CN1922800B - 使用本征波束赋形方法的多路输入多路输出-正交频分复用系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种MIMO-OFDM系统，其中，发送器包括：串/并转换器，用于将连续输入的多个子载波的符号转换为K个并行信号；信号再现器，用于将K个并行信号再现L次，L为发送天线的数目；本征模式生成器，用于基于每个子载波上通过反馈设备被长期反馈的N_f个本征波束赋形矢量和被短期反馈的最佳本征波束赋形矢量的信息，对在每个子载波上从信号再现器中输出的再现信号生成本征波束；以及多个逆傅立叶变换器，用于接收从本征模式生成器中输出的信号，并生成OFDM符号。

Description

使用本征波束赋形方法的多路输入多路输出-正交频分复用系统

技术领域

本发明涉及一种多路输入多路输出(MIMO)-正交频分复用(OFDM)系统。具体而言，本发明涉及一种在下行链路中使用本征波束赋形(eigenbeamforming)的MIMO-OFDM系统。

背景技术

波束赋形方法用于获得天线阵列增益以提高性能。同样，波束赋形方法可以被用于在MIMO系统的下行链路信道中使用空间域。通常，需要基站在下行链路中具有瞬时信道信息以应用闭环下行链路波束赋形方法。在频分双工(FDD)模式中，因为上行链路信道和下行链路信道之间的频带不同，所以需要移动站向基站反馈瞬时信息。这里，当反馈信息的量较大时，反馈信息阻碍了闭环波束赋形。因此，需要研究一种能够减少反馈信息的方法。

因为在上行链路和下行链路中用于传递条件的结构类似，所以盲波束赋形方法在假设信道的空间统计性能类似的情况下，通过测量上行链路信道而自适应地形成下行链路波束。因为该方法使用信道的互反性(reciprocity)，所以该方法不需要反馈信息；然而，因为波束赋形矢量不包括瞬时信道变量，所以该方法不满足分集增益。为了获得空间分集增益，需要在下行链路中反馈瞬时信道信息。这里，当发送天线的数量增加时，反馈信息量增加，且用于跟踪信道变量的反馈速率也增加。因此，当发送天线的数量较大或者移动站速度较高时，很难应用波束赋形方法。为了解决上述问题，提出了如下的几种方法。

由第三代合作伙伴项目(3GPP)提出的本征波束赋形方法使用空间相关性和选择分集。空间相关性可以允许具有较多反馈信息的长期反馈，并且当依据瞬时信道变量需要短期反馈时，选择分集可以需要非常少的反馈信息量。也就是说，根据本征波束赋形方法，移动终端通过其中不需要短期更新的空间协方差矩阵来找到主本征模式，并反馈该主本征模式；并且移动终端通过在主本征模式中使用瞬时信道变量而在上行链路中反馈最强的本征模式。基站选择最强的本征模式并发送信号。因此，除了信噪比增益之外，本征波束赋形方法还可以获得选择分集增益。

根据基站的天线阵列通常位于某些建筑物的顶部的情况，下行链路信道展示出具有较高的空间相关性或较少的主本征模式。因为在基站的天线阵列周围不存在局部散射，所以信号可以在空间中仅被选择性地发送到少数几个方向。需要注意的是，本征模式在基站和移动站之间生成独立路径。在该条件下，可以有效地使用本征波束赋形方法。

然而，当把本征波束赋形方法应用到OFDM系统时，在OFDM系统的不同频率上，OFDM的每个子载波被选择性衰落。因此，每个子载波具有不同的波束赋形矢量，且需要所有的子载波反馈他们的波束赋形矢量。在这种情况下，反馈信息量变得比单个载波情况下的反馈信息量要大得多，且反馈信息给系统带来了严重的负担。

发明内容

本发明的优点是降低了OFDM系统中用于本征波束赋形的反馈信息量。

为了获得该优点，本发明的一个方面是多路输入多路输出(MIMO)-正交频分复用(OFDM)系统，该系统包括：发送器，具有L个发送天线；接收器，具有M个接收天线；以及上行链路反馈设备，用于向发送器提供接收器的信息，其中，所述发送器包括：串/并转换器，用于将连续输入的多个子载波的符号转换为K个并行信号；信号再现器，用于将K个并行信号再现L次，L为发送天线的数目；本征模式生成器，用于基于每个子载波上通过反馈设备被长期反馈的N_f个本征波束赋形矢量和被短期反馈的最佳本征波束赋形矢量的信息，对在每个子载波上从信号再现器中输出的再现信号生成本征波束；以及多个逆傅立叶变换器，用于接收从本征模式生成器中输出的信号，并生成OFDM符号。

