CN101933267A - 无线通信系统、无线通信设备和无线通信方法 - Google Patents

Abstract

信道估计单元(18)基于由多个天线接收到的信号来估计信道的特性(信道估计)。SVD单元(19)对每个信道估计值执行奇异值分解。正交性确定单元(20)基于指示发送设备与接收设备之间的信道质量的信息，确定(识别)多个本征路径的正交性是维持还是破坏。接收方案估计单元(22)基于指示每个本征路径中的信道质量的信息，估计接收单元(2)的用于分离本征路径的接收方案。传输自适应控制单元(23)基于由接收方案估计单元(22)估计的接收设备的接收方案以及正交性确定单元(20)的确定(识别)结果，执行发送设备(1)在传输时的预定控制。

Description

无线通信系统、无线通信设备和无线通信方法

相关申请的交叉引用

本申请要求日本专利申请No.2008-19848(于2008年1月30日提交)的优先权，其全部内容以引用的方式并入于此。

技术领域

本发明涉及使用MIMO通信的无线通信系统、无线通信设备和无线通信方法。

背景技术

近年来，为了增大总体系统的传输容量，在通信系统中广泛使用了一种用于估计接收质量并基于接收质量自适应地分配资源的方法。具体地，已知使用多个天线进行发送和接收的MIMO(多输入多输出)通信能够在使用通过SVD(奇异值分解)方案的、被称为本征路径的独立信道时，通过基于本征路径的本征值对传输功率以及每条路径的调制方案进行控制，来显著地增大系统的传输容量。

基于注水原理的方案被认为是对MIMO通信的自适应控制的最合适方案，并且，积极地研究了利用实际离散调制方法来增大系统的传输容量的方法。此外，由于本征值最小的路径具有低成本的传输性能，因此考虑了根本不使用该路径来进行简单控制的方法。

然而，已知使用这种本征路径的MIMO通信控制方案是非常敏感的，因此，如果由于某种原因而使正交性破坏，则传输特性严重恶化。为了解决这种问题，提出了利用作为已知信息的多普勒频率等等，通过基于该信息计算SINR(信号与干扰加噪声比)并执行控制，来防止在正交性破坏时特性恶化(参见专利文献1)。

图8是示意了基于SINR执行自适应控制的传统无线通信系统的基本配置的图。图9是示意了操作的流程图。发送设备1具有S/P单元31、自适应调制和编码单元32、自适应传输功率控制单元33和发送波束成形单元34，而接收设备2具有接收天线处理单元35、解调处理单元36和P/S单元37。可以向发送设备1或接收设备2提供信道估计单元38、SVD单元39、SINR计算单元40和传输自适应控制单元41。

信道估计单元38对当前传播路径执行信道估计(步骤201)，SVD单元39根据信道估计值、通过SVD过程来计算发送权重(步骤202)。SINR计算单元40基于多普勒频率的已知信息来计算SINR(步骤203)，然后，传输自适应控制单元41基于SINR来执行自适应控制(步骤204)。

专利文献1：日本专利申请未审公开No.2005-252834

发明内容

本发明要解决的技术问题

如上所述，当在使用本征路径的MIMO通信(以下称为SVD-MIMO)中执行自适应控制时，由于信道变化而引起的正交性破坏是特性恶化的主要原因。事实上，如上所述，在正交性破坏时在SVD-MIMO通信中执行最优自适应控制的方法可能损失总体系统的传输容量。

此外，尽管专利文献1假定了多普勒频率已知，但通常难以估计多普勒频率。因此，优选地，能够以简单的方式确定正交性是否破坏，同时以简单的方式知道接收处理方法。

为了解决这种问题，本发明的目的是提供无线通信系统、无线通信设备和无线通信方法，能够在不直接测量多普勒频率的情况下确定自适应控制是否可以作用于SVD-MIMO通信。

技术方案

为了达到上述目的，本发明的特征在于一种无线通信系统，用于经由发送设备与接收设备之间的多个本征路径来执行无线通信，所述无线通信系统包括：确定单元，用于基于指示所述发送设备与所述接收设备之间的信道质量的信息，确定所述多个本征路径的正交性是维持还是破坏；以及控制单元，用于基于所述确定单元的确定结果，执行所述发送设备在传输时的预定控制。

