專利名稱：Mimo－ofdm系統(tǒng)的連續(xù)波束形成的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般涉及通信，尤其涉及在利用正交頻分復用(OFDM)的多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。
背景技術(shù)：
MIMO系統(tǒng)在發(fā)射實體處使用多個(T)發(fā)射天線以及在接收實體處使用多個(R)接收天線以進行數(shù)據(jù)傳輸。T個發(fā)射天線和R個接收天線形成的MIMO信道可分解成S個空間信道，其中S≤min{T，R}。這S個空間信道可以用于并行發(fā)射數(shù)據(jù)以提高吞吐量和/或冗余地發(fā)射數(shù)據(jù)以提高可靠性。
OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，它將全部系統(tǒng)帶寬有效地分割成多個(K)正交的頻率子帶。這些子帶通常也被稱為音頻帶、子載波、頻率段和頻率信道。利用OFDM，將每個子帶與各自的子載波相關(guān)聯(lián)，該子載波可用數(shù)據(jù)進行調(diào)制。
MIMO-OFDM系統(tǒng)是采用OFDM的MIMO系統(tǒng)。MIMO-OFDM系統(tǒng)具有S個空間信道，對應于K個子帶中的每一個。每個子帶的每個空間信道可被稱為“傳輸信道”。每個傳輸信道可能經(jīng)歷各種惡劣的信道狀況，如衰落、多徑和干擾效應。MIMO信道的傳輸信道還可能經(jīng)歷不同的信道狀況，故可能達到不同的信號噪聲干擾比(SNRs)。每個傳輸信道的SNR決定其傳輸容量，該傳輸容量通常通過在該傳輸信道上進行可靠傳輸?shù)奶囟〝?shù)據(jù)速率進行量化。對于時變無線信道來說，信道狀況可能隨時間而改變，故每個傳輸信道的SNR也可能隨時間而改變。不同傳輸信道的不同SNR再加上每個傳輸信道的SNR的時變特性，使得在MIMO系統(tǒng)中高效地傳輸數(shù)據(jù)很具有挑戰(zhàn)性。
如果發(fā)射實體知道信道狀況，它就可以以一種更充分利用每個傳輸信道的容量的方式發(fā)射數(shù)據(jù)。然而，如果發(fā)射實體不知道信道狀況，它可能需要以低速率發(fā)射數(shù)據(jù)，從而使接收實體既便在最差信道狀況下也能可靠地對數(shù)據(jù)傳輸進行解碼。所以，性能受制于預期最差信道狀況，這是非常不希望出現(xiàn)的情況。
因此，本領域中需要在MIMO-OFDM系統(tǒng)內(nèi)更高效地發(fā)射數(shù)據(jù)的技術(shù)，尤其在發(fā)射實體不知道信道狀況時。

發(fā)明內(nèi)容
本申請公開了在MIMO系統(tǒng)中以一種實現(xiàn)更大分集、更高可靠性和/或改進性能的方式發(fā)射數(shù)據(jù)的技術(shù)。發(fā)射實體對每個子帶的數(shù)據(jù)符號進行空間處理，以獲取該子帶的空間處理符號。對每個子帶進行空間處理可以(1)用本征模式矩陣進行空間處理，從而在正交的空間信道上發(fā)射數(shù)據(jù)符號；(2)用導引矩陣進行空間處理，從而在多個空間信道上發(fā)射每個數(shù)據(jù)符號；(2)用單位矩陣不進行空間處理。在任何情況下，在每個符號周期內(nèi)，在每個子帶上可從多個發(fā)射天線發(fā)送多個數(shù)據(jù)符號。
發(fā)射實體在從多個發(fā)射天線進行發(fā)射之前，還對空間處理符號進行波束形成?？梢酝ㄟ^將每個子帶的空間處理符號乘以該子帶的波束形成矩陣，在頻域內(nèi)進行波束形成。還可以通過將不同的延遲量用于不同的發(fā)射天線，在時域內(nèi)進行波束形成。
接收實體執(zhí)行互補的處理，以恢復該發(fā)射實體發(fā)送的數(shù)據(jù)符號。接收實體可基于該發(fā)射實體發(fā)送的導頻符號，獲取實際或有效MIMIO信道響應的估計。接收實體可基于該子帶的MIMO信道響應矩陣，獲取每個子帶的空間濾波器矩陣。然后，接收實體可基于該子帶的空間濾波器矩陣，對每個子帶進行接收機空間處理。
下面進一步詳細地說明本發(fā)明的各個方面和實施例。


圖1示出了具有一個接入點和多個用戶終端的MIMO-OFDM系統(tǒng)；圖2示出了一個發(fā)射實體和一個接收實體的框圖；圖3示出了頻域內(nèi)的OFDM波形圖；圖4和5示出了具有頻域波束形成器的發(fā)射(TX)空間處理器；圖6示出了OFDM調(diào)制器的框圖；圖7示出了具有時域波束形成器的TX空間處理器；圖8A示出了帶有循環(huán)移位功能的時域波束形成器；圖8B示出了利用圖8A中的波束形成器進行傳輸；圖9A示出了帶有線性延遲功能的時域波束形成器；圖9B示出了利用圖9A中的波束形成器進行傳輸；圖10示出了4個天線的子帶上的線性相移圖。
具體實施例方式
這里使用的“示例性的”一詞意味著“用作例子、例證或說明”。這里被描述為“示例性”的任何實施例或設計不應被解釋為比其它實施例或設計更優(yōu)選或更具優(yōu)勢。
圖1是具有一個接入點(AP)110和多個用戶終端(UT)120的MIMO-OFDM系統(tǒng)100。接入點一般是能夠與多個用戶終端通信的固定站，故也可稱為基站或其它術(shù)語。用戶終端可以是固定的或移動的，其可稱為移動臺、無線設備、用戶設備(UE)或其它術(shù)語。對于中心化的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)來說，系統(tǒng)控制器130與多個接入點相耦合，并為這些接入點提供協(xié)作和控制。
接入點110配備有多個用于進行數(shù)據(jù)發(fā)射和接收的天線。每個用戶終端120也配備有多個用于進行數(shù)據(jù)發(fā)射和接收的天線。用戶終端可以與接入點進行通信，在此情形下，接入點和用戶終端的角色是確定的。一個用戶終端也可以與另一個用戶終端點對點地進行通信。
圖2示出了系統(tǒng)100內(nèi)的發(fā)射實體210和接收實體250的框圖。發(fā)射實體210配備有多個(T)發(fā)射天線并且可以是接入點或用戶終端。接收實體250可以配備有多個(R)天線并且也可以是接入點或用戶終端。
在發(fā)射實體210處，TX數(shù)據(jù)處理器212對業(yè)務/分組數(shù)據(jù)進行處理(如，編碼、交織和符號映射)，以產(chǎn)生數(shù)據(jù)符號。這里使用的“數(shù)據(jù)符號”是數(shù)據(jù)的調(diào)制符號，“導頻符號”是導頻信息(即發(fā)射和接收實體都先驗得知的數(shù)據(jù))的調(diào)制符號，“發(fā)射符號”是在一個發(fā)射天線的一個子帶上發(fā)送的符號，“接收符號”是在一個接收天線的一個子帶上獲得的符號。TX空間處理器220接收導頻符合和數(shù)據(jù)符號，并將其解復用到適當?shù)淖訋?，進行如下所述的空間處理，然后，將T個發(fā)射符號流提供給T個發(fā)射天線。調(diào)制器(MOD)230對這T個發(fā)射符號流的每一個進行OFDM調(diào)制，然后將T個時域采樣流提供給T個發(fā)射機單元(TMTR)232a至232t。每個發(fā)射機單元232對其采樣流進行處理(如，轉(zhuǎn)換為模擬、放大、濾波以及上變頻)，以產(chǎn)生調(diào)制信號。發(fā)射機單元232a至232t提供T個調(diào)制信號，以便分別從T個天線232a至232t發(fā)射出去。
在接收實體250處，R個天線252a至252r接收T個發(fā)射信號，并且提供接收信號給相應的接收機單元(RCVR)254。每個接收機單元254處理其接收信號并提供輸入采樣流給相應的解調(diào)器(DEMOD)260。每個解調(diào)器260對其輸入采樣流進行OFDM解調(diào)，以獲得接收數(shù)據(jù)和導頻符號，提供接收的數(shù)據(jù)符號給接收(RX)空間處理器270，以及，提供接收的導頻符號給控制器280中的信道估計器284。信道估計器284針對每個用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖訋?，獲取發(fā)射實體210和接收實體250之間的實際或有效MIMO信道的信道響應估計。控制器280基于MIMO信道響應估計，獲取空間濾波器矩陣。RX空間處理器270利用為每個子帶獲取的空間濾波器矩陣，對該子帶的接收數(shù)據(jù)符號進行空間處理(或空間匹配濾波)，并為該子帶提供檢測數(shù)據(jù)符號。檢測數(shù)據(jù)符號是由發(fā)射實體210發(fā)送的數(shù)據(jù)符號的估計。RX數(shù)據(jù)處理器272接著處理所有子帶的檢測數(shù)據(jù)符號，并提供解碼數(shù)據(jù)。
