CN1716809A - 无线通信系统、装置、方法及计算机程序 - Google Patents

Abstract

通过经过对空间多路复用获得单个MIMO信道进行发射功率的最佳分配，来获得增强的通信容量，从而用增强的传输效率来执行通信操作。发射机具有多个发射天线，并且接收机具有多个接收天线，并通过具有被设定的单个天线加权的发送和接收执行空间多路复用通信。该发射机对应于信道的通信质量，改变通信信道的单元中的功率分配。该接收机使用每个通信信道的功率分配值，此功率分配值根据空间分离后的用户数据中包含的导频载波的接收功率来估计。由此，该接收机将信号空间中接收信号的幅度量值返回到原始量值，并且执行精确的去映射处理。

Description

无线通信系统、装置、方法及计算机程序

本发明包含与2004年5月10日在日本专局提交的日本专利申请JP2004-140486和2005年3月31日在日本专利局提交的JP2005-100543有关的主体，其全部内容在此引入作为参考

技术领域

本发明涉及在多个无线电台之间执行互相通信的一种无线通信系统、一种无线通信装置、一种无线通信方法及其一种计算机程序，如同LAN(局域网)的情况。尤其是，本发明涉及在诸如家庭的通信环境中实现宽带无线通信的一种无线通信系统、一种无线通信装置、一种无线通信方法及其一种计算机程序。

更具体而言，本发明涉及通过通信实现传输容量增强(MIMO(多输入多输出)通信)的一种无线通信系统、一种无线通信装置、一种无线通信方法及其一种计算机程序，其中通过使用在成对的发射机和接收机之间的空间多路复用形成多个逻辑信道，该发射机具有多个天线，并且该接收机具有多个天线。尤其是，本发明涉及通过使用增加的通信容量来执行高传输效率通信操作的一种无线通信系统、一种无线通信装置、一种无线通信方法及其一种计算机程序，该增加的通信容量通过向由空间多路复用获得的多个逻辑信道执行发射功率的最佳分配来获得。

背景技术

通过计算机连网跨接例如LAN(局域网)代表的网络，可以有效实施共享，例如信息资源共享和设备资源共享。作为使用户从根据已经使用的硬连线方法的LAN连线中摆脱出来的系统，目前注意力转向无线LAN。对于无线局域网，在诸如室内工作的操作空间中，由于大多数硬连线已经省略，所以诸如个人计算机(PC)的通信终端，能相对容易地移动。

在目前的商业市场环境下，其中具有增强通信速度的无线LAN系统由于降低了价格而变得可用，为此需求大大地增加。尤其是，已经研究个人区域网(PAN)，并且考虑采用通过在单个用户体周围存在的多个电子设备之间形成小规模无线网络来执行信息通信。管制不同的无线通信系统和无线通信装置对频带的使用，诸如2.4GHz频带和5GHz频带，对此无需政府的许可证。

关于无线网络的标准包括，但不限于，IEEE(电子及电气工程师协会)802.11(例如，参见非专利文献1^(*))、HiperLAN2(例如，参见非专利文献2^(*)或3^(*)))、IEEE 302.15.3、和蓝牙通信。关于IEEE 802.11标准，存在延伸的标准，如IEEE 802.11a(例如，参见非专利文献4^(*))，11b和11g。

IEEE 802.11a标准支持最大传输速度达到54Mbps的调制方法。然而，寻找允许更高比特率的无线电标准规范。例如，根据IEEE 802.11n，建立了下一代无线(或无线电)LAN上的标准，目的在于开发具有执行吞吐量超过100MBPS的高处理速率的无线LAN技术。

作为增强无线传输速度的一种技术，注意力已经和正在集中在MIMO(多路输入多路输出)通信方案上。该MIMO通信方案是这样一种方案，即包括在发射机和接收机单独一方上的多个天线设备，以实施空间多路复用传输线(以下将替换地称作“MIMO信道”)，由此实现传输容量增强，并因此，完成传输速度的提高。该MIMO通信使用空间多路复用，从而它展示了高频率的使用效率。

该MIMO通信方案是以下列方式使用信道特性的通信方案。在发射机中，将传输数据分配并发送给多个天线，并通过使用多个虚拟或逻辑MIMO信道发送该数据。在接收机中，通过对经多个天线接收的信号进行信号处理来接收该接收数据。由此，该方案不同于简单的发送/接收自适应阵列。

图8是MIMO通信系统的概念表示。参考该图，在发射机和接收机上单独配置多个天线。在发射机一方，发送数据的多个项通过空-时编码(以下替换地表示为“空-时编码的”)而多路复用，被分配给M(＝正整数)个天线，并由此将其发送给多个MIMO信道。在接收机一方，由N(＝正整数)个天线通过信道接收的接收信号可以通过空-时解码(以下替换地表示为“空-时解码的”)获得。在该情况下的信道模型配置为围绕发射机的无线电环境(转移函数)，信道空间结构(转移函数)，和围绕接收机的无线电环境(转移函数)。虽然在由单个天线发送的信号的多路复用期间发生串扰，但是可以正确的方式接收通过接收机的信号处理而多路复用的单个信号，而没有串扰。

已经提议用于MIMO通信的多种类型的配置方法。在该情况下，形成该配置的大问题是对应于天线结构，如何使得信道信息可在发射机和接收机之间通信。

一种用于信道信息通信的容易的方法是，从发射机只向接收机发送预先已知的信息(前置(preamble)信息)。在该情况下，该发射机和接收机的空间执行彼此相互独立的空间多路复用传输。这称之为“开环MIMO通信方案(系统)。”另外，作为该方案的延伸形式，存在已知的闭环MIMO通信方案，其中从接收机也向发射机反馈前置信息，由此在发射机和接收机之间产生理想的空间正交信道。

开环MIMO通信方案包括，例如，V-BLAST(垂直贝尔实验室分层空时)方案(例如，参见专利文献1^(*))。在发射机一方，不提供特殊的天线矩阵，而仅仅将信号多路复用并发送给单个天线。即，完全省略获得天线矩阵的反馈程序。在发送多路复用的信号之前，该发射机时分交织天线单元中的训练信号，用于接收机方的信道估计。作为响应，在接收机中，在信道估计部中执行信道估计，由此计算对应于单个天线对的信道矩阵H。然后，很好地组合强制归零和取消，由此由取消引起的天线自由度用来提高SN(信噪比)比(以下为“SNR”)并由此提高解码精确度。

另外，作为闭环MIMO通信的理想类型，使用传播路径SVD(SVD：奇异值分解)的SVD-MIMO方案是已知的(例如，参见非专利文献5^(*))。

图9是显示SVD-MIMO通信系统的概念视图。在SVD-MIMO通信中，由对应于单个天线的信道信息的元素形成的数字矩阵，即，信道矩阵H通过奇异值分解被分解，以便获得UDV^H，由此将V指定为在发射机一方的发射天线加权矩阵，并且将U^H指定为在接收机一方的天线加权系数矩阵。照此方式，单个MIMO信道被表示为具有作为对角元素的单个特征值λ_i的平方根的对角矩阵D，由此能多路复用并传输完全免于串扰的信号。在该情况下，多个逻辑上相互独立的传输路径被空间分开，即，在发射机方和接收机两方都可以实施多路复用的空间正交。

根据SVD-MIMO通信方案，可以实现逻辑上最大的通信容量。因而，可以用每个都具有两个天线的发射机和接收机获得最大的双倍传输容量。

在此将详细描述SVD-MIMO通信方案的机制。其中发射机天线的数目是M，由Mx1矢量表示传输信号x；并且其中接收机天线的数目是N，由Nx1矢量表示传输信号y。在该情况下，由NxM数字矩阵表示信道特性，即信道矩阵H。信道矩阵H的元素h_ij是从第j个发射天线到第i个接收天线的转移函数。由下面给出的等式(1)表示接收信号矢量y，其中信道矩阵H乘以传输信号矢量，并且加入噪音矢量n。

y＝Hx+n                  (1)

如上所述，当通过奇异值分解来分解该信道矩阵H时，由下面给出的等式(2)表示该结果。

H＝UDV^H                 (2)

在发射机一方的发射天线加权矩阵V和在接收机一方的接收天线加权矩阵U，分别是满足下面给出的等式(3)和(4)的单位矩阵。

U^HU＝I                  (3)

V^HV＝I                  (4)

尤其是，HH^H的标准化特征向量的排列是接收机一方的接收天线加权矩阵U^H，并且H^HH的标准化特征向量的排列是放射机一方的发射天线加权矩阵V。D表示具有作为对角成分的H^HH或HH^H的的特征向量的平方根的对角矩阵。该矩阵具有由发射天线数量M和接收天线数量N中的较小者表示的大小，由此形成具有min[M，N]的大小的方形矩阵或对角矩阵。

