專利名稱：多載波mimo系統(tǒng)及其通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到使用多輸入多輸出天線系統(tǒng)的無線通信技術(shù)，特別是涉及一種多載波MIMO通信系統(tǒng)及其通信方法。
背景技術(shù)：
未來的無線通信系統(tǒng)需要支持非常高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，比如說視頻會議、視頻點(diǎn)播、交互視游戲等等。根據(jù)ITU-R M1645文件中提到的要求高速無線業(yè)務(wù)(High Mobility)，需要支持最高到100Mbps的速率，而對于低速(LowMobility)或者固定無線(Fixed Wireless)業(yè)務(wù)，更需要達(dá)到1Gbps的速率。
無線通信中一個信道的速率等于該信道的頻譜帶寬與其所應(yīng)用技術(shù)的頻譜效率的乘積。為了提高速率，需要提高它的頻譜帶寬或者所應(yīng)用技術(shù)的頻譜效率。然而，頻率資源是有限的，所以不可能無限制地通過增加頻譜帶寬來增加通信速率，最好方法是增大所應(yīng)用技術(shù)的頻譜效率。
通常，可以通過兩個途徑來提高頻譜效率。一種途徑是通過物理層的技術(shù)如先進(jìn)的編碼技術(shù)、信號處理技術(shù)等來提高鏈路級的頻譜效率。另一種途徑是通過高層的控制達(dá)到更靈活的資源分配來實現(xiàn)系統(tǒng)級的頻譜效率。多輸入多輸出技術(shù)(Multiple Input Multiple Output，MIMO)和基于信道用戶調(diào)度方法(Channel-Aware User Scheduling)是相應(yīng)的兩種實現(xiàn)該目標(biāo)的方法。隨機(jī)波束成形是用來改善用戶調(diào)度系統(tǒng)性能的一種方法，其可以比較有效地將這兩個不同協(xié)議層的方法進(jìn)行聯(lián)合，從而實現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。然而，現(xiàn)代的通信系統(tǒng)都基于蜂窩結(jié)構(gòu)，基本的通信模式是蜂窩中的一個基站同時為很多個用戶(Mobile Station，MS)提供服務(wù)，這就涉及到多用戶的接入問題—多址方式(Multiple Access)。傳統(tǒng)的接入方式有FDMA、TDMA以及CDMA，它們都是基于電路交換(Circuit Switch)原則的，即每個用戶都給分配了一個固定的頻帶(FDMA)、時隙(TDMA)或擴(kuò)頻碼(CDMA)。
以GSM為例，基站在一條200K的信道內(nèi)以固定時隙分配的方法把一個幀的8個時隙分配給8個用戶進(jìn)行通信。這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是可以保證通信業(yè)務(wù)的時延特性，比較適合于語音通信這類對時延比較敏感的業(yè)務(wù)。其缺點(diǎn)是固定資源分配沒有考慮到用戶通信時的無線信道狀況。由于無線信道的變化非常大，如果用戶在其信道處于深衰落的時候分配到了信道的話，將導(dǎo)致系統(tǒng)性能的損失。
未來的通信系統(tǒng)將以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主，對時延的要求不是太嚴(yán)格。這樣的話可以采用分組交換(Packet Switch)的多址方式。采用分組交換時，基站需要實時地把信道分配給不同的用戶，這里叫作用戶調(diào)度(User Scheduling)。目前有兩種最基本的用戶調(diào)度方法被應(yīng)用到無線通信系統(tǒng)中。一種是循環(huán)(Round Robin)調(diào)度，即信道通過循環(huán)的方式分配給所有的用戶。這種方法的效果和電路交換一樣，保證了時延特性和用戶間的公平性，但沒有提高性能。另一種用戶調(diào)度技術(shù)是信道感知調(diào)度(Channel-aware Scheduling)，其可以根據(jù)用戶的信道衰落情況hk(單天線系統(tǒng)中，它是一個復(fù)數(shù)標(biāo)量)，動態(tài)地將當(dāng)前信道的使用權(quán)分配給具有最大載波干擾比(可以簡單的認(rèn)為是max|hk|)的用戶。這樣的話，系統(tǒng)的性能可以得到很大的提高。通過最大載干比調(diào)度得到的性能增益叫作多用戶分集(Multiuser Diversity)。
但是，由于信道感知調(diào)度是根據(jù)信道的狀況來決定公共信道的分配，其對信道狀況的依賴性比較大。這樣，在一些特殊的信道狀況下，系統(tǒng)的性能就會有顯著的下降。
圖1(a)和1(b)給出了當(dāng)基站(發(fā)送端)具有一根發(fā)送天線并且具有兩個用戶(接收端)時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在該系統(tǒng)中，信道感知調(diào)度是根據(jù)信道的狀況來決定公共信道的分配。
在圖2中，(a)表示在信道狀況良好時信道增益的狀況；(b)表示信道中存在視線路徑(Line of Sight，LoS)時信道增益的狀況；(c)表示系統(tǒng)處于慢衰減時信道增益的狀況。
在圖2中，曲線1表示用戶1的隨時間變化的信道增益曲線，曲線2表示用戶2的隨時間變化的信道增益曲線，虛線表示當(dāng)前系統(tǒng)隨時間變化的平均信道增益曲線。從(a)中可以看出，在不同的時刻，系統(tǒng)根據(jù)用戶1和用戶2的信道增益來決定公共信道的分配，即在0-t1時段分配給用戶1、t1-t2時段分配給用戶2等等，分別在時間軸上用“1”、“2”表示。最后，系統(tǒng)的信道增益則是曲線1和曲線2的上包絡(luò)，求其平均得到虛線所示的系統(tǒng)平均信道增益曲線。
比較(a)和(b)可以得知，當(dāng)信道中存在一個視線路徑時，由于該視線路徑將減小信道系數(shù)的波動，其導(dǎo)致可實現(xiàn)的系統(tǒng)平均信道增益降低。并且，從(b)和(c)中可以看出(括號所指示的時段)，當(dāng)系統(tǒng)衰落比較慢時，傳輸時延就會比較大。
為解決這個問題，P.Viswanath、D.N.C.Tse以及R.Laroia等人提出了一種解決方法(參閱“Opportunistic beamforming using dumb Anntennas”，IEEETrans.Infor.Theory,Vol.48，No.6，pp.1277-1294．June．2002，下稱“參考文獻(xiàn)1”)。
在該方法中，假設(shè)基站安裝有nT根天線，并且每個用戶是一根接收天線的話，用戶的信道是一個向量hk∈CnT×1]]>。在發(fā)射前，將數(shù)據(jù)信號乘上一個nT維隨機(jī)復(fù)數(shù)向量w∈CnT×1]]>，然后，將該數(shù)據(jù)信號從所有的nT根天線發(fā)射出去。這時，每個用戶檢測到信道增益實際上是一個結(jié)合了真實信道和發(fā)射向量的等效信道增益GNk=|hk*w|]]>。每個用戶把其檢測到的等效信道增益反饋給基站，進(jìn)而，基站將信道分配給具有最大等效信道增益的用戶。
