更多信道容量和更少反馈信息的无线电通信装置及其方法

优选实施方式

以下，将参照附图描述根据本发明的信道容量最大化的无线电通信装置的结构和操作。

图1是一个根据本发明的信道容量最大化的无线电通信装置的方框图，该设备包括一发射机10和一个接收机20。这里，标号′30′表示一个信道。

发射机10从由接收机20通过无线电发送来的反馈信号中恢复反馈信息；利用该恢复的反馈信号，为包含通过输入终端IN从外面输入的信息信号的基带信号分配发射功率；调制被分配了发射功率的基带信号，把该调制过的基带信号转变成射频(RF)信号，并通过信道30把该RF信号发送给接收机20。

为了这些操作，发射机10包括：第一接收天线40，一个反馈信息恢复单元42，一个第一基带处理器44，一个RF处理器46，和第一发射天线48。

第一接收天线40用无线电接收通过信道30从接收机20发送过来的反馈信号，并把该接收到的反馈信号输出给反馈信息恢复单元42。然后，反馈信息恢复单元42从所接收到的从第一接收天线40输出的反馈信号中恢复反馈信息，并向第一基带处理器44输出该恢复的反馈信息。

第一基带处理器44确定一种对从输入终端IN输入的信息信号进行调制的方法，处理该基带信号，然后利用从反馈信息恢复单元42输入的反馈信息为每个基带信号分配发射功率。例如，第一基带处理器44对基带信号进行处理，诸如脉冲整形或者基带滤波等。当发射功率被分配给每个基带信号时，将确定对每个基带信号进行调制的电平。而且，第一基带处理器44根据所确定的调制方法调制该分配了发射功率的基带信号，并向RF处理器46输出该被调制的基带信号。

然后，RF处理器46把由第一基带处理器44调制的基带信号转变成RF信号，并向第一发射天线48输出该RF信号。第一发射天线48把从RF处理器46输出的RF信号通过信道30用无线电发送给接收机20。

然后，接收机20估算所接收的RF信号用无线电通过信道30发送的信道响应，且利用该估算的信道响应从该RF信号中恢复信息信号，并用无线电通过信道30把与将被分配的发射功率有关的信息作为一个反馈信号发送给发射机10，其中该发射功率利用该估算的信道响应计算。

为了这些操作，接收机20包括：第二接收天线60，第二基带处理器62，信道估算器64，信息恢复单元66，分配功率计算器68，信息反馈单元70，以及第二发射天线72。

第二接收天线60接收从第一发射天线48发送来的RF信号，并把该接收到的RF信号输出到第二基带处理器62。然后，第二基带处理器62把从第二接收天线60输出的RF信号转换成基带信号，在该转换了的基带信号上执行信号处理，诸如基带滤波，并把该处理后的信号输出到信道估算器64和信息恢复单元66。

接下来，信道估算器64从导频符号的结果中估算出信道响应，在开始通信之前导频符号就已经被发射机10和接收机20知道并且在由第二基带处理器62处理的结果信号中选择，该信道估算器并且输出该估算的信道响应到信息恢复单元66和分配功率计算器68。然后，信息恢复单元66利用由信道估算器64估算的信道响应，从由第二基带处理器62信号处理后的结果中恢复一个信息信号，并通过一个输出端OUT输出该被恢复的信息信号。为了信息信号的恢复，信息恢复单元66可能还包括与第一发射天线48同样数量的均衡器(未示出)。

此外，分配功率计算器68利用由信道估算器64估算的信道响应来计算发射功率，该发射功率将被分配给第一发射天线48的每个基带信号，因此信道容量可以被最大化。然后，分配功率计算器68对计算后的发射功率量化，并把量化后的功率输出到信息反馈单元70上。

根据本发明，分配功率计算器68计算用于使信道容量C最大化的功率P₁，P₂，...P_nT’，以作为将被分配给基带信号的发射功率，如下： $>>>C>prop>>=>>log>2>>det>[>>I>>n>R>>>+>>1>>>\sigma >2>>N>>>>HPH>h>>]>,>>\Sigma >>k>=>1>>>n>T>\; >>p>k>>\le >>P>T>>,>>s>P：对角线\{p$₁，p₂，...p_n}

