專利名稱：無線電通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線電通信系統(tǒng)，其含有一條在第一和第二終端之間包括多條路徑的通信信道，每個終端包括多個天線。本發(fā)明還涉及一種使用在這種系統(tǒng)中的終端和一種操作這種系統(tǒng)的方法。
很熟知，通過在接收機(jī)處使用多個天線能夠減輕由多徑傳播引起的上述問題，它使得一些或全部多徑能夠被解決。為了有效分集，需要單個天線接收的信號具有一個低互相關(guān)。通常，通過把天線分開為波長的一個真分?jǐn)?shù)來確保之，雖然通過利用在我們的共同懸而未決的未公開國際專利申請PCT/EP01/02750(申請人的標(biāo)記PHGB000033)中所公開的技術(shù)也可以使用接近地分集式天線。通過保證基本上不相關(guān)的信號的使用，在任何給定時刻在一個以上的天線處出現(xiàn)破壞性干擾的可能性被最小化。
也可以通過在發(fā)射機(jī)處多個天線的使用(發(fā)射分集)來獲得類似的改善。分集技術(shù)可以被概括為在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處使用多個天線，即通常所說的多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)，它通過一個片面分集設(shè)備可以進(jìn)一步增加系統(tǒng)增益。隨著進(jìn)一步的發(fā)展，多個天線的存在實現(xiàn)了空間復(fù)用，因此發(fā)射的數(shù)據(jù)流被分裂為多個子流，其每一個都通過許多不同的路徑被發(fā)送。這種系統(tǒng)的一個示例在美國專利6,067,290中被描述，另一示例，通常所說的BLAST系統(tǒng)，在P W Wolniansicy等人在1998年9月29日到10月2日意大利比薩的1998 URSI國際信號、系統(tǒng)和電子學(xué)討論會的出版文件中的論文”V-BLASTanarchitecture for realising very high data rates over therich-scattering wireless channel”(V-BLAST在多散射無線信道上實現(xiàn)很高數(shù)據(jù)速率的結(jié)構(gòu))中被描述。
通常，在一個MIMO系統(tǒng)中，原始數(shù)據(jù)流被分裂為J個子流，其每一個都通過具有nT＝J個單元的一個陣列的不同天線被發(fā)射。具有nR≥J個單元的一個類似陣列被用來接收信號，所述陣列的每一天線接收J(rèn)個子流的不同疊加。使用這些差值，加上信道轉(zhuǎn)送矩陣H的信息，子流能夠被分開并被再合并來產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)流。在這種系統(tǒng)的一種變形中，在公開的歐洲專利申請EP-A2-0,905,920中被公開，子流在發(fā)射之前被轉(zhuǎn)換如此以致在通過信道傳播之后另一轉(zhuǎn)換恢復(fù)該原始子流?？墒牵@種系統(tǒng)需要在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩邊都知道轉(zhuǎn)送矩陣H的信息，因為所應(yīng)用的轉(zhuǎn)換是以那個矩陣的唯一值分解為基礎(chǔ)的。
從一個MIMO系統(tǒng)中可以得到的性能增益可用來增加具有一個給定差錯率的總數(shù)據(jù)速率，或者可用來降低一個給定數(shù)據(jù)速率的差錯率，或者這兩者的某些組合。一個MIMO系統(tǒng)還可以被控制來降低一個給定數(shù)據(jù)速率和差錯率的總發(fā)射能量或功率。
理論上，通信信道的容量隨發(fā)射機(jī)或接收機(jī)上天線數(shù)量的減少而線性增加?？墒牵?000年4月9-14日瑞士Davos″天線和傳播ESA千年會議″的出版文件中A G Burr的文件”Channel CapacityEvaluation of Multi-Element Antenna Systems using a SpatialChannel Model”(使用空間信道模型的多振子天線系統(tǒng)的信道容量估計)中的仿真結(jié)果說明實際上，通信信道的容量受到放置于該環(huán)境中的散射源數(shù)量的限制。
