CN105637773A - 发射天线选择 - Google Patents

Abstract

基于多个天线和客户端设备处的多个接收天线之间的通信信道的信道状态信息、要发射的数据流的数量以及通信信道的信道相干时间，从多个天线中选择用于在多个子载波上发射数据流的天线的集合。该集合的大小等于或大于数据流的数量。

Description

发射天线选择

背景技术

在多输入多输出(MIMO)系统中，多个天线被用于通过增加传输吞吐量和链路可靠性来改善无线性能。MIMO在不增加网络带宽的情况下提高了网络容量。MIMO可与正交频分复用(OFDM)组合，以提供以下有效方式：通过将总带宽分成许多窄带子载波来对抗无线信道的频率选择性衰落。

附图说明

结合下面连同附图的详细描述，可更充分地理解本申请，在附图中，相似的附图标记指整个附图的相似部分，并且其中：

图1是根据一个示例的包括用于选择发射天线的天线选择模块的无线通信设备的框图；

图2是根据一个示例的用于在无线通信设备处选择发射天线的方法的流程图；

图3是根据一个示例的用于在无线通信设备处选择发射天线的方法的流程图；以及

图4是包括具有用于选择发射天线的指令的计算机可读介质的无线通信设备的框图。

具体实施方式

发射分集(transmitdiversity)是使用多个发射天线通过减少多径衰落的影响来改善通信网络的性能和可靠性。由于每个发射天线到接收天线的路径可能遭受深信道衰落(deepchannelfading)，因此使用多个天线可通过在接收机处增加对未遭受衰落的强信号进行接收的机会，来减少多径衰落的影响。因此，MIMO系统可通过在实现空间分集机制(即，使用通常具有相同特性且物理上彼此分开的多个天线)时增加可靠性，或通过在实现空间复用机制(即，从多个天线发射独立且分开编码的数据流)时增加数据速率，来大幅改善无线链路性能。

但是，在某些条件下，多天线发射在许多国家受到政府监管机构的发射功率抑制的制约。例如，在美国，联邦通信委员会(FCC)使多发射受到发射功率约束的制约，发射功率约束取决于发射的数据流的数量。FCC规则的目的在于：通过将允许的最大发射功率降低以下倍数，克服由于波束成形或相关增益而产生的给定方向上能量辐射的增加：

其中，N_tx是用于发射的天线数量，且N_s是要发射的数据流的数量。在电气与电子工程师协会(IEEE)802.11n/acMIMO系统的情况下，N_s是由空间复用和空时块编码(STBC)产生的空时流的数量。

因此，针对MIMO系统，选择的用于发射数据流的天线的数量不能比数据流的数量小(即，N_tx必须总是等于或大于N_s)。在N_tx＝N_s时，根据FCC规则的等式(1)，最大功率抑制变成零，这意味着不存在功率抑制。因此，克服发射功率中的FCC降低的一种方式是将在发射中使用的天线的数量(即，N_tx)限制到N_s。随着N_tx减少，功率抑制也减少，由此，使能或允许发射机使用更多的功率。但是，使用更少的发射天线会降低发射分集(即，克服衰落影响的机会)。基于FCC约束等式(1)，一种解决方案可以是使用发射天线的数量N_tx等于要发射的数据流的数量N_s(即，N_tx＝N_s，且10log(N_tx/N_s)＝0)，以实现最低的功率抑制。在此解决方案中，从发射机处的总的可用天线N_ant中选出发射天线的最优或正确集合N_tx是重要的。

但是，选择天线的最优/正确集合是不太容易的。例如，为了选择发射天线的最优集合，需要大小为N_ant×N_{rx_ant}的完整CSI矩阵，其中，N_{rx_ant}是接收机(例如，客户端设备)处的天线的数量。IEEE802.11n/ac标准包括针对发射机(例如，接入点)的信道探测协议，用于获悉每个客户端设备的下行信道的CSI，使得接入点可通过使用CSI信息来实施波束成形(即，方向性信号发射或接收)、多用户MIMO(例如，在IEEE802.11ac标准中)和/或发射天线选择。但是，信道探测是可选的，并且并非所有接入点和客户端设备都可支持此特征。而且，在实现信道探测的情况下，引发大量开销且可能大大降低吞吐量。为了说明，在典型的室内环境中，在发射机和接收机节点两者都固定时，CSI已知为在100ms的持续时间是稳定的。此持续时间被称为信道相干时间T_c，且其在步行速度下降低到10ms。因此，每10ms实施信道探测引起不必要的开销。此外，每次发射之前，很难取得精确的CSI信息。

