CN1922840A - 无线通信系统、方法、设备和计算机程序 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信系统、方法、设备和计算机程序，其通过减少在双向SVD－MIMO通信期间，附到来自发射器的发射分组的参考信号的区域，提高传输效率。发射器在参考信号之后发射用户数据。在另一端，接收器根据附在用户数据之前的参考信号，获得信道矩阵，接收用户数据，同时用从信道矩阵得出的接收权重对数据加权，自适应地估计信道矩阵H，只要用户数据正在被接收，并根据自适应估计的信道矩阵H′，获得用于发射反向用户数据的发射权重V′。

Description

无线通信系统、方法、设备和计算机程序
技术领域
本发明涉及如同一般在无线局域网(LAN)中进行的那样，在多个无线节点或终端之间实现宽带无线电传输的无线通信系统、设备、方法和计算机程序。特别地，本发明涉及通过利用采用空间多路复用，在一对具有多个天线的发射器和具有多个天线的接收器之间形成的多个逻辑信道，执行多输入多输出(MIMO)通信，来提高通信容量的无线通信系统、设备、方法和计算机程序。
更具体地说，本发明涉及利用信道矩阵的奇异值分解(SVD)，执行闭环MIMO传输的无线通信系统、设备、方法和计算机程序，所述信道矩阵具有为多对发射天线和接收天线的信道的元素，特别地，本发明涉及通过减少在SVD-MIMO通信期间，为了信道矩阵采集而在发射器和接收器之间交换的参考信号的区域，来提高传输效率的无线通信系统、设备、方法和计算机程序。
背景技术
由LAN代表的计算机连网能够有效地实现共享信息资源和设备资源。现在，作为使用户免除传统有线LAN中的电缆布线的系统，无线LAN引起人们的注意。由于无线LAN能够免除工作空间，比如办公室中的多数布线电缆，因此诸如个人计算机(PC)之类的通信终端能够更容易地移动。
最近，由于无线LAN的速度增大和价格降低，因此对无线LAN的需求显著增大。特别是，正在考虑引入个人区域网(PAN)，即，利用通常在生活环境中用于信息通信的多个电子装置建立小规模的无线网络。根据日本无线电规则，不同的无线通信系统和装置可用在某些频带中，比如2.4GHz和5GHz频带中，这些频带被允许在没有监管机构的许可证的情况下使用。
无线连网的典型标准包括IEEE(电子和电子工程师协会)802.11(例如，参见International Standard ISO/IEC 8802-11：1999(E)ANSI/IEEE Std 802.11，1999版，Part 11：Wireless LAN Medium AccessControl(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications)，HiperLAN/2(例如，参见ETSI Standard ETSI TS 101761-1 V.1.3.1Broadband Radio Access Networks(BRAN)；HIPERLAN Type 2；DataLink Control(DLC)Layer；Part 1：Basic Data Transport Functions，或者ETSI TS 101761-2 V1.3.1 Broadband Radio AccessNetworks(BRAN)；HIPERLAN Type 2；Data Link Control(DLC)Layer；Part 2：Radio Link Control(RLC)sublayer)，IEEE 302.15.3，蓝牙通信等。至于IEEE 802.11标准，对于采用的不同无线通信系统和频带，还存在其增强版本IEEE 802.11a(例如，参见Supplement toIEEE Standard for Information technology-Telecommunications andinformation exchange between systems-Local and metropolitan areanetworks-Specific requirements-Part 11：Wireless LAN MediumAccess Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications：High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band)，802.11b和802.11g。
IEEE 802.11a标准支持实现高达54Mbps的通信速度的调制方案。但是，需要能够实现更高位速率的通信速度的另外标准。例如，IEEE 802.11n目的在于提出一种为高于100Mbps的有效吞吐量创建条件的无线LAN技术，和建立下一代的无线LAN标准。
作为实现更高速度的无线通信的一种技术，MIMO通信引起人们的注意。基于发射器和接收器都具有多个天线元件，从而产生空间多路复用的传输信道(下面称“MIMO信道”)的MIMO系统，MIMO技术实现传输容量和通信速度的提高。MIMO通信有效地利用了频带，因为它采用空间多路复用。
