CN101669299A - 多入多出系统的可变码本 - Google Patents

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Abstract

提供了一种使用可变大小预编码码本的MIMO无线通信系统。码本大小可以由与MIMO无线通信系统相关联的发射机和接收机之间的无线传输信道的质量或者其它某些码本选择标准来确定。当信道质量高时可采用较大码本，允许整个系统吞吐量的显著增进。相比之下，当信道质量低时可采用较小码本，从而在较大码本不会显著提高系统吞吐量的情况下，不会有与较大码本相关联的增加的信道开销降低信道效率。

Description

多入多出系统的可变码本
相关申请的交叉引用
本正式提交的申请基于2007年3月22日提出的申请序列号为60/896,374，题为“Variable Codebook for MIMO System”(多入多出系统的可变码本)的美国临时专利申请并要求其优先权，该申请的全部内容在此通过引用而并入。
技术领域
本发明总体上涉及无线通信系统，并且更具体地涉及使用可变大小码本来预编码无线传输的系统和方法。
背景
日益增长的各种较便宜、低功率的无线数据通信服务、网络和设备在过去几年已经可用，保证了接近有线速度的传输和可靠性。各种无线技术在802.11 IEEE标准中详细描述，所述标准例如包括IEEE标准802.11a(1999)和其更新以及修订，IEEE标准802.11g(2003)、3GPP LTE、以及现在处于被采用过程中的IEEE标准802.11n，它们共同在此通过引用而被完全并入。这些标准已经被商业化或者正在被商业化的过程中，保证54Mbps或者更高的有效吞吐量如100Mbps，这使得它们成为传统有线以太网和更加普遍的“802.11b”或者“WiFi”11Mbps移动无线传输标准的强有力竞争者。
一般而言，符合IEEE 802.11a和802.11g或者“802.11a/g”，802.16或者3GPP LTE，以及802.11n标准的传输系统通过使用正交频分调制或OFDM编码符号以及通过使用OFDM子带的正交幅度调制(QAM)来获得高数据传输率。在一般意义上，OFDM的使用将整个系统带宽划分为多个频率子带或信道，每个频率子带与数据可能被调制的各自副载波相关联。因此，OFDM系统的每个频率子带可以被看作用于发送数据的独立传输信道，从而增加通信系统的整体吞吐量或者传输率。
在符合802.11a/802.11g/802.11n标准以及其它标准如3GPP LTE和802.16a IEEE标准的无线通信系统中使用的发射机通常执行多载波OFDM符号编码(其可以包括纠错编码和交织)，通过使用逆向快速傅里叶变换(IFFT)技术将编码符号变换到时域，并对信号执行数模转换以及常规射频(RF)上变频。这些发射机接着在适当的功率放大之后将经过调制和上变频的信号发射到一个或多个接收机，产生具有大峰均比(PAR)的较高速时域信号。
同样，在符合802.11a/802.11g/802.11n、3GPP LTE和802.16a IEEE标准的无线通信系统中使用的接收机通常包括执行接收信号的RF下变频以及滤波(其可以在一级或多级中执行)的RF接收单元，以及处理承载有感兴趣的数据的OFDM编码符号的基带处理器单元。在对接收的时域信号进行基带下变频、常规模数转换以及快速傅立叶变换后，恢复了在频域中呈现的每个OFDM符号的数字形式。其后，基带处理器执行解调和频域均衡(FEQ)以恢复被发射的符号，并且接着由适当的FEC解码器，例如维特比(Viterbi)解码器处理这些符号，以估计或者确定被发射的符号的最可能的标识。然后对经恢复和识别的符号流进行解码，其可以包括解交织和通过使用多种已知纠错技术中任一种的进一步纠错，以产生与由发射机发射的原始信号相对应的一组恢复信号。
为了进一步增加可以在通信系统中传播的信号数目和/或补偿与各种传播路径相关的损害性效应，从而提高传输性能，在无线传输系统中使用多个发射和接收天线是公知的。这样的系统通常被称为多入多出(MIMO)无线传输系统并且在现在正被采用的3GPP LTE和802.11n IEEE标准中具体规定。MIMO技术的使用产生了频谱效率、吞吐量和链路可靠性的显著增加。这些益处一般随着包括在MIMO系统中的发射和接收天线数目的增加而增加。
特别地，除了通过使用OFDM而创建的频道之外，由特定发射机和特定接收机之间的各种发射和接收天线构成的MIMO信道包括多个独立的空间信道。通过使用由这些空间信道创建的附加维度来进行附加数据传输，无线MIMO通信系统能够提供改善的性能(例如，增加传输容量)。当然，宽带MIMO系统的空间信道可能在整个系统带宽范围内经历不同的信道状况(例如，不同的衰落和多径效应)并且因而在整个系统带宽上的不同频率(即，在不同OFDM频率子带)可能获得不同的SNR。因此，对于特定性能级别，可以通过使用每个空间信道的不同频率子带来传输的每个调制符号的信息位数目(即，数据率)可能每个频率子带都不同。
在MIMO无线通信系统中，由发射天线发射的RF调制信号可以经由多个不同的传播路径到达各个接收天线，所述传播路径的特征通常由于多径和衰落现象而随时间改变。此外，各个传播子信道的特征基于传播频率而不同或者变化。为了补偿时间变化、这些传播效应的频率选择特性，以及一般而言增强MIMO无线通信系统中的有效编码和调制，并且提高整体系统吞吐量，MIMO无线通信系统的接收机可以周期性地形成或者收集发射机和接收机之间的无线信道的信道状态信息(CSI)。一般而言，无线信道包含考虑了发射天线和接收天线的所有组合的效果的复合信道。可以创建包含多个表示每个发射-接收天线对之间的信道特征(例如，每个信道的增益、相位和SNR)的多个复信道值的信道矩阵。在确定复合信道的CSI后，接收机可以将CSI或者从CSI得到的其它信息发送回发射机，发射机可以使用CSI或者从CSI得到的其它信息，预处理或者预编码通过信道发射的信号从而补偿信道的不同传播效应。
