CN1669244A - 改进或涉及多传输信道无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

诸如MIMO系统的多传输信道传输系统包括发射站和至少一个接收站，所述发射站和至少一个接收站中的至少一个具有包括多个间隔开的天线元(16A，16B)的天线系统，每一个天线元包括由至少2根天线(20A，20B)组成的子阵列，子阵列中的天线间距小于工作频率的半波长。可以控制每一个天线元的天线以便提供定向的传播或接收。

Description

改进或涉及多传输信道无线通信系统
本发明介绍改进或涉及多传输信道的无线通信系统，如MIMO(多输入多输出)和空间分集无线通信系统，特别是(但不排除其它)介绍这些通信系统所使用的天线系统。
信息理论的最新发展，例如(1)Forschinl G.J.Gans M.J.发表在Wireless-Personal-Communications(Netherlands)(无线个人通信(荷兰))1998年3月，第6卷第3期，311-355页的”论使用多天线时衰落环境对无线通信的限制”(On limits of wirelesscommunications in a fading environment when using  multipleantennas)(2)Telatar I E于1995年发表在AT&T贝尔实验室的技术报告(Tech.Rep.#BL0112170950615TM)的”复合天线高斯信道的容量”(Capacity of multi-antenna Gaussian Channels)揭示了通过同时在发射机和接收机使用复合天线，可以获得前所没有的容量。容量增加的原因在于，通信双方的复合天线可以利用以下事实：信号能量以多个不同方向发出和抵达，使天线的空间间隔可以将(电波传播)路径分开。这样，就可以同时发送多个信号或子信号流并将它们解码。其中一个利用这种技术的方案是：BLAST(Bell Labs LayeredSpace Time，贝尔实验室分层时空)，其详细内容见(3)Foschini G J于1996年秋季发表在美国的”贝尔实验室技术学报(Bell-Labs-Technical-Journal(USA))”第1卷第2期41-59页的”在衰落环境中使用多天线元的无线通信分层时空结构”(Layered Spcace-timearchitecture for wireless communication in fading environmentwhen using multi-element antennas)一文，以及(4)Wolniansky P W和Forschini G J，Golden G D，Valenzuela R A于1998年9月29日到10月2日在意大利比萨(Pisa)召开的”信号、系统和电子学国际研讨会”(1999 URSI)的会议论文集中发表的”V-BLAST：通过高度分散的无线信道实现甚高数据率的结构”(V-BLAST：an architecture forrealising very high data tates over the rich-scatering wirelesschannel)。在BLAST中，不同的信息子流被送到发射机的不同天线元。在接收机中通过测量MIMO信道将这些子流解码，包括将子流归零(nulling)和去除已经检测到的子流的影响。所述方法要求接收端知道信道的情况。
在未公开的PCT application IB 02/00029(申请人检索号PHGB010012)提供另一个替代的方法，其中，以不同的方向发射各个子流，并从不同的方向接收各个子流，更具体地说，从发送最大功率的那些方向接收各个子流，这些方向是通过在发射机和接收机测量多路径到达角确定的。虽然接收机可以与没有所述知识的发射机一起使用，例如BLAST发射机，但所述方法要求知道发射机的信道知识(散射出射角，angles of departure to scatterers)。
两种方法都需要天线阵列并且具有关于天线间距的基本要求，即，相邻天线之间的间距应当是大约半波长(λ/2)。对BLAST来说，这是当如果假定波束以平均均匀的方位角到达时，与另一根天线的间隔距离应该略小于λ/2，最好略大于λ/2。类似地，为了明确地确定波束图，需要将间距规定为λ/2或更小。然而，似乎存在对在波长给定的条件下能够装进给定的区域的天线数目的基本限制，因此难以实现明确地确定波束图的目标。另外，每一个天线需要用于从被各天线同时接收到的射频(RF)信号中恢复基带信号的各自的处理器。分别单独处理许多射频信号是比较困难和高成本的。
本发明的目的是增加能够装进给定区域的天线的数目而不会给系统运行带来负面影响。
根据本发明的一个方面，提供包括发射站和至少一个接收站的多传输信道无线通信系统，所述发射站和接收站中的至少一个具有包括多个间隔开的天线元的天线系统，每一个天线元包括由至少2根天线组成的天线子阵列，所述至少2根天线按照小于使用频率的半波长(λ/2)的间距隔开。
