CN100394808C

CN100394808C - 多重输入多重输出系统和在该系统中处理接收信号的方法

Info

Publication number: CN100394808C
Application number: CNB011376872A
Authority: CN
Inventors: 郑盛泽; 黄正豪; 安吉尔·勒扎诺
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2021-11-16
Also published as: US8634481B1; EP1207645A1; CA2361886C; JP2002217752A; CN1354610A; CA2361886A1

Abstract

本发明公开了一种多重输入多重输出(MIMO)系统的发射机，其特征在于，包括：用于为每个数据子流产生速率和功率的装置，所述产生装置基于从所述MIMO系统的接收机接收到的速率和功率的指示符的反馈，产生所述速率和功率；用于向每个对应的数据子流施加对应于所述数据子流的速率和功率的速率控制和功率控制的装置；其中每个数据子流的速率和功率的指示符基于以前从所述发射机发射的信号的接收版本而导出，其中所述接收版本已经在所述接收机中被接收到，并且使得每个所述输出端从每个所述输入端接收信号。

Description

多重输入多重输出系统和在该系统中处理接收信号的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及在发射机和接收机都使用多个天线的无线通信系统，即，所谓的多重输入多重输出(MIMO)系统。

背景技术

在通信技术上已经知道，相比单个天线(即，单个天线到单个天线或多个天线到单个天线)的系统，多重输入多重输出(MIMO)系统能实现容量显著增加。还知道，如果信道估计或基于信道估计的信道统计被反馈到发射机，那么相对于具有相同配置但无反馈的系统来说，能提高信道流量。然而，由于在MIMO系统中总信道实际上是由多个信道构成的，每个发射和接收对使用一个信道，这种反馈要求相当大的带宽，但是我们不希望专门提供这么多带宽用于反馈。

发明内容

在MIMO系统中，根据本发明的原理，通过为总数据流的每个数据子流提供传输该数据子流的速率指示符和/或增益指示符作为反馈，利用比反馈信道估计或信道统计所需带宽小得多的带宽可实现相比无反馈情况的重大改进。该速率指示符和/或增益指示符可以直接是速率和/或增益，或是速率和/或增益的编码表示形式。一般地，如果速率和增益指示符同时被反馈将能实现最佳性能。如果本发明是为无线系统实现的，那么典型地对每个数据子流有一个分立的独立天线。速率和增益是根据在接收机中产生的信道估计的函数计算的。发射机最好对每个数据子流采用一维数据编码。

根据本发明的一个方面，提供了一种多重输入多重输出(MIMO)系统的发射机，其特征在于，它包括：

用于为每个数据子流产生速率和功率的装置，所述产生装置基于从所述MIMO系统的接收机接收到的速率和功率的指示符的反馈，产生所述速率和功率；

用于向每个对应的数据子流施加对应于所述数据子流的速率和功率的速率控制和功率控制的装置；

其中每个数据子流的速率和功率的指示符基于以前从所述发射机发射的信号的接收版本而导出，其中所述接收版本已经在所述接收机中被接收到，并且使得每个所述输出端从每个所述输入端接收信号。

根据本发明的另一个方面，提供了一种多重输入多重输出(MIMO)系统的接收机，用于通过多个信道接收源于一个总的数据流的多个数据子流，以便每个所述输出端从每个所述输入端接收信号，

其特征在于，所述接收机包括：

用于估计信道特性的装置；以及

响应于所述用于估计信道特性的装置，用于为每个对应子流计算由速率和功率构成的至少一个集合的至少一个指示符的计算器，其中将被所述子流的发射机使用的所述指示符用于设置由速率和功率构成的至少一个集合。

根据本发明的再一个方面，提供了一种在多重输入多重输出(MIMO)系统中用于处理通过多个信道的传输以便每个所述输出端从每个所述输入端接收到信号的方法，其中多个数据子流源于一个总的数据流，其特征在于，

编码每个所述数据子流，作为对每个所述数据子流以反馈形式从所述MIMO系统的接收机接收到的每个对应速率指示符的函数，以产生被编码的数据子流；以及

在每个所述被编码的数据子流分别被交织后映射它们，对于每个所述数据子流，利用星座图执行所述映射每个被编码交织的数据流的操作，以产生被编码交织映射后的数据子流，其中所述星座图被选择作为从所述MIMO系统的接收机接收到的、以反馈形式的对应速率的每个指示符的函数。

