CN1841987B - 无线通信装置和无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线通信装置和无线通信方法。该无线通信装置通过多个天线来接收通过对进行过功率分配的多个发射流进行空间复用而生成的信号。该无线通信装置具有：信道矩阵估计器，其估计空间复用信道的信道矩阵；空间解复用器，其从所估计的信道矩阵获得天线接收加权矩阵，并通过将天线的接收信号与该天线接收加权矩阵相乘来解复用为多个接收流；以及功率估计器，其估计每个流的功率分配信息。在该无线通信装置中，信道矩阵估计器考虑到由该功率估计器估计的每个流的功率分配来估计信道矩阵。

Description

无线通信装置和无线通信方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信装置和无线通信方法，其进行MIMO(Multi Input Multi Output，多输入多输出)通信，在这种MIMO通信中通过使用空间复用来形成多个逻辑信道。特别地，本发明涉及一种无线通信装置和无线通信方法，其通过执行在发射机处进行某种加杈(波束形成)的空间复用来进一步提高通信容量。

更具体地，本发明涉及一种无线通信装置和无线通信方法，其通过使用增加的通信容量以高传输效率执行空间复用，其中增加的通信容量是通过在发射机处执行对传输流的传输功率的优化分配而得到的。特别地，本发明涉及一种无线通信装置和无线通信方法，其允许接收机以高性能对由多个分配了功率的传输流所组成的空间复用信号进行空间解复用。

背景技术

无线网络作为一种能使用户摆脱传统有线通信方式中的线缆的系统而受到关注。无线网络的规范标准包括IEEE(电气和电子工程师协会)802.11。

例如，在IEEE802.11a/g中，作为多载波方案之一的OFDM(Orthogonal Frenquency Division Multiplexing，正交频分复用)调制方案被用作无线LAN的规范标准。在OFDM调制方案中，子载波的频率被设置成子载波在符号部分相互正交。子载波互相正交表示任一子载波的频谱的峰值点总是与其它子载波的频谱的零点匹配。根据OFDM调制方案，传输数据流被分配到具有不同频率的多个载波并被发射；因此，每个载波的带宽变窄，这将提供高的频率使用效率和对频率选择性衰减干扰的高抵抗力。

对于比信息传输率低的每个符号期(symbol period)，OFDM发射机将信息从串行形式转换为并行形式，分配多个转换后的数据到子载波，调制每个子载波的振幅和相位，通过对多个子载波执行逆FFT，在保持频率轴上每个子载波的正交性的同时，将调制过的信号转换为时间轴上的信号，并发射转换后的信号。此外，作为逆运算，OFDM接收机通过执行FFT将时间轴上的信号转换为频率轴上的信号，按照各调制方案解调各子载波，并将解调后的信号从并行形式转换为串行形式以再现原始串行信号的信息。

IEEE802.11a标准支持通信速度高达54Mbps的调制方案。然而，需要能够实现更高比特率的通信速度的其它标准。

MIMO作为一种用于实现更高速度的无线通信的技术而受到关注。MIMO通信方案在MIMO系统中实现了空间复用信道(以后称为“MIMO信道”)，在该MIMO系统中，发射机和接收机两者都具有多个天线元件。发射机将发射数据流分配到多个天线并通过MIMO信道将其发射。在另一端，接收机能够通过对由其多个天线(例如，参见专利文献1)接收的空间复用信号进行信号处理来无串扰(crosstalk)地提取接收数据。例如，在IEEE802.11n的标准化工作中，有以通过将IEEE802.11a/g中采用的OFDM与上述MIMO通信方案相结合来实现高速无线通信的方法为中心的连续讨论。

MIMO通信方案能够在不增加带宽的情况下，根据天线数量来提高通信容量和通信速度.而且，MIMO通信方案使用空间复用，所以其表现出高的频率使用效率.MIMO通信方案利用信道的特性，这与发射机和接收机上的简单的自适应天线阵列不同.

通常，信道模型被配置成发射机周围的无线环境(传递函数)、信道空间结构(传递函数)和接收机周围的无线环境(传递函数)。从天线发射的复用信号存在串扰。然而，接收机能够通过根据信道特性进行接收处理来无串扰地正确处理复用信号。

图9概念性地示出MIMO通信系统。MIMO发射机设置有两个天线，即发射天线1和发射天线2。在另一端，接收机也设置有两个天线，即接收天线1和接收天线2。在图9中，传播路径a表示发射天线1和接收天线1之间的传播路径。传播路径b表示发射天线2和接收天线1之间的传播路径。传播路径c表示发射天线1和接收天线2之间的传播路径。传播路径d表示发射天线2和接收天线2之间的传播路径。而且，发射机分别将发射数据序列X1和X2分配到发射天线1和2。接收机分别在接收天线1和2接收接收数据序列Y1和Y2。在这种情况下，传播路径的状态用如下方程(1)表示。

