CN101015160A - 具有减少的信道状态信息反馈的闭环多输入多输出系统 - Google Patents

Abstract

N×N的多输入多输出(MIMO)无线网络系统中的站始终去除最弱的空间信道。始终使用N－1个空间信道，而不管其信道状态如何。

Description

具有减少的信道状态信息反馈的闭环多输入多输出系统

领域

本发明一般涉及无线网络，尤其涉及利用多个空间信道的无线网络。

背景

闭环多输入多输出(MIMO)系统一般从接收器向发送器发送信道状态信息。发送信道状态信息消耗了本来可用于数据通信的带宽。

附图简述

图1示出两个无线站的示意图；

图2示出根据本发明的各个实施例的流程图；

图3示出模拟结果；

图4示出无线通信装置的示意图；

图5示出信道状态信息矩阵的维数；

图6示出无线通信装置的示意图；以及

图7示出根据本发明的各个实施例的系统示意图。

实施例的描述

在以下详细描述中，对附图进行了参考，附图作为说明示出其中可实施本发明的具体实施例。足够详细地描述了这些实施例以使本领域的技术人员能够实施本发明。应该理解，本发明的各种实施例尽管是不同的，但未必是互斥的。例如，这里结合一个实施例描述的特定特征、结构或特性可在不背离本发明的精神和范围的前提下在其它实施例中实现。此外，应该理解，可在不背离本发明的精神和范围的前提下修改每一个公开的实施例中的个别元素的位置和排列。因此，以下详细描述不应在限制的意义上理解，并且本发明的范围仅由适当解释的所附权利要求书连同授权的全范围的等效技术方案一起来定义。在附图中，同样的标号在所有几个图中指的是相同或类似的功能。

图1示出两个无线站：站102和站104的示意图。在一些实施例中，站102和104是无线局域网(WLAN)的一部分。例如，站102和104中的一个或多个可以是WLAN中的接入点。例如，站102和104中的一个或多个还可以是诸如膝上型计算机、个人数字助理(PDA)等移动站。

在一些实施例中，站102和104可部分依照或完全依照无线网络标准来工作。例如，站102和104可部分地依照诸如ANSI/IEEE Std.802.11，1999版之类的标准来工作，然而这不是本发明的限制。如这里所使用的，术语“802.11”指的是任何过去、现在或未来的IEEE 802.11标准，包括但不限于1999版。

站102和104各自包括多根天线。站102包括“N”根天线，而站104包括“M”根天线，其中N和M可以是任何数字。此外，N和M可以相等或不相等。本说明书的剩余部分讨论N和M相等的情况，但本发明的各实施例不限于此。站102和104通过其通信的“信道”可包括多条可能的信号路径。例如，当站102和104在具有多个“反射体”(例如，墙、门或其它障碍物)的环境中时，多个信号可从不同的路径到达。该情况称为“多径”。在一些实施例中，站102和104采用多根天线以利用多径并增加通信带宽。例如，在一些实施例中，站102和104可利用多输入多输出(MIMO)技术通信。一般而言，MIMO系统通过利用通过多径成为可能的多个空间信道来提供较高的容量。

在一些实施例中，站102和104可在每一个空间信道中利用正交频分多路复用(OFDM)来通信。多径可能引入频率选择性衰落，这可导致类似于码间干扰(ISI)的损害。OFDM在部分地对抗频率选择性衰落方面是有效的，因为OFDM将每一个空间信道分为小的子信道，使得每一个子信道表现出更平直的信道特性。可实现适于每一个子信道的缩放以纠正由于子信道导致的衰减。此外，取决于子信道的衰落特性，可动态地控制每一个子信道的数据承载量。

