CN101036317A

CN101036317A - 用于实施连续闭环多入多出的方法和设备

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Publication number: CN101036317A
Application number: CN200580033448.2A
Authority: CN
Inventors: J·萨多夫斯基
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2025-09-01
Also published as: US20060071807A1; DE112005002392T5; GB2433182A; TW200623693A; US7609780B2; DE112005002392B4; TWI304690B; GB0703502D0; US20100046665A1; US8204145B2; CN101036317B; GB2433182B; WO2006039058A1

Abstract

在使用闭环MIMO的通信系统中，波束形成信息可以在多个帧中连续地从接收器反馈到发射器。反馈的波束形成矩阵可以是量化的。

Description

用于实施连续闭环多入多出的方法和设备

技术领域

本发明一般地涉及无线通信，尤其涉及用于无线系统中的信道训练技术和设备。

背景技术

多入多出(MIMO：multiple input multiple output)是一种无线电通信技术，其中发射器和接收器都使用多个天线来和另一个进行无线通信。通过在发射器和接收器使用多个天线，可以通过一种提高无线链接的整体性能的方式利用该空间范围。MIMO可以实施为开环和闭环技术。在开环MIMO中，在信号发送到接收器之前发射器不知道信道条件的具体信息。相反在闭环MIMO中，信道相关信息从接收器反馈给发射器，以使发射器在发送信号之前对信号进行预处理，以更好的匹配当前信道状态。在使用闭环MIMO的系统中，从接收器传递到发射器的反馈信息的量可能非常的大。在接收器中使用奇异值分解(SVD)技术的闭环MIMO系统中，尤其是这样的。通常需要策略来减少在闭环MIMO系统中所使用的反馈总量。

附图说明

图1为示出根据本发明的实施例，基于MIMO的无线系统中的示例无线通信链接的框图；

图2为示出根据本发明的实施例，可用于基于SVD-MIMO的系统的示例发射器设备的框图；

图3为示出根据本发明的实施例，在无线网络中的启动器和响应器之间的示例无线帧交换序列的时序图；

图4为示出根据本发明实施例的示例发射器设备的框图。

具体实施方式

在下面的详细的说明中，参照这些通过图示说明实施本发明的具体实施例的附图。这些实施例描述的足够充分以使本领域的技术人员能够实施本发明。应理解，本发明的各种实施方案尽管不同，但不是需要互相排斥的。例如，在这里结合一个实施例描述的具体特征、设备、或特点可以实现在其他的实施例中，而不脱离本发明的精神和范围。另外，应当理解，可以修改每个公开的实施例中的个体元件的位置或设备，而不脱离本发明的精神和范围。因此，下面的详细说明，并不具有限制意义，本发明的范围仅由所附的权利要求以及权利要求所要求的等同物的全部范围来限定。在所有的附图中，同样的标号表示同样的或相似的功能模块。

图1为示出根据本发明的实施例，基于MIMO的无线系统中的示例无线通信链接10的框图。如所示，无线启动器装置12通过无线信道与无线响应器装置14通信。该启动器装置12具有三个发射天线16、18和20，该响应器装置14具有两个接收天线22、24。该无线信道为多入多出(MIMO)信道。尽管图1中示出三个发射天线16、18、20和两个接收天线22、24示出，但仍应当理解，任何数量(即大于1)的发射天线和接收天线可用于形成MIMO信道。在无线帧交换序列中，该无线启动器装置12可发射用户数据到该响应器装置14。在从该启动器12接收数据帧之后，该响应器14可发射一个确认(ACK)帧(和/或其他信息)返回到该启动器12以确认该数据帧被成功地接收。可以用于正向链接的相同天线可以或不可用于反向链接。

