控制多輸入、多輸出通信信道的收發器中的方法和系統的製作方法
2023-06-24 01:34:26 1
專利名稱：控制多輸入、多輸出通信信道的收發器中的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及通信系統，具體地說涉及用於控制在多輸入、多輸出通信信道中發送和接收多個數據流的方法和系統。
背景技術：
通信系統設計者一直在尋找方法來增加發射器和接收器之間的通信信道的容量。通信信道可以被定義為從一個點到另一個點發送碼元序列的系統。例如，蜂窩通信系統包括用於在電話系統和用戶單元之間來回地無線發送表示語音或數據的信道。這種信道的容量的增加意味著增加發送碼元的速率。且當在相同的時間內發送多個碼元時，語音可聽起來更好，並且花費更少時間來傳輸數據文件。
為了增加無線通信信道的容量，已經將天線陣列用在發射器中來更高地將發射能量集中在接收器中。天線陣列是一組相互分離的天線，每一天線發送具有相對其它的天線信號的特定增益和相位關係的天線信號。當天線一起工作來發送天線信號時，它們產生一個天線方向圖，該方向圖比單一個天線產生的方向圖更加集中在接收器上。注意，改變信號的增益和相位以產生天信號的過程可稱為使用一組「天線陣列權重」對信號「進行加權」。
因為可能類似地將天線陣列用在接收器中來改善信號質量，已經推薦將天線陣列都用在發射器和接收器上以增加信號容量。當將多個天線用在發射器和接收器中時，在它們之間的無線信道可稱為多輸入、多輸出(MIMO)信道。
圖1示出了通信信道的高級原理圖，其中，部分的無線通信信道是無線的。如圖所示，x表示用戶數據，其將被無線地發送到接收器。在接收器處，x被表示為估計的數據 可以將用戶數據x進行分割以產生表示多個數據流x1，x2，…的矢量。
用戶數據被矩陣V處理來產生適配的陣列天線信號z。矩陣V的每一列是包含用來發送數據流xi的一個的天線陣列權重集。信號z被通過空中從天線陣列的天線陣子發送，並且被在接收器天線陣列處接收作為接收的天線信號r。在天線信號z和接收到的天線信號r之間的空中接口包括矩陣H，其表示在信號z上的空中接口的影響。空中接口被噪聲n到信號z的相加所描述。
在接收器處，用矩陣U′處理接收到的天線信號r來產生估計的數據 參見圖2，描述了兩個輸入、兩個輸出MIMO天線陣列系統。這個MIMO系統可被用來通過「組合信道」H來同時發送兩個不同的數據流x1和x2到單個用戶單元，H被下述矩陣表示H=h11h12h21h22]]>式中，hij是複數信道值，i＝1，2，j＝1，2。注意，在此使用的術語「組合信號」指的是完整的測量值或者信道的描述，其中，發射天線和接收天線的所有組合的影響都被考慮。複合信道被視為在由所有的成對的組合的發射和接收天線所定義的成對的單天線之間的所有信道的集合。
當假設單調的瑞利衰減信道時，hij是帶有單一平均功率的複數值高斯隨機數，E[hijhij*]=1.]]>可以將接收到的(基帶)矢量r(參見圖1)寫為r＝Hx+n示中，x＝[x1x2]T，是發送的數據流的矢量，且n是噪聲採樣值的矢量，具有協方差σn2的加性白高斯噪聲。
注意，在無噪聲的信道中，如果信道矩陣H是滿秩的，可以完好地恢復兩個數據流。即，可以解兩個方程和兩個未知數來獲得未知的x＝[x1x2]T。當x＝H-1r時，兩個數據流都可被恢復，且可以加倍鏈路或者信道、容量。例如，線性結構可以使用0來強迫接收器將接收到的矢量r乘以H-1。這些操作帶來高的信噪比(SNR)，但是如果用低的SNR，它將會激發噪聲，這是不希望的。
在另一個線性接收器結構中，最小的均方差(MMSE)接收器可被用來使在檢測到的數據流和接收到的信號之間的平均差最小。
雖然線性的非線性的接收器結構都可以被用來檢測在噪聲信道中的多個流，在實際的應用中，在信道中的噪聲通常將要求使用非線性接收器，其製造更加複雜且昂貴。帶有改進的性能的非線性接收器的例子是串行-幹擾-取消(SIC)接收器和最大似然(ML)接收器。由於它們的複雜性以及費用，應當儘可能地避免使用非線性接收器。
理論MIMO容量可以用下面的分析來示出MIMO系統的容量。假設信道矩陣H的奇異值分解(SVD)由下式給出H＝USV′(1)式中，S是由奇異值組成的對角矩陣(即，H′H或HH′的特徵值的平方根)，U是正交矩陣，它的列向量等於HH′的特徵值，V是列向量等於H′H的特徵值的帶有多列的正交矩陣，且「′」操作符是複數共軛轉秩操作。作為一個例子，考慮如下的組合信道矩陣H=111-1---(1.1)]]>這個組合信道的SVD是H=USV=1/21/21/2-1/220021001---(1.2)]]>參見圖1，轉換向量(transmit vector)是
z＝Vx (2)因此，接收的向量是r＝Hz+n (3)用(1)和(2)代替H和z，得到r＝USV′Vx+n＝USx+n (4)式中，由於V是正交矩陣，V′V被以單位陣代替。接下來，接收的向量被用U來預乘(pre-multiplied)x^=UUsx+Un]]>=Sx+e---(5)]]>同樣，由於U是正交矩陣，U′U被以單位陣代替。注意，新的噪聲向量e具有與n一樣的相同協方差，因為與正交矩陣預乘沒有改變噪聲的協方差。
