CN100438370C

CN100438370C - 多个传输模式的多输入、多输出(mimo)系统

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Publication number: CN100438370C
Application number: CNB038091674A
Authority: CN
Inventors: I·梅德弗德夫; J·R·沃尔顿; M·华莱士
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2023-02-19
Also published as: AU2003213214C1; JP2010154540A; KR20040091671A; JP2013081188A; US7738428B2; US8467340B2; KR101123596B1; CN1653721A; WO2003073646A1; JP5265590B2; US20100166100A1; US20030161282A1; CA2477536C; AU2003213214A1; EP1479177A1; TWI312243B; BR0307948A; HK1078389A1; JP2010158034A; US20050094598A1

Abstract

在使用需要更少信道状态信息(CSI)的多个传输方案的多信道通信系统内的多个传输信道上发送数据的技术。这些方案包括部分CSI传输方案，它在每个选用的发射天线上发送单个数据流，“波束形成”传输方案，它将所有发射功率分配给带有最佳性能的单个传输信道。每个传输方案还为特定操作条件(即工作SNR)范围提供较好或接近最优的性能。这些多个传输方案可以以每部分方式经组合以形成覆盖MIMO系统支持的操作条件全范围内的“多模式”传输方案。用于任何时刻的数据传输的特定传输方案取决于系统在该时刻经历的操作条件。

Description

多个传输模式的多输入、多输出(MIMO)系统

背景

领域

本发明一般涉及数据通信，尤其涉及带有多种传输模式的多信道通信系统(例如多输入、多输出(MIMO)系统)。

背景

在无线通信系统中，来自发射机单元的RF已调信号可以通过多个传播路径到达接收机单元。传播路径的特征一般由于诸如衰落和多径的多个因子而随时间改变。为了提供抗有害路径影响的分集并改善性能，可以使用多个发射和接收天线。如果发射和接收天线间的传播路径是线性独立的(即在一个路径上的传输不是由其它路径上的传输的线性组合形成的)，这在一定程度上为真，则正确地接收到数据传输的可能性随着天线数目的增加而增加。一般，发射和接收天线增加导致分集增加和性能改善。

多输入多输出(MIMO)通信系统使用多个(N_T)发射天线和多个(N_R)接收天线进行数据传输。由N_T个发射天线和N_R个接收天线形成的MIMO信道可能被分解为N_S个独立信道，其中N_S≤min{N_T，N_R}。N_S个独立信道的每个还被称为MIMO信道的空间子信道，并对应一维。如果使用由多个发射和接收天线建立的附加维数，则MIMO系统能提供改善的性能(例如增加的传输容量)。例如，可以在N_S个空间子信道的每个上发送独立数据流以增加系统频谱效率。

MIMO系统的空间子信道可以经历不同信道条件(例如不同的衰减和多径效应)且可能对于给定发射功率量获得不同信号对噪声和干扰比(SNR)。因此，空间子信道可以支持的数据速率可以每个子信道不同，这取决于分配给数据流和其获得SNR的发射功率量。由于信道条件一般随时间改变，则空间子信道的传输容量也随着时间改变。

编码的通信系统内的关键挑战是有效利用总发射功率P_tot，该总功率是基于信道条件在N_S个空间子信道上在发射机处可用于数据传输的功率。各种方案可以用于在空间子信道上发送数据。每个传输方案可以要求关于MIMO信道的一定类型的信息，并做出一定关于在发射机接收机处的信号处理的假定。一般，更复杂的传输方案可以获得接近最优的频谱效率，这是通过将不同量的发射功率分配给不同容量的空间子信道并在这些子信道上发送之前对数据流进行预调整。然而，这些传输方案议案需要关于MIMO信道更多的信息，这可能在接收机处很难获得，且还需要空中链接资源以报告给发射机。较不复杂的传输方案可以在有限范围的操作条件上提供较好的性能，但需要较少的信道信息。

因此领域内需要一种能在MIMO系统内发送数据以获得高频谱效率并减少复杂度的技术。

概述

在此提供一些在多信道通信系统内的可用传输信道上发送数据的方法，以获得更高的总系统频谱效率和/或其他好处。传输信号可以对应MIMO系统的空间子信道、OFDM系统的频率子信道或MIMO-OFDM系统内的频率子信道的空间子信道。

在一方面，多个传输方案被选择性地用于提供接近最优的总效率。每种传输方案取决于在发射机处是否有全或部分信道状态信息(CSI)(在以下描述)以在传输信道上传输前在发射机处处理数据。对于部分CSI传输方案，数据流可以在每个发射天线上被发送(例如在天线的峰值发射功率)。N_T个发射天线的所有或一个子集可以用于在任何时刻的数据传输。

对于全CSI传输方案，一个或多个数据流基于全CSI处理(或其变体，如下描述)在发射机处经处理，并在MIMO信道上发送。全CSI传输方案包括灌水传输方案、“选择性信道求逆”传输方案、“均匀”传输方案、“主本征模式波束形成”传输方案以及“波束操纵”传输方案，所有都依赖于发射机处的全CSI处理。灌水传输方案将更多的发射功率分配给噪声较少的传输信道，而将更少的发射功率分配给噪声较多的传输信道。灌水传输方案是最优的，且可以获得容量。选择性信道求逆传输方案将发射功率不均匀地在选择的传输信道上分配，使得检测后SNR对于选定的传输信道类似。均匀传输方案将总发射功率均匀地在所有传输信道间分配，且波束形成传输方案将所有发射功率分配给带有最佳性能的单个传输信道。波束操纵传输方案均匀地将总发射功率分配给所有用于发送单个数据流的发射天线，但数据流从这些发射天线以合适的相位被发送。一般，任何数量和类型的传输方案可以为多模式MIMO系统用于提供改善的总性能。

每个传输方案可以为特定操作条件范围提供好或接近最优性能，性能可以由工作信号对噪声和干扰比(SNR)量化。这些多个不同类型的传输方案(即基于部分CSI、全CSI等)可以以每部分的方式经组合以形成“多模式”传输方案，这覆盖了MIMO系统支持的全范围SNR。用于在任何给定时刻发送数据的特定传输方案然后取决于在该时刻系统经历的特定操作条件。

在特定实施例中，提供一方法，用于在多信道通信系统内的多个传输信道上发送数据。根据该方法，开始时确定系统的操作条件(即工作SNR)，且从多个可能的传输方案中基于确定的操作条件和发射机处可用的信道状态信息量而选择特定传输方案。每个传输方案用于相应的工作SNR范围。要发送的一个或多个数据流然后基于选定的传输方案被确定。一个或多个数据流然后基于选定的传输方案和可用CSI而经处理。例如，用于每个数据流的数据速率和编码和调制方案可以基于CSI被确定。在一实施例中，如果工作SNR在阈值SNR以上，则选用部分CSI传输方案，且如果工作SNR在阈值SNR以下，则选用波束形成传输方案。

本发明的各个方面和实施例在以下进一步详述。本发明还提供实现本发明的各个方面、实施例和特征的方法、处理器、发射机单元、接收机单元、基站、终端、系统和其他装置和元件，如以下将详述。

附图的简要描述

通过下面提出的结合附图的详细描述，本发明的特征、性质和优点将变得更加明显，附图中相同的符号具有相同的标识，其中：

图1示出便用灌水、带有MMSE-SC的部分CSI以及波束形成传输方案的4x4MIMO系统可获得的三张效率曲线图；

图2是基于多模式传输方案在MIMO系统内在可用传输信道上发送数据的过程实施例流图；以及

图3是发射机系统和接收机系统的实施例框图。

详细描述

在此描述的数据传输技术可以用于各种多信道通信系统。该种多信道通信系统包括多输入多输出(MIMO)通信系统、正交频分多路复用(OFDM)通信系统、利用OFDM的MIMO系统(即MIMO-OFDM系统)以及其他。多信道通信系统还实现码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或一些其他多址技术。多址通信系统可以支持多个终端(即用户)的进发通信。为了清楚起见，本发明的一些方面和实施例特定为诸如多天线无线通信系统的MIMO系统描述。

