CN101697509A - 用于mimo系统的速率自适应传输方案 - Google Patents

Abstract

用于MIMO系统的速率自适应传输方案可以发射可变数量的数据符号流，其为每个数据符号流提供发射分集，并且充分利用系统的总发射功率和每个天线的全部功率。在一种方法中，至少一个数据符号流被接收，用于从多个天线的传输。以相应的权重来调节每个数据符号流，所述权重对应于分配给所述流的发射功率的数量。所调节的数据符号流(诸数据符号流)乘以发射基础矩阵，以提供多个发射符号流用于所述多个天线。所述发射基础矩阵(例如，沃尔什-哈达玛矩阵或者DFT矩阵)这样被定义，以使得从所有天线发射每个数据符号流，并且以(或者接近于)可用于相关天线的全部功率来发射每个发射符号流。

Description

用于MIMO系统的速率自适应传输方案

本申请是申请日为2003年10月14日，发明名称为“用于MIMO系统的速率自适应传输方案”的第200380100757.8号(PCT/US2003/032773)专利申请的分案申请。

本申请要求美国临时申请60/419,319的在先权利，其标题为“MIMO Signaling Schemes for Rate Adaptive Systems”，申请日为2002年10月16日，其被转让给本申请的受让人，并且在此全部引入作为参考。

技术领域

本发明一般涉及数据通信，并且具体涉及用于多输入多输出(MIMO)通信系统的速率自适应传输方案。

背景技术

MIMO系统采用多个(N_T)发射天线和多个(N_R)接收天线用于数据传输。由所述N_T个发射天线和N_R个接收天线所形成的MIMO信道可以被分解为N_S个独立的信道，其中N_S≤min{N_T，N_R}。所述N_S个独立信道中的每一个信道都对应于一个维度。如果由所述多发射和多接收天线所生成的附加维度被使用，则所述MIMO系统可以提供改进的性能(例如，更大的吞吐量和/或更高的可靠性)。

在无线通信系统中，待被发射的数据通常被处理(例如，被编码或者被调制)以提供数据符号。对于MIMO系统，一个或者多个数据符号流可以从发射器被发送到接收器。使用空间复用，多个数据符号流可以从多个发射天线并行地被发射，其中所述空间复用利用MIMO信道的附加维度。为了获得大吞吐量，理想的是并行地发射尽可能多的数据符号流。然而，可以被发射的数据符号流的数目以及可以用于所述数据符号流的速率通常是取决于信道条件的。现在可以获得用于空间复用的多种传输方案，包括：(1)“天线复用”方案，其从每个天线发射一个数据符号流，以及(2)“本征模式(eigenmode)复用”方案，其在MIMO信道中的每个独立信道上发射一个数据符号流。

可选择地，可以使用发射分集从多个发射天线发射单个数据符号流，以便提高数据传输的可靠性。通过使用多个发射天线和多个接收天线来实现分集，以提供多个传播通道用于所述数据符号流。如果期望有较高的可靠性，或者如果信道条件太差以至于最好使用所有可用的发射功率用于一个数据符号系统，则发射分集可以被使用。目前可以获得多种用于发射分集的传输方案，包括：(1)由S.M.Alamouti在论文中所描述的“空时分集(space-time diversity)”方案，所述论文的标题为“A Simple Transmit Diversity Technique for WirelessCommunications”IEEE JSAC，Oct.1998，以及(2)由B.Raghothaman等在论文中所描述的“延迟分集(delay diversity)”方案，所述论文的标题为“Performance of Closed Loop Transmit Diversty with FeedbackDelay”Thirty-Fourth Asilomar Conference on Signals，Systems andComputers，2000。

为了获得高性能，MIMO系统可以被设计成支持一种或多种用于空间复用的传输方案以及一种或多种用于发射分集的传输方案。对于所述MIMO系统，在任何指定的传输间隙，根据信道条件以及期望的结果(例如，更大的吞吐量或者更高的可靠性)可以选择特定的传输方案来使用。然而，用于空间复用的传统的传输方案在设计上常常与用于发射分集的传统的传输方案有着很大的不同。因此，如果所述系统中的发射器和接收器需要支持多种(并且不同的)用于空间复用和发射分集的传输方案，那么其复杂度将被大大地增加。此外，为了获得高性能，理想的是：充分地利用可用于所述系统的总发射功率，以及充分地利用可用于所述N_T个发射天线的每个的全部功率，以用于数据传输，而不管所发射的数据符号流的数量。

因此，在技术上需要这样的传输方案，所述传输方案能够支持空间复用，提供发射分集，并且充分利用MIMO系统中的可用发射功率。

发明内容

这里提供一种速率自适应传输方案，所述速率自适应传输方案支持空间复用并且为MIMO系统提供发射分集。所述速率自适应传输方案具有多个理想的特征，包括：(1)支持可变数量的数据符号流的传输，从而使其适合用在速率自适应系统中，(2)为每个数据符号流提供发射分集，以及(3)允许可用于每个发射天线的全部功率被用于数据传输，而不管被发射的数据符号流的数量，从而使其功率有效率。所述速率自适应传输方案非常适合用于单载波MIMO系统，并且也可以用于多载波MIMO系统。

在实施例中，提供了用于处理数据以在MIMO系统中传输的方法。根据所述方法，至少一个数据符号流被接收，用于从多个发射天线的传输。以相应的权重来调节(scale)每个数据符号流，所述权重对应于分配给所述数据符号流的发射功率的数量。被分配给所述至少一个数据符号流的发射功率的总量小于或者等于可用于所述系统的总发射功率。然后，所调节的数据符号流(诸数据符号流)乘以发射基础矩阵，以提供多个发射符号流，一个发射符号流用于一个发射天线。

