專利名稱：使用多個天線和自適應(yīng)控制最大化通信參數(shù)的方法和無線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
此項發(fā)明一般與使用帶有多個天線的發(fā)送和接收單元使發(fā)送適應(yīng)信道狀態(tài)并最大化通信參數(shù)的無線通信系統(tǒng)和方法有關(guān)。
背景技術(shù)：
服務(wù)固定和移動無線用戶的無線通信系統(tǒng)正快速得到普及。開發(fā)了許多系統(tǒng)布局和通信協(xié)議以在這樣的無線通信系統(tǒng)中提供覆蓋范圍。
在發(fā)送和接收設(shè)備間的無線通信信道本質(zhì)上是可變的，并從而有了它們性能的波動。因此，它們的性能參數(shù)也是時刻變化的。在優(yōu)良的條件下，無線信道呈現(xiàn)優(yōu)良的通信參數(shù)，例如高信噪比、大數(shù)據(jù)容量和/或吞吐量。在這些時候大量數(shù)據(jù)可通過信道可靠地發(fā)送。然而，由于信道時刻改變，所以通信參數(shù)也會改變。在改變的條件下，先前的數(shù)據(jù)率、編碼技術(shù)和數(shù)據(jù)格式會不再可行。例如，當(dāng)信道性能下降了，發(fā)送的數(shù)據(jù)會經(jīng)受過多的訛誤而產(chǎn)生無法接受的通信參數(shù)。比如，發(fā)送數(shù)據(jù)會顯示過多的誤碼率或數(shù)據(jù)包錯誤率。信道的惡化是由于多種因素引起的，比如在信道中的總噪聲、多路徑衰落、視線路徑損失、過多的同信道干擾(CCI)和其他因素。
通過減少CCI，可以改進載波—干擾(C/I)比并使頻譜效率增加。特別地，改進的C/I比產(chǎn)生更高的每鏈路比特率、允許更主動的頻率復(fù)用結(jié)構(gòu)以及增加系統(tǒng)的覆蓋范圍。
在通信技術(shù)中也已知裝備有天線陣列而不是單個天線的發(fā)送單元和接收單元能改進接收器性能。天線陣列既能減少期望信號的多路徑衰落又能抑制干擾信號或CCI。這樣的陣列能因此增加無線系統(tǒng)的范圍和容量。這對于無線蜂窩電話和其他移動系統(tǒng)是正確的，對于固定無線接入(FWA)系統(tǒng)也是正確的。
在移動系統(tǒng)中，多種因素導(dǎo)致信號惡化和訛誤。這些包括來自在特定單元內(nèi)或在其附近的其他蜂窩用戶的干擾。信號惡化的另一個來源是多路徑衰落，其中信號接收幅度和相位在時間上是改變的。對于以每小時60英里行進的移動用戶在大約1.9GHz的PCS頻率衰落速率可以達到200Hz之多。在這樣的環(huán)境中，問題是從接收的噪聲、CCI和在陣列的天線上相加的期望信號部分的集合中清楚地提取所跟蹤的用戶信號。
在FWA系統(tǒng)中，比如接收器保持固定的地方，信號衰落速率比在移動系統(tǒng)中小。在這種情況下，信道相干時間或信號估算保持穩(wěn)定的時間更長了，這是由于接收器是不動的。盡管如此，在FWA系統(tǒng)中經(jīng)過一定時間上也會失去信道相干性。
天線陣列系統(tǒng)設(shè)計者增加總接收信號功率，這使得期望信號的提取更容易。例如在1997年11月IEEE信號處理雜志第49-83頁Theodore S.Rappaport的《智能天線、自適應(yīng)陣列、算法和無線定位》的手冊和Paulraj、A.J以及其他人的《無線通信的空間-時間處理》中詳細(xì)描述使用自適應(yīng)天線陣列的信號恢復(fù)技術(shù)。
原有技術(shù)的無線系統(tǒng)使用了利用從接收器的反饋的發(fā)送信號的自適應(yīng)調(diào)制，也使用了自適應(yīng)編碼和接收器反饋使數(shù)據(jù)發(fā)送適應(yīng)變化的信道條件。然而，只用自適應(yīng)調(diào)制和/或編碼使具有多個發(fā)送和接收天線的信道容量有效最大化是不可能的。
在美國專利號Barratt以及其他人的5592490、Ottersten以及其他人的5828658和Roy III的5642353中講述了關(guān)于在發(fā)送器處使用多個天線的頻譜有效的高容量無線通信系統(tǒng)；這里就是用于空分多址(SDMA)的收發(fā)信機基站(BTS)。在這些系統(tǒng)中，用戶或接收單元不得不在空間上被足夠的分離并且BTS使用它的發(fā)送天線形成直接針對每個接收單元的波束。為了正確地形成波束發(fā)送器在發(fā)送之前需要了解信道狀態(tài)信息比如“空間標(biāo)識”。在這種情況下空間多路技術(shù)就意味著數(shù)據(jù)流被同時發(fā)送到空間上足夠分離的的多個用戶。
由Barratt以及其他人、Ottersten以及其他人和Roy III講述的波束形成方法的缺點就是用戶不得不在空間上有效地分離并且要已知它們的空間標(biāo)識。信道信息也得提前可供發(fā)送單元使用且不能有效地考慮變化的信道條件。最后，形成的波束只發(fā)送一個數(shù)據(jù)流到每個用戶，這樣不能好好利用這段時間，這時特定的信道能顯出很好的通信參數(shù)并有更高的數(shù)據(jù)容量以發(fā)送更多的數(shù)據(jù)或有更好的信噪比使得數(shù)據(jù)能以較不穩(wěn)健的格式傳輸。
Paneth以及其他人的美國專利號5687194描述了使用多個天線作為分集的時分多址(TDMA)通信系統(tǒng)。所提出的這個系統(tǒng)使用了自適應(yīng)發(fā)送功率和調(diào)制的概念。根據(jù)反饋到發(fā)送器的信號特性指示符選擇功率和調(diào)制的電平。
與Paneth以及其他人設(shè)計同樣問題，Avidor以及其他人的美國專利號5914946講述了用自適應(yīng)天線波束的系統(tǒng)。隨著信道變化動態(tài)地調(diào)節(jié)波束。特別地，為了最大化信號特性并減少系統(tǒng)干擾按照接收信號指示符的函數(shù)調(diào)節(jié)波束。
