CN103250361B - 接收或发送/接收mimo信号的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在MIMO***中接收信号的设备。所述设备包括：m个信号接收器信道（220‑221；320‑323；420‑422），其中m大于1；n个天线（230‑233；330‑337；420‑425），其中n>m；开关装置（240；340；440），用于根据控制装置（250；350；450）选择的开关模式将每个信号接收器信道与n个天线中的一个天线相关联，所述开关模式是根据代表所述信号接收器信道的接收信号质量的准则而从开关矩阵中的多个开关模式中选择的。根据本发明，天线是方向性天线，每个天线可以接收其自己角度扇区内的信号，n个天线的角度扇区基本上彼此不重叠并且一起形成360度的总角度扇区。本发明可应用于不具有高带宽电缆的家庭网络。

Description

接收或发送/接收MIMO信号的设备

技术领域

本发明涉及MIMO（多输入多输出）型无线多天线传输***中信号的发送和接收。本发明更具体地适用于宽带多媒体家庭网络。

背景技术

数字多媒体设备的日益发展引出了确保在家庭环境中任何一点同时分发多个数据流的家庭网络的概念，所述多个数据流诸如HD（高清晰度）视频流，音频流和计算机数据流。像这样的网络，其结构依赖于安装这样的网络的建筑物（公寓，带有或不带有第二层的住宅，等）内的房间布局，可用不同的技术来部署，如电缆，电力线载波（PLC），光纤或符合标准802.11a/b/g或11n的WIFI无线设备。后一标准在干扰占主导地位的环境中，能够使用作为多天线技术的MIMO技术，使得在比特率和鲁棒性方面提高传输性能。

MIMO技术包括为了获得独立的信号使用多个具有不同特性的发送信道发送或接收信号，从而增加至少一个信号没有受衰落影响的可能性。当***使用几个发送和/或接收天线时，被称为空间分集或天线分集。这种分集一方面通过衰减由于多径引起的干扰而致力于提高MIMO增益，另一方面通过增加传输比特率而提高***的可靠性和覆盖区域。

多数MIMO***使用标准802.11n，市场上可见的大多数产品依赖于2×2MIMO型链接，也就是说，***在发送侧包括2个发送器并且在接收侧包括2个接收器。每个发送器和每个接收器连接到自己的全向天线。每个发送器可以发送一个单独的数据流以增加全局比特率或者与其他发送器发送相同的流以增加冗余，从而改善用较低比特率的接收效果。通过增加天线数量来增加发送或接收的分集，以便提高发送或接收性能。

接收侧是2阶分集的2×2MIMO***的一个示例如图2所示。***在发送侧包括：两个发送信道100和101，每个连接到一个全向天线，分别为110和111；在接收侧包括两个接收器信道120和121其通过开关装置140连接到四个全向天线130至133。开关装置根据控制装置150选择的开关模式将每个接收器信道120或121与四个天线130-133中的一个天线相关联。开关模式是根据代表接收器信道120和121的信号接收质量的准则从开关矩阵中的多个开关模式中选择的。

如果天线130至133也通过开关装置23连接到发送信道（在图1中未示出），也可以使用选择用于接收的开关模式来连接发送信道和天线130至133。

天线是全向的，它们或发送或接收各个方向的信号，因此接收器信道受到从四面八方涌来的大量的干扰。在发送过程中，它们还产生了大量影响周围设备的干扰。这对MIMO***的整体性能是有害的。因此，为了限制由于干扰而引发的问题，并提高发送/接收的信号的质量，在本领域中使用被称为“波束形成”的技术。这种类型的技术在美国专利6,438,389中描述。

本发明的一个目的是提出一种在MIMO环境下接收过程中较少受干扰的接收或发送/接收信号的设备。

在图2的2×2的MIMO***中，开关矩阵包括C² ₄=6种开关模式。对每种开关模式进行测试以确定哪种开关模式可以对发送天线110和111发送的信号获得最佳接收。这涉及相当长的处理时间。

