CN101569112A

CN101569112A - 无线通信模式切换装置和方法

Info

Publication number: CN101569112A
Application number: CNA2007800482549A
Authority: CN
Inventors: Y-S·崔; S·M·阿拉莫蒂
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: EP2097991A1; JP2010515372A; CN101569112B; WO2008082857A1; US7894382B2; JP5069316B2; US20080159203A1

Abstract

本文描述了在MIMO系统中用于无线通信模式切换的方法和装置。其它实施例可包括通过MIMO信道通信的方法，包括为至少两个通信模式中的每一个选择通信级别，并为所选的通信级别计算频谱效率。该方法还包括比较频谱效率并基于该比较选择通信模式和通信级别。又一些实施例可包括含有收发机、容量计算器和选择模块的通信装置。描述并要求保护其他实施例。

Description

无线通信模式切换装置和方法

技术领域

本文所述的各实施例一般涉及无线通信，且尤其涉及无线通信设备上的可用通信模式之间的切换。

背景

无线设备是每个用户日常生活中普遍存在的部分。通过蜂窝小区电话、具有无线保真(Wi-Fi)能力的膝上型设备、用于其家庭的无线宽带连接或启用无线的个人数字助理(PDA)；用户可连续无线地连接至无线网络。然而，这些设备中每一个在移动性方面的差异将需要不同的通信模式。为了使无线设备的性能最大化，其通信模式应匹配设备的移动性。

附图简述

在附图中，这些附图不一定是按比例绘制的，相同的附图标记贯穿各图描述基本相似的组件。具有不同的字母后缀的相同附图标记标识基本相似组件的不同实例。附图一般作为示例而非限制示出本文献所讨论的各实施例。

图1示出根据本发明的实施例的无线通信系统的高层框图；

图2示出根据本发明的实施例的设备的高层框图；以及

图3示出根据本发明的实施例的方法的流程图。

详细描述

在以下的本发明的实施例的详细描述中，参照构成本发明的一部分的附图，其中作为图解示出可实施主题的特定优选实施例。足够详细地描述这些实施例以使本领域的技术人员能够实施它们，且应该理解可利用其它实施例且可在不背离本公开的精神和范围的情况下进行逻辑、机械和电方面的改变。如果实际公开了一个以上的发明，则在本文中可单独地或共同地由术语“发明”指代发明主题的这些实施例，这仅仅是为了方便而不是旨在将本申请的范围随意地限于任何单个发明或发明概念。

图1示出根据本发明的实施例的无线通信系统的高层框图。在实施例中，无线通信系统100包括耦合到通信子系统104的主机系统102。在一个实施例中，通信子系统104可被包含在主机系统102中作为集成物理组件。在替换实施例中，通信子系统104可以是可移动地耦合到主机系统102的分开的物理组件，诸如通常在笔记本计算系统上使用的PCMCIA或卡快速扩展卡。通信子系统104包括模式选择器106和收发机108。收发机108配置成从天线110接收多个无线信号并将包含在该多个无线信号中的一个或多个数据比特输出到主机系统102。

在一个实施例中，天线112可包括多输入多输出(MIMO)天线阵列，使得一个以上的天线从无线基站112接收信号并且一个以上的天线将信号发送到无线基站112。在这一配置中，天线被配置成利用可被收发机108选择的多个通信模式之一来传送和接收这些信号。多个通信模式可包括但不限于STBC(空时块码)、SM(空间复用)、波束成形等。多个通信模式中的每一个可被配置成向特定的通信环境提供最好的性能。例如空间复用增大数据率。然而，当通信信道经历秩亏MIMO信道时，空间复用开始经历较高的分组差错率。相反，无论秩的情况如可，STBC都可实现较低的分组差错。但STBC不能实现像SM那样高的数据率。当环境中的状况改变——或者通过增加的干扰或者是主机系统或通信系统的移动性——时，有利的是通信子系统104选择最适于当前状况的通信模式。

