TWI504185B - 適用於幾何閉環視線（los）多輸入多輸出（mimo）之通訊裝置及操作通訊設備之方法 - Google Patents

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Description

適用於幾何閉環視線(LOS)多輸入多輸出(MIMO)之通訊裝置及操作通訊設備之方法
本發明整體涉及通訊系統；更具體地，涉及利用多個天線實現無線通訊。
多年來數據通訊系統一直在持續發展。通訊系統可以包括多種類型的通訊鏈路中的任意通訊鏈路。關於某些無線通訊鏈路，可以實施為發射器和接收器無線通訊設備(或收發器無線通訊設備)中的至少一個包括多於一個用於發射和接收訊號的天線。在這些情況下，適當設計各個天線之間的間距可以有助於確保更優化的性能。然而，可能存在某些情況，即可能無法實現各個天線之間的精確間距。例如，存在各個天線之間的最優間距可能大於在給定裝置中製造的實際間距的情況。當與天線間的最優間距的偏差變大時(例如，大於25%)，通訊系統可以支援的吞吐量會變差和明顯降低。在這樣的通訊系統內，包括具有至少一個無線視線(LOS)通訊通道的那些通訊系統，現有技術未提供用於維持、確保或增加其中的數據吞吐量的可接受解決方案。
(1)一種裝置，包括：第一通訊設備，包括：第一多個天線，用於發射訊號；以及第一處理器，使用多個通道矩陣中的第一通道矩陣處理訊號，所述多個通道矩陣對應於所述第一通訊設備和第二通訊設備之間的視線(LOS)多輸入多輸出(MIMO)通訊通 道的到所述第一通訊設備處的多個獨立流的奇異值分解(SVD)。並且其中：所述第二通訊設備包括：第二多個天線，用於經由LOS MIMO通訊通道接收從所述第一通訊設備的第一多個天線發射的訊號；以及第二處理器，用於使用對應於所述奇異值分解的所述多個通道矩陣中的第二通道矩陣處理訊號，從而所述多個通道矩陣中的第一通道矩陣和所述多個通道矩陣中的第二通道矩陣合作地操作，以實現經由所述LOS MIMO通訊通道傳送的訊息承載容量增加。
(2)根據(1)所述的裝置，其中：所述第二處理器對訊號執行迫零均衡(ZFE)，以實現經由所述LOS MIMO通訊通道傳送的訊息承載容量增加。
(3)根據(1)所述的裝置，其中：所述第一處理器基於所述第一通訊設備的第一多個天線間的第一差分相位噪音修改或更新所述多個通道矩陣中的第一通道矩陣；和/或，所述第二處理器基於所述第二通訊設備的第二多個天線間的第二差分相位噪音修改或更新所述多個通道矩陣中的第二通道矩陣。
(4)根據(1)所述的裝置，其中：所述第一通訊設備包括用於驅動所述第一多個天線中的每一個的第一本地振盪器(LO)，以降低或消除所述第一多個天線間的第一差分相位噪音；和/或，所述第二通訊設備包括用於驅動所述第二多個天線的每一個的第二本地振盪器(LO)，以降低或消除所述第二多個天線間的第二差分相位噪音。
(5)根據(1)所述的裝置，其中：對應於所述SVD的所述多個通道矩陣包括所述多個通道矩陣中的第一通道矩陣、僅在其對角線上具有項的矩陣以及所述多個通道矩陣中的第二通道矩陣。
(6)一種裝置，包括：第一多個天線，用於接收從至少一個另外的裝置的第二多個天線經由所述裝置與所述至少一個另外的 裝置之間的通訊通道發射的訊號；以及，處理器，用於利用多個通道矩陣中的一個通道矩陣處理所述訊號，所述多個通道矩陣對應於所述通訊通道的到所述至少一個另外的裝置處的多個獨立流的奇異值分解(SVD)，以實現所述訊號的訊息承載容量增加。
(7)根據(6)所述的裝置，其中：所述處理器對所述訊號執行迫零均衡(ZFE)，以實現所述訊號的訊息承載容量增加。
(8)根據(6)所述的裝置，其中：所述至少一個另外的裝置包括至少一個另外的處理器，所述至少一個另外的處理器使用所述多個通道矩陣中的另一個通道矩陣處理所述訊號，所述多個通道矩陣對應於所述通訊通道的到所述至少一個另外的裝置處的多個獨立流的SVD，以實現所述訊號的訊息承載容量增加；並且，對應於所述SVD的所述多個通道矩陣包括所述多個通道矩陣中的所述一個通道矩陣、僅在其對角線上具有項的矩陣以及所述多個通道矩陣中的所述另一個通道矩陣。
(9)根據(8)所述的裝置，其中：所述至少一個另外的處理器基於所述至少一個另外的裝置的第二多個天線間的差分相位噪音來修改或更新所述多個通道矩陣中的所述另一個通道矩陣。
(10)根據(8)所述的裝置，其中：所述至少一個另外的裝置包括用於驅動第二多個天線中的每一個的本地振盪器(LO)，以降低或消除所述第二多個天線間的任意差分相位噪音。
(11)根據(6)所述的裝置，進一步包括：本地振盪器(LO)，用於驅動所述第一多個天線中的每一個，以降低或消除所述第一多個天線間的任意差分相位噪音。
(12)根據(6)所述的裝置，其中：所述處理器基於所述第一多個天線間的差分相位噪音來修改或更新所述多個通道矩陣中的所述一個通道矩陣。
(13)根據(6)所述的裝置，其中：所述裝置和所述至少一個另外的裝置之間的通訊通道是視線(LOS)多輸入多輸出(MIMO)通訊通道。
(14)一種用於操作通訊設備的方法，所述方法包括：操作所述通訊設備的第一多個天線，以接收從至少一個另外的通訊設備的第二多個天線經由所述通訊設備和所述至少一個另外的通訊設備之間的視線(LOS)多輸入多輸出(MIMO)通訊通道發射的訊號；以及，利用多個通道矩陣中的一個通道矩陣處理所述訊號，所述多個通道矩陣對應於所述視線多輸入多輸出通訊通道的到所述至少一個另外的通訊設備處的多個獨立流的奇異值分解(SVD)，以實現所述訊號的訊息承載容量增加。