控制器240和280分別控制發(fā)射實體210和接收實體250中的處理器單元的操作。存儲器單元242和282分別存儲由控制器240和280使用的數(shù)據(jù)和/或程序代碼。
圖3示出了頻域內(nèi)的OFDM波形圖。OFDM提供總共K個子帶，每個子帶的子載波可用數(shù)據(jù)分別進行調(diào)制。在所有K個子帶中，ND個子帶可用于數(shù)據(jù)傳輸，NP個子帶可用于導頻傳輸，剩余NG個子帶不使用而作為保護子帶，其中，K＝ND+NP+NG。通常，系統(tǒng)100可使用具有任意數(shù)量的數(shù)據(jù)子帶、導頻子帶、保護子帶和總共子帶的任意OFDM結(jié)構(gòu)。為簡單起見，以下描述假設所有K個子帶都用于數(shù)據(jù)和導頻傳輸。
系統(tǒng)100可支持采用多種操作模式的數(shù)據(jù)傳輸。每種操作模式在發(fā)射實體處利用不同的空間處理。在一個實施例中，每種操作模式可以(1)用“本征導引(eigen steering)”在一個MIMO信道的正交的空間信道上發(fā)射數(shù)據(jù)符號(即“本征模式”)；(2)用“矩陣導引(matrixsteering)”以在MIMO信道的所有S個空間信道上發(fā)送每個數(shù)據(jù)符號；或(3)不進行空間處理，以從一個發(fā)射天線發(fā)射每個數(shù)據(jù)符號。本征導引也被稱為本征模式傳輸或全信道狀態(tài)信息(full-CSI)傳輸。矩陣導引可用于實現(xiàn)空間分集。不進行空間處理的數(shù)據(jù)傳輸也被稱為部分CSI傳輸。在一個實施例中，每種操作模式可使用或不使用波束形成來為從T個發(fā)射天線發(fā)送的T個采樣流引入額外的分集。
利用矩陣導引和波束形成二者組合的操作模式被稱為“空間擴展”。發(fā)射實體可使用空間擴展來實現(xiàn)空間和頻率/時間分集，例如，如果發(fā)射實體不知道MIMO信道響應的話。
1.發(fā)射機空間處理在系統(tǒng)100中，由發(fā)射實體處的T個天線和接收實體處的R個天線形成的MIMO信道可以用每個子帶k的一個R×T維信道響應矩陣H(k)來表征，該矩陣可表示為 其中k＝0，...，K-1，公式(1)其中，項Hi，j(k)表示子帶k的發(fā)射天線j與接收天線i之間的耦合或復信道增益，i＝1...NR，j＝1...NT。為簡單起見，假設MIMO信道為滿秩，其中S＝T≤R。
對于利用本征導引的數(shù)據(jù)傳輸，可對H(k)的相關(guān)矩陣進行本征值分解，以獲得H(k)的S個本征模式，如下R(k)＝HH(k)·H(k)＝E(k)Λ(k)·EH(k)， 公式(2)其中，R(k)是H(k)的一個T×T相關(guān)矩陣；E(k)是一個T×T酉矩陣，其各列是R(k)的本征向量；∧(k)是R(k)的本征值構(gòu)成的一個T×T對角矩陣；以及“H”表示共軛轉(zhuǎn)置。
酉矩陣U通過性質(zhì)UH·U＝I來表征，其中I是單位矩陣。酉矩陣的列互相正交，并且每一列具有單位功率。矩陣E(k)也被稱為“本征模式”矩陣或“發(fā)射”矩陣，并且發(fā)射實體可用其進行空間處理以在H(k)的S個本征模式上發(fā)射數(shù)據(jù)。本征模式可被看成是通過分解獲得的正交空間信道?！?k)的對角項是R(k)的本征值，代表S個本征模式的功率增益?？蓪Α?k)中的本征值從最大到最小進行排序，并且E(k)的各列也相應地進行排序。還可進行奇異值分解，以獲得可用于本征導引的左和右本征向量的矩陣。
對于利用本征導引的數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)射實體可為每個子帶k進行空間處理，如下Zes(k)＝E(k)·s(k)， 公式(3)其中，s(k)是一個向量，其具有將在子帶k上發(fā)送的至多S個數(shù)據(jù)符號；以及Zes(k)是在子帶k具有T個空間處理符號的一個向量。
通常，在每個子帶k的D個(最好的)本征模式上可同時發(fā)送D個數(shù)據(jù)符號，其中1≤D≤S。利用與D個選中的本征模式相對應的E(k)的D個列，對s(k)中的D個數(shù)據(jù)符號進行空間處理。
對于利用矩陣導引的數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)射實體可為每個子帶k進行空間處理，如下Zss(k)＝V(k)·s(k)，公式(4)其中，V(k)是子帶k的酉導引矩陣；以及Zss(k)是對于子帶k具有至多T個擴展符號的一個向量。
將s(k)中的每個數(shù)據(jù)符號乘以V(k)的相應列，以獲得至多T個擴展符號。導引矩陣V(k)可以以一種簡化公式(4)中矩陣乘法的方式來產(chǎn)生，如下所述。
通常，利用矩陣導引在每個子帶k上可同時發(fā)送D個數(shù)據(jù)符號，其中1≤D≤S?？蓪(k)中的D個數(shù)據(jù)符號乘以T×D酉導引矩陣V(k)，以獲得zss(k)的T個空間處理符號。每個子帶k的每個空間處理符號包括在子帶k上進行發(fā)送的D個數(shù)據(jù)符號中的每一個數(shù)據(jù)符號的一部分。然后，在H(k)的S個空間信道上發(fā)送每個子帶k的T個空間處理符號。
對于部分CSI傳輸來說，發(fā)射實體可為每個子帶k進行空間處理，如下zpcsi(k)＝s(k)， 公式(5)其中，zpcsi(k)是在子帶k發(fā)送具有至多T個數(shù)據(jù)符號的一個向量。發(fā)射實體利用部分CSI傳輸?shù)膯挝痪仃嘔有效地進行空間處理。
因此，發(fā)射實體對每個子帶k的數(shù)據(jù)向量s(k)進行空間處理，以獲得該子帶的空間處理符號的對應向量z(k)。向量z(k)等于本征導引對應的zes(k)、矩陣導引對應的zss(k)和部分CSI導引對應的zpcsi(k)。
2.波束形成發(fā)射實體可選擇性地對每個子帶k的向量z(k)進行波束形成，如下x(k)＝B(k)·z(k)， 公式(6)其中，B(k)是子帶k的一個T×T波束形成矩陣；以及x(k)是具有從子帶k的T個發(fā)射天線發(fā)送的T個發(fā)射符號的向量。
如果不進行波束形成，那么公式(6)中的波束形成矩陣B(k)可用單位矩陣I來代替。
利用波束形成的本征導引的發(fā)射向量xbes(k)可表示為xbes(k)＝B(k)·E(k)·s(k)。
公式(7)對于空間擴展，也就是利用波束形成的矩陣導引，其發(fā)射向量xbss(k)可表示為xbss(k)＝B(k)·V(k)·s(k)。
公式(8)對于每個子帶k，可預先計算矩陣B(k)·V(k)。在這種情況下，可利用單次矩陣乘法，獲得發(fā)射向量xbss(k)。還可在兩個步驟中或以不同的方式應用矩陣B(k)和V(k)。例如，利用矩陣乘法可在頻域內(nèi)應用矩陣V(k)以及利用循環(huán)或線性延遲可在時域內(nèi)應用矩陣B(k)，如下所述。
利用波束形成的部分CSI傳輸?shù)陌l(fā)射向量xbns(k)可表示為xbns(k)＝B(k)·s(k)。
公式(9)每個子帶k的波束形成矩陣B(k)是具有如下形式的對角矩陣
B‾(k)=b0(k)0...00b1(k)...0............00..bT-1(k),]]>其中k＝0，...，K-1， 公式(10)其中，bi(k)是發(fā)射天線i的子帶k的加權(quán)值。如公式(6)所示，將z(k)的第i個元素乘以B(k)中的第i個對角線加權(quán)值。
定義K個子帶的波束形成矩陣，從而在K個子帶上實現(xiàn)連續(xù)波束形成?？蓪個不同的波束形成矩陣用于K個子帶，以在這些子帶上獲得不同的天線波束。K個波束形成矩陣可以以一種連續(xù)的方式變化(而不是突變或不連續(xù)的方式)，從而天線波束在K個子帶上以一種連續(xù)的方式變化。因此，連續(xù)波束形成是指在K個子帶上的天線波束中連續(xù)的變化。
在一個實施例中，每個子帶k的波束形成矩陣B(k)中的加權(quán)值定義如下bi(k)=g(i)·ej2π·i·kk,]]>其中，i＝0...T-1且k＝0...K-1，公式(11)其中，g(i)是發(fā)射天線i的復增益。
可將每個發(fā)射天線i的復增益設置為1，即‖g(i)‖＝1.0，其中i＝0...T-1。公式(11)所示加權(quán)值對應于每個發(fā)射天線的K個子帶上的漸進(progressive)相移，其中對于T個發(fā)射天線以不同的速率改變相移。對于T個均勻間隔開的天線構(gòu)成的線性陣列的每個子帶，這些加權(quán)值有效地形成了不同的波束。