可以开发预编码矩阵，当该预编码矩阵与被发射的信号相乘时消除信道的传播效应。然而，因为无线信道的传播效应随着时间而变化，所以单个预编码矩阵将仅够补偿一组信道特征。必须开发不同的预编码矩阵以补偿不同的信道特征组。可以预先得到多个预编码矩阵以补偿一系列不同的信道状况。可将该多个预编码矩阵组装在码本中，码本可以存储在与发射机相关联的存储器中。在测量CSI后，MIMO无线通信系统中的接收机可以确定码本中的哪一个预编码矩阵对于补偿测得的CSI是最适当的。接收机可以将预编码矩阵索引或者其它标识符发回发射机以指定码本中的哪一个预编码矩阵应当被用来对将要通过信道发射的信号进行预编码。发射机接着可以使用指定的预编码矩阵来预编码信号。
码本的大小，也就是包括在码本中的预编码矩阵的数目，对系统吞吐量和整体信道效率能够具有显著影响。利用具有许多供选择的预编码矩阵的大码本，可以选择紧密匹配(即抵消)所测得的信道传播效应的预编码矩阵。通过准确地抵消信道传播效应，能够显著地提高系统吞吐量。然而，较大码本需要较大量的数据从接收机反馈至发射机以标识被用来预编码被发射的信号的特定预编码矩阵。较大码本所需的额外反馈数据消耗额外的信道开销并且对信道效率具有负面影响。在诸如具有高SNR的信道之类的某些状况下，与大码本相关联的提高的系统吞吐量可能与增加的开销的成本相当。在诸如具有低SNR的低质量信道之类的其它情况下，即使具有大码本，提高的系统吞吐量也可能解决不了增加的信道开销的成本。当为MIMO无线通信系统设计码本时，在如下两种手段之间存在着平衡关系：创建大码本，在有利状况下可能显著提高系统吞吐量；以及创建较小的码本，这将会消耗更少信道开销并且在信道质量不理想时将不会减少系统吞吐量。
发明内容
本发明总体上涉及MIMO无线通信系统中可变大小码本的使用。码本的大小例如可以由发射机和接收机之间的无线传输信道的质量，或者其它某些码本选择标准来确定。在一些情况下，当信道质量高时使用较大码本可能是优选的，这允许同一系统整体吞吐量的显著增进。另一方面，较小码本在信道质量低的情况下可能是优选的，从而与较大码本相关联的增加的信道开销不降低信道效率。例如，当较大码本不会显著地提高系统吞吐量时较小码本可能是优选的。
一个实施例提供了无线传输系统。无线传输系统包括基站和终端。基站适于将无线信号发射至终端。一存储器与基站相关联。该存储器存储包括第一组多个预编码矩阵的可变大小码本。包括在可变大小码本中的预编码矩阵可以被用来对由基站发射的无线信号进行预编码。终端被用来接收从基站发射的无线信号。与终端相关联的信道状态测量电路用于测量在基站和终端之间形成的无线通信信道的传输状况。终端包括反馈发射器，用于将信道状态信息从终端无线发射回基站。基站包括反馈接收器，用于接收从终端反馈的信道状态信息。基站基于信道状态信息选择码本大小，并且从具有所选择的码本大小的码本中选择预编码矩阵以对将要从基站发射至接收机的无线信号进行预编码。可变大小码本可以包含从包括在可变大小码本中的第一组多个预编码矩阵的子集形成的第二组多个预编码矩阵。作为替代，可变大小码本可以包含多个包括不同数目的预编码矩阵的固定大小码本。
另一个实施例涉及包括基站的多入多出(MIMO)无线通信系统，所述基站适于发射多个无线数据流。基站包括存储器，该存储器存储用于对由基站发射的数据流进行预编码的可变大小码本。MIMO无线通信系统还包括适于接收无线传输的终端，该无线传输包括由基站发射的多个数据流中的至少一个数据流。终端包括信道测量电路，用于测量与在基站和终端之间建立的无线通信信道相关的信道状态信息。终端还包括反馈发射器，用于将与信道状态信息相关的反馈信号无线发射回基站。基站包括反馈接收器，用于接收从终端发射的反馈信号。基站适于基于由反馈接收器接收的信道状态信息而选择码本大小以及从具有所选择的大小的码本中选择预编码矩阵。
另一个实施例提供了对无线传输信号进行预编码的方法。该方法包括测量无线通信信道的特征，基于测量的无线通信信道的特征而选择码本大小，以及使用包括在具有所选择的大小的码本中的预编码矩阵来对无线传输信号进行预编码。该方法可以包括提供具有多个预编码矩阵的固定大小码本，以及从在固定大小码本中找到的预编码矩阵的子集创建具有所选择的码本大小的码本。作为替代，该方法可以包括提供多个具有不同大小的固定大小码本。
又一个实施例涉及使用可变大小预编码码本的无线发射机。发射机包括存储一个或多个预编码码本的存储器。发射机还包括反馈接收器，用于接收来自接收机的信道状态信息。与发射机相关联的码本选择器适于基于从接收机接收的信道状态信息而选择码本大小。最后，发射机包括传输信号预编码器，其适于使用来自具有所选择的大小的码本的预编码矩阵来对无线传输信号进行预编码。
再一个实施例提供了用于使用可变大小预编码码本的MIMO无线通信系统中的无线接收机。接收机包括信道状态测量电路，用于生成描述信道状态的信道状态信息。码本大小选择器用于选择将被用来对将要由发射机经由无线信道发送至接收机的信号进行预编码的码本的大小。基于由信道状态测量电路测量的信道状态信息而选择码本大小。最后，接收机包括反馈发射器，用于将码本索引或者其它码本大小指示符发射至无线发射机。在接收到码本索引或者其它码本大小指示符后，无线发射机可以使用包括在具有所选择的大小的码本中的预编码矩阵来对去往接收机的无线传输进行预编码。
附图说明
图1是使用可变大小码本来预编码无线传输信号的无线MIMO通信系统的框图。
图2是示出选择码本大小以及基于码本大小和矩阵选择标准来标识在具有所选择的大小的码本中形成的预编码矩阵的方法的流程图。
图3A-3F图解了可以使用实现了本申请所述的可变大小码本的无线通信系统的各种不同设备的示例。
具体实施方式
本发明总体上涉及用于预编码将要在多入多出(MIMO)无线通信系统中发射的数据流的可变大小码本。MIMO无线通信系统的发射机和接收机之间的无线信道的传输特征随着时间而变化。如果发射机具有信道特征的先验知识，则信号可以被预处理(预编码)以预先补偿经由无线信道传输信号的负面影响。在有利状况下，以这种方式预编码信号能够显著地提高信道吞吐量。
