专利名称：用于提供闭环传输预编码的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明大体而言涉及无线通信领域，且更具体而言，涉及一种用于提供闭环传输预编码的方法及设备。
背景技术：
多输入多输出(MIMO)是指为提高性能而在无线装置上使用多个发射器及接收器(多个天线)。当使用两个发射器及两个或更多个接收器时，可同时发送两个数据流，从而使数据速率加倍。基于MIMO正交频分多路复用(OFDM)技术的各种无线标准使用开环运行模式。在开环MIMO运行模式中，发射器并不知晓通信信道的情况。尽管开环MIMO模式实施起来可比较简单，但是其存在性能方面的问题。开环模式的一种替代方式是闭环处理，由此将信道状态信息自接收器提交至发射器，以对所传输的数据进行预编码，从而实现更好的接收。闭环运行提供相对于开环运行得到改良的性能，尽管并非不存在代价。从接收器向发射器传输信道状态信息会涉及到巨大的开销。此外，在正交频分多路复用(OFDM)/正交频分多址(OFDMA)系统中——其中使不同的特征向量与每一副载波相关联，提供必要反馈的开销成本甚至更高。因此，需要设计一种减少反馈的闭环运行模式，该模式应具有类似于使用全部信道状态信息反馈所获得的性能。
发明内容
上文所述问题在很大程度上通过一种在发射器与接收器之间提供闭环传输预编码的方法及系统得到解决。定义包括一组预编码旋转矩阵的代码簿。在本发明的系统及方法中，接收器确定对于每个所接收到的副载波应使用代码簿中的哪一个预编码旋转矩阵。接收器向发射器发送索引，于是发射器使用所述索引来重建所选的预编码旋转矩阵，并使用所述预编码旋转矩阵对要传输的符号进行预编码。
某些例示性实施例可包括一种用于在发射器与接收器之间提供闭环传输预编码的方法，其包含如下步骤定义包含一组预编码旋转矩阵的代码簿，以及在接收器处为所接收的每个传输副载波从代码簿中确定一预编码旋转矩阵。在已为每个传输副载波确定出预编码旋转矩阵后，该方法包括为每个所接收的副载波向发射器发送索引，使用发送至发射器的索引在发射器处为每个副载波重建由接收器所选的预编码旋转矩阵，以及使用经重建的预编码旋转矩阵对要由发射器传输至接收器的信息进行预编码。
其他例示性实施例可包括一种通信系统，该通信系统包括接收器，其包括含有一个或多个预编码旋转矩阵的代码簿；及发射器，其用于使用副载波向接收器传输信息，其中接收器为副载波从代码簿中确定一预编码旋转矩阵并向发射器发送索引，以表明发射器应为副载波使用的预编码旋转矩阵。
再一些例示性实施例可包括一种接收器，所述接收器包括多个天线；存储器，其适合存储包括一个或多个预编码旋转矩阵的代码簿；及选择逻辑，其用于根据已接收的信息从所述一个或多个预编码旋转矩阵中选择一预编码旋转矩阵。
其他例示性实施例可包括一种接收器，所述接收器包括存储构件，其用于存储一个或多个预编码旋转矩阵；以及选择构件，其用于根据已接收的信息从所述一个或多个预编码旋转矩阵中选择一预编码旋转矩阵。
再一些例示性实施例可包括一种发射器，该发射器包括多个天线；存储器，其适合存储包括一个或多个预编码旋转矩阵的代码簿；以及索引逻辑，其适合根据天线所接收的索引来选择应使用的预编码旋转矩阵。
图1为根据本发明一实施例的通信系统的方框图。
图2为重点说明根据本发明一实施例的闭环MIMO方法的流程图。
图3为重点说明根据本发明一实施例使用QPSK、速率3/4、ρ＝0.7的2×2开环MIMO相对于闭环MIMO的模拟结果的曲线图。
