CN104854799B - 乘性噪声限制时用于mimo通信的传输功率分配 - Google Patents

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Abstract

可以通过在MIMO通信节点之间通信的MIMO数据流马上分配传输功率来改善受到乘性噪声限制的吞吐量状况。具体地，基于MIMO信道的发射机处的知识来分配传输功率，以相对于分派给与较弱信号路径相关联的一个或多个数据流的传输功率，来减少分派给与主导信号路径相关联的一个或多个数据流的传输功率，来提高MIMO信道的吞吐量状况和质量中的至少一个。

Description

乘性噪声限制时用于MIMO通信的传输功率分配
技术领域
本发明涉及用于改善无线通信网络中用于多输入多输出(MIMO)发射机和MIMO接收机之间的无线MIMO信道的吞吐量状况的方法。MIMO发射机包括具有多个天线的天线阵列。
本发明还涉及在无线通信网络中经由MIMO信道与MIMO接收机节点进行通信的MIMO传输节点。MIMO传输节点包括具有多个天线的天线阵列。
背景技术
多输入多输出(MIMO)通信正成为当前和未来无线通信标准的整体的一部分。使用多个发射和接收天线，MIMO通信使得多个数据流能够在不消耗额外带宽或其他无线电资源的情况下，同时地并且独立地在发射机和接收机之间被传递。为此，发射机和/或接收机包括具有多个天线的天线阵列，每个天线与可变天线权重相关联，其中发射机处的天线权重通常被称为预编码器。通过使用加权的发射机和/或接收机天线，可以针对不同的数据流形成不同的图案。如果无线无线电信道呈现富散射，例如低相关度或小的奇异值扩展，则在发射机和接收机之间存在多个可能的传播路径，允许经由不同的路径通过正交映射来传送不同的数据流。
接收机必须处理接收到的复合信号以分离和解码所传送的数据流中的每一个。为此，常规系统使用例如最小均方差(MMSE)接收机的线性接收机或例如最大似然(ML)接收机的非线性接收机。用于分离存在于接收到的复合信号中的传送的数据流的任何类型的接收机的能力取决于各个数据流的信道之间的正交性。通常，分离不会是完美的，产生了流间干扰，这限制了针对每个信号流可实现的信噪比(SNR)或信号与干扰加噪声比(SINR)。数据流信道彼此越相似，接收机就越难以分离数据流。通过被称为奇异值扩展(其基于信道来得到)的替代措施，信道相似度可以基于信道的互相关来表达。大的奇异值扩展指示高度类似的信道，并且因此指示困难的接收机问题。因此，当SNR或SINR高并且无线信道经历富散射时，如低相关性或小的奇异值扩展所指示的那样，则用于MIMO通信的最佳状况出现。
不幸的是，在一定程度上，用于MIMO的有利信道状况是互斥的，这意味着最高SNR或SINR状况通常与最低经历的信道丰富度同时发生，并且反之亦然。当一个或多个主导数据流压倒较弱的多路径数据流时，这个问题可能恶化。如本文所使用的，主导数据流或主导信号路径被定义为与主导模式、主导本征模式和/或视线(LOS)路径相关联的数据流或路径。例如，(例如由于主导LOS数据流而导致的)在接收到的复合信号中的数据流之间的大的幅度差或大的奇异值扩展可能使得一些较弱的数据流以低的SNR结束。作为响应，接收机可以尝试通过请求较低秩传输(即，减少数据流的数目)以避免在其中预期不太多的吞吐量的数据流上浪费功率，并且通过请求针对其中SNR增益将转换成提高的吞吐量的数据流增加功率来优化吞吐量。
然而，请求功率增加可能恶化与信号强度成比例或者取决于信号强度的噪声状况，即乘性噪声，尤其是在这样的噪声状况限制吞吐量状况的情况下。此外，使用较少的数据流引起了通过无线连接的较低的峰值数据速率，预计这随着标准和技术趋向于发射机和接收机能够处理更大数目的信号流而变得更加成问题。例如，LTE版本10和IEEE 802.11ac二者最近已经标准化到8x8MIMO传输。因此，仍然存在对改善受到乘性噪声限制的MIMO吞吐量状况的需要。
发明内容
这里公开的方法和装置通过跨在MIMO通信节点之间传递的MIMO数据流分配传输功率来改善受到乘性噪声限制的吞吐量状况。如这里使用的，术语乘性噪声是指取决于无线通信网络中的发射节点和/或接收节点处的信号强度或与之成比例的任何噪声。而且，如这里使用的，主导信号路径包括与压倒其他数据流的数据流相关联的任何路径，并且包括但不限于与主导模式、主导本征模式相关联的路径(或数据流)和/或LOS信号路径。
示例性方法包括：确定乘性噪声限制吞吐量状况；以及跨在MIMO发射机和MIMO接收机之间传递的一个或多个数据流分配传输功率。具体地，基于在发射机处关于MIMO信道的知识来分配传输功率，以相对于分派给与较弱信号路径相关联的一个或多个数据流的传输功率，来降低分派给与主导信号路径相关联的一个或多个数据流的传输功率。这样的分配将提高MIMO信道的吞吐量状况和质量中的至少一个。
示例性MIMO传输节点包括天线阵列、噪声处理器、和功率分配单元。该天线阵列包括多个天线。噪声处理器被配置为确定乘性噪声限制吞吐量状况。功率分配单元被配置为跨由天线发射的一个或多个数据流来分配传输功率。功率分配基于发射机处关于MIMO信道的知识，以相对于分派给与较弱信号路径相关联的一个或多个数据流的传输功率来降低分派给与主导信号路径相关联的一个或多个数据流的传输功率。这样的分配将提高MIMO信道的吞吐量状况和质量中的至少一个。
