專利名稱：用于多天線通信系統(tǒng)的頻率選擇性發(fā)射信號加權的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用具有多個天線組件的發(fā)射機和接收機的通信系統(tǒng)，更具體地，本發(fā)明涉及多天線系統(tǒng)中實現(xiàn)信號加權合并的權重生成方法。
背景技術：
大多數(shù)當前的無線通信系統(tǒng)都是由配置了單個發(fā)射和接收天線的多個節(jié)點組成的。但是，對于大范圍的無線通信系統(tǒng)而言，有跡象表明其包括容量在內的性能可以通過使用多發(fā)射和/或多接收天線而得到充分改進。這樣的配置構成了許多所謂“智能”天線技術的基礎。這種技術，結合時空信號處理，既可以用于對抗期望接收信號的多路徑衰減帶來的有害效應，也可以用于抑制干擾信號。憑借這種方法，現(xiàn)存的和即將開發(fā)的數(shù)字無線系統(tǒng)(例如CDMA系統(tǒng)、TDMA系統(tǒng)、WLAN系統(tǒng)和基于OFDM如802.1a/g標準的系統(tǒng))的性能和容量都可以得到改進。
在信號接收處理中使用引入分集增益并能抑制干擾的多組件天線系統(tǒng)可以至少部分地消除對上述類型的無線系統(tǒng)的性能的損害。關于這方面的內容，在由J.H.Winter等人所著的發(fā)表在IEEE通訊匯刊(IEEE Transactions onCommunications)1994年2月第42卷第2/3/4編第1740～1751頁的《天線分集對無線通信系統(tǒng)性能的影響(The Impact of Antenna Diversity On the Capacityof Wireless Communication Systems)》一文中有所描述。這種分集增益，通過減少多路徑以獲得更一致地覆蓋范圍，通過增加接收的信噪比(signal-to-noise，簡稱SNR)以獲得更大地范圍或者減少所需的發(fā)射功率，并通過提供更強的抗干擾能力或允許更高的頻率再使用率以獲得更大的容量，從而提高系統(tǒng)性能。
眾所周知，在使用了多天線接收機的通信系統(tǒng)內，一組M個接收天線能無效掉M-1個干擾。因此，N個信號可以使用N個發(fā)射天線在同一帶寬上同時被發(fā)射，然后通過配置在接收機內的一組N個天線將這些發(fā)射信號分解為N個單獨的信號。這類系統(tǒng)通常被稱為多入多出(MIMO)系統(tǒng)，并且已被廣泛研究。例如，由J.H.Winter所著的發(fā)表在IEEE通訊匯刊(IEEE Transactions onCommunications)1987年11月第COM-35卷第11編的《多用戶室內無線電系統(tǒng)的最優(yōu)組合(Optimum combining for indoor radio systems with multipleusers)》；由C.Chuah等人所著的發(fā)表在IEEE澳大利亞悉尼98全球通信系統(tǒng)學報(Proceedings of Globecom’98 Sydney，Australia，IEEE1998)1998年11月第1894～1899頁的《室內無線環(huán)境下多天線陣列系統(tǒng)的容量(Capacity ofMulti-Antenna Array Systems In Indoor Wireless Environment)》；由D.Shiu等人所著的發(fā)表在IEEE通信匯刊(IEEE Transactions on Communications)2000年3月第48卷第3編第502～513頁的《衰減相關性及其對多組件天線系統(tǒng)性能的影響(Fading Correlation and Its Effect on the Capacity of Multi-ElementAntenna Systems)》。
多組件天線排列尤其是MIMO引人注目的一方面在于，使用這種配置后，能夠獲得顯著的系統(tǒng)性能提升。在對接收機可用信道理想評估的假設條件下，在具有N個發(fā)射和N個接收天線組件的MIMO系統(tǒng)內，接收信號可以分解為N個空間多路復用的獨立信道中。這使得系統(tǒng)的容量相對于單天線系統(tǒng)增加N倍。若總發(fā)射功率固定不變，則MIMO提供的容量與天線組件數(shù)量成線性比例。特別地，具有N個發(fā)射和N個接收天線后，相對于單天線系統(tǒng)可獲得數(shù)據(jù)傳輸速率的N倍增長，而無需增加總帶寬或總發(fā)射功率。關于這方面的介紹，請參考G.J.Foschini等人所著的發(fā)表在Kluwer學術出版社1998年3月出版的《無線個人通信(Wireless Personal Communications)》第6卷第3編第311～335頁的《衰減環(huán)境下使用多天線的無線通信的約束(On limits of WirelessCommunications in a Fading Environment When Using Multiple Antennas)》一文。在實驗用的基于N倍空間多路復用的MIMO系統(tǒng)中，經常在給定發(fā)射機或接收機中配置超過N個的天線。這樣做是因為每個附加天線都將增加可適于所有N個空間多路復用信號的分集增益、天線增益和干擾抑制。關于這方面的介紹，請參考由G.J.Foschini等人所著的發(fā)表在IEEE通信選題雜志(IEEEJournal on Selected Areas in Communications)1999年11月第17卷第11專題第1841～1852頁的《使用多組件陣列的高頻譜利用率無線通信的簡化處理(Simplified processing for high spectral efficiency wireless communicationemploying multi-element arrays)》一文。
盡管增加發(fā)射和/或接收天線的數(shù)量能增強MIMO系統(tǒng)性能的多個方面，但必須為每個發(fā)射和接收天線提供各自的射頻鏈使成本增加。每一條射頻鏈一般包括低噪聲放大器、濾波器、下變頻器和模/數(shù)轉換器(A/D)，而后三種設備占了射頻鏈成本的主要部分。在某些現(xiàn)有的單天線無線接收機中，單個所需的射頻鏈占接收機總成本的比例可能超過30％。由此很明顯，當發(fā)射和接收天線的數(shù)量增加時，總的系統(tǒng)成本和功率消耗也會明顯增加。因此，需要提供一種技術，在使用相對較多的發(fā)射/接收天線的同時，不會相應增加系統(tǒng)成本和功率消耗。
上述作為參考的尚未審批的No.10/801930非臨時性專利申請通過描述一種無線通信系統(tǒng)提供了這樣一種技術，即在該系統(tǒng)中，存在這樣一種可能，那就是可以在發(fā)射機和/或接收機中使用與發(fā)射/接收天線相比，數(shù)量較少的RF鏈。
在一個典型的接收機實現(xiàn)方案中，M(M＞N)個天線中每一個所提供的信號在通過低噪音放大器后被分解，然后連同來自同一接收機的其他天線的信號一起在RF域內加權合并。這樣一來便生成N個RF輸出信號，然后通過N個RF鏈進行傳輸。每條RF鏈中的A/D轉換器生成的輸出信號隨后接受數(shù)字化處理，從而生成N個空間多路復用輸出信號。通過使用相對低廉的部件在RF域進行必要的加權合并，可以使用多于N個的接收天線但卻只使用N個射頻鏈來實現(xiàn)N倍的空間多路復用系統(tǒng)，并且只需與N個接收天線的系統(tǒng)相似的成本。這就是說，接收機的性能可以通過使用額外的天線以相對低廉的成本來實現(xiàn)。相似的技術也可應用于使用N個RF鏈和多于N個發(fā)射天線的發(fā)射機實現(xiàn)方案中。
上述作為參考的‘930非臨時性申請中描述的基于射頻的加權技術使得可以在RF域內對空間加權信號進行合并，就像對基帶信號一樣。這項技術的一個優(yōu)勢在于，使用僅僅N個發(fā)射RF鏈和N個接收RF鏈就可以實現(xiàn)RF加權合并，而與發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量無關。此外，盡管‘930非臨時性申請描述的是基于射頻的加權合并，但也可以先進行數(shù)字信號處理，然后在發(fā)射機內將信號轉換為模擬/RF信號，最后，在接收機內將模擬/RF信號轉換為數(shù)字信號。這種技術在MIMO系統(tǒng)中具有連續(xù)性的干擾消除(參見，例如“V-BLAST”一種在強散射無線信道中實現(xiàn)超高數(shù)據(jù)率的架構(An architecturefor realizing very high data rates over the rich-scattering wireless channel)，URSIISSSE會議論文集，1998年9月第295-300頁)。
