CN102577288A - Mimo无线通信系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种无线通信系统，该无线通信系统包括可操作以发送发送信号的发送器，该发送器具有一个或多个发送天线；可操作以接收接收信号的接收器，该接收器具有一个或多个接收天线，其中在接收器处基于接收信号获得发送信号的估计中使用格基约减，其特征在于，格基约减利用格基约减矩阵，在发送器和接收器之间传输格基约减矩阵的分解表示。

Description

MIMO无线通信系统

技术领域

本发明涉及无线通信系统，并且更具体地涉及具有所谓的多入多出(MIMO)能力的无线通信系统，例如(但不限于)与3GPP LTE、3GPP LTE-A、IEEE 802.16和802.11标准组兼容的系统。

背景技术

广泛已知无线通信系统，在该无线通信系统中，基站(BS)与BS范围内的多个用户站(SS)或者移动站(MS)通信。对于本发明的目的来说，术语用户站(SS)和移动站(MS)可以被认为是可交换的，并且SS和MS可以被统称为用户站。而且，虽然术语用户站(SS)和移动站(MS)可以交换地使用，但是术语“移动”特别地不应被理解为必须表示用户站(等)必须始终是可移动的。在很多情况下，用户站将是可移动的(例如，移动手持机)。然而，无线通信系统(以及本发明)也能够在SS/用户站固定在特定位置处的情况下操作。

由一个BS覆盖的区域被称为小区并且通常，很多基站(BS)被提供在适合的位置以与相邻小区或多或少无缝地覆盖广泛的地理区域。每个BS将其可用带宽(即，频率和时间资源)划分为用于用户的各个资源分配。始终需要增加这样的系统的容量以便于容纳更多用户和/或更多数据密集服务。

OFDM(正交频分复用)是一种已知的用于在无线通信系统中传输数据的技术。基于OFDM的通信方案在大量子载波(也称为频率分支(frequency finger))当中划分待发送的数据符号，因此被称为频分复用。通过在每个子载波上仅携带少量数据，每子载波比特率保持较低并且因此减少了符号间干扰。通过调整其相位、幅值或者调整相位和幅值，将数据调制到子载波上。

术语OFDM的“正交”部分表示下述事实：子载波的间隔被特别地选择为在数学意义上与其它子载波正交。这意味着子载波被沿着频率轴布置为允许相邻子载波的边带重叠但是仍能够在没有子载波间干扰的情况下接收子载波。在数学术语中，每个子载波的正弦曲线波形被称为线性信道的特征函数，其中每个正弦曲线的峰与另一正弦曲线的零(null)重合。这能够通过使得子载波间隔是符号周期的倒数的倍数来实现。

当多个单个子载波或者多组载波被指派给无线通信系统的不同用户时，结果是被称为OFDMA(正交频分多址)的多址系统。现有技术中使用的术语OFDM常常意在包括OFDMA。因此，对于本发明的目的来说，这两个术语可以被视为是可互换的。通过将不同频率/时间资源指派给小区中的每个用户，OFDMA能够基本上避免小区内的用户之间的干扰。

基本OFDM方案的进一步修改被称为MIMO-OFDM，其中MIMO表示多入多出。该类型的方案在发送器和/或用户接收器(通常是发送器和用户接收器)处采用多个天线以增强在BS和每个用户站之间可实现的数据容量。例如，2×2MIMO配置包含位于发送器处的两个天线和位于接收器处的两个天线；4×4MIMO配置包含位于发送器处的四个天线和位于接收器处的四个天线。不需要发送器和接收器采用相同数目的天线。通常，由于功率、成本以及尺寸限制，无线通信系统中的基站将配备有比移动站(诸如，例如移动手持机)多很多的天线。

术语MIMO信道用于描述发送器和接收器之间的无线链路的频率响应(或者等价地，时间延迟)。所谓的MIMO信道(或者“信道”)包含所有子载波，并且覆盖传输的整个带宽。MIMO信道包含很多单独的无线链路。这些可以分别被称为单入单出(SISO)信道(也称为子信道)的各无线链路的数目是N_t×N_r，其中N_t是发送器处的天线的数目并且N_r是接收器处的天线的数目。例如，3×2MIMO布置包含6个链路，因此其具有6个SISO信道。

考虑在图1中示意性地示出的简化的3×2MIMO系统，能够看到的是，接收器R的天线R0接收来自发送器T的发送器天线T0、T1和T2中的每一个的发送。类似地，接收器天线R1接收来自发送器天线T0、T1和T2的发送。因此，在接收器处接收的信号包括来自发送器天线的发送(即，SISO信道的发送)的某种组合(或者由来自发送器天线的发送(即，SISO信道的发送)的某种组合构成)。通常，SISO信道能够以各种方式来进行组合以将一个或多个数据流发送到接收器。

图2是进一步概括的MIMO系统的概念图。在图2中，发送器利用N_t个发送天线发送信号并且接收器利用N_r个接收天线接收来自发送器的信号。为了创建整个MIMO信道的特性的数学模型，需要表示发送器和接收器之间的各SISO信道。如图2中所示，通过H_0，0至H_Nr-1，Nt-1来表示各SISO信道，并且如图中所示，这些形成一般称为信道矩阵或者信道响应矩阵H的矩阵的项。“H_0，0”表示用于将信号从发送天线0发送到接收天线0的信道特性(例如，信道频率响应)。类似地，“H_Nr-1，Nt-1”表示用于将信号从发送天线N_t-1发送到接收天线N_r-1的信道特性，以此类推。

在图2中，表示使用发送天线0至N_t-1发送的信号元素的符号x₀至x_Nt-1一起形成发送信号向量x(即，x＝(x₀，x₁，x₂，…，x_Nt-1)^T)。类似地，通过接收天线0至N_r-1接收的接收信号元素y₀至y_Nr-1一起形成接收信号向量y(即，y＝(y₀，y₁，y₂，…，y_Nr-1)^T)。向量y和x之间的关系可以通过下述基本数学MIMO系统等式来建模：

y＝Hx+n        (I)

