CN1638306A - 无线通信系统、无线通信装置和方法及其计算机程序 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信系统、无线通信装置和方法及其计算机程序，实现了一种具有抗信道特征变化的SVD－MIMO传输，它省去从接收器到发射器的反馈。接收器在每100个OFDM符号上将当前的信道矩阵更新为新的信道矩阵(H_new)，并通过将当前的解码权重矩阵更新为通过信道矩阵(H_new)的奇值分解获得的新的解码权重矩阵(U_new)执行接收处理。在另一方面，发射器继续使用原始的发射权重矩阵V。对角矩阵(D)变为非对角矩阵，因为在信道特征方面产生了变化，其中除了对角元素之外的元素取除了零之外的值。这显示在这时产生了串绕。接收器采集串绕增益并消除接收信号的串绕信号，结果由此实现了没有串绕的信号传输。

Description

无线通信系统、无线通信装置 和方法及其计算机程序

技术领域

本发明涉及一种多个站通过无线LAN(局域网)交互地执行无线通信的无线通信系统，更具体地说，涉及例如在家中实施宽带无线传输的无线通信系统、无线通信装置和无线通信方法及其计算机程序。

更详细地说，本发明涉及包括成对的具有多个天线的发射器和具有多个天线的接收器的无线通信系统，这种无线通信系统通过使用空分多路复用进行通信(MIMO通信)扩展传输容量，更具体地说，涉及使用具有作为它的元素的每个对应于发射器和接收器的天线对的信道的信道信息矩阵的奇值分解(SVD)执行MIMO传输的无线通信系统、无线通信装置和无线通信方法及其计算机程序。

背景技术

包括LAN的计算机网络有效地实施信息资源和设备资源的共享。如今，无线LAN系统作为使用户从通过传统的有线系统布线的LAN中解放出来的系统引起了广泛的注意。无线LAN使得能够消除在工作间比如办公室中的大部分的布线并比较容易地移动通信终端比如个人计算机。

近年来，随着无线LAN系统的高速发展和低廉的成本，对这种系统的需求显著地增加。尤其是个人域网络(PAN)正在进行投入实践的研究，这种网络在人周围的多个电子装置之间构造小规模的无线网络以执行信息通信。PAN规定使用例如2.4GHz频段、5GHz频段等的频段的不同的无线通信系统和无线通信装置，而这些频段不需要监管机构许可。

IEEE(电气与电子工程师协会)802.11(参见非专利文献1)可以作为关于无线网络的标准的实例引用。根据通信系统和所使用的频段的不同将标准IEEE 802.11分为标准IEEE 802.11a、标准IEEE802.11b等。

标准IEEE 802.11a支持实施通信速度54bps的调制系统。然而，作为通信速度，要求实现高得多的位速率的无线标准。作为满足这种需求的技术，MIMO(多输入多输出)通信最近引起人们的广泛注意。MIMO通信系统提供具有多天线的发射器和接收器以实现空分多路复用传输信道，即在逻辑上独立的多个传输信道(在下文中称为MIMO信道)；因此该系统实现了扩展传输容量并提高通信速度。MIMO通信系统利用空分多路复用技术，因此具有更高的频率利用效率。

附图5原理性地示出了MIMO通信系统。如附图所示，发射器和接收器具有多个天线。发射器将空间/时间码应用到多个传输数据中以多路复用传输信号，将具有经多路复用的数据的传输信号发布到M个天线，并将它们发射给多个MIMO信道。接收器通过MIMO信道经N个天线接收经多路复用的传输信号，执行所接收的传输信号的空间/时间解码并获取接收数据。因此，MIMO通信不同于简单的传输&接收自适应阵列。在这种情况下的信道模型由包围发射器的无线电波环境(传递函数)、信道空间结构(传递函数)和包围接收器的无线电波(传递函数)构成。对从天线发射的信号进行多路复用包含串绕。然而，在接收器侧通过信号处理可以正确地抽取经多路复用的信号而没有串绕。

一句话，MIMO通信系统发射以将传输数据发布给发射器的多个天线，通过信号处理从通过接收器的多个天线接收的信号中获取接收数据，它是一种利用信道特征的通信系统。有多种不同的方法来弥补MIMO传输，作为一种公知的实际的形式是SVD-MIMO系统，这种系统利用传输信道函数的SVD(奇值分解)(参见非专利文献2)。

附图6原理性地示出了SVD-MIMO传输系统。SVD-MIMO传输系统执行具有作为元素的对应于天线对的信道信息的数字矩阵(即信道信息矩阵H)的奇值分解以计算UVD^H，并给发射器提供具有作为天线加权系数矩阵的V和给接收器提供具有作为天线加权系数矩阵的U^H。因此，每个MIMO信道可以表示为具有作为对角元素的每个特征值λ_i的平方根的对角矩阵D，由此发射以对信号多路复用而没有任何串绕。

然而，不容易实时地执行奇值分解的算术计算，并且必须注意需要事先将所导出的V或U^H通知另一方的初始处理。

SVD-MIMO传输系统在理论上实现了最大的通信容量；例如，如果发射器和接收器两者都具有两个天线，则该系统最大获取两倍的传输容量。

现在，详细地描述SVD-MIMO传输系统的原理。如果发射器具有M个天线，传输信号x可以表示为矢量M×1。并且如果接收器具有N个天线，接收信号y可以表示为矢量N×1。在这种情况下，信道特征表示M×N的数字矩阵H。信道信息矩阵H的元素h_ij表示从第j个传输天线到第i个传输天线的传递函数。此外，接收信号矢量y可以如下式(1)作为传输信号矢量和信道信息矩阵相乘的形式表示，并且进一步增加噪声矢量n。

y＝Hx+n    (1)

