CN101789818A

CN101789818A - 用于无线通信系统中波束形成的系统和方法

Info

Publication number: CN101789818A
Application number: CN200910009817A
Authority: CN
Inventors: 温俊贤; 陈俊才; 吴承轩; 廖彦钦
Original assignee: Ralink Technology Corp Taiwan
Current assignee: Ralink Technology Corp Taiwan
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-07-28

Abstract

本发明涉及传输波束形成的无线通信系统、波束形成接收器及其方法。所述波束形成方法包含以下步骤：通过传输器传输信号包；通过接收器接收所述信号包，以估计所述传输器与所述接收器之间的信道状态信息；针对所述信道状态信息产生波束形成矩阵；结合所述波束形成矩阵和旋转矩阵以产生波束形成指导矩阵；以及将所述波束形成指导矩阵反馈到所述传输器。

Description

用于无线通信系统中波束形成的系统和方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统，尤其涉及一种传输波束形成的无线通信系统和方法。

背景技术

随着移动通信的蓬勃发展，通信服务的需求量日益增长，如何有效改进带宽使用效益与通信质量已成为通信系统的重要课题。在无线通信系统中，依照接收器和发送器的天线数目可分为单入单出(SISO)系统、单入多出(SIMO)系统、多入单出(MISO)系统和多入多出(MIMO)系统。在SISO系统中，传输器包含一个天线以传输RF信号，而所述信号被接收器中的单个或多个大线接收。当接收器包含一个以上天线时，接收器将会选择其中一者以接收输入信号。在SIMO系统中，接收器包含两个以上天线以及两个以上无线信道。在MIMO系统中，传输器和接收器各自包含两个以上天线和对应的无线信道。传输器利用空间和时间编码功能以并行处理数据，且以多个天线根据多个数据串流而传输多个数据信号。接收器通过多个无线信道接收传输的多个数据信号后，利用空间和时间解码功能重新获取这些数据串流。据此，MIMO系统提供了比单入和/或单出的系统更高的传输容量和通信性能。

然而，信号在多个无线信道传递时会有频道干扰和衰落(fading)等问题。衰落现象是指无线信号在经过一段很短的时间或者距离后会产生振幅、相位、时间延迟等变化，其可以使用小尺度传播模型(small-scaled propagation model)来分析和模拟信号在多重路径下的衰减效应。接收器在信号经过不同的链路状况(link condition)，例如多重路径或是都普勒效应后，个别的无线信道会得到相异的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)，而所述信噪比定义了信号能量与噪声能量之间的比值。当SNR值过低时，表示无线信道可能无法支持较高的数据传输率或因此增加了位错误率。当SNR值过高时，可能产生硬件资源的浪费。因此，有必要提出一种传输波束形成的无线通信系统和方法，使得信号在不同的链路状况下经过不同的无线信道后能得到优化的信噪比。

发明内容

本发明揭示一种无线通信系统中波束形成的方法，其包含以下步骤：通过传输器传输信号包；通过接收器接收所述信号包，借以估计所述传输器与所述接收器之间的信道状态信息；针对所述信道状态信息产生波束形成矩阵；结合所述波束形成矩阵和旋转矩阵以产生波束形成指导矩阵；以及将所述波束形成指导矩阵反馈到所述传输器。

本发明还揭示一种波束形成接收器，其包含频道状态评估器、矩阵产生器和指导矩阵产生器。所述频道状态评估器用以估计无线信道的信道系数矩阵。所述矩阵产生器用以产生旋转矩阵。所述指导矩阵产生器根据所述信道系数矩阵和所述旋转矩阵产生指导矩阵，借以将所述指导矩阵反馈到传输器。

