CN105306392A - 无线通信中用于促成高数据速率传输的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种无线通信中用于促成高数据速率传输的方法和装置。一种用于能够接收和发送信号的无线设备的方法包括：通过通信信道从第二无线设备接收参考信号；使用参考信号来估计通信信道，基于所估计的通信信道来选择模拟数字转换器(ADC)量化器和输入分布的对子，以及向第二无线设备传送关于所选择的输入分布和ADC量化器的信息。一种能够无线地接收和发送信号的无线设备包括：收发器，被配置为通过通信信道从第二无线设备接收参考信号；以及处理器，被配置为：使用参考信号来估计通信信道，基于所估计的通信信道来选择ADC量化器和输入分布的对子，以及向第二无线设备传送关于所选择的输入分布和ADC量化器的信息。

Description

无线通信中用于促成高数据速率传输的方法和装置
技术领域
本申请总体上涉及一种无线通信中用于促成高数据速率传输的方法和装置，并且更具体地，涉及选择用于无线通信收发器的输入分布和ADC量化器。
背景技术
在过去二十年，通信领域已经见证了伟大的革命。具体地，无线通信已有了显著地成长，范围从蜂窝通信到无线局域网。这个成长是由计算硬件方面连续的指数级增长——普遍称为摩尔定律，来推动的，这已经使得复杂的数字信号处理(DSP)算法能用集成电路来实现。预期未来的通信系统设计继续符合摩尔定律，从而建立低成本、低功率、以DSP为中心的发送器/接收器(收发器)架构。
下一代无线通信系统的目标是比当前系统提供的数据速率更大的数量级的数据速率(数十千兆比特/秒)。达到这种高数据速率的一种方式是增大系统带宽，例如使用在毫米(mm)波频带中可用的大片频谱。在提供供给大幅度地增加的数据速率的可能性的同时，这种高带宽系统的设计受到一些挑战。具体的一个是由ADC技术带来的瓶颈：高速度、高精度的ADC要么不可用，要么非常昂贵和耗电。例如，最近的最新水平(state-of-the-art)调查显示，能够在千兆采样/秒(Gigasample/s)的速率上采样并且精度为6-8比特(相对适中)的ADC具有几百毫瓦量级的功耗。这可能使ADC成为整个接收处理链中最主要的功耗模块。
鉴于上述由ADC技术进展带来的约束，重要的是要考虑解决ADC瓶颈的通信系统和算法设计。这可以通过考虑使用低精度的ADC(如1-4比特)来实现。然而，ADC精度的大幅降低会严重地影响通信链路的性能。具体地，使用现有通信系统的原理和设计，与低精度的ADC结合，会导致剧烈的性能退化。因而，重要的是思考：采用低精度的ADC并具有可靠的通信系统性能的新颖的设计原理。
发明内容
在第一实施例中，提供一种用于能够无线地接收和发送信号的无线设备的方法。该方法包括通过通信信道从第二无线设备接收导频或参考信号。该方法还包括使用参考信号来估计通信信道。该方法还包括基于所估计的通信信道来选择模拟数字转换器(ADC)量化器和输入分布的对子(pair)。
在第二实施例中，提供用于能够无线地接收和发送信号的无线设备的方法。该方法包括向第二无线设备发送导频或参考信号。该方法还包括：响应于所述第二设备基于参考信号估计通信信道并且基于所估计的通信信道来选择模拟数字转换器(ADC)量化器和输入分布的对子，从所述第二无线设备接收所选择的输入分布。
在第三实施例中，提供一种能够无线地接收和发送信号的无线设备。该无线设备包括：收发器，被配置为，通过通信信道从第二无线设备接收导频或参考信号。该无线设备包括处理器，被配置为，使用参考信号估计通信信道，并基于所估计的通信信道来选择模拟数字转换器(ADC)量化器和输入分布的对子。
在第四实施例中，提供一种能够无线地接收和发送信号的无线设备。该无线设备包括：收发器，被配置为，通过通信信道从第二无线设备接收信号。该无线设备还包括：处理器，被配置为，经由所述收发器向第二无线设备发送参考信号；以及，响应于所述无线设备基于参考信号估计通信信道并且基于所估计的通信信道来选择模拟数字转换器(ADC)量化器和输入分布的对子，从所述第二无线设备接收所选择的输入分布。
在进行下面的详细描述之前，阐明贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有益的。术语“耦合”及其衍生词是指两个或多个元件之间的任何直接或间接的通信，不论这些元件是否在物理上相互接触。术语“发送”，“接收”，“通信”，以及其衍生词，包括直接和间接通信二者。术语“包括”和“包含”及其衍生词，是指没有限制的包括。术语“或”是包含性的，意味着和/或。短语“与……相关联”及其衍生词意味着包括、被包括在内、与……互连、包含、被包含在内、连接或与……连接、耦接到或与……耦接、可与……通信、与……合作、交错、并列(juxtapose)、接近于…、绑定到或与……绑定、具有、具有…属性、具有到或与……的关系等。术语“控制器”意指控制至少一个操作的任何装置、系统或其部分。这样的控制器可以以硬件或硬件和软件和/或固件的组合来实现。与任一特定控制器相关联的功能可以或者本地地或者远程地，集中或分布。当同项目的列表使用时，短语“至少一个”，是指列出的项目中的一个或更多的不同组合可以被使用，并且可能只有在列表中的一个项被需要。例如，“A，B和C中的至少一者”包括下列任何组合：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C.
