带有多包接收的多用户空时块编码的系统中采用过时信道状态信息的用于多输入多输出信道的线性预编码

摘要

通过利用过时的信道状态信息来提供线性预编码器设计的联合组，以用于具有多包接收的单小区上行链路多用户空时块编码的多输入多输出(MIMO)系统。通过结合最小和平均代码字距离设计度量二者来导出成对误差概率，受制于每个用户的传输功率约束，并取决于过时的信道状态信息，来解决最优化问题。由于最优化问题的非凸性质，基于替代最小化和投影梯度的迭代技术能够用来解决通常的空时块编码的联合线性预编码结构，该联合线性预编码结构然后从基站发送至各种消费者预定设备，以供将来传输。对于正交空时块代码，简化的分布技术提供最优化问题的闭合形式的解决方案。

权利要求

1.一种利用过时的信道状态信息来确定用于多输入多输出(MIMO)信道的线性预编码器的方法，该方法包括：接收用以无线网络中MIMO信道的过时的信道状态信息的指示；

接收关于至少一个消费者预定设备(CPE)的传输功率约束的指示；

受制于所指示的功率约束来解决最优化问题，该最优化问题至少部分取决于过时的信道状态信息；以及基于最优化问题的解决来确定线性预编码器。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，受制于所指示的功率约束来解决最优化问题的步骤包括：利用修改的梯度算法。

3.按照权利要求2所述的方法，其中，受制于所指示的功率约束来解决最优化问题的步骤还包括：执行投影来满足所指示的功率约束。

4.按照权利要求1所述的方法，其中，接收关于至少一个消费者预定设备的传输功率约束的指示的步骤包括：接收关于多个CPE的传输功率约束的指示。

5.按照权利要求1所述的方法，其中，所述确定线性预编码器的步骤包括：向多个CPE中的每个指示线性预编码器。

6.按照权利要求1所述的方法，其中，受制于所指示的功率约束来解决最优化问题的步骤包括：在无线网络的基站处解决最优化问题。

7.按照权利要求1所述的方法，其中，受制于所指示的功率约束来解决最优化问题的步骤包括：解决最优化问题以最小化成对误差概率。

8.按照权利要求1所述的方法，其中，受制于所指示的功率约束来解决最优化问题的步骤包括：在无线网络中的多个CPE中的每个处解决最优化问题。

9.按照权利要求10所述的系统，其中，确定线性预编码器的步骤包括：指示用于正交空时块代码(STBC)的线性预编码器。

10.一种确定用于多输入多输出无线网络的线性预编码器的装置，该装置包括：多个天线；

存储器；

信道状态信息组件，接收用于多输入多输出无线网络的过时的信道状态信息的指示；

功率约束组件，接收用于无线网络中至少一个设备的功率约束的指示；以及最优化组件，通过取决于过时的信道状态信息并受制于所指示的功率约束解决最优化问题，来确定一个或多个预编码器。

11.按照权利要求10所述的装置，其中，所述最优化组件确定用于无线网络中的多个设备中的每个的预编码器。

12.按照权利要求10所述的装置，其中，所述最优化组件使用梯度下降算法来解决最优化问题。

13.按照权利要求10所述的装置，其中，所述多个天线包括多个接收天线和多个发送天线。

14.按照权利要求10所述的装置，其中，所述功率约束组件从无线网络中的每个设备接收传输功率约束的指示。

15.按照权利要求10所述的装置，还包括根据所确定的预编码器来发送数据的发送组件。

16.按照权利要求10所述的系统，其中，所述装置是消费者预定设备。

17.按照权利要求10所述的装置，其中，所述装置是基站。

18.一种包含指令的计算机可读介质，当执行时所述指令时、执行用于确定用于空时块编码(STBC)的线性预编码器的方法，该方法包括：接收用于无线网络中空时块编码的MIMO信道的过时的信道状态信息；

接收与至少一个消费者预定设备(CPE)相关联的传输功率约束信息；以及受制于传输功率约束信息所代表的至少一个约束，且至少部分基于过时的信道状态信息，来最优化线性预编码器的至少一个参数。

19.按照权利要求18所述的计算机可读介质，还包括，其中，最优化线性预编码器的至少一个参数的步骤包括：最优化用于正交STBC的线性预编码器的至少一个参数。

20.按照权利要求18所述的计算机可读介质，其中，所述最优化步骤包括：执行投影来满足至少一个功率约束。

说明书

带有多包接收的多用户空时块编码的系统中采用过时信道

状态信息的用于多输入多输出信道的线性预编码

技术领域

[0001] 本主题公开总体上涉及无线通信系统，更具体地说，涉及带有多包接收的多用户空时(space-time)块编码的系统的预编码器设计。

背景技术

[0002] 无线通信网络越来越普遍并被广泛采用。然而，通常，无线通信允许在同一时间以给定频率进行单个传输。由此，频分/时分双工用于允许多个用户在无线通信网络中传输信息。然而，这导致关于给定信道带宽的降低的数据速率。

[0003] 多输入多输出(MIMO)技术是下一代无线通信的有希望候选。为了在MIMO信道上实现高数据速率，在空间和时间维度二者上执行编码的空时代码能够用来在不牺牲信道带宽的情况下最大化可能的分集(diversity)和编码优点。然而，在空时代码设计中不需要信道状态信息(CSI)。

[0004] 在CSI能够被反馈/估计的传统频分/时分双工系统中，CSI能够实际上在最大化系统性能的目的下用于最优化或准最优化预编码器及均衡器设计。然而，由于空时代码中不要求CSI，经常仅仅受限CSI信息能够是可用的并且/或者该CSI能够是由于反馈延迟而过时的。结果，CSI传统上不用于最优化空时编码的MIMO信道中的预编码器或均衡器设计。

