專利名稱：用于在mimo系統(tǒng)中接收多個信息流的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及用于接收多個信息流的裝置。這種裝置的可能應用領域是所謂的多入 多出(MIMO)天線系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
MIMO系統(tǒng)代表一種有前景的用于提高無線通信系統(tǒng)的容量(吞吐量)和可靠性 (覆蓋范圍)的解決方案。在MIMO系統(tǒng)中，發(fā)射機配備有ητ個天線，接收機配備有在相同頻率上、在相同時 間工作的ηκ個天線。MIMO系統(tǒng)的一種可能的傳輸模式是基于通過ητ個天線傳輸不同數(shù)據(jù) 流的所謂的空間多路復用(SM，spatial multiplexing)技術(shù)，目的是提高總的吞吐量。最 近的信息理論結(jié)果顯示充分散射的多徑無線信道能夠提供巨大的容量。在存在MIMO-SM 傳輸模式的情況下，通過在不同發(fā)射天線上以相同頻率同時發(fā)送不同數(shù)據(jù)流，能夠使用多 徑環(huán)境，從而提供K倍容量增加，其中，K是發(fā)射天線的數(shù)量和接收天線的數(shù)量中的最小值， 即，K = min (ητ，ηΕ)，約束條件為ηκ彡ητ。圖1中示出按照空間多路復用(SM)模式工作的例證MIMO系統(tǒng)的方框圖。其中， 示出了通過信道C向接收機RX發(fā)送多個信息流的發(fā)射機ΤΧ。發(fā)射機TX可被認為是串并行轉(zhuǎn)換器(S/P)，或者等同地，時間分路器。假定每個天 線能夠以等于S的吞吐量傳送數(shù)據(jù)信號，那么在MIMO發(fā)射機TX的輸入端的數(shù)據(jù)信號X的總 吞吐量等于ητ · S,即，是每個單獨天線所傳送的吞吐量S的ητ倍。由MIMO-SM發(fā)射機引入 的跨越多個發(fā)射天線的空間多路復用效果使這些數(shù)據(jù)流在空中(即，在“信道” C中)被混 合。如果ηκ>ητ，那么借助適當?shù)男盘柼幚硭惴ǎ诮邮諜CRX能夠恢復輸出信號y。ΜΙΜΟ 系統(tǒng)還提供顯著的分集優(yōu)點，從而ΜΙΜΟ系統(tǒng)能夠通過使用發(fā)射天線分集和接收天線分集， 相對于單天線系統(tǒng)(SISO)增大覆蓋范圍。借助大小為ηκΧητ的復合信道系數(shù)的信道矩陣H，對于每個多徑分量，能夠模擬從 發(fā)射機TX到接收機RX的傳播信道C。能夠借助MIMO信道實現(xiàn)的更大空間效率(高吞吐 量)基于充分散射環(huán)境提供從每個發(fā)射天線到每個接收天線的獨立傳輸路徑的假設。因 此，對單用戶系統(tǒng)來說，利用發(fā)射天線和接收天線的最小數(shù)量K = min(nT, ηκ)，使用這種結(jié) 構(gòu)的發(fā)送和接收策略將實現(xiàn)相同帶寬的傳輸速率的線性增大，與單天線系統(tǒng)相比，并不存 在額外的功率開支。這種容量增大要求散射環(huán)境，使得發(fā)射天線和接收天線對之間的信道 矩陣具有滿秩和獨立項，并且在接收機處可獲得該信道矩陣系數(shù)的完美估計。因此，就吞吐 量相對于信號與干擾加噪聲比(SINR)來說，在SM模式下工作的MIMO系統(tǒng)的性能將取決于 信道矩陣的性質(zhì)。這里考慮的例證SM技術(shù)基于接收機在基帶水平進行的數(shù)字信號處理操作，原則 上基本與接收天線的電磁特性無關(guān)(假定接收天線具有全向輻射圖)。在所討論的情況下， 假設接收天線的數(shù)量％大于或者最多等于發(fā)射天線的數(shù)量ητ，或者等同地，大于或者最多 等于所發(fā)送的空間流的數(shù)量。與％ = ητ的傳統(tǒng)ΜΙΜΟ接收機相比，接收天線的數(shù)量％大于多個空間流的數(shù)量ητ的那些MIMO接收機在吞吐量相對于信號與干擾加噪聲比(SINR)方 面提供更高的性能水平。然而，由于％-%個額外接收機和更復雜的基帶(BB)算法，這必然 在額外的復雜性方面付出代價。W0-A-03/073645描述了一種無線電通信設備，它包含三個或更多個分集天線，和 多個發(fā)射鏈或多個接收鏈，并且其中，發(fā)射鏈或接收鏈比天線少。該無線通信設備被布置成 提供多入多出(MIMO)通信，優(yōu)點是除了成本和空間減小之外，還能夠增大數(shù)據(jù)速率。所采 用的天線可具有定向輻射圖，進一步的優(yōu)點是當用在蜂窩網(wǎng)絡中時，能夠提供更高水平的 信號與干擾加噪聲比(SINR)。該無線電通信設備包含選擇器，該選擇器被布置成像在例如 切換天線選擇方案中那樣，為每個接收鏈或者為每個發(fā)射鏈選擇天線中的任意一個，以便 與該接收鏈或發(fā)射鏈相結(jié)合地使用。W0-A-06/052058描述了一種用于結(jié)合發(fā)射天線選擇方案，增強采用空時編碼 (STC)方案的MIMO系統(tǒng)(MIMO-STC)的性能的方法。發(fā)射機包括N個發(fā)射天線，超過了向空 間信道發(fā)送信號所需的M個發(fā)射天線。發(fā)射機在N個發(fā)射天線中選擇M個發(fā)射天線，并通 過對符號進行空時編碼來發(fā)送該符號。接收機包括用于從空間信道接收信號的M個接收天 線，從而它通過利用經(jīng)由接收天線接收的信號來檢測發(fā)送的信息符號，并隨后生成用于在N 個發(fā)射天線中選擇M個發(fā)射天線的發(fā)射天線選擇信息，并把該信息返回給發(fā)射機。在提交本申請時還未公布的PCT申請PCT/EP2006/011430公開了一種無線通信系 統(tǒng)，其中，選擇從對應天線單元接收的多個RF信號的子集并將其組合成單個RF信號。所述 單個RF信號在單個處理鏈中被處理和解調(diào)。所述單個處理鏈包括RF定相網(wǎng)絡，用于在組 合之前使選擇的RF信號同相；以及處理器，用于控制所述組合和定相，以便獲得具有滿足 預定條件的無線電性能指示符的單個RF信號。

