DE112005002392T5

DE112005002392T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Durchführen von sequentiellem Regelkreis-MIMO

Info

Publication number: DE112005002392T5
Application number: DE112005002392T
Authority: DE
Inventors: John Mesa Sadowsky
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: US20100046665A1; TWI304690B; US7609780B2; DE112005002392B4; US20060071807A1; GB2433182A; WO2006039058A1; CN101036317A; GB0703502D0; TW200623693A; GB2433182B; US8204145B2; CN101036317B

Abstract

Verfahren, welches umfaßt:
Empfangen eines Signals Y_i aus einem MIMO-Kanal, wobei das Signal Y_i Datensymbole X_i enthält, die mit einer Strahlbildungsmatrix V_i in einem entfernten Sender vor Übertragung in den MIMO-Kanal Matrix-multipliziert wurden, wobei der MIMO-Kanal eine Kanalmatrix H_i aufweist;
Verwenden des Signals Y_i zum Bestimmen eines kombinierten Kanals H ~_i, der Effekte sowohl der Strahlbildungsmatrix V_i als auch der Kanalmatrix H_i enthält;
Durchführen einer Singulärwertzerlegung (SVD) des kombinierten Kanals H ~_i zum Bestimmen einer Strahlbildungsmatrix V ~_i, die eine Korrektur darstellt, die für die Strahlbildungsmatrix V_i benötigt wird; und
Übertragen der Strahlbildungsmatrix V ~_i an den entfernten Sender, um mit der Strahlbildungsmatrix V_i zum Erzeugen einer neuen Strahlbildungsmatrix V_i+1 zur Verwendung in einer nachfolgenden Datenübertragung von dem entfernten Sender kombiniert zu werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein die drahtlose Kommunikation und insbesondere Kanaltrainingverfahren und Strukturen zur Verwendung in drahtlosen Systemen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
MIMO (Multiple Input Multiple Output) ist ein Funkkommunikationsverfahren, bei dem sowohl ein Sender als auch ein Empfänger mehrere Antennen zum drahtlosen Kommunizieren miteinander benutzen. Durch Verwendung mehrerer Antennen am Sender und Empfänger kann die räumliche Dimension auf eine Weise genutzt werden, die die Gesamtleistung der drahtlosen Strecke verbessert. MIMO kann entweder als Verfahren mit offenem Kreis oder mit Regelkreis durchgeführt werden. Bei MIMO mit offenem Kreis hat ein Sender keine besondere Kenntnis des Zustandes des Kanals, ehe Signale zu einem Empfänger übertragen werden. Bei Regelkreis-MIMO werden andererseits kanalbezogene Informationen vom Empfänger zum Sender zurückgeführt, um dem Sender die Vorbehandlung von Sendesignalen vor ihrer Übertragung zu erlauben, um besser an den gegenwärtigen Kanalzustand angepaßt zu sein. Die Menge an von einem Empfänger zu einem Sender in einem System mit Regelkreis-MIMO abgegebenen Rückführungsinformationen kann sehr groß sein. Dies trifft besonders auf Regelkreis MIMO-Systeme zu, die SVD-Verfahren (Singular Value Decomposition – Singulärwertzerlegung) im Empfänger anwenden. Es besteht ein allgemeiner Bedarf an Strategien zur Verringerung der in einem Regelkreis-MIMO-System benutzten Gesamt-Rückführungsmenge.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften drahtlosen Kommunikationsstrecke in einem MIMO-basierenden drahtlosen System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften Senderanordnung, die in einem SVD-MIMO-basierenden System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann;
3 ist ein Zeitdiagramm einer beispielhaften drahtlosen Rahmenaustauschfolge (frame exchange sequence) zwischen einem Urheber und einem Antwortgeber in einem drahtlosen Netz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften Senderanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die beispielhaft bestimmte Ausführungsformen zeigen, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Diese Ausführungsformen werden ausführlich genug beschrieben, um einem Fachmann die Ausübung der Erfindung zu ermöglichen. Es versteht sich, daß die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, obwohl sie sich voneinander unterscheiden, sich nicht unbedingt gegenseitig ausschließen. Beispielsweise kann ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder hier in Verbindung mit einer Ausführungsform beschriebene Eigenschaft in anderen Ausführungsformen realisiert werden, ohne von der Idee und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich versteht es sich, daß der Ort oder die Anordnung einzelner Elemente in jeder offenbarten Ausführungsform abgeändert werden können, ohne von der Idee und dem Umfang der Erfindung zu weichen. Die nachfolgende ausführliche Beschreibung soll daher nicht in einem begrenzenden Sinn aufgefaßt werden und der Rahmen der vorliegenden Erfindung wird nur durch die entsprechend ausgelegten beiliegenden Ansprüche definiert, zusammen mit allen Äquivalenten, zu denen die Patentansprüche berechtigen. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Ziffern auf die gleiche oder ähnliche Funktionalität in den mehreren Ansichten.