图4为重点说明根据本发明一实施例使用16-QAM、速率3/4、ρ＝0.7的2×2开环MIMO相对于闭环MIMO的模拟结果的曲线图。
图5为重点说明根据本发明一实施例使用64-QAM、速率3/4、ρ＝0.7的2×2开环MIMO相对于闭环MIMIO的模拟结果的曲线图。
图6为重点说明根据本发明一实施例使用QPSK、速率3/4、ρ＝0.2的2×2开环MIMO相对于闭环MIMO的模拟结果的曲线图。
图7为重点说明根据本发明一实施例使用16-QAM、速率3/4、ρ＝0.2的2×2开环MIMO相对于闭环MIMO的模拟结果的曲线图。
图8为重点说明根据本发明一实施例使用16-QAM、速率、ρ＝0.2的2×2开环MIMO相对于闭环MIMO的模拟结果的曲线图。
图9为重点说明根据本发明一实施例使用QPSK、速率3/4、ρ＝0.7的4×4开环MIMO相对于闭环MIMO的模拟结果的曲线图。
图10为重点说明根据本发明一实施例使用16-QAM、速率3/4、ρ＝0.2的4×4开环MIMO相对于闭环MIMO的模拟结果的曲线图。
图11为重点说明根据本发明一实施例使用QPSK、速率3/4、ρ＝0.7的2×2开环MIMO相对于4×2闭环MIMO的模拟结果的曲线图。
图12为重点说明根据本发明一实施例使用16-QAM、速率3/4、ρ＝0.7的2×2开环MIMO相对于4×2闭环MIMO的模拟结果的曲线图。
图13为重点说明根据本发明一实施例使用64-QAM、速率3/4、ρ＝0.2的2×2开环MIMO相对于4×2闭环MIMO的模拟结果的曲线图。
图14为重点说明根据本发明一实施例的各种MIMO模式的闭环性能的表格。
图15显示根据本发明一实施例的通信系统的图式。
具体实施例方式
在本发明的一个实施例中，说明一种闭环MIMO传输方法，其中使用一组有限的预定义幺正旋转矩阵对所传输的符号进行预编码。这组矩阵属于接收器及发射器均知晓的代码簿。在给定所接收数据的情况下，接收器为每个OFDM/OFDMA副载波确定会产生最好性能的最佳旋转矩阵。接收器将一个或多个最佳旋转矩阵的一个或多个索引传输给发射器，在该发射器中重建这一(这些)矩阵并使用其对所传输的符号进行预编码。由于在基本代码簿中具有极少数量的旋转矩阵，因而所涉及的反馈量比将整组信道系数从接收器发回至发射器时要少。
考虑如图1所示具有P个发射天线以及Q个接收天线的MIMO OFDM设置。在图1中显示通信系统100，通信系统100包括具有Q个天线的接收器、以及具有P个天线的发射器，Q维基带接收信号向量r＝[r1，r2，Λ，rQ]T108表示为r=Σp=1phpsp+w=Hs+w,]]>其中hi＝[h1i，h2i，Λ，hQi]T是一包含从第i个发射器至Q个接收器的信道系数的Q维向量， 是Q×P阶信道矩阵，s＝[s1，s2，Λ，sp]T106是P维传输信号向量，且w＝[w1，w2，Λ，wQ]T是方差为σ2的零均值噪声的Q维向量。可使用最佳最大似然性方法或次佳方法来处理所接收的信号，例如使用迫零法或线性最小均方差处理。
向量s表示为s＝Vd，其中d＝[d1，d2，Λ，dR]T104是待传输的符号的R维向量，V是P×R阶预编码旋转矩阵102，且R是传输数据流的数量。引入该记法的原因是在同一框架中处理闭环和开环选项具有增大的灵活性。该记法也允许考虑具有小于或等于发射天线数量的传输数据流的情况。对于开环情况，V只是一阶P×P单位矩阵。有效(旋转)信道矩阵因此表示为Hr＝HV。