例如，在圖1a和圖1b中，具有最大等效增益的用戶正好位于由發(fā)射向量hk形成的發(fā)射波束的主瓣內(nèi)。這樣的話，通過改變隨機(jī)復(fù)數(shù)向量W，就可以改變等效信道增益的統(tǒng)計特性(例如相關(guān)特性、時變特性等)，使其滿足用戶調(diào)度的要求。
系統(tǒng)的性能在很大程度上也取決于隨機(jī)向量概率的分布密度函數(shù)fpdf(w)。上述方法是在窄帶系統(tǒng)中，平坦衰落信道情況下給出的。然而，目前的系統(tǒng)通常為寬帶系統(tǒng)，有很強(qiáng)的頻率選擇性衰落，因此直接采用上述方法不可能形成某個方向上的波束。同時，根據(jù)多載波調(diào)制技術(shù)，信號帶寬可以被分成很多子載波，每個子載波會經(jīng)歷一個平坦衰落信道。這樣的話，針對每個子載波可以實現(xiàn)隨機(jī)波束成形。用戶可以通過測量在每個子載波上的等效信道增益來競爭每個子載波。
圖3給出了這種情況下發(fā)送端的信號處理的示意圖?？梢钥吹?，每個子載波上的數(shù)據(jù)di都要乘上一個隨機(jī)產(chǎn)生的向量wn，n＝1，...，Nc形成輸入到不同天線的頻域信號。不同天線上的頻域信號再經(jīng)過IFFT形成時域信號。該時域信號在加上循環(huán)前綴后通過相應(yīng)的天線發(fā)射出去。從圖3上我們可以看到，對這個系統(tǒng)，一共需要產(chǎn)生Nc個nT維的隨機(jī)向量，并且需要進(jìn)行nT次IFFT。這將產(chǎn)生以下幾個問題1.隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生一般通過一些偽隨機(jī)的方法。并且這里需要的都是一些具有時間相關(guān)特性的隨機(jī)序列。產(chǎn)生這么多的隨機(jī)數(shù)需要很多相應(yīng)的偽隨機(jī)發(fā)生器，導(dǎo)致硬件資源的增加或者算法復(fù)雜度的提高；2.這個系統(tǒng)的性能應(yīng)該取決于所有隨機(jī)向量的聯(lián)合概率密度函數(shù)fpdf(w1，...，wNc)。原則上，這個函數(shù)是有一定的優(yōu)化空間的，但去有目的的優(yōu)化有非常多變量的函數(shù)，在數(shù)學(xué)上有非常大的難度；3.這個方案需要和發(fā)送天線數(shù)一樣多的IFFT的次數(shù)，算法的復(fù)雜度是o(nT·Nc·LogNc)，比較高。
因此，需要提供一種能夠克服上述缺點(diǎn)的通信系統(tǒng)及其通信方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種多載波MIMO通信系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種用于上述多載波MIMO通信系統(tǒng)的通信方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明多載波MIMO通信系統(tǒng)，其包括用于發(fā)送至少具有信道估計信號和用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送端，以及用于接收發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀、產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信號并還原用戶數(shù)據(jù)的至少一接收端。其中，該發(fā)送端包括雙工器組和位于其上的發(fā)送天線，用于發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并接收來自接收端的反饋信號；多載波MIMO調(diào)度器，用于根據(jù)該反饋信號產(chǎn)生調(diào)度信息；多載波MIMO數(shù)據(jù)處理器，用于根據(jù)調(diào)度信息選擇需要調(diào)度的用戶，并將所選擇用戶的數(shù)據(jù)形成對應(yīng)的多載波發(fā)射信號。該接收端包括雙工器組以及位于其上的接收天線，用于接收來自發(fā)送端的數(shù)據(jù)幀，并發(fā)送用戶反饋信息；多載波接收信號處理器，用于根據(jù)數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生用戶反饋數(shù)據(jù)和還原用戶數(shù)據(jù)；反饋信息處理器，用于將用戶反饋信息轉(zhuǎn)化成反饋信號。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，本發(fā)明多載波MIMO通信系統(tǒng)的通信方法，其包括以下步驟(a)在接收端，根據(jù)發(fā)送端的發(fā)送天線與接收端的接收天線之間的信道衰落狀況產(chǎn)生反饋信號，并將該反饋信號反饋給發(fā)送端；(b)在發(fā)送端，接收該反饋信號，根據(jù)該反饋信號產(chǎn)生調(diào)度信息；(c)在發(fā)送端，根據(jù)調(diào)度信息將所調(diào)度用戶的數(shù)據(jù)形成對應(yīng)的多載波發(fā)射信號，通過對應(yīng)的發(fā)送天線將該多載波發(fā)送信號發(fā)送出去；以及(d)在接收端，根據(jù)接收的發(fā)射波束還原用戶數(shù)據(jù)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的多載波MIMO通信系統(tǒng)及其通信方法所提供的信道容量高于現(xiàn)有的多載波MIMO通信方法所能提供的信道容量。除此之外，本發(fā)明的多載波MIMO通信系統(tǒng)由于采用了一種新的多載波波束成形器和隨機(jī)向量產(chǎn)生器，其可以克服現(xiàn)有現(xiàn)有多載波MIMO通信系統(tǒng)需要很多偽隨機(jī)發(fā)生器來產(chǎn)生大量隨機(jī)數(shù)的缺點(diǎn)，同時可以優(yōu)化隨機(jī)向量的聯(lián)合概率密度函數(shù)，并且算法的復(fù)雜度也較低。


為進(jìn)一步解釋本發(fā)明，請參考以下描述的附圖圖1(a)和(b)為當(dāng)基站具有一根發(fā)送天線并且具有兩個用戶時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2(a)為表示在信道狀況良好時信道增益的狀況；(b)表示信道中存在視線路徑時信道增益的狀況；(c)表示系統(tǒng)處于慢衰減時信道增益的狀況。
圖3為傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中實現(xiàn)多載波隨機(jī)波束成形的裝置的示意圖。
圖4為本發(fā)明基于隨機(jī)發(fā)射波束成形的多載波MIMO通信系統(tǒng)的框架圖。
圖5為圖4所示的多載波MIMO通信系統(tǒng)的用戶調(diào)度的流程圖。
圖6為本發(fā)明多載波MIMO通信系統(tǒng)所采用的幀結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖7進(jìn)一步描述了本發(fā)明的MIMO通信系統(tǒng)的發(fā)送端10的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為圖7所示的多載波波束成形器114的具體結(jié)構(gòu)圖。
