CN101176276B - 以余量共享方式进行的速率选择 - Google Patents

Abstract

为在每流具有独立速率的系统中以余量共享方式进行速率选择，对多个数据流获得SNR估算。然后基于这些SNR估算为数据流选择速率，并使得至少一个数据流具有负的SNR余量，其余每一数据流具有非负的SNR余量，并且所有数据流的总SNR余量为非负。为在具有向量量化速率集的系统中以余量共享方式进行速率选择，对可使用的传输信道获得SNR估算。基于对各传输信道的SNR估算为每一速率组合确定总SNR余量。每一速率组合与要发射的特定数目的数据流、用于每一数据流的特定速率、以及特定的总吞吐量相关联。选择具有最高总吞吐量和非负总SNR余量的速率组合来使用。

Description

以余量共享方式进行的速率选择

背景

I.领域

本发明一般涉及通信，尤其涉及通信系统中用于选择数据传输速率的技术。

II.背景

在通信系统中，发射机可经由多个传输信道向接收机发射多个数据流。传输信道可以在空域、频域、时域或其组合中形成。例如，这多个传输信道可对应于多输入多输出(MDVIO)通信系统中的不同空间信道、正交频分多路复用(OFDM)通信系统中的不同频率子带、或时分多路复用(TDM)通信系统中的不同时隙。

传输信道可能会经历不同的信道状况(例如，不同的衰落、多径以及干扰效应)，并且可实现不同的信噪比(SNR)。传输信道的SNR确定了其传输能力，这通常是由可在该传输信道上可靠地传输的特定数据速率来量化的。如果SNR在各个传输信道之间变化，则所支持的数据速率也在各信道之间变化。此外，如果信道状况随时间变化，则传输信道所支持的数据速率也将随时间变化。

编码式通信系统中的一个主要挑战是基于信道状况来选择多个数据流所使用的适当速率。如此处所使用的，“速率”可指示要一数据流使用的特定的数据速率或信息比特率、特定的编码方案、特定的调制方案等等。速率选择应当使多个传输信道的总吞吐量最大化，同时满足可由目标分组差错率(PER)来量化的某些质量目标。

因此，本领域中需要为多个传输信道上的数据传输选择合适速率的技术。

概述

此处描述了用于执行以余量共享(margin sharing)方式进行的速率选择的技术。根据本发明的一个实施例，提供了一种初始对多个数据流确定SNR估算的方法。然后基于这些SNR估算为各数据流选择速率，并使得至少一个数据流具有负的SNR余量，其余每一数据流具有非负的SNR余量，且所有数据流的总SNR余量为非负。

根据另一实施例，描述了一种包括信道估算器和控制器的设备。信道估算器对多个数据流确定SNR估算。控制器基于这些SNR估算为各数据流选择速率，并使得至少一个数据流具有负的SNR余量，其余每一数据流具有非负的SNR余量，且所有数据流的总SNR余量为非负。

根据又一实施例，描述了一种设备，它包括用于对多个数据流确定SNR估算的装置，以及基于这些SNR估算来为各数据流选择速率、并使得至少一个数据流具有负的SNR余量、其余每一数据流具有非负的SNR余量、且所有数据流的总SNR余量为非负的装置。

根据再一实施例，提供了用于储存指令的处理器可读介质，这些指令可在一设备中操作以对多个数据流获得SNR估算，并基于这些SNR估算为各数据流选择速率，并且使得至少一个数据流具有负的SNR余量，其余每一数据流具有非负的SNR余量，且所有数据流的总SNR余量为非负。

根据还有一个实施例，提供了一种方法，其中初始对可用于数据传输的多个传输信道中的每一个确定SNR估算。然后基于对各传输信道的SNR估算确定多个速率组合中的每一个的总SNR余量。每一速率组合与要发射的数据流的特定数目、用于每一数据流的特定速率、以及特定的总吞吐量相关联。基于总SNR余量以及这些速率组合的总吞吐量从这多个速率组合当中选择一速率组合。

根据再有一个实施例，描述了一种设备，它包括信道估算器和控制器。信道估算器对可用于数据传输的多个传输信道中的每一个确定SNR估算。控制器基于对各传输信道的SNR估算确定多个速率组合中的每一个的总SNR余量，并基于这些速率组合的总SNR余量和总吞吐量从这多个速率组合当中选择一速率组合。

根据另有一个实施例，描述了一种设备，它包括用于对可用于数据传输的多个传输信道中的每一个确定SNR估算的装置、用于基于对各传输信道的SNR估算来确定多个速率组合中的每一个的总SNR余量的装置、以及用于基于这些速率组合的总SNR余量和总吞吐量从这多个速率组合当中选择一速率组合的装置。

以下更详细描述了本发明的各个方面和实施例。

附图简述

图1示出了通信系统中的发射机和接收机。

图2示出了传输信道的接收SNR对比频率的曲线图。

图3示出了每流具有独立速率的速率选择过程。

图4示出了用于执行流排序的(stream-ordered)余量共享的过程。

图5示出了用于执行等级排序的(rank-ordered)余量共享的过程。

图6示出了用于向量量化速率集的速率选择过程。

图7示出了用于向量量化速率集的另一速率选择过程。

图8示出了MIMO系统中的发射机和接收机的图示。

图9示出了发射机处的发射(TX)数据处理器的图示。

详细描述

此处使用措词“示例性”的意指“用作示例、实例或说明”。此处被描述为“示例性”的任何实施例不必被解释为相对于其它实施例是优选或有利的。

此处所描述的以余量共享方式进行速率选择的技术可用于具有多个传输信道的各种通信系统。例如，这些技术可用于MIMO系统、基于OFDM的系统、TDM系统、利用OFDM的MIMO系统(即，MIMO-OFDM系统)等等。MIMO系统在发射机处采用多根(T根)发射天线，并在接收机处采用多根(R根)接收天线进行数据传输。由这T根发射天线和R根接收天线形成的MIMO信道可被分解成S个空间信道，其中S≤min{T，R}。由这S个空间信道可形成S个传输信道。OFDM系统有效地将总系统带宽划分成多个(K个)正交子带，这些子带也被称为音调、副载波、频率槽和频率信道。每一子带与可用数据调制的一相应载波相关联。由K个子带可形成K个传输信道。MIMO-OFDM系统具有对于这K个子带中的每一个具有S个空间信道。由MIMO-OFDM系统中的这些子带的空间信道可形成多达S·K个传输信道。TDM系统可按帧来发射数据，其中每一帧可具有多个(Q个)时隙。可对每一帧中的这Q个时隙形成Q个传输信道。

