專利名稱：具有用于mimo系統(tǒng)的自適應(yīng)天線陣列的無線電通信設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有自適應(yīng)組合的無線電通信設(shè)備。
背景技術(shù)：
在最近幾十年，無線通信系統(tǒng)的需求有了穩(wěn)步增長，并且這段時(shí)間里包含了若干次技術(shù)躍變，尤其是在蜂窩和無線局域網(wǎng)(WLAN)通信系統(tǒng)領(lǐng)域。模擬蜂窩電話已經(jīng)被那些使用了例如GSM或CDMA技術(shù)的數(shù)字手機(jī)所取代，目前正在引入的則是所謂的第三代系統(tǒng)，例如UMTS。同樣，目前還引入了HyperLAN和IEEE802.11b這類WLAN技術(shù)。此外，用戶數(shù)目也在持續(xù)增長并且數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)正在成為無線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要部分。對運(yùn)營商而言，這些因素意味著尋找增加其網(wǎng)絡(luò)容量以滿足未來需要的方法將是非常重要的。
除了增加容量的需要之外，目前還存在著在提供良好性能的同時(shí)降低成本的一般要求。例如，在提供令人滿意的無線服務(wù)的同時(shí)還應(yīng)該盡可能降低基站和用戶終端設(shè)備的成本。
其中一個(gè)與性能有關(guān)的問題涉及多徑衰落。通常，基站和用戶終端都處于“有地物干擾的(cluttered)”環(huán)境中。這意味著由于建筑物、家具或環(huán)境中其他物體的反射和衍射所產(chǎn)生的散射，通信信號會(huì)經(jīng)由多條路徑到達(dá)基站或用戶終端。根據(jù)不同分量的相對振幅和相位，輸入的散射信號既可以建設(shè)性地累積起來，也可以破壞性地累積在一起。這意味著在基站或用戶終端上，接收信號會(huì)根據(jù)基站、用戶終端和環(huán)境中其他物體的相對位置而發(fā)生顯著變化。這種效應(yīng)即為就是通常所說的多徑衰落。
先前已經(jīng)出現(xiàn)了一種使用發(fā)射或接收天線分集來解決多徑衰落的方法。其中接收天線分集包含了從一個(gè)發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射，同時(shí)提供兩個(gè)或更多的分集接收天線(例如空間或極化分集)。通過使用不同天線，可以在這些天線上接收到非相關(guān)信號。當(dāng)其中一個(gè)信號衰落時(shí)，其他信號通常并未衰落。對切換天線分集來說，其中一個(gè)接收天線將被選擇，以便在任何時(shí)間進(jìn)行接收。作為選擇，也可以將自適應(yīng)組合與所有接收天線結(jié)合使用，以便產(chǎn)生一個(gè)信道輸出。因此在理想情況下，可以始終使用接收天線來獲取一個(gè)沒有衰落的信號。
對發(fā)射分集來說，相似的情況同樣也會(huì)發(fā)生。在這里，兩個(gè)或更多的不同發(fā)射天線與一個(gè)接收天線一起使用。關(guān)于接收性能的反饋則用于選擇其中一個(gè)發(fā)射天線，以便在某個(gè)特定時(shí)間對其加以使用，此外，該反饋還被用于調(diào)整發(fā)射天線的自適應(yīng)組合，以便創(chuàng)建一個(gè)信道輸出。本發(fā)明試圖提供的是與這種已知的發(fā)射和接收分集天線裝置相比有所提高的容量和性能。
另一種增加容量的已知方法包括使用多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)來提高數(shù)據(jù)速率。MIMO無線通信系統(tǒng)(參見圖1)是一個(gè)在發(fā)射機(jī)11上包含了多個(gè)天線10并在接收機(jī)13上包含了兩個(gè)或更多天線12的系統(tǒng)。天線10、12都是在多徑豐富的環(huán)境中使用的，這樣一來，由于環(huán)境中存在多種散射物體(建筑物、汽車、丘陵等等)，因此每一個(gè)信號都會(huì)經(jīng)歷多徑傳播。因此在圖1顯示了一個(gè)云的形狀14，以便表示發(fā)射和接收天線之間的散射信號。用戶數(shù)據(jù)是使用本領(lǐng)域已知的空時(shí)碼(STC)傳送方法從發(fā)射天線發(fā)射的。接收天線12捕獲所述發(fā)射信號，隨后則應(yīng)用一種本領(lǐng)域已知的信號處理技術(shù)來分離發(fā)射信號并恢復(fù)用戶數(shù)據(jù)。
MIMO無線通信系統(tǒng)的優(yōu)勢在于由于獲取了更高數(shù)據(jù)速率，因此與先前系統(tǒng)相比，MIMO無線通信系統(tǒng)能夠提高發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的無線鏈路容量。多徑豐富的環(huán)境能在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間產(chǎn)生多個(gè)正交信道。然后，單個(gè)用戶的數(shù)據(jù)可以在同一時(shí)間通過使用相同帶寬而在這些信道上以并行方式無線傳送。由此實(shí)現(xiàn)的頻譜效率要高于采用非MIMO系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的頻譜效率。
然而，已知的MIMO裝置也存在著問題，由于需要多個(gè)天線以及多個(gè)發(fā)射和接收鏈路，因此所述MIMO裝置相對昂貴。其中每一個(gè)接收天線都對應(yīng)于一個(gè)MIMO信道。因此舉例來說，一個(gè)接收MIMO天線裝置可能包含了四個(gè)天線和四個(gè)接收鏈路，其中每一個(gè)鏈路對應(yīng)于一個(gè)天線。而接收鏈路成本相對較高并且體積很大，此外還必須為每一條接收鏈路提供電力。這對那些需要小型化的用戶終端和那些需要不引人注目的基站來說都是非常不利的。對發(fā)射鏈路而言，相似的問題同樣也會(huì)出現(xiàn)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種克服或者至少緩解上述一個(gè)或更多問題的無線電通信設(shè)備。
通過對參考附圖給出的下文中的詳細(xì)描述加以考慮，可以清楚了解到本發(fā)明的其他益處和優(yōu)點(diǎn)，其中附圖明確說明并顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種無線電通信設(shè)備，包括多個(gè)天線單元；以及一個(gè)組合器，它被調(diào)整成自適應(yīng)組合所述天線單元，以便提供兩個(gè)或更多不同的定向天線波束。
這種設(shè)備提供了在通信系統(tǒng)中使用定向天線波束的優(yōu)點(diǎn)，由此對網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)這類設(shè)備而言，該系統(tǒng)降低了總的載波/干擾電平并且由此增大了容量。所述設(shè)備可以是基站或用戶終端。其中舉例來說，用戶終端可以是移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理、個(gè)人計(jì)算機(jī)、用戶住宅裝置或是任何其他適當(dāng)類型的終端。此外，組合器優(yōu)選包含了至少一個(gè)波束形成器，或者是提供了作為相控陣列的天線單元。優(yōu)選地，所述通信系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出通信系統(tǒng)。在這種情況下，除了提高載波/干擾電平之外，還可以實(shí)現(xiàn)提高數(shù)據(jù)速率的優(yōu)點(diǎn)。
