CN1210887C - 更多信道容量和更少反馈信息的无线电通信装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种具有最大的信道容量的无线电通信装置。该装置包括：一个发射机，用于利用从反馈信号恢复的反馈信息来分配每个发射天线的每个基带信号的发射功率，用分配的发射功率调制基带信号，并把基带信号转换成RF信号然后发送RF信号；一个接收机，用于估算在所接收的RF信号被发送的期间的信道响应，用于利用估算的信道响应从RF信号中恢复信息信号，并且用无线电把和发射功率有关的信息作为反馈信号发送到发射机上，发射功率根据估算的信道响应计算并将被分配。在此信道容量最大化的无线电通信装置中，只有与将被分配给第一发射天线的发射功率的数量有关的消息被反馈。因此，虽然在反馈信号中信息的数量被减到最少但是信道容量仍可以被最大化。此外，不需要去耦转换，减少硬件的制造尺寸和成本。

Description

更多信道容量和更少反馈信息的 无线电通信装置及其方法

技术领域

本发明涉及利用多个接收/发射天线的无线电通信技术，更详细地说是涉及一种无线电通信装置和方法，用于分配发射功率以便使信道容量最大化。

背景技术

发射机和接收机之间的信道响应信息应该为发射机和接收机所知，以便检测在无线电通信中的最优化的信道容量。然而，通常是接收机知道信道响应信息，而发射机不能知道信道响应信息。因此，信道响应信息必须要从接收机被反馈到发射机。这里，在利用多个天线的无线电通信中所指的″信道响应信息″是指关于每一个发射天线和每一个接收天线之间的信道响应的信息。该信道响应信息随着发送/接收天线的数目的增加而按比例增加。因此，一种利用多个天线的无线电通信装置的信道容量是随着所用的天线数目的增加而增加的。然而，在这种情况下，要被反馈到发射机的信息的量也随着天线的数目的增加而按比例增加。

通常，在一种无线电通信装置中分配发射功率是按照一种平均功率分配方法和一种水填充(water-filling)功率分配方法来实现的。

在该平均功率分配方法中，当信道响应信息没有从接收机反馈到发射机时，发射功率被平均分配给发射天线的基带信号。利用这种方法，传统的无线电通信装置的信道容量Ceq参照G.J.Foschini和J.Gans在[″On Limits ofWireless Communication in a Fading Environment When Using MultipleAntennae″(“当使用多个天线时衰落环境中无线通信的限制”)，无线电个人委员会，pp.311-335，1998年3月]中介绍的技术，可以通过下列公式进行计算：

$C_{\mathrm{eq}}={\log }_2\det [{I^{\′}}_{{n^{\′}}_R}+\frac{{P^{\′}}_T}{{n^{\′}}_T{{\mathrm{\σ}}^{\′2}}_N}{H}^{\′}{H}^{\′h}]$

                                        ...(1)

其中I′表示一个识别矩阵，n′_T表示发射天线的数目，n′_R表示接收天线的数目，P′T表示可由发射天线利用的功率的总量，H′表示一个信道响应矩阵，大小为n′_Rxn′_T，σ′2_N表示所接收到的高斯噪声的色散(dispersion)，det表示一个行列式(determinant)，H′h表示H′的共轭转置矩阵。

该平均功率分配方法的优越性在于：信道响应信息不必从接收机反馈给发射机，但是该平均功率分配方法使得信道容量比信道响应信息被从接收机反馈给发射机的无线电通信方法中的信道容量小。

同时，在所有的信道响应信息通过一个接收机被估算，然后从该接收机反馈到一个发射机的情况下，在水填充功率分配方法中，该发射机利用信道容量最大化的极限总功率来为基带信号分配发射功率。在此方法中，通过用于完全删除信号之间的干扰的去耦转换，具有多端输入和多端输出的传统的无线电通信装置变成了一种具有几个并行的单输入和单输出的无线电通信装置，参考D.Shiu，G.Foschini，J.Gans和J.Kahn在″Fading Correlation and ItsEffect on the Capacity of Multi-Element Antenna Systems″(“相关衰落及其对于多部件天线系统的容量的影响”)(IEEE Trans.Communications，vol.48，pp.502-513，2000年三月)中介绍的文章。在该去耦转换中，利用下列公式，发射机中的一个V矩阵和接收机中的一个Uh矩阵通过单值分解被用于使该信道响应矩阵H′变成对角线形：

