CN102362448B - 用于中继多输入多输出信号的单输入单输出中继器 - Google Patents

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Abstract

多输入多输出(MIMO)信号是使用单输入单输出(SISO)中继器进行重传的，其中，该中继器包括与每一个单独的MIMO信道相关联的瑞利信道仿真器。在组合并经由单个信道进行发送之前，所述传输会经历仿真的瑞利衰减。然后，所述信号将被重传，以便由配备MIMO的接收机进行接收。

Description

用于中继多输入多输出信号的单输入单输出中继器
相关申请
本发明是国家阶段申请，并且要求于2009年7月4日提交的、名称为“SingleInputSingleOutputRepeaterforRelayingaMultipleInputMultipleOutputSignal”的、PCT申请号为PCT/EP2009/004835的优先权，该PCT申请是要求于2006年11月26日提交的、名称为“SingleInputSingleOutputRepeaterforRelayingaMultipleInputMultipleOutputSignal”的、申请号为61/118,226的美国临时申请的优先权的PCT申请，以引用方式将这两个申请的公开内容并入本文。
技术领域
本发明涉及信号传输，尤其涉及的是多输入多输出(MIMO)信号传输。
背景技术
在近几年里，对于无线服务中的高网络容量和性能的需求业已增长。一种用于提高频谱效率的方法是实施使用天线阵列来对信号进行空间复用的多输入多输出(MIMO)系统。MIMO系统使用了多个发射和多个接收天线，同时在相同频率上进行的所有通信都是以正交和不相关的方式进行的。在减小或消除了视线并且不同的信号部分具有不同的路径长度的环境中，MIMO信号可以在差错较少的情况下发送信号。
为了有效扩展无线信号的覆盖区域，人们使用了中继器或类似于中继器的系统。但是，常规的中继器或类似于中继器的系统是被设计成对从基站经由单个传输信道到达接收机的传输信号进行放大和中继的单输入单输出(SISO)系统。利用这些常规的中继器和类似于中继器的系统来放大和中继MIMO传输是非常划算的。但是，在实现具有MIMO信号的SISO系统的过程中存在一个问题，那就是SISO中继器可能会减小这种MIMO信号的益处。更具体地说，存在这样一个问题，即此类SISO设备或系统有可能会破坏信号的MIMO编码，并且由此产生干扰以及使系统降级。
发明内容
由此，如果使用SISO中继器来扩展MIMO信号的覆盖范围，从而在不丧失MIMO系统益处的情况下发送MIMO信号，那么将会是非常理想的。
SISO中继设备促使MIMO传输的每一个单独的天线信号经过对瑞利衰落进行仿真的扰频器。该瑞利信道仿真器输出到单输入SISO中继站。在一个实施例中，该中继站是无线中继器。在另一个实施例中，该中继站是光纤或铜缆传输站。
附图说明
在这里引入并构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且其连同以下给出的实施例的详细描述一起用于说明本发明的原理。
图1是示出与MIMO传输相关联的处理的流程图。
图2A示出了没有中继器的无线信号传输的示例。
图2B示意性示出了来自图2A的用于MIMO系统的天线交互。
图3A示出了包含中继器设备或系统的无线信号传输的示例。
图3B示意性示出了来自图3A的用于MIMO系统和SISO设备/系统的天线交互。
图4A示出了包含两个并行工作的中继器的无线信号传输的示例。
图4B示意性示出了来自图4A的用于具有多个SISO设备/系统的MIMO系统的天线交互。
图5是示出根据本发明的瑞利分布仿真处理的流程图。
图6是示出根据本发明用于不同传输配置的经仿真的瑞利分布结果的图表。
图7是示出根据本发明的与测量不同传输配置的瑞利分布的效果相关联的配置的示意图。
图8是示出图7的测量系统的结果的图表。
图9A-9C示出了包含了与SISO中继器相结合的瑞利信道仿真器的MIMO无线系统的三个实施例。
图10示意性示出了图9A的实施例中的MIMO天线交互。
图11A-11C示意性示出了具有包含瑞利信道仿真器的光纤分布系统的MIMO系统的三个实施例。
具体实施方式