優(yōu)選地，由于使用了極化分集、角度分集和空間分集中的任何分集，因此天線波束是不同的。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一對天線波束具有實(shí)際正交的極化并處于實(shí)質(zhì)相同的方向上。隨后，通過在兩個(gè)天線波束上提供MIMO通信，可以創(chuàng)建一個(gè)高數(shù)據(jù)速率鏈路。
優(yōu)選地，組合器被調(diào)整成以電子方式操縱定向天線波束。由此提供了通過操縱波束來解決涉及空間衰落的問題的優(yōu)點(diǎn)。同樣，由于可以對天線波束方向進(jìn)行調(diào)整，因此與使用了固定的定向波束的系統(tǒng)相比，指向損耗將會(huì)有所下降。
本發(fā)明還包含了一種操作無線電通信設(shè)備的方法，包括以下步驟在多個(gè)天線單元上接收無線電信號；通過使用一個(gè)組合器來對天線單元進(jìn)行自適應(yīng)組合，以使這些天線單元能在至少一個(gè)方向上進(jìn)行操作，從而接收兩個(gè)或更多的不同信道。
此外還提供了一種相應(yīng)的傳輸方法。優(yōu)選地，在這里對信號進(jìn)行空時(shí)編碼并且使用了一個(gè)多輸入多輸出無線電通信設(shè)備。
本發(fā)明還涉及一種所述設(shè)備用以進(jìn)行操作的方法，其中包含了用于實(shí)施所述設(shè)備所具有的各種功能的方法步驟。
本發(fā)明還提供了一種數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其中包含了一個(gè)或多個(gè)連同其他附加設(shè)備一起實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的設(shè)備實(shí)例。
對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候可以對優(yōu)選特征進(jìn)行組合，此外還可以將這些特征與本發(fā)明的任何方面相結(jié)合，這一點(diǎn)是顯而易見的。


為了顯示如何實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在下文中將參考附圖來描述這些僅僅作為實(shí)例的本發(fā)明實(shí)施例，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的MIMO無線通信系統(tǒng)的示意圖；圖2a是現(xiàn)有技術(shù)中的接收分集天線裝置的示意圖；圖2b是在MIMO或非MIMO系統(tǒng)中使用發(fā)射或接收分集的本發(fā)明實(shí)施例的示意圖；圖3是依照本發(fā)明實(shí)施例的MIMO結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是標(biāo)準(zhǔn)的2∶2型MIMO與使用了最大本征值之和作為選擇量度的本征值選擇分集(從4個(gè)中選出的最好的2個(gè))的本征值分布圖表；圖5是MIMO交換接收機(jī)架構(gòu)的示意圖；圖6描述的是用于(4個(gè)天線、2條接收鏈路)和(6個(gè)天線，2條接收鏈路)這兩種情形的可能切換結(jié)構(gòu)；圖7描述的是用于天線切換選擇的MIMO系統(tǒng)處理以及選擇量度；圖8是不同天線切換選擇方法的誤比特率-信噪比的圖表；圖9是包含了與真實(shí)的2×2型MIMO和2×4型MIMO方案相對比的4天線2接收鏈路的選擇方案的增益。來自4、6、8個(gè)天線的選擇的增益上限是基于等式50計(jì)算的。其結(jié)果則是相對于一個(gè)以30公里/小時(shí)(每一對的最左列)以及100公里/小時(shí)(每一對的最右列)的速度移動(dòng)的用戶設(shè)備而顯示的；圖10和11各自顯示了一個(gè)與獨(dú)立用戶設(shè)備結(jié)合使用的天線裝置；圖12是用于圖10和11的天線裝置的性能量度的表格；圖13顯示的是用于在個(gè)人數(shù)字助理中使用的天線裝置；圖14顯示的是與圖13的天線裝置結(jié)合使用的定向天線方向圖；圖15是具有自適應(yīng)組合的MIMO用戶設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中將對僅僅作為實(shí)例的本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行描述。這些實(shí)例代表了申請人當(dāng)前知道的實(shí)施本發(fā)明的最佳方法，但是這些實(shí)例并不是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的唯一方法。
在這里使用了術(shù)語“接收鏈路”是指那些在接收機(jī)上通過將接收到的射頻信號下變換到基帶頻率而對其進(jìn)行處理的任何設(shè)備部件。這其中包含了本領(lǐng)域已知的眾多階段，如濾波階段、解調(diào)階段和下變換階段。因此，在這里使用了術(shù)語“接收鏈路”來指這個(gè)變換處理所需要的所有設(shè)備，或者僅僅指示其中某些設(shè)備。
在這里使用了術(shù)語“發(fā)射鏈路”來指那些對基帶信號進(jìn)行處理并在發(fā)射機(jī)上將其轉(zhuǎn)換成用于傳輸?shù)纳漕l信號的任何設(shè)備部件。這其中包含了本領(lǐng)域已知的眾多階段，如上變換階段、調(diào)制階段和功率放大階段。因此，在這里使用了術(shù)語“發(fā)射鏈路”來指這個(gè)變換處理所需要的所有設(shè)備，或者僅僅指示其中某些設(shè)備。
如上所述，先前的MIMO系統(tǒng)使用的是與天線一樣多的MIMO信道。每一個(gè)信道都需要一個(gè)接收鏈路(也稱為射頻接收機(jī))，并且由于實(shí)踐中可以提供的接收鏈路數(shù)目受基站、用戶終端或其他通信設(shè)備的成本、復(fù)雜性和功耗的限制，因而提出了一個(gè)實(shí)際限制。就發(fā)射鏈路而言，同一限制也是適用的。此外，與之相似的實(shí)際限制同樣適用于非MIMO無線電通信設(shè)備，例如那些使用發(fā)射或接收分集的設(shè)備。
本發(fā)明認(rèn)識到了這個(gè)問題并且能在增加天線數(shù)目的同時(shí)減少接收或發(fā)射鏈路的數(shù)目。也就是說，所用接收天線要多于接收鏈路(或者發(fā)射天線比發(fā)射鏈路多)。對MIMO和非MIMO裝置而言，由此可以實(shí)現(xiàn)很多優(yōu)點(diǎn)，包括容量的增加，載波/干擾電平的改善，成本的降低以及應(yīng)付多徑衰落的能力的提高。目前已經(jīng)證實(shí)的是，現(xiàn)有技術(shù)中的發(fā)射或接收分集天線裝置在例如接收天線多于接收鏈路這個(gè)方面是已知的。然而，這其中包含了使用多個(gè)不同天線并通過切換選擇而從這些不同天線中產(chǎn)生單個(gè)信道輸出。本發(fā)明認(rèn)識到可以通過從這些不同天線中產(chǎn)生兩個(gè)或更多信道來實(shí)現(xiàn)附加優(yōu)點(diǎn)。在這種情況下，有必要使用三個(gè)或更多不同的天線。這些優(yōu)點(diǎn)則包含了處理多徑衰落能力的改善以及接收增益的提高。
