CN112399377B - 用于机动车辆的mimo无线通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于具有外部结构和外壳的车辆的MIMO系统。该系统包括附接到外部结构的外部天线和定位在外壳内的内部天线。该系统还包括RF收发器和天线选择装置。该选择装置可于第一状态和第二状态之间切换，在第一状态下，该选择装置配置成将外部天线中的至少两个可操作地连接到RF收发器，在第二状态下，该选择装置配置成将外部天线中的一个或更多个和内部天线中的一个或更多个可操作地连接到RF收发器。该系统还包括控制器，盖控制器配置成响应于信号强度高于信号强度上限阈值并且还响应于信噪比高于信噪比上限阈值，促使该选择装置移动到第二状态。

Description

用于机动车辆的MIMO无线通信系统及方法

技术领域

本公开涉及多输入多输出(Multiple-Input,Multiple-Output，MIMO)无线通信，更具体地，涉及用于选择天线来提高机动车辆的车辆通信系统的数据吞吐量和天线效率的MIMO系统及方法。

背景技术

现代车辆具有“鲨鱼鳍”式天线模块，该天线模块包含多个天线并且安装在车顶上。这些天线的实例包括专用短距离通信(Dedicated Short-range Communications，DSRC)天线、AM/FM无线电天线、卫星无线电天线、GPS天线以及两个或更多个提供4G LTE蜂窝通信的MIMO天线。例如，当信号微弱且车辆处于富散射环境下时，该模块在车顶上的位置可以提高天线效率。然而，如果车辆处于“较少路径(less path)”或“视距(line of sign)”环境下，那么MIMO天线的性能可能会下降。此外，对于MIMO应用，空间相关性是影响系统性能的关键因素之一。因为如果两个MIMO天线之间的天线间距不足，那么系统性能会变差，所以相对于先前没有MIMO天线的天线模块，必须增大模块的尺寸。

因此，虽然当前的MIMO系统实现了其预期目的，但是仍需要一种新的且改进的MIMO系统及方法来解决这些问题。

发明内容

根据本公开的几个方面，一种用于机动车辆的多输入多输出(MIMO)系统得以提供，该机动车辆具有外部结构和外壳。该系统包括适于附接到外部结构的多个外部天线。该系统还包括适于定位在外壳内的多个内部天线。该系统还包括RF收发器和天线选择装置。天线选择装置可于第一状态和第二状态之间切换，在第一状态下，天线选择装置配置成将外部天线中的两个或更多个可操作地连接到RF收发器，在第二状态下，天线选择装置配置成将外部天线中的一个或更多个和内部天线中的一个或更多个可操作地连接到RF收发器。该系统还包括控制器，该控制器配置成确定信号强度和信噪比。另外，该控制器还配置成响应于该控制器确定信号强度高于信号强度上限阈值并且还响应于该控制器确定信噪比高于信噪比上限阈值，促使天线选择装置移动到第二状态。