$\left(\begin{array}{c}Y1\\ Y2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}a& b\\ c& d\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}X1\\ X2\end{array}\right)---\left(1\right)$

当在这种情况下信道矩阵H用如下方程(2)定义时，作为天线接收加权矩阵W，信道矩阵H的逆矩阵H^-1用如下方程(3)表示。

$H=\left(\begin{array}{cc}a& b\\ c& d\end{array}\right)---\left(2\right)$

$H^{-1}={\left(\begin{array}{cc}a& b\\ c& d\end{array}\right)}^{-1}---\left(3\right)$

因而，通过将接收信号序列Y1和Y2与信道矩阵H的逆矩阵H^-1相乘，如以下方程(4)所示，接收信号序列X1和X2用如下方程(5)表示。

$\left(\begin{array}{c}X1\\ X2\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cc}a& b\\ c& d\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}Y1\\ Y2\end{array}\right)---\left(4\right)$

在图9中示出两个发射天线和两个接收天线。然而，只要天线的数量是两个或多个，能够以同样的方式构造MIMO通信系统。发射机对多个发射数据流进行空间-时间编码，复用编码后的数据，将复用信号分配给M个发射天线，并将其发射到MIMO信道上。接收机通过MIMO信道用N个接收天线接收复用发射信号，并对接收到的发射信号进行空间-时间解码以得到接收数据。形成的MIMO流的数量最好与发射天线的数量M和接收天线的数量N中较小的一个即min[M，N]相匹配。

为了将空间复用的接收信号y空间解复用为如上所述的流信号x，MIMO接收机需要以某种方式获得信道矩阵H，并按照预先设置的算法从信道矩阵H得到接收加权矩阵W。

例如，发射机发射由已知信号序列组成的训练信号(trainingsignal)，接收机能够使用训练信号获得信道矩阵H。

此外，作为从信道矩阵H获得接收加权矩阵W的相对简单的算法，已知有Zero Force(例如，参见非专利文献1)和MMSE(Minimum Mean Square Error，最小均方差)(例如，参见非专利文献2).Zero Force是一种基于完全消除串扰的逻辑的方法。另一方面，MMSE是基于使信号功率与方差(串扰功率和噪声功率之和)的比率最大化的逻辑的方法。在MMSE中，接收加权矩阵W(信道矩阵的逆矩阵)是通过在接收机的噪声功率的概念下故意产生串扰而获得的。已知在高噪声环境下，MMSE优于ZeroForce。

如上所述，通过布置多个发射/接收天线，MIMO通信系统能够在不增加带宽的情况下提高通信容量。MIMO传输的通信容量能够通过执行在发射机进行了某种加权(波束形成)的空间复用来进一步提高。

通过例如注水定理(filling principal)(例如，参见非专利文献3)，能够解决如何分配传输功率以使总体通信容量最大化的问题。注水定理是指将每个传输功率设置为通过扣除正比于信道衰减的量而得到的值的原理。根据注水定理，发射机执行功率分配，通过该分配，较高的传输功率分配给状况好的信道，较低的功率分配给状况差的信道，从而使MIMO通信系统的通信容量最大化。

考虑在MIMO通信中在接收处理中采用MMSE的情况。在MMSE处理中，噪声功率被加到从训练信号生成的信道矩阵的对角元上，因而通过调整干扰和噪声之间的平衡来抵消干扰和噪声，并获得所期望的信号分量。MMSE在高噪声环境下具有优势。

需要注意的是，从具有相同功率的训练信号获取信道矩阵以及根据MMSE处理来解复用信号是以对每个流分配有相同的功率为前提的。

另一方面，例如，在执行在发射机处进行了某种如上所述的加权传输(波束形成)的MIMO通信时，通过分配正比于信道特征值的功率，通信容量被最大化。

然而，当接收机接收在发射机处按照MMSE进行过功率分配的流时，会出现问题。这是因为MMSE处理是以对每个流分配有相同的功率为前提的。换句话说，如果接收机按照MMSE处理来执行空间解复用而不考虑每发射流功率分配值，则无法得到准确的天线加权矩阵。这不是原来的MMSE处理，因而使特性下降，导致通信容量没有最大化。

此外，作为接收机获取在发射机处对每个流分配了功率分配值的方法，可能存在发射机发射功率分配值的信息的方法。然而，因为这种方法需要提供对信息传输来说没用的额外的标题字段(header field)，从通信容量的角度看，这是不希望的。

专利文献1：日本特开2002-44051号公报

非专利文献1：A.Benjebbour，H.Murata and S.Yoshida，“Performance of iterative successive detection algorithm forspace-time transmission”，Proc.IEEE VTC Spring，Vol.2，pp.1287-1291，Rhodes，Greece，May 2001.