1 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften drahtlosen Kommunikationsstrecke 10 in einem MIMO-basierenden drahtlosen System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nach der Darstellung kommuniziert eine drahtlose Urhebervorrichtung 12 mit einer drahtlosen Antwortgebervorrichtung 14 über einen drahtlosen Kanal. Die Urhebervor richtung 12 weist drei Sendeantennen 16, 18, 20 auf und die Antwortgebervorrichtung 14 weist zwei Empfangsantennen 22, 24 auf. Der drahtlose Kanal ist ein MIMO-Kanal (Multiple Input, Multiple Output). Obwohl drei Sendeantennen 16, 18, 20 und zwei Empfangsantennen 22, 24 in der 1 dargestellt sind, versteht es sich, daß eine beliebige Anzahl (d.h. größer als 1) von Sendeantennen und Empfangsantennen zum Bilden eines MIMO-Kanals benutzt werden kann. Während einer drahtlosen Rahmenaustauschfolge kann die drahtlose Urhebervorrichtung 12 Benutzerdaten zur Antwortgebervorrichtung 14 übertragen. Nach Empfangen eines Datenrahmens vom Urheber 12 kann der Antwortgeber 14 einen ACK-Rahmen (Acknowledgement – Bestätigung) (und/oder andere Informationen) zum Urheber 12 zurücksenden, um zu bestätigen, daß der Datenrahmen erfolgreich empfangen wurde. Die gleichen Antennen wie die für die Strecke in der Vorwärtsrichtung benutzten können für die Strecke in der Rückwärtsrichtung benutzt werden oder nicht.
Die drahtlose Strecke 10 der 1 kann Regelkreis-MIMO-Verfahren benutzen. Das heißt der Antwortgeber 14 kann kanalbezogene Rückführungsinformationen zum Urheber 12 zur Verwendung bei der Entwicklung nachfolgender Sendesignale durch den Urheber 12 übertragen. Durch Nutzung von Kenntnis des Kanals kann der Urheber 12 das Sendesignal auf eine Weise auf den Kanal abstimmen, die die Empfängerverarbeitung vereinfacht und/oder Empfängerleistung im Antwortgeber 14 verbessert. Der Antwortgeber 14 kann kanalbezogene Rückführungsinformationen durch entsprechende Verarbeitung von vom Urheber 12 empfangenen Trainingssignalen erzeugen. Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Entwickeln solcher kanalbezogenen Informationen bekannt. Ein Verfahren zum Entwickeln von kanalbezogenen Rückführungsinformationen nutzt ein als SVD-Verfahren (Singular Value Decomposition – Singulärwertzerlegung) bekanntes mathematisches Verfahren. Wenn SVD in einem MIMO-basierenden System benutzt wird, kann das Gesamtverfahren als SVD-MIMO bezeichnet werden. Zum Erleichtern des Verständnisses und zur Vereinfachung der Schreibweise wird die folgende Besprechung auf einen einzelnen Unterträger in einem Mehrträgersystem (z.B. einem OFDM-System) bezogen sein. Es versteht sich jedoch, daß die unten beschriebenen Funktionen typischerweise für jeden der Unterträger in einem Mehrträgersystem (multi-carrier system) durchzuführen sind.
In einem MIMO-basierenden System kann ein drahtloser Kanal unter Verwendung einer n_RX × n_TX Kanalmatrix H charakterisiert werden, wobei n_RX die Anzahl von Empfangsantennen und n_TX die Anzahl von Senderantennen ist. Bei Verwendung von SVD ist anzunehmen, daß die Kanalmatrix H folgende Form aufweist: H = UΣVH wobei U und V unitäre Matrizen (d.h. Matrizen mit orthonormalen Spalten und Einheitsamplitude) sind, Σ eine Diagonalmatrix ist und V^H die Hermitesche der Matrix V ist. Eine unitäre Matrix U besitzt die folgende Eigenschaft: UHU = Iwobei I die Einheitsmatrix ist. Wenn die Kanalmatrix H die obige Form aufweist und wenn die Matrix V bestimmt werden kann, dann kann der Vektor X von vom Sender in den MIMO-Kanal zu sendenden komplexen Symbolen vor der Übertragung mit V multipliziert werden. Der Sender sendet daher Symbole Z = VX, wobei V als die Strahlbildungsmatrix (beam forming matrix) bezeichnet werden kann. Die übertragenen Symbole Z werden dann vom Kanal H beeinflußt und sind auch Rauschen auf dem Kanal unterworfen. So kann das vom Empfänger (am anderen Ende des MIMO-Kanals) empfangene Signal Y dargestellt werden als: Y = HVX + Nwobei N das additive Rauschen ist. Aus dem oben gegebenen Kanalausdruck ergibt sich: HV = UΣVHV = UΣI = UΣ
Y läßt sich daher folgendermaßen ausdrücken: Y = YΣX + N
Im Empfänger kann das Empfangssignal Y einfach mit U^H Matrix-multipliziert werden, und es kann sich folgendes ergeben: YUH = UUHΣX + UHN = IΣX + UHN = ΣX + UHN
Wenn daher die Diagonalmatrix Σ bekannt ist, können die Symbole X wiedergewonnen werden. Durch das oben beschriebene Verfahren wird der Kanal im wesentlichen diagonalisiert und es ermöglicht, daß die ursprünglich übertragenen Symbole im Empfänger wiedergewonnen werden. Die Elemente der Diagonalmatrix Σ sind als singuläre Werte (bzw. Eigenwerte) der Kanalmatrix H bekannt und können unter Verwendung wohlbekannter SVD-Verfahren bestimmt werden.
