CN1898836A - 通信的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高数据速率通信，更具体地涉及视线LOS的多输入多输出MIMO通信链路，以及用于LOS MIMO链路、特别是无线电链路和光学无线链路的天线结构。

Description

通信的方法和系统

发明技术领域

本发明涉及高数据速率通信，更具体地涉及视线LOS的多输入多输出MIMO链路，例如无线电链路和光学无线通信链路。为了简单起见，在这里将用于接收或发射电磁场的元件称为天线元件，正如举例来说，在光通信中，光发射机与传感器是用于无线电波通信的天线元件的直接对应。

背景和相关技术描述

对用于互连陆地无线电接入网的节点的骨干网而言，它所具有的高速有线或光纤连接已经是公知的。此外，将无线电基站与提供中等数据速率互连的微波链路相互连接同样是已知的。

现有技术的微波链路天线的增大的天线面积提升了信号质量，但这同样也增强了辐射的微波功率，并且增大了传输功率。天线面积的增大可以通过在阵列中排列多个面积较小的天线元件来实现。

有效的调制和信号星座可以提供减轻的功率需求，或者如果保持微波功率，那么随着信号星座中的信号点数量的增加，所述有效的调制和信号星座可以提供改进的性能。

美国专利申请US2003/0125040公开了一种用于多输入多输出(MIMO)通信的系统。由N_T个MIMO发射天线和N_R个接收天线形成的MIMO信道分解成了N_C个独立信道，这些信道称为空间子信道，其中Nc≤min{N_T，N_R}。而数据则是在传输之前根据信道状态信息来进行处理的。

美国专利申请US2002/0039884揭示了一种无线电通信系统，该系统具有配备了多个发射机天线的发射机，以及配备了至少一个天线的接收机。由此，在发射机天线与至少一个接收机天线之间会形成多条具有不同特性的路径。而数据则被指配到一个或多个分类之中。并且数据是依照分类和路径特性而被映射到一个或多个发射机部分以及天线的。

美国专利申请US2002/0039884还描述了一种无线电通信系统，该系统具有配备了多个发射机天线的发射机，以及配备了至少一个天线的接收机。数据标签指示的是数据重要性或其他需求。而数据则被指配到一个或多个分类之中。并且数据是根据分类和路径特性而被映射到一个或多个发射机部分以及天线的。

在2001年三月于法国公开的3^rd Generation Partnership Project(3GPP)：Technical Specification Group Radio Access Network，Physical layer aspects of UTRA High Speed Downlink Packet Access(Release 4)(第三代伙伴计划(3GPP)：技术规范组无线电接入网络，UTRA高速下行链路分组接入的物理层方面(发布4))，3G TS 25.848v4.0.0中，其中在第6.5节描述了MIMO发射机和接收机执行的MIMO开环信号处理。

而在G.Foschini于1996年秋发表于Bell Labs TechnicalJournal的论文“Layered Space-Time Architecture for WirelessCommunication in a Fading Environment When Using Multi-ElementAntennas(用于当使用多元件天线时在衰落环境中用于无线通信的分层空时结构)”中显示，当处于衰落状况中、有令人满意地不相关的、相同分布的传播信道时，对MIMO信道来说，它所具有的带宽受限的信道容量C_MIMO可以平均换算为：

C_SISO·min{M，N}，                (1)

其中C_SISO是SISO信道的容量，M和N则分别是接收机与发射机侧的天线数量。对频带受限(带宽B)的AWGN(加性高斯白噪声)信道而言，SISO信道容量等于：

G_SISO＝B·log₂(1+SNR_SISO)[bits/s]，        (2)

其中SNR_SISO是SISO信道的信噪比。

图1示意性描述了处于MIMO通信中的N个发射机天线元件《T₁，T₂，...，T_N》以及M个接收机天线元件《R₁，R₂，...，R_M》。并且在不同的发射机与接收机天线元件之间存在传播信道《h₁₁，h₁₂，...，h_1M，...，h_NM》。

MIMO信道是由单独的传播信道构成的，并且这些单独的传播信道都是SISO(单输入单输出)信道。

在C.Schlegel和Z.Bagley于2002年4月23日递交到JSAC，MIMOSystems Special Issue(MIMO系统特刊)的论文“Efficient Processingfor High-Capacity MIMO Channels(用于高容量MIMO信道的有效处理)”中揭示了借助奇异值分解(singular value decomposition)SVD来为信道矩阵H所描述的已知MIMO信道估计MIMO系统的最优信道容量。

U·S·V^H＝SVD{H}，                 (3)

其中U和V是单位矩阵，S是做为结果的对角矩阵，其中该矩阵的主对角线中具有奇异值，V^H则是经过厄密共轭变换的矩阵V。

在A.Goldsmith、S.A.Jafar、N.Jindal、S.Vishwanath于2003年6月发表于IEEE Journal on Sel.Areas in Comm.第21卷第5号的论文“Capacity Limits of MIMO Channels(MIMO信道的容量限制)”中提供了相对于发射机或接收机上的信息、信道信噪比以及各个天线元件的信道增益之间的相关性而从多个天线获得的容量增益的结果。此外，该论文还概述了MIMO广播信道、BC以及多接入信道的结果，并且论述了在基站协作的情况下多小区MIMO信道的容量结果，其中该基站充当的是处于不同空间的天线阵列。