(15)根據(14)所述的方法，進一步包括：對所述訊號執行迫零均衡(ZFE)，以實現訊號的訊息承載容量增加。
(16)根據(14)所述的方法，進一步包括：操作所述至少一個另外的通訊設備的至少一個另外的處理器，以使用所述多個通道矩陣中的另一個通道矩陣處理所述訊號，所述多個通道矩陣對應於所述視線多輸入多輸出通訊通道的到所述至少一個另外的通訊設備處的多個獨立流的SVD，以實現所述訊號的傳送容量的訊號增加；並且其中：對應於所述SVD的所述多個通道矩陣包括所述多個通道矩陣中的所述一個通道矩陣、僅在其對角線上具有項的矩陣以及所述多個通道矩陣中的所述另一個通道矩陣。
(17)根據(16)所述的方法，進一步包括：在所述至少一個另外的通訊設備內，基於至少一個另外的裝置的所述第二多個天線間的差分相位噪音來修改或更新所述多個通道矩陣中的所述另一個通道矩陣。
(18)根據(16)所述的方法，進一步包括：操作所述至少一個另外的通訊設備的本地振盪器(LO)，以驅動所述第二多個天 線中的每一個，以降低或消除所述第二多個天線間的任意差分相位噪音。
(19)根據(14)所述的方法，進一步包括：操作所述通訊設備的本地振盪器(LO)，以驅動所述第一多個天線中的每一個，以降低或消除所述第一多個天線間的任意差分相位噪音。
(20)根據(14)所述的方法，進一步包括：在所述至少一個另外的通訊設備內，基於所述第一多個天線間的差分相位噪音來修改或更新所述多個通道矩陣中的所述一個通道矩陣。
100‧‧‧通訊系統
110‧‧‧通訊設備
112‧‧‧發射器
114‧‧‧編碼器
116‧‧‧接收器
118‧‧‧解碼器
119‧‧‧通訊通道
120‧‧‧通訊設備
122‧‧‧接收器
124‧‧‧解碼器
126‧‧‧發射器
128‧‧‧編碼器
130‧‧‧衛星通訊通道
132‧‧‧衛星天線
134‧‧‧衛星天線
140‧‧‧無線通訊通道
142、144‧‧‧塔
150‧‧‧有線通訊通道
152‧‧‧本地天線
154‧‧‧本地天線
160‧‧‧光纖通訊通道
162‧‧‧電到光(E/O)介面
164‧‧‧光到電(O/E)介面
199‧‧‧通訊通道
200‧‧‧通訊系統
201‧‧‧訊息位元
202‧‧‧編碼的訊息位元
203‧‧‧離散值調製符號序列
204‧‧‧連續時間發射訊號
205‧‧‧經濾波的連續時間發射訊號
206‧‧‧連續時間接收訊號
207‧‧‧經濾波的連續時間接收訊號
208‧‧‧離散時間接收訊號
209‧‧‧度量
210‧‧‧最佳估計
220‧‧‧符號映射器
222、224‧‧‧功能塊
230‧‧‧發射驅動器
232‧‧‧DAC(數字模擬轉換器)
234‧‧‧發射濾波器
260‧‧‧AFE(模擬前端)
262‧‧‧接收濾波器
264‧‧‧ADC(模擬數字轉換器)
270‧‧‧度量生成器
280‧‧‧計算解碼器
280a‧‧‧處理模組
280b‧‧‧處理模組
297‧‧‧發射器
298‧‧‧接收器
299‧‧‧通訊通道
300‧‧‧實施方式/方法
18-32‧‧‧主機設備
50‧‧‧處理模組
52‧‧‧儲存器
54‧‧‧無線電介面
56‧‧‧輸入介面
58‧‧‧輸出介面
60‧‧‧無線電
62‧‧‧主機介面
64‧‧‧基頻處理模組
66‧‧‧儲存器
68-72‧‧‧多個無線電頻率(RF)發射器
74‧‧‧發射/接收(T/R)模組
76-80‧‧‧RF接收器
82-86‧‧‧天線
88‧‧‧出站數據
90‧‧‧出站符號流
92‧‧‧出站RF訊號
94‧‧‧入站訊號RF訊號
96‧‧‧入站符號流
98‧‧‧入站數據
100‧‧‧本地振盪模組(LO)
102‧‧‧模式選擇訊號
400~1200‧‧‧實施方式/方法
1110~1120‧‧‧方框
1210~1240‧‧‧方框
圖1和圖2示出通訊系統的各種實施方式。
圖3是示出無線通訊設備的實施方式的圖。
圖4示出M×N多輸入多輸出(MIMO)通訊系統的實施方式。
圖5示出2×2 MIMO通訊系統的實施方式和相對應的通道矩陣。
圖6示出在各個發射器和接收器無線通訊設備內的天線之間的最佳間隔的實施方式。
圖7示出與在各個發射器和接收器無線通訊設備內的天線之間的最佳間隔相關聯的通用模型的實施方式。
圖8示出當dt =dr 時特定情況的最佳距離(以米計算)的實施方式。
圖9示出幾何波束形成、各兩個獨立的單輸入單輸出(SISO)通道、和M×NMIMO通訊系統的通道容量的實施方式。
圖10示出由視線(LOS)MIMO的幾何閉環操作提供的性能改進的實施方式。
圖11和圖12示出用於操作一個或多個通訊設備的方法的各種實施方式。
在通訊系統內，在不同的通訊設備之間發射訊號。數位通訊系統的目標是將數位數據從一個位置或子系統無誤差或以可接受的低誤碼率發射到另一個位置或子系統。如圖1中所示，數據可以在多種多樣的通訊系統的各種通訊通道中傳輸。磁介質、有線、無線、光纖、銅以及其他類型的介質。
圖1和圖2分別示出通訊系統100、200的各種實施方式。
