具有奇异值分解及前置最小均方误差的发射波束成形的制作方法
【专利摘要】发射波束成形可以对发射信号进行引导，以降低MIMO系统的诸空间之间的干扰，并且在接收机处达成相长合并。一种进行引导矩阵计算的方法包括使用奇异值分解(SVD)。值得注意的是，SVD的奇异值(其代表MIMO系统中的诸流强度)呈降序。在均等调制中，信号强度降级使得最晚的流的接收EVM较差并且增加了分组差错的概率。MMSE可以被用来对SVD中计算出的引导矩阵的引导向量进行加权。对诸奇异值的这种加权可以平衡诸流的SNR，藉此改善分组差错率。
【专利说明】具有奇异值分解及前置最小均方误差的发射波束成形
[0001] 背景
【技术领域】
[0002] 本发明涉及多输入多输出（ΜΜ0)通信系统，尤其涉及使用奇异值分解以及前置 最小均方误差进行ΜΙΜΟ发射波束成形。
[0003] 相关技术
[0004] 在射频通信系统中，使用多根天线可以在不使用额外的带宽或者不增加发射功率 的情况下增加数据吞吐量。在称为多输入多输出（ΜΙΜΟ)的一种天线配置中，在发射机和接 收机两者上都使用了多根天线。具体而言，发射机藉由多根天线通过矩阵信道将多个流发 送到接收机，接收机使用其诸天线来接收那多个流。矩阵信道是由发射天线与接收天线之 间的所有路径构成的。
[0005] 波束成形（其改变天线（发射天线和/或接收天线）的方向性）可以被用来达成 空间选择性，并藉此改善ΜΜ0系统的性能。为了进行发射波束成形，一个或多个引导矩阵 可以被应用于待发射的数据，以确保从发射天线发射的信号相长地到达每一个指定的接收 天线处并且相消地到达除了指定的接收天线以外的其他接收天线处。这些引导矩阵可以控 制每一个天线所发射的信号的相位和振幅。
[0006] 发明概述
[0007] 描述了在多输入多输出（ΜΙΜΟ)通信系统中改善分组差错率的方法。本方法包括 在收发机（包括发射机和接收机）处解压缩多个存储着的波束成形引导矩阵。这些存储着 的波束成形引导矩阵与该收发机接收的射频（RF)信号的多个副载波相关联。可以藉由奇 异值分解（SVD)来分解奇异值。可以基于这些奇异值来计算预测信噪比（SNR)。在一个实 施例中，计算预测SNR可以包括计算经平均奇异值。可以基于奇异值来确定ΜΜ0通信系统 所使用的流的最大数目。最小均方误差（MMSE)以及预测SNR可以被用来对存储着的针对 这些流的波束成形引导矩阵的引导向量进行加权。经加权的引导向量可以被应用到待由该 收发机发射的数据以生成经波束成形的数据流。
[0008] 还描述了 ΜΜ0系统中的收发机。该收发机包括被配置为解压缩多个存储着的波 束成形引导矩阵的引导矩阵检索块。引导矩阵检索块可以包括前置最小均方误差（前置 MMSE)块，其被配置为基于预测信噪比（SNR)来确定最大数据流数目，以及使用预测SNR和 最大数据流数目对存储着的波束成形引导矩阵的引导向量进行加权。该收发机可以进一步 包括编码块、多个乘法器、以及基带处理块。编码块可以被配置为接收待发射的数据，并且 将该数据拆分成与多个副载波对应的多个数据流，其中最大数据流数目等于或小于所述多 个数据流。每一个乘法器都可以接收来自前置MMSE块的输入并接收这多个数据流之一。基 带处理块可以被配置为将来自这多个乘法器的经波束成形的输出从频域转换到时域中，并 且生成多个发射信号。