其中，I表示一个单位矩阵，n_R表示第二接收天线60的数目，n_T表示第一发射天线48的数目，σN²表示所接收到的高斯噪声的色散，H表示关于所估算的信道响应的一个大小为n_R×n_T的矩阵，H^h表示H的共轭转置矩阵，P_T表示第一发射天线48的有效功率的总量，P表示一个对角线矩阵，指明分配给每一个第一发射天线48的发射功率。

注意到，如果公式5在该将被分配给第一发射天线48的发射功率P₁，P₂，...P_nr处被展开的话，在该对数函数中将会获得一个阶数n＝min(n_T，n_R)的多项式。

而且，根据本发明，分配功率计算器68计算如公式5所示的下列行列式： $>>det>[>>I>>n>R>>>+>>1>>>\sigma >2>>N>>>HP>>H>h>>]>>s>$ >>=>det>[>>I>>n>R>>>+>>1>>>\sigma >2>>N>>>>\Sigma >>i>=>1>>>n>T>\; >>p>i>>H>>(>i>)>>>H>h>>>(>i>)>>]>>s>$ >>=>\{>1>+>>\Sigma >>>i>1>>=>1>>>n>T>\; >>>p>>i>1>>>>>\sigma >2>>N>>>det>[>H>>>(>>i>1>>)>>h>>H>>(>>i>1>>)>>]>>s>$ >>+>>\Sigma >>>i>1>>=>1>>>n>T>\; >>\Sigma >>>i>2>>>>>i>1>>>>n>T>\; >>>p>>i>1>>>>>\sigma >2>>N>>>>>p>>i>2>>>>>\sigma >2>>N>>>det>[>>H>h>>>(>>i>1>>,>>i>2>>)>>H>>(>>i>1>>,>>i>2>>)>>]>>s>$ >>+>>\Sigma >>>i>1>>=>1>>>n>T>\; >>\Sigma >>>i>2>>>>>i>1>>>>n>T>\; >>\Sigma >>>i>3>>>>>i>2>>>>n>T>\; >>>p>>i>1>>>>>\sigma >2>>N>>>>>p>>i>2>>>>>\sigma >2>>N>>>>>p>>i>3>>>>>\sigma >2>>N>>>det>[>>H>h>>>(>>i>1>>,>>i>2>>,>>i>3>>)>>H>>(>>i>1>>,>>i>2>>,>>i>3>>)>>]>+>·>·>·>>s>$ >>+>>\Sigma >>>i>1>>=>1>>>n>T>\; >>\Sigma >>>i>1>>>>>i>2>>>>n>T>\; >·>·>·>>\Sigma >>>i>>>n>r>>->2>>>>>>i>>n>r>>>->2>>>n>T>\; >>>p>>i>1>>>>>\sigma >2>>N>>>>>p>>i>2>>>>>\sigma >2>>N>>>·>·>·>>>p>>>n>T>>->1>>>>>\sigma >2>>N>>>det>[>>H>h>>>(>>i>1>>,>>i>2>>,>·>·>·>,>>i>>>n>T>>->1>>>)>>H>>(>>i>1>>,>>i>2>>,>·>·>·>,>>i>>>n>T>>->1>>>)>>]>>s>$ >>>+>>\Sigma >>>i>1>>=>1>>>n>T>\; >>\Sigma >>>i>2>>>>>i>2>>>>n>T>\; >·>·>·>>\Sigma >>>i>>>n>r>>->1>>>>>>i>>>n>r>>->2>>>>>n>T>\; >>\Sigma >>>i>>n>r>>>>>>i>>>n>r>>->1>>>>>n>T>\; >>>p>>i>1>>>>>\sigma >N>>2>>>>>p>>i>2>>>>>\sigma >N>>2>>>·>·>·>>>p>>>n>T>>->1>>>>>\sigma >N>>2>>>>>p>>n>T>>>>>\sigma >N>>2>>>de>t>[>>H>h>>>(>>i>1>>,>>i>2>>,>·>·>·>,>>i>n>>)>>H>>(>>i>1>>,>>i>2>>,>·>·>·>,>>i>>n>T>>>)>>]>\}>>·>·>·>·>>(>6>)>>>s>$$$$$$$