MIMO通信方案是这样的，在发射器，单独的发射数据流被分配给多个天线上的子载波，子载波通过多个虚拟MIMO信道被发射，在接收器，由接收器的多个天线接收的子载波被处理和解码成接收数据。这种通信方法利用了信道特征，和在发射器和接收器的简单的自适应天线阵列不同。
图4中概念地描绘了MIMO通信系统。如图4中所示，发射器和接收器都安装有多个天线。在发射器，多个发射数据流被空时编码，多路复用和分配给M个天线上的子载波，并且子载波通过多个MIMO信道被发射。在接收器，经由信道由N个天线接收的子载波被空时解码成接收数据。这种信道模型由发射器周围的无线电环境(传递函数)，信道空间结构(传递函数)，和接收器周围的无线电环境(传递函数)组成。虽然当发射信号被多路复用成子载波和从发射天线发射子载波时发生串扰，不过通过在接收器的信号处理，接收的多路复用的子载波可被无串扰地分离成各个正确的数据流。
虽然已提出了MIMO传输结构的各种方案，不过如何按照天线的构造，在发射器和接收器之间传递信道信息是一个重大的实现问题。
为了传递信道信息，只从发射器向接收器发射已知信息(前同步信息)的方法是容易的。这种情况下，发射器和接收器相互独立地进行空间多路复用传输；这被称为开环MIMO传输方案。这种方法的一种发展类型是闭环MIMO传输方案，其中由同样从接收器到发射器的前同步信息的反馈产生理想的空间正交的信道。
开环MIMO传输方案的一个例子是垂直贝尔实验室分层空时(V-BLAST)方案(例如，参见日本公开的未经审查的专利申请No.H10-84324)。发射器只是把信号多路复用成每个发射天线上的子载波，并发射子载波，而不把天线加权因子的矩阵分配给子载波。换句话说，省去获得天线加权因子的矩阵的反馈过程。在发射多路复用的子载波之前，发射器按照例如时分方式，把用于信道估计的训练信号插入每个天线上的数据流中。另一方面，在接收器，信道估计部分利用训练信号进行信道估计，并为每个天线对计算信道信息矩阵H。通过巧妙地组合迫零和对消，利用由对消引起的天线提供的空间自由度，接收信号SN比被提高，并且解码概率被增大。
利用传播路径函数的SVD的SVD-MIMO方案被认为是闭环MIMO传输的理想形式(例如，参见http://radio3.ee.uec.ac.jp/MIMO(IEICE_TS).pdf(2003年10月24日))。
图5中概念地描述了SVD-MIMO传输系统。在SVD-MIMO传输中，通过元素为每对天线的信道信息的数值矩阵，即，信道信息矩阵H的奇异值分解，获得UDVH。作为在发射器的天线加权因子的矩阵的V被分配给发射天线上的子载波，作为在接收器的天线加权因子的矩阵的UH被分配给由接收天线接收的子载波。从而，MIMO信道被表示成对角元素为每个信道的特征值λi的平方根的对角矩阵D，信号的多路复用的子载波可在根本不遭受串扰的情况下被发射。这种情况下，在发射方和接收方，都能够实现由空间分割形成的逻辑独立的多个信道，或者准确地说，空间正交的多路复用。
利用SVD-MIMO传输方案，理论上能够实现最大的通信容量；例如，如果发射器和接收器都具有两个天线，那么传输容量最大将被加倍。
下面详细讨论SVD-MIMO方案的机制。如果发射器具有M个天线，发射信号x被表示成一组M×1向量；如果接收器具有N个天线，接收信号y被表示成一组M×1向量。这种情况下，信道特征被表示成N×M数值矩阵，即，信道矩阵H。信道矩阵H的元素hij对应于从第j个发射天线到第i个接收天线的传递函数。通过把信道信息矩阵乘以发射信号向量，并把噪声向量n和该乘积相加，获得接收信号向量y，如下面的等式(1)中所示。
y＝Hx+n                                             (1)
上面提及的信道信息矩阵H的奇异值分解由下面的等式(2)表示。
H＝UDVH                                            (2)
这里，在发射器的天线加权因子的矩阵V和在接收器的天线权矩阵U是分别满足下述等式(3)和(4)的单位矩阵。
UHU＝I                                             (3)
VHV＝I                                             (4)
具体地说，HHH的一组归一化特征值对应于在接收器的天线权矩阵UH，HHH的一组归一化特征值对应于在发射器的天线权矩阵V。D是对角元素为HHH或HHH的特征值λi的平方根的对角矩阵。矩阵大小由发射天线M的数目或者接收天线N的数目中的较小者确定；即，获得大小为min(M，N)的方形矩阵，根据该方形矩阵获得对角矩阵。
虽然上面讨论了实数的奇异值分解，不过应关心把奇异值分解扩展到虚数。虽然U和V是由特征值组成的矩阵，不过在无数的数字中，存在具有非奇异的不同相位的特征值，即使特征值被处理以致获得为1的范数，简而言之，它们被归一化。在U和V的一些相位关系中，上面的等式(2)不被满足，因为U和V的相位被不同地形成角度，尽管U和V都有效。对于完全的相位匹配来说，通常以HHH的一组特征值的形式获得V。但是，通过把上面的等式(2)的两侧都乘以V，获得U，如下面的等式中所示。
