CN101689908A

CN101689908A - 在多重输入多重输出无线局域网络环境下选择天线和传输数据的方法

Info

Publication number: CN101689908A
Application number: CN200880023808A
Authority: CN
Inventors: 成檀根; 丁放哲
Original assignee: Pantech Co Ltd
Current assignee: Pan Thai Co ltd
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: JP2010527195A; CN101689908B; US20100246546A1; US20120320898A1; JP5628948B2; KR20080099935A; EP2176960A1; US8279744B2; WO2008140216A1; EP2176960A4; KR100895576B1; JP2013141292A

Abstract

在多重输入多重输出(MIMO)无线局域网络(WLAN)系统中，提供了一种从多条天线中选择至少一条天线并通过所述选定的天线从站到接入点传输数据帧的方法。一种在MIMO无线局域网系统中从多个站到接入点传输数据的方法，所述方法包括：检测每个站的从所述接入点到每个传输天线的通道的状态；基于所述检测到的通道状态在所述站的传输天线中选择至少一条传输天线；和通过选定的一条或多条传输天线从站到接入点传输数据帧。

Description

在多重输入多重输出无线局域网络环境下选择天线和传输数据的方法

技术领域

本发明涉及一种多重输入多重输出(Multiple-Input Multiple-Output：MIMO)无线局域网络(WLAN)系统，更进一步讲，涉及一种从多条天线中选择至少一条天线并通过所述选定的一条或多条天线传输数据帧的方法。

背景技术

WLAN(wireless local area network)是一种短距离通讯网络，在WLAN中信号可以在节点之间，如站和接入点，无线地被传输。WLAN可以改善有线局域网(wired LAN)的实现容易性和扩展性，可以降低运营和维持局域网的成本，并可以向用户提供更方便的网络连接环境。

目前，各类便携设备，如便携式数字助理(portable digital assistant：PDA)、便携式媒体播放器(portable media player：PMP)、平板个人电脑(personal computer：PC)等的使用正在扩大。随着便携设备使用的增加，用户对使用网络连接功能的便携设备的需求也在不断增加，从而使WLAN成为了一个具有吸引力的选择。

WLAN的一个相关代表标准是电气和电子工程师协会研究所(Institute of Electrical and Electronics Engineers：IEEE)的802.11无线保真(Wireless Fidelity：Wi-Fi)标准。由于IEEE 802.11标准最初在1997年被发行，此IEEE 802.11标准已成为各种扩展标准如11a、11b和11g的基础。为支持更高的性能，802.11n目前在被标准化。

IEEE 802.11n标准采用了MIMO系统配置体系以在物理层支持高数据速率。在MIMO体系，传输端可通过多条传输天线传输数据，数据可通过各类路径，且接收端可使用由多条接收天线从各种路径接收到的信号检测数据。于此，MIMO体系可提高数据传输速率并减少在多路径环境中可能发生的干扰。

因此，在IEEE 802.11n WLAN环境中，站和接入点各自具有多条天线。通过上面所述的配置，与现有版本相比，其可以在物理层支持提高的数据速率。

韩国专利申请第10-2006-97537号涉及一种MIMO WLAN系统。图1示出了在上面所述的申请中描述的MIMO WLAN系统的一般配置。参照图1，MIMO WLAN系统包括多个站110和120，和从站110和站120接收数据的一个接入点130，其与一般WLAN系统相同。

MIMO WLAN系统与一般WLAN系统间的不同在于，在MIMOWLAN系统中，每个站和接入点具有多条天线。因此，第一站110具有多条传输天线111和112，第二站120具有多条传输天线121和122，且接入点130具有多条接收天线131、132、133和134。站110和120可分别通过传输天线111、112、121、122以不同的路径传输数据。接入点130可通过接收天线131、132、133和134接收以不同路径传输的信号。

与图1展示的布置不同，一般的WLAN系统会这样布置，即每个站具有两条传输天线以及一个只具备两条接收天线的接入点。因此，每个站通过两条传输天线传输数据，且接入点通过两条接收天线从每个站接收数据。如果两个站同时传输数据，4股数据流可同时到达接入点。在这种情况下，数据碰撞可能会发生且接入点的两条接收天线可能无法在4股数据流中进行识别。如上所述，在一般的WLAN系统中，如果接收端具有的天线数目少于来自传输端的独立数据流的数目，接收性能可能会大大降低。

