CN103493395B - 用于波束形成的压缩反馈和副载波分组的***和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于提供波束形成的压缩反馈信道状态信息的方法和装置。由传输源所传送的波束在接收设备被接收。该接收设备基于所接收的波束计算传输信道的信道状态矩阵H。使用该信道状态矩阵H，接收设备执行产生转向矩阵V的奇异值分解过程。该奇异值分解过程生成能够从其计算转向矩阵V的角度集合(θ_V，)。该接收设备将角度集合(θ_V，)传送至传送设备。从该角度集合(θ_V，)，传送设备能够计算转向矩阵V。

Description

用于波束形成的压缩反馈和副载波分组的***和方法

相关申请的交叉引用

本公开内容要求2011年6月7日提交的美国临时申请第61/494，357号、2011年6月15日提交的美国临时申请第61/497，318号以及2011年7月14日提交的美国临时申请第61/507，907号的权益，它们因此通过引用整体结合于此。

背景技术

这里所提供的背景技术的描述是出于总体上呈现本公开内容的背景的目的。在该背景技术部分中所描述的工作的范围内，本发明人的工作以及该描述中不可以其它方式在提交时构成现有技术的方面既不明确也不隐含地被认为是相对于本公开内容的现有技术。

本公开内容针对用于在去往接收设备的通信信道上引导波束(例如，波束形成)的方法和装置，以及更特别地针对于计算传输源能够从其计算通信信道的转向矩阵(steeringmatrix)的压缩反馈信息。

波束形成是在用于有向信号传输或接收的***中所使用的信号处理技术。通过使用自适应或固定的接收/传送波形模式可以实现空间选择性。波束形成利用相长/相消波形干扰来改变波束的方向。如本文所定义的，波束是携带至接收机的数据并且由一个或多个天线所传送的两个或更多的波的相长/相消干扰模式所形成的电磁波。

传统上，接收设备从传输源接收波束并且计算预期信道的信道状态矩阵。接收机将该信道状态矩阵传送回传输源以便修改所传送波束的形状。在其它先前的实施方式中，接收机传送包括转向矩阵或能够从其计算出转向矩阵的压缩转向矩阵的反馈。压缩转向矩阵减少了接收机所必须发送的数据量。然而，以先前的方法计算压缩转向矩阵涉及转向矩阵计算以外的附加处理计算。虽然用于执行波束形成的这些机制是有效的，但是这些***在至传输源的反馈中的数据量或者生成被发送至传输源的反馈所需的处理量方面是无效的。

发明内容

依据本公开内容的原则，提供了用于基于转向矩阵在朝向接收设备的通信信道上引导波束(例如，波束形成)的方法和装置，并且更特别地，被提供以在接收源处计算传送源能够从其计算通信信道的转向矩阵的压缩反馈。

由传输源所传送的波束在接收设备处被接收。该接收设备基于所接收的波束计算传输信道的信道状态矩阵H。使用该信道状态矩阵H，接收设备执行产生转向矩阵V的奇异值分解过程。该奇异值分解过程生成能够从其计算转向矩阵V的角度集合(θ_V，)。该接收设备将该角度集合(θ_V，)传送至传送设备。该传送设备从该角度集合(θ_V，)计算转向矩阵V。

在一些实施方式中，该奇异值分解过程包含执行信道状态矩阵的QR分解以确定Q矩阵和R矩阵。随后使用闭合形式的Jabobi方法对R矩阵执行奇异值分解以确定转向矩阵的Hermitian转置(V^H)。在该实施方式中，能够根据以下等式而从角度集合(θ_V，)计算出导引矩阵V：

以上所描述的奇异值分解过程能够生成第三角度θ_U。随后能够基于角度θ_V、角度θ_U和R矩阵的旋转而导出信道状态矩阵H的奇异值。此外，能够基于所导出的奇异值之一计算出该信道的信噪比。

在其它实施方式中，该奇异值分解过程包含确定信道状态矩阵的Hermitian转置(H^H)。通过将信道状态矩阵的Hermitian转置(H^H)与信道状态矩阵H相乘而计算出乘积H^HH。随后使用闭合Jacobi方法执行乘积H^HH的奇异值分解。在该实施方式中，能够根据以下等式而从角度集合(θ_V，)计算导引矩阵V：

在执行以上的奇异值分解过程之后，能够基于角度θ_V和乘积H^HH的旋转而导出信道状态矩阵H的奇异值。此外，能够基于所导出的奇异值之一计算出该信道的信噪比。

在一些实施方式中，接收设备从传送设备接收基于由传送设备从所接收的角度(θ_V，)计算的转向矩阵V而被指引的波束。在一些实施方式中，该波束包括根据不同转向矩阵进行转向的第一副载波和第二副载波。第一副载波的转向矩阵基于角度集合(θ_V，)，而第二副载波的转向矩阵则基于第二角度集合(θ_V，)。角度能够通过以如下计算的相位增量对角度进行移位而确定：