一般而言，可按各种方式来形成多个传输信道。为清楚起见，以下描述的大部分是针对MIMO-OFDM系统，且每一传输信道可对应于一宽带空间信道(以下描述)。每一传输信道可用于发送一个数据流。

图1示出了多信道通信系统100中的发射机110和接收机150的图示。在发射机110处，TX数据处理器120接收话务数据、根据来自控制器140的M个速率处理(例如，编码、交错和码元映射)该话务数据、并生成M个数据码元流，其中M≥1。如此处所使用的，数据码元是用于话务/分组数据的调制码元，导频码元是用于导频(发射机和接收机两者都事先已知的数据)的调制码元、调制码元是对应于一调制方案(例如，M-PSK或M-QAM)的信号星座图中的一个点的复数值，且码元是任意复数值。TX空间处理器130接收这M个数据码元流并将其与导频码元多路复用、对数据和导频码元(如适用)执行空间处理、并提供T个发射码元流。

发射机单元(TMTR)132处理这T个发射码元流，并生成T个已调制信号，这些信号从T根天线发射并经由第一通信链路148。通信链路148以信道响应使已调制信号畸变，并以加性高斯白噪声(AWGN)并可能以来自其它发射机的干扰进一步使已调制信号劣化。

在接收机150处，R根天线接收发射的信号，并将R个接收信号提供给接收机单元(RCVR)160。接收机单元160调理并数字化这R个接收信号，并以与由发射机单元132执行的处理互补的方式来处理这些样值。接收机单元160将所接收的导频码元提供给信道估算器172，并将R个接收的数据码元流提供给接收(RX)空间处理器170。信道估算器172得到对通信链路148的信道估算，并将信道估算提供给RX空间处理器170。RX空间处理器170以信道估算对R接收数据码元流执行接收机空间处理(或空间匹配滤波)，并提供M个已检测码元流，这些码元流是由发射机110发送的M个数据码元流的估算。RX数据处理器180根据为这些流选择的M个速率来处理(例如，码元解映射(demap)、解交错和解码)这M个检测到的码元流并提供已解码数据，该已解码数据是对发射机110所发送的话务数据的估算。RX数据处理器180可进一步将解码结果(例如，每一接收分组的状态和/或解码器度量)提供给速率选择器182。

为进行速率控制，信道估算器172可处理所接收到的导频码元(以及可能还有检测到的数据码元)并对这M个流确定SNR估算。速率选择器182接收这些SNR估算和解码结果、为每一流选择一合适的速率、并将用于这M个流的M个所选速率提供给控制器190。控制器190经由第二通信链路152将速率信息(例如，M个所选速率)以及可能还将其它信息(例如，对接收分组的确认)发送给发射机110。发射机110处的控制器140接收该速率信息，并将这M个速率提供给TX数据处理器120。图1示出了正由接收机150执行速率选择。一般而言，速率选择可由接收机150、发射机110或接收机和发射机两者来执行。

对于MIMO-OFDM系统，发射机和接收机之间的MIMO信道可由一组K个信道响应矩阵H(k)来表征，其中k＝1，...，K。每一信道响应矩阵H(k)具有R×T的维数，并包含对应于子带k的每一发射天线和每一接收天线之间的复增益。每一矩阵H(k)包括S个空间信道，其中S≤rnin{T，R}。如下所述，可通过分解H(k)为每一子带k获得S个正交空间信道(或本征模)。在任一情况下，可为MIMO信道形成多达S个宽带空间信道，其中每一宽带空间信道为这K个子带中的每一个包括一个空间信道。例如，每一宽带空间信道可对应于一根发射天线的K个子带。作为另一示例，每一宽带空间信道可为这K个子带中的每一个包括一个本征模。每一宽带空间信道可用作一传输信道。

每一传输信道m的频率响应可由h_m(k)给出，其中k＝1，...，K，其中h_m(k)是对应于传输信道m的子带k的复信道增益。为简明起见，假定h_m(k)跨子带k是恒定的。每一传输信道的每一子带的接收SNR可被表达为：

${\mathrm{\γ}}_m\left(k\right)=10\mathrm{lo}{g}_{10}(P_m\left(k\right)\·\frac{{\left|h_m\left(k\right)\right|}^2}{N_0}),$ k＝1，...，K且m＝1，...，S    式(1)

其中，

P_m(k)是用于传输信道m的子带k的发射功率；

N₀是接收机处的噪声方差；且

γ_m(k)是传输信道m的子带k的接收SNR。

式(1)示出了接收SNR的简单表达式。一般而言，接收SNR表达式可包括对应于各种因素的项。例如，如下所述，在MIMO系统中，接收SNR依赖于由发射机和接收机执行的空间处理。为简明起见，噪声方差N₀被假定为跨这K个子带恒定。式(1)中的接收SNR以分贝(dB)为单位给出。除非另外注明，否则以下描述的所有SNR计算也是以dB为单位。

图2示出了具有频率选择性衰落的传输信道的接收SNR的示例性曲线图210。对于多径信道，如曲线图210所示，信道增益h_m(k)跨K个子带变化，并且对不同的子带实现不同的接收SNR。如线212所示，可确定所有子带的接收SNR的平均SNR。

发射机可在M个传输信道中的每一个上发射一个数据流，其中S≥M≥1。要发射的数据流的数目可基于诸如信道状况、可达到的总吞吐量等各种因素来选择。用于这M个数据流的速率可用各种方式来选择。一般而言，以余量共享方式进行速率控制的技术可用于(1)每流具有独立速率的系统，由此用于每一流的速率可被独立选择，以及(2)具有向量量化速率集的系统，由此仅允许速率的某些组合。