[0005] 无线网络通信的上述缺陷仅仅意图提供当今无线网络的一些问题的概略，而并不意图穷尽。当查看随后的各种非限制性实施例的描述时，现有技术陈述中的其它问题可以变得更加明显。

发明内容

[0006] 下面提出本发明的简要介绍，以便提供本发明一些方面的基本理解。此简介不是本发明的扩展概述。它既不意图识别本发明的关键或重要元素，也不描述本发明的范围。其唯一目的是以简化形式提出本发明的一些概念，作为后文展现的更详细描述的前序。

[0007] 线性预编码器设计的联合组(joint set)通过利用过时的信道状态信息(CSI)而被提供用于带有多包接收(MPR)的单个小区上行链路多用户空时块编码的多输入多输出(MIMO)系统。通过导出关于最小和平均的代码字距离设计度量二者的成对误差概率(PEP：pairwise error probability)，受制于关于每个用户的传输功率约束，并取决于过时的信道状态信息，而衍生出最优化问题。由于最优化问题的非凸性质，基于交替最小化和投影梯度算法的迭代技术能够用来解决通常的空时块代码(STBC)的线性预编码结构。线性预编码结构然后从基站(BS)发送至各种消费者预定设备(CPE：consumer premise equipments)。

[0008] 关于正交空时块代码(OSTBC)，提供简化的分布技术来解出闭合形式解。根据简化分布技术的一个方面，代之在每个CPE导出线性预编码矩阵。由此，资源被节省并可用于其它目的。

[0009] 为了实现前述及相关目标，本发明的特定示例性方面在此结合随后描述及所附附图来描述。然而，这些方面仅示出可以采用本发明的原理的各种方式中的几个，而本发明意图包括所有这样的方面及其等同物。当结合附图考虑时，根据本发明的随后的详细描述，本发明的其它优点及新颖特征可以变得明显。

附图说明

[0010] 图1是能够实现该方面的示例性无线通信网络的图。

[0011] 图2是根据一个方面的无线通信网络中的传输的图。

[0012] 图3是相对于迭代索引的平均代码字误差概率的曲线图。

[0013] 图4是用于各种预编码器设计的、平均代码字误差概率相对于信噪比(SNR)的曲线图。

[0014] 图5是用于各种预编码器设计的、平均代码字误差概率相对于与基站通信的消费者预定设备的数目的曲线图。

[0015] 图6是用于各种预编码器设计的、平均代码字误差概率相对于基站处的接收天线数目的曲线图。

[0016] 图7是用于使用二进制相移键控的各种预编码器设计的、相对于SNR的平均代码字误差概率的曲线图。

[0017] 图8是用于使用16QAM的各种预编码器设计的、相对于SNR的平均代码字误差概率的曲线图。

[0018] 图9是用于各种预编码器设计的、平均代码字误差概率相对于相关系数的曲线图。

[0019] 图10是根据本发明一方面的基站的框图。

[0020] 图11是根据一方面的消费者预定设备的框图。

[0021] 图12是根据另一方面的消费者预定设备的框图。

[0022] 图13是根据本发明一方面的基站的方法的流程图。

[0023] 图14是根据本发明一方面的消费者预定设备(CPE)的方法的流程图。

[0024] 图15是根据本发明另一方面的消费者预定设备的方法的流程图。

[0025] 图16是展示可实现本发明的示例性非限制性计算系统或操作环境的框图。

具体实施方式

[0026] 现在参照附图描述本发明，其中，类似的附图标号始终用来指示类似的元件。在随后的描述中，出于说明的目的，描述多个具体细节以便提供对本发明的完全理解。然而，可明显的是，可以在不具有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它例子中，公知的结构和设备以框图形式示出，以便于描述本发明。

[0027] STBC和信道预编码的组合能够在实现编码和分集增益二者的同时，实现抵抗信道衰落的无线通信系统鲁棒性。通过利用过时的CSI来提供关于上行链路多用户空时块编码的系统的线性预编码器设计以及关于正交STBC的分布式预编码器设计的联合组。

[0028] 线性预编码器设计被确定为针对最小化成对误差概率(PEP)受到关于每个用户(例如，每个消费者预定设备(CPE))的传输功率约束的最优化问题的解决方案。由于该最优化问题表现为在所有预编码器矩阵上是非凸的，因此提供迭代技术来解决关于通常STBC的最优化问题。所公开的技术对于最小化和平均代码字距离设计度量二者起作用。

[0029] 鉴于平均距离设计准则的有吸引力的特性，简化的技术被提供来用于正交STBC(OSTBC)的闭合形式的线性预编码结构。当过时的CSI的品质非常好时，闭合形式的线性预编码器接近把所有传输功率分配至最强本征模(eigenmode)的单本征模波束形成器。另一方面，具有差信道品质的预编码器倾向于以相等功率分配来对所有本征模执行波束形成。

[0030] 根据一个方面，示例性无线网络环境100是单小区上行链路多用户空时块编码的系统，其中具有与在带有多包接收(MPR)的MIMO-STBC系统中的基站(BS)同步通信的L数目的消费者预定设备(CPE)。本领域技术人员将会理解，不论名称如何，CPE能够是移动设备。

[0031] 如图1所示，所有CPE 110由BS 105调度来在同一时隙t2中传输包。当用户由基站调度来进行包传输时，能够在所有用户之间发生理想的码元级同步。然而，值得一提的是，上述同步能够通过使用专用时序及接入间隔来在实践中实现。例如，WiMAX中用于上行链路OFDMA的码元级同步通过在IEEE 802.16e中的上行链路测距来实现。