在一個具體的實施例中，定義加權(quán)值如下bi(k)=e-jπ·i·ej2π·i·kk=ej2πik(kk2),]]>公式(12)其中i＝0...T-1且k＝0...K-1。公式(12)所述實施例對于公式(11)使用g(i)＝e-jπ·i。這導致將零相移應用到每個天線的子帶K/2+1。
圖10示出了在T＝4的情況下每個發(fā)射天線的相移圖。通常認為K個子帶的中心位于零頻率上?；诠?12)產(chǎn)生的加權(quán)值可被認為是在K個子帶上產(chǎn)生的線性相位移動。對于i＝0...T-1，每個發(fā)射天線i與2π·i/K的相位斜度(phase slope)相關(guān)聯(lián)。對于k＝0...K-1，發(fā)射天線i的每個子帶k的相移表示為2π·i·(k-K/2)/K。利用g(i)＝e-jπ·i導致子帶k＝K/2觀測到零相移。
基于公式(12)獲取的加權(quán)值可被看成是一個線性濾波器，其對于每個發(fā)射天線i具有離散頻率響應Gi(k′)。該離散頻率響應可表示為Gi(k′)=bi(k′+k/2)=ej2πi·k′k,]]>公式(13)其中i＝0...T-1且k′＝(-K/2)...(K/2-1)。子帶編號k對應于一種將零頻率置于子帶Ncenter＝K/2上的編號方案。子帶編號k′是將子帶編號k移位K/2版本。這樣做的結(jié)果是，對于具有編號k′的新的子帶編號方案，子帶0處于零頻率上。如果以其它一些方式定義編號k(如，k＝1，...，K)或如果K是奇數(shù)值，則Ncenter可等于K/2之外的其它某些值。
線性濾波器的離散時域沖激響應gi(n)可通過對離散頻率響應Gi(k′)進行K點離散傅立葉反變換(IDFT)來獲得。沖激響應gi(n)可表示為gi(n)=1K·Σk′=-K/2K/2-1Gi(k′)·ej2πn·k′K,]]>=1K·Σk′=-K/2K/2-1ej2πi·k′K·ej2πn·k′K,]]>=1K·Σk′=-K/2K/2-1ej2πk′K(i+n),,]]>公式(14) 其中，n是采樣周期編號并具有值域n＝0，...，K-1。公式(14)說明，發(fā)射天線i的沖激響應gi(n)具有在i個采樣周期的延遲上為單位幅度的單個抽頭且在所有其它延遲上為零。
可在頻域或時域內(nèi)進行波束形成。波束形成可通過以下步驟在頻域內(nèi)執(zhí)行(1)將每個發(fā)射天線i的K個空間處理符號zi(0)至zi(K-1)乘以該天線的K個加權(quán)值bi(0)至bi(K-1)，以獲得K個發(fā)射符號；以及(2)對每個發(fā)射天線i的K個發(fā)射符號進行OFDM調(diào)制，以獲得該天線的K個時域采樣。同樣地，波束形成還可通過以下步驟在時域內(nèi)執(zhí)行(1)對每個發(fā)射天線i的K個空間處理符號進行K點IDFT，以獲得該發(fā)射天線的K個時域采樣；以及(2)利用每個發(fā)射天線沖激響應gi(n)對該天線的K個時域采樣的執(zhí)行循環(huán)卷積。
圖4示出了在頻域內(nèi)進行波束形成的TX空間處理器220a，并且是發(fā)射實體210處的TX空間處理器220的一個實施例。TX空間處理器220a包括空間處理器420和波束形成器430?？臻g處理器420利用本征模式矩陣E(k)、導引矩陣V(k)或單位矩陣I對每個子帶的數(shù)據(jù)符號s(k)進行空間處理，然后，提供該子帶的空間處理符號z(k)。波束形成器430將每個子帶k的空間處理符號z(k)乘以波束形成矩陣B(k)，以獲得該子帶的發(fā)射符號x(k)。調(diào)制器230對每個發(fā)射天線i的發(fā)射符號進行OFDM調(diào)制，以獲得該天線的OFDM符號流。
圖5示出了TX空間處理器220a中的空間處理器420和波束形成器430的一個實施例?？臻g處理器420包括K個子帶的K個子特空間處理器520a至520K和一個復用器(MUX)522。每個空間處理器520接收其子帶的向量s(k)中的符號s0(k)至sT-1(k)，利用E(k)、V(k)或I對這些數(shù)據(jù)符號進行空間處理，然后，提供其子帶的向量z(k)中的空間處理符號z0(k)至zT-1(k)。復用器522從空間處理器520a至520k接收所有K個子帶的空間處理符號，并提供這些符號給適當?shù)淖訋Ш桶l(fā)射天線。
波束形成器430包括T個發(fā)射天線對應的T個復用器集合528a至528t。在每個符號周期中，每個復用器集合528接收其發(fā)射天線i的K個空間處理符號zi(0)至zi(K-1)，將這些符號乘以發(fā)射天線i的K個加權(quán)值bi(0)至bi(K-1)，然后提供發(fā)射天線i的K個發(fā)射符號xi(0)至xi(K-1)。在每個符號周期中，波束形成器430為T個發(fā)射天線提供具有K個發(fā)射符號的T個集合。
調(diào)制器230包括T個發(fā)射天線對應的T個OFDM調(diào)制器530a至530t。每個OFDM調(diào)制器530接收其發(fā)射天線i的發(fā)射符號xi(0)至xi(K-1)，對發(fā)射符號進行OFDM調(diào)制，然后在每個符號周期中提供發(fā)射天線i的OFDM符號。
圖6是OFDM調(diào)制器530x的框圖，其可用于圖5的OFDM調(diào)制器530a至530t中的每一個。在每個OFDM符號周期中，在每個子帶上可發(fā)送一個發(fā)射符號(通常，對于每個未使用子帶提供一個零信號值，也被稱為零符號周期)。在每個OFDM符號周期中，IDFT單元632接收K個子帶的K個發(fā)射符號，利用K點IDFT將這K個發(fā)射符號變換到時域，然后提供包含K個時域采樣的“變換”的符號。每個采樣是將在一個采樣周期中進行發(fā)射的復數(shù)值。并行-串行(P/S)轉(zhuǎn)換器634對每個變換符號的K個采樣進行串行化。然后，循環(huán)前綴生成器436重復每個變換符號的一部分(或C個采樣)，以形成包含K+C個采樣的一個OFDM符號。循環(huán)前綴用于抵抗由頻率選擇性衰落引起的符號間干擾(ISI)，頻率選擇性衰落是在整個系統(tǒng)帶寬上變化的頻率響應。OFDM符號周期(在這里也簡稱為“符號周期”)是一個OFDM符號的持續(xù)時間并且等于K+C個采樣周期。
圖7示出了在時域內(nèi)進行波束形成的TX空間處理器220b，并且是發(fā)射實體210處的TX空間處理器220的另一個實施例。TX空間處理器220b包括空間處理器420和波束形成器440?？臻g處理器420對每個子帶k的數(shù)據(jù)符號s(k)進行空間處理，然后提供該子帶的空間處理符號z(k)。調(diào)制器230對每個天線i的空間處理符號進行OFDM調(diào)制并提供該天線的時域采樣流。波束形成器440通過對每個發(fā)射天線i的時域采樣進行循環(huán)移位和線性延遲，在時域內(nèi)進行波束形成。
圖8A示出了調(diào)制器230和波束形成器440a的框圖，該波束形成器是圖7中波束形成器440的一個實施例。調(diào)制器230包括T個發(fā)射天線對應的T個OFDM調(diào)制器。每個OFDM調(diào)制器包括IDFT單元632、P/S轉(zhuǎn)換器634和循環(huán)前綴生成器636，如圖6所示。每個發(fā)射天線i的OFDM調(diào)制器在每個符號周期內(nèi)接收K個子帶的K個空間處理后符號zi(0)至zi(K-1)。在OFDM調(diào)制器中，IDFT單元632對K個空間處理符號進行K點IDFT并且提供K個時域采樣。P/S轉(zhuǎn)換器634對這K個時域采樣進行串行化。
波束形成器440a包括T個發(fā)射天線對應的T個循環(huán)移位單元842a至842t。每個發(fā)射天線i的移位單元842從該發(fā)射天線i的P/S轉(zhuǎn)換器634接收K個時域采樣，將這K個時域采樣循環(huán)移位i個采樣，并且提供包含K個采樣的循環(huán)移位變換符號{zi′(n)}。特別地，移位單元842a對發(fā)射天線234a的變換符號{z0′(n)}進行零采樣的循環(huán)移位，移位單元842b對發(fā)射天線234b的變換符號{z1′(n)}進行一個采樣的循環(huán)移位，依此類推，移位單元842t對發(fā)射天線234t的變換符號{zT-1′(n)}進行(T-1)個采樣的循環(huán)移位。T個循環(huán)前綴生成器636a至636t從移位單元842a至842t分別接收T個循環(huán)移位轉(zhuǎn)換符號。每個循環(huán)前綴生成器636將一個C采樣的循環(huán)前綴附加到其循環(huán)移位變換符號{zi′(n)}，從而提供包含(K+C)個采樣的OFDM符號{xi(n)}。