此外，以下描述的各种功能可以由一个或多个计算机程序实现或支持，计算机程序中的每一个从计算机可读程序代码形成并包含在计算机可读介质中。术语“应用”和“程序”指一个或多个计算机程序、软件组件、指令集、过程、函数、对象、类、实例、相关数据，或适于以合适的计算机可读程序代码实施的它们的部分。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括任何类型的能够由计算机访问的介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、压缩盘(CD)、数字视频光盘(DVD)、或者任何其他类型的存储器。“非临时性”计算机可读介质不包括有线、无线、光学、或其它传送短暂的电信号或其他信号的通信链路。非临时性计算机可读介质包括其中的数据可以被永久地储存的媒介以及其中数据可以被存储并再覆盖的媒介，如可重写光盘或可擦写存储器设备。
贯穿本公开内容提供其他特定词语和短语的定义。本领域普通技术人员应当理解的是，即便不在大多数情况下那么在许多情况下，这些定义也适用于现有的以及将来的对这些所定义的单词和短语的使用。
附图说明
为了更全面地理解本公开及其优点，现提供结合附图的以下描述，附图中相同的附图标记代表相同的部件：
图1示出根据本公开的发送消息的示例无线系统；
图2A示出根据本公开的发送路径的高级图；
图2B示出根据本公开的接收路径的高级图；
图3示出用户设备的高级图；
图4示出根据本公开的以DSP为中心的接收器架构；
图5示出根据本公开的包括ADC量化器的信道模型；
图6示出根据本公开的ADC受限的收发器中促成提高的数据速率的过程；
图7示出根据本公开的在发送器中促成提高的数据速率的过程；
图8示出根据本公开的具有受限的反馈设置的输入分布和ADC量化器最优化过程；
图9示出根据本公开的用于最优化输入分布和ADC量化器的另一过程；
图10示出根据本公开的用于发送/接收第一无线设备的射频信号的过程；以及
图11示出根据本公开的用于发送/接收第一无线设备的射频信号的另一过程。
具体实施方式
下面讨论的图1到图9以及在本专利文件中用来描述本公开原理的各种实施例仅仅是示例性的，不应以限制本公开范围的方式进行解释。本领域普通技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的电信技术中实现。
图1-图3在下面描述在无线通信系统中并且借助于OFDM或OFDMA通信技术实现的多个实施例。图1-图3的描述不意味着隐含对可以实现不同的实施例的方式的物理或架构限制。本公开的不同实施例可以在任一适当布置的通信系统中实现。
图1示出根据本公开的示例无线网络100。图1中所示的无线网络100的实施例仅仅是用于说明的。无线网络100的其他实施例可以被使用而不脱离此公开的范围。
如图1中所示，无线网络100包括演进节点B(eNB)101、eNB102和eNB103。eNB101与eNB102和eNB103通信。eNB101也与至少一个因特网协议(IP)网络130，如因特网，专有IP网络或其它的数据网络进行通信。
依赖于网络类型，其他公知的术语可以用来替代“演进节点B”或“eNB”，诸如“基站”或“接入点”。为了方便起见，术语“演进节点B”或“eNB”在这个专利文档中用来指代向远程终端提供无线接入的网络架构组件。同样，依赖于网络类型，其他公知的术语可以用来替代“用户设备”或“UE”，诸如“移动站”，“订阅站”，“远程终端”，“无线终端”，或“用户设备”。为了方便起见，术语“用户设备”或“UE”在这个专利文档中用来指代无线地接入eNB的远程无线装备，不论UE是移动设备(诸如移动电话或智能电话)还是一般认为的固定设备(诸如桌面计算机或自动贩卖机)。
eNB102为eNB102的覆盖范围120之内的第一多个用户设备(UE)提供到网络130的无线宽带接入。第一多个UE包括可以位于小型企业(SB)中的UE111；可以位于企业(E)中的UE112；可以位于WiFi热点(HS)中的UE113；可以位于第一住宅(R)中的UE114；可以位于第二住宅(R)中的、可以是诸如蜂窝电话、无线便携式计算机、无线PDA等移动设备(M)的UE115；以及可以是诸如蜂窝电话、无线便携式计算机、无线PDA等移动设备(M)的机器类型通信(MTC)的UE116。eNB103为eNB103的覆盖区域125之内的第二多个设备(UE)提供到网络130的无线宽带接入。第二多个UE包括UE115和MTCUE116。在一些实施例中，eNB101-103中的一个或多个可以使用5G、LTE、LTE-A、WiMAX或其他高级无线通信技术来相互通信或者与UE111-116通信。
虚线示出覆盖范围120和125的近似范围，其被示出为近似圆形仅仅是为了说明和解释的目的。应清楚地理解的是，依赖于eNB的配置和与自然和人造障碍相关联的无线环境中的变化，与eNB相关联的覆盖范围，诸如覆盖范围120和125，可以具有其他形状，包括不规则形状。
如以下更详细地描述的，eNB101、eNB102和eNB103中的一个或多个被配置为执行或支持根据本公开的实施例的高数据速率传输。更具体地，eNB101、eNB102和eNB103中的一个或多个包括：包括一个或多个处理器的处理电路、或处理器阵列、或控制器、被耦合到一个或多个收发器以支持在此所描述的高数据速率传输。
虽然图1示出无线网络100的一个示例，但可以对图1作出各种改变。例如，无线网络100可以包括以任何适当的布置包括任意数目的eNB和任意数目的UE。同样，eNB101可以与任意数目的UE直接通信，并且向这些UE提供到网络130的无线宽带接入。类似地，每个eNB102-103可以与网络130直接通信，并且向UE提供到网络130的直接无线宽带接入。此外，eNB101、102和/或103可以提供到其他或另外的外部网络的接入，诸如外部电话网络或其他类型的数据网络。
