在無線通信系統中使用多個天線收發分組數據的設備和方法
2023-06-04 10:40:11
專利名稱：在無線通信系統中使用多個天線收發分組數據的設備和方法
技術領域：
本發明通常涉及在無線通信系統中收發分組數據的設備和方法，尤其涉及在使用多個天線的無線通信系統中收發分組數據的設備和方法。
背景技術：
一般說來，移動通信系統是最典型的無線通信系統。已經開發了基於語音通信的移動通信系統。然而，隨著用戶對於通信技術的需求的日益增加和通信技術的快速發展，移動通信系統現在正逐步演進為能夠傳輸高速、高質量多媒體數據的高級系統。移動通信系統大致劃分為同步系統和異步系統。對於異步系統，在第三代合作夥伴項目(3GPP)中正在實施有關高速下行鏈路分組接入(HSDPA)的許多研究和標準化工作。此外，對於同步系統，在第三代合作夥伴項目2(3GPP2)中正實施有關1x演進-數據語音(EV-DV)的許多研究和標準化工作。這些研究和標準化工作是在第三代(3G)移動通信系統中尋求高速(2Mbps或者更高)、高質量無線電分組數據傳輸服務的解決方案的代表性嘗試。
與在3G移動通信系統中提供的多媒體服務相比，第4代(4G)移動通信系統的目的在於提供更高速度、更高質量的多媒體服務。作為在無線通信系統中提供高速、高質量數據服務的技術，多天線技術現在正在認真的討論中。現在將對多天線技術進行描述。
用於無線通信系統中的發射機和接收機的多天線技術採用多輸入多輸出(MIMO)技術。眾所周知，多天線技術使用多個天線傳輸數據，由此與發射/接收天線的數目成線性比例地增加數據速率，而沒有頻率帶寬的額外增加。下面將更詳細地描述多天線技術。多天線系統具有兩個或更多發射天線以及兩個或更多接收天線。接收天線的數目必須大於或等於發送數據流的數目。在這個系統中，發送端可以通過天線並行地發送數據。然後，接收端可以使用多個天線接收所發送的數據。因此，系統可以增加數據速率而沒有帶寬的額外增加。
根據同時發送的數據流的數目，應用於該系統的多發射/接收天線技術可被劃分為空間分集技術和空間域多路復用技術。
在該空間分集技術中，發射機僅僅發送一個流。已開發出空間分集技術來抑制由於在移動通信信道中出現的衰落而導致鏈路性能的惡化。因此，因為空間分集技術僅僅傳輸一個流，所以該技術適於諸如語音呼叫、視頻呼叫、和廣播業務之類的、傳輸數據的容許延遲時間受限的服務。相反，空間域多路復用技術發送多個流。已開發出空間域多路復用技術來在保證鏈路性能不變的同時增加數據速率。因此，與空間分集技術相比，空間域多路復用技術適於具有較長容許延遲時間的分組數據服務。
根據是否從接收機反饋信道狀態信息(CSI)，多發射/接收天線系統可以分為開環系統和閉環系統。當發射機不接收從接收機反饋的CSI時，使用開環多天線系統，而當發射機接收從接收機反饋的CSI時，使用閉環多天線系統。
處於標準化或者商業化下的、諸如HSDPA和1xEV-DV之類的當前3G無線分組數據通信系統使用諸如自適應調製和編碼(AMC)技術和調度資源管理技術之類的連結自適應技術來提高傳輸效率。連結自適應技術接收從接收機反饋的部分信道狀態信息，並且根據所接收的部分信道狀態信息而應用被確定為最有效的恰當調製和編碼方案(MCS)。因此，在無線分組數據傳輸系統中，歸類為閉環空間域多路復用技術的多天線技術是最有效的。
然而，空間域多路復用技術並不總是適用於多天線系統。當在具有非常高空間相關性或者非常低信噪比(SNR)的信道上發送多個流時，出錯率增加了，這使得無法穩定通信。因此，發射機需要自適應的多天線技術，以便基於從接收機報告的信道狀態選擇有效的技術。
眾所周知，在一個多天線發射機和一個多天線接收機之間的通信中，通過空間域多路復用技術服務可用的數據容量與發射/接收天線的數目成線性比例地增加。然而，最新的研究已經證明，當如同正向鏈路那樣、在一個發射機和多個接收機之間執行通信時，傳統的空間域多路復用技術不能獲得數據容量的線性增加，而空間域多路存取技術可以克服該困難。多路存取技術同時發送數據到多個接收機。多路存取技術包括劃分時間資源以確保用於多個用戶的信道的時域多路存取(TDMA)、劃分頻率資源的頻域多路存取(FDMA)、和劃分代碼資源的碼域多路存取(CDMA)。然而，空間域多路存取技術劃分空間資源、共享時間、頻率、和代碼資源，由此確保多個用戶信道。
然而，空間域多路存取技術並不總是適用於多天線系統。類似於空間域多路復用技術，取決於信道狀態，該空間域多路存取技術適用或者不適用於多天線系統。例如，如果在用於兩個用戶的信道之間的相關性高，則這兩個用戶不能空間分離。在這種情況下，空間域多路存取技術的使用增加了出錯率，使得不可能執行穩定的通信。因此，為了提高通過多天線系統的數據傳輸性能，需要用於根據信道狀態自適應地選擇空間分集技術、空間域多路復用技術、和空間域多路存取技術之一的技術。
如上所述，多天線技術大致分為空間分集技術和空間域多路復用技術。空間分集技術包括為發射機使用多個天線的發送分集技術，和為接收機使用多個天線的接收分集技術。接收分集技術可以增加接收SNR的平均值，並且減少接收SNR的離差。因此，當接收分集技術應用於分組數據通信時，有助於數據速率的增加。然而，其中發射機不考慮CSI的發送分集技術向天線均勻地分配總發射功率，這使得難以預期對接收SNR的平均值的改進。發送分集技術僅僅減少了接收SNR的離差。在使用了調度器的分組數據通信中，發射機每隔預定時間選擇幾個接收機當中具有最高傳輸效率的接收機，並且將數據發送到所選中的接收機。因此，對於相同的接收SNR的平均值，增加離差的技術可以提高數據傳輸效率。因此，就數據傳輸效率而言，其中未考慮CSI的發送分集技術反而不如單天線技術。然而，其中考慮了CSI的空間分集技術可以提高接收SNR的平均值，這有助於數據傳輸效率的增加。
