CN101911525A - Mimo通信中的开环预编码器循环 - Google Patents

Abstract

通过多输入多输出(MIMO)信道来传送数据。将多个比特流调制成多个数据符号向量。各向量具有传输秩，其中各MIMO信道一个向量。传输秩是与正通过各MIMO信道并行传送的数据流的数量对应的数据符号向量中的元素的数量。使用多个预编码器循环集合将多个数据符号向量预编码成多个经过预编码的符号向量，其中各传输秩一个集合，包括多个不同预编码器。相对于多个距离度量充分分离各预编码器循环集合中的预编码器。预编码包括采用属于某个传输秩的预编码器循环集合的预编码器对那个传输秩的各数据符号向量进行预编码。然后，通过MIMO信道来传送经过预编码的符号向量。

Description

MIMO通信中的开环预编码器循环

优先权申请

要求2008年1月14日提交的美国临时专利申请序号61/020948的优先权，通过引用将其公开结合到本文中。

技术领域

技术领域涉及无线电通信，具体来说，涉及使用多输入多输出(MIMO)技术的无线电通信。

背景技术

在典型的无线电通信系统中，称作用户设备单元(UE)的用户通信终端经由无线电接入网(RAN)与例如因特网等其它网络进行通信。无线电接入网(RAN)覆盖的地理区域被分为小区区域，其中各小区区域由基站、例如在一些网络中又称作“NodeB”或增强节点B的无线电基站(RBS)提供服务。小区是由基站站点处的无线电基站设备提供无线电覆盖的地理区域。

第三代(3G)蜂窝无线电系统、例如以宽带码分多址(WCDMA)进行工作的通用移动电信系统(UMTS)使用不同类型的无线电信道，包括非调度无线电信道和调度无线电信道。混合语音/数据、电路/分组交换3G系统由以语音为中心、电路交换第二代(2G)系统演进而来。非调度信道有时称作专用信道，通常对于携带仅与一个用户关联的信息的连接的时长仅分配给那一个用户。调度信道是分组交换信道，通过它们携带用于多个用户连接的分组。第四代(4G)系统、例如UMTS的长期演进(LTE)和全球微波接入互通(WiMAX)根据分组数据来设计空中接口。消除专用业务信道以有利于调度无线电信道，以便简化系统。因此，媒体接入控制朝请求资源-准予资源范例移动。响应在上行链路和/或下行链路从用户设备(UE)和/或向用户设备(UE)传送数据的实际请求，基站中的调度器动态分配无线电资源，以便满足与要传送的数据业务的类型关联的服务质量要求，并且同时设法优化系统容量。

图1示出LTE类型移动通信系统的一个示例10。E-UTRAN 12包括E-UTRAN NodeB(eNB)18，它通过无线电接口向用户设备(UE)终端20提供E-UTRA用户平面和控制平面协议端接。有时更一般地将eNB称作基站，并且有时将UE称作移动无线电终端或移动台。如图1所示，通过X2接口将基站彼此互连。基站还通过S1接口连接到包括移动性管理实体(MME)的演进分组核心(EPC)14以及连接到系统架构演进(SAE)网关。MME/SAE网关在这个示例中示为单个节点22，并且在许多方面与UMTS和GSM/EDGE中的SGSN/GGSN网关相似。S1接口支持MME/SAE网关与eNB之间的多对多关系。E-UTRAN 12和EPC 14共同形成公共陆地移动网络(PLMN)。MME/SAE网关22直接或间接地连接到因特网16以及连接到其它网络。

关于宽带无线接入标准的IEEE 802.16工作组开发宽带无线城域网(MAN)的全球部署的正式规范。虽然802.16系列的标准正式地称作WirelessMAN，但它往往被称作WiMAX。像LTE那样，WiMAX/IEEE 802.16e使用可缩放正交频分多址(OFDMA)来支持大信道带宽，例如在1.25MHz与20MHz之间，其中对于WiMAX具有高达2048个副载波。另一个重要物理层特征是对多输入多输出(MIMO)天线的支持，以便提供良好的NLOS(非视距)特性(或更高带宽)。多天线技术可显著增加无线通信系统的数据速率和可靠性。如果发射器和接收器均使用多个天线，从而产生多输入多输出(MIMO)通信信道，则性能尤其得到提高。这类系统和/或相关技术通常称作MIMO。

LTE中与MIMO相关的一个工作假设是采用信道相关(闭环)预编码来支持空间复用模式。预编码器将要传送的数据符号映射到所有多个发射天线。不同的预编码器将不同组合中的符号映射到各天线上。空间复用模式在有利信道条件中实现更高的数据速率。

LTE还可采用预编码器循环形式的信道无关(开环)预编码来支持空间复用模式。图2中示出使用预编码器循环的MIMO通信模型的示例图示。在这里，发射器通过四个预编码器W₁-W₄进行循环，以便对要发射的四个基带符号向量的不同集合、例如s₁-s₄、s₅-s₈等进行预编码。预编码器W₁-W₄通过矩阵向量乘法运算、例如x₁＝W₁s₁，将符号向量s₁-s₄、s₅-s₈等映射到经过预编码的基带符号向量x₁-x₄、x₅-x₈等。经过预编码的基带符号的元素具有对发射天线端口的一一对应关系。此后，通过有效MIMO信道H₁-H₄、H₅-H₈等其中之一传送每个经过预编码的基带符号向量。“有效MIMO信道”对物理无线电通信信道连同用于通过那个信道进行通信的基带信号处理、物理天线以及无线电硬件一起建模。因此，例如下面进行说明的、在图8和图9作为示例示出的OFDM和CDMA等若干不同的通信技术可使用这种相同的有效信道模型来表示。