參考圖1，通訊系統100的實施方式是通訊地耦接位於通訊通道119一端的通訊設備110(包括具有編碼器114的發射器112和具有解碼器118的接收器116)和位於通訊通道199的另一端的另一個通訊設備120(包括具有編碼器128的發射器126和具有解碼器124的接收器122)的通訊通道199。在某些實施方式中，通訊設備110和120中的任一個通訊設備可以只包括發射器或接收器。存在一些可以實施通訊通道199的不同類型的介質(例如，利用衛星天線132和134的衛星通訊通道130、利用塔142和144和/或本地天線152和154的無線通訊通道140、有線通訊通道150、和/或利用電到光(E/O)介面162和光到電(O/E)介面164的光纖通訊通道160)。此外，可以實施和連接多於一種類型的介質，以形成通訊通道199。
應注意，通訊設備110和120可以是固定的或移動的，這不偏離本發明的保護範圍和精神。例如，通訊設備110和120中的一個或兩者都可以在固定位置實施，或可以是能夠與多於一個網路接入點相關聯和/或與多於一個網路接入點通訊的移動通訊設備(例如，在包括一個或多個無線區域網路(WLAN)的移動通訊系統背景下的各個不同接入點(AP)、在包括一個或多個衛星的移動通訊系統的背景下的各個不同衛星、或一般地在包括用於利用通訊設備110和/或120來實現通訊的一個或多個網路接入點的移動通訊系統背景下的各個不同網路接入點)。
為了減少通訊系統內出現的不期望的傳輸誤差，通常採用誤差校正和通道編碼方案。一般地，這些誤差校正和通道編碼方案包括在通訊通道199的發射器端的編碼器和在通訊通道199的接收器端的解碼器。
在任何期望的通訊系統(例如，包括關於圖1描述的不同變形)、任何訊息儲存設備(例如，硬碟機(HDD)、網路訊息儲存設備和/或服務器等)、或希望進行訊息編碼和/或解碼的任何應用內可以採用所描述的任何類型的ECC碼。
一般來說，當考慮其中視頻數據從一個位置、子系統傳遞到另一個位置、子系統的通訊系統時，視頻數據編碼一般可以視為在通訊通道199的發射端執行，視頻數據解碼一般可以視為在通訊通道199的接收端執行。
而且，儘管該圖表的實施方式示出能夠在通訊設備110和120之間進行雙向通訊，但是當然注意到，在某些實施方式中，通訊設備110可以只包括視頻數據編碼性能，通訊設備120可以只包括視頻數據解碼性能，反之亦然(例如，在單向的通訊實施方式中，例如視頻廣播實施方式)。
參照圖2的通訊系統200，在通訊通道299的發射端，提供訊息位元201(例如，在一個實施方式中具體對應於視頻數據)給發射器297，發射器297可操作地利用編碼器和符號映射器220(可以分別視為不同的功能塊222和224)執行訊息位元201的編碼，因而生成離散值調製符號序列203，離散值調製符號序列203被提供給發射驅動器230，發射驅動器230使用DAC(數字模擬轉換器)232以生成連續時間發射訊號204，並使用發射濾波器234以生成與通訊通道299相稱的經濾波的連續時間發射訊號205。在通訊通道299的接收端，連續時間接收訊號206被提供給包括接收濾波器262(生成經濾波的連續時間接收訊號207)和ADC(模擬數位轉換器)264(生成離散時間接收訊號208)的AFE(模擬前 端)260。度量生成器270計算解碼器280所採用的度量209(例如，以符號和/或位元為單位，例如，LLR)以進行其中編碼的離散值調製符號和訊息位元的最佳估計210。
在發射器297和接收器298中的每一個內，其中可以實施不同部件、塊、功能塊、電路等的任意期望的集成。例如，該圖表中所示處理模組280a包括編碼器和符號映射器220和所有相關聯的相對應部件，所示處理模組280b包括度量生成器270和解碼器280以及所有相關聯的相對應的部件。這樣的處理模組280a和280b可以分別是集成電路。當然，可以可選地執行其他邊界和分組，這不偏離本發明的保護範圍和精神。例如，發射器297內的所有部件可以包括在第一處理模組或集成電路內，接收器298內的所有部件可以包括在第二處理模組或集成電路內。或者，在其他實施方式中，可以是發射器297和接收器298中的每一個內的部件的任意其他組合。
與先前的實施方式一樣，對於視頻數據從一個位置、子系統傳遞到另一個位置、子系統(例如，從發射器297經過通訊通道299到接收器298)的通訊，可以採用這樣的通訊系統200。
一般來說，許多不同類型的通訊系統，包括參照圖1所描述的通訊系統，可以採用本發明的不同方面、實施方式、和/或其等效物。某些通訊系統可以包括不同類型的通訊鏈路(例如，無線鏈路、有線鏈路、光纖等等)。包括至少一個無線通訊聯絡的任何通訊系統可以根據本發明的任何一個或多個不同方面、實施方式、和/或其等效物工作。本發明的不同方面、實施方式、和/或其等效物可以應用於是視線(LOS)的無線通訊鏈路，其中發射器無線通訊設備和接收器無線通訊設備中的至少一個包括多於一個用於接收和發射訊號的天線。即使在當未達到最優天線間距的情況下(例如，給定安裝方式不具有充足的空間提供在各個天線之間的精確和最優間距)，在根據本發明的任何一個或多個不同方面、 實施方式、和/或其等效物工作的系統中可以恢復由於與最優天線間距的偏差而導致的性能損失。
圖3是示出包括主機設備18-32和相關聯無線電60的無線通訊設備的實施方式300。對於蜂窩電話主機，無線電60是內置部件。對於個人數位助理主機、手提電腦主機、和/或個人電腦主機，無線電60可以是內置或外部耦接的部件。對於接入點或基地台，部件通常封裝在單個結構中。