其中H是上述信道矩阵并且n是表示噪声的向量。噪声元素n₀至n_Nr-1在图2中示出并且表示各接收信号元素y₀至y_Nr-1中的噪声。因此，通过n＝(n₀，n₁，n₂，…，n_Nr-1)^T来给出噪声向量n。为了通过等式(I)给出的模型的目的，通常假设由向量n表示的噪声是具有零平均和方差σ²的高斯白噪声。

信道矩阵H具有是其线性独立行或列的数目的秩。当一些行或列线性相关时，这表示(并且代表)MIMO信道中各子信道之间的相关性(即，各SISO信道之间的相关性)，并且信道矩阵可以说是“秩亏”。当子信道之间存在相关性时，传统的接收器容易表现得很差并且MIMO信道不能够提供最大数据吞吐量。

应注意的是，尽管被称为“多入多出”，但是即使发送器和接收器中的一个仅具有一个天线(即，即使N_t＝1或者N_r＝1)，MIMO系统也能够操作。事实上，MIMO系统在技术上可以说即使在发送器和接收器都仅具有一个天线(即，在N_t＝N_r＝1的情况下)也能够操作，但是该情况可以认为构成了一种特殊情况，这是因为，在等式(I)的数学模型中，在该情况下的MIMO信道将会由标量h而不是矩阵H来表示。

MIMO发送方案可以被描述为“非自适应的”和“自适应的”。在非自适应情况下，发送器不了解信道性质并且由于其不能够考虑条件(信道概况)的变化从而这限制了性能。自适应方案依赖于从接收器到发送器的信息(信道状态信息或者CSI)的反馈，这允许发送信号的修改引起改变条件并且最大化数据吞吐量。本发明涉及(至少主要地涉及)这些自适应MIMO方案。

上面描述的反馈是重要的，特别在FDD(频分双工)系统的情况下是重要的，在FDD系统中，上行链路传输(即，从用户站到基站的传输)以及下行链路传输(反之亦然)采用两种不同的载波频率。由于频率改变，因此上行链路和下行链路信道是不同的并且CSI需要被反馈以提供自适应方案。

本发明的方面能够潜在地在下行链路(即，从用作发送器的基站到用作接收器的用户的传输)和上行链路(即，从用作发送器的用户到用作接收器的基站的传输)中找到应用。然而，至少与某些实施方式相关地，设想本发明可以用于实现下行链路传输的特别改进。因此，虽然不应对本发明可以应用于上行链路传输还是下行链路传输施加限制，但是将主要针对下行链路传输来描述本发明。

图3是示出类似于图1中所示的MIMO系统的MIMO系统，但是对其进行了进一步的概括。MIMO系统1包括发送器2，其包括多个发送天线(0)、(1)、…、(N_t-1)；以及接收器3，其包括多个接收天线(0)、(1)、…、(N_r-1)。发送器2使用N_t个发送天线来发送符号0、1、…、N_t-1。能够从一个数据流创建符号(这称为垂直编码)，或者能够从不同数据流创建符号(这称为水平编码)。另外，如果调制方法是二进制相移键控(BPSK)，则每个发送符号对应于(例如)一比特数据，或者如果调制方法是四相相移键控(QPSK)，则每个发送符号对应于两比特数据。这些概念将对于本领域技术人员来说是熟悉的。接收器3使用N_r个接收天线接收从发送装置2发送的信号，并且包括从接收的信号再生发送符号的信号再生单元4。

如图3中的箭头所示，从多个发送天线发送的信号由多个接收天线接收，总共给出N_t×N_r个可能的子信道。换言之，从发送天线(0)发送的信号由接收天线(0)至(N_r-1)接收，从发送天线(1)发送的信号由接收天线(0)至(N_r-1)接收，以此类推。将信号从第i发送天线传播到第j接收天线的子信道的特性被表示为“H_ji”并且形成N_r×N_t信道矩阵H的一个分量项。本领域技术人员将认识到，如果没有信号从特定发送天线i发送到特定接收天线j，则表示信道矩阵H中的子信道的分量H_ji将为零。

通过进一步的背景说明，将分别参考图4和图5简要描述MIMO-OFDM发送器和MIMO-OFDM接收器。在图4中示意性地示出的OFDM发送器中，高速二进制数据被编码(卷积码是示例)、交织和调制(使用诸如BPSK、QPSK、64QAM等等的调制方案)。独立信道编码器可以用于每个发送天线。接下来，数据被转换为并行低速调制数据流，其被馈送到N个子载波。来自每个编码器的输出被分别承载在多个子载波上。调制信号通过N点快速傅立叶逆变换(IFFT)来进行频分复用并且添加保护间隔。获得的OFDM信号通过D/A转换器转换为模拟信号并且被上转换到RF带并且在空中发送。

在图5中示意性地示出的MIMO-OFDM接收器处，通过带通滤波器(BPF)对从N_r接收器天线接收的信号进行滤波并且然后下转换到低频。通过A/D转换器对下转换的信号进行采样(即，将其转换为数字信号)，并且在采样数据被馈送到N点快速傅立叶变换器(FFT)之前移除保护间隔。在对通过N_r个接收器天线接收的信号中的每一个执行傅立叶变换之后，将这些信号馈送到MIMO信号处理单元11。MIMO信号处理单元11包括信号再生单元4(如图3中所示)，其执行处理(在下面进一步讨论)以补偿信道特性。