如果為兩個發射天線和2個接收天線的情況重寫方程(5)，則得到x^1x^2=1002x1x2+e1e2=1x1+e12x2+e2---(6)]]>式中，λi是信道矩陣特徵值。
根據香農邊界約束的無錯誤信道容量是公知的，由下式給出C1＝log2(1+ρ)比特/碼元 (7)式中，ρ是信道SNR。從(5)和(6)中，可以看到，基於香農邊界約束的MIMO信道容量是每一個數據流的容量的和CMIMO=i=1MC1=i=1Mlog2(1+Mi)]]>比特/碼元 (8)式中，M是在發射器或者接收器處的最小天線數目。對於2個發射天線，2個接收天線的例子，M＝2。需要注意的是，在(8)中，已經歸一化了總的發射功率，使得對於任何數目的發射天線它總是保持相同。比率ρ/M確保了在所有天線上發射的功率相等，且它維持對於M的所有值的相同的總功率。
總之，等功率傳送(8)是次最優的。可以通過增加功率到高的SNR流、並且將功率減少到低SNR流來使作為每一個數據流容量的和的總容量CMIMO=iCi]]>最大，使得總的發射功率維持相同。這個過程通常稱為「waterfilling」。
通過包括用於每一個數據流的最佳功率分配的waterfilling權重，(8)變成CMIMO=i=1Mlog2(1+Miwi)]]>比特/碼元 (9)式中，從下式計算出waterfilling權重iwi=imax
=1]]>它是waterfilling準則，由R.G.Gallager在John Wiley Sons，1968年中的、紐約的Information Theory and Reliable Communication中介紹。這裡，K是通過迭代確定的常數，相應地，設定了wi。
因為在現有技術的系統中發射器缺少關於組合信道的條件的數據，這些系統的性能不能達到MIMO信到的香農邊界約束。而且，需要用來描述組合的MIMO信道的數據量是很大的，在被傳送到發射器時這將消耗掉大量的信道容量。
因此，很顯然，需要一種改善的方法和系統，使用反饋來有效地控制在多輸入、多輸出射頻信道中的數據傳輸和接收。
在權利要求書中闡述了相信具有新穎性的本發明的特徵。然而，通過參考下面關於說明性的實施例的詳細描述，結合附圖，將可更好地理解本發明本身和使用的優選方式、以及其中的目的和優點，其中圖1是通信信道的高級原例圖，其中通信信道的一部分是無線的；
圖2是兩輸入、兩輸出MIMO信道的高級方框圖；圖3是可以用來實現本發明的方法和系統的多個流、多個天線發射器的方框圖；圖4是天線陣列信號處理器的更加詳細的框圖；圖5是根據本發明的方法和系統的、用在多個流、多天線收發器中的接收器；圖6是根據本發明的方法和系統的高級邏輯流程圖，其說明在多個流、多個天線接收器中的反饋方法；圖7是根據本發明的方法和系統的高級邏輯流程圖，說明在多個流、多個天線發射器的反饋方法；圖8是根據本發明的方法和系統的高級流程圖，說明用於估計組合信道合和選擇陣列權重集的過程；圖9示出根據本發明的方法和系統的、比較量化的MIMO反饋和未量化的、理想的MIMO反饋的仿真結果；和圖10示出根據本發明的方法和系統的、MIMO收發器系統的仿真結果。
具體實施例方式
現在參見圖3，圖中說明了可被用來實現本發明的方法和系統的多個流、多天線發射器。如圖所示，發射器20使用天線陣列24來接收用戶數據22和發射用戶數據22，發射器20包括天線振子26。
用戶數據進入數據分路器28，數據分路器28將用戶數據流分解成多個數據流，如數據流30和數據流32。雖然圖3中示出了兩個數據流，數據分路器28可以產生任何多個數據流。數據分路器28正比於由控制器36產生的控制信號34來分解數據。例如，控制信號34可以規定2到1的比率，其中，將2比特發送到數據流30，發送1比特到數據流32。這種分解比率可以規定兩個流上相同的比特數目，或者將所有的數據比特發送給一個流。
數據分路器28輸出的數據流30和32被輸入到糾錯編碼器38和40。可以使用卷積編碼器、turbo編碼器、塊編碼器等來實現這些糾錯編碼器。編碼的類型以及編碼速率由控制器36輸出的控制信號42所控制。注意，控制信號42可以設定糾錯編碼器38和40為相同的錯誤編碼方案，或者不同的編碼方案。
糾錯編碼器38和40的輸出連接到調製器44和46的輸入端。可以用線性或非線性調製方案，包括調製幅度和相位以及幅度和相位的組合的各種調製器來實現調製器44和46。可以使用的調製器的例子包括二進位相移鍵控調製器(BPSK)、正交相移鍵控調製器(QPSK)、M-相移鍵控調製器、M-正交幅度調製器(MQAM)等等。
控制信號48選擇在調製器44和46中使用的調製類型。控制信號48由控制器36產生。根據本發明，在數據流重的調製方案可以相同或不相同。
調製器44和46的輸出端被分別連接到擴頻器48和50的輸入端。擴頻器48和50使用擴頻碼52來對信號進行擴頻，其中擴頻碼被分配給用戶數據22。