图3示出了用于为每流具有独立速率的系统选择用于M个数据流的速率的过程300。初始，对这M个数据流的中每一个获得SNR估算(也称为有效SNR)(框310)。然后基于对每一流的SNR估算为该数据流选择一速率(框312)。基于对该流的SNR估算以及为该流所选的速率所需的SNR确定用于每一数据流的SNR余量(框314)。基于这M个数据流的SNR余量在可能的情况下向上调整用于至少一个数据流的至少一个速率，使得至少一个流具有负的SNR余量，其余的流具有非负的SNR余量，且所有M个流的总SNR余量为非负(框316)。然后在为这M个流所选的速率下发射这些流，其中通过余量共享，每一速率可能被向上调整或者没有被向上调整(框318)。将在以下更详细描述图3中的各框。

用于每一数据流的速率可基于用于发送该数据流的传输信道的接收SNR来选择。以下描述为每一数据流选择速率(对框310和312)的实施例。对于该实施例，首先例如基于所接收的导频码元来确定每一传输信道的所有子带的接收SNR。

每一数据流/传输信道的平均SNR可被计算为：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{avg},m}=\frac{1}{K}\·\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_m\left(k\right),m=1,...,M$     式(2)

其中γ_avg，m是数据流m的平均SNR，以dB为单位。

每一数据流的接收SNR的方差可被计算为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{snr},m}^2=\frac{1}{(K-1)}\·\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\γ}}_m\left(k\right)-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{avg},m})}^2,m=1,...,M$     式(3)

其中σ_snr，m ²数据流m的SNR方差。

每一数据流的有效SNR可被计算为：

SNR_eff(m)＝γ_avg，m-γ_bo，m，m＝1，...，M    式(4)其中，

γ_bo，m是数据流m的补偿因子(back-off factor)；并且

SNR_eff(m)是数据流m的有效SNR(或SNR估算)。

补偿因子γ_bo，m用于解决诸如接收SNR跨传输信道的可变性等各种因素。补偿因子可以是平均SNR和SNR方差的函数，或者说 ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{bo},m}=F({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{avg},m},{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{snr},m}^2).$ 例如，补偿因子可被定义为： ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{os},m}=K_{\mathrm{bo}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{snr},m}^2,$ 其中K_bo是常量。补偿因子也可基于诸如用于数据流的分集、编码方案、交错方案、分组大小等系统专属因素来定义。

系统可支持特定的一组速率。每一支持的速率与实现期望的性能水平(例如，对于非衰落、AWGN信道为1％PER)所需的特定最小SNR相关联。查找表可储存所支持的速率和每一支持的速率所需的SNR。每一数据流的有效SNR可对照所支持的速率所需的SNR进行比较。然后为数据流选择具有最高数据速率和小于或等于有效SNR的所需SNR的支持速率

表1列出了系统所支持的一组示例性14个速率，它们被给予了速率索引0到13。每一速率与特定频谱效率、特定码率、特定调制方案和特定的所需SNR相关联。频谱效率指的是由系统带宽归一化的数据速率(或信息比特率)，并且以比特每赫兹每秒(bps/Hz)为单位给出。对应于表1中的每一速率的码率和调制方案是针对特定系统设计的。索引为0的空速率具有零数据速率(或者说没有数据传输)。对于数据速率非零的每一非空速率，所需SNR是基于特定系统设计(即，系统对该速率使用的码率、交错方案、调制方案等)、并且是针对SWGN信道来获得的。如本领域中已知的，所需SNR可通过计算、计算机模拟、经验测量等来获得。对于每一非空速率，SNR间隙(SNR gap)是该速率所需的SNR与下一较高速率的所需SNR之差。由于索引为13的速率是所支持的最高速率，因此其SNR间隙被设为无穷大或某一其它大值。

表1

速率索引	频谱效率(bps/Hz)	码率	调帛方案	所需SNR(dB)	SNR间隙(dB)
						0	0 0	-	-	-	-
1	0.25	1/4	BPSK	-1.8	3.0
						2	0.5	1/2	BPSK	1.2	3.0
3	1.0	1/2	QPSK	4.2	2.6
						4	1.5	3/4	QPSK	6.8	3.3
5	2.0	1/2	16QAM	10.1	1.6
						6	2.5	5/8	16QAM	11.7	1.5
7	3.0	3/4	16QAM	13.2	3.0
						8	3.5	7/12	64QAM	16.2	1.2
9	4.0	2/3	64QAM	1.74	1.4
						10	4.5	3/4	64QAM	18.8	1.2
11	5.0	5/6	64QAM	20.0	4.2
						12	6.0	3/4	256QAM	24.2	2.1
13	7.0	7/8	256QAM	26.3	∝

初始可如上所述地为这M个数据流选择M个速率，并将其记为R_m，其中m＝1，...，M。在以下描述中，速率R_m和速率索引R_m可互换使用。初始为每一数据流选择的速率的所需SNR小于或等于该流的有效SNR。由此，每一数据流具有非负的SNR余量，这可被表达为：

SNR_margin(m)＝SNR_eff(m)-SNR_req(R_m)，m＝1，...，M    式(5)

其中，

R_m是初始为数据流选择的速率；

SNR_req(R_m)是速率R_m所需的SNR；并且

SNR_margin(m)是数据流m的SNR余量。

所有M个数据流的总SNR余量可被表达为：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{total}\_m\arg \mathrm{in}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SNR}}_{m\arg \mathrm{in}}\left(m\right)$ 式(6)