圖9為發(fā)送端10的發(fā)送射頻鏈路組的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為本發(fā)明發(fā)送端10的雙工器組130的示意圖。
圖11進(jìn)一步描述了本發(fā)明的MIMO通信系統(tǒng)的接收端20的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12至圖l4為實際信道狀況下不同調(diào)度方法的性能比較圖。
具體實施例方式
下面就結(jié)合附圖描述本發(fā)明。
圖4為本發(fā)明多載波MIMO通信系統(tǒng)的框架圖，其中，該MIMO通信系統(tǒng)包括一發(fā)送端10(基站)以及多個接收端20(用戶)。圖5為圖4所示MIMO通信系統(tǒng)的用戶調(diào)度的流程圖。圖6為本發(fā)明多載波MIMO通信系統(tǒng)所采用的幀結(jié)構(gòu)的示意圖。
如圖4-6所示，發(fā)送端10具有多載波MIMO數(shù)據(jù)處理器110、多載波MIMO調(diào)度器120、雙工器組130以及nT根發(fā)送天線。每個接收端20具有多載波接收信號處理器210、反饋信息處理器220、雙工器組230以及nR根接收天線。其中，每個接收端20的接收天線數(shù)量可以不同。該幀結(jié)構(gòu)包括信道估計時隙、信道反饋時隙以及數(shù)據(jù)傳輸時隙，并且可以根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)置其他的時隙，這里是為了方便說明而簡化。
調(diào)度信息獲取過程從圖6中可以看出，發(fā)送端lO在發(fā)送用戶數(shù)據(jù)信號之前，首先會通過雙工器組130自，nT根發(fā)送天線以發(fā)射波束的形式，向接收端20發(fā)送信道估計信號。
假設(shè)發(fā)送端10的發(fā)送信號是一個nT維的復(fù)數(shù)向量X∈CnT]]>，每個接收端20接收到的是一個nR維的復(fù)數(shù)向量yk∈CnR]]>，發(fā)送端10和接收端20之間存在一個，nR×nT維的信道衰落矩陣 其中，hi、jk表示發(fā)送端10第i根發(fā)送天線和接收端20第j根天線之間的信道傳輸特性(其中k表示第k個用戶)。
則，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以表示為yk＝Hk×xk+μk(2)k＝1，...，K其中μk∈CnT]]>是一個nR維的復(fù)數(shù)向量，代表接收端20的白噪聲。
這樣，對于每個接收端20，其知道確切的信道衰落狀況，該信道衰落狀況實際上結(jié)合了真實信道衰落狀況和發(fā)送端的隨機(jī)復(fù)數(shù)向量。根據(jù)該信道衰落狀況，每個接收端20通過多載波接收信號處理器210可以對其進(jìn)行處理，從而獲得用戶反饋信息，并將其傳送給反饋信息處理器220。
反饋信息處理器220將接收到的用戶信息進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化成適合MIMO通信系統(tǒng)的反饋信號(射頻信號)。該反饋信號通過接收端20的天線經(jīng)反饋信道反饋給發(fā)送端10。
發(fā)送端10的天線接收該反饋信號后，將其傳送到多載波MIMO調(diào)度器120。多載波MIMO調(diào)度器120根據(jù)該信號產(chǎn)生調(diào)度信息，并利用所產(chǎn)生的調(diào)度信息控制多載波MIMO數(shù)據(jù)處理器110的操作，從而使MIMO通信系統(tǒng)達(dá)到最大系統(tǒng)容量時的調(diào)度狀態(tài)。即，根據(jù)調(diào)度信息進(jìn)行最優(yōu)化的用戶調(diào)度。
上述獲得信道衰落狀況的方法是通過利用信道估計信號(即導(dǎo)頻信號)而進(jìn)行，其在數(shù)據(jù)幀中插入信道估計信號，接收端20根據(jù)該信道估計信號獲得發(fā)送端10與接收端20之間的信道衰落狀況，進(jìn)一步由多載波接收信號處理器210對信道衰落狀況處理后所獲得用戶反饋信息。
然而，本發(fā)明中也可以利用信道盲估計方式獲得信道衰落狀況。即，數(shù)據(jù)幀中不需要設(shè)置信道估計時隙，接收端20在接收到發(fā)送端10發(fā)送的數(shù)據(jù)同時，通過信道盲估計獲得信道衰落狀況，然后由多載波接收信號處理器210對信道衰落狀況處理后所獲得用戶反饋信息。此時可以避免信道估計信號的插入所造成的頻譜資源的浪費(fèi)。
圖7進(jìn)一步描述了本發(fā)明的MIMO通信系統(tǒng)的發(fā)送端10的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為圖7所示的多載波波束成形器114的一種具體結(jié)構(gòu)圖。圖9為發(fā)送端10的發(fā)送射頻鏈路組的結(jié)構(gòu)示意圖，圖10為本發(fā)明發(fā)送端10的雙工器組130的示意圖。圖11進(jìn)一步描述了本發(fā)明的MIMO通信系統(tǒng)的接收端20的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖7和圖11中采用分層時空信號處理方式進(jìn)行MIMO通信的描述。對于信號處理而言，同樣可以采取其他現(xiàn)有技術(shù)所揭示的信號處理方法和裝置來執(zhí)行，例如空時編碼方式。
用戶數(shù)據(jù)發(fā)送/接收以及調(diào)度過程發(fā)送端10
在圖7中，該發(fā)送端10包括多載波MIMO數(shù)據(jù)處理器110、多載波MIMO調(diào)度器120、雙工器組130以及nT根發(fā)送天線。
該多載波MIMO調(diào)度器120包括接收射頻鏈路組123、MIMO接收信號處理器122以及調(diào)度器121。其中，接收射頻鏈路組123具有與發(fā)送天線對應(yīng)數(shù)量的接收射頻鏈路，用于將接收到的反饋信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的碼流。MIMO接收信號處理器122將該轉(zhuǎn)化的碼流進(jìn)行空時信號處理，獲得相應(yīng)的調(diào)度信息，該調(diào)度信息包括所要調(diào)度的用戶、每個用戶所支持的碼流、發(fā)送每個碼流的指定子載波上的指定發(fā)射波束。調(diào)度器121利用該調(diào)度信息控制多載波MIMO數(shù)據(jù)處理器110的信號處理。
該多載波MIMO數(shù)據(jù)處理器110包括用戶選擇器111，多個并行排列的分流器112，載波波束分配器113，多個并行排列的多載波波束成形器114，加法器組118、循環(huán)前綴器組115，發(fā)送射頻鏈路組116以及隨機(jī)向量產(chǎn)生器117。
