CN101366221A - 确定要在mimo***中使用的数据流数量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定要在MIMO发射机处使用的传输模式的方法。最佳传输模式的确定在MIMO接收机侧进行。针对给定的第一线性分散码LDC，接收机为最大数量的接收流中的每个流计算有效的SINR值。根据期望的BER目标，每个流的SIN值被用于为每个流选择合适的调制字母表。对所有流计算总速率，并且具有最小有效SINR值的第一流被分离并且不进一步被考虑。选择具有比第一线性分散码LDC更小的码率的线性分散码LDC，并且计算剩余N－1个流的SINR值。相应地得到新的总速率。在剩余N－1个流的新的总速率小于N个流的总速率的情况下，终止总速率计算。在所有其它情况下，分离具有最小有效SINR的流的步骤、选择具有比先前的线性分散码LDC更小的码率的线性分散码LDC的步骤和计算剩余流的SINR值的步骤相应地被重复。在终止之后选择线性分散码LDC的最合适的码率，并且将该码率与每个流的所分配的量化的有效SINR值一起报告给发射机，以允许在发射机处关于最佳传输模式的最终决定。

Description

确定要在MIMO***中使用的数据流数量的方法

本发明涉及一种用于确定要在MIMO发射机处使用的传输模式的方法。

新的无线无线电***将通过使用具有MIMO传输的空间维度显著地增强频谱效率。MIMO意味着在发射和接收侧的多个天线。

在Tx和/或Rx侧都有多于1个天线的情况下，与单输入单输出(SISO)***相比这种新的自由度可以主要以3种不同的方式来采用。

最简单的方式是使用额外的天线或者AE作为另外的分集源。分集对于展现出小尺度衰落的快速变化的无线电信道来说特别有用，因为对于具有邻近反射器的快速移动的UE来说情况可能如此。最大速率组合(MRC)产生最高性能并且可以通过众所周知的Alamouti方案或者一般地通过空间时间编码在Tx侧被实施。因为不需要CSI，这种实施相当简单。

接着，由于改善的链路预算、也就是改善的信号干扰和噪声比(SINR)，波束成形(或作为特殊情况特征波束成形)提高频谱效率。当功率被集中到无线电链路的另一个站的方向时信号功率被增加，而干扰可以通过在天线方向图中设置适当的零陷(null)来减小。波束成形需要至少长期的CSI，并且对于在具有无线电信道的中等的或小的时变的广域***的小区边界处的UE来说特别有用。

至少，空间复用在高SNIR的情况下提供最高性能增益，因为除了时间和频率以外，它将空间开放作为用于复用数据的新维度。在这种情况下，对所谓的“信道状态信息，CSI”的充分了解是需要的。高性能增益特别是对于室内传输和短距离室外丰富散射环境(主要发现于“屋檐下”情形中)来说是有可能的。

CSI可能在Tx侧、在Rx侧或者在Tx和Rx侧可用，最后一种情况导致最高的性能但是也导致最高的复杂度。

进一步的区别是线性对非线性(NL)处理、例如“简单”矩阵操作对分层方法或例如“在脏纸上写字”的解决方法。

“非线性，NL”处理可能导致以增加的处理复杂度为代价的显著性能增益。对CSI估计误差的敏感性可能在Rx侧的NL处理的情况下降低或在Tx侧进行NL预处理的情况下增加。

甚至在充分的CSI了解的情况下，空间复用也将仅在约为11dB的高SNR值的情况下才胜过波束成形。

通常，空间复用对于短距离或室内传输来说更现实，而波束成形和分集将被选择用于广域和高移动性。

当前，“UTRA MIMO扩展25.876，版本1.80”被规定用于具有HSDPA的应用。存在几种随后详细说明的“Tx模式建议”。

所谓的“每天线速率控制，PARC”是学术文献中最著名的。它能够被应用于任何传输方案，并且因此对于从WCDMA向OFDM迁移来说是简单的，其中它被称为“信道自适应多天线比特装载”。当很少的信道信息在基站BS处可用时，PARC是最稳定且可变的解决方案。

