CN101390302B - 用于具有等功率传输的非对称波束成形的系统、设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供在N_T(102_i)个发射天线和N_R(104_j)个接收天线的非对称系统无线通信系统(400)中用于波束成形的多个实施例，其中N_T＞N_R，其保证在每个天线上的发射功率相同，而在性能上没有明显的损失。另外，提供了用于选择比起在OFDM系统中的频率仓更少的波束成形矢量的技术。

Description

用于具有等功率传输的非对称波束成形的系统、设备和方法

本发明涉及无线网中的非对称波束成形(beamforming)，使得跨越(across)所有天线的发射功率是相同的。

当多个天线可用时使用信道矩阵的奇异值分解(SVD)的波束成形是用于改进性能的熟知的方法。当发射和接收天线的数目相同时，波束成形矩阵使得来自每个天线的发射功率相同。然而，在许多情形下，发射天线的数目(N_T)大于接收天线的数目(N_R)。在这样的情形下，仅仅使用与最大奇异值对应的本征矢量子集会引起跨越天线的不相等的发射功率。由于大多数发射链是峰值功率受限的，所以这种情形是不希望的。

本发明提供用于实施波束成形以使得在非对称系统中跨越所有天线的发射功率相同的技术的许多实施例。

从多个发射天线到多个接收天线的波束成形是提取信道分集的熟知方式。当发射天线的数目(N_T)等于接收天线的数目(N_R)时，将信道矩阵的本征矢量用于波束成形已知是最佳策略。在非对称情形下(N_T＞N_R)，通常使用的方法是把与最大本征值对应的本征矢量挑选作为波束成形矢量。这个方法的问题在于，这引起来自每个天线的不相等的发射功率。由于在大多数情形下RF链是峰值功率受限的，所以这是一个问题。

也即，当在多天线发射机中使用多个RF前端时，让每个链发射相同的功率是一个好主意。这是因为大多数RF放大器受峰值功率限制，因此不容易做到为了保持总的发射功率恒定，而在降低一个链的功率的同时提升另一个链的功率。对于正交频分复用(OFDM)系统更是如此，这里信号本身具有大的峰值-平均值比率且RF放大器具有补偿(back-off)以使它们工作在线性范围。

具有比接收天线更多的发射天线的、大多数当前使用的波束成形方法在每个发射链上具有不相等的发射功率。对于有单个发射流的N_T×1情形的等功率发射问题已经解决，参阅K.K.Mukkavilli，A.Sabharwal，E.Erkip，和B.Aazhang，“On beamforming with finite rate feedbackin multiple-antenna systems，”IEEE Trans.Inform.Theory，vol.49，no.10，pp.2562-2579，2003年10月和D.J.Love和R.W.Heath，Jr.，“Grassmanian beamforming for multiple-input multiple-outputwireless systems，”，IEEE Trans.Inform.Theory，vol.49，no.10，pp.2735-2747，2003年10月。

然而，对于一个以上的发射流的问题还没有解决。

本发明提供用于非对称波束成形的几个实施例，其保证在每个天线上的发射功率相同，而在性能上没有明显的损失。另外，提供了用于选择比OFDM系统中的频率仓(frequency bin)更少的波束成形矢量的技术。后一技术在矢量是反馈的、而不是假设发射机具有信道知识且能够计算矢量的实施例中是有用的。

优选实施例提供的技术包括：

技术1：强力(brute force)归一化；

技术2：仅仅量化到±1±j值；

技术3：基于中断概率(outage probability)的最佳化；

技术4：混合最佳化；以及

技术5：跨越频域的最佳化。

本发明适用于开环和闭环系统，即，前者具有掌握信道知识、估计Q和使用上述技术之一来调节Q的发射机，而后者让接收机执行这些行动。

图1图解具有反馈信道的非对称通信系统；

图2图解按照本发明的、确定用于闭环非对称通信系统的波束成形矩阵的方法；

图3图解在非对称通信系统中用于确定和反馈具有相等功率的波束成形矩阵的闭环设备；

图4图解按照本发明修改的非对称闭环通信系统；以及

图5图解用于量化的各种技术的性能。

在以下的详细说明中参考了附图，附图仅仅以举例的方式示出了其中可以实施本发明的具体的闭环实施例。本领域技术人员将会认识到这些仅仅是示例性的，并不打算在任何意义上限制本发明的应用，例如，这里公开的各个要素的位置和安排可以修改而不背离如在所附权利要求中体现的本发明的精神和范围。也即，详细说明不要以任何限制的意义来理解，以及本发明的范围仅仅由所附权利要求及其等价物限定，例如，发射机可以估计和调节Q。在所有的图上，同样的标号是指相同的或类似的功能性。