Von dem einem MIMO-Kanal zugeordneten Empfänger wird die H-Matrix typischerweise unter Verwendung bekannter, vom Sender empfangener Trainingssignale gemessen. Es kann dann zur Bestimmung der V-Matrix eine SVD durchgeführt werden. In einem Regelkreissystem kann die V-Matrix dann zum Sender zurückübertragen werden. Die Menge an V-Matrix-Daten wird häufig sehr groß sein. Beispielsweise kann die V-Matrix in einem System mit OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – orthogonalem Frequenzmultiplex) eine 4×4-Matrix für jeden der Unterträger eines OFDM-Symbols enthalten. Es ist zu erkennen, daß dies eine große Menge an zum Sender zurückzuübertragenden Daten ist und einen bedeutenden Einfluß auf den Gesamtdurchsatz im System haben kann. Gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein sequentielles Verfahren von Regelkreis-MIMO bereitgestellt, mit dem der Gesamtbetrag an zum Sender zurückübertragenen Rückführungsdaten bei Durchführung von SVD-MIMO reduziert werden kann. Anstatt für jeden vom Sender empfangenen Rahmen die gesamte V-Matrix zum Sender zurückzuübertragen, können die V-Matrix-Informationen sequentiell über eine Anzahl von Rahmen zurückgesendet werden, so daß die gesamte Rückführungsmenge bedeutend geringer ist.
2 ist eine Blockschaltbilddarstellung einer beispielhaften Senderanordnung 30, die in einem SVD-MIMO-basierenden System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann. Die Sendeanordnung 30 kann sich beispielsweise in einer drahtlosen Vorrichtung befinden, die so aufgebaut ist, daß sie als Urhebervorrichtung in einem drahtlosen Netz mit hohem Durchsatz wirkt. Auch bestehen andere Anwendungsmöglichkeiten. Nach der Darstellung kann die Senderanordnung 30 einen oder mehrere der folgenden enthalten: einen räumlichen Stromverschachteler (spatial stream interleaver 32, einen Strahlbildner (beam former) 34, eine Anzahl von IFFT-Vorrichtungen 36, 38, 40 (Inverse Fast Fourier Transform) und eine Anzahl von Antennen 42, 44, 46. Vom räumlichen Stromverschachteler 32 werden Datensymbole an einem Eingang desselben empfangen und diese Datensymbole in einer Mehrzahl von räumlichen Strömen 48 aufgetrennt. Die Datensymbole können von dem räumlichen Stromverschachteler 32 beispielsweise von einer (nicht gezeigten) Umsetzereinheit (mapper unit) empfangen werden, die Eingangsdaten auf Grundlage eines vorbestimmten Modulationsverfahrens (z.B. BPSK (Binary Phase Shift Keying – binäre Phasenumtastung), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying – Quadraturphasenumtastung), QAM (Quadrature Amplitude Modulation – Quadraturamplitudenmodulation) usw. in entsprechende Modulationssymbole umsetzt. Vom Strahlbildner 34 werden die räumlichen Ströme vom räumlichen Stromverschachteler 32 empfangen und ein gegenwärtiger Vektor von Symbolen mit der Strahlbildungsmatrix V Matrix-multipliziert, um Signale zur Abgabe an die mehreren Senderantennen 42, 44, 46 zu erzeugen. Die Anzahl von Senderantennen kann der Anzahl von in den Strahlbildner 34 eingegebenen räumlichen Strömen gleich sein oder nicht.
Da in der dargestellten Ausführungsform OFDM benutzt wird, können die Ausgangssignale des Strahlbildners 34 vor ihrer Übertragung durch eine entsprechende Senderantenne 42, 44, 46 jeweils durch eine IFFT 36, 38, 40 bearbeitet werden. Die vom Strahlbildner 34 benutzte Strahlbildungsmatrix V ist von von einer Vorrichtung am anderen Ende des MIMO-Kanals (z.B. einer Antwortgebervorrichtung usw.) empfangenen Rückführungsinformationen abgeleitet. Es versteht sich, daß die Architektur der Sendeanordnung 30 der 2 eine mögliche Senderarchitektur darstellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann. Als Alternative können andere Architekturen benutzt werden.
3 ist ein Zeitdiagramm, das einen beispielhaften drahtlosen Rahmenaustausch 50, der in einem drahtlosen Netz mit MIMO gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stattfinden könnte, darstellt. Der obere Teil 52 des Diagramms stellt die Sendeaktivität einer Urhebervorrichtung während des drahtlosen Rahmenaustauschs 50 dar, und der untere Teil 54 stellt die Sendeaktivität einer Antwortgebervorrichtung dar. Gemäß der Darstellung überträgt der Urheber anfänglich einen RTS-Rahmen 56 (Request to Send – Sendeanforderung) zum Antwortgeber. Der RTS-Rahmen 56 kann Informationen wie beispielsweise die Adresse des Urhebers, die Adresse des gegebenen Antwortgebers und die Dauer des folgenden Rahmenaustauschs enthalten. Auch kann der RTS-Rahmen 56 Trainingssignale zur Verwendung bei der Durchführung von Kanaltraining im Antwortgeber enthalten. Wenn der Antwortgeber den RTS-Rahmen 56 empfängt, verarbeitet er die empfangenen Trainingssignale zum Entwickeln von Kanalinformationen, die den MIMO-Kanal kennzeichnen. Nach einer kurzen Zeitdauer (z.B. einem SIFS (Short Inter Frame Space)) kann der Antwortgeber einen CTS-Rahmen 58 (Clear to Send – Sendefreigabe) zum Urheber zurücksenden, der anzeigt, daß er zum Beginnen des Sendens von Daten freigegeben ist. Der CTS-Rahmen 58 kann Kanal-bezogene Rückführungsinformationen (z.B. eine Strahlbildungsmatrix) zur Verwendung durch den Urheber beim Senden von Daten enthalten.
