CN108141259B - 可缩放的大规模mimo接收机 - Google Patents
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Abstract
公开了涉及大规模MIMO通信的技术。在一些实施例中，基站被配置为动态地调整用于MIMO信号估计的处理元件的数量(例如，用于并行处理的MIMO RX链的数量)。在一些实施例中，处理元件的数量可以基于当前正在使用的天线的数量、空间流的数量、互连吞吐量阈值、采样率等。在一些实施例中，基站包括可配置的MIMO核，该MIMO核被配置为例如在每个符号的基础上在MIMO信号估计技术之间动态切换。在一些实施例中，基站包括可配置的线性解码器，该线性解码器被配置为单独地乘以输入矩阵并且基于当前使用的天线和/或处理元件的数量来组合或避免组合结果。
Description
技术领域
本公开涉及无线通信系统，并且更具体地涉及多输入多输出(MIMO)通信。
背景技术
现代通信系统依赖发射机和/或接收机处的多个天线来增强链路性能。称为多输入多输出(MIMO)的这类技术通过采用空间编码和/或空间解码来利用空间维度。大规模MIMO是5G无线研究中令人振奋的领域，其有望带来显著的增益，该增益提供以更高的数据速率和更好的可靠性容纳更多的用户同时消耗更少功率的能力。传统的MIMO基站典型地在扇区化的拓扑结构中使用六个或八个天线，但是大规模MIMO基站使用超过八个天线(并且某些时候多达128个、256个或者更多)，并且大规模MIMO用户装备设备(UE)可典型地使用大约八个天线。使用更多数量的天线元件，大规模MIMO通过使用预编码技术将能量聚集到目标移动用户来减少给定信道中的功率。通过将无线能量指向特定用户，减小信道中的功率，并且同时减少对其他用户的干扰。
然而，引入如此多的天线元件带来了在传统网络中没有遇到的若干系统挑战。例如，使用传统系统可能难以满足大规模MIMO的处理和同步要求。因此，用于制作不同MIMO技术的原型的测试系统以及被配置为使用这些技术的生产MIMO系统都是需要的。
发明内容
公开了涉及大规模MIMO通信的技术。在一些实施例中，基站被配置为动态调整用于MIMO信号估计的处理元件的数量(例如，用于并行处理的MIMO RX链的数量)。在一些实施例中，基站被配置为从仅几个天线缩放到多达128、256个天线等。在一些实施例中，处理元件的数量可以基于当前正在使用的天线的数量、空间流的数量、互连吞吐量阈值、采样率等。在一些实施例中，基站包括MIMO处理核，该MIMO处理核被配置为例如在每个符号的基础上在MIMO信号估计技术之间动态切换。在一些实施例中，基站包括可配置的线性解码器，这些线性解码器被配置为单独地乘以输入矩阵并且基于当前使用的天线和/或处理元件的数量来组合(或者避免组合)结果。
附图说明
图1是图示根据一些实施例的无线传播环境中的MIMO通信的框图。
图2是图示根据一些实施例的用于基于互易性的MIMO的示例性发送和接收处理链的框图。
图3是图示根据一些实施例的被配置为分布处理的示例性大规模MIMO系统的一部分的框图。
图4是图示根据一些实施例的示例性MIMO缩放参数的框图。
图5是图示根据一些实施例的示例性可缩放和可配置的MIMO RX电路系统的框图。
图6是图示根据一些实施例的示例性线性解码器处理元件的框图。
图7是图示根据一些实施例的用于信号估计的示例性QR分解(QRD)技术的框图。
图8是图示根据一些实施例的可配置为实现多个MIMO信号估计技术的示例性修改后的Gram-Schmidt(MGS)QRD处理元件的框图。
图9是根据一些实施例的在图8的处理元件中使用的正交化、归格化和对准阶段的框图。
图10是图示根据一些实施例的用于缩放MIMO RX处理元件的数量的方法的流程图。
本说明书包括对“一个实施例”或者“实施例”的引用。短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现并不必然指代同一实施例。具体的特征、结构或特性可以以与本公开一致的任意合适方式被组合。
各种单元、电路或其它部件可以被描述为或要求保护为“被配置为”执行一个或多个任务。在这样的上下文中，“被配置为”用于通过指示单元/电路/部件包括在操作期间执行这一个或多个任务的结构(例如，电路系统)来指明结构。因此，即使当指定的单元/电路/部件当前未操作(例如，未上电)时，也可以说该单元/电路/部件被配置为执行任务。与用语“被配置为”一起使用的单元/电路/部件包括硬件——例如，电路、存储可执行以实现操作的程序指令的存储器，等等。单元/电路/部件“被配置为”执行一个或多个任务的表述明确地旨在不为该单元/电路/部件援引35U.S.C.§112(f)。
具体实施方式
本公开首先参考图1-2描述，图1-2是示例性多输入多输出(MIMO)通信和处理的概述。一般而言，MIMO技术试图利用多径传播来使用多个发射和接收天线以增加无线电容量、性能和/或范围。示例性大规模可缩放(scalable)MIMO基站参考图3-10进行讨论。在一些实施例中，系统被配置为用于实时双向通信的通用、灵活且可缩放的大规模MIMO平台。所公开的系统和技术可以用于生产环境和/或测试环境中。
首字母缩略语
本公开中使用了以下首字母缩略语。
3GPP：第三代合作伙伴项目
3GPP2：第三代合作伙伴项目2
BER：误比特率
CDMA：码分多址
CPTR：公共周期性时间参考
DDR：双倍数据速率
DL：下行链路
EVM：误差向量幅度
FFT：快速傅立叶变换
FPGA：现场可编程门阵列
GSM：全球移动通信系统
LTE：长期演进
MIMO：多输入多输出
MRT：最大无线电传输
OFDM：正交频分复用