[0009] 引导矩阵检索块可以进一步包括相位平滑块、内插/解群块、相位偏移块、以及平 滑块。相位平滑块可以被配置为通过将一个或多个引导向量旋转预定的相位差来提供相位 连续性。内插/解群块可以被配置为对经解压缩的引导矩阵进行内插以获得与所有副载波 相关联的波束成形引导矩阵。在一个实施例中，内插/解群块可包括平滑滤波器，用于使噪 声对存储着的波束成形引导矩阵的作用最小化。相位偏移块可以被配置为补偿在动态带宽 引导中由循环移位定义（CSD)所引起的相位差。平滑块可以被配置为提供存储着的波束成 形引导矩阵在频域中的连续性。
[0010] 描述了 ΜΙΜΟ系统中的另一种收发机。该收发机包括用于在收发机处解压缩多个 存储着的波束成形引导矩阵的装置，用于确定ΜΙΜΟ通信系统所使用的流的最大数目（基于 奇异值的最大数目）的装置，用于使用最小均方误差（MMSE)和预测SNR来对这多个存储着 的针对这些流的波束成形引导矩阵的引导向量进行加权的装置，以及用于将经加权的引导 向量应用到待由该收发机发射的数据以生成经波束成形的数据流的装置。
[0011] 描述了 ΜΙΜΟ通信系统中的又一种收发机。该收发机包括用于解压缩多个存储着 的波束成形引导矩阵的装置，用于使用前置最小均方误差（前置MMSE)方程以及预测信噪 比（SNR)来对存储着的波束成形引导矩阵进行加权的装置，用于将待发射的数据拆分成与 多个副载波对应的多个数据流的装置，用于将来自用于解压缩的装置的输出和来自用于拆 分的装置的输出相乘以生成经波束成形的信号的装置，以及用于将经波束成形的信号从频 域转换到时域中藉此生成多个发射信号的装置。
[0012] 还描述了存储有用于改善ΜΜ0通信系统中的分组差错率的指令的非瞬态计算机 可读介质。此些指令在由收发机的处理器执行时执行以下步骤，包括：解压缩多个存储着的 波束成形引导矩阵，基于奇异值来计算预测信噪比（SNR)，基于奇异值来确定该ΜΜ0通信 系统所使用的流的最大数目，使用最小均方误差（MMSE)以及预测SNR来对这些流的引导向 量进行加权，以及将经加权的引导向量应用到待由该收发机发射的数据以生成经波束成形 的数据流。
[0013] 附图简要说明
[0014] 图1解说了配置成提供奇异值分解（SVD)以及前置最小均方误差（前置MMSE)的 示例性收发机。
[0015] 图2解说了示例性引导矩阵计算块。
[0016] 图3解说了示例性矩阵检索块。
[0017] 图4解说了用于收发机的示例性SVD前置丽SE技术。
[0018] 图5解说了在有无发射波束成形以及前置丽SE的情况下针对3个流的仿真结果。
[0019] 附图详细描述
[0020] 图1解说了示例性收发机100(其可以执行接收和发射功能两者，S卩，包括接收机 和发射机），其配置成确定以及应用引导矩阵来进行波束成形。在本实施例中，收发机100 包括Μ条接收链和Μ条发射链（M是大于1的整数）。接收射频（RF)信号（例如空数据分 组（NDP)探通分组）的接收天线ΙΟΙ^ΙΟΙμ耦合到接收信号处理块102。接收信号处理块 102可以检测分组、在有需要时放大RF信号、对RF信号进行滤波、对经滤波的信号执行模数 转换（ADC)、将经数字化的信号从时域转换到频域（使用快速傅里叶变换）。
[0021] 接收信号处理单元102生成N个经处理信号，其中N是所使用的0FDM副载波的数 目，并且这N个经处理信号中的每一个对应于一特定的0FDM副载波。耦合到接收信号处理 块102的信道估计块103可以接收这N个经处理信号。信道估计块103可以使用收到码元 中的训练码元来确定与这N个OFDM副载波相对应的N个估计信道矩阵。
