CN1947358A - 在移动特定网络中实现虚拟多入多出天线的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于包括第一基站的无线网络的移动台，其中该第一基站使用多入多出(MIMO)天线系统在前向信道中发送用户数据流。包括第一和第二收发器的该移动台实现虚拟MIMO天线系统，以接收由第一基站发送的MIMO数据信号。第一收发器接收由第一基站发送的MIMO数据信号，并将第一多个MIMO数据信号样本存储在存储器中。第二收发器直接从第二移动台接收由第二移动台从第一基站接收的第二多个MIMO数据信号样本。将该第二多个MIMO数据信号样本存储在存储器中。MIMO算法从第一和第二多个样本生成由基站发送的用户数据流。

Description

在移动特定网络中实现虚拟多入多出天线的装置和方法
技术领域
本发明通常涉及无线网络，并且，更具体地，涉及使得单天线移动台能够利用使用多输入-所输出(多入多出(MIMO)天线的广域无线网络的移动特定(ad hoc)网络(MANET)。
背景技术
包括蜂窝式电话、寻呼设备、个人通信服务(PCS)系统、以及无线数据网络的无线通信系统，在社会中已变得无处不在。通过使得无线设备和服务更便宜和更可靠，无线服务提供商不断尝试创建无线设备的新市场，并扩展现有市场。诸如蜂窝式电话、寻呼机、PCS系统以及无线调制解调器的终端用户无线设备的价格已被降低到这些设备可向几乎每个人供应的点。
为使有效带宽的使用最大化，已实现多种多址(multiple access)技术，以允许在无线系统中超过一个用户同时与每个基站(BS)进行通信。这些多址技术包括时分多址(TDMA)，频分多址(FDMA)、以及码分多址(CDMA)。这些技术将每个系统用户分配给经由所选时隙、所选频率、所选唯一码或它们的组合来发送和接收用户语音/数据信号的特定业务信道。
无线设备制造商现在正发展被希望用来向包括蜂窝式电话和无线膝上计算机的无线设备传送高速数据的无线局域网(WLAN)。然而，由于干扰、多路衰减和其他影响，已经证明始终达到对无线设备的高吞吐量在许多方面是困难的。为克服这些问题，在许多领域，包括介质访问控制(MAC)技术、射频(RF)分量、调制技术、以及智能天线系统中，已经进行了改进。
发送和接收都使用多天线的智能天线系统对增加无线网络和无线终端(或移动台)之间的数据速率尤其有效。这样的多天线系统经常被称为多入多出(MIMO)天线系统。MIMO系统相比传统单入单出(SISO)天线系统具有许多优点，尤其在呈现大量多路径的射频(RF)环境中。
在MIMO天线系统中，将高速数据流分为多个较低速数据流。通过分离的天线独立调制并在同一时间、使用同一频道发送该较低速数据流。多个发送信号经历多路径反射，作为从基站的多个天线到接收移动台的多个天线的发送信号传播。每个接收器天线的输出是多个发送RF信号的线性组合。在接收器内，由公知MIMO算法检测并恢复多个较低速数据流。
使用多个天线阵列利用了RF信道的空间维度，以增加吞吐量。这已公知为空间多路复用，并且其提供吞吐量的多种增长。例如，相比传统SISO天线系统，在基站使用N天线阵列以向移动台的N天线阵列发送，将MIMO天线系统的峰值吞吐量增加了因子N。有利地，MIMO天线系统具有与SISO天线系统相同的频率带宽。结果，MIMO天线系统提供向每个移动台的更高的数据速率，并减少RF链路中的延迟。
然而，使用MIMO天线系统的主要缺点在于天线阵列的物理尺寸。为获得MIMO天线系统的好处，最好是天线具有显著的十个(10)波长级的空间间隔。在所关心的频率上，这需要米级的天线间隔。对于几乎所有的蜂窝式电话和膝上计算机实现，这是非常不可行的。在这些情况下，天线将会是移动电话或移动PC尺寸的数倍。
因此，在现有技术中需要具有增加的数据吞吐量的改进无线网络。特别地，需要一种无线网络，其使用多入多出(MIMO)天线阵列来向蜂窝电话或其他小尺寸移动台发送数据，而在蜂窝电话或其他移动台处不需要过大尺寸的MIMO天线。