最后兩個專利確實有助于自適應(yīng)改變多個天線系統(tǒng)以優(yōu)化變化信道條件中的性能。然而，更進一步的改進是可取的。特別地，期望開發(fā)一個系統(tǒng)，其中發(fā)送單元和接收單元都很好地利用多個天線，來不僅自適應(yīng)地改變調(diào)制和/或編碼而且都在同時使用適合的分集方案，空間多路復(fù)用階數(shù)。這些自適應(yīng)的變化將會幫助在信道變化時保持信道通信參數(shù)最大化。此外，在這項技術(shù)中成為一項發(fā)展的是開發(fā)了一個通信系統(tǒng)，它在發(fā)送和接收單元利用多個天線以適應(yīng)變化的信道條件并最大化一些期望的通信參數(shù)中的任何一個，比如數(shù)據(jù)容量、信噪比和吞吐量。這將會允許系統(tǒng)不斷適應(yīng)于通過信道發(fā)送的數(shù)據(jù)種類。
發(fā)明目的和優(yōu)點因此，此項發(fā)明的主要目的就是提供一種方法最大化在都使用多個天線的無線發(fā)送和接收單元之間信道中的通信參數(shù)。特別地，該方法應(yīng)該允許在信道改變時不斷地優(yōu)化數(shù)據(jù)容量、信噪比、信號特性、吞吐量和其他的期望參數(shù)。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種方法，它充分利用在發(fā)送和接收單元處的多個天線使用從接收信號導(dǎo)出的特性參數(shù)優(yōu)化信道的通信參數(shù)。
本發(fā)明還有一個目的就是在使用多址技術(shù)比如TDMA、FDMA、CDMA、OFDMA的任意組合的任何無線通信系統(tǒng)中提供以上所示的方法。
本發(fā)明也有一個目的就是提供利用自適應(yīng)編碼、空間多路技術(shù)和天線分集以在變化信道條件下不斷最大化期望通信參數(shù)的無線通信系統(tǒng)。
以下會指出以上目的和優(yōu)點以及發(fā)明的方法和設(shè)備實現(xiàn)的許多其他改進。
發(fā)明概述通過最大化在有M個發(fā)送天線的發(fā)送單元和有N個接收天線的接收單元之間的信道的通信參數(shù)如數(shù)據(jù)容量、信號特性或吞吐量的方法達到發(fā)明的目的和優(yōu)點。首先處理數(shù)據(jù)以產(chǎn)生并行的空間多路復(fù)用流SMi，其中i＝1...k。然后空間多路復(fù)用流SMi被轉(zhuǎn)換為或被映射為發(fā)送信號TSp，其中p＝1...M，分配它們以從M個發(fā)送天線發(fā)送。
發(fā)送信號通過信道發(fā)送并通過接收器的N個接收天線以接收信號RSj的形式接收，其中j＝1...N。接收信號RSj被用于估算特性參數(shù)。特性參數(shù)被用于自適應(yīng)調(diào)節(jié)k以最大化信道的通信參數(shù)。
在較佳實施例中，每個空間多路復(fù)用流SMi通過編碼處理產(chǎn)生碼流CSh，其中h＝1...k’。在發(fā)送器中使用特性參數(shù)調(diào)節(jié)編碼，例如通過改變由編碼單元使用的k’。編碼單元可以是空間-時間編碼器、空間-頻率編碼器和自適應(yīng)調(diào)制速率編碼器或其他適合的編碼裝置?？臻g-時間和空間-頻率編碼器可以使用不同的編碼和調(diào)制速率。
在接收器處接收處理接收信號RSj重新產(chǎn)生空間多路復(fù)用流SMi。從接收處理流SMi可以得到特性參數(shù)。這可以通過檢查流SMi的統(tǒng)計單元完成。在這種情況下，特性參數(shù)可以是信號-干擾比、信噪比、功率電平、電平交叉速率、在預(yù)定閾值和接收閾值的信號電平交叉持續(xù)時間。此外可選擇地，特性參數(shù)可以通過重構(gòu)數(shù)據(jù)得到。在這種情況下特性參數(shù)可以是誤碼率(BER)或數(shù)據(jù)包錯誤率。
在發(fā)送器的映射步驟較佳地還包括有發(fā)送處理塊實現(xiàn)的發(fā)送處理步驟。然后特性參數(shù)較佳地被用于調(diào)節(jié)發(fā)送處理塊的處理。
雖然通常在接收器估算特性參數(shù)并以任何適合的方法反饋或發(fā)送到發(fā)送器，例如在象用于時分雙工(TDD)系統(tǒng)中的互易信道上，但是要通過發(fā)送器進行接收信號的分析以得到特性參數(shù)。這是有利的，例如當(dāng)接收器沒有足夠的計算資源來導(dǎo)出特性參數(shù)。
可以通過使用任何適合的編碼技術(shù)在發(fā)送器進行處理數(shù)據(jù)的步驟。例如，可以使用空間-時間編碼或空間-頻率編碼。同時，根據(jù)至少一項多址技術(shù)比如TDMA、FDMA、CDMA、OFDMA格式化發(fā)送信號TSp。
在包括便攜式和固定設(shè)備的任何發(fā)送和接收單元之間使用發(fā)明的方法。在一個實施例中，在無線網(wǎng)絡(luò)中比如蜂窩通信系統(tǒng)使用這個方法。在這種情況下可以使用這個方法改善在向下鏈路和向上鏈路通信中的通信參數(shù)。
在已有的有多個接收和發(fā)送天線的系統(tǒng)中可使用本發(fā)明的方法。這個方法也允許同時使用其它方法。特別地，與干擾對消技術(shù)一起使用發(fā)明的技術(shù)是有利的。
使用本發(fā)明方法的通信系統(tǒng)達到了在其發(fā)送和接收單元之間的通信參數(shù)的自適應(yīng)最大化。發(fā)送單元具有處理數(shù)據(jù)以產(chǎn)生并行空間多路復(fù)用流SMi的處理設(shè)備和把流SMi轉(zhuǎn)換成發(fā)送信號TSp并把它們映射到M個發(fā)送天線的天線映射設(shè)備。通信系統(tǒng)裝備有估算接收信號RSj特性參數(shù)的單元。此外，通信系統(tǒng)有根據(jù)特性參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)k以最大化通信參數(shù)的設(shè)備。這個設(shè)備可被置于發(fā)送單元里。