[0032] 虽然未示出，但是BS通常连接至另一网络，诸如因特网、公共电话网络、或私有网络，把从CPE接收的数据通信至此网络，并把来自网络的数据发送回CPE。

[0033] 在一个方面，预编码矩阵 在BS处设计，在t1经由专用反馈链路发送至相应CPE，而CPE在t2开始包传输。在具有一些可预测延迟的时隙的末尾，例如t2+τ2，BS 105收集关于CPE的信道估计、数据检测、及预编码器设计的全部L个包。为了清楚，不失一般性，所有包假定具有相同长度，并且每个时隙等于一个包持续时间。

[0034] 参照图2，BS 220具有MR个接收天线208，第i个CPE 230具有 个发送天线206，其中i＝1，......，L。BS 220使用联合最大似然(joint maximumlikelihood)解码器210来对所接收数据进行解码。从第i个CPE到BS的块衰落信道以 矩阵Hi为模型，该矩阵Hi符合均值为 且协方差为 的复高斯分布。

[0035] 每个MIMO信道假定在CPE相关，但是在接收器侧完全不相关。具体地，由于CPE处存在导致更大角度展开(angular spread)的大量散射，因此CPE的天线为了不相关的衰落而需要按例如λ/2来分隔。然而，由于小的嵌入设备(例如，CPE)中的空间限制及RF耦合，难以在CPE处维持完全不相关的天线。然而，虽然基站处的角度展开较小(例如，对于城市环境为～30度)，但是基站能够承担以更大距离(例如，10λ或更长)来分隔天线，因此，较容易在基站侧实现不相关的衰落。

[0036] 由此，更优性能的方式是在基站具有进一步分隔的天线，以在MIMO信道中创造更大自由度。特别是当发送器侧的CSI(CSIT)较差或空间多路复用时，自由度能够用于分集。在任何情况下，性能将会通过基站处进一步分隔的天线而改进。

[0037] 令Ci为从第i个空时编码器202生成的 代码字，该第i个空时编码器202T×I把第i个CPE的所发送的信号矢量Si∈C 映射到Ci。代码字由线性预编码器Fi 204处理。这样的系统设置不仅有助于使代码字适用于各种信道条件，而且由于STBC和检测算法二者保持不变，因此继承了非预编码的空时块编码系统的所有实现优势。标记 来作为其项是方差为 的零均值复高斯的加性白高斯噪声。所接收的码元矩阵 由以下公式给出：

[0038] (公式1)

[0039] 由于在接收器处能够以高得多的精确度获得信道估计，因此为了简洁假定理想的接收器处的CSI(CSIR)。然而，在其它实施例中，能够在预编码器设计过程期间包括信道估计误差。

[0040] 标记 及 其中(·)T是矩阵转置。采用联合最大似然(ML)解码器来计算判决度量，并借助于具有最小度量的代码字来决定。

[0041] (公式2)

[0042] 其中 为Ci的估计， 为STBC密码本，‖·‖F代表弗罗贝纽斯(Frobenius)范数。

[0043] 虽然理想CSIR可用，但是由于反馈延迟，过时的CSI能够用于预编码器设计。考虑如下情景，所有预编码矩阵 基于时隙t1处的CSI，即H(t1)，而在BS处联合设计，并且在t2＞t1调度CPE来进行包传输。由于反馈延迟，H(t2)通常不同于H(t1)，这意味着当CPE传输包时，在BS处设计的预编码器已经过时。随后，提供如下方式，其中，从第i个CPE到BS的过时的CSI由在BS处广为所知的均值为 且协方差为 的 矩阵 表示。

[0044] 定义 并且 为过时的CSI 的条件下的瞬时信道H的信道均值矩阵。

[0045] 基于Hi和 为关于所有i的联合高斯的假定，作为 条件下H的协方差矩阵的能够用于测量信道不确定性(uncertainly)。具体地，当 时，过时的CSI的品质接近理想信道状态信息，BS处设计的预编码器与信道密切匹配，在此期间CPE开始包传输。

[0046] 然而，最小化成对误差概率的问题受每个CPE的传输功率约束。具体地，两个设计准则被指出以针对目标函数选择适当的代码字距离积度量并把线性预编码器设计表述为最优化问题。

[0047] PEP定义为选择最近代码字 代替实际传输的代码字C的误差概率。C和 之间的PEP数学上写为

[0048] (公式3)。

[0049] 在H的遍历实现上平均公式3并应用切尔诺夫限(Chernoff bound)得到：

[0050] (公式4)

[0051] 其中(·)*是复共轭转置运算符， 是代码字距离积度量。

[0052] 在后继函数中，公式4中的切尔诺夫限考虑为按照一个方面的线性预编码器的目标函数。

[0053] 目标函数1。对于条件信道均值矩阵 和条件协方差矩阵 的每次实现，线性预编码矩阵的联合组 被确定为使得下述公式5中的切尔诺夫限能够最小化，

[0054] (公式5)。

[0055] 目标函数1中的条件PEP能够通过代码字距离积度量 而高度依赖于所传输的代码字C和误解码的(mis-decoded)代码字 考虑到两个距离度量，即最小距离设计和平均距离设计。

[0056] 以 为条件的最大PEP是高信噪比(SNR)处的主项。由此，搜索给出 的最小值的代码字对C和

[0057] (公式6)

