具有全向和扇形定向天線模式的自適應多天線系統的製作方法

2023-06-09 07:13:36

專利名稱：具有全向和扇形定向天線模式的自適應多天線系統的製作方法
技術領域：
實施例涉及數字通信系統，更具體地說，涉及多天線通信系統。
背景技術：
多徑無線信道具有大信道容量的能力，並且可通過利用MIMO(多 10 輸入多輸出)通信系統而合適地進行利用。MIMO系統採用多個發射 天線和多個接收天線。標準正EE 802.16e有時又稱為移動全球微波接 入互操作性(移動WiMAX)，它支持MIMO天線技術。未來的無線 網絡也將支持MIMO天線技術。已經有人致力於提出下一代高性能無 線網絡的統一提議，此提議是在IEEE標準協會的指導下開發的並已 15 提交給IEEE 802.1 In工作組N ( TGn )。其目標之一是使得MIMO空 分復用能夠用兩個天線提供高達315兆位/秒(Mbps)的可靠的傳輸 速度，並利用釆用多於兩個天線的大型系統提供高達630Mbps的可靠 的傳輸速度。
預期，企業WLAN (無線區域網)中的接入點密度將增加到接入 20點與客戶端之間的典型距離有時為10英尺或更短的程度。因此，預 期，視線(LOS)通信的影響變得重要。強LOS通信鏈路會增加空間 信號相關性，從而削減MIMO系統的益處。
因此，有用的是，在多天線客戶端中提供可配置成當LOS通信路 徑佔主導時仍能良好執行的通信技術。此外，由於將接入點升級到 25 MIMO系統要比客戶端情形費用大，所以預期，將有一段時期還無法 將接入點從SISO (單輸入單輸出)系統升級到MIMO系統。因此， 還有用的是，提供一種通信技術，以該通信技術，可容易地配置多天 線客戶端，而不管接入點是SISO系統還是MIMO系統。


圖1示出現有技術的通信系統。 圖2示出現有技術的通信信道。
圖3示出根據本發明一個實施例的計算機系統。 5 圖4是示出根據本發明一個實施例的天線控制器的處理的流程圖。
具體實施例方式
在以下描述中，術語"一些實施例"的範圍不是限制為表示多於
10—個實施例，而是其範圍可包括一個實施例、多於一個實施例或者也
許所有實施例。
取決於將通信信道表徵為具有強LOS分量還是具有強散射分量， 實施例將多個天線配置成全向或扇形定向。當表徵為LOS通信信道 時，將這些天線配置成扇形定向。在一些實施例中，當配置成扇形定 15向時，每個天線有效地具有在方位角上覆蓋2"/w弧度的天線方向圖
波束寬度，其中m是天線數量。
實施例可用於客戶端(如筆記本型計算機)或接入點，其中信道 矩陣可以是上行鏈路信道矩陣(從客戶端到接入點)或下行鏈路信道 矩陣(從接入點到客戶端)。通信信道可以用多種方式定義。在描述 20 實施例之前，有用的是，首先考慮MIMO系統的通信信道的一個可能 的定義及其對應的信道矩陣。
圖1是利用n個發射天線102和m個接收天線104的MIMO系 統的一部分的高級系統圖。符號《，"U表示待傳送的k個復值數 據量。這些數據量可通過將一個或多個數據流多路分解成k個數據流 25而產生，其中可應用編碼。
向量編碼功能單元106將《，''=1"'"*編碼成n個復值量
、，f = l，"""。將^)定義為具有分量[^],=《，''=1"'"^的](維列向量並 將^定義為具有分量], = A，'' == 1，…，"的n維列向量，則可將向量編碼寫為
= 7" ^
其中^表示n x k復值矩陣。(下標D的含義將在稍後論述)。
復值量A，Z' = l，'，""表示將通過信道傳送的基帶信號(如電壓 5信號)的同相正交分量。功能單元108 (如發射器)指示調製器將基 帶信號上變頻為RF (射頻)信號，然後通過天線102進行傳送，但 實施例的範圍不限於這方面。