在实施例中，模式选择器106配置成选择通信模式并将所选通信模式发送到收发机108。收发机又可通过天线110将所选模式发射到基站112，使得在基站112和天线110之间传送的未来信号是利用所选通信模式来发射的。该通信模式可随着传输环境中情况的改变而自适应地改变。在一个实施例中，收发机108可为每个传输码元选择通信模式。在替换实施例中，收发机108可为传输码元的集合选择通信模式。在实施例中，模式选择器106被配置成利用信道矩阵H选择通信模式，该矩阵代表MIMO天线阵列和信噪比(SNR)值。可直接测量或预测性地计算SNR值。

图2示出根据本发明的实施例的设备的高层框图。在实施例中，模式选择器模块耦合到以上图1中描绘的收发机108且配置成向收发机108提供指令，该指令在被接收时导致收发机108改变正被用于发送和接收无线信号的通信模式。在又一个实施例中，收发机108被配置成将该变化传达给收发机108从其接收数据或向其发送数据的基站112。模式可随每个发送或接收的码元的不同而改变，但更通常的是，码元的集合是通信模式的任何改变之前被发送和接收的。

在实施例中，模式选择器106包括容量计算器210和选择模块212。在一个实施例中，容量计算器210计算两个或更多个通信模式的测得容量。在又一个实施例中，容量计算器210确定哪个通信模式提供最高的频谱效率。频谱效率是可在无线系统上传送的数据量的度量，且频谱效率的比较是一种确定提供可接受的传输差错级别——如由分组差错率表达——的最优通信模式和级别的方法。

容量计算器210被配置成确定在仍具有可接受的分组差错率的同时能够使用多个通信级别中的最高的一个。如果分组差错率太高，则在通信模式的特定通信级别上发射的数据随着时间推移将需要多次数据重发，从而降低总的数据传输率。通信级别按照最低到最高理论数据率的顺序包括BPSK、QPSK、16-QAM和64-QAM。正如本文所使用的通信级别意在表示为特定通信模式选择的调制和编码方案(MSC)。

模式选择器106输入信道矩阵，该矩阵是已知的且表示MIMO系统中发射和接收(输入和输出)天线的矩阵。例如，具有两个发射天线和两个接收天线的MIMO系统具有2x2信道矩阵。模式选择器106还输入所预测或测量的信噪比(SNR)值。在前一情形下，模式选择器106计算预期的SNR值，从而提供允许模式选择器106主动地确定用于各种状况的最佳通信模式的SNR值。在后一情形中，模式选择器106读取经历的或测量的SNR值并选择可最适于正在经历的状况的通信模式。另外，在一些实施例中，模式选择器106可使用各种技术的组合并使用历史数据来预测未来的SNR值。在任一情形中，通过使用SNR值和信道矩阵，模式选择器106通过容量计算器210可为至少两个通信模式中的每一个确定提供可接受的分组差错率的最高通信级别，并为这些中的每一个计算频谱效率。通过比较频谱效率，选择器模块然后可选择最佳通信模式，该最佳通信模式可被发送到收发机108。

图3示出根据本发明的实施例的方法的流程图。以上已参考图1和图2讨论了模式选择器的结构配置。参考图3，可讨论计算这些值的方法。

在框305，处理无线信号。可在两个或更多个接收机天线上接收无线信号或通过两个或更多个接收天线发送无线信号。在任一种情形中，利用所选的通信模式和所选的通信级别处理无线信号。根据图3描绘的和本文所述的进一步操作选择通信模式和级别。

在框310，输入信道矩阵H和SNR值。SNR值可通过在收发机108中直接查询实际测量的SNR值来获得，或者可利用所测量的SNR值和预期的未来状况——诸如增加的移动性等——预测地计算。

在框315和框320，执行关于至少两个通信模式的操作。如以上所讨论的，如果从至少两个预定的通信模式中选择通信模式，则两个以上的通信模式是可能的而不背离本发明的范围。在一个实施例中，第一和第二通信模式是STBC和SM。对于第一和第二通信模式中的每一个，在框325和330选择通信级别或MCS级别，得到允许级别内的预测分组差错率。对于该MCS级别，在框335和340为第一和第二通信模式中的每一个计算频谱效率。