在MIMO无线通信系统中，通信信道可以表示为代表发射和接收天线的所有组合的传输效果的复信道值的矩阵。可以得到预编码矩阵，该预编码矩阵抵消经由无线通信信道传输信号的负面影响。信号可以在经由无线通信信道发射之前乘以预编码矩阵。在接收到这样的预编码信号后，接收机所具有的恢复原始信号的机会大得多，尽管有无线信道的负面影响。以这种方式预编码信号能够显著地提高系统吞吐量。
因为信道特征随着时间而变化，所以可以预先得到有限数目的预编码矩阵，每个矩阵适于补偿特定的一组信道特征。多个预编码矩阵可以集合在一个码本中并且存储在发射机中。在测量已有的信道特征后，可以从码本中选择适当的预编码矩阵并在信号经由无线通信信道发射之前将其应用至信号。
通常，在接收机处基于从发射机发射至接收机的已知信号而计算信道状态信息(CSI)。CSI被反馈至发射机并且发射机从码本中选择用于对后续信号进行预编码的适当的预编码矩阵。作为替代，接收机可以具有关于码本的知识并且接收机自身可以适于从码本中选择适当的预编码矩阵。在此情况下，接收机将预编码矩阵索引或者其它标识符反馈至发射机，所述预编码矩阵索引或者其它标识符指定用于在接收机观测到的信道状况下对将要从发射机发送至接收机的信号进行预编码的适当的预编码矩阵。
如果码本大，包括用于针对解决大量不同信道状况的许多不同的预编码矩阵，则可以选择与无线信道的特征紧密配对的预编码矩阵以获得最大可能的系统吞吐量提高。如果码本小，则预编码矩阵将精确地补偿信道特征负面影响的可能性将较小。因此，较小码本在信道吞吐量上的提高可能不如较大码本那么显著。然而，较大码本需要更大的特异性以针对给定的一组信道状况标识适当的预编码矩阵。与采用较小码本的情况相比，较大码本所需的更大特异性需要更多的数据从接收机反馈至发射机，所述数据或者是更长的矩阵索引标识符的形式或者是更详细的CSI的形式。较大码本所需的额外信道开销能降低整体信道效率。因此，存在当选择码本大小时需要考虑的折衷。
选择码本大小时要考虑的另一个因素是信号被发射时的信道状态。在一些情况下，例如当信道表现出高的信号与干扰加噪声比(SINR)时，信号的准确预编码可以导致信道吞吐量的显著提高。在其它情况下，如当SINR低时，预编码结果可能至多只是微小的。当信道质量允许时，可能希望具有包括大量供选择的预编码矩阵的大码本从而可以实现信道吞吐量的最大增进。另一方面，当信道质量使得预编码的正面效果将会受限时，可以采用具有数目更加有限的预编码矩阵的较小码本以减少信道开销。
由于与较大码本相关联的信道开销上的增加的成本，在与较大码本的使用相关联的信道吞吐量上的增进超过信道开销上的成本的情况下，较大码本可能更加有效。在其它情况下较小码本可能更适当。因为无线信道质量随着时间改变，所以可能有时候较大码本更有益，其它时候较小码本更适当。遗憾的是，通常无法预知信道质量。很难确定与大码本相关联的提高的系统性能是否将解决信道开销的成本，或者是否应使用较小码本。一个解决方案是使用可变大小码本，当信道质量使得与较大码本的使用相关联的系统吞吐量上的预期增进可能解决不了增加的信道开销的成本时使用更加有限的预编码矩阵组，并且当信道质量使得系统吞吐量的预期增进可能超过额外开销的不利影响时扩展可用预编码矩阵的选择(即使用较大码本)。
现在请参考图1，以框图形式图解了MIMO通信系统10。MIMO通信系统10一般包括具有多个发射天线141-14N的单个发射机12和具有多个接收机天线181-18M的单个接收机16。在一个MIMO无线通信系统的实施例中，发射机12实际上可以是能够发射信号至一个或多个远程终端的基站。接收机16又可以是一个这样的远程终端，其能够接收从基站发射的信号并且将信号发射回基站12。虽然基站和终端可能能够发射和接收信号，但本申请中将基站将会被称为发射机12并且终端将会被称为接收机16。发射天线141-14N的数目可以等于、大于，或者小于接收机天线181-18M的数目。如图1所示，发射机12可以包括耦合至存储器21的控制器20、符号编码器/调制器单元22、预编码模块23、空时映射模块24，以及码本选择模块28。发射机12还可以包括矩阵均衡器25以及符号解调器和解码器单元26以执行在接收模式经由天线141-14N接收的信号的解调和解码。
控制器20可以是任何期望类型的控制器并且控制器20和码本/矩阵选择模块28可以实现为一个或多个标准多用途可编程处理器，如通用微处理器、数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)等等，或者可以使用其它任何期望类型的硬件、软件和/或固件来实现。同样，预编码模块23、空时映射模块24，以及矩阵均衡器25可以使用已知的或者标准的硬件和/或软件元件来实现。如果需要的话，各种发射机组件，如控制器20、符号编码器/调制器单元22、符号解调器/解码器单元26、码本/矩阵选择模块28、预编码模块23、空时映射模块24和矩阵均衡器25可以以相同或不同的硬件设备，如以相同或不同的处理器来实现。此外，发射机12的这些组件的每一个可以布置在机壳29中(在图1中点状突出显示)并且用以实现这些组件中的任何一个的功能的例程或者指令可以存储在存储器21或者与被用来实现这些组件的单独硬件相关联的其它存储设备中。
可变大小码本可以存储在存储器21中。可变大小码本可以以多种不同的方式来实现。例如，可变大小码本可以包含单个包括大量预先计算的预编码矩阵的固定大小码本。可以从在固定大小码本中找到的多个预编码矩阵的子集构造具有不同大小的较小码本。例如，具有64个预编码矩阵的固定大小码本可以存储在存储器21中。仅具有32个预编码矩阵的第二较小码本可以通过选择在较大的64个矩阵的固定大小码本中每隔一个矩阵找到一个而创建。类似地，16个矩阵的第三码本可以通过从所述较大固定大小码本中每4个矩阵选择一个而创建。8个矩阵的码本可以通过从所述较大固定大小码本中每8个矩阵选择一个而创建，并且仅仅4个矩阵的码本可以通过从所述较大固定大小码本中每16个矩阵选择一个而创建。当然，这些仅仅是较小码本还可以从较大固定大小码本中创建的方式的示例。也可以采用包含较大固定大小码本的其它子集的码本。另一替代实施例是简单地存储多个不同大小的码本。例如，具有64个预编码矩阵的第一码本可以存储在存储器21中。具有32个预编码矩阵的第二单独码本也可以存储在存储器21中。具有16个预编码矩阵的第三码本、具有8个预编码矩阵的第四码本以及仅仅具有4个预编码矩阵的第五码本也可以单独地存储在存储器21中。
