CN100438214C - 提高多输入多输出无线信道内强本征模式数量的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于实现具有高吞吐量的高容量MIMO系统的系统，它将在与环境几乎无关的情况下确保本征模式增强信道。在常规的MIMO系统中，如果存在很低的角度分集，环境将大大降低理论上可实现的吞吐量。该系统包括一个散射构件，用于散射由天线阵列所发射的波束，以在接收机上提供很好的角度分集，因而在所有的环境下提供很好的吞吐量。此外，所述散射构件是可控制的以允许改变其特性，进而改变所产生的本征模式，从而使系统效率最大化。

Description

提高多输入多输出无线信道内强本征模式数量的方法和设备

技术领域

本发明涉及通信系统，尤其涉及使用多输入多输出(MIMO)无线电信道通信方法的系统。

背景技术

常规的通信系统依靠单天线发射机和单天线接收机系统。然而，这种系统的容量对于接收信号的给定带宽和信噪比根本上是有限的。在接收机和发射机上使用多个天线(MIMO)使系统扩展到空间域，根本上提高了其容量。因此，可以设计出一个具有更大的潜在吞吐量的系统。包括相同数量的发射和接收天线的系统的固有容量几乎线性地正比于天线的数量。通过使用可通过信号处理在接收机上分离的独立空间传播模式来重复使用同一时间/频谱信道，可以实现上述目的。因此，这样的无线电系统变得日益重要。

然而，天线数量和基本容量之间的线性关系是过度简化的。实际上，为了实现这样的潜在容量，接收机承担分离干扰空间子信道的任务。这要求接收机确定可以求解的独立方程式的足够数量以分离空间子信道。使用当前的系统，这要求存在多个独特的空间传播模式，称作本征模式，它们连接发射机和接收机。如果强本征模式的数量低于发射(或接收)单元的数量，则降低了系统的潜在容量。

当存在连接发射机和接收机的具有大角度分离的大量射线时，一条信道包含大量的空间本征模式。当大量的散射体，即导致所发射的信号散射的物体，位于天线附近时，出现上述情况。图1图示当角度分集很小时，6×8MIMO信道的未编码BLAST(贝尔实验室分层空间-时间)结构的性能是如何降低的(误比特率(BER)增加)。使用宽检测静止不相关散射(WSSUS)信道模型获得这些结果。本发明的一个目的是降低这两种极端情况之间的性能差别。

可以使用数字波束成形来提高信号的空间分离(或者提高接收阵列的角度接受性)。然而，这种系统需要复杂的数字处理电子电路，用于在将信号馈送给天线阵列以传输之前调节这些信号。

使用当前的MIMO系统，存在这样一个风险，即在不能建立足够强本征模式以支持多路复用的空间子信道的给定环境下，不能实现潜在的吞吐量。因此，存在这样一个风险，即这样一个系统的性能可能还比不上单天线系统，甚至更差。因此，在多天线系统内的大量投资可能不会带来任何回报。

发明内容

因此，根据本发明，提供一种收发信机，包括：一个包含多个天线的天线阵列和一个与天线相联以从天线接收信号的散射构件。本发明还提供一种收发信机，包括：一个包含多个天线的天线阵列；和一个与天线相联以接收输入信号并将其传给天线阵列的散射构件。

所述散射构件使来自发射天线阵列的信号散射以在接收机上提供很好的角度分集。类似地，在接收机处也可以使用一个散射构件以提高接收阵列的角度接受性。潜在地，在不负面影响功率吞吐量的情况下，这可以提供每条子信道之间很好的去相关性。

优选地，本发明包括一个或多个散射或波导结构，可以动态地予以调整以改变在发射机和接收机之间建立的本征模式。这样，通过为了建立更强的本征模式而改变散射，可以提高吞吐量。优选地，收发信机包括一个用于控制散射构件的控制器。理想地，控制器接收来自接收机的信息反馈以确定是否和如何调整散射构件。

散射构件可以通过多种方式来实现来自天线的波束的散射，所述方式例如包括衍射、反射、散射、折射或其组合。

在一种实施例中，可以将所述散射构件实施为用于衍射波束的衍射光栅。这可以通过在一片材料内形成的一系列缝隙来实现，其中所述缝隙具有与缝隙之间的间隔不同的折射率或者吸收系数。这些缝隙在距离或形状上最好是可调整的以提供调整功能。有益地，可以串联使用两个或更多个衍射光栅以提供对衍射处理进一步的控制。其中的一个或多个衍射光栅可以是可调整的。

本发明还提供一种散射由一个天线阵列生成的信号的方法，该方法包括：在天线和接收机之间插入一个散射构件以散射通过天线生成的波束，接收与在天线和接收机之间建立的本征模式的强度有关的反馈信息；和调整散射构件以改变由天线生成的波束的散射。