在框345比较频谱效率，选择达到最高预期频谱效率的通信模式的通信级别。在一个实施例中，基于通信模式的最大通信级别、用于该通信级别的分组差错预测函数和用于该通信级别的理论最大频谱效率计算频谱效率。在又一个实施例中，用于空间复用的频谱效率包括发射天线的数目。在下文中可找到对频谱效率计算的进一步的讨论。

在框350利用所选的通信模式和通信级别接收或发送无线信号。图3中描述的操作是连续的且操作返回到框305以进行进一步的计算。这使装置具有自适应地响应于变化的传输状况的能力。

上述操作是抽象的，旨在传达由上述模式选择器实施的全部操作。在高级别上，以上讨论的模式选择器106设法克服多个通信模式中的每一个的已知缺点。为了更集中地讨论的目的，在本文中将仅讨论两个通信模式——空间复用(SM)和空时块码(STBC)。为了克服SM和STBC中每一个的缺点，提供自适应模式切换用于802.16标准(2001年出版的IEEE标准802.16-2001及其后的版本)。当信道适于SM时，则选择SM。否则，选择STBC。

给定所观察的或预测的信道性能，预测每个模式的分组差错事件，且选择最佳模式和最佳MCS级别。由于移动性和延迟扩展，信道的性能是时间和频率选择性的，且各个码字或通信码元可看到多个信道质量。给定具体通信模式的具体通信级别，适当切换通信模式的关键是适当预测分组差错事件。在实施例中，STBC中对应第k MCS级别的分组事件预测器的函数被定义为：

其中H是信道矩阵。使所预测的频谱效率最大化的第k MCS级别可由以下得到：

{SE}_{STBC} = \max_{k} (1 - f_{STBC, k}) c_{k}

其中c_k表示第k MCS的理论最大频谱效率，而SE_STBC是估计的频谱效率。该频谱效率可与SM下最大MCS级别的频谱效率相比较，这在以下的等式中提供：

{SE}_{SM} = N \max_{k} (1 - f_{SM, k}) c_{k}

其中N是发射天线的数目。比较两个最大频谱效率并选择通信模式然后选择具体的级别，模式选择器106可将所选的模式传送到收发机108，该收发机108于是可向基站112传送进一步的信号并从其接收进一步的信号。可将这宽泛地定义为链路自适应(LA)。在变化的状况下使通信模式自适应可被宽泛地称为自适应模式切换(AMS)，并可以与LA相同的方式来对待。因此，如果SE_SM＞SE_STBC，则SM被选择且链路可动态地自适应以用于它。如果SE_SM≤SE_STBC，则STBC被选择。由于STBC通常表现出比SM低的分组差错率，所以在频谱效率相等时选择STBC。

预测分组差错事件为LA和AMS提供了最佳结果。次优分组差错事件预测器可得到一所选的通信模式，该通信模式又比无线通信设备操作的最优状况差。为了适当且准确地预测分组差错事件，在一个实施例中，将容量概念用于计算。信道的容量也称为最大可实现交互信息。对于一般的MIMO系统，可将容量定义为：

C = \max I (d; y | H = H) = \log_{2} \det (I + \frac{SNR}{N} {HH}^{H})

如果发射帧具有大于以上定义的容量的频谱效率，则分组差错率将接近100％。在c₀中断容量处的中断概率可由Pr(C＜c₀)得到，且是理想MIMO代码的PER。在非理想的系统中，中断概率充当频谱效率是c₀的分组的非理想MIMO代码PER的下界。为了更严密地定义下界，在一些实施例中，容量定义可扩展到具体的发射和接收机结构。利用Alamouti代码，于是可针对STBC系统将容量写为：

C_{STBC} = \log_{2} (1 + \frac{SNR}{N} Tr {H^{H} H})