估算特性參數(shù)的單元是統(tǒng)計單元并且較佳地被置于接收單元。當(dāng)然，統(tǒng)計單元可以置于發(fā)送單元，因為當(dāng)接收單元沒有足夠的資源或功率支持統(tǒng)計單元時這樣是有利的。
通信系統(tǒng)還具有處理流SMi以產(chǎn)生編碼流CSh(h＝1...k’)的編碼單元。然后用于調(diào)節(jié)k的設(shè)備也具有調(diào)節(jié)k’的機制。編碼單元可以是空間-時間編碼器、空間-頻率編碼器或自適應(yīng)調(diào)制和編碼率的編碼器。較佳地，編碼和發(fā)送處理參數(shù)的數(shù)據(jù)庫被連接于編碼單元和天線映射設(shè)備。
自適應(yīng)控制器被連接到處理設(shè)備、編碼單元和天線映射設(shè)備。自適應(yīng)控制器根據(jù)特性參數(shù)調(diào)節(jié)這些設(shè)備?？蛇x擇地，自適應(yīng)控制器就被連接到處理設(shè)備和天線映射設(shè)備并根據(jù)特性參數(shù)調(diào)節(jié)它們。
通信系統(tǒng)可以使用任何一個或更多可用的多址技術(shù)比如TDMA、FDMA、CDMA、OFDMA。這可以在無線系統(tǒng)中例如蜂窩通信系統(tǒng)完成。
以下參考所附圖提出發(fā)明和較佳及可選實施例的詳細(xì)描述。
附圖簡述

圖1是說明應(yīng)用本發(fā)明之方法的通信系統(tǒng)的簡圖。
圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的發(fā)送和接收單元的方框簡圖。
圖3是依照本發(fā)明的示例發(fā)送單元的框圖。
圖4是依照本發(fā)明的示例接收單元的框圖。
圖5A是說明導(dǎo)出特性參數(shù)的統(tǒng)計單元操作的框圖。
圖5B是說明的從重構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)出特性參數(shù)的另一種數(shù)據(jù)分析塊操作的框圖。
圖6是依照本發(fā)明的發(fā)送單元的另一個實施例的部分框圖。
圖7是從圖6發(fā)送單元接收接收信號的接收單元的部分框圖。
圖8說明依照本發(fā)明的S-T碼選擇的性能曲線圖。
詳細(xì)描述在首先考慮圖1和圖2的高層次圖以后就會更好地理解發(fā)明的方法和無線系統(tǒng)。圖1說明了無線通信系統(tǒng)10例如蜂窩無線系統(tǒng)的一部分。為了解釋的目的，將考慮下行通信，其中發(fā)送單元12是基站(BTS)而接收單元14是移動或固定無線用戶設(shè)備。示例用戶設(shè)備包括移動接收單元14A、14B、14C，它們是移動電話和汽車電話，以及固定接收單元14D，它可以是用在住所或任何其他固定無線單元的無線調(diào)制解調(diào)器單元。當(dāng)然，在從無線單元14到BTS12的上行通信可以使用同樣的方法。
BTS12有包括多個發(fā)送天線18A、18B、...、18M的天線陣列16。接收單元14裝備有N個接收天線的天線陣列20(詳細(xì)情況參見圖2、4)。BTS12通過信道22A和22B把發(fā)送信號TS發(fā)送到所有接收單元14。為了簡便，只指出BTS12和接收單元14A、14B之間的信道20A、20B，雖然BTS12把TS信號發(fā)送到所有顯示的單元。在這個特別情況下，接收單元14A、14B都被置于一個單元24內(nèi)。然而，就本技術(shù)中已知的，在合適的信道條件下BTS12可以把TS信號發(fā)送到單元24以外的單元。
信道22A、22B的時間變化使得發(fā)送的TS信號經(jīng)歷衰減、干擾、多路徑衰落和其他有害影響的波動電平。因此，信道22A、22B的特性參數(shù)比如數(shù)據(jù)容量、信號特性或吞吐量遭受暫時的變化。這樣，信道22A、22B不能一直支持高數(shù)據(jù)率信號RS或沒有用穩(wěn)健的編碼算法格式化過的信號的有效傳播。在BTS12的天線陣列16可用于空間多路復(fù)用技術(shù)、發(fā)送分集、波束形成以減少干擾、增加陣列增益并達到其他有利的效果。在接收單元14的天線陣列20被用于空間多路復(fù)用、干擾對除、接收分集、增加的陣列增益和其他有利作用。所有這些方法改進信道22A、22B的容量。本發(fā)明的方法發(fā)現(xiàn)了隨著信道22A、22B的變化條件自適應(yīng)選擇的這些技術(shù)的最佳組合。換句話說，本發(fā)明的方法實現(xiàn)了發(fā)送天線陣列16到天線陣列20上的空間多路復(fù)用的階數(shù)、分集的階數(shù)以及編碼和比特加載率的自適應(yīng)最佳選擇。
特別地，發(fā)明的方法通過根據(jù)特性參數(shù)自適應(yīng)最大化一個或更多通信參數(shù)解決了這些變化的信道條件。圖2說明使用這個方法必需的發(fā)送單元12和一個接收單元145的基本塊。發(fā)送單元12有連接到數(shù)據(jù)處理塊28的用于接收要格式化、編碼并被映射到天線18A、18B、...、18M以從那里發(fā)送的數(shù)據(jù)的控制單元26。上變頻和RF放大塊30把發(fā)送信號TS送到天線18A、18B、...、18M。
在連路的另一邊，接收單元14在它的陣列20中有N個天線34A、34B、...、34N以接收信號RS。RF放大和向下變頻塊36處理RS信號并把它們發(fā)送到數(shù)據(jù)處理塊38。信號統(tǒng)計單元40估算RS信號的特性參數(shù)和/或恢復(fù)數(shù)據(jù)并把特性參數(shù)反饋到發(fā)送器12的控制單元26。以虛線42表示反饋。使用這個特性參數(shù)，單元26控制數(shù)據(jù)處理28以確保適當(dāng)?shù)目臻g多路復(fù)用、分集處理、編碼和數(shù)據(jù)30的映射以不斷最大化選擇的通信參數(shù)。