UDV^h H′＝UDVh                              ...(2)

一种用于使信道容量最大化的水-填充功率分配方法在一本名为《信息元理论(Elements of Information Theory)》的书中被公开，作者是Thomas Cover和Joy Thomas(Wiely出版，New York，1991年)。按照这种方法，传统的无线电通信装置的信道容量Cwat通过下列公式来计算：

$C_{\mathrm{wat}}=\underset{k=1}{\overset{n^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{{P^{\′}}_k{{\mathrm{\λ}}^{\′}}_k}{{{\mathrm{\σ}}^{\′2}}_N})\·\·\·\left(3\right)$

其中，n′是min(n′_T，n′_R)，p′_k表示每个子信道的功率分配值，λ′_k表示H′hH′的k^th特征值。

在该水-填充功率分配方法中，信道容量C_wat最大化的每个子信道的功率分配值P′k用如下的一个拉格朗日乘子来测量：

...(4)

其中，λ′O表示从极限总功率P′_T中得到的一个常数。

当采用了该水-填充功率分配方法时，n′_Rn′_T个复数即2n′_Rn′_T个实数必须从传统的无线电通信装置中的接收机反馈到发射机上。  因此，用该水-填充功率分配方法，传统的无线电通信装置中的信道容量可以被最大化，但是大量信息必须从接收机反馈给发射机。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个的目的是：提供一种无线电通信装置，该设备不仅使信道容量最大化而且减少从接收机反馈给发射机的信息量。本发明的第二个目的是：提供一种无线电通信方法，该方法由这样一种信道容量最大化的无线电通信装置执行。

为了实现第一个目的，提供了一种信道容量最大化的无线电通信装置，包括：一个发射机，用于利用从反馈信号中恢复的反馈信息，分配每个包含从外面输入的信息信号的基带信号的发射功率，以及调制该被分配了发射功率的基带信号，并把该基带信号转换成RF信号并发送该RF信号；一个接收机，用于估算在发送所收到的RF信号期间的信道响应，利用该估算的信道响应从该RF信号中恢复信息信号，并把与发射功率有关的信息作为反馈信号通过无线电信道发送给发射机，其中发射功率是根据该估算的信道响应来计算并将被分配的，其中，所述发射机包括：第一接收天线，用于接收从接收机发送来的反馈信号；一个反馈信息恢复单元，用于从由所述第一接收天线输出的反馈信号中恢复所述反馈信息，并用于输出所述恢复了的反馈信息；第一基带处理器，用于为每个发射天线的每个基带信号分配发射功率，并通过一种预定的调制方法用所述分配的发射功率来调制所述基带信号；一个RF处理器，用于把由所述第一基带处理器调制的基带信号转换成RF信号，并输出所述RF信号；以及第一发射天线，用于把从所述RF处理器输出的RF信号发送到接收机，所述接收机包括：第二接收天线，用于接收从第一发射天线发送的RF信号；第二基带处理器，用于把由第二接收天线接收到的RF信号转换成基带信号，并对该转换后的基带信号进行处理；一个信道估算器，用于从关于导频符号的信号中估算信道响应，并输出所述估算的信道响应，所述导频符号在由第二基带处理器处理的信号当中选择；一个信息恢复单元，用于利用所述估算的信道响应从由第二基带处理器处理的所述信号中恢复信息信号；一个分配功率计算器，用于利用所述估算的信道响应来计算分配给第一发射天线的每个基带信号的发射功率；一个信息反馈单元，用于调制由分配功率计算器计算的发射功率，把所述调制后的发射功率转换成RF信号，并输出该RF信号；以及第二发射天线，用于把从信息反馈单元输出的RF信号作为反馈信号发送到第一接收天线。

