在通信系統中傳送信息的方法和系統的製作方法
2023-04-25 03:19:36
專利名稱：在通信系統中傳送信息的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信，更具體地，本發明涉及一種在閉環多進多出(MIMO)無線區域網(WLAN)系統中實現編碼率選擇算法以最大化吞吐量的方法和系統。
背景技術：
電氣和電子工程師協會(IEEE)在IEEE 802.11決議(又稱為802.11)中，定義了多個涉及無線網絡的規範。利用當前存在的802.11標準，如802.11(a)(b)(g)，可以支持2.4GHz或5GHz頻帶中最高54Mbps的數據傳輸率，IEEE標準組建立了一個新的課題組802.11n，以支持高於100Mbps的數據傳輸率。其中被討論的規範包括接收基站可以反饋信息至發射基站以幫助發射基站調整發射到接收基站的信號的閉環反饋機制。在閉環反饋系統中，發射基站可利用接收基站的反饋信息發射後來的信號，稱為波束賦形(beamforming)。波束賦形是一種驅使信號至某一特定方向以便於接收器更可靠地接收該信號，具有較低的噪音和幹擾。為了符合新特性和性能的需求，出現了各種新的基於802.11n的反饋機制提案，以滿足新特性和性能的需求，使接收移動終端能夠反饋相關的信息給發射移動終端。相關信息的反饋可使發射移動終端能夠基於接收移動終端提供的反饋信息調整其發射模式。通信系統的主要目標是使發射移動基站與接收移動終端間能達到更高的信息傳輸率，同時實現更低的誤包率(PER)。儘管如此，目前尚沒有合適的解決這些缺點並滿足WLAN內對這些新特徵和性能的需求的方法。
比較本發明以下結合附圖介紹的系統後，現有的和傳統的方法的進一步局限性和缺點對於本領域的技術人員來說是很明顯的。
發明內容
本發明提供一種增加閉環MIMO WLAN系統內的吞吐量的方法和系統，以下將結合至少一副附圖和實施例對本發明進行詳細描述。
根據本發明的一個方面，提供一種在通信系統中傳送信息的方法，所述方法包括基於多個接收RF信道中至少一個信道的信號質量，計算將通過多個RF信道中至少一個信道同時傳送的二進位比特的最大數量；基於所述計算出的二進位比特最大數量選擇調製技術；通過所述多個RF信道中所述至少一個RF信道與一個上行信道兩者中的一個傳送包括有所述選擇的調製技術的反饋信息；通過所述多個RF信道中所述至少一個RF信道接收之後發送的已基於所述反饋信息進行調製的數據。
優選地，所述計算的二進位比特的最大數量基於所述多個接收RF信道中所述至少一個RF信道的至少一個誤包率來確定。
優選地，所述方法進一步包括基於至少一個信噪比確定所述調製技術和編碼率組合的範圍。
優選地，所述方法進一步包括將所述調製技術和編碼率組合以及所述至少一個信噪比表示為查詢表。
優選地，所述方法進一步包括基於至少一個誤包率選擇至少一個所述調製技術和所述編碼率組合。
優選地，所述方法進一步包括通過所述多個RF信道中的至少一個RF信道與所述上行信道兩者中的所述一個信道，傳送所述反饋信息，所述反饋信息包括有所選擇的至少月個編碼技術和編碼率組合。
優選地，所述信號質量包括信噪比。
根據本發明的一個方面，提供一種在通信系統中傳送信息的系統，所述系統包括接收解調控制處理器，用於基於多個接收RF信道中至少一個信道的信號質量，計算將通過多個RF信道中至少一個信道同時傳送的二進位比特的最大數量；所述接收解調控制處理器基於所述計算出的二進位比特最大數量選擇調製技術；至少一個發射天線前端，通過所述多個RF信道中所述至少一個RF信道與上行信道兩者之一傳送包括有所述選擇的調製技術的反饋信息；至少一個接收天線前端，通過所述多個RF信道中所述至少一個RF信道接收之後發送的已基於所述反饋信息進行調製的數據。
優選地，所述計算的二進位比特的最大數量基於所述多個接收RF信道中所述至少一個RF信道的至少一個誤包率來確定。
優選地，所述系統進一步包括至少一個處理器，基於至少一個信噪比確定所述調製技術和編碼率組合的範圍。
優選地，所述述至少一個處理器將所述調製技術和編碼率組合以及所述至少一個信噪比表示為查詢表。
優選地，所述述至少一個處理器基於至少一個誤包率選擇至少一個所述調製技術和所述編碼率的組合。
優選地，所述發射天線前端通過所述多個RF信道中的至少一個RF信道與所述上行信道兩者中的所述一個信道，傳送所述反饋信息，所述反饋信息包括有所選擇的至少月個編碼技術和編碼率組合。
優選地，所述信號質量包括信噪比。
根據本發明的一個方面，提供一種在多進多出通信系統中傳送信息的方法，所述方法包括通過多個接收RF信道與一個上行信道兩者中的一個接收包括有選定的調製技術和編碼率兩者中至少一個的反饋信息；通過所述多個RF信道發送之後的已基於所述反饋信息進行調製和編碼兩者中至少一個的數據。
優選地，所述方法進一步包括基於計算出的通過所述多個RF信道同時發射的二進位比特最大數量和所述上行信道與下行信道兩者之一的至少一個誤包率、至少一個計算出的吞吐率以及至少一個信噪比，選擇調製技術。
優選地，所述方法進一步包括基於所述上行信道和下行信道兩者之一的至少一個誤包率、至少一個計算出的吞吐率以及至少一個信噪比，確定調製技術和編碼率組合的範圍。
優選地，所述方法進一步包括通過所述多個RF信道和一個下行信道兩者中的一個信道傳送包括有選擇的所述調製技術和編碼率中至少一個的信息。