依照Goldsmith等人的论文，如果发射机与接收机天线的天线元件数量相等，则对平坦衰落信道状态而言，MIMO信道容量是：

$C_{\mathrm{MIMO}}=B\·{\log }_2\left(\det \right\{I+\frac{\mathrm{SNR}}{N}H\·H^H\left\}\right)[\mathrm{bits}/s],---\left(4\right)$

其中假设不同的发送天线元件具有不相关的信道。

在P.Kyritsi于2002年9月发表于13th IEEE InternationalSymposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications2002第1.1卷第182～196页的论文“MIMO capacityin free space anda bove perfect ground：Theory and experimental results”中研究了在理想地(perfect ground)之上的自由空间中用于传播的容量潜能。并且这种理论预测被与在具有近乎平坦表面的空旷停车场上方进行的测量进行了比较。

上述文献并没有公开对于视线LOS MIMO通信、与通信距离有关的特定天线结构。

发明概述

下一代无线电接入网络预期需要支持量级大约为30Mbps～1Gbps的峰值用户数据速率。在具有非常大量基站的情况下，较为有利的是经由无线电链路来互连这些基站，由此在移动站移动时灵活地在基站与移动站的无线电链路有效集之间建立/断开链接。

当前的无线电链路解决方案并没有为往来于基站的聚集的用户数据提供足够的数据速率，包含多个高速率用户数据链路，这些链路都具有对于合理大小的元件天线孔径合理的功率电平。

由此需要一种大孔径天线，其中该天线能以对于合理大小的元件天线孔径合理的传输功率来提供所需要的数据速率。

因此，本发明的一个目的是实现一种用于视线通信的天线结构，其中该天线结构对于在适当的管理机构可能要求的限度以内以中等传输功率来提供低差错率是有益的。

本发明的另一个目的是实现一种灵活应对不同传输范围以及波长范围的系统。

本发明的另一个目的是为依照天线属性来为低传输功率电平提供高数据速率。

本发明的另一个目的是实现一种适合特定通信距离和波长的天线结构。

最后，本发明还有一个目的是减轻对于互连基站或电信系统其他节点的有形互连的依赖性，其中举例来说，所述互连可以是有线线路或是光纤。通常，这种互连方式是与高昂的初期投资成本和维护成本相挂钩的。