如上所述，主機設備18-32包括處理模組50、儲存器52、無線電介面54、輸入介面58和輸出介面56。處理模組50和儲存器52執行通常由主機設備執行的相對應指令。例如，對於蜂窩電話主機設備，處理模組50根據特定的蜂窩電話標準執行相對應的通訊功能。
無線電介面54允許從無線電60接收數據和將數據發送到無線電60。對於從無線電60接收的數據(例如，入站數據)，無線電介面54提供數據給處理模組50，以便於進一步的處理和/或路由到輸出介面56。輸出介面56提供與輸出顯示設備的連接性，例如顯示器、監控器、揚聲器等等，以便於顯示所接收的數據。無線電介面54還將來自處理模組50的數據提供給無線電60。處理模組50可以經由輸入介面58從諸如鍵盤、鍵區、麥克風等的輸入設備接收出站數據，或自身生成數據。對於經由輸入介面58接收的數據，處理模組50可以對數據執行相對應的主機功能和/或將數據經由無線電介面54路由到無線電60。
無線電60包括主機介面62、基頻處理模組64、儲存器66、多個無線電頻率(RF)發射器68-72、發射/接收(T/R)模組74、多個天線82-86、多個RF接收器76-80、和本地振盪模組(LO)100。關於LO模組100，注意到，無線通訊設備的各個天線可以從相同LO模組100來驅動，從而補償、最小化、和/或降低在無線通訊設備的各個天線中生成的任何相位噪音。
基頻處理模組64結合儲存在儲存器66中的操作指令分別執行數位接收器功能和數位發射器功能。數位接收器功能包括但不限於數位中頻到基頻轉換、解調、星座圖去映射、解碼、去交錯、快速傅立葉變換、循環前綴移除、空間和時間解碼、和/或解擾。將參考附圖更詳細描述的數位發射器功能包括但不限於加擾、編碼、交錯、星座圖映射、調製、逆向快速傅立葉變換、循環前綴添加、空間和時間編碼、和/或數位基頻到IF轉換。基頻處理模組64可以利用一個或多個處理設備實施。該處理設備可以是微處理器、微控制器、數位訊號處理器、微型計算機、中央處理單元、場可編程門陣列、可編程邏輯設備、狀態機、邏輯電路、模擬電路、數位電路、和/或基於操作指令控制訊號(模擬和/或數位)的任何設備。儲存器66可以是單個儲存設備或多個儲存設備。儲存設備可以是只讀儲存器、隨機存取儲存器、易失性儲存器、非易失性儲存器、靜態儲存器、動態儲存器、閃存、和/或儲存數位訊息的任何設備。應當注意，當處理模組64通過狀態機、模擬電路、數位電路、和/或邏輯電路實施一個或多個功能時，儲存相對應的操作指令的儲存器被嵌入包含狀態機、模擬電路、數位電路、和/或邏輯電路的電路。
在操作中，無線電60經由主機介面62從主機接收出站數據88。基頻處理模組64接收出站數據88，並且基於模式選擇訊號102生成一個或多個出站符號流90。
在某些實施方式中，例如某些蜂窩應用，基頻處理模組64接收出站數據88，並且基於模式選擇訊號102生成一個或多個出站符號流90。在這樣的實施方式中，模式選擇訊號102將表明特定模式或操作(例如，指示2.4 GHz或5 GHz的頻帶，20或22 MHz的通道頻寬(例如，20或22 MHz寬的通道))和每秒54百萬位元的最大位元速率。在其他實施方式中，通道頻寬可以擴展至1.28GHz或更寬，所支援的最大位元速率擴展至每秒1吉位元或 更高。在一般範疇中，模式選擇訊號將進一步表明從每秒1百萬位元到每秒54百萬位元的特定速率。此外，模式選擇訊號將表明特定類型的調製，其包括但不限於，巴克碼調製(Barker Code Modulation)、BPSK、QPSK、CCK、16QAM和/或64QAM。在某些實施方式中，可以提供編碼速率和每個子載波編碼位元數(NBPSC)、每個OFDM符號編碼位元(NCBPS)、每個OFDM符號數據位元(NDBPS)。
當然注意到，在其他實施方式中可以使用具有不同頻寬的其他類型的通道，而不偏離本發明的保護範圍和精神。
基頻處理模組64基於模式選擇訊號102從出站數據88生成一個或多個出站符號流90。例如，如果模式選擇訊號102表明單個發射天線正被用於已選特定模式，基頻處理模組64將生成單個出站符號流90。或者，如果模式選擇訊號表明2、3或4個天線，則基頻處理模組64將從出站數據88生成對應於天線號的2、3或4個出站符號流90。
取決於基頻模組64生成的出站流90的數量，相對應的RF發射器68-72將能夠將出站符號流90轉換成出站RF訊號92。發射/接收模組74接收出站RF訊號92，並提供每個出站RF訊號給相對應的天線82-86。
當無線電60處於接收模式時，發射/接收模組74經由天線82-86接收一個或多個入站RF訊號。T/R模組74提供入站訊號RF訊號94至一個或多個RF接收器76-80。RF接收器76-80將入站RF訊號94轉換成相應數量的入站符號流96。入站符號流96的數量將符合接收數據的特定模式(例如，在某些實施方式中，可以選擇特定模式用於操作)。基頻處理模組64接收入站符號流96並將入站符號流96轉換成入站數據98，入站數據98經由主機介面62提供給主機設備18-32。