[0022] 耦合到信道估计块103的引导矩阵计算块104可以为这N个0FDM副载波中的每一 个生成一个或多个引导矩阵。因此，针对这N个0FDM副载波，存在至少N个引导矩阵。应当 注意，这N个引导矩阵中的每一个的行数和列数取决于空-时流的数目。在一个实施例中， 引导矩阵计算块104也可以对引导矩阵进行编群及压缩以使得存储此信息所需的存储器 最小化°题为"Transmitter Beamforming Steering Matrix Processing And Storage (发 射机波束成形引导矩阵处理和存储）"、公开于2012年1月19日、并通过援引纳入于此的 美国专利申请公开2012/0014415描述了示例性的压缩技术。在一个实施例中，可以使用 Givens旋转来执行压缩。耦合到引导矩阵计算块104的引导矩阵存储块105可以存储这些 引导矩阵。
[0023] 为了进行发射波束成形，这些存储着的信息可以被访问和使用。具体而言，耦合到 引导矩阵存储块105的引导矩阵检索块106可以访问存储着的矩阵（如有需要则提供解压 缩、以预测SNR进行加权、以及解群）并且将它们作为输入提供给乘法器1(^-108^
[0024] 编码块107接收待发射的数据并且将该数据拆分成对应于这N个OFDM副载波的N 个数据流。编码块107和引导矩阵检索块106耦合到乘法器IOS^IOSm。使用来自于编码块 107和引导矩阵检索块106的输入，乘法器108^1(^生成经波束成形的输出。耦合到乘法 器lOSi-lOSM的基带处理块109可以将这N个经波束成形的输出从频域转换到时域中（例 如使用快速傅里叶逆变换（IFFT))，提供恰适的调制和放大，并且生成Μ个发射信号。耦合 到基带处理块109的发射天线IK^-IIOm可以发射经处理的信号。在一个实施例中，接收信 号处理块102、信道估计块103和引导矩阵计算块104可以被表征为收发机100的接收机的 一部分，而引导矩阵存储块105、引导矩阵检索块106、编码块107、混频器108η和基带处理 块109可以被表征为收发机100的发射机的一部分。引导矩阵存储块105中的这些值在本 文中也被称为反馈，因为接收机将关于发射波束成形的信息反馈给发射机。
[0025] 图2解说了示例性引导矩阵计算块104。在该实施例中，引导矩阵计算块104包括 平滑块201、奇异值分解（SVD)块202、压缩块203以及编群块204。平滑块201从信道估 计块103 (图1)接收信道估计（Η)并且为每一个0FDM副载波生成信道矩阵（其中每一个 0FDM副载波与特异的引导矩阵相关联）。平滑块201可以由能够使噪声对信道估计的作用 最小化的滤波器来实现。举例来说，示例性滤波器包括移动平均滤波器或者任何合适的低 通滤波器。平滑块201输出经平滑的信道估计H s。
[0026] 奇异值分解（SVD)块202可以分解经平滑的信道估计Hs以生成多个引导矩阵V， 其中每一个0FDM副载波有一个引导矩阵与之对应。SVD块202可以将每一个引导矩阵分解 为左正交矩阵和右正交矩阵以及对角矩阵（均会在以下进一步详述）。值得注意的是，该对 角矩阵是由呈降序的奇异值S构成的。使用SVD引导矩阵的均等信道调制可以在第一流上 提供最好的SNR，并在最后一个流上提供最差的SNR。非均等信道调制可以有利地在发射波 束成形中为不同SNR提供合适的调制类型。应当注意，在不使用非均等调制的情况下，具有 最低SNR的流将会主导分组差错率。SVD块202还可以通过对诸奇异值S取平均来生成这 些副载波的预测信噪比（SNR)。每一个流的预测SNR将是通过在有效副载波上对诸奇异值 取平均来计算的。