如上所述，尽管使用实数描述了奇异值分解，当延伸到每个复数的量值时，奇异值分解存在警告。然而，U和V每个表示特征向量形成的矩阵，甚至当特征向量被引入或标准化时，从而其范数等于1，该特征向量不会成单数，但是存在无穷多个具有彼此不同的相位的特征向量。甚至发生了取决于U和V之间的相位关系而不满足上述等式(2)的情况。这是因为尽管U和V单独是正确的，但是只有单个相位任意旋转。为了完全匹配相位，获得V作为正常过程中H^HH的特征向量。同时，在上述等式(2)的两边从右边乘以V而获得U，如下面给出的等式(6)

HV＝UDV^HV＝UDI＝UD

U＝HV^D-1               (6)

当使用在发射机方的发射天线加权矩阵V来执行加权时，并且当通过用接收机方的接收天线加权矩阵U^H执行加权来执行接收时，由于U和V分别是单位矩阵(U＝N×min[M，N]；V＝M×min[M，N])，所以V由下面给出的等式(7)表示。

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

接收信号y和发射信号x分别不是由发射天线的数量和接收天线的数量确定的矢量，而是(min[M，N]x1)矢量。

由于D是对角矩阵，所以可以接收单个传输信号而不会引起串扰。另外，由于单个相互独立的MIMO信道的幅度与特征值λ的平方根成比例，所以单个MIMO信道的功率电平与λ成比例。

而且考虑噪音分量n，U的列是特征向量，其范数标准化为1，使得U^Hn不是改变其噪声功率的特性。考虑该大小，U^Hn变成(min[M，N])矢量，以便它具有与y和x相同的大小。

如上所述，在SVD-MIMO通信中，尽管处在相同频率和相同时间，但是可以获得多个逻辑上相互独立的免于串扰的MIMO信道。即，通过在相同时间使用相同频率，可以通过无线系统发送数据的多个项，并且可以实现传输速度增强。

通常，在SVD-MIMO通信系统中获得的MIMO信道的数量对应于发射天线数量M和接收天线数量N中的较小者，即，min[M，N]。在发射机一方的发射天线加权矩阵V由对应于MIMO信道数量的发射矢量V_i(V＝“V1、V2、...、V_min[M，N]”)构成。另外，单个发射矢量V_i的元素数量对应于发射天线数量M。

通常，已知由SVD-MIMO方案表示的闭环MIMO方案以这样一种方式可以实现更理想的信息传输，即考虑传输路径信息，由此优化最佳天线加权系数的计算、对单个天线提供的比特流编码率、以及调制技术。

另外，采用闭环MIMO方案作为实系统会出现其他问题。在信道变化增加与发射机和接收机的移动有关的情况下，只要增加从接收机向发射机的反馈，则频率必须增加。而且，在SVD-MIMO通信方案中，在实时中不容易执行奇异值分解的操作，并且必须建立用于预先向目的地通知V或U^H的程序。

下面，通过参考例如IEEE 802.11a系统，将描述结合考虑有关发射机一方的发射天线加权矩阵V(下文称为“V发射天线加权系数矩阵”)的信息量的情况，该IEEE 802.11a系统是用作SVD-MIMO通信的适配对象的LAN系统，尤其是用作5-GHz频带OFDM(正交频分复用)通信方案。如果发射/接收天线元件的数量每个都是3，则该发射天线加权矩阵V是3×3矩阵，并且其元素的数量是九。当矩阵由实数和具有每元素10比特的精度的复数表示，并且它必需用于52个载波时，则必须从接收机向发射机反馈9360比特(＝9(矩阵的元素数)×2(附属的实部和虚部))×10(比特)×52(OFDM子载波数)。

下面将描述当构造实际SVD-MINO通信系统时要考虑的内容。

根据SVD-MIMO通信系统的基本结构，在接收机中，由奇异值分解将获得的信道矩阵H分解，获得接收加权矩阵U^H和发射加权矩阵V，并且将V反馈给发射机。V作为发射机一方的发射加权。

然而，在该情况下，例如V的信息量是大的且由此减小并发送V的信息，因为来自矩阵的正交信息的差别，MIMO信道间正交状态被破坏，并由此产生串扰。

因而，通常，在由接收机接收的发射天线加权矩阵V已经发送给发射机之后，该发射机通过使用V加权参考信号，以便随后发送该信号，并且该接收机重新获得该信道矩阵。当该信道矩阵是H时，该接收机能从由V加权并发送的参考信号中获得信道矩阵HV。

在接收机一方，获得HV的逆矩阵，并用作接收加权。由于H＝UDV^H，所以HV由下面给出的等式(8)表示。

HV＝UDV^HV

＝UD                               (8)

(HV)^-＝(UD)^-＝D^-U^-＝D^-U^H

简单地获得上述内容，以便在与普通SVD-MIMO相同的U^H用作接收加权之后，从对角矩阵D的相应对角元素λ_i中获得的常数乘以相应的分开的MIMO信道。

因此，在该结构中，V用作发射机一方的发射加权，并且HV的逆矩阵用作接收机一方的接收加权。该结构具有与SVD-MIMO的性能相同的性能，其中在发射机方和接收机各方之间不存在V的失配。因此在实际应用中可以使用该结构。

注释(^*)

专利文献1：日本待审查的专利申请公开号10-84324(或，1991-84324)

非专利文献1：国际标准ISO/IEC 8802-11：1999(E)ANSI/IEEE Std 802.11，1999年出版，部分II：无线LAN媒体存取控制(MAC)和物理层(PHY)规范(Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications).

非专利文献2：ETSI标准ETSI TS 101 761-1V1.3.1宽带无线接入网络(BRAN)；HIPERLAN类型2；数据链路控制(DLC)层；部分1：基本数据传输功能

非专利文献3：ETSI TS 101 761-2V1.3.1宽带无线接入网络(BRAN)；HIPERLAN类型2；数据链路控制(DLC)层；部分2：无线电链路控制(RLC)子层

非专利文献4：IEEE标准补充，用于信息技术-电信和系统间的信息交换-局域网和城域网-具体需求-部分II：无线LAN媒体存取控制(MAC)和物理层(PHY)规范：5GHz频带中的高速物理层

非专利文献5：http：//radio3.ee.uec.ac.jp/MIMO(IEICE_TS).pdf(2003年10月24日的内容)

如上所述，根据SVD-MIMO通信系统，在相同的频率和相同的时间上可以获得彼此不具有干扰(串扰)的多个逻辑上相互独立的通信路径(MIMO信道)。更加实际的，该通信方案能通过在相同时间使用相同频率经由无线通信传输数据的多个项。因此，可以实现传输速度增强。

根据SVD-MIMO通信方案，通过使用在发射机一方的发射天线加权矩阵V来执行加权，并且通过使用接收机一方的U^H天线加权系数矩阵来执行加权，使得与发射信号x有关的接收信号y如上述等式(7)表示。另外，由于D是对角矩阵，所以可以接收单个发射信号而没有串扰。而且，由于单个相互独立的MIMO信道的幅度与特征值λ的平方根成比例，所以单个MIMO信道的功率电平与λ成比例。

这意味着当向发射机一方的发射天线平均分配功率时，其每个比率与相互独立的MIMO信道的功率的每个比率相同。

此时，MIMO信道的通信质量等级彼此不等，并且该MIMO信道混合地包含具有低信噪比(SNR)的MIMO信道和具有高SNR的MIMO信道。第i个MIMO信道的通信质量等级对应于表示对角矩阵D的对角元素的特征值λ_i。

在优化分配给单个MIMO信道的功率的情况下，可以获得比在对单个MIMO信道进行相等功率分配的情况更大的通信容量。(实际上，通过对具有高通信质量(即，具有大特征值λ_i)的MIMO信道的发射功率的分配来增强通信容量，下面将详细地描述)。

例如，准备两个MIMO信道，并且假设总传输功率为1.0，则该功率分配为0.7和0.3。

然而，在空间多路复用的信道的单元中因此改变功率分配，在接收机一方不能执行准确的去映射。

这是因为变化的功率分配改变了星座(信号空间)中接收信号点的幅度的量值。在正常情况下，在BPSK(二进制相移键控)、16QAM(正交幅度调制)、64QAM、和256QAM的任一映射方案中，在假设使用星座中所有的信号点的情况下，功率的平均值标准化为1，并且该信号点被映射。然而，当功率分配改变时，不能保证功率的平均值标准化为1。

