CN101375522A - 形成、操控、选择方位角及仰角中的波束路径 - Google Patents

形成、操控、选择方位角及仰角中的波束路径 Download PDF

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Abstract

一种开发射频物理环境来建立可促进通信的射频传播可用多路径足够数量的无线通信方法。该方法是在包含至少一发射器及至少一接收器的无线通信系统中实施。接收器的天线是被引导朝向数个接收路径之一,并经由接收器天线被引导朝向的该接收路径而接收来自发射器的数据流。接收器译码该数据流、重建该译码数据流的一调制场型,及从由接收器经由接收路径所接收的所有信号总和撷取该重建数据流。接收器是提供与接收路径相关的接收信号方向信息给发射器。发射器是以该接收信号方向信息为基础,来调整及/或消除不可用的一个或多个接收路径。

Description

形成、操控、选择方位角和仰角中的波束路径
技术领域
本发明是有关包含一发射器及一接收器的无线通信系统。更特别是,本发明是有关形成,操控及选择性接收可用波束路径。
背景技术
射频(RF)通信中的多路径涉及发射器及接收器间的射频传播多路径的存在。当路径包含相同数据但彼此时间相隔时的情况中,最终接收可能具有破坏性。然而,具有实际预期具有多路径的情况。这些例中,各路径可运载不同数据流。此技术被称为分层空间方法,或位于多输入及多输出(MIMO)通信系统较广项目下。若发射器及接收器可使用各路径,则该两者间的链路有效数据频宽是可通过若干唯一可用路径来增加。
一问题是没有足够固有路径或存在具有可识别特性的路径可供开发被完全使用的发射器及接收器性能。先前技术开发发射器的仰角变量特性。此路径因缺乏干预物理障碍而不能一直分散信号。即使当此选择可用,其亦不能提供全全利用发射器及接收器的足够路径。
图3描绘包含发射器305及接收器310的先前技术无线通信系统300。发射器305经由仰角天线场型来形成多路径(也就是第一路径315及附加路径320)。然而,发射器305所形成的附加路径320通过引导光束朝向地面325来形成。
传统无线通信系统因非多输入及多输出目的而使用光束形成。因此,通过光束形成及多输入及多输出开发射频物理环境来提供足够路径数量的方法及装置被预期。
发明内容
本发明是有关开发射频物理环境来建立可促进通信的射频传播可用多路径足够数量的无线通信方法。该方法是被实施于包含至少一发射器及至少一接收器的无线通信系统中。接收器的天线是被引导朝向数个接收路径之一,并经由接收器天线被引导朝向的该接收路径接收来自发射器的数据流。接收器译码该数据流,重建该被译码数据流的调制场型,及从被接收器经由接收路径接收的所有信号总和撷取该被重建数据流。接收器是提供与接收路径相关的被接收信号方向信息给发射器(也就是接收器被配置来决定入射信号来自方向)。发射器以该被接收信号方向信息为基础来调整及/或消除不可用的一个或更多接收路径(也就是发射器被配置来引导波束零陷朝向被衰退的信号)。
附图说明
本发明可从以下较佳实施例说明及附图或得更详细了解,其中:
图1描绘说明名目定向的传统坐标系统;
图2促进图3、4及9至14所示三维情况清楚呈现及解释;
图3描绘经由传统无线通信系统实施的仰角所产生的多路径;
图4描绘经由依据本发明的方位角所产生的多路径;
图5描绘依据本发明一实施例具有被插在地面边缘上的射频抑制线圈的有限地面上的一天线(或天线阵列);
图6描绘将射频抑制线圈插在地面边缘上前后通过图6天线形成的一波束;
图7显示依据本发明一实施例包含馈送一圆环阵列的Shelton-Bulter矩阵,由此形成4端口She lton-Bulter矩阵馈送圆环阵列的一天线系统;
图8显示依据本发明另一实施例包含馈送一堆栈圆环阵列的一2尾堆栈Shelton-Bulter矩阵的一天线系统;
图9描绘依据本发明的视线及方位角路径;
图10描绘依据本发明的方位角及仰角使用;
图11描绘依据本发明的视线,方位角及仰角路径;
图12描绘依据本发明的仅具有天线孔径的视线,方位角及仰角;
图13描绘依据本发明的方位角机会;
图14描绘依据本发明的通用仰角机会;及
图15显示依据本发明另一实施例被配置的接收器例证框图。
具体实施方式
较佳实施例将参考图式做说明,其中遍及全文的相同数字是代表相同组件。