非专利文献2：A.Benjebbour，H.Murata and S.Yoshida，“Performance comparison of ordered successive receivers forspace-time transmission”，Proc.IEEE VTC Fall，Vol.4，pp.2053-2057，Atlantic City，USA，Sept.2001.

非专利文献3：G.J.Foschini and M.J.Gans，“On limits ofwireless communications in a fading environment when usingmultiple antennas”(Wireless Personal Communications，Vol.6，no.3，pp.311-335，March 1998)

发明内容

期望提供一种无线通信装置和无线通信方法，其能通过使用空间复用来执行在一对具有多个天线的发射机和具有多个天线的接收机之间形成多个逻辑信道的MIMO通信.

此外，期望提供一种无线通信装置和无线通信方法，其能够以高性能对在发射机处每个发射流进行过波束形成的空间复用信号进行空间解复用。

而且，期望提供一种无线通信装置和无线通信方法，其能够根据MMSE处理以高性能对每个发射流在发射机处进行过传输功率优化分配的空间复用信号进行空间解复用，并能改善传输特性。

根据本发明的实施例，提供一种无线通信装置，其通过多个天线来接收对进行过功率分配的多个发射流进行空间复用而生成的空间复用信号，该无线通信装置包括：信道矩阵估计器，其基于通过所述天线所接收到的信号来估计空间复用信道的信道矩阵；接收缓冲器，其暂时存储通过所述天线所接收到的信号；空间解复用器，其从所估计的信道矩阵获得天线接收加权矩阵，并通过将暂时存储在该接收缓冲器中的所述信号与该天线接收加权矩阵相乘来将通过所述天线所接收到的信号第一次空间解复用为多个接收流；以及功率估计器，其估计每个流的功率分配信息。在该无线通信装置中，信道矩阵估计器基于所估计出的所述功率分配信息来再次估计信道矩阵，并且该空间解复用器根据再次估计出的信道矩阵来对暂时存储在该接收缓冲器中的所述信号再次进行空间解复用。

根据本发明的另一实施例，提供一种无线通信方法，用于通过多个天线来接收对进行过功率分配的多个发射流进行空间复用而生成的空间复用信号，该无线通信方法包括以下步骤：基于通过所述天线所接收到的信号来估计空间复用信道的信道矩阵；将通过所述天线所接收到的信号暂时存储在接收缓冲器中；从所估计的信道矩阵获得天线接收加权矩阵，并通过将暂时存储在该接收缓冲器中的所述信号与该天线接收加杈矩阵相乘来将通过所述天线所接收到的信号第一次空间解复用为多个接收流；估计每个流的功率分配信息；基于所估计出的所述功率分配信息来再次估计信道矩阵；以及根据再次估计出的信道矩阵来对暂时存储在该接收缓冲器中的所述信号再次进行空间解复用。

本发明涉及一种MIMO通信方案。MIMO接收机获取信道矩阵H，按照预定算法从信道矩阵H得到接收加权矩阵W，并将空间复用的接收信号y与接收加权矩阵W相乘以解复用为流信号x。

MIMO接收机能够例如按照MMSE处理从信道矩阵H中得到接收加权矩阵W。在这种MMSE算法中，噪声功率被加到从训练信号生成的信道矩阵的对角元上，以通过调节干扰和噪声之间的平衡来抵消干扰和噪声并获得所期望的信号分量。因此，MMSE适用于高噪声环境。

在MIMO通信系统中，根据注水定理，接收机执行功率分配，将较高的发射功率分配给状态好的信道，而将较低的功率分配给状态差的信道，这可以使MIMO通信系统的通信容量最大化。

另一方面，MMSE处理以对每个流分配相同的功率为前提。因而，如果接收机简单地根据MMSE处理对在发射机处进行过功率分配的流执行空间解复用，非常不利地，接收机无法得到准确的天线加权矩阵。在这种情况下，无法实现原本的MMSE处理，因而导致特性恶化，以致不能使通信容量最大化。

根据本发明实施例的MIMO接收机考虑到每发射流功率分配值来估计信道矩阵，因而即使在进行过功率分配的MIMO通信系统中也能实现原本的MMSE，因而获得更准确的天线接收加权矩阵.其结果是，可以提高空间解复用的性能，从而防止接收机整体性能的恶化.

