CN101390069B - 对mimo系统中路径强度的未来变化的预测 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个实施例，一种系统和方法用于维护多输入多输出(MIMO)通信系统中第一无线节点和第二无线节点之间的第一传送路径强度的第一历史，维护MIMO通信系统中第三无线节点和第二无线节点之间的第二传送路径强度的第二历史，执行第一历史和第二历史之间的时空相关以确定是否观察到第一传送路径的任何强度改变，并基于在第一历史和第二历史之间执行的特殊相关来预测第三无线节点和第二无线节点之间的第二传送路径强度的未来变化。

Description

对MIMO系统中路径强度的未来变化的预测
技术领域
本发明的实施例涉及无线通信，更具体地，涉及无线设备进行的无线信号的发送和接收。
背景技术
如今广泛使用诸如蜂窝电话、无线路由器和无线操作的设备之类的无线设备。无线设备使得用户无需发送器和接收器之间的物理连接就可以接收和发送信号。物理连接的这种缺少增加了无线设备的移动性，也减少了与用于建立两个设备之间的通信的线、缆和其他物理介质的使用相关的费用和不便。
尽管具有前述优点，但是无线设备的使用也不是没有缺点的。其中一个缺点是诸如多输入多输出(MIMO)系统之类的系统中无线节点之间的传送路径可能不可靠。在无线传送路径中，衰落和阴影及其他因素可能导致无线信号因为某些情况而变化，从而导致被传送信号的相应数据率因此而变化。其中一种情况是环境中有生命和无生命物体的存在，这可能导致数据传送的质量随空间和时间而变化。由于传送路径容量的突然减少可能导致在多媒体流的显示或回放期间出现明显的假象(artifact)，因此数据传送可靠性的变化和缺失可能对多媒体流应用产生问题。
因此希望预测传送路径容量的改变，以便多媒体源更容易改变其输出数据率以匹配传送路径容量的预期改变，这是因为多媒体源将拥有更多时间来进行输出速率的改变。
发明内容
本发明的一个实施例可以被视为如下一种预测多输入多输出通信系统中路径强度的未来变化的方法：维护第一发送无线节点与从多输入多输出(MIMO)接收器中的多个接收无线节点选出的第一接收无线节点之间的第一传送路径的第一路径强度历史；维护所述第一发送无线节点与从所述多输入多输出接收器中的所述多个接收无线节点选出的第二接收无线节点之间的第二传送路径的第二路径强度历史；执行所述第一路径强度历史与所述第二路径强度历史之间的时空相关；以及基于所执行的时空相关来预测所述第二传送路径的强度的未来变化。
本发明的另一个实施例还可以被视为如下一种预测多输入多输出通信系统中路径强度的未来变化的系统，其包括：存储器，维护第一发送无线节点与从多输入多输出(MIMO)接收器中的多个接收无线节点选出的第一接收无线节点之间的第一传送路径的第一路径强度历史；所述存储器还维护所述第一发送无线节点与从所述多输入多输出接收器中的所述多个接收无线节点选出的第二接收无线节点之间的第二传送路径的第二路径强度历史；时空相关逻辑，执行所述第一路径强度历史与所述第二路径强度历史之间的时空相关；以及预测器逻辑，基于所执行的时空相关来预测所述第二传送路径的强度的未来变化。
本发明的另一个实施例还可以被视为其上存储了指令的机器可访问介质，所述指令在被计算设备运行时令该计算设备可以执行以下操作：维护多输入多输出(MIMO)通信系统中第一无线节点和第二无线节点之间的第一传送路径强度的第一历史，维护MIMO通信系统中第三无线节点和第二无线节点之间的第二传送路径强度的第二历史，执行第一历史和第二历史之间的时空相关以确定是否观察到第一传送路径的任何强度改变，并基于在第一历史和第二历史之间执行的时空相关来预测第三无线节点和第二无线节点之间的第二传送路径强度的未来变化。
附图说明
本发明的实施例通过参考以下描述及用于例示本发明的实施例的附图将得到最好的理解。
图1是可以实施本发明的实施例的简化无线网络的框图；
图2是在图1的无线网络中传送路径强度关于时间的图示；
图3是用于本发明的实施例的一种方法的流程图；
图4是图1所示的多条传送路径的强度之间的时间相关的图示；
图5是用于本发明的实施例的另一种方法的另一个流程图；并且
图6是可以实施本发明的实施例的更复杂的无线网络的框图。
具体实施方式