實現(xiàn)發(fā)明方法的發(fā)送單元50的較佳實施例細(xì)節(jié)在圖3中所示。被發(fā)送的數(shù)據(jù)52被送到數(shù)據(jù)處理塊54，在那里它首先通過交織器和預(yù)編碼器56。就本技術(shù)中已知的，交織器和預(yù)編碼器56交織并預(yù)編碼數(shù)據(jù)流52并把經(jīng)交織和預(yù)編碼的串發(fā)送到串并轉(zhuǎn)換器58。轉(zhuǎn)換器58從單個數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生k個空間多路復(fù)用流SMi，其中i＝1...k并且k是可變的，也就是流SMi的數(shù)量是可變的，符合1≤k≤N且k≤M的條件。換句話說，流SMi的最大數(shù)量k受發(fā)送天線TA1、TA2、...、TAM的數(shù)量M和接收天線RA1、RA2、...、RAN的數(shù)量N(見圖4)的較小值限制。
k的值受自適應(yīng)控制器60控制，它是控制單元62的一部分并連接到串并轉(zhuǎn)換器58。如下所述，可以局部地通過自適應(yīng)控制器60確定流SMi的數(shù)量k或它可從接收器進行通信得知。在大多數(shù)系統(tǒng)中，這個決定依賴于來自指示特性參數(shù)或從其中自適應(yīng)控制器60可以導(dǎo)出特性參數(shù)的信息的接收器的反饋64。在其他系統(tǒng)中，例如時分雙工(TDD)系統(tǒng)，其中信道是互易的，額外的反饋就沒有必要了。在那種情況下就從發(fā)送單元自己的接收單元得到反饋，如虛線中所表示的。
k個流SMi的每一個通過S-T編碼單元66相應(yīng)的空間-時間編碼器65(S-T編碼器)。每個S-T編碼器產(chǎn)生k’個編碼流CSh，其中h＝1...k’。根據(jù)自適應(yīng)控制器60選擇流SMi的數(shù)量，數(shù)量k’最少為1，最多為M。事實上，自適應(yīng)控制器60也連接于S-T編碼單元66也控制數(shù)量k’。
空間-時間編碼是已知的技術(shù)，它結(jié)合了傳統(tǒng)信道編碼和天線分集。S-T編碼分離編碼數(shù)據(jù)流，在這種情況下每個空間多路流SMi變?yōu)閗’個相關(guān)的數(shù)據(jù)串，在這種情況下就是編碼流CSh，其中每一個被調(diào)制并同時從不同的發(fā)送天線TA發(fā)送。可以使用不同對于發(fā)送天線TA1、TA2、...、TAM數(shù)據(jù)映射的選擇。所有發(fā)送天線TA可以用同樣的調(diào)制形式和載波頻率。可選擇地，可以使用不同的調(diào)制或碼元延遲。其他方法包括不同載波頻率(多載頻技術(shù))或擴展編碼的使用。在文獻(見例如1998年3月IEEE信息論會刊第2號44卷V.Tarokh及其他人的《高數(shù)據(jù)率無線通信的空間-時間編碼性能指標(biāo)和代碼結(jié)構(gòu)》和1998年10月IEEE關(guān)于通信所選領(lǐng)域期刊16卷第145-58頁S.A.Alamouti的《無線通信的簡單發(fā)送分集技術(shù)》)中進一步描述了S-T編碼的概念。
根據(jù)本發(fā)明的方法，通過相應(yīng)的S-T編碼器65使用每個S-T編碼并以k’個流CSh的形式輸出。編碼的約束長度和值k’可以根據(jù)在通信系統(tǒng)的操作中可以提供的計算復(fù)雜度確定。應(yīng)該根據(jù)信道特性也就是根據(jù)特性參數(shù)值所反映的通信參數(shù)選擇編碼率和調(diào)制率。
在較佳實施例中控制單元62中的數(shù)據(jù)庫68包含這組S-T編碼以便根據(jù)數(shù)量k’和特性參數(shù)來使用。數(shù)據(jù)庫68被連接到S-T編碼單元以把這些編碼提供給后面。自適應(yīng)控制器60被連接到數(shù)據(jù)庫68以控制S-T編碼到S-T編碼單元的傳輸。
每個存儲在數(shù)據(jù)庫68的S-T編碼具有一個相關(guān)聯(lián)的編碼方案和調(diào)制方案。不同S-T編碼的的編碼率和調(diào)制率已被選擇為不同的，以使每個S-T編碼適應(yīng)于由特性參數(shù)所指示的特定信道條件?？梢赃M一步通過所優(yōu)化的信道通信參數(shù)確定S-T編碼編碼率和調(diào)制率的選擇。特別地，通信參數(shù)比如數(shù)據(jù)吞吐量需要選擇具有較高速率的調(diào)制和編碼的S-T碼。
例如，如果反饋的特性參數(shù)是SINR并且目的是改進吞吐量，那么數(shù)據(jù)庫68將包含按照發(fā)送天線TA1、TA2、...、TAM的數(shù)量M和接收天線RA1、RA2、...、RAN的數(shù)量N的所有可能的發(fā)送/接收配置的不同S-T編碼的性能曲線(BER對SINR)。圖8顯示了三個典型S-T編碼的性能。如所見，為了達到適合應(yīng)用的(例如聲音數(shù)據(jù)發(fā)送)BER值q，而主要平均SINR就不得不為值p或更小，這樣只有S-T編碼1和2是合適的。S-T編碼3是不合適的因為在SINR值為p它的BER太高了?，F(xiàn)在，當(dāng)要最大化的通信參數(shù)是吞吐量時，就要在S-T編碼1和S-T編碼2之間進行附加的選擇并選擇最大化吞吐量的那個。本技術(shù)的普通技術(shù)人員明白可以使用這個過程或簡單的過程最大化任何通信參數(shù)。此外，更佳地，數(shù)據(jù)庫68包含必要的性能曲線以選擇正確的S-T編碼、k的值和G(z)矩陣組來使用。然而，也可以使用經(jīng)驗收集數(shù)據(jù)。