根据本发明的再一个方面，提供了一种用于多重输入多重输出(MIMO)系统的接收机的方法，所述系统中有N个发射路径，每个将被发射的数据子流使用一个发射路径，以及M个接收路径，这样在总信道中就有N×M个耦合信道，所述方法包括步骤：

产生N×M矩阵形式的总信道估计

确定该信道的噪声功率

初始化计数器n为值N；

初始化变量P_remaining为在该系统中可用的总发射功率P_T；

指定第n号子流的初始功率分配P_n为值P_remaining/n；

计算

R_{n} = \log_{2} (1 + P_{n} h_{n}^{H} {(H_{n + 1 : N} P_{n + 1 : N} H_{n + 1 : N}^{H} + I)}^{- 1} h_{n}), (n = 1, . . ., N)

其中

R_n为第n号发射子流使用的速率；

h_n＝[h_1，n…h_M，n]^T为第n号发射子流的M维复向量；

h_m，n为从第n号发射子流到第m个接收分支的复信道系数，m＝1...M；

上标T指示矩阵转置操作；

H_n+1：N＝[h_n+1...h_N]为M×(N-n)矩阵；

P_n+1：N＝diag(P_n+1...P_N)为所指定功率的对角(N-m)矩阵；

上标H表示埃尔米特转置操作；

上标-1表示矩阵的逆；以及

I为大小为M×M的单位矩阵；

量化R_n为最近的步长以产生R_n；以及

通过计算

{\overset{&OverBar;}{P}}_{n} = \frac{2^{{\overset{&OverBar;}{R}}_{n}} - 1}{h_{n}^{H} {(H_{n + 1 : N} P_{n + 1 : N} H_{n + 1 : N}^{H} + I)}^{- 1} h_{n}}

重新计算当前子流n的功率，其中P_n表示重新计算的功率。

附图说明

在附图中：

图1示出了根据本发明的原理配置，以便实现相比单个天线系统容量显著增大的一种示例性多重输入多重输出(MIMO)系统；以及

图2示出了根据本发明一方面，为一个具有N个发射子流和M个接收分支的系统确定速率和功率的示例性过程。

具体实施方式

下面仅示意本发明的原理。因此将知道，本领域的技术人员将能设计出各种方案，尽管在此没有明确描述或示意这些方案，但它们体现了本发明的原理，因此包含于本发明的精神和范围之内。此外，在此陈述的所有例子和条件语言主要是用于教学目的，帮助读者理解本发明的原理以及本发明人贡献的构思，以进一步发展该技术，而且应认为它们并不局限于陈述的这些具体例子和条件。此外，在此陈述原理、方方面面的所有描述，本发明的实施例，以及特定例子，仅用于包含本发明的所有等效结构和功能。另外，这种等效既包括当前已知的等效，也包括将来开发的等效，即，开发用于执行相同功能而与结构无关的任何单元。

因此，例如，本领域的技术人员将知道，在此方框图表示体现本发明原理的示意性电路的原理图。类似地，任何流程图、流程框图、状态转换图、伪代码等表示各种过程，它们实质上可以用计算机可读介质表示，因此可以通过计算机或处理器执行，而不管是否明确示出了这种计算机或处理器。

附图中所示的各个单元(包括标记为“处理器”的功能块)的功能，可以通过使用专用硬件以及能结合适当软件执行软件的硬件提供。当由处理器提供时，这些功能可以由单个专用处理器、单个共用处理器，或某些可共用的多个独立处理器提供。此外，不应认为使用术语“处理器”或“控制器”专指能执行软件的硬件，而是隐含但不限制为数字信号处理器(DSP)硬件，用于存储软件的只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，以及非永久存储。也可以包含其它常规和/或定制(custom)硬件。类似地，附图中示出的任何开关仅仅是原理上的。通过程序逻辑运行、通过专用逻辑、通过程序控制和专用逻辑的交互作用，或甚至人工控制，可实现这些开关的功能，从上下文可更详细地了解所选择的特定技术。