这些目的是通过一种方法以及天线系统来实现的，其中所述方法和天线系统是针对视线链路上的特定通信距离来配置的，由此而提供多输入多输出通信链路。

附图简述

图1示意性描述了处于MIMO通信之中的N个发射机天线元件和M个接收机天线元件。

图2示意性描述了对于本发明的球面波前背景。

图3描述的是依照本发明的四元件LOS MIMO线性阵列以及四元件线性阵列非LOS MIMO的例示容量与SNRSISO的对比关系。

图4描述的是依照本发明的方形网格LOS MIMO天线阵列。

图5描述的是依照本发明的、具有四行和三列元件的例示矩形阵列。

图6显示的是依照本发明的线性LOS MIMO天线阵列。

图7描述的依照本发明的实施例的等边三角形天线的实现方式。

图8描述的是依照本发明的空间过采样的天线阵列。

图9论述的是依照本发明的六边形天线元件的组装形式。

图10是依照本发明并具有圆形元件组装形式的天线阵列。

图11显示的是依照本发明、具有用于八个信道MIMO的八个群集天线元件群组的群集定向混合器(hybrid)。

图12显示的是依照本发明、具有用于四个信道MIMO的四个群集天线元件群组的群集定向混合器。

图13描述的是依照本发明、具有用于两个信道MIMO的两个群集天线元件群组的群集定向混合器。

图14包含的是依照本发明、就发射机与接收机侧的不同群集等级所绘制的容量/带宽与归一化SNR之间的对比关系，是用于具有方形网格LOS MIMO天线的MIMO通信。

图15显示的是依照本发明、具有导向器元件的LOS MIMO天线阵列。

图16示意性描述了一个依照本发明的LOS MIMO天线，其中该天线具有附着了天线元件的互连的杆或拉紧的线的网格。

图17描述的是双层方格LOS MIMO天线，具有两层的天线元件，各自处于一方形网格上。

图18描述的是一种依照本发明的实现方式，其中所有最近的相邻天线元件之间具有相等的距离，并且天线元件被定位于立方体的顶点。

图19描述的是一种依照本发明的实现方式，其中所有最近的相邻天线元件之间都具有相等的距离，并且天线元件被定位于四面体的顶点。

优选实施例详述

在基于无线通信的骨干网中，达到处理聚集业务量的数据速率的能力是非常重要的，其中单个峰值用户数据率约为100Mbps～1Gbps。

固定的光纤网络并不是始终适用的。它们经常与高昂的成本相挂钩，并且仅仅提供了很少的灵活性或者根本没有灵活性，此外它们还占用了大量的地面空间。

在大多数情况下，现有技术中的多输入多输出MIMO通信系统都被设计成了使用散射，由此需要一种散射环境。

本发明不依赖于这样的散射并且非常适合视线通信。关于这一点的理论依据在于它使用的是球面波前以及相关的相位差。

图2示意性描述了本发明的传播路径和原理。由于所传送的信号具有球面波前属性，因此，介于发射机天线《T1》与接收机天线《R₁》、《R₂》、《R₃》之间的相应传播路径《p₁₁》、《p₁₂》、《p₁₃》在长度方面是存在轻微差别的。而路径长度的这种微小差别《δ₁₁》、《δ₁₂》、《δ₁₃》会添加到通信距离D中。对作为通信距离的参考的路径p_ij来说，δ_ij等于零。也就是说，在选择p₁₁作为参考的时候，δ₁₁＝0。实质上，对用于LOS通信的球面波前属性而言，依照本发明的天线结构会在具有高信噪比SNR的情况下将MIMO信道容量最大化。这一点与例如下文中结合图14所描述和解释的天线方向性的最大化是相反的。

对每一个以接近其最大理论性能的方式来进行操作的MIMO子信道而言，其中可以依照本发明的配置来实现很高的性能增益。

图3描述的是用于四元件线性阵列的LOS MIMO和非LOS MIMO(衰落的不相关信道)的例示容量与SNR_SISO之间的对比关系。对图3描述的比较而言，假设通过放置非LOS MIMO阵列天线元件而使天线元件经历那些没有互相关或互相关可以忽略的信道。在典型的局部散射环境中，这是通过将天线元件以分隔半个波长的方式放置来实现的。所描述的LOSMIMO的容量则是为依照本发明的系统实现的。与非LOS MIMO相比，，LOS MIMO的在容量方面的增益是提升的，或者在曲线之间，SNR增益分别是在垂直或水平方向上的差别。举例来说，SNR增益意味着噪声免除性的增强或传输功率需求的降低。

在很多情况下，无线接入网络RAN是借助串联连接的基站实现的，其中至少一个串联的基站充当了到核心网络的锚点。因此，基站之间的单独链路可以载送多个基站的数据业务量。对范围介于100Mbps～1Gbps的单独峰值用户数据速率而言，基站之间的数据链路的必要峰值速率应该预期为处于范围1～100Gbps之中。

目前尚未得知在现有技术中有无线电数据链路能提供大于1Gbps的数据速率来用于借助本发明所实现的频谱效率。与之相关的主要原因有两个：信道星座大小有实际限制、可用无线电频谱有实际的和管理上的限制，以及有功率限制。

现有技术依赖于不同天线元件之间的不相关信道。举例来说，这有可能对应的是因为散射所导致的信道衰落的情况。然而，对经由无线链路、例如无线电链路进行的LOS通信而言，这种假设正常情况下并不成立。但是，如本发明所指，通过使用波前的球面属性，在没有散射体的情况下得到了理想的MIMO增益。依照本发明，较为优选的是使用矩形或方形网格的LOS MIMO天线阵列以及线性LOS MIMO天线阵列，相关的内容分别可以参见图4和图6。这其中也不排除如图9和10中分别描述的那样将圆形或六边形组装形式作为一种用于提升天线元件表面密度的手段。实质上，在图9的六边形组装方式中，在最接近的相邻天线元件《天线元件》(最多6个)之间的相应距离全都等于《d》。分别参见图8和11，在某些情况下，较为优选地是使用空间过采样和群集的天线阵列。图12和13显示了用于16个天线元件《天线元件》的一些其他的群集定向混合器。

参考图11～13，虽然天线元件的总数N保持恒等于16个元件，但是这些图中的元件群组的相应数量k(1≤k≤N)却是变化的。在图11中，其中存在八个群组，并且每一个群组都具有两个天线元件《天线元件》。在每一个群组的内部，天线元件《天线元件》是以足够接近的方式定位的，由此让信号相干地同相相加，从而产生方向性增益。图13描述的是具有四个群组的例示实现方式，其中每一个群组都具有四个天线元件《天线元件》。在图13中，其中描述的是N＝16以及k＝2的实例。在这些图中，每一个天线元件《天线元件》的群组都会产生一个MIMO子信道。对用于接收机和发射机侧的各个MIMO子信道的N/k个天线元件来说，由于这两侧都有助于该增益，因此，可以实现的整体增益是(N/k)²。如果等效各向同性辐射功率EIRP处于所允许的它的最大水平，那么发射机侧的增益是以发射功率降低的方式实现的，并且不会采用递增的接收功率或能量/符号的形式。假设具有k个群组的分组定向天线的SNR增益是(N/k)²，那么等式(1)和(2)将会变换成：

$C_{\mathrm{clusterde}}=B\·k\·{\log }_2(1+\frac{N^2}{k^2}{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{SISO}})[\mathrm{bits}/s].---\left(5\right)$