一種查看MIMO系統(tǒng)的更有用方法是信道容量受到在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間由該環(huán)境中散射源引起的統(tǒng)計上的獨(dú)立路徑數(shù)量所限制。因此，在一個給定環(huán)境中，在天線陣中在發(fā)射機(jī)或接收機(jī)處具有比由它們的特定位置所引起的獨(dú)立路徑數(shù)目更多單元并沒有什么優(yōu)勢。目前建議的MIMO系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處使用固定數(shù)目的天線以及因此的固定數(shù)目的子流，如果獨(dú)立路徑的數(shù)目低于子流數(shù)量，則子流變得無效率。另外，如上所述，已知的MIMO系統(tǒng)依賴于充分遠(yuǎn)離地放置天線以便達(dá)到基本上不相關(guān)的信號。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，這里提供一種無線電通信系統(tǒng)，具有一條在第一和第二終端之間包括多條路徑的通信信道，每個終端具有多個天線，其中，第一終端包括接收裝置，接收裝置具有用于確定信號從第二終端到達(dá)的多個方向的方向確定裝置，用于從所述多個方向的一些或全部中接收多個分離信號的裝置，用于從接收信號中提取多個子流的裝置和用于組合多個子流以便提供一個輸出數(shù)據(jù)流的裝置；和第一終端還包括發(fā)射裝置，發(fā)射裝置具有用于把發(fā)射信號分開成為多個子流的裝置和用于把每個子流發(fā)射到由接收裝置確定的多個方向的分別的一個中的發(fā)射裝置。
與每個終端具有單個天線的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，不需要總發(fā)射功率的任何增加，本發(fā)明通過允許不同數(shù)目的發(fā)射子流來改善靈活性，并且通過考慮多徑信號的角向分布來改善效率和通過量。
可以通過測量角度功率譜以及確定最強(qiáng)信號到達(dá)的方向來確定信號到達(dá)方向。對于發(fā)射，可以用同一功率和比特率發(fā)射每個子流，或者取決于諸如信號噪音比之類的一些質(zhì)量參數(shù)，子流的個體功率和/或比特率可以不同。對于來自終端的一個給定輻射功率，這可以導(dǎo)致系統(tǒng)容量的進(jìn)一步改善。這里不需要從中接收信號的那些方向的數(shù)目與其中發(fā)射信號的那些方向的數(shù)目相同。
在每個終端處的多個天線可以是任何適當(dāng)?shù)念愋?，方向性的或者全向的輻射模式，這取決于應(yīng)用。對于一個終端上的所有天線，不需要是同一類型或具有同一輻射模式，也不需要終端具有相同數(shù)目的天線。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，這里提供一種使用在無線電通信系統(tǒng)中的終端，所述無線電通信系統(tǒng)具有一條在所述終端和另一終端之間包括多條路徑的通信信道，其中，提供接收裝置，接收裝置具有用于確定信號從另外一個終端中到達(dá)的多個方向的方向確定裝置，并且提供發(fā)射裝置，發(fā)射裝置具有用于把發(fā)射信號分開成為多個子流的裝置，和用于把每個子流發(fā)射到由接收裝置確定的多個方向的分別的一個中的發(fā)射裝置。
根據(jù)本發(fā)明，一個終端既可以操作為一個發(fā)射機(jī)又可以操作為一個接收機(jī)。可替代地，根據(jù)本發(fā)明，一個終端可以操作為一個發(fā)射機(jī)同時使用一個傳統(tǒng)接收機(jī)。這種終端還需要接收裝置，其能夠確定接收信號方向以使它能夠確定哪一方向來發(fā)射信號。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，這里提供一種使用在無線電通信系統(tǒng)中的終端，所述無線電通信系統(tǒng)具有一條在所述終端和另一終端之間包括多條路徑的通信信道，其中，提供有接收裝置，接收裝置具有用于確定信號從另外一個終端到達(dá)的多個方向的方向確定裝置，用于從所述多個方向的一些或全部中接收多個分別信號的裝置，用于從接收信號中提取多個子流的裝置和用于組合多個子流以便提供一個輸出數(shù)據(jù)流的裝置。
本發(fā)明也可以被操作為單獨(dú)的一個接收機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，這里提供操作一種無線電通信系統(tǒng)的方法，所述無線電通信系統(tǒng)具有一條在第一和第二終端之間包括多條路徑的通信信道，每個終端具有多個天線，該方法包括第一終端確定信號從第二終端到達(dá)的多個方向，從多個方向的一些或全部中接收信號，從接收信號中提取多個子流并且組合多個子流以便提供一個輸出數(shù)據(jù)流，該方法還包括第一終端把發(fā)射信號分開成為多個子流，并且把每個子流發(fā)射到多個確定方向的分別的一個中。
本發(fā)明是以現(xiàn)有技術(shù)中不存在的如下認(rèn)可為基礎(chǔ)的即，通過確定從一個特定終端中收到的最強(qiáng)信號來自哪一方向以及通過在這些方向上把信號發(fā)射到那個終端，增加的頻譜效率被獲得，因為在發(fā)射中浪費(fèi)了更少的功率。
在附圖中，相同的或類似的參考數(shù)字已被用來指示相應(yīng)的特征。
最佳實施方式

圖1說明了一個已知MIMO無線電系統(tǒng)。多個應(yīng)用102(AP1到AP4)產(chǎn)生發(fā)射數(shù)據(jù)流。應(yīng)用102還可以產(chǎn)生多個數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流被多路復(fù)用器(MX)104合并成為單個數(shù)據(jù)流，其被提供給發(fā)射機(jī)(Tx)106。發(fā)射機(jī)106把數(shù)據(jù)流分開成為子流并且把每個子流映射到多個發(fā)射天線108的一個或多個。