如果执行信道信息矩阵H的奇值分解，则得到下面的公式(2)。

H＝UDV^H    (2)

在此，在发射器侧上的天线加权系数矩阵V和在接收器侧上的天线加权系数矩阵U都是符合下式(3)和(4)的单元矩阵。

U^HU＝I    (3)

V^HV＝I    (4)

即，在接收器侧上的天线加权系数矩阵U^H是其中排列具有归一化的HH^H的特征矢量的矩阵，而在发射器侧上的天线加权系数矩阵V是其中排列具有归一化的H^HH的特征矢量的矩阵。D是对角矩阵，具有HH^H或H^HH的特征值的平方根作为对角元素。D的幅值等于传输天线的数量M和接收天线的数量N中的更小的一个。D是具有min(M，N)的幅值的平方根矩阵和对角矩阵。

上文的描述涉及在实数中的奇值分解。然而，在对虚数进行奇值分解时，有几点需要注意。U和V都是由特征矢量构成的矩阵。但如果执行使特征矢量的范数为1(即归一化)的操作时，这些矩阵将不是单元矩阵，存在具有不同的相位的无数的特征矢量。根据U和V的相位关系的不同不能满足上述的公式(2)有几种情况。即，U和V分别正确，但它们的相位任意转动。为了使相位完全一致，根据一般规则将V计算为H^HH的特征矢量，通过将公式(2)的两边乘以V来计算U，如下式。

HV＝UDV^HV＝UDI＝UD    (6)

U＝HVD^-1

如果发射器以天线加权系数矩阵V进行加权，接收器以天线加权系数矩阵U^H进行加权，由于U和V是单元矩阵(U＝N×min(M，N)，V＝M×min(M，N))，因此接收信号矢量y由下式给出。

y＝U^HHVx+U^Hn

 ＝U^H(UDV^H)Vx+U^Hn

 ＝(U^HU)D(V^HV)x+U^Hn    (7)

 ＝IDIx+U^Hn

y＝Dx+U^Hn

在此接收信号y和发射信号x都不是由发射天线和接收天线的数量确定的矢量，而是矢量(min(M，N))。

由于D是对角矩阵，因此发射信号每个都被接收而无串绕。由于独立的MIMO信道的幅值每个都与特征值λ的平方根成比例，因此MIMO信道的功率的幅值每个都与λ成比例。

关于噪声矢量n，由于U的列是具有归一化为1的范数的特征矢量，U^Hn不改变它的噪声功率。U^Hn具有与y或x的幅值相同的幅值的矢量(min(M，N)×1)的幅值。

因此，SVD-MIMO传输能够获取逻辑上独立的多MIMO信道而没有串绕，同时信道使用相同的频率和相同的时基。换句话说，SVD-MIMO传输使得能够通过同时使用相同的频率经无线通信发射多个数据并实现传输速度的提高。

如今在SVD-MIMO传输系统中，需要获取在接收器侧上的信道信息矩阵并执行这个H的奇值分解，以及将由此分解的UDVH的V^H发送给发射器侧。由于V实时地在发射器中使用，因此V必须发射到发射器。

使用其中应用SVD-MIMO传输系统的作为LAN系统一种的标准IEEE 802.11a(即5GHz对的OFDM(正交频分多路复用)通信系统)作为实例，讨论在发射器侧上的天线加权系数矩阵V的信息量。

如果发射器和接收器都具有3个天线，则在发射器侧上的天线加权系数矩阵V和在接收器侧上的天线加权系数矩阵U成为3×3矩阵，并且它的元素的数量是9。假设矩阵以每个元素的10位精度的实数和虚数表示，则该系统需要52个载体矩阵，接收器必须反馈回9630位(＝9(矩阵元素的数量)×2(复数的实部和虚部)×10(位)×52(OFDM副载波的数量))到发射器。

需要以这种方式反馈的MIMO通信系统称为闭环型MIMO。在闭环型SVD-MIMO系统中，在开始通信时接收器必须反馈回多达9630位的信息量到发射器。现在，如果使用通过标准IEEE 802.11a提供的BPSK(二进制移相键控)(它的可靠性被认为是最高的)和1/2的代码速率以调制信号的OFDM实施试验反馈回上述的信息量，由于通过1个OFDM符号仅能传输24个位，因此占用多达对应于390个OFDM符号的时间，这是不现实的。

在从接收器到发射器的第一位置上发射天线加权系数矩阵V的同时开始通信，信道矩阵H(即传递函数)的元素随着使用年限变化。这种随着信道矩阵H的使用年限的变化主要由伴随着在建筑物中的物品和人的移动反射信道的变化以及温度变化引起的。

在信道特征以这种方式随时间变化时，需要接收器再次获取信道矩阵，执行新的H的奇值分解，将新的天线加权系数矩阵V反馈回发射器，请求发射器发送通过新的V加权的数据(即V的再学习)，以及以新的U^H对接收信号进行解码。

如果接收器获取信道矩阵和发射器以例如100个OFDM符号(大约40微秒)的间隔执行V的再学习，它将要求过大的负担。在发射器发射较长的数据包给接收器的情况下，例如，为了发射器同时执行V的再学习，接收器临时地断开接收并必须执行V的反馈的反向通信，这是非常不方便的。原因在于从接收器到发射器的反向通信降低了通信容量以及要求同步的顺序获取。

总之，SVD-MIMO传输被要求适应信道特征的变化而不使用反馈线路。

[非专利文献1] International Standard ISO/IEC 8802-11：1999(E)ANSI/IEEE Std 802.11 1999 Edition，Part 11：Wireless LANMedium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications

[非专利文献2]http：//radio 3.ee.uec.ac.jp/MIMO(IEICE_TS.pdf)(as of Oct.24，2003)