在这里存在这样的SNR范围，在这些SNR范围中，与群集元件天线所进行的MIMO通信的性能要优于与相同数量的未群集天线元件所进行的MIMO通信。如图14所示，信道容量的增大是通过特别为恶劣的传输条件(SNR很小)执行群集来实现的。图14描绘了与群集天线元件进行的MIMO通信所具有的信道容量/带宽C_clustered/B与归一化为SISO通信条件的SNR《SNR_SISO》之间的对比关系，其中k是发射机和接收机端的天线元件的群集数量，并且k∈[1，N]。该图描述了依照等式(5)的16个天线元件实例的性能，其中作为参考还包含了N＝1个天线元件的天线的SISO性能。

通常，很高的SNR条件在短距离通信中是比较普遍的。因此，对短距离通信而言，较为优选的是通过与大量天线元件进行非群集MIMO通信来实现增益的提升。

在具有很高的SNR的情况下，(4)中的MIMO信道容量近似为：

C_MIMO＝f(|Det{H}|²)[bits/s]，                (6)

其中f是一个变量的单调增函数，并且|·|表示绝对值。(等式(4)和(5)转而是由相同的最大化信道矩阵H＝H^opt最大化的)。发明人观察到，信道矩阵H可以分离成两个矩阵H_v和H_h的克罗内克积。

H＝H_vH_h，                  (7)

其中H_v的维数为N_v×N_v，并且H_v的维数为N_h×N_h，N_v是垂直天线元件的数量，N_h则是水平天线元件的数量。因此，等式(6)中的行列式可以改写成：

$\left|\mathrm{Det}\right\{H\left\}\right|=\left|\mathrm{Det}\right\{H_v\}{|}^{N_h}\·|\mathrm{Det}\left\{H_h\right\}{|}^{N_v}.---\left(8\right)$

依照本发明，进一步的观察结果发现H_v和H_h中的每一个都可以分离：

H_v＝H_v1·H_v12·H_v2，                    (9)

H_h＝H_h1·H_h12·H_h2，                    (10)

其中行列式

det{H_v1}＝det{H_v2}＝1，                 (11)

det{H_h1}＝det{H_h2}＝1，                 (12)

并且矩阵H_v12和H_h12都是范得蒙(Vandermonde)矩阵。在最后一个观察步骤中，其中指出：

$\det \left\{H_{v12}\right\}\≤{\left(N_v\right)}^{N_v/2},---\left(13\right)$

$\det \left\{H_{h12}\right\}\≤{\left(N_h\right)}^{N_h/2},---\left(14\right)$

在等式(13)和(14)中，其中分别为垂直和水平距离d_v和d_h获得了最大值。

$d_v=\sqrt{\frac{\mathrm{D\λ}}{N_v}},$ 以及                    (15)

$d_h=\sqrt{\frac{\mathrm{D\λ}}{N_h}}.---\left(16\right)$

对每行具有N_h个元件并且每列具有N_v个元件的概括性矩形网格阵列来说，通过在通信距离D上以对应于波长λ的频率来通信，等式(15)和(16)中的最优天线元件距离将会转换成与下式相等的天线尺寸(antenna dimension)：

$h=(N_v-1)\sqrt{\frac{\mathrm{D\λ}}{N_v}},$ 以及                            (17)

$w=(N_h-1)\sqrt{\frac{\mathrm{D\λ}}{N_h}}.---\left(18\right)$

图5描述了具有四行和三列元件的例示矩形阵列，其中每一行都包括分隔距离d_h的天线元件，并且每一列都包含了分隔距离d_v的天线元件。依照本发明，优选的天线元件距离是依照等式(15)和(16)确定的。那么，天线阵列的尺寸(宽度×高度)是w^opt×h^opt。

在图6中，对最优的MIMO系统以及远远大于元件间距d的通信距离D来说，距离a＝d(N-1)是如下规定的：

$a=(N-1)\sqrt{\frac{\mathrm{D\λ}}{N}}---\left(19\right)$

$\≈\sqrt{\mathrm{D\λN}},---\left(20\right)$

其中等式(20)中的近似对较大的天线元件数量N来说是成立的。对N＝16个天线元件《天线元件》而言，该近似误差约为7％。表1描述了线性MIMO天线的发射机-接收机对的元件间距d在某些例示波长λ上与通信距离D的对比关系，其中所示例示波长λ等于3毫米、7.9毫米以及42.9毫米。

距离D(千米)	元件间距d(米)
				λ＝3毫米	λ＝7.9毫米	λ＝42.9毫米
	0.2	0.55	0.9				2.1
2				1.7	2.8	6.5
	20	5.5	8.9				20.7
200				17.3	28.1	65.4

对图4中的方形网格LOS MIMO天线阵列而言，与等式(19)中用于线性阵列的距离相对应的距离a被确定为 $a=(\sqrt{N}-1)d$

$a=(\sqrt{N}-1)\frac{\sqrt{\mathrm{D\λ}}}{\sqrt[4]{N}}---\left(21\right)$

$\≈\sqrt{\mathrm{D\λ}}\·\sqrt[4]{N},---\left(22\right)$

其中等式(22)中的近似对较大的天线元件数量N来说是成立的。对N＝16个天线元件《天线元件》来说，近似误差约为33％。而在一个非常重要的结果中显示，对图4中的方形网格的LOS MIMO天线阵列来说，与N的四次方根成比例的距离a和d变得相对较小，而对于图6的线性阵列来说，距离相关性与N的平方根是成比例的。