在该情况下，例如BPSK或QPSK，只通过参考单个坐标轴上星座中接收信号点的正负关系可以执行去映射，使得不必总是保证功率的平均值为1。然而，相比之下，在诸如16QAM之类的方案中，多个信号点被映射在星座的单个象限内。如此，通过参考单个坐标轴上的正负关系不能保证准确的去映射，从而必须保证功率的平均值为1。尤其是，当功率分配已经改变时，接收信号点必须返回到接收机一方的幅度的原始量值。

发明内容

鉴于技术问题而提出本发明，并且希望提供能够通过执行MIMO通信实现传输容量增强的一种优良的无线通信系统，优良的无线通信装置，优良的无线通信方法，及其优良的计算机程序，其中通过使用在成对的发射机和接收机之间的空间多路复用来形成多个逻辑信道，该发射机具有多个天线，并且该接收机具有多个天线。

而且，希望提供通过使用增强的通信容量能够以高传输效率执行通信操作的一种优良的无线通信系统，优良的无线通信装置，优良的无线通信方法，及其优良的计算机程序，该增强的通信容量通过对经过空间多路复用获得的单个MIMO信道执行传输功率的最佳分配来获得。

还希望提供一种优良的无线通信系统，优良的无线通信装置，优良的无线通信方法，及其优良的计算机程序，其中通过改变MIMO信道单元中的功率分配将经过空间多路复用的传输的数据进行空间多路分解，并且进一步根据功率分配值对传输数据进行精确的去映射。

通过参考上述问题而提出本发明。根据本发明的第一实施例，提供一种无线通信系统，用于通过在发射机和接收机之间使用多个空间多路复用的通信信道来执行数据通信，其中在发射机中，将发射功率分配给每个通信信道，在信号空间中映射该发射功率，并且对发射功率进行空间多路复用，由此执行数据通信；并且，在接收机中，获得每个通信信道的功率分配信息，空间分离接收的数据，并且根据功率分配信息执行接收数据的去映射。

在此使用的术语“系统”涉及由多个装置或设备逻辑上形成的物理部件(或，实现特定功能性的功能模块)，而不论装置或设备的每个功能模块是否存在于单个机壳内。

例如，根据本发明实施例的无线通信系统使用MIMO通信方案。这通过使用多个空间多路复用的传输路径来增强传输容量，由此能增强传输速度。在该情况下，发射机和接收机每个都包括多个天线。该发射机将传输数据分配给多个流，并从它自己的每个天线(或发射天线)上对传输数据执行加权传输。该接收机通过它自己的每个天线(或，接收天线)执行流的加权接收。

根据本发明实施例的无线通信系统可以使用由SVD-MIMO通信方案表示的闭环MIMO通信方案。在该情况下，该发射机根据来自接收机的反馈信息获得最佳发射天线加权系数。

在该情况下，优化对单个MIMO信道的功率分配，由此能够获得比在对单个MIMO信道进行相等功率分配的情况更大的通信容量。实际上，通过将增加的发射功率分配给具有高通信质量的MIMO信道，由此增加通信容量。

然而，在改变空间多路复用信道单元中的功率分配的情况下，发生了问题，即在接收机一方不能执行准确的去映射。

如此，在根据本发明实施例的无线通信系统中，设置该结构，以便该接收机获得单个通信信道的功率分配信息，执行接收数据的空间分离，并进一步根据功率分配信息对其执行去映射。实际上，使用分配给单个通信信道的功率分配值，该接收机将相应通信信道中的信号空间中的接收信号点的幅度量值返回到原始量值，由此执行准确的去映射过程。

例如，该接收机根据从发射机发送的参考信号中包含的功率信息，能获得每个通信信道的功率分配信息。

然而，在通过使用参考信号发送功率分配信息的情况下，发生了问题，即，除了用户数据以外，将不是必需的参考信号添加到传输帧中，由此降低传输效率。

为此，该接收机可以根据空间分离后的用户数据的接收功率来估计每个通信信道的功率分配。

尤其是，该接收机根据在空间分离后的用户数据中包含的导频载波的接收功率，能估计每个通信信道的功率分配。

根据用作SVD-MIMO适配对象的LAN系统的IEEE 802.11a，指定四个已知的或存在的并行载波被交织为52个OFDM子载波。该导频载波采用值±1，以便可从用户数据中取出一个导频载波的值。另一方面，从用户数据中取出的多个并行载波值的平均值，由此消除噪音的影响，从而可以更精确地估计相应MIMO信道中的功率分配。

固有的，导频载波用于纠正与在发射机和接收机之间的时钟误差相关的相位旋转。然而，本发明具有一种特征，其中导频载波也用于纠正幅度变化，即，在信号点中的功率方向。

提高在接收机一方的功率分配估计的精度，能提高其后续阶段的去映射的确定精度，因此导致接收机整体性能的增强。

例如，该接收机变成能够不仅使用接收信号的信号功率，而且使用每个流信号的似然信息来估计每个流的精确的功率分配。而且，通过参考功率分配估计信息可以实现更精确的去映射。

更详细地，该接收机执行包含在用户数据中的导频载波的功率检测，并且作为相应检测值的精度的基础，使用信号的似然估计值信息，由此允许每个流的功率分配的更加精确的估计。实际上，将多个信号功率的检测值进行平均，由此估计相应流的功率分配。在该情况下，用似然估计值执行加权。尤其是，安排该处理，以便通过流的接收功率的加权和平均来获得用于流的更精确的功率估计值。

在接收机通过使用每个信号的似然信息以及经空间多路复用后的接收信号的信号功率来获得相应流的功率分配的情况下，根据特定方法，接收机必须获得每个流的似然信息。

在MIMO通信中，该接收装置估计逻辑信道的信道矩阵，根据估计的信道矩阵获得天线加权矩阵，并且将来自单个天线的接收的信号乘以天线加权矩阵，由此执行成为单个流信号的执行空间分离。在该情况下，该似然性估计装置能根据天线加权矩阵估计似然信息。例如，假设，预计相等空间解码后的信号幅度值的预期值(根据该情况，将替换地称作“后空间解码信号幅度值”)变成1，相应流的加权矢量的平方范数变为等于噪音功率的增益。在该情况下，从流的天线加权矢量的平方范数的倒数中获得有关每个后空间解码流的SNR，由此由该SNR估计值的平方根形成的似然幅度可用作似然信息。

另一方面，在根据MMSE(最小均方误差)算法估计信道矩阵的情况下，该算法基于对信号功率和平方误差之间的比率最大化的逻辑，在天线加权矩阵计算的情况下有意产生串扰(流间干扰)，并且后空间解码信号幅度值的预期值不限于1。鉴于这些事实，考虑只使用天线接收加权矩阵难以预计来自似然估计值的精度。因而，根据信息的三个项，即估计的信道矩阵、天线接收加权矩阵、和估计的噪音功率，可以更精确地估计似然信息。尤其是，分别通过估计的信道矩阵、天线接收加权矩阵、和估计的噪音功率在后空间解码流的单元中可以直接计算信号功率S、干扰功率I、和噪音功率N，并且由S/(I+N)的平方根构成的似然幅度用作似然信息。

通过该流的天线加权矢量的平方范数与包含在空间解码前的信号中的噪音功率的乘积，可以获得在空间解码后的每个流中包含的噪音功率值。

另外，从天线加权矢量和流中信道矢量的标量积中，可以获得每个后空间解码流的信号幅度的预期值。由此，可以获得通过从天线加权矢量和每个流中的天线矢量的标量积的平方范数中减去在计算的功率值上执行的噪音功率而获得的结果，作为流的功率估计值的真实信号。

从流的天线加权矢量和流的信道矢量的标量积中，可以获得每个后空间解码流的干扰信号的幅度。由此，从标量积的平方范数的总和中可以获得该流中的干扰信号功率。

因此，该系统不仅使用天线加权矩阵，而且使用噪音功率估计值，即在预先空间解码接收信号中包含的噪音功率的估计值(或，在空间解码之前的接收信号)和估计的信道矩阵，这些用于MMSE处理中。因此，该系统估计每个后空间解码流信号中的单个噪音功率、信号功率、和干扰功率，并且从这些估计值中获得SINR，由此由其平方根形成的似然幅度信息可用作具有可以使用的更高概率的似然信息。

根据本发明的第二实施例，提供一种以计算机可读格式写成的计算机程序，通过使用多个空间多路复用的通信信道执行接收传送的数据的过程，其中在发射机一方将发射功率分配给每个通信信道，该计算机程序具有：接收步骤，接收来自每个通信信道的信号，并且对其执行空间分离；功率分配信息采集步骤，获得每个通信信道的功率分配信息；和解调步骤，根据获得的功率分配信息在空间分离的通信信道中执行接收信号的去映射。

