无需与信道有关的反馈信息而为MIMO OFDM系统确定空间功率分配和比特加载

摘要

基于预先确定的空间信道增益的期望值和空间信道的SNR(对应于不同的天线)执行MIMO系统的空间功率分配和比特加载。基于所选择的信道模型(62)计算(64)空间信道增益的期望值。然后基于水填充功率分配计算空间信道的SNR(66)。因此，不需要来自接收机的与空间信道有关的反馈信息。

说明书

技术领域

本发明主要涉及无线通信，更具体而言，本发明涉及在闭环MIMO系统中执行功率分配和比特加载的技术。

背景技术

多进多出(MIMO)是一种无线电通信技术，其中发送机和接收机都使用多个天线来互相无线地通信。通过在发送机和接收机使用多个天线，可以以提高无线链路的总性能的方式来利用空间维数。MIMO可以被执行为开环或者闭环技术。在开环MIMO中，在信号被发送到接收机之前发送机并不了解信道的状况。另一方面，在闭环MIMO中，与信道有关的信息可以从接收机反馈到发送机以便让发送机在发送信号之前预先调节发送信号，以便更好地匹配当前的信道状态。在系统中使用闭环MIMO从接收机传递到发送机的反馈信息量会非常大，尤其是在使用多载波通信的系统中。因此需要策略来减小在闭环MIMO系统中使用的反馈量。

附图说明：

图1是说明了示例性正交频分复用(OFDM)发送机装置的框图；

图2是说明了根据本发明实施例在基于MIMO的无线系统中的示例性无线通信链路的框图；

图3是说明了根据本发明实施例为MIMO发送机确定性地执行功率分配和比特加载的示例性方法的流程图；

图4是说明了根据本发明实施例在多载波MIMO设备中发送机功能的框图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考了附图，该附图通过说明性的方式示出了可以实现本发明的特定实施例。这些实施例被充分详细的描述以便使本领域的技术人员能够实现本发明。应当理解，虽然本发明的各个实施例不同，但并不一定互相排斥。例如，与一个实施例相关而描述的特定特征、结构或属性可以在其他实施例中实施，而不背离本发明的实质和范围。此外，应当理解在每个公开实施例中的单独元件的位置或排列可以被修改，而不背离本发明的实质和范围。因此，以下详细的描述并不具有限制的意义，本发明的范围仅仅由被正确理解的所附权利要求所定义，以及由授予权利要求的等价物的整个范围来定义。在附图中，相似的附图标记表示所有附图中相同或相似的功能。

多载波通信是发送数据的一种技术，其将数据分割为多个片段，然后经由若干相对窄带的子载波或音调(tones)并行地发送这些片段。获得普及的一种多载波技术就是正交频分复用(OFDM)，在正交频分复用技术中各个子载波是互相正交的。图1就是说明了示例性OFDM发送机装置10的框图。如图所示，OFDM发送机装置10可以包括下列各项中的一个或多个：比特交织器12，映射器14，反向离散傅立叶变换单元16，循环前缀单元18，和射频(RF)发送机20。该RF发送机20可以耦接到一个或多个天线22，以便有利于发送信号到外部无线信道。比特交织器12可操作来在OFDM系统的各个子载波之中分发输入比特流中的比特。比特交织器12的每个输出可以对应于系统的一个子载波。然后映射器14将与每个子载波相关联的一个(或多个)比特映射到基于正在使用的特定调制星座的相应调制符号。映射器14输出的调制符号(对应于系统的子载波)被传递到IDFT 16的输入，IDFT16将符号从频域表示转换成时域表示。可以使用任何类型的IDFT(例如，反向快速傅立叶变换(IFFT)等等)。

循环前缀单元18将循环前缀添加到IDFT 16的时域输出，以便形成OFDM符号。该循环前缀被添加到时域信号以便减小系统中例如码间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)的发生。其中，在从一个(或多个)天线22发送OFDM符号之前，RF发送机20可以上变频并放大OFDM符号。应当理解，图1的OFDM发送机装置10仅仅是可以根据本发明使用的一种类型的多载波发送机结构的示例。替换地，可以使用其他多载波发送机结构。