通过下列步骤来实现循环：采用预编码器矩阵W₁对一个符号s₁预编码、采用预编码器矩阵W₂对符号s₂预编码、采用预编码器矩阵W₃对符号s₃预编码以及采用预编码器矩阵W₄对符号s₄预编码，并且然后使用W₁-W₄对紧接的四个符号进行预编码，依此类推。接收器接收并行信号y₁-y₄、y₅-y₈等，并且在根据四个预编码器W₁-W₄所建模的相应滤波器f₁-f₄、f₅-f₈等中对它们进行滤波，以便产生最初发射的符号s₁-s₄、s₅-s₈等的估计

等。备选地，接收器使用最大似然解码(或者其它某种解码器量度(decoder metric))直接从所接收的并行信号y₁-y₄、y₅-y₈等检测由符号s₁-s₄、s₅-s₈等表示的比特流。

图3中提供用于实现预编码空间复用模式的发射结构30的示例。数据流对应于MIMO“层”12，并且各层12一次向预编码器34提供一个符号s。从所有MIMO层所输出的并行符号对应于符号向量s，它在预编码器34中与N_T x r预编码器矩阵相乘，它用于实质上在N_T维向量空间的子空间分布发射能量，其中N_T是发射天线的数量。如果将预编码器矩阵34限制为具有正交列，则预编码器矩阵的码本的设计对应于格拉斯曼子空间包(Grassmannian subspace packing)问题。符号向量s中的r个符号的每个对应于MIMO层，并且r称作“传输秩”。通过利用正交频分复用(0FDM)传输中使用的快速傅立叶逆变换器(IFFT)36传送预编码器输出来实现空间复用，其中通过相同的传输资源单元(RE)同时传送多个符号。经由N_T天线端口38来传送IFFT 36输出。在OFDM的情况下，相同的RE对应于相同的频率副载波或“库(bin)”。并行符号r的数量可适应当前通信信道性质。

根据图2中的模型，假定没有小区间干扰，频率副载波k上的某个资源单元(或者备选地数据RE编号k)的所接收N_R×1向量y_k对于各副载波k由下式表示：

$y_k=H_k{W}_{N_T\×r}{s}_k+e_k---\left(1\right)$

其中H_k表示有效MIMO通信信道，

是N_T×r预编码器矩阵，s_k是r×1符号向量，以及e_k是例如作为随机过程的实现所得到的噪声向量。

预编码器矩阵34可被选择成匹配总体N_R×N_T MIMO信道H(由多个单独MIMO信道H₁-H₈等组成)的特性，从而产生所谓的信道相关预编码。这通常又称作闭环预编码，并且本质上旨在将所发射能量集中到如下子空间，该子空间向UE传递所发射能量中的许多而不是在UE未位于其中的区域“浪费地”传送信号。另外，预编码器矩阵还可被选择成使信道正交化，表示在UE接收器处的线性均衡之后，减小层间干扰(不同MIMO层之间的干扰)。

在闭环预编码中，UE根据下行链路中的信道测量来传送反馈信号，其中具有对基站的关于极适合当前信道测量的要使用的预编码器的推荐。可反馈被认为覆盖大带宽的单个预编码器(宽带预编码)。也会有利的是，匹配信道的频率变化，并且改为反馈频率选择性预编码报告、例如若干预编码器，每个子带一个。子空间指的是对于可分为子带的频率的空间维度和带宽。适当的预编码器通常随频率(子带)而变化。因此，每个子带具有一个预编码器而不是所有子带(宽带)一个预编码器实现更好的预编码器适应。

闭环预编码的一个问题在于，它花费时间向基站传递UE的预编码器报告，并且在那个时间期间，信道可能已经显著改变(例如衰落)，从而到基站有机会应用报告的时间时使报告已过时。因此，闭环预编码更适合于其中信道变化缓慢的低移动性情形。对此的一个例外情况是当信道显出即使移动性高也可利用的长期性质时。基站侧上的空间相关是尽管高UE速度也比较稳定的这种性质的一个示例。

在LTE中，起源于信息位的相同块的编码位称作“码字”(CW)。码字也是用于描述来自服务于特定传输块的单个混合ARQ(HARQ)过程的输出的术语，并且包括turbo编码、比率匹配、交织等。然后，码字经过调制并且分布在多个发射天线上。在多码字传输中，可同时从若干码字传送数据。第一(经调制的)码字例如可映射到前两个天线，而第二码字可映射到四发射天线系统中的其余两个天线。但在预编码上下文中，码字映射到层，并且预编码器将这些层映射到这些天线。

对于高速率多天线传输，信道条件的一个重要特性是信道秩(channel rank)(它与传输秩不同)。大致来说，信道秩可从一改变到高达发射和接收天线的最小数量。取“4×2”系统、即具有四个发射天线和两个接收天线的系统为例，最大信道秩为二。信道秩在时间上变化，因为快速衰落改变信道条件。此外，信道秩确定多少MIMO层/数据流以及最终也确定多少码字可被成功地同时传送。因此，如果信道秩在传送映射到两个单独MIMO层的两个码字时为“一”，则存在与码字对应的两个信号将干扰以使得在接收器错误地检测到两个码字的高可能性。

结合预编码，使传输适合信道秩涉及使用和MIMO信道可支持的一样多的数据流层。在最简单的情况下，各MIMO层对应于特定天线。但是，码字的数量可与数据流/层的数量不同，在LTE中情况是这样。因而出现如何将码字映射到数据流层的问题。取四个发射天线为例，在可传送多达四层时，码字的最大数量为二。

