具有奇異值分解及前置最小均方誤差的發射波束成形的制作方法
【專利摘要】發射波束成形可以對發射信號進行引導，以降低MIMO系統的諸空間之間的干擾，并且在接收機處達成相長合并。一種進行引導矩陣計算的方法包括使用奇異值分解(SVD)。值得注意的是，SVD的奇異值(其代表MIMO系統中的諸流強度)呈降序。在均等調制中，信號強度降級使得最晚的流的接收EVM較差并且增加了分組差錯的概率。MMSE可以被用來對SVD中計算出的引導矩陣的引導向量進行加權。對諸奇異值的這種加權可以平衡諸流的SNR，藉此改善分組差錯率。
【專利說明】具有奇異值分解及前置最小均方誤差的發射波束成形
[0001] 背景
【技術領域】
[0002] 本發明涉及多輸入多輸出（ΜΜ0)通信系統，尤其涉及使用奇異值分解以及前置 最小均方誤差進行ΜΙΜΟ發射波束成形。
[0003] 相關技術
[0004] 在射頻通信系統中，使用多根天線可以在不使用額外的帶寬或者不增加發射功率 的情況下增加數據吞吐量。在稱為多輸入多輸出（ΜΙΜΟ)的一種天線配置中，在發射機和接 收機兩者上都使用了多根天線。具體而言，發射機藉由多根天線通過矩陣信道將多個流發 送到接收機，接收機使用其諸天線來接收那多個流。矩陣信道是由發射天線與接收天線之 間的所有路徑構成的。
[0005] 波束成形（其改變天線（發射天線和/或接收天線）的方向性）可以被用來達成 空間選擇性，并藉此改善ΜΜ0系統的性能。為了進行發射波束成形，一個或多個引導矩陣 可以被應用于待發射的數據，以確保從發射天線發射的信號相長地到達每一個指定的接收 天線處并且相消地到達除了指定的接收天線以外的其他接收天線處。這些引導矩陣可以控 制每一個天線所發射的信號的相位和振幅。
[0006] 發明概述
[0007] 描述了在多輸入多輸出（ΜΙΜΟ)通信系統中改善分組差錯率的方法。本方法包括 在收發機（包括發射機和接收機）處解壓縮多個存儲著的波束成形引導矩陣。這些存儲著 的波束成形引導矩陣與該收發機接收的射頻（RF)信號的多個副載波相關聯。可以藉由奇 異值分解（SVD)來分解奇異值。可以基于這些奇異值來計算預測信噪比（SNR)。在一個實 施例中，計算預測SNR可以包括計算經平均奇異值。可以基于奇異值來確定ΜΜ0通信系統 所使用的流的最大數目。最小均方誤差（MMSE)以及預測SNR可以被用來對存儲著的針對 這些流的波束成形引導矩陣的引導向量進行加權。經加權的引導向量可以被應用到待由該 收發機發射的數據以生成經波束成形的數據流。
[0008] 還描述了 ΜΜ0系統中的收發機。該收發機包括被配置為解壓縮多個存儲著的波 束成形引導矩陣的引導矩陣檢索塊。引導矩陣檢索塊可以包括前置最小均方誤差（前置 MMSE)塊，其被配置為基于預測信噪比（SNR)來確定最大數據流數目，以及使用預測SNR和 最大數據流數目對存儲著的波束成形引導矩陣的引導向量進行加權。該收發機可以進一步 包括編碼塊、多個乘法器、以及基帶處理塊。編碼塊可以被配置為接收待發射的數據，并且 將該數據拆分成與多個副載波對應的多個數據流，其中最大數據流數目等于或小于所述多 個數據流。每一個乘法器都可以接收來自前置MMSE塊的輸入并接收這多個數據流之一。基 帶處理塊可以被配置為將來自這多個乘法器的經波束成形的輸出從頻域轉換到時域中，并 且生成多個發射信號。
