用於提供閉環傳輸預編碼的方法及設備的製作方法
2023-09-20 17:45:20 1
專利名稱：用於提供閉環傳輸預編碼的方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明大體而言涉及無線通信領域，且更具體而言，涉及一種用於提供閉環傳輸預編碼的方法及設備。
背景技術：
多輸入多輸出(MIMO)是指為提高性能而在無線裝置上使用多個發射器及接收器(多個天線)。當使用兩個發射器及兩個或更多個接收器時，可同時發送兩個數據流，從而使數據速率加倍。基於MIMO正交頻分多路復用(OFDM)技術的各種無線標準使用開環運行模式。在開環MIMO運行模式中，發射器並不知曉通信信道的情況。儘管開環MIMO模式實施起來可比較簡單，但是其存在性能方面的問題。開環模式的一種替代方式是閉環處理，由此將信道狀態信息自接收器提交至發射器，以對所傳輸的數據進行預編碼，從而實現更好的接收。閉環運行提供相對於開環運行得到改良的性能，儘管並非不存在代價。從接收器向發射器傳輸信道狀態信息會涉及到巨大的開銷。此外，在正交頻分多路復用(OFDM)/正交頻分多址(OFDMA)系統中——其中使不同的特徵向量與每一副載波相關聯，提供必要反饋的開銷成本甚至更高。因此，需要設計一種減少反饋的閉環運行模式，該模式應具有類似於使用全部信道狀態信息反饋所獲得的性能。
發明內容
上文所述問題在很大程度上通過一種在發射器與接收器之間提供閉環傳輸預編碼的方法及系統得到解決。定義包括一組預編碼旋轉矩陣的代碼簿。在本發明的系統及方法中，接收器確定對於每個所接收到的副載波應使用代碼簿中的哪一個預編碼旋轉矩陣。接收器向發射器發送索引，於是發射器使用所述索引來重建所選的預編碼旋轉矩陣，並使用所述預編碼旋轉矩陣對要傳輸的符號進行預編碼。
某些例示性實施例可包括一種用於在發射器與接收器之間提供閉環傳輸預編碼的方法，其包含如下步驟定義包含一組預編碼旋轉矩陣的代碼簿，以及在接收器處為所接收的每個傳輸副載波從代碼簿中確定一預編碼旋轉矩陣。在已為每個傳輸副載波確定出預編碼旋轉矩陣後，該方法包括為每個所接收的副載波向發射器發送索引，使用發送至發射器的索引在發射器處為每個副載波重建由接收器所選的預編碼旋轉矩陣，以及使用經重建的預編碼旋轉矩陣對要由發射器傳輸至接收器的信息進行預編碼。
其他例示性實施例可包括一種通信系統，該通信系統包括接收器，其包括含有一個或多個預編碼旋轉矩陣的代碼簿；及發射器，其用於使用副載波向接收器傳輸信息，其中接收器為副載波從代碼簿中確定一預編碼旋轉矩陣並向發射器發送索引，以表明發射器應為副載波使用的預編碼旋轉矩陣。
再一些例示性實施例可包括一種接收器，所述接收器包括多個天線；存儲器，其適合存儲包括一個或多個預編碼旋轉矩陣的代碼簿；及選擇邏輯，其用於根據已接收的信息從所述一個或多個預編碼旋轉矩陣中選擇一預編碼旋轉矩陣。
其他例示性實施例可包括一種接收器，所述接收器包括存儲構件，其用於存儲一個或多個預編碼旋轉矩陣；以及選擇構件，其用於根據已接收的信息從所述一個或多個預編碼旋轉矩陣中選擇一預編碼旋轉矩陣。
再一些例示性實施例可包括一種發射器，該發射器包括多個天線；存儲器，其適合存儲包括一個或多個預編碼旋轉矩陣的代碼簿；以及索引邏輯，其適合根據天線所接收的索引來選擇應使用的預編碼旋轉矩陣。
圖1為根據本發明一實施例的通信系統的方框圖。
圖2為重點說明根據本發明一實施例的閉環MIMO方法的流程圖。
圖3為重點說明根據本發明一實施例使用QPSK、速率3/4、ρ＝0.7的2×2開環MIMO相對於閉環MIMO的模擬結果的曲線圖。