其中未考慮CSI的典型的發送分集技術是時空編碼(STC)，而其中考慮了CSI的發送分集技術包括選擇性發送分集(STD)和發送自適應陣列(TxAA)。在STD中，接收機向發射機通知多個發射天線中具有最好信道狀態的天線，然後發射機通過該天線發送信號。在TxAA中，接收機將估算信道的複合響應傳輸到發射機，然後發射機執行波束形成，以便基站最大化SNR。在其中考慮了CSI的發送分集技術中，由發射機考慮的CSI對於STD是指示具有最好信道狀態的天線的信息，而對於TxAA是指示信道的複合響應的信息。
同樣，空間域多路復用技術分為其中未考慮CSI的技術和另一個其中考慮了CSI的技術。與CSI無關的技術不得不在所有發射天線上傳輸相同量的數據。因此，在這種情況下，接收機需要最小化出錯率的方法。相反，CSI相關的技術可以通過每個發射天線傳輸不同量的數據。CSI相關的技術包括每個天線速率控制(PARC)技術。PARC發射機接收從接收機反饋的、用於每個天線的CSI。基於該反饋CSI，PARC發射機選擇用於讓具有較好信道狀態的天線傳輸較大量數據的MCS，以及選擇用於讓具有較差信道狀態的天線傳輸具有較少量數據的MCS。現在將更詳細地描述PARC發射機。
圖1是說明PARC發射機的示範內部結構的框圖。參見圖1，現在將對PARC發射機的內部結構和操作進行詳細說明。
雖然作為示例在圖1中提供了兩個發射天線，但是發射天線的數目是可擴充的。然而，接收機應該滿足以下先決條件，即接收天線的數目不應該小於發射天線的數目以便區分從不同的發射天線傳輸過來的不同流。將不參考圖1給出對由接收機測量每個發射天線的信道質量信息(CQI)並且接收所測量的CQI的方法的描述。換句話說，假定圖1中的發射機從接收機接收用於每個天線的CQI。
如圖1所示，將用於每個天線的CQI輸入到反饋信號接收機101中。反饋信號接收機101將用於每個天線的CQI遞送到解多路復用器(DEMUX)102和AMC塊103。解多路復用器102接收要傳輸的用戶數據流，並且根據從反饋信號接收機101接收的信息而將傳輸用戶數據流解多路復用為兩個子流，以便通過相應的天線傳輸這些子流。解多路復用處理這樣執行解多路復用，以便將較大量的信息提供給具有較好信道狀態的天線。這裡，從解多路復用器102輸出的流將被稱為子流。將為各個天線分離的子流分別輸入到獨立的AMC塊103和104中。AMC塊103和104根據從反饋信號接收機101接收的信息，執行適於對應發射天線的信道狀態的調製和編碼。將經過調製和編碼處理之後的子流通過發射天線105和106傳輸到接收機。
理論上，為了最大化數據傳輸效率，空間域多路復用技術適用利用發射機和接收機二者均知道的信道狀態執行奇異值分解(SVD)的方法，來從多天線信道中形成多個無幹擾的子信道，並且為每個子信道選擇恰當的調製方案、編碼方案、和分配功率。這種方法稱為「SVD MIMO」。然而，在實際的移動通信環境中，因為發射機不能準確地估算傳輸信道，所以在實現SVDMIMO方面存在限制。因此，已經提出了每個流速率控制(PSRC)技術作為限制性地使用SVD MIMO的技術。
在用於限制性地實現SVD MIMO的PSRC技術中，接收機估算多天線信道，並且根據該估算結果確定要在發射機中使用的預處理矩陣。如果在反饋信息量方面沒有限制、而且在反饋處理中沒有出現誤差，則該預處理矩陣將是通過對以矩陣形式表示的多天線信道執行SVD而獲得的單位矩陣。然而，事實上這是不能實現的，因為反饋信息是量化信息。因此，PSRC技術使用這樣的方法，其中接收機從預定數目的候選預處理矩陣中選擇最優選的預處理矩陣，然後向發射機通知所選擇的預處理矩陣。
在這種方法中，發射機將傳輸信號與所選擇的預處理矩陣相乘並且發送所生成的數據，並且在這個處理中形成多個波束。因此，在PSRC系統中，接收機向發射機通知適於其信道的多波束形成方法，以便發射機形成適於對應用戶的多個波束。基於該信息，發射機在一對一的基礎上向所形成的波束分配數據流，以便同時發送多個數據流，由此實現空間域多路復用技術。因為發射機在傳輸之前將數據流分配給所形成的波束，所以接收機另外將每個波束的信道狀態信息傳輸到發射機，以便發射機可以自適應地管理通過每個波束傳輸的數據的信息量。也就是說，發射機這樣選擇MCS以便可以通過具有較好信道狀態的波束傳輸較多的信息量，並且這樣選擇MCS以便可以通過具有較差信道狀態的波束傳輸較少的信息量。現在將對PSRC發射機進行描述。
圖2是說明PSRC發射機的示範內部結構的框圖。參見圖2，現在將對PSRC發射機的內部結構和操作進行詳細說明。
雖然作為示例在圖2中提供了兩個發射天線，但是發射天線的數目是可擴充的。然而，接收機應該滿足這樣的先決條件，即接收天線的數目不應該小於發射天線的數目，以便區分從不同的發射天線傳輸的不同流。將不參考圖2給出對由接收機測量每個發射天線的CQI並且接收所測量的CQI的方法的描述。換句話說，假定圖2中的發射機從接收機接收用於每個天線的CQI。
發射機中的反饋信號接收機201接收用於每個波束的波束形成權重和CQI信息，並且將它們提供給解多路復用器202、AMC塊203和204、以及波束形成器205和206。解多路復用器202接收要傳輸的用戶數據流，並且將這些用戶數據流解多路復用為與天線數目一樣多的子流，以便通過這些波束傳輸這些子流。在解多路復用處理中執行波束解多路復用，以便將較大量的信息提供給具有較好信道狀態的天線。將分離的子流分別輸入到獨立的AMC塊203和204中。每個AMC塊203和204接收從反饋信號接收機201提供的、用於對應波束的AMC信息，並且據此調製和編碼對應的子流。