一个或多个预先计算或者预先确定的散布矩阵也可以存储在存储器21中并且在各种时间或者在各种不同的状况下在散布矩阵模块24中使用。因此，例如，针对将要被发射的编码空间数据流和用于同时发射这些编码空间数据流的发射天线14之间的多种可能组合中的每一种，可以存储不同的预先计算或者预先确定的空时映射矩阵。因此，例如，针对经由发射天线14中的三个天线而发送的两个空间数据流、针对经由发射天线14中的四个天线而发送的两个空间数据流、针对经由五个发射天线14而发送的三个空间数据流等等，可以计算和存储不同的空时映射矩阵。通过这种方式，通信系统10可以根据系统负载，最优地在不同的时间发送不同数目的空间数据流。而且，通信系统10还可以使用这些不同的预先存储或者预先计算的空时映射矩阵来解决或者适应于用来在通信系统10中发送数据的一个或多个发射天线14的损耗。
在操作期间，将要从发射机12发射至接收机16的信息信号Tx1-Txn被提供给符号编码器/调制器单元22以进行编码和调制。当然，任何期望数目的信号Tx1-Txn可以被提供给调制器单元22，该数目通常受到MIMO通信系统10使用的调制方案以及与MIMO通信系统10相关联的带宽的限制。此外，信号Tx1-Txn可以是任何类型的信号，包括模拟或者数字信号，并且可以表示任何期望类型的数据或者信息。此外，如果需要的话，已知的测试或者控制信号Cx1(其可以存储在存储器21中)可以被提供给符号编码器和调制器单元22以用于确定描述发射机12和接收机16之间的一条或多条信道的特征的CSI相关信息。如果需要的话，相同的控制信号或者不同的控制信号可以被用来确定MIMO通信系统10中使用的每个频率子带和/或空间信道的CSI。
符号编码器和调制器单元22可以交织各种信号Tx1-Txn和Cx1的数字表示并且可以对信号Tx1-Txn和Cx1执行其它任何一种或多种已知类型的纠错编码以产生将要被调制并且从发射机12发送至接收机16的一个或多个编码符号流SS1、SS2，…，SSp。虽然符号流SS1-SSp可以使用任何期望的或者合适的QAM技术，如使用64QAM来调制，但这些符号可以以其它任何已知的或者期望的方式来调制，例如包括使用其它任何期望的相位和/或频率调制技术来调制。在任何情况下，经调制的编码符号流SS1-SSp由符号编码器和调制器单元22提供给预编码模块23。各个符号包含可以在预编码模块23中乘以适当预编码矩阵的向量。控制器20从接收机16接收被控制器20用来标识存储在可变大小码本中的适当预编码矩阵的反馈信号，所述可变大小码本存储在存储器21中。控制器20访问存储在存储器21中的可变大小码本并检索适于当时占主导的信道特征和状况的预编码矩阵，并将所选择的预编码矩阵提供给预编码模块23。预编码模块23将经调制的编码符号流SS1-SSp乘以所选择的预编码矩阵，接着将预编码的符号流提供至空时映射模块24以在经由天线141-14N发射之前进行处理。虽然没有在图1中具体示出，但在上变频为与OFDM技术相关联的RF载波频率之前(在一个或多个阶段中)，预编码的调制符号流SS1-SSp可以由空时映射模块24处理，该空时映射模块可选地根据共同待审的2007年9月6日提交的、申请号11/851,237、题为“Equal Power OutputSpatial Spreading Matrix For Use In A MIMO Communication System”(用于MIMO通信系统的相同输出空间散布矩阵)的美国专利申请中所公开的传输技术而实现空时映射矩阵，该申请的全部内容在此通过引用而并入。在接收到调制信号后，空时映射模块24通过基于例如可能由控制器12提供的空时映射矩阵而向调制信号中注入延时和/或增益，从而在发射天线141-14N当中执行空间数据流的混合和发射。
由发射机12发射的信号由接收机天线181-18M侦测并且可以由接收机16内的矩阵均衡器35处理以提高天线181-18M的接收能力。符号解调器和解码器单元36在控制器40的控制下，可以解码和解调由矩阵均衡器35恢复的接收的符号串SS1-SSp。在该处理中，可以将这些信号下变频到基带。通常，解调器和解码器单元36可以操作以执行每个符号流SS1-SSp中的接收符号的解调以生成针对每个符号流的数字位流。在某些情况下，如果需要的话，符号解调器和解码器单元36可以执行位流的纠错解码和解交织以生成对应于原始发射信号Tx1-Txn的接收信号Rx1-Rxn。
MIMO无线通信系统10还可以提供反向信道从而信号可以从接收机16发射回发射机12。因此，如图1所示，接收机16还可以包括存储器48、符号编码器和调制器单元46、预编码模块33，以及空时映射模块34。符号编码器/调制器46可以接收一个或多个信号TR1-TRm。信号TR1-TRm可以由符号编码器/调制器46使用任何期望的编码和调制技术来编码和调制。存储器48可选地可以存储与发射机存储器21中所存储的可变大小码本类似的可变大小码本。控制器40可以访问存储器48以检索用于预编码从符号编码器/调制器46接收的编码和调制符号流的适当预编码矩阵。预编码的符号流接着可以被上变频并且由空时映射模块34处理，该空时映射模块可以使用根据本申请所述的原理基于将要同时发送的符号流的数目和将要使用的发射天线18的数目而开发的空时映射矩阵。空时映射模块34的输出接着经由接收机天线181-18N例如发射至发射机12，从而实现反向链路。发射机12可以实现矩阵均衡器25和符号解调器/解码器26以接收、解调和解码经由反向信道从接收机或终端16发射至发射机或基站16的信号。