多输入多输出(MIMO)通信系统使用多个(N_T)发射天线和多个(N_R)接收天线进行数据传输。由N_T个发射天线和N_R个接收天线形成的MIMO信道可能被分解为N_R×N_T MIMO系统，且可以被分解为N_S个独立信道，其中N_S≤min{N_T，N_R}。N_S个独立信道的每个还被称为MIMO信道的空间子信道(或传输信道)。空间子信道的数目由MIMO信道的本征模式数目确定，这接着取决于信道响应矩阵H，该矩阵描述N_T个发射天线和N_R个接收天线间的响应。

信道响应矩阵H的元素由独立高斯随机变量组成，如下：

\underset{&OverBar;}{H} = [\begin{matrix} h_{1,1} & h_{1,2} & . . . & h_{1, N_{T}} \\ h_{2,1} & h_{2,2} & . . . & h_{2, N_{T}} \\ . & . & . \\ . & . & . \\ . & . & . \\ h_{N_{R}, 1} & h_{N_{R}, 2} & . . . & h_{N_{R}, N_{T}} \end{matrix}], - - - (1)

其中h_i，j是第j个发射天线和第i个接收天线间的耦合(即复数增益)。

MIMO系统的模型可以表示为：

y＝Hx+n， (2)

其中

y是接收到的向量，即

\underset{&OverBar;}{y} = {[y_{1} y_{2} . . . y_{N_{R}}]}^{T},

其中{y_j}是在第j个接收天线上接收到的项，且i∈{1，...，N_R}；

x是发送的向量，即

\underset{&OverBar;}{x} = {[x_{1} x_{2} . . . x_{N_{T}}]}^{T},

其中{x_i}是从第i个发射天线上发送的项，且j∈{1，...，N_T}；

H是MIMO信道的信道响应矩阵；

A是数据流{A_i}的幅度的对角矩阵；

n是一加性高斯白噪声(AWGN)，其均值向量为0，且协方差矩阵为Λ _n＝σ² I，其中0是零向量，I是单位矩阵，对角线为1，其余为零，且σ²是噪声方差；以及

[.]^T表示[.]的转置。

为了简洁，MIMO信道被假设为平缓衰落窄带信道。在该情况下，信道响应矩阵H的元素是标量，且每个发射-接收天线对间的耦合h_j，i可以由单个标量值表示。然而，在此描述的技术还可以用于带有在不同频率处的信道增益的频率选择信道。在该种频率选择信道中，操作带宽可以被分成多个(相等或不等带宽)的频带，使得每个频带被认为平缓衰落信道。然后可以为每个频带使用特定传输方案，这受到一定限制，诸如将给定发射天线的所有频带的总发射功率维持在天线的峰值发射功率内。这样，单个频带的信道响应可以在数据传输内得到考虑。

由于传播环境内的散射，从N_T个发射天线发送的N_S个数据流相互在接收机处干扰。多个数据流可以在空间子信道上使用信道状态信息(CSI)被发送，CSI描述MIMO信道的特性。CSI可以被归类为“全CSI”或“部分CSI”。全CSI包括在(N_R×N_T)MIMO矩阵内发射-接收天线对间传播路径的充分特性(例如幅度和相位)以及数据流的调制/编码信息。部分CSI可以包括例如数据流的信号对噪声和干扰比(SNR)。全或部分CSI可以在接收机处被确定(例如基于接收到的导频和/或话务数据)并报告给发射机。

取决于在发射机处是否有全或部分CSI可以使用不同的传输方案。当全CSI可用时，数据流可以在MIMO信道的本征模式上被发送。这可以通过在发射机处基于从信道响应矩阵H导出的(右)本征向量集合对数据流预调整而获得，如下所述。在接收机处，发送的数据流可以通过将接收到的码元流乘以(左)本征向量集合而被恢复，该本征向量基于矩阵H导出。全CSI(或本征模式)传输方案因此取决于已知信道响应矩阵H。全CSI传输方案和该方案的变体在以下详细描述。

当只有部分CSI时，数据流可以从发射天线被发送而不在发射机处进行预调整。在接收机处，接收到的码元流根据特定空间或空时接收机处理技术经处理以试图分离数据流。部分CSI传输方案还在以下详细描述。

对于全CSI和部分CSI传输方案，每个数据流的数据速率和编码和调制取决于数据流获得的SNR。每个数据流的SNR可以在接收机处被估计。用于每个数据流的描述估计的SNR或特定编码和调制方案的信息可以被提供给发射机并用于在MIMO信道上传输前处理数据流。

当全CSI可用时，一种去除或减少数据流间干扰的技术是“对角线化”MIMO信道，使得数据流实际上在正交空间子信道上被发送。一种对角线化MIMO信道的技术是在信道响应矩阵H上实现奇异值分解，这可以表示为：

H＝UDV ^H， (3)

其中U是N_R×N_R酉阵(即U ^H U＝I)；

D是N_R×N_T矩阵；

V是N_T×N_T酉阵；以及

^“H”标识矩阵的复共轭。

矩阵D的对角项是G＝H ^H H的本征值的方根，用λ₁表示，且i∈{1，...，N_S}，其中N_S≤min{N_T，N_R}是可分辨数据流的数目。D的所有非对角线项为零。

对角线矩阵D因此包含沿着对角线的非负实值，其余为零，其中非负实值为

d_{i} = \sqrt{λ_{i}} .

d₁指信道响应矩阵H的奇异值。奇异值分解是领域内已知的技术，且在各种参考内描述。一种该种参考为Gilbert Strang的书，题为“LinearAlgebra and its Applications”，第二版，Academic Press，1980，在此引入作为参考。

奇异值分解将信道响应矩阵H分解为两个酉阵U和V，以及，以及对角阵D。矩阵D描述MIMO信道的本征模式，这对应空间子信道。酉阵U和V包括接收机和发射机响应的“操纵”向量(或相应的左或右本征向量)，这可以用于对角线化MIMO信道。尤其是，为了对角线化MIMO信道，信号向量s可以在发射机处左乘矩阵V以提供发送的向量x，如下：

x＝Vs (4)

该向量x然后在MIMO信道上被发送到接收机。

在接收机处，接收到的向量y＝Hx+n可以左乘矩阵U ^H以获得恢复的向量r，如下：

\underset{&OverBar;}{r} = {\underset{&OverBar;}{U}}^{H} \underset{&OverBar;}{HVs} + {\underset{&OverBar;}{U}}^{H} \underset{&OverBar;}{n} - - - (5)

= \underset{&OverBar;}{Ds} + n_{&OverBar;}^{^}

其中

是n的简单旋转，产生与n有相同均值向量和协方差矩阵的加性高斯白噪声。

如等式(4)示出的，信号向量s左乘矩阵V以及接收到向量y和矩阵U ^H的左乘生成有效的对角矩阵D，这是信号向量s和恢复向量r之间的传递函数。因此，MIMO信道被分解成N_S个独立、无干扰、正交和平行信道。这些独立信道还被称为MIMO信道的空间子信道。空间子信道i或本征模式i有等于本征值λ₁的增益，其中i∈I且集合I被定义为I＝{1，...，N_S}。如果发射机被提供有信道响应矩阵H，则可以实现MIMO信道的对角线化以获得N_S个正交空间子信道。

对于全CSI传输方案，可以在N_S个空间子信道即本征模式的每个上发送一个数据流。对于要用于数据传输的每个空间子信道，发射机被提供以(右)本征向量以及该子信道相关的调制/编码信息。因此如果所有的N_S都用于数据传输，则发射机被提供以或是信道响应矩阵H或是酉阵V，以及相关的调制/编码信息。