该图1的无线链接10可利用闭环MIMO技术。即，该响应器14可将信道相关反馈信息发送到该启动器12，以供该启动器12用来形成后面的发射信号。通过利用信道知识，该启动器12可以一种简化响应器14中接收器处理和/或提高接收器性能的方式来调整给该信道的发射信号。该响应器14可通过适当的处理从该启动器12接收的训练信号产生信道相关的反馈信息。在现有技术中，已知多种形成这样的信道相关信息的方法。一种形成这样的信道相关信息的方法利用称为奇异值分解(SVD)技术的数学技术。当在基于MIMO的系统中利用SVD时，该整个技术可被称为SVD-MIMO。为易于理解和简化标记，下面的描述将针对多载波系统(例如，OFDM系统)中的单个副载波。然而应当理解，一般需要为多载波系统内的每个副载波实施下面描述的功能。

在基于MIMO的系统中，无线信道可以用一个n_RX×n_TX信道矩阵H来表征，其中n_RX为接收天线的数目，n_TX为发射天线的数目。使用SVD时，该信道矩阵H可以假定为下面的形式：

H＝U∑V^H

其中U和V为酉矩阵(Unitary Matrix)(即具有正交列和单位幅度的矩阵)，∑为对角矩阵，V^H为矩阵V的厄密共轭。酉矩阵U具有下面的属性：

U^HU＝I

其中I为单位矩阵。如果该信道矩阵H为上面的形式，并且如果该矩阵V可以确定，那么由发射器发射到MIMO信道的复数符号的向量X可以在传输前乘以V。发射器因此将发射符号Z＝VX，其中V可以称为波束形成矩阵。该发射的符号Z则由该信道H发射，并还受到信道中的噪声影响。因此，由接收器(在MIMO信道的另一侧)接收的信号Y可表示为

Y＝HVX+N

其中N为加性噪声。从上面给出的信道表达式，可以发现：

HV＝U∑V^HV＝U∑I＝U∑

因此，Y可以表示为：

Y＝U∑X+N

在接收器中，所接收的信号Y能简单为乘以矩阵U^H，并且可以得到下面的结果：

YU^H＝UU^H∑X+U^HN＝I∑X+U^HN＝∑X+U^HN

因此，如果已知该对角矩阵∑，那么可恢复该符号X。上述的技术实际上使信道对角化并使原始发射的符号能够在接收器中恢复。该对角矩阵∑的元素已知为信道矩阵H的奇异值(或特征值)，且它们可以使用已知的SVD技术确定。

与MIMO信道相关的接收器将通常使用已知的从发射器接收的训练信号来测量该H矩阵。然后可以实施SVD以确定该V矩阵。在闭环系统中，该V矩阵然后可被发送回到该发射器。V矩阵数据的量常常是非常大。例如，在一个使用正交频分复用(OFDM)的系统中，该V矩阵可以为OFDM符号的每个副载波包括一个4×4的矩阵。将可以理解的是，这是大量的被传送回到发射器的数据，并可对系统内的整体吞吐量具有相当大的影响。根据本发明的至少一个实施例，提供了一种闭环MIMO的顺序方法，其能够在实施SVD-MIMO时减少传送回到发射器的反馈数据的总量。不是对于从发射器接收的每个帧将整个V矩阵传送回到发射器而是在多个帧期间将V矩阵信息顺序送回，使得反馈的平均量显著的变少。

图2为示出根据本发明的实施例，可用于基于SVD-MIMO的系统的示例发射器设备30的框图。该发射器设备30可位于，例如，用作高吞吐量无线网络内的启动器装置的无线装置内。也存在其他的应用。如所示，发射器设备30可包括以下装置中的一个或多个：空间流数字复用器32、波束形成器34、多个反向快速傅立叶变换(IFFT)装置36、38、40和多个天线42、44、46。该空间流数字复用器32在它的一个输入端接收数据符号，并将这些数据符号分入多个空间流48。这些数据符号可以由空间流数字复用器32例如从一个映射器单元(未示出)接收，该映射器单元根据预定的调制方案(例如二进制移相键控BPSK、正交相移键控QPSK、正交调幅QAM等等)将输入数据映射成相应的调制符号。该波束形成器34从空间流数字复用器32接收空间流，并由该波束形成矩阵V乘以这些符号的当前向量以产生用于传递到多个发射天线42、44、46的信号。发射天线的数目可等于或不等于输入到该波束形成器34的空间流的数目。