盡管上述美國專利申請?zhí)枮?0/801,930的非臨時性專利申請描述的技術可能不具備與瞬時域和/或頻率域信號處理情況下的基帶技術相同的性能，但其更低的成本使得仍然可以選用此技術。頻率域處理可使用在，例如發(fā)射信號包含一定數(shù)量的頻率副載波的系統(tǒng)中。在采用基于正交頻分復用(OFDM)的系統(tǒng)，如無線局域網(wǎng)系統(tǒng)(更多的時候簡稱為802.11a和802.11g)時，需要執(zhí)行此類信號處理。作為選擇的，為使成本與采用傳統(tǒng)方法時所需要的相同甚至更低，還可以通過使用美國專利申請?zhí)枮?0/801,930的專利申請的技術來使用更多的天線，這樣便可得到與傳統(tǒng)方法相比更為優(yōu)越的性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種為加權組件生成發(fā)射信號頻率權重值的系統(tǒng)和方法，所述加權組件用于各種多天線發(fā)射機和接收機結構內的信號加權合并陣列中。更具體地說，本發(fā)明可與用于處理按照多個負載波信號分別調制的一個或多個信息信號的多天線發(fā)射機和接收機結構內的基于RF的加權合并陣列結合使用。本發(fā)明還可應用于同一多天線發(fā)射機或接收機結構中還設有基帶加權和合并陣列的情況，以及同一多天線發(fā)射機或接收機結構中同時采用基于RF和基帶的加權合并陣列的情況。
依據(jù)本發(fā)明，頻率選擇性權重生成方法隨發(fā)射模式的不同而不同。本發(fā)明所介紹的權重生成方法可應用于幾種不同類型的多天線通信系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)包括例如上面參考的非臨時專利申請中描述的系統(tǒng)。在特定的實施例中，本發(fā)明的技術可應用于單信道(SC)系統(tǒng)(即沒有空間多路復用的系統(tǒng))內的多天線接收機中，還可應用于單信道系統(tǒng)的多天線發(fā)射機中，或采用空間多路復用的MIMO系統(tǒng)中。
正如這里所描述的那樣，頻率選擇性發(fā)射信號權重可依據(jù)發(fā)射和接收空間權重來生成，以對性能指標進行優(yōu)化，這些指標包括多天線通信系統(tǒng)的輸出信噪比、輸出誤碼率或輸出誤包率。頻率選擇性發(fā)射信號權重也可使用發(fā)射和接收空間權重的結合來生成，以對性能進行優(yōu)化。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明涉及一種方法和實現(xiàn)該方法的裝置，用于在無線信道上發(fā)射信號。所述方法包括如下步驟基于在所述信道上傳送的初始信號，獲取表示所述信道狀態(tài)的信息；獲取表示所述信號傳輸模式的信息；基于所述信道狀態(tài)和所述信號的傳輸模式，確定所述信號的發(fā)射權重值，所述發(fā)射權重值是關于頻率的函數(shù)；使用所述發(fā)射權重值對所述信號進行加權，從而生成加權信號；依據(jù)所述傳輸模式發(fā)射所述加權信號。
本發(fā)明還提供一種用于發(fā)射信號的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括接收機，用于接收初始信號，并為所述初始信號估計信道狀態(tài)信息；以及發(fā)射機，用于依據(jù)傳輸模式發(fā)射信號，并基于所述信道狀態(tài)信息和所述傳輸模式執(zhí)行發(fā)射信號加權，所述加權權重是關于頻率的函數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括接收機，用于接收初始信號，并基于預先確定的信道狀態(tài)信息和信號傳輸模式估計發(fā)射信號權重值的組合，所述權重值是關于頻率的函數(shù)。所述系統(tǒng)還包括發(fā)射機，用于使用所述發(fā)射權重值對所述信號進行加權，從而生成加權信號，并依據(jù)所述傳輸模式發(fā)射所述加權信號。


下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中圖1A和1B是傳統(tǒng)MIMO通信系統(tǒng)的示意圖；圖2A和2B是包含一個發(fā)射機和一個接收機用于基于RF的加權合并的MIMO通信系統(tǒng)的框圖；圖3是帶有基帶合并陣列的單信道(SC)單入多出(SIMO)單載波系統(tǒng)中的發(fā)射機和接收機結構的示意圖；圖4是使用本發(fā)明所介紹的發(fā)射信號權重生成方法的一個實施例并采用基帶合并陣列的SC-SIMO單載波系統(tǒng)中的發(fā)射機和接收機結構的示意圖；圖5A是使用本發(fā)明所介紹的發(fā)射信號權重生成方法的一個實施例并采用基帶合并陣列的SC-MIMO-OFDM系統(tǒng)中的發(fā)射機和接收機結構的示意圖；圖5B是使用本發(fā)明所介紹的發(fā)射信號權重生成方法并采用基于RF加權合并陣列的SC-SIMO-OFDM系統(tǒng)中的發(fā)射機和接收機結構的示意圖；圖6是本發(fā)明的發(fā)射信號權重生成方法的一個實施例的流程圖；圖7是SC-MIMO-OFDM系統(tǒng)的編碼操作模式下作為信噪比(SNR)的函數(shù)的誤包率(PER)的性能比較示意圖；圖8是SC-MIMO-OFDM系統(tǒng)的未編碼操作模式下作為信噪比(SNR)的函數(shù)的誤包率(PER)的性能比較示意圖；圖9是SC-MIMO-OFDM系統(tǒng)的16QAM調制編碼操作模式下作為信噪比(SNR)的函數(shù)的誤包率(PER)的性能比較示意圖。
具體實施例方式
正如下面所述，依據(jù)幾個實施例進行描述的本發(fā)明提供了一種頻率選擇性發(fā)射信號權重值的生成方法，可應用于使用各種編碼和調制技術的多種通信系統(tǒng)中。依據(jù)本發(fā)明，生成的權重值可改善通信系統(tǒng)的一個或多個性能指標，包括輸出信噪比和誤包率。優(yōu)選地，在某些實施例中，本發(fā)明的頻率選擇性發(fā)射信號加權技術可與其他性能增強技術一同使用，這些技術包括但不限于用于提高多天線系統(tǒng)性能的空間加權，這在上述引用的申請?zhí)枮?0/801,930的美國非臨時性專利申請中進行了描述，并在此全文引用。
為了便于理解本發(fā)明的原理，下文將首先大致的對與頻率選擇性發(fā)射信號加權方法一同使用的多種性能增強方法進行介紹。隨后再對本發(fā)明的發(fā)射信號權重生成方法進行詳細描述，這些描述可應用但不限于這里所介紹的這些和其他性能增強方案中。
I.性能增強方法空間多路復用眾所周知，空間多路復用(spatial multiplexing，簡稱SM)提供一種信號傳輸模式，該模式在發(fā)射機和接收機中都使用多個天線，通過這種方式，無線電鏈路的比特率可以在對應的功率和帶寬消耗沒有增加的情況下得到提高。在發(fā)射機和接收機中都使用了N個天線的情況下，提供給發(fā)射機的信息符號輸入流被分為N個獨立的子流?？臻g多路復用使每個子流占用適用的多路訪問協(xié)議中的同一“信道”(例如時隙、頻率或者代碼/密鑰序列)。在發(fā)射機內，每一子流被單獨應用于N個發(fā)射天線中，并通過中間多路徑通信信道傳送至接收機。然后，該復合多路徑信號由接收機中配置的N個接收天線的接收陣列所接收。在接收機內，隨后估算對于給定子流在接收天線陣列中的N個相位和N個振幅所定義的“空間特征(spatial signature)”。接著，使用信號處理技術來分離接收的信號，將原始的子流還原并合成為原始的輸入符號流。有關空間多路復用通信和典型系統(tǒng)實現(xiàn)的原理在例如J.H.Winter等人所著的發(fā)表在IEEE通信匯刊1987年11月第COM-35卷第11編的《多用戶室內無線電系統(tǒng)的最優(yōu)合并》(“Optimum combining for indoor radio systems with multipleusers”，by J.H.Winters，IEEE Transactions on Communications，Vol.COM-35，No.11，November 1987)一文中有進一步描述，在此將其全文引用?，F(xiàn)有的MIMO系統(tǒng)通過先參考圖1描述的現(xiàn)有的MIMO通信系統(tǒng)，本發(fā)明的原理可以得到更全面的理解。如圖1所示的MIMO系統(tǒng)100包括圖1A所示的發(fā)射機110和圖1B所示的接收機130。該發(fā)射機110和接收機130分別包括一組T個發(fā)射射頻鏈和一組R個接收射頻鏈，這些射頻鏈用于發(fā)射和接收一組N個空間多路復用信號。在系統(tǒng)100內，假設(i)T＞N并且R＝N，(ii)T＝N并且R＞N，或(iii)T＞N并且R＞N。
參看圖1A，將被發(fā)射的一般由數(shù)字符號流組成的輸入信號S，被解復用器102解復用為N個獨立的子流S1，2...，N。這些子流S1，2...，N隨后被發(fā)送到數(shù)字信號處理器(DSP)105，并由其生成一組T個輸出信號T1，2...，N。這T個輸出信號T1，2...，N一般由N個子流S1，2...，N通過加權來生成，也就是乘一個復數(shù)，將所述N個子流中的每一個與T個不同的加權系數(shù)相乘以形成NT個子流。這NT個子流隨后被合并，生成T個輸出信號T1，2...，T。而后，利用一組T個數(shù)/模(D/A)轉換器108將這T個輸出信號T1，2...，T轉換成T個模擬信號A1，2...，T，每個模擬信號又通過與本地振蕩器114提供的信號混頻，在混頻器112內被上變頻轉換到適用的發(fā)射載波射頻頻率上。接著，將所得到的T個射頻信號(即RF1，2...，T)利用各自的放大器116放大，并通過各自的天線118發(fā)射。
