CN1279703C - Mimo天线***及其操作方法和选择发送和接收天线组合的方法 - Google Patents

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Abstract

在MIMO天线***中选择发送天线(TA1到TA4)和接收天线(RA1到RA4)的组合以便供给与邻近的并行信号流的最佳隔离的方法包括发送来自发送天线之一的第一个信号和测量在每个接收天线上被接收的信号的质量度量，例如信号强度。使用依次被每个剩余的发送天线发送的信号来重复该过程。编制发送天线与接收天线相对的信道矩阵并且选择可接受地接收第一个信号和不可接受地接收第二个信号并且反之亦然的发送和接收天线组合。被选择的组合被用于发送和接收MIMO信号。

Description

MIMO天线***及其操作方法和选择发送和接收天线组合的方法
技术领域
本发明涉及一种操作无线通信***的方法，并且特别涉及但不只是涉及修改无线通信***以便供给与邻近的并行信号流的良好的隔离。
背景技术
一种多输入多输出(MIMO)天线***依靠在相同的无线电频率上发送来自一组“m”个无线电发送机的一组专用数据流并且用一组“n”个无线电接收机接收这些数据，每个无线电发送机和接收机具有它自己的天线。MIMO天线***依靠具有富有散射体的传播环境，这样每个接收天线从发送机获得实质上不同的一组信号。为了进一步帮助分离被接收的信号的过程n≥m。该技术可以被用于增加无线电连接的健壮性或者增加无线电信道的容量。在理想的条件下，m的容量增加是可能的。
不管被描述的简单的需要，MIMO天线***都需要复杂的信号处理。两个过程需要被执行，即，确定信道散射矩阵和分离专用数据流。而且，如果***未在这样的理想条件下操作，则n个接收机中的一些可能不是特别有助于检测过程并且因此代表潜在浪费的冗余级别。
发明内容
本发明的一个目的是更有效地操作无线通信***。
根据本发明的第一个方面，提供了一种在MIMO天线***中选择发送天线和接收天线组合的方法，包括发送来自m个发送天线的第一个天线的第一个信号、测量在n个接收天线的每一个天线被接收的第一个信号的质量度量、使用剩余的m-1个发送天线分别发送信号时重复该过程，以及确定可接受地接收第一个信号和不可接受地接收第二个信号的发送和接收天线的组合，并且确定可接受地接收第二个信号和不可接受地接收第一个信号的发送和接收天线的组合。
根据本发明的第二个方面，提供了一种操作MIMO天线***的方法，该天线***包括一个具有至少两个发送机和多个发送天线的发送机以及至少一个具有至少两个接收机和多个接收天线的接收站，该方法包括发送来自多个发送天线的第一个天线的信号并且确定被多个接收天线的每一个天线接收的信号的质量度量、分别使用每个剩余的发送天线时重复所述操作、形成多个发送天线与多个接收天线相对的性能的信道矩阵以及从该矩阵选择至少两个发送天线和至少两个接收天线的组合，其中，来自所述发送天线中的至少第一个发送天线的信号在所述接收天线中的至少第一个接收天线上是可接受的，在所述接收天线的剩余天线上则是不可接受的，而且，来自所述发送天线中的至少第二个发送天线的信号在所述接收天线中的至少第二个接收天线上是可接受的，在所述接收天线的剩余天线上则是不可接受的。
根据本发明的第三个方面，提供了一种MIMO天线***，它包括一个具有至少两个发送机和多个发送天线的发送机站以及至少一个具有至少两个接收机和多个接收天线的接收站，所述发送站具有与发射机和发射天线耦合的发射机开关单元，该发射机开关单元被设置为用于顺序地选择每个发送天线，将信号从所选的发送天线发送出去，所述接收站具有与接收机和接收天线耦合的接收机开关单元，以及与接收机开关单元和接收机耦合的开关控制级，其中，所述接收机开关单元被设置为受控于处理和开关控制级，用以顺序地选择每个接收天线，而且，所述接收机适用于确定由每个接收天线接收的信号的质量度量，而且，所述处理和开关控制级适用于形成发送天线与接收天线相对的性能的信道矩阵，以及适用于从该信道矩阵选择至少两个发送天线和至少两个接收天线的组合，其中，来自所述被选择的发送天线中的至少第一个发送天线的信号在所述被选择的接收天线中的至少第一个接收天线上是可接受的并且在所述被选择的接收天线的剩余天线上是不可接受的，而且，来自所述被选择的发送天线中的至少第二个发送天线的信号在所述被选择的接收天线中的至少第二个接收天线上是可接受的并且在所述被选择的接收天线的剩余天线上是不可接受的。