將經過調製和編碼處理之後的子流分別傳輸到波束形成器205和206，而且波束形成器205和206使用從反饋信號接收機201提供的權重信息形成波束。將從波束形成器205和206輸出的信號輸入到加法器207和208中，將它們添加到輸入信號中，並然後通過發射天線209和210將其傳輸到接收機。
為了確定波束形成方法，每個接收機將波束形成權重反饋到發射機。反饋波束形成權重的表示方法遵循TxAA中的表示方法。假定發射天線#1是參考天線，則TxAA接收機將用於參考天線的信道狀態α1對用於發射天線#2的信道狀態α2的比率反饋到發射機。也就是說，接收機反饋α2/α1。然而，因為應該限制反饋信息量，所以α2/α1的值經受量化。在TxAA模式#1中，用2比特量化α2/α1的相位值，而在TxAA模式#2中，用3比特量化α2/α1的相位值並且用1比特量化其幅值。TxAA發射機基於反饋信息形成一個波束，並且使用該波束來傳輸數據流。
PSRC發射機通過基於該反饋信息形成一個波束並且另外形成與此正交的另一個波束來創建兩個波束，並且利用這兩個波束傳輸解多路復用後的分離的子流。因為PSRC系統用這樣的方式基於量化反饋信息形成波束，所以它不能如同SVD MIMO那樣，生成無幹擾的子信道。此外，因為每個用戶需要適於它自己的信道狀態的波束形成方法，所以在將PSRC技術擴展到空間域多路存取技術方面存在困難。
與CSI無關的空間分集技術如同STC那樣、有助於減少接收SNR的離差。用於減少接收SNR的離差的技術對於諸如語音呼叫、視頻呼叫、和廣播業務之類的、限制性地取決於CSI並且需要實時傳輸的服務是有效的。然而，因為分組數據通信允許時間延遲，所以它使用調度技術，並且基於CSI選擇AMC方法。因此，用於減少接收SNR的離差的技術不適於無線分組數據通信。因為相同的理由，與CSI無關的空間域多路復用技術同樣不適用於無線分組數據通信。
已經開發了與CSI相關的多天線技術來單獨實現空間分集技術或者空間域多路復用技術。因此，為了有效地管理多天線技術，應該這樣實現發射機，以便發射機選擇各個與CSI相關的技術中的適當的一個。在這種情況下，發射機必須在傳輸數據的過程中向接收機傳輸指示使用中的多天線技術類型的附加信息。發射機在傳輸附加信息的過程中消耗了一部分可用資源，降低了傳輸效率。此外，多天線技術並未提供一種為根據信道狀態自適應地選擇空間分集技術、空間域多路復用技術和空間域多路存取技術之一而實現的方法。因此，存在對這樣的方法的需要。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種在使用多個天線的無線通信系統中有效地傳輸分組數據的設備和方法。
本發明的另一個目的是提供一種在使用多個天線的無線通信系統中選擇適於信道狀態的傳輸技術的設備和方法。
本發明的另一個目的是提供一種在使用多個天線的無線通信系統中傳輸有關使用中的自適應傳輸技術的信息而沒有浪費傳輸帶寬的設備和方法。
本發明的又一個目的是提供一種用於在使用多個天線的無線通信系統中在內部應用空間分集技術、空間域多路復用技術、和空間域多路存取技術的設備和方法。
為了實現上述及其他目的，提供了一種用於在無線通信系統中發送分組數據的設備，其接收在多個發射天線和多個接收天線之間的信道狀態信息作為反饋信息。該設備包含反饋信號接收機，用於接收從每個接收機反饋的反饋信息；用戶分類器，用於使用從該反饋信號接收機輸出的優選基底變換信息將具有發送數據流的用戶分類成多組；調度和解多路復用塊，用於接收用戶分類器的輸出和來自反饋信號接收機的反饋信息，根據所接收的信息選擇具有發送優先級的至少一組和在對應組中要發送的用戶數據，並且輸出所選擇的子流、用於選定子流的自適應調製和編碼(AMC)信息、以及功率分配信息；AMC塊，用於根據該AMC信息而調製和編碼從調度和解多路復用塊輸出的子流；功率分配器，用於根據該功率分配信息向AMC處理後的子流分配發射功率；以及發射機，用於通過每個發射天線發送分配了功率的子流。
為了實現上述及其他目的，提供了一種用於在無線通信系統中發送分組數據的方法，其接收在多個發射天線和多個接收天線之間的信道狀態信息作為反饋信息。該方法包含步驟從所有終端接收基底變換矩陣和與其對應的信道質量信息(CQI)，並且基於該反饋信息對優選相同基底的用戶按組進行分類；考慮所分類的組的優先級和用戶的優先級，選擇至少一個期望發送分組數據的用戶；將所選中的用戶數據分類為子流，並且對每個子流執行自適應調製和編碼(AMC)；向AMC處理後的子流分配功率；並且在發送之前對每個分配了功率的子流執行基底變換。
根據以下結合附圖給出的詳細說明，本發明的上述及其他目的、特徵、和優點將變得更為明顯，其中圖1是說明PARC發射機的示範內部結構的框圖；圖2是說明PSRC發射機的示範內部結構的框圖；圖3是根據本發明的用於導頻信號的傳輸和信道估算的發射機和接收機的主要框圖；圖4是說明根據本發明的實施例的其中接收機估算正向信道並報告結果的處理的流程圖；圖5是說明根據本發明的實施例的用於多天線系統的發射機的內部結構的框圖；圖6是說明根據本發明的實施例的在多天線系統中從發射機向接收機傳輸數據的處理的流程圖；以及圖7是說明根據本發明的實施例的用於多天線系統的發射機的結構的框圖。
具體實施例方式
現在將參考附圖詳細描述本發明的幾個優選實施例。在附圖中，儘管在不同的附圖中描述了相同或者相似的單元，但是它們用相同的附圖標記表示。在以下的描述中，為了簡明起見，已經省略了對此處併入的已知功能和配置的詳細說明。
