專利名稱：操作無線通信系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種操作無線通信系統(tǒng)的方法，并且特別涉及但不只是涉及修改無線通信系統(tǒng)以便供給與鄰近的并行信號流的良好的隔離。
一種多輸入多輸出(MIMO)天線系統(tǒng)依靠在相同的無線電頻率上發(fā)送來自一組“m”個(gè)無線電發(fā)送機(jī)的一組專用數(shù)據(jù)流并且用一組“n”個(gè)無線電接收機(jī)接收這些數(shù)據(jù)，每個(gè)無線電發(fā)送機(jī)和接收機(jī)具有它自己的天線。MIMO天線系統(tǒng)依靠具有富有散射體的傳播環(huán)境，這樣每個(gè)接收天線從發(fā)送機(jī)獲得實(shí)質(zhì)上不同的一組信號。為了進(jìn)一步幫助分離被接收的信號的過程n≥m。該技術(shù)可以被用于增加無線電連接的健壯性或者增加無線電信道的容量。在理想的條件下，m的容量增加是可能的。
不管被描述的簡單的需要，MIMO天線系統(tǒng)都需要復(fù)雜的信號處理。兩個(gè)過程需要被執(zhí)行，即，確定信道散射矩陣和分離專用數(shù)據(jù)流。而且，如果系統(tǒng)未在這樣的理想條件下操作，則n個(gè)接收機(jī)中的一些可能不是特別有助于檢測過程并且因此代表潛在浪費(fèi)的冗余級別。
本發(fā)明的一個(gè)目的是更有效地操作無線通信系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種在MIMO天線系統(tǒng)中選擇發(fā)送天線和接收天線組合的方法，包括發(fā)送來自m個(gè)發(fā)送天線的第一個(gè)天線的第一個(gè)信號、測量在n個(gè)接收天線的每一個(gè)天線被接收的第一個(gè)信號的質(zhì)量度量、使用剩余的m-1個(gè)發(fā)送天線分別發(fā)送信號時(shí)重復(fù)該過程，以及確定可接受地接收第一個(gè)信號和不可接受地接收第二個(gè)信號并且反之亦然的那些發(fā)送和接收天線的組合。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種操作MIMO天線系統(tǒng)的方法，該天線系統(tǒng)包括一個(gè)具有至少兩個(gè)發(fā)送機(jī)和多個(gè)發(fā)送天線的發(fā)送機(jī)以及至少一個(gè)具有至少兩個(gè)接收機(jī)和多個(gè)接收天線的接收站，該方法包括發(fā)送來自多個(gè)發(fā)送天線的第一個(gè)天線的信號并且確定被多個(gè)接收天線的每一個(gè)天線接收的信號的質(zhì)量度量、分別使用每個(gè)剩余的發(fā)送天線時(shí)重復(fù)所述操作、形成多個(gè)發(fā)送天線與多個(gè)接收天線相對的性能的信道矩陣以及從該矩陣選擇至少兩個(gè)發(fā)送天線和至少兩個(gè)接收天線的組合，其中來自至少一個(gè)所述發(fā)送天線的信號就來自剩余的發(fā)送天線的信號來說，在至少一個(gè)所述接收天線上是可接受的，并且在剩余的所述接收天線上是不可接受的，反之亦然。
根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供了一種MIMO天線系統(tǒng)，它包括一個(gè)具有至少兩個(gè)發(fā)送機(jī)和多個(gè)發(fā)送天線的發(fā)送機(jī)站以及至少一個(gè)具有至少兩個(gè)接收機(jī)和多個(gè)接收天線的接收站，所述發(fā)送站具有用于順序地選擇發(fā)送天線之一并且發(fā)送來自被選擇的發(fā)送天線的信號的裝置，所述接收站具有用于順序地選擇多個(gè)接收天線之一的裝置和用于確定被多個(gè)接收天線的每一個(gè)天線接收的信號的質(zhì)量度量的裝置，所述系統(tǒng)還包括用于形成發(fā)送天線與接收天線相對的性能的信道矩陣以及用于從該信道矩陣選擇至少兩個(gè)發(fā)送天線和至少兩個(gè)接收天線的組合的裝置，其中來自至少一個(gè)所述被選擇的發(fā)送天線的信號就來自剩余的所述被選擇的發(fā)送天線的信號來說，在至少一個(gè)所述被選擇的接收天線上是可接受的并且在剩余的所述被選擇的接收天線上是不可接受的，反之亦然。
