CN1502180A

CN1502180A - 控制多输入、多输出通信信道的收发器中的方法和系统

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Publication number: CN1502180A
Application number: CNA028079132A
Authority: CN
Inventors: Լɪ��J��; 约瑟夫·J·保特勒; 卡姆亚·罗哈尼; ��M��ɭ; 罗伯特·M·哈里森
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Mobility LLC; Google Technology Holdings LLC
Priority date: 2001-04-07
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2004-06-02
Anticipated expiration: 2022-04-05
Also published as: US6859503B2; EP1384335A2; ES2539241T3; JP4194368B2; EP1384335B1; WO2002082689A3; CN1281004C; WO2002082689A2; US20030185309A1; AU2002256079A1; KR20030085101A; KR100594530B1; JP2005509316A

Abstract

本发明使用多个输入、多个输出射频信道，使得可能增加发射器和接收器之间的数据速率。多个流、多个天线接收器测量多个天线发射器和多个天线接收器之间的组合信道，以产生组合信道测量值。响应组合信道测量值，接收器选择多个天线阵列权重集，用在多个天线发射器中，其中，每一个天线阵列权重集与多个数据流的一个相关。然后，发送描述所多个天线阵列权重集、用在多个天线发射器中的信息。

Description

控制多输入、多输出通信信道的收发器中的方法和系统

发明领域

本发明总的来说涉及通信系统，具体地说涉及用于控制在多输入、多输出通信信道中发送和接收多个数据流的方法和系统。

发明背景

通信系统设计者一直在寻找方法来增加发射器和接收器之间的通信信道的容量。通信信道可以被定义为从一个点到另一个点发送码元序列的系统。例如，蜂窝通信系统包括用于在电话系统和用户单元之间来回地无线发送表示语音或数据的信道。这种信道的容量的增加意味着增加发送码元的速率。且当在相同的时间内发送多个码元时，语音可听起来更好，并且花费更少时间来传输数据文件。

为了增加无线通信信道的容量，已经将天线阵列用在发射器中来更高地将发射能量集中在接收器中。天线阵列是一组相互分离的天线，每一天线发送具有相对其它的天线信号的特定增益和相位关系的天线信号。当天线一起工作来发送天线信号时，它们产生一个天线方向图，该方向图比单一个天线产生的方向图更加集中在接收器上。注意，改变信号的增益和相位以产生天信号的过程可称为使用一组“天线阵列权重”对信号“进行加权”。

因为可能类似地将天线阵列用在接收器中来改善信号质量，已经推荐将天线阵列都用在发射器和接收器上以增加信号容量。当将多个天线用在发射器和接收器中时，在它们之间的无线信道可称为多输入、多输出(MIMO)信道。

图1示出了通信信道的高级原理图，其中，部分的无线通信信道是无线的。如图所示，x表示用户数据，其将被无线地发送到接收器。在接收器处，x被表示为估计的数据

可以将用户数据x进行分割以产生表示多个数据流x₁，x₂，…的矢量。

用户数据被矩阵V处理来产生适配的阵列天线信号z。矩阵V的每一列是包含用来发送数据流x_i的一个的天线阵列权重集。信号z被通过空中从天线阵列的天线阵子发送，并且被在接收器天线阵列处接收作为接收的天线信号r。在天线信号z和接收到的天线信号r之间的空中接口包括矩阵H，其表示在信号z上的空中接口的影响。空中接口被噪声n到信号z的相加所描述。

在接收器处，用矩阵U′处理接收到的天线信号r来产生估计的数据

参见图2，描述了两个输入、两个输出MIMO天线阵列系统。这个MIMO系统可被用来通过“组合信道”H来同时发送两个不同的数据流x₁和x₂到单个用户单元，H被下述矩阵表示：

H = [\begin{matrix} h_{11} & h_{12} \\ h_{21} & h_{22} \end{matrix}]

式中，h_ij是复数信道值，i＝1，2，j＝1，2。注意，在此使用的术语“组合信号”指的是完整的测量值或者信道的描述，其中，发射天线和接收天线的所有组合的影响都被考虑。复合信道被视为在由所有的成对的组合的发射和接收天线所定义的成对的单天线之间的所有信道的集合。

当假设单调的瑞利衰减信道时，h_ij是带有单一平均功率的复数值高斯随机数，

E [h_{ij} h_{ij}^{*}] = 1 .

可以将接收到的(基带)矢量r(参见图1)写为

r＝Hx+n

示中，x＝[x₁ x₂]^T，是发送的数据流的矢量，且n是噪声采样值的矢量，具有协方差σ_n ²的加性白高斯噪声。

注意，在无噪声的信道中，如果信道矩阵H是满秩的，可以完好地恢复两个数据流。即，可以解两个方程和两个未知数来获得未知的x＝[x₁ x₂]^T。当x＝H^-1r时，两个数据流都可被恢复，且可以加倍链路或者信道、容量。例如，线性结构可以使用0来强迫接收器将接收到的矢量r乘以H^-1。这些操作带来高的信噪比(SNR)，但是如果用低的SNR，它将会激发噪声，这是不希望的。

在另一个线性接收器结构中，最小的均方差(MMSE)接收器可被用来使在检测到的数据流和接收到的信号之间的平均差最小。

虽然线性的非线性的接收器结构都可以被用来检测在噪声信道中的多个流，在实际的应用中，在信道中的噪声通常将要求使用非线性接收器，其制造更加复杂且昂贵。带有改进的性能的非线性接收器的例子是串行-干扰-取消(SIC)接收器和最大似然(ML)接收器。由于它们的复杂性以及费用，应当尽可能地避免使用非线性接收器。

理论MIMO容量

可以用下面的分析来示出MIMO系统的容量。假设信道矩阵H的奇异值分解(SVD)由下式给出

H＝USV′ (1)

