CN104283620A - 利用可重构天线的通信方法和终端 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用可重构天线的通信方法和终端，该方法应用于包括至少两个可重构天线的终端，该方法包括：所述终端扫描各可重构天线的信号质量；所述终端判断所有可重构天线的信号质量是否均大于信号质量第一阈值；所述终端将所述至少两个可重构天线设置为发射天线和/或接收天线，其中若所有可重构天线的信号质量均大于所述信号质量第一阈值，则按多输入多输出（MIMO）方式设置，否则按非MIMO方式设置。本发明方法和终端可以提供提高系统容量。

Description

利用可重构天线的通信方法和终端
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其是一种利用可重构天线的通信方法和终端。
背景技术
随着无线通讯技术和网络技术的高速发展，无线宽带接入技术已成熟，通信业务已从传统的语音业务类型扩展到一些新的业务类型（高速数据下载或上传、视频电话、视频流媒体、在线游戏等高速数据业务类型），其中LTE已经规模商用。MIMO技术作为其关键技术之一，可以满足高速数据通信的要求，以及提高频谱利用效率的目的。
而在现有技术中，现有移动终端还是采用全向天线，以及一些去相关算法来对MIMO信号进行接收和处理，其提高数据的传输速率有一定的局限性，特别是在小区边缘或较为复杂传输环境中。
公开于2007年12月26日的中国专利申请CN101094009揭示了一种用于纠正移动终端的天线信噪比（SNR）的方法和设备，该方法和设备能够检测用于无线通信的微机电系统（MEMS）可重构天线是否接触外部物质，纠正天线的SNR。具有MEMS可重构天线的移动终端在执行无线终端改变MEMS可重构天线，并计算SNR。从而将MEMS可重构天线设置为与最大SNR相应的天线形状。但该技术不能解决系统容量低的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用可重构天线的通信方法和终端，以解决系统容量低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用可重构天线的通信方法，该方法应用于包括至少两个可重构天线的终端，该方法包括：
所述终端扫描各可重构天线的信号质量；
所述终端判断所有可重构天线的信号质量是否均大于信号质量第一阈值；
所述终端将所述至少两个可重构天线设置为发射天线和/或接收天线，其中若所有可重构天线的信号质量均大于所述信号质量第一阈值，则按多输入多输出（MIMO）方式设置，否则按非MIMO方式设置。
进一步地，按非MIMO方式设置指所述终端将信号质量最好的可重构天线设置为发射天线，并将所有可重构天线设置为接收天线。
进一步地，所述终端按MIMO方式将所述至少两个可重构天线设置为发射天线和/或接收天线的步骤包括：
（a）所述终端对任意两个可重构天线进行相关性估计得到各天线组的相关性系数；
（b）所述终端判断是否所有天线组的相关性系数均小于相关性第一阈值；如是，则设置各可重构天线的信号质量均大于信号质量第二阈值且相关性系数小于相关性第二阈值的天线组的天线作为发射天线，其他天线组的天线作为接收天线；否则执行步骤（d）；
（d）所述终端对所有可重构天线进行方向调整并重新扫描各可重构天线的信号质量，判断是否所有可重构天线的信号质量是否都大于信号质量第三阈值，如是则转执行步骤（a），否则重复步骤（d）。
进一步地，所述信号质量第二阈值大于信号质量第一阈值，所述相关性第二阈值大于所述相关性第一阈值。
进一步地，所述终端以减小天线组的相关性系数为原则对所有可重构天线进行方向调整。
进一步地，所述终端扫描各重构天线的信号质量的步骤包括：
所述终端针对各可重构天线进行全向扫描，记录各个方向的信号质量；
所述终端从各个可重构天线的多个信号质量中选择信号质量最好的方向作为波达方向，并将该波达方向的信号质量作为该可重构天线的信号质量。
为解决以上技术问题，本发明还提供了一种终端，该终端包括：
至少两个可重构天线，用于发射或接收射频信号；
信号质量扫描单元，用于扫描各可重构天线的信号质量；
信号质量判断单元，用于判断所有可重构天线的信号质量是否均大于信号质量第一阈值；
