CN101160730A - 用于导引无线通信的定向天线的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本说明书描述了在无线通信系统中确定定向天线的最佳天线位置的装置和方法。无线网络部件(300)采用定向波束转换天线和转向度量计算系统来确定最佳天线位置。数据收发器(302)提供表示信噪比(SNR312)，包错误率(PER310)和数据速率指标(K314)的输出。使用输入控制(CTL316)在训练周期期间控制各种收发器参数。收发器(302)与波束转向子系统(304)有从动(接收数据时)和驱动(发送数据时)连接，波束转向子系统是一个信号分析子系统，它输出一组多个信号。通过计算多个可能天线位置的转向度量值来确定最佳天线位置，并选择具有最高转向度量值的天线位置作为最佳天线位置。

Description

用于导引无线通信的定向天线的系统和方法

技术领域

【0001】本公开一般涉及无线数据通信；且更具体地讲，涉及使用波束转换或其它定向天线技术的无线数据通信系统，以及涉及转向度量(steering metric，SM)的计算，以能够最优化天线位置(天线指向方向)。

背景技术

【0002】无线通信数据系统可以在两个或多于两个网络部件之间进行数据传送。一个例子是无线局域网(WLAN)系统，其广泛应用于基于IEEE标准802.11x(数据速率为6-54兆比特每秒Mbps)将家庭或办公室中的网络部件连接起来。对于一定的发送功率(通常由法律限制)，无线系统的工作范围一般随着数据速率的增大而减小。一般的无线网络部件(诸如WLAN接入点(AP))采用全向天线来接收和发送数据，原因是网络部件一般不了解需要无线连接的其它网络部件的方位。

【0003】定向天线通过将发送或接收的能量集中到一个较窄的波束上而具有使增益增大并由此扩大通信范围的期望特性。使用许多已知的方法来产生这种定向波束，包括转换天线，天线单元的相控阵列及其它方法。一种这样的方法被称为波束转换天线。波束转换天线具有多个通常相同的波束，每个波束覆盖的角范围是360度的一部分，并且波束转换天线被定向以在不同的方向引导波束能量。例如，6波束天线有6个约60度宽的波束，每个波束的方向一般与另一波束相隔60度，以覆盖整个360度。与全向天线相比，这种天线提供了提高的增益，并且发送和接收范围扩大。

【0004】将这种定向天线应用在无线数据通信系统中一般要求有确定最佳天线位置的自动化装置，以用于在指定时刻与其它网络部件进行通信。“天线位置”指的是定向波束的角位置或全向模式。一般，要尝试许多个给定天线位置中的每一个位置，以确定哪个位置的效果最好。每次尝试都评价直接或间接地表示数据质量的参数，并将每个位置的结果进行比较以确定用于通信的最佳位置。一种广泛使用的这类参数是所接收的信号强度指示(RSSI)，其一般可作为模拟或数字数据从网络部件接收器中的自动增益控制(AGC)电路获得。

【0005】在较低的数据速率，以及/或者在具有最少多路径的环境中，使用RSSI来确定最佳天线位置可能是非常有效的。当天线位置变化时，确定RSSI通常比确定包错误率(PER)更简单和更快捷。这样，通过在低数据速率下使用RSSI减少了训练时间和数据开销。

【0006】然而，在较高的数据速率下，与RSSI相比，多路径更多地影响所接收数据的质量(由包错误率PER度量)。使用具有比峰值低的RSSI的天线位置，PER可能明显更好。许多无线通信系统支持变化范围大的数据速率。例如，WLAN标准802.11g提供范围一般为6-54Mbps的数据速率。在不利的传输路径条件(长距离，高多路径(highmulti-path)，来自其它网络部件的干扰)下使用比较低的速率，而在较好的条件下使用比较高的速率。在如此宽范围的带宽上仅使用PER或RSSI来确定最佳天线位置不是最优的。因此，需要一种在使用定向天线无线通信系统时有效优化天线定位的系统和方法，它使开销(不直接携带用户信息的数据位)最少并且与传统使用的方法和系统相比，训练时间相对较短。

发明内容

【0007】本申请描述了一种通过计算在多个天线位置中每一个位置的转向度量(SM)，确定无线通信系统中定向天线的最佳天线位置(指向角和/或方位角和/或倾斜角)的系统和方法。该转向度量是接收器增益G(间接测量RSSI)，包错误率(PER)和经验得出的常数的函数。然后选择具有最高转向度量值的天线位置作为最佳位置使用。所述方法即使在变化范围大的数据速率下也能改善天线位置的优化。而且，确定最佳天线位置所需的数据开销(训练位)减少。

附图描述

【0008】图1是示例性的现有技术WLAN系统的典型的范围与数据速率图。

【0009】图2是示例性的现有技术WLAN系统的全向和定向天线的天线增益的极座标图。

【0010】图3是采用定向波束转换天线和转向度量计算系统来确定最佳天线位置的无线网络部件的方块图。

具体实施方式

【0011】图1是典型802.11 WLAN系统中已知的数据速率和范围之间的一般关系图。垂直轴102表示数据速率，单位为Mbps(兆比特每秒)；水平轴104表示相对距离的无量纲度量值。所达到的实际距离依赖于除数据速率以外的许多因素，诸如发送功率，路径上遇到的阻碍，干扰信号和多路径的量和特性。图110表明在最高数据速率(数据点106)的范围不到在最低数据速率(数据点108)的范围的1/3。