在無線電60的一個實施方式中，無線電包括發射器和接收器。發射器可以包括MAC模組、PLCP模組和PMD模組。可以利用處理模組64來實施的介質存取控制(MAC)模組被可操作地耦接，以根據WLAN協議將MAC服務數據單元(MSDU)轉換成MAC協議數據單元(MPDU)。可以在處理模組64中實施的物理層收斂過程(PLCP)被可操作地耦接，以根據WLAN協議將MPDU轉換成PLCP協議數據單元(PPDU)。物理介質相關(PMD)模組被可操作地耦接，以根據WLAN協議的多個操作模式之一將PPDU轉換成多個無線電頻率(RF)訊號，其中多個操作模式包括多個輸入和多個輸出組合。
物理介質相關(PMD)模組的實施方式包括誤差保護模組、解複用模組、和多個直接轉換模組。可以在處理模組64中實施的誤差保護模組被可操作地耦接，以重構PPDU(PLCP(物理層收斂過程)協議數據單元)，以降低生成誤差保護數據的傳輸誤差。解複用模組被可操作地耦接，以將誤差保護數據劃分成多個誤差保護數據流。多個直接轉換模組被可操作地耦接，以將多個誤差保護數據流轉換成多個無線電(RF)訊號。
本領域的技術人員將理解，圖3的無線通訊設備可以利用一個或多個集成電路實施。例如，主機設備可以實施在一個集成電路上，基頻處理模組64和儲存器66可以實施在第二集成電路上，無線電60的剩餘部件、較小的天線82-86可以實施在第三集成電路上。舉可選的實例來說，無線電60可以實施在單個集成電路中。舉另一個實例來說，主機設備的處理模組50和基頻處理模組64可以是實施在單個集成電路上的公共處理設備。進一步，儲存器52和儲存器66可以實施在單個集成電路上和/或在與處理模組50和基頻處理模組64的公共處理模組相同的集成電路中。
圖4示出M×N多輸入多輸出(MIMO)通訊系統的實施方式400。M×N MIMO通訊系統可以視為包括具有M個發射器(例如， M個天線)的至少一個發射器無線通訊設備和具有N個接收器(例如，N個天線)的至少一個接收器無線通訊設備。將不同的M個發射流在N個接收器處分離的能力基於每個發射流將遇到發射器和所有接收器之間的不同路徑的假設。
在某些MIMO系統中，通過環境(例如，大地、牆壁)的反射生成不同路徑。通訊系統可以利用多種通訊介質、技術等等實施，例如參照圖1所描述的，並且如果其中至少一個通訊鏈路是無線視線(LOS)通訊鏈路(例如，在微波通訊系統中)，那麼在幾何上實現(發射器天線和接收器天線之間的各個路徑的)分離。所接收訊號的相位將取決於路徑的長度，因此不同路徑將得到不同相位。
圖5示出2×2 MIMO通訊系統的實施方式500和相對應的通道矩陣。應注意，該MIMO通訊系統可以包括任意期望數量的發射器天線和任意期望數量的接收器天線(發射器無線通訊設備和接收器無線通訊設備中的每個無線通訊設備可以具有各自不同的天線數)。不失一般性，當觀察兩個發射天線和兩個接收天線(例如，M=N=2)的特定實施方式時，通道矩陣可以表達為以下：
尋找天線的最佳配置將保證通道矩陣可被倒置(例如，將具有接近1的條件數)。關於倒置的條件數表示H的最大奇異值與其最小奇異值之比。較大條件表示接近奇異矩陣。
圖6示出在各個發射器和接收器無線通訊設備內的天線之間的最佳間隔的實施方式600。使得發射天線之間的距離由dt 表示，接收天線之間的距離由dr 表示，並且假設天線位於矩形的角上的具體實施方式，那麼當下式成立時可以實現最佳間隔：d t d r =(λ ×d link )/2
圖7示出與在各個發射器和接收器無線通訊設備內的天線之間的最佳間隔相關聯的通用模型的實施方式700。例如，最佳距離取決於載波波長λ和天線之間的物理距離dlink 。而且，可以注意到，對於任何給定的空間設置，可以計算最佳dt 和dr 值。圖7中用圖示的方式示出通用模型的實例。
圖8示出當dt =dr 時特定情況的最佳距離(以米計量)的實施方式800。一般來說，該新穎方法可以被稱為幾何開環(Geometrical Open Loop)MIMO方法，因為關於幾何通道傳輸功能，從接收器到發射器沒有反饋。
然而，在實際實施中，由於安裝困難和限制，並不總是可以實現各個天線的精確、完美和最佳的間隔。當偏離最佳天線間距高於25%時，產生相當大的性能損失，因此遇到MIMO系統的利益問題。
圖9示出幾何波束形成、各兩個獨立的單輸出單輸入(SISO)通道、和M×N MIMO通訊系統的通道容量的實施方式900。
此處，提出新穎的幾何閉環(Geometrical Closed Loop)MIMO方法。當無法精確地實現天線之間的最佳間隔情況時，該新穎的體系結構可以改進性能。
對於給定的通訊通道H，利用奇異值分解(SVD)，H可以表示為以下形式：H=UΣVH (V,U[unitary],Σ[diagonal])。
這些各個通道矩陣可被視為對應於視線(LOS)多輸入多輸出(MIMO)通訊通道到在發射器通訊設備處的各個獨立流的奇異值分解(SVD)。
使發射器已知H(或V)值，那麼發射訊號可以在發射器無線通訊設備中與V相乘，接收訊號在接收器無線通訊設備中與UH 相乘(或接收器無線通訊設備可以執行迫零，例如根據對訊號執行迫零均衡(ZFE)，以實現傳送訊息承載容量增加)。
例如，使得V如發射器無線通訊設備中的幾何波束形成的圖中所示的形式，第一天線將發射所發射的原始訊號的總和，第二天線將發射兩個訊號之差。而且，矩陣的格式可被稱為發射器無線通訊設備的幾何波束形成。如圖所示，這些乘積使得MIMO通道平行于具有增益λ 1和λ 2的2個獨立的SISO通道。η 值對應於最佳天線間距(dopt )和實際天線間距(d)之比。然後，根據圖的中部所描述的方程式可以計算通道的通訊性能。
