CN100438369C - 无线通信系统、无线通信方法以及无线通信设备 - Google Patents

Abstract

在利用奇异值分解的SVD-MIMO传输中，从接收机反馈给发射机的信息量被减少了。接收机不是将发送加权向量V反馈给发射机，该向量V是接收机通过对信道信息矩阵进行奇异值分解而得到的，而是将参考符号发送给发射机，由发射机获得信道信息矩阵并进行奇异值分解以产生发送数据时所必需的向量V。在获取向量V的过程中，相反方向上的信道矩阵间的不一致性通过校准得到了补偿，所述的校准可以补偿发射机与接收机双方的发射与接收模拟器件间的误差。

Description

无线通信系统、无线通信方法以及无线通信设备

技术领域

本发明涉及一种系统、设备、方法及计算机程序，用以在多个无线基站间进行无线通信，比如通过无线LAN(局域网)进行的通信。特别地，本发明涉及这样一种系统、方法与设备，它们能够实现住宅或其他类似通信环境中的宽带无线传输。

更具体地说，本发明涉及一种系统、设备、方法及计算机程序，它们通过采用一种通信手段来增强传输能力，其中发射机与接收机各具有多个天线，它们通过空分复用进行相互通信，即MIMO通信；特别地，本发明涉及这样一种系统、方法与设备，它们适合于利用信道信息矩阵的奇异值分解(SVD)来实现MIMO传输，所述矩阵中的每个元素均代表一个子信道的传播信息，每条子信道连接了一对发射机与接收机的天线。

背景技术

计算机网络如LAN有效地使得共享信息及设备资源成为可能。无线LAN作为一种能够将用户从传统的有线LAN结构中解放出来的系统，正在吸引人们的注意。在某种工作空间如办公室中，可以通过使用无线LAN来避免使用大部分的电缆及电线，从而帮助了通信终端如个人计算机的重新安置。

最近，对于无线LAN的需求随着无线LAN速度的改善及价格的降低而增长。特别地，为了建立周围各人所持有的多个电子设备间的小型无线网络，以便在这些设备间进行通信，人们考虑引入个人区域网(PAN)。例如，现在已经有了各种无线通信系统及设备，它们使用各自的频带，如2.4GHz和5GHz频带，这些频带无需来自监管部门的许可证即被允许使用。

与无线网络相关的标准之一是IEEE(电气与电子工程师学会)802.11(参见非专利文献1)。根据所采用的方法与所使用的频率，IEEE802.11标准被进一步细分为IEEE 802.11a，IEEE 802.11b等等，它们定义了相应的无线通信方法。

IEEE 802.11a标准支持一种调制方法，它能实现高达54Mbps的通信速度。然而，人们需要能够实现更高比特率的通信速度的无线标准。在这一背景下，MIMO(多输入多输出)通信技术近来吸引了更多的注意力。该技术通过在发射机与接收机上安装多个天线来改善通信速度，这样是为了实现空分复用，即实现多个彼此逻辑独立的子信道，从而提高传输容量。利用空分复用，MIMO的带宽效率很高。

图7简要地示出了一种MIMO通信系统，其中每个发射机和接收机都装有多个天线。发射机空时编码N个数据，以便进行复用发送，并将编码数据分配给发射机的M个天线，所述的数据就是从这M个天线以复用方式在一条信道上被发送给接收机。接收机接收并空时解码经由信道传输并通过接收机的N个天线接收到的数据，从而得到接收数据。因此，MIMO通信与通过单发送/接收自适应阵列进行的通信并不相同。在MIMO中，信道模型中包括发射机端的RF环境(传输函数)、信道空间的结构(传输函数)以及接收机端的RF环境(传输函数)。当一个信号以复用方式从天线发送出去时，就会出现串扰；通过在接收机一端进行的信号处理，所述的复用信号就可以被正确地提取出来。

简单地说，MIMO系统是这样一种系统，其中，发射机通过将数据的组成部分分配到发射机的多个天线(后文中称为“发射天线”)上，从而送出发射数据或信号，而接收机则通过处理接收到的信号成分来获得接收数据，所述的信号成分是通过接收机的多个天线(后文中称为“接收天线”)接收到的，这是一种利用了信道特性的通信系统。尽管MIMO传输技术有多种不同的应用形式，但是SVD-MIMO系统作为MIMO的一种理想模式，是利用了传输函数的SVD(奇异值分解)。参见专利文档2和非专利文献2，从中可以找到实例。

图8简要地示出了一种SVD-MIMO传输系统，在该系统中对一个数字矩阵进行奇异值分解以得到UDV^H，被分解的矩阵就是信道信息矩阵H，该矩阵的各个元素代表了关于连接相应天线对的子信道的信息，在所述的系统中还提供了发射机一方的天线加权系数矩阵V(后文中称为“发射天线加权系数矩阵V”)以及接收机一方的天线加权系数矩阵U^H(后文中称为“接收天线加权系数矩阵U^H”)。从而，所述的信道信息就可以由一个对角矩阵来表示，该对角矩阵的对角元素是各个特征值λ_i的平方根。因此，就可以以复用方式传输一个信号，而完全不受串扰的影响。然而，在SVD-MIMO传输系统中，不容易实现实时的SVD操作，并且，诸如将求得的V或U^H事先发送给通信另一方的设置程序也是必不可少的。

借助SVD-MIMO传输系统可以实现理论上的最大通信容量。例如，如果发射机和接收机各具有两个天线，那么就能实现最大两倍的传输容量。

现在将说明SVD-MIMO传输系统的方案原理。当发射机与接收机的天线数分别为M和N时，发射信号x可以用向量(M×1)来表示，接收信号y则可以用向量(N×1)来表示。在这种情况下，信道信息可以被表示为N×M的矩阵H。信道信息矩阵H中的一项h_ij代表了对应于一条子信道的传输函数，该子信道从第j个发射天线到第i个接收天线。代表接收信号的向量y等于矩阵H乘以发射信号向量的乘积，再加上一个噪声向量n，由下列方程(1)表示：

y＝Hx+n    (1)

