CN1759326A - 多输入多输出通信系统 - Google Patents

Abstract

无线电站(10，20)包括各种传播模型。从第一无线电站发射无线电信号给第二无线电站，并使接收信号与多个模型相拟合。作为选择，使已接收信号的相关性与模型相拟合。根据最佳拟合模型和对应的传播效应，处理已接收信号。在某些情况下，模型可以用来校正传播效应。在其它情况下，可以使用诸如射束方向控制的其它技术。

Description

多输入多输出通信系统

技术领域

本发明涉及无线多输入多输出(multi-input multi-output)(MIMO)通信和定位，并且特别涉及对付本地传播效应的接收方法、无线电站和计算机程序。

背景技术

多输入多输出(MIMO)系统具有多个发射天线和多个接收天线。多个天线的使用允许使用多个传输信道，这能够改善性能和传输能力。

MIMO通信和定位系统的功能高度依赖于环境中的传播效应。

发射机与接收机之间传送的信号不必利用直接的视线(line ofsight)(LOS)路径，而可以利用多条路径中的任一条路径，并且这些信号在略微不同的时间到达。接收的信号因此是直接的LOS信号与多条路径上接收的信号之和。这些信号的统计特性是复杂的。

授予Paulraj等人的US 2002/0027957 A1描述了从第一和第二发射机发射并在来自一个发射机的信号的传输中引入延迟的一种技术，以便在覆盖区中的特定点上相干接收信号。尽管这可以降低在一个位置上的干扰效应，但是在接收机位置是未知的系统中很少使用这种技术。

另一个文件即授予Walton等人的US 2002/0177447 A1描述了一种MIMO系统并涉及各种时空处理方法，包括最小均方估算器(MMSE)等。该技术被用于多径效应减轻的传统单信道系统中。MMSE具有优于其它可选技术的优点在于，它在噪声存在时是合理健壮的。该技术的缺点在于，它在计算上是密集的，因为它需要多次迭代来估算参数。

然而，仍然需要MIMO通信和/或定位的改进方法。

发明内容

根据本发明，提供一种多输入多输出无线信号接收方法，包括：

提供对应于不同传输环境的多个预定传播模型；

接收从第一无线电站发射的接收信号；

使至少一个接收信号或者接收信号的相关功能与多个预定传播模型相拟合(fit)，并标识给出最佳拟合的传播模型；和

根据已标记的传播模型，处理信号。

在最佳安排中，该方法包括：提供对应于预定传播模型的信号接收改进方法；以及从第一无线电站接收信号，同时运行对应于最佳拟合传播模型的信号接收改进方法。

本发明人已经认识到，没有一个信号最佳化方法在所有环境中在MIMO装置中是合适的。因此，在本发明中，“正在传输中(on the fly)”调节处理方法，以适应于不同情况。

这允许使用最小功率来发射信号，并且特别地期待该方法将独一无二地比超宽带(UWB)方法使用显著更小的功率。

术语“无线电”并不打算局限于任何特定频带的电磁波频谱。

在诸多实施例中，接收信号的步骤包括从第一无线电站接收第一信号；拟合至少一个接收信号的步骤包括拟合第一信号；以及该方法还包括从第一无线电站接收进一步信号并根据已标识的模型来处理进一步信号。

在优选实施例中，拟合信号的方法包括：对应于不同的传播模型，提供已接收功率相对于时间的多个不同函数，其每个模型具有至少一个参数；并使已接收信号与多个函数之中的每一个相拟合，以获得对于已接收信号和对应的至少一个最佳拟合参数提供最佳拟合的函数。

已标识模型可以替代地或者附加地用于基于已标识模型来降低功率消耗、增加数据速率和/或增加均衡处理器速度。

这些模型可以包括漫散射(diffuse scattering)模型，其中作为时间函数的已接收信号由下式给出：

$r\left(t\right)={\mathrm{Be}}^{-\mathrm{\αt}}[\frac{{\mathrm{\τ}}_0\sqrt{t^2-{{\mathrm{\τ}}_0}^2}}{t^2}+1]---\left(1\right)$

其中r(t)是作为时间t的函数的已接收信号，α、B和τ₀是拟合参数。

同样，这些模型可以包括镜面反射模型，其中作为时间函数的已接收信号由下式给出：

$r\left(t\right)={\mathrm{\α}}_0{e}^{i{\mathrm{\θ}}_0}s(t-{\mathrm{\τ}}_0)+{\mathrm{\α}}_1{e}^{i{\mathrm{\θ}}_1}s(t-{\mathrm{\τ}}_1)---\left(2\right)$

