CN101194467B

CN101194467B - 使用半开环技术的速率适配方法和设备

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Publication number: CN101194467B
Application number: CN2006800019552A
Authority: CN
Inventors: W-J·崔; N·张; H·叶; J·M·吉尔伯特
Original assignee: Atheros Communications Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2026-01-12
Also published as: US20150282097A1; WO2006076583A3; CN101194467A; WO2006076583A2; TW200635269A; US20070041322A1; US9936462B2; TWI406527B

Abstract

在一种用于多输入多输出(MIMO)系统的半开环速率适配方案中，发射机可有利地使用上行链路的一个或多个质量度量以及两端的设备特性的知识来执行快速和准确的速率适配。

Description

使用半开环技术的速率适配方法和设备

相关技术

因为无线环境中的信道状况随时间而变化，所以在具有多PHY(即，物理设备)速率的系统中可有利地使用速率适配来实现最优化吞吐。速率适配在多输入多输出(MIMO)系统中尤其重要，因为流的数目将又一个维度引入了信道状况。一般而言，有两类速率适配技术：闭环速率适配和开环速率适配。

在闭环速率适配中，目标接收机估算其接收信号(例如，信道状态信息(CSI))的某个函数，并将其发回发射机。发射机基于来自该接收机的反馈来确定其下一发射的最优化速率。不幸的是，这种闭环速率适配具有与确定合适反馈相关联的显著的系统额外开销。

在开环速率适配中，发射机使用试错法来确定最优化速率。由此，开环速率适配方案并不招致任何反馈额外开销。但是，因为发射机不从接收机接收反馈，所以速率通常改变得很慢，并可能因选择了错误的速率而导致出错。

因此，产生了对使系统额外开销最小化的快速和准确的速率适配技术的需要。

发明概要

描述了一种用于在多输入多输出(MIMO)系统中快速并准确地适配速率、同时使系统额外开销最小化的方法。此系统可包括第一和第二节点，其中从第一节点到第二节点的传输是在“下行链路信道”上，而从第二节点到第一节点的传输是在“上行链路信道”上。MIMO系统中的每个节点可包括多个发射机和接收机。

在此方法中，第一节点可使用由第二节点向第一节点发送的分组来估计上行链路信道。此上行链路信道可被转置以提供估计的下行链路信道。第一节点可使用来自第一和第二节点两者的发射机和接收机特性、以及估计的下行链路信道来准确地适配速率。值得注意的是，接收机特性可包括第二节点的灵敏性。

在一个实施例中，使用发射机和接收机特性可包括基于估计的下行链路信道、来自第二节点的噪声本底信息、和第二节点的接收机结构来计算第二节点的检测后信噪比(SNR)。可针对分组的接收数据率随第二节点的发射输出功率调节此检测后SNR。在该调节之后，可使用第一节点的每种速率下的发射机功率来计算第二节点处的每种速率下的估计的检测后SNR，由此为第二节点构建灵敏度表。如果发射机的EVM不可忽略，则可随第一和第二节点的每种功率下的发射机EVM调节第二节点处的每种速率下的估计的检测后SNR。

第一节点可使用该灵敏度表来选择最优化的速率。在一个实施例中，使用该灵敏度表可包括选择其估计的检测后SNR大于阈值SNR的最高速率。

还描述了一种在MIMO系统中能够迅速和准确适配其速率的节点。此节点包括可通过具有计算机可实现指令的软件访问的各种表。具体而言，该节点可包括指示在MIMO系统中的另一节点处的各个速率的检测后SNR的表。该节点还可包括指示该节点处每种速率下的发射机输出功率的表、以及指示该节点和该另一节点的每种功率下的发射机EVM的表。值得注意的是，该节点还可包括具有用于访问上述各表并执行上述各步骤的计算机可实现指令的软件。