在給出在本發明中提出的系統配置的描述之前，現在將在下面描述在本發明中提出的系統模型。如下所述，在本發明中提出的系統模型必須滿足下列7個條件。
(1)用於接收從發射機傳輸過來的數據的接收機數目為K。此處，K是大於0的整數，並且通常具有2或更大的值。
2)用於發射機的天線數目是MT，並且用於接收機的天線數目是MR。對於頻率選擇性衰落信道，多發射/接收天線系統的信道可以用MR×MT復矩陣H表示。在矩陣H的第i行和第j列中的元素hij表示在第j個發射天線和第i個接收天線之間的信道狀態。用於接收機的天線數目對於每個用戶可以不同。在本發明中提出的系統不限制接收天線的數目。然而，該系統需要滿足接收天線的數目不應該小於發射天線的數目的先決條件。
(3)發射機可以用於傳輸數據流的總發射功率為PT。
(4)將基底變換矩陣E(G)確定為具有G個元素的基底變換矩陣集S＝{E(G)，E(G)，...，E(G)}的元素中的一個元素。此處，E(G)是要應用於發射機中的Ng個基底變換器的基底變換權重，並且表示MT×Ng復矩陣。發射機具有Ng個基底變換器，並且為每個基底傳輸不同的數據流。因此，可由發射機傳輸的獨立數據流的數目n的最大值是Ng。在調度處理中確定將使用基底變換矩陣集的元素中的哪個矩陣作為基底變換矩陣。如果調度器確定E(g)作為基底變換矩陣，則第i個基底變換權重變為E(g)=[e1(g),e2(g),,eNg(g)]]]>中的第i個列向量ei(g)。然而，E(g)中的不同列向量彼此正交。
(5)此處使用的術語「基底(basis)」和「基底變換(basis transform)」定義如下。最初，「基底」是指可以表示矢量空間中的全部元素的基本矢量。也就是說，基底是指基本矢量的線性集合，並且表示在矢量空間中的全部元素。該基底表示通過其傳輸不同子流的路徑，而且創建該基底的處理被稱為「基底變換」。本發明執行「基底變換」，以便將每個「天線」表示的現有信道H轉換為每個「基底」的等效信道 也就是說，通過「基底變換」定義作為新域的「基底」，而沒有經過基底變換的域是天線。因此，通過基底變換，通過不同的基底傳輸多個不同的流。此外，生成「基底」的處理被稱為「基底變換」，而且如果沒有單獨的基底變換，則天線變得基本的基底。這對應於E＝1的情況。
如果沒有單獨的基底變換，則如同在PARC中那樣每個天線變為基底，而在PSRC的情況下，基底根據每個用戶的信道狀態而自適應地形成波束。通過奇異值分解(SVD)提出的技術定義G個基底變換矩陣，並且允許用戶選擇其對應的基底變換矩陣。
通過劃分總功率來設置分配給每個基底的發射功率量，而且不將發射功率分配給不通過其傳輸數據流的基底。也就是說，將功率PT均勻地分配給通過其傳輸數據流的基底，而且不將功率分配給不通過其傳輸數據流的基底。
(6)將不同的調製/解調製方案用於數據流。
(7)接收機向發射機反饋當使用指示優選基底變換矩陣的信息和對應的基底變換矩陣時所生成的用於每個基底的信道質量信息(CQI)。指示基底變換矩陣的信息以 位表示。此處， 表示大於值x的一個最小整數。例如，對於G＝2，接收機必須通知發射機它優選E(1)還是E(2)作為基底變換矩陣。為此，需要1比特反饋信息。如果接收機優選E(g)，則在發射機中實現Ng個基底變換器。接收機必須計算從Ng個基底中的每個獲得的CQI，並且將該CQI傳輸到基站。
現在將使用系統模型對根據本發明的系統進行描述。將以下列次序給出該描述。
將使用發射機和接收機的結構描述接收機中的信道估算和反饋方法，並且將使用流程圖描述在接收機中的信道估算和反饋報告處理。
將描述根據本發明的發射機的結構和操作，而且將使用流程圖描述其中根據本發明的發射機內部應用空間分集技術、空間域多路復用技術、和空間域多路存取技術的方法。
最後，將描述在本發明中所提出的多天線系統的實際示例。在該最終實施例中，通過舉例，將使用詳細值來描述最簡單的多天線系統。
接收機中的信道估算和反饋方法圖3是根據本發明的用於導頻信號的傳輸和信道估算的發射機和接收機的主要框圖。參考圖3，現在將對根據本發明的用於導頻信號傳輸和信道估算的發射機和接收機的主要塊結構和操作進行描述。
在給出該結構和操作的描述之前，應當注意到，發射機通過獨立的天線發送正交導頻信號。導頻信號應該互相正交，並且還應該與傳輸數據信號正交。為了嚮導頻信號給予正交性，在CDMA系統中通常嚮導頻信號分配不同的沃爾什(Walsh)碼。作為選擇，也有可能嚮導頻信號分配不同的頻率或者時間。嚮導頻信號給予正交性的原因是允許接收機根據不同的發射天線估算信道。
參見圖3，該結構包括發射機300和接收機310。現在將描述發射機300的結構和操作。將要通過第一發射天線304傳輸的信號輸入到用於第一發射天線的傳輸信號生成器301中，並且將要通過第一發射天線傳輸的導頻信號輸入到用於第一發射天線的導頻信號生成器302中。該信號發生器301和302根據對應的方法生成輸入信號，並且將所生成的信號輸出到與第一發射天線304相連的加法器303中。加法器303將所輸入的信號相加，並且將所相加的信號輸出到第一發射天線304，由此將該信號傳輸到接收機310。
因為用於第MT發射天線308的塊等同於用於第一發射天線304的塊，所以將省略其詳細描述。將通過發射天線304到308傳輸的導頻信號和傳輸信號遞送給接收天線311到314中的每一個。也就是說，將通過第一發射天線304傳輸的導頻信號和傳輸信號遞送給第一接收天線311和第MR接收天線314。類似地，將通過第MT發射天線308傳輸的導頻信號和傳輸信號遞送給第一接收天線311和第MR接收天線314。在圖3中，信號遞送如箭頭所示。