接收器110將通過天線104提供的接收信號下變頻為m個復值基 帶信號少,"=i，…，附。向量解碼功能單元112指示將這m個復值基帶
io 信號少,，!-i，…，附解碼成k個復值基帶信號= L…，、將"^定義為
具有分量[1],=4'' = 1""，*的k維列向量並將》d定義為具有分量
。"=乂.,!' = 1"."附的m維列向量，則可將向量解碼寫為
& = WD
其中及d表示kxm復值矩陣。希望這些量l 1，…，A在一定意義上是 15《，f-l，…，A:的"良好"估計。
有多種方法來定義通信信道。在圖l中，可以將通信信道定義成 包含虛線框114內的組件。對於這種通信信道模型，信道輸入是 x(.，/ = l，...,"，而信道輸出^^，!'-l，…,附。如果向量編碼106和發射
器108與接入點相關聯，而向量解碼112和接收器110與客戶端相關 20 聯，則可將由框114定義的信道稱為下行鏈路信道。另一方面，如果 向量編碼106和發射器108與客戶端相關聯，而向量解碼112和接收 器110與接入點相關聯，則可將由框114定義的信道稱為上行鏈路信 道。儘管圖1中只示出單向信道，但實際上，除了上行鏈路信道之外， 還存在下行鏈路信道。為方便起見，將圖1中的信道稱為下行鏈路信 25道。這就是在以上論述中使用下標D的原因。
儘管關於客戶端和接入點描述以上實例，但本文描述的方法和裝 置可容易地應用於其它通信設備，如用戶站和基站。由框114定義的下行鏈路信道可如圖2A所示那樣抽象化。為簡 單起見，圖2A中描繪的下行鏈路信道是靜止的無噪聲信道。但是， 實際上，將存在噪聲源，並且信道傳送功能可能是衰落的。
在圖2A中，~，/ = 1"'"^^' = 1"'""是表示由發射天線、接收天線、 5發射器和接收器的增益引起的信道增益的復值標量。比較方便的是將
~定義為
其中^7'是符號^的發射器的增益；T^》是沿朝向與符號^相關聯的
接收天線的方向的與、相關聯的發射天線的天線增益；^Gy'^^人與符
10 號^/相關聯的天線的方向接收的信號、與符號X相關聯的接收天線的
天線增益；^乂是符號^的接收器的增益；而w力M射天線j與接收
天線i之間的物理傳輸介質的響應。
將m x n下行鏈路信道矩陣H定義為具有分量
== ~， f = 1,…，m;) = 1,…，"，則由下行鏈路信道矩陣H定義的輸入國
15 輸出關係為
一般來說，上行鏈路信道矩陣不同於H,在上行鏈路信道矩陣中，
現在傳送乂，； = 1"."附，並接收",，!' = 1"..，"。之所以這樣是因為，
對於上行鏈路信道，利用接收器而不是利用發射器108來生成 20^f-l，…，"，並且利用發射器而不^:接收器no來生成片1、1，…^，因
此，總的信道增益有所不同。但是，如果假設對信道進行校準以便為 上行鏈路和下行鏈路通信考慮發射器和接收器增益之間的差異，則如 圖2八所示的相同的信道增益~，/ = 1"'"^7 = 1"'""也適用於圖2B中的 上行鏈路信道。在此假設下，可以說雙向信道是互逆(reciprocal)的， 25並且上行鏈路信道的輸入-輸出關係由下式給出
formula see original document page 10其中表示轉置，而下標^表示上行鏈路通信。
實施例可應用於接入點以及客戶端。不失一般性，可丟掉區分下 行鏈路量和上行鏈路量的下標。因此，在描述實施例時，為方便起見， 考慮下行鏈路通信信道矩陣，因而將輸入-輸出信道矩陣變換簡單地寫
5 成，-^，並在客戶端側執行自適應天線配置。應明白，實施例不 一定限於客戶端，而是可以在通信信道的兩側上使用。
圖3中示出實施例在計算機系統中的應用。圖3以簡化的形式示 出計算機系統的一部分，其包括微處理器302、晶片組304、系統存 儲器306、 RF (射頻)模塊308和自適應天線310。在圖3的特定實