对信道信息矩阵H进行如上文所述的奇异值分解，由下列方程(2)表示：

H＝UDV^H    (2)

在方程(2)中，发射天线加权系数矩阵V和接收天线加权系数矩阵U都是归一矩阵，它们分别满足下列方程(3)和(4)：

U^HU＝I     (3)

V^HV＝I    (4)

也就是说，接收天线加权系数矩阵U^H是HH^H的归一化特征向量的阵列，而发射天线加权系数矩阵V则是HH^H的归一化特征向量的阵列。另外，D代表一个对角矩阵，该矩阵的对角元素是HH^H或HH^H的各个特征值的平方根。矩阵D的大小对应于发射天线与接收天线的数量M和N中较小的一个，也就是说，矩阵D是一个秩为min(M，N)的平方根对角矩阵。

在上述关于奇异值分解的说明中，假定了只涉及实数的情况。需要注意的是，在涉及虚数的情况下，即使矩阵U和V(这两个矩阵都是特征向量矩阵)的特征向量都被处理过，从而使得每个矩阵的模为1，也就是说被归一化了，还是会存在无限数量的具有相应相位的特征向量，而不是单个的特征向量。在某些情况下，不能根据U和V之间的相位差来建立方程(2)，即，U和V都正确，但具有不同的相位。为了完全地同步相位，照常将V取做H^HH的特征向量矩阵，再通过将方程(2)的两项同乘以V来得到U，如下列方程(6)所示：

HV＝UDV^HV＝UDI＝UD    (6)

U＝HVD^-1

发射机通过发射天线加权系数矩阵V来为对应于各子信道的信号分量加权，接收机则通过反加权系数矩阵U^H对信号分量加权来接收信号；由于U和V都是归一矩阵(U是N×min(M，N)矩阵，V是M×min(M，N)矩阵)，因此可以得到下列表达式：

y＝U^HHVx+U^Hn

＝U^H(UDV^H)Vx+U^Hn

＝(U^HU)D(V^HV)x+U^Hn    (7)

＝IDIx+U^Hn

y＝Dx+U^Hn

向量y和x不是由发射机与接收机的天线数量决定的，而分别由(min(M，N)×1)表示。

由于D是一个对角矩阵，因此每个发射信号都可以被无串扰地接收。各个子信道彼此独立，每个子信道的幅度与特征值λ的平方根成正比，因此每个子信道的功率与λ成正比。

至于噪声成分n，由于U的列是归一化的特征向量，其模为1，因此U^Hn不影响接收信号的噪声功率。U^Hn是一个大小为min(M，N)的矩阵，它与y和x大小相同。

如上所述，在SVD-MIMO传输中，即使在占用相同频带和相同时段的情况下，也可以得到多个不受串扰影响的独立逻辑子信道。这意味着能够利用同一个频带同时传输多个数据，从而改善了传输速度。

在SVD-MIMO系统中，接收机必须获取信道信息矩阵H、完成奇异值分解并将分解结果得到的UDV^H中的元素V^H传递给发射机。实质上，发射机要使用V，因此V必须被发送给发射机。

下面将以IEEE 802.11a为例对发射天线系数矩阵V所携带的大量信息进行说明，IEEE 802.11a定义了一种可以应用SVD-MIMO传输的LAN系统，即5GHz频带的OFDM(正交频分复用)。

当发射机和接收机各带有3个天线时，发射天线加权系数矩阵V就是一个3×3的矩阵，它具有9个元素。在这种情况下，如果每个元素都是用10比特表示的复数，并且提供了52个载波，那么总共就有9360比特的信息要从接收机反馈给发射机，即9(矩阵元素数量)×2(复数的实部和虚部)×10×52(OFDM子载波的数目)。

需要这种反馈的MIMO被称为闭环MIMO，与其相对的是开环MIMO。闭环SVD-MIMO系统必须在通信开始前向发射机反馈那么多(9360比特)的信息。让我们假定在所述信息被反馈时，IEEE 802.11a所提供的调制方案中最可靠的一种，即BPSK被用作第一调制方法，其编码速率为1/2，并且OFDM被用作第二调制方法。由于一个OFDM符号只能携带24比特，因此需要390个OFDM符号来传送信息，这样就使得SVD-MIMO很不实用。

有一种称为V-BLAST的技术，能够通过相对简单的机制实现MIMO传输中的上述设置程序。V-BLAST是“纵向贝尔实验室分层空时”，它涉及一项最初由现已不存在的AT&T贝尔实验室开发的技术。参见专利文档1，从中可以找到实例。

图9简要地示出了一种V-BLAST通信系统的结构。V-BLAST和SVD-MIMO系统之间的主要差别在于V-BLAST系统中的发射机不提供天线加权系数矩阵V，而只是简单地根据发射天线来多路传输信号，从而，为了事先提供天线加权系数矩阵V而进行的反馈程序就全部被省略了。发射机在发送多路信号之前，在多路信号中插入训练信号，接收机在进行信道估计时要使用这些训练信号。例如，对应于各个天线的训练信号以时分方式被插入信号中。在图9所示的例子中，训练信号被包含在数据包中送出，从而对应于天线#1的训练信号Training-1在前序信号之后被送出，而对应于天线#2的训练信号Training-2接着就被送出，并且按照时分形式的。