这个处理时间随着MIMO***阶数而增加。例如，如果考虑一个在接收时有2阶分集并且使用8天线的4×4MIMO***，每个接收器信道必须能够从8个天线中选择一个。如果考虑8个天线中4个天线的所有组合都是全向的，那么可以获得C⁴ ₈=70种可能的开关模式。这显然导致处理时间与根据环境变化对天线设备的动态管理不兼容，尤其在多径问题严重的家庭网络中。

本发明的另一目的是提出一种用于接收或发送/接收的多天线设备，可以减小此过程的处理时间。

此外，开关装置包括在接收器信道120和121接收信号时导致损耗的开关元件。例如，图2所示2×2MIMO***，例如开关装置包括4个单极双掷开关141和2单极四掷开关142，如图2所示。

开关141和142在6Hz时分别产生大约0.5dB和2dB的损耗。

本发明的另一目的是提出一种接收或发送/接收的多天线设备，其在开关装置中能够使用减少数量的开关或使用造成较小损耗的开关。

发明内容

根据本发明，MIMO***的接收设备配备多个方向性天线，每个方向性天线覆盖其自己的角度扇区，天线的角度扇区基本上不重叠并且一起形成360度的总角度扇区。

为此，本发明涉及一种在MIMO***中接收信号的设备，包括：

-m个信号接收器信道，其中m大于1;

-天线***；

-开关装置，根据控制装置选择的开关模式将每个信号接收器信道与n个天线中的一个天线相关联，所述开关模式是根据代表所述信号接收器信道的接收信号质量的准则而从开关矩阵中的多个开关模式中选择的，

其特征在于，天线***由n个方向性天线组成，n>m，每个天线可以接收其自己角度扇区之一内的信号，n个天线的角度扇区基本上彼此不重叠并且一起形成360度的总角度扇区，或者天线***由一个具有n个角度扇区n>m的多扇区天线组成，n个角度扇区基本上彼此不重叠并且每个角度扇区拥有不同的访问（access）。

根据具体实施例，开关矩阵包括P种开关模式，其中控制装置根据所述质量准则控制开关装置从所述p种开关模式中选择一种开关模式。

使用多扇区天线或覆盖其自己角度扇区的方向性天线可以减少开关矩阵中开关模式的数量，使得此数量小于实际上，在家庭网络环境中，总有一个主路径，因此有一个优先传播方向。其结果是，反向扇区向MIMO多路径贡献的可能性比较小。换句话说，如果第一个扇区正确地接收MIMO信号，反向扇区也正确地接收MIMO信号的可能性很低。因此，对应这种情况的开关模式可以从开关矩阵中删除。

根据一个具体实施例，开关矩阵包括至少n种开关模式，每种选择具有连续角度扇区的m个天线。在本实施例中，开关矩阵包括有限数量的开关模式，即m种开关模式而不是大大缩短天线动态管理的处理时间。

根据另一实施例，开关矩阵也包括开关模式，每个开关模式选择m个其自己的角度扇区包含在一组m+1个连续角度扇区中的天线，，在所选择的m个天线中最多有两个天线具有反向角度扇区。在本实施例中，开关矩阵包括更大数量的开关模式，增加了处理时间，但能够对更大数量的多路径配置进行响应。

在一种变型中，开关矩阵除了包括每种选择具有连续角度扇区的m个天线的n种开关模式外，还包括每种选择m个其自己的角度扇区包含在一组m+2个连续角度扇区中的天线的开关模式，以及从所述开关矩阵中排除选择具有反向角度扇区的天线的开关模式。