发明内容
通过使用移动特定网络(MANET)在一组邻近移动台中交换接收的信号数据，本发明提供一种用于移动台的虚拟MIMO天线阵列。每个移动台使用传统的单入单出(SISO)天线系统来接收和采样从使用MIMO天线系统发送的基站接收的多个信号。该基站通过使用诸如CDMA2000、IEEE 802.16e、IEEE802.20等之类的传统无线标准的广域网来发送。
每个移动台使用一般具有较短范围和较高数据速率的MANET链路，将从基站直接接收的信号样本发送到邻近移动台。每个移动台也使用高速MANET链路，从邻近移动台接收相似基站信号样本。以此方式，每个基站以与当移动台配有MIMO天线系统替代SISO通信系统时相同的方式来从一组分隔的天线接收多个信号样本。由此，本发明提供一种用于每个移动台的虚拟MIMO天线系统。
为解决现有技术中的上述不足，本发明的主要目的是提供一种第一移动台，用于无线网络中，该无线网络包括能够使用多入多出(MIMO)天线系统在前向信道中发送多个用户数据流的第一基站。该第一移动台实现虚拟MIMO天线系统，以接收由第一基站发送的MIMO数据信号。根据本发明的优选实施例，第一移动台包括：1)第一收发器，其能够接收并下变频由第一基站发送的MIMO数据信号，并将MIMO数据信号的第一多个样本存储在第一移动台的存储器中；以及2)第二收发器，其能够直接与第二移动台通信，并从第二移动台接收由第二移动台从第一基站接收的MIMO数据信号的第二多个样本，其中第一移动台将MIMO数据信号的第二多个样本存储在存储器中。
根据本发明的一个实施例，第一基站还包括能够执行MIMO算法的数据处理器，其中，该MIMO算法从第一和第二多个样本生成由所述基站发送的多个用户数据流。
根据本发明的另一实施例，第二收发器通过移动特定网络(MANET)链路直接与第二移动台进行通信。
根据本发明的另一实施例，数据处理器在多个用户数据流中检测针对第一移动台的第一数据。
根据本发明的另一实施例，移动台使用耦接到第一收发器的单入单出(SISO)天线系统，以接收由第一基站发送的MIMO数据信号。
根据本发明的另一实施例，第二收发器向第二移动台发送MIMO数据信号的第一多个样本。
根据本发明的另一实施例，第二收发器还能够直接与第三移动台进行通信，并从第三移动台接收由第三移动台从第一基站接收的MIMO数据信号的第三多个样本，其中第一移动台将MIMO数据信号的第三多个样本存储在存储器中。
根据本发明的另一实施例，MIMO算法从第一、第二和第三多个样本生成由基站发送的多个用户数据流。
在进行下面的“具体实施方式”之前，说明在整个本专利文件中使用的某些词语或短语可能是有利的：术语“包括”和“包含”及其派生词意指包括但不限于；术语“或”是包括一切的，意味着和/或；短语“与...相关”和“与其相关”及其派生词，可意指包括、被包括在其中、与...相互连接、包含、被包含在其中、连接到或与...相连、耦接到或与...耦接、可与...通信、与...合作、交错、并列、与...最近、被限制在或以...限制、具有、具有...的特性等；以及，术语“控制器”意指控制至少一个操作的任意设备、系统或它们的部件，这样的设备可以硬件、固件或软件、或它们中至少两个的某些组合来实现。应该注意到，与任何特定控制器相关的功能性可以被集中或分布，在本地或是远程。在整个本专利文件中提供某些词语或短语的定义，本领域技术人员应该理解，在许多(若不是最多的话)的例子中，这样的定义应用到这样定义的词语和短语的现在和将来的使用中。
附图说明
为更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图参考下面的说明，附图中相同的附图标记表示相同的部件：
图1示出根据本发明的原理、包括广域无线网络和向移动台提供虚拟多入多出(MIMO)天线系统的移动特定网络(MANET)的部件的通信系统；
图2示出根据本发明的示例实施例实现虚拟MIMO天线系统的示例移动台；以及