所述发射基础矩阵这样被定义，以使得(1)从所述多个发射天线发射每个数据符号流，并且(2)以(或者接近于)可用于相关天线的全部功率来发射每个发射符号流。所述发射基础矩阵可以是沃尔什-哈达玛(Walsh-Hadamard)矩阵、离散傅立叶变换(discrete Fouriertransform)(DFT)矩阵，或某种其它的矩阵。

下面更详细地描述本发明的各个方面以及实施例。

附图说明

结合附图，根据下面提出的详细描述，本发明的特征、特性以及优点将变得更加明显，其中相同的参考标记始终相应地保持一致，并且其中：

图1示出了处理的流程图，所述处理用于使用所述速率自适应传输方案从N_T个天线发射N_D个数据符号流；

图2示出了在MIMO系统中的发射器系统和接收器系统的框图；

图3示出了在用于所述速率自适应传输方案的发射器系统和接收器系统的空间处理；以及

图4示出了所述发射器系统中的发射(TX)空间处理器的框图。

具体实施方式

这里描述用于MIMO系统的速率自适应传输方案。对于多载波MIMO系统，所述传输方案可以被用于多个载波中的每个，所述载波可以被用于数据传输。为清晰起见，下面关于单载波MIMO系统来描述所述速率自适应传输方案。

对于单载波MIMO系统，由N_T个发射天线和N_R个接收天线所形成的MIMO信道可以被分解为N_S个独立的信道，其中N_S≤min{N_T，N_R}。独立信道的数目是由用于所述MIMO信道的本征模式的数目所确定的，所述MIMO信道又取决于信道响应矩阵H，所述信道响应矩阵H描述所述N_T个发射天线和N_R个接收天线之间响应。为了简单起见，下面的描述假设：N_T≤N_R，并且所述信道响应矩阵H是满秩的(即，N_S＝N_T≤N_R)。基于这些假设，对于每个符号周期，从所述N_T个发射天线可以并行地发射多达N_T的符号。

用于单载波MIMO系统的模型可以被表示为：

y＝Hx+n，公式(1)

其中，x是{N_T×1}的“数据”向量，其中，对于将从所述N_T个发射天线所发射的数据符号有N_T个项；

y是{N_R×1}的“数据”向量，其中，对于通过所述N_R个接收天线所接收的符号有N_R个项；

H是所述{N_R×N_T}的信道响应矩阵；并且

n是加性高斯白噪声(AWGN)的向量。

所述数据向量x假设是这样的，即，E[xx ^H]＝I，其中E是期望运算，“H”是共轭转置，而I是单位矩阵，其中沿对角线为1，而其它地方为0。所述向量n假设具有均值零，以及协方差矩阵Λ _n＝σ² I，其中σ²是所述噪声的方差。

在典型的系统中，有对于下述值的约束：(1)可以用于所有N_T个发射天线的总发射功率，P_tot，以及(2)用于每个发射天线的最大功率或者全部功率，P_ant。通常，所述每个天线的功率P_ant如下给出：P_ant＝P_tot/N_T。这些约束可能由下列原因引起：(1)用于驱动每个发射天线的功率放大器的限制，(2)常规要求(regulatory requirements)，以及(3)可能的其它因素。于是，用于具有所述功率约束的MIMO系统的模型可以被表示为：

$\underset{\‾}{y}=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{tot}}}{N_T}}\underset{\‾}{\mathrm{Hx}}+\underset{\‾}{n},$ 公式(2)

其中，

是换算(scaling)因子，其说明总功率约束和每个天线的功率约束。

在一个传统的传输方案中，使用天线复用，N_D个数据符号流同时从所述N_T个发射天线中被发射，其中N_D可以是从1到N_T的任何整数(即，N_T≥N_D≥1)。对于所述传统的传输方案，在任何指定的信号周期，N_D个数据符号同时从N_D个天线被发射，而(N_T-N_D)个剩余的天线未被使用。如果总发射功率和每个天线的功率如面所描述的那样而被限制，那么在使用少于N_T个天线用于数据传输的情况下，即在N_D＜N_T的情况下，所述传输方案将呈现出功率损失。由于每个天线的功率约束，当N_D＜N_T时，总发射功率P_tot中的更多功率不能被分配给用于数据传输的所述N_D个天线。此外，如果所述N_D个数据符号流是冗余的(即，相同的)流，那么在接收器就存在取消所述流的风险。

发射的数据符号流的具体数量取决于多种因素，例如，信道条件、发射的数据量等等。如上所述，不同的独立信道可能经历不同的信道条件并且取得不同的信噪比(SNR)。对于等级差的MIMO系统，优选的策略是发射少于N_T的数据符号流，而却将更多的总发射功率P_tot分配给获得较高SNR的数据符号流。但是，对于上面所描述的天线复用传输方案，由于每个天线的功率约束，所以，不能实现总发射功率的优选分配，其中通过所述天线复用传输方案每个数据符号流从一个天线被发射。因此，将会出现一些系统性能的损失。

这里所描述的速率自适应传输方案支持空间复用，提供发射分集，并且具有以下有益特征：

-使用所述发射和接收空间处理，在保持关键特性的同时，支持可变数量的数据符号流的传输(从1个到N_T个)。

-通过从所有N_T个发射天线的传输，比用于单个数据符号流的空时分集方案提供更好的性能。

-允许N_T个发射天线中的每个的全部功率P_ant用于数据传输，而不管被发射的数据符号流的数目，由此，当少于N_T的数据符号流被发射时，就无功率损失而言，使得其功率有效率。

