CN1890897A - 用于无线通信的低误比特率天线切换 - Google Patents

Abstract

切换的天线***基于误符号率选择天线。

Description

用于无线通信的低误比特率天线切换

发明领域

本发明总地涉及无线通信，并且更具体地，涉及用于无线通信的天线选择技术。

发明背景

切换的天线***(switched antenna system)是一种在特定时刻基于某些选择准则从一组天线中选择一个来支持无线通信的***。可以实现切换的天线***来克服由例如多径衰落和/或其他可能降低无线信号质量的信道效应所引起的问题。为了使得用在切换的天线结构中的选择准则有效，选择准则应该能够可靠地识别所述天线组中会导致对应***性能提高的天线。

附图简要说明

图1是根据本发明的实施方案示出示例性切换的天线结构的框图；

图2是根据本发明的实施方案示出用于在无线通信***中选择天线的示例性方法的流程图；以及

图3是根据本发明的实施方案示出用于在多载波通信***中选择天线的示例性方法的流程图。

具体实施方式

在以下详细的描述中，将参照通过图示方式显示可以在其中实施本发明的实施方案的附图。这些实施方案以足够详细的方式被描述，以使本领域的技术人员能够实施本发明。应当可以理解，本发明的各种实施方案尽管不同，但是不必互相排斥。例如，连同一个实施方案一起描述的特定的特征、结构或者特性，在没有背离本发明的精神和范围的情况下，可以在其他实施方案中实现。另外，应当可以理解，在每个所公开的实施方案中，在没有背离本发明的精神和范围的情况下，可以修改单个元件的位置和排列。因此，以下的详细描述不应作为限制性的，并且仅仅以所附的权利要求书来定义本发明的范围，与赋予权利要求书的整个等同物范围一起来恰当地解释本发明的范围。在附图中，同样的数字在所有几个视图中表示同样或相似的功能性。

图1是根据本发明的实施方案示出示例性的切换的天线结构10的框图。切换的天线结构10可以被实现在任意宽泛范围的不同无线设备、***和组件中，包括例如无线接入点、无线客户(client)设备、无线网络接口卡(NIC)和其他无线网络接口结构、蜂窝电话和其他手持式无线通信设备、具有无线功能性的个人数字助理、寻呼机、射频集成电路(RFIC)等等。正如将要详细描述的，切换的天线结构10能够实现天线分集技术来提高相应设备、***或组件的总体性能。如所示出的，切换的天线结构10可以包括以下中的一项或更多项：多个天线12、14，天线开关(switch)16，无线通信电路18和开关控制器20。无线通信电路18可以包括例如无线接收机、无线发射机或无线收发机。无线通信电路18还可以包括用于在***中处理基带发送和/或接收信息的基带电路(例如接收链中用于解码接收的信息的解码器等)。可以根据一种或更多种无线通信标准(例如无线联网标准、蜂窝标准等等)来配置无线通信电路18。例如，在至少一个实施方案中，可以根据IEEE 802.11a无线联网标准(IEEE标准802.11a-1999)来配置无线通信电路18。可替换地，可以使用其他无线标准和不同标准的组合。

天线开关16可以操作为将天线12、14中所选择的一个耦合到无线通信电路18，以支持通信活动。尽管在图1中仅仅示出了两个天线，但是应该可以意识到可以使用任意数量(多于一个)的天线。此外，可以使用任意类型的天线，包括例如双极、贴片、螺旋、阵列等天线，以及包括以上天线的组合的其他天线。开关控制器20控制天线开关16的操作。即，开关控制器20确定在特定时刻天线12、14中的哪一个应该被耦合到无线通信电路18，并相应地指示天线开关16。开关控制器20可以基于例如从无线通信电路18接收的信息确定将哪一个天线耦合到无线通信电路18。