擴頻器48和50的輸出端被連接到功率分配器54的輸入端。功率分配器54響應來自控制器36的控制信號56，設定在數據流30和數據流32之間的功率比率。功率分配器54可以將所有的功率分配給一個數據流，給數據流分配相同的功率，或進行其它的不同功率分配的比率分配。功率分配器54沒有給與屬於沒有在圖3中示出的其它用戶數據的數據流相關的數據流30和32分配功率。這意味著功率分配器54沒有將絕對水平的功率分配給用戶。分配給每一個數據流和每一個用戶的絕對功率由在功率放大器中的可用功率以及沒有在圖3中示出的其它控制功能所確定。
功率分配器54的輸出端連接到天線陣列信號處理器58的輸入端，天線陣列信號處理器進一步通過將天線陣列權重集應用到每一個數據流來處理數據流。這些天線陣列權重集是經控制信號60來自於控制器36的。通過將天線陣列權重集應用到數據流30和32，天線陣列信號處理器允許在不同的天線陣列方向圖中傳輸每一個數據流。
天線陣列信號處理器58的輸出包括輸入數據流的加權成分。例如，輸出62可包括與數據流32的相位-增益加權部分相加的數據流30的相位-增益加權部分。來自天線陣列信號處理器58的加權輸出的數目可等於或大於數據流的數目。雖然天線陣列信號處理器58的輸出的數目可大於數據流輸入的數目，發射的數據流的數目維持相同。
現在參見圖4，圖中說明了天線陣列信號處理器58的高級方框圖。如圖所示，數據流30和32進入天線陣列信號處理器58，其中，每一個數據流的副本被發送到增益乘法器，該乘法器對應將被在天線陣列中使用的天線振子。在圖4的示例中，將2個天線用在天線陣列中，因此，每一個數據流的副本被發送到兩個增益乘法器80。
在每一個增益乘法器80之後的是相位移位器82，相位移位器根據控制信號輸入來旋轉信號的相位。相位移位器82的輸出連接到加法器84，加法器84將加權的數據流相加以產生輸出信號62和64。
控制信號60(參見圖3)包括多個天線陣列權重集，其中，每一個天線權重集與每一個數據流相關。例如，控制信號60包括權集信號86和88。權重集信號86包括用於與數據流30相關的每一個增益乘法器80和相位移位器82的增益和相位權重(即，複數權重)。因此，與數據流30相關的相位移位器82的輸出端產生天線信號，其提供用於數據流30的選擇的天線方向圖。類似地，權重集信號88包括用於與數據流32相關的每一個增益乘法器80和相位移位器82的增益和相位權重。在與數據流相關的相位移位器82的輸出端產生天線信號，用於利用選擇的數據流32的方向圖來驅動天線陣列。
為了產生用於每一個數據流的希望的天線方向圖，與數據流相關的增益乘法器80可具有不同的增益值，與數據流相關的相位移位器82可具有不同的相位移位值，從而產生一起工作來形成特定的傳輸方向圖的天線信號。
在發射器20的一些實施例中，可以對輸出信號62進行上變頻、放大且連接到兩個天線振子26。然而，在圖3的實施例中，多路復用器66被用來響應來自控制器36的控制信號68而連接輸出信號62和64到選擇的天線振子26。這意味著可將控制信號62連接到天線陣列24中的任何一個天線振子26，而輸出信號64被連接到餘下的一個天線振子26。
根據從反饋接收器70接收到的信息以及存儲在存儲器72中的數據，控制器36輸出控制信號34，42，48，56，60和68。示出的反饋接收器70被連接到天線74，用於從遠程接收器諸如圖5中示出的接收器接收反饋數據。雖然天線74被示出與天線陣列24分開，可以使用陣列24的天線振子26中的一個來接收反饋數據。
來自反饋接收器70的反饋數據可包括密碼本指數(codebookindex)，其可被控制器36用來在存儲器72的密碼本76中查找傳輸參數。
還可以使用控制器36來計算或驅動附加的控制信號，或者根據反饋數據來傳輸參數。因此，應當理解，反饋數據可包括可根據其來進行計算的測量值，或指出將要用在發送器20中的參數的數據。
現在參見圖5，圖中示出了根據本發明的方法和系統的、用在多個流、多個天線收發器中的接收器。如圖所示，接收器98包括天線陣列100，其具有接收射頻信號104和106的天線振子102。接收到的RF信號極可能是不同的信號，因為天線振子102是空間分離的，且從發射器20的天線振子26來的接收到RF信號104和106所通過的傳播路徑中很可能處在不同的多路徑衰減環境。
在由發射器20和接收98組成的多個流、多個天線收發器系統中，發送多個數據流以增加在發射器20和接收器98之間的數據吞吐量。發射器20能夠同時發射多個數據流，接收器98能夠通過利用在多個發射器20和接收器98中的多個天線之間的信道特徵的差異來使多個流分開。因此，在發射器20中的用戶數據22被接收器98接收到，且被輸出作為估計的用戶數據108。
將接收到的RF信號104和106輸入到射頻接收器前端110，其中射頻信號被進行下變頻和數位化。射頻接收器前端110的輸出是複數基帶數字採樣值的流，其表示接收到的RF信號104和106。