在較佳實施例中，k’等于發(fā)送天線TA1、TA2、...、TAM數(shù)量M。每個S-T編碼器65使用自適應(yīng)控制器60指示的S-T編碼，并且各個S-T編碼器65所使用的編碼可以是相同或不同的?？蛇x擇地，k個空間多路復(fù)用流SMi也可以被S-T編碼聯(lián)合地提供只有一組k’個編碼串CSh。聯(lián)合S-T編碼相對于單獨的S-T編碼會引起更高的計算復(fù)雜度。如果計算復(fù)雜度是可接受的，那么聯(lián)合S-T編碼是更好的。本技術(shù)的普通技術(shù)人員能在任何給定情況下作出適當(dāng)?shù)脑O(shè)計選擇。
發(fā)送處理單元72接收編碼串CSh并產(chǎn)生M個發(fā)送信號TS1、TS2、...、TSM發(fā)送。就本技術(shù)中眾所周知的，上變頻和RF放大單元74接收這M個發(fā)送信號TSp，對他們進行必要準(zhǔn)備并從天線TA發(fā)送它們。
通過對所有輸入k個M×M空間-時間(或可選的空間-頻率)濾波矩陣組G(z)(M＝k’)的應(yīng)用進行編碼流CSh的變換。矩陣組G(z)的選擇是根據(jù)特性參數(shù)。為了這個原因自適應(yīng)控制器60被連接到單元72以自適應(yīng)控制矩陣組G(z)的選擇。
更佳地，數(shù)據(jù)庫68也被連接到單元72并包含對任何特定信道條件合適的矩陣組G(z)的存儲參數(shù)或矩陣組G(z)本身。在后面的情況中也被連接到數(shù)據(jù)庫68的自適應(yīng)控制器60指令數(shù)據(jù)庫在信道條件變化時把適當(dāng)?shù)木仃嚱MG(z)下載進發(fā)送處理單元72。進行矩陣組的選擇以利于在接收器k個空間多路復(fù)用流SMi的可分離性。矩陣組G(z)可以結(jié)合分集技術(shù)比如延遲/轉(zhuǎn)換分集或任何其他本技術(shù)中已知的組合技術(shù)。例如，當(dāng)沒有信道信息可用于發(fā)送單元50，例如在系統(tǒng)初始化時或任何其他時候，那么矩陣組G(z)(包括k個M×M的矩陣)由k個秩為MXk的矩陣組成以使這些矩陣所復(fù)蓋的子空間是互相正交的以確保在接收單元80處k個流的可分離性。由本技術(shù)的普通技術(shù)人員就可以完成發(fā)現(xiàn)這樣矩陣的任務(wù)。在操作期間，當(dāng)特性參數(shù)變化時，就可使用其它矩陣組G(z)。
值得重要注意的是，S-T編碼單元66和發(fā)送處理單元72一起對空間多路復(fù)用流SMi進行操作把它們映射為發(fā)送信號TSp，其中p＝1...M，它們被分配給相應(yīng)的發(fā)送天線TA1、TA2、...、TAM。換句話說，S-T編碼單元66與發(fā)送處理單元72聯(lián)合形成根據(jù)以上所述規(guī)則把流SMi映射到發(fā)送天線TA1、TA2、...、TAM的天線映射單元。通過自適應(yīng)控制器60并借助于S-T編碼和存儲在數(shù)據(jù)庫68中的矩陣G(z)按照由信道條件指示的特性參數(shù)的函數(shù)對映射調(diào)節(jié)。
就本技術(shù)中已知的，發(fā)送單元50較佳地還具有以虛線繪出的包括訓(xùn)練用數(shù)據(jù)的訓(xùn)練單元。訓(xùn)練用數(shù)據(jù)可以被插入到S-T編碼單元66之前或之后的任何適當(dāng)位置并被送到發(fā)送處理單元72。訓(xùn)練用數(shù)據(jù)可以在單獨的控制信道中傳送或與數(shù)據(jù)52一起傳送。本技術(shù)的普通技術(shù)人員熟悉必要的技術(shù)和要求。
圖4顯示接收從發(fā)送單元50發(fā)送的信號的相應(yīng)接收器80的框圖。特別地，接收器80有N個接收天線RA1、RA2、...、RAN組成的陣列接收RSj接收信號，其中j=1...N。RF放大和向下變頻塊82發(fā)達和轉(zhuǎn)換信號RSj并進行任何其他所需操作(例如抽樣、模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換)。然后，信號RSj被傳遞到矩陣信道估計器84和接收處理單元86兩者中。
矩陣信道估算器84使用已知的訓(xùn)練模式，例如根據(jù)已知技術(shù)通過訓(xùn)練單元70提供的訓(xùn)練模式估計信道系數(shù)。在現(xiàn)在情況下，估計器84的輸出是 A(z)=G(z)H(z)，其中G(z)發(fā)送處理塊72使用的矩陣，而H(z)是純信道系數(shù)的矩陣。G(z)是一組M×M的矩陣而H(z)是一個M×N的矩陣。結(jié)果矩陣 是一個M×N的矩陣，表示在數(shù)字化后的接收信號RS1、RS2、...、RSN信道估算。后面使用通過估算器84提供給接收處理塊86的信道估算來恢復(fù)k個空間多路復(fù)用流SMi。事實上，任何已知的接收處理技術(shù)比如迫零(ZF)、MMSE、LS、ML等等都可用于處理接收信號RS1、RS2、...、RSN。
恢復(fù)的k個編碼流被提供給S-T解碼單元88和接收流單元90的信號統(tǒng)計。S-T解碼器有將發(fā)送單元50的S-T編碼器65反向的S-T解碼器。使用的S-T編碼由數(shù)據(jù)庫92提供給單元88。以下參照圖5將會更詳細(xì)地討論S-T解碼。
信號統(tǒng)計單元90分析通過接收處理塊86轉(zhuǎn)換為k個流的接收信號RSj以估算特性參數(shù)。在較佳實施例中，單元90是在時間上平均信號統(tǒng)計量的平均單元。單元90計算k個流中每一個的信號統(tǒng)計量，包括信號-干擾噪聲比(SINR)、信噪比(SNR)、功率電平、電平交叉速率(LCR)、在特定閾值和接收閾值的信號電平交叉持續(xù)時間或其他信號參數(shù)。
例如，當(dāng)用ZF(迫零)方法進行接收處理時，單元90根據(jù)以下算法計算SINRSINR=<||A^-1*Y-X||2>,]]>其中括號表示期望值，X是發(fā)送序列而Y是接收序列。LCR是信號電平下降到設(shè)定電平以下的速率。LCR能被計算以用于不同信號電平閾值。SINR和LCR都給出了信道差錯特性的指示。通過單元90計算和平均這些統(tǒng)計量所在的窗尺寸(持續(xù)時間)可以根據(jù)接收單元80所看到的信道種類改變。