HV＝UDVHV＝UDI＝UD                                    (6)
U＝HVD-1
发射器发射由发射天线加权因子的矩阵V加权的子载波，接收器接收该子载波，所述子载波随后由接收天线加权因子的矩阵UH加权。这由下面的等式表述，其中U是N×min(M，N)，V是M×min(M，N)，因为U和V是单位矩阵。
y＝UHHVx+UHn
＝UH(UDVH)Vx+UHn
＝(UHU)D(VHV)x+UHn                                    (7)
＝IDIx+UHn
y＝Dx+UHn
这里，接收信号y和发射信号x具有不是由发射天线的数目和接收天线的数目确定的(min(M，N)×1)个向量。
由于D是对角矩阵，因此能够无串扰地接收发射信号子载波。由于每个独立的MIMO信道的振幅与信道的特征值λ的平方根成比例，因此每个MIMO信道的功率与λ成比例。
由于噪声分量n也是在第U列中被归一化为范数1的特征值，因此UHn不影响噪声功率。UHn的大小是一组(min(M，N))向量，这和y及x的大小相同。
这样在SVD-MIMO传输中，能够在相同的频带中同时获得无串扰的逻辑上独立的多个MIMO信道。从而，利用相同的频带，可用无线通信同时发射多个数据流，能够获得提高的传输速度。
在SVD-MIMO通信系统中可获得的MIMO信道的数目与发射天线的数据M和接收天线的数目N中的较小者min[M，N]相符。发射天线加权因子的矩阵V由和MIMO信道的数目一样多的发射向量vi组成(V＝[v1，v2，...，vmin[M，N]]组成。发射向量vi的元素和发射天线的数目M一样多。
一般来说，在由SVD-MIMO代表的闭环MIMO方案中，发射器能够根据传播路径的信息，计算其天线的最佳加权因数。此外，已知通过选择将在发射天线链上应用于位流的最佳编码率和调制方案，能够实现更理想的信息传输。
但是，闭环MIMO方案的系统的实际操作遇到如果随着发射器和接收器移动，信道的条件变化极大，那么必须更频繁地发生从接收器到发射器的反馈的问题。在SVD-MIMO通信方案中，并不易于实时计算奇异值分解。另外，必须进行预先把SVD计算获得的V或UH通知到通信的另一端的准备过程。
举例来说，对于IEEE 802.11a的正交频分多路复用(OFDM)通信系统，即，在5GHz频带中，对其应用SVD-MIMO传输的一个LAN系统，我们来考虑发射天线因子的矩阵V的信息将有多少。假定采用三个发射天线元件和三个接收天线元件，那么发射天线因子的矩阵V为3×3，具有9个元素。如果一个元素被假定成由精确到10位的一个实数和一个复数组成，并且需要用于52个载波的矩阵V，那么9360位(＝9(矩阵的元素)×2(复数的实部和虚部)×10(位)×52(OFDM子载波)必须从接收器被反馈给发射器。
现在讨论当构成实际的SVD-MIMO发射/接收系统时，必须考虑的一个要点。
在SVD-MIMO传输方案的基本形式中，在接收器，通过获得的信道矩阵H的奇异值分解，获得一组接收权向量UH和在发射器采用的一组发射权向量V，该组向量V被反馈给发射器。在发射器，该组向量V被用作一组用于发射的权重。
但是，在将被反馈给发射器的发射权矩阵V的数量如此之大，并且传回稀少的V信息的情况下，由于将发生源于真实V信息和串扰的错误，MIMO信道的正交状态将被改变。
鉴于此，在接收器把发射权矩阵V反馈给发射器之后，通常，发射器把利用矩阵V加权的参考信号发射给接收器，接收器再次获得信道矩阵。假定信道矩阵为H，那么接收器能够从由V加权的参考信号获得信道矩阵HV。
在接收器，获得HV的逆矩阵，并将其用作一组用于接收的权重。由于H＝UDVH，因此将获得HV及其逆矩阵，如下面的等式中所示：
HV＝UDVHV
＝UD                                                (8)
(HV)-＝(UD)-＝D-U-＝D-UH
这样，在按照和标准SVD-MIMO中相同的方式用UH对接收的子载波加权之后，给MIMO信道的分离的数据流只是被分别乘以得自于对角矩阵D的对角元素λi的常数。
其中矩阵V在发射器被用作一组发射权重，HV的逆矩阵在接收器被用作一组接收权重的方案的性能和标准SVD-MIMO的性能相同，不会发生在发射器和接收器的V失配。于是，该方案可被实际使用。
为了进行SVD-MIMO通信，必须获得信道矩阵等。同时，在典型的无线通信系统中，CSMA/CA方案被用于冲突避免，同时，为了解决例如隐式终端的问题，执行所谓的RTS/CTS过程，以获得传输权。于是，通过利用诸如RTS、CTS、DATA和ACK之类的分组，并通过下面说明的控制过程(参见图6)，能够执行信道矩阵采集。下面，为了方便起见，从发射器到接收器的下行链路被称为正向，从接收器到发射器的上行链路被称为反向。
(步骤1)
发射器把RTS分组发射给接收器。参考信号被附在RTS分组上。
(步骤2)
在接收器，根据接收的RTS分组，获得信道矩阵H。
(步骤3)
在接收器，根据获得的信道矩阵H，确定采用什么调制方案，以及可获得多少独立的空间信道。