發(fā)明內(nèi)容
申請人:注意到需要一種用于在例如MIMO系統(tǒng)的接收側(cè)使用的裝置，該MIMO系統(tǒng) 的接收天線的數(shù)量％大于所發(fā)送的空間流的數(shù)量ητ，其中，只需要ητ個RF接收機，從而降 低了硬件復雜性。本發(fā)明的具體目的是提供這樣的裝置，所述裝置可有利地用在無線LAN(WLAN)或 者HSDPA(高速下行鏈路分組接入)環(huán)境中；同時該裝置簡單，并因此易于生產(chǎn)而且成本低。本發(fā)明的目的是提供對這種需求的響應。按照本發(fā)明，借助一種具有在后面的權(quán)利要求書中記載的特征的方法來實現(xiàn)該目 的。本發(fā)明還涉及對應的系統(tǒng)，以及包含這種系統(tǒng)的無線局域網(wǎng)(W-LAN)設備。權(quán)利要求書是這里提供的本發(fā)明的公開內(nèi)容的組成部分。從而，本發(fā)明的一個實施例是一種借助一組接收天線來接收多個信息流的方法， 所述方法包括下述步驟-從所述一組接收天線的至少一個子集得到相應的RF信號，以及-從所述RF信號中產(chǎn)生多個接收信號，每個所述接收信號將被解調(diào)以恢復所述多 個信息流之一，其中，作為被應用了相對相移權(quán)重的所述RF信號的組合，產(chǎn)生所述多個接收信號。
5
在一個實施例中，從所述一組接收天線中的所有接收天線得到所述相應的RF信號。 在一個實施例中，提供一種MIMO接收機，所述MIMO接收機根據(jù)在ηκ個天線的輸出 端接收的信號在RF水平的組合進行工作，以便在ητ個RF接收機的輸入端產(chǎn)生ητ個RF信號。本發(fā)明的實施例提供了高于具有ητ個全向接收天線的傳統(tǒng)MIMO接收機的性能水 平，而額外復雜性僅限于另外的ηκ-ητ個天線和RF組合單元。本發(fā)明的實施例適合于在存在切換波束天線體系結(jié)構(gòu)的情況下使用，在這種體系 結(jié)構(gòu)中，在特定的定向天線的輸出端接收的信號的組合能夠在陣列增益、分集和抗干擾方 面帶來益處。本發(fā)明的實施例可用在發(fā)送多個空間流的無線系統(tǒng)，例如遵守標準IEEE 802. Iln 的無線LAN(WLAN)、遵守標準IEEE 802. 16e的無線MAN(WMAN)、和在3GPP版本7中提出的 HSDPA-MIM0 系統(tǒng)中。


下面將參考附圖，舉例說明本發(fā)明，其中圖1已在前面說明。圖2 (a) -2 (c)表示例證的天線結(jié)構(gòu)。圖3是切換波束天線系統(tǒng)的示意表示。圖4是RF定相電路的示意表示。圖5和6是RF定相電路的其它示意表示。圖7和8是切換波束天線系統(tǒng)的示意表示。圖9示出具有定向天線的例證天線布置。
具體實施例方式下面的詳細說明提出了用于實現(xiàn)MIMO-SM接收機的例證方法和相關(guān)設備，同時包 括數(shù)量％個接收天線(數(shù)量ηκ比發(fā)送的空間流的數(shù)量ητ大)的所述MIMO-SM接收機可只 需要ητ個RF接收機，從而降低硬件復雜性。這里描述的例證體系結(jié)構(gòu)以在ηκ個天線的輸 出端接收的信號在RF水平的組合為基礎，以便在ητ個RF接收機的輸入端產(chǎn)生ητ個RF信號。位于接收機的ηκ-ητ個冗余天線可被用于收集不同形式的ητ個發(fā)送空間流，所述 發(fā)送空間流可在RF水平與適當?shù)募訖?quán)因子相結(jié)合，以便產(chǎn)生對于多個空間流的傳輸性質(zhì) 良好的等效信道矩陣H。接收到的星座的最小歐幾里德距離可以是用于確定按照SM模式工作的MIMO系統(tǒng) 的性能的良好參數(shù)。R. W. Heath禾口 A.J. Paulraj 在 IEEE Transactions on Communications, Vol. 53，No. 6，2005 年 6 月發(fā)表的 “Switching Between Diversity and Multiplexing in MIMO Systems"中提供了相關(guān)理論的說明。下面，將考慮具有兩個發(fā)射天線和兩個接收天線的例證MIMO-SM系統(tǒng)，因此ηκ =
6
在該特定例子中，信道矩陣H具有下述表達式 其中，在全向接收天線和散射物體豐富的傳播情形的情況下，系數(shù)(其中i = 1， 2，以及j = 1,2)是統(tǒng)計上獨立的零均值復高斯過程，其包絡具有瑞利概率密度函數(shù)和酉方 差。接收機處的碼書(或者星座)(即，當信道作用于每個碼字時構(gòu)成的碼書)的最小歐幾 里德距離是一個好的MIMO-SM系統(tǒng)性能指示符，因為假定最大似然檢測，給定信道實現(xiàn)，條 件誤差概率可由接收機處的碼書的距離性質(zhì)來確定。如果$ = [S1，S2]T表示由分別由2X2MIM0-SM系統(tǒng)的第一和第二天線發(fā)送的兩個 QPSK符號S1和S2構(gòu)成的碼字，r = [ri，r2]T表示分別由第一和第二天線接收的符號的對應 碼字，那么下述關(guān)系適用 其中η = [η” n2]τ是分別在第一和第二天線的輸入端處的熱噪聲樣本Ii1和Ii2的貢 獻。這些噪聲樣本可被假定為是具有零均值和等于Ntl的方差的高斯噪聲。為了方便起見， 這里假定每個發(fā)送的信號碼字被歸一化，以便具有單位能量Es，因此Es = Il S1 Il 2+ Il s2 Il 2 =1，并且假定(經(jīng)由訓練符號)在接收機處完全了解信道H。