可从任何一个流传递到其它(各)流的SNR余量的量可被限于一预定的最大值，例如 ${\mathrm{SNR}}_{m\arg \mathrm{in}}\left(m\right)\≤{\mathrm{SNR}}_{m\arg \mathrm{in}}^{\max }=2\mathrm{dB}.$ 这可通过将式(6)中每一流m的SNR_margm(m)限制在SNR_margm ^max之内来实现。SNR_margm ^max可对所有的流固定，或者可以是速率、码率、调制方案、流索引等的函数，它对每一流可以是不同的。限制SNR_margin(m)可减小这M个流的SNR余量中的变动。总SNR余量也可被限于另一预定的最大值，例如 ${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{total}\_m\arg \mathrm{in}}\left(m\right)\≤{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{total}\_m\arg \mathrm{in}}^{\max }=6\mathrm{dB}.$ 可被重新分配给任何一个流的SNR的量因此被限于SNR_{total_margm} ^max这确保了不会有流在所需SNR过度高于该流的有效SNR的速率下被发送。一般而言，可被重新分配给任何一个流的SNR的量可以被限于SNR_re-allo ^max，这是可以等于或小于SNR_{total_margm} ^max的适当选择的值。SNR_re-allo ^max可以是固定值或者速率、码率、调制方案、流索引等的函数。

如下所述，发射机可以使用单个基码来编码话务数据以生成代码比特，然后将代码比特解析成M个流，并根据为该流选择的速率来进一步处理(例如，穿孔和码元映射)对应于每一流的代码比特。接收机可执行互补的处理、重新组装检测到的对应于这M个流的码元、并对重新组装的检测到的码元进行解码。要在接收机处解码的检测到的码元的序列/分组可以由以不同速率生成的多组检测到的码元构成。每一解码的比特的结果通常受到相邻和附近的检测到的码元的接收SNR的影响。如果检测到的对应于这M个流的码元被一起解码，则用于这些流的SNR余量可在各流间被共享以实现更高的总吞吐量。余量共享以在至少一个流上实现更高的速率为目标来重新分配总SNR余量。以下描述余量共享的若干实施例。

图4示出了用于执行流排序的余量共享的过程316a，它是用于每流具有独立速率的系统的余量共享的第一实施例。过程316a可用于图3中的框316。对于这一实施例，总SNR余量以基于其有效SNR的顺序次序重新分配给这M个流。初始地，基于其有效SNR来将这M个流排序，其中第一个流具有最高的有效SNR，而最后一个流具有最低的有效SNR(框412)。流索引m被初始化为1(框414)。

作为未被考虑的具有最高有效SNR的流的流m被选择(框416)。将流m提升到下一较高速率所需的SNR如下来确定(框418)：

其中，

R_min是最低的支持速率，它是表1中的速率索引0；

R_max是最高的支持速率，它是表1中的速率索引13；并且

SNR_promote(m)是假定已经移除了流m上的SNR余量的情况下将流m提升到下一较高速率所需的SNR。

如果流m的有效SNR小于-1.8dB，则初始为流m选择空速率R_min。将流m提升到索引为1的最低非空速率所需的SNR等于速率索引1所需的SNR与流m的有效SNR之差。如果初始为流选择了最高的支持速率R_max，则将SNR_promote(m)设为无穷大或一大值确保了总SNR余量不足以提升流m。

然后确定总SNR余量是否大于或等于将流m提升到下一较高速率所需的SNR(框420)。如果回答为“是”，则为流m选择下一较高速率(框422)，并且如下更新总SNR余量(框424)：

SNR_{total_margin}＝SNR_{total_margin}-SNR_promote(m)    式(8)

在框424之后，并且如果对框420的回答为“否”，则确定是否已考虑了所有M个流(框426)。如果回答为“否”，则递增流索引m(框428)，并且该过程返回到框416以考虑具有下一较低有效SNR的流。否则，如果已考虑了所有M个流，则该过程终止。尽管在图4中未示出，但是该过程还可在总SNR余量为零或者不能提升任何其余的流的小值的情况下终止。

对于图4中所示的余量共享的第一实施例，这M个流被从最高到最低有效SNR排序，然后以从具有最高有效SNR的流开始的顺序次序每次考虑一个。对于也称为反向流排序余量共享的余量共享的第二实施例，M个流被从最低到最高有效SNR排序，然后以从具有最低有效SNR的流开始的顺序次序每次考虑一个。第二实施例可如图4所示地实现，尽管其中这M个流是以有效SNR的递增次序(而非有效SNR的递减次序)来排序的。

图5示出了用于执行等级排序的余量共享的过程316b，它是用于每流具有独立速率的系统的余量共享的第三实施例。过程316b也可用于图3中的框316。

如下确定图3的框312中的初始为每一流选择一较高速率所需的SNR，也称为差分SNR(框510)：

如果初始为流m选择了空速率R_min，则SNR_diff(m)等于将流m提升到最低非空速率所需的SNR。如果初始为流m选择了最高的支持速率R_max，则将SNR_diff(m)设为无穷大或一大值确保了流m将被最后一个选择来进行余量共享。如上所述，可重新分配给任何一个流的SNR的量可被限于SNR_re-allo ^max。在这一情况下，如果任一流的差分SNR大于SNR_re-allo ^max则可将该差分SNR设为无穷大，以使得该流将不会被提升。

然后基于其差分SNR来将这M个流排序，其中第一个流具有最低的差分SNR，而最后一个流具有最高的差分SNR(框512)。流索引m被初始化为1(框514)。

作为未被考虑的具有最低差分SNR的流的流m被选择(框516)。然后如式(7)中所示地确定将流m提升到下一较高速率所需的SNR(框518)。在初始为流m选择速率R_m、且流m的SNR余量被包括在总SNR余量中的假设下来计算总SNR余量。由此，需要SNR_promote(m)而非SNR_diff(m)来为流m选择下一较高速率R_m+1。然后确定总SNR余量是否大于或等于将流m提升到下一较高速率所需的SNR(框520)。如果回答为“是”，则为流m选择下一较高速率(框522)，并且如式(8)中所示更新总SNR余量(框524)。

在框524之后，并且如果对框520的回答为“否”，则确定是否已考虑了所有M个流(框526)。如果回答为“否”，则递增流索引m(框528)，并且该过程返回到框516以考虑具有下一较低差分SNR的流。否则，如果已考虑了所有M个流，则该过程终止。该过程也可在总SNR余量为零或一小值的情况下终止(图5中未示出)。也可重复步骤514到528任意次数，直到用完了所有的可用SNR余量，或者各流已被提升了最大次数，或者没有更多的流可被提升，或者满足某一其它退出准则。该第三实施例以有序的方式提升流，使得(1)需要最少量SNR余量就能提升的流被首先提升，以及(2)需要最多量SNR余量的流被最后提升。该实施例可提高性能并且可允许更多的流被提升。