[0058] 对于通常的STBC，组合的数目与CPE的总数成指数比例。然而，当考虑OSTBC时，公式6能够简化为 其中dm是信号星座中的最小距离，PS是平均码元功率。在此情况下，复杂度降低，并且其仅仅与L线性成比例。

[0059] 将 代入公式5得到条件最大值PEP的切尔诺夫限。在至少一些实施例中，能够利用此上限，来导出线性预编码器的联合组以便最小化预编码增益。

[0060] 在另一实施例中，平均预编码增益用来导出线性预编码器的联合组。具体地，平均预编码增益是基于通过对所有可能的代码字对的积进行平均而得到的代码字误差的协方差，

[0061] (公式7)。

[0062] 考 虑 如 下 情 景，不 同 CPE的 代 码 字 相 互 独 立，即，对 于 i≠ j，代码字距离积度量能够简化为如下块对角矩阵

[0063] (公式8)

[0064] 其中 由于每个第i个空时预编码器每次仅仅作用于一列代码字、以及在码元时间段的整个代码块上联合执行检测的事实，上述公式能够简化为

[0065]

[0066] 其中，Δi，m，n＝Ci，m-Ci，n和pi，m，n是第i个空时编码器的所有成对的不同代码字之中Ci，m和Ci，n对的概率。因而，只要知道pi，m，n针对所有成对的不同代码字，则实际上得到[0067] 虽然此实施例不提供其它实施例的最小预编码增益，但是 在此实施例中是易处理的块对角矩阵，这使得能够导出闭合形式的线性预编码结构。

[0068] 在适当的代码字距离积度量 已经被选择之后，联合线性预编码器表述为最优化问题。基于H和 二者为联合高斯的假定，给定 的H的概率密度函数符合复高斯分布[0069] (公式9)

[0070] 其中 为所有CPE的发送天线之和。通过将公式9代入公式5，条件上限的PEP表达为

[0071]

[0072] (公式10)

[0073] 其中

[0074] (公式11)。

[0075] 注意到当仅仅存在一个CPE时，公式10等同于单用户MIMO-STBC系统的上限PEP。由此，公式10是多个用户的归纳。通过对公式10的两侧采用该算法，并忽略独立于F的那些项，目标函数1能够按如下简化。

[0076] 目标函数2。对于 和 的每次实现，线性预编码矩阵的组 被设计为使得公式12中的目标函数最小化

[0077]

[0078] (公式12)

[0079] 公式12中的第一项通过 而取决于信道估计的实际实现，而第二项通过而仅仅取决于代码字对。然而，联合线性预编码器设计能够数学上建模为下述最优化问题。

[0080] 最优化问题1。对于 和 的每次实现，线性预编码器的组 被选择为使得公式13中的目标函数如在下述公式14中表述的那样受制于每个CPE的传输功率约束而最小化。

[0081] (公式13)

[0082] 受制于： (公式14)

[0083] Pi为第i个CPE的传输功率。

[0084] 由于 中 的非线性性质，最优化问题1在F上不是联合凸性(jointly convex)，并因而，诸如内部点方法的特定算法不能用来直接解决问题。由此，在一个实施例中，采用迭代技术来求解线性预编码矩阵的联合组。所得到的预编码矩阵适合于任何STBC实施。

[0085] 根据迭代技术，采用交替最小化来使得变量组每次一个地被最优化，而保持所有其它变量固定。对于线性预编码器的联合表述，交替最小化以预编码结构的给定组开始，然后以并行方式使用随后的最优化问题来更新。

[0086] 最优化问题2。给定那些L-1个CPE的预编码矩阵Fj，其中j≠i，线性编码器Fj针对 和 的每次实现来选择，使得公式15中的目标函数按照下文所述受制于传输功率约束而最小化：

[0087] (公 式15)

[0088] 受制于： (公式16)

[0089] 对于上述最优化问题，标准的非受约束梯度算法的修改版本用作投影梯度算法，来考虑每个CPE的传输功率约束。

[0090] 标记 来作为在迭代l和 的第i个线性预编码器。进一步标记d为被选择用来保证算法收敛的步长大小。迭代定义为

[0091] (公式17)

[0092] 其中▽代表矩阵值倒三角运算符，[·]⊥是向 上第i个CPE的传输功率约束的投影。

[0093] 梯 度 使 用 最 优 化 问 题2 的 卡 罗 需 -卡 - 塔 克(Karush-Kuhn-Tucker，KKT)最优化条件来计算，并且随后，所导出的梯度投影到传输功率约束组上。具体地，通过引入关于第i个CPE的拉格朗日(Lagrangian)乘数恒量μi≥0，并且关于公式15和16的 采取一阶差分，能够示为

[0094]

[0095]

[0096] (公式18)

[0097] 其中 是大小为 的基矩阵。

[0098] 由此，在表I中概述了根据线性预编码器设计的联合组的一个方面的解决最优化问题的示例性迭代技术。当利用梯度下降时，本领域技术人员将理解，在其它实施例中，使用其它最优化算法能够解决最优化问题。总体上，示例性技术主要分为两个不同部分，即初始化和迭代部分。

[0099] 表I

[0100] 用于联合线性预编码器设计的迭代算法初始化

[0101] d＝2；l＝0；

[0102] for i＝1:L

[0103]

[0104] end

[0105] 迭代

[0106] l＝l+1；

[0107] for i＝1:L

[0108]

[0109]

[0110]

[0111]

[0112] end

[0113] if

[0114]

[0115] d＝d+1；l＝l-1；

[0116] end

[0117] 终止

[0118] 对于第一部分，迭代索引l＝0，步长大小初始化为d＝2。另外，全部L个预编码矩阵初始化为 其中i＝1，......，L，使得能够满足每个用户的传输功率约束。