下面的說明涉及基于最大似然(ML)算法的MIMO解碼器，并假定MIM0-SM系統(tǒng)的 性能由作為每個接收天線處的信號與噪聲加干擾比(SINR)的函數(shù)的原始誤碼率(BER)來 指示。本領域的技術(shù)人員會認識到，可以使用任何其它的MIMO解碼器，諸如例如基于最大 后驗算法的MIMO解碼器，或者任何其它性能指示符。上面引用的R. W. Heath和A. J. Paulraj的論文表明以特定信道實現(xiàn)H為條件的 接收碼字 的誤差概率(表示成P(err0r/H))的上限由下述表達式表示 其中，M是對于每個可能的發(fā)送碼字，由MIMO-SM系統(tǒng)傳送的比特總數(shù)(例如，對 于ητ = 2和QPSK調(diào)制的系統(tǒng)來說，M等于4)，是接收的碼書的最小平方歐幾里德 距離。在QPSK調(diào)制及ηκ = ητ = 2個發(fā)射天線和接收天線的特殊情況下，可如下詳細所述 地計算以信道矩陣H為條件的接收碼書的最小平方歐幾里德距離1^inJH)
O如果考慮兩個發(fā)送碼字&和&，使得& Φ &，那么在接收機處的兩個可能的發(fā)送 碼字&和&之間的平方歐幾里德距離由下式給出Il H · (Si-Sj) Il 2通過在所有可能的碼字中使該差值達到最小，可以得到接收機處的最小平方歐幾 里德距離，所述最小平方歐幾里德距離可被表示成= min [(Ei — = mln |η - (ι, -
t*ii*i(4)根據(jù)下面的條件概率，可以評估接收機處的碼書(或者星座)的最小歐幾里德 距離d〗in,,(H)對于MIMO-SM系統(tǒng)的關(guān)于作為在每個接收天線處測量的信號與干擾加噪聲比(SINR)的函數(shù)的原始BER的性能的影響
原始BER1 = p{ error |原始BER3原始BER3 原始BER4 原始BEKi
這些影響能夠通過使原始BER適應于從相應概率密度函數(shù)得到的在五個不同間 隔量化的最小平方歐幾里德距離劣吣㈤的不同值來獲得。相對于關(guān)于較小的CJL^(H)值獲 得的對應曲線，對參數(shù)劣in,r(H)的較大值來說，在原始BER方面的性能在SINR方面表現(xiàn)出明 顯增益。能夠通過使用借助參考序列估計的信道矩陣H的知識，在接收機處計算最小歐幾 里德距離《ln.r 然而，等式(4)的計算要求在大量發(fā)送碼字中進行搜索，對于諸如16QAM
O
或64QAM的大星座來說，這是不允許的。因此，在接收機處測量參數(shù)d^^Oi)會變得過于復
ο因此，可以從由MIMO接收機的基帶(BB)模塊測量的原始BER的對應值，得到關(guān)于 接收的星座的最小平方歐幾里德距離的指示。此外，通過使用原始BER的一個特定值和在 信道解碼器的輸出端解碼的BER的對應值，或者可替換地，分組錯誤率(PER)的對應值之間 的一對一關(guān)系，可以通過對一定數(shù)量的接收分組求平均值的PER的對應值，得到最小平方 歐幾里德距離的間接測量值。PER的值越低，最小平方歐幾里德距離的對應值越高。測量MIMO接收機在PER方面的性能涉及幾個分組的接收，并且可能比最小平方歐 幾里德距離的對應測量(原則上，可對接收的每個分組立即進行最小平方歐幾里德距離的 測量)要慢。此外，與可能影響系統(tǒng)復雜性的最小平方歐幾里德距離的測量相反，進行PER 測量的復雜性可忽略不計。按照下面的關(guān)系式，MIMO接收機能夠達到的吞吐量(T)直接和 PER相關(guān)T = Tpeak. (I-PER)其中Tpeak是當接收的數(shù)據(jù)流中不存在誤差時可達到的峰值吞吐量。因此，也可關(guān) 于在特定傳播情形下可達到的吞吐量(T)，測量MIMO接收機性能。此外，MIMO無線系統(tǒng)通 常支持自適應地改變所采用的調(diào)制和編碼方案的自適應調(diào)制和編碼技術(shù)。接收機處的較高 信號與干擾加噪聲比(SINR)將轉(zhuǎn)化為調(diào)制階數(shù)和所采用的信道編碼率的較高乘積，從而 可達到的最大吞吐量Tpeak將較高。如果把所采用的傳輸模式(TM)定義為確定可達到的最大吞吐量Tpeak的參數(shù)的集 合，包括調(diào)制階數(shù)和信道編碼率，那么測量MIMO接收機的性能的備選方式可以借助于在特 定傳播情形下采用的傳輸模式(TM)。對IEEE 802. 11 WLAN系統(tǒng)來說，傳輸模式可對應于特定傳輸方案，該特定傳輸 方案由確定在PHY層的輸出端的最大數(shù)據(jù)速率(例如，6、12、18、24、54Mbps)的特定調(diào)制 方案(例如QPSK、16QAM、64QAM)和信道編碼率(例如1/2、3/4、5/6)來表征。對于服從
8IEEE802. Iln的MIM0-WLAN系統(tǒng)已引入新的傳輸模式。類似地，對UMTS系統(tǒng)來說，傳輸模式 可對應于確定在PHY層的輸出端的最大數(shù)據(jù)速率(例如，12. 2,64,128,384kbps)的傳送格 式(TF)的特定值，而對HSPDA系統(tǒng)來說，傳輸模式可對應于確定在PHY層的輸出端的最大 數(shù)據(jù)速率(例如，325、631、871、1291、1800kbps)的信道質(zhì)量指示符(CQI)的特定值。MIMO接收機所感知的MIMO-SM無線電鏈路的質(zhì)量可合理地借助質(zhì)量函數(shù)Qs來測 量，質(zhì)量函數(shù)Qs取決于一些物理(PHY)和MAC層參數(shù)，諸如接收信號強度指示符(RSSI)、分 組差錯率(PER)、MAC吞吐量(T)和所采用的傳輸模式(TM)，即Qs = f (RSSI，PER, Τ, TM)通常，Qs的值越高，應用層的接收信號的質(zhì)量就越高。