圖8B示出了從圖8A所示實施例的T個發(fā)射天線的T個傳輸?shù)臅r序圖。根據(jù)T個不同的空間處理符號集合，針對T個發(fā)射天線產(chǎn)生T個不同的變換符號，如圖8A所示。那么，對于T個發(fā)射天線，將T個變換符號循環(huán)移位不同的量。將循環(huán)前綴以正常方式附加到每個經(jīng)過循環(huán)移位的變換符號。從T個發(fā)射天線同時發(fā)送T個不同的OFDM符號。
圖9A示出了調(diào)制器230和波束形成器440b的框圖，該波束形成器是圖7中波束形成器440的另一個實施例。每個OFDM調(diào)制器對其發(fā)射天線的空間處理符號進行OFDM調(diào)制并且提供其發(fā)射天線的OFDM符號流{xi′(n)}。波束形成器440b包括T個發(fā)射天線的T個數(shù)字延遲單元844a至844t。每個延遲單元844從相關(guān)聯(lián)的OFDM調(diào)制器接收其發(fā)射天線i的OFDM符號并且將OFDM符號延遲一個由發(fā)射天線i決定的量。具體而言，發(fā)射天線234a的延遲單元844a將其OFDM符號{x0′(n)}延遲零個采樣周期，發(fā)射天線234b的延遲單元844b將其OFDM符號{x1′(n)}延遲一個采樣周期，依此類推，發(fā)射天線234t的延遲單元844t將其OFDM符號{xT-1′(n)}延遲T-1個采樣周期。
通過發(fā)射機單元232a至232t，還可在模擬域內(nèi)提供T個不同的延遲。例如，發(fā)射機單元232a可將其調(diào)制信號延遲零個采樣周期，發(fā)射機單元232b可將其調(diào)制信號延遲一個采樣周期(即Tsam秒)，依此類推，發(fā)射機單元232t可將其調(diào)制信號延遲(T-1)個采樣周期(即(T-1)·Tsam秒)。采樣周期等于Tsam＝1/[BW·(K+C)]，其中BW是以Hertz為單位的總系統(tǒng)帶寬。
圖9B示出了從圖9A所示實施例的T個發(fā)射天線的T個傳輸?shù)臅r序圖。為T個發(fā)射天線產(chǎn)生T個不同的變換符號，如圖9A所示。將從每個發(fā)射天線發(fā)送的OFDM符號延遲一個不同的量。
對于公式(12)至(14)以及圖8A和9A所示的實施例來說，T個發(fā)射天線的延遲是采樣周期的整數(shù)倍，即i個采樣周期對應于天線i。也可將其它整數(shù)相移用于天線i，而不是i對應于發(fā)射天線i。還可實現(xiàn)導致T個發(fā)射天線的非整數(shù)延遲的相位斜度(如，g(i)=e-jπiL,]]>其中L＞1)。例如，可將來自圖8A中每個P/S轉(zhuǎn)換器634的時域采樣上采樣至更高的速率(如，周期Tsam＝Tsam/L)。然后，相關(guān)聯(lián)的移位單元842就可將較高速率的采樣循環(huán)移位整數(shù)個較高速率的采樣周期，Tupsam，其中，Tupsam＜Tsam?；蛘?，每個發(fā)射機單元232可按照整數(shù)個Tupsam的方式(而不是Tsam)來提供模擬延遲。通常，可將任意數(shù)量的循環(huán)或線性延遲用于T個發(fā)射天線。T個發(fā)射天線的延遲應該是唯一的，以便任何兩個天線都不具有相同的延遲。在頻域內(nèi)，這對應于K個子帶上的波束形成器的不同相位特征。
當發(fā)射天線的數(shù)量少于循環(huán)前綴長度(即T＜C)時，附加到每個OFDM符號上的循環(huán)前綴使得每個延遲單元844的線性延遲看起來像利用時域沖激響應gi(n)的循環(huán)卷積所對應的循環(huán)旋轉(zhuǎn)。因此，通過每個發(fā)射天線i的i個采樣周期的時間延遲，可實現(xiàn)公式(12)中定義的加權(quán)值，如圖9A和9B所示。然而，如圖9B所示，T個OFDM符號以不同的延遲經(jīng)由T個發(fā)射天線進行發(fā)射，這樣就減少了循環(huán)前綴抵抗多路徑延遲的有效性。
公式(11)和(12)給出了在每個發(fā)射天線的K個子帶上提供線性變化相移的函數(shù)。將線性變化相移應用到頻域內(nèi)的符號可通過將相應的時域采樣進行循環(huán)移位或延遲來實現(xiàn)，如上所述。通常，每個發(fā)射天線的K個子帶上的相移可用任何函數(shù)以連續(xù)方式變化，以便波束以連續(xù)而非突變方式在子帶上變化。相移的線性函數(shù)僅是連續(xù)函數(shù)的一個例子。對于連續(xù)函數(shù)來說，函數(shù)輸入的任意小的變化都會引起函數(shù)輸出的任意小的變化。其它一些示例性的連續(xù)函數(shù)包括二次函數(shù)、三次函數(shù)、拋物線函數(shù)等。連續(xù)變化保證了依賴于子帶上一定量的相關(guān)性的接收實體的性能不會降級(例如，為了簡化信道估計)。
圖8A和9A所示的實施例給出了針對連續(xù)波束形成，在時域內(nèi)進行波束形成的一些方式。通常，可按照各種方式及在發(fā)射實體內(nèi)的各個位置上執(zhí)行波束形成?？稍跁r域或頻域內(nèi)、采用數(shù)字電路或模擬電路、在OFDM調(diào)制之前或之后等，執(zhí)行波束形成。
發(fā)射實體可以選擇性地執(zhí)行波束形成，以便波束形成可啟用或禁用。決定是應用還是禁用波束形成，基于各種因素如信道狀況。如果發(fā)射實體執(zhí)行連續(xù)波束形成，或者如果接收實體執(zhí)行信道估計而不依賴于子帶之間的相關(guān)性，則接收實體不需要知道是否應用了波束形成。
發(fā)射實體可以自適應地進行波束形成，以便波束形成可隨時間以某種方式調(diào)整。在一個實施例中，發(fā)射實體可基于信道狀況、經(jīng)由接收實體的反饋和/或其它一些因素來啟用或禁用波束形成。例如，如果信道以可加到接收實體處每個子帶的零或一個低值的單位量值復雜信道增益進行平坦衰落，則發(fā)射實體應用波束形成。
在另一個實施例中，發(fā)射實體可以按照預定或偽隨機模式調(diào)整波束形成。對于時域波束形成來說，T個發(fā)射天線的延遲量可能因每個時間間隔而變化，該時間間隔可對應于一個符號周期、多個符號周期、MIMO導頻符號的多次連續(xù)傳輸之間持續(xù)時間(如下所述)等。例如，發(fā)射實體可在一個時間間隔內(nèi)將{0，1，2，...，T-1}個采樣周期的延遲應用到T個發(fā)射天線，接著在下一個時間隔內(nèi)將{0，0，0，...，0}個采樣周期的延遲應用到T個發(fā)射天線，然后，在后繼時間間隔內(nèi)將{0，2，4，...，2(T-1)}個采樣周期的延遲應用到T個發(fā)射天線等。發(fā)射實體還可在不同的時間間隔內(nèi)在一個基本集合內(nèi)的多個延遲中循環(huán)。例如，發(fā)射實體可在一個時間間隔內(nèi)將{0，1，2，...，T-1}個采樣周期的延遲應用到T個發(fā)射天線，接著在下一個時間間隔內(nèi)將{T-1，0，1，...，T-2}個采樣周期的延遲應用到T個發(fā)射天線，然后，在后繼時間間隔內(nèi)將{T-2，T-1，0，...，T-3}個采樣周期的延遲應用到T個發(fā)射天線等。發(fā)射實體在不同時間間隔內(nèi)還可按照不同順序應用延遲。例如，發(fā)射實體可在一個時間間隔內(nèi)將{0，1，2，...，T-1}個采樣周期的延遲應用到T個發(fā)射天線，接著在下一個時間間隔內(nèi)將{2，1，T-1，...，0}個采樣周期的延遲應用到T個發(fā)射天線，然后在后繼時間間隔內(nèi)將{1，T-1，0，...，2}個采樣周期的延遲應用到T個發(fā)射天線等。發(fā)射實體還可將延遲的分數(shù)(如，0.5，1，5)采樣周期應用到任意給定發(fā)射天線。
如果接收實體不知道正在進行波束形成，那么發(fā)射實體在每個數(shù)據(jù)和導頻符號傳輸間隔(如，每一幀)，在所有符號周期上以相同方式進行波束形成。數(shù)據(jù)和導頻符號傳輸間隔是發(fā)射數(shù)據(jù)以及用于恢復該數(shù)據(jù)的導頻符號的時間間隔。例如，發(fā)射實體可將波束形成矩陣B(k)的相同集合用于K個子帶或?qū)⒀舆t的相同集合應用到在每個數(shù)據(jù)和導頻符號傳輸間隔內(nèi)的所有符號周期的T個發(fā)射天線上。這使得接收實體可基于接收MIMO導頻符號，估計“有效”MIMO信道響應(利用波束形成)以及利用有效MIMO信道響應估計對數(shù)據(jù)和導頻傳輸間隔的接收符號進行接收機空間處理，如下所述。