在接收机端，信道估计器利用所述的训练信号进行信道估计，以便计算出信道信息矩阵H，该矩阵代表了关于连接各天线对的子信道的信息。第一天线加权系数矩阵计算器为对应于各个发射天线的每个信号执行强制回零或其他操作，从而消除不必要的信号，即除了那些对应于各个接收天线的信号以外的信号，并得到接收天线加权系数矩阵Z_R。在得到Z_R之后，接收信号中具有最高S/N比的发射信号首先被解码来得到信号x₁。

接着，解码信号再次被编码器编码，以产生发射信号x₁的复制品(副本)，并从接收天线刚接收到的信号中删除该信号。第二接收天线加权系数矩阵计算器排除对应于被删除发射信号x₁的发射天线，并再次对各个其他信号执行强制归零准则，以便计算出接收天线加权系数矩阵Z_R’。在剩下的接收信号中表现出最高S/N比的信号x₂被解码器解码。

在第二次解码中，由于第一次解码的发射信号被去除了，因此接收天线的自由度就得到了就得到了增强，并且最大比例组合的效果也相应地得到了改善。随后，所有被多路复接的发射信号由上述处理过程重复地顺序解码。

如上所述，V-BLAST的特征在于强制归零与消除被复杂地组合在一起，这样，即使不能通过应用强制归零准则来将一个信号的S/N比提的足够高，也可以利用消除法所提供的天线自由度来改善该信号的S/N比，从而提高了解码的准确度。因此，V-BLAST能够通过组合相对简单的机制来实现高效率的MIMO传输系统。

然而，由于发射机不在数据传输前进行加权，因此就要求接收机只通过强制归零来实现最初的解码，而不执行消除操作。因此，接收天线的数量就要多于发射天线的数量，以便得到接收天线自由度的冗余。在图9所示的实例中，提供了2个发射天线和3个接收天线。

【专利文档1】JP-A-10-84324

【专利文档2】U.S.Pat.No.6058105

【非专利文献1】International Standard ISO/IEC 8802-11：1999(E)ANSI/IEEE Std 802.11，1999 Edition，Part11：Wireless LANMedium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications。

【非专利文献2】http://radio3.ee.uec.ac.jp/MIMO(IEICE TS). pdf(2003年10月24日)

发明内容

本发明的第一目标是要提供一种卓越的无线通信系统、无线通信方法及无线通信设备，它能在例如家庭这样的通信环境下实现宽带无线传输。

本发明的第二目标是要提供一种卓越的无线通信系统、无线通信方法及无线通信设备，它能通过实施一种在发射机与接收机之间采用空分复用的通信方式(MIMO通信)来提高传输能力，所述的发射机和接收机各具有多个天线。

本发明的第三目标是要提供一种卓越的无线通信系统、无线通信方法及无线通信设备，它能利用信道信息矩阵的奇异值分解来实现MIMO通信，所述矩阵的元素分别代表连接一个发射机与接收机对的子信道上的增益。

本发明的第四目标是要提供一种卓越的无线通信系统、无线通信方法及无线通信设备，它能减少在SVD-MIMO传输中从接收机反馈回发射机的信息数量。

本发明被开发用于实现上述的目标，并且本发明的第一方面内容提供了一种无线通信系统，用来在各具有多个天线的发射机与接收机之间进行通信，所述的通信通过多路复用信号在一条通信信道上进行，该系统包括：

一个参考信号发送器，它将用于接收机各天线的参考信号从接收机反馈给发射机；

一个信道信息采集器，它根据发射机接收到的参考信号计算出一个信道信息矩阵H，该矩阵的元素代表了信道中各条通信子信道的传输函数，每条所述的子信道连接了发射机的一个天线和接收机的一个天线；

一个SVD单元，它对信道信息矩阵H进行奇异值分解以产生UDV^H，从而获得发射天线加权系数矩阵V，该矩阵中的项代表了对应于发射机各天线的加权向量；以及

一个信号发送器，它将信号分量从发射机的各个天线发送给接收机，信号的各分量都经过相应的加权向量加权。

应该注意的是，短语“系统”的意思是多个装置(或用于实现各种特定功能的功能性模块)的逻辑组合；所述的装置或功能性模块可以也可以不被封装到单个机壳内。

根据本发明，接收机没有将天线加权系数矩阵V反馈给发射机(该矩阵V是通过对接收机得到的信道信息矩阵进行奇异值分解得到的)，而是将参考信号或符号发送给发射机，并在发射机一端进行奇异值分解以获得发送数据时所必需的发射天线加权系数矩阵V。因此，从接收机反馈给发射机的信息总量就被减少了。

另外，尽管反馈的信息量减少了，但发射机是在运用了发射天线加权系数矩阵V的情况下发送数据，因此接收机只需较少数量的天线即可获得满意的解码能力。

本发明的第二方面内容提供了一种无线通信系统，该系统考虑了各具有一个天线的发射机与接收机之间的通信信道的传输函数，该系统包括：

一个校准系数获取器，它为发射机与接收机的各个天线获得一个校准系数；

一个参考信号反馈单元，它把参考信号反馈给发射机，所述的参考信号是通过为接收机天线使用所述的校准系数而在接收机一端补偿得到的；

一个传输函数计算器，它在发射机一端通过对发射机天线使用校准系数来补偿接收到的参考信号，并根据补偿后的参考信号得到一个传输函数；以及

一个数据发送器，它利用传输函数发送数据。

例如，符合本发明第二方面内容的无线通信系统采用了这样一种方案，其中发射机和接收机各具有多个天线，并且一个信号被多路复用以便在多个子信道上发送，所述的子信道各自连接发射机的一个天线和接收机的一个天线。