PER：分组错误率
PCIe：快速外围部件互连
PLMN：公共陆地移动网络
PXIe：仪器快速PCI扩展
RAT：无线电接入技术
RF：射频
RX：接收
SDR：软件定义的无线电
SRP：软件无线电外围设备
TX：发射
UE：用户装备
UL：上行链路
UMTS：通用移动电信系统
WCDMA：宽带码分多址
ZF：迫零
术语
以下是本申请中使用的术语的术语表：
存储介质——各种类型的存储器设备或存储设备中的任何一种。术语存储介质旨在包括：安装介质，例如CD-ROM、软盘或磁带设备；计算机系统存储器或随机存取存储器，诸如DRAM、DDR RAM、SRAM、EDO RAM、Rambus RAM等；非易失性存储器，诸如闪存、磁介质(例如，硬盘驱动器)或光学存储装置；寄存器或其它类似类型的存储器元件等。存储介质也可以包括其它类型的存储器或其组合。此外，存储介质可以位于执行程序的第一计算机系统中，或者可以位于通过网络(诸如互联网)连接到第一计算机系统的不同的第二计算机系统。在后一种情况下，第二计算机系统可以向第一计算机提供程序指令用于执行。术语“存储介质”可以包括两个或更多个存储介质，这些存储介质可以存在于不同位置，例如存在于通过网络连接的不同计算机系统中。存储介质可以存储可由一个或多个处理器执行的程序指令(例如，体现为计算机程序)。
承载介质——如以上所描述的存储介质，以及物理传输介质，诸如传达诸如电、电磁或数字信号之类的信号的总线、网络和/或其它物理传输介质。
计算机系统——各种类型的计算或处理系统中的任何一种，包括个人计算机系统(PC)、大型机计算机系统、工作站、网络设备、互联网设备、个人数字助理(PDA)、个人通信设备、智能电话、电视系统、网格计算系统或者其它设备或设备的组合。一般而言，术语计算机系统可被广泛地定义为涵盖具有执行来自存储介质的指令的至少一个处理器的任何设备(或设备的组合)。
用户装备(UE)(或UE设备)——移动的或便携的并且执行无线通信的各种类型计算机系统设备中的任何一种。UE设备的示例包括移动电话或智能电话(例如，iPhoneTM、基于AndroidTM的电话)、便携式游戏设备(例如，Nintendo DSTM、PlayStation PortableTM、Gameboy AdvanceTM、iPhoneTM)、膝上型电脑、PDA、便携式互联网设备、音乐播放器、数据存储设备、其它手持式设备，以及诸如智能手表、耳机、挂饰、耳塞的可穿戴设备，等等。一般而言，术语UE或UE设备可被广泛地定义为涵盖任何易于被用户运送并且能够进行无线通信的电子、计算和/或电信设备(或设备的组合)。
基站——术语基站具有其普通含义的完全范围，并且至少包括安装在固定位置并用于作为无线电话系统或无线电系统的一部分通信的无线通信站。
处理元件——是指能够执行设备(诸如用户装备或蜂窝网络设备)中的功能的各种元件或元件的组合。处理元件可以包括例如处理器和相关联的存储器、个体处理器核的部分或电路、整个处理器核、处理器阵列、诸如ASIC(Application Specific IntegratedCircuit，专用集成电路)之类的电路、诸如现场可编程门阵列(FPGA)的可编程硬件元件以及以上各种组合中的任何一种。
自动——指的是动作或操作由计算机系统(例如由计算机系统执行的软件)或设备(例如电路系统、可编程硬件元件、ASIC等)执行，而没有直接指定或执行该动作或操作的用户输入。因此术语“自动”与由用户手动执行或指定的操作(其中用户提供直接执行该操作的输入)形成对照。自动的过程可以由用户所提供的输入启动，但随后“自动”执行的动作不由用户指定，即不是“手动”执行(“手动”执行中用户指定每个要执行的操作)。例如，用户通过选择每个字段并提供指定信息的输入(例如通过键入信息、选择复选框、单选等)来填写电子表格是手动填写所述电子表格，即使计算机系统必须响应于用户动作来更新所述表格。所述表格可以由计算机系统自动填写，其中计算机系统(例如在计算机系统上执行的软件)分析表格的字段并填写表格而没有指定字段的答案的任何用户输入。如上面所指示的，用户可以调用表格的自动填写，但并不参与表格的实际填写(例如用户不手动指定字段的答案，相反字段的答案自动完成)。本说明书提供响应于用户已经采取的动作而自动被执行的操作的各种例子。
MIMO示例和理论
图1示出了示例性MIMO系统100，其包括基站102和M个移动设备106A-106M(也可以被称为用户装备设备或UE 106A-106M)。在所示实施例中，基站102包括被配置为利用时分双工(TDD)与移动设备106发送和接收数据的N个天线。在其它实施例中，可以使用其它传输技术，包括例如频分双工(FDD)。
在系统100中，移动设备106可以经由无线传播环境与基站102同时通信。由不同信号采取的路径可以在移动设备之间变化，例如，基于它们在环境中的位置。因此，例如利用MIMO技术对由基站发送的信号进行预编码可以大大地提高整体无线电容量、性能和/或范围。因此，基站102可以向给定的移动设备10分配多个天线(例如，在一些大规模MIMO系统中多达十个或更多个)。为了配置分配，在一些实施例中，移动设备可以在特定的时隙或频隙中向基站同时发送已知模式。基站102可以比较跨多个天线的模式，以确定针对不同UE的每个空间分集路径的独特信道特性。随后，基站可以应用信道特性参数的逆作为预编码的形式，使得每个移动设备106接收其预期的消息。
在一些实施例中，基站102被配置为通过使用上行链路信道状况(用于从移动设备106中的一个或多个到基站102的通信)采用在基站102与给定移动设备106之间的信道的互易性，以配置下行链路传输(从基站102到移动设备106中的至少一个)。接收到的下行链路和上行链路信号y和z可被建模为：
