方式。然而，由於每個發射天線由Pmax的峰值發射功率限制，則用於給定發射天線的所有頻率子信道的總發射功率被限制在Pmax。
對於MIMO-OFDM系統，所有傳輸信道(即對於空間和頻率維)可以在確定用於數據傳輸的特定傳輸方案時考慮。或者，傳輸方案選擇的實現可以實現在任何給定時間只考慮一維。
在此描述的技術可以用於傳輸信道組。每個組可以包括任何數量的傳輸信道且可以與相應的操作點相關聯。每個組可以包括例如用於獨立數據流的傳輸信道，數據流與特定的數據速率和特定的編碼和調製方案相關。對於多址通信系統，每個組可以與要分配給不同接收機的傳輸信道相關聯。
對於可能經歷頻率選擇性衰落的寬帶MIMO系統，操作帶寬可以被分成多個(相等或不等)的頻帶，使得每個頻帶可以被認為是平緩衰減信道。在該情況下，信道響應矩陣H的每個元素是線性傳遞函數而不是標量，且每個發射-接收天線對之間的耦合hi，j可以用NF個標量值向量表示，每個頻帶一個標量值。可以為寬帶MIMO系統使用各種傳輸方案，其中一些描述如下。
在寬帶MIMO系統的第一傳輸方案內，為每個頻帶使用波束成形。在該第一傳輸方案的一實現中，最大本徵值開始時為每個頻帶確定，且選用對應該本徵值的本徵模式。這些本徵模式的「最優」功率分配可以基於在發射機處對於所有NT個發射天線可用的總發射功率Ptot而經確定。該功率分配可以使用灌水獲得，如在以上美國專利申請序列號09/978337內描述的。NF個數據流然後可以經處理並在NF個頻帶的NF個選定本徵模式上被發送。
取決於信道響應矩陣H以及噪聲方差σ2，在NF個選定的本徵模式上發送的每個數據流可以獲得不同的檢測後SNR。在一實施例中，每個數據流基於其檢測後SNR而為數據流選擇的相應編碼和調製方案經編碼並經調製。在另一實施例中，分配總發射功率Ptot，使得為所有數據流獲得大致相同的檢測後SNR。對於該實施例，可以為所有數據流使用公共的編碼和調製方案，這可以簡化發射機和接收機處的處理。
分配發射功率以獲得類似的檢測後SNR的技術在前述的美國專利申請序列號09/860274、09/881610以及09/892379內有描述。在發射機和接收機處寬帶MIMO系統的處理數據技術在前述美國專利申請序列號09/993087以及序列號10/017308內有描述，題為「Time-Domain Transmit and Receive Processingwith Channel Eigen-mode Decomposition with MIMO Systems」，提交於2001年12月7日。這些申請被轉讓給本發明的受讓人，並在此引入作為參考。
在寬帶MIMO系統的第二傳輸方案中，為每個頻帶使用部分CSI傳輸方案。在該第二傳輸方案的一實現中，每個發射天線的峰值發射功率Pmax在NF個頻帶間等分。然後可以處理NS個數據流並在NF個頻帶的每個上發送。在一實施例中，每個數據流可以基於其達到的檢測後SNR經編碼和調製。在另一實施例中，為了簡化在發射機和接收機處的編碼和調製，發射功率可以不均勻地被分配，使得公共編碼和調製方案可以用於(1)對於每個頻帶的所有NS個數據流，(2)對於每個空間子信道的所有NF個數據流，(3)對於所有NS·NF個傳輸信道的所有數據流，或(4)對於每個傳輸信道組的所有數據流，這可以包括頻率/空間子信道的任意組合。
對於選用於寬帶MIMO系統內的每個傳輸方案，發射機被提供以在傳輸前合適處理數據所必須的信息。例如，對於第一傳輸方案，該方案為NF個頻帶的每個使用波束成形，發射機可以被提供(1)這些NF個頻帶的NF個奇異向量以及(2)指示NF個選定本徵模式的每個的檢測後SNR的信息，或用於每個數據流的編碼和調製方案。對於第二傳輸方案，該方案為NF頻帶的每個使用部分CSI傳輸，發射機可以被提供以(1)每個數據流或每個數據流組的檢測後SNR。