本发明的另一方面是MIMO-OFDM系统，包括：串/并转换器，用于将连续输入的多个子载波的符号转换为K个并行信号；信号再现器，用于将从串/并转换器输出的K个并行信号再现现存的发送天线的数目次；本证波束计算器，用于通过使用上行链路信道信息来计算瞬时信道协方差和空间协方差矩阵，根据空间协方差矩阵提供N_f个主本征波束赋形矢量，并提供瞬时信道协方差的本征值；本征模式选择器，用于无论何时从本征波束计算器输入N_f个本征波束赋形矢量并更新瞬时信道协方差时，选择其中瞬时信道协方差的本征值在N_f个中最大的本征模式。以及多个逆傅立叶变换器，用于接收从本征模式选择器中输出的信号，并生成OFDM符号。

本发明的另一方面是MIMO-OFDM系统，包括：发送器，具有L个发送天线；接收器，具有M个接收天线；以及上行链路反馈设备，用于向发送器提供接收器的信息，其中，所述发送器包括：串/并转换器，用于将连续输入的多个子载波的符号转换为K个并行信号；信号再现器，用于将从串/并转换器中输出的K个并行信号再现L次，L为发送天线的数目；本征模式生成器，基于通过反馈设备提供的与N_f个本征波束赋形矢量对应的长期反馈信息和与子载波组对应的短期反馈信息，为每个子载波组生成一个本征波束；以及多个逆傅立叶变换器，用于接收从本征模式生成器中输出的信号，并生成OFDM符号。

本发明的另一方面是用于MIMO-OFDM系统的波束赋形方法，所述MIMO-OFDM系统包括具有L个发送天线的发送器和具有M个接收天线的接收器，所述方法包括：(a)将连续输入的多个子载波的数量的符号转换为K个并行信号；(b)将K个并行信号再现L次，L为发送天线的数目；以及(c)基于与N_f个本征波束赋形矢量对应的长期反馈信息和与子载波组对应的短期反馈信息，为每个子载波组生成一个本征波束。

附图说明

被合并在本说明书中的并组成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。

图1示出了根据本发明的第一示意性实施例的MIMO-OFDM系统。

图2示出了根据本发明的第二示意性实施例的MIMO-OFDM系统。

图3示出了根据本发明的第三示意性实施例的本征模式生成器。

图4示出了在图3中示出的波束赋形加权矢量确定器。

图5示出了根据本发明的第三示意性实施例的本征波束计算器。

具体实施方式

在下面的详细描述中，通过对发明者的用于实现本发明的预期的最佳模式进行简单解释而仅示出了和描述了本发明的优选实施例。应当明白，能够出于各种显而易见的考虑而修改本发明，且所有这些修改都不背离本发明。因此，附图和说明书在本质上应当被认为是解释性的，而不是限制性的。为了使本发明简明，在说明书中省略了没有描述的部分，并且为具有类似描述的部分提供了相同的参考标记。

在具有单个载波的MIMO系统中，其中发送天线的数量是L，接收天线的数量是M，在第q个符号周期上的接收的信号矢量r(q)如下面等式1所示。

[等式1]

$r\left(q\right)=\sqrt{r}H\left(q\right)\mathrm{ws}\left(q\right)+n\left(q\right)$

这里，r 是发送信噪比，r(q)＝[r₁(q)，r₂(q)，...，r_M(q)]^T，H(q)([H(q)]_m，1＝h_m.1，m＝1...M，1＝1...L)是信道，W(w＝[w₁，...w_L]^T)是加权矢量。此处，假设‖w‖＝1。并且满足等式E[n(q)n^H(q)]＝I的噪声矢量n(q)(n(q)＝[n₁，...，n_M]^T)意味着空间中的白噪声。

在等式1中定义的具有接收信号r(q)的最大平均信噪比的最合适的加权矢量是与空间协方差矩阵R_H(q)(R_H(q)＝E|H^H(q)H(q)|)的最大本征矢量对应的最大本征矢量。

假定R_H(q)＝R_H(R_H表示长期空间协方差矩阵)，可以按照以下等式2来计算长期空间矩阵R_H。

[等式2]

R_H＝(1-ρ)R_H+ρR_st(q)

这里，R_st(R_st(q)＝H^H(q)H(q))是瞬时信道协方差，并且ρ(0≤ρ≤1)是遗忘因子。为了获得本征波束赋形矢量，本征分解可以如下面等式3被应用到R_H。

[等式3]

R_H＝EDE^H

这里，D是对角矩阵(D＝diag(λ₁，λ₂，...，λ_L))，E是单位矩阵(E＝[e₁，e₂，...，e_L])，λ₁≥λ₂≥...≥λ_L是本征值，并且e₁是与本征值λ₁对应的本征矢量。

当基站基于反馈信息发现与最大本征值对应的N_f(＜L)个主本征矢量时，长期空间协方差矩阵逐渐变化。因而，降低了用于发送本征波束矢量的反馈速率，并且也降低了反馈量。这时，本征波束矢量被用作在下行链路中形成波束的加权矢量，并且本征波束矢量具有正交性。因而，本征波束矢量能够生成向移动终端的发送模式或独立信道，并且本征波束被称为本征模式。这里，根据N_f个本征矢量的长期反馈和快速衰落计算瞬时信道协方差的本征值，并且反馈回该信息，以选择在N_f个本征矢量中具有最大本征值的最佳本征矢量。

