CN101536355A - 具有全向和扇形定向天线模式的自适应多天线系统 - Google Patents

Abstract

在与SISO或MIMO接入点相容的通信设备中，分别取决于通信设备是将通信信道表征为强视线还是强散射，而将一组天线配置成扇形定向或全向。在一些实施例中，对于利用MIMO接入点的情况，生成估计的信道矩阵的奇异值，并基于奇异值，估计通信信道的特性。还描述其它实施例并要求其它实施例的权利。

Description

具有全向和扇形定向天线模式的自适应多天线系统

技术领域

实施例涉及数字通信系统，更具体地说，涉及多天线通信系统。

背景技术

多径无线信道具有大信道容量的能力，并且可通过利用MIMO(多输入多输出)通信系统而合适地进行利用。MIMO系统采用多个发射天线和多个接收天线。标准IEEE 802.16e有时又称为移动全球微波接入互操作性(移动WiMAX)，它支持MIMO天线技术。未来的无线网络也将支持MIMO天线技术。已经有人致力于提出下一代高性能无线网络的统一提议，此提议是在IEEE标准协会的指导下开发的并已提交给IEEE 802.11n工作组N(TGn)。其目标之一是使得MIMO空分复用能够用两个天线提供高达315兆位/秒(Mbps)的可靠的传输速度，并利用采用多于两个天线的大型系统提供高达630Mbps的可靠的传输速度。

预期，企业WLAN(无线局域网)中的接入点密度将增加到接入点与客户端之间的典型距离有时为10英尺或更短的程度。因此，预期，视线(LOS)通信的影响变得重要。强LOS通信链路会增加空间信号相关性，从而削减MIMO系统的益处。

因此，有用的是，在多天线客户端中提供可配置成当LOS通信路径占主导时仍能良好执行的通信技术。此外，由于将接入点升级到MIMO系统要比客户端情形费用大，所以预期，将有一段时期还无法将接入点从SISO(单输入单输出)系统升级到MIMO系统。因此，还有用的是，提供一种通信技术，以该通信技术，可容易地配置多天线客户端，而不管接入点是SISO系统还是MIMO系统。

附图说明

图1示出现有技术的通信系统。

图2示出现有技术的通信信道。

图3示出根据本发明一个实施例的计算机系统。

图4是示出根据本发明一个实施例的天线控制器的处理的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，术语“一些实施例”的范围不是限制为表示多于一个实施例，而是其范围可包括一个实施例、多于一个实施例或者也许所有实施例。

取决于将通信信道表征为具有强LOS分量还是具有强散射分量，实施例将多个天线配置成全向或扇形定向。当表征为LOS通信信道时，将这些天线配置成扇形定向。在一些实施例中，当配置成扇形定向时，每个天线有效地具有在方位角上覆盖2π/m弧度的天线方向图波束宽度，其中m是天线数量。

实施例可用于客户端(如笔记本型计算机)或接入点，其中信道矩阵可以是上行链路信道矩阵(从客户端到接入点)或下行链路信道矩阵(从接入点到客户端)。通信信道可以用多种方式定义。在描述实施例之前，有用的是，首先考虑MIMO系统的通信信道的一个可能的定义及其对应的信道矩阵。

图1是利用n个发射天线102和m个接收天线104的MIMO系统的一部分的高级系统图。符号d_i，i＝1，...，k表示待传送的k个复值数据量。这些数据量可通过将一个或多个数据流多路分解成k个数据流而产生，其中可应用编码。

向量编码功能单元106将d_i，i＝1，...，k编码成n个复值量x_i，i＝1，...，n。将d_D定义为具有分量[d_D]i＝d_i，i＝1，...，k的k维列向量并将x_D定义为具有分量[x_D]_i＝x_i，i＝1，...，n的n维列向量，则可将向量编码写为：

x_D＝T_Dd_D

其中T_D表示n×k复值矩阵。(下标D的含义将在稍后论述)。

复值量x_i，i＝1，...，n表示将通过信道传送的基带信号(如电压信号)的同相正交分量。功能单元108(如发射器)指示调制器将基带信号上变频为RF(射频)信号，然后通过天线102进行传送，但实施例的范围不限于这方面。

接收器110将通过天线104提供的接收信号下变频为m个复值基带信号y_i，i＝1，...，m。向量解码功能单元112指示将这m个复值基带信号y_i，i＝1，...，m解码成k个复值基带信号

i＝1，...，k将

定义为具有分量 ${\left[{\stackrel{\‾}{\hat{d}}}_D\right]}_i={\hat{d}}_i,$ i＝1，...，k的k维列向量并将y_D定义为具有分量[y_D]i＝y_i，i＝1，...，m的m维列向量，则可将向量解码写为：