本領域的技術(shù)人員將認識 到，可以使用在前面指出的其它質(zhì)量指示符來計算備選的質(zhì)量函數(shù)。因此，函數(shù)Qs可被用作選擇待應用的波束(即，RF信道)和RF相移權(quán)重的無線電 性能指示符(RPI)。在這里描述的布置的架構(gòu)內(nèi)，可以使用其它類型的無線電性能指示符 (RPI)。但應認識到，盡管代表相應RF信號的質(zhì)量，諸如例如接收信號強度指示符(RSSI)、 分組差錯率(PER)、信號與干擾加噪聲比(SINR)、MAC吞吐量(T)和所采用的傳輸模式(TM) 的無線電性能指示符或者上面提及的性能指示符的任意組合將是非RF，即中頻(IF)或基 帶(BB)指示符。圖2 (a)-2 (c)示出了一些例證的天線結(jié)構(gòu)，所述天線結(jié)構(gòu)包括數(shù)量為ηκ的接收天 線，假設％大于發(fā)送的空間流(即，信息流)的數(shù)量ητ。下面，在％個天線的輸出端接收的 RF信號將被表示成ri;其中，i = 1，2，···，ηκ。具體地說，在圖2(a)中，六個天線A1, A2, ... , A6被排在一條線上。在圖2(b)和 2(c)中，八個天線A1, A2,...，A8被等距地放置在正方形的周長上(圖2(b))和圓的周長上 (圖 2(c))。例如，可以考慮其中發(fā)送的空間流的數(shù)量ητ等于2，接收天線的數(shù)量％等于8的 例證情況。在接收設備中，RF接收機的數(shù)量可以等于接收天線的數(shù)量ηκ，使得基帶(BB)處理 單元具有％個數(shù)字信號作為輸入，這可被用于在覆蓋率和吞吐量方面改善系統(tǒng)性能。在這 種情況下，等效信道矩陣H可被定義為 因此，BB接收機可以是在知曉對應于發(fā)送的未知符號S = [Sl，s2]T而接收的信號 r = [r,, r2, . ^rnjJ的情況下，計算下述度量的最大似然(ML)接收機
d2(r, Sijj) = Il (r-H · Sijj)
(5)
其中，=[si Sj]T是發(fā)送的碼書的特定碼字c
使用％-%個冗余天線的第-
-技術(shù)需要的RF接收機或收發(fā)機的數(shù)量與接收天線的 9數(shù)量％相同，因此對接收機在BB和RF水平兩者的硬件復雜性都有影響。為了使用ηκ-ητ個冗余天線，接收機可選擇在ητ個接收天線的輸出端獲得的一組 ητ個信號{Ai; Aj, . . . Ak}，并向ητ個RF接收機的輸入端提供對應的RF信號。為了例證目的，可以考慮ηκ = 8和％ = 2的情況。在這種情況下，選擇接收天線 對(AyAj)的例證標準可涉及選擇由BB處理單元測量的接收信號強度指示符(RSSI)的值 最高的兩個天線(Ai, Aj)。具體地講，由BB處理單元生成的反饋信號可被用于在從每個特 定波束測量RSSI期間控制天線選擇單元。第二種可能的標準涉及選擇提供具有最大平方歐幾里德距離，或者可替換地，在 吞吐量(T)或者傳輸模式(TM)方面具有質(zhì)量函數(shù)Qs的最大值的等效信道矩陣H的兩個天 線(Ai, Aj),其中， 下面，這種技術(shù)將被總體稱為具有天線選擇的MIM0-SM，與用于天線對(Ai, Aj)的 選擇的特定標準無關(guān)。使用接收機的ηκ-ητ個冗余天線的一種方法可以基于關(guān)于ητ行和ηκ列的組合矩陣 W
wIJ W1.2 似U......wI1W虞 H W
線性乘以％個接收信號的向量
r = Jr1, ra, . Jr而生成 ητ 個信號S = [ζ,, Z3, . ^f，因此， 在發(fā)送的空間流ητ等于2，并且接收天線的數(shù)量ηκ等于8的例證情況下，矩陣W具 有2行和8列。圖3中示出了可能的切換波束天線系統(tǒng)的實施例。具體地說，ηκ個天線A1, A2, . . . ΑηΕ與定相和組合網(wǎng)絡10相連接，所述定相和組合網(wǎng)絡10再與兩個RF接收機20a 和20b連接。然后，BB處理單元30能夠生成用于控制網(wǎng)絡10的反饋信號40，以對當前從 RF接收機20a和20b接收的信號進行分析，并選擇最適當?shù)奶炀€。本領域的技術(shù)人員應認 識到，也可使用專用控制單元，以避免修改BB處理單元30。這樣的控制單元可例如讀取由 BB處理單元30提供的測量結(jié)果，并控制反饋信號40。通常，接收信號￡
’可被寫為 其中，s = [τν, ν . UnJ是在每個接收天線的輸入端處的噪聲和干擾樣本的向
量，分量叫(其中，i = 1,2, . . . nE)被假定為具有零均值和等于Ntl的方差的復合空間白高 斯隨機變量。通過結(jié)合等式(J)和(6)得到
ζ = W · H · s+ff · η = G · s+m(8)其中G是由組合矩陣W和信道矩陣H的乘積給出的ητ行和ηκ列矩陣，
m = Iml, Α, . .η、}·是通過關(guān)于組合矩陣W乘以噪聲和干擾樣本的向量η而獲得的向量。
給定某一信道矩陣H，基本思想在于選擇組合矩陣W，以獲得在接收碼書的最小歐幾里德距 離<in.i(G)方面具有良好性質(zhì)，或者可替換地，在吞吐量⑴或者傳輸模式(TM)方面具有較 高質(zhì)量函數(shù)Qs值的等效信道矩陣G。此外，當采用這種方法時，通過引入對組合矩陣W的系數(shù)值的一些約束，能夠直接 在RF水平進行％個信號s = [^,Z2MZivJr的計算，從而降低硬件復雜性；在這種特殊情 況下，所需要的RF接收機的數(shù)量僅僅等于ητ。假定W的每個系數(shù)Wij (其中j = 1，2...%，并且1 = 1，2，...ητ)具有酉模和等于 的相位，那么可借助圖4所示的電路來實現(xiàn)向量￡ == [rlfr2,. ^rnjtIr和矩陣W的特定行