在本发明的至少一个实施方案中，开关控制器20基于与***的天线相关联的误符号率(symbol error rate)来选择天线。即，开关控制器20可以包括错误估计器(estimator)，用于为每个可用天线(或为每个可用天线的子集)估计误符号率，并基于所述误符号率选择用在通信中的天线(例如选择具有最低误符号率的天线，等等)。本领域中已知各种用于估计与天线相关联的误符号率的技术。计算得到的误符号率可以各自基于单个接收的分组(packet)或多个接收的分组(例如多个之前的分组的平均值，等等)。使用在这里，术语“误符号率”意图包括用于表示比率的所有不同方法和格式。

在本发明的至少一个实施方案中，切换的天线结构被实现在使用多载波通信的无线通信***中。多载波通信是用于发送数据的技术，该技术将数据分成多段(piece)，然后通过多个单独的窄带载波(即子载波(sub-carrier))以并行的方式发送所述段。多载波通信经常被用于通过增加载波的符号周期来限制通过每个子信道(即通过每个子载波)发送的数据速率，从而克服符号间干扰。当通过子信道发送的符号周期比信道中的最大多径延迟长时，符号间干扰的影响可以被显著地减小。由于使用多个载波，可以获得使用多载波技术的相对高的总体数据速率。尽管符号间干扰的影响减小了，但是多径衰落可能仍然导致多载波***中的数据误传(distort)。例如，一些子载波可能比其他子载波经历更大的衰落，以致对于不同子载波，接收机接收的信号幅度是不同的(即非均匀载波振幅)。典型地，经历较高级别的多径衰落的载波在接收机端会具有较小的信噪比(SNR)。甚至当接收的信号中其他子载波具有相对高的SNR时，接收的信号中的那些较低SNR子载波仍可能会危害接收机正确地检测其中数据的能力。因此，基于平均信号水平、SNR或信干噪比水平(signal to interference and noise level，SINR)的天线选择技术可能是不可靠的。在本发明的至少一个实施方案中，在多载波通信***中是基于在多载波信号的子载波上取得的平均误符号率来执行天线选择的。

正变得越来越普遍的一种多载波通信的形式是正交频分复用(OFDM)。OFDM被用于各种无线通信标准中，包括例如IEEE 802.11a(IEEE标准802.11a-1999)、IEEE 802.11g等等。在OFDM***中，在每个子载波上接收的信号可以如下表示：

r_k(i)＝α_k(i)·s(i)+n_k(i)               i＝1，2，...，N；k＝1，2，...，K

其中i是子载波索引，k是天线索引，s(i)是第i个子载波的发送信号，r_k(i)是第i个子载波和第k个天线的接收信号，α_k(i)是第i个子载波和第k个天线的信道增益，n_k(i)是第i个子载波和第k个天线的噪声加干扰，N是承载数据的子载波数量，K是天线的数量。在本发明的至少一个实施方案中，在多载波***中通过识别在所述多个子载波上具有最低平均误符号率(SER)的天线来选择天线。这可以被表示为：

$k_e=\underset{k}{\arg \min }\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Pr}\left[e_k\left(i\right)\right]$

其中Pr[e_k(i)]是在第i个子载波上正交幅度调制(QAM)符号的误符号概率(QAM是用于例如IEEE 802.11a无线联网标准的数据调制技术)。为了简化所需要的计算，可以使用两个最近的信号星座(constellation)点之间的错误概率来近似上面的表达式，如下所示：

$k_e=\underset{k}{\arg \min }\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}Q\left[\frac{\left|\right|{\mathrm{\α}}_k\left(i\right)d\left|\right|}{\sqrt{2}{\mathrm{\σ}}_k\left(i\right)}\right]$

其中 $Q\left(\mathrm{\χ}\right)=\underset{\mathrm{\χ}}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{\frac{t^2}{2}}\mathrm{dt}$ 是星座图中的错误概率，d是两个发送的QAM星座点之间的最短距离(即正方的QAM星座图中的行和列间距)，σ_k(i)是第i个子载波和第k个天线的噪声加干扰的方差的平方根，‖α_k(i)d‖是两个接收的信号点之间的最短距离(即接收的QAM星座图中的间距)。通过近似函数Q(x)，上式还可以被进一步简化为：