在圖2a中描述了現(xiàn)有技術(shù)的接收分集天線裝置。其中一個(gè)發(fā)射天線20向三個(gè)或更多的接收天線21進(jìn)行發(fā)射，而接收天線則調(diào)整為相互之間存在分集。此外還提供了單個(gè)接收鏈路22并且使用切換天線選擇來向接收鏈路22產(chǎn)生一個(gè)信道輸入。在這個(gè)非MIMO裝置中使用了比接收鏈路更多的接收天線，并且由于接收天線存在差異，因此如上所述，多徑衰落的效應(yīng)將會(huì)減小。
在圖2b中描述了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。這個(gè)實(shí)施例是一個(gè)以類似于圖2a的方式使用接收天線分集的非MIMO裝置。在這里，一個(gè)發(fā)射天線20向三個(gè)或更多接收天線21進(jìn)行發(fā)射。然而其中只提供了兩條接收鏈路22。此外只要始終存在比接收鏈路更多的接收天線，那么也可以使用兩條以上的接收鏈路22。在這里將對接收天線輸出的子集進(jìn)行選擇，以便與接收鏈路的數(shù)目保持一致。與圖2a的現(xiàn)有技術(shù)的情形相比，在這里也可以得到不同的益處。舉例來說，由于存在更多接收鏈路，因此可以提高接收增益。同樣，處理多徑衰落效應(yīng)的能力也會(huì)得到改善。例如，設(shè)想現(xiàn)有技術(shù)的情形，其中一個(gè)接收天線是從三個(gè)接收天線之中選擇的。恰當(dāng)處理多徑衰落的能力取決于選定天線上接收的信號是否受到衰落影響。然而，在圖2b所描述的實(shí)施例中，從三個(gè)可能的接收天線中有效選擇了兩個(gè)接收天線。由于選定的是兩個(gè)而不是一個(gè)天線，因此如下文更詳細(xì)描述的那樣，處理多徑衰落的能力將會(huì)得到改善。
盡管圖2a和2b涉及的是接收分集，但對發(fā)射分集而言，相似的情形同樣也會(huì)發(fā)生。
如上所述，本發(fā)明不但適合MIMO通信系統(tǒng)，而且還適合非MIMO裝置，例如圖2b所描述的裝置。如上所述，參考圖1，MIMO系統(tǒng)在發(fā)射和接收時(shí)都是將多個(gè)天線結(jié)合了空時(shí)編碼系統(tǒng)一起使用的。這樣將會(huì)出現(xiàn)多個(gè)正交的MIMO信道(由于散射)并且由此可以增大容量(例如與非MIMO多波束天線裝置相比較)。這樣一來，由于圖2b的系統(tǒng)可以用在MIMO系統(tǒng)中，而圖2a的系統(tǒng)卻不能這樣使用，因此圖2b的系統(tǒng)要比圖2a的系統(tǒng)更具有優(yōu)勢。
先前，MIMO裝置使用了與MIMO信道具有相同數(shù)目的天線，由此使用了與接收天線具有相同數(shù)目的接收鏈路(或是與發(fā)射天線數(shù)目相同的發(fā)射鏈路)。本發(fā)明認(rèn)識到的是，通過將圖2b中描述的少于接收天線的接收鏈路與MIMO系統(tǒng)結(jié)合使用(或是少于發(fā)射天線的發(fā)射鏈路)，可以從中得到很多益處。
我們已經(jīng)揭示，與減少天線數(shù)目來匹配接收鏈路數(shù)目相比，通過在MIMO系統(tǒng)中使用多于接收鏈路的接收天線，可以實(shí)現(xiàn)容量的增加。對那些到處移動(dòng)但在使用時(shí)靜止的游牧式用戶終端和在使用中也可以移動(dòng)的移動(dòng)終端而言，上述情況都是成立的?，F(xiàn)在將對涉及游牧式用戶終端的情形進(jìn)行論述。
游牧式用戶終端游牧式用戶終端通常位于出現(xiàn)散射的室內(nèi)環(huán)境中。在室內(nèi)環(huán)境中，空間上的多徑衰落具有一個(gè)瑞利分布的包絡(luò)，由此產(chǎn)生了取決于游牧式用戶終端空間位置的MIMO鏈路容量。對恒定的本地均值的給定區(qū)域而言，在將終端經(jīng)由空間衰落移動(dòng)的時(shí)候，可以為MIMO鏈路獲取一個(gè)容量分布。因此，任何一個(gè)指定用戶終端都可能會(huì)處于一個(gè)容量處于其分布底端的“惡劣”位置。
對于MIMO鏈路來說，其理論上的香農(nóng)信道容量取決于空間上平均的載波/干擾電平和每條MIMO路徑上的瞬時(shí)接收電壓(在歸一化各條路徑的均值功率的時(shí)候)。然后，由于MIMO路徑存在空間衰落，因此將會(huì)出現(xiàn)容量分布。對靜態(tài)終端而言，在路徑上仍舊存在著因?yàn)閷ο笤诃h(huán)境中的移動(dòng)所導(dǎo)致的某種衰落。因此，時(shí)間衰落往往是k因數(shù)很高的萊斯分布(Ricean)。如果用戶終端處于一個(gè)“惡劣”場所，那么它往往會(huì)在鏈接過程中不能正常工作。如果延遲擴(kuò)展很低并且由此時(shí)域中只有一條可解析分支(在CDMA系統(tǒng)中沒有時(shí)間分集)以及在頻域中只有一條平坦信道(在OFDM系統(tǒng)中沒有頻率分集)，那么這種情況是極為不利的。例如，在適于居住的市郊環(huán)境中就很有可能出現(xiàn)這種情況(例如小型辦公室或家庭式辦公室的SOHO應(yīng)用)。
為了杜絕這個(gè)問題，我們?yōu)橛脩艚K端配備了比它所具有的接收鏈路還要多的天線。在這里，我們顯示可以使用一種本征值選擇分集，其中所述分集將MIMO香農(nóng)信道容量分布的低端提高了大約20％。由此轉(zhuǎn)而提高了總的吞吐量?，F(xiàn)在將對這種方法進(jìn)行描述。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供了一種MIMO結(jié)構(gòu)，由此在基站(也稱為節(jié)點(diǎn)B)上具有兩個(gè)天線并且在用戶終端(也稱為用戶設(shè)備UE)上具有四個(gè)天線，但在UE上只有兩條接收鏈路。圖3中對這種情形進(jìn)行了描述，其中顯示了兩個(gè)發(fā)射天線30、四個(gè)接收天線31以及這些實(shí)體之間的連接h11、h12、h21、h22、h31、h32、h41、h42。
在圖3顯示的實(shí)施例中，由于在UE上只存在兩個(gè)接收鏈路，因此實(shí)際的MIMO結(jié)構(gòu)是2∶2的。然而在這里具有UE可以選擇的六個(gè)可能的2∶2的MIMO矩陣。這些矩陣如下所示HUE1,UE2=h11h21h12h22]]>HUE1,UE3=h11h31h12h32]]>HUE1,UE4=h11h41h12h42]]>HUE2,UE3=h21h31h22h32]]>HUE2,UE4=h21h41h22h42]]>HUE3,UE4=h31h41h32h42]]>舉例來說，每一個(gè)MIMO路徑都可以表示成一個(gè)具有單位平均功率的高斯隨機(jī)過程。這些路徑都是獨(dú)立的(非相關(guān)的)并且在這里并未考慮路徑之間的功率不平衡。每一條路徑都是由以下等式表示hmn=N(0,12)+jN(0,12)---(1)]]>其中 是一個(gè)均值為零并且標(biāo)準(zhǔn)偏差為 的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)。因此，每一個(gè)矩陣元素都包含了一個(gè)復(fù)數(shù)電壓，其中I和Q分量通常都是正態(tài)分布的。這樣則導(dǎo)致產(chǎn)生了一個(gè)平均功率為2σ2＝1的瑞利分布包絡(luò)。