在没有清楚的信道探测的情况下，发射机推导接收机的CSI的一个方法是：利用信道互易性。在信道互易性中，针对发射机和接收机之间给定的链路，从节点A到节点B的链路的CSI(即，H)与B到A链路的CSI(即，H’)是互易的。如果节点A能够根据从节点B发射的数据包获得反向链路CSI，H’，则节点A能够使用此信息推导A到B链路信道的H，H是节点A选择发射天线的最优集合所需要的。因此，节点A需要N_ant(A)×N_ant(B)的完整H’。但是，从节点B的反向链路发射可使用发射的预编码矩阵Q，因此致使节点A获悉H’Q，而不是H’，这使得节点A很难重新获得完整CSI，H。因此，期望一种天线选择技术，其在存在完整CSI或存在不完整CSI(例如，推导的CSI)时是可用的。

因此，本文描述的示例通过提供一种技术解决上述挑战，该技术在考虑FCC功率约束以及获取每次发射的精确的信道状态信息(CSI)时的实际限制的同时，用于选择每个OFDM子载波的发射天线的最优集合。所提出的优化求解可被定义为下面详细描述的最大化给定效用函数F。

在一个示例中，一种用于在无线通信设备处选择发射天线的方法，包括：基于多个天线和客户端设备处的多个接收天线之间的通信信道的信道状态信息(CSI)、要发射的数据流的数量以及通信信道的信道相干时间，从多个天线中选择用于在多个子载波上发射数据流的天线的集合，其中该集合的大小等于或大于数据流的数量。

在另一示例中，一种无线通信设备，包括：向客户端设备发射一数量的数据流的多个天线以及天线选择模块。该天线选择模块用于基于多个天线和客户端设备处的多个接收天线之间的通信信道的信道状态信息(CSI)、要发射的数据流的数量、以及通信信道的信道相干时间，从多个天线中选择天线的集合，其中该集合的大小受发射功率约束的制约。

在另一示例中，一种非瞬态计算机可读存储介质，包括：指令，该指令在由无线通信设备的处理器执行时，使处理器基于多个天线和客户端设备处的多个接收天线之间的通信信道的信道状态信息(CSI)、要发射的数据流的数量以及通信信道的信道相干时间，从多个天线中选择向客户端设备发射多个数据流的天线的集合。该集合的大小大于或等于要发射的数据流的数量，且该集合的大小受无线通信设备的发射功率要求的制约。

如本文所使用的，“一个数据流”或“多个数据流”是一系列数字编码的相干信号(例如，数据的多个包或多个数据包)，用于发射或接收发射过程中的信息。如本文所使用的，“无线通信设备”是包括用于发射和接收数据包和/或信号的一个或多个天线的任何无线通信节点。例如，无线通信设备可包括基站、无线接入点、路由器、ad-hoc设备、站、或任何其他节点。如本文所使用的，“子载波”是主无线电传输上承载的独立的模拟或数字信号，其承载诸如语音或数据之类的额外的信息。子载波表示已调制的信号，其随后调制到更高频率和带宽的其它信号中。如本文所使用的，“信道状态信息(CSI)”指通信链路的已知的(或推导的)信道特性。CSI描述信号如何从发射机传播到接收机，且表示例如散射、衰落以及功率随距离的衰减的组合的影响。如本文所使用的，“信道相干时间”是其上信道冲击响应被认为不变的持续时间。通信信道可能随时间改变，且信道相干时间捕获信道随时间的变化。如本文所使用的，“正交频分复用(OFDM)”是一种在多载波频率上编码数字数据的方法。如本文所使用的，“最优集合/发射天线数量”是基于包括参数特定集合的函数的最大化求解，从发射机处的多个可用天线中选择的用于发射数据流的天线的集合/数量。