在一方面，响应于天线选择装置置于第一状态，RF收发器与内部天线中的每一个可操作地断开连接，使得RF收发器不从内部天线接收信号。

在另一方面，该控制器配置成响应于该控制器确定信号强度低于信号强度下限阈值，促使天线选择装置移动到第一状态，其中信号强度下限阈值低于信号强度上限阈值。

在另一方面，该控制器配置成响应于该控制器确定信噪比低于信噪比下限阈值，促使天线选择装置移动到第一状态，其中信噪比下限阈值低于信噪比上限阈值。

在另一方面，多个外部天线包括两个外部天线。

在另一方面，多个内部天线包括两个内部天线。

在另一方面，信号强度是参考信号接收功率(Reference Signal ReceivedPower，RSRP)。

在另一方面，信噪比是信号与干扰加噪声之比(Signal-To-Interference PlusNoise Ratio，SINR)。

根据本公开的几个方面，一种用于机动车辆的多输入多输出(MIMO)系统得以提供，该机动车辆具有外部结构和外壳。该系统包括适于附接到外部结构的多个外部天线。该系统还包括适于定位在外壳内的多个内部天线。该系统还包括RF收发器和天线选择装置。天线选择装置可于第一状态和第二状态之间切换，在第一状态下，天线选择装置配置成将外部天线中的两个或更多个可操作地连接到RF收发器，在第二状态下，天线选择装置配置成将外部天线中的一个或更多个和内部天线中的一个或更多个可操作地连接到RF收发器。天线选择装置包括多个开关。每个开关可于用于将外部天线中的一个可操作地连接到RF收发器的第一位置和用于将内部天线中的一个可操作地连接到RF收发器的第二位置之间移动。该系统还包括控制器，该控制器配置成确定信号强度和信噪比。另外，该控制器还配置成响应于该控制器确定信号强度高于信号强度上限阈值并且该控制器确定信噪比高于信噪比上限阈值，促使天线选择装置移动到第二状态。

在一方面，多个外部天线包括两个外部天线。

在另一方面，多个内部天线包括两个内部天线。

在另一方面，多个开关包括两个开关。

在另一方面，该控制器配置成响应于该控制器确定信号强度高于信号强度上限阈值并且还响应于该控制器确定信噪比高于信噪比上限阈值，将两个开关中的一个移动到第一位置并将两个开关中的另一个移动到第二位置。

在另一方面，该控制器配置成响应于该控制器确定信号强度低于信号强度下限阈值或信噪比低于信噪比下限阈值，将开关中的每一个移动到第一位置。

在另一方面，该开关是机电开关、PIN二极管、模拟RF开关和基于MEMS的开关中的至少一种。

根据本公开的几个方面，一种操作多输入多输出(MIMO)系统的方法得以提供。该MIMO系统包括多个外部天线、多个内部天线、天线选择装置、RF收发器和控制器，其中天线选择装置具有多个开关。该方法包括以下步骤：控制器确定信号强度和信噪比；控制器将信号强度与信号强度阈值作比较；以及控制器将信噪比与信噪比阈值作比较。该方法还包括响应于控制器确定信号强度高于信号强度上限阈值并且还响应于控制器确定信噪比高于信噪比上限阈值，天线选择装置将外部天线中的一个或更多个和内部天线中的一个或更多个可操作地连接到RF收发器。

在一方面，该方法还包括响应于控制器确定信号强度低于信号强度下限阈值，天线选择装置将外部天线中的两个或更多个可操作地连接到RF收发器，其中信号强度下限阈值低于信号强度上限阈值。

在另一方面，该方法还包括响应于控制器确定信噪强度低于信噪强度下限阈值，天线选择装置将外部天线中的两个或更多个可操作地连接到RF收发器，其中信噪强度下限阈值低于信噪强度上限阈值。

在另一方面，该方法还包括响应于天线选择装置置于第一状态，将RF收发器与内部天线中的每一个可操作地断开连接，使得RF收发器不从内部天线接收信号。

在另一方面，该方法还包括响应于控制器确定信号强度高于信号强度上限阈值并且还响应于控制器确定信噪比高于信噪比上限阈值，将开关中的一个移动到第一位置并将开关中的另一个移动到第二位置。

根据本文提供的描述，被公开的其他应用领域将变得显而易见。应当理解，说明书和具体实例仅仅是为了说明的目的，并不是旨在限制本公开的范围。

附图说明

图1是具有MIMO系统的一个实施例的车辆的透视图；

图2是具有图1的MIMO系统的车辆的示意图；以及

图3是使用图2的MIMO系统的方法的流程图。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的公开、应用或用途。

参照图1和图2，其大体上示出了用于机动车辆12的多输入多输出(MIMO)系统10，机动车辆12具有外部结构14。MIMO系统10包括多个外部天线16、18(图2)，该多个外部天线附接到外部结构14的一部分以提高被天线16、18截获的无线电波的功率比例。更具体地，在本实例中，MIMO系统10包括鲨鱼鳍式天线模块20，天线模块20包含外部天线16、18并且附接到车顶22的后部。然而，可以想到，外部天线16、18可以附接到任何合适的外部结构。外部结构的非限制性实例可以包括侧视镜24、行李箱26或后窗台板28。

