專利名稱：多個(gè)傳輸模式的多輸入、多輸出(mimo)系統(tǒng)的制作方法
背景領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及數(shù)據(jù)通信，尤其涉及帶有多種傳輸模式的多信道通信系統(tǒng)(例如多輸入、多輸出(MIMO)系統(tǒng))。
背景在無線通信系統(tǒng)中，來自發(fā)射機(jī)單元的RF已調(diào)信號(hào)可以通過多個(gè)傳播路徑到達(dá)接收機(jī)單元。傳播路徑的特征一般由于諸如衰落和多徑的多個(gè)因子而隨時(shí)間改變。為了提供抗有害路徑影響的分集并改善性能，可以使用多個(gè)發(fā)射和接收天線。如果發(fā)射和接收天線間的傳播路徑是線性獨(dú)立的(即在一個(gè)路徑上的傳輸不是由其它路徑上的傳輸?shù)木€性組合形成的)，這在一定程度上為真，則正確地接收到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡苄噪S著天線數(shù)目的增加而增加。一般，發(fā)射和接收天線增加導(dǎo)致分集增加和性能改善。
多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)使用多個(gè)(NT)發(fā)射天線和多個(gè)(NR)接收天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由NT個(gè)發(fā)射天線和NR個(gè)接收天線形成的MIMO信道可能被分解為NS個(gè)獨(dú)立信道，其中NS≤min{NT，NR}。NS個(gè)獨(dú)立信道的每個(gè)還被稱為MIMO信道的空間子信道，并對(duì)應(yīng)一維。如果使用由多個(gè)發(fā)射和接收天線建立的附加維數(shù)，則MIMO系統(tǒng)能提供改善的性能(例如增加的傳輸容量)。例如，可以在NS個(gè)空間子信道的每個(gè)上發(fā)送獨(dú)立數(shù)據(jù)流以增加系統(tǒng)頻譜效率。
MIMO系統(tǒng)的空間子信道可以經(jīng)歷不同信道條件(例如不同的衰減和多徑效應(yīng))且可能對(duì)于給定發(fā)射功率量獲得不同信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)。因此，空間子信道可以支持的數(shù)據(jù)速率可以每個(gè)子信道不同，這取決于分配給數(shù)據(jù)流和其獲得SNR的發(fā)射功率量。由于信道條件一般隨時(shí)間改變，則空間子信道的傳輸容量也隨著時(shí)間改變。
編碼的通信系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是有效利用總發(fā)射功率Ptot，該總功率是基于信道條件在NS個(gè)空間子信道上在發(fā)射機(jī)處可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β?。各種方案可以用于在空間子信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。每個(gè)傳輸方案可以要求關(guān)于MIMO信道的一定類型的信息，并做出一定關(guān)于在發(fā)射機(jī)接收機(jī)處的信號(hào)處理的假定。一般，更復(fù)雜的傳輸方案可以獲得接近最優(yōu)的頻譜效率，這是通過將不同量的發(fā)射功率分配給不同容量的空間子信道并在這些子信道上發(fā)送之前對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)調(diào)整。然而，這些傳輸方案議案需要關(guān)于MIMO信道更多的信息，這可能在接收機(jī)處很難獲得，且還需要空中鏈接資源以報(bào)告給發(fā)射機(jī)。較不復(fù)雜的傳輸方案可以在有限范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(lǐng)域內(nèi)需要一種能在MIMO系統(tǒng)內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)以獲得高頻譜效率并減少復(fù)雜度的技術(shù)。
概述在此提供一些在多信道通信系統(tǒng)內(nèi)的可用傳輸信道上發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，以獲得更高的總系統(tǒng)頻譜效率和/或其他好處。傳輸信號(hào)可以對(duì)應(yīng)MIMO系統(tǒng)的空間子信道、OFDM系統(tǒng)的頻率子信道或MIMO-OFDM系統(tǒng)內(nèi)的頻率子信道的空間子信道。
在一方面，多個(gè)傳輸方案被選擇性地用于提供接近最優(yōu)的總效率。每種傳輸方案取決于在發(fā)射機(jī)處是否有全或部分信道狀態(tài)信息(CSI)(在以下描述)以在傳輸信道上傳輸前在發(fā)射機(jī)處處理數(shù)據(jù)。對(duì)于部分CSI傳輸方案，數(shù)據(jù)流可以在每個(gè)發(fā)射天線上被發(fā)送(例如在天線的峰值發(fā)射功率)。NT個(gè)發(fā)射天線的所有或一個(gè)子集可以用于在任何時(shí)刻的數(shù)據(jù)傳輸。
對(duì)于全CSI傳輸方案，一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流基于全CSI處理(或其變體，如下描述)在發(fā)射機(jī)處經(jīng)處理，并在MIMO信道上發(fā)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、“主本征模式波束成形”傳輸方案以及“波束操縱”傳輸方案，所有都依賴于發(fā)射機(jī)處的全CSI處理。灌水傳輸方案將更多的發(fā)射功率分配給噪聲較少的傳輸信道，而將更少的發(fā)射功率分配給噪聲較多的傳輸信道。灌水傳輸方案是最優(yōu)的，且可以獲得容量。選擇性信道求逆?zhèn)鬏敺桨笇l(fā)射功率不均勻地在選擇的傳輸信道上分配，使得檢測(cè)后SNR對(duì)于選定的傳輸信道類似。均勻傳輸方案將總發(fā)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(fā)射功率分配給帶有最佳性能的單個(gè)傳輸信道。波束操縱傳輸方案均勻地將總發(fā)射功率分配給所有用于發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)流的發(fā)射天線，但數(shù)據(jù)流從這些發(fā)射天線以合適的相位被發(fā)送。一般，任何數(shù)量和類型的傳輸方案可以為多模式MIMO系統(tǒng)用于提供改善的總性能。
每個(gè)傳輸方案可以為特定操作條件范圍提供好或接近最優(yōu)性能，性能可以由操作信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)量化。這些多個(gè)不同類型的傳輸方案(即基于部分CSI、全CSI等)可以以每部分的方式經(jīng)組合以形成“多模式”傳輸方案，這覆蓋了MIMO系統(tǒng)支持的全范圍SNR。用于在任何給定時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)的特定傳輸方案然后取決于在該時(shí)刻系統(tǒng)經(jīng)歷的特定操作條件。
在特定實(shí)施例中，提供一方法，用于在多信道通信系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)傳輸信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)該方法，開始時(shí)確定系統(tǒng)的操作條件(即工作SNR)，且從多個(gè)可能的傳輸方案中基于確定的操作條件和發(fā)射機(jī)處可用的信道狀態(tài)信息量而選擇特定傳輸方案。每個(gè)傳輸方案用于相應(yīng)的工作SNR范圍。要發(fā)送的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流然后基于選定的傳輸方案被確定。一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流然后基于選定的傳輸方案和可用CSI而經(jīng)處理。例如，用于每個(gè)數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)速率和編碼和調(diào)制方案可以基于CSI被確定。在一實(shí)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(fā)明的各個(gè)方面和實(shí)施例在以下進(jìn)一步詳述。本發(fā)明還提供實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各個(gè)方面、實(shí)施例和特征的方法、處理器、發(fā)射機(jī)單元、接收機(jī)單元、基站、終端、系統(tǒng)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(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的特征、性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，附圖中相同的符號(hào)具有相同的標(biāo)識(shí)，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(tǒng)可獲得的三張效率曲線圖；圖2是基于多模式傳輸方案在MIMO系統(tǒng)內(nèi)在可用傳輸信道上發(fā)送數(shù)據(jù)的過程實(shí)施例流圖；以及圖3是發(fā)射機(jī)系統(tǒng)和接收機(jī)系統(tǒng)的實(shí)施例框圖。
詳細(xì)描述在此描述的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可以用于各種多信道通信系統(tǒng)。該種多信道通信系統(tǒng)包括多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)、正交頻分多路復(fù)用(OFDM)通信系統(tǒng)、利用OFDM的MIMO系統(tǒng)(即MIMO-OFDM系統(tǒng))以及其他。多信道通信系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA)、時(shí)分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)或一些其他多址技術(shù)。多址通信系統(tǒng)可以支持多個(gè)終端(即用戶)的進(jìn)發(fā)通信。為了清楚起見，本發(fā)明的一些方面和實(shí)施例特定為諸如多天線無線通信系統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)描述。
多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)使用多個(gè)(NT)發(fā)射天線和多個(gè)(NR)接收天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由NT個(gè)發(fā)射天線和NR個(gè)接收天線形成的MIMO信道可能被分解為NR×NTMIM0系統(tǒng)，且可以被分解為NS個(gè)獨(dú)立信道，其中NS≤min{NT，NR}。NS個(gè)獨(dú)立信道的每個(gè)還被稱為MIMO信道的空間子信道(或傳輸信道)?？臻g子信道的數(shù)目由MIMO信道的本征模式數(shù)目確定，這接著取決于信道響應(yīng)矩陣H，該矩陣描述NT個(gè)發(fā)射天線和NR個(gè)接收天線間的響應(yīng)。
信道響應(yīng)矩陣H的元素由獨(dú)立高斯隨機(jī)變量組成，如下H‾=h1,1h1,2···h1,NTh2,1h2,2···h2,NT·········hNR,1hNR,2···hNR,NT---(1)]]>其中hi，j是第j個(gè)發(fā)射天線和第i個(gè)接收天線間的耦合(即復(fù)數(shù)增益)。