在天线区域A＝a²的情况下，通过使用等式(22)中的近似，采用了依照本发明的图4例示设计并且就用于SISO系统的信道容量来进行表示的MIMO信道容量C_MIMO＝N·C_SISO是：

$C_{\mathrm{MIMO}}\≈{\left(\frac{A}{\mathrm{D\λ}}\right)}^2{C}_{\mathrm{SISO}}---\left(23\right)$

在图4以及等式(21)中，假设天线元件《天线元件》是电有源元件，由此会向接收机提供电压或电流。然而，如下文所示，某些天线元件是将接收到的电磁场引导到电有源天线元件的导向器，对这些天线元件来说，同样的距离关系基本上是成立的。

图7描述的是依照本发明实施例的等边三角形天线的实现方式。天线元件的间距均为d_tri。与图5中的矩形实现方式相似，具有三个天线元件的等边三角形天线结构的最优天线元件间距等于

其中D是通信距离，而λ则是通信波长。

图15描述的是将导向器元件《导向器》安装在支架《支架》上的实现方式。这些导向器对所接收的电磁场以及所要发射的电磁场进行定向，其中较为优选的是，每一个电有源天线元件《天线元件》都具有一个导向器。优选地，导向器《导向器》是纯的反射器，但也可以由电介质材料制成。支架《支架》则被设计成不会屏蔽电有源天线元件《有源元件》，或者只对电有源天线元件《有源元件》具有很少的屏蔽影响。优选的是，导向器是依照分别用于线性和方形网格的LOS MIMO天线的等式(19)以及(21)来定位的。相关的距离d则与导向器在某个平面上的投影的间隔距离基本相等，其中该平面与到其他接收机/发射机端的LOS传输路径是垂直的。除了上述优点之外，图15的实现方式还可以实现以下优点，例如天线元件布线简化并且天线元件只跨越较小的距离范围，由此其在机械方面是非常坚固的。此外，通过调整导向器，可以不必总是重新定位电有源天线元件，即使在通信距离发生变化的情况下也是如此。

对LOS MIMO天线来说，a、A以及d_v/d_h/d对于D的依赖性具有实际意义，这一点是通过本发明加以解决的。对于通信距离D而言，对获取合适匹配的元件距离d_v、d_h、d的问题的一种显而易见的解决方案是制造定制的天线。然而，从成本角度来看，更有吸引力的解决方案是制造一组用于MIMO通信的天线模型，其中每一个模型都是针对某个范围的通信距离D来设计的，且一旦进行安装，那么可以选择该组天线模型中的某个与通信距离最佳匹配的天线模型。对频率非选择性的信道来说，SVD(奇异值分解)同样在通信距离D与元件间距d_v、d_h、d的非完美匹配的情况下提供了坚固性以及近乎最优的性能。另一个实施例则是由单独可调整的天线元件实现的。优选地，这是通过图16所示的附着了天线元件《天线元件》的互连杆或拉紧线的网格《网格》来实现的。优选地，所述线或杆与某个框架《框架》相连。可以采用机电方式调整的模型包含了与杆相连的机电发动机，由此，这些附着了天线元件《天线元件》的杆可以沿着框架移动。另一个使LOS MIMO天线与通信距离D相适应的实施例则使用了图8中示意性描述的空间过采样天线，并且通过在实际通信距离上提供最佳性能的信号处理来激活天线元件。举例来说，如图9和10所示，特定的元件分布是可以变化的。对本发明而言，其中一个非常重要的问题在于对有源元件进行分布，以使其相互距离反映通信距离(发射与接收天线之间的距离)和波长，从而使得可以使用无线电波的球面属性。

可以观察到的是，在发射机和接收机天线形成了通信链路的天线对的情况下，如果通信链路相应例示接收机天线的元件距离是以一种与发射机天线的距离减小(或增大)成比例的方式增大(或减小)的，那么举例来说，在例示发射机天线的等式(15)和(16)中，相应元件的距离d_v、d_h和d可以减小(或增大)。在分别用T和R来标引发射机和接收机天线距离的情况下，如果相对于初始确定的距离d_v、d_h或d而减小(或增大)接收机天线的相应元件距离d_vR、d_hR和d_R，那么发射机端的天线元件的距离d_vT、d_hT和d_T应以一种与之成比例的方式增大(或减小)(相对于d_v、d_h和d而言)。因此，等式(15)和(16)中的距离d_v、d_h分别是接收机与发射机天线元件距离的几何平均值。

当然，等式(17)和(18)中的实际天线尺寸也可以通过实际的相应垂直和水平元件距离来确定。相应地，如果采用上述方式进行调整，那么等式(19)和(20)中的天线尺寸也通过实际距离来确定。在接收机侧，等式(17)、(18)、(19)和(21)将会转化成等式(24)、(25)、(26)和(27)。

h_T＝(N_vT-1)d_vT，                        (24)

w_T＝(N_hT-1)d_hT，                        (25)

a_T＝(N_T-1)d_T，以及                     (26)