在该例中，校准系数获取器在发射机和接收机双方都取得了各个天线的校准系数，而参考信号反馈单元则通过时分方式将对应于接收机各天线(后文中称为“接收天线”)的参考信号送出，所述的参考信号是利用各个校准系数补偿过的。传输函数计算器在发射机一端进行工作以便：通过使用对应于各个天线的校准系数来补偿发射机天线(后文中称为“发射天线”)所接收到的参考信号；根据补偿过的参考信号计算传输函数；按照从接收机到发射机的相反方向获取一个信道信息矩阵H’，该矩阵的元素代表了各个子信道的传输函数；以及通过信道信息矩阵H’的奇异值分解产生U’D’V’^H，从而得到一个发射天线加权系数矩阵V，该矩阵的项代表了各个发射天线的加权向量。所述的数据发送器将信号分量从发射机的各个天线发送给接收机，信号分量经过各个加权向量的加权。

发射机通过时分方式将对应于各个发射天线的参考信号送出，然后接收机根据各个接收天线接收到的参考信号计算出传输函数，从而得到一个前向方向的信道信息矩阵H，该矩阵的元素代表子信道的传输函数，每条子信道连接一个发射天线和一个接收天线，接收机还要对信道信息矩阵H进行奇异值分解以产生UDV^H，从而得到接收天线加权系数矩阵U，该矩阵的向量元素代表了各个接收天线的加权向量。在该例中，接收机通过接收天线接收到以数据信号形式发送的数据，并利用接收天线加权系数矩阵U^H解码信号。

在SVD-MIMO传输系统中，接收机并不对接收机所接收到的信道信息矩阵H进行奇异值分解以产生UDV^H，从而获得发射天线加权系数矩阵V并将该矩阵V反馈给发射机，而是将参考信号或符号发送给发射机，借此减少从接收机反馈给发射机的信息量。然而，这其中存在一个问题，由于信道的传输函数受到发射机和接收机中RF发射与接收模拟电路特性变化的影响，因此上行链路与下行链路方向上的信道传输函数之间的可逆性不能得到保证。因此，通过从接收机向发射机发送参考信号或符号、并在发射机端进行奇异值分解而得到的天线加权系数矩阵V’，不会与从发射机到接收机方向上的天线加权系数矩阵V完全相同。

另一方面，在符合本发明第二方面内容的无线通信系统中，发射机与接收机的天线的校准系数被取得，并且对应于接收天线的校准系数被用来在参考信号反馈时对参考信号进行校准，而对应于发射天线的校准系数则在根据参考信号计算传输函数时才被使用。因此，相反方向上的信道信息矩阵之间的不一致性可以得到补偿。

本发明能够提供卓越的无线通信系统、无线通信方法与无线通信设备，其中各具有多个天线的发射机与接收机对能够利用空分复用来进行通信(MIMO通信)，在这种通信方式中传输容量得到了提高。

另外，本发明还可以提供卓越的无线通信系统、无线通信方法与无线通信设备，它们能够利用信道信息矩阵的奇异值分解(SVD)来进行MIMO传输，所述信道信息矩阵中的各个元素对应于连接各发射天线与接收天线对的各条子信道的特性。

本发明还可以提供卓越的无线通信系统、无线通信方法与无线通信设备，它们能够减少在进行SVD-MIMO传输时从接收机反馈给发射机的信息量。

根据本发明，接收机并不对接收机所接收到的信道信息矩阵进行奇异值分解以获得发射天线加权系数矩阵V并将得到的矩阵V反馈给发射机，而是将参考信号或符号发送给发射机，并由发射机进行奇异值分解以得到发送数据时所必需的发射天线加权系数矩阵V。从而减少了从接收机反馈给发射机的信息量。通过进行校准以补偿与发射机和接收机的发射/接收模拟器件有关的误差，相反方向上的信道信息矩阵之间的不一致性就可以得到补偿。

顺便提一下，除了上述的相关技术之外，本发明人还提出了与本发明有关的一些技术，比如在未发表的日本专利申请2003-426294，2004-040934，2004-140485，2004-140488和2004-140486号中所公开的技术。

本发明的其他目标、特性及优点将通过基于下文所述的本发明实施例以及附图的对本发明更详细的描述来阐明。

附图说明

图1根据本发明的第一实施例概略地示出了一种MIMO通信系统的构造。

图2根据本发明的第二实施例概略地示出了一种MIMO通信系统的构造。

图3示出了一幅用于展示上行链路与下行链路方向上的通信信道传输函数的可逆性的示意图。

图4概略地示出了一种具有多个天线单元的通信设备的结构。

图5示出了一幅用于展示在图4所示设备中进行的获取循环传输函数的程序的示意图。

图6示出了一幅流程图，该图展示了校准程序的步骤，所述的校准程序用于补偿发射与接收模拟电路的传输函数特性中的误差。

图7示出了MIMO通信系统的概念。

图8示出了SVD-MIMO传输系统的概念。

图9示出了V-BLAST通信系统的概念。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的实施例进行说明。

在本发明中，接收机不对接收机所得到的信道信息矩阵H进行奇异值分解以产生UDV^H从而获得发射天线加权系数矩阵V并将得到的矩阵V反馈给发射机，而是将参考信号或符号发送给发射机，从而可以由发射机进行奇异值分解，以得到发送数据时所必需的发射天线加权系数矩阵V。从而减少了从接收机反馈给发射机的信息量。

图1根据本发明的第一实施例概略地示出了一种SVD-MIMO通信系统的构造。

发射机对各个发射信号进行空时编码以便多路传输信号，并将多路传输信号分配给三个天线，以便通过信道从这三个天线将信号发送给接收机。接收机经由信道通过两个天线接收多路传输的信号，并对该信号空时解码以得到接收信号或数据。