图3是示出根据本发明原理的示例移动台的操作的流程图。
具体实施方式
在本专利文件中，下面讨论的图1到3、以及用来说明本发明原理的各种实施例，仅通过说明的方式，并在任何方式下不应该被视为对本发明范围的限制。本领域技术人员将理解，可在任何适当布置的无线通信系统中实现本发明的原理。
图1示出通信系统100，其包括广域无线网络和根据本发明的原理向移动台提供虚拟多入多出(MIMO)天线系统的移动特定网络(MANET)的部件。通信系统100包括基站101、移动台(MS)111、移动台(MS)112、移动台(MS)113、移动台(MS)114。在所示实施例中，基站101是具有大覆盖区域的广域无线网络的一部分，如蜂窝式电话网络或无线局域网(WLAN)。未示出与BS 101耦接的剩余基站和其他基础设施。
在典型实施例中，基站(BS)101可根据IEEE-802.16、IEEE-802.20、CDMA2000、1xEv-Dv、1xEv-DO或类似标准，向移动台111-114发送数字数据。BS 101具有直径1到3千米级别的覆盖区域。BS 101以600Kbps到2Mbps的数据速率，在前向信道120中将数据发送到MS 111、MS 112、MS 113、以及MS 114。根据所示实施例，BS 101使用传统的多入多出(MIMO)天线系统102，以向移动台111-114发送数据和从其接收数据。天线系统102包括4个天线元件，标记为A、B、C和D。
移动台111-114中的每一个都是为传统MANET节点而操作的传统无线终端(例如，蜂窝电话、IEEE-802.11设备)。移动台111-114使用传统单入单出(SISO)天线系统，以向BS 101发送数据和从其接收数据。然而，根据本发明的原理，通过形成向每个移动台提供虚拟MIMO天线系统的移动特定网络(MANET)，移动台111-114能够受益于由BS 101发送的MIMO信号。
点线131-134表示MANET的一些射频(RF)链路。RF链路131直接在MS 111和MS 112之间传输数据。类似地，RF链路132直接在MS 112和MS 113之间传输数据，并且RF链路133直接在MS 113和MS 114之间传输数据。最后，RF链路134直接在MS 114和MS 111之间传输数据。在该MANET中可存在其他RF链路，如MS 111和MS 113之间、以及MS 112和MS 114之间的RF链路。然而，为清楚和简洁起见，未示出这些其他链路。
如公知的，MANET是一组无线节点(例如，MS 111-MS 114)，其相互动态形成网络，而且并不使用任何先前存在的固定网络基础设施(例如BS 101)。在大多数情况下，MANET的无线节点是小的移动设备，其在CPU性能、存储器大小以及功耗方面被相对限制。期待移动特定网络在以后2-3年继续发展，以变成主要的对等通信技术。正向蜂窝电话配备IEEE-802.11和其他无线LAN技术，以通过MANET链路进行发送和接收。
如上所述，可安装移动特定网络(MANET)，而不使用先前存在网络基础设施。可在任何地方、任何时间做到这一点。MANET的无线节点可自由随机移动，并还可用作路由器。MANET支持与在基于基础设施的无线网络中常见的业务类型不同的业务类型。MANET业务类型包括：1)对等业务；2)远程到远程业务；以及3)动态业务。在对等业务中，在通信的无线节点之间仅有一个路程段(hop)(即，直接通信)。在远程到远程业务中，在通信的无线节点之间存在两个或更多个路程段，但在源和目标节点之间维持稳定路由。如果在一个区域中数个节点处于相互的范围内，或如果节点作为群组移动，则经常发生这一点。当MANET节点到处移动时导致动态业务，并且必须重建通信路由。