图4中示出对于这个非限制性示例采用预编码的固定秩相关码字-层映射。可从纠错编码器、例如turbo编码器提供码字。对于与表示为码字(CW 1)的一层或一个数据流对应的信道秩1，预编码器40将单个码字CW 1映射到四个发射天线。对于与表示为两个码字(CW 1和CW2)的两层或两个数据流对应的信道秩2，预编码器将两个码字映射到四个发射天线。对于信道秩3，存在两个码字(CW 1和CW 2)，并且经由串并转换器(S/P)42将第二码字CW 2划分为两个数据流/层。因此，预编码器40把从两个码字所生成的三个数据流/层映射到四个发射天线。第二码字无需与第一码字相同长度，而是例如可以是CW 1的两倍长。对于信道秩4，存在两个码字(CW 1和CW 2)，并且两个码字均经由对应的串并转换器(S/P)42被划分为两个数据流/层。因此，预编码器40把从两个码字所生成的四个数据流/层映射到四个发射天线。

由于闭环预编码往往不适合于其中信道缺乏显著长期性质并且迅速变化的高移动性情形，所以一种备选方案是选择与信道实现无关的传输方案。这种信道无关传输又称作开环传输，并且更适合于较高移动性的情形。用于两个发射天线的示例开环传输方案是Alamouti码，它在频域具有称作空间频率块编码(SFBC)的对应物。SFBC一次取两个符号s_k和s_k+1作为输入，并且将这些符号分布在频率和空间上，如码字矩阵所说明：

$\left[\begin{array}{cc}{s}_k& s_{k+1}\\ s_{k+1}^c& -s_k^c\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中行对应于不同的天线端口，列对应于副载波维度，以及()^c表示复共轭。通常选择两个连续副载波，并且在不失一般性的情况下，下面将假定这种情况。因此，使用两个副载波/RE来传送两个可能的复值符号。因此，每个RE的符号率为1，对应于传输秩一，并且因此适合秩一类型信道。上述码属于正交空时块码(OSTBC)的类。时间维度可与另一个维度、例如频率交换，在OFDM中情况往往是这样。然而，这类码在这里称作OSTBC，即使它们可使用不同于时间的维度。OSTBC码也对于两个以上发射天线存在，但是它们通常限制在以(每个RE)符号率是一为目标的符号率。对于4个发射天线，LTE已经采用SFBC和天线转换的组合，与具有下列码字矩阵的块码对应：

$\left[\begin{array}{cccc}{s}_k& s_{k+1}& 0& 0\\ 0& 0& s_{k+2}& s_{k+3}\\ s_{k+1}^c& {-s}_k^c& 0& 0\\ 0& 0& s_{k+3}^c& -s_{k+2}^c\end{array}\right]---\left(3\right)$

即使上述码不是严格意义上的OSTBC码，但是这个码具有符号率一，并且因而适合秩一类型信道。

使用比一更高的传输秩的开环预编码也是可能的。但是，由于不存在与信道有关的准确信息，所以无法使预编码器与信道匹配。因此，有利的是尝试并且实现预编码分集，以便确保对于范围广泛的不同信道条件一般可接受的预编码器性能。

引入开环预编码传输的另一种方式是再使用纯空间预编码结构，其中预编码器乘以单个符号向量，这相当于各符号与预编码器矩阵中的对应列向量相乘。为了实现预编码分集，重要的是避免仅使用单个预编码器，因为这种传输仅适合信道实现的有限集合。相应地，可传送单个码字，其方式使得使用多个预编码器，其中以发射器和接收器均已知的某种确定性方式来改变预编码器。例如，预编码器对于一个或若干副载波可以是固定的，并且然后对于下一个(紧接的多个)副载波被改变。这以更各向同性方式在空间分布能量(即，在所有方向上更接近均匀能量分布)，它提供分集，由此降低偏向信道实现的特定集合的性能的倾向。优选地，应当存在最小分配单元、例如资源块(RB)上的实质的预编码变化，因为码字可以可能仅跨越RE的小集合。

这可使用如图2所示的“预编码器循环”来实现，其中预编码器从副载波的一个连续集合改变到下一个。由发射器预定或配置循环通过的预编码器。对于也具有闭环预编码器方案的实现的UE，有利的是在开环方案中再使用闭环预编码器码本中的预编码器，因为UE实现的相当大的部分则可再用于开环预编码方案。

开环，可配置预编码器循环的一个问题在于，接收器不知道并且无法准确预测它在特定时刻需要抵制的干扰。随着循环预编码器的数量在开环系统中增加，变得越来越难以使接收器知道或预测其中哪一个预编码器当前正用于干扰传输。因此，接收器不确定无线电块上的干扰变化，并且因而没有满意地抑制那个干扰。另一个问题涉及接收器(例如UE)中不合需要的复杂度。在预编码器循环中使用许多不同的预编码器的缺点是在发射器和接收器的高实现复杂度(并且因而增加的功耗)，因为预编码器操作和接收滤波操作必须被实现并且匹配所使用的每个预编码器。具有要在其上循环的可配置数量的预编码器矩阵还意味着，发射器和接收器必须实现成应付最大计算需求的情形。

发明内容

通过多个多输入多输出(MIMO)信道来传送数据。将多个比特流调制成多个数据符号向量。各向量具有传输秩，其中各MIMO信道一个向量。传输秩是与正通过各MIMO信道并行传送的数据流的数量对应的数据符号向量中的元素的数量。使用多个预编码器循环集合其中之一将多个数据符号向量预编码成多个经过预编码的符号向量，其中各传输秩一个集合，包括多个不同预编码器。各预编码器循环集合中的预编码器相对于多个距离度量实质上分离。预编码包括采用属于某个传输秩的预编码器循环集合的预编码器对那个传输秩的各数据符号向量进行预编码。然后，通过多个MIMO信道来传送经过预编码的符号向量。在一个非限制性示例实施例中，MIMO信道对应于使用LTE和其它无线通信系统中所采用的正交频分复用(OFDM)所得到的副载波。

