CN105262522A - 通过在运载工具中放置天线最大化mimo通过量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过在运载工具中放置天线最大化MIMO通过量的方法。运载工具，如机动车中的多输入多输出天线的布置，其中所述多输入多输出天线中的至少一个被置于所述运载工具内部处于更充足的多路信号传播环境中。所述多输入多输出天线包括也可用于非4G蜂窝服务的初级多输入多输出天线以及一个或多个仅用于4G蜂窝服务的次级多输入多输出天线。在一个实施例中，初级多输入多输出天线被安装于运载工具的顶板，处于包括其它天线的模块内，并且一个或多个次级天线放置于运载工具内的理想位置。在另一实施例中，初级多输入多输出天线以及一个或多个次级多输入多输出天线全部放置于运载工具内。

Description

通过在运载工具中放置天线最大化MIMO通过量的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年7月11日提交的美国临时专利申请序列号62/023349，标题为“MethodofMaximizingMIMOThroughputbyPlacingAntennasinaVehicle”（通过在运载工具中放置天线最大化MIMO通过量的方法）的优先权日的权益。

技术领域

本发明总体上涉及运载工具中的天线布置，更具体地涉及在运载工具，如机动车内提供4G移动通信服务的多输入多输出（MIMO）天线的布置。

背景技术

当前移动蜂窝无线通信技术的现有技术被称为4G，与之前的蜂窝通信技术，如2G和3G相比，4G提供了更大的数据通过量和带宽。4G蜂窝技术在发射器和接收器处采用在发射器和接收器之间提供增加的信号通路数量的多输入多输出天线，包括来自发射器和接收器之间各种物体的多路反射，这允许更大的数据通过量。只要当信号不相关时接收器可将多输入多输出天线处的每一通路上接收的数据去耦，接收器就可使用这些通路对以相同频率同时传输的数据解码。因此，更多的数据可被压缩并入相同频率，从而提供更高的带宽。

现代运载工具采用多种以及多个类型的天线接收和发射不同通信系统的信号，例如地面无线电（调幅/调频）、蜂窝电话、卫星无线电、专用短程通信（DSRC）、GPS等。通常，用于这些系统的天线被集成于共用天线结构中，该结构安装于运载工具的顶板以提供最大的接收能力。

机动车制造商希望在运载工具中提供4G蜂窝技术，这引出了许多设计上的挑战，在多输入多输出天线作为安装于运载工具顶板的共用天线结构的一部分被并入时尤为如此。例如，将包含至少两个天线的多输入多输出天线装入安装于运载工具顶板的传统远程信息处理天线模块，则模块的整体天线容量将需要扩大，这是由于要求在天线处所接收信号的低相关度的多输入多输出天线所需的额外空间。换言之，因为多输入多输出天线所接收的信号需要显著的不相关，天线之间的距离应为由所采用频带决定的某些最小距离。由于天线模块的尺寸和容量的增大，多输入多输出天线所需的封装可能不再符合运载工具的式样及其他要求。

发明内容

本公开描述了多输入多输出天线在运载工具，如机动车中的布置，其中多输入多输出天线中的至少一个被置于运载工具内部，处于更充足的多路信号传播环境中。多输入多输出天线将包括也可用于非4G蜂窝服务的初级多输入多输出天线，以及一个或多个仅用于4G蜂窝服务的次级多输入多输出天线。在一个实施例中，初级多输入多输出天线安装于运载工具的顶板，处于包含其他天线的模块中，并且一个或多个次级多输入多输出天线位于运载工具内的理想位置。在另一实施例中，初级多输入多输出天线以及一个或多个次级多输入多输出天线全部置于运载工具内。