同时，假定基站基于反馈信息识别与最大本征值对应的N_f(＜L)个主本征矢量，根据N_f个本征矢量的长期反馈和快速衰落计算瞬时信道协方差的本征值，并且反馈回该信息，以在N_f个本征矢量中选择具有最大本征值的最佳本征矢量，并且短期反馈回该信息，以在N_f个本征矢量中选择具有最大本征值的最佳本征矢量。短期反馈比率比长期反馈比率更高，但是由于反馈只是用于在N_f个本征矢量中简单地选择最合适的一个，所以反馈信息量仅仅是log₂(N_f)。

如下面等式4，可以根据最大短期信道增益来计算用于最大化瞬时信噪比的最合适的本征矢量w(q)。

[等式4]

$w\left(q\right)=\underset{e_n,n=\mathrm{1,2}\·\·\·\mathrm{Nf}}{\arg }\max {\left|\right|H\left(q\right)e_n\left|\right|}^2$

这里，短期反馈比率比长期反馈比率更高，但是由于反馈只是用于简单地从N_f个本征矢量中选择最合适的一个，所以反馈信息量仅仅是log₂(N_f)。

然而，如上所述，当将波束赋形方法应用于OFDM系统时，由于每个子载波在频率选择衰落信道上不同地衰落，所以每个子载波可以使用不同的波束赋形矢量。因而，当使用不同的波束赋形矢量时，反馈量增加。

本发明的示例实施例示出了空间协方差矩阵对于所有子载波是相同的，并且其中本征矢量的反馈量被降低的本征波束赋形方法在OFDM系统中是非常有效的。

假定在MIMO-OFDM系统的下行链路中分配K个子载波，并且发送天线的个数是L，接收天线的个数是M。

这里，K×1OFDM符号是s(t)，并且L×1加权矢量W_k(t)是用于s(t)的第K个符号S_k(t)的波束赋形矢量。然后，在空间与频域中的发送信号S(t)如下面等式5所示。

[等式5]

S(t)＝[w₁(t)w₂(t)…w_K(t)]D(t)这里，D(t)是数据符号的对角矩阵，并且D(t)＝diag{s₁(t)，s₂(t)...，s_K(t)}。发送天线l与接收天线m之间的信道的频率响应如下面等式6所示。

[等式6]

${\tilde{h}}_{k,m,l}=\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{p,m,l}{d}^{-j2\mathrm{\πpklK}}$

这里，{h_p，m，l}_{p＝0，1，...P-1；m＝1，...M；1＝1，...L}是发送天线l与接收天线m之间的信道脉冲响应(CIR)；P是信道脉冲响应的长度，即，多径的数目；k是子载波的索引号。假定信道脉冲响应是平均值为0并且满足下面等式7的任何序列。

[等式7]

这里，

σ_h，p ²是信道脉冲响应的功率延迟轮廓，并且

${\left[R_{H_p}\right]}_{s,t}=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{h,p}^2}E\left[h_{p,m,s}^{*}{h}_{p,m,t}\right]s,t=\mathrm{1,2},\·\·\·L$

根据等式7，假定时域中的正规化空间协方差矩阵R_H在所有多经上相同，并且在多经系数之间不存在相关性。可以如下面等式8描述与第K个子载波对应的MIMO信道矩阵。

[等式8]

m＝1，2，...，M；l＝1，2，...，L

然后，如下面等式9描述频域中的信道的空间协方差矩阵

[等式9]

可以使用等式6和7将等式9扩展为下面的等式10

[等式10]

${\left[R_{{\tilde{H}}_k}\right]}_{s,t}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}E\left[{\tilde{h}}_{k,m,s}^{*}{\tilde{h}}_{k,m,l}\right]s,t=\mathrm{1,2},\·\·\·L$

$=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}E\left[{\left(\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{p,m,s}{e}^{-j2\mathrm{\πpklN}}\right)}^{*}\left(\underset{p^{\′}=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{p^{\′},m,t}{e}^{-j2\mathrm{\π}{p}^{\′}\mathrm{klN}}\right)\right]$

$=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}E\left[{h^{*}}_{p,m,s}{h}_{p,m,t}\right]$

$=\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{h,p}^2{\left[R_{H_p}\right]}_{s,t}$

$=R_{\tilde{H}}$

$\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\left[\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{h,p}^2{R}_{H_p}\right]}_{s,t}$

等式10示出，每个子载波的信道

的空间协方差矩阵

独立于任何子载波k，并且总是相同的。

因为每个子载波在不同的频率上选择性地衰落，所以在OFDM系统中，每个子载波具有不同的信道特性。然而，等式6、7和10示出所有的子载波具有相同的空间协方差矩阵。

因此，不必计算子载波上的空间协方差矩阵，可以将在一个子载波上计算的空间协方差用于形成子载波上的本征波束。因此，可以显著降低计算量。此外，通过在同时使用子载波的频域和时域的二维域中计算空间协方差，可以降低平均长度。OFDM系统可以更积极地应对信道变化。此外，因为子载波具有相同的本征矢量组，所以适当减少了反馈信息量，并且该反馈信息量变得与具有单个载波情况下的相同。因此，本征波束赋形方法可以容易地应用于OFDM系统。