= k(1 w1<3 — ]^勺乘積。具體地說，這樣的電路可包括一組RF定相網(wǎng)絡12，所述一組RF定相網(wǎng)絡12與相 應天線A1, A2, . . . AnE相連接，并與公共組合器14相連接。在該例證情況下，圖3的定相和組合網(wǎng)絡10可由這些電路中的兩個來實現(xiàn)，這兩 個電路隨后向RF接收機20a和20b提供信號。通過假設加權(quán)系數(shù)Wij的相位Φ ,,j僅取特定量化值，能夠進一步簡化圖4的RF定 相網(wǎng)絡。假設系數(shù)Wij的相位Φ?！谷〖蟵0，π/2，π，3/2 π}中的值，借助圖5中所示的 電路能夠獲得接收信號^和系數(shù) 的對應相乘，圖5中所示的電路包括具有不同長度的 多個RF延遲線52、54、56、58。應認識到，對于本說明來說，Φ U等于0的酉實系數(shù)Wu在任何情況下都可被看作 相移權(quán)重的特定情況。因此，在如圖5中所示的對應實施例中，“延遲”線52是避免(即，免除)任何相移 的線路，而延遲線54、56和58分別產(chǎn)生90°、180°和270°的相移。通過適當?shù)卦O定開關(guān)，包括六個RF開關(guān)SW1, SW2,... SW6的布置將允許有選擇地獲 得集合10，π/2，π，3/2π}中的四個相移值中的任意一個。因此，剛剛說明的例證處理裝置包括至少一個RF延遲線54至58，以向源自接收天 線的相應RF信號Γι，...，ΓηΕ應用相移權(quán)重(W)。因此，在所示的實施例中，該處理裝置包括 RF信號r1;. . .，rnK的至少兩個傳播路徑52-58。這些傳播路徑52-58中的至少一個包括具 有不同延遲值的所述延遲線(這是路徑54-58的情況)。切換元件SW1-SW6可操作用于有 選擇地將相應RF信號. . .，ΓηΕ導引到傳播路徑52-58，以便實現(xiàn)不同的相移權(quán)重。傳播 路徑之一，即由附圖標記52指示的路徑免除任何延遲線(即，實現(xiàn)等于0的相移權(quán)重)。提供規(guī)定的相移的RF延遲線和用于有選擇地連接RF延遲線的RF開關(guān)的實現(xiàn)在 本領域中是公知的，這里不必提供更詳細的說明。通過假設加權(quán)系數(shù)Wij的相位可以只取集合{0，π}中的兩個特定量化值，可 以簡化圖4中的RF乘法器電路。因此，可借助圖6中所示的電路來獲得接收信號^和系數(shù)Wu的對應相乘。具體地說，在該裝置中，為了獲得RF相乘，只需要延遲線52 (本身沒有相移)和56 以及兩個開關(guān)SW1和SW2。通過假定在組合矩陣W的每一行中，只有ητ_1個系數(shù)Wij具有酉模和例如在4個 或2個不同值量化的相位Φ"，一個系數(shù)等于1，以及剩余的ηκ-ητ個系數(shù)等于0，可以簡化 整個接收機體系結(jié)構(gòu)。在這種特定情況下，通過要求在組合矩陣W的每一列中，只有一個系數(shù)Wij (其中j =1,2, ...，ηκ)具有等于1的模，可引入另一約束條件。這意味著，接收的％個信號中的 每個信號只參與所述組合一次。例如，組合矩陣W可具有下述結(jié)構(gòu)
O, 0 , O , Wyjl t Θ> 0, W1J, 0W=·β
0, Wjjci 0, 0, 0,W10, 0,0對于不同于0的四個系數(shù)具有下述情況Wu=Iw2j c = 1W1,β = W1 = Θχρ Φ)，其中，Cji1 e {0, π}或者 Cji1 e {0，Ji/2, π，3/2 π}w2,D = W2 = exp(j Φ2)，其中，Φ2 G {0，ji }或者 φ2 e {0，ji /2，π ,3/2 π}具體地說，在組合矩陣W的第一行中的系數(shù)W1, Α和W1, β的位置確定在從天線A1,
A2,. . .A8接收的ηκ = 8個信號ε =^ f中，通過關(guān)于在下面表示成巧的加權(quán)系數(shù)
W1, Β的RF相乘而組合的那些信號rA和rB。按照類似的方式，在組合矩陣W的第二行中的系數(shù)W2, C和W2, D的位置確定通過關(guān) 于在下面表示成W2的加權(quán)系數(shù)W2,D的RF相乘而組合的信號r。和rD。最后，要求在組合矩陣W的每一列中只有一個系數(shù)Wij (其中j = 1，2，. . .，ηκ)具 有等于1的模的約束對應于在RF水平組合兩個RF信號rA和rB，其加權(quán)和饋送給第一 RF接 收機，所述兩個RF信號rA和rB不同于在RF水平組合并且其加權(quán)和饋送給第二 RF接收機 的對應的兩個RF信號re和rD。圖7示意示出關(guān)于ηκ = 8和ητ = 2的例證情況的切換波束天線系統(tǒng)的一個可能
實施例。具體地說，從天線A1, A2,... A6接收的信號,Σ = [^r3, .AfIr被連接到開關(guān)網(wǎng)絡
122，所述開關(guān)網(wǎng)絡122提供信號rA、rB、rdnrD。可例如通過BB處理電路30來設定開關(guān)網(wǎng) 絡122，所述BB處理電路30分析質(zhì)量函數(shù)Qs，并提供關(guān)于所選信號rA、rB、rc和rD的信息。隨后，通過使信號rA和rB乘以矩陣W的相應系數(shù)來處理信號rA和rB，以便隨后在 組合器14a中組合并被提供給第一 RF處理鏈20a。具體地說，對信號rA來說不需要任何乘 法，因為系數(shù)W1,A等于1。相反，信號rB通過第一 RF定相網(wǎng)絡124a乘以系數(shù)W1 ( S卩，W1,B)。類似地，只有信號rD通過第二 RF定相網(wǎng)絡124b被乘以系數(shù)W2 (即，w2,D)，加權(quán)后 的信號在組合器14b中被組合，并被提供給第二 RF處理鏈20b。已經(jīng)證實，該條件確保等效信道矩陣G在接收碼書的最小歐幾里德距離方面，并 從而還在吞吐量(T)方面具有良好性質(zhì)。