仅借助于概括性的说明给出上述对于发送器(图4)和接收器(图5)的讨论。本领域技术人员将总体上熟悉这样的装置以及在其操作中涉及的原理。还应注意的是，上述说明已经考虑了将MIMO信号发送到单个接收器的单个发送器的情况，但显然的是，实际的MIMO无线通信系统可以比这复杂得多，即提供很多相互邻近的小区，在这些小区中的每一个中，基站通过各MIMO信道同时对多个用户站进行发送。

再次参考由上述等式(I)表示的基础MIMO系统模型，将想到的是，当信道矩阵H的一些行或列线性相关时(即，当信道矩阵H是秩亏时)，这表示在子信道之间存在相关性。还将想到的是，在存在这样的相关性的情况下，传统的接收器趋向于表现得很差。

已经提出了已知为格基约减(LR)的技术来提供具有相关性的MIMO信道的显著性能改进。利用格基约减的MIMO系统可以被称为LR-MIMO系统。通常在数学上，格基约减的目标在于，在给定格子的一组基本向量的情况下，找到具有短的几乎正交的向量的基。例如，图6给出了二维的格基约减的示例。在图6中，向量a1和a2是用于由顶点(即，点)表示的格子的给定基本向量。向量b1和b2是使用格基约减获得的几乎正交的基本向量。

在具有相关的MIMO信道的MIMO无线通信系统的情况下，格基约减的目的在于将信道矩阵H变换为其中行和列更接近正交(即，使得行和列实际上更接近线性独立)的形式。这样做有助于最小化上述相关性的不利影响。影响信道矩阵H的该变换的矩阵通常被称为格基约减矩阵P。

在MIMO无线通信系统的很多实际实施中，用户站可以例如是移动手持机，并且因此会在功率、数据处理/计算能力和数据发送/接收能力方面具有受限的资源。当然，移动手持机等等的功率、处理和发送/接收资源通常比基站(BS)的功率、处理和发送/接收资源更受限制。这是对于LR-MIMO系统的实际实施的显著阻碍并且显著地增加了与LR-MIMO系统的实际实施相关的成本。

由于用户站的资源比基站(BS)更受限而产生的阻碍特别地与用户站的数据处理和发送/接收资源方面的负担显著相关，并且特别是在用户站是移动站(例如，移动手持机)的情况下，但是该阻碍常常也可以在用户站是固定位置类型的情况下很显著。本发明的方面可以至少有助于解决该问题。

而且，用户站的受限资源使得难以或者至少较不优选地在接收器处计算格基约减矩阵P。因此将需要在发送器处计算格基约减矩阵并且将格基约减矩阵P从发送器发送到接收器。然而，这将附加于需要从发送器发送到接收器的信号x之外。因此，发送格基约减矩阵P的需要对于系统的发送资源施加了额外的负担。本发明的方面可以至少有助于减少该额外的发送负担。

发明内容

在一种形式中，本发明(或者其实施方式)可以被认为在广义上涉及无线通信系统，该无线通信系统包括：

发送器，其可操作以发送发送信号，该发送器具有一个或多个发送天线；以及

接收器，其可操作以接收接收信号，该接收器具有一个或多个接收天线；

其中格基约减用于在接收器处基于接收信号获得发送信号的估计中使用，

其特征在于，格基约减利用格基约减矩阵，该格基约减矩阵的分解表示在发送器和接收器之间传输。

在另一形式中，本发明(或其实施方式)可以被认为在广义上涉及用于在无线通信系统中使用的发送器，该发送器包括：

一个或多个发送天线，其可操作以将发送信号发送到具有可用于接收接收信号的一个或多个接收天线的接收器；以及

用于计算格基约减矩阵的装置，该格基约减矩阵用于在于接收器处基于接收信号获得发送信号的估计中使用；

其中，发送器可用于将格基约减矩阵的分解表示发送到接收器。

在又一形式中，本发明(或其实施方式)可以被认为在广义上涉及用于在无线通信系统中使用的方法，该无线通信系统包括用于使用一个或多个发送天线发送发送信号的发送器和用于使用一个或多个接收天线接收接收信号的接收器，其中格基约减矩阵用于在于接收器处基于接收信号获得发送信号的估计中使用，该方法包括：

将发送信号从发送器发送到接收器；

在发送器处计算格基约减矩阵并且找到其分解表示；

将格基约减矩阵的分解表示从发送器发送到接收器；以及

在接收器处，重构格基约减矩阵并且使用该格基约减矩阵来获得基于接收信号的发送信号的估计。

设想的是，本发明(在其各种形式和实施方式中)将通常实施为所谓的MIMO无线通信系统(或者在所谓的MIMO无线通信系统中实施)。因此，对于本说明书的剩余部分，将参考MIMO无线通信系统或者所谓的MIMO方案来描述本发明。然而，对本发明没有施加特别的限制。特别地，对于需要在发送器或者接收器处存在的天线的数目没有施加任何限制。

在上述广泛描述的本发明的每个形式的优选实施方式中，发送器可以是基站的发送器，接收器可以是用户站的接收器(换言之，本发明可以特别地用于下行链路传输并且提供与下行链路传输相关的特别的优点)，并且可以在基站处计算格基约减矩阵，从而可以将格基约减矩阵的分解表示从基站发送到用户站。这些优选实施方式提供的优点之一在于他们使得能够将格基约减矩阵的计算上复杂的计算从用户站转移到基站，同时由于从基站到用户站的格基约减矩阵(即，分解形式的格基约减矩阵)的高效信令使得仅引起了中等程度的信令开销。这因此使得能够使用(特别是)简单的传统接收器结构来改进性能。

在上述实施方式中，发送器(及其一个或多个天线)可以采取适合于在格基约减MIMO(LR-MIMO)方案中实施的任何形式。图4示意性地示出了可以使用的一种形式的发送器的某些重要功能组件。然而，本发明不限于这种类型或者任何其它类型的发送器的使用。