附图简要说明

图1示出一种简化的多输入多输出(MIMO)系统。

图2示出一种可被用于获得每种数据速率下的发射功率信息的技术。

图3示出一种用于访问并使用发射机EVM与发射机功率的关系表的技术。

图4示出一种能准确地估计MIMO系统中信道的下行链路质量的示例性技术。

图5示出一种包括可由具有计算机可实现指令的软件访问的各种表的节点。

附图具体说明

在一种用于多输入多输出(MIMO)系统的半开环速率适配方案中，一种发射机可有利地使用上行链路的一个或多个质量度量以及两节点的发射机/接收机特性的知识来执行快速和准确的速率适配。图1示出其中可使用该半开环速率适配技术的一种简化MIMO系统100。在MIMO系统100中，每个收发机包括多个发射机(Tx)和接收机(Rx)。例如，标示为节点105的第一收发机可包括发射机101A和101B以及接收机102A和102B。标示为节点106的第二收发机可包括发射机103A和103B以及接收机104A和104B。注意，每个接收机/发射机对——例如发射机101A/接收机102A——共用一个天线。

MIMO系统100可将一数据流分成多个唯一的流。节点105可调制这多个流中的每一个，然后在同一频率信道中通过一不同天线来同时发射每个流。通过利用多径——即信号的反射——节点106的每条MIMO接收链可以是这多个发射的数据流的线性组合。节点106可使用依赖于对节点105与106之间信道的估计的MIMO算法来分离这些数据流。

为了理解该半开环速率适配技术，从节点105到节点106的传输在本文中被称为“下行链路”，而从节点106到节点105的传输被称为“上行链路”。注意，术语下行链路和上行链路纯粹是说明物理信道中的信号流向。值得注意的是，只要下行链路和上行链路信道均使用同一频率，则节点105与节点106之间的这些物理信道就是互易的(即，显现相同的特性)。在数学表示中，信道互易性由

表示，其中H_D是下行链路信道(即，从节点105到节点106)，而HU是上行链路信道(即，从节点106到节点105)。

有了信道互易性，只要上行链路和下行链路分组使用相同数目的流，节点105就可根据由节点106发送的分组估计上行链路信道，并将其转置以获得下行链路信道。例如，如果使用ACK(确认)分组作为上行链路分组，则需要使用与下行链路分组相同数目的流来发送该ACK分组。(注意，可使用比发射数据分组所使用的数据率低的数据率来发送ACK分组。此外，可以使用也可以不使用通常用于此较低速率的相同功率来发送ACK分组。)

值得注意的是，尽管物理信道是互易的，但节点105和106中的射频(RF)电路未必是互易的。具体而言，从节点105到节点106的下行链路的最优化速率应当是发射机101A/101B、从节点105到节点106的信道、以及接收机104A/104B的函数。与此相对，在节点105测量的上行链路的最优化速率应当是发射机103A/103B、从节点106到节点105的信道、以及接收机102A/102B的函数。

因此，根据本发明的一个方面，节点105可使用节点105和106两者的发射机和接收机特性来估计上行链路质量，然后计算等效的下行链路质量。节点105和106可在最初和/或可定期地交换这些发射机和接收机特性。

发射机特性

在一个实施例中，发射机特性可包括每种数据速率下的发射机输出功率和每种发射机输出功率下的发射机EVM(误差矢量幅值)。关于发射机输出功率，发射机101A/101B(节点105)和103A/103B(节点106)的功率放大器可以是非对称的，由此导致每个节点产生不同的发射功率。此外，功率放大器的发射功率可依据速率而变化，并且功率放大器的非线性性的容限可依赖于数据速率以及功率放大器实现细节，这为此非对称性增加了复杂性。因此，为通过估计上行链路质量来准确地捕捉等效的下行链路质量，节点105应当知道节点106的每种数据速率下的发射功率信息。

图2示出一种可用来获得每种数据速率的发射功率信息的技术200。在步骤201，可访问每种数据速率下的发射功率的初始表。在一个实施例中，此表可包括最坏情形输出功率与速率特性的关系。这些特性可通过例如实验室工作台测试等来确定。因此，在一个实施例中，此信息可在步骤201被创建。在另一个实施例中，供应商可提供此信息，由此允许立即使用该表。