对于部分CSI传输方案，一个数据流可以在N_T个发射天线的每个上被发送(假设H是满秩矩阵，且N_S＝N_T＝N_R)。对于部分CSI传输方案，发射机不需要被提供以信道响应矩阵H或酉阵V，因为数据流在MIMO信道上传输前不经预调整。

对于部分CSI传输方案，各种接收机处理技术可以在接收机处用于处理接收到码元流以分离发送的数据流。这些接收机处理技术包括空间接收机处理技术(这可以用于带有平缓衰落的非弥散信道)以及空时接收机处理技术(这可以用于带有频率选择性衰落的弥散信道)。空间接收机处理技术包括信道相关矩阵求逆(CCMI)技术以及最小均方误差(MMSE)技术。空时接收机处理技术包括MMSE线性均衡器(MMSE-LE)、判决反馈均衡器(DFE)以及最大似然序列估计器(MLSE)。一般这些空间和空时接收机处理技术需要接收机处信道响应矩阵的估计(但不是发射机处)。

“连续抵消/均衡以及干扰抵消”接收机处理技术(这还被称为“连续干扰抵消”或“连续抵消”接收机处理技术)还可以连同上述的空间或空时技术的任何一种一起使用以提供改善的性能。例如，连续干扰抵消还可以与MMSE(即MMSE-SC)一起使用以在接收机处处理接收到的码元流以恢复数据流。

各种接收机处理技术在以下美国专利申请中有描述：美国专利申请号09/993087内描述，题为“Multiple-Access Multiple-InputMultiple-Output(MIMO)Communication System”，提交于2001年11月6日；美国专利申请序列号09/8542325，题为“Method and Apparatus for ProcessingData in a Multiple-Input Multiple-Output(MIMO)Communication SystemUtilizing Channel State Information”，提交于2001年5月11日；以及美国专利申请序列号09/826481以及09/956449，两者均题为“Method andApparatus for Utilizing Channel State Information in a WirelessCommunication System”，相应地提交于2001年3月23日以及2001年9月18日。这些申请被转让给本发明的受让人，并在此引入作为参考。

全CSI信息方案需要更多关于MIMO信道的信息(例如矩阵H)，这一般在接收机处被导出，且报告给发射机。因此，实现全CSI传输方案需要更高的开销费用。部分CSI传输方案不需要该附加信息。

在一般MIMO系统内，可以对N_T个发射天线的每个施加P_max的峰值发射功率。在该情况下，在发射机处所有N_T个发射天线可用的总发射功率P_tot可以表示为：

P_tot＝N_T·P_max (6)

总发射功率P_tot可以基于各种方案被分配给数据流。

多个传输方案可以基于全CSI传输方案而导出，每个该种传输方案取决于(部分)总发射功率如何被分配给本征模式。这些传输方案包括“灌水”传输方案、“选择性信道求逆”传输方案、“均匀”传输方案、“主本征模式波束形成”(或简单地“波束形成”)传输方案，以及“波束操纵”传输方案。还可以考虑更少、附加和/或不同的传输方案，且这在本发明的范围内。对于灌水传输方案总发射功率的分配使得将更多的发射功率分配给噪声较少的传输信道，而将更少的发射功率分配给噪声较多的传输信道。选择性信道求逆传输方案将发射功率不均匀地在选择的传输信道上分配，使得检测后SNR对于选定的传输信道类似。均匀传输方案将总发射功率均匀地在所有传输信道间分配，且波束形成传输方案将所有发射功率分配给带有最佳性能的单个传输信道。波束操纵传输方案均匀地将总发射功率分配给所有用于发送单个数据流的发射天线，但数据流从这些发射天线以合适的相位被发送。这些传输方案依赖于在发射机处对每个选用的传输信道的全CSI处理(或其变体)。这些各种基于全CSI的传输方案在以下详细描述。

灌水传输方案将总发射功率P_tot分配给本征模式，以最大化传输容量(即频谱效率)。灌水技术类似于将固定量的水灌入有不规则底部的容器，其中每个频率区段的每个本征模式对应容器底部的一个点，且在任何给定点的底部高度对应与该本征模式相关的信噪比(SNR)的倒数。低的高度因此对应高的SNR，相反高的高度对应低的SNR。总可用发射功率P_tot然后被“注入”该容器，使得容器内的较低点(即较高SNR)首先被注满，然后注满较高点(即较低SNR)。功率分布取决于总可用发射功率P_tot以及容器在底部上的深度。在所有可用的发射功率被注入后容器的水平面在容器的所有点上是常数。且在水面高度以上的点未经注入(即本征模式的SNR低于一特定阈值的不用)。灌水技术由RobertG.Gallager在“information Theory and Reliable Communication”内描述，John Wiley and Sons，1968，在此引入作为参考。

容量被定义为信息可以以任意低的差错概率被发送的最高频谱效率，且一般单位为比特每赫兹每秒(bps/Hz)。一个SNR为γ的高斯信道容量可以被表示为：

C＝log₂(1+γ) (7)

对于带有受限总发射功率P_tot的MIMO系统，灌水传输方案可以最优地将总发射功率分配给N_S个空间子信道，以达到容量。灌水传输方案将总发射功率P_tot分布在本征模式内的方式使得带有最低噪声方差的本征模式(即最高SNR)接收到总功率的最大部分。作为灌水结果分配给本征模式i的功率量可以用P_i表示，其中i∈I，且其中：

P_{tot} = \underset{i &Element; I}{Σ} P_{i} - - - (8)

基于为本征模式i分配的发射功率P_i，i∈I。本征模式i的有效SNR γ_i可以表示为：

γ_{i} = \frac{P_{i} \cdot λ_{t}}{σ^{2}}, - - - (9)

其中λ_i是子信道i上的信道增益且σ²是MIMO信道的噪声方差，假设在所有子信道上相同的噪声方差。N_S个空间子信道通过灌水传输方案获得的容量然后可以表示为：

C = Σ_{i = I}^{N_{S}} \log_{2} (1 + γ_{i}) - - - (10)

每个本征模式的频谱效率可以基于以SNR的特定单调递增函数而经确定。一个可以用于频谱效率的函数是等式(7)示出的容量函数。在该情况下，本征模式i的频谱效率ρ₁可以表示为：

ρ₁＝log₂(1+γ₁) (11)

系统的总频谱效率是所有本征模式的频谱效率之和，每个可以如等式(1)内所示的确定。

为MIMO-OFDM系统实现灌水功率分配的特定算法在美国专利申请序列号09/978337内描述，题为“Method and Apparatus for Dertermining powerAllocation in a MIMO Communcation System”，提交于2001年10月15日。用于实现MIMO系统灌水功率分配的特定算法在美国专利申请序列号[代理人号020038]内描述，题为“Reallocation of Excess Power in a Multi-ChannelCommunication System”，提交于2002年1月23日。这些申请在此转让给本发明的受让人，并在此引入作为参考。

选择性信道求逆传输方案将总发射功率P_tot不均匀地分配到N_S个本征模式的选定本征模式上，使得在这些选定本征模式上发送的数据流的检测后SNR大致类似。对于该传输方案，较差的本征模式不被选用。类似的检测后SNR使得能对所有数据流使用相同的编码和调制方案，这可以简化在发射机和接收机处的处理。

用于分配发射功率以获得类似的检测后SNR的技术在以下美国专利申请序列号内描述：序列号为09/860274提交于2001年5月17日；序列号为09/881610，提交于2001年6月14日以及序列号09/892379，提交于2001年6月26日，三者的题为“Method and Apparatus for Processing Data forTransmission in a Multi-Channel Communication System Using SelectiveChannel Inversion”，被转让给本发明的受让人，并在此引入作为参考。

