CN1914842A - 用于无线通信的***、方法、设备和计算机程序 - Google Patents

Abstract

所公开的本发明以较少数量的、对于信道矩阵的奇异值分解(SVD)处理所需的高负荷计算来实现SVD－MIMO通信。接收器从来自发射器的参考信号导出信道矩阵H，并且通过信道矩阵H的SVD来获取下行链路发射权重V以及接收权重U^H。接收器将用U^*加权的参考信号发射到发射器，其中U^*是作为上行链路发射权重的、U的共轭矩阵。发射器接收用U^*加权的参考信号，并且基于幺正矩阵特性，将该信号分离成下行链路发射权重V以及对角矩阵D。

Description

用于无线通信的***、方法、设备和计算机程序

技术领域

本发明涉及一种用于无线通信的***、设备、方法、和计算机程序，其用来实现如在无线局域网(LAN)中典型执行的、在多个无线节点或终端之间的宽带无线传输。具体地说，本发明涉及这样的用于无线通信的***、设备、方法和计算机程序，其通过使用多个逻辑信道执行多输入多输出(MIMO)通信来增加通信容量，这些逻辑信道是通过采用空间复用在一对具有多个天线的发射器和具有多个天线的接收器之间形成的。

更具体地说，本发明涉及这样的用于无线通信的***、设备、方法和计算机程序，其利用以发射天线和接收天线对的信道为元素的信道矩阵的奇异值分解(SVD)，执行闭环MIMO传输，并且本发明特别涉及这样的用于无线通信的***、设备、方法和计算机程序，其以较少数量的、对于信道矩阵的SVD处理所需的高负荷计算来实现SVD-MIMO通信。

背景技术

共享信息资源和设备资源可以通过以LAN为代表的计算机连网来高效地实现。现在，作为将用户从传统有线LAN中的电缆连线当中解放出来的***，无线LAN受到关注。由于无线LAN可以免除诸如办公室的工作空间中的大部分连线电缆，因此可以更容易地移动诸如个人计算机(PC)的通信终端。

近来，由于无线LAN的速度提高和成本降低，对无线LAN的需求显著增长。特别地，人们认为他们将采用个人区域网(PAN)，也就是，采用在生活环境中常用的多个电子设备构建小规模无线网络，以便进行信息通信。根据日本无线电规定，可以在准许使用而无需主管机构的许可证的特定频带例如2.4GHz和5GHz频带中使用不同的无线通信***和设备。

用于无线连网的典型标准包括IEEE(电气和电子工程师协会)802.11(例如，参见国际标准ISO/IEC 8802-11：1999(E) ANSI/IEEE标准802.11，1999版本，第11部分：无线LAN介质访问控制(MAC)和物理层(PHY)规范)、HiperLAN/2(例如，参见ETSI标准ETSI TS 101761-1 V.1.3.1宽带无线接入网络(BRAN)；HIPERLAN类型2；数据链路控制(DLC)层；第1部分：基本数据传输功能，或者ETSI TS 101761-2 V1.3.1宽带无线接入网络(BRAN)；HIPERLAN类型 2；数据链路控制(DLC)层；第2部分：无线链路控制(RLC)子层)、IEEE302.15.3、蓝牙通信等。对于IEEE 802.11标准，针对不同的无线通信***和所采用的频带，还存在其增强版本IEEE 802.11a(例如，参见对信息技术IEEE标准的补充-***之间的无线电通信和信息交换-局域网和城区网-特定要求-第11部分：无线LN介质访问控制(MAC)和物理层(PHY)规范：5GHz频带中的高速物理层)、802.11b和802.11g。

IEEE 802.11a标准支持实现高达54Mbps的通信速度的调制方案。然而，需要另外的可实现通信速度的更高比特速率的标准。例如，IEEE 802.11n旨在开发允许高于100Mbps的有效吞吐量并且建立下一代无线LAN标准的无线LAN技术。

作为一种用于实现更高速无线通信的技术，MIMO通信受到关注。基于发射器和接收器都具有多个天线元件从而创建空间复用传输信道(以下被称作“MIMO信道”)的MIMO***，MIMO技术实现了传输容量和通信速度的增强。由于MIMO通信采用空间复用，因此它高效地利用频带。

MIMO通信方案是这样的，即，在发射器处将单独的发射数据流分配到多个天线上的副载波，在多个虚拟MIMO信道上发射这些副载波，并且在接收器处，处理由其多个天线接收的副载波，并且解码成接收数据。不同于发射器和接收器处的简单自适应天线阵列，该通信方案采用信道特性。

图4在概念上示出了MIMO通信***。如这里所示，发射器和接收器都配备有多个天线。在发射器处，对多个发射数据流进行空间-时间编码，复用，并且分配到M个天线上的副载波，并且在多个MIMO信道上发射这些副载波。在接收器处，对通过信道由N个天线接收的副载波进行时间-空间解码，以得到接收数据。该信道模型包括发射器周围的无线环境(转移函数)、信道空间结构(转移函数)、以及接收器周围的无线环境(转移函数)。虽然当将发射信号复用到副载波中并且从发射天线发射副载波时发生串扰，但是可以在接收器处通过信号处理将所接收的复用副载波分离成各个适当的数据流，而没有串扰。

虽然已经提出了MIMO传输配置的各种方案，但是如何根据天线的配置在发射器和接收器之间传递信道信息是一个重要的实现问题。

为了传递信道信息，以仅仅一种方式将已知信息(前置信息)从发射器发射到接收器的方法是容易的。在这种情况下，发射器和接收器相互独立地执行空间复用传输；这被称作开环MIMO传输方案。另外，该方法的演化类型是闭环MIMO传输方案，其中通过从接收器到发射器的前置信息反馈，创建在空间上正交的理想信道。