为了实现第二个目的，提供了一种由这样一种信道容量最大化的无线电通信装置所执行的无线电通信方法，包括：(a)利用从反馈信号中恢复的反馈信息，分配第一发射天线的每一个包含从外面输入的信息信号的基带信号的发射功率，用所述分配的发射功率调制所述基带信号，把所述调制后的基带信号转换成RF信号然后发送所述RF信号；以及(b)估算RF信号被发送的期间的信道响应，利用所述估算的信道响应从所述RF信号中恢复信息信号，并用无线电把所述包含与将被分配的发射功率有关的信息的反馈信号发送到发射机，这些发射功率利用所述估算的信道响应来计算，其中，步骤(a)包括：(a1)确定信息信号是否是一个导频符号；(a2)如果所述信息信号被确定不是导频符号，则检查反馈信息的存在与否；(a3)如果确定所述反馈信息存在，则从所述接收到的反馈信号中恢复所述反馈信号；(a4)利用所述恢复的反馈信息分配基带信号的发射功率；(a5)用一种预定的调制方法调制所述带有分配的发射功率的基带信号；以及(a6)把所述调制后的基带信号转换成RF信号，并把所述RF信号发送到接收机。

附图说明

通过参照附图详细描述其中的一个优选实施例，本发明的上述目的和优点将变得更加明显，其中：

图1是根据本发明的信道容量最大化的一种无线电通信装置的方框图；

图2是阐明由图1中的无线电通信装置所执行的一种无线电通信方法的流程图；

图3是根据本发明的、解释图2的步骤90的第一实施例的流程图，以及

图4是根据本发明的、解释图2的步骤92的第二实施例的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图描述根据本发明的信道容量最大化的无线电通信装置的结构和操作。

图1是一个根据本发明的信道容量最大化的无线电通信装置的方框图，该设备包括一发射机10和一个接收机20。这里，标号′30′表示一个信道。

发射机10从由接收机20通过无线电发送来的反馈信号中恢复反馈信息；利用该恢复的反馈信号，为包含通过输入终端IN从外面输入的信息信号的基带信号分配发射功率；调制被分配了发射功率的基带信号，把该调制过的基带信号转变成射频(RF)信号，并通过信道30把该RF信号发送给接收机20。

为了这些操作，发射机10包括：第一接收天线40，一个反馈信息恢复单元42，一个第一基带处理器44，一个RF处理器46，和第一发射天线48。

第一接收天线40用无线电接收通过信道30从接收机20发送过来的反馈信号，并把该接收到的反馈信号输出给反馈信息恢复单元42。然后，反馈信息恢复单元42从所接收到的从第一接收天线40输出的反馈信号中恢复反馈信息，并向第一基带处理器44输出该恢复的反馈信息。

第一基带处理器44确定一种对从输入终端IN输入的信息信号进行调制的方法，处理该基带信号，然后利用从反馈信息恢复单元42输入的反馈信息为每个基带信号分配发射功率。例如，第一基带处理器44对基带信号进行处理，诸如脉冲整形或者基带滤波等。当发射功率被分配给每个基带信号时，将确定对每个基带信号进行调制的电平。而且，第一基带处理器44根据所确定的调制方法调制该分配了发射功率的基带信号，并向RF处理器46输出该被调制的基带信号。

然后，RF处理器46把由第一基带处理器44调制的基带信号转变成RF信号，并向第一发射天线48输出该RF信号。第一发射天线48把从RF处理器46输出的RF信号通过信道30用无线电发送给接收机20。

然后，接收机20估算所接收的RF信号用无线电通过信道30发送的信道响应，且利用该估算的信道响应从该RF信号中恢复信息信号，并用无线电通过信道30把与将被分配的发射功率有关的信息作为一个反馈信号发送给发射机10，其中该发射功率利用该估算的信道响应计算。