均匀传输方案将总发射功率P_tot均等地在所有N_S个本征模式上分配。这可以通过将P_tot/N_S分配给每个本征模式而获得。基于为本征模式i分配的发射功率P_tot/N_S，i ∈I，本征模式i的有效SNR

可以被表示为：

{\hat{γ}}_{i} = \frac{P_{tot} \cdot λ_{i}}{N_{S} \cdot σ^{2}} - - - (12)

N_S个空间子信道的均匀传输方案获得的频谱效率可以表示为：

\hat{C} = Σ_{i = I}^{N_{S}} \log_{2} (1 + {\hat{γ}}_{i}) - - - (13)

波束形成传输方案将总发射功率P_tot分配给单个本征模式。为了接近容量，总发射功率被分配给对应最高本征值λ_max的本征模式。给定了使用单个本征模式用于数据传输的限制，这最大化了SNR。单个(最佳)本征模式的有效SNR可以被表示为：

\tilde{γ} = \frac{P_{tot} \cdot λ_{\max}}{σ^{2}} - - - (14)

本征值λ₁，i∈I可以按降序排序。在该情况下，λ₁是最高本征值(即λ₁＝λ_max)。N_S个空间子信道的波束形成传输方案获得的频谱效率可以表示为：

\tilde{C} = \log_{2} (1 + \tilde{γ}) - - - (15)

由于只有一个本征模式用于数据传输，等式(15)不包括在N_S个空间子信道上的求和，这是相应的灌水和平均传输方案的等式(10)和(13)的情况。

虽然波束形成传输方案基于在发射机处的全CSI处理，需要较少的信道状态信息以实现该传输方案，因为只使用一个本征值进行数据传输。尤其是，只有对应选定的本征模式的一个奇异向量需要被提供给发射机，它然后使用该向量以在MIMO信道上传输之前对数据流进行预调整。该奇异向量可以在接收机处基于信道响应矩阵H导出，并提供给发射机。

波束操纵传输方案将总发射功率P_tot均匀地分配给用于发送单个数据流的所有发射天线。在低SNR处，灌水传输用于将总发射功率的一大部分分配给主本征模式，这是对应最高本征值λ_max的本征模式。对于波束形成传输方案，单个数据流在主本征模式上发送，且该数据流由与用于数据传输的每个发射天线相关联的复数增益值经比例缩放，该值由对应主本征模式的奇异向量确定。复数增益值的幅度确定了用于发射天线的发射功率量。

波束操纵传输方案类似于波束形成方案且在MIMO信道上发送单个数据流。然而，由于只发送了数据流，则不一定要对角线化传输信道或限制对应主本征模式的单个传输信道上的该数据流传输。波束操纵传输方案依赖主本征模式，它获得最佳性能，但将总发射功率不均匀地分配给所有用于数据传输的发射天线。这样，为数据流使用更高的发射功率，这会导致改善的性能。

对于波束操纵传输方案，对应最高本征值λ_max的本征模式开始时被标识(例如在接收机处)，且确定对应该本征模式的奇异向量。该奇异向量包括用于N_T个发射天线的N_T个复数增益的复数值。波束操纵传输方案从N_T个发射天线以全功率发送单个数据流但带有合适的相位，这些相位是奇异向量内的N_T个复数增益值的相位。因而，只是奇异向量中的N_T个元素的相位需要被提供给发射机。数据流然后从N_T个发射天线以标准化的(例如全)发射功率但以主本征模式的相位被发送。这使得来自N_T个发射天线的传输可以被建设性地(即相干地)在接收机处被组合，这可以提供改善的性能。

多个传输方案还可以基于部分CSI传输方案导出。在一方案中，峰值发射功率P_max用于每个数据流，且N_T个数据流从N_T个发射天线使用部分CSI处理(即在发射机处没有预调整)被发送。在另一方案中(这被称为“选择性部分CSI方案”)，只有N_T个发射天线的选定天线用于数据传输，且一个数据流从每个选定的发射天线被发送(例如使用峰值发射功率)。还可以形成部分CSI传输方案的其他变体。

因此有多个传输方案可以用于数据传输。每个传输方案取决于全或部分CSI是否在发射机处可用。图1示出使用上述灌水、均匀和波束形成传输方案的实例4x4MIMO系统获得的效率三条曲线图。效率是基于假设不相关复数高斯信道模型而确定的，其中MIMO信道经历加性高斯白噪声(AWGN)但没有其他干扰。

对于灌水传输方案，大量随机信道集合(即带有随机本征值的空间子信道集合)在开始时被生成。这些信道集合然后为不同的噪声方差σ²离散值而经评估，其中每个噪声方差值对应特定“操作”SNR，如下所述。对于每个信道集合，灌水用于基于子信道的本征值为各种噪声方差值将总发射功率分配给集合内的空间子信道。每个集合内的空间子信道的有效SNR取决于子信道的本征值、分配的发射功率以及噪声方差，且可以如等式(9)内示出。每个信道集合的效率然后为每个噪声方差值确定，如等式(10)内示出。然后获得每个噪声方差值的所有信道集合的效率的统计平均。

对于波束形成传输方案，评估相同随机生成的信道集合，除了只选用对应最高本征值的本征模式。每个信道集合类似地被噪声方差σ²的各个离散值而经评估，且为每个噪声方差值获得这些频率集合的效率统计平均。对于均匀传输方案，总发射功率均匀地被分配给每个随机生成的信道集合内的本征模式。还为各个离散噪声方差值评估每个集合，且为每个噪声方差值获得信道集合效率的统计平均。

如图1示出，每个传输方案获得的效率根据工作SNR绘制的。工作SNR是接收机处的加性高斯白噪声的功率的倒数，可以被定义为：

γ_{op} = \frac{1}{σ^{2}} - - - (16)

工作SNR是MIMO信道的操作条件的测量。如等式(16)示出，工作SNR和噪声方差σ²反相关。为每个传输方案的各个噪声方差获得效率因此可以根据工作SNR而不是噪声方差而经绘制，这是为了理解简单。如图1示出，图112示出的灌水传输方案的频谱效率是三种传输方案中最佳的，且可以示出等于容量。均匀和波束形成传输方案的效率相应地由图114和116示出。在低SNR处，波束形成传输方案接近最优(即灌水传输方案)，因为只有一个本征模式在这些SNR是活动的。在高SNR处，均匀传输方案接近灌水传输方案的最优性能。

图114示出的均匀传输方案的效率使用发射机处的全CSI处理而获得。尤其是，等式(13)指明效率

可以基于空间子信道的有效SNR

而获得，且等式(12)指示需要全CSI(例如信道响应矩阵H)以导出本征值λ₁，该值然后被用于确定有效SNR。然而，如果在接收机处使用MMSE-SC接收机处理技术以处理并恢复发送的数据流，则可以示出对部分CSI传输方案也可以获得效率

。如果在接收机处使用一些其他的接收机处理技术而不是MMSE-SC技术，则部分CSI传输方案的效率会小于等式(13)示出的。

为了获得灌水传输方案的最优效率，发射机需要MIMO信道的完全知识，即全CSI。全CSI可以由信道响应矩阵H以及噪声方差σ²提供。信道响应矩阵H然后可以经评估(例如使用奇异值分解)以确定矩阵G＝H ^H H的本征模式和本征值。总发射功率然后基于本征值和噪声方差使用灌水传输方案而分配给本征模式。

灌水传输方案可能不是较佳或对于一些MIMO系统由于各种因素而不可用。首先，全CSI可能很难获得(例如一般在接收机处)，因为这会需要每个发射-接收天线对之间的信道增益测量。需要第二附加空中链路资源以从接收机将所有本征模式的全CSI报告回发射机。第三，可能需要更高的准确度(即更多的比特)表示信道增益，因为任何差错会转换成对应的正交性的丢失。第四，如果MIMO信道是时变的，则信道增益对测量和报告延时更敏感。这些因子会使得灌水方法不能用于一些MIMO系统。

