具有每个天线的功率约束的多天线发送的制作方法
【专利摘要】利用具有每个天线的功率约束的多天线来发送信号的方法、装置和系统。所述方法包括将预编码算法初始化为复矩阵。所述预编码算法用于对由多个天线发送的信号进行预编码。所述方法包括通过在每次迭代针对所述多个天线中的每一个顺序地更新预编码器来以每个天线为基础迭代地处理所述预编码算法。所述方法包括：在每次迭代之后，基于迭代之间的互信息的速率变化来确定所述预编码算法是否已经收敛。额外地，所述方法包括：响应于确定所述预编码算法已经收敛，利用所述预编码算法发送信号。
【专利说明】具有每个天线的功率约束的多天线发送
【技术领域】
[0001]本申请一般地涉及多天线无线通信系统，并且更具体地，涉及具有每个天线功率约束的多天线发送方案。
【背景技术】
[0002]因为多输入多输出(MMO)技术已经发展了多年，所以在部署的MMO系统中的天线数量在稳定地增加。利用大量(数百或数千)天线的概念也已经从信息论视角提出。然而，在传统的蜂窝式系统中实现数百或数千个天线的挑战令人望而却步。例如，为了在2GHz波段中容纳1024个半波长天线，天线阵列的大小将大约是2.4mX2.4m。
[0003]利用毫米波段(MMB)的移动宽带系统的提议已经为产生具有数百或数千个天线的大MMO天线阵列开创了机会。例如，利用30GHz附近的毫米波频率，具有1024个天线的天线阵列的大小大约是16cmX 16cm，小于用于典型的蜂窝式基站的单个扇形天线。
[0004]MMB系统中的发送器和接收器波束形成(beamforming)与蜂窝式系统中的MMO操作有所不同。由于基站处可能有着数千的天线并且在移动站处有着数百的天线，MMB系统的空间自由度比蜂窝式系统的空间自由度大得多。为了驱动数百或者数千的天线，需要大量的功率放大器，每个功率放大器具有它自己的功率约束。设计有效的波束形成方案以充分利用所有这些功率放大器的功率是具有实际意义的令人感兴趣的问题。
[0005]因此，现有技术中需要用于多天线无线通信系统中的改善的发送策略。具体来说，需要能够执行具有每个天线的功率约束的多天线发送方案的方法及装置。
【发明内容】
[0006]提供一种利用具有每个天线的功率约束的多天线来发送信号的方法、装置和系统。
[0007]在各种实施例中，一种方法包括将预编码算法初始化为复矩阵。所述预编码算法用于对由多个天线发送的信号进行预编码。所述方法包括通过在每次迭代针对所述多个天线中的每一个顺序地更新预编码器，来以每个天线为基础迭代地处理所述预编码算法。所述方法包括:在每次迭代之后，基于迭代之间的互信息(mutual information acrossiterations)的速率的变化来确定所述预编码算法是否已经收敛。额外地，所述方法包括:响应于确定所述预编码算法已收敛，利用所述预编码算法来发送信号。
[0008]在各种实施例中，一种装置包括控制器、预编码单元和多个天线。所述控制器被配置成将预编码算法初始化为复矩阵。所述预编码算法用于对由多个天线发送的信号进行预编码。所述控制器被配置成通过在每次迭代针对所述多个天线中的每一个顺序地更新预编码器，来以每个天线为基础迭代地处理所述预编码算法。额外地，所述控制器被配置成:在每次迭代之后，基于迭代之间的互信息的速率的变化来确定所述预编码算法是否已经收敛。所述预编码单元被配置成:响应于确定所述预编码算法已收敛，利用所述预编码算法对信号进行预编码。所述多个天线被配置成发送经预编码的信号。[0009]在下面对本发明进行详细描述之前，陈述贯穿本专利文件中所使用的某些词汇和短语的定义会是有帮助的:术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括而非限制；术语“或”是包括在内的，意思是和/或；短语“与…相关联”和“与其相关联”及其派生词可以是指包括、被包括在内、与…互连、包含、被包含在内、连接到或与…连接、耦接到或者与…耦接、可与…通信、与…协作、交织、并列、接近于、绑定到或与…绑定、具有、具有…的性质等等；并且术语“控制器”是指控制至少一个操作的任意设备、系统或其部分，这样的设备可以以硬件、固件或者软件或者以硬件、固件和软件中至少两种的某种组合实现。应该注意到，与任意特定控制器相关联的功能可以是集中的或者分布的，或者在本地或者在远程。贯穿本专利文件提供特定词汇和短语的定义，本领域普通技术人员应当理解，即便不是在大多数情形下，那么在许多情形下，这些定义也适用于现有的以及将来的对这些所定义词汇和短语的使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]为了更全面地理解本公开及其优点，现结合附图对以下描述进行参考，附图中，同样的参考标记表不同样的部分:
[0011]图1图示了依据本公开的说明性实施例的发送消息的示例性无线系统；
[0012]图2图示了依据本公开的说明性实施例的正交频分多址发送路径的高层示图；
[0013]图3图示了依据本公开的说明性实施例的正交频分多址接收路径的高层示图；
[0014]图4图示了依据本公开的无线通信系统的框图；
[0015]图5图示了依据 本公开的各种实施例的用于无线通信系统中的多天线发送的信道条件模型(channel condition model)的不例；
[0016]图6图示了用于具有每个天线的功率约束的多天线发送的解的计算的图解；以及
[0017]图7图示了依据本公开的各种实施例的利用考虑了每个天线的功率约束的多天线来发送信号的过程。
【具体实施方式】
[0018]下面讨论的图1到图7以及在本专利文件中用来描述本公开原理的各种实施例仅仅是说明性的，并不应以限制本公开范围的任何方式进行解释。本领域技术人员将理解，可以在任何适当布置的系统或设备中实现本公开的原理。
[0019]图1-3在下面描述了在无线通信系统中并且使用OFDM或者OFDMA通信技术实现的各种实施例。对图1-3的描述并不意图暗示对实现不同实施例可以采用的方式的物理的或者架构的限制。本公开的不同实施例可以在任何适当布置的通信系统中实现。
[0020]图1图示了根据本公开的原理的发送消息的示例性无线系统100。在图示实施例中，无线系统100包括基站(BS) 101、基站(BS) 102、基站(BS) 103以及其它类似的基站或者中继站(未示出)。基站101与基站102和基站103通信。基站101还与互联网130或者类似的基于IP的系统(未示出)通信。
[0021]基站102 (经由基站101)向在基站102的覆盖区域120内的第一组多个用户站(或者用户设备(UE))提供到互联网130的无线宽带接入。第一组多个用户站包括:用户站111，其可以位于小型企业(SB)中；用户站112，其可以位于企业(E)中；用户站113，其可以位于WIFI热点(hotspot，HS)中；用户站114，其可以位于第一住所(R)中；用户站115，其可以位于第二住所(R)中；以及用户站116，其可以是移动设备(M)，比如蜂窝电话、无线便携式计算机、无线PDA等等。
[0022]基站103 (经由基站101)向在基站103的覆盖区域125内的第二组多个用户站提供到互联网130的无线宽带接入。第二组多个用户站包括用户站115和用户站116。在示例性实施例中，基站101-103可以利用OFDM或者OFDMA技术相互通信并且与用户站111-116通信。
[0023]尽管在图1中仅仅描绘了六个用户站，但是应当理解，无线系统100可以向额外的用户站提供无线宽带接入。注意用户站115和用户站116位于覆盖区域120和覆盖区域125两者的边缘。用户站115和用户站116每个都与基站102和基站103两者通信并且可以被说成在切换模式中操作，如本领域技术人员所知的那样。
[0024]用户站111-116可以经由互联网130访问语音、数据、视频、视频会议和/或其它宽带服务。在示例性实施例中，用户站111-116中的一个或多个可以与WiFi WLAN的接入点(AP)相关联。用户站116可以是任意数量的移动设备，包括使能无线的便携式计算机、个人数据助理、笔记本、手持设备或者其它使能无线的设备。用户站114和115可以是例如，使能无线的个人计算机(PC)、便携式计算机、网关或者另外的设备。
[0025]图2是发送路径电路200的高层示图。例如，发送路径电路200可以被用于正交频分多址(OFDMA)通信。图3是接收路径电路300的高层示图。例如，接收路径电路300可以被用于正交频分多址(OFDMA)通信。在图2和3中，对于下行链路通信，发送路径电路200可以在基站(BS) 102或者中继站中实现，并且接收路径电路300可以在用户站(例如，图1的用户站116)中实现。在其它示例中，对于上行链路通信，接收路径电路300可以在基站(例如，图1的基站102)或者中继站中实现，并且发送路径电路200可以在用户站(例如，图1的用户站116)中实现。
