CN104380719A - Mimo信号发送和接收设备以及包括至少一个这种设备的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在MIMO系统中发送和/或接收信号的设备，该设备包括：-MIMO模块(10)，包括用于传递或接收N个信号的N个输入/输出，其中N≥2；-天线系统(301...30N)，用于发送或接收所述N个信号，该系统包括至少一个天线(301...30N，130)，天线在水平平面内具有M个角扇区，M个角扇区敏感地不彼此覆盖并且一起形成360°的总角扇区；以及-开关装置(201...20N)，安装在MIMO模块与天线系统之间，用于根据开关图将所述多扇区天线的P个角扇区与MIMO模块的N个输入/输出中的每一个相连，其中1≤P＜M，其中使用控制装置根据表示所述设备或另一设备的信号接收质量的标准来确定开关图。

Description

MIMO信号发送和接收设备以及包括至少一个这种设备的系统
技术领域
本发明涉及无线多天线MIMO(多输入多输出)发送系统中信号的发送和接收。本发明可以应用于许多领域，例如，高比特率家庭多媒体网络领域。
背景技术
当前的WiFi技术，即使是与最新标准相对应的技术，也不能在家庭中提供与在有线网络中提供的覆盖质量相同的覆盖质量。通过提高发射功率不能解决该问题，原因在于，随着生态学的出现，有必要设计出既能很好地对抗干扰又低能耗并且发射尽可能少的电磁辐射的信号变换设备。这些需求具体应用于在家庭环境中频繁使用的设备，例如，家庭网关和机顶盒。
这种设备中最频繁用于传输信号的技术是MIMO技术。已知这种技术通过倍增信号传输路径来提高传输能力，并使用空间复用以及空间-时间编码技术来提高传输的鲁棒性。
MIMO技术包括使用具有不同特性的多个传输信道发送和接收信号，以获得分离的信号，从而提高至少一个信号不被衰减影响的概率。经由与多个天线相关联的多个无线电信道来接收或发送信号。
例如，US2010/119002提供了一种具有一个或多个多扇区天线的天线系统，其中每个扇区与典型MIMO设备相关联。
可以通过以能耗为代价增加设备的无线电信道数目来提高设备发送或接收信号的速度。能耗通常随着无线电信道数目成指数增长。每个无线电信道的能耗实质上由功率放大器引起，由于WiFi中使用的OFDM调制的低能量效率，所述功率放大器消耗大约1W，这强制放大器以增大的回退(back-off)在饱和状态以下良好地工作。
此外，众所周知，MIMO技术在受干扰支配的环境中变得效率更低。另外，随着家庭中无线设备的数量不断增加，有必要针对家庭环境中的信号传输改进这种技术。
因此，针对有噪环境中的MIMO传输开发了图1所示的MIMO波束形成技术。如图1所示，该方案使用与MIMO芯片的输入/输出相连的多个全向天线。这些天线一起被控制以获得在期望的传播方向上具有最大值而在不期望的传播方向上具有最小值的辐射方向图。根据这种技术，通过MIMO芯片中的信号处理来获得辐射方向图的形式。
尽管使用这种技术来获得期望的辐射方向图，然而该方案还由于以下原因而存在不足之处：
-在接收期间，由设备的全向天线拾取的任何干扰机和干扰始终存在于无线电信道上，并且引起饱和、动态线性度和噪声问题，这使接收机的灵敏度变差。
-此外，与分配给用于波束形成的MIMO芯片的计算功率无关，可以实现的辐射方向图极大地依赖于天线(或辐射元件)的数目、天线关于彼此的几何可用性以及每个天线关于彼此的性能，事实上，通常要求天线的最小数目相对高，以获得期望的辐射方向图形式，但是增加天线的数目(在标准Wifi 11n情况下可以最多8个)意味着增加MIMO芯片中无线电发送和接收信道的数目，这增加了设备的成本和消耗，