其中，α₀、α₁、τ₀和τ₁是拟合参数，而θ₀与θ₁是信号的相位，其同样是拟合参数。

在确定最佳拟合模型是漫散射模型时，射束方向控制(steer)不是信号处理的合适方式，也就是说，射束方向控制不降低功率和/或增加数据速率。在此情况下，公式(1)中的模型可以用来辅助利用瑞克接收机的处理速度，或用于定位以减轻多径效应，从而利用精确性和极少处理来获得距离范围。

与此相反，在确定最佳拟合模型是一个镜面反射模型时，可以应用射束方向控制。

对于拟合模型的可替代解决方案包括发射具有已知形式的第一信号。拟合接收信号的步骤则可以包括把具有已知形式的接收信号的相关性计算为延迟的函数，并且使得作为延迟函数的相关性与多个不同模型相拟合。

所发射的信号可以是用于数据传输应用(比如移动电话或者在连接到第一和第二无线电站的计算机之间提供数据传递)的纯数据信号。

作为选择，所发射的信号可以是测距信号。

在另一个方面，本发明涉及用于使无线电站运行上述方法的计算机程序产品。计算机程序产品尤其可以被记录在数据载体上。

本发明还涉及无线电站，该无线电站包括：

多个天线；

收发信机，用于经由天线发射和接收信号；

处理器，用于控制无线电站；

至少一个存储器，用于存储代码和数据，包括对应于不同传输环境的多个预定传播模型和对应的信号传输改进方法：

其中该无线电站被安排成：

从另一个无线电站接收信号；

使已接收信号与多个预定传播模型相拟合，以及标识对于已接收信号给出最佳拟合的传播模型；和

根据最佳拟合传播模型和相应的信号接收改进方法，处理已接收信号或进一步信号。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将参考附图纯粹通过举例来描述多个实施例，其中：

图1显示了根据本发明的系统；和

图2显示了根据本发明的系统的操作的流程图。

具体实施方式

参见图1，第一无线电站10具有收发信机12、控制无线电站的处理器14和存储器16。还可以提供用于射频传输的多个天线18。第二无线电站20同样具有收发信机22、处理器24和存储器26以及多个天线28。

可以实现天线18和28、处理器14和24、存储器16和26以及收发信机12和22，因为这对于本领域熟练技术人员来说是公知的，并因此将不进一步描述其细节。

每个无线电站10、20的存储器16、26包括用于控制无线电站操作以执行下述操作步骤的代码30，以及关于不同传播机制的数据36、38。

在使用中，时间受限的无线电信号2从第一无线电站10发射到第二无线电站20(步骤40)。该信号直接地和通过墙1反射之后进行传播。该信号被接收(步骤42)并通过与多个传播模型相拟合来测试。

在第一传播模型中，使已接收信号与漫散射模型相拟合(步骤44)。在该模型中，计算表明：已接收的漫散射信号具有以下形式：

$r\left(t\right)={\mathrm{Be}}^{-\mathrm{\αt}}[\frac{{\mathrm{\τ}}_0\sqrt{t^2-{{\mathrm{\τ}}_0}^2}}{t^2}+1]---\left(1\right)$

其中，r(t)是作为时间t的函数的已接收信号，α、B和τ₀是拟合参数，其中τ₀是视线传播的延迟。

在第二传播模型中，将已接收信号与其中已接收信号被假设为通过一个镜面反射器反射的镜面反射模型相拟合。使已接收信号与具有以下形式的曲线相拟合：

$r\left(t\right)={\mathrm{\α}}_0{e}^{i{\mathrm{\θ}}_0}s(t-{\mathrm{\τ}}_0)+{\mathrm{\α}}_1{e}^{i{\mathrm{\θ}}_1}s(t-{\mathrm{\τ}}_1)---\left(2\right)$

其中，α₀、α₁、τ₀、和τ₁是拟合参数。θ₀代表沿直达路径接收的信号的相位，而θ₁代表沿反射路径接收的信号的相位。具有下标0的参数对应于直接的视线信号，而具有下标1的参数对应于通过单个反射器反射的信号。

如果需要的话，还可以包括其它的模型。例如，通过增加代表具有n个镜面反射器的模型的附加项，可以修改公式(2)，其中n是至少为2的整数：

$r\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{j=0}^n{\mathrm{\α}}_j{e}^{i{\mathrm{\θ}}_n}s(t-{\mathrm{\τ}}_j)---\left(3\right)$

或者通过增加代表具有镜面和漫散射两者的模型的附加项，可以修改公式(2)

$r\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{j=0}^n{\mathrm{\α}}_j{e}^{i{\mathrm{\θ}}_n}s(t-{\mathrm{\τ}}_j)+{\mathrm{Be}}^{-\mathrm{\αt}}[\frac{{\mathrm{\τ}}_0\sqrt{t^2-{{\mathrm{\τ}}_0}^2}}{t^2}+1]---\left(4\right)$