參看圖1B，由發(fā)射機110發(fā)射的射頻信號由接收機130中的一組R個接收天線131接收。天線131接收到的R個信號中的每一信號由各自的低噪放大器133進行放大，并經濾波器135濾波。而后利用混頻器137將得到的每一濾波信號從射頻下變頻轉換至基帶，這是通過給每一濾波信號提供一個來自本地振蕩器的信號來實現(xiàn)的。盡管圖1B所示的接收機為零拍接收機，但也可以使用具有中間中頻頻率特征的外差接收機。然后，利用對應的一組R個模/數(shù)轉換器140，將混頻器137生成的R個基帶信號分別轉換成數(shù)字信號。接著，利用數(shù)字信號處理器(DSP)142對得到的R個數(shù)字信號D1，2...，R進行加權和合并，生成N個空間多路復用輸出信號S’1，2...，N，這些輸出信號包括有發(fā)射信號S1，2...，N的估計值。然后，利用復用器155對該N個輸出信號S’1，2...，N進行復用，生成原始輸入信號S的估計值160(S’)。
空間多路復用通信系統(tǒng)內的射頻加權和合并現(xiàn)在來看圖2，所示為根據(jù)上述引用的處于審查中的非臨時專利申請的原理配置的具有發(fā)射機210和接收機250的MIMO通信系統(tǒng)200的結構示意圖。圖2所示的系統(tǒng)中，盡管分別在發(fā)射機210和接收機250配置了多于N個的發(fā)射/接收天線，發(fā)射機210和接收機250僅利用N個發(fā)送/接收射頻鏈，實現(xiàn)N倍的空間多路復用。具體地，發(fā)射機210包含一組MT個發(fā)射天線240，接收機包含一組MR個接收天線260，假設(i)MT＞N并且MR＝N，(ii)MT＝N并且MR＞N，或(iii)MT＞N并且MR＞N。
如圖2A所示，將被發(fā)射的輸入信號S由解復用器(DEMUX)202解復用為N個獨立的子流SS1，2...，N。隨后，利用對應的一組數(shù)/模轉換器206將這些子流SS1，2...N轉換成N個模擬子流AS1，2...，N。接著，利用一組混頻器212使用來自本地振蕩器214的信號，將N個模擬子流AS1，2...，N上變頻轉換到適用的發(fā)射載波射頻頻率上。而后，得到的N個射頻信號(也就是，RF1，2...，N)中每一個由分頻器218分為MT個信號，以形成N(MT)個射頻信號。然后，使用復數(shù)乘法器226x，y對所述N(MT)個射頻信號中的每一個進行加權，其中x表示N個分頻器218中的一個分頻器的信號起始點，y表示一組MT個合并器230中的一個合并器的相應的信號終止點。然后使用合并器230將該加權后射頻信號合并，從而生成一組MT個輸出信號。隨后，對應的一組MT個放大器234放大這MT個輸出信號，然后利用MT個天線240發(fā)射該被放大后的輸出信號。生成的復數(shù)乘法器226x，y的加權值可最大化接收機輸出信號的信噪比(SNR)或最小化其誤碼率(BER)。
參看圖2B，發(fā)射機210發(fā)射的MT個射頻信號由接收機250中配置的MR個接收天線260接收。每個接收信號由各自的低噪放大器264放大，然后由MR個分頻器268分為N路。得到的MR(N)個分離信號隨后由各自的加權電路272x，y分別加權，其中，x表示MR個分頻器218中一個分頻器的信號起始點，y表示N個合并器276中一個合并器對應的信號終止點。這些加權后的信號隨后利用N個合并器276合并以產生一組N個信號，并由相應的N個濾波器280濾波。隨后，利用N個混頻器282，向其提供由本地振蕩器284產生的載波信號，將得到的N個濾波信號下變頻轉換到基帶。盡管圖2B所示的接收機250是零拍接收機，但也可以使用具有中間中頻特征的外差接收機來實現(xiàn)。接著，利用對應的一組N個模/數(shù)轉換器286將混頻器282生成的N個基帶信號轉換為數(shù)字信號。而后，利用數(shù)字信號處理器288進一步處理這N個數(shù)字信號，形成N個空間多路復用輸出信號SS’1，2...，N，即N個獨立子流SS1，2...，N的估計值。N個輸出信號SS’1，2...，N隨后通過復用器292復用，生成輸出信號S’，也就是輸入信號S的估計值。
注意到，如同通過圖1中的系統(tǒng)100在基帶以傳統(tǒng)方法實現(xiàn)的空間加權或線性合并方案一樣，發(fā)射機210和接收機250可以在射頻域內實現(xiàn)空間加權或線性合并。但是，在本發(fā)明的接收機250中DSP(數(shù)字信號處理器)228仍可在系統(tǒng)100中執(zhí)行許多其他的潛在實現(xiàn)的原有的基帶信號處理操作，例如，連續(xù)干擾消除(詳見例如“V-BLAST”一種在強散射無線信道中實現(xiàn)超高數(shù)據(jù)率的架構(An architecture for realizing very high data rates over therich-scattering wireless channel)，URSI ISSSE會議論文集，1998年9月第295-300頁)。而且，本發(fā)明揭示的系統(tǒng)的一個重要特征是，即使實際上使用了多于N個發(fā)射/接收天線時，也僅僅只需配置N個發(fā)射/接收射頻鏈。編碼和均衡圖3所示為單載波系統(tǒng)300的框圖，該系統(tǒng)使用了帶有一個發(fā)射天線的發(fā)射機302、帶有兩個接收天線的接收機310、極大似然序列估計(MLSE)均衡器和解碼器316。信號S可以是例如GSM信號。信道用于表示產生頻率選擇性衰減的環(huán)境，例如，以室內和室外傳輸路徑為代表的多路徑環(huán)境。
如圖3所示，當信號S在信道上進行傳輸時，信號S經過頻率選擇性衰減，必然降低信號S的強度。為了消除頻率選擇性衰減帶來的影響，在理想狀態(tài)下，該接收機是時空白化匹配濾波器，其與衰減相匹配。如圖3所示，該濾波器包括有長度對應于每個天線的信道(外加發(fā)射濾波器)存儲器的長度的線性均衡器312、連接在其后將合并信號反饋給MLSE均衡器的合并器314以及解碼器316。
編碼器304通常代表多種編碼方法，例如，卷積碼、線性分組碼、渦輪碼(turbo code)或格碼，這些方法可用于提高系統(tǒng)的性能。下述引用的參考文件提供了更多的細節(jié)，在增強型數(shù)據(jù)速率GSM演進(EDGE)系統(tǒng)的相關部分，介紹了例如如何改變卷積碼的編碼率可增將系統(tǒng)的性能“EDGE的系統(tǒng)性能，對在用數(shù)字蜂窩系統(tǒng)增強型數(shù)據(jù)率的建議”A.Furuskar第48屆IEEE車載技術研討會，第2卷，1998年5月，1284-1289頁，(“System Performanceof EDGE，a Proposal for Enhanced Data Rates in Existing Digital CellularSystems”，by A.Furuskar，et al，48thIEEE Vehicular Technology Conference，Volume2，May 1998，pages 1284-1289)以及“EDGE的無線接口性能，對在用數(shù)字蜂窩系統(tǒng)增強型數(shù)據(jù)率的建議”，A.Furuskar第48屆IEEE車載技術研討會，第2卷，1998年5月，1064-1068頁(“Radio Interface Performance of EDGE，a proposal for Enhanced Data Rates in Existing Digital Cellular Systems”，by A.Furuskar，et al，48thIEEE Vehicular Technology Conference，Volume2，May 1998，pages 1064-1068)。
灌水原理(Waterfilling)在所有上述天線系統(tǒng)中，收到的信號仍然受到頻率選擇性衰減造成的失真帶來的影響。對于采用了編碼方案的系統(tǒng)而言，例如圖3中描述的系統(tǒng)300，眾所周知，在包含這種失真的情況下，系統(tǒng)的容量可通過灌水原理來最大化，參見例如“用于無線通信系統(tǒng)的多用戶空時編碼”Wang，J.；Yao，K.，無線通信和網(wǎng)絡協(xié)會2002年3月17日至21日，276-279頁，第1卷(“Multiuserspatio-temporal coding for wireless communications”，Wang，J.；Yao，K.，WirelessCommunications and Networking Conference，17-21 Mar 2002，pages276-279vol.1)，其中，每個頻率上的發(fā)射功率與該頻率上的信道增益成比例，但如果該信道增益低于指定的閥值，那么在該頻率上將不會有能量發(fā)射。但是，這種情況下的容量是一個理想值，該值是一個邊界值，并且無法達到，這是因為它需要極好的編碼和/或均衡。實際中的均衡器并非理想的，而且使用編碼也是有限的編碼(或根本沒有編碼)。