图2A和图2B示出根据本公开的示例无线发送和无线接收路径。在一些描述中，发送路径200可以被描述为在eNB(诸如eNB102)中被实现，而接收路径250可以被描述为在UE(诸如MTCUE116)中被实现。然而，将理解的是，接收路径250可以在eNB中实现，而发送路径200可以在UE中实现。在一些实施例中，发送路径200和接收路径250被配置为执行或支持根据本公开的实施例的高数据速率传输。
发送路径200包括信道编码和调制块205以及上变频器(UC)230。接收路径250包括下变频器(DC)255、信道估计块265、和信道解码和解调块280。在发送路径200中，信道编码和调制块205接收信息比特集、应用编码(例如低密度奇偶校验(LDPC)编码)、并调制输入比特(例如，采用正交相移键控(QPSK)或正交幅度调制(QAM))以产生要发送的符号的序列(即要发送的信号)。上变频器230将该信号调制(诸如上变频)到RF频率以用于经由无线信道的传输。该信号还可以在转换到RF频率之前在基带中被滤波。
从eNB102发送的RF信号在穿过无线信道之后到达MTCUE116处，并且在eNB102处执行的那些操作的反向操作在MTCUE116处被执行。下变频器255将所接收的信号下变频到基带频率。信道估计块估计无线信道(例如基于从发送器发送的一些导频符号)。信道解码和解调块280解调和解码已调制的符号以恢复原始输入数据流。
基站101-103中的每一个能实现类似于在下行链路中向UE111-116发送的发送路径200，并且能实现类似于在上行链路中从UE111-116接收的接收路径250。类似地，UE111-116中的每个能实现用于在上行链路中向eNB101-103发送的发送路径200，并且能实现用于在下行链路中从基站101-103接收的接收路径250。
图2A和2B中的组件中的每个可以仅使用硬件或者使用硬件和软件/固件的组合来实现。作为具体示例，图2A和图2B中的至少一些组件可以实现在软件中，而其他组件能通过可配置的硬件或软件与可配置的硬件的混合来实现。
虽然图2A和图2B示出无线发送和无线接收路径的示例，但可以对图2A和图2B作出各种改变。例如，图2A和图2B中的各种组件可以被组合、进一步再划分或者省略，而且其他组件可以根据具体需要来添加。同样，图2A和图2B是为了示出能够在无线网络中使用的发送和接收路径的类型的示例。任何其他适合的架构可以被用来支持无线网络中的无线通信。
图3示出根据本公开的UE116的示例。图3中所示的UE116的实施例仅仅是用于说明的，并且图1中的UE111-115可以具有相同或类似的配置。然而，UE呈现各种各样的配置，并且图3并不将本公开范围限制为UE的任何具体实现方式。
如图3中所示，UE116包括天线305、射频(RF)收发器310、发送(TX)处理电路315、麦克风320和接收(RX)处理电路325。UE116还包括扬声器330、主处理器340、输入输出(I/O)接口(IF)345、小键盘350、显示器355和存储器360。存储器360包括基本操作系统(OS)程序361和一个或多个应用362。
RF收发器310从天线305接收由网络100的eNB发送的到来的RF信号。RF收发器310下变频到来的RF信号以生成中频(IF)或基带信号。IF或基带信号被发送给RX处理电路325，其通过滤波、解码和/或数字化该基带或IF信号来生成经处理的基带信号。RX处理电路325将经处理的基带信号发送到扬声器330(例如用于语音数据)或发送到主处理器340以进一步处理(诸如用于网页浏览数据)。
TX处理电路315接收来自麦克风320的模拟或数字语音数据，或者来自主处理器340的其他外出的基带数据(诸如网页数据、电子邮件、或交互视频游戏数据)。TX处理电路315解码、复用和/或数字化该外出的基带数据，以生成经处理的基带或IF信号。RF收发器310从TX处理电路315接收该外出的经处理的基带或IF信号，并且将该基带或IF信号上变频为将要经由天线305发送的RF信号。
主处理器340可以包括一个或多个处理器或其他处理设备，并且运行在存储器360中存储的基本OS程序361以便控制UE116的总体操作。例如，主处理器340可以根据众所周知的原理通过RF收发器310，RX处理电路325以及TX处理电路315，来控制正向信道信号的接收和反向信道信号的发送。在一些实施例中，主处理器340包括至少一个微处理器或微控制器。
主处理器340还能够运行驻留在存储器360中的其他过程和程序，诸如用于执行或支持根据本公开的实施例的高数据速率传输的操作。主处理器340可以按照运行过程所要求的将数据移入存储器360或从存储器360中移出。在一些实施例中，主处理器340被配置为基于OS程序361或者响应于从eNB或运营商接收的信号来运行应用362。主处理器340还被耦合到I/O接口345，其向UE116提供与其他设备(诸如膝上型计算机和手持计算机)连接的能力。I/O接口345是这些附件和主控制器340之间的通信路径。
主处理器340还被耦合到小键盘350和显示单元355。UE116的操作者可以使用小键盘350来向UE116输入数据。显示器355可以是液晶显示器，或者其他能够渲染文本和/或至少有限的图形(诸如来自网站的)的显示器。
存储器360被耦合到主处理器340。存储器360的部分可以包括随机存取存储器(RAM)，而存储器360的另一部分包括快闪存储器或其他只读存储器(ROM)。