发射机12中的矩阵均衡器25和解调器/解码器单元26与接收机16中的矩阵均衡器35和解调器/解码器单元36类似地操作以解调和解码由接收机16发射的符号流以生成恢复的信号RR1-RRm。这里再次说明，矩阵均衡器25可以以任何已知的方式处理接收信号以增强对天线181-18M所发射的各种符号流的分离并且因而增强对天线181-18M所发射的各种符号流的接收。
如上所述，发射机或者基站控制器20基于从接收机16接收的反馈信号从存储在存储器21的可变大小码本中选择适当的预编码矩阵。为了针对信道状况确定适当的码本大小并且选择最佳的预编码矩阵，接收机16包括码本/矩阵选择模块41。当接收机16接收来自发射机12的信号，如接收已知的测试信号Cx1时，码本/矩阵选择模块41(或者控制器40)测量与发射机和接收机之间的无线信道的特征和质量相关的信道状态信息。信道状态信息可以包含考虑了发射天线141-14N和接收天线181-18M的所有组合的贡献的复信道值的矩阵。由码本/矩阵选择模块41测量的信道状态信息例如可以包括每一对发射和接收天线之间的信道增益和相位延迟。码本/矩阵选择模块41还可以测量(SINR)、信噪比(SNA)，或者其它某种信道质量量度的形式的信道质量。码本/矩阵选择模块41接着使用各种标准来估计信道状态信息以首先选择在测得的信道质量下要使用的最适当的码本，接着从选择的码本中选择特定预编码矩阵以对信号进行预编码。选择的码本的标识或大小以及选择的预编码矩阵的标识接着被反馈至发射机12从而发射机控制器20可以从存储在存储器21的适当大小的码本中选择适当的预编码矩阵。选择的码本和在选择的码本内的选择的预编码矩阵可以经由反向传输信道，或通过另一专用的反馈信道(未示出)反馈至发射机12。
所选择的预编码矩阵可以通过标识将要从其中选择预编码矩阵的特定大小码本以及所标识的码本内具体的预编码矩阵来指定。例如，在采用四个不同大小的码本(例如，分别包含64个、32个、16个和8个预编码矩阵的码本)的实施例中，需要最少2个位来标识四个不同码本中的一个。如果选择具有64个预编码矩阵的码本，则需要额外的六个位来标识最大码本内的特定预编码矩阵。如果选择具有32个矩阵的码本，则需要额外的5个位来指定特定预编码矩阵。如果指定具有16个矩阵的码本，则需要4个额外的位来标识特定预编码矩阵，而如果采用具有8个预编码矩阵的最小码本，则仅仅需要3个额外的位来标识特定预编码矩阵。如果信道质量低，则系统吞吐量将不太可能通过使用来自较大码本之一的预编码矩阵而显著地提高。在此情况下，使用来自较大码本之一的预编码矩阵的额外信道开销可能是不值得的，而可以选择较小码本。然而，如果信道状况较好，并且使用较大码本将会提高的信道吞吐量可能显著大于标识较大码本内的预编码矩阵所需的额外开销所消耗的信道容量，则与从较大码本中选择预编码矩阵相关联的提高的信道吞吐量可以解决信道开销增加的成本。
当在MIMO无线通信系统中采用可变大小码本时，可以建立客观的标准以选择适当大小的码本。因为在与使用较大码本相关联的增加的系统吞吐量和增加的信道开销之间存在折衷，所以一个适当的码本选择标准是比较与特定大小的码本相关联的预期信道吞吐量和与使用该大小的码本相关联的反馈信道开销的成本。在MIMO无线通信系统中，信道吞吐量高度取决于无线信道的传输质量。接收机可以从由接收天线181-18M接收的信号中测量SNR或者SINR或者信道质量的某个量度。码本/矩阵选择模块41接着可以计算可用于对将要发射至接收机16的信号进行预编码的不同大小的码本中每个码本的预期吞吐量。通过比较与每个码本相关联的预期吞吐量和相应的额外开销的成本，可以针对不同大小的码本中每一个码本计算比率。将会选择提供最高的信道性能提高与开销成本之比的码本。当然，也可使用其它码本选择标准。例如，可建立一系列SNR或者SINR阈值。可以基于所测得的SNR或者SINR相对于所建立的阈值落入的位置而选择码本大小。当所测得的SNR或者SINR低于第一阈值时可选择最小的可用码本。如果所测得的SNR或者SINR大于或等于第一阈值，但小于第二阈值，则可选择下一个较大的可用码本，并且依此类推直到存在一个针对每组可能的信道状况而标识出的合适大小的码本。
一旦选择了特定大小的码本，码本矩阵选择模块41就可以从选择的码本中选择特定的预编码矩阵。可以以与选择码本大小的处理相似的方式来选择预编码矩阵。可以针对选择的码本中的每一个预编码矩阵来定义和计算某些客观标准，如最大总吞吐量。产生最高的最大总吞吐量(或者其它某个客观量度)的预编码矩阵接着可以被选择以对将要从发射机发射至接收机的符号进行预编码。
图2是例示在采用可变大小码本的MIMO无线通信系统中选择预编码矩阵的过程的流程图。第一步骤202是提供可变大小码本，该可变大小码本包括可能被用来对在MIMO无线通信系统中从无线发射机发射至无线接收机的信号进行预编码的多个预编码矩阵。如上所述，可变大小码本可以包含具有大量预编码矩阵的单个大码本，从所述大码本中，可以通过选择在该较大码本中找到的预编码矩阵的较小子集来定义较小码本。作为替代，可变大小码本可以包含不同大小码本的集合，每一个码本适用于不同的信道状况。
接下来，在框204，将可变大小码本应用至MIMO无线通信信道的过程要求测量无线通信信道的一个或多个特征。至少一个所测得的特征与码本大小和预编码矩阵选择标准相关。码本大小标准被用来确定可从中选择预编码矩阵以对MIMO无线通信系统中从发射机到接收机的无线传输进行预编码的特定码本的大小或者标识。所测得的通信信道特征例如可以包含SNR、SNIR，或者信道质量的其它某种量度。一旦已测得信道特征，处理接下来在框206要求选择最佳码本。这个步骤需要对与无线通信信道的状态相关的预先定义的码本选择标准进行评估。例如，用于选择将要从中选择预编码矩阵的码本的大小的标准可以包括比较与每个可用码本相关联的信道开销成本和相应的与每个可用码本相关联的系统吞吐量的预期增进。通常，与不同大小码本中每一个码本相关联的预期吞吐量将很大地受到所测得的通信信道状态的影响。可以选择在所测得的信道状况下以最小的信道开销额外成本提供最大预期吞吐量的码本。