依次使已接收信号与这些传播模型相拟合(步骤46)，并且使接收信号与可以包含的任何其它传播模型相拟合。确定给出最佳拟合的模型(步骤48)。

执行最佳拟合解决方案的参数估算技术是已知的。一个实例是多径估算延迟锁定环(Multi-path Estimating Delay-Lock Loop)(MEDLL)(例如参见，“Performance Evaluation of the Multi-pathEstimating Delay Lock Loop(多径估算延迟锁定环的性能评估)”，B.Townsend，D.J.R.van Nee，P.Fenton，和K.Van Dierendonck，Proc of the Institute of Navigation National Technical Meeting，Anaheim，California，Jan.18-20，1995，pp.227-283)。另一个实例是最小均方估算器(MMSE)(例如参见“Conquering Multi-path(征服多径)：GPS Accuracy Battle”，L.R.Weill，GPS World，April1997)。在参数估算技术中，已接收信号利用数学模型来表示，例如利用这样的模型，其包括可变参数，并且参数值被迭代地进行调整，直至在已接收信号与数学模型之间获得良好匹配。

依据被标识为给出最佳拟合的传播模型，采用不同解决方案来进行信号最佳化。因此，造成处理根据最佳拟合模型而遵循不同路径(步骤50)，从而运行优选的信号接收改进机制。

特别地，如果漫散射模型被确定为提供最佳拟合，则通过使用具有最佳拟合参数的公式(1)估算和校正由漫散射器造成的多径效应，来最佳化信号。本领域熟练技术人员将意识到如何能够实现这，并因而在这里将不提供进一步的细节。数据信号由无线电站10发射、由第二无线电站20接收并使用公式(1)和最佳拟合参数进行校正(步骤52)。

作为选择，如果单一镜面反射模型对于被观察的数据提供更好的拟合，则使用射束方向控制方法来增加数据速率(步骤56)。

在第一实施例的开发中，接收信号的方向被确定，并用于通过辅助例如射束方向控制来协助增加数据速率。

本发明使用多个不同的技术来最佳化由无线电站的本地环境所要求的信号发射和接收。以这样的方式，MIMO系统可以维持高数据速率和/或低功率和/或更快的处理。

本发明特别有益之处在于：不同模型可以用于其中可能经常具有非常不同的无线电信号传输特性的本地室内环境和室外环境中。MIMO对不同环境非常敏感，并且这些环境可随时间剧烈改变。对于传统系统来说，对付该问题是非常困难的。甚至在房间内，移动MIMO系统也将遇到各种传播效应。

在一个可替代实施例中，在无线电站10与无线电站20之间发送的信号本身不是数据信号，而是用于确定无线电站10与无线电站20之间距离的测距信号。这可以通过测量在无线电站10与20之间发送的无线电信号的飞行时间来完成，并且这又需要利用标识的参数估算模型来校正多径效应。

所用的传播模型不必是已接收信号相对时间的函数。相反，已发射信号可以具有已知格式，并且可以将已接收信号与作为延迟函数的已发射信号的已知格式相关。在没有多径效应时，如果唯一信号是直接视线信号，则除了以代表已发射信号与已接收信号之间的时延的延迟为中心的三角峰值外，相关性函数应预期为零。该形状实质上由于多径效应而被拖尾。

因此，可以测量作为延迟函数的相关性形状，并可以将这与各个信号传播模型相拟合，以查找最佳拟合，而且由此标识传播条件，以便能够作出正在传输中最佳化判决。该相关方案特别适合于在任何情况下计算相关性的测距系统，但是该相关方法还可以用来查找在数据传输中使用的主要传播模型。

在根据本发明的可替代安排中，在给出主要传播机制时，可以自动地作出替代或附加的处理判决。例如，当已标识的传播效应是坏的时，可以自动关闭系统。作为另一个实例，如果漫射情况被标识，则通过使用漫散射传播模型而不使用均衡处理来减轻来自已接收信号的漫射多径影响，能够减少处理和/或增加数据速率。

本发明可以用于多种应用中，包括测距、定位人员、定位物体、报警装置、游戏和体育。

所收集的关于本地传播模型的信息可以被映射，以建立本地环境的图。

可以改变拟合已接收信号的方式。例如，模型可以包括或忽略已接收信号的信号分量的相位，以及仅仅模拟包络或者包络和电话。

可随意选择地，反射器的反射率μ_k可以是模型中的参数，在此情况下，参数估算可以产生出用于反射率μ_k的值。这些可以与各种材料的反射率值的数据库一起被用来确定墙壁1的材料。这样的材料知识可以提供补充信息，以辅助标识目标20的位置标识，或者可随意选择地可以把到达角θ_k包含在参数估算中，以辅助射束方向控制。