因为OFDM用在所示的实施例中，该波束形成器34的输出信号可以在由相应的发射天线42、44、46发送之前各自由IFFT 36、38、40处理。波束形成器34使用的波束形成矩阵V是从反馈信息得出的，该反馈信息接收自MIMO信道的另一侧上的装置(例如响应器装置等)。将可以理解，图2的发射设备30的结构表示可根据本发明使用的一个可能的发射器结构。可选择地使用其他结构。

图3为示出根据本发明的实施例，在使用MIMO的无线网络中可发生的示例无线帧交换50的时序图。该图表的上部分52表示在无线帧交换50期间启动器装置的发送活动，下部分54表示响应器装置的发送活动。如所示，该启动器先发送一个请求术将(RTS)帧56发送到该响应器。该RTS帧56可包括信息，比如启动器的地址、对象响应器的地址、接下来的帧交换的持续时间。RTS帧56可还包括用于在响应器中执行信道训练的训练信号。当该响应器接收到该RTS帧56时，其处理接收到的训练信号，以形成表征该MIMO信道的信道信息。在一个短期间(例如，短帧间间隔(SIFS))后，该响应器可发送一个清除发送(CTS：clear to send)帧58回送到该启动器，指示允许开始发送数据。该CTS帧58可包括信道相关反馈信息(例如，波束形成矩阵)，以供该启动器用来发送数据。

该CTS帧58可还包括与RTS帧56包括的相同的持续时间信息(或者稍微修改的版本)。任何其他接收RTS帧56或CTS帧58的装置可读取该持续时间信息，并基于该信息设置网络分配向量(NAV)。这些其他的装置随后将预留所述无线介质直到确定持续时间的结束，并阻止发送。以这样的方式，可避免冲突。

该启动器接收CTS帧58并确定此时可开始发送数据。该启动器读取CTS帧58内的反馈信息，并使用该信息产生(在SIFS后)用于传输到该响应器的数据帧60。除了数据，该数据帧60可还包括信道训练信号。该响应器可接收该数据帧60，读取并将在其中记录该用户数据，使用该训练信号来再次产生信道相关信息。该响应器随后可发送一个响应帧62返回到该启动器，该响应帧62包括一个确认接收到数据帧60的确认数据包以及新的信道相关反馈信息。用另外的数据帧(例如帧64、68等)和另外的响应帧(例如帧66、70等)重复该过程，直到全部相关的数据已经成功的传送到该响应器。该最后响应帧70可不包括反馈信息。

在想象本发明时，确定最佳SVD波束形成矩阵的连续近似可收敛到接近最佳SVD-MIMO性能，同时显著的减少收敛所需的反馈和随后对动态信道的跟踪。无线网络中信道的相干时间经常很长。例如，基于IEEE 802.11的网络中的相干时间可为数百毫秒。另一方面，这样的网络中的帧(例如物理层协议数据单元(PPDU))，可以为1毫秒量级。因此，该信道相干时间，长度上可以为至少几个帧交换序列。基于以上，确定可以对波束形成V矩阵应用量化方法，而对链路性能影响很小。通过量化反馈到启动器的V矩阵信息，可显著地减少反馈信息的总量。该反馈信息可以用几个帧回送到启动器，而不是一下全部送回。如将更详细描述的，通过差分(differential)编码类型方法，为响应每个接收的数据帧从响应器发送给启动器的反馈矩阵，可以是对之前使用的V矩阵的矫正矩阵，而不是整个的V矩阵。

参照图3，在本发明的至少一个实施例中，在RTS帧56传输过程中，启动器可使用预定矩阵(例如单位矩阵，I)作为波束形成矩阵V₀。当响应器随后接收RTS帧56时，其可计算MIMO信道的信道矩阵H₀。然后该响应器可在信道矩阵H₀上执行SVD操作，以确定将反馈回启动器的相应的波束形成矩阵

实际上，矩阵

是对波束形成矩阵V₀的矫正，启动器使用V₀来将RTS帧56发送到响应器(其如上所述，可以是单位矩阵)。在至少一个实施例中，如上所述，使用量化来描述网络中的波束形成矩阵。可使用任何量化技术，例如包括粗糙逐元素(coarse element-by-element)型量化、向量型量化(例如高斯波束形成等)，和/或其它。