此外，本发明的特征在于一种无线通信系统，用于经由发送设备与接收设备之间的多个本征路径来执行无线通信，所述无线通信系统包括：估计单元，用于基于用于指示每个所述本征路径的信道质量的信息，估计所述接收设备的接收方案；确定单元，用于基于指示所述发送设备与所述接收设备之间的信道质量的信息，确定所述多个本征路径的正交性是维持还是破坏；以及控制单元，用于基于所述估计单元所估计的所述接收设备的接收方案以及所述确定单元的确定结果，执行所述发送设备在传输时的预定控制。

优选地，如果所述确定单元的确定结果是正交性维持，则所述控制单元根据基于注水原理的第一控制方案，执行所述发送设备的预定控制；或者，如果正交性破坏，则所述控制单元根据与第一控制方案不同的第二控制方案来执行预定控制。所述第二控制方案是：基于正交性的破坏程度以及所述接收设备的接收方案，改变基于注水原理的控制与无控制的比率。

此外，优选地，所述接收设备具有信道估计单元，所述信道估计单元用于基于接收信号来估计信道特性，作为用于指示信道质量的信息，并且，所述确定单元基于由所述信道估计单元估计的用于指示信道特性的信息以及从所述接收设备向所述发送设备传输的用于指示信道特性的信息，来确定正交性是维持还是破坏。

此外，优选地，所述发送设备在传输时的预定控制是至少传输时的功率控制或者调制和编码控制。

本发明的特征在于一种无线通信设备，用于经由多个本征路径来执行无线通信，所述无线通信设备包括：识别单元，用于基于指示信道质量的信息来识别所述多个本征路径的正交性是维持还是破坏；以及控制单元，用于基于所述识别单元的识别结果，执行传输时的预定控制。

此外，本发明的特征在于一种无线通信设备，用于经由多个本征路径来执行无线通信，所述无线通信设备包括：估计单元，用于基于指示每个所述本征路径的信道质量的信息，估计对等无线通信设备的接收方案；识别单元，用于基于指示信道质量的信息，识别所述多个本征路径的正交性是维持还是破坏；以及控制单元，用于基于所述估计单元所估计的对等无线通信设备的接收方案以及所述识别单元的识别结果，来执行传输时的预定控制。

此外，本发明的特征在于一种无线通信系统的无线通信方法，所述无线通信系统用于经由发送设备与接收设备之间的多个本征路径来执行无线通信，所述无线通信方法包括以下步骤：基于用于指示所述发送设备与所述接收设备之间的信道质量的信息，确定所述多个本征路径的正交性是维持还是破坏；以及基于确定结果来执行所述发送设备在传输时的预定控制。

此外，本发明的特征在于一种无线通信系统的无线通信方法，所述无线通信系统用于经由发送设备与接收设备之间的多个本征路径来执行无线通信，所述无线通信方法包括以下步骤：基于指示每个所述本征路径的信道质量的信息，估计所述接收设备的接收方案；基于用于指示所述发送设备与所述接收设备之间的信道质量的信息，确定所述多个本征路径的正交性是维持还是破坏；以及基于所估计的所述接收设备的接收方案以及确定结果，执行所述发送设备在传输时的预定控制。

本发明的有益效果

根据本发明，在不直接测量多普勒频率的情况下，可以在SVD-MIMO通信中高效地执行自适应控制。此外，与传统方法相比，即使仅SVD-MIMO通信的自适应控制无法有效工作，也可以进行控制，以便通过考虑在接收侧分离接收信号的接收方案，以与接收侧协调的方式，有效地使用系统的传输容量。

