CN101204022A - Mimo通信系统中用于本征操纵的速率选择 - Google Patents

Abstract

描述了用于为在MIMO信道的本征模式上的数据传输选择速率的技术。接入点经由下行链路传送未被操纵的MIMO导频。用户终端基于下行链路未被操纵的MIMO导频估计下行链路信道质量，并且经由上行链路传送未被操纵的MIMO导频和反馈信息。该反馈信息表示下行链路信道质量。接入点估计上行链路信道质量，并且基于上行链路未被操纵的MIMO导频获得信道响应矩阵，分解信道响应矩阵以获得用于下行链路的本征模式的本征向量和信道增益，以及基于估计的上行链路信道质量、用于本征模式的信道增益和所述反馈信息选择用于本征模式的速率。接入点基于选择的速率处理数据，并且在具有本征向量的本征模式上传送经操纵的数据和经操纵的MIMO导频。

Description

MIMO通信系统中用于本征操纵的速率选择

背景

I.领域

本发明通常涉及通信，更具体地说，涉及用于在多输入多输出(MIMO)通信系统中选择数据传输速率的技术。

II.背景

MIMO系统在发射站采用多个(T个)发射天线，在接收站采用多个(R个)接收天线用于数据传输。由T个发射天线和R个接收天线形成的MIMO信道可以分解成S个空间信道，这里S≤min{T，R}。S个空间信道可用于并行传送数据以实现较高的吞吐量，和/或可被冗余地使用以实现更大的可靠性。

每个空间信道可能经历各种有害的信道条件，如衰落、多径和干扰效应。S个空间信道可能经历不同的信道条件，并且可能实现不同的信噪干扰比(SNR)。每个空间信道的SNR确定其传输容量，其典型地是通过可以可靠地在空间信道上传送的特定的数据速率量化的。

速率选择指的是选择用于例如在MIMO信道的空间信道上进行数据传输的合适的速率的过程。“速率”可能与用于数据流的特定的数据速率或者信息位速率、特定的编码方案或者码率、特定的调制方案等等有关。对于时变的MIMO信道，信道条件随着时间而变化，并且每个空间信道的SNR也随着时间而变化。用于不同的空间信道的不同的SNR加上每个空间信道的SNR的随时间变化的性质使得选择用于空间信道的适当的速率变得困难。

因此，在该领域中存在对于在MIMO系统中选择速率的技术的需要。

概述

在此处描述了用于在MIMO信道的本征模式上选择数据传输速率的技术。本征模式可以被看作是通过分解用于MIMO信道的信道响应矩阵而获得的正交空间信道。这些技术可以用于从接入点(AP)到用户终端(UT)的下行链路数据传输、从用户终端到接入点的上行链路数据传输、以及在两个用户终端之间的对等数据传输。

按照本发明的一实施例，描述了一种包括信道处理器和控制器的装置。该信道处理器经由第一通信链路(例如上行链路)接收导频(例如未被操纵的MIMO导频)，并且导出第一通信链路的信道估计。该控制器接收表示第二通信链路(例如，下行链路)的信道质量的反馈信息，并且基于反馈信息和所述信道估计选择用于第二通信链路的本征模式的速率。

按照另一实施例，提供了一种方法，其中经由第一通信链路接收导频。还接收表示第二通信链路的信道质量的反馈信息。基于所述反馈信息和导频选择用于第二通信链路的本征模式的速率。

按照又一实施例，描述了一种装置，其包括用于经由第一通信链路接收导频的装置，用于接收表示第二通信链路的信道质量的反馈信息的装置，以及用于基于所述反馈信息和导频选择用于第二通信链路的本征模式的速率的装置。

按照又一实施例，提供了一种方法，其中经由下行链路传送第一未被操纵的MIMO导频。经由上行链路接收第二未被操纵的MIMO导频和反馈信息。该反馈信息表示下行链路信道质量，其是基于第一未被操纵的MIMO导频估计的。基于所述反馈信息和第二未被操纵的MIMO导频选择用于下行链路的本征模式的速率。

按照又一实施例，描述了一种装置，其包括导频处理器、控制器和空间处理器。该导频处理器产生用于经由第一通信链路传输的导频。该控制器发送表示第二通信链路的信道质量的反馈信息。该空间处理器接收第二通信链路的本征模式上的数据传输。该数据传输是以基于所述导频和反馈信息而选择的速率发送的。

按照又一实施例，提供了一种方法，其中经由第一通信链路传送导频。还发送表示第二通信链路的信道质量的反馈信息。在第二通信链路的本征模式上接收以基于所述导频和反馈信息选择的速率发送的数据传输。

按照又一实施例，描述了一种装置，其包括用于经由第一通信链路传送导频的装置，用于发送表示第二通信链路的信道质量的反馈信息的装置，以及用于在第二通信链路的本征模式上接收数据传输的装置。该数据传输是以基于所述导频和反馈信息选择的速率发送的。

在下面详细描述本发明的各个方面和实施例。

附图的简要说明

图1示出用于在本征模式上AP发起的数据传输的方案。

图2示出用于在具有低开销的本征模式上发送数据的过程。

图3和4示出用于在具有低开销的本征模式上AP发起的数据传输的两个方案。

图5示出用于在本征模式上UT发起的数据传输的方案。

图6示出用于在具有低开销的本征模式上UT发起的数据传输的方案。

图7示出用于在具有低开销的本征模式上发送数据的过程。

图8示出接入点和用户终端的方框图。

详细说明

在此处使用的措词“示范的”指的是“作为例子、实例或者图例”。在此处作为“示范的”描述的所有的实施例不是必然被认为是比其他的实施例优选的或者有益的。

在此处描述的速率选择技术可以用于在下行链路和上行链路上的数据传输。下行链路(或者正向链路)指的是从接入点到用户终端的通信链路，上行链路(或者反向链路)指的是从用户终端到接入点的通信链路。为了清楚起见，以下大部分描述是用于从接入点到用户终端的下行链路数据传输。接入点也可以被称作基站、基站收发信机站等等。用户终端也可以被称作移动站、用户设备、无线设备等等。