[0027] 压缩块203对与诸0FDM副载波相关联的这些引导矩阵V进行压缩。在一个实施 例中，可以使用Givens旋转来提供此压缩。在一个实施例中，编群块204接收预测SNR以 及经压缩引导矩阵CV，但是仅保留预定义数目的引导矩阵以便减小存储所需的存储器或者 反馈开销。保留的引导矩阵的数目可以基于压缩系数、可用存储、允许的开销、副载波差错 率等来确定。在一个优选的实施例中，SNR连同与所保留的引导矩阵相关联的副载波（如 在适用的标准（例如802. lln、802. llac等）中所定义的）、以及编群信息（Ng = 0, 1，2,等 等）也可以被作为反馈进行发送。这样，引导矩阵存储块1〇5(图1)可以存储经编群且经 压缩的引导矩阵，预测SNR、以及定义的副载波。
[0028] 图3解说了示例性引导矩阵检索块106。在本实施例中，引导矩阵检索块106包括 解压缩块301，其将与每一个0FDM副载波相关联的经压缩引导矩阵CV解压缩。在一个实施 例中，解压缩块301可以实现从Givens角来重新生成引导矩阵的功能性。空间映射块302 可以将空间映射矩阵应用到经解压缩的引导矩阵V以得到等效信道以及显式探通信道。
[0029] 前置最小均方误差（前置MMSE)块303可以使用加权方法来平衡诸流的强度，即， 以与发射天线的数目等量的方式引导最多的流。在其中（收发机100的）接收机并不支持 最大似然（ML)解码器一个实施例中，前置MMSE块303还可以确定使数据流的数目与发射 链的数目同量的速率。此外，预测SNR(由引导矩阵存储块105提供并由前置丽SE模块303 访问）可以被用来对存储着的波束成形引导矩阵的向量进行加权。
[0030] 由于由SVD块202生成的引导矩阵并不是唯一性的，因此跨诸经解压缩的引导矩 阵的相位也可能在频域中不是连续的。跨接连的引导矩阵的引导向量的相位连续性可以确 保接收机处的更好性能。在一个实施例中，相位平滑块304可通过将一个或多个引导向量 旋转预定的相位差来确保相位连续性。相位差估计和相位旋转操作可以针对与所有副载波 相关联的每一组接连引导矩阵来执行。
[0031] 内插/解群块305可以对经解压缩的引导矩阵进行内插以获得与所有副载波相关 联的引导矩阵。如上所提及的，编群块204(图2)可以指示仅应存储这些引导矩阵的子集。 引导矩阵内插/解群块305可使用任何内插技术（例如，线性内插、样条内插等）来取得在 编群过程期间被丢弃的引导矩阵。例如，引导矩阵内插/解群块305可以从与存储着的引 导矩阵相关联的Givens角来确定与被丢弃的引导矩阵相关联的Givens角。在一个实施例 中，内插/解群块305还可包括平滑滤波器以使得噪声对引导矩阵的作用最小化。
[0032] 相位偏移块306可以补偿在动态带宽引导中由CSD (循环移位定义，参见例如IEEE 802. lln标准，图20. 2)引起的相位差。在一个实施例中，CV报告的带宽可能与经引导分组 的带宽不同。具体而言，为了降低探通和反馈开销，可以使用具有较宽带宽的CV报告来引 导较窄带宽的分组。例如，当接收到80MHz带宽的CV报告时，该80MHz带宽CV的局部副载 波可以被用来引导20MHz或者40MHz带宽的分组。替换地，20MHz带宽的分组可以用40MHz 的CV报告来引导。应当注意，需要相位偏移来正确地选择对应的副载波并且内插任何缺失 的频调。此外，需要相位偏移来校正不同发射链上的CSD相位差。该相位偏移可使用下式 来计算：
[0033] Δ Θ = exp (j2 π · csd · ( Δ f))
[0034] 其中Λ f是引导和探通之间的中心频率差。