控制单元，用于将所述至少两个可重构天线设置为发射天线和/或接收天线，其中若所有可重构天线的信号质量均大于所述信号质量第一阈值则按多输入多输出（MIMO）方式设置，否则按非MIMO方式设置。
进一步地，按非MIMO方式设置指所述控制单元将信号质量最好的可重构天线设置为发射天线，并将所有可重构天线设置为接收天线。
进一步地，所述终端还包括：
相关性估计单元，按MIMO方式设置时，用于对任意两个可重构天线进行相关性估计得到各天线组的相关性系数；
相关性判断单元，用于判断是否所有天线组的相关性系数均小于相关性第一阈值；
所述控制单元包括：
天线设置模块，用于在所有天线组的相关性系数均小于相关性第一阈值时，设置各可重构天线的信号质量均大于信号质量第二阈值且相关性系数小于相关性第二阈值的天线组的天线作为发射天线，其他天线组的天线作为接收天线；
天线调整模块，在存在相关性系数小于相关性第一阈值的天线组时，用于对所有可重构天线进行方向调整并通知所述信号质量扫描单元重新扫描各可重构天线的信号质量；
重新扫描后，所述信号质量判断单元判断是否所有可重构天线的信号质量是否都大于信号质量第三阈值，如是则通知所述相关性估计单元重新进行相关性估计，否则通知天线调整模块对所述可重构天线进行方向调整。
进一步地，所述终端以减小天线组的相关性系数为原则对所有可重构天线进行方向调整。
本发明利用至少两个可重构天线或者方向图可调天线，扫描当前信号质量，比如SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio信号与干扰和噪声比），并根据所有可重构天线的信号质量来确定是否采用MIMO传输，有效提高系统容量。
附图说明
图1是本发明利用可重构天线的通信方法实施例的示意图；
图2是本发明可重构天线单元搜索波达方向流程图；
图3是本发明非MIMO方式工作的流程图；
图4是本发明MIMO方式工作的流程图；
图5是本发明终端实施例的模块结构示意图。
具体实施方式
MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）系统中的系统容量由接收信号的相关性即信号空间相关性和天线互耦共同作用影响，其中多径衰落的相关程度、扩展角的大小影响空间相关性，而天线阵元方向图、信号波达方向、阵元间距、阵元几何尺寸、阵元布放形式都将影响天线阵列的耦合度。根据移动的应用场景，在大容量数据上传及下载时，一般处于静止或低速移动状态，而且无线信号在空中的传播过程中，到达接收端时，也都具有一定的方向性。
由于现有终端的天线均为全向天线，便于移动应用，在终端这种小型结构的设备或装置中，天线间具有较强的互耦性，采用可重构天线是解决这种多天线间较强互耦性最为有效的方法之一。
下面结合附图和具体实施例对本发明所述技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明利用可重构天线的通信方法，如图1所示，该方法应用于包括至少两个可重构天线的终端，该方法包括：
步骤101：所述终端扫描各可重构天线的信号质量；
可重构天线单元即方向图可重构天线单元，其方向图在控制下可以变化，对于移动终端来讲，一般地接收天线的个数大于或等于发射天线的个数，此可重构天线至少有两个独立的接收天线单元组成，用来接收两路以上的下行MIMO信号，随着新材料及新技术在天线上的应用，可重构天线的小型化成为可能，应用于移动终端的天线单元个数也越来越多。
本发明涉及LTE(Long Term Evolution长期演进）及LTE-A（LTA Advanced长期演进增强型）等移动宽带终端产品（包括各种数据卡、MODEM、移动电话）等无线通信领域。
所述信号质量采用信号与干扰加噪声比（SINR）或信噪比（SNR）表示。
本发明中，所述终端扫描各重构天线的信号质量的步骤包括：
所述终端针对各可重构天线进行全向扫描，记录各个方向的信号质量；
所述终端从各个可重构天线的多个信号质量中选择信号质量最好的方向作为波达方向（DOA，Direction of Arrival），并将该波达方向的信号质量作为该可重构天线的信号质量。
步骤102：所述终端判断所有可重构天线的信号质量是否均大于信号质量第一阈值；
步骤103：所述终端将所述至少两个可重构天线设置为发射天线和/或接收天线，其中若所有可重构天线的信号质量均大于所述信号质量第一阈值，则按多输入多输出（MIMO）方式设置，否则按非MIMO方式设置。