Auch kann der CTS-Rahmen 58 die gleichen Zeitdauerinformationen enthalten, die der RTS-Rahmen 56 enthielt (oder eine leicht abgeänderte Version). Alle anderen Vorrichtungen, die entweder den RTS-Rahmen 56 oder den CTS-Rahmen 58 empfangen, können die Zeitdauerinformationen lesen und auf dieser Grundlage einen Netzzuteilungsvektor NAV (Network Allocation Vektor) einstellen. Danach wird das drahtlose Medium von diesen anderen Vorrichtungen bis zum Ende der identifizierten Zeitdauer als reserviert behandelt und sie werden nicht senden. Auf diese Weise können Kollisionen vermieden werden.
Vom Urheber wird der CTS-Rahmen 58 empfangen und bestimmt, daß er nun Daten zu senden beginnen kann. Vom Urheber werden die Rückführungsinformationen im CTS-Rahmen 58 gelesen und die Informationen zum Erzeugen eines Datenrahmens 60 (nach einem SIFS) zur Übertragung zum Antwortgeber benutzt. Zusätzlich zu Daten kann der Datenrahmen 60 auch Kanaltrainingsignale enthalten. Vom Antwortgeber kann der Datenrahmen 60 empfangen und gelesen werden und die darin enthaltenen Benutzerdaten aufgezeichnet werden und die Trainingssignale dazu benutzt werden, um wieder kanalbezogene Informationen zu erzeugen. Der Antwortgeber kann dann einen Antwortrahmen 62 zum Urheber zurücksenden, der ein Bestätigungspaket enthält, das den Empfang des Datenrahmens 60 bestätigt, und auch neue kanalbezogene Rückführungsinformationen. Dieser Vorgang kann mit zusätzlichen Datenrahmen (z.B. Rahmen 64, 68 usw.) und zusätzlichen Antwortrahmen (z.B. Rahmen 66, 70 usw.) wiederholt werden, bis alle entsprechenden Daten erfolgreich zum Antwortgeber übertragen worden sind. Der abschließende Antwortrahmen 70 enthält möglicherweise keine Rückführungsinformationen.
Beim Konzipieren der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß schrittweise Näherungen einer optimalen SVD-Strahlbildungsmatrix auf beinahe optimale SVD-MIMO-Leistung konvergieren können und dabei die zur Konvergenz und nachfolgender Verfolgung eines dynamischen Kanals erforderliche Rückführung bedeutend verringern. Die Kohärenzzeit eines Kanals in einem drahtlosen Netz ist oft lang. Beispielsweise kann die Kohärenzzeit in einem auf IEEE 802.11 basierenden Netz bei Hunderten von Millisekunden liegen. Ein Rahmen in einem solchen Netz (z.B. eine PPDU (Physical Layer Protocol Data Unit – Protokolldateneinheit der physikalischen Schicht)) kann andererseits von der Größenordnung von 1 Millisekunde sein. Die Kanalkohärenzzeit kann daher mindestens mehrere Rahmenaustauschfolgen in Länge betragen. Auf Grundlage des Obigen wurde bestimmt, daß es möglich war, Quantisierungsverfahren hinsichtlich der Strahlbildungs-V-Matrizen mit geringer Beeinflussung der Streckenleistung zu nutzen. Durch Quantisieren der V-Matrix-Informationen, die zum Urheber zurückzuführen sind, kann die Gesamtmenge an Rückführungsinformationen beträchtlich verringert werden. Die Rückführungsinformationen können über mehrere Rahmen anstatt alle auf einmal zum Urheber zurückgesendet werden. Wie ausführlicher beschrieben wird, kann die Rückführungsmatrix, die als Antwortung auf jeden empfangenen Datenrahmen vom Antwortgeber zum Urheber abgegeben wird, in einem Differenzcodierungsartigen Ansatz statt der gesamten V-Matrix eine Korrekturmatrix zur vorher benutzten V-Matrix sein.
Bezugnehmend auf 3 kann der Urheber in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine vorbestimmte Matrix (z.B. eine Einheitsmatrix I) als die Strahlbildungsmatrix V₀ während der Übertragung des RTS-Rahmens 56 benutzen. Wenn der Antwortgeber danach den RTS-Rahmen 56 empfängt, kann er die Kanalmatrix H₀ des MIMO-Kanals berechnen. Vom Antwortgeber kann dann zum Bestimmen einer entsprechenden, zum Urheber zurückführenden Strahlbildungsmatrix V₀ eine SVD-Operation auf der Kanalmaterix H₀ durchgeführt werden. Im Effekt ist die Matrix V₀ eine Korrektur der Strahlbildungsmatrix V₀, die vom Urheber zum Übertragen des RTS-Rahmens 56 zum Antwortgeber benutzt wurde (die wie oben besprochen die Einheitsmatrix sein kann). In mindestens einer Ausführungsform wird wie oben beschrieben Quantisierung zum Beschreiben der Strahlbildungsmatrizen im Netz benutzt. Es kann jedes Quantisierungsverfahren benutzt werden einschließlich beispielsweise einer groben elementweisen Quantisierung, einer vektorartigen Quantisierung (z.B. Grassmansche Strahlbildung usw.) und/oder andere.