开关矩阵中开关模式数量的减少，除了降低天线动态选择的处理时间外，能够在开关装置中使用更少数量的开关元件和/或使用开关元件。

根据一个优选实施例，控制装置包括附加装置，当至少一个信号接收器信道的接收质量准则不满足时，由开关矩阵中另一个预定义的开关模式取代所述控制装置选择的开关模式。

因此，对于每种开关模式，更换开关模式是当控制装置选择的开关模式的接收质量不好时提前确定的。因此更换是即时完成的，处理时间可以降到最少。

根据特定实施例，天线的角度扇区具有等于360/n度的理想尺寸。因此，设备的覆盖范围可划分成相等的扇形。

根据特定实施例，n个天线由一个具有n个角度扇区的多扇区天线组成，每个扇区通过所述开关装置能够链接到一个接收器信道。

本发明也适用于在发送和接收MIMO***信号的设备中的信号发送。此时，本发明涉及一种在MIMO***中发送和接收信号的设备，包括：

-如上所述的接收装置，以及

-m个信号发送信道，每个信号发送信道与一个信号接收器信道相关联，

其中，开关装置还能够根据控制装置选择的开关模式将每个发送信道与n个天线中一个天线相关联，开关模式是根据代表所述相关联的信号接收器信道中信号接收质量的准则从开关矩阵中的多个开关模式中选择的。

在此情况下，可以认为MIMO***的发送信道是可逆的（reciprocal）。然后，通过使用相同的开关矩阵来执行MIMO信号发送天线的选择。

附图说明

通过下面参考附图的详细描述，本发明将被更好地理解，其它目的，细节，特征和优点也会更清楚，示于：

-图1是示出根据现有技术的在接收侧具有2阶分集的2x2MIMO***的图；

-图2是示出图1的MIMO***的接收设备的图；

-图3是与本发明一致的在接收侧具有2阶的2x2MIMO***的接收设备的图；

-图4是示出可由图3的设备使用的开关矩阵的开关模式的图；

-图5是与本发明一致的在接收侧具有2阶的4x4MIMO***的接收设备的图；

-图6是示出可由图5的设备使用的开关矩阵的开关模式的图；

-图7和8是示出图6的开关矩阵中的开关模式被该矩阵的其它开关模式替换的图；

-图9是与本发明一致的在接收侧具有2阶的3x3MIMO***的接收设备的图；

-图10是示出可由图9的设备使用的开关矩阵的开关模式的图；以及

-图11是示出图10的开关矩阵中的开关模式被该矩阵的其它开关模式替换的图。

具体实施方式

将在MIMO***的多天线接收设备范围内描述本发明。

使用不同的接收设备示例更具体地描述本发明，即用于在接收侧具有2阶的2×2MIMO***的接收设备，用于在接收侧具有2阶的4×4MIMO***的接收设备，以及用于在接收侧具有2阶的3×3MIMO***的接收设备。

在接收侧具有2阶的2×2MIMO***

图3示出一种用于在接收侧具有2阶的2×2MIMO***的接收设备。

接收设备包括两个接收器信道220和221，4个天线230至233和用于将每个接收器信道与四个天线230至233中一个天线相关联的开关装置240。开关装置由控制装置250控制，根据代表接收器信道220和221的信号接收质量的准则，从开关矩阵中多个开关模式中选择一种开关模式。例如，该准则是接收强度的测量值或RSSI（接收信号强度信息）或信号-噪声比的测量值。

根据本发明，天线230至233是方向性天线，意味着每个天线覆盖大约90°的特定角度扇区。在图3的示例中，天线230覆盖0°-90°的扇区（顺时针方向），天线231覆盖180°-270°的扇区，天线232覆盖90°-180°的扇区，天线233覆盖270°-360°的扇区。方向性天线230和231覆盖反向的扇区，并且通过单极双掷开关241连接到接收器信道220。同样，方向性天线232和233覆盖反向的扇区，并且通过单极双掷开关241连接到接收通道221。能够与接收器信道220相关联的角度扇区是带阴影的，并且能够与接收器信道221相关联的角度扇区是带方格的。

