CN1965502B - 带有分集/mimo阵列支路去耦的无线通信系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于确定与一个天线阵列的各个天线单元相关联的接收信号的去耦信号参数的方法和设备。该方法包括以下步骤：确定所述天线阵列的接收特征；建立与所述天线阵列相关联的身份特征，该身份特征独立地定义所述多个天线单元中的每一个；以及鉴于该接收特征、身份特征以及与所述接收信号相关联的耦合电流来确定该接收信号的去耦信号参数。在本发明的一个方面中，所述接收特征是基于天线阵列的配置，并且它被预先确定。所述设备包括一个存储器和一个处理器，所述处理器与该存储器进行通信，用于执行代码以：鉴于天线阵列的接收特征和身份特征来处理耦合信号输入，其中接收特征包括在天线单元之间的耦合的测度，并且所述身份特征独立地标识每个所述天线单元。

Description

带有分集/MIMO阵列支路去耦的无线通信系统

技术领域

本申请涉及无线通信系统，并且尤其是涉及多入多出(MIMO)和分集天线阵列系统。

发明背景

在空间分集无线通信系统中，一个天线单元阵列用于接收同一个信号。其思想是天线阵列中的每个单元或支路截取和处理一个具有不同衰落特征的不同的信道。因此，系统性能可通过处理出所述衰落特征来增强。在多入多出(MIMO)空时系统中，在接收机处以及发射机处使用一个相似的天线单元阵列，且目的是在并行信道上同时发送并行信号。这两种方法因此都可以用于增加整个系统的吞吐量。然而，这两种方法的效率取决于支路之间的相关水平。典型地，支路到支路的相关水平应当尽可能地低。对这种支路相关性的一个主要贡献是在该支路天线单元之间的耦合。

在大多数设计过程中忽略了有关分集阵列的单元之间耦合的考虑，因为它引入了计算上的相当大的复杂度。然而，分集应用需要被充分地去相关或去耦合的支路。例如，在自动顶盖(automotive rooftop)应用中，空间的缺乏便要求相隔非常近的单元，由此在某种程度上增加了支路相关性，令使用多天线得到的分集增益减小到很低的水平。

支路去相关也是空时编码和MIMO应用中的一个广受欢迎的特性，并且已经得到了认真的研究。阵列支路之间的较低的相关性还允许了更大数量的正交信道。在公布的专利申请WO2002054626和US20020085643中描述了一种减小邻近单元之间的相关性的方法。在这个方法中，在各个天线单元中间使用了空间交替极化。

一些多普勒频移减轻方案也需要阵列单元去耦，即，阵列支路是基本相同的。然而，很难产生相同的阵列支路，且必须忍受由于多普勒频移引起的接收信号的大的降级。

因此，在本行业中需要一种更简单的方法以获得一个天线阵列，其支路天线单元被完全去耦并且具有基本相同的接收/辐射图案。

发明内容

公开了一种用于从与一个天线阵列的各个天线单元相关联的接收信号中确定去耦信号参数的方法和设备。该方法包括以下步骤：确定所述天线阵列的接收特征；建立与所述天线阵列相关联的身份特征，该身份特征独立地定义所述多个天线单元中的每一个；以及鉴于接收特征、身份特征以及与所述接收信号相关联的耦合信号参数来确定该接收信号的去耦电流。在本发明的一个方面中，所述接收特征是基于天线阵列的配置，并且它被预先确定。信号参数可以是电流或电压。所述设备被连接到一个接收系统，该接收系统被连接到所述天线阵列，该设备可以包括一个存储器和一个处理器，所述处理器与该存储器进行通信，用于运行代码以：鉴于天线阵列的接收特征和身份特征来处理耦合电流输入，其中该接收特征包括在天线单元之间的耦合测度(measure)、并且所述身份特征独立地标识每个所述天线单元。

附图简述

图1示例了根据本发明的接收系统的框图；

图2示例了结合当前发明的接收系统的框图；

图3示例了结合当前发明以减轻多普勒频移的第二OFDM接收系统的框图；

图4a示例了一个常规的三单元偶极天线配置；

图4b和4c示例了图4a中所示的天线配置的外部单元之一的有效天线辐射图案中的改进的一个例子；

图5a和5b示例了图4a中所示的天线配置的中心单元的有效天线辐射图案中的改进的又一个例子；

图6示例了用于实现根据本发明原理的所述处理的系统。

应当理解，这些附图仅用于示例本发明的概念的目的，而不是打算用作对本发明的限制的定义。这里在图中所示的、并且在伴随的详细描述中加以描述的实施例将被用作示例性实施例，而不应当被视作实行本发明的唯一方式。此外，同样的参考数字用于标识同样的单元，其中可能在适当的地方补充了参考字符。