式中，S是由奇异值组成的对角矩阵(即，H′H或HH′的特征值的平方根)，U是正交矩阵，它的列向量等于HH′的特征值，V是列向量等于H′H的特征值的带有多列的正交矩阵，且“′”操作符是复数共轭转秩操作。作为一个例子，考虑如下的组合信道矩阵

H = [\begin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & - 1 \end{matrix}] - - - (1.1)

这个组合信道的SVD是

H = US V^{'} = [\begin{matrix} 1 / \sqrt{2} & 1 / \sqrt{2} \\ 1 / \sqrt{2} & - 1 / \sqrt{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} \sqrt{2} & 0 \\ 0 & \sqrt{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{matrix}] - - - (1.2)

参见图1，转换向量(transmit vector)是

z＝Vx (2)

因此，接收的向量是

r＝Hz+n (3)

用(1)和(2)代替H和z，得到

r＝USV′Vx+n＝USx+n (4)

式中，由于V是正交矩阵，V′V被以单位阵代替。接下来，接收的向量被用U来预乘(pre-multiplied)：

\hat{x} = U^{'} Usx + U^{'} n

= Sx + e - - - (5)

同样，由于U是正交矩阵，U′U被以单位阵代替。注意，新的噪声向量e具有与n一样的相同协方差，因为与正交矩阵预乘没有改变噪声的协方差。

如果为两个发射天线和2个接收天线的情况重写方程(5)，则得到

[\begin{matrix} {\hat{x}}_{1} \\ {\hat{x}}_{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \sqrt{λ_{1}} & 0 \\ 0 & \sqrt{λ_{2}} \end{matrix}] [\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \end{matrix}] + [\begin{matrix} e_{1} \\ e_{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \sqrt{λ_{1}} x_{1} + e_{1} \\ \sqrt{λ_{2}} x_{2} + e_{2} \end{matrix}] - - - (6)

式中，λ_i是信道矩阵特征值。

根据香农边界约束的无错误信道容量是公知的，由下式给出

C₁＝log₂(1+ρ)比特/码元 (7)

式中，ρ是信道SNR。从(5)和(6)中，可以看到，基于香农边界约束的MIMO信道容量是每一个数据流的容量的和：

C_{MIMO} = Σ_{i = 1}^{M} C_{1} = Σ_{i = 1}^{M} \log_{2} (1 + \frac{ρ}{M} λ_{i})

比特/码元 (8)

式中，M是在发射器或者接收器处的最小天线数目。对于2个发射天线，2个接收天线的例子，M＝2。需要注意的是，在(8)中，已经归一化了总的发射功率，使得对于任何数目的发射天线它总是保持相同。比率ρ/M确保了在所有天线上发射的功率相等，且它维持对于M的所有值的相同的总功率。

总之，等功率传送(8)是次最优的。可以通过增加功率到高的SNR流、并且将功率减少到低SNR流来使作为每一个数据流容量的和的总容量

C_{MIMO} = \underset{i}{Σ} C_{i}

最大，使得总的发射功率维持相同。这个过程通常称为“waterfilling”。

通过包括用于每一个数据流的最佳功率分配的waterfilling权重，(8)变成

C_{MIMO} = Σ_{i = 1}^{M} \log_{2} (1 + \frac{ρ}{M} λ_{i} w_{i})

比特/码元 (9)

式中，从下式计算出waterfilling权重

\underset{i}{Σ} w_{i} = \underset{i}{Σ} \max [0, (K - \frac{σ_{n}^{2}}{λ_{i}})] = 1

它是waterfilling准则，由R.G.Gallager在John Wiley & Sons，1968年中的、纽约的Information Theory and Reliable Communication中介绍。这里，K是通过迭代确定的常数，相应地，设定了w_i。

因为在现有技术的系统中发射器缺少关于组合信道的条件的数据，这些系统的性能不能达到MIMO信到的香农边界约束。而且，需要用来描述组合的MIMO信道的数据量是很大的，在被传送到发射器时这将消耗掉大量的信道容量。

因此，很显然，需要一种改善的方法和系统，使用反馈来有效地控制在多输入、多输出射频信道中的数据传输和接收。

附图说明

在权利要求书中阐述了相信具有新颖性的本发明的特征。然而，通过参考下面关于说明性的实施例的详细描述，结合附图，将可更好地理解本发明本身和使用的优选方式、以及其中的目的和优点，其中：

图1是通信信道的高级原例图，其中通信信道的一部分是无线的；

图2是两输入、两输出MIMO信道的高级方框图；

图3是可以用来实现本发明的方法和系统的多个流、多个天线发射器的方框图；

图4是天线阵列信号处理器的更加详细的框图；

图5是根据本发明的方法和系统的、用在多个流、多天线收发器中的接收器；

图6是根据本发明的方法和系统的高级逻辑流程图，其说明在多个流、多个天线接收器中的反馈方法；

图7是根据本发明的方法和系统的高级逻辑流程图，说明在多个流、多个天线发射器的反馈方法；

图8是根据本发明的方法和系统的高级流程图，说明用于估计组合信道合和选择阵列权重集的过程；

图9示出根据本发明的方法和系统的、比较量化的MIMO反馈和未量化的、理想的MIMO反馈的仿真结果；和

图10示出根据本发明的方法和系统的、MIMO收发器系统的仿真结果。

具体实施方式

现在参见图3，图中说明了可被用来实现本发明的方法和系统的多个流、多天线发射器。如图所示，发射器20使用天线阵列24来接收用户数据22和发射用户数据22，发射器20包括天线振子26。

用户数据进入数据分路器28，数据分路器28将用户数据流分解成多个数据流，如数据流30和数据流32。虽然图3中示出了两个数据流，数据分路器28可以产生任何多个数据流。数据分路器28正比于由控制器36产生的控制信号34来分解数据。例如，控制信号34可以规定2到1的比率，其中，将2比特发送到数据流30，发送1比特到数据流32。这种分解比率可以规定两个流上相同的比特数目，或者将所有的数据比特发送给一个流。