根据特定实施例，天线230至233是由一个具有4个基本上不重叠的90°角度扇区并具有4个不同的扇区访问的多扇区天线构成。

开关矩阵有利地包括减少数量的开关模式，能够减少天线动态选择的处理时间。

例如开关矩阵包括图4所示的4种开关模式，分别为：

-将天线230与接收器信道220相关联并且将天线233与接收器信道221相关联的开关模式；

-将天线230与接收器信道220相关联并且将天线232与接收器信道221相关联的开关模式；

-将天线231与接收器信道220相关联并且将天线233与接收器信道221相关联的开关模式；

-将天线231与接收器信道220相关联并且将天线232与接收器信道221相关联的开关模式。

有利地，与接收器信道220相关联的天线和与接收器信道221相关联的天线具有正交极化，以提高相邻扇区接收到的信号去相关性。

在本实施例中，控制装置250从与阴影扇区对应的天线中为接收器信道220选择能够进行最佳接收的天线，并且从与格子扇区对应的天线中为接收器信道221选择最佳天线。

为了实现此目的，在搜索阶段，控制装置依次测试开关矩阵中的4种开关模式，对于每种开关模式记住接收强度测量值和/或信号-噪声比的测量值。测量完成后，控制装置选择最佳的开关模式。然后，对每个接收器信道定期测量接收强度和/或信号-噪声比，例如每100ms。当有一次测量值低于预先设定的阈值时，搜索阶段重新开始。

在本实施例中，使用单极双掷开关241把每个接收器信道连接到天线具有以下优点：与图2设备的2.5dB相比，将损耗降低到0.5dB。

在接收侧具有2阶的4×4MIMO***

图5示出了在接收侧具有2阶的4×4MIMO***的接收设备。

接收设备包括四个接收器信道320至323，八个天线330至337和用于将每个接收器信道与八个天线330至337中一个天线相关联的开关装置340。开关装置340由控制装置350控制，根据代表通过接收器信道320和323的信号接收质量的准则，从开关矩阵中多种开关模式中选择一种开关模式。

天线330至337是方向性天线，每个天线覆盖大约45°的特定角度扇区。在图5的示例中，天线330覆盖0°-45°的扇区，天线331覆盖90°-135°的扇区，天线332覆盖180°-225°的扇区，天线333覆盖270°-315°的扇区，天线334覆盖45°-90°扇区，天线335覆盖135°-180°的扇区，天线336覆盖225°-270°的扇区，天线337覆盖315°-336°的扇区。

接收器信道320和321通过开关装置340选择性地连接到方向性天线330至333。类似地，接收器信道322和323通过开关装置340选择性地连接到方向性天线334至337。

开关装置340包括4个单极双掷开关341和2个单极四掷开关342用来把天线330至333连接到接收器信道320和321。还包括4个单极双掷开关341和2个单极四掷开关342用来把天线334至337连接到接收器信道322和323。

在图5中，可与接收器信道320和321相关联的角度扇区是带阴影的，可与接收器信道322至323相关联的角度扇区是带方格的。

根据特定实施例，天线330至337是由单个具有8个基本上不重叠的45°角度扇区并且具有8个不同的扇区访问的多扇区天线构成。

开关矩阵有利地包括减少数量的开关模式，能够减少天线动态选择的处理时间。

图6所示的开关矩阵由16种开关模式组成，包括每种选择具有连续角度扇区的四个接收天线的8种开关模式和每种选择其角度扇区在一组5个连续角度扇区中的四个接收天线的8种开关模式，所选择的4个天线中最多两个具有反向角度扇区。

很明显，与接收器信道320和321相关联的天线和与接收器信道322和323相关联的天线具有正交极化，以提高相邻扇区中接收的信号的去相关性。

在本实施例中，控制装置350从与阴影扇区对应的天线中为接收器信道320和321选择两个最好的天线，从与格子扇区对应的天线中为接收器信道322和323选择两个最好的天线。

为了实现这一点，在搜索阶段，控制装置350连续测试开关矩阵中的16种开关模式并且对于每种开关模式记住接收强度的测量值和/或信号-噪声比的测量值。测量完成后，控制装置选择最佳的开关模式。然后，对于每个接收器信道，定期测量接收强度和/或信号-噪声比。当一个测量值低于预先设定的阈值时，搜索过程重新开始。

