CN101682472B - 用于评估传播路径状况的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于评估具有多个发送和接收天线的无线通信系统的传播路径状况的测量指标“传递效率”。根据以接收天线通过接收由发送天线发送的OFDM信号而获得的接收信号的数据来计算信号路径的传递函数。计算用于根据与接收信号的期望副载波有关的接收矢量将发送矢量解调的解调矩阵。计算噪声放大因数作为与期望发送天线有关的接收天线的解调矩阵的分量的二次幂的和的平方根。将噪声放大因数或倒数显示为值或具有与副载波有关的轴和与噪声放大因数或倒数有关的轴的图表。

Description

用于评估传播路径状况的装置和方法

技术领域

本发明涉及试验和测量仪器，更具体而言涉及用于评估具有多个发送和接收天线的无线通信系统的传播路径状况的装置和方法。

背景技术

评估接收信号的质量对于无线数字通信系统的改进、安装、和维护而言很重要。如果质量下降，则必须评估例如发射机和接收机等装置和多传播路径的空中状况两者，以便确定原因。在传统单输入单输出(SISO)通信的情况下，测量传递函数或延迟分布(delay profile)以评估传播路径。

无线局域网(LAN)标准IEEE802.11n使用空分复用(SDM)和多输入多输出(MIMO)来改善传输率。MIMO通信用多个发送天线来发送不同的数据并用多个接收天线来接收它们。与传统SISO通信相比，接收信号的质量严重受到从发送天线到接收天线的传播路径的影响。接收机使用各自传播路径的传递函数来对数据进行解调。在N×NMIMO的情况下，在发送和接收天线之间存在N×N个传递函数，且对来自一个发送天线的数据的解调需要使用所有传递函数进行计算。因此，难以仅仅通过观察传递函数或延迟分布来判定传播路径是好还是坏。

图1描绘2×2MIMO信号-IEEE802.11n OFDM的一个数据符号的传统质量评估。参照图1A，图表“EVM vs SC”中的标记10指示副载波(subcarrier，SC)号7具有72.968％的误差向量幅度(EVM)-非常差的信号质量值。由于EVM反映传播路径和装置两者的状况，所以分别地评估传播路径和装置的状况以便确定质量下降的原因很重要。在传统SISO通信的情况下，可以直接通过传递函数来评估传播路径。例如图1B和1C示出振幅(“Amp”)的传递函数且图1D和1E示出四个路径(Tx1-Rx1、Tx2-Rx1、Tx1-Rx2以及Tx2-Rx2)的相位(“Ph”)。标记12～18指示对应于副载波号7的位置。遗憾的是很难确定传播路径是否是质量下降的原因，因为图1B～1E的图表未示出标记位置处的图表形状中的区别性部分。

需要一种用于评估具有多个发送和接收天线的无线通信系统的传播路径状况的装置和方法。

发明内容

因此，在本发明中，根据以接收天线通过接收由发送天线发送的OFDM信号而获得的接收信号的数据来计算信号路径的传递函数。计算用于根据与接收信号的期望副载波有关的接收矢量来将发送矢量解调的解调矩阵。计算噪声放大因数(noise amplification factor)作为与期望发送天线有关的接收天线的解调矩阵的分量的二次幂的和的平方根。噪声放大因数或倒数(inverse)被显示为值或具有与副载波有关的轴和与噪声放大因数或倒数有关的轴的图表。

当结合随附权利要求和附图阅读时，通过以下具体描述可以清楚本发明的目的、优点及其它新颖特征。

附图说明

图1描绘2×2MIMO信号的质量评估的传统示例。

图2图解说明根据本发明的用于评估传播路径状况的装置的简化高级方框图。

图3图解说明根据本发明的用于评估传播路径状况的计算过程的流程图。

图4描绘与传统显示相比的根据本发明的显示。

具体实施方式

图2图解说明根据本发明的用于评估传播路径状况的装置的方框图。N×N MIMO系统具有N个发送天线Tx1～TxN和N个接收天线Rx1～RxN。用OFDM来调制从每个发送天线发送的信号。接收天线用接收电路来接收信号并将其提供给解调/计算电路20。解调/计算电路20从接收信号中的分组中提取数据以判定符号同步，补偿频率和相位，并将OFDM符号分离以提取长训练字段(Long Training Field，LTF)，即具有位于分组的开头部分处的已知固定模式(pattern)的符号。