圖4為重點說明根據本發明一實施例使用16-QAM、速率3/4、ρ＝0.7的2×2開環MIMO相對於閉環MIMO的模擬結果的曲線圖。
圖5為重點說明根據本發明一實施例使用64-QAM、速率3/4、ρ＝0.7的2×2開環MIMO相對於閉環MIMIO的模擬結果的曲線圖。
圖6為重點說明根據本發明一實施例使用QPSK、速率3/4、ρ＝0.2的2×2開環MIMO相對於閉環MIMO的模擬結果的曲線圖。
圖7為重點說明根據本發明一實施例使用16-QAM、速率3/4、ρ＝0.2的2×2開環MIMO相對於閉環MIMO的模擬結果的曲線圖。
圖8為重點說明根據本發明一實施例使用16-QAM、速率、ρ＝0.2的2×2開環MIMO相對於閉環MIMO的模擬結果的曲線圖。
圖9為重點說明根據本發明一實施例使用QPSK、速率3/4、ρ＝0.7的4×4開環MIMO相對於閉環MIMO的模擬結果的曲線圖。
圖10為重點說明根據本發明一實施例使用16-QAM、速率3/4、ρ＝0.2的4×4開環MIMO相對於閉環MIMO的模擬結果的曲線圖。
圖11為重點說明根據本發明一實施例使用QPSK、速率3/4、ρ＝0.7的2×2開環MIMO相對於4×2閉環MIMO的模擬結果的曲線圖。
圖12為重點說明根據本發明一實施例使用16-QAM、速率3/4、ρ＝0.7的2×2開環MIMO相對於4×2閉環MIMO的模擬結果的曲線圖。
圖13為重點說明根據本發明一實施例使用64-QAM、速率3/4、ρ＝0.2的2×2開環MIMO相對於4×2閉環MIMO的模擬結果的曲線圖。
圖14為重點說明根據本發明一實施例的各種MIMO模式的閉環性能的表格。
圖15顯示根據本發明一實施例的通信系統的圖式。
具體實施例方式
在本發明的一個實施例中，說明一種閉環MIMO傳輸方法，其中使用一組有限的預定義么正旋轉矩陣對所傳輸的符號進行預編碼。這組矩陣屬於接收器及發射器均知曉的代碼簿。在給定所接收數據的情況下，接收器為每個OFDM/OFDMA副載波確定會產生最好性能的最佳旋轉矩陣。接收器將一個或多個最佳旋轉矩陣的一個或多個索引傳輸給發射器，在該發射器中重建這一(這些)矩陣並使用其對所傳輸的符號進行預編碼。由於在基本代碼簿中具有極少數量的旋轉矩陣，因而所涉及的反饋量比將整組信道係數從接收器發回至發射器時要少。
考慮如圖1所示具有P個發射天線以及Q個接收天線的MIMO OFDM設置。在圖1中顯示通信系統100，通信系統100包括具有Q個天線的接收器、以及具有P個天線的發射器，Q維基帶接收信號向量r＝[r1，r2，Λ，rQ]T108表示為r=p=1phpsp+w=Hs+w,]]>其中hi＝[h1i，h2i，Λ，hQi]T是一包含從第i個發射器至Q個接收器的信道係數的Q維向量， 是Q×P階信道矩陣，s＝[s1，s2，Λ，sp]T106是P維傳輸信號向量，且w＝[w1，w2，Λ，wQ]T是方差為σ2的零均值噪聲的Q維向量。可使用最佳最大似然性方法或次佳方法來處理所接收的信號，例如使用迫零法或線性最小均方差處理。
向量s表示為s＝Vd，其中d＝[d1，d2，Λ，dR]T104是待傳輸的符號的R維向量，V是P×R階預編碼旋轉矩陣102，且R是傳輸數據流的數量。引入該記法的原因是在同一框架中處理閉環和開環選項具有增大的靈活性。該記法也允許考慮具有小於或等於發射天線數量的傳輸數據流的情況。對於開環情況，V只是一階P×P單位矩陣。有效(旋轉)信道矩陣因此表示為Hr＝HV。