其中Tr(.)是轨迹(trace)运算。从这得出，用于第k MCS的分组差错预测器函数可写为：

因为现实世界状况由于实现损耗而可能与数学计算不相同，所以可基于测量和/或模拟修改用于分组差错预测器计算的阈值，并可将其表达为：

其中

表示基于测量和/或模拟的经调节的阈值容量水平。

在一个实施例中，分组差错率可被描绘为瞬时容量C_STBC的函数。利用这一方法得到在实现10％的PER目标所需的容量方面较小的差异。即使是对于变化的天线相关性这也是成立的。变化的天线相关性带来了关于预测PER的问题，因为基本随机的到达方向(DOA)有这样大的变化。通过将瞬时容量应用到该问题，可获得阈值c_k值。例如，假设2x2信道矩阵，16QAM(限定QAM)1/2率代码的理论频谱效率是2bps/Hz。然而，如上所述，利用非理想卷积代码而提供的非理想状况提供了10％目标PER所需的3bps/Hz的c_k值。

用于STBC的相同的概念也可应用于SM。利用最小均方误差均衡器，作为SM的信道质量指标的平均容量可表达为：

并且用于第k个接收天线的SINR可定义为：

SINR (k) = \frac{1}{{[{(I + \frac{SNR}{N} H^{H} H)}^{- 1}]}_{kk}} - 1

然而，与以上给出的STBC情况不同，观察到所需容量方面的较大的差异。可是通过平均容量的PER的表示实际上得到了比通过平均SNR要小的差异。通过获取所需平均容量的平均来获得非理想ck。通过识别出当任意码字看到有限数目的信道质量且该有限数目较小时，PER主要由最小信道质量管理，可进一步减小SM计算的差异。在高码率的情形中这尤其是正确的。这之后，可将信道质量指标符定义为：

这得到较小的PER差异。接下来是最高SINR与PER的预测不相关。因此用于第k MCS的SM的分组差错预测器可定义为：

当给定实际信道状况从目标PER获得阈值时，预测器将预测在实际状况下PER是否满足目标PER。由于移动性和多径，码字将面对多种信道质量。在这种情况下，将使用容量的平均，可将其表达为：

C = \frac{1}{M} Σ_{m = 1}^{M} C_{m}

其中M是码字中码元的数目，而C_m是第m个码元的容量。

除非具体说明，否则，诸如处理、计算、推算、确定、显示等术语可指一个或多个处理或计算系统或者类似的设备的动作和/或进程，它们将处理系统寄存器和存储器内表示为物理(例如，电子)量的数据处理和变换成处理系统寄存器、存储器或其他这种信息存储、传输或显示设备内类似地表示为物理量的其他数据。此外，如本文所使用的，计算设备包括与计算机可读存储器耦合的一个或多个处理元件，该计算机可读存储器可以是易失性或非易失性存储器或其组合。

本发明的一些实施例可被实现为硬件、固件和软件之一或其组合。本发明的实施例还可被实现为存储在机器可读介质上的指令，其可由至少一个处理器读取和执行以执行本文所述的操作。机器可读介质可包括用于存储或传送机器(例如，计算机)可读形式的信息的任何机制。例如，机器可读介质可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备等。

遵照要求使读者能够确定技术公开的特性和要点的摘要的37C.F.R.部分1.72(b)提供了摘要。其主张这样的理解：它将不用于限制或解释权利要求的范围或含义。所附权利要求由此结合在详细的描述中，且每个权利要求自身可作为单独的实施例。

Claims

1.一种通过MIMO信道通信的方法，包括：

输入信道矩阵和信噪比(SNR)值；

通过为至少两个通信模式中的每一个预测产生可接受的分组差错率的通信级别，来为至少两个通信模式中每一个选择通信级别，其中所述可接受的分组差错率被作为多输入多输出(MIMO)信道矩阵和通过所述MIMO信道接收的信号的信噪比(SNR)的函数来计算；以及

为所述两个通信模式中的每一个的所选通信级别计算频谱效率并选择所述至少两个通信模式中关于所选通信级别具有最高频谱效率的那一个。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：利用所述至少两个通信模式中的所选的一个处理从基站接收的无线通信的至少一个码元。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个通信模式是通信的多输入多输出(MIMO)模式且包括以下的至少一个：空时块码(STBC)、空时格子码(STC)、空间复用、波束成形、天线选择、波束选择、闭环MIMO和多用户MIMO。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少两个通信模式预先匹配到所述移动设备的移动性。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

