CN101933269A - 无线通信系统、无线通信设备和通信控制方法 - Google Patents

Abstract

信道估计/预测单元(18)估计信道并针对下一传输时隙预测多个信道。SVD单元(19)对多个信道预测值中的每一个进行奇异值分解。本征值计算单元(20)计算时隙中的多个本征值。本征模质量计算单元(21)在考虑本征值在时隙中的变化频率的情况下针对每个本征模计算一个质量，并将该质量输出至传输自适应控制单元(22)。

Description

无线通信系统、无线通信设备和通信控制方法

相关申请的交叉引用

本申请要求日本专利申请No.2008-19546(于2008年1月30日提交)的优先权，其全部内容以引用的方式并入于此。

技术领域

本发明涉及使用MIMO通信的无线通信系统、无线通信设备和通信控制方法。

背景技术

近年来，当在使用多个天线发送和接收数据的MIMO(多输入多输出)通信中，SVD(奇异值分解)方案使用称作本征模的独立信道时，通信系统通过根据本征模的本征值来控制传输功率以及每个本征模的调制方案，显著地增大了传输容量。然而，如果由于某种原因而使正交性破坏，则在使用本征模的MIMO通信中传输特性严重恶化。

为了解决这种问题，专利文献1提出，利用作为已知信息的多普勒频率等等，通过基于该已知信息计算SINR(信号与干扰加噪声比)并执行控制，防止在正交性破坏时特性恶化。专利文献1涉及：用于对信道进行估计的时隙与用于实际发送数据的时隙不同，并且信道由于多普勒变化而改变。作为用于解决这种问题的技术，该文献提出了一种MIMO本征模自适应传输系统，用于基于由于多普勒变化而引起的信道估计差错的估计值、本征波束的增益损失的估计值和本征波束之间的干扰的估计值，来计算本征模的SINR值，从而在考虑到具有多普勒变化的实际环境的情况下结合自适应编码调制功能以及简单且高效的自适应功率控制功能。

专利文献1：日本专利申请未审公开No.2005-252834

发明内容

本发明要解决的技术问题

另一方面，普遍研究了一种用于预测信道变化的方案。如果提供了高度精确的信道预测方案，则上述本征波束的增益损失的估计值以及本征波束之间的干扰的估计值变小，从而，MIMO本征模自适应传输受到较小影响。

相反，如多普勒变化变大，则不仅信道估计时隙与数据传输时隙之间的信道变化变大，而且时隙内的信道变化也变大。如果高度精确的信道变化预测方案甚至在这种条件下也足够有效，即，如果该方案能够预测数据传输时隙中的信道变化，还能够根据在数据传输时隙中预测的信道来更新传输权重，则增益损失的估计值以及本征波束之间的干扰的估计值保持较小。

然而，每个本征模的本征值根据信道变化而在时隙内改变。图4是示意了本征值的累积分布的图，其指示了当信道预测值适当时每个本征模的质量，而图5是示例了时隙内每个本征模的本征值的变化的图。图4和图5示出了本征值大的较高本征模具有较小的本征值变化，本征值小的较低本征模具有较大的本征值变化。

在这种条件下，如果基于时隙中每个本征模的本征值的平均值来计算本征模的质量(SINR)并将本征模的质量用于传输自适应控制，则特别是在较低本征模中，产生具有比所设想的要低的本征值的多个符号，这导致传输特性恶化。

为了解决这种问题，本发明的目的是提供无线通信系统、无线通信设备和通信控制方法，即使终端高速移动，导致显著的信道变化，也能够高效地对MIMO等执行自适应控制。

技术方案

为了达到上述目的，本发明的特征在于一种无线通信系统，用于通过本征模来执行发送设备与接收设备之间的无线通信，所述无线通信系统包括：信道预测单元，用于基于所述发送设备与所述接收设备之间的信道估计，计算所述发送设备在传输时的信道预测值；本征值计算单元，用于基于由所述信道预测单元计算的信道预测值，在预定时间段中计算多个本征值；本征模质量计算单元，用于基于由所述本征值计算单元计算的多个本征值，计算用于指示所述预定时间段中的本征模的质量的值；以及控制单元，用于基于由所述本征模质量计算单元计算的值，对传输时的预定处理进行控制，其中，所述本征模质量计算单元根据在所述预定时间段中由所述本征值计算单元计算的多个本征值的变化频率，来控制用于指示本征模的质量的值。