发明内容

本发明的一个目的是提供一种优良的无线通信系统和无线通信方法以及无线通信装置，它们在家庭通信环境下实现宽带无线通信。

本发明的另一目的是提供一种优良的无线通信系统和无线通信方法以及无线通信装置，其通过使用空分多路复用技术进行通信(MIMO通信)扩展传输容量，其中具有多个天线的发射器和具有多个天线的接收器组成对。

本发明的另一目的是提供一种优良的无线通信系统和无线通信方法以及无线通信装置，其使用具有作为它的元素的每个对应于发射器和接收器的天线对的信道的信道信息矩阵的奇值分解(SVD)适当地执行MIMO传输。

本发明的另一目的是提供一种优良的无线通信系统和无线通信方法以及无线通信装置，其能够经得住在SVD-MIMO传输中的信道特征的变化并使得不需要从接收器到发射器的顺序反馈。

考虑到上述的问题作出了本发明。根据本发明的第一方面，一种无线通信系统包括一对具有多个天线的发射器和具有多个天线的接收器并对通信的信号进行多路复用。在此，发射器发射参考信号。接收器通过接收参考信号计算信道矩阵H、将信道矩阵H奇值分解为UDV^H以获取接收权重矩阵U^H、对角矩阵D和发射权重矩阵V并使用接收权重矩阵U^H处理接收信号。此外，在信道之间产生串绕时，接收器计算串绕增益、从串绕增益中估计串绕信号并消除接收信号的串绕信号。

在此所提及的“系统”表示多个装置的逻辑集合(或者实现特定的功能的模块)。与该装置或功能模块是否装配在信号机壳中无关。

涉及本发明的无线通信系统采用SVD-MIMO传输系统，该SVD-MIMO传输系统执行具有对应于作为元素的天线对的信道信息的数值矩阵(信道信息矩阵H)的奇值分解以计算UVD^H，并给发射器提供作为天线加权系数矩阵的V和给接收器提供作为天线加权系数矩阵的U^H。由此，每个MIMO信道可以表示为具有每个特征值λi的平方根作为对角元素的对角矩阵D，由此发射以对信号多路复用而没有任何串绕。

在信道矩阵H的元素(传递函数)随着使用年限变化时，对于接收器，需要再次获取信道矩阵H并执行新的H的奇值分解以更新接收权重矩阵U，对于发射器，需要执行新的发射加权系数矩阵V的再学习。V的再学习涉及降低传输容量，因为再学习要求反向通信，即从接收器到发射器的反馈。

因此，在本发明中，接收器以预定的间隔更新信道矩阵但根本不执行到发射器的反馈。

结果，接收器通过更新当前的解码权重矩阵到通过更新的信道矩阵H_new的奇值分解获取的新的解码权重矩阵U_new进行接收处理；在另一方面，发射器继续使用原始的发射权重矩阵V。因为发射器不更新发射权重矩阵，而与在信道特征中的变化无关，因此在逻辑上独立的通过SVD-MIMO传输形成的多MIMO信道之间产生了串绕。

为解决这个问题，本发明获取在接收器侧上的串绕增益，消除接收信号的串绕信号由此实现了没有串绕的信号传输。

消除接收信号的串绕信号的一种方法是：通过产生串绕信号计算转为非对矩阵的矩阵D_error的普通逆矩阵D_error ^-，将在以接收权重矩阵已经接收的接收信号之后所得的信号乘以逆矩阵D_error ^-，以及确定该结果为最后的接收信号。

消除串绕信号的另一方法是计算到每个MIMO信道中的串绕增益，估计串绕信号，以及从接收信号中减去串绕信号。

根据本发明的第二方面，以计算机可读格式描述计算机程序，以在计算机系统上执行以多个天线从具有多个天线的发射器中接收经多路复用的信号的处理。该计算机程序包括：从自发射器中发射的参考信号中计算信道矩阵H的信道估计步骤；执行将信道矩阵H奇值分解为UDV^H以获取接收权重矩阵U^H、对角矩阵D和发射权重矩阵V的奇值分解步骤；使用接收权重矩阵U^H处理接收信号的接收信号处理步骤；估计每个信道的串绕增益的串绕增益估计步骤；和基于串绕增益估计串绕信号以及从在接收信号处理中经处理的接收信号中消除串绕信号的串绕清除步骤。

以计算机可读的格式描述的涉及本发明的第二方面的计算机程序在计算机系统上执行预定的处理。换句话说，通过安装涉及本发明的第二方面的计算机程序在计算机系统中，计算机程序在计算机系统上显示协作功能以作为无线通信装置运行。通过启动多个这种无线通信装置以构造无线网络，可能实现与本发明的第一方面相关的无线通信系统相同的功能和效果。

根据本发明，可以一种优良的无线通信系统和无线通信方法和无线通信装置，其通过使用空分多路复用技术通过通信(MIMO通信)扩展了传输容量，这里具有多个天线的发射器和具有多个天线的接收器组成对。

根据本发明，可以提供一种优良的无线通信系统和无线通信方法以及无线通信装置，其使用具有作为它的元素的每个对应于发射器和接收器的天线对的信道的信道信息矩阵的奇值分解(SVD)适当地执行MIMO传输。

根据本发明，可以提供一种优良的无线通信系统和无线通信方法以及无线通信装置，其能够经得住在SVD-MIMO传输中的信道特征的变化并使得不需要从接收器到发射器的系列反馈。

在各种MIMO传输系统中SVD-MIMO传输系统显示了最大的传输容量，但它必须将发射权重矩阵V从接收器反馈回发射器。根据本发明，可以极大地延长反馈的时间间隔，即V的再学习的周期。至于如何延长该周期，根据该系统所使用的环境的不同而变化，即发射信道和调制系统的强度的变化和误差校正系统等。