此后，将参照附图详细描述本发明的第一示意性实施例。

图1示出了根据本发明的第一示意性实施例的MIMO-OFDM系统。图1是用于描述在FDD模式中的本发明的发明点和结构的框图。

如图1中指出，根据本发明的第一示意性实施例的MIMO-OFDM系统是具有K个子载波的OFDM系统。该OFDM系统包括：具有L个发送天线131a，131b，...，131L的发送器10；具有M个接收天线231a，231b，...231M的接收器20；以及用于向发送器10传递接收器20的信息的上行链路反馈设备40。

发送器10包括串/并转换器(S/P转换器)100、信号再现器110、本征模式生成器120、逆快速傅立叶变换器130a，130b....130L以及L个发送天线131a，131b，...131L。

接收器20包括接收天线231a，231b，...231M、快速傅立叶变换器230a，230b，...230M、本征波束计算器220、符号检测器210以及并/串转换器200。

发送器10的串/并转换器100是用于将连续输入的K个符号转换为K个并行信号的设备。K表示子载波的数目。信号再现器110是用于将从串/并转换器100中输出的K个并行信号101a，101b，...，101K再现L次(也就是发送天线的数目)的设备。也就是说，从信号再现器110输出的再现信号111a，111b，...，111L中的第1个信号是相同的(I＝1，2，到L)。

本征模式生成器120是这样的设备：其基于每个子载波上的N_f个本征波束赋形矢量和最佳本征波束矢量的信息，在每个子载波上为从信号再现器110中输出的再现信号111a，111b，...，111L生成本征波束。这里，由接收器的本征波束计算器220计算本征波束赋形矢量，且由上行链路反馈设备40对其进行长期反馈，但是子载波具有相同的本征波束赋形矢量组。此外，由上行链路反馈设备40将最佳本征波束赋形矢量的信息进行短期反馈。也就是说，本征模式生成器120是这样的设备：其利用长期反馈的N_f个本征波束赋形矢量生成N_f个本征模式，并从依据短期反馈的最佳波束赋形本征波束赋形矢量而生成的N_f个本征模式中选择最佳本征模式。此时，在相干时间内，需要将最佳本征波束赋形矢量的信息进行反馈。无论何时反馈本征波束赋形矢量，N_f个本征模式就被更新，且那些中的最佳本征波束赋形矢量被短期选择。

所述L个逆傅立叶变换器130a，130b，...130L是用于分别接收K个信号并生成一个OFDM符号的设备。从L个逆傅立叶变换器130a，130b，...130L中生成的OFDM符号是相同的。通过相应的天线发送从逆傅立叶变换器130a，130b，...130L中生成的OFDM符号。

接收器20的傅立叶变换器230a，230b，...230M接收通过M个接收天线接收的信号，并对信号执行傅立叶变换，输出K个信号221a，221b，...221M。本征波束计算器220是这样的设备：其对至傅立叶变换器230a，230b，...230M中输出的信号的信道进行估计，并根据等式2计算瞬时协方差和空间协方差，根据等式3计算N_f个主本征矢量。此时，可以仅根据一个子载波或根据使用频域和时域的二维域，依据等式10获得空间协方差矩阵。为每个信道计算瞬时信道协方差。本征波束计算器260从N_f个本征波束赋形矢量中针对该瞬时信道协方差选择具有最大本征值的一个矢量，并将矢量的数目传递给上行链路反馈设备40。

符号检测器210是这样的设备：其同时通过使用从本征波束计算器260中获得的信道估计，检测输入到接收器10的信号再现器110中的K个符号。并/串转换器200是用于将K个符号转换为串行信号的设备。

上行链路反馈设备40是这样的设备：其对从接收器20的本征波束计算器260中获得的本征波束赋形矢量进行长期反馈，并对最佳本征波束赋形矢量的数量进行短期反馈。依据等式10，子载波具有相同的本征波束赋形矢量。因此，可以通过一个子载波实现反馈，而不是所有的子载波。此外，可以将反馈信息划分到每个子载波，以减少反馈延迟。然而，瞬时信道协方差对于每个子载波是不同的，因此需要对所有的子载波反馈瞬时信道协方差。

这样，根据本发明的第一示意性实施例，无需在各个子载波上计算空间协方差矩阵，并且可以将仅在一个子载波上计算的空间协方差用于在子载波上形成本征波束。因此，可以显著降低计算量。此外，可以通过在使用所有子载波的频域和时域的二维域中计算空间协方差而降低平均长度。根据第一示意性实施例的OFDM系统可以更积极地应对信道变化。具体而言，在其中需要从接收器反馈用于发送器的本征波束赋形的信息的FDD模式中，因为需要反馈仅用于一个子载波的本征波束赋形矢量，而不需要反馈用于所有子载波的本征波束赋形矢量，所以可以显著降低长期反馈的信息量。