具体实施例

图1示例了根据本发明原理的用于去耦偶极或单极天线阵列单元的示范性系统的框图。如图所示，包括被称作112.1-112.N的N个天线单元的天线阵列110接收主波束120和至少一个反射波束130。反射波束130已知可以由主波束130在例如周围建筑物上的反射引起。这按照惯例称作多径，并且它引起对主波束的接收的干扰。

来自主信号120和反射信号130的信号能量由每个天线单元112.1-112.N截取并且提供给VAAD(虚拟天线阵列去耦器)140。VAAD 140以这样的方式处理接收的信号能量，即去耦由天线单元112.1-112.N的相对紧密的间距引起的接收天线图案上的变形效果，并且提供去耦的信号给空间分集处理器150用于随后的处理，例如移除由反射波束130引起的干扰。应当看到，在所述空间分集处理器150输入处的去耦的信号仍旧是主波束120和反射波束130两者的加权和。

本领域的技术人员可以认识到VAAD 140的去耦处理，因为天线单元阵列中由于端子或场激励而导致的端电流可以计算为：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n{Z}_{\mathrm{mn}}{V}_m---\[1\]$

其中N是天线单元的数量；

I_n是单元n的端子处的电流；以及

Z_mn是表征该阵列的平方、开路阻抗矩阵的第mn个元素。

等式1可以按矩阵形式表示为：

Z_cI_c＝V_c                    [2]

其中V_c为在缺乏全部偶极的情况下与平行于各个偶极的入射电场分量有关的矢量；

I_c是代表阵列单元端电流的矢量；以及

Z_c是表征各个单元之间的耦合的完全、开路阻抗矩阵。下标“c”指被耦合的天线单元。

开路阻抗矩阵Z_u可以用公式表示为一个对角矩阵，它代表一个虚拟天线阵列，即虚拟天线身份特征，其中在任何时刻仅存在一个单元并且每个单元因此被从所有邻近的单元去耦。虚拟天线阵列的去耦的端电流，类似于等式2，因此可以表示为：

Z_uI_u＝V_u                    [3]

场激励矢量V_c和V_u现在可以相等，因为在缺乏任何天线单元的情况下它们是相同的并且都与平行于阵列单元的电场有关，表示为：

Z_uI_u＝Z_cI_c                  [4]

并且与虚拟阵列相关联的去耦电流因此可以表示为：

I_u＝Z_u ^-1Z_cI_c                 [5]

其中I_u是所需的已去耦的输出电流矢量；

Z_u ^-1是去耦(对角)的、虚拟的、天线阵列开路阻抗矩阵的逆矩阵；

Z_c是实际的耦合的(完全)天线阵列开路阻抗矩阵；并且

I_c是实际的阵列输出电流矢量。

本领域的技术人员会认识到，阻抗矩阵Z_u和Z_c可以通过天线阵列的理论上的表达式、仿真或实际测量来获得。因此，天线阵列特征可以预先确定或基于常规的测量方法来确定。本领域的技术人员会认识到，所建议的方法并不限于单极/偶极阵列，而是可以扩展到任何阵列。

此外，尽管在这里是关于耦合的和去耦的电流来进行参考，但是，一旦一组端接阻抗的阵列已经被规定，则实现如等式5所示的关于电压的运算将在本领域的那些技术人员的实践范围之内。电压的这样的使用已经是预期的并且被视作在本发明的范围内。

由VAAD 140执行的去耦处理可以包括一个数字信号处理器或专用的无源电子硬件。而且，由VAAD 140执行的处理可以在射频(RF)或中频(IF)上执行。

图2示例了一个结合到常规的接收系统中的本发明实施例。在这个示例性实施例中，天线阵列110包括如上所述的天线单元112.1-112.N。每个天线单元的输出被提供给功率分配器210，在该功率分配器中提供的信号能量在常规的多波束处理器220和VAAD 140之间被分配。使用已知的常规方法来处理被提供给多波束处理器220的耦合信号，这里不必对此做出详细的讨论。根据在等式5中描述的、且关于图1进行讨论的处理来处理被提供给VAAD 140的信号能量。