虽然图3示出UE116的一个示例，但可以对图3作出各种改变。例如，图3中的各种组件可以被组合、进一步再划分或者省略，而且其他组件可以根据具体需要来添加。作为具体示例，主处理器340可以被划分为多个处理器，诸如一个或多个中央处理单元(CPU)和一个或多个图形处理单元(GPU)。此外，尽管图3示出被配置为移动电话或智能电话的UE116，但UE能被配置为作为其他类型的移动或固定设备来操作。
图4在高层次示出根据本公开的以DSP为中心的接收器架构400(如用于UE的架构)。图4中所示的以DSP为中心的接收器400的实施例仅仅是用于说明的。其他实施例可以被使用而不脱离本公开的范围。RF放大器(诸如低噪声放大器)放大接收到的信号。图4中所示的混频器/滤波器块执行参考图2B所讨论的下变频操作。
以DSP为中心的接收器架构的中心组件是模拟到数字转换器(ADC)，其将接收到的模拟波形转换到数字域。ADC对模拟波形采样，并且以某种比特精度(即，分辨率)来量化每个样本。为最小化量化过程中发生的信息损失，ADC应当以高精度来量化每个样本。通常，具有12-14比特的量化精度ADC被用于通信接收器。一旦接收到的信号被ADC采样，诸如信道估计、同步、解调和解码的接收器操作就使用数字信号处理(DSP)来执行。
通常，通信系统的设计是在没有考虑到ADC量化效果的情况下被执行的。仿真研究大多被用于研究在实施数字信号处理算法时ADC量化的影响。对于如在此讨论的低精度ADC，先前的设计算法无法应用，因为ADC必须是设计过程的一部分。因此，在设计通信系统时考虑到ADC量化的在此公开的方法与现有系统有区别。
一种相关的方法在J.Singh、O.Dabeer和U.Madhow所著的“Onthelimitsofcommunicationwithlow-precisionanalog-to-digitalconversionatthereceiver(关于在接收器处采用低精度模拟到数字转换的通信的限制)”，IEEE通信学报，第57卷，No.12，第3629--3639页，2009年12月一文中被公开，其中ADC的量化被结合到调制和量化器最优化的研究中。这篇文章作为整体通过引用并入本公开。然而，该文章中的方法受限于理想化的加性白高斯信道的设定(没有信道弥散channeldispersion，以及完美的时间/频率/相位同步)。实践中，所发送的信号还经受一些失真。这就需要开发如此所公开的用于调制和量化器选择的新方法。本公开公开了在ADC受限的通信系统中促成高数据速率传输的若干新颖的方法。具体地，这些方法被公开以用于在实际通信场景中对传输调制和ADC量化器的最优化选择和反馈。
图5示出根据本公开的包括ADC量化器的信道模型。图5中所示的信道模型500的实施例仅仅是用于说明的。其他实施例可以被使用而不脱离此公开的范围。
为了说明在此公开的方法，根据等式1提供下面的示例性通信信道模型：
y(t)＝h(t)x(t)+n(t)(1)
其中t为时间索引，x(t)是复基带发送符号、y(t)是复基带接收符号，并且n(t)是加性复高斯噪声。信道系数h(t)是未知的复高斯随机变量，例如，其模仿其中所接收的信息经受衰落的典型的无线通信环境。
对于其中ADC不是瓶颈的系统，先前的模型被用于系统设计和开发。然而，对于ADC受限的系统，ADC也可以被并入作为系统设计的一部分。这是利用下面的复基带信道模型工作来实现的，如等式2中所示的：
z(t)＝Qt(y(t))＝Qt(h(t)x(t)+n(t))(2)
其中Qt表示在时间t处的ADC量化操作。
该量化操作将模拟接收信号y(t)505转换为数字化样本。对于L-仓(L-bin)量化，量化器输出是L个索引，诸如，z(t)∈{1,2,...,L}中的一个。注意到y(t)505是复基带信号，因此Qt表示对复符号的量化操作。实践中，这能够通过对实部和虚部应用单独的量化(即，对y(t)的同相(I)分量和正交相位(Q)分量的单独量化)，或者以其他方式来实施。
对于L-仓量化，量化器将模拟信号转换为L个可能输出值中的一个。指定量化器510因而等同于指定：将进入的符号空间划分到L个区域。在此，对于y(t)505为复值的模拟信号的情况，L-仓量化器将被表示为C的所有复值的数的空间划分为L个区域，因此指定量化器等同于指定将C划分为L个区域。作为示例，考考L＝16，其可通过对I和Q信道的样本使用4-仓(即，2比特ADC)的量化来实现。2比特ADC是由三个阈值的集合来指定的，因此在此情况下，量化器由每个都用于I和Q信道的、三个阈值来指定。
在缓慢变化的信道的典型场景的情况下，例如在室内无线网络中遇到的信道515，该信道在某一持续时间(被叫做信道相干时间)期间可以接近于恒定的。为了说明在此公开的方法，我们暂时丢弃时间索引t，并编写如等式3中的信道模型：
z＝Q(y)＝Q(hx+n)(3)
通过这个信道模型500可以达到的传输速率由香农容量的信息理论概念给出，其被定义为信道输入x520和信道输出z525之间的互信息的最大值，该最大化是在信道输入x520的概率测度(measure)(概率分布或输入分布)上执行的。请注意，在ADC量化器510被并入作为这个信道500的一部分的情况下，量化器的不同选择导致了不同的信道模型，因此容量也是量化器选择的函数。为了最优化数据传输的速率，因而期望的是，挑选得到最大信道容量的量化器。
设输入-输出互信息被表示为I(x；z)，其是被表示为F的信道输入的概率测度的函数。为了最优化信道数据速率，下面的容量根据等式4来计算：
C＝maxQmaxFI(x；z)(4)
先前的最优化包括通过输入分布F和ADC量化器Q二者来最大化信道互信息。通常，输入分布(即输入概率测度)被约束为满足某些时刻的限制，如第二时刻，或平均功率。