附图说明

图1是示意了当正交性破坏时BER特性恶化的示例的图；

图2是示意了当MLD的接收方案用于分离本征路径时BER特性恶化的示例的图；

图3是示意了当MMSE的接收方案用于分离本征路径时BER特性恶化的示例的图；

图4是示意了根据本发明的无线通信系统的基本配置的图；

图5是示意了本发明的操作的流程图；

图6是示意了基站执行确定处理和自适应控制的操作的序列图；

图7是示意了终端执行确定处理的操作的序列图；

图8是示意了基于SINR执行自适应控制的传统无线通信系统的基本配置的图；以及

图9是示意了传统无线通信系统的操作的流程图。

具体实施方式

将参照附图来描述本发明的优选实施例。首先，描述作为本发明基础的SVD-MIMO通信。在SVD-MIMO通信中，基于以下公式来获得发送和接收权重：

[公式1]

$\hat{H}={\mathrm{U\ΣV}}^H$

然而，

[公式2]

信道估计值

λ_i：第i个路径的本征值，m：路径数目

此时，如果发送和接收权重分别表达为：

[公式3]

V，U^H，

由于

[公式4]

V，U^H

满足酉性，因此接收信号y与发送信号x之间的关系如下所示：

[公式5]

y＝U^HHVx＝U^HU∑V^HVx＝∑x

相应地，如果所预测的信道

[公式6]

和实际用于传输的信道

[公式7]

H

彼此相等，则发现可以基于每个路径的本征值来独立地接收发送信号。然而，在这种情况下没有考虑噪声。

SVD-MIMO通信的传统自适应控制向具有较大本征值的路径分配大量的数据或传输功率，同时向具有较小本征值的路径分配少量数据或不分配功率，以基于注水原理来实现高度有效的数据传输。

然而，在SVD-MIMO通信中，如果所预测的信道

[公式8]

和实际用于传输的信道

[公式9]

H

彼此不同，则本征路径之间的正交性破坏，导致路径之间的干扰增大，从而，如果在接收侧仅执行SVD过程，则BER(误比特率)特性严重恶化。

图1是示意了当正交性破坏时BER特性恶化的示例的图，并示出了当利用4个发射天线、4个接收天线和最多4个本征路径来发送8比特数据的过程中，所预测的时间与传输时间之间的差异是0ms、0.1ms、0.2ms、0.5ms和1ms时相对于SNR(信噪比)的BER。示出了当延迟时间不是0ms时，特性恶化。

此外，如上所述，已知如果所预测的信道

[公式10]

不同于实际信道

[公式11]

H，

则在发送侧执行加权并在接收侧执行MIMO过程的情况下，路径的特性变为彼此相似。

如果甚至在假定SVD-MIMO通信系统是理想系统的条件下也执行自适应控制，则导致系统容量的损失，这是由于可能向已经不可用的本征路径分配数据并且可能没有向可以使用的本征路径分配数据。

相应地，如果通过某种方法识别出正交性破坏，则优选地，基于与在SVD-MIMO通信系统理想地工作时使用的算法不同的算法来进行控制。

可以在发送侧和接收侧之一执行对正交性破坏的检测。当接收侧的处理能力较低时，发送侧使用反馈信息等来检测正交性破坏。如果接收侧具有足够的处理能力并且不期望增加不必要的反馈信息，则接收侧可以检测正交性破坏并仅将检测结果发送至发送侧。

例如，假定当发送侧检测到正交性破坏时，获得了发送时通过SVD过程得到的每个路径的SNR以及从反馈信息获得的接收时接收侧的每个路径的SNR等等。此时，如果它们彼此完全匹配，则认为在所预测的信道

[公式12]

和传输时的信道

[公式13]

H

中几乎没有差异，并且正交性维持。然而，当它们之间存在差异时，特别是如果具有较大本征值的较高本征路径的SNR在接收时减小，而具有较小本征值的较低本征路径的SNR增大，则可以确定正交性破坏。

优选地，基于这种信息，不是根据注水原理来严格执行自适应控制，而是执行校正和控制，以便即使在正交性破坏时也能够有效地使用系统容量。

此外，当使用如MLD(最大似然检测)之类的高级接收方案来在接收侧分离本征路径时，即使本征模的正交性破坏，也可以容易地维持自适应控制的效果，这是由于与如MMSE(最小均方误差)之类的简单接收方案相比，它很有能力维持BER特性。