${\stackrel{\‾}{\hat{d}}}_D=R_D{\stackrel{\‾}{y}}_D$

其中R_D表示k×m复值矩阵。希望这些量

i＝1，...，k在一定意义上是d_i，i＝1，...，k的“良好”估计。

有多种方法来定义通信信道。在图1中，可以将通信信道定义成包含虚线框114内的组件。对于这种通信信道模型，信道输入是x_i，i＝1，...，n，而信道输出是y_i，i＝1，...，m。如果向量编码106和发射器108与接入点相关联，而向量解码112和接收器110与客户端相关联，则可将由框114定义的信道称为下行链路信道。另一方面，如果向量编码106和发射器108与客户端相关联，而向量解码112和接收器110与接入点相关联，则可将由框114定义的信道称为上行链路信道。尽管图1中只示出单向信道，但实际上，除了上行链路信道之外，还存在下行链路信道。为方便起见，将图1中的信道称为下行链路信道。这就是在以上论述中使用下标D的原因。

尽管关于客户端和接入点描述以上实例，但本文描述的方法和装置可容易地应用于其它通信设备，如用户站和基站。

由框114定义的下行链路信道可如图2A所示那样抽象化。为简单起见，图2A中描绘的下行链路信道是静止的无噪声信道。但是，实际上，将存在噪声源，并且信道传送功能可能是衰落的。

在图2A中，h_ij，i＝1，...，m；j＝1，...，n是表示由发射天线、接收天线、发射器和接收器的增益引起的信道增益的复值标量。比较方便的是将h_ij定义为：

h_ij＝(Tx_j)(TG_ji)w_ji(RG_ji)(Ry_i)

其中Tx_j是符号x_j的发射器的增益；TG_ji是沿朝向与符号y_i相关联的接收天线的方向的与x_j相关联的发射天线的天线增益；RG_ji是从与符号x_j相关联的天线的方向接收的信号、与符号y_i相关联的接收天线的天线增益；Ry_i是符号y_i的接收器的增益；而w_ji是发射天线j与接收天线i之间的物理传输介质的响应。

将m×n下行链路信道矩阵H定义为具有分量

[H]_ij＝h_ij，i＝1，...，m；j＝1，...，n，则由下行链路信道矩阵H定义的输入-输出关系为：

y_D＝Hx_D。

一般来说，上行链路信道矩阵不同于H，在上行链路信道矩阵中，现在传送y_i，i＝1，...，m，并接收x_i，i＝1，...，n。之所以这样是因为，对于上行链路信道，利用接收器而不是利用发射器108来生成x_i，i＝1，...，n，并且利用发射器而不是接收器110来生成y_i，i＝1，...，m，因此，总的信道增益有所不同。但是，如果假设对信道进行校准以便为上行链路和下行链路通信考虑发射器和接收器增益之间的差异，则如图2A所示的相同的信道增益h_ij，i＝1，...，m；j＝1，...，n也适用于图2B中的上行链路信道。在此假设下，可以说双向信道是互逆(reciprocal)的，并且上行链路信道的输入-输出关系由下式给出：

x_U＝H^Ty_U

其中T表示转置，而下标U表示上行链路通信。

实施例可应用于接入点以及客户端。不失一般性，可丢掉区分下行链路量和上行链路量的下标。因此，在描述实施例时，为方便起见，考虑下行链路通信信道矩阵，因而将输入-输出信道矩阵变换简单地写成y＝Hx，并在客户端侧执行自适应天线配置。应明白，实施例不一定限于客户端，而是可以在通信信道的两侧上使用。

图3中示出实施例在计算机系统中的应用。图3以简化的形式示出计算机系统的一部分，其包括微处理器302、芯片组304、系统存储器306、RF(射频)模块308和自适应天线310。在图3的特定实施例中，芯片组304包括MCH(存储器控制器集线器)304A和ICH(输入/输出控制器集线器)304B。微处理器302经由前端总线312与芯片组304通信。MCH 304A用作系统存储器306的控制器。在ICH304B中集成有MAC(媒体接入控制)层314、基带模块316和天线控制器318。高于MAC层314的协议层未明确示出。

在图3的特定实施例中，RF模块308是通信协议栈中的PHY(物理)层的一部分。RF模块308将自适应天线310所接收的RF信号下变频为基带信号，然后将基带信号提供给基带模块316。天线控制器318处理基带信号，并根据如何表征通信信道而将自适应天线310配置成全向或扇形定向。