現在將描述接收機31O的結構。假定接收機3lO具有MR個接收天線。因此，接收機31O包括第一接收天線311到第MR接收天線314。接收天線311到314中的每一個都包括用於對應發射天線的導頻信號估算器。因為接收天線311到314的結構全部彼此相等，所以為了簡潔起見，將僅僅描述第一接收天線311的結構。
如上所述，從第一接收天線311接收的信號包括從發射天線304到308傳輸過來的傳輸信號和導頻信號。在圖3中，為簡單起見，沒有示出處理傳輸信號的結構，而僅僅示出了用於處理導頻信號的結構。第一接收天線311接收來自第一發射天線304到第MT發射天線308的全部信號。因此，將在第一接收天線311處接收的導頻信號輸入到導頻信號估算器312到313中的每一個中。每個導頻信號估算器312到313分離從每個發射天線接收的導頻信號，並且估算來自對應發射天線的信號。來自每個發射天線的信號可被分離，因為從發射天線傳輸過來的導頻信號彼此正交。
此處在下面將描述在連接到第一接收天線311的、用於第一發射天線的導頻信號估算器312中執行的處理。如果在第一發射天線304和第一接收天線311之間的信道可以表示為h11，則由連接到第一接收天線311的、用於第一發射天線的導頻信號估算器312所估算的信道可以表示為 。可以以相同的方式估算從第MT發射天線308傳輸過來的、在第一接收天線311處接收的信道。收集來自連接到接收天線311到314的、用於相應發射天線的導頻信號估算器312、313、315和316的導頻信道的估算結果。由信道矩陣估算器317執行該收集。也就是說，用於相應發射天線的導頻信號估算器312、313、315和316將導頻信道的估算結果輸出到信道矩陣估算器317。信道矩陣估算器317可以使用所收集的估算導頻信道的信道函數來為多天線系統中的信道H計算估算矩陣 在該估算矩陣的第i行和第j列的元素 意指在第j發射天線和第i接收天線之間的信道狀態。
在使用接收天線之間的信道狀態估算了矩陣之後，信道矩陣估算器317將估算值輸出到基底變換等效信道估算器318。然後，基底變換等效信道估算器318必須為基底變換矩陣集S中的所有基底變換矩陣估算等效信道。因此，基底變換等效信道估算器318基於由信道矩陣估算器317計算的矩陣 為所有基底變換矩陣估算等效信道。下面的等式(1)示出了為基底變換矩陣E(g)計算等效信道矩陣 的方法。
H~g=H~E(g)---(1)]]>使用等式(1)，可以估算出用於所有基底變換矩陣的等效信道{H~1,H~2,H~G}。]]>將由基底變換等效信道估算器318估算的等效信道輸入到反饋信號判定器319中。反饋信號判定器319使用用於所有基底變換矩陣的估算等效信道，確定要反饋到發射機的基底變換矩陣以及與該反饋基底變換矩陣相對應的CQI。反饋信號判定器319可以使用以下幾種方法之一確定基底變換矩陣。
第一種方法可以假定所有基底都分配到那裡，基於預期傳輸量的總和確定基底變換矩陣。第二種方法可以假定僅僅一兩個基底分配到那裡，基於預期的傳輸量確定基底變換矩陣。反饋信號判定器319使用所估算的等效矩陣確定用於最大化傳輸量的基底變換矩陣，並且傳輸所選擇的基底變換矩陣。雖然存在其它可能的方法，但是此處將省略對用於確定優選基底變換矩陣的準則的描述。
現在將對其中接收機根據上述方法估算信道並且將所估算的值反饋到發射機的處理進行描述。
圖4是說明其中接收機估算正向信道並且報告結果的處理的流程圖。參考圖3和4，現在將對其中接收機估算正向信道並且報告結果的處理進行詳細描述。
在步驟401，接收機接收導頻信號。如結合圖3所述，接收機在每個接收天線處接收從發射天線傳輸過來的導頻信號。因為從發射天線傳輸過來的導頻信號彼此正交，所以接收機可以區分在多個接收天線處接收的信號。在通過接收天線接收導頻信號之後，在步驟402，接收機為多天線系統中的信道H計算估算矩陣 在圖3的信道矩陣估算器317中執行該估算矩陣的計算。
此後，在步驟403中，通過將多天線系統的估算信道矩陣應用到等式(1)，接收機為所有基底變換矩陣估算等效信道。在圖3的基底變換等效信道估算器318中執行等效信道估算處理。此後，在步驟404中，接收機中的反饋信號判定器319可以使用為所有基底變換矩陣估算的等效信道值來確定優選基底變換矩陣，並且計算當應用對應的變換矩陣時所創建的每個基底處的CQI。此處，假定用於所確定的基底變換矩陣的估算等效信道具有當前的信道狀態，使用最小均方誤差(MMSE)接收方法或者基於取消幹擾的接收方法來計算CQI。此後，在步驟405，接收機通過反饋信道將在步驟404計算的、指示優選基底變換矩陣和與此對應的CQI值的信息傳輸到發射機。
發射機的結構圖5是說明根據本發明的實施例的用於多天線系統的發射機的內部結構的框圖。參考圖5，現在將對根據本發明的實施例的用於多天線系統的發射機的結構和操作進行詳細說明。
發射機具有反饋信號接收機501，用於接收由接收機傳輸的反饋信號。為了簡單起見，未在圖5中說明用於射頻(RF)處理反饋信號的部分。反饋信號接收機501接收基底變換矩陣指示信息和用於每一基底的CQI。當收到反饋信號時，反饋信號接收機501根據基底變換矩陣而將基底變換矩陣指示信息提供給用戶分類器502。反饋信號接收機501將反饋信號輸出到用於確定並解多路復用用於用戶的子流的調度和解多路復用塊503，以便傳輸用戶組的信號。本發明將用戶劃分為多個用戶組，並且根據用戶組執行調度和解多路復用。稍後將給出其描述。