通过比发送机具有更多的发送天线并且比接收机具有更多的接收天线，给所述***足够的自由来选择最佳天线组合，这样专用发送机数据流可以在那些供给与邻近的并行信号流最佳隔离的天线上被接收。天线冗余伴随着性能增强而实施。
在实现根据本发明的方法中，使用简单的天线分集选择过程测量被每个接收机天线接收的来自每个发送机天线的信号强度，并且确定提供最强的(或可接受的)接收以及提供最弱的(或不可接受的)接收的天线。
附图说明
现在通过例子并且参考附图将描述本发明，其中：
图1是简化的MIMO无线通信***的实施方案的示意框图，以及
图2是天线选择过程的简化的流程图。
在附图中，相同的参考数字被用于指示相应的特征。
具体实施方式
图1中显示的MIMO无线通信***包括发送站10和接收站12，它们被多径环境14分开。实际上，可以有两个或更多的接收站。
发送站10包括具有被耦合到数据分用器20的相应的输出端16、18的输入端的两个发送机TX1、TX2。控制器22具有用于将被提供给分用器20的控制信号的输出端24以及用于将被提供给分用器20的输入端28的训练序列的输出端26。数据信号应用到分用器20的输入端30，分用器20在它的输出端16、18上提供相应的数据子流。四个天线TA1、TA2、TA3和TA4通过开关单元SW1被耦合到发送机TX1、TX2。开关单元SW1包括分别具有输出接点32a到32c、34a到34b的两个三向、单极RF开关32、34，或者一个单独的三向、两极RF开关。输出接点32a被连接到天线TA1。输出接点32b和34a被联结在一起并且被连接到天线TA2。输出接点32c和34b被联结在一起并且被连接到天线TA3。最后，输出接点34c被连接到天线TA4。这些开关被在控制器22的输出端36、38、40上的信号控制。由控制器22提供的控制信号允许在分用器20的输入端28上的训练序列被发送机TX1或TX2发送，或者数据比特、字节或分组被选择用于由发送机TX1和TX2替代传输。
接收站12包括四个天线RA1、RA2、RA3和RA4，它们通过开关单元SW2被耦合到恢复相应的来自被接收信号的数据子流的接收机RX1、RX2。开关单元SW2包括分别具有接点42a到42c和44a到44c的两个三向、单极RF开关42、44，或者一个单独的三向、两极RF开关。天线RA1和RA4被连接到相应的接点42a和44c。接点42b和44a被联结在一起并且被连接到天线RA2。最后，接点42c和44b被联结在一起并且被连接到天线RA3。开关42、44的输出端分别被耦合到接收机RX1、RX2。
来自接收机RX1、RX2的数据子流被耦合到简化的MIMO处理的相应的输入端46、48以及开关控制级50。级50有一个用于应用到开关单元SW2的开关控制信号的输出端52。级50还包括传统的MIMO处理并且把数据子流提供给数据复用器54的相应的输入端，数据复用器54在输出端56上提供单独的数据流。
根据本发明的方法要求发送和接收站10、12确定被天线TA1到TA4的每一个发送的并且在通过多径环境14传输之后被天线RA1到RA4的每一个接收的信号质量，例如被接收的信号强度，由于诸如发送站10和/或接收站12移动和/或障碍物暂时影响被选择的一个或多个无线电信道的传播特性的因素，多径环境14可以有变化的特性。
在图1中被表示的实施方案使用四个发送天线TA1到TA4和四个接收天线RA1到RA4。然而，其它数字也可以被使用。按照一般的准则，有“m”个发送天线和“n”个接收天线，其中m≥2并且n≥m。在这个例子中，两个发送和两个接收天线的子集被选择并且最佳地使用这个子集同时保持MIMO的优点。开关单元SW1允许发送机TX1、TX2的每一个被连接到四个天线TA1到TA4的组中的三个之一并且在它们之间任何天线对可以被选择。开关单元SW2允许一个类似的目的在接收站中被实现。然而，应该理解多于2的发送和接收天线的组合可以被选择。而且发送和接收天线的数量分别超过发送机和接收机的数量，开关单元SW1、SW2使发送机/接收机的输出/输入端能够应用到更多数量的天线。
天线选择过程涉及以在天线分集中被使用的方式来估计被接收的信号强度。因为只有信号强度需要被确定，所以信道估计过程可以使用一个简单的信号，例如应用到分用器20的输入端28的训练序列或者同步序列的短部分。
一个简单的信号从第一个发送天线TA1被发送并且被接收天线RA1到RA4的每一个接收的信号强度被测量。实际上，一个范围的信号强度将被检测是可能的。随着一个简单的信号被第二个发送天线TA2发送，所述过程被重复。由于一个范围的信号强度范围正以不同的顺序通过接收天线RA1到RA4，所以该范围的信号强度范围可能被再次检测。假定某一天线间隔，典型地＞λ/2，则在接收天线之一被接收的信号强度将明显不同于在另一个接收天线被接收的信号强度，并且当在接收机上观察时同样适用于一对发送天线。