启动器接收该波束形成矩阵并用它来更新发送RTS帧56所使用的波束形成矩阵V₀，以用于发送后面的数据帧60。该更新可以是单个矩阵乘运算(例如右乘运算)。该启动器然后可使用该新波束形成矩阵V₁来发送数据帧60。响应器接收数据帧60并确定该信道的信道矩阵。然而，由响应器确定的信道矩阵将是用于组合信道，该组合信道包括波束形成矩阵V₁和实际信道H₁(即

{\tilde{H}}_{1} = V_{1} H_{1}

)。该响应器随后执行一个SVD运算以确定将反馈回启动器的波束形成矩阵

该波束形成矩阵

为响应器希望该启动器用来预处理信道的矩阵，假定该组合信道为实际信道。再次使用量化技术。如果用于发送数据帧60的波束形成矩阵V₁已经为最佳，那么SVD运算将产生对角矩阵且没有反馈数据要发送。然而，因为量化被使用，和因为信道衰减的作用，很少能实现理想的波束形成矩阵。

与之前相同，启动器接收该波束形成矩阵

并使用它来更新发送数据帧60所使用的波束形成矩阵V₁(例如，

V_{2} = V_{1} {\tilde{V}}_{1} = V_{0} {\tilde{V}}_{0} {\tilde{V}}_{1}

)。该启动器然后使用该新的波束形成矩阵V₂来发送数据帧64，等等。总的来说，用于第k数据帧的波束形成矩阵可表示为：

V_{k} = V_{k - 1} {\tilde{V}}_{k - 1} = Π_{κ = 0}^{k} {\tilde{V}}_{κ}

其中单位矩阵用作初始波束形成矩阵V₀。

图4为示出根据本发明的实施例的示例发射器设备80的框图。如所示，该发射器设备80包括：波束形成器82、多个发射天线84、86、88、第一和第二波束形成矩阵存储区域90、92以及组合器94。该波束形成器

82经由多个空间流在它的输入端接收数据符号，并由波束形成矩阵V_i矩阵乘以输入符号的向量。然后波束形成器82的输出馈送给多个发射天线84、86、88。尽管未示出，在波束形成器82和每个单独的发射天线84、86、88之间可以有其他的功能性(例如，IFFT、功率放大器等)。发射天线84、86、88可包括任何类型的天线元件，包括例如偶极子、接线天线、螺旋天线和或其他。可以使用任何数量的发射天线(n_TX＞1)。

所述第一波束形成矩阵存储区域90可操作用于存储由发射器设备80发送上一个数据帧(即，V_i-1)所使用的波束形成矩阵。所述第二波束形成矩阵存储区域92可操作用于存储其最近从响应器接收的波束形成矫正矩阵

该组合器94可操作用于组合所存储的矩阵以产生更新的波束形成矩阵V_i，以供波束形成器82使用。在至少一个实施例中，该组合器94是一个矩阵乘法单元。该第一和第二波束形成矩阵存储区域90、92可与能够存储数字数据的任何类型的装置相关联。在更新的波束形成矩阵V_i已经产生并递送到波束形成器82后，随后可将其存储在第一波束形成矩阵存储区域90中，用于后面的数据帧。在至少一个实施例中，提供一个初始化单元来在帧交换序列开始时初始化由波束形成器使用的波束形成矩阵(例如初始化为单位矩阵，I)。如之前描述的，量化可用于这些波束形成矩阵。图4的发射器设备80，可以在例如图3中所示出的帧交换序列过程中使用。也可以替换地使用其他结构。