优选地，所述本征模质量计算单元基于所述预定时间段中的所述多个本征值的平均值来计算用于指示本征模的质量的值，并根据所述预定时间段中的所述多个本征值的变化频率，基于等于或小于所述平均值的值，来计算用于指示本征模的质量的值。此外，优选地，所述本征模质量计算单元根据所述变化频率，控制所述平均值的减少值。

此外，本发明的特征在于一种无线通信设备，用于通过本征模来执行无线通信，所述无线通信设备包括：信道预测单元，用于基于所述无线通信设备与对等无线通信设备之间的信道估计，计算传输时的信道预测值；本征值计算单元，用于基于由所述信道预测单元计算的信道预测值，在预定时间段中计算多个本征值；本征模质量计算单元，用于基于由所述本征值计算单元计算的多个本征值，计算用于指示所述预定时间段中的本征模的质量的值；以及控制单元，用于基于由所述本征模质量计算单元计算的值，对传输时的预定处理进行控制，其中，所述本征模质量计算单元根据在所述预定时间段中由所述本征值计算单元计算的多个本征值的变化频率，来控制用于指示本征模的质量的值。

此外，本发明的特征在于一种无线通信系统的通信控制方法，所述无线通信系统用于通过本征模来执行发送设备与接收设备之间的无线通信，所述通信控制方法包括以下步骤：基于所述发送设备与所述接收设备之间的信道估计，计算所述发送设备在传输时的信道预测值；基于所述信道预测值，在预定时间段中计算多个本征值；基于所述多个本征值，计算用于指示所述预定时间段中的本征模的质量的值，并根据在所述预定时间段中计算的多个本征值的变化频率，控制用于指示本征模的质量的值；以及基于所控制的用于指示本征模的质量的值，对传输时的预定处理进行控制。

有益效果

即使由于终端的高速移动等原因造成显著的信道变化，本发明也能够通过考虑传输时隙中本征值的变化来有效地对MIMO等执行自适应控制。

附图说明

图1是示意了根据本发明的无线通信系统的基本配置的图；

图2是示意了本发明的操作的流程图；

图3是示意了基于多个信道估计值、针对传输时隙预测多个信道的状态的图；

图4是示意了本征值的累积分布作为每个本征模的质量的图；以及

图5是示例了时隙中每个本征模的本征值的变化的图。

具体实施方式

将参照附图来描述本发明的优选实施例。图1是示意了根据本发明的无线通信系统的基本配置的图。如图1所示，发送设备1具有S/P单元11、自适应调制和编码单元12、自适应传输功率控制单元13和发送波束成形单元14，而接收设备2具有接收天线处理单元15、解调处理单元16和P/S单元17。可以向发送设备1或接收设备2提供信道估计单元18、SVD单元19、本征值计算单元20、本征模质量计算单元21和传输自适应控制单元22。

S/P单元11对发送数据执行串行至并行转换，并输出每个本征模的发送数据。自适应调制和编码单元12根据传输自适应控制单元22的输出来对每个本征模的发送数据进行调制和编码。自适应传输功率控制单元13根据来自传输自适应控制单元22的输出，控制从自适应调制和编码单元12输出的每个本征模的发送信号的传输功率。发送波束成形单元14通过将从自适应传输功率控制单元13输出的发送信号与从SVD单元19输出的发送权重相乘来形成发送本征波束，并且还对每个发射天线的信号进行复用。

在多个发射天线与多个接收天线之间形成MIMO信道。接收天线处理单元15通过基于从信道估计和预测单元18输出的信道估计结果来计算接收权重，从而执行空间滤波；或通过执行最大似然接收过程，来提取每个本征模的信号。解调处理单元16基于来自传输自适应控制单元22的输出信息来对每个本征模的信号执行纠错解调等，并输出接收数据。P/S单元17对每个本征模的接收数据来执行并行至串行转换。

信道估计和预测单元18对发送设备1与接收设备2之间的信道进行估计，并基于所估计的信道，计算传输时的多个信道预测值。SVD单元19对由信道估计和预测单元18计算的多个信道预测值中的每一个执行奇异值分解。本征值计算单元20基于从SVD单元19获得的每个本征模的多个奇异值，在预定时间段中(在一个时隙中)计算本征值。本征模质量计算单元21基于由本征值计算单元20计算的多个本征值来计算用于指示预定时间段中的本征模的质量的值，并根据在预定时间段中计算的多个本征值的变化频率来控制用于指示本征模的质量的值。传输自适应控制单元22基于由本征模质量计算单元21计算的值来对传输时的预定处理(传输功率控制和/或调制和编码控制)进行控制。