顺便指出，除了上述的相关技术之外，本发明人提出了与本发明相关的技术，例如在未公开的日本专利申请No.2003-375504、2004-040934、2004-140485、2001-140488和2004-140486中公开的技术。

基于在下文中描述的本发明的优选实施例的详细描述以及附图将会更加清楚本发明的其它目的、特征和优点。

附图说明

附图1所示为涉及本发明的一个实施例的通过SVD-MIMO传输系统进行的通信系统的示意性结构；

附图2所示为本发明应用的OFDM通信系统的结构；

附图3所示为从发射器中发射的数据包结构；

附图4所示为在附图3中所示的OFDM通信系统中的SDM-MIMO传输系统的处理步骤的流程图；

附图5所示为MIMO通信系统的原理图；

附图6所示为SDM-MIMO传输系统的原理图；和

附图7所示为通过V-BLAST传输系统进行通信系统的原理。

具体实施方式

参考附图详细地描述本发明的优选实施例。

SVD-MIMO传输系统执行具有作为元素的对应于天线对的信道信息的数值矩阵(即信道信息矩阵H)的奇值分解以计算UVD^H，并给发射器提供作为天线加权系数矩阵的V和给接收器提供作为天线加权系数矩阵的U^H。因此，每个MIMO信道可以表示为具有每个特征值λ_i的平方根作为对角元素的对角矩阵D，由此发射以多路复用信号而没有任何串绕。

不执行通过接收器采集的信道信息矩阵H到UVD^H的奇值分解和将由此获取的天线加权系数矩阵V反馈回发射器，因此这个实施例从接收器发射参考符号到发射器，也对发射器侧执行奇值分解并获取发射所需的天线加权系数矩阵V。由此，可以比较从接收器反馈到发射器的信息量。

附图1所示为通过与本发明的这个实施例相关的SVD-MIMO传输系统进行通信系统的示意性结构。

发射器执行要多路复用的发射信号的空间/时间编码，将该发射信号发布到3个天线，以及将它们发射信道。接收器执行通过2个天线经信道接收的多路复用的发射信号的空间/时间解码并获取接收数据。

在附图中所示的通信系统大致类似于V-BLAST系统。然而，与在附图5中所示的系统明显不同的是该发射器被设计为在发射中给出天线加权系数，并且发射器天线数量大于接收天线数量(＝信号多路复用数量)。

在附图1中所示的系统结构对于具有多个天线的发射器产生了过大的自由度(DOF)。然而，该系统对接收天线执行MNS发射或零强制发射(zero-forcing transmission)或者使加权系数具有MNS和零强制组合的发射，以使这种过度的DOF对增加接收信号的SN比有作用。在此，MNS是最大信号噪声比和使它自身信号的SN比最大化的范数的缩写。结果，尽管接收器没有过度的天线DOF(接收器具有更少的天线)，在发射器侧上的过大的DOF补偿了在接收器侧上的DOF不足，由此实现了满意的解码性能。

下文描述在本实施例中的通信系统的操作处理。

在第一准备阶段，接收器20将训练信号Pre-training Signal(预训练信号)作为参考符号从每个接收天线通过时分发射。由于在所示的实例中接收器20具有两个接收天线，因此接收器发射两个训练信号。在此，在预训练信号之前直接连接的Preamble(前同步码)是用于信号检测、时序同步和/或接收增益调整的增加的信号。

发射器10从接收器20中接收训练信号作为参考信号，信道估计器11计算信道信息矩阵，发射加权系数矩阵计算器13基于MNS范数、零强制范数或这些范数的组合确定到每个接收天线的发射天线加权系数矩阵Z_T。

接着，发射器10发射其中连接训练信号和空分多路复用信号的发射信号。在此，作为天线权重给出上述所确定的Z_T。也是在训练信号的发射间隔中，给定每个多路复用的信号的天线权重。在所示的实例中，通过天线加权系数矩阵Z_T的元素矢量w₁和w₂的加权系数(＝[w1，w2])每个都给Training-1和Training-2作为训练信号，它们是通过时分方式发射的。

在接收器20一侧，信道估计器21从具有给定到每个多路复用的信号的权重的训练信号Training-1和Training-2中计算对应于发射加权系数矢量和接收器天线对的信道信息矩阵H′。

此外，第一接收天线加权系数矩阵计算器22将零强制范数等应用到每个发射天线中，由此消除所有的不理想的信号，即除了它本身的信号之外的信号，并确定接收天线加权系数矩阵Z_R。

接着，编码器24对经解码的信号再次解码以形成发射信号的拷贝，并在天线之后直接从所接收的信号中清除拷贝的发射信号。第二接收天线加权系数矩阵计算器25排除对应于所清除的发射信号的发射天线，将零强制范数再次应用到其余的反射天线，以及重新计算接收天线加权系数矩阵以形成新的Z_R′。在其余所接收的信号中解码器23对最高的SN比率的信号执行X₂的解码。第二解码实现了增加接收天线的DOF的效果到排除首先解码的发射信号的程度，并将MSN比率合成效果提高到该程度。此后，重复上述的操作顺序地对所有的多路复用发射信号进行解码。

因此，如附图1所示的通信系统在通过来自发射器10的MSN范数、零强制范数或这些范数的组合以加权系数执行发射的同时，形成充分利用发射天线的DOF并增加接收SN比的机理。因此，如果接收天线的DOF不足，则发射天线的过度的DOF可以补偿这种不足。

如上文所述，发射器通过获取天线加权系数矩阵V能够实现MIMO通信。然而，作为信道矩阵H的元素(即传递函数)随着使用年限改变时，对于接收器，需要再次获取信道矩阵H，并执行新的H的奇值分解，而对于发射器，需要执行新的发射天线加权系数矩阵V的再学习。V的再学习要求反向通信，比如从接收器到发射器的反馈，以及参考符号的发射。