对于一些计算机系统，MAC层314和基带模块316可位于芯片组304外部。芯片组304本身可包括一个或多个离散集成芯片，或者其功能单元的一部分或全部可集成在微处理器302上。系统存储器306可包括分级结构的存储器，其中一些部分集成在微处理器302上。

对于一些实施例，天线控制器318或其一部分可作为集成在芯片组304内的ASIC(专用集成电路)实施，或在芯片组304外部的离散芯片上实施，或作为在微处理器302上运行的软件模块实施。参照图4描述由天线控制器318执行的处理。

图4是示出根据一个实施例通过天线控制器318执行的处理的流程图。使用定时器，以便在每次定时器到时间时，使控制转到方框402，在方框402，将每个天线切换到其全向模式。取决于接入点是否支持MIMO，方框404指示采取流程图中的哪个分支。接入点传送该信息，以便使它可供客户端使用。如果支持MIMO，则控制转到方框406，在方框406，将信道表征为强散射信道或强LOS信道。在一些实施例中，通过分析信道矩阵H来确定信道的这种表征。

信道矩阵H可用多种方法进行分析。对于一些实施例，确定H的秩。低秩信道矩阵指示具有弱散射的通信信道。因此，对于一些实施例，如果rank{H}>N，其中N是正整数阈值，则将通信信道表征为具有强散射分量。

应注意，实际上，信道矩阵H不是先验已知的，而是估计得出的。因此，应将符号H理解为是表示实际信道矩阵或信道矩阵的估计，并且应当能从上下文中看出哪种表示适用。可使用各种方法来估计信道矩阵。例如，可通过传送x以使得x中只有一个分量为非零来容易地观察信道矩阵H的列。例如，如果x的第一分量是1并且所有其它分量都是0，则(在无噪声情况下)y是H的第一列。为了在存在噪声的情况下估计H，可取多于一个测量，然后对这些测量取样本数据平均值。

还应注意，如果H是先验已知的，则即使不存在任何散射，实际上，它一般都是满秩的。因此，应了解，可将表达式秩{H}理解成表示H的大于某个阈值ε的奇异值的数量。即，m×n矩阵H可分解为 $H=\underset{i=1}{\overset{\min \{m,n\}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i{u}_i{v}_i^H,$ 其中σ₁≥σ₂≥...σ_min{m，n}≥⁰是H的奇异值，u_i是m×m酉矩阵U的第i个列，而v_i是n×n酉矩阵V的第i个列。在奇异值分解的表达式中，上标H表示复共轭转置，即厄尔米特(Hermitian)的助记符，而不应将它与信道矩阵混淆。H的秩可定义为使σ_j>ε的最大下标(index)，其中ε是某个合适选择的小数值，它可通过模拟或试验找到以提供可接受的性能。

在一些其它实施例中，可通过观察奇异值的分布来表征通信信道。例如，如果 $\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{\underset{j\≠1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_j}>\mathrm{\λ},$ 其中λ是某个阈值，则可将通信信道表征为强LOS。(假设，将奇异值排序，以便使σ₁是奇异值的最大值)。

可实施用于观察奇异值的分布的其它方法。一般来说，如果H的大多数能量集中在相对少数几个奇异值，则可将通信信道表征为强LOS。即，如果

接近于H，其中N<<min{m，n}，则可将信道表征为强LOS。

如果在方框406中确定信道是强LOS，则控制转到方框408，在方框408，将天线配置成扇形定向。在方框410，选择扇形定向天线之一以用于进行到接入点的通信，在方框412，重设并启动定时器，由此，控制转到方框414。

但是，如果方框406确定通信信道不是强LOS，则控制转到方框415，由此将天线310配置成全向。以此方式，利用MIMO系统的优势。然后，控制转到方框412。

如果方框404确定接入点不支持MIMO，例如SISO发射器，则控制从方框404转到方框416。方框416将信道表征为强LOS或强散射。但是，一般来说，方框416将采用不同于方框406的算法。之所以这样是因为，在此情况下，H是m×1向量，其秩为1。

对于一些实施例，通过观察从一个天线到另一个天线的信道增益的互相关性来表征信道。例如，形成积h_ih_j(i≠j)的样本数据平均值，其表示为E{h_ih_j}，其中由于在此情况下H是m×1向量，所以h_i是H的第i个分量。E{}表示总体平均值，但实际上，是通过形成随机变量的大量样本的平均值、即样本平均值来估计该随机变量的总体平均值的。因此，E{}也将用于表示样本平均值。对于一些实施例，如果 $\underset{i\&NotEqual;j}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|E\left\{h_i{h}_j\right\}\right|>\mathrm{\&Lambda;},$ 其中Λ是某个阈值，则将通信信道表征为强LOS。