数据分路器28输出的数据流30和32被输入到纠错编码器38和40。可以使用卷积编码器、turbo编码器、块编码器等来实现这些纠错编码器。编码的类型以及编码速率由控制器36输出的控制信号42所控制。注意，控制信号42可以设定纠错编码器38和40为相同的错误编码方案，或者不同的编码方案。

纠错编码器38和40的输出连接到调制器44和46的输入端。可以用线性或非线性调制方案，包括调制幅度和相位以及幅度和相位的组合的各种调制器来实现调制器44和46。可以使用的调制器的例子包括二进制相移键控调制器(BPSK)、正交相移键控调制器(QPSK)、M-相移键控调制器、M-正交幅度调制器(MQAM)等等。

控制信号48选择在调制器44和46中使用的调制类型。控制信号48由控制器36产生。根据本发明，在数据流重的调制方案可以相同或不相同。

调制器44和46的输出端被分别连接到扩频器48和50的输入端。扩频器48和50使用扩频码52来对信号进行扩频，其中扩频码被分配给用户数据22。

扩频器48和50的输出端被连接到功率分配器54的输入端。功率分配器54响应来自控制器36的控制信号56，设定在数据流30和数据流32之间的功率比率。功率分配器54可以将所有的功率分配给一个数据流，给数据流分配相同的功率，或进行其它的不同功率分配的比率分配。功率分配器54没有给与属于没有在图3中示出的其它用户数据的数据流相关的数据流30和32分配功率。这意味着功率分配器54没有将绝对水平的功率分配给用户。分配给每一个数据流和每一个用户的绝对功率由在功率放大器中的可用功率以及没有在图3中示出的其它控制功能所确定。

功率分配器54的输出端连接到天线阵列信号处理器58的输入端，天线阵列信号处理器进一步通过将天线阵列权重集应用到每一个数据流来处理数据流。这些天线阵列权重集是经控制信号60来自于控制器36的。通过将天线阵列权重集应用到数据流30和32，天线阵列信号处理器允许在不同的天线阵列方向图中传输每一个数据流。

天线阵列信号处理器58的输出包括输入数据流的加权成分。例如，输出62可包括与数据流32的相位-增益加权部分相加的数据流30的相位-增益加权部分。来自天线阵列信号处理器58的加权输出的数目可等于或大于数据流的数目。虽然天线阵列信号处理器58的输出的数目可大于数据流输入的数目，发射的数据流的数目维持相同。

现在参见图4，图中说明了天线阵列信号处理器58的高级方框图。如图所示，数据流30和32进入天线阵列信号处理器58，其中，每一个数据流的副本被发送到增益乘法器，该乘法器对应将被在天线阵列中使用的天线振子。在图4的示例中，将2个天线用在天线阵列中，因此，每一个数据流的副本被发送到两个增益乘法器80。

在每一个增益乘法器80之后的是相位移位器82，相位移位器根据控制信号输入来旋转信号的相位。相位移位器82的输出连接到加法器84，加法器84将加权的数据流相加以产生输出信号62和64。

控制信号60(参见图3)包括多个天线阵列权重集，其中，每一个天线权重集与每一个数据流相关。例如，控制信号60包括权集信号86和88。权重集信号86包括用于与数据流30相关的每一个增益乘法器80和相位移位器82的增益和相位权重(即，复数权重)。因此，与数据流30相关的相位移位器82的输出端产生天线信号，其提供用于数据流30的选择的天线方向图。类似地，权重集信号88包括用于与数据流32相关的每一个增益乘法器80和相位移位器82的增益和相位权重。在与数据流相关的相位移位器82的输出端产生天线信号，用于利用选择的数据流32的方向图来驱动天线阵列。

为了产生用于每一个数据流的希望的天线方向图，与数据流相关的增益乘法器80可具有不同的增益值，与数据流相关的相位移位器82可具有不同的相位移位值，从而产生一起工作来形成特定的传输方向图的天线信号。

在发射器20的一些实施例中，可以对输出信号62进行上变频、放大且连接到两个天线振子26。然而，在图3的实施例中，多路复用器66被用来响应来自控制器36的控制信号68而连接输出信号62和64到选择的天线振子26。这意味着可将控制信号62连接到天线阵列24中的任何一个天线振子26，而输出信号64被连接到余下的一个天线振子26。

根据从反馈接收器70接收到的信息以及存储在存储器72中的数据，控制器36输出控制信号34，42，48，56，60和68。示出的反馈接收器70被连接到天线74，用于从远程接收器诸如图5中示出的接收器接收反馈数据。虽然天线74被示出与天线阵列24分开，可以使用阵列24的天线振子26中的一个来接收反馈数据。

来自反馈接收器70的反馈数据可包括密码本指数(codebookindex)，其可被控制器36用来在存储器72的密码本76中查找传输参数。

还可以使用控制器36来计算或驱动附加的控制信号，或者根据反馈数据来传输参数。因此，应当理解，反馈数据可包括可根据其来进行计算的测量值，或指出将要用在发送器20中的参数的数据。

现在参见图5，图中示出了根据本发明的方法和系统的、用在多个流、多个天线收发器中的接收器。如图所示，接收器98包括天线阵列100，其具有接收射频信号104和106的天线振子102。接收到的RF信号极可能是不同的信号，因为天线振子102是空间分离的，且从发射器20的天线振子26来的接收到RF信号104和106所通过的传播路径中很可能处在不同的多路径衰减环境。

在由发射器20和接收98组成的多个流、多个天线收发器系统中，发送多个数据流以增加在发射器20和接收器98之间的数据吞吐量。发射器20能够同时发射多个数据流，接收器98能够通过利用在多个发射器20和接收器98中的多个天线之间的信道特征的差异来使多个流分开。因此，在发射器20中的用户数据22被接收器98接收到，且被输出作为估计的用户数据108。