適當(dāng)?shù)木幋a，通常包括前向糾錯(FEC)，可以在多路復(fù)用之前被發(fā)射機(jī)106應(yīng)用。這被認(rèn)為是垂直編碼，并且具有這樣的優(yōu)點即，編碼被應(yīng)用在所有子流上?？墒?，問題可能出現(xiàn)在提取子流中，因為需要聯(lián)合解碼并且個別地提取每個子流是困難的。作為一種替換，每個子流可以被分別編碼，一種稱為水平編碼的技術(shù)，它可以簡化接收機(jī)操作。這些技術(shù)例如2000年11月27日到12月1日在舊金山的”IEEE Globecom 2000會議事項”中X LI等人的文件”Effects ofIterative Detection and DecodIng on the Performance of BLAST”(BLAST性能的迭代檢測和解碼效果)中被討論。
如果使用垂直編碼，則該前向糾錯(FEC)必須有足夠的差錯校正能力來應(yīng)付包括多徑110的整個MIMO信道。為了說明簡單，只有天線108之間的直接路徑110被說明，但是應(yīng)該理解，路徑組通常將包括信號被一個或多個散射源反射的間接路徑。
還裝備有多個天線108的接收機(jī)(Rx)112，接收來自多徑的信號，隨后將那些信號組合、解碼并去復(fù)用從而提供分別的數(shù)據(jù)流給每個應(yīng)用。雖然發(fā)射機(jī)106和接收機(jī)112被示出為具有相同的天線數(shù)量，但是實際上不需要這樣并且天線數(shù)目可以根據(jù)空間和容量限制而被優(yōu)化。同樣地，發(fā)射機(jī)106可以支持許多應(yīng)用(例如，在僅僅話音的移動電話上的單一應(yīng)用或者在PDA上的大量應(yīng)用)。
任何’并行’型通信系統(tǒng)的主要原理是找到用以傳送的多個方式，并可以在接收機(jī)處以某種方式加以區(qū)別。例如在OFDM系統(tǒng)中，其實，不同的子流以不同的載波頻率被發(fā)送，其間距如此以致它們是正交的并且可以在接收機(jī)處被區(qū)分。類似地，在BLAST系統(tǒng)中，在一個很散射的環(huán)境中，通過使發(fā)射天線彼此間距一個λ/2的最小間距，則被單個天線接收的信號由每個子流的線性和組成，每個子流的相位和幅度是獨(dú)立的。可是，如果沒有更多信息，則子流無法從單個天線中被區(qū)分----問題與解J未知數(shù)(子流)的聯(lián)立方程是類似的，對于之，需要至少J不相關(guān)的或獨(dú)立的方程式來明白地區(qū)分J未知數(shù)。在BLAST系統(tǒng)中，這通過具有nR(≥J)個天線來獲得，每個天線與其他天線相隔一個λ/2的最小間距。此最小間距確保來自每個接收機(jī)天線中的nR信號提供J個未知子流的nR個獨(dú)立線性組合--nR個組合是所需要的聯(lián)立方程。方程式的系數(shù)是nT發(fā)射機(jī)天線和nR接收機(jī)天線之間的復(fù)合信道轉(zhuǎn)送系數(shù)，由轉(zhuǎn)送矩陣H(在下面被討論)來描述。
發(fā)射或接收不相關(guān)波形的一種替換方式是使用角度間距，一種在許多當(dāng)前分集接收系統(tǒng)中被利用的技術(shù)(即角分集)。從不同方向中到達(dá)(或者發(fā)送到不同方向)的多徑信號通常經(jīng)歷不同的散射源并因此每個經(jīng)歷不同的衰減和時延(即，一個不同的復(fù)合信道轉(zhuǎn)送系數(shù))。因此與BLAST系統(tǒng)相似，通過把子流發(fā)射到不同的角度或方向，在接收機(jī)處可能會形成不相關(guān)的信號。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的一個系統(tǒng)提供一個替換無線收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)到諸如BLAST之類的已知系統(tǒng)中，本發(fā)明的基礎(chǔ)是K個分開子流到K個不同方向的發(fā)射以及來自J個不同方向中的多徑信號的接收。在每個情況中，選擇的方向?qū)⑷Q于具有最大功率或信噪比(SNR)的多徑信號被接收的方向，正如從角度功率譜A(Ω)的測量中所確定的。例如在USAPhoenix 1997年5月4-7日IEEE車輛技術(shù)會議的1997出版文件第1415-19中的Q Spencer等人的文件”Astatistical model forangleof arrival In indoor multipath propagation”(室內(nèi)多徑傳播中到達(dá)角的統(tǒng)計模型)中被報告，實驗的測量和仿真建議多徑信號以有關(guān)均一隨機(jī)方位角度的組或者群集的方式到達(dá)。因此，選擇的方向?qū)⒎线@些群集的到達(dá)角是可能的。然而，倘若足夠高分辨率的一個陣列被使用，未阻止本發(fā)明使用一個群集內(nèi)的個體路徑。雖然本發(fā)明描述一種收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)，但是發(fā)射機(jī)部分或接收機(jī)部分可以與諸如另一接收機(jī)或發(fā)射機(jī)設(shè)計之類的一起被獨(dú)立地使用。這是因為在發(fā)射機(jī)或接收機(jī)處，呼出或呼入信號可以作為不同方向(角度域)上傳播的平面波或者作為空間(BLAST中的空間域)中的一個干擾模型被對待。