能以多种方式实现V-矩阵量化。一个直接的方法为简单逐元素量化。一种更有效的方法是对该整个矩阵应用向量-量化技术。通过通常使用酉矩阵的特性，或更特别地SVD的特性，这些方法可取得量化功效。特别地，U和V矩阵不是唯一的。如果H＝U∑V^H，且D为对角酉矩阵(即其对角元素为单位幅度复数的对角矩阵)，那么，由于对角矩阵变换(commute)，其符合下面的公式：(UD)∑(VD)^H＝UD∑D^HV^H＝UDD^H∑V^H＝U∑V^H＝H。因此，该对(UD、VD)提供了另一个SVD分解。关于对角酉矩阵的该不变性提供了可以在向量量化中使用的自由度。除了酉矩阵特性，可以使用OFDM系统中相邻副载波之间的典型地强相关特性。一个量化的V矩阵可应用到相邻OFDM副载波组。其他的量化技术也可以替换使用。

在至少一个方面中，本发明基于在若干数据包交换过程中向SVD-MIMO的收敛。量化可以从数据包到数据包变化以促成快速收敛(即自适应的量化)。第一数据包可利用相当粗糙的量化，然后后面的数据包利用更精细的量化。这样，也可以应用差分编码(量化)的原理。

在上面的说明中，使用与IEEE 802.11无线网络标准相关的术语(例如，RTS、CTS等)描述本发明的各个特征。然而，应当理解的是，本发明不限于在符合IEEE 802.11标准和其衍生协议的系统中。还应当理解的是，图3的帧交换序列50是根据本发明实施例的连续闭环MIMO的一个可能应用的例子。还存在许多其他的应用。例如，递送给发射器单元的反馈不必须为确认帧的一部分。可使用任何类型的反馈路径。类似地，RTS和CTS帧不是必要的。本发明的技术和结构可以用在无线网络和其他形式的无线通信系统中。

应当理解的是，在此在框图中示出的各个框可以实际上是功能性的，且不需要对应分立的硬件部件。例如，在至少一个实施例中，框图中的两个或更多的框(例如，图4中的波束形成器82和组合器94等)可以实现在单个(或多个)数字处理装置内的软件中。该数字处理装置可包括，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/或其他装置，包括上述的组合。可使用硬件、软件、固件和混合实现方式。

在前面详细的描述中，为了使公开内容流畅，本发明的各个特征被分组在一个或多个单独的实施方案中。公开的方法不应被解释为，要求的发明需要比在每个权项中明确叙述的特征更多的特征。而是，如后面的权利要求所反映的，发明特征可能少于每个公开实施例的全部特征。

尽管，已经结合特定的实施例描述了本发明，但应该理解，在不脱离本发明的精神和范围下，本领域的技术人员可以做出各种修改和变化。这样的修改和变化被认为在本发明和随附的权利要求的范围内。

Claims

1.一种方法，包括：

从MIMO信道接收信号Y_i，所述信号Y_i包括数据符号X_i，其在被传输到所述MIMO信道之前在远程发射器内与一个波束形成矩阵V_i进行矩阵相乘，所述MIMO信道具有信道矩阵H_i；

使用所述信号Y_i来确定一个包括波束形成矩阵V_i和信道矩阵H_i两者作用的组合信道

执行组合信道

的奇异值分解(SVD)以确定代表波束形成矩阵V_i所需的矫正的波束形成矩阵

和

将所述波束形成矩阵发送到所述远程发射器，以和所述波束形成矩阵V_i组合来产生用于来自所述远程发射器的后续数据传输的新波束形成矩阵V_i+1。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

对后续接收的信号Y_i+1重复接收、使用、执行和发送。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述方法是在无线网络中帧交换序列过程中执行的；以及

对于在所述帧交换序列过程中接收的多个连续数据帧，重复接收、使用、执行和发送。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述方法是在无线网络中帧交换序列过程中执行的；以及

将所述波束形成矩阵

发送到所述远程发射器包括发送所述波束形成矩阵

作为响应帧的一部分，该响应帧还包括确认数据包。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在发送之前，量化所述波束形成矩阵

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在发送之前，使用向量量化技术量化所述波束形成矩阵

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在发送之前，使用高斯波束形成技术量化所述波束形成矩阵

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在发送之前，使用自适应量化技术量化所述波束形成矩阵

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在发送之前，使用差分量化技术量化所述波束形成矩阵

10.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述方法是在一个使用正交频分多路复用(OFDM)的系统中执行的；以及

