专利名称：Mimo通信系统的闭环速率控制的制作方法
技术领域：
概括地说，本发明涉及数据通信，具体地说，本发明涉及用于对通信系统进行速率控制的技术。
背景技术：
多输入多输出(MIMO)通信系统采用发射站处的多个(T)发射天线和接收站处的多个(R)接收天线进行数据传输。可以将T个发射天线和R个接收天线形成的MIMO信道分解为S个空间信道，其中S ( min{T,R}。这S个空间信道可用于以实现更高总吞吐量和 /或更大可靠性的方式来发射数据。空间信道可能会经受不同的信道状况(例如，不同的衰落、多径以及干扰影响)， 所以会达到不同的信号与噪声加干扰比(S·)。各空间信道的SNR决定了其传输容量，后者通常由可以可靠地在空间信道上传输的特定数据速率进行量化。如果SNR随空间信道而改变，则所支持的数据速率也随空间信道而改变。此外，信道状况通常随时间而改变，并且，空间信道所支持的数据速率也随时间而改变。在经受不同信道状况的MIMO系统中，也被称为速率适配(rate adaptation)的速率控制是一个主要难题。速率控制需要根据信道状况控制各数据流的数据速率。速率控制的目标应当是尽最大可能地去增加空间信道上的总吞吐量同时满足特定的性能目标，该性能目标可以由特定的分组差错率(PER)和/或其它标准进行量化。因此，在该领域中，需要在MIMO系统中有效地执行速率控制的技术。
发明内容
本申请描述了在MIMO系统中执行速率控制的技术。在一个实施例中，经由MIMO 信道传输的至少一个数据流的速率控制是根据如下方式来实现的(1)内环，为至少一个数据流选择至少一个速率；( 外环，提供内环选择至少一个速率所使用的至少一个参数。 也可以将速率称为分组格式、模式、数据速率、码率、调制方案、编码和调制方案、调制编码组(MCS)等等。外环调整内环的操作。在一个实施例中，对于内环来说，根据数据流的接收导频符号和/或接收数据符号，首先为各数据流获取至少一个SNR估计。可以根据用于恢复出至少一个数据流的接收机空间处理技术而导出SNR估计。确定各数据流的分集阶数(diversity order)、ΜΙΜΟ回
5退因子和外环回退因子，并且，使用它们导出数据流的有效SNR，如下所述。然后，根据至少一个数据流的至少一个有效SNR，为至少一个数据流(单独地或共同地)选择至少一个速率。也可以从与不同的发射机空间处理相关的多种传输模式(例如，受控模式、非受控模式以及空间扩展模式)中选择一种传输模式来使用。在一个实施例中，外环根据各数据流的性能(例如，分组状态和/或解码器度量)调整该数据流的外环回退因子。下面描述速率控制的各个细节。下面还进一步详细描述本发明的各个方面和实施例。
图1示出了发射站和接收站的框图。图2示出了具有内环和外环的速率控制机制。图3示出了在MIMO系统中执行速率控制的处理。图4示出了在MIMO系统中执行速率控制的装置。
具体实施例方式本申请中使用的“示例性的”一词意味着“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例更优选或更具优势。本申请描述的速率控制技术可以用于各种MIMO系统，例如，具有单个频率子带的单载波MIMO系统、具有多子带的多载波MIMO系统、具有多子带的单载波MIMO系统等等。 多子带可以用正交频分复用(OFDM)、单载波频分多址(SC-FDMA)、其它调制技术或其它结构来获取。OFDM将全部系统带宽划分成多个(K)正交的子带，这些子带也被称为音频带 (tone)、子载波、频率段(bin)等。利用0FDM，每个子带与可调制有数据的相应子载波相关联。同样，SC-FDMA将全部系统带宽划分成K个子带。通常，调制符号在频域中用OFDM进行发送，而在时域中用SC-FDMA进行发送。对于具有单个子带的MIMO系统，S个空间信道可用于数据传输。对于具有多个(K) 子带的MIMO系统，K个子带中的每个子带都有S个空间信道可用。对于任何MIMO系统，可以使用所有可用的子带对应的所有空间信道形成M个传输信道，其中M > 1。通常，在MIMO 系统中，各传输信道可以对应于一个或多个子带的一个或多个空间信道。例如，在具有单个子带的MIMO系统中，传输信道可以对应于一个或多个空间信道。再例如，在具有多子带的 MIMO系统中，传输信道可以对应于一个或多个宽带空间信道，其中，各宽带空间信道对于K 个子带中每个子带而言都包括一个空间信道。