還可以為寬帶MIMO系統使用基於全CSI或部分CSI處理的其他傳輸方案，且這在本發明的範圍內。這些傳輸方案使得寬帶MIMO系統考慮數據傳輸的單個頻帶的信道響應。
在一實施例中，為寬帶MIMO系統的所有頻帶選用一個基於全CSI或部分CSI的傳輸方案，如以上為第一和第二傳輸方案描述的。這可以簡化在發射機和接收機處的處理。在另一實施例中，每個頻帶可以被獨立地處理，且可以為每個頻帶選用不同的基於全CSI或部分CSI的傳輸方案，這受到諸如將用於給定發射天線的所有頻帶的總發射功率維持在峰值發射功率Pmax內的一定限制。
對於寬帶MIMO系統，均衡器可以在接收機處被使用，被用於均衡信道響應內的頻率選擇性衰落。在該情況下，窄帶MIMO系統可用的傳輸方案可以用於寬帶MIMO系統。
一般，期望簡化發射機和接收機處的處理。這可以通過使用數據傳輸的儘可能少的編碼和調製方案而獲得(例如一個編碼和調製方案)。一種實現方法是將發射功率不均勻地使用選擇性信道求逆進行分配，以對傳輸信道獲得類似的檢測後SNR。獨立數據流然後可以經處理(例如基於公共編碼和調製方案)並在這些傳輸信道的每個上被發送。或者，一個數據流可以被處理(例如基於公共編碼和調製方案)並經多路分解並在這些多個傳輸信道上被發送。例如，選擇性信道求逆可以連同上述的第一傳輸方案經應用，且一個數據流可以經處理並在NF個頻帶的NF個選定本徵模式上被發送。
信道狀態信息的量化使用依賴於減少量的CSI(例如處理後SNR和奇異向量)而不是全CSI(例如信道響應矩陣)的傳輸方案可以大大減少從接收機報告到發射機的信道信息量。依賴全CSI的傳輸方案需要NR·NF個複數信道增益加上噪聲方差或等價信息以報告給發射機。相比之下，部分CSI傳輸方案只需要NS個SNR值，其中NS≤min{NT，NR}。每個SNR值可以被映射到或由MIMO系統支持的特定「速率」表示。該速率指示在對應發射天線上用於數據流的特定數據速率和編碼和調製方案。
波束成形傳輸方案只需要選定本徵模式的SNR值(或一個速率值)以及用於在選定本徵模式上波束形成數據傳輸的奇異向量v。奇異向量由NT個複數信道增益組成，每個發射天線一個。如果用於量化每個複數信道增益的每個實部或虛部需要的比特數表示為Q，則對奇異向量編碼需要的總比特數為2NTQ。
列出為帶有NT個發射天線和M種可能速率的MIMO系統的部分CSI和波束成形傳輸方案的不同CSI類型表示需要的比特數。在表格1中，符號
表示括弧內量的下一最高整數值。
表格1
一般，其中為奇異向量量化複數信道增益為儘可能少的比特以減少要報告回發射機的信息量。然而，量化不應顯著惡化性能。
表格2示出量化比特的不同數目的SNR(dB為單位)的惡化，Q用於表示奇異向量的複數信道增益的每維。表格2內示出的惡化是基於在波束成形模式操作的4×4 MIMO系統獲得的。由於量化的SNR內的惡化只是量化比特數目的函數，而不是工作SNR的函數。該惡化示出是與從2到5的Q範圍的不同值相關的。
表格2
如表格2內示出的，可以使用四比特/維數(即Q＝4)或八個比特/複數信道增益以對奇異向量編碼。五個比特/維數(即Q＝5)或十個比特/複數信道增益值提供更佳的性能。充分表示每個複數信道增益需要的比特數是MIMO系統的維數的函數。例如3×3或2×2 MIMO系統每複數信道增益(實或虛)維數需要少於四個或五個比特。
系統圖3是發射機系統310和接收機系統350的實施例框圖，它們能實現在此描述的各個方面和實施例。