当收到RTS时，接收器可能要求确定要采用的调制方案。例如，接收器可能希望直到利用应被附到CTS上的NAV，停止从其附近的节点或终端的发射，直到ACK完成为止。对于短NAV设置来说，必须察觉对信道采用的调制方案和该信道上的位速率。为了确定在发射器何种调制方案应被用于发射，必须知道MIMO信道的状况，即，由矩阵H的奇异值分解得到的每个信道的特征值λi，以致将察觉信道矩阵H处于何种状况。
(步骤4)
接收器向发射器返回CTS。用于信道矩阵估计的参考信号被附到CTS上。
(步骤5)
在发射器，根据附到从接收器发射的CTS上的参考信号，获得反向的信道矩阵H。
如果进行校准，以补偿发射器的天线链中的模拟电路的特征方面的差异和接收器的天线链中的模块电路的特征方面的差异，那么正向和反向的传递函数将相同。在其专利权已被转让给本发明人的JP-B(日本已经审查的专利申请公告)中描述了一种校准位于发射器和接收器的模拟电路部分的特征方面的差异的方法。
(步骤6)
发射器执行获得的反向的矩阵H的奇异值分解，并确定用于正向传输的权重V。当然，由在接收器的奇异值分解获得的用于正向传输的权重可被反馈回发射器；但是，其信息量非常大。于是，接收器回传具有少量数据的参考信号，发射器如上获得V。
(步骤7)
响应从接收器收到CTS信号，发射器发射数据分组。由V加权的参考信号被附到该数据分组的起点，后面是用户数据(有效负载)。此外，在用户数据之后，发射未被V加权的参考信号。
(步骤8)
在接收器，从由V加权的参考信号获得信道矩阵HV，获得其逆矩阵(参见等式(8))作为一组用于接收的权重，从而接收加权的用户数据。另外，接收器能够从在用户数据之后的参考信号获得新的H′。
(步骤9)
在接收器，通过获得的新的H′的奇异值分解，获得从接收器传送给发射器的用户数据的反向反射权重V′。
(步骤10)
接收器发射由新的发射权重V′加权的参考信号，后面是用户数据；从而，它进行反向的或者说上行链路上的数据通信。
(步骤11)
发射器从由V′加权的参考信号获得信道矩阵H′V′，获得其逆矩阵作为用于接收的权重，从而接收加权的用户数据。
通过上面的过程，能够执行RTS、CTS、DATA(下行链路)和DATA(上行链路)的双向MIMO通信。
在根据传输路径的条件获得的信道矩阵H，进行加权发射和接收的通信系统中，随着时间变化的信道矩阵会带来问题。由于在室内环境中，例如由使用信道的移动终端和其用户的移动引起的反射路径的变化，信道矩阵易于时刻改变。从而必须使用紧邻开始数据传输之前的最新的信道矩阵。
但是，在上面的通信过程中，在步骤7中，发射器需要在用户数据之后发射未被V加权的参考信号，以允许在接收器采集反向的发射权重(参见图6)。这造成向用户数据增加额外的参考信号，从而降低传输效率的问题。
发明内容
本发明致力于上述技术问题，本发明的主要目的是提供一种通过利用采用空间多路复用而形成的多个逻辑信道，执行MIMO通信，能够提高传输容量的高级无线通信系统、方法、设备和计算机系统。
本发明的另一目的是提供一种通过利用信道信息矩阵H的奇异值分解，执行传输效率提高的闭环MIMO传输的高级无线通信系统、方法、设备和计算机系统，所述信道信息矩阵H具有为各对发射天线和接收天线的信道的元素。
本发明的另一目的是提供一种通过减少在SVD-MIMO通信期间，为了信道矩阵采集而在发射器和接收器之间交换的参考信号的区域，能够提高传输效率的高级无线通信系统、方法、设备和计算机系统。
本发明的另一目的是提供一种通过减少在双向SVD-MIMO通信期间，附到来自发射器的发射分组上的参考信号的区域，能够提高传输效率的高级无线通信系统、方法、设备和计算机系统。
预期达到上述目的的本发明的第一方面在于一种利用发射器和接收器之间的多个空间多路复用的通信信道进行数据传输的无线通信系统，其中发射器在用于信道矩阵采集的参考信号之后发射用户数据，接收器根据附在用户数据之前的参考信号，获得信道矩阵，接收用户数据，同时用从信道矩阵得到的接收权重对所述数据加权，并且自适应估计信道矩阵H，只要用户数据正在被接收。
这里使用和“系统”是其中多个装置(或者用于实现特定功能的功能模块)被逻辑结合的复合体，无论每个装置或功能模块是否并不存在于单个机箱中都无关紧要。
本发明的无线通信系统使用例如MIMO通信方案，并且通过利用空间多路复用的传输路径，即MIMO信道，能够增大传输空间和提高通信速度。这种情况下，发射器和接收器都装有多个天线，发射器把发射数据分配给多个流，并从发射天线发射加权的流，接收器对接收天线接收的流加权。
在本发明的无线通信系统中，可以使用由SVD-MIMO传输代表的闭环通信方案。这种情况下，根据来自接收器的反馈信息，发射器获得最佳的发射天线加权因子。
在典型的无线通信系统中，节点或终端执行RTS/CTS过程以获得传输权，同时根据CSMA/CA执行访问控制。这种情况下，为了进行SVD-MIMO通信，用于信道矩阵采集的参考信号被附到RTS、CTS和DATA的每个分组上。
但是，按照RTS/CTS过程，对于在从发射器到接收器的下行链路上的(或者说正向的)数据传输之后，从接收器到发射器的上行链路上的(或者说反向的)数据传输来说，发射器必须在用户数据之后发射未被V加权的参考信号，以便接收器获得反向的发射权重。这造成向用户数据增加额外的参考信号，从而降低传输效率的问题。