【0012】图2图解说明了已知技术的全向天线和定向天线的天线增益的极座标图。从增益的中心到极座标图的向量的长度表示作为角位置的函数的天线增益。全向天线的响应图204在整个360度范围内的任何方位角212的增益相等。定向天线的图206表明天线增益在0度方位210为峰值，在180度时为零202。当方位角在0度和180度之间变化时，中间的方位值的增益减小。示例的定向天线的增益等于全向天线在大约60度的方位角时的增益，如交点208所示。在0度方位角时，与全向天线相比，具有60度波束宽度的定向天线具有大约为4dBi的增益。该增加的增益抵消了在高数据速率时范围的减小(图1可见)。

【0013】图3是采用定向波束转换天线和转向度量计算系统来确定最佳天线位置的无线网络部件300的方块图。数据收发器302包括数据发送器和数据接收器。数据收发器302的输出表示成SNR 312、PER 310和数据速率指标K 314。输入控制CTL 316在训练周期期间用来控制各种收发器参数。收发器302通过连接330具有与波束转向子系统304的从动(接收数据时)和驱动(发送数据时)连接。波束转向子系统304是一个信号定相子系统，它输出独特的一组多个信号。

【0014】在此例子中，波束转向子系统304输出三个信号324，326和328，除了三个输出信号在幅度和相位上有变化之外，它们基本上与从收发器302接收到的输入信号相同。这三个可变幅度和相位的信号与多个天线单元318、320和322有驱动和从动连接，多个天线单元排列成这样的模式以根据波束转向子系统304提供的相位和幅度变化使定向波束产生。施加给每个信号的相位偏移和幅度变化的量是由总线332上的转向控制数据控制的，这个数据是由转向度量计算机308生成的。转向度量计算机308可以是任何被配置成执行转向度量算法的计算机。本领域技术人员会认识到转向度量计算机308和波束转向单元304可以是集成的单元。而且，无线网络部件300的各个单元可以被配置在单个集成单元中。例如，收发器302可以是转向度量计算机中的集成收发器，且转向度量计算机308可以包括用于波束转向单元304的位置控制机构。

【0015】来自转向度量计算机308的转向控制信号一般是N位的数字字，提供达2^N个可选择的天线位置(方向)，包括全向。转向度量计算机308与收发器302的RSSI输出312、PER输出310和数据速率指标K 314有从动连接。在训练周期期间，转向度量计算机308单步调试多个转向控制输出，扫描天线波束通过期望的圆周或一部分圆周。对于每个天线位置，转向度量计算机308根据以下的转向度量(SM)算法，在每个数据速率指标k处理来自收发器302的这三个信号RSSI、PER和数据速率指标K：

SM(k)＝(1-C(k))*(0.5-PER(k))+[C(k)*(G(k)-meanG)]/sigmaG其中：

C(k)＝根据速率所施加的权重，该权重随着速率的增加而减小，以使得在较高的数据速率更侧重于PER；

PER(k)＝根据到计划站的数据发送估计的PER；

G(k)＝在接收站在应答中接收由该站发送给AP的数据时所施加的增益衰减，增益衰减正比于所接收信号的强度；

meanG＝根据来自在各个数据速率下采集的数据的经验数据确定的增益统计量的恒定平均值，和

sigmaG＝根据来自在各个数据速率下采集的数据的经验数据确定的增益统计量的标准差。

【0016】如下文进一步描述的，所公开的转向度量算法提供了目前现有技术还不具备的期望特性的组合(包括在变化范围大的数据速率下天线位置的更优选择)和开销的减小，以支持该选择过程。

【0017】分析SM(k)等式会产生对系统运行的深入认识。C(k)值的范围一般大于0小于1，低C(k)对应于高数据速率，高C(k)对应于低数据速率。例如，对于有代表性的802.11g系统，考虑8个数据速率，以及一般对应的C(k)和1-C(k)：

k：  速率：    C(k)：1-C(k)：

1    6Mbps     .8    .2

2    8Mbps     .7    .3

3    11Mbps    .6    .4

4    15Mbps    .5    .5

5    21Mbps    .4    .6

6    29Mbps    .3    .7

7    40Mbps    .2    .8

8    54Mbps    .1    .9

【0018】分析等式SM(k)，显然在低数据速率，1-C(k)项是低的，最小化了项(1-C(k))*(0.5-PER(k))，并因此使PER对SM(k)的影响最小。相反，在高数据速率，C(k)项是低的，最小化了项C(k)*(G(k)-meanG)/sigmaG，并因此最小化了所接收信号强度(RSSI)的影响。