将接收到的RF信号104和106输入到射频接收器前端110，其中射频信号被进行下变频和数字化。射频接收器前端110的输出是复数基带数字采样值的流，其表示接收到的RF信号104和106。

射频接收器前端110的输出被输入到接收器信号处理器112，该处理器的作用是分离在接收器98中的数据流30和32(参见图3)。在本发明的一个实施例中，通过将输入信号乘以U矩阵的复数共轭转置，可以实现接收器信号处理器112，U矩阵的复数共轭转置是组合信号矩阵H的奇异值分解的左奇异向量。接收器信号处理器112由来自控制器113的控制信号115控制。

接收器信号处理器112输出的数据流被输入到解扩器114和116，解扩器114的和116使用与在发射器中使用的扩频码相同的扩频码52来对信号进行解扩。解扩器114和116的输出分别连接到解调器和解码器118和120的输入端。每一个解调器和解码器118和120使用适应于为发射器中的每一个数据流所选择的那些解调和纠错解码技术来解调信号，并且解码信号。因此，所使用的解调器和解码器功能的类型取决于在发射器20中使用的是什么，如来自控制器113的控制信号122所指示。解调器和解码器118和120可以是相同的功能，或者可以是不同功能。

来自解调器和解码器118和120的输出被输入到组合器124，组合器124将接收到的多个流组合成单一个流，用于输出作为估计的用户数据108。在控制器113的控制下，如被控制信号126所指示，组合器124进行工作。因为接收到的数据流可具有不同的数据速率，且因为一个数据流可具有等于0的数据速率，组合器124必须根据在图3的发射器20中由数据分路器对数据进行原始分路的方式来重构用户数据。

为了控制经发射器中的多个天线来传输多个数据流，接收器98必须测量组合的信道，并且发送反馈数据到发射器。如图所示，射频前端110的输出还被连接到组合信道估计器128，组合信道估计器128使用从发射器20中的每一个天线振子26发射的导频信号来测量多个输入天线和多个输出天线之间的组合信道。组合信道估计器128的功能，以及接收器98的数据反馈部分中的其它功能块将在下面参考图8详细地进行介绍。

由H矩阵代表的组合信道估计器128的输出被输入到V矩阵计算器和选择器130。块130的“计算功能”计算V，V是将被用于发射器20中的每一个数据流的所希望的天线阵列权重集的矩阵。根据组合信道测量值，计算所希望的天线阵列权重集。

方块130的“选择器功能”是量化功能，其选择最匹配所希望的天线阵列权重集的天线阵列权重集。通过进行量化，可以减少要求用来指示发射器20如何通过MIMO信道发射的反馈数据量。

计算器和选择器130输出的所选择的天线阵列权重集被输入到SNR计算机和功率分配器132，其中，使用所选择的天线阵列权重集，为每一个假想发射的数据流计算信噪比。根据SNR计算，方块132的功率分配功能将功率分配到每一个数据流，其中，根据waterfilling算法来分配功率以使数据吞吐量最大。一旦已将功率分配给每一个数据流，可以使用所选择的功率分配来执行最后的SNR计算。

调制器和编码器134接收来自SNR计算器和功率分配器134的信息，使用该信息来选择将要用在发射器20中的编码方案和调制方案。通常，为具有高的信噪比的数据流选择高阶调制器。

反馈发射器136从V矩阵计算器和选择器130、SNR计算器和功率分配器132、以及调制器和编码选择器134接收信息。该数据代表将被用来控制发射器20的传输模式的接收器98中的计算和选择。在优选实施例中，反馈发射器136分析数据，并且选择与发射器参数相关的密码本值，所述发射器参数最接近地匹配由输入数据代表的发射器参数。因此，反馈发射器136可包括用来产生密码本值的密码本138，所述密码本值被经天线140发送到发射器20。尽管示出的天线140与接收天线阵列100分开，天线140可以是接收天线阵列100中的一个天线振子102。反馈发射器136发射的数据由反馈接收器70在发射器20中接收。

现在参见图6，图中示出了说明根据本发明的方法和系统的、在多个流、多个天线接收器中的反馈方法的高级逻辑流程图。如图所示，该过程开始于方框300，然后进行方框302，在方框302中，测量在多个天线发射器和多个天线接收器之间的组合信道。这个测量值形成由复数信道值组成的H矩阵，该矩阵代表增益和相位，如上面参考图2所进行的介绍。组合信道测量值是通过分析接收到的天线信号r(参见图1)得出的，接收到的天线信号包括由发射器中的每一个天线发射的、接收到的导频信号。

接下来，如方框304所示，响应组合信道测量值，该流程选择与每一个数据流相关的天线阵列权重集。注意，每一个同时发送的数据流具有相关的一组权重，被用于发射器中的每一个天线阵列。使用每一个天线阵列权重集来产生用于相关的数据流的天线方向图。

在优选实施例中，通过计算组合信道H的SVD的右奇异向量来确定选择的天线阵列权重集。这个过程将参考图8完整地介绍。为了减少需要用来表式天线阵列权重集的数据量，将所希望的权重集与密码本中的权重集进行比较，并且选择具有最接近的距离的一个或多个密码本权重集。密码本指示符可代表单个天线阵列权重集，或者天线阵列权重集的组合。

注意，如果使用天线阵列权重集的预定组合，可以发送第一信息量来描述第一天线阵列权重集，且可以发送第二信息量来描述第二天线阵列权重集，其中，第二信息量可以小于第一信息量。类似地，如果限制第二天线阵列权重集以具有相对第一天线阵列权重集的预定关系，需要用来描述第二个集的信息量小于需要用来描述第一集的信息量。