根据本发明第二实施例的计算机程序规定计算机程序，限定了一种以计算机可读格式写成的在计算机系统中实现预定处理的计算机程序。尤其是，通过将根据本发明第二实施例的计算机程序安装在计算机程序中，在计算机程序中显现协作效果，由此使包括多个天线的通信装置能够工作成MIMO接收机。与根据本发明第一实施例的无线通信系统相同的操作优点和效果可以以这种方式获得，即激活MIMO接收机结合包含多个天线的发射机，以便配置多个无线网络。

根据本发明的实施例，提供通过执行MIMO通信实现传输容量增强的一种优良的无线通信系统，无线通信装置，优良的无线通信方法，及其计算机程序，其中通过使用在成对的发射机和接收机之间的空间多路复用来形成多个逻辑信道，该发射机具有多个天线，并且该接收机具有多个天线。

而且，提供通过使用增强的通信容量能够以高传输效率执行通信操作的一种优良的无线通信系统，优良的无线通信装置，优良的无线通信方法，及其优良的计算机程序，该增强的通信容量通过向由空间多路复用获得的单个MIMO信道执行传输功率的最佳分配来获得。

进一步，提供一种优良的无线通信系统，优良的无线通信装置，优良的无线通信方法，及其优良的计算机程序，其中通过改变MIMO信道单元中的功率分配将空间多路复用的传输的数据进行空间多路分解，并且进一步根据功率分配值对传输数据进行精确的去映射。

此外，该接收机变成能够通过不仅使用在接收信号被空间分离即空间解码后的流的单元中的用户数据的接收功率，而且使用每个流信号的似然信息来估计每个流的精确的功率分配。而且，通过参考由此获得的功率分配估计的信息可以实现更精确的去映射，因此导致接收机整体性能的增强。

下面，通过结合进行中的实施例、附图等内容所给出的更详细的描述，本发明的这些和其他实施例、特征、和优点将变得显而易见。

附图说明

在附图中：

图1是示出根据本发明实施例的无线通信装置的结构视图；

图2是示出传输帧的范例结构的视图；

图3是示出传输帧的范例结构的视图；

图4是示出传输帧的范例结构的视图；

图5是示出传输帧的范例结构的视图；

图6是示出传输帧的范例结构的视图；

图7是功率分配估计部分中的功能配置的示意图；

图8是MIMO通信系统的原理图；

图9是SVD-MIMO通信系统的原理图；

图10是功率分配估计部分中的功能配置的示意图；

图11是功率分配估计部分中的功能配置的示意图；和

图12是功率分配估计部分中的功能配置的示意图。

具体实施方式

下面参考附图将详细描述本发明的实施例。

本发明涉及MIMO通信系统，其中通过在成对的具有多个天线的发射机和具有多个天线的接收机之间的空间多路复用对信号进行通信。下面的描述将参考作为示例的IEEE 802.11a，其是用作MIMO通信的适配对象的LAN系统。

设置该系统结构，以便优化对单个MIMO信道的功率分配，以获得比在对单个MIMO信道进行相等功率分配的情况更大的通信容量。实际上，将增强的发射功率通过具有高通信质量的MIMO信道分配，由此增强通信容量。

在改变空间多路复用信道的单元中的功率分配的情况下，发生了问题，即在接收机一方不能执行准确的去映射，如上所述。然而，在本发明中，设置该结构以便接收机获得单个通信信道的功率分配信息，执行接收数据的空间分离，并且还根据功率分配信息执行接收数据的去映射(去映射过程)。实际上，使用分配给单个通信信道的功率分配值，该接收机将在相应通信信道的信号空间中的接收信号点的幅度量值返回到原始量值，由此执行精确的去映射处理。

图1显示了根据本发明实施例的无线通信装置的结构。

该无线通信装置包括两个发射/接收天线11a和11b，并且能根据SVD-MIMO方案执行数据通信。尤其是，如果进行传输，向即将多路复用的单个传输信号提供发射天线加权系数，接着这些信号被空时编码、分配给两个发射/接收天线11a和11b，然后发射。在接收机一方，向通过信道被两个天线11a和11b接收的多路复用信号提供接收天线加权系数，接着这些信号被空时解码，由此接收该接收数据。然而，根据本发明的本质，天线的数量不限于两个，而可以是三个或多个。

发射系统和接收系统通过开关12a和12b并行地连接到各自的发射/接收天线11a和11b。由此，将信号无线传输给其他无线通信装置，或收集从其他无线通信装置发送的信号。然而，假设开关12a和12b专门将发射/接收天线11a，11b连接到发射系统或接收系统，以便不能并行地执行发射和接收。

相应的发射系统包括调制编码器部21、发射加权乘法器部22、IFFT23(快速傅里叶逆变换)、前置/参考设置部24、D/A转换器25、和发射模拟处理器部26。

该调制编码器21对传输数据编码，该传输数据已从通信协议的上层发送，并具有纠错码元，并且根据预定的调制方案，如BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、或256QAM，执行信号空间中传输信号的映射。在该时间点上，根据导频码元交织模式和定时，已知的数据序列可被交织为导频码元。在该情况下，在子载波的单元中或在若干子载波的间隔中对已知模式形成的导频信号进行交织。

该发送加权乘法器部22保持通过执行信道矩阵H的奇异值分解而保留的发射天线加权矩阵V，该信道矩阵H通过接收与天线数量对应的参考码元来获得，该参考码元从传输目的地发送。然后，该乘法器部22执行后编码传输信号与发射天线加权矩阵V的乘法，由此通过空间多路复用获得多个MIMO信道。根据从作为通信目的地的无线通信装置发射的信息构造该发射天线加权矩阵V，并且在发射加权乘法器部22中设置该矩阵。

在IFFT23中，根据并行载波的数量和定时，将以串行格式调制的信号转换和整理为并行数据用于并行载波的数量。然后，根据预定的FFT大小和定时，IFFT23对FFT大小执行逆快速傅立叶逆变换(IFFT)。在该情况下，在OFDM码元的前部和后部提供保护间隔部分以消除码间干扰。根据延迟波的最大延迟时间确定保护间隔的时间间隔，该延迟波影响传播路径的状态，即解调。然后，将这些信号改变为串行信号，并且转换为时间轴上的信号，同时保持频率轴上单个载波的正交性，并且这些信号用作传输信号。

发射信号由D/A转换器25转换为模拟基带信号，这些信号进一步由发射模拟处理器部26上变换为RF频带，并且这些信号由天线11发送到信道。在该实施例中，优化对MIMO信道的功率分配，由此获得比在对单个MIMO信道进行相等功率分配的情况更大的通信容量。实际上，较大的传输功率分配给具有高通信质量的MIMO信道。

另一方面，相应的接收系统由接收模拟处理器部31、A/D转换器32、同步采集部33、FFT34、接收加权乘法器部35、解调解码器36、和信道特征采集/功率分配采集部37构成。

在接收模拟处理器部31中，将从天线11接收的每个信号从RF频带下变换为基带信号，并且该信号由A/D转换器32转换为数字信号。

随后，根据由同步采集部33检测的同步定时，作为串行数据的接收信号被转换为并行数据，并且整理该数据(在该情况下，整理用于一个OFDM码元的包括到保护间隔的数据的信号)，由FFT34对有效码元长度的信号进行傅立叶变换，并且获得单个子载波的信号。在该方式中，将时间轴上的信号转换为频率轴上的信号。

在信道特征采集/功率分配采集部37中，通信目的地首先通过使用参考信号获得信道矩阵H，以多路复用发送信号的单元向该参考信号提供加权，并且从信道矩阵H中计算描述天线加权的接收加权矩阵。例如，在SVD-MIMO通信系统中，通过奇异值分解将这样获得的信道矩阵H进行分解，以便获得发射天线加权矩阵V、作为天线加权矩阵W的接收加权矩阵U^H、和对角矩阵D。每次从通信目的地以预定的间隔发送参考信号时，信道特征采集/功率分配采集部37更新其信道矩阵，并且对其执行奇异值分解。

另外，信道特征采集/功率分配采集部37获得有关提供给发射机的功率分配的信息。例如，可以设置该操作，以便该发射机初步描述每个流参考信号中的功率信息，并且信道特征采集/功率分配采集部37读取该信息。另一方面，根据接收信号的空间分离后的每个流用户数据的接收功率可以估计功率分配。另外，当执行功率分配的估计时，还考虑单个流信号的似然信息，由此能提高估计的精度。下面将描述获得功率分配的方法的细节。

在本地(自己的)装置的接收加权乘法器部35中，设置通过信道矩阵的奇异值分解获得的接收加权矩阵U^H，并且将发射天线加权矩阵V反馈给通信目的地。然而，对于该接收加权矩阵，可使用HV的逆矩阵DU^H代替接收天线加权矩阵U^H(参考上述内容和等式(8))。