平滑法(Smoothing)另一方面，在接收機不使用編碼和均衡的情況下，例如使用單個復合權重替代線性均衡器且不使用MLSE的情況下，還可使用稱為“平滑法”的頻率選擇性發(fā)射信號加權技術來消除接收機中的信號間干擾。通過使用平滑技術，每個頻率的發(fā)射信號使用該頻率下信道響應的反向值進行加權，即預均衡，實現(xiàn)對該頻率選擇性信道的補償。該技術類似于Tomlinson預編碼，參見例如“使用取模算法的新型自動均衡器”，M.Tomlinson，電子Letter，1971年3月25日，第7卷，No.5/6。需要注意的是，這與上面描述的灌水原理剛好相反。
仍然需要注意的是，在使用完整的交錯/解交錯和編碼的情況下，系統(tǒng)的性能取決于平均接收信噪比(SNR)。但是平滑法卻降低了該平均SNR。這樣一來，在系統(tǒng)采用編碼技術的情況下通常不使用平滑技術。這與灌水原理相反，灌水原理在這種情況下會增加SNR。
由于今天的許多系統(tǒng)混合使用了編碼和均衡技術，并可在多種使用不同編碼和調制技術的預定模式下工作，隨著模式的變化，上述這些頻率選擇性發(fā)射信號加權方法都不是最優(yōu)的，而需要一種不同的權重生成方法。
實際效果在于，對性能進行優(yōu)化的發(fā)射濾波(頻率選擇性信號加權)不僅與均衡器的使用有關，還與編碼和調制技術有關。由于許多系統(tǒng)，例如EDGE系統(tǒng)，使用具有不同編碼和調制率的多種模式工作，依據(jù)本發(fā)明幾個實施例的頻率選擇性發(fā)射信號加權方法就不只基于信道狀態(tài)信息，還與模式有關。這些權重可對性能指標進行優(yōu)化，例如輸出SNR、輸出位誤碼率和誤包率。
II.頻率選擇性發(fā)射信號加權方法在一個示范性實施例中，本發(fā)明涉及頻率選擇性發(fā)射信號權重生成方法，用于對多天線通信系統(tǒng)中的發(fā)射信號進行加權，以改善系統(tǒng)性能。
本發(fā)明適用于例如，(i)單信道系統(tǒng)(即缺少空間多路復用的系統(tǒng))內使用多天線的接收機；(ii)單信道系統(tǒng)內使用多天線的發(fā)射機；(iii)發(fā)射機和/或接收機使用的射頻鏈數(shù)量少于發(fā)射/接收天線的具有空間多路復用或單信道的MIMO系統(tǒng)。
本發(fā)明不僅可使用相對低廉的RF組件來改進基于RF的空間加權合并方法，本發(fā)明公開的方法對同時包含基于RF和基帶的空間加權合并陣列也同樣適用。因此，這里對本發(fā)明的介紹將同時依據(jù)基于RF和基帶的空間加權合并方法而展開，它們可同時應用于本發(fā)明的多個實施例中。
在本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還可用于多入多出通信系統(tǒng)內的頻率選擇性發(fā)射信號權重生成方法，該通信系統(tǒng)使用發(fā)射機來廣播多個(N)空間多路復用信號(使用至少N個發(fā)射天線)，其中，接收天線的數(shù)量(M)大于空間多路復用信號的數(shù)量。收到的信號將使用單獨頻率的權重來進行分解和RF域內的加權合并，以此來生成多個輸出信號，該輸出信號的數(shù)量等于空間多路復用信號的數(shù)量。輸出的信號隨后反饋給相應的RF鏈以在基帶域中進行處理。
示范性方案本發(fā)明的頻率選擇性加權和權重生成技術將結合圖4至圖9中的示范性方案進行描述。盡管本發(fā)明參考幾種示范性系統(tǒng)給出介紹，但應當清楚本發(fā)明的頻率選擇性發(fā)射信號加權方法不限于圖4至圖9中特定的系統(tǒng)類型。例如，本發(fā)明所介紹的方法可應用但不限于以下4個方案1)未采用空間多路復用的單信道SIMO系統(tǒng)中使用多天線的接收機；2)未采用空間多路復用的單信道多入單出(MISO)系統(tǒng)中使用多天線的發(fā)射機；3)未采用空間多路復用的單信道MIMO系統(tǒng)中使用多天線的發(fā)射機和使用多天線的接收機；4)采用空間多路復用的MIMO系統(tǒng)中發(fā)射機和/或接收機RF鏈數(shù)量少于發(fā)射機/接收機天線數(shù)量的系統(tǒng)。
還有一點需要說明的是，所述頻率選擇性發(fā)射信號加權方法在應用于上述4種類型的系統(tǒng)時還可使用基帶合并陣列、基于RF的加權合并陣列，以及同時使用基于RF和基帶的陣列。
為便于描述，下面介紹的例子多結合使用OFDM調制的系統(tǒng)來進行說明，但是，本發(fā)明的頻率選擇性發(fā)射信號加權方法在一些實施例中還可應用于基于直接順序擴頻(DS-SS)的系統(tǒng)。上述引用的美國非臨時性專利申請No.10/801,930使用了很大篇幅來對這種系統(tǒng)進行了描述，本發(fā)明的頻率選擇性發(fā)射信號加權方法對這種系統(tǒng)也同樣適用。
首先來看圖4，圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的單載波系統(tǒng)400的示意圖，其中，單載波系統(tǒng)400使用一個發(fā)射天線402和一個帶有兩個接收天線406A和406B的接收機404。如圖所示，該實施例中的發(fā)射機408包括編碼器模塊410、信道狀態(tài)信息(CSI)和模式部分412、權重計算部分414和信號加權部分416。該實施例中的接收機包括極大似然序列估計(MLSE)均衡器418。
信號S可以是GSM信號，但這并不是必須的。由于頻率選擇性衰減的原因，某些實施例中的接收機404包括有時空白化匹配濾波器，與該衰減相匹配。如圖4所示，該濾波器包括線性均衡器420A、420B，其長度等于每個天線的信道(外加發(fā)射和接收濾波器，例如根升余弦濾波器(Root Raised Cosinefilter))存儲器的長度，并緊接著進行合并，隨后合并信號424反饋給MLSE均衡器418和解碼器。在使用了這樣的接收機404之后，假設總的發(fā)射功率是固定的并且發(fā)射機408中的信道狀態(tài)信息是完整的，系統(tǒng)400的容量通過灌水原理可得到最大化，即每個頻率上的發(fā)射功率與信道增益成比例(或者在信道增益低于閥值的情況下沒有發(fā)射功率)。
正如前面所討論的，這種容量是建立在理想編碼情況下的，因此灌水原理作為解決方案只能在理想編碼和均衡情況下才適用。在實際中，均衡器并非理想的，而且一般使用有限的編碼(或根本未采用編碼)。
未使用編碼和時域均衡，即如果線性均衡器420A、420B被單個復合權重所替代，并且不使用MLSE 418，那么通過圖3所描述的平滑方法可對系統(tǒng)的性能進行優(yōu)化。
此外，需要注意的是，使用極佳的交錯/解交錯和編碼的情況下，系統(tǒng)性能取決于平均接收信噪比。平滑法會降低該平均SNR，而灌水原理可增加該平均SNR。
因此，如這里所繼續(xù)描述的那樣，發(fā)射機408的權重計算部分414確定發(fā)射信號加權(也稱為發(fā)射濾波)為不僅是所使用的均衡器的函數(shù)，也是編碼和調制技術的函數(shù)。這樣做的好處是，權重計算部分414依據(jù)信道狀態(tài)信息和模式來生成權重值，此方法適用于許多系統(tǒng)，例如使用每種模式具有不同的編碼合調制率的多種模式工作的EDGE系統(tǒng)。在某些實施例中，生成的權重可對性能指標進行優(yōu)化，例如輸出SNR和誤包率。
盡管圖4是結合單載波系統(tǒng)例如GSM對本發(fā)明的實施例進行的介紹，但是本發(fā)明的頻率選擇性發(fā)射信號加權方法也可應用于使用了耙指(RAKE)接收機的CDMA或WCDMA系統(tǒng)。本發(fā)明還可應用于OFDM系統(tǒng)，以下將對用于WLAN OFDM系統(tǒng)802.11a的雙發(fā)射和雙接收天線單信道MIMO系統(tǒng)進行詳細描述。
在某些實施例中，頻率選擇性發(fā)射信號權重值和發(fā)射/接收空間權重值結合起來計算。各種方案中的計算空間權重的技術在上述引用的美國非臨時專利申請No.10/801,930中進行了公開，通過使用計算得出的空間權重值，性能指標如輸出SNR和誤包率可得到提高。
在本發(fā)明的某些實施例中，可使用全局搜索技術來確定可提升系統(tǒng)性能的頻率選擇性發(fā)射信號權重。該技術包括在給定傳輸模式下，對可提升系統(tǒng)性能指標例如SNR和BER值的頻率選擇性發(fā)射信號權重值組合表進行搜索。在某些實施例中，發(fā)射信號權重和發(fā)射/接收空間權重都可以通過該全局搜索來確定。