开环MIMO传输方案的示例是垂直贝尔实验室分层空间时间(V-BLAST)方案(例如，参见JP-A(已公布但未审查的专利申请)H10-84324)。发射器简单地将信号复用到每个发射天线上的副载波中，并且发射副载波，而没有向副载波分派天线加权因数矩阵。换句话说，免除了用于获取天线加权因数矩阵的反馈过程。在发射复用副载波之前，发射器例如以分时方式将用于信道估计的训练信号***到每个天线上的数据流中。另一方面，在接收器处，信道估计部件使用训练信号执行信道估计，并且针对每个天线对计算信道信息矩阵H。通过巧妙地组合零强制(zero-forcing)和消除(cancellation)，利用由于消除而产生的、由天线提供的空间自由度来增强接收信号信噪比，并且提高解码概率。

作为闭环MIMO传输的理想形式，使用传播路径函数的SVD的SVD-MMO方案是公知的(例如，参见http://radio3.ee.uec.ac.jp/MIMO(IEICE_TS).pdf(从2003年10月24日起))。

图5在概念上示出了SVD-MIMO传输***。在SVD-MIMO传输中，通过以每个天线对的信道信息为元素的数值矩阵即信道信息矩阵H的奇异值分解来获得UDV^H。将作为发射器处的天线加权因数的矩阵的V分派给发射天线上的副载波，并且将作为接收器处的天线加权因数的矩阵的U^H分派给由接收天线接收的副载波。因此，将MIMO信道表示为以每个信道的特征值λ_i的平方根为对角元素的对角矩阵D，并且可以传输信号的复用副载波，而根本不遭受串扰。在这种情况下，在发射和接收两侧，都可以实现通过空间划分或者确切地说空间正交复用而形成的、在逻辑上独立的多个信道。

通过SVD-MIMO传输方案，在理论上有可能实现最大通信容量；例如，如果发射器和接收器各自具有两个天线，则传输容量最大将加倍。

现在详细讨论SVD-MIMO传输方案的机制。如果发射器具有M个天线，则将发射信号x表示为M×1向量集；如果接收器具有N个天线，则将接收信号y表示为M×1向量集。在这种情况下，将信道特性表示为N×M的数值矩阵，即信道矩阵H。信道矩阵H的元素h_ij对应于从第j发射天线到第i接收天线的转移函数。如在下面方程式(1)中所表达的那样，通过将信道信息矩阵乘以发射信号向量并且将噪声向量n加到该乘积，获得接收信号向量y。

y＝Hx+n                     (1)

信道信息矩阵H的上述奇异值分解由下面方程式(2)表达。

H＝UDV^H                     (2)

这里，发射器处的天线加权因数的矩阵V和接收器处的天线权重矩阵U分别是满足下面方程式(3)和(4)的幺正矩阵。

U^HU＝I                      (3)

V^HV＝I                      (4)

具体地说，HH^H的归一化特征向量集对应于接收器处的天线权重矩阵U^H，并且H^HH的归一化特征向量集对应于发射器处的天线权重矩阵V。D是以H^HH或HH^H的特征值λ_i的平方根为对角元素的对角矩阵。矩阵大小由发射天线数M或接收天线数N当中的较小者确定；也就是，获得min(M，N)的大小的方形矩阵，并且从该方形矩阵获得对角矩阵。

虽然上面讨论了针对实数的奇异值分解，但是应当注意直到虚数的奇异值分解扩展。虽然U和V是包括特征向量的矩阵，但是存在无数的、不是奇异的、具有不同相位的特征向量，即使操纵特征向量使得获得1的规格(norm)，简而言之，对它们进行归一化。在U和V之间的某相位关系中，不满足上述方程式(2)，这是因为虽然U和V有效，但是U和V的相位具有不同的角度。对于完全的相位匹配，通常作为H^HH的特征向量集获得V。然而，如在下面方程式中所表达的那样，通过将上面方程式(2)的两边乘以V来获得U。

HV＝UDV^HV＝UDI＝UD

U＝HVD^-1                    (6)

发射器发射由发射天线加权因数矩阵V加权的副载波，并且接收器接收随后由接收天线加权因数矩阵U^H加权的副载波。这由下面方程式表达，其中由于U和V是幺正矩阵，因此U是N×min(M，N)，并且V是M×min(M，N)。

y＝U^HHVx+U^Hn

 ＝U^H(UDV^H)Vx+U^Hn

 ＝(U^HU)D(V^HV)x+U^Hn           (7)

 ＝IDIx+U^Hn

y＝Dx+U^Hn

这里，接收信号y和发射信号x具有不由发射天线数和接收天线数确定的(min(M，N)×1)个向量。

由于D是对角矩阵，因此可以无串扰地接收发射信号副载波。由于每个独立MIMO信道的幅度与该信道的特征值λ的平方根成比例，因此每个MIMO信道的功率(power)与λ成比例。

由于在U列中噪声分量也是归一化到规格1的特征向量，因此U^Hn不影响噪声功率。U^Hn的大小是(min(M，N))个向量的集合，其相同于y和x的大小。

在SVD-MIMO传输中，以这种方式，在逻辑上独立的、没有串扰的多个MIMO信道可以在相同频带中同时可用。因此，使用相同的频带，可以通过无线通信同时传输多个数据流，并且可以实现增强的传输速度。

在SVD-MIMO通信***中可用的MIMO信道数与发射天线数M或接收天线数N当中的较小者min[M，n]相匹配。发射天线加权因数矩阵V包括与MIMO信道数一样多的发射向量V_i(V＝[v₁，v₂...，V_min[M，N]])。发射向量v_i的元素与发射天线数M一样多。

通常，在以SVD-MIMO为代表的闭环MIMO方案中，发射器能够基于传播路径信息而为其天线计算最佳权重因数。此外，已知的是，通过选择要施加到发射天线系列(chain)上的比特流的最佳编码率和调制方案，可以实现更理想的信息传输。