图2示出了根据本发明的第二示意性实施例的MIMO-OFDM系统。图2是用于解释在时分双工(TDD)模式中本发明的发明点和结构的框图。

如图2所示，与图1中所示的第一示意性实施例不同，由于因为TDD模式中的信道互反性而无需反馈信道信息，所以只描述基站的接收器。

根据图2，根据本发明的第二示意性实施例的OFDM系统是具有K个子载波的MIMO-OFDM系统的发送器。因此，在基站中建立根据本示意性实施例的发送器。

如图2所示，发送器30包括串/并转换器(S/P转换器)300、信号再现器310、本征模式计算器320、本征模式选择器330、逆傅立叶变换器340a，340b，...340L以及L个发送天线341a，341b，...341L。发送器30通过L个发送天线发送本征波束赋形信号。

发送器30的串/并转换器300是用于将连续输入的K个符号转换为K个并行信号的设备。K表示子载波的数目。信号再现器310是用于将K个并行信号301a，301b，...，301K再现L次的设备。L表示发送天线的数目。

本征模式计算器320是这样的设备，其用于：依据等式2，根据从基站的接收器(未示出)中获得的上行链路信道信息计算瞬时信道协方差和空间协方差；根据等式3计算N_f个主本征波束赋形矢量；并计算瞬时信道协方差的本征值。此时，根据等式10，仅根据一个子载波或根据使用频域和时域的二维域来获得瞬时信道协方差。在相干时间内频繁更新瞬时信道协方差，但是因为空间协方差矩阵需要平均长度，所以在每个平均长度缓慢更新空间协方差矩阵。

本征模式选择器330是这样的设备，其用于：无论何时从本征波束赋形计算器320中输入N_f个本征波束赋形矢量并更新瞬时信道协方差，仅在这N_f个本征波束赋形矢量中选择其中瞬时信道协方差的本征值为最大的一个本征模式。每个逆傅立叶变换器340a，340b，...340L是用于接收K个信号并生成一个OFDM符号的设备。从L个逆傅立叶变换器340a，340b，...340L中生成的OFDM符号是相同的。

此后，将描述本发明的第三示意性实施例。

在OFDM系统中，子载波具有N_f个主本征矢量，但是因为每个子载波具有不同的频率选择性衰落信道，所以要被选择的最佳本征模式在每个子载波上可能不同。然而，接近的子载波是相似地衰落的，从而可以为接近的子载波选择相同的本征模式。

可以将K个子载波划分为K_f(≤K)个组。每个组包括            K个接近的子载波，且每组选择相同的本征模式。因此，反馈的总量变为K_f·log₂(N_f)。也就是说，反馈的量变为(K/            K)·log₂(N_f)，从而将反馈量降低到1/            K倍。

当G_g＝{            Kg+1，            Kg+2，...，            K(g+1)}，g＝1，2，...K_f是第g个子载波组时，可以在以下等式11中表示第g个子载波组的波束赋形矢量。

[等式11]

$w_g\left(t\right)=\underset{e_n,n=\mathrm{1,2},\·\·\·,N_f}{\arg }\max \underset{k\∈G_g}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|{\tilde{H}}_k\left(t\right)e_n\left|\right|}^2$

这样，本发明的第三示意性实施例将子载波划分为多个接近子载波组，并通过为每组选择相同的本征模式而降低了反馈量。

此后，将参照附图详细描述本发明的第三示意性实施例。

根据本发明的第三示意性实施例的MIMO-OFDM系统具有与根据第一示意性实施例的MIMO-OFDM系统类似的结构。因此不再给出重复的解释。

图3示出了根据本发明的第三示意性实施例的本征模式生成器120。

如图3所示，根据本发明的第三示意性实施例的本征模式生成器120的输入包括从K个并行信号s(t)中再现的L个并行信号111a，111b，...，111L，以及通过上行链路反馈设备40提供的短期反馈信息和长期反馈信息。

本征模式生成器120将从K个并行信号s(t)中再现的L个并行信号分别划分为包含K个并行信号的K_f组。也就是说，本征模式生成器120将K个并行信号111a划分为            K个并行信号223a-1，223a-2，...，223a-Kf的K_f个组G₁，G₂，...，G_kf，并将K个并行信号111b划分为            K个并行信号223b-1，223b-2，...，223b-Kf的K_f个组。该处理重复的次数为发送天线223L-1，223L-2，...，223L-Kf的数目。

此外，本征模式生成器120将Kf个加权矢量乘以组中的信号。从加权矢量确定器221中获得该Kf个加权矢量。具体而言，本征模式生成器120将Kf个加权矢量中的第一个矢量w₁＝(w₁₁，w₁₂，...，w_1L)(222-1)乘以每个天线的第一组G1的信号的223a-1，223b-1，...，223L-1。也就是说，本征模式生成器120将对应于第一天线的G1的信号S₁，S₂，...，S_K乘以w₁₁，将对应于第二天线的G1的信号S₁，S₂，...，S_K乘以w₁₂，将对应于第L天线的G₁的信号S₁，S₂，...，S_K乘以w_1L。因此，子载波信号S₁，S₂，...，S_K生成一个本征波束。