所谓的“RC MPD”基于“Alamouti”方案。两个天线使用相同的调制和编码方案，并且因此需要减少的反馈信息。

所谓的“DSTTD-SGRC”也从文献中已知，然而思想是使用天线对的子群。在每一对上发射1个流。优势在于能够在基站BS处比在用户终端处使用更多的天线，因此利用发射分集。

所谓的“单个流闭环MIMO”。例如将使用4个Tx天线和L个Rx天线。这基于下行链路波束成形且使用单个流。

所谓的“每用户单一速率控制，PU2RC”使用固定的预编码码本，并且通过了解信道和来自码本的矩阵来估计每个可能的预编码矩阵的SINR。存在码矩阵的索引的重新传送。

所谓的“CD-SICMIMO的TPRC”使用两种技术的组合——第一种技术为所谓的“码域连续干扰消除，CD-SIC”和第二种技术为所谓的“Tx功率速率控制，CD-TPRC”。

所谓的“S-PARC”意图在低SNR区域中改善PARC。因此它自适应地选择发射天线的数量、即模式，以及为所选择的模式选择最佳的天线子集。

所谓的“双发射天线阵列，D-TxAA”通过两个使用特征波束成形的天线发射每个流。权重向量是信道协方差矩阵中的最强的特征值。

所谓的“空间时间Turbo信道编码，STTCC”使用多个Tx天线并构成发射空间复用的数据的子群。基本上，turbo信道编码被引入。

所谓的“具有子群速率控制的双自适应空间时间发射分集，D-ASTTD-SGRC”在天线处组合STTD和周期相移以仿真接收机处的快速衰落。意图改善接收机处的时间分集。

所谓的“具有虚拟天线映射的单个和多个码字MIMO，SCW/MCW-VA”意图将先前提出的MIMO技术合并到像“CR-BLAST”和/或“S-PARC”的单个建议中。

目前仅PARC与FDD良好地匹配，但对于TDD来说并不是最佳的。存在基于SVD-MIMO、单和多用户预编码等的更好方案的重大潜力。

对于Midambel定义有两种建议。第一种建议定义每个小区多个训练序列(midamble)基本码。多个码增加信道估计的复杂度。

本发明的目的是提供一种用于支持下行链路方向上的MIMO、特别是用于所谓的“UTRA FDD LTE”空中接口的通用框架。

此目的通过权利要求1的特征来解决。本发明的有利细节通过随后的权利要求的特征来描述。

本发明基于简化的发射-接收链。接收机迭代地确定实际上最优的MIMO算法并基于查找表。随后将对此进行描述。

该算法在第一次迭代中以最大数量的流开始Q_start＝min(M，N)。每个流的有效SINR被计算。

随着期望BER目标的比特加载，合适的调制字母表(alphabet)将通过每个流的预定义的查找表被发现，并且所有流的数据总速率被计算和存储。

在第二次迭代中，具有最小有效SINR的流被切断—也就是说，该流的作用不再被考虑。

具有下一更小码率的“线性分散码，LDC”被选择，例如(N-1)/M，并且N-1个流的子集的SINR的相应值被计算。

在新的比特加载之后，新的总速率被获取。如果在N-1个流的情况下的新的总速率小于在N个流的情况下的总速率，那么该算法被终止。

否则—在第三次迭代中—在剩余的N-1个流内具有最小有效SINR的一个流被切断。具有下一更小码率(N-2)/M的LDC被选择，并且这些步骤相应地被重复。

该算法固有地确定用于复用的流的最佳数量，且进程在Q_start迭代最大值之后被终止。

尽管无线信道中有衰落，但误比特率针对所有流被保持在某一阈值以下。

为了向发射机反馈，每个流的最好的LDC码率和量化的有效SINR被报告给基站或发射机，在该基站或发射机处做出关于传输模式的最终决定。

预定义的查找表为每个算法提供可实现的容量，该容量在高数据率传输的情况下否则将需要超过典型HW能力的复杂计算。

因此，迭代地以SMUX开始，具有最高性能的传输方案被发现并将在纯分集传输中在恶劣的情形下结束。

在反馈信道发生故障的情况下，MIMO算法降至最稳健的模式，即完全分集，因此与可用的反馈/信道状态信息的适配也被提供。

这个概念允许如同非线性预编码那样的甚至更有挑战性的算法的结合，从而需要信道状态信息的甚至更高的准确性但导致最高容量。

整体概念实现功率和调制方案与每个子载波/信息块以及情形的空间维度、即信道矩阵的秩和实际SNIR的适配。

由于所建议的整体概念，允许MIMO算法与变化的无线电环境的无缝适配，总是提供最高性能(当数学问题不是凸的，通过该算法确实已经发现全局最大值的分析证据是不可能的，但至少本地最大值被发现，并且预期性能接近全局最佳)。

