CN1878023A - 利用智能天线阵列组成mimo阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用智能天线阵列组成MIMO阵列的方法，利用天线相关性小的原则从智能天线阵列中选择出N个天线单元组成MIMO阵列，或者利用各组相关性小的原则将智能天线阵列进行分组以构成MIMO阵列，使得该天线阵列支持MIMO技术，进而能进行高速数据传输。通过上述对智能天线阵列的改造，可以在改造后的天线阵列上采用MIMO技术进行高速数据传输，大大降低了实现成本，同时也使得原有的智能天线阵列的资源得到利用。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种利用智能天线阵列组成MIMO(多输入多输出)阵列的方法以及利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法。
背景技术
智能天线技术是TD-SCDMA(时分双工同步码分多址)系统的关键技术之一。从目前的研究现状来看，智能天线技术已经相对成熟，TD-SCDMA系统商用后，大部分基站均采用智能天线阵列进行数据传输。
随着MIMO技术的发展，在无线通信系统中可以利用多个发射天线、多个接收天线进行高速数据的传输。由于MIMO技术带来高速地数据传输，使得基站使用MIMO技术进行数据传输将成为今后通信系统数据传输的方向。如何在现有采用智能天线阵列的基站上利用MIMO技术进行数据传输呢？首先是技术上的兼容性：后发展的MIMO技术要兼容前一种智能天线阵列技术，这种技术上的兼容性比较容易实现；其次是设备上的兼容性，采用智能天线阵列的基站上在利用MIMO技术进行数据传输时，还能使用原有的智能天线阵列。
智能天线技术是通过调节各个天线单元信号的加权幅度和相位，将赋形波束指向用户，从而提高了天线增益，由此降低用户与用户之间的干扰，进而最大程度地扩大了系统容量。也就是说，智能天线技术要求在天线的各个单元上发送相同的信号，并且到达接收端时这些信号必须是相关的，所以智能天线阵列各单元之间的间距一般为0.5个波长。
然而，MIMO技术则恰恰与之相反。为了提供空间信道的容量，它利用多个发送天线、多个接收天线进行数据传输，并且每根发送天线上发送的数据不同。这样，当多个空间信道不相关时，就产生了多个并行的空间信道，从而提高信道容量。为了满足这种不相关性，一般要求空间信道是一个具有丰富散射体的无线环境，并且发射天线各个单元之间具有足够大的间距。
很显然，由于MIMO技术和智能天线技术对天线间距的要求是完全不同的。因此现有的天线阵列主要是针对不同的天线技术而设计不同的天线阵列。比如：针对智能天线技术而设计的小间距天线阵列，针对MIMO技术而设计的大间距天线阵列。这些阵列在不经过改造的情况下，是不能够相互替换使用的，无法同时支持智能天线技术和MIMO技术。因此从表面来看，不能对现有智能天线的改造来获得符合MIMO技术要求的天线阵列。然而，倘若为了提高数据传速的速率，需要在每个基站上重购符合MIMO技术的天线的话，这种实现数据高速传输的成本将会比较高，并且也造成了原有的智能天线阵列的资源浪费。
也就是说，由于MIMO技术和智能天线技术两者对天线间距的要求不同，而使得目前并没有同时能够应用智能天线技术和MIMO技术的天线阵列。倘若不能利用现有的智能天线阵列而重购一符合MIMO技术的天线，这将会给运商营带来极高的更新成本，同时也造成了现有智能天线阵列的资源浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用智能天线阵列组成MIMO阵列的方法，以解决现有技术中由于MIMO技术和智能天线技术两者对天线间距的要求不同，而使得目前并没有同时能够应用智能天线技术和MIMO技术的天线阵列，若重购符合MIMO技术要求的天线阵列将会造成实现高速数据传输的成本高、以及造成智能天线阵列资源浪费的技术问题。
相应地，本发明公开了一种利用智能天线阵列组成MIMO阵列的方法，包括：从智能天线阵列中选择出预先设定个数的非相邻的天线单元组成MIMO阵列，并且，组成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离大于0.5个波长。根据天线单元之间的相关性最小化的原则选择组成MIMO阵列的天线单元，当组成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离越大，其相关性越小。