一旦进行了选择，天线阵列权重集被发送到发射器，且该发射器使用该权重来产生用于每一个数据流的选择的天线方向图，如方框306所示。由于可能需要数据容量来为每一个天线、为每一个数据流表示复数权重，有利的是，使用减少从接收器发送到发生器的数据比特数目的技术。如上所述，可使用密码本来存储几个预定的天线阵列权重集。可用的天线阵列权重集的数目将确定量化过程的精度，该量化过程采用理想的一组权重集，且将它映射到可用的天线阵列权重集中的一个。注意，如果可用的天线权重集的数目太小，量化误差可能变得过大。

如上所述，减少反馈数据的另一种方式是限制发射器来发送具有选择的相互关系的天线方向图。例如，在优选实施例中，可以限制发射器中的天线方向图为相互正交。因此，通过规定第一天线方向图，根据限制的关系，可以至少部分地计算在基底(base)中的任何剩余方向图。因此，在发射两个数据流中的发射器中，如果规定了第一天线方向图，可以导出或计算用于第二数据流的天线方向图，使得第二天线方向图被限制为与第一方向图正交(或者具有低的相关性)。

V量化的详细说明

量化一个矩阵的最简单的方法是单独地量化矩阵的每一个元素。不幸的是，这种方法效率低，且为所希望的性能要求反馈比特的最大数目。V可以用两个基本方式来量化：“分组”和“递增”量化。在第一种方式中，一次量化V的所有列。在第二方式中，递增地量化V的列。

分组V量化

由于V矩阵是正交的，其具有可被用来减少反馈的数量的一些结构。对于2个天线发射器和2个天线接收器的情形，V矩阵可以写为

V = [\begin{matrix} v_{11} & v_{12} \\ v_{21} & v_{22} \end{matrix}] [\begin{matrix} \cos α & \sin α \\ e^{jθ} \cdot \sin α & - e^{jθ} \cdot \cos α \end{matrix}],

其中

α＝cos^-1(v₁₁)，

θ＝∠v₂₁。

可以使用两个实参数来表示整个V矩阵。使用这种表示，在第二列向量中存在符号多义性，必须在接收器中进行处理。幸运的是，传输维持正交，且MMSE接收器自动地处理符号多义性。将参数

α &Element; [0, \frac{π}{2}]

和β∈[0，2π]均匀地量化到所希望的水平。图5示出了用5比特(3比特用于θ，2比特用于α)的量化V，且使用MMSE接收器，在0.4dB的未量化的情形下。

总之，可以创建和索引V矩阵的密码本。可以使用诸如向量量化的技术来产生密码本，还可以产生V和密码本之间的有效映射。在2×2的情况中所使用的参数量化可以被扩展到更大V矩阵。

递增V量化

在这种方式中，反复地从天线阵列权重的密码本中取出V的列。(例如，可以使用版本99的3GPP标准的TX AA密码本或者这些密码本的扩展。)通过从增加的较小的密码本子集中选择连续的天线阵列权重集来映像V的列的相关特性。如将在下面的介绍，这种限制的搜索减少了反馈数据的量。

首先选择对应最高质量流的V的列。这种列被选择作为天线阵列集，其在接收器处产生最大功率。为这个权重集搜索整个密码本。

接下来，选择V的第二列。通过搜索具有低于所希望的相关阈值的相关性的密码本入口，可以找到天线阵列密码本的子集。可以设定相关阈值为0，以选择正交的子集。然后，从密码本的低相关子集中选择在接收器处产生最大功率的天线阵列权重集。

如果有三个数据流，从为V的第二列搜索的密码本入口子集的子集中选择V的第三列。该子集包含具有相对为第二列搜索的子集的低的相关性的天线阵列权重集。该过程继续为所有的流进行处理。

由于V的连续列是从天线阵列密码本的连续的较小子集中搜索的，可以用较少的反馈比特来表示V的连续列。在具有64个入口的4个振子的天线阵列密码本中，用于V的第一列的天线阵列权重集可以用log2(64)＝6比特来表示。通过选择适当的相关阈值，可以用4比特来表示V的权重集的第二列，用2比特表示第三列，用0比特表示第四列(只有1个天线阵列权重集是可能的，假设相关阈值限制和其它的3个天线阵列权重集的选择。)因此，可以用12比特来量化整个V矩阵。

密码本子集的大小可能不是2的整数幂(因为它们的大小由相关阈值确定)，这意味着连续计算的权重集没有被使用整数比特来有效地量化，以分开地表示每一个权重集。在这种情况下，另一个实施例可使用向量量化或者使用可变长度的码字来共同编码权重集，以减少要求用来表示整个V矩阵的比特数目。注意，这些另外的实施例仍然从天线阵列权重集的单个密码本的子集中取出天线阵列权重集，差别在于用来减少要求用于表示V矩阵的比特数目的源编码。

除了反馈选择的天线权重集之外，接收器还可反馈允许发射器选择前向纠错编码方案、调制方案、为每一个数据流的功率分配和在发射天线阵列中选择天线的反馈数据。

如方框308所示，响应组合信道测量值、选择的天线阵列权中集、和用于每一个数据流的SNR，该过程可为每一个数据流选择数据速率。在优选的实施例中，每一个数据流的SNR被用来根据计算的性能曲线、并且假设相等的功率可用于两个数据流来查找编码和调制技术的组合。这种查找将提供总的数据吞吐量。这个吞吐量值被与假设在具有最大的信噪比的数据流中使用所有功率的第二查找相比较。第二查找给出第二数据吞吐量，且根据最大的吞吐量选择在特定功率设定处的编码和调制方案。

在优选实施例中，在下面的表1中示出的密码本可被用在一个系统中，该系统从接收器发送4比特到发射器，以为每一个数据流规定调制错误编码方案，和用于每一个数据流的功率分配。注意，天线阵列权中集没有包括在表1的密码本中。