图1描绘被用于名目定向的坐标系统。本发明将以被调整用于使用图1坐标系统做说明的偏离定向来操作。例如,障碍物(如建筑)不能永远仅于Z方向呈现位移。倾斜,弯曲或不规则结构存在某程度上随机化本发明组件的定向,而产生反射及折射展开。然而,信号通常方向被保留足够影响本发明需要。
有点困难情楚呈现将被说明的三维情况。为了促进此需求,如图2所示,图3至10所示各情况的两图被呈现。仰角图是表示来自注视天线的地表视线。方位角图是表示来自向下注视地面的天线以上的视线。如图2所示,一维将永远被“压缩为页面”。另外,波束场型轮廓是近似波束实际轮廓,且代表相对孔径视线处的峰值的功率位准。较低程度凸角为了简化不被显示。同样地,经由某些障碍物反射,折射及传播期间,场型可能变成非常不规则且众多。
传统无线通信系统中,发射及接收天线场型被至多设立来提供发射器及接收器间的最大功率发射及接收。其最简单型式中,本发明使用发射器及接收器处的多天线波束形成组件。反射器可被放置于该组件之后以一般方向引导该全天线场型。本发明所使用的天线是具有波束形成发射器及接收器数组任一或两者的能力。本发明可开发波束操控方位角及仰角特征的可行性。其进一步开发可用时于发射器及接送器处的波束形成可行性。
图4描绘包含一发射器405及一接收器410的无线通信系统400。发射器405是依据本发明一实施例经由反射障碍物415的方位角天线场型形成至预期接收器410的多路径。发射器405是通过波束朝向仰角障碍物来形成附加路径。
例如,一平面中的波束可被侦测,而天线组件被用来产生正交平面中的各种波束场型。地面散射被控制或消除,而波束倾斜及下沉可变化。因此,依据本发明,发射器405所形成的波束可以任何预期仰角来指向,而传统发射器仅提供固定,实质水平波束。
如2004年10月18日提出申请的共同未决临时美国专利申请按序号第60/619,763号所揭示者,位于有限地面上的天线或多输入及多输出数组及地面放大切割图被显示于图5。连续射频抑制线圈505被放至于地面边缘(也就是缘)上。射频抑制线圈505是为一平行板波导,其可为具有两传导面的印刷电路板。射频抑制线圈505可包含被串联增加抑制效应的数个抑制线圈。射频抑制线圈505可被形成自任何其它类型发射线或配适地面边缘几何的突出组件同等物。图5所示分流器510可被形成自传导铆钉或同等物。分流器510及开口515间的距离决定波导开口处的阻抗。针对开口515处的有限阻抗,分流器510及开口515间的距离应为传播媒体中的四分之一波长。
使用射频抑制线圈505的结果被描绘于图6中,其中波束605使用规则地面以倾斜形成,而依据本发明使用具有射频抑制线圈505的地面被形成的波束610朝向水平再引导波束。
另一例中,以三维相等分解引导数个波束的更精密装置可依据本发明来使用。如2004年10月15日提出申请的共同未决临时美国专利申请按序号第60/619,223号所揭示者,使用馈送圆环阵列的Shelton-Bulter矩阵产生彼此隔离的隔离全方向性煎饼型波束。各模式的相位为抵达信号方向的特性。通过比较两模式相位,抵达方向信息可被导出。某些模式配对选择使抵达相位及角度间的线性关明确。其大大地简化随后的处理。
仰角中,振幅比较可被使用。完整仰角及方位角方向寻找系统因而可通过分享被接收即将到来波的单“位”来实施。包含振幅及相位信息的位或脉冲以振幅信息被仰角决定使用,而相位信息被方位角决定使用的方式来分享。
相同天线系统可不需诉诸独立系统而电子地及自动地于标的即将进入信号方向形成波束。此系统可提供足够增益来做无线应用。针对需较高增益的系统,透镜,反射器及电子控制寄生天线可被用来进一步增加方向性来满足该应用的需要。
单数组系统可被用于预期方向执行方向搜寻及自动波束形成。此系统可提供传统系统无法做到的360度实时方位角涵盖。
图7显示包含馈送一圆环阵列710的Shelton-Bulter矩阵705,藉此形成4端口Shelton-Bulter矩阵馈送圆环阵列的一天线系统700。所示端口715于上部连接至圆环阵列710的天线。端口720下部为模式端口。Shelton-Bulter矩阵705是包含可为线长度的数个混合及固定相移器。天线系统700是形成数个但分离正交全方向性煎饼型辐射场型。天线系统700形成数个可用正交全方向性模式。该正交性可保存各模式全长,其是与使用功率全部被用来形成一模式的功率分配器的传统模式形成相反。天线系统700的相位与抵达角度呈线性。线性简化及高精确度为天线系统700的乘积,藉此抵达信息角度被提供用于方位角及仰角。