在發射機系統310處，話務數據從數據源312被提供給發射(TX)數據處理器314，該處理器基於一個或多個編碼方案對話務數據格式化、編碼並交織以提供編碼後數據。編碼後話務數據然後可以與導頻數據使用例如時分多路復用(TDM)或碼分多路復用(CDM)方式在所有傳輸信道或其子集內經多路復用以用於數據傳輸。導頻數據一般是以已知方式處理的已知數據模式。經多路復用的導頻和編碼後話務數據然後基於一個或多個調製方案(例如BPSK、QSPK、M-PSK或M-QAM)經調製(即碼元映射)以提供調製碼元。每個傳輸信道或每個傳輸信道組的數據速率、編碼、交織和調製可以由控制器330提供的各種控制確定。
TX MIMO處理器320還可以進一步根據對應發射機系統310的當前操作模式的處理方案處理調製碼元。每個傳輸方案可以與相應的操作模式相關聯，且每個操作模式可以對應調製碼元的特定處理方案。對於部分CSI傳輸方案，TXMIMO處理器320簡單地將每個數據流的調製碼元流發送到相應的發射機(TMTR)322。對于波束成形傳輸方案，TX MIMO處理器320基於與該本徵模式相關聯的奇異向量v而預處理該選定本徵模式的調製碼元的單個流。預調整可以通過將每個調製碼元乘以奇異向量的NT項的每個而實現，以提供NT個標量化的碼元。NT個標量化碼元流因此提供給奇異向量的NT項。用奇異向量預調整有效地實現了數據流的波束成形。在兩種情況下，NT個標量化或未經標量化的調製碼元流提供給發射機322a到322t。
每個發射機322接收並處理相應的碼元流。對於OFDM系統，每個發射機轉換碼元(例如使用反快速傅立葉變換(IFFT)以形成OFDM碼元，且進一步將循環前綴附加到每個OFDM碼元以形成對應的傳輸碼元。每個發射機將碼元流轉換成一個或多個模擬信道，並進一步將模擬信號調整(例如放大、濾波以及正交調製)以生成合適於在MIMO信道上發送的已調信號。來自發射機322a到322t的NT個已調信號然後相應地從NT個天線324a到324t被發送。
在接收機系統350處，發送的已調信號由NR個天線352a到352r接收，且從每個天線352接收到的信號被提供給相應的接收機(RCVR)354。每個接收機354調整(例如濾波、放大並下變頻)接收到的信號並數位化經調整的信號以提供相應的採樣流。每個採樣流可以進一步經處理(例如用恢復後的導頻解調)以獲得對應的接收到碼元流(被標為y)。
RX MIMO處理器360然後基於多個空間接收機處理技術的一種接收並處理NR個接收到的碼元流以提供NT個恢復的碼元流(被標為r)。例如，RX MIMO處理器360可以實現CCMI、CCMI-SC、MMSE、MMSE-SC或一些其他接收機處理技術。這些各種接收機處理技術在前述的美國專利申請序列號09/993087內描述。
接收(RX)數據處理362然後對恢復碼元解調、解交織並解碼。RX MIMO處理器360和RX數據處理器362的處理與在發射機系統310處的TX MIMO處理器320和TX數據處理器314實現的互補。
RX MIMO處理器360還可以為傳輸信道導出SNR估計、帶有最高本徵值(最佳SNR)的奇異向量的信道增益等，並將該信息提供給控制器370。RX數據處理器362還提供每個接收到幀或分組的狀態、指示解碼後結果的一個或多個其他性能度量以及可能的其他信息。控制器370收集有關的CSI，這可以包括從RXMIMO處理器360和RX數據處理器362接收到的一些或所有信息。該CSI然後由TX數據處理器378處理，由調製器380調製、由發射機354a到354r調整，並發送回發射機系統310。