例如，搜索引擎查找RF/基帶(即空間)權重和發(fā)射信號權重組，該權重組可在滿足特定約束條件(總發(fā)射功率、最大可接收的BER)的前提下對指定的標準(例如，最大SNR、最小BER)進行改善(例如，優(yōu)化)。該搜索引擎可以是盲目的或半盲目的(blind or semi-blind)(即，可在封閉型函數(shù)內對某些已知信息進行模擬，并將該信息結合在搜索內以加快運行時間)。該搜索可以同時在每個權重系統(tǒng)可用的相位和振幅上執(zhí)行。例如，一個實施例中，相位的范圍處于0-360度有限范圍內，則搜索的步長可在1-10度之間取值。某些實施例中振幅處于
的有限范圍內，則搜索的步長可在0.1-1dB之間取值。
再來看圖5A和5B，所示為符合IEEE802.11a標準的兩個示范性發(fā)射機/接收機系統(tǒng)500、550的框圖。也就是說，發(fā)射機508、560使用OFDM調制，其中表示為{s0，s1，...，sNt-1}的Nt個連續(xù)的使用正交調幅調制后的數(shù)據(jù)符號組成的數(shù)據(jù)流被調制成為一組Nt個正交副載波，參見J.Heiskala和J.Terry編寫的“OFDM無線LANs理論與實踐指導”，Sams出版社，2001年12月出版(J.Heiskala and J.Terry，OFDM Wireless LANsA Theoretical and PracticalGuide，Sams Publishing，Dec，2001)，在此本申請引用該文為參考文件。
首先來看圖5A，所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的使用兩個發(fā)射天線502A、502B和兩個接收天線506A、506B的單信道MIMO-OFDM系統(tǒng)500的框圖。如圖所示，本實施例中的發(fā)射機508包括編碼器模塊510、串并轉換器511、信道狀態(tài)信息(CSI)和模式部分512、權重計算部分514和信號加權部分516。在本實施例中，信號S由編碼器模塊510進行編碼，然后由串并轉換器511分解為并行數(shù)據(jù)子流513。信號加權部分516接收并使用來自權重計算部分514的發(fā)射信號權重值515對并行數(shù)據(jù)子流513進行加權。
如圖所示，權重計算部分514從CSI和模式部分512接收有關信道狀態(tài)和當前操作模式的信息。依據(jù)信道狀態(tài)信息和信號的傳輸模式，權重計算部分514確定信號的發(fā)射權重值，該權重值是頻率的函數(shù)。
在這個示范性實施例中，包含有加權并行數(shù)據(jù)子流517的加權信號在使用相應的天線空間加權模塊522A、522B分別進行空間加權，并使用相應的反轉快速傅立葉變換524A，、524B分別轉換為對應多個天線502A、502B的OFDM信號后，通過多個天線502A、502B分別進行發(fā)射。需要注意的是，這個實施例中的空間加權模塊522A、522B是在基帶中實現(xiàn)的，并且正因如此，天線(空間)權重對于接收機和發(fā)射機中的每個OFDM音調均可用。
天線502A、502B發(fā)射的信號隨后通過信道進行傳輸，隨后由天線組件506A、506B接收，然后轉換到基帶。在完成串并轉換524A、524B之后，收到的基帶信號在每個音調上乘以接收空間權重526A、526B。加權后，將信號發(fā)往FFT 528并進行合并。FFT 528輸出的合并后的接收信號隨后由解碼模塊518進行解碼，以生成原始信號的副本。
再來看圖5B，所示為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的使用兩個發(fā)射天線552A、552B和兩個接收天線580A、580B的單信道MIMO-OFDM系統(tǒng)550的框圖。如圖所示，圖5B中的系統(tǒng)是多權重系統(tǒng)，其中對于發(fā)射機560和接收機570的所有音調來說，每個天線都有一個復合權重554、578。在這種情況下，空間權重在RF域中實現(xiàn)，但在另一種實現(xiàn)方法中，圖5B的發(fā)射機560和接收機570中的基于RF的加權模塊554、578還可使用類似的基帶域中的陣列來補充。兩種情況下空間權重的計算在用于最大化輸出SNR的上述引用的美國非臨時性專利申請No.10/801930中，以及用于最小化輸出誤碼率的名稱為“用于采用基于最小誤碼率的基于RF和基帶信號加權合并的多天線通信系統(tǒng)的權重生成方法”、申請日為2004年7月13日的美國非臨時性專利申請(該申請要求申請日為2003年7月21日的美國臨時專利申請No.60/488,845的優(yōu)先權)中進行了介紹。
在操作過程中，信號S首先由編碼器556進行編碼，然后由串并轉換器558分解為并行數(shù)據(jù)子流559。信號加權部分562接收并使用來自權重計算部分564的發(fā)射信號權重563對并行數(shù)據(jù)子流559進行加權。
如圖所示，權重計算部分564從CSI和模式部分566接收有關信道狀態(tài)和當前操作模式的信息。依據(jù)信道狀態(tài)和信號的傳輸模式，權重計算部分564將確定該信號的發(fā)射權重值，該權重值是頻率的函數(shù)。
在該示范性實施例中，包含加權并行數(shù)據(jù)子流567的加權信號隨后使用反轉快速傅立葉變換568轉換為OFDM信號，并上變頻轉換至RF域，在進行分解后，RF域中OFDM信號的每部分都進行空間加權554A、554B，并通過發(fā)射天線552A、552B中的相應天線進行發(fā)射。注意到在圖5B的實施例中，合并權重554是在RF域而不是在基帶域實現(xiàn)的，這使得發(fā)射RF鏈的數(shù)量降低到一條。
天線552A、552B發(fā)射的信號隨后通過信道進行傳輸，然后由天線組件580A、580B接收。在進行合并之前，由接收天線接收的每個RF信號乘以相應的接收空間權重578A、578B，之后轉換到基帶并從串行轉換為并行子流581，然后發(fā)送給FFT 582并進行合并。FFT 582輸出的合并后的接收信號隨后傳送給解碼器584進行解碼，以生成原始信號S的副本。
現(xiàn)在來看圖6，所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例由圖4、5A和5B中的發(fā)射機所實現(xiàn)的頻率信號加權方法的流程圖。
首先，當發(fā)射機第一次上電時(步驟602)，信道狀態(tài)未知，這時信號加權部分416、516、562使用一組缺省的頻率信號權重。由于這些發(fā)射信號權重只能改善性能，在發(fā)射信號加權未啟用，或所有權重相等時，就可以選用缺省一組權重。
隨后，獲取信道狀態(tài)信息(CSI)(步驟604)。在某些實施例中，獲取CSI的操作在接收機中完成，并且相關的信息通過無線方式以控制消息反饋給發(fā)射機中的CSI和模式獲取部分412、512、566。在這些實施例中，由已知符號組成的訓練序列從發(fā)射機408、508、560發(fā)送給接收機404、504、470。在接收機404、504、470處，依據(jù)收到的信號和已知符號序列對信道進行估算。目前存在多種依據(jù)訓練序列的信道估算技術，例如，參見J.-J.van de Beek等編寫的《OFDM系統(tǒng)中的信道估算》，1995年7月25日-28日IEEE第45屆車載技術研討會，第2卷815-819頁(J.-J.van de Beek et al.，“On ChannelEstimation in OFDM Systems”，IEEE 45thVehicular Technology Conference，vol.2，25-28 Jul 1995，pp.815-819)，在此本申請引用該文為參考文件。
接下來，在某些實施例中，一旦信道已知，就執(zhí)行一個算法來決定哪個候選的可能模式最適合當前的CSI(步驟606)。該算法通常稱為鏈路自適應，可以保證不管信道狀況如何變化，在指定模式選擇標準(最大數(shù)據(jù)率、最小發(fā)射功率)的情況下，總是使用最高效的模式。有關用于頻率選擇性MIMO系統(tǒng)的鏈路自適應的其他細節(jié)在S.Catreux等編寫的發(fā)表在2002年6月IEEE通信雜志第40卷No.6 108-115頁的“用于無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的自適應調制和MIMO編碼”(“Adaptive Modulation and MIMO Coding for Broadband Wireless DataNetworks”，by S.Catreux et al.，IEEE Communications Magazine，Vol.40，No.6，June 2002，PP.108-115)中進行了介紹。在這點上，信道狀態(tài)和模式信息均可反饋給發(fā)射機408、508、560，而權重計算部分414、514、564使用該信息來計算發(fā)射信號權重。
在這些實施例中，發(fā)射信號權重還可在接收機中進行計算，計算得出的權重通過無線方式以控制信息發(fā)往發(fā)射機。注意到該反饋的前提是假設信道變化足夠緩慢，使得接收機中用于計算權重的CSI和權重應用于發(fā)射機時的CSI之間緊密相關。