如果在發射器處可得到理想的信道狀態信息，則可用矩陣HHH的特徵向量V對所傳輸的符號進行預編碼，其中(·)H表示共軛轉置。在此種情況下，可在接收器處將所傳輸的符號分離，從而獲得容量。然而，自接收器向發射器傳輸全部信道狀態信息從開銷方面來說代價太高而不可行。
根據本發明的一實施例，發送全部信道狀態信息的一替代方式是定義一包含有限的一組N個么正旋轉矩陣的代碼簿。該代碼簿對於發射器及接收器來說均是已知的。根據一使處理後的信噪比(SNR)最大化的量度，接收器為每個OFDM副載波從代碼簿確定一預編碼旋轉矩陣。然後將該矩陣的索引經由反饋路徑(在圖1中顯示為114)發送至發射器，在反射器中重建同一矩陣並用其來對所傳輸的符號進行預編碼。
如圖1中包括接收器及發射器的通信系統所示，該運行僅要求由方框110對於每一OFDM副載波(頻調)沿反饋路徑114反饋log2N個位。方框110也執行信道估計、符號檢測以及旋轉矩陣的選擇。例如，如果該組具有8個旋轉矩陣，則對於每一副載波發回3位。方框110可包括選擇邏輯以及適合其他目的的邏輯，例如信道估計和符號檢測，所述選擇邏輯用於根據已接收的信息從所述一個或多個預編碼旋轉矩陣中選擇預編碼旋轉矩陣。
例如，本文首先來看2×2(兩個發射天線/兩個接收天線)的情景，然後是一般的P×Q實例，其中P＝Q＞2。本文的論述也將顯示2×2是能夠使用單個統一框架來處理所有MIMO情形的一般化P×Q MIMO情形的特例。也將論述具有2個傳輸流及4個發射天線的4×2 MIMO系統的設計。對於所有方案，還將論述代碼簿的設計以及其大小對於根據本發明不同實施例的閉環方案的性能增益的影響。
2×2 MIMO的情形對於2×2MIMO，以用V表示為如下形式的一組N個旋轉矩陣來定義代碼簿VN1n2+n1=ejn2cosn1-ejn2sinn1sinn1cosn1,]]>其中，n2=2n2N2,n2=0,1,...,N2-1]]>n1=n12N1,n1=0,1,...,N1-1]]>及N＝N1N2。
應注意，對於每一副載波，旋轉矩陣的索引可僅每一幀從接收器向發射器發送一次。這是假設在幀持續時間內，信道保持為靜態。
P×Q(P＝Q)MIMO的情形考慮一般的P×Q情形，其中P＝Q＞2。通過按下式將一P(P-1)/2吉文斯(Givens)旋轉序列應用於信道矩陣來產生實么正旋轉V=i=1P-1k=i+1PG(i,k,),]]>其中吉文斯旋轉矩陣表示為
其中c＝cos(θ)且s＝sin(θ)。由於G(i，k，θ)是正交的，因而所得到的旋轉矩陣V(θ)是么正矩陣。
注意，上述乘積中的每一吉文斯旋轉均可與一不同的旋轉角度相關聯。
例如，在P＝Q＝3時，V(θ1，θ2，θ3)是3個吉文斯旋轉的乘積，如下所示V(θ1，θ2，θ3)＝G(1，2，θ1)G(1，3，θ2)G(2，3，θ3)。
如在2×2情形中一樣，對吉文斯旋轉角度進行量化，以形成一由么正矩陣形成的代碼簿。例如，對於3×3情景而言，將經量化的一組N個旋轉矩陣表示為VN1N2n2+N1n3+n1=G(1,2,n1)G(1,3,n2)G(2,3,n3),]]>其中n1=n12N1,n1=0,1,...,N1-1,]]>n2=n22N2,n2=0,1,...,N2-1,]]>n3=n32N3,n3=0,1,...,N3-1,]]>以及N＝N1N2N3。
該情形的反饋位數等於log2N個位。如果將每一旋轉量化成4個角度，則(N1，N2，N3)＝(4，4，4)，從而總共產生N＝64個么正旋轉矩陣。這意味著每個OFDM副載波產生6位的反饋。對最佳旋轉矩陣的選擇類似於2×2情形，並將在下文中進一步論述。