射頻接收器前端110的輸出被輸入到接收器信號處理器112，該處理器的作用是分離在接收器98中的數據流30和32(參見圖3)。在本發明的一個實施例中，通過將輸入信號乘以U矩陣的複數共軛轉置，可以實現接收器信號處理器112，U矩陣的複數共軛轉置是組合信號矩陣H的奇異值分解的左奇異向量。接收器信號處理器112由來自控制器113的控制信號115控制。
接收器信號處理器112輸出的數據流被輸入到解擴器114和116，解擴器114的和116使用與在發射器中使用的擴頻碼相同的擴頻碼52來對信號進行解擴。解擴器114和116的輸出分別連接到解調器和解碼器118和120的輸入端。每一個解調器和解碼器118和120使用適應於為發射器中的每一個數據流所選擇的那些解調和糾錯解碼技術來解調信號，並且解碼信號。因此，所使用的解調器和解碼器功能的類型取決於在發射器20中使用的是什麼，如來自控制器113的控制信號122所指示。解調器和解碼器118和120可以是相同的功能，或者可以是不同功能。
來自解調器和解碼器118和120的輸出被輸入到組合器124，組合器124將接收到的多個流組合成單一個流，用於輸出作為估計的用戶數據108。在控制器113的控制下，如被控制信號126所指示，組合器124進行工作。因為接收到的數據流可具有不同的數據速率，且因為一個數據流可具有等於0的數據速率，組合器124必須根據在圖3的發射器20中由數據分路器對數據進行原始分路的方式來重構用戶數據。
為了控制經發射器中的多個天線來傳輸多個數據流，接收器98必須測量組合的信道，並且發送反饋數據到發射器。如圖所示，射頻前端110的輸出還被連接到組合信道估計器128，組合信道估計器128使用從發射器20中的每一個天線振子26發射的導頻信號來測量多個輸入天線和多個輸出天線之間的組合信道。組合信道估計器128的功能，以及接收器98的數據反饋部分中的其它功能塊將在下面參考圖8詳細地進行介紹。
由H矩陣代表的組合信道估計器128的輸出被輸入到V矩陣計算器和選擇器130。塊130的「計算功能」計算V，V是將被用於發射器20中的每一個數據流的所希望的天線陣列權重集的矩陣。根據組合信道測量值，計算所希望的天線陣列權重集。
方塊130的「選擇器功能」是量化功能，其選擇最匹配所希望的天線陣列權重集的天線陣列權重集。通過進行量化，可以減少要求用來指示發射器20如何通過MIMO信道發射的反饋數據量。
計算器和選擇器130輸出的所選擇的天線陣列權重集被輸入到SNR計算機和功率分配器132，其中，使用所選擇的天線陣列權重集，為每一個假想發射的數據流計算信噪比。根據SNR計算，方塊132的功率分配功能將功率分配到每一個數據流，其中，根據waterfilling算法來分配功率以使數據吞吐量最大。一旦已將功率分配給每一個數據流，可以使用所選擇的功率分配來執行最後的SNR計算。
調製器和編碼器134接收來自SNR計算器和功率分配器134的信息，使用該信息來選擇將要用在發射器20中的編碼方案和調製方案。通常，為具有高的信噪比的數據流選擇高階調製器。
反饋發射器136從V矩陣計算器和選擇器130、SNR計算器和功率分配器132、以及調製器和編碼選擇器134接收信息。該數據代表將被用來控制發射器20的傳輸模式的接收器98中的計算和選擇。在優選實施例中，反饋發射器136分析數據，並且選擇與發射器參數相關的密碼本值，所述發射器參數最接近地匹配由輸入數據代表的發射器參數。因此，反饋發射器136可包括用來產生密碼本值的密碼本138，所述密碼本值被經天線140發送到發射器20。儘管示出的天線140與接收天線陣列100分開，天線140可以是接收天線陣列100中的一個天線振子102。反饋發射器136發射的數據由反饋接收器70在發射器20中接收。
現在參見圖6，圖中示出了說明根據本發明的方法和系統的、在多個流、多個天線接收器中的反饋方法的高級邏輯流程圖。如圖所示，該過程開始於方框300，然後進行方框302，在方框302中，測量在多個天線發射器和多個天線接收器之間的組合信道。這個測量值形成由複數信道值組成的H矩陣，該矩陣代表增益和相位，如上面參考圖2所進行的介紹。組合信道測量值是通過分析接收到的天線信號r(參見圖1)得出的，接收到的天線信號包括由發射器中的每一個天線發射的、接收到的導頻信號。
接下來，如方框304所示，響應組合信道測量值，該流程選擇與每一個數據流相關的天線陣列權重集。注意，每一個同時發送的數據流具有相關的一組權重，被用於發射器中的每一個天線陣列。使用每一個天線陣列權重集來產生用於相關的數據流的天線方向圖。
在優選實施例中，通過計算組合信道H的SVD的右奇異向量來確定選擇的天線陣列權重集。這個過程將參考圖8完整地介紹。為了減少需要用來表式天線陣列權重集的數據量，將所希望的權重集與密碼本中的權重集進行比較，並且選擇具有最接近的距離的一個或多個密碼本權重集。密碼本指示符可代表單個天線陣列權重集，或者天線陣列權重集的組合。