参照附图，图1是根据一个示例的包括用于选择发射天线的天线选择模块122的无线通信设备102的框图。

无线通信设备102可以是，例如无线接入点、基站、ad-hoc设备、或服务多个客户端设备(诸如客户端设备142)以及为多个客户端设备(诸如客户端设备142)提供到网络(例如，蜂窝网、无线局域网、ad-hoc网络等)的接入的任何其它通信节点。客户端设备142可以是，例如蜂窝设备、便携式电脑、智能电话、台式PC、个人数字助理(PDA)、接入点、另一无线通信设备、或依赖于无线通信设备102以供网络接入的任何其它通信节点。客户端设备142可以是固定的、移动的、或便携式的。

无线通信设备102包括收发器112以及天线选择模块122。收发器112包括用于与客户端设备142通信的多个天线132。例如，收发器112包括用于向客户端设备142发射数据流以及用于从客户端设备142接收数据流的天线132。

天线选择模块122可以是硬件和/或软件，其被配置成基于设备102和客户端设备142之间的信道状态信息(CSI)(完整的或不完整的)、要发射的数据流的数量以及设备102和客户端设备142之间的信道相干时间，从多个天线132中选择用于在多个子载波(例如，OFDM子载波)上发射数据流的天线的集合。天线选择模块122可联接至收发器112。因此，天线选择模块122被配置成在考虑FCC功率规则以及其他因素/约束的同时，为每个OFDM子载波选择天线的最优集合。在一个示例中，由天线选择模块122实施的最优天线选择可被定义为在下面进一步描述的最大化给定效用函数F。

在此示例中，效用函数F被定义用于根据发射机处的可用的信道状态信息(CSI)选择给定发射的发射天线的集合。利用关于CSI的知识以及关于CSI随时间和频率的变化的信息，基于由FCC规则在发射功率上施加的约束来选择发射天线的合适集合。

效用函数F(H,N_s,T_c,S_tx)用于计算期望的吞吐量或1-BER(误比特率)的性能指标，该性能指标为当前可用CSI(H)、要发射的数据流的数量(N_s)、信道相干时间(T_c)、选择的用于发射的发射天线的集合(S_tx)的函数。S_tx是发射机处所有可用天线的集合S_ant的子集。因此，N_tx＝︱S_tx︱且N_ant＝︱S_ant︱，其中︱S_tx︱是选择的天线的集合的大小，且︱S_ant︱是多个可用天线的大小。假设H是N_ant×N_{rx_ant}的完整CSI，则优化等式可写为：

最大化F(H,N_s,T_c,S_tx)，其中，控制参数是S_tx，约束是︱S_tx︱＞＝N_s。天线选择模块122对每个OFDM子载波实施上述优化。因此，在某些示例中，可为每个OFDM子载波选择天线的不同集合S_tx。进一步，考虑FCC规则，以在计算F时实现最大发射功率抑制(即，︱S_tx︱＞＝N_s)。在H是完整CSI时，可使用优化求解/技术来求解函数F，诸如整数线性或非线性算法和/或编程工具。可通过函数F是如何定义的，来确定问题的线性度或非线性度。

作为示例，下面解释使用函数F的最优天线选择的各种说明。在一个示例中，考虑2×1多输入单输出(MISO)系统，其中，N_ant＝2并且N_{rx_ant}＝1，每子载波信道响应h1和h2：H＝[h1h2]^T。进一步，假设数据流的数量N_s＝1。如果︱h1︱≈︱h2︱，则天线选择模块122可选择设备102处的两个发射天线(即，N_tx＝2)以供发射，由于可通过波束成形增益补偿FCC功率约束，因此知道发射功率中3dB(即，10log(N_tx/N_s)或10log(2/1)的近似值)的损耗。因此，在S_tx＝{TX天线1，TX天线2}时，函数F是最大化的。换句话说，在本示例中，选择发射机处的两个天线用于一个数据流的发射时，函数F是最大化的。应注意到，︱h1︱是信道响应h1的信噪比(SNR)，而︱S_ant︱是集合S_ant的大小。