[0119] 第二部分计算标准梯度，并执行投影来满足传输功率约束。具体地，计算规范化的梯度 预编码矩阵 更新为 而完成向第i个CPE的传输功率约束的投影。执行随后的比较来检查通过更新的预编码矩阵而获得的目标函数是否大于先前一个的。如果大于，则步长大小应被调整，来自先前迭代l-1的全部L个预编码矩阵应当重新计算。最终，当 其中ε为小恒量时，终止迭代算法。

[0120] 通过下降变元来保证并证明算法的收敛。设想目标函数f被界定下限，并且是带有李普希茨(Lipschitz)恒量L的李普希茨数(Lipschitzian)，且0＜1/d＜2/L，其中d是步长大小。通过投影梯度算法生成的序列从而收敛。而且，此序列的限制点满足一阶KKT最优化条件。换句话说，收敛的唯一要求是选择d的适当值，以使得其值小于李普希茨恒量。参照图3，图3示出当ρ＝0.5，0.9，SNR＝6dB，且MR＝2时2用户MIMO-STBC系统的收敛速率。具体地，分别关于ρ＝0.5，0.9的曲线305和310示出了在运行了大约20次迭代之后该技术的收敛。

[0121] 虽然线性预编码器的联合组能够通过迭代算法在数值上求解，但是存在如下特殊情况，其中存在闭合形式的预编码结构，这允许线性预编码器的行为将在信道品质处于两个极端(非常差和非常好)时被调查，并导出高SNR时关于条件PEP的切尔诺夫限的闭合形式的表达。

[0122] 平均距离设计实施例的一个有吸引力的特性是当应用OSTBC时，代码字距离积度量能够被显著简化为缩放的(scaled)单位矩阵，即 其中α为由系统星座和代码本身二者确定的平均距离。由此，通过考虑受制于平均距离设计准则的带有OSTBC的预编码器设计，条件上限的PEP对于代码字对的依赖现在单独通过取决于代码字的参数α。感兴趣的是，如果条件协方差矩阵也是缩放的单位矩阵，集中的预编码器设计在实施例中能够拆分为L个线性预编码矩阵的每个在相应CPE导出的分布设计。

[0123] 如果H和 的每项是具有相同方差的复高斯随机变量，例如 则以 为条件的H的协方差矩阵由下式给出

[0124] (公式19)

[0125] 其中， 是分别标记为H(i，j)和 的H和 的第(i，j)项之间的规范化的相关系数。

[0126] 基于Aave，OSTBC(α)和 的块对角结构，公式11中给出的度量 显著简化为

[0127] (公式20)

[0128] (公式21)

[0129] 其中， 通过把公式20代入公式12，目标函数 分解为L项，如

[0130] (公式22)

[0131] (公式23)

[0132] 由此，多用户线性预编码器设计能够拆分为L个单用户预编码器设计，其最优化问题按下文给出。

[0133] 最优化问题3。对于 和 的每次实现，线性预编码器Fi被选择为使得有关PEP的目标函数li(F，α)如在下述公式25中表述那样受制于传输功率约束而最小化。

[0134] (公式24)

[0135] 受制于： (公式25)

[0136] 其中Wi(Fi，α)在公式21中定义。

[0137] 通过使用KKT最优化条件，Fi能够解析地求解。具体地，当平均预编码增益用来确定线性预编码器、并且正交空时块代码(OSTBC)被应用时，第i个CPE的线性预编码器具有闭合形式的结构。

[0138] (公式26)

[0139] 其中，+

[0140] 其中，(·) ＝max(0，x)，μi≥0为与第i个CPE的传输功率约束相关联的拉格朗日乘数，通过特征值分解为

[0141] 在公式26中的闭合形式的预编码结构中，最优左奇异矢量是特征矢量这暗示着第i个线性预编码器的波束方向取决于从信道估计的实际实现获得
的信道知识。

[0142] 当过时的CSI的品质处于两个极端时，调查线性预编码器的行为。另外，还导出了关于条件PEP的切尔诺夫限的渐进闭合形式的表达。

[0143] 在好的信道品质，或者等效地ρ→1的情况下，条件协方差接近0，即利用当Q矩阵范数小于1时存在矩阵求逆 的事实，当ρ→1时，

[0144] (公式27)。

[0145] 通过忽略公式27中较高阶的项，在一系列运算之后，公式10中条件上限的PEP能够简化为

[0146] (公式28)。

[0147] 由于最小化公式28等效于最大化 线性预编码器设计的最优化问题能够按如下重写：

[0148] 最优化问题4。如果过时的CSI假定具有优异品质，则对于 和 的每次实现，线性预编码器Fi被公式化为为使得公式29中的目标函数如在下述公式30中表述那样受制于传输功率约束而最大化。

[0149] (公式29)

[0150] 受制于： (公式30)。

[0151] 类似于先前的最优化问题，通过使用KKT最优化条件来求解，并且闭合形式的预编码结构给出为

[0152] (公式31)

[0153] 其中， 通过比较最优化问题3和4的所得的预编码结构，功率分配策略显著改变，以向最强本征模分配全部传输功率。由此，随着过时的CSI的品质提高，第i个CPE的线性预编码器降低本征模，直到其变成单本征模波束形成器，在理想CSI在发送器处可得到的情况下，其符合单用户情景的渐进结果。

[0154] 通过把公式31代入公式27，公式10中简化的切尔诺夫限被确定为：

[0155]

[0156]

[0157] (公式32)