图1示出的是用于无线信号的例示MIMO传输的处理图示，在本范例中使用的是正交频分复用(OFDM)。来自数据源101的数据通过正交振幅调制(QAM)102被转换到载波信号中。然后，经过调制的信号经历空时分组码(STBC)编码103，以将其拆分成多个(示出为两个)正交信号，其中在由无线电天线105a、105b经由传输环境106发送之前，每一个正交信号会经历离散傅里叶逆变换104a、104b。为了简单起见，图中没有包含诸如导频音调和循环前缀插入的其它涉及OFDM传输的组件，但是本领域技术人员对此是能够理解的。处于参考线108上方的系统组件可以是MIMO系统的基站端。用于MIMO信号的传输环境106可以使得这些信号遭遇到多种无线电信道传播现象，例如真空传播、反射、透射、散射、偏转和折射，这些现象有可能会使得信号出现延迟或失真。接收天线107a、107b拾取最终得到的信号，并且将其转换成单个信号，其中这些最终得到的信号会在根据空时分组码(STBC)算法110恰当解码之前经历傅里叶变换108。QAM解调器112将载波信号恢复成数据，数据宿113则接收该数据。参考线111下方的系统组件可以是移动设备，例如蜂窝电话。
图2A和2B示出的是基站10与诸如无线设备(例如，手机)的接收机20之间的典型MIMO下行链路传输。诸如广播塔的基站10具有多个发射天线12和14。而诸如无线设备的接收机20则具有多个接收天线22和24。每一个基站天线12和14都根据适当的MIMO算法(例如，如上所述的空时分组码(STBC)算法)来发送一部分信号。接收天线22和24则获取单独的信道，并且重新构造该信号。虽然在本示例中使用了两个天线，但是在每一个发射机和接收机上都可以使用任何附加数量的天线，这与MIMO传输协议是符合的。
如图3A和3B所示，中继器30通常是将信号运送到接收机20以及扩展基站10的覆盖范围所必需的。在这里，根据本发明的一个特征，中继器30被显示成SISO无线中继站。在基站10与接收机20之间无法有效地直接传送所发送的信号的环境中，中继器30能够获取信号，将其放大，以及向接收机20重传该信号。中继器30通常经由视线(LOS)连接来与基站10进行通信。如上所述，当在无线路径中使用SISO中继器或其它SISO部件或系统时，这时存在着有可能丧失MIMO系统的有益结果的问题。
在一些状况中，如图4A和4B所示，多个SISO中继器30a、30b能够并行工作，以便更好地运送信号。对处于某些重叠区域中的信号来说，被设计成独立工作的SISO中继器可以冗余地运送和发送相同的信号。作为替换，SISO中继器可以安置地更为接近，以便在广阔的信号区域上并行地重传。但是即使具有多个中继器30a、30b，仍旧存在着所指出的关于MIMO系统中的SISO组件的问题。虽然图3B所示的本发明的实施例示出的是拖曳不用无线电的信号，但是如下所述，所使用的也可以是有线系统，例如光纤或同轴SISO中继系统，并且该系统同样会出现关于MIMO系统中的SISO组件的相同问题。
本发明解决了这些问题，并且在保持MIMO网络益处的同时提供了一种在MIMO或分集网络中使用的SISO组件。特别地，本发明提供的SISO组件会在来自MIMO天线的信号经由SISO组件或SISO信号路径传输之前促使该信号经历人造的瑞利信道。
为了例证本发明的特征和益处，创建了在具有和不具有SISO中继器的情况下，在无线电波传播与瑞利衰落信道分布相似的状况中评估SISO和MIMO系统差错率的仿真。
在实际的无线电信道中，波传播现象可能并且肯定会发生。大多数的常见现象是真空传播、反射、透射、散射、偏转和折射。如果只考虑前两种现象并且仅仅将其用于第一近似，那么结果将会是接收机接收到通过多种不同路径的信号。由于这些路径具有不同的长度，因此，它们具有不同的延迟，并且转而会产生相长干涉或相消干涉。
如果没有确切了解不同信道的类型数量，则必须使用统计手段来近似信道建模的问题。对于多径信道来说，信号振幅遵循莱斯分布，而相移则必须被设想成是均匀分布的。根据本发明，在没有特定信道占据优势的不具有视线(NLOS)的无线电信道中，莱斯分布会转变成瑞利分布。然后，此类信道会被命名为瑞利衰落信道。此外，具有瑞利分布并且相位均匀分布的信号可以使用与复高斯零均值随机变量相乘的乘法来建模。
在图5中以图表形式显示了建立本发明的一个实施例的关于MIMO和SISO信道以及一个SISO中继器的仿真处理。常数N0的添加代表的是存在加性高斯白噪声，而function则代表的是所仿真的瑞利分布。虽然图5所示的仿真包括在应用SISO中继器之前和之后引入瑞利散射，但是瑞利散射函数的第二应用是可选的，并且在本发明的某些实施例中并未被使用。