图2是示意了当使用MLD作为接收方案来分离本征路径时BER特性恶化的示例的图，而图3是示意了当使用MMSE作为接收方案来分离本征路径时BER特性恶化的示例的图。图2和图3示出了当利用4个发射天线、4个接收天线和最多4个本征路径来发送符号的总共8比特数据的过程中，所预测的时间与传输时间之间的差异是0ms、0.1ms、0.2ms、0.5ms和1ms时相对于SNR的BER。图2和图3中示出了当使用MLD作为接收方案来分离本征路径时，很有能力维持BER性能。

相应地，认为如果找出接收方案，则可以通过根据该接收方案来改变用于确定是否执行自适应控制的准则来更高效地使用系统容量。

基于上述描述来描述本发明。图4是根据本发明的无线通信系统的基本配置的图。如图4所示，发送设备1具有多个发射天线，并具有S/P单元11、自适应调制和编码单元12、自适应传输功率控制单元13和发送波束成形单元14。接收单元2也具有多个天线，并具有接收天线处理单元15、解调处理单元16、P/S单元17和信道估计单元(信道估计单元)18。可以向发送设备1或接收设备2提供SVD单元19、正交性确定单元(确定单元或识别单元)20、接收方案估计单元(估计单元)22和传输自适应控制单元(控制单元)23。

S/P单元11对发送数据执行串并转换，并输出每个本征路径的发送数据。自适应调制和编码单元12根据传输自适应控制单元23的输出来对每个本征路径的发送数据进行调制和编码。自适应传输功率控制单元13根据来自传输自适应控制单元23的输出，控制从自适应调制和编码单元12输出的每个本征路径的发送信号的传输功率。发送波束成形单元14通过将从自适应传输功率控制单元13输出的发送信号与从SVD单元19输出的发送权重相乘来形成发送本征波束，并且还对每个发射天线的信号进行复用。

在多个发射天线与多个接收天线之间形成MIMO信道。接收天线处理单元15通过基于从信道估计单元18输出的信道估计结果来计算接收权重，从而执行空间滤波，或通过执行最大似然接收过程，来提取每个本征路径的信号。解调处理单元16基于来自传输自适应控制单元23的输出信息来对每个本征模的信号执行纠错解调等，以输出接收数据。P/S单元17对每个本征模的接收数据执行并串转换。

基于由多个接收天线接收的信号，信道估计单元18对信道的特性进行估计(信道估计)。SVD(奇异值分解)单元19对每个信道估计值执行奇异值分解。正交性确定单元20基于用于指示发送设备1与接收设备2之间的信道质量的信息，确定(识别)多个本征路径的正交性是维持还是破坏。即，正交性确定单元20基于用于指示由信道估计单元18估计的信道特性的信息以及从接收设备2向发送设备1传输的用于指示信道特性的信息，确定正交性是维持还是破坏。接收方案估计单元22基于指示每个本征路径的信道质量的信息(指示信道特性的信息)，估计接收设备2分离本征路径的接收方案。传输自适应控制单元23基于由接收方案估计单元22所估计的、接收设备的接收方案以及正交性确定单元20的确定结果(识别结果)，执行发送设备1在传输时的预定控制(功率控制或调制和编码控制)。

接下来，基于图5所示的流程图来描述本发明的操作。信道估计单元18对当前传播路径执行信道估计(步骤101)，然后，SVD单元19根据信道估计值、通过SVD过程来计算发送权重(步骤102)。正交性确定单元20基于来自信道估计单元18的信道信息以及从接收设备反馈的指示本征值的信息，来确定(识别)正交性是否破坏(步骤103)。如果正交性未破坏(否)，则传输自适应控制单元23基于注水原理来执行自适应控制(第一控制方案)(步骤106)。如果在步骤103正交性破坏(是)，则接收方案估计单元22估计分离本征路径的接收方案(步骤104)，传输自适应控制单元23基于正交性和接收方案来执行自适应控制(第二控制方案)(步骤105)。

这里，尽管可以在发送侧或在接收侧确定本征路径的正交性是否破坏，但如果在发送侧根据如对于FDD(频分双工)系统来说必要的SNR(信噪比)之类的反馈信息以及本征值来确定正交性，则可以减小不必要的反馈开销。此外，由于如果在发送侧确定了正交性则接收侧不需要确定正交性，因此还可以设计根据终端的处理能力来进行切换。