例如，功率估计器能够从空间解复用器进行空间解复用而得到的每个接收流得到功率分配信息，并将功率分配信息反馈给信道矩阵估计器，信道矩阵估计器能够考虑到反馈回来的每个流的功率分配来估计信道矩阵。

在这种情况下，因为接收机直到反馈结束位为止不使用准确的接收加权矩阵来空间解复用接收信号，因而存在接收质量低的问题。因此，接收机可以接收缓冲器，该接收缓冲器暂时存储空间解复用器空间解复用之前的天线的接收信号，接收机可以在接收缓冲器中存储通过使用功率分配信息反馈回来之前估计的信道矩阵进行空间解复用而得到的接收信号。空间解复用器使用从考虑到反馈回来的功率分配信息而估计的信道矩阵中得到的天线接收加权矩阵，来再次对存储在接收缓冲器中的接收信号进行空间解复用。

例如，在采用空间复用信号包含已知信号序列的通信方案时，信道矩阵估计器能够基于已知信号序列来估计信道矩阵，功率估计器能够基于在空间解复用后从每个流提取的已知信号序列来计算每个流的功率分配。通信方案包括IEEE802.11a、IEEE802.11g和HiperLAN/type2。

此外，在空间复用通信中，采用OFDM传输方案OFDM映射到多个在频率轴上相互正交的子载波。在这种情况下，功率估计器能够基于空间解复用后的已知信号序列，例如包含在每个流的用户数据中的导频载波，来计算每个流的功率分配。

根据本发明的实施例，可以提供一种无线通信装置和无线通信方法，其能通过使用空间复用来执行在一对具有多个天线的发射机和具有多个天线的接收机之间形成多个逻辑信道的MIMO通信。

根据本发明的另一实施例，可以提供一种无线通信装置和无线通信方法，其能够以高性能对每个发射流在发射机处进行过波束形成的空间复用信号进行空间解复用。

根据本发明的另一实施例，可以在进行过发射功率分配的MIMO通信系统中实现适当的接收处理。即，根据本发明的另一实施例，可以提供一种无线通信装置和无线通信方法，其能够使接收机按照MMSE处理以高性能对每个发射流在发射机处进行过传输功率的优化分配的空间复用信号进行空间解复用，从而提高传输性能。

根据本发明应用到的MIMO接收机，可以在防止因加入无用的开头区域而导致发射效率下降的同时，按照MMSE准则执行空间解复用。

通过下面对本发明优选实施例的更详细的说明，如图所示，本发明的这些和其它特性和优点将变得明显。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的MIMO发射机的结构的图。

图2是示出根据本发明实施例的MIMO接收机的结构的图。

图3是示出以时分(time-division)的方式从发射天线发射训练信号的方法的示意图。

图4是通过音频交织(tone interleaving)从发射天线发射训练信号的方法的示意图。

图5是考虑到对每个流的功率分配而进行空间解复用的情况下的MIMO处理器的结构的例子。

图6是考虑到对每个流的功率分配而进行空间解复用的情况下的MIMO处理器的结构的另一个例子。

图7是示出计算机仿真结果的图，其显示利用考虑到对每个流的功率分配的MMSE处理而进行的MIMO接收处理的效果。

图8是示出计算机仿真结果的图，其显示利用考虑到对每个流的功率分配的MMSE处理而进行的MIMO接收处理的效果。

图9是MIMO通信系统的概念图。

具体实施方式

以下，将参考附图来详细说明本发明的实施例。

本发明涉及MIMO通信，其中，在一对具有多个天线的发射机和具有多个天线的接收机之间传输空间复用信号。在该MIMO通信方案中，发射机将发射数据流分配到多个天线，并通过MIMO信道将其发射。在另一端，接收机通过对由其多个天线接收到的空间复用信号进行信号处理来无串扰地提取接收到的数据。MIMO通信方案能够在不增加带宽的情况下，根据天线数量获得通信容量和通信速度的提高。

A.系统结构

图1示出根据本发明实施例的MIMO发射机的结构，图2示出根据本发明实施例的MIMO接收机的结构。如图1和2所示的发射机和接收机中的每个具有两个天线和两个MIMO发射/接收流。然而，本发明的要旨不由流的数量来限制。

图1和2所示的通信系统是采用OFDM调制方案的MIMO-OFDM通信系统。OFDM调制方案是多载波传输方案，其子载波的频率被设置成在符号部分相互正交。该子载波互相正交表示任一子载波的频谱的峰值点总是与其它子载波的频谱的零点匹配。OFDM调制方案提供高的频率使用效率和对频率选择性衰减干扰的高抵抗力。