此外，本征模质量计算单元21基于预定时间段中的多个本征值的平均值来计算用于指示本征模的质量的值，根据预定时间段中的多个本征值的变化频率，基于等于或小于所述平均值的值来计算用于指示本征模的质量的值，此外，根据所述变化频率来控制所述平均值的减少值。

图2是示意了根据本发明的无线通信系统的操作的流程图。该流程图假定了信道由于终端的移动等而改变。

首先，信道估计和预测单元18执行信道估计并执行时隙的信道预测，以实际发送数据(步骤101)。在发送侧或接收侧可以提供信道估计和预测单元18。对于FDD(频分双工)，例如，在接收侧提供信道估计和预测单元18，而对于TDD(时分双工)，在发送侧和接收侧都提供信道估计和预测单元18。还可以在接收侧和在发送侧分别设计估计和预测。例如，将在接收侧估计的信道反馈给发送侧，并且，发送侧基于所反馈的信道估计值来预测时隙的信道，以实际发送数据。针对一个时隙预测不止一个信道。图3是示意了以下状态的图：其中，根据信道估计时隙的训练信号(Tr)来执行信道估计，并根据多个信道估计值、针对传输时隙来预测多个信道。

接下来，SVD单元19对信道矩阵执行奇异值分解(步骤102)。由于信道估计和预测单元18针对单个时隙预测多个信道，因此SVD针对该时隙存在多个结果。

如果发射天线的数目是N_T并且接收天线的数目是N_R，则信道估计和预测单元18所预测的信道矩阵是矩阵N_T×N_R并表达为：

[公式1]

H(l)

其中l是传输时隙的样本数，样本数是所预测的信道的数目L。L是单个时隙的最大符号数。可以利用奇异值分解来处理信道矩阵，如下所示：

[公式2]

H(l)＝U(l)∑(l)V^H(l)

[公式3]

∑(l)

是对角矩阵，具有用于指示M＝min[N_T，N_R]个正交信道(本征模)的转移函数的奇异值作为元素，如下所示：

[公式4]

$\mathrm{\Σ}\left(l\right)=\mathrm{diag}[\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1\left(l\right)},...,\sqrt{{\mathrm{\λ}}_M\left(l\right)}]$

其中假定λ_m(l)以降序来排序。

接下来，本征值计算单元20基于从SVD单元19获得的每个本征模的多个奇异值来计算时隙中的多个本征值，本征模质量计算单元21在考虑针对每个本征模、在时隙中的本征值的变化(分散、扩展、变化)的频率的情况下，计算单一质量(有效SNR(信噪比))(步骤103)。应当注意，基本上，针对每时隙每个本征模有一个计算结果。这是由于为了在该时隙中采用多个传输自适应控制，有必要向接收侧通知控制信息，但控制信息的增加使吞吐量减小。通过以下公式来针对第m个本征模的本征值计算SNR：

[公式5]

${\mathrm{SNR}}_m\left(l\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_m\left(l\right)}{{\mathrm{\σ}}^2}$

其中σ²指示噪声功率。

如果多普勒变化较小，则通过根据L个本征值计算SNR的平均值来获得有效SNR不存在问题。然而，如果多普勒变化较大，则SNR低于平均值的符号的数目增多。如图4和5所示，本征模越低，这种现象越显著。如果传输自适应控制单元22没有预期到时隙中本征值有大的变化，则特别是在更低的本征模中，这将导致特性恶化。

为了解决这种问题，如下计算第m个本征模的有效SNR(Eff.SNR_m[dB])，例如：

[公式6]

$\mathrm{Ave}.{\mathrm{SNR}}_m=10\log 10\left(\frac{1}{L}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\λ}}_m\left(l\right)}{{\mathrm{\σ}}^2}\right)$

$\mathrm{SD}.{\mathrm{SNR}}_m=\sqrt{\frac{1}{L}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{|10\log 10\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_m\left(l\right)}{{\mathrm{\σ}}^2}\right)-\mathrm{Ave}.{\mathrm{SNR}}_m|}^2}$

Eff.SNR_m＝Ave.SNR_m-αSD.SNR_m

其中，Ave.SNR_m[dB]是本征值的平均值，而SD.SNR_m[dB]是标准差。α是常量，并被自适应传输控制预设为使性能最大化。

使用通过从本征值的平均值中减去标准差而计算出的值作为如上所述的质量计算的结果，本征模质量计算单元21例如可以降低产生质量比预期要低的符号的概率，从而即使在更低的本征模中也获得期望的通信质量。本征模质量计算单元21可以使用通过从本征值的平均值中减去最大值与最小值之间的差值等而计算出的值等等作为质量计算的结果。