一旦已选择了针对给定信道状况的最佳码本，在判断框208确定选择的码本是否是用于对前一传输进行预编码的相同码本。如果码本相同，则处理直接继续到框212，在框212选择针对所测得的信道状况的最佳预编码矩阵。如果选择的码本与用于预编码前一传输的码本不相同，则处理在框210切换至新码本，然后在框212进行从新码本中对最佳预编码矩阵的选择。
在框212，应用预先定义的矩阵选择标准以在选择的码本中确定用于在所测得的信道状况下对无线传输进行预编码的最佳预编码矩阵。最佳矩阵选择标准例如可以包含针对选择的码本中的每一个矩阵计算最大总吞吐量，并且选择在所测得的信道特征下提供最大吞吐量的矩阵。
一旦已在212选择预编码矩阵，在判断框214确定所选择的预编码矩阵是否是用来预编码前一传输的相同预编码矩阵。如果是，则处理直接继续到框218，在框218标识选择的码本和选择的预编码矩阵的索引被反馈至发射机从而发射机可以访问所标识的码本和所标识的码本内所标识的预编码矩阵以对MIMO无线通信系统中将要从发射机发送至接收机的无线传输进行预编码。然而，如果判断框214确定所选择的预编码矩阵与前一传输中使用的预编码矩阵不相同，则处理在框216切换至新预编码矩阵，然后在框218进行所选择的码本和所选择的矩阵的标识向发射机的反馈。
一旦已经选择了所选择的码本和预编码矩阵并将它们的标识反馈至发射机以预编码下一无线传输，处理在框220等待下一个报告周期。该过程可以适于按照预先定义的速率，或者在预先定义的时间之后、在某一数量的传输之后或基于其它某种标准，再评估信道状况并选择码本和预编码矩阵。在任何情况下，在下一个报告周期的开始，处理返回至框202并且重复。
如上所述的可变大小码本技术可以被用于任何类型的无线通信系统，所述无线通信系统例如包括无线计算机系统中使用的，如经由无线局域网(WLAN)或者广域无线网络(例如，WiMax)、互联网、基于有线和卫星的通信系统(如互联网、数据、视频和语音通信系统)、无线电话系统(包括蜂窝电话系统、因特网语音协议(VoIP)系统、基于家庭的无线电话系统等)实现的那些系统。现在参考图3A-3H，示出了本发明的各种示例性实现方式。
现在参考图3A，可变大小码本可以用在高清晰度电视(HDTV)420中，该HDTV 420可以包括HDTV 420的信号处理和/或控制电路、WLAN网络接口429和/或海量数据存储装置427，所述信号处理和/或控制电路在图3C中总体被标识为422。HDTV 420接收有线或者无线格式的HDTV输入信号并且用于显示器426的HDTV输出信号。在一些实现方式中，HDTV 420的信号处理电路和/或控制电路422和/或其它电路(未示出)可以处理数据、执行编码和/或加密、执行计算、格式化数据和/或执行可能需要的其它任何类型的HDTV处理。可变大小码本技术例如可以用在信号处理电路和/或控制电路422和/或WLAN网络接口429中。
HDTV 420可以与以非易失性方式存储数据的海量数据存储装置427通信，所述海量数据存储装置427例如是光和/或磁存储设备，如硬盘驱动器(HDD)或者数字通用光盘(DVD)驱动器。HDD可以是包括一个或多个具有小于大约1.8”的直径的盘片的迷你HDD。HDTV 420可以连接至存储器428，如RAM、ROM、诸如闪存之类的低延迟非易失性存储器和/或其它合适的电子数据存储装置。HDTV 420还可以支持经由可以实现上述波束形成技术的WLAN网络接口429的与WLAN的连接。
现在参考图3B，本发明可以与具有WLAN网络接口448和/或海量数据存储装置446的汽车430的控制系统结合使用。在一些实现方式中，本发明可以用在动力系控制系统432中，所述动力系控制系统432从一个或多个传感器如温度传感器、压力传感器、旋转传感器、空气流量传感器和/或其它任何合适的传感器接收输入，和/或生成一个或多个输出控制信号如引擎工作参数、传动工作参数、制动参数和/或其它控制信号。
可变大小码本技术还可以用在汽车430的其它控制系统440中。控制系统440可以同样地接收来自输入传感器442的信号和/或输出控制信号至一个或多个输出设备444。在一些实现方式中，控制系统440可以是防抱死制动系统(ABS)、导航系统、电信息通信系统、车载电信息通信系统、车道偏离系统、自适应巡航系统、诸如立体声、DVD、紧致盘等的车载娱乐系统的一部分。还想到了其它实现方式。
动力系控制系统432可以与以非易失性方式存储数据的海量数据存储装置446通信。海量数据存储装置446可以包括光和/或磁存储设备，例如硬盘驱动器(HDD)和/或DVD驱动器。HDD可以是包括一个或多个具有小于大约1.8”的直径的盘片的迷你HDD。动力系控制系统432可以连接至存储器447，存储器447例如是RAM、ROM、诸如闪存之类的低延迟非易失性存储器和/或其它合适的电子数据存储装置。动力系控制系统432还可以支持经由可以实现上述波束形成技术的WLAN网络接口448的与WLAN的连接。控制系统440还可以包括海量数据存储装置、存储器和/或WLAN网络接口(都未示出)。可变大小码本技术可以用在动力系控制系统的WLAN网络接口448和/或控制系统440的WLAN网络接口中。
现在参考图3C，可变大小码本技术可以包含在蜂窝电话450中，该蜂窝电话450可以包括蜂窝电话450的一个或多个蜂窝天线451、信号处理和/或控制电路，WLAN网络接口468和/或海量数据存储装置464，所述信号处理和/或控制电路在图3C中总体被标识为452。在一些实现方式中，蜂窝电话450包括麦克风456、诸如扬声器和/或音频输出插孔之类的音频输出458、显示器460和/或诸如小键盘、点选装置、语音驱动和/或其它输入设备之类的输入设备462。蜂窝电话450的信号处理和/或控制电路452和/或其它电路(未示出)可以处理数据、执行编码和/或加密、执行计算、格式化数据和/或执行其它蜂窝电话功能。