-允许在被发射的数据符号流中灵活地分配总发射功率P_tot。

下面更详细地描述所述速率自适应传输方案及其有益特征。

用于单载波MIMO系统并且可用于所述速率自适应传输方案的一般模型可以被表示为：

$\underset{\‾}{y}=\underset{\‾}{\mathrm{HM\Λx}}+\underset{\‾}{n}={\underset{\‾}{H}}_{\mathrm{eff}}\underset{\‾}{\mathrm{\Λ}}\underset{\‾}{x}+\underset{\‾}{n}=\underset{\‾}{H\tilde{x}}+\underset{\‾}{n}$ 公式(3)

其中M是{N_T×N_T}的发射基础矩阵，其是归一化的矩阵；

Λ是{N_T×N_T}的对角矩阵；

是{N_T×1}的“发射”向量，其中对于从N_T个发射天线所发射的N_T个发射符号有N_T个项；并且

H _eff是“有效”信道响应矩阵，其被定义为H _eff＝HM。

归一化的矩阵U的特征在于U ^H U＝I，这表示：所述归一化矩阵的每一列都所述矩阵的所有其它列相正交，并且所述归一化矩阵的每一行也都与其它行相正交。对角矩阵Λ包括沿着对角线的非负实数值以及其它各处的零。所述对角线上的项指示被分配给所发射的N_D个数据符号流的发射功率的数量。

如下面更详细地描述的那样，对角矩阵Λ可以被用于将不同的发射功率分配所述N_D个数据符号流，而同时符合P_tot的总发射功率约束。发射基础矩阵M允许每个数据符号流从N_T个发射天线被发射，并且还允许每个发射天线的全部功率都被用于数据传输。

根据公式(3)，发射向量

可以被表示为：

$\underset{\‾}{\overset{~}{x}}=\underset{\‾}{M}\underset{\‾}{\mathrm{\Λ}}\underset{\‾}{x}$ 公式(4)

用于第k个发射天线的发射符号

(即，发射向量

的第k个元素)可以被表示为：

${\tilde{x}}_k=\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{k,i}\·{\mathrm{\λ}}_{i,i}\·x_i,$ 对于k∈K，公式(5)

其中，M_k，i是发射基础矩阵M的第k行第i列的元素；

λ_i，i是矩阵Λ的第i个对角线元素；

x_i是数据向量x的第i个元素；

是发射向量

的第k个元素；以及

K是所有发射天线的集合(即，K＝{1，2，...，N_T})。

公式(3)表示所述一般的模型，其涵盖了公式(1)和公式(2)。这是通过适当地定义发射基础矩阵M和对角矩阵Λ而实现的。例如，通过(1)定义发射基础矩阵M为 $\underset{\‾}{M}=\{{\underset{\‾}{m}}_1{\underset{\‾}{m}}_2...{\underset{\‾}{m}}_{N_T}\},$ 其中，m _i是用于M的第i列的{N_T×1}的“索引”向量，并且其被定义为在第i个位置为“1”而在其它位置均为“0”，并且通过(2)定义对角矩阵Λ为 $\underset{\‾}{\mathrm{\Λ}}=\sqrt{P_{\mathrm{tot}}/N_T}\underset{\‾}{I},$ 可以使公式(3)等于公式(2)。然而，如下面所描述的那样，通过以某种其它的方式来定义所述发射基础矩阵M和对角矩阵Λ可以获得其它的有益特征。

对于下面的分析，假设有任意的发射基础矩阵M和任意的对角矩阵Λ，所述对角矩阵Λ具有非负的对角线项。用于向量x的发射功率等于Λ的对角线元素的平方的和。于是，总发射功率约束可以被表示为：

trace(Λ ²)≤P_tot    公式(6)

根据公式(5)，用于N_T个发射天线中的每个的发射功率可以被表示为：

$E[{\tilde{x}}_k\·{\tilde{x}}_k^{*}]=\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{\left|M_{k,i}\right|}^2\·{\mathrm{\λ}}_{i,i}^2,$ 对于k∈K，公式(7)

其中，“^*”表示共轭复数。于是，每个天线的功率约束可以被表示为：

$\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{\left|M_{k,i}\right|}^2\·{\mathrm{\λ}}_{i,i}^2\≤P_{\mathrm{ant}}=\frac{P_{\mathrm{tot}}}{N_T},$ 对于k∈K   公式(8)

由于如公式(6)中所示trace(Λ ²)≤P_tot，因此，公式(8)中的每个天线的功率约束可以通过满秩矩阵M来满足，所述矩阵M的元素满足下列条件：

${\left|M_{k,i}\right|}^2=\frac{1}{N_T},$ 对于i∈K并且k∈K   公式(9)

公式(9)表明有效矩阵M的元素具有等于

的量值。公式(9)给出了满足每个天线的功率约束所需的充分条件(但并非必要条件)。

所述矩阵M可以通过各种方式来定义，而满足每个天线的功率限制。在一个实施例中，矩阵M被定义为：

$\underset{\‾}{M}=\frac{1}{\sqrt{N_T}}\underset{\‾}{W},$ 公式(10)

其中，W是沃尔什-哈达玛矩阵。如说明的那样，对于N_T＝4，沃尔什-哈达玛矩阵W _4×4可以表示为：

${\underset{\‾}{W}}_{4\×4}=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& 1& -1& -1\\ 1& -1& -1& 1\end{array}\right]$ 公式(11)

更大的沃尔什-哈达玛矩阵W _2N×2N可以被定义为：

${\underset{\‾}{W}}_{2N\×2N}=\left[\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{W}}_{N\×N}& {\underset{\‾}{W}}_{N\×N}\\ {\underset{\‾}{W}}_{N\×N}& -{\underset{\‾}{W}}_{N\×N}\end{array}\right]$ 公式(12)

在其它实施例中，矩阵M可以被定义为：

$\underset{\‾}{M}=\frac{1}{\sqrt{N_T}}\underset{\‾}{Q},$ 公式(13)