鉴于此，本发明提供一种省去在从发射器向接收器发射的用户数据之后的参考信号的方法。
发射器发射供在接收器的信道矩阵采集之用的参考信号和在参考信号之后的用户数据。另一方面，接收器根据附在用户数据之前的参考信号获得信道矩阵，接收用户数据，同时用从信道矩阵得到的接收权重对所述数据加权，自适应估计信道矩阵H，只要用户数据正在被接收，并根据自适应估计的信道矩阵H′，获得用于在上行链路或者说反向发射用户数据的发射权重V′。
下面，从发射器到接收器的用户数据被称为下行链路数据。从接收器到发射器的用户数据被称为上行链路数据。从发射器到接收器的信道的信道矩阵用H(Dn)表示，从接收器到发射器的信道的信道矩阵用H(Up)表示。
在发射器，下行链路数据由V加权。在接收器，通过利用从由正向的发射权重V加权的参考信号得出的H(Dn)V，用户数据可被多路分解成多个空间信道并被接收。获得接收的数据和信号空间中的信号点之间的差异作为误差信息，通过利用诸如LMS之类的算法，信道矩阵H(Dn)V的估计值可被更新。从而，即使H(Dn，V)已随着时间变成H(Dn，new)V，如果所述变化是逐渐的，那么也能够跟随这种变化。依据信道矩阵的自适应估计，跟随信道条件的变化对本领域的技术人员来说是公知的。
即，通过利用决策反馈跟随H(Dn)V，在接收器能够检测信道矩阵到H(Dn，new)V的变化。
同时，必须重新获得用于从接收器向发射器反向发射上行链路数据的权重。
上行链路信道矩阵H(Up)可被表示成下行链路信道矩阵H(Dn)的转置矩阵，如下面的等式中所示，其中AT是矩阵A的转置矩阵，A*是矩阵A的复共轭矩阵，AH是矩阵A的共轭转置矩阵。
H(Up)＝H(Dn)T                                        (9)
上面的等式(9)被如下求值。
H(Up)＝H(Dn)T＝(U(Dn)D(Dn)V(Dn)H)T
                                                       (10)
＝V(Dn)*D(Dn)U(Dn)T
从而，(U(Dn)H)T＝U(Dn)*可被用作发射上行链路数据的权重。
现在，如果能够获得紧邻发射上行链路数据之前的H(Dn，new)V，那么能够获得当发射上行链路数据时的发射权重U(Dn)。
只有来自发射器的下行链路数据正在被接收，那么通过自适应估计，接收器应能够跟随H(Dn)V信道信息的变化；于是，接收器能够获得H(Dn，new)V。
用于自发射器的下行链路数据发射的发射权重V(Dn)仍然是保存在接收器的旧的V(Dn)。
在接收器根据附到来自发射器的下行链路数据的起点的由V加权的参考信号获得H(Dn)之后，通过经由自适应估计获得最新的信道矩阵，它能够跟随信道条件变化。当发射上行链路数据时，通过把H(Dn，new)V乘以VH(H(Dn，new)VVH)，接收器能够获得下行链路上的(或者说正向的)最新信道矩阵H(Dn，new)。由于上行链路上的(或者说反向的)信道矩阵是下行链路信道矩阵的转置矩阵，因此通过H(Dn，new)T的奇异值分解，能够获得用于发射上行链路数据的发射权重U(Dn)*。
按照如上所述的计算用于发射上行链路数据的发射权重的方法，不必如图6中所示那样在下行链路数据之后发射参考信号。
本发明的第二方面在于一种以计算机可读形式编码的计算机程序，所述计算机程序在计算机系统上执行通过利用多个空间多路复用的通信信道接收从发射端发射的数据的处理，其中所述计算机程序包括下述步骤：从发射端获得正向的信道矩阵；在用从获得的信道矩阵得到的接收权重对用户数据加权的时候，自适应地估计信道矩阵H，只要正在接收从发射端正向发射的用户数据；和根据自适应估计的信道矩阵，确定用于把用户数据反向发射给发射端的发射权重。
根据本发明的第二方面的计算机程序被定义为以计算机可读形式编码的程序，以在计算机系统上实现预定的处理。换句话说，当计算机程序的副本被安装在单个的计算机系统上时，它们跨越计算机系统协同工作，并使系统起通信设备的作用。建立其中设立多个这样的通信装置的网络能够产生和本发明的第一方面相同的效果。
本发明能够提供一种通过利用信道信息矩阵H的奇异值分解，能够有效地执行闭环MIMO传输的高级无线通信系统、方法、设备和计算机系统，所述信道信息矩阵H的元素是多对发射天线和接收天线的信道。
另外，本发明能够提供一种通过减少在SVD-MIMO通信期间为了信道矩阵采集而在发射器和接收器之间交换的参考信号的区域，能够提高传输效率的高级无线通信系统、方法、设备和计算机系统。
此外，本发明能够提供一种通过减少在双向SVD-MIMO通信期间附到来自发射器的发射分组上的参考信号的区域，能够提高传输效率的高级无线通信系统、方法、设备和计算机系统。
基于附图，通过以下详细描述的本发明的示例性实施例，本发明的其它目的、特征和优点将更明显。
附图说明
图1表示根据本发明的一个实施例的无线通信设备的结构；
图2示意地描述信道特征采集和自适应估计单元的功能结构；
图3解释按照RTS/CTS过程的双向MIMO通信；
图4概念地描述MIMO通信系统；
图5概念地描述SVD-MIMO传输系统；和
图6解释按照RTS/CTS过程的双向MIMO通信。