在一方面，似乎次优的效率但需要更少的CSI以实现的多个传输方案被选择性地用于提供接近最优的总效率。这些次优传输方案可以包括例如上述的部分CSI传输方案(例如带有MMSE-SC接收机处理)以及波束形成传输方案(或波束操纵传输方案)。还可以使用不同和/或附加的传输方案，且在本发明的范围内。

通过提供给发射机必要的CSI可以为次优传输方案获得“接近最优”的总性能。该CSI可以包括在N_S个本征模式上的数据传输的“处理后”SNR，如在接收机处在实现了空间接收机处理之后确定的，如以下描述。处理后SNR可以为发射机用于(1)从多个可能的传输方案中选择特定的用于数据传输的传输方案，(2)为每个数据流选择要用的数据速率和编。

对于波束形成方案，与所述本征模式(例如对应最高本征值λ_max的)相关的标量的奇异向量v被提供给发射机并用于波束形成该本征模式上的数据传输。该接收机将接收到的向量y在乘对应的奇异向量u以恢复发送的数据流。

为了只使用部分CSI获得高性能，接收机可以使用MMSE-SC接收机处理技术，这会获得由均匀传输方案获得的频谱效率，该种情况需要全CSI。

随着SNR减少，灌水传输方案将总发射功率的较大一部分分配给带有更佳性能的主本征模式。在一些阈值SNRγ_th处，更好的策略是将总发射功率分配给对应最大本征值的本征模式，如图1示出，波束形成方案的性能(图116)在逐渐变低的SNR处接近灌水传输方案的最优效率(图112)。相反，随着SNR增加，相对于总功率，灌水传输方案分配的每本征模式功率差减少，且功率分配更佳均匀。随着SNR增加，噪声方差σ²减少，且不同本征模式的上升(这被确定为σ²/λ₁)变低。如图1示出的，均匀传输方案和带有MMSE-SC方案的部分CSI的性能(图114)在逐渐变高的SNR处接近灌水传输方案的效率。

在接收机处带有MMSE-SC(或等价方案)的部分CSI传输方案可以达到在一定条件下的均匀传输方案的频谱效率，但没有均匀传输方案要求的全CSI相关的额外“费用”。如图1可见，带有MMSE-SC方案的部分CSI的频谱效率在低SNR处大大减少。

在一方面，MIMO系统可以有利地利用多个传输方案(例如带有MMSE-SC方案和波束形成或波束操纵传输方案的部分CSI)以提供在更宽SNR范围上改善的性能。MIMO系统使用的每个传输方案可以对应相应的操作模式。“多模式”MIMO系统然后可以在各种支持的操作模式间切换(例如部分CSI和波束形成模式)，这取决于信道(或操作)条件。这样，对于给定操作条件提供最佳性能的传输方案可以选用于提供高性能。

图1还示出使用部分CSI(带有MMSE-SC)和波束形成传输方案的多模式MIMO系统可以获得曲线图120(用圈点表示)。在任何工作SNR该多模式系统可获得的C_mm可以被表示为：

C_{mm} = \max (\hat{C}, \tilde{C}), - - - (17)

其中

和

是等式(13)和(15)给出的使用MMSE-SC和波束形成传输方案的部分CSI的频谱效率。使用这两个传输方案效率的最大损失发生在接近工作SNRγ_op＝0dB处，且对于使用四个发射天线和四个接收天线的该示例MIMO系统大致为1.75dB。实现该多模式系统后，效率损失在低和高SNR处均减少。如图1示出，波束形成传输方案用于为MIMO系统提供扩展操作范围(即覆盖低SNR)。带有MMSE-SC和波束形成传输方案的部分CSI的性能采用不相关信道模型。随着信道越来越相关，在接收机处的可分辨数据流减少。因此，带有MMSE-SC的部分CSI和波束形成传输方案的交叉转移到更高的SNR，且波束形成传输方案变成在低端更大SNR范围选择的操作模式。

在此描述的一些传输方案(例如波束形成传输方案)还可以为系统使用。还可以使用其他传输方案，且这在本发明范围内。例如，可以使用“选择性本征模式”传输方案以均匀地在N_S个本征模式子集间分配总发射功率。例如如果两个或多个本征模式获得一些阈值SNR以上的有效SNR，则可以选用该方案。还可以使用“选择性部分CSI”传输方案，其中只有一些发射天线用于数据传输，且剩余发射天线会被关闭。

还可以实现在此描述的传输方案的变体，且这在本发明的范围内。例如，还可以使用发射分集方案，其中单个数据流在以全功率在所有N_T个发射天线上被发送而没有任何波束形成。对于带有MMSE-SC方案的部分CSI，这在一定条件下与均匀传输方案产生相同频谱效率，用于给定数据流的实际发射功率可以经调整为给定(量化)数据速率需要的最小量。

一般，任何数量和类型的传输方案还可以为多模式MIMO系统用于提供改善的总性能。每个传输方案可以提供在一些操作条件下(例如特定SNR范围)提供较好或接近最优性能。这些多个传输方案然后可以分片方式经组合以形成多模式传输方案，该方案覆盖了MIMO系统支持的所有操作条件(例如全SNR范围)。

图1示出三种(灌水、均匀和波束形成)的每种获得的频谱效率，这一般为真。然而图1示出的频谱效率不考虑与奇异向量的量化、信道相关和其他因系相关的损失。

一般，在任何给定时刻每个传输方案获得的频谱效率是工作SNR以及该时刻信道的函数。因此，为了获得高性能，当选择使用哪个传输方案时，信道(和其他因素)还可以被考虑。对于慢变信道，实时信道估计可以用于评估可能的传输万案。对于较快变的信道，可以获得信道的时间平均，并用作信道估计。

用于任何给定时刻的数据传输的特定传输方案可以以各种方式选择。传输方案选择取决于系统在该时刻经历的特定操作条件，且可以进一步考虑其他因素。以下描述选择传输方案的几个方法。

在选择传输方案的一方法中，用于数据传输的特定传输方案只基于工作SNR而被选择。该方法易于实现且可以提供期望的性能水平。

在另一选择传输方案的方法中，接收机评估每个可能的传输方案，并选择产生最佳频谱效率的传输方案。对于只支持波束形成和部分CSI传输方案的系统，接收机可以评估波束形成方案(使用量化的奇异向量)以及带有MMSE-SC(或一些其他接收机处理)的部分CSI方案。接收机然后可以选择产生最高吞吐量的传输方案，并将该信息提供给发射机。

在另一选择传输方案的方法中，接收机评估每个可能的传输方案，并基于可获得频谱效率和其他考虑选择一个传输方案。例如，接收机可以评估波束形成和均匀传输方案达到的性能。如果频谱效率比(例如波束形成频谱效率/均匀频谱效率)大于某一阈值，则选择波束形成传输方案。否则，选用部分CSI传输方案。均匀传输方案一般比带有MMSE-SC方案的部分CSI“更容易”被评估(较少的计算代价，更快)，且可以用作替代(接收机可以评估均匀传输方案的性能，因为它能获得全CSI)。然而，由于一些实现损失，均匀传输方案的频谱效率不完全等于带有MMSE-SC的部分CSI方案的效率。另外，有与波束形成传输方案相关联的量化损失。因此，可以选择阈值以考虑这些各种因素。

还可以设计选择在任何给定时刻使用的特定传输方案的其他方法，且这在本发明的范围内。一般，可以评估任何数量的可能传输方案(或其等价)，且用于数据传输的特定传输方案可以基于各种因素而被选择，诸如(1)可获得的频谱效率，(2)估计的实现损失等。

图2是过程200的实施例流图，用于基于多模式传输方案在MIMO系统内发送数据。开始时，确定MIMO系统的操作条件(步骤212)。操作条件可以由工作SNR量化，这可以基于如等式(16)示出的噪声方差和/或其他因子而经确定。操作条件可以基于连同数据发送的导频而经估计，如领域内已知的。