这个过程被重复用于剩余的发送天线的每一个，所以信道的完整测量被获得。在执行所述测量过程中，目的是确定哪个天线在接收与最强的信号相比时最弱的信号。
通过选择两个发送天线和两个接收天线的一个子集，可能选择发送和接收天线的组合，这样可以获得在接收机上在专用发送机信号之间的良好的隔离。下面供给典型的信道矩阵的例子，只有有关的信号幅度被考虑：
  RX1   RX2   RX3   RX4
  TX1   1   0.33   0.1   0.33
  TX2   0.33   0.1   1   1
  TX3   0.1   1   0.33   0.1
  TX4   0.33   0.33   1   0.1
检查该信道矩阵显示来自天线TX2的好的信号在天线RX4被接收，一个很弱的信号在天线RX2被接收。从天线TX3看到相反的情况，好的信号在天线RX2被接收，弱的信号在天线RX4被接收。发送和接收天线的这个子集因此供给很好的接收和信道隔离，这样从天线TX2被发送的信号在天线RX4以清楚的方式被接收而在天线RX2被弱接收，来自天线TX3的信号在天线RX2以清楚的方式被接收而在天线RX4被弱接收。因此，通过选择适当的天线对或组合，不需要附加的处理来分离MIMO信号。既然这样，MIMO是2输入和2输出并且容量增加2是潜在可能的。在所述选择通过接收站12被执行的情况下，被选择的发送天线的标识在一个无线电上行链路(未显示)上被传递到控制器22。
被涉及的操作被图2中显示的流程图概括。框60指示该过程开始。框62表示控制器22从所述组中任意地选择发送天线TA1、TA2、TA3或TA4以及通过使用分用器20、发送机TX1、TX2和开关单元SW1，训练序列通过被选择的发送天线被发送的操作。框62表示接收站12使用开关单元SW2、接收机RX1、RX2和开关控制级50在接收天线RA1到RA4上测量信号强度并且确定这些天线中的哪一个已经接收了来自被选择的发送机之一的最强的信号以及哪一个天线已经接收了来自被选择的发送机之一的最弱的信号的过程。任选地，如果可能，则确定诸如误码率(BER)的被接收信号的其它质量度量，因为这些也可以帮助天线选择决定过程。
框66表示检查是否所有发送天线已经被测量。如果否(N)，则随后该过程进行到框68，但是如果是(Y)，则该过程进行到框70。框68涉及任意地选择另一个天线而不是一个预先被选择的天线。使用分用器20、发送机TX1、TX2和开关单元SW1通过被选择的天线发送一个训练序列并且由框64表示的过程被重复。框70表示根据测量决定哪两对发送和接收天线可以唯一地和独立地相互发送，这样一个接收天线可以接收来自第一个发送天线的强(或可接受的)信号以及来自第二个发送天线的弱(或不可接受的)信号，并且第二个接收天线可以接收来自第二个发送天线的好信号以及来自第一个发送天线的弱信号。
框72涉及继续进行一段时间数据传输。
框74涉及检查是否信号质量是坏的。如果否(N)，则监控在两个接收天线上被接收的信号质量的过程继续。如果所述信号是坏的(Y)，则由框62到72表示的过程步骤被跟随。从两个预先被选择的发送天线开始可能是有利的。
在参考图2中显示的流程图被描述的过程的变体中，将减少对最佳天线对的寻找，在框66中进行最初的检验来看是否当前被测量的发送天线(其中必须有至少两个)可以供给想要的性能。如果这个变体被采用，则随后通过检查是否任何被选择的发送天线可以被接收天线唯一地和独立地接收，由框70表示的过程被改变，这样一个接收天线可以接收来自第一个发送天线的强(或可接受的)信号和来自第二个发送天线的弱(或不可接受的)信号，并且第二个接收天线接收来自第二个发送天线的强(或可接受的)信号和来自第一个发送天线的弱(或不可接受的)信号。如果该检查是肯定的，则使用这对发送天线和这对接收天线。这排除了对重复测量全部发送天线的需要。现在所述流程图继续进行框72。然而，如果检查是否定的，则重复用于另一个发送天线的过程步骤68和64(除非全部发送天线已经被使用)并且重复上述流程图的变体。在全部发送天线已经被测量的情况下，流程图继续框70指示的过程步骤，即确定最佳天线对。