MIMO系统可“开环”或“闭环”地工作。在开环MIMO系统中，一个站可在不直接从另一个站接收信道状态信息的情况下估计信道的状态。一般而言，开环系统采用指数解码复杂度(exponential decoding complexity)来估计信道。在闭环系统中，使用通信带宽以在站之间发送当前信道状态信息，由此减小必需的解码复杂度，并且还减小总的吞吐量。用于此目的通信带宽这里称为“反馈带宽”。当在闭环MIMO系统中减小反馈带宽时，更多的带宽可用于数据通信。

用于MIMO系统的三种类型的接收器架构包括：线性、迭代和最大似然(ML)。在开环操作中，ML接收器具有比线性或迭代接收器好的性能。例如，以1％的分组差错率和4×36Mbp，ML接收器比线性或迭代接收器多12dB的功率效率，或等效地，具有四倍的传播范围。然而，ML接收器需要线性和迭代接收器2×10⁵倍的乘法运算。为了以线性接收器的复杂度接近ML接收器的性能，并减小反馈带宽，本发明的各种实施例采用以闭环操作刺穿(puncturing)的确定性空间信道。

如这里所使用的，“刺穿”指的是不使用特定的空间信道。例如，在NxN的MIMO系统中，不管瞬时信道状态信息如何，本发明的各实施例都采用N-1个信道而不是N个信道。在始终刺穿一个空间信道的意义上，空间刺穿是确定性的，且NxN的系统将始终使用N-1个空间信道。通过在NxN的MIMO系统中始终仅使用N-1个空间信道，减少了要发送的信道状态信息的量，且减小了反馈带宽。

图2示出根据本发明的各实施例的流程图。在一些实施例中，方法200可在采用MIMO技术的无线系统中使用。在一些实施例中，方法200或其一部分由处理器或电子系统执行，其实施例示于各图中。在其它实施例中，方法200由无线通信设备执行。方法200不受特定类型的装置或执行该方法的软件元素限制。方法200中的各个动作可以按呈现的顺序执行，或者以不同的顺序执行。此外，在一些实施例中，从方法200中省略了图2中列出的一些动作。

方法200被示为在框210开始，其中接收站从发送站接收训练模式。例如，站102可发送训练模式，而站104可接收该训练模式。在220处，接收站估计N个空间信道，其中N等于接收天线的数量。在一些实施例中，这可对应于站104计算描述N个空间信道的当前状态的当前信道矩阵。在230处，接收站确定N个空间信道中最弱的一个，而在240处，接收站发回描述N-1空间信道的信道状态信息。在一些实施例中，信道状态信息是发送波束成形矩阵形式的。在这些实施例中，接收器根据当前信道矩阵计算发送波束成形矩阵，然后将波束成形矩阵发回发送器。在本发明的各实施例中，始终刺穿一个空间信道，并在尺寸上减小发送波束成形矩阵，由此减小反馈带宽。以下提供图2中示出的各动作的数学描述。

假设输入/输出(I/O)模型为

y＝Hx+z

其中x_i是第i根发送天线上的信号，y_i是在第i根接收天线上接收的信号，Hij是从第j根发送天线到第i根接收天线的信道增益，z_i是第i根接收天线的噪声。在闭环MIMO中，接收器可将预编码矩阵P送回发送器，且I/O模型变为

y＝HPx+z

在进行奇异值分解(SVD)之后，有

H＝U∑V^y

其中U和V是NxN的酉矩阵，而∑是具有正元素的对角矩阵。矩阵V是发送波束成形矩阵。当V表示N个空间信道时，V包括2N²个实数，而当V表示N-1个信道时，V包括2N(N-1)个实数。

假设H的元素是具有零均值和单位方差的独立的复合高斯分布。将第i个空间信道的增益表示为λ_i(λ₁≥λ_i≥…≥λ_N)，其中λ_i表示对角矩阵∑中的元素。可将λ_N的分布示为

f(λ)＝Ne^-λN，

从该公式可导出其期望值

$E\left[{\mathrm{\λ}}_N\right]=\frac{1}{N}.$

同样，可导出λ_l的总的期望值为

$E\left[\frac{1}{N}({\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2+\·\·\·+{\mathrm{\λ}}_N)\right]=N.$