在每100个OFDM符号需要通过采集新的信道矩阵更新矩阵时，考查在给定信道这种变化的情况。

发射器发射获取每100个OFDM符号的新信道矩阵的参考符号。接收器接收每100个OFDM符号的参考信号，并获取新的传递函数以由此获取新的信道矩阵H′。

在此，假设原始信道矩阵是H，这个奇值分解是H＝UDV^H。假设在100个OFDM符号之后通过接收器更新的新的信道矩阵是H_new，则这个奇值分解是H_new＝U_newD_newV_new ^H。

如果接收器将通过奇值分解从更新的信道矩阵H_new中计算的发射加权系数矩阵V_new反馈回到发射器中，则通信系统将能够适应信道特征的变化。然而，从接收器到发射器的反向通信降低发射容量，此外还要求同步的顺序采集。

因此，在本发明中，发射器更新信道矩阵每100个OFDM符号，但根本不执行反馈(包括参考符号的发射)到发射器。结果，接收器将当前的解码权重矩阵更新到通过更新的信道矩阵H_new的奇值分解获取的新的解码权重矩阵U_new以执行接收处理；在另一方面，发射器继续使用原始的发射权重矩阵V。

因为发射器不更新发射权重矩阵而与信道特征的变化无关，因此在逻辑上独立的通过SVD-MIMO传输形成的多个MIMO信道之间产生了串绕。这在下文中解释。

在信道特征中出现变化之前，奇值分解按照下式执行。发射器和接收器能够分别使用发射权重矩阵V和接收权重矩阵U，并且接收器能够抽取该信号而无串绕。

H＝UDV^H        (8)

在信道特征中出现变化之后，接收器按照下式执行新的信道矩阵H_new的奇值分解，并使用该信息。

H_new＝U_newD_newV_new ^H        (9)

虽然如公式(9)那样地执行奇值分解，但是实际的通信采用如下的公式，因为接收器使用新的接收权重矩阵U_newH，同时发射器继续使用原始的发射权重矩阵V。

H_new＝U_newD_errorV_new ^H      (10)

通过由上式(8)给定的信道矩阵的奇值分解获取的原始D可以表示为具有作为对角元素的每个特征值λ_i的平方根的对角矩阵。由于这些对角元素λ_I中的每个元素对应于每个MIMO信道，并且其余的矩阵元素为零，因此信道是相互独立的信道，根本没有串绕。在这种情况下，接收信号矢量y可以表示为发射信号矢量x和对角矩阵D的乘积，如在上式(7)中所示，这形成了没有串绕的多MIMO信道。

相反，在信道特征出现了变化之后发射器继续使用原始的发射权重矩阵V而不使用新的发射权重矩阵V_new时，除了由上式(10)给定的D_error的对角元素之外的元素将取除了零之外的值，并且将矩阵转换为非对角矩阵。这意味着在多个独立的MIMO信道之间产生了串绕。

如果发射器将加权应用到具有原始权重矩阵V的新的信道矩阵H_new中并且接收器以新的权重矩阵U_newH进行加权，由于V和U_new两者都是单元矩阵，因此接收信号矢量y表示为发射信号矢量x和非对角矩阵D_error的乘积，如下式所示(在此省去了噪声分量)，这显示出现了具有串绕的多MIMO信道。

y＝D_errorx    (11)

因此，在产生了串绕并从接收信号中消除串绕时，通过计算串绕增益的接收器，这种实施例希望实现结果没有串绕的信号发射。

其中不存在串绕的对角矩阵是具有HH^H或H^HH的每个特征值λ_i的平方根作为对角元素的对角矩阵，如上式(5)所示。相反，其中存在串绕的非对角矩阵D_error表示为下式。

总之，矩阵D是它本身的对角矩阵，如果没有串绕的话。除了对角元素之外的元素基本都是零，但如果存在串绕，则在除了对角元素之外的元素中存在串绕分量。在公式(12)中，a_ij表示从第j个MIMO信道到第i个MIMO信道的串绕增益。

在上式(10)中，新的信道矩阵H_new已知，因为该接收器获取了它。此外，发射器通过执行新的信道矩阵H_new的奇值分解获取U_new。此外，V是从通过接收器已经获知的原始的信道矩阵H中计算的发射权重矩阵。因此，根据下式可以计算非对角矩阵D_error。在此，H_new ^-是U_new的一般逆矩阵，V^H-是V^H的一般逆矩阵。

D_error＝U_new ^-H_newV^H-       (13)

因此，通过公式(12)给定的所有的串绕增益a_ij可以通过公式(13)计算。

作为消除在接收器侧上的接收信号的串绕信号的方法，可以采取下述的步骤：在获取了非对角矩阵D_error之后，进一步计算它的一般逆矩阵D_error ^-，将在以接收权重矩阵已经接收的接收信号的之后所得的信号乘以逆矩阵D_error ^-，以及确定最后的接收信号作为结果。

y＝D_error ^-U_new ^HH_newVx        (14)

在此，y是要采集的接收信号，x是发射信号，H_new是新的信道矩阵，U_new ^H是从新的信道矩阵中计算的接收权重矩阵，V是从原始信道矩阵中计算的发射权重矩阵。该一般逆矩阵表示非伴随矩阵(non-squire matrix)的逆矩阵，为此可使用Moore-Penrose型一般逆矩阵。

消除串绕信号的另一方法是从串绕增益a_ij到从公式(13)中计算的MIMO信道估计串绕信号，并从接收信号中抽取估计的串绕信号。现在，假设第j个MIMO信道的原始发射信号是x，它的误差分量是x_error，从第j个MIMO信道到第i个MIMO信道的串绕信号表示为如下的方式。