Vom Urheber wird die Strahlbildungsmatrix V₀ empfangen und zum Aktualisieren der zum Übertragen des RTS-Rahmens 56 zu nutzenden Strahlbildungsmatrix V₀ zur Verwendung bei den nachfolgenden Datenrahmen 60 benutzt. Diese Aktualisierung kann eine einfache Matrizenmultiplikation (z.B. eine Rechtsmultiplikation) sein. Vom Urheber kann dann die neue Strahlbildungsmatrix V₁ zum Senden des Datenrahmens 60 benutzt werden. Vom Antwortgeber wird der Datenrahmen 60 empfangen und die Kanalmatrix des Kanals bestimmt. Die vom Antwortgeber bestimmte Kanalmatrix wird jedoch für den kombinierten Kanal sein, einschließlich sowohl der Strahlbildungsmatrix V₁ als auch des eigentlichen Kanals H₁ (d.h. H ~₁ = V₁H₁). Vom Antwortgeber wird dann eine SVD-Operation zum Bestimmen einer zum Urheber zurückzuführenden Strahlbildungsmatrix V ~₁ durchgeführt. Die Strahlbildungsmatrix V ~₁ ist die, mit der der Antwortgeber den Kanal vom Urheber vorbehandeln (pre-condition) lassen möchte, angenommen, daß der kombinierte Kanal der eigentliche Kanal ist. Es werden wieder Quantisierungsverfahren benutzt. Wäre die zum Übertragen des Datenrahmens 60 benutzte Strahlbildungsmatrix V₁ optimal gewesen, würde die SVD-Operation eine Diagonalmatrix ergeben, und es gäbe keine zu übertragenden Rückführungsdaten. Da jedoch Quantisierung benutzt wird, und aufgrund der Wirkungen von Kanalschwund, kann eine ideale Strahlbildungsmatrix selten erreicht werden.
Wie zuvor empfängt der Urheber die Strahlbildungsmatrix V ~₁ und benutzt sie zur Aktualisierung der zum Übertragen des Datenrahmens 60 benutzten Strahlbildungsmatrix V₁ (z.B. V₂ = V₁ V ~₁ = V₀ V ~₀
). Vom Urheber wird dann die neue Strahlbildungsmatrix V₂ zum Übertragen des Datenrahmens 64 benutzt und so weiter. Im allgemeinen kann die Strahlbildungsmatrix für den k-ten Datenrahmen ausgedrückt werden als:
wobei die Einheitsmatrix als die anfängliche Strahlbildungsmatrix V₀ benutzt wurde.
4 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften Senderanordnung 80 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nach der Darstellung enthält die Senderanordnung 80 folgendes: einen Strahlbildner 82, eine Mehrzahl von Sendeantennen 84, 86, 88, erste und zweite Strahlbildungsmatrixspeicherbereiche 90, 92 und einen Kombinierer 94. Vom Strahlbildner 82 werden als Eingaben Datensymbole über mehrere räumliche Ströme empfangen und Vektoren von Eingangssymbolen mit der Strahlbildungsmatrix V_i Matrix-multipliziert. Mit den Ausgaben des Strahlbildners 82 werden dann die mehreren Sendeantennen 84, 86, 88 gespeist. Obwohl nicht dargestellt kann zwischen dem Strahlbildner 82 und jeder einzelnen Sendeantenne 84, 86, 88 eine weitere Funktionalität liegen (z.B. eine IFFT, ein Leistungsverstärker usw.). Die Sendeantennen 84, 86, 88 können eine beliebige Art von Antennenelement wie beispielsweise Dipole, Flächenresonatoren, Wendelantennen und/oder andere einschließen. Es kann eine beliebige Anzahl von Sendeantennen benutzt werden (n_TX > 1).
Der erste Strahlbildungsmatrixspeicherbereich 90 bewirkt das Speichern der Strahlbildungsmatrix, die zum Übertragen des letzten durch die Senderanordnung 80 übertragenen Datenrahmens (d.h. V_i-1) benutzt wurde. Der zweite Strahlbildungsmatrixspeicherbereich 92 bewirkt das Speichern der zuletzt vom Antwortgeber empfangenen Strahlbildungskorrekturmatrix (d.h. V ~_i-1). Der Kombinierer 94 bewirkt das Kombinieren der gespeicherten Matrizen zum Erzeugen einer aktualisierten Strahlbildungsmatrix V_i zur Verwendung durch den Strahlbildner 82. In mindestens einer Ausführungsform ist der Kombinierer 94 eine Matrizenmultiplizierungseinheit. Der erste und zweite Strahlbildungsmatrixspeicherbereich 90, 92 kann einer beliebigen Art von Vorrichtung zugeordnet sein, die digitale Daten speichern kann. Nachdem die aktualisierte Strahlbildungsmatrix V_i erzeugt und an den Strahlbildner 82 abgegeben worden ist, kann sie dann im ersten Strahlbildungsmatrixspeicherbereich 90 zur Verwendung mit einem nachfolgenden Datenrahmen gespeichert werden. In mindestens einer Ausführungsform kann eine Initialisierungseinheit zum Initialisieren der Strahlbildungsmatrix vorgesehen sein, die durch den Strahlbildner 82 zu Beginn einer Rahmenaustauschfolge benutzt wird (z.B. zur Einheitsmatrix I). Wie schon beschrieben kann für die Strahlbildungsmatrizen Quantisierung benutzt werden. Die Senderanordnung 80 der 4 kann beispielsweise während einer Rahmenaustauschfolge wie der in 3 dargestellten benutzt werden. Als Alternative können andere Architekturen benutzt werden.