也可以将传输信道称为并行信道、数据信道、 业务信道、物理信道等等。为清楚起见，下面对利用OFDM或SC-FDMA的MIMO系统进行详细描述。同样为清楚起见，下面的描述假设在每个传输信道发送一个数据流。因此，对于以下描述，术语“数据流”和“传输信道”可互换使用。数据流的数量是可以配置的，并可根据信道状况和/或其它因素进行选择。图1示出了 MIMO系统100中的发射站110和接收站150。对于下行链路传输，发射站110可以是接入点，接收站150可以是用户终端，而第一和第二通信链路分别是下行链路和上行链路。对于上行链路传输，发射站110可以是用户终端，接收站150可以是接入点，而第一和第二通信链路分别是上行链路和下行链路。图1示出了针对M个数据流使用闭环速率控制的数据传输，其中M > 1。在发射站110处，主控制器/处理器140根据各数据流可用的信息确定该数据流的速率。这种信息可以包括接收站150提供的反馈信息和/或发射站110获取的信息(例如，信道估计)。各数据流的速率可以是用于数据流的特定的数据速率、特定的编码方案或码率、特定的调制方案、分组尺寸和/或其它参数。主控制器/处理器140根据M个数据流的速率生成各种编码和调制控制命令。发射(TX)数据处理器120接收M个数据流和这些数据流的编码及调制控制命令。 TX数据处理器120根据所选的速率对各数据流进行处理(例如，格式化、编码、交织以及符号映射)，并生成数据符号流，这些数据符号流是数据的调制符号。TX数据处理器120提供 M个数据符号流。TX空间处理器130接收该M个数据符号流，并使用导频符号将其进行复用，导频符号是导频信号的调制符号。导频信号是接收站150先验得知的基准传输，并用于执行各种功能，如信道估计、捕获、频率和时机同步、数据解调等。如果适用的话，则TX空间处理器 130对数据和导频符号进行空间处理，并提供T个发射天线对应的T个发射符号流。发射机(TMTR) 132用系统指定的方式对T个发射符号流进行处理。例如，如果MIMO 系统分别利用OFDM或SC-FDMA，则发射机132执行OFDM或SC-FDMA调制。发射机132为T 个发射符号流生成T个调制信号。这T个调制信号从T个发射天线发送出去，并经由第一通信链路148发送到接收站150。由于特定的信道响应，第一通信链路148会使各调制信号失真，还由于加性高斯白噪声(AWGN)和可能来自其它发射站的干扰，进一步会使调制信号降级。在接收站150处，R个接收天线接收这T个发射信号，并提供R个接收信号。接收机(RCVR) 160对这R个接收信号进行修整，并将其数字化，并进一步用与发射机132执行的处理互补的方式对采样进行处理。接收机160向信道估计器/处理器162提供接收导频符号，并向接收(RX)空间处理器170提供R个接收数据符号流。信道估计器/处理器162对第一通信链路148对应的MIMO信道响应进行估计，并向RX空间处理器170提供信道估计。RX空间处理器170根据来自信道估计器/处理器162的信道估计对R个接收数据符号流进行接收机空间处理(或空间匹配滤波)，并提供M个检测符号流，其是发射站110 发送的M个数据符号流的估计。RX数据处理器172根据为这些流选择的M个速率而对该M 个检测符号流进行处理(例如，符号解映射、解交织以及解码)，并提供M个解码数据流，其是发射站110发送的M个数据流的估计。RX数据处理器172可以进一步提供各接收数据分组的状态和/或各解码数据流的解码器度量。为进行速率控制，信道估计器/处理器162可以对接收导频符号进行处理，从而获取SNR估计、噪声方差估计等等。噪声方差是在接收站150处观测到的本底噪声，并包括信道噪声、接收机噪声、来自其它发射站的干扰等等。RX数据处理器172也可以根据检测数据符号导出SNR估计。速率控制器/处理器180根据接收信息而为各数据流选择适当的速率，并为M个数据流提供速率1至速率M的M个选择速率。主控制器/处理器190从速率控制器/处理器180接收这M个选择速率，并从RX 数据处理器172接收分组状态。主控制器/处理器190生成反馈信息，其包括M个选择速率、接收数据分组的确认(ACK)和/或否定确认(NAK)和/或其它信息。反馈信息经由第二通信链路152发送到发射站110。