在发送的多载波(例如，OFDM等等)信号中的不同子载波在无线信道中可以受到不同程度的多径衰落。为了补偿这种效应，可以在多载波系统中实施功率分配和比特加载技术。“功率分配”指的是基于相应信道的知识为多载波系统中的子载波选择发送功率电平的技术。因此，较多的功率可以被分配给信道中遭受较大衰落量的子载波，而较少功率可以被分配给信道中遭受较小衰落量的子载波。“比特加载”指的是基于相应的信道信息(例如，信道增益)为不同子载波使用不同调制方案(涉及不同数量的比特)的技术。因此，具有较高信道增益的子载波可以使用较高阶的调制方案以便携带更多的比特(例如，64-QAM)，而具有较低信道增益的子载波可以使用较低阶的调制方案以便携带较少的比特(例如，BPSK)。在自适应方案中，系统中功率分配和比特加载设置可以根据变化的信道状况不断地变化。为了实现多载波系统内自适应的功率分配和比特加载，与瞬时信道相关的反馈信息必须不断从接收设备传递到发送设备。

图2是说明了根据本发明实施例，在基于多进多出(MIMO)的无线系统中的示例性无线通信链路30的框图。如图所示，无线发送机32经由无线信道与无线接收机34通信。发送机32具有4个发送天线36，38，40，42，接收机34具有4个接收天线44，46，48，50。该无线信道是多进多出(MIMO)信道。在实现多载波通信的MIMO系统中，每个发送天线36，38，40，42可以具有与其相关联的相应多载波发送机(例如，图1的OFDM发送机装置，等等)。虽然在图2中示出了4个发送天线36，38，40，42和四个接收天线44，46，48，50，但是应当理解，在MIMO系统中的通信链路可以包括任何数量(大于1)的发送天线和任何数量(大于1)的接收天线。

图2的无线链路30可以利用“闭环”MIMO技术。也就是说，接收机34可以发送与信道相关的反馈信息到发送机32以便被发送机32用来推导发送信号。相同的天线可以(或者可以不)被用于反向链路，该反向链路被用于前向链路。通过利用信道的知识，发送机32可以以简化接收机34中的接收机处理和/或提高接收机34性能的方式使发送信号适于信道。通过例如合适地处理从发送机32接收的训练信号，接收机34可以产生与信道相关的反馈信息。任何类型的天线可以被发送机32和接收机34使用，包括，例如，偶极天线、接线天线(patch)、螺旋状天线、天线阵，和/或其他天线，包括上述的组合。

推导与信道相关的反馈信息的各种方法是本领域公知的。其中一种推导与信道相关的反馈信息的方法就是利用被称为奇异值分解(SVD)的数学技术。当在基于MIMO的系统中使用SVD时，该整个技术可以被称为SVD-MIMO。在基于MIMO的系统中，无线信道可以使用一个n_RX×n_TX信道矩阵H来表征，其中n_RX是接收天线的数量，而n_TX是发送天线的数量。使用SVD，该信道矩阵H可以如下分解：

                    H＝U∑V^H

其中U和V是单位矩阵(即，具有规格化正交的列和单位振幅的矩阵)，∑是具有正元素的对角线矩阵，V^H是矩阵V的厄密共轭。在上述信道矩阵分解表达式中，矩阵V可以被称为波束形成矩阵(预编码器)。通过首先确定信道矩阵H(例如使用接收的训练信号)然后使用SVD技术(或者其他类似技术)分解矩阵H，可以在接收机34中确定该波束形成矩阵V。然后该波束形成矩阵V可以发送回发送机32以便用于产生随后的发送信号。在多载波系统中，对于系统中的每个子载波都需要独立的矩阵V。

在分解的信道矩阵中的对角线矩阵∑的元素称为信道矩阵H的奇异值(或特征值)。当前用于MIMO系统中的自适应功率分配和比特加载方案基于每个子载波的瞬时矩阵∑来确定在每个空间信道上的功率电平和比特加载。因为对于每个空间信道的每个子载波，在∑矩阵中的信息需要从接收机传递到发送机，因此用于执行这些自适应方案的总反馈信息量会非常大。使用该方法，不同的功率电平和比特加载可以被推导出来以便用于发送机中的每个空间信道的每个子载波。为了减小执行功率分配和比特加载所需的总反馈量，平均∑可以被推导出来用于所有子载波上的每个空间信道，然后可以在该平均值之上确定功率电平和比特加载。例如，功率分配和比特加载可以用下式确定：

$>>>1>K>>[>>\Sigma >2>>>(>1>)>>+>>\Sigma >2>>>(>2>)>>+>·>·>·>+>>\Sigma >2>>>(>K>)>>]>>>$