$k_e=\underset{k}{\arg \min }\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\sqrt{2}{\mathrm{\σ}}_k\left(i\right)}{{\mathrm{\α}}_k\left(i\right)d}\exp [-\frac{{\left|\right|{\mathrm{\α}}_k\left(i\right)d\left|\right|}^2}{{4\mathrm{\σ}}_k^2\left(i\right)}]$

任意上面的等式都可以被实现在图1的开关控制器20内，或被实现在***内的其他位置。

图2是根据本发明的实施方案示出用于在无线通信***中选择天线的示例性方法30的流程图。在多个天线处接收信号(框32)，并且基于对应的接收信号为所述多个天线中的每一个确定误符号率(框34)。可以同时在多个天线处接收全部信号，可以一次只接收一个信号，或是以一些其他方式接收。类似地，可以同时为所有天线确定误符号率，可以一次只为一个天线确定误符号率，或是以其他方式确定。在一种可能的途径中，接收信号并且为每个感兴趣的天线确定误符号率，一个接一个进行。可替换地，可以使用其他技术。

在一些***中，可以为每个天线确定的单个的、非平均的误符号率。在其他***中，可以为每个天线确定平均误符号率。例如，在多载波***中，可以为每个天线确定在相应的接收信号的多个子载波上的平均误符号率。在码分多址(CDMA)***中，可以为每个天线确定在***的各种码上的平均误符号率。正如所意识到的，用于确定与天线相关联的误符号率的方法通常取决于实现的细节。

随后，基于上面所确定的误符号率来选择用于通信的天线(框36)。例如，在一种可能的途径中，选择具有最低误符号率的天线。所选择的天线可以被用作接收天线、发射天线，或即被用作接收天线又被用作发射天线。可以在预先确定的时间重复上述天线选择方法30，或是响应于检测到预先确定的条件(例如高错误率等等)重复上述天线选择方法30。在至少一个实施方案中，对每个到来的分组(或每隔一个分组，或每三个分组等等)重复该过程。在至少一个实施方案中，平均多个接收的分组的误符号率。

图3是根据本发明的实施方案示出用于在多载波无线通信***中选择天线的示例性方法40的流程图。在至少一个实现中，方法40在基于IEEE 802.11a的***内被执行，尽管其他多载波***也可以实现方法40。所述方法首先切换到K个天线中的第一天线(框42和44)。接着使用所述第一天线检测短前同步码(preamble)(框46)。然后可以使用检测到的前同步码来为第一天线估计噪声加干扰功率(框48)。然后可以为第一天线计算信道频率响应(框50)。然后可以使用估计的噪声加干扰功率以及信道频率响应来为第一天线估计所检测的前同步码的多个子载波上的平均误符号率(框52)。可以使用例如之前所讨论的等式之一来执行该估计，或者可以使用其他估计技术。接下来，确定是否已经为所有感兴趣的天线估计了平均误符号率(框54)。因为还没有为所有感兴趣的天线确定错误率，所以为下一天线重复上述过程(框56)。在已经为所有感兴趣的天线生成了平均误符号率之后(框54)，基于平均误符号率选择用于无线通信的天线(框58)。然后可以为所选择的天线执行同步和相位追踪。应该意识到，在天线选择确定期间，不一定要为每一个与具体设备相关联的天线生成平均误符号率值，而是可以仅为与所述设备相关联的天线的子集生成平均误符号率值。可以在预先确定的时间重复天线选择方法40，或是响应于检测到预先确定的条件(例如高错误率等等)重复上述天线选择方法40。在至少一个实施方案中，对每个到来的分组(或每隔一个分组，或每三个分组等等)重复该过程。在至少一个实施方案中，平均多个接收的分组的误符号率。

在前面的详细描述中，将本发明的各种特征一起组合在一个或更多个单独的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的发明需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，发明方面可以处于比以上所公开的每个实施方案的全部特征少的状态。