[0009] 引導矩陣檢索塊可以進一步包括相位平滑塊、內插/解群塊、相位偏移塊、以及平 滑塊。相位平滑塊可以被配置為通過將一個或多個引導向量旋轉預定的相位差來提供相位 連續性。內插/解群塊可以被配置為對經解壓縮的引導矩陣進行內插以獲得與所有副載波 相關聯的波束成形引導矩陣。在一個實施例中，內插/解群塊可包括平滑濾波器，用于使噪 聲對存儲著的波束成形引導矩陣的作用最小化。相位偏移塊可以被配置為補償在動態帶寬 引導中由循環移位定義（CSD)所引起的相位差。平滑塊可以被配置為提供存儲著的波束成 形引導矩陣在頻域中的連續性。
[0010] 描述了 ΜΙΜΟ系統中的另一種收發機。該收發機包括用于在收發機處解壓縮多個 存儲著的波束成形引導矩陣的裝置，用于確定ΜΙΜΟ通信系統所使用的流的最大數目（基于 奇異值的最大數目）的裝置，用于使用最小均方誤差（MMSE)和預測SNR來對這多個存儲著 的針對這些流的波束成形引導矩陣的引導向量進行加權的裝置，以及用于將經加權的引導 向量應用到待由該收發機發射的數據以生成經波束成形的數據流的裝置。
[0011] 描述了 ΜΙΜΟ通信系統中的又一種收發機。該收發機包括用于解壓縮多個存儲著 的波束成形引導矩陣的裝置，用于使用前置最小均方誤差（前置MMSE)方程以及預測信噪 比（SNR)來對存儲著的波束成形引導矩陣進行加權的裝置，用于將待發射的數據拆分成與 多個副載波對應的多個數據流的裝置，用于將來自用于解壓縮的裝置的輸出和來自用于拆 分的裝置的輸出相乘以生成經波束成形的信號的裝置，以及用于將經波束成形的信號從頻 域轉換到時域中藉此生成多個發射信號的裝置。
[0012] 還描述了存儲有用于改善ΜΜ0通信系統中的分組差錯率的指令的非瞬態計算機 可讀介質。此些指令在由收發機的處理器執行時執行以下步驟，包括：解壓縮多個存儲著的 波束成形引導矩陣，基于奇異值來計算預測信噪比（SNR)，基于奇異值來確定該ΜΜ0通信 系統所使用的流的最大數目，使用最小均方誤差（MMSE)以及預測SNR來對這些流的引導向 量進行加權，以及將經加權的引導向量應用到待由該收發機發射的數據以生成經波束成形 的數據流。
[0013] 附圖簡要說明
[0014] 圖1解說了配置成提供奇異值分解（SVD)以及前置最小均方誤差（前置MMSE)的 示例性收發機。
[0015] 圖2解說了示例性引導矩陣計算塊。
[0016] 圖3解說了示例性矩陣檢索塊。
[0017] 圖4解說了用于收發機的示例性SVD前置麗SE技術。
[0018] 圖5解說了在有無發射波束成形以及前置麗SE的情況下針對3個流的仿真結果。
[0019] 附圖詳細描述
[0020] 圖1解說了示例性收發機100(其可以執行接收和發射功能兩者，S卩，包括接收機 和發射機），其配置成確定以及應用引導矩陣來進行波束成形。在本實施例中，收發機100 包括Μ條接收鏈和Μ條發射鏈（M是大于1的整數）。接收射頻（RF)信號（例如空數據分 組（NDP)探通分組）的接收天線ΙΟΙ^ΙΟΙμ耦合到接收信號處理塊102。接收信號處理塊 102可以檢測分組、在有需要時放大RF信號、對RF信號進行濾波、對經濾波的信號執行模數 轉換（ADC)、將經數字化的信號從時域轉換到頻域（使用快速傅里葉變換）。
[0021] 接收信號處理單元102生成N個經處理信號，其中N是所使用的0FDM副載波的數 目，并且這N個經處理信號中的每一個對應于一特定的0FDM副載波。耦合到接收信號處理 塊102的信道估計塊103可以接收這N個經處理信號。信道估計塊103可以使用收到碼元 中的訓練碼元來確定與這N個OFDM副載波相對應的N個估計信道矩陣。