针对无线通信的其它码元重新计算所述至少两个通信模式的频谱效率并利用所述重新计算的频谱效率自适应地切换所述通信模式。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信级别包括以下的至少一个：BPSK、QPSK、16-QAM和64-QAM。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在接收和处理预定数目的码元之后重复所述操作。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预定数目的码元是基于接收所述码元的设备的移动性来选择的。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对照预定阈值比较测得容量值以确定分组差错率是否是可接受的，从而选择所述通信级别。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于预期的状况预测所述SNR。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述频谱效率，其中所述计算基于所述至少两个通信模式之一的所选通信级别、所述通信模式的分组差错预测函数以及所选通信级别的理论最大频谱效率。

12.一种用于处理两个或更多个数据流的通信装置，所述装置包括：

具有一个或多个接收天线的收发机；

容量计算器，用于计算两个或更多个通信模式的测得容量以及计算所述两个或更多个通信模式的每一个的一个或多个通信级别中的哪一个实现最高频谱效率；以及

选择模块，用于关于所述一个或多个通信级别中的至少一个选择哪个通信模式实现最高频谱效率。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述容量计算器并发地计算两个或更多通信模式的所述测得容量，并基于所述测得容量和预定阈值之间的比较以便预测分组差错率来确定这些通信模式的最高通信级别。

14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述收发机被配置成利用至少两个通信模式发送和接收无线传输，其中所述两个通信模式包括以下的至少一个：(MIMO模式列表)空时块码(STBC)、空时格子码(STC)、空间复用、波束成形、天线选择、波束选择、闭环MIMO、多用户MIMO。

15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述通信模式是空时块码(STBC)，且所述STBC模式的频谱效率表达为：

SE＝max_k(1-f_STBC，k)c_k。

16.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述通信模式是空间复用(SM)，且所述SM模式的频谱效率表达为：

SM＝Nmax_k(1-f_SMV，k)c_k。

17.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述容量计算器被配置成预测地计算所述测得容量。

18.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述容量计算器配置成通过结合使用测得和预测的值来计算所述测得容量。

19.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述收发机被配置成切换通信模式并将所述通信模式传达给所述收发机正向其发送无线通信或从其接收无线通信的基站。

20.一种MIMO通信系统，所述系统包括：

通信子系统，包括

具有两个或更多个发射和接收天线的收发机；

容量计算器，用于计算两个或更多个通信模式的测得容量以及计算用于所述两个或更多个通信模式的每一个的一个或多个通信级别中哪一个实现最高频谱效率；以及

选择模块，用于关于所述一个或多个通信级别中的至少一个选择哪个通信模式实现最高频谱效率；以及

耦合到所述收发机的两个或更多个全向天线。

21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述容量计算器并发地计算两个或更多通信模式的所述测得容量，并基于所述测得容量和理论容量之间的比较以预测分组差错率来确定这些通信模式的最高通信级别。

22.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述收发机被配置成利用至少两个通信模式发送和接收无线传输，其中所述两个通信模式包括以下的至少一个：空时块码(STBC)、空时格子码(STC)、空间复用、波束成形、天线选择、波束选择、闭环MIMO和多用户MIMO。

23.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述通信模式是空时块码(STBC)，且所述STBC模式的频谱效率表达为：

SE＝max_k(1-f_STBC，k)c_k。

24.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述通信模式是空间复用(SM)，且所述SM模式的频谱效率表达为：

SM＝Nmax_k(1-f_SMV，k)c_k。

25.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述容量计算器被配置成预测地计算所述测得容量。

26.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述容量计算器配置成通过结合使用测得和预测的值来计算所述测得容量。

27.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述收发机被配置成切换通信模式并将所述通信模式传达给所述收发机向其发送无线通信或从其接收无线通信的基站。

28.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述两个或更多个通信模式的所述测得容量是所述容量的平均。