其中，在調(diào)度信息的控制下(根據(jù)調(diào)度信息中的“所要調(diào)度的用戶”)，用戶選擇器111用于選擇所要調(diào)度的用戶，這里數(shù)量表示為nS個，并輸出相應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)。
在調(diào)度信息的控制下，nS個分流器112被選中來對所調(diào)度的nS個用戶的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分流處理，即，根據(jù)調(diào)度信息中的“每個用戶所支持的碼流”，將所調(diào)度的nS個用戶的用戶數(shù)據(jù)分成L個碼流輸出。L是所有調(diào)度用戶的數(shù)據(jù)所分到的碼流數(shù)的總和。
然后，由載波波束分配器113將分流器112輸出的L個碼流視為L個不同的層進(jìn)行處理，根據(jù)調(diào)度信息中“發(fā)送每個碼流的指定子載波上的指定發(fā)射波束”，將發(fā)送的L個碼流分別分配到指定子載波的指定發(fā)射波束上，也就是，將L個碼流分配到頻域和空域信道，形成多個頻域信號。這里，假設(shè)該多載波MIMO通信系統(tǒng)中的子載波數(shù)為Nc，發(fā)射天線數(shù)為nT，則，此時的輸出為Nc×nT個頻域信號，即，每個子載波上支持nT個發(fā)射波束。在Nc×nT個頻域信號中，只有L個頻域信號才具有用戶數(shù)據(jù)。
接下來，該Nc×nT個頻域信號分別輸入到nT個多載波波束成形器114中，其原則為，對于同一子載波上的nT個頻域信號，分別輸入到nT個多載波波束成形器114中對應(yīng)的一個多載波波束成形器114中，也就是，將Nc×nT個頻域信號中屬于同一空域信道的Nc個頻域信號輸入到對應(yīng)的一個多載波波束成形器114中。因此，每個多載波波束成形器114均分別接收Nc個對應(yīng)于該子載波波束成形器的頻域信號，每個頻域信號對應(yīng)于一個子載波。
隨機(jī)向量產(chǎn)生器117產(chǎn)生隨機(jī)向量，并將產(chǎn)生的隨機(jī)向量分別輸入到對應(yīng)的多載波波束成形器114中。
每個多載波波束成形器114根據(jù)隨機(jī)向量產(chǎn)生器117所產(chǎn)生的隨機(jī)向量，將輸入其中的Nc個頻域信號進(jìn)行波束成形處理，形成分別針對nT根天線的nT個時域發(fā)送信號，即，每個時域發(fā)送信號對應(yīng)于nT根發(fā)送天線中的一根發(fā)送天線。其實質(zhì)是，每個時域發(fā)送信號對應(yīng)于所有Nc個子載波的一個獨(dú)立的空域信道。所有nT個多載波波束成形器114將形成nT×nT個發(fā)送信號。
由具有nT個加法器的加法器組118中對應(yīng)的一個加法器將對應(yīng)于同一根發(fā)送天線的nT個時域發(fā)送信號進(jìn)行疊加，形成一個總的發(fā)射信號，這樣，來自不同的多載波波束成形器的、對應(yīng)于同一發(fā)送天線的時域發(fā)送信號對應(yīng)于一個獨(dú)立的空域-頻域信道。然后，每個加法器將其形成的發(fā)射信號輸出到循環(huán)前綴器組115中。nT個加法器總共輸出nT個分別對應(yīng)于一根發(fā)送天線的發(fā)射信號。
循環(huán)前綴器組115包括nT個循環(huán)前綴器，每個循環(huán)前綴器對應(yīng)于一根發(fā)送天線。每個循環(huán)前綴器對來自多載波波束成形器114的、對應(yīng)于同一根發(fā)送天線的發(fā)射信號插入循環(huán)前綴，生成對應(yīng)的插入了循環(huán)前綴的發(fā)射信號。nT個循環(huán)前綴器總共輸出nT個分別對應(yīng)于nT根發(fā)送天線的發(fā)射信號。
發(fā)送射頻鏈路組116，用于接收從循環(huán)前綴器組115輸出的nT個發(fā)射信號，將該nT個發(fā)射信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的射頻信號，并將每個發(fā)射信號所對應(yīng)的射頻信號均通過雙工器組130上的nT根發(fā)送天線發(fā)送出去。
具體地，以下將結(jié)合圖8具體說明多載波MIMO通信系統(tǒng)中的多載波波束成形過程。
如圖8所示，每個多載波波束成形器114包括一個IFFT變換器1141、nT路由乘法器1142和延時器1143組成的串行組合。
該IFFT變換器1141接收載波波束分配器113輸出的對應(yīng)的Nc個頻域信號，通過IFFT變換形成串行時域信號，并將該串行時域信號并行地分別輸出到由乘法器1142和1143組成的nT路串行組合中。其中，Nc個頻域信號所對應(yīng)的子載波彼此不同。
同時，隨機(jī)向量產(chǎn)生器117將產(chǎn)生的隨機(jī)向量輸入到nT個多載波波束成形器114中的對應(yīng)的多載波波束成形器114中。該隨機(jī)向量包括向量[p11,p21,…pnT1…,p1nT,p2nT,…pnTnT]]]>和向量[Cd11，Cd21...CdnT1，...Cd1nT，Cd2nT，...CdnTnT]，其中，pij]]>和Cdij分別表示第i個多載波波束成形器114中的IFFT變換器1141所輸出的第j路串行時域信號的權(quán)重和延時，0≤i≤nT，0≤j≤nT。
每路由乘法器1142和延時器1143組成的串行組合根據(jù)隨機(jī)向量產(chǎn)生器117輸入的向量[p11,p21,…pnT1…,P1NT,P2NT,…PNTNT]]]>對輸入其中的串行時域信號進(jìn)行加權(quán)處理，并根據(jù)[Cd11，Cd21...CdnT1，...Cd1nT，Cd2nT，...CdnTnT]對該串行時域信號進(jìn)行延時處理，形成一個發(fā)送信號。該加權(quán)處理和延時處理等效于wij=pijexp(-j2πn·CdijNc)---(3)]]>這樣，每個多載波波束成形器114將形成nT個發(fā)送信號，nT個多載波波束成形器114將形成nT×nT個發(fā)送信號。其中，在每個多載波波束成形器114形成的nT個發(fā)送信號分別對應(yīng)于nT根發(fā)送天線中的一根發(fā)送天線。
對于nT個多載波波束成形器114輸出的nT×nT個發(fā)送信號中對應(yīng)于同一發(fā)送天線的發(fā)送信號，通過加法器組118中對應(yīng)的加法器疊加形成對應(yīng)的發(fā)射信號后輸入到循環(huán)前綴器組115中對應(yīng)的循環(huán)前綴器，由該對應(yīng)的循環(huán)前綴器對輸入其中的發(fā)射信號插入循環(huán)前綴，并將插入循環(huán)前綴的信號發(fā)送給發(fā)送射頻鏈路組116。循環(huán)前綴器組115中的nT個循環(huán)前綴器總共輸出nT個插入循環(huán)前綴的發(fā)射信號。
圖9中進(jìn)一步描述了發(fā)送射頻鏈路組116的具體結(jié)構(gòu)，其包括nT個并行發(fā)送射頻鏈路，每個發(fā)送射頻鏈路具有串行連接的調(diào)制器1161、上變頻器1162以及功率放大器1163，該功率放大器可以是大功率線性放大器。其中，該nT發(fā)送射頻鏈路分別用于將循環(huán)前綴器組115輸出的nT個發(fā)射信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的射頻信號。