然后从多个传输方案中基于确定的操作条件选择特定传输方案(步骤214)。如上所述，MIMO系统可以支持任何数量的传输方案。用于数据传输的特定传输方案可以通过将工作SNR与一个或多个阈值SNR比较而确定。如果MIMO系统只支持部分CSI以及波束形成方案，则如果工作SNR等于或大于阈值SNRγ_th，则选择部分CSI方案，且如果工作SNR小于阈值SNR，则选择波束形成方案。

然后确定要发送的数据流数，其数目取决于选定的传输方案(步骤216)。例如，单个数据流可以在对应波束形成传输方案的最高本征值的单个本征模式上被发送，且对于部分CSI传输方案可以在N_T个发射天线上发送N_T个数据流。系统可用的总发射功率P_tot然后基于选定传输方案(步骤218)被分配给一个或多个数据流。一个或多个数据流然后基于选定的传输方案并根据分配的发射功率以及可用的CSI经处理(步骤220)。图2内示出的过程可以在每个传输间隔内被实现，且这对应调度间隔。

在此描述的传输技术还可以用于其他多信道通信系统，诸如OFDM系统、MIMO-OFDM系统等。

OFDM系统有效地将系统带宽分成多个(N_F)频率子信道，这一般被称为频率区段即子带。每个频率子信道与相应的子载波(或频调)相关联，在其上进行数据调制。在每个时隙内，时隙是取决于频率子信道带宽的特定时间间隔，可以在N_F个频率子信道的每个上发送调制码元。对于OFDM系统，每个频率子信道可以被称为传输信道，且对于OFDM系统有N_C＝N_F个传输信道。

OFDM系统的频率子信道可以经历频率选择性衰减(即对于不同频率子信道不同的衰减量)。频率子信道的特定响应取决于发射和接收天线间的传播路径的特性(例如衰落和多径效应)。因此，可以为给定的发射功率量为不同的频率子信道获得不同的有效SNR。在该情况下，可以为N_F个频率子信道选用特定传输方案，其方式类似于上述本征模式的方式。

MIMO-OFDM系统包括N_S个本征模式的每个的N_F个频率子信道。每个本征模式的每个频率子信道可以被称为传输信道，且MIMO-OFDM系统有N_C＝N_F·N_S个传输信道。MIMO-OFDM系统内的每个本征模式的频率子信道可能经历类似的不同信道条件，且对于给定发射功率量可能获得不同的SNR。在该情况下，可以为N_F个频率子信道的每个选用特定的传输方案，其方式类似于上述本征模式方式。然而，由于每个发射天线由P_max的峰值发射功率限制，则用于给定发射天线的所有频率子信道的总发射功率被限制在P_max。

对于MIMO-OFDM系统，所有传输信道(即对于空间和频率维)可以在确定用于数据传输的特定传输方案时考虑。或者，传输方案选择的实现可以实现在任何给定时间只考虑一维。

在此描述的技术可以用于传输信道组。每个组可以包括任何数量的传输信道且可以与相应的操作点相关联。每个组可以包括例如用于独立数据流的传输信道，数据流与特定的数据速率和特定的编码和调制方案相关。对于多址通信系统，每个组可以与要分配给不同接收机的传输信道相关联。

对于可能经历频率选择性衰落的宽带MIMO系统，操作带宽可以被分成多个(相等或不等)的频带，使得每个频带可以被认为是平缓衰减信道。在该情况下，信道响应矩阵H的每个元素是线性传递函数而不是标量，且每个发射-接收天线对之间的耦合h_i，j可以用N_F个标量值向量表示，每个频带一个标量值。可以为宽带MIMO系统使用各种传输方案，其中一些描述如下。

在宽带MIMO系统的第一传输方案内，为每个频带使用波束形成。在该第一传输方案的一实现中，最大本征值开始时为每个频带确定，且选用对应该本征值的本征模式。这些本征模式的“最优”功率分配可以基于在发射机处对于所有N_T个发射天线可用的总发射功率P_tot而经确定。该功率分配可以使用灌水获得，如在以上美国专利申请序列号09/978337内描述的。N_F个数据流然后可以经处理并在N_F个频带的N_F个选定本征模式上被发送。

取决于信道响应矩阵H以及噪声方差σ²，在N_F个选定的本征模式上发送的每个数据流可以获得不同的检测后SNR。在一实施例中，每个数据流基于其检测后SNR而为数据流选择的相应编码和调制方案经编码并经调制。在另一实施例中，分配总发射功率P_tot，使得为所有数据流获得大致相同的检测后SNR。对于该实施例，可以为所有数据流使用公共的编码和调制方案，这可以简化发射机和接收机处的处理。

分配发射功率以获得类似的检测后SNR的技术在前述的美国专利申请序列号09/860274、09/881610以及09/892379内有描述。在发射机和接收机处宽带MIMO系统的处理数据技术在前述美国专利申请序列号09/993087以及序列号10/017308内有描述，题为“Time-Domain Transmit and Receive Processingwith Channel Eigen-mode Decomposition with MIMO Systems”，提交于2001年12月7日。这些申请被转让给本发明的受让人，并在此引入作为参考。

在宽带MIMO系统的第二传输方案中，为每个频带使用部分CSI传输方案。在该第二传输方案的一实现中，每个发射天线的峰值发射功率P_max在N_F个频带间等分。然后可以处理N_S个数据流并在N_F个频带的每个上发送。在一实施例中，每个数据流可以基于其达到的检测后SNR经编码和调制。在另一实施例中，为了简化在发射机和接收机处的编码和调制，发射功率可以不均匀地被分配，使得公共编码和调制方案可以用于(1)对于每个频带的所有N_S个数据流，(2)对于每个空间子信道的所有N_F个数据流，(3)对于所有N_S·N_F个传输信道的所有数据流，或(4)对于每个传输信道组的所有数据流，这可以包括频率/空间子信道的任意组合。

对于选用于宽带MIMO系统内的每个传输方案，发射机被提供以在传输前合适处理数据所必须的信息。例如，对于第一传输方案，该方案为N_F个频带的每个使用波束形成，发射机可以被提供(1)这些N_F个频带的N_F个奇异向量以及(2)指示N_F个选定本征模式的每个的检测后SNR的信息，或用于每个数据流的编码和调制方案。对于第二传输方案，该方案为N_F频带的每个使用部分CSI传输，发射机可以被提供以(1)每个数据流或每个数据流组的检测后SNR。

还可以为宽带MIMO系统使用基于全CSI或部分CSI处理的其他传输方案，且这在本发明的范围内。这些传输方案使得宽带MIMO系统考虑数据传输的单个频带的信道响应。

在一实施例中，为宽带MIMO系统的所有频带选用一个基于全CSI或部分CSI的传输方案，如以上为第一和第二传输方案描述的。这可以简化在发射机和接收机处的处理。在另一实施例中，每个频带可以被独立地处理，且可以为每个频带选用不同的基于全CSI或部分CSI的传输方案，这受到诸如将用于给定发射天线的所有频带的总发射功率维持在峰值发射功率P_max内的一定限制。

对于宽带MIMO系统，均衡器可以在接收机处被使用，被用于均衡信道响应内的频率选择性衰落。在该情况下，窄带MIMO系统可用的传输方案可以用于宽带MIMO系统。

一般，期望简化发射机和接收机处的处理。这可以通过使用数据传输的尽可能少的编码和调制方案而获得(例如一个编码和调制方案)。一种实现方法是将发射功率不均匀地使用选择性信道求逆进行分配，以对传输信道获得类似的检测后SNR。独立数据流然后可以经处理(例如基于公共编码和调制方案)并在这些传输信道的每个上被发送。或者，一个数据流可以被处理(例如基于公共编码和调制方案)并经多路分解并在这些多个传输信道上被发送。例如，选择性信道求逆可以连同上述的第一传输方案经应用，且一个数据流可以经处理并在N_F个频带的N_F个选定本征模式上被发送。