y＝Hd+w (1)
z＝Gu+v (2)
其中d和u分别表示所发送的下行链路和上行链路信号，H表示M×N维的复数值下行链路信道矩阵，G表示N×M维的复数值上行链路信道矩阵，并且w和v表示与每个信号路径无关的加性噪声。
如果从上行链路到下行链路的过渡足够快(例如，在信道相干时间内)，则G接近H的共轭转置，H*。这个概念被称为信道互易性。
各种选项可用于预编码下行链路信号(d)。例如，线性预编码可以生成d，如：
d＝Fx
其中F是应用到预期用于移动设备106的N个用户中每一个的信号xN的下行链路预编码器。通常，预编码器利用信道估计来形成。常见的预编码器包括迫零(ZF)和最小均方误差(MMSE)。在具有大量天线的一些大规模MIMO实施例中，H的列可以变得几乎正交，并且可以应用最大比率传输(MRT)预编码。这可以简化预编码，同时相对于其它预编码方法维持最大和速率。但是，在各种实施例中，可以实现各种适当的预编码技术中的任何技术。
一般而言，MIMO技术可以增加无线通信的容量、性能和/或范围。虽然本文在蜂窝通信的上下文中讨论了各种实施例，但是这些实施例并不意在限制本公开内容的范围。相反，所公开的技术可以用在各种无线通信上下文中，诸如例如WIFI。
图2示出了用于两个天线的基于互易性的MIMO的示例性发送和接收链，其例如可以包括在MIMO基站102中。在所示实施例中，模数(A/D)转换器212A-N对从RF接收的上行链路信号进行解调和数字化。下采样器214A-N将数字样本下采样到期望的采样率，例如，是A/D采样率的某个分数。随后，单元216A-N、218A-N、220A-N和222A-N执行OFDM信号处理，包括去除循环前缀(CP)、在串行到并行转换之后执行快速傅立叶变换(FFT)、去除保护子载波，以及对资源映射解除分配上行链路数据和导频。接着，基站102可以将用于所有N个接收链的导频和数据符号传递到信道估计器250。
在所示实施例中，由信道估计器250生成的信道估计由MIMO解码器240用来解码M个上行链路数据流并由MIMO预编码器260用来预编码M个下行链路数据流。
在所示实施例中，预编码的下行链路数据流接着由单元224A-N、226A-N、228A-N和230A-N处理，包括资源映射、添加保护符号、串行到并行转换、执行逆FFT，以及添加循环前缀。随后，单元232A-N从基带速率对数据进行上变频并且数模转换器(D/A)234A-N对结果进行转换以便经由天线进行传输。
各种公开的技术解决当向系统添加大量接收和发送链时的挑战，如在大规模MIMO中那样。在一些实施例中，软件定义的无线电被用来实现可配置、模块化、满足对于分布式处理的I/O需求并支持大量天线的实时处理的大规模MIMO系统。
示例性大规模MIMO系统
图3是图示大规模MIMO系统300的一个实施例的子系统的框图。例如，系统300可以包括在基站102中。在一些实施例中，系统300被配置为以分布式方式执行上面参照图2描述的处理的至少一部分。在所示实施例中，子系统包括前端TX/RX单元302A-N、天线组合器310、天线分割器315、带宽分割器320、带宽组合器325、信道估计器330、MIMO检测器340和MIMO预编码器345。在所示实施例中，链路质量评估器350和数据源360包括在多个子系统之间共享的中央控制单元中(根据这个实施例，如由描绘包括在中央控制器中的单元的垂直虚线所指示的)。
在所示实施例中，系统300的其它子系统(未示出)包括附加的MIMO检测器、MIMO预编码器、带宽分割器和带宽组合器。例如，在其中图3的子系统包括八个TX/RX 302并且系统包括六个子系统的实施例中，可以使用96个天线。在所示实施例中，MIMO处理分布在各种处理元件中。例如，这可以允许基带处理跨多个FPGA来划分。这可以有助于大规模MIMO系统缩放远远超过单个集中式处理单元对于实时基带处理所可以实现的。
在一些实施例中，TX/RX单元302A-N包括在软件定义的无线电模块中，该无线电模块还可以包括被配置为或可配置为执行图3中所示的各种其它单元的功能的处理元件。例如，TX/RX 302A和天线组合器310可以由相同的SDR元件实现。
对于上行链路符号，如先前参照图2所讨论的，每个TX/RX302可被配置为数字化所接收的RF信号、执行模拟前端校准和时间/频率同步、去除循环前缀(CP)，以及执行FFTOFDM解调和保护带去除。这会产生在所示实施例中被提供给天线组合器310的频域导频和非均衡数据符号向量。注意的是，在这一点上，OFDM符号可以包含所有用户发送的信号的叠加。对于下行链路符号，每个TX/RX302可以被配置为针对从天线分割器315接收的信号执行如上面参照图2所描述的ODFM处理。
在一个实施例中，天线组合器310、带宽分割器320、MIMO预编码器345、带宽组合器325和天线分割器315每一个都位于也实现TX/RX 302之一的不同SDR元件上。在一个实施例中，信道估计器330和MIMO检测器340位于也实现TX/RX 302之一的另一个SDR元件上。在各种实施例中，图3的各种元件可以在被配置为执行所公开的功能的各种硬件元件之间划分。硬件元件可以是可编程的和/或包括专用电路系统。
在所示实施例中，天线组合器310被配置为从每个TX/RX 302接收尚未均衡的OFDM符号并将它们组合成发送到带宽分割器320的信号。这组合来自子系统中的多达N个天线的信号。在进一步处理之前组合这种信息可以允许系统保持在吞吐量限制内并且例如可以减少SDR之间的对等连接的数量。在一些实施例中，由每个天线组合器310组合其信号的天线的数量是可动态配置的。