在本发明的权利要求书中，表述为用于执行指定功能的装置的任何单元，目的是包含执行该功能的任何方式，包括例如，a)执行该功能的电路元件组合，或b)组合适当电路用于执行该软件以实现该功能的任何形式的软件，因此包括固件、微代码等等。这些权利要求定义的本发明实际上归于，陈述的各种装置提供的功能被组合而且以权利要求书要求的方式集合。申请人因此认为能提供这些功能的任何装置为在此所示装置的等效。

图1示出了根据本发明的原理配置，以便实现相比单个天线系统容量显著增大的一种示例性多重输入多重输出(MIMO)系统。图1特别示出了发射机101和接收机103。发射机101包括a)分接器105；b)编码器107，包括编码器107-1到107-N；c)交织器109，包括交织器109-1到109-N；d)符号映射器111，包括符号映射器111-1到111-N；e)增益乘法器113，包括增益乘法器113-1到113-N；f)可选上变频器115，包括可选上变频器115-1到115-N；g)可选发射天线117，包括可选发射天线117-1到117-N；h)速率控制器119；以及i)增益控制器121。接收机103包括a)可选接收天线131，包括可选接收天线131-1到131-M；b)可选下变频器，包括可选下变频器133-1到133-M；c)信道估计器135；以及d)功率/速率计算器137。

分接器105接收一个总数据流作为输入，该总数据流为要发射的数据，并将其分为N个数据子流，将沿独立的发射路径处理接着发射每个数据子流。

每个编码器107对各自接收的数据子流进行信道编码，以便增加该数据子流的冗余度。这有利于在出现误差的接收机恢复误差。根据本发明一方面，所使用的信道编码类型为从接收机反馈的速率或其指示的函数。这个函数可利用给出反馈速率指示的查询表实现，典型地通过速率控制器119实现。给定本发明实现的特定细节，例如，信道统计，使用的子流数量，等等，本领域的普通技术人员将懂得如何组织这个函数。使用的信道编码类型将确定在编码数据子流中的特定冗余量，而且应注意冗余量即称为码率。每个编码器107可使用与任何其它编码器107使用的信道编码独立的信道编码，而且每个编码器可接收一个独立的指定速率。

交织器109为常规型，每个交织器109重组其接收的编码数据子流比特以提供信道衰落保护。

每个符号映射器111映射其接收的交织编码信道子流比特到一个星座图中的一个点。根据本发明一方面，所使用的特定星座图的选择为从接收机反馈的速率或其指示的函数。这个函数可以利用给出反馈速率指示的查询表实现，典型地通过速率控制器119实现。给定本发明实现的特定细节，例如，信道统计，使用的子流数量等等，本领域的普通技术人员将懂得如何组织这个函数。典型地，数据传输率越低，星座图中用于以该速率传输数据的符号数越少。

根据本发明一方面，每个增益乘法器113为其接收的映射数据子流提供在从接收机反馈中指示的增益。在本发明的一个示例性实施例中，例如，根据注水原理，对应一个增益乘法器113的特定信道越好，则提供的增益越高。

每个可选上变频器115执行常规上变频功能。在无线电基系统中，通过利用其接收的调节(regulated)映射数据子流的增益作为输入调制载波波形，每个上变频器115生成一个射频信号。产生的每个调制信号可提供给耦合每个上变频器115的一个相应可选发射天线117。

速率控制器119接收从接收机103反馈的速率或其指示，并从接收信息中导出每个子流的码率和星座图大小。根据本发明一方面，每个码率或其指示接着提供给适当的编码器，而且要使用的星座图，或其指示，提供给每个符号映射器。因此，速率控制器119可实现映射功能，从来自接收机103的反馈信息中确定码率和星座图。

增益控制器121从接收机103的反馈中接收该增益，或其指示，并通过一个相关联的增益乘法器113从接收信息中导出每个子流要使用的增益。注意功率和增益之间存在直接关系。具体来说，通过取功率的平方根可将功率转换为增益。因此，功率可以是增益的指示，反之亦然。如果功率信息是经反馈接收的，那么它很容易转换为适当增益。