数据发生器100提供的发射数据被扰频器102扰频。然后，扰频信号在编码器104中进行纠错编码。对于这种情况下的编码器类型，例如，在IEEE802.11a中采用的是R＝1/2和K＝7的卷积编码器。然后，编码信号被输入到将编码信号分成每流信号(per-streamsignal)的数据分割器106中。

在每个MIMO发射流中，发射信号被以提供给每个流的数据速率由凿孔器(puncture)108或109凿孔，由交织器(interleaver)110或111交织，由映射器(mapper)112或113映射成IQ信号，从而生成复数基带信号。在频域中的子载波通过IFFT114或115被转换成时间轴上的信号后，在信号中加入保护间隔。然后，信号由数字滤波器118或119进行带宽压缩后，通过D/A转换器120或121转换成模拟信号。该模拟信号由RF单元122或123向上升频(upconvert)到适当的频带，经向上升频的信号被从每个发射天线发射到传播路径上。

另一方面，在每个MIMO接收流中，通过MIMO信道到达MIMO接收机的数据由RF单元232或233进行模拟处理.经处理的信号由A/D转换器230或231转换成数字信号，该数字信号被输入数字滤波器228或229.同步电路226执行例如包检测、定时检测和频率偏移校正等的处理，然后保护去除器224或225去除加到数据传输部分的开头的保护间隔.然后，FFT 222或223将时间轴上的信号转换到频率轴上的信号。

信道估计器220根据在每个MIMO接收流中获取的信号对发射/接收天线执行信道估计，并生成信道矩阵H，其元素数量为接收天线的数量乘以发射天线的数量。

天线接收加权矩阵计算单元218，例如基于MMSE算法，从所估计的信道矩阵H来计算天线接收加权矩阵W。MMSE是基于使信号功率与方差(串扰功率和噪声功率之和)的比率最大化的方法。在MMSE中，噪声功率被加到信道矩阵的对角元上，因而通过调节干扰和噪声之间的平衡来抵消干扰和噪声，以获取所期望的信号分量。MMSE特别在高噪声环境下具有优势。

天线接收加权矩阵乘法器216通过将原始接收信号与天线接收加权矩阵W相乘来在空间上对空间复用信号进行解码，并获得相互独立的每流信号序列。

在进行传输功率分配的MIMO通信系统中，通过从由天线接收加权矩阵乘法器216空间解复用成的每个接收流中获取功率分配信息，信道估计器220获取更准确的、考虑到功率分配信息的信道矩阵H。在这种情况下，与基于前面的信道矩阵H计算的结果相比，天线接收加权矩阵W变得更准确(即，可以实现原来的MMSE处理)，从而使得可以提高空间解复用的性能并防止接收机整体性能的恶化。后面将对获取功率分配信息和基于功率分配的空间解复用做详细说明。

信道均衡电路214对每流信号序列执行剩下的频率偏移校正、信道跟踪等。然后，解映射器(demapper)212或213解映射IQ信号空间内的接收信号，解交织器210或211对解映射过的信号进行解交织，解凿孔器208或209以预定数据速率对已解交织的信号进行解凿孔，数据合成器206将每MIMO接收流接收信号合成到一个流内。该合成处理完全是由发射机执行的数据分割的逆运算。然后，解码器204通过软决策执行纠错解码，解扰器(desrambler)202执行解扰，数据获取单元200获取接收数据。

为了将空间复用的信号空间解复用到接收流，MIMO接收机需要以某种方式得到信道矩阵H并根据预定算法从信道矩阵H获得接收加权矩阵W。

B.获得信道矩阵的方法

通常，用上面的方程(2)表示的信道矩阵H是这样的矩阵：通过在发射机和接收机之间发射和接收已知的序列，发射/接收天线的组合的传播路径(在方程(2)的例子中的a、b、c和d)以矩阵的形式排列。在发射天线的数量为N且接收天线的数量为M的情况下，信道矩阵的大小为M行×N列。因此，M×N已知序列即M×N训练信号从发射机传输到接收机即可。

然而，如果同时传输多个训练信号而没有处理，则接收机不能确定哪个天线发射了哪个训练信号。在本实施例中，使用了时分方法，通过该方法，发射机以时分方式(即，关于时间正交)发射每发射天线训练信号，且接收机中的信道估计器220基于接收天线接收到的训练信号来获得信道矩阵H(见图3)。

此外，在以时分方式传输训练信号时，可能对每个子载波执行音频交织操作以相互交换MIMO信道训练信号被插入的位置。音频交织是一种使用频率轴上的正交性来获得信道矩阵的方法。对训练序列执行音频交织的目的是防止天线功率中不必要的尖峰，并使全部接收分支上通过被恶化的串扰信道而接收的MIMO流的接收增益均匀。