由在接入点上的T个天线和在用户终端上的R个天线形成的下行链路MIMO信道可由R×T信道响应矩阵H来表征，该矩阵可以表示为：

公式(1)

这里项目h_i，j是在AP天线j和UT天线i之间的耦合或者复增益，其中i＝1，...，R，j＝1，...，T。为简单起见，MIMO信道被假设为平坦衰落，并且在每对AP和UT天线之间的耦合是以单个复增益h_i，j表示的。

该信道响应矩阵H可以被对角线化，以获得下行MIMO信道的S个本征模式或者正交空间信道。这种对角线化可以通过执行H的奇异值分解或者H的相关矩阵的本征值分解来实现，该相关矩阵是R＝H ^H H，这里H ^H表示H的共轭转置。为了清楚，在以下的描述中使用奇异值分解。H的奇异值分解可以表示为：

H＝U·∑·V ^H，

                  公式(2)

这里U是H的左本征向量的R×R单式矩阵；∑是H的奇异值的R×T对角矩阵；V是H的右本征向量的T×T单式矩阵。

单式矩阵Q以性质Q ^H Q＝I来表征，这里I是单位矩阵。单式矩阵的列是相互正交的，并且每个列具有单位幂数。在V中的右本征向量可以用于空间处理以在H的本征模式上发送数据。在U中的左本征向量可以用于接收机空间处理以恢复在H的本征模式上发送的数据传输。对角矩阵∑沿着对角线包含非负的实值，其它地方是零。这些对角线项目被称为H的奇异值，并且表示用于本征模式的信道增益。奇异值分解由Gilbert Strang在“Linear Algebra and ItsApplications”，Second Edition，Academic Press，1980中描述。

接入点如下执行用于本征操纵(eigensteering)的空间处理：

x＝V·s，

             公式(3)

这里s是具有多达S个要在S个本征模式上发送的数据码元元的向量；x是具有T个要从T个AP天线发送的传送码元的向量。本征操纵指的是在MIMO信道的本征模式上的数据传输。

如在此处使用的，“数据码元”是用于数据的调制码元，“导频码元”是用于导频的调制码元，“发送码元”是要从发射天线发送的码元，“接收码元”是从接收天线获得的码元，并且码元是复值。导频是由发送和接收站两者先验已知的传输。导频也可以被称为测探(sounding)、训练、基准传输、前同步等等。为了清楚，以下的描述假定在每个本征模式上发送一个数据流。

在用户终端上的接收码元可以表示为：

r＝H·x+n＝H·V·s+n＝H _eff·s+n，

                                     公式(4)

这里r是具有R个从R个UT天线接收的码元的向量；H _eff＝H·V是用于向量s的有效MIMO信道响应矩阵；n是噪声向量。

为简单起见，噪声被假设为是具有零均值向量和

的协方差矩阵的加性高斯白噪声(AWGN)，这里σ_noise ²是噪声的方差。用户终端可以使用各种接收机空间处理技术来恢复发送的数据码元，如全CSI技术、最小均方误差(MMSE)技术和迫零(ZF)技术。

用户终端可以基于全CSI、MMSE或者迫零技术导出空间滤波矩阵，如下：

${\underset{\‾}{M}}_{\mathrm{fcsi}}={\underset{\‾}{\mathrm{\Σ}}}^{-1}\·{\underset{\‾}{U}}^H={\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}^H$ 公式(5)

${\underset{\‾}{M}}_{\mathrm{mmse}}={\underset{\‾}{D}}_{\mathrm{mmse}}\·[{\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}^H\·{\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{noise}}^2\·\underset{\‾}{I}{]}^{-1}\·{\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}^H$ 公式(6)

${\underset{\‾}{M}}_{\mathrm{zf}}={[{\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}^H\·{\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}]}^{-1}\·{\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}^H={\underset{\‾}{R}}_{\mathrm{eff}}^{-1}\·{\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}^H$ 公式(7)

这里 ${\underset{\‾}{D}}_{\mathrm{mmse}}=\mathrm{diag}\{{[{\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}^H\·{\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{noise}}^2\·\underset{\‾}{I}]}^{-1}\·{\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}^H\·{\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}{\}}^{-1}.$

该用户终端可以如下执行接收机空间处理：

$\widehat{\underset{\‾}{s}}=\underset{\‾}{M}\·\underset{\‾}{r}=\underset{\‾}{s}+\widetilde{\underset{\‾}{n}},$ 公式(8)

这里M是空间滤波矩阵，其可以等于M _fcsi、M _mmse或者M _zf；

是具有多达S个检测的数据码元的向量；

是在接收机空间处理后的噪声。在中的检测的数据码元是在s中发送的数据码元的估计。

每个本征模式m(对于m＝1，...，S)的SNR可以表示为：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{fcsi},m}=10\mathrm{lo}{g}_{10}\left(\frac{P_m\·{\mathrm{\σ}}_m^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{noise}}^2}\right),$ 公式(9)

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{mmse},m}=10{\log }_{10}(\frac{q_m}{1-q_m}\·P_m)$ 公式(10)

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{zf},m}=10{\log }_{10}\left(\frac{P_m}{r_m\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{noise}}^2}\right),$ 公式(11)

这里P_m是用于本征模式m的发射功率；σ_m是用于本征模式m的奇异值，其是∑的第m个对角线元素；q_m是D _mmse ^-1的第m个对角线元素；r_m是R _eff ^-1的第m个对角线元素。SNR_fcsi，m、SNR_mmse，m和SNR_zf，m是分别地用于全CSI、MMSE和迫零技术的本征模式m的SNR，并且是以分贝(dB)为单位的。项P_m/σ_noise ²通常称为接收的SNR。项SNR_fcsi，m、SNR_mmse，m和SNR_zf，m通常称为后检波SNR，是在接收机空间处理之后的SNR。