信号处理复杂度仅仅大约是没有适配的MIMO处理的复杂度的两倍，因此其能容易地被集成到现有硬件中。

本方法相当直接且结合如同每天线速率控制那样的其它建议。另外，本方法可扩展为能够达到标准化的特殊MIMO处理算法，因此本方法在标准化过程中应该有好的机会。

在LTE下行链路中，传输将基于OFDM。利用OFDM，为窄带传输开发的相同的基本MIMO算法也能够被用于宽带传输的每个OFDM子载波。至少在频域内在资源之间没有串扰，并且这显著降低终端处的计算复杂度。

为了在基站处比在终端处支持更多发射天线，在发射机处需要某种“齿轮箱”，使空间复用的流的数量与基站处的发射天线的数量相适配。

存在如何使用“线性分散码”来实现该功能的通用框架。随后，一种结构引用自Hassibi和Hochwald的“High-Rate Codes That Are Linear in Space and Time”，Hassibi和Hochwald，IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY，第48卷，第7期，2002年7月(称为[1])：“假设存在M个发射天线、N个接收天线和可用的T个码元的间隔...在该间隔期间传播信道是不变的并且对于接收机来说是已知的。所发射的信号于是能被写为管理在间隔T期间在M个天线上的发射的MxT矩阵S。...假设数据序列已经被分解为Q个子流并且这些流被映射为从任意(比方说PSK或QAM)信号群中选择的复杂码元。所发射的信号于是在空时域中被定义为：

$S=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\α}}_q{A}_q+{\mathrm{j\β}}_q{B}_q)---\left(1\right)$

其中实标量{α_q，β_q}由s_q＝α_q+jβ_q      (2)决定。

矩阵A_q和B_q规定在空时域中符号的映射。许多MIMO传输方案(诸如Alamouti码，V-BLAST中的空间复用，天线选择等)可以通过相应的矩阵A_q和B_q来表示。

不同MIMO方案之间的切换可以通过选择适当的LDC和相应的矩阵A_q和B_q来实现。因此可以快速地交换有效数据流的数量以及使LDC码率Q/M适配于时变信道状况。

迭代流控制是适合于LDC的使用的每天线速率控制(PARC)的扩展。PARC与V-BLAST检测器的组合渐近地达到开环MIMO容量。

这在“APPROACHING THE MIMO CAPACITY WITH A LOW-RATEFEEDBACK CHANNEL IN V-BLAST”，CHUNG，LOZANO，HUANG，SUTIVONG，CIOFFI，EURASIP JASP 2004：5(2004)762-771(称为[2])中被示出，基于Shannon的间隙概念“Proc.of the I.R.E.”(Shannon，1949年1月，第10-21页)(称为[3])。

但是该概念只在具有正交信道的***中成功，目前对于MIMO检测器来说不可靠。实际上，[2]中的原始算法不必保证预定义的误比特率。

在实时MIMO试验台上的相应改进的迭代PARC算法方面的经验表明改进的PARC算法通常使MIMO传输更加稳健，并且它也使传输链非常好地适配于秩不足的(rank-deficient)信道，在该信道中，具有次优检测的非自适应方案可能经历运行中断(outage)—参考[4]“Over-the-air demonstration of spatialmultiplexing at high data rates using real-time base-band processing”，Jungnickel，Haustein，Forck，Krueger，Pohl，von Helmolt，Advanced in Radio Science(2004)2：135-140。

PARC可以与LDC如下结合。在[1]中调制电平和功率的信道知道的适配可以被解释为在不同调制字母表之间的切换，通过该调制字母表将流单独地映射为实标量{α_q，β_q}。