一种利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法，包括：(1)预先设置发送端和/或接收端的天线阵列：从智能天线阵列中选择出非相邻的N个天线单元组成MIMO阵列，并且，组成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离大于0.5个波长，所述N是预先设置；(2)发送端将需要发送的数据形成N1个信息子流，并通过N1个天线单元进行发射，所述N1为发送端具有的MIMO阵列的天线单元的个数；(3)接收端通过N2个天线单元接收所述信息子流，并对其进行分离后解码获得发送前的数据，所述N2为接收端具有的MIMO阵列的天线单元的个数。
上述利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法，还根据天线单元之间的相关性最小化的原则选择组成MIMO阵列的天线单元，当组成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离越大，其相关性越小。
一种利用智能天线阵列组成MIMO阵列的方法，将智能天线阵列中的天线单元分为N组来构成MIMO阵列，N为系统预先确定MIMO阵列中组的个数，相邻组之间的距离大于0.5个波长。
每一组中至少包括[M/N]个相邻的天线单元，M为智能天线阵列中天线单元的总数，N为系统预先确定MIMO阵列中组的个数，/为除法运算，[ ]为取整运算。
并且，根据各组之间的相关性最小化的原则进行天线阵列的分组，当组成MIMO阵列的相邻组之间的距离越大，其相关性越小。
一种利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法，包括：(1)预先设置发送端和/或接收端的天线阵列：将智能天线阵列中的天线单元分为N组以构成MIMO阵列，N为系统预先确定MIMO阵列中组的个数，相邻组之间的距离大于0.5个波长；(2)发送端将需要发送的数据形成N1个信息子流，并通过N1个组将信息子流加权处理后进行发射，所述N1为发送端具有的MIMO阵列的组的个数；(3)接收端通过N2个组接收所述信息子流，并对其进行分离后解码获得发送前的数据，所述N2为接收端具有的MIMO阵列的组的个数。
上述利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法，根据天线各组之间的相关性最小化的原则进行天线单元的分组，当组成MIMO阵列的相邻组之间的距离越大，其相关性越小。
步骤(2)中利用增益加权或利用波束赋形算法将信息子流进行加权。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：利用天线相关性小的原则从智能天线阵列中选择出N个天线单元组成MIMO阵列，或者利用各组相关性小的原则将智能天线阵列进行分组以构成MIMO阵列，使得该天线阵列支持MIMO技术，进而能进行高速数据传输。通过上述对智能天线阵列的改造，可以在改造后的天线阵列上采用MIMO技术进行高速数据传输，大大降低了实现成本，同时也使得原有的智能天线阵列的资源得到利用。
附图说明
图1是MIMO表明检测性能与基站天线间距关系的示意图；
图2利用圆形智能天线阵列构建MIMO阵列的示意图；
图3是利用均匀直线智能天线阵列构建MIMO阵列的示意图；
图4是本发明利用智能天线进行高速数据传输的一流程图；
图5是利用均匀直线智能天线阵列组成MIMO阵列的示意图；
图6是本发明利用智能天线进行高速数据传输的另一流程图；
图7是利用分组加权方法构成MIMO天线阵列时的检测性能的比照图。
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明。
各天线间的相关性与天线间的距离和信道环境有关。理论分析表明：对固定的信道环境来说，MIMO天线单元之间的相关性与天线单元间距的关系类似Sinc函数所确定的变化关系，即：在天线单元间距离较小的局部范围内，各个天线单元间距越大，天线间相关性越小，MIMO信道容量越大；但是当天线单元的间距增大到一定程度以后，天线之间的相关性已经很小，随着天线单元的间距的增大是起伏变化的，而且起伏变化的范围很小，此时增大天线单元的间距对天线的相关性的影响不大，天线间的相关性趋于稳定，即MIMO信道容量趋于稳定，基本上达到了固定信道环境的MIMO信道容量的最大值。