C_ij＝a_ij×(x+x_error)              (15)

   ＝a_ij×x+a_ij×x_error

   a_ij×x

在此，公式(15)使用a_ij×X_error0。因为串绕分量a_ij在初始阶段非常小，来自原始发射信号的误差分量X_error也非常小，两个小的值的乘积被看作零。

在经过了特别长的时间后，这部分不能看作零，串绕通常不能被消除。因此，不能永久地更新V是不被允许的，推荐保持这种有效性较长的时间。这就必须要对发射信道的变化具有耐久性。

接着，在具有在5GHz频段上运行的OFDM调制系统的通信系统中描述消除前述的串绕分量的实施例，其中两个发射器和接收器具有三个天线。

附图2所示为关于本实施例的OFDM通信系统的结构。

发射器100包括编码器101、发射权重乘法器102、串行到并行转换器103、IFFT 104、保护间隔插入单元105、并行到串行转换器106、D/A转换器107、发射RF单元108和天线109。

编码器101将从通信协议的更高的层发射的发射信号以特定的误差校正码进行编码。在这个阶段，将十分公知的序列作为引导符号插入到调制符号序列中。由十分公知的模式构成的引导信号在每个副载波上或者在几个副载波的间隔上插入。

发射权重乘法器102保持通过执行由接收等于发射天线数量的几个参考符号获取的信道矩阵H的奇值分解获取的发射权重矩阵V以估计该信道并将在编码之后的发射信号与这个权重矩阵V相乘。

串行到并行转换器103根据并行载体数和时序将调制的串行格式信号转换为其数量对应于并行的载体数量的几个并行数据。

IFFT 104根据预定的FFT大小和时序执行对应于FFT大小的反向傅立叶变换。保护间隔插入单元105设定在1个OFDM符号之前和之后的保护间隔部分以消除符号间的干扰。保护间隔的时间跨度根据发射信道的条件(即影响解调的延迟波的最大延迟时间)确定。

并行到串行转换器106将并行输入信号变换为串行格式信号，并将它转换在该时基上的信号，同时在每个在此上的频率轴的正交性保持，并输出该信号作为发射信号。通过D/A转换器107将发射信号转换为模拟基带信号，通过发射RF单元108进一步将它升频转换为RF频带信号，然后通过天线109将其发射到信道。

在另一方面，接收器200包括天线201、接收RF单元202、A/D转换器203、串行到并行转换器204、FFT 205、信道特征估计单元206、并行到串行转换器207、接收权重乘法器208和解码器209。

接收RF单元202将通过天线201所接收的信号从RF频带降频转换到基频，A/D转换器203将该信号转换为数字信号。

串行到并行转换器204根据所检测的同步时序将作为串行数据的接收信号转换为并行数据。在此，采集对应于包括保护间隔的1个OFDM符号的数据。

FFT 205执行对应于有效的符号长度的信号的傅立叶变换并抽取每个副载波的信号。

信道特征估计单元206通过每个多路复用信号获取发射器将权重所给的具有参考信号的信道矩阵H。奇值分解单元210执行这个信道矩阵H的奇值分解并获取发射权重矩阵V、接收权重矩阵U和对角矩阵D。发射器以预定的间隔(在本实施例中每100个OFDM)发送参考信号。信道特征估计单元206在所有的这种场合更新信道矩阵，奇值分解单元210执行更新的信道矩阵的奇值分解。

此后，并行到串行转换器207将在时基中的信号转换为在频率轴上的信号。接收权重乘法器208将接收信号乘以通过信道矩阵H的奇值分解获取的接收权重矩阵U。

解码器209对其中编码的误差校正码和经加权的接收信号进行解码以形成接收数据，将该接收数据传输给通信协议的更高层。

此外，在信道矩阵H的元素随着使用年限变化时，对于接收器，需要再次获取信道矩阵H并执行新的H的奇值分解，而对于发射器，需要执行新的加权系数矩阵V的再学习。然而，从接收器到发射器的反向通信降低了发射容量，并且要求同步顺序采集。因此，接收器每100个FDM符号更新信道矩阵，但不执行到所有的发射器的反馈。

结果，接收器将当前的一个更新到通过更新的信道矩阵H_new的奇值分解获取的新的解码权重矩阵U_new以执行接收处理；在另一方面，发射器继续使用原始的发射权重矩阵V。因为发射器不更新发射权重矩阵，所以在通过SVD-MIMO传输形成的在逻辑上独立的多MIMO信道之间产生了串绕。

此外，在出现某些串绕时，串绕估计单元211获取串绕增益，而串绕消除单元212从接收信号中消除串绕信号。

假设从第j个MIMO信道到笫i个MIMO信道的串绕信号由a_ij表示，在产生了串绕之后(参见公式(12))，产生在串绕之前的对角矩阵D以转换为具有串绕增益a_ij作为非对角元素的非对角矩阵D_error。串绕估计单元211通过使用公式(13)从以预定的间隔(每100个OFDM符号)更新的信道矩阵H中计算非对角矩阵D_error。

此外，串绕消除单元212通过使用采集的非对角矩阵D_error消除接收信号的串绕信号。在获取非对角矩阵D_error之后消除接收信号的串绕信号的方法进一步计算它的一般逆矩阵D_error ^-，将在以接收权重矩阵一起已经接收的接收信号之后的所得的信号乘以逆矩阵D_error ^-，以及确定该结果作为最终的接收信号(参见公式(14))。

消除串绕信号的另一方法从串绕增益a_ij中估计到每个MIMO信道的串绕信号(参见公式(15))，并从接收信号中抽取串绕信号。

如上文所述，在关于本实施例的SVD-MIMO通信系统中，发射器执行发射权重矩阵V的采集，即在准备阶段上的V的学习；此后，发射器不执行V的再学习(包括V的顺序或频率再学习)而与信道特征的变化无关。在另一方面，接收器更新信道矩阵H和接收权重矩阵U以适应信道特征的变化。为了这些，以预定的间隔(在本实施例中每100个OFDM符号)从发射器发送参考信号。