解调/计算电路20通过LTF获得N×N传递函数并根据该N×N传递函数来计算称为“传递效率(transfer efficiency)”(下文描述)的新测量项。所计算的传递效率作为数值或图表被显示在显示器22上。用户可以使用可以具有按钮或旋钮的操作面板24向装置中输入期望的设定以便评估传播路径的状况。可以使用诸如频谱分析器等信号分析器来执行这些过程。或者，可以用个人计算机来处理接收数据。

图3图解说明根据本发明的用于评估传播路径状况的计算过程的流程图。下面详细讨论步骤32～40。

在步骤32中，计算N×N传递函数。解调/计算电路20基于从发送天线i(i＝1，2...N)到接收天线j(j＝1，2...N)的传递函数来获得一个副载波k(k＝1，2...M)的复数分量(complex component)。如等式1所示，设这些分量为接收机估计的副载波k的信道矩阵h_i，j，k。M是OFDM数据符号的副载波的数目。

等式1

当接收机根据接收信号的LTF估计传递函数时，发送功率是未知的。因此，对信道矩阵归一化，以便增益是0dB，并将从发送天线到接收天线的振幅增益设置为“a”。

对于一组OFDM数据符号的一个副载波k，等式2～4描述来自一个发送天线i的发送信号的复数分量x_i，k的发送矢量X_k；来自一个接收天线j的接收信号的复数分量y_j，k的接收矢量Y_k；以及被添加到接收天线j的噪声分量n_j，k的噪声矢量n_k。由等式5来描述X_k、Y_k与n_k之间的关系。假设解调/计算电路20估计的传递函数是正确的。

等式2

$x_k=\left[\begin{array}{c}{x}_{1,k}\\ x_{2,k}\\ .\\ .\\ .\\ x_{N,k}\end{array}\right]$

等式3

$y_k=\left[\begin{array}{c}{y}_{1,k}\\ y_{2,k}\\ .\\ .\\ .\\ y_{N,k}\end{array}\right]$

等式4

$n_k=\left[\begin{array}{c}{n}_{1,k}\\ n_{2,k}\\ .\\ .\\ .\\ n_{N,k}\end{array}\right]$

等式5

y_k＝aH_kx_k+n_k

等式6和7是k的共轭复数的乘积的1至M的和。如果来自发送天线i的发送功率是Pt_i且接收天线j的接收功率是Pr_j，则由等式8来描述“a”。

等式6

${\mathrm{Pt}}_i=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i,k}\stackrel{\‾}{x_{i,k}}$

等式7

${\mathrm{Pr}}_j=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{j,k}\stackrel{\‾}{y_{j,k}}$

等式8

$a=\sqrt{\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Pr}}_j}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Pt}}_i}}$

在步骤34中，计算解调矩阵。通过评估H_k的逆矩阵“H_k ^-1”来评估接收侧将通过解调获得的解调矢量z_k并如等式10所示地对其进行评估。

等式9

$z_k=\left[\begin{array}{c}{z}_{1,k}\\ z_{2,k}\\ .\\ .\\ .\\ z_{N,k}\end{array}\right]$

等式10

z_k＝H_k ^-1y_k＝aH_k ^-1H_kx_k+H_k ^-1n_k＝ax_k+H^k-1n_k

等式10显示解调矢量z_k是振幅增益“a”与发送矢量相乘加上噪声项H_k ^-1n_k。其中，设解调矩阵H_k ^-1为G_k，则；

等式11

等式12：

z_k＝ax_k+G_kn_k

等式13：

$z_{i,k}={\mathrm{ax}}_{i,k}+\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{i,j,k}{n}_{j,k}$

其中设副载波k的噪声功率为NP_k，则；

等式14：

${\mathrm{NP}}_k=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|g_{i,j,k}\right|}^2{\left|n_{j,k}\right|}^2$

首先，为简单起见，假设被添加到各接收天线的噪声如等式15所示具有相同的功率。在这种情况下，获得等式16。

等式15：

|n _j，k|＝nr_k

等式16：

${\mathrm{NP}}_k={{\mathrm{nr}}_k}^2\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|g_{i,j,k}\right|}^2$

在步骤36，计算噪声放大因数。等式16显示被添加到接收天线的噪声与解调矩阵的分量g_i，j，k的绝对值的和成比例地增大或减小。然后，如等式17所示地评估所有接收天线(j＝1至N)的g_i，j，k的二次幂的和的平方根，并将其称为来自发送天线i的副载波k的“噪声放大因数”NA_i，k。

等式17：

${\mathrm{NA}}_{i,k}=\sqrt{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{i,j,k}\stackrel{\‾}{g_{i,j,k}}}$