注意，速率控制器119的功能可以结合到编码器107和符号映射器111。类似地，增益控制器121的功能也可以结合到增益乘法器113中。

每个可选接收天线131从每个可选天线117接收一个信号。在每个天线接收的信号被其耦合的一个可选下变频器133转换为基带。产生的基带信号被馈入信道估计器135。

信道估计器135为每个发射和接收对进行信道估计。因此，对于N个发射天线和M个接收天线有N×M个信道。对每个信道的估计集合排列成N×M矩阵的总信道估计

另外，信道估计器135估计信道中的噪声功率

和

提供给功率/速率计算器137，计算器137根据本发明的原理计算速率R和功率P--上面提到，它们直接对应增益，而且以对分接器105产生的每个数据子流发射机101应使用的增益--或其指示的形式，为发射机101所用。这些速率和功率利用反馈信道提供给发射机101。

由功率/速率计算器137分配速率和功率的过程取决于完成人。给出下面的讨论和例子，本领域的普通技术人员能开发出各自的程序。本过程的特别目标是分配速率和功率来最大化总信道容量。至此，一般地，质量更佳的信道将分配更高的速率和功率。

注意，接收机103没有示意解码器和去交织器。这是因为，尽管解码器和去交织器对于一个完整的接收机是必需的--在提供接收机103的输出数据之前用于将发射机执行的互补功能反转--但它们对于提供给信道估计器135的数据流不是必要的，因此为表述清晰起见没有示出。

图2示出了根据本发明一方面，为一个具有N个发射子流和M个接收分支的系统确定速率和功率的示例性过程。在本发明的一个实施例中，图2的过程可以持续运行。然而，仅在与之前反馈的值有太大偏差时才反馈由该过程确定的值。在本发明的另一实施例中，仅在信道估计器135(图1)确定信道的改变量足以保证该过程运行时该开始运行该过程。例如，当确定了最后时刻速率和功率

的模方(norm)差，而且当前

大于一个指定门限时。图2的过程由功率/速率计算器137(图1)执行。

当确定了要计算的速率和功率时，在步骤200(图2)进入该过程。在步骤201，初始化几个变量。特别是计数器n被初始化为值N，而变量P_remaining的值被初始化为P_T，这是应用图2过程的系统中可用的总发射功率。接着，在步骤203，标记为P_n的初始功率分配P_remaining/n被分配给第n号子流。

R_{n} = \log_{2} (1 + P_{n} h_{n}^{H} {(H_{n + 1 : N} P_{n + 1 : N} H_{n + 1 : N}^{H} + I)}^{- 1} h_{n}), (n = 1, . . ., N)

的值在步骤205计算，其中

h_n＝[h_1，n…h_M，n]^T为第n号发射子流的M维复向量；

上标T指示矩阵转置操作；

H_n+1：N＝[h_n+1...h_N]为M×(N-n)矩阵；

P_n+1：N＝diag(P_n+1...P_N)为所分配功率的对角(N-m)矩阵；

上标H表示埃尔米特转置操作；

上标-1表示矩阵的逆；以及

I为大小为M×M的单位矩阵。

在步骤207，R_n的值被量化为最近的步长，例如，最近的整数，所选整数倍数的最近整数，或所选值的最近倍数，等等。量化值R_n表示为R_n。

在步骤209重新计算当前子流n的功率。这可通过计算

{\overset{&OverBar;}{P}}_{n} = \frac{2^{{\overset{&OverBar;}{R}}_{n}} - 1}{h_{n}^{H} {(H_{n + 1 : N} P_{n + 1 : N} H_{n + 1 : N}^{H} + I)}^{- 1} h_{n}}

执行，其中P_n表示重新计算的功率。条件分支点211进行测试以确定是否P_remaining-P_n＞0。这个测试确定剩余功率的大小是否大于为子流n分配的功率，即，由于剩余足够功率支持分配因此确实可以进行功率分配。如果在步骤211测试结果为YES，指示确实可以执行功率分配，则控制转入步骤213，在此计数器n减1，而P_remaining设置为P_remaining-P_n。