相位增量=2*π*T_CS*F_SC

在以上等式中，T_CS是循环移位时间，而F_SC是第一副载波和第二副载波之间的频率间隔。

附图说明

在结合附图考虑以下详细描述的时候，本公开内容的以上和其它特征、其本质和各种优点将会更为显而易见，其中：

图1和图2是依据本公开内容的实施例的说明性波束形成***的示图；

图3是依据本公开内容的实施例的说明性2×2多输入多输出(MIMO)波束形成***的示图；

图4是依据本公开内容的实施例的说明性接收设备的示图；

图5是依据本公开内容的实施例的说明性传输源的示图；以及

图6图示了依据本公开内容的实施例的用于提供反馈信道状态信息的过程。

具体实施方式

本公开总体上涉及基于信道信息指引波束(例如，波束形成)。出于说明性的目的，本公开内容的一些实施例以无线局域网(WLAN)***为背景进行描述，该WLAN***具有预期传输源(例如，意在与接收设备进行通信的基站)，并且在一些实施例中具有一个干扰源(例如，不同基站或生成干扰信号的另一个源)。然而，应当理解的是，本公开内容可应用于任意多传输源***(例如，WMAN、WiMAX、蓝牙和/或3GPPLTE)中任意数量的干扰源。此外，本公开内容可应用于有线通信路径(例如，电力线路、电话线路、同轴电缆)。

多输入多输出(MIMO)***可以被用来在不同环境中改善链路可靠性和吞吐量。应用波束形成可以通过以适当方向将波束指引至特定设备(例如，从基站到移动站)而进一步改善MIMO***的性能。将波束指引至接收设备可以提高所接收信号的功率并且降低可能出现的任何干扰功率。例如，在预期接收设备接收到高功率信号时(例如，高信干噪比(SINR))，其它设备可能接收到甚至可能表现为噪声的具有较低功率的信号(例如，低SINR)，并且其它设备因此可能忽略该信号。

接收设备可以计算与预期传输源相关联的信道的估计。接收设备可以将所计算的估计或压缩反馈作为反馈信号而提供至预期传输源。传输源使用该反馈信号信息来修改波束的特征并由此修改波束的形状以对任意干扰模式进行补偿。用于指导信道估计反馈***及其功能的技术在Lee等人2009年1月30日提交的美国专利申请第12/363，047号(代理人案卷号MP2438)以及Lee等人2010年6月18日提交的美国专利申请第12/818，430号(代理人案卷号MP3336)中更为详细地进行了描述，它们据此通过引用整体结合于此。

如本文所提到的，术语波束形成器标识波束的发起方(例如，无线网络点)并且术语波束形成接收端(beamformee)则标识从波束形成器接收波束的接收设备(例如，客户端设备)。波束形成接收端还可以接收由其它传输源(被称作干扰源)所导致的干扰模式。

图1是依据本公开内容的实施例的说明性波束形成***100的示图。波束形成***100可以包括传输源110、接收设备120和干扰源130。传输源110(即，波束形成器)可以是无线网络中往来于接收设备120提供和接收数据的访问点。

传输源110可以包括任意数量的天线112(通常为两个或更多)以向特定设备传送信号。例如，传输源110内的处理电路(未示出)可以被用来修改提供至天线112的信号的特征而以特定方式对信号传输进行整形并且因此对波束进行整形。更具体地，在传送时，具有多个天线112的波束形成器可以对发射机的每个天线处的信号的相位和相对振幅进行控制以便在每个天线所生成的波前中创建相长干扰和相消干扰的模式。该相长干扰和相消干扰的模式对来自每个天线的波形的组合所形成的波束(即，波)进行整形并且将该波束指向特定方向(例如，朝向接收设备120)。

更具体地，传输源110可以使用天线112生成波束150。不同于是圆形的，波束150可以具有与其它部分相比更多地集中在一个部分的椭圆形状。波束150的形状可以具有短轴宽度152。通常，期望使波束宽度尽可能窄，以便使波束指向所期望的接收机。另一方面，对于能够使得波束宽度多窄存在着限制，这是因为波束宽度是天线数量和天线配置的函数。通常，天线规格越大，所产生波束的宽度就越窄。然而，由于发射机固有地在物理空间上受到限制，所以天线仅能够分开一定距离进行定位并且因此对于天线所能够形成的波束宽度的狭窄度具有最大约束。

接收设备120可以是移动设备、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、PDA、网络适配器，或者用于与传输源110进行通信的任意其它适当设备。接收设备120可以具有用于接收波束150的一个或多个天线122。根据接收设备120的位置，可能存在生成与旨在由接收设备120所接收的信号形成干扰的信号的一个或多个干扰源130。例如，多个访问点可以生成与接收设备120所处的特定区域相重叠的信号。接收设备120可以与访问点之一进行通信，并且具有达到特定区域的信号的其它访问点可能与接收设备120与之进行通信的访问点的信号相干扰。

特别地，干扰源130可以具有一个或多个天线132。干扰源130可以是另一个传输源、噪声、另一个接收设备或者可以传送与传输源110所传送的信号相重叠的信号的任意其它源。干扰源130可以生成可以在一些区域160上与波束150相重叠的波束140。波束150的形状可以由于在区域160内与传输源110所预期的有所不同的干扰信号或波束140的重叠而变化。波束150的信干噪比(SINR)因此可以由于干扰信号或波束140所导致的干扰而有所降低。

应当理解的是，虽然绘出了一个干扰源130，但是可能存在任意数量的干扰源。每个干扰源可以生成可能对传输源110所预期的波束150的形状有所影响的干扰信号。特别地，传输源110可能并不具有每个干扰源130所生成的可能与波束150相干扰的信号的信道特性，并且因此可能无法对波束150进行适当整形并将其指向接收设备120。