对所述系统内的各个副载波执行接收、使用、执行和发送。

11.一种方法，包括：

用波束形成矩阵V_i乘以第一数据符号来产生输出，该输出被导引至多个发射天线以便经由MIMO信道传送到远程装置；

从所述远程装置接收波束形成矩阵

作为反馈，所述波束形成矩阵

代表对所述波束形成矩阵V_i的矫正；以及

组合所述波束形成矩阵V_i和波束形成矩阵

来形成一个新的波束形成矩阵V_i+1。

12.根据权利要求11所述的方法，其中：

组合包括右乘所述波束形成矩阵V_i和所述波束形成矩阵

13.根据权利要求11所述的方法，还包括：

用所述新波束形成矩阵V_i+1乘以第二数据符号来产生输出，该输出被导引至所述多个发射天线以便经由MIMO信道传送到远程装置。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

从所述远程装置接收波束形成矩阵

作为反馈，所述波束形成矩阵

代表对所述波束形成矩阵V_i+1的矫正；以及

组合所述波束形成矩阵V_i+1和波束形成矩阵来形成一个新的波束形成矩阵V_i+2。

15.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述波束形成矩阵

是量化的。

16.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述方法是在无线网络中帧交换序列过程中执行的。

17.根据权利要求11所述的方法，其中：

对所述系统的各个副载波进行：乘以第一数据符号、接收波束形成矩阵、以及组合所述波束形成矩阵。

18.一种无线装置，包括：

波束形成器，其用波束形成矩阵乘以输入数据符号来形成被导引至多个天线的信号，以便作为数据帧传输到MIMO信道；

第一存储区域，其存储所述波束形成器在产生最近传输的数据帧过程中使用的波束形成矩阵；

第二存储区域，其存储从远程装置接收的反馈矩阵；以及

组合器，其组合所述波束形成矩阵和所述反馈矩阵来产生一个更新的波束形成矩阵，以便由所述波束形成器在产生后续的数据帧过程中使用。

19.根据权利要求18所述的无线装置，其中：

所述组合器是一个右乘单元。

20.根据权利要求18所述的无线装置，其中：

从所述远程装置接收的所述反馈矩阵是量化的。

21.根据权利要求18所述的无线装置，其中：

所述无线装置用在无线网络中，在该无线网络中以无线帧交换序列来传送数据，其中所述反馈矩阵作为响应帧的一部分从所述远程装置接收，该响应帧还包括确认数据包。

22.根据权利要求21所述的无线装置，其中：

对于在帧交换序列过程中传送的多个连续数据帧，所述组合器产生更新的波束形成矩阵。

23.一种无线装置，包括：

至少一个偶极天线；

波束形成器，其用波束形成矩阵乘以输入数据符号来形成信号，该信号被导引至多个天线以便作为数据帧传输到MIMO信道，所述多个天线包括所述至少一个偶极天线；

第二存储区域，其存储从远程装置接收的反馈矩阵；

24.根据权利要求23所述的无线装置，其中：

所述组合器是一个乘法单元。

25.根据权利要求23所述的无线装置，其中：

从所述远程装置接收的所述反馈矩阵是量化的。

26.一种产品，包括其上存储有指令的存储介质，当由计算平台执行时执行以下操作：

使用所述信号Y_i来确定包括波束形成矩阵V_i和信道矩阵H_i两者作用的组合信道

执行组合信道的奇异值分解(SVD)以确定代表波束形成矩阵V_i所需的矫正的波束形成矩阵

和

将所述波束形成矩阵

发送到所述远程发射器以和所述波束形成矩阵V_i组合来产生用于来自所述远程发射器的后续数据传输的新波束形成矩阵V_i+1。

27.根据权利要求26所述的产品，其中所述指令还可操作来：

在所述波束形成矩阵

被传送前，量化所述波束形成矩阵

28.根据权利要求26所述的产品，其中所述指令还可操作来：

在所述波束形成矩阵被传送前，使用向量量化技术量化所述波束形成矩阵

29.根据权利要求26所述的产品，其中所述指令还可操作来：

在所述波束形成矩阵

被传送前，使用自适应量化技术量化所述波束形成矩阵