CN101159464A - 无线电通信方法,发送机以及接收机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电通信方法，发送机以及接收机。所述无线电通信方法从由多个发送天线(15－1到15－N_t)和多个接收天线(21－1到21－N_r)组成的天线组中选择满足与通信质量有关的第一标准的天线组。从包括在所选择的天线组中的发送天线和接收天线的组合中选择满足与通信质量有关的第二标准的组合。使用所选择的发送天线和接收天线的组合中的一部分或者全部来执行上述通信。因此，能够高速地以比现有技术更少的运算量来执行根据无线电通信环境的最佳发送天线和接收天线的选择。

Description

无线电通信方法，发送机以及接收机

技术领域

本发明涉及无线电通信方法，发送机以及接收机。例如，本发明涉及一种适于在使用MIMO(多输入多输出，Multiple Input Multiple Output)的无线通信系统中用于选择发送天线和接收天线的技术。

背景技术

近年来，MIMO(多输入多输出)作为一种使高效利用频带的大量(高速)数据通信变为可能的技术而成为关注的焦点。MIMO是一种通过在发送和接收中使用多个天线而在不必扩大频带的情况下提高传输速率的技术。就是说，使用具有多个天线的发送机和接收机，可从发送机的所述多个天线发送多个独立数据流。通过使用表示信道状态(环境)的信道状态信息(CSI，也被称为信道评估值)，从接收机的各接收天线所接收的信号，将在传播路径上混合的多个发送信号(数据流)单独分离开。

在MIMO通信系统中，通常，基站(BS)采用的天线数量大于移动站(MS)的天线数量。另外，依据状态，为了保证传输质量等，BS和MS经由中继站(RS)彼此进行通信。

在前述的MIMO系统中(参考下面的专利文献1)，为了确保传输容量，对BS的接收天线进行分组，并且BS使用基于接收的特定标准而选择的天线组。

另外，在下面专利文献2的技术中，由于BS的发送天线的数量为四个那么少，所以发送天线的选择可在一定程度的计算量下执行。

[专利文献1]日本特开2004-312381号公报

[专利文献2]日本特开2006-67237号公报

然而，根据前述技术(专利文献1中的技术)，其仅公开了一种BS选择接收天线的技术，但并未公开任何关于选择BS的发送天线的内容。

另外，根据专利文献2中的技术，BS的天线的更大数量将导致搜索到最佳天线的时间显著增加。

另外，由于在BS(发送机)端使用的(选择的)发送天线的数量通常等于在MS(接收机)端使用的接收天线的数量(例如，在BS端有2个发送天线，且在MS端有2个接收天线；2×2 MIMO)。因此，天线条件有时会根据通信环境而变得不好，从而很难确保充足的传输容量。

另外，当RS的天线数量较大时，如果同时使用BS端和RS端的所有天线，则会增加成本和复杂度。另外，当在BS和RS间进行天线选择时，由于天线数量较大，所以寻找最佳天线需要耗费相当长的时间。

发明内容

对于前面所考虑的问题，本发明的目的是，使得能够根据无线电环境，以较快速度和比现有技术更小的运算量来选择最佳发送天线和接收天线。

另外，由于溢出效应，可有选择地执行MIMO通信和预编码传输(波束形成)，从而能够确保维持了通信可靠性的诸如传送容量和波可达范围的通信质量。

为了实现上述目的，根据本发明，提供了下述无线电通信方法、发送机以及接收机。

(1)作为一般特征，提供了一种用于其中在具有多个发送天线的发送机与具有多个接收天线的接收机之间执行无线电通信的无线电通信系统的无线电通信方法，所述方法包括如下步骤：从多个天线组中选择满足与通信质量有关的第一选择标准的天线组，所述多个天线组中的每一组由所述多个发送天线中的一部分和所述多个接收天线中的一部分组成；从包括在所选择的天线组中的发送天线和接收天线的组合中选择满足与通信质量有关的第二选择标准的组合；以及使用所选择的发送天线和接收天线的组合中的一部分或全部来执行通信。

(2)作为优选特征，包括在所述天线组中的发送天线是多个相邻发送天线或距基准发送天线等距设置的多个发送天线。

(3)作为另一优选特征，包括在一个天线组中的部分发送天线也被包括在另一天线组中。

(4)作为又一优选特征，包括在所述天线组中的发送天线的数量大于包括在所述天线组中的接收天线的数量。

(5)作为再一优选特征，所述无线电通信方法还包括如下步骤：从所述组合中评估是否存在满足与MIMO通信有关的标准的组合，在所述MIMO通信中接收天线的数量等于发送天线的数量；如果评估得出存在这种组合，则利用发送天线的组合来执行MIMO通信；以及如果评估得出不存在这种组合，则利用包括在组合中的所有发送天线来执行预编码发送。

(6)作为又再一优选特征，包括在一个天线组中的部分或全部接收天线也被包括在另一天线组中。

(7)作为另一特征，所述接收机向发送机通知关于所选择的发送天线和接收天线的组合的信息。

(8)作为另一一般特征，提供一种用于其中在具有N_t(N_t是大于1的整数)个发送天线的发送机与具有N_r(N_r是大于1的整数)个接收天线的接收机之间执行无线电通信的无线电通信系统的无线电通信方法，所述方法包括：将从发送天线和接收天线之间得到的(N_r×N_t)个信道估计值分组为多个包括(L_r×L_t)(L_t＜N_t，L_r≤N_r)个元素估计值的块；从所述多个块中选择满足与通信质量有关的第一选择标准的块；从包括在所选择的块中的元素估计值的组合中选择满足与通信质量有关的第二选择标准的组合；以及使用与所选择的元素估计值的组合相对应的发送天线和接收天线的组合中的一部分或全部来执行通信。