即，在时隙中本征值的变化频率越大，本征值质量计算单元21从时隙中本征值的平均值将值降到越低。

接下来，基于上述有效SNR，传输自适应控制单元22计算要使用的本征模的数目、每个本征模的编码调制方案、以及传输功率(步骤104)。此外，自适应调制和编码单元12根据传输自适应控制单元22的计算结果来对每个本征模的发送数据进行调制和编码，自适应传输功率控制单元13根据传输自适应控制单元22的计算结果来控制由自适应调制和编码单元12输出的每个本征模的发送信号的传输功率，以产生本征模发送信号(步骤105)。

在发送波束成形单元14中将所产生的本征模发送信号与从SVD单元19输出的发送权重相乘，以形成发送本征波束并从发射天线发送(步骤106)。通过在多个发射天线与多个接收天线之间形成的MIMO信道来传播本征波束(步骤107)。

接收侧处理本征模的接收信号(步骤108)。即，接收天线处理单元15通过基于由信道估计和预测单元18输出的信道估计结果来计算接收权重从而执行空间滤波；或执行最大似然接收过程，以提取每个本征模的信号。此外，解调处理单元16根据传输自适应控制单元22的计算结果来对每个本征模的信号执行如纠错解码之类的过程。

应当注意，SVD单元不是必须执行奇异值分解。例如，SVD单元可以执行以下过程：从预定的权重组(称为码本)中找到最大化本征值的权重的码号。即，此时SVD单元可以执行找到发送权重和本征模的本征值(奇异值)的过程。

如上所述，根据本发明，即使在由于多普勒变化等而引起显著的信道变化的环境下，也可以通过在计算质量时考虑传输时隙中的本征值的变化，来适当地执行传输自适应控制。

Claims (5)

1.一种无线通信系统，用于通过本征模来执行发送设备与接收设备之间的无线通信，所述无线通信系统包括：

信道预测单元，用于基于所述发送设备与所述接收设备之间的信道估计，计算所述发送设备在传输时的信道预测值；

本征值计算单元，用于基于由所述信道预测单元计算的信道预测值，在预定时间段中计算多个本征值；

本征模质量计算单元，用于基于由所述本征值计算单元计算的多个本征值，计算用于指示所述预定时间段中的本征模的质量的值；以及

控制单元，用于基于由所述本征模质量计算单元计算的值，对传输时的预定处理进行控制，

其中，所述本征模质量计算单元根据在所述预定时间段中由所述本征值计算单元计算的多个本征值的变化频率，来控制用于指示本征模的质量的值。

2.根据权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述本征模质量计算单元基于所述预定时间段中的所述多个本征值的平均值来计算用于指示本征模的质量的值，以及

根据所述预定时间段中的所述多个本征值的变化频率，基于等于或小于所述平均值的值，来计算用于指示本征模的质量的值。

3.根据权利要求2所述的无线通信系统，其中，所述本征模质量计算单元根据所述变化频率来控制所述平均值的减少值。

4.一种无线通信设备，用于通过本征模来执行无线通信，所述无线通信设备包括：

信道预测单元，用于基于所述无线通信设备与对等无线通信设备之间的信道估计，计算传输时的信道预测值；

本征值计算单元，用于基于由所述信道预测单元计算的信道预测值，在预定时间段中计算多个本征值；

本征模质量计算单元，用于基于由所述本征值计算单元计算的多个本征值，计算用于指示所述预定时间段中的本征模的质量的值；以及

控制单元，用于基于由所述本征模质量计算单元计算的值，对传输时的预定处理进行控制，

其中，所述本征模质量计算单元根据在所述预定时间段中由所述本征值计算单元计算的多个本征值的变化频率，来控制用于指示本征模的质量的值。

5.一种无线通信系统的通信控制方法，所述无线通信系统用于通过本征模来执行发送设备与接收设备之间的无线通信，所述通信控制方法包括以下步骤：

基于所述发送设备与所述接收设备之间的信道估计，计算所述发送设备在传输时的信道预测值；

基于所计算的信道预测值，在预定时间段中计算多个本征值；

基于所计算的多个本征值，计算用于指示所述预定时间段中的本征模的质量的值，并根据在所述预定时间段中计算的多个本征值的变化频率，控制用于指示本征模的质量的值；以及

基于所控制的用于指示本征模的质量的值，对传输时的预定处理进行控制。

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