用于本征模式的速率可以基于这些本征模式的SNR来选择。速率选择取决于由系统支持的速率选择方案。在一个速率选择方案中，系统允许基于每个本征模式的SNR独立地选择用于该本征模式的速率。该系统可以支持一组速率，并且每个支持的速率可以与实现指定的性能水平(例如1％的分组差错率(PER))所需的特定的最小SNR有关。对于每个支持的速率所需的SNR可以通过计算机模拟、实验测量等等来获得。该组支持的速率及其所需的SNR可以存储在查找表中。每个本征模式的SNR(SNR_m)可以与对于支持的速率所需的SNR比较，以确定由该SNR_m支持的最高速率R_m。选择的用于每个本征模式的速率R_m与最高数据速率和需要的SNR有关，该需要的SNR小于或等于SNR_m，或者SNR_req(R_m)≤SNR_m。

在另一个速率选择方案中，系统仅仅允许用于数据传输使用的某些速率的组合。由系统允许的该组速率组合通常称作向量量化的速率组。速率组合也可以被称作调制编码方案(MCS)或者其它术语。每个允许的速率组合与发送的特定数目的数据流、用于每个数据流的特定的速率和用于所有数据流的整个吞吐量有关。本征模式的SNR可用于选择允许的速率组合的一个。

接入点使用以下的信息以在下行链路MIMO信道的本征模式上发送数据：

·在V中的一组右本征向量；和

·一组用于在本征模式上发送的数据流的速率。

不同的速率可以用于不同的本征模式，因为这些本征模式可以实现不同的SNR。接入点可以以各种方式获得本征向量和用于本征模式的速率。

在时分双工(TDD)系统中，下行链路和上行链路共用相同的频带，并且下行链路信道响应和上行链路信道响应可以被假设为是彼此的互逆。也就是说，如果H是从天线阵X到天线阵Y的信道响应矩阵，那么，互逆的信道意味着从阵列Y到阵列X的耦合是由H ^T给出的，这里H ^T表示H的转置。但是，在接入点上的发送和接收链路的响应典型地不同于在用户终端上的发送和接收链路的响应。可以执行校准以导出校正矩阵，校正矩阵可以考虑在两个站上在发送/接收链路的响应方面的差别。在这两个站上运用校正矩阵允许用于一个链路的校准的信道响应能够被表示为用于另一个链路的校准的信道响应的转置。为简单起见，以下的描述假设用于发送/接收链路的平坦的频率响应。下行链路信道响应矩阵是H _dl＝H，上行链路信道响应矩阵是H _ul＝H ^T。

H _dl和H _ul的奇异值分解可以表示为：

H _dl＝U·∑·V ^H和H _ul＝V ^*·∑ ^T·U ^T    公式(12)

这里V ^*是..............V的复共轭。如公式(12)所示，U和V是H _dl的左和右本征向量的矩阵，V ^*和U ^*是H ^ul的左和右本征向量的矩阵。

接入点用V执行空间处理以在本征模式上发送数据给用户终端。用户终端用U ^H(或者H和V)执行接收机空间处理以恢复下行链路数据传输。一个站可以发送可以由另一个站使用以获得H的估计的一个未被操纵的MIMO导频。未被操纵的MIMO导频是由从N个天线发送的N个导频传输组成的导频，这里来自每个天线的导频传输是由接收站可识别的。对于接入点发送的下行链路未被操纵的MIMO导频，N＝T；对于用户终端发送的上行链路未被操纵的MIMO导频，N＝R。发送站可以在以下方面正交化N个导频传输：(1)在代码域中，通过对每个导频传输使用不同的正交序列(例如，沃尔什(Walsh)序列)，(2)在频域中，通过在不同频率子频带上发送每个导频传输，或者(3)在时域中，通过以不同的时间间隔发送每个导频传输。总之，接收站能够基于从发送站接收的未被操纵的MIMO导频获得H的估计。为简单起见，以下的描述假设在信道估计中没有误差。

奇异值分解在计算上是密集的。因此，使接入点执行H的奇异值分解以获得在V中的本征向量可能是所希望的。接入点然后可以发送经操纵的MIMO导频，该经操纵的MIMO导频是在MIMO信道的本征模式上发送的导频。该经操纵的MIMO导频可以如下产生：

x _pilot，m＝v _m·p_m，

                       公式(13)

这里v _m是用于本征模式m的右本征向量，其是V的第m个列；p_m是在本征模式m上发送的导频码元；x _pilot，m是用于本征模式m的经操纵的MIMO导频的发送向量。

接入点可以在一个或者多个(连续的或者非连续的)码元周期中在所有本征模式上发送完整的经操纵的MIMO导频。

在用户终端上接收的经操纵的MIMO导频可以表示为：

r _pilot，m＝H·x _pilot，m+n＝U·∑·V ^H·v _m·p_m+n＝u _m·σ_m·p_m+n，

                                                                   公式(14)

这里r _pilot，m是用于本征模式m的经操纵的MIMO导频的接收向量；u _m是用于本征模式m的左本征向量，其是U的第m个列。

公式(14)表示用户终端可以基于来自接入点的经操纵的MIMO导频获得(1)U的估计，每次一个列，和(2)∑的估计，每次一个奇异值σ_m。用户终端无需必须执行奇异值分解就可以获得本征向量和奇异值的估计。

用户终端典型地选择用于下行链路MIMO信道的本征模式的速率，并且将选择的速率发送返回给接入点。由于各种因素，接入点典型地无法仅仅基于来自用户终端的上行链路MIMO导频选择用于下行链路MIMO信道的速率，这些因素如：(1)在接入点和用户终端上的不同的接收机噪声电平、(2)由接入点和用户终端观察的不同的干扰电平、和/或(3)用于上行链路MIMO导频和下行链路数据传输的不同的发射功率。