其中，Q是离散傅立叶变换(DFT)矩阵。如说明的那样，对于N_T＝4，DFT矩阵Q _4×4可以被表示为：

${\underset{\‾}{Q}}_{4\×4}=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& e^{-j2\mathrm{\π}/4}& e^{-j4\mathrm{\π}/4}& e^{-j6\mathrm{\π}/4}\\ 1& e^{-j4\mathrm{\π}/4}& e^{-j8\mathrm{\π}/4}& e^{-j12\mathrm{\π}/4}\\ 1& e^{-j6\mathrm{\π}/4}& e^{-j12\mathrm{\π}/4}& e^{-j18\mathrm{\π}/4}\end{array}\right]$ 公式(14)

一般来说，N×N的DFT矩阵Q _N×N可以这样的被定义，即，第(k，i)个项q_k，i ^N被给定为：

$q_{k,i}^N=e^{-j2\mathrm{\π}\frac{(k-1)(i-1)}{N}},$ 对于k＝{1...N}并且i＝{1...N}  公式(15)

其中，对于矩阵Q _N×N，k是行标而i是列标。还可以通过各种其它的矩阵来定义矩阵M，并且这是在本发明的范围之内的。

通过使用适当的发射基础矩阵M和适当的对角矩阵Λ，总发射功率约束与每个天线的功率约束都可以被满足。具体来说，通过定义Λ的对角线元素以便满足公式(6)，总发射功率约束可以被满足。通过定义M的元素以便满足公式(9)，每个天线的功率约束可以被满足。Λ中的每个对角线元素λ_i，i指示用于相关数据符号流x_i的发射功率的数量。由于除了 ${\mathrm{\λ}}_{i,i}^2\≤P_{\mathrm{tot}}$ 之外，对Λ的单个对角线元素的值没有任何限制，因此，可以通过各种方式将总发射功率P_tot分配给所述N_D个数据符号流，而同时仍旧满足总发射功率约束和每个天线的功率约束。于是，在N_D个数据符号流中分配可用发射功率的过程中，这提供了极大的方便。

所述速率自适应传输方案可以被用于发射任何数量的数据符号流(即，N_D可以是从1到N_T的任何值)。发射器执行如公式(4)所示的空间处理，而不管被发射的数据符号流的数量。数据向量x包括用于所述N_D个数据符号流的N_D个非零项以及N_T-N_D个零项。所述N_D个数据符号流的每个都与所述矩阵Λ的相应非零对角线元素相关联。还使用发射基础矩阵M的相应的行来处理所述N_D个数据符号流中的每个，用于在相应空间信道上的传输，所述空间信道是由所述有效信道响应矩阵H _eff的特定列或者本征向量所定义的。

可以看出，本速率自适应传输方案能够在传统发射分集方案之上提供改进的性能。例如，由S.M.Alamouti所描述的空时分集通常被用于从单对发射天线发射单个数据符号流以实现发射分集。然而，可以看出，本速率自适应传输方案可以提供改进的性能，用于单个数据符号流的传输。用于数据符号流的接收SNR，SNR_ra，可以如下面的公式而被表示，其中所述数据符号流是使用本速率自适应传输方案以H _eff的最佳列所发射的，所述公式如下：

SNR_ra∝max_i{(‖h _eff，i‖²)·P_tot}，  公式(16)

其中，“∝”表示成比例的关系；并且

‖h _eff，i‖²是h _eff，i的二阶范数，h _eff，i是有效信道响应矩阵H _eff的第i列或本征向量。

公式(16)表示：使用本速率自适应传输方案的单个最佳数据符号流的SNR与H _eff的最佳本征向量的二阶范数成比例。为了得到公式(16)的SNR，接收器需要返回指示H _eff的最佳列的信息，用于由发射器的使用。

用于单个数据符号流的接收SNR，SNR_st，可以如下面的公式而被表示，其中所述单个数据符号流是使用空时分集方案所发射的，所述公式如下：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{st}}\∝\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}\left({\left|\right|{\underset{\‾}{h}}_{\mathrm{eff},i}\left|\right|}^2\right)\·\frac{P_{\mathrm{tot}}}{N_T}$ 公式(17)

公式(17)表示：使用所述空时分集方案的单个数据符号流的SNR与H _eff的N_T个本征向量的二阶范数的平均值成比例。公式(16)与(17)都假设以全速率进行传输(即，没有任何速率损失)。然而，由于空时分集方案仅使用两个天线用于发射单个数据符号流，因此，如果N_T＞2，则会有速率损失。

众所周知，下面的表达式总是成立的：

${\max }_i\left\{{\left|\right|{\underset{\‾}{h}}_{\mathrm{eff},i}\left|\right|}^2\right\}\≥\frac{1}{N_T}\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|{\underset{\‾}{h}}_{\mathrm{eff},i}\left|\right|}^2,$ 公式(18a)

由此，

SNR_ra≥SNR_st    公式(18b)

公式(18a)和(18b)表示：与空时分集方案相比，本速率自适应传输方案可以提供相同的性能或者更高的性能。此外，由于数据符号流是从所有N_T个天线所发射的，因此，本速率自适应传输方案可以提供更大的发射分集。相反，空时分集方案仅从一对发射天线上发射单个数据符号流。对于空时分集方案来说，在多对天线上传输单个数据符号流是有可能的，但是，其可能会导致速率损失或者某种其它性能损失。