另一方面，如果︱h1︱>>︱h2︱，则天线选择模块122可仅选择一个发射天线(例如，TX天线1)。因此，在S_tx＝{TX天线1}时，函数F是最大化的。在信道具有较小的信道相干时间T_c的情况下，天线选择函数F倾向具有更大分集增益的发射模式，因此，选择两个发射天线。在缓慢衰落信道的情况下且其中精确的信道估计可用时，使用更多功率以及更少发射天线的更积极的发射策略可能是有益的。因此，在完整CSI信息H可用的情况下，天线选择模块122可找出每个子载波的发射天线的最优集合，使得函数F是最大化的。

应注意到，上述示例允许为每个子载波选择不同数量的发射天线。但是，在一些示例中，例如由于规则的原因，所有OFDM子载波上使用同一数量的发射天线(即，N_tx＝︱S_tx︱)是必要的。在这种示例中，为所有子载波增加齐次约束(homogeneousconstraint)︱S_tx︱。应注意，尽管发射天线的不同集合可用于不同的子载波，但在此示例中，用于每个子载波的天线的数量(即，选择的集合的大小)对于所有子载波是相同的。为了为每个子载波选择天线的不同集合，同时各子载波维持同一数量的天线，天线选择模块122可首先选择正确的天线数量来使用。因此，天线选择模块122可从整数范围[N_s，N_ant]中确定︱S_tx︱,其中，N_ant＝|S_tx|。接着，天线选择模块122可从可用天线中为每个OFDM子载波选择发射天线的正确(即，最优)集合，其等于上面确定的发射天线的数量(或大小)。

发射天线的数量︱S_tx︱基于设备102和客户端设备142之间的信道相干时间T_c确定。例如，针对更短的信道相干时间T_c，可选择更大数量︱S_tx︱的发射天线，以改善分集增益以防止信道状态波动，同时由于等式(1)的规则，会因此付出更大的发射功率代价。可基于每个子载波的CSI因素H从可用天线选择发射天线的正确集合，同时遵从第一步的发射天线的数量，使得函数F是最大化的。例如，可选择具有最大SNR增益︱h_i︱的发射天线，其中I是天线索引(即，i＝1,2,…,N_ant)。在完整CSIH可用时，天线选择模块122可最优地确定用于所有子载波的发射天线的全局数︱S_tx︱以及每个子载波的天线的集合S_tx，而不用使用任何其他启发式算法。

在存在不完整CSI信息H的示例中(例如，在根据预编码矩阵Q推导CSI的情况下)，可使用上述步骤选择发射天线的最优集合，其中，首先基于信道相干时间T_c确定正确的天线数量︱S_tx︱，并且基于具有最大SNR增益的天线选择天线的正确集合S_tx。因此，在存在完整CSI的场景中，或在存在不完整CSI的另一场景中，可基于上面描述的函数F的求解来选择发射天线的最优集合，其中，函数包括若干参数，若干参数包括信道相干时间T_c。例如，在信道相干时间低时，函数F可能倾向使用更多的发射天线。但是，在信道相干时间T_c高时，函数F可能倾向使用更少的发射天线。

图2是根据一个示例的用于在无线通信设备处选择发射天线的方法的流程图。例如，可以以存储在非瞬态计算机可读存储介质上的可执行指令的形式和/或以电子电路的形式实现方法200。

方法200包括：在210处，基于多个天线和客户端设备处的多个接收天线之间的通信信道的信道状态信息(CSI)、要发射的数据流的数量以及通信信道的信道相干时间，从多个天线中选择用于在多个子载波上发射数据流的天线的集合，其中，该集合的大小等于或大于数据流的数量。例如，天线选择模块122可使用函数的优化求解从多个可用发射天线中选择天线的最优集合，其中，函数的自变量包括CSI、要发射的数据流的数量、信道相干时间、以及天线的集合，并且其中，控制参数是天线的集合。选择的天线的集合的大小受发射功率要求的制约，且选择的天线的集合的大小等于或大于数据流的数量。进一步，优化求解适用于其中存在完整或不完整/部分CSI的情况。例如，在存在通过使用信道探测协议确定的完整CSI矩阵的情况下，或在存在根据预编码矩阵推导的部分或不完整CSI的情况下，天线选择模块122可选择天线的最优集合。