以同样的方式，本征模式生成器120将第二个矢量w₂＝(w₂₁，w₂₂，...，w_2L)(222-2)乘以每个天线的第二组的信号G₂的223a-2，223b-2，...，223L-2。这里，共同拥有子载波的信号S                _K+1            ，S                _K+2            ，...，S_{2                K}            。重复该处理，直到本征模式生成器120将第Kf个矢量 $w_{K_f}=(w_{K_{f}1},w_{K_{f}2},\·\·\·,w_{K_{f}L})$ (222-Kf)乘以每个天线的第Kf组的信号GK_f的223a-Kf，223b-Kf，...，223L-Kf。这里，共同拥有子载波的信号S_{K-                K+1}            ，S_{K-                K+2}            ，...，S_K。

结果，本征模式生成器120为每个子载波组生成一个本征波束，且组中的子载波拥有该本征波束。因此，本征模式生成器120为所有的子载波生成Kf个本征波束。

图4详细示出了本征模式生成器中的加权矢量确定器221。如图4所示，加权矢量确定器221包括本征波束更新设备321和Kf个本征模式确定器322-1，322-2，...，322-Kf。

参照图4，无论何时提供长期反馈信息时，本征波束更新设备321通过上行链路反馈设备40来更新N_f个本征波束矢量。此时，正在被更新的本征波束矢量对于所有的子载波都是相同的。Kf个本征模式确定器322-1，322-2，...，322-Kf接收从本征波束更新设备321输出的N_f个相同的本征波束矢量，并且本征模式确定器从依据上行链路反馈设备40输入的N_f个本征波束矢量中选择一个，并确定本征模式。将每个本征模式确定器选择的本征模式表示为加权矢量。Kf个本征模式确定器322-1，322-2，...，322-Kf分别输出w₁＝(w₁₁，w₁₂，...，w_1L)，w₂＝(w₂₁，w₂₂，...，w_2L)，...，以及 $w_{K_f}=(w_{K_{f}1},w_{K_{f}2},\·\·\·,w_{K_{f}L}).$

图5示出了根据本发明的第三示意性实施例的本征波束计算器260。

如图5所示，本征波束计算器260包括M个信道估计器261a，261b，...，261M、Kf个瞬时功率测量设备262-1，262-2，...，262-Kf、本征矢量计算器263、以及Kf个本征矢量选择器264-1，264-2，...，264-Kf。

信道估计器261a，261b，...，261M对至每个子载波上分别输入的M对并行信号的信道进行估计。本征矢量计算器263通过使用等式7和等式10，根据从信道估计器261a，261b，...，261M中输出的信号来获取信道空间协方差，该信道空间协方差对所有子载波都相同。然后，本征矢量计算器263根据等式2计算N_f个主本征矢量e₁，e₂，...，e_Nf，并向Kf个本征矢量选择器264-1，264-2，...，264-Kf提供N_f个主本征矢量。

瞬时功率测量设备262-1，262-2，...，262-Kf接收从每个信道估计器输出的信号，并测量瞬时功率。也就是说，将每个信道估计器为每个子载波估计的信道值依次划分为包含            K个信号的Kf组。将第一组            K个信号提供给瞬时功率测量设备1 262-1，然后，将第二组            K个信号提供给瞬时功率测量设备2262-2，最后一组            K个信号提供给瞬时功率测量设备Kf262-Kf。

每个瞬时功率测量设备通过使用M对所估计的            K个信号来测量瞬时功率，并将所测量的瞬时功率提供给本征矢量选择器264-1，264-2，...，264-Kf。

本征矢量选择器264-1，264-2，...，264-Kf从通过使用于相应的瞬时测量设备输入的瞬时功率而输入的N_f个主本征矢量e₁，e₂，...，e_Nf中选择具有最大瞬时功率的一个本征矢量。然后，具有最大瞬时功率的本征矢量变为短期反馈信息。

具体而言，第一本征矢量选择器从通过使用于第一瞬时测量设备262-1输入的瞬时功率而输入的N_f个主本征矢量e₁，e₂，...，e_Nf中选择其瞬时功率最大的一个本征矢量。然后，具有最大瞬时功率的该本征矢量变为短期反馈信息265-1。第二本征矢量选择器从通过使用于第二瞬时测量设备262-2输入的瞬时功率而输入的N_f个主本征矢量e₁，e₂，...，e_Nf中选择其瞬时功率最大的一个本征矢量。然后，具有最大瞬时功率的该本征矢量变为短期反馈信息265-2。