如果在发射器处可得到理想的信道状态信息，则可用矩阵HHH的特征向量V对所传输的符号进行预编码，其中(·)H表示共轭转置。在此种情况下，可在接收器处将所传输的符号分离，从而获得容量。然而，自接收器向发射器传输全部信道状态信息从开销方面来说代价太高而不可行。
根据本发明的一实施例，发送全部信道状态信息的一替代方式是定义一包含有限的一组N个幺正旋转矩阵的代码簿。该代码簿对于发射器及接收器来说均是已知的。根据一使处理后的信噪比(SNR)最大化的量度，接收器为每个OFDM副载波从代码簿确定一预编码旋转矩阵。然后将该矩阵的索引经由反馈路径(在图1中显示为114)发送至发射器，在反射器中重建同一矩阵并用其来对所传输的符号进行预编码。
如图1中包括接收器及发射器的通信系统所示，该运行仅要求由方框110对于每一OFDM副载波(频调)沿反馈路径114反馈log2N个位。方框110也执行信道估计、符号检测以及旋转矩阵的选择。例如，如果该组具有8个旋转矩阵，则对于每一副载波发回3位。方框110可包括选择逻辑以及适合其他目的的逻辑，例如信道估计和符号检测，所述选择逻辑用于根据已接收的信息从所述一个或多个预编码旋转矩阵中选择预编码旋转矩阵。
例如，本文首先来看2×2(两个发射天线/两个接收天线)的情景，然后是一般的P×Q实例，其中P＝Q＞2。本文的论述也将显示2×2是能够使用单个统一框架来处理所有MIMO情形的一般化P×Q MIMO情形的特例。也将论述具有2个传输流及4个发射天线的4×2 MIMO系统的设计。对于所有方案，还将论述代码簿的设计以及其大小对于根据本发明不同实施例的闭环方案的性能增益的影响。
2×2 MIMO的情形对于2×2MIMO，以用V表示为如下形式的一组N个旋转矩阵来定义代码簿VN1n2+n1=ejφn2cosθn1-ejφn2sinθn1sinθn1cosθn1,]]>其中，φn2=2πn2N2,n2=0,1,...,N2-1]]>θn1=πn12N1,n1=0,1,...,N1-1]]>及N＝N1N2。
应注意，对于每一副载波，旋转矩阵的索引可仅每一帧从接收器向发射器发送一次。这是假设在帧持续时间内，信道保持为静态。
P×Q(P＝Q)MIMO的情形考虑一般的P×Q情形，其中P＝Q＞2。通过按下式将一P(P-1)/2吉文斯(Givens)旋转序列应用于信道矩阵来产生实幺正旋转V(θ)=Πi=1P-1Πk=i+1PG(i,k,θ),]]>其中吉文斯旋转矩阵表示为
其中c＝cos(θ)且s＝sin(θ)。由于G(i，k，θ)是正交的，因而所得到的旋转矩阵V(θ)是幺正矩阵。
注意，上述乘积中的每一吉文斯旋转均可与一不同的旋转角度相关联。
例如，在P＝Q＝3时，V(θ1，θ2，θ3)是3个吉文斯旋转的乘积，如下所示V(θ1，θ2，θ3)＝G(1，2，θ1)G(1，3，θ2)G(2，3，θ3)。
如在2×2情形中一样，对吉文斯旋转角度进行量化，以形成一由幺正矩阵形成的代码簿。例如，对于3×3情景而言，将经量化的一组N个旋转矩阵表示为VN1N2n2+N1n3+n1=G(1,2,θn1)G(1,3,θn2)G(2,3,θn3),]]>其中θn1=πn12N1,n1=0,1,...,N1-1,]]>θn2=πn22N2,n2=0,1,...,N2-1,]]>θn3=πn32N3,n3=0,1,...,N3-1,]]>以及N＝N1N2N3。
该情形的反馈位数等于log2N个位。如果将每一旋转量化成4个角度，则(N1，N2，N3)＝(4，4，4)，从而总共产生N＝64个幺正旋转矩阵。这意味着每个OFDM副载波产生6位的反馈。对最佳旋转矩阵的选择类似于2×2情形，并将在下文中进一步论述。