条件分支点215测试以确定是否n＝0，即，已处理完所有子流。如果在步骤215的测试结果为NO，控制回到步骤203，如上所述继续该过程。如果在步骤215的测试结果为YES，则控制转入步骤217，退出该过程。

如果在步骤211的测试结果为NO，指示确实无法执行功率分配，控制转入步骤219，在此设置R_n等于向下量化到小于R_n的最近步长值，例如，小于R_n的最近整数，所选整数倍数且小于R_n的最近整数，或所选值的最近倍数且小于R_n，等等。这将产生一个较小的值P_n。控制接着回到步骤209，并且如上所述继续该过程。

一旦完成了图2的过程，生成的速率和功率可通过反馈路径提供发射机使用。或者，可编码这些速率和功率，这样它们可由发射机解释的指示符表示，以便确定适当速率和功率，由此确定增益。上面指出，功率在接收机可转换为增益，而且可通过反馈路径直接提供增益信息，或其编码表示，供发射机使用。此外，根据本发明一方面，尽管同时反馈速率和功率能产生更佳性能，但只反馈关于速率的信息，或关于功率的信息--由此关于增益的信息--以实现相对现有技术的提高。

Claims

1.一种多重输入多重输出MIMO系统的发射机，其特征在于，它包括：

2.如权利要求1的发射机，其中每个所述子流的每个速率和功率在所述反馈中被分别地表示。

3.如权利要求1的发射机，其中每个所述子流的每个对应速率是所述速率的每个对应指示符的值，而且每个所述子流的每个对应功率是所述功率的每个对应指示符的值。

4.如权利要求1的发射机，其中每个速率和每个功率是被确定为所接收的速率和功率的指示符的函数的值。

5.如权利要求1的发射机，其中每个数据子流的速率和功率的指示符是在所述接收机中确定的信道估计的函数。

6.如权利要求1的发射机，其特征在于，还包括：

多个编码器，所述编码器的其中一个分别与每个所述数据子流相关联，每个所述编码器响应于为其相关联数据子流所产生的速率；以及

多个符号映射器，每个所述符号映射器被耦合以接收其中一个所述数据子流的对应编码版本，而且每个所述符号映射器还响应于其相关联数据子流的速率。

7.如权利要求6的发射机，还包括多个增益乘法器，每个所述增益乘法器响应于从所述接收机为一个对应数据子流接收的功率，作为所述反馈的一部分。

8.如权利要求6的发射机，还包括多个交织器，每个对应交织器被耦合在对应编码器和对应符号映射器之间。

9.如权利要求6的发射机，其中对于一个对应的数据子流，每个所述符号映射器与一个对应编码器相关联。

10.如权利要求6的发射机，其中沿一个对应数据子流的发射路径，每个所述符号映射器与一个对应编码器相关联，而且对于每个发射路径，其相关联编码器和符号映射器接收相同的速率。

11.如权利要求6的发射机，还包括一个速率控制器，用于向每个对应符号映射器和每个对应编码器提供为每个数据子流所产生的速率。

12.如权利要求1的发射机，其特征在于，还包括：

多个增益作用器，对于每个所述数据子流使用一个增益作用器，每个所述增益作用器响应于为每个数据子流所产生的对应功率。

13.如权利要求12的发射机，其中所述增益作用器为乘法器。

14.如权利要求12的发射机，还包括一个增益控制器，用于为每个所述增益作用器提供将要使用的功率。

15.一种多重输入多重输出MIM系统的接收机，用于通过多个信道接收源于一个总的数据流的多个数据子流，以便每个所述输出端从每个所述输入端接收信号，

其特征在于，所述接收机包括：

用于估计信道特性的装置；以及

16.如权利要求15的接收机，其特征在于，还包括：

用于将作为反馈的每个对应子流的指示符发送到所述发射机的装置。

17.一种在多重输入多重输出MIMO系统中用于处理通过多个信道的传输以便每个所述输出端从每个所述输入端接收到信号的方法，其中多个数据子流源于一个总的数据流，其特征在于，

18.如权利要求17的方法，还包括步骤：以作为反馈从所述MIMO系统的接收机接收到的相应指示符的函数的形式，控制每个所述被编码交织映射后的数据子流的功率，用以对每个所述被编码交织映射后的数据子流进行功率控制。