在用于每流具有独立速率的系统的余量共享的第四实施例中，初始如式(7)所示计算将每一流提升到下一较高速率所需的SNR。然后基于其提升SNR来将这M个流排序，其中第一个流具有最低的提升SNR，而最后一个流具有最高的提升SNR。然后以从具有最低提升SNR的流开始的顺序次序一次一个地考虑这M个流。该第四实施例试图首先提升具有较小提升SNR的流，这可允许提升更多流。

上述余量共享实施例是针对其中用于每一流的速率可被独立选择的系统。这允许将总SNR余量重新分配给任何流。如果总SNR余量允许，则用于每一流的速率被调整到下一较高速率索引R_m+1。

用于一个流的速率也可被向上提升一个以上的速率索引。在一个实施例中，用于每一流的速率可基于总SNR余量而被提升得尽可能高。例如，取代为流m计算SNR_promote(m)，可为流m选择具有小于SNR_eff(m)+SNR_{total_margin}的所需SNR的最高速率。在另一实施例中，可将用于每一流的速率提升最多Q个速率索引，其中一般Q≥1。因此，以上图4和5中所示的实施例针对于Q＝1的情况。

系统可仅允许速率的某些组合，例如以便于减少要发回给发射机的速率信息的量。系统允许的速率组合的集合通常被称为向量量化速率集。表2示出了用于其中发射机可发射多达4个数据流的系统的示例性向量量化速率集。对于该速率集，速率标识符(ID)0到13对应于一个数据流的传输并且在表1中分别作为速率索引0到13给出，速率ID 14到24对应于两个数据流的传输，速率ID 25到35对应于三个数据流的传输，而速率ID 36到43对应于四个数据流的传输。对于每一速率ID，要发射的流的数目(Num Str)、每一流使用的速率、以及总吞吐量(OTP)/总频谱效率在表2中给出。作为一个示例，对于速率ID 31，总吞吐量是12.0bps/Hz，发射3个流，流1使用速率12(256 QAM和码率3/4)，流2使用速率9(64 QAM和码率2/3)，并且流3使用速率5(16 QAM和码率1/2)。

表2

以余量共享方式进行的速率控制可在具有向量量化速率集的系统中以各种方式来执行。以下描述若干实施例。

图6示出了根据第一实施例用于在具有向量量化速率集的系统中为数据流选择速率的过程600。初始地，对可用于数据传输的每一传输信道确定有效SNR(框610)。基于这些有效SNR确定每一允许的速率组合的总SNR余量(框612)。具有L个流(其中S≥L≥1)的给定速率组合的总SNR余量可如下确定。首先如式(5)所示计算该速率组合中的每一流m的SNR余量，其中SNR_eff(m)是用于流m的传输信道的有效SNR，而SNR_req(R_m)是由该速率组合为流m指定的速率的所需SNR。由于指定了该速率组合中用于每一流的速率，因此每一流的SNR余量可以是正或负值。总SNR余量等于该速率组合中的L个流的SNR余量之和，如式(6)中所示。如果该速率组合中的任一流的SNR余量低于一预定最小值(例如，-2dB)，则用于该速率组合的总SNR余量可被设为负无穷大或某一大的负值，以使得该速率组合将不会被选中来使用。如果要发射的流的数目是已知的，则仅评估用于该数目的流的速率组合。

具有最高总吞吐量和非负总SNR余量的速率组合被标识(框614)。如果该速率集具有总吞吐量相同的一个以上速率组合，则可在框614中标识多个速率组合。例如，表2中所示的速率集具有总吞吐量为12.0 bps/Hz的五个速率组合。所标识出的具有最大总SNR余量的速率组合被选中来使用(框616)。然后使用所选择的速率组合来发射数据(框618)。

图7示出了根据第二实施例用于在具有向量量化速率集的系统中为各数据流选择速率的过程700。变量max_otp表示对所有数据流实现的最大总吞吐量，并且被初始化为零(框710)。索引e表示要发射的流的数目，并且被初始化为一(框712)。

对用于发射e个数据流的e个传输信道的每一个确定有效SNR(框714)。如上所述，该有效SNR计算可依赖于由发射机和接收机为该e个流执行的空间处理。例如，如上对图6中的框612所描述的，确定用于e个流的每一速率组合的总SNR余量以及大于或等于max_otp的总吞吐量(框716)。对在框716中评估的每一速率组合可以应用或不应用余量共享。如果应用了余量共享，则可使用以上就每流具有独立速率所描述的余量共享实施例的任一个(例如，流排序余量共享、等级排序余量共享等等)。

然后，例如如上对图6中的框614和616所描述的，从所有评估的e个流的速率组合中选择具有最高总吞吐量和最大正总SNR余量的速率组合(框718)。所选择的速率组合被记为RC(e)，用于该速率组合的总吞吐量被表示为otp(e)，且用于该速率组合的总SNR余量被表示为margin(e)。然后确定用于e个流的最高总吞吐量是否大于当前最大总吞吐量，或者是否otp(e)＞max_otp(框720)。如果回答为“是”，则将最大总吞吐量设为用于e个流的最高总吞吐量，将速率组合RC(e)保存在变量max_RC中，并且将用于RC(e)的总SNR余量保存在变量max_margin中(框724)。该过程然后前进到框726。

如果对框720回答为“否”，则确定(1)用于e个流的最高总吞吐量是否等于当前最大总吞吐量，以及(2)用于速率组合RC(e)的总SNR余量是否超过当前max_margin有记为Δmargin的一预定量(框722)。如果用于e个流的速率组合RC(e)和用于少于e个流的另一速率组合RC(j)可达到相同的总吞吐量，则如果速率组合RC(e)的总SNR余量高一预定量，就可选择该速率组合。否则，可选择具有较少流的速率组合RC(j)，以便(1)减少发射机和接收机处的处理，以及(2)增强对流之间的串扰的防护。如果对框722的回答为“是”，则在框724中分别将速率组合RC(e)、用于RC(e)的总吞吐量以及用于RC(e)的总SNR余量保存为max_RC、max_otp和max_margin。