图3示例了一个结合到常规的空间分集接收系统中的本发明实施例，所述空间分集接收系统类似于“Novel Fast Fading Compensator forOFDM using Space Diversity with Space-Domain Intefpolator”，(用于使用具有空域内插器的空间分集的OFDM的新颖的快衰落补偿器)H.Takayanagi，2001 Conference Vehicular Technology VTC 2001，2001年十月中所描述的。这个空间分集接收系统适合于减轻移动应用中的多普勒频移。在这个示例性实施例中，K单元线性阵列310接收来自K个天线单元112.1-112.K的信号能量。来自每个单元的信号能量被提供给VAAD 140用于进行如等式5所表示的去耦处理。信号能量施加到M个最小均方误差(MMSE)内插器320.1-320.M的每一个，其产生各自的输出r₁(t)-r_M(t)。输出r₁(t)-r_M(t)然后被施加到相应的OFDM接收机330.1-330.M且它们的输出s₁(t)-s_M(t)被施加到MRC分集合并器340以产生合成的信号输出r(t)。

图4a示例了一个三单元偶极天线配置，其中该偶极单元以距离d＝15厘米(cm)被分隔开，并且为2×7.5cm长。入射平面波的入射角θ和

被扫掠(sweep)并且所述三个偶极的终端响应(terminalresponse)在数值仿真期间获得。

图4b示例了图4c中所示的天线配置在400MHz频率上一个3单元阵列的第一偶极单元的接收功率图案。在这种情况下，邻近天线的接近度导致第一偶极单元的图案是非对称的。图4c示例了经等式5所描述的处理而产生的图4b中所示的接收功率图案的重新归一化。

图5a示例了图4a中所示的天线配置在800MHz频率上第二偶极单元的一个天线图案。在这种情况下，邻近天线单元的位置上的对称性导致接收功率图案比图4b中所示的更对称(但仍旧失真)。图5b示例了经等式5所描述的处理而产生的图5a中所示的图案的重新归一化。

图6示例了用于实现如图1-3所示的本发明原理的系统600。在这个示范性系统实施例中，通过网络650从天线阵列单元605接收输入数据并且根据一种或几种算法对其进行处理，所述算法为由处理系统610执行的软件或固件。处理系统610的结果然后可以通过网络670被发送，以用于在显示器680、报告设备690和/或第二处理系统695上观看。

更具体地，处理系统610包括一个或多个输入/输出设备640，即，接收机，其通过网络650接收来自所示例的天线单元605的信号能量。所接收的信号能量然后被施加到与输入/输出设备640和存储器630进行通信的处理器620。输入/输出设备640、处理器620和存储器630可以通过通信介质625进行通信。通信介质625可以代表一个通信网络，例如ISA、PCI、PCMCIA总线，电路、电路卡或其它设备的一个或多个内部连接，以及这些和其它通信媒体的部分以及组合，或适合于在射频或中频上传送信号能量的波导或电缆，或适合于在光频率上传送信号能量的光纤。处理系统610和/或处理器620可以代表一种专用或通用处理系统，以及这些或其它可以执行所示例的运算的设备的部分或组合。

处理器620可以是中央处理器(CPU)或专用的硬件/软件，比如PAL、ASIC、FGPA，其可操作来执行计算机指令代码或代码和逻辑运算的组合。在一个实施例中，处理器620可以包括当被执行时完成如等式5中所示的运算的代码。该代码可以被包含在存储器630中，当需要时，其可以从存储器介质比如CD-ROM或软盘683中读取或下载，可以由手动输入设备685比如键盘或小键盘入口来提供，或者可以从磁或光介质687来读取。由输入设备683、685和/或687提供的信息项可以是处理器620通过输入/输出设备640即数字输入而可访问的，或者可以直接提供到处理器620。此外，由输入/输出设备640接收到的数据是可由处理器620立即访问的或者可以存储在存储器630中。处理器620还可以提供处理的结果给显示器680、记录设备690或第二处理部件695。

本领域的技术人员会认识到，术语处理器、处理系统、计算机或计算机系统可以代表一个或多个处理部件，其与一个或多个存储器单元和其它设备例如外围设备进行通信，所述外围设备电子地连接到至少一个处理部件并且与该至少一个处理部件通信。而且，所示例的设备可以电子地连接到一个或多个处理部件，所述连接是经由内部总线，例如是串行的、并行的、ISA总线、微通道总线、PCI总线、PCMCIA总线、USB等等，或经由电路、电路卡或其它设备的一个或多个内部连接、波导以及这些或其它通信介质的部分或组合，或经由外部网络例如是因特网和内联网，或经由波导。在其它的实施例中，硬件电路可以用于替代或结合软件指令来实现本发明。例如，这里所示例的单元还可以作为分立的硬件单元来实现、或者可以被集成到单个单元中。