表1

配置#	调制器#1	编码#1	调制器#2	编码#2	功率1	功率2
配置#	调制器#1	编码#1	调制器#2	编码#2	功率1	功率2	1	QPSK	R＝1/2	----	R＝1/2	1	0
2	QSPK	R＝1/2	QPSK	R＝1/2	0.5	0.5	1	QPSK	R＝1/2	----	R＝1/2	1	0
2	QSPK	R＝1/2	QPSK	R＝1/2	0.5	0.5	3	16QAM	R＝1/2	----	R＝1/2	1	0
4	16QAM	R＝1/2	QPSK	R＝1/2	0.5	0.5	3	16QAM	R＝1/2	----	R＝1/2	1	0
4	16QAM	R＝1/2	QPSK	R＝1/2	0.5	0.5	5	16QAM	R＝1/2	16QAM	R＝1/2	0.5	0.5
6	64QAM	R＝1/2	----	R＝1/2	1	0	5	16QAM	R＝1/2	16QAM	R＝1/2	0.5	0.5
6	64QAM	R＝1/2	----	R＝1/2	1	0	7	64QAM	R＝1/2	QPSK	R＝1/2	0.5	0.5
8	64QAM	R＝1/2	16QAM	R＝1/2	0.5	0.5	7	64QAM	R＝1/2	QPSK	R＝1/2	0.5	0.5
8	64QAM	R＝1/2	16QAM	R＝1/2	0.5	0.5	9	64QAM	R＝1/2	64QAM	R＝1/2	0.5	0.5
10	256QAM	R＝1/2	----	R＝1/2	1	0	9	64QAM	R＝1/2	64QAM	R＝1/2	0.5	0.5
10	256QAM	R＝1/2	----	R＝1/2	1	0	11	256QAM	R＝1/2	QPSK	R＝1/2	0.5	0.5
12	256QAM	R＝1/2	16QAM	R＝1/2	0.5	0.5	11	256QAM	R＝1/2	QPSK	R＝1/2	0.5	0.5
12	256QAM	R＝1/2	16QAM	R＝1/2	0.5	0.5	13	256QAM	R＝1/2	64QAM	R＝1/2	0.5	0.5
14	256QAM	R＝1/2	256QAM	R＝1/2	0.5	0.5	13	256QAM	R＝1/2	64QAM	R＝1/2	0.5	0.5

在选择数据速率之后，该过程发送选择的数据速率到发射器，使得发射器可以为每一个数据流选择数据编码和调制方案，如方框310所示。在本发明的优选实施例中，接收器计算数据速率、编码方案、调制方案、和用于每一个数据流的功率水平，且发送指出这些选择的数据到发射器。在另一个实施例中，接收器可发送测量值或者根据测量值的数据到发射器，使得发射器可选择数据速率、编码方案、调制方案、和用于每一个数据流的功率分配。

一旦将反馈数据从接收器发送到发射器，该过程结束，如在方框312所示。尽管在方框312中示出了接收器反馈过程的结束，该过程可迭代地在接收器中继续，用新的组合信道测量值在方框302再次开始。

现在参见图7，图示出了说明根据本发明的方法和系统的、用在多个流、多个天线发射器中的反馈方法的流程图。如图所示，该过程开始于方框400，之后传送到方框402，在方框402中，该过程在天线阵列的每一个天线上发送导频信号。每一个导频信号相互不同。例如，可以使用不同的扩频码，或者可以相对其它的阵列天线及时地移位相同的扩频码。这些导频信号为组合信道测量值提供参考信号。

接下来，如方框404所示，用根据每一个数据流的一个集，该过程接收选择的阵列权重集的指示。选择的阵列权重集的所述指示是可以使用发射器中的每一个数据流的一个集来描述每一个天线的天线信号的增益和相位集。在优选实施例中，可以通过使用从接收器接收到的密码本值来规定用于每一个数据流的选择的阵列权重集，其中，使用密码本值来查找预选定的阵列权重集。

类似地，如方框406所示，该过程接收指出每一个数据流的数据速率的数据。通过指出每一个流的数据速率，反馈数据还可以指出编码方案和调制方案。数据速率和编码及调制方案之间的关系的存在是因为不同的编码和调制方案具有不同的容量。因此，数据速率的选择可以强迫选择特定的编码和调制方案。

接下来，如方框408所示，该过程接收每一个数据流的功率分配的指示。注意，密码本值可以被用作“指示符”，指出每一个数据流的数据速率和功率分配。如上所述，可以使用单个密码本值来规定编码方案、调制方案、和功率分配。在一些实施例中，单独规定数据速率可规定编码器、调制器和功率分配。例如，如果选择的数据速率是0，则没有功率被分配，且编码和调制方案不相关。

在接收反馈数据之后，该过程选择用于每一个数据流的功率设定、编码及调制方案，如方框410所示。在这个步骤中，可根据接收到的密码本值来选择这些参数。在另一个实施例中，可计算这些参数中的一些或者从接收到的密码本中导出。例如，如果指出是第一数据流的天线方向图，在发射器中的过程可导出或者计算用于第二数据流的天线方向图。这可以在当(例如)第二个流被限制为与第一个流正交时进行。

一旦如方框410所示选择了发射参数，该过程根据为每一个数据流所选择的编码和调制方案所支持的选定的数据速率来将输入数据分成数据流，如方框412所示。该过程是在图3的数据分路功能28中实现的。作为一个例子，如果数据流1以数据流2的述率的两倍工作，则将2个码元发送到数据流1，将单个码元发送到数据流2。类似地，如果一个数据流具有分配的0功率，将所有的数据码元发送到具有一些分配的功率的剩余的数据流。

接下来，如方框414所示，该过程对每一个数据流进行编码。可以使用块编码器、卷积编码器、TURBO编码器等等来实现编码的过程。

在编码之后，如方框416所示，调制每一个数据流。可以使用BPSK调制器、QPSK调制器、M-PSK调制器、M-QUAM调制器(其中，M是星座点的数目)等来实现这种调制。