根據本發明的一個方面，提供一種在多進多出通信系統中傳送信息的系統，所述系統包括至少一個發射天線前端，通過多個接收RF信道與一個上行信道兩者中的一個接收包括有選定的調製技術和編碼率兩者中至少一個的反饋信息；至少一個接收天線前端，通過所述多個RF信道發送之後的已基於所述反饋信息進行調製和編碼兩者中至少一個的數據。
優選地，所述系統進一步包括發射調製控制處理器，基於計算出的通過所述多個RF信道同時發射的二進位比特最大數量和所述上行信道與下行信道兩者之一的至少一個誤包率、至少一個計算出的吞吐率以及至少一個信噪比，選擇調製技術。
優選地，所述系統進一步包括至少一個處理器，基於所述上行信道和下行信道兩者之一的至少一個誤包率、至少一個計算出的吞吐率以及至少一個信噪比，確定調製技術和編碼率組合的範圍。
優選地，所述發射天線前端通過所述多個RF信道和一個下行信道兩者中的一個信道傳送包括有選擇的所述調製技術和編碼率中至少一個的信息。
本發明的優點、目的和新特性以及實施例的細節，可以通過接下來的闡述和附圖進行全面了解。
圖1是根據本發明一個實施例MIMO系統內的發射器和接收器的框圖；
圖2是根據本發明一個實施例MIMO系統中採用自適應調製的發射器和對應的採用自適應解調的接收器的框圖；圖3是根據本發明一個實施例MIMO系統中採用自適應調製和編碼的發射器以及對應的採用自適應解調和解碼的接收器的框圖；圖4是根據本發明一個實施例1×1系統的誤包率(PER)對比信噪比(SNR)的示意圖；圖5是根據本發明一個實施例作為調製和編碼率選擇的函數的吞吐量的示意圖；圖6是根據本發明一個實施例開環和自適應系統內的吞吐量對比信噪比的示意圖；圖7a是根據本發明一個實施例實現自適應編碼系統的方法的流程圖；圖7b是根據本發明一個實施例實現自適應調製和編碼系統的方法的流程圖；圖7c是根據本發明一個實施例實現基於發射器的自適應編碼系統的方法的流程圖；圖7d是根據本發明一個實施例實現基於發射器的自適應調製和編碼系統的方法的流程圖。
具體實施例方式
本發明提供一種在閉環MIMO WLAN系統內實現編碼率選擇算法以最大化吞吐量的方法和系統，在閉環系統中採用自適應調製或自適應調製與編碼技術。
根據本發明的一個實施例，關於信道信息方面，MIMO系統可更有效地利用信道。例如，具有較高信噪比的RF信道相對於具有較低信噪比的RF信道可以支持更高的數據傳輸率。特徵波束賦形或波束賦形可用於系統內，支持從接收器到發射器(或閉環系統)的反饋信息的交換，以驅使電子束將信號能量集中在期望的方向上。任何由發射器用於與接收器傳送信息的RF信道均稱作下行信道，任何由接收器用於與發射器傳送信息的RF信道均稱作上行信道。
自適應調製和編碼率技術可與波束賦形技術一起使用，以使包括不同數據量的多個信號或信號流可同時傳送。調製和/或編碼率可以有效的根據每個數據流進行選擇，並可基於信道信息對兩者或兩者之一進行修改。根據本發明的一個方面，可以基於每個數據流選擇調製和/或編碼率方案，以最大化通過多個RF信道傳送的信息的總體信息傳輸率，同時最小化其誤包率。例如，這需要計算每個RF信道的信噪比性能，並基於該信噪比性能和數據傳輸率最大化標準對每個RF信道的調製和/或編碼方案進行調整。一般來說，信號質量的測量包括，例如信噪比和誤包率。
圖1是根據本發明一個實施例MIMO系統內的發射器和接收器的框圖。如圖1所示為發射器100和接收器101。發射器100包括編碼模塊102、收縮處理(puncture)模塊104、交錯器模塊106、多個映射器模塊108a、...、108n、多個快速傅立葉逆變換(IFFT)模塊110a、...、110n、波束賦形V矩陣模塊112以及多個數模轉換和天線前端模塊114a、...、114n。接收器101包括多個天線前端和模數轉換模塊116a、...、116n、波束賦形U*矩陣模塊118、多個快速傅立葉(FFT)變換模塊120a、...、120n、信道估算模塊122、多個均衡器模塊124a、...、124n、多個解映射模塊126a、...、126n、解交錯模塊128、解收縮處理模塊130以及維特比(Viterbi)解碼器模塊132。
波束賦形模塊112和118中的矩陣V和U*為波束賦形技術中採用的矩陣。申請日為2005年2月7日的美國專利申請＿＿＿＿(代理案號為16307US02)提供有對特徵波束賦形的詳細描述，在此全文引用該申請。
在發射器100內，編碼模塊102可以採用前向糾錯(FEC)技術(例如，二進位卷積編碼(BCC))轉換接收的二進位輸入數據塊。信道編碼技術如FEC的應用，可以改進在接收器中成功地復原發射的數據的能力，這通過在數據通過RF信道發射前對輸入數據添加冗餘信息來實現。二進位輸入數據塊中的比特數與轉換後的數據塊中的比特數的比值即為編碼率。該編碼率可寫作ib/tb，其中tb代表包括一組編碼比特的總比特數，ib代表該組比特中包含的信息位的數量。(tb-ib)個比特均為冗餘位，該冗餘位可以使接收器101能夠檢測和糾正發射過程中引入的錯誤。增加冗餘位的數量可以增強接收器檢測和糾正信息位錯誤的能力。