閉環方案和開環方案之間的至少一個差異是，在閉環方法中，通訊通道被分解成在發射器的獨立流，並且在每個獨立流中，發射考慮到功率約束可以可靠地發射的最大位元數。另一方面，在開環方案中，在反射器處不存在這樣的分解，以至於當試圖在接收器無線通訊設備執行分解時(例如，利用迫零均衡器執行迫零均衡(ZFE))，那麼如果不能保證最佳天線間距，可能出現嚴重的噪音增強。
當不能實現最佳間隔時，在發射器無線通訊設備和接收器無線通訊設備中適當地實施相乘可以展示處相當大的增益。
圖10示出由視線(LOS)MIMO的幾何閉環操作提供的性能改進的實施方式1000。在該圖中，可以看到，對於給定的SNR(例如，20dB)，可以實現3bit/sec/Hz的增加，因而使系統吞吐量增加超過30%。觀察改進的另一個方式是通過觀察實現某一值bit/sec/Hz所需的SNR。在該圖中，可以看到，對於獲得10bit/sec/Hz，在不使用本發明的任何一個或多個不同方面、實施方式和/或其等效物的情況下，需要24dB的SNR，而當使用本發明的任何一個或多個不同方面、實施方式和/或其等效物時，需要17.5dB的SNR。
注意到，本發明的不同方面、實施方式和/或其等效物可以通過多種方式實施。例如，考慮到用於實施該體系結構的至少兩個方法，第一方法可以被稱為靜態幾何閉環MIMO體系結構。在該 情況下，一旦設置發射天線和接收天線，就測量幾何設置和計算V和UH 的最佳值，以便於在發射器無線通訊設備和接收器無線通訊設備中使用。
第二個方法可以被稱為動態幾何閉環MIMO體系結構。在該情況中，接收器無線通訊設備將動態和連續地測量通道矩陣，然後將利用最佳值更新發射器以供使用(例如，V的最佳值，以利用其發射數據)。觀察LOS MIMO通訊通道(例如，微波通道)，該通訊通道主要由相對少的射束組成(例如，2到3個射束，例如至少一個LOS通道和至少一個非LOS通道-例如被稱為Rummler通道)。而且，該通訊通道通常不會快速改變，變化一般在接收器無線通訊設備處容易跟蹤，且可以使用接收器無線通訊設備和發射器無線通訊設備之間的相對低的頻寬反饋實現訊息反饋。
還注意到，當從各個天線發射和接收雙偏振(dual polarizations)時，也可以使用本發明的不同方面、實施方式和/或其等效物。
圖11和圖12示出用於操作一個或多個通訊設備的不同方法的實施方式1100和1200。
參照圖11的方法1100，如方框1110中所示，通過操作通訊設備(例如，接收器無線通訊設備)的第一多個天線接收從至少一個另外的通訊設備的第二多個天線經由通訊設備和至少一個額外的通訊設備之間的視線(LOS)通訊通道發射的訊號，方法1100開始。
然後如方框1120中所示，通過利用多個通道矩陣之一處理訊號(例如，在接收器無線通訊設備內)，其對應於LOS MIMO通訊通道到在至少一個另外的通訊設備的多個獨立流的奇異值分解(SVD)，方法1100進行操作，以實現傳送訊息承載容量增加。
參照圖12的方法1200，如方框1210中所示，通過利用通道矩陣之一處理訊號(例如，在發射器無線通訊設備內)，其對應於 LOS MIMO通訊通道到在發射器無線通訊設備的獨立流的SVD，該方法1200開始。
如方框1220中所示，通過將來自發射器無線通訊設備(具有M天線)的處理訊號傳輸到接收器無線通訊設備(具有N天線)，該方法1200繼續進行。然後，如方框1230中所示，通過接收來自LOS MIMO通訊通道的處理訊號，該方法1200進行操作。
如方框1240中所示，通過利用另一個通道矩陣處理訊號(例如，在接收器無線通訊設備內)，其對應於LOS MIMO通訊通道到在發射器無線通訊設備的獨立流的SVD(在具有各自的通道矩陣的發射器無線通訊通道和接收器無線通訊通道中處理，以實現傳送的訊息承載容量增加)，該方法1200繼續進行。
可能關注的是，各種通訊系統可以包括根據至少一個LOS MIMO通訊通道實現的無線通訊。可以存在無線通訊設備的天線間距可以不是實現系統內最大數據吞吐量的完全最佳天線間距的情況。在這些情況中，根據本發明的各種方面、實施方式和/或其等效物操作可以恢復許多(即使不是全部)由天線間隔不良導致的性能損失或劣化。
而且，適當地處理可能存在於多天線設備中的相位噪音還可以恢復許多(即使不是全部)任何損失性能。可以通過許多組合方式適當地處理相位。例如，在給定通訊設備內的各個天線可以都根據公共或單個本地振盪器(LO)驅動。可以理解，在設備的各個天線生成的任何相位噪音，如果由公共或單個本地振盪器驅動，對於所有天線而將是公共的，差分相位噪音將不存在或可以忽略不計。或者，結合使用公共或單個本地振盪器，接收器設備可以除了其他通道監控活動外執行通道估計，並提供該訊息給發射器，從而發射器可以補償給定設備中各個天線之間的任何跟蹤相位噪音(包括差分相位噪音)。還注意到，該通道估計操作可以在接收器設備和發射器設備之間合作地執行。
通過執行與本文中所描述的通道矩陣相關聯的值的合適計算，例如根據執行在至少兩個各自的通訊設備之間的LOS MIMO通訊通道的SVD，並且通過在不同的通訊設備內利用那些值執行合適的處理，可以在系統內實現的數據吞吐量可以接近或收斂於向農限制通道容量(例如，每秒每赫茲位元數)。而且，通過在克服發射器通訊設備和接收器通訊設備內可能出現的各個天線之間的相位噪音的過程中適當地處理，可以進一步提高性能。而且，在一個實施方式中，通過基於該相位噪音連續或週期性地更新各個通道矩陣U和V，可以處理該相位噪音。在另一個實施方式中，可以使用相同的或單個本地振盪器驅動給定設備內的各個天線。可以單獨地使用這些處理相位噪音的手段，或者在給定實施方式中可以合作地使用這些手段。