在调制步骤之后，该过程根据各自选择的阵列权重集来修改每一个调制的数据流的增益和相位，以产生每一个阵列天线的数据流天线信号，如方框418所示。数据流天线信号的例子是在图4的相位移位器82中的输出。在这个步骤中产生的数据流天线信号的数目等于数据流的数目乘以在天线阵列中的天线振子的数目。

在产生用于每一个阵列天线的数据流信号之后，将与相同的阵列天线相关的数据流天线信号相加以产生天线信号，如方框420所示。天线信号的例子是图4的加法器84的输出。这些天线信号是来自每一个数据流的、已经被根据选择的阵列加权集加权的增益和相位的信号的组合。根据在发射器中使用的V矩阵来详细地介绍信号的这种复数组合，这在上面参考图1进行了介绍。

最后，如方框420所示，发送每一个天线的天线信号。发送的步骤进一步包括需要用于射频传输的处理、上变频和放大。

如方框424所示，反馈方法结束。虽然示出的该过程结束，该过程可以在发射器中迭代地重复，以响应改变信道条件来更新每一个数据流的每一个天线方向图。

现在参见图8，图中示出了说明估计组合信道且选择阵列权重集的过程的更加详细的逻辑流程图，其在图6中以更高级别示出。如图所示，该流程开始于方框500，然后进行到方框502，在方框502中，该过程使用接收到的导频信号来估计信道矩阵H，导频信号被从每一个发射器天线发射。导频可以是正交的或者不正交，但是选择它们以在接收器中区别开来。

接下来，该过程计算矩阵H的奇异值分解来找到矩阵V，其中

H = US {\hat{V}}^{T},

如方框504所示。用这个V矩阵进行的发射允许为MIMO以几乎是香农容量的MIMO操作。

之后，该过程选择量化V矩阵的指数，如方框506所示。可以用密码本查找、或者上面介绍的其它方法来执行这种量化。注意，量化的V矩阵表示选择的天线阵列权重集。可以组的方式或者分开地量化天线阵列权重。

在量化之后，该过程使用量化的V矩阵、假设相等的功率流，根据发射器估计来估计每一个数据流的信噪比(SNR)，如方框508所示。

接下来，如方框510所示，该过程利用waterfilling算法，使用估计的SNR来确定每一个数据流的功率分配。对waterfilling的替换是对所有量化的可能性的强制搜索(brute-force search)。在优选的实施例中，可以将该参数量化为低的比特数目。例如，用于功率分配的合理选择可以是一比特指示符，用于两个流“on”，或者仅仅用于一个流的“on”，另一个“off”。

根据用于每一个流的功率分配和用于每一个流的估计的SNR，该过程接下来选择编码方法和调制方法，如方框512所示。这可以使用将每一个SNR范围映射到调制器-编码器组合的查找来实现。总之，编码和调制适于根据信道质量的每一个数据流。例如，如果高的SNR指出高的信道质量，调制器可被设定为16-QAM；否则，可以选择QPSK调制。

最后，如方框514所示，该过程发送量化的V矩阵的指示符、每一个流的功率分配、和编码以及调制方法到发射器。在优选的实施例中，该过程使用密码本来指出量化的天线阵列权重集和其它的调制参数。

如图所示，该过程结束于方框516。

再次参见图3，发射器20使用的天线数目等于来自天线阵列信号处理器58的输出数目。如图3所示，天线阵列信号处理器58具有两个输出，输出信号62和64。

如前面所述，可从天线发送输出信号62和64，或者多路复用器66可以被用来选择两个天线来从“可用天线”的较大数目(诸如在天线阵列24中示出的4个天线振子26)中形成天线阵列。因此，在本发明的一些实施例中，存在一组可用的天线振子，从这些天线振子中可以选“可用的天线振子”的子集来形成“天线阵列”，其中，天线阵列包括实际上被用来发送多个数据流的天线振子。

虽然在图3中的实施例示出了多路复用器66用于选择天线，另一个实施例可以通过将信号乘以0，或者根据矩阵的元素乘以非零值来使用V矩阵来选择天线。

为了从可用天线振子集中选择天线振子，接收器98测量组合信道，组合信道包括在所有可用天线振子的所有成对选择以及在接收器的所有天线振子之间的所有信道。因此，在图3和5中，在具有4个可用天线的发射器20和具有2个接收天线的接收器98之间，组合信道测量值形成4行2列的组合信道矩阵H。

在发射器，有6种方式来从4个可用天线的集中选择2个天线。天线阵列是用带来最大的容量的组合信道的成对来形成的。可以用下面的式子来表示选择s过程：

\max \det (I + \frac{1}{2 σ^{2}} H_{i}^{'} H_{i}) - - - (10)

式中(没有使用waterfilling)，一般功率被分配给每一个数据流，σ²是噪声协方差，I是2×2单位阵，且

H_{1} = [\begin{matrix} h_{11} & h_{12} \\ h_{21} & h_{22} \end{matrix}],

H_{2} = [\begin{matrix} h_{11} & h_{13} \\ h_{21} & h_{23} \end{matrix}],

H_{3} = [\begin{matrix} h_{11} & h_{14} \\ h_{21} & h_{24} \end{matrix}],

H_{4} = [\begin{matrix} h_{12} & h_{13} \\ h_{22} & h_{23} \end{matrix}],

H_{2} = [\begin{matrix} h_{12} & h_{14} \\ h_{22} & h_{24} \end{matrix}],

H_{3} = [\begin{matrix} h_{13} & h_{14} \\ h_{23} & h_{24} \end{matrix}]

为了选择6对中的一对，要求三个反馈比特。为了减少反馈数据更少，可以使用2比特来选择4对中的一对。

接下来，接收器考虑发射和接收天线的所有的2×2组合，其中，有六种可能的2个发射天线和2个接收天线的组合。对于6种组合中的每一种，计算集合数据速率，其中集合数据速率是将数据流1的数据速率加上数据流2的数据速率所提供的数据速率总和。通过将集合数据速率分级，可以选择支持最高数据速率的天线组合。