类似地，接收器(及其一个或多个天线)也可以采取任何适合于在格基约减MIMO(LR-MIMO)方案中实施的任何形式。事实上，如上所述，本发明(或至少其某些实施方式)提供的优点之一在于能够使用简单/未修改/传统的接收器，但是与不具有本发明的那些接收器的性能相比能够实现改进。图5示意性地示出可以使用的一种形式的接收器的某些重要功能组件。然而，本发明不限于这种类型或者任何其它类型的接收器的使用。

如上所述，MIMO无线通信方案中的所谓的MIMO信道能够通过矩阵(即，所谓的信道矩阵)来在数学上表示，并且在构成MIMO信道的各SISO信道之间存在相关性时，这能够由信道矩阵的秩亏来表示(即，由信道矩阵的至少某些行和列之间的线性相关来表示)。在本发明的各实施方式中使用格基约减以便于在接收器处获得基于接收信号的发送信号的改进的估计(即，基于由接收器接收的信号的由发送器发送的信号的估计)。格基约减有助于最小化由MIMO信道的相关性引起的不利影响(例如，对于接收器性能等等的不利影响)。

在上述优选实施方式中，发送器是基站的发送器，接收器是用户站的接收器，并且在基站处计算格基约减矩阵从而将格基约减矩阵的计算上复杂的计算转移到基站(其通常具有比用户站更大的计算资源)。还已经说明的是，在本发明(或者至少其大部分实施方式)中，格基约减矩阵的分解表示被从基站发送到用户站。换言之，替代发送格基约减矩阵本身(或者其各元)，发送格基约减矩阵的分解形式，并且这使得本发明能够在信令开销方面实现显著的节省。

在本发明中，格基约减矩阵可以优选地是幺模矩阵。此外，格基约减矩阵的分解表示可以优选地包括一个或多个完全幺模矩阵，所述完全幺模矩阵的积是(或等于)格基约减矩阵。换言之，格基约减矩阵的分解表示可以优选地包括一个或多个完全幺模矩阵，所述完全幺模矩阵当乘在一起时给出(或者等于)格基约减矩阵。

在其中格基约减矩阵及其分解表示满足在前述部分中给出的描述的实施方式中，可以提供一组完全幺模矩阵。在获得格基约减矩阵分解(即，格基约减矩阵的分解表示)时，来自该组的完全幺模矩阵中的一个或多个可以被选择为选择的完全幺模矩阵的积等于格基约减矩阵。本领域技术人员将了解的是，至少在一些情况下，可以存在等于格基约减矩阵的组中的完全幺模矩阵的多种不同积组合。换言之，可以存在当乘在一起时等于格基约减矩阵的组中的完全幺模矩阵的超过一种的不同组合。可能的是，任何这样的组合可以用作用于本发明的目的的格基约减矩阵的分解表示。然而，可以优选的是，选择包括最少数目的完全幺模矩阵或者最少数目的不同的完全幺模矩阵(参见下面讨论的幂)的组合，以最小化将发送的信息量(即，最小化与发送格基约减矩阵分解关联的信令开销)。

上述组中的各完全幺模矩阵中的可以被指派有标识索引。因此，在将格基约减矩阵的分解表示从基站发送到用户站时，替代发送其积等于格基约减矩阵的组中的选择的完全幺模矩阵(即，替代发送完全幺模矩阵本身或者其各元素)，仅发送用于这些选择的完全幺模矩阵中的每一个的标识索引。以该方式，可以在与发送格基约减矩阵分解相关的信令开销方面实现显著的节省。

本领域技术人员将了解的是，在很多情况下，特别的完全幺模矩阵可以在格基约减矩阵分解中出现超过一次。换言之，在当乘在一起时等于格基约减矩阵的完全幺模矩阵的组合中，特定的完全幺模矩阵可以自己相乘一次或多次，事实上，可以存在超过一个下述完全幺模矩阵，每个完全幺模矩阵自己相乘一次或多次。在这些情况下，替代发送每个这样的完全幺模矩阵的索引要求的次数，可以为每个这样的完全幺模矩阵发送幂m(其中m-1是完全幺模矩阵自己相乘的次数)。因此，作为示例，如果特定完全幺模矩阵D自己相乘三次(即，D×D×D×D＝D⁴)，则替代发送用于矩阵D的标识索引四次来作为发送的格基约减矩阵分解的部分，可以通过与幂4(即，m＝4)一起发送用于矩阵D的标识索引一次来发送相同的信息。以该方式，可以减少为了表示格基约减矩阵分解中自己相乘一次或多次的完全幺模矩阵而需要发送的比特数。

附图说明

与本说明书相关的附图有助于解释本发明的背景。这些附图还有助于解释本发明的某些特征和方面。然而，将清楚理解的是，为了说明的目的而给出附图并且这些附图仅用于帮助理解，并且本发明不必限于在附图中示出或者参考附图描述的任何背景信息、特征或方面，或者受其限制。在附图中：

图1是简化的3×2MIMO系统和各发送器和接收器天线之间的各SISO信道的示意性视图。

图2是进一步概括的MIMO系统的概念图，在该MIMO系统中，发送器具有N_t个发送天线，并且接收器具有N_r个接收天线。图2还示意性地示出了噪声被引入到由接收天线接收的信号中。

图3是与图1中给出的系统类似的示意性表示系统，但是图3中示出的是进一步概括的MIMO系统。

图4是示出MIMO-OFDM发送器的某些重要功能组件的示意性视图。

图5示出MIMO-OFDM接收器的某些重要功能组件的示意性视图。

图6是用作简单的二维格子的示例的格基约减的原理的示意图。

图7是示出根据等式(I)的数学模型的MIMO无线通信系统的框图，并且还示出了通过接收器执行的某些进一步处理。图7中的该MIMO无线通信系统是可以应用本发明的类型。