图l示出一个示范的在下行链路MIMO信道的本征模式上传送数据的导频和数据传输方案100。在图1中，用于接入点的时间线和用于用户终端的时间线不必按比例绘制。

一开始，接入点向用户终端发送对导频的请求，其可以被称作导频请求(Pilot Req)或者训练请求(TRQ)(框110)。用户终端接收导频请求，并且作为响应，在测探分组中发送未被操纵的MIMO导频(框112)。接入点接收未被操纵的MIMO导频，估计信道响应矩阵H，并且分解H以获得本征向量。接入点然后发送经操纵的MIMO导频以及对速率反馈的请求，该对速率反馈的请求可以被称作速率请求(Rate Req)或者MCS请求(MRQ)(框114)。用户终端接收该经操纵的MIMO导频，基于该经操纵的MIMO导频估计每个本征模式的SNR，并且基于本征模式的SNR选择用于本征模式的速率。用户终端然后送回对于本征模式选择的速率(框116)。接入点从用户终端接收选择的速率，基于选择的速率处理(例如编码和调制)数据，并且基于本征向量空间地处理数据。接入点然后将一经操纵的MIMO导频和经操纵的数据发送给用户终端(框118)。

传输方案100允许接入点以恰当的速率在H的本征模式上发送数据，而无需用户终端执行奇异值分解。但是，对于框110到框116来说需要四个开销传输，以便在框118中借助于本征操纵(eigensteering)发送数据。四个开销传输可以在借助于本征操纵实现的较高的总吞吐量中消除该增益。作为一个例子，对于四个开销传输需要264微秒(μs)的系统，当具有本征操纵的原始数据速率被假设为140Mbps，并且没有本征操纵的原始数据速率被假设为低33％的时候，有效载荷大小将超出8千字节，以便分摊对于本征操纵的开销。对于较小的有效载荷大小，没有本征操纵的性能是更好的，因为较低的开销。

图2示出用于具有低开销的下行链路MIMO信道的本征模式上传输数据的过程200。一开始，接入点发送对导频和反馈信息的请求，例如，TRQ和MRQ(框212)。接入点还发送下行链路(DL)未被操纵的MIMO导频，例如与所述对导频和反馈信息的请求一起(框214)。

用户终端接收和处理该下行链路未被操纵的MIMO导频，并且估计下行链路信道质量，其可以被如下所述量化(框216)。用户终端然后将表示下行链路信道质量的反馈信息发送给接入点(框218)。用户终端还发送上行链路(UL)未被操纵的MIMO导频，例如与所述反馈信息一起(框220)。

接入点接收该上行链路未被操纵的MIMO导频，基于该未被操纵的MIMO导频估计信道响应矩阵H，并且分解H以获得用于H的本征模式的本征向量V和奇异值(框222)。接入点还处理该上行链路未被操纵的MIMO导频，并且估计上行链路信道质量(框224)。接入点然后如下所述基于估计的上行链路信道质量、奇异值和来自用户终端的反馈信息估计本征模式的SNR(框226)。接入点基于本征模式的估计的SNR选择用于本征模式的速率(框228)。接入点然后基于选择的速率处理(例如编码和调制)数据以获得数据码元(框230)。接入点用本征向量V对数据码元执行空间处理，例如，如公式(3)所示，并且在本征模式上将经操纵的数据和下行链路经操纵的MIMO导频发送给用户终端(框232)。接入点通知用户终端用于当前的下行链路数据传输的速率。

用户终端接收下行链路经操纵的MIMO导频，并且估计有效的信道响应矩阵H _eff(框234)。用户终端然后借助于H _eff对下行链路数据传输执行接收机空间处理，例如，如公式(5)至(8)所示(框236)。用户终端基于由接入点选择的速率处理(例如解调和解码)检测的数据码元以获得解码的数据(框238)。

图3示出一个改进的导频和数据传输方案300，其可以用于在图2中的过程200。对于方案300，接入点在第一开销传输中发送对导频和反馈信息的请求以及下行链路未被操纵的MIMO导频(框310)。第一开销传输例如可以是具有设置了训练请求(TRQ)和MCS请求(MRQ)字段的发起者总合控制(IAC)消息(或者IAC+TRQ+MRQ)。用户终端在第二开销传输中发送上行链路未被操纵的MIMO导频和反馈信息(框312)。第二开销传输例如可以是具有设置了MCS反馈字段(MFB)并且进一步包括测探分组的应答者总合控制(RAC)消息(或者RAC+MFB+sounding分组)。接入点然后将一经操纵的MIMO导频和经操纵的数据发送给用户终端(框314)。

传输方案300允许接入点仅仅使用两个开销传输以恰当的速率在H的本征模式上发送数据。将图3中的方案300与图1中的方案100比较，在图1中的框110和114实质上被合并成图3中的框310，并且在图1中的框112和116实质上被合并成图3中的框312。在两个方案之间的主要差别是：用户终端送回(1)在框116中用于本征模式的速率(因为经操纵的MIMO导频是可用的)，(2)在框312中用于下行链路MIMO信道的反馈信息(因为未被操纵的MIMO导频是可用的)。对于方案300，接入点执行附加的处理以选择用于在下行链路的本征模式上数据传输的速率。

在图2中的框214和在图3中的框310中，接入点从T个AP天线发送T个导频传输用于下行链路未被操纵的MIMO导频。用户终端可以基于从AP天线接收的导频传输估计用于每个AP的SNR。用于T个AP天线的SNR被称作下行链路SNR，并且被表示为SNR_dl，i，i＝1，...，T。

用户终端可以以各种形式发送反馈信息。在一个实施例中，反馈信息包括下行链路SNR的量化值。在另一个实施例中，用户终端如下导出平均下行链路SNR：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{dl}}=\frac{1}{T}\·\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{dl},i}.$ 公式(15)

该反馈信息因而包括SNR_dl的量化值。下行链路SNR和平均下行链路SNR是用于下行链路的SNR估计的不同的形式。

在又一个实施例中，用户终端基于下行链路SNR选择一组速率。反馈信息包括选择的速率，可以被看作是下行链路SNR的粗略的量化值。在又一个实施例中，用户终端基于平均下行链路SNR选择单个速率，并且该反馈信息包括选择的速率。在又一个实施例中，用户终端基于下行链路SNR选择速率组合，并且该反馈信息包括选择的速率组合。在又一个实施例中，反馈信息包括用于选择的速率或者选择的速率组合的总吞吐量。在又一个实施例中，反馈信息包括在用户终端上观察到的本底噪声(noise floor)或者噪声方差σ_noise ²。