本申请还提供以下技术方案。

方案1.一种用于具有外壳的运载工具的多输入多输出（MIMO）通信系统，所述系统包括：

安装于所述运载工具的多个多输入多输出天线，其中所述多输入多输出天线中的至少一个在所述运载工具的所述外壳内；以及

从所述多输入多输出天线接收信号的接收器。

方案2.根据方案1所述的多输入多输出系统，其中所述多输入多输出天线中的一个多输入多输出天线安装于所述运载工具的外部结构。

方案3.根据方案2所述的多输入多输出系统，其中所述一个多输入多输出天线安装于运载工具的顶板。

方案4.根据方案2所述的多输入多输出系统，其中所述一个多输入多输出天线是初级多输入多输出天线。

方案5.根据方案4所述的多输入多输出系统，其中所述初级多输入多输出天线与其它非多输入多输出天线元件安装于共用天线模块内。

方案6.根据方案5所述的多输入多输出系统，其中所述天线模块是鲨鱼鳍型天线模块。

方案7.根据方案1所述的多输入多输出系统，其中所述多输入多输出天线全部安装于所述运载工具的所述外壳内。

方案8.根据方案1所述的多输入多输出系统，其中至少一个安装于所述外壳内的天线安装于所述运载工具的顶板衬板中。

方案9.根据方案1所述的多输入多输出系统，其中至少一个安装于所述外壳内的多输入多输出天线安装于所述运载工具的座椅。

方案10.根据方案1所述的多输入多输出系统，其中至少一个安装于所述外壳内的天线安装于所述运载工具的行李箱中。

方案11.根据方案1所述的多输入多输出系统，其中至少一个安装于所述外壳内的天线安装于所述运载工具的尾架组件。

方案12.根据方案1所述的多输入多输出系统，其中至少一个安装于所述外壳内的天线安装于所述运载工具的仪表板。

方案13.根据方案1所述的多输入多输出系统，其中所述运载工具是机动车。

方案14.根据方案1所述的多输入多输出系统，其中所述外壳是金属外壳。

方案15.一种用于具有外壳的运载工具的提供4G无线蜂窝通信的多输入多输出通信系统，所述系统包括：

安装于所述运载工具的所述外壳内的多个多输入多输出天线；以及

从所述多输入多输出天线接收信号的接收器。

方案16.根据方案15所述的多输入多输出系统，其中所述多个多输入多输出天线包括也提供2G或3G无线蜂窝通信的初级天线。

方案17.根据方案16所述的多输入多输出系统，其中所述多个多输入多输出天线包括一个或多个次级天线。

方案18.一种用于具有外壳的运载工具的提供4G无线蜂窝通信的多输入多输出（MIMO）通信系统，所述系统包括：

安装于所述运载工具的顶板的初级多输入多输出天线；

安装于所述运载工具的所述外壳内的一个或多个次级多输入多输出天线；以及

从所述多输入多输出天线接收信号的接收器。

方案19.根据方案18所述的多输入多输出系统，其中所述初级多输入多输出天线与其它非多输入多输出天线元件安装于共用天线模块内。

方案20.根据方案18所述的多输入多输出天线，其中所述初级天线也提供2G或3G无线蜂窝通信。

本发明的附加特征将结合附图从下文描述以及所附权利要求变得显而易见。

附图说明

图1是包含已知的安装于鲨鱼鳍顶板的天线模块的运载工具的侧视图；

图2是与运载工具分离的图1所示鲨鱼鳍天线模块的侧视图；

图3是在运载工具内包含了多输入多输出天线的运载工具的侧视图；

图4是运载工具的侧视图，该运载工具包含处于安装在鲨鱼鳍顶板的天线模块中的初级多输入多输出天线以及运载工具内的次级多输入多输出天线；以及

图5是与运载工具分离的图4所示鲨鱼鳍天线模块的侧视图。

具体实施方式

下文关于涉及在运载工具中布置一个或多个多输入多输出天线的技术的本发明的实施例的讨论在本质上仅是示例性的，并且不以任何方式试图限制本发明或其应用或使用。例如，下文讨论将运载工具称为机动车。但是，本领域技术人员也能认识到，所述运载工具也可以是其它运载工具，如火车，飞机等。

图1是包含运载工具顶板12的运载工具10的侧视图，顶板衬板14定位于顶板12之下。运载工具10还包括座椅18、仪表板20、行李箱22以及后行李架24。运载工具10进一步包括接收器26，该接收器旨在代表于与本文讨论的天线相关的任何或全部通信系统的运行的适当接收器。本领域技术人员可以清楚的理解，本文讨论的每一个天线都将与接收器26进行电气通信。