本发明提供多种低复杂性技术，用于得到通过多发射天线波束成形和多接收天线组合而提供的空间分集优点。本发明的优选实施例的波束成形技术都需要在发射机处的信道信息。

图1图解包括两个无线站101、105的闭环，无线站可以是包括移动站(膝上型计算机、个人数字助理(PDA))的无线局域网(WLAN)的一部分，以及可以是用于这样的WLAN的接入点。无线站101、105可以是广域无线网和无线个域网的一部分。这些站101、105可以遵守诸如IEEE 802.11那样的无线标准，或任何其它这样的标准，这样的遵守是部分的或完全的。然而，无线站101、105各自具有多个天线，在本发明中，假设该数目是非对称的。

给定具有N_T个发射天线和N_R个接收天线的发射波束成形和接收组合的多天线系统(开环或闭环)，假设有N_R个数据流被发送，以及波束成形矩阵被定义为Q。则信号模型被给出为：

r＝HQx+n

其中n是噪声矢量，接收的矢量r是N_R×1矢量，信道矩阵H是N_R×N_T矩阵，波束成形矩阵Q是N_T×N_R矩阵，以及x是N_R×1矢量。信道矩阵H被假设为完全知道。发送的矢量是y＝Qx，它是N_T×1矢量。在OFDM系统中，以上的信号模型对于每个频率仓重复。在频率选择性信道中，H和Q对于每个频率仓是不同的。

在图1上，假设有闭环系统100，以及当前的信道状态信息在站(STA)101与105之间传送，以便减小译码复杂性。STA 101和105各自包括多个天线，分别是N_T 102_i和N_R 104_j，合在一起形成系统100。用于这一目的的通信带宽被称为“反馈带宽”，且在被信道估值器106估值后通过反馈信道107从接收机105反馈到发射机101，它用波束成形矩阵Q表示当前的信道状态信息，在某些实施例中Q是使用奇异值分解(SVD)来确定的。发射机101使用波束成形矩阵Q把每个外出的信号发送到多个空间信道中。

如果一个给定矩阵A的本征矢量P的矩阵不是方阵(例如，矩阵 $\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 0& 1\end{array}\right]$ 仅仅具有单个本征矢量[1，0])，则P不能有逆矩阵，因此A不能进行本征分解。然而，如果A是m×n实矩阵，其中m＞n，则A可以使用所谓的奇异值分解被写为A＝UDV^T形式。这里，U是m×n矩阵以及V是n×n方阵，二者都具有正交的列，使得U^TU＝V^TV＝I以及D是n×n对角矩阵。对于复矩阵A，奇异值分解是分解为A＝U^HDV形式，其中U和V是酉矩阵，U^H是U的共轭转置，以及D是对角矩阵，其元素是原先的矩阵的奇异值。如果A是复矩阵，则总是存在对于正奇异值的这样的分解。

令H＝USV^H是信道矩阵H的SVD分解。则对于Q的最佳选择是Q＝[V ₁，V ₂，...V _R]，其中V_i是矩阵V的第i列。来自每个天线的发射功率相同的要求转换为波束成形矩阵Q的每行具有相同功率的约束条件。由于本征矢量V_i是正交的，当R＝T时，发送的矢量v的每个元素具有相同的发射功率。然而，当R＜T时，这不再成立。

图2图解按照本发明的方法200。在步骤201，信道103被估值。在优选实施例中，提供了修改的信道估值器/功率均衡器/[反馈]设备300。然而，当发射机不需要反馈时，仅仅提供修改的信道估值器/功率均衡器设备。在任一种情形下，在设备中包括存储器301，以及在步骤201，把H301.1存储在其中。在步骤202，确定波束成形矩阵Q 301.2(如上所述的)，并把它存储在存储器301。接着，在步骤203，使用以下的技术之一来调节波束成形矩阵Q 301.2以保证发送的矢量具有相等的功率分量，每种技术包括本发明的单独的优选实施例。被调节的波束成形矩阵301.3被存储在设备300的存储器301中。