-此外，天线网络的几何结构和天线的类型是在电路集成阶段确定的，并且通常依赖于印刷电路卡的形式和尺寸以及该卡上为天线剩余的空间，这意味着某些几何结构是不可能的。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种能够发送和接收MIMO信号的多天线设备，以克服上述缺陷中的一些或全部。
更具体地，本发明的目的在于提供一种能够发送和接收MIMO信号的多天线设备，在由干扰支配的环境中在速度和鲁棒性方面高效，并且向其所在的环境中发送最少的可能电磁辐射。
为此，本发明提出使用图2所示的簇传播现象。图2示出了在建筑物内部传播的信号的关于MIMO设备的天线的发射角和到达角。在天线的水平平面(平面H)和垂直平面(平面V)示出了这些角。如图所示，信号能量主要在已知为极化方向的减少数目的方向上传播。这意味着，从接收机侧到达天线处的具有显著能量的辐射存在于在平面H和平面V中的有限数目的角扇区中，当这些辐射的传输路径遵循发射机时，这些辐射还对应于在平面H和平面V中的有限数目的角扇区中发射的辐射。如果如图3所示将平面H分割成大约60°的角扇区，在该传播示例中，这表明接收机接收到的显著辐射存在于角扇区[0°，60°]、[-180°，-120°]和[-60°，0°]中。在发射机中在平面H(水平)的角扇区[0°，60°]、[120°，180°]和[-180°，-120°]中发射这些辐射。对于所有这些扇区，在发送和接收时，平面V(垂直)中的开口在大约60°，并且对应于平面V的扇区[-30°，30°]。在其他角扇区中发射的辐射不到达接收机，或者非常少量地到达接收机。因此，这些扇区的能力被浪费，并且不必要地对增加背景噪声和干扰做出了贡献。
此外，根据本发明，提出将MIMO信号发送和接收设备的全向天线替换成受控的多扇区天线，以仅工作在对应于簇的扇区中，所述簇是针对所述多扇区天线所在的环境而标识的。
因此，本发明提出了一种MIMO系统中的信号发送和/或接收设备，包括：
-MIMO模块，包括用于传递或接收N个信号的N个输入/输出，其中N大于或等于2；
-天线系统，用于发送或接收所述N个信号，
其特征在于，
所述天线系统包括至少一个所谓的多扇区天线，所述多扇区天线在水平平面内具有M个角扇区，能够在所述M个角扇区的一个或多个中选择性地接收和/或发送所述N个信号，所述M个角扇区不彼此交叠并且一起形成了360度的总角扇区，其中M＞N，并且
所述设备还包括开关装置，所述开关装置安装在MIMO模块与天线系统之间，用于根据开关图将MIMO模块的N个输入/输出中的每一个与所述至少一个多扇区天线的P个角扇区相连，其中1≤P＜M，其中使用控制装置根据表示所述设备或另一设备的信号接收质量的标准来确定所述开关图。
这样，根据本发明，设备在多扇区天线的M个角扇区之中减少数目(＝P)的角扇区中发送和/接收N个信号。这样，在发送时，设备不沿每一个方向发送信号，而是仅在预定的极化方向上发送信号，这减少了发射的电磁波的量并且将发送的能量集中在极化方向上。在接收时，设备仅从这些极化方向接收信号，这降低了信号处理的成本以及设备的能耗。
根据第一实施例，天线系统包括具有M个角扇区的N个多扇区天线以及具有N个开关电路的开关装置，MIMO模块的每个输入/输出经由所述N个开关电路之一与所述N个多扇区天线之一相连。
所述N个多扇区天线中的每一个包括Q个输入/输出，Q小于或等于2M-1，所述Q个输入/输出中的每一个与多扇区天线的角扇区的特定组合相连。
有利地，对于每个多扇区天线，不多于D个角扇区经由开关电路与MIMO模块的输入/输出相连，其中D＜M。数目D与设备接受的极化方向的最大数目相对应。例如，可以认为设备使用最多3个极化方向。因此D可以固定为3。在这种情况下，天线没必要包含2M-1个输入。因此，Q等于个输入/输出对于天线来说就可以足够了。
有利地，M至少等于4，D至多等于3。