圖10為本發(fā)明發(fā)送端10的雙工器組130的示意圖。其中，該雙工器組130包括nT個并行的雙工器。每一個雙工器與一根對應(yīng)的發(fā)送天線相連接，并且均連接到發(fā)送射頻鏈路組116和接收射頻鏈路組123。
接收端20為了簡化描述，這里僅僅示出了其中一個接收端20。
在圖11中，該接收端20具有多載波接收信號處理器210、反饋信息處理器220、雙工器組230以及nR根天線。
其中，該多載波接收信號處理器210包括接收射頻鏈路組211和MIMO接收信號處理器212。該反饋信息處理器220包括MIMO發(fā)送信號處理器221和發(fā)送射頻鏈路組222。
該接收射頻鏈路組211具有與接收天線數(shù)量nR相同的并行的接收射頻鏈路(圖未示)，用于將接收到的射頻信號恢復(fù)為相應(yīng)的碼流，并發(fā)送給MIMO接收信號處理器212。
該MIMO接收信號處理器212將碼流還原為原始的用戶數(shù)據(jù)，并將其輸出。
以下將根據(jù)不同的用戶調(diào)度方法說明本發(fā)明的調(diào)度過程。對于接收端20來說，在本發(fā)明的調(diào)度中，對于每個具有多根天線的接收端20，可以將其考慮成相同數(shù)量的具有一根天線的接收端20。因此，我們在這里僅僅以每個接收端20具有一根天線的情況來進(jìn)行說明，可以將這個說明延伸到每個接收端20具有多根天線的情況。
第一調(diào)度方法對于每個接收端20，其根據(jù)該信道衰落狀況，通過多載波接收信號處理器210可以對接收信號進(jìn)行處理，獲得用戶反饋信息，并將其傳送給反饋信息處理器220。其中，該用戶反饋信息中包括在每個子載波上，對于該接收端來說最好的發(fā)射波束的組合nk、該最好發(fā)射波束組合中每個發(fā)射波束所對應(yīng)的信干比GNIk。
nk=argmax|Hk*wn|n=1...nT---(4)]]>GNIk=|Hk*Wnk|2/1+|Hk*ΣWn|2---(5)]]>
其中，wn表示發(fā)送端的隨機(jī)復(fù)數(shù)向量(相當(dāng)于式(3)中的win)，Hk表示發(fā)送端10與接收端20之間的信道衰落矩陣。
反饋信息處理器220將接收到的用戶反饋信息進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化成適合MIMO通信系統(tǒng)的反饋信號。該反饋信號通過接收端20的天線經(jīng)反饋信道反饋給發(fā)送端10。
當(dāng)發(fā)送端10的調(diào)度器121接收到反饋信號時，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)度。由于每個1接收端20都反饋了其在每個子載波上最好的發(fā)射波束的組合nk、該最好發(fā)射波束組合中每個發(fā)射波束所對應(yīng)的信干比GNIk，因此，調(diào)度過程主要包括1)設(shè)置用戶調(diào)度列表SU和已分配發(fā)射波束列表SB為空；2)對于每一個子載波，將重復(fù)以下步驟i)至iii)i)比較所有反饋回來的信干比GNIk，選出一個有最大信干比GNIk的用戶加入到調(diào)度用戶列表SU中，并把相應(yīng)的發(fā)射波束加到已分配發(fā)射波束列表SB中；ii)然后，比較所有反饋回來的信干比GNIk，從未調(diào)度的用戶中選出具有最大的信干比GNIk的用戶，將其加入到調(diào)度用戶列表SU中，并把相應(yīng)的發(fā)射波束加到已分配發(fā)射波束列表SB中；iii)重復(fù)步驟i)和ii)，直至完成在該載波上的用戶調(diào)度；3)最后，根據(jù)最后針對所有子載波所生成的調(diào)度用戶列表SU和分配天線列表SB，控制多載波MIMO數(shù)據(jù)處理器110把所調(diào)度用戶的數(shù)據(jù)流分成獨(dú)立的碼流、并分配到指定子載波的指定發(fā)射波束上，從而從發(fā)送天線上發(fā)送出去。
在上述調(diào)度步驟2)中，對于每個子載波，如果在某個接收端20(用戶)已經(jīng)加入到調(diào)度用戶列表SU中，并且，選擇到其最好發(fā)射波束組中另一發(fā)射波束時，由于該接收端20只有一根天線，因此其不能被再調(diào)度。此時，對于該子載波所進(jìn)行的用戶調(diào)度結(jié)束。
同時，在上述調(diào)度步驟2)中，對于每個子載波，如果該用戶對應(yīng)的發(fā)射波束已經(jīng)加入到已分配發(fā)射波束列表中，則該用戶不能被調(diào)度。此時，對于該子載波所進(jìn)行的用戶調(diào)度結(jié)束。
對于每個接收端20具有多根天線的情況，如果將每根天線假設(shè)為一個接收端(用戶)，那么每個接收端多根天線的調(diào)度情況和每個接收端只有一根天線的調(diào)度情況相似。
第二調(diào)度方法當(dāng)本發(fā)明多載波MIMO通信系統(tǒng)考慮到每個子載波上發(fā)射波束之間的干擾且所要調(diào)度的用戶數(shù)目為固定的M個(l＜M×Nc＜nT)時，對于每個接收端20，其根據(jù)信道衰落狀況，通過多載波接收信號處理器210可以對接收信號進(jìn)行處理，獲得用戶反饋信息，并將其傳送給反饋信息處理器220。其中，該用戶反饋信息中包括在每個子載波上，對于該接收端20來說最好的發(fā)射波束的組合nk、該最好發(fā)射波束組合nk中每個發(fā)射波束所對應(yīng)信干比GNIk、以及該接收端干擾最小的發(fā)射波束的組合Qk。其中，在每一子載波上，對于最好發(fā)射波束組合nk中最好發(fā)射波束的數(shù)量、以及對接收端干擾最小的(M-1)個發(fā)射波束組合Qk中發(fā)射波束的數(shù)量，可以根據(jù)實際信道狀況進(jìn)行選擇，其原則是，同一發(fā)射波束不能同時包含在這兩個組合中。
Qk=argminS={S1,···SM-1|Si=1,···,nT}|hk*Σn∈SWn|---(6)]]>其中，S表示在每個子載波上的nT個波束中選出(M-1)個不同干擾最小的波束所有可能的集合。
反饋信息處理器220將接收到的用戶反饋信息進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化成適合MIMO通信系統(tǒng)的反饋信號。該反饋信號通過接收端20的天線經(jīng)反饋信道反饋給發(fā)送端10。
當(dāng)發(fā)送端10的調(diào)度器121接收到反饋信號時，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)度。此時，由1于每個接收端20都反饋了其在每個子載波上的最好發(fā)射波束的組合nk、該最好發(fā)射波束組合nk中每個發(fā)射波束所對應(yīng)的信干比GNIk、以及對該接收端干擾最小的(M-1)個發(fā)射波束的組合Qk，因此，調(diào)度過程主要包括1)設(shè)置用戶調(diào)度列表SU和已分配發(fā)射波束列表SB為空；2)對于每一個子載波，將重復(fù)以下步驟i)至iii)i)比較所有反饋回來的信干比GNIk，選出一個有最大信干比GNIk的用戶加入到調(diào)度用戶列表SU中，并把相應(yīng)的發(fā)射波束加到已分配發(fā)射波束列表SB中；