[0026]发送路径电路200包括信道编码和调制块205、串行转并行(S到P)块210、大小为N的快速傅里叶逆变换(IFFT)块215、并行转串行(P到S)块220、添加循环前缀块225以及上变频器(UC) 230。接收路径电路300包括下变频器(DC) 255、去除循环前缀块260、串行转并行(S到P)块265，大小为N的快速傅里叶变换(FFT)块270、并行转串行(P到S)块275以及信道解码和解调块280。
[0027]图2和3中的至少一些组件可以在软件中实现，而其它组件可以由可配置的硬件或者软件和可配置的硬件的混合实现。具体来说，注意本公开文件中描述的FFT块和IFFT块可以被实现为可配置的软件算法，其中大小N的值可以根据实现方式来修改。
[0028]此外，虽然本公开针对实现快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换的实施例，但是这仅仅是说明性的，并不应被解释为限制本公开的范围。将会理解，在本公开的替换实施例中，快速傅里叶变换函数和快速傅里叶逆变换函数可以容易地分别用离散傅里叶变换(DFT)函数和离散傅里叶逆变换(IDFT)函数替代。将会理解，对于DFT和IDFT函数，变量N的值可以是任何整数(即，1、2、3、4等等)，而对于FFT和IFFT函数，变量N的值可以是作为2的幂的任何整数(S卩，1、2、4、8、16等等)。
[0029]在发送路径电路200中，信道编码和调制块205接收一组信息比特，对输入的比特施加编码(例如，LDPC编码)和调制(例如，正交相移键控(QPSK)或者正交调幅(QAM))以产生频域调制符号的序列。串行转并行块210将串行的调制符号转换(即，解复用)为并行数据以产生N个并行符号流，其中N是BS102和SSl 16中使用的IFFT/FFT的大小。大小为N的IFFT块215随后对N个并行符号流执行IFFT操作以产生时域输出信号。并行转串行块220转换(即，复用)来自大小为N的IFFT块215的并行时域输出符号以产生串行时域信号。添加循环前缀块225随后将循环前缀插入到该时域信号。最后，上变频器230将添加循环前缀块225的输出调制(B卩，上变频)为RF频率以经由无线信道进行发送。该信号也可以在被转换到RF频率之前在基带处被滤波。
[0030]发送的RF信号在通过无线信道之后到达SS116，并且执行在BS102处的那些操作的逆操作。下变频器255将接收到的信号下变频到基带频率，并且去除循环前缀块260去除循环前缀以产生串行时域基带信号。串行转并行块265将时域基带信号转换成并行时域信号。大小为N的FFT块270随后执行FFT算法以产生N个并行频域信号。并行转串行块275将并行频域信号转换成调制数据符号的序列。信道解码和解调块280对调制符号进行解调并随后解码以恢复原始输入数据流。
[0031]基站101-103中的每一个可以实现与在下行链路中向用户站111-116发送类似的发送路径，并且可以实现与在上行链路中从用户站111-116接收类似的接收路径。类似地，用户站111-116中的每一个可以实现与用于在上行链路中向基站101-103发送的架构相对应的发送路径，并且可以实现与用于在下行链路中从基站101-103接收的架构相对应的接收路径。
[0032]本公开的各种实施例认识到，利用具有大量天线的阵列的波束形成是毫米波移动通信中的基本使能技术(fundamental enabling technology)。发送器和接收器波束形成可以扩展毫米波链路的范围，提高信号接收质量，并且抑制波束和相邻小区当中的干扰。为了有效地通过毫米波链路通信，对于发送器和接收器来说关键的是要识别最强的反射并且沿着这些路径形成发送器和接收器波束。这个可以通过利用大天线阵列的波束形成来实现。
[0033]给定在发送器处信道状态信息的知识和利用总的功率约束，最优发送策略是沿着信道矩阵的发送器侧奇异向量的“注水(water filling)”策略。然而，具有每个天线的功率约束的最优发送策略已经是个难题。普遍缺乏关于最优发送方案以及它们用于具有每个天线的功率约束的MMO系统的性能的了解。