信道状态信息的量化

使用依赖于减少量的CSI(例如处理后SNR和奇异向量)而不是全CSI(例如信道响应矩阵)的传输方案可以大大减少从接收机报告到发射机的信道信息量。依赖全CSI的传输方案需要N_R·N_F个复数信道增益加上噪声方差或等价信息以报告给发射机。相比之下，部分CSI传输方案只需要N_S个SNR值，其中N_S≤min{N_T，N_R)。每个SNR值可以被映射到或由MIMO系统支持的特定“速率”表示。该速率指示在对应发射天线上用于数据流的特定数据速率和编码和调制方案。

波束形成传输方案只需要选定本征模式的SNR值(或一个速率值)以及用于在选定本征模式上波束形成数据传输的奇异向量v。奇异向量由N_T个复数信道增益组成，每个发射天线一个。如果用于量化每个复数信道增益的每个实部或虚部需要的比特数表示为Q，则对奇异向量编码需要的总比特数为2N_TQ。

列出为带有N_T个发射天线和M种可能速率的MIMO系统的部分CSI和波束形成传输方案的不同CSI类型表示需要的比特数。在表格1中，符号

表示括弧内量的下一最高整数值。

表格1

一般，其中为奇异向量量化复数信道增益为尽可能少的比特以减少要报告回发射机的信息量。然而，量化不应显著恶化性能。

表格2示出量化比特的不同数目的SNR(dB为单位)的恶化，Q用于表示奇异向量的复数信道增益的每维。表格2内示出的恶化是基于在波束形成模式操作的4x4 MIMO系统获得的。由于量化的SNR内的恶化只是量化比特数目的函数，而不是工作SNR的函数。该恶化示出是与从2到5的Q范围的不同值相关的。

表格2

比特数(Q)	2	3	4	5
比特数(Q)	2	3	4	5	SNR恶化(dB)	6.12	2.7	1.25	0.6

如表格2内示出的，可以使用四比特/维数(即Q＝4)或八个比特/复数信道增益以对奇异向量编码。五个比特/维数(即Q＝5)或十个比特/复数信道增益值提供更佳的性能。充分表示每个复数信道增益需要的比特数是MIMO系统的维数的函数。例如3×3或2×2MIMO系统每复数信道增益(实或虚)维数需要少于四个或五个比特。

系统

图3是发射机系统310和接收机系统350的实施例框图，它们能实现在此描述的各个方面和实施例。

在发射机系统310处，话务数据从数据源312被提供给发射(TX)数据处理器314，该处理器基于一个或多个编码方案对话务数据格式化、编码并交织以提供编码后数据。编码后话务数据然后可以与导频数据使用例如时分多路复用(TDM)或码分多路复用(CDM)方式在所有传输信道或其子集内经多路复用以用于数据传输。导频数据一般是以已知方式处理的已知数据模式。经多路复用的导频和编码后话务数据然后基于一个或多个调制方案(例如BPSK、QSPK、M-PSK或M-QAM)经调制(即码元映射)以提供调制码元。每个传输信道或每个传输信道组的数据速率、编码、交织和调制可以由控制器330提供的各种控制确定。

TX MIMO处理器320还可以进一步根据对应发射机系统310的当前操作模式的处理方案处理调制码元。每个传输方案可以与相应的操作模式相关联，且每个操作模式可以对应调制码元的特定处理方案。对于部分CSI传输方案，TXMIMO处理器320简单地将每个数据流的调制码元流发送到相应的发射机(TMTR)322。对于波束形成传输方案，TX MIMO处理器320基于与该本征模式相关联的奇异向量v而预处理该选定本征模式的调制码元的单个流。预调整可以通过将每个调制码元乘以奇异向量的N_T项的每个而实现，以提供N_T个标量化的码元。N_T个标量化码元流因此提供给奇异向量的N_T项。用奇异向量预调整有效地实现了数据流的波束形成。在两种情况下，N_T个标量化或未经标量化的调制码元流提供给发射机322a到322t。

每个发射机322接收并处理相应的码元流。对于OFDM系统，每个发射机转换码元(例如使用反快速傅立叶变换(IFFT)以形成OFDM码元，且进一步将循环前缀附加到每个OFDM码元以形成对应的传输码元。每个发射机将码元流转换成一个或多个模拟信道，并进一步将模拟信号调整(例如放大、滤波以及正交调制)以生成合适于在MIMO信道上发送的已调信号。来自发射机322a到322t的N_T个已调信号然后相应地从N_T个天线324a到324t被发送。

在接收机系统350处，发送的已调信号由N_R个天线352a到352r接收，且从每个天线352接收到的信号被提供给相应的接收机(RCVR)354。每个接收机354调整(例如滤波、放大并下变频)接收到的信号并数字化经调整的信号以提供相应的采样流。每个采样流可以进一步经处理(例如用恢复后的导频解调)以获得对应的接收到码元流(被标为y)。

RX MIMO处理器360然后基于多个空间接收机处理技术的一种接收并处理N_R个接收到的码元流以提供N_T个恢复的码元流(被标为r)。例如，RX MIMO处理器360可以实现CCMI、CCMI-SC、MMSE、MMSE-SC或一些其他接收机处理技术。这些各种接收机处理技术在前述的美国专利申请序列号09/993087内描述。

接收(RX)数据处理362然后对恢复码元解调、解交织并解码。RX MIMO处理器360和RX数据处理器362的处理与在发射机系统310处的TX MIMO处理器320和TX数据处理器314实现的互补。

RX MIMO处理器360还可以为传输信道导出SNR估计、带有最高本征值(最佳SNR)的奇异向量的信道增益等，并将该信息提供给控制器370。RX数据处理器362还提供每个接收到帧或分组的状态、指示解码后结果的一个或多个其他性能度量以及可能的其他信息。控制器370收集有关的CSI，这可以包括从RXMIMO处理器360和RX数据处理器362接收到的一些或所有信息。该CSI然后由TX数据处理器378处理，由调制器380调制、由发射机354a到354r调整，并发送回发射机系统310。

在发射机系统310处，来自接收机系统350的已调信号由天线324接收、接收机322调整、解调器340解调并由RX数据处理器342处理以恢复接收机系统报告的相关CSI。报告的CSI然后被提供给控制器330并用于选择传输方案并为TX数据处理器314和TX MIMO处理器320生成各种控制。

控制器330和370引导相应地在发射机和接收机系统处的操作。存储器332和372提供控制器330和370使用的程序代码和数据的相应存储。

为了实现上述的多模式传输技术，控制器330从接收机350接收相关CSI，这包括处理后SNR、奇异向量、和/或一些其他描述MIMO信道操作条件或特性的信息。控制器330然后(1)选择用于发送数据的特定传输方案，以及(2)确定用于每个选定传输信道的速率。用于每个选定传输信道的速率(即数据速率和编码和调制方案)部分基于分配给数据流的发射功率量而经确定。功率分配和速率确定还可以由一些除了发射机系统之外的网络实体实现。

在此描述的多模式传输技术可以由各种方式实现。例如，这些技术可以在硬件、软件或其组合实现。对于硬件实现，用于控制数据流的发射功率的元件可以在以下元件内实现：一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计以实现在此描述的功能的其他电子单元或其组合。

对于软件实现，功率控制可以用实现上述功能的模块(例如进程、函数等)实现。软件代码可以被存储在存储器单元内(例如图3内的存储器332)并由处理器执行(例如控制器330)。存储器单元可以在处理器内或处理器外实现，在该情况下，它可以通过领域内各种方式通信耦合到处理器。