技术1：强力归一化。

从Q＝[V ₁，V ₂，...V _R]开始。然后把Q的每行归一化为单位功率。最终得到的波束成形矩阵保证v的相等的功率分量。

技术2：仅仅量化到±1±j值。

再次地，从如上所定义的Q开始。然后Q1＝sign[Re(Q))+jsign(Im(Q)]是波束成形矩阵，它将不单具有相等的功率分量，而且由于每个分量可以仅仅是四个值中的一个值，导致更少的比特被使用于反馈。

技术3：基于中断概率的最佳化。

前述的用于得到具有相等功率行的波束成形矩阵的技术没有合并任何最佳化准则。从假设Q的每个元素是±1±j开始。然后用于选择Q的准则是使得|det(HQ)|最大化。由于有

个可能的Q矩阵，所以强力搜索将太复杂。优选的简化包括：(1)由于Q的相位无关紧要，所以Q₁₁可以任意设置为1+j，以及(2)只搜索互相正交的那些列。使用前述的两个优选的简化，搜索空间大大地减小。例如，在4×2情形下，只有9个矢量与具有项±1±j的矢量正交。因此，搜索空间从65536减小到64×9＝576。应当指出，在这个方法中，不需要执行SVD。

技术4：混合最佳化。

以上的技术3仍旧需要在大量的可能性上的最佳化。进一步的简化是将技术2用于第一矢量，即，量化SVD矩阵的第一矢量，然后使用技术3来确定其它矢量。对于4×2情形，这需要执行SVD，随后是在9个可能的选择上的最佳化。

技术5：跨越频域的最佳化。

如果单个波束成形矩阵被选择用于p个信道频率仓，则最佳化准则是选择使得

最大化的那个Q。搜索空间与以前的相同。再次地，不需要SVD。

现在参照图2，图上图解用于确定在包括接收机105的闭环中的波束成形矩阵Q和把Q反馈到发射机101的方法。在步骤201，接收机估计在信道矩阵H中的信道状态。然后，在步骤202，从H估计波束成形矩阵Q(如上所述)。在步骤203，使用本发明的技术1-5的任一技术来调节矩阵Q，以使得分量具有相等的功率，以及在步骤205，调节波束成形矩阵被反馈到发射机。

图3图解按照本发明的、用于闭环中的信道估计和反馈300的设备，包括存储器301，用于存储信道矩阵H和相关的数据301.1、以及原先的波束成形矩阵和相关的数据301.2以及按照本发明的调节波束成形矩阵和相关的数据301.3。设备300还包括：功率均衡器部件302，其接受用于信道103的接收的信号303；和包括信道估值器模块302.1，用来由此产生信道矩阵H和把它作为信道矩阵/相关的数据301.1存储在存储器301。功率均衡器部件302还包括波束成形矩阵调节模块302.2，它形成初始波束成形矩阵，然后按照本发明的技术1-5中预先选择的技术来调节203初始波束成形矩阵，并把调节的矩阵Q和相关的数据作为调节的波束成形矩阵/数据301.3存储在存储器301。最后，功率均衡器部件包括反馈模块302.3，它把调节的波束成形矩阵Q作为反馈信号304经由反馈信道107反馈到发射机101。

图4图解闭环非对称通信系统400，它包括至少一个发射机101和接收机105，其被修改以接口到按照本发明配置的信道估值器/反馈设备300，以及向其提供来自发射机101的、有关信道状态的接收的信号303。信道估值器/反馈设备300估值信道103，创建信道矩阵H和相关的数据并将其存储在存储器301.1中，从信道矩阵H创建初始的波束成形矩阵并将其存储在存储器301.2中，以及按照本发明的技术1-5中预先选择的技术来调节203该初始的波束成形矩阵，并把该调节的波束成形矩阵Q存储在存储器301.3中。最后，信道估值器/反馈设备300使用反馈信道107把调节的波束成形矩阵Q304反馈204到发射机101。如上所述，通信系统400可以完全地或部分地遵守任何通信标准，诸如IEEE 802.11，以及可以是任何类型的无线通信网的一部分。本发明打算应用到所有的非对称无线通信网/系统。

图5图解在使用比特交织编码调制的频率选择性系统中用于量化4×2系统的各种技术的性能。可以看到，尤其是在较高的比率下(比率5/664QAM)，这些技术与具有不相等发射功率的最佳波束成形相比较只有非常小的性能损失。

虽然本发明已经结合某些实施例--即闭环--描述，但将会理解，本领域技术人员将会认识到，可以作出修改和变化而不背离如在所附权利要求中体现的本发明的精神和范围。具体地，发射机可以具有信道的知识且在不需要来自接收机的任何反馈的情况下执行该方法。

Claims (7)