現在將對在從反饋信號接收機501接收了基底變換矩陣指示信息和每個基底的CQI信息之後所執行的操作進行描述。用戶分類器502接收總共K個用戶數據流。接收該K個用戶數據流的用戶分類器502根據從反饋信號接收機501接收的基底變換矩陣指示信息，而將用戶分類為多個組。在圖5中，舉例來說，用戶分類器502將用戶分類為G個組。用於用戶的數據被分成多組，並然後被輸入到調度和解多路復用塊503中。
調度和解多路復用塊503接收根據用戶組分類的流，並且確定其將傳輸哪個組的用戶數據。也就是說，調度和解多路復用塊503執行用於用戶數據傳輸的調度。該調度處理基於由每個用戶反饋的CQI信息而執行。不能同時傳輸在調度處理中被劃分為不同組的用戶數據。因此，僅僅用於被分為相同組的用戶(即具有相同優選基底變換矩陣的用戶)的流可被同時傳輸。稍後將和對發射機操作的描述一起，給出對調度和解多路復用處理的詳細描述。調度和解多路復用塊503將通過反饋信號接收機510從每個用戶的接收機接收的信息輸出到AMC塊504到505、功率分配器506到507、和基底變換器508到509。稍後將提供其詳細說明。
調度和解多路復用塊503將從對應用戶接收的每個基底的AMC信息遞送到AMC塊504到505。作為如上所述從用戶的接收機接收的信息的每個基底的AMC信息攜帶有以下信息關於根據由要傳輸到對應用戶的數據所優選的天線的特徵、用於要傳輸到用戶的數據的自適應調製和編碼方法的信息。
調度和解多路復用塊503將每個基底的功率分配信息遞送到傳輸相應用戶數據的功率分配器506到507，以在用戶數據傳輸期間分配用於每個天線的發射功率。可以使用從用於相應用戶的接收機接收的CQI信息，來設置每個基底的功率分配信息。調度和解多路復用塊503將用於選定組的基底變換權重信息運送到每個基底變換器508到509，以傳輸在當前時間要傳輸的用戶數據。
從調度和解多路復用塊503輸出的用戶數據是被恰當解多路復用以通過每個基底傳輸的數據流。解多路復用後的子流可以是從一個用戶流解多路復用的子流或者是在一對一基礎上映射到多個用戶流的子流。將解多路復用的子流輸入到AMC塊504到505中。AMC塊504到505使用從反饋信號接收機501接收的每個基底AMC信息自適應地調製和編碼這些流。將在AMC塊504到505中AMC處理後的信號輸入到功率分配器506到507中。功率分配器506到507使用從反饋信號接收機501接收的每個基底的功率分配信息為輸入信號分配功率。
根據是否有任何通過相應的基底傳輸的數據流，來確定由功率分配器506到507分配的功率。將由功率分配器506到507向其分配了功率的輸出信號分別輸入到基底變換器508到509中。也就是說，如果數據流僅僅通過總共Ng個基底中的n個基底傳輸，則功率分配器506到507將為相應用戶分配的總發射功率PT均勻地分配給n個有效的基底，並且不向剩餘的(Ng-n)個基底分配功率。因此，為了增加傳輸效率，優選向通過其傳輸較大量信息的基底分配較高的功率。也就是說，功率分配器506到507需要有關是否通過特定基底傳輸任何數據流的信息、以及如果傳輸了則有關數據流量的信息。這個信息從調度和解多路復用塊503提供。一種簡單的功率分配方法向n個有效基底中的每一個分配功率PT/n，並且不向剩餘的(Ng-n)個基底分配功率。就空間域多路復用技術而言，這種方法不是最優的功率分配方法。然而，如果以最優方式分配功率，則不可能估算出分配給其它用戶的功率，這使得難以實現空間域多路存取技術。
因為使用了AMC技術，所以僅僅向通過其傳輸了數據流的基底均勻地分配功率的方法在性能上和空間域多路復用技術中的最優功率分配方法沒有多大不同。
通過上述方法輸入到基底變換器508到509中的子流經受基底變換，以便與在基底變換器508到509中的相應基底相匹配。執行基底變換的方法遵循由調度和解多路復用塊503確定的基底變換方法。因此，調度和解多路復用塊503必須向基底變換器508到509提供基底變換矩陣。
將基底變換器508到509的輸出信號連同要經由相應的發射天線304到308傳輸的傳輸導頻信號一起輸入到加法器510到511中。然後加法器510到511將它們的輸入信號加在一起，並且將所相加的信號輸出到它們相關聯的天線304到308。用這樣的方式，發射機可以經天線將傳輸信號傳輸到接收機。
現在將對根據本發明的實施例在多天線系統中傳輸數據的處理進行描述。
圖6是說明根據本發明的實施例的在多天線系統中從發射機向接收機傳輸數據的處理的流程圖。參見圖6，現在將對根據本發明的實施例的在多天線系統中從發射機向接收機傳輸數據的處理進行詳細說明。
在以下的描述中，本發明提出了一種能夠在一個多天線系統中內部應用空間分集技術、空間域多路復用技術、和空間域多路存取技術的方法。為此，需要一種管理用於執行調度的媒體存取控制(MAC)層和應用多天線技術的物理層二者的方法。現在將參考附圖詳細描述該處理。
在步驟601，發射機接收從所有終端反饋的基底變換矩陣和與此對應的CQI值。在步驟602，發射機基於該反饋信息而對用戶進行分類。此處，根據優選相同基底的用戶而對這些用戶進行分類。也就是說，發射機根據優選相同基底變換的用戶組而對用戶進行分類。由圖5中的用戶分類器502執行用戶分類處理。在分類了用戶組之後，發射機在步驟603計算優先級。優先級具有以下三種類型。第一優先級類型是根據用戶計算的用戶優先級。第二優先級類型是根據子流計算的子流優先級。第三優先級類型是根據組計算的組優先級。可以基於單獨的準則或者用戶優先級來計算用戶優先級和組優先級。此處將省略對優先級計算方法的詳細說明。
在以上述方法計算了優先級之後，發射機在步驟604選擇具有較高組優先級的組。此後，在步驟605，發射機選擇在選定組中的傳輸子流。根據用戶優先級和子流優先級之一或者二者而實現對傳輸子流的選擇。由調度算法確定傳輸子流。因此，傳輸子流可以是單個子流或者多個子流。如果確定僅僅傳輸單個子流，則在當前發明中提出的多天線系統利用空間分集技術進行操作。由圖5中的調度和解多路復用塊503執行選擇用戶或用戶組以及選擇傳輸子流的處理。