$a_T=(\sqrt{N_T}-1)d_T,---\left(27\right)$

相应地，对接收机侧来说，这些等式将会转化成等式(28)、(29)、(30)以及(31)。

h_R＝(N_vR-1)d_vR，                        (28)

w_R＝(N_hR-1)d_hR，                        (29)

a_R＝(N_R-1)d_R，以及                     (30)

$a_R=(\sqrt{N_R}-1)d_R,---\left(31\right)$

其中

$d_v=\sqrt{d_{\mathrm{vR}}\·d_{\mathrm{vT}}},---\left(32\right)$

$d_h=\sqrt{d_{\mathrm{hR}}\·d_{\mathrm{hT}}},---\left(33\right)$

$d=\sqrt{d_R\·d_T},---\left(34\right)$

本发明不仅覆盖了平面天线结构，而且还包含了图17～19所述的三维结构。图17描述的是双层方形网格的LOS MIMO天线，具有两层天线元件，每一层都处于某个方形网格之上。图18和19描述的是在所有最接近的相邻天线元件之间都具有相等距离的情况下的实现方式。在图18中，天线元件被定位于立方体的顶点，在图19中，天线元件被定位于四面体的顶点。

本发明的不同实施例还覆盖了发射机和接收机端的信号处理的不同实现方式。对于与普遍的信道条件相适配而言，该处理是必需的。在接收机或发射侧，对结合等式(3)所述的信道奇异值进行确定以及奇异值分解处理可以通过对基带信号执行数字信号处理来实现。参见附图，如果在发射机侧已经确定，那么有必要从接收机侧传送有关信道矩阵H的信息，否则将会在发射机侧以其他方式估计该信道矩阵。对2×2的信道矩阵来说，也可以通过3dB混合器而实现奇异值分解处理，以便在必要时执行作用于高频信号的乘法或加权。同样，对大于2×2的信道矩阵来说，其中也可以使用3dB混合器的推广，一个巴特勒矩阵定向耦合器。而另一个实施例则是借助微带或波导的安排来实现该处理的，其中同样是作用于高频信号。在接收机侧，其中需要进行信道均衡处理。该处理可以借助任何一种为发射机侧描述的处理实现方式来执行，或者也可以借助迫零处理来均衡接收信号，为此而将接收信号与信道矩阵H的逆矩阵相乘，此外还可以借助最小化均方误差的最小均方误差MMSE来均衡接收信号，其中不同的处理实现方式都可以引发其他的实施例。

如果有多径传播，那么较为优选的是将此通过反馈信息引入到发射机侧的奇异值分解中。如果在发射机侧(该发射机侧同样包含了无线电接收机)确定了逆方向信道矩阵，那么相应信息也可以通过信道互易性来得到。另一种解决方案则包含了自调谐天线，由此可以在接收机侧、发射机侧或是同时在这两侧优化性能。由此，天线元件的定位将会与对应于测得的信道矩阵H的信道传播属性相适应。举例来说，这可以通过例如一种随机梯度算法来实现。特别地，对固定定位的天线元件来说，为了实现最优的性能，它们有可能需要对天线元件进行重新分布。对可以采用机电方式调整的元件天线来说，这种优化可以通过天线元件的自动位置调整来实现。此外，在这里也可以结合针对多径传播的不同解决方案。

优选地且依照本发明，奇异值分解被应用于平坦(频率非选择性)衰落信道。然而，如果信道是频率选择性衰落的，那么可以认为该信道相对于足够小的频率间隔而言是段状平坦衰落的。举例来说，这种段状的平坦衰落信道可以通过使用有足够窄的一个或多个带宽的正交频率子载波来划分指定的频率范围或带宽而实现，其中所述一个或多个带宽远远小于相干带宽。一种用于实现此类子载波的技术是正交频分复用OFDM。

本发明的概念能够很好地与其他的已知手段相结合，以便提高吞吐量，其中举例来说，所述其他的已知手段可以是以垂直和水平极化进行的传输，或者以左旋和右旋的圆极化进行的传输，或者是依赖其相应的信道质量来对不同的子信道进行不同编码，这些都进一步证明了本发明的有效性。这种组合同样处于本发明的范围以内。

在这里已经结合特定的方位而对尺寸(dimensioning)进行了表述，例如水平或垂直方位，参考正交方向，与通信方向相垂直。但是，这并不排除在与天线元件相平行的平面中旋转接收机和发射机天线，通过对这两个天线进行相应的旋转，其相互方位得到保持。尽管或多或少有些不恰当，但是出于简明的目的，在这里保留了垂直和水平的符号。

本发明并不打算仅仅被局限于上文中详细描述的实施例。在不脱离本发明的情况下，各种变化和修改都是可能进行的。其覆盖了在后续权利要求的范围以内的所有修改。

Claims (79)

1.一种天线配置方法，其特征在于：对包含了多个天线元件的天线进行配置，以便相对于通信距离来设置天线元件间距。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于对天线进行配置，以便相对于通信波长来设置天线元件间距。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：所述天线配置将MIMO信道容量最大化。

4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：对线性天线来说，天线元件的间距是相对于 来设置的，其中D是通信距离，λ是通信波长，而N是天线元件的数量。