发射机110使用该反馈信息来调整发往接收站150的 M个数据流的处理。例如，发射站110可以调整发往接收站150的M个数据流各自的码率和 /或调制方案。反馈信息通过用第一通信链路148支持的众所周知的设置来发送数据从而提高系统的效率。对于图1所示的实施例，接收站150执行信道估计和速率选择，并将M个数据流对应的M个速率发回到发射站110。在另一实施例中，发射站110根据接收站150发送的反馈信息和/或发射站110获得的其它信息而执行信道估计和速率选择。在另一实施例中，发射站110和接收站150共同执行信道估计和速率选择。图2示出了包括内环210和外环220的闭环速率控制机制200的实施例。为清楚起见，图2示出了仅仅一个数据流m对应的内环210和外环220的操作。在一个实施例中， 针对M个数据流的每个数据流维护一个内环和一个外环。在另一实施例中，针对多个(例如，所有M个)数据流维护一个内环和/或一个外环。内环210跟踪各数据流的速率由于信道状况而发生的变化。如果接收站150可以快于MIMO信道的相干时间而将反馈信息发送到发射站110，则内环210可以跟踪MIMO信道的瞬时变化。内环210通常由在物理层处观测到的诸如接收SNR之类的参数来驱动。内环210可以使用基于导频的SNR估计和/或基于数据的SNR估计而工作，其可以如下所述进行计算。外环220校正CRC故障检测到的分组差错。采用精心设计的内环210，分组差错应当以给定的目标PER而很少地发生。例如，如果目标PER为1 %，则所发送的每100个分组应当仅错误地接收到一个分组。外环220通常比内环210具有较低的响应时间。可以将外环220视为内环210的调节器，以确保内环210为各数据流选择的速率能实现目标PER。对于内环210，信道估计器/处理器162根据接收导频符号而估计数据流m的SNR， 并提供数据流m的基于导频的SNR估计。RX数据处理器172根据数据流m的检测数据符号而估计数据流m的SNR，并提供数据流m的基于数据的SNR估计。RX数据处理器172也可以提供数据流m的分组状态和/或解码器度量。速率控制器/处理器180内的速率选择器184接收数据流m的SNR估计和其它信息，例如，M个数据流的传输模式、数据流m的分集阶数、数据流m的外环回退因子等等。下面描述这些不同类型的信息。速率选择器184根据所有的接收信息计算数据流m的有效 SNR,如下所述。然后，速率选择器184根据有效SNR和存储MIMO系统支持的一组速率及它们所需要的SNR的查询表(LUT) 186而选择数据流m的速率。所选择的数据流m的速率包括在主控制器/处理器190发往发射站110的反馈信息中。在发射站110处，主控制器/ 处理器140接收所选择的数据流m的速率，并生成数据流m的编码和调制控制命令。然后， 根据TX数据处理器120的这些控制而处理数据流m，使用导频符号对其进行复用，并由TX 空间处理器130进行空间处理，由发射机132进行修整，并发往接收站150。外环220估计数据流m的接收质量，并针对数据流m调整内环210的操作。接收数据符号由RX空间处理器170进行空间处理，并且，数据流m的检测数据符号进一步由RX 数据处理器172进行处理(例如，解调和解码)。RX数据处理器172提供为数据流m接收到的各分组的状态和/或数据流m的解码器度量。质量估计器182根据来自RX数据处理器172的所有信息估计数据流m的质量，并根据质量估计控制内环210的操作。在一个实施例中，质量估计器182调整数据流m的外环回退因子。该外环回退因子用于计算数据流 m的有效SNR，因而影响速率选择，如下所述。在另一实施例中，质量估计器182提供数据流 m的速率调整。该速率调整可以指示内环210去为数据流m选择较低的速率。外环回退因子和速率调整是用于控制内环210的操作的两种机制，下面将对此给予说明。图2示出了速率控制机制200的特定实施例。在另一实施例中，接收站150发回 SNR估计、有效SNR和/或在接收站150处接收信号质量的一些其它表示。然后，发射站110 根据从接收站150获得的信息而为各数据流选择速率。通常，速率控制机制可以用各种方式实现。在一个实施例中，用内环210和外环220来实现速率控制，如图2所示。在另一实施例中，仅用内环210或仅用外环220来实现速率控制。只要检测到信道状况的变化，就可以在数据传输之前和/或期间以预定的时间定期执行信道估计和速率选择等等。下面描述信道估计、速率选择和外环操作。1.传输樽式MIMO系统可以支持多种传输模式(或空间模式)以提高性能和增加灵活性。表1 列出了一些示例性的传输模式和它们的简短描述。也可以将受控(steered)模式称为波束成形模式、本征控制模式、利用波束成形的MIMO模式等等。也可以将非受控(imsteered)模式称为基本的MIMO模式。也可以将空间扩展模式称为伪随机发射控制(steering)模式。表 1