依据本公开内容的实施例，接收设备120可以计算与传输源110相关联的信道估计。在一些实施例中，接收设备120还可以计算与干扰源130相关联的信道估计。在一些实施方式中，接收设备120可以使用与传输源110相关联的信道估计来计算与干扰源130相关联的信道估计。例如，接收设备120可以从所接收信号中减去与关联于传输源的信道估计相乘的预期信号而得到干扰源的信道估计。虽然干扰源130被绘制并且被描述为单个干扰源，但是干扰源130可以是可处于各个不同位置的任意数量的干扰源。

接收设备120可以向传输源110传送表示传输源110和/或干扰源130的信道估计的反馈信号。接收设备120例如可以使用天线122来同时传送反馈信号。如关于图3-图6所描述的，来自接收设备120的反馈信号可以包括传送设备110能够根据其计算转向矩阵V的压缩信道状态信息，该转向矩阵V可以被用来修改波束150的形状。在一些实施例中，该压缩信道状态信息可以包括能够根据其计算转向矩阵V的角度集合。

传输源110可以基于从接收设备120所接收的反馈信号来修改波束150的形状以对任意干扰(包括噪声)进行补偿。例如，传输源110可以基于从接收设备120所接收的反馈信号以及传输源110的存储器中所存储的数据来计算对应于(接收设备120所计算的)等同信道矩阵的信道估计。特别地，传输源110可以使用任意已知的信道估计计算技术来修改波束150的特征而对干扰进行补偿。

在一些实施例中，传输源110可以使用各种预编码技术(例如，奇异值分解或Tomlinson-Harashima预编码)来修改波束150的特性以基于所估计的等同信道矩阵和信道相互作用对干扰进行补偿。在一些实施方式中，传输源110可以通过反向信道接收反馈信号。在这样的情况下，传输源110可以基于所接收的反馈信号来计算反向信道的信道估计并且使用信道相互作用来计算正向信道的信道估计(例如，对反向信道估计使用矩阵转置运算)。

图2是依据本公开内容的实施例的说明性波束形成***200的示图。如***200中所示，传输源110修改波束150(图1)的特性以补偿干扰源并且传送朝着接收设备120指向的波束220。特别地，波束150的特性可以被修改以减小宽度152。可替换地，波束150的特性可以被修改以生成具有较高功率(例如，较高SINR)的波束而对干扰波束140进行补偿。通过改变每个天线的增益(例如，幅度和相位)能够实现利用多个传送天线的波束形成。改变天线增益可以影响到波束的方向、宽度和功率。

例如，传输源110可以生成具有小于短轴宽度152的短轴宽度210的波束220。因此，在干扰波束140和波束220之间没有重叠或仅有不明显重叠，因此波束220的SINR不会在接收设备120减小。

在一些实施例中，接收设备120可以将波束指向传输源110。这可以使用结合传输源110所讨论的技术来执行。例如，传输源110可以类似地向接收设备120传送反馈信号，该反馈信号表示与传输源110所接收的信号相关联的信道估计和干扰。接收设备120可以基于该反馈信号对传送至传输源110的波束进行整形以提高功率(例如，SINR)和数据上行链路(例如，从接收设备到访问点的传输)的可靠性。

在一些实施例中，传输源110和接收设备120均具有两个天线，这产生了2×2的MIMO***。图3是依据本公开内容的实施例的说明性2×2波束形成***300的示图。传输源3-110包括第一天线3-112a和第二天线3-112b以向接收设备3-120传送信号。接收设备3-120包括第一天线3-122a和第二天线3-122b以便从传输源3-110的天线3-112a和3-112b接收信号。如虚线所图示的，由第一天线3-112a所传送的信号被两个接收天线3-122a和3-122b所接收，并且由第二天线3-112b所传送的信号也被两个接收天线3-122a和3-122b所接收。

如以上所描述的，传输设备3-110可以对每个传送天线3-112a和3-112b处的信号的相位和相对振幅进行控制以便创建每个天线所生成的波前之中的相长干扰和相消干扰的模式。该相长干扰和相消干扰的模式对由来自每个天线的波的组合所形成的波束(即，波)进行整形并且将该波束指向特定方向(例如，朝向接收设备3-120)。

具有M个天线的传输源和具有N个天线的接收设备之间的正向信道可以由信道状态矩阵H：N×M所描述。在图3中所示的2×2波束形成***300中，H为2×2。信号s∶M×1由传输源3-110所传送。该信号被接收设备3-120所接收，其可以由以下等式进行表示：

y＝HQ_steers+n(1)

其中y：N×1是所接收信号的矢量，Q_steer：M×N是将传送天线3-112映射至接收天线3-122的转向矩阵或空间映射矩阵，而n：N×1是加性噪声矢量。Q_steer可以基于诸如信道状态矩阵H之类的信道信息来确定以便提高信道指向性，提高SINR增益，并且对空间多样性增益加以利用。传输源3-110可以将转向矩阵Q_steer应用于信号s以便将该信号指向接收设备3-120或者如关于图2所描述的以其它方式对波束进行改变。在示例性的2×2***300中，所接收的信号y：2×1定义如下：

$\left[\begin{array}{c}{y}_{R\×1}\\ y_{R\×2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{H}_{11}& H_{12}\\ H_{21}& H_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{Q}_{11}& Q_{12}\\ Q_{21}& Q_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_{T\×1}\\ s_{T\×2}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_{R\×1}\\ n_{R\×2}\end{array}\right]---\left(2\right)$