如果对框722的回答为“否”，并且也在框724之后，确定是否评估了所有不同数目的流(框726)。如果回答为“否”，则递增索引e(框728)，并且该过程返回到框714以评估下一较高数目的流。否则，如果已经评估了所有不同数目的流，则选择速率组合max_RC来使用，并且使用该所选的速率组合来发射数据(框730)。

尽管图7中为简明起见未示出，但是如果用于当前数目的流的最高总吞吐量otp(e)未超过最大总吞吐量，则可终止过程700。例如，如果对框720的回答为“否”，则该过程可执行框722和724然后终止。

在用于在具有向量量化速率集的系统中选择速率的第三实施例中，对每一速率组合计算总的所需SNR作为对用于该速率组合中的所有流的指定速率所需的SNR的总和。用于该速率集中所有速率组合的总的所需SNR和总吞吐量可被储存在一查找表中。为进行速率选择，计算总有效SNR作为可用于数据传输的所有传输信道的有效SNR之和。然后选择具有最高总吞吐量和小于或等于总有效SNR的总所需SNR的速率组合来使用。该实施例未限制可被重新分配给每一流的SNR余量的量。

图3到5示出了用于为每流具有独立速率的系统执行以余量共享方式进行的速率选择的示例性实施例。图6和7示出了用于为具有向量量化速率集的系统执行以余量共享方式进行的速率选择的示例性实施例。以余量共享方式进行的速率选择也可用其它方式来执行。余量共享允许一个或多个流以负SNR余量操作，使得对数据传输可达到更高的总吞吐量。

如上所述，可对各种系统和各种类型的传输信道使用以余量共享方式进行速率选择的技术。在MIMO系统中，可形成不同的传输信道，其中发射机执行不同的空间处理，诸如本征转向(eigensteering)、无转向和空间扩展。

对于本征转向，每一子带的信道响应矩阵H(k)可通过本征值分解来对角化如下：

R(k)＝H ^H(k)·H(k)＝E(k)·Λ(k)·E ^H(k)                   式(10)

其中E(k)是本征向量的酉阵，Λ(k)是对角矩阵，而“H”表示共轭转置。发射机可使用转向矩阵E(k)在每一子带k的多达S个正交空间信道(或本征模)上发射数据。每一子带k的对角矩阵Λ(k)包含H(k)的S个本征模的功率增益。每一子带的信道响应矩阵H(k)也可通过奇异值分解来对角化为H(k)＝U(k)·∑(k)·E ^H(k)，其中U(k)是左奇异向量的酉阵，E(k)是右奇异向量的酉阵(也是本征向量的矩阵)，而∑(k)是H(k)的S个本征模的信道增益的对角矩阵。

对于无转向，发射机在没有任何空间处理的情况下发射数据，例如从每一发射天线发射一个数据流。对于空间扩展，发射机以在频带上变化的不同转向矩阵V(k)来发射数据，使得数据传输观察到有效信道的整体。

表3示出了由发射机执行以实现本征转向、无转向和空间扩展的空间处理。在表3中，下标“es”表示本征转向，“ns”表示无转向，而“ss”表示空间扩展。表3所示的处理是针对给定子带的，由此，为清楚起见省略了子带索引k。s是具有要在一个码元周期中在一个子带上发送的多达S个数据码元的向量。x _x是具有要在用于模式x的一个码元周期中在一个子带上从T根发射天线发送的T个发射码元的向量，其中“x”可以是“es”、“ns”或“ss”。H _x是由数据向量s对模式x观察到的有效信道响应矩阵。

表3-发射机空间处理

	本征转向	无转向	空间扩展
				空间处理	x es＝E·s	x ns＝s	x ss＝V·s
有效信道	H es＝H·E	H ns＝H	H ss＝H·V

接收机获得的接收码元可被表达为：

r _x＝H·x _x+n＝H _x·s+n             式(11)

其中r _x是用于模式x的接收码元的向量，而n是噪声向量，它被假定为方差为σ_n ²的AWGN。

表4示出了由接收机执行以获得检测到的码元；的空间处理，该检测到的码元是对s中所发射的数据码元的估算。本征转向可使用全信道状态信息(全CSI)技术。本征转向、无转向和空间扩展可使用信道相关矩阵求逆(CCMI)和最小均方误差(MMSE)技术。对每一技术，接收机基于用于每一子带的实际或有效信道响应矩阵来导出用于该子带的空间滤波矩阵M。接收机然后以该空间滤波矩阵对接收码元执行空间匹配滤波。

表4-接收机空间处理

表4还示出了传输信道m的每一子带k的接收SNR。对于全CSI技术，λ_m(k)是Λ(k)的第m个对角元素。对于CCMI技术，r_m(k)是 ${\underset{\‾}{R}}_x\left(k\right)={\underset{\‾}{H}}_x^H\left(k\right)\·{\underset{\‾}{H}}_x\left(k\right)$ 的第m个对角元素。对于MMSE技术，q_m(k)是M _mmse(k)·H _x(k)的第m个对角元素。

图8示出了MIMO系统中的发射机810和接收机850的框图。在发射机810处，TX数据处理器820从数据源812接收话务数据、处理(例如，格式化、编码、交错和码元映射)该话务数据、并提供M个数据码元流。TX空间处理器830对数据码元和导频码元(例如，对于本征转向、无转向或者空间扩展)执行空间处理，并将T个发射码元流提供给T个发射机单元(TMTR)832a到832t。每一发射机单元832调理相应的发射码元流并生成已调制信号。来自发射机单元832a到832t的T个已调制信号分别从T根天线834a到834t发送。