本发明的实施例一般涉及用于预测多输入多输出(MIMO)通信系统中路径强度的未来改变的系统和方法。这里，本发明的实施例可以适用于在各种无线设备中使用的MIMO发送器和接收器。这些无线设备可以是固定的或便携的。无线设备的示例包括但不受下列各项限制或约束：蜂窝电话、传呼机、个人数字助理(PDA)、便携计算机、手持视频游戏设备、路由器和无线操作的设备。
以下提出某些细节来提供对本发明的各种实施例的完整理解，虽然可以通过除了所示实施例之外的很多实施例来实施本发明。未详细提出公知的逻辑和操作以免不必要地模糊本说明。
在以下描述中，某些术语用来描述本发明的各种实施例的特征。例如，术语“多输入多输出”包括任何采用多根天线来同时发送或从多根天线接收相同数据的设备。
术语“软件”一般指代诸如操作系统、应用、小程序、例行程序(routine)或者甚至一个或多个指令之类的可执行代码。软件可以存储在任何类型的存储器即适当的存储介质上，如可编程电子电路、半导体存储设备、易失性存储器(例如，随机存取存储器等)、非易失性存储器(例如，只读存储器、闪存等)、软盘、光盘(例如，致密光盘或数字万用盘“DVD”)、硬驱动盘或者任何类型的互连(下面定义)。
术语“传送路径”指代逻辑路径或物理路径，如下面所定义的那样。传送逻辑路径取决于设备的物理层处天线和无线电收发信机(radio)的数目。例如，若含有诸如T1和T2之类的两根发送天线的MIMO系统与诸如R1和R2之类的两根接收天线通信，则发送天线和接收天线之间存在四条传送逻辑路径(即，T1-R1，T1-R2，T2-R1和T2-R2)。传送逻辑路径可以进一步分解成它的构成传送物理路径。对于许多无线系统，如基于射频(RF)波传播的那些无线系统，RF能量很少仅仅直接从发送天线传播到接收天线，如从T1到R1。而是，由于反射、折射、衍射，RF能量可采用从T1到R1的若干路线。这通常被称为多径。于是传送逻辑路径是在R1处测量的经T1和R1之间的全部各种物理路径传播的所有RF能量的合成。然而，通过例如使用传送信道的脉冲响应来分解收到的RF信号，通过主要的个体物理路径来传播的RF信号可以在R1处被提取。因此可以想到，本发明的实施例适用于传送逻辑信道以及传送物理信道。
参考图1，示出了可以实施本发明的实施例的简化的无线网络1a的框图。在示例性实施例中，无线网络1a是多输入多输出(MIMO)通信系统，其包括与第二子系统10b无线通信的第一子系统10a。根据本发明的该实施例，第一子系统10a是发送器子系统，第二子系统10b是接收器子系统。当然可以想到，子系统10a和10b的每一个或二者都可以是具有发送和接收功能的收发器子系统。
第一子系统10a包括多个无线发送器节点11，如发送器节点T1和T2。第二子系统10b包括至少一个无线接收器节点12，如接收器节点R1。如结合图3-6来更详细描述的那样，第一子系统10a经由无线发送器节点11将数据信号13的内容发送到无线接收器节点12，例如经由分别对应于发送器节点T1和T2的多条传送路径14和15。第二子系统10b于是收集从传送路径14和15接收的数据，在MIMO接收器16中对它们进行重组，并以信号17的形式输出重组后的数据内容，信号17具有与信号13相同的内容。
但是，传送路径14和15可能受其路径上的障碍物的影响，如房屋之类的无生命障碍物或汽车之类的移动障碍物，还可能受来自其他无线设备的干扰的影响。为了更好地阐述本发明的实施例的工作，在详细说明中通篇使用移动障碍物18。障碍物18沿路径(用线19表示)的移动可能部分地或全部阻挡传送路径14和15，例如分别在交叉点14a和15a处。在示例性实施例中，障碍物18在某时(at a time)引起一处阻挡，所以首先传送路径14在交叉点14a处被阻挡，然后，随着障碍物18沿线19移动，传送路径14不被阻挡。同样地，由于障碍物18沿线19的连续移动，传送路径15在将来某时将在交叉点15b处被阻挡，稍后不被阻挡。
图2分别通过线20和24阐释了传送路径14和15的强度。如上所述，传送路径14和15的强度可能被移动障碍物18降低。传送路径的强度可以用无线节点11和12之间的数据率或信号强度来指示，或者用第一子系统10a发送数据的能力的其他量度来指示。若障碍物18正沿线19所示路径而移动通过无线网络1a，则信号强度的降低可能随时间变化。图2中的线20示出当障碍物18移动通过无线网络1a时，传送路径14的强度。“谷点(dip)”22表示障碍物18导致传送路径14强度的最大降低的时刻。若障碍物18沿线19所示的路径继续前行，则障碍物18将导致传送路径15的信号强度的降低，如表示传送路径15的强度的线24中的“谷点”26所示。谷点26表示障碍物18导致路径15的强度的最大降低的时刻。