因此，由具有圖7中所示的冗余天線的MIMO無線接收機或收發(fā)機進行的操作如 下-按照第一標準，在ηκ= 8個接收信號中，確定4個信號rA、rB、rc和rD，以及-按照第二標準，確定2個加權(quán)系數(shù)W1和W2的相位值。最終目的是在接收信號強度指示符(RSSI)、分組差錯率(PER) ,MAC吞吐量⑴和 采用的傳輸模式(TM)方面，或者在上述性能指示符的適當組合方面，最大化能夠由接收機 測量的某一質(zhì)量函數(shù)Qs，因此，應當以最大化質(zhì)量函數(shù)Qs為目標，來選擇用于選擇信號rA、 rB、rc和rD的第一標準和用于選擇加權(quán)系數(shù)W1和W2的第二標準。下面提供用于選擇信號rA、rB、rc和rD的標準的例證實施例。在沒有來自相鄰小 區(qū)的干擾的傳播情形的特定情況下(其中，熱噪聲是主要限制因素)，能夠選擇由BB處理單 元30測量的接收信號強度指示符(RSSI)的值較高的四個信號rA、rB、r。和rD。相反，對于干擾水平較高的傳播情形，可以選擇由BB處理單元30測量的信號與噪 聲加干擾比(SINR)的值最高的四個信號rA、rB、r。和rD。例如，信號與噪聲加干擾比(SINR) 可被測量為首先在有用發(fā)射機獲得的RSSI和隨后在干擾發(fā)射機獲得的RSSI的連續(xù)測量值 的差。當有用發(fā)射機和干擾發(fā)射機的基準信標信道的傳輸存在一定時間重疊時，這種方法 不是非常精確?？商鎿Q地，可以選擇提供由BB處理單元30測量的吞吐量(T)的值較高的四個信 號 rA、rB、rc 和 rD。在選擇了四個信號rA、rB、rc和rD之后，可以通過由BB處理單元30所提供的某一 性能指示符(比如無線電鏈路的吞吐量(T))驅(qū)動的窮舉搜索，來優(yōu)化系數(shù)W1和《2的值。在兩個不同的值量化系數(shù)W1和W2的情況下，計算上面提及的性能指示符的四個不 同值，而在四個不同的值量化系數(shù)的情況下，計算性能指示符的16個不同值，并選擇提供 最高的性能指示符的值的系數(shù)W1和w2。另一種例證方法涉及通過由BB處理單元30所提供的某一性能指示符(比如無線 電鏈路的吞吐量(T))驅(qū)動的窮舉搜索，與系數(shù)W1和W2的4個或16個值一起選擇四個信號 rA> rB、r。和rD。這種方法需要較長的計算時間，但提供接收信號與最大化所考慮性能指示 符的權(quán)重的最佳組合。在發(fā)送空間流的數(shù)量ητ等于2，并且接收天線的數(shù)量ηκ等于8的特定情況下，對于 在2個值量化的系數(shù)W1和W2來說，信號rA、rB、rc和rD與系數(shù)W1和W2的值的組合總數(shù)等于 6720 ；對于在4個值量化的系數(shù)W1和W2來說，所述組合總數(shù)等于26880。按照這些假設，對 多數(shù)應用來說，窮舉搜索不可行。為了減少進行窮舉搜索的時間，可以設想用于選擇信號rA、rB、r。和rD的開關(guān)網(wǎng)絡 122的可能簡化。在圖8中，示出了例證的簡化開關(guān)網(wǎng)絡，其中，由不同波束接收的信號的僅一些特 殊組合被提供給兩個RF處理鏈20a和20b。具體地說，可例如借助四個開關(guān)來實現(xiàn)圖7的開關(guān)網(wǎng)絡122。第一開關(guān)122a可在 從天線B6和B8提供的信號中選擇信號rA。類似地，開關(guān)122b、122c和122d可分別在從天 線B2和B4, B5和B7及B1和B3提供的信號中選擇rB、rc和rD。在圖8中所示的開關(guān)網(wǎng)絡的例證實現(xiàn)中，對于在2個值量化的系數(shù)W1和W2來說，
13信號rA、rB、rc和rD與系數(shù)W1和W2的值的組合總數(shù)等于64 ；對于在4個值量化的系數(shù)W1和 W2來說，所述組合總數(shù)等于256。因此，以由于未窮舉搜索接收的信號而導致的稍微降低系 統(tǒng)性能為代價，大大簡化了搜索過程。所提出的借助冗余天線接收多個空間流的技術(shù)可用于存在具有全向輻射圖的接 收天線的情況，或者可替換地，用于存在定向天線的情況，其進一步的優(yōu)點是引入空間濾波 的有益效果(通過在8個定向接收天線中選擇4個定向接收天線)，當存在受干擾(該干擾 不是空間白色的)限制的傳播情形時，所述空間濾波能夠提高系統(tǒng)性能。最常見的用于WLAN的天線類型具有全向輻射圖。全向天線在水平面(方位面) 上在所有方向上同等地傳播RF信號。由于某種原因，借助全向天線取得的增益不足以達到 一定的覆蓋范圍。當采用定向天線時，能夠獲得更高的增益值，所述定向天線能夠把發(fā)送和 接收的RF能量聚焦在特定的方向上，從而實現(xiàn)更高的覆蓋范圍。此外，為了在覆蓋率和吞吐量兩方面都獲得改善，通過采用多個天線，可以使用傳 播環(huán)境的空間域。這樣的系統(tǒng)借助適當?shù)男盘柼幚砑夹g(shù)，增加可在接收機端獲得的信息，從 而降低諸如在通過傳播信道傳輸期間引入的多徑干擾的減損。多個定向天線的使用可導致 在吞吐量和覆蓋范圍方面的良好性能。在定向天線的特定情況下，天線系統(tǒng)的設計必須考慮接收信號從所有可能的方向 到達。具體地講，由于環(huán)繞接收機的許多散射物體的存在，方位面中的到達角(AoA)可取 0° -360°之間的所有可能值。俯仰面中的AoA分布取決于發(fā)射機位置。發(fā)射機通常被放置在房間的中央，或者 被固定到墻上，或者固定到天花板上，以便提供最大的覆蓋率。從而合理的是，假設俯仰面 中的AoA繞水平方向集中，角展度小于180°。