ii)針對調(diào)度用戶列表中的用戶，從其對應(yīng)的組合Qk中找出相應(yīng)的干擾最小的發(fā)射波束，然后，根據(jù)該干擾最小的發(fā)射波束找出其所對應(yīng)的最大信干比的用戶，并將該用戶加入到調(diào)度用戶列表中，同時，將該用戶對應(yīng)的發(fā)射波束加到已分配發(fā)射波束列表中；iii)重復(fù)步驟i)和ii)，直到完成在該子載波上的用戶調(diào)度；3)最后，根據(jù)最后針對所有子載波生成的調(diào)度用戶列表SU和分配天線列表SB，控制多載波MIMO數(shù)據(jù)處理器110把所調(diào)度用戶的數(shù)據(jù)流分成獨(dú)立的碼流、并分配到指定子載波的指定發(fā)射波束上，從而從發(fā)送天線上發(fā)送出去。
第三調(diào)度方法當(dāng)本發(fā)明多載波MIMO通信系統(tǒng)考慮到每個子載波上的發(fā)射波束之間的干擾、以及該干擾對系統(tǒng)容量的影響時，對于每個接收端20，其根據(jù)該信道衰落狀況，通過多載波接收信號處理器210可以對接收信號進(jìn)行處理，獲得用戶反饋信息，并將其傳送給反饋信息處理器220。其中，該用戶反饋信息中包括在每個子載波上，對于該接收端20來說最好發(fā)射波束的組合nk、該最好發(fā)射波束組合nk中每個發(fā)射波束所對應(yīng)的等效信道增益GNk、對該接收端干擾最小的發(fā)射波束的組合Qk、以及該組合Qk中的每個發(fā)射波束對該接收端的最好發(fā)射波束的性能損失比Dk，i。
{Dk,i}={GNk/|hk*wi|2,i∈Qk}---(7)]]>反饋信息處理器220將接收到的用戶反饋信息進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化成適合MIMO通信系統(tǒng)的反饋信號(射頻信號)。該反饋信號通過接收端20的天線經(jīng)反饋信道反饋給發(fā)送端10。
當(dāng)發(fā)送端10的調(diào)度器121接收到反饋信號時，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)度。此時，由于每個接收端20都反饋了其在每個子載波上最好發(fā)射波束的組合nk、該組合nk中每個發(fā)射波束的等效信道增益GNk、對該接收端干擾最小的發(fā)射波束的組合Qk、以及該組合Qk中的每個發(fā)射波束對該接收端的最好發(fā)射波束的性能損失比Dk，i，因此，調(diào)度過程主要包括
1)設(shè)置用戶調(diào)度列表SU和已分配發(fā)射波束列表SB為空；2)對于每個子載波，將重復(fù)以下步驟i)至iv)i)比較所有反饋回來的等效信道增益GNk，選出一個有最大等效信道增益GNk的用戶加入到調(diào)度用戶列表SU中，并把相應(yīng)的發(fā)射波束加到已分配發(fā)射波束列表SB中；ii)針對調(diào)度用戶列表中的用戶，從其對應(yīng)的組合Qk中找出相應(yīng)的干擾最小的發(fā)射波束，然后該干擾最小的發(fā)射波束所對應(yīng)的最大信干比的用戶；iii)根據(jù)反饋的性能損失比Dk，i，判斷該用戶的加入是否增加了系統(tǒng)容量，如果該用戶的加入使得系統(tǒng)容量增加，則將該用戶加入到調(diào)度用戶列表中，同時，將該用戶對應(yīng)的發(fā)射波束加到已分配發(fā)射波束列表中。如果該用戶的加入使得系統(tǒng)容量降低，則不將該用戶加入到調(diào)度用戶列表，并結(jié)束在該子載波上的用戶調(diào)度；iv)當(dāng)該用戶加入后，依次重復(fù)步驟i)和iii)，直到在該子載波上的用戶調(diào)度結(jié)束；3)最后，根據(jù)最后針對所有子載波的調(diào)度用戶列表SU和分配天線列表SB，控制多載波MIMO數(shù)據(jù)處理器110把用戶的數(shù)據(jù)流分成獨(dú)立的碼流，分配到的指定子載波的指定發(fā)射波束上，然后從發(fā)射天線上發(fā)送出去。
因此，該第三調(diào)度方法可以自適應(yīng)地調(diào)度用戶，從而可以充分地利用信道狀況，提供最大的信道容量。
為了更清楚地體現(xiàn)本發(fā)明的調(diào)度系統(tǒng)及調(diào)度方法的優(yōu)越性，請參閱圖12至圖14，這里給出了實際的信道中不同調(diào)度方法的性能比較，其中子載波數(shù)Nc＝64，碼流數(shù)L＝3，發(fā)射功率P＝10。
在圖12中，橫坐標(biāo)表示Ricean因子k，縱坐標(biāo)表示所獲得的信道容量。當(dāng)發(fā)送端的天線數(shù)為2、用戶數(shù)量為32時，隨著Ricean因子k的增加，信道容量逐漸降低，相比參考文獻(xiàn)1中揭示的方法和傳統(tǒng)的隨機(jī)高斯加權(quán)方法，采用本發(fā)明的通信方法，信道容量的減少量小并且相對比較平緩。
在圖13中，橫坐標(biāo)表示用戶數(shù)，縱坐標(biāo)表示所獲得的信道容量。當(dāng)Ricean因子k＝10、發(fā)送端的天線數(shù)為2時，隨著用戶數(shù)量的增加，相比參考文獻(xiàn)1中揭示的方法和傳統(tǒng)的隨機(jī)高斯加權(quán)方法，采用本發(fā)明的通信方法，可以獲得更大的信道容量增量。
在圖14中，橫坐標(biāo)表示發(fā)送端的發(fā)射天線數(shù)，縱坐標(biāo)表示所獲得的信道容量。在用戶數(shù)量為256時，隨著發(fā)送天線數(shù)量的增加，相比參考文獻(xiàn)1中揭示的方法和傳統(tǒng)的隨機(jī)高斯加權(quán)方法，采用本發(fā)明的通信方法可以獲得更大的信道容量增量。
通過上述比較可以看出，本發(fā)明的通信系統(tǒng)和通信方法所提供的信道容量高于參考文獻(xiàn)1中揭示的方法和傳統(tǒng)的隨機(jī)高斯加權(quán)方法所能提供的信道容量。
綜上所述，本發(fā)明的多載波MIMO通信系統(tǒng)和通信方法可以根據(jù)當(dāng)時的信道狀況、不同的反饋信息進(jìn)行用戶調(diào)度，提高系統(tǒng)控制的智能化以及通信穩(wěn)定性，并始終保持最大的系統(tǒng)容量。除了可以獲得最大的信道容量之外，本發(fā)明的多載波MIMO通信系統(tǒng)由于采用了一種新的算法，其可以克服現(xiàn)有現(xiàn)有多載波MIMO通信系統(tǒng)需要很多偽隨機(jī)發(fā)生器來產(chǎn)生大量隨機(jī)數(shù)的缺點(diǎn)，同時可以優(yōu)化隨機(jī)向量的聯(lián)合概率密度函數(shù)，并且算法的復(fù)雜度也較低。
權(quán)利要求