根据本发明的方法可以被扩展以便覆盖比发送和接收天线对更多的组合。例如具有包括一个强(或可接受的)信号和两个很弱的(或不可接受的)信号的三元组是可能的，并且在一个三元组中的强信号是在其它两个三元组中的很弱的信号之一。在更多的发送和接收天线的情况下，在强和很弱之间不可能总是有清楚的区别，并且可以根据可接受的和不可接受的标准做出判断。
在本说明书和权利要求书中，在一个单元之前的词语“一个”不排除存在多个这样的单元。而且，词语“包括”不排除存在除被列出的以外的其它的单元和步骤。
读了在此公开的内容，其它修改对于本领域的技术人员将是明显的。这种修改可能涉及其它特征，这些特征在MIMO天线***和其中的组成部分的设计、制造以及使用中是已知的，并且它们可以被用于代替或者补充在此已经被描述的特征。尽管在这个申请中对于特殊的特征组合已经阐明了权利要求书，但是应该理解，无论它是否涉及像目前在任何权利要求书中被要求的一样的发明以及它是否减轻一些或全部像本发明一样的技术问题，本申请公开的范围也明确地或隐含地包括任何新的特征或任何在此被公开的特征的新的组合或其中任何概括。申请人在此声明对于在本申请或由此得出的任何另外的申请的审查期间，对于这种特征和/或这种特征的组合，新的权利要求书可以被阐明。

Claims (10)

1.一种在MIMO天线***中选择发送天线和接收天线组合的方法，包括发送来自m个发送天线的第一个天线的第一个信号、测量在n个接收天线的每一个天线上被接收的第一个信号的质量度量、使用剩余的m-1个发送天线分别发送信号来重复所述过程、以及确定可接受地接收第一个信号和不可接受地接收第二个信号的发送和接收天线的组合，并确定可接受地接收第二个信号和不可接受地接收第一个信号的发送和接收天线的组合。
2.一种操作MIMO天线***的方法，所述天线***包括一个具有至少两个发送机和多个发送天线的发送机以及至少一个具有至少两个接收机和多个接收天线的接收站，所述方法包括发送来自多个发送天线的第一个天线的信号并且确定被多个接收天线的每一个天线接收的信号的质量度量、分别使用每个剩余的发送天线来重复所述操作、形成多个发送天线与多个接收天线相对的性能的信道矩阵以及从该信道矩阵中选择至少两个发送天线和至少两个接收天线的组合，其中，来自所述发送天线中的至少第一个发送天线的信号在所述接收天线中的至少第一个接收天线上是可接受的，在所述接收天线的剩余天线上则是不可接受的，而且，来自所述发送天线中的至少第二个发送天线的信号在所述接收天线中的至少第二个接收天线上是可接受的，在所述接收天线的剩余天线上则是不可接受的。
3.如权利要求1或2中所述的方法，其特征在于被确定的质量度量是信号强度。
4.如权利要求3中所述的方法，其特征在于最强的和最弱的信号分别被认为是可接受的和不可接受的。
5.如权利要求1或2中所述的方法，其特征在于监控被选择的发送和接收天线对的性能并且响应于它们的性能变得不可接受，做出所述发送和接收天线的相对性能的评估。
6.如权利要求5中所述的方法，其特征在于从先前被选择的发送天线开始做出所述发送和接收天线的相对性能的评估。
7.如权利要求1或2中所述的方法，其特征在于被发送的信号包括训练和/或同步序列。
8.一种MIMO天线***，它包括一个具有至少两个发送机和多个发送天线的发送机站以及至少一个具有至少两个接收机和多个接收天线的接收站，所述发送站具有与发射机和发射天线耦合的发射机开关单元，该发射机开关单元被设置为用于顺序地选择每个发送天线，将信号从所选的发送天线发送出去，所述接收站具有与接收机和接收天线耦合的接收机开关单元，以及与接收机开关单元和接收机耦合的开关控制级，其中，所述接收机开关单元被设置为受控于处理和开关控制级，用以顺序地选择每个接收天线，而且，所述接收机适用于确定由每个接收天线接收的信号的质量度量，而且，所述处理和开关控制级适用于形成发送天线与接收天线相对的性能的信道矩阵，以及适用于从该信道矩阵中选择至少两个发送天线和至少两个接收天线的组合，其中，来自所述被选择的发送天线中的至少第一个发送天线的信号在所述被选择的接收天线中的至少第一个接收天线上是可接受的并且在所述被选择的接收天线的剩余天线上是不可接受的，而且，来自所述被选择的发送天线中的至少第二个发送天线的信号在所述被选择的接收天线中的至少第二个接收天线上是可接受的并且在所述被选择的接收天线的剩余天线上是不可接受的。
9.如权利要求8中所述的***，其特征在于发送机站具有少于发送天线数量的发送机。
10.如权利要求8或9中所述的***，其特征在于接收站具有少于接收天线数量的接收机。
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