本发明依靠具有发射机和接收机之间的不同路径或本征模式的重要性。这与多径问题通常被避免的传统单天线系统相反。

通过搜索出在任一给定环境下存在的最佳传播模式，本发明提供了一种提供高容量的系统。在不需要诸如用于数字或模拟波束成形的复杂而昂贵的电路的情况下，实现了这一目的。与之相反地，本发明使用简单的结构，它与主天线分离从而提供更大的优化自由度，以在与本地环境无关的情况下提供本征模式增强信道。这将允许包含更简单安装的更低成本的系统，因为安装者不需要过于关注无线电环境进而接入点的位置。

本发明的配置还允许三维封装天线的可能性。

附图说明

现在将参考附图更加详细地描述本发明，在附图中：

图1图示角度分集对未解码BLAST系统性能的影响；和

图2图示本发明的通信系统的示意实施例。

具体实施方式

图2示意性地图示本发明一种实施例的结构。尽管该系统是双向系统，但是下述描述将仅仅集中于在一个方向上的通信，左侧的收发信机10用作发射机，而右侧上的收发信机20用作接收机。图2图示了靠近天线12的阵列设置的散射构件13。接收机处未图示散射构件，但是如果需要的话也可以提供，尽管这不是必需的。

在实际的环境中，例如在一间办公室内，接入点(AP)通常位于便利位置上以避免给用户带来不便。通常将其安装在天花板上。相反，终端尤其是移动终端通常位于办公室的日常物体之间。因此，终端通常被散射体所环绕，信号分集将是足够的。相反，AP远离任何散射体，所以由其发射的信号可能不会遇到其附近的散射体。在这个例子中，本发明可以应用于AP以改善角度空间分集，从而实现更接近理论最大信道容量的吞吐量。使用这个例子，用发射机10表示AP，用接收机20表示移动终端。

在使用时，发射机处理将要发射的信号，并将其划分成准备由相应的天线12发射的多个子信道。将信号馈送给阵列的天线12以发射该信号。在这个实施例中的散射构件13是衍射光栅，尽管也可以使用导致入射信号散射的其他任何结构。这些信号射到衍射光栅上导致散射。这种散射可以被控制以将能量耦合到此信道所支持的最强空间本征模式中。

在图2中，将衍射光栅图示为单体结构。该光栅可以是单体结构，或者可以由多个分立光栅构成。天线阵列12可以采用许多不同的几何结构，例如线形的、平面的或者圆形的，可以将光栅构造成围绕天线的结构。如上面所指出的，所述光栅可以包括规则的周期性结构或者可以具有更复杂的结构以使入射能量按设计方式衍射(例如标称相等强度的若干衍射等级)。如图2所示，散射构件靠近天线阵列(但是距其也足够远以便位于天线的远场中)。在提供便利封装方面，这实际上很方便。这样，在方便接合的外壳内，该结构可以靠近天线阵列模块。

使用这个实施例的位于接收天线模块孔径处的发射衍射光栅来将入射波束划分成将具有角度分集的若干衍射等级。可以使用第二光栅以进一步地分散入射波束，以便从接收机天线振子的角度来看，入射波束是从位于接收机周围的若干虚拟信源点发出的。

一旦来自天线的发射信号已经通过散射构件，它们就被诸如移动终端的接收机处的天线22接收。接收机20解码所接收的信号以确定发射机和接收机之间所建立的本征模式的质量。然后，接收机可以将所确定的质量信息回送到发射机10。提取该质量信息，并使用它来调整散射构件。然后，控制器14接收此信息，并调整散射构件以修改光栅，从而改变所形成的本征模式。例如，可以物理地修改缝隙间隔和大小以实现本征模式的改变。

为了使吞吐量最大化，该系统必须建立具有很好的功率效率的本征模式。如果建立较弱的本征模式，则它们的不良功率发射将降低子信道的固有容量。此外，如果终端移动或者该环境内的物体移动，则传输路径可能会明显改变，所以在所建立的本征模式上的动态控制有助于克服这一缺点。这样，从接收机反馈回来的信号允许调整散射构件以建立具有很高基本容量的强本征模式。通过监视所接收的信号和从接收机反馈信息，控制器14可以调整所建立的模式以维持很高的吞吐量。

如上面所指出的，可以使用第二衍射光栅以进一步增强通过它的信号的角度分集。然而，也可以进一步使用三个或更多个光栅。为了调整系统所形成的本征模式，这些光栅中的一个或多个可以是可调整的，以允许提高灵活性。此外，可以将散射构件划分成多个分立部分，每个都是单独可调整的。

上述实施例使用衍射光栅以提高通过它的信号的角度分集。然而，本发明同样可应用于使用其它的散射单元的情况，所述散射单元反射、折射、衍射或散射入射波束。此外，也可以使用设备组合来打乱入射辐射。

已经针对主要在一个方向上的传输描述了上述实施例。然而，本系统完全能够在单元20向单元10发射的情况下相反地操作。信号以类似的方式射到散射构件上，虽然来自天线22，但是依然提供相同的效果，使得天线12将发射天线“视为”分离的虚拟信源。如上面所指出的，反馈信息将被提供给具有散射构件的收发信机以允许动态调整。此外，如果两个收发信机都提供了散射构件，则可以在两个方向上传送反馈信息。