(9)作为又一一般特征，提供一种用于其中在具有N_t(N_t是大于1的整数)个发送天线的发送机与具有N_r(N_r是大于1的整数)个接收天线的接收机之间执行无线电通信的无线电通信系统的接收机，所述接收机包括：分组装置，其将从发送天线和接收天线之间获得的(N_r×N_t)个信道估计值分组为多个包括(L_r×L_t)(L_t＜N_t，L_r≤N_r)个元素估计值的块；块选择装置，其从由所述分组装置获得的所述多个块中选择满足与通信质量有关的第一选择标准的块；元素估计值选择装置，其从包括在由所述块选择装置选择的块中的元素估计值的组合中选择满足与通信质量有关的第二选择标准的组合；通知装置，其基于由所述块选择装置或者所述元素估计值选择装置获得的选择结果，生成用于发送机的天线选择信息，并且将所生成的天线选择信息通知给所述发送机。

(10)作为再一一般特征，提供一种用于其中在具有N_t(N_t是大于1的整数)个发送天线的发送机与如上述第(9)项所述的接收机之间执行无线电通信的无线电通信系统的发送机，所述发送机包括：接收装置，其从所述通知装置接收所述天线选择信息；以及天线选择装置，其根据由所述接收装置接收的所述天线选择信息来选择将要使用的发送天线。

根据上述发明，至少获得下述效果和益处中的任一个。

(1)即使发送天线和接收天线的数量因发送天线的数量较多而非常大时(即，信道矩阵的元素估计值的数量显著变大)，也能够根据无线电环境，以较快速度和比现有技术更少的运算量来选择最佳发送天线和接收天线，从而实现根据无线电环境的最佳通信。另外，还可减少成本和复杂性。

(2)如果存在满足预定(上述第一和第二)天线选择标准的发送天线和接收天线的组合，则使用这种组合来执行MIMO通信。另一方面，如果不存在适于MIMO通信(满足上述第二天线选择标准)的组合，则执行预编码发送(波束形成)。由此，无论在什么样的无线电环境中，总能够确保维持了通信可靠性的诸如传送容量和波可达范围的通信质量。

附图说明

通过结合附图仔细阅读下述说明可理解本发明的上述和其它目的及特征。将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。附图是例示性的而非对本发明的范围的限制。

图1是示出根据本发明第一实施方式的多天线无线电通信系统的结构的框图；

图2是用于说明图1所示的系统中的天线分组的示意图；

图3是用于说明根据本发明第一实施方式的与天线分组相对应的信道矩阵的分组的图；

图4是用于说明图1所示的系统中的天线分组的另一示例的示意图；

图5是用于说明根据本发明第一实施方式的系统操作(天线选择方法)的流程图；

图6是示出根据本发明第二实施方式的多天线无线电通信系统的结构的框图；

图7是用于说明图6所示的系统中的天线分组的示意图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的优选实施方式。

在此，本发明决非仅限于下面的实施方式，在不脱离本发明的要旨的情况下可提出各种变化或修改。

[A]第一实施方式

图1是示出根据本发明第一实施方式的多天线无线电通信系统的结构的图。图1的无线电通信系统包括作为发送机的至少一个基站设备(BS)10，和作为接收机的至少一个移动站设备(MS)20。BS10的重要部分包括：空间多路复用调制器11，预编码处理器12，L_t(L_t是大于1的整数)个RF发送机13-1到13-L_t(此后在不区分个体时被描述为RF发送机13)，天线开关14，N_t(N_t是大于1的整数，并且N_t≥L_t)个发送天线15-1到15-N_t(此后在不区分个体时被描述为发送天线15)，码本(code book)存储器16，预编码矩阵/码字选择器17，以及发送天线选择控制器18。

另一方面，MS20的重要部分包括：N_r(N_r是大于1的整数)个接收天线21-1到21-N_r(此后在不区分个体时被描述为接收天线21)，N_r个RF接收机23-1到23-N_r(此后在不区分个体时描述为RF接收机23)，MIMO接收信号处理器24，信道估计器25，天线选择器(待用天线决定器)26，码本存储器28，预编码矩阵计算器/码字检索器29。在此，N_r个RF接收器23表示在同一时间可由MS20(接收RF单元23)处理的接收数据流的最大数量为N_r，并且因此，最大值为如上所述的N_r。

(BS10的结构的说明)

在此，BS10的空间多路复用调制器11执行将通过必要差错编码(例如turbo编码)获得的编码序列映射并调制成具有诸如预定调制方案(例如，QPSK(四相相移键控)和16 QAM(正交振幅调制))的信号点的符号(数据信道的信号)的映射和调制处理。例如，可获得N_s[1≤N_s≤min(L_t，N_r)]个发送数据流。在这种情况下，除了对数据信道的信号进行多路复用处理之外，该空间多路复用调制器11还可执行对用于信道估计的BS10与MS20之间的已知信号(导频信号或前导信号)和传送控制信息的控制信道信号(控制符号)的多路复用处理。

该预编码处理器(预编码装置)12利用由预编码矩阵/码字选择器17给定的预编码矩阵(矩阵)或者码字来执行N_s(1≤N_s≤N_r)个发送数据流的预编码。如下所述，该预编码处理器12将发送数据流映射到由发送天线选择控制器18所选择的L_t个发送天线15，从而通过L_t个发送天线15来执行波束形成。在此，当发送数据流的数量N_s＜所选择的发送天线的数量L_t时，执行(即，对应于所选择的发送天线的数量选择地执行)预编码(波束形成)，而当发送数据流的数量N_s＝所选择的发送天线的数量L_t时，不执行预编码，从而执行MIMO多路复用发送。