为了维护用于确定转向矩阵Q_steer的信道状态信息，传输源3-110如以上所描述的从接收设备3-120接收反馈信号。接收设备3-120从天线3-122a、天线3-122b以及一个或多个其它天线(未示出)的任意组合发送该反馈信号。传输源3-110从天线3-112a、天线3-112b以及一个或多个其它天线(未示出)的任意组合接收该反馈信号。

该反馈信号可以是整个信道状态矩阵H和/或转向矩阵Q_steer，或者其可以是包含能够根据其计算信道状态矩阵H和/或转向矩阵Q_steer的数值的压缩信号。特别地，在一些实施例中，转向矩阵Q_steer是能够根据接收设备3-120在求解转向矩阵Q_steer的过程中所生成的角度集合进行计算的酉矩阵。

图4是用于计算能够根据其计算转向矩阵Q_steer的角度集合的接收设备4-120的示图。接收设备4-120包括接收机电路402、传输源信道估计电路404、奇异值分解电路406、反馈传输电路408和存储器410。

接收机电路402可以耦合至接收设备4-120的一个或多个天线122(图1)。在一些实施例中，接收机电路402耦合至两个天线122a和122b，如图3中所示。接收机电路402可以包括用于对通过波束150而从传输源110所接收的信息进行解调和解码的各种通信电路(未示出)。该***模型可以以每个音调为基础而被应用于正交频分复用(OFDM)(例如，多载波***，其中针对每个载波可以有相对应的所接收的y信号)。

接收机电路402接收信号y，其表示波束150并且等于来自传输源110加上噪声n的经修改的输出信号s′。接收机电路402将所接收的信号y提供至传输源信道估计电路404。基于所接收的信号y，传输源信道估计电路404计算与传输源110相关联的信道估计的信道状态矩阵H。传输源信道估计电路404将与传输源110相关联的信道状态矩阵H输出至奇异值分解电路406和/或存储器410以便存储。用于计算信道状态矩阵H的指令可以被存储器410存储并且被传输源信道估计电路404获取或运行。存储器410可以是包括硬盘、CDROM、EPROM、FPGA、可编程逻辑器件、闪存、RAM、ROM或任意其它适当的电子存储介质的任意存储设备。

奇异值分解电路406使用信道状态矩阵H执行奇异值分解(SVD)过程。特别地，该SVD过程生成酉矩阵V，其可以被传输源110用作以上关于图3所描述的转向矩阵Q_steer。在一些实施例中，该SVD过程直接生成能够根据其计算转向矩阵的角度集合。在这样的实施例中，接收设备4-120无需执行任何额外的计算或其它处理来压缩转向矩阵V，因为能够根据其计算转向矩阵V的压缩数值已经得以生成。

通常，信道状态矩阵的SVD能够表示如下：

$H={\mathrm{UAV}}^H,A=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_2\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中A是具有奇异值σ₁和σ₂的对角线矩阵。

在一个实施例中，以两个步骤来执行SVD计算。首先，SVD电路406使用QR分解过程将H分解为标准正交矩阵Q和上三角矩阵R，随后SVD电路406对R矩阵执行SVD。用于QR分解和/或SVD过程的指令可以存储在存储器410上并且由SVD电路406获取或运行。在一些实施例中，QR分解由传输源信道估计电路404或专用的QR分解电路(未示出)执行。QR分解可以使用任意适当的QR分解处理来执行，诸如Gram-Schmidt处理、Householder变换或Givens旋转。OR公解产生以下的Q矩阵和R矩阵.

$Q=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{j{\mathrm{\θ}}_2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\ξ}}_{21}& \sin {\mathrm{\ξ}}_{21}\\ -\sin {\mathrm{\ξ}}_{21}& \cos {\mathrm{\ξ}}_{21}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_2}& 0\\ 0& e^{j{\mathrm{\θ}}_1}\end{array}\right]---\left(4\right)$

$R=\left[\begin{array}{cc}{r}_{11}& r_{12}\\ 0& r_{22}\end{array}\right]---\left(5\right)$

R矩阵具有实数正对角线数值r₁₁和r₂₂，而r₁₂是复数。在计算出R矩阵之后，SVD电路406使用闭合形式的Jacobi方法以对R矩阵执行SVD。复数r₁₂可以以具有幅度|r₁₂|以及相位或角度的极坐标形式进行表达。使用r₁₂的相位，SVD电路406首先通过使用两次旋转来定义矩阵R₁而令R矩阵对角线化：

如以下所示出的，r₁₂的相位是能够根据其计算转向矩阵V的两个角度之一，所以该角度包括在至传输源110的压缩转向矩阵反馈之中。

除了计算角度之外，SVD电路406还计算如下用于在SVD中使用的更多角度：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sum}}={\tan }^{-1}\left(\frac{\left|r_{12}\right|}{r_{22}-r_{11}}\right)---\left(7\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{diff}}={\tan }^{-1}\left(\frac{-\left|r_{12}\right|}{r_{22}+r_{11}}\right)---\left(8\right)$

${\mathrm{\θ}}_V=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sum}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{diff}}}{2}---\left(9\right)$

${\mathrm{\θ}}_U=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sum}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{diff}}}{2}---\left(10\right)$

如以下所论证的，以上所定义的角度和使用等式(9)计算的角度θ_V足以计算转向矩阵V。所以，一旦SVD电路406已经计算出角度θ_V，则接收设备4-120就能够将角度和θ_V传送至传输源110，因此给予传输源110用于计算转向矩阵V的充分信息。