参照图2，外部天线包括用于上行链路数据传输和下行链路数据传输的主天线16和用于下行链路数据传输的副天线18。这些天线16、18用于4G蜂窝应用，下文将进行详细描述。

对于诸如DSRC天线、AM/FM无线电天线、卫星无线电天线和GPS天线等应用，天线模块20还可包括非MIMO天线元件(未示出)。请注意，天线16、18所需的传播信道要求与非MIMO蜂窝服务所需的传播信道要求相反，这是因为相对于支持非MIMO的蜂窝服务，基于天线的蜂窝服务需要天线16、18多通道信号信道。

车辆12还包括外壳30，并且MIMO系统10还包括多个内部天线36、38，由于车辆内的金属结构的信号反射，该多个内部天线定位在外壳30内以提供多径信号传播环境。在本实例中，外壳30是包含内部天线36、38的远程信息处理模块，并且该模块包含在仪表板40内，仪表板40又被空调控制系统、娱乐系统以及动力总成、底盘和车身的各个部件所包围。

内部天线包括用于上行链路数据传输和下行链路数据传输的主天线36和用于下行链路数据传输的副天线38。这些天线36、38用于4G蜂窝应用，下文将进行详细描述。

当信号从发射器(未示出)和RF收发器42之间的各个结构反射时，由于它们相长和相消地相互干扰，多个天线接收到的信号之间的相关性增大或减小。如果内部天线中的任何内部天线彼此间隔得更远且返回递减，那么信号变得更加不相关，从而提高MIMO性能。此外，因为车辆12内部固有的局部散射促进了多径信号，所以与仅外部天线组合或外部天线与内部天线组合相比，仅外壳30内的内部天线36、38组合可以提供更好的MIMO性能。因此，外壳30内的内部天线36、38可以比车顶22上的外部天线16、18间隔得更近，并且仍提供相同的数据吞吐量。然而，可以想到，内部天线可以比外部天线彼此间隔得更远。

对于4G蜂窝应用，可以将外部天线16、18中的一个或更多个与内部天线36、38中的一个或更多个组合使用，以提供相关性较低的信号并增大数据吞吐量。更具体地，外部天线16、18中的每个可以与内部天线36、38间隔开一定距离，该距离大于外部天线之间的任何距离和内部天线之间的任何距离，使得与仅外部天线的组合或仅内部天线的组合接收到的信号相比，外部天线和内部天线的组合接收到的信号更加不相关。在一个例子中，对于4G蜂窝应用，附接到外部结构14的主天线16可以与置于外壳30内的副天线38组合使用。在另一实例中，对于4G蜂窝应用，置于外壳30内的主天线36可以与附接到外部结构14的副天线18组合使用。

MIMO系统10还包括RF收发器42，用于操作与天线16、18相关联的通信系统中的任意或所有通信系统。如本领域技术人员所理解的，天线16、18中的每个天线与RF收发器42进行电气通信。

MIMO系统10还包括天线选择装置44，天线选择装置44可移动到第一状态，在第一状态下，天线选择装置44被配置成将外部天线16、18中的至少两个可操作地连接到RF收发器42以与RF收发器42进行通信。另外，响应于天线选择装置44置于第一状态，RF收发器42与内部天线36、38中的每一个可操作地断开连接，使得RF收发器42不从内部天线36、38接收信号。此外，该天线选择装置还可移动到第二状态，在第二状态下，天线选择装置44配置成将外部天线16、18中的一个或更多个和内部天线36、38中的一个或更多个可操作地连接到RF收发器42以与RF收发器42进行通信。