每个RF发送机13对L_t个发送数据流执行必要的无线电发送处理(包括DA(数字到模拟)转换和频率转换(到射频(RF)的上变频))。在发送天线选择控制器18的控制下，天线开关14选择要在发送中使用的L_t个发送天线15以连接到RF发送机13。每个发送天线15将来自通过天线开关14连接的RF发送机13的发送RF信号朝向MS20发射到空间中。

码本存储器16预先存储用于确定要在上述预编码中使用的预编码矩阵(或矢量，下文中两者相同)的码本(码字)。例如，码本被定义为一组预定酉矩阵(Unitary Matrix)(其元素被定义为码字)，并且基于数据流的数量N_s和发送天线的数量L_t以及反馈比特的数量(L)而被预先确定。在这种情况下，码本中的元素被定义为码字。由于针对MS20必需使用相同的码本，所以相同码本也存储在MS20端(码本存储器28)。

因此，在未被通知(反馈)基于来自MS20的上述CSI而获得的预编码矩阵的全部元素信息的情况下，如果通知了有限的信息(例如，码本的码字索引)，也可基于所通知的信息来确定要使用的预编码矩阵。利用有限信息的这种通知方法被称为有限反馈传送，并且该通知方法能够有效地利用从MS20到BS10的上行链路频带。

在本示例中，在这种情况下，利用由图1中的参考标记40指示的反馈信道来执行诸如上述索引等的有限信息的传送。反馈信道40是从MS20的发送系统到BS10的接收系统的上行链路信道之一。在图1中，未例示出MS20的发送系统和BS10的接收系统。

接下来，预编码矩阵/码字选择器17接收从MS20通过反馈信道40通知的天线索引(天线选择信息)，并且将所接收到的天线索引通知给发送天线选择控制器18。另外，预编码矩阵/码字选择器17将上述预编码处理中所必需的预编码矩阵提供给预编码处理器12。此时，可按照原样提供通过反馈信道40从MS20通知的预编码矩阵，或者可从上述码本中选择由上述有限反馈传送通知的索引所标识的码字，并且可选择并提供相应预编码矩阵。

发送天线选择控制器18根据上述天线选择信息来控制天线开关14，并且控制RF发送机13与发送天线15之间的连接。

(MS20的结构的说明)

另一方面，在MS20中，每个接收天线21接收从BS10的发送天线15发出的RF信号。每个RF接收器23执行必要的无线电接收处理，所述必要的无线电接收处理包括将由接收天线21接收的接收RF信号转换为基带频率的频率转换(下变频)，和AD(模拟到数字)转换。

MIMO接收信号处理器24将经RF接收器23处理的接收信号(数字基带信号)(即，经空间复用的接收信号)分离为多个发送数据流，并且对该接收信号进行解调和解码。该分离处理可通过其中基于通过上述导频信号(或者前导信号，下文中两者相同)与导频副本(pilot replica)之间的相关运算所获得的CSI而使用信道相关矩阵的逆矩阵的方法，或者通过其中利用MLD(最大似然检测)算法的方法来执行。

信道估计器25通过利用在经RF接收器23处理的导频信号与MS20预先持有的导频副本之间的相关运算，来获得上述CSI(即，信道估计器25对信道响应进行估计)。

将待用天线选择单元26基于预定天线选择标准来选择(确定)要在与BS10的通信中使用的发送天线15和接收天线21的组合。在本示例中，执行分等级选择。即，将发送天线15和接收天线21分组成由多个发送天线15和接收天线21组成的多个天线组，并且从该多个天线组中选择满足第一天线选择标准的一个天线组。从所选择的天线组中选择满足第二天线选择标准的发送天线15和接收天线21的组合。

在这种情况下，如果发送天线的数量N_t小于特定基准数，则可选择所有的天线组合。另外，部分或全部接收天线21可被视为所有天线组共有的元素。如果所有接收天线21都被视为所有天线组共有的元素，这意味着仅将发送天线15分组为多个组。

这种分组意味着对由信道估计器获得的CSI(信道矩阵)的元素估计值进行了分组。对发送天线15和接收天线21的组合进行的选择意味着对信道矩阵的单元估计值的组合进行选择。稍后将对这种分组的具体实施例和天线选择标准的详细内容进行说明。

即，天线选择器26具有分组装置的功能，所述分组装置将在发送天线15与接收天线21之间获得的(N_r×N_t)个信道估计值分组成各包括(L_r×L_t)个元素估计值的多个块。

如上所述，码本存储器28预先存储有与BS10的码本相同的码本。预编码矩阵计算器/码字检索器29基于由信道估计器25获得的CSI，生成在BS10上执行的上述预编码所必需的信息(反馈信息)，并且将所生成的信息通过反馈信道40通知给BS10。在基于上述CSI计算出预编码矩阵的情况下，或者在上述有限反馈传送的情况下，预编码矩阵计算器/码字检索器29生成从码本存储器28中的码本中检索到的码字的索引作为上述反馈信息。

(系统操作的说明)

在下文中，参考图2至图5，对本实施方式的MIMO通信系统的操作进行说明，如上所述，特别着眼于天线选择方法。

首先，如图5所示，BS10和MS20彼此收发关于其发送/接收天线数量的信息和关于数据流的处理能力的信息，由此获知通信中的对方的天线数量和处理能力(步骤S11和S21)。