在發射機系統310處，來自接收機系統350的已調信號由天線324接收、接收機322調整、解調器340解調並由RX數據處理器342處理以恢復接收機系統報告的相關CSI。報告的CSI然後被提供給控制器330並用於選擇傳輸方案並為TX數據處理器314和TX MIMO處理器320生成各種控制。
控制器330和370引導相應地在發射機和接收機系統處的操作。存儲器332和372提供控制器330和370使用的程序代碼和數據的相應存儲。
為了實現上述的多模式傳輸技術，控制器330從接收機350接收相關CSI，這包括處理後SNR、奇異向量、和/或一些其他描述MIMO信道操作條件或特性的信息。控制器330然後(1)選擇用於發送數據的特定傳輸方案，以及(2)確定用於每個選定傳輸信道的速率。用於每個選定傳輸信道的速率(即數據速率和編碼和調製方案)部分基於分配給數據流的發射功率量而經確定。功率分配和速率確定還可以由一些除了發射機系統之外的網絡實體實現。
在此描述的多模式傳輸技術可以由各種方式實現。例如，這些技術可以在硬體、軟體或其組合實現。對於硬體實現，用於控制數據流的發射功率的元件可以在以下元件內實現一個或多個應用專用集成電路(ASIC)、數位訊號處理器(DSP)、數位訊號處理設備(DSPD)、可編程邏輯設備(PLD)、現場可編程門陣列(FPGA)、處理器、控制器、微控制器、微處理器、設計以實現在此描述的功能的其他電子單元或其組合。
對於軟體實現，功率控制可以用實現上述功能的模塊(例如進程、函數等)實現。軟體代碼可以被存儲在存儲器單元內(例如圖3內的存儲器332)並由處理器執行(例如控制器330)。存儲器單元可以在處理器內或處理器外實現，在該情況下，它可以通過領域內各種方式通信耦合到處理器。
標題在此被包括用於參考並用於幫助定位某些部分。這些標題不是用於限制以下描述的概念，且這些概念可以應用到整個說明的其他分部。
上述優選實施例的描述使本領域的技術人員能製造或使用本發明。這些實施例的各種修改對於本領域的技術人員來說是顯而易見的，這裡定義的一般原理可以被應用於其它實施例中而不使用創造能力。因此，本發明並不限於這裡示出的實施例，而要符合與這裡揭示的原理和新穎特徵一致的最寬泛的範圍。
權利要求
1.一種在無線通信系統內在多個傳輸信道上發送數據的方法，其特徵在於包括確定通信系統的操作條件；基於確定的操作條件標識從多個可能的傳輸方案中選擇的特定傳輸方案；基於選定的傳輸方案確定要發送的一個或多個數據流；以及基於選定的傳輸方案處理一個或多個數據流。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述特定傳輸方案是通過評估多個可能傳輸方案的每個而選擇的。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述特定傳輸方案是基於工作信號對噪聲和幹擾比(SNR)經選擇的。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述一個或多個數據流進一步基於信道狀態信息經處理。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於多個傳輸方案包括部分信道狀態信息(CSI)傳輸方案。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於部分CSI傳輸方案的信道狀態信息包括信號對噪聲和幹擾比(SNR)。
7.如權利要求4所述的方法，其特徵在於多個傳輸方案包括波束形成傳輸方案。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於單個傳輸信道為波束形成傳輸方案選用，且其中波束成形用於在單個選定傳輸信道上的數據傳輸。