在此例子中，天线选择装置44包括多个开关46、48，并且所述开关中的每一个可在用于将RF收发器42可操作地连接到所述外部天线中的一个的第一位置和用于将RF收发器42可操作地连接到所述内部天线中的一个的第二位置之间移动。更具体地，在本实例中，多个开关还包括第一和第二开关46、48。第一开关46可在用于将RF收发器42可操作地连接到外部天线16的第一位置和用于将RF收发器42可操作地连接到内部天线36的第二位置之间移动。第二开关48可在用于将RF收发器42可操作地连接到外部天线18的第一位置和用于将RF收发器42可操作地连接到内部天线38的第二位置之间移动。对于4G蜂窝应用，天线选择装置的其他例子可包括两个以上或两个以下的开关，用于选择天线的任意组合来与RF收发器42进行电气通信。在其他例子中，天线选择装置44(图1)可包括PIN二极管50、模拟RF开关52、基于MEMS的开关54或其任何组合的形式的开关。

MIMO系统10还包括控制器56，控制器56被配置成确定信号强度和信噪比。控制器56配置成将信号强度和信噪比与关联阈值作比较，以促使天线选择装置44选择天线的各个组合以与RF收发器42进行通信。在本实例中，控制器56置于远程信息处理模块30内。另外，信号强度是参考信号接收功率(RSRP)，信噪比是信号与干扰加噪声之比(SINR)。可以想到，控制器也可以测量其他参数，执行其他计算以及应用其他合适的准则来操作天线选择装置。

响应于控制器56确定信号强度高于信号强度上限阈值，并且还响应于控制器56确定信噪比高于信噪比上限阈值，控制器56促使天线选择装置44移动到第二状态。继续前面的例子，控制器56被配置成将开关46、48中的一个移动到第一位置并将开关46、48中的另一个移动到第二位置。更具体地，控制器56被配置成将开关46移动到第一位置，使得附接到外部结构14的主天线16与RF收发器42进行通信，控制器56还被配置成将另一个开关48移动到第二位置，使得置于外壳30内的副天线38与RF收发器42进行通信。另外，控制器56还被配置成将开关46移动到第二位置，使得置于外壳30内的主天线36与RF收发器42进行通信，并且将开关48移动到第一位置，使得附接到外部结构14的副天线18与RF收发器42进行通信。

此外，控制器56被配置成响应于控制器56确定信号强度低于信号强度下限阈值，促使天线选择装置44移动到第一状态，其中信号强度下限阈值低于信号强度上限阈值。另外，控制器56被配置成响应于控制器确定信噪比低于信噪比下限阈值，促使天线选择装置44移动到第一状态，其中信噪比下限阈值低于信噪比上限阈值。更具体地，控制器56被配置成响应于控制器确定信号强度低于信号强度下限阈值或者控制器确定信噪比低于信噪比下限阈值，将开关中的每一个移动到第一位置。

参照图3，其示出了一种操作图1和图2的MIMO系统10的方法100的流程图。在步骤102，该方法从控制器56确定信号强度开始。

在步骤104，控制器56确定信噪比。可以想到，控制器可以测量其他参数，执行其他计算以及应用其他合适的准则来操作MIMO系统10。

在步骤106，控制器56将信号强度与信号强度阈值作比较。如果控制器56确定信号强度低于信号强度阈值，那么该方法立即进行至步骤112。如果控制器56确定信号强度高于信号强度阈值，那么该方法进行至步骤108。

在步骤108，控制器56将信噪比与信噪比阈值作比较。如果控制器56确定信噪比低于信噪比阈值，那么该方法立即进行至步骤112。如果控制器56确定信噪比高于信噪比阈值，那么该方法进行至步骤110。

在步骤110，天线选择装置44将外部天线16、18中的一个或更多个和内部天线36、38中的一个或更多个可操作地连接到RF收发器42。以此方式，天线选择装置44将天线可操作地连接到RF收发器42，使得天线彼此去相关，并且内部天线接收由至少车辆12内存在的局部散射所提供的多径信号。继续前面的例子，开关46移动到第一位置以将主天线16可操作地连接到RF收发器42，开关48移动到第二位置以将副天线38可操作地连接到RF收发器42。在另一实例中，开关46移动到第二位置以将主天线36连接到RF收发器42，开关48移动到第一位置以将副天线18可操作地连接到RF收发器42。天线36、38都定位在外壳30内并接收由至少与外壳30和周围车辆相关联的局部散射所提供的多径信号。该方法返回到步骤106。