还可以使用本发明来克服干扰。如果一个干扰源在影响一个子信道的接收，则可以调整散射构件以修改本征模式，从而避免使用受干扰影响的子信道。这样，可以由接收机拒绝干扰信号。

已经主要针对提供靠近发射天线阵列的散射构件描述了本发明。然而，本发明的原理也可以应用于靠近接收天线提供散射构件的情况。这样，当信号离开发射机结构时并不提供角度分集，但散射构件有效地定义了接收机的角度分集接收路径。这确保了从发射机接收到的信号是角度分集的，因此提高了系统容量。

在这种配置中，可以以类似的方式控制散射构件以优化发射机和接收机之间的本征模式。

Claims (24)

1.一种多输入多输出收发信机，包括：

一个包含多个天线的天线阵列；

一个与所述多个天线相联的散射构件，用来从所述多个天线接收信号，并增加与所述收发信机相联的角度分集；和

一个控制器，用来控制该散射构件以修改在该收发信机和一个接收机之间形成的本征模式。

2.根据权利要求1的收发信机，其中所述散射构件是一个无源构件。

3.根据权利要求1的收发信机，其中所述散射构件的散射特性能够被外部调整。

4.根据权利要求1的收发信机，其中所述散射构件通过衍射、反射和折射中至少之一来散射入射信号。

5.根据权利要求4的收发信机，其中所述散射构件通过使用波导来散射入射信号。

6.根据权利要求1的收发信机，其中所述散射构件是一个衍射光栅。

7.根据权利要求1的收发信机，其中所述散射构件包括一个或多个散射单元，每个散射单元与一个或多个所述天线相联。

8.一种多输入多输出收发信机，包括：

一个包含多个天线的天线阵列；

一个与所述多个天线相联的散射构件，用来从所述多个天线接收信号，并增加与所述收发信机相联的角度分集；和

一个控制器，用来从一个接收机接收反馈信息，并使用该反馈信息来控制所述散射构件。

9.一种与第二收发信机一起使用的第一收发信机，所述第二收发信机包括一个具有多个天线的第二收发信机天线阵列和一个与所述第二收发信机天线阵列相联以接收来自所述第二收发信机天线阵列的信号的散射构件，所述第一收发信机包括：

一个包括多个天线的第一收发信机天线阵列；

反馈装置，用于生成与由该第一收发信机天线阵列接收的信号的特性有关的反馈信息；和

发射装置，用于将所述反馈信息发送给所述第二收发信机以调整所述散射构件。

10.一种通信系统，包括第一收发信机和第二收发信机，第二收发信机包括：

包括多个天线的第二收发信机天线阵列；

一个与所述第二收发信机天线阵列相联用于从所述第二收发信机天线阵列接收信号的散射构件；和

一个用于控制所述散射构件的控制器，以及

第一收发信机包括：

包括多个天线的第一收发信机天线阵列；

用于生成与由第一收发信机天线阵列接收的信号的特性有关的反馈信息的反馈装置；和

用于将所述反馈信息发送给所述第二收发信机以调整所述散射构件的发射装置。

11.一种通信系统，包括根据权利要求1的收发信机。

12.一种散射由天线的阵列生成的信号的方法，该方法包括：

在所述天线和接收机之间插入一个散射构件以散射由所述天线生成的波束；

接收与在所述天线和接收机之间建立的本征模式的强度有关的反馈信息；和

使用该反馈信息来调整所述散射构件以改变由所述天线生成的波束的散射。

13.根据权利要求12的方法，其中所述散射构件是一个无源构件。

14.根据权利要求12的方法，其中所述散射构件通过衍射、反射和折射中至少之一来散射入射信号。

15.根据权利要求12的方法，其中所述散射构件是一个衍射光栅。

16.根据权利要求12的方法，其中所述散射构件包括一个或多个散射单元，每个散射单元与一个或多个所述天线相联。

17.一种多输入多输出收发信机，包括：

一个包括多个天线的天线阵列；

一个与所述多个天线相联的散射构件，用来接收输入信号并将其转发给所述天线阵列，以及增加与所述收发信机相联的角度分集；和

一个控制器，用来控制该散射构件以修改在该收发信机和一个发射机之间形成的本征模式。

18.根据权利要求17的收发信机，其中所述散射构件是一个无源构件。

19.根据权利要求17的收发信机，其中所述散射构件的散射特性能够被外部调整。

20.根据权利要求17的收发信机，其中所述散射构件通过衍射、反射和折射中至少之一来散射入射信号。

21.根据权利要求20的收发信机，其中所述散射构件通过使用波导来散射入射信号。

22.根据权利要求17的收发信机，其中所述散射构件是一个衍射光栅。

23.根据权利要求17的收发信机，其中所述散射构件包括一个或多个散射单元，每个散射单元与一个或多个所述天线相联。

24.一种多输入多输出收发信机，包括：

一个包括多个天线的天线阵列；

一个与所述多个天线相联的散射构件，用来接收输入信号并将其转发给所述天线阵列，以及增加与所述收发信机相联的角度分集；和

一个控制器，用来分析所述输入信号，并使用分析结果来控制所述散射构件。

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