5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：对方形网格的天线来说，天线元件的间距是相对于

来设置的，其中D是通信距离，λ是通信波长，而N是天线元件的数量。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于：N＝n²，其中n是大于1的整数。

7.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：对矩形网格天线来说，天线元件的间距是相对于 来设置的，其中D是通信距离，λ是通信波长，N是间距尺寸上的天线元件的数量。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于：间距尺寸是水平尺寸。

9.根据权利要求7的方法，其特征在于：间距尺寸是垂直尺寸。

10.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：对具有三个天线元件的三角形网格天线来说，天线元件的间距是相对于

来设置的，其中D是通信距离，而λ是通信波长。

11.一种天线配置方法，其特征在于：对包含一个或多个天线元件的多个群集的天线进行配置，以便通过相对于通信距离所设置的距离来分离这些群集。

12.根据权利要求11的方法，其特征在于：对天线元件进行配置，以便通过相对于通信波长所设置的距离来分离天线元件的群集。

13.根据权利要求11或12的方法，其特征在于：对线性天线来说，所述群集是通过相对于

所设置的距离来分离的，其中D是通信距离，λ是通信波长，而L是群集的数量。

14.根据权利要求11或12的方法，其特征在于：对方形网格的天线来说，所述群集是通过相对于 所设置的距离来分离的，其中D是通信距离，λ是通信波长，而L是群集的数量。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于：L＝l²，其中l是大于1的整数。

16.根据权利要求11或12的方法，其特征在于：群集内的天线元件是以一个小于群集之间的最小距离的距离来分离的。

17.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：所述天线配置是三维的。

18.根据权利要求17的方法，其特征在于：所述天线配置包含两个层，其中每一个层都包含处于方形网格之上的天线元件的平面排列。

19.根据权利要求17的方法，其特征在于：该天线配置包含在三维空间中等距离定位的天线元件。

20.根据权利要求19的方法，其特征在于：天线元件被定位于立方体的顶点。

21.根据权利要求19的方法，其特征在于：天线元件被定位于四面体的顶点。

22.根据权利要求1、2、11和12中的任何一个权利要求的方法，其特征在于：为天线元件馈送的是依照用于通信距离上的传输信道的奇异值分解而被处理的信号。

23.根据权利要求22的方法，其特征在于：所考虑的传输信道是平坦衰落的子载波。

24.根据权利要求22的方法，其特征在于：所考虑的传输信道是OFDM子载波。

25.根据权利要求1、2、11和12中的任何一个权利要求的方法，其特征在于：从天线元件接收的信号是依照用于通信距离上的传输信道的迫零处理而被处理的。

26.根据权利要求1、2、11和12中的任何一个权利要求的方法，其特征在于：对从天线元件接收的信号进行处理，以便最小化用于通信距离上的传输信道的最小均方误差。

27.根据权利要求1、2、11、12、22和25中的任何一个权利要求的方法，其特征在于：对所接收或是要传送的信号所进行的信号处理是在高频上执行的。

28.根据权利要求27的方法，其特征在于：该处理是由一个或多个3dB混合器来执行的。

29.根据权利要求27的方法，其特征在于：该处理是由一个或多个巴特勒矩阵定向耦合器执行的。

30.根据权利要求27的方法，其特征在于：该处理是通过微带的排列来执行的。

31.根据权利要求27的方法，其特征在于：该处理是通过波导的排列来执行的。

32.根据权利要求1～31中任何一个权利要求的方法，其特征在于：所述天线配置是无线电天线配置。

33.根据权利要求1～31中任何一个权利要求的方法，其特征在于：所述天线配置是用于光通信的传感器或激励器的配置。

34.一种天线结构，其特征在于对包含了多个天线元件的天线进行配置，以便相对于通信距离来设置天线元件间距。

35.根据权利要求34的天线结构，其特征在于：对天线进行配置，以便相对于通信波长来设置天线元件间距。

36.根据权利要求34或35的天线结构，其特征在于：所述天线结构将MIMO信道容量最大化。

37.根据权利要求34或35的天线结构，其特征在于：天线元件的间距是相对于 来设置的，其中D是通信距离，λ是通信波长，而N是天线元件数量，其中所述天线结构是线性天线结构。

38.根据权利要求34或35的天线结构，其特征在于：天线元件的间距是相对于 来设置的，其中D是通信距离，λ是通信波长，而N是天线元件数量，其中所述天线是方形网格的天线结构。

39.根据权利要求38的天线结构，其特征在于：N＝n²，其中n是大于1的整数。

40.根据权利要求34或35的天线，其特征在于：对矩形网格的天线来说，天线元件的间距是相对于 来设置的，其中D是通信距离，λ是通信波长，N是间距尺寸上的天线元件的数量。