向源码本提供多个码本索引，各码本索引与各传输秩的一个预编码器关联。发射器存储与源码本中的码本索引的子集对应的循环码本，使得传输秩的预编码器循环集合是具有与循环码本中的码本索引关联的对应传输秩的预编码器的集合。与相同码本索引关联的预编码器可共享相同列的一个或多个。

在一个非限制性示例实施例中，传输秩的数量为四。与码本索引关联的四个预编码器具有如下性质：对于关联到码本中的索引的预编码器的各集合，第一传输秩的第一预编码器作为列被包含在第二传输秩的第二预编码器中，第一和第二预编码器的列作为列被包含在第三传输秩的第三预编码器中，以及第一、第二和第三预编码器的列作为列被包含在第四传输秩的第四预编码器中。

一个或多个不同类型的距离度量定义相同传输秩的预编码器之间的一个或多个距离。示例多个距离度量包括弦距离、投影二范数距离(projection two-norm distance)和Fubini-Study距离。循环码本具有如下性质：不存在其关联预编码器循环集合具有比关联所有传输秩的循环码本的预编码器循环集合更好的预编码器距离性质的备选循环码本，其中各传输秩一个集合。优选地，与关联任何其它循环码本的预编码器循环集合相比，循环码本的关联预编码器循环集合对于各传输秩确实具有更好的距离性质。

在一个非限制性示例中，源码本是由对于四个天线端口上的传输所定义的LTE标准所规定的码本，并且所选的预编码器循环码本是由码本中的四个索引所给出的四个码本索引的集合。预编码器循环码本中的所有预编码器是实值并且对映(antipodal)。预编码器循环码本中的各预编码器是经过酉变换的块对角矩阵的列子集，其中矩阵A的列子集是其各列也是A中的列的矩阵。最高传输秩等于4，并且(缩放)酉变换矩阵由下式给出：

$\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1\\ 1& 0& -1& 0\\ 0& 1& 0& -1\end{array}\right]$

或者其行和列置换，并且通过自左将预编码器循环集合(或码本？)中的各预编码器矩阵与变换矩阵的共轭转置相乘来应用。

按照如上所述方式传送的数据可由根据发射器中进行的预编码器循环所配置的接收器来接收。接收多个接收符号向量，各MIMO信道一个。然后，从所接收的符号向量检测多个所发射的比特流。例如，每个所接收的符号向量可采用滤波器来滤波，根据用于对通过对应MIMO信道所传送的数据进行预编码的对应预编码器来计算滤波器。然后将经滤波的所接收符号向量解码成多个所发射的比特流。

附图说明

图1是示例LTE移动无线电通信系统的功能框图；

图2示出使用预编码器循环的通信模型；

图3示出预编码空间复用模式的发射结构；

图4是示出四天线发射器的码本-层映射的简图；

图5是示出用于确定MIMO通信的循环预编码器的最佳组的非限制性示例过程的流程图；

图6是使用采取四个预编码器的预编码器循环的发射器的非限制性示例功能框图；

图7是用于接收来自图6的发射器的传输的接收器的非限制性示例功能框图；

图8示出OFDM系统的有效信道；

图9示出WCDMA系统的有效信道；以及

图10是示出采用预编码器循环的MIMO传输的非限制性示例过程的流程图。

具体实施方式

为了便于说明而不是进行限制，以下描述中提出例如特定节点、功能实体、技术、协议、标准等具体细节，以便提供对所述技术的了解。在其它情况下，省略对众所周知的方法、装置、技术等的详细描述，以免不必要的细节妨碍对本说明的理解。在附图中示出各个功能块。本领域的技术人员会理解，那些块的功能可使用各个硬件电路、结合适当编程的微处理器或通用计算机使用软件程序和数据、使用专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列和/或使用一个或多个数字信号处理器(DSP)来实现。

但是，本领域的技术人员清楚地知道，没有以下公开的具体细节，也可实施其它实施例。在LTE系统的上下文中描述该技术，以便提供用于说明的示例和非限制性上下文。但是，这种技术可用于任何现代蜂窝通信系统，而不限于LTE或WiMAX。

一开始，可确定循环预编码器的最佳集合(称作预编码器循环集合)，供具有一个或多个预期距离性质的MIMO通信中使用。图5是示出用于确定MIMO通信的一组这样的循环预编码器的非限制性示例过程的流程图。提供与码本关联的预编码器的源(步骤S1)。存在可使用的不同源和码本。下面描述一个非限制性示例。使用码本索引来组织预编码器码本；各整数索引值与预编码器的集合关联，各传输秩一个预编码器。如以上所定义，传输秩对应于要使用多个天线并行发射的MIMO数据流的数量。因此，码本索引连同传输秩一起唯一地标识预编码器矩阵。

识别定义相同传输秩的预编码器之间的一个或多个距离的一个或多个不同类型的距离度量(步骤S2)。然后，使用该一个或多个距离度量来计算源码本中的相同传输秩的预编码器之间的一个或多个距离性质(步骤S3)。然后选择与源预编码器码本的子集对应的预编码器循环码本(步骤S4)。传输秩的预编码器循环集合是具有对应传输秩的所选预编码器循环码本中的预编码器集合。与相同码本索引关联的预编码器可共享相同列的一个或多个。循环码本具有如下性质：不存在也与源预编码器码本的子集对应的、其关联预编码器循环集合具有比关联所有传输秩的循环码本的预编码器循环集合更好的预编码器距离性质的备选循环码本，其中各传输秩一个集合。优选地，与关联也与源预编码器码本的子集对应的任何其它循环码本的预编码器循环集合相比，该循环码本的关联预编码器循环集合对于各传输秩确实具有更好的距离性质。然后，所选预编码器用于发射器与接收器之间的MIMO通信中的开环预编码器循环(步骤S5)。