V-Matrix-Quantisierung kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. Ein direktes Verfahren besteht in der einfachen elementweisen Quantisierung. Ein wirkungsvoller Ansatz besteht darin, Vektorquantisierungsverfahren auf die gesamte Matrix anzuwenden. Mit diesen Verfahren kann Quantisierungseffizienz durch Ausnutzen von Eigenschaften von unitären Matrizen im allgemeinen oder insbesondere von SVD-Eigenschaften erreicht werden. Insbesondere sind die U- und V-Matrizen nicht einmalig. Wenn H = UΣV^H und D eine unitäre Diagonalmatrix ist (d.h. eine Diagonalmatrix mit diagonalen Elementen, die komplexe Zahlen mit Einheitsgröße sind), dann folgt, da Diagonalmatrizen kommutativ sind, daß (UD)Σ(VD)^H = UDΣD^HV^H = UDD^HΣV^H = UΣV^H = H. So wird durch das Paar (UD, VD) eine weitere SVD-Zerlegung bereitgestellt. Durch diese Invarianz bezüglich unitärer Diagonalmatrizen werden Freiheitsgrade bereitgestellt, die in der Vektorquantisierung ausgenutzt werden können. Zusätzlich zu Eigenschaften einer unitären Matrix kann die typischerweise starke Korrelation zwischen benachbarten Unterträgern in einem OFDM-System ausgenutzt werden. Eine quantisierte V-Matrix kann auf Gruppen benachbarter OFDM-Unterträger angewandt werden. Als Alternative können andere Quantisierungsverfahren benutzt werden.
In mindestens einem Aspekt basiert die vorliegende Erfindung auf Konvergenz zu SVD-MIMO über mehrere Paketaustausche. Die Quantisierung kann von Paket zu Paket variieren, um schnelle Konvergenz zu erleichtern (d.h. adaptive Quantisierung). Das erste Paket kann eine ziemlich grobe Quantisierung benutzen, gefolgt von feinerer Quantisierung an späteren Paketen. So können auch Grundsätze von Differenzcodierung (Quantisierung) angewandt werden.
In der obigen Beschreibung werden verschiedene Merkmale der Erfindung unter Verwendung von Begriffen (z.B. RTS, CTS usw.) beschrieben, die mit dem Funknetzstandard IEEE 802.11 verbunden sind. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung in Systemen nach dem Standard IEEE 802.11 und seinen Nachkommen begrenzt ist. Auch ist zu verstehen, daß die Rahmenaustauschfolge 50 der 3 ein Beispiel einer möglichen Anwendung von sequentiellem Regelkreis-MIMO gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist. Es bestehen auch viele andere Anwendungen. Beispielsweise muß die an eine Sendereinheit abgegebene Rückführung nicht zu einem Teil eines Bestätigungsrahmens gemacht werden. Es kann jede beliebige Art von Rückführungsweg benutzt werden. Auf ähnliche Weise sind die RTS- und CTS-Rahmen 56, 58 nicht erforderlich. Die erfinderischen Verfahren und Strukturen können in drahtlosen Netzen und in anderen Formen drahtloser Kommunikationssysteme benutzt werden.
Es versteht sich, daß die in dem hiesigen Blockschaltbild dargestellten Einzelblöcke funktionsmäßig beschaffen sein können und nicht unbedingt diskreten Hardwareelementen entsprechen. Beispielsweise können in mindestens einer Ausführungsform zwei oder mehrere der Blöcke in einem Blockschaltbild (z.B. der Strahlbildner 82 und Kombinierer 94 in der 4 usw.) in Software in einer einzigen (oder mehreren) Digitalverarbeitungsvorrichtung(en) implementiert sein. Die Digitalverarbeitungsvorrichtung(en) kann (können) beispielsweise einen Universalmikroprozessor, einen Digitalsignalprozessor (DSP), einen RISC-Rechner (Reduced Instruction Set Computer), einen CISC-Rechner (Complex Instruction Set Computer), ein FPGA (Field Programmable Gate Array – freiprogrammierbares Verknüpfungsfeld), eine ASIC (Application Specific Integrated Circuit – anwendungsspezifische integrierte Schal tung) und/oder andere einschließlich von Kombinationen der obigen einschließen. Es können Hardware, Software, Firmware und hybride Implementierungen benutzt werden.
In der obigen ausführlichen Beschreibung sind verschiedene Merkmale der Erfindung in einer oder mehreren einzelnen Ausführungsformen zum Zweck der Rationalisierung der Offenbarung zusammengruppiert. Dieses Offenbarungsverfahren soll nicht als die Absicht wiedergebend ausgelegt werden, daß die beanspruchte Erfindung mehr Merkmale als ausdrücklich in jedem Anspruch angeführt erfordert. Statt dessen können wie in den nachfolgenden Ansprüchen widergespiegelt, erfinderische Aspekte in weniger als allen Merkmalen jeder offenbarten Ausführungsform liegen.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit gewissen Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, daß Abänderungen und Variationen benutzt werden können, ohne aus dem Sinn und Rahmen der Erfindung zu weichen, wie es der Fachmann leicht verstehen wird. Es wird erachtet, daß solche Abänderungen und Variationen im Geltungsbereich und Rahmen der Erfindung und der beiliegenden Ansprüche liegen.