从图2所示的谷点22和26可以看出，传送路径14的强度降低早于传送路径15的信号强度降低。因此，传送路径14的信号强度的降低可能对传送路径15的信号强度的降低具有预测价值，如结合图3-6来详细描述的那样。
现在将结合图3-6来详细讨论无线网络1a的示例性操作序列。图3是结合图1来阐释本发明的示例性实施例的方法的流程图。如图3所示，操作开始(块300)之后，第一无线节点和第二无线节点之间(如T1和R1之间)的第一传送路径(如图1的传送路径14)的强度的第一历史被维护(块310)。第一历史可以存储在存储器3中。接着，第三无线节点和第二无线节点之间(如T2和R1之间)的第二传送路径(如图1的传送路径15)的强度的第二历史被维护(块320)。类似地，第二历史被存储在存储器3中。
在本发明的示例性实施例中，传送路径14和15的强度的上述历史还可以在作为接收器来操作的无线节点(如无线接收器节点12)的存储器中维护。传送路径强度的历史还可由接收传送路径的强度信息并对无线节点提供预测的设备(未示出)维护。该设备可以是无线接收器节点12的一部分或单独的设备。传送路径强度的历史可以在接收器节点12和向无线接收器节点12发送的多个发送器节点11之间。适当地，驻留在存储器3中的传送路径分析器逻辑2用于根据与传送路径14和15的每一个相对应的信号强度或数据率来确定传送路径14和15的强度。
在块310和320的操作之后，第一历史和第二历史之间的时空相关例如由驻留在存储器3中的时空相关逻辑8执行，以确定是否观察到第一传送路径的任何强度改变(块330)。由于处于不同空间关系的多个节点的历史的可能使用向该相关添加了额外的函数变量，因此这是时空相关。在本发明的一个示例性实施例中，所执行的时空相关是连续时空相关。在本发明的另一个示例性实施例中，所执行的时空相关在诸如传送路径14和15之类的每一条传送路径的强度上具有预定特征。适当地，这些预定特征存在于时域和频域的至少一个之中。
在本发明的示例性实施例中，时空相关是两个信号之间的相关和两个信号之间的时移(差量时间，delta time)的函数。图4是上面结合图2所示来描述的两条传送路径14和15的强度20和40的时间相关的定性表示。对于约等于在两个传送路径14和15的强度20和24中发生谷点22、26(图2)的时刻之间的时差的差量时间44，将发现信号之间的高相关度42，例如绝对值接近于1。
返回图3，若观察到诸如传送路径14之类的第一传送路径的强度改变(块340)，则确定被执行的时空相关是否导致显著的相关(块350)。例如若障碍物18(图1)沿简单的固定路径以恒定的速度曲线(consistentspeed profile)移动，则时空相关会是对发送器T2和接收器R1之间的信号强度降低的近乎完美的预测器。可以理解，情况不太可能是这样。更典型地，诸如传送路径15之类的传送路径的强度会受到沿各种路径以各种速度移动的各种障碍物的影响。然而，简化的可预测的障碍物的概念仍可使用。当存在变化性更大的妨碍物体时，传送路径的强度降低之间的时间相关不一定那么大而且往往随时间变化。适度显著的时间相关，例如高于诸如0.4之类的阈值的相关(相关的绝对值已足够，大多数情况下可以忽略符号)仍具有有用的预测价值。
若确定所执行的时空相关导致显著相关(块350)，则基于在第一历史和第二历史之间执行的时空相关来预测第三无线节点和第二无线节点之间(如T2和R1之间)的第二传送路径强度(如传送路径15)的未来强度改变。适当地，通过驻留在存储器3中的预测器逻辑9来执行预测。预测之后，或者如果没有观察到诸如传送路径14之类的第一传送路径的强度改变，或者如果确定所执行的时空相关未导致显著相关(块340、350、360)，则流程返回块310。
图5是结合图1来阐释可以结合本发明的上述实施例来使用的、本发明的实施例的另一种方法的示例性流程图。如图5所示，开始(块500)之后，来自远程源(未示出)的数据信号13在第一子系统10a(图1)的诸如编码器5之类的接收器单元中被接收。数据信号13是以预定发送数据率被接收的。接着，被接收的数据信号13的数据内容例如被处理器4分割成多个数据信号部分，如数据部分13a和13b。适当地，被接收的数据信号13的内容被分割成基本上相等大小的多个数据部分。