根据终端工作的工作场景，如果传输条件较差，则终端处于非MIMO通信的情况，对于接收天线数多于发射天线的情况，进行波达方向的扫描，选择SINR大的天线作为发射天线，完成发射分集的作用，全部天线作为接收天线完成接收分集的作用，只有当终端处于传输条件较好的情况下，传输系统开启MIMO工作方式时。
按非MIMO方式设置指所述终端将信号质量最好的可重构天线设置为发射天线，并将所有可重构天线设置为接收天线。
利用指令实时控制可重构天线调整天线的方向图，根据各路天线接收信号的SINR来判断各路信号的SINR是否满足目标阀值，并在此基础上估计信号的波达方向，并对多路信号相互之间的相关性进行估计。将其中最大SINR及相关性较低的天线组作为发射天线发射上行信号。具体地，
所述终端按MIMO方式将所述至少两个可重构天线设置为发射天线和/或接收天线的步骤包括：
（a）所述终端对任意两个可重构天线进行相关性估计得到各天线组的相关性系数；
（b）所述终端判断是否所有天线组的相关性系数均小于相关性第一阈值；如是，则设置各可重构天线的信号质量均大于信号质量第二阈值且相关性系数小于相关性第二阈值的天线组的天线作为发射天线，其他天线组的天线作为接收天线；否则执行步骤（d）；
（d）所述终端对所有可重构天线进行方向调整并重新扫描各可重构天线的信号质量，判断是否所有可重构天线的信号质量是否都大于信号质量第三阈值，如是则转执行步骤（a），否则重复步骤（d）。
具体地，所述信号质量第二阈值大于信号质量第一阈值，所述相关性第二阈值大于所述相关性第一阈值。
所述终端以减小天线组的相关性系数为原则对所有可重构天线进行方向调整。
图2是本发明实施例中工作于LTE FDD制式，频段7，下行调制方式为64QAM，上行调制方式为16QAM的波达方向搜索的流程图。如图2所示，该波达方向搜索的方法包括以下步骤：
步骤S202：终端在开始工作时，初始化所有天线方向图为全向，各路天线分别从空中接收信号；
步骤S204：按事先设置的各定向方向图进行全向扫描，一次记录每一方向的SINR的值；
步骤S206：每一路天线将SINR最大的方向确定为波达方向，并将波达方向的SINR值作为该路天线的SINR值；
步骤S208：判断所有天线的波达方向的SINR是否都大于阀值1，阀值1的值为18dB，如果是则进入步骤S402，否则进入S302。
具体地，根据MIMO传输方式下能够解调信号为依据设置阈值1。
图3是本发明实施例中工作于LTE FDD制式，频段7，下行调制方式为64QAM，上行调制方式为16QAM的非MIMO方式工作的流程图，如图3所示，非MIMO的SINR及相关性估计方法包括以下步骤：
步骤S302：比较各路天线接收信号的SINR大小，根据各路SINR的大小选择SINR最大的天线作为发射天线，进入步骤S304，全部天线作为接收天线，进入S306。
步骤S304：发射天线按协议要求完成发射分集的作用。
步骤S306：接收天线按协议要求完成接收分集的作用。
图4是本发明实施例中工作于LTE FDD制式，频段7，下行调制方式为64QAM，上行调制方式为16QAM的MIMO方式工作的流程图，如图3所示，MIMO的SINR及相关性估计方法包括以下步骤：
步骤S402：对任意两路可重构天线进行相关性估计，得到各天线组的相关性系数；
步骤S404：判断是否所有天线组的相关性系数是否均小于阈值1，阀值1的值为0.7，如果是则进入步骤S408，否则进入步骤S410。
优选地，所述相关性系数的阈值1以能作为MIMO传输中作为发射天线为依据进行设置。
步骤S406：选择每路的SINR大于阀值2（如15dB）且相关性系数小于阈值2（如0.6）的天线组作为发射天线发射MIMO信号，其他作为接收。
SINR的阈值2可以与SINR的阈值1相同，优选地，SINR的阈值1大于SINR的阈值2。SINR的阈值2与SIRN的阈值1的设置依据相同。
相关性系数的阈值2可以与相关性系数的阈值1相同，优选地，相关性系数的阈值1大于相关性系数的阈值2。相关性系数的阈值2与相关性系数的阈值1的设置依据相同。
一般地，只选一组（2个）天线作为发射天线。
步骤S408：对所有可重构天线的方向图进行调整后重新对方向图扫描，得到新的SINR的值，最大值为各路天线的SINR值；
重新对方向图扫描时，因为网络环境的动态改变会得到不同的SINR值。