如果将通信信道表征为强LOS，则控制转到方框408。但是，如果方框416确定通信信道是散射的，则控制转到方框415。

方框410可采用各种方法来选择这些天线之一用于与接入点通信。作为一个简单的实例，可从接入点接收信标，并在每个天线处对信号强度采样。选择提供最大信号功率的天线。

通过在由于强LOS信道而削减了MIMO的益处时选择单个扇形定向天线，预期，对或来自相邻客户端的干扰将减少，从而增加相同竞争空间中的空间再利用或信道可再利用性，并且因而贡献出较高的信道容量。而对于MIMO提供益处的那些情形，例如对于将通信信道表征为强散射的情形，将天线配置成全向以利用MIMO系统。

自适应天线310可通过标准的天线设计原理进行设计。每个自适应天线310可包括诸如偶极子的简单天线元件的阵列。阵列可以是相控阵列，以便取决于应用于各个阵列元件的相移以及对它们的输出求和的方式，将该阵列配置成全向或扇形定向。相移和求和可在RF域或基带域中执行，或者在量化基带信号并将其表示成数字数值之后在数字域中执行。

在不背离如随附权利要求所述的本发明的范围的情况下，可以对公开的实施例做出各种修改。

可利用各种数学关系式来描述一个或多个量之间的关系。例如，数学关系式或数学变换可表示用于通过诸如加、减、乘、除等各种数学运算从一个或多个其它量推导出一个量的关系。或者，数学关系式可指示一个量大于、小于或等于另一个量。这些关系式和变换实际上是不能完全满足的，并且因此应当将其解释为是为关系式和变换而“设计”的。本领域的技术人员可设计各种可行的实施例来满足各种数学关系式或变换，但这些关系式或变换只能在实践者可用的技术的容许范围内满足。

因此，在随附权利要求中，应理解，所主张的数学关系式或变换实际上只能在实践者可用的技术的容许范围或精度内满足，并且要求权利的主题的范围包括基本上满足所主张的数学关系式或变换的那些实施例。

Claims (29)

1.一种装置，包括：

一组天线，每个天线具有全向模式和扇形定向模式；以及

控制器，用于基于估计通信信道具有第一特性而将所述一组天线中的每个天线切换到其扇形定向模式，并基于估计所述通信信道具有第二特性而将所述一组天线中的每个天线切换到其全向模式。

2.如权利要求1所述的装置，其中如果视线通信路径占主导，则所述通信信道具有第一特性，否则具有第二特性。

3.如权利要求1所述的装置，在所述一组天线中的每个天线切换到其扇形定向模式之后，所述控制器在一定时间间隔内只利用所述一组天线中的一个天线进行通信。

4.如权利要求1所述的装置，如果接收到来自多输入多输出通信设备的信号，则所述控制器估计具有多于一行和多于一列的通信信道矩阵，并基于所述通信信道矩阵的一组奇异值，估计所述通信信道具有第一或第二特性。

5.如权利要求4所述的装置，如果大于阈值的奇异值的数量大于整数阈值，则所述控制器估计所述通信信道具有第二特性，否则估计所述通信信道具有第一特性。

6.如权利要求4所述的装置，如果商大于阈值，则所述控制器估计所述通信信道具有第一特性，所述商的被除数等于所述奇异值的最大值，而其除数等于所述奇异值的和，所述和不包括具有所述最大值的奇异值；否则，所述控制器估计所述通信信道具有第二特性。

7.如权利要求4所述的装置，如果接收的信标信号指示不支持多输入多输出，则所述控制器估计所述一组天线中的信道增益的互相关性。

8.如权利要求7所述的装置，如果所估计的互相关性的和大于阈值，则所述控制器估计所述通信信道具有第一特性。

9.如权利要求1所述的装置，如果接收的信标信号指示不支持多输入多输出，则所述控制器估计所述一组天线中的信道增益的互相关性。

10.如权利要求9所述的装置，如果所估计的互相关性的和大于阈值，则所述控制器估计所述通信信道具有第一特性。

11.一种包括计算机可读介质的制品，在所述计算机可读介质上存储有指令，所述指令在计算机上执行时使所述计算机执行以下动作：如果接收的信号指示多输入多输出发射器，则：