然后，BS向MS20发送导频信号(步骤S12)。MS20的信道估计器25通过在接收导频信号与导频副本之间的相关运算来估计信道响应(获得CSI)(步骤S22)。

基于所获得的CSI，MS20选择满足预定天线选择标准的一个天线组。即，将BS10的发送天线15以如下方式分为多个天线组，即使各组的发送天线的数量(Lt)大于MS20上可用的接收天线的数量(Lr)。从所述多个天线组中选择满足上述天线选择标准的一个天线组。

在此，如图2中示意性所示，可按将发送天线中的相邻Lt个发送天线分为一组的方式执行上述分组，或者如图4中示意性所示，按将距离特定基准发送天线15等间隔(距离)设置的Lt个发送天线分为一组的方式执行上述分组。

如果BS10的发送天线数量N_t等于9，MS20的接收天线的数量N_r和L_r等于2，并且每个天线组的发送天线的数量L_t等于3，则图3所示的分组相当于将获得为L_r×N_t＝2×9的信道矩阵的18个元素估计值(h_ij：i＝1到2，j＝1到9)分为由L_r×L_t＝2×3(＝6)个相邻元素估计值组成的三个块(2×3矩阵H_s)。因此，对天线分组进行的选择等于以块单位来选择满足上述天线分组标准的块。

根据类似原理，图4所示的分组意味着分组成由在获得为L_r×N_t＝2×9矩阵中被设置成等距离的2×3＝6个元素估计值组成的多个块(信道矩阵H_s)。这样，一个天线组能够与多个MS 20进行通信(多用户MIMO发送)。

在这种方式中，存在多种对组成一个块(矩阵H_s)的估计值进行选择的方法，即，除上述方法外还存在多种对天线组进行分组的方法。例如，分组可通过如下方式来执行，即使得包括在特定块中的元素估计值也包括在另一不同块中。然而，为了将运算量限制到最小，如图2(图3)或图4所示的简单分组是优选的。

在此，基于上述分组的假设，MS20(待用天线选择器26)使用下面项(a)至(c)中所示的天线选择标准(即关于与BS10间的通信质量的第一天线选择标准)中的任一个来选择天线组(元素估计值的块)。就是说，待用天线选择器26具有块选择装置的功能，其从上述元素估计值的多个块中选择满足下面天线选择标准(a)至(c)中任一个的块。

(a)容量的选择标准

MS20(待用天线选择器26)通过下式(1)来选择使得与BS10间的通信容量最大化的天线组：

$\mathrm{\Γ}=\arg \underset{H_s\∈H}{\max }\left({\log }_2\det \right[I_{\mathrm{Lr}}+\frac{\mathrm{\ρ}}{N_t}{H}_s{H}_s^{\′}\left]\right)$

$\∝\arg \underset{H_s\∈H}{\max }\det \left(H_s{H}_s^{\′}\right)---\left(1\right)$

其中，H_s为天线组的信道矩阵；ρ为天线组中各接收天线21的平均SNR(信噪比)；det为行列式(determinant)；H_s’为H_s的复共轭转置矩阵。

(b)奇异值(singular value)的选择标准

MS20(待用天线选择器26)通过下式(2)来选择使得信道矩阵H_s的最小奇异值λmin{H_s}最大化的天线组(这意味着使最小SNR最大化)：

$\mathrm{\Γ}=\underset{H_s\∈H}{\arg \max }{\mathrm{\λ}}_{\min }\left\{H_s\right\}---\left(2\right)$

(c)条件数的选择标准

MS20(待用天线选择器26)通过下式(3)选择使得信道条件数(即，通过将最大奇异值λmax{H_s}除以最小奇异值λmin{H_s}而获得的值)最小化的天线组(这意味着使得差错率最优化)：

$\mathrm{\Γ}=\underset{H_s\∈H}{\arg \max }\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }\left\{H_s\right\}}{{\mathrm{\λ}}_{\min }\left\{H_s\right\}}---\left(3\right)$

在此，当如上所述来选择天线组时，如图5所示，MS20(待用天线选择器26)对包括在所选天线组中的发送天线的数量和接收天线的数量进行比较，以评估发送天线的数量L_t是否小于或等于接收天线的数量L_r(步骤S24)。

如果评估结果为是，则MS20的预编码矩阵计算器/码字检索器29将所选发送天线15的索引通过反馈信道40发送(通知)给BS10(从步骤S24到步骤S25的Y分支)。

另一方面，如果评估结果为否，即，如果发送天线的数量L_t＞接收天线的数量L_r(数据流的数量为N_s)，则待用天线选择器26使得包括在所选天线组中的发送天线的数量L_t和接收天线的数量L_r相等，并且搜索包括在所选天线组中的发送天线和接收天线的所有组合，以及再次评估所述组合是否满足预定天线选择标准(基于通信质量的用于天线选择的第二标准)(例如，上述信道的条件数不小于特定阈值)(步骤S26和S27)。

在这种情况下，对要再次评估的发送/接收天线的调节(选择)可通过如下方式执行：计算天线15和21中的每一个的SINR(信干噪功率比)以去掉具有最小SINR的天线15和21，或者选择具有较大SINR或者较大平均电功率的天线15和21。

结果，如果满足天线选择标准，则与在步骤S25中相同，MS20的预编码矩阵计算器/码字检索器29将所选发送天线15的索引通过反馈信道40发送(通知)给BS10(步骤S27到步骤S28的Y分支)。

即，待用天线选择器26具有元素估计值选择装置的功能，该元素估计值选择装置从由上述块选择装置所选择的块的元素估计值的组合中选择满足与通信质量相关的第二选择标准的组合。所述选择装置具有评估装置的功能，该评估装置评估在元素估计值的上述组合中是否存在满足与在相同数量的接收天线和发送天线15之间的MIMO通信有关的标准的任何组合。