[0035] 应当注意，当应用引导矩阵时，可能会改变发射天线的功率。在此情形中，为了符 合IEEE (EVM以及频谱遮罩）以及管制要求，功率加权块307可以引入功率系数以限制在每 一条Tx (发射）链上发射的带内功率。功率加权块307的第一实施例可以对每一条链应用 不同的比例来发射最大功率。功率加权块307的第二实施例向所有链应用相同的比例来保 持波束成形方向，但是发射较小的功率。V平滑块308能够确保引导矩阵在频域中的连续 性。
[0036] 回到图2,对于每一个副载波，SVD块202可以将信道响应分解为两个正交矩阵和 一个对角矩阵。正交矩阵是方阵，其所有的向量（列和行）具有单位长度。对角矩阵是方 阵，其在对角线上（左上角到右下角）有值，而在所有非对角线位置上具有〇。
[0037] 具体而言，每一个副载波的信道矩阵可以由SVD块202分解如下：
[0038] Hmm = UnxnSnxmV/mxm
[0039] 其中?是ηΧη正交酉阵，V，（V的共轭转置）是mXm正交酉阵，并且S是nXm对 角矩阵。S的对角线元素 Su被称为Η的奇异值。U的η列以及V的m列分别被称为Η的 左奇异向量和右奇异向量。
[0040] 通过在引导矩阵检索块106中移除右侧正交矩阵，等效信道矩阵就将变成在诸流 间没有干扰的正交矩阵。具体而言，具有引导矩阵的等效信道可以被表示为：
[0041] Heq = US
[0042] 并且收到信号Y可以被表示为：
[0043]
【权利要求】
1. 一种用于在多输入多输出（ΜΙΜΟ)通信系统中改善分组差错率的方法，所述方法包 括： 在收发机处解压缩多个存储着的波束成形引导矩阵，其中所述多个存储着的波束成形 引导矩阵与所述收发机所接收的射频信号的多个副载波相关联； 通过奇异值分解（SVD)来分解奇异值； 基于所述奇异值来确定所述ΜΜ0通信系统所使用的流的最大数目； 使用最小均方误差（MMSE)和预测SNR来对存储着的针对所述流的波束成形引导矩阵 的引导向量进行加权；以及 将经加权的引导向量应用于待由所述收发机发射的数据以生成经波束成形的数据流。
2. 如权利要求1所述的方法，其中计算所述预测SNR包括计算经平均奇异值。
3. -种在多输入多输出通信系统中的收发机，所述收发机包括： 引导矩阵检索块，配置为多个存储着的波束成形引导矩阵，其中所述多个存储着的波 束成形引导矩阵与所述收发机所接收的射频信号的多个副载波相关联，所述引导矩阵检索 块包括： 前置最小均方误差（前置MMSE)块，配置为基于预测信噪比（SNR)来确定最大数据流 数目，以及使用所述预测SNR和所述最大数据流数目对存储着的波束成形引导矩阵的引导 向量进行加权； 编码块，配置为接收待发射的数据，并且将所述数据拆分成与所述多个副载波相对应 的多个数据流，其中所述最大数据流数目等于或小于所述多个数据流； 多个乘法器，每一个乘法器接收来自所述前置MMSE块的输入并接收所述多个数据流 中的一个数据流；以及 基带处理块，配置为将来自所述多个乘法器的经波束成形的输出从频域转换到时域 中，并且生成多个发射信号。
4. 如权利要求3所述的收发机，其中所述引导矩阵检索块进一步包括： 相位平滑块，配置为通过将所述存储着的波束成形引导矩阵的一个或多个引导向量旋 转预定相位差来提供相位连续性。
5. 如权利要求3所述的收发机，其中所述引导矩阵检索块进一步包括： 内插/解群块，配置为对所述存储着的波束成形引导矩阵进行内插以获得与所有副载 波相关联的波束成形引导矩阵。
6. 如权利要求5所述的收发机，其中所述内插/解群块包括平滑滤波器，用于使得噪声 对所述存储着的波束成形引导矩阵的作用最小化。