运载工具10也包括已知的安装于“鲨鱼鳍”顶板的天线模块30，模块30分离于运载工具10示于图2。天线模块30包括多个天线32和34，取决于特定的运载工具可包含一个或多个专用短程通信（DSRC）天线、调幅/调频无线电天线、卫星无线电天线、GPS天线等。模块30也包括至少两个如上所述提供4G无线蜂窝通信的多输入多输出天线36和38。需要注意的是，由于天线模块30要求至少两个多输入多输出天线并且多输入多输出天线需要间隔一定距离以使天线36和38接收到的信号显著不相关，模块30的尺寸较之前未采用多输入多输出天线的鲨鱼鳍天线模块有所增加。

通常，多输入多输出天线包括初级天线和次级天线，其中初级天线可提供2G/3G无线服务，并且也是提供4G服务的多输入多输出天线之一。因此，对于运载工具的应用，多输入多输出技术要求用户设备包括至少两个可用的多输入多输出天线作为初级天线和次级天线。一般地，初级天线和次级天线均用于接收下行链路信号，而上行链路传输仅由初级天线提供。由于传统2G/3G无线服务不支持多输入多输出协议，故仅需一个天线来支持2G/3G服务。需要注意的是，多输入多输出天线的理想传播信道要求与非多输入多输出蜂窝服务的要求不同，因为基于多输入多输出天线的蜂窝服务要求充足的多路信号通道，与非多输入多输出支持的蜂窝服务不同。

本发明提出将模块30中的传统地安装在运载工具顶板上的多输入多输出天线中的至少一个移动至运载工具内部以利用运载工具内部的因运载工具内的金属结构反射信号而导致的更充足的多路信号传播环境。如下文将具体讨论的，在一个实施例中，用于4G无线通信服务的多输入多输出天线全部在运载工具内被置于间隔一定距离的选择性位置处以提高4G性能。在另一实施例中，两个或多个天线中的一个保留在运载工具的顶部之上，例如在传统的鲨鱼鳍天线模块中，其可以用作4G通信服务的初级多输入多输出天线并提供2G/3G服务。另一个或其他的多输入多输出天线在运载工具内被置于合适位置以为4G通信服务提供增强的性能。

当缺乏大量的多路径时，即初级和次级多输入多输出天线均置于运载工具顶板上时的情形，信道矩阵的特征值将向单一主特征值严重偏斜，该主特征值可通过作为信道矩阵的最大和最小奇异值之比的信道条件数测得。当信道矩阵条件良好时，信道条件数接近1。条件数越小，信道条件对多输入多输出性能越好。在不同情况下由测得的信道矩阵获得的信道条件数表明，与将两个多输入多输出天线置于运载工具外部的现有技术实践相比，将多输入多输出天线置于运载工具内部时信道条件对多输入多输出性能更好，即更小的条件数。将次级多输入多输出天线置于运载工具内部，天线的总辐射效率也得到提高，这是由于因空间分隔的增加导致的与初级天线的互耦被最小化。就信道条件以及天线效率而言，当与放置两个多输入多输出天线于运载工具顶板上的情形相比，所提出的方法的优点是明确的。

图3是与运载工具10相似的运载工具40的侧视图，其中同样的元件由相同的附图标记标注。运载工具40示出了全部多输入多输出天线均置于运载工具内的某些理想位置的实施例。在此非限定性的示例中，一些多输入多输出天线被显示为处于运载工具40内以描述多输入多输出天线的合适位置，包括在顶板衬板14内的多输入多输出天线42和44、座椅18下方的天线46、仪表板20中的天线48、后行李架22之上或之下的天线50、以及运载工具行李箱22中的天线52。对于特定运载工具，多输入多输出天线的数量和位置是专用的，因为在提供理想数据通过量的任何合适位置可以提供任何合适数量的天线。在本实施例中，多输入多输出天线42至52之一，可以是多输入多输出天线42或44之一，可能被选择作为用于2G/3G服务的初级天线。

如前所述，两个或多个多输入多输出天线所接收的信号不相关程度越大，在任何特定时间点可通过多输入多输出服务发送的数据越多。由于信号被发射器（未示出）和接收器26之间的各种结构反射，并且由于它们的相长干涉和相消干涉，多个多输入多输出天线42至52所接收的信号之间的相关性增加或降低。如果多输入多输出天线42至52相距越远以具有一定的反回衰减，则信号变得越不相关，从而提高多输入多输出性能。此外，通过将多输入多输出天线42至52放置在运载工具40中，多输入多输出性能更为合适，原因在于运载工具40内部固有存在的局部散射性所促使产生的更充足的多路信号。