另外，该预编码矩阵计算器/码字检索器29具有通知装置的功能，该通知装置基于通过待用天线选择器(块选择装置或元素估计值选择装置)26的选择结果，生成用于BS10的天线选择信息，并且将所生成的信息通知给BS10。

另一方面，如果不满足天线选择标准，则待用天线选择器26进一步评估是否要执行本征(eigen)模式发送(步骤S27到步骤S29的N分支)。于是，如果待用天线选择器26确定待用天线选择器26将执行本征模式发送，则MS20的预编码矩阵计算器/码字检索器29计算CSI(信道矩阵)的SVD(Singular Value Decomposition)(奇异值分解)以获得预编码矩阵(如下所述)，并且将所获得的CSI通过反馈信道40发送给BS10(从步骤S29到步骤S30的Y分支)。

如果待用天线选择器26确定不执行本征模式发送(即，执行有限反馈发送)，则MS20的预编码矩阵计算器/码字检索器29搜索码本存储器28中的码本的码字索引，并且将该码字索引通过反馈信道40发送给BS10(从步骤S29到步骤S31的N分支)。

即，预编码矩阵计算器/码字检索器29具有天线选择信息生成装置的功能，如果评估单元评估得出存在元素估计值的组合，则天线选择信息生成装置生成与元素估计值的组合相对应的天线选择信息(天线索引)，并且如果评估单元评估得出不存在这种组合，则天线选择信息生成装置基于元素估计值的组合来生成BS10的预编码发送所必需的预编码信息(预编码矩阵或码字的索引)作为天线选择信息，并将所生成的信息通知给BS10。

另一方面，在BS10上，预编码矩阵/码字选择器17基于在上述步骤S25或S28中通过反馈信道40从MS20通知的天线索引来评估是否执行MIMO多路复用发送(步骤S13)。即，如果发送数据流的数量N_s＝选择发送天线的数量L_t，则预编码矩阵/码字选择器17确定执行MIMO多路复用发送。

因此，如果评估得出执行MIMO多路复用发送，则BS10的发送天线选择控制器18控制天线开关14将由如上所述被通知的天线索引所标识的发送天线15连接到其中识别出存在发送数据流的RF发送机13，并且执行MIMO多路复用发送(从步骤S13到步骤S14的Y分支)。

另一方面，如果确定不执行MIMO多路复用发送，则BS10(预编码矩阵/码字选择器17)评估是否执行本征模式发送(从步骤S13到步骤S15的N分支)。于是，如果从MS20经由反馈信道40通知了预编码矩阵，并且如果在步骤S15中评估得出执行本征模式发送，则预编码矩阵/码字选择器17将所述预编码矩阵提供给预编码处理器12。另外，发送天线选择处理器18控制天线开关14将其中存在发送数据流的RF发送机13连接到所选择的发送天线15(在此情况下，所选择的发送天线的数量大于在MS20上所选择的接收天线的数量)。

利用这种结构，BS10使用数量大于在MS20上的接收天线的发送天线15(发送数据流)以执行基于上述预编码的波束形成，并且执行向MS20的发送(步骤S15到步骤S16的Y分支)。

另一方面，如果确定在步骤S29从MS20经反馈信道40通知了码字索引，并且如果确定执行有限反馈发送而不是本征模式发送，则预编码矩阵/码字选择器17针对与码字索引相对应的码本来检索码本存储器16，并且基于对应的码本来决定预编码矩阵以基于对应的码本向预编码处理器12提供该预编码矩阵。另外，与本征模式发送类似，发送天线选择控制器18控制天线开关14，由此将其中存在发送数据流的RF发送机13连接到所选择的发送天线15(在此情况下，发送天线的数量也大于所选择的接收天线的数量)。

利用这种布置，BS10使用数量大于在MS20上的接收天线(发送数据流的数量)的发送天线15以通过前述预编码来执行波束形成，并且将合成波束形成发送到MS20(步骤S15到步骤S17的N分支)。

即，当预编码矩阵/码字选择器17通过预编码矩阵/码字选择器17接收到预编码信息(预编码矩阵或码字)作为天线选择信息时，预编码处理器12基于所述预编码信息通过与元素估计值组合相对应的发送天线15来执行预编码发送。

在这种情况下，如果BS10的在一个天线组中的发送天线15相对于多个MS20不重复(例如，如上述图2所示)，则可同时向多个MS20进行发送。如果BS10的在一个天线组中的部分或全部发送天线15相对于多个MS20重复，则可针对重复的发送天线15执行时分发送。

在TDD(时分双工)的情况中，信道的相互关系(reciprocity)使得能够基于BS10和MS20的探通(sounding)来估计信道信息。在FDD(频分双工)的情况中，BS10基于从MS20向BS10的反馈而获知下行链路信道信息。

另外，如果有规则地或无规则地将BS10所获知的MS20的接收质量信息转送给MS20，并且如果根据需要再次执行上述分等级天线选择或预编码处理，则可适应最新的传送环境。

(预编码处理的说明)

接下来，对执行预编码处理(波束形成)过程中的上述本征模式传送和有限反馈传送的细节进行描述。

(本征模式发送)

如果已知在BS10与MS20之间的完全CSI，则MS20的预编码矩阵计算器/码字检索器29执行CSI的奇异值分解(SVD)，并且得到矩阵的分解作为预编码矩阵。

例如，如果在N_s个发送数据流、L_t个发送天线、L_r个接收天线21(N_s≤min(L_t，L_r))的情况下，CSI(信道矩阵H)为L_r×L_t矩阵，并且如果H经历了奇异值分解，则可得到下式(4)和(5)。

H＝UDV′    (4)