[0034]本公开将具有每个天线的功率约束的最优发送策略提供为凸区上的凸规划问题(convex programming problems on convex regions),并且基于卡罗需-库恩-塔克(Karush-Khun-Tucker, KKT)条件导出最优化的充要条件。本公开提供了收敛到最优解的迭代算法。
[0035]虽然本公开描述了毫米波移动通信中的问题的解，但是本公开的实施例也可应用于传统的3G和4G通信系统中的MMO和波束形成。
[0036]图4图示了依据本公开的无线通信系统400的框图。无线通信系统400包括发送器402和接收器404。发送器402在无线通信系统400中的发送端发送信号。例如，发送器402可以是基站(例如，图1的基站102)或者中继站中的用于下行链路通信的发送器。在其它实施例中，发送器402可以是用户站(例如，图1的用户站116)中的用于上行链路通信的发送器。[0037]发送器402包括预编码单元406，该预编码单元406对要由天线410发送的数据流408进行预编码。发送器402还包括控制器412，该控制器412估计信道特性并接收关于接收器404的特性的信息。控制器412计算预编码单元406在对由天线410发送的信号进行预编码时要使用的预编码算法。例如，在一些实施例中，发送器402可以实现如图2中所示的发送路径。发送器402还包括多个功率放大器414。功率放大器414对由天线410发送的信号的发送功率进行放大。尽管图4示出了与天线410串联连接的功率放大器414，但是功率放大器414和天线410之间的任何类型的连接都可以存在于发送器402中。例如，在各种实施例中，一个功率放大器414可以连接到天线阵列410中的单个天线或者多个天线。在其它示例中，功率放大器414中的每一个可以连接到天线410中的每一个。
[0038]接收器404在无线通信系统400中的接收端接收信号。例如，接收器404可以是用户站(例如，图1的用户站116)中的用于下行链路通信的接收器。在其它实施例中，发送器402可以是用于基站(例如，图1的基站102)或者中继站的用于上行链路通信的发送器。接收器404包括用于接收在无线通信系统400中发送的信号的天线416。接收器404还包括接收器处理电路418，该接收器处理电路418处理接收到的信号以识别接收到的数据流420。例如，在一些实施例中，接收器404可以实现如图3中所示的接收路径。
[0039]在这些说明性实施例中，发送器402利用具有逐元素的功率约束的多天线410来发送数据的单个流或者多个流。例如，发送天线410的数量被表示为Nt，并且接收天线416的数量被表示为队。在本示例中，用于发送器波束形成的一般信号模型可以根据下面的方程I来表不:
[0040]r = HVs+η (方程 I)
[0041]其中，S、V、r、η和H分别是发送的信号向量、发送器波束形成器、接收的信号向量、噪声向量和信道矩 阵。信号流408的数量由Ns表示。不失一般性，本公开假设
Ns ( min(Nr, Nt)，并且信号流与统一的总发送功率无关，(即，如果i Φ j，则= ◎，并= I ) °
[0042]在没有每个天线的功率约束的情况下，可以，容易地获得达到容量(capacity-achieving)的发送和接收策略。本公开提供了一种利用每个天线的功率约束来最大化或者增加互信息的发送器波束形成策略。
[0043]在MMB系统中，毫米波的发送和接收往往是高度定向的，这限制了信号从发送器402到接收器404可以行进的路径数量。另外，由于散射的缺乏和大的传播损耗，能够到达接收器并且强到足以被接收器404检测到的射线的数量可能较小。因此，本公开使用简化的射线追踪模型(ray tracing model)来表征MMB信道。
[0044]图5图示了依据本公开的各种实施例的用于在无线通信系统500中的多天线发送的信道条件模型的示例。例如，图5中的无线通信系统500是图4中的无线通信系统400的一个示例。在无线通信系统400中，基站502向移动站504发送多个无线信号。这些信号中的一些可以具有从基站502到移动站504的直达线。其它信号可以沿着基站502到移动站504之间的路径被障碍物(例如，建筑物506或树508)反射或者折射。