收縮處理模塊104可以從編碼模塊102中接收轉換後的二進位輸入數據塊，並通過從接收的轉換後二進位輸入數據塊中移除多餘位來改變編碼率。例如，如果編碼模塊102執行的編碼率為1/2，從編碼模塊102中接收的4比特的數據包括2個信息位和2個冗餘位。通過移除該4個比特中的1個冗餘位，收縮處理模塊104可將編碼率從1/2調整至2/3。在通過RF信道發射前，交錯器模塊106可以對從收縮處理模塊104接收的編碼率調整後的數據塊內的比特進行重新排列，以降低在通過RF信道發射的過程中因突發錯誤造成不可糾錯的數據的可能性以及對鄰接位的影響。交錯器模塊106的輸出還可以被分成多個數據流，其中每個數據流包括有接收的編碼率調整後數據塊的比特的一個非重疊部分。因此，對於編碼率調整後數據模塊內給定的比特數量bdb，交錯器模塊106輸出的給定數量的數據流nst，以及由交錯器模塊106分配給單個數據流i的給定數量的比特bst(i)，bdb=i=1nstbst(i)]]>(等式1)多個映射器模塊108a、...、108n包括一定數量單獨的映射器模塊，其數量等於交錯器模塊106生成的單個數據流的數量。每個映射器模塊108a、...、108n可從對應的單個數據流中接收多個比特，採用基於群集的調製技術將所述多個比特轉換成代表符號的信號電平，從而將這些比特映射進符號內。該符號的表示可以是一個復量，包括同相(I)和正交(Q)分量。為數據流I進行映射的映射器模塊108a、...、108n可利用調製技術將多個比特bst(i)映射為符號。
多個IFFT模塊110a、...、110n接收來自多個映射器模塊108a、...、108n的符號，其中每個IFFT模塊如110a，可以從對應的映射器模塊如108a接收符號。每個IFFT模塊110a、...、110n可以將RF信道的帶寬細分為n個子帶頻率以實現正交頻分復用(OFDM)，緩存多個接收的等於子帶數量的符號。每個被緩存的符號可以由基於一個子帶頻率的載波信號進行調製。然後，每個IFFT模塊110a、...、110n對整個頻率子帶中各自對應的緩存的和調製的符號進行單獨相加以實現n點IFFT，從而生成複合OFDM信號。
波束賦形V矩陣模塊112可以對IFFT模塊110a、...、110n產生的所述多個複合OFDM信號或空間分布模型應用束波賦形技術。波束賦形V矩陣模塊112可以產生多個信號，其中產生的信號的數量等於發射器100的發射天線的數量。波束賦形V模塊112產生的多個信號中的每個信號包括有從IFFT模塊110a、...、110n接收到的至少一個複合OFDM信號的加權和。多個數模轉換和天線前端模塊114a、...、114n接收由波束賦形V矩陣模塊112產生的所述多個信號，並將從波束賦形V矩陣模塊112產生的數位訊號轉換為可以通過天線放大和發送的模擬RF信號。多個模數轉換和天線前端模塊114a、...、114n的數量與發射器100中發射天線的數量相同。每個數模轉換和天線前端模塊114a、...、114n可從波束賦形V矩陣模塊112中接收所述多個信號中的一個信號，並可利用天線通過RF信道發射一個RF信號。
在接收器101中，多個天線前端和模數轉換模塊116a、...、116n通過天線接收模擬RF信號，將該RF信號轉換為基帶頻率，並生成所述接收的模擬基帶信號的等效數位訊號。該數位訊號可以是復量，包括I和Q分量。天線前端和模數轉換模塊116a、...、116n的數量可與接收器101的接收天線數量相同。波束賦形U*模塊118可對從所述多個天線前端和模數轉換模塊116a、...、116n接收的多個數位訊號應用束波賦形技術。波束賦形U*模塊118可以生成多個信號，其中所生成的信號的數量與發射器100中生成該信號使用的數據流的數量相等。束波賦形U*模塊118產生的多個信號中的每個信號包括有從天線前端和模數轉換模塊116a、...、116n接收到的至少一個數位訊號的加權和。多個FFT模塊120a、...、120n從波束賦形U*模塊118中接收多個信號或空間分布模型。多個FFT模塊120a、...、120n的數量與束波賦形U*模塊118中產生的信號的數量相等。每個FFT模塊120a、...、120n可從波束賦形U*模塊118中接收信號，單獨地對其應用n點FFT技術，並由基於發射器100採用的n個子帶頻率的多個載波信號對該信號進行解調。解調後的信號可以在一個子帶頻率周期上由每個FFT模塊120a、...、120n對之進行數學積分，以提取出包含在接收器101接收的每個OFDM信號中的n個符號。
信道估算模塊122可利用包含在接收的RF信號中的前導碼信息計算信道的估計值。多個均衡器模塊124a、...、124n接收由多個FFT模塊120a、...、120n生成的符號。多個均衡器模塊124a、...、124n的數量等於FFT模塊120a、...、120n的數量。每個均衡器模塊124a、...、124n可從一個FFT模塊120a、...、120n中接收信號，基於信道估算模塊122的輸入單獨地處理該信號，以復原發射器100生成的原始符號。每個均衡器模塊124a、...、124n包括有適當的邏輯、電路和/或編碼，用於對從FFT模塊120a、...、120n接收到的符號進行轉換以補償RF信道中的衰減。多個解映射模塊126a、...、126n可接收來自多個均衡器模塊124a、...、124n的符號。解映射模塊126a、...、126n中每個解映射模塊可採用基於發射器100生成符號使用的調製技術的解調技術，將每個符號反向映射為多個比特。多個解映射模塊126a、...、126n的數量可與均衡器模塊124a、...、124n的數量相等，也可以與發射器100內的數據流的數量相等。