因此，提出了一个新技术，所述新技术通过采用多条天线选择多元化体系以增加数据的吞吐量(throughput)。

发明内容

技术目的

本发明的一个目的在于通过提供天线多元化体系以提高数据吞吐量。

本发明的另一个目的在于通过使用少于接收天线数目的无线电频率(radio frequency：RF)链来传输和接收数据以减少系统实施例成本。

此外本发明的另一个目的在于减少MIMO系统中媒体访问控制(Media Access Control：MAC)层之间可能发生的数据碰撞。

技术方案

根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种用于从多个站到接入点传输数据的方法。所述方法包括：检测，由每个站，检测该站的从接入点到多条天线中的每条天线的通道的通道状态；选择，由每个站，基于检测到的通道状态从多条传输天线中选择至少一条传输天线；以及传输，由每个站，通过选定的传输天线传输数据帧到接入点。

附图说明

图1示出了MIMO WLAN系统的配置；

图2是示出根据本发明的实施例的在MIMO WLAN系统中从站到接入点传输数据方法的流程图；以及

图3是示出根据本发明的实施例的站设备的内部配置的框图。

具体实施方式

下文将参照附图对本发明的示例性实施例进行详细说明，所述附图中的标号是指各个构成要素。所述示例性实施例将在下文参照附图进行描述。

以下，将参照附图对使用根据本发明示例性实施例的方法在MIMOWLAN系统中传输和接收数据的方法进行描述。

根据本发明的示例性实施例，每个站可具备多条传输天线且为传输数据到接入点从多条天线中选择至少一条传输天线。因此，其可降低由于数据冲突而可能发生的性能减弱。

例如，根据一个示例性实施例，每个站可包括两条传输天线，和一个可具有两条接收天线的接入点。然后，如果每个站只通过两条传输天线其中的一条传输数据，则每个站通过一个单一的传输天线传输数据且接入点通过其具有的两条接收天线接收数据。如果两个站同时传输数据，两股数据流可同时到达接入点。然而，由于接入点具有的接收天线的数目不少于独立的数据流的数目，即使发生碰撞接入点也可以恢复数据流。

图2是示出根据本发明的实施例的在MIMO WLAN系统中从站到接入点传输数据方法的流程图。下文中，将参照图2对所述方法进行详细描述。

在操作S210中，站检测从接入点到站的多条传输天线的每一条的通道的通道状态。

例如，可计算通道的通道增益(channel gain)来检测通道状态。在无线电波道的情况中，由于多路径逐渐减弱，所述通道增益可能随时间或地形发生变化。每条天线的通道状态可能是独立的。在这种情况下，如果传输端和接收端都跟踪每个通道的状态且了解每条天线的通道状态，站可在特定通讯点及时选择具有最好通道增益的天线并尝试通讯。

此外，站可基于从接入点收到的导频信号(pilot signal)检测通道状态。特别是，在相互通讯系统(reciprocal communication system)中，如时分双工(time division duplexing：TDD)系统，具有相同的上行链路(uplink)和下行链路(downlink)属性，如果站通过上行链路使用每条天线接收到的导频信号传输数据，该站可基于每条天线接收到的导频信号选择一条天线。上述体系可适用于WLAN系统。

此外，接入点可生成信标信号并传输生成的信标信号到每个站使站可以决定天线的相关通道状态。例如，其可为每条天线生成一个正交或准正交(quasi-orthogonal)导频信号并传输生成的导频信号到每个站。

传输导频信号的例子可使用下面体系中的至少一个：将每个天线的导频信号插入到每个信标信号的体系、将每个天线的导频信号插入不同的每个信标信号的体系、和调整将插入到信标信号的导频信号的周期以减少信号开支的体系。每个天线的导频信号可基于正交码、准正交码、正交时间、正交频等识别。