在其他實施例中，所有建立CSI的操作和模式獲取操作都在發(fā)射機408、508、560中進行。在某些系統(tǒng)中(例如限制噪音環(huán)境中的時分雙工(TDD)系統(tǒng))，上行信道與下行信道相同。因此，發(fā)射機可估算信道，計算模式和發(fā)射信號權重值，并使用這些估算的參數(shù)通過下行信道進行傳輸。在這些實施例中，發(fā)射機從上行信道接收訓練序列，執(zhí)行信道和模式估算，并最終計算出發(fā)射信號權重值。這樣就不需要進行反饋。
在信道狀態(tài)可用后，缺省權重被基于當前CSI和當前模式的更優(yōu)頻率權重(例如，由權重計算部分414、514、564計算得出)所替代(步驟608)。
在圖5A和5B中介紹的多載波(OFDM)實施例中，每個音調由基于當前CSI和當前模式的發(fā)射信號權重進行調整。音調k上的調整后的數(shù)據(jù)符號表示為αksk(1)在某些實施例中，每個音調通過發(fā)射信號權重進行調整后，接著應用空間權重(步驟610)。在有關OFDM系統(tǒng)的介紹中，對于多個發(fā)射天線中的每一個，將調整后的數(shù)據(jù)aksk乘以發(fā)射空間權重，這樣的話，天線i上發(fā)射的信號表示如下txsi，k＝vi，kaksk(2)音調k上的發(fā)射信號向量為txsk＝vk·aksk(3)其中vk＝[v1，k，…vnT，k]T是nT×1元向量，nT是發(fā)射天線組件的數(shù)量。
天線i發(fā)射的信號隨后通過信道進行傳播，并由M個天線元件組成的陣列接收，并對該收到的信號在每個音調上乘以接收到的表示為uk＝[u1，k，…uM，k]T的空間權重。加權之后，信號將發(fā)往FFT并進行合并。FFT輸出的合并后的接收信號表示如下yk＝ukHHk·vk·aksk+ukHnk(4)其中Hk是音調k上的信道頻率響應，是大小為M×nT的矩陣，n是具有零均值和變量σ2的復合附加高斯白噪聲(AWGN)。
如前面所介紹的，在某些實施例中未采用編碼和時域均衡，而使用平滑技術來改善接收機的性能。在基于OFDM的系統(tǒng)中，如參考圖5A和5B介紹的系統(tǒng)中，應用平滑法的過程包括使用發(fā)射信號權重對音調進行調整，使接收機中的處理后SNR(這里也稱為輸出SNR)在整個頻率帶寬(BW)上呈平滑狀態(tài)。對應等式(4)的處理后SNR為SNRk=||u‾kHHk·v‾k||2|αk|2E[sksk*]σ2||u‾k||2---(5)]]>當引入平滑技術后，ak的值使得每個音調上的SNRk都一樣。
根據(jù)等式(5)，ak的解為
αk=||u‾k||||u‾kHHk·v‾k||---(6)]]>如果每個音調上的接收空間權重是一樣的，那么ak的解變成αk=1||u‾kHHk·v‾k||---(7)]]>為了保持所有音調上的總發(fā)射功率(即Nt·P)恒定，而不管發(fā)射天線組件的數(shù)量是多少或是否使用了發(fā)射頻率信號加權，所以假設每個數(shù)字符號的功率為P/nT，即E[sksk*]=P/nT---(8)]]>依據(jù)等式(3)和(8)的所有音調的總發(fā)射功率為TXPW=Σk=1NtE[αk*sk*v‾kHv‾kαksk]=Σk=1Ntv‾kHv‾k|αk|2E[sksk*]=P/nTΣk=1Ntv‾kHv‾k|αk|2=NtP---(9)]]>那么對頻率調整后的發(fā)射權重的約束可表示為Σk=1Ntv‾kHv‾k|αk|2=NtnT---(10)]]>通過提高最差音調的SNR，同時降低稍好音調的SNR，如上所述的發(fā)射平滑技術帶寬上的總發(fā)射功率進行不均衡再分配。當信道在某個音調上存在深度衰減的情況下，大部分功率將分配給該音調，這樣一來結果將不是最佳的。
因此，一個實施例中，對上述平滑算法添加一個標準，來限制用于一個音調的發(fā)射功率最大峰值。換句話說，ak的值通過一個閥值設定了上限。通過這種方式，當特定音調出現(xiàn)深度衰減的時候，該音調不會破壞性的占據(jù)不成比例的可用功率。
在使用編碼的情況下，上述發(fā)射平滑方法由于降低了平均輸出SNR(如下面模擬結果所示)而降低了接收機的性能；因此在某些實施例中，在使用了編碼的情況下，還會使用發(fā)射信號加權技術，而非上述平滑技術。
在某些實施例中，當系統(tǒng)使用了編碼技術的時候，還采用稱為量化部分信號加權(QPSW)的加權技術。通過使用這種QPSW加權技術，部分音調(對應每個音調最大輸出SNR的第X個百分點)的功率減小A個dB的量(其中A可以是常數(shù)或是關于輸出SNR的函數(shù))，而另一部分音調(對應每個音調最小輸出SNR的第Y個百分點)的功率增加B個dB的量(其中B可以是常數(shù)或關于輸出SNR的函數(shù))。在這些實施例中，X、Y、A和B的值取決于使用的編碼技術。在指定了編碼技術之后，這些值可通過全局搜索來查找得到。
圖7和圖8所示為平滑技術對圖5A和圖5B中的系統(tǒng)產生的影響。具體說，圖7所示為802.11a“模式1”(即編碼率為1/2的BPSK)格式的信號的誤包率對比接收SNR的示意圖，圖8所示為802.11a“模式10”(未編碼的BPSK)格式的信號的誤包率對比接收SNR的示意圖。
圖5A中所描述的系統(tǒng)的曲線編號為MW-BB(基帶多權重)，圖5B中所描述的系統(tǒng)的曲線編號為MW-RF(RF多權重)。圖5B中系統(tǒng)的結果示出了同時使用最大SNR標準和最小比特誤碼率標準的情況。圖中還示出了選擇分集的結果(標號為sel)。
如圖7所示，對于模式1來說，使用平滑技術降低了性能，因為模式1采用1/2的編碼率。如圖所示，在10**-1的誤包率下，圖5A中所示的系統(tǒng)的SNR降低了0.4dB，圖5B中所示的系統(tǒng)的SNR降低了1.9dB。
相比而言，如圖8所示，對于模式10來說，使用平滑技術提升了系統(tǒng)能行，因為該模式沒有使用編碼。如圖所示，在10**-1的誤包率下，圖5A和圖5B中所示的系統(tǒng)的SNR分別增加了2.9和2.35dB。這樣的話，這些結果說明頻率加權算法對這幾個實施例有效，該算法將發(fā)射信號頻率選擇性權重建立為關于特定通信系統(tǒng)所處的操作模式的函數(shù)。
圖9所示為圖5A和圖5B所示的系統(tǒng)使用QPSW技術且運行在模式6(采用編碼率為3/4的16QAM)的情況下產生的誤包率對比接收SNR的示意圖。
對于模式6來說，上述QPSW技術的實現(xiàn)參數(shù)為X＝30，A＝1.5dB，Y＝X，B為輸出SNR的函數(shù)。如圖9所示，對于10**-1的誤包率而言，該發(fā)射信號加權方法分別將圖5A和圖5B中系統(tǒng)的SNR提高了0.45dB和0.3bB。對于10**-2的PER而言，QPSW將圖5A中系統(tǒng)的SNR增加了1dB。
在某些實施例中，這些權重隨著CSI的變化而變化。例如，CSI一旦變化，權重也隨之更新。例如，在基于數(shù)據(jù)包的系統(tǒng)中，訓練序列嵌入每個包的頭部，這樣CSI可以在每個包中實現(xiàn)。在視頻流應用中，數(shù)據(jù)包連續(xù)發(fā)送，并且由于信道并非隨著每個包的發(fā)送而發(fā)生明顯的變化，CSI的變化可被準確的檢測到，發(fā)射信號權重的更新也就很及時。在某些實施例中，設定只有CSI的變化超過預定的閥值時才對權重進行更新，這樣可以提高效率。
在更多的突發(fā)應用中(例如互聯(lián)網(wǎng)下載)，可能存在閑置時段，該時段內沒有數(shù)據(jù)包發(fā)送。因此，在某些實施例中，如果該閑置時間比信道相干時間長，權重就將重新初始化為缺省值，上述處理過程也隨之重新開始。
本領域的技術人員應該明白，本發(fā)明也可擴展至單載波系統(tǒng)。類似于OFDM實施例，在單載波實施例中，可對性能進行優(yōu)化的發(fā)射信號加權依賴于調制方法和編碼以及所使用的均衡技術。如上面所述，在使用了理想編碼和均衡技術的情況下，灌水原理的效果更優(yōu)；但當接收機沒有使用均衡或編碼的情況下，平滑技術的效果更優(yōu)。由于多數(shù)使用某些編碼和非理想均衡的系統(tǒng)都處于此兩種情況之間，最優(yōu)的發(fā)射信號權重會發(fā)生變化，并可通過例如全局搜索來找到。由于在某些系統(tǒng)中，調制和編碼方法會發(fā)生變化，因此最優(yōu)的發(fā)射信號權重也會隨調制方法和編碼(模式)的變化而同時變化。
雖然以上結合附圖對本發(fā)明進行了詳細介紹，但本發(fā)明并不限于上述描述中的細節(jié)，因為在不脫離本發(fā)明主旨和范圍的前提下，本領域的普通技術人員可以對本發(fā)明進行許多變更和修改。這包括將本發(fā)明應用于移動、固定、窄帶/寬帶和室內/室外無線系統(tǒng)中，以及時分雙工和頻分雙工無線系統(tǒng)中。