解交錯模塊128可從每個解映射模塊126a、...、126n接收多個比特，並對所述多個比特進行重新排序。例如，解交錯模塊128可以按照發射器100中的交錯器106使用的順序的反向順序對多個解映射模塊126、...、126n生成的比特進行重新排序。解收縮處理模塊130將已由收縮處理模塊104移除的空位插入從解交錯模塊128接收的輸出數據塊內。維比特解碼器模塊132採用可將輸入給編碼模塊102的二進位數據塊復原的解碼技術對已進行解收縮處理的輸出數據塊進行解碼。
圖2是根據本發明一個實施例MIMO系統中採用自適應調製的發射器和對應的採用自適應解調的接收器的框圖。參考圖2所示為發射器200和接收器201。發射器200包括發射調製控制模塊236及如圖1中發射器100內的多個模塊，即編碼模塊102、收縮處理模塊104、交錯器模塊106、多個映射器模塊108a、...、108n、多個IFFT模塊110a、...、110n、波束賦形V矩陣模塊112以及多個數模轉換和天線前端模塊114a、...、114n。接收器201包括接收解調控制模塊234及圖1中接收器101內的多個模塊，即多個天線前端和模數轉換模塊116a、...、116n、波束賦形U*矩陣模塊118、多個FFT模塊120a、...、120n、信道估算模塊122、多個均衡器模塊124a、...、124n、多個解映射模塊126a、...、126n、解交錯模塊128、解收縮處理模塊130以及維特比解碼器模塊132。發射調製控制模塊236可控制發射器200使用的調製技術的選擇。接收解調控制模塊234可控制接收器201使用的解調技術的選擇。在工作過程中，發射調製控制模塊236可對每個映射模塊108a、...、108n分別基於每個數據流應用的調製技術進行控制。接收解調控制模塊234可對每個解映射模塊126a、...、126n分別基於每個數據流應用的解調技術進行控制。
在工作過程中，映射模塊108a、...、108n的基於每個數據流的控制可控制分配給一個或多個數據流的比特數量bst(i)，以確保多個數據流中的比特總數量等於編碼率調整後的數據塊中的總比特數量bdb，如等式1所示。
圖3是根據本發明一個實施例MIMO系統中採用自適應調製和編碼的發射器以及對應的採用自適應解調和解碼的接收器的框圖。參考圖3所示為發射器300和接收器301。發射器300包括多個收縮處理模塊304a、...、304n、多個交錯器模塊306a、...、306n、發射編碼控制模塊340以及圖2所示的發射器200中的多個模塊，即編碼模塊102、收縮處理模塊104、交錯器模塊106、多個映射器模塊108a、...、108n、多個IFFT模塊110a、...、110n、束波賦形V矩陣模塊112、多個數模轉換和天線前端模塊114a、...、114n、及發射調製控制模塊236。接收器301包括多個解交錯模塊328a、...、328n、多個解收縮處理模塊330a、...、330n、接收編碼控制模塊338以及圖2所示的接收器201中的多個模塊，即多個天線前端和數模轉換模塊116a、...、116n、束波賦形U*矩陣模塊118、多個FFT模塊120a、...、120n、信道估算模塊122、多個均衡器模塊124a、...、124n、多個解映射模塊126a、...、126n、解交錯模塊128、解收縮處理模塊130、維比特解碼器模塊132及接收解調控制模塊234。
在發射器300中，收縮處理和交錯處理可以基於每個數據流逐個執行。多個收縮處理模塊304a、...、304n的輸出傳送給多個交錯器模塊306a、...、306n。多個收縮處理模塊304a、...、304n中的每個模塊可將其輸出傳送給多個交錯器模塊306a、...、306n中對應的一個交錯器模塊。多個交錯器模塊306a、...、306n的輸出傳送給多個映射器模塊108a、...、108n。多個交錯器模塊306a、...、306n中的每個模塊將其輸出傳送給多個映射器模塊108a、...、108n中對應的一個映射器模塊。發射編碼控制模塊340實現對發射器300採用的收縮處理的應用的控制。
在接收器301中，解收縮處理和解交錯可以每個數據流為基礎逐個執行。每個解交錯模塊328a、...、328n接收來自多個解映射模塊126a、...、126n的輸入，同時解交錯模塊328a、...、328n中的每個解交錯模塊接收來自多個解映射模塊126a、...、126n中對應的一個解映射模塊的輸入。每個解收縮處理模塊330a、...、330n接收來自多個解交錯模塊328a、...、328n中每個解交錯模塊的輸入，其中每個解收縮處理模塊接收來自對應的一個解交錯模塊的輸入。多個解收縮處理模塊330a、...、330n中每個解收縮處理模塊的輸出可傳送至維比特解碼器模塊132。接收解碼控制模塊338可實現對接收器301使用的解收縮處理的應用的控制。
在工作過程中，發射編碼控制模塊340可對多個收縮處理模塊304a、...、304n中每個收縮處理模塊基於每個數據流應用的收縮處理進行控制。基於每個數據流的收縮處理的控制可使每個數據流的編碼率發生變化。接收解碼控制模塊338可對多個解收縮處理模塊330a、...、330n的每個解收縮處理模塊分別基於每個數據流應用的解收縮處理進行控制。基於每個數據流的解收縮處理的控制可使接收器301對接收信號的每個數據流採用不同的編碼率。