MIMO系統(tǒng)的模型可以表示為y＝Hx+n， (2)其中y是接收到的向量，即y‾=y1y2···yNRT,]]>其中{yj}是在第j個(gè)接收天線上接收到的項(xiàng)，且i∈(1，...，NR)；x是發(fā)送的向量，即x‾=x1x2···xNTT,]]>其中{xi)是從第i個(gè)發(fā)射天線上發(fā)送的項(xiàng)，且j∈{1，...，NT)；H是MIMO信道的信道響應(yīng)矩陣；A是數(shù)據(jù)流{Ai}的幅度的對(duì)角矩陣；n是一加性高斯白噪聲(AWGN)，其均值向量為0，且協(xié)方差矩陣為Λn‾=σ2I‾,]]>其中0是零向量，I是單位矩陣，對(duì)角線為1，其余為零，且σ2是噪聲方差；以及[.]T表示[.]的轉(zhuǎn)置。
為了簡潔，MIMO信道被假設(shè)為平緩衰落窄帶信道。在該情況下，信道響應(yīng)矩陣H的元素是標(biāo)量，且每個(gè)發(fā)射一接收天線對(duì)間的耦合hj，i可以由單個(gè)標(biāo)量值表示。然而，在此描述的技術(shù)還可以用于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(gè)(相等或不等帶寬)的頻帶，使得每個(gè)頻帶被認(rèn)為平緩衰落信道。然后可以為每個(gè)頻帶使用特定傳輸方案，這受到一定限制，諸如將給定發(fā)射天線的所有頻帶的總發(fā)射功率維持在天線的峰值發(fā)射功率內(nèi)。這樣，單個(gè)頻帶的信道響應(yīng)可以在數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)得到考慮。
由于傳播環(huán)境內(nèi)的散射，從NT個(gè)發(fā)射天線發(fā)送的NS個(gè)數(shù)據(jù)流相互在接收機(jī)處干擾。多個(gè)數(shù)據(jù)流可以在空間子信道上使用信道狀態(tài)信息(CSI)被發(fā)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(nèi)發(fā)射-接收天線對(duì)間傳播路徑的充分特性(例如幅度和相位)以及數(shù)據(jù)流的調(diào)制/編碼信息。部分CSI可以包括例如數(shù)據(jù)流的信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)。全或部分CSI可以在接收機(jī)處被確定(例如基于接收到的導(dǎo)頻和/或話務(wù)數(shù)據(jù))并報(bào)告給發(fā)射機(jī)。
取決于在發(fā)射機(jī)處是否有全或部分CSI可以使用不同的傳輸方案。當(dāng)全CSI可用時(shí)，數(shù)據(jù)流可以在MIMO信道的本征模式上被發(fā)送。這可以通過在發(fā)射機(jī)處基于從信道響應(yīng)矩陣H導(dǎo)出的(右)本征向量集合對(duì)數(shù)據(jù)流預(yù)調(diào)整而獲得，如下所述。在接收機(jī)處，發(fā)送的數(shù)據(jù)流可以通過將接收到的碼元流乘以(左)本征向量集合而被恢復(fù)，該本征向量基于矩陣H導(dǎo)出。全CSI(或本征模式)傳輸方案因此取決于已知信道響應(yīng)矩陣H。全CSI傳輸方案和該方案的變體在以下詳細(xì)描述。
當(dāng)只有部分CSI時(shí)，數(shù)據(jù)流可以從發(fā)射天線被發(fā)送而不在發(fā)射機(jī)處進(jìn)行預(yù)調(diào)整。在接收機(jī)處，接收到的碼元流根據(jù)特定空間或空時(shí)接收機(jī)處理技術(shù)經(jīng)處理以試圖分離數(shù)據(jù)流。部分CSI傳輸方案還在以下詳細(xì)描述。
對(duì)于全CSI和部分CSI傳輸方案，每個(gè)數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)速率和編碼和調(diào)制取決于數(shù)據(jù)流獲得的SNR。每個(gè)數(shù)據(jù)流的SNR可以在接收機(jī)處被估計(jì)。用于每個(gè)數(shù)據(jù)流的描述估計(jì)的SNR或特定編碼和調(diào)制方案的信息可以被提供給發(fā)射機(jī)并用于在MIMO信道上傳輸前處理數(shù)據(jù)流。
當(dāng)全CSI可用時(shí)，一種去除或減少數(shù)據(jù)流間干擾的技術(shù)是“對(duì)角線化”MIMO信道，使得數(shù)據(jù)流實(shí)際上在正交空間子信道上被發(fā)送。一種對(duì)角線化MIMO信道的技術(shù)是在信道響應(yīng)矩陣H上實(shí)現(xiàn)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(biāo)識(shí)矩陣的復(fù)共軛。
矩陣D的對(duì)角項(xiàng)是G＝HHH的本征值的方根，用λi表示，且i∈{1，...，NS}，其中NS≤min{NT，NR}是可分辨數(shù)據(jù)流的數(shù)目。D的所有非對(duì)角線項(xiàng)為零。
對(duì)角線矩陣D因此包含沿著對(duì)角線的非負(fù)實(shí)值，其余為零，其中非負(fù)實(shí)值為di=λi.]]>di指信道響應(yīng)矩陣H的奇異值。奇異值分解是領(lǐng)域內(nèi)已知的技術(shù)，且在各種參考內(nèi)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(yīng)矩陣H分解為兩個(gè)酉陣U和V，以及，以及對(duì)角陣D。矩陣D描述MIMO信道的本征模式，這對(duì)應(yīng)空間子信道。酉陣U和V包括接收機(jī)和發(fā)射機(jī)響應(yīng)的“操縱”向量(或相應(yīng)的左或右本征向量)，這可以用于對(duì)角線化MIMO信道。尤其是，為了對(duì)角線化MIMO信道，信號(hào)向量s可以在發(fā)射機(jī)處左乘矩陣V以提供發(fā)送的向量x，如下x＝Vs(4)該向量x然后在MIMO信道上被發(fā)送到接收機(jī)。
在接收機(jī)處，接收到的向量y＝Hx+n可以左乘矩陣UH以獲得恢復(fù)的向量r，如下r‾=U‾HHVs‾+U‾Hn‾]]>=Ds‾+n‾^---(5)]]>其中 是n的簡單旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生與n有相同均值向量和協(xié)方差矩陣的加性高斯白噪聲。
如等式(4)示出的，信號(hào)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(duì)角矩陣D，這是信號(hào)向量s和恢復(fù)向量r之間的傳遞函數(shù)。因此，MIMO信道被分解成NS個(gè)獨(dú)立、無干擾、正交和平行信道。這些獨(dú)立信道還被稱為MIMO信道的空間子信道。空間子信道i或本征模式i有等于本征值λi的增益，其中i∈I且集合I被定義為I＝{1，...，NS}。如果發(fā)射機(jī)被提供有信道響應(yīng)矩陣H，則可以實(shí)現(xiàn)MIMO信道的對(duì)角線化以獲得NS個(gè)正交空間子信道。
對(duì)于全CSI傳輸方案，可以在NS個(gè)空間子信道即本征模式的每個(gè)上發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)流。對(duì)于要用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿總€(gè)空間子信道，發(fā)射機(jī)被提供以(右)本征向量以及該子信道相關(guān)的調(diào)制/編碼信息。因此如果所有的NS都用于數(shù)據(jù)傳輸，則發(fā)射機(jī)被提供以或是信道響應(yīng)矩陣H或是酉陣V，以及相關(guān)的調(diào)制/編碼信息。
對(duì)于部分CSI傳輸方案，一個(gè)數(shù)據(jù)流可以在NT個(gè)發(fā)射天線的每個(gè)上被發(fā)送(假設(shè)H是滿秩矩陣，且NS＝NT＝NR)。對(duì)于部分CSI傳輸方案，發(fā)射機(jī)不需要被提供以信道響應(yīng)矩陣H或酉陣V，因?yàn)閿?shù)據(jù)流在MIMO信道上傳輸前不經(jīng)預(yù)調(diào)整。
對(duì)于部分CSI傳輸方案，各種接收機(jī)處理技術(shù)可以在接收機(jī)處用于處理接收到碼元流以分離發(fā)送的數(shù)據(jù)流。這些接收機(jī)處理技術(shù)包括空間接收機(jī)處理技術(shù)(這可以用于帶有平緩衰落的非彌散信道)以及空時(shí)接收機(jī)處理技術(shù)(這可以用于帶有頻率選擇性衰落的彌散信道)?？臻g接收機(jī)處理技術(shù)包括信道相關(guān)矩陣求逆(CCMI)技術(shù)以及最小均方誤差(MMSE)技術(shù)?？諘r(shí)接收機(jī)處理技術(shù)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(jì)器(MLSE)。一般這些空間和空時(shí)接收機(jī)處理技術(shù)需要接收機(jī)處信道響應(yīng)矩陣的估計(jì)(但不是發(fā)射機(jī)處)。
“連續(xù)抵消/均衡以及干擾抵消”接收機(jī)處理技術(shù)(這還被稱為“連續(xù)干擾抵消”或“連續(xù)抵消”接收機(jī)處理技術(shù))還可以連同上述的空間或空時(shí)技術(shù)的任何一種一起使用以提供改善的性能。例如，連續(xù)干擾抵消還可以與MMSE(即MMSE-SC)一起使用以在接收機(jī)處處理接收到的碼元流以恢復(fù)數(shù)據(jù)流。
各種接收機(jī)處理技術(shù)在以下美國專利申請(qǐng)中有描述美國專利申請(qǐng)?zhí)?9/993087內(nèi)描述，題為“Multiple-Access Multiple-InputMultiple-Output(MIMO)Communication System”，提交于2001年11月6日；美國專利申請(qǐng)序列號(hào)09/8542325，題為“Method and Apparatus for ProcessingData in a Multiple-Input Multiple-Output(MIMO)Communication SystemUtilizing Channel State Information”，提交于2001年5月11日；以及美國專利申請(qǐng)序列號(hào)09/826481以及09/956449，兩者均題為“Method andApparatus for Utilizing Channel State Information in a WirelessCommunication System”，相應(yīng)地提交于2001年3月23日以及2001年9月18日。這些申請(qǐng)被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并在此引入作為參考。
全CSI信息方案需要更多關(guān)于MIMO信道的信息(例如矩陣H)，這一般在接收機(jī)處被導(dǎo)出，且報(bào)告給發(fā)射機(jī)。因此，實(shí)現(xiàn)全CSI傳輸方案需要更高的開銷費(fèi)用。部分CSI傳輸方案不需要該附加信息。
在一般MIMO系統(tǒng)內(nèi)，可以對(duì)NT個(gè)發(fā)射天線的每個(gè)施加Pmax的峰值發(fā)射功率。在該情況下，在發(fā)射機(jī)處所有NT個(gè)發(fā)射天線可用的總發(fā)射功率Ptot可以表示為Ptot＝NT·Pmax(6)總發(fā)射功率Ptot可以基于各種方案被分配給數(shù)據(jù)流。
多個(gè)傳輸方案可以基于全CSI傳輸方案而導(dǎo)出，每個(gè)該種傳輸方案取決于(部分)總發(fā)射功率如何被分配給本征模式。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、“主本征模式波束成形”(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(fā)明的范圍內(nèi)。對(duì)于灌水傳輸方案總發(fā)射功率的分配使得將更多的發(fā)射功率分配給噪聲較少的傳輸信道，而將更少的發(fā)射功率分配給噪聲較多的傳輸信道。選擇性信道求逆?zhèn)鬏敺桨笇l(fā)射功率不均勻地在選擇的傳輸信道上分配，使得檢測(cè)后SNR對(duì)于選定的傳輸信道類似。均勻傳輸方案將總發(fā)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(fā)射功率分配給帶有最佳性能的單個(gè)傳輸信道。波束操縱傳輸方案均勻地將總發(fā)射功率分配給所有用于發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)流的發(fā)射天線，但數(shù)據(jù)流從這些發(fā)射天線以合適的相位被發(fā)送。這些傳輸方案依賴于在發(fā)射機(jī)處對(duì)每個(gè)選用的傳輸信道的全CSI處理(或其變體)。這些各種基于全CSI的傳輸方案在以下詳細(xì)描述。