在步骤202，如有需要，可基于接收机RSSI(接收机信号强度指标)测量来缓慢适配此表。例如，在一个实施例中，如果ACK RSSI足够改善发射EVM有余，则可降低对应于最高速率的发射功率。

在步骤203，这两个节点处的每种数据速率下的发射功率信息表可被交换。亦即，图1中所示的下行链路/上行链路的指定是从节点105的角度来看的。从节点106的角度来看可定义相反的关系。由此，可在无线网络的每个节点处执行步骤201、202和203。在一个实施例中，可在最初的链路设立时交换每种数据速率下的发射功率表。在另一个实施例中，可在无线网络的操作期间定期更新这些表。表1指示针对各种数据速率(标示为MCS0-MCS7)的示例性发射功率。

表1：每种数据速率下的发射功率

数据速率(MCS)	发射功率(dBm)
		MCS0	20
MCS1	20
		MCS2	20
MCS3	18
		MCS4	18
MCS5	17
		MCS6	15
MCS7	14

关于每种发射机输出功率下的发射机EVM，由于功率放大器的非线性性，发射机EVM一般依赖于发射功率。因为每种发射功率下的发射机EVM由功率放大器的特性决定，并且每个节点可使用不同的功率放大器，所以在本发明的一个实施例中，还可交换每种发射功率下的发射机EVM信息。

图3示出一种用于访问并使用发射机EVM与发射机功率的关系表的技术300。在步骤301，可访问发射机EVM与发射机功率的关系表。在一个实施例中，发射机EVM与发射机功率的关系表可在制造期间创建。

注意，此发射机EVM与发射机功率的关系表可包括温度变动查找。为使用此温度变动查找，可在靠近功率放大器处设置一温度传感器。可使用传感器温度与室温(或者替换地，进行制造校准时的温度)之间的温差来查找EVM差。

在一个实施例中，发射机EVM与发射机功率的关系表中的信息可包括基于校准温度、温度校正表和当前温度的初始表。在一个实施例中，可在制造期间校准部件间温度变动，并可对所有部件使用平均温度特性。以此方式，仅需生成一个基于平均温度特性的温度校正表。

在另一个实施例中，步骤301可包括设备操作期间的连续校准。例如，如果支持来自接收机节点的反馈，则在任何输出功率电平发射了一分组的任何时候即可在接收机节点上测量EVM。在一个实施例中，为了构建完整的发射机EVM与发射机功率的关系表，传输可覆盖在给定时间窗(期间温度变化可忽略)内使用的所有可能的输出功率电平。

在步骤302，可在这些节点之间的初始链路设立时交换这些表。在一个实施例中，在无线网络操作期间可定期更新发射机EVM与发射机功率的关系表。

注意，上述的每种数据速率下的发射机输出功率表和每种发射机输出功率下的发射机EVM表可被组合成单个每种数据速率下的发射机EVM表。表2指示各种数据速率(标示为MCS0-MCS7)下的EVM。

表2：每种数据速率下的EVM

数据速率(MCS)	发射功率(dBm)
		MCS0	-5
MCS1	-10
		MCS2	-13
MCS3	-16
		MCS4	-19
MCS5	-22
		MCS6	-25
MCS7	-27

接收机特性

根据本发明的一个方面，还可交换可被定义为每种速率下的性能的接收机灵敏度。注意，该接收机架构可确定定义MIMO系统的灵敏度的容易程度。在一个实施例中，可在接收机链中的均衡器之后定义每个流的SNR，该SNR有时被称为“检测后SNR”，它有利地测量该均衡器的效果。

可用MIMO接收机的先验知识根据信道和噪声本底计算每个流的检测后SNR。例如，如果使用包括MMSE(最小均方误差)检测器的线性接收机，则可推导出每个流的检测后SNR如下。

在从节点105到节点106的下行链路传输中，节点106处的线性MMSE接收机的误差协方差矩阵可由下式定义：

R_{e} = δ^{2} {(H_{D}^{*} H_{D} + δ^{2} I)}^{- 1}

其中δ²是节点106的接收机处的噪声方差。

然后可使用下式来计算流i的检测后SNR：

SN R_{i} = \frac{1}{r_{e, i}} - 1

其中r_e，i是第i个对角元。(注意，R_e是一N×N矩阵，其中N是流的数目，并且该矩阵的对角元是R_e的元(1，1)，(2，2)，……，(N，N)。)