在又一个实施例中，反馈信息包括由用户终端发送的对从接入点接收的数据分组的确认(ACK)和/或否认(NAK)。接入点可以支持一功率控制回路，其基于接收到的ACK/NAK调整用于用户终端的目标SNR。接入点可以使用目标SNR去选择用于下行链路传输的合适的速率，如下所述。

通常，反馈信息可以包括表示下行链路信道质量的任何类型的信息。反馈信息可以包括由一个或多个层，诸如物理层、链路层等等发送的信息。

反馈信息可以以各种方式被发送。在一实施例中，在具有恰当的格式和字段的消息中发送反馈信息。这个消息可以是在链路层上的控制消息，并且可以在每当存在要发送的反馈信息的时候发送。在另一个实施例中，在例如物理层上的一帧或者分组的一个或多个指定的字段中发送反馈信息。指定的字段可在被发送的每个帧或分组中可用，并且可在每当存在要发送的反馈信息的时候被设置。

接入点可以以各种方式选择用于本征模式的速率，例如，取决于从用户终端接收的反馈信息的类型。为了简化由接入点进行的速率选择，在用户终端上的噪声和干扰可以被假设为在空间尺度上是近似不变的，并且在接入点上的噪声和干扰也可以被假设为在空间尺度上是近似不变的。

在一实施例中，本征模式的SNR被如下估计：

SNR_{fcsi，dl，m}＝SNR_{fcsi，ul，m}-(SNR_ul-SNR_dl)，

                                                  公式(16)

这里，SNR_dl是用于下行链路的SNR估计；SNR_ul是用于上行链路的SNR估计；SNR_{fcsi，ul，m}是在上行链路上的本征模式m的SNR；SNR_{fcsi，dl，m}是在下行链路上的本征模式m的SNR的估计。

在公式(16)中，SNR全部以dB为单位。接入点可以基于来自用户终端的反馈信息获得SNR_dl，并且可以基于上行链路未被操纵的MIMO导频获得SNR_ul。接入点可以通过以下获得用于每个本征模式的SNR_{fcsi，ul，m}：(1)分解H以获得H的奇异值，(2)对于m＝1，...，S计算SNR_{fcsi，ul，m}，例如，如公式(9)所示，这里σ_noise ²是在接入点上的噪声方差。

在另一个实施例中，本征模式的SNR被如下估计：

SNR_{fcsi，dl，m}＝SNR_{fcsi，ul，m}-(SNR_ul-SNR_dl)-SNR_bo，

                                                        公式(17)

这里SNR_bo是用于考虑估计误差的补偿因子。该补偿因子可以基于各种考虑因素来选择，如由用户终端发送的反馈信息的类型(例如，SNR或者速率)、反馈信息的时效等等。

在另一个实施例中，反馈信息包括由用户终端选择的一个或多个速率。接入点可以将速率转换为SNR，然后基于转换的SNR计算平均下行链路SNR，如公式(15)所示。接入点然后可以使用平均下行链路SNR去估计本征模式的SNR，例如，如公式(16)或者(17)所示。在又一个实施例中，反馈信息包括用于下行链路的总吞吐量。接入点可以将总吞吐量转换为总下行链路SNR。接入点还可以导出总上行链路SNR，并且可以使用总下行链路和上行链路SNR去估计本征模式的SNR。

在又一个实施例中，本征模式的SNR被如下估计：

SNR_{fcsi，dl，m}＝SNR_{fcsi，ul，m}+ASYM(AP，UT)，

                                                 公式(18)

这里ASYM(AP，UT)是不对称参数，表示当接入点在已知的信道上以已知的功率电平向用户终端发送的时候，在用户终端上接收的SNR中的差值。例如，接入点可以配备有四个天线，以17dBm发射，并且具有6dB的噪声指数。用户终端可以配备有两个天线，以10dBm发射，并且具有10dB的噪声指数。当接入点在无损信道上以全功率发射的时候，在用户终端上观察的RSL可以如下计算：

RSL(AP→UT)＝17dBm-10dB-10log₁₀(2)＝10dBm.    公式(19)

当用户终端在无损信道上以全功率发射的时候，在接入点上观察的RSL可以如下计算：

RSL(UT→AP)＝14dBm-6dB-10log₁₀(4)＝14dBm.    公式(20)

该不对称参数ASYM(AP，UT)因而可以如下计算：

ASYM(AP，UT)＝RSL(AP→UT)-RSL(UT→AP)＝-4dBm.

                                                 公式(21)

该不对称参数还可以基于在接入点和用户终端上接收的SNR来确定，如下：

ASYM(AP，UT)＝SNR_ut-SNR_ap，

                               公式(22)

这里SNR_ap是用于上行链路的SNR估计，和SNR_ut是用于下行链路的SNR估计。

接入点可以基于从用户终端接收的未被操纵的MIMO导频获得SNR_ap。接入点可以基于由用户终端发送的反馈信息(例如SNR、速率、ACK/NAK等等)导出SNR_ut。例如，SNR_ut可以是基于从用户终端接收的ACK/NAK调整的目标SNR。

通常，本征模式的SNR可以基于从用户终端接收的反馈信息和上行链路未被操纵的MIMO导频以各种方式估计。接入点基于本征模式的SNR选择用于本征模式的速率。接入点可以基于每个本征模式的SNR选择用于该本征模式的速率。接入点还可以基于所有本征模式的SNR选择速率组合。