所示的通信系统与图9中所示的V-BLAST系统大体相似。然而，在发送数据时是发射机而非接收机提供了天线加权系数，并且发射机和接收机的天线配置应使得发射天线的数量大于接收天线的数量。接收天线的数量等于信号子信道的数量。

在图1所示的系统中，发射机部分具有天线自由度的冗余。为了利用这种冗余来改善接收信号的S/N比，发射机发送出经过MSN(最大信噪比)加权的信号，这是用于通过强制归零或通过MSN与强制归零的组合来最大化信号本身信噪比的准则。这样，即使接收机方天线自由度没有冗余(即接收天线的数量相对较少)，发射机一方的自由度也可以补偿这一点，从而保证满意的解码能力。

下面将说明本通信系统的工作过程。

作为一个预备步骤，一个训练信号“Pre-training Signal”被作为对应于各个天线的参考符号以时分方式从接收机20发送出去。在图1所示的具体实例中，接收机具有两个接收天线，因此有两个预训练信号被发出。前序码“Preamble”被当作“Pre-training Signal(预训练信号)”的前缀，它是为信号检测、定时同步以及接收机增益调整服务的附加信号。

发射机10从接收机20接收到作为参考信号的训练信号，通过发射机10的信道估算器11计算出信道信息矩阵H，并由发射天线加权系数矩阵计算器13通过对各个天线应用MSN、强制归零或这些方法的组合来确定发射天线加权系数矩阵Z_T。

接着，发射机10发送一连串的训练信号以及作为一个指示有用数据的信号分量的信号，其是通过空分多路复接信号而得到的。训练信号通过上述获得的矩阵Z_T被加权，以便反映各个对应天线的特性。特别需要注意的是，即使在训练信号被送出的期间，也要对多路传输的各个信号进行加权，以反映相应天线的特性。在图1所示的实例中，训练信号Training-1和Training-2分别被天线加权系数矩阵Z_T(＝[w₁，w₂])的元素向量w1和w2加权，并通过时分方式发送。

另一方面，接收机20的信道估算器21根据训练信号Training-1和Training-2计算出信道信息矩阵H’，该矩阵的每个元素对应于发射加权系数向量之一与一个相应接收天线组成的一个配对，所述的训练信号Training-1和Training-2是相对于按多路复接方式发送的各信号分量而加权的。

第一接收天线加权系数矩阵计算器22为各个发射天线进行强制归零以消除与接收天线本身有关的信号以外的多余信号，从而得到接收天线加权系数矩阵Z_R。在提供矩阵Z_R之后接收到的信号中，表现出最高S/N比的信号首先被解码器23解码成x₁。

接着，编码器24再次对已解码的数据编码，以产生发射信号的副本(复制版本)，并从天线刚刚接收到的信号中消除该信号副本。第二接收天线加权系数矩阵计算器25排除对应的发射天线，并再次对信号进行强制归零，以计算出一个接收天线加权系数矩阵Z_R’。在剩下的接收信号中显示出最高S/N比的信号x₂被解码器23解码。在第二次解码操作中，由于第一次被解码的发射信号已经被删除，因此接收天线的自由度得到了提到，相应地增强了最大比例组合的效果。通过重复上述的处理过程，所有的多路复接发射信号就可以被顺序地解码。

在第一实施例中，发射机10通过在信号加权中使用MSN、强制归零或这些方法的组合形式，以此实现信号的发射。这样，发射天线的自由度就得到了充分的利用，从而提高了接收信号的S/N比。因此，即使接收机20一方的天线自由度没有冗余，发射机一方的自由度冗余也能补偿这一点。

图2所示的示意图根据本发明的第二实施例展示了一种通信系统的构造。

图2所示的系统与图1所示系统的相同之处在于，在发射机一端被多路复接的各个发射信号都被空时编码以便分配给多个天线，这些信号分量就通过这些天线以多路传输的方式经过一条信道的各条子信道发送给接收机，而接收机则对这些经由子信道通过多个天线接收到的信号分量进行空时解码以获得接收信号或数据。

在图1所示的实施例中，发射天线加权系数矩阵计算器13通过MSN、强制归零或两种方法的组合形式，并根据利用来自接收机20的训练信号计算得到的信道信息矩阵H，来为各个天线决定发射天线加权系数矩阵Z_T。另一方面，在图2所示的第二实施例中，奇异值分解单元15运用SVD(奇异值分解)来计算发射天线加权系数，并在发射信号前通过加权系数矩阵V来加权信号。

当强制归零准则被应用到经过V加权的发送训练信号上时，接收机20一方的加权系数矩阵必须变成U^H。因此，很明显如果允许发射机10一方的SVD计算，那么就能够进行SVD-MIMO传输而不必向接收机20发送U^H，从而忽略了在接收机20一方进行奇异值分解的必要性。也就是说，根据本实施例，一个具有2×2天线的MIMO系统可以相对简单地被实现。

在接收机20一方，信道估算器21计算出信道信息矩阵H’，该矩阵的各个元素对应于发射加权系数向量之一与一个相应接收天线的配对。第一接收天线加权系数矩阵计算器22对各个发射天线执行强制归零以消除与接收机本身有关的信号以外的其他信号，从而得到一个接收天线加权系数矩阵U^H。在提供U^H之后接收到的接收信号中，表现出最高S/N比的信号被解码器23解码以获得信号x₁。

随后，解码信号再次被编码器24编码，以产生发射信号的副本(复制版本)，并从天线刚刚接收到的接收信号中消除该信号副本。第二接收天线加权系数矩阵计算器25排除对应于被删除的发射信号的发射天线，并再次对信号进行强制归零，以便计算出接收天线加权系数矩阵U^H。在剩下的接收信号中表现出最高S/N比的信号x₂被取出并由解码器23解码。或者，也可以从第一接收天线加权系数矩阵计算器22提供了U^H之后取得的每个接收信号中直接取得第二多路复接信号x₂。