基于这一讨论，可明确看出将多输入多输出天线置于运载工具40内相较于将天线置于运载工具40的顶板上的情形，天线可以间隔更近，并且仍然提供相同的通过量性能，或者根据特定应用的工程和设计要求，多输入多输出天线可间隔更远以获得更佳性能。

如上文所讨论的，多输入多输出天线中的一个也将用于非4G蜂窝通信服务，例如仅要求单一天线的2G和3G服务。由于其他蜂窝应用经常用于运载工具上，例如Onstar^TM，保持初级多输入多输出天线元件于运载工具的顶板上，例如在用于蜂窝应用的鲨鱼鳍模块中可能是理想的，因为这样将提供增大的范围以及更低的数据链路成本。

图4是与运载工具40相似的运载工具60的侧视图，其中同样的元件由相同的附图标记标注。在本实施例中，上述天线元件42至52的每一个的位置均是用于多输入多输出系统中的一个或多个次级天线的一个可能位置。运载工具60包括安装于运载工具60的顶板12的鲨鱼鳍天线模块62，并且分离于运载工具60示于图5。如上所述，天线模块62包括用于如卫星无线电、DSRC等应用的传统天线元件32和34，并且包括初级多输入多输出天线64。因此，初级多输入多输出天线64可用于非4G蜂窝应用，并且可与天线42至52中的任何一个或多个结合用于4G蜂窝应用。

本领域技术人员可清楚地理解，本文为描述本发明所讨论的多个和多种步骤和过程可能涉及到由计算机、处理器或其他使用电现象操控和/或转换数据的电子计算设备实施的操作。计算机及电子设备可能采用各种易失性存储器和/或非易失性存储器，包括储存有包含各种代码的可执行程序或可由计算机或处理器运行的可执行指令的非瞬态计算机可读介质，其中存储器和/或计算机可读介质可包括全部形式和类型的存储器以及其他计算机可读介质。

前述的讨论公开并描述了本发明的仅示例性的实施例。本领域的技术人员可从这样的讨论以及附图和权利要求中容易地认识到可对本发明作出多种修改、改型和变型而不偏离在所附权利要求中所定义的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于具有外壳的运载工具的多输入多输出（MIMO）通信系统，所述系统包括：

安装于所述运载工具的多个多输入多输出天线，其中所述多输入多输出天线中的至少一个在所述运载工具的所述外壳内；以及

从所述多输入多输出天线接收信号的接收器。

2.根据权利要求1所述的多输入多输出系统，其中所述多输入多输出天线中的一个多输入多输出天线安装于所述运载工具的外部结构。

3.根据权利要求2所述的多输入多输出系统，其中所述一个多输入多输出天线安装于运载工具的顶板。

4.根据权利要求2所述的多输入多输出系统，其中所述一个多输入多输出天线是初级多输入多输出天线。

5.根据权利要求4所述的多输入多输出系统，其中所述初级多输入多输出天线与其它非多输入多输出天线元件安装于共用天线模块内。

6.根据权利要求5所述的多输入多输出系统，其中所述天线模块是鲨鱼鳍型天线模块。

7.根据权利要求1所述的多输入多输出系统，其中所述多输入多输出天线全部安装于所述运载工具的所述外壳内。

8.根据权利要求1所述的多输入多输出系统，其中至少一个安装于所述外壳内的天线安装于所述运载工具的顶板衬板中。

9.一种用于具有外壳的运载工具的提供4G无线蜂窝通信的多输入多输出通信系统，所述系统包括：

安装于所述运载工具的所述外壳内的多个多输入多输出天线；以及

从所述多输入多输出天线接收信号的接收器。

10.一种用于具有外壳的运载工具的提供4G无线蜂窝通信的多输入多输出（MIMO）通信系统，所述系统包括：

安装于所述运载工具的顶板的初级多输入多输出天线；

安装于所述运载工具的所述外壳内的一个或多个次级多输入多输出天线；以及

从所述多输入多输出天线接收信号的接收器。