因此，最弱的空间信道的期望增益与总的期望增益之比是

$\frac{E\left[{\mathrm{\λ}}_N\right]}{E\left[\frac{1}{N}({\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2+\·\·\·+{\mathrm{\λ}}_N)\right]}=\frac{1}{N^2}.$

如上所示，最弱的空间信道的增益是总的期望增益的1/N²。例如，最弱的空间信道的增益在3×3的系统中低于总的期望增益9.5dB，而在4×4的系统中低于总的期望增益12dB。在本发明的各实施例中，对于N＞2，始终刺穿最弱的空间信道，且反馈矩阵的尺寸变为N(N-1)而不是N²。这不仅减小了反馈带宽，还减小了计算复杂度，因为现在接收器需要计算N-1个波束成形向量而不是N个波束成形向量，并利用N个空间信道。除减小反馈带宽外，作为始终刺穿一个空间信道的结果，可提高如通过各种参数测量的通信链路的性能。

图3示出将本发明的一个实施例的性能以及ML系统和反馈全部N个波束成形向量的系统的性能进行比较的模拟结果。图3所示的性能值绘制出分组差错率与利用64态卷积码、空-时交织器和具有硬决策解调的64-QAM的4×4 48音OFDM系统的Eb/N0之间的关系。如图3中可看到的，在4×4的系统中，当接收器丢弃最弱的空间信道，且仅发送三个波束成形向量时，系统性能接近ML开环接收器，且比发送所有波束成形向量的性能要好得多。

图4示出具有数字波束成形的发送器。发送器400可包含于诸如站102或站104(图1)等的站中。发送器400包括数据源402、数字波束成形块410、射频(RF)块422、424、426和428、以及天线432、434、436和438。数字波束成形块410从数据源402接收三个数据信号并对信号成形以驱动四根天线。在工作中，数字波束成形块410在节点上412接收信道状态信息(CSI)。在一些实施例中，信道状态信息是从另一站接收的波束成形向量的形式。在图4表示实施例中，数字波束成形块410接收三个波束成形向量，每一个的长度是四。这对应于N＝4的NxN-1的反馈矩阵。

发送器400始终刺穿一个空间信道。在图4表示的示例实施例中，N＝4，始终刺穿一个空间信道，并始终使用三个空间信道。因为始终使用三个空间信道，所以数据源402仅包括三个基带数据电路以提供三个单独的数据流。这与包括四个基带数据电路以在即使刺穿其中一个的情况下也作为提供四个单独的数据流的源的发送器不同。

射频块422、424、426和428可包括电路以调制信号、对信号进行频率变换、放大信号等。例如，RF块422、424、426和438可包括诸如混频器、放大器、滤波器等电路。本发明不受RF块422、424、426和428的内容和功能限制。

发送器400可包括多个功能块，为了便于说明从图4中省略这些功能块。例如，发送器400包括扰频器、前向纠错(FEC)编码器、交织器、M元正交调幅(QAM)映射器和其它功能块。

图4中的各项可用多种不同的方式来实现。例如，在一些实施例中，发送器400的部分用专用硬件来实现，部分用软件来实现。在其它的实施例中，发送器400全部用硬件来实现。本发明在这方面不受限制。

图5示出信道状态信息矩阵的维数。矩阵500表示可从接收器发回发送器的信道状态矩阵。在一些实施例中，矩阵500对应于上述的NxN-1维波束成形矩阵V。这对应于始终刺穿一个空间信道的NxN的MIMO系统。在其中N＝4的实施例中，具有与矩阵500相同维数的波束成形矩阵可在节点412处被输入到数字波束成形块410(图4)。