還注意到，可以在各種類型的通訊設備內執行關於文中不同方法所述的各種操作和功能，例如利用一個或多個處理器、處理模組等，在其中實施，和/或其他部件，包括一個或多個基頻處理模組、一個或多個介質存取控制(MAC)層、一個或多個物理層(PHY)、和/或其他部件等。
在某些實施方式中，例如處理器、電路和/或處理模組等等(可以在相同設備或單獨的設備中實施)可以執行該處理以生成訊號，以便於根據本發明的不同方面和/或本文中所描述的任何其他操作和功能或其各個等效物與其他通訊設備進行通訊。在某些實施方式中，該處理由第一設備中的第一處理器、電路和/或處理模組和第二設備內的第二處理器、電路和/或處理模組中合作地執行。在其他實施方式中，該處理完全由單個通訊設備內的處理器、電路和/或處理模組執行。
本文中所使用的術語“基本”或“大約”為項之間的相對應術語和/或相關性提供業界所接受的誤差。業界所接收的誤差範圍是從百分之一到百分之五十，符合但不限於部件值、集成電路變 化、溫度變化、上升和下降時間、和/或熱噪音。項之間的相關性範圍是從百分之幾的差到量級差。本文中還使用的術語“可操作地耦接至”、“耦接至”、和/或“耦接”包括項之間的直接耦接和/或項之間通過中間項(例如，項包括但不限於部件、元件、電路、和/或模組)間接耦接，其中對於間接耦接，中間項不修改訊號訊息，但可以調節其電流電平、電壓電平、和/或功率電平。本文中進一步使用的推測的耦接(即，其中一個元件根據推理耦接至另一個元件)包括兩個項之間以與“耦接至”相同的方式直接和間接耦接。本文中甚至進一步使用的術語“可操作地”或“可操作地耦接至”表示項包括一個或多個功率連接、輸入、輸出等等，當啟動時，執行一個或多個其相對應的功能，並且可以進一步包括一個或多個其他項的推斷耦接。本文中還進一步使用的術語“與……相關聯”包括單獨項之間的直接和/或間接耦接和/或一個項嵌入另一個項中。本文中所使用的術語“有利地比較”表明兩個或多個項、訊號等直接的比較提供期望的關係。例如，當期望的關係是訊號1大於訊號2時，當訊號1大於訊號2或當訊號2小於訊號1時可以實現有利的比較。
本文中還使用的術語“處理模組”、“模組”、“處理電路”、和/或“處理單元”(例如，包括不同模組和/或電路可以是有效的、實施的、和/或用於編碼、解碼、基頻處理等等)可以是單個處理設備或多個處理設備。該處理設備可以是微處理器、微控制器、數位訊號處理器、微型計算機、中央處理單元、場可編程門陣列、可編程邏輯設備、狀態機、邏輯電路、模擬電路、數位電路、和/或基於電路的硬體編碼和/或操作指令控制訊號(模擬和/或數位)的任何設備。處理模組、模組、處理電路、和/或處理單元可以具有相關聯的儲存器和/或集成儲存元件，其可以是單個儲存設備、多個儲存設備、和/或處理模組、模組、處理電路、和/或處理單元的嵌入式電路。儲存設備可以是只讀儲存器(ROM)、 隨機存取儲存器(RAM)、易失性儲存器、非易失性儲存器、靜態儲存器、動態儲存器、閃存、高速緩衝儲存器、和/或儲存數位訊息的任何設備。注意到，如果處理模組、模組、處理電路、和/或處理單元包括多於一個處理設備，那麼處理設備可以集中定位(例如，通過有線和/或無線總線結構直接耦接在一起)或可以分佈式定位(例如，通過區域網路和/或廣域網路的間接耦合雲端計算)。還注意到，如果處理模組、模組、處理電路、和/或處理單元通過狀態機、模擬電路、數位電路、和/或邏輯電路實施一個或多個功能，那麼儲存器和/或儲存相對應操作指令的儲存元件可以嵌入在包含在狀態機、模擬電路、數位電路、和/或邏輯電路的電路內部或外部。還注意到，儲存元件可以儲存，處理模組、模組、處理電路、和/或處理單元執行，對應於一個或多個附圖中所示的至少某些步驟和/或功能的硬體編碼和/或操作指令。該儲存設備或儲存元件可以包括在製造品中。
以上借助於示出具體功能的性能和其關係的方法步驟已經描述了本發明。為了方便描述，本文中任意限定這些功能組成部件和方法步驟。只要適當地執行具體功能和其關係，就可以限定可選的邊界和順序。任何可選邊界或順序都在要求的本發明的保護範圍和精神內。進一步，為了方便描述，任意定義這些功能組成部件的邊界。只要適當地執行某些重要功能就可以限定可選的邊界。相似地，本文中還任意限定流程圖方框，以便於示出某些重要功能。在某種程度，限定流程圖方框邊界和順序，和執行某些重要功能。功能組成部件和流程圖方框和順序的可選定義都在要求的本發明的保護範圍和精神內。本領域的普通技術人員還將認識到，本文中的功能組成部件和其他說明性的方框、模組、和部件可以實施為由執行合適軟體的離散部件、專用集成電路、處理器等等或其任何組合執行。
還就一個或多個實施方式而言至少部分地描述了本發明。本發明的實施方式在本文中用於說明本發明、本發明的方面、本發明的特徵、本發明的概念、和/或本發明的實例。體現本發明的裝置、製造品、機器、和/或過程的物理實施方式可以包括關於本文中的一個或多個實施方式描述的一個或多個方面、特徵、概念、實例等等。進一步，從附圖到附圖，實施方式可以包括可以使用相同或不同參考數字的相同或相似命名的功能、步驟、模組等等，同樣地，功能、步驟、模組等等可以是相同或相似的功能、步驟、模組等等或是不同的功能、步驟、模組等等。