标题在此被包括用于参考并用于帮助定位某些部分。这些标题不是用于限制以下描述的概念，且这些概念可以应用到整个说明的其他分部。

上述优选实施例的描述使本领域的技术人员能制造或使用本发明。这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，这里定义的一般原理可以被应用于其它实施例中而不使用创造能力。因此，本发明并不限于这里示出的实施例，而要符合与这里揭示的原理和新颖特征一致的最宽泛的范围。

Claims

1.一种在无线通信系统内在多个传输信道上发送数据的方法，其特征在于包括：

确定通信系统的操作条件；

基于确定的操作条件，标识从多个可能的功率分配传输方案中选择的特定功率分配传输方案；

基于选定的传输方案，确定要发送的一个或多个数据流；以及

基于选定的传输方案，处理所述一个或多个数据流，

其中所述操作条件由信号对噪声和干扰比SNR量化，其中如果通信系统的工作SNR在阈值SNR以上，则选用部分信道状态信息CSI传输方案，如果工作SNR在阈值SNR以下，则选用波束形成传输方案。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述特定功率分配传输方案是通过评估多个可能传输方案的每个而选择的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述特定功率分配传输方案是基于工作信号对噪声和干扰比SNR选择的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述一个或多个数据流是进一步基于信道状态信息处理的。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述多个可能的功率分配传输方案包括部分信道状态信息CSI传输方案。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述部分CSI传输方案的信道状态信息包括信号对噪声和干扰比SNR。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述多个可能的功率分配传输方案包括波束形成传输方案。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于单个传输信道为波束形成传输方案选用，且其中波束形成用于在单个选定传输信道上的数据传输。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述波束形成传输方案的信道状态信息包括信号对噪声和干扰比SNR以及单个选定传输信道的奇异向量。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述奇异向量的每个元素被量化为每维五个比特或更少。

11.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述多个可能的功率分配传输方案包括波束操纵传输方案。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述波束操纵传输方案的信道状态信息包括信号对噪声和干扰比SNR以及用于多个用于数据传输的发射天线的相位值向量。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述相位值向量基于主本征模式的奇异向量。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：

基于数据流的可获得的信号对噪声和干扰比SNR为每个数据流选择一速率。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述无线通信系统是多输入多输出MIMO通信系统，且所述多个传输信道对应MIMO通信系统的多个空间子信道。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述无线通信系统是宽带多输入多输出MIMO通信系统，且所述多个传输信道对应多个频带的多个空间子信道。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于为所有频带选用一个传输方案，且其中一个或多个数据流在每个频带上被发送，且基于选定的传输方案被处理。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于为每一频带选用一个传输方案，且其中一个或多个数据流在每个频带上被发送，且基于为该频带选择的传输方案被处理。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于为多个频带的每个选用波束形成传输方案。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于分配总发射功率使得对于在所述多个频带上发送的所有数据流使用公共的编码和调制方案。

21.如权利要求16所述的方法，其特征在于为所述多个频带的每个选用部分CSI传输方案。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于分配总发射功率使得对在每个频带上发送的所有数据流使用公共编码和调制方案。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于分配总发射功率，使得对于在每个空间子信道上发送的所有数据流使用公共编码和调制方案。

24.如权利要求1所述的方法，其特征在于无线通信系统是正交频分多路复用OFDM通信系统，且所述多个传输信道对应多个频率子信道。

25.一种在多输入多输出MIMO通信系统内的多个空间子信道上发送数据的方法，其特征在于包括：

确定MIMO系统的工作信号对噪声和干扰比SNR；

基于工作SNR，标识从多个可能的功率分配传输方案中选择的特定功率分配传输方案，其中多个传输方案的每个用于相应的工作SNR范围；

基于选择的传输方案，确定要发送的一个或多个数据流；以及

基于选定的传输方案，处理所述一个或多个数据流，

其中，所述多个传输方案包括部分信道状态信息CSI传输方案和波束形成传输方案，且其中如果工作SNR在阈值SNR以上，则选用部分CSI传输方案，如果工作SNR在阈值SNR以下，则选用波束形成传输方案。

26.一种无线通信系统内在多个传输信道上发送数据的装置，其特征在于包括：

确定通信系统的操作条件的装置；

基于确定的操作条件，标识从多个可能的功率分配传输方案中选择的特定功率分配传输方案的装置；

基于选定的传输方案，确定要发送的一个或多个数据流的装置；以及

基于选定的传输方案，处理所述一个或多个数据流的装置，

其中所述特定功率分配传输方案基于通信系统的工作信号对噪声和干扰比SNR选择，且其中多个传输方案的每个用于相应的工作SNR范围，

其中所述多个传输方案包括部分信道状态信息CSI传输方案和波束形成传输方案，且其中如果通信系统的工作SNR在阈值SNR以上，则选用部分CSI传输方案，如果工作SNR在阈值SNR以下，则选用波束形成传输方案。

27.如权利要求26所述的装置，其特征在于所述无线通信系统是多输入多输出MIMO通信系统，且所述多个传输信道对应MIMO通信系统的多个空间子信道。

28.如权利要求26所述的装置，其特征在于还包括：

基于数据流可获得的信号对噪声和干扰比SNR为每个数据流选择一速率。

29.一种无线通信系统内的发射机单元，其特征在于包括：

控制器，用于引导在多个传输信道上的数据传输，所述引导是通过：

接收通信系统的操作条件的指示；

基于选定的传输方案确定要发送的一个或多个数据流；

部分基于分配给数据流的发射功率量为每个数据流选择-速率；以及

基于选定的传输方案引导对所述一个或多个数据流的处理；

发射TX数据处理器，用于基于选定的速率处理每个数据流以提供相应的码元流；以及

一个或多个发射机，用于处理一个或多个码元流以提供适于在通信信道上传输的一个或多个已调信号，

其中多个传输方案包括部分信道状态信息CSI传输方案以及波束形成传输方案，并且其中所述控制器用于如果通信系统的工作信号对噪声和干扰比SNR高于阈值SNR则选择部分CSI传输方案，如果工作SNR低于阈值SNR，则选择波束形成传输方案。

30.如权利要求29所述的发射机单元，其特征在于所述控制器还用于对于部分CSI传输方案，将峰值发射功率用于每个数据流，并对于波束形成传输方案将所有发射功率分配给单个数据流。

31.如权利要求29所述的发射机单元，其特征在于还包括：

TX MIMO处理器，用于基于波束形成传输方案的奇异向量对单个数据流的码元流预调整。

32.一种基站，包括如权利要求29所述的发射机单元。

33.一种无线通信系统内的接收机单元，其特征在于包括：

接收RX MIMO处理器，用于根据特定接收机处理方案接收并处理多个接收到码元流以提供至少一个恢复后码元流，并为每个恢复的码元流导出信道状态信息CSI；

RX数据处理器，用于根据至少一个解调和解码方案处理至少一个恢复后的码元以提供解码后数据；以及

发射TX数据处理器，用于处理CSI以发送回发射机单元；以及

其中基于CSI从多个可能的功率分配传输方案中选择一特定功率分配传输方案，其中基于选定的传输方案将一个或多个数据流发送到接收机单元，且其中总可用发射功率基于选定的传输方案被分配给所述一个或多个数据流，其中多个传输方案包括部分CSI传输方案和波束形成传输方案，其中如果工作信号对噪声和干扰比SNR在阈值SNR以上，则选择部分CSI传输方案，如果工作SNR在阈值SNR以下，则选择波束形成传输方案。

34.如权利要求33所述的接收机单元，其特征在于对于波束形成传输方案，RX MIMO处理器还用于用奇异向量预调整所述多个接收到的码元流以提供单个恢复的码元流。

35.如权利要求33所述的接收机单元，其特征在于对于部分CSI传输方案，RX MIMO处理器还用于基于带有连续抵消的最小均方误差MMSE-SC接收机处理技术处理所述多个接收到的码元流以提供多个恢复的码元流。