灌水傳輸方案將總發(fā)射功率Ptot分配給本征模式，以最大化傳輸容量(即頻譜效率)。灌水技術(shù)類似于將固定量的水灌入有不規(guī)則底部的容器，其中每個(gè)頻率區(qū)段的每個(gè)本征模式對(duì)應(yīng)容器底部的一個(gè)點(diǎn)，且在任何給定點(diǎn)的底部高度對(duì)應(yīng)與該本征模式相關(guān)的信噪比(SNR)的倒數(shù)。低的高度因此對(duì)應(yīng)高的SNR，相反高的高度對(duì)應(yīng)低的SNR?？偪捎冒l(fā)射功率Ptot然后被“注入”該容器，使得容器內(nèi)的較低點(diǎn)(即較高SNR)首先被注滿，然后注滿較高點(diǎn)(即較低SNR)。功率分布取決于總可用發(fā)射功率Ptot以及容器在底部上的深度。在所有可用的發(fā)射功率被注入后容器的水平面在容器的所有點(diǎn)上是常數(shù)。且在水面高度以上的點(diǎn)未經(jīng)注入(即本征模式的SNR低于一特定閥值的不用)。灌水技術(shù)由RobertG.Gallager在“information Theory and Reliable Communication”內(nèi)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(cuò)概率被發(fā)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(gè)SNR為γ的高斯信道容量可以被表示為C＝log2(1+γ) (7)對(duì)于帶有受限總發(fā)射功率Ptot的MIMO系統(tǒng)，灌水傳輸方案可以最優(yōu)地將總發(fā)射功率分配給NS個(gè)空間子信道，以達(dá)到容量。灌水傳輸方案將總發(fā)射功率Ptot分布在本征模式內(nèi)的方式使得帶有最低噪聲方差的本征模式(即最高SNR)接收到總功率的最大部分。作為灌水結(jié)果分配給本征模式i的功率量可以用Pi表示，其中i∈I，且其中Ptot=Σi∈IPi---(8)]]>基于為本征模式i分配的發(fā)射功率Pi，i∈I。本征模式i的有效SNR γi可以表示為γi=Pi·λiσ2,---(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(shè)在所有子信道上相同的噪聲方差。NS個(gè)空間子信道通過灌水傳輸方案獲得的容量然后可以表示為C=Σi=1Nslog2(1+γi)---(10)]]>每個(gè)本征模式的頻譜效率可以基于以SNR的特定單調(diào)遞增函數(shù)而經(jīng)確定。一個(gè)可以用于頻譜效率的函數(shù)是等式(7)示出的容量函數(shù)。在該情況下，本征模式i的頻譜效率ρi可以表示為ρi＝log2(1+γi) (11)系統(tǒng)的總頻譜效率是所有本征模式的頻譜效率之和，每個(gè)可以如等式(1)內(nèi)所示的確定。
為MIMO-OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)灌水功率分配的特定算法在美國專利申請(qǐng)序列號(hào)09/978337內(nèi)描述，題為“Method and Apparatus for Dertermining powerAllocation in a MIMO Communcation System”，提交于2001年10月15日。用于實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)灌水功率分配的特定算法在美國專利申請(qǐng)序列號(hào)[代理人號(hào)020038]內(nèi)描述，題為“Reallocation of Excess Power in a Multi-ChannelCommunication System”，提交于2002年1月23日。這些申請(qǐng)?jiān)诖宿D(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并在此引入作為參考。
選擇性信道求逆?zhèn)鬏敺桨笇⒖偘l(fā)射功率Ptot不均勻地分配到NS個(gè)本征模式的選定本征模式上，使得在這些選定本征模式上發(fā)送的數(shù)據(jù)流的檢測(cè)后SNR大致類似。對(duì)于該傳輸方案，較差的本征模式不被選用。類似的檢測(cè)后SNR使得能對(duì)所有數(shù)據(jù)流使用相同的編碼和調(diào)制方案，這可以簡化在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處的處理。
用于分配發(fā)射功率以獲得類似的檢測(cè)后SNR的技術(shù)在以下美國專利申請(qǐng)序列號(hào)內(nèi)描述序列號(hào)為09/860274提交于2001年5月17日；序列號(hào)為09/881610，提交于2001年6月14日以及序列號(hào)09/892379，提交于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(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并在此引入作為參考。
均勻傳輸方案將總發(fā)射功率Ptot均等地在所有NS個(gè)本征模式上分配。這可以通過將Ptot/NS分配給每個(gè)本征模式而獲得?；跒楸菊髂Ｊ絠分配的發(fā)射功率Ptot/NS，i∈I，本征模式i的有效SNR 可以被表示為γ^i=Ptot·λiNs·σ2---(12)]]>NS個(gè)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^=Σi=1Nslog2(1+γ^i)---(13)]]>波束成形傳輸方案將總發(fā)射功率Ptot分配給單個(gè)本征模式。為了接近容量，總發(fā)射功率被分配給對(duì)應(yīng)最高本征值λmax的本征模式。給定了使用單個(gè)本征模式用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗疲@最大化了SNR。單個(gè)(最佳)本征模式的有效SNR可以被表示為γ~=Ptot·λmaxσ2---(14)]]>本征值λi，i∈I可以按降序排序。在該情況下，λI是最高本征值(即λI＝λmax)。
NS個(gè)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+γ~)---(15)]]>由于只有一個(gè)本征模式用于數(shù)據(jù)傳輸，等式(15)不包括在NS個(gè)空間子信道上的求和，這是相應(yīng)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于在發(fā)射機(jī)處的全CSI處理，需要較少的信道狀態(tài)信息以實(shí)現(xiàn)該傳輸方案，因?yàn)橹皇褂靡粋€(gè)本征值進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。尤其是，只有對(duì)應(yīng)選定的本征模式的一個(gè)奇異向量需要被提供給發(fā)射機(jī)，它然后使用該向量以在MIMO信道上傳輸之前對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)調(diào)整。該奇異向量可以在接收機(jī)處基于信道響應(yīng)矩陣H導(dǎo)出，并提供給發(fā)射機(jī)。
波束操縱傳輸方案將總發(fā)射功率Ptot均勻地分配給用于發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)流的所有發(fā)射天線。在低SNR處，灌水傳輸用于將總發(fā)射功率的一大部分分配給主本征模式，這是對(duì)應(yīng)最高本征值λmax的本征模式。對(duì)于波束成形傳輸方案，單個(gè)數(shù)據(jù)流在主本征模式上發(fā)送，且該數(shù)據(jù)流由與用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿總€(gè)發(fā)射天線相關(guān)聯(lián)的復(fù)數(shù)增益值經(jīng)比例縮放，該值由對(duì)應(yīng)主本征模式的奇異向量確定。復(fù)數(shù)增益值的幅度確定了用于發(fā)射天線的發(fā)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(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)流。然而，由于只發(fā)送了數(shù)據(jù)流，則不一定要對(duì)角線化傳輸信道或限制對(duì)應(yīng)主本征模式的單個(gè)傳輸信道上的該數(shù)據(jù)流傳輸。波束操縱傳輸方案依賴主本征模式，它獲得最佳性能，但將總發(fā)射功率不均勻地分配給所有用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)射天線。這樣，為數(shù)據(jù)流使用更高的發(fā)射功率，這會(huì)導(dǎo)致改善的性能。
對(duì)于波束操縱傳輸方案，對(duì)應(yīng)最高本征值λmax的本征模式開始時(shí)被標(biāo)識(shí)(例如在接收機(jī)處)，且確定對(duì)應(yīng)該本征模式的奇異向量。該奇異向量包括用于NT個(gè)發(fā)射天線的NT個(gè)復(fù)數(shù)增益的復(fù)數(shù)值。波束操縱傳輸方案從NT個(gè)發(fā)射天線以全功率發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)流但帶有合適的相位，這些相位是奇異向量內(nèi)的NT個(gè)復(fù)數(shù)增益值的相位。因而，只是奇異向量中的NT個(gè)元素的相位需要被提供給發(fā)射機(jī)。數(shù)據(jù)流然后從NT個(gè)發(fā)射天線以標(biāo)準(zhǔn)化的(例如全)發(fā)射功率但以主本征模式的相位被發(fā)送。這使得來自NT個(gè)發(fā)射天線的傳輸可以被建設(shè)性地(即相干地)在接收機(jī)處被組合，這可以提供改善的性能。
多個(gè)傳輸方案還可以基于部分CSI傳輸方案導(dǎo)出。在一方案中，峰值發(fā)射功率Pmax用于每個(gè)數(shù)據(jù)流，且NT個(gè)數(shù)據(jù)流從NT個(gè)發(fā)射天線使用部分CSI處理(即在發(fā)射機(jī)處沒有預(yù)調(diào)整)被發(fā)送。在另一方案中(這被稱為“選擇性部分CSI方案”)，只有NT個(gè)發(fā)射天線的選定天線用于數(shù)據(jù)傳輸，且一個(gè)數(shù)據(jù)流從每個(gè)選定的發(fā)射天線被發(fā)送(例如使用峰值發(fā)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(gè)傳輸方案可以用于數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)傳輸方案取決于全或部分CSI是否在發(fā)射機(jī)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(shí)例4×4 MIMO系統(tǒng)獲得的效率三條曲線圖。效率是基于假設(shè)不相關(guān)復(fù)數(shù)高斯信道模型而確定的，其中MIMO信道經(jīng)歷加性高斯白噪聲(AWGN)但沒有其他干擾。