如果接收實體知道正在進行波束形成，那么發(fā)射實體可在每個數(shù)據(jù)和導頻傳輸時間間隔內(nèi)在符號周期上調(diào)整波束形成。例如，發(fā)射實體可使用波束形成矩陣B(k)的不同集合或在不同的符號周期中應用延遲的不同集合。接收實體可基于接收MIMO導頻符號，估計初始有效MIMO信道響應，基于初始有效MIMO信道響應估計和所知的用于符號周期t的波束形成來確定后續(xù)每個符號周期t的有效MIMO信道響應，并且利用符號周期t的有效MIMO信道響應估計，對符號周期t的接收符號進行接收機空間處理。
3.接收機空間處理對于利用本征導引和波束形成的數(shù)據(jù)傳輸來說，接收實體經(jīng)由每個子帶k的R個接收天線獲得R個接收符號，可將其表示為rbes(k)＝H(k)·B(k)·E(k)·s(k)+n(k)，公式(15)＝Heffbes(k)·s(k)+n(k)，
其中，rbes(k)是具有子帶k的R個接收符號的向量；n(k)是子帶k的噪聲向量；以及Heffbes(k)是本征導引和波束形成情況下數(shù)據(jù)向量s(k)觀測到的“有效”信道響應矩陣，即H‾effbes(k)=H‾(k)·B‾(k)·E‾(k).]]>公式(16)為簡單起見，假定噪聲是加性高斯白噪聲(AWGN)，其具有零均值向量和協(xié)方差矩陣nn＝σ2·I，其中σ2是噪聲的方差。
接收實體能夠利用各種接收機處理技術(shù)來恢復發(fā)射實體發(fā)送的數(shù)據(jù)符號，例如最小均方誤差(MMSE)技術(shù)和信道相關(guān)矩陣求逆(CCMI)技術(shù)(其通常也稱為迫零技術(shù))。
對于MMSE技術(shù)來說，接收實體可為每個子帶k獲取空間濾波器矩陣Mmmsebes(k)，如下M‾mmsebes(k)[H‾effbesH(k)·H‾effbes(k)+σ2·I‾]-1·H‾effbesH(k).]]>公式(17)空間濾波器矩陣Mmmsebes(k)將來自空間濾波器的符號估計和s(k)中的數(shù)據(jù)符號之間的均方誤差最小化。
接收實體可對每個子帶k進行MMSE空間處理，如下S‾^mmsebes(k)=D‾mmsebes(k)·M‾mmsebes(k)·r‾bes(k),]]>=D‾mmsebes(k)·M‾mmsebes(k)·[H‾effbes(k)·s‾(k)+n‾(k)],]]>公式(18)≈s‾(k)+n‾mmsebes(k)]]>其中，D‾mmsebes(K)=[diag[M‾mmsebes(K)·H‾effbes(K)]]-1,]]>以及nmmsebes(k)是MMSE濾波噪聲。
來自空間濾波器Mmmsebes(k)的符號估計是數(shù)據(jù)符號的非歸一化的估計。與縮放矩陣Dmmsebes(k)相乘提供了數(shù)據(jù)符號的歸一化的估計。
本征導引試圖在H(k)的本征模式上發(fā)送數(shù)據(jù)。然而，采用本征導引的數(shù)據(jù)傳輸可能不完全正交，由于例如，有缺陷的H(k)的估計，本征值分解中的誤差，有限的算術(shù)精確度等。MMSE技術(shù)可解決(或“清除”)利用本征導引的數(shù)據(jù)傳輸中的正交性丟失。
對于CCMI技術(shù)來說，接收實體可獲取每個子帶k的空間濾波器矩陣Mccmibes(k)，如下M‾ccmibes(k)=[H‾effbesH(k)·H‾effbes(k)]-1·H‾effbesH(k).]]>公式(19)接收機實體可為每個子帶k進行CCMI空間處理，如下s‾^ccmibes(k)=M‾ccmibes(k)·r‾bes(k),]]>=[H‾effbesH(k)·H‾effbes(k)]-1·H‾effbesH(k)·[H‾effbes(k)·s‾(k)+n‾(k)],]]>公式(20)=s‾(k)+n‾ccmibes(k)]]>其中，nccmibes是CCMI濾波噪聲。由于R‾effbes(k)=H‾effbesH(k)·H‾effbes(k)]]>的結(jié)構(gòu)，CCMI技術(shù)可能會放大噪聲。
接收實體可以按照類似方式針對其它操作模式進行空間處理，但要使用不同的有效信道響應矩陣和不同的空間濾波器矩陣。表1總結(jié)了針對各種操作模式在發(fā)射實體處的空間處理和針對每種操作模式的有效MIMO信道。為清楚起見，子帶編號“(k)”在其中沒有示出。波束形成可在頻域內(nèi)進行，如表1所示。線性連續(xù)波束形成還可在時域內(nèi)進行，如上所述。在這種情況下，波束形成矩陣B可從發(fā)射符號向量x中省略但仍出現(xiàn)在有效MIMO信道響應中。

通常，接收實體可獲取每個子帶k的MMSE空間濾器矩陣
Mmmsex(k)，如下M‾mmsex(k)=[H‾effxH(k)·H‾effx(k)+σ2·I‾]-1·H‾effxH(k),]]>公式(21)其中，下標“x”表示操作模式并且可等于對應于無波束形成的本征導引的“es”、對應于無波束形成的矩陣導引的“ss”、對應于無波束形成和無空間處理的“ns”、對應于具有波束形成的本征導引的“bes”、對應于具有波束形成的矩陣導引的“bss”、或?qū)谥贿M行波束形成的“bns”。對于所有操作模式，可按照相同方式獲取MMSE空間濾波器矩陣Mmmsex(k)，但卻采用不同的有效信道響應矩陣Heffse(k)、Heffss(k)、Heffns(k)、Heffbes(k)、Heffbss(k)和Heffbns(k)。對于所有操作模式，可按照相同方式進行MMSE接收機空間處理，但利用通過不同的有效信道響應矩陣獲得的MMSE空間濾波器矩陣。因此，基于MMSE的接收機可使用相同的MMSE空間處理支持所有的操作模式。在公式(21)中，可用噪聲的協(xié)方差矩陣m代替項σ2·I，如果它已知的話。
接收實體還可為每個子帶k獲取CCMI空間濾波器矩陣Mccmix(k)，如下M‾ccmix(k)=[H‾effxH(k)·H‾effx(k)]-1·H‾effxH(k).]]>公式(22)再次，對于所有操作模式，接收實體可按照相同方式獲取CCMI空間濾波器矩陣，但采用不同的有效信道響應矩陣。對于所有操作模式，接收實體也可按照相同方式應用CCMI空間濾波器矩陣。
接收實體也可用其它接收機空間處理技術(shù)來恢復數(shù)據(jù)符號，而這同樣落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
4.導頻傳輸發(fā)射實體可發(fā)射導頻符號，以使接收實體可估計實際或有效MIMO信道響應。導頻符號可以以各種方式進行發(fā)射。例如，發(fā)射實體可發(fā)射非導引的MIMO導頻符號、導引的MIMO導頻符號和擴展的MIMO導頻符號等。MIMO導頻符號是由從T個發(fā)射天線發(fā)送的多個導頻傳輸組成的一個導頻符號。非導引的MIMO導頻符號包括從T個發(fā)射天線發(fā)送的至多T個導頻傳輸組，從每個天線發(fā)送一個導頻傳輸。導引的MIMO導頻符號包括通過S個正交空間信道發(fā)送的至多S個導頻傳輸。擴展的MIMO導頻符號包括用矩陣導引在S個空間信道上發(fā)送的至多S個導頻傳輸。
對于MIMO導頻符號來說，多個導頻傳輸對接收實體來說均是可識別的。這通過以下方法實現(xiàn)1.利用碼分復用(CDM)，將不同的正交序列應用到每個導頻傳輸；2.利用時分復用(TDM)，在不同的符號周期中發(fā)送多個導頻傳輸；和/或3.利用頻分復用(FDM)在不同的子帶上發(fā)送多個導頻傳輸。對于FDM來說，對多個導頻傳輸均可用一個不同的子帶集合?？裳h(huán)用于每個導頻傳輸?shù)淖訋?，以便該導頻傳輸實際上可觀察到所有K個子帶。對于每個發(fā)射天線，MIMO導頻符號可利用CDM或FDM以全發(fā)射功率發(fā)送，這是希望的情況。MIMO導頻符號也可利用CDM、FDM和TDM的任何組合來發(fā)送。
對于非導引MIMO導頻符號來說，發(fā)射實體可對每個用于導頻傳輸?shù)淖訋進行空間處理，如下Zns，mp(k，t)＝W(t)·p(k)， 公式(23)其中，p(k)是將在子帶k上發(fā)送的導頻符號向量；W(t)是符號周期t的對角Walsh矩陣；以及zns，mp(k，t)是在符號周期t中子帶k的非導引MIMO導頻符號的空間處理符號的向量。
從T個發(fā)射天線可發(fā)送不同的導頻符號，如公式(23)所示?；蛘撸部蓪⑾嗤膶ьl符號用于所有的發(fā)射天線，在這種情況下Walsh矩陣僅為Walsh向量。
如果T＝4，則可為4個發(fā)射天線分配4符號Walsh序列W1＝1，1，1，1，W2＝1，-1，1，-1，W2＝1，1，-1，-1和W3＝1，-1，-1，1，以用于MIMO導頻符號。在4個符號周期中，可將Walsh序列Wj的4個符號用于經(jīng)由發(fā)射天線j的導頻傳輸。W(1)沿其對角線包含4個Walsh序列的第一個元素，W(2)包含4個Walsh序列的第二個元素，W(3)包含4個Walsh序列的第三個元素，W(4)包含4個Walsh序列的第四個元素。因此，天線j的第j個Walsh序列Wj作為所有Walsh矩陣的第j個對角元素而被傳送。在4個符號周期中，4個Walsh矩陣可用于發(fā)射非導引MIMO導頻符號。