每种速率下的接收机灵敏度表可被定义为针对给定PER(分组差错率)的每种速率下的检测后SNR。此表可通过实验室工作台测试来获得，或可基于分组差错统计数据定期更新。在一个实施例中，每种速率下的接收机灵敏度表可被分成两部分：(1)检测后SNR与判定(即，解调器)设备处的SNR之比，以及(2)针对给定PER的每种速率下判定设备处的SNR。第一映射的简单形式可以是具有限幅(即，y＝min(x，y_max)，其中y_max是给定实现损失下系统中可实现的最大SNR)的线性函数。第二映射可通过仿真和/或实验室工作台测试来获得，并将基于分组差错统计被定期更新。

注意，判定设备处的SNR可以是重要的，因为检测后SNR未必代表了电路减损的全部效应(例如，动态范围、相位噪声等)。判定设备处的SNR可通过以导频(已知信号)计算EVM或通过以数据计算EVM来测量。

速率适配

图4示出节点105(图1)可用来通过估计从节点106到节点105的链路质量(即，上行链路质量)来评估从节点105到节点106的链路质量(即，下行链路质量)的一种示例性技术400。在技术400中，尽管依赖于信道互易性，但是节点105能够校准节点105与节点106之间的Tx/Rx特性的差异以评估更加准确的下行链路质量。

在步骤401，节点105可使用基于前同步码(即，训练字段)的信道估计(即，CSI)来估计上行链路信道。在步骤402，节点105可转置估计的上行链路信道(即，通过将行元变为列元以及将列元变为行元)来获得下行链路信道。在步骤403，节点105可基于下行链路信道、节点106的噪声本底信息(如由节点106测量并提供给节点106)、以及节点106的接收机结构(例如，如信道均衡器的类型：MMSE均衡器或ZF均衡器、或另一种类型的结构)来计算节点106的检测后SNR。在步骤404，节点105可针对接收数据速率用节点106的发射机输出功率调整所计算的检测后SNR。在步骤405，节点105可用节点105的每种速率下的发射机功率表来为节点106处的每种速率计算检测后SNR，由此为节点106构建一灵敏度表。在步骤406(在一个实施例中为一可任选步骤)，如有需要——例如，当发射机EVM不可忽略时(例如，如果EVM超过SNR以下10dB)——节点105可用节点105和节点106的每种功率下的发射机EVM表来对节点106处的每种速率调节估计的检测后SNR。在步骤407，节点105可通过参考节点106的每种速率下的检测后SNR表来选择最优化的速率。在一个实施例中，该最优化的速率是其估计的检测后SNR大于所要求的SNR(即，获得小于10％PER的最小SNR)的最高速率。

图5示出包括可由具有计算机可实现指令的软件访问的各种表的节点500。具体而言，节点500可包括指示节点106(图1)处各速率下的检测后SNR的表501。此表在本文中也称为灵敏度表。节点500还可包括指示节点105处的每种速率下的发射机输出功率的表502、以及指示节点105和106的每种功率下的发射机EVM的表503。表501、502、503可使用任何标准存储器装置或结构来存储。值得注意的是，节点500还可包括具有用于访问表501、502和503并执行技术400(图4)的计算机可实现指令(驻留在计算机可读介质上)的软件504。

杂项试探

根据本发明的一个方面，可有利地使用试探来确定MIMO系统的最优化的流数目、要对形成那些流的分组使用的保护间隔、以及所要使用的带宽(即，20/40MHz)。

流数目的选择可显著影响速率适配的成功。值得注意的是，常规的信道估计能容易地确定减少流的数目是否合适。但是，使用标准技术来确定增加流的数目是否合适将是困难的。在一个实施例中，可使用探测来执行附加信道估计以确定增加流的数目是否合适。例如，为获得更多信道信息，设备可定期探测更大数目的流。如上所述，如果上行链路分组(例如，ACK分组)总是使用相同数目的流作为下行链路分组(例如，数据分组)，则可有利地估计出反向信道。