为了这些操作，接收机20包括：第二接收天线60、第二基带处理器62、信道估算器64、信息恢复单元66、分配功率计算器68、信息反馈单元70以及第二发射天线72。

第二接收天线60接收从第一发射天线48发送来的RF信号，并把该接收到的RF信号输出到第二基带处理器62。然后，第二基带处理器62把从第二接收天线60输出的RF信号转换成基带信号，在该转换了的基带信号上执行信号处理，诸如基带滤波，并把该处理后的信号输出到信道估算器64和信息恢复单元66。

接下来，信道估算器64从导频符号的结果中估算出信道响应，在开始通信之前导频符号就已经被发射机10和接收机20知道并且在由第二基带处理器62处理的结果信号中选择，该信道估算器并且输出该估算的信道响应到信息恢复单元66和分配功率计算器68。然后，信息恢复单元66利用由信道估算器64估算的信道响应，从由第二基带处理器62信号处理后的结果中恢复一个信息信号，并通过一个输出端OUT输出该被恢复的信息信号。为了信息信号的恢复，信息恢复单元66可能还包括与第一发射天线48同样数量的均衡器(未示出)。

此外，分配功率计算器68利用由信道估算器64估算的信道响应来计算发射功率，该发射功率将被分配给第一发射天线48的每个基带信号，因此信道容量可以被最大化。然后，分配功率计算器68对计算后的发射功率量化，并把量化后的功率输出到信息反馈单元70上。

根据本发明，分配功率计算器68计算用于使信道容量C最大化的功率P1，P2，...Pn_T，，以作为将被分配给基带信号的发射功率，如下：

...(5)

其中，I表示一个单位矩阵，n_R表示第二接收天线60的数目，n_T表示第一发射天线48的数目，σN2表示所接收到的高斯噪声的色散，H表示关于所估算的信道响应的一个大小为n_R×n_T的矩阵，Hh表示H的共轭转置矩阵，PT表示第一发射天线48的有效功率的总量，P表示一个对角线矩阵，指明分配给每一个第一发射天线48的发射功率。

注意到，如果公式5在该将被分配给第一发射天线48的发射功率P1，P2，...Pnr处被展开的话，在该对数函数中将会获得一个阶数n＝min(nT，nR)的多项式。

而且，根据本发明，分配功率计算器68计算如公式5所示的下列行列式：

$\det [I_{n_R}+\frac{1}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}{\mathrm{HPH}}^h]$

$=\det [I_{n_R}+\frac{1}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{i}H{\left(i\right)H}^h\left(i\right)]$

$=\{1+\underset{i_1=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{i_1}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\det [H{\left(i_1\right)}^{h}H\left(i_1\right)]$

$+\underset{i_1=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_2>i_1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Σ}\frac{p_{i_1}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\frac{p_{i_2}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\det \left[H^h(i_1,i_2)H(i_1,i_2)\right]$

$+\underset{i_1=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_2>i_1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_3>i_2}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{i_1}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\frac{p_{i_2}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\frac{p_{i_2}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\det \left[H^h(i_1,i_2,i_3)H(i_1,i_2,i_3)\right]+\·\·\·$

$+\underset{i_1=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_1>i_2}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}...\underset{i_{n_T-2}>i_{n_T-2}}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{i_1}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\frac{p_{i_2}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}...\frac{p_{n_T-1}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\det \left[H^h(i_1,i_2,...,i_{n_T-1})H(i_1,i_2,...,i_{n_T-1})\right]$

$+\underset{i_1=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_2>i_2}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}...\underset{i_{n_T-1>}{i}_{n_T-2}}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_{n_T>}{i}_{n_T-1}}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{i_1}}{{{\mathrm{\σ}}_N}^2}\frac{p_{i_2}}{{{\mathrm{\σ}}_N}^2}...\frac{p_{n_T-1}}{{{\mathrm{\σ}}_N}^2}\frac{p_{n_T}}{{{\mathrm{\σ}}_N}^2}\det \left[H^h(i_1,i_2,...,i_n)H(i_1,i_2,...,i_{n_T})\right]\}\·\·\·\left(6\right)$