诸如数据部分13a之类的第一数据部分随后通过解复用器6、诸如mod_2之类的解调器7和诸如T2之类的无线发送器节点11，经由诸如传送路径15之类的第一传送路径被发送到第二子系统10b(块530)。诸如数据部分13b之类的第二数据部分随后通过解复用器6、诸如mod 1之类的另一解调器7和诸如T1之类的另一无线发送器节点11，经由诸如传送路径14之类的第二传送路径被发送到第二子系统10b(块540)。适当地，每个数据部分以这样的速率被发送：所述速率对应于接收信号13的预定发送数据率除以用来发送这些数据部分的无线发送器节点11的数目。例如，若接收信号13的预定发送数据率为60兆比特每秒(mbps)，则数据部分13a和13b的每一个以至少30mbps被发送。诸如数据部分13a和13b之类的第一和第二数据部分随后在第二子系统10b中被接收，第二子系统10b经由MIMO接收器16将它们重组并以信号17的形式输出重组后的数据内容，信号17具有与信号13相同的数据部分13a和13b。整个流程随后结束(块560)。
可以理解，本发明的实施例可以在具有比图1所示更多的节点的极大不同拓扑的无线网络中使用，针对本发明的实施例，每个节点可能扮演多于一个角色。本发明的实施例可以用于各种无线网络，例如但不限于802.11射频(RF)无线网络或红外(IR)无线网络。
图6是可以实施本发明的实施例的、更复杂的无线网络1b的框图。如图1B所示，无线网络1b是多输入多输出(MIMO)通信系统，其包括与第二子系统200b通信的第一子系统200a。第一子系统200a至少是无线发送器子系统，第二子系统200b至少是无线接收器子系统。第一子系统200a包括多个无线发送器节点211，如T1至TN(N＞1)；第二子系统200b包括多个无线接收器节点212，如R1至RM(M＞1)。接收信号130的内容随后被无线发送器节点211发送到无线接收器节点212，使得每个无线发送器节点211向所有无线接收器节点212发送。例如，发送器节点T1经由传送路径140_1至140_M(M＞1)向接收器节点R1至RM的每一个发送相同内容。
如上面结合图1的无线网络1a来描述的那样，无线网络1b中诸如传送路径140_1至140_M(M＞1)之类的传送路径的强度可能被移动障碍物18降低，传送路径140_1至140_M分别对应于T1向R1至RM(M＞1)的发送。运用上面结合图3来描述的方法，(由传送路径分析器逻辑2确定的)传送路径的强度在障碍物18的路径中的改变可以基于(由时空相关逻辑208执行的)无线网络1b的多个传送路径的强度历史之间的时空相关来(例如由驻留在存储器203中的预测器逻辑209)预测。
上面结合图5来描述的方法还可以应用到这样的无线网络1b中，其中信号130以预定发送速率在编码器205中被接收，并被处理器204分割成多个数据部分，如130a、130b、130c等。数据部分130a、130b、130c等每一个随后经由解复用器206和多个调制解调器207之一而被发送到第二子系统中的接收无线节点212的每一个，如R1至RM(M＞1)，所述调制解调器207之一例如是与无线节点211通信的mod_1至mod_N(N＞1)中的一个，所述无线节点211例如是T1至TN(N＞1)中的一个对应节点。适当地，数据部分以这样的速率被发送，所述速率对应于接收信号130的预定发送数据率除以用来发送这些数据部分的无线发送器节点11的数目。数据部分随后在第二子系统200b中被接收，第二子系统200b经由MIMO接收器160将它们重组并以信号170的形式输出重组后的数据内容，信号170具有与信号130相同的数据部分内容和格式。
本发明的另一示例性实施例包括机器可访问介质，如主存储器或诸如硬盘(未示出)之类的其上存储了指令的其他存储设备，所述指令在被诸如处理器4或204之类的计算设备运行时，令计算设备执行上面结合图3-6来描述的操作。
应该注意，上述实施例的各种特征是分开讨论的，这只是为了描述清楚起见，它们可以被完整地或部分地结合到具有这些特征的全部或某些的本发明的单个实施例中。还应注意，虽然本发明的实施例是在无线系统的情况下讨论的，但是它们也可以涉及非无线系统，如通过同轴电缆或其他介质的传送。