该接收加权乘法器部35然后执行接收天线加权矩阵U^H或DU^H与接收信号的乘法，该接收天线加权矩阵U^H或DU^H通过执行信道矩阵H的奇异值分解来获得，由此空间多路分解该空间多路复用的接收信号。

而且，在解调解码器36中，根据预定的调制方案，如BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、或256QAM，对空间多路分解的接收信号进行去映射，并且进行纠错和解码。由此，空间多路分解的接收信号变成接收数据，并且将该数据传送到通信协议的上层。

本发明的本质不限制从信道矩阵到SVD获得该接收加权矩阵的方案。作为用于从信道矩阵H获得天线加权矩阵W的相对简单的算法，如强制归零和MMSE(最小均方误差)的算法是公知的。可通过这些算法实现本发明，强制归零是基于完全消除串扰的逻辑的方案。MMSE是基于最大化信号电流和误差平方(串扰功率和噪音功率的总和)之间的比率的逻辑的方案。该方案使用接收机噪音功率的概念，其中有意产生串扰，由此获得天线加权矩阵W(对信号矩阵H进行逆矩阵操作)。当将两个方案互相比较时，公知在高噪音环境下MMSE更好。

在根据本发明的无线通信系统中，对具有高通信质量的MIMO信道分配大传输功率，以便优化对单个MIMO信道的功率分配，由此增强通信容量。在该情况下，由于在发射机一方的空间多路复用的信道的单元中改变功率分配，所以发生了在接收机一方不能执行精确的去映射的问题。因而，在该实施例中，信道特征采集/功率分配采集部37用于获得单个MIMO信道的功率分配信息。而且在接收加权乘法器部35中，在通过接收信号由U^H或DU^H接收加权矩阵相乘执行的空间分离后，分配给单个通信信道的功率分配值用于将相应通信信道的信号空间中的接收信号的量值返回到原始量值，由此可以执行精确的去映射。

通过参考作为范例的SVD-MIMO通信系统，下面描述了接收机一方的接收处理。在该情况下，假设已经预先执行了在发射机一方获得发射天线加权矩阵V的过程。

(步骤1)

接收通过发射天线加权矩阵V加权的参考信号，并且获得作为信道矩阵信息的HV。

(步骤2)

计算HV的逆矩阵(参见等式(8))。

(步骤3)

接收用户数据，并因此进行加权接收，以便通过使用HV的逆矩阵执行空间分离。

(步骤4)

使用分配给相应MIMO信道的相应功率分配值，该量值返回到原始量值(在信号空间中的接收信号点的幅度量值返回到原始量值)。

该接收机应当预先识别对单个MIMO怎样信道分配功率。

下面描述了用于信道特征采集/功率分配采集部37获得有关提供给发射机一方的单个MIMO信道的功率分配的信息的方法。为描述方便，假设形成两个MIMO信道，并且其发射加权矢量由V1和V2表示(即，V＝[V1，V2])。

用一种方法举例说明可在接收机一方使用来获得有关功率分配信息的方法，其中发射机包括有关传输帧中的功率分配，并且在接收机一方解释该信息，由此获得单个MIMO信道的功率分配信息。

图2显示了在上述情况中所用类型的传输帧的结构范例。如图所示，在该传输帧中，将未多路复用的功率分配信息添加在参考信号的前头用来在接收机一方使用，以便获得信道矩阵H(或者，用V加权的参考信号用于获得用来接收加权的HV)。

该信道特征采集/功率分配采集部37解释功率分配信息中的描述，由此能够获得与单个MIMO信道的功率分配有关的信息。

对于用户数据，该功率分配信息是不必要的信息，并且导致传输效率降低。实际上，由于以实数描述对每个MIMO信道的功率分配，使得其比特大小不希望大到在传输效率上施加不可忽略的影响的程度。

在信道特征采集/功率分配采集部37中使用的获得单个信道的功率分配信息的其他方法，包括根据功率信息获得单个MIMO信道的功率分配信息的方法，该功率信息包含在从发射机发送的参考信号中。

图3显示了在其他方法的情况下传输帧的结构范例。如图所示，在该传输帧中，将用来获得相应MIMO信道的功率分配信息的参考信号与参考信号添加在一起用于在接收机一方使用，以便获得信道矩阵H(或者，用V加权的参考信号，用于获得用来获得接收加权的HV)。

在该情况下，通过时分多路复用的参考信号乘以发射天线的单元中的单个传输加权V1和V2构成用于获得信道矩阵H的参考信号。相比之下，给用于获得功率分配信息的参考信号提供了每信道功率分配，并且该参考信号通过用传输加权V1和V2进行加权/空间多路复用进行传输。图4是显示图3所示传输帧的时间和空间多路复用结构的示意图。

在该情况下，在信道特征采集/功率分配采集部37中，对通过使用传输加权V1和V2进行加权/空间多路复用而传输的参考信号进行空间多路分解。由此，根据单个MIMO信道的接收功率可以获得功率分配。

然而，对于用户数据，用于获得功率分配信息的参考信息是不必要的信息，并且导致传输效率的降低。

另外，作为在信道特征采集/功率分配采集部37中使用以获得单个MIMO信道的功率分配信息的另一方法，可假设方法，其中通过将功率分配信息添加到时分多路复用的参考信号中而发送该功率分配信息，该参考信号乘以单个发射加权V1和V2，用于获得该信道矩阵H。

图5显示了在上述情况中的传输帧的范例结构。如图所示，在该传输帧中，将在接收机一方使用以获得信道矩阵H(或者，用V加权的参考信号，用于获得用来获得接收加权的HV)的参考信号添加到用户数据的前头。

在该情况中，通过将时分多路复用信号乘以发射天线的单元中的单个传输加权V1和V2，构成用来获得信号矩阵H的参考信号。图6是显示图5所示传输帧的时间和空间多路复用结构的示意图。

与空间多路复用类似，在发射加权部分V1和V2中设置与用于相应MIMO信道的功率分配类似的功率分配。例如，如果在对两个MIMO信道的功率分配之间的比率为7∶3，则针对由1表示的发射功率，该发射功率比是0.7∶0.3。

在该情况下，不向用户数据添加用于功率分配信息通知的不必要的信息，以便不影响传输效率。然而，在功率分配中存在大的差别的情况下，则发生可靠性问题。例如，当功率分配之间的比率是9∶1时，一个信道的发射功率是0.9，而另一信道的发射功率是0.1。这等于10dB的信号恶化，从而大大降低可靠性。

作为用于获得有关对接收机的功率分配的信息的另一方法，在此进一步提出的是根据在空间多路分解后的用户数据的接收功率，估计对单个通信信道的功率分配的方法。根据该方法，不向用户数据添加用于功率分配信息通知的不必要的信息，以便不影响传输效率。

在该情况下，由接收机接收用V加权的参考信号。然后，信道矩阵HV由信道特征采集/功率分配采集部37从参考信号中获得。然后，计算HV的逆矩阵(参见等式(8))。此后，将用户数据一次存储在存储器中。

该信道特征采集/功率分配采集部37从存储器中取出用户数据的第一个OFDM码元，并且将它乘以HV的逆矩阵。由于乘以HV的逆矩阵，所以将多个空间信号相互分离。由此，只可以获得预期的空间信道信号。同时，也消除了对传输路径的定向的影响。这些信号中的每个信号是在对应于功率分配的幅度中变化的信号。在0.3功率上传输的信号当作为1.0功率的整体传输时乘以(1/0.3)的平方根，由此可以将幅度返回到原始信号空间中的信号点。

图7是功率分配估计部分中功能结构的示意图。如图所示，该结构包括空间分离部、功率获取部、和功率分配估计部。该空间分离部将接收信号乘以HV的逆矩阵，由此将信号分离为多个空间信道信号。该功率获取部获得空间分离的相应信道信号的功率。该功率分配估计部根据功率采集结果估计每个信号功率分配。根据功率采集结果，将各自信道上的接收信号重新映射到信号空间中，由此有可能在解调解码器36中精确地去映射。

下面将描述根据上述用户数据估计功率分配的方法。

在调制方案的任何类型中，将用户数据映射在发射机中，使得单个信号点的功率的平均值变为1.0。因而，该功率分配估计部计算用户数据的一个OFDM码元(乘以HV的逆矩阵之后)中的数据的52个项的功率及其平均值(在该情况下，一个OFDM码元由52个子载波构成)。例如，当结果值是0.3时，可以将功率分配估计为0.3。