对于在图3中的方案300，用户终端在单个开销传输中发送未被操纵的MIMO导频和反馈信息。用户终端还可分开地发送该导频和反馈信息。图4示出用于在具有低开销的下行链路上的本征操纵(eigensteering)的另一个导频和数据传输方案400。方案400可以用于这样一种情形，其中接入点已经具有来自该用户终端，例如，来自对用户终端的先前的数据传输的反馈信息。对于方案400，接入点发送对导频的请求(框410)。用户终端接收该导频请求，并且作为响应，发送上行链路未被操纵的MIMO导频(框412)。接入点基于上行链路未被操纵的MIMO导频估计信道响应矩阵H，分解H以获得本征向量和奇异值，并且基于上行链路未被操纵的MIMO导频导出上行链路SNR估计。接入点基于该奇异值、上行链路SNR估计和在接入点上已经可用的反馈信息选择用于本征模式的速率。接入点可以在公式(17)中使用合适的补偿因子以考虑该反馈信息的时效。例如，可使用逐渐增大的补偿因子用于逐渐陈旧的反馈信息。接入点然后将经操纵的MIMO导频和经操纵的数据发送给用户终端(框414)。

方案100、300和400用于由接入点发起的下行链路数据传输。在下行链路上的数据传输也可以由用户终端发起。

图5示出用于UT发起的在下行链路上的经操纵的数据传输的导频和数据传输方案500。对于方案500，用户终端发送对下行链路数据传输的请求和上行链路未被操纵的MIMO导频(框512)。接入点基于上行链路未被操纵的MIMO导频导出本征向量，发送对导频和速率信息的请求，并且发送下行链路经操纵的MIMO导频(框514)。用户终端基于下行链路经操纵的MIMO导频估计本征模式的SNR，基于本征模式的SNR选择用于本征模式的速率，并且发送选择的速率(框516)。接入点基于由用户终端选择的速率处理数据，并且将下行链路经操纵的MIMO导频和经操纵的数据发送给用户终端(框518)。在图5中的方案500类似于在图1中的方案100，除了下行链路数据传输在方案500中是由用户终端发送的数据请求发起的，而在方案100中是由接入点发送的导频请求发起的。方案500需要三个开销传输来支持在下行链路上的本征操纵。

图6示出一个改进的用于UT发起的在具有低开销的下行链路上经操纵的数据传输的导频和数据传输方案600。对于方案600，用户终端发送对下行链路数据传输的请求、上行链路未被操纵的MIMO导频和可能的反馈信息(框612)。反馈信息可包括(1)由用户终端观察的本底噪声或者噪声方差σ_noise ²，(2)在先前的下行链路数据传输中估计的本征模式的SNR，或者(3)表示下行链路信道质量的某些其它信息。接入点基于上行链路未被操纵的MIMO导频推导出本征向量和奇异值，并且基于上行链路未被操纵的MIMO导频和反馈信息选择用于本征模式的速率。接入点然后基于选择的速率处理数据，并且将下行链路经操纵的MIMO导频和经操纵的数据发送给用户终端(框614)。方案600需要单个开销传输来支持在下行链路上的本征操纵。

如上所述，这些速率选择技术可以用于从接入点到用户终端的下行链路数据传输。这些技术还可以用于从用户终端到接入点的上行链路数据传输，并且可以用于对等数据传输，例如，从一个用户终端到另一个用户终端。通常，发送站可以是接入点或者用户终端，接收站也可以是接入点或者用户终端。使用在此处描述的技术，仅仅发送站需要执行分解，本征操纵需要低开销。

图7示出用于在具有低开销的本征模式上发送数据的过程700。经由第一通信链路(例如，上行链路)接收导频(例如，未被操纵的MIMO导频)(框712)。还接收表示第二通信链路(例如，下行链路)的信道质量的反馈信息(框714)。该导频和反馈信息可以是从单个传输或者多个传输接收的。该导频和反馈信息可以响应对导频和反馈信息的请求而被发送，如图3所示，或者可以与数据请求一起被发送，如图6所示。反馈信息可以基于经由第二通信链路发送的导频而导出，如图3所示。总之，用于第二通信链路的本征模式的速率是基于经由第一通信链路接收的反馈信息和导频选择的，例如，如上对于在图2中的过程200所述那样(框716)。数据基于选择的速率被处理，并且在第二通信链路的本征模式上被发送(框718)。

在此处描述的速率选择技术可以用于单载波和多载波MIMO系统。多载波可以通过正交频分多路复用(OFDM)或者其它的构造提供。OFDM有效地将整个系统带宽分割为多个(K个)正交子频带，这些子频带也称作为音调(tone)、子载波、箱(bin)和频道。对于OFDM，每个子频带与可以以数据调制的相应的子载波有关。

对于利用OFDM的MIMO系统，可以获得对于每个子频带k的信道响应矩阵H(k)，并且信道响应矩阵H(k)可被分解以获得该子频带的本征模式。在每个对角矩阵∑(k)中(对于k＝1，...，K)，奇异值可以被排序，使得第一列包含最大的奇异值，第二列包含次大的奇异值，以此类推，或者σ₁(k)≥σ₂(k)≥...≥σ_S(k)，这里σ_m(k)是在排序之后在∑(k)的第m列中的奇异值。当在每个矩阵∑(k)中的奇异值被排序的时候，用于该子频带的矩阵V(k)的本征向量(或者列)也被相应地排序。宽带本征模式可以被定义为在排序之后所有K个子频带的相同排序的本征模式的组，例如，宽带本征模式m包括所有K个子频带的本征模式m。每个宽带本征模式与用于K个子频带的一组K个本征向量有关。可以对于S个宽带本征模式执行速率选择，例如，类似于如上对于单载波MIMO系统所述的那样。

图8示出接入点810和用户终端850的框图。在接入点810上，数据/导频处理器820从数据源812接收业务数据，处理(例如，编码、交织和调制)该业务数据，并且提供数据码元。可以在每个本征模式上发送一个数据流，并且每个数据流可以基于对于该数据流/本征模式选择的速率被编码和调制。处理器820还产生用于未被操纵的和经操纵的MIMO导频的导频码元。发射(TX)空间处理器830借助于本征向量对数据和导频码元执行空间处理，并且将T个发送码元数据流提供给T个发射机单元(TMTR)832a至832t。每个发射机单元832调节相应的发射码元流，并且产生相应的已调信号。来自发射机单元832a至832t的T个已调信号被分别地从T个天线834a至834t发射。