图6示出具有模拟波束成形的发送器。发送器600可包含在诸如站102或站104(图1)等站中。发送器600包括数据源610、RF块612、622和624、模拟波束成形块630、以及天线642、644、646和648。模拟波束成形块630从RF块612、622和624接收三个RF信号并对信号成形以驱动四根天线。在工作中，模拟波束成形块630在节点632处接收信道状态信息(CSI)。在一些实施例中，信道状态信息是从另一个站接收的波束成形向量的形式。在图6表示的实施例中，模拟波束成形块630接收三个波束成形向量，其每一个的长度是四。这对应于诸如N＝4的矩阵500(图5)之类的NxN-1的反馈矩阵。

发送器600始终刺穿一个空间信道。在图6表示的示例实施例中，N＝4，始终刺穿一个空间信道，并始终使用三个空间信道。因为始终使用三个空间信道，所以数据源610仅包括三个基带数据电路以作为三个单独的数据流的源。此外，因为始终使用三个空间信道，所以发送器600仅具有三个RF块612、622和624。这与包括四个基带数据电路和四个RF块以在即使刺穿其中一个的情况下也作为四个单独的数据流的源的发送器不同。

射频块612、622和624可包括电路以调制信号、对信号进行频率变换、放大信号等。例如，RF块612、622和624可包括诸如混频器、放大器、滤波器等电路。本发明不受RF块612、622和624的内容和功能限制。

发送器600可包括多个功能块，为了便于说明从图6中省略这些功能块。例如，发送器600包括倒频器、前向纠错(FEC)编码器、交织器、M元正交调幅(QAM)转换器和其它功能块。

图7示出根据本发明的各实施例的系统示意图。电子系统700包括天线710、物理层(PHY)730、媒体访问控制(MAC)层740、以太网接口750、处理器760以及存储器770。在一些实施例中，电子系统700可以是能够刺穿一个空间信道的站。例如，电子系统700可在无线网络中用作站102或站104(图1)。例如，电子系统700可以是诸如能够进行波束成形的发送器400(图4)或600(图6)等发送器，或者可以是能够执行信道估计并确定要刺穿的最弱的空间信道的接收器。

在一些实施例中，电子系统700可表示包括接入点或移动站以及其它电路的系统。例如，在一些实施例中，电子系统700可以是诸如个人计算机、工作站等计算机，它包括接入点或移动站作为外围设备或作为集成电路。此外，电子系统700可包括在网络中耦合在一起的一系列接入点。

在工作中，系统700利用天线710发送和接收信号，并且该信号由图7中所示的各种元件处理。天线710可以是天线阵或支持MIMO处理的任何类型的天线结构。系统700可部分或完全依照诸如802.11标准之类的无线网络标准工作。

物理层(PHY)730耦合到天线710以与无线网络交互。PHY730可包括支持射频(RF)信号的发送和接收的电路。例如，在一些实施例中，PHY730包括RF接收器以接收信号并执行诸如低噪声放大(LNA)、滤波、频率变换等“前端”处理。此外，在一些实施例中，PHY730包括转换机制和波束成形电路以支持MIMO信号处理。例如，在一些实施例中，PHY730还可包括支持升频变换的电路以及RF发送器。

媒体访问控制(MAC)层740可以是任何适当的媒体访问控制层实现。例如，MAC740可用软件、硬件或其任何组合来实现。在一些实施例中，一部分MAC740可用硬件来实现，而一部分可用由处理器760执行的软件来实现。此外，MAC740可包括与处理器760分离的处理器。

在操作中，处理器760从存储器770读取指令和数据并响应于此执行动作。例如，处理器760可从存储器770存取指令并执行诸如方法200(图2)或参考其它附图描述的方法等本发明的方法实施例。处理器760表示任何类型的处理器，包括但不限于微处理器、数字信号处理器、微控制器等。

存储器770表示包括机器可读介质的制品。例如，存储器770表示随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、闪存或包括可由处理器760读取的介质的任何其它类型的制品。存储器770可存储用于进行本发明的各种方法实施例的执行的指令。