蜂窝电话450可以与以非易失性方式存储数据的海量数据存储装置464通信，所述海量数据存储装置464例如是光和/或磁存储设备，例如硬盘驱动器(HDD)和/或DVD驱动器。HDD可以是包括一个或多个具有小于大约1.8”的直径的盘片的迷你HDD。蜂窝电话450可以连接至存储器466，所述存储器466例如是RAM、ROM、诸如闪存之类的低延迟非易失性存储器和/或其它合适的电子数据存储装置。蜂窝电话450还可以支持经由WLAN网络接口468的与WLAN的连接。可变大小码本技术可以用在WLAN网络接口468和/或信号处理和/或控制电路452中。
现在参考图3D，可变大小码本技术可以包含在机顶盒480中，该机顶盒480可以包括机顶盒480的信号处理和/或控制电路，WLAN网络接口496和/或海量数据存储装置490，所述信号处理和/或控制电路在图3D中总体被标识为484。机顶盒480从诸如宽带源之类的源接收信号并且输出适合显示器488的标准和/或高清晰度音频/视频信号，所述显示器488例如是电视和/或监视器和/或其它视频和/或音频输出设备。机顶盒480的信号处理和/或控制电路484和/或其它电路(未示出)可以处理数据、执行编码和/或加密、执行计算、格式化数据和/或执行其它任何机顶盒功能。
机顶盒480可以与以非易失性方式存储数据的海量数据存储装置490通信。海量数据存储装置490可以包括光和/或磁存储设备，例如硬盘驱动器(HDD)和/或DVD驱动器。HDD可以是包括一个或多个具有小于大约1.8”的直径的盘片的迷你HDD。机顶盒480可以连接至存储器494，所述存储器494例如是RAM、ROM、诸如闪存之类的低延迟非易失性存储器和/或其它合适的电子数据存储装置。机顶盒480还可以支持经由可以实现本申请所述波束形成技术的WLAN网络接口496的与WLAN的连接。可变大小码本技术可以用在信号处理和/或控制电路484和/或WLAN网络接口496中。
现在参考图3E，可变大小码本技术可以包含在媒体播放器500中。可变大小码本技术可以实现在媒体播放器500的信号处理和/或控制电路，WLAN网络接口516和/或海量数据存储装置510中，所述信号处理和/或控制电路在图3E中总体被标识为504。在一些实现方式中，媒体播放器500包括显示器507和/或用户输入508，所述用户输入508例如是小键盘、触摸屏及其类似物。在一些实现方式中，媒体播放器500还可采用通常使用通过显示器507和/或用户输入508的菜单、下拉菜单、图标和/或点击界面的图形用户界面(GUI)。媒体播放器500还包括音频输出509，如扬声器和/或音频输出插孔。媒体播放器500的信号处理和/或控制电路504和/或其它电路(未示出)可以处理数据、执行编码和/或加密、执行计算、格式化数据和/或执行其它任何媒体播放器功能。
媒体播放器500可以与以非易失性方式存储诸如压缩的音频和/或视频内容之类的数据的海量数据存储装置510通信。在一些实现方式中，压缩的音频文件包括符合MP3格式或者其它合适的压缩音频和/或视频格式的文件。海量数据存储装置可以包括光和/或磁存储设备，例如硬盘驱动器(HDD)和/或DVD驱动器。HDD可以是包括一个或多个具有小于大约1.8”的直径的盘片的迷你HDD。媒体播放器500可以连接至存储器514，所述存储器514例如是RAM、ROM、诸如闪存之类的低延迟非易失性存储器和/或其它合适的电子数据存储装置。媒体播放器500还可以支持经由可以实现本申请所述波束形成技术的WLAN网络接口516的与WLAN的连接。还想到了除了上述那些实现方式之外的其它实现方式。
参考图3F，可变大小码本技术可以包含在因特网语音协议(VoIP)电话600中，该VoIP电话600可以包括VoIP电话600的一个或多个天线618、信号处理和/或控制电路，以及无线接口和/或海量数据存储装置602，所述信号处理和/或控制电路在图3F中总体被标识为604。在一些实现方式中，VoIP电话600部分地包括麦克风610、诸如扬声器和/或音频输出插孔之类的音频输出612、显示监视器614、诸如小键盘、点选装置、语音驱动和/或其它输入设备的输入设备616，和无线高保真(Wi-Fi)通信模块608。VoIP电话600中的信号处理和/或控制电路604和/或其它电路(未示出)可以处理数据、执行编码和/或加密、执行计算、格式化数据和/或执行其它VoIP电话功能。
VoIP电话600可以与以非易失性方式存储数据的海量数据存储装置602通信，所述海量数据存储装置602例如是光和/或磁存储设备，例如硬盘驱动器(HDD)和/或DVD驱动器。HDD可以是包括一个或多个具有小于大约1.8”的直径的盘片的迷你HDD。VoIP电话600可以连接至存储器606，该存储器606可以是RAM、ROM、诸如闪存之类的低延迟非易失性存储器和/或其它合适的电子数据存储装置。VoIP电话600还被构造成经由可以实现本申请所述波束形成技术的Wi-Fi通信模块608建立与VoIP网络(未示出)的通信链路。可变大小码本技术可以用在信号处理和/或控制电路604和/或Wi-Fi通信模块608中。
此外，尽管已参考特定示例描述本发明，但其目的仅仅是示例而不是对本发明的限制，在不脱离本发明的实质和范围的前提下可以对公开的实施例做出改变、添加和/或删减。例如，上述方法的一个或多个步骤可以以不同的顺序或者并行地被执行以获得期望的结果。

Claims (25)

1.一种无线传输系统，包含：
基站，所述基站适于发射无线信号；
与所述基站相关联的存储器，所述存储器存储可变大小码本，所述可变大小码本包括第一组多个用于对所述无线信号进行预编码的预编码矩阵；
终端，所述终端适于接收无线信号；
与所述终端相关联的信道状态测量电路，所述信道状态测量电路被构造成测量所述基站和所述终端之间的无线通信信道的传输状况；
与所述终端相关联的反馈发射机，所述反馈发射机用于从所述终端向所述基站无线发射关于所述无线通信信道的传输状况的信道状态信息；以及