重复该处理，直到第Kf本征矢量选择器从通过使用于第Kf瞬时测量设备262-Kf输入的瞬时功率而输入的N_f个主本征矢量e₁，e₂，...，e_Nf中选择其瞬时功率最大的一个本征矢量。然后，具有最大瞬时功率的该本征矢量变为短期反馈信息265-Kf。由本征矢量选择器确定的每个短期反馈信息被构造为log₂(N_f)位，其中，Nf是本征矢量的个数。然而，因为K个子载波中的            K个接近的子载波共同拥有该本征矢量，所以不对每个子载波执行该短期反馈。因为            K个子载波提供一组反馈信息，所以将短期反馈信息量降低到1/            K倍。

此外，通过对从本征矢量计算器263中获得的信道空间协方差矩阵的每个主本征矢量e₁，e₂，...，e_Nf的幅值和相位进行量化而得到长期反馈信息266。因为信道空间协方差矩阵被缓慢更新，所以缓慢更新该长期反馈信息。

通过图1中的上行链路反馈设备40将短期反馈信息和长期反馈信息输入到接收器10中的本征模式生成器120中。对于短期反馈信息，需要            K个接近的子载波在相干时间内反馈Kf个反馈信息至少一次。另外，对于长期反馈信息，所有的子载波仅缓慢反馈一个信息组。

如上所述，根据本发明的示意性实施例，所有K个子载波中的            K个接近的子载波形成一组，且将所有K个子载波划分为K_f(≤K)个组，每个组选择相同的本征矢量。因此，因为反馈的总量变为(K/            K)log₂(N_f)，所以将反馈信息量降低到1/            K倍。从而可以降低系统的负担。

虽然已参照当前认为最实用和优选的实施例对本发明进行了描述，但是应当明白，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，其意欲覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等价配置。例如，可以将根据本发明的示意性实施例的设备嵌入到硬件或软件中。同样，可以将本发明实现为计算机可读的可读介质上的代码。

如上所述，根据本发明，当将本征波束赋形方法应用于OFDM系统时，可以对一个子载波而不是所有子载波计算本征波束赋形所必要的空间协方差矩阵，并且因此可以显著降低计算量。此外，可以通过在同一时间使用所有子载波的频域和时域的二维域中计算空间协方差而降低平均长度。因此，本发明可以更积极地应对信道变化。

而且，根据本发明，当将本征波束赋形方法应用于OFDM系统时，所有K个子载波中的接近的子载波形成一组，且将所有K个子载波划分为预定数目的组，每个组选择相同的本征矢量。因此，因为降低了反馈的总量，所以可以降低系统的负担。

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2003年12月27日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.2003-98216和2003-98217的优先权和权益，其全部内容通过参照而被合并于此。

Claims (14)

1.一种多路输入多路输出MIMO-正交频分复用OFDM系统，该系统包括：发送器，具有L个发送天线；接收器，具有M个接收天线；以及上行链路反馈设备，用于向发送器提供接收器的信息，其中，所述发送器包括：

串/并转换器，用于将连续输入的多个子载波的符号转换为K个并行信号；

信号再现器，用于将K个并行信号再现L次，其为发送天线的数量；

本征模式生成器，用于基于每个子载波上通过反馈设备被长期反馈的N_f个本征波束赋形矢量和被短期反馈的最佳本征波束赋形矢量的信息，对在每个子载波上从信号再现器中输出的再现信号生成本征波束；以及

多个逆傅立叶变换器，用于接收从本征模式生成器中输出的信号，并生成OFDM符号，

其中所述接收器包括本征波束计算器，用于对发送从发送器传递的信号的信道进行估计，为每个符号计算每个子载波上的瞬时信道协方差，为每个符号计算仅在一个子载波上的空间协方差矩阵或在使用子载波的频域和时域的二维域中计算空间协方差矩阵，以及计算N_f个本征波束赋形矢量。

2.根据权利要求1所述的MIMO-OFDM系统，其中，无论何时通过上行链路反馈设备反馈关于子载波的至少一个相同的本征波束赋形矢量信息时，所述本征模式生成器更新预先存储的、至少一个本征波束赋形矢量。

3.根据权利要求1所述的MIMO-OFDM系统，其中，本征波束计算器获取瞬时信道协方差的本征值，在相干时间内将该本征值提供给上行链路反馈设备，并从该空间协方差矩阵中获得至少一个最佳本征波束赋形矢量，将该至少一个最佳本征波束赋形矢量提供给上行链路反馈设备。

4.根据权利要求3所述的MIMO-OFDM系统，其中，上行链路反馈设备对从本征波束计算器传递到本征模式生成器的本征波束赋形矢量信息执行长期反馈，并对从本征波束计算器向本征模式生成器传递的最佳本征波束赋形矢量的数目执行短期反馈。

5.一种MIMO-OFDM系统，包括：

串/并转换器，用于将连续输入的多个子载波的符号转换为K个并行信号；

信号再现器，用于将从串/并转换器输出的K个并行信号再现多次，该次数等于发送天线的数目；

本征波束计算器，用于通过使用上行链路信道信息来计算瞬时信道协方差和空间协方差矩阵，根据空间协方差矩阵提供N_f个主本征波束赋形矢量，并提供瞬时信道协方差的本征值；