仿真结果表明：当天线间距大于等于2个波长时，各天线间的相关性很小，已经足够可以应用MIMO技术。图1给出了天线间距为1个波长和0.5个波长时的MIMO阵列的检测结果。从图1可知，相邻的天线单元之间为1个波长比0.5个波长的性能提高明显，而当天线单元间距大于等于2倍波长时，再增加天线阵列的间距对检测性能无明显的提高。也就是，可以将现有的智能天线阵列进行改造后成MIMO阵列，用于高速数据传输的。
基于上述的仿真，本申请人经长期实践研究，发现了如何对现有的智能天线改造成MIMO阵列的方法。即：利用天线相关性小的原则从智能天线阵列中选择出N个天线单元组成MIMO阵列，或者利用各组相关性小的原则将智能天线阵列进行分组以构成MIMO阵列，使得该天线阵列支持MIMO技术，进而能进行高速数据传输。通过上述对智能天线阵列的改造，可以在改造后的天线阵列上采用MIMO技术进行高速数据传输，大大降低了实现成本，同时也使得原有的智能天线阵列的资源得到利用。
本发明公开一种利用智能天线阵列组成MIMO阵列的方法，它包括：从智能天线阵列中选择出预先设定个数的非相邻的天线单元组成MIMO阵列，并且，组成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离大于0.5个波长。经仿真表明，当天线单元之间的距离小于等于0.5个波长时，天线单元之间的相关性较大，对数据的传输影响也较大，另外考虑到，智能天线阵列的相邻天线单元之间的距离通常为0.5个波长，因此将构成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离设置为大于0.5个波长。至于选择天线的数目，是由具体的传输技术来决定的，比如如果作2×2的MIMO，就需要2根发射天线即可，而作4×4则需要4根发射天线。这个数值是个事先确定好的值。
以下以8单元的圆形天线阵列和8单元的均匀直线阵列为例，来说明现有技术中如何选择组成MIMO阵列的天线单元。
对于8单元的圆形天线阵列，每个天线单元之间的间距为0.5个波长。当MIMO阵列需要设置4个天线单元，则均匀地选择四根天线单元组成新的MIMO阵列。所述均匀是指从圆形天线阵列间隔地选择4根天线单元。比如，将圆形天线阵列的8个天线单元进行编号，最上方的天线单元编为第1个天线单元，以顺时针方向依次给其余的天线单元进行编号，从第2个天线单元一直编到第8个天线单元。则可以选择第1个天线单元、第3个天线单元、第5个天线单元、第7个天线单元组成MIMO阵列，也可以选择第2个天线单元、第4个天线单元、第6个天线单元和第8个天线单元组成MIMO阵列。新的MIMO阵列的相邻天线单元之间的间距为0.9个波长。
当MIMO阵列需要设置2个天线单元，可以选择相距较远的两个天线单元组成新的MIMO阵列。比如：选择第1个天线单元和第5个天线单元，MIMO阵列的两个天线单元之间的间距为1.3个波长。
请参阅图2，其为利用圆形智能天线构建MIMO阵列的示意图。MIMO阵列的个数N是系统预先设定的。根据N的个数可以按照相关性小的原则从原有的智能天线阵列中选择出N个天线单元。
8单元的均匀直线阵列的相邻天线单元之间的间距为0.5个波长。当MIMO阵列需要设置4个天线单元，则可以均匀地选择四根天线单元组成新的MIMO阵列。将8单元均匀直线阵列的天线单元从左到右从第1个天线单元到第8个天线单元进行编号，则可以选择序号为奇数的所有天线单元组成MIMO阵列或者选择序号为偶数的所有天线单元组成MIMO阵列，MIMO阵列的相邻天线单元之间的间距为1个波长。
当MIMO阵列需要设置3个天线单元，则从8单元的均匀直线阵列中选择3个天线单元的方案有很多。比如，选择第1个天线单元、第3个天线单元、第5个天线单元组成MIMO阵列，也可以选择第1个天线单元、第4个天线单元和第8个天线单元、等等。在这种情况下，根据相关性最小的原则选择天线单元。当组成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离越大，其相关性越小。很显然，MIMO阵列的相邻天线单元之间的最大间距为1.5个波长，因此可以选择第1个天线单元，第4个天线单元和第8个天线单元组成新的MIMO阵列。
当MIMO阵列需要设置2个天线单元，可以选择间距大于2波长的两个天线单元组成新的MIMO阵列。比如，第1个天线单元和第8个天线单元组成新的MIMO阵列，那么新的MIMO阵列的两个天线单元之间的间距为3.5个波长。(如图3所示)。