图3是根据一个示例的用于在无线通信设备处选择发射天线的方法的流程图。例如，可以以存储在非瞬态计算机可读存储介质上的可执行指令的形式和/或以电子电路的形式实现方法300。

方法300包括：在310处，基于信道相干时间确定用于在OFDM子载波上发射的天线的最优数量。例如，由于规则，天线选择模块122可能需要在所有OFDM子载波上选择天线的同一大小的集合(即，同一天线数量在选择的集合)。在此示例中，可基于信道相干时间调整集合的大小，其中，对于更短的信道相干时间，集合的大小更大，并且反之亦然。

方法300还包括：基于多个天线中的每一个天线的信噪比(SNR)，为每个子载波选择天线的集合，其中选择的集合的大小等于确定的最优数量，且其中具有最高SNR增益的天线首先被选择，直至达到最优数量。例如，天线选择模块122可基于天线的SNR增益选择天线的集合。为每个OFDM子载波选择天线，直至实现每个OFDM子载波的全局最优数量。

图4是根据一个示例的包括具有用于选择发射天线的指令的计算机可读介质的无线通信设备402的框图。设备402可包括非瞬态计算机可读介质406。非瞬态计算机可读介质406可包括指令416，指令416如果由处理器404执行，则可使处理器选择用于发射数据流的天线的集合。

例如，天线选择指令414是可执行的，以基于多个天线和客户端设备处的多个接收天线之间的通信信道的信道状态信息(CSI)、要发射的数据流的数量以及通信信道的信道相干时间，从多个天线中选择向客户端设备发射多个数据流的天线的集合。该集合的大小大于或等于要发射的数据流的数量，该集合的大小受通信设备的发射功率要求的制约。

上面描述的技术可体现在用于配置计算系统以执行该方法的计算机可读介质中。计算机可读介质可包括例如但不限于：任何数量的以下非可传递介质：包括磁盘以及磁带存储介质的磁存储介质，诸如光盘介质(例如，CD-ROM、CD-R等等)的光存储介质以及数字视频磁盘存储介质，全息存储器，包括诸如闪存、EEPROM、EPROM、ROM的基于半导体存储器单元的非易失性存储器存储介质，磁铁数字存储器，包括寄存器、缓存或高速缓存、主内存、RAM等的易失性存储介质，以及互联网；仅举了几个例子。其它新的及显而易见类型的计算机可读介质可用于存储本文讨论的软件模块。计算系统可以以许多形式建立，包括但不限于：主机、小型计算机、服务器、工作站、个人电脑、笔记本、个人数字助理、各种无线设备和嵌入式系统，仅举了几个例子。

在前面的描述中，陈述了许多细节以提供对本发明的理解。但是，本领域的技术人员将理解，可在没有这些细节的情况下实施本发明。虽然已结合有限的示例公开了本发明，但本领域的技术人员将领会到来自这些示例的许多修改和变形。目的在于，由于落在本发明的真实精神和范围内，因此所附的权利要求覆盖这些修改和变形。

Claims (15)

1.一种用于在无线通信设备处选择发射天线的方法，包括：

基于多个天线和客户端设备处的多个接收天线之间的通信信道的信道状态信息(CSI)、要发射的数据流的数量以及所述通信信道的信道相干时间，从所述多个天线中选择用于在多个子载波上发射所述数据流的天线的集合，

其中所述集合的大小等于或大于所述数据流的数量。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述集合的大小受发射功率要求的制约，