對(duì)于灌水傳輸方案，大量隨機(jī)信道集合(即帶有隨機(jī)本征值的空間子信道集合)在開始時(shí)被生成。這些信道集合然后為不同的噪聲方差σ2離散值而經(jīng)評(píng)估，其中每個(gè)噪聲方差值對(duì)應(yīng)特定“操作”SNR，如下所述。對(duì)于每個(gè)信道集合，灌水用于基于子信道的本征值為各種噪聲方差值將總發(fā)射功率分配給集合內(nèi)的空間子信道。每個(gè)集合內(nèi)的空間子信道的有效SNR取決于子信道的本征值、分配的發(fā)射功率以及噪聲方差，且可以如等式(9)內(nèi)示出。每個(gè)信道集合的效率然后為每個(gè)噪聲方差值確定，如等式(10)內(nèi)示出。然后獲得每個(gè)噪聲方差值的所有信道集合的效率的統(tǒng)計(jì)平均。
對(duì)于波束成形傳輸方案，評(píng)估相同隨機(jī)生成的信道集合，除了只選用對(duì)應(yīng)最高本征值的本征模式。每個(gè)信道集合類似地被噪聲方差σ2的各個(gè)離散值而經(jīng)評(píng)估，且為每個(gè)噪聲方差值獲得這些頻率集合的效率統(tǒng)計(jì)平均。對(duì)于均勻傳輸方案，總發(fā)射功率均勻地被分配給每個(gè)隨機(jī)生成的信道集合內(nèi)的本征模式。還為各個(gè)離散噪聲方差值評(píng)估每個(gè)集合，且為每個(gè)噪聲方差值獲得信道集合效率的統(tǒng)計(jì)平均。
如圖1示出，每個(gè)傳輸方案獲得的效率根據(jù)工作SNR繪制的。工作SNR是接收機(jī)處的加性高斯白噪聲的功率的倒數(shù)，可以被定義為γop=1σ2---(16)]]>工作SNR是MIMO信道的操作條件的測(cè)量。如等式(16)示出，工作SNR和噪聲方差σ2反相關(guān)。為每個(gè)傳輸方案的各個(gè)噪聲方差獲得效率因此可以根據(jù)工作SNR而不是噪聲方差而經(jīng)繪制，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，且可以示出等于容量。均勻和波束成形傳輸方案的效率相應(yīng)地由圖114和116示出。在低SNR處，波束成形傳輸方案接近最優(yōu)(即灌水傳輸方案)，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)本征模式在這些SNR是活動(dòng)的。在高SNR處，均勻傳輸方案接近灌水傳輸方案的最優(yōu)性能。
圖114示出的均勻傳輸方案的效率使用發(fā)射機(jī)處的全CSI處理而獲得。尤其是，等式(13)指明效率 可以基于空間子信道的有效SNR 而獲得，且等式(12)指示需要全CSI(例如信道響應(yīng)矩陣H)以導(dǎo)出本征值λi，該值然后被用于確定有效SNR。然而，如果在接收機(jī)處使用MMSE-SC接收機(jī)處理技術(shù)以處理并恢復(fù)發(fā)送的數(shù)據(jù)流，則可以示出對(duì)部分CSI傳輸方案也可以獲得效率 如果在接收機(jī)處使用一些其他的接收機(jī)處理技術(shù)而不是MMSE-SC技術(shù)，則部分CSI傳輸方案的效率會(huì)小于等式(13)示出的。
為了獲得灌水傳輸方案的最優(yōu)效率，發(fā)射機(jī)需要MIMO信道的完全知識(shí)，即全CSI。全CSI可以由信道響應(yīng)矩陣H以及噪聲方差σ2提供。信道響應(yīng)矩陣H然后可以經(jīng)評(píng)估(例如使用奇異值分解)以確定矩陣G＝HHH的本征模式和本征值?？偘l(fā)射功率然后基于本征值和噪聲方差使用灌水傳輸方案而分配給本征模式。
灌水傳輸方案可能不是較佳或?qū)τ谝恍㎝IMO系統(tǒng)由于各種因素而不可用。首先，全CSI可能很難獲得(例如一般在接收機(jī)處)，因?yàn)檫@會(huì)需要每個(gè)發(fā)射-接收天線對(duì)之間的信道增益測(cè)量。需要第二附加空中鏈路資源以從接收機(jī)將所有本征模式的全CSI報(bào)告回發(fā)射機(jī)。第三，可能需要更高的準(zhǔn)確度(即更多的比特)表示信道增益，因?yàn)槿魏尾铄e(cuò)會(huì)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的正交性的丟失。第四，如果MIMO信道是時(shí)變的，則信道增益對(duì)測(cè)量和報(bào)告延時(shí)更敏感。這些因子會(huì)使得灌水方法不能用于一些MIMO系統(tǒng)。
在一方面，似乎次優(yōu)的效率但需要更少的CSI以實(shí)現(xiàn)的多個(gè)傳輸方案被選擇性地用于提供接近最優(yōu)的總效率。這些次優(yōu)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(jī)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(fā)明的范圍內(nèi)。
通過提供給發(fā)射機(jī)必要的CSI可以為次優(yōu)傳輸方案獲得“接近最優(yōu)”的總性能。該CSI可以包括在NS個(gè)本征模式上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹疤幚砗蟆盨NR，如在接收機(jī)處在實(shí)現(xiàn)了空間接收機(jī)處理之后確定的，如以下描述。處理后SNR可以為發(fā)射機(jī)用于(1)從多個(gè)可能的傳輸方案中選擇特定的用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏敺桨福?2)為每個(gè)數(shù)據(jù)流選擇要用的數(shù)據(jù)速率和編。
對(duì)于波束形成方案，與所述本征模式(例如對(duì)應(yīng)最高本征值λmax的)相關(guān)的標(biāo)量的奇異向量v被提供給發(fā)射機(jī)并用于波束形成該本征模式上的數(shù)據(jù)傳輸。該接收機(jī)將接收到的向量y在乘對(duì)應(yīng)的奇異向量u以恢復(fù)發(fā)送的數(shù)據(jù)流。
為了只使用部分CSI獲得高性能，接收機(jī)可以使用MMSE-SC接收機(jī)處理技術(shù)，這會(huì)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(fā)射功率的較大一部分分配給帶有更佳性能的主本征模式。在一些閥值SNR γth處，更好的策略是將總發(fā)射功率分配給對(duì)應(yīng)最大本征值的本征模式，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(yōu)效率(圖112)。相反，隨著SNR增加，相對(duì)于總功率，灌水傳輸方案分配的每本征模式功率差減少，且功率分配更佳均勻。隨著SNR增加，噪聲方差σ2減少，且不同本征模式的上升(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(jī)處帶有MMSE-SC(或等價(jià)方案)的部分CSI傳輸方案可以達(dá)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(guān)的額外“費(fèi)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(tǒng)可以有利地利用多個(gè)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范圍上改善的性能。MIMO系統(tǒng)使用的每個(gè)傳輸方案可以對(duì)應(yīng)相應(yīng)的操作模式。“多模式”MIMO系統(tǒng)然后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)，這取決于信道(或操作)條件。這樣，對(duì)于給定操作條件提供最佳性能的傳輸方案可以選用于提供高性能。
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(tǒng)可以獲得曲線圖120(用圈點(diǎn)表示)。在任何工作SNR該多模式系統(tǒng)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(gè)傳輸方案效率的最大損失發(fā)生在接近工作SNR γop＝0dB處，且對(duì)于使用四個(gè)發(fā)射天線和四個(gè)接收天線的該示例MIMO系統(tǒng)大致為1.75dB。實(shí)現(xiàn)該多模式系統(tǒng)后，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于為MIMO系統(tǒng)提供擴(kuò)展操作范圍(即覆蓋低SNR)。帶有MMSE-SC和波束成形傳輸方案的部分CSI的性能采用不相關(guān)信道模型。隨著信道越來越相關(guān)，在接收機(jī)處的可分辨數(shù)據(jù)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(zhuǎn)移到更高的SNR，且波束成形傳輸方案變成在低端更大SNR范圍選擇的操作模式。
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(tǒng)使用。還可以使用其他傳輸方案，且這在本發(fā)明范圍內(nèi)。例如，可以使用“選擇性本征模式”傳輸方案以均勻地在NS個(gè)本征模式子集間分配總發(fā)射功率。例如如果兩個(gè)或多個(gè)本征模式獲得一些閥值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(fā)射天線用于數(shù)據(jù)傳輸，且剩余發(fā)射天線會(huì)被關(guān)閉。
還可以實(shí)現(xiàn)在此描述的傳輸方案的變體，且這在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，還可以使用發(fā)射分集方案，其中單個(gè)數(shù)據(jù)流在以全功率在所有NT個(gè)發(fā)射天線上被發(fā)送而沒有任何波束成形。對(duì)于帶有MMSE-SC方案的部分CSI，這在一定條件下與均勻傳輸方案產(chǎn)生相同頻譜效率，用于給定數(shù)據(jù)流的實(shí)際發(fā)射功率可以經(jīng)調(diào)整為給定(量化)數(shù)據(jù)速率需要的最小量。
一般，任何數(shù)量和類型的傳輸方案還可以為多模式MIMO系統(tǒng)用于提供改善的總性能。每個(gè)傳輸方案可以提供在一些操作條件下(例如特定SNR范圍)提供較好或接近最優(yōu)性能。這些多個(gè)傳輸方案然后可以分片方式經(jīng)組合以形成多模式傳輸方案，該方案覆蓋了MIMO系統(tǒng)支持的所有操作條件(例如全SNR范圍)。
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(guān)和其他因系相關(guān)的損失。
一般，在任何給定時(shí)刻每個(gè)傳輸方案獲得的頻譜效率是工作SNR以及該時(shí)刻信道的函數(shù)。因此，為了獲得高性能，當(dāng)選擇使用哪個(gè)傳輸方案時(shí)，信道(和其他因素)還可以被考慮。對(duì)于慢變信道，實(shí)時(shí)信道估計(jì)可以用于評(píng)估可能的傳輸方案。對(duì)于較快變的信道，可以獲得信道的時(shí)間平均，并用作信道估計(jì)。
用于任何給定時(shí)刻的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟▊鬏敺桨缚梢砸愿鞣N方式選擇。傳輸方案選擇取決于系統(tǒng)在該時(shí)刻經(jīng)歷的特定操作條件，且可以進(jìn)一步考慮其他因素。以下描述選擇傳輸方案的幾個(gè)方法。
在選擇傳輸方案的一方法中，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟▊鬏敺桨钢换诠ぷ鱏NR而被選擇。該方法易于實(shí)現(xiàn)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(jī)評(píng)估每個(gè)可能的傳輸方案，并選擇產(chǎn)生最佳頻譜效率的傳輸方案。對(duì)于只支持波束成形和部分CSI傳輸方案的系統(tǒng)，接收機(jī)可以評(píng)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(jī)處理)的部分CSI方案。接收機(jī)然后可以選擇產(chǎn)生最高吞吐量的傳輸方案，并將該信息提供給發(fā)射機(jī)。