通過比接收機(jī)或發(fā)送機(jī)具有更多的天線，給所述系統(tǒng)足夠的自由來選擇最佳天線組合，這樣專用發(fā)送機(jī)數(shù)據(jù)流可以在那些供給與鄰近的并行信號流最佳隔離的天線上被接收。天線冗余伴隨著性能增強(qiáng)而實(shí)施。
在實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法中，使用簡單的天線分集選擇過程測量被每個(gè)接收機(jī)天線接收的來自每個(gè)發(fā)送機(jī)天線的信號強(qiáng)度，并且確定提供最強(qiáng)的(或可接受的)接收以及提供最弱的(或不可接受的)接收的天線。
現(xiàn)在通過例子并且參考附圖將描述本發(fā)明，其中

圖1是簡化的MIMO無線通信系統(tǒng)的實(shí)施方案的示意框圖，以及圖2是天線選擇過程的簡化的流程圖。
在附圖中，相同的參考數(shù)字被用于指示相應(yīng)的特征。
圖1中顯示的MIMO無線通信系統(tǒng)包括發(fā)送站10和接收站12，它們被多徑環(huán)境14分開。實(shí)際上，可以有兩個(gè)或更多的接收站。
發(fā)送站10包括具有被耦合到數(shù)據(jù)分用器20的相應(yīng)的輸出端16、18的輸入端的兩個(gè)發(fā)送機(jī)TX1、TX2。控制器22具有用于將被提供給分用器20的控制信號的輸出端24以及用于將被提供給分用器20的輸入端28的訓(xùn)練序列的輸出端26。數(shù)據(jù)信號應(yīng)用到分用器20的輸入端30，分用器20在它的輸出端16、18上提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)子流。四個(gè)天線TA1、TA2、TA3和TA4通過開關(guān)單元SW1被耦合到發(fā)送機(jī)TX1、TX2。開關(guān)單元SW1包括分別具有輸出接點(diǎn)32a到32c、34a到34b的兩個(gè)三向、單極RF開關(guān)32、34，或者一個(gè)單獨(dú)的三向、兩極RF開關(guān)。輸出接點(diǎn)32a被連接到天線TA1。輸出接點(diǎn)32b和34a被聯(lián)結(jié)在一起并且被連接到天線TA2。輸出接點(diǎn)32c和34b被聯(lián)結(jié)在一起并且被連接到天線TA3。最后，輸出接點(diǎn)34c被連接到天線TA4。這些開關(guān)被在控制器22的輸出端36、38、40上的信號控制。由控制器22提供的控制信號允許在分用器20的輸入端28上的訓(xùn)練序列被發(fā)送機(jī)TX1或TX2發(fā)送，或者數(shù)據(jù)比特、字節(jié)或分組被選擇用于由發(fā)送機(jī)TX1和TX2替代傳輸。
接收站12包括四個(gè)天線RA1、RA2、RA3和RA4，它們通過開關(guān)單元SW2被耦合到恢復(fù)相應(yīng)的來自被接收信號的數(shù)據(jù)子流的接收機(jī)RX1、RX2。開關(guān)單元SW2包括分別具有接點(diǎn)42a到42c和44a到44c的兩個(gè)三向、單極RF開關(guān)42、44，或者一個(gè)單獨(dú)的三向、兩極RF開關(guān)。天線RA1和RA4被連接到相應(yīng)的接點(diǎn)42a和44c。接點(diǎn)42b和44a被聯(lián)結(jié)在一起并且被連接到天線RA2。最后，接點(diǎn)42c和44b被聯(lián)結(jié)在一起并且被連接到天線RA3。開關(guān)42、44的輸出端分別被耦合到接收機(jī)RX1、RX2。