在所示实施例中，带宽分割器320被配置为将接收到的信号分割成单独的带宽部分并将这些部分发送到不同子系统中的MIMO检测器。因此，在所示实施例中，处理跨不同的处理元件分布，每个处理元件处理用于不同频带的数据。每个带宽部分可以包括一个或多个子载波并且这些部分可以是或者可以不是不重叠的。在一些实施例中，带宽部分的数量和每个部分的尺寸是可配置的，例如基于天线的数量、通信中的用户的当前数量等。在其它实施例中，作为对通过频率进行分割的附加和/或替代，处理还可以在跨不同时间片的处理元件之间分布。在一些实施例中，带宽分割器320由时间片分割器代替。OFDM中的FTT后(post-FTT)子载波处理可以是固有地独立的，从而允许后续处理由不同的处理元件并行地执行。
在所示实施例中，TX/RX 302B的输出被直接提供给带宽分割器320并且带宽组合器325的输出被直接提供给TX/RX 302D。在其它实施例中，这些输出可以类似于其它信号被提供给天线组合器310和天线分割器315。但是，在其中TX/RX 302B和带宽分割器320共享相同的SDR元件并且TX/RX 302D和带宽组合器325共享相同的SDR元件的实施例中，所示的耦合可以节省I/O资源。
在所示实施例中，MIMO检测器340被配置为使用估计的信道矩阵(例如，基于上行链路导频符号)来消除干扰并检测来自每个移动设备106的频域符号。如图所示，在一些实施例中，MIMO检测器340被配置为处理给定带宽中来自系统300的多个子系统的信号。在所示实施例中，MIMO检测器340被配置为将检测到的信号发送到信道估计器330和链路质量评估器350(在一些实施例中，包括在中央控制器中)供进一步处理。
在所示实施例中，信道估计器330被配置为就其频率部分对于多个移动设备执行信道估计，例如以产生软比特(也被称为对数似然比(LLR))并将它们提供给链路质量评估器350(耦合未示出)。在一些实施例中，实现了多个解码器，包括例如turbo解码器。
对于下行链路符号，在测试系统实施例中，数据源360被配置为生成测试数据，测试数据可以是伪随机的或者可以是为特定测试明确指定的。在这些实施例中，数据源360可以位于中央控制单元中。在生产系统中，数据源360可以提供来自各种网络的数据以被发送到移动设备106。
在所示实施例中，MIMO预编码器345被配置为从数据源360接收下行链路数据并且基于来自信道估计器330的信道估计(例如，估计的互易性校准权重)对数据进行预编码。在一些实施例中，系统300中的MIMO预编码器被配置为对下行链路数据的不同频率部分执行预编码。在一些实施例(未示出)中，系统300中的MIMO预编码器被配置为对下行链路数据的不同时间部分执行预编码。
根据一些实施例，示例性预编码器包括最大无线电传输(MRT)和迫零(ZF)预编码器。在其它实施例中，可以实现各种适当的预编码技术中的任何技术。依赖于实现的预编码技术，用于预编码的变化量的处理可以在中央控制器处执行或者分布在MIMO预编码器345之间。
在所示实施例中，带宽组合器325被配置为组合来自多个MIMO预编码器的处于不同带宽的信号并将数据发送到天线分割器315。这可以产生用于来自单独处理的带宽部分的传输的预编码数据的完整集合。在其它实施例中，作为组合单独处理的频率部分的替代或附加，带宽组合器325还被配置为组合对应于单独处理的时间片的数据。
在所示实施例中，天线分割器315被配置为分割接收到的信号并将分割信号提供给TX/RX 302，用于OFDM处理并向移动设备106传输。在一些实施例中，天线分割器315被配置为向其提供信号的天线集合(例如，集合中天线的数量和/或特定天线)是可动态配置的。因此，在一些实施例中，被配置为对特定天线和/或用户执行分布式处理的处理元件集合是可动态配置的。
在所示实施例中，链路质量评估器350包括在中央控制单元中，并且被配置为利用诸如误比特率(BER)、误差向量幅度(EVM)和/或分组错误率(PER)等各种度量中的一个或多个来测量链路质量。
在各种实施例中，系统300是高度可配置的，例如基于用户输入和/或当前操作状况。在一些实施例中，各种公开的配置操作被自动执行。在一些实施例中，在给定时间被用来对一组用户或一组天线执行分布式处理的处理元件的数量是可配置的。在一些实施例中，被用来与每个UE通信的天线的数量是可配置和/或动态确定的。在一些实施例中，被配置为执行上述不同功能的处理元件是可配置的。例如，天线组合器功能可以从一个FPGA移动到另一个FPGA或者由多个FPGA执行。在一些实施例中，数据在处理元件之间的路由是可配置的，例如以避免发生故障的天线和/或处理元件。在各种实施例中，系统300被配置为基于当前操作状况动态地调整这些可配置方面。在一些实施例中，系统300包括大量天线，例如大于8个。在一些实施例中，例如，系统300包括16、32、64、100、128、256个或更多天线。在一些实施例中，系统300的部件是模块化的，使得可以通过添加附加部件来增加天线的数量。
在一些实施例中，软件库与系统300一起提供并配置有示例测试场景以用于配置系统300。在一些实施例中，诸如LabVIEW的图形编程语言被用来配置系统300中的可编程硬件设备。因此，本文描述的各种功能可以利用图形编程接口来配置。
根据一些实施例，示例性的高级系统参数包括20MHz的系统带宽、3.7GHz的载波频率、30.72MS/s的采样率，以及2048的FFT尺寸、1200个使用的子载波、0.5ms的时隙时间、1ms子帧时间、10ms帧时间和100个天线。这些参数仅是示例性的并且不意在限制本公开内容的范围。在一些实施例中，参数是用户可配置的和/或是可由系统本身动态配置的。