请注意，互信息I(x；z)依赖于信道系数h，因此不同的最优化针对不同的信道实现来执行。此外，注意到，一旦执行最优化(通过发送器或接收器)，发送器和接收器二者都应知道最优化的方案。发送器基于最优化的输入概率测度来挑选调制符号，同时接收器使用关于输入概率测度和ADC量化器的知识来执行可靠的检测和解码。
图6示出根据本公开的、在ADC受限的收发器中促成提高的数据速率的流程图600。当信令流描述一系列的顺序信号时，除非明确说明，否则不应推断得出：关于执行的特定次序的序列、信号或其部分是串行执行而不是并发地或以重叠的方式执行、或者所描述的信号是排他地、在不存在居间或中间信号的情况下执行的。该所描述的示例中描述的过程由例如在移动站或基站中的发送器链来实施。
最优化输入分布和ADC量化器从而提升链路性能的过程可以是如下的过程。发送器在步骤610中传送导频或参考符号的训练序列，并且在步骤615中，导频/参考符号的训练序列被接收器用于估计信道系数h。基于该估计，在步骤620中，接收器最优化成对的输入分布和ADC量化器的选择。在一些实施例中，输入分布的选择可以是，例如，QPSK、16QAM或64QAM的星座，并且ADC量化器的选择可以是例如4-仓、8-仓和16-仓分辨率之一。
在步骤625中，输入分布，以及可能的话ADC量化器，的最优化的选择，被反馈给发送器。在步骤630中，发送器使用适当的输入分布(很可能是由接收器指示的输入分布)来传送数据符号(同时可能执行信道编码)，同时也显式地指示将被接收器使用的输入分布以及可能的话ADC量化器。在步骤635中，接收器基于发送器所指示的输入分布以及可能的话(andpossibly)ADC量化器的选择来解码和解调接收到的数据符号。
在一些实施例中，发送器可以被绑定为使用由接收器所建议的输入分布。在这些实施例中，接收器无需指示ADC量化器选择，并且发送器无需指示所使用的星座以及所假设的接收器的ADC量化器。
在一些实施例中，发送器没有被绑定为使用由接收器所建议的星座。在这些实施例中，优选的是，接收器指示最优的ADC量化器选择以及星座选择。发送器选择要使用的星座和ADC量化器的适合的对子，并且向接收器指示这个星座和所假设的接收器的ADC量化器的对子。
在其中发送器能够获得信道估计的另一应用场景中，诸如TDD系统或WiFi系统，发送器执行输入分布和ADC量化器的最优化。在这种系统中，发送器基于由接收器，例如在蜂窝通信系统的上行链路中，能够时而传送的导频或其他符号，而掌握了信道估计。
图7示出根据本公开的、用于在发送器掌握信道估计的那些系统中促成提高的数据速率的流程图700。当信令流描述一系列的顺序信号时，除非明确说明，不应推断得出：关于执行的特定次序的序列、信号或其部分是串行执行而不是并发地或以重叠的方式执行、或者所描述的信号是排他地、在不存在居间或中间信号的情况下执行的。该所描述的实例中描述的过程由例如在移动站或基站中的发送器链来实施。
在实施例中，发送器在以下过程中最优化输入概率分布和ADC量化器。在步骤710中，发送器通过使用从接收器发送的导频和/或参考符号来估计发送器和接收器之间的通信信道系数h。
基于该估计，在步骤715中，发送器最优化输入概率分布和ADC量化器的选择。在步骤720中，输入分布和ADC量化器的最优化的选择被传达给接收器。
在步骤725中，发送器使用适当的输入分布(很可能是在之前步骤中获得的优选的输入分布)来传送数据符号(同时可能执行信道编码)，同时也显式地指示该输入分布和将被接收器使用的ADC量化器。在步骤730中，接收器基于发送器所指示的输入分布和ADC量化器来解码和解调接收到的数据符号。
图8示出结合本公开的、用于具有受限的反馈设置的输入分布和ADC量化器的最优化的流程图800。当信令流描述一系列的顺序信号时，除非明确说明，不应推断得出：关于执行的特定次序的序列、信号或其部分是串行执行而不是并发地或以重叠的方式执行、或者所描述的信号是排他地、在不存在居间或中间信号的情况下执行的。该所描述的实例中描述的过程通过例如在移动站或基站中的发送器链来实施。
可以以各种方式来执行从接收器到发送器的、最优的输入分布以及可能的话ADC量化器的选择的反馈。在一些实施例中，发送器和接收器在存储器中维护可能的输入分布的先验指定的码本(priorispecifiedcodebook)，即，所有可能的输入分布的集合，以及可能的话，可能的ADC量化器的码本，例如所有可能的量化器选择的集合。取代使用单独的与输入分布和ADC量化器相对应的码本，还可以使用联合的码本，其具有指定输入分布和ADC量化器的组合的特定条目(以及相应的索引)。
基于通过步骤810和815获得的信道估计，在步骤820中，接收器从所述码本中计算所有可能的输入分布和ADC量化器的输入-输出互信息。
在步骤825中，接收器挑选最优的输入分布和量化器的对子，以作为产生最大互信息的一对。例如，对于给定的输入分布和ADC量化器的码本，接收器能够计算出所有可能的输入分布和ADC量化器的选择的、输入-输出互信息。使该互信息最大化的输入分布和ADC量化器的组合可以随后被用作最优选择。
然后，最优的输入分布以及可能的话ADC量化器的选择以索引的形式被反馈。例如，最优的输入分布可以如上所述由接收器通过指示与若干可能的输入分布的选择当中的一个相对应的索引，指示给发送器。类似地，可以经由与若干可能的ADC量化器选择当中的一个相对应的索引来指示ADC量化器的选择。
发送器使用适合的输入分布选择来执行数据传输，并且还可能假设在接收器处使用适合的ADC量化器用于数据解调和解码。发送器还可以经由一组被发送给接收器的索引，来指示用于数据调制的输入分布的最终选择、以及可能的话、将在接收器处使用的ADC量化器的所假设的选择。