估计m×n维的信道矩阵H，其中m>1，且n>1；

执行H的奇异值分解以生成H的奇异值；以及

取决于所述奇异值，将一组天线配置成一组全向天线或扇形定向天线。

12.如权利要求11所述的制品，其中如果大于阈值的奇异值的数量大于整数阈值，则将所述一组天线配置成一组扇形定向天线；否则，将所述一组天线配置成一组全向天线。

13.如权利要求11所述的制品，其中如果商大于阈值，则将所述一组天线配置成一组扇形定向天线，所述商的被除数等于所述奇异值的最大值，而其除数等于所述奇异值的和，其中所述和不包括具有所述最大值的奇异值；否则，将所述一组天线配置成一组全向天线。

14.如权利要求11所述的制品，其中如果所接收的信号指示发射器不是多输入多输出发射器，则所述指令使所述计算机估计信道增益的互相关性。

15.一种用于第一设备与第二设备通信的方法，所述方法包括：

在所述第二设备处确定所述第一设备是否包括多输入多输出发射器；

如果所述第二设备确定所述第一设备包括多输入多输出发射器，则在所述第二设备处估计信道矩阵以提供m×n维的估计的矩阵H，其中m>1，且n>1；否则，n＝1；以及

如果n>1，则执行H的奇异值分解以便使 $H=\underset{i=1}{\overset{\min \{m,n\}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&sigma;}}_i{u}_i{v}_i^T,$ 其中σ₁≥σ₂≥...σ_min{m，n}≥0是H的奇异值，u_i是m×m酉矩阵U的第i个列，而

是n×n酉矩阵V的第i行；以及

取决于所述奇异值，将一组天线中的每个天线配置成全向或扇形定向。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：

确定使σ_K>ε的最大下标K，其中ε是正数；以及

如果所述最大下标K使得K<N，其中N是整数，则将所述一组天线中的每个天线配置成扇形定向。

17.如权利要求15所述的方法，还包括：

形成商

以及

如果所述商大于阈值，则将所述一组天线中的每个天线配置成扇形定向。

18.如权利要求15所述的方法，还包括：

如果n＝1，则计算某个i的E{h_ih_j}，其中j的范围在从1到m的除i以外的整数集合内，其中h_k是H的第k个分量，k＝1，2，...，m，而E表示样本数据平均值；以及

取决于所述E{h_ih_j}，将所述一组天线中的每个天线配置成全向或扇形定向。

19.如权利要求18所述的方法，还包括：

如果 $\underset{j\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|E\left\{h_i{h}_j\right\}\right|>\mathrm{\&Lambda;},$ 其中

是阈值，则将所述一组天线中的每个天线配置成扇形定向。

20.一种系统，包括：

一组天线，每个天线具有全向模式和扇形定向模式；

处理器；

与所述处理器通信的系统存储器；

与所述处理器和所述系统存储器通信的芯片组；以及

控制器，用于基于估计通信信道具有第一特性而将所述一组天线中的每个天线切换到其扇形定向模式，并基于估计所述通信信道具有第二特性而将所述一组天线中的每个天线切换到其全向模式。

21.如权利要求20所述的系统，其中所述控制器与所述芯片组集成在一起。

22.如权利要求20所述的系统，其中所述控制器作为在所述处理器上运行的进程实施。

23.如权利要求20所述的系统，如果接收到来自多输入多输出通信设备的信号，则所述控制器估计具有多于一行和多于一列的通信信道矩阵，并基于所述通信信道矩阵的一组奇异值，估计所述通信信道具有第一或第二特性。

24.如权利要求23所述的系统，如果大于阈值的奇异值的数量大于整数阈值，则所述控制器估计所述通信信道具有第二特性，否则估计所述通信信道具有第一特性。

25.如权利要求23所述的系统，如果商大于阈值，则所述控制器估计所述通信信道具有第一特性，所述商的被除数等于所述奇异值的最大值，而其除数等于所述奇异值的和，其中所述和不包括具有所述最大值的奇异值；否则，所述控制器估计所述通信信道具有第二特性。

26.如权利要求23所述的系统，如果接收的信标信号指示不支持多输入多输出，则所述控制器估计所述一组天线中的信道增益的互相关性。

27.如权利要求26所述的系统，如果所估计的互相关性的和大于阈值，则所述控制器估计所述通信信道具有第一特性。

28.如权利要求20所述的系统，如果接收的信标信号指示不支持多输入多输出，则所述控制器估计所述一组天线中的信道增益的互相关性。

29.如权利要求28所述的系统，如果所估计的互相关性的和大于阈值，则所述控制器估计所述通信信道具有第一特性。

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