类似地，如果发送侧在协议中不具有知道接收方案的系统，则可以通过根据任何反馈信息进行估计来减小开销。

接下来，基于实施例来描述本发明的操作。图6是示意了当作为发送设备的基站根据来自作为接收设备的终端的反馈信息来执行所有确定以及执行自适应控制时的操作的序列图。

当基站从终端接收到例如经由第N-1帧的、上行链路数据以及如CSI(信道状态信息)之类的反馈信息时，基站通过使用反馈信息执行自适应控制，经由第N帧向终端发送下行链路数据，并预测SNR。当接收到下行链路数据时，终端测量接收SNR和CSI，并经由第N帧将上行链路数据和反馈信息反馈给基站。基站基于先前CSI来执行计算，并将所预测的传输SNR与针对每个本征路径而反馈的SNR进行比较，并在比较结果相匹配时识别出正交性未破坏，并基于理想的SVD-MIMO通信和注水原理来执行自适应控制。

然而，如果基站所预测的SNR与从终端反馈的SNR不匹配，则基站确定正交性破坏，并执行以下过程。

如果基站不知道终端的接收方案，则根据具有较大本征值的较高本征路径和具有较小本征值的较低本征路径的SNR特性的变化倾向来估计接收方案。可以通过这种方案来估计接收方案，这是由于存在以下情况：如果接收方案是如MLD之类的高性能方案，则较高本征路径的SNR减小，而较低本征路径的SNR增大。

根据正交性的破坏程度以及终端的估计的接收方案，通过如下所示的公式，改变基于注水原理的控制与无控制的比率，以执行协同的自适应控制，从而最佳地利用基站和终端的系统容量。

[公式14]

α(β，γ)WaterFillingControl+(1-α(β，γ))NonControl

其中0≤α(β，γ)≤1：如果为0，则无控制；如果为1，则基于完全的注水原理进行控制。

β：正交性的破坏程度(破坏程度越高，α趋向于越小)

γ：基于接收方案的变量(接收方案的性能越高，α趋向于越小)正交性的破坏程度β确定如下：

[公式15]

如果

的所有非对角分量为0，即，如果

不满足σ_1，2＝σ_2，1＝...＝σ_N-1，N＝σ_N，N-1＝0，则定义为：

[公式16]

$S_{\mathrm{POW}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i$

$I_{\mathrm{POW}}=\underset{i\≠j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{i,j}$

并且，基于公式17来确定正交性的破坏程度β。

[公式17]

$\frac{S_{\mathrm{POW}}}{I_{\mathrm{POW}}}$

如果

[公式18]

$\frac{S_{\mathrm{POW}}}{I_{\mathrm{POW}}}$

较大，则正交性维持，而如果其接近1，则几乎没有正交性。

应当注意，如果不满足

σ_1，2＝σ_2，1＝...＝σ_N-1，N＝σ_N，N-1＝0，

则考虑到满足

也可能不执行自适应控制。

随后，基站经由第N+1帧向终端发送下行链路数据，并预测SNR。

在公式14中，如果正交性最终显著破坏并且发送时的信道和接收时的信道被视为不相关，则在每个接收过程中不对任何路径执行控制，从而可以获得至少根据接收时的MIMO处理的特性。

尽管在上述实施例中基于发送SNR与接收SNR之间的差异确定了正交性并估计了接收方案，但还可以通过其他信息(如每个本征路径的本征值的分散)来确定正交性并估计接收方案。

此外，尽管在上述实施例中基站使用反馈信息来执行总体确定，但该过程可以由终端来执行。在这种情况下，尽管终端有计算负担，但其可以减少反馈信息，从而增大系统容量。此外，由于明显知道接收方案，因此可以更精确地执行自适应控制。