根据本发明的第二方面，提供在多传输信道无线通信系统中使用的天线系统，所述天线系统包括多个间隔开的天线元，每一个天线元包括由至少2根天线组成的天线子阵列，所述至少2根天线按照小于使用频率的半波长(λ/2)的间距隔开。
本发明基于对以下事实的认识：可以利用具有密集的天线的子阵列并且利用对由所述子阵列中的天线接收的射频信号进行预处理的射频(RF)网络来代替大型天线阵列，与每根天线需要一个处理器的方案比较，所需要的基带处理器的数目大为减少。由比方说N个天线元(每一个天线元包括n根天线)构成的MIMO系统(或空间分集系统)一般能够形成至少nN个定向波束。MIMO系统的一个极端的情况是，如果使用N个天线元中每一个的n个波束，则能够在通常由一个N×N系统所占据的空间中建造一个nN×nN的MIMO系统。可以通过辐射图的组合(幅度和相位)和空间分集来对每一个分支进行去相关。空间分集依赖于天线元的空间分离，因此空间上分离的两个完全一样的波束图在某种程度上是去相关的。另一个极端情况是，可以从N个天线元中每一个的n个波束中选出最好的波束来形成一个N×N系统。
现已知道使用两个天线元的空间分集系统，例如DECT(DigitallyEnhanced Cordless Telecommunications，数字式增强的无绳通信系统)。天线元中的每一个都设计成是全向的并且与其他天线元无关。为了避免必须将各天线元分开大的距离并且(任选地)将无用的天线元去调谐，专利说明书WO 01/71843(申请人检索号PHGB 000033)公开了一种天线分集配置，其中，分别向多根天线馈送幅度和相位合适的信号，以便产生多个天线波束，任何波束对之间的相关系数基本上等于零。最终的天线分集配置可能包括多对距离任意靠近的天线对，同时，任何天线波束对之间的相关接近于零，从而一种紧凑而高效的配置。但还没有公开关于MIMO系统，例如BLAST的此类配置。
下面将参考附图通过实例对本发明进行说明，其中：
图1是MIMO系统的方框原理图，
图2是包括两对正交配置的天线的天线元的略图，
图3是图解说明与全向波束相比较，两个定向波束的方向覆盖范围的示意图，
图4是天线分集配置的方框原理图，
图5是包括方向性天线元的高密度MIMO系统的简图，
图6是高密度MIMO系统的简图，其中天线元可以在两个方向之间切换，
图7是天线配置的实施例，其中利用定向耦合器向两个天线元的子阵列输送信号，以及
图8到图10是MIMO交换系统的天线配置的示意图。
在这些附图中，相同的标号用来表示相应的特征。
参阅图1，MIMO系统包括射频发射机(Tx)10和两个射频接收机(Rx)12A、12B。如前所述，习惯上Tx 10和Rx 12A、12B具有多个天线元，因为与多个信号或信号子流有关的信号能量从多个不同方向出发和到达。可以有选择地利用射出和到达角的先验知识来选定具有最大功率的信号的波束方向。为说明简单起见，Tx 10和Rx 12A、12B各自具有相同的天线系统14。所述天线系统至少包括两个天线元16A、16B，它们之间的间距为所需频率或中心频率的半波长(λ/2)。天线元16A、16B中的每一个包括射频(RF)网络18A、18B，两根天线20A、20B连接到射频网络18A、18B中每一个。天线元16A、16B中每一个的天线20A、20B的间距小于λ/2，通常是λ/4或者对于方向相反的波束来说是90°。对于去相关的波束来说，所述电间距是任意的，例如125°。
对Tx 10而言，通过编码器22将数据编码并且通过调制器22将编码后的信号调制到载频上。已调制信号被输送到功率放大器26，后者的输出分别经过传输线21A、21B耦合到各自的RF网络18A、18B，馈送网络18A、18B可以分别控制其相应的天线对20A、20B，使得它们能够将信号沿着预先确定的方向传播。
在接收机Rx 12A，12B中的每一台接收机中，相应的RF网络18A、18B被耦合到RF级28，RF级28的输出被耦合到调制器30。解码器32耦合到调制解调器20的输出。RF网络18A、18B用来处理来自天线20A和20B的RF信号，从而，与每根天线都需要一个处理器和一个基带接收机相比，此方案可以减少基带处理器的数目。而且，这些RF网络有利于处理紧密靠近的天线之间出现的高频互作用问题。在进一步的改进方面，接收机的射频网络18A、18B可以这样控制它们各自的天线，以便检测来自传输最大功率的方向的信号。
图2图解说明图1所示的天线元16A、16B的变型。在这种变型中，天线元16A(16B)的每一根天线分别包括一对正交配置的提供正交极化的天线20A、20A’和20B、20B’。
为了便于理解如何利用RF网络来控制发射和/或接收的方向，请参阅图3，它给出了图4所示的2元天线阵列的方向覆盖的实例。具有分集配置的发射机34能够通过全向波束36来发射和接收用虚线表示的第一定向波束38和用点画线表示的第二定向波束40则用。