附图说明
图1示出了示例性MIMO通信系统的框图。
图2示出了示例性富散射环境。
图3示出了MIMO通信系统中的乘性噪声的效果。
图4示出了根据一个示例性实施例的用于改善吞吐量状况的方法。
图5示出了MIMO通信系统中的示例性发射机节点的框图。
图6和图7示出了智能功率分配的效果。
图8示出了根据一个示例性实施例的路径单元的框图。
图9示出了根据示例性实施例的确定乘性噪声是否限制吞吐量状况的方法。
图10示出了根据示例性实施例的噪声处理器的框图。
具体实施方式
这里公开的方法和装置提高了在MIMO吞吐量受到例如设备中的相位噪声或量化误差这样的乘性噪声而不是例如热噪声或干扰这样的加性噪声限制的情况下可实现的MIMO吞吐量。为此，当乘性噪声限制吞吐量状况时，跨数据流分配传输功率，以相对于分派给与较弱信号路径相关联的一个或多个数据流的传输功率来降低分派给与主导信号路径相关联的一个或多个数据流的传输功率。这样的分配将提高MIMO信道的吞吐量状况和/或质量。相对于在跨每个数据流均等地分配传输功率时，以该方式分配传输功率提供了实质性改进。
以下在视线(LOS)信号路径方面描述本发明。然而，应该理解，本发明适用于具有任何类型的主导信号路径的MIMO状况，主导信号路径包括但不限于与主导模式、主导本征模式和/或LOS信号路径相关联的一个或多个路径或数据流。在进一步讨论这一点之前，以下首先提供关于MIMO通信系统和关联问题的细节。
图1示出了包括例如发射机节点100和接收机节点200的两个MIMO通信节点的MIMO通信系统的框图。应当理解，每个MIMO通信节点100、200可以包括微微站点、无线电基站(包括节点B和eNodeB)、接入点、中继器、无线回程节点、用户设备或其他无线设备中的任何一个、或在无线网络内能够传送和接收信号的任何节点。每个MIMO通信节点100、200包括具有多个天线112、212的天线阵列110、210。发射机节点100的N个天线112中的每一个与乘法器113和组合器114相关联。每个乘法器113将权重(预编码器)应用于B个输入数据流xb中的一个，并且组合器114组合加权的数据流，以生成用于从对应天线112传输的复合信号。在图1的示例中，为简单起见B＝2。然而，应当理解，可以使用高达B＝N的任何数目的数据流。
更具体地，乘法器113将可以是频率相关的第一列权重向量w1＝[w11；w12；w13；...；w1N]应用于从天线阵列110传输的第一数据流x1。权重的不同组合对应于通过天线阵列响应的不同辐射图案，其中：
在等式(1)中，k表示波向量2π/λn，其中n表示方向上的单位向量，rn表示天线位移向量，并且表示每天线元增益向量。尽管在这里被示出为标量，但是应当理解，可以被推广到极化天线和信道。用于传送数据流x1的辐射图案的形状变为：
可以使用权重w2＝[w21,w22,w23,...,wN2]利用相同天线阵列110来传送第二数据流x2。通常，可以同时传送高达N个数据流。总的发射信号可以通过叠加来表示：
Wx＝w1x1+w2x2。 (3)
在发射机节点100处应用权重W(w1,w2)通常被称为预编码。
接收机节点200也包括M个天线212的天线阵列210，其中第n个发射天线112和第m个接收天线212之间的无线电信道可以被表达为hnm，其中hnm可以是时间相关的和/或频率相关的。虽然未示出，但是接收机节点200还可以针对不同的接收信号将不同的权重向量应用于天线阵列210。在矩阵表示法中，接收信号y＝[y1,y2,y3,...,yM]可以被表达为：
y＝(I+Σrx)H(I+Σtx)Wx+Σ+Q， (4)
其中对角矩阵Σrx和Σtx表示乘性噪声，包括但不限于相位噪声和量化误差，H表示信道估计矩阵，Σ表示加性噪声，包括但不限于热噪声，并且Q表示干扰。
因此，接收机节点200负责将接收到的复合信号y分离成单独的数据流x1,x2,...,xN以便于成功解码每个数据流的问题。该问题通常是复杂的，但是已经示出了，在不存在干扰、相位噪声和动态范围限制时，通过无线信道的奇异值分解(SVD)给出了最佳预编码器和接收权重向量。具体地，已经示出了，接收权重向量可以由H＝U·S·V给出，其中U表示酉预编码矩阵，V表示酉接收机权重矩阵，并且S表示对角矩阵，其中每个对角元素表示特定通信模式将经历的信号幅度。因此，对于MxN信道H，对角矩阵S将具有MxN的大小。换言之，通过min(M,N)来约束可以通过该信道传送的独立信道的数目。如果信道H秩亏，则S的一些元素将为零，进一步限制了数据流的可用数目。在限制噪声的情况下，已知信道的总容量R是每个子流的香农容量的总和，假设在不同的接收机无线电链上相等和独立的噪声水平σ2，则由下式给出：
其中，pn表示分派给第n个数据流的功率，并且fBW表示带宽。