在其中发送器能够获得信道估计的应用场景中，诸如TDD系统或WiFi系统，发送器被配置为最优化来自码本的输入分布和ADC量化器。发送器还被配置为向接收器传送指示最优化的ADC量化器的索引。
图9示出结合本公开的、用于最优化输入分布和ADC量化器的另一流程图。当信令流描述一系列的顺序信号时，除非明确说明，不应推断得出：关于执行的特定次序的序列、信号或其部分是串行执行而不是并发地或以重叠的方式执行、或者所描述的信号是排他地、在不存在居间或中间信号的情况下执行的。该所描述的实例中描述的过程由例如在移动站或基站中的发送器链来实施。
在步骤910中，发送器向接收器传送导频符号的训练序列。在步骤915中，接收器基于该训练序列来估计信道。一旦通过步骤910和915获得了信道估计，在步骤920中，具有可能的输入分布的先验指定的码本的接收器能够执行不受约束的最优化，而不将可能的输入分布和ADC量化器的集合限制于所指定的码本。对输入分布和ADC量化器的不受约束的最优化可以使用如下方法来执行，其包括但不限于：用于最优化输入分布的Blahut-Arimoto算法或切割平面(cutting-plane)算法。可替代地，当执行输入分布的最优化时，有可能，输入分布中的质点(masspoint)的数目可以受约束。例如，可以假设输入分布至多包含与量化仓(quantizationbin)的数目一样多的质点。为了最优化ADC量化器，注意力可能限制于对称量化器(例如，与I和Q信道相对应的阈值的集合可以是围绕原点对称的)，或者，均匀量化器(例如，在I和Q信道的ADC的连续阈值之间的间隔可以是恒定的)，或其他适合的量化器。
在步骤925中，接收器计算先前的最优输入分布和码本中的输入分布之间的适当的距离度量。这个操作可以包括计算先前的最优量化器和码本中的量化器之间的适当的距离度量。接收器使用适当地定义的用于测量两个输入分布之间的距离的度量，诸如相对熵，或其它适合的度量，以及适当地定义的用于测量两个ADC量化器之间的距离的度量，来执行从所得到的最优解决方案到所指定的码本中的最接近条目的映射。接着，在步骤930中，接收器向发送器传送输入分布和ADC量化器的最优选择。
在可替代的方法中，接收器可以估计信道，并且将信道估计映射到索引(即，获得信道的量化的估计)。这个索引然后可以被映射到：输入分布的先验指定的码本的条目中的一个，以及ADC量化器的码本的条目中的一个。也就是说，输入分布和ADC量化器的码本被设计为包含针对一组量化的信道估计的最优选择。
在其中发送器能够获得信道估计的应用场景中，诸如TDD系统或WiFi系统，发送器被配置为执行用于输入分布和ADC量化器选择的受约束的或不受约束的最优化。发送器还被配置为向接收器传送指示最优化的ADC量化器的索引。
在一些实施例中，接收器反馈信道系数(可能是通过比特序列指示的、量化的信道系数)，并且发送器执行输入分布和ADC量化器的最优化。随后，发送器将向接收器传达被用于数据调制的输入分布的选择，以及所建议的ADC量化器选择。如在先前的实施例中的，发送器和接收器会要求维护可能的输入分布和可能的ADC量化器的公共码本的集合。
如上讨论的用于最优化输入分布和ADC量化器的过程可以被应用于多路径信道模型和多输入多输出(即MIMO)信道模型。在一些实施例中，多路径信道模型被使用，其中由发送器传送的信号是经由一些路径来接收的。考虑到在采样时刻m处的接收样本、适合的信道模型是根据等式5的：
z [ m ] = Q ( y [ m ] ) = Q ( Σ i = 0 i = L - 1 h i x [ m - i ] + n [ m ] ) - - - ( 5 )
其中，H:＝{hl；0≤l≤L-1}表示多路径信道，其由L个多路径分量构成。一般地，该模型适用于任何具有存储器的信道。在先前实施例中公开的所有方法(其可以被看作L＝1的多路径信道)也适用于在此所述的多路径信道的设置。对于多路径信道，基于发送器所传送的导频符号的、接收器的信道估计，是对信道系数的集合H的估计。基于对H的估计，接收器(或发送器)执行输入分布和ADC量化器的最优化，并向发送器(或接收器)反馈输入分布以及可能的话ADC量化器的最优选择。
在一些实施例中，通过使用在发送器和/或接收器处的多个天线获得的、多输入多输出(即MIMO)信道模型被使用。从等式3中的单输入单输出(SISO)信道模型推广，我们可以将MIMO信道表达为如下形式。在不考虑ADC量化的情况下，此刻，MIMO信道被表达为等式6中所示的：
y＝HPx+n(6)
其中，H是NR×NT矩阵(NR为接收器天线的数目，以及NT为发送器天线的数目)，P是NT×NS发送预编码器(NS为所发送的数据流的数目)，x为所发送符号的NS×1向量，并且y为所接收符号的NR×1向量，n是加性噪声的NR×1向量。量化的MIMO信道然后可以用等式7来表示：
zr＝Qr(yr)；1≤r≤NR(7)
其中Zr表示在接收器天线r处的量化的符号，以及Qr表示在接收器天线r处使用的ADC量化器。用于SISO信道的先前实施例中公开的方法现在可以被扩展到适用于MIMO信道。具体而言，对于MIMO信道操作，接收器首先基于发送器所传送的导频符号来估计MIMO信道矩阵H。使用对H的估计，接收器接着最优化将被用于不同数据流的星座(即，输入分布)的选择，以及将在不同接收器天线处使用的ADC量化器的选择。这些选择经由反馈被指示给发送器，和在SISO信道操作中一样。
应注意到，用于MIMO信道的最优化标准可以是信道输入向量x和量化的信道输出向量z＝{z1,z2,...,zNR}之间的互信息。对于发送预编码器P(其还可以从可能的预编码器的码本中挑选)的不同选择可以执行不同的最优化，这实质上产生了输入分布、ADC量化器和预编码器的联合最优化。