然而，闭环MIMO方案的***的实际操作遇到这样的问题，即如果信道条件由于发射器和接收器移动而以很大的程度变化，则必须更加频繁地发生从接收器到发射器的反馈。在SVD-MIMO通信方案中，不容易实时地计算奇异值分解。另外，需要对通信另一端执行用于通过SVD计算而获得的V或U^H的预先通知的设置过程。

例如，对于IEEE 802.11a的正交频分复用(OFDM)通信***，也就是，在5-GHz频带中，一种应用SVD-MIMO传输的LAN***，让我们考虑发射天线因数矩阵V的信息将是多少。假定采用三个发射天线元件和三个接收天线元件，则发射天线因数矩阵V为3×3，从而具有九个元素。如果假定一个元素包括精度达到10比特的实数和复数，并且需要52个载波的矩阵V，则必须将9,360比特(＝9(矩阵元素数)×2(复数的实部和虚部)×10(比特)×52(OFDM副载波数))从接收器反馈到发射器。

现在讨论在构造实际的SVD-MIMO发射/接收***时必须考虑的要点。

在SVD-MIMO传输方案的基本形式中，在接收器处，通过对所获取的信道矩阵H的奇异值分解，获得接收权重向量集U^H、以及在发射器处采用的发射权重向量集V，并且将该向量集V反馈到发射器。在发射器处，使用该向量集V作为用于发射的权重集。

然而，在要反馈到发射器的发射权重矩阵V信息量如此大并且往回传输稀少的V信息的情况下，MIMO信道的正交状态将由于与真实V信息的误差而改变，并且将发生串扰。

有鉴于此，在接收器将发射权重矩阵V反馈到发射器之后，通常，发射器将用矩阵V加权的参考信号发射到接收器，并且接收器再次获取信道矩阵。假定信道矩阵为H，则接收器可以从以V加权的参考信号获取信道矩阵HV。

在接收器处，获得HV的逆矩阵，并且使用其作为用于接收的权重集。如在下面方程式中所表达的那样，由于H＝UDV^H，因此将获得HV及其逆：

HV＝UDV^HV

＝UD                            (8)

(HV)^-＝(UD)^-＝D^-U^-＝D^-U^H

这是在以与在普通SVD-MIMO中相同的方式用U^H对接收副载波进行加权之后，分别仅仅将MIMO信道的分离流乘以从对角矩阵D的对角元素λ_i导出的常量。

使用矩阵V作为用于在发射器处发射的权重集并且使用HV的逆矩阵作为用于在接收器处接收的权重集的布置与普通SVD-MIMO的性能相同，并且不发生发射器和接收器处的V失配。因此，可以实际使用该布置。

发明内容

为了执行SVD-MIMO通信，需要获取信道矩阵等。同时，在典型的无线通信***中，应用CSMA/CA方案以便避免冲突，并且同时，执行所谓的RTS/CTS过程，以获得传输权，以便用于例如解决隐藏终端问题的目的。因此，可以通过使用诸如RTS、CTS、DATA和ACK的包并且通过下面将要描述的控制过程(参见图6)来执行信道矩阵获取。假定发射器在RTS/CTS过程开始之前获取发射权重集V。

(步骤1)

发射器将RTS包发射到接收器，参考信号附于RTS包。

(步骤2)

在接收器处，从所接收的RTS包获取信道矩阵H。

(步骤3)

在接收器处，从所获取的信道矩阵H，确定采用什么调制方案，并且多少独立空间信道可用。

当接收到RTS时，接收器可能需要确定所要采用的调制方案。例如，接收器可能想要使用应当附于CTS的网络分配向量(NAV)，停止从其附近的节点或终端的传输，直至ACK的完成。对于短NAV设置，需要觉察对于信道采用的调制方案，以及信道上的比特速率，以计算用于发射和接收数据的时间。为了确定在用于发射数据的发射器处应当使用什么调制方案，需要知道MIMO信道的条件，即，通过矩阵H的奇异值分解而导出的每个信道的特征值λ，从而在接收器处将觉察MIMO信道的什么条件。

(步骤4)

接收器将CTS返回到发射器。用于信道矩阵估计的参考信号附于CTS。

(步骤5)

在发射器处，从附于从接收器发射的CTS的参考信号中，获取反方向上的信道矩阵H。

如果执行校准以补偿发射器的天线系列中的模拟电路的特性差、以及接收器的天线系列中的模拟电路的特性差，则正方向和反方向上的转移函数将相同。在例如已经转让给本发明人的JP-B(日本专利申请)2003-426294中描述了用于校准发射器和接收器处的模拟电路部分的特性差的方法。

(步骤6)

发射器对所获取的反方向上的矩阵H执行奇异值分解，并且确定用于正方向上的发射的权重V。当然，可以将在接收器处通过奇异值分解而获得的、用于正方向上的发射的权重V反馈到发射器；然而，其信息量过大。因此，接收器往回发射具有少量数据的参考信号，并且发射器如上所述获取V。

(步骤7)

响应于从接收器接收到CTS信号，发射器发射数据包。以V加权的参考信号附于该数据包的开头，随后是用户数据(有效载荷)。

(步骤8)

在接收器处，从以V加权的参考信号获取信道矩阵HV，获得其逆矩阵(参见方程式(8))作为用于接收的权重集，从而接收加权的用户数据。

当执行SVD-MIMO通信时，根据上述通信过程，每当执行通过RTS/CTS过程的数据传输处理时，必须执行步骤3和6的总共两次奇异值分解计算和步骤8的一次逆矩阵计算。这造成了施加在发射器和接收器上的沉重计算负荷的问题。尤其地，奇异值分解计算由于它使用相当多的乘法器而在执行时消耗很大功率。因此，需要减少奇异值分解计算的数量，甚至仅仅一次。