下述仿真被设计成评估零个、一个或两个中继器对关联于所发送信号的指定信噪比(S/N)的比特差错率(BER)的影响。其结果在图6的图表中示出。没有与中继器结合使用的MIMO系统在所有S/N等级上都显示出最佳比特差错率(BER)。当然，在这种情况下，中继器或中继部件的益处是不会实现的。与不具有中继器的SISO系统相比，没有中继器的MIMO系统显现出较为陡峭的差错减小曲线，BER的降低则要远远快于类似的SISO系统。
引入SISO中继器损害了比特差错率。这一点可以从具有零个、一个和两个中继器的MIMO系统的比较以及从具有零个、一个和两个中继器的SISO系统的比较中清楚地看出。但是，MIMO系统的增益几乎不受添加一个或多个中继器的影响。用于MIMO系统的一个或两个中继器的曲线都在MIMO系统的较高S/N特性上显示出陡峭的BER减小，并且在大约12dB之上，在相同的S/N处在没有中继器的SISO系统上BER有所改善。具有两个中继器的MIMO系统会在高于17dB的S/N处显现出具有较好的BER的较为陡峭的曲线。即便如此，也不值得为了添加与第一SISO中继器并行的第二SISO中继器的微小益处而显著地增长附加SISO中继器设备的成本。
作为本发明的方面的更进一步的评估，在实验室环境中构造了一个物理测量系统，并且在图7中显示了其基本配置。所述实验室配置被设计成防止出现视线(LOS)状况并消除视线信道，由此产生可实验可行的与瑞利分布接近的状况。
为了能够使用实验室中可用的标准组件，在这里选择了2115MHz的频率。还使用了两个集成了任意波形生成器的信号生成器702a、70b作为发射机，然后经由两个独立的发射天线72a、72b来进行放射。这些信号被两个独立的接收天线82a、82b所捕获。所有四个天线72a、72b、82a、82b在结构上都是相同的。用于分析信号的接收机80a、80b直接借助计算机接口(GPIB)而以本领域普通技术人员已知的Matlab格式提供基带数据。
由于较为理想的是高散射无线电信道，因此用于实验室设置的传输环境90是专门预备的。该设置被配置成避免发射天线72a、72b与接收天线82a、82b之间出现直接的视线。量度(measurement)是在传输环境90中添加了零个、一个和两个SISO中继器的情况下获取的。用于量度的SISO中继器类型是子带选择性非无线电中继器，其增益为50dB。由于这些SISO中继器没有提供对抗反馈(反馈产生干扰，并且有可能产生振荡)的保护，因此，在测试配置中接收和施主天线是用很粗的覆盖了金属的防火门分离的。该设置还用于确保没有从发射机到接收机且不通过SISO中继器的传播路径。
在每一个量度中南记录了五个兆采样。这些采样首先用因数2进行下采样。由此将会记录最大130个帧。假设没有完整接收第一个帧和最后一个帧，那么剩下的是128个可用数据帧，并且其中包括2,359,296个数据比特。在具有12个不同能级的情况下，每一个能级平均可以使用196,608个比特。所述量度将会重复若干次。
图8显示的是具有相应平均值的量度结果。该数据证实具有中继器的MIMO信道提供的结果要好于可比较的SISO系统的假设。具有中继器的MIMO传输提供的结果要好于没有中继器的纯SISO连接。此外，具体的排名也是很明确的。没有中继器的MIMO系统在指定的信噪比图形处产生了最优的BER。当然，如上所述，由于没有中继器，这种系统不具有信号覆盖范围增大的优点。接下来的BER曲线对应的是具有两个中继器的MIMO系统，其后跟随的是具有一个中继器的MIMO系统。最后，与其它任何测量得到的情况相比，没有中继器的SISO系统具有较不理想的曲线。该数据证实当SISO信号在SISO传输之前遭遇到瑞利信道时，MIMO网络内部的SISO传输通常不会破坏MIMO传输的空时分组码。为经由SISO中继器重传的瑞利信道信号至少部分地保留了所示出的MIMO传输的益处。
计算机仿真和实验测量系统的结果确定，如果瑞利信道占据了信号传输，那么，即使添加了一个或两个SISO中继器，MIMO系统的效果和益处仍旧继续适用。本发明使用了这些结果并且在信号的SISO传输之前提供信号处理。特别地，本发明包括对MIMO传输信号进行处理，以便在合并信号以及经由SISO中继器中继这些信号之前在每一个信道中包含仿真的瑞利分布。