通常，找到和利用SVD需要在发射机节点100处的全部信道知识，在实际情况下，有时获得全部信道知识的成本很高。具体地，特别是当hnm是随时间或频率变化的并且数目N和/或M较大时，所有信道系数hnm的全反馈可能需要反向链路容量的过高的量。因此，已经设计了不同的低复杂度方案。一种这样的方案依赖于基于事先约定的码本的优选预编码器的量化反馈，被称为闭环预编码。闭环预编码是标准的一部分，该标准包括但不限于3GPPUMTS和3GPP LTE。闭环码本包括针对每个秩(例如，针对要传送的每个数目的数据流)的有限数目的可用预编码矩阵W。接收机节点210通常使用从发射天线112中的每一个传送的参考符号或导频来估计信道H，并且使用任何已知技术来估计噪声和干扰水平。接下来，接收机节点200评估所有可能的预编码矩阵，并且搜索将产生可用无线电资源的最佳利用的一个预编码矩阵，这通常是在给定估计的SNR或SINR的情况下产生最高数据速率吞吐量的预编码器和秩。一旦这个被找到，接收机节点200就使用秩指示符(RI)和预编码矩阵指示符(PMI)通过信号向发射机节点100通知在反向链路上期望的秩和预编码器，以指示接收机节点的偏好。此外，接收机节点200可以使用信道质量指示符(CQI)来通过信号通知回其利用所选择的预编码器预期经历的感知的信道质量，以允许发射机节点100最优地调整编码和调制方案，这被称为链路自适应的过程。在一些情况下，发射机节点100可能需要使用由接收机节点200指示的优选预编码。在其他情况下，发射机节点100可能例如由于接收机节点200未知的情况而自行决定推翻建议，接收机节点200未知的情况例如存在额外的接收机、调度优先级、非满数据缓冲器等。在可能时，这种推翻可能废弃CQI反馈，因为CQI反馈是基于接收机的优选预编码器而生成的，这通常使链路自适应呈现为更具挑战性。
相同无线通信标准中所包括的另一MIMO方案是所谓的开环预编码。在该方案中，不向发射机节点100反馈信道或优选预编码器的信息，但是仍然使用CQI和秩反馈。替代地，发射机节点100通常以固定预编码器或者在时间和/或频率上周期性变化的预编码器来发送信息。此外，当传送多个数据流时，预编码器常常被混合以对所有数据流提供相同的信道质量。与闭环预编码相比，开环预编码是次优的。然而，在高信号噪声比时，二者之间的差异减小。具体地，闭环方案将基本上找到在接收机节点200处产生良好数据流分离和高的每流SNR的良好预编码器，而开环方案替代地依赖于使用足够良好的预编码器的高可能性以及接收机节点200分离流的能力。闭环方案对噪声信道估计敏感，这可能导致非最佳预编码器。而且，报告的预编码器可能在发射机节点100使用它进行实际传输的时间前过时。另一方面，开环方案依赖于分集，并且使用大范围的不同预编码器。因此，开环方案将不是最佳的，但是其对噪声和时序问题不太敏感。不论系统使用闭环还是开环预编码方案，接收机节点200都处理接收到的复合信号以对数据流中的每一个进行解码。因为信道通常混合数据流，如从等式(4)看出的那样，因此需要信号处理来分离数据流。本领域已知许多不同的MIMO接收机结构。概括地说，这些落在两个类别中：线性接收机和非线性接收机。线性接收机的操作可以通过线性运算符根据对接收信号向量y进行运算来表达，其中P表示接收机权重矩阵。线性接收机的示例是最小均方差(MMSE)接收机，其选择权重P使得在存在加性噪声和干扰时在传送的和估计的符号之间的均方差被最小化。在不存在噪声或干扰的情况下，MMSE接收机等同于迫零接收机。非线性接收机的操作依赖于例如多级运算这样的更复杂运算的使用。非线性接收机的示例是最大似然(ML)接收机或连续干扰消除(SIC)接收机。
接收机节点200分离数据流的能力取决于数据流信道之间的正交性。通常，分离将是不完美的，这产生了限制针对每个流的可实现SINR的流间干扰。数据流信道彼此越相似，越难以进行分离，这导致了每个子流上的较低的有效SINR。信道相似度常常通过互相关来表达，但是替代措施是奇异值扩展。两个信道系数h1和h2的互相关系数例如可以被定义为：
并且通常通过样本互相关来估计：
其中，和表示信道h1和h2的(通常有噪的)信道估计的序列。奇异值扩展是从奇异值矩阵S得到的(从信道H得到的)。该扩展的简单度量是最大和最小奇异值的比，例如信道矩阵H的元素之间的大的相关性意味着大的奇异值扩展并且由此意味着困难的接收机问题。
在传送多个流的情况下，每数据流的功率将低于传送单个数据流时的功率。因此，成功的链路自适应需要找到要传送的数据流的最佳数目并且还要找到要用于每个数据流的功率。该最佳将是取决于SNR的。在低SNR时，通常最好将所有功率分派给一个数据流，而在较高SNR时，可以跨数据流均等地共享可用发射功率，而仍然保持足够高的每流SNR，以允许高阶调制和编码。已经示出了在不存在干扰、相位噪声和动态范围限制的情况下，最佳的每流功率分派通过“注水(water filling)”解决方案来给出，其中与每流SNR成比例地分派功率，但是仅分派给具有超过特定阈值的SNR的那些流。然而，现有蜂窝标准往往跨数据流均等地共享发射功率。如在等式(5)中看到的，由于log2表达式，所以具有不良状况(较弱sn)的数据流将不会像具有良好状况(强sn)的数据流那么多地对总吞吐量做出贡献。因此，当SNR或SINR高并且无线信道经历富散射时，例如低的相关性或小的奇异值扩展时，MIMO通信的最佳状况出现。
在蜂窝通信系统中，其中不同小区(或者甚至相同的小区)中的多个发射机和接收机复用相同的无线电资源，例如时隙和/或频带，在传输之间将存在干扰。此外，接收机节点200距离发射机节点100越远，并且在两者之间阻止直接无线电路径的障碍越多，接收到的信号就越弱。因此，信号电平往往在期望的发射机-接收机对之间存在视线(LOS)路径并且没有用于进行干扰的发射机的LOS路径时是最高的。