注意，如果使用天線陣列權重集的預定組合，可以發送第一信息量來描述第一天線陣列權重集，且可以發送第二信息量來描述第二天線陣列權重集，其中，第二信息量可以小於第一信息量。類似地，如果限制第二天線陣列權重集以具有相對第一天線陣列權重集的預定關係，需要用來描述第二個集的信息量小於需要用來描述第一集的信息量。
一旦進行了選擇，天線陣列權重集被發送到發射器，且該發射器使用該權重來產生用於每一個數據流的選擇的天線方向圖，如方框306所示。由於可能需要數據容量來為每一個天線、為每一個數據流表示複數權重，有利的是，使用減少從接收器發送到發生器的數據比特數目的技術。如上所述，可使用密碼本來存儲幾個預定的天線陣列權重集。可用的天線陣列權重集的數目將確定量化過程的精度，該量化過程採用理想的一組權重集，且將它映射到可用的天線陣列權重集中的一個。注意，如果可用的天線權重集的數目太小，量化誤差可能變得過大。
如上所述，減少反饋數據的另一種方式是限制發射器來發送具有選擇的相互關係的天線方向圖。例如，在優選實施例中，可以限制發射器中的天線方向圖為相互正交。因此，通過規定第一天線方向圖，根據限制的關係，可以至少部分地計算在基底(base)中的任何剩餘方向圖。因此，在發射兩個數據流中的發射器中，如果規定了第一天線方向圖，可以導出或計算用於第二數據流的天線方向圖，使得第二天線方向圖被限制為與第一方向圖正交(或者具有低的相關性)。
V量化的詳細說明量化一個矩陣的最簡單的方法是單獨地量化矩陣的每一個元素。不幸的是，這種方法效率低，且為所希望的性能要求反饋比特的最大數目。V可以用兩個基本方式來量化「分組」和「遞增」量化。在第一種方式中，一次量化V的所有列。在第二方式中，遞增地量化V的列。
分組V量化由於V矩陣是正交的，其具有可被用來減少反饋的數量的一些結構。對於2個天線發射器和2個天線接收器的情形，V矩陣可以寫為V=v11v12v21v22cossinejsin-ejcos,]]>其中α＝cos-1(v11)，θ＝∠v21。
可以使用兩個實參數來表示整個V矩陣。使用這種表示，在第二列向量中存在符號多義性，必須在接收器中進行處理。幸運的是，傳輸維持正交，且MMSE接收器自動地處理符號多義性。將參數
]]>和β∈
均勻地量化到所希望的水平。圖5示出了用5比特(3比特用於θ，2比特用於α)的量化V，且使用MMSE接收器，在0.4dB的未量化的情形下。
總之，可以創建和索引V矩陣的密碼本。可以使用諸如向量量化的技術來產生密碼本，還可以產生V和密碼本之間的有效映射。在2×2的情況中所使用的參數量化可以被擴展到更大V矩陣。
遞增V量化在這種方式中，反覆地從天線陣列權重的密碼本中取出V的列。(例如，可以使用版本99的3GPP標準的TX AA密碼本或者這些密碼本的擴展。)通過從增加的較小的密碼本子集中選擇連續的天線陣列權重集來映像V的列的相關特性。如將在下面的介紹，這種限制的搜索減少了反饋數據的量。
首先選擇對應最高質量流的V的列。這種列被選擇作為天線陣列集，其在接收器處產生最大功率。為這個權重集搜索整個密碼本。
接下來，選擇V的第二列。通過搜索具有低於所希望的相關閾值的相關性的密碼本入口，可以找到天線陣列密碼本的子集。可以設定相關閾值為0，以選擇正交的子集。然後，從密碼本的低相關子集中選擇在接收器處產生最大功率的天線陣列權重集。
如果有三個數據流，從為V的第二列搜索的密碼本入口子集的子集中選擇V的第三列。該子集包含具有相對為第二列搜索的子集的低的相關性的天線陣列權重集。該過程繼續為所有的流進行處理。
由於V的連續列是從天線陣列密碼本的連續的較小子集中搜索的，可以用較少的反饋比特來表示V的連續列。在具有64個入口的4個振子的天線陣列密碼本中，用於V的第一列的天線陣列權重集可以用log2(64)＝6比特來表示。通過選擇適當的相關閾值，可以用4比特來表示V的權重集的第二列，用2比特表示第三列，用0比特表示第四列(只有1個天線陣列權重集是可能的，假設相關閾值限制和其它的3個天線陣列權重集的選擇。)因此，可以用12比特來量化整個V矩陣。
密碼本子集的大小可能不是2的整數冪(因為它們的大小由相關閾值確定)，這意味著連續計算的權重集沒有被使用整數比特來有效地量化，以分開地表示每一個權重集。在這種情況下，另一個實施例可使用向量量化或者使用可變長度的碼字來共同編碼權重集，以減少要求用來表示整個V矩陣的比特數目。注意，這些另外的實施例仍然從天線陣列權重集的單個密碼本的子集中取出天線陣列權重集，差別在於用來減少要求用於表示V矩陣的比特數目的源編碼。
除了反饋選擇的天線權重集之外，接收器還可反饋允許發射器選擇前向糾錯編碼方案、調製方案、為每一個數據流的功率分配和在發射天線陣列中選擇天線的反饋數據。
如方框308所示，響應組合信道測量值、選擇的天線陣列權中集、和用於每一個數據流的SNR，該過程可為每一個數據流選擇數據速率。在優選的實施例中，每一個數據流的SNR被用來根據計算的性能曲線、並且假設相等的功率可用於兩個數據流來查找編碼和調製技術的組合。這種查找將提供總的數據吞吐量。這個吞吐量值被與假設在具有最大的信噪比的數據流中使用所有功率的第二查找相比較。第二查找給出第二數據吞吐量，且根據最大的吞吐量選擇在特定功率設定處的編碼和調製方案。