在本发明的一个实施例中，瑞利信道仿真器可以使用如下所示的复高斯来修改信号：
gn＝xn+iyn(1)
其中每一个xn都是从具有零均值的高斯分布中产生的，并且每一个yn都是通过相同的高斯分布(具有零均值以及相同的方差)而从xn中独立生成的。通过为MIMO传输的每一个信号产生独立的复高斯g1，g2等等，即便在瑞利散射没有占据传输环境的状况下也能估计瑞利信道。瑞利信道仿真器的一个实施例可以在数字信号处理环境中实施，例如在本领域已知的某些非广播的无线中继器使用的环境中实施。
在另一个实施例中，瑞利信道仿真器可以包括使用模拟延迟信道，其中该信道的长度是非相关的，以便根据瑞利分布的需要来去耦合信号的相位分布。这种物理延迟信道在模拟信号处理环境中是优选的，例如在本领域已知的某些模拟电缆中继器使用的环境中是优选的。
用于生成瑞利分布效果的其它信号处理方法是本领域普通技术人员已知的，并且可以根据本发明的原理来进行利用。
图9-11显示的是本发明的实施例，其中每一个MIMO信号都会在经由SISO系统传输之前经过人工的瑞利信道。
图9A-9B显示了单个SISO中继器30a、30b的两个不同的实施例，其中包括瑞利信道仿真器42和44。在对来自中继器的两个施主天线32和34的信号进行组合并将其作为下行链路信号传输的一部分来进行重传之前，这些瑞利信道仿真器42和44是成一直线的。如上所述，在通过使用本发明的SISO中继器来对人工(或是实际和人工)瑞利散射信号进行中继的过程中，保留了STBC或任何适当的MIMO参数。根据本发明，通过在信号合并之前假设每一个信号都仿真了瑞利分布，多个信号的组合以及作为单个信号的重传不会消除MIMO效果。同样，SISO组件可以在MIMO系统中使用，同时仍旧保持整个MIMO系统的益处。
图9A的SISO中继器允许通过使用频分双工(FDD)来同时进行上行链路和下行链路传输。频率双工器58a和58a’为这个功能提供了必要的频率变换。图9B的SISO中继器则改为使用非同时的上行链路和下行链路传输。该处理是通过使用时分双工(TDD)来完成的。切换器58b和58b’则促成了上行链路与下行链路传输之间的时间划分。
图10显示的是基站10与接收机20两者的天线之间的交互，其中添加了瑞利信道仿真器。基站传输天线12和14中的每一个都发送其部分的MIMO信号，这些信号被SISO中继器30的施主天线32和34接收，并且在被组合并由单个覆盖天线36重传到接收机20的多个接收天线22和24之前由瑞利信道仿真器42和44处理到仿真的瑞利分布中。
如上所述，通过在施主天线端添加瑞利信道仿真器，可以为下行链路传输保留MIMO效果。图9C显示的是为第二覆盖天线38添加与之关联的信道仿真器46和46的附加配对。如上所述，这为从诸如手机的接收机回送到基站的上行链路传输保留了MIMO编码。通过在SISO中继之前使用瑞利信道来处理上行链路和下行链路信号两者，可以在这两个方向上保留MIMO效果。
图11A-11C显示的是附加实施例，其中SISO中继部件或信道是诸如电缆中继站的电缆分布系统50a、50b、50c而不是无线中继系统。每一个基站天线12、14都包括被路由到电缆52、54的耦合信号，所述电缆则可以是例如光纤或同轴电缆。在由电合并器55将信号合并成单个信号之前，瑞利信道仿真器42、44(RCS1、……、RCSn)会将每一个电缆中的信号处理到仿真的瑞利分布中。
然后，合并的电信号由光收发信机56转换成光信号。在图11A-11C例证的实施例中，信号是通过波分复用器57定向的，其中该复用器允许单个长度的光传输电缆58运送两个方向上的信号。在被另一个波分复用器57’解复用并由第二光收发信机56’转换回电信号之后，如上所述，这时将会使用覆盖天线36来将信号重传到无线接收机。
与图9A-9C一样，图11A-11C显示了本发明的不同实施例。图11A和11C使用了具有双工器58a、58a’的FDD处理，而图11B使用切换器58b、58b’进行TDD处理。图11C同样允许通过添加与两个天线36、38相关联的覆盖端RCS46、48(RCS1’，…，RCSn’)来实施上行链路和下行链路传输，以便保留MIMO效果。还添加了合并器55’，以便适应多个覆盖天线。
这里描述的实施例并非作为限制性示例。如所述，任何数量的MIMO信号都是可以合并的。在一些示例中，两个MIMO信号的示例并未限制本发明的范围，同样，本领域技术人员将会想到，用于仿真瑞利散射的其它方法以及其它的MIMO传输方法都可以用于实现本发明。