41.根据权利要求40的天线，其特征在于：间距尺寸是水平尺寸。

42.根据权利要求40的天线，其特征在于：间距尺寸是垂直尺寸。

43.根据权利要求34或35的天线，其特征在于：天线元件的间距是相对于

来设置的，其中D是通信距离，λ是通信波长，其是具有三个天线元件的三角形网格天线。

44.根据权利要求34或35的天线结构，其特征在于：所述天线结构是三维的。

45.根据权利要求44的天线结构，其特征在于：所述天线结构包含两个层，其中每一个层都包含处于方形网格之上的天线元件的平面排列。

46.根据权利要求44的天线结构，其特征在于：该天线结构包含在三维空间中等距离定位的天线元件。

47.根据权利要求46的天线结构，其特征在于：天线元件被定位于立方体的顶点。

48.根据权利要求46的方法，其特征在于：天线元件被定位于四面体的顶点。

49.一种天线结构，其特征在于：对包含一个或多个天线元件的多个群集的天线进行配置，以便通过相对于通信距离所设置的距离来分离这些群集。

50.根据权利要求49的天线结构，其特征在于：对天线进行配置，以便通过相对于通信波长所设置的距离来分离天线元件的群集。

51.根据权利要求49或50的天线结构，其特征在于：所述群集是通过相对于 所设置的距离来分离的，其中D是通信距离，λ是通信波长，而L是群集的数量，其中所述天线结构是线性天线结构。

52.根据权利要求49或50的天线结构，其特征在于：所述群集是通过相对于

所设置的距离来分离的，其中D是通信距离，λ是通信波长，而L是群集的数量，且其中所述天线结构是方形网格的天线结构。

53.根据权利要求49或50的天线结构，其特征在于：L＝l²，其中l是大于1的整数。

54.根据权利要求49或50的天线结构，其特征在于：群集内的天线元件是以一个小于群集之间的最小距离的距离来分离的。

55.根据权利要求34、35、49和50中的任何一个权利要求的天线结构，其特征在于：一个或多个天线元件馈送器适合于为天线元件馈送依照用于通信距离上的传输信道的奇异值分解而被处理的信号。

56.根据权利要求55的天线结构，其特征在于：所考虑的传输信道是平坦衰落的子载波。

57.根据权利要求55的天线结构，其特征在于：所考虑的传输信道是OFDM子载波。

58.根据权利要求34、35、49和50中的任何一个权利要求的天线结构，其特征在于：一个或多个处理元件适合于依照用于通信距离上的传输信道的迫零处理来处理那些从天线元件接收的信号。

59.根据权利要求34、35、49和50中的任何一个权利要求的天线结构，其特征在于：一个或多个处理元件适合于对从天线元件接收的信号进行处理，以便最小化用于通信距离上的传输信道的最小均方误差。

60.根据权利要求34、35、49、50、55和58中的任何一个权利要求的天线结构，其特征在于：一个或多个处理元件适合于在高频上对所接收或要传送的信号进行处理。

61.根据权利要求60的天线结构，其特征在于：所述一个或多个处理元件是一个或多个3dB混合器。

62.根据权利要求27的方法，其特征在于：所述一个或多个处理元件是一个或多个巴特勒矩阵定向耦合器。

63.根据权利要求60的天线结构，其特征在于：所述一个或多个处理元件是微带的排列。

64.根据权利要求60的天线结构，其特征在于：所述一个或多个处理元件是波导的排列。

65.根据权利要求34～64中任何一个权利要求的天线结构，其特征在于：所述天线元件是电有源元件。

66.根据权利要求34～64中任何一个权利要求的天线结构，其特征在于：所述天线元件是导向器。

67.根据权利要求66的天线结构，其特征在于：所述导向器是反射器。

68.根据权利要求34～67中任何一个权利要求的天线结构，其特征在于：所述天线元件是以圆形对称的方式安排的。

69.根据权利要求34～67中任何一个权利要求的天线结构，其特征在于：所述天线元件是以六边形图案安排的。

70.根据权利要求34～67中任何一个权利要求的天线结构，其特征在于：所述天线元件安装在位置可调整的杆或线上。

71.根据权利要求70的天线结构，其特征在于：所述位置可调整的杆或线是可以用机电方式调整的。

72.根据权利要求71的天线结构，其特征在于：所述可调整位置与对应于被测量信道矩阵的传播信道属性相适应。

73.根据权利要求34～69中任何一个权利要求的天线结构，其特征在于：所述天线配置与预定范围的通信距离相适应。

74.一种天线结构，其特征在于：所述天线结构包含了多个天线元件，这些天线元件的子集形成天线元件的一个活动集，并且所述活动的天线元件是依照权利要求34～69中的任何一个权利要求来形成天线结构的。

75.根据权利要求34～74中任何一个权利要求的天线结构，其特征在于：所述天线结构是无线电天线结构。

76.根据权利要求34～74中任何一个权利要求的天线结构，其特征在于：所述天线结构是用于光通信的传感器或激励器的配置。

77.一种通信系统，其特征在于用于执行权利要求1～31中任何一个权利要求的方法的装置。

78.一种通信系统，其特征在于多个在权利要求34～74的任何一个权利要求中所述的设备。

79.根据权利要求78的通信系统，其特征在于：为第一和第二天线设置不同的天线元件距离，其中这两个天线是以配对方式工作的，使得第一天线的元件距离d₁与第二天线的元件距离d₂的几何平均即为有效的天线元件距离。

Images