在接收机850处，R根天线858a到858r接收来自发射机810的已调制信号，且每根天线向相应的接收机单元(RCVR)860提供接收信号。每一接收机单元860执行与由发射机单元832执行的处理互补的处理并提供接收码元。RX空间处理器870对来自所有R个接收机单元860的接收码元执行空间匹配滤波(例如，以利用全CSI、CCMI或MMSE技术导出的空间滤波矩阵)并提供M个检测到的码元流。RX数据处理器880处理(例如，码元解映射、解交错和解码)检测到的码元并将已解码数据提供给数据宿886。

信道估算器838和888分别为发射机810和接收机850执行信道估算。控制器840和890分别控制发射机810和接收机850处的各种处理单元的操作。存储器单元842和892分别储存控制器840和890使用的程序代码。

为以余量共享方式进行速率选择，信道估算器888估算从发射机810到接收机850的MIMO信道的响应，并确定MIMO信道的空间信道的接收SNR。控制器890基于接收SNR为M个数据流选择速率、以余量共享方式向上调整这些速率中的一个或多个，并提供速率信息。速率信息由TX数据处理器894和TX空间处理器896处理、由发射机单元860调理，并经由天线858发送到发射机810。在发射机810处，来自接收机850的已调制信号由T根天线834接收、由T个接收机单元834调理、并进一步由RX空间处理器844和RX数据处理器846处理以获得来自接收机850的速率信息。控制器840接收该速率信息并将所选的速率提供给TX数据处理器820。

图9示出了发射机810处的TX数据处理器820的一个实施例的框图。在TX数据处理器820内，编码器910根据一编码方案对话务数据编码并生成代码比特。编码方案可包括卷积码、Turbo码、低密度奇偶校验(LDPC)码、循环冗余校验(CRC)码、块码等或其组合。在一个实施例中，编码器910实现对每一数据比特生成两个代码比特的比率1/2二进制卷积编码器。解析器920接收来自编码器910的代码比特并将这些代码比特解析成M个流。

M个流处理器930a到930m接收来自解析器920的M个代码比特流。每一流处理器930包括穿孔单元932、交错器934和码元映射单元936。穿孔单元932对其流中所需数目的代码比特进行穿孔(或删除)以对该流实现所选的代码速率。交错器934基于一交错方案对来自穿孔单元932的代码比特进行交错(或重排)。码元映射单元936根据一所选调制方案映射经交错的比特并提供调制码元。用于每一流的码率和调制方案由为该流所选的速率来确定，例如如表1所示。M个流处理器930a到930m将M个数据码元流提供给TX空间处理器830。

此处所描述的以余量共享方式进行速率选择的技术可由各种手段来实现。例如，这些技术可用硬件、软件或其组合来实现。对于硬件实现，用于执行带余量共享的速率选择的处理单元可在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计成执行此处所描述的功能的其它电子单元或其组合内实现。

对于软件实现，带余量共享的速率选择可用执行此处所描述的功能的模块(例如，过程、函数等)来实现。软件代码可被储存在存储器单元(例如，图1中的存储器单元142和/或192、图8中的存储器单元842和/或892)中并由处理器(例如，图1中的控制器140和/或190、图8中的控制器840和/或890)来执行。存储器单元可以在处理器内实现，或者可在处理器外部，在这一情况下，它可在通信上经由本领域中已知的各种装置耦合到处理器。

提供了对所公开的实施例的前述描述以使本领域的任何技术人员能够制造或使用本发明。本领域的技术人员将容易地清楚对这些实施例的各种修改，并且此处所定义的一般原理可应用于其它实施例而不脱离本发明的精神或范围。由此，本发明并不旨在限于此处所示的实施例，而是符合与此处所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (33)

1.一种在通信系统中执行速率选择的方法，包括：

对多个数据流确定信噪比(SNR)估算；以及

基于所述SNR估算为所述多个数据流选择速率，其中每个数据流都具有一相关联的SNR余量，使得至少一个数据流具有负的SNR余量、其余每一数据流具有非负的SNR余量、且所有数据流的总SNR余量为非负。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所示为多个数据流选择速率包括：

基于对每一数据流的SNR估算为所述每一数据流选择一速率，

基于对每一数据流的SNR估算和为所述数据流选择的速率所需的SNR确定每一数据流的SNR余量，以及

基于所述多个数据流的SNR余量向上调整所述至少一个数据流的至少一个速率。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述向上调整至少一个数据流的至少一个速率包括：

基于所述多个数据流的SNR余量确定所述多个数据流的总SNR余量，以及

将所述总SNR余量重新分配给所述至少一个数据流以向上调整所述至少一个速率。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述总SNR余量重新分配给所述至少一个数据流包括：

以顺序次序一次选择一个数据流，以及

如足够，则将所述总SNR余量重新分配给所选数据流，以向上调整所选数据流的速率。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

基于所述SNR估算以顺序次序将所述多个数据流排序，其中第一个数据流具有最高的SNR估算，而最后一个数据流具有最低的SNR估算。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

基于所述SNR估算以顺序次序将所述多个数据流排序，其中第一个数据流具有最低的SNR估算，而最后一个数据流具有最高的SNR估算。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

基于差分SNR以顺序次序将所述多个数据流排序，其中第一个数据流具有最小的差分SNR，而最后一个数据流具有最大的差分SNR，其中每一数据流的差分SNR对应于所述数据流的下一较高速率所需的SNR与所述数据流的SNR估算之差。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

基于提升SNR以顺序次序将所述多个数据流排序，其中第一个数据流具有最小的提升SNR，而最后一个数据流具有最大的提升SNR，其中每一数据流的提升SNR指示为所述数据流选择下一较高速率所需的额外SNR。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

限制可从任何一个数据流传递到另一数据流的SNR余量的量。

10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

限制可被重新分配给任何一个数据流的SNR余量的量。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定多个数据流的SNR估算包括：