【0019]在该优选的实施例中，PER(k)被标准化(或归一化)为近似0～1之间变化，使得项I.)的范围在整个C(k)范围上大致为-0.5～+0.5。同样，项ii.)中的(G(k)-meanG)/sigmaG一般在-1～+1范围上变化，使项ii.)也在约-1～1间变化。

【0020】这个标准化的结果是在0.5的标称PER和meanG的标称G时，两项全为零。当PER向零偏离时(较好的数据质量)，项i.)增大。因此，在高数据速率，项i.)占主导，使PER主导SM(k)值。当增益G增大时(表明信号和SNR增大，较好的数据质量)，项ii.)增大。因此在低数据速率，项ii.)占主导，使SNR主导SM(k)值。可以修改在各种数据速率下C(k)的选择，以修改SM(k)函数的状态。同样，也可以修改基于经验数据的恒定meanG和sigmaG的选择，以修改SM(k)函数的状态。

【0021】每个天线位置(包括全向位置)的转向度量(SM)值被存储，以和在训练扫描过程中生成的所有其它值进行比较。当扫描结束时，一个或多于一个的存储SM值一般较其它值大，这表明是一个或多个最佳的天线位置。适于选择该最佳位置的控制数据332然后输出到波束转向单元304。

【0022]如果在训练扫描完成时，SM变化很小或没有变化，则确定哪个天线位置是最佳的可能很困难或不可能。在这种情况下，控制信号CTL316由转向度量计算机308生成，并驱动收发器302，命令其在新的训练扫描前修改一个或多于一个参数。可调参数包括，但不局限于数据速率和发送功率。例如，在高数据速率下，PER对SM有最大的影响。如果第一次扫描发现PER变化很小或没有变化，则一个网络部件的发送功率被减小，以将PER增大到一个期望的水平。在此修改过的功率等级下的扫描现在会显示在一个天线位置的SM峰值。可替代地，功率等级也可以不变，而增大数据速率直到PER增加足够大为止。

【0023]在低数据速率下，由G度量的RSSI对SM有最大的影响。如果第一次扫描表明G变化很小，或没有变化，则减小一个网络部件的发送功率以将RSSI降低到一个期望的水平。在此修改过的功率等级下的扫描现在一般会显示在一个天线位置的SM峰值。在调整功率等级或数据速率的过程中，一般使用全向天线位置，将PER或RSSI移动到合适的目标值。如果所选择的目标值略小于最佳值，则除了全向之外的多个天线位置中的一个位置一般会导致PER或RSSI的峰值。一旦已知该最佳天线位置，则可以再次调整功率等级或数据速率以在训练之后增加系统裕度。

【0024】本发明涉及领域的技术人员会认识到还可以对描述的实施例进行其它的替代和修改，而不偏离权利要求所述的本发明的范围。

Claims (5)

1.一种确定无线通信系统中定向天线的最佳天线位置的方法，其包括：

在每个数据速率指标(k)，计算所述定向天线的多个可能的波束位置的转向度量值SM(k)；和

为所述定向天线选择所述多个可能的天线位置中具有最高转向度量值的那个天线位置，其中所述转向度量值SM(k)由下式确定：SM(k)＝(1-C(k))*(0.5-PER(k))+[C(k)*(G(k)-meanG)]/sigmaG

其中：

k＝所述无线通信信道的数据速率指标，

C(k)＝根据所述无线通信信道的数据速率施加的权重，

PER(k)＝所述无线通信信道的估计的包错误率，

G(k)＝在所述无线通信信道上接收应答包的过程中施加的增益衰减，

meanG＝根据来自各种数据速率下采集的数据中的经验数据确定的G(k)的恒定平均值，和

sigmaG＝根据来自各种数据速率下采集的数据中的经验数据确定的G(k)的标准差。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述最佳天线位置是所述多个天线位置中具有所述最高转向度量值的那一个位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述包错误率PER、所接收的信号强度指示RSSI以及所述数据速率指标k是由收发器确定的，该收发器被配置成接收来自所述无线通信信道的数据。

4.一种确定无线通信系统中定向天线的最佳天线位置的装置，其包括：

收发器；

耦连到所述收发器的波束转向单元；和

耦连到所述收发器的转向度量计算单元，其中所述转向度量计算单元被配置成在每个数据速率指标(k)计算所述定向天线的多个可能的天线位置的转向度量值SM(k)；和

为所述定向天线选择所述多个可能的天线位置中具有最高转向度量值的那个天线位置，其中所述转向度量值SM(k)由下式确定：SM(k)＝(1-C(k))*(0.5-PER(k))+[C(k)*(G(k)-meanG)]/sigmaG

其中：

k＝所述无线通信信道的数据速率指标，

C(k)＝根据所述无线通信信道的数据速率施加的权重，

PER(k)＝所述无线通信信道的估计的包错误率，

G(k)＝在所述无线通信信道上接收应答包的过程中施加的增益衰减，

meanG＝根据来自各种数据速率下采集的数据的经验数据确定的G(k)的恒定平均值，和

sigmaG＝根据来自各种数据速率下采集的数据的经验数据确定的G(k)的标准差。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述收发器、所述波束转向单元和所述转向度量计算单元被集成到单个单元中。

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