在步骤38，评估NA_i，k的倒数以提供传播路径的“传递效率”TE_i，k。

等式18：

${\mathrm{TE}}_{i,k}=\frac{1}{\sqrt{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{i,j,k}\stackrel{\‾}{g_{i,j,k}}}}$

等式18是其中被添加到所有接收天线的噪声分量具有相同功率的情况。如果噪声功率与接收功率成比例，则将噪声放大因数NA′_i，k和传递效率TE′_i，k定义为以下等式19和20。如果H_k的逆矩阵不存在，则使TE_i，k＝TE′_i，k＝0。

等式19：

${{\mathrm{NA}}^{\′}}_{i,k}=\sqrt{\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{i,j,k}\stackrel{\‾}{g_{i,j,k}}{\mathrm{Pr}}_j}{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Pr}}_j}}$

等式20：

${{\mathrm{TE}}^{\′}}_{i,k}=\sqrt{\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Pr}}_j}{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{i,j,k}\stackrel{\‾}{g_{i,j,k}}{\mathrm{Pr}}_j}}$

传递效率的值越高意味着传播路径具有更适合于MIMO通信的状况。当传递效率是1，即100％时，传播路径在使用MIMO通信与使用SISO通信之间提供几乎相同的质量。

在步骤40中，显示传递效率的图表。图4A描绘传统显示(图1A的较大视图)且图4B描绘根据本发明的显示。图4B的横轴是副载波号(或频率)且纵轴是传递效率。在图4A中，标记10位于EVM的坏值处；标记11位于图4B中的相应位置。与图1B～1E相比，如标记11的位置处的传递效率值所指示的，图4B清楚地将特性的坏部分显示为低值。这使得更容易确定质量下降的原因是传播路径的状况而不是装置。请注意，箭头13所指示的部分不仅显示低值，而且显示根据标准根本不存在副载波。

图4B示出相对于用户期望发送天线的每个副载波的传播路径的传递效率。然而，显示所有副载波的传递效率的平均值或RMS和最小值也是有用的。这可以适用于所有发送天线或每个发送天线。

作为显示传递效率的图表的替代，可以替换地显示噪声放大因数的图表。而且，如果信道矩阵不是方阵，则可以使用Hermitian共轭矩阵H_k ^H将(H_k ^H×H_k)^-1×H_k ^H作为解调矩阵处理。

因此，本发明提供了一种用于评估具有多个发送和接收天线的无线通信系统的传播路径状况的新测量指标“传递效率”。本发明使得可以分别地评估装置和传播路径的状况，因此使得更容易确定信号质量下降的原因。

Claims (6)

1.一种用于评估传播路径的状况的装置，包括：

用于根据利用接收天线通过接收由发送天线发送的OFDM信号而获得的接收信号的数据来计算信号路径的传递函数、计算用于根据与接收信号的期望副载波有关的接收矢量将发送矢量解调的解调矩阵、以及计算与期望发送天线有关的接收天线的解调矩阵的分量的二次幂的和的平方根作为噪声放大因数的装置；以及

用于显示噪声放大因数或噪声放大因数的倒数的装置。

2.如权利要求1所述的用于评估传播路径的状况的装置，其中，所述计算装置计算副载波的噪声放大因数或噪声放大因数的倒数，并且所述显示装置使用具有与副载波有关的轴和与噪声放大因数或噪声放大因数的倒数有关的轴的图表来显示噪声放大因数或噪声放大因数的倒数。

3.如权利要求1所述的用于评估传播路径的状况的装置，其中，所述计算装置计算副载波的噪声放大因数或噪声放大因数的倒数及噪声放大因数或噪声放大因数的倒数的平均值或均方根RMS，并且所述显示装置将其显示为值或图表。

4.一种评估传播路径状况的方法，包括步骤：

根据利用接收天线通过接收由发送天线发送的OFDM信号而获得的接收信号的数据来计算信号路径的传递函数；

计算用于根据与接收信号的期望副载波有关的接收矢量将发送矢量解调的解调矩阵；

计算与期望的发送天线有关的接收天线的解调矩阵的分量的二次幂的和的平方根作为噪声放大因数；以及

显示所述噪声放大因数或噪声放大因数的倒数。

5.如权利要求4所述的用于评估传播路径的状况的方法，其中，计算副载波的噪声放大因数或噪声放大因数的倒数，并使用具有与副载波有关的轴和与噪声放大因数或噪声放大因数的倒数有关的轴的图表来显示噪声放大因数或噪声放大因数的倒数。

6.如权利要求4所述的用于评估传播路径的状况的方法，其中，计算副载波的噪声放大因数或噪声放大因数的倒数的平均值或均方根RMS，并将其显示为值或图表。

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