发射器20的另一个可选实施例中，天线阵列信号处理器58可以使用能产生四个输出来驱动天线阵列中四个天线的V矩阵。但是，用以支持用于四个输出V矩阵的天线阵列权重的反馈数据总量开始消耗掉用于反馈数据的链路的无法接受的比例。因此，使用两个输出的V矩阵来驱动从可用的四个天线组中选出的两个天线。选出的这两个天线支持发射器20和接收器98之中的最高集合数据速率。在从可用天线振子的较大集合中选出天线振子的发射器中，已经在降低上行反馈数据和降低下行链路性能之间进行了折衷。

从上述介绍中应当认识到，本发明使用多输入多输出射频信道，使得在发射器和接收器之间增加数据速率成为可能。所公开的反馈方法是控制MIMO收发器的可行的解决方案。

使用MIMO射频信道的优点包括不需要使用附加的通信资源如扩频码、功率和带宽，并且不需要采用高阶调制器来加倍有效的数据吞吐量的能力。换言之，采用相同的通信资源，使用相同的调制器，可通过有效地控制MIMO射频信道来加倍吞吐量。对信道的这种有效控制包括以可以将多个数据流在接收器处相互分离开来的方式来发送它们。这种MIMO信道控制采用通过测量发射器和接收器之间的组合信道而获得的信道的特定知识。而且，MIMO信道的适当控制允许使用线性接收器，而不是更加复杂的或者昂贵的非线性接收器。通过沿着信道特征值发送信道向量x(即，发送z＝Vx而不是x)，可以不需要使用非线性检测器来完整地分开两个流。因此，使用对MIMO信道的适当控制，非线性接收器相对线性接收器不具有实质性的优点。

图9示出了比较量化的MIMO反馈和未量化的、理想的MIMO反馈的仿真结果。由于量化，存在微小的降低。

图10示出了上面介绍的MIMO收发系统的仿真结果。用于该仿真的密码本可以在表1中找到。用5个反馈比特来选择V矩阵，用4个反馈比特来选择编码、调制和功率分配。仿真结果表明带有9比特的反馈的MIMO系统性能优于理论MIMO香农边界约束4dB。注意，如果不太常用到调制器、编码器、和功率分配的一些组合，可以将它们去除，只有较小的性能损失，这可进一步减少需要的反馈比特。

为了达到说明和描述的目的，已经在上面提供了本发明优选实施例的说明。但是不希望穷尽或者限制本发明为所公开的形式。根据上面的教导，可能进行各种修改或变化。实施例被选择和介绍来提供对本发明的原理及其实际应用的最好理解，且允许本领域普通技术人员可利用在各个实施例中的发明，和使用各种修改来作为适于所希望的特定应用。当根据它们被公平地、合法地且合理地授权的范围来解释时，所有这些修改和变化落在由权利要求书所限定的本发明的范围内。

Claims

1.一种在多个流、多个天线接收器中的反馈方法，该方法包括步骤：

测量多个天线发射器和多个天线接收器之间的组合信道，以产生组合信道测量值；

响应所述组合信道测量值，选择多个天线权重集，用于所述多个天线发射器中，其中每一个天线阵列权重集与多个数据流中的一个相关；和

发送描述多个天线阵列权重集的信息，用于所述多个天线发射器中。

2.根据权利要求1的所述反馈方法，其中选择多个天线阵列权重集的步骤进一步包括：选择具有比在所述多个天线发射器的天线阵列中的多个天线振子的倒数小的互相关的多个天线阵列权重集。

3.根据权利要求1的所述反馈方法，进一步包括步骤：

响应所述组合信道测量值，选择用于每一个数据流的数据速率；和

发送描述所述数据速率选择的信息，用于所述多个天线发射器。

4.根据权利要求1的所述反馈方法，进一步包括步骤：

发送用来描述用在所述多个天线发射器中使用的每一个数据流的质量的信息。

5.根据权利要求1的所述反馈方法，其中，选择所述多个天线阵列权重集的步骤进一步包括步骤：

从具有多个预选择的天线阵列权重集的密码本中选择出第一天线阵列权重集；和

从所述密码本的子集中选择第二天线阵列权重集。

6.根据权利要求1的所述反馈方法，进一步包括步骤：

测量多个天线发射器和多个天线接收器之间的组合信道，以产生组合信道测量值，其中从在多个天线发射器处的M个可用天线接收导频信号；

响应所述组合信道测量值，从M个可用天线中选择将要用在所述发射器的N个天线，其中，将使用选择的N个天线来形成在所述多个天线发射器中的天线阵列。

7.一种在多个流、多个天线发射器中的反馈方法，该方法包括步骤：

将用户数据分路以产生多个数据流；

从天线阵列的每一个天线发送导频信号；

接收用于所述多个数据流的每一个的选择天线阵列权重集的指示，其中，每一个天线阵列权重集包括与所述天线阵列的每一个天线相关的权重；

使用所述选择的天线阵列权重集，对每一个数据流进行加权以为所述天线阵列中的每一个天线产生天线信号；和

发送所述天线信号，其中，所述多个数据流被发送。

8.根据权利要求7的所述反馈方法，进一步包括步骤：

对多个数据流的每一个进行编码和调制，以产生调制的数据流；和

使用所述选择的天线阵列权重集，对每一个调制的数据流进行加权以为所述天线阵列中的每一个天线产生天线信号。

9.根据权利要求7的所述反馈方法，进一步包括步骤：

接收用于每一个数据流的选择的数据速率的指示；

正比于用于每一个数据流的所述选择的数据速率，对数据进行分路；和

使用用于每一个数据流的所述选择的数据速率，发送多个数据流。

10.根据权利要求9的所述反馈方法，进一步包括步骤：

响应所述选择的数据速率，为每一个数据流选择编码和调制方案；和

使用用于每一个数据流的编码和调制方案，发送多个数据流。