其中，H(i.j，...)表示由i，j，...组成的H的一个子矩阵，并且不管n_R和n_T之间是否有差值都能得到公式6。这里，利用一种数值计算法，诸如最速下降方法、牛顿法和共轭梯度法(见由David Kincaid和Ward Chency编写的《数值分析》，由PacificGrove，California出版，1991)来计算将被分配给第一发射天线48的发射功率P₁，P₂，...P_nr是可能的，这些发射功率使公式6的行列式最大化。

同时，信息反馈单元70调制由分配功率计算器68计算的值，把该调制了的值转换成RF信号，并把该RF信号输出到第二发射天线72。然后，第二发射天线72把从信息反馈单元70输出的RF信号作为反馈信号(包含了关系到将被分配的发射功率的信息)用无线电通过信道30发送到第一接收天线40。为了这些操作，信息反馈单元70执行与第一基带处理器44和RF处理器46相同的功能。换句话说，作为与第一基带处理器44相同的功能，信息反馈单元70把由分配功率计算器68计算的值算作为基带信号，并对该值进行处理与调制。并且，作为与RF处理器46相同的功能，信息反馈单元70把该调制过的值转换成RF信号，并把该RF信号输出到第二发射天线72。

如果接收机20把与将被分配的发射功率有关的信息反馈到第一发射天线48的每一个上并且功率P_T的总量有限，那么反馈信号由n_T-1个实数组成。就是说，n_T-1个实数被作为反馈信号从接收机20反馈到发射机10。

在下文中，由图1中的无线电通信单元执行的根据本发明的无线电通信方法将参照附图被描述。

图2是一个流程图，解释一种由图1中的无线电通信单元执行的无线电通信方法。在此方法中，基带信号用利用反馈信息所分配的发射功率被调制并被发送(步骤90)。然后，利用从所接收到的RF信号中估算的信道响应来恢复信息信号，同时得到和该分配的发射功率有关的信息(步骤92)。

具体的说，在步骤90中，图1中的发射机10利用从反馈信号中恢复的反馈信息来分配包含从外面输入的信息信号的每个基带信号的发射功率，并用该分配的发射功率调制该基带信号，然后把该基带信号转换成RF信号并把该RF信号发送到接收机20。

图3是一个流程图，解释根据本发明的、图2中的步骤90的一个优选实施例。在此实施例中，施加到基带信号上的发射功率根据信息信号的类型及反馈信息是否存在而被平均或者不平均分配(步骤100至106)。然后，用分配的发射功率所调制的基带信号被转变成RF信号并被发送(步骤108和110)。

具体的说，根据图3中阐明的图2中步骤90的本发明的最佳实施例，图1的发射机10将确定通过输入终端IN输入的信息信号是否是导频符号(步骤100)。如果该信息信号被确定不是导频符号，那么发射机10将检查反馈信息是否存在(步骤102)。执行步骤102，发射机10检查反馈信号是否是从接收机20发送的。如果反馈信息存在，发射机10将从该接收到的反馈信号中恢复反馈信息(步骤104)。

相反地，如果该信息信号被确定是导频符号或者该反馈信息不存在或者步骤104被执行了之后，发射机10将为基带信号分配发射功率(步骤106)。例如，执行了步骤104之后，发射机10利用该反馈信息非均等地分配基带信号的发射功率，并且如果该信息信号被确定是导频符号或者该反馈信息并不存在，那么发射机10相应于导频符号可以均等地分配基带信号的发射功率。然而，根据本发明在图2的步骤90的另一实施例，如果检查了一次步骤102之后确定该反馈信息不存在，那么该反馈信息的存在性将可能被再一次检查，而不是转到步骤104或者106。事实上，该反馈信息的存在性可以在步骤102中被连续地检查，而不象图3中所示的那样。