圖9中示出了在N = 8個定向天線B1;B2，. . . B8(放置在由圓周限制的正八邊形的 頂點上)的特定情況下，可能的多定向天線系統(tǒng)的頂視圖。獲得了關(guān)于三種不同的接收機體系結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果，即-MIMO 2X2 配備了向位于接收機端的2個RF接收機饋送信號的2個全向天線的 基本參考系統(tǒng)；-選擇2個定向天線的MIMO2X8，其中，接收機(在8個可用的接收天線中)選 擇恰當?shù)囊粚μ炀€，并把其信號饋送給2個RF接收機的輸入端。通過參考2個最高的接收 信號強度指示符(RSSI)值，進行所述2個天線的選擇；以及-具有4個定向天線的RF組合的MIMO2X8，其中，接收機(在8個可用的接收天 線中)選擇向2個RF接收機的輸入端饋送的兩對信號。如下所述選擇這4個信號。首先， 通過在可用天線接收的8個信號中確定最大化某一性能指示符(例如，噪聲有限的情形下 的RSSI，在干擾有限的情形下的SINR)的4個信號，來進行4個天線的選擇。隨后，接收機 確定最大化組合信號的相同性能指示符值的2個加權(quán)系數(shù)的恰當相位值。圖8中示出了這 種體系結(jié)構(gòu)。使用了四種不同的傳播情形來評估系統(tǒng)性能。這四種情形涉及均由發(fā)射機(TX) 位置和接收機(RX)位置的存在，以及由單獨的兩群散射體表征的不同傳播環(huán)境。所有情形 都具有相同的到達角(AoA)和離開角(AoD)值，但具有不同的角展度(AS)值。從情況1到 情況4連續(xù)降低角展度值，這導致散射較小的環(huán)境，從而實現(xiàn)更高的相關(guān)性條件。在前兩種
14情形下，充分散射的傳播導致低相關(guān)性，而在最后的情況下，散射不充分的傳播導致高相關(guān) 性。結(jié)果是通過采用如圖9中所示的定向天線系統(tǒng)，和圖8中所示的具有冗余天線的 MIMO無線收發(fā)機的體系結(jié)構(gòu)，在ηκ = 8和ητ = 2的特定情況下獲得的。具體關(guān)于其中限制因素是由假設均勻分布在空間域中的其它用戶(接入點或客 戶端)產(chǎn)生的干擾(空間白色)的傳播情形，比較這兩個2 X 8ΜΙΜ0天線系統(tǒng)的性能和傳統(tǒng) 2Χ2ΜΙΜ0天線系統(tǒng)的性能。結(jié)果表明，在關(guān)心的范圍內(nèi)，原始BER所表示的性能的增強約為6dB。當傳播條件 使得角展度的減小導致接收信號的較高相關(guān)性時，該值稍微降低(降到5dB)。結(jié)果表明，在空間有色干擾體的情況下，性能增益甚至更高。無損于本發(fā)明的基本原理，可甚至稍微改變僅僅作為例子說明的細節(jié)和實施例， 而不脫離由附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。
1權(quán)利要求
一種借助一組接收天線(A1，...，AnR)來接收多個信息流的方法，所述方法包括下述步驟 從所述一組接收天線(A1，...，AnR)的至少一個子集得到相應的RF信號(r1，...，rnR)，以及 從所述RF信號中產(chǎn)生(10)多個接收信號，每個所述接收信號將被解調(diào)(20a，20b)以恢復所述多個信息流之一，其中，作為被應用(12，124a，124b)了相對RF相移權(quán)重(W)的所述RF信號(r1，...，rnR)的組合(14，14a，14b)，產(chǎn)生(10)所述接收信號。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，包括從所述一組接收天線中的所有接收天線(A1,...， AJ得到相應的RF信號(Γι，...，rnE)的步驟。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，包括下述步驟-在所述RF信號(r1; ···,!·』中，選擇(122,122a, 122b, 122c, 122d)不同的多組所述 RF 信號(rA，rB, rc, rD)，以及-作為被應用(12，124a，124b) 了相對RF相移權(quán)重(W)的所述不同的多組所述RF信號 (rA, rB, rc, rD)中的RF信號的組合(14a，14b)，產(chǎn)生(10)所述接收信號。
4.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述不同的多組所述RF信號(rA，rB，re，rD)均包 括相應的一組RF信號，從而每個所述RF信號只包括在所述多組RF信號的一組RF信號中。
5.按照前述任意權(quán)利要求所述的方法，包括下述步驟-為所述RF信號生成(30)至少一個代表所述RF信號的質(zhì)量的非RF無線電性能指示 符，以及-根據(jù)所述至少一個非RF無線電性能指示符，生成所述RF相移權(quán)重(W)。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述至少一個無線電性能指示符選自接收信號 強度指示符(RSSI)、分組差錯率(PER)、信號與干擾加噪聲比(SINR)、MAC吞吐量(T)和采 用的傳輸模式(TM)、以及它們的組合。
7.按照前述任意權(quán)利要求所述的方法，其中，所述接收天線(A1,...，AnE)的數(shù)量(ηκ) 大于所述信息流的數(shù)量。