此外，前面的描述使用了特定的術語來對本發(fā)明進行解釋，目的是讓讀者更好的理解本發(fā)明的內容。但是，本領域的技術人員應該明白，這些細節(jié)并不是實施本發(fā)明所必須的。另外，公知的電路和設備使用框圖進行的描述，目的是避免對本發(fā)明的理解產生不必要的混淆。因此，前面對本發(fā)明特定實施例的描述，其目的是對本發(fā)明進行解釋。這些描述并不是窮盡性的，也不是將本發(fā)明限定在所揭示的特定形式上，顯然，依據(jù)上述介紹，可對本發(fā)明作出許多修改和變更。以上選擇的實施例是為了更好的解釋本發(fā)明的主旨及實際應用，以便本領域的技術人員可以更好的應用本發(fā)明，并依據(jù)特定的需求對本發(fā)明的各種實施例進行修改。因此，以下的權利要求和其同等替換定義了本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種在無線信道上傳輸信號的方法，其特征在于，包括如下步驟基于在所述信道上傳送的初始信號，獲取表示所述信道狀態(tài)的信息；獲取表示所述信號傳輸模式的信息；基于所述信道狀態(tài)和所述信號的傳輸模式，確定所述信號的發(fā)射權重值，所述發(fā)射權重值是關于頻率的函數(shù)；使用所述發(fā)射權重值對所述信號進行加權，從而生成加權信號；依據(jù)所述傳輸模式發(fā)射所述加權信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射步驟通過多個天線執(zhí)行，所述方法還包括使用所述對應的多個發(fā)射天線空間權重中一個對通過所述多個天線中的每個天線發(fā)射的所述加權信號進行加權。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述確定步驟包括生成所述發(fā)射權重值和所述多個發(fā)射天線空間權重。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射權重值和所述多個發(fā)射天線空間權重通過全局搜索結合起來優(yōu)化。
5.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述多個發(fā)射天線空間權重在基帶下實現(xiàn)，或在RF實現(xiàn)，或在基帶和RF的結合下實現(xiàn)。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定步驟還包括確定發(fā)射功率權重值，其中所述加權信號的任何頻率的發(fā)射功率通過閥值設定了上限。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定步驟還包括生成發(fā)射權重值，以降低所述信號的一部分頻率的功率，所述一部分頻率對應于SNR高于閾值的初始信號的頻率；增加所述信號的一部分頻率的功率，所述一部分頻率對應于SNR低于閾值的初始信號的頻率。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述信號為單載波信號。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述信號為GSM信號。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述信號為多載波信號。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述信號為碼分多址信號。
12.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述信號為超寬帶信號。
13.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述信號是正交頻分復用信號。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射權重是標量。
15.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述傳輸模式從由編碼模式、編碼率、調制模式和調制率組成的組中選出。
16.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述加權步驟包括對所述信號進行加權以優(yōu)化性能指標。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，所述性能指標是輸出信噪比。
18.根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，所述性能指標是輸出誤包率。
19.一種用于發(fā)射信號的系統(tǒng)，其特征在于，包括接收機，用于接收初始信號，并為所述初始信號估計信道狀態(tài)信息；發(fā)射機，用于依據(jù)傳輸模式發(fā)射信號，并基于所述信道狀態(tài)信息和所述傳輸模式執(zhí)行發(fā)射信號加權，所述加權權重是關于頻率的函數(shù)。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述接收機包括多個接收天線，用于基于通過所述多個接收天線收到的信號估計所述信道狀態(tài)信息，其中所述接收機還用于使用對應的多個接收天線空間權重中的一個，對通過所述多個接收天線中的每一個接收的信號進行加權。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其特征在于，所述多個接收天線空間權重在基帶下實現(xiàn)，或在RF實現(xiàn)，或在基帶和RF的結合下實現(xiàn)。
22.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機用于發(fā)射所述初始信號，所述接收機用于通過無線鏈路向發(fā)射機發(fā)射所述估算的信道狀態(tài)信息。
23.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述接收機由所述發(fā)射機容置，其中所述發(fā)射機按照時分雙工方式工作。
24.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述信號為單載波信號。
25.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述信號為GSM信號。
26.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述信號為碼分多址信號。
27.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述信號為超寬帶信號。
28.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述信號是正交頻分復用信號。
29.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機通過使用標量權重對所述信號的頻率進行加權，來實現(xiàn)通過頻率對信號發(fā)射功率進行加權。
30.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述傳輸模式從由編碼模式、編碼率、調制模式和調制率組成的組中選出。
31.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射信號加權包括生成發(fā)射信號權重以優(yōu)化性能指標。
32.根據(jù)權利要求31所述的方法，其特征在于，所述性能指標是輸出信噪比。
33.根據(jù)權利要求31所述的方法，其特征在于，所述性能指標是輸出誤包率。
34.根據(jù)權利要求20所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機通過使用基于所述多個接收天線空間權重生成的發(fā)射權重對信號頻率進行加權，從而實現(xiàn)對發(fā)射信號的加權。
35.根據(jù)權利要求20所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機通過使用與所述多個接收天線空間權重一起生成的發(fā)射權重對信號頻率進行加權，從而實現(xiàn)對發(fā)射信號加權。
36.根據(jù)權利要求35所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機還通過全局搜索同時優(yōu)化所述發(fā)射權重和所述多個接收天線空間權重。
37.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射信號加權包括發(fā)射功率加權，其中任何特定頻率的發(fā)射功率通過閥值設定了上限。
38.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機包括多個發(fā)射天線，其中通過所述多個中的每個天線發(fā)射的信號進一步使用對應的多個發(fā)射天線空間權重中的一個進行加權。
39.根據(jù)權利要求38所述的方法，其特征在于，所述多個發(fā)射天線空間權重在基帶下實現(xiàn)，或在RF實現(xiàn)，或在基帶和RF的結合下實現(xiàn)。