在優選實施例中，在下面的表1中示出的密碼本可被用在一個系統中，該系統從接收器發送4比特到發射器，以為每一個數據流規定調製錯誤編碼方案，和用於每一個數據流的功率分配。注意，天線陣列權中集沒有包括在表1的密碼本中。
表1
在選擇數據速率之後，該過程發送選擇的數據速率到發射器，使得發射器可以為每一個數據流選擇數據編碼和調製方案，如方框310所示。在本發明的優選實施例中，接收器計算數據速率、編碼方案、調製方案、和用於每一個數據流的功率水平，且發送指出這些選擇的數據到發射器。在另一個實施例中，接收器可發送測量值或者根據測量值的數據到發射器，使得發射器可選擇數據速率、編碼方案、調製方案、和用於每一個數據流的功率分配。
一旦將反饋數據從接收器發送到發射器，該過程結束，如在方框312所示。儘管在方框312中示出了接收器反饋過程的結束，該過程可迭代地在接收器中繼續，用新的組合信道測量值在方框302再次開始。
現在參見圖7，圖示出了說明根據本發明的方法和系統的、用在多個流、多個天線發射器中的反饋方法的流程圖。如圖所示，該過程開始於方框400，之後傳送到方框402，在方框402中，該過程在天線陣列的每一個天線上發送導頻信號。每一個導頻信號相互不同。例如，可以使用不同的擴頻碼，或者可以相對其它的陣列天線及時地移位相同的擴頻碼。這些導頻信號為組合信道測量值提供參考信號。
接下來，如方框404所示，用根據每一個數據流的一個集，該過程接收選擇的陣列權重集的指示。選擇的陣列權重集的所述指示是可以使用發射器中的每一個數據流的一個集來描述每一個天線的天線信號的增益和相位集。在優選實施例中，可以通過使用從接收器接收到的密碼本值來規定用於每一個數據流的選擇的陣列權重集，其中，使用密碼本值來查找預選定的陣列權重集。
類似地，如方框406所示，該過程接收指出每一個數據流的數據速率的數據。通過指出每一個流的數據速率，反饋數據還可以指出編碼方案和調製方案。數據速率和編碼及調製方案之間的關係的存在是因為不同的編碼和調製方案具有不同的容量。因此，數據速率的選擇可以強迫選擇特定的編碼和調製方案。
接下來，如方框408所示，該過程接收每一個數據流的功率分配的指示。注意，密碼本值可以被用作「指示符」，指出每一個數據流的數據速率和功率分配。如上所述，可以使用單個密碼本值來規定編碼方案、調製方案、和功率分配。在一些實施例中，單獨規定數據速率可規定編碼器、調製器和功率分配。例如，如果選擇的數據速率是0，則沒有功率被分配，且編碼和調製方案不相關。
在接收反饋數據之後，該過程選擇用於每一個數據流的功率設定、編碼及調製方案，如方框410所示。在這個步驟中，可根據接收到的密碼本值來選擇這些參數。在另一個實施例中，可計算這些參數中的一些或者從接收到的密碼本中導出。例如，如果指出是第一數據流的天線方向圖，在發射器中的過程可導出或者計算用於第二數據流的天線方向圖。這可以在當(例如)第二個流被限制為與第一個流正交時進行。
一旦如方框410所示選擇了發射參數，該過程根據為每一個數據流所選擇的編碼和調製方案所支持的選定的數據速率來將輸入數據分成數據流，如方框412所示。該過程是在圖3的數據分路功能28中實現的。作為一個例子，如果數據流1以數據流2的述率的兩倍工作，則將2個碼元發送到數據流1，將單個碼元發送到數據流2。類似地，如果一個數據流具有分配的0功率，將所有的數據碼元發送到具有一些分配的功率的剩餘的數據流。
接下來，如方框414所示，該過程對每一個數據流進行編碼。可以使用塊編碼器、卷積編碼器、TURBO編碼器等等來實現編碼的過程。
在編碼之後，如方框416所示，調製每一個數據流。可以使用BPSK調製器、QPSK調製器、M-PSK調製器、M-QUAM調製器(其中，M是星座點的數目)等來實現這種調製。
在調製步驟之後，該過程根據各自選擇的陣列權重集來修改每一個調製的數據流的增益和相位，以產生每一個陣列天線的數據流天線信號，如方框418所示。數據流天線信號的例子是在圖4的相位移位器82中的輸出。在這個步驟中產生的數據流天線信號的數目等於數據流的數目乘以在天線陣列中的天線振子的數目。
在產生用於每一個陣列天線的數據流信號之後，將與相同的陣列天線相關的數據流天線信號相加以產生天線信號，如方框420所示。天線信號的例子是圖4的加法器84的輸出。這些天線信號是來自每一個數據流的、已經被根據選擇的陣列加權集加權的增益和相位的信號的組合。根據在發射器中使用的V矩陣來詳細地介紹信號的這種複數組合，這在上面參考圖1進行了介紹。
最後，如方框420所示，發送每一個天線的天線信號。發送的步驟進一步包括需要用於射頻傳輸的處理、上變頻和放大。
如方框424所示，反饋方法結束。雖然示出的該過程結束，該過程可以在發射器中迭代地重複，以響應改變信道條件來更新每一個數據流的每一個天線方向圖。
現在參見圖8，圖中示出了說明估計組合信道且選擇陣列權重集的過程的更加詳細的邏輯流程圖，其在圖6中以更高級別示出。如圖所示，該流程開始於方框500，然後進行到方框502，在方框502中，該過程使用接收到的導頻信號來估計信道矩陣H，導頻信號被從每一個發射器天線發射。導頻可以是正交的或者不正交，但是選擇它們以在接收器中區別開來。