非限制性示例中的假设是，传输秩可以是1、2、3和4；因此，各码本索引与四个预编码器关联，各传输秩一个。优选地，具有不同传输秩的码本索引关联的预编码器共享相同列的一个或多个。在那种情况下，对于与码本索引关联的预编码器的各集合，第一传输秩的第一预编码器包含在第二传输秩的第二预编码器中，第一和第二预编码器包含在第三传输秩的第三预编码器中，以及第一、第二和第三预编码器包含在第四传输秩的第四预编码器中。

在非限制性LTE示例中，码本是由对于四个天线端口上的传输所定义的LTE标准按照下表所规定的闭环预编码码本，其中量

表示由集合{s}从表达式

所给出的列所定义的预编码器矩阵，其中l是4×4单位矩阵，以及对于每个码本索引向量u_n定义如下：

表1：闭环预编码码本

如所示，表1取自提出供LTE中使用的闭环预编码码本，使得来自闭环模式的实现模块也可在预编码器循环实现中再使用。各传输秩对应于表1中的一列。例如，传输秩1包括预编码器

因此，传输秩的预编码器循环集合是对应传输秩列中预编码器的子集。表1中码本的各行对应于码本索引。例如，索引12包括下列预编码器

和

它们具有不同的传输秩。从这个示例中可以看到，与相同码本索引12关联的所有预编码器共享预编码器矩阵

索引12的传输秩4预编码器共享三个其它预编码器

的预编码器矩阵。

本发明人使用各种距离度量确定与表1中的源码本的子集对应的最佳循环码本，它包括由表1中的码本索引12、13、14和15所定义的四个预编码器的集合。预编码器循环集合(各传输秩一个)因而各包含四个预编码器。选择四个循环预编码器的数量，因为它是这个非限制性示例中激励四个发射天线的全部四维所需的传输秩一的预编码器的最小数量。有利的是循环充分跨越信道矩阵的空间的预编码器。由于使用与MIMO通信的传输秩对应的四个不同预编码器来传送单个码字，所以当不同预编码矩阵在距离上接近或相似时，预编码分集更低。另一方面，如果四个预编码器实质上不同或者在距离上进一步远离，则预编码分集更高。虽然不一定，但在理想情况下，应当使用一个或多个距离度量最大地分离相同传输秩中的四个预编码器。这降低全部四个预编码器均不适合于信道实现以及在接收器错误地对码本解码的可能性。

包括弦距离、投影二范数距离和Fubini-Study距离的多个距离度量用于评估相同传输秩的预编码器之间的距离。对于传输秩r，预编码矩阵的列跨越N_T维(在表1所定义的码本中，N_T＝4)复向量空间中的r维子空间。目标是使所有子空间之间的距离为最大。弦距离可由下式定义：

$d_{\mathrm{chord}}(W_i,W_j)=\frac{1}{\sqrt{2}}{\left|\right|W_i{W}_i^{*}-W_j{W}_j^{*}\left|\right|}_F$

投影二范数距离由下式定义：

$d_{\mathrm{proj}}(W_i,W_j)=\frac{1}{\sqrt{2}}{\left|\right|W_i{W}_i^{*}-W_j{W}_j^{*}\left|\right|}_2$

以及Fubini-Study距离：

$d_{\mathrm{FS}}(W_i,W_j)=\arccos \left|\det \left(W_i^{*}{W}_j\right)\right|$

对于与四个码本索引关联的预编码器的每个候选预编码器循环码本，存在四个关联的预编码循环集合，各传输秩一个；这些预编码器循环集合的每个包含对应传输秩的四个预编码器矩阵(各码本索引一个)，(即，预编码器循环集合是表1中的列的四元素子集)。对于四个预编码器的预编码器循环集合，存在六个相互距离。使{d₁，...，d₆}表示距离的有序集合，即，d₁≤…≤d₆。对于第i个候选预编码器循环码本(假定四个索引的全部可能集合已经排序)，使

表示传输秩r的预编码器循环集合的距离的向量。使向量关系表示

即，

中的各元素大于或等于

中的对应元素。如果

则关联预编码器循环码本j的传输秩r的预编码器循环集合具有比关联另一个候选循环码本i的相同传输秩r的预编码器循环集合更好或与其相等的距离性质。

从对应于码本索引(行)0-15的表1中16行，存在1820种方式来进行四的编组。根据这三个距离度量和

关系，在这个非限制性示例中，行的最佳子集(即，最佳预编码器循环码本)包括行12、13、14和15。可以表明，这个预编码器循环码本是满足下式的唯一一个：

$w_i^r\stackrel{\·\·\·}{\≤}{w}_1^r$ 1≤r≤4，2≤i≤1820

对于以上定义的全部三个距离度量，其中这个最佳预编码器循环码本对应于第一候选预编码器循环码本(即，i＝1)。这表示(码本索引的)所有其它候选预编码器循环码本对于至少一个传输秩和一个距离度量确实具有比最佳循环码本更差的距离性质。因此，最佳预编码器循环码本可使用预编码器内循环子集距离来确定。预编码矩阵之间的距离是关于矩阵跨越MIMO信道的空间的良好程度的度量，它还指明分布发射功率的空间各向同性的程度。

对于预编码器循环来自表1的码本索引12、13、14和15的预编码器的使用具有若干其它有吸引力的方面。一个是预编码器循环矩阵的元素是实数并且对映，使得预编码器矩阵中的所有元素具有相等幅值但可能具有不同的符号。这种实数且对映的结构特别适合于硬件(和软件)实现，因为预编码器W和符号向量s的矩阵向量乘法可以仅使用加法和减法来实现而无需乘法(除了经过预编码的符号x的功率缩放(power scaling)之外)。加法和减法比乘法的计算密集度小许多。最佳预编码器循环子集还特别适合于其中两个发射天线具有一个极化方向，而另外两个发射天线具有正交极化的交叉极化设置。例如，考虑天线在发射器处具有+-45度极化的情况。为了使这种极化情形下的最佳预编码器循环子集的结构可视化，可采用对应于下式的酉变换旋转(自左乘)该结构：