仰角侦测需形成两新模式,一为总和模式而一为差分模式的两Shelton-Bulter矩阵705。总和模式对差分模式的比率是标示从孔径视线离开的角度。
为了于抵达信号方向形成波束,相位移动被插入总和及差分矩阵中来操控总和模式波束至仰角孔径视线。此总和模式可被当作通信波束。然而,方位角中的波束型状仍为全方向性。为了形成方位角中的方向性波束,方位角中所有模式均必须被校准。此需输出处的功率分配器,及该被分配分支中的相移器。方位角波束可使用快速Fourier转换来综合。相移器将驱动波束至所需方向。
图8显示包含馈送一堆栈圆环阵列810的一2尾堆栈Shelton-Bulter矩阵805的一天线系统800。Shelton-Bulter矩阵805包含馈送八个数组天线810的两方位角板815。方位角板815通过可以不同仰角分离方位角波束家族为两家族的一列仰角矩阵820来馈送。此例中,各仰角矩阵820为具有适当相位延迟的2端口混合。
图9中,视线路径及仰角路径被显示。从仰角观的,两路径为平行,而方位角中,其被显示为不同。
如图10所示,仰角及方位角使用可被开发。该薄场型是于仰角中被反射,而厚者在方位角中被反射。
图11中,路径,方位角路径及仰角路径以表示天线间的视线的虚线视线来显示。该简单场型近似很快即难以可视化。
如第12至14图所示,简单场型近似被仅显示波束孔径视线的箭头所取代。
图12描绘仅具有一孔径视线的视线,方位角及仰角。实际配置中,如图13所示,视线两侧可能有障碍物且促成更多波束的其放置及形成可能不规则。
如图14所示,当被固定至此的天花板或物体变成另一障碍物时,建筑内部配置亦提供更多机会。
当第1至14图从发射器产生多路径观点来说明时,亦必须考虑接收器的操作。区分被接收路径的一装置是通过多用户侦测(MUD)方法。基本概念是若数据流可被正确译码,则其调制场型亦可被重建,并从所有信号接收加总被扣除。此处理被重复直到所有可能个别数据流均被译码为止。可替代是,接收器波束可被指向数个个别接收路径,藉此接收器可个别译码各路径。
非常有力方法结合多用户侦测及接收器波束成形方法。波束成形基本上可降低译码器任何一次所看见的路径数,而多用户侦测可分离仍然存在的任何多路径。亦有多用户侦测及/或波束操作例精确解碼一个或更多路径,及最终信息被另一波束例中的多用户侦测用来增强其操作的机会。
图15为依据本发明较佳实施例被配置的接收器1500例证框图。接收器1500包含一多用户侦测器1505,一波束选择器1510,一基带译码器1515及一天线1520。天线1520所接收的一组信号A,B及C被转送至可将信号C从该组信号A,B及C分离出来的波束选择器1510。信号C从波束选择器1510被直接发射至基带译码器1515。信号A及B从波束选择器1510被发射至多用户侦测器1505。
熟练技术人士者将理解本发明任何实际使用均受到真实世界的限制。例如,障碍物不规则,障碍物本身移动(如汽车,窗户,人们),气候状况改变或类似者,均可能改变多路径环境。
可使用波束场型最初决定可使用以下说明的不同实施例被部份或全部导出。
一实施例中,从接收器及发射器观点,通信服务用户观察路径既存机会是被用来导出设定,其接着使用人工方向性控制硬设备(如键盘)或通过某些校准方法(如调整信号来产生一路径并于其被充分侦测时按下按钮来锁定坐标)而被进入(如被储存于内存中)。例如,可观察主通信方向左边具有建筑,而右边为开放区域。本发明将解释此意指反射路径可能为左方,而其可能浪费资源(如波束功率)来引导任何波束至左方。
另一实施例中,全方向性或不受限制波束以接收器一般方向来发射。接收器具有分辨接收适足信号的方向的能力。此信息被返回至发射器,其可以特定顺序窄化其波束传输来消除某些多路径。接收器记注被接收信号中的明显改变,并返回该信息至发射器。此正在进行的交互处理决定可用多路径的一般特性。
再另一实施例中,发射器可扫描窄波束(也就是方位角,仰角或两者),并接收来自接收器的指令来接收其于该扫描中各时间所侦测到者。该扫描处理对发射器及接收器揭示何路径不可用。
因为路径可能来来去去,所以正在进行的通信通过编码冗余及路径冗余得到最佳服务。这些支出负担降低有效数据速率的程度将视情况而定。然而,大多数例中本发明可获得的潜在利益将大大超过路径位置理论知识所损失者。
熟练技术人士将了解,虽然本发明已以较佳实施例型式做说明,但均可做本发明的权利要求所阐述的本发明范畴内的其它修改。