9.如權利要求7所述的方法，其特徵在於所述波束成形傳輸方案的信道狀態信息包括信號對噪聲和幹擾比(SNR)以及單個選定傳輸信道的奇異向量。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於奇異向量的每個元素被量化為每維五個比特或更少。
11.如權利要求4所述的方法，其特徵在於多個傳輸方案包括波束成形傳輸方案。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在于波束成形傳輸方案的信道狀態信息包括信號對噪聲和幹擾比(SNR)以及用於多個用於數據傳輸的發射天線的相位值向量。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於所述相位值向量基於主本徵模式的奇異向量。
14.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述操作條件由信號對噪聲和幹擾比(SNR)量化，其中如果通信系統的工作SNR在閥值SNR以上，則選用部分CSI傳輸方案，如果工作SNR在閥值SNR以下，則選用波束成形傳輸方案。
15.如權利要求1所述的方法，其特徵在於還包括基於數據流的可獲得的信號對噪聲和幹擾比(SNR)為每個數據流選擇一速率。
16.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述無線通信系統是多輸入多輸出(MIMO)通信系統，且多個傳輸信道對應MIMO通信系統的多個空間子信道。
17.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述無線通信系統是寬帶多輸入多輸出(MIMO)通信系統，且多個傳輸信道對應多個頻帶的多個空間子信道。
18.如權利要求17所述的方法，其特徵在於為所有頻帶選擇一個傳輸方案，且其中一個或多個數據流在每個頻帶上被發送，且基於選定的傳輸方案被處理。
19.如權利要求17所述的方法，其特徵在於為每個頻帶選用一個傳輸方案，且其中一個或多個數據流在每個頻帶上被發送，且基於為該頻帶選擇的傳輸方案被處理。
20.如權利要求17所述的方法，其特徵在於為多個頻帶的每個選用波束成形傳輸方案。
21.如權利要求20所述的方法，其特徵在於分配總發射功率使得為在多個頻帶上發送的所有數據流使用公共的編碼和調製方案。
22.如權利要求17所述的方法，其特徵在於為多個頻帶的每個選用部分CSI傳輸方案。
23.如權利要求22所述的方法，其特徵在於分配總發射功率使得對在每個頻帶上發送的所有數據流使用公共編碼和調製方案。
24.如權利要求22所述的方法，其特徵在於分配總發射功率，使得為在每個空間子信道上發送的所有數據流使用公共編碼和調製方案。
25.如權利要求1所述的方法，其特徵在於無線通信系統是正交頻分多路復用(OFDM)通信系統，且多個傳輸信道對應多個頻率子信道。
26.在多輸入多輸出(MIMO)通信系統內的多個空間子信道上發送數據的方法，其特徵在於包括確定MIMO系統的工作信號對噪聲和幹擾比(SNR)；基於工作SNR標識從多個可能傳輸方案中選擇的特定傳輸方案，其中多個傳輸方案的每個用於相應的工作SNR範圍；基於選擇的傳輸方案確定要發送的一個或多個數據流；以及基於選定的傳輸方案處理一個或多個數據流。
27.如權利要求26所述的方法，其特徵在於多個傳輸方案包括部分CSI傳輸方案和波束成形傳輸方案，且其中如果工作SNR在閥值SNR以上，則選用部分CSI傳輸方案，如果工作SNR在閥值SNR以下，則選用波束成形傳輸方案。