通過將這個(gè)表達(dá)式用于每一條MIMO路徑(結(jié)合隨機(jī)變量的不同取樣)，可以構(gòu)造六個(gè)瞬時(shí)的2∶2信道矩陣。然后可以為每一個(gè)實(shí)例確定信道積矩陣的本征值，其中所述信道積矩陣是如下給出的
HUEm,UEnHUEm,UEnH=hm1hn1hm2hn2·hm1*hm2*hn1*hn2*---(2)]]>這個(gè)矩陣的本征值表示的是特征模(eigenmode)的功率增益，其中所述特征模的增益為2。
對帶有獨(dú)立瑞利衰落信道的2∶2的MIMO結(jié)構(gòu)來說，通過使用以下公式，可以確定其香農(nóng)信道容量上限C=Σi=1Nlog2(1+λiNρ)---(2)]]>其中N＝發(fā)射天線數(shù)目λi＝第i個(gè)本征值ρ＝信噪比所述容量是N個(gè)正交信道的香農(nóng)信道容量之和，其中信道的功率增益是由信道積矩陣的本征值給出的。在這個(gè)總和中，可用發(fā)射功率在這兩個(gè)信道之間是對等分布的。
為了執(zhí)行本征值選擇分集方案，有必要使用一個(gè)量度，以便能在六種可能的UE天線組合中進(jìn)行選擇。在這里對兩個(gè)不同量度進(jìn)行了考慮-本征值之和；-香農(nóng)信道容量。
首先，在這里將對每一個(gè)UE天線對的本征值之和進(jìn)行計(jì)算，并且將會(huì)選擇總和最大的組合。此外在這里為隨機(jī)變量的一萬個(gè)實(shí)例執(zhí)行了這個(gè)運(yùn)算。而用于UE元件UE1和UE2的2∶2矩陣則被選作基準(zhǔn)矩陣，并且針對這種情況而對香農(nóng)信道容量分布進(jìn)行了計(jì)算。由此描述了標(biāo)準(zhǔn)的2∶2的MIMO的容量分布。此外，通過將最大‘本征值之和’用作選擇量度，還可以為隨機(jī)變量的每一個(gè)實(shí)例執(zhí)行本征值選擇分集，在這種情況下，同樣對容量分布進(jìn)行計(jì)算。在圖4中顯示了對應(yīng)于基準(zhǔn)和分集情況的本征值分布。在使用本征值分集的時(shí)候，該圖顯示出本征值的分布有了顯著的增加。
我們還在選擇量度即為最大瞬時(shí)鏈路容量的情況下對容量的分布進(jìn)行了研究。本征值選擇分集提高了容量分布下限，但是在這種情況下，所述提高要大于將最大本征值之和用作選擇量度的情況。在這里對這兩種形式的本征值選擇分集的容量分布進(jìn)行了比較。這兩種方案之間的差別只有在SNR很高的時(shí)候才會(huì)非常明顯。
對于“本征值之和”的方案來說，其中對六個(gè)2∶2的信道矩陣進(jìn)行了估計(jì)并對本征值進(jìn)行了計(jì)算。優(yōu)選地，所述運(yùn)算是基于一個(gè)平均數(shù)來完成的，由此使得任何時(shí)間衰落效應(yīng)最終達(dá)到某個(gè)平均值。對最大容量的方案而言，其中不但對本征值進(jìn)行估計(jì)，而且還對信噪比(SNR)或載波/干擾電平(C/I)進(jìn)行估計(jì)。然后則對這六個(gè)可能存在的信道矩陣執(zhí)行瞬時(shí)容量估計(jì)。此外在這里還使用了某種取平均值的方法來消除時(shí)間衰落的所有影響。
此外，我們還對標(biāo)準(zhǔn)的2∶4 MIMO結(jié)構(gòu)的容量分布和‘最大容量’本征值選擇分集方案的容量分布進(jìn)行了比較。2∶4的MIMO系統(tǒng)能夠獲得更大的容量，但這需要UE上具有四個(gè)而不是兩個(gè)接收鏈路。此外，在這里還對‘最大容量’本征值選擇分集曲線以及2∶2和2∶4的MIMO結(jié)構(gòu)的容量曲線進(jìn)行比較。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本征值選擇分集方案獲得了可以從具有四個(gè)接收鏈路的2∶4的MIMO系統(tǒng)中獲取的附加容量增益的很大一部分增益。
在以上相對于游牧式終端所描述的實(shí)例中考慮了兩個(gè)選擇量度，其中一個(gè)是本征值之和，另一個(gè)則是瞬時(shí)鏈路容量。但在這里并不是必需使用這些特定選擇量度并且如下所述，其它類型的量度也是可以使用的。此外，以上依照游牧式終端描述的結(jié)果至少在某種程度上同樣適用于移動(dòng)終端的情形。
切換機(jī)制現(xiàn)在對圖5所示的MIMO切換接收機(jī)架構(gòu)的一個(gè)實(shí)例進(jìn)行考慮。其中顯示了四個(gè)接收天線1001～1004并且顯示出只具有兩個(gè)接收鏈路1005、1006(也稱為接收機(jī)前端)。從四個(gè)可能天線中選擇兩個(gè)天線的可能方式一共有六種。在一個(gè)指定時(shí)刻，接收機(jī)只能監(jiān)視和測量兩個(gè)天線的接收狀況。因此，我們通過建立智能切換準(zhǔn)則而允許選擇最佳天線對。為了將實(shí)施費(fèi)用降至最低，選擇兩個(gè)天線所需要的處理1007是在接收機(jī)處理的基帶處理區(qū)域中執(zhí)行的。然而這種情況并不是必需的。此外，用于在天線1008之間進(jìn)行切換的機(jī)制是直接在天線輸出端執(zhí)行的。例如，通過使用一個(gè)GaAs MESFET高速開關(guān)，可以將基帶調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生的3比特切換命令整合到低噪聲放大器(LNA)中。對這種GaAs MESFET開關(guān)來說，平均插入損耗非常低(例如大約0.1dB)并且成本也很低。
移動(dòng)終端——高速移動(dòng)性我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以有利地將那些接收鏈路少于接收天線的MIMO結(jié)構(gòu)用于移動(dòng)終端以高達(dá)100千米/小時(shí)的速度移動(dòng)的高速移動(dòng)應(yīng)用。我們發(fā)現(xiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)的2∶2型MIMO相比，在這種使用了兩個(gè)發(fā)射天線并從四個(gè)接收天線中選擇兩個(gè)與接收鏈路結(jié)合使用的天線的實(shí)施例中，存在一個(gè)大小為3dB的增益。
選擇量度在上文中論述了兩種選擇量度，其中一個(gè)涉及的是鏈路容量，而另一個(gè)則是本征值之和。但是在這里也可以使用其他選擇量度或方法并且在下文中給出了某些實(shí)例-接收信號強(qiáng)度指示符(RSSI)(也就是選定給出了最高RSSI的選擇)-解碼器輸出比特差錯(cuò)率(BER)(也就是選定給出了最低BER的選擇)-循環(huán)策略(也就是輪流試驗(yàn)每一種可能選擇并且選定最好的選擇)-香農(nóng)信道容量(也就是選定給出了最高香農(nóng)信道容量或是最高瞬時(shí)鏈路容量的選擇)-本征值(也就是選定給出了最大本征值之和的選擇)-CRC觸發(fā)切換(也就是在FEC解碼之后，如果CRC檢測出錯(cuò)，則依照一個(gè)預(yù)定規(guī)則或是通過搜索最佳天線選擇而將一個(gè)或兩個(gè)接收機(jī)全都切換成另外的一個(gè)或多個(gè)天線)。