接下來，該過程計算矩陣H的奇異值分解來找到矩陣V，其中H=USV^T,]]>如方框504所示。用這個V矩陣進行的發射允許為MIMO以幾乎是香農容量的MIMO操作。
之後，該過程選擇量化V矩陣的指數，如方框506所示。可以用密碼本查找、或者上面介紹的其它方法來執行這種量化。注意，量化的V矩陣表示選擇的天線陣列權重集。可以組的方式或者分開地量化天線陣列權重。
在量化之後，該過程使用量化的V矩陣、假設相等的功率流，根據發射器估計來估計每一個數據流的信噪比(SNR)，如方框508所示。
接下來，如方框510所示，該過程利用waterfilling算法，使用估計的SNR來確定每一個數據流的功率分配。對waterfilling的替換是對所有量化的可能性的強制搜索(brute-force search)。在優選的實施例中，可以將該參數量化為低的比特數目。例如，用於功率分配的合理選擇可以是一比特指示符，用於兩個流「on」，或者僅僅用於一個流的「on」，另一個「off」。
根據用於每一個流的功率分配和用於每一個流的估計的SNR，該過程接下來選擇編碼方法和調製方法，如方框512所示。這可以使用將每一個SNR範圍映射到調製器-編碼器組合的查找來實現。總之，編碼和調製適於根據信道質量的每一個數據流。例如，如果高的SNR指出高的信道質量，調製器可被設定為16-QAM；否則，可以選擇QPSK調製。
最後，如方框514所示，該過程發送量化的V矩陣的指示符、每一個流的功率分配、和編碼以及調製方法到發射器。在優選的實施例中，該過程使用密碼本來指出量化的天線陣列權重集和其它的調製參數。
如圖所示，該過程結束於方框516。
再次參見圖3，發射器20使用的天線數目等於來自天線陣列信號處理器58的輸出數目。如圖3所示，天線陣列信號處理器58具有兩個輸出，輸出信號62和64。
如前面所述，可從天線發送輸出信號62和64，或者多路復用器66可以被用來選擇兩個天線來從「可用天線」的較大數目(諸如在天線陣列24中示出的4個天線振子26)中形成天線陣列。因此，在本發明的一些實施例中，存在一組可用的天線振子，從這些天線振子中可以選「可用的天線振子」的子集來形成「天線陣列」，其中，天線陣列包括實際上被用來發送多個數據流的天線振子。
雖然在圖3中的實施例示出了多路復用器66用於選擇天線，另一個實施例可以通過將信號乘以0，或者根據矩陣的元素乘以非零值來使用V矩陣來選擇天線。
為了從可用天線振子集中選擇天線振子，接收器98測量組合信道，組合信道包括在所有可用天線振子的所有成對選擇以及在接收器的所有天線振子之間的所有信道。因此，在圖3和5中，在具有4個可用天線的發射器20和具有2個接收天線的接收器98之間，組合信道測量值形成4行2列的組合信道矩陣H。
在發射器，有6種方式來從4個可用天線的集中選擇2個天線。天線陣列是用帶來最大的容量的組合信道的成對來形成的。可以用下面的式子來表示選擇s過程maxdet(I+122HiHi)---(10)]]>式中(沒有使用waterfilling)，一般功率被分配給每一個數據流，σ2是噪聲協方差，I是2×2單位陣，且H1=h11h12h21h22,]]>H2=h11h13h21h23,]]>H3=h11h14h21h24,]]>H4=h12h13h22h23,]]>H2=h12h14h22h24,]]>H3=h13h14h23h24]]>為了選擇6對中的一對，要求三個反饋比特。為了減少反饋數據更少，可以使用2比特來選擇4對中的一對。
接下來，接收器考慮發射和接收天線的所有的2×2組合，其中，有六種可能的2個發射天線和2個接收天線的組合。對於6種組合中的每一種，計算集合數據速率，其中集合數據速率是將數據流1的數據速率加上數據流2的數據速率所提供的數據速率總和。通過將集合數據速率分級，可以選擇支持最高數據速率的天線組合。
發射器20的另一個可選實施例中，天線陣列信號處理器58可以使用能產生四個輸出來驅動天線陣列中四個天線的V矩陣。但是，用以支持用於四個輸出V矩陣的天線陣列權重的反饋數據總量開始消耗掉用於反饋數據的鏈路的無法接受的比例。因此，使用兩個輸出的V矩陣來驅動從可用的四個天線組中選出的兩個天線。選出的這兩個天線支持發射器20和接收器98之中的最高集合數據速率。在從可用天線振子的較大集合中選出天線振子的發射器中，已經在降低上行反饋數據和降低下行鏈路性能之間進行了折衷。
從上述介紹中應當認識到，本發明使用多輸入多輸出射頻信道，使得在發射器和接收器之間增加數據速率成為可能。所公開的反饋方法是控制MIMO收發器的可行的解決方案。