對于特定的閾值電平和LCR差錯可能性將根據(jù)使用的S-T碼的種類(它包括S-T碼編碼和調(diào)制方面)和發(fā)送單元50使用的空間多路復(fù)用流SMi的數(shù)量k。k的值由在接收單元50處的空間標(biāo)識的可分離性指定。
這樣，對于可分離的k個空間多路復(fù)用流SMi的S-T碼的選擇是根據(jù)在特定閾值電平和最大可接受錯誤率的LCR和LC的持續(xù)時間。平均SINR也給出相似的信息種類。這個差錯信息被單元90作為特性參數(shù)直接使用或被用于導(dǎo)出特性參數(shù)。其他信號準(zhǔn)則可以相似的方式用于由單元90直接用作特性參數(shù)或被用于導(dǎo)出特性參數(shù)。
可選擇地并且更佳地，除了單元90輸出流單元94的信號統(tǒng)計量被用于分析從S-T解碼單元88得到的重構(gòu)流SMi。單元94再一次對重構(gòu)流SMi進行相同的統(tǒng)計計算以得到信號統(tǒng)計量，包括號-干擾噪聲比(SINR)、信噪比(SNR)、功率電平、電平交叉速率(LCR)、信號電平交叉持續(xù)時間和接收閾值或其他信號參數(shù)。同時，重構(gòu)流SMi通過并串轉(zhuǎn)換器96被轉(zhuǎn)換為串行流。然后，它們通過去交織器和解碼器98去交織和解碼以恢復(fù)原先從發(fā)送單元50發(fā)送的數(shù)據(jù)52’(撇’表示由于傳輸差錯恢復(fù)數(shù)據(jù)可能與原始數(shù)據(jù)不同)。
本發(fā)明的方法使用特性參數(shù)或如上所述得到的參數(shù)來調(diào)節(jié)至少由發(fā)送單元50的串并轉(zhuǎn)換器58產(chǎn)生的空間多路復(fù)用流SMi的數(shù)量k。更好地，特性參數(shù)也被用于控制單元66的S-T編碼(例如數(shù)量k’的選擇)以及發(fā)送處理，也就是發(fā)送單元50的發(fā)送處理單元72的矩陣組G(z)的選擇。
在正常的操作期間，發(fā)送單元50在系統(tǒng)初始化時選擇G(z)、k、k’和S-T碼。然后當(dāng)信道變化時這些參數(shù)也被更新。發(fā)送單元50把控制信息102(見圖5)，包括使用的S-T碼、值k、發(fā)送處理單元應(yīng)用的矩陣組G(z)等等，有規(guī)律地發(fā)送到接收單元80。可選擇地，在系統(tǒng)初始化的時間內(nèi)信息只被發(fā)送一次，然后根據(jù)需要再更新(例如只當(dāng)其中一條信息變化時)。
圖5A更詳細(xì)地說明了如何完成G(z)、k、k’和S-T碼的自適應(yīng)控制。串S1到Sk被提供給單元90，同時重構(gòu)的空間多路復(fù)用流SM1到SMk被提供到單元94。單元90、94都照以上所述計算信號統(tǒng)計量。然后，單元90、94把它們的信號統(tǒng)計或特性參數(shù)經(jīng)通信傳送給S-T碼查詢塊100。根據(jù)這些塊100作出最適宜S-T碼和使用的k值的決定。這個決定以反饋64的形式傳送到發(fā)送器50?？蛇x擇地，塊100傳送以反饋64的形式把信號統(tǒng)計量傳送到發(fā)送單元50的自適應(yīng)控制60。在這種情況下，自適應(yīng)控制60選擇適合的S-T碼和k值。通過基于反饋64由自適應(yīng)控制60確定合適的矩陣組G(z)的使用。
當(dāng)然，為了恢復(fù)數(shù)據(jù)52，接收器80必須使用合適的S-T碼以及知道數(shù)量k。如以上提到的，這個信息可用于它，信息或者來自塊100，它能提供這個信息到被連接于S-T解碼單元88的S-T碼數(shù)據(jù)庫92(見圖4)，或者來自由發(fā)送單元50發(fā)送的控制信道信息102。假如使用了控制信道信息102，那么S-T碼、k值指示器104接收信息把它通信傳送給數(shù)據(jù)庫92。在系統(tǒng)啟動期間指示器104以最后所用的配置開始，或以k＝1和特定的S-T碼與G(z)矩陣組開始?？蛇x擇地，它可以以任何同意的配置開始。當(dāng)然，在最大化通信參數(shù)的過程期間將會更新配置。
確定k、S-T碼的調(diào)整和矩陣組G(z)的選擇、是通過塊100建議還是通過自適應(yīng)控制60決定來最大化或最優(yōu)化在變化信道條件下的通信參數(shù)。通常要最大化的通信參數(shù)是信道容量、信號特性、SNR或吞吐量。通過選擇選擇k可能的最大值和高吞吐量的S-T碼(高調(diào)制率和低編碼開銷)最大化信道容量。k的減少增加了分集的階數(shù)。在這種情況下，信號特性改進了但通過量減少了。如果k＝1就最大化了SNR，但這樣最小化了信道容量。因此如果信道容量和信號特性都要最大化，那么自適應(yīng)控制塊60(或塊100)必需確定最優(yōu)的k。
此，假如在使用頻率再利用的系統(tǒng)(例如使用頻率再利用的蜂窩網(wǎng)絡(luò))中實現(xiàn)本發(fā)明的方法，那么接收單元就可能遇到干擾。此外，就本技術(shù)已知的，更好地是與干擾減輕結(jié)合實現(xiàn)發(fā)明的方法。在那種情況下，要在干擾減輕一起執(zhí)行的方式中進行S-T碼、數(shù)量k和矩陣組G(z)的選擇。當(dāng)與干擾減輕一起實現(xiàn)本發(fā)明的方法時，會引起分集或空間多路化的階數(shù)的一些減少。
在可選實施例中，S-T解碼單元88可以是產(chǎn)生k個重構(gòu)流SMi的聯(lián)合S-T解碼器，而不是如圖4中所示的S-T解碼器組89。聯(lián)合或單獨的解碼方案是根據(jù)發(fā)送單元50使用的編碼策略以及可以被重新配置。