传输模式描述受控模式在MIMO信道的多个正交空间信道(或本征模式) 上发送多个数据流。非受控模式在多个空间信道上(例如，从多个发射天线)发送多个数据流。空间扩展用空间扩展技术发送多个数据流，从而为所有数据流实现类似的性能。各个传输模式具有不同的能力和要求。受控模式在MIMO信道的本征模式上发送数据。受控模式通常提供更好的性能，但需要在发射站Iio和接收站150处进行空间处理。 非受控模式在发射站110处不需要进行空间处理。例如，发射站110可以从各发射天线发送一个数据流。非受控模式的性能通常不如受控模式的性能好。空间扩展模式用不同的控制矩阵发送M个数据流，以使这些数据流观测到全体有效信道。因此，M个数据流实现了类似的性能，该性能不会受制于最差的信道状况。可以根据信道状态信息的可用性、发射站和接收站的能力等而选择适当的传输模式。对于受控模式，在由T个发射天线和R个接收天线形成的MIMO信道的S个本征模式上发送数据。MIMO信道可以用一个RXT信道响应矩阵H来表征，可以将该矩阵对角化， 以获取MIMO信道的S个本征模式。这种对角化可以通过执行H的奇异值分解或H的相关矩阵(即S = Hh · H)的本征值分解来实现，其中Hh表示H的共轭转置。E的本征值分解可
权利要求
1.一种装置，包括至少一个处理器，用于为数据流获取至少一个SNR估计，确定所述数据流的分集阶数， 并根据所述数据流的所述至少一个SNR估计和所述分集阶数而选择所述数据流的速率；以及存储器，与所述至少一个处理器相连。
2.权利要求1的装置，其中，所述至少一个处理器根据接收导频符号导出所述至少一个SNR估计。
3.权利要求1的装置，其中，所述至少一个处理器根据接收数据符号导出所述至少一个SNR估计。
4.权利要求1的装置，其中，所述至少一个处理器根据正在发送的数据流的数量和接收天线的数量确定所述数据流的所述分集阶数。
5.权利要求4的装置，其中，所述至少一个处理器进一步根据所述数据流的索引确定所述数据流的所述分集阶数。
6.一种方法，包括为数据流获取至少一个SNR估计；确定所述数据流的分集阶数；以及根据所述数据流的所述至少一个SNR估计和所述分集阶数选择所述数据流的速率。
7.权利要求6的方法，其中，确定所述数据流的分集阶数包括根据正在发送的数据流的数量和接收天线的数量确定所述数据流的所述分集阶数。
8.一种装置，包括至少一个处理器，用于维护内环和维护外环，所述内环为将要经由MIMO信道发送的至少一个数据流选择至少一个速率，所述外环提供所述内环选择所述至少一个速率所使用的至少一个参数；以及存储器，与所述至少一个处理器相连。
9.权利要求8的装置，其中，对于所述内环，所述至少一个处理器用于为各数据流获取至少一个SNR估计，并且，根据各数据流的至少一个SNR估计而为所述数据流选择速率。
10.权利要求9的装置，其中，对于所述内环，所述至少一个处理器确定各数据流的分集阶数，并且，进一步根据各数据流的分集阶数而为所述数据流选择速率。
11.权利要求9的装置，其中，对于所述内环，所述至少一个处理器根据各数据流的至少一个SNR估计的可变性而确定所述数据流的SNR回退因子，并且，进一步根据各数据流的 SNR回退因子而为所述数据流选择速率。
12.权利要求9的装置，其中，来自所述外环的至少一个参数包括各数据流的外环回退因子，并且其中，对于所述内环，所述至少一个处理器根据各数据流的外环回退因子而为所述数据流选择速率。
13.权利要求12的装置，其中，对于所述外环，所述至少一个处理器根据为各数据流接收的分组状态而调整所述数据流的外环回退因子。
14.权利要求12的装置，其中，对于所述外环，所述至少一个处理器用于为各数据流获取至少一个解码器度量，并且，根据各数据流的至少一个解码器度量而调整所述数据流的外环回退因子。