图8是示出在具有低空间相关性的信道中根据本发明使用格基约减获得的比特误码率(BER)与信噪比(SNR)结果的图。

图9是示出在具有高空间相关性的信道中根据本发明使用格基约减获得的比特误码率(BER)与信噪比(SNR)结果的图。

具体实施方式

从上述背景技术部分中了解的是，在典型的MIMO系统中通过接收器接收的信号y和通过发送器发送的信号x之间的关系可以使用在等式(I)(在下面再一次示出)中给出的基本数学模型来建模：

y＝Hx+n        (I)

图7是示出根据该数学模型的MIMO系统的框图，并且还示出了通过接收器执行的某些进一步处理。图7中的该MIMO无线通信系统是可以应用本发明的类型。然而，应注意的是，本发明不必限于对应于该示出的系统中的实施。

在图7中，从发送器(的多个天线)“通过空气”发送源信号x(如上所述)，并且通过如图7中所示地使源信号向量x被信道矩阵H左乘来给出量Hx而在模型中示出该效果。然后添加噪声分量n，从而给出通过接收器(的多个天线)接收的信号y，如等式(I)中的模型所示。

从上述背景技术部分还了解的是，在LR-MIMO系统中，格基约减的目的在于将信道矩阵H变换为其中行和列更接近正交的形式(即，使得行和列实际上更接近线性独立)。这有助于最小化在数学模型(I)中由信道矩阵H的行和列之间的相关性表示的MIMO信道中的相关性的不利影响。如上所述，影响信道矩阵H的该变换的矩阵通常被称为格基约减矩阵P。

与LR-MIMO的实际实施关联的主要复杂性之一在于格基约减矩阵P的计算。然而，用于计算格基约减矩阵P的方法并不是本发明的关键。因此，对于本发明的目的，可以使用任何适当的技术来获得格基约减矩阵P。适合于该目的的一个已知算法通常被称为LLL算法。该算法已经被公开并且可以参考下面的文献来获得进一步的了解：

L.Lovasz，“An Algorithmic Theory of Numbers，Graphs and Convexity”，美国明尼苏达州：Society for Industrial and Applied Mathematics，1986。

虽然可以使用已知的LLL算法或者替代地使用任何其它适合的算法(了解的是，所使用的方法不是本发明的关键)来获得格基约减矩阵P，但是不管怎样，找出格基约减矩阵P(不管使用何种算法或者技术)通常要求迭代处理。格基约减矩阵P的计算因此要求较大的功率和计算资源。为了解决该问题，在本发明的一些实施方式中，并且特别地在下面详细描述的实施方式中，在基站(其通常具有比移动站大得多的功率、处理和发送/接收资源)处执行格基约减矩阵P的计算并且然后将格基约减矩阵P发送到用户站(其能够是移动站或者固定用户站等等)。因此，这里描述的实施方式主要涉及下行链路传输。然而，如上所述，这不应意味着任何限制，并且本发明可以应用于下行链路或者上行链路。

为了发送器计算格基约减矩阵P，发送器必须了解接收器看到的信道。在其中上行链路传输(用户到基站)和下行链路传输(反之亦然)采用不同载波平率的上述FDD(频分双工)系统中，这可以通过将信道状态信息(CSI)从接收器反馈回发送器(即，将属于信道H的信息发送回发送器)来实现。或者，在所谓的TDD(时分双工)系统中，在同一频率上在两个相邻的时隙中发送上行链路和下行链路。如果这两个时隙处于信道相干时间中(即，信道没有改变)，则不需要将信道状态信息反馈回。因此，在TDD系统中，可以利用信道互易性来在发送器处计算格基约减矩阵P。

在图7中，虚线框表示接收器，并且虚线框的内容表示在被接收器接收之后的信号的处理。从图7中应注意的是，接收器从发送器不仅接收信号y，而且接收在发送器处计算的格基约减矩阵P(如上所述)。在接收器接收到信号y之后，信号y被“均衡”。在图7中，示出了已知为“迫零”的特定形式的均衡，其包括使接收信号y被量(HP)^-1左乘。将了解的是，在该均衡中隐含了下述假设：信道特性能够通过当利用格基约减矩阵P变换时的信道矩阵H来表示(即，假设信道能够由量HP来表示)。虽然图7示出了迫零均衡的使用，但是将理解的是，也可以使用其它均衡方法，例如最小均方误差(MMSE)和连续干扰消除(SIC)。均衡的具体形式因此并不是本发明的关键。

图7中所示的迫零均衡的结果(即，使接收信号y被量(HP)^-1左乘的结果)如下。假设根据等式(I)有y＝Hx+n，并且定义n′＝(HP)^-1 n(即，n′仅是用于获得的噪声向量变换的方便表示)，通过下式给出迫零的结果：

(HP)^-1 y＝(HP)^-1(Hx+n)＝(HP)^-1Hx+(HP)^-1 n＝P^-1 x+n′

在迫零均衡之后，信号然后通过分割器(slicer)。分割器将均衡后的信号的每个元(entry)量化到最近的星座符号并且获得粗略估计

其中

最终，接收器通过使估计被格基约减矩阵P左乘来获得源信号的估计

(即，

是通过发送器发送的原始信号x的估计)；即，

格基约减提供具有相关性的MIMO信道的性能改进的具体原因之一在于将信道矩阵H变换为其中行和列更接近正交的形式改进了分割器(slicer)性能，并且特别地改进了分割器的决定边界。在下面参考的文献中对此进行了更详细的说明：

H.Yao和G.W.Wornel，“Lattice-Reduction-Aided Detectors for MIMOCommunication Systems”，Proc.Global Commun.Conf.(GLOBECOM-2002)，台湾，2002年11月。