Zusammenfassung
In einem Kommunikationssystem, welches MIMO mit einem geschlossenen Kreis verwendet, kann Strahlbildungsinformation von einem Empfänger zu einem Sender sequentiell über eine Anzahl von Rahmen zurückgeführt werden. Die Strahlbildungsmatrizen, welche zurückgeführt werden, können quantisiert werden.

Claims

Verfahren, welches umfaßt: Empfangen eines Signals Y_i aus einem MIMO-Kanal, wobei das Signal Y_i Datensymbole X_i enthält, die mit einer Strahlbildungsmatrix V_i in einem entfernten Sender vor Übertragung in den MIMO-Kanal Matrix-multipliziert wurden, wobei der MIMO-Kanal eine Kanalmatrix H_i aufweist; Verwenden des Signals Y_i zum Bestimmen eines kombinierten Kanals H ~_i, der Effekte sowohl der Strahlbildungsmatrix V_i als auch der Kanalmatrix H_i enthält; Durchführen einer Singulärwertzerlegung (SVD) des kombinierten Kanals H ~_i zum Bestimmen einer Strahlbildungsmatrix V ~_i, die eine Korrektur darstellt, die für die Strahlbildungsmatrix V_i benötigt wird; und Übertragen der Strahlbildungsmatrix V ~_i an den entfernten Sender, um mit der Strahlbildungsmatrix V_i zum Erzeugen einer neuen Strahlbildungsmatrix V_i+1 zur Verwendung in einer nachfolgenden Datenübertragung von dem entfernten Sender kombiniert zu werden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Wiederholen des Empfangens, Verwendens, Durchführens und Übertragens für ein nachfolgend empfangenes Signal Y_i+1
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren während einer Rahmenaustauschfolge in einem drahtlosen Netz durchgeführt wird; und Empfangen, Verwenden, Durchführen und Übertragen für mehrere, während der Rahmenaustauschfolge empfangener aufeinanderfolgender Datenrahmen wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren während eine Rahmenaustauschfolge in einem drahtlosen Netz durchgeführt wird; und Übertragen der Strahlbildungsmatrix V ~_i zu dem entfernten Sender Übertragen der Strahlbildungsmatrix V ~_i als Teil eines Antwortrahmens einschließt, der auch ein Bestätigungspaket enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Quantisieren der Strahlbildungsmatrix V ~_i vor dem Übertragen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Quantisieren der Strahlbildungsmatrix V ~_i unter Verwendung von Vektorquantisierungsverfahren vor dem Übertragen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Quantisieren der Strahlbildungsmatrix V ~_i unter Verwendung Grassmanscher Strahlbildungsverfahren vor dem Übertragen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Quantisieren der Strahlbildungsmatrix V ~_i unter Verwendung adaptiver Quantisierungsverfahren vor dem Übertragen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Quantisieren der Strahlbildungsmatrix V ~_i unter Verwendung differentieller Quantisierungsverfahren vor dem Übertragen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren in einem System unter Verwendung von orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM) durchgeführt wird; und Empfangen, Verwenden, Durchführen und Übertragen für einzelne Unterträger in dem System durchgeführt werden.
Verfahren, welches umfaßt Multiplizieren erster Datensymbole mit einer Strahlbildungsmatrix V_i zum Erzeugen von Ausgaben, die zu mehreren Sendeantennen zur Übertragung zu einer entfernten Vorrichtung über einen MIMO-Kanal geleitet werden; Empfangen einer Strahlbildungsmatrix V ~_i von der entfernten Vorrichtung als Rückführung, wobei die Strahlbildungsmatrix V ~_i eine Korrektur für die Strahlbildungsmatrix V_i darstellt; und Kombinieren der Strahlbildungsmatrix V_i und der Strahlbildungsmatrix V ~_i zum Bilden einer neuen Strahlbildungsmatrix V_i+1.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Kombinieren Rechtsmultiplizierung der Strahlbildungsmatrix V_i und der Strahlbildungsmatrix V ~_i einschließt.
Verfahren nach Anspruch 11 ferner umfassend: Multiplizieren zweiter Datensymbole mit der neuen Strahlbildungsmatrix V_i+1 zum Erzeugen von Ausgaben, die zu mehreren Sendeantennen zur Übertragung an die entfernte Vorrichtung über den MIMO-Kanal geleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: Empfangen einer Strahlbildungsmatrix V ~_i+1 von der entfernten Vorrichtung als Rückführung, wobei die Strahlbildungsmatrix V ~_i+1 eine Korrektur für die Strahlbildungsmatrix V_i+1 darstellt; und Kombinieren der Strahlbildungsmatrix V_i+1 und der Strahlbildungsmatrix V ~_i+1 zum Bilden einer neuen Strahlbildungsmatrix V_i+2.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Strahlbildungsmatrix V ~_i quantisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren während einer Rahmenaustauschfolge in einem drahtlosen Netz durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren in einem System mit orthogonalem Frequenzmultiplexing (OFDM) durchgeführt wird; und Multiplizieren erster Datensymbole, Empfangen einer Strahlbildungsmatrix und Kombinieren der Strahlbildungsmatrix für einzelne Unterträger des Systems durchgeführt werden.