移动台111-114之间的间隔距离一般在20-50米的级别。其超过提供适当的空间分集、并获得MIMO天线系统102的益处所需要的10个波长(即，1米)。在20-50米的距离上，移动台111-114可使用例如IEEE-802.11收发器，以10Mbps到50Mbps之间的数据速率来交换数据。与在前向信道中从BS 101接收数字数据的600Kbps到2Mbps数据速率相比，这是相当快的。
图2示出示例移动台111，其根据本发明的示例实施例实现虚拟MIMO天线系统。无线移动台111包括天线205、射频(RF)收发器210、发送(TX)处理电路215、麦克风220、以及接收(RX)处理电路225。MS 111还包括扬声器230、主处理器240、输入/输出(I/O)接口(IF)245、小键盘250、显示器255、存储器260、移动特定网络(MANET)收发器(X-CVR)290、以及天线295。存储器260存储基本操作系统(OS)程序261、多入多出(MIMO)算法262、本地样本集263、MS 112样本集264、MS 113样本集265、以及MS 114样本集266。
在示例实施例中，示出两个收发器，即RF收发器210和MANET收发器290。根据示例实施例，MS 111使用RF收发器210，以根据例如CDMA2000标准、IEEE-802.16标准等，与基站101通过较长的距离进行通信。MS 111使用MANET收发器290，以根据例如IEEE-802.11标准，与其他移动台(即MS 112、MS 113、MS 114)通过较短的距离进行通信。然而，这种双收发器配置仅仅作为示例，并且不应该被视为对本发明范围的限制。必要的是，MS111能够与无线网络的基站进行通信，并同样能够与其他基站直接进行通信。由此，在本发明的替代实施例中，MS 111可实现仅仅单个收发器(例如，软件定义的无线电)，其能够被配置为与BS 111及其他移动台进行通信。
此外，在MS 111中示出两个天线，即天线205和天线295。这种双天线配置仅仅是示例的方式，并且不应该被视为对本发明范围的限制。实际上，天线205和天线295可以是同一天线。在本发明的优选实施例中，MS 111实现仅仅单个天线，其由收发器210和收发器290共享。
射频(RF)收发器210从天线205接收由基站101发送的进站(incoming)MIMO信号。射频(RF)收发器210对该进站MIMO信号下变频，以产生中频(IF)或基带信号。将该IF或基带信号发送到接收器(RX)处理电路225，其通过对该基带或IF信号进行滤波、解码和/或数字化而产生处理的基带信号。接收器(RX)处理电路225将该处理的基带信号传送到扬声器230(即，语音数据)，或到主处理器240，用于进一步处理(例如，网络浏览)。
发送器(TX)处理电路215从麦克风220接收模拟或数字语音数据，或从主处理器240接收其他出站(outgoing)基带数据(例如，网络数据、电子邮件、交互视频游戏数据)。发送器(TX)处理电路215对出站基带数据进行编码、多路复用、和/或数字化，以产生处理的基带或IF信号。射频(RF)收发器210从发送器(TX)处理电路215接收该出站处理的基带或IF信号。射频(RF)收发器210将该基带或IF信号上变频为射频(RF)信号，经由天线205向BS 101发送该射频信号。
在本发明的优选实施例中，主处理器240是微处理器或微控制器。存储器260被耦接到主处理器240。根据本发明的优选实施例，存储器260的部件包括随机存取存储器(RAM)，并且存储器260的另一部件包括作为只读存储器(ROM)的快闪存储器。
主处理器240执行在存储器260中存储的基本操作系统(OS)程序261，以控制无线移动台111的整体操作。在一个这样的操作中，主处理器240根据公知原理，控制通过射频(RF)收发器210、接收器(RX)处理电路225、以及发送器(TX)处理电路215的前向信道信号的接收以及反向信道信号的发送。主处理器240还根据公知原理控制通过MANET收发器290的MANET信道信号的接收和发送。