根据第二实施例，天线系统包括具有M个角扇区的多扇区天线和具有开关电路的开关装置，其中M＞N，所述多扇区天线包括M个输入/输出，每个输入/输出与所述天线的角扇区相连，所述开关电路用于选择性地将N个天线输入/输出与MIMO模块的N个输入/输出相连。该实施例是次优的，但是减少了设备组件的数目。
与该实施例无关，多扇区天线的角扇区的数目M优选地等于6，因为已发现在统计学上平面H中簇的角开口典型地为60°。因此典型地需要6个扇区覆盖整个空间(360°)此外，每个扇区在垂直平面内具有60°的角开口。在某些情况下，增加扇区的数目可能是值得的，但是6个扇区在复杂度-性能和成本-性能方面表现出良好的折衷。
根据本发明，所述至少一个多扇区天线的M个角扇区在垂直平面内呈现相同的开口。所述M个角扇区在垂直平面内各自呈现在-60°与+60°角之间至少120°的开口。优选地它们在垂直平面内各自呈现在-30°和+30°之间至少60°的开口。
本领域技术人员在阅读以下在附图中示出并以示例方式提供的示例时可以注意到其他优点。
附图说明
-图1示出了实现波束形成技术的MIMO信号传输设备的图，
-图2以图示的形式示出了在家庭环境中发送和接收的信号的平面H和平面V中的发射角和到达角，
-图3示出了标识出了极化信号传播方向的图2的图，
-图4示出了根据本发明的设备的第一实施例的图，
-图5示出了根据本发明的设备的第二实施例的图，
-图6示出了在M＝6，N＝2并且D＝2的情况下包括根据图4的两个设备的MIMO系统的工作，
-图7示出了在M＝6，N＝2并且D＝2的情况下包括根据图5的两个设备的MIMO系统的工作。
具体实施方式
参考图4，本发明的设备包括：
-MIMO模块10，包括用于传递或接收N个信号的N个输入/输出ES1…ESN，N大于或等于2，
-天线系统30，包括用于发送或接收N个信号的N个多扇区天线301…30N，每个天线包括M个角扇区，以及
-开关装置20，安装在天线系统与MIMO模块之间，包括N个开关电路201…20N。
MIMO模块的每个输入/输出ESi经由开关电路20i与天线30i的输入/输出相连，其中i∈[1..N]。使用由开关电路实现的开关图20i来选择与MIMO模块的输出ESi相连的天线30i的输入/输出。根据信号接收质量标准使用控制装置40来实现该图。
每个天线30i在平面H中包括M个角扇区，所述M个角扇区敏感地不彼此交叠并且一起形成360度的总角扇区。每个天线30i能够在P个角扇区中选择性地发送或接收信号，其中1≤P＜M。每个角扇区或角扇区的组合对应于特定的辐射方向图。
每个天线30i还包括Q＝2M-1个输入，每个输入与天线的2M-1个可能的角扇区组合之中特定的角扇区组合相连。没有与任何扇区相连的输入/输出不包含在内。
根据使用控制装置确定的开关图，使用开关电路20i来选择P个角扇区，其中通过所述P个角扇区来发送或接收与输入ESi相关联的MIMO信号。使用开关电路20i将ESi输入/输出与天线30i的输入/输出相连，所述天线30i的输入/输出与所选的P个角扇区相连。
使用控制装置40来确定由开关电路20i使用的开关图。这些控制装置40可以包含在MIMO模块10中。这是使用算法来确定的，如果关注于发送/接收设备，则算法基于设备使用的MIMO信号接收质量，如果当前设备仅仅是MIMO信号发送设备，则算法基于MIMO接收设备所使用的MIMO信号接收质量。可以使用由MIMO值提供的一个或多个值来限定信号接收质量，具体地，RSSI(接收信号强度指示)值、SINR(信号干扰噪声比)值、BER(比特误差率)和PER(分组误差率)。
从图2和图3可以看出，通常减小平面H中的极化信号传播方向的数目。在图2和图3的示例中，对应于在平面H中具有6个角扇区的天线，在平面H中这种极化方向数目等于3。为了简化开关电路并减少每个天线30i的输入/输出数目，能够提供在MIMO模块的输入/输出ESi处对天线30i的最多D个输入/输出的仿真连接，其中D是允许的极化方向的最大数目。例如，认为D将小于或等于3或4。那么，天线30i的输入/输出数目可以减小到每个输入/输出与最多D个角扇区相连，并且开关电路20i必须实现的开关图的数目也可以减小到