40.根據(jù)權利要求20所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機包括多個發(fā)射天線，其中通過所述多個中的每個天線發(fā)射的信號進一步使用對應的多個發(fā)射天線空間權重中的一個進行加權。
41.根據(jù)權利要求40所述的方法，其特征在于，所述多個發(fā)射天線空間權重在基帶下實現(xiàn)，或在RF實現(xiàn)，或在基帶和RF的結合下實現(xiàn)。
42.根據(jù)權利要求40所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機用于通過使用基于所述多個接收天線空間權重和所述多個發(fā)射天線空間權重生成的發(fā)射權重對信號頻率進行加權，以執(zhí)行發(fā)射信號加權。
43.根據(jù)權利要求40所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機用于通過使用基于與所述多個接收天線空間權重和所述多個發(fā)射天線空間權重一同生成的發(fā)射權重對信號頻率進行加權，以執(zhí)行發(fā)射信號加權。
44.根據(jù)權利要求43所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機還用于通過全局搜索同時優(yōu)化所述發(fā)射權重和所述多個發(fā)射和接收天線空間權重。
45.根據(jù)權利要求40所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機用于通過多個中的每個發(fā)射天線發(fā)射一組空間多路復用信號。
46.根據(jù)權利要求38所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機用于通過使用基于所述多個發(fā)射天線空間權重生成的發(fā)射權重對所述信號頻率進行加權，以執(zhí)行發(fā)射信號加權。
47.根據(jù)權利要求38所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機用于通過使用與所述多個發(fā)射天線空間權重一同生成的發(fā)射權重對所述信號頻率進行加權，以執(zhí)行發(fā)射信號加權。
48.根據(jù)權利要求47所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機還用于通過全局搜索同時優(yōu)化所述發(fā)射權重和所述多個發(fā)射天線空間權重。
49.一種用于發(fā)射信號的系統(tǒng)，其特征在于，包括接收機，用于接收初始信號，并基于預先確定的信道狀態(tài)信息和信號傳輸模式估計發(fā)射信號權重值的組合，所述權重值是關于頻率的函數(shù)；發(fā)射機，用于使用所述發(fā)射權重值對所述信號進行加權，從而生成加權信號，并依據(jù)所述傳輸模式發(fā)射所述加權信號。
50.根據(jù)權利要求49所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機用于發(fā)射所述初始信號，所述接收機用于通過無線鏈路向所述發(fā)射機發(fā)送所述發(fā)射信號權重組合。
51.根據(jù)權利要求49所述的方法，其特征在于，所述接收機由所述發(fā)射機容置，其中所述發(fā)射機按照時分雙工方式工作。
52.根據(jù)權利要求49所述的方法，其特征在于，所述接收機包括多個接收天線，用于基于通過所述多個接收天線收到的信號估算信道狀態(tài)信息，其中所述接收機還用于使用對應的多個接收天線空間權重中的一個對通過所述多個中的一個接收天線收到的信號進行加權。
53.根據(jù)權利要求52所述的方法，其特征在于，所述多個接收天線空間權重在基帶下實現(xiàn)，或在RF實現(xiàn)，或在基帶和RF的結合下實現(xiàn)。
54.根據(jù)權利要求49所述的方法，其特征在于，所述信號為單載波信號。
55.根據(jù)權利要求49所述的方法，其特征在于，所述信號為GSM信號。
56.根據(jù)權利要求49所述的方法，其特征在于，所述信號為碼分多址信號。
57.根據(jù)權利要求49所述的方法，其特征在于，所述信號為超寬帶信號。
58.根據(jù)權利要求49所述的方法，其特征在于，所述信號是正交頻分復用信號。
59.根據(jù)權利要求58所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機用于通過使用標量權重對所述信號的頻率進行加權，來實現(xiàn)使用所述頻率對所述信號發(fā)射功率進行加權。
60.根據(jù)權利要求49所述的方法，其特征在于，所述傳輸模式從由編碼模式、編碼率、調制模式和調制率組成的組中選出。
61.根據(jù)權利要求49所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射信號加權包括生成發(fā)射信號權重以優(yōu)化性能指標。
62.根據(jù)權利要求61所述的方法，其特征在于，所述性能指標是輸出信噪比。
63.根據(jù)權利要求61所述的方法，其特征在于，所述性能指標是輸出誤包率。
64.根據(jù)權利要求52所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射機用于通過使用基于所述多個接收天線空間權重生成的發(fā)射權重對所述信號頻率進行加權，以執(zhí)行發(fā)射信號加權。
65.根據(jù)權利要求52所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射信號權重與所述多個接收天線空間權重一同生成。
66.根據(jù)權利要求65所示的方法，其特征在于，所述發(fā)射機還通過全局搜索同時優(yōu)化所述發(fā)射信號權重和所述多個接收天線空間權重。
67.根據(jù)權利要求49所示的方法，其特征在于，所述發(fā)射信號加權包括發(fā)射功率加權，其中任何特定頻率的發(fā)射功率通過閥值設定了上限。
68.根據(jù)權利要求49所示的方法，其特征在于，所述發(fā)射機包括多個發(fā)射天線，其中通過所述多個中的每個天線發(fā)射的信號進一步使用對應的多個發(fā)射天線空間權重中的一個進行加權。
69.根據(jù)權利要求68所示的方法，其特征在于，所述多個發(fā)射天線空間權重在基帶下實現(xiàn)，或在RF實現(xiàn)，或在基帶和RF的結合下實現(xiàn)。
70.根據(jù)權利要求52所示的方法，其特征在于，所述發(fā)射機包括多個發(fā)射天線，其中通過所述多個中的每個天線發(fā)射的信號進一步使用對應的多個發(fā)射天線空間權重中的一個進行加權。
71.根據(jù)權利要求70所示的方法，其特征在于，所述多個發(fā)射天線空間權重在基帶下實現(xiàn)，或在RF實現(xiàn)，或在基帶和RF的結合下實現(xiàn)。
72.根據(jù)權利要求70所示的方法，其特征在于，所述發(fā)射信號權重基于所述多個接收天線空間權重和所述多個發(fā)射天線空間權重生成。
73.根據(jù)權利要求70所示的方法，其特征在于，所述發(fā)射信號權重與所述多個接收天線空間權重和所述多個發(fā)射天線空間權重一同生成。
74.根據(jù)權利要求73所示的方法，其特征在于，通過全局搜索同時優(yōu)化所述發(fā)射信號權重和所述發(fā)射和接收天線空間權重。
75.根據(jù)權利要求70所示的方法，其特征在于，所述發(fā)射機用于通過所述多個中的每個發(fā)射天線發(fā)射一組空間多路復用信號。
76.根據(jù)權利要求68所示的方法，其特征在于，所述發(fā)射信號權重基于所述多個發(fā)射天線空間權重生成。
77.根據(jù)權利要求68所示的方法，其特征在于，所述發(fā)射信號權重與所述多個發(fā)射天線空間權重一同生成。
78.根據(jù)權利要求77所示的方法，其特征在于，通過全局搜索同時優(yōu)化所述發(fā)射權重和所述多個發(fā)射天線空間權重。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生成發(fā)射權重值的方法，用于各種發(fā)射機和接收機接口內的信號加權。所述權重值基于所述信號的通信信道狀態(tài)和傳輸模式確定，所述權重值是頻率的函數(shù)。各種實施例中，通過多個天線中的每個天線發(fā)射的加權信號的加權通過對應的多個發(fā)射天線空間權重中的一個來實現(xiàn)。這些實施例中，引入對各種發(fā)射權重值和發(fā)射天線空間權重的組合的搜索，以找出能優(yōu)化性能指標(例如輸出信噪比、輸出誤碼率或輸出誤包率)的一個權重組合。
文檔編號H04B1/707GK1860693SQ200480020711
公開日2006年11月8日 申請日期2004年7月29日 優(yōu)先權日2003年7月29日
發(fā)明者塞韋林·卡特羅伊斯, 文科·厄斯戈, 皮特·W·魯, 皮特·范魯延, 杰克·溫特斯 申請人:美國博通公司