根据上文的论述，可了解到，用于产生P×Q阶幺正矩阵的吉文斯旋转方法可扩展至更高的MIMO配置。例如，对于4×4系统，矩阵V是P(P-1)/2＝6次吉文斯旋转的乘积。此外，应注意，2×2系统是吉文斯旋转的特例，其中只采用一次旋转。
4×2 MIMO的情形对于具有2个传输流的4个发射天线，发射器被分成两个2-发射天线单元。每一单元此时传输一个数据流。一2×1预编码向量与每一数据流相关联。所得到的两个向量组合形成如下所示的预编码矩阵VVN1n2+n1=wn100wn2,]]>
其中wn1=1ej(π/4+2πn1/N1),n1=0,...,N1-1,]]>wn2=1ej(π/4+2πn2/N2),n2=0,...,N2-1,]]>且N＝N1N2。
旋转矩阵的选择旋转矩阵的选择取决于用于恢复所传输源符号的接收器的类型。在本发明的一个实施例中，使用迭代性最小均方差(IMMSE)接收器，其用于以处理后信噪比(SNR)递减的顺序检测所传输的符号；即，最“可靠的”符号首先得到检测并从所接收的信号中去除，然后估计可靠性递减的符号。本发明可用于其他类型的接收器。P个接收符号流的MMSE处理后SNR如下所示SNRi=hiH(Σj=1Pj≠ihjhjH+σ2I)-1hi,i=1,...,P,]]>其中hi是信道矩阵H的第i列，且I是P×P阶单位矩阵。上述SNR值是针对开环传输计算的。
为给OFDM符号中的每一频调挑选最好的旋转矩阵，计算基本组中每一幺正旋转矩阵的处理后SNR。将经旋转的信道矩阵定义为Hnr=HVn,n=0,1,...,N-1,]]>然后将每一情形中的处理后SNR表示为SNRn,ir=hn,irH(Σj=1Pj≠ihn,jrhn,jrH+σ2I)-1hn,ir,i=1,...,P;n=0,...,N-1.]]>在这P个接收流中，选择最小的SNR值，并在旋转矩阵的所有可能性上将其最大化。在数学上，旋转矩阵的选择可描述为Vnopt=argmaxn(mini(SNRn,ir)).]]>上述运算确保最小的处理后SNR在所有可能的选择上的最大化。注意，对于IMMSE处理，在每次估计信号并将信号从接收信号中减去时，干扰项 均变小。
现在参考图2，其显示一重点说明根据本发明一个实施例的一种用于提供闭环传输预编码的方法的流程图。在202中，定义包括如前面所述的一组幺正旋转矩阵的代码簿。该代码簿对于接收器及发射器二者而言均已知。在204中，接收器为每一OFDM副载波从代码簿中确定一个预编码旋转矩阵。在206中，接收器将每一副载波的索引经由反馈路径发送至发射器。而在208中，根据所发送的索引对旋转矩阵进行重建，且使用所重建的旋转矩阵对将要传输的符号进行预编码。
在图15中，显示一采用本发明的闭环方案的通信系统500的例示性实例。以Wi-Fi电路506的形式包含无线互连能力的通信装置(例如膝上型计算机502)与存取点(又称为热点等等)504进行通信。尽管图中显示使用Wi-Fi通信块(例如无线通信卡)，但是其他通信标准也可与本发明的闭环技术结合使用。在一个实施例中，代码簿存储在膝上型计算机502及存取点504中，或者在另一例示性实例中，存储在存取点控制器中，该存取点控制器可位于远离存取点504的位置处。
模拟结果为验证根据本发明一实施例提出的闭环方法的潜力，采用IMMSE接收器对各种基带MIMO OFDM系统配置执行了数字模拟。为进行模拟，考虑了OFDM符号中的768个数据频调，其在发射器/接收器处采用1024-点快速傅立叶逆变换/快速傅立叶变换(IFFT/FFT)。帧持续时间设定成5毫秒，且对信道状态信息的反馈使用2个帧的延迟。使用卷积编码进行前向纠错，并采用迭代性最小均方差(IMMSE)接收器对所传输的符号进行解码。