Claims (15)

1.一种SISO中继器系统，包括：
多个信号输入信道，被配置为用于接收各个MIMO信号作为要被中继的输入信号；
与每一个信号输入信道相耦合的瑞利信道仿真器，所述瑞利信道仿真器被配置为将由所述多个信号输入信道接收的每一个MIMO信号处理成符合瑞利分布的信号，从而在重传多个MIMO信号之前将所述多个MIMO信号一起合并在单个信号路径中时，至少部分地保留多个MIMO信号的MIMO效果；以及
信号合并器，用于将多个经过处理的MIMO信号合并到由所述SISO中继器系统重传的单个信号路径上。
2.根据权利要求1所述的SISO中继器系统，进一步包括：耦合到所述信号输入信道的多个天线，用于接收所述各个MIMO输入信号。
3.根据权利要求1所述的SISO中继器系统，进一步包括：与所述单个信号路径耦合的天线，用于在所述单个信号路径中对所述MIMO信号进行重传。
4.根据权利要求1所述的SISO中继器系统，进一步包括：第二信号合并器和多个天线，其中，所述第二信号合并器用作信号分配器，用于对所述单个信号路径中的MIMO信号进行分配，所述多个天线通过瑞利信道仿真器耦合到所述第二信号合并器以用于重传信号。
5.根据权利要求1所述的SISO中继器系统，进一步包括：耦合到所述信号合并器的电缆分布系统，所述电缆分布系统被配置为用于发送要进一步由所述SISO中继器重传的、所述单个信号路径中的MIMO信号。
6.根据权利要求5所述的SISO中继器系统，其中，所述电缆分布系统包括同轴电缆或光纤电缆。
7.根据权利要求1所述的SISO中继器系统，其中，每一个瑞利信道仿真器都被配置成将其各自的MIMO输入信号与复高斯随机变量相乘，以便仿真符合瑞利分布的信号。
8.根据权利要求1所述的SISO中继器系统，其中，每一个瑞利信道仿真器都代表多个信号延迟信道。
9.根据权利要求1所述的SISO中继器系统，其中，所述SISO中继器系统是无线中继器系统，
所述多个信号输入信道中的每一个进一步包括用于接收MIMO输入信号的相关联的天线，以及
单个天线，耦合到所述单个信号路径并且被配置为在所述单个信号路径中对MIMO信号进行重传。
10.根据权利要求1所述的SISO中继器系统，其中，所述SISO中继器系统是电缆中继器系统，
所述多个信号输入信道中的每一个进一步包括电缆，该电缆耦合到与该输入信道相关联的所述瑞利信道仿真器，并且
其中，通过所述合并得到的单个信号是通过单个覆盖天线重传的。
11.根据权利要求1所述的SISO中继器系统，其中，所述SISO中继器系统是电缆中继器系统，
所述多个信号输入信道中的每一个进一步包括电缆，该电缆耦合到与该输入信道相关联的所述瑞利信道仿真器；
多个中继电缆，耦合到第二信号合并器，所述第二信号合并器用作信号分配器且被配置为拆分所述单个信号路径，使得经由所述多个中继电缆来重传信号。
12.根据权利要求1所述的SISO中继器系统，其中，所述SISO中继器系统是电缆中继器系统，
所述多个信号输入信道中的每一个进一步包括电缆，该电缆耦合到与该输入信道相关联的所述瑞利信道仿真器，
多个天线，耦合到第二信号合并器，所述第二信号合并器用作信号分配器且被配置为拆分所述单个信号路径，使得经由所述多个天线来重传信号。
13.一种用于中继MIMO信号的方法，包括：
配置多个信号输入信道以接收多个MIMO输入信号；
将所述多个信号输入信道中的每一个信号输入信道的所述MIMO输入信号单独处理成符合瑞利分布的仿真的信号，从而在重传多个MIMO信号之前将所述多个MIMO信号一起合并在单个信号路径中时，至少部分地保留多个MIMO信号的MIMO效果；以及
将所述多个仿真的MIMO信号合并到单个信号路径上；
重传经合并的MIMO信号。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
在天线或电缆上重传经合并的MIMO信号。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，对来自所述多个信号输入信道的MIMO信号的所述处理包括：将各自的输入信号与复高斯随机变量相乘，以便仿真符合瑞利分布的信号。
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