具体实施方式
下面参考附图全面说明本发明的一个例证实施例。
本发明涉及一种在一对具有多个天线的发射器和具有多个天线的接收器之间进行空间信号多路复用通信的MIMO通信系统。
在典型的无线通信系统中，节点或终端执行RTS/CTS过程，从而获得传输权，同时根据CSMA/CA进行访问控制。这种情况下，为了进行SVD-MIMO通信，用于信道矩阵采集的参考信号被附到RTS、CTS和DATA的每个分组上。
按照RTS/CTS过程，对于在从发射器到接收器的下行链路上的(或者说正向的)数据传输之后，从接收器到发射器的上行链路上的(或者说反向的)数据传输来说，接收器必须获得反向的发射权重。
为了允许接收器获得反向的发射权重，发射器在用户数据之后发射未被V加权的参考信号，这降低了传输效率，因为额外的参考信号被附到用户数据上。
在本发明中，发射器发射供在接收器的信道矩阵采集之用的参考信号和在参考信号之后的用户数据。另一方面，接收器根据附在用户数据之前的参考信号获得信道矩阵，接收用户数据，同时用从信道矩阵得到的接收权重对数据加权，并自适应估计信道矩阵H，只要用户数据正在被接收。根据自适应估计的信道矩阵H′，接收器能够获得用于在上行链路或者说反向发射用户数据的发射权重V′。从而，不必在将从发射器发射给接收器的用户数据之后附加参考信号，提高了传输效率。
图1表示了根据本发明的一个实施例的无线通信设备的结构。
图1中所示的无线通信设备装有两个发射/接收天线11a和11b，并且能够根据SVD-MIMO方案进行数据传输。即，对于发射来说，发射信号被多路复用成子载波，在子载波被分配发射天线加权因子之后，它们被空时编码，并被分配给两个天线11a和11b，从所述两个天线11a和11b，它们被发射到各信道上。对于接收来说，经由各信道由两个天线11a和11b接收的多路复用子载波被分配接收天线加权因子，并被空时解码成接收数据。但是，本发明的要点并不局限于两个天线，可以采用三个或更多的天线。
发射链和接收链通过开关12a和12b并行地与两个发射/接收天线11a和11b连接，以便通过预定的频道把信号无线发射给任何其它无线通信设备，或者接收从任何其它无线通信设备发射的信号。但是，开关12a和12b每次只与发射链或者接收链连接，每个天线不能同时进行发射和接收。
每个发射链包含调制和编码单元21，发射权重乘法器22，IFFT23，前同步信号/参考信号附加单元24，D/A转换器25和发射信号模块处理单元26。
调制和编码单元21利用纠错编码，对从通信协议的上层发送的发射数据编码，并利用预定的调制方案，例如BPSK、QPSK和16QAM，把发射信号映射到信号空间中。此时，按照导频符号插入模式和计时，已知的数据串可作为导频符号被插入调制的符号序列中。对于每个子载波或者每几个子载波，可以插入由已知模式组成的一个导频信号。
发射权重乘法器22把编码的发射信号乘以发射权矩阵V，这通过空间多路复用产生多个MIMO信道。
发射权矩阵V根据来自通信另一端的反馈信息产生，并设置在发射权重乘法器22中。另一方面，按照RTS/CTS过程，对于在从发射器到接收器的下行链路上的(或者说正向的)数据传输之后，从接收器到发射器的上行链路上的(或者说反向的)数据传输来说，根据在用户数据接收期间，由信道特征采集和自适应估计单元3执行的信道矩阵H的自适应估计的结果，能够获得反向的发射权重V′。获得反向的发射权重V′的过程将在后面说明。
IFFT 23按照并行子载波编号和计时，把调制的串行信号转换成用于并行子载波的数据的并行群集(constellation)，并按照预定的FFT大小和计时，对每块FFT大小的并行群集进行反向快速傅里叶变换。这里，在每两个OFDM符号之间可插入一个保护间隔，以消除符号间干扰。保护间隔长度由传输路径条件，即由影响调制的延迟波的最大延迟时间确定。随后，并行数据被转换成串行信号，所述串行信号再被变换成时间轴上的发射信号，同时保持频率轴上子载波的相互正交性。
发射信号随后由D/A转换器25转换成模拟基带信号，基带信号由发射信号模拟处理单元26进一步上变换成RF频带中的信号，RF信号从天线11被发射到每个MIMO信道上。
另一方面，每个接收链包含接收信号模拟处理单元31、A/D转换器32、同步采集单元33、FFT 34、接收权重乘法器35、解调和解码单元36和信道特征采集和自适应估计单元37。
天线11接收的信号由接收信号模拟处理单元31从RF频带下变换成基带信号，基带信号由A/D转换器32转换成数字信号。
随后，按照由同步采集单元33检测的同步计时，作为串行数据的接收信号被转换成并行数据的多个群集(一个群集由包括保护间隔的一个OFDM符号组成)。FFT 34对每个有效符号长度的信号进行快速傅里叶变换；通过提取每个子载波信号，时间轴上的信号被变换成频率轴上的信号。
信道特征采集和自适应估计单元37首先利用其用于多路复用传输的子载波在另一端被每个子载波地离散加权的参考信号，获得信道矩阵H。通过信道矩阵H的奇异值分解，信道矩阵被分解成发射权矩阵V、接收权矩阵UH、和对角矩阵D。对于以给定间隔从另一端发射的参考信号，每次收到参考信号时，信道特征采集和自适应估计单元37更新信道矩阵H，并执行更新的矩阵的奇异值分解。