設(shè)想這樣一種情況，其中接收鏈路的數(shù)目L小于接收天線的數(shù)目M。在這種情況下存在總共K＝M！/L！(M-L)！種可能的切換結(jié)構(gòu)，其中符號！表示“階乘”。這時(shí)，以高計(jì)算復(fù)雜性為代價(jià)來執(zhí)行所有可能切換結(jié)構(gòu)的完整搜索將是非常有益的。然而如下文所述，這種搜索并不是必需的。在圖6中，我們描述了用于(4個(gè)天線，2條接收鏈路)和(6個(gè)天線，2條接收鏈路)這兩種情形的可能切換結(jié)構(gòu)。一旦選擇了指定天線集合，則較為優(yōu)選的是下一個(gè)選定天線集合不與第一個(gè)集合包含相同的單獨(dú)天線。我們將這些集合稱為互斥(disjoint)。例如，對4個(gè)天線和2條接收鏈路而言，如果當(dāng)前選擇是(1，2)，那么可能的切換選擇是(1，3)、(1，4)、(2，3)、(2，4)和(3，4)。但是我們發(fā)現(xiàn)，最佳的切換策略應(yīng)該是選擇互斥集合(3，4)。在具有6個(gè)天線和2條接收鏈路的情況下，對每一個(gè)起始選擇而言，我們都具有六個(gè)與之互斥的切換選擇。在圖3中，我們僅僅顯示了用于(1，2)(1，3)(1，4)(1，5)(1，6)的切換轉(zhuǎn)移，然而在互斥切換策略中，我們顯示的是最簡單的切換策略(1，2)(3，4)(5，6)。
在圖3中對最佳切換策略進(jìn)行了描述由于(1，2)(3，4)和(1，2)(3，4)(5，6)非常適合那些極化接收天線裝置，因此它們在天線結(jié)構(gòu)方面還具有其他意義。
作為選擇，如果存在兩條接收鏈路，那么我們可以保持當(dāng)前選擇的天線之一(信道質(zhì)量較好的天線)，并且對當(dāng)前選擇的另一個(gè)天線進(jìn)行切換。在圖3中，對具有結(jié)構(gòu)(1，2)的四個(gè)天線的情況而言，天線1將會(huì)得到保留，然后，可能進(jìn)行的切換轉(zhuǎn)移是(1，3)和(1，4)。對具有結(jié)構(gòu)(1，2)的6個(gè)天線的情況來說，其中天線1將會(huì)得到保留，然后，可能進(jìn)行的切換轉(zhuǎn)移是(1，3)、(1，4)、(1，5)和(1，6)。我們將這種集合稱為重疊。換言之，重疊集合包含了至少一個(gè)共有天線。
圖7是當(dāng)接收到MIMO信道的時(shí)候在MIMO系統(tǒng)中所進(jìn)行的處理的示意圖。此外該圖還顯示了如何使用上述選擇量度而在天線之間進(jìn)行切換。在圖7描述的特定實(shí)例中包含了四個(gè)接收天線100和兩條接收鏈路101。在天線之間使用了一個(gè)切換裝置102。接收鏈路101將其輸出提供到本領(lǐng)域已知的信道估計(jì)器103。所述估計(jì)器對MIMO信道進(jìn)行估計(jì)并將輸出提供給一個(gè)MIMO解碼器104，解碼器則對空時(shí)編碼的信號進(jìn)行解碼。然后，經(jīng)過解碼的信號由一個(gè)前向糾錯(cuò)(FEC)解碼器進(jìn)行處理，并且最終由循環(huán)冗余校驗(yàn)單元(CRC)106進(jìn)行處理。如圖7所述，CRC單元106的結(jié)果107可以作為輸入經(jīng)由基于CRC的切換107提供到切換裝置102。如所示，來自信道估計(jì)器103的結(jié)果也可以經(jīng)由基于本征值的切換108或是基于RSSI的切換109提供到所述切換裝置。
切換判據(jù)包括RSSI、香農(nóng)信道容量和本征值(如上所述)并且可以在MIMO信道估計(jì)輸出103的基帶信號處理中加以實(shí)施(參見圖7)。如所示，基于CRC的量度是在FEC解碼器的輸出端執(zhí)行的。在這里可以將預(yù)測算法109b與RSSI、香農(nóng)信道容量以及基于本征值的判據(jù)結(jié)合使用，從而在缺少所有可能天線組合量度的情況下選擇最佳天線。例如，在這里可以使用關(guān)于這些天線選擇的過去性能的信息來進(jìn)行預(yù)測。
通過使用模擬，我們比較了上述不同選擇方法的性能和量度，并且在圖8中顯示了比較結(jié)果，其中該圖是誤比特率(BER)-信噪比(SNR)的圖表。我們的模擬是在一個(gè)以100公里/小時(shí)的速度移動(dòng)的用戶設(shè)備上執(zhí)行的，其中將作為物理層信令的OFDM波形用于包含了四個(gè)接收天線和兩條接收鏈路的情形。
最佳性能是在使用最小BER作為選擇量度時(shí)發(fā)現(xiàn)的(參見圖8的線條112)。然而，針對這個(gè)量度所進(jìn)行的計(jì)算相對復(fù)雜。而次最佳性能是在使用RSSI判據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)的(參見線條113)，其中所述判據(jù)是通過假設(shè)理想先驗(yàn)MIMO信道知識或理想信道預(yù)測而被計(jì)算的。在這里我們使用了術(shù)語“假定(genie-aided)”來引用這樣一個(gè)事實(shí)，即理想的先驗(yàn)MIMO信道知識或理想的信道預(yù)測都是假設(shè)的。為“假定”最大本征值之和找到次最佳性能(參見線條114)。此外還為“假定”信道容量最大值找到了次最佳性能(參見線條115)，其中與假定本征值之和相比，所述處理在計(jì)算上更為復(fù)雜。此外，在沒有MIMO信道知識的情況下還為CRC觸發(fā)切換找出了次最佳性能(參見線條116)。一般來說，由于MIMO系統(tǒng)通常要監(jiān)視CRC，因此這種方法具有計(jì)算相對簡單的優(yōu)點(diǎn)。這樣一來，要想執(zhí)行一種切換選擇方法，使用基于CRC的量度是相對直接的。此外還發(fā)現(xiàn)，“假定”量度的性能與觸發(fā)CRC的盲切換的性能相近。
因此在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，選擇量度與CRC相關(guān)聯(lián)。此外我們發(fā)現(xiàn)，通過使用基于CRC的量度所斷定的需要切換的次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于使用基于本征值的量度的時(shí)候所斷定的次數(shù)。因此，在使用基于本征值的量度的時(shí)候，有可能需要使用附加判據(jù)來阻止天線之間過于頻繁的切換，其中舉例來說，所述附加判據(jù)可以是某種門限機(jī)制。
圖9顯示的是我們進(jìn)一步模擬所得到的結(jié)果。同樣，在這里模擬的是一個(gè)2×4 MIMO，其中用戶設(shè)備是通過使用四個(gè)接收天線和兩條接收鏈路來配置的。這兩個(gè)接收天線可以產(chǎn)生六種可能的組合，這些組合表示為Hi,j=hi,1hj,1hi,2hj,2,]]>其中i，j＝1、2、3、4。為了獲取選擇性能上限，我們使用了三個(gè)選擇判據(jù)(RSSI、香農(nóng)信道容量和本征值)來模擬所述情形，其中這三個(gè)選擇判據(jù)使用了“假定”計(jì)算；也就是假設(shè)了理想的先驗(yàn)信道知識或是理想的信道預(yù)測。在這里可以選擇所有這六種可能選擇。基于CRC的判據(jù)則是結(jié)合了現(xiàn)實(shí)世界的接收機(jī)操作來進(jìn)行模擬的。在下文中更詳細(xì)地描述了所述模擬中使用的切換判據(jù)，其中λ1，λ2是矩陣Hi，j的本征值。