同时还存在一个问题，就是发射机10的发射电路与接收电路特性的不一致性。这是由于下列原因造成的：尽管空间传输函数表现出了可逆性，但是信道信息矩阵H在上行链路与下行链路方向上的可逆性没有得到保证，该矩阵是下列元素的函数：发射机10一端的RF环境(传输函数)、信道空间的构造(传输函数)、接收机20一端的RF环境(传输函数)，其中与发射机10和接收机20有关的传输函数会由于RF发射及接收模拟电路特性的变化而改变。

在从发射机到接收机的方向上测量的信道传输函数所含的元素包括一个表现出可逆性的空间传输函数以及一个发射机传输函数和一个接收机传输函数，所述的发射机传输函数包含了发射机RF模拟发射部分的特性变化，所述的接收机传输函数则包含了接收机RF模拟接收部分的特性变化，这两种特性变化都是不可逆的成分。另一方面，在相反方向上(从接收机到发射机)测得的信道传输函数所含的元素包括一个表现出可逆性的空间传输函数以及一个发射机传输函数和一个接收机传输函数，所述的发射机传输函数包含了接收机RF模拟发射部分的特性变化，所述的接收机传输函数则包含了发射机RF模拟接收部分的特性变化，这两种特性变化都是不可逆的成分。因此，在与实际数据传输方向相反的方向上测量的信道传输函数会受到接收机的发射RF模拟电路和发射机的接收RF模拟电路的传输函数的影响。

如果接收机通过对信道信息矩阵进行奇异值分解而得到的发射天线加权系数矩阵V被反馈给发射机，那么这种不可逆性就无关紧要。然而，如果发射机发送数据时所必需的天线加权系数矩阵V’是通过接收机向发射机发送参考信号或符号、并由发射机执行奇异值分解而得到的，那么该矩阵V’就不会和从发射机到接收机方向上的天线加权系数矩阵V完全一致。因此，必须进行校准。

下面将更具体地说明校准过程。信道信息矩阵H的项h_ij代表了连接第j个发射天线和第i个接收天线的子信道的传输函数，并由下列方程(8)表示：

hij＝发射机第j个发射RF模拟电路的传输函数

×空间传输函数

×接收机第i个接收RF模拟电路的传输函数

------(8)

另一方面，相反方向的子信道的传输函数h_ij’，即连接第i个接收天线和第j个发射天线的信道，由下列方程(9)表示：

h_ij’＝接收机第i个发射RF模拟电路的传输函数

×空间传输函数

×发射机第j个接收RF模拟电路的传输函数------(9)

各模拟电路的传输函数彼此不同是很平常的，这可能是由于例如制造误差或是温度造成的。因此，在连接发射机第j个天线与接收机第i个天线的子信道中，正向(即从发射机到接收机)的传输函数h_ij和反相的传输函数h_ij’是不同的。从而，由发射机对矩阵H’进行奇异值分解以推出方程H’＝U’D’V’^H、接收机对H进行奇异值分解以推出方程H＝UDV^H，从而发射机可以通过天线加权系数矩阵V’对有用信号加权、并将加权信号发送给接收机、接收机再通过矩阵U^H加权接收信号并解码这些信号，在此方法中，不能提供信道的逻辑独立子信道。

为了解决上述问题，在本发明中，发射机和接收机都进行校准以补偿发射和接收模拟电路的传输函数特性中的误差，从而可以从反方向的信道信息矩阵H’推得正确的发射天线加权系数矩阵V’。

这里所说的校准相当于一种用来使得自适应阵列天线中的下行链路的方向性与上行链路的方向性相同的技术，它是一种用来补偿与发射及接收模拟器件有关的误差的方法。在本领域内众所周知，在一个器件具有5GHz性能的情况下，几小时一次是足够的校准频率。

发射机以例如数小时一次的频率进行校准，并保存校准系数。接收机也以数小时一次的频率进行校准并保留校准系数。

当用来产生相反方向上的信道信息矩阵H’(即上行链路的信道信息矩阵)的参考信号或符号从接收机被送往发射机时，接收机首先利用校准系数实施校准，并发送经过校准的参考符号。发射机利用校准系数对接收到的参考信号进行校准(见方程(9))并对由经校准的传输函数构成的信道信息矩阵H’进行奇异值分解，以得到发射天线加权系数矩阵V’。

下面将说明一种校准方法。发射机和接收机独立进行校准。

图4概略地示出了一种具有多个天线的通信设备的结构，并特别注意天线及其附近的情况。

发射模拟电路Tx1和接收模拟电路Rx1属于天线#1。由于模拟电路Tx和Rx的特性各不相同，因此需要进行校准。

在一种校准方法中，在属于多个天线系统或单元中之一的发射模拟电路的输出端提供了一个耦合器，从而形成了与属于另一个天线的接收模拟回路相连的循环通路，如图4所示。

循环传输函数如下获取。如图5中所示，在属于天线#2的发射模拟电路的输出端装有一个耦合器，用于获取反相循环传输函数。

使用发射与接收RF电路之一作为参考，就可以获得每个RF电路的传输函数相对于该参考电路的比例。如果使用属于天线#1的RF电路作为参考，那么就可以从图4所示的循环回路得到下列传输函数：

T₁ exp(jμ₁)R_i exp(jθ_i)    (10)

类似地，可以从图5所示的循环回路得到下列传输函数：

R₁ exp(jθ₁)T_i exp(jμ_i)    (11)