然而，如果該調度處理確定要傳輸多個子流，則相應的子流可以是從用於單個用戶的數據流中解多路復用的子流或者是從用於不同用戶的數據流中多路存取的子流。當執行調度以便傳輸從用於一個用戶的數據流解多路復用的子流時，在當前發明中提出的多天線系統利用空間域多路復用技術進行操作，而當用於不同用戶的數據流被選為傳輸子流時，則利用空間域多路存取技術進行操作。
在確定了傳輸子流之後，發射機在步驟606向每個所確定的子流應用恰當的AMC處理。也就是說，傳輸信息量取決於通過其傳輸子流的、在發射天線和接收天線之間的基底的信道狀態。因此，發射機根據要通過其傳輸子流的、在發射天線和接收天線之間的基底的特徵而自適應地執行調製和編碼。在執行AMC之後，發射機在步驟607向每個AMC處理後的子流信號分配功率。發射機不向不通過其傳輸子流的基底分配功率，並且均勻地向通過其傳輸子流的基底分配功率。在圖5的功率分配器506到507中執行功率分配處理。
在功率分配之後，在步驟608，發射機執行基底變換以便每個子流通過相應的基底傳輸。所確定的發射子流具有相同的基底變換矩陣。因此，對於基底變換，發射機使用在步驟604確定組的處理中所確定的基底變換矩陣。執行基底變換的處理在圖5的基底變換器508到509中實現。此後，在步驟609，發射機通過發射天線將基底變換後的子流傳輸到接收機。
實施例圖7是說明根據本發明的實施例的用於多天線系統的發射機的結構的框圖。參見圖7，現在將對根據本發明的實施例的用於多天線系統的發射機的操作進行詳細描述。除圖7中的發射機具有兩個發射天線之外，圖7中的發射機在結構方面等同於圖5中的發射機。附圖中的相同元件由相同的附圖標記表示。
因為發射天線的數目MT為2，所以可以使用等式(2)中的基底變換矩陣集。
S={E(1)=12111-1,E(2)=1211i-i}---(2)]]>在等式(2)中，i=-1.]]>基底變換矩陣E(1)和E(2)構成兩個基底。也就是說，N1＝N2＝2。如果用戶的接收機選擇E(1)作為優選基底變換矩陣，則利用等式(3)中的權重創建第一基底和第二基底。
e1(1)=1211,e2(2)=121-1---(3)]]>如果用戶選擇E(2)作為優選基底變換矩陣，則利用等式(4)中的權重創建第一基底和第二基底。
e1(2)=121i,e2(1)=121-i---(4)]]>反饋信號接收機501接收從每個用戶終端反饋的基底變換矩陣信息g和CQI信息。在本發明中，優選基底變換矩陣信息g用1比特表示，其中g＝0指示對E(1)的選擇，而g=1指示對E(2)的選擇。每個用戶終端反饋當應用所選定的基底變換矩陣時可在每個基底處獲得的CQI。在本發明中，因為N1＝N2＝2，所以接收機應該總是反饋兩個CQI(γ1和γ2)到發射機，而與哪個基底矩陣被選擇無關。
用戶分類器502基於從每個用戶反饋的優選基底變換矩陣信息而對用戶進行分類。反饋了g＝0的用戶被分類成組#1，而反饋了g＝1的用戶被分類成組#2。在以這種方式確定了各組之後，調度和解多路復用塊503確定將傳輸哪個組的用戶數據。首先，調度和解多路復用塊503計算組優先級、用戶優先級、和子流優先級。因為優先級計算方法與調度器的設計有關，因此將不提供其描述。
在優先級計算處理中，考慮了從每個用戶反饋的CQI信息γ1和γ2。通過反饋CQI信息的使用，調度和解多路復用塊503在這些組當中選擇具有最高優先級的組。如果選擇了組#1，則調度和解多路復用塊503選擇在組#1中的用戶的傳輸信號，而如果選擇了組#2，則調度和解多路復用塊503選擇在組#2中的用戶的傳輸信號。在完成組選擇之後，調度和解多路復用塊503基於用戶優先級和子流優先級之一或者二者，而確定將通過每個基底傳輸哪個子流。確定要傳輸的用戶數據流被解多路復用為要通過相應基底傳輸的子流。
解多路復用後的子流基於反饋CQI信息γ1和γ2而在AMC塊504和505中經受AMC。AMC處理後的信號在功率分配器506和507中經受功率分配。根據數據流是否通過相應的基底傳輸而確定該功率分配。如果數據流通過總共2個基底中的僅僅一個傳輸，則功率分配器506和507將全部功率分配給一個有效的基底，並且不向另一個基底分配功率。如果數據流要通過兩個基底傳輸，則功率分配器506和507將發射功率的一半分配給每個基底。因此，功率分配器506和507需要指示是否存在任何通過特定基底傳輸的數據流的信息，並從調度和解多路復用塊503接收該信息。已分配了功率的子流在基底變換器508和509中經受基底變換，以便它們與相應的基底相匹配。
根據由調度和解多路復用塊503選擇的組確定基底變換矩陣。如果選擇了組#1，則將等式(3)作為基底變換權重應用於基底變換矩陣。如果選擇了組#2，則將等式(4)作為基底變換權重應用於基底變換矩陣。在加法器510和511中將基底變換器508和509的輸出信號和要傳輸的導頻信號相加，並然後經由相應的發射天線553和554傳輸。
在蜂窩式移動通信環境中，顯示出用於發送/接收分組數據的多天線系統的性能增益的技術根據信道狀態而不同。也就是說，如果將空間域多路復用技術應用於具有高質量和低空間相關性的信道，則該技術可以提高性能。然而，在其中信道具有低質量和高空間相關性的情況下，空間分集技術優於空間域多路復用技術。因此，根據接收機的信道狀態，空間域多路存取技術在性能方面有所不同。因此，必須考慮所有用戶的信道狀態而有選擇地應用作為多天線系統的操作技術的空間分集技術、空間域多路復用技術、和空間域多路存取技術。根據本發明的新穎多天線系統可以自適應地實現空間分集技術、空間域多路復用技術、和空間域多路存取技術。