來自接收機(jī)RX1、RX2的數(shù)據(jù)子流被耦合到簡化的MIMO處理的相應(yīng)的輸入端46、48以及開關(guān)控制級50。級50有一個(gè)用于應(yīng)用到開關(guān)單元SW2的開關(guān)控制信號的輸出端52。級50還包括傳統(tǒng)的MIMO處理并且把數(shù)據(jù)子流提供給數(shù)據(jù)復(fù)用器54的相應(yīng)的輸入端，數(shù)據(jù)復(fù)用器54在輸出端56上提供單獨(dú)的數(shù)據(jù)流。
根據(jù)本發(fā)明的方法要求發(fā)送和接收站10、12確定被天線TA1到TA4的每一個(gè)發(fā)送的并且在通過多徑環(huán)境14傳輸之后被天線RA1到RA4的每一個(gè)接收的信號質(zhì)量，例如被接收的信號強(qiáng)度，由于諸如發(fā)送站10和/或接收站12移動和/或障礙物暫時(shí)影響被選擇的一個(gè)或多個(gè)無線電信道的傳播特性的因素，多徑環(huán)境14可以有變化的特性。
在圖1中被表示的實(shí)施方案使用四個(gè)發(fā)送天線TA1到TA4和四個(gè)接收天線RA1到RA4。然而，其它數(shù)字也可以被使用。按照一般的準(zhǔn)則，有“m”個(gè)發(fā)送天線和“n”個(gè)接收天線，其中m≥2并且n≥m。在這個(gè)例子中，兩個(gè)發(fā)送和兩個(gè)接收天線的子集被選擇并且最佳地使用這個(gè)子集同時(shí)保持MIMO的優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)單元SW1允許發(fā)送機(jī)TX1、TX2的每一個(gè)被連接到四個(gè)天線TA1到TA4的組中的三個(gè)之一并且在它們之間任何天線對可以被選擇。開關(guān)單元SW2允許一個(gè)類似的目的在接收站中被實(shí)現(xiàn)。然而，應(yīng)該理解多于2的發(fā)送和接收天線的組合可以被選擇。而且發(fā)送和接收天線的數(shù)量分別超過發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的數(shù)量，開關(guān)單元SW1、SW2使發(fā)送機(jī)/接收機(jī)的輸出/輸入端能夠應(yīng)用到更多數(shù)量的天線。
天線選擇過程涉及以在天線分集中被使用的方式來估計(jì)被接收的信號強(qiáng)度。因?yàn)橹挥行盘枏?qiáng)度需要被確定，所以信道估計(jì)過程可以使用一個(gè)簡單的信號，例如應(yīng)用到分用器20的輸入端28的訓(xùn)練序列或者同步序列的短部分。
一個(gè)簡單的信號從第一個(gè)發(fā)送天線TA1被發(fā)送并且被接收天線RA1到RA4的每一個(gè)接收的信號強(qiáng)度被測量。實(shí)際上，一個(gè)范圍的信號強(qiáng)度將被檢測是可能的。隨著一個(gè)簡單的信號被第二個(gè)發(fā)送天線TA2發(fā)送，所述過程被重復(fù)。由于一個(gè)范圍的信號強(qiáng)度范圍正以不同的順序通過接收天線RA1到RA4，所以該范圍的信號強(qiáng)度范圍可能被再次檢測。假定某一天線間隔，典型地＞λ/2，則在接收天線之一被接收的信號強(qiáng)度將明顯不同于在另一個(gè)接收天線被接收的信號強(qiáng)度，并且當(dāng)在接收機(jī)上觀察時(shí)同樣適用于一對發(fā)送天線。
這個(gè)過程被重復(fù)用于剩余的發(fā)送天線的每一個(gè)，所以信道的完整測量被獲得。在執(zhí)行所述測量過程中，目的是確定哪個(gè)天線在接收與最強(qiáng)的信號相比時(shí)最弱的信號。