$D=\mathrm{diag}(\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1},\sqrt{{\mathrm{\λ}}_2},...,\sqrt{{\mathrm{\λ}}_m},0,...,0)---\left(5\right)$

在这种情况下，U是左奇异矩阵，V是右奇异矩阵，D是对角矩阵，并且其元素λ₁，...λ_m与本征模式的增益成比例。得出本征模式的增益，并且第一本征模式λ₁是最大值，第m本征模式λ_m是最小值。在此，m表示信道矩阵H的秩(rank)。

然后，当执行预编码时，最优预编码矩阵是右奇异矩阵V的左N_s部分(表示为V_1:Ns)。因此，根据下式(6)，BS10的预编码处理器12使用预编码矩阵F＝V_1:Ns来将N_s个发送数据流映射到L_t个发送天线。

x＝Fs    (6)

在此，s表示N_s×1维发送矢量；x表示发送天线矢量L_t×1。

因此，在接收端(MS20)的接收信号y由下式(7)表示。

y＝HFs+n    (7)

在此，n表示L_r×1维的噪声矢量。另外，y表示L_r×1维的接收信号，并且利用发送信号对各接收天线21的信号进行多路复用。为了获得发送信号y，在MS20上将H，F给定为已知值，为了获得发送信号s，可在下式(8)中应用最大似然(ML)法，由于极大的复杂性，如下式(9)和(10)中所示，采用复杂性如下式(9)和(10)中那样小的线性解码器。

＝Q[Gy]    (8)

在此，Q[]表示解映射器(demapper)，G表示N_s×L_r维的矩阵。

即，当使用ZF(迫零zero forcing)线性解码器时，上式(8)中的G由下式(9)表示。

G＝(HF)⁺    (9)

其中，()⁺表示伪逆矩阵。

另外，当使用MMSE(最小均方误差)线性解码器时，上式(8)中的G由下式(10)表示。

$G={[F^{\′}{H}^{\′}\mathrm{HF}+(N_s/\mathrm{\ρ})I_{N_s}]}^{-1}{F}^{\′}{H}^{\′}---\left(10\right)$

其中，()^-1表示逆矩阵。

(有限反馈传送)

在下文中，将对有限反馈传送的原理进行说明。

基于发送数据流的数量N_s，发送天线的数量L_t，反馈比特的数量(L)，在发送端(BS10)和接收端(MS20)之间确定相同的码本。然后，如上所述，假设BS10在码本存储器16中并且MS20在码本存储器28中存储相同的码本。

在MS20上，信道估计器25执行信道估计，从而获得CSI，并且基于所获得的CSI，根据下述标准(1)到(3)的任何一个选择最优码字。

(1)MMSE(最小均方误差)选择标准

假设H和F已知，在MS20(预编码矩阵计算器/码字检索器29)中使用的MSE(均方误差)由下式(11)表示。

$\mathrm{MSE}\left(F\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{N_s}{(I_{N_s}+\frac{\mathrm{\ρ}}{N_s}{F}^{\′}{H}^{\′}\mathrm{HF})}^{-1}---\left(11\right)$

预编码矩阵计算器/码字检索器29从码本中选择可使得该式(11)中的MSE的迹(Trace)(tr)或者行列式(Determinant)(det)最小化的码字。即，通过下式(12)或下式(13)进行选择。

$F=\arg \underset{F_j\∈F}{\min }\mathrm{tr}\left[\mathrm{MSE}\left(F_j\right)\right]---\left(12\right)$

$F=\arg \underset{F_j\∈F}{\min }\det \left[\mathrm{MSE}\left(F_j\right)\right]---\left(13\right)$

(2)容量的选择标准

MS20(预编码矩阵计算器/码字检索器29)基于下式(14)以使得容量最大化的方式从码本中选择码字：

$F=\arg \underset{F_j\∈F}{\max }\left({\log }_2\det \right[I_{N_s}+\frac{\mathrm{\ρ}}{N_s}{F}^{\′}{H}^{\′}\mathrm{HF}\left]\right)---\left(14\right)$

(3)奇异值选择标准

MS20(预编码矩阵计算器/码字检索器29)以使得最小奇异值最大化的方式从码本中选择码字。

$F=\underset{F_j\∈F}{\arg \max }{\mathrm{\λ}}_{\min }\left\{{\mathrm{HF}}_j\right\}---\left(15\right)$

然后，MS20(预编码矩阵计算器/码字检索器29)将基于上述标准选择的码字索引(L比特)经反馈信道40传送到BS10。

利用这种布置，如前所述，在BS10上基于所接收的索引，通过利用相应的码本来将矩阵(或矢量)用作预编码矩阵。在这种情况下，在有限反馈传送的情形中，与本征模式类似，可应用线性解码器(ZF线性解码器或MMSE线性解码器)。

如上所述，根据本发明，将BS10的发送天线15和MS20的接收天线21分为由多个发送天线15和多个接收天线组成的多个天线组。从该多个天线组中，选择满足第一天线选择标准的天线组，并且从所选择的天线组中，选择满足第二天线标准的发送天线15和接收天线21的组合。因此，即使BS10上的发送天线15的数量太大而使得发送/接收天线数量增加(即，信道矩阵的元素估计值的数量明显变大)，也能够通过以较高速度和比先前示例更少的运算量选择与无线电通信相对应的最佳发送天线15和接收天线21来根据无线电环境实现最佳通信，由此实现与无线电环境相对应的最佳通信。此外还可降低成本和复杂性。

此外，由于以使得在一个天线组中发送天线的数量大于接收天线的数量的方式来执行分组，并且由于如果存在满足预定(上述第一或第二)天线选择标准的组合，则使用这种通信发送和接收天线来执行MIMO通信，而如果不存在适于MIMO通信的组合，则使用比接收天线更大数量的天线15来执行预编码(波束形成)，所以可在任何通信环境中确保维持了通信可靠性的诸如发送容量和电波可达范围的通信质量。