在所示实施例中，带宽分割器320被配置为分离并提供来自多个天线的传入信号的带宽部分，以便分布处理负载。在其它实施例中，作为对频率维度的附加和/或替代，传入信号可以在其它维度上分割。用于下行链路信号的处理可以类似地分布。因此，在各种实施例中，所公开的系统是高度可配置的并且提供高性能分布式处理，以满足用于大规模MIMO系统的实时性能需求。
示例性系统参数
图4是图示简化的大规模MIMO系统400的框图。在所示的配置中，系统400使用用于K个用户流的M个天线端口。系统400可以包括比M更多数量的天线端口并且可以被配置为处理比N更多数量的天线流，并且因此可以基于当前操作条件对于给定的M和N值进行处理。在其它实施例中，所公开的技术可以用于针对固定的M和N值快速设计特定系统和/或制作特定系统的原型。每个用户流K是空间数据流。在一些实施例中，每个空间流可以包括来自在同一空间流内被分配不同频率的多个用户的数据。此外，在一些实施例中，给定用户可以被分配多个空间流。因此，与系统通信的用户的数量可以对应于或者可以不对应于K。
在一些实施例中，MIMO RX 410被配置为执行上面参考信道估计器330、MIMO检测器340、链路质量评估器350等讨论的功能。在一些实施例中，MIMO TX 420被配置为执行以上参考MIMO预编码器345讨论的功能。在一些实施例中，元件410和420是可缩放和可配置的，用于使用广泛各种M和K值和/或MIMO算法的通信。
所利用的处理元件的示例性缩放
图5是图示根据一些实施例的可缩放MIMO RX电路系统410的框图。在所示实施例中，电路系统410包括重新格式化和路由电路系统510和520、信道估计处理元件530A-530L、可配置MIMO核542A-542L以及可配置线性解码器544A-544L。在所示实施例中，电路系统500被配置为以速率r接收M个天线输入数据流y0至yM-1并且以速率r生成K个用户流x0至xK-1。虽然在所示实施例中输入数据流和用户流的速率r是相同的，但是这些速率在各种实施例中可能是不同的。在一些实施例中，用于MIMO RX处理的电路系统的数量是可配置的，例如通过基于各种参数选择用于处理的并行接收链L的数量。未选择的电路系统可以被断电或进行时钟门控以减少功耗。
在一些实施例中，重新格式化和路由电路系统510和520被配置为执行图3的元件310、315、320和325的功能。这可以包括将输入流分割为不同的带宽和/或时间部分用于并行地单独处理和组合处理后的部分用于进一步处理或传输。例如，y0可以被分割为索引0至L-1的多个部分，并且x0可以包括由不同链生成的索引0至L-1的多个部分。
在一些实施例中，信道估计器530A-530L可以被配置为类似于图3的元件330。在所示实施例中，每个信道估计单元530被配置为生成信道矩阵H并将信道矩阵发送到对应的可配置MIMO核542。信道矩阵H可以用于对系统建模，例如，如上面参考公式(1)所讨论的。在一些实施例中，H可以基于接收到的信号中的已知导频序列来确定。
在所示实施例中，可配置MIMO核542A-542L各自被配置为生成要与接收到的向量y相乘以生成估计的x向量的矩阵W。在一些实施例中，可配置MIMO核542被配置为实现多个MIMO算法，并被配置为例如在每个符号的基础上在运行中(on the fly)在算法之间切换。
在所示实施例中，可配置线性解码器544A-544L被配置为将接收到的矩阵W乘以输入数据的向量以生成用户数据，该用户数据接着通过框520被重新格式化并路由。在一些实施例中，线性解码器544被配置为例如基于当前的M、L和/或K值对不同的矩阵尺寸操作。
在所示实施例中，使用g来表示来自重新格式化和路由电路系统510的最大吞吐量，并且使用f来表示从给定的可配置MIMO核542到对应的可配置线性解码器544的最大吞吐量。在一些实施例中，这些吞吐量限制被用作参数以选择用于MIMO RX处理的电路系统的量，例如通过调整并行MIMO处理链的数量L。在各种实施例中，阈值吞吐量可以由给定处理元件的处理能力、处理元件之间的互连(interconnect)的带宽限制等来施加。
在一些实施例中，总输入速率是M乘以r。在一些实施例中，总输入吞吐量是M乘以r乘以Bin，其中Bin是每个输入样本的字节数。在一些实施例中，电路系统410被配置为选择L，使得：
这可以在各种操作条件下提供足够的吞吐量和/或处理能力。
在一些实施例中，总输出速率是K乘以r。在一些实施例中，总输出吞吐量是K乘以r乘以Bout，其中Bout是每个输出样本的字节数。在一些实施例中，矩阵W中每个条目的字节数是BW，给定矩阵W的矩阵吞吐量是：
在一些实施例中，电路系统410被配置为选择L，使得：
这可以为M和K的各种值提供足够的吞吐量和/或处理能力。在各种实施例中，如果L大于满足方程(3)和(5)的最小值，则将L减小到更小的值(并且因此利用更少数量的处理元件)可以减少功耗。例如，当L减小到低于最大可用L时，未使用的MIMO RX链可以被断电或进行时钟门控。
例如，考虑其中M是128、r是每秒16.8兆样本并且Bin是每个样本4字节的情况。在这个示例中，MrBin是8.6GB/s。如果K是12、Bout是每个样本1字节并且BW是每个样本6.25字节，则基于方程(4)，给定W的矩阵吞吐量为40.3GB/s。
在这个示例中，如果最大吞吐量g是2.4GB/s并且最大吞吐量f是KW0，则满足方程(3)和(5)的最小L是4。
作为另一个示例，考虑其中M小于32并且K小于12的情况。在这个示例中，假设r是每秒16.8兆样本、Bin是每个样本4个字节、Bout是每个样本1个字节并且BW是每个样本50比特，则L可以被设置为1，同时仍然满足等式(3)和(5)，并且可以使用单个MIMO RX处理链。在具有128个天线的一些实施例中，最大值L是4。在其它实施例中，最大值L可以更大或更小。在还有的其它实施例中，L可以是固定的并且可以基于以上讨论的参数针对特定设计来确定。在FPGA实施例中，例如可以选择L以满足设计要求，同时高效地利用可编程电路系统，从而其余可编程电路系统可用于其它功能。