校准系数是前一个传输函数与后一个传输函数的比例，它由下列方程表示：

$C_i=\frac{T_1\exp \left({\mathrm{j\μ}}_1\right)R_i\exp \left({\mathrm{j\θ}}_i\right)}{R_1\exp \left({\mathrm{j\θ}}_1\right)T_i\exp \left({\mathrm{j\μ}}_i\right)}---\left(12\right)$

在一个2×2的MIMO通信系统中，发射机与接收机的天线单元数量均为2，其中发射机的校准系数用CT(i)表示，接收机的校准系数则用CR(i)表示，其中i表示天线数。

下面将参照图6所示的流程图来说明校准的过程，该校准过程被用来补偿发射与接收模拟电路的传输函数特性的误差。

步骤0：

发射机获得关于发射机第j个天线的校准系数CT(j)，同时接收机获得关于接收机第i个天线的校准系数CR(i)。

步骤1：

发射机通过时分方式从各个天线j发送OFDM符号。OFDM符号由BPSK(二进制相移键控)调制。

步骤2：

接收机从发射机接收对应于各个天线j的参考信号，并计算出对应于各个天线对或子信道的传输函数h_ij。在图2所示的具体实例中，发射机的两个天线中的每一个都发出参考信号两次，这些信号由接收机的两个天线接收。这样，就可以获得总共4个传输函数。也就是说，在2×2的MIMO传输中，会得到一个2×2的信道信息矩阵H。矩阵H的项代表一个拥有复数值的传输函数。

步骤3：

接收机对信道信息矩阵H进行奇异值分解以产生表达式H＝UDV^H。接收机得到解码接收信号时所必需的矩阵U，以及用于解码的接收天线加权系数矩阵U^H。

步骤4：

这次，由接收机通过时分方式从各个天线i送出一个OFDM符号作为参考信号。OFDM符号通过BPSK调制。从天线0送出的参考信号由校准系数CR(0)补偿，从天线1送出的参考信号则由校准系数CR(1)补偿。校准系数以复传输函数的形式保存，所述的补偿是通过将发射信号乘以校准系数来完成的。通过使用CR(i)来进行校准补偿，由方程(9)表示的传输函数就不会受到与接收机的RF模拟发射部分有关的变化的影响。

步骤5：

发射机接收从接收机发出的对应于各个天线i的参考信号，并计算出对应于各天线对或子信道的传输函数h_ij’。天线0所接收到的参考信号由校准系数CT(0)补偿，而天线1所接收到的参考信号则由校准系数CT(1)补偿。通过利用CT(j)进行校准补偿，由方程(9)表示的传输函数可以不受与发射机的RF模拟接收部分有关的变化的影响。接着，根据经过校准补偿的传输函数，获得反方向上的信道信息矩阵H’。

发射机对所得到的信道矩阵H’进行奇异值分解以推出表达式H’＝U’D’V’^H。这样，发射机就能够得到发射天线加权系数矩阵V’，该矩阵的项是对应于每个天线的加权向量[w₁，w₂]，这是发送有用信号或数据时所必需的。

步骤7：

启动一次实际数据通信。在发送数据时，发射机利用各加权向量[w₁，w₂]加权多个逻辑独立的比特数据，所述的加权向量是发射天线加权系数矩阵V’的项，并通过空时复用从各个天线将加权比特数据送出。另一方面，接收机对各天线接收到的数据或信号进行解码，其中利用接收天线加权系数矩阵U^H。

发射机与接收机根据上述的处理过程事先进行校准。在实际进行SVD-MIMO传输时，接收机所用的权重是在所获取的从发射机到接收机方向上的信道信息矩阵的基础上得到的，而发射机进行数据发送所需的权重则是利用信道信息矩阵得到的，该信道信息矩阵是通过从接收机接收参考信号、并利用与发射机有关的校准系数对接收到的参考信号进行补偿而得到的，所述的参考信号经过了与接收机相关的校准系数补偿。

根据上述方法，发射天线加权系数矩阵V是直接由信道矩阵H得到的，其中该矩阵H是在从发射机到接收机的方向上获取的，发射机一方的加权系数矩阵V’是直接由信道矩阵H得到的，其中该矩阵H对应于从发射机到接收机的方向，以及由H’得到的其他发射天线加权系数矩阵V’，其中该矩阵H’是通过基于从接收机发往发射机的信号进行校准而得到的，它们彼此不会完全一致。V的每一个向量与V’中对应部分的向量相同，但是V’的每个成分都被旋转了一个角度。

这是由于校准系数是以某个特定的天线为参考确定的值，该校准系数的值不是一个绝对值，而是多个天线单元中的相对校准系数。

$C_i=\frac{T_1\exp \left({\mathrm{j\μ}}_1\right)R_i\exp \left({\mathrm{j\θ}}_i\right)}{R_1\exp \left({\mathrm{j\θ}}_1\right)T_i\exp \left({\mathrm{j\μ}}_i\right)}---\left(13\right)$

在上述实施例中，每个天线i的校准系数是在以天线1的发射及接收模拟部分的传输函数为参考的基础上定义的。因此，该校准系数不是从天线i的发射传输函数及天线i的接收传输函数直接推出的校准系数，而是一个相对校准系数。一般而言，多天线系统中的天线校准就是这样一种相对校准。需要注意的是本发明的原理就是与相对校准结合而起作用的。

由于使用权重来加权在SVD-MIMO系统中传输的数据，上文所述的相位旋转实际上无关紧要。这是因为最优的发射天线加权系数矩阵V总是等值旋转的，这是发射与接收装置间微小的时钟误差造成的。也就是说，让V和V’完全相同没有意义，只要让V中各个向量的每个分量与V’中相应向量的对应分量旋转相同的角度就足够了。另外，由于V’和V都是归一阵，向量V’的每个向量的模都与V中对应向量的模相等。