在缓慢变化的信道模型中，信道被假设为在一定的持续时间期间保持近似恒定，在此持续时间期间接收器估计信道、最优化输入分布和ADC量化器，它们随后被用于数据调制和/或编码以及解调和/或解码。在快速变化的信道模型中，信道从一个采样时刻到另一采样时刻显著地改变。在这个场景中，不可能忍受在此过程中遇到的延迟(例如，从接收器到发送器的信息反馈发生延迟)。另一方面，对于快速衰落场景，在对信道系数的分布的假设下，可以执行输入和ADC量化器的最优化。
例如，考虑等式3中信道模型。假设信道系数h的某一统计分布(一般该分布是基于信道测量而可用的)，可以获得这个信道的转变概率(即，给定某个的输入符号而获得某个输出符号的概率)。使用这个转变概率，可以执行对信道输入分布和ADC量化器的最优化。接着，发送器处的数据调制/编码，以及接收器处的解调/解码可以基于对输入分布和ADC量化器的最优化的选择来执行。
在先前的(全部或许多)实施例中，可能在开始处，可以包括另外的步骤。这个步骤可以包括接收器容量协商/交换。例如，可以存在关于接收器的ADC所使用的比特数的信息的交换。例如，这可以在初始网络进入时由接收器向发送器进行指示。不同的接收器可以基于它们的ADC精度被分类为不同的种类，并且在先前实施例中所讨论的输入分布和/或ADC量化器的码本可以依赖于接收器的种类。
尽管先前实施例已在单载波系统的情境中被公开，但所公开的原理也可以应用于多载波系统，诸如基于正交频分复用(OFDM)的系统。在这种系统中，输入分布和ADC量化器的最优化可以以不同的方式来执行。例如，对于宽带传输(跨越所有被用于传输的子载波的一个公共输入分布)，输入分布和ADC量化器的联合最优化将考虑到跨越所有子载波的(所估计)的信道来执行。所使用的这个最优化标准可以是跨越所有子载波的总的(或平均)互信息。在基于子带的传输中(其中不同的输入分布可以跨越载波的不同子带被使用)，可以对跨越子带使用的输入分布和接收器的ADC量化器来执行联合最优化(再次，使用跨越所有子载波的总的或平均的互信息作为最优化度量。)
图10示出根据本公开的用于发送/接收第一无线设备的射频信号的过程。当信令流描述一系列的顺序信号时，除非明确说明，不应推断得出：关于执行的特定次序的序列、信号或其部分是串行执行而不是并发地或以重叠的方式执行、或者所描述的信号是排他地、在不存在居间或中间信号的情况下执行的。该所描述的示例中描述的过程由例如在移动站或基站中的发送器链来实施。
在步骤1010中，第一无线设备通过通信信道从第二无线设备接收导频或参考信号。在步骤1020中，第一无线设备使用该参考信号或导频信号来估计通信信道。
在步骤1030中，第一无线设备基于所估计的通信信道来选择模拟数字转换器(ADC)量化器和输入分布的对子。所选择的ADC量化器和输入分布被最优化以使得所估计的通信信道中的吞吐量最大化。此外，第一无线设备向第二无线设备传送关于所选择的输入分布以及可能的话所选择的ADC量化器的信息。
第一无线设备和第二无线设备维护包括所有可能的输入分布的集合和所有可能的量化器选择的集合的公共码本，并且第一无线设备从该码本中选择ADC量化器和输入分布的对子，并且传送指示输入分布的索引给第二无线设备。
第一无线设备针对来自码本的输入分布和ADC量化器的所有可能选择计算可达到的吞吐量，以作出选择。
第一无线设备执行输入分布和ADC量化器的不受约束的最优化，并将最优化的输入分布和ADC量化器映射到码本中最接近的输入分布和ADC量化器。
通信信道是由多个数据流构成的多输入多输出(MIMO)信道。第一无线设备最优化由将被用于不同数据流的输入分布、将在不同无线设备天线处使用的ADC量化器、以及将在第一无线设备和第二无线设备处使用的MIMO预编码器构成的群组。
图11示出根据本公开的用于发送/接收第一无线设备的射频信号的另一过程。
在步骤1110中，第一无线设备向第二无线设备发送导频或参考信号。在步骤1120中，响应于所述第二设备基于该导频信号或该参考信号估计通信信道，第一无线设备基于所估计的通信信道来选择模拟数字转换器(ADC)量化器和输入分布的对子，并且从所述第二无线设备接收关于所选择的输入分布以及可能的话所选择的ADC量化器的信息。
在从第二无线设备接收到该信息之后，第一无线设备选择适当的输入分布以对将被传送给第二无线设备的数据进行调制。第一无线设备向第二无线设备指示对该分布和所推荐的ADC量化器的选择。
若第一无线设备被绑定为使用由第二无线设备提供的输入分布，那么在从第二无线设备接收到该信息之后，第一无线设备使用所述输入分布来调制将被传送给第二无线设备的数据。
可以预期，现有和之前的技术无法在其中ADC具有低精度的本文公开的系统中很好的工作。在此公开的方法和装置是特别地设计以在面对大幅度的接收器量化时提供显著提升的链路性能。若没有这些技术，通信链路性能会很大程度地降低。在具有低精度ADC的系统中增强的通信性能，对于目标为减少功率消耗并提升数据速率的下一代通信系统是特别重要的。
虽然已经利用示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员可以提出各种改变意图是本公开包含这种改变和修改为属于所附权利要求的范围。

Claims (20)

1.一种用于能够无线地接收和发送信号的无线设备的方法，该方法包括：
通过通信信道从第二无线设备接收导频信号或参考信号；
使用所述参考信号或所述导频信号来估计通信信道；以及
基于所估计的通信信道来选择模拟数字转换器（ADC）量化器和输入分布的对子。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所选择的ADC量化器和输入分布被最优化以使得所估计的通信信道中的吞吐量最大化。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