在操作S220，每个站基于检测到的通道状态从其传输天线中选择至少一条传输天线。

例如，每个站可决定每条传输天线的通道状态并选择一个具有最佳通道状态的传输天线。

在操作S230，站通过选择的传输天线将数据帧传输到接入点。

即使每个站从其传输天线中选择至少一条具有最佳通道状态的传输天线而通过选择的一条或多条传输天线传输数据时碰撞发生，此接入点也可在独立的数据流中进行辨别并识别数据。

具体来说，即使由于站数目多导致碰撞的概率较高，各站也可自动适应地调整传输天线的数目。

如上所述，根据本发明的一个示例性实施例，在MIMO通讯系统中，传输端可从多条可用天线中选择地使用预先设定数目的天线并通过选择的预先设定数目的天线传输数据。因此，其有可能在多样性联合体系中实现选择多样性。

此外，用于检测通道状态以选择天线的天线扫描的例子可包括测量通道的最大数据速率。具体来说，当自动和反复改变每个天线的通道的数据速率时，例如，当增加或减少数据速率时，每个站可测量可用的最大数据传输速率并选择预先设定数目的具有最大数据速率的天线。可基于相应站相关的通道状态及传输流量是否存在决定是否执行天线扫描程序。此外，当执行天线扫描程序时，其可以定期测量最大数据传输率。如果基于定期测量通道状态随时间变化，则其可以基于通道状态通过选择不同数目的天线提高其性能。

根据本发明的一个示例性实施例，一个插入操作，由每个站，将选定的一条或多条天线的相关天线选择信息插入到数据帧的标题信息(header information)并传输数据帧到接入点的操作可被执行。具体来说，一旦站选择一条或多条天线，天线选择信息可被包含在标题信息中并被传送，使接入点可收到天线选择信息。

根据本发明的一个示例性实施例，射频链(RF chain)如正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing：OFDM)调制器、数字处理单元、接收器等可通过切换被一些天线共享。通过这一点，其可以简化硬件设备的配置并因此降低制造成本。

参照图2在上文描述的实施例中，每个站自己检测通道状态以选择天线。然而，根据本发明的另一个示例性实施例，接入点可影响每一个站的天线选择。

此外，根据本发明的另一个示例性实施例，在MIMO WLAN系统中从站到接入点传输数据的方法可包括从站的多条传输天线中选择至少一套传输天线，并通过选择的一套或多套传输天线传输数据帧到接入点。

如果每个站选择一套或多套传输天线，可以基于由每个站的接入点天线决定的传输天线的数目选择所述的一套或多套传输天线。具体来说，接入点可决定独立数据流的最大数目，即为向位于接入点覆盖范围的每个站传输而生成该最大数目。接入点便可使用信标信号传输所述最大数目到每个站。可用天线的最大数目被决定之后，每个站可以通过运用空时博克码(Space Time Bock Coding：STBC)体系、空间复用(spatialmultiplexing：SM)体系、波束形成(beam forming：BF)体系等提高选定的一套或多套传输天线的一条或多条天线的相关频率效率。

接入点决定在各站可用天线的数目的情况，所述接入点可基于与接入点开放数据通讯会话的站的数目决定天线数目。此外，接入点可使用多个站间的数据帧碰撞概率，或可使用帧错误率(frame error rate：FER)来决定在各个站可用的天线数目。

如上所述，根据本发明一个示例性实施例，接入点可生成一个信标信号并可传输生成的信标信号到每个站以使每个站检测通道状态。此外，导频信号可以被只插入到一个特定的信标信号，即在从接入点传输出来的信标信号之中被预先设定好的信标信号。接入点决定站中可用天线数目的情况可使用导频信号。

由于导频信号本身可能是系统开销，其可以在示例性实施例中对插入到信标信号的导频信号的数目越少性能越有利。因此，接入点可基于站的数目、每个站移动速度、数据流量负载、或者这些或其他因素的组合，调整插入到信标信号的导频信号的数目。例如，如果用户流动可以忽略不计或用户数目少，被决定的通道状态可能不会明显改变。但是，如果移动速度或用户的数目增加，通道状态的改变更为重要。因此，其可以基于通道状态自动适应地插入预先设定的数目的导频信号以降低系统开销。

根据本发明的一个示例性实施例，可基于从每个站收到的请求决定即将插入到信标信号的导频信号的数目。根据另一个本发明示例性实施例，在成套传输天线的选择中，每个站可从站的多条传输天线中随机选择预定数目的几套天线。