实际控制变量是在检测器之后的每个数据流的有效信号干扰噪声比(SINR)。它可以基于已知信道和检测器结构在接收机处被预测。利用每个流的有效SINR，可以做出对于给定流(其也称为比特负载)来说调制得到支持的决定。

但是到目前为止，用于LDC的流的最佳数量是未知的。根据本发明，这个数量利用在接收机处执行的迭代方法或算法来找到。

在第一个选择中，调度实际上在终端处被执行，而在第二个选择中，在基站处做出关于传输模式的最终决定。

在图1和图2中示出了相应的发射-接收链，其中图1示出MIMO-LTE下行链路的基站发射机，而图2示出MIMO-LTE下行链路的移动终端接收机。

发射机允许每个流的不同LDC之间的选择以及自适应调制。这由链路适配单元基于反馈信息和用户或网络需求来控制。

接收机以用于每个流的LDC解码器和自适应解调单元为特征。基于所估计的信道系数和干扰电平，迭代流控制确定随后通过反馈链路被报告给基站的每个流的最佳LDC码率和调制字母表或检测后SINR。基站处的链路适配单元对此以及来自上层的用户和网络需求进行考虑，并且最终它定义所使用的传输方案。该信息再次被编码并且在数据块之前的报头中被传输(前馈链路)。实际上，解码后的前馈信息控制接收机处的整个自适应检测单元。

图3示出传输帧的结构。前同步码A和B被用于AGC的同步和调整，而前同步码C被用于MIMO信道估计。

在空间MIMO滤波器的计算之后，前同步码D中的信号可以像数据一样被检测，但是利用序列相关电路来检测。

也存在用于用信号通知不同的调制电平的正交序列的例子。给出一半长度的第二集合，该集合可以被用于将码元的数量减少1/2，或用于当在原始长度上求平均值时达到另外的相关增益。

另外，要使用的功率分配可以通过利用(+/-1)信号的不同幅度而不是单一信号来检测。

这导致几个优势：

-尤其对于所有要使用的更高调制方案(例如16-QAM)来说非常稳健的信令。

-可以利用相关电路通过简单地加或减所检测到的信号来立即检测用信号通知的信息。FEC的标准检测、例如Viterby检测或Turbo检测通常产生明显的延迟并且可能变得非常复杂。

-由于调制检测器(例如QAM检测器)对调制电平的立即检测，即使是反馈链路，也使解调器总是与数据匹配，其中用信号通知该反馈链路，调制具有几个帧的未知延迟。

-利用用于某些用途的OFDM和子载波的集束，可以同时并行地为不同用户进行信令。

Claims (5)

1.一种用于确定要在MIMO发射机处使用的传输模式的方法，

-其中在MIMO接收机侧进行最佳传输模式的确定，

-其中针对给定的第一线性分散码LDC，接收机为最大数量的接收流中的每个流计算有效SINR值，

-其中根据期望的BER目标，每个流的SINR值被用于为每个流选择合适的调制字母表，

-其中对所有流计算总速率，

-其中具有最小有效SINR值的第一流被分离并且不进一步被考虑，

-其中选择具有比第一线性分散码LDC更小的码率的线性分散码LDC，

-其中计算剩余N-1个流的SINR值，并且相应地得到新的总速率，

-其中在剩余N-1个流的新的总速率小于N个流的总速率的情况下，终止总速率计算，

-其中，在所有其它情况下，分离具有最小有效SINR的流的步骤、选择具有比先前的线性分散码LDC更小的码率的线性离散码LDC的步骤和计算剩余流的SINR值的步骤相应地被重复，以及

-其中在终止之后选择线性分散码LDC的最合适的码率，并且将该码率与每个流的所分配的量化的有效SINR值一起报告给发射机，以允许在发射机处关于传输模式的最终决定。

2.根据权利要求1的方法，其中利用预定义的查找表来根据期望的BER目标选择合适的调制字母表。

3.根据权利要求1的方法，其中将总比特速率用作总速率。

4.根据权利要求1的方法，其中将必须被用于传输的流的数量用作传输模式。

5.根据权利要求1的方法，其中将预定义的阈值用作误比特率。

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