發射器200或300和接收器201或301調整調製/解調控制和/或編碼/解碼控制的能力需要通過閉環反饋機能來實現，該閉環反饋機制可實現發射器200或300和接收器201或301之間的信息交換。申請日為2005年2月7日的美國專利申請＿＿＿＿(代理案號為16307US02)提供了對閉環反饋機制的詳細描述，在此全文引用該專利申請。
在本發明的一個實施例中，通過基於具有相同編碼率的每個數據流進行自適應調製，可以實現發射器200的多個RF信道的總數據傳輸率的最大化。這包括給每個數據流i分配單獨的值bst(i)，以最大化數據塊內比特的數量bdb，該數據塊以單位時間進行發射，並實現目標誤包率。
在本發明的另一個實施例中，通過基於每個數據流的自使用調製以及基於每個數據流的自適應編碼，可以實現發射器300的多個RF信道的總數據傳輸率的最大化。這包括給每個數據流i分配單獨的值bst(i)，並給每個數據流分配編碼率以基於每個數據流修改信息位的數量ib(i)。基於每個數據流對編碼率以及調製率的控制，可提供另一個變量，用於最大化數據塊內的比特數量bdb，該數據塊以單位時間進行發射，並實現某一誤包率。
本發明採用閉環反饋機制的各種實施例可響應RF信道的衰減，自適應地修改編碼率和/或調製技術。
在本發明的一個實施例中，可利用基於每個數據流的調製控制和解調控制將總的數據傳輸率最大化，此過程分為兩個步驟。第一步，比特分配，基於信噪比計算bst(i)。這可以提供出對應於一定範圍的信噪比的bst(i)可能值的分布圖。第二步，基於信噪比的觀察值和誤包率的觀察值選擇一個特定的bst(i)值。
在工作過程中，通過RF信道利用多個音調來傳送符號，其中以從一定範圍的頻段中選擇出來的頻率傳輸每個音調。例如，每個音調代表一個OFDM子帶頻率。在頻率選擇性衰減的信道中，給定RF信道j的信噪比隨頻率變化，因此位於頻率f1的音調具有信噪比SNRf1，與以頻率f2發送的音調的信噪比SNRf2不同。空間分布模型的總的信噪比可通過基於信道RF中頻率fj的多個單獨的SNRfi計算信噪比幾何平均值的方法來確定。多個頻率上的總的幾何信噪比為SNRgeo，可用以下等式來表示SNRgeo=fj=1kSNRfjk]]>(等式2)其中k等於通過RF信道發送的音調的數量，∏代表每個音調的信噪比的乘積，等式2中的表達式可以看出，總的幾何信噪比等於k個音調中每個音調的信噪比乘積的k次方根。
對於每個空間分布模型I的幾何信噪比都可確定，表示為SNRgeo(i)。在確定每個SNRgeo(i)後，可利用算法例如Aslanis公式來確定空間分布模型中的比特分配。對於第i個數據流，或空間分布模型，比特分配bst(i)可由Aslanis公式計算，等式如下bst(i)＝max(floor(log2(1+SNRgeo(i)/Γ1)/2)×2，1) (等式3)等式3種計算該幾何信噪比以2為底的對數，函數floor(x)表示x的整數部分，最大值函數max(x，y)表示x和y兩者中的較大值，Γ1表示與第i空間分布模型相關的RF信道的衰減損耗。Γ1＝1表示沒有損耗的RF信道，而Γ1＞1表示該RF信道中的有損耗。
在工作過程中，每個值bst(i)可基於觀測到的性能標準(例如誤包率)按照等式3計算得出。多個bst(i)的值可生成一個bdb值，如等式1所示，表示圖2中發射器200和接收器201之間的最大數據傳輸率。
本發明的各個實施例可利用多種調製技術，例如二進位移相鍵控(BPSK)、正交移相鍵控(QPSK)、16位正交調幅(16QAM)、64位正交調幅(64QAM)、及256位正交調幅(256QAM)。利用BPSK調製技術產生的符號中，一個比特代表一個符號；利用QPSK調製技術產生的符號中，二個比特代表一個符號；利用16QAM調製技術產生的符號中，4個比特代表一個符號。利用64QAM調製技術產生的符號中，6個比特代表一個符號，而256QAM調製技術產生的符號具有8個比特。
在本發明的一個實施例中，總數據傳輸率可利用基於每個數據流的調製控制和解調控制以及基於每個數據流的編碼控制和解碼控制進行最大化，例如，此處理過程有4個步驟。第一步，比特分配，bst(i)可以基於信噪比的值計算得出。這可以生成一個圖來示出對應信噪比的值的範圍，bst(i)的可能值的範圍。第二步，對於每個bst(i)值，可計算可能的編碼率的值的範圍。第三步，計算出查找表，表示對於給定信噪比範圍內的可能的編碼率和調製方案組合。第四步，調製bst(i)與編碼率的特定值ib(i)/bst(i)，可基於觀測的信噪比和誤包率選擇得出。可能有多個的調製和編碼率組合能實現觀測的信噪比和誤包率，此情況下選擇能使單位時間傳輸的ib(i)值最大的一個組合。
在本發明的一個實施例中，可以利用基於每個數據流的調製控制和解調控制以及基於每個數據流的編碼控制和解碼控制最大化總數據傳輸率，查找表Mod_Coding_LUT，例如可用於選擇調製方案和編碼率。空間分布模型i的查找表Mod_Coding_LUT的一個示例可表示如下Mod_Coding_LUT＝[1/2 1/4 3/2 8/3 3 4 9/2 16/3 6 20/3；...
2 5 8 11 15 16 20 22 24 27 30；...