8.一種用于經(jīng)由一組接收天線(A1, ...，ΑηΕ)來接收多個信息流的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括_從所述一組接收天線(A1,. ..,AJ的至少一個子集得到相應的RF信號Ον...，!^) 的連接裝置(122 ；122a, ... , 122d)，以及-從所述RF信號中產(chǎn)生多個接收信號的處理裝置(124a，14a ；124b, 14b)，每個所述接 收信號將被解調(diào)(20a，20b)以恢復所述多個信息流之一，其中，所述處理裝置(124a，14a; 124b，14b)包括RF組合網(wǎng)絡，所述RF組合網(wǎng)絡用于 作為被應用(12，124a, 124b) 了相對RF相移權(quán)重(W)的所述RF信號(巧，...，rj的組合 (14，14a, 14b)，產(chǎn)生所述接收信號。
9.按照權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，包括被配置成從所述一組接收天線中的所有接收天線 (A1, ...，AJ 得到相應的 RF 信號(Γι，...，rnE)的所述連接裝置(122，122a, 122b，122c, 122d)。
10.按照權(quán)利要求8或9所述的系統(tǒng)，其中，所述連接裝置(122，122a，122b，122c，122d)被配置成在所述RF信號(Γι，...，rnK)中選擇不同的多組所述RF信號(rA, rB, rc, rD), 并且所述處理裝置(124a，14a ;124b，14b)包括RF組合網(wǎng)絡，所述RF組合網(wǎng)絡用于作為被 應用(12，124a，124b) 了相對RF相移權(quán)重(W)的所述不同的多組所述RF信號(rA, rB, rc, rD)中的RF信號的組合(14a，14b)，產(chǎn)生所述接收信號。
11.按照權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述連接裝置(122，122a,122b，122c, 122d)被 配置成選擇所述不同的多組所述RF信號(rA，rB, rc, rD)，以分別包括相應的一組RF信號， 從而每個所述RF信號只包括在所述多組RF信號的一組RF信號中。
12.按照權(quán)利要求8-11任意之一所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)被配置成-為所述RF信號生成(30)至少一個代表所述RF信號的質(zhì)量的非RF無線電性能指示 符，以及-根據(jù)所述至少一個非RF無線電性能指示符，生成所述RF相移權(quán)重(W)。
13.按照權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個無線電性能指示符選自接收信 號強度指示符(RSSI)、分組差錯率(PER)、信號與干擾加噪聲比(SINR)、MAC吞吐量(T)和 采用的傳輸模式(TM)、以及它們的組合。
14.按照權(quán)利要求8-13任意之一所述的系統(tǒng)，其中，所述連接裝置(122;122a，...， 122d)包括數(shù)量與所述接收天線(A1, ...，AJ的數(shù)量相等的輸入端，并且所述處理裝置 (124a, 14a ；124b, 14b)包括數(shù)量與所述信息流相等的輸出端。
15.按照權(quán)利要求8-14任意之一所述的系統(tǒng)，其中，所述處理裝置包括對所述RF信號 (ri; . . .，rj之一應用相應的RF相移權(quán)重(W)的至少一個RF延遲線(54-58)。
16.按照權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述處理裝置包括-用于所述RF信號(r1; ...，rj的所述相應一個RF信號的至少兩個傳播路徑 (52-58)，其中，所述傳播路徑(52-58)中的至少一個包括一個所述延遲線(54-58)，以及-相關(guān)聯(lián)的開關(guān)元件(SW1-SW6)，用于有選擇地把所述RF信號(Γι，. . .，rj中的所述 相應一個RF信號導引到所述至少兩個傳播路徑(52-58)。
17.按照權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述至少兩個傳播路徑(52-58)中的一個傳播 路徑(52)免除延遲線(54-58)。
18.—種包括按照權(quán)利要求8-17任意之一所述的無線通信系統(tǒng)的無線局域網(wǎng)設備。
19.一種包括按照權(quán)利要求8-17任意之一所述的無線通信系統(tǒng)的高速下行鏈路分組 接入設備。
全文摘要
在諸如用在例如WLAN或HSDPA設備中的按照空間多路復用(SM)模式工作的多入多出(MIMO)系統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，經(jīng)由一組接收天線(A1，...，AnR)，通過下述步驟來接收多個信息流從至少一些，并且有可能全部的接收天線(A1，...，AnR)得到相應的RF信號(r1，...，rnR)，并從這樣得到的RF信號中產(chǎn)生多個接收信號，每個所述接收信號將被解調(diào)(20a，20b)以恢復發(fā)送的信息流之一。作為被應用(12，124a，124b)了相對RF相移權(quán)重(W)的RF信號(r1，...，rnR)的組合(14，14a，14b)，產(chǎn)生所述接收信號。
文檔編號H04B7/04GK101926101SQ200780102231
公開日2010年12月22日 申請日期2007年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者A·拉斯托, B·麥利斯, L·博利, M·福德瑞尼, V·達米科 申請人:意大利電信股份公司;皮雷利&C.有限公司