按照RTS/CTS过程，对于在从发射器到接收器的下行链路上的(或者说正向的)数据传输之后，在从接收器到发射器的上行链路上的(或者说反向的)数据传输，信道特征采集和自适应估计单元37根据用户数据接收期间，信道矩阵H的自适应估计的结果，获得反向的发射权重V′。获得反向的发射权重V′的过程将在后面说明。
通过奇异值分解从信道矩阵得到的接收权矩阵UH被设置在正在讨论的设备的接收权重乘法器35中，发射权矩阵V被反馈给另一端。但是，代替UH，HV的逆矩阵D-UH可被用作接收权矩阵(参见等式(8)和前面部分中的相关描述)。
接收权重乘法器35把接收信号乘以通过信道矩阵H的奇异值分解获得的接收权矩阵UH或D-UH，这导致空间多路复用的接收信号的空间多路分解。
此外，解调和解码单元36利用预定的方案，比如BPSK、QPSK和16QAM，把这样加权的接收信号从信号空间解映射，对信号进行纠错，把它们解码成接收数据，所述接收数据再被传给通信协议的上层。
按照RTS/CTS过程，对于在从发射器到接收器的下行链路上的(或者说正向的)数据传输之后，从接收器到发射器的上行链路上的(或者说反向的)数据传输来说，接收器必须获得反向的发射权重V′。
在和本实施例相关的无线通信系统中，发射器发射供在接收器的信道矩阵采集之用的参考信号和在参考信号之后的用户数据。另一方面，接收器根据附在用户数据之前的参考信号获得信道矩阵，接收用户数据，同时用从信道矩阵得到的接收权重对数据加权，自适应估计信道矩阵H，只要用户数据正在被接收，并根据自适应估计的信道矩阵H′获得用于在上行链路上或者说反向发射用户数据的发射权重V′。从而，不必在将从发射器发射给接收器的用户数据之后发射额外的参考信号。
图2示意地描述了信道特征采集和自适应估计单元37的功能结构。如图所示，信道特征采集和自适应估计单元37由从发射端获得正向的信道矩阵的信道矩阵采集单元，在从发射端正向发射的用户数据的接收期间，自适应估计信道矩阵H的信道矩阵自适应估计单元，和根据自适应估计的信道矩阵，确定用于把反向用户数据发射给发射端的发射权重的反向发射权重确定单元组成。信道矩阵自适应估计单元根据接收的数据和信号空间中的信号点之间的差异(作为误差信息)，并利用诸如LMS和RLS之类的算法，自适应地估计信道矩阵。
发射端事先获得把用户数据正向发射给接收器的发射权重V，在发射由V加权的参考信号之后，在空间多路复用的信道上发射由V加权的用户数据。从而，信道矩阵采集单元从由V加权的参考信号得到作为信道矩阵的HV，在从发射端正向发射的用户数据的接收期间，信道矩阵自适应估计单元继续进行作为信道矩阵的HV′的自适应估计。当反向发射用户数据时，在正向用户数据的接收之后，反向发射权重确定单元能够如下确定用于反向发射用户数据的权重V′：它通过把H′V乘以VH，获得H′，并执行H′的转置矩阵的奇异值分解。
下面，将参考图3说明在与本实施例相关的无线通信系统中，RTS、CTS、DATA(下行链路)和DATA(上行链路)的双向MIMO通信的过程。在发射器，假定获得发射权矩阵V的处理被预先完成。
(步骤1)
从发射器向接收器发射RTS分组。此时，发射器把RTS分组前面的参考信号发射给接收器。根据该参考信号，接收器能够得出正向的(或者说下行链路上的)信道矩阵H(Dn)。
(步骤2)
在接收器，通过信道矩阵H(Dn)的奇异值分解，获得矩阵U(Dn)和矩阵V(Dn)。
(步骤3)
响应RTS分组，接收器发射CTS分组。此时，接收器发射在CTS分组之前的参考信号。
(步骤4)
在发射器，根据附到CTS分组的参考信号，得到反向的(或者说上行链路上的)信道矩阵H(Up)。该上行链路信道矩阵是下行链路信道矩阵的转置矩阵；即，H(Up)＝H(Dn)T(参见等式(9))。随后，在发射器，通过H(Up)的奇异值分解，能够获得用于在下行链路上发射数据的权重V(Dn)。
(步骤5)
发射器把下行链路数据发射给接收器。作为下行链路数据，在由V(Dn)加权的参考信号之后，发射由V(Dn)加权的用户数据。
(步骤6)
接收器能够从附到下行链路数据上的参考信号得出H(Dn)V(Dn)。通过利用H(Dn)V(Dn)的逆矩阵作为接收权重(参见等式(8))，接收器接收下行链路数据。
(步骤7)
在接收下行链路数据的时候，接收器利用LMS算法自适应地估计H(Dn)V(Dn)，从而进行计算以便跟随信道条件变化。
通过执行下述LMS算法，能够跟随信道条件变化，其中e是关于接收的数据和信号群集中的信号点之间的一致性方面的误差的误差信号，X是通过对接收的数据解码而估计的发射信号，W是H(Dn)V(Dn)的估计值。
W(m+1)＝W(m)+μX(m)e                                (11)
(步骤8)
在接收器，通过把利用LMS算法自适应估计的H(Dn)V(Dn)的估计值乘以V(Dn)H，获得最新的下行链路信道矩阵H(Dn，new)。
(步骤9)
此外，在接收器，通过获得的信道矩阵H(Dn，new)的奇异值分解，获得U(Dn，new)。
(步骤10)
接收器把上行链路数据发射给发射器。作为上行链路数据，在由U(Dn)*(参见等式(10))加权的参考信号之后，发射由U(Dn)*加权的用户数据。