[0158] 因而，条件PEP以相关系数ρ指数下降。另外，PEP以MR的多项式率，利用取决于代码字的参数α和传输功率Pi来改进，而PEP随着CPE的数目L而劣化。

[0159] 当ρ→0且 时，最优线性预编码器为缩放的单位矩阵

[0160] (公式33)

[0161] 其表示出，当过时的CSI的品质劣化时，预编码器倾向于以相等的功率分配对所有本征模具有波束形成。在没有CSI可在发送器处获得的情况下，此解决方案还符合单用户情景的渐进结果。通过将公式33代入公式10，条件上限的PEP简化为：

[0162]

[0163] (公式34)

[0164] 类似于公式32，上述导出的条件PEP随着ρ指数地下降。另外，其不仅是取决于代码字的参数、接收天线数目、及CPE数目的函数，而且还是发送天线的函数。虽然使用高SNR假定来导出公式32和34，在SNR不高的情况下，仍然能够成功利用这些切尔诺夫限。

[0165] 多用户MIMO-STBC系统的平均代码字误差概率根据线性预编码器技术的一方面来调查。对于所有的仿真，除非另行指出，假定 并且向空时编码器的输入被假定为形成独立且相同地分布的等概率码元序列。

[0166] 对于具有阿拉莫提(Alamouti)STBC的多用户MIMO系统，比较集中的及分布的预编码器设计的性能。代码字的所有元素取自二进制相移键控(BPSK)星座，其中α＝2.13，除非另行指出。

[0167] 示出具有不同信道品质(即ρ＝0，0.5，0.9)的两个方面的性能。参照图4，平均距离设计和最小距离设计实施例二者的性能精确相同，这揭示了使用OSTBC的平均距离设计准则的益处。具体地，线性预编码器现在能够在相应CPE处设计。

[0168] 更重要的是，当过时的CSI不可获得，即ρ→0时，两个设计的性能降低到常规波束形成系统的性能，这能够通过渐进解析来验证，即，当ρ→0时，预编码器倾向于以不导致预编码增益的相等功率分配来对所有本征模执行波束形成。另一方面，当过时的CSI具有更好品质时，两个设计的代码字误差概率优于不具有预编码器的系统2-5dB。

[0169] 参照图5和6，分别示出CPE的数目L和接收天线的数目MR的效果。在图5中，系统性能处于SNR＝10dB且ρ＝0.9。分别示出没有预编码器、集中实施例和分布实施例的曲线505、510、及515。两种预编码器设计在平均代码字误差概率方面优于不具有信道预编码的常规系统大约一个数量级。在图6中描绘了在SNR＝5dB且ρ＝0.9的MR的效果。分别示出关于没有预编码器、集中实施例、及分布实施例的曲线605、610、及615。具体地，如图6所示，系统性能由于分集增益而随着接收天线的数目而改进。另外，两个预编码器实施例还优于常规系统大约一个数量级。

[0170] 考虑非正交STBC，即准正交空时块代码(QSTBC)，并将其与具有最小及平均代码字距离设计准则的集中设计的性能相比较。图7和图8分别示出了ρ＝0.9的用于具有BPSK和16QAM调制的系统的平均代码字误差概率。图7和图8中的曲线705/805、710/810、及715/815分别代表不具有预编码器的常规系统、平均距离实施例、及最小距离实施例。当星座级小时，具有平均距离设计准则的集中设计的性能与具有最小距离设计准则的情况精确相同。然而，由于最小距离代码字对的数目变大且在影响系统性能方面更具主导性，因此平均距离设计的预编码增益随着星座级而降低。

[0171] 作为最后例子，在图9中示出信道品质的效果。曲线905图示了不具有预编码器的常规系统，曲线910图示了两个预编码器实施例的性能。SNR设置在5dB，调制是BPSK。由此，当信道品质差(ρ→0)时，性能与常规波束形成的相同。另一方面，当ρ→1时，实现显著的预编码增益。

[0172] 图10-图12图示了根据所公开技术的方面的基站和CPE的组件和/或硬件。简洁起见，未示出及描述在基站和/或消费者预定设备中使用的、及提供其它功能的其它组件的公知的硬件结构(例如多路复用器、解码器)。然而，本领域技术人员将会理解，可存在这些附加的硬件和组件。

[0173] 参照图10，图10图示了根据一个实施例的示例性基站。该基站包括多个天线1002，其能够包括分别用于上行链路和下行链路的多个接收及发送天线。信道状态信息组件1004接收过时的信道状态信息的指示。此指示能够来自在本地进行估计的本地组件(未示出)，或者来自一个或多个CPE。功率约束组件1006从至少一个CPE接收传输功率约束的指示。最优化组件1008受制于所指示的功率约束并基于过时的信道状态信息来解决最优化问题。例如，该最优化能够使用之前描述的迭代技术。发送组件1010把所确定的线性预编码器发送至每个CPE。

[0174] 图11示出根据集中实施例的示例性CPE。预编码器接收组件1102从基站接收线性预编码器来使用，以及发送组件1106根据所指示的线性预编码器来发送数据。功率约束组件1104向基站指示传输功率约束。类似地，信道状态信息组件1108能够检测当前信道状态信息并将CSI中继至基站。

[0175] 图12图示了根据OSTBC的示例性CPE。除了最优化组件1208解决简化的闭合形式的最优化问题之外，该组件/硬件类似于结合图10描述的基站上的那些组件/硬件。另外，取代向CPE指示线性预编码器，发送组件1210根据被确定为最优化问题的解决方案(solution)的线性预编码器来发送数据。