在用户终端850上，R个天线852a至852r接收由接入点810发送的已调信号，并且每个天线将接收的信号提供给相应的接收机单元(RCVR)854。每个接收机单元854执行与由发射机单元832执行的那些处理互补的处理，并且提供接收的码元。接收(RX)空间处理器860基于空间滤波矩阵对从所有R个接收机单元854接收的码元执行空间匹配滤波，并且提供检测的数据码元。RX数据处理器870处理(例如，解调、去交织和解码)检测的数据码元，并且提供解码的数据。

控制器840和880分别地在接入点810和用户终端850上控制各种处理单元的操作。存储单元842和882存储分别地由控制器840和880使用的数据和程序代码。

为了速率选择，信道处理器878估计下行链路信道质量，并且提供下行链路信道质量估计。控制器880提供表示下行链路信道质量的反馈信息。反馈信息和用于未被操纵的MIMO导频的导频码元由数据/导频处理器890和TX空间处理器892处理以产生R个发送码元流。R个发射机单元854a至854r调节R个发送码元流，并且产生经由R个天线852a至852r发送的R个已调信号。

在接入点810上，来自用户终端850的已调信号由T个天线834接收，并且由T个接收机单元832处理以获得接收的码元。接收的码元进一步由RX空间处理器844和RX数据处理器846处理以获得来自用户终端850的反馈信息。信道处理器838从用户终端850接收未被操纵的MIMO导频，并且导出用于上行链路的信道估计。该信道估计可以包括信道响应矩阵H和上行链路信道质量估计。信道处理器838分解H以获得用于H-的本征模式的本征向量和奇异值，并且将本征向量提供给TX空间处理器830。控制器840从信道处理器838接收上行链路信道质量估计和奇异值，以及从RX数据处理器846接收反馈信息，估计本征模式的SNR，选择用于本征模式的速率，并且将选择的速率提供给TX数据处理器820。

在上行链路MIMO信道的本征模式上发送数据的处理可以以类似于如上对于下行链路所述的方式执行。

在此处描述的速率选择技术可以通过各种手段实现。例如，这些技术可以以硬件、软件或者其组合实现。对于硬件实现，在接入点上的各种单元可以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)、可编程序逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、电子设备、设计成能执行在此处描述的功能的其他电子单元、或者其组合内实现。在用户终端上的各种单元也可以在一个或多个ASIC、DSP、处理器等等内实现。

对于软件实现，这些技术可以借助于执行在此处描述的功能的模块(例如，程序、功能等等)实现。软件代码可以存储在存储单元(例如，在图8中的存储单元842或者882)中，并且由处理器(例如，控制器840或者880)执行。该存储单元可以在处理器内或者在处理器以外实现，而在处理器以外实现的情况下，存储单元可以经由如在该领域中已知的各种手段可通信地耦合到处理器。

先前公开的实施例的描述被提供来使任何所属技术领域的技术人员做出或者使用本发明。对这些实施例的各种修改对于那些本领域技术人员来说是是显而易见的，并且这里定义的一般原理可应用于其他实施例而无需背离本发明的精神或者范围。因此，本发明不意欲被限制在此处示出的实施例，而是要给予按照在此处公开的原理和新颖的特点最宽的范围。

Claims (36)

1.一种装置，包括：

信道处理器，经由第一通信链路接收第一导频，并且导出用于第一通信链路的信道估计；以及

控制器，接收表示第二通信链路的信道质量的反馈信息，以及基于所述反馈信息和所述信道估计选择用于第二通信链路的本征模式的速率。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于，控制器发送对导频和反馈信息的请求，并且其中所述第一导频和所述反馈信息是响应于该请求被发送的。

3.根据权利要求1的装置，其特征在于，进一步包括：

导频处理器，产生用于经由第二通信链路的传输的第二导频，并且其中所述反馈信息是基于所述第二导频导出的。

4.根据权利要求1的装置，其特征在于，信道处理器基于所述第一导频估计第一通信链路的信道质量，并且其中控制器基于第一通信链路的估计的信道质量和所述反馈信息估计本征模式的信噪干扰比(SNR)，并且基于本征模式的SNR进一步选择用于本征模式的速率。

5.根据权利要求4的装置，其特征在于，信道处理器基于所述第一导频获得用于第一通信链路的信道响应矩阵和SNR估计，并且分解该信道响应矩阵以获得用于本征模式的信道增益，并且其中控制器基于用于本征模式的信道增益、用于第一通信链路的SNR估计和所述反馈信息估计本征模式的SNR。

6.根据权利要求4的装置，其特征在于，控制器基于每个本征模式的SNR选择用于该本征模式的速率。

7.根据权利要求4的装置，其特征在于，控制器基于本征模式的SNR选择用于本征模式的速率组合。

8.根据权利要求1的装置，其特征在于，反馈信息包括用于第二通信链路的信噪干扰比(SNR)估计。

9.根据权利要求1的装置，其特征在于，反馈信息包括用于第二通信链路的至少一个速率或总吞吐量。

10.根据权利要求1的装置，其特征在于，反馈信息包括用于数据分组的确认或者否认。

11.根据权利要求1的装置，其特征在于，第一导频和反馈信息是从经由第一通信链路发送的单个传输接收的。

12.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述反馈信息是对于经由第二通信链路发送的在先的数据传输而接收的。