1 2 2 4 4 4 6 6 8 8 8；... (等式4)1/2 1/2 2/3 1/2 2/3 3/4 2/3 3/4 2/3 3/4 5/6；]；其中，第一行的元素代表比特/音調與對應列的編碼率元素的乘積，第二行的元素代表信噪比範圍，第三行的元素代表數據流i(比特/音調)的調製方案，第四行的元素代表數據流i的編碼率。調製(比特/音調)和編碼率的乘積代表信息位的數量ib(i)。
參照等式4的Mod_Coding_LUT可以看出，數據傳輸率可隨信噪比增加而增加。例如，給定5dB的信噪比，Mod_Coding_LUT中指出，編碼率為1/2的每個符號包括2個比特。QPSK調製技術可用於生成包括2個比特的符號。調製與編碼率的乘積等於1，代表每個發射的音調可傳送1個信息位。對於給定的為27的信噪比，Mod_Coding_LUT中指出，編碼率為3/4的每個符號包括8個比特。在此情況下，調製與編碼率的乘積為6，表示每個發射的音調可傳送6個信息位。
同樣如等式4所示，適應性調整包括對調製技術和編碼率兩者進行修改，單獨修改調製技術，或單獨修改編碼率。除了如等式4所示的表格表示法，例如，自適應調製和編碼標準還可以基於觀測數據用圖來表示。
圖4是根據本發明一個實施例1×1系統的誤包率(PER)對比信噪比(SNR)的示意圖。均採用了波束賦形的具有N個發射天線的發射器和具有N個接收天線的接收器即為無幹擾的1×1系統。例如，該1×1系統可等同於數據流1通過發射器天線1發射、數據流2通過天線2發射...數據流N通過天線N發射的系統。在接受器處，發射的數據流1可由接受器的天線1接收，並與傳送的數據流2...N沒有幹擾。同樣的，發射的數據流2由接收器的天線2接收，且與發射的數據流1、3...N無幹擾，依此類推。參考圖4所示為曲線402、曲線404、曲線406、曲線408、曲線410、曲線412、曲線414、曲線416、曲線418、曲線420、曲線422、曲線424、曲線426、曲線428、曲線430曲線432、曲線434、曲線436和曲線438。圖4中所有曲線的測試條件是基於IEEE 802.11類型的D信道，且發射天線和接收天線的距離為15米。數據包包括1000個二進位八比特的數據，其誤包率在包括多個IEEE 802.11 RF信道的頻率迴路上測量得出。
曲線402所示為採用BPSK調製和1/2的編碼率的情況下的誤包率對信噪比的曲線，該曲線中調製與編碼率的乘積為1/2，表示每發射兩個符號即發射一個信息位。曲線404所示為採用QPSK調製和1/2的編碼率的情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為1。曲線406所示為採用16QAM調製和1/2的編碼率的情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為2。曲線408所示為採用64QAM調製和1/2的編碼率的情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為3。曲線410所示為採用256QAM調製和1/2的編碼率的情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為4。
曲線412所示為採用BPSK調製和2/3的編碼率的情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為2/3。曲線414所示為採用QPSK調製和2/3的編碼率的情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為4/3。曲線416所示為採用16QAM調製和2/3的編碼率的情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為8/3。曲線418所示為採用64QAM調製和編碼率為2/3情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為4。曲線420所示為採用16QAM調製和編碼率為2/3情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為16/3。
曲線422所示為採用QPSK調製和編碼率為3/4情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為3/2。曲線424所示為採用16QAM調製和編碼率為3/4情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為3。曲線426所示為採用QPSK調製和編碼率為3/4情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為3/2。曲線428所示為採用256QAM調製和編碼率為3/4情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為6。
曲線430所示為採用BPSK調製和編碼率為5/6情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為5/6。曲線432所示為採用QPSK調製和編碼率為5/6情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為5/3。曲線434所示為採用16QAM調製和編碼率為5/6情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為10/3。曲線436所示為採用64QAM調製和編碼率為5/6情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為5。曲線438所示為採用QPSK調製和編碼率為5/6情況下的誤包率對信噪比的曲線，其調製和編碼率的乘積為20/3。
在工作過程中，參考圖4，如果在給定的空間分布模型下所觀測的信噪比為5dB，且該空間分布模型的目標誤包率為0.10或10％，則可能有兩個可能的調製和編碼率的組合可以滿足目標誤包率，如曲線404和412所示。然而，調製和編碼率的乘積，在曲線404中為1，在曲線412中為2/3。在這種情況下，1/2的編碼率以及QPSK調製技術可為該給定的空間分布模型提供最大的數據傳輸率。
如果另一個空間分布模型觀測的信噪比為20dB，可能有3個可能的調製和編碼率組合可滿足目標誤包率，如曲線410、曲線418、曲線434所示。對於曲線410和曲線418，調製和編碼率的乘積可為4，而曲線434中調製和編碼率的乘積為10/3。進一步研究圖4可看出，64QAM調製技術的誤包率性能比256QAM調製技術的要好一些。在這種情況下，該空間分布模型的最大數據傳輸率可以採用2/3的編碼率和64QAM調製技術來實現。