除非明確說明，否則到達、來自本文中呈現的任何附圖中的元件或在本文中呈現的任何附圖中的元件之間的訊號可以是模擬訊號或數位訊號、連續時間訊號或離散時間訊號、和單端訊號或差分訊號。例如，如果所示訊號路徑作為單端路徑，那麼還表示差分訊號路徑。相似地，如果所示訊號路徑作為差分路徑，那麼還表示單端訊號路徑。儘管本文中描述了一個或多個特定體系結構，但是本領域的技術人員認識到，可以實施使用未明確示出的一個或多個數據總線、元件之間直接連接、和/或其他元件之間間接耦合的其他體系結構。
在描述本發明的不同實施方式的過程中使用術語“模組”。模組包括通過硬體實施的用於執行一個或多個模組功能的功能模組，例如一個或多個輸入訊號的處理，從而產生一個或多個輸出訊號。實施模組的硬體可以結合軟體、和/或固件工作。本文中所使用的模組可以含有其本身是模組的一個或多個子模組。
儘管本文中已經明確地描述本發明的不同功能和特徵的特定組合，但是這些特徵和功能的其他組合同樣是可以的。本發明不受本文中公開的特定實例的限制，本發明特別包括其他組合。
700‧‧‧實施方式

Claims (7)

  1. 一種適用於幾何閉環視線多輸入多輸出之通訊之裝置，包括：第一通訊設備，包括：第一多個天線，用於發射訊號；以及第一處理器，使用多個通道矩陣中的第一通道矩陣處理所述訊號，所述多個通道矩陣對應於所述第一通訊設備和第二通訊設備之間的視線(LOS)多輸入多輸出(MIMO)通訊通道的到所述第一通訊設備處的多個獨立流的奇異值分解(SVD)；並且其中：所述第二通訊設備包括：第二多個天線，用於經由所述LOS MIMO通訊通道接收從所述第一通訊設備的所述第一多個天線發射的所述訊號；以及第二處理器，用於使用對應於所述奇異值分解的所述多個通道矩陣中的第二通道矩陣處理訊號，從而所述多個通道矩陣中的所述第一通道矩陣和所述多個通道矩陣中的所述第二通道矩陣合作地操作，以實現經由所述LOS MIMO通訊通道傳送的訊息承載容量增加；其中所述第二處理器對訊號執行迫零均衡(ZFE)，以實現經由所述LOS MIMO通訊通道傳送的所述訊息承載容量增加。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的裝置，其中：所述第一處理器基於所述第一通訊設備的所述第一多個天線間的第一差分相位噪音修改或更新所述多個通道矩陣中的所述第一通道矩陣；和/或所述第二處理器基於所述第二通訊設備的所述第二多個天線間的第二差分相位噪音修改或更新所述多個通道矩陣中的所述第二通道矩陣。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的裝置，其中：所述第一通訊設備包括用於驅動所述第一多個天線中的每一個的第一本地振盪器(LO)，以降低或消除所述第一多個天線間的第一差分相位噪音；和/或所述第二通訊設備包括用於驅動所述第二多個天線的每一個的第二本地振盪器(LO)，以降低或消除所述第二多個天線間的第二差分相位噪音。
  4. 一種適用於幾何閉環視線多輸入多輸出之通訊之裝置，包括：第一多個天線，用於接收從至少一個另外的裝置的第二多個天線經由所述裝置與所述至少一個另外的裝置之間的通訊通道發射的訊號；以及處理器，用於利用多個通道矩陣中的一個通道矩陣處理所述訊號，所述多個通道矩陣對應於所述通訊通道的到所述至少一個另外的裝置處的多個獨立流的奇異值分解(SVD)，以實現所述訊號的訊息承載容量增加；其中所述處理器對所述訊號執行迫零均衡(ZFE)，以實現所述訊號的所述訊息承載容量增加。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述的裝置，其中：所述至少一個另外的裝置包括至少一個另外的處理器，所述至少一個另外的處理器使用所述多個通道矩陣中的另一個通道矩陣處理所述訊號，所述多個通道矩陣對應於所述通訊通道的到所述至少一個另外的裝置處的多個獨立流的SVD，以實現所述訊號的所述訊息承載容量增加；並且對應於所述SVD的所述多個通道矩陣包括所述多個通道矩陣中的所述一個通道矩陣、僅在其對角線上具有項的矩陣以及所述多個通道矩陣中的所述另一個通道矩陣。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述的裝置，其中：所述至少一個另外的處理器基於所述至少一個另外的裝置的第二多個天線間的差分相位噪音來修改或更新所述多個通道矩陣中的所述另一個通道矩陣。
  7. 一種用於操作通訊設備的方法，所述方法包括：操作所述通訊設備的第一多個天線，以接收從至少一個另外的通訊設備的第二多個天線經由所述通訊設備和所述至少一個另外的通訊設備之間的視線(LOS)多輸入多輸出(MIMO)通訊通道發射的訊號；以及利用多個通道矩陣中的一個通道矩陣處理所述訊號，所述多個通道矩陣對應於所述視線多輸入多輸出通訊通道的到所述至少一個另外的通訊設備處的多個獨立流的奇異值分解(SVD)，以實現所述訊號的訊息承載容量增加；其中對所述訊號執行迫零均衡(ZFE)，以實現所述訊號的所述訊息承載容量增加。
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