示例性线性解码器
图6是图示根据一些实施例的线性解码器544的框图。在所示实施例中，线性解码器544被配置为基于选择0和选择1信号的值执行或者[128×12]×[128×1]向量相乘，两个[64×12]×[64×1]矩阵向量相乘，或者四个[32×12]×[32×1]矩阵向量相乘。在一些实施例中，系统400被配置为基于M生成这些选择信号。例如，在这些实施例中，如果M小于32，则系统400被配置为将四个32xK子矩阵打包到每个可配置线性解码器544中并且执行四次相乘。在这些实施例中，如果M在32和64之间，则系统400被配置为将两个64×K子矩阵打包到每个可配置线性解码器中并执行两次相乘。粒度32是为了说明性的目的而给出，但是在其它实施例中，可以使用更大或更小的矩阵，从而允许各种适当的处理粒度中的任何粒度。例如，在所示实施例中，对于小于32的天线数量，L是1，但是在其它实施例中，每个链可以包括较少的电路系统，并且L可以仅对于小于16、8等的天线数量为1。在一些实施例中，打包矩阵可以增加解码器输出速率，但维持整个系统吞吐量KrBout。在一些实施例中，矩阵可以被打包以多路复用来自不同物理天线的数据和/或被用零填充以实现对于特定操作模式的期望矩阵尺寸。
在所示实施例中，线性解码器544包括矩阵乘法电路系统610A-610B、转置单元620、加法电路系统630、640和650以及由选择0和选择1信号控制的三个多路复用器。在其它实施例中，可以包括任何的各种适当数量的矩阵乘法电路系统610的实例。
在所示实施例中，矩阵乘法电路系统610的每个实例被配置为接收输入矩阵W(其可以是独立矩阵或更大矩阵的一部分)的一部分和输入向量y的一部分，并执行接收到的部分的矩阵向量乘法。
在所示实施例中，转置单元620被配置为对数据重新排序以用于随后的映射和解码。在一些实施例中，例如取决于映射和解码配置，可以省略转置单元620。
在所示实施例中，所示出的加法电路系统630、640和650的实例取决于L被配置为将接收到的乘法结果相加以从较小的乘法中拼接更大的矩阵向量相乘。在所示实施例中，多路复用器被配置为旁路加法电路系统630、640和650的所有结果以便执行四次相乘，旁路加法电路系统650以执行两次相乘，并且不旁路加法电路系统630、640或650中的任何一个以便执行单个矩阵向量相乘。
在各种实施例中，矩阵打包操作可以通过使用不同数量L个并行处理链来有助于不同M值的处理。
示例性可配置MIMO RX
图7是图示使用修改后的Gram-Schmidt(MGS)技术来生成关于噪声信道上的观测符号y的估计信号的图。于2013年4月18日提交的美国专利申请No.13/865,357描述了使用修改后的Gram-Schmidt算法对MMSE执行QR分解的示例性技术。在一些实施例中，可配置的MIMO核542和/或可配置的线性解码器544A被配置为执行图7中所示的操作。
在所示实施例中，MIMO RX 410被配置为接收信道矩阵H和缩放因子σ，如所示出为提供给框702。对于MMSE技术，sigma指示MMSE的噪声方差。如702还指示的，可以通过缩放因子σ来缩放单位矩阵，由此生成缩放后的单位矩阵σI，并且可以用缩放后的单位矩阵σI来扩展信道矩阵H，从而生成扩展后的信道矩阵B。框704可以被配置为基于扩展后的矩阵B使用MGS处理来计算矩阵Q。
框706可以被配置为将矩阵Q划分成组成矩阵Q1和矩阵Q2，即，矩阵Q可以被划分或分离成矩阵Q1和矩阵Q2，其接着可以被存储在例如存储器或电路的寄存器中。在912中，可以通过缩放因子σ来缩放矩阵Q2，从而计算Q2/σ，如图所示。
框708可以被配置为基于来自706的矩阵Q1计算厄米(Hermitian)共轭转置(矩阵)Q1*并且将结果乘以向量y(观测信号)。框710可以被配置为将缩放的矩阵Q2/σ乘以乘积(Q1*y)，从而产生估计信号Sest。换句话说，可以基于Q1、Q2/σ和观测信号y来计算估计的信号Sest。估计的信号Sest可以例如通过重新格式化和路由电路系统520的处理来输出和/或存储。
在一些元件中，可配置的MIMO核542被配置为实现包括MMSE在内的多个MIMO算法，并且可配置为在操作期间例如以每个符号的粒度在算法之间切换。
图8是图示根据一些实施例的MGS QRD 704(其可以由可配置的MIMO核542实现)的示例性部件的框图。在所示实施例中，MGS QRD 704包括矩阵处理单元810和多个正交化、归格化和对准(ONA)阶段820A-820N。在所示实施例中，MIMO核542被配置为实现多个不同的MIMO算法，诸如但不限于最小均方误差(MMSE)、迫零(ZF)和最大比合并(MRC)。在一些实施例中，MIMO核542被配置为以每个符号粒度在技术之间切换。例如，MIMO核542可以针对一个OFDM符号使用ZF并且针对下一个OFDM符号使用MMSE(注意的是，所公开的技术不限于OFDM，而是可以在各种编码系统中实现)。在一些实施例中，作为对MMSE、ZF和MRC的附加或替代，可以实现各种适当的MIMO技术中的任何技术。
在所示实施例中，MGS QRD 704被配置为接收输入矩阵H并基于MIMO算法和sigma输入生成输出矩阵Q(最终用于生成Sest，如图7所示)。在一些实施例中，图5的给定矩阵W对应于Q2Q1'/sigma，其中W是QR分解的输出。在所示实施例中，矩阵处理框810可以被配置为实现一个或多个转置以正确地格式化数据等等。