Drahtlose Vorrichtung, welche umfaßt: einen Strahlbildner zum Multiplizieren von Eingangsdatensymbolen mit einer Strahlbildungsmatrix zum Bilden von zu mehreren Antennen zur Übertragung in einen MIMO-Kanal als Datenrahmen zu leitenden Signalen; einen ersten Speicherbereich zum Speichern einer Strahlbildungsmatrix, die von dem Strahlbildner während der Erzeugung eines zuletzt übertragenen Datenrahmens benutzt wurde; einen zweiten Speicherbereich zum Speichern einer von einer entfernten Vorrichtung empfangenen Rückführungsmatrix; und einen Kombinierer zum Kombinieren der Strahlbildungsmatrix und der Rückführungsmatrix zum Erzeugen einer aktualisierten Strahlbildungsmatrix zur Verwendung durch den Strahlbildner während der Erzeugung eines nachfolgenden Datenrahmens.
Drahtlose Vorrichtung nach Anspruch l 8, wobei der Kombinierer eine Rechtsmultiplikationseinheit ist.
Drahtlose Vorrichtung nach Anspruch l8, wobei die von der entfernten Vorrichtung empfangene Rückführungsmatrix quantisiert wird.
Drahtlose Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die drahtlose Vorrichtung zur Verwendung in einem drahtlosen Netz dient, wo Daten in drahtlosen Rahmenaustauschfolgen übertragen werden, wobei die Rückführungsmatrix von der entfernten Vorrichtung als Teil eines Antwortrahmens empfangen wird, der auch ein Bestätigungspaket enthält.
Drahtlose Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Kombinierer aktualisierte Strahlbildungsmatrizen für mehrere während einer Rahmenaustauschfolge übertragene aufeinanderfolgende Datenrahmen erzeugt.
Drahtlose Vorrichtung, welche umfaßt: mindestens eine Dipolantenne; einen Strahlbildner zum Multiplizieren von Eingangsdatensymbolen mit einer Strahlbildungsmatrix zum Bilden von zu mehreren Antennen zur Übertragung in einen MIMO-Kanal als Datenrahmen zu leitenden Signalen, wobei die mehreren Antennen die mindestens eine Dipolantenne einschließen; einen ersten Speicherbereich zum Speichern einer Strahlbildungsmatrix, die von dem Strahlbildner während der Erzeugung eines zuletzt übertragenen Datenrahmens benutzt wurde; einen zweiten Speicherbereich zum Speichern einer von einer entfernten Vorrichtung empfangenen Rückführungsmatrix; und einen Kombinierer zum Kombinieren der Strahlbildungsmatrix und der Rückführungsmatrix zum Erzeugen einer aktualisierten Strahlbildungsmatrix zur Verwendung durch den Strahlbildner während der Erzeugung eines nachfolgenden Datenrahmens.
Drahtlose Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei der Kombinierer eine Multiplikationseinheit ist.
Drahtlose Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die von der entfernten Vorrichtung empfangene Rückführungsmatrix quantisiert wird.
Gegenstand mit einem Speichermedium mit darauf gespeicherten Anweisungen, die bei Ausführung auf einer Rechenplattform folgendes bewirken: Empfangen eines Signals Y_i von einem MIMO-Kanal, wobei das Signal Y_i Datensymbole X_i enthält, die mit einer Strahlbildungsmatrix V_i in einem entfernten Sender vor ihrer Übertragung in den MIMO-Kanal Matrix-multipliziert wurden, wobei der MIMO-Kanal eine Kanalmatrix H_i aufweist; Verwenden des Signals Y_i zum Bestimmen eines kombinierten Kanals H ~_i, der Effekte sowohl der Strahlbildungsmatrix V_i als auch der Kanalmatrix H_i enthält; Durchführen einer Singulärwertzerlegung (SVD) des kombinierten Kanals H ~_i zum Bestimmen einer Strahlbildungsmatrix V ~_i, die eine Korrektur darstellt, die für die Strahlbildungsmatrix V_i benötigt wird; und Übertragen der Strahlbildungsmatrix V ~_i an den entfernten Sender, um mit der Strahlbildungsmatrix V_i zum Erzeugen einer neuen Strahlbildungsmatrix V_i+1 zur Verwen dung in einer nachfolgenden Datenübertragung von dem entfernten Sender kombiniert zu werden.
Gegenstand nach Anspruch 26, wobei die Anweisungen weiterhin folgendes bewirken: Quantisieren der Strahlbildungsmatrix V ~_i vor ihrer Übertragung.
Gegenstand nach Anspruch 26, wobei die Anweisungen weiterhin folgendes bewirken: Quantisieren der Strahlbildungsmatrix V ~_i unter Verwendung von Vektorquantisierungsverfahren vor Übertragen der Strahlbildungsmatrix V ~_i.
Gegenstand nach Anspruch 26, wobei die Anweisungen weiterhin folgendes bewirken: Quantisieren der Strahlbildungsmatrix V ~_i unter Verwendung von adaptiven Quantisierungsverfahren vor Übertragen der Strahlbildungsmatrix V ~_i.