[0045]图5图示了简化的MMB信道模型。从基站502到移动站504的射线的数量由C表不。第 c 个射线的到达角(angle of arrival,AoA)和离开角(angle of departure,AoD)分别由Θ。和φ。，表示。假设示例性线性阵列，AoA Θ的接收器阵列响应向量可以根据下面的方程2来表不:
[0046]
【权利要求】
1.一种用于在无线通信系统中发送信号的方法，所述方法包括: 将预编码算法初始化为复矩阵，所述预编码算法用于对由多个天线发送的信号进行预编码； 通过在每次迭代针对所述多个天线中的每一个顺序地更新预编码器，来以每个天线为基础迭代地处理所述预编码算法； 在每次迭代之后，基于迭代之间的互信息的速率变化来确定所述预编码算法是否已经收敛；以及 响应于确定所述预编码算法已收敛，利用所述预编码算法发送所述信号。
2.如权利要求1所述的方法，还包括: 响应于确定所述预编码算法还未收敛，继续在下一次迭代中以每个天线为基础迭代地处理所述预编码算法。
3.如权利要求1所述的方法，还包括: 识别要发送的流的数量； 响应于识别要发送的单个流，根据下式顺序地更新第i个天线的预编码器(Vi):
4.如权利要求1所述的方法，还包括: 识别要发送的流的数量； 响应于识别到要发送的多个流，根据下式顺序地更新第i个天线和第k个流的预编码器(Vik):
5.一种被配置成在无线通信系统中发送信号的装置，所述装置包括: 控制器，被配置成将预编码算法初始化为复矩阵，所述预编码算法用于对由多个天线发送的信号进行预编码；通过在每次迭代针对所述多个天线中的每一个顺序地更新预编码器，来以每个天线为基础迭代地处理所述预编码算法；并且在每次迭代之后，基于迭代之间的互信息的速率变化来确定所述预编码算法是否已经收敛； 预编码单元，被配置成响应于确定所述预编码算法已收敛，利用所述预编码算法对信号进行预编码；以及 多个天线，被配置成发送经预编码的信号。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述控制器被配置成响应于确定所述预编码算法还未收敛，继续在下一次迭代中以每个天线为基础迭代地处理所述预编码算法。
7.如权利要求5所述的装置，其中，所述控制器被配置成识别要发送的流的数量；以及响应于识别出要发送的单个流，根据下式顺序地更新第i个天线的预编码器(vi):
8.如权利要求5所述的装置，其中，所述控制器被配置成识别要发送的流的数量，并且响应于识别出要发送的多个流，根据下式顺序地更新第i个天线和第k个流的预编码器
9.一种系统,包括: 发送器，被配置成: 将预编码算法初始化为复矩阵，所述预编码算法用于对由多个天线发送的信号进行预编码； 通过在每次迭代针对所述多个天线中的每一个顺序地更新预编码器，来以每个天线为基础迭代地处理所述预编码算法； 在每次迭代之后，基于迭代之间的互信息的速率变化来确定所述预编码算法是否已经收敛；以及 响应于确定所述预编码算法已收敛，利用所述预编码算法发送所述信号；以及 接收器，被配置成接收所发送的信号。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述发送器被配置成:响应于确定所述预编码算法还未收敛，继续在下一次迭代中以每个天线为基础迭代地处理所述预编码算法。
11.如权利要求1所述的方法、权利要求5所述的装置或者权利要求9所述的系统，其中，通过以下方式来顺序地更新所述多个天线中的每一个的预编码器: 根据下式顺序地更新第i个天线的预编码器(Ui):
12.如权利要求11所述的方法、装置或者系统、权利要求6所述的装置，其中，通过以下方式来初始化所述预编码算法:将所述预编码算法初始化为复矩阵以使得
13.如权利要求3所述的方法、权利要求7所述的装置，其中，通过以下方式来初始化所述预编码算法: 将所述预编码算法初始化为复矩阵以使得||vi||2 = Pi。
14.如权利要求4所述的方法、权利要求8所述的装置，其中，通过以下方式来初始化所述预编码算法: 将所述预编码算法初始化为复矩阵以使得||vik||2 = Pik。
【文档编号】H04B7/04GK103931110SQ201280053176
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年8月31日 优先权日:2011年8月31日
【发明者】皮周悦, S.拉加戈帕尔, O.E.阿雅克, S.阿布-苏拉 申请人:三星电子株式会社