通過選擇兩個(gè)發(fā)送天線和兩個(gè)接收天線的一個(gè)子集，可能選擇發(fā)送和接收天線的組合，這樣可以獲得在接收機(jī)上在專用發(fā)送機(jī)信號之間的良好的隔離。下面供給典型的信道矩陣的例子，只有有關(guān)的信號幅度被考慮
檢查該信道矩陣顯示來自天線TX2的好的信號在天線RX4被接收，一個(gè)很弱的信號在天線RX2被接收。從天線TX3看到相反的情況，好的信號在天線RX2被接收，弱的信號在天線RX4被接收。發(fā)送和接收天線的這個(gè)子集因此供給很好的接收和信道隔離，這樣從天線TX2被發(fā)送的信號在天線RX4以清楚的方式被接收而在天線RX2被弱接收，來自天線TX3的信號在天線RX2以清楚的方式被接收而在天線RX4被弱接收。因此，通過選擇適當(dāng)?shù)奶炀€對或組合，不需要附加的處理來分離MIMO信號。既然這樣，MIMO是2輸入和2輸出并且容量增加2是潛在可能的。在所述選擇通過接收站12被執(zhí)行的情況下，被選擇的發(fā)送天線的標(biāo)識在一個(gè)無線電上行鏈路(未顯示)上被傳遞到控制器22。
被涉及的操作被圖2中顯示的流程圖概括?？?0指示該過程開始?？?2表示控制器22從所述組中任意地選擇發(fā)送天線TA1、TA2、TA3或TA4以及通過使用分用器20、發(fā)送機(jī)TX1、TX2和開關(guān)單元SW1，訓(xùn)練序列通過被選擇的發(fā)送天線被發(fā)送的操作?？?2表示接收站12使用開關(guān)單元SW2、接收機(jī)RX1、RX2和開關(guān)控制級50在接收天線RA1到RA4上測量信號強(qiáng)度并且確定這些天線中的哪一個(gè)已經(jīng)接收了來自被選擇的發(fā)送機(jī)之一的最強(qiáng)的信號以及哪一個(gè)天線已經(jīng)接收了來自被選擇的發(fā)送機(jī)之一的最弱的信號的過程。任選地，如果可能，則確定諸如誤碼率(BER)的被接收信號的其它質(zhì)量度量，因?yàn)檫@些也可以幫助天線選擇決定過程。
框66表示檢查是否所有發(fā)送天線已經(jīng)被測量。如果否(N)，則隨后該過程進(jìn)行到框68，但是如果是(Y)，則該過程進(jìn)行到框70?？?8涉及任意地選擇另一個(gè)天線而不是一個(gè)預(yù)先被選擇的天線。使用分用器20、發(fā)送機(jī)TX1、TX2和開關(guān)單元SW1通過被選擇的天線發(fā)送一個(gè)訓(xùn)練序列并且由框64表示的過程被重復(fù)?？?0表示根據(jù)測量決定哪兩對發(fā)送和接收天線可以唯一地和獨(dú)立地相互發(fā)送，這樣一個(gè)接收天線可以接收來自第一個(gè)發(fā)送天線的強(qiáng)(或可接受的)信號以及來自第二個(gè)發(fā)送天線的弱(或不可接受的)信號，并且第二個(gè)接收天線可以接收來自第二個(gè)發(fā)送天線的好信號以及來自第一個(gè)發(fā)送天線的弱信號。
框72涉及繼續(xù)進(jìn)行一段時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸。
框74涉及檢查是否信號質(zhì)量是壞的。如果否(N)，則監(jiān)控在兩個(gè)接收天線上被接收的信號質(zhì)量的過程繼續(xù)。如果所述信號是壞的(Y)，則由框62到72表示的過程步驟被跟隨。從兩個(gè)預(yù)先被選擇的發(fā)送天線開始可能是有利的。