C.MIMO通信系统中的功率分配

通过布置多个发射/接收天线，MIMO通信系统能够在不增加频带的情况下提高通信容量。MIMO传输的通信容量能够通过执行在发射机处进行了某种加权(波束形成)的空间复用而得到进一步提高。

例如，非专利文献1定量地说明了使用多流执行复用的通信容量。假设具有功率S的信号由n_t个天线发射和n_r个天线接收，N是接收天线处的噪声功率的平均值，λ_i是第i个流的特征值，MIMO通信系统的通信容量C(bits/sec/Hz)用如下方程表示。

$C={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{\min (n_t,n_r)}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_{i}S/N/\min (n_t,n_r))---\left(5\right)$

实际的通信系统包括具有好的S/N比率(大的特征值)和差的S/N比率(小的特征值)的各种流。因此，已知可能获得比上面方程(5)表示的通信容量更大的通信容量，这取决于每个流的分配功率。

当上面的方程(5)在每个流功率的固定总和的限制下使用未定乘数拉格朗日方法(Lagrange’s method of undeterminedmultiplier)展开时，MIMO系统的最大通信容量由如下方程(6)得到。

$C={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{\min (n_t,n_r)}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_i[\frac{P_T+\underset{i=1}{\overset{\min (n_t,n_r)}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_n}}{\min (n_t,n_r)}-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_n}]/{\mathrm{\σ}}^2)---\left(6\right)$

如上面的方程(6)中，注水定理是指将每个传输功率设置为通过扣除正比于信道衰减的量而得到的值。即，根据注水定理，发射机执行功率分配，通过该功率分配，较高的传输功率被分配给状况好的信道，而较低的功率被分配给状况差的信道，这样使MIMO通信系统的通信容量最大化。

例如，在基于通信质量为每个发射流分配不同的调制方案时，可以使用注水定理来确定每个流的功率分配，以在流之间获得均匀的通信质量。根据注水定理，在噪声功率根据频带或时间而变化的情况下，发射机为每个频带或时间设置功率以使测得的噪声功率之和(参考功率)与信号功率相同并执行通信，从而使得可以提高每平均发射信号功率的通信容量。基于例如对编码用符号的纠错能力来确定参考功率，并在接收机的接收状态进行反馈。

D.经过功率分配的MIMO通信系统中的优化空间复用

如前面的C部分所说明的，发射机执行功率分配，通过该功率分配，较高的传输功率被分配给状况好的信道，而较低的功率被分配给状况差的信道，这样使MIMO通信系统的通信容量最大化。

然而，存在一个问题，即经过功率分配的MIMO通信系统无法执行原本的MMSE处理。这是因为MMSE处理是以对每个流分配相同的功率为前提的。在这种情况下，如果接收机简单地根据MMSE处理对在发射机处进行过功率分配的流执行空间解复用，则无法得到准确的天线加权矩阵，因而使特性下降，导致通信容量无法最大化。

因此，在本实施例中，MIMO处理器300考虑每发射流功率分配值来估计信道矩阵，这样，即使在进行过功率分配的MIMO通信系统中，也可以实现原本的MMSE处理.其结果是，能够得到更准确的天线接收加权矩阵，因而使得可以提高空间解复用性能，并因此防止接收机整体性能的恶化.

图5详细示出了考虑每个流的功率分配来执行空间解复用的情况下的MIMO处理器的结构。

在使用MMSE处理执行MIMO处理的情况下，在信道估计器220处获得的信道估计信息以矩阵形式表示后，该信道矩阵H被输入MMSE处理器410。

在MMSE处理器410中，噪声加入器(noise adder)219将噪声功率加到信道矩阵的对角元上，天线接收加杈矩阵计算单元218根据MMSE生成信道矩阵H的逆矩阵H^-1作为已被加入噪声的矩阵的天线接收加权矩阵W。

天线接收加权矩阵乘法器216通过将来自天线的接收信号与所得到的逆矩阵H^-1相乘来将信号空间分离成每流信号。

当在发射机处为每个流进行功率分配的情况下，功率估计器217通过从天线接收加权矩阵乘法器216已对每个流进行了空间解复用的信号中提取导频信号(pilot signal)分量、并检测各流的导频信号的功率，来计算每流功率比[p₁，p₂]。而且，功率估计器217使用功率估计值反馈机构217-A来将检测到的每流功率比反馈给信道估计器220。在图5的例子中，信道跟踪更新单元220-B在信道矩阵更新定时将功率分配值提供给信道估计器220。