15.权利要求12的装置，其中，对于所述外环，所述至少一个处理器用于为各数据流确定SNR容限，并且，如果检测到分组差错，则增大具有最小SNR容限的数据流的外环回退因子。
16.权利要求15的装置，其中，对于所述外环，如果未检测到分组差错，则所述至少一个处理器减小各数据流的外环回退因子。
17.权利要求8的装置，其中，来自所述外环的至少一个参数包括为数据流选择较小速率的速率调整指示。
18.一种方法，包括维持内环，所述内环为将要经由MIMO信道发送的至少一个数据流选择至少一个速率；以及维持外环，所述外环提供所述内环选择所述至少一个速率所使用的至少一个参数。
19.权利要求18的方法，其中，维持内环包括 为各数据流获取至少一个SNR估计；根据各数据流的至少一个SNR估计而确定所述数据流的平均SNR ；根据各数据流的至少一个SNR估计的可变性而确定所述数据流的SNR回退因子；以及根据各数据流的平均SNR和SNR回退因子而为所述数据流选择速率。
20.权利要求19的方法，其中，维持内环包括 确定各数据流的分集阶数；以及进一步根据各数据流的分集阶数而为所述数据流选择速率。
21.权利要求19的方法，其中，维持外环包括根据为各数据流接收的分组状态而调整所述数据流的外环回退因子；并且其中，维持内环包括进一步根据各数据流的外环回退因子而为所述数据流选择速率。
22.权利要求21的方法，其中，维持外环包括 确定各数据流的SNR容限；以及如果检测到分组差错，则增大具有最小SNR容限的数据流的外环回退因子。
23.一种装置，包括用于维持内环的模块，所述内环为将要经由MIMO信道发送的至少一个数据路选择至少一个速率；以及用于维持外环的模块，所述外环提供所述内环选择所述至少一个速率所使用的至少一个参数。
24.权利要求23的装置，其中，用于维持内环的模块包括 为各数据流获取至少一个SNR估计的模块；根据各数据流的至少一个SNR估计而确定所述数据流的平均SNR的模块； 根据各数据流的至少一个SNR估计的可变性而确定所述数据流的SNR回退因子的模块；以及根据各数据流的平均SNR和SNR回退因子而为所述数据流选择速率的模块。
25.权利要求M的装置，其中，用于维持内环的模块包括 确定各数据流的分集阶数的模块；以及进一步根据各数据流的分集阶数而为所述数据流选择速率的模块。
26.权利要求对的装置，其中，用于维持外环的模块包括根据为各数据流接收的分组状态而调整所述数据流的外环回退因子的模块，并且其中，用于维持内环的模块包括进一步根据各数据流的外环回退因子而为所述数据流选择速率的模块。
27.权利要求沈的装置，其中，用于维持外环的模块包括确定各数据流的SNR容限的模块；以及如果检测到分组差错则增大具有最小SNR容限的数据流的外环回退因子的模块。
28.一种装置，包括至少一个处理器，其根据接收导频符号导出具有至少一个SNR估计的第一集合，根据接收数据符号导出具有至少一个SNR估计的第二集合，并且，根据所述具有至少一个SNR估计的第一集合和第二集合而为经由MIMO信道发送的数据流选择速率；以及存储器，与所述至少一个处理器相连。
29.权利要求观的装置，其中，所述至少一个处理器根据用于所述数据流的接收机空间处理技术而导出所述具有至少一个SNR估计的第二集合。
30.权利要求观的装置，其中，所述至少一个处理器根据所述具有至少一个SNR估计的第一集合和第二集合而确定所述数据流的有效SNR，并且，根据所述数据流的有效SNR而为所述数据流选择速率。
全文摘要
在MIMO系统中，用内环和外环实现速率控制，内环为经由MIMO信道发送的数据流选择速率，外环调整内环的操作。对于内环而言，根据接收导频符号和/或接收数据符号获取各数据流的SNR估计。根据各数据流的SNR估计、分集阶数、MIMO回退因子和外环回退因子而导出该数据流的有效SNR。然后，根据数据流的有效SNR选择数据流的速率。外环根据各数据流的性能(例如，分组差错和/或解码器度量)调整该数据流的外环回退因子。
文档编号H04B7/06GK102170329SQ201110100458
公开日2011年8月31日 申请日期2005年11月16日 优先权日2004年11月16日
发明者J·R·沃尔顿, M·S·华莱士 申请人:高通股份有限公司