圖9顯示的是模擬結(jié)果，其中包含了與真實(shí)的2×2型MIMO和2×4型MIMO進(jìn)行比較并具有4個(gè)天線和2條接收鏈路的選擇方案的增益。此外，在這個(gè)圖中還繪制了關(guān)于4、6、7個(gè)天線的理論增益(上限)，并且在附錄A的等式50中顯示了數(shù)學(xué)推導(dǎo)。我們可以很清楚地看出，與那些具有相同接收機(jī)前端硬件復(fù)雜性的靜態(tài)2×2型MIMO相比，這些選擇方法提供了超出上述MIMO的明顯增益。特別地，基于CRC的選擇方法可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)接近于“假定”切換判據(jù)的增益。
盡管在這里已經(jīng)參考從接收天線中做出的選擇而對上述選擇量度進(jìn)行了說明，但是也可以通過使用從接收設(shè)備到發(fā)射設(shè)備的任何類型的反饋機(jī)制而在發(fā)射天線之間的選擇中使用這些量度。
使用定向天線當(dāng)我們設(shè)想包含了多個(gè)用戶終端的情形的時(shí)候，由于會(huì)有信號從一個(gè)終端到達(dá)另一個(gè)終端，并且由于與基站到達(dá)終端的信號產(chǎn)生干擾，因此在終端上有可能出現(xiàn)干擾。例如，如先前在固定無線接入裝置中實(shí)施的那樣，相對于在用戶終端上使用全向天線的基準(zhǔn)情形而言，通過在用戶終端上使用定向天線，有可能減小上述干擾。然而我們發(fā)現(xiàn)，通過在MIMO系統(tǒng)中的用戶終端上使用定向天線以及附加地在用戶終端上使用切換天線選擇，有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)非常明顯的益處。盡管切換選擇有效減少了可能降低最終MIMO性能的天線單元的數(shù)目，但是我們發(fā)現(xiàn)這些益處也是可以實(shí)現(xiàn)的。
在下文中依照若干個(gè)涉及MIMO天線裝置的實(shí)施例而對此進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中所述天線裝置處于一個(gè)與個(gè)人計(jì)算機(jī)之類的用戶終端結(jié)合使用的獨(dú)立單元中。在這些實(shí)施例中為用戶終端提供了一個(gè)天線裝置，由此用戶終端可以使用一條高數(shù)據(jù)速率MIMO無線鏈路。優(yōu)選地，所述MIMO鏈路包含了具有相似信號電平的四個(gè)正交信道，由此有助于使用MIMO通信所導(dǎo)致的容量增加。
天線裝置是在一個(gè)箱體、立方體或其他獨(dú)立構(gòu)件中得到支持的，其中所述構(gòu)件可以連接到個(gè)人計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理或任何其它類型的用戶終端。由此提供了易于將天線裝置放在書桌、桌子或其他表面上的優(yōu)點(diǎn)，以及能夠與任何適當(dāng)類型的用戶終端進(jìn)行通信而不是永久整合到一個(gè)用戶終端之中的優(yōu)點(diǎn)。天線裝置的尺寸將會(huì)減至最小，以使獨(dú)立單元小型化并且便于攜帶。
圖10和11描述了兩種可能的天線裝置，其中每個(gè)裝置是由一個(gè)獨(dú)立單元128支持的，所述單元的大小為9cm×9cm×13cm，但也可以采用其他任何能夠手持的適當(dāng)尺寸。圖10顯示的是使用了八個(gè)偶極子131～138的裝置，其中一個(gè)水平和一個(gè)垂直偶極子是從所述單元的四個(gè)表面的每一個(gè)得到支持的。所述天線遠(yuǎn)離那些與之通過饋送和接地引線相連的單元表面。通過選擇這四個(gè)表面，當(dāng)所述單元位于一個(gè)表面上的時(shí)候，對立面(頂部)上是沒有偶極子的。垂直偶極子在距離單元2.5cm的位置得到了支持，而水平偶極子是在距離單元3.5cm的位置得到支持的。我們發(fā)現(xiàn)，與使用平面倒F型天線(PIFA)所發(fā)現(xiàn)的信號電平相比，使用偶極子所得到的信號電平要更高一些(得到了改善)。此外，對偶極子裝置而言，方位角的方向性更為重要。
圖11顯示的是另一個(gè)實(shí)施例，其中再次使用了四個(gè)垂直偶極子145～148以及四個(gè)水平偶極子141～144。在這種情況下，與圖10的裝置相比，偶極子是在單元邊角得到支持的，從而展寬了方位方向圖。水平偶極子末端朝著所述單元卷曲或彎曲，以便將那些可能出現(xiàn)在偶極子末端的方位方向圖中的所有衰減降至最低。如先前所述，偶極子是從所述單元表面得到支持或是與所述表面隔開的。在這個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電板140位于單元的一個(gè)表面上(頂面)，由此覆蓋了所述表面并且擴(kuò)展到所述表面的每一個(gè)邊緣之外。另一個(gè)導(dǎo)電板141則處于覆蓋所述單元的對立面上(底面)。通過添加這些導(dǎo)電板，可以提高水平偶極子的前后比。如上文所述并且如圖11所示，這些導(dǎo)電板擴(kuò)展到所述單元之外，由此使得水平偶極子的前后比匹配于垂直偶極子的前后比。在一個(gè)特定實(shí)例中，所述導(dǎo)電板擴(kuò)展到單元之外3cm的位置，其中所述單元的大小是15cm×15cm×13cm。
在這里，我們對圖10和圖11中所描述的實(shí)施例的性能進(jìn)行了比較并且在圖12中給出了比較結(jié)果。圖10的實(shí)施例稱為結(jié)構(gòu)1，在這種情況下，偶極子處于單元表面上，其方向性要強(qiáng)于圖11的裝置(結(jié)構(gòu)2)。而結(jié)果則顯示出每一個(gè)裝置都提供了一個(gè)完全可以使用的系統(tǒng)。
圖12顯示的是用于比較獨(dú)立結(jié)構(gòu)的量度。結(jié)構(gòu)1和2都具有在90°和180°上取平均值的量度。這些結(jié)構(gòu)都具有定向天線，這兩個(gè)平均值都考慮到了2∶2(假定用于上行鏈路)和2∶4的MIMO(假定用于下行鏈路)。分集增益則是為兩個(gè)單元方向0°和45°給出的。這一點(diǎn)非常有趣，因?yàn)楠?dú)立單元可以放置在處于任何方向的表面上。
我們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)1(圖10)很有優(yōu)勢，因?yàn)樗峁┝俗罡咂骄鲆?。舉例來說，由此可以減輕功率放大器的負(fù)擔(dān)并且轉(zhuǎn)而降低了成本。
在以上參考圖10和11所描述的實(shí)例中，假設(shè)獨(dú)立單元是作為上行鏈路上的2∶2型MIMO結(jié)構(gòu)和下行鏈路上的2∶4型MIMO結(jié)構(gòu)的一部分來進(jìn)行操作的。換言之，在上行鏈路上(從八個(gè)可用天線中)選擇了兩個(gè)天線，以便向基站上的兩個(gè)輸入端進(jìn)行傳送。而在下行鏈路上則(從八個(gè)可用天線中)選擇用戶終端上的四個(gè)天線，以便接收來自基站的兩個(gè)輸出端的信號。然而，這種結(jié)構(gòu)并不是必需的，在這里也可以將任何n∶m的MIMO結(jié)構(gòu)用于上行鏈路或下行鏈路，其中n和m都是大于1的整數(shù)。
我們通過使用計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，對圖10的方案而言，與使用8個(gè)天線中的4個(gè)天線的任何組合相反，在使用一種“切換”機(jī)制從8個(gè)可用天線中選擇4個(gè)天線單元的最佳組合的時(shí)候，可以在載波/干擾中具有2dB的提高。