在參考圖2中顯示的流程圖被描述的過程的變體中，將減少對最佳天線對的尋找，在框66中進(jìn)行最初的檢驗(yàn)來看是否當(dāng)前被測量的發(fā)送天線(其中必須有至少兩個(gè))可以供給想要的性能。如果這個(gè)變體被采用，則隨后通過檢查是否任何被選擇的發(fā)送天線可以被接收天線唯一地和獨(dú)立地接收，由框70表示的過程被改變，這樣一個(gè)接收天線可以接收來自第一個(gè)發(fā)送天線的強(qiáng)(或可接受的)信號和來自第二個(gè)發(fā)送天線的弱(或不可接受的)信號，并且第二個(gè)接收天線接收來自第二個(gè)發(fā)送天線的強(qiáng)(或可接受的)信號和來自第一個(gè)發(fā)送天線的弱(或不可接受的)信號。如果該檢查是肯定的，則使用這對發(fā)送天線和這對接收天線。這排除了對重復(fù)測量全部發(fā)送天線的需要?，F(xiàn)在所述流程圖繼續(xù)進(jìn)行框72。然而，如果檢查是否定的，則重復(fù)用于另一個(gè)發(fā)送天線的過程步驟68和64(除非全部發(fā)送天線已經(jīng)被使用)并且重復(fù)上述流程圖的變體。在全部發(fā)送天線已經(jīng)被測量的情況下，流程圖繼續(xù)框70指示的過程步驟，即確定最佳天線對。
根據(jù)本發(fā)明的方法可以被擴(kuò)展以便覆蓋比發(fā)送和接收天線對更多的組合。例如具有包括一個(gè)強(qiáng)(或可接受的)信號和兩個(gè)很弱的(或不可接受的)信號的三元組是可能的，并且在一個(gè)三元組中的強(qiáng)信號是在其它兩個(gè)三元組中的很弱的信號之一。在更多的發(fā)送和接收天線的情況下，在強(qiáng)和很弱之間不可能總是有清楚的區(qū)別，并且可以根據(jù)可接受的和不可接受的標(biāo)準(zhǔn)做出判斷。
在本說明書和權(quán)利要求書中，在一個(gè)單元之前的詞語“一個(gè)”不排除存在多個(gè)這樣的單元。而且，詞語“包括”不排除存在除被列出的以外的其它的單元和步驟。
讀了在此公開的內(nèi)容，其它修改對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是明顯的。這種修改可能涉及其它特征，這些特征在MIMO天線系統(tǒng)和其中的組成部分的設(shè)計(jì)、制造以及使用中是已知的，并且它們可以被用于代替或者補(bǔ)充在此已經(jīng)被描述的特征。盡管在這個(gè)申請中對于特殊的特征組合已經(jīng)闡明了權(quán)利要求書，但是應(yīng)該理解，無論它是否涉及像目前在任何權(quán)利要求書中被要求的一樣的發(fā)明以及它是否減輕一些或全部像本發(fā)明一樣的技術(shù)問題，本申請公開的范圍也明確地或隱含地包括任何新的特征或任何在此被公開的特征的新的組合或其中任何概括。申請人在此聲明對于在本申請或由此得出的任何另外的申請的審查期間，對于這種特征和/或這種特征的組合，新的權(quán)利要求書可以被闡明。
權(quán)利要求
1.一種在MIMO天線系統(tǒng)中選擇發(fā)送天線和接收天線組合的方法，包括發(fā)送來自m個(gè)發(fā)送天線的第一個(gè)天線的第一個(gè)信號、測量在n個(gè)接收天線的每一個(gè)天線上被接收的第一個(gè)信號的質(zhì)量度量、使用剩余的m-1個(gè)發(fā)送天線分別發(fā)送信號來重復(fù)所述過程、以及確定那些可接受地接收第一個(gè)信號和不可接受地接收第二個(gè)信號并且反之亦然的發(fā)送和接收天線的組合。
2.一種操作MIMO天線系統(tǒng)的方法，所述天線系統(tǒng)包括一個(gè)具有至少兩個(gè)發(fā)送機(jī)和多個(gè)發(fā)送天線的發(fā)送機(jī)以及至少一個(gè)具有至少兩個(gè)接收機(jī)和多個(gè)接收天線的接收站，所述方法包括發(fā)送來自多個(gè)發(fā)送天線的第一個(gè)天線的信號并且確定被多個(gè)接收天線的每一個(gè)天線接收的信號的質(zhì)量度量、分別使用每個(gè)剩余的發(fā)送天線來重復(fù)所述操作、形成多個(gè)發(fā)送天線與多個(gè)接收天線相對的性能的信道矩陣以及從該信道矩陣中選擇至少兩個(gè)發(fā)送天線和至少兩個(gè)接收天線的組合，其中來自至少一個(gè)所述發(fā)送天線的信號就來自剩余的所述發(fā)送天線的信號來說，在至少一個(gè)所述接收天線上是可接受的，并且在剩余的所述接收天線上是不可接受的，反之亦然。