在使用BPSK的情况下，在信号空间中只存在+1和-1的项。相比之下，在16QAM的情况下，尽管存在信号点的多个功率电平，但将该值标准化，使得当在相同频率上过多使用所有的信号点时，该功率变为1。在发射机一方，由于应用扰频，所以确保以相同的概率使用16QAM的单个信号点。因此，如上所是，可以执行功率分配的估计。当然，通过两个OFDM码元可以实施更精确的功率估计。

下面将描述多个功率分配估计的方法。

根据用作SVD-MIMO通信的适配对象的LAN系统的IEEE 802.11a，将OFDM子载波的数量指定为52，并且将其四个块指定用作导频载波。本质上，导频载波用来纠正与发射机和接收机之间时钟误差有关的相位旋转。然而，导频载波也可用于使用SVD-MIMO的通信中的发射功率分配。

发送到发射机的每个导频载波位于信号空间中的±1值。因而，在接收机一方，对于特定数量的OFDM码元，测量导频载波的功率，并且根据结果值估计对相应MIMO信道的功率分配。与上述情况类似，在单个MIMO信道上的接收信号乘以1/(导频载波功率)的平方根，由此能够返回信号空间中接收信号幅度的量值。即，将固有的用于相位纠正的导频载波中存在的特征用于纠正幅度变化，即功率方向。

图10是上述情况中功率分配估计部分的功能结构的示意图。

FFT34对来自相应天线11a和11b的接收信号1和2进行傅立叶变换，由此变成包含多个子载波的OFDM码元，这些子载波从时间轴上的信号连续设置在频率轴上。

信道特征采集部37-1通过使用，例如参考信号部分获得信道矩阵H，并且从信道矩阵H中计算具有天线加权描述的接收加权矩阵。例如，在SVD-MIMO通信系统执行信道矩阵H的奇异值分解的情况下，由此获得接收天线加权矩阵U^H。当然，通过使用该算法，如强制归零或MMSE，告知该信道特征采集部37-1计算天线加权矩阵W的功能。

功率分配采集部37-2为特定数量的OFDM码元执行单个流的单个导频载波功率的测量，并且估计1/(导频载波功率)的平方根A-1成为相应信号的功率分配。

然后，在天线加权矩阵乘法器部35中，来自相应天线的接收信号1、2乘以通过天线加权矩阵W与A^-1功率分配相乘获得的矩阵。由此，当将该信号分离为每个流信号时，在信号空间中的接收信号点幅度的量值能返回到原始量值。

在该情况下，提高了在接收机一方的功率分配估计的精度能提高其后续阶段的去映射的精度，因此导致接收机整体的性能增强。

作为实际范例，通过不仅使用每个流用户数据的接收功率，而且使用相应流信号的似然信息可以精确估计相应流的功率分配，甚至可以估计该相应流的更精确的功率分配。而且，通过参考功率分配估计信息的信息，可以实施更精确的去映射。图11是在上述实际范例中功率分配估计部分中功能结构的示意图。

FFT34对来自相应天线11a和11b的接收信号1和2进行傅立叶变换，由此变成包含多个子载波的OFDM码元，这些子载波从时间轴上的信号连续设置在频率轴上。

信道特征采集部37-1通过使用，例如参考信号部分获得信道矩阵H，并且从信道矩阵H中计算具有天线加权描述的接收加权矩阵。例如，在SVD-MIMO通信系统执行信道矩阵H的奇异值分解的情况下，由此获得接收天线加权矩阵U^H。当然，通过使用该算法，如强制归零或MMSE，告知该信道特征采集部37-1计算天线加权矩阵X的功能。

功率分配采集部37-2为特定数量的OFDM码元执行单个流的导频载波功率的检测。作为相应检测值的精度的基础，该功率分配采集部37-2使用从似然估计部38获得的信号的似然估计值。然后，该功率分配采集部37-2输出1/(导频载波功率)的平方根A^-1作为用于信号的更精确的功率分配估计值。实际上，将多个信号功率的检测值进行平均，由此估计相应流的功率分配。在该情况下，如下面给出的等式所示，用似然估计值对该流进行加权。在等式中，1表示流序列号，P₁表示第1个流的信号(signal current)，并且Y₁表示似然幅度。

$A_l=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{P}_l\·Y_l^2}{\mathrm{\Σ}{Y}_l^2}}---\left(9\right)$

然后，在天线加权矩阵乘法器部35中，来自相应天线的接收信号1、2乘以通过天线加权矩阵W与功率分配A^-1相乘获得的矩阵。由此，当将该信号分离为每个流信号时，在信号空间中的接收信号点幅度的量值能返回到原始量值。

如上面给出的等式(9)所示，用似然幅度执行加权平均，能够获得更精确的功率分配估计值。因此，预计了其后续阶段的去映射的确定精度，从而导致接收机整体的性能增强。

如图11所示，在通过使用相应信号的似然信息以及空间多路分解后的接收信号的信号功率来获得相应流的功率分配的情况下，根据特定方法通过接收机中似然估计部38获得相应流的似然信息。

在MIMO通信中，在接收机一方，估计逻辑信道的信道矩阵，根据估计的信道矩阵获得天线加权矩阵，来自单个天线的接收信号乘以该天线加权矩阵，由此空间分离为单个流信号。例如，在强制归零中，下面给出的等式(10)可用作后空间解码相对估计值。该过程基于这样的事实，即预测后空间解码信号幅度的预期值均等地变为1，相应流的加权矢量的平方范数等于噪音功率的增益。

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{ZF}}\left(l\right)=\frac{1}{{\left|\right|{\stackrel{\·}{w}}_l\left|\right|}^2}---\left(10\right)$

$\stackrel{\·}{w}=[w_{l1}...w_{\ln }...w_{\mathrm{lN}}]---\left(11\right)$

$W={[{\stackrel{\·}{w}}_1...{\stackrel{\·}{w}}_l...{\stackrel{\·}{w}}_L]}^T---\left(12\right)$

其中

l：流序列号          L：流的数量

n：接收分支序列号    N：接收分支的数量

W：天线加权矩阵      第1个流的天线加权矢量

上述等式(11)表示第1个流的天线加权矢量是由它自身与相应接收分支n之间的w_ln天线加权的元素形成的矢量。上述等式(12)表示天线加权矩阵w是由每个流天线加权矢量形成的矩阵。与相应流中空间解码处理有关的增益是该流的天线加权矢量的平方范数。上述等式(10)从该流的天线加权矢量的平方范数的倒数中获得与后空间解码第1个流有关的SNR。

该似然估计部38将如下面等式(13)表示的作为似然幅度Y的SNR估计值的平方根传送给功率分配采集部37—2。从上述等式(10)中可以看出，只通过使用天线加权矩阵可以估计该似然信息。

$Y=\sqrt{{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{ZF}}\left(l\right)}---\left(13\right)$

相比之下，MMSE具有该方面，即在天线加权矩阵计算情况下故意产生串扰(流间干扰)，并且后空间解码信号幅度值的预期值不限于1。鉴于这些事实，应当考虑只使用如上述等式(13)中所述的天线接收加权矩阵，难以预计来自似然估计值的精度。

鉴于上述内容，在图11所示结构的修改范例中，似然估计部38根据信息的三个项，即，估计的信道矩阵、天线接收加权矩阵、和估计的噪音功率，更精确地估计似然信息，并且向功率分配采集部37-2提供该结果。尤其是，从估计的信道矩阵、天线接收加权矩阵、和估计的噪音功率中分别计算后空间解码流信号的单元中的信号功率S、干扰功率I、和噪音功率N，并且将由S/(I+N)的平方根形成的似然幅度信息传送给功率分配采集部37-2。图12是根据修改的范例的在功率分配估计部分中的功能结构的示意图。

由FFT34对来自相应天线11a和11b的接收信号1和2进行傅立叶变换，由此变成包含多个在时子载波的OFDM码元，这些子载波从时间轴上的信号连续设置在频率轴上。该信道特征采集部37-1通过使用从信道矩阵H中计算该天线加权矩阵W，信道矩阵H从例如参考信号部分中获得。

该功率分配采集部37-2为特定数量的OFDM码元执行单个流的导频载波功率的检测。作为相应检测值的精度的基础，该功率分配采集部37-2使用从似然估计部38获得的信号的似然估计值，并且输出1/(导频载波功率)的平方根A^-1作为用于信号的更精确的功率分配估计值(与上述相同)。然后，在天线加权矩阵乘法器部35中，来自相应天线的接收信号1、2乘以通过天线加权矩阵W与功率分配A^-1相乘获得的矩阵。由此，在信号空间中接收信号点的幅度的量值能返回原始量值。