本发明解决了上述技术问题，并且其主要目的是提供一种优良的用于无线通信的***、设备、方法和计算机程序，其能够通过使用多个逻辑信道执行MIMO通信来增强传输容量，其中这些逻辑信道是通过采用空间复用而形成的。

本发明的另一个目的是提供一种优良的用于无线通信的***、设备、方法和计算机程序，其能够使用以发射天线和接收天线对的信道为元素的信道矩阵的奇异值分解来高效地执行闭环MIMO传输。

本发明的另一个目的是提供一种优良的用于无线通信的***、设备、方法和计算机程序，其能够以较少数量的、对于信道矩阵的SVD处理所需的高负荷计算高效地实现SVD-MIMO通信。

被设计成解决前述目的的本发明的第一方面在于一种无线通信***，其以通过利用以发射天线和接收天线对为元素的信道矩阵而确定的发射和接收权重，执行空间复用传输，其中，在执行从第一通信设备到第二通信设备的数据传输的情况下，第二通信设备发射用上行链路方向上的发射权重加权的参考信号；并且第一通信设备将所接收的参考信号分离成下行链路方向上的发射权重以及对角矩阵，并且以这样获得的发射权重发射数据。

这里使用的“***”是多个设备(或者用于实现特定功能的功能模块)在逻辑上结合在一起的复合体，并且每个设备或功能模块是否安装在单个机箱内是无关紧要的。

本发明的无线通信***例如使用MIMO通信方案，并且能够使用空间复用传输路径即MIMO信道来增加传输容量并且提高通信速度。在这种情况下，发射器和接收器都配备有多个天线，发射器将发射数据分配到多个流，并且从发射天线发射加权流，并且接收器对由接收天线接收的流进行加权。

在本发明的无线通信***中，可以使用以SVD-MIMO传输为代表的闭环通信方案。在这种情况下，发射器基于来自接收器的反馈信息而获取最佳发射天线加权因数。

在典型的无线通信***中，节点或终端执行RTS/CTS过程以获得传输权，同时基于CSMA/CA而执行访问控制。在这种情况下，为了执行SVD-MIMO通信，将用于信道矩阵获取的参考信号附于每个RTS、CTS和DATA包。

然而，当通过该通信过程执行SVD-MIMO通信时，每当从另一端接收到包时，发射器和接收器都必须执行算术处理以获得权重矩阵；也就是，它们必须基于所附参考信号而执行奇异值分解或逆矩阵计算。尤其地，奇异值分解计算由于它使用相当多的乘法器而在其执行期间消耗很大功率。

在本发明中，通信设备被布置成当接收到用发射权重加权的参考信号时，通过适当地使用幺正矩阵特性，将接收信号分离成反方向上的发射权重和对角矩阵。因此，在整个***中可以免除一个奇异值分解处理，并且可以去除计算量的多余部分。

例如，作为SVD-MIMO传输***中的接收器的第二通信设备使用附于来自作为发射器的第一通信设备的RTS包的参考信号，获取信道矩阵H，并且通过矩阵H的奇异值分解，可以获取从发射器到接收器的下行链路中的发射权重V、以及接收权重U^H。接收器使用U的共轭矩阵U^*作为上行链路上的发射权重，将以U^*加权的参考信号附于与U^*空间复用的CTS包，并且与参考信号一起发射CTS包。

另一方面，当接收到以U^*加权的参考信号时，发射器可以将接收信号分离成反方向上或者下行链路上的发射权重V、以及对角矩阵D。具体地说，由于将上行链路信道矩阵表示为下行链路信道矩阵H(＝UDV^H)的转置矩阵H^T，因此发射器在接收到以U^*加权的参考信号时获取H^TU^*＝V^*DU^T＝V^*D。基于幺正矩阵特性，从V^*D分离下行链路发射权重V。

因此，在发射器处，免除了一个奇异值分解处理，并且可以去除计算量的多余部分。

本发明的第二方面在于一种计算机程序，其以计算机可读形式编码，以在计算机***上执行这样的处理，其用于以通过利用矩阵UDV^H而确定的发射和接收权重执行空间复用传输，其中矩阵UDV^H是通过以发射天线和接收天线对为元素的信道矩阵H的奇异值分解而获得的，其中该计算机程序包括以下步骤：在执行从另一端的下行链路上的数据通信的情况下，基于从另一端接收的参考信号，获取下行链路信道矩阵H；执行所获取的信道矩阵H的奇异值分解，以得到UDV^H；接收在从另一端的正方向上发射的用户数据，并且用通过奇异值分解从所获取的信道矩阵H导出的接收权重U^H对用户数据进行加权；并且通过使用基于所获取的信道矩阵H的奇异值分解的结果而获得的U的共轭矩阵U^*作为发射权重，用到另一端的反方向上的发射权重对参考信号进行加权，并且发射参考信号。

本发明的第三方面在于一种计算机程序，其以计算机可读形式编码，以在计算机***上执行这样的处理，其用于以通过利用矩阵UDV^H而确定的发射和接收权重执行空间复用传输，其中矩阵UDV^H是通过以发射天线和接收天线对为元素的信道矩阵H的奇异值分解而获得的，其中该计算机程序包括以下步骤：在执行到另一端的下行链路上的数据通信的情况下，接收以U的共轭矩阵U^*为上行链路发射权重来加权的参考信号，并且获取H^TU^*＝V^*DU^T＝V^*D；基于幺正矩阵特性，从V^*D分离下行链路发射权重V；并且用下行链路发射权重V对数据进行加权，并且发射数据。

根据本发明第二和第三方面的计算机程序被定义为以计算机可读形式编码以在计算机***上实现预定处理的计算机程序。换句话说，当将这些计算机程序安装在单独计算机***中时，它们跨越计算机***协同工作，并且使安装了它们的通信设备在执行其下行链路上的数据通信时相互操作。构建设置了多个这样的通信设备的网络可以产生与本发明的第一方面相同的效果。