針對進行波束形成或不進行波束形成，發(fā)射實體還處理向量zns，mp(k，t)，例如，以與對于數(shù)據(jù)向量s(k)相同的方式，從而獲得非導引的MIMO導頻符號的發(fā)射向量。通過在每個符號周期使用一個Walsh矩陣W(t)，發(fā)射實體可在T個符號周期上發(fā)射非導引的MIMO導頻符號。
對于不進行波束形成的非導引的MIMO導頻符號來說，接收實體獲得用于導頻傳輸?shù)拿總€子帶k的接收導頻符號，如下rns，mp(k，t)＝H(k)·W(t)·p(k)+n(k)。 公式(24)假定MIMO信道和噪聲隨著發(fā)送非導引的MIMO導頻符號的時間而是靜態(tài)的。接收實體獲得用于非導引的MIMO導頻符號的T符號Walsh序列的T個向量rns，mp(k，1)至rns，mp(k，T)。
接收實體可基于接收的未進行波束形成的非導引MIMO導頻符號，對實際MIMO信道響應H(k)進行估計。將H(k)的每個列j與相應Walsh序列Wj相關(guān)聯(lián)。接收實體可獲得hi，j(k)，即H(k)的第j列的第i個元素，通過以下步驟(1)將rns，ms(k，1)至rns，mp(k，T)的第i個元素乘以Walsh序列Wj的T個碼片；(2)去除用于導頻符號pj(k)的調(diào)制，即p(k)的第j個元素；(3)累計T個所得元素，以獲得hi，j(k)。對于H(k)的每個元素可重復該過程。然后，接收實體可用H(k)來獲取有效MIMO信道響應Heffss(k)或Heffes(k)，其可用于進行接收機空間處理。
對于采用了波束形成的非導引的MIMO導頻符號來說，接收實體獲得用于導頻傳輸?shù)拿總€子帶k的接收導頻符號，如下rbns，mp(k，t)＝H(k)·B(k)·W(t)·p(k)+n(k)。
公式(25)
接收實體可對接收的采用波束形成的非導引的MIMO導頻符號進行類似的處理，以獲得Heffbns(k)或Heffbss(k)。
對于導引MIMO導頻符號來說，發(fā)射實體可對用于進行導頻傳輸?shù)拿總€子帶k進行空間處理，如下zes，mp(k，t)＝E(k)·W(t)·p(k)， 公式(26)其中，zes，mp(k，t)是在符號周期t中子帶k的導引MIMO導頻符號的空間處理符號的向量。為簡單起見，假定E(k)在發(fā)射導引MIMO導頻符號的時間上是靜態(tài)的，因而不是符號周期t的函數(shù)。發(fā)射機還處理向量zes，mp(k，t)，以進行波束形成或不進行波束形成，并繼而發(fā)射該導引MIMO導頻符號。
對于未進行波束形成的導引MIMO導頻符號來說，接收實體獲得用于導頻傳輸?shù)拿總€子帶k的接收導頻符號，如下res，mp(k，t)＝H(k)·E(k)·W(t)·p(k)+n(k)。 公式(27)對于進行波束形成的導引MIMO導頻符號來說，接收實體獲得用于進行導頻傳輸?shù)拿總€子帶k的接收導頻符號，如下rbes，mp(k，t)＝H(k)·B(k)·E(k)·W(t)·p(k)+n(k)。公式(28)接收實體可基于res，mp(k，n)估計Heffes(k)以及可基于rbes，mp(k，n)估計Heffbes(k)，按照類似于上述針對H(k)的方式。
對于擴展MIMO導頻符號來說，發(fā)射身體可對用于進行導頻傳輸?shù)拿總€子帶k進行空間處理如下zss，mp(k，t)＝V(k)·W(t)·p(k)， 公式(29)其中，zss，mp(k，t)是子帶k的擴展MIMO導頻符號的空間處理符號的向量。發(fā)射機還處理zss，mp(k，t)以進行波束形成或不進行波束形成，并繼而發(fā)射該合成MIMO導頻符號。
接收實體可基于接收的未進行波束形成的擴展MIMO導頻符號估計Heffss(k)以及可基于接收的進行波束形成的擴展MIMO導頻符號估計Heffbss(k)。接收實體接著可獲取有效MIMO信道響應Heffns(k)或Heffbns(k)，其可用于接收機空間處理。
5.導引矩陣可產(chǎn)生導引矩陣集合并將其用于進行矩陣導引。這些導引矩陣可被表示為{V}，或V(i)，i＝1...L，其中L是大于1的任意整數(shù)值。每個導引矩陣V(i)應該是酉矩陣。這一條件保證利用V(i)同時發(fā)射的T個數(shù)據(jù)符號具有相同的功率并且在利用V(i)進行矩陣導引之后互相正交。
L個導引矩陣組成的集合可按照各種方式產(chǎn)生。例如，L個導引矩陣組成的集合可基于酉基本矩陣和一組標量來產(chǎn)生?；揪仃嚳捎米鱈個導引矩陣中的一個。其它L-1個導引矩陣可通過將基本矩陣的行乘以不同的標量組合來產(chǎn)生。每個標量可以是任何實數(shù)或復數(shù)值。選擇標量具有單位幅值，以便利用這些標量產(chǎn)生的導引矩陣是酉矩陣。
基本矩陣可以是Walsh矩陣。一個2×2Walsh矩陣W2×2和一個較大尺寸的Walsh矩陣W2N×2N可表示如下W‾2×2=111-1]]>和W‾2N×2N=W‾N×NW‾N×NW‾N×N-W‾N×N.]]>公式(30)Walsh矩陣的維度是2的冪(如，2、4、8等)。
基本矩陣也可以是傅立葉矩陣。對于N×N傅立葉矩陣DN×N，DN×N的元素dm，n可以表示為dm,n=e-j2πn·mN,]]>其中n＝0，...，N-1且m＝0，...，N-1。
公式(31)可形成任意平方維度的傅立葉矩陣(如，2，3，4，5等)。其它矩陣也可用作基本矩陣。
對于N×N基矩陣來說，可將基本矩陣的行2至N中的每一個獨立地乘以Q個不同的可能的標量中的一個。根據(jù)用于N-1行的Q個標量的QN-1個不同的置換形式，獲得QN-1個不同的導引矩陣。例如，將行2至N的每一個獨立地乘以標量+1，-1，+j或-j，其中j=-1.]]>通常，將基矩陣的每一行乘以具有形式ejθ的任意標量，其中θ可為任意相位值。對標量相乘的N×N基矩陣的每個元素用 進一步縮放，以獲得每列為單位功率的N×N導引矩陣。
基于Walsh矩陣(即4×4傅立葉矩陣)獲取的導引矩陣具有某些預期性質(zhì)。如果將Walsh矩陣的行乘以標量±1和±j，則所得導引矩陣V(i)的每個元素屬于由{+1，-1，+j，-j}組成的集合。在這種情況下，僅通過位運算，就可以將另一個矩陣的一個元素與V(i)的一個元素相乘。
這里描述的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可用于各種無線系統(tǒng)。這些技術(shù)既可用于下行鏈路(即前向鏈路)，也可用于上行鏈路(即反向鏈路)。
可按照多種方式使用帶有或不帶有矩陣導引的連續(xù)波束形成。例如，當不能得到無線信道的準確信息時，發(fā)射實體(如，接入點或用戶終端)可采用連續(xù)波束形成，以向接收實體(如，另一個訪問點或用戶終端)進行發(fā)射。不能得到無線信道的準確信息可能是由于各種原因，例如，反饋信道遭受破壞、校準度很差的系統(tǒng)、信道狀況改變太快以至發(fā)射實體不能按時采用/調(diào)整波束導引(例如，由于發(fā)射和/或接收實體的高速移動)等。
連續(xù)波束形成在無線系統(tǒng)中可用于各種應用。在一種應用中，可用連續(xù)波束形成發(fā)射系統(tǒng)中的廣播信道，如上所述。采用連續(xù)波束形成，使得系統(tǒng)中的無線設備更加可靠地接收廣播信道信息，因此增加了廣播信道的范圍。在另一個應用中，用連續(xù)波束形成發(fā)射尋呼信道信息。同樣，通過采用連續(xù)波束形成，為尋呼信道實現(xiàn)了改進的可靠性和/或更大的覆蓋范圍。在又一應用中，802.11接入點采用連續(xù)波束形成，以改進其覆蓋范圍內(nèi)用戶終端的性能。
本文描述的傳輸技術(shù)可通過多種方式來實現(xiàn)。例如，可以通過硬件、軟件或其組合來實現(xiàn)這些技術(shù)。對于硬件實現(xiàn)，用于進行導頻傳輸?shù)奶幚韱卧梢詫崿F(xiàn)在一個或多個專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號處理器(DSP)、數(shù)字信號處理器件(DSPD)、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、處理器、控制器、微控制器、微處理器、用于執(zhí)行本文所述功能的其它電子單元或其組合中。接收實體處的處理單元也可以實現(xiàn)在一個或多個ASIC、DSP等。