3.如權(quán)利要求1或2中所述的方法，其特征在于被確定的質(zhì)量度量是信號強(qiáng)度。
4.如權(quán)利要求3中所述的方法，其特征在于最強(qiáng)的和最弱的信號分別被認(rèn)為是可接受的和不可接受的。
5.如權(quán)利要求2到4任何之一中所述的方法，其特征在于監(jiān)控被選擇的發(fā)送和接收天線對的性能并且響應(yīng)于它們的性能變得不可接受，做出所述發(fā)送和接收天線的相對性能的評估。
6.如權(quán)利要求2到4任何之一中所述的方法，其特征在于監(jiān)控被選擇的發(fā)送和接收天線對的性能并且響應(yīng)于它們的性能變得不可接受，從先前被選擇的發(fā)送天線開始做出所述發(fā)送和接收天線的相對性能的評估。
7.如權(quán)利要求1到6任何之一中所述的方法，其特征在于被發(fā)送的信號包括訓(xùn)練和/或同步序列。
8.一種MIMO天線系統(tǒng)，它包括一個(gè)具有至少兩個(gè)發(fā)送機(jī)和多個(gè)發(fā)送天線的發(fā)送機(jī)站以及至少一個(gè)具有至少兩個(gè)接收機(jī)和多個(gè)接收天線的接收站，所述發(fā)送站具有用于順序地選擇發(fā)送天線之一并且發(fā)送來自被選擇的發(fā)送天線的信號的裝置，所述接收站具有用于順序地選擇多個(gè)接收天線之一的裝置和用于確定被多個(gè)接收天線的每一個(gè)天線接收的信號的質(zhì)量度量的裝置，所述系統(tǒng)還包括用于形成發(fā)送天線與接收天線相對的性能的信道矩陣以及用于從該信道矩陣中選擇至少兩個(gè)發(fā)送天線和至少兩個(gè)接收天線的組合的裝置，其中來自至少一個(gè)所述被選擇的發(fā)送天線的信號就來自剩余的所述被選擇的發(fā)送天線的信號來說，在至少一個(gè)所述被選擇的接收天線上是可接受的并且在剩余的所述被選擇的接收天線上是不可接受的，反之亦然。
9.如權(quán)利要求8中所述的系統(tǒng)，其特征在于發(fā)送機(jī)站具有少于發(fā)送天線數(shù)量的發(fā)送機(jī)。
10.如權(quán)利要求8或9中所述的系統(tǒng)，其特征在于接收站具有少于接收天線數(shù)量的接收機(jī)。
11.一種在如權(quán)利要求8到10任何之一中所述的MIMO天線系統(tǒng)中使用的發(fā)送站。
12.一種在如權(quán)利要求8到10任何之一中所述的MIMO天線系統(tǒng)中使用的接收站。
13.一種實(shí)質(zhì)上在說明書中參考附圖描述的操作MIMO系統(tǒng)的方法。
14.被構(gòu)造和被安排來按照實(shí)質(zhì)上在說明書中參考附圖被描述的并且在附圖中被示出的進(jìn)行操作的MIMO天線系統(tǒng)。
全文摘要
在MIMO天線系統(tǒng)中選擇發(fā)送天線(TA1到TA4)和接收天線(RA1到RA4)的組合以便供給與鄰近的并行信號流的最佳隔離的方法包括發(fā)送來自發(fā)送天線之一的第一個(gè)信號和測量在每個(gè)接收天線上被接收的信號的質(zhì)量度量，例如信號強(qiáng)度。使用依次被每個(gè)剩余的發(fā)送天線發(fā)送的信號來重復(fù)該過程。編制發(fā)送天線與接收天線相對的信道矩陣并且選擇可接受地接收第一個(gè)信號和不可接受地接收第二個(gè)信號并且反之亦然的發(fā)送和接收天線組合。被選擇的組合被用于發(fā)送和接收MIMO信號。
文檔編號H04B7/08GK1572066SQ02820537
公開日2005年1月26日 申請日期2002年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月19日
發(fā)明者D·H·埃范斯, B·S·克哈特里, D·L·拉內(nèi)斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司