附图3所示为从发射器发射的包数据的结构。在本实例中，由10个OFDM符号构成的前同步信号首先发送出，这之后，每个由每个天线的1个OFDM符号构成的参考信号发送出。接收器获取具有参考信号的信道矩阵H，并通过奇值分解计算接收权重矩阵。

然后，在发射了100个OFDM符号的数据(有效载荷)之后，每个由每个天线的1个OFDM符号构成的参考信号再次发送出。

接收器获取每100个OFDM符号发射的参考信号的新的信道矩阵H并通过奇值分解周期性地更新接收权重矩阵。此外，接收器通过执行非对角矩阵D_error的计算执行串绕信号的估计和串绕信号的消除，由此实现基本没有串绕信号的信号发射。

如附图2所示，关于本实施例的通信系统不包括从接收器到发射器的反馈线路。由于发射权重矩阵V的发射不执行，因此不降低发射容量。由于通信是单向的，因此仅需要首先发射前同步信号，因此不会降低发射容量以采集同步。

下文参考附图4解释在如附图2所示的OFDM通信系统中的SDM-MIMO传输的处理。

步骤1：

在包信号通信之前，发射器发射参考信号。参考信号以时分的方式从每个天线发射，以使三个天线在不同的时间上发射。

步骤2：

接收器接收参考信号，并采集具有相关的参考信号的传递函数，并采集集成为在发射天线和接收天线之间的传递函数的矩阵形式的信道矩阵H。在这种情况下，信道矩阵是3×3的矩阵(三行三列)。

步骤3：

接收器执行这个所采集的H的奇值分解以采集UDV^H。此外，接收器将发射权重矩阵V反馈回到发射器。接收器使用U^H作为接收权重。

步骤4：

发射器发射通过具有反馈回的发射权重矩阵V的3个天线3个独立的信号。要发射的信号是正常OFDM信号，同时仅存在三行。在此，3个天线每个都不对应于3个独立的信号中的每个，一个逻辑MIMO信道使用3个天线，其它的MIMO信道类似地也使用3个天线。

步骤5：

接收器将3个独立的数据从具有U^H的发射器中分离出来。U^H是3×3的矩阵，但在实际中，是一个具有3×1的三个矢量的矩阵。U^H是仅分离这些矢量所对应的信息的加权矢量。

步骤6：

随着通信继续大约100 OFDM符号，发射信道的状态变化。为了对付这种情况，发射器发射参考信号。在这时以与第一次相同的方式，时分地从每个天线发射参考符号。

步骤7：

使用从发射器发射的参考信号接收器从每个发射天线到每个接收天线采集传递函数，并采集3×3的新的信道矩阵H_new。

步骤8：

接收器进一步执行所采集的新的信道矩阵H_new的奇值分解。

步骤8：

H_new＝U_newD_newV_new ^H              (16)

步骤9：

使用所采集的新的U_newH接收器将多个信号从发射器分离。在这种状态下分离的三个信号每次包含串绕，因此包含误差。

步骤10：

本步骤计算非对角矩阵D_error。

D_error＝U_new ^-H_newV^H-             (17)

获取这个矩阵确定在三个MIMO信道中每任何两个MIMO信道之间的串绕增益。

步骤11：

接收器消除接收信号的串绕信号。为了实施这个，接收器进一步计算所采集的非对角线矩阵D_error的一般逆矩阵D_error ^-，将在接收权重矩阵已经接收的接收信号之后的所得的信号乘以一般逆矩阵D_error ^-，并确定该结果为最后的接收信号。

y＝D_error ^-U_new ^HH_newVx            (18)

此外，消除串绕信号的另一方法是从串绕增益a_ij到从公式(13)中计算的MIMO信道中估计串绕信号，并从接收信号中抽取所估计的串绕信号。在此，假设第j个MIMO信道的原始发射信号是x，它的误差分量是x_error，从第j个MIMO信道到第i个MIMO信道的串绕信号以下式表示。

C_ij＝a_ij×(x+x_error)             (19)

   ＝a_ij×x+a_ij×x_error

   a_ij×x

此后，发射器发射每个天线的参考信号，每次它发射100个OFDM符号的数据包。接收器反复地更新信道矩阵，并且每次接收器通过新的接收权重矩阵执行接收处理、串绕增益的采集和串绕信号的消除。

[补充]

参考具体的实施例已经描述了本发明。然而，对于在本领域普通技术人员来说在不脱离本发明的精神和范围的前提下对上述的实施例能够作出修改和/或替换。即，上文的实施例仅是实例性的，应该充分地理解本发明并不限于在本说明书中的描述。为了本发明的范围和精神，应该考虑下文描述的权利要求。

Claims (16)

1.一种无线通信系统，其中具有多个天线的发射器和具有多个天线的接收器形成一对以对通信的信号进行多路复用，其中：

发射器发射参考信号；和

接收参考信号的接收器计算信道矩阵H，将信道矩阵H奇值分解为UDV^H以获取接收权重矩阵U^H、对角矩阵D和发射权重矩阵V并使用接收权重矩阵U^H处理接收信号，以及在信道之间产生串绕时，接收器计算串绕增益、从串绕增益中估计串绕信号并消除接收信号的串绕信号。

2.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中在每次发射器发射预定长度的数据时发射器发射参考信号。