本发明另外揭示一种传输波束形成的无线通信系统，其包含传输器、无线信道和接收器。所述传输器用以传输信号包。所述无线信道用以传递所述信号包。所述接收器用以接收所述信号包，其中所述接收器包含频道状态评估器、矩阵产生器和指导矩阵产生器。所述频道状态评估器用以估计无线信道的信道系数矩阵。所述矩阵产生器用以产生旋转矩阵。所述指导矩阵产生器根据所述信道系数矩阵和所述旋转矩阵产生指导矩阵，借以将所述指导矩阵反馈到传输器。

附图说明

图1显示结合本发明实施例的MIMO收发器示意图；

图2A、2B显示不同信道的噪声值；以及

图3是根据本发明实施例的无线通信系统中波束形成方法的流程图。

具体实施方式

图1显示结合本发明实施例的MIMO收发器的示意图。在MIMO系统中，为了补偿信号在传递过程中的功率衰退以及多路径效应引起的信号失真，收发器可使用波束形成(beamforming)技术来加强信号强度与抑制噪声和同频道干扰。参照图1，所述MIMO系统10具有M个传输天线和R个接收天线，其中接收器102中的多个接收信号y₁、y₂、...y_R与传输器101中的多个传输信号x₁、x₂、...x_M之间的关系可表示为：

Y＝H·X+N (1)

在式(1)的各元素可表示为向量或矩阵，其中N表示白色高斯噪声，Y表示多个接收信号y₁、y₂、...y_R，其为R×1元向量，X表示多个传输信号x₁、x₂、...x_M，其为M×1元向量，而噪声N为R×1元向量。H表示信道系数矩阵，其可为R×M矩阵，代表从传输端到接收端的频道响应。在本实施例中，所述接收器102可包含频道状态评估器103，通过测量无线信道107来确定频道状态信息且产生信道系数矩阵H。在本实施例中，可通过分解电路104将所述信道系数矩阵H执行奇异值分解，以产生波束形成矩阵V。所述分解电路104可使用下列方程式分解所述信道系数矩阵H：

H＝U∑V^* (2)

其中，U和V两者是单式矩阵(unitary matrix)，∑是一主对角线之外的元素均为0的对角矩阵，且V^*是V的转置共轭矩阵。

闭合回路MIMO系统在回授路径中，从接收器将频道状态信息传输到传输器。所述频道状态信息可采用波束形成技术，在所述接收器中增加信噪比准位来补偿所述目前的频道条件。参照图1，波束形成矩阵V在经过矩阵乘法器105后产生波束形成指导矩阵(beamforming steering matrix)VK，并提供到所述传输器101以作为回授信息且借以改进接收信号在不同的信道条件下的SNR值。所述矩阵乘法器105和分解电路104可作为指导矩阵产生器的一范例。矩阵K的产生方式将在下文进一步描述。在产生新的波束形成指导矩阵VK后，接收器102中的多个接收信号y₁、y₂、...y_R与传输器101中的多个传输信号x₁、x₂、...x_M之间的关系可表示为：

Y＝HVKX+N (3)

合并式(2)和式(3)，可整理得式(4)

Y＝U∑V^*(VKX)+N＝U∑KX+N (4)

位于所述接收器102中的等化器将执行矩阵反转(matrix inversion)而得到式(5)，

K^-1∑^-1U^-1Y＝X+K^-1∑^-1U^-1N (5)

参照图2A和2B，图2A的横坐标代表位于第一接收天线与第一传输天线之间的第一信道的噪声值a，而图2B的纵坐标代表位于第一接收天线与第二传输天线之间的第二信道的噪声值b。在接收矩阵产生器106产生的矩阵K并将波束形成指导矩阵VK反馈到传输器101后，可发现所述第一信道的噪声值改变为acosθ+bsinθ，而所述第二信道的噪声值改变为asinθ+bcosθ。也就是说，不同频道的噪声值可通过接收波束形成指导矩阵VK的回授量而调整，因此不同频道的接收信号的信噪比可被补偿而达到优化。在本实施例中，所述矩阵K的产生是基于优化信噪比和先前信噪比，以查表法(Look-Up Table)方式所产生。在其它实施例中，所述旋转矩阵K值是基于信道条件(例如∑矩阵)、调制与编码方案(modulation and coding scheme)或等化器的信号而产生。