查找表Mod_Coding_LUT可基於第一次數據包交換開始時1×1誤包率性能來確定，或者Mod_Coding_LUT可存儲為接收器處的配置參數。採用數量更多的天線時，由於每個空間分布模型的不同的衰減特徵，每個空間分布模型在其對應的查找表內具有不同的值。在每個空間分布模型具有不同衰減特徵的情況下，每個空間分布模型具有各自單獨存儲的Mod_Coding_LUT。基於每個空間分布模型的Mod_Coding_LUT可以存儲於例如寄存器中。
自適應的選擇調製和編碼率可實現對應於目標誤包率的最大數據傳輸率，還可以實現發射器300和接收器301之間的通信吞吐量的最大化。對於選定的編碼率和調製技術，可執行吞吐量的計算，該吞吐量表示使用給定的空間分布模型時從發射器300發送給接收器301的單位時間內無錯誤信息的量。對於恆定的數據傳輸率，吞吐量可以定義為 (等式5) ＝(數據傳輸率)×(1-誤包率)×效率(等式6)對於變化的數據傳輸率； (等式7) (等式8)其中成功事件表示無錯誤信息包的成功發射和接收。變量K表示在觀測的時間間隔內選擇的數據率的總數量。Wi是表示以ratei發送的數據包的數量除以發送的數據包總數量的加權因子。效率可表示為tdata/(tdata+tpreamble+tIFS)，其中tdata表示在該時間間隔內發送數據所需的時間，tpreamble表示發送封包幀前導碼所需的時間，tIFS表示數據包之間無數據或前導碼傳送的幀間間隔時間。吞吐率可基於編碼率、採用的調製技術和誤包率計算得出。由於編碼率和調製是基於信噪比的，所以一個空間分布模型的吞吐量也是基於信噪比的。值得注意的是，恆定的數據傳輸率不排除調製和/或編碼率的自適應變化。
圖5是根據本發明一個實施例作為調製和編碼率選擇的函數的吞吐量的示意圖。參考圖5所示為曲線502、曲線504、曲線506和曲線508。曲線502代表使用IEEE 802.11規範定義的傳輸功率控制(TPC)管理幀的開環系統內理論上可實現的吞吐量對信噪比的曲線。曲線504、曲線506和曲線508代表根據本發明一個實施例自適應調製和自適應編碼率系統的吞吐量對信噪比的曲線。曲線504中編碼率為3/4且採用16QAM，曲線506中編碼率為3/4且採用64QAM，曲線508中編碼率為5/6且採用64QAM。參考圖5，對於信噪比範圍SNR＝A至SNR＝B，選擇16QAM和3/4的編碼率，如曲線504所示，可產成比位於相同信噪比範圍內的曲線506和曲線508更高的吞吐量。對於信噪比範圍SRN＝B至SNR＝C，選擇64QAM和3/4的編碼率，如曲線506所示可產生比曲線504和曲線508更高的吞吐量。對於信噪比範圍SNR＝C至SNR＝D，選擇64QAM和5/6的編碼率，如曲線508所示，可產生比曲線504和曲線506更高的吞吐量。
圖6是根據本發明一個實施例開環和自適應系統內的吞吐量對比信噪比的示意圖。參考圖6所示為曲線602、曲線604和曲線606。該系統表示與包括具有2個發射天線的發射器和具有2個接收天線的接收器的2×2系統的測量結果。該系統利用均方根延遲展開為50納秒的40MHz信道。曲線602表示開環系統中吞吐量對信噪比的觀測值。曲線604表示例如圖2所示的採用自適應調製的系統的吞吐量對信噪比的觀測值。曲線606表示例如圖3所示的採用自適應調製和自適應編碼的系統的吞吐量對信噪比的觀測值。如圖6所示，該自適應調製系統以及該自適應調製和自適應編碼率系統在給定信噪比情況下，可產生比該開環系統更高的吞吐量。
因此，本發明的一個實施例提供一種新的發射器200或300和接收器201或301的結構，可採用如發射器200和接收器201內所示的自適應調製，或如發射器300和接收器301內所示的閉環系統內的自適應調製和自適應編碼。採用自適應調製的發射器200和接收器201具有較簡單的結構，包括發射器200內的一個收縮處理模塊/交錯器模塊對，和接收器201內的一個解收縮處理模塊/解交錯模塊對，而採用自適應調製和編碼的發射器300和接收器301中，發射器300內基於每個數據流包括一個收縮處理模塊/交錯器模塊對，且接收器301內基於每個數據流包括一個解收縮處理模塊/解交錯模塊對。參考圖6，使用波束賦形的自適應調製系統或自適應調製和編碼系統，可提供可與開環系統相比的吞吐量級，但其信噪比級比開環系統所需的要低5dB。該自適應調製系統，和/或自適應調製和編碼系統可使用比率選擇算法來基於信噪比範圍自適應的選擇調製和編碼率，從而最大化吞吐量。
圖7a是根據本發明一個實施例實現自適應編碼系統的方法的流程圖。參考圖7a，步驟702中對每個空間分布模型計算信噪比幾何均值，步驟704中基於觀測的信噪比和目標誤包率對每個空間分布模型選擇一種調製技術。在步驟706中，接收器201將選擇的調製技術反饋給發射器200。在步驟708中，發射器200基於包括有接收器201選擇的調製技術的反饋信息發射後續的數據給接收器201。
圖7b是根據本發明一個實施例實現自適應調製和編碼系統的方法的流程圖。參考圖7b，步驟712中對每個空間分布模型計算信噪比幾何均值，步驟714中基於觀測的信噪比和目標誤包率對每個空間分布模型選擇一種調製技術和編碼率。步驟718中，儲存查找表，該查詢表表示對於給定的信噪比範圍下的可能的編碼率和調製技術。步驟714中可利用步驟718中存儲的查找表。在步驟716中，接收器301將選擇的調製技術和編碼率反饋至發射器300。在步驟720中，發射器300基於包括有接收器301選擇的調製技術和編碼率的反饋信息發射後續的數據至接收器301。
圖7c是根據本發明一個實施例實現基於發射器的自適應編碼系統的方法的流程圖。參考圖7c，步驟722中，發射器200從接收器201中接收包括有每個空間分布模型的信噪比幾何均值的反饋信息。在步驟724中，發射器200基於信噪比反饋信息和目標誤包率為每個空間分布模型選擇調製技術。在步驟726中，發射器200基於選擇的調製技術，發射後續的數據至接收器201。
圖7d是根據本發明一個實施例實現基於發射器的自適應調製和編碼系統的方法的流程圖。參考圖7d，在步驟732中，發射器300從接收器301接收包括每個空間分布模型的信噪比幾何均值的反饋信息。在步驟734中，發射器300基於信噪比反饋信息和目標誤包率為每個空間分布模型選擇調製技術和編碼率。步驟738中，存儲表示對於給定信噪比範圍的可能編碼率和調製技術的查找表。步驟734可利用步驟738中存儲的查找表。在步驟736中，發射器300基於選擇的調製技術和編碼率發射後續的數據至接收器301。