需要注意的是，不论所发射的数据符号流的数量，通过本速率自适应传输方案的发射基础矩阵M的使用允许充分地利用总发射功率P_tot和每个天线的功率P_ant用于数据传输。如果不使用发射基础矩阵M(即，如果M＝I)，并且使用天线复用技术从单个最佳天线发射单个数据符号流，则用于所述数据符号流的接收SNR可以被表示为：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{am}}\∝{\max }_i\{\left({\left|\right|{\underset{\‾}{h}}_i\left|\right|}^2\right)\·\frac{P_{\mathrm{tot}}}{N_T}\}$ 公式(19)

可以看出，下面的表达式也总是为真的：

${\max }_i\left\{{\left|\right|{\underset{\‾}{h}}_{\mathrm{eff},i}\left|\right|}^2\right\}\≥\frac{1}{N_T}{\max }_i\left\{{\left|\right|{\underset{\‾}{h}}_i\left|\right|}^2\right\}$ 公式(20)

因此，本速率自适应传输方案还是优于天线复用传输方案。

图1示出了处理100的实施例的流程图，所述处理100用于使用本速率自适应传输方案从N_T个天线发射N_D个数据符号流。如上所述，N_D可以是从1到N_T的任何值(即，N_T≥N_D≥1)。

首先，总发射功率P_tot被分配给所述N_D个数据符号流(由x所表示)(步骤112)。要发射的数据符号流的具体数目和分配给每个数据符号流的功率的数量都可以是基于所述信道条件来确定的。例如，“注水(water-filling)”过程可以被用来确定要发射的数据符号流的数目和用于每个数据符号流的功率的数量，这样总吞吐量就被最大化了。在普通转让的美国专利申请10/056,275中，以及由Robert G.Gallager在“Information Theory and Reliable Communication”John Wileyand Sons，1968中，详细描述了所述注水，二者都在此引入作为参考，其中所述美国专利申请10/056,275的标题为“Reallocation of ExcessPower for Full Channel-State Information(CSI)Multiple-Input，Multiple-Output(MIMO)Systems”，申请日为2002年1月23日。

被分配给每个数据符号流x_i的发射功率的数量被表示为相应的权重λ_i，i。矩阵Λ的N_T个对角线元素包括用于所述N_D个数据符号流的N_D个权重以及(N_T-N_D)个零值。分配给所述N_D个数据符号流的发射功率的总量小于或等于系统的总发射功率(即， $\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{i,i}^2\≤P_{\mathrm{tot}}$ )。

发射基础矩阵M接着被选择用来使用(步骤114)。发射基础矩阵M可以这样被定义，以使得每个数据符号流都是从所有N_T个天线所发射的，并且每个天线的全部功率都被用于数据传输。所述发射基础矩阵M可以被定义为：(1)在公式(10)至(12)中所描述的沃尔什-哈达玛矩阵W，(2)在公式(13)至(15)中所描述的DFT矩阵，或者(3)某种其它矩阵。

接着，每个数据符号流x_i以对角矩阵Λ中的其相关权重λ_i，i来调节(步骤116)。所述调节导致每个数据符号流以其分配功率而被发射。所述N_D个调节的数据符号流于是乘以发射基础矩阵M，以获得N_T个发射符号流(由

所表示)用于所述N_T个发射天线(步骤118)。在公式(4)中示出了通过对角矩阵Λ对所述N_D个数据符号流的调节以及与发射基础矩阵M的相乘。每个发射符号流

被进一步处理，然后从相关天线被发射(步骤120)。

图2示出了MIMO系统200中的发射器系统210和接收器系统250的实施例的框图。在发射器系统210，用于N_D个流的数据由数据源212所提供，并且由发射(TX)数据处理器214所编码和调制，以提供调制符号，所述调制符号也被称为数据符号。用于每个流的数据速率、编码以及调制是通过由控制器230所提供的控制来确定的。还由TX空间处理器220通过对角矩阵Λ对所述数据符号进行调节，并且通过发射基础矩阵M对其进行空间处理，以便提供发射符号。可以被用于信道估计的先导(pilot)符号与所述发射符号进行复用。所复用的发射符号和先导符号的一个流被提供给一个发射器(TMTR)222，并由其所处理，以提供相应的RF调制信号。来自于发射器222a至222t的N_T个调制信号接着从N_T个天线224a至224t被发射。

在接收器系统250，所述N_T个发射信号由N_R个天线252a至252r所接收。每个接收器(RCVR)254处理来自于相关天线252的接收信号，以提供相应的接收符号流。接着，接收(RX)空间处理器260处理来自于N_R个接收器254a至254r的接收符号流，以提供N_D个“恢复的”符号流，所述N_D个“恢复的”符号流是由发射器系统所发射的N_D个数据符号流的估计。所述N_D个恢复的符号流还由RX数据处理器270所处理，以得到解码的数据，所述解码的数据是由发射器系统所发射的数据的估计。

RX空间处理器260还可以得出在所述N_T个发射天线和N_R个接收天线之间的信道响应(例如，基于所述先导符号)。在临时美国专利申请60/438,601中详细的描述了信道估计，所述美国专利申请60/438,601的标题为“Pilot Transmission Schemes for WirelessMulti-Carrier Communication Systems”，申请日为2003年1月7日，其被转让给了本申请的受让人，并且在此引入作为参考。信道响应估计

可以被用于在接收器执行空间处理或者均衡。RX空间处理器260还可以估计所恢复的符号流和/或所接收的先导符号的SNR。控制器280接收信道响应估计

和所接收的SNR，并且提供关于MIMO信道和/或所述流的反馈。例如，所述反馈可以表示要发射的数据符号流的数目、用于数据传输的空间信道或本征向量、以及用于每个流的接收SNR或速率。所述反馈由TX数据处理器288所处理，还由TX空间处理器290所处理，由发射器254a至254r所调整，并被发回发射器系统210。