执行了步骤106之后，发射机10用该分配的发射功率用一种预定的调制方法来调制该基带信号(步骤108)。上述的步骤100至106由图1中的第一基带处理器44执行。

执行了步骤108之后，RF处理器46把已经由第一基带处理器44调制过的基带信号转换成RF信号，并且把该RF信号发送到接收机20(步骤110)。

同时，执行了步骤90之后，接收机20接收发射机10用无线电通过信道30发送的RF信号，估算在该RF信号发送期间的信道响应，利用该估算的信道响应从该RF信号中恢复信息信号，并用无线电把包含与将被分配的发射功率有关的信息的反馈信号发送到发射机10，该发射功率利用该估算的信道响应来计算。

图4是一个流程图，解释由图1中的接收机20执行的图2中步骤92的本发明的一个优选实施例。在此实施例中，根据通过把接收的RF信号转换成基带信号并通过处理该转换结果而得到的值是否是导频符号，来确定恢复信息信号或者获得一个反馈信号(步骤120至132)。

具体的说，第二接收天线60接收在步骤90中发送的RF信号(步骤120)。步骤120之后，图1的第二基带处理器62把接收到的RF信号转换成基带信号，并对转换后的基带信号进行信号处理(步骤122)。步骤122之后，第二基带处理器62确定信号处理结果是否是用于导频符号(步骤124)。

如果确定该信号处理结果是用于导频符号的，那么第二基带处理器62把该用于导频符号的信号处理结果输出到信道估算器64，信道估算器64从该用于导频符号的信号处理结果中估算信道响应(步骤126)。步骤126之后，分配功率计算器68利用由信道估算器64估算的信道响应计算将被分配给从第一发射天线48输出的基带信号的发射功率(步骤128)。步骤128之后，信息反馈单元70调制由分配功率计算器68计算的值，把该调制的值转换成RF信号，并用无线电通过第二发射天线72把该RF信号作为反馈信号发送到发射机10(步骤130)。

然而，如果步骤124中的信号处理结果被确定不是用于导频符号的，那么信息恢复单元66将利用估算的信道响应从第二基带处理器62输出的处理结果中恢复信息信号，并通过一个输出端OUT输出该恢复的信息信号(步骤132)。

结果，在根据本发明的无线电通信装置和方法中，更多的发射功率被分配给第一发射天线48中处于良好状态的其中一个。因此，比起传统的等值功率分配方法，用本方法可以获得更多的信道容量。

并且，用根据本发明的无线电通信装置和方法，与传统的水填充功率分配方法相比，当减少反馈信息的数量时还有可能获得几乎相仿数量的信道容量。例如，在传统的水填充功率分配方法中，信道响应矩阵H′的所有元素都必须从接收机反馈给发射机，并且如果信道响应矩阵H′的元素都是复数，那么因此被反馈的信息的数量将是(2n′_Rn′_T)N_q(这里，N_q表示位(bit)数，位数在对实数进行量化时是必需的)。这里，如果被反馈的是V和P而不是H′，那么被反馈的信息的数量是(n′_T²+n′_T-1)N_q。也就是说，总共有n′_T²个复数必须被反馈，因为去耦矩阵V是一个n′_Rxn′_T的酉矩阵，并且n′_T-1个复数必须被反馈，因为在总共n′_T个信道中的自由度由于极限功率而减少了1。然而，在根据本发明的无线电通信装置和方法中，只有那些表示将被分配给第一发射天线48的发射功率的数量的信息被反馈，并且因此从接收机20反馈到发射机10的信息的数量是(n′_T-1)N_q。因此，在本发明的无线电通信装置和方法中，被反馈的信息的数量与在传统的水填充功率分配方法中被反馈的信息的数量比起来还可以被减少的更多。

虽然本发明已经参照一个最佳的实施例详细地示出并被描述，但是应理解，对于那些本领域的技术人员可以在形式上和细节上作各种各样的变化，而不脱离本发明的精神和范围(如附加的权利要求中所定义的)。

如上所述，在根据本发明的信道容量最大化的无线电通信装置和方法中，只有关于将被分配给第一发射天线的发射功率的数量的信息被反馈，而不同于在传统的无线电通信装置和方法中从接收机反馈到发射机的是信道响应信息。结果，根据本发明，虽然在一个反馈信号中信息的数量被减到最少但是信道容量仍可以被最大化。此外，不需要去耦转换，因此减少了硬件的制造尺寸和成本。