其中K是子载波数量。在该方法中，功率电平和比特加载在每个空间信道的所有音调上是相同的。但是，功率电平和比特加载也可以随空间信道的不同而变化。当K很大时，上述方法类似于在∑²(k)的期望值，即一阶信道统计值(其中k是子载波索引)上执行功率水填充(powerwater filling)和比特加载。因此，在本发明的一个方面，采取了确定性方法，其中，基于信道的统计值在基于MIMO的系统中先验地确定信道分配和比特加载。使用这种方法无需瞬时反馈来执行功率分配和比特加载，而在自适应方案中是需要的。也就是说，一旦为特定信道环境确定，就不改变功率分配和比特加载。因为比特加载不随着时间变化，因此用于特定空间信道的数据率不会从一个分组到一个分组而变化，这简化了收发机链中其他元件的设计和实现；尤其是空间频率交织器。

图3是说明了根据本发明实施例，为MIMO发送机确定性执行功率分配和比特加载的示例性方法60的流程图。首先，为被选择的安装环境选择信道模型(块62)。然后基于所选择的信道模型计算空间信道增益的期望值(块64)。水填充功率分配然后在期望的增益上执行以便确定空间信道的信噪比(SNR)(块66)。然后可以基于空间信道的SNR来执行比特加载(块68)。在以下描述中，更详细地讨论方法60。

要实现无线网络的环境通常具有使其他地区与该区域相区别的某种特性。在方法60的块62中，可以选择信道模型来估计目标环境。例如，对于密集的环境(例如，办公室、热点地区等等)，已知的是独立同分布(i.i.d)的衰落信道提供了精确的模型。其他可能的信道模型包括IEEE P802.11 TGn信道模型A-F，等等。基于为目标环境所选的信道模型，计算空间信道增益的期望值(即，E[∑²(k)])。例如对于i.i.d衰落信道模型，∑²(k)的元素的联合密度是：

其中λ₁＞λ₂＞...＞λ_min(M，N)，λ_i表示∑²(k)的第i个对角元素，C是归一化常数，M是发送天线的数量，N是接收天线的数量。按顺序在所有λ_j(除了λ_i)上积分给出了第i个空间信道的增益的分布为：

$>>>f>>\Lambda >i>>>>(>\lambda >)>>=>>\int >\Omega >>>f>>>\Lambda >1>>,>>\Lambda >2>>,>·>·>·>,>>\Lambda >>min>>(>M>,>N>)>>>>>>>(>>\lambda >1>>,>·>·>·>,>>\lambda >>i>->1>>>,>\lambda >,>>\lambda >>i>+>1>>>,>>\lambda >>min>>(>M>,>N>)>>>>)>>>d\lambda >>1>>>·>·>·>d>>\lambda >>i>->1>>>>d\lambda >>i>+>1>>>·>·>·>>d\lambda >>min>>(>M>,>N>)>>>>>>$

其中

因此，第i个空间信道的期望增益是：

$>>E>[>>\Lambda >i>>]>=sup>>\int >0>\infty sup>>\lambda >>f>>\Lambda >i>>>>(>\lambda >)>>d\lambda >>>$

对于2×2，3×3和4×4系统的i.i.d衰落信道模型的期望增益已经被预先计算并且在以下表格1中示出。

                              表1

  M＝N  E[Λ₁](dB)  E[Λ₂](dB)  E[Λ₃](dB)  E[Λ₄](dB)  2  5.44  -3.01  3  8.14  3.32  -4.77  4  9.90  6.44  1.96  -6.02

然后在期望的增益上执行水填充功率分配操作。假设P和N₀分别是信号和噪声功率。然后，对第i个空间信道分配的功率可以由下式给出：

$>>>P>i>>=>max>\{>0>,>\mu >->>>N>0>>>\lambda >i>>>\}>>>$

其中μ满足

$>>>\Sigma >i>>max>\{>0>,>\mu >->>>N>0>>>\lambda >i>>>\}>=>P>>>$

例如，如果P/N₀是20dB，那么第i个空间信道的SNR可以如表格2所示。

                              表2

  M＝N  E[Λ₁]P₁/N₀  (dB)  E[Λ₂]P₂/N₀  (dB) E[Λ₃]P₃/N₀ (dB)  E[Λ₄]P₄/N₀  (dB)  2  22.50  13.90  3  23.50  18.64 10.22  4  24.07  20.59 16.04  7.45

接下来基于计算的各个空间信道的SNR来执行比特加裁。如果SNR_n是第n个比特加载配置所需的SNR，并且SNR₁＜SNR₂＜...，那么对于第i个空间信道的比特加载配置，n_i，满足：

例如，如果可用的调制方案是BPSK，QPSK，16-QAM和64-QAM，那么各个调制方案(比特加裁配置)达到P_b＝10^-3所需的SNR如下面的表格3所示。

          表3

    调制方案    SNR_n(dB)    BPSK    6.80    QPSK    9.80    16-QAM    16.55    64-QAM    22.55