然而，如图2中所示，因为散射路径弱得多，所以利用LOS路径的数据流和其他的数据流的信道增益本质上不同。为了与强LOS路径结合地来利用散射路径，接收机节点200需要非常大的动态范围(50-60dB数量级)，这在大多数实际情况下是不可能的。因此，用于MIMO的有利信道状况在一定程度上是互斥的，因为最高SNR或SINR状况与最低经历的信道丰富度同时发生，并且反之亦然。即使在存在主导LOS路径信号的情况下，也能够利用天线极化来保持良好的子信道隔离，例如通过用正交极化的天线传送和接收流。然而，该能力被限制于可能用于平面波的两个极化。
此外，各种发射机和接收机损害将进一步恶化信道丰富度和流间干扰的问题。例如，发射机节点100中的非线性可能导致传送的符号的功率相关的错误平层(errorfloor)。该错误通常以误差向量幅度(EVM)来表征，其被定义为复调制符号的误差除以该符号的幅度。EVM的典型源包括热噪声和相位噪声、数字到模拟(D/A)转换器的动态范围、传送的信号的数字表示的量化误差以及功率放大器的饱和或削波。类似地，接收机节点200还遭受可能由接收机EVM为特征的各种损害。可以通过使用更昂贵的高质量组件和复杂电路来减少发射机节点100和/或接收机节点200中的EVM。然而，商业和大众市场的通信设备的成本效益折衷通常导致最好约3％或-30dB的EVM值。结果，接收机在其信道估计上所经历的SNR上限为～30dB。大奇异值扩展或数据流幅度扩展将使得一些较弱的潜在MIMO数据流以低的或负的(以dB为单位)估计SNR来结束。当接收机节点200尝试优化吞吐量时，其很可能请求较低秩传输，以避免在其中预期不太多的吞吐量的流上浪费功率，并且替代地，提高其中SNR增益将转换成较大吞吐量增益的较强数据流的功率。对较弱数据流的信道估计将具有更大噪声的事实也对MIMO接收机节点200用于抑制流间干扰的能力产生后果，这进一步阻碍了许多流的使用。
图3示出了在对所有数据流分派均等功率时在-30dB的水平处的乘性噪声(例如，取决于信号强度的噪声，例如相位噪声)的效果。图3A在仅接收机节点200受乘性噪声限制时适用。图3B在仅发射机节点100受乘性噪声限制时适用。图3C在发射机节点100和接收机节点200同等地受乘性噪声限制时适用。当对于MMSE接收机和理想连续干扰消除(SIC)接收机，莱斯K值(即，LOS路径中的功率与非LOS路径中的功率的比)分别大于10dB和25dB时，50％或更多的性能劣化将发生。该劣化水平可能在使用较高阶MIMO传输方案的实际网络中发生，因为由于LOS状况可能导致10dB或更高量级的K值。应当注意，在该情况下的加性噪声远低于乘性噪声，并且因此吞吐量受到乘性噪声的限制。此外，对于仅在发射机节点100中出现乘性噪声的情况，针对理想SIC接收机，没有观察到劣化。
使用较少的MIMO数据流导致了通过无线连接的较低的峰值数据速率，因为每数据流的数据速率通常受到针对其准备了设备和标准的最高调制和编码方案的限制。典型地，在发射机节点100和接收机节点200之间存在LOS状况的情况下，已经在所部署的系统中观察到该影响。劣化可能非常大；与非LOS(NLOS)状况相比，吞吐量可能以2或甚至3的因子下降。示例包括在终端在街角进入LOS路径的情况，因此影响可能非常迅速。该问题随着MIMO链路中存在的发射和接收天线的数目越高而增加。随着LTE版本10和IEEE802.11ac二者最近被标准化为高达8x8MIMO配置，预期该问题随着8天线产品变得可用而变得更加明显。
图4示出了可以用于在MIMO吞吐量受到乘性噪声的限制时提高在MIMO发射机节点100和MIMO接收机节点200之间的吞吐量状况的示例性方法300。当确定了吞吐量受到乘性噪声限制(框310)时，跨一个或多个数据流分配传输功率。该分配被配置为相对于非LOS数据流的传输功率降低LOS数据流的传输功率，并且因此提高MIMO信道的质量和/或吞吐量状况(框320)。以该方式分配传输功率防止了较弱NLOS数据流被主导LOS数据流隐藏，避免了与较弱信号路径相对应的数据流中的损害，该损害否则在乘性噪声限制的场景中由与主导信号路径相关联的数据流造成。
图5示出了被配置为实现图4的方法的示例性MIMO发射机节点100。除了图1所示的天线阵列110，MIMO发射机节点100包括噪声处理器120、功率分配单元130、收发信机140、可选的路径单元150以及存储器160。噪声处理器120被配置为确定乘性噪声是否限制MIMO吞吐量状况。功率分配单元130被配置为跨一个或多个数据流分配传输功率，以提高MIMO信道的吞吐量状况和/或质量。存储器160被配置为存储用于节点100的操作的任何信息。
这里公开的功率分配是基于在发射机节点100处关于MIMO信道的部分或完整知识来实现的。这样的信道信息可以包括直接信道信息，或者可以包括间接信道信息，例如关于对应于明显最强信道本征值的预编码器向量的信息。不管怎样，发射机节点100使用信道知识来以最佳或接近最佳的方式在数据流上分配发射功率。因此，这里公开的功率分配依赖于在发射机处关于MIMO信道的准确知识。足够的准确度可以通过以下操作来实现：
1.对接收到的信道探测参考信号进行平均。
2.通过调整与MIMO信道本征值相对应的数据流中的每一个的发射功率来均衡接收功率。
应当理解，这里公开的功率分配可以用于任何已知的通信标准。