[0176] 简单转向图13-图15，图示了可以根据本发明而实施的方法。尽管为了说明简洁的目的，所述方法被示为并描述为一系列块，然而应理解并认识到的是，本发明不限于块的该顺序，这是由于根据本发明，一些块可以以与在此所示并描述的不同的顺序和/或与其它块同时进行。而且，根据本发明，并非所有所示的块都可能被要求用来实施方法。而且，虽然为了清楚，方法被示出用于线性预编码器的单个确定，然而本领域技术人员将会理解这些方法能够连续执行。

[0177] 图13示出根据一个实施例的在基站进行的示例性方法。在1305，接收过时的CSI的指示。该指示能够来自估计CSI的基站的组件，或者能够从无线网络中的一个或多个设备(例如，CPE)接收。在1310，接收关于每个CPE的传输功率约束的指示。例如，CPE能够发送此信息，或者此信息能够从传输功率约束的本地高速缓冲存储器恢复。在1315，受制于所指示的功率约束来解决最优化问题。如上所述，该解决方案能够例如使用上述迭代技术来执行。然而，本领域技术人员将会认识到，在其它实施例中还能够利用用来解决最优化问题的其它技术。在1320，根据最优化问题的解决方案来确定一个或多个线性预编码器。例如，线性预编码器能够被指示到无线网络上的每个CPE。

[0178] 参照图14，图示了根据集中设计实施例的CPE的示例性方法。在1405，向基站指示传输功率约束、以及任选地信道状态信息。在1410，从基站接收线性预编码器的指示。在1415，数据能够根据所指示的线性预编码器来发送。

[0179] 参照图15，示出CPE处的OSTBC的分布技术的示例性方法。在1505，接收过时的CSI的指示。该指示能够来自估计该CSI的CPE的组件，或者能够从无线网络中的一个或多个设备(例如，其它CPE或BS)接收。在1510，接收CPE的传输功率约束的指示。在1515，受制于所指示的功率约束来解决闭合形式的最优化问题。在1520，使用被确定为对于最优化问题的解决方案的线性预编码器来发送数据。

[0180] 转向图16，图示了可以实施本发明的示例性非限制性计算系统或操作环境。本领域普通技术人员能够认识到，所有类型的手持、便携式、及其它计算设备和计算对象被构想来用于本发明，即，可以根据希望来配置通信系统的任何情况。相应地，下面在图16中描述的以下通用远程计算机仅仅是可以实施本发明的计算系统的一个例子。

[0181] 虽然未要求，但是本发明能够部分地通过操作系统实施，来由设备或对象的服务的开发者使用，并且/或者包含于结合本发明的(多个)组件操作的应用软件内。软件可以在诸如程序模块的计算机可执行指令的总体语境中描述，由诸如客户机工作站、服务器、或其它设备的一个或多个计算机来执行。本领域技术人员将认识到，可以通过其它计算机系统配置及协议来实践本发明。

[0182] 图16由此图示可以实施本发明的适当的计算系统环境1600的例子，但是计算系统环境1600仅仅是适当的计算环境的一个例子，而不意图暗示关于本发明的使用或功能的范围的任何限制。计算环境1600不应被解释为具有与示例性操作环境1600中图示的组件的任何一个或组合有关的任何依赖性或要求。

[0183] 参照图16，用来实施本发明的计算设备的例子包括计算机1610形式的通用计算设备。计算机1610的组件可以包括但不限于：处理单元1620；系统存储器1630；及将包含系统存储器的各种系统组件耦接至处理单元1620的系统总线1621。系统总线1621可以是包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、及使用多种总线架构中的任意一种的本地总线的几种类型的总线结构中的任意一种。

[0184] 计算机1610典型地包括各种计算机可读媒体。计算机可读媒体能够是计算机1610能够存取的任何可获得的媒体。作为例子而不是限制，计算机可读媒体可以包括计算机存储媒体及通信媒体。计算机存储媒体包括以任何方法或技术实施的易失性和非易失性、及可移除和不可移除媒体，用来存储信息，诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块、或其它数据。计算机存储媒体包括但不限于：RAM、ROM、EEPROM、快闪存储器、或其它存储器技术、CDROM、数字多功能盘(DVD)、或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储、或其它磁存储设备、或能够用来存储所希望信息并能够由计算机1610存取的任何其它介质。通信媒体典型地包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或在诸如载波或其它传输机制的调制的数据信号中的其它数据，并包括任何信息传递媒体。

[0185] 系统存储器1630可以包括易失性和/或非易失性存储器形式的计算机存储媒体，诸如只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)。基本输入/输出系统(BIOS)包含有助于诸如在启动期间在计算机1610内在元件之间传送信息的基本例程，该基本输入/输出系统(BIOS)可以存储在存储器1630中。存储器1630典型地还包含可由处理单元1620即时存取和/或当前正在由处理单元1620操作的数据和/或程序模块。作为例子，而非限制性的，存储器1630还可以包括操作系统、应用程序、其它程序模块、及程序数据。

[0186] 计算机1610还可以包括其它可移除/不可移除、易失性/非易失性计算机存储媒体。例如，计算机1610能够包括：读取自或写入至不可移除、非易失性磁媒体的硬盘驱动器；读取自或写入至可移除、非易失性磁盘的磁盘驱动器；和/或读取自或写入至诸如CD-ROM或其它光学媒体的可移除、非易失性光盘的光盘驱动器。能够用于示例性操作环境的其它可移除/不可移除、易失性/非易失性计算机存储媒体包括但不限于磁带盒、快闪存储卡、数字多功能盘、数字录像带、固态RAM、固态ROM等等。硬盘驱动器典型地通过诸如接口的不可移除存储器接口来连接至系统总线1621，并且磁盘驱动器或光盘驱动器典型地由诸如接口的可移除存储器接口来连接至系统总线1621。