在开关矩阵包括大量的开关模式时，那么此初始化阶段的持续时间很长。因此，为每种开关模式提前定义被称为替换模式的开关模式是有利的，当至少一个接收器信道的接收质量准则得不到满足时（也就是说，当接收器信道之一的接收强度的测量值和/或信号-噪声比的测量值低于预定义的阈值时）就被该替换模式替换，。

此替换操作如图7和图8所示。图7示出接收器信道之一的质量准则没有满足时的情况。与这个接收器信道相关联的天线的角度扇区在图中用黑色表示。在本实施例中，现有开关模式被开关矩阵中预先定义的替换开关模式取代，所述预先定义的替换开关模式不使用次优接收器信道。此替换操作通过替换算法控制的查表装置351（LUT）执行。LUT存储在控制装置中。在图8的例子中，现有开关模式被其中黑色扇区由反向扇区取代的开关模式所取代。

图8示出两个接收器信道的质量准则不再满足时的情况。在这种情况下，现有开关模式被开关矩阵中预定义的开关模式取代，所述预定义的开关模式不使用有缺陷扇区（黑色扇区）。

请注意，使用连接接受器信道和天线的单极双掷开关341和单极四掷开关342可使损耗限制在2.5dB。在现有技术中，单极八掷开关通常损耗高得多。

在接收侧具有2阶的3×3MIMO***

图9示出用于在接收侧具有2阶的3×3MIMO***的接收设备。

接收设备包括三个接收器信道420、421和422，六个接收天线430至435，和开关装置440，开关装置440将每个接收器信道与六个天线430至435中的一个相关联。开关装置受控制装置450控制，根据代表接收器信道420和422的信号接收质量的准则从开关矩阵中的多种开关模式选择开关模式。

天线430至233是方向性天线，各自覆盖大约60°的具体角度扇区。在图9所示的例子中，天线430覆盖0°-60°扇区，天线431覆盖180°-240°扇区，天线432覆盖60°-120°扇区，天线433覆盖240°-300°扇区，天线434覆盖120°-180°扇区，天线435覆盖300°-360°扇区。图中，天线430和431的扇区是带阴影的，代表能够与接收器通道420相关联的扇区。天线432和433的扇区由点表示，代表能够与接收器信道421相关联的扇区。天线434和435的扇区是带格子的，代表能够与接收信道422相关联的扇区。

6个天线430至435可以构成一个具有6个基本上不重叠的60°角度扇区和6个不同的扇区访问的多扇区天线。

开关装置包括三个单极双掷开关441，每个选择性的把两个天线连接到自己的接收器信道。

开关矩阵有利地包括8种开关模式，如图10所示，其中包括每种选择3个具有连续角度扇区的天线的6种开关模式和每种选择3个具有非连续角度扇区的天线的2种开关模式。

在本实施例中，控制装置450为3个接收器信道从与阴影扇区相对应的天线中选择“最佳”天线，从与由点表示的扇区相对应的天线中选择“最佳”天线，从与格子扇区相对应的天线中选择“最佳”天线。

至于其它***，在搜索过程中，控制装置连续地测试开关矩阵中的8种开关模式，并对于每种开关模式记录接收强度的测量值和/或信号-噪声比的测量值。测量完成后，控制装置选择最佳的开关模式。然后，对于每个接收器信道，定期测量接收强度和/或信号-噪声比。当这些测量值之一低于预定义的阈值时，开关模式被预定义的替换开关模式所替换。

替换操作如图11所示。图中显示接收器信道之一的质量准则得不到满足时的情况。图中与有缺陷的接收器信道相关联的天线的角度扇区用黑色表示。在图11的示例中，现有开关模式被其中黑色扇区由其反向扇区取代的开关模式所取代。