当加性噪声而不是乘性噪声限制吞吐量状况时，传统功率分配可以使用注水技术来跨所有数据流分配传输功率。对于在加性噪声限制吞吐量状况并且存在高SNR的情况，均等的功率分配接近最佳。然而，当乘性噪声限制吞吐量状况时，传输功率的注水分配不是最佳的，如图6和图7中的“均等功率”曲线所示。具体地，对于这样的均等功率场景，对于大的K值，明显存在容量损失。为了便于描述所公开的功率分配，下面首先提供用于经历对应的无线电信道Hij的8×8天线的MIMO系统的简单信道模型。应当理解，该模型出于说明性目的来使用，并且不意在是限制性的。
当乘性噪声限制吞吐量状况时，所提出的方法以非均等的方式跨数据流分配传输功率。例如，根据下式，通过无线信道的理想奇异值分解来给出最佳天线预编码权重向量：
UHHV＝Σ， (8)
其中，U和V表示酉矩阵，并且Σ表示实数值的正半正定对角矩阵。引入对角相位噪声(乘性噪声的示例)矩阵ΠTX和ΠRX产生了：
UH(1+ΠTX)H(1+ΠRX)V＝Σ+X， (9)
其中，X表示与MIMO信道之间的噪声和串扰相对应的项。对于莱斯K为零的情况，该模型假定具有单位平均功率的独立并且均等分配的白高斯信道HGAUSS。对于K>0，根据下式来加上对应常数矩阵：
其中，I表示2x2单位矩阵。该信道对应于理想LOS状况，其中4x4双极化天线在发射机节点100和接收机节点200中分别具有+45/-45度的线性和V/H极化。
假定相位噪声在每一端是独立并且均等分配的高斯。通过下式来定义矩阵M：
M＝|UH·H|2·<|ΠTX|2>·|V|2+|UH|2·<|ΠRX|2·|H·V|2， (11)
其在香农容量表达式中考虑乘性噪声，得到：
其中，C表示MIMO信道的香农互信息，Pi表示特征值子流i上的发射功率，并且σ2表示加性噪声功率。然后，通过下式给出对不同数据流的最佳发射功率分派：
P＝argmax(C)， (13)
其中，P表示最大化香农互信息的发射功率分派向量。尽管没有对等式(13)的闭式解，存在用于确定发射功率分派向量的各种方法。例如，基于梯度的方法可以被使用，并且已经被证明有效地解决该问题。替代地，可以创建查找表，其中查找表包括预定义的预编码器，其中不同的预编码器权重可以包括对不同数据流的不同的功率分派。在该情况下，搜索查找表以找到最优解。该查找表的设计可以基于等式(13)。
所提出的方法依赖于发射机节点100知道加性噪声σ2以及乘性噪声ΠTX和ΠRX。在一些情况下，例如通过噪声指数和相位噪声来对发射机节点100和接收节点200充分指定这些参数。还可以通过对不同水平的接收信号强度的在线SNR估计或单独校准测量来确定该参数，如本文进一步讨论并且在美国专利申请序列号No.13/714613中具体描述的那样。一旦发射机节点100获得σ2、ΠTX和ΠRX，可以根据等式(11)来确定M，这进而用于最大化C以自由地或者按强和弱特征值的分组来确定对所有信道特征值的功率分派p。
例如，在相位噪声占主导的情况下，乘性噪声ΠTX和ΠRX可能不是分布在复振幅中的白高斯。对于SISO传输，当相位噪声占主导时，由等式(12)给出的香农互信息是无效的。然而，在MIMO情况下，所有数据流发生干扰(通过等式(11))，并且得到的每数据流的噪声接近复白高斯分布。
再次参考图5，为促进功率分配操作，MIMO节点100、200可以进一步包括路径单元150，路径单元150被配置为标识在发射机节点100和接收机节点200之间的LOS路径。在一个示例性实施例中，路径单元150基于从例如接收机节点200的远程节点或另一远程网络节点接收到的主导信号路径信息来标识LOS路径。在另一实施例中，示例性路径单元150包括处理器152和可选的到达方向(DOA)单元154，如图8所示。DOA单元154被配置成基于包括在接收到的信号中的参考信号来针对由收发信机140接收到的两个或更多个接收到的信号中的每一个估计DOA。例如，可以通过处理接收到的小区特定的参考信号或信道状态信息参考信号来在数字域中确定DOA。处理器152被配置为基于所估计的DOA来标识LOS路径。
根据另一示例性实施例，路径单元150包括可选的功率单元156和处理器152，其中功率单元156被配置为确定与天线112、212中的每一个相关联的功率。处理器152被配置为基于所确定的功率之间的相对比较来标识LOS路径。例如，对于具有受乘性噪声限制的吞吐量状况的无线链路，有兴趣知道B个数据流或预编码器中的哪一个给出了最高接收功率，因为正是与该数据流相关联的功率和乘性噪声导致较弱数据流的劣化。在一些情况下，诸如对于利用共极化天线的LOS链路，可能存在与一个主导预编码器和数据流相对应的单个主导路径。在其他情况下，例如在利用双极化天线的LOS链路中，可能存在类似功率的两个或更多个主导路径/数据流。
功率单元156可以根据下式来确定每数据流的功率：
Pj＝|H·wj|2， (14)
其中，wj表示第j个预编码器权重向量。该功率可以针对所有可能的预编码器向量或者仅针对对应于优选或推荐的预编码器向量的那些预编码器向量(数目取决于优选或推荐的秩)来确定。具有有限信道状态信息的MIMO节点100、200，例如FDD系统中的发射机节点100，可以替代地利用PMI和CQI反馈来确定主导预编码器。在一些情况下，CQI值被直接耦合到对应的预编码器，而在其他情况下，一个CQI值被耦合到映射到多个数据流的码字。因此，指示估计的SNR(或功率)的CQI值可以唯一地标识一个预编码器，或者其可以标识两个或更多个预编码器的总和。任何一种情况都提供有益的信息。最后，具有有限信道状态信息的MIMO节点100、200，例如FDD系统中的发射机节点100还可以利用经由本领域公知的各种方法在反向链路上测得的二阶信道统计，诸如天线相关性或方向估计，以便确定哪个方向或预编码器将给出在接收机节点200中的最高接收功率。