[0022] 耦合到信道估計塊103的引導矩陣計算塊104可以為這N個0FDM副載波中的每一 個生成一個或多個引導矩陣。因此，針對這N個0FDM副載波，存在至少N個引導矩陣。應當 注意，這N個引導矩陣中的每一個的行數和列數取決于空-時流的數目。在一個實施例中， 引導矩陣計算塊104也可以對引導矩陣進行編群及壓縮以使得存儲此信息所需的存儲器 最小化°題為"Transmitter Beamforming Steering Matrix Processing And Storage (發 射機波束成形引導矩陣處理和存儲）"、公開于2012年1月19日、并通過援引納入于此的 美國專利申請公開2012/0014415描述了示例性的壓縮技術。在一個實施例中，可以使用 Givens旋轉來執行壓縮。耦合到引導矩陣計算塊104的引導矩陣存儲塊105可以存儲這些 引導矩陣。
[0023] 為了進行發射波束成形，這些存儲著的信息可以被訪問和使用。具體而言，耦合到 引導矩陣存儲塊105的引導矩陣檢索塊106可以訪問存儲著的矩陣（如有需要則提供解壓 縮、以預測SNR進行加權、以及解群）并且將它們作為輸入提供給乘法器1(^-108^
[0024] 編碼塊107接收待發射的數據并且將該數據拆分成對應于這N個OFDM副載波的N 個數據流。編碼塊107和引導矩陣檢索塊106耦合到乘法器IOS^IOSm。使用來自于編碼塊 107和引導矩陣檢索塊106的輸入，乘法器108^1(^生成經波束成形的輸出。耦合到乘法 器lOSi-lOSM的基帶處理塊109可以將這N個經波束成形的輸出從頻域轉換到時域中（例 如使用快速傅里葉逆變換（IFFT))，提供恰適的調制和放大，并且生成Μ個發射信號。耦合 到基帶處理塊109的發射天線IK^-IIOm可以發射經處理的信號。在一個實施例中，接收信 號處理塊102、信道估計塊103和引導矩陣計算塊104可以被表征為收發機100的接收機的 一部分，而引導矩陣存儲塊105、引導矩陣檢索塊106、編碼塊107、混頻器108η和基帶處理 塊109可以被表征為收發機100的發射機的一部分。引導矩陣存儲塊105中的這些值在本 文中也被稱為反饋，因為接收機將關于發射波束成形的信息反饋給發射機。
[0025] 圖2解說了示例性引導矩陣計算塊104。在該實施例中，引導矩陣計算塊104包括 平滑塊201、奇異值分解（SVD)塊202、壓縮塊203以及編群塊204。平滑塊201從信道估 計塊103 (圖1)接收信道估計（Η)并且為每一個0FDM副載波生成信道矩陣（其中每一個 0FDM副載波與特異的引導矩陣相關聯）。平滑塊201可以由能夠使噪聲對信道估計的作用 最小化的濾波器來實現。舉例來說，示例性濾波器包括移動平均濾波器或者任何合適的低 通濾波器。平滑塊201輸出經平滑的信道估計H s。
[0026] 奇異值分解（SVD)塊202可以分解經平滑的信道估計Hs以生成多個引導矩陣V， 其中每一個0FDM副載波有一個引導矩陣與之對應。SVD塊202可以將每一個引導矩陣分解 為左正交矩陣和右正交矩陣以及對角矩陣（均會在以下進一步詳述）。值得注意的是，該對 角矩陣是由呈降序的奇異值S構成的。使用SVD引導矩陣的均等信道調制可以在第一流上 提供最好的SNR，并在最后一個流上提供最差的SNR。非均等信道調制可以有利地在發射波 束成形中為不同SNR提供合適的調制類型。應當注意，在不使用非均等調制的情況下，具有 最低SNR的流將會主導分組差錯率。SVD塊202還可以通過對諸奇異值S取平均來生成這 些副載波的預測信噪比（SNR)。每一個流的預測SNR將是通過在有效副載波上對諸奇異值 取平均來計算的。