应当指出，使用单极双掷开关441把每个接收器信道连接到天线可把损耗限制到0.5dB。在现有技术中，通常使用的单极六掷开关的损耗要高得多。

本发明也适用于在发送和接收MIMO***信号的设备中信号的发送。在这种情况下，该设备除了包括前面描述的装置外，还包括信号发送信道，每个信号发送信道与一个信号接收器信道相关联。开关装置还可以根据控制装置选择的开关模式将所述信道或接收器信道之一与设备天线中的一个天线相关联。在这种情况下，可以考虑MIMO***的发送信道是可逆的。

用来连接发送信道与天线并发送MIMO信号的开关模式与用来接收MIMO信号的开关模式相同。

本发明更适合在宽带多媒体家庭网络部署的范围内使用。提出的开关矩阵拓扑结构使得能够实现与MIMO型多天线传输设备相关联的方向性天线技术方案。他们允许方向性增益，同时限制与多径问题严重的家庭环境下的干扰相关的扰动风险。本发明可以通过天线扇区化来离散空间，以增加空间分集程度。此概念关联一个简化结构，并大大减化开关模式选择过程。处理时间的减少使能对天线有效的动态控制，以更有效地对抗多径和干扰元素的有害影响，在范围和比特率方面显著地增加***性能。

尽管已经关于不同的特定实施例描述了本发明，但很明显，本发明是不受此限制的，而包含所描述的装置的所有技术等同物及其组合，只要其落入在本发明范围内即可。

Claims (8)

1.一种用于在MIMO***中接收信号的设备，包括：

m个信号接收器信道(220-221；320-323；420-422)，其中m大于1；

天线***(230-233；330-337；420-425)；

开关装置(240；340；440)

根据控制装置(250；350；450)选择的开关模式将每个信号接收器信道与n个天线中的一个天线相关联，其中n大于m，所述开关模式是根据代表所述信号接收器信道的接收信号质量的准则而从开关矩阵中的多个开关模式中选择的，

其中，天线***包含n个方向性天线，每个天线接收其自己角度扇区之一内的信号，n个天线的角度扇区彼此不重叠并且一起形成360度的总角度扇区，或者天线***包含一个由n个角度扇区的多扇区天线构成的n个天线，n个角度扇区彼此不重叠并且具有不同的访问；其中多个开关模式中的每个都选择m个天线，使它们的角度扇区包含在一组m+1个连续角度扇区中，在所选择的m个天线中最多有两个天线具有反向角度扇区。

2.如权利要求1所述的设备，其中，开关矩阵包括p种开关模式，其特征在于控制装置根据所述质量准则控制开关装置从所述p种开关模式中选择一种开关模式。

3.如权利要求2所述的设备，其中，开关矩阵包括至少n种开关模式，每种选择m个具有连续角度扇区的天线。

4.如权利要求3所述的设备，开关矩阵还包括每种选择m个其自己的角度扇区包含在一组m+2个连续角度扇区中的天线的开关模式，从所述开关矩阵中排除选择具有反向角度扇区的天线的开关模式。

5.如权利要求1所述的设备，其中，控制装置包括附加装置(351)，当至少一个信号接收器信道的接收质量准则不满足时，由开关矩阵中另一个预定义的开关模式取代所述控制装置选择的开关模式。

6.如权利要求1所述的设备，其中，角度扇区具有等于360/n度的理想尺寸。

7.如前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，n个天线由一个具有n个角度扇区的多扇区天线组成，每个扇区通过所述开关模式能够链接到一个接收器信道。

8.一种用于在MIMO***中发送和接收信号的设备，包括：

如权利要求1-7之一所述的接收信号的设备，

m个信号发送信道，每个信号发送信道与一个信号接收器信道相关联，

其中，开关装置还能够根据控制装置选择的开关模式将每个发送信道与n个天线中一个天线相关联，开关模式是根据代表所述相关联的信号接收器信道中信号接收质量的准则从开关矩阵中的多个开关模式中选择的，其中多个开关模式中的每个都选择m个天线，使它们的角度扇区包含在一组m+1个连续角度扇区中，在所选择的m个天线中最多有两个天线具有反向角度扇区。