在模拟中以3km/hr的车速使用国际电信联盟(ITU)户外-户内行人(OIP-B)信道。试验中使用了发射天线相关性ρ＝0.2或ρ＝0.7。对于所执行的所有模拟，均在接收器处假定理想地知晓信道情况。下文针对每一MIMO配置来讨论帧误差率(FER)结果，其中将开环性能与闭环性能进行对比来测定增益。
2×2模拟的情形在图3-8中显示使用不同调制模式的2×2MIMO的各种模拟结果。应注意，(N1，N2)＝(4，1)对应于每一副载波2位的反馈。在图3中，显示2×2开环MIMO 302相对于根据本发明一实施例的闭环MIMO 304之间的性能对比。所用的调制为正交相移键控(QPSK)，速率为3/4且发射天线相关性为ρ＝0.7。在图4中，显示一说明2×2开环MIMO 402相对于根据本发明一实施例的闭环MIMO的性能对比的模拟。所用的调制为16正交调幅(16-QAM)，速率为3/4，ρ＝0.7。
现在参考图5，其显示2×2开环MIMO 502相对于根据本发明一实施例的闭环MIMO的性能对比的模拟结果。图5中的模拟使用64-QAM，速率为3/4且ρ＝0.7。在图6中，显示重点说明2×2开环MIMO 602与根据本发明一实施例的闭环MIMO 604之间的性能对比的另一模拟。所用的调制为QPSK，速率为3/4且ρ＝0.2。在图7中，显示使用16-QAM、速率3/4及ρ＝0.2对2×2开环MIMO 702相对于闭环MIMO 704进行性能对比的模拟。在图8中，显示重点说明使用16-QAM、速率及ρ＝0.2的2×2开环MIMO 802相对于闭环MIMO 804的另一模拟结果。
4×4模拟结果的情形对于下文所示的4×4模拟结果，反馈要求为每一副载波6位。在图9中所示的曲线图重点说明4×4开环MIMO设计902与根据本发明一实施例的闭环MIMO设计904的性能对比。该模拟采用QPSK，速率3/4及ρ＝0.7执行。在图10中，显示将4×4开环MIMO设计1002相对于根据本发明一实施例的闭环MIMO 1004进行对比的模拟结果。在该模拟中采用16-QAM，速率3/4及ρ＝0.2。
4×2模拟结果的情形在图11-13中对比4×2闭环MIMO与2×2开环模式的性能。参数组(N1，N2)＝(2，2)意味着反馈为每一副载波2位，而(N1，N2)＝(4，4)对应于反馈为每一副载波4位。在图11中，将2×2开环MIMO 1102的性能与4×2闭环MIMO进行对比，其中曲线1104表示N1＝2及N2＝2的设计，且曲线1106为N1＝4及N2＝4的闭环设计。该模拟采用QPSK，速率3/4及ρ＝0.7来执行。在图12中显示2×2开环MIMO 1202相对于根据本发明一实施例的由曲线1204表示的4×2闭环MIMO的性能对比。闭环参数设定成N1＝2及N2＝2。在该模拟中，使用QAM调制且速率3/4及ρ＝0.7。最后，在图13中，显示使用QAM调制、速率3/4及ρ＝0.2的2×2开环MIMO 1302相对于4×2闭环MIMO1304进行性能对比的模拟。闭环MIMO具有N1＝2及N2＝2。在图14所示的表格中归纳上文所考虑的不同MIMO模式的闭环性能。该表格还列示每种情形所要求的反馈位数。
本发明所提出的MIMO闭环方案需要最小的反馈，并使增益相对于对应的MIMO开环模式得到改良。正如所预期的一样，对于更高的天线相关性，会获得更大的增益；同时，使用更多的发射/接收天线也会使增益增大。可以采用频率内插来进一步降低在闭环方法中的反馈要求。然而，只有当分配给用户的OFDMA副载波在频带上连续排列时，内插才起作用。因此，其应用仅限于某些帧结构。