28.一方法用於在多輸入多輸出(MIMO)通信系統內發送數據，其特徵在於包括基於多個傳輸信道達到的性能標識多個傳輸信道的特定一個；確定對應選定傳輸信道的相位值向量，對於多個用於數據傳輸的發射天線的每一個一個相位值；基於特定的編碼和調製方案處理數據；以及以特定發射功率從多個發射天線的每個發送處理後數據，且其相位是由與發射天線相關聯的相位值確定的。
29.如權利要求28所述的方法，其特徵在於為每個發射天線使用全發射功率。
30.一耦合到數位訊號處理設備(DSPD)的存儲器，所述設備能解釋數字信息以執行確定通信系統的操作條件；基於確定的操作條件標識從多個可能的傳輸方案中選擇的特定傳輸方案；基於選定的傳輸方案確定要發送的一個或多個數據流；以及基於選定的傳輸方案處理一個或多個數據流。
31.一電腦程式產品用於方便在無線通信系統內多個傳輸信道上的數據傳輸，其特徵在於包括確定通信系統的操作條件的代碼；基於確定的操作條件標識從多個可能的傳輸方案中選擇的特定傳輸方案的代碼；基於選定的傳輸方案確定要發送的一個或多個數據流的代碼；以及基於選定的傳輸方案處理一個或多個數據流的代碼；以及用於存儲這些代碼的計算機可用媒質。
32.無線通信系統內的裝置，其特徵在於包括確定通信系統的操作條件的裝置；基於確定的操作條件標識從多個可能的傳輸方案中選擇的特定傳輸方案的裝置；基於選定的傳輸方案確定要發送的一個或多個數據流的裝置；以及基於選定的傳輸方案處理一個或多個數據流的裝置。
33.如權利要求32所述的裝置，其特徵在於所述無線通信系統是多輸入多輸出(MIMO)通信系統，且多個傳輸信道對應MIMO通信系統的多個空間子信道。
34.如權利要求32所述的裝置，其特徵在於所述特定傳輸方案基於通信系統的操作信號對噪聲和幹擾比(SNR)選擇，且其中多個傳輸方案的每個用於相應的工作SNR範圍。
35.如權利要求34所述的裝置，其特徵在於所述多個傳輸方案包括部分CSI傳輸方案和波束成形傳輸方案，且其中如果通信系統的工作SNR在閥值SNR以上，則選用部分CSI傳輸方案，如果工作SNR在閥值SNR以下，則選用波束成形傳輸方案。
36.如權利要求32所述的裝置，其特徵在於還包括基於數據流可獲得的信號對噪聲和幹擾比(SNR)為每個數據流選擇一速率。
37.多輸入多輸出(MIMO)通信系統內的裝置，其特徵在於包括確定MIMO系統的操作信號對噪聲和幹擾比(SNR)的裝置；基於工作SNR從多個可能的傳輸方案中標識選擇的特定傳輸方案的裝置，其中多個傳輸方案的每個用於相應的工作SNR範圍；基於選定的傳輸方案確定要發送的一個或多個數據流的裝置；以及基於選定的傳輸方案處理一個或多個數據流的裝置。
38.無線通信系統內的控制器，其特徵在於包括接收通信系統操作條件的裝置；基於確定的操作條件標識從多個可能的傳輸方案中標識選擇的特定傳輸方案的裝置；基於選定的傳輸方案確定要發送的一個或多個數據流的裝置；以及基於選定的傳輸方案引導處理一個或多個數據流的裝置。
39.如權利要求38所述的控制器，其特徵在於還包括基於數據流可達到的信號對噪聲和幹擾比(SNR)為每個數據流選擇速率的裝置。
40.一基站包括權利要求38所述的控制器。
41.無線通信系統內的發射機單元，其特徵在於包括控制器，用於引導在多個傳輸信道上的數據傳輸，所述引導是通過接收通信系統的操作條件的指示；基於確定的操作條件標識從多個可能的傳輸方案中選擇的特定傳輸方案；基於選定的傳輸方案確定要發送的一個或多個數據流；部分基於分配給數據流的發射功率量為每個數據流選擇一速率；以及基於選定的傳輸方案引導一個或多個數據流的處理；發射(TX)數據處理器，用於基於選定的速率處理每個數據流以提供相應的碼元流；以及一個或多個發射機，用於處理一個或多個碼元流以提供適於在通信信道上傳輸的一個或多個已調信號。