参考图4，假定天线元20A、20B位于单一轴上。在第一种发送方式下，20A被视为参考天线元，而馈送到天线元20B的信号具有受级42调节的幅度和相位，导致在特定方向上形成定向波束。在第二传送方式下，将相应的幅度和相位反向，从而产生方向相反的定向波束。级42可以按照最大±180°的量调节信号的相位。鉴于天线系统的接收特性，同样的说明用于使接收天线具有方向性。
图5图解说明设置成足够靠近在一起的一对天线元，所述一对天线元相互间的耦合大为增强并且具有引起来自邻近天线的再辐射效果。由于另一根天线的存在，使得每根天线的辐射图具有方向性，这和没有相互耦合时的全向性不同。方向性的增强意味着，一般说来，每根天线往往会从不同的多路径(multipath)或同一多路径的不同加权组合取样，使得相关性降低。
根据本发明，天线元包括由两根或两根以上密集的天线组成的阵列，而许多阵列组合起来形成规模较大的天线系统。MIMO系统(或空间分集系统)由比方说N个天线元构成，每一个天线元包括一般能够形成n个定向波束n根天线。MIMO系统的一个极端的情况是，如果使用N个天线元中每一个的n个波束，则能够在通常由一个N×N系统所占据的空间中建造一个nN×nN的MIMO系统。可以通过辐射图(幅度和相位)的组合和空间分集来对每一个分支进行去相关。空间分集依赖于包括每一个天线元的各天线的空间分离，因此空间上分离的两个完全一样的波束图在某种程度上是去相关的。另一个极端情况是，可以从N个天线元中每一个的n个波束中选出最好的波束来形成一个N×N系统。
图5所示的高密度MIMO系统可能是4×4 MIMO系统的接收机(或1×4分集接收机)，它具有的缺点是易受角度小的窄波束瞬时抵达角的影响，它所造成的问题是横过波束接收的功率非常不平均，其后果是，从某些波束里不能接收到任何信息子流的任何功率。从MIMO的观点来看，这将是灾难性的，因为这意味着不可能对信息子流进行可靠解码，因为所接收到的信息子流(天线或不同的波束图)的样本数目将少于信息子流的数目(这意味着独立方程的数目少于未知数的数目)。
如果采用图6所示的配置就较少可能发生这种情况，图6中每个子阵列从众多可能的方向中选出一个方向，使得所选出的波束方向能保证接收到一定量的功率。在图6的实例的情况下，两个波束都被选定指向产生最大多路径的方向，在本例中是同一方向。它们在空间上分离是使两个分支去相关的机制，虽然对于相同的天线元间距来说，去相关的程度可能与具有全向天线的空间分集一样好，也可能没有具有全向天线的空间分集那样好。但是，两个分支在末端发射方向将会有大约3dB的额外增益，可以抵消由额外的相关性引起的性能降低。
图6所给出的实例是一个极端的例子，因为它假定没有来自相反方向的功率，因此最好是让两个波束指向同一方向。如果这个假定不成立，则最好选择较好的开关算法，而不是选择最强的方向，因为两个分支之间的相关性可能是最重要的考虑因素。这样，即使来自相反方向的功率可能会小些，通过方向的选择，总相关性会小一些。可能需要根据以下事实对此作出选择：存在较小的总功率以及分支之间的功率差异。
比较图5和图6所示的配置，可以在二者中作出选择。高密度方法(图5)使用所有模式，在N×N系统的空间中给出一个nN×nN的MIMO系统，但存在可靠性问题；而开关式结构(图6)给出的是N×N系统，但有可能提高可靠性和容量。
参见图7，高密度MIMO系统包括分别由天线20A、20B组成的天线元阵列16A、16B，利用射频(RF)移相器或数字域的移相措施来调整天线20A、20B的相位。图7展示了4×4的MIMO发射机，其中使用混合式耦合器42A、42B来调整密集的天线对20A、20B的相位。分别将成对的信号电压s1、s2和s3、s4输送到混合式耦合器42A、42B。当信号电压s1、s2高于信号电压s3、s4时，天线元指向方向d1和d3。在相反的情况下，天线元16A、16B指向d1和d4方向。
在接收机处，混合耦合器42A或42B的4个端口是MIMO接收机的4个分支。此原理可以扩展到任意数目N，而n＝2。所述配置可能出现的问题是，由于耦合器不同端口之间的阻抗将随着不同的相移而改变，所以带来需要寻找源、混合耦合器和天线之间的适当的阻抗匹配的问题。一个替换的施加相移的方法是使用数字波束形成技术，其中基本上解决了阵列阻抗匹配问题。应当指出，在这些MIMO范例中，有多少信息子流，就需要有多少RF(射频)发射机和接收机。
图8表示MIMO交换系统的一部分的实施例，所述MIMO交换系统包括两天线元中的一个16A(16B)，每一个天线元包括天线20A、20B。在所述实施例中，控制每一个天线元16A(16B)以便选择两束波束中的一束，使得只有两个信息子流被发射或者两个信息子流的样本被接收。开关切换的寄生效应被利用来切换每一个天线元的天线20A、20B。图8表示了利用分别馈送到天线20A、20B的复电压V1和V2来形成定向波束。天线的最终复阻抗分别是Z1和Z2。通过用纯电抗-jX2替代源V2可以产生相同的波束图，-jX2是天线20B阻抗的虚部。使用所述电抗意味着相互作用可以产生非常接近正确的馈送电压，其中，源V2被纯电抗-jX2代替。当阻抗中的电阻部分相当小的时候，这种技术的效果是最佳的，如图9所示。