在P/N₀＝20dB得到的比特加载如下面的表格4所示：

                           表4

   M＝N                   调制方案  第1信道  第2信道  第3信道  第4信通   2  16-QAM  QPSK   3  64-QAM  16-QAM  QPSK   4  64-QAM  16-QAM  QPSK  BPSK

在至少一个实现中，方法60可以在特定位置初始安装无线网络的时候执行。当设备最初被部署时，可以对部署环境做出评估，并且选择与该环境非常接近的信道模型。然后可以如上所述为设备或系统确定用于功率分配和比特加载的设置。在另一个方法中，可以提供无线设备，该无线设备存储用于多种不同类型的目标环境的功率分配和比特加载信息。这些值可以是使用上述技术预先计算的。当部署该设备时，对部署环境做出评估，然后相关联的功率分配和比特加载信息被检索并且被用于配置该设备。一旦已经为特定设备设置功率分配和比特加载，在该网络设备的运转寿命中，该设置可以保持相同。也就是说，在基于变换的信道状况(虽然如果该设备移动到具有不同信道统计状况的位置，可以产生新的设置)的操作期间，这些值不会修改。

在另一个可能的情况中，可以考虑特定类型的目标环境来制造设备。例如，可以确定，该设备将总是用于办公室或类似办公室的环境中。基于该假设，可以选择相应的信道模型(例如，i.i.d衰落信道模型，等等)，接着可以接着上述过程以便确定合适的功率分配和比特加载设置。然后在该设备被卖给公众之前，这些设置可以被编程到设备中。如上所述，本发明技术的使用将免除为功率分配和比特加载提供瞬时反馈的需要。

图4是说明了根据本发明实施例，在多载波MIMO设备70中的发送机功能的框图。如图所示，多载波MIMO设备70可以包括多个多载波发送机72，74，76，其每一个对应于该设备的发送天线78，80，82。该多载波发送机72，74，76例如可以使用图1的OFDM发送机装置10的结构或者其他一些多载波发送机结构。在已经确定功率分配和比特加载之后，各种发送机72，74，76可以被配置相应的功率电平P₁，P₂，...，P_M和相应的调制方案MOD₁，MOD₂，...MOD_M。例如，如果正在使用图1的OFDM发送机结构，那么在每个发送机中的映射器14可以在此时被配置使用对应的调制方案操作。此外，可变增益设备(例如，可变增益放大器，等等)可以存在于每个发送机之内以便改变相关联的空间信道的功率电平。例如，如果使用图1的OFDM发送机结构，那么在每个多载波发送机中的RF发送机20可以包括可变增益功率放大。也可以使用其他替代的方法。

本发明的技术和结构可以用任一不同的形式实现。例如，本发明的特征可以嵌入在具有无线功能的膝上型笔记本、掌上电脑、台式机，和书写板计算机；具有无线功能的个人数字助理；无线网络接口卡(NIC)和其他网络接口结构；蜂窝电话和其他手持无线通信器；寻呼机；卫星通信器；具有无线功能的照相机和其他光学设备；具有无线功能的音频/视频设备；集成电路；存储在机器可读介质上的指令和/或数据结构；和/或其他形式。可以使用的不同类型的机器可读介质的实例包括软盘，硬盘，光盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)，磁光盘，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，可擦除可编程ROM(EPROM)，电可擦除可编程ROM(EEPROM)，磁或光学卡，闪速存储器，和/或适合存储电子指令或数据的其他类型介质。在至少一种形式中，本发明体现为调制在载波上用于在发送介质上进行发送的一组指令。

应当理解，这里，在框图中所示的单独块是实际起作用的，并不需要对应分立的硬件元件。例如，在框图中两个或多个块可以在仅仅一个数字处理设备中实现。该数字处理设备可以包括，例如，通用微处理器，数字信号处理器(DSP)，精简指令集计算机(RISC)，复杂指令集计算机(CISC)，现场可编程门阵列(FPGA)，专用集成电路(ASIC)，和/或其他。可以使用硬件、软件、固件和混合实现。

在上述详细描述中，在一个或多个单独实施例中，本发明的各种特征可以聚合在一起以便流水线式实现公开内容。所公开的方法不应当理解为反映一个目的，即所要求保护的本发明需要比在每个权利要求中列出的特征更多的特征。相反，如以下权利要求所示，本发明的各个方面在于小于每个公开实施例的所有特征。

虽然已经结合某些实施例描述本发明，但是应当理解，本发明可以做出各种修改和变化而不背离本发明的实质和范围，这是本领域技术人员所知道的。这种修改和变化被认为是在本发明和所附权利要求的范围内。