在步骤112，天线选择装置44将外部天线16、18中的两个或更多个可操作地连接到RF收发器42。而且，响应于天线选择装置置于第一状态，RF收发器42与内部天线36、38中的每一个可操作地断开连接，使得RF收发器42不从内部天线36、38中的任何一个接收信号。

本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变化旨在落入本公开的范围内。这种变化不应被视为背离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于具有外部结构和外壳的机动车辆的MIMO系统，所述MIMO系统包括：

多个外部天线，适于附接到所述外部结构；

多个内部天线，适于定位在所述外壳内；

RF收发器；

天线选择装置，于第一状态和第二状态之间切换，在所述第一状态下，所述天线选择装置配置成将所述外部天线中的至少两个可操作地连接到所述RF收发器以在其间进行有线通信，在所述第二状态下，所述天线选择装置配置成将所述外部天线中的至少一个和所述内部天线中的至少一个可操作地连接到所述RF收发器以在其间进行有线通信；以及

控制器，配置成：

确定信号强度和信噪比；以及

响应于所述控制器确定所述信号强度高于信号强度上限阈值，并且还响应于所述控制器确定所述信噪比高于信噪比上限阈值，促使所述天线选择装置移动到所述第二状态。

2.根据权利要求1所述的MIMO系统，其中，响应于所述天线选择装置置于所述第一状态，所述RF收发器与所述内部天线中的每一个可操作地断开连接，使得所述RF收发器不从所述内部天线接收信号。

3.根据权利要求2所述的MIMO系统，其中，所述控制器配置成，响应于所述控制器确定所述信号强度低于信号强度下限阈值，促使所述天线选择装置移动到所述第一状态，其中所述信号强度下限阈值低于所述信号强度上限阈值。

4.根据权利要求2所述的MIMO系统，其中，所述控制器配置成，响应于所述控制器确定所述信噪比低于信噪比下限阈值，促使所述天线选择装置移动到所述第一状态，其中所述信噪比下限阈值低于所述信噪比上限阈值。

5.根据权利要求2所述的MIMO系统，其中，所述多个外部天线包括两个外部天线。

6.根据权利要求2所述的MIMO系统，其中，所述多个内部天线包括两个内部天线。

7.根据权利要求2所述的MIMO系统，其中，所述信号强度为参考信号接收功率(RSRP)。

8.根据权利要求2所述的MIMO系统，其中，所述信噪比为信号与干扰加噪声之比(SINR)。

9.一种用于具有外部结构和外壳的机动车辆的MIMO系统，所述MIMO系统包括：

多个外部天线，适于附接到所述外部结构；

多个内部天线，适于定位在所述外壳内；

RF收发器；

天线选择装置，于第一状态和第二状态之间切换，在所述第一状态下，所述天线选择装置配置成将所述外部天线中的至少两个可操作地连接到所述RF收发器以在其间进行有线通信，在所述第二状态下，所述天线选择装置配置成将所述外部天线中的至少一个和所述内部天线中的至少一个可操作地连接到所述RF收发器以在其间进行有线通信，其中所述天线选择装置包括多个开关，并且所述开关中的每一个可在用于将RF收发器可操作地连接到所述外部天线中的一个的第一位置和用于将RF收发器可操作地连接到所述内部天线中的一个的第二位置之间移动；和

控制器，配置成：

确定信号强度和信噪比；以及

响应于所述控制器确定所述信号强度高于信号强度上限阈值，并且还响应于所述控制器确定所述信噪比高于信噪比上限阈值，促使所述天线选择装置移动到所述第二状态。

10.根据权利要求9所述的MIMO系统，其中，所述多个外部天线包括两个外部天线。