我們的模擬是假設(shè)每一個(gè)游牧式用戶終端(如圖10所示)都處于稠密市區(qū)的室內(nèi)環(huán)境中，在這個(gè)環(huán)境中還包含了其他那些高速數(shù)據(jù)速率用戶。其中一種情形包含了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有19個(gè)基站，每一個(gè)基站具有3個(gè)扇區(qū)，此外該網(wǎng)絡(luò)還包含了處于網(wǎng)絡(luò)中的任意位置并由每一個(gè)基站提供服務(wù)的1000個(gè)用戶。
我們還發(fā)現(xiàn)，與使用8個(gè)天線中的2個(gè)天線的任何組合相反，當(dāng)使用從8個(gè)可用天線中選出的2個(gè)天線單元的最佳組合的時(shí)候，在載波/干擾方面將會(huì)得到一個(gè)3dB的提高。
由此我們發(fā)現(xiàn)，在處于MIMO裝置之中的用戶終端上，通過在定向天線之間使用切換選擇，可以發(fā)現(xiàn)載波/干擾電平將會(huì)有所提高，此外還可以對包含了空間衰落的情形進(jìn)行更有效的處理。
在MIMO用戶設(shè)備上的定向天線之間所進(jìn)行的切換選擇尤其有利于小型用戶設(shè)備。這樣一來，在用戶設(shè)備安裝的天線的特定方向上，用戶設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)通常會(huì)妨礙天線方向圖。由此很難實(shí)現(xiàn)一個(gè)標(biāo)稱為全向的方位方向圖。例如在一個(gè)特定實(shí)施例中，我們在個(gè)人數(shù)字助理(PDA)中提供了4個(gè)用于MIMO通信的天線。圖13對這種天線裝置進(jìn)行了描述。在這四個(gè)天線231～234中，有三個(gè)天線231-233通過調(diào)整而被整合到折合蓋(flap)這類支持結(jié)構(gòu)中。優(yōu)選地，所述折合蓋以可移動(dòng)方式與PDA相連，這樣它會(huì)在不用的時(shí)候覆蓋PDA的顯示屏表面。所述折合蓋可以調(diào)整成圍繞PDA一側(cè)或是在其頂部折疊。優(yōu)選地，所述折合蓋會(huì)在使用時(shí)翻開，由此折合蓋與PDA之間的角度大約是90°。然而，這種狀況并不是必需的，在折合蓋與PDA之間也可以使用任何適當(dāng)角度，以便提供極化分集。接地平面235則整合到折合蓋中并與折合蓋中的三個(gè)天線231-233共面。此外，第二接地平面236同樣整合到PDA自身之中(舉例來說，在這里可以通過使用PDA主體中業(yè)已存在的電路板來提供這個(gè)接地平面，其中所述電路板還提供了PDA的功能)。優(yōu)選地，與這個(gè)第二接地平面相關(guān)聯(lián)的天線234安裝在PDA上，由此它會(huì)像圖13所顯示的那樣凸出。
優(yōu)選地，天線231和234是共面?zhèn)阈螁螛O天線。并且較為優(yōu)選的是，天線232是以安裝在折合蓋上的插槽的形式提供的，而天線234則最好是安裝在PDA主體上的單極天線。我們發(fā)現(xiàn)，PDA的外形會(huì)因?yàn)槟K化而限制天線方向圖的全向性。在記憶中，這種情況是通過使用互補(bǔ)定向方向圖解決的，其中所述互補(bǔ)定向方向圖是結(jié)合了PDA主體而被設(shè)計(jì)的。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)例中，可以通過調(diào)整四個(gè)天線來提供圖14的定向天線方向圖。在這里對圖14中的軌跡進(jìn)行考慮，從任何角度都可以看出，這兩個(gè)天線方向圖提供了良好的信號強(qiáng)度。例如，最初可以選擇的是互補(bǔ)方向圖391和392(在一個(gè)2∶2的MIMO系統(tǒng)中，其中在PDA上是從四個(gè)切換天線中選出了其中兩個(gè)天線)。如果發(fā)現(xiàn)信號強(qiáng)度很弱，則可以選擇其他方向圖393和394。此外，在這里也可以對這兩個(gè)選擇進(jìn)行測試并且選擇最佳天線對。而選擇處理會(huì)隨著時(shí)間而不斷重復(fù)，從而顧及終端位置或環(huán)境中的變化。
在這里可以使用本領(lǐng)域已知的任何適當(dāng)方法來實(shí)現(xiàn)上述互補(bǔ)方向圖。
應(yīng)該注意的是，天線切換系統(tǒng)通常會(huì)受到指向損耗的影響。這種指向損耗限制了所發(fā)現(xiàn)的關(guān)于具有切換選擇的定向天線系統(tǒng)的載波/干擾電平改進(jìn)。而其中一種克服這個(gè)缺陷的方法是使用一個(gè)受到操縱受控的定向系統(tǒng)，其中所述操縱可以借助于機(jī)械波束控制或是自適應(yīng)組合技術(shù)來完成。
在上述實(shí)例中，通過使用天線選擇，可以減少發(fā)射或接收要求物的數(shù)目。相關(guān)的益處則是通過使用自適應(yīng)組合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其中包括將多個(gè)天線單元結(jié)合起來，以便產(chǎn)生定向天線波束。在我們先前提交并轉(zhuǎn)讓給Nortel Networks的美國專利申請09/975,653中描述了一個(gè)實(shí)例。在這份文獻(xiàn)中我們描述了一種基站天線陣列，其中所述陣列具有六列雙極化天線單元。這六列天線單元在方位上具有二分之一的波長間隔。并且其中將兩個(gè)不允許操縱波束的固定多波束形成器與這個(gè)陣列結(jié)合使用，由此在這兩個(gè)極化中的每一個(gè)極化上都形成了三個(gè)定向天線波束。這個(gè)基站天線陣列作用于一個(gè)有限扇區(qū)，并且同樣不適合那些可以在使用中相對于基站而處于任何方向上的游牧或移動(dòng)用戶終端。
依照本發(fā)明的另一個(gè)方面，我們將一種自適應(yīng)組合技術(shù)與MIMO天線裝置結(jié)合使用。通過使用自適應(yīng)組合技術(shù)，可以創(chuàng)建定向天線波束，由此可以提高載波/干擾電平，從而增大容量。非常有利的是，在這里也可以借助于電子方式來控制自適應(yīng)組合方法，從而改變所產(chǎn)生的天線波束的方向。
例如，在圖15的實(shí)施例中提供了一個(gè)具有三個(gè)天線單元404的陣列。實(shí)質(zhì)上，這些天線單元是全向的，并且它們是緊密間隔的(也就是說在空間上不存在差別)，此外，這些天線單元還具有極化分集。在這里對這些天線單元404進(jìn)行自適應(yīng)組合403，以便產(chǎn)生一對天線波束401、402，這對天線波束具有實(shí)質(zhì)相同的方向和天線方向圖，但卻具有實(shí)際正交的極性。此外在這里還提供了兩條接收鏈路405。非常有利的是，舉例來說，這個(gè)裝置是在一個(gè)n∶2的MIMO系統(tǒng)中所使用的用戶終端上提供的，其中n是一個(gè)值為2或者更大的整數(shù)。此外還可以使用任何適當(dāng)數(shù)目的天線單元和天線單元裝置來提供兩個(gè)或更多使用自適應(yīng)組合的定向天線波束。
為了提供一個(gè)MIMO系統(tǒng)，在這里通過調(diào)整天線波束而使得這些天線波束各不相同。舉例來說，在圖15的實(shí)施例中，天線波束401、402是極化分集的。然而作為選擇，它們也可以采取空間分集或是角度分集。
在這里可以使用任何一種適當(dāng)類型的自適應(yīng)組合，例如使用波束形成器或使用相控組合。