根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是通過測量呼入多徑信號的角度功率譜可確定顯著的散射源存在的方向。因此，通過在接收機(jī)112處聚束到多徑信號到達(dá)的方向中，則接收機(jī)功率被更有效地使用。隨后，通過發(fā)射到那些方向中，在該環(huán)境中的可能散射源進(jìn)行充分利用，從而獲得一個增加的頻譜效率，因為更多的發(fā)射功率被接收機(jī)112接收。這對于工作在較高頻率的無線系統(tǒng)日益重要，在此，平均起來更強(qiáng)的衰減減少了接收機(jī)處的有用多徑成分的數(shù)目。
作為發(fā)射機(jī)，另外一個好處是與EP-A2-0,905,920中公開的系統(tǒng)不同，不需要轉(zhuǎn)送矩陣H的信息，只是需要角度功率譜A(Ω)。
圖2是說明根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的時分復(fù)用系統(tǒng)的收發(fā)信機(jī)的操作流程圖。收發(fā)信機(jī)操作被描述形成單個收發(fā)信機(jī)一部分的一個發(fā)射機(jī)106和接收機(jī)112的一個循環(huán)，在該圖右邊的步驟涉及接收機(jī)112而在左邊那些涉及發(fā)射機(jī)106。
接收機(jī)112的第一個操作是在步驟202處測量A(Ω)，呼入多徑信號的角頻譜。接下來，在步驟204，角頻譜被處理以便查找Ωj，它是A(Ω)中最強(qiáng)功率的開頭J個峰值的方向。在步驟206，聚束技術(shù)然后被使用在選擇的方向Ωj中以便獲得J個分別的接收信號rj。在步驟208，轉(zhuǎn)送矩陣H的單元被確定，在此，hjk是第k個發(fā)射方向和第j接收方向之間的復(fù)合信道轉(zhuǎn)送系數(shù)。最后，對于接收機(jī)112，在步驟210，標(biāo)準(zhǔn)多用戶檢測技術(shù)被用來提取K個發(fā)射子流，在此，Sk是第k個子流。
在發(fā)射機(jī)106中，在步驟212，第一個操作是把傳入數(shù)據(jù)去復(fù)用成為J個較低速率數(shù)據(jù)流，在此之后，在步驟214，所產(chǎn)生的J個子流的每一個在它的各自的方向Ωj上被發(fā)射。收發(fā)信機(jī)在步驟202然后返回到接收機(jī)模式，適應(yīng)于在可能已經(jīng)發(fā)生的多徑中的任何改變。
圖2中每個步驟的精確實施相對于本發(fā)明不是特別重要，因為這里有一個適當(dāng)?shù)囊阎夹g(shù)的范圍。這些示例在下面被描述。實際上，對于一個完整的數(shù)據(jù)猝發(fā)，流程圖的每個循環(huán)都發(fā)生。因此，假定被測量的角頻譜A(Ω)和轉(zhuǎn)送矩陣H對于整個猝發(fā)是有效的并且至少A(Ω)對于要被發(fā)射的下一猝發(fā)是有效的。
現(xiàn)在將描述作為分開的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)部分的本發(fā)明實施例，首先考慮發(fā)射機(jī)部分，因為它通常比接收機(jī)更直接。此說明包括一個接收和發(fā)射周期，即，一幀或比特猝發(fā)的接收(包括處理/解碼)以及隨后的發(fā)射。
比特幀的假定包括’有效載荷’數(shù)據(jù)以及協(xié)議與訓(xùn)練序列的任何額外開銷一起。為了有效的適配處理，對于由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)或散射器的移動所引起的信道中的改變，幀持續(xù)時間應(yīng)該足夠短到在幀持續(xù)時間期間可忽略。另一重要的設(shè)想是信道是窄帶，即信道的延遲擴(kuò)展比比特或碼元持續(xù)時間更小些，以使信道脈沖響應(yīng)(GIR)本質(zhì)上是一個脈沖或Δ函數(shù)。這就是表示信道系數(shù)hjk而不是CIR的原因。然而，例如如果均等被使用在從規(guī)定方向中收到的每個抽樣上時，本發(fā)明可以被應(yīng)用到寬帶信道。
圖3是一個發(fā)射機(jī)106的塊示意圖。呼入數(shù)據(jù)S(t)被一個去復(fù)用器302分離成為J個子流sj(t)(1≤j≤J)，在此，J≤M且M是天線108的數(shù)目。子流數(shù)目可以不同，這取決于無線信道特性或者其它要求。作為選擇，對于每一子流，比特率Bj或發(fā)射的SNRγtrans，j可以不同，以使得對于一個給定中斷概率把整個發(fā)射比特率最大化。這種技術(shù)被認(rèn)為是”water filling”(水填充)并且例如在RobertGallager，Wiley的Information Theory and ReliableCommunication(信息論和可靠通信)第343頁到354頁中被描述。