在另一選擇傳輸方案的方法中，接收機(jī)評(píng)估每個(gè)可能的傳輸方案，并基于可獲得頻譜效率和其他考慮選擇一個(gè)傳輸方案。例如，接收機(jī)可以評(píng)估波束成形和均勻傳輸方案達(dá)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)大于某一閥值，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(píng)估(較少的計(jì)算代價(jià)，更快)，且可以用作替代(接收機(jī)可以評(píng)估均勻傳輸方案的性能，因?yàn)樗塬@得全CSI)。然而，由于一些實(shí)現(xiàn)損失，均勻傳輸方案的頻譜效率不完全等于帶有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(guān)聯(lián)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(shè)計(jì)選擇在任何給定時(shí)刻使用的特定傳輸方案的其他方法，且這在本發(fā)明的范圍內(nèi)。一般，可以評(píng)估任何數(shù)量的可能傳輸方案(或其等價(jià))，且用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟▊鬏敺桨缚梢曰诟鞣N因素而被選擇，諸如(1)可獲得的頻譜效率，(2)估計(jì)的實(shí)現(xiàn)損失等。
圖2是過程200的實(shí)施例流圖，用于基于多模式傳輸方案在MIMO系統(tǒng)內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。開始時(shí)，確定MIMO系統(tǒng)的操作條件(步驟212)。操作條件可以由工作SNR量化，這可以基于如等式(16)示出的噪聲方差和/或其他因子而經(jīng)確定。操作條件可以基于連同數(shù)據(jù)發(fā)送的導(dǎo)頻而經(jīng)估計(jì)，如領(lǐng)域內(nèi)已知的。
然后從多個(gè)傳輸方案中基于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(tǒng)可以支持任何數(shù)量的傳輸方案。用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟▊鬏敺桨缚梢酝ㄟ^將工作SNR與一個(gè)或多個(gè)閥值SNR比較而確定。如果MIMO系統(tǒng)只支持部分CSI以及波束成形方案，則如果工作SNR等于或大于閥值SNRγth，則選擇部分CSI方案，且如果工作SNR小于閥值SNR，則選擇波束成形方案。
然后確定要發(fā)送的數(shù)據(jù)流數(shù)，其數(shù)目取決于選定的傳輸方案(步驟216)。例如，單個(gè)數(shù)據(jù)流可以在對(duì)應(yīng)波束成形傳輸方案的最高本征值的單個(gè)本征模式上被發(fā)送，且對(duì)于部分CSI傳輸方案可以在NT個(gè)發(fā)射天線上發(fā)送NT個(gè)數(shù)據(jù)流。系統(tǒng)可用的總發(fā)射功率Ptot然后基于選定傳輸方案(步驟218)被分配給一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流。一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流然后基于選定的傳輸方案并根據(jù)分配的發(fā)射功率以及可用的CSI經(jīng)處理(步驟220)。圖2內(nèi)示出的過程可以在每個(gè)傳輸間隔內(nèi)被實(shí)現(xiàn)，且這對(duì)應(yīng)調(diào)度間隔。
在此描述的傳輸技術(shù)還可以用于其他多信道通信系統(tǒng)，諸如OFDM系統(tǒng)、MIMO-OFDM系統(tǒng)等。
OFDM系統(tǒng)有效地將系統(tǒng)帶寬分成多個(gè)(NF)頻率子信道，這一般被稱為頻率區(qū)段即子帶。每個(gè)頻率子信道與相應(yīng)的子載波(或頻調(diào))相關(guān)聯(lián)，在其上進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)，時(shí)隙是取決于頻率子信道帶寬的特定時(shí)間間隔，可以在NF個(gè)頻率子信道的每個(gè)上發(fā)送調(diào)制碼元。對(duì)于OFDM系統(tǒng)，每個(gè)頻率子信道可以被稱為傳輸信道，且對(duì)于OFDM系統(tǒng)有NC＝NF個(gè)傳輸信道。
OFDM系統(tǒng)的頻率子信道可以經(jīng)歷頻率選擇性衰減(即對(duì)于不同頻率子信道不同的衰減量)。頻率子信道的特定響應(yīng)取決于發(fā)射和接收天線間的傳播路徑的特性(例如衰落和多徑效應(yīng))。因此，可以為給定的發(fā)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(gè)頻率子信道選用特定傳輸方案，其方式類似于上述本征模式的方式。
MIMO-OFDM系統(tǒng)包括NS個(gè)本征模式的每個(gè)的NF個(gè)頻率子信道。每個(gè)本征模式的每個(gè)頻率子信道可以被稱為傳輸信道，且MIMO-OFDM系統(tǒng)有NC＝NF·NS個(gè)傳輸信道。MIMO-OFDM系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)本征模式的頻率子信道可能經(jīng)歷類似的不同信道條件，且對(duì)于給定發(fā)射功率量可能獲得不同的SNR。在該情況下，可以為NF個(gè)頻率子信道的每個(gè)選用特定的傳輸方案，其方式類似于上述本征模式方式。然而，由于每個(gè)發(fā)射天線由Pmax的峰值發(fā)射功率限制，則用于給定發(fā)射天線的所有頻率子信道的總發(fā)射功率被限制在Pmax。
對(duì)于MIMO-OFDM系統(tǒng)，所有傳輸信道(即對(duì)于空間和頻率維)可以在確定用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟▊鬏敺桨笗r(shí)考慮。或者，傳輸方案選擇的實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)在任何給定時(shí)間只考慮一維。
在此描述的技術(shù)可以用于傳輸信道組。每個(gè)組可以包括任何數(shù)量的傳輸信道且可以與相應(yīng)的操作點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。每個(gè)組可以包括例如用于獨(dú)立數(shù)據(jù)流的傳輸信道，數(shù)據(jù)流與特定的數(shù)據(jù)速率和特定的編碼和調(diào)制方案相關(guān)。對(duì)于多址通信系統(tǒng)，每個(gè)組可以與要分配給不同接收機(jī)的傳輸信道相關(guān)聯(lián)。
對(duì)于可能經(jīng)歷頻率選擇性衰落的寬帶MIMO系統(tǒng)，操作帶寬可以被分成多個(gè)(相等或不等)的頻帶，使得每個(gè)頻帶可以被認(rèn)為是平緩衰減信道。在該情況下，信道響應(yīng)矩陣H的每個(gè)元素是線性傳遞函數(shù)而不是標(biāo)量，且每個(gè)發(fā)射-接收天線對(duì)之間的耦合hi，j可以用NF個(gè)標(biāo)量值向量表示，每個(gè)頻帶一個(gè)標(biāo)量值?？梢詾閷拵IMO系統(tǒng)使用各種傳輸方案，其中一些描述如下。
在寬帶MIMO系統(tǒng)的第一傳輸方案內(nèi)，為每個(gè)頻帶使用波束成形。在該第一傳輸方案的一實(shí)現(xiàn)中，最大本征值開始時(shí)為每個(gè)頻帶確定，且選用對(duì)應(yīng)該本征值的本征模式。這些本征模式的“最優(yōu)”功率分配可以基于在發(fā)射機(jī)處對(duì)于所有NT個(gè)發(fā)射天線可用的總發(fā)射功率Ptot而經(jīng)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(qǐng)序列號(hào)09/978337內(nèi)描述的。NF個(gè)數(shù)據(jù)流然后可以經(jīng)處理并在NF個(gè)頻帶的NF個(gè)選定本征模式上被發(fā)送。
取決于信道響應(yīng)矩陣H以及噪聲方差σ2，在NF個(gè)選定的本征模式上發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)流可以獲得不同的檢測(cè)后SNR。在一實(shí)施例中，每個(gè)數(shù)據(jù)流基于其檢測(cè)后SNR而為數(shù)據(jù)流選擇的相應(yīng)編碼和調(diào)制方案經(jīng)編碼并經(jīng)調(diào)制。在另一實(shí)施例中，分配總發(fā)射功率Ptot，使得為所有數(shù)據(jù)流獲得大致相同的檢測(cè)后SNR。對(duì)于該實(shí)施例，可以為所有數(shù)據(jù)流使用公共的編碼和調(diào)制方案，這可以簡化發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處的處理。
分配發(fā)射功率以獲得類似的檢測(cè)后SNR的技術(shù)在前述的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)09/860274、09/881610以及09/892379內(nèi)有描述。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處寬帶MIMO系統(tǒng)的處理數(shù)據(jù)技術(shù)在前述美國專利申請(qǐng)序列號(hào)09/993087以及序列號(hào)10/017308內(nèi)有描述，題為“Time-Domain Transmit and Receive Processingwith Channel Eigen-mode Decomposition with MIMO Systems”，提交于2001年12月7日。這些申請(qǐng)被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并在此引入作為參考。
在寬帶MIMO系統(tǒng)的第二傳輸方案中，為每個(gè)頻帶使用部分CSI傳輸方案。在該第二傳輸方案的一實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)發(fā)射天線的峰值發(fā)射功率Pmax在NF個(gè)頻帶間等分。然后可以處理NS個(gè)數(shù)據(jù)流并在NF個(gè)頻帶的每個(gè)上發(fā)送。在一實(shí)施例中，每個(gè)數(shù)據(jù)流可以基于其達(dá)到的檢測(cè)后SNR經(jīng)編碼和調(diào)制。在另一實(shí)施例中，為了簡化在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處的編碼和調(diào)制，發(fā)射功率可以不均勻地被分配，使得公共編碼和調(diào)制方案可以用于(1)對(duì)于每個(gè)頻帶的所有NS個(gè)數(shù)據(jù)流，(2)對(duì)于每個(gè)空間子信道的所有NF個(gè)數(shù)據(jù)流，(3)對(duì)于所有NS·NF個(gè)傳輸信道的所有數(shù)據(jù)流，或(4)對(duì)于每個(gè)傳輸信道組的所有數(shù)據(jù)流，這可以包括頻率/空間子信道的任意組合。
對(duì)于選用于寬帶MIMO系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)傳輸方案，發(fā)射機(jī)被提供以在傳輸前合適處理數(shù)據(jù)所必須的信息。例如，對(duì)于第一傳輸方案，該方案為NF個(gè)頻帶的每個(gè)使用波束成形，發(fā)射機(jī)可以被提供(1)這些NF個(gè)頻帶的NF個(gè)奇異向量以及(2)指示NF個(gè)選定本征模式的每個(gè)的檢測(cè)后SNR的信息，或用于每個(gè)數(shù)據(jù)流的編碼和調(diào)制方案。對(duì)于第二傳輸方案，該方案為NF頻帶的每個(gè)使用部分CSI傳輸，發(fā)射機(jī)可以被提供以(1)每個(gè)數(shù)據(jù)流或每個(gè)數(shù)據(jù)流組的檢測(cè)后SNR。