可以简化本发明的设备以进一步降低其成本，如图5所示。在该图中，设备包括仅一个具有M个角扇区的多扇区天线130，其中M＞N，多扇区天线130经由单个开关电路120与MIMO模块110相连。MIMO模块110包括N个输入/输出ESi，天线130包括M个输入/输出，每个输入/输出与M个角扇区中的特定角扇区相连。开关电路120根据使用控制装置40选择的开关电路，将N个输入/输出ESi与天线130的N个输入/输出相连。在该实施例中，N个MIMO信号中的每一个是经由天线130的M个角扇区之中其自己的角扇区来接收或发送的。控制方法140选择的角扇区各自对应于极化信号传播方向。在2x2 MIMO模块的情况下，2个MIMO信号各自在对应于极化信号传播方向的其自己的角扇区中被发送或接收。那么，控制装置140必须具有所确定的至少两个极化方向。
与实施例(图4或图5)无关，天线30i或130包括至少M＝4个角扇区，优选地M＝6个角扇区。
在M＝6的情况下，角扇区的宽度为在水平平面中大约60°，在垂直平面(或高度平面)中在-30°和+30°之间。
图6和图7示出了包括根据图4的(相应地，图5)的发送和接收设备的系统的工作。这些设备包括2x2 MIMO天线模块(N＝2)和具有6个角扇区(M＝6)的天线。已标识出与两个簇相对应的两个极化传播方向。设备选择的角扇区对应于这些簇。
例如按照以下方式来选择图7中由设备使用的角扇区。A和B指示两个系统设备。这种选择包括两个步骤：
-在第一步骤中，设备B通过M个角扇区中N个扇区的可能配置(或组合)中的每一个来发送学习符号；设备A监听由设备B发送的学习符号，并针对M个发送扇区(设备B)中的N个扇区的每一个配置以及N个接收扇区(设备A)中的N个扇区的每一个可能配置，确定质量指示符(RSSI、SINR、BER或PER)；总计确定个质量指示符；针对设备A选择示出最高质量指示符的配置，以便与设备B通信；
-在第二步骤中，设备A发送具有在第一步骤中选择的配置的学习信号；设备B监听由设备A发送的学习符号并针对M个接收扇区中N个扇区的每一个可能配置来确定质量指示符(RSSI、SINR、BER或PER)；然后确定个质量指示符，并针对设备B选择示出了最高质量指示符的配置，以便与设备A通信。应注意，在由干扰支配的环境中，SINR指示符表现为是最合适的指示符。
可以周期性地重复第二步骤或第一步骤和第二步骤两者，以考虑传播环境的改变。作为备选，为了减小系统重新配置的频率(启动学习过程的频率)，可以决定在发送信道略微改变的同时保持设备A和设备B的配置，换言之，使得质量指示符不下降到预定极限以下。
应注意，本发明的设备能够与具有传统全向天线的典型设备一起工作，例如，便携式设备。如果A表示本发明的设备，B表示典型设备，则学习阶段如下进行。设备A通过其全向天线来监听由设备B发送的学习符号，并针对M个扇区中N个扇区的每一个配置(或组合)来确定质量标准(RSSI、SINR、BER或PER)。因此，确定个质量指示符，并针对设备A选择具有最高质量指示符的配置，以便与设备B通信。
当设备A或B包括N个多扇区天线和N个开关电路(图4和图6)时，如之前那样执行学习，但是经由N个天线和N个开关电路来测试个配置。
相较于具有全向天线并且使用波束形成技术的已有MIMO设备，本发明的设备提供了以下优点：
-在前端无线电信道(定向天线)中降低了干扰率，并且降低了MIMO模块的无线电信道的饱和或扰动的风险，
-可以通过对所选角扇区的“智能”选择来限制MIMO信道的数目(＝N)，并降低设备的总消耗。