$U=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1\\ 1& 0& -1& 0\\ 0& 1& 0& -1\end{array}\right]$

更具体来说，不失为一般性，可假定预编码循环集合中的预编码器全部自左与U^*、即U的共轭转置相乘。来自与码本索引12、13、14和15对应的最佳子集的所得旋转预编码器以对应顺序如下所示：

${\tilde{W}}_{12}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1\\ 0& 1& 0& -1\\ 1& 0& -1& 0\end{array}\right],$ ${\tilde{W}}_{13}=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 1\\ 1& 0& 1& 0\\ 1& 0& -1& 0\\ 0& 1& 0& -1\end{array}\right]$

${\tilde{W}}_{14}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1\\ 0& -1& 0& 1\\ -1& 0& 1& 0\end{array}\right],$ ${\tilde{W}}_{15}=\left[\begin{array}{cccc}0& -1& 0& -1\\ -1& 0& -1& 0\\ 1& 0& -1& 0\\ 0& 1& 0& -1\end{array}\right]$

其中看到，在应用适当的行和列置换之后，(例如，交换列2和3，以及此后交换行2和4)，得到如下块对角(block-diagonal)结构：

${\widetilde{\stackrel{~}{W}}}_{12}=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ 1& -1& 0& 0\\ 0& 0& 1& -1\\ 0& 0& 1& 1\end{array}\right],$ ${\widetilde{\stackrel{~}{W}}}_{13}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 1& -1\\ 1& -1& 0& 0\\ 1& 1& 0& 0\end{array}\right]$

${\widetilde{\stackrel{~}{W}}}_{14}=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ -1& 1& 0& 0\\ 0& 0& -1& 1\\ 0& 0& 1& 1\end{array}\right],$ ${\widetilde{\stackrel{~}{W}}}_{15}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& -1& -1\\ 0& 0& 1& -1\\ 1& -1& 0& 0\\ -1& -1& 0& 0\end{array}\right]$

其中具有2×2大小的块。行置换可备选地通过置换U的列来执行。注意，块在两个对角线其中之一上。要查看为什么这种块对角结构会是有利的，考虑其中发射器正使用交叉极化天线阵列的情形，其中两个第一天线共极化，而最后两个天线具有与第一对正交的极化方向。最佳预编码循环集合中的预编码器则可写作

其中

执行到某些虚拟天线的预编码，然后通过与U相乘，将虚拟天线变换成物理天线维度(或者采用LTE术语，到天线端口)。这些虚拟天线还逐对经过交叉极化，并且U可解释为将虚拟极化方向旋转45度。因此，

矩阵的前两行和最后两行分别对应于第一和第二共极化天线对。对这些行(以及这些列)重排序产生它表示前两行对应于一个交叉极化虚拟天线对，而最后两行对应于另一个交叉极化虚拟天线对。的块对角结构连同正交发射加权[1 1]^T和[1 -1]^T一起确保层始终在两个正交极化上发射，同时确保，如果传送多层(传输秩大于1)，则使用正交加权。这改进分集，因为正交极化趋向于相当无关地衰落。同时，由于正交2×1发射加权，使层间干扰保持为低。块对角结构是进一步有利的，在于：只有两个天线对于某个信道使用是活动的，因为其它两个虚拟天线则不会冒消除来自两个活动天线的信号的风险。两个活动虚拟天线趋向于相当充分的分离，因为它们对应于正交极化，并且因此使因来自活动虚拟天线对的传输引起的信号的可能消除保持为低。甚至对于较低的传输秩也保持有利的块对角结构，因为它们对应于秩4预编码器的列子集。

图6是使用采取四个预编码器的预编码器循环、例如单不限于以上结合表1所述的四个预编码器循环集合(即码本索引12-15)的发射器的非限制性示例功能框图。发射器50包括数据源52，它向差错控制编码块54、例如turbo编码器提供数据位，差错控制编码块54将码字(CW)提供给一个或多个调制块56，其中将数据调制到S_CW1(T)所表示的符号。如果例如对于如图4所示的传输秩2、3或4使用两个码字，则第二调制块56和第二码字符号被生成并且输入到层映射块58。数据流/MIMO层映射块58生成符号向量s(t)，它被提供给频率映射块60。频率块60处理符号向量，并且生成并行符号输出。MIMO发射器的传输秩的所选四个预编码器W₁-W₄在预编码级62用于对频率映射器60所生成的符号元素进行预编码。例如，使用预编码器矩阵W₁-W₄对符号向量s₁-s₄进行预编码，以便生成经过预编码的符号向量x₁-x₄。然后，重新循环相同的四个预编码器，以便对来自频率映射器60的并行输出中紧接的四个符号向量s₅-s₈进行编码，以便生成经过预编码的符号向量x₅-x₈，依此类推。将经过预编码的符号输出并行地提供给快速傅立叶逆变换(IFFT)块64，它把来自频域的符号转换到时域，以便生成被映射到N_T个天线66的单个复时域信号x(t)，并且还可插入循环前缀。

图7是用于接收来自图6的发射器50的MIMO传输的接收器70的非限制性示例功能框图。N_R个天线71接收被提供给快速傅立叶变换(FFT)块72的相应所接收信号y(t)，快速傅立叶变换(FFT)块72又将所接收信号从时域转换到频域，并且如果在发射器插入了循环前缀，则可将它去除。把来自FFT 72的四个并行输出的各集合提供给对应于图6的预编码级62中使用的四个预编码器的四个滤波器74的“排(bank)”。例如，所接收符号y₁-y₄由对应滤波器(filter₁-filter₄)进行滤波，以便生成近似接收信号