此外，如果作为其尝试性判定的结果每流数据信号是正确的，则可以参考数据部分的功率(如果必要，进行加权)。

信道估计器220将信道估计值乘以反馈来的功率比[p₁，p₂]。这时，信道估计器220将信道矩阵H的行元素乘以每流功率分配值。即，假定原始信道矩阵H＝[h₁，h₂]，则通过将其乘以功率分配值而得到的结果[p₁h₁，p₂h₂]被作为信道矩阵而输出。

MMSE处理器410根据MMSE处理关于应用了功率分配值的信道估计矩阵[p₁h₁，p₂h₂]再次生成逆矩阵。天线接收加权矩阵乘法器216能够通过将来自天线的接收信号乘以这样更新的逆矩阵H^-1，在空间分离成每流信号时取消对每个流分配的分配功率。

这样得到的信号在信道均衡电路214进行余下的频率偏移处理、发射/接收定时纠错、相位噪声校正等，并在解映射器及其后的单元进行解码处理，这样使得执行优化MIMO处理成为可能。FFT 222和223对来自天线的接收信号进行傅里叶(Fourier)变换以得到OFDM信号的处理，信道均衡电路214及其后的单元在MIMO处理器300空间解复用之后所执行的处理与前面的相同；因此，这里省略其详细说明。

如所说明的，根据本实施例的MIMO接收机具有如下结构，即接收机暂时对每流功率检测执行MMSE处理，并对信号解复用再次执行MMSE处理，这使得在进行过功率分配的MIMO通信系统中执行优化MMSE处理成为可能。

因为接收机在反馈完成之前不使用准确的接收加权矩阵对接收信号进行空间解复用，这存在接收性能的质量低的问题。为了解决这一问题，MIMO处理器暂时存储使用在功率分配信号反馈回来之前估计的信道矩阵进行过空间解复用的接收信号，并在从考虑到反馈回来的功率分配信息估计的信道矩阵而得到天线接收加权矩阵后，对所存储的接收信号再次进行空间解复用。

图6详细示出了这种情况的MIMO处理器的结构。

在使用MMSE处理执行MIMO处理的情况下，在信道估计器220处获得的信道估计信息以矩阵形式表示后，该信道矩阵H被输入到MMSE处理器410。在MMSE处理器中，噪声加入器219将噪声功率加到信道矩阵的对角元上，天线接收加权矩阵计算单元218生成信道矩阵H的逆矩阵H^-1作为根据MMSE关于已加入噪声的矩阵的天线接收加杈矩阵W。

天线接收加权矩阵乘法器216通过将来自天线的接收信号与所得到的逆矩阵H^-1相乘来空间分离成每流信号。这时，接收信号被缓存在接收信号缓冲器221中，以便用在下一步得到的更准确的逆矩阵再次被空间解复用。

当在发射机处为每个流进行了分配功率的情况下，功率估计器217通过从天线接收加权矩阵乘法器216已对每个流进行了空间解复用的信号中提取导频信号(pilot signal)分量、并检测各流的导频信号的功率，来计算每流功率比。而且，功率估计器217通过功率估计值反馈机构217-A，将功率比反馈给信道估计器220。

信道估计器220将信道估计值乘以反馈回来的功率比。这时，信道估计器220将信道矩阵H的行元素乘以每流功率分配值。MMSE处理器410根据MMSE处理关于乘以了功率分配值的信道估计矩阵再次创建逆矩阵。天线接收加权矩阵乘法器216能够通过将来自天线的接收信号乘以通过应用功率分配值而再次得到的逆矩阵H^-1，来在空间解复用为每个流信号时消除对每个流分配的功率分配。

在图6的例子中，天线接收加权矩阵乘法器216将缓存在接收信号缓冲器221中的信号乘以应用过功率分配值的信道矩阵的逆矩阵，从而对每流信号进行更准确的空间解复用。

这样得到的信号在信道均衡电路214进行余下的频率偏移处理、发射/接收定时纠错、相位噪声校正等，在解映射器及其后的单元进行解码处理，这样使得可以执行优化MIMO处理。

MIMO处理器是否具有图5或图6所示的结构是可选的。然而，在接收信号缓冲器引起的延迟成为问题的情况下，可以采用信道跟踪更新单元220-B来代替接收信号缓冲器221，如图5所示。在这种情况下，考虑功率分配值的信道矩阵在信道矩阵更新定时被同时估计出，生成逆矩阵，然后将信号解复用到每个流中。这样，当在进行过功率分配的MIMO通信系统中使用MMSE处理进行空间解复用时，可以提供更好的性能，同时使解复用处理中的延迟最小化。