Claims (12)

1.一种预测多输入多输出通信系统中路径强度的未来变化的方法，包括：
维护第一发送无线节点与从多输入多输出(MIMO)接收器中的多个接收无线节点选出的第一接收无线节点之间的第一传送路径的第一路径强度历史；
维护所述第一发送无线节点与从所述多输入多输出接收器中的所述多个接收无线节点选出的第二接收无线节点之间的第二传送路径的第二路径强度历史；
执行所述第一路径强度历史与所述第二路径强度历史之间的时空相关；以及
基于所执行的时空相关来预测所述第二传送路径的强度的未来变化。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
根据与所述第一传送路径相对应的信号强度和数据率中的至少一个来确定所述第一传送路径的强度；以及
根据与所述第二传送路径相对应的信号强度和数据率中的至少一个来确定所述第二传送路径的强度。
3.根据权利要求1所述的方法，所述执行所述第一路径强度历史与所述第二路径强度历史之间的时空相关还包括：
执行所述第一路径强度历史与所述第二路径强度历史之间的连续时空相关，以确定是否观察到所述第一传送路径的任何强度改变。
4.根据权利要求1所述的方法，所述执行所述第一路径强度历史与所述第二路径强度历史之间的时空相关还包括：
执行所述第一传送路径和所述第二传送路径的每一条的强度上具有预定特征的时空相关。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述预定特征存在于时域和频域中的至少一个之中。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在第一子系统中接收来自远程源的数据信号，所述第一子系统包括包含所述第一发送无线节点在内的多个发送无线节点；
将所接收到的数据信号的数据内容分割成多个数据信号部分；
将所述多个数据信号部分中的一个数据信号部分仅经由所述第一发送无线节点发送到所述多输入多输出接收器；以及
在所述多输入多输出接收器的所述多个接收无线节点的每一个中接收所述多个数据信号部分中的所述一个数据信号部分。
7.一种预测多输入多输出通信系统中路径强度的未来变化的系统，包括：
存储器，维护第一发送无线节点与从多输入多输出(MIMO)接收器中的多个接收无线节点选出的第一接收无线节点之间的第一传送路径的第一路径强度历史；
所述存储器还维护所述第一发送无线节点与从所述多输入多输出接收器中的所述多个接收无线节点选出的第二接收无线节点之间的第二传送路径的第二路径强度历史；
时空相关逻辑单元，执行所述第一路径强度历史与所述第二路径强度历史之间的时空相关；以及
预测器逻辑单元，基于所执行的时空相关来预测所述第二传送路径的强度的未来变化。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括：
传送路径分析器逻辑单元，根据与所述第一传送路径相对应的信号强度和数据率中的至少一个来确定所述第一传送路径的强度，并根据与所述第二传送路径相对应的信号强度和数据率中的至少一个来确定所述第二传送路径的强度。
9.根据权利要求7所述的系统，所述时空相关逻辑单元执行所述第一路径强度历史与所述第二路径强度历史之间的连续时空相关，以确定是否观察到所述第一传送路径的任何强度改变。
10.根据权利要求7所述的系统，所述时空相关逻辑单元执行所述第一传送路径和所述第二传送路径的每一条的强度上具有预定特征的时空相关。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述预定特征存在于时域和频域中的至少一个之中。
12.根据权利要求7所述的系统，还包括：
接收器，在第一子系统中接收来自远程源的数据信号，所述第一子系统包括包含所述第一发送无线节点在内的多个发送无线节点；
处理器，将所接收到的数据信号的数据内容分割成多个数据信号部分；
发送器，将所述多个数据信号部分中的一个数据信号部分仅经由所述第一发送无线节点发送到所述多输入多输出接收器；以及
接收器，在所述多输入多输出接收器的所述多个接收无线节点的每一个中接收所述多个数据信号部分中的所述一个数据信号部分。
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