尽管已经说明并阐述了本发明的较佳实施例，但显然本发明并非仅限于此。熟习此项技术者将能在不脱离随附权利要求书所囊括的本发明范围的情况下，想出许多修改、改动、变化、替代及等效形式。
权利要求
1.一种用于在发射器与接收器之间提供闭环传输预编码的方法，其包括定义包括一组预编码旋转矩阵的代码簿；在所述接收器处为所接收的每一传输副载波从所述代码簿中确定一预编码旋转矩阵；针对所接收的每一副载波向所述发射器发送索引；使用发送至所述发射器的所述索引，在所述发射器处重建由所述接收器为每一副载波选择的所述预编码旋转矩阵；及使用所述重建的预编码旋转矩阵对将由所述发射器传输给所述接收器的信息进行预编码。
2.如权利要求1所述的方法，其中发送所述索引包括发送具有log2N位长度的索引，其中N为在所述代码簿中找到的预编码旋转矩阵的数量。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述发射器及接收器形成2×2MIMO系统，且所述代码簿包括由V表示的一组N个预编码旋转矩阵，其中VN1n2+n1=ejφn2cosθn1-ejφn2sinθn1sinθn1cosθn1,]]>其中，φn2=2πn2N2,n2=0,1,...,N2-1]]>且θn1=πn12N1,n1=0,1,...,N1-1]]>N＝N1N2。
4.一种通信系统，其包括接收器，其包括含有一个或一个以上预编码旋转矩阵的代码簿；及发射器，其使用副载波向所述接收器传输信息；其中所述接收器为所述副载波从所述代码簿中确定预编码旋转矩阵，并向所述发射器发送索引以表明所述发射器应对所述副载波使用的所述预编码旋转矩阵。
5.如权利要求4所述的通信系统，其中所述接收器针对从所述发射器接收的每一副载波向所述发射器发送索引；且其中所述索引具有log2N位的长度，其中N是在所述代码簿中找到的预编码旋转矩阵的数量。
6.一种接收器，其包括多个天线；存储器，其适合存储包括一个或一个以上预编码旋转矩阵的代码簿；及选择逻辑，其用于根据已接收的信息从所述一个或一个以上预编码旋转矩阵中选择预编码旋转矩阵。
7.如权利要求6所述的接收器，其中所述天线进一步适合发送索引，以通知发射器由所述接收器选择的要使用的所述预编码旋转矩阵；且其中所述接收器针对所述发射器所使用的每一副载波发送索引。
8.一种发射器，其包括多个天线；存储器，其适合存储包括一个或一个以上预编码旋转矩阵的代码簿；及索引逻辑，其适合根据所述天线所接收的索引来选择应使用哪一预编码旋转矩阵。
全文摘要
本发明揭示一种用于在发射器与接收器之间提供闭环传输预编码的方法，其包括定义包含一组幺正旋转矩阵的代码簿(202)。接收器为已接收的每一副载波从代码簿中确定应使用哪一预编码旋转矩阵(204)。接收器向发射器发送索引(206)，其中发射器使用所述索引重建预编码旋转矩阵，并使用所述预编码旋转矩阵对将传输的符号进行预编码(208)。同时还说明一种采用这种闭环技术的设备。
文档编号H04J11/00GK101036332SQ200580034196
公开日2007年9月12日 申请日期2005年8月17日 优先权日2004年8月17日
发明者穆罕默德·Z·伊克拉姆, 埃科·N·翁戈萨努西, 瓦桑坦·拉加万, 阿南德·G·达巴克, 斯利纳特·豪苏尔, 巴德里纳拉耶南·瓦拉达拉詹 申请人:德州仪器公司