为了沿反方向产生波束，需要交换所述各电压，因而将交换所述各天线的阻抗。将以阻抗-jX2终接天线20A，而馈送到天线20B的是电压V1。
图10表示使用包括天线20A、20B的单一天线元16A的开关结构时，这些可能性的组合。提供两个源S1、S2和表示为完全相同的纯阻抗-jX2的两个阻抗44、46，而第一转换开关48或者将源S1或者将阻抗44连接到天线20A，第二转换开关50或者将阻抗46或者将源S2接到天线20B。当开关48、50处在所示位置时，方向瓣如实线所表示的那样，而当这些开关处于用虚线表示的相反位置时，方向瓣如虚线所表示的那样。
经过改进的天线系统可以使用在按照各种不同标准工作的发射机和接收机上，这些标准有：UMTS、HiperLan/2、IEEE 802.11A & B等。所述系统可以通过提供更高的数据速率、降低功率消耗或减小无线通信设备的带宽来增强移动和无线局域网(LAN)的容量。
在本说明书和权利要求书中，天线元(element)前面的冠词”a”或”an”并不排除多个天线元的出现。而且，单词”comprising”(包括)并不排除除了文件所列的之外，还会有其它元件或步骤的存在。
对于本专业的技术人员而言，通过阅读本公开的内容，其它修改，例如其它涉及多传输信道无线通信系统及其组成部分的设计、制造和使用中已知特征的修改，是显而易见的。这些修改可以取代或增加这里已经介绍的特征。虽然权利要求书已经开列了本申请的特征的某些特定组合，但是，显然，本申请所公开的内容范围还应该包括任何新颖的特征或这里所公开的特征的新颖组合，无论是明显的、隐含的或根据这些特征所作的任何推广，无论是否涉及目前以任何形式的权利要求提出的发明内容，也无论它有没有像本发明那样解决任何或所有的技术问题。本申请人特此宣告，在本申请或由此引出的进一步申请执行期间，在这些特征和/或这些特征的组合的基础上，可能提出新的权利要求。

Claims (14)

1.一种包括发射站(10)和至少一个接收站(12)的多传输信道无线通信系统，所述发射站(10)和至少一个接收站(12)中的至少一个具有包括多个间隔开的天线元(16A，B)的天线系统(14)，每个天线元包括由至少2根天线(20A，B)组成的子阵列，所述至少2根天线(20A，B)的间距小于工作频率的半波长(λ/2)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述子阵列的天线(20A，B)耦合到用于处理所述天线接收到的信号的射频网络(18A，B)。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：每个子阵列的所述天线(20A，B)的间距小于λ/4。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：混合耦合器(42A，B)将每个子阵列的所述天线耦合在一起。
5.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述子阵列的天线(20A，B)是可以转换的，以便实现定向传播或接收。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述天线系统(14)形成多个正交的天线波束图。
7.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述子阵列包括设置成产生正交极化的天线(20)。
8.一种用于多传输信道无线通信系统的天线系统，所述天线系统包括多个间隔开的天线元(16A，B)，每个天线元包括由至少2根天线(20A，B)组成的子阵列，所述至少2根天线(20A，B)的间距小于工作频率的半波长(λ/2)。
9.如权利要求8所述的天线系统，其特征在于：所述子阵列的天线(20A，B)耦合到用于处理所述天线接收到的信号的射频网络(18A，B)。
10.如权利要求8或9所述的天线系统，其特征在于：每个子阵列的所述天线(20A，B)的间距小于λ/4。
11.如权利要求8所述的天线系统，其特征在于：混合耦合器(42A，B)将每个子阵列的所述天线耦合在一起。
12.如权利要求8或9所述的天线系统，其特征在于：所述子阵列的天线(20A，B)是可以转换的，以便实现定向传播或接收。
13.如权利要求8或9所述的天线系统，其特征在于：所述天线系统(14)形成多个正交的天线波束图。
14.如权利要求8或9所述的天线系统，其特征在于：所述子阵列包括设置成产生正交极化的天线(20)。
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