7. 如权利要求3所述的收发机，其中所述引导矩阵检索块进一步包括： 相位偏移块，配置为补偿在动态带宽引导中由循环位移定义（CSD)所引起的相位差。
8. 如权利要求3所述的收发机，其中所述引导矩阵检索块进一步包括： 平滑块，配置为提供所述存储着的波束成形引导矩阵在频域中的连续性。
9. 如权利要求3所述的收发机，进一步包括引导矩阵计算块，用于生成所述存储着的 波束成形引导矩阵，所述引导矩阵计算块包括： 平滑块，用于使得噪声对信道估计的作用最小化，以及生成经平滑的信道估计； 奇异值分解（SVD)块，用于分解经平滑的信道估计以生成与所述副载波对应的引导矩 阵；以及 压缩块，用于压缩所述引导矩阵，其中经压缩的引导矩阵中至少有一些引导矩阵是所 述存储着的波束成形引导矩阵。
10. 如权利要求9所述的收发机，其中所述引导矩阵计算块进一步包括编群块，用于确 定所述经压缩的引导矩阵中哪些被保留作为所述存储着的波束成形引导矩阵。
11. 如权利要求10所述的收发机，进一步包括引导矩阵存储块，用于存储所述存储着 的波束成形引导矩阵。
12. -种在多输入多输出通信系统中的收发机，所述收发机包括： 用于在所述收发机处解压缩多个存储着的波束成形引导矩阵的装置，其中所述多个存 储着的波束成形引导矩阵与所述收发机所接收的射频信号的多个副载波相关联； 用于确定所述MMO通信系统所使用的流的最大数目的装置，流的所述最大数目是基 于奇异值的； 用于使用最小均方误差（MMSE)以及预测信噪比（SNR)对所述多个存储着的针对所述 流的波束成形引导矩阵的引导向量进行加权的装置；以及 用于将经加权的引导向量应用于待由所述收发机发射的数据以生成经波束成形的数 据流的装置。
13. -种在多输入多输出通信系统中的收发机，所述收发机包括： 用于解压缩多个存储着的波束成形引导矩阵的装置，其中所述多个存储着的波束成形 引导矩阵与所述收发机所接收的射频信号的多个副载波相关联； 用于使用前置最小均方误差（前置MMSE)方程以及预测信噪比（SNR)对所述存储着的 波束成形引导矩阵进行加权的装置； 用于将待发射的数据拆分成与所述多个副载波相对应的多个数据流的装置； 用于将来自所述用于使用的装置的输出以及来自所述用于拆分的装置的输出相乘以 生成经波束成形的信号的装置；以及 用于将经波束成形的信号从频域变换到时域中，藉此生成多个发射信号的装置。
14. 一种非瞬态计算机可读介质，其存储用来在多输入多输出（ΜΙΜΟ)通信系统中改善 分组差错率的指令，所述指令在由收发机的处理器执行时执行包括如下的步骤： 解压缩多个存储着的波束成形引导矩阵，其中所述多个存储着的波束成形引导矩阵与 所述收发机所接收的射频信号的多个副载波相关联； 通过奇异值分解（SVD)来分解奇异值； 基于所述奇异值来计算预测信噪比（SNR); 基于所述奇异值来确定所述ΜΜ0通信系统所使用的流的最大数目； 使用最小均方误差（MMSE)以及所述预测SNR来对所述流的引导向量进行加权；以及 将经加权的引导向量应用于待由所述收发机发射的数据以生成经波束成形的数据流。
15. 如权利要求14所述的非瞬态计算机可读介质，其中所述计算预测SNR的步骤包括 对所述奇异值取平均。
【文档编号】H04B7/06GK104254982SQ201380021520
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年4月18日 优先权日:2012年4月26日
【发明者】C-L·苏, N·张 申请人:高通股份有限公司