還可以為寬帶MIMO系統(tǒng)使用基于全CSI或部分CSI處理的其他傳輸方案，且這在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這些傳輸方案使得寬帶MIMO系統(tǒng)考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯蝹€(gè)頻帶的信道響應(yīng)。
在一實(shí)施例中，為寬帶MIMO系統(tǒng)的所有頻帶選用一個(gè)基于全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(fā)射機(jī)和接收機(jī)處的處理。在另一實(shí)施例中，每個(gè)頻帶可以被獨(dú)立地處理，且可以為每個(gè)頻帶選用不同的基于全CSI或部分CSI的傳輸方案，這受到諸如將用于給定發(fā)射天線的所有頻帶的總發(fā)射功率維持在峰值發(fā)射功率Pmax內(nèi)的一定限制。
對(duì)于寬帶MIMO系統(tǒng)，均衡器可以在接收機(jī)處被使用，被用于均衡信道響應(yīng)內(nèi)的頻率選擇性衰落。在該情況下，窄帶MIMO系統(tǒng)可用的傳輸方案可以用于寬帶MIMO系統(tǒng)。
一般，期望簡化發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處的處理。這可以通過使用數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋M可能少的編碼和調(diào)制方案而獲得(例如一個(gè)編碼和調(diào)制方案)。一種實(shí)現(xiàn)方法是將發(fā)射功率不均勻地使用選擇性信道求逆進(jìn)行分配，以對(duì)傳輸信道獲得類似的檢測(cè)后SNR。獨(dú)立數(shù)據(jù)流然后可以經(jīng)處理(例如基于公共編碼和調(diào)制方案)并在這些傳輸信道的每個(gè)上被發(fā)送。或者，一個(gè)數(shù)據(jù)流可以被處理(例如基于公共編碼和調(diào)制方案)并經(jīng)多路分解并在這些多個(gè)傳輸信道上被發(fā)送。例如，選擇性信道求逆可以連同上述的第一傳輸方案經(jīng)應(yīng)用，且一個(gè)數(shù)據(jù)流可以經(jīng)處理并在NF個(gè)頻帶的NF個(gè)選定本征模式上被發(fā)送。
信道狀態(tài)信息的量化使用依賴于減少量的CSI(例如處理后SNR和奇異向量)而不是全CSI(例如信道響應(yīng)矩陣)的傳輸方案可以大大減少從接收機(jī)報(bào)告到發(fā)射機(jī)的信道信息量。依賴全CSI的傳輸方案需要NR·NF個(gè)復(fù)數(shù)信道增益加上噪聲方差或等價(jià)信息以報(bào)告給發(fā)射機(jī)。相比之下，部分CSI傳輸方案只需要NS個(gè)SNR值，其中NS≤min{NT，NR}。每個(gè)SNR值可以被映射到或由MIMO系統(tǒng)支持的特定“速率”表示。該速率指示在對(duì)應(yīng)發(fā)射天線上用于數(shù)據(jù)流的特定數(shù)據(jù)速率和編碼和調(diào)制方案。
波束成形傳輸方案只需要選定本征模式的SNR值(或一個(gè)速率值)以及用于在選定本征模式上波束形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠娈愊蛄縱。奇異向量由NT個(gè)復(fù)數(shù)信道增益組成，每個(gè)發(fā)射天線一個(gè)。如果用于量化每個(gè)復(fù)數(shù)信道增益的每個(gè)實(shí)部或虛部需要的比特?cái)?shù)表示為Q，則對(duì)奇異向量編碼需要的總比特?cái)?shù)為2NTQ。
列出為帶有NT個(gè)發(fā)射天線和M種可能速率的MIMO系統(tǒng)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?cái)?shù)。在表格1中，符號(hào)
表示括弧內(nèi)量的下一最高整數(shù)值。
表格1
一般，其中為奇異向量量化復(fù)數(shù)信道增益為盡可能少的比特以減少要報(bào)告回發(fā)射機(jī)的信息量。然而，量化不應(yīng)顯著惡化性能。
表格2示出量化比特的不同數(shù)目的SNR(dB為單位)的惡化，Q用于表示奇異向量的復(fù)數(shù)信道增益的每維。表格2內(nèi)示出的惡化是基于在波束成形模式操作的4×4 MIMO系統(tǒng)獲得的。由于量化的SNR內(nèi)的惡化只是量化比特?cái)?shù)目的函數(shù)，而不是工作SNR的函數(shù)。該惡化示出是與從2到5的Q范圍的不同值相關(guān)的。
表格2
如表格2內(nèi)示出的，可以使用四比特/維數(shù)(即Q＝4)或八個(gè)比特/復(fù)數(shù)信道增益以對(duì)奇異向量編碼。五個(gè)比特/維數(shù)(即Q＝5)或十個(gè)比特/復(fù)數(shù)信道增益值提供更佳的性能。充分表示每個(gè)復(fù)數(shù)信道增益需要的比特?cái)?shù)是MIMO系統(tǒng)的維數(shù)的函數(shù)。例如3×3或2×2 MIMO系統(tǒng)每復(fù)數(shù)信道增益(實(shí)或虛)維數(shù)需要少于四個(gè)或五個(gè)比特。
系統(tǒng)圖3是發(fā)射機(jī)系統(tǒng)310和接收機(jī)系統(tǒng)350的實(shí)施例框圖，它們能實(shí)現(xiàn)在此描述的各個(gè)方面和實(shí)施例。
在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)310處，話務(wù)數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源312被提供給發(fā)射(TX)數(shù)據(jù)處理器314，該處理器基于一個(gè)或多個(gè)編碼方案對(duì)話務(wù)數(shù)據(jù)格式化、編碼并交織以提供編碼后數(shù)據(jù)。編碼后話務(wù)數(shù)據(jù)然后可以與導(dǎo)頻數(shù)據(jù)使用例如時(shí)分多路復(fù)用(TDM)或碼分多路復(fù)用(CDM)方式在所有傳輸信道或其子集內(nèi)經(jīng)多路復(fù)用以用于數(shù)據(jù)傳輸。導(dǎo)頻數(shù)據(jù)一般是以已知方式處理的已知數(shù)據(jù)模式。經(jīng)多路復(fù)用的導(dǎo)頻和編碼后話務(wù)數(shù)據(jù)然后基于一個(gè)或多個(gè)調(diào)制方案(例如BPSK、QSPK、M-PSK或M-QAM)經(jīng)調(diào)制(即碼元映射)以提供調(diào)制碼元。每個(gè)傳輸信道或每個(gè)傳輸信道組的數(shù)據(jù)速率、編碼、交織和調(diào)制可以由控制器330提供的各種控制確定。
TX MIMO處理器320還可以進(jìn)一步根據(jù)對(duì)應(yīng)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)310的當(dāng)前操作模式的處理方案處理調(diào)制碼元。每個(gè)傳輸方案可以與相應(yīng)的操作模式相關(guān)聯(lián)，且每個(gè)操作模式可以對(duì)應(yīng)調(diào)制碼元的特定處理方案。對(duì)于部分CSI傳輸方案，TXMIMO處理器320簡單地將每個(gè)數(shù)據(jù)流的調(diào)制碼元流發(fā)送到相應(yīng)的發(fā)射機(jī)(TMTR)322。對(duì)于波束成形傳輸方案，TX MIMO處理器320基于與該本征模式相關(guān)聯(lián)的奇異向量v而預(yù)處理該選定本征模式的調(diào)制碼元的單個(gè)流。預(yù)調(diào)整可以通過將每個(gè)調(diào)制碼元乘以奇異向量的NT項(xiàng)的每個(gè)而實(shí)現(xiàn)，以提供NT個(gè)標(biāo)量化的碼元。NT個(gè)標(biāo)量化碼元流因此提供給奇異向量的NT項(xiàng)。用奇異向量預(yù)調(diào)整有效地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的波束成形。在兩種情況下，NT個(gè)標(biāo)量化或未經(jīng)標(biāo)量化的調(diào)制碼元流提供給發(fā)射機(jī)322a到322t。
每個(gè)發(fā)射機(jī)322接收并處理相應(yīng)的碼元流。對(duì)于OFDM系統(tǒng)，每個(gè)發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)換碼元(例如使用反快速傅立葉變換(IFFT)以形成OFDM碼元，且進(jìn)一步將循環(huán)前綴附加到每個(gè)OFDM碼元以形成對(duì)應(yīng)的傳輸碼元。每個(gè)發(fā)射機(jī)將碼元流轉(zhuǎn)換成一個(gè)或多個(gè)模擬信道，并進(jìn)一步將模擬信號(hào)調(diào)整(例如放大、濾波以及正交調(diào)制)以生成合適于在MIMO信道上發(fā)送的已調(diào)信號(hào)。來自發(fā)射機(jī)322a到322t的NT個(gè)已調(diào)信號(hào)然后相應(yīng)地從NT個(gè)天線324a到324t被發(fā)送。
在接收機(jī)系統(tǒng)350處，發(fā)送的已調(diào)信號(hào)由NR個(gè)天線352a到352r接收，且從每個(gè)天線352接收到的信號(hào)被提供給相應(yīng)的接收機(jī)(RCVR)354。每個(gè)接收機(jī)354調(diào)整(例如濾波、放大并下變頻)接收到的信號(hào)并數(shù)字化經(jīng)調(diào)整的信號(hào)以提供相應(yīng)的采樣流。每個(gè)采樣流可以進(jìn)一步經(jīng)處理(例如用恢復(fù)后的導(dǎo)頻解調(diào))以獲得對(duì)應(yīng)的接收到碼元流(被標(biāo)為y)。
RX MIMO處理器360然后基于多個(gè)空間接收機(jī)處理技術(shù)的一種接收并處理NR個(gè)接收到的碼元流以提供NT個(gè)恢復(fù)的碼元流(被標(biāo)為r)。例如，RX MIMO處理器360可以實(shí)現(xiàn)CCMI、CCMI-SC、MMSE、MMSE-SC或一些其他接收機(jī)處理技術(shù)。這些各種接收機(jī)處理技術(shù)在前述的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)09/993087內(nèi)描述。
接收(RX)數(shù)據(jù)處理362然后對(duì)恢復(fù)碼元解調(diào)、解交織并解碼。RX MIMO處理器360和RX數(shù)據(jù)處理器362的處理與在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)310處的TX MIMO處理器320和TX數(shù)據(jù)處理器314實(shí)現(xiàn)的互補(bǔ)。
RX MIMO處理器360還可以為傳輸信道導(dǎo)出SNR估計(jì)、帶有最高本征值(最佳SNR)的奇異向量的信道增益等，并將該信息提供給控制器370。RX數(shù)據(jù)處理器362還提供每個(gè)接收到幀或分組的狀態(tài)、指示解碼后結(jié)果的一個(gè)或多個(gè)其他性能度量以及可能的其他信息?？刂破?70收集有關(guān)的CSI，這可以包括從RXMIMO處理器360和RX數(shù)據(jù)處理器362接收到的一些或所有信息。該CSI然后由TX數(shù)據(jù)處理器378處理，由調(diào)制器380調(diào)制、由發(fā)射機(jī)354a到354r調(diào)整，并發(fā)送回發(fā)射機(jī)系統(tǒng)310。
在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)310處，來自接收機(jī)系統(tǒng)350的已調(diào)信號(hào)由天線324接收、接收機(jī)322調(diào)整、解調(diào)器340解調(diào)并由RX數(shù)據(jù)處理器342處理以恢復(fù)接收機(jī)系統(tǒng)報(bào)告的相關(guān)CSI。報(bào)告的CSI然后被提供給控制器330并用于選擇傳輸方案并為TX數(shù)據(jù)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(dǎo)相應(yīng)地在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)處的操作。存儲(chǔ)器332和372提供控制器330和370使用的程序代碼和數(shù)據(jù)的相應(yīng)存儲(chǔ)。