其中，H(i.j，...)表示由i，j，...组成的H的一个子矩阵，并且不管n_R和n_T之间是否有差值都能得到公式6。这里，利用一种数值计算法，诸如最速下降方法、牛顿法和共轭梯度法(见由David Kincaid和Ward Chency编写的《数值分析》，由Pacific Grove，California出版，1991)来计算将被分配给第一发射天线48的发射功率P1，P2，...Pnr是可能的，这些发射功率使公式6的行列式最大化。

同时，信息反馈单元70调制由分配功率计算器68计算的值，把该调制了的值转换成RF信号，并把该RF信号输出到第二发射天线72。然后，第二发射天线72把从信息反馈单元70输出的RF信号作为反馈信号(包含了关系到将被分配的发射功率的信息)用无线电通过信道30发送到第一接收天线40。为了这些操作，信息反馈单元70执行与第一基带处理器44和RF处理器46相同的功能。换句话说，作为与第一基带处理器44相同的功能，信息反馈单元70把由分配功率计算器68计算的值算作为基带信号，并对该值进行处理与调制。并且，作为与RF处理器46相同的功能，信息反馈单元70把该调制过的值转换成RF信号，并把该RF信号输出到第二发射天线72。

如果接收机20把与将被分配的发射功率有关的信息反馈到第一发射天线48的每一个上并且功率PT的总量有限，那么反馈信号由n_T-1个实数组成。就是说，n_T-1个实数被作为反馈信号从接收机20反馈到发射机10。

在下文中，由图1中的无线电通信单元执行的根据本发明的无线电通信方法将参照附图被描述。

图2是一个流程图，解释一种由图1中的无线电通信单元执行的无线电通信方法。在此方法中，基带信号用利用反馈信息所分配的发射功率被调制并被发送(步骤90)。然后，利用从所接收到的RF信号中估算的信道响应来恢复信息信号，同时得到和该分配的发射功率有关的信息(步骤92)。

具体的说，在步骤90中，图1中的发射机10利用从反馈信号中恢复的反馈信息来分配包含从外面输入的信息信号的每个基带信号的发射功率，并用该分配的发射功率调制该基带信号，然后把该基带信号转换成RF信号并把该RF信号发送到接收机20。

图3是一个流程图，解释根据本发明的、图2中的步骤90的一个优选实施例。在此实施例中，施加到基带信号上的发射功率根据信息信号的类型及反馈信息是否存在而被平均或者不平均分配(步骤100至106)。然后，用分配的发射功率所调制的基带信号被转变成RF信号并被发送(步骤108和110。

具体的说，根据图3中阐明的图2中步骤90的本发明的最佳实施例，图1的发射机10将确定通过输入终端IN输入的信息信号是否是导频符号(步骤100)。如果该信息信号被确定不是导频符号，那么发射机10将检查反馈信息是否存在(步骤102)。执行步骤102，发射机10检查反馈信号是否是从接收机20发送的。如果反馈信息存在，发射机10将从该接收到的反馈信号中恢复反馈信息(步骤104)。

相反地，如果该信息信号被确定是导频符号或者该反馈信息不存在或者步骤104被执行了之后，发射机10将为基带信号分配发射功率(步骤106。例如，执行了步骤104之后，发射机10利用该反馈信息非均等地分配基带信号的发射功率，并且如果该信息信号被确定是导频符号或者该反馈信息并不存在，那么发射机10相应于导频符号可以均等地分配基带信号的发射功率。然而，根据本发明在图2的步骤90的另一实施例，如果检查了一次步骤1 02之后确定该反馈信息不存在，那么该反馈信息的存在性将可能被再一次检查，而不是转到步骤104或者106。事实上，该反馈信息的存在性可以在步骤102中被连续地检查，而不象图3中所示的那样。