根據上文的論述，可了解到，用於產生P×Q階么正矩陣的吉文斯旋轉方法可擴展至更高的MIMO配置。例如，對於4×4系統，矩陣V是P(P-1)/2＝6次吉文斯旋轉的乘積。此外，應注意，2×2系統是吉文斯旋轉的特例，其中只採用一次旋轉。
4×2 MIMO的情形對於具有2個傳輸流的4個發射天線，發射器被分成兩個2-發射天線單元。每一單元此時傳輸一個數據流。一2×1預編碼向量與每一數據流相關聯。所得到的兩個向量組合形成如下所示的預編碼矩陣VVN1n2+n1=wn100wn2,]]>
其中wn1=1ej(/4+2n1/N1),n1=0,...,N1-1,]]>wn2=1ej(/4+2n2/N2),n2=0,...,N2-1,]]>且N＝N1N2。
旋轉矩陣的選擇旋轉矩陣的選擇取決於用於恢復所傳輸源符號的接收器的類型。在本發明的一個實施例中，使用迭代性最小均方差(IMMSE)接收器，其用於以處理後信噪比(SNR)遞減的順序檢測所傳輸的符號；即，最「可靠的」符號首先得到檢測並從所接收的信號中去除，然後估計可靠性遞減的符號。本發明可用於其他類型的接收器。P個接收符號流的MMSE處理後SNR如下所示SNRi=hiH(j=1PjihjhjH+2I)-1hi,i=1,...,P,]]>其中hi是信道矩陣H的第i列，且I是P×P階單位矩陣。上述SNR值是針對開環傳輸計算的。
為給OFDM符號中的每一頻調挑選最好的旋轉矩陣，計算基本組中每一么正旋轉矩陣的處理後SNR。將經旋轉的信道矩陣定義為Hnr=HVn,n=0,1,...,N-1,]]>然後將每一情形中的處理後SNR表示為SNRn,ir=hn,irH(j=1Pjihn,jrhn,jrH+2I)-1hn,ir,i=1,...,P;n=0,...,N-1.]]>在這P個接收流中，選擇最小的SNR值，並在旋轉矩陣的所有可能性上將其最大化。在數學上，旋轉矩陣的選擇可描述為Vnopt=argmaxn(mini(SNRn,ir)).]]>上述運算確保最小的處理後SNR在所有可能的選擇上的最大化。注意，對於IMMSE處理，在每次估計信號並將信號從接收信號中減去時，幹擾項 均變小。
現在參考圖2，其顯示一重點說明根據本發明一個實施例的一種用於提供閉環傳輸預編碼的方法的流程圖。在202中，定義包括如前面所述的一組么正旋轉矩陣的代碼簿。該代碼簿對於接收器及發射器二者而言均已知。在204中，接收器為每一OFDM副載波從代碼簿中確定一個預編碼旋轉矩陣。在206中，接收器將每一副載波的索引經由反饋路徑發送至發射器。而在208中，根據所發送的索引對旋轉矩陣進行重建，且使用所重建的旋轉矩陣對將要傳輸的符號進行預編碼。
在圖15中，顯示一採用本發明的閉環方案的通信系統500的例示性實例。以Wi-Fi電路506的形式包含無線互連能力的通信裝置(例如膝上型計算機502)與存取點(又稱為熱點等等)504進行通信。儘管圖中顯示使用Wi-Fi通信塊(例如無線通信卡)，但是其他通信標準也可與本發明的閉環技術結合使用。在一個實施例中，代碼簿存儲在膝上型計算機502及存取點504中，或者在另一例示性實例中，存儲在存取點控制器中，該存取點控制器可位於遠離存取點504的位置處。
模擬結果為驗證根據本發明一實施例提出的閉環方法的潛力，採用IMMSE接收器對各種基帶MIMO OFDM系統配置執行了數字模擬。為進行模擬，考慮了OFDM符號中的768個數據頻調，其在發射器/接收器處採用1024-點快速傅立葉逆變換/快速傅立葉變換(IFFT/FFT)。幀持續時間設定成5毫秒，且對信道狀態信息的反饋使用2個幀的延遲。使用卷積編碼進行前向糾錯，並採用迭代性最小均方差(IMMSE)接收器對所傳輸的符號進行解碼。