正交频分复用(OFDM)能有利地减少MIMO系统中的多径畸变。具体而言，MIMO系统中密集填塞的子载波是正交的，目的是确保即使在多径状况下也无干扰。OFDM码元包括由保护间隔前导的快速傅立叶变换(FFT)间隔(从该间隔提取数据)。保护间隔可有利地起到容纳来自在前码元的回波的容器的作用，由此防止此类回波不利地影响后续的FFT间隔。在一个实施例中，保护间隔的持续时间可为800ns，这与最长的室内多径相当。在另一个实施例中，保护间隔的持续时间可为400ns，这与家庭或小办公室环境的最长室内多径相当。在又一个实施例中，保护间隔的持续时间可以是1600ns，这与最长的室外多径相当。如本文中所使用的，术语“半保护间隔”和“全保护间隔”是指400ns和800ns的持续时间。

因为确定合适的保护间隔是基于操作环境(即，信道的延迟扩展)而不是衰落，所以随着时间推移可逐步形成各种速率及其相关联的保护间隔的速率表。亦即，对于每种数据速率，保护间隔的选择可有所不同，因为不同的数据速率对多径将具有不同的敏感度。注意，此速率表将依赖于环境，尽管此延迟扩展被假定为在此期间不改变。例如，与室外环境相对比，室内环境相对静态。

在一个实施例中，可通过直接测量信道平坦性(例如，信道从一个区段到另一个区段的相关程度如何。如果延迟扩展很小，则信道变动也很小。例如，“0”延迟扩展信道在频域中是平坦的。另一方面，如果延迟扩展很大，则信道在区段之间显著变化)(例如，使用信道估计)并使用此测量作为确定哪些速率应使用全保护间隔或缩减的保护间隔的指标，来确定保护区间的选择。在另一个实施例中，可用全保护间隔和缩减的保护间隔两者来发送分组。此时，可测量与那些分组相关联的EVM，然后测量那两个分组之间的EVM之差。可使用EVM之差来确定对EVM的影响是否足以排除最有效速率的使用。

在一个实施例中，接收这些分组的接收机可作此确定，并以闭环方式向发射机提供反馈。在另一个实施例中，可利用互易性使得上行链路分组总是使用相同的保护间隔设置。在此情形中，当使用一不同的保护区间来发送下行链路分组时，发射机可估计上行链路分组的EVM的平坦性。

根据掌管无线通信的IEEE 802.11标准系列，每个频带包括预定数目的频率信道。例如，2.4GHz频带包括14个信道，其中每个信道在被占用时具有22MHz的带宽，并且相邻信道的中心频率相隔5MHz。与此相对比，5GHz频带包括12个信道，其中每个信道在被占用时具有20MHz的带宽，并且相邻信道的中心频率相隔20MHz。

值得注意的是，使用较宽的信道将有利地增大容量，即传输速率。具体而言，40MHz的信道的容量总是比20MHz信道的要大，并且随着信噪比(SNR)提高容量越发增大。在一个实施例中，可将20/40MHz判定从速率适配决定中分离出来。有三种操作模式：40MHz、混合的40MHz/20MHz、以及20MHz。

如果在扩展信道上不存在干扰或者干扰很小，则该设备可在40MHz模式下操作。在此情形中，接收机可在逐个分组的基础上执行动态20/40MHz检测。在此模式下，发射机可发射40MHz分组，除非存在某些状况(例如，由于40MHz CCA繁忙而导致的MAC超时，或是以20MHz发送失败的40MHz分组的多速率重试)。注意，6Mbps和20MHz当前是速率表中最后一个速率。

如果扩展信道上存在弱干扰，则该设备可在混合的20/40MHz模式下操作。在此情形中，接收机可在逐个分组的基础上执行动态的20/40MHz检测。注意，尽管发射机可发射20MHz分组，但是可像针对40MHz传输那样来设置载波频率。