Claims (18)

1.一种无线通信系统,包含:
(a)一发射器,其包含一具有多波束形成组件的波束形成天线,用于数个波束路径上形成及发射多波束,其中该发射器是通过引导至少一该波束朝向一仰角障碍来形成一附加波束路径;及
(b)一接收器,可选择性接收一或多个波束路径。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,一平面中的波束被偏向。
3.如权利要求1所述的系统,其特征在于,该波束形成天线是用于在一正交平面中产生各种波束场型。
4.如权利要求1所述的系统,其特征在于,该接收器包含:
(b1)天线;
(b2)基带译码器;
(b3)多用户侦测器,与该基带译码器通信;及
(b4)波束选择器,与该接收器的天线、该多用户侦测器及该基带译码器通信,其中该波束选择器接收数个波束路径并选择何波束路径可被直接馈送至该基带译码器,及何波束路径可经由该多用户侦测器被馈送至该基带译码器。
5.如权利要求4所述的系统,其特征在于,由该基带译码器任何一次所侦测到的波束路径数量是被降低,而该多用户侦测器可分离仍存在的该波束路径。
6.如权利要求1所述的系统,其特征在于,在该发射器及该接收器间地面散射被控制或消除。
7.如权利要求1所述的系统,其特征在于,由该波束形成天线所形成波束的倾斜或下降可变化。
8.如权利要求1所述的系统,其特征在于,由该发射器及该波束形成天线中至少其中之一所形成的波束可被指向任何所欲仰角。
9.如权利要求1所述的系统,其特征在于,由该接收器所选择性接收的波束包含一位或脉冲,其包含用来决定仰角的振幅信息及被用来决定方位角的相位信息。
10.如权利要求1所述的系统,其特征在于,该接收器决定有关其接收可用波束路径的方向信息,并将该信息回馈至该发射器。
11.如权利要求10所述的系统,其特征在于,该发射器及该波束形成天线中至少其中之一是以该信息为基础以一特定顺序窄化其波束来消除某些该波束路径。
12.如权利要求1所述的系统,其特征在于,该发射器是启动方位角及仰角至少其一中的一窄波束扫描处理,并针对其于不同时间所侦测到的接收而接收来自该接收器的指令。
13.如权利要求1所述的系统,其特征在于,该接收器的天线将波束指向各该路径并分别译码各路径波束。
14.如权利要求1所述的系统,其特征在于,从该发射器及接收器的观点,由有关波束路径既存机会的用户观察所导出的信息被储存于一内存中,该信息包含障碍位置及不被阻碍的潜在波束路径方向。
15.一种在无线通信系统中开发射频物理环境以建立可促进通信的射频传播可用多路径足够数量的方法,该无线通信系统,包含至少一发射器及一接收器,该接收器包含至少一天线,该方法包含:
(a)引导该接收器的天线朝向数个接收路径之一;
(b)该接收器经由该接收器天线被引导朝向的该接收路径以接收来自该发射器的一数据流;
(c)该接收器译码该数据流;
(d)该接收器重建该经译码数据流的一调制场型;
(e)该接收器从由该接收器经由该接收路径所接收的所有该信号的一总和撷取该重建数据流;
(f)该接收器将与接收路径相关的接收信号方向信息提供至该发射器;
(g)该发射器以该接收信号方向信息为基础来调整及/或消除不可用的一或多个接收路径;及
(h)重复步骤(a)-(g),直到从该接收路径所接收的所有该数据流均被译码为止。
16.如权利要求15所述的方法,其特征在于,该接收器包含多用户侦测器。
17.一种在无线通信系统中波束操控的方法,包含:
(a)储存与发射波束的障碍及无障碍路径相关的用户观察信息;及
(b)形成波束以产生多波束路径,其中该波束路径是通过反射该等障碍而引导朝向该等障碍以产生附加波束路径。
18.一种包含与接收器通信的发射器的无线通信系统,该系统进一步包含:
(a)内存,用于储存障碍位置信息;
(b)用于以该障碍位置信息为基础决定潜在反射路径来引导该发射器所形成的波束至该接收器的装置;及
(c)用于引导该发射器所形成的波束,使其反射由该障碍位置信息所标示的该障碍的装置,其中该被反射波束是由该接收器所接收。
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