此外，由于本发明的设备包括N个多扇区天线和N个开关电路(对应于图4和图6)，所以还改善了信号传输。预期的增益等于大约GTx+GRx，其中GTx对应于发送增益，GRx对应于接收增益。
关于由1个单独的天线和1个单独的开关电路的本发明的设备，预期的增益更低，在GTx+GRx-10 logN的量级上，其中N是MIMO链的数目，但是设备的结构更不复杂。
尽管关于不同的具体实施例描述了本发明，显然这绝不是限制，本发明包括在本发明的范围内描述的措施及其组合的所有技术上的等同物。

Claims (10)

1.一种用于在MIMO系统中发送和/或接收信号的设备，所述设备包括：
-MIMO模块(10，110)，包括用于传递或接收N个信号的N个输入/输出，其中N大于或等于2；
-天线系统(30，130)，用于发送或接收所述N个信号，
其特征在于，
所述天线系统包括至少一个多扇区天线(301...30N，130)，所述多扇区天线在水平平面内具有M个角扇区，能够在所述M个角扇区的一个或多个中选择性地接收和/或发送所述N个信号，其中M＞N，并且
所述设备还包括开关装置(20；120)，所述开关装置(20；120)安装在MIMO模块与天线系统之间，用于根据开关图将所述至少一个多扇区天线的P个角扇区与MIMO模块的N个输入/输出中的每一个相连，其中1≤P<M，其中使用控制装置根据表示所述设备或另一设备的信号接收质量的标准来确定所述开关图。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述天线系统(30)包括具有M个角扇区的N个多扇区天线(301...30N)以及具有N个开关电路(201...20N)的开关装置，MIMO模块的每个输入/输出经由所述N个开关电路之一与所述N个多扇区天线之一相连。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述N个多扇区天线中的每一个包括Q个输入/输出，Q小于或等于2M-1，所述Q个输入/输出中的每一个与多扇区天线的角扇区的特定组合相连。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，对于每个多扇区天线，最多D个角扇区经由开关电路与MIMO模块的输入/输出相连，其中D<M。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述N个多扇区天线中的每一个包括Q个输入/输出，Q等于所述Q个输入/输出中的每一个与多扇区天线的角扇区的特定组合相连。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其中，M至少等于4，D至少等于3。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，天线系统包括具有M个角扇区的多扇区天线(130)和具有开关电路(120)的开关装置，其中M＞N，所述多扇区天线包括M个输入/输出，每个输入/输出与所述天线的角扇区相连，所述开关电路用于选择性地将N个天线输入/输出与MIMO模块的N个输入/输出相连。
8.根据前述任一项权利要求所述的设备，其中，M等于6，每个角扇区在水平平面内呈现大约60°的开口。
9.根据前述任一项权利要求所述的设备，其中，所述至少一个多扇区天线的M个角扇区在垂直平面内呈现相同的开口。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述M个角扇区各自在垂直平面内呈现在-60°和+60°之间最大为120°的开口，优选地在垂直平面内呈现在-30°和+30°之间最大为60°的开口。
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