执行了步骤106之后，发射机10用该分配的发射功率用一种预定的调制方法来调制该基带信号(步骤108)。上述的步骤100至106由图1中的第一基带处理器44执行。

执行了步骤108之后，RF处理器46把已经由第一基带处理器44调制过的基带信号转换成RF信号，并且把该RF信号发送到接收机20(步骤110)。

同时，执行了步骤90之后，接收机20接收发射机10用无线电通过信道30发送的RF信号，估算在该RF信号发送期间的信道响应，利用该估算的信道响应从该RF信号中恢复信息信号，并用无线电把包含与将被分配的发射功率有关的信息的反馈信号发送到发射机10，该发射功率利用该估算的信道响应来计算。

图4是一个流程图，解释由图1中的接收机20执行的图2中步骤92的本发明的一个优选实施例。在此实施例中，根据通过把接收的RF信号转换成基带信号并通过处理该转换结果而得到的值是否是导频符号，来确定恢复信息信号或者获得一个反馈信号(步骤120至132)。

具体的说，第二接收天线60接收在步骤90中发送的RF信号(步骤120)。步骤120之后，图1的第二基带处理器62把接收到的RF信号转换成基带信号，并对转换后的基带信号进行信号处理(步骤122)。步骤122之后，第二基带处理器62确定信号处理结果是否是用于导频符号(步骤124)。

如果确定该信号处理结果是用于导频符号的，那么第二基带处理器62把该用于导频符号的信号处理结果输出到信道估算器64，信道估算器64从该用于导频符号的信号处理结果中估算信道响应(步骤126)。步骤126之后，分配功率计算器68利用由信道估算器64估算的信道向应计算将被分配给从第一发射天线48输出的基带信号的发射功率(步骤128)。步骤128之后，信息反馈单元70调制由分配功率计算器68计算的值，把该调制的值转换成RF信号，并用无线电通过第二发射天线72把该RF信号作为反馈信号发送到发射机10(步骤130)。

然而，如果步骤124中的信号处理结果被确定不是用于导频符号的，那么信息恢复单元66将利用估算的信道响应从第二基带处理器62输出的处理结果中恢复信息信号，并通过一个输出端OUT输出该恢复的信息信号(步骤132)。

结果，在根据本发明的无线电通信装置和方法中，更多的发射功率被分配给第一发射天线48中处于良好状态的其中一个。因此，比起传统的等值功率分配方法，用本方法可以获得更多的信道容量。

并且，用根据本发明的无线电通信装置和方法，与传统的水填充功率分配方法相比，当减少反馈信息的数量时还有可能获得几乎相仿数量的信道容量。  例如，在传统的水填充功率分配方法中，信道响应矩阵H′的所有元素都必须从接收机反馈给发射机，并且如果信道响应矩阵H′的元素都是复数，那么因此被反馈的信息的数量将是(2n′_Rn′_T)Nq(这里，Nq表示位(bit)数，位数在对实数进行量化时是必需的)。这里，如果被反馈的是V和P而不是H′，那么被反馈的信息的数量是(n′_T2+n′_T-1)Nq。也就是说，总共有n′_T2个复数必须被反馈，因为去耦矩阵V是一个n′_Rxn′_T的酉矩阵，并且n′_T-1个复数必须被反馈，因为在总共n′_T个信道中的自由度由于极限功率而减少了1。然而，在根据本发明的无线电通信装置和方法中，只有那些表示将被分配给第一发射天线48的发射功率的数量的信息被反馈，并且因此从接收机20反馈到发射机10的信息的数量是(n′_T-1)Nq。因此，在本发明的无线电通信装置和方法中，被反馈的信息的数量与在传统的水填充功率分配方法中被反馈的信息的数量比起来还可以被减少的更多。

虽然本发明已经参照一个最佳的实施例详细地示出并被描述，但是应理解，对于那些本领域的技术人员可以在形式上和细节上作各种各样的变化，而不脱离本发明的精神和范围(如附加的权利要求中所定义的)。