主处理器240能够执行驻留于存储器260中的其他处理和程序。主处理器240可按执行处理的需要，将数据移入或移出存储器260。主处理器240还被耦接到I/O接口245。I/O接口245向移动台111提供连接到其他设备如膝上计算机和手持计算机的能力。I/O接口245是这些附件和主控制器240之间的通信通道。
还将主处理器240耦接到小键盘250和显示单元255。移动台111的操作人员使用小键盘250来将数据键入移动台111。显示器255可以是能够呈现来自网站的文本和/或至少有限的图形的液晶显示器。替代实施例可使用其他类型的显示器。
根据本发明的原理，主处理器240从RF收发器210接收(直接或经由RX处理电路225)由BS 101发送的前向信道MIMO信号的样本。这些样本被存储在存储器260的本地样本集263中。主处理器240执行MIMO算法262，该算法是能够从多个通信捕捉的接收样本的集合恢复MIMO信号的传统MIMO算法。在具有多个分隔天线的传统MIMO接收器中，来自每个天线的样本将被独立存储在存储器260中。然后，MIMO算法262将根据公知原理，对来自每个天线的样本集进行滤波和组合，并恢复由MIMO天线系统102发送的原始数据流。
然而，因为MS 111具有SISO天线系统，所以仅有一组本地接收的样本(在本地样本集263中)用于MIMO算法262来处理。因此，本发明通过聚集来自其他MANET节点的同步样本，并允许MIMO算法262处理来自BS101的本地接收样本和来自其他MANET节点的接收样本这两者，就好像MS111已直接从BS 101接收了来自其他MANET节点的样本那样，从而克服此局限。
图3示出流程图300，其说明根据本发明原理的示例移动台111的操作。在初始时间段T1期间，MS 111从BS 101接收前向信道信号，并将接收的样本存储在存储器260的本地样本集263中。例如，在T1＝5毫秒的时段内，MS 111可从BS 101捕捉MIMO信号的样本。主处理器240将来自BS 101的样本存储在本地样本集253中(处理步骤305)。此后，在时段T2期间，MS 111将BS 101信号样本从本地样本集253发送到移动特定网络(MANET)中的其他移动台。作为回复，MS 111从其他MANET移动台接收BS 101信号样本，在时段T1期间由其他MANET移动台捕捉并存储该BS 101信号样本。因为在T1期间捕捉来自其他MANET移动台的样本，所以这些外部样本与本地接收样本同步。主处理器240将来自其他MANET移动台的信号样本存储在存储器260中(处理步骤310)。
接着，MS 111中的主处理器240执行MIMO算法262。算法262使用多组已在本地样本集263、MS 112样本集264、MS 113样本集265、和MS 114样本集266中存储的信号样本，以恢复由BS 101在时段T1期间原始发送的信号(处理步骤315)。一旦MIMO信号被恢复，MS 111就仅处理MS 111想要的用户数据。MS 111放弃寻址到其他移动台的、已恢复MIMO信号中的用户数据(处理步骤320)。
上面还未讨论从MS 111到BS 101的反向信道，因为在BS 101上使用传统MIMO天线系统通常不是问题。同样，因为反向信道通常具有比前向信道低得多的数据速率，所以反向信道通常不需要实现MIMO技术。由于下面这个事实，即移动台通常从基站接收大量数据(例如，网页、视频文件)，并且通常向基站传送短得多的消息(例如，确认、命令)，所以反向信道和前向信道在频率上是不对称的。
尽管已经以示例实施例描述了本发明，但是本领域技术人员仍可联想到各种改变和修改。本发明包括这样的改变和修改，其落入所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1、为用于包括能够使用多入多出(MIMO)天线系统在前向信道中发送多个用户数据流的第一基站的无线网络中，一种第一移动台包括能够接收并下变频由所述第一基站发送的所述MIMO数据信号、并将所述MIMO数据信号的第一MIMO数据样本存储在所述第一移动台的存储器中的第一收发器，所述第一移动台包括：