在一些实施方式中，通过等式8，SVD电路406仅具有所计算的反正切角度计算和Given′s旋转。SVD电路406能够使用坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法来执行这些计算并且使用等式(9)计算角度θ_V。因此，在这样的实施方式中，SVD406的硬件实施方式并不需要乘法器。在一些实施例中，SVD电路能够仅由加法器和移位器电路构成。

为了通过SVD过程而生成转向矩阵V，能够使用角度θ_V和θ_U将矩阵R₁重写如下：

$R_1=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_U& \sin {\mathrm{\θ}}_U\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_U& \cos {\mathrm{\θ}}_U\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_v& -\sin {\mathrm{\θ}}_v\\ \sin {\mathrm{\θ}}_v& \cos {\mathrm{\θ}}_v\end{array}\right]---\left(11\right)$

注意到，针对σ₁和σ₂求解等式(11)给出奇异值σ₁和σ₂。以等式(6)求解R，矩阵R能够表示如下：

最后，在等式(12)中使用矩阵R，信道状态矩阵H能够表示如下：

根据等式(3)(H=UAV^H，其中A包含奇异值σ₁和σ₂)，以上等式(13)提供了以下SVD因式分解矩阵U、A和V^H：

$A=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_2\end{array}\right]---\left(15\right)$

基于等式(16)，能够从转向矩阵V^H的Hermitian共轭计算出转向矩阵V如下

因此，根据等式(17)，能够从两个角度和θ_V计算出转向矩阵V。如以上所讨论的，这两个角度都作为执行奇异值分解的直接结果而得出：是r₂₁的角度，其在等式(6)中定义矩阵R₁时被确定，而θ_V在等式(9)中被计算，其用于在等式(11)中表示R₁以找出奇异值。

在一些实施例中，传输源信道估计电路404和奇异值分解电路406可以使用相同的处理组件来实施。例如，该组件可以顺序地计算信道状态矩阵H以及角度和θ_V。特别地，在第一数量的时钟周期期间，该组件可以计算与传输源110相关联的信道估计的信道状态矩阵H，并且在第二数量的时钟周期期间，该组件可以计算角度和θ_V。

在一些实施例中，SVD电路406仅通过等式(9)执行以上计算并且将角度和θ_V输出至反馈传输电路408而并不求解转向矩阵V或者奇异值σ₁和σ₂。存储器410可以具有用于对反馈信号进行格式化或传送的指令；这些指令能够由反馈传输电路408获取或运行。特别地，反馈传输电路408或SVD电路406可以根据传输源110所使用的特定通信***协议对角度和θ_V进行量化。反馈传输电路408随后将该反馈信号传送至传输源110。在图3的实施例中，反馈信号可以由天线3-122a和3-122b之一或二者所传送，并且该反馈信号可以基于反向信道的估计而进行修改。

在其它实施例中，SVD电路406进一步根据以下等式来计算奇异值σ₁和σ₂：

$\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_U& -\sin {\mathrm{\θ}}_U\\ \sin {\mathrm{\θ}}_U& \cos {\mathrm{\θ}}_U\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{r}_{11}& \left|r_{12}\right|\\ 0& r_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_v& \sin {\mathrm{\θ}}_v\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_v& \cos {\mathrm{\θ}}_v\end{array}\right]---\left(18\right)$

奇异值σ₁和σ₂还能够被输出至反馈传输电路408并且包括在反馈信号(图4中未示出)中。在一些实施例中，SVD电路406或接收设备4-120中接收奇异值σ₁和σ₂的其它电路对奇异值从高到低进行排序并且在顺序改变的情况下切换转向矩阵V中的列。SVD电路406或其它接收设备电路能够使用经排序的奇异值来计算用于调制和编码方案(MCS)选择的后处理信噪比。例如，可以通过将所接收信号强度指示(RSSI)和噪声因数(NF)之间的差相加至奇异值来计算天线之一i的信噪比(SNR)：

SNR_i＝σ_i+(RSSI－NF)(19)

该SNR随后可以被输出至反馈传输电路408并且在反馈传输电路408所传送的反馈信号中被反馈到传输源110。

图5是用于基于根据从接收设备120所接收的角度集合所计算的转向矩阵V而形成波束的传输源5-110的示图。传输源5-110包括接收机电路502、转向矩阵解压缩电路504、预编码/波束形成电路506、发射机电路508和存储器510。

接收机电路502可以耦合至传输源5-110的一个或多个天线112(图1)。在一些实施例中，如图3中所示，接收机电路502耦合至两个天线112a和112b。接收机电路502可以包括用于对从接收设备120所接收的信息进行解调和解码的各种通信电路(未示出)。如图5中所示，接收机电路502从接收设备120接收包括角度和θ_V的反馈信号。该反馈信号可以包括附加信息，诸如标识接收设备120的数据和/或关于图4所讨论的由接收设备120所计算的奇异值或SNR。如果该***模型被应用于正交频分复用(OFDM)，则可能存在针对每个载波所接收的反馈信号或者包含针对每个载波的反馈(例如，角度和θ_V)的反馈信号。在其它实施例中，压缩反馈可以包含角度和θ_V的一个或更多集合，并且每个集合能够被用来确定多个载波的转向矩阵。