基于上述公开的利用智能天线构建MIMO天线阵列的方法，本发明还提供了一种利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法。请参阅图4，其为本发明利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法。它包括以下步骤：
S110：预先设置发送端和/或接收端的天线阵列：从智能天线阵列中选择出非相邻的N个天线单元组成MIMO阵列，并且，组成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离大于0.5个波长，所述N是系统预先设置的。可以根据天线单元之间的相关性最小化的原则选择组成MIMO阵列的天线单元，当组成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离小于2个波长时，天线单元之间的距离越大，其相关性越小。
S120：发送端将需要发送的数据形成N1个信息子流，并通过N1个天线单元进行发射，所述N1为发送端具有的MIMO阵列的天线单元的个数；
S130：接收端通过N2个天线单元接收所述信息子流，并对其进行分离后解码获得发送前的数据，所述N2为接收端具有的MIMO阵列的天线单元的个数。
MIMO技术一般只对发射端的天线阵列间距有要求，即基站发送时才需要构成MIMO天线阵列，并且智能天线阵列一般也是指基站端的天线阵列，因此，通常N1即为N。
步骤S120中，需要传输的数据可以经过空时编码形成N1个信息子流。该N1个信息子流由N1个天线发射出去。步骤S130中，接收端通过N2个天线单元接收所述信息子流，同样利用相应的空时编码处理将其分开后解码这些信息子流得到发送前的数据。由于空时编码技术是现有技术，在此就不再赘述了。
本发明还提供了另一种利用智能天线阵列组成MIMO阵列的方法，将智能天线阵列中的天线单元分为N组来构成MIMO阵列，N为系统预先确定的个数，相邻组之间的距离大于0.5个波长。组内的所有天线单元经加权处理后发送数据。至于分组数目，是由具体的传输技术来决定的，比如如果作2×2的MIMO，就需要2组发射天线即可，而作4×4则需要4组发射天线。这个数值可以认为是个事先确定好的值。
以8单元的均匀直线阵列为例来说明利用智能天线阵列组成MIMO阵列。若MIMO阵列需要4个天线单元，则将原有的智能天线阵列从左到右每两个天线单元设置为一组，即将原有智能天线阵列的8个天线单元分为4组，来构成新的MIMO阵列。每组内两根天线单元上进行相应加权运算后发送数据。事实上，可以把每组看作一个新的天线单元，从而构成一个4单元的MIMO天线阵列(请参阅图5所示)。此时虽然MIMO天线阵列的等效间距只提高到1倍波长，但是每组中天线加权提供一定的性能增益。
为了提高性能，每一组中至少包括[M/N]个相邻的天线单元，M为智能天线阵列中天线单元的总数，N为系统预先确定MIMO阵列中组的个数，/为除法运算，[ ]为取整运算。比如，当MIMO需要设定的个数为2个时，可以将第1个至第4个天线单元分为一组，将第5个到第8个天线单元分为第二组。当MIMO阵列中需要设定的个数为3个时，可以将第1个至第3个天线单元分为第一组，将第4个至第6个天线单元分为第二组，将第7个至第8个天线单元分为第三组。这种分组的方式并非是唯一的，以上也仅为举例说明。
同样，也可以根据各组之间的相关性最小化的原则选择组成MIMO阵列的天线单元，当组成MIMO阵列的相邻组之间的距离越大，其相关性越小。比如，当MIMO阵列中需要设定的个数为3个时，可以将第1个至第2个天线单元分为第一组，将第4个至第5个天线单元分为第二组，将第7个至第8个天线单元分为第三组。这种分组的方式并非是唯一的，以上也仅为举例说明。
为此，本申请人还提供了一种利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法。请参阅图6，其为利用智能天线阵列进行高速数据传输的流程图。它包括：
S210：预先设置发送端和/或接收端的天线阵列：将智能天线阵列中的天线单元分为N组以构成MIMO阵列，N为系统预先确定MIMO阵列中组的个数，相邻组之间的距离大于0.5个波长；
S220：发送端将需要发送的数据形成N1个信息子流，并通过N1个组将信息子流加权处理后进行发射，所述N1为发送端具有的MIMO阵列的组的个数；
S230：接收端通过N2个组接收所述信息子流，并对其进行分离后解码获得发送前的数据，所述N2为接收端具有的MIMO阵列的组的个数。
一般MIMO技术只对发射端的天线阵列间距有要求，即基站发送时才需要构成MIMO天线阵列，并且智能天线阵列一般也是指基站端的天线阵列，因此，通常N1即为N。