如果可用天线的数目基于信标信号被决定，每个站可对应决定出的可用天线的数目从给出数目的天线中选择一套天线。以下，将对选择标准的例子进行说明。

最初，选择的一套天线的容量，可根据香农(Shannon)的通道容量公式计算，且可对应其最大值选出一套天线。

如果存在单条传输天线和单条接收天线，通道容量公式可表示为：

C＝B·log₂(1+SNR)，

其中B表示整个系统的带宽且SNR表示信号噪声比。在多条传输天线和多条接收天线存在的MIMO环境下，通道容量公式可以表示为：

C = B \cdot \log_{2} \det (I + \frac{1}{N_{0}} {HK}_{x} H^{H}),

其中I表示单位矩阵，H表示MIMO的矩阵，且K_X表示传输端分配给每个天线的功率的协方差矩阵。

此外，其可以选择每条都具有最大信号干扰噪声比(SINR)值的一套天线。

IEEE标准规定物理层采用OFDM体系。所述OFDM体系或正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access：OFDMA)体系是一种调制方式，其可以补偿在多路径通道发生的变形。OFDM体系或OFDMA体系使用具有相互正交的多个副载波传输数据，其不同于使用单个载波的传输体系。具体来说，OFDM体系可执行与用于调制数据的副载波的数目相同的次数的串并联转换(serial-to-parallelconversion)，并可使用相应副载波调制每个转换数据。因此，OFDM体系可通过副载波数目延长每个副载波的符号周期，从而保持数据速率。由于OFDM体系使用相互正交的副载波，与传统的频分复用(FrequencyDivision Multiplexing：FDM)体系相比OFDM体系可提高带宽效率并延长符号周期。因此，与单一副载波调制体系相比，OFDM体系可减少或最小化符号间干扰(inter-symbol interference：ISI)。

在此，将对本发明的在物理层使用OFDM实现天线多样性的示例性实施例进行描述。

根据本发明的一个示例性实施例，MIMO WLAN系统可包括一个具备多条接收天线的接入点，和通过多条传输天线传输数据到接入点的多个站。

所述WLAN系统可把OFDM用作物理层。每个站可为每个子带(subband)选择一条天线并通过选出的天线传输数据帧到接入点。

特别是，当从多条传输天线中决定预先设定数目的天线时，其可以为每个副载波或为与相邻的副载波集对应的每个子带选择天线。具体而言，其可以通过改变每个特定子带的天线来传输数据。数据可通过选定的传输天线根据传输体系如STBC体系、SM体系、BF体系等被传输。

天线可以基于所有副载波的平均通道增益被选择。然而，在频率选择性衰减的环境下，每个子带或每个副载波的通道状态可能会明显地改变。因此，如果为每个子带选择天线，可获得额外增益。

此外，每个站可基于子带的平均通道增益选择天线。此外，每个站可基于所有副载波的平均通道增益选择天线并为整条带使用选择的天线。此外，每个站可能会为每个子带随机选择可用天线的数目。

根据本发明的另一个示例性实施例，接入点可将导频信号插入到信标信号中，以使每一个站可以估计每个子带或每个副载波的通道状态。导频信号针对每个传输天线可以是正交或准正交。此外，导频信号可以是同时从另一个站传输来的通道估计的导频信号的相关正交或准正交。通过这一点，可在接入点准确执行通道估计，其可操纵MIMO接收器。

此外，预先设定的信号体系可用来通知由站为每个子带选出的天线的接入点。例如，可使用基于帧标题添加索引的体系。在这种情况下，由于不同的天线为每个子带使用，索引的数目匹配子带的数目。每个站将该站所有天线的相关导频信号通知给接入点。因此，尽管选定数目的天线被用于数据传输，与所有天线数目相同的通道估计的导频信号还是被传输。

图3是示出了根据本发明的实施例的MIMO WLAN系统的站设备300内部配置的框图。

所述站设备300可包括通道状态检测器310、天线选择器320和数据帧传输器330。下文中，将对每个组成部分的职能进行详细描述。

通道状态检测器310可检测每个站的从接入点到多条传输天线的每一条的通道的通道状态。例如，通道状态检测器310可以计算通道增益或测量数据速率以检测通道状态。此外，通道状态检测器310还可使用从接入点收到的导频信号检测通道状态。