接收机电路502将来自反馈信号的角度和θ_V提供至转向矩阵解压缩电路504。转向矩阵解压缩电路504计算传输源110用于对传送至接收设备120的波束进行转向的转向矩阵V。转向矩阵解压缩电路504使用以上关于图4所导出的等式(17)来计算转向矩阵V：

转向矩阵解压缩电路504将转向矩阵V输出至预编码/波束形成电路506和/或存储器510以便存储。用于计算转向矩阵V的指令可以被存储器510存储或者由传输源信道估计电路504获取或运行。存储器510可以是包括硬盘、CDROM、EPROM、FPGA、可编程逻辑器件、闪存、RAM、ROM或任意其它适当的电子存储介质的任意存储设备。

预编码/波束形成电路506使用转向矩阵V对发射机电路508传送至接收设备120的波束150进行预编码。例如，要由传输源5-110的两个天线112a和112b所传送的信号s可以被如下预编码：

s′=Vs(20)

预编码/波束形成电路506可以按照需要对所传送波束150(图1)的一个或多个特性进行修改。例如，预编码/波束形成电路506可以改变所传送波束的相位、频率、功率或振幅以对干扰进行补偿。经改变的波束220(图2)可以被更准确地指向接收设备3-120。

发射机电路508接收经预编码的信号s′并且将该信号s′传送至接收设备120。发射机电路508可以耦合至诸如天线3-112a和3-112b(图3)的一个或多个天线112(图1)以用于传送波束150。在一些实施例中，发射机电路508对可以从存储器510获取的数据矢量s进行调制和编码，并且在具有由预编码/波束形成电路506所提供的特性的波束中传送该数据矢量。在一些实施方式中，发射机电路508可以共享基站或传输源中用于下行链路的电路。

存在产生能够从其计算转向矩阵V的两个角度和θ_V的其它奇异值分解过程。在另一实施例中，不同于如以上关于图4所描述的执行QR分解以及对R矩阵执行SVD，SVD电路406可以被配置为对信道状态矩阵H的相关矩阵B执行SVD。一旦计算相关矩阵B，能够使用闭合形式的Jacobi方法来执行SVD。SVD电路406根据以下等式计算相关矩阵B：

$B=H^{H}H=\left[\begin{array}{cc}{B}_{11}& B_{12}\\ B_{12}^{*}& B_{22}\end{array}\right]---\left(21\right)$

在等式(21)中，是B₁₂的复共轭，并且B₁₁和B₂₂是正实数。用于计算相关矩阵B和/或执行SVD计算的指令可以存储在存储器410上并且由SVD电路406获取或运行。在一些实施例中，相关矩阵B的计算由传输源信道估计电路404或者专用的相关计算电路(未示出)来执行。

随后对相关矩阵B执行奇异值分解。复数B₁₂可以以具有幅度|B₁₂|以及相位或角度的极坐标形式来表示。角度是用于计算转向矩阵V的两个角度之一。使用B₁₂的相位，SVD电路406执行相关矩阵B的两次旋转，产生具有所有正实数值的矩阵：

根据以上等式，第二旋转矩阵被定义为V₁，如以下所示，其是能够被用来生成转向矩阵V的中间矩阵。用于计算V的第二角度θ_V根据SVD电路406如下计算的θ_sum进行计算：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sum}}={\tan }^{-1}\left(\frac{2\left|B_{12}\right|}{B_{22}-B_{11}}\right)---\left(23\right)$

SVD电路406随后如下计算θ_V：

${\mathrm{\θ}}_V=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sum}}}{2}---\left(24\right)$

转向矩阵V能够根据角度和θ_V进行计算。因此，一旦SVD电路406已经计算了角度θ_V，则接收设备4-120就能够将角度和θ_V传送至传输源110，因此给予传输源110用于计算转向矩阵V的充分信息。为了导出转向矩阵V，另一个中间矩阵V₂计算如下：

$V_2=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_v& \sin {\mathrm{\θ}}_v\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_v& \cos {\mathrm{\θ}}_v\end{array}\right]---\left(25\right)$

可以通过将V₁与V₂相乘来计算转向矩阵V：

通过定义等式(26)中V的表达式可以重写如下：

基于该推导，已经在来自接收设备120的反馈信号中接收了角度(或)的传输源110能够使用与关于图4和图5所描述的过程相类似的过程但是利用根据等式(27)所计算的转向矩阵V来计算用于波束形成的转向矩阵V。

此外，奇异值可以根据以下等式进行计算：

$\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_v& -\sin {\mathrm{\θ}}_v\\ \sin {\mathrm{\θ}}_v& \cos {\mathrm{\θ}}_v\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{B}_{11}& \left|B_{12}\right|\\ \left|B_{12}\right|& B_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_v& \sin {\mathrm{\θ}}_v\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_v& \cos {\mathrm{\θ}}_v\end{array}\right]---\left(28\right)$

如关于图4所描述的，接收设备120能够对奇异值进行排序，计算信噪比，并且在反馈信号中传送奇异值和/或SNR。

在一些实施例中，以上过程被应用于利用正交频分复用的MIMO***(即，MIMO-OFDM***)。MIMO-OFDM***可以是诸如关于图1所描述的那些无线***，或者是例如使用G.hn标准的家庭网络或其它LAN***的有线***。在这样的***中，接收设备120能够针对每个副载波发送角度和θ_V。对于具有许多副载波的0FDM***而言，针对每个副载波发送角度可能导致接收设备120发送大量比特。为了减少比特数量，可以使用副载波分组对信道信息进一步进行压缩。由于信道相干带宽，临近副载波的角度和θ_V可能是相似的，所以能够对副载波分组(例如，2、4或8个副载波的分组)中的每个副载波使用相同的角度和θ_V。