QR分解通常涉及迭代地应用于矩阵的列向量的归格化和正交化处理。在一些实施例中，可以使用处理元件的脉动阵列来确定这些处理。在所示实施例中，ONA阶段820A-820N被配置为接收输入矩阵和向量、对输入向量进行归格化、执行对准、并执行正交化以生成输出矩阵和向量。下面参考图9讨论关于ONA阶段820的进一步细节。
在一些实施例中，对于ZF，MIMO核542被配置为使用sigma的足够小以减小正则化的影响但不小到足以使归格化病态(ill-conditioned)的值。在一些实施例中，对于ZF，sigma的一个示例值将是0.00390625。因此，在一些实施例中，对于ZF技术，MIMO核542被配置为使用用于MMSE的电路系统的至少一部分，同时为sigma声明预定的小值。
在一些实施例中，对于MRC，MIMO核542被配置为旁路每个阶段720中的正交化处理元件，如下面参考图8进一步详细讨论的。因此，在一些实施例中，对于MRC，MIMO核542被配置为使用用于MMSE的电路系统的至少一部分，同时旁路正交化电路系统。
图9是图示根据一些实施例的包括在ONA阶段720中的示例性电路系统的框图。在所示实施例中，ONA阶段720包括归格化处理元件910、对准处理元件920、正交化处理元件930和多路复用器。
在一些实施例中，归格化处理元件被配置为归格化输入向量并将归格化的向量提供给对准处理元件920。在一些实施例中，输入向量Vin可以是输入矩阵H的列。例如，可以如在13/865,357专利申请中所述那样生成QRin和QRout矩阵。
在所示实施例中，对准处理元件被配置为对准QR输入矩阵以针对归格化操作的等待时间进行调整并将归格化向量插入到输入矩阵中(例如，在其中就地执行操作的实施例中)。
在所示实施例中，正交化处理元件930被配置为基于来自对准处理元件920的输出来执行正交化以生成输出矩阵QRout。在所示实施例中，多路复用器被配置为当实现MRC算法时，用零替换正交化向量u，从而有效地旁路正交化。在其它实施例中，可以实现各种适当的旁路技术中的任何技术，并且正交化处理元件930可以例如在MRC处理期间被断电或进行时钟门控。所公开的技术可以允许在MIMO信号检测算法之间动态切换和重用电路系统用于各种MIMO算法。
示例性方法
图10是图示根据一些实施例的用于缩放MIMO RX处理元件的数量的方法1010的流程图。除了其它设备之外，图10中所示的方法可以与本文公开的计算机电路系统、系统、设备、元件或部件中的任何一个结合使用。在各种实施例中，示出的一些方法元素可以被同时执行、以与所示出的顺序不同的顺序执行、或者可以被省略。附加的方法元素也可以根据期望被执行。流程从1010开始。
在1010处，基站从多个可用天线中选择用于在MIMO无线通信中使用的天线的数量。例如，该系统可以包括128个天线，但是基于当前操作条件，基站可以在给定的时间间隔期间选择使用仅64个天线。关于使用多少个天线的决定可以基于用户输入、当前在小区中的用户的数量、无线信号状况、当前通信的带宽、期望的测试条件等。基站可以在不同时间选择不同数量的天线，例如，在高峰通信间隔期间选择较大的数量和在低谷期间选择较小的数量。
在1020处，基站确定用于处理来自所选数量的天线的接收到的信号的处理元件的数量。在所示实施例中，这基于所选天线的数量和一个或多个阈值吞吐量值(例如，图5的g和/或f)。在一些实施例中，作为对图10所示的参数的附加或替代，该确定还可以基于各种适当参数中的任何参数，包括但不限于：每个处理元件的处理能力、各种信息的每样本或条目的数据量、采样率、空间流的数量、用户的数量等。如图5所示，确定处理元件的数量可以包括确定MIMO RX的并行接收链的数量。在一些实施例中，每个接收链包括可配置的MIMO核和可配置的线性解码器。
在1030处，基站使用所确定数量的处理元件来处理传入的无线通信。这可以包括应用诸如MMSE、ZF或MRC的MIMO信号估计技术以及解码接收到的数据流。在处理之后，来自所确定数量的处理元件的解码数据可以被重新格式化并且被路由和发送到适当的目的地(例如，经由诸如运营商网络、互联网等的另一个网络)。
在一些实施例中，基站例如基于用户输入、操作条件或各种适当参数中的任何参数而在不同MIMO信号估计技术之间动态切换。
在一些实施例中，所公开的技术可以有助于MIMO基站的测试、降低MIMO通信期间的功耗、允许容量的灵活性、允许MIMO信号估计的灵活性、允许绕过有缺陷的处理元件或天线路由等等。在一些实施例中，基站还可以针对广泛各种操作条件和/或研究需求动态地或静态地定制，并且可以被配置用于实时处理。
***
本公开的实施例可以以各种形式中的任何形式来实现。例如，在一些实施例中，本发明可以被实现为计算机实现的方法、计算机可读存储介质或计算机系统。在其它实施例中，本发明可以使用一个或多个诸如ASIC的定制设计的硬件设备来实现。在其它实施例中，本发明可以使用诸如FPGA的一个或多个可编程硬件元件来实现。
在一些实施例中，非瞬态计算机可读存储介质可以被配置为使得其存储程序指令和/或数据，其中程序指令如果由计算机系统执行则使得计算机系统执行方法，例如本文描述的方法实施例中的任何一个，或本文描述的方法实施例的任何组合，或本文描述的方法实施例中的任何一个的任何子集，或这些子集的任何组合。
在一些实施例中，装置(例如，基站)可以被配置为包括处理器(或一组处理器)和存储介质，其中存储介质存储程序指令，其中处理器被配置为读取并执行来自存储介质的程序指令，其中程序指令可执行以实现本文描述的各种方法实施例中的任何一个(或者本文描述的方法实施例的任何组合，或者本文描述的方法实施例中的任何一个的任何子集，或这些子集的任何组合)。设备可以以各种形式中的任何一种来实现。