如果在扩展信道上存在严重干扰，则该设备可仅在20MHz模式下操作。在此情形中，载波频率可被设置在20MHz频带的中间。接收机仅检测20MHz分组，并且发射机仅发射20MHz分组。

模式之间的切换可基于对扩展信道活动的长期感测。在一个实施例中，模式之间的切换可被限于在40MHz模式与40/20MHz混合模式之间、或者替换地在40/20MHz混合模式与20MHz模式之间。

尽管在本文中已参考附图对本发明的示例性实施例进行了详细说明，但是应当理解，本发明并不被限于那些精确的实施例。它们并不旨在穷尽或将本发明限定于所公开的精确形式。由此，许多修改和变形将是显而易见的。例如，尽管本文中详细讨论了一种MIMO系统，但是半开环技术400也能容易地适用于任何时分双工(TDD)系统。由此，本发明的范围旨在由所附权利要求及其等效技术方案限定。

Claims

1.一种在多输入多输出MIMO系统中适配速率的方法，所述系统包括第一节点和第二节点，其中从所述第一节点到所述第二节点的传输在下行链路信道上，而从所述第二节点到所述第一节点的传输在上行链路信道上，每个节点包括多个发射机和接收机，用于所述第一节点的所述方法包括：

使用由所述第二节点向所述第一节点发送的分组来估计所述上行链路信道；

转置所述上行链路以提供估计的下行链路信道；以及

使用来自所述第一和第二节点的发射机和接收机特性以及所估计的下行链路信道，以准确地适配所述速率，

其中使用所述发射机和接收机特性包括：

基于所估计的下行链路信道、来自所述第二节点的噪声本底信息以及所述第二节点的接收机结构来计算所述第二节点的检测后信噪比SNR；以及

针对所述分组的接收数据速率用所述第二节点的发射输出功率调节所述检测后SNR；

在所述调节之后，使用所述第一节点的每种速率下的发射机功率来计算所述第二节点处的每种速率下的估计的检测后SNR，由此为所述第二节点构建一灵敏度表；

通过使用所述第二节点的灵敏度表来选择最优化速率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射机特性包括每种数据速率下的输出功率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射机特性包括每种输出功率下的误差矢量幅值EVM。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述发射机和接收机特性还包括：

如果所述发射机EVM不可忽略，则用所述第一和第二节点的每种功率下的发射机EVM来调节所述第二节点处的每种速率下的估计的检测后SNR。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述灵敏度表包括选择其估计的检测后SNR大于阈值SNR的最高速率。

6.一种多输入多输出MIMO系统中的第一节点，所述系统包括第二节点，其中从所述第一节点到所述第二节点的传输在下行链路信道上，而从所述第二节点到所述第一节点的传输在上行链路信道上，每个节点包括多个发射机和接收机，所述第一节点包括具有计算机可实现指令的软件，所述第一节点包括：

使用由所述第二节点向所述第一节点发送的分组来估计所述上行链路信道的装置；

转置所述上行链路信道以提供估计的下行链路信道的装置；以及

使用来自第一和第二节点的发射机和接收机特性以及所估计的下行链路来准确地适配速率的装置，

其中所述使用发射机和接收机特性的装置包括：

基于所估计的下行链路信道、来自所述第二节点的噪声本底信息以及所述第二节点的接收机结构来计算所述第二节点的检测后信噪比SNR的装置；

针对所述分组的接收数据速率用所述第二节点的发射输出功率调节所述检测后SNR的装置；

使用所述第一节点的每种速率下的发射机功率来计算所述第二节点处的每种速率下的估计的检测后SNR，由此来为所述第二节点构建一灵敏度表的装置；

通过使用所述第二节点的灵敏度表来选择最优化速率的装置。

7.如权利要求6所述的第一节点，其特征在于，所述使用发射机和接收机特性的装置还包括：

在所述发射机EVM不可忽略的情况下用所述第一和第二节点的每种功率下的发射机EVM来调节所述第二节点处的每种速率下的估计的检测后SNR的装置。

8.如权利要求6所述的第一节点，其特征在于，所述使用灵敏性表的装置包括选择其估计的检测后SNR大于阈值SNR的最高速率的装置。