J個子流被饋送到多個射束加權(quán)矩陣304中。這就把一組復(fù)數(shù)加權(quán)wmj應(yīng)用到J個輸入子流Sj中以便產(chǎn)生M個輸出子流Sm，根據(jù)下列方程式 它還可以被寫為S＝Ws。把復(fù)數(shù)加權(quán)矩陣W應(yīng)用到信號s的向量上的結(jié)果是信號S向量，其第m個單元是被應(yīng)用到該陣列的第m個天線108上的信號。本質(zhì)上，加權(quán)矩陣304是J個子流中每一個的聚束。每個子流都有它自己通過天線陣的加權(quán)組，因此即使所有子流的加權(quán)結(jié)果在天線陣處合計，則疊加原理意味著結(jié)果的遠(yuǎn)場輻射模式將是為每個子流設(shè)計的輻射模式和。所有的場將以所設(shè)計的方式來取消或合計從而給出在它們各自方向上傳播的J個子流。天線信號的產(chǎn)生圖型地如4圖所示。
呼入多徑信號的角頻譜A(Ω)在接收機(jī)工作期間被測量塊306所測量，如下所述。測向塊308處理此頻譜以便確定具有最佳SNR的J方向以及確定所需要的加權(quán)wmj。
如上所述，其中第j個子流被發(fā)射的那個方向由加權(quán)組wmj來控制，在此1≤m≤M(即，加權(quán)矩陣W的第j列，被表示為Wj)。這通過以下面的方式來查看方程式1而被算術(shù)地表示 M×1向量S是J向量項的和，合計中的第j項是被第j子流Sj相乘的加權(quán)矩陣(Wj)的第j列矢量。因此，所有留下來的都要做的是對于J子流的每一個選擇復(fù)數(shù)加權(quán)，它將變成加權(quán)矩陣W的列。
在選擇第j子流的加權(quán)時，理想的是使發(fā)送到對應(yīng)于q≠j的其它方向的功率最小化，以便在接收機(jī)處使得對于第j子流的信號干擾加噪音比(SINR)最小化。一種可能的方法是確定一組加權(quán)來在方向Ωj上產(chǎn)生一個射束峰值而在每一個其他方向Ωq上(q≠j，1≤{j，q)≤J)產(chǎn)生零信號。這是一個標(biāo)準(zhǔn)陣列處理問題，但是對每一子流來說，在總和上不得不被應(yīng)用j次。一種替換方法是把除了期望方向之外各個方向作為噪聲來對待，并且使屬于在方向Ωj上存在射束峰值的狀態(tài)的陣列噪聲輸出最小化。各種已知方法能夠獲得上面的任一目的，例如在IEEE1的事項，第85卷編號B(1997年8月)第1195頁到1245的文件”Application of Antenna Arrays to Mobile Communications，PartiiBeam-forming and Direction-of-Arrival Considerations”(移動通信的天線陣應(yīng)用，第二部分射束形成和方向到達(dá)因素)中所描述的一樣。
為了簡明，第一種方法將被用來說明本發(fā)明的一個實施例?；镜脑硪蕾囉趯τ诿恳蛔恿鹘庀铝蟹匠淌絯jTA=ej---(3)]]>在此，A是一個M×J的矩陣，它的列是方向Ωj的導(dǎo)向向量a(Ωj)，j個子流要被發(fā)射到這些方向中(即A＝[a(Ω1)，a(Ω2)，…，a(Ωj)并且ej是一個行向量(1×J)，它的單元除了第j個之外全部為零，第j個等于一(即ej的第p個單元因此是(ej)p＝δpj，例如那么對于j＝5，則e2＝
)。導(dǎo)向向量的單元僅僅是陣元中所需要的響應(yīng)以便產(chǎn)生在方向Ωj上具有峰值的一個波束圖。因此，導(dǎo)向向量(或A的第j列)被給出為 在此，τi(Ωj)是應(yīng)用在陣列的第m個單元(1≤m≤M)和一個隨機(jī)原點之間的信號的時延。這在圖5中被說明，在此，距離Δi與Δi(Ωj)τi(Ωj)的時延相關(guān)并且c是光速。把方程式3反向，以便在方向Ωj上產(chǎn)生一個峰值并且其他J-1方向上產(chǎn)生零信號的校正加權(quán)是wjT=ejA-1---(5)]]>這假定J＝M，因此A是平方。如果j≠M(fèi)，那么非平方矩陣的產(chǎn)生的倒置或Moore-Penrose偽倒置A+可用于求解方程式3。
簡單地說，第j個子流所需要的加權(quán)僅僅是A的逆矩陣的第j行。因此，一旦方向Ωj已經(jīng)被確定，則導(dǎo)向矩陣A可以被構(gòu)成并且倒置A-1(或A+)被計算出。這是所需要的全部信息每個子流的校正加權(quán)僅僅是逆矩陣適當(dāng)?shù)牧小?br> 另外一個步驟是在比特幀中的訓(xùn)練序列的發(fā)射，它接收機(jī)所需要的以便提取子流。這里有接收機(jī)需要的兩種類型的訓(xùn)練序列一個是實現(xiàn)角頻譜A(Ω)的測量而一個用于轉(zhuǎn)送矩陣H的確定。這些要點將在下面進(jìn)一步討論。