在发射器系统210，来自于接收器系统250的发射调制信号由天线224所接收，由接收器222a至222t所调整，由RX空间处理器240所解调，并且由RX数据处理器242所处理，以恢复由接收器系统所发送的反馈。接着，所述反馈信息被提供给控制器230并且可以被用于：(1)确定发射的数据符号流的数目，(2)确定用于每个数据符号流的速率及编码和调制方案，以及(3)产生用于TX数据处理器214和TX空间处理器220的各种控制。

控制器230与280分别支配在发射器系统和接收器系统中的操作。存储单元232与282分别提供用于由控制器230和280所使用的程序代码和数据的存储。

图3示出了在用于本速率自适应传输方案的发射器系统和接收器系统的空间处理的框图。在发射器系统210的TX空间处理器220内，数据向量x首先通过单元310与对角矩阵Λ相乘，接着还通过单元312与发射基础矩阵M相乘，以获得发射向量

然后，所述向量

由发射器314所处理，并且通过MIMO信道被发射到接收器系统250。单元312执行用于所述发射器系统的空间处理。

在接收器系统250，所发射的信号由接收器354所处理，以获得接收向量y。在RX空间处理器260中，接收向量y首先通过单元356乘以矩阵

有效信道响应估计矩阵可以作为 ${\underset{\‾}{\overset{^}{H}}}_{\mathrm{eff}}=\underset{\‾}{\overset{^}{H}}\underset{\‾}{M}$ 而被获得，并且所述矩阵

是

的共轭转置。矩阵

还可以被称为用于本速率自适应传输方案的匹配滤波器矩阵。来自于单元356的结果向量还由单元358通过反转对角矩阵

所调节，以获得向量

所述向量

是数据向量x的估计。单元356和358执行空间处理(即，匹配滤波)用于所述接收器系统。

图4示出了TX空间处理器220x的框图，所述TX空间处理器220x是图2中的TX空间处理器220的实施例。TX空间处理器220x包括多个数据符号流空间处理器410a至410t，一个处理器用于待发射的N_D个数据符号流中的一个。每个处理器410都接收所分配的数据符号流x_i、用于所分配的流的权重λ_i，i、以及来自于发射基础矩阵M的相应向量m _i。

在每个处理器410中，所分配的流x_i中的数据符号首先由乘法器412以权重λ_i，i进行调节。所调节的数据符号还分别通过乘法器414a至414t与来自于所述向量m _i的N_T个元素M_1，i至

相乘。每个数据符号流x_i于是从所有N_T个天线被发射并且由向量

所表示，所述向量

可以被表示为：

${\underset{\‾}{\overset{~}{x}}}_i={\underset{\‾}{m}}_i\·{\mathrm{\λ}}_{i,i}\·x_i$ 公式(21)

接着，来自于乘法器414a至414t的输出符号分别被提供给加法器420a至420t，一个加法器用于一个发射天线。每个加法器420都接收其所分配的天线的输出符号，所述输出符号来自于N_D个处理器410中的N_D个乘法器414，所述N_D个处理器410被分配以处理所述N_D个数据符号流。然后，每个加法器420将输出的符号相加，并提供用于其所分配的天线的发射符号。由每个加法器420所执行的求和运算可以被表示为：

${\tilde{x}}_k=\underset{i=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{x}}_{k,i},$ 公式(22)

其中，是用于第i个数据符号流的向量

中的第k个元素；而

是用于第k个发射天线的发射符号流。

来自于每个加法器420的发射符号被提供给相应的复用器430，并且与先导符号进行复用，以提供所复用的发射符号和先导符号的流用于相关的天线。

这里所描述的速率自适应传输方案可以被用于单载波MIMO系统，以及多载波MIMO系统。对于多载波MIMO系统，可用于数据传输的多个载波中的每一个可以被看作是一个单载波MIMO系统。总发射功率P_tot和每个天线的功率P_ant可以在N_F个载波中平均地划分，这样P_{tot_car}＝P_tot/N_F，并且P_{ant_car}＝P_ant/N_F。于是，本速率自适应传输方案可以被应用于所述N_F个载波中的每个，其中具有每个载波的总功率约束P_{tot_car}以及每个天线/载波的功率约束P_{ant_car}。

这里所描述的速率自适应传输方案可以在发射器系统和接收器系统上通过各种方式来实现。例如，用于本速率自适应传输方案的处理可以在硬件、软件或者其结合中被实现。对于硬件实现，用于实现所述发射器系统和接收器系统上的处理的元素可以被实现在一个或者多个专用集成电路(ASICs)、数字信号处理器(DSPs)、数字信号处理设备(DSPDs)、可编程逻辑器件(PLDs)、现场可编程门阵列(FPGAs)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计成实现这里所描述的功能的其它电子单元、或者其结合中。

对于软件实现，用于本速率自适应传输方案的处理可以通过模块(例如，程序、函数等)来实现，所述模块实现这里所描述的功能。所述软件代码可以被存储在存储单元(例如，图2中的存储单元232和282)中，并且由处理器(例如，控制器230和280)所执行。每个存储单元都可以在处理器的内部或者在处理器的外部来实现，在处理器的外部实现存储单元的情况下，所述存储单元可以通过现有技术中已知的各种方式，可通信地被耦合到所述处理器上。

所公开的实施例的前面描述被提供以便使得本领域内的任何普通技术人员都能够制造或使用本发明。对于本领域内的普通技术人员来说，对所述实施例的各种修改是非常显而易见的，并且，这里所定义的一般原理可以被应用于其它的实施例，而不脱离本发明的精神或者范围。因此，本发明并不打算被局限于这里所示的实施例，而将是根据与这里所公开的原理和新颖性特征相一致的最广泛的范围的。

Claims (41)