如上所述，在根据本发明的信道容量最大化的无线电通信装置和方法中，只有关于将被分配给第一发射天线的发射功率的数量的信息被反馈，而不同于在传统的无线电通信装置和方法中从接收机反馈到发射机的是信道响应信息。结果，根据本发明，虽然在一个反馈信号中信息的数量被减到最少但是信道容量仍可以被最大化。此外，不需要去耦转换，因此减少了硬件的制造尺寸和成本。

Claims (8)

1.一种具有最大信道容量的无线电通信装置，该无线电通信装置包括：

一个发射机，用于利用从反馈信号恢复的反馈信息来分配每个发射天线的每个包含从外面输入的信息信号的基带信号的发射功率，并用所述分配的发射功率调制所述基带信号，并把所述基带信号转换成RF信号然后发送所述RF信号；以及

一个接收机，用于估算在所接收的RF信号被发送的期间的信道响应，用于利用所述估算的信道响应从所述RF信号中恢复信息信号，并且用无线电把和每个发射天线的发射功率有关的信息作为反馈信号发送到所述发射机，这些发射功率根据所述估算的信道响应来计算并将被分配，

其中，所述发射机包括：

第一接收天线，用于接收从接收机发送来的反馈信号；

一个反馈信息恢复单元，用于从由所述第一接收天线输出的反馈信号中恢复所述反馈信息，并用于输出所述恢复了的反馈信息；

第一基带处理器，用于为每个发射天线的每个基带信号分配发射功率，并通过一种预定的调制方法用所述分配的发射功率来调制所述基带信号；

一个RF处理器，用于把由所述第一基带处理器调制的基带信号转换成RF信号，并输出所述RF信号；以及

第一发射天线，用于把从所述RF处理器输出的RF信号发送到接收机，

所述接收机包括：

第二接收天线，用于接收从第一发射天线发送的RF信号；

第二基带处理器，用于把由第二接收天线接收到的RF信号转换成基带信号，并对该转换后的基带信号进行处理；

一个信道估算器，用于从关于导频符号的信号中估算信道响应，并输出所述估算的信道响应，所述导频符号在由第二基带处理器处理的信号当中选择；

一个信息恢复单元，用于利用所述估算的信道响应从由第二基带处理器处理的所述信号中恢复信息信号；

一个分配功率计算器，用于利用所述估算的信道响应来计算分配给第一发射天线的每个基带信号的发射功率；

一个信息反馈单元，用于调制由分配功率计算器计算的发射功率，把所述调制后的发射功率转换成RF信号，并输出该RF信号；以及

第二发射天线，用于把从信息反馈单元输出的RF信号作为反馈信号发送到第一接收天线。

2.如权利要求1所述的无线电通信装置，其中所述分配功率计算器利用下列公式求出作为被分配给第一发射天线的基带信号的发射功率的功率p1，p2，...，pn，这些功率使信道容量Cprop达到最大：

$C_{\mathrm{prop}}={\log }_2\det [I_{n_R}+\frac{1}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}{\mathrm{HPH}}^h],\underset{k=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}{p}_k\≤p_T,P:$ 对角线{p₁，p₂，...，p_n1}

其中，det表示一个行列式，I表示一个单位矩阵，n_R表明第二接收天线的数目，n_T表示第一发射天线的数目，σ_N ²表示所接收到的高斯噪声的色散，H表示一个和所估算的信道响应有关的大小为n_R×n_T的矩阵，H^h表示H的共轭转置矩阵，P_T表示第一发射天线中可用功率的总量，P表示一个对角线矩阵。

3.如权利要求2所述的无线电通信装置，其中所述分配功率计算器通过下列公式来计算行列式det：

$\det [I_{n_R}+\frac{1}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}{\mathrm{HPH}}^h]$

$=\det [I_{n_R}+\frac{1}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{H\left(i\right)H}^h\left(i\right)]$

$=\{1+\underset{i_1=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{i_1}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\det [{H\left(i_1\right)}^{h}H\left(i_1\right)]$

$+\underset{i_1=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_2>i_1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{i_1}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\frac{p_{i_2}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\det \left[H^h(i_1,i_2)H(i_1,i_2)\right]$