現(xiàn)在考慮收發(fā)信機(jī)的接收機(jī)部分，參考圖6。在討論接收機(jī)112的實施例時，假定在鏈路的另一端處的發(fā)射機(jī)已經(jīng)使用已描述的發(fā)送子流到不同方向上的技術(shù)或者發(fā)送子流到分離天線去的類似BLAST的技術(shù)發(fā)射了K個子流。要描述的步驟實際上將在對于發(fā)射機(jī)的如上所述的步驟之前發(fā)生。
在接收機(jī)112中所需要的第一步是在測量塊306中進(jìn)行角度功率譜A(Ω)的一個測量。此測量確定到達(dá)的總功率通過到達(dá)的不同角度Ω如何被分布。為了能夠正確地做出此測量，對于在鏈路110的另一端處的發(fā)射機(jī)106需要在數(shù)據(jù)幀的一個周期發(fā)送一個適當(dāng)?shù)挠?xùn)練信號。一個適當(dāng)?shù)挠?xùn)練信號將是在該環(huán)境中說明所有可能散射源的一個信號(即從發(fā)射機(jī)106中被全向地或者定向地發(fā)送的一個信號)。例如，這可以通過在一幀的持續(xù)時間從單個天線單元108發(fā)射來實現(xiàn)(假定元件被全向的)。正如在下面將討論的一樣，訓(xùn)練信號也將允許轉(zhuǎn)送矩陣H的測量。
這里有能夠測量角頻譜的各種已知方法。最傳統(tǒng)的方法是通過天線陣接收的信號的一個簡單傅里葉變換。其他技術(shù)包括在接收陣列信號上的超級解決算法。這些算法例如在有關(guān)Acoustics、Speech andSignal Processing第ASSP-37(1989)上的IEEE事件第984頁到第995頁的Roy和T Kailath的文件”ESPRIT-Estimation of SignalPafameters via Rotational Invariance Techniques”(ESPRIT-經(jīng)轉(zhuǎn)動不變技術(shù)的信號參數(shù)的估計)中被描述。雖然它們比傅里葉變換更計算加強(qiáng)，但是它們允許呼入多徑信號的較高角分辨率。算法的準(zhǔn)確性質(zhì)將取決于所使用的陣列的配置和幾何形狀。
一旦角度功率譜已經(jīng)被確定，下一步驟在測向塊308中選擇J個不同方向，從中將接收子流(以及最后方向，這些方向是發(fā)射子流將被發(fā)射機(jī)106發(fā)射到其中去的方向)。這里需要有至少與被發(fā)射的子流K數(shù)目至少一樣多的方向，以使接收機(jī)明白地能夠提取所有的子流。一種方法是簡單地搜索最佳SNR的J峰值的角頻譜。這將導(dǎo)致從其中多徑信號將被接收的一組j方向{Ω1，Ω2，…，ΩJ，}。
陣列M的天線單元108的數(shù)目設(shè)置J的最大值。正如所熟知的，這是因為M個天線單元的陣列在規(guī)定它的天線模式的零信號時只可具有一個M-1自由度的最大值。因此，對于每一子流，最多有M-1個獨(dú)立的方向，在這些方向中零信號可以被規(guī)定(并因此從中其他獨(dú)立的子流可以被接收)，那么子流的最大數(shù)目是M。因此對于收發(fā)信機(jī)在無線鏈路110的兩端處重要的是知道在另外一個收發(fā)信機(jī)陣列中的天線108的數(shù)目。
通過天線單元108陣列的接收信號能夠被視為一個向量 ，在此，第m個元件是被第m個天線接收的信號。多個射束加權(quán)矩陣304把一組加權(quán)應(yīng)用到向量 以便給出信號r＝[r1…rj…rJ]的另一向量，它們是從早先確定的方向Ωj中收到的信號。換言之， 因此需要選擇加權(quán)矩陣 的行如此以致rj是從該方向Ωj中收到的信號。這種問題實際上在確定如何選擇將發(fā)射第j個子流到發(fā)射機(jī)部分的方向Ωj的加權(quán)時已經(jīng)被解決。由于接收和發(fā)送陣列的相互性，在一個給定方向上用于接收和發(fā)射的加權(quán)將被相同的。因此， 在此T表示矩陣的移項并且是在算術(shù)上正確地使信號向量和加權(quán)矩陣 相乘所需要的?？墒?，在實際接收機(jī)中，在發(fā)射機(jī)模式和接收機(jī)模式之間不需要加權(quán)中的改變，因為兩種情況中信號方向上的反向考慮了移項。
接收機(jī)112中接下來的步驟是在一個提取塊608中處理從J個被選擇的接收方向中收到的J個信號組，以便產(chǎn)生K個信號(由 ，1≤k≤K來表示)，它們是從無線鏈路另一端中被發(fā)送的K個子流的估計。這J個信號被用來根據(jù)K個未知數(shù)產(chǎn)生J個聯(lián)立方程，即子流Skri＝h11S1+h12S2+…+h1kSk+…+h1KSK+n1rj＝hj1S1+hj2S2+…+hjkSk+…+hjkSk+nj(8)rJ＝hJ1S1+hJ2S2+…+hJkSk+…+hJKSK+nJ在J個信號(或方程式)的每一個中與K個子流相乘的系數(shù)hjk是轉(zhuǎn)送矩陣H的單元，它們表示K個發(fā)射方向和J個接收方向之間的復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)送系數(shù)。(可替代地，如果接收機(jī)112正從一個BLAST型發(fā)射機(jī)中接收的話，那么系數(shù)hjk表示第k個發(fā)射機(jī)天線和第j個接收方向之間的系數(shù)。)。因此，一旦轉(zhuǎn)送矩陣已經(jīng)被一個信道特性塊608經(jīng)由某些訓(xùn)練方案而確定，則這問題本質(zhì)上是解決在方程式8中提出的聯(lián)立方程組(假定J≥K)。項nj表示環(huán)境和收發(fā)信機(jī)中由于熱噪聲引起的加性高斯白噪聲，并且被相等地分布，但是是獨(dú)立的。