虽然系统700的各元件在图7中是分开示出的，但存在将处理器760、存储器770、以太网接口750和MAC740的电路组合在单个集成电路中的实施例。例如，存储器770可以是处理器760中的内部存储器，或者可以是处理器760中的微程序控制存储。在一些实施例中，系统700的各元件可单独地封装并安装到共用的电路板上。在其它的实施例中，各元件是封装在一起的分离的集成电路管芯，诸如多芯片模块，而在另一些实施例中，各元件在同一集成电路管芯上。

以太网接口750可提供电子系统700和其它系统之间的通信。例如，在一些实施例中，电子系统700可以是利用以太网接口750与有线网络通信或与其它接入点通信的接入点。本发明的一些实施例不包括以太网接口750。例如，在一些实施例中，电子系统700可以是利用总线或其它类型的端口与计算机或网络通信的网络接口卡(NIC)。

尽管结合某些实施例描述了本发明，但如本领域的技术人员可容易地理解的，在不背离本发明的精神和范围的前提下可采用修改和变体。这种修改和变体被认为落入本发明和所附权利要求书的范围内。

Claims (22)

1.一种方法，包括：

从发送器接收训练序列；

估计N个空间信道，其中N等于接收天线的数量；以及

将信道状态信息发送到所述发送器，其中所述信道状态信息始终仅描述N-1个空间信道。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道状态信息包括波束成形矩阵，以使所述发送器利用N-1个空间信道。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述N等于四。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述N等于三。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道状态信息描述正交频分多路复用(OFDM)多输入多输出(MIMO)系统中的空间信道。

6.一种方法，包括始终刺穿NxN的多输入多输出(MIMO)无线系统中的一个空间信道以得到N-1个空间信道。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述N等于四。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述N等于三。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述始终刺穿一个空间信道包括在接收器处估计N个空间信道。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述始终刺穿一个空间信道还包括准备信道状态信息以发送到发送器。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述信道状态信息包括具有等于N的第一维数和等于N-1的第二维数的波束成形矩阵。

12.一种制品，包括：

适用于保持指令的机器可读介质，所述指令在被存取时使机器执行以下动作：

从发送器接收训练序列；

估计N个空间信道，其中N等于接收天线的数量；以及

将信道状态信息发送到所述发送器，其中所述信道状态信息始终仅描述N-1个空间信道。

13.如权利要求12所述的制品，其特征在于，所述信道状态信息包括波束成形矩阵，以使所述发送器利用N-1个空间信道。

14.如权利要求12所述的制品，其特征在于，所述信道状态信息描述正交频分多路复用(OFDM)多输入多输出(MIMO)系统中的空间信道。

15.一种具有N根天线的无线通信设备，所述无线通信设备具有硬件和软件组件的组合以确定并刺穿N个空间信道中最弱的一个。

16.如权利要求15所述的无线通信设备，其特征在于，所述无线通信设备包括硬件和软件的组合以发送对应于N-1个空间信道的波束成形矩阵。

17.如权利要求15所述的无线通信设备，其特征在于，所述无线通信设备包括N-1个基带数据电路以作为对波束成形网络的数据源。

18.如权利要求15所述的无线通信设备，其特征在于，所述N等于四，且始终使用三个空间信道。

19.如权利要求15所述的无线通信设备，其特征在于，所述N等于三，且始终使用两个空间信道。

20.一种电子系统，包括：

N根天线；

N-1个基带数据源；

被耦合以从所述N-1个基带数据源接收数据，并利用所述N根天线发送到N-1个空间信道的波束成形电路；以及

以太网接口。

21.如权利要求20所述的电子系统，其特征在于，还包括处理器以确定性地刺穿N个空间信道中最弱的一个。

22.如权利要求20所述的电子系统，其特征在于，所述处理器被配置成利用所述N根天线影响NxN-1的波束成形矩阵的传输。

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