其中，所述CSI包括：所述无线通信设备和所述客户端设备之间的信道的完整CSI以及所述无线通信设备和所述客户端设备之间的信道的不完整CSI中的至少一项，

其中，所述完整CSI基于由所述无线通信设备和所述客户端设备中的至少之一实施的信道探测协议确定，并且

其中，所述不完整CSI从由所述客户端设备发射到所述无线通信设备的数据包中推导出。

3.根据权利要求1所述的方法，其中从所述多个天线中选择天线的集合根据以下优化求解实施：

最大化F(H,N_s,T_c,S_tx)，

其中，H是从所述无线通信设备到所述客户端设备的CSI矩阵，

其中，N_s是要从所述无线通信设备向所述客户端设备发射的所述数据流的数量，

其中，T_c是所述无线通信设备和所述客户端设备之间的信道的信道相干时间，

其中，S_tx表示天线的所述集合且是所述函数F的控制参数，并且

其中，S_tx被选择为使得︱S_tx︱＞＝N_s。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述优化针对所述多个子载波中的每个子载波实施，并且其中所述多个子载波是正交频分复用(OFDM)子载波。

5.根据权利要求4所述的方法，包括：从所述多个天线中为每个OFDM子载波选择不同的天线数量。

6.根据权利要求4所述的方法，包括：从所述多个天线中为每个OFDM子载波选择同一天线数量。

7.根据权利要求6所述的方法，其中为每个OFDM子载波选择同一天线数量包括：

基于所述信道相干时间确定用于在所述OFDM子载波上发射的天线的最优数量；以及

基于所述多个天线中的每一个天线的信噪比(SNR)，选择天线的所述集合，其中所选择的集合的大小等于确定的最优数量，并且其中具有最高SNR增益的天线首先被选择，直至达到所述最优数量。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述最优数量在从所述数据流的数量到所述多个天线的数量的范围中。

9.根据权利要求2所述的方法，包括：对所述优化函数应用优化求解技术，以获得天线的所述最优集合。

10.一种无线通信设备，包括：

多个天线，用于向客户端设备发射一数量的数据流；以及

天线选择模块，用于基于多个天线和所述客户端设备处的多个接收天线之间的通信信道的信道状态信息(CSI)、要发射的所述数据流的数量以及所述通信信道的信道相干时间，从所述多个天线中选择天线的集合，

其中所述集合的大小大于或等于所述数据流的数量，并且其中所述集合的大小受发射功率约束的制约。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述无线通信设备是无线网络的通信节点。

12.根据权利要求10所述的设备，其中所述无线通信设备是使用正交频分复用(OFDM)技术通信的设备，并且其中所述数据流通过多个OFDM子载波发射。

13.根据权利要求10所述的设备，其中所述天线选择模块用于基于以下优化求解的计算来选择天线的所述集合：

最大化F(H,N_s,T_c,S_tx)，

其中，H是从所述无线通信设备到所述客户端设备的CSI矩阵，

其中，N_s是要从所述无线通信设备向所述客户端设备发射的所述数据流的数量，

其中，T_c是所述无线通信设备和所述客户端设备之间的信道的信道相干时间，

其中，S_tx表示天线的所述集合且是所述函数F的控制参数，并且

其中，S_tx被选择为使得︱S_tx︱＞＝N_s。

14.一种包括指令的非瞬态计算机可读存储介质，所述指令在由无线通信设备的处理器执行时，使所述处理器：

基于多个天线和客户端设备处的多个接收天线之间的通信信道的信道状态信息(CSI)、要发射的数据流的数量以及所述通信信道的信道相干时间，从所述多个天线中选择向所述客户端设备发射多个数据流的天线的集合，

其中所述集合的大小大于或等于要发射的所述数据流的数量，并且

其中所述集合的大小受所述无线通信设备的发射功率要求的制约。

15.根据权利要求14所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述指令可执行以基于以下优化函数的求解来选择天线的所述集合：

最大化F(H,N_s,T_c,S_tx)，

其中，H是从所述无线通信设备到所述客户端设备的CSI矩阵，

其中，N_s是要从所述无线通信设备向所述客户端设备发射的所述数据流的数量，

其中，T_c是所述无线通信设备和所述客户端设备之间的信道的信道相干时间，

其中，S_tx表示天线的所述集合且是所述函数F的控制参数，并且

其中，S_tx被选择为使得︱S_tx︱＞＝N_s。