這里同樣有各種方法，使用所建立的技術(shù)，子流可以被提取。這些技術(shù)通常是以使用于CDMA中的多用戶檢測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在此目的是要識別不同的用戶。這里，目的改為是要識別攜帶不同信號的不同子流。在BLAST系統(tǒng)中，當(dāng)嘗試解碼單個子流rk時，妨礙子流的所有其它貢獻(xiàn)都是’零信號’并且已被檢測的任何子流從信號 的接收向量中被去掉。使妨礙子流為零信號的處理非常類似于上述被發(fā)射機(jī)106用于子流聚束的那個處理并且也在上面引用的有關(guān)BLAST的文件中被祥述。
本質(zhì)上，這些技術(shù)等于解決線性聯(lián)立方程的傳統(tǒng)方法，在目前情況中的不同是這些方程式包括由于系統(tǒng)中噪聲的存在所引起的那些沒有完全已知的數(shù)值。為此緣故， 是第k個子流的一個判斷統(tǒng)計，正如傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中一樣而不是子流本身。因此，每一子流 屬于一個傳統(tǒng)比特判斷的解調(diào)程序，即它是一個一或一個零？因此，使用這些技術(shù)，K個子流被恢復(fù)并被多路復(fù)用塊610反復(fù)用從而再生原始高數(shù)據(jù)速率比特流R(t)。
本發(fā)明原則上可以被應(yīng)用到任何無線通信方案從而給出具有高頻譜效率的數(shù)據(jù)速率(即，在一個相對小帶寬中的高數(shù)據(jù)速率)。本發(fā)明有效運(yùn)轉(zhuǎn)的主要要求是足夠分開一定角度的獨(dú)立的多徑信號。只要獨(dú)立的多徑分量J的數(shù)目是大于等于發(fā)射機(jī)陣列中的天線M數(shù)目，則用于MIMO系統(tǒng)中的收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)的’香農(nóng)’容量將隨著M線性增加。大多數(shù)的分析在上面假定發(fā)射機(jī)106和接收機(jī)112是準(zhǔn)靜態(tài)的，即，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是穩(wěn)定的，移動用戶或物體只引起信道中非常慢的變化(即，轉(zhuǎn)送矩陣H的單元)?？墒牵到y(tǒng)可以應(yīng)對一個移動的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，只要幀周期明顯比轉(zhuǎn)送矩陣H中發(fā)生變化的平均周期更小，使該系統(tǒng)適合于移動蜂窩通信，以及固定點對點室內(nèi)無線鏈路。
象它使用作為一個收發(fā)信機(jī)一樣，本發(fā)明適用于只使用作為分別與其它接收機(jī)或發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)合的一個發(fā)射機(jī)和一個接收機(jī)，例如在上面討論的適當(dāng)修改，BLAST。特別地，如果一個終端只使用本發(fā)明技術(shù)作為一個發(fā)射機(jī)，則它將仍然需要一個接收機(jī)，其能夠確定接收信號特性的方向變化，以便能夠被確定的發(fā)射方向。
在上面描述的實施例使用接收信號的角度功率譜A(Ω)以便確定強(qiáng)信號被接收的那個方向以及因此最佳發(fā)射和接收方向。然而，其他信號特性，例如SNR，能被替代使用-----只要它們提供用于選擇優(yōu)選方向的一個適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)。無論使用什么信號特性，則表征從方向滿范圍中到達(dá)的信號并不都總是需要的或者理想的。例如，一個以地面為基地的終端可以選擇來忽略從一個接近垂直的方向中到達(dá)的信號。
對本發(fā)明的一個修改范圍是可能的。聚束可以是自適應(yīng)的，以使子流J和它們的方向Ωj的數(shù)目是變化的或固定的，后者涉及較少復(fù)雜性。在一個相對簡單的系統(tǒng)中，全部子流的功率和比特率是相同的，而在一個更復(fù)雜的系統(tǒng)中，每個子流的功率和/或比特率能夠被改變，這取決于它們接收的SNR。天線陣108的幾何形狀可以取值一、二或三維以便在維數(shù)上給出一個相應(yīng)的增加，從中多徑信號能夠明白地被觀察。
在閱讀本公開中，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說其他修改是很明顯的。此類修改可以包括在無線電通信系統(tǒng)與它的組件部分的設(shè)計、制造和使用中已知的以及代替(或除了之外)在此已經(jīng)描述的特性而可以被使用的其他特征。