19.如权利要求18的方法，其中存在N个发射路径，每个数据子流使用一个发射路径，以及M个接收路径，这样就有N×M个信道，在所述接收机通过以下步骤产生所述指示符和所述速率：

产生N×M矩阵形式的总信道估计

确定所述信道的噪声功率

初始化计数器n为值N；

初始化变量P_remaining为在所述系统中可用的总发射功率P_T；

指定第n号子流的初始功率分配P_n为值P_remaining/n；

计算

R_{n} = \log_{2} (1 + P_{n} h_{n}^{H} {(H_{n + 1 : N} P_{n + 1 : N} H_{n + 1 : N}^{H} + I)}^{- 1} h_{n})

(n＝1，...，N)在这里

R_n为第n号发射子流使用的速率；

h_n＝[h_1，n...h_M，n]^T为第n号发射子流的M维复向量；

上标T指示矩阵转置操作；

H_n+1：N＝[h_n+1...h_N]为M×(N-n)矩阵；

P_n+1：N＝diag(P_n+1...P_N)为所指定功率的对角(N-m)矩阵；

上标H表示埃尔米特转置操作；

上标-1表示矩阵的逆；以及

I为大小为M×M的单位矩阵；

量化R_n为最近的步长以产生R_n；以及

通过计算

{\overset{&OverBar;}{P}}_{n} = \frac{2^{{\overset{&OverBar;}{R}}_{n}} - 1}{h_{n}^{H} {(H_{n + 1 : N} P_{n + 1 : N} H_{n + 1 : N}^{H} + I)}^{- 1} h_{n}}

重新计算当前子流n的功率，其中P_n表示重新计算的功率。

20.如权利要求19的方法，还包括以下步骤：当P_remaining-P_n＞0时

n减1；

设置P_remaining为P_remaining-P_n；以及

当n不等于0时，重复所述指定、计算、量化和重新计算步骤。

21.如权利要求19的方法，还包括以下步骤：当P_remaining-P_n≤0时设置R_n等于向下量化到小于R_n的最近步长值的R_n值；以及重复所述重新计算步骤。

22.一种用于多重输入多重输出(MIMO)系统的接收机的方法，所述系统中有N个发射路径，每个将被发射的数据子流使用一个发射路径，以及M个接收路径，这样在总信道中就有N×M个耦合信道，所述方法包括步骤：

产生N×M矩阵形式的总信道估计

确定该信道的噪声功率

初始化计数器n为值N；

初始化变量P_remaining为在该系统中可用的总发射功率P_T；

指定第n号子流的初始功率分配P_n为值P_remaining/n；

计算

R_{n} = \log_{2} (1 + P_{n} h_{n}^{H} {(H_{n + 1 : N} P_{n + 1 : N} H_{n + 1 : N}^{H} + I)}^{- 1} h_{n})

(n＝1，...，N)其中

R_n为第n号发射子流使用的速率；

h_n＝[h_1，n...h_M，n]^T为第n号发射子流的M维复向量；

上标T指示矩阵转置操作；

H_n+1：N＝[h_n+1...h_N]为M×(N-n)矩阵；

P_n+1：N＝diag(P_n+1...P_N)为所指定功率的对角(N-m)矩阵；

上标H表示埃尔米特转置操作；

上标-1表示矩阵的逆；以及

I为大小为M×M的单位矩阵；

量化R_n为最近的步长以产生R_n；以及

通过计算

{\overset{&OverBar;}{P}}_{n} = \frac{2^{{\overset{&OverBar;}{R}}_{n}} - 1}{h_{n}^{H} {(H_{n + 1 : N} P_{n + 1 : N} H_{n + 1 : N}^{H} + I)}^{- 1} h_{n}}

重新计算当前子流n的功率，其中P_n表示重新计算的功率。

23.如权利要求22的方法，还包括以下步骤：当P_remaining-P_n＞0时

n减1；

设置P_remaining为P_remaining-P_n；以及

24.如权利要求22的方法，还包括以下步骤：当P_remaining-P_n≤0时

设置R_n等于向下量化到小于R_n的最近步长值的R_n值；以及重复所述重新计算步骤。