1.一种处理数据以在多输入多输出通信系统中传输的方法，所述方法包括：

接收至少一个数据符号流，用于从多个天线传输；

以相应的权重来调节所述至少一个数据符号流中的每个，所述权重对应于分配给所述数据符号流的发射功率的量，其中分配给所述至少一个数据符号流的发射功率的总量小于或者等于可用于所述系统的总发射功率；并且

利用发射基础矩阵来处理所述至少一个数据符号流，以提供多个发射符号流，所述多个天线中的每个一个发射符号流，其中所述发射基础矩阵这样来定义，使得从所述多个天线发射所述至少一个数据符号流中的每个，并且，从所关联的天线发射每个发射符号流。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述发射基础矩阵是沃尔什-哈达玛矩阵。

3.根据权利要求1的方法，其中，所述发射基础矩阵是离散傅立叶变换矩阵。

4.根据权利要求1的方法，还包括：

将所述总发射功率分配给所述至少一个数据符号流，

其中，用于每个数据符号流的权重是基于分配给所述数据符号流的发射功率的量而确定的。

5.根据权利要求4的方法，其中，分配给所述至少一个数据符号流中的每个的发射功率的所述量是基于信道条件而确定的。

6.根据权利要求1的方法，其中，以可用于所述多个天线中每个的全部功率，或者以接近可用于所述多个天线中每个的全部功率的功率，从所述多个天线发射单个数据符号流。

7.根据权利要求6的方法，其中，在与最高接收信号质量相关联的空间信道上发射所述单个数据符号流。

8.根据权利要求1的方法，其中，以可用于N_T个天线中每个的全部功率，或者以接近可用于N_T个天线中每个的全部功率的功率，从所述N_T个天线发射N_T个数据符号流，其中N_T是大于1的整数。

9.根据权利要求1的方法，其中，以可用于N_T个天线中每个的全部功率，或者以接近可用于N_T个天线中每个的全部功率的功率，从所述N_T个天线发射N_D个数据符号流，其中，N_T是大于1的整数，而N_D是小于或者等于N_T的整数。

10.根据权利要求1的方法，其中，基于信道条件发射可变数量的数据符号流。

11.根据权利要求1的方法，其中，所述至少一个数据符号流中的每个都与特定速率相关联，所述特定速率是至少部分地基于所述数据符号流的接收信号质量而确定的。

12.根据权利要求1的方法，还包括：

对所述多个发射符号流中每个的先导符号进行复用。

13.一种处理符号以在单载波多输入多输出通信系统中传输的方法，所述方法包括：

接收至少一个数据符号流，用于从多个天线传输；

将可用于所述系统的总发射功率分配给所述至少一个数据符号流，其中分配给所述至少一个数据符号流的发射功率的总量小于或者等于所述总发射功率；

以相应的权重来调节所述至少一个数据符号流中的每个，所述权重对应于分配给所述数据符号流的发射功率的量；并且

利用发射基础矩阵来处理所述至少一个被调节的数据符号流，以提供多个发射符号流，所述多个天线中的每个一个发射符号流，其中所述发射基础矩阵这样来定义，使得从所述多个天线发射所述至少一个数据符号流中的每个，并且，从所关联的天线发射每个发射符号流。

14.一种处理在多输入多输出通信系统中所接收的符号的方法，所述方法包括：

获取多个接收天线的多个接收符号流，其中，所述多个接收符号流包括至少一个数据符号流，所述至少一个数据符号流已经利用发射基础矩阵进行处理，以便形成多个发射符号流用于多个发射天线，其中所述发射基础矩阵这样来定义，使得从所述多个发射天线发射所述至少一个数据符号流中的每个，并且，从所关联的发射天线发射每个发射符号流；并且

处理所述多个接收符号流，以恢复所述至少一个数据符号流。

15.根据权利要求14的方法，其中，所述处理包括：

对所述多个接收符号流进行均衡，以获取所述至少一个数据符号流的估计；并且

对所述至少一个数据符号流的所述估计进行解码。

16.根据权利要求15的方法，其中，基于包括所述发射基础矩阵的匹配滤波器矩阵来执行所述均衡。

17.根据权利要求14的方法，还包括：

为所述至少一个数据符号流中的每个估计接收信号质量；并且

基于所估计的接收信号质量，为所述至少一个数据符号流中的每个确定速率。

18.在多输入多输出通信系统中的发射器装置，包括：

接收模块，用于接收至少一个数据符号流，从多个天线传输；

调节模块，用于以相应的权重来调节所述至少一个数据符号流中的每个，所述权重对应于分配给所述数据符号流的发射功率的量，其中分配给所述至少一个数据符号流的发射功率的总量小于或者等于可用于所述系统的总发射功率；以及

处理模块，用于利用发射基础矩阵来处理所述至少一个数据符号流，以提供多个发射符号流，所述多个天线中的每个一个发射符号流，其中所述发射基础矩阵这样来定义，使得从所述多个天线发射所述至少一个数据符号流中的每个，并且，从所关联的天线发射每个发射符号流。

19.根据权利要求18的发射器装置，其中，所述发射基础矩阵是沃尔什-哈达玛矩阵或者离散傅立叶变换矩阵。

20.在多输入多输出通信系统中的发射器单元，包括：

发射数据处理器，用于处理数据以提供至少一个数据符号流，用于从多个天线传输；以及

发射空间处理器，用于以相应的权重来调节所述至少一个数据符号流中的每个，所述权重对应于分配给所述数据符号流的发射功率的量，并且，利用发射基础矩阵来处理所述至少一个数据符号流，以提供多个发射符号流，所述多个天线中的每个一个发射符号流，其中所述发射基础矩阵这样来定义，使得从所述多个天线发射所述至少一个数据符号流中的每个，并且，从所关联的天线发射每个发射符号流。