為了實(shí)現(xiàn)上述的多模式傳輸技術(shù)，控制器330從接收機(jī)350接收相關(guān)CSI，這包括處理后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?？刂破?30然后(1)選擇用于發(fā)送數(shù)據(jù)的特定傳輸方案，以及(2)確定用于每個(gè)選定傳輸信道的速率。用于每個(gè)選定傳輸信道的速率(即數(shù)據(jù)速率和編碼和調(diào)制方案)部分基于分配給數(shù)據(jù)流的發(fā)射功率量而經(jīng)確定。功率分配和速率確定還可以由一些除了發(fā)射機(jī)系統(tǒng)之外的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體實(shí)現(xiàn)。
在此描述的多模式傳輸技術(shù)可以由各種方式實(shí)現(xiàn)。例如，這些技術(shù)可以在硬件、軟件或其組合實(shí)現(xiàn)。對(duì)于硬件實(shí)現(xiàn)，用于控制數(shù)據(jù)流的發(fā)射功率的元件可以在以下元件內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備(DSPD)、可編程邏輯設(shè)備(PLD)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、處理器、控制器、微控制器、微處理器、設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)在此描述的功能的其他電子單元或其組合。
對(duì)于軟件實(shí)現(xiàn)，功率控制可以用實(shí)現(xiàn)上述功能的模塊(例如進(jìn)程、函數(shù)等)實(shí)現(xiàn)。軟件代碼可以被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元內(nèi)(例如圖3內(nèi)的存儲(chǔ)器332)并由處理器執(zhí)行(例如控制器330)。存儲(chǔ)器單元可以在處理器內(nèi)或處理器外實(shí)現(xiàn)，在該情況下，它可以通過領(lǐng)域內(nèi)各種方式通信耦合到處理器。
標(biāo)題在此被包括用于參考并用于幫助定位某些部分。這些標(biāo)題不是用于限制以下描述的概念，且這些概念可以應(yīng)用到整個(gè)說明的其他分部。
上述優(yōu)選實(shí)施例的描述使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能制造或使用本發(fā)明。這些實(shí)施例的各種修改對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的，這里定義的一般原理可以被應(yīng)用于其它實(shí)施例中而不使用創(chuàng)造能力。因此，本發(fā)明并不限于這里示出的實(shí)施例，而要符合與這里揭示的原理和新穎特征一致的最寬泛的范圍。
權(quán)利要求
1.一種在無線通信系統(tǒng)內(nèi)在多個(gè)傳輸信道上發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，其特征在于包括確定通信系統(tǒng)的操作條件；基于確定的操作條件標(biāo)識(shí)從多個(gè)可能的傳輸方案中選擇的特定傳輸方案；基于選定的傳輸方案確定要發(fā)送的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流；以及基于選定的傳輸方案處理一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述特定傳輸方案是通過評(píng)估多個(gè)可能傳輸方案的每個(gè)而選擇的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述特定傳輸方案是基于工作信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)經(jīng)選擇的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)一步基于信道狀態(tài)信息經(jīng)處理。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于多個(gè)傳輸方案包括部分信道狀態(tài)信息(CSI)傳輸方案。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于部分CSI傳輸方案的信道狀態(tài)信息包括信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于多個(gè)傳輸方案包括波束形成傳輸方案。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于單個(gè)傳輸信道為波束形成傳輸方案選用，且其中波束成形用于在單個(gè)選定傳輸信道上的數(shù)據(jù)傳輸。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述波束成形傳輸方案的信道狀態(tài)信息包括信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)以及單個(gè)選定傳輸信道的奇異向量。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于奇異向量的每個(gè)元素被量化為每維五個(gè)比特或更少。
11.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于多個(gè)傳輸方案包括波束成形傳輸方案。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于波束成形傳輸方案的信道狀態(tài)信息包括信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)以及用于多個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)射天線的相位值向量。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述相位值向量基于主本征模式的奇異向量。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述操作條件由信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)量化，其中如果通信系統(tǒng)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(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括基于數(shù)據(jù)流的可獲得的信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)為每個(gè)數(shù)據(jù)流選擇一速率。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述無線通信系統(tǒng)是多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)，且多個(gè)傳輸信道對(duì)應(yīng)MIMO通信系統(tǒng)的多個(gè)空間子信道。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述無線通信系統(tǒng)是寬帶多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)，且多個(gè)傳輸信道對(duì)應(yīng)多個(gè)頻帶的多個(gè)空間子信道。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于為所有頻帶選擇一個(gè)傳輸方案，且其中一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流在每個(gè)頻帶上被發(fā)送，且基于選定的傳輸方案被處理。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于為每個(gè)頻帶選用一個(gè)傳輸方案，且其中一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流在每個(gè)頻帶上被發(fā)送，且基于為該頻帶選擇的傳輸方案被處理。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于為多個(gè)頻帶的每個(gè)選用波束成形傳輸方案。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于分配總發(fā)射功率使得為在多個(gè)頻帶上發(fā)送的所有數(shù)據(jù)流使用公共的編碼和調(diào)制方案。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于為多個(gè)頻帶的每個(gè)選用部分CSI傳輸方案。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于分配總發(fā)射功率使得對(duì)在每個(gè)頻帶上發(fā)送的所有數(shù)據(jù)流使用公共編碼和調(diào)制方案。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于分配總發(fā)射功率，使得為在每個(gè)空間子信道上發(fā)送的所有數(shù)據(jù)流使用公共編碼和調(diào)制方案。
25.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于無線通信系統(tǒng)是正交頻分多路復(fù)用(OFDM)通信系統(tǒng)，且多個(gè)傳輸信道對(duì)應(yīng)多個(gè)頻率子信道。
26.在多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)空間子信道上發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，其特征在于包括確定MIMO系統(tǒng)的工作信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)；基于工作SNR標(biāo)識(shí)從多個(gè)可能傳輸方案中選擇的特定傳輸方案，其中多個(gè)傳輸方案的每個(gè)用于相應(yīng)的工作SNR范圍；基于選擇的傳輸方案確定要發(fā)送的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流；以及基于選定的傳輸方案處理一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于多個(gè)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。
28.一方法用于在多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，其特征在于包括基于多個(gè)傳輸信道達(dá)到的性能標(biāo)識(shí)多個(gè)傳輸信道的特定一個(gè)；確定對(duì)應(yīng)選定傳輸信道的相位值向量，對(duì)于多個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)射天線的每一個(gè)一個(gè)相位值；基于特定的編碼和調(diào)制方案處理數(shù)據(jù)；以及以特定發(fā)射功率從多個(gè)發(fā)射天線的每個(gè)發(fā)送處理后數(shù)據(jù)，且其相位是由與發(fā)射天線相關(guān)聯(lián)的相位值確定的。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于為每個(gè)發(fā)射天線使用全發(fā)射功率。