本征模式选择器，用于无论何时从本征波束计算器输入N_f个主本征波束赋形矢量并更新瞬时信道协方差时，选择其中瞬时信道协方差的本征值在N_f个主本征波束赋形矢量中最大的本征模式；以及

多个逆傅立叶变换器，用于接收从本征模式选择器中输出的信号，并生成OFDM符号，

其中，所述本征波束计算器为每个符号计算每个子载波上的瞬时信道协方差，并为每个符号计算仅在一个子载波上的空间协方差矩阵或计算在使用子载波的频域和时域的二维域中的空间协方差矩阵。

6.根据权利要求5所述的MIMO-OFDM系统，其中，所述本征波束计算器获取瞬时信道协方差的本征值，将该本征值提供给本征模式选择器，并从空间协方差矩阵中获取至少一个主本征波束赋形矢量，将该至少一个主本征波束赋形矢量提供给本征模式选择器。

7.一种MIMO-OFDM系统，包括：发送器，具有L个发送天线；接收器，具有M个接收天线；以及上行链路反馈设备，用于向发送器提供接收器的信息，其中，所述发送器包括：

串/并转换器，用于将连续输入的多个子载波的符号转换为K个并行信号；

信号再现器，用于将从串/并转换器中输出的K个并行信号再现多次，该次数等于发送天线的数目；

本征模式生成器，基于通过反馈设备提供的与N_f个本征波束赋形矢量对应的长期反馈信息和与子载波组对应的短期反馈信息，为每个子载波组生成一个本征波束；以及

多个逆傅立叶变换器，用于接收从本征模式生成器中输出的信号，并生成OFDM符号，

其中，所述接收器包括本征波束计算器，并且所述本征波束计算器包括：

M个信道估计器，用于估计从发送器传递的K个信号的信道；

K_f个瞬时功率测量设备，用于对从M个信道估计器中输出的K个信号之中的预定信号测量每个瞬时功率；

本征矢量计算器，用于为从信道估计器中输出的信号获取对子载波都相同的信道空间协方差矩阵，并计算N_f个本征波束赋形矢量；以及

本征矢量选择器，用于通过使用从本征矢量计算器输出的N_f个本征波束赋形矢量和从相应的瞬时功率测量设备输入的瞬时功率在N_f个本征波束赋形矢量之中选择具有最大瞬时功率的一个本征矢量，并将该具有最大瞬时功率的本征矢量提供用于短期反馈信息。

8.根据权利要求7所述的MIMO-OFDM系统，其中，所述本征模式生成器通过将从信号再现器输入的K个并行信号划分为分别包含

个子载波的K_f个组而生成与每个子载波组对应的相同的本征波束，并将每组子载波乘以K_f个加权矢量。

9.根据权利要求8所述的MIMO-OFDM系统，其中，所述本征模式生成器包括加权矢量确定器，用于基于长期反馈信息和短期反馈信息生成K_f个加权矢量。

10.根据权利要求9所述的MIMO-OFDM系统，其中，所述加权矢量确定器包括：

本征波束更新设备，用于无论何时通过上行链路反馈设备提供长期反馈信息时，更新子载波共同拥有的N_f个本征波束赋形矢量；以及

K_f个本征模式确定器，用于接收N_f个本征波束赋形矢量和短期反馈信息，并从N_f个本征波束赋形矢量中选择一个本征波束赋形矢量，将该本征波束赋形矢量输出为加权矢量。

11.根据权利要求7所述的MIMO-OFDM系统，其中，所述本征波束计算器通过对本征矢量计算器计算的信道空间协方差矩阵的本征波束赋形矢量的幅值和相位进行量化而得到长期反馈信息。

12.根据权利要求11所述的MIMO-OFDM系统，其中，所述本征波束计算器在相干时间内将长期反馈信息传递给上行链路反馈设备，并将短期反馈信息传递给上行链路反馈设备。

13.一种用于MIMO-OFDM系统的波束赋形方法，所述MIMO-OFDM系统包括具有L个发送天线的发送器和具有M个接收天线的接收器，所述方法包括：

(a)将连续输入的多个子载波的符号转换为K个并行信号；

(b)将K个并行信号再现多次，该次数等于发送天线的数目；以及

(c)基于与N_f个本征波束赋形矢量对应的长期反馈信息和与子载波组对应的短期反馈信息，为每个子载波组生成一个本征波束，

其中长期反馈信息是通过为每个符号计算在每个子载波上的瞬时信道协方差，以及为每个符号计算仅在一个子载波上的空间协方差矩阵或在使用子载波的频域和时域的二维域中计算空间协方差矩阵而获得的。

14.根据权利要求13所述的波束赋形方法，其中，所述步骤(c)包括：

将K个再现的并行信号划分为每个包含个子载波的K_f组；以及

通过将K_f个子载波组乘以K_f个加权矢量而生成对应于每个子载波组的相同的本征波束。

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