使用MIMO射頻信道的優點包括不需要使用附加的通信資源如擴頻碼、功率和帶寬，並且不需要採用高階調製器來加倍有效的數據吞吐量的能力。換言之，採用相同的通信資源，使用相同的調製器，可通過有效地控制MIMO射頻信道來加倍吞吐量。對信道的這種有效控制包括以可以將多個數據流在接收器處相互分離開來的方式來發送它們。這種MIMO信道控制採用通過測量發射器和接收器之間的組合信道而獲得的信道的特定知識。而且，MIMO信道的適當控制允許使用線性接收器，而不是更加複雜的或者昂貴的非線性接收器。通過沿著信道特徵值發送信道向量x(即，發送z＝Vx而不是x)，可以不需要使用非線性檢測器來完整地分開兩個流。因此，使用對MIMO信道的適當控制，非線性接收器相對線性接收器不具有實質性的優點。
圖9示出了比較量化的MIMO反饋和未量化的、理想的MIMO反饋的仿真結果。由於量化，存在微小的降低。
圖10示出了上面介紹的MIMO收發系統的仿真結果。用於該仿真的密碼本可以在表1中找到。用5個反饋比特來選擇V矩陣，用4個反饋比特來選擇編碼、調製和功率分配。仿真結果表明帶有9比特的反饋的MIMO系統性能優於理論MIMO香農邊界約束4dB。注意，如果不太常用到調製器、編碼器、和功率分配的一些組合，可以將它們去除，只有較小的性能損失，這可進一步減少需要的反饋比特。
為了達到說明和描述的目的，已經在上面提供了本發明優選實施例的說明。但是不希望窮盡或者限制本發明為所公開的形式。根據上面的教導，可能進行各種修改或變化。實施例被選擇和介紹來提供對本發明的原理及其實際應用的最好理解，且允許本領域普通技術人員可利用在各個實施例中的發明，和使用各種修改來作為適於所希望的特定應用。當根據它們被公平地、合法地且合理地授權的範圍來解釋時，所有這些修改和變化落在由權利要求書所限定的本發明的範圍內。
權利要求
1.一種在多個流、多個天線接收器中的反饋方法，該方法包括步驟測量多個天線發射器和多個天線接收器之間的組合信道，以產生組合信道測量值；響應所述組合信道測量值，選擇多個天線權重集，用於所述多個天線發射器中，其中每一個天線陣列權重集與多個數據流中的一個相關；和發送描述多個天線陣列權重集的信息，用於所述多個天線發射器中。
2.根據權利要求1的所述反饋方法，其中選擇多個天線陣列權重集的步驟進一步包括選擇具有比在所述多個天線發射器的天線陣列中的多個天線振子的倒數小的互相關的多個天線陣列權重集。
3.根據權利要求1的所述反饋方法，進一步包括步驟響應所述組合信道測量值，選擇用於每一個數據流的數據速率；和發送描述所述數據速率選擇的信息，用於所述多個天線發射器。
4.根據權利要求1的所述反饋方法，進一步包括步驟發送用來描述用在所述多個天線發射器中使用的每一個數據流的質量的信息。
5.根據權利要求1的所述反饋方法，其中，選擇所述多個天線陣列權重集的步驟進一步包括步驟從具有多個預選擇的天線陣列權重集的密碼本中選擇出第一天線陣列權重集；和從所述密碼本的子集中選擇第二天線陣列權重集。
6.根據權利要求1的所述反饋方法，進一步包括步驟測量多個天線發射器和多個天線接收器之間的組合信道，以產生組合信道測量值，其中從在多個天線發射器處的M個可用天線接收導頻信號；響應所述組合信道測量值，從M個可用天線中選擇將要用在所述發射器的N個天線，其中，將使用選擇的N個天線來形成在所述多個天線發射器中的天線陣列。
7.一種在多個流、多個天線發射器中的反饋方法，該方法包括步驟將用戶數據分路以產生多個數據流；從天線陣列的每一個天線發送導頻信號；接收用於所述多個數據流的每一個的選擇天線陣列權重集的指示，其中，每一個天線陣列權重集包括與所述天線陣列的每一個天線相關的權重；使用所述選擇的天線陣列權重集，對每一個數據流進行加權以為所述天線陣列中的每一個天線產生天線信號；和發送所述天線信號，其中，所述多個數據流被發送。
8.根據權利要求7的所述反饋方法，進一步包括步驟對多個數據流的每一個進行編碼和調製，以產生調製的數據流；和使用所述選擇的天線陣列權重集，對每一個調製的數據流進行加權以為所述天線陣列中的每一個天線產生天線信號。
9.根據權利要求7的所述反饋方法，進一步包括步驟接收用於每一個數據流的選擇的數據速率的指示；正比於用於每一個數據流的所述選擇的數據速率，對數據進行分路；和使用用於每一個數據流的所述選擇的數據速率，發送多個數據流。
10.根據權利要求9的所述反饋方法，進一步包括步驟響應所述選擇的數據速率，為每一個數據流選擇編碼和調製方案；和使用用於每一個數據流的編碼和調製方案，發送多個數據流。
全文摘要
本發明使用多個輸入、多個輸出射頻信道，使得可能增加發射器和接收器之間的數據速率。多個流、多個天線接收器測量多個天線發射器和多個天線接收器之間的組合信道，以產生組合信道測量值。響應組合信道測量值，接收器選擇多個天線陣列權重集，用在多個天線發射器中，其中，每一個天線陣列權重集與多個數據流的一個相關。然後，發送描述所多個天線陣列權重集、用在多個天線發射器中的信息。
文檔編號H04B7/06GK1502180SQ02807913
公開日2004年6月2日 申請日期2002年4月5日 優先權日2001年4月7日
發明者約瑟夫·J·保特勒, 卡姆亞·羅哈尼, 羅伯特·M·哈裡森, M 哈裡森, 羅哈尼, 約瑟夫 J 保特勒 申請人:摩託羅拉公司