本发明可以提供一种优良的用于无线通信的***、设备、方法和计算机程序，其能够使用以发射天线和接收天线对的信道为元素的信道矩阵的奇异值分解，高效地执行闭环MIMO传输。

本发明可以提供一种优良的用于无线通信的***、设备、方法和计算机程序，其能够以较少数量的、对于信道矩阵的SVD处理所需的高负荷计算，高效地实现SVD-MIMO通信。

根据本发明，在从另一端接收到用发射权重加权的参考信号时，通信设备将接收信号分离成反方向上的发射权重、以及对角矩阵，从而该设备可以从中获取用于发射的权重而无需执行奇异值分解计算。

根据下面基于附图对本发明的说明性实施例的详细描述，本发明的另外目的、特征和优点将会变得清楚。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的无线通信设备的配置的图；

图2是示意性地示出信道特性获取和发射权重分离单元的功能结构的图；

图3是用来说明根据RTS/CTS过程的MIMO通信的图；

图4是在概念上示出MIMO通信***的图；

图5是在概念上示出SVD-MIMO传输***的图；以及

图6是用来说明根据RTS/CTS过程的双向MIMO通信的图。

具体实施方式

以下将参考附图全面描述本发明的说明性实施例。

本发明涉及一种MIMO通信***，其中在一对具有多个天线的发射器和具有多个天线的接收器之间执行空间信号复用通信。

在典型的无线通信***中，节点或终端执行RTS/CTS过程，以获得传输权，同时基于CSMA/CA而执行访问控制。在这种情况下，为了执行SVD-MIMO通信，将用于信道矩阵获取的参考信号附于每个RTS、CTS和DATA包。

然而，当通过该通信过程执行SVD-MIMO通信时，每当从另一端接收包时，发射器和接收器都必须执行算术处理，以获得权重矩阵；也就是，它们必须基于所附参考信号而执行奇异值分解或逆矩阵计算。尤其地，奇异值分解计算由于它使用相当多的乘法器而在其执行期间消耗很大功率。

在本发明中，通信设备被布置成当接收到用发射权重加权的参考信号时，通过适当地使用幺正矩阵特性，将接收信号分离成反方向上的发射权重和对角矩阵。因此，在整个***中可以免除一个奇异值分解处理，并且可以去除计算量的多余部分。

图1示出了根据本发明实施例的无线通信设备的配置。

图1所示的无线通信设备配备有两个发射/接收天线11a和11b，并且能够根据SVD-MIMO方案进行数据传输。也就是，对于发射，在向副载波分派发射天线加权因数之后，将发射信号复用到副载波中，对它们进行空间-时间编码，并且将其分配到这两个天线11a和11b，从此将它们发射到相应信道上。对于接收，向通过相应信道由这两个天线11a和11b接收的复用副载波分派接收天线加权因数，并且对其进行空间-时间解码，以得到接收数据。然而，本发明的要旨不局限于两个天线，而是可以采用三个或更多个天线。

发射系列和接收系列通过开关12a和12b并行连接到这两个发射/接收天线11a和11b，以便在预定频率信道上将信号无线发射到任何其它无线通信设备，或者接收从任何其它无线通信设备发射的信号。然而，开关12a和12b每次都独占性地将发射/接收天线11a和11b连接到发射系列或者接收系列，并且每个天线不能执行并发发射和接收。

每个发射系列包括调制和编码单元21、发射权重乘法器22、IFFT23、前置/参考附加单元24、数/模转换器25、以及发射信号模拟处理单元26。

调制和编码单元21通过纠错编码对从通信协议高层发送的发射数据进行编码，并且使用预定调制方案如BPSK、QPSK和16QAM将发射信号映射到信号空间中。此时，可以根据导频码元***模式和定时而将已知数据串作为导频码元***到调制码元序列中。可以针对每个副载波或者针对每几个副载波***一个包括已知模式的导频信号。

发射权重乘法器22将编码发射信号乘以发射权重矩阵V，其通过空间复用来创建多个MIMO信道。基于来自通信另一端的反馈信息而创建发射权重矩阵V，并且将其设置到发射权重乘法器22中。

IFFT 23根据并行副载波数和定时，将已调制串行信号转换成并行副载波的并行数据星座，根据预定FFT大小和定时，针对每个FFT大小的块对并行星座执行快速傅立叶逆变换。这里，可以将保护间隔***在每两个OFDM码元之间，以消除码元间干扰。保护间隔长度由传输路径条件即影响调制的迟延波的最大迟延时间确定。然后，将并行数据转换成串行数据，然后将串行数据变换成时间轴上的发射信号，同时保持频率轴上的副载波的相互正交性。

前置/参考附加单元24将前置信号和参考信号附于诸如RTS、CTS和DATA的发射信号包的开头。

如果无线通信设备用作下行链路传输的发射端，则前置/参考附加单元24将要在下行链路上发射到接收端的参考信号乘以V，其中V是用于发射的权重。

如果无线通信设备用作下行链路传输的接收端，则前置/参考附加单元24将要在上行链路上发射到发射端的参考信号乘以U^*，其中U的共轭矩阵U^*用作上行链路发射权重。在这种情况下，信道特性获取和发射权重分离单元37使用在下行链路上从发射端发射的参考信号，获取信道矩阵H，并且通过信道矩阵的奇异值分解，获取从发射器到接收器的下行链路上的发射权重V、以及接收权重U^H，并且将U^*作为用于参考信号的发射权重传递到前置/参考附加单元24。后面将讨论信道特性获取和发射权重分离单元37的详细操作。

然后，由数/模转换器25将发射信号转换成模拟基带信号，由发射信号模拟处理单元26将基带信号进一步升频转换成RF频带中的信号，并且从天线11将RF信号发射到每个MIMO信道上。