与所述基站相关联的反馈接收机，所述反馈接收机用于接收从所述终端发射的所述信道状态信息，
其中，所述基站基于所述信道状态信息而选择码本大小，并从具有所选择的码本大小的码本中选择预编码矩阵以对将要从所述基站发射的无线信号进行预编码。
2.根据权利要求1所述的无线传输系统，其中所述可变大小码本包含第二组多个预编码矩阵，所述第二组多个预编码矩阵包含包括在所述可变大小码本中的所述第一组多个预编码矩阵的子集。
3.根据权利要求1所述的无线传输系统，其中所述可变大小码本包含多个包括不同数目的预编码矩阵的固定大小码本。
4.根据权利要求1所述的无线传输系统，其中由所述信道状态测量电路测量的所述信道状态信息包含信号与干扰加噪声比(SINR)。
5.根据权利要求1所述的无线传输系统，其中所述信道状态信息包含码本索引，所述码本索引标识码本大小和将要用来对发射至接收机的无线发射信号进行预编码的预编码矩阵。
6.一种多入多出(MIMO)无线通信系统，包含：
基站，所述基站适于发射多个无线数据流，所述基站包括存储器，所述存储器存储用于对所述数据流进行预编码的可变大小码本；
终端，所述终端适于经由多个接收天线接收包括由所述基站发射的所述多个数据流中至少一个数据流的无线传输，所述终端包括用于测量所述基站和所述终端之间建立的无线通信信道的信道状态信息的信道状态测量模块，以及用于无线发射与所述信道状态信息对应的反馈信号的反馈发射器；
所述基站还包括用于接收从所述终端发射的所述反馈信号的反馈接收器，其中，所述基站适于基于由所述反馈接收器接收的所述信道状态信息而选择码本大小。
7.根据权利要求6所述的MIMO无线通信系统，其中所述反馈信号包含码本标识符，并且其中，所述基站基于所述码本标识符而选择具有所选择的码本大小的码本。
8.根据权利要求7所述的MIMO无线通信系统，其中所述反馈信号还包含矩阵标识符，所述基站依照所述矩阵标识符选择具有所述所选择的码本大小的所选择的码本内的预编码矩阵以预编码所述数据流。
9.根据权利要求6所述的MIMO无线通信系统，其中所述信道状态测量模块适于测量所述基站和所述终端之间建立的所述无线通信信道的信号与干扰加噪声比(SINR)。
10.根据权利要求6所述的MIMO无线通信系统，其中所述基站或者所述终端中的一个还适于针对多个不同码本大小通过测量与特定码本大小相关联的传输开销量和与所述特定码本大小相关联的可获得的最大吞吐量的比率来选择码本大小，以及选择具有最低比率的码本大小。
11.一种对无线传输信号进行预编码的方法，所述方法包含：
测量无线通信信道的特征；
基于测量的所述无线通信信道的特征而选择码本大小；以及
通过使用包括在具有所选择的大小的码本中的预编码矩阵对所述无线传输信号进行预编码。
12.根据权利要求11所述的方法，还包含提供具有多个预编码矩阵的固定大小码本，以及从所述固定大小码本的预编码矩阵的子集创建具有所选择的码本大小的码本。
13.根据权利要求11所述的方法，还包含提供多个具有不同大小的固定大小码本。
14.根据权利要求11所述的方法，还包含基于所述测量的所述无线通信信道的特征而形成码本大小选择标准。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述码本大小选择标准包含针对多个码本大小计算在所述测量的通信信道特征下由具有特定大小的码本所消耗的通信信道开销与预期通过使用具有所述特定大小的码本而获得的信道吞吐量的比率，并且选择比率最小的码本大小。
16.根据权利要求11所述的方法，还包含基于矩阵选择标准而从具有所选择的码本大小的码本中选择最佳矩阵。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述矩阵选择标准包含针对具有所选择的大小的码本中的预编码矩阵而计算最大总吞吐量，并且选择具有最高的最大总吞吐量的矩阵。
18.根据权利要求16所述的方法，还包含从接收机向发射机反馈所选择的码本大小索引和所选择的矩阵索引，从而所述发射机通过使用从具有所选择的码本大小的码本中选择的矩阵，对向所述接收机的无线传输进行预编码。
19.根据权利要求11所述的方法，其中测量无线通信信道的特征包含测量信号与干扰加噪声比(SINR)。
20.一种无线发射机，包含：
存储器，所述存储器存储一个或多个预编码码本；
反馈接收器，所述反馈接收器用于接收信道状态信息；
码本选择器，所述码本选择器适于基于接收的信道状态信息而选择码本大小；以及
传输信号预编码器，所述传输信号预编码器适于使用来自具有所选择的大小的码本的预编码矩阵对无线传输信号进行预编码。
21.根据权利要求20所述的无线发射机，其中由所述反馈接收器接收的所述信道状态信息包含码本大小索引，所述码本大小索引基于测量的无线通信信道特征而标识适当大小的码本。
22.根据权利要求21所述的无线发射机，其中由所述反馈接收器接收的所述信道状态信息还包含矩阵索引，所述矩阵索引基于所述测量的无线通信信道特征而标识所述适当大小的码本内用于对所述无线传输信号进行预编码的矩阵。
23.一种无线接收机，包含：
信道状态信息测量电路；
码本大小选择器，所述码本大小选择器用于基于由所述信道状态测量电路测量的信道状态信息而选择码本大小，所述码本包括用于对将要发送至所述接收机的信号进行预编码的预编码矩阵；以及
反馈发射器，所述反馈发射器用于将所述码本大小发射至无线发射机，
其中所述无线发射机使用包括在具有所选择的大小的码本中的预编码矩阵，对去往所述接收机的无线传输进行预编码。
24.根据权利要求23所述的无线接收机，其中所述反馈接收机被构造成基于所述测量的信道状态信息而将矩阵标识符和所述码本大小一起发射，所述矩阵标识符用于标识所述具有所选择的大小的码本内用于对从所述发射机到所述接收机的无线传输进行预编码的最佳预编码矩阵。
25.根据权利要求23所述的接收机，其中所述信道状态信息测量电路测量由所述接收机接收的无线传输的信号与干扰加噪声比。
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