图7是示意了作为接收设备的终端执行确定过程的操作的序列图。

终端经由第N-1帧向基站发送上行链路数据和反馈信息(例如CSI)。当基站使用接收到的反馈信息来执行自适应控制并经由第N帧向终端发送下行链路数据时，终端接收下行链路数据并测量CSI，以确定正交性是否破坏。如果正交性未破坏，则终端基于理想的SVD-MIMO通信和注水原理来执行自适应控制。如果正交性破坏，则终端基于正交性的破坏程度以及终端的接收方案来执行自适应控制。

此外，终端经由第N帧向基站发送上行链路数据以及自适应控制所必需的信息。当基站使用接收到的信息来执行自适应控制，并经由第N+1帧向终端发送下行链路数据时，终端接收下行链路数据。

Claims (10)

1.一种无线通信系统，用于经由发送设备与接收设备之间的多个本征路径来执行无线通信，所述无线通信系统包括：

确定单元，用于基于指示所述发送设备与所述接收设备之间的信道质量的信息，确定所述多个本征路径的正交性是维持还是破坏；以及

控制单元，用于基于所述确定单元的确定结果，执行所述发送设备在传输时的预定控制。

2.一种无线通信系统，用于经由发送设备与接收设备之间的多个本征路径来执行无线通信，所述无线通信系统包括：

估计单元，用于基于用于指示每个所述本征路径的信道质量的信息，估计所述接收设备的接收方案；

确定单元，用于基于指示所述发送设备与所述接收设备之间的信道质量的信息，确定所述多个本征路径的正交性是维持还是破坏；以及

控制单元，用于基于所述估计单元所估计的所述接收设备的接收方案以及所述确定单元的确定结果，执行所述发送设备在传输时的预定控制。

3.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，如果所述确定单元的确定结果是正交性维持，则所述控制单元根据基于注水原理的第一控制方案，执行所述发送设备的预定控制；或者，如果正交性破坏，则所述控制单元根据与第一控制方案不同的第二控制方案来执行预定控制。

4.根据权利要求3所述的无线通信系统，其中，所述第二控制方案是：基于正交性的破坏程度以及所述接收设备的接收方案，改变基于注水原理的控制与无控制的比率。

5.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述接收设备包括信道估计单元，所述信道估计单元用于基于接收信号来估计信道特性，作为用于指示信道质量的信息，以及

所述确定单元基于由所述信道估计单元估计的用于指示信道特性的信息以及从所述接收设备向所述发送设备传输的用于指示信道特性的信息，来确定正交性是维持还是破坏。

6.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述发送设备在传输时的预定控制是至少传输时的功率控制或者调制和编码控制。

7.一种无线通信设备，用于经由多个本征路径来执行无线通信，所述无线通信设备包括：

识别单元，用于基于指示信道质量的信息来识别所述多个本征路径的正交性是维持还是破坏；以及

控制单元，用于基于所述识别单元的识别结果，执行传输时的预定控制。

8.一种无线通信设备，用于经由多个本征路径来执行无线通信，所述无线通信设备包括：

估计单元，用于基于指示每个所述本征路径的信道质量的信息，估计对等无线通信设备的接收方案；

识别单元，用于基于指示信道质量的信息，识别所述多个本征路径的正交性是维持还是破坏；以及

控制单元，用于基于所述估计单元所估计的对等无线通信设备的接收方案以及所述识别单元的识别结果，来执行传输时的预定控制。

9.一种无线通信系统的无线通信方法，所述无线通信系统用于经由发送设备与接收设备之间的多个本征路径来执行无线通信，所述无线通信方法包括以下步骤：

基于用于指示所述发送设备与所述接收设备之间的信道质量的信息，确定所述多个本征路径的正交性是维持还是破坏；以及

基于确定结果来执行所述发送设备在传输时的预定控制。

10.一种无线通信系统的无线通信方法，所述无线通信系统用于经由发送设备与接收设备之间的多个本征路径来执行无线通信，所述无线通信方法包括以下步骤：

基于指示每个所述本征路径的信道质量的信息，估计所述接收设备的接收方案；

基于用于指示所述发送设备与所述接收设备之间的信道质量的信息，确定所述多个本征路径的正交性是维持还是破坏；以及

基于所估计的所述接收设备的接收方案以及确定结果，执行所述发送设备在传输时的预定控制。

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