在该阶段，似然估计部38具有信息三个项的输入，即，估计的信道矩阵H、天线加权矩阵W、和估计的噪音功率σ_r ²。从这些值中，该似然估计部38直接估计单个噪音功率信号功率，和干扰功率，并且从这些估计值中获得SINR(信号-干扰和-噪音比)。

${\mathrm{SINR}}_{\mathrm{MMSE}}\left(l\right)=\frac{\hat{S}}{{\hat{I}}_l+{\hat{N}}_l}---\left(14\right)$

然后，该似然部级部38向功率分配采集部37-2提供由计算的SINR的平方根组成的似然幅度信息。

$Y=\sqrt{{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{MMSE}}\left(l\right)}---\left(15\right)$

下面是用于从输入的估计的信道矩阵H、天线加权矩阵W和估计的σ_r ²噪音功率中直接获得噪音功率、信号功率、和干扰功率的计算表达式(等式)。

${\hat{N}}_l={\left|\right|{\stackrel{\·}{w}}_l\left|\right|}^2{\mathrm{\σ}}_r^2---\left(16\right)$

${\hat{S}}_l={\left|\right|{\stackrel{\·}{w}}_l\·{\stackrel{\·}{h}}_l\left|\right|}^2-{\hat{N}}_l---\left(17\right)$

${\hat{I}}_l=\underset{i=1(i\≠1)}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\left({|{\stackrel{\·}{w}}_l\·{\stackrel{\·}{h}}_l|}^2\right)---\left(18\right)$

${\stackrel{\·}{h}}_l=[h_{1l}\·\·\·h_{\mathrm{nl}}\·\·\·w_{\mathrm{Nl}}]---\left(19\right)$

$H=[{\stackrel{\·}{h}}_1^T\·\·\·{\stackrel{\·}{h}}_l^T\·\·\·{\stackrel{\·}{h}}_N^T]---\left(20\right)$

其中，

σ_r ²：空间多路复用信号的估计的噪音功率；和

H：估计的信道矩阵。

σ_r ²是包含在预空间解码信号中的噪音功率。与在相应流上的空间解码处理有关的增益是流的天线加权矢量的平方范数。因此，在上述等式(16)中，根据该流的天线加权矢量的平方范数和在预空间解码信号中包含的噪音功率的乘积，获得在相应后空间解码流中包含的噪音功率值。

上述等式(19)表示第1个流的信道矢量是由在它自身和相应接收分支n之间的信道估计值h_nl的元素形成的矢量。上述等式(20)表示信道矩阵H是包含列向量形式的每个流信道矢量的转置向量。从天线加权矢量和流中信道矢量的标量积中可以获得相应后空间解码流的信号幅度的预期值。然而，标量积的平方范数可以被当作相应后空间解码流的信号功率，功率值与噪音功率混合。因而，根据上述等式(17)，获得通过在功率值上执行由上述等式(16)所获得的噪音功率的减法而获得的结果，作为流的真实信号功率估计值，该功率值从上述标量积的平方范数中计算。

从流的天线加权矢量和其他流的信道矢量的标量积中可以获得相应后空间解码流的干扰信号的幅度。因而，在上述等式(18)中，从标量积的平方范数的总和中获得流中的干扰信号功率。

在根据MMSE算法获得天线加权矩阵的情况下，指定使用上述等式(16)至(18)获得的噪音功率、信号功率、和干扰功率能获得更合适的SINR值。另外，如上述等式(15)中所示，可以获得由SINR值的平方范数形成的似然幅度作为具有增强高概率的似然信息。因此，即使在MMSE故意引起串扰的情况下，可以将具有相对高概率的似然信息传送给功率分配采集部37-2，以便可以抑制接收机整体中的性能恶化。

下面参照作为范例的SVD-MIMO通信方案，描述了在根据该实施例的无线通信系统中的发送/接收过程。尽管根据作为举例的RTS(请求发送)/CTS(清除发送)获得发送权限，但本发明的本质不限于此。

(步骤1)

将发送请求RTS数据包发送给接收机。

(步骤2)

在接收机到发射机的响应中，发送该发送-验证-响应CTS数据包。将用于估计信道矩阵H的参考信号添加到CTS数据包的开头中。

(步骤3)

该发射机从CTS数据包的参考信号中获得信道矩阵H。如果在发射机和接收机中执行校准，则上行链路中的H和下行链路中的H彼此相同。

(步骤4)

该发射机对获得的信道矩阵H执行奇异值分解。由此，获得H＝UDV^H。

(步骤5)

发射机通过使用获得的V发送DATA数据包。该DATA数据包具有包含用V加权的MIMO信道的单元中的参考信号时分多路复用的区域，和随后空间多路复用用V加权的用户数据。

(步骤6)

该接收机从用DATA数据包的V加权的参考信号中获得HV信道矩阵。

(步骤7)

该接收机计算HV信道矩阵的逆矩阵(参见等式(8))。

(步骤8)

该接收机通过使用HV的逆矩阵执行第一码元的乘法。

(步骤9)

该接收机获得与HV逆矩阵相乘的用户数据的52子载波中的功率平均值(或者，导频载波的功率)，并且将结果设置为用于功率值的估计值。

(步骤10)

该接收机从第一OFDM码元开始，再次执行HV逆矩阵的乘法。

(步骤11)

该接收机执行用户数据与HV的逆矩阵，即(1.0/(功率分配估计值))的平方根的乘法，由此执行信号空间中接收信号点的幅度量值的调整。

(步骤12)

该接收机执行去映射，并由此接收该用户数据。

最后，下面将描述通过发射功率分配来优化MIMO信道容量。

根据SVD-MIMO通信方案，当将功率均等地分配给发射机一方的发射天线时，其每个比值与相互独立的MIMO信道的功率的每个比值相同。在多个流传输的情况下，传输容量的总量在数量上如G.J.Foschini和M.J.Gans共同写作的出版物“On limits of wireless communication in a fading environmentwhen using multiple antennas”中所述(无线个人通信，vol.6、No.3、pp.331-335、1998年3月)。

现假设一种情况使得在单个接收天线上的噪音功率的平均值是N；由n_t天线发送和由n_r天线接收具有功率S的信号；并且多个相互独立的MIMO信道的通信容量是MIMO通信系统的通信容量C(比特/秒/Hz)。由下面的等式表示该通信容量：

$C={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{\min (n_t,n_r)}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_{n}S/N/\min (n_t,n_r))---\left(21\right)$

通过使用公式logA+logB＝logAB将上述等式(21)修改为下面的等式：

$C={\log }_2\underset{n=1}{\overset{\min (n_t,n_r)}{\mathrm{\Π}}}(1+{\mathrm{\λ}}_{n}S/N/\min (n_t,n_r))---\left(22\right)$

而且，从公式det|A|＝λ₁λ₂...λ_n和det(I+A)＝|I+A|＝(1+λ₁)(1+λ₂)...(1+λ_n)中修改上述等式(22)。

$C={\log }_2\det (I_{\min (n_t,n_r)}+\frac{S}{N\min (n_t,n_r)}{\mathrm{HH}}^H)---\left(23\right)$

在相等功率分配给单个MIMO信道的情况下，由上述等式(23)表示该通信容量。实际上，取决于处于具有高SN比(特征值λ是大的)到具有低SN比(特征值λ是小的)范围中的MIMO信道，该通信容量是变化的。因而，取决于功率分配，可以获得如上述等式(23)表示的较大的通信容量。

在上述等式(21)中，S/min(n_t，n_r)部分表示总发射功率S均等等分配给多个逻辑上相互独立的MIMO信道。然而，在MIMO信道单元中的的功率差受到分配和优化。因而，分配给相应MIMO信道的发射功率是Pn，并且该噪音成分N是σ₂，可以将用于整个系统的通信容量C的方程式重写为下面的等式：

$C={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{\min (n_t,n_r)}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_n{P}_n/{\mathrm{\σ}}^2)---\left(24\right)$

例如，通过注水原理，可以解决如何分配发射功率P_i以最大化整个通信容量。为描述方便，方法或渐进计算表达式在此省略，但是用于最大化通信容量的功率Pn最后由下面等式表示：

$P_n=\frac{p_T+\underset{n=1}{\overset{\min (n_t,n_r)}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_n}}{\min (n_t,n_r)}-{\mathrm{\σ}}^2---\left(25\right)$

在该情况下的通信容量C(比特/秒/Hz)由下面的等式表示：

$C={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{\min (n_t,n_r)}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_n{[\frac{P_T+\underset{n=1}{\overset{\min (n_t,n_r)}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_n}}{\min (n_t,n_r)}-{\mathrm{\σ}}^2]}_n/{\mathrm{\σ}}^2)---\left(26\right)$