虽然上面已经描述了具体实施例，但是这些实施例并不意在限制本公开内容的范围，即使当关于特定特征仅描述了单个实施例的时候也是如此。除非另有说明，否则在本公开内容中提供的特征的示例意在是说明性而不是限制性的。以上描述意在覆盖对受益于本公开内容的本领域技术人员显而易见的此类替代、修改和等同物。
本公开的范围包括本文中(明确地或隐含地)公开的任何特征或特征组合，或其任何概括，无论其是否缓解了本文针对的任何或所有问题。因而，可以在本申请(或要求其优先权的申请)的申请期间对任何此类特征组合制定新的权利要求。特别地，参照权利要求，来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征组合并且来自相应独立权利要求的特征可以以任何适当的方式组合，而不仅仅是以权利要求中列举的特定组合。
Claims (14)
1.一种装置，包括：
多个天线；
多个处理元件，所述多个处理元件耦合到所述多个天线并且被配置为对经由所述多个天线接收到的无线通信执行处理；
一个或多个互连，所述一个或多个互连被配置为将所述多个处理元件中的一个或多个与所述多个处理元件中的其它处理元件耦合；
其中所述装置被配置为将由所述多个天线中的复数个天线接收到的信号进行组合；
其中，对于被配置为对经由所述多个天线接收到的无线通信执行处理的所述多个处理元件的至少一个子集，每个处理元件被配置为对组合信号的不同部分并行操作，其中每个部分包括来自所述多个天线中的所述复数个天线的信号；以及
其中所述装置被配置为在以下模式中操作：
使用第一数量的所述多个天线和第一数量的所述多个处理元件来处理接收到的无线通信的第一模式；以及
使用小于天线的第一数量的第二数量的多个天线和小于处理元件的第一数量的第二数量的多个处理元件来处理接收到的无线通信的第二模式；
其中所述装置被配置为基于至少以下来确定用于在第二模式中使用的处理元件的第二数量：
天线的第二数量；
用于经由第二数量的天线通信的单独空间流的数量；
用于所述一个或多个互连的一个或多个阈值吞吐量值；
生成估计的向量的矩阵中每个条目的字节数量；以及
在基于生成的矩阵处理之后的单独空间流的输出速率。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为基于天线的第二数量、单独空间流的数量、输出速率和每个样本的数据量的乘积除以所述一个或多个阈值吞吐量值中的一个来确定处理元件的第二数量。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为使用第一信号估计技术来处理接收到的无线信号的第一符号，以及使用不同的第二信号估计技术来处理接收到的无线信号的紧随后的第二符号。
4.如权利要求3所述的装置，其中第一信号估计技术和第二信号估计技术是从由最小均方误差(MMSE)、迫零(ZF)和最大比合并(MRC)组成的组中选择的不同信号估计技术。
5.一种方法，包括：
从多个可用天线中选择用于在多输入多输出(MIMO)系统的无线通信中使用的多个天线；
组合通过所选择数量的天线接收到的信号；
确定用于处理来自所选择数量的天线的接收到的信号的处理元件的数量，其中对于所确定数量的处理元件的至少一个子集，每个处理元件被配置为对来自所选择数量的天线的组合信号的不同部分并行操作，其中每个部分包括来自所选择数量的天线中的复数个天线的信号；以及
使用所确定数量的处理元件处理传入的无线通信；
其中所述确定所述处理元件的数量基于至少以下来执行：
所选择天线的数量；
用于处理元件之间的互连的一个或多个阈值吞吐量值；
用于经由所选择数量的天线进行通信的单独空间流的数量；
单独空间流的输出速率；以及
每个样本的数据量除以所述一个或多个阈值吞吐量值中的一个阈值吞吐量值。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述确定所述处理元件的数量基于所选择天线的数量的值、单独空间流的数量、输出速率和每个样本的数据量的乘积除以所述一个或多个阈值吞吐量值中的一个。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述确定所述处理元件的数量还基于所选择天线的数量的值、来自所选择数量的天线的信号的采样率和每个样本的数据量的乘积除以所述一个或多个阈值吞吐量值中的一个。
8.如权利要求5所述的方法，还包括：
为多个处理元件中的一个处理元件选择处理模式，
其中所述选择是从其中处理元件中的乘法电路系统被配置为处理单个输入矩阵的第一模式和其中所述乘法电路系统被配置为处理多个输入矩阵的第二模式中执行的。
9.如权利要求8所述的方法，还包括在所述第一模式中将较小矩阵乘法的结果相加以生成单个输入矩阵的乘法结果。
10.如权利要求5所述的方法，还包括：
响应于操作条件的改变而增加用于处理来自所选择数量的天线的接收到的信号的处理元件的数量。
11.如权利要求5所述的方法，还包括：
针对传入无线信号的不同符号使用不同的信号估计技术。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述不同的信号估计技术包括最小均方误差MMSE、迫零ZF或最大比合并MRC中的至少一个。
13.如权利要求11所述的方法，还包括：
当使用MRC信号估计技术来估计传入无线信号中的信号时，旁路用于一个或多个其它信号估计技术的正交化电路系统。
14.如权利要求11所述的方法，还包括：
当使用ZF信号估计技术来估计传入无线信号中的信号时，声明预定的缩放因子。
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