21.根据权利要求20的发射器单元，还包括：

与所述多个天线相关联的多个发射器，每个发射器用于处理相应的发射符号流，用于从所述关联的天线传输。

22.在多输入多输出通信系统中的接收器装置，包括：

接收空间处理器，用于处理多个接收符号流，以提供至少一个数据符号流的估计，其中，所述至少一个数据符号流利用发射基础矩阵来进行处理，以便形成多个发射符号流用于多个发射天线，其中所述发射基础矩阵这样来定义，使得从所述多个发射天线发射所述至少一个数据符号流中的每个，并且从所关联的发射天线发射每个发射符号流；以及

接收数据处理器，用于处理至少一个数据符号流的所述估计，以提供已解码数据。

23.一种在多输入多输出通信系统中的接收机装置，所述接收机装置包括：

获取模块，用于获取多个接收天线的多个接收符号流，其中，所述多个接收符号流包括至少一个数据符号流，所述至少一个数据符号流已经利用发射基础矩阵进行处理，以便形成多个发射符号流用于多个发射天线，其中所述发射基础矩阵这样来定义，使得从所述多个发射天线发射所述至少一个数据符号流中的每个，并且，从所关联的发射天线发射每个发射符号流；并且

处理模块，用于处理所述多个接收符号流，以恢复所述至少一个数据符号流。

24.根据权利要求23的接收机装置，其中，所述处理模块包括：

均衡模块，用于对所述多个接收符号流进行均衡，以获取所述至少一个数据符号流的估计；以及

解码模块，用于对所述至少一个数据符号流的所述估计进行解码。

25.根据权利要求23的接收机装置，还包括：

估计模块，用于为所述至少一个数据符号流中的每个估计接收信号质量；并且

确定模块，用于基于所估计的接收信号质量，为所述至少一个数据符号流中的每个确定速率。

26.一种上面有指令的处理器可读存储器，可以执行所述指令，用于：

接收至少一个数据符号流，用于从多个天线传输；

以相应的权重来调节所述至少一个数据符号流中的每个，所述权重对应于分配给所述数据符号流的发射功率的量，其中分配给所述至少一个数据符号流的发射功率的总量小于或者等于可用于所述系统的总发射功率；并且

利用发射基础矩阵来处理所述至少一个数据符号流，以提供多个发射符号流，所述多个天线中的每个一个发射符号流，其中所述发射基础矩阵这样来定义，使得从所述多个天线发射所述至少一个数据符号流中的每个，并且，从所关联的天线发射每个发射符号流。

27.根据权利要求26的处理器可读存储器，其中，所述发射基础矩阵是沃尔什-哈达玛矩阵。

28.根据权利要求26的处理器可读存储器，其中，所述发射基础矩阵是离散傅立叶变换矩阵。

29.根据权利要求26的处理器可读存储器，还可以执行其中所述指令，用于：

将所述总发射功率分配给所述至少一个数据符号流，

其中，用于每个数据符号流的权重是基于分配给所述数据符号流的发射功率的量而确定的。

30.根据权利要求29的处理器可读存储器，其中，分配给所述至少一个数据符号流中的每个的发射功率的所述量是基于信道条件而确定的。

31.根据权利要求26的处理器可读存储器，其中，以可用于所述多个天线中每个的全部功率，或者以接近可用于所述多个天线中每个的全部功率的功率，从所述多个天线发射单个数据符号流。

32.根据权利要求31的处理器可读存储器，其中，在与最高接收信号质量相关联的空间信道上发射所述单个数据符号流。

33.根据权利要求26的处理器可读存储器，其中，以可用于N_T个天线中每个的全部功率，或者以接近可用于N_T个天线中每个的全部功率的功率，从所述N_T个天线发射N_T个数据符号流，其中N_T是大于1的整数。

34.根据权利要求26的处理器可读存储器，其中，以可用于N_T个天线中每个的全部功率，或者以接近可用于N_T个天线中每个的全部功率的功率，从所述N_T个天线发射N_D个数据符号流，其中，N_T是大于1的整数，而N_D是小于或者等于N_T的整数。

35.根据权利要求26的处理器可读存储器，其中，基于信道条件发射可变数量的数据符号流。

36.根据权利要求26的处理器可读存储器，其中，所述至少一个数据符号流中的每个都与特定速率相关联，所述特定速率是至少部分地基于所述数据符号流的接收信号质量而确定的。

37.根据权利要求26的处理器可读存储器，还可以执行其中所述指令，用于：

对所述多个发射符号流中每个的先导符号进行复用。

38.一种上面有指令的处理器可读存储器，可以执行所述指令，用于：

获取多个接收天线的多个接收符号流，其中，所述多个接收符号流包括至少一个数据符号流，所述至少一个数据符号流已经利用发射基础矩阵进行处理，以便形成多个发射符号流用于多个发射天线，其中所述发射基础矩阵这样来定义，使得从所述多个发射天线发射所述至少一个数据符号流中的每个，并且，从所关联的发射天线发射每个发射符号流；并且

处理所述多个接收符号流，以恢复所述至少一个数据符号流。

39.根据权利要求38的处理器可读存储器，其中，所述处理包括：

对所述多个接收符号流进行均衡，以获取所述至少一个数据符号流的估计；并且

对所述至少一个数据符号流的所述估计进行解码。

40.根据权利要求39的处理器可读存储器，其中，基于包括所述发射基础矩阵的匹配滤波器矩阵来执行所述均衡。

41.根据权利要求38的处理器可读存储器，还可以执行其中所述指令，用于：

为所述至少一个数据符号流中的每个估计接收信号质量；并且

基于所估计的接收信号质量，为所述至少一个数据符号流中的每个确定速率。

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