如果MIMO无线电信道在子频率1-8上是充分静态的(假定OFDM类型系统)，则滤波器1-4可再用于滤波器5-8，如图7所示。频率映射块76将近似接收符号映射到时域中组合近似符号信号

层映射块78将这个近似信号映射到最近的符号码字(proximate symbol code words)的一个或两个中。在解调和差错控制解码块80中对符号码字进行处理，解调和差错控制解码块80产生有希望与从发射器中的数据源52传送的内容对应的经过解码的数据82。

本申请中的技术可适用于其它类型的无线电接入技术。图8和图9是背景技术部分所描述的有效信道的两个不同示例。在上述LTE示例中，假定系统为诸如图8所示OFDM类型系统等OFDM类型系统。图9示出对宽带码分多址(WCDMA)系统的示例应用。在这里，将经过预编码的符号x从并行格式到串行格式地转换成经过预编码器的符号信号x(t)，以便通过MIMO天线发射。在接收器侧，天线接收信号y(t)被组合成单个所接收信号，在均衡器中经过均衡，然后被转换成并行格式，以便产生用于预编码器滤波的所接收符号。值得注意的是，对执行IFFT/FFT操作以及对添加和去除循环前缀的需要在WCDMA情况下不是必要的。

图10是示出采用预编码器循环的MIMO传输的非限制性示例过程的流程图，并且称作“附图：采用预编码器循环的MIMO传输”。将多个比特流调制成多个数据符号向量(s1-s8)，各向量具有传输秩，其中各MIMO信道一个向量(步骤S10)。如上所述，传输秩是与正通过各MIMO信道并行传送的数据流的数量对应的数据符号向量中的元素的数量。使用多个预编码器循环集合将多个数据符号向量预编码成多个经过预编码的符号向量，其中各传输秩一个集合，包括多个不同预编码器(步骤S11)。各预编码器循环集合中的预编码器相对于多个距离度量实质上分离。采用属于某个传输秩的预编码器循环集合的预编码器对那个传输秩的各数据符号向量进行预编码。然后，通过MIMO信道来传送经过预编码的符号向量(步骤S12)。

按照如上所述方式传送的数据可由根据在发射器中进行的预编码器循环所配置的接收器来接收。接收多个接收符号向量，各MIMO信道一个。然后，从所接收的符号向量检测多个所发射的比特流。例如，可采用滤波器来对每个所接收的符号向量进行滤波，根据用于对通过对应MIMO信道所传送的数据进行预编码的对应预编码器来确定该滤波器。然后将经滤波的所接收符号向量解码成多个所发射的比特流。

总之，特定预编码矩阵从码本中选取，并且用于开环预编码器循环。对于所有信道秩，循环预编码器矩阵优选地关联到码本中索引的相同集合(表表示中的行的相同集合)。这实现有效接收器实现，因为对于各传输秩，预编码器矩阵中的许多列是与用于其它秩的预编码器矩阵共同的。对于所有信道秩，优选地使用一个或多个距离度量使循环预编码器矩阵最大地(但至少是实质上)分离，以便各向同性地散布(spread)所发射能量。在一个非限制性示例实施例中，假定四的预编码器循环周期，即，在不同副载波上使用四个不同的预编码矩阵，但是可使用其它循环周期。优选地但不是必要地，在一个码字期间使用预定的不同预编码矩阵相等多次。可使用不同于四个预编码器的某个数量的循环组。对于上述示例情况，使用特定示例距离度量的集合来找到一个最佳组。但是在其它情况下，若干组可以是等效或差不多一样好。其它附加方面可用于选择组，例如仅具有实值预编码矩阵的组。也可使用其它距离度量。

预编码器循环的性能和复杂度通过设计成满足下列四个标准的一个、一些或者优选全部的预编码器循环集合来获益：预编码器循环集合针对多个距离度量优化了距离性质，以便实现最大空间分集；不同传输秩的预编码器共享列，以便简化传输秩适应的实现；预编码器矩阵的元素是实值且对映的，这简化预编码操作的硬件实现；以及预编码器矩阵具有块对角结构，以便最大地利用交叉极化天线设置的性质。对于四个发射天线的LTE预编码器码本，本发明人提出采用由表1中的码本索引12、13、14和15所表示的预编码器的预编码器循环。这个预编码器循环码本满足这些合乎需要的性质的全部四个，并且关联预编码器循环集合相对于所有传输秩的全部所考虑的距离度量是距离最佳的。虽然已经详细示出和描述了各个实施例，但权利要求书并不局限于任何具体实施例或示例。以上描述不应当被理解为暗示任何具体元件、步骤、范围或功能是必要的而使得它必须包含在权利要求书的范围内。专利主题的范围仅由权利要求书来定义。法律保护的范围由允许的权利要求及其等效物中所陈述的词语来定义。本领域的技术人员已知的上述优选实施例的元件的所有结构和功能等效方案通过引用明确地结合于此，并且意在由本权利要求书涵盖。此外，不一定要装置或方法为了由本权利要求书涵盖而解决要通过本发明解决的每个问题。权利要求书不是意在援引35 USC§112的第6部分，除非使用了词组“用于...的部件”或“用于...的步骤”。此外，本说明书中没有实施例、特征、组件或步骤意在专用于公开场合，无论该实施例、特征、组件或步骤是否在权利要求书中进行陈述。

Claims (19)

1.一种用于通过多个多输入多输出(MIMO)信道来传送数据的方法，包括：

将多个比特流调制成多个数据符号向量(s1-s8)，各向量具有传输秩，其中各MIMO信道一个向量，其中，传输秩是与正通过各MIMO信道并行传送的数据流的数量对应的数据符号向量中元素的数量；