1.一种用于在无线信道(103)上非对称波束成形传输矢量的方法，包括：

提供具有N_T个发射天线(102_i)和N_R个接收天线(104_j)的无线通信系统，N_T＞N_R＞0(400)；

确定初始的波束成形矩阵；

用预先选择的技术调节该初始的波束成形矩阵Q(301.2)，以使得Q的每行具有相同的功率；其中所述技术是从包括以下项的组中选出的：

-强力归一化技术，其中所述初始波束成形矩阵Q的每一行被归一化为单位功率；

-量化技术，其中所述初始波束成形矩阵Q的每个元素被量化到±1±j值；

-基于中断概率的最佳化技术，这是通过以Q的每个元素是±1±j的假设开始的，其中用于选择Q的准则是使|det(HQ)|最大化，其中H是该无线信道的信道矩阵，而Q₁₁被设置为1+j且只有那些彼此正交的列被搜索；

-基于混合最佳化的最佳化技术，其中所述量化技术被用于Q的第一矢量，而所述基于中断概率的最佳化技术被用于确定Q的其它矢量；和

-跨越频域的最佳化，其中单个波束成形矩阵Q被选择用于p个信道频率仓以及最佳化准则要选择使得

最大化的那个Q；以及

由发射机(101)使用调节的波束成形矩阵(301.3)来在信道(103)上将矢量作为N_R个数据流发送，

其中发送的N_R个数据流具有相等的功率。

2.权利要求1的方法，其中调节步骤还包括以下步骤：

在接收机(105)处估计信道；

在接收机处执行调节步骤；以及

把调节的波束成形矩阵反馈到发射机(101)。

3.权利要求2的方法，还包括由接收机(105)来组合被发送的和波束成形的N_R个数据流的步骤。

4.一种用于具有N_T个发射天线和N_R个接收天线的多天线系统的波束成形设备(300)，有N_T＞N_R＞0，这里N_T个发射天线(102_i)用于在N_R个数据流的信道上把矢量波束成形传输到N_R个(104_j)接收天线，该波束成形设备包括；

存储器(301)，用来把用于均衡波束成形功率的信息(301.1-301.3)存储在其中；以及

功率均衡器部件(302)，用于接收所接收的信号(303)，该功率均衡器部件包括波束成形矩阵调节模块，用于形成初始的波束成形矩阵Q和按照预先选择的技术来调节该初始的波束成形矩阵Q，以使得Q的每行具有相同的功率，所述技术被从包括以下项的组中选出：

-强力归一化技术，其中所述初始波束成形矩阵Q的每一行被归一化为单位功率；

-量化技术，其中所述初始波束成形矩阵Q的每个元素被量化到±1±j值；

-基于中断概率的最佳化技术，这是通过以Q的每个元素是±1±j的假设开始的，其中用于选择Q的准则是使|det(HQ)|最大化，其中H是所述信道的信道矩阵，而Q₁₁被设置为1+j且只有那些彼此正交的列被搜索；

-基于混合最佳化的最佳化技术，其中所述量化技术被用于Q的第一矢量，而所述基于中断概率的最佳化技术被用于确定Q的其它矢量；和

-跨越频域的最佳化，其中单个波束成形矩阵Q被选择用于p个信道频率仓以及最佳化准则要选择使得

最大化的那个Q。

5.权利要求4的设备，其中：

存储器(301)包括信道状态信息(301.1)、波束成形信息(301.2)、和调节的波束成形信息(301.3)；以及

功率均衡器部件(302)包括：信道估值器模块(302.1)，用于估计信道状态信息(301.1)和将其存储在所述存储器中；波束成形矩阵调节模块(302.2)，用于确定波束成形信息(301.2)和将其存储在所述存储器中，以及用于调节波束成形信息和将调节的波束成形信息(301.3)存储在所述存储器中，通过该调节的波束成形信息来均衡N_R个数据流的发射功率。

6.权利要求5的设备，其中功率均衡器部件(302)还包括反馈模块(302.3)，用来提供包括调节的波束成形信息(301.3)的反馈信号(303)。

7.一种波束成形发射机设备，包括：

N_T个发射天线(102_i)，用于在N_R个数据流的信道上把矢量波束成形传输到N_R个接收天线(104_j)，其中N_T＞N_R＞0；

如权利要求4中记载的波束成形设备；以及

发射机，其利用从该波束成形设备发出的调节的波束成形矩阵来将该矢量做为N_R个具有相等功率的数据流发送。

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