如果副载波以这种方式进行分组，则接收设备120能够使用与关于图4所描述的过程相类似的过程，基于分组大小针对副载波的选择(例如，针对每第二、第四或第八副载波)来计算角度集合和θ_V。能够针对其求解转向矩阵V的副载波的选择能够以若干方式之一来确定。接收设备120可以仅接收针对副载波子集(例如，针对每第二、第四或第八副载波)的信号并且反馈针对每个所接收的副载波计算的角度和θ_V。可替换地，接收设备120能够从所有副载波接收信号并且仅针对副载波的子集求解角度和θ_V。可替换地，接收设备120能够从所有副载波接收信号并且针对每个副载波求解角度和θ_V，并且随后例如通过针对每个副载波分组取角度的平均值以及角度θ_V的平均值，来针对每个副载波分组确定代表性的角度。副载波的选择能够由对传输设备110和接收设备120已知或者传输至传输设备110和接收设备120的协议所定义。

一旦接收设备120已经针对每个副载波分组计算了角度集合和θ_V，接收设备120就将每个分组副载波的角度和θ_V作为反馈传送至传输源110。该反馈可以指示传输源110应当向哪个(哪些)副载波应用从每个角度集合所计算的转向矩阵V。可替换地，通信协议可以定义每个分组中的载波数量以及副载波的角度在反馈中进行传送的顺序；传输源110能够参考该协议而将每个角度集合映射至副载波分组。

在一些MIMO-OFDM***中，对从一些天线所传送的信号执行循环移位。这使得从一个天线所传送的OFDM符号关于另一天线进行移位。循环移位并不改变相邻副载波之间的角度θ_V，但是角度则从一个副载波旋转至下一个副载波。角度的这种旋转取决于天线之间的循环移位。该旋转可以如下计算：

在等式(29)中，T_CS是循环移位时间，而F_SC是副载波之间的频率间隔。取决于协议如何定义预编码矩阵，角度的符号能够从一个副载波到下一个副载波减小而不是增加，所以等式(29)的符号可以翻转。

在一个实施例中，在使用G.hn标准或相关标准的电力线通信网络中使用副载波分组压缩。该网络协议定义，针对每个副载波分组，对于该分组中的第一副载波(其是该分组中的最低频率副载波)的角度和θ_V，由接收设备120进行计算并且被返回至传输源110。在该实施例中，相邻副载波之间的角度可以是0.0981175弧度。在接收到一个副载波分组的角度时，传输源110能够向分组中的每个附加副载波增加0.0981175弧度并且基于以这种方式计算的角度和来自反馈信号的角度θ_V来计算每个副载波的转向矩阵V。

图6图示了依据本公开内容的实施例的用于向传输设备提供反馈信息的过程600。在602，在接收设备接收由传输源传送的波束。所接收的波束可能被来自干扰源的干扰信号所影响。例如，波束150由传输源110(图1)所传送。波束150可以由传输源110的两个天线3-112a和3-112b所传送，并且由接收设备120的两个天线3-122a和3-122b所接收(图3)。

在604，在接收设备120计算表示传输源110和接收设备120之间的传输信道的信道状态矩阵。例如，传输源信道估计电路404(图4)能够从所接收的信号y计算与传输源110相关联的信道估计的信道状态矩阵H。对于2×2的MIMO***而言，信道状态矩阵H是2×2的。

在606，接收设备120执行信道状态矩阵H的奇异值分解。为了执行SVD，如关于图4所描述的，接收设备120的SVD电路406可以首先执行信道状态矩阵的QR分解并且随后执行所产生的R矩阵的SVD。可替换地，如以上所描述的，SVD电路406可以计算相关矩阵B=H^HH并且随后执行所产生的B矩阵的SVD。在诸如电力线***的一些实施例中，噪声方差可能是明显的。在这样的***中，先前已经被假设为单位矩阵的噪声方差矩阵K并不是单位矩阵。在这样的实施例中，能够估计噪声方差矩阵K并且能够计算H_eq=K^-1/2H。SVD电路406随后使用任一种以上所描述的方法来执行H_eq(而不是H)的SVD。

这些SVD过程中的任一种产生两个角度和θ，它们可以是以上分别在等式(6)和等式(9)中所定义的角度和θ_V。例如能够使用等式(17)或等式(27)从这些角度和θ来计算传输源110的转向矩阵。用于计算转向矩阵的公式能够基于通信协议如何定义角度和θ以及转向矩阵而根据这些公式进行修改。

在608，接收设备120将反馈角度和θ传送至传输设备110。根据该压缩反馈，传输设备110能够计算转向矩阵Q_steer，其可以是从奇异值分解过程所产生的V矩阵。如图2中所示，传输设备110将该转向矩阵应用于所要传送的信号并且传送经转向的波束。在610，接收设备120接收从传输源110所传送并且由传输源110根据转向矩阵Q_steer进行转向的波束。