向第二无线设备发送关于所选择的输入分布的信息以及关于所选择的ADC量化器的信息中的至少一个。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述无线设备和第二无线设备维护包括所有可能的输入分布的集合和所有可能的量化器选择的集合的公共码本，并且所述无线设备从该码本中选择ADC量化器和输入分布的对子，并且向第二无线设备传送指示输入分布的索引。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述无线设备针对来自码本的输入分布和ADC量化器的所有可能的选择，计算可达到的吞吐量，从而作出选择。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述无线设备执行输入分布和ADC量化器的不受约束的最优化，并将最优化的输入分布和ADC量化器映射到所述码本中最接近的输入分布和ADC量化器。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述通信信道是由多个数据流构成的多输入多输出（MIMO）信道，并且，所述无线设备最优化由将被用于不同数据流的输入分布、将在不同无线设备天线处采用的ADC量化器、以及将在无线设备和第二无线设备处采用的MIMO预编码器构成的群组。
8.一种用于能够无线地接收和发送信号的无线设备的方法，该方法包括：
向第二无线设备发送导频信号或参考信号；以及
响应于所述第二无线设备基于所述导频信号或所述参考信号估计通信信道并且基于所估计的通信信道来选择模拟数字转换器（ADC）量化器和输入分布的对子，从所述第二无线设备接收关于所选择的输入分布以及所选择的ADC量化器的信息。
9.如权利要求8所述的方法，其中，
在从所述第二无线设备接收到所述信息之后，所述无线设备选择适当的输入分布以调制将被传送给所述第二无线设备的数据，并且向所述第二无线设备指示关于这个分布和所推荐的ADC量化器的选择。
10.如权利要求9所述的方法，其中，
在从所述第二无线设备接收到所述信息之后，如果所述无线设备被绑定为采用由所述第二无线设备提供的输入分布，那么所述无线设备使用所述输入分布来调制将被传送给所述第二无线设备的数据。
11.一种用于能够无线地接收和发送信号的无线设备的方法，该方法包括：
从第二无线设备接收导频信号或参考信号；
使用所述参考信号或所述导频信号来估计通信信道，并且基于所估计的信道，来选择将被第二无线设备使用的、用于传输的输入分布和模拟到数字转换器（ADC）的对子；以及
向第二无线设备传送关于所选择的输入分布和所选择的ADC量化器的信息。
12.一种能够无线地接收和发送信号的无线设备，该无线设备包括：
收发器，被配置为通过通信信道从第二无线设备接收导频信号或参考信号；以及
处理器，被配置为：
使用所述参考信号或所述导频信号来估计所述通信信道；以及
基于所估计的通信信道来选择模拟数字转换器（ADC）量化器和输入分布的对子。
13.如权利要求12所述的无线设备，其中，所选择的ADC量化器和输入分布被最优化以使得所估计的通信信道中的吞吐量最大化。
14.如权利要求12所述的无线设备，其中，所述处理器还被配置为，经由所述收发器来向第二无线设备传送关于所选择的输入分布的信息以及关于所选择的ADC量化器的信息中的至少一个。
15.如权利要求12所述的无线设备，其中，所述处理器还被配置为，
在存储器中维护包括所有可能的输入分布的集合和所有可能的ADC量化器选择的集合的公共码本，其中所述第二无线设备被配置为共享该公共码本；
从所述码本中选择输入分布和ADC量化器的对子；以及
向所述第二无线设备传送指示所选择的输入分布的索引。
16.如权利要求12所述的无线设备，其中，所述处理器还被配置为，针对来自码本的输入分布和ADC量化器的所有可能的选择，计算可达到的吞吐量，从而作出选择。
17.如权利要求12所述的无线设备，其中，所述处理器还被配置为，
执行输入分布和ADC量化器的不受约束的最优化；以及
将最优化的输入分布和ADC量化器映射到码本中最接近的输入分布和ADC量化器。
18.如权利要求12所述的无线设备，其中，所述通信信道是由多个数据流构成的多输入多输出（MIMO）信道，并且，所述处理器还被配置为最优化由将被用于不同数据流的输入分布、将在不同无线设备天线处使用的ADC量化器、以及将在无线设备和第二无线设备处使用的MIMO预编码器构成的群组。
19.一种能够无线地接收和发送信号的无线设备，该无线设备包括：
收发器，被配置为通过通信信道从第二无线设备接收参考信号或导频信号；以及
处理器，被配置为：
经由所述收发器向第二无线设备发送参考信号或导频信号；以及
响应于所述第二无线设备基于所述参考信号或导频信号估计通信信道并且基于所估计的通信信道来选择模拟数字转换器（ADC）量化器和输入分布的对子，从所述第二无线设备接收关于所选择的输入分布以及所选择的ADC量化器的信息。
20.如权利要求19所述的无线设备，其中，所述处理器还被配置为，
在从所述第二无线设备接收到所述信息之后，选择适当的输入分布以调制将被传送给第二无线设备的数据，以及
向所述第二无线设备指示关于这个分布和所推荐的ADC量化器的选择，
其中，在从所述第二无线设备接收到所述信息之后，若所述无线设备被绑定为使用由所述第二无线设备提供的输入分布，那么所述无线设备被配置为使用所述输入分布来调制将被传送给第二无线设备的数据。
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