图7和图8分别示出使用计算机仿真的、对使用考虑到对每个流的功率分配的MMSE处理的MIMO接收处理的效果的验证结果。在图7和8中，使用IEEE802.11 TGn中定义的具有两个发射天线和两个接收天线的两信道模型进行仿真。在图7和8中，画出了每个信道模型中以在SNR区域使用的传输速率来执行MIMO传输中的包出错率。

如图7和图8所示，本发明在应用低传输速率的低SNR区域即高噪声环境中具有显著的优势。MMSE具有这样的特性：接收机能够通过适当调节低SNR区域中的干扰和噪声之间的平衡，来为流解复用抵消干扰和噪声。该特性明显地显示在图7和图8中。

已参考具体实施例对本发明进行了详细说明。然而，显然，本领域技术人员在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以对实施例进行修改和/或替换。

在本说明书中，已经对一个实施例进行了说明，在该实施例中，将本发明应用于采用MMSE算法来获得天线接收加权矩阵的MIMO通信系统.然而，本发明的范围和精神并不局限于该实施例.同样，本发明能够对采用考虑了噪声功率的其它算法来获得天线加权的MIMO通信系统产生效果.

此外，在本说明书中，已经对作为MIMO-OFDM通信系统的实施例进行了说明。然而，同样，本发明也可以应用于其它类型的MIMO系统结构。

即，已经说明的实施例仅是示意性的，本说明的内容不应被限制性地解释。为了理解本发明的范围和精神，应该考虑所附的权利要求书。

Claims (7)

1.一种无线通信装置，其通过多个天线来接收对进行过功率分配的多个发射流进行空间复用而生成的空间复用信号，该无线通信装置包括：

信道矩阵估计器，其基于通过所述天线所接收到的信号来估计空间复用信道的信道矩阵；

接收缓冲器，其暂时存储通过所述天线所接收到的信号；

空间解复用器，其从所估计的信道矩阵获得天线接收加权矩阵，并通过将暂时存储在该接收缓冲器中的所述信号与该天线接收加权矩阵相乘来将通过所述天线所接收到的信号第一次空间解复用为多个接收流；以及

功率估计器，其估计每个流的功率分配信息，

其中，该信道矩阵估计器基于所估计出的所述功率分配信息来再次估计信道矩阵；以及

其中，该空间解复用器根据再次估计出的信道矩阵来对暂时存储在该接收缓冲器中的所述信号再次进行空间解复用。

2.根据权利要求1所述的无线通信装置，其特征在于，所述空间解复用器根据基于使信号功率与串扰功率和噪声功率之和的比率最大化逻辑的最小均方差算法来计算天线接收加权矩阵，并将暂时存储在该接收缓冲器中的所述信号与该天线接收加权矩阵相乘。

3.根据权利要求1所述的无线通信装置，其特征在于，所述功率估计器从第一次空间解复用得到的每个接收流估计所述功率分配信息，并将所述功率分配信息反馈到所述信道矩阵估计器。

4.根据权利要求1所述的无线通信装置，其特征在于，

所述空间复用信号包括已知信号序列，

所述信道矩阵估计器基于已知信号序列估计信道矩阵，以及

所述功率估计器基于从第一次空间解复用之后的每个流提取的已知信号序列来估计所述每个流的功率分配信息。

5.根据权利要求4所述的无线通信装置，其特征在于，

在空间复用通信中，采用OFDM传输方案，在多个在频率轴上相互正交的子载波上执行OFDM映射，以及

所述功率估计器基于包含在第一次空间解复用之后的每个流的用户数据中的导频载波的接收功率，来估计每个流的功率分配信息。

6.根据权利要求4所述的无线通信装置，其特征在于，所述已知信号序列符合IEEE802.11a、IEEE802.11g以及HiperLAN/type2中的一个。

7.一种无线通信方法，用于通过多个天线来接收对进行过功率分配的多个发射流进行空间复用而生成的空间复用信号，该无线通信方法包括以下步骤：

基于通过所述天线所接收到的信号来估计空间复用信道的信道矩阵；

将通过所述天线所接收到的信号暂时存储在接收缓冲器中；

从所估计的信道矩阵获得天线接收加权矩阵，并通过将暂时存储在该接收缓冲器中的所述信号与该天线接收加权矩阵相乘来将通过所述天线所接收到的信号第一次空间解复用为多个接收流；

估计每个流的功率分配信息；

基于所估计出的所述功率分配信息来再次估计信道矩阵；以及

根据再次估计出的信道矩阵来对暂时存储在该接收缓冲器中的所述信号再次进行空间解复用。

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