[0027] 壓縮塊203對與諸0FDM副載波相關聯的這些引導矩陣V進行壓縮。在一個實施 例中，可以使用Givens旋轉來提供此壓縮。在一個實施例中，編群塊204接收預測SNR以 及經壓縮引導矩陣CV，但是僅保留預定義數目的引導矩陣以便減小存儲所需的存儲器或者 反饋開銷。保留的引導矩陣的數目可以基于壓縮系數、可用存儲、允許的開銷、副載波差錯 率等來確定。在一個優選的實施例中，SNR連同與所保留的引導矩陣相關聯的副載波（如 在適用的標準（例如802. lln、802. llac等）中所定義的）、以及編群信息（Ng = 0, 1，2,等 等）也可以被作為反饋進行發送。這樣，引導矩陣存儲塊1〇5(圖1)可以存儲經編群且經 壓縮的引導矩陣，預測SNR、以及定義的副載波。
[0028] 圖3解說了示例性引導矩陣檢索塊106。在本實施例中，引導矩陣檢索塊106包括 解壓縮塊301，其將與每一個0FDM副載波相關聯的經壓縮引導矩陣CV解壓縮。在一個實施 例中，解壓縮塊301可以實現從Givens角來重新生成引導矩陣的功能性。空間映射塊302 可以將空間映射矩陣應用到經解壓縮的引導矩陣V以得到等效信道以及顯式探通信道。
[0029] 前置最小均方誤差（前置MMSE)塊303可以使用加權方法來平衡諸流的強度，即， 以與發射天線的數目等量的方式引導最多的流。在其中（收發機100的）接收機并不支持 最大似然（ML)解碼器一個實施例中，前置MMSE塊303還可以確定使數據流的數目與發射 鏈的數目同量的速率。此外，預測SNR(由引導矩陣存儲塊105提供并由前置麗SE模塊303 訪問）可以被用來對存儲著的波束成形引導矩陣的向量進行加權。
[0030] 由于由SVD塊202生成的引導矩陣并不是唯一性的，因此跨諸經解壓縮的引導矩 陣的相位也可能在頻域中不是連續的。跨接連的引導矩陣的引導向量的相位連續性可以確 保接收機處的更好性能。在一個實施例中，相位平滑塊304可通過將一個或多個引導向量 旋轉預定的相位差來確保相位連續性。相位差估計和相位旋轉操作可以針對與所有副載波 相關聯的每一組接連引導矩陣來執行。
[0031] 內插/解群塊305可以對經解壓縮的引導矩陣進行內插以獲得與所有副載波相關 聯的引導矩陣。如上所提及的，編群塊204(圖2)可以指示僅應存儲這些引導矩陣的子集。 引導矩陣內插/解群塊305可使用任何內插技術（例如，線性內插、樣條內插等）來取得在 編群過程期間被丟棄的引導矩陣。例如，引導矩陣內插/解群塊305可以從與存儲著的引 導矩陣相關聯的Givens角來確定與被丟棄的引導矩陣相關聯的Givens角。在一個實施例 中，內插/解群塊305還可包括平滑濾波器以使得噪聲對引導矩陣的作用最小化。
[0032] 相位偏移塊306可以補償在動態帶寬引導中由CSD (循環移位定義，參見例如IEEE 802. lln標準，圖20. 2)引起的相位差。在一個實施例中，CV報告的帶寬可能與經引導分組 的帶寬不同。具體而言，為了降低探通和反饋開銷，可以使用具有較寬帶寬的CV報告來引 導較窄帶寬的分組。例如，當接收到80MHz帶寬的CV報告時，該80MHz帶寬CV的局部副載 波可以被用來引導20MHz或者40MHz帶寬的分組。替換地，20MHz帶寬的分組可以用40MHz 的CV報告來引導。應當注意，需要相位偏移來正確地選擇對應的副載波并且內插任何缺失 的頻調。此外，需要相位偏移來校正不同發射鏈上的CSD相位差。該相位偏移可使用下式 來計算：
[0033] Δ Θ = exp (j2 π · csd · ( Δ f))
[0034] 其中Λ f是引導和探通之間的中心頻率差。