上面是MIMO系统的最大通信容量。因此，在提供发射/接收天线的情况下，当其间的空间通信函数被确定，并获得其协方差矩阵的特征值时，可唯一地确定该通信容量。

如同在上述等式(13)中，该注水原理参照将相应发射功率设置为通过从与信道衰减成比例的总量中相减而获得的值的原理。在该观点中，该原理对应于使用高质量信道的较大发送功率的分配。

在根据通信质量于传输流单元中分配不同调制方案的情况下，通过使用注水原理可以确定对相应流的功率分配促使该通信质量在流之间接近统一。根据注水原理，当噪音功率取决于频带或时间变化时，在频带或时间的单元中设置功率，以便引起测量的噪音功率和信号功率的总和(参考功率)恒定，由此执行通信，从而每个平均发送信号功率的通信容量可以增强。例如，根据用于进行编码的码元的纠错性能和在接收机方的接收状态上的反馈来确定标准功率。

由此，通过参照特定实施例，已经详细显示和描述了本发明。然而，在不脱离本发明的本质或精神和范围的情况下，本领域技术人员应当清楚或自信对该实施例可以进行修改和变化或替换。

本发明的适用性不限于空分，即空间正交多路复用通信方案，例如SVD-MIMO方案。而且，与上述相似，本发明能适当地适用于其他类型的无线通信系统，该系统执行在空间多路复用通信信道单元中的功率分配。

尤其是，应当理解仅根据典型实施例显示和描述了本发明，从而非限制性地解释了该说明书所描述的内容，但是应当参考附加的权利要求来确定本发明的本质。

本领域技术人员应当理解，取决于处于附加的权利要求或其等同物的范围内的设计需要和其他因素，可以发生各种修改、组合、子组合和替换。

Claims (28)

1.一种无线通信系统，用于通过使用发射机和接收机之间的多个空间多路复用的通信信道执行数据通信，其中

在发射机中，将发射功率分配给每个通信信道，在信号空间中映射所述发射功率，并且对发射功率进行空间多路复用，由此执行数据通信；和

在接收机中，获得每个通信信道的功率分配信息，空间分离接收的数据，并且根据功率分配信息执行去映射。

2.根据权利要求1的无线通信系统，其中

所述发射机具有多个发射天线并且所述接收机具有多个接收天线；

所述发射机将传输数据分配给多个流，并通过每个发射天线对传输数据执行加权发射；和

所述接收机通过每个接收天线执行流的加权接收。

3.根据权利要求2的无线通信系统，其中

所述发射机根据从接收机接收的反馈信息获得最佳发射天线加权系数。

4.根据权利要求1的无线通信系统，其中

对应于每个通信信道的通信质量，所述发射机分配传输功率。

5.根据权利要求1的无线通信系统，其中

所述接收机使用分配给每个通信信道的功率分配值，并由此将每个通信信道中的信号空间中的接收信号点的幅度量值返回到原始幅度。

6.根据权利要求1的无线通信系统，其中

所述接收机根据从发射机发送的参考信号中包含的功率信息，获得每个通信信道的功率分配信息。

7.根据权利要求1的无线通信系统，其中

所述接收机根据空间分离后的用户数据的接收功率，估计每个通信信道的功率分配。

8.根据权利要求7的无线通信系统，其中

所述接收机根据在空间分离后的用户数据中包含的导频载波的接收功率，估计每个通信信道的功率分配。

9.根据权利要求1的无线通信系统，其中

所述接收机根据在接收信号空间分离后状态中的每个流用户数据中的接收功率和每个流信号的似然信息，估计每个流的功率分配。

10.根据权利要求1的无线通信系统，其中

所述接收机根据在接收信号空间分离后状态中的每个流用户数据中包含的导频载波的接收功率和每个流信号的似然信息，估计每个流的功率分配。

11.一种无线通信装置，用于通过使用多个空间多路复用的通信信道来接收发送的数据，其中在发射机一方将发射功率分配给每个通信信道，所述无线通信装置包括：

接收装置，接收来自每个通信信道的信号，并对其执行空间分离；

功率分配信息采集装置，获得每个通信信道的功率分配信息；和

解调装置，根据获得的功率分配信息，在空间分离的每个通信信道中执行接收信号的去映射。

12.根据权利要求11的无线通信装置，还包括多个接收天线，其中

通过每个接收天线，所述接收装置对分配给多个流并通过加权发射传输的传输数据执行加权接收。

13.根据权利要求11的无线通信装置，其中

在发射机中，对应于每个通信信道的通信质量，在通信信道的单元中执行功率分配。

14.根据权利要求11的无线通信装置，其中

所述解调装置使用分配给每个通信信道的功率分配值，并由此将每个通信信道中信号空间中的每个接收信号点的幅度量值返回到原始幅度。

15.根据权利要求11的无线通信装置，其中

所述功率分配信息采集装置根据在从发射机发射的参考信号中包含的功率信息，获得每个通信信道的功率分配信息。

16.根据权利要求11的无线通信装置，其中

所述功率分配信息采集装置根据空间分离后的用户数据的接收功率，估计每个通信信道的功率分配。

17.根据权利要求16的无线通信装置，其中

所述功率分配信息采集装置根据空间分离后的用户数据中包含的导频载波的接收功率，估计每个通信信道的功率分配。

18.根据权利要求11的无线通信装置，还包括似然估计装置，估计在接收信号的空间分离后状态中的每个流信号的似然信息，其中

所述功率分配信息采集装置根据在接收信号空间分离后状态中的每个流用户数据中的接收功率和每个流信号的似然信息，估计每个流的功率分配。

19.根据权利要求18的无线通信装置，其中

所述功率分配信息采集装置根据在接收信号空间分离后状态中的每个流用户数据的接收功率和每个流信号的似然信息，估计每个流的功率分配。

20.根据权利要求18的无线通信装置，其中

所述功率分配信息采集装置通过对导频载波的接收功率执行加权和取平均值获得流的功率估计值，所述导频载波包含在接收信号空间分离后状态中的每个流用户数据中，具有流信号的似然幅度。

21.根据权利要求18的无线通信装置，还包括多个接收天线，其中通过使用在所述装置和包含多个天线的发射机之间形成的多个逻辑信道执行空间多路复用数据通信，其中

所述接收装置估计逻辑信道的信道矩阵，根据估计的信道矩阵获得天线加权矩阵，执行来自每个天线的接收信号与天线加权矩阵的乘法，由此执行成为每个流信号的空间分离；和

所述似然估计装置根据所述天线加权矩阵估计似然信息。

22.根据权利要求21的无线通信装置，其中

所述接收装置根据MMSE(最大均方误差)算法估计信道矩阵，所述算法基于将信号功率和误差平方之间的比率最大化的逻辑；和

所述似然估计装置从估计的信道矩阵、天线接收加权矩阵、和估计的噪音功率中估计似然信息。

23.根据权利要求22的无线通信装置，其中

所述似然估计装置分别从估计的信道矩阵、天线接收加权矩阵、和估计的噪音功率中计算在空间解码后状态中的流的单元的信号功率S、干扰功率I、和噪音功率N，并且确定由S/(I+N)的平方根形成的似然幅度用作似然信息。

24.根据权利要求23的无线通信装置，其中

所述似然估计装置通过流的天线加权矢量的平方范数与在空间解码之前的信号中包含的噪音功率的乘积，获得空间解码后状态中的每个流中包含的噪音功率N。

25.根据权利要求23的无线通信装置，其中

所述似然估计装置获得对功率值执行噪音功率N的减法的结果，作为真实信号功率估计值S，所述功率值从天线加权矢量和空间解码后状态中的每个流中的信道矢量的标量积的平均范数中获得。

26.根据权利要求23的无线通信装置，其中

所述似然估计装置从流的天线加权矢量与不同于所述流的流的信道矢量的标量积的平方范数的总和中，获得空间解码后状态中每个流的干扰功率I。

27.一种通过使用多个空间多路复用的通信信道来接收发射的数据的无线通信方法，其中在发射机一方将发射功率分配给每个通信信道，所述无线通信装置包括：

接收步骤，接收来自每个通信信道的信号，并且对其执行空间分离；

功率分配信息采集步骤，获得每个通信信道的功率分配信息；和

解调步骤，根据获得的功率分配信息，在空间分离的每个通信信道中执行接收信号的去映射。

28.一种以计算机可读格式写成的计算机程序，以通过使用多个空间多路复用的通信信道执行接收传送的数据的过程，其中在发射机一方将发射功率分配给每个通信信道，所述计算机程序包括：

接收步骤，接收来自每个通信信道的信号，并且对其执行空间分离；

功率分配信息采集步骤，获得每个通信信道的功率分配信息；和

解调步骤，根据获得的功率分配信息，在空间分离的每个通信信道中执行接收信号的去映射。

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