图3是根据本发明实施例的无线通信系统中波束形成方法的流程图。在步骤S30中，传输器101传输信号包。在步骤S31中，接收器102接收所述信号包以估计信道状态信息。接着，在步骤S32中，将所述信道状态信息根据式(2)执行奇异值分解，以产生波束形成矩阵V。在步骤S33中计算并产生旋转矩阵K，其中所述旋转矩阵K是基于优化信噪比和先前信噪比，以查表法(Look-Up Table)方式所产生。在其它实施例中，所述旋转矩阵K是基于信道条件(例如∑矩阵)、调制与编码方案(modulation and codingscheme)或等化器的信号而产生。接着，在步骤S34中结合所述波束形成矩阵V和所述旋转矩阵K以产生波束形成指导矩阵VK。在步骤S35中，将所述波束形成指导矩阵VK反馈到所述传输器101，使得不同频道的接收信号的信噪比可被补偿而达到优化。

上文已揭示本发明的技术内容和技术特点，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示而作出种种不背离本发明精神的替换和修改。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而是应包括各种不背离本发明的替换和修改，并由所附权利要求书涵盖。

Claims

1.一种无线通信系统的波束形成方法，其特征在于其包含以下步骤：

接收信号包，借以估计传输器与接收器之间的信道状态信息；

针对所述信道状态信息产生波束形成矩阵；

结合所述波束形成矩阵和旋转矩阵以产生波束形成指导矩阵；以及

反馈所述波束形成指导矩阵。

2.根据权利要求1所述的波束形成方法，其特征在于其中根据奇异值分解法产生所述波束形成矩阵。

3.根据权利要求1所述的波束形成方法，其特征在于其中基于优化信噪比和先前信噪比而产生所述旋转矩阵。

4.根据权利要求1所述的波束形成方法，其特征在于其中所述旋转矩阵是基于所述奇异值分解法所产生的对角矩阵。

5.一种波束形成接收器，其特征在于其包含：

频道状态评估器，其用以估计无线信道的信道系数矩阵；

矩阵产生器，其用以产生旋转矩阵；以及

指导矩阵产生器，其根据所述信道系数矩阵和所述旋转矩阵而产生指导矩阵，借以将所述指导矩阵反馈到传输器。

6.根据权利要求5所述的波束形成接收器，其特征在于其中所述指导矩阵产生器进一步包含分解电路，所述分解电路将所述信道系数矩阵执行奇异值分解以产生波束形成矩阵。

7.根据权利要求5所述的波束形成接收器，其特征在于其中所述矩阵产生器基于优化信噪比和先前信噪比而产生所述旋转矩阵。

8.根据权利要求5所述的波束形成接收器，其特征在于其中所述矩阵产生器基于所述奇异值分解法所产生的对角矩阵而产生所述旋转矩阵。

9.一种无线通信系统，其特征在于其包含：

传输器，其用以传输信号包；以及

接收器，其用以接收所述信号包，所述接收器包含：

频道状态评估器，其用以估计信道系数矩阵；

矩阵产生器，其用以产生旋转矩阵；以及

指导矩阵产生器，其根据所述信道系数矩阵和所述旋转矩阵而产生指导矩阵。

10.根据权利要求9所述的无线通信系统，其特征在于其中所述接收器进一步包含分解电路，所述分解电路将所述信道系数矩阵执行奇异值分解以产生波束形成矩阵。

11.根据权利要求9所述的无线通信系统，其特征在于其中所述矩阵产生器基于优化信噪比和先前信噪比而产生所述旋转矩阵。

12.根据权利要求9所述的无线通信系统，其特征在于其中所述矩阵产生器基于所述奇异值分解法所产生的对角矩阵而产生所述旋转矩阵。

13.根据权利要求9所述的无线通信系统，其特征在于其中所述信道系数矩阵用以估计无线信道。