在模擬中以3km/hr的車速使用國際電信聯盟(ITU)戶外-戶內行人(OIP-B)信道。試驗中使用了發射天線相關性ρ＝0.2或ρ＝0.7。對於所執行的所有模擬，均在接收器處假定理想地知曉信道情況。下文針對每一MIMO配置來討論幀誤差率(FER)結果，其中將開環性能與閉環性能進行對比來測定增益。
2×2模擬的情形在圖3-8中顯示使用不同調製模式的2×2MIMO的各種模擬結果。應注意，(N1，N2)＝(4，1)對應於每一副載波2位的反饋。在圖3中，顯示2×2開環MIMO 302相對於根據本發明一實施例的閉環MIMO 304之間的性能對比。所用的調製為正交相移鍵控(QPSK)，速率為3/4且發射天線相關性為ρ＝0.7。在圖4中，顯示一說明2×2開環MIMO 402相對於根據本發明一實施例的閉環MIMO的性能對比的模擬。所用的調製為16正交調幅(16-QAM)，速率為3/4，ρ＝0.7。
現在參考圖5，其顯示2×2開環MIMO 502相對於根據本發明一實施例的閉環MIMO的性能對比的模擬結果。圖5中的模擬使用64-QAM，速率為3/4且ρ＝0.7。在圖6中，顯示重點說明2×2開環MIMO 602與根據本發明一實施例的閉環MIMO 604之間的性能對比的另一模擬。所用的調製為QPSK，速率為3/4且ρ＝0.2。在圖7中，顯示使用16-QAM、速率3/4及ρ＝0.2對2×2開環MIMO 702相對於閉環MIMO 704進行性能對比的模擬。在圖8中，顯示重點說明使用16-QAM、速率及ρ＝0.2的2×2開環MIMO 802相對於閉環MIMO 804的另一模擬結果。
4×4模擬結果的情形對於下文所示的4×4模擬結果，反饋要求為每一副載波6位。在圖9中所示的曲線圖重點說明4×4開環MIMO設計902與根據本發明一實施例的閉環MIMO設計904的性能對比。該模擬採用QPSK，速率3/4及ρ＝0.7執行。在圖10中，顯示將4×4開環MIMO設計1002相對於根據本發明一實施例的閉環MIMO 1004進行對比的模擬結果。在該模擬中採用16-QAM，速率3/4及ρ＝0.2。
4×2模擬結果的情形在圖11-13中對比4×2閉環MIMO與2×2開環模式的性能。參數組(N1，N2)＝(2，2)意味著反饋為每一副載波2位，而(N1，N2)＝(4，4)對應於反饋為每一副載波4位。在圖11中，將2×2開環MIMO 1102的性能與4×2閉環MIMO進行對比，其中曲線1104表示N1＝2及N2＝2的設計，且曲線1106為N1＝4及N2＝4的閉環設計。該模擬採用QPSK，速率3/4及ρ＝0.7來執行。在圖12中顯示2×2開環MIMO 1202相對於根據本發明一實施例的由曲線1204表示的4×2閉環MIMO的性能對比。閉環參數設定成N1＝2及N2＝2。在該模擬中，使用QAM調製且速率3/4及ρ＝0.7。最後，在圖13中，顯示使用QAM調製、速率3/4及ρ＝0.2的2×2開環MIMO 1302相對於4×2閉環MIMO1304進行性能對比的模擬。閉環MIMO具有N1＝2及N2＝2。在圖14所示的表格中歸納上文所考慮的不同MIMO模式的閉環性能。該表格還列示每種情形所要求的反饋位數。
本發明所提出的MIMO閉環方案需要最小的反饋，並使增益相對於對應的MIMO開環模式得到改良。正如所預期的一樣，對於更高的天線相關性，會獲得更大的增益；同時，使用更多的發射/接收天線也會使增益增大。可以採用頻率內插來進一步降低在閉環方法中的反饋要求。然而，只有當分配給用戶的OFDMA副載波在頻帶上連續排列時，內插才起作用。因此，其應用僅限於某些幀結構。