本發明不限制每個用戶終端中的接收天線數目。這個假定在實際系統中是非常有用的。因為使用單個接收天線的用戶不能使用空間域多路復用技術，所以基站發射機將使用將單個流傳輸到相應用戶的空間分集技術或者空間域多路存取技術。然而，因為使用多個接收天線的用戶可以使用空間域多路復用技術，所以其可以應用空間分集技術、空間域多路復用技術、和空間域多路存取技術全部。不需要用於選擇多天線技術之一的單獨設備。
如上所述，根據本發明的新穎多天線系統根據信道條件和用戶使用最有效的多天線技術，這有助於提高分組數據系統中的傳輸效率。此外，本發明可應用於具有單個天線的接收機和具有多個天線的接收機，而沒有對設備的限制。
權利要求
1.一種用於在無線通信系統中發送分組數據的設備，其接收在多個發射天線和多個接收天線之間的信道狀態信息作為反饋信息，該設備包含反饋信號接收機，用於接收從每個接收機反饋的所述反饋信息；用戶分類器，用於使用從所述反饋信號接收機輸出的優選基底變換信息，而將具有發送數據流的用戶分類成多組；調度和解多路復用塊，用於接收所述用戶分類器的輸出和來自所述反饋信號接收機的反饋信息，根據所接收的信息選擇具有發送優先級的至少一組以及在對應組中要發送的用戶數據，並輸出所選擇的子流、用於所選擇的子流的自適應調製和編碼(AMC)信息、以及功率分配信息；AMC塊，用於根據該AMC信息調製和編碼從所述調度和解多路復用塊輸出的子流；功率分配器，用於根據該功率分配信息向AMC處理後的子流分配發射功率；以及發射機，用於通過所述每個發射天線發送所述分配了功率的子流。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述調度和解多路復用塊還輸出用於所選擇的子流的基底變換權重信息；所述設備還包含基底變換器，用於將所述基底變換權重信息應用到所述已分配了功率的信號並發送子流。
3.如權利要求2所述的設備，還包含發射天線導頻信號生成器，用於生成要通過所述多個發射天線中的每一個發送的導頻信號；以及加法器，分配給與其關聯的天線，用於將每個發射天線的導頻信號添加到從所述基底變換器輸出的信號中。
4.一種接收設備，用於在包括多個發射天線的無線通信系統中，為在多個發射天線和多個接收天線之間的信道生成反饋信息，所述系統通過所述多個發射天線發送分組數據，其中每個發射天線發送分組數據而沒有形成導頻信號，所述系統還使用所述多個接收天線接收所述分組數據，所述設備包含導頻信號估算器，提供給所述多個接收天線中的每一個，用於估算從所述多個發射天線接收的導頻信號；信道矩陣估算器，用於使用從所述導頻信號估算器接收的信號，根據每個天線的信道估算信息而生成信道估算矩陣；基底變換等效信道生成器，用於使用所生成的信道估算矩陣，為從發射機發送過來的分組數據生成基底變換等效信道矩陣；以及反饋信號判定器，用於從基底變換等效信道生成器中選擇最優基底變換等效信道，並且為所選擇的基底變換等效信道生成反饋信息。
5.如權利要求4所述的接收設備，其中，所述基底變換等效信道生成器為在基底變換矩陣集中的所有基底變換矩陣估算等效信道。
6.如權利要求5所述的接收設備，其中，如果由信道矩陣估算器計算的矩陣由 表示而且使用了基底變換矩陣E(g)，則將基底變換等效信道矩陣 計算為H~g=H~E(g)]]>。
7.一種用於在無線通信系統中發送分組數據的方法，該無線通信系統接收在多個發射天線和多個接收天線之間的信道狀態信息作為反饋信息，該方法包含步驟從所有終端接收基底變換矩陣和與此對應的信道質量信息(CQI)，並且基於所述反饋信息對優選相同基底的用戶按組進行分類；考慮所分類的組的優先級和用戶的優先級，選擇至少一個期望發送分組數據的用戶；將所選定的用戶數據分類為多個子流，並且對每個子流執行自適應調製和編碼(AMC)；向AMC處理後的子流分配功率；以及在發送之前對每個分配了功率的子流執行基底變換。
8.一種接收方法，用於在包括多個發射天線的無線通信系統中，為在多個發射天線和多個接收天線之間的信道生成反饋信息，所述系統通過所述多個發射天線發送分組數據，其中每個發射天線發送分組數據而沒有形成導頻信號，所述系統還使用所述多個接收天線接收所述分組數據，所述方法包括步驟在所述多個接收天線的每一個中估算從所述多個發射天線接收的每個導頻信號；使用為所述多個接收天線估算的導頻信號，生成從發射機到多個接收天線的信道估計矩陣；使用所生成的信道估算矩陣為從發射機發送過來的分組數據生成基底變換等效信道矩陣；以及從基底變換等效信道生成器中選擇最優基底變換等效信道，並且為所選擇的基底變換等效信道生成反饋信息。
9.如權利要求8所述的接收方法，其中，所述生成基底變換等效信道的步驟包含步驟為在基底變換矩陣集中的所有基底變換矩陣估算等效信道。
10.如權利要求9所述的接收方法，其中，如果所述信道估算矩陣由 表示並且使用了基底變換矩陣E(g)，則將所述基底變換等效信道矩陣 計算為H~g=H~E(g)]]>。
全文摘要
提供了在無線通信系統中使用多個天線收發分組數據的設備和方法。在使用多個天線的無線通信系統中，該設備和方法可以根據信道狀態有效地收發分組數據，而沒有浪費傳輸帶寬。
文檔編號H04B7/005GK1973449SQ200580021241
公開日2007年5月30日 申請日期2005年6月23日 優先權日2004年6月23日
發明者韓臸奎, 金大均, 張真元, 權桓準, 金潤善, 金東熙, 文哲 申請人:三星電子株式會社