使用多个预编码器将所述多个数据符号向量预编码成多个经过预编码的符号向量(x1-x8)，其中预编码器是具有多列的矩阵，属于编组成预编码器循环集合的预编码器的第一预编码器循环码本，各传输秩一个集合，包括多个不同预编码器，其中各预编码器循环集合中的所述预编码器相对于多个距离度量实质上分离，

其中，所述预编码包括采用属于传输秩的所述预编码器循环集合的预编码器对所述传输秩的各数据符号向量进行预编码；以及

通过所述多个MIMO信道来传送所述经过预编码的符号向量。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个MIMO信道对应于使用正交频分复用(OFDM)所得到的副载波。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，预编码器与更高传输秩的预编码器循环集合中的预编码器共享相同列中的一个或多个，而不管归一化因数。

4.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，传输秩的数量为四。

5.如权利要求4所述的方法，其中，不管归一化因数，属于第一传输秩的预编码器循环集合的各预编码器作为一个或多个列被包含在属于第二传输秩的预编码器循环集合的预编码器中，其中属于第一或第二传输秩的预编码器循环集合的各预编码器作为列被包含在属于第三传输秩的预编码器循环集合的预编码器中，以及其中属于第一、第二或第三传输秩的预编码器循环集合的各预编码器作为列被包含在属于第四传输秩的预编码器循环集合的预编码器中。

6.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中：

一个或多个不同类型的距离度量定义相同传输秩的预编码器之间的一个或多个距离，

所述第一预编码器循环码本是包括多个传输秩的多个预编码器的源预编码器码本的子集；以及

不存在满足下列条件的第二预编码器循环码本：

1)所述第二预编码器循环码本是所述源预编码器码本的子集，

2)与所述第二预编码器循环码本关联的各传输秩一个集合的所述预编码器循环集合的每个具有与所述第一预编码器循环码本的所述对应预编码器循环集合相同数量的预编码器，

3)与所述第二预编码器循环码本关联的各传输秩一个集合的所述预编码器循环集合的每个相对于所述一个或多个距离度量、与所述第一预编码器循环码本的所述对应预编码器循环集合相比具有相等或更好的距离性质，以及

4)与所述第二预编码器循环码本关联的所述预编码器循环集合的至少一个相对于所述距离度量的至少一个具有比关联所述第一预编码器循环码本的所述对应预编码器循环集合更好的距离性质。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述第一预编码器循环码本具有附加性质：所述预编码器循环集合的每个相对于所述一个或多个距离度量、与任何备选第三预编码器循环码本的所述对应预编码器循环集合相比具有相等或更好的距离性质；假定所述第三预编码器循环码本的所述预编码器循环集合的每个中的预编码器的数量等于所述第一预编码器循环码本的所述对应预编码器循环集合中的预编码器的数量。

8.如权利要求6或7中的任一项所述的方法，其中，所述源码本是由LTE标准所规定的码本。

9.如权利要求8所述的方法，其中，按照下表对于在四个天线端口上的传输来定义所述码本，其中量

表示由所述集合{s}从表达式

所给出的列所定义的预编码器矩阵，其中1是4×4单位矩阵，以及向量u_n：

10.如权利要求6-9中的任一项所述的方法，其中，多个距离度量被使用，并且包括弦距离、投影二范数距离和Fubini-Study距离。

11.如权利要求1-10中的任一项所述的方法，其中，所述第一预编码器循环码本包括与下表中的码本索引12、13、14和15关联的预编码器，其中量

表示由所述集合{s}从表达式

所给出的列所定义的预编码器矩阵，其中1是4×4单位矩阵，以及向量u_n：

12.如权利要求1-11中的任一项所述的方法，其中，属于预编码器循环集合的所有所述预编码器是具有对映元素的实值矩阵，或这类矩阵的复数旋转。

13.如权利要求1-12中的任一项所述的方法，其中，预编码器的所述第一预编码器循环码本中的所述预编码器循环集合其中之一具有块对角结构，包括：

缩放的酉矩阵；

多个块对角矩阵，其中块对角矩阵是在沿对角线的块中具有所有非零元素的矩阵；以及

多个块对角矩阵的多个列子集，

其中第一矩阵的列子集是从任意排序的所述第一矩阵的多个列所形成的第二矩阵，以及

其中，所述一个预编码器循环集合中的各预编码器是所述缩放的酉矩阵与多个块对角矩阵的所述多个列子集其中之一相乘的矩阵积。

14.如权利要求13所述的方法，其中，预编码器的所述第一预编码器循环码本中的所有所述预编码循环集合具有所述块对角结构，以及其中所述缩放的酉矩阵和所述列置换对于预编码器的所述第一预编码器循环码本中的所有所述预编码循环集合是相同的。

15.如权利要求13和14中的任一项所述的方法，其中，所述预编码器具有四行，并且所述缩放的酉矩阵由下式给出：

$\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1\\ 1& 0& -1& 0\\ 0& 1& 0& -1\end{array}\right]$

或者其行和/或列置换。

16.一种用于通过多个MIMO信道来接收使用如权利要求1-15所述的方法的任一种所传送的数据的方法，包括：

接收多个接收符号向量(y1-y8)，各MIMO信道一个，以及

从所述所接收的符号向量检测所述多个所发射的比特流。

17.如权利要求16所述的方法，还包括：

采用滤波器(74)对每个所接收的符号向量进行滤波，所述滤波器根据用于对通过所述对应MIMO信道所传送的数据进行预编码的所述对应预编码器来计算，以及

将所述经滤波的所接收符号向量解码成所述多个所发射的比特流。

18.一种用于根据权利要求1-15中的任一项所述的方法、通过多个多输入多输出(MIMO)信道来传送数据的发射器(50)。

19.一种用于使用权利要求16或17所述的方法、通过多个MIMO信道来接收使用如权利要求1-15所述的方法的任一种所传送的数据的接收器(70)。

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