在本說明書和權(quán)利要求中，在一個元件前面使用冠詞”一個”不排除多個這種元件的存在。另外，單詞”包括”不排除除那些已經(jīng)列出的之外其他元件或步驟的存在。
權(quán)利要求
1.一種無線電通信系統(tǒng)，具有一條在第一和第二終端之間包括多條路徑的通信信道，每個終端具有多個天線，其中，第一終端包括接收裝置，接收裝置具有用于確定信號從第二終端到達(dá)的多個方向的方向確定裝置，用于從所述多個方向的一些或全部中接收多個分別信號的裝置，用于從接收信號中提取多個子流的裝置和用于組合多個子流以便提供一個輸出數(shù)據(jù)流的裝置；和第一終端還包括發(fā)射裝置，發(fā)射裝置具有用于把發(fā)射信號分開成為多個子流的裝置和用于把每個子流發(fā)射到由接收裝置確定的多個方向的分別的一個中的發(fā)射裝置。
2.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于接收裝置還包括用于確定呼入信號的角度功率分配的裝置。
3.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于方向確定裝置還包括用于選擇最強(qiáng)信號從第二終端中到達(dá)的那些方向作為多個方向的裝置。
4.一種使用在無線電通信系統(tǒng)中的終端，所述無線電通信系統(tǒng)具有一條在所述終端和另一終端之間包括多條路徑的通信信道，其中，接收裝置被提供，接收裝置具有用于確定信號從另外一個終端中到達(dá)的多個方向的方向確定裝置，并且發(fā)射裝置被提供，發(fā)射裝置具有用于把發(fā)射信號分開成為多個子流的裝置，和用于把每個子流發(fā)射到由接收裝置確定的多個方向的分別的一個中的發(fā)射裝置。
5.權(quán)利要求4所述的終端，其特征在于所述接收裝置還包括用于從多個方向的一些或全部中接收多個分別信號的裝置，用于從接收信號中提取多個子流的裝置以及用于把多個子流組合來提供一個輸出數(shù)據(jù)流的裝置。
6.權(quán)利要求5所述的終端，其特征在于發(fā)送和接收子流的數(shù)目不相等。
7.權(quán)利要求4到6任何一個所述的終端，其特征在于所述接收裝置還包括用于確定呼入信號的角度功率分配的裝置。
8.權(quán)利要求7所述的終端，其特征在于方向確定裝置還包括用于選擇最強(qiáng)信號從第二終端中到達(dá)的那些方向作為多個方向的裝置。
9.權(quán)利要求4到8任何一個所述的終端，其特征在于所述發(fā)射裝置包括控制裝置，用于把多個天線操作作為一個陣列并且可操作來適應(yīng)每個子流的天線模型如此以致天線模型中的一個峰值符合各自的方向并且天線模型中沒有哪一個符合其他子流被發(fā)射的方向。
10.權(quán)利要求4到9任何一個所述的終端，其特征在于所述發(fā)射裝置包括控制裝置，用于根據(jù)子流的信號質(zhì)量參數(shù)來獨(dú)立地調(diào)整每個子流的功率和/或比特率。
11.一種使用在無線電通信系統(tǒng)中的終端，所述無線電通信系統(tǒng)具有一條在所述終端和另一終端之間包括多條路徑的通信信道，其中，接收裝置被提供，接收裝置具有用于確定信號從另外一個終端到達(dá)的多個方向的方向確定裝置，用于從所述多個方向的一些或全部中接收多個分別信號的裝置，用于從接收信號中提取多個子流的裝置和用于組合多個子流以便提供一個輸出數(shù)據(jù)流的裝置。
12.一種操作一個無線電通信系統(tǒng)的方法，所述無線電通信系統(tǒng)具有一條在第一和第二終端之間包括多條路徑的通信信道，每個終端具有多個天線，該方法包括第一終端確定信號從第二終端到達(dá)的多個方向，從多個方向的一些或全部中接收信號，從接收信號中提取多個子流并且組合多個子流以便提供一個輸出數(shù)據(jù)流，該方法還包括第一終端把發(fā)射信號分開成為多個子流，并且把每個子流發(fā)射到多個確定方向的分別的一個中。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于根據(jù)子流的信號質(zhì)量參數(shù)來獨(dú)立地調(diào)整每個發(fā)射子流的功率和/或比特率。
全文摘要
一種無線電通信系統(tǒng)包括在兩個終端之間的一個通信信道，每一終端包括多個天線(108)。通信信道包括多條路徑，并且至少一個終端包括一個接收機(jī)，接收機(jī)具有裝置(306，308)，相應(yīng)于終端之間的路徑，用于確定從中接收強(qiáng)信號的方向。終端也可以包括一個發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)具有用于把一個信號分開成為多個部分的裝置(302)，其每一個具有一個降低的比特率，并且相應(yīng)于從中接收最強(qiáng)信號的那些方向把發(fā)射各個部分。
文檔編號H04B7/10GK1455991SQ02800213
公開日2003年11月12日 申請日期2002年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月30日
發(fā)明者B·哈特里 申請人:皇家菲利浦電子有限公司