第二收发器，能够直接与第二移动台通信，并从所述第二移动台接收由所述第二移动台从所述第一基站接收的第二MIMO数据样本，其中所述第一移动台将所述第一和第二MIMO数据样本存储在所述存储器中。
2、如权利要求1所述的第一移动台，还包括能够执行MIMO算法的数据处理器，其中，所述MIMO算法从所述第一和第二MIMO数据样本生成由所述基站发送的所述多个用户数据流。
3、如权利要求2所述的第一移动台，其中所述第一和第二MIMO数据样本是同步的。
4、如权利要求2所述的第一移动台，其中所述第二收发器通过移动特定网络(MANET)链路直接与所述第二移动台进行通信。
5、如权利要求2所述的第一移动台，其中所述数据处理器在所述多个用户数据流中检测针对所述第一移动台的第一数据。
6、如权利要求2所述的第一移动台，其中所述第一和第二收发器是相同的收发器。
7、如权利要求2所述的第一移动台，其中所述移动台使用耦接到所述第一收发器的单入单出(SISO)天线系统，以接收由所述第一基站发送的所述第一MIMO数据样本。
8、如权利要求2所述的第一移动台，其中所述第二收发器向所述第二移动台发送所述MIMO数据信号的所述第一MIMO数据样本。
9、如权利要求2所述的第一移动台，其中所述第二收发器还能够直接与第三移动台进行通信，并从所述第三移动台接收由所述第三移动台从所述第一基站接收的MIMO数据信号的第三MIMO数据样本，其中所述第一移动台将MIMO数据信号的所述第三MIMO数据样本存储在所述存储器中。
10、如权利要求9所述的第一移动台，其中所述MIMO算法从所述第一、第二和第三MIMO数据样本生成由所述第一基站发送的所述多个用户数据流。
11、如权利要求10所述的第一移动台，其中所述第二收发器向所述第三移动台发送所述MIMO数据信号的所述第一MIMO数据样本。
12、为用于包括能够使用多入多出(MIMO)天线系统在前向信道中发送多个用户数据流的第一基站的无线网络中，一种用于在第一移动台中接收MIMO数据信号的方法，其中该第一移动台包括能够接收并下变频由所述第一基站发送的所述MIMO数据信号、并将所述MIMO数据信号的第一MIMO数据样本存储在所述第一移动台的存储器中的第一收发器，该方法包括步骤：
直接从第二移动台接收由第二移动台从第一基站接收的MIMO数据信号的第二多个样本；以及
将MIMO数据信号的第二MIMO数据样本存储在存储器中。
13、如权利要求12所述的方法，还包括步骤：在第一移动台中执行MIMO算法，其中该MIMO算法从第一和第二MIMO数据样本生成由基站发送的多个用户数据流。
14、如权利要求13所述的方法，其中第一和第二MIMO数据样本是同步的。
15、如权利要求13所述的方法，其中直接从第二移动台接收MIMO数据信号的第二MIMO数据样本的步骤包括步骤：通过移动特定网络(MANET)链路，从第二移动台接收MIMO数据信号的第二MIMO数据样本。
16、如权利要求13所述的方法，还包括步骤：检测针对第一移动台的多个用户数据流的第一MIMO数据样本。
17、如权利要求13所述的方法，还包括步骤：向第二移动台发送MIMO数据信号的第一MIMO数据样本。
18、如权利要求13所述的方法，还包括步骤：
直接从第三移动台接收由第三移动台从第一基站接收的MIMO数据信号的第三MIMO数据样本；以及
将MIMO数据信号的第三MIMO数据样本存储在存储器中。
19、如权利要求18所述的方法，其中该MIMO算法从第一、第二和第三MIMO数据样本生成由基站发送的多个用户数据流。
20、如权利要求18所述的方法，还包括步骤：向第三移动台发送MIMO数据信号的MIMO数据样本。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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