根据相关性的大小来调整可重构天线的方向图，来使接收信号既满足SINR，又满足MIMO信号相关性要求，保证高速数据传输目的。
步骤S410：判断是否所有的SINR的值都大于阈值3，阀值3的值为20dB，如果是，表明信号质量较好，执行步骤S412，否则执行步骤S408重新扫描；
步骤S412：相关性估计，相关性系数是否低于设定阈值3，阈值3的值为0.5，如果是则转S406，否则进入步骤S408。
调整天线方向后的阈值，可保持不变或合理提高或降低对天线要求，可理解地，降低要求指增大SINR阈值且减小相关性系数的阈值。
发射天线组的选择原则为SINR高且相关性系数小。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种终端，如图5所示，该终端包括：
至少两个可重构天线，用于发射或接收射频信号；
可重构天线单元即方向图可重构天线单元，其方向图在控制单元的控制下可以变化，对于移动终端来讲，一般地接收天线的个数大于或等于发射天线的个数，此可重构天线至少有两个独立的接收天线单元组成，用来接收两路以上的下行MIMO信号，随着新材料及新技术在天线上的应用，可重构天线的小型化成为可能，应用于移动终端的天线单元个数也越来越多。
信号质量扫描单元，用于扫描各可重构天线的信号质量；
信号质量判断单元，用于判断所有可重构天线的信号质量是否均大于信号质量第一阈值；
控制单元，用于将所述至少两个可重构天线设置为发射天线和/或接收天线，其中若所有可重构天线的信号质量均大于所述信号质量第一阈值则按多输入多输出（MIMO）方式设置，否则按非MIMO方式设置。
按非MIMO方式设置指所述控制单元将信号质量最好的可重构天线设置为发射天线，并将所有可重构天线设置为接收天线。
具体地，也可根据其他MIMO方式进行天线设置。
可选地，所述终端还包括：
相关性估计单元，按MIMO方式设置时，用于对任意两个可重构天线进行相关性估计得到各天线组的相关性系数；即，对多路信号相互之间的相关性进行估计。
相关性判断单元，用于判断是否所有天线组的相关性系数均小于相关性第一阈值；
所述控制单元包括：
天线设置模块，用于在所有天线组的相关性系数均小于相关性第一阈值时，设置各可重构天线的信号质量均大于信号质量第二阈值且相关性系数小于相关性第二阈值的天线组的天线作为发射天线，其他天线组的天线作为接收天线；
天线调整模块，在存在相关性系数小于相关性第一阈值的天线组时，用于对所有可重构天线进行方向调整并通知所述信号质量扫描单元重新扫描各可重构天线的信号质量；
重新扫描后，所述信号质量判断单元判断是否所有可重构天线的信号质量是否都大于信号质量第三阈值，如是则通知所述相关性估计单元重新进行相关性估计，否则通知天线调整模块对所述可重构天线进行方向调整。
所述信号质量第二阈值大于信号质量第一阈值，所述相关性第二阈值大于所述相关性第一阈值。
所述终端以减小天线组的相关性系数为原则对所有可重构天线进行方向调整。
所述信号质量扫描单元包括：
信号质量记录模块，用于针对各可重构天线进行全向扫描，记录各个方向的信号质量；
信号质量筛选模块，用于终端从各个可重构天线的多个信号质量中选择信号质量最好的方向作为波达方向，并将该波达方向的信号质量作为该可重构天线的信号质量。
所述信号质量采用信号与干扰加噪声比（Signal to Interference plus NoiseRatio，SINR）或信噪比（SNR）表示。
本发明利用至少两个可重构天线或者方向图可调天线，扫描当前信号质量，比如SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio信号与干扰和噪声比），并根据所有可重构天线的信号质量来确定是否采用MIMO传输，有效提高系统容量。
优选地，在判断采用MIMO传输的情形下，判断MIMO输入信号质量的同时，估计MIMO信号的相关性，找到一个最佳的SINR和信号相关性的组合来提高MIMO系统容量，同时不会太多增加终端结构和算法的复杂度。
另外，本发明利用可重构天线在某一方向上具有较高增益的特性，最大化的提高终端发射和接收性能。
通过本发明，在不改变现有通信协议的条件下，克服了现有移动宽带终端，覆盖范围有限，上下行数据传输速率较低的问题和缺点，采用可重构天线单元，在算法复杂度增加较小的条件下，实时的根据SINR、信号相关性、调整终端天线的方向图。既保证了通信质量，扩大了小区的覆盖范围，又可以增加数据传输速率，提高了频谱的利用效率。