本发明所想要实现的益处之一在于，对于给定的传输，对于系统的受限的接受资源的要求能够通过将格基约减矩阵P从发送器发送到接收器的方式来减少。具体地，通过将格基约减矩阵P的分解表示从发送器发送到接收器，而不是发送完全的格基约减矩阵本身，本发明可以减少对于系统的接受资源的要求。在接收器是可能具有相对非常受限的接受资源和功率/数据处理资源的用户站(例如，移动手持机等等)的情况下，这对于接收器来说是特别重要的。

分解格基约减矩阵P减少了表示矩阵所要求的比特数(与表示未分解矩阵中每个单独元所要求的比特数的情况相比)，并且因此其减少了要求从发送器发送到接收器的比特数。换言之，代替对格基约减矩阵P的各元进行量化以从发送器发送到接收器，本发明对矩阵P进行分解以减少要求发送的比特数。

在下面描述的本发明的优选实施方式中，通过利用矩阵P是幺模矩阵的事实来分解格基约减矩阵P。本领域技术人员将了解的是，幺模矩阵被定义为具有+1或者-1的行列式并且仅具有整数元(但是元可以为实整数或者复整数)的矩阵。此外，在这些优选实施方式中，幺模矩阵P被分解为一个或多个(通常为多个)完全幺模矩阵。而且，本领域技术人员将了解的是，完全幺模矩阵被定义为下述矩阵，对于该矩阵，每个非奇异平方子矩阵是幺模的。根据该定义，可知的是，完全幺模矩阵不需要是自身的平方，并且任何完全幺模矩阵仅具有0、+1、-1、i或-i的元。

这些优选实施方式的一个特定优点在于只需要有限数目的完全幺模矩阵来分解原始矩阵P。这些完全幺模矩阵可以被称为分解矩阵。有限数目的分解矩阵可以被认为包括一组分解矩阵。

将在下面参考简化的示例2×2MIMO系统(即，其中仅存在两个发送天线和两个接收天线并且其中信道因此能够由2×2信道矩阵H来表示的系统)来描述本发明的某些方面的操作。当然，将理解的是，参考该简单示例描述的原理可以扩展到具有更大自由度(即，具有更多数目的发送和/或接收天线)的系统。

在下表中列出的完全幺模分解矩阵可以用于通过执行元素行和列操作来分解2×2格基约减矩阵P。具体地，矩阵D₀至D₃执行列和行置换，而矩阵D₄至D₁₁执行列和行相加。注意的是，下表中示出的分解矩阵不是唯一的，并且能够使用其它分解矩阵来执行元素行和列操作。

如所示的，考虑通过下式给出的格基约减矩阵P：

$P=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 2\end{array}\right]$

在该示例中，给出的格基约减矩阵P能够如下地使用来自上述表的分解矩阵来进行分解：

P＝D₅ D₄

$\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 0& 1\end{array}\right]$

因此，在上述示例中，替代信令格基约减矩阵P的各元，能够信令与分解矩阵D₅和D₄关联的索引。本领域技术人员将了解的是，接收器必须了解与发送器使用的每个分解矩阵关联的索引，以便于能够从接收的索引重构格基约减矩阵。因此，在接收器已经识别(根据接收的索引)形成矩阵分解的完全幺模矩阵(还了解的是，其中完全幺模矩阵出现在分解中的顺序也由发送器发送，或者通过按照正确的顺序发送相关索引或者通过其它方式)，接收器然后能够通过将所述完全幺模矩阵乘在一起来重构格基约减矩阵P。

还需要信令格基约减矩阵的整个分解中的分解矩阵的数目，这是因为，取决于格基约减矩阵，可能要求不同数目的分解矩阵。即使这样，该方法显著地减少了与将格基约减矩阵从基站发送器发送到用户站接收器相关的信令开销，在下面对此进行进一步的描述。

在MIMO信道中存在显著相关性(即，在各SISO信道之间存在显著相关性，这通过信道矩阵H的行和列的相关性来表示)的情况下，格基约减矩阵P的分解能够导致同一分解矩阵的重复相乘。作为示例，如果通过下式给出格基约减矩阵P

$P=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 2& 3\end{array}\right]$

则获得的分解将是

$P=\begin{array}{ccc}{D}_5& D_5& D_4\end{array}=\begin{array}{cc}{D}_5^2& D_4\end{array}$

$\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 2& 3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 0& 1\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 1& 1\end{array}\right]}^2\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 0& 1\end{array}\right]$

在诸如这样的情况下(并且甚至在多于一个的分解矩阵在整个分解中自身相乘一次或多次的情况下)，可以通过信令与相关分解矩阵(在上述示例中为D₅和D₄)关联的索引并且额外地信令用于分解矩阵中的每一个或者一些的幂(在上述示例中，对于D₅信令幂2并且对于D₄信令幂1)来实现信令开销方面的额外的节省。

以上示例示出了本发明如何能够在与将格基约减矩阵从发送器发送到接收器关联的信令开销方面实现显著的节省。然而，为了实现这些优点，必须提供用于确定给定格基约减矩阵的分解的装置。严格地讲，用于获得格基约减矩阵的分解的装置并不是本发明的关键，并且因此，能够使用任何适合的装置或方法。在下面描述一种用于确定格基约减矩阵的分解的方法。然而，将理解的是，本发明不必限于该特定方法，并且可以替代地使用其它方法。

一般来讲，这里描述的方法包括用所有候选分解矩阵左乘或右乘格基约减矩阵P以便于执行元素行或列操作的迭代处理。在每次迭代中，选择当用格基约减矩阵左乘或右乘时产生最小弗罗贝尼乌斯(Frobenius)笵数的分解矩阵D_i。本领域技术人员将熟悉其中弗罗贝尼乌斯笵数仅是一个示例的向量笵数和矩阵。弗罗贝尼乌斯笵数已经利用这里描述的特定方法进行了选择，但是可以替代地使用其它笵数范围。当获得的矩阵等于分解矩阵中的一个(或者替代地等于分解矩阵中的一个的纯量倍数)时，处理终止。