应当理解，所示例的运算可以顺序地执行或使用不同的处理器并行地执行以确定特定值。应当看到，网络650和670还可以是内部网络或电路、电路卡或其它设备的一个或多个内部连接，以及是这些和其它通信介质的部分和组合，所述其它通信介质比如是用于传输RF和/或IF信号能量的波导或电缆、或用于传送光信号能量的光缆。

虽然已经示出了、描述了和指出了应用到本发明优选实施例的本发明的基本新颖特征，但应当理解，本领域的技术人员可以在所描述的设备中、在所公开的设备的形式和细节上、以及在它们的操作中做出各种省略和替换以及变化而不背离本发明的精神。特别指出的是，以基本相同的方式执行基本相同的功能以获得同样结果的这些单元的所有组合落在本发明的范围内。从一个所描述的实施例到另一个所描述的实施例的单元的替换也完全是在计划中的和预期的。

Claims (20)

1.一种用于去耦由一个天线阵列接收的信号参数的方法，该天线阵列包含多个天线单元，所述方法包括以下步骤：

确定所述天线阵列的接收特征，所述接收特征是实际耦合的完全天线阵列开路阻抗矩阵；

建立与所述天线阵列相关联的身份特征，所述身份特征通过处理用于每个天线单元的信号而独立地定义所述多个天线单元中的每个天线单元，且所述身份特征是去耦的对角虚拟天线阵列开路阻抗矩阵；以及

鉴于所述接收特征、所述身份特征以及与所述接收信号相关联的耦合信号参数矢量，来确定所述接收信号的去耦信号参数矢量，所述耦合信号参数矢量是实际的阵列输出电流或者电压矢量。

2.如权利要求1所叙述的方法，其中所述接收特征被预先确定。

3.如权利要求2所叙述的方法，其中所述接收特征是基于所述天线阵列的配置。

4.如权利要求3所叙述的方法，其中所述接收特征通过选自由理论上的表达式、仿真或实际测量构成的组中的一种方法来确定。

5.如权利要求1所叙述的方法，其中所述身份特征被预先确定。

6.如权利要求5所叙述的方法，其中所述身份特征是基于所述天线阵列的配置。

7.如权利要求1所叙述的方法，其中所述信号参数选自由电流和电压构成的组。

8.一种用于确定由一个天线阵列接收的信号的去耦参数的设备，该天线阵列包含多个天线单元，所述设备包括：

用于确定与所述天线阵列相关联的接收特征的装置，所述接收特征是实际耦合的完全天线阵列开路阻抗矩阵；

用于建立与所述天线阵列相关联的身份特征的装置，所述身份特征通过处理对于每个天线单元的信号而独立地标识所述多个天线单元中的每个天线单元，且所述身份特征是去耦的对角虚拟天线阵列开路阻抗矩阵；以及

用于鉴于所述接收特征、所述身份特征以及与所述接收信号相关联的耦合信号参数矢量，来确定所述去耦的信号参数的装置，所述耦合信号参数矢量是实际的阵列输出电流或者电压矢量。

9.如权利要求8所叙述的设备，其中所述接收特征被预先确定。

10.如权利要求9所叙述的设备，其中所述接收特征由所述天线阵列的配置来确定。

11.如权利要求8所叙述的设备，其中所述身份特征被预先确定。

12.如权利要求11所叙述的设备，其中所述身份特征由所述天线阵列的配置来确定。

13.如权利要求8所叙述的设备，其中所述信号参数选自由电流和电压构成的组。

14.一种包括如权利要求8-13中任何一个所叙述的设备的多输入多输出及分集天线阵列系统。

15.如权利要求14所叙述的系统，其中所述接收特征被预先确定。

16.如权利要求15所叙述的系统，其中所述接收特征是基于所述天线阵列的配置。

17.如权利要求15所叙述的系统，其中所述接收特征通过选自由理论上的表达式、仿真或实际测量构成的组中的一种方法来确定。

18.如权利要求14所叙述的系统，其中所述身份特征被预先确定。

19.如权利要求18所叙述的系统，其中所述身份特征是基于所述天线阵列的配置。

20.如权利要求14所叙述的系统，其中所述信号参数选自由电流和电压构成的组。

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