Claims (10)

1.一种利用可重构天线的通信方法，其特征在于，该方法应用于包括至少两个可重构天线的终端，该方法包括：
所述终端扫描各可重构天线的信号质量；
所述终端判断所有可重构天线的信号质量是否均大于信号质量第一阈值；
所述终端将所述至少两个可重构天线设置为发射天线和/或接收天线，其中若所有可重构天线的信号质量均大于所述信号质量第一阈值，则按多输入多输出（MIMO）方式设置，否则按非MIMO方式设置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：按非MIMO方式设置指所述终端将信号质量最好的可重构天线设置为发射天线，并将所有可重构天线设置为接收天线。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述终端按MIMO方式将所述至少两个可重构天线设置为发射天线和/或接收天线的步骤包括：
（a）所述终端对任意两个可重构天线进行相关性估计得到各天线组的相关性系数；
（b）所述终端判断是否所有天线组的相关性系数均小于相关性第一阈值；如是，则设置各可重构天线的信号质量均大于信号质量第二阈值且相关性系数小于相关性第二阈值的天线组的天线作为发射天线，其他天线组的天线作为接收天线；否则执行步骤（d）；
（d）所述终端对所有可重构天线进行方向调整并重新扫描各可重构天线的信号质量，判断是否所有可重构天线的信号质量是否都大于信号质量第三阈值，如是则转执行步骤（a），否则重复步骤（d）。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述信号质量第二阈值大于信号质量第一阈值，所述相关性第二阈值大于所述相关性第一阈值。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述终端以减小天线组的相关性系数为原则对所有可重构天线进行方向调整。
6.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于：所述终端扫描各重构天线的信号质量的步骤包括：
所述终端针对各可重构天线进行全向扫描，记录各个方向的信号质量；
所述终端从各个可重构天线的多个信号质量中选择信号质量最好的方向作为波达方向，并将该波达方向的信号质量作为该可重构天线的信号质量。
7.一种终端，其特征在于，该终端包括：
至少两个可重构天线，用于发射或接收射频信号；
信号质量扫描单元，用于扫描各可重构天线的信号质量；
信号质量判断单元，用于判断所有可重构天线的信号质量是否均大于信号质量第一阈值；
控制单元，用于将所述至少两个可重构天线设置为发射天线和/或接收天线，其中若所有可重构天线的信号质量均大于所述信号质量第一阈值则按多输入多输出（MIMO）方式设置，否则按非MIMO方式设置。
8.如权利要求7所述的终端，其特征在于：按非MIMO方式设置指所述控制单元将信号质量最好的可重构天线设置为发射天线，并将所有可重构天线设置为接收天线。
9.如权利要求7所述的终端，其特征在于：所述终端还包括：
相关性估计单元，按MIMO方式设置时，用于对任意两个可重构天线进行相关性估计得到各天线组的相关性系数；
相关性判断单元，用于判断是否所有天线组的相关性系数均小于相关性第一阈值；
所述控制单元包括：
天线设置模块，用于在所有天线组的相关性系数均小于相关性第一阈值时，设置各可重构天线的信号质量均大于信号质量第二阈值且相关性系数小于相关性第二阈值的天线组的天线作为发射天线，其他天线组的天线作为接收天线；
天线调整模块，在存在相关性系数小于相关性第一阈值的天线组时，用于对所有可重构天线进行方向调整并通知所述信号质量扫描单元重新扫描各可重构天线的信号质量；
重新扫描后，所述信号质量判断单元判断是否所有可重构天线的信号质量是否都大于信号质量第三阈值，如是则通知所述相关性估计单元重新进行相关性估计，否则通知天线调整模块对所述可重构天线进行方向调整。
10.如权利要求9所述的终端，其特征在于：所述终端以减小天线组的相关性系数为原则对所有可重构天线进行方向调整。
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