如这里所讨论的，当乘性噪声限制吞吐量状况时，即当与接收机节点200在例如其信道估计时经历的接收到的(或传送的)信号功率成比例或取决于其的噪声占主导时，跨一个或多个数据流智能地分配传输功率。因此，在这样的情况下，减少对应于最强信号路径(例如，最强信道特征值)的接收/传送信号功率、同时保持和/或增加对应于较弱信号路径(例如，较弱的信道特征值)的功率有效地使得显著减少在较弱信号路径中由于来自最强信号路径的串扰而引起的乘性噪声，这进而改善了每数据流的SNR/SINR以及随后的无线MIMO信道上的吞吐量。另一方面，如果热噪声和干扰比乘性噪声强，那么这样的改善是不可能的，这是因为传送的信号功率中的任何减少将仅使所有数据流的SNR或SINR水平劣化。
因为这里公开的功率分配取决于乘性噪声是否限制吞吐量状况的知识，所以还有利的是，提供检测乘性噪声何时限制吞吐量的方法和装置。在下述情况时，乘性噪声Nπ限制吞吐量状况：
其中，Psig表示信号功率，σ2表示热噪声功率，并且I表示干扰功率。根据下式，乘性噪声Nπ可以被表达为在发射机节点100处的乘性噪声和接收机节点200处的乘性噪声的组合：
乘性噪声是否限制吞吐量状况的确定可以在发射机节点100中进行，或者在远离发射机节点100的网络节点中进行，其随后向发射机节点100发送定量或定性乘性噪声评估。
图9示出了由包括如图10所示的参数单元122和表征单元128的噪声处理器120执行的用于确定乘性噪声是否限制吞吐量状况的示例性方法400。应当理解，噪声处理器120可以是发射机节点100、接收机节点200或无线网络内的另一节点的一部分。
参数单元122基于信号质量参数和/或MIMO利用参数来评估吞吐量状况(框410)。表征单元128基于评估的吞吐量状况来生成表征MIMO吞吐量状况的乘性噪声评估(框420)。在一些实施例中，乘性噪声评估可以包括定性信息，例如简单的“是”或“否”的指示。在其他实施例中，乘性噪声评估可以包括定量信息，该定量信息提供对乘性噪声的定性评价，例如乘性噪声相对加性噪音的主导程度。
下面公开了用于证明这里公开的功率分配的有效性的仿真结果。更具体地，如图3所示，当乘性噪声在LOS状况中占主导(LOS状况意味着大的信道特征值扩展)时，标准接收机(如MMSE和SIC)的MIMO性能劣化。然而，通过跨数据流(例如，跨对应于信道特征值的预编码器矩阵)以巧妙的方式分配发射功率，能够大幅度提高性能。该方法的缺点是，必须在发射机处可获得该特定预编码器的准确信息。然而，在TDD的情况下，由于信道互易性而使得不需要反馈该信息。此外，对于近最优解，不需要全部PM信息，只需要关于对应于最强特征值的预编码器向量的信息(例如，LOS方向)。
图6示出了对于四种不同的分配方法、在与针对理想SIC接收机(或理想SVD传输)的MIMO信道奇异值相对应的发射机预编码权重向量上不同地分配功率的效果：
1.在所有导引向量上功率均等(例如，根据当前的3GPP LTE版本)；
2.关于分派给对应于最强信号路径(例如，对应于LOS)的数据流的功率的减少最大化吞吐量；
3.针对所有数据流的最佳功率分派，以减少分派给最强信号路径的功率，同时增加分派给较弱信号路径的功率(例如，最大化吞吐量的功率分派)；以及
4.通过其他手段改变信道特性，导致了莱斯K的减小，例如天线的重新配置，如在同期提交的共同未决美国申请序列号No.13/714613中所描述的。
如果乘性噪声仅在发射机节点100或接收机节点200中占主导，则能够通过使用最佳功率分派来保持K＝0的容量，甚至对于非常高的K值也可以。事实上，如果调整分派给对应于LOS的数据流的功率，则可以实现接近最大的容量。然而，如果乘性噪声在发射机节点100和接收机节点200二者中占主导，则对于较高K值无法保持K＝0的容量。
图7示出了在与针对MMSE接收机的MIMO信道奇异值相对应的、发射机节点100的预编码权重向量上不同地分配功率的效果。在该示例中，最佳功率分派(分配方法3)没有被确定，但是对理想SIC接收机的最佳功率分派的曲线被示出为最大容量参考情况。
对于MMSE接收机，如果乘性噪声仅在接收机节点200中占主导，则即使对于非常高的K值，也几乎能够保持K＝0的容量。在该情况下，应用分配方法2，例如调整分派给对应于LOS路径的数据流的功率以最大化由等式(12)给出的香农互信息。如果乘性噪声在发射机节点100中或者在发射机节点100和接收机节点200二者中占主导，则这里公开的功率分配技术仍然提供了一些改进，虽然是较小的改进。
当然，可以在不背离本发明的基本特征的情况下，以除了这里具体阐述的那些之外的方式来执行本发明。本实施例在所有方面都被认为是说明性而不是限制性的，并且落在所附权利要求的含义和等效范围内的所有改变都旨在被包含在其中。

Claims (37)

1.一种改善在无线通信网络中用于在多输入多输出MIMO发射机(100)和MIMO接收机(200)之间的无线MIMO信道的吞吐量状况的方法，所述MIMO发射机(100)包括具有多个天线(112)的天线阵列(110)，其特征在于，所述方法包括：