尽管本文通过参照本发明的特定实施例对其进行了详细的说明，但应该明白的是，那些精通本技术的人所能想到的对所述实施例的修改以及对实施例中某些要素或特性的替换，都不会偏离本发明的主旨。也就是说，所述实施例的说明只是为了说明的目的，并且本发明并不局限于这些实施例的细节。在解释本发明的主旨时，附带的权利要求应该被更好地考虑。

Claims (6)

1、一种无线通信系统，该系统考虑了在各自具有多个天线的发射机与接收机之间的一个通信信道的传输函数，所述的系统包括：

一个校准系数获取器，它为发射机与接收机的各个天线中的每一个获取一个校准系数；

一个参考信号反馈单元，它将一个参考信号反馈给发射机，所述参考信号是在接收机一方利用对应于接收机天线的校准系数被补偿的；

一个传输函数计算器，它在发射机一方利用对应于发射机天线的校准系数对接收到的参考信号进行补偿，并根据经过补偿的参考信号得到一个传输函数；以及

一个数据发送器，它利用所述传输函数发送数据。

2、根据权利要求1所述的系统，

其中发射机与接收机之间的通信是通过多路复接一个表示数据的信号来实现的，从而该信号的分量在信道的各个子信道上发送，这些子信道中的每一个连接发射机的一个天线和接收机的一个天线，

其中所述的校准系数获取器获取在发射机和接收机两方的各个天线的校准系数，

其中所述的参考信号反馈单元通过时分方式发送对应于接收机各个天线的参考信号，这些参考信号经过所述对应于接收机各个天线的校准系数的补偿；

其中所述的传输函数计算器在发射机一方进行工作以便：通过使用对应于发射机各个天线的校准系数来补偿发射机天线所接收到的参考信号；根据补偿过的参考信号计算传输函数；按照从接收机到发射机的相反方向获取一个信道信息矩阵H’，该矩阵的元素代表了各个子信道的传输函数；以及通过对信道信息矩阵H’进行奇异值分解以产生U’D’V’^H，从而得到一个发射天线加权系数矩阵V’，该发射天线加权系数矩阵的项代表了发射机各个天线的加权向量，其中U’是接收天线加权系数矩阵，D’代表对角矩阵，该矩阵的对角元素是H’^HH’或H’H’^H的各个特征值的平方根；以及

其中所述的数据发送器将代表数据的信号分量从发射机的各个天线发送给接收机，其中信号分量经过各个加权向量的加权。

3、根据权利要求2所述的系统，还包括：

一个参考信号前馈单元，它以时分方式将对应于发射机各个天线的参考信号从发射机发送给接收机；

一个第二传输函数计算器，它在接收机一方工作，以便：根据各天线接收到的参考信号计算出传输函数；获取前向方向上的信道信息矩阵H，该矩阵的元素代表各子信道的传输函数；以及获取一个接收天线加权系数矩阵U，该矩阵的项代表对应于接收机各天线的加权向量；以及

以及一个数据接收器，它在接收机一方工作，以便通过各个天线接收从发射机发来的代表数据的信号的分量，并利用接收天线加权系数矩阵U的共轭转置矩阵U^H解码所述信号。

4、一种无线通信方法，该方法考虑了各具有多个天线的发射机与接收机之间的一个通信信道的传输函数，所述的方法包括下列步骤：

为发射机与接收机的各个天线中的每一个获取一个校准系数；

将一个参考信号反馈给发射机，所述参考信号是在接收机一方利用对应于接收机天线的校准系数被补偿的；

在发射机一方利用对应于发射机天线的校准系数对接收到的参考信号进行补偿，并根据经过补偿的参考信号得到一个传输函数；以及

利用所述传输函数发送数据。

5、根据权利要求4所述的方法，采用一种通信系统，其中发射机与接收机之间的通信是通过多路复接一个表示数据的信号来实现的，该信号的分量在所述信道的各个子信道上发送，这些子信道中的每一个连接发射机的一个天线和接收机的一个天线，

其中所述的校准系数获取步骤包括获取在发射机和接收机两方的各个天线的校准系数，

其中所述的参考信号反馈步骤包括通过时分方式发送对应于接收机各个天线的参考信号，其中这些参考信号经过所述对应于接收机各个天线的校准系数的补偿；

其中所述的得到传输函数的步骤包括，在发射机一方：通过使用对应于发射机各个天线的校准系数来补偿发射机天线所接收到的参考信号；根据补偿过的参考信号计算传输函数；按照从接收机到发射机的相反方向获取一个信道信息矩阵H’，该矩阵的元素代表了所述各个子信道的传输函数；以及通过对信道信息矩阵H’进行奇异值分解以产生U’D’V’^H，从而得到一个发射天线加权系数矩阵V’，该矩阵的项代表了发射机各个天线的加权向量，其中U’是接收天线加权系数矩阵，D’代表对角矩阵，该矩阵的对角元素是H’^HH’或H’H’^H的各个特征值的平方根；以及

其中所述的数据发送步骤包括，将代表数据的信号的分量从发射机的各个天线发送给接收机，其中所述的分量经过各个加权向量的加权。

6、根据权利要求5所述的方法，还包括下列步骤：

以时分方式将对应于发射机各个天线的参考信号从发射机发送给接收机；

在接收机一方：根据各天线接收到的参考信号计算出传输函数；获取前向方向上的信道信息矩阵H，该矩阵的元素代表各子信道的传输函数；以及获取一个接收天线加权系数矩阵U，该矩阵的项代表对应于接收机各天线的加权向量；以及

在接收机一方：通过各个天线接收从发射机发来的代表数据的信号的多个分量，并利用接收天线加权系数矩阵U^H解码所述信号。

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