在可選實施例中不同種類的編碼器可以代替S-T編碼器。例如，解碼單元可以是空間-頻率編碼器和自適應(yīng)調(diào)制率編碼器或其他合適的編碼設(shè)備。空間-時間和空間-頻率編碼器可以使用不同的編碼和調(diào)制率。
在另一個實施例中，如圖5B中所示，接收單元80可以利用附加的數(shù)據(jù)分析塊110和122在并串轉(zhuǎn)換后并在去交織和最后解碼步驟后計算附加的數(shù)據(jù)統(tǒng)計量。這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以是BER或數(shù)據(jù)包錯誤率。這個信息可以被反饋到發(fā)送單元50以調(diào)節(jié)參數(shù)k、k’、S-T編碼和矩陣組G(z)的選擇?？蛇x擇地，這個信息可被送到單元100以局部確定參數(shù)。
系統(tǒng)是基于任何多址技術(shù)包括TDMA、FDMA、CDMA和0FDMA。例如，在圖6和7中說明了對于在OFDM系統(tǒng)中實現(xiàn)發(fā)送單元50和接收單元80必要的適配。特別的，圖6說明了在OFDM系統(tǒng)中操作的發(fā)送單元50的適配。在這種情況下，來自發(fā)送處理單元72的發(fā)送信號必須被串并轉(zhuǎn)換器(S/P)120轉(zhuǎn)換到并行。在這種情況下訓(xùn)練單元70也把訓(xùn)練模式直接提供到S/P轉(zhuǎn)換器120。接下來，并行發(fā)送信號通過IFFT元件122進行快速傅立葉反變換并再由并串轉(zhuǎn)換器(P/S)124轉(zhuǎn)換成串行。然后，信號被向上變頻及放大以從發(fā)送天線TA1、TA2、...、TAM進行RF發(fā)送。
圖7說明了對于接收由如圖6中所示適配的發(fā)送單元50發(fā)送的OFDM信號的接收單元80必要的適配。特別地，通過接收天線RA1、RA2、...、RAN接收接收信號并通過相應(yīng)的塊進行下變頻和放大。然后信號通過S/P轉(zhuǎn)換器126從串行轉(zhuǎn)換成并行?？焖俑盗⑷~變換(FFT)塊1281到N隨后變換信號并把它們傳送到空間-頻率(S-F)矩陣信道估算器130和接收處理塊132。從那里，接收信號的處理就如在接受單元80那樣進行。
對于本技術(shù)的普通技術(shù)人員清楚的是以上實施例可以不離開發(fā)明的范圍以許多方式修改。因此，應(yīng)該通過以下權(quán)利要求和合法的等價物確定發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種使在有M個發(fā)送天線的發(fā)送單元和有N個接收天線的接收單元之間的信道的通信參數(shù)最大化的方法，所述方法包含以下步驟a)處理所述數(shù)據(jù)以產(chǎn)生并行空間多路復(fù)用流SMi，其中i＝1...k；b)把所述空間多路復(fù)用流SMi映射到發(fā)送信號TSp，其中p＝1...M，以從所述M個發(fā)送天線通過所述信道發(fā)送到所述接收器；c)由所述N個接收天線接收接收信號RSj，其中j＝1...N；d)估算所述接收信號RSj的特性參數(shù)；以及e)使用所述特性參數(shù)來調(diào)節(jié)k以使所述信道的所述通信參數(shù)最大化。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于每個所述空間多路復(fù)用流SMi都通過編碼單元處理以產(chǎn)生編碼流CSh，其中h＝1...k’。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在所述發(fā)送器外使用所述特性參數(shù)來調(diào)節(jié)所述編碼單元的編碼。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在所述發(fā)送器外使用所述特性參數(shù)來調(diào)節(jié)k’。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于從包括空間-時間編碼器、空間-頻率編碼器、自適應(yīng)調(diào)制率編碼器的組中選擇所述編碼單元。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述空間-時間編碼器和所述空間-頻率編碼器使用不同的編碼率和調(diào)制率。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進一步包含處理所述接收信號RSj以再產(chǎn)生所述空間多路復(fù)用流SMi的接收步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于從所述接收處理的空間多路復(fù)用流SMi中得到所述特性參數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于由統(tǒng)計單元導(dǎo)出所述特性參數(shù)。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于從包括信號-干擾噪聲比、信噪比、功率電平、電平交叉率、電平交叉持續(xù)時間的組中選擇所述特性參數(shù)。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進一步包含處理所述接收信號RSj以重構(gòu)所述數(shù)據(jù)并從所述數(shù)據(jù)中得到所述特性參數(shù)的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于從包括誤碼率和包錯誤率的組中選擇所述特性參數(shù)。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述映射步驟進一步包含由發(fā)送處理塊進行發(fā)送處理的步驟，并且使用所述特性參數(shù)以調(diào)節(jié)所述發(fā)送處理塊的發(fā)送處理。