在此，当BS10从MS20接收到信号时，如果未使用所有的接收天线而选择了一个天线组，则可改善MRC(最大比合并)的性能。

[B]第二实施方式

图6是示出根据本发明第二实施方式的多天线无线电通信系统的构造的框图。图6的无线电通信系统包括至少一个基站(BS)10和至少一个中继站(RS)设备30。BS10的构造与第一实施方式中的相同；RS30的重要部分包括N_r(N_r是大于1的整数)个接收天线31-1到31-N_r(此后在不进行区分时描述为接收天线31)、天线开关32、L_r(L_r是大于1的整数，并且L_r≤N_r)个RF接收器33-1到33-L_r(此后在不进行区分时描述为RF接收器33)、MIMO接收信号处理器34、信道估计器35、天线选择器(待用天线选择器)36、天线选择控制器37、码本存储器38，以及预编码矩阵计算器/码字检索器39。

即，本实施例的RS30具有与图1所示MS20类似的结构，但是由于其具有天线开关32和天线选择控制器37，所以RS30能够选择要使用的接收天线31。

即，天线开关32根据来自天线选择控制器37的控制而连接任意接收天线31和任意RF接收器33；接收天线选择控制器37根据与第一实施方式类似的处理过程，在由待用天线选择器36所确定的(所选择的)接收天线31与RF接收器33之间执行连接控制。

在该示例中，接收天线31、RF接收器33、MIMO接收信号处理器34、信道估计器35、待用天线选择器36、天线选择控制器37、码本存储器38、预编码矩阵计算器/码字检索器39与已说明的接收天线21、RF接收器23、MIMO接收信号处理器24、信道估计器25、待用天线选择器26、接收天线选择控制器27、码本存储器28、预编码矩阵计算器/码字检索器29相同或相似。

在此，在本示例中，当BS10与RS30通信时，在RS30上的所有接收天线31不视为一个天线组的构成元素，并且如图7中示意性所示，例如，它们被针对接收天线31分组。

在这种情况下，与图2和图4所示相同，在BS10和RS30中，相邻天线或者等距天线可被分组为一个天线组的元素。另外，在本实施例中，包括在一个天线组中的部分发送天线15或接收天线31也同样可被包括在另一天线组中。另外，优选的是包括在一个天线组中的BS10的发送天线的数量大于RS30的接收天线的数量。

利用这种分组作为先决条件，在本实施例中，与在第一实施方式中的情况相同，分等级的天线选择使得可根据无线电环境进行最佳组合的选择，由此可根据MIMO通信或预编码来执行波束形成。

即，在RS30上，待用天线选择器36基于由信道估计器35所得出的CSI从多个天线组中选择满足上述第一天线选择标准的天线组。RS30从所选择的天线组中选择满足上述第二天线选择标准的发送天线15和接收天线31的组合。然后，如果存在发送天线15与接收天线31数量相等的组合，则执行MIMO通信。在其它情况下，利用所选择天线组的所有发送天线15执行预编码(波束形成)。

在将MS20视为RS20的情况下，RS20更详细的操作与图5中的步骤S11到S17以及步骤S21到S31相同。在此，在RS30的情况下，当在步骤S25或步骤S28中将天线索引发送到BS10时，向接收天线选择控制器37通知所选择的接收天线31的索引，从而使接收天线选择控制器37在接收天线31与RF接收器33之间执行连接控制。

以此方式，关于在BS10与RS30间的通信，也同样通过应用与第一实施方式类似的天线选择处理过程，使得可根据无线电环境，以较快速度和比现有技术更少的运算量来选择最佳发送天线15和接收天线31。另外，还可降低成本和复杂性。另外，根据无线电环境，有选择地执行MIMO通信或者执行利用数量上大于接收天线的发送天线15的预编码(波束形成)。由此，可在任何无线电通信环境中确保其中总能维持通信可靠性的诸如传送容量和波可达范围的通信质量。

在这种情况下，关于在RS30与MS20间的通信，在将RS30视为第一实施方式中的BS10的情况下，通过应用天线选择方法，可获得与第一实施方式类似的效果和益处。

另外，根据本实施方式，当BS10接收到来自RS30的信号时，或者当RS30接收到来自MS20的信号时，如果对天线组进行选择，而没有使用所有接收天线，则可因最大比合并(MEC)而实现性能的改善。

由于在不脱离本发明的基本特征的精髓的情况下，可按多种形式实现本发明，所以这些实施方式是例示性的而非限制性的，由于本发明的范围由所附权利要求限定，而非通过前文描述来限定，所以旨在通过权利要求来包括将落入权利要求的边界和范围或者权利要求的这种边界和范围的等同物内的所有变化。

Claims (20)

1.一种无线电通信方法，其用于在具有多个发送天线(15)的发送机(10)与具有多个接收天线的接收机(20)之间执行无线电通信的无线电通信系统，所述无线电通信方法包括如下步骤：

从多个天线组中选择满足与通信质量有关的第一选择标准的天线组，所述多个天线组中的每一个由所述多个发送天线(15)中的一部分和所述多个接收天线(21)中的一部分组成；