尽管已经根据无线电信号描述了本发明，但是也可以使用其它无线电信号，比如光、红外线或者超声信号。

在本说明书和权利要求中，元件之前的单词“一”或“一个”并不排除多个这样的元件的存在。此外，单词“包括”并不排除那些所列之外的其它元件或步骤的存在。

通过阅读本公开说明书，对于本领域熟练技术人员来说，其它变化和修改将是显而易见的。这样的变化和修改可以包括在无线电系统的设计、制造和使用中已知的并且除了这里所述特征之外或这些特征之外又附加的等同物和其它特征。尽管所附的权利要求涉及特征的特定组合，但是应当明白：本发明的范围还包括在本说明中明示或暗示公开的任何新颖特征或特征的任何新颖组合或其任何概述，不论其是否减轻如本发明所要解决的任何或所有相同的技术问题。因此，申请人提请注意：在本申请或由此导出的任何进一步申请的实行期间，可以对任何这样的特征和/或这种特征的组合提出新的权利要求。

Claims (12)

1、一种多输入多输出无线信号接收方法，包括：

提供对应于不同传输环境的多个预定传播模型；

接收(42)从第一无线电站(10)发射的已接收信号；

使至少一个已接收信号或已接收信号的相关函数与多个预定传播模型相拟合(44，46，48)，并标识给出最佳拟合的传播模型；和

根据已标识的传播模型，处理(52，54，65)信号。

2、根据权利要求1所述的多输入多输出无线信号接收方法，

其中接收信号的步骤包括从第一无线电站接收第一信号；

拟合至少一个接收信号的步骤包括拟合第一信号；

该方法还包括从第一无线电站接收进一步信号，并根据已标识模型处理进一步信号。

3、根据权利要求1或2所述的方法，还包括提供对应于预定传播模型的信号接收改进方法(52)，并且其中处理信号的步骤包括运行对应于最佳拟合传播模型的信号接收改进方法。

4、根据上述任何一项权利要求所述的方法，其中拟合信号的步骤包括：

提供已接收信号相对于时间的多个不同函数，每个函数具有至少一个参数，并且每个对应于不同的传播模型；和

使已接收信号与多个函数之中的每个函数相拟合，以获得对于已接收信号和对应的至少一个最佳拟合参数给出最佳拟合的函数。

5、根据权利要求4所述的方法，其中这些模型包括：

利用下式表示的漫散射模型：

$r\left(t\right)={\mathrm{Be}}^{-\mathrm{\α}1}[\frac{{\mathrm{\τ}}_0\sqrt{t^2-{{\mathrm{\τ}}_0}^2}}{t^2}+1]$

其中，r(t)是来自传输的作为时间t的函数的已接收信号，α、B和τ₀是拟合参数；和

具有以下形式的镜面反射模型：

$r\left(t\right)={\mathrm{\α}}_0{e}^{i{\mathrm{\θ}}_0}s(t-{\mathrm{\τ}}_0)+{\mathrm{\α}}_1{e}^{i{\mathrm{\θ}}_1}s(t-{\mathrm{\τ}}_1)$

其中，α₀、α₁、τ₀和τ₁是拟合参数。

6、根据权利要求5所述的方法，其中如果漫散射模型给出最佳拟合，则对应的信号传输改进方法包括：通过校正被假定为具有以下形式的漫散射来校正多径效应：

$r\left(t\right)={\mathrm{Be}}^{-\mathrm{\α}1}[\frac{{\mathrm{\τ}}_0\sqrt{t^2-{{\mathrm{\τ}}_0}^2}}{t^2}+1]$

其中参数α、B和τ₀在拟合步骤中进行确定。

7、根据权利要求5或6所述的方法，其中如果镜面方法模型给出最佳拟合，则信号传输改进方法包括射束方向控制。

8、根据权利要求1、2或3所述的方法，其中第一信号具有已知形式，并且拟合已接收的第一信号的步骤包括把具有已知形式的已接收信号的相关性计算为延迟的函数，并使作为延迟函数的相关性与多个不同模型相拟合。

9、根据上述任何一项权利要求所述的方法，其中信号是测距信号。

10、根据上述任何一项权利要求所述的方法，还包括：根据已标识模型，降低功耗，增加数据速率和/或增加均衡处理器速度。

11、一种计算机程序产品，用于使无线电站操作，以执行权利要求1至10之中任何一项权利要求所述的方法。

12、一种无线电站(20)，包括：

多个天线(18)；

收发信机(22)，用于经由天线发射和接收信号；

处理器(24)，用于控制无线电站；

至少一个存储器(26)，用于存储代码和数据，包括对应于不同传输环境的多个预定传播模型和对应的信号接收改进方法；

其中该无线电站被安排成：

从另一个无线电站(10)接收信号(2)；

使已接收信号与多个预定传播模型相拟合，和标识对于已接收信号(2)给出最佳拟合的传播模型；和

根据最佳拟合传播模型和对应的信号接收改进方法，处理已接收信号或进一步信号。

Images