對于軟件實現(xiàn)，本文描述的處理過程可用執(zhí)行本文所述功能的模塊(例如，過程、函數(shù)等)來實現(xiàn)。這些軟件代碼可以存儲在存儲器單元(如，圖2中的存儲器單元242和282)中，并由處理器(如，控制器240和280)執(zhí)行。存儲器單元可以實現(xiàn)在處理器內(nèi)或處理器外，在后一種情況下，它經(jīng)由本領域中的各種公知手段，可通信地連接到處理器。
本文包含的標題用于參考，其旨在定位特定的章節(jié)。這些標題并非用于限制其下描述的概念的范圍，這些概念可以應用到整個說明書的其它章節(jié)。
所公開實施例的上述描述使得本領域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或者使用本發(fā)明。對于本領域技術(shù)人員來說，這些實施例的各種修改是顯而易見的，并且本文定義的總體原理也可以在不脫離本發(fā)明的精神和保護范圍的基礎上應用于其它實施例。因此，本發(fā)明并不限于本文給出的實施例，而是與符合本文公開的原理和新穎特征的最廣范圍相一致。
權(quán)利要求
1.一種在多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)中發(fā)射數(shù)據(jù)的方法，包括對多個頻率子帶中的每一個頻率子帶的數(shù)據(jù)符號進行空間處理，以獲得該頻率子帶的空間處理符號；以及在從多個天線進行發(fā)射之前，對所述多個頻率子帶的所述空間處理符號進行波束形成。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述對所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理包括用本征模式矩陣對每個頻率子帶的所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理，以在所述頻率子帶的正交空間信道上發(fā)射所述數(shù)據(jù)符號。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述對所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理包括用導引矩陣對每個頻率子帶的所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理，以在所述頻率子帶的多個空間信道上發(fā)射所述數(shù)據(jù)符號中的每一個。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述對所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理包括用單位矩陣對每個頻率子帶的所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述對所述空間處理符號進行波束形成包括通過將每個頻率子帶的所述空間處理符號乘以所述頻率子帶的波束形成矩陣，在頻域內(nèi)進行波束形成。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述對所述空間處理符號進行波束形成包括通過針對所述多個天線應用不同的延遲量，在時域內(nèi)進行波束形成。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括對每個天線的所述多個頻率子帶的所述空間處理符號進行處理，以獲得該天線的時域采樣序列；以及按照為每個天線選擇的延遲量，將該天線的所述時域采樣序列進行循環(huán)移位，以實現(xiàn)所述波束形成。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，針對所述多個天線獲得多個時域采樣序列，以及其中，將所述多個時域采樣序列循環(huán)移位不同的量。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括對每個天線的所述多個頻率子帶的空間處理符號進行離散傅立葉反變換，以獲得該天線的第一時域采樣序列；按照為每個天線選擇的一個量，將該天線的所述第一時域采樣序列進行循環(huán)移位，以獲得該天線的第二時域采樣序列，其中，通過將每個天線的所述第一序列進行循環(huán)移位，執(zhí)行所述波束形成；以及重復每個天線的所述第二時域采樣序列的一部分，以獲得該天線的時域采樣輸出序列。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以時間對準的方式，從所述多個天線發(fā)射所述多個時域采樣序列。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括處理每個天線的所述多個頻率子帶的所述空間處理符號，以獲得該天線的時域采樣序列；以及按照為每個天線選擇的延遲量，將該天線的所述時域采樣序列進行線性延遲，以實現(xiàn)所述波束形成。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括對每個天線的所述多個頻率子帶的空間處理符號進行離散傅立葉反變換，以獲得該天線的第一時域采樣序列；重復每個天線的所述第一時域采樣序列的一部分，以獲得該天線的第二時域采樣序列；以及按照為每個天線選擇的延遲量，將該天線的所述第二時域采樣序列進行延遲，其中，通過延遲每個天線的所述第二序列來執(zhí)行所述波束形成。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括自不同的時間開始，從所述多個天線發(fā)射多個時域采樣序列。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在每個天線的所述多個頻率子帶上應用線性變化的相移。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在每個天線的所述多個頻率子帶上應用不同的相位斜度。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在每個天線的所述多個頻率子帶上應用連續(xù)變化的相移。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括在每個天線的所述多個頻率子帶上，基于為該天線選擇的函數(shù)，確定所述連續(xù)變化的相移。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述波束形成是自適應地進行的，并且隨時間而變化。
19.如權(quán)利要求5所述的方法，還包括在不同的時間間隔內(nèi)，為所述多個頻率子帶選擇不同的波束形成矩陣集合。
20.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括在不同的時間間隔內(nèi)，為所述多個天線選擇不同的延遲集合，每個延遲集合指示所述多個天線中每一個天線的延遲量。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括基于預定集合內(nèi)的延遲，為每個不同的集合選擇所述延遲。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在每個時間間隔上改變所述波束形成。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，每個時間間隔對應于具有適于進行信道估計的導頻傳輸?shù)囊粋€持續(xù)時間。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，每個時間間隔對應于預定數(shù)量的符號周期。
25.多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)中的一種裝置，包括空間處理器，對多個頻率子帶中的每一個頻率子帶的數(shù)據(jù)符號進行空間處理，并提供該頻率子帶的空間處理符號；以及波束形成器，在從多個天線進行發(fā)射之前，對所述多個頻率子帶的所述空間處理符號進行波束形成。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中，所述空間處理器用本征模式矩陣對每個頻率子帶的所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理，以在所述頻率子帶的正交空間信道上發(fā)射所述數(shù)據(jù)符號。
27.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中，所述空間處理器用導引矩陣對每個頻率子帶的所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理，以在所述頻率子帶的多個空間信道上發(fā)射所述數(shù)據(jù)符號的每一個。