對理解了這里所給出的教導(dǎo)的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很明顯，在沒有失去所尋求的效果的情況下，可以對這里給出的任何范圍或設(shè)備值進(jìn)行擴(kuò)展或改變。
附錄A假設(shè)所有接收天線都是獨(dú)立的，則通過選取任何兩個(gè)接收天線，這兩個(gè)信道的多徑分量都是不相關(guān)的，這意味著對一個(gè)穩(wěn)定處理來說，頻率分集增益相對于固定天線的情形而言并未發(fā)生變化。本附錄通過使用時(shí)間上衰落而對天線切換進(jìn)行分析。應(yīng)該注意的是，由于在本附錄中并未涉及基于時(shí)間上衰落和頻率分集的天線切換，因此這僅僅是我們能夠?qū)崿F(xiàn)的最小限度。然而，應(yīng)該注意的是在我們的系統(tǒng)中最顯著的有貢獻(xiàn)的因素是時(shí)間衰落而不是頻率選擇性衰落。其原因在于我們可以通過使用信道交織器來有效緩解頻率選擇性衰落效應(yīng)，但是我們只能通過空間分集(例如天線切換)來有效緩解時(shí)間衰落。特別地，這種情況在多普勒效應(yīng)很低的時(shí)候也是成立的，例如在以30千米/小時(shí)的速度移動(dòng)的車輛上。
在這里將P1＞P2＞P3＞P4作為來自四個(gè)接收天線的接收功率。于是，通過使用天線切換，來自這兩個(gè)使用中的天線的平均功率是PAS＝E(P1+P2) (10)在使用固定天線的情況下，這兩個(gè)天線接收的平均功率是PFix=E(2×P1+P2+P3+P44)=E(P1+P2+P3+P42)---(20)]]>因此，我們可以從天線切換中得到的增益是PASPFix=E(2P1+P2P1+P2+P3+P4)=2E(11+P3+P4P1+P2)---(30)]]>=3dB-10log(1+E(P3+P4P1+P2))dB]]>這意味著我們能夠從天線切換中得到的最大增益是3dB，并且這種情況是在接收自兩個(gè)弱天線的信號相對接收自兩個(gè)強(qiáng)天線的信號而言可以忽略的時(shí)候發(fā)生的。應(yīng)該注意的是，當(dāng)P1＝P2＝P3＝P4的時(shí)候，從等式(30)中計(jì)算的增益為0dB，這意味著不能通過從等強(qiáng)天線池中選擇天線來獲得增益。
在存在瑞利衰落的情況下， 可能會(huì)非常小。假設(shè)E(P3+P4P1+P2)=15,]]>那么增益為2.2dB。
上述結(jié)果可以擴(kuò)展到N＞4個(gè)接收天線。在P1＞P2＞......＞PN的情況下，從天線切換中獲取的增益可以更新為PASPFix=E(N2P1+P2Σi=1NPi)=10log(N2)-log(1+E(Σi=3NPiP1+P2))dB---(40)]]>這意味著增益受限于PASPFix→10log(N2)(dB)---(50)]]>如果N＝6，那么增益上限是4.77dB。應(yīng)該注意的是，這個(gè)界限是在(Σi=3NPi)=0]]>的情況下實(shí)現(xiàn)的。隨著N的遞增，由于條件(Σi=3NPi)=0]]>不太可能成立，因此上限10log(N/2)(dB)將會(huì)變得越來越寬松。
假設(shè)Phigh=limn→∞E(P1)=limn→∞E(P2)]]>并且Pave=limn→∞E(Σi=1NPiN),]]>那么limn→∞PASPFix=limn→∞E(N2P1+P2Σi=1NPi)=PhighPave---(60)]]>等式(0)表明，當(dāng)N→∞的時(shí)候，兩個(gè)選定天線總是捕獲到上衰落，因此從天線切換中得到的增益與信道相關(guān)衰落的峰值-均值比相等。
權(quán)利要求
1.一種無線電通信設(shè)備，包括(i)多個(gè)天線單元；以及(ii)一個(gè)組合器，所述組合器被調(diào)整成自適應(yīng)組合所述天線單元，以便提供兩個(gè)或多個(gè)的不同定向天線波束。
2.如權(quán)利要求1所述的無線電通信設(shè)備，其中所述通信設(shè)備是一個(gè)多輸入多輸出(MIMO)通信設(shè)備，并且其中對所述組合器進(jìn)行調(diào)整，以使兩個(gè)或多個(gè)定向天線波束適合MIMO通信。
3.如權(quán)利要求1所述的無線電通信設(shè)備，其中所述通信設(shè)備是從用戶終端和基站中選出的。
4.如權(quán)利要求1所述的無線電通信設(shè)備，其中由于使用了極化分集、角度分集和空間分集中的任何一種，因此所述天線波束是不同的。
5.如權(quán)利要求1所述的無線電通信設(shè)備，其中所述組合器包含至少一個(gè)波束形成器。
6.如權(quán)利要求1所述的無線電通信設(shè)備，其中至少一些所述天線單元是作為相控陣列提供的。
7.如權(quán)利要求1所述的無線電通信設(shè)備，其中一對天線波束具有實(shí)質(zhì)正交的極化并且處于實(shí)質(zhì)相似的方向上。
8.如權(quán)利要求7所述的無線電通信設(shè)備，其中第二對天線波束同樣具有實(shí)質(zhì)相互正交的極化并且處于實(shí)質(zhì)相似的方向上，但是其方向不同于第一對天線波束的方向。
9.如權(quán)利要求1所述的無線電通信設(shè)備，其中所述組合器被調(diào)整成以電子方式操縱定向天線波束。
10.一種通信網(wǎng)絡(luò)，包含多個(gè)如權(quán)利要求1所述的無線電通信設(shè)備。
11.一種操作無線電通信設(shè)備的方法，包括以下步驟(i)在多個(gè)天線單元上接收無線電信號；(ii)通過使用一個(gè)組合器來對天線單元進(jìn)行自適應(yīng)組合，以使這些天線單元能在至少一個(gè)方向上進(jìn)行操作，從而接收兩個(gè)或多個(gè)不同的信道。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述無線電通信設(shè)備是一個(gè)多輸入多輸出通信設(shè)備，并且其中所述接收信號進(jìn)行空時(shí)編碼，而所述不同信道是多輸入多輸出信道。
13.一種操作無線電通信設(shè)備的方法，包括以下步驟(i)發(fā)送來自多個(gè)天線單元的無線電信號；(ii)通過使用一個(gè)組合器來對天線單元進(jìn)行自適應(yīng)組合，以使這些天線單元能在至少一個(gè)方向上進(jìn)行操作，從而發(fā)送兩個(gè)或多個(gè)不同的信道。
14.如權(quán)利要求13所述的操作無線電通信設(shè)備的方法，其中所述設(shè)備是一個(gè)多輸入多輸出通信設(shè)備，并且其中所述無線電信號進(jìn)行空時(shí)編碼，而所述不同信道是多輸入多輸出信道。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有用于MIMO系統(tǒng)的自適應(yīng)天線陣列的無線電通信設(shè)備。在這里對一種減少了多輸入多輸出(MIMO)和其他無線通信系統(tǒng)成本的裝置進(jìn)行了描述，借助于所述裝置，可以在用戶設(shè)備上使用自適應(yīng)組合，以便產(chǎn)生兩個(gè)或更多的定向天線波束。由此改善了載波/干擾電平。
文檔編號H04B7/02GK1640012SQ03804705
公開日2005年7月13日 申請日期2003年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月26日
發(fā)明者馬丁·史密斯, 道恩·鮑爾, 索亞·艾莫斯, 迪恩·基赤納 申請人:北電網(wǎng)絡(luò)有限公司