13.根据权利要求1的装置，其特征在于，进一步包括：

数据处理器，基于对于本征模式选择的速率处理数据；以及

空间处理器，对用于在本征模式上传输的数据进行空间处理。

14.根据权利要求1的装置，其特征在于，第一导频是从第一组多个天线发送的、并且经由第二组多个天线接收的未被操纵的多输入多输出(MIMO)导频。

15.一种执行速率选择的方法，包括：

经由第一通信链路接收第一导频；

接收表示第二通信链路的信道质量的反馈信息；以及

基于反馈信息和第一导频选择用于第二通信链路的本征模式的速率。

16.根据权利要求15的方法，其特征在于，进一步包括：

发送对导频和反馈信息的请求，并且其中第一导频和反馈信息是响应于该请求而被发送的。

17.根据权利要求15的方法，其特征在于，进一步包括：

经由第二通信链路传送第二导频，并且其中所述反馈信息是基于所述第二导频导出的。

18.根据权利要求15的方法，其特征在于，选择用于本征模式的速率包括：

基于第一导频估计第一通信链路的信道质量，

基于第一通信链路的估计的信道质量和所述反馈信息估计本征模式的信噪干扰比(SNR)，以及

基于本征模式的SNR选择用于本征模式的速率。

19.根据权利要求18的方法，其特征在于，估计本征模式的SNR包括：

基于第一导频获得用于第一通信链路的信道响应矩阵，

分解信道响应矩阵以获得用于本征模式的信道增益，以及

基于用于本征模式的信道增益、第一通信链路的估计的信道质量和所述反馈信息导出本征模式的SNR。

20.一种设备，包括：

用于经由第一通信链路接收第一导频的装置；

用于接收表示第二通信链路的信道质量的反馈信息的装置；以及

用于基于所述反馈信息和所述第一导频选择用于第二通信链路的本征模式的速率的装置。

21.根据权利要求20的设备，其特征在于，进一步包括：

用于发送对导频和反馈信息的请求的装置，并且其中所述第一导频和所述反馈信息是响应于该请求而被发送的。

22.根据权利要求20的设备，其特征在于，进一步包括：

用于经由第二通信链路传送第二导频的装置，并且其中所述反馈信息是基于所述第二导频导出的。

23.根据权利要求20的设备，其特征在于，用于选择用于本征模式的速率的装置包括：

用于基于所述第一导频估计第一通信链路的信道质量的装置，

用于基于第一通信链路的估计信道质量和所述反馈信息估计本征模式的信噪干扰比(SNR)的装置，以及

用于基于本征模式的SNR选择用于本征模式的速率的装置。

24.根据权利要求23的设备，其特征在于，用于估计本征模式的SNR的装置包括：

用于基于第一导频获得用于第一通信链路的信道响应矩阵的装置，

用于分解信道响应矩阵以获得用于本征模式的信道增益的装置，以及

用于基于用于本征模式的信道增益、第一通信链路的估计的信道质量和所述反馈信息导出本征模式的SNR的装置。

25.一种在多输入多输出(MIMO)通信系统中执行速率选择的方法，包括：

经由下行链路传送第一未被操纵的MIMO导频；

经由上行链路接收第二未被操纵的MIMO导频和反馈信息，其中所述反馈信息表示基于所述第一未被操纵的MIMO导频所估计的下行链路信道质量；以及

基于所述反馈信息和所述第二未被操纵的MIMO导频选择用于下行链路的本征模式的速率。

26.根据权利要求25的方法，其特征在于，选择用于下行链路的本征模式的速率包括：

基于第二未被操纵的MIMO导频估计上行链路信道质量，

基于第二未被操纵的MIMO导频获得用于上行链路的信道响应矩阵，

分解所述信道响应矩阵以获得用于本征模式的信道增益，

基于估计的上行链路信道质量、用于本征模式的信道增益和所述反馈信息估计本征模式的信噪干扰比(SNR)，以及

基于本征模式的SNR选择用于本征模式的速率。

27.一种装置，包括：

导频处理器，产生用于经由第一通信链路的传输的第一导频；

控制器，发送表示第二通信链路的信道质量的反馈信息；以及

空间处理器，在第二通信链路的本征模式上接收数据传输，其中所述数据传输是以基于所述第一导频和反馈信息选择的速率而发送的。

28.根据权利要求27的装置，其特征在于，控制器接收对导频和反馈信息的请求，并且响应该请求发送所述第一导频和所述反馈信息。

29.根据权利要求27的装置，其特征在于，进一步包括：

信道处理器，经由第二通信链路接收第二导频，并且基于第二导频导出用于第二通信链路的信噪干扰比(SNR)估计，并且其中控制器基于SNR估计产生所述反馈信息。

30.根据权利要求27的装置，其特征在于，导频处理器产生所述第一导频作为适用于来自多个天线的传输的未被操纵的多输入多输出(MIMO)导频。

31.一种执行速率选择的方法，包括：

经由第一通信链路传送第一导频；

发送表示第二通信链路的信道质量的反馈信息；以及

在第二通信链路的本征模式上接收数据传输，其中所述数据传输是以基于所述第一导频和所述反馈信息选择的速率发送的。

32.根据权利要求31的方法，其特征在于，进一步包括：

接收对导频和反馈信息的请求，并且其中所述第一导频和所述反馈信息是响应于该请求而被发送的。

33.根据权利要求31的方法，其特征在于，进一步包括：

经由第二通信链路接收第二导频；

基于第二导频导出用于第二通信链路的信噪干扰比(SNR)估计；以及

基于SNR估计产生所述反馈信息。

34.一种设备，包括：

用于经由第一通信链路传送第一导频的装置；

用于发送表示第二通信链路的信道质量的反馈信息的装置；以及

用于在第二通信链路的本征模式上接收数据传输的装置，其中所述数据传输是以基于所述第一导频和所述反馈信息选择的速率发送的。

35.根据权利要求34的设备，其特征在于，进一步包括：

用于接收对导频和反馈信息的请求的装置，并且其中所述第一导频和所述反馈信息是响应于该请求而被发送的。

36.根据权利要求34的设备，其特征在于，进一步包括：

用于经由第二通信链路接收第二导频的装置；

用于基于第二导频导出用于第二通信链路的信噪干扰比(SNR)估计的装置；以及

用于基于SNR估计产生所述反馈信息的装置。

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