(310)确定乘性噪声是否限制所述吞吐量状况，所述乘性噪声包括取决于所述MIMO发射机(100)和所述MIMO接收机(200)中的至少一个处的信号强度或与所述信号强度成比例的任何噪声；以及
(320)如果确定了所述吞吐量状况受乘性噪声的限制，则基于在所述发射机(100)处关于所述MIMO信道的知识而跨在所述MIMO发射机(100)和所述MIMO接收机(200)之间传递的一个或多个数据流分配传输功率，其中分派给与主导信号路径相关联的所述数据流中的一个或多个数据流的所述传输功率相对于分派给与较弱信号路径相关联的所述数据流中的一个或多个数据流的所述传输功率被降低，以提高所述MIMO信道的吞吐量状况和质量中的至少一个，
其中当时乘性噪声限制所述吞吐量状况，其中Nπ表示乘性噪声，Psig表示信号功率，σ2表示热噪声功率，并且I表示干扰功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中分配所述传输功率包括基于在所述发射机(100)处关于所述MIMO信道的知识而跨所述数据流分配所述传输功率，以最大化信道容量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述MIMO信道信息由所述MIMO接收机提供。
4.根据权利要求3所述的方法，其中由所述MIMO接收机(200)提供的所述MIMO信道信息包括对应于与所述主导信号路径相关联的所述一个或多个数据流的权重信息。
5.根据权利要求3所述的方法，其中由所述MIMO接收机(200)提供的所述MIMO信道信息包括对应于由所述MIMO接收机(200)针对所述数据流选择的天线权重的权重矩阵指示符。
6.根据权利要求3所述的方法，其中由所述MIMO接收机(200)提供的所述MIMO信道信息包括信道估计。
7.根据权利要求3所述的方法，其中由所述MIMO接收机(200)提供的所述MIMO信道信息包括信道质量指示符。
8.根据权利要求3所述的方法，其中由所述MIMO接收机(200)提供的所述MIMO信道信息包括选择的天线秩，所述选择的天线秩指示用于未来传输的数据流的优选数目。
9.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中所述主导信号路径包括在所述MIMO发射机(100)和所述MIMO接收机(200)之间的视线信号路径(LOS)。
10.根据权利要求1-8中的任何一项所述的方法，进一步包括：从远程通信节点和所述MIMO接收机(200)之一接收主导信号路径信息，并且基于所接收到的主导信号路径信息来标识在所述MIMO发射机(100)和所述MIMO接收机(200)之间的所述主导信号路径。
11.根据权利要求1-8中的任何一项所述的方法，进一步包括：在所述MIMO发射机(100)处标识在所述MIMO发射机(100)和所述MIMO接收机(200)之间的所述主导信号路径。
12.根据权利要求1-8中的任何一项所述的方法，进一步包括：在所述MIMO发射机(100)处从远程报告节点(200)接收乘性噪声评估，其中确定乘性噪声限制所述吞吐量状况包括基于所接收到的乘性噪声评估来确定乘性噪声限制所述吞吐量状况。
13.根据权利要求1-8中的任何一项所述的方法，其中确定乘性噪声限制所述吞吐量状况包括：
评估与在所述MIMO发射机(100)和所述MIMO接收机(200)之间传递的信号相关联的信号质量参数和MIMO利用参数中的至少一个参数；以及
基于所述MIMO利用参数和所述信号质量参数中的至少一个参数来确定乘性噪声限制所述吞吐量状况。
14.根据权利要求1-8中的任何一项所述的方法，进一步包括：基于所述MIMO信道的香农互信息来确定发射功率分派，其中分配所述传输功率包括根据所确定的发射功率分派来跨所述数据流中的一个或多个数据流分配所述传输功率。
15.根据权利要求14所述的方法，其中基于所述香农互信息来确定所述发射功率分派包括确定最大化所述MIMO信道的所述香农互信息的一个或多个传输功率。
16.根据权利要求15所述的方法，其中确定最大化所述香农互信息的所述一个或多个传输功率包括穿过多个可能的传输功率迭代地执行梯度搜索，以确定最大化所述MIMO信道的所述香农互信息的所述传输功率。
17.根据权利要求1-8中的任何一项所述的方法，进一步包括：存储与以下各项中的至少一项相关联的过去乘性噪声观察：所述MIMO发射机(100)、所述MIMO接收机(200)和所述无线通信网络中的小区，其中确定乘性噪声限制所述吞吐量状况包括基于所述过去乘性噪声观察来确定乘性噪声限制所述吞吐量状况。
18.根据权利要求1-8中的任何一项所述的方法，其中分配所述传输功率包括使用根据奇异值分解确定的并且随后应用于所述数据流的预编码器权重来分配所述传输功率。
19.一种在无线通信网络中经由多输入多输出MIMO信道与MIMO接收机节点(200)进行通信的MIMO传输节点(100)，所述MIMO传输节点(100)包括：
具有多个天线(112)的天线阵列(110)；
其特征在于，所述MIMO传输节点(100)进一步包括：
噪声处理器(120)，所述噪声处理器(120)被配置为确定乘性噪声是否限制吞吐量状况，所述乘性噪声包括取决于MIMO发射机(100)和所述MIMO接收机(200)中的至少一个处的信号强度或与所述信号强度成比例的任何噪声；以及