另一方面，每个接收系列包括接收信号模拟处理单元31、模/数转换器32、同步获取单元33、FFT 34、接收权重乘法器35、解调和解码单元36、以及信道特性获取和发射权重分离单元37。

由接收信号模拟处理单元31将由天线11接收的信号从RF频带降频转换成基带信号，并且由模/数转换器32将基带信号转换成数字信号。

然后，根据由同步获取单元33检测的同步定时，将作为串行数据的接收信号转换成并行数据星座(一个星座包括一个OFDM码元，其包含保护间隔)。由FFT 34对每个有效码元长度的信号执行快速傅立叶变换；通过提取每个副载波信号，将时间轴上的信号变换成频率轴上的信号。

信道特性获取和发射权重分离单元37首先使用在另一端针对每个副载波对用于复用传输的其副载波进行了分立加权的参考信号，获取信道矩阵H。随后的信道矩阵H的奇异值分解可以将信道矩阵分解成发射权重矩阵V、接收权重矩阵U^H、以及对角矩阵D。如果以给定间隔从另一端发射参考信号，则每当接收到参考信号时，信道特性获取和发射权重分离单元37都更新信道矩阵H，并且执行已更新的信道矩阵H的奇异值分解。

将通过奇异值分解从信道矩阵导出的接收权重矩阵U^H设置到正被讨论的设备的接收权重乘法器35中，并且将发射权重矩阵V反馈到另一端。然而，作为接收权重矩阵，可以使用D^-U^H即HV的逆矩阵来代替U^H(参见前面章节中的方程式(8)和相关描述)。将所获取的发射权重矩阵V传递到发射权重乘法器22。

如果无线通信设备用作下行链路传输的接收端，则信道特性获取和发射权重分离单元37将通过信道矩阵H的奇异值分解而获得的U的共轭矩阵U^*作为用于参考信号的发射权重传递到前置/参考附加单元24。

信道特性获取和发射权重分离单元37可以获取发射权重V而无需执行奇异值分解。也就是，如果无线通信设备用作下行链路传输的发射端，则当在上行链路上从接收端接收到用U^*加权的参考信号时，因为将上行链路信道矩阵表示为下行链路信道矩阵H(＝UDV^H)的转置矩阵H^T，所以获得H^TU^*＝V^*DU^T＝V^*D。然后，基于幺正矩阵特性，从V^*D分离下行链路发射权重V。将这样获取的发射权重矩阵V传递到发射权重乘法器22。

后面将进一步讨论信道特性获取和发射权重分离单元37的详细操作。

接收权重乘法器35将接收信号与通过信道矩阵H的奇异值分解而获得的接收权重矩阵U^H或D^-U^H相乘，其中该奇异值分解在空间上分解空间复用接收信号。

此外，解调和解码单元36通过预定方案如BPSK、QPSK和16QAM，将这样加权的接收信号从信号空间解除映射，对该信号执行纠错，并且将它们解码成接收信号，然后将该接收数据传递到通信协议的高层。

这里，如果执行基于CSMA/CA通信方案的访问操作，则根据RTS/CTS过程，操作收发器的无线通信设备将用于信道矩阵获取的参考信号附于每个RTS、CTS和DATA包，并且使用参考信号获取发射和接收权重因数。一般而言，可以通过信道矩阵的奇异值分解来获得权重矩阵；然而，这造成这样的问题，其中奇异值分解计算由于它使用相当多的乘法器而在执行时消耗很大功率。在本实施例中，信道特性获取和发射权重分离单元37可以获取权重因数而无需执行奇异值分解。

图2示意性地示出了信道特性获取和发射权重分离单元37的功能结构。如同所示，信道特性获取和发射权重分离单元37包括信道矩阵获取单元、奇异值分解单元、以及发射权重分离器。

信道矩阵获取单元使用在另一端针对每个副载波对用于复用传输的其副载波进行了分立加权的参考信号，获取信道矩阵H。

奇异值分解单元执行所获取的信道矩阵H的奇异值分解，以得到发射权重矩阵V、接收权重矩阵U^H、以及对角矩阵D。将这样导出的接收权重矩阵U^H设置到正被讨论的设备的接收权重乘法器35中，并且将发射权重矩阵V反馈到另一端。然而，作为接收权重矩阵，可以使用D^-U^H即HV的逆矩阵来代替U^H(参见前面章节中的方程式(8)和相关描述)。另外，奇异值分解单元将通过信道矩阵H的奇异值分解而获得的U的共轭矩阵U^*作为用于参考信号的发射权重传递到前置/参考附加单元24。

如果以给定间隔从另一端发射参考信号，则每当接收到参考信号时，信道特性获取和发射权重分离单元37都更新信道矩阵H，并且执行已更新信道矩阵H的奇异值分解。

因为将上行链路信道矩阵表示为下行链路信道矩阵H(＝UDV^H)的转置矩阵H^T，所以当从接收端接收到用U^*加权的参考信号时，发射权重分离器获得H^TU^*＝V^*DU^T＝V^*D。然后，发射权重分离器基于幺正矩阵特性，从V^*D分离下行链路发射权重V，并且将这样获得的发射权重矩阵V传递到发射权重乘法器22。

现在，讨论由发射分离器执行以便从在上行链路上从接收端接收的、用U^*加权的参考信号分离发射权重V的算术处理。在下面，假定从发射器到接收器的下行链路是正方向，并且从接收器到发射器的上行链路是反方向。

在这种情况下，正方向上的信道矩阵由下面方程式表达，其中n是发射器的天线数，并且m是接收器的天线数，并且h_ij表示从发射器的第j天线到接收器的第i天线的转移函数。