参考下面伪代码可以更完全地理解在上面一般性地讨论的处理。在右侧解释伪代码中的每行的操作。

在上述伪代码中，‖.‖表示弗罗贝尼乌斯笵数并且k是比例因子。将了解的是，通过上述伪代码表示的处理产生例如下述形式的分解：

D₆P＝D₂

这能够通过执行矩阵求逆而容易地变换到想要的分解格式。例如：

$D_6^{-1}{D}_{6}P=D_6^{-1}{D}_2$

对于上表，将注意的是，在该示例中，

因此

P＝D₄D₂

这示出了可以将格基约减矩阵P分解为一系列一个或多个完全幺模分解矩阵的处理的一个示例。如上所述，用于实现该目的的其它处理也是可能的。

执行结果的讨论

利用2×2MIMO系统中的链路级仿真来评估在发送格基约减矩阵P方面由本发明提供的高效信令的效果。为了进行开销计算，假设以下数据量：

通过对具有低(α＝0.1)或者高(α＝0.9)空间信道相关性的2000个随机瑞利平坦衰落信道求平均来获得在下表中概括的开销结果，其中α是信道相关性系数。使用分解的比特数包括4比特开销，其表示在分解中使用的完全幺模矩阵的数目。

根据上表中所示的结果，看到的是，通过本发明提供的高效信令能够在具有较高相关性的信道中将开销减少大约40％并且在具有较低相关性的信道中将开销减少大约70％。

图8和9中的图示出了比特误码率(BER)与信噪比(SNR)结果，该结果是利用线性MMSE接收器使用根据本发明的格基约减来获得的，并且这些结果是使用与在上表中给出的开销结果相同的设置来获得的。具体地，图8绘制了具有低空间相关性的信道中的BER与SNR性能，并且图9绘制了具有高空间相关性的信道中的BER与SNR性能。这些图示出了，在相关的MIMO信道中，根据本发明的格基约减和信令使得能够相对于传统的线性MMSE接收器性能获得显著的增益。事实上，性能接近最佳的但是计算复杂的最大似然(ML)接收器的性能，如图9中所示，

本发明的可能应用

在上面已经讨论了本发明的各种方面和实施方式，以及关于实施的各种方面。借助进一步的解释，下面的列表提供了本发明的可能应用的一些示例。将理解的是，提出这些应用仅为了通过将本发明放置在可能的应用的环境下来有助于进一步理解本发明。然而，本发明不限于这些特定的可能应用，或者受其限制，并且事实上，其他应用的范围也是可能的。

·MIMO方案，其中在接收器处的格基约减矩阵的计算将是很大的计算负担。这通常是无线蜂窝系统中的情况，其中移动站具有受限的计算能力。其它应用可以包括诸如在无线传感器网络中使用的那些低成本接收器。

·多播传输，其中发送器将单个信息发送到多个接收器。在该情况下，发送器能够将单个格基约减矩阵发送到接收器中的每一个，不能够使用作为格基约减的替代的例如预编码或者波束成形，这是因为每个接收器具有单个信道，这将会要求在发送方进行用于每个接收器的单独的预编码或者波束成形。

·用于错误接收的数据分组的数据重复。在无线蜂窝网络中，当错误地接收到数据分组时，通常使用混合自动重传请求(HARQ)机制。在HARQ中，发送器重新发送错误接收的数据分组，从而消耗宝贵的资源。利用本发明提出的方案，替代重新发送错误接收的数据分组，发送器能够将格基约减矩阵发送到接收器。接收器接下来能够使用格基约减矩阵尝试重新解码数据分组。这样做的优点在于仅需要将格基约减矩阵从发送器信令到接收器，而不需要重新发送整个数据分组。

在上述本发明的实施方式的任何方面，各种特征可以在硬件中实施，或者可以实施为在一个或多个处理器上运行的软件模块。特别地，本发明的方面可以实施为软件，当通过发送器的处理器执行该软件时，该软件使发送器实施上述的任何方法。类似地，本发明的方面可以实施为软件，当由发送器的处理器执行时，该软件提供如上所述根据本发明的发送器。一个方面的特征可以应用于任何其它方面。

本发明还提供了一种计算机程序或者计算机程序产品，用于执行这里描述的任何方法，并且本发明还提供了一种计算机可读介质，其上存储有用于执行这里描述的任何方法的程序。

实施本发明的计算机程序可以存储在计算机可读介质上，或者例如能够为诸如从互联网网站提供的可下载数据信号的信号的形式，或者也可以为任何其它形式。

本领域技术人员将了解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以对这里描述的本发明的实施方式和各种方面进行各种改变和修改。

Claims (17)

1.一种无线通信系统，所述无线通信系统包括：

发送器，所述发送器能够操作以发送发送信号，所述发送器具有一个或多个发送天线；

接收器，所述接收器能够操作以接收接收信号，所述接收器具有一个或多个接收天线；

其中，在所述接收器处基于所述接收信号获得所述发送信号的估计中使用格基约减，

其特征在于，所述格基约减利用格基约减矩阵，在所述发送器和所述接收器之间传输所述格基约减矩阵的分解表示。

2.一种用于在无线通信系统中使用的发送器，所述发送器包括：

一个或多个发送天线，所述一个或多个发送天线能够操作以将发送信号发送到具有能够操作以接收接收信号的一个或多个接收天线的接收器；

用于计算格基约减矩阵的装置，所述格基约减矩阵用于在所述接收器处基于所述接收信号获得所述发送信号的估计中使用；

其中，所述发送器能够操作以将所述格基约减矩阵的分解表示发送到所述接收器。

3.如权利要求1所述的无线通信系统，或者如权利要求2所述的发送器，其中，所述发送器是基站的发送器，所述接收器是用户站的接收器，在所述基站处计算所述格基约减矩阵，并且所述格基约减矩阵的分解表示被从所述基站发送到所述用户站。