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述特性參數(shù)被反饋到所述發(fā)送器。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述處理所述數(shù)據(jù)的步驟包含從包括自適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)編碼、空間-時間編碼和空間-頻率編碼的組中選擇的技術(shù)。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于根據(jù)至少一種從包括TDMA、FDMA、CDMA、OFDMA的組中選擇的多路技術(shù)格式化所述發(fā)送信號TSp。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于從包括數(shù)據(jù)容量、信號特性和吞吐量的組中選擇所述通信參數(shù)。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述接收單元和所述發(fā)送單元都屬于蜂窩通信系統(tǒng)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于在所述蜂窩通信系統(tǒng)的下行鏈路中使用。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于在所述蜂窩通信系統(tǒng)的上行鏈路中使用。
21.一種具有自適應(yīng)最大化的信道通信參數(shù)的通信系統(tǒng)，在其中數(shù)據(jù)在有M個發(fā)送天線的發(fā)送單元和有N個接收天線的接收單元之間傳輸，所述的發(fā)送單元包含a)處理所述數(shù)據(jù)以產(chǎn)生并行空間多路復(fù)用流SMi的處理裝置，其中i＝1...k；b)天線映射裝置，用于把所述空間多路復(fù)用流SMi轉(zhuǎn)換成發(fā)送信號TSp，其中p＝1...M，并通過所述信道從所述M個發(fā)送天線發(fā)送所述發(fā)送信號TSp；所述接收單元接收接收信號RSj，其中j＝1...N，并且所述通信系統(tǒng)包含a)估算所述接收信號RSj的特性參數(shù)的裝置；以及b)根據(jù)所述特性參數(shù)來調(diào)節(jié)k以使所述信道的所述通信參數(shù)最大化的裝置。
22.如權(quán)利要求21所述的通信系統(tǒng)，其特征在于所述估算所述特性參數(shù)的裝置包含統(tǒng)計單元。
23.如權(quán)利要求21所述的通信系統(tǒng)，其特征在于所述估算所述特性參數(shù)的裝置被置于所述接收單元中。
24.如權(quán)利要求21所述的通信系統(tǒng)，其特征在于所述估算所述特性參數(shù)的裝置被置于所述發(fā)送單元中。
25.如權(quán)利要求21所述的通信系統(tǒng)，其特征在于進一步包含在所述發(fā)送單元中的處理所述空間多路復(fù)用流SMi以產(chǎn)生編碼流CSh，其中h＝1...k’的編碼單元。
26.如權(quán)利要求21所述的通信系統(tǒng)，其特征在于所述調(diào)節(jié)k的裝置進一步包含調(diào)節(jié)k’的機制。
27.如權(quán)利要求25所述的通信系統(tǒng)，其特征在于從包括空間-時間編碼器、空間-頻率編碼器、自適應(yīng)調(diào)制率編碼器的組中選擇所述編碼單元。
28.如權(quán)利要求25所述的通信系統(tǒng)，其特征在于進一步包含與所述編碼單元和所述天線映射裝置進行通信的碼和天線映射參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。
29.如權(quán)利要求25所述的通信系統(tǒng)，其特征在于進一步包含與所述處理裝置、所述編碼單元和所述天線映射裝置進行通信的自適應(yīng)控制器，所述自適應(yīng)控制器根據(jù)所述特性參數(shù)調(diào)節(jié)所述處理裝置、所述編碼單元和所述天線映射裝置。
30.如權(quán)利要求21所述的通信系統(tǒng)，其特征在于所述調(diào)節(jié)k的裝置被置于所述發(fā)送單元。
31.如權(quán)利要求21所述的通信系統(tǒng)，其特征在于進一步包含與所述處理裝置和所述天線映射裝置進行通信的自適應(yīng)控制器，所述自適應(yīng)控制器根據(jù)所述特性參數(shù)調(diào)節(jié)所述處理裝置和所述天線映射裝置。
32.如權(quán)利要求21所述的通信系統(tǒng)，其特征在于所述通信系統(tǒng)根據(jù)至少一種從包括TDMA、FDMA、CDMA、OFDMA的組中選擇的多路技術(shù)進行操作。
33.如權(quán)利要求21所述的通信系統(tǒng)，其特征在于所述通信系統(tǒng)上蜂窩通信系統(tǒng)。
34.如權(quán)利要求21所述的通信系統(tǒng)，其特征在于使用了多載波調(diào)制。
全文摘要
一種最大化通信參數(shù)的方法，通信參數(shù)比如在有M個發(fā)送天線(18A...18M)的發(fā)送單元(12)和有N個接收天線(34A...34N)的接收單元之間(14)的信道的數(shù)據(jù)容量、信號特性或吞吐量以及使用這個方法的通信系統(tǒng)。首先處理數(shù)據(jù)以產(chǎn)生并行空間多路復(fù)用流SM
文檔編號H01Q1/24GK1435015SQ00818937
公開日2003年8月6日 申請日期2000年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月15日
發(fā)明者A·J·保爾拉, D·J·杰斯伯特, P·K·賽巴斯蒂安, J·泰拉多 申請人:艾索潘無線通訊股份有限公司