为每一数据流确定接收SNR，

基于每一数据流的接收SNR确定所述数据流的平均SNR，以及

基于每一数据流的所述平均SNR和补偿因子对所述数据流确定SNR估算。

12.一种通信系统中的设备，包括：

信道估算器，可用于对多个数据流确定信噪比(SNR)估算；以及

控制器，可用于基于所述SNR估算为所述多个数据流选择速率，其中每个数据流都具有一相关联的SNR余量、使得至少一个数据流具有负的SNR余量、其余每一数据流具有非负的SNR余量、且所有数据流的总SNR余量为非负。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述控制器可用于基于每一数据流的SNR估算为所述数据流选择一速率、基于对每一数据流的SNR估算和为所述数据流所选的速率所需的SNR确定用于所述数据流的SNR余量、以及基于所述多个数据流的SNR余量向上调整所述至少一个数据流的至少一个速率。

14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述控制器可用于基于所述多个数据流的SNR余量确定所述多个数据流的总SNR余量，并将所述总SNR余量重新分配给所述至少一个数据流以向上调整所述至少一个速率。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述控制器可用于一次选择一个数据流以重新分配所述总SNR余量，并在足够时将所述总SNR余量重新分配给所选的数据流以向上调整所选数据流的速率。

16.一种通信系统中的设备，包括：

用于对多个数据流确定信噪比(SNR)估算的装置；以及

用于基于所述SNR估算为所述多个数据流选择速率，其中每个数据流都具有一相关联的SNR余量，使得至少一个数据流具有负的SNR余量、其余每一数据流具有非负的SNR余量、且所有数据流的总SNR余量为非负。

17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述用于为多个数据流选择速率的装置包括：

用于基于对每一数据流的SNR估算为所述数据流选择一速率的装置，

用于基于对每一数据流的SNR估算和为所述数据流所选的速率所需的SNR确定所述数据流的SNR余量的装置，以及

用于基于所述多个数据流的SNR余量向上调整所述至少一个数据流的至少一个速率的装置。

18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述用于向上调整至少一个数据流的至少一个速率的装置包括：

用于基于所述多个数据流的SNR余量来确定所述多个数据流的总SNR余量的装置，以及

用于将所述总SNR余量重新分配给所述至少一个数据流以向上调整所述至少一个速率的装置。

19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述用于将总SNR余量重新分配给至少一个数据流的装置包括：

用于一次选择一个数据流以重新分配所述总SNR余量的装置，以及

用于在足够时将所述总SNR余量重新分配给所选择的数据流以向上调整用于所选数据流的速率的装置。

20.一种在通信系统中执行速率选择的方法，包括：

对可用于数据传输的多个传输信道中的每一个确定信噪比(SNR)估算；

基于对所述多个传输信道的SNR估算确定多个速率组合中的每一个的总SNR余量，其中每一速率组合与要发射的数据流的特定数目、每一数据流的特定速率、以及特定的总吞吐量相关联；以及

基于所述多个速率组合的总SNR余量和总吞吐量从所述多个速率组合中选择一速率组合。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述确定每一速率组合的总SNR余量包括：

基于对用于所述速率组合中的每一数据流的传输信道的SNR估算和所述数据流所需的SNR确定所述数据流的SNR余量，以及

对所述速率组合中的所有数据流的SNR余量求和以获得所述速率组合的总SNR余量。

22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括：

移除具有SNR余量低于一预定值的至少一个数据流的每一速率组合。

23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述从多个速率组合中选择所述速率组合包括：

从所述多个速率组合中选择具有最高总吞吐量的速率组合。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述从多个速率组合中选择所述速率组合还包括：

如果有多个速率组合具有所述最高总吞吐量，则选择具有较少数据流的速率组合。

25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述从多个速率组合中选择所述速率组合包括：

如果有多个速率组合具有最高总吞吐量，则选择具有较大总SNR余量的速率组合。

26.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括：

以顺序次序选择所述多个速率组合来进行评估，所述次序以具有最少数据流的速率组合开始并以具有最多数据流的速率组合结束。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括：

以顺序次序选择用于给定数目的数据流的速率组合，所述次序以具有最低总吞吐量的速率组合开始并以具有最高总吞吐量的速率组合结束。

28.一种通信系统中的设备，包括：

可用于对可用于数据传输的多个传输信道中的每一个确定信噪比(SNR)估算的信道估算器；以及

可用于基于对所述多个传输信道的SNR估算来确定多个速率组合中的每一个的总SNR余量、并基于所述多个速率组合的总SNR余量和总吞吐量从所述多个速率组合中选择一速率组合的控制器，其中每一速率组合与要发射的数据流的特定数目、每一数据流的特定速率、以及特定的总吞吐量相关联。

29.如权利要求28所述的设备，其特征在于，所述控制器可用于基于对用于所述速率组合中的每一数据流的传输信道的SNR估算和所述数据流所需的SNR来确定所述数据流的SNR余量，并对每一速率组合中的所有数据流的SNR余量求和以获得所述速率组合的总SNR余量。

30.如权利要求28所述的设备，其特征在于，所述控制器可用于从所述多个速率组合中选择具有最高总吞吐量的速率组合，并在有多个速率组合具有所述最高总吞吐量时选择具有较少数据流或较大总SNR余量的速率组合。

31.一种通信系统中的设备，包括：

用于对可用于数据传输的多个传输信道中的每一个确定信噪比(SNR)估算的装置；

用于基于对所述多个传输信道的SNR估算来确定多个速率组合中的每一个的总SNR余量的装置，其中每一速率组合与要发射的数据流的特定数目、每一数据流的特定速率、以及特定的总吞吐量相关联；以及

用于基于所述多个速率组合的总SNR余量和总吞吐量从所述多个速率组合中选择一速率组合的装置。

32.如权利要求31所述的设备，其特征在于，所述用于确定每一速率组合的总SNR余量的装置包括：

用于基于对用于所述速率组合中的每一数据流的传输信道的SNR估算和所述数据流所需的SNR来确定用于所述数据流的SNR余量的装置，以及

用于对用于所述速率组合中的所有数据流的SNR余量求和以获得所述速率组合的总SNR余量的装置。

33.如权利要求31所述的设备，其特征在于，所述用于从多个速率组合中选择所述速率组合的装置包括：

用于从所述多个速率组合中选择具有最高总吞吐量的速率组合的装置，以及

用于在有多个速率组合具有所述最高总吞吐量时选择具有较少数据流或较大总SNR余量的速率组合的装置。

Images