功率分配单元(130)，所述功率分配单元(130)被配置为如果确定了所述吞吐量状况受乘性噪声的限制，则基于在所述发射机(100)处关于所述MIMO信道的知识而跨所述天线(112)所发射的一个或多个数据流分配传输功率，以相对于分派给与较弱信号路径相关联的所述数据流中的一个或多个数据流的所述传输功率来降低分派给与主导信号路径相关联的所述数据流中的一个或多个数据流的所述传输功率，从而提高所述MIMO信道的吞吐量状况和质量中的至少一个，
其中当时乘性噪声限制所述吞吐量状况，其中Nπ表示乘性噪声，Psig表示信号功率，σ2表示热噪声功率，并且I表示干扰功率。
20.根据权利要求19所述的MIMO传输节点(100)，其中所述功率分配单元(130)被配置为，通过基于在所述发射机(100)处关于所述MIMO信道的知识而跨所述一个或多个数据流分配所述传输功率来分配所述传输功率，从而最大化信道容量。
21.根据权利要求19-20中的任何一项所述的MIMO传输节点，进一步包括收发信机单元(140)，所述收发信机单元(140)被配置为接收MIMO信道信息，其中所述功率分配单元(130)被配置为通过基于所接收到的MIMO信道信息而跨所述数据流中的一个或多个数据流分配所述传输功率，来分配所述传输功率。
22.根据权利要求21所述的MIMO传输节点，其中所接收到的MIMO信道信息包括对应于与所述主导信号路径相关联的所述一个或多个数据流的权重信息。
23.根据权利要求21所述的MIMO传输节点，其中所接收到的MIMO信道信息包括对应于由所述MIMO接收机(200)针对所述数据流选择的天线权重的权重矩阵指示符。
24.根据权利要求21所述的MIMO传输节点，其中所接收到的MIMO信道信息包括信道估计。
25.根据权利要求21所述的MIMO传输节点，其中所接收到的MIMO信道信息包括信道质量指示符。
26.根据权利要求21所述的MIMO传输节点，其中所接收到的MIMO信道信息包括选择的天线秩，所述选择的天线秩指示用于未来传输的天线的优选数目。
27.根据权利要求19-20中的任何一项所述的MIMO传输节点，其中所述主导信号路径包括在所述MIMO传输节点(100)和所述MIMO接收机节点(200)之间的视线信号路径(LOS)。
28.根据权利要求19-20中的任何一项所述的MIMO传输节点，进一步包括：
收发信机单元(140)，所述收发信机单元(140)被配置为从远程通信节点(200)接收主导信号路径信息；以及
路径单元(150)，所述路径单元(150)被配置为基于所接收到的主导信号路径信息来标识在所述MIMO发射机(100)和所述MIMO接收机(200)之间的所述主导信号路径。
29.根据权利要求19所述的MIMO传输节点，进一步包括路径单元(150)，所述路径单元(150)被配置为标识所述主导信号路径。
30.根据权利要求19所述的MIMO传输节点，进一步包括收发信机单元(140)，所述收发信机单元(140)被配置为从远程报告节点(200)接收乘性噪声评估，其中所述噪声处理器(120)被配置为基于所接收到的乘性噪声评估来确定乘性噪声限制所述吞吐量状况。
31.根据权利要求19-20中的任何一项所述的MIMO传输节点，其中所述噪声处理器(120)包括：
参数单元(122)，所述参数单元(122)被配置为评估与在所述MIMO发射机节点(100)和所述MIMO接收机节点(200)之间传递的信号相关联的信号质量参数和MIMO利用参数中的至少一个参数；以及
表征单元(128)，所述表征单元(128)被配置为基于所述MIMO利用参数和所述信号质量参数中的至少一个参数来确定乘性噪声限制所述吞吐量状况。
32.根据权利要求31所述的MIMO传输节点，进一步包括存储器(129)，所述存储器(129)被配置为存储与所述无线通信网络中的小区和所述MIMO发射机节点(100)中的至少一个相关联的过去乘性噪声观察，其中所述表征单元(128)被配置为基于所述过去乘性噪声观察来确定乘性噪声限制所述吞吐量状况。
33.根据权利要求19-20中的任何一项所述的MIMO传输节点，其中所述功率分配单元(130)进一步被配置为基于所述MIMO信道的香农互信息来确定发射功率分派，并且其中所述功率分配单元(130)被配置为根据所确定的发射功率分派来跨所述数据流中的一个或多个数据流分配所述传输功率。
34.根据权利要求33所述的MIMO传输节点，其中所述功率分配单元(130)被配置为，通过确定最大化所述MIMO信道的所述香农互信息的一个或多个传输功率，来基于所述香农互信息确定所述发射功率分派。
35.根据权利要求34所述的MIMO传输节点，其中所述功率分配单元(130)被配置为，通过被配置为穿过多个可能的传输功率迭代地执行梯度搜索，以确定最大化所述MIMO信道的所述香农互信息的传输功率，来确定最大化所述香农互信息的所述一个或多个传输功率。
36.根据权利要求19-20中的任何一项所述的MIMO传输节点，其中所述MIMO传输节点(100)包括以下各项中的一项：微微站点、无线电基站、接入点、中继器、无线回程节点和用户设备。
37.根据权利要求19-20中的任何一项所述的MIMO传输节点，其中所述功率分配单元(130)被配置为使用根据奇异值分解确定的并且随后应用于所述数据流的预编码器权重来分配所述传输功率。
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