另一方面，反方向上的信道矩阵由下面方程式表达。

换句话说，反方向上的信道矩阵被表示为正方向上的信道矩阵H的转置矩阵H^T。

在接收器处，在从来自发射器的参考信号导出正方向上的信道矩阵H之后，如在下面方程式中所表达的那样，通过奇异值分解将矩阵H分解成UDV^H。

H＝UDV^H                            (11)

因此，如在下面方程式中所表达的那样，获得从接收器到发射器的反方向上的信道矩阵。

H^T＝(UDV^H)^T＝V^*DU^T                 (12)

在用通过正方向上的信道矩阵H的奇异值分解而获得的矩阵U的共轭矩阵U^*对参考信号进行加权之后，接收器在上行链路上将参考信号发射到发射器。

然后，发射器接收反方向上的信道矩阵H^T乘以U^*的参考信号。因此，发射器可以获得下面方程式。

HTU^*＝(UDV^H)^TU^*＝V^*DU^TU^*＝V^*D      (13)

如果可以从V^*D分离V，则奇异值分解在发射器处变得没有必要。下面将描述用于将V^*D分离成V和D的方法。

V是包括与MIMO信道数(＝min[n，m])一样多的特征向量的幺正矩阵。每个特征向量u被归一化到规格1。

因此，在接收器处获得的组合UD＝V^*D为，如在下面方程式中所表达的那样，将每列中的特征向量元素乘以特征值。

然后，计算V^*D的每列的矩阵元素的规格(norm)。由于每列的规格的值对应于每个对角元素，因此可以分离V^*。

发射器发射以V加权的参考信号，随后是用户数据。在接收器处，从乘以V的参考信号导出HV。接收用HV的逆矩阵加权的用户数据(参见方程式(8))。

当使用上述方法时，仅仅执行一次奇异值分解和一次逆矩阵计算就获得与通过两次奇异值分解和一次逆矩阵计算所获得的相同的结果。

在下面，将参考图3描述在与本实施例相关的无线通信***中进行RTS、CTS和DATA的MIMO通信的过程。在发射器处，假定预先完成了用于获取发射权重矩阵V的处理。

(步骤1)

将参考信号从发射器发射到接收器。接收器可以获取信道矩阵H。

(步骤2)

在接收器处，通过信道矩阵H的奇异值分解来获得矩阵U(参见方程式(10))。

(步骤3)

将用U^*加权的参考信号从接收器发射到发射器。

(步骤4)

在发射器处，从用U^*加权的参考信号导出V^*DU^TU^*＝V^*D(参见方程式(13))。

(步骤5)

通过计算所获得的V^*D的每列的规格，将V^*D分离成V和D。结果，可以获得D而无需奇异值分解，并且还可以获得V。

(步骤6)

发射器发射用V加权的参考信号，随后是用户数据。

(步骤7)

在接收器处，通过从发射器接收用V加权的参考信号，获取信道矩阵HV＝UD。

(步骤8)

在接收器处，计算信道矩阵UD的逆矩阵，并且将该矩阵保留为用于接收的权重。

(步骤9)

使用在步骤8中获得的用于接收的权重，对从发射器发射的用户数据进行解码。

工业应用

虽然参考其特定实施例详细描述了本发明，但是现在，本领域的技术人员将会清楚，可以在其中进行修改和变更，而不脱离本发明的要旨的范围。

本发明可应用于通过空间复用来执行数据传输的各种无线通信***。也就是，本发明的要旨及其应用范围不局限于空间划分，或者确切地说，诸如SVD-MIMO方案的空间正交复用传输方案。本发明可以适用于其它类似的通信***，其基于从传输路径的条件获得的信道矩阵H而执行加权发射/接收。

换句话说，本发明的优选实施例是为了说明性目的而公开的，并且本说明书中的描述不应当被解释成限制本发明。在解释本发明的要旨时，应当参考并且考虑所附权利要求。

Claims (11)

1.一种无线通信***，以通过利用以发射天线和接收天线对为元素的信道矩阵而确定的发射和接收权重、执行空间复用传输，

其中，在执行从第一通信设备到第二通信设备的数据传输的情况下，

其中所述第二通信设备发射用从第二通信设备到第一通信设备的方向上的发射权重加权的参考信号；并且

其中所述第一通信设备将所接收的参考信号分离成从第一通信设备到第二通信设备的方向上的发射权重、以及对角矩阵，并且以这样获得的发射权重发射数据。

2.根据权利要求1所述的无线通信***，其以通过利用矩阵UDV^H而确定的发射和接收权重执行空间复用传输，其中矩阵UDV^H是通过以发射天线和接收天线对为元素的信道矩阵H的奇异值分解而获得的，

其中所述第二通信设备使用来自所述第一通信设备的参考信号，获取信道矩阵H，通过信道矩阵H的奇异值分解来获取从作为发射器的第一通信设备到作为接收器的第二通信设备的方向上的发射权重V、以及接收权重U^H，将用U^*加权的参考信号发射到第一通信设备，其中U^*是作为从第二通信设备到第一通信设备的方向上的发射权重的、U的共轭矩阵；并且

其中当接收到用U^*加权的参考信号时，所述第一通信设备通过适当地使用幺正矩阵特性，将接收信号分离成从第一通信设备到第二通信设备的方向上的发射权重V、以及对角矩阵D。

3.根据权利要求2所述的无线通信***，其中所述第一通信设备通过在从第二通信设备到第一通信设备的方向上接收用U^*加权的参考信号，获取H^TU^*＝V^*DU^T＝V^*D，该方向上的信道矩阵是从第一通信设备到第二通信设备的方向上的信道矩阵H(＝UDV^H)的转置矩阵H^T，并且基于幺正矩阵特性，从V^*D分离从第二通信设备到第一通信设备的方向上的发射权重V。

4.一种无线通信设备，以通过利用矩阵UDV^H而确定的发射和接收权重执行空间复用传输，其中矩阵UDV^H是通过以发射天线和接收天线对为元素的信道矩阵H的奇异值分解而获得的，所述无线通信设备包括：