[0035] 應當注意，當應用引導矩陣時，可能會改變發射天線的功率。在此情形中，為了符 合IEEE (EVM以及頻譜遮罩）以及管制要求，功率加權塊307可以引入功率系數以限制在每 一條Tx (發射）鏈上發射的帶內功率。功率加權塊307的第一實施例可以對每一條鏈應用 不同的比例來發射最大功率。功率加權塊307的第二實施例向所有鏈應用相同的比例來保 持波束成形方向，但是發射較小的功率。V平滑塊308能夠確保引導矩陣在頻域中的連續 性。
[0036] 回到圖2,對于每一個副載波，SVD塊202可以將信道響應分解為兩個正交矩陣和 一個對角矩陣。正交矩陣是方陣，其所有的向量（列和行）具有單位長度。對角矩陣是方 陣，其在對角線上（左上角到右下角）有值，而在所有非對角線位置上具有〇。
[0037] 具體而言，每一個副載波的信道矩陣可以由SVD塊202分解如下：
[0038] Hmm = UnxnSnxmV/mxm
[0039] 其中?是ηΧη正交酉陣，V，（V的共軛轉置）是mXm正交酉陣，并且S是nXm對 角矩陣。S的對角線元素 Su被稱為Η的奇異值。U的η列以及V的m列分別被稱為Η的 左奇異向量和右奇異向量。
[0040] 通過在引導矩陣檢索塊106中移除右側正交矩陣，等效信道矩陣就將變成在諸流 間沒有干擾的正交矩陣。具體而言，具有引導矩陣的等效信道可以被表示為：
[0041] Heq = US
[0042] 并且收到信號Y可以被表示為：
[0043]
【權利要求】
1. 一種用于在多輸入多輸出（ΜΙΜΟ)通信系統中改善分組差錯率的方法，所述方法包 括： 在收發機處解壓縮多個存儲著的波束成形引導矩陣，其中所述多個存儲著的波束成形 引導矩陣與所述收發機所接收的射頻信號的多個副載波相關聯； 通過奇異值分解（SVD)來分解奇異值； 基于所述奇異值來確定所述ΜΜ0通信系統所使用的流的最大數目； 使用最小均方誤差（MMSE)和預測SNR來對存儲著的針對所述流的波束成形引導矩陣 的引導向量進行加權；以及 將經加權的引導向量應用于待由所述收發機發射的數據以生成經波束成形的數據流。
2. 如權利要求1所述的方法，其中計算所述預測SNR包括計算經平均奇異值。
3. -種在多輸入多輸出通信系統中的收發機，所述收發機包括： 引導矩陣檢索塊，配置為多個存儲著的波束成形引導矩陣，其中所述多個存儲著的波 束成形引導矩陣與所述收發機所接收的射頻信號的多個副載波相關聯，所述引導矩陣檢索 塊包括： 前置最小均方誤差（前置MMSE)塊，配置為基于預測信噪比（SNR)來確定最大數據流 數目，以及使用所述預測SNR和所述最大數據流數目對存儲著的波束成形引導矩陣的引導 向量進行加權； 編碼塊，配置為接收待發射的數據，并且將所述數據拆分成與所述多個副載波相對應 的多個數據流，其中所述最大數據流數目等于或小于所述多個數據流； 多個乘法器，每一個乘法器接收來自所述前置MMSE塊的輸入并接收所述多個數據流 中的一個數據流；以及 基帶處理塊，配置為將來自所述多個乘法器的經波束成形的輸出從頻域轉換到時域 中，并且生成多個發射信號。
4. 如權利要求3所述的收發機，其中所述引導矩陣檢索塊進一步包括： 相位平滑塊，配置為通過將所述存儲著的波束成形引導矩陣的一個或多個引導向量旋 轉預定相位差來提供相位連續性。
5. 如權利要求3所述的收發機，其中所述引導矩陣檢索塊進一步包括： 內插/解群塊，配置為對所述存儲著的波束成形引導矩陣進行內插以獲得與所有副載 波相關聯的波束成形引導矩陣。
6. 如權利要求5所述的收發機，其中所述內插/解群塊包括平滑濾波器，用于使得噪聲 對所述存儲著的波束成形引導矩陣的作用最小化。