从包括在所选择的天线组中的发送天线(15)和接收天线(21)的组合中选择满足与通信质量有关的第二标准的组合；以及

利用所选择的发送天线(15)和接收天线(21)的组合中的一部分或全部来执行通信。

2.根据权利要求1所述的无线电通信方法，其中，包括在所述天线组中的发送天线(15)是多个相邻发送天线，或者是距基准发送天线(15)等距设置的多个发送天线。

3.根据权利要求1或2所述的无线电通信方法，其中，包括在一个天线组中的一部分发送天线(15)也被包括在另一天线组中。

4.根据权利要求1或2所述的无线电通信方法，其中，包括在所述天线组中的发送天线的数量大于包括在所述天线组中的接收天线的数量。

5.根据权利要求4所述的无线电通信方法，所述无线电通信方法还包括如下步骤：

评估所述组合中是否存在满足与MIMO通信有关的标准的任何组合，其中在所述MIMO通信中接收天线的数量等于发送天线(15)的数量；

如果评估得出存在这种组合，则利用发送天线(15)的所述组合来执行MIMO通信；以及

如果评估得出不存在这种组合，则利用包括在组合中的所有发送天线(15)来执行预编码发送。

6.根据权利要求1所述的无线电通信方法，其中，包括在一个天线组中的一部分或全部接收天线(21)也被包括在另一天线组中。

7.根据权利要求1所述的无线电通信方法，其中，所述接收机(20)向所述发送机(10)通知关于所选择的发送天线(15)和接收天线(21)的组合的信息。

8.根据权利要求1所述的无线电通信方法，其中，基于接收天线的数量或在所述接收机(20)上可处理的数据流的数量来执行天线的分组。

9.根据权利要求7所述的无线电通信方法，其中，所述接收机(20)至少向所述发送机(10)通知关于接收天线的数量或者数据流的数量的信息。

10.一种无线电通信方法，其用于在具有N_t个发送天线(15)的发送机(10)与具有N_r个接收天线的接收机之间执行无线电通信的无线电通信系统，N_t是大于1的整数，N_r是大于1的整数，所述无线电通信方法包括如下步骤：

将从发送天线(15)与接收天线(21)之间得到的(N_r×N_t)个信道估计值分组为多个包括(L_r×L_t)个元素估计值的块，L_t＜N_t，L_r≤N_r；

从所述多个块中选择满足与通信质量有关的第一选择标准的块；

从包括在所选择的块中的元素估计值的组合中选择满足与通信质量有关的第二标准的组合；

使用与所选择的元素估计值的组合相对应的发送天线和接收天线的组合中的一部分或者全部来执行通信。

11.根据权利要求1、2、以及6至10中的任一项所述的无线电通信方法，

其中，发送机(10)是基站设备，并且

其中，接收机(20)是移动站设备。

12.根据权利要求1、2以及6至10中的任一项所述的无线电通信方法，

其中，发送机(10)是基站设备，并且

其中，接收机(20)是中继站设备。

13.根据权利要求1、2以及6至10中的任一项所述的无线电通信方法，

其中，发送机(10)是中继站设备，并且

其中，接收机(20)是移动站设备。

14.一种接收机，其用于在具有N_t个发送天线(15)的发送机(10)与具有N_r个接收天线(21)的接收机(20)之间执行无线电通信的无线电通信系统，N_t是大于1的整数，N_r是大于1的整数，所述接收机包括：

分组装置(26)，所述分组装置将在发送天线(15)与接收天线(21)之间得到的(N_r×N_t)个信道估计值分组为多个包括(L_r×L_t)个元素估计值的块，L_t＜N_t，L_r≤N_r；

块选择装置，所述块选择装置从通过所述分组装置(26)获得的所述多个块中选择满足与通信质量有关的第一选择标准的块；

元素估计值选择装置，所述元素估计值选择装置从包括在由所述块选择装置所选择的块中的元素估计值的组合中选择满足与通信质量有关的第二标准的组合；

通知装置(29)，所述通知装置基于由所述块选择装置或者所述元素估计值选择装置获得的选择结果，生成用于所述发送机的天线选择信息，并且将所生成的天线选择信息通知给所述发送机。

15.根据权利要求14所述的接收机，其中，所述块包括在N_r×N_t维信道矩阵中的多个相邻元素估计值或者距基准元素估计值等距设置的多个元素估计值。

16.根据权利要求14或15所述的接收机，其中，包括在一个块中的元素估计值中的一部分也被包括在另一块中。

17.根据权利要求14或15所述的接收机，其中，L_t＞L_r。

18.根据权利要求14所述的接收机，

其中，所述元素估计值选择装置包括评估单元，所述评估单元评估在元素估计值的组合中是否存在满足与MIMO通信有关的标准的任何组合，其中在所述MIMO通信中接收天线的数量等于发送天线(15)的数量；并且

其中，所述通知装置包括天线选择信息生成单元，如果所述评估单元评估得出存在这种组合，则所述天线选择信息生成单元生成与所述组合相对应的天线选择信息，而如果所述评估单元评估得出不存在这种组合，则所述天线选择信息生成单元基于所述元素估计值的组合生成由所述发送机(10)进行预编码发送所必需的预编码信息作为天线选择信息，并且将所述天线选择信息通知给所述发送机。

19.一种发送机，其用于在具有N_t个发送天线(15)的发送机(10)与如权利要求14所述的接收机(20)之间执行无线电通信的无线电通信系统，N_t是大于1的整数，所述发送机包括：

接收装置(17)，所述接收装置从所述通知装置(29)接收所述天线选择信息；以及

天线选择装置(18)，所述天线选择装置根据由所述接收装置(17)所接收的天线选择信息来选择要使用的发送天线。

20.根据权利要求19所述的发送机，所述发送机还包括预编码装置(12)，当所述接收装置(17)接收到预编码信息作为所述天线选择信息时，所述预编码装置基于所接收的预编码信息，利用与元素估计值的组合相对应的发送天线(15)来执行预编码发送。

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