儘管已經說明並闡述了本發明的較佳實施例，但顯然本發明並非僅限於此。熟習此項技術者將能在不脫離隨附權利要求書所囊括的本發明範圍的情況下，想出許多修改、改動、變化、替代及等效形式。
權利要求
1.一種用於在發射器與接收器之間提供閉環傳輸預編碼的方法，其包括定義包括一組預編碼旋轉矩陣的代碼簿；在所述接收器處為所接收的每一傳輸副載波從所述代碼簿中確定一預編碼旋轉矩陣；針對所接收的每一副載波向所述發射器發送索引；使用發送至所述發射器的所述索引，在所述發射器處重建由所述接收器為每一副載波選擇的所述預編碼旋轉矩陣；及使用所述重建的預編碼旋轉矩陣對將由所述發射器傳輸給所述接收器的信息進行預編碼。
2.如權利要求1所述的方法，其中發送所述索引包括發送具有log2N位長度的索引，其中N為在所述代碼簿中找到的預編碼旋轉矩陣的數量。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中所述發射器及接收器形成2×2MIMO系統，且所述代碼簿包括由V表示的一組N個預編碼旋轉矩陣，其中VN1n2+n1=ejn2cosn1-ejn2sinn1sinn1cosn1,]]>其中，n2=2n2N2,n2=0,1,...,N2-1]]>且n1=n12N1,n1=0,1,...,N1-1]]>N＝N1N2。
4.一種通信系統，其包括接收器，其包括含有一個或一個以上預編碼旋轉矩陣的代碼簿；及發射器，其使用副載波向所述接收器傳輸信息；其中所述接收器為所述副載波從所述代碼簿中確定預編碼旋轉矩陣，並向所述發射器發送索引以表明所述發射器應對所述副載波使用的所述預編碼旋轉矩陣。
5.如權利要求4所述的通信系統，其中所述接收器針對從所述發射器接收的每一副載波向所述發射器發送索引；且其中所述索引具有log2N位的長度，其中N是在所述代碼簿中找到的預編碼旋轉矩陣的數量。
6.一種接收器，其包括多個天線；存儲器，其適合存儲包括一個或一個以上預編碼旋轉矩陣的代碼簿；及選擇邏輯，其用於根據已接收的信息從所述一個或一個以上預編碼旋轉矩陣中選擇預編碼旋轉矩陣。
7.如權利要求6所述的接收器，其中所述天線進一步適合發送索引，以通知發射器由所述接收器選擇的要使用的所述預編碼旋轉矩陣；且其中所述接收器針對所述發射器所使用的每一副載波發送索引。
8.一種發射器，其包括多個天線；存儲器，其適合存儲包括一個或一個以上預編碼旋轉矩陣的代碼簿；及索引邏輯，其適合根據所述天線所接收的索引來選擇應使用哪一預編碼旋轉矩陣。
全文摘要
本發明揭示一種用於在發射器與接收器之間提供閉環傳輸預編碼的方法，其包括定義包含一組么正旋轉矩陣的代碼簿(202)。接收器為已接收的每一副載波從代碼簿中確定應使用哪一預編碼旋轉矩陣(204)。接收器向發射器發送索引(206)，其中發射器使用所述索引重建預編碼旋轉矩陣，並使用所述預編碼旋轉矩陣對將傳輸的符號進行預編碼(208)。同時還說明一種採用這種閉環技術的設備。
文檔編號H04J11/00GK101036332SQ200580034196
公開日2007年9月12日 申請日期2005年8月17日 優先權日2004年8月17日
發明者穆罕默德·Z·伊克拉姆, 埃科·N·翁戈薩努西, 瓦桑坦·拉加萬, 阿南德·G·達巴克, 斯利納特·豪蘇爾, 巴德裡納拉耶南·瓦拉達拉詹 申請人:德州儀器公司