1.一種多載波MIMO通信系統(tǒng)，其包括用于發(fā)送至少具有信道估計信號和用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送端(10)，以及用于接收發(fā)送端(10)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀、產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信號并還原用戶數(shù)據(jù)的至少一接收端(20)，其特征在于該發(fā)送端(10)包括雙工器組(130)和位于其上的發(fā)送天線，用于發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并接收來自接收端(20)的反饋信號；多載波MIMO調(diào)度器(120)，用于根據(jù)該反饋信號產(chǎn)生調(diào)度信息；多載波MIMO數(shù)據(jù)處理器(110)，用于根據(jù)調(diào)度信息選擇需要調(diào)度的用戶，并將所選擇用戶的數(shù)據(jù)形成對應(yīng)的多載波發(fā)射信號，以及該接收端(20)包括雙工器組(230)以及位于其上的接收天線，用于接收來自發(fā)送端(10)的數(shù)據(jù)幀，并發(fā)送用戶反饋信息；多載波接收信號處理器(210)，用于根據(jù)數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生用戶反饋數(shù)據(jù)和還原用戶數(shù)據(jù)；反饋信息處理器(220)，用于將用戶反饋信息轉(zhuǎn)化成反饋信號。
2.如權(quán)利要求1所述的多載波MIMO通信系統(tǒng)，其特征在于，該反饋信號包括在每個子載波上，每個接收端(20)最好的發(fā)射波束組、以及該最好發(fā)射波束組中每個發(fā)射波束對應(yīng)的信干比。
3.如權(quán)利要求2所述的多載波MIMO通信系統(tǒng)，其特征在于，該反饋信號進(jìn)一步包括在每個子載波上的，對每個接收端(20)干擾最小的發(fā)射波束的組合。
4.如權(quán)利要求1所述的多載波MIMO通信系統(tǒng)，其特征在于，該反饋信號包括在每個子載波上，每個接收端的最好發(fā)射波束的組合、該組合中每個發(fā)射波束的等效信道增益、對該接收端干擾最小的發(fā)射波束的組合、以及該組合中的每個發(fā)射波束對該接收端的最好發(fā)射波束的性能損失比。
5.如權(quán)利要求1至4任一項所述的多載波MIMO通信系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)送端(10)根據(jù)該反饋信號產(chǎn)生調(diào)度信息，并利用該調(diào)度信息進(jìn)行用戶調(diào)度，該調(diào)度信息包括所要調(diào)度的用戶、每個用戶所支持的碼流以及發(fā)送各個碼流的指定子載波上的指定發(fā)射波束。
6.如權(quán)利要求5所述的多載波MIMO通信系統(tǒng)，其特征在于，該多載波MIMO調(diào)度器(120)包括接收射頻鏈路組(123)，用于將接收到的反饋信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的碼流；MIMO接收信號處理器(122)，用于將轉(zhuǎn)化的碼流進(jìn)行空時信號處理，獲得相應(yīng)的調(diào)度信息；以及調(diào)度器(121)，用于根據(jù)該調(diào)度信息控制多載波MIMO數(shù)據(jù)處理器(110)的信號處理。
7.如權(quán)利要求6所述的多載波MIMO通信系統(tǒng)，其特征在于，該多載波MIMO數(shù)據(jù)處理器(110)包括用戶選擇器(111)，用于根據(jù)調(diào)度信息，選擇所要調(diào)度的用戶；多個并行排列的分流器(112)，用于對所調(diào)度的用戶的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分流處理，輸出多個碼流；載波波束分配器(113)，用于根據(jù)調(diào)度信息，將分流器輸出的碼流分別分配到調(diào)度信息所指定的對應(yīng)子載波的對應(yīng)波束上，形成多個頻域信號；隨機(jī)向量產(chǎn)生器(117)，用于產(chǎn)生并輸出隨機(jī)向量；多個并行的多載波波束成形器(114)，每個多載波波束成形器根據(jù)接收自載波波束分配器(113)的頻域信號以及來自隨機(jī)向量產(chǎn)生器(117)的隨機(jī)向量，形成多個分別與一根發(fā)送天線對應(yīng)的時域信號；加法器組(118)，具有多個加法器，每個加法器分別將對應(yīng)于同一發(fā)送天線的時域信號進(jìn)行疊加，形成一個發(fā)射信號；循環(huán)前綴器組(115)，具有多個循環(huán)前綴器，每個循環(huán)前綴器分別在對應(yīng)的加法器輸入的發(fā)射信號中插入循環(huán)前綴；以及發(fā)送射頻鏈路組(116)，用于接收循環(huán)前綴器組(115)輸出的多個發(fā)射信號，并將該多個發(fā)射信號分別轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的射頻信號。
8.如權(quán)利要求7所述的多載波MIMO通信系統(tǒng)，其特征在于，該發(fā)送射頻鏈路組(116)包括多個并行發(fā)送射頻鏈路，分別將循環(huán)前綴器組(115)輸出的多個發(fā)射信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的射頻信號，每一發(fā)送射頻鏈路包括串行連接的一調(diào)制器(1161)、一上變頻器(1162)以及一功率放大器(1163)。
9.如權(quán)利要求8所述的多載波MIMO通信系統(tǒng)，其特征在于，該多載波接收信號處理器(210)包括一接收射頻鏈路組(211)，用于將接收到的射頻信號進(jìn)行解調(diào)和變頻處理，獲得相應(yīng)的碼流；一MIMO接收信號處理器(212)，用于根據(jù)該碼流產(chǎn)生相應(yīng)的用戶反饋信息，同時還原并輸出用戶數(shù)據(jù)；以及該反饋信息處理器(220)包括一MIMO發(fā)送信號處理器(221)，用于將用戶反饋信息轉(zhuǎn)化成反饋信號；一發(fā)送射頻鏈路組(222)，用于將該反饋信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的射頻信號。
10.如權(quán)利要求9所述的多載波MIMO通信系統(tǒng)，其特征在于，隨機(jī)向量產(chǎn)生器產(chǎn)生的向量為權(quán)重向量和延時向量。
11.如權(quán)利要求10所述的多載波MIMO通信系統(tǒng)，其特征在于，每個多載波波束成形器(114)包括一IFFT變換器(1141)，以及多路由乘法器(1142)和延時器(1143)組成的串行組合，其中，IFFT變換器(1141)將來自載波波束分配器(113)的頻域信號進(jìn)行IFFT變換，形成串行時域信號，并將該串行時域信號同時輸入到上述的多路串行組合中；在每路由乘法器(1142)和延時器(1143)組成的串行組合中，乘法器(1142)和延時器(1143)分別根據(jù)隨機(jī)向量產(chǎn)生器(117)所輸入的權(quán)重向量和延時向量對該串行時域信號依次進(jìn)行加權(quán)處理和延時處理，生成對應(yīng)于一根發(fā)送天線的時域信號。