在执行从第一通信设备到第二通信设备的方向上从另一端的数据通信的情况下，

信道矩阵获取单元，基于从另一端接收的参考信号，获取从第一通信设备到第二通信设备的方向上的信道矩阵H；

奇异值分解单元，执行所获取的信道矩阵的奇异值分解，以得到UDV^H；

接收部件，接收在从另一端的正方向上发射的用户数据，并且用通过奇异值分解从所获取的信道矩阵H导出的接收权重U^H对用户数据进行加权；以及

发射部件，通过使用基于所获取的信道矩阵H的奇异值分解的结果而获得的U的共轭矩阵U^*作为发射权重，用到另一端的反方向上的发射权重对参考信号进行加权，并且发射参考信号。

5.一种无线通信设备，以通过利用以发射天线和接收天线对为元素的信道矩阵而确定的发射和接收权重、执行空间复用传输，所述无线通信设备包括：

接收部件，接收用发射权重加权的参考信号；

分离器，将接收信号分离成反方向上的发射权重V、以及对角矩阵D；以及

发射部件，在接收所述参考信号的方向的反方向上发射用由所述分离器获得的发射权重加权的数据。

6.根据权利要求5所述的无线通信设备，在执行从第一通信设备到第二通信设备的方向上到另一端的数据通信的情况下，

其中所述接收部件接收以U^*为从第二通信设备到第一通信设备的方向上的发射权重来加权的参考信号，其中U^*是U的共轭矩阵；

其中所述分离器将接收信号分离成从第一通信设备到第二通信设备的方向上的发射权重V、以及对角矩阵D；并且

其中所述发射部件发射用从第一通信设备到第二通信设备的方向上的V加权的数据。

7.根据权利要求6所述的无线通信设备，

其中从第二通信设备到第一通信设备的方向上的信道矩阵是从第一通信设备到第二通信设备的方向上的信道矩阵H(＝UDV^H)的转置矩阵H^T；

其中所述接收部件通过在从第二通信设备到第一通信设备的方向上接收用U^*加权的参考信号，获取H^TU^*＝V^*DU^T＝V^*D；并且

其中所述分离器基于幺正矩阵特性，从V^*D分离从第一通信设备到第二通信设备的方向上的发射权重V。

8.一种无线通信方法，用于以通过利用矩阵UDV^H而确定的发射和接收权重执行空间复用传输，其中矩阵UDV^H是通过以发射天线和接收天线对为元素的信道矩阵H的奇异值分解而获得的，所述无线通信方法包括以下步骤：

在执行从第一通信设备到第二通信设备的方向上从另一端的数据通信的情况下，

基于从另一端接收的参考信号，获取从第一通信设备到第二通信设备的方向上的信道矩阵H；

执行所获取的信道矩阵H的奇异值分解，以得到UDV^H；

接收在从另一端的正方向上发射的用户数据，并且用通过奇异值分解从所获取的信道矩阵H导出的接收权重U^H对用户数据进行加权；以及

通过使用基于所获取的信道矩阵H的奇异值分解的结果而获得的U的共轭矩阵U^*作为发射权重，用到另一端的反方向上的发射权重对参考信号进行加权，并且发射参考信号。

9.一种无线通信方法，用于以通过利用矩阵UDV^H而确定的发射和接收权重执行空间复用传输，其中矩阵UDV^H是通过以发射天线和接收天线对为元素的信道矩阵H的奇异值分解而获得的，所述无线通信方法包括以下步骤：

在执行从第一通信设备到第二通信设备的方向上到另一端的数据通信的情况下，

接收以U的共轭矩阵U^*为从第二通信设备到第一通信设备的方向上的发射权重来加权的参考信号，并且获取H^TU^*＝V^*DU^T＝V^*D；

基于幺正矩阵特性，从V^*D分离从第一通信设备到第二通信设备的方向上的发射权重V；以及

用从第一通信设备到第二通信设备的方向上的发射权重V对数据进行加权，并且发射数据。

10.一种计算机程序，其以计算机可读形式编码，以在计算机***上执行这样的处理，其用于以通过利用矩阵UDV^H而确定的发射和接收权重执行空间复用传输，其中矩阵UDV^H是通过以发射天线和接收天线对为元素的信道矩阵H的奇异值分解而获得的，所述计算机程序包括以下步骤：

在执行从第一通信设备到第二通信设备的方向上从另一端的数据通信的情况下，

基于从另一端接收的参考信号，获取从第一通信设备到第二通信设备的方向上的信道矩阵H；

执行所获取的信道矩阵H的奇异值分解，以得到UDV^H；

接收在从另一端的正方向上发射的用户数据，并且用通过奇异值分解从所获取的信道矩阵H导出的接收权重U^H对用户数据进行加权；以及

通过使用基于所获取的信道矩阵H的奇异值分解的结果而获得的U的共轭矩阵U^*作为发射权重，用到另一端的反方向上的发射权重对参考信号进行加权，并且发射参考信号。

11.一种计算机程序，其以计算机可读形式编码，以在计算机***上执行这样的处理，其用于以通过利用矩阵UDV^H而确定的发射和接收权重执行空间复用传输，其中矩阵UDV^H是通过以发射天线和接收天线对为元素的信道矩阵H的奇异值分解而获得的，所述计算机程序包括以下步骤：

在执行从第一通信设备到第二通信设备的方向上到另一端的数据通信的情况下，

接收以U的共轭矩阵U^*为从第二通信设备到第一通信设备的方向上的发射权重来加权的参考信号，并且获取H^TU^*＝V^*DU^T＝V^*D；

基于幺正矩阵特性，从V^*D分离从第一通信设备到第二通信设备的方向上的发射权重V；以及

用从第一通信设备到第二通信设备的方向上的发射权重V对数据进行加权，并且发射数据。

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