42.如權利要求41所述的發射機單元，其特徵在於多個傳輸方案包括部分CSI傳輸方案以及波束成形傳輸方案。
43.如權利要求42所述的發射機單元，其特徵在於所述控制器用於如果通信系統的操作信號對噪聲和幹擾比(SNR)高於閥值SNR則選擇部分CSI傳輸方案，如果工作SNR低於閥值SNR，則選擇波束成形傳輸方案。
44.如權利要求42所述的發射機單元，其特徵在於所述控制器還用於為部分CSI傳輸方案利用每個數據流的峰值發射功率，並對于波束成形傳輸方案將所有發射功率分配給單個數據流。
45.如權利要求42所述的發射機單元，其特徵在於還包括TX MIMO處理器，用於基于波束成形傳輸方案的奇異向量對單個數據流的碼元流預調整。
46.一基站包括如權利要求41所述的發射機單元。
47.無線通信系統內的接收機單元，其特徵在於包括接收(RX)MIMO處理器，用於根據特定接收機處理方案接收並處理多個接收到碼元流以提供至少一個恢復後碼元流，並為每個恢復的碼元流導出信道狀態信息(CSI)。RX數據處理器，用於根據至少一個解調和解碼方案處理至少一個恢復後的碼元以提供解碼後數據；以及TX數據處理器，用於處理CSI以發送回發射機單元；以及其中基於CSI從多個可能傳輸方案中選擇一特定傳輸方案，其中基於選定的傳輸方案將一個或多個數據流發送到接收機單元，且其中總可用發射功率基於選定的傳輸方案被分配給一個或多個數據流。
48.如權利要求47所述的接收機單元，其特徵在於多個傳輸方案包括部分CSI傳輸方案和波束成形傳輸方案，其中如果工作信號對噪聲和幹擾比(SNR)在閥值SNR以上，則選擇部分CSI傳輸方案，如果工作SNR在閥值SNR以下，則選擇波束成形傳輸方案。
49.如權利要求48所述的接收機單元，其特徵在於對于波束成形傳輸方案，RX MIMO處理器還用於用奇異向量預調整多個接收到的碼元流以提供單個恢復的碼元流。
50.如權利要求48所述的接收機單元，其特徵在於對於部分CSI傳輸方案，RX MIMO處理器還用於基於帶有連續抵消的最小均方誤差接收機處理技術處理多個接收到的碼元流以提供多個恢復的碼元流。
51.無線通信系統內的接收機裝置，其特徵在於包括根據特定接收機處理方案處理多個接收到的碼元流的裝置，以提供至少一個恢復的碼元流，並為每個恢復的碼元流導出信道狀態信息(CSI)；根據至少一個解調和解碼方案處理至少一個恢復的碼元流以提供解碼後數據的裝置；以及處理CSI以發送回發射機裝置的裝置；以及其中基於CSI從多個可能的傳輸方案中選擇特定傳輸方案，其中，基於選定的傳輸方案一個或多個傳輸數據流被發送到接收機裝置，且其中基於選定的傳輸方案將總可用發射功率分配給一個或多個數據流。
全文摘要
在使用需要更少信道狀態信息(CSI)的多個傳輸方案的多信道通信系統內的多個傳輸信道上發送數據的技術。這些方案包括部分CSI傳輸方案，它在每個選用的發射天線上發送單個數據流，「波束成形」傳輸方案，它將所有發射功率分配給帶有最佳性能的單個傳輸信道。每個傳輸方案還為特定操作條件(即工作SNR)範圍提供較好或接近最優的性能。這些多個傳輸方案可以以每部分方式經組合以形成覆蓋MIMO系統支持的操作條件全範圍內的「多模式」傳輸方案。用於任何時刻的數據傳輸的特定傳輸方案取決於系統在該時刻經歷的操作條件。
文檔編號H04B7/06GK1653721SQ03809167
公開日2005年8月10日 申請日期2003年2月19日 優先權日2002年2月26日
發明者I·梅德弗德夫, J·R·沃爾頓, M·華萊士 申請人:高通股份有限公司