[0187] 用户可以通过输入设备来向计算机1610录入命令和信息。输入设备通常通过用户输入1640以及耦接至系统总线1621的(多个)相关接口来连接至处理单元1620，但是也可以由诸如并行端口、游戏端口、或通用串行总线(USB)的其它接口和总线结构来连接。图形子系统还可以连接至系统总线1621。监视器或其它类型的显示设备还经由诸如输出接口1650的接口来连接至系统总线1621，其从而可以与视频存储器相通信。除了监视器之外，计算机还可以包括可以通过输出接口1650来连接的其它外围输出设备。

[0188] 计算机1610使用向诸如远程计算机1670的一个或多个其它远程计算机的逻辑连接来在网络的或分布的环境中操作，其从而可以具有与设备1610不同的能力。图16中描绘的逻辑连接包括网络1671。网络1671能够包括在此描述的无线网络及诸如局域网(LAN)或广域网(WAN)的其它网络二者。

[0189] 当用于LAN联网环境中时，计算机1610通过网络接口或适配器而连接至LAN。当用于WAN联网环境中时，计算机1610典型地包括诸如调制解调器的通信组件、或在诸如因特网的WAN上建立通信的其它部件。可以是内部或外部的诸如调制解调器的通信组件可以经由输入1640的用户输入接口、或其它适当的机制而连接至系统总线1621。在网络化环境中，相对于计算机1610而描绘的程序模块或其部分可以存储在远程存储器存储设备中。将会认识到，所示并描述的网络连接是示例性的，也可以使用在计算机之间建立通信链路的其它部件。

[0190] 已经作为例子在此描述了本发明。为了避免疑义，在此公开的主题不限于这些例子。另外，在此描述为“示例性”的任何方面或设计不必然构想为比其它方面或设计更优选或有优势，也不意味着排除本领域普通技术人员所知的等同的示例性结构及技术。而且，在具体实施方式或权利要求书中使用术语“包括”、“具有”、“包含”及其它类似词汇的程度上，为了避免疑义，这样的术语意图以类似于作为开放性词汇的术语“包括”的方式而是包括性的，并不排除任何附加的或其它元件。

[0191] 在此描述的本发明的各种实施方式可以具有完全硬件、部分硬件和部分软件、及软件的方面。当在此处使用时，术语“组件”、“系统”等等类似地意图指计算机相关的实体，或者硬件、硬件软件的组合、软件、或者执行中的软件。例如，组件可以是但不限于处理器上运行的过程、处理器、对象、可执行程序、执行的线程、程序、和/或计算机。作为例子，在计算机上运行的应用及计算机二者能够是组件。一个或多个组件可以驻留于过程和/或执行的线程内部，并且组件可以定位在一个计算机上，并且/或者分布在两个或多个计算机之间。

[0192] 由此，本发明的方法和设备或其特定方面或部分可以采取程序代码(即，指令)的形式，该程序代码包含于有形媒体，诸如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器、或任何其它机器可读存储介质，其中，当程序代码被加载到诸如计算机的机器并由其执行时，机器变为用来实施本发明的设备。在程序代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备总体上包括处理器、处理器可读的存储介质(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)、至少一个输入设备、以及至少一个输出设备。

[0193] 而且，本发明可以在一个或多个组件执行的诸如程序模块的计算机可执行指令的总体语境中描述。总体上，程序模块包括执行具体任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、数据结构等等。典型地，程序模块的功能在各种实施例中可以根据期望来组合或分布。而且，如将会认识到的，上面公开的系统和后面公开的方法的各种部分可以包括或由下列部分组成：人工智能或知识或基于规则的组件、子组件、过程、部件、方法、或机制(例如，支持向量机、神经网络、专家系统、贝叶斯置信网络、模糊逻辑、数据融合引擎、分类器......)。这样的组件尤其还能够使特定机制或者所执行的过程自动化，从而使系统和方法部分更自适应及有效率和智能。

[0194] 另外，所公开的主题可以使用标准编程和/或工程技术而实施为系统、方法、设备、或制造品，以产生软件、固件、硬件、或其任意组合，从而控制基于计算机或处理器的设备，来实施在此详细描述的方面。术语“制造品”、“计算机程序产品”、或类似术语，当在此处使用时，意图囊括任何计算机可读设备、载波、或媒体可存取的计算机程序。例如，计算机可读媒体能够包括但不限于磁存储设备(例如，硬盘、软盘、磁条......)、光盘(例如压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)......)、智能卡、及快闪存储器设备(例如，卡、棒)。另外，所已知的是，能够采用载波来承载计算机可读电子数据，诸如用于发送和接收电子邮件、以及用于接入诸如因特网或局域网(LAN)的网络的那些。

[0195] 已经结合若干组件之间的相互作用而描述前文提及的系统。能够认识到，按照前述的各种置换和组合，这样的系统和组件能够包括那些组件或指定的子组件、所指定的组件或子组件中的一些、和/或另外的组件。例如按照层级安排，子组件还能够实施为通信地耦接至其它组件的组件而不是包括在上层组件内。另外，应当注意到，一个或多个组件可以组合为提供集合功能的单个组件，或者划分为若干分离的子组件，并且可提供诸如管理层的任何一个或多个中间层以通信地耦接至这样的子组件，以便提供集成的功能。在此描述的任何组件还可以与未在此特别描述但是本领域技术人员所公知的一个或多个其它组件相互作用。