以上描述了用于向接收设备引导波束(例如，波束形成)的方法和装置。以上所描述的本公开内容的实施例出于说明而非限制的目的而给出。此外，本公开内容并不限于特定的实施方式。例如，以上所描述的方法的一个或多个步骤可以以不同顺序(或同时地)执行，并且仍然实现所期望的结果。此外，本公开内容可以以硬件(诸如在专用集成电路(ASIC)上或者在现场可编程门阵列(FPGA)上)来实施。本公开内容还可以以软件来实施。

Claims (15)

1.一种用于提供反馈信道状态信息的方法，所述方法包括：

在接收设备接收由传送设备所传送的波束；

在所述接收设备基于所接收的波束计算传输信道的信道状态矩阵H；

使用QR分解过程将所述信道状态矩阵H分解为标准正交矩阵Q和上三角R矩阵；

在所述接收设备处对所述R矩阵执行奇异值分解过程，以产生：

角度集合其用于定义转向矩阵V；

第三角度θ_U；

所述R矩阵的旋转；以及

所述信道状态矩阵H的奇异值，其依据下列等式而基于所述角度θ_V、所述第三角度θ_U和所述R矩阵：

$\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\θ}}_U& -{\mathrm{sin\θ}}_U\\ {\mathrm{sin\θ}}_U& {\mathrm{cos\θ}}_U\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{r}_{11}& \left|r_{12}\right|\\ 0& r_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\θ}}_v& {\mathrm{sin\θ}}_v\\ -{\mathrm{sin\θ}}_v& {\mathrm{cos\θ}}_v\end{array}\right];$ 以及

由所述接收设备将所述角度集合传送至所述传送设备，其中所述转向矩阵V的元素能够依据所述角度集合的三角函数而被表示，并且其中所述转向矩阵V是由所述传送设备基于传送至所述传送设备的所述角度集合可计算的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述奇异值分解过程包括：

使用闭合形式的Jacobi方法执行所述R矩阵的所述奇异值分解，以确定所述转向矩阵的Hermitian转置(V^H)。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

由所述接收设备从所述传送设备接收有向波束，其中所述波束基于由所述传送设备从所接收的角度计算的所述转向矩阵V被指引。

4.根据权利要求1所述的方法，其中传送所述角度集合进一步包括传送所述奇异值。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述奇异值分解过程进一步包括：

基于所述奇异值之一计算所述信道的信噪比。

6.根据权利要求2所述的方法，其中依据

而从所述角度集合计算所述转向矩阵V。

7.根据权利要求3所述的方法，其中所述波束包括第一副载波和第二副载波，所述第一副载波的转向矩阵V基于所述角度集合 所述第二副载波的转向矩阵V₂基于第二角度集合并且在角度和角度之间的旋转取决于循环移位。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述角度通过以如下计算的相位增量对所述角度进行移位而被确定：

相位增量＝2*π*T_CS*F_SC

其中：

T_CS是循环移位时间；并且

F_SC是所述第一副载波和所述第二副载波之间的频率间隔。

9.一种用于提供反馈信道状态信息的接收设备，所述接收设备包括：

接收机，被配置为接收由传送设备所传送的波束；

控制电路，被配置为：

基于所接收的波束计算传输信道的信道状态矩阵H；

使用QR分解过程将所述信道状态矩阵H分解为标准正交矩阵Q和上三角R矩阵；

对所述R矩阵执行奇异值分解过程，以产生：

角度集合其用于定义转向矩阵V；

第三角度θ_U；

所述R矩阵的旋转；以及

所述信道状态矩阵H的奇异值，其依据下列等式而基于所述角度θ_V、所述第三角度θ_U和所述R矩阵：

$\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_1& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\θ}}_U& -{\mathrm{sin\θ}}_U\\ {\mathrm{sin\θ}}_U& {\mathrm{cos\θ}}_U\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{r}_{11}& \left|r_{12}\right|\\ 0& r_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\θ}}_v& {\mathrm{sin\θ}}_v\\ -{\mathrm{sin\θ}}_v& {\mathrm{cos\θ}}_v\end{array}\right];$ 以及

发射机，被配置为将所述角度集合传送至所述传送设备，其中所述转向矩阵V的元素能够依据所述角度集合的三角函数而被表示，并且其中所述转向矩阵V是由所述传送设备基于传送至所述传送设备的接收到的所述角度集合可计算的。

10.根据权利要求9所述的接收设备，其中所述控制电路进一步被配置为：

使用闭合形式的Jacobi方法执行所述R矩阵的所述奇异值分解，以确定所述转向矩阵的Hermitian转置(V^H)。

11.根据权利要求9所述的接收设备，其中所述接收机进一步被配置为：

从所述传送设备接收有向波束，其中所述波束基于由所述传送设备从所接收的角度计算的所述转向矩阵V被指引。

12.根据权利要求10所述的接收设备，其中所述控制电路进一步被配置为：

基于所述奇异值之一计算所述信道的信噪比。

13.根据权利要求10所述的接收设备，其中所述控制电路被配置为依据

而从所述角度集合计算所述转向矩阵V。

14.根据权利要求11所述的接收设备，其中所述波束包括第一副载波和第二副载波，所述第一副载波的转向矩阵V基于所述角度集合所述第二副载波的转向矩阵V₂基于第二角度集合 并且在角度和角度之间的旋转取决于循环移位。

15.根据权利要求14所述的接收设备，其中所述角度通过以如下计算的相位增量对所述角度进行移位而被确定：

相位增量＝2*π*T_CS*F_SC

其中：

T_CS是循环移位时间；并且

F_SC是所述第一副载波和所述第二副载波之间的频率间隔。