4.如权利要求1或3所述的无线通信系统，或者如权利要求2或3所述的发送器，其中，所述格基约减矩阵是幺模矩阵，并且所述格基约减矩阵的分解表示包括一个或多个完全幺模矩阵，所述一个或多个完全幺模矩阵的积是所述格基约减矩阵。

5.如权利要求4所述的无线通信系统，或者如权利要求4所述的发送器，其中，一组完全幺模矩阵中的各个完全幺模矩阵都被指派有标识索引，并且在发送包括所述组中的完全幺模矩阵中的一个或多个完全幺模矩阵的所述格基约减矩阵的分解表示时，发送其积为所述格基约减矩阵的相关的完全幺模矩阵的索引，来代替发送所述相关的完全幺模矩阵本身或者所述相关的完全幺模矩阵的元素。

6.如权利要求5所述的无线通信系统，或者如权利要求5所述的发送器，其中，如果在所述格基约减矩阵的分解表示中，完全幺模矩阵自己相乘一次或多次，则发送幂m(其中m-1是完全幺模矩阵自己相乘的次数)，来代替将该完全幺模矩阵的索引发送所要求的次数。

7.一种用于在无线通信系统中使用的方法，所述无线通信系统包括用于使用一个或多个发送天线发送发送信号的发送器以及用于使用一个或多个接收天线接收接收信号的接收器，其中，在所述接收器处基于所述接收信号获得所述发送信号的估计中使用格基约减矩阵，所述方法包括：

将所述发送信号从所述发送器发送到所述接收器，

在所述发送器处计算所述格基约减矩阵并且求出其分解表示；

将所述格基约减矩阵的分解表示从所述发送器发送到所述接收器；以及

在所述接收器处，重构所述格基约减矩阵并且使用所述格基约减矩阵来基于所述接收信号获得所述发送信号的估计。

8.如权利要求7所述的方法，所述方法进一步包括将信道状态信息(CSI)从所述接收器反馈回所述发送器，其中，在所述发送器处计算所述格基约减矩阵中使用所述信道状态信息。

9.如权利要求7或8所述的方法，其中，在所述无线通信系统中，所述发送器是基站的发送器，并且所述接收器是用户站的接收器，求出所述格基约减矩阵的分解表示的步骤包括求出一个或多个完全幺模矩阵，所述一个或多个完全幺模矩阵的积是所述格基约减矩阵。

10.如权利要求9所述的方法，其中，一组完全幺模矩阵中的每个完全幺模矩阵都被指派有标识索引，并且发送包括所述组中的完全幺模矩阵中的一个或多个完全幺模矩阵的所述格基约减矩阵的分解表示的步骤包括发送相关的完全幺模矩阵的索引。

11.如权利要求10所述的方法，其中，如果在所述格基约减矩阵的分解表示中，完全幺模矩阵自己相乘一次或多次，则发送所述格基约减矩阵的分解表示的步骤包括发送幂m(其中m-1是完全幺模矩阵自己相乘的次数)，来代替将该完全幺模矩阵的索引发送所要求的次数。

12.一种软件，当所述软件由发送器和接收器中的一个或全部两个的处理器执行时，所述软件使所述发送器和/或所述接收器实施根据权利要求7-11中的任一项所述的方法。

13.一种软件，当所述软件由发送器的处理器执行时，所述软件提供根据权利要求2-6中的任一项所述的发送器。

14.如权利要求1或3-6中的任一项所述的无线通信系统，或者如权利要求2-6中的任一项所述的发送器，其中，所述格基约减矩阵是幺模矩阵，并且所述格基约减矩阵的分解表示包括一个或多个完全幺模矩阵，所述一个或多个完全幺模矩阵的积是所述格基约减矩阵，所述一个或多个完全幺模矩阵来自一组完全幺模矩阵，其中通过下述步骤确定所述一个或多个完全幺模矩阵：初始定义当前中间矩阵等于所述格基约减矩阵，然后迭代地重复下面的步骤直到计算出的矩阵或者当被所述组中的一个完全幺模矩阵左乘或右乘时计算出的矩阵等于所述组中的一个完全幺模矩阵(或者等于所述组中的一个完全幺模矩阵的标量倍数)：

·对于执行列和行相加的所述组中的完全幺模矩阵中的每一个：

-通过使所述当前中间矩阵被所述完全幺模矩阵右乘来计算中间矩阵；

-计算所述中间矩阵的范数，并且如果所述范数是目前为止计算得到的最小范数，则将所述范数记作为目前为止最小的，存储所述完全幺模矩阵作为当前完全幺模矩阵，并且将所述中间矩阵重新定义为下一次迭代的中间矩阵；

-通过使所述当前中间矩阵被所述完全幺模矩阵左乘来计算所述中间矩阵；以及

-计算所述中间矩阵的范数，并且如果所述范数是目前为止计算得到的最小范数，则将所述范数记作为目前为止最小的，存储所述完全幺模矩阵作为当前完全幺模矩阵，并且将所述中间矩阵重新定义为下一次迭代的中间矩阵。

15.如权利要求14所述的无线通信系统或者发送器，其中，根据需要执行矩阵求逆，以便于获得其积为所述格基约减矩阵的所述一个或多个完全幺模矩阵。

16.如权利要求1、3-6或14-15中的任一项所述的无线通信系统，或者如权利要求2-6或14-15中的任一项所述的发送器，其中，如果在所述接收器接收的数据分组中存在差错，或者存在与所述接收器接收的数据分组相关的问题，则所述发送器能够将所述格基约减矩阵的分解表示发送到所述接收器，而不是重新发送所述数据分组，从而使得所述接收器能够使用所述格基约减矩阵来重新解码所述数据分组。

17.基本上如上、包括(但不限于)参考图7-9所述的无线通信系统、发送器或者软件。

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