28.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中，所述空間處理器用單位矩陣對每個頻率子帶的所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理。
29.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中，所述波束形成器通過將每個頻率子帶的所述空間處理符號乘以所述頻率子帶的波束形成矩陣，在頻域內(nèi)進行波束形成。
30.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中，所述波束形成器通過針對所述多個天線應用不同的延遲量，在時域內(nèi)進行波束形成。
31.如權(quán)利要求25所述的裝置，還包括調(diào)制器，對每個天線的所述多個頻率子帶的所述空間處理符號進行變換，以獲得該天線的時域采樣序列，以及其中，所述波束形成器按照為每個天線選擇的延遲量，將該天線的所述時域采樣序列進行延遲，以實現(xiàn)所述波束形成。
32.如權(quán)利要求31所述的裝置，其中，所述調(diào)制器為所述多個天線提供多個時域采樣序列，以及其中，所述波束形成器將所述多個時域采樣序列延遲不同的延遲量。
33.多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)中的一種裝置，包括空間處理模塊，對多個頻率子帶中的每一個頻率子帶的數(shù)據(jù)符號進行空間處理，以獲得該頻率子帶的空間處理符號；以及波束形成模塊，在從多個天線進行發(fā)射之前，對所述多個頻率子帶的所述空間處理符號進行波束形成。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中，所述對所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理的模塊包括本征模式矩陣空間處理模塊，用本征模式矩陣對每個頻率子帶的所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理，以在所述頻率子帶的正交空間信道上發(fā)射所述數(shù)據(jù)符號。
35.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中，所述對所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理的模塊包括導引矩陣空間處理模塊，用導引矩陣對每個頻率子帶的所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理，以在所述頻率子帶的多個空間信道上發(fā)射所述數(shù)據(jù)符號的每一個。
36.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中，所述對所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理的模塊包括單位矩陣空間處理模塊，用單位矩陣對每個頻率子帶的所述數(shù)據(jù)符號進行空間處理。
37.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中，所述對所述空間處理符號進行波束形成的模塊包括通過將每個頻率子帶的所述空間處理符號乘以所述頻率子帶的波束形成矩陣而在頻域內(nèi)進行波束形成的模塊。
38.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中，所述對所述空間處理符號進行波束形成的模塊包括通過針對所述多個天線應用不同的延遲量而在時域內(nèi)進行波束形成的模塊。
39.如權(quán)利要求33所述的裝置，還包括變換模塊，對每個天線的所述多個頻率子帶的所述空間處理符號進行變換，以獲得該天線的時域采樣序列；以及延遲模塊，按照為每個天線選擇的延遲量將該天線的所述時域采樣序列進行延遲，以實現(xiàn)所述波束形成。
40.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，針對所述多個天線獲得多個時域采樣序列，以及其中，將所述多個時域采樣序列延遲不同的延遲量。
41.一種在多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)中接收數(shù)據(jù)的方法，包括為多個頻率子帶中的每一個頻率子帶獲取空間濾波器矩陣，每個頻率子帶的所述空間濾波器矩陣具有對在該頻率子帶上發(fā)送的數(shù)據(jù)符號進行空間處理和波束形成的作用；以及用每個頻率子帶的所述空間濾波器矩陣，對從該子帶的多個天線獲得的接收符號進行空間處理，以獲得該子帶的檢測數(shù)據(jù)符號。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，還包括基于經(jīng)由所述多個天線接收的導頻符號，獲得至少一個頻率子帶中的每一個頻率子帶的信道響應估計，其中，基于為所述至少一個頻率子帶獲得的所述信道響應估計，為所述多個頻率子帶獲取多個空間濾波器矩陣。
43.如權(quán)利要求41所述的方法，其中，所述為每個頻率子帶獲取所述空間濾波器矩陣包括基于最小均方誤差(MMSE)技術(shù)，為每個子帶獲取所述空間濾波器矩陣。
44.如權(quán)利要求41所述的方法，其中，所述為每個頻率子帶獲取所述空間濾波器矩陣包括基于信道相關(guān)矩陣求逆(CCMI)技術(shù)，為每個子帶獲取所述空間濾波器矩陣。
45.多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)中的一種裝置，包括控制器，為多個頻率子帶中的每一個頻率子帶獲取空間濾波器矩陣，每個頻率子帶的所述空間濾波器矩陣具有對在該頻率子帶上發(fā)送的數(shù)據(jù)符號進行空間處理和波束形成的作用；以及空間處理器，用每個頻率子帶的所述空間濾波器矩陣，對經(jīng)由該子帶的多個天線獲得的接收符號進行空間處理，以獲得該子帶的檢測數(shù)據(jù)符號。
46.如權(quán)利要求45所述的裝置，還包括信道估計器，基于經(jīng)由所述多個天線接收的導頻符號，為至少一個頻率子帶中的每一個頻率子帶獲得信道響應估計，以及其中，基于為所述至少一個頻率子帶獲得的所述信道響應估計，所述控制器為所述多個頻率子帶獲取多個空間濾波器矩陣。
47.多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)中的一種裝置，包括空間濾波器矩陣獲取模塊，為多個頻率子帶中的每一個頻率子帶獲取空間濾波器矩陣，每個頻率子帶的所述空間濾波器矩陣具有對在該頻率子帶上發(fā)送的數(shù)據(jù)符號進行空間處理和波束形成的作用；以及空間處理模塊，用每個頻率子帶的所述空間濾波器矩陣，對經(jīng)由該子帶的多個天線獲得的接收符號進行空間處理，以獲得該子帶的檢測數(shù)據(jù)符號。
48.如權(quán)利要求47所述的裝置，還包括信道響應估計獲取模塊，基于經(jīng)由所述多個天線接收的導頻符號，為至少一個頻率子帶中的每一個頻率子帶獲得信道響應估計，以及其中，基于為所述至少一個頻率子帶獲得的所述信道響應估計，為所述多個頻率子帶獲取多個空間濾波器矩陣。
全文摘要
發(fā)射實體用本征矩陣、導引矩陣或單位矩陣對每個頻率子帶的數(shù)據(jù)符號進行空間處理，以獲得該子帶的空間處理符號。數(shù)據(jù)符號可以用本征矩陣在正交空間信道上進行發(fā)射，用導引矩陣在不同的空間信道上進行發(fā)射，或用單位矩陣從不同的發(fā)射天線進行發(fā)射。在從多個發(fā)射天線進行發(fā)射之前，發(fā)射實體還在頻域或時域內(nèi)對空間處理符號進行波束形成。接收實體執(zhí)行互補的處理，以恢復該發(fā)射實體發(fā)送的數(shù)據(jù)符號?；诿總€子帶的MIMO信道響應矩陣，接收實體為該子帶獲取空間濾波器矩陣，并且用該空間濾波器矩陣針對該子帶進行接收機空間處理。
文檔編號H04L27/26GK1981456SQ200580022403
公開日2007年6月13日 申請日期2005年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月7日
發(fā)明者史蒂文·J·霍華德, 杰伊·羅德尼·沃爾頓, 馬克·S·華萊士 申請人:高通股份有限公司