本發明的實施例不限制於基於等式4中Mod_Coding_LUT的調製和編碼的自適應選擇。總之，本發明介紹了一種計算用於確定最大數據傳輸率的調製和編碼率組合的方法和系統，該最大數據傳輸率可在空間分布模型內基於RF信道的可觀測特徵(例如，信噪比)以及符合可觀測性能標準的特徵(例如，誤包率)來獲得。
本發明的實施例不限制於接收器201或301自適應的確定調製技術和編碼率的情況。此外，本發明不限於BCC，還可以採用多個其它編碼技術，例如增強編碼(Turbo coding)或低密度奇偶校驗編碼。在本發明的某些實施例中，發射器200或300可基於來自接收器201或301的反饋信息自適應地確定調製技術和編碼率。該反饋信息包括例如接收器201或301計算的信道估算矩陣。
因此，本發明可由硬體、軟體或者硬軟體的結合來實現。本發明可在至少一個計算機系統中以集中的方式實現，或者以不同部件分布在幾個交互連接的計算機系統中的分布式方式實現。任何種類的計算機系統或其他能夠實現本發明的方法的設備都是適用的。硬體、軟體和固件的一個典型結合是具有電腦程式的通用計算機系統，當該電腦程式被上載並執行時，控制該計算機系統以便實現本發明所述的方法。
本發明還可嵌入包括有能夠實現所述方法的各種特徵的電腦程式產品中，當該程序加載到計算機系統中時能夠實現本申請所述的方法。本文中所述的電腦程式是指，例如，以任何語言、代碼或符號表示的一組指令，能夠直接使具有信息處理能力的系統執行特定功能，或者經過以下一種或各種處理後使具有信息處理能力的系統執行特定功能a)轉換成另一種語言、代碼或符號；b)以不同的材料複製。但是，本領域的普通技術人員可知的其他電腦程式的實現方法也可用於本發明。
以上已結合一定的實施例對本發明進行了描述，本領域的普通技術人員可知，可對本發明進行各種改變或等同替換而並不脫離本發明的範圍。此外，根據本發明的教導進行的以適應特定的環境或材料的各種修改也並未脫離本發明的範圍。因此，本發明並不限於公開的具體實施例，本發明包括落入權利要求範圍內的所有實施例。
相關專利申請的交錯引用本申請全文引用並要求臨時專利申請號為60/593473(代理案號為1641US01)、申請日為2005年1月17日的美國臨時專利申請的優先權。
本申請引用以下專利申請公開的全部內容申請號為＿＿＿＿(代理案號為16307US02)、申請日為2005年2月7日的美國專利申請；
申請號為＿＿＿＿(代理案號為16354US02)、申請日為2005年2月7日的美國專利申請。
權利要求
1.一種在通信系統中傳送信息的方法，所述方法包括基於多個接收RF信道中至少一個信道的信號質量，計算將通過多個RF信道中至少一個信道同時傳送的二進位比特的最大數量；基於所述計算出的二進位比特最大數量選擇調製技術；通過所述多個RF信道中所述至少一個RF信道與一個上行信道兩者中的一個傳送包括有所述選擇的調製技術的反饋信息；通過所述多個RF信道中所述至少一個RF信道接收之後發送的已基於所述反饋信息進行調製的數據。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述計算的二進位比特的最大數量基於所述多個接收RF信道中所述至少一個RF信道的至少一個誤包率來確定。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括基於至少一個信噪比確定所述調製技術和編碼率組合的範圍。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括將所述調製技術和編碼率組合以及所述至少一個信噪比表示為查詢表。
5.一種在通信系統中傳送信息的系統，所述系統包括接收解調控制處理器，用於基於多個接收RF信道中至少一個信道的信號質量，計算將通過多個RF信道中至少一個信道同時傳送的二進位比特的最大數量；所述接收解調控制處理器基於所述計算出的二進位比特最大數量選擇調製技術；至少一個發射天線前端，通過所述多個RF信道中所述至少一個RF信道與上行信道兩者之一傳送包括有所述選擇的調製技術的反饋信息；至少一個接收天線前端，通過所述多個RF信道中所述至少一個RF信道接收之後發送的已基於所述反饋信息進行調製的數據。
6.根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述計算的二進位比特的最大數量基於所述多個接收RF信道中所述至少一個RF信道的至少一個誤包率來確定。
7.一種在多進多出通信系統中傳送信息的方法，所述方法包括通過多個接收RF信道與一個上行信道兩者中的一個接收包括有選定的調製技術和編碼率兩者中至少一個的反饋信息；通過所述多個RF信道發送之後的已基於所述反饋信息進行調製和編碼兩者中至少一個的數據。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括基於計算出的通過所述多個RF信道同時發射的二進位比特最大數量和所述上行信道與下行信道兩者之一的至少一個誤包率、至少一個計算出的吞吐率以及至少一個信噪比，選擇調製技術。
9.一種在多進多出通信系統中傳送信息的系統，所述系統包括至少一個發射天線前端，通過多個接收RF信道與一個上行信道兩者中的一個接收包括有選定的調製技術和編碼率兩者中至少一個的反饋信息；至少一個接收天線前端，通過所述多個RF信道發送之後的已基於所述反饋信息進行調製和編碼兩者中至少一個的數據。
10.根據權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述系統進一步包括發射調製控制處理器，基於計算出的通過所述多個RF信道同時發射的二進位比特最大數量和所述上行信道與下行信道兩者之一的至少一個誤包率、至少一個計算出的吞吐率以及至少一個信噪比，選擇調製技術。
全文摘要
本發明公開一種在閉環多輸入輸出(MIMO)無線區域網(WLAN)中實現編碼率選擇算法以最大化吞吐量的方法和系統，包括基於信號質量計算通過RF信道同時發射的二進位比特的最大數量。調製技術可基於所述計算出的最大值來選擇，傳送的反饋信息包括所述選擇的調製技術。隨後發送的數據可通過RF信道接收，該數據已基於反饋信息進行了調製。所述方法的另一方面包括通過RF信道接收包括所選的調製技術和編碼率的反饋信息，以及通過上述多個RF信道中至少一個信道發射隨後的已基於反饋信息進行了調製或編碼的數據。
文檔編號H04L1/00GK1812307SQ200610005428
公開日2006年8月2日 申請日期2006年1月16日 優先權日2005年1月17日
發明者喬薩克·金 申請人:美國博通公司