尽管结合某些实施方案描述了本发明，但是应该可以理解，在不偏离本领域技术人员已经理解了的本发明的精神和范围的情况下，可以采取修改和变化。这些修改和变化被认为在本发明和所附权利要求书的界限和范围内。

Claims (25)

1.一种用于无线通信***的方法，包括：

为天线组中的天线确定误符号率；以及

基于所述误符号率从所述天线组中选择用于后续无线通信的天线。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

选择天线的操作包括选择具有最低误符号率的天线。

3.如权利要求1所述的方法，其中：

所述误符号率包括平均误符号率。

4.如权利要求3所述的方法，其中：

所述无线通信***是多载波***；以及

所述平均误符号率在多个子载波上被平均。

5.如权利要求4所述的方法，其中：

确定误符号率的操作包括通过对与和第一天线相关联的多个子载波对应的误符号概率求和来为所述第一天线确定平均误符号率。

6.如权利要求4所述的方法，其中：

确定误符号率的操作包括通过使用两个最近的信号星座点之间的错误概率来估计与和第一天线相关联的多个子载波对应的误符号概率的和，从而为所述第一天线确定平均误符号率。

7.如权利要求4所述的方法，其中：

所述无线通信***使用正交频分复用(OFDM)。

8.如权利要求3所述的方法，其中：

所述无线通信***是基于码分多址(CDMA)的***；以及

所述平均误符号率在多个码上被平均。

9.如权利要求1所述的方法，其中：

确定误符号率的操作包括通过计算在多个接收的分组上的平均来为第一天线确定第一误符号率。

10.一种装置，包括：

天线开关，所述天线开关用于以可控制的方式将多个天线中的一个耦合到无线通信电路；以及

开关控制器，所述开关控制器用于基于与所述多个天线中的天线相关联的误符号率从所述多个天线中选择要被耦合到所述无线通信电路以用于支持无线通信的天线。

11.如权利要求10所述的装置，其中：

所述开关控制器包括错误估计器，所述错误估计器用于估计与所述天线相关联的所述误符号率。

12.如权利要求10所述的装置，其中：

所述误符号率是平均误符号率。

13.如权利要求12所述的装置，其中：

所述无线通信电路支持多载波通信；以及

所述平均误符号率在多个子载波上被平均。

14.如权利要求13所述的装置，其中：

所述开关控制器包括错误估计器，所述错误估计器用于通过对与和第一天线相关联的多个子载波对应的误符号概率求和来为所述第一天线确定平均误符号率。

15.如权利要求12所述的装置，其中：

所述无线通信电路支持码分多址(CDMA)；

所述平均误符号率在多个码上被平均。

16.如权利要求10所述的装置，其中：

所述开关控制器为所述天线开关生成开关控制信号。

17.如权利要求10所述的装置，其中：

所述开关控制器选择具有最低误符号率的天线。

18.如权利要求10所述的装置，其中：

所述无线通信电路包括以下中的一项：无线发射机，无线接收机以及无线收发机。

19.一种***，包括：

多个天线，所述多个天线包括至少一个双极天线；

天线开关，所述天线开关用于以可控制的方式将多个天线中的一个耦合到无线通信电路；以及

开关控制器，所述开关控制器用于基于与所述多个天线中的天线相关联的误符号率从所述多个天线中选择要被耦合到所述无线通信电路以用于支持无线通信的天线。

20.如权利要求19所述的***，其中：

所述开关控制器包括错误估计器，所述错误估计器用于估计与所述天线相关联的所述误符号率。

21.如权利要求19所述的***，其中：

所述误符号率是平均误符号率。

22.如权利要求19所述的***，其中：

所述无线通信电路支持多载波无线通信；以及

所述平均误符号率在多个子载波上被平均。

23.如权利要求19所述的***，其中：

所述无线通信电路支持码分多址(CDMA)；

所述平均误符号率在多个码上被平均。

24.如权利要求19所述的***，其中：

所述***是无线接入点的部分。

25.如权利要求19所述的***，其中：

所述***是无线网络接口卡(NIC)的部分。

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