12.一種多載波MIMO通信方法，其包括以下步驟(a)在接收端，根據(jù)發(fā)送端的發(fā)送天線與接收端的接收天線之間的信道衰落狀況產(chǎn)生反饋信號，并將該反饋信號反饋給發(fā)送端；(b)在發(fā)送端，接收該反饋信號，根據(jù)該反饋信號產(chǎn)生調(diào)度信息；(c)在發(fā)送端，根據(jù)調(diào)度信息將所調(diào)度用戶的數(shù)據(jù)形成對應(yīng)的多載波發(fā)射信號，通過對應(yīng)的發(fā)送天線將該多載波發(fā)送信號發(fā)送出去；以及(d)在接收端，根據(jù)接收的發(fā)射波束還原用戶數(shù)據(jù)。
13.如權(quán)利要求12所述的通信方法，其中，步驟(c)包括以下步驟i)根據(jù)調(diào)度信息選擇所要調(diào)度的用戶；ii)根據(jù)調(diào)度信息將所調(diào)度用戶的用戶數(shù)據(jù)分成相應(yīng)的碼流；iii)根據(jù)調(diào)度信息將各個碼流分配到指定子載波的指定發(fā)射波束上，分別將分配到同一空域信道的針對所有子載波上的碼流進(jìn)行IFFT變換，在每個空域信道中輸出與發(fā)送天線分別對應(yīng)的并行的多路串行時域信號；iv)將每路串行時域信號依次進(jìn)行加權(quán)處理和延遲處理形成對應(yīng)的發(fā)送信號，并將對應(yīng)于同一發(fā)送天線的發(fā)送信號進(jìn)行疊加，然后對疊加后形成的多載波發(fā)射信號插入循環(huán)前綴，從對應(yīng)的發(fā)送天線發(fā)射出去。
14.如權(quán)利要求13所述的通信方法，其中，該調(diào)度信息包括所要調(diào)度的用戶、每個用戶所支持的碼流以及發(fā)送各個碼流的指定子載波上的指定發(fā)射波束。
15.如權(quán)利要求14所述的通信方法，其中，該反饋信號包括在每個子載波上，對于該接收端來說最好的發(fā)射波束的組合、該最好發(fā)射波束組合中每個發(fā)射波束所對應(yīng)的信干比。
16.如權(quán)利要求15所述的通信方法，其中，該反饋信號進(jìn)一步包括每個子載波上對每個接收端干擾最小的多個發(fā)射波束的組合。
17.如權(quán)利要求14所述的通信方法，其中，該反饋信號包括在每個子載波上，對于該接收端來說最好發(fā)射波束的組合、該最好發(fā)射波束的組合中每個發(fā)射波束所對應(yīng)的等效信道增益、對該接收端干擾最小的發(fā)射波束的組合以及該組合中的每個發(fā)射波束對該接收端最好發(fā)射波束的性能損失比。
18.如權(quán)利要求15所述的通信方法，其中步驟(b)包括以下步驟1)設(shè)置用戶調(diào)度列表和已分配發(fā)射波束列表為空；2)對于每一個子載波，執(zhí)行以下步驟i)至iii)i)比較所有反饋回來的信干比，選出一個有最大信干比的用戶加入到調(diào)度用戶列表中，并把相應(yīng)的發(fā)射波束加到已分配發(fā)射波束列表中；ii)然后，比較所有反饋回來的信干比，從未調(diào)度的用戶中選出具有最大的信干比的用戶，將其加入到調(diào)度用戶列表中，并把相應(yīng)的發(fā)射波束加到已分配發(fā)射波束列表中；iii)重復(fù)步驟i)和ii)，直至完成在該載波上的用戶調(diào)度；3)最后，根據(jù)最后針對所有子載波所生成的調(diào)度用戶列表和分配天線列表，進(jìn)行系統(tǒng)的用戶調(diào)度。
19.如權(quán)利要求16所述的通信方法，其中步驟(b)包括以下步驟1)設(shè)置用戶調(diào)度列表和已分配發(fā)射波束列表為空；2)對于每一個子載波，執(zhí)行以下步驟i)至iii)i)比較所有反饋回來的信干比，選出一個有最大信干比的用戶加入到調(diào)度用戶列表中，并把相應(yīng)的發(fā)射波束加到已分配發(fā)射波束列表中；ii)針對調(diào)度用戶列表中的用戶，從其對應(yīng)的組合中找出相應(yīng)的干擾最小的發(fā)射波束，然后，根據(jù)該干擾最小的發(fā)射波束找出其所對應(yīng)的最大信干比的用戶，并將該用戶加入到調(diào)度用戶列表中，同時，將該用戶對應(yīng)的發(fā)射波束加到已分配發(fā)射波束列表中；iii)重復(fù)步驟i)和ii)，直到完成在該子載波上的用戶調(diào)度；3)最后，根據(jù)最后針對所有子載波生成的調(diào)度用戶列表和分配天線列表，進(jìn)行系統(tǒng)的用戶調(diào)度。
20.如權(quán)利要求17所述的用戶調(diào)度方法，其中步驟(b)包括以下步驟1)設(shè)置用戶調(diào)度列表和已分配發(fā)射波束列表為空；2)對于每個子載波，將重復(fù)以下步驟i)至iv)i)比較所有反饋回來的等效信道增益，選出一個有最大等效信道增益的用戶加入到調(diào)度用戶列表中，并把相應(yīng)的發(fā)射波束加到已分配發(fā)射波束列表中；ii)針對調(diào)度用戶列表中的用戶，從其對應(yīng)的組合中找出相應(yīng)的干擾最小的發(fā)射波束，然后該干擾最小的發(fā)射波束所對應(yīng)的最大信干比的用戶；iii)根據(jù)反饋的性能損失比，判斷該用戶的加入是否增加了系統(tǒng)容量，如果該用戶的加入使得系統(tǒng)容量增加，則將該用戶加入到調(diào)度用戶列表中，同時，將該用戶對應(yīng)的發(fā)射波束加到已分配發(fā)射波束列表中。如果該用戶的加入使得系統(tǒng)容量降低，則不將該用戶加入到調(diào)度用戶列表，并結(jié)束在該子載波上的用戶調(diào)度；iV)當(dāng)該用戶加入后，依次重復(fù)步驟i)和iii)，直到在該子載波上的用戶調(diào)度結(jié)束；3)根據(jù)最后針對所有子載波的調(diào)度用戶列表和分配天線列表，進(jìn)行系統(tǒng)的用戶調(diào)度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多載波MIMO通信系統(tǒng)及其通信方法。該多載波MIMO系統(tǒng)包括發(fā)送端，用于發(fā)送至少具有信道估計信號和用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀，和至少一接收端，用于接收發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信號并還原用戶數(shù)據(jù)。其中，發(fā)送端根據(jù)該反饋信號產(chǎn)生調(diào)度信息，并利用該調(diào)度信息進(jìn)行自適應(yīng)的用戶調(diào)度，該調(diào)度信息包括所要調(diào)度的用戶、每個用戶所支持的碼流以及發(fā)送各個碼流的指定子載波上的指定發(fā)射波束。該多載波MIMO通信系統(tǒng)及其通信方法可以提供最大的信道容量，降低成本和算法復(fù)雜度。
文檔編號H04L5/14GK1964217SQ20051011562
公開日2007年5月16日 申請日期2005年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月8日
發(fā)明者潘振崗, 陳嵐 申請人:株式會社Ntt都科摩