3.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中：

通过产生串绕，对角矩阵D转换为非对角矩阵D_error，该非对角矩阵D_error具有作为非对角元素的给每个信道的串绕增益；和

通过使用在产生串绕时重新获取的信道矩阵H_new、通过执行新的信道矩阵H_new的奇值分解获取的U_new和从原始的信道矩阵H中计算的发射权重矩阵V，接收器根据下式计算非对角矩阵D_error，由此计算串绕增益(在此，U_new ^-是U_new的一般逆矩阵，V^H-是V^H的一般逆矩阵)，

[表达式1]

D_error＝U_new ^-H_newV^H-。

4.根据权利要求3所述的无线通信系统，其中根据下式，通过计算非对角矩阵D_error的一般逆矩阵D_error ^-并将在以接收权重矩阵U_new已经接收到接收信号之后所得的信号乘以逆矩阵D_error ^-，接收器消除接收信号的串绕信号，

[表达式2]

y＝D_error ^-U_new ^HH_newVx。

5.根据权利要求3所述的无线通信系统，其中通过估计从串绕增益到每个信道的串绕信号并从接收信号中减去串绕信号，接收器消除接收信号的串绕信号。

6.一种具有多个天线的无线通信装置，该多个天线从具有多个天线的发射器接收多路复用信号，该通信装置包括：

发射并接收信号的通信单元；

从自发射器发射的参考信号计算信道矩阵H的信道估计器；

执行将信道矩阵H奇值分解到UDV^H以获取接收权重矩阵U、对角矩阵D和发射权重矩阵V的奇值分解单元；

通过使用接收权重矩阵U处理接收信号的接收信号处理器；

估计到每个信道的串绕增益的串绕估计器；和

基于串绕增益估计串绕信号并从通过接收信号处理器处理的接收信号中清除串绕信号的串绕清除器。

7.根据权利要求6所述的无线通信装置，其中奇值分解单元、串绕估计器和串绕清除器都响应从发射器发射的参考信号进行操作。

8.根据权利要求6所述的无线通信装置，其中：

通过产生串绕，对角矩阵D转换为非对角矩阵D_error，该非对角矩阵D_error具有作为非对角元素的给每个信道的串绕增益；和

通过使用在产生串绕时重新获取的信道矩阵H_new、通过执行新的信道矩阵H_new的奇值分解获取的U_new和从原始的信道矩阵H中计算的发射权重矩阵V，串绕估计器根据下式计算非对角矩阵D_error，由此计算串绕增益(在此，U_new ^-是U_new的一般逆矩阵，V^H-是V^H的一般逆矩阵)，

[表达式3]

D_error＝U_new ^-H_newV^H-。

9.根据权利要求6所述的无线通信装置，其中根据下式，通过计算非对角矩阵D_error的一般逆矩阵D_error ^-并将在以接收权重矩阵U_new已经接收到接收信号之后所得的信号乘以逆矩阵D_error ^-，串绕清除器消除接收信号的串绕信号，

[表达式4]

y＝D_error ^-U_new ^HH_newVx。

10.根据权利要求6所述的无线通信装置，其中通过估计从串绕增益到每个信道的串绕信号并从接收信号中减去串绕信号，串绕清除器从接收信号中消除串绕信号。

11.一种通过使用多个天线从具有多个天线的发射器接收多路复用信号的无线通信方法，包括：

从自发射器发射的参考信号计算信道矩阵H的信道估计步骤；

执行将信道矩阵H奇值分解到UDV^H以获取接收权重矩阵U、对角矩阵D和发射权重矩阵V的奇值分解步骤；

通过使用接收权重矩阵U处理接收信号的接收信号处理步骤；

估计到每个信道的串绕增益的串绕估计步骤；和

基于串绕增益估计串绕信号并从通过接收信号处理器处理的接收信号中清除串绕信号的串绕清除步骤。

12.根据权利要求11所述的无线通信方法，其中奇值分解步骤、串绕估计步骤和串绕清除步骤都响应从发射器发射的参考信号进行操作。

13.根据权利要求11所述的无线通信方法，其中：

通过产生串绕，对角矩阵D转换为非对角矩阵D_error，该非对角矩阵D_error具有作为非对角元素的给每个信道的串绕增益；和

通过使用在产生串绕时重新获取的信道矩阵H_new、通过执行新的信道矩阵H_new的奇值分解获取的U_new和从原始的信道矩阵中计算的发射权重矩阵V，串绕估计步骤根据下式计算非对角矩阵D_error，由此计算串绕增益(在此，U_new ^-是U_new的一般逆矩阵，V^H-是V^H的一般逆矩阵)，

[表达式3]

D_error＝U_new ^-H_newV^H-。

14.根据权利要求13所述的无线通信方法，其中根据下式，通过计算非对角矩阵D_error的一般逆矩阵D_error ^-并将在以接收权重矩阵U_new已经接收到接收信号之后所得的信号乘以逆矩阵D_error ^-，串绕清除步骤消除接收信号的串绕信号，

[表达式4]

y＝D_error ^-U_new ^HH_newVx。

15.根据权利要求13所述的无线通信方法，其中通过估计从串绕增益到每个信道的串绕信号并从接收信号中减去串绕信号，串绕清除步骤从接收信号中消除串绕信号。

16.一种以计算机可读格式描述的使在计算机系统上执行以多个天线从具有多个天线的发射器接收多路复用信号的处理的计算机程序，包括：

从自发射器发射的参考信号计算信道矩阵H的信道估计步骤；

执行将信道矩阵H到UDV^H的奇值分解以获取接收权重矩阵U^H、对角矩阵D和发射权重矩阵V的奇值分解步骤；

通过使用接收权重矩阵U^H处理接收信号的接收信号处理步骤；

估计到每个信道的串绕增益的串绕估计步骤；和

基于串绕增益估计串绕信号并从通过接收信号处理器处理的接收信号中清除串绕信号的串绕清除步骤。

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