30.一耦合到數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備(DSPD)的存儲(chǔ)器，所述設(shè)備能解釋數(shù)字信息以執(zhí)行確定通信系統(tǒng)的操作條件；基于確定的操作條件標(biāo)識(shí)從多個(gè)可能的傳輸方案中選擇的特定傳輸方案；基于選定的傳輸方案確定要發(fā)送的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流；以及基于選定的傳輸方案處理一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流。
31.一計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品用于方便在無線通信系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)傳輸信道上的數(shù)據(jù)傳輸，其特征在于包括確定通信系統(tǒng)的操作條件的代碼；基于確定的操作條件標(biāo)識(shí)從多個(gè)可能的傳輸方案中選擇的特定傳輸方案的代碼；基于選定的傳輸方案確定要發(fā)送的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流的代碼；以及基于選定的傳輸方案處理一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流的代碼；以及用于存儲(chǔ)這些代碼的計(jì)算機(jī)可用媒質(zhì)。
32.無線通信系統(tǒng)內(nèi)的裝置，其特征在于包括確定通信系統(tǒng)的操作條件的裝置；基于確定的操作條件標(biāo)識(shí)從多個(gè)可能的傳輸方案中選擇的特定傳輸方案的裝置；基于選定的傳輸方案確定要發(fā)送的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流的裝置；以及基于選定的傳輸方案處理一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流的裝置。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于所述無線通信系統(tǒng)是多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)，且多個(gè)傳輸信道對(duì)應(yīng)MIMO通信系統(tǒng)的多個(gè)空間子信道。
34.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于所述特定傳輸方案基于通信系統(tǒng)的操作信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)選擇，且其中多個(gè)傳輸方案的每個(gè)用于相應(yīng)的工作SNR范圍。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于所述多個(gè)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(tǒng)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(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于還包括基于數(shù)據(jù)流可獲得的信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)為每個(gè)數(shù)據(jù)流選擇一速率。
37.多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)內(nèi)的裝置，其特征在于包括確定MIMO系統(tǒng)的操作信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)的裝置；基于工作SNR從多個(gè)可能的傳輸方案中標(biāo)識(shí)選擇的特定傳輸方案的裝置，其中多個(gè)傳輸方案的每個(gè)用于相應(yīng)的工作SNR范圍；基于選定的傳輸方案確定要發(fā)送的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流的裝置；以及基于選定的傳輸方案處理一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流的裝置。
38.無線通信系統(tǒng)內(nèi)的控制器，其特征在于包括接收通信系統(tǒng)操作條件的裝置；基于確定的操作條件標(biāo)識(shí)從多個(gè)可能的傳輸方案中標(biāo)識(shí)選擇的特定傳輸方案的裝置；基于選定的傳輸方案確定要發(fā)送的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流的裝置；以及基于選定的傳輸方案引導(dǎo)處理一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流的裝置。
39.如權(quán)利要求38所述的控制器，其特征在于還包括基于數(shù)據(jù)流可達(dá)到的信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)為每個(gè)數(shù)據(jù)流選擇速率的裝置。
40.一基站包括權(quán)利要求38所述的控制器。
41.無線通信系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)射機(jī)單元，其特征在于包括控制器，用于引導(dǎo)在多個(gè)傳輸信道上的數(shù)據(jù)傳輸，所述引導(dǎo)是通過接收通信系統(tǒng)的操作條件的指示；基于確定的操作條件標(biāo)識(shí)從多個(gè)可能的傳輸方案中選擇的特定傳輸方案；基于選定的傳輸方案確定要發(fā)送的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流；部分基于分配給數(shù)據(jù)流的發(fā)射功率量為每個(gè)數(shù)據(jù)流選擇一速率；以及基于選定的傳輸方案引導(dǎo)一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流的處理；發(fā)射(TX)數(shù)據(jù)處理器，用于基于選定的速率處理每個(gè)數(shù)據(jù)流以提供相應(yīng)的碼元流；以及一個(gè)或多個(gè)發(fā)射機(jī)，用于處理一個(gè)或多個(gè)碼元流以提供適于在通信信道上傳輸?shù)囊粋€(gè)或多個(gè)已調(diào)信號(hào)。
42.如權(quán)利要求41所述的發(fā)射機(jī)單元，其特征在于多個(gè)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(quán)利要求42所述的發(fā)射機(jī)單元，其特征在于所述控制器用于如果通信系統(tǒng)的操作信號(hào)對(duì)噪聲和干擾比(SNR)高于閥值SNR則選擇部分CSI傳輸方案，如果工作SNR低于閥值SNR，則選擇波束成形傳輸方案。
44.如權(quán)利要求42所述的發(fā)射機(jī)單元，其特征在于所述控制器還用于為部分CSI傳輸方案利用每個(gè)數(shù)據(jù)流的峰值發(fā)射功率，并對(duì)于波束成形傳輸方案將所有發(fā)射功率分配給單個(gè)數(shù)據(jù)流。
45.如權(quán)利要求42所述的發(fā)射機(jī)單元，其特征在于還包括TX MIMO處理器，用于基于波束成形傳輸方案的奇異向量對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)流的碼元流預(yù)調(diào)整。
46.一基站包括如權(quán)利要求41所述的發(fā)射機(jī)單元。
47.無線通信系統(tǒng)內(nèi)的接收機(jī)單元，其特征在于包括接收(RX)MIMO處理器，用于根據(jù)特定接收機(jī)處理方案接收并處理多個(gè)接收到碼元流以提供至少一個(gè)恢復(fù)后碼元流，并為每個(gè)恢復(fù)的碼元流導(dǎo)出信道狀態(tài)信息(CSI)。RX數(shù)據(jù)處理器，用于根據(jù)至少一個(gè)解調(diào)和解碼方案處理至少一個(gè)恢復(fù)后的碼元以提供解碼后數(shù)據(jù)；以及TX數(shù)據(jù)處理器，用于處理CSI以發(fā)送回發(fā)射機(jī)單元；以及其中基于CSI從多個(gè)可能傳輸方案中選擇一特定傳輸方案，其中基于選定的傳輸方案將一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)送到接收機(jī)單元，且其中總可用發(fā)射功率基于選定的傳輸方案被分配給一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流。
48.如權(quán)利要求47所述的接收機(jī)單元，其特征在于多個(gè)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(hào)對(duì)噪聲和干擾比(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(quán)利要求48所述的接收機(jī)單元，其特征在于對(duì)于波束成形傳輸方案，RX MIMO處理器還用于用奇異向量預(yù)調(diào)整多個(gè)接收到的碼元流以提供單個(gè)恢復(fù)的碼元流。
50.如權(quán)利要求48所述的接收機(jī)單元，其特征在于對(duì)于部分CSI傳輸方案，RX MIMO處理器還用于基于帶有連續(xù)抵消的最小均方誤差接收機(jī)處理技術(shù)處理多個(gè)接收到的碼元流以提供多個(gè)恢復(fù)的碼元流。
51.無線通信系統(tǒng)內(nèi)的接收機(jī)裝置，其特征在于包括根據(jù)特定接收機(jī)處理方案處理多個(gè)接收到的碼元流的裝置，以提供至少一個(gè)恢復(fù)的碼元流，并為每個(gè)恢復(fù)的碼元流導(dǎo)出信道狀態(tài)信息(CSI)；根據(jù)至少一個(gè)解調(diào)和解碼方案處理至少一個(gè)恢復(fù)的碼元流以提供解碼后數(shù)據(jù)的裝置；以及處理CSI以發(fā)送回發(fā)射機(jī)裝置的裝置；以及其中基于CSI從多個(gè)可能的傳輸方案中選擇特定傳輸方案，其中，基于選定的傳輸方案一個(gè)或多個(gè)傳輸數(shù)據(jù)流被發(fā)送到接收機(jī)裝置，且其中基于選定的傳輸方案將總可用發(fā)射功率分配給一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流。
全文摘要
在使用需要更少信道狀態(tài)信息(CSI)的多個(gè)傳輸方案的多信道通信系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)傳輸信道上發(fā)送數(shù)據(jù)的技術(shù)。這些方案包括部分CSI傳輸方案，它在每個(gè)選用的發(fā)射天線上發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)流，“波束成形”傳輸方案，它將所有發(fā)射功率分配給帶有最佳性能的單個(gè)傳輸信道。每個(gè)傳輸方案還為特定操作條件(即工作SNR)范圍提供較好或接近最優(yōu)的性能。這些多個(gè)傳輸方案可以以每部分方式經(jīng)組合以形成覆蓋MIMO系統(tǒng)支持的操作條件全范圍內(nèi)的“多模式”傳輸方案。用于任何時(shí)刻的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟▊鬏敺桨溉Q于系統(tǒng)在該時(shí)刻經(jīng)歷的操作條件。
文檔編號(hào)H04B7/06GK1653721SQ03809167
公開日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2003年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月26日
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