步骤S220中利用增益加权或利用波束赋形算法将信息子流进行加权。由于增益加权和波束赋形算法是现有技术，不在详细叙述。
请参阅图7，其为采用分组加权的方法构成MIMO阵列时的检测性能的比较图。8 & 4表示8根天线发射4层数据，每一层用两根天线进行波束赋形。bf0表示采用理想赋形，null表示不赋形即每一层用两根天线进行全向发射。d为天线间距与载波波长的比值。BER为误码率。Eb0/N0表示信噪比。从图7可知，采用分组加权的方法可以获得更高的性能。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本发明的保护范围并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1、一种利用智能天线阵列组成MIMO阵列的方法，包括：从智能天线阵列中选择出预先设定个数的非相邻的天线单元组成MIMO阵列，并且，组成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离大于0.5个波长。
2、如权利要求1所述的利用智能天线阵列组成MIMO阵列的方法，其特征在于，根据天线单元之间的相关性最小化的原则选择组成MIMO阵列的天线单元，当组成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离越大，其相关性越小。
3、一种利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法，其特征在于，包括：
(1)预先设置发送端和/或接收端的天线阵列：从智能天线阵列中选择出非相邻的N个天线单元组成MIMO阵列，并且，组成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离大于0.5个波长，所述N是预先设置的；
(2)发送端将需要发送的数据形成N1个信息子流，并通过N1个天线单元进行发射，所述N1为发送端具有的MIMO阵列的天线单元的个数；
(3)接收端通过N2个天线单元接收所述信息子流，并对其进行分离后解码获得发送前的数据，所述N2为接收端具有的MIMO阵列的天线单元的个数。
4、如权利要求3所述的利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法，其特征在于，根据天线单元之间的相关性最小化的原则选择组成MIMO阵列的天线单元，当组成MIMO阵列的相邻天线单元之间的距离越大，其相关性越小。
5、一种利用智能天线阵列组成MIMO阵列的方法，其特征在于，将智能天线阵列中的天线单元分为N组来构成MIMO阵列，N为系统预先确定MIMO阵列中组的个数，相邻组之间的距离大于0.5个波长。
6、如权利要求5所述的利用智能天线阵列组成MIMO阵列的方法，其特征在于，每一组中至少包括[M/N]个相邻的天线单元，M为智能天线阵列中天线单元的总数，N为系统预先确定MIMO阵列中组的个数，/为除法运算，[]为取整运算。
7、如权利要求5所述的利用智能天线阵列组成MIMO阵列的方法，其特征在于，根据各组之间的相关性最小化的原则进行天线单元的分组，当组成MIMO阵列的相邻组之间的距离越大，其相关性越小。
8、一种利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法，其特征在于，
(1)预先设置发送端和/或接收端的天线阵列：将智能天线阵列中的天线单元分为N组以构成MIMO阵列，N为系统预先确定MIMO阵列中组的个数，相邻组之间的距离大于0.5个波长；
(2)发送端将需要发送的数据形成N1个信息子流，并通过N1个组将信息子流加权处理后进行发射，所述N1为发送端具有的MIMO阵列的组的个数；
(3)接收端通过N2个组接收所述信息子流，并对其进行分离后解码获得发送前的数据，所述N2为接收端具有的MIMO阵列的组的个数。
9、如权利要求8所述的利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法，其特征在于，根据天线各组之间的相关性最小化的原则进行天线单元的分组，当组成MIMO阵列的相邻组之间的距离越大，其相关性越小。
10、如权利要求8所述的利用智能天线阵列进行高速数据传输的方法，其特征在于，步骤(2)中利用增益加权或利用波束赋形算法将信息子流进行加权。
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