7. 如權利要求3所述的收發機，其中所述引導矩陣檢索塊進一步包括： 相位偏移塊，配置為補償在動態帶寬引導中由循環位移定義（CSD)所引起的相位差。
8. 如權利要求3所述的收發機，其中所述引導矩陣檢索塊進一步包括： 平滑塊，配置為提供所述存儲著的波束成形引導矩陣在頻域中的連續性。
9. 如權利要求3所述的收發機，進一步包括引導矩陣計算塊，用于生成所述存儲著的 波束成形引導矩陣，所述引導矩陣計算塊包括： 平滑塊，用于使得噪聲對信道估計的作用最小化，以及生成經平滑的信道估計； 奇異值分解（SVD)塊，用于分解經平滑的信道估計以生成與所述副載波對應的引導矩 陣；以及 壓縮塊，用于壓縮所述引導矩陣，其中經壓縮的引導矩陣中至少有一些引導矩陣是所 述存儲著的波束成形引導矩陣。
10. 如權利要求9所述的收發機，其中所述引導矩陣計算塊進一步包括編群塊，用于確 定所述經壓縮的引導矩陣中哪些被保留作為所述存儲著的波束成形引導矩陣。
11. 如權利要求10所述的收發機，進一步包括引導矩陣存儲塊，用于存儲所述存儲著 的波束成形引導矩陣。
12. -種在多輸入多輸出通信系統中的收發機，所述收發機包括： 用于在所述收發機處解壓縮多個存儲著的波束成形引導矩陣的裝置，其中所述多個存 儲著的波束成形引導矩陣與所述收發機所接收的射頻信號的多個副載波相關聯； 用于確定所述MMO通信系統所使用的流的最大數目的裝置，流的所述最大數目是基 于奇異值的； 用于使用最小均方誤差（MMSE)以及預測信噪比（SNR)對所述多個存儲著的針對所述 流的波束成形引導矩陣的引導向量進行加權的裝置；以及 用于將經加權的引導向量應用于待由所述收發機發射的數據以生成經波束成形的數 據流的裝置。
13. -種在多輸入多輸出通信系統中的收發機，所述收發機包括： 用于解壓縮多個存儲著的波束成形引導矩陣的裝置，其中所述多個存儲著的波束成形 引導矩陣與所述收發機所接收的射頻信號的多個副載波相關聯； 用于使用前置最小均方誤差（前置MMSE)方程以及預測信噪比（SNR)對所述存儲著的 波束成形引導矩陣進行加權的裝置； 用于將待發射的數據拆分成與所述多個副載波相對應的多個數據流的裝置； 用于將來自所述用于使用的裝置的輸出以及來自所述用于拆分的裝置的輸出相乘以 生成經波束成形的信號的裝置；以及 用于將經波束成形的信號從頻域變換到時域中，藉此生成多個發射信號的裝置。
14. 一種非瞬態計算機可讀介質，其存儲用來在多輸入多輸出（ΜΙΜΟ)通信系統中改善 分組差錯率的指令，所述指令在由收發機的處理器執行時執行包括如下的步驟： 解壓縮多個存儲著的波束成形引導矩陣，其中所述多個存儲著的波束成形引導矩陣與 所述收發機所接收的射頻信號的多個副載波相關聯； 通過奇異值分解（SVD)來分解奇異值； 基于所述奇異值來計算預測信噪比（SNR); 基于所述奇異值來確定所述ΜΜ0通信系統所使用的流的最大數目； 使用最小均方誤差（MMSE)以及所述預測SNR來對所述流的引導向量進行加權；以及 將經加權的引導向量應用于待由所述收發機發射的數據以生成經波束成形的數據流。
15. 如權利要求14所述的非瞬態計算機可讀介質，其中所述計算預測SNR的步驟包括 對所述奇異值取平均。
【文檔編號】H04B7/06GK104254982SQ201380021520
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年4月18日 優先權日:2012年4月26日
【發明者】C-L·蘇, N·張 申請人:高通股份有限公司