$+\underset{i_1=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_2>i_1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_3>i_2}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{i_1}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\frac{p_{i_2}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\frac{p_{i_3}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\det \left[H^h(i_1,i_2,i_3)H(i_1,i_2,i_3)\right]+...$

$+\underset{i_1=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_1>i_2}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}...\underset{i_{n_T-2}>i_{n_T-2}}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{i_1}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\frac{p_{i_2}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}...\frac{p_{n_T-1}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_N}\det \left[H^h(i_1,i_2,...,i_{n_T-1})H(i_1,i_2,...,i_{n_T-1})\right]$

$+\underset{i_2=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_2>i_2}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}...\underset{i_{n_T-1}>i_{n_T-2}}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_{n_T}>i_{n_T-1}}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{i_1}}{{{\mathrm{\σ}}_N}^2}\frac{p_{i_2}}{{{\mathrm{\σ}}_N}^2}...\frac{p_{n_T-1}}{{{\mathrm{\σ}}_N}^2}\frac{p_{n_T}}{{{\mathrm{\σ}}_N}^2}\det \left[H^h(i_1,i_2,...,i_n)H(i_1,i_2,...,i_{n_T})\right]\}$

4.一种无线电通信方法，由权利要求1所述的无线电通信装置执行，所述无线电通信方法包括：

(a)利用从反馈信号中恢复的反馈信息，分配第一发射天线的每一个包含从外面输入的信息信号的基带信号的发射功率，用所述分配的发射功率调制所述基带信号，把所述调制后的基带信号转换成RF信号然后发送所述RF信号；以及

(b)估算RF信号被发送的期间的信道响应，利用所述估算的信道响应从所述RF信号中恢复信息信号，并用无线电把所述包含与将被分配的发射功率有关的信息的反馈信号发送到发射机，这些发射功率利用所述估算的信道响应来计算，

其中，步骤(a)包括：

(a1)确定信息信号是否是一个导频符号；

(a2)如果所述信息信号被确定不是导频符号，则检查反馈信息的存在与否；

(a3)如果确定所述反馈信息存在，则从所述接收到的反馈信号中恢复所述反馈信号；

(a4)利用所述恢复的反馈信息分配基带信号的发射功率；

(a5)用一种预定的调制方法调制所述带有分配的发射功率的基带信号；以及

(a6)把所述调制后的基带信号转换成RF信号，并把所述RF信号发送到接收机。

5.如权利要求4所述的无线电通信方法，其中步骤(a)还包括步骤(a7)：如果该信息信号是导频符号，那么相应于所述导频符号为所述基带信号分配均等的发射功率，转换所述基带信号，并返回到步骤(a5)。

6.如权利要求5所述的无线电通信方法，其中在步骤(a2)期间，反复检查所述反馈信息是否存在。

7.如权利要求5所述的无线电通信方法，其中步骤(a)还进一步包括步骤(a8)：如果在步骤(a2)中确定了该反馈信息不存在，则平均分配基带信号的发射功率，并返回到步骤(a5)。

8.如权利要求4所述的无线电通信方法，其中步骤(b)包括：

(b1)接收在步骤(a)中发送的RF信号；

(b2)把在步骤(b1)中接收的RF信号转换成基带信号并处理所述基带信号；

(b3)判定在步骤(b2)中处理的基带信号是否是用于所述导频符号；

(b4)如果在步骤(b2)中处理的所述基带信号是用于导频符号的，那么就估算来自那些用于导频符号的处理后的基带信号的信道响应；

(b5)利用所述估算的信道响应计算将被分配给所述基带信号的发射功率；

(b6)调制所计算的发射功率，把所述调制的发射功率转换成RF信号，并把所述RF信号作为反馈信号发送给发射机；以及

(b7)如果确定在步骤(b2)中处理的基带信号不是用于导频符号的，那么利用所估算的信道响应来恢复步骤(b2)中处理的基带信号的信息信号。

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