(步骤11)
发射器根据附到上行链路数据上的参考信号，得出信道矩阵。发射器计算得出的信道矩阵的逆矩阵，并通过把该逆矩阵用作接收权重，接收上行链路用户数据，同时用接收权重对该数据加权。
工业应用
虽然参考本发明的具体实施例详细说明了本发明，不过对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的要点的范围的情况下，可在其中做出各种修改和改变。
本发明可被应用于通过空间多路复用进行数据传输的各种无线通信系统，并且其应用范围并不局限于空间分割，或者准确地说，空间正交多路复用传输方案，比如SVD-MIMO方案。本发明可合适地应用于其中发射端或接收端执行空间多路复用，并且根据信道矩阵因子分解，进行加权发射/接收的其它类型的通信系统。
换句话说，出于举例说明的目的，公开了本发明的一个优选实施例，本说明书中的描述不应被视为对本发明的限制。在解释本发明的要点时，应参考和考虑附加的权利要求。

Claims (10)

1、一种利用发射器和接收器之间的多个空间多路复用的通信信道进行数据传输的无线通信系统，其中：
发射器在用于信道矩阵采集的参考信号之后发射用户数据，其中用户数据和参考信号被加权并在空间多路复用的信道内被发射；和
接收器根据附在用户数据之前的参考信号，获得信道矩阵H，接收用户数据，同时用从信道矩阵H得到的接收权重对所述数据加权，并且自适应估计信道矩阵H，只要用户数据正在被接收。
2、按照权利要求1所述的无线通信系统，其中所述发射器和所述接收器都装有多个天线，所述发射器把发射数据分配给多个流，对所述多个流加权，并从发射天线发射加权的流，以及所述接收器对接收天线接收的流加权。
3、按照权利要求1所述的无线通信系统，其中所述接收器根据自适应估计的信道矩阵H′，获得用于把用户数据反向发射给所述发射器的发射权重V′。
4、按照权利要求1所述的无线通信系统，其中所述发射器事先获得用于把用户数据正向发射给所述接收器的发射权重V，用V对参考信号和用户数据加权，并通过空间多路复用的信道在参考信号之后发射用户数据。
5、按照权利要求4所述的无线通信系统，其中所述接收器从由V加权的参考信号得到作为信道矩阵的HV，在从所述发射器正向发射的用户数据的接收期间，继续进行作为信道矩阵的H′V的自适应估计，当反向发射用户数据时，在用户数据的接收之后，通过把H′V乘以VH，获得H′，并通过H′的转置矩阵的奇异值分解，预先确定用于反向数据传输的权重V′。
6、一种利用多个空间多路复用的通信信道接收从发射端发射的数据的无线通信设备，所述无线通信设备包括：
信道矩阵采集单元，它从所述发射端获得正向的信道矩阵；
接收部分，它接收从所述发射端正向发射的用户数据，并利用从获得的信道矩阵得到的接收权重，对用户数据加权；
信道矩阵自适应估计单元，在从所述发射端正向发射的用户数据的接收期间，它自适应地估计信道矩阵H；
反向发射权重确定单元，它根据自适应估计的信道矩阵，确定用于把用户数据反向发射给所述发射端的发射权重；和
发射部分，它用这样确定的发射权重对用户数据加权，并把用户数据反向发射给所述发射端。
7、按照权利要求6所述的无线通信设备，其中：
所述发射端在用于信道矩阵采集的参考信号之后发射用户数据，其中用户数据和参考信号被加权并通过空间多路复用的信道被发射；和
所述信道矩阵采集单元根据附在用户数据之前的参考信号，获得信道矩阵H。
8、按照权利要求6所述的无线通信设备，其中：
所述发射端事先获得用于把用户数据正向发射给所述接收器的发射权重V，用V对参考信号和用户数据加权，并通过空间多路复用的信道在参考信号之后发射用户数据；
所述信道矩阵采集单元根据由V加权的参考信号，得到作为信道矩阵的HV；
在从所述发射端正向发射的用户数据的接收期间，所述信道矩阵自适应估计单元继续进行作为信道矩阵的H′V的自适应估计；和
当设备正在反向发射用户数据时，在正向的用户数据的接收之后，所述反向发射权重确定单元通过把H′V乘以VH，获得H′，并通过H′的转置矩阵的奇异值分解，预先确定用于反向数据传输的权重V′。
9、一种利用多个空间多路复用的通信信道接收从发射端发射的数据的无线通信方法，所述无线通信方法包括下述步骤：
从所述发射端获得正向的信道矩阵；
接收从所述发射端正向发射的用户数据，并利用从获得的信道矩阵得到的接收权重，对用户数据加权；
在从所述发射端正向发射的用户数据的接收期间，自适应地估计信道矩阵H；
根据自适应估计的信道矩阵，确定用于把用户数据反向发射给所述发射端的发射权重；和
用这样确定的发射权重对用户数据加权，并把用户数据反向发射给所述发射端。
10、一种以计算机可读形式编码的计算机程序，所述计算机程序在计算机系统上执行通过利用多个空间多路复用的通信信道接收从发射端发射的数据的处理，所述计算机程序包括下述步骤：
从所述发射端获得正向的信道矩阵；
在用从获得的信道矩阵得到的接收权重对用户数据加权的时候，自适应地估计信道矩阵H，只要正在接收从所述发射端正向发射的用户数据；和
根据自适应估计的信道矩阵，确定用于把用户数据反向发射给所述发射端的发射权重。
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