天线选择器320可基于检测到的通道状态从多条传输天线中选择至少一条传输天线。此外，天线选择器320可基于接入点决定的天线数目选择至少一条传输天线。此外，当决定传输天线的数目时，天线选择器320可使用与接入点开放数据通讯会话的站的数目，或在多个站之间的数据碰撞概率。

数据帧传输器330可通过选定的一条或多条传输天线将数据帧传输到接入点。

站设备300的配置已经在上文参照图3被描述。参照图2的描述可适用于站设备300。因此，在此省略与此有关的进一步详细说明。

根据本发明的示例性实施例的数据传输方法可通过运用天线多样性体系提高数据吞吐量。

此外，根据本发明的示例性实施例，系统实施例的成本可通过简化RF链的硬件结构被降低。

此外，根据本发明的示例性实施例，MIMO系统中媒体访问控制(Media Access Control：MAC)层之间发生的数据碰撞可被减少。

尽管本发明的一些示例性实施例已被展示和描述，本发明不仅限于所描述的实施例。相反，本技术领域的技术人员将理解，可以在不脱离本发明的原则和精神范围内对实施例进行改变，其范围由权利要求书及其等同物决定。

Claims

1、一种在多重输入多重输出无线局域网络系统中从多个站向接入点传输数据的方法，该方法包括以下步骤：

检测从所述接入点到每个第一站的多条传输天线的通道的通道状态；

基于所述检测的通道状态从所述多条传输天线中选择至少一条传输天线；和

通过所述至少一条传输天线从所述第一站到所述接入点传输数据帧。

2、如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：

将所述至少一条传输天线相关的天线选择信息插入到所述数据帧的标题信息。

3、如权利要求1所述的方法，其中所述检测包括计算所述通道的通道增益。

4、如权利要求1所述的方法，其中利用从接入点收到的导频信号来检测所述通道状态。

5、如权利要求1所述的方法，其中所述检测包括测量所述通道的最大数据传输率。

6、如权利要求5所述的方法，其中所述测量在每个站反复改变通道数据速率时测量最大数据传输率。

7、如权利要求5所述的方法，其中所述最大数据传输率定期被测量。

8、一种在多重输入多重输出无线局域网络系统中从多个站向接入点传输数据的方法，该方法包括以下步骤：

从第一站的多条传输天线中选择至少一套传输天线；和

通过所述至少一套传输天线从第一站到接入点传输数据帧。

9、如权利要求8所述的方法，其中所述的至少一套传输天线基于所述多个站的每个所述接入点决定的传输天线的数目被选择。

10、如权利要求9所述的方法，其中所述传输天线的数目基于与所述接入点开展数据通信会话的站的数目被决定。

11、如权利要求9所述的方法，其中所述传输天线的数目基于所述多个站之间的数据碰撞概率被决定。

12、如权利要求9所述的方法，其中所述传输天线的数目基于帧错误率(FER)被决定。

13、如权利要求8所述的方法，其中所述至少一套传输天线具有多条传输天线的最大通道容量。

14、如权利要求8所述的方法，其中所述至少一套传输天线随机被挑选。

15、如权利要求8所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：

随着插入的导频信号生成信标信号；和

从所述接入点到所述多个站传输所述生成的信标信号；

其中所述接入点基于站数目、每个站的移动速度和数据流量负荷中的至少一个调整被插入到信标信号里的导频信号的数目。

16、一种多重输入多重输出(MIMO)无线局域网络(WLAN)系统，该系统包括：

具有多个接收天线的接入点；和

用来传输数据到所述接入点的多个站，每个站具有多条传输天线，

其中所述MIMO WLAN系统使用正交分频多工调变体系作为物理层，且每个站选择至少一条传输天线给每个子带以传输数据帧到所述接入点，所述子带为副载波集。

17、如权利要求16所述的系统，其中所述接入点传输导频信号到每个站，每个站判断每个副载波的通道状态。

18、如权利要求16所述的系统，其中每个站基于所述子带的平均通道增益选择至少一条传输天线。

19、一种多重输入多重输出无线局域网络系统，该系统包括：

通道状态检测器，其检测从接入点到每个站的多个传输天线通道的状态；

天线选择器，其从多条天线中基于通道状态选择至少一条传输天线；和

数据帧发送器，其通过所述的至少一条传输天线传输数据帧到所述接入点。