10 施例中，晶片組304包括MCH (存儲器控制器集線器)304A和ICH (輸入/輸出控制器集線器)304B。微處理器302經由前端總線312 與晶片組304通信。MCH 304A用作系統存儲器306的控制器。在ICH 304B中集成有MAC (媒體接入控制)層314、基帶模塊316和天線 控制器318。高於MAC層314的協議層未明確示出。
15 在圖3的特定實施例中，RF模塊308是通信協議棧中的PHY(物
理)層的一部分。RF才莫塊308將自適應天線310所接收的RF信號下 變頻為基帶信號，然後將基帶信號提供給基帶模塊316。天線控制器 318處理基帶信號，並根據如何表徵通信信道而將自適應天線310配 置成全向或扇形定向。
20 對於一些計算機系統，MAC層314和基帶才莫塊316可位於晶片
組304外部。晶片組304本身可包括一個或多個離散集成晶片，或者 其功能單元的一部分或全部可集成在微處理器302上。系統存儲器306 可包括分級結構的存儲器，其中一些部分集成在微處理器302上。 對於一些實施例，天線控制器318或其一部分可作為集成在晶片
25組304內的ASIC (專用集成電路)實施，或在晶片組304外部的離 散晶片上實施，或作為在微處理器302上運行的軟體模塊實施。參照 圖4描述由天線控制器318執行的處理。
圖4是示出根據一個實施例通過天線控制器318執行的處理的流程圖。使用定時器，以便在每次定時器到時間時，使控制轉到方框402, 在方框402，將每個天線切換到其全向才莫式。取決於接入點是否支持 MIMO，方框404指示釆取流程圖中的哪個分支。接入點傳送該信息， 以便使它可供客戶端使用。如果支持MIMO，則控制轉到方框406， 5 在方框406,將信道表徵為強"R射信道或強LOS信道。在一些實施例 中，通過分析信道矩陣H來確定信道的這種表徵。
信道矩陣H可用多種方法進行分析。對於一些實施例，確定H的 秩。低秩信道矩陣指示具有弱散射的通信信道。因此，對於一些實施 例，如果131±{//}>^,其中N是正整數閾值，則將通信信道表徵為具
10 有強散射分量。
應注意，實際上，信道矩陣H不是先驗已知的，而是估計得出的。 因此，應將符號H理解為是表示實際信道矩陣或信道矩陣的估計，並 且應當能從上下文中看出哪種表示適用。可使用各種方法來估計信道 矩陣。例如，可通過傳送^以使得^中只有一個分量為非零來容易地
15觀察信道矩陣H的列。例如，如果？的第一分量是1並且所有其它分
量都是0，則(在無噪聲情況下)，是H的第一列。為了在存在噪聲 的情況下估計H,可取多於一個測量，然後對這些測量取樣本數據平 均值。
還應注意，如果H是先驗已知的，則即使不存在任何散射，實際
20上，它一般都是滿秩的。因此，應了解，可將表達式秩《^)理解成表 示H的大於某個閾值e的奇異值的數量。即，mxn矩陣H可分解為
^^'"'v'，其中a^^U一"一0是H的奇異值，A是mxm 酉矩陣U的第i個列，而"是nxn酉矩陣V的第i個列。在奇異值 分解的表達式中，上標H表示復共軛轉置，即厄爾米特(Hermitian) 25 的助記符，而不應將它與信道矩陣混淆。H的秩可定義為使^ > ￡的 最大下標(index),其中￡是某個合適選擇的小數值，它可通過才莫擬 或試驗找到以提供可接受的性能。在一些其它實施例中，可通過觀察奇異值的分布來表徵通信十
道。例如，如果^ "，其中A是某個閾值，則可將通信信道表徵
為強LOS。(假設，將奇異值排序，以便使"i是奇異值的最大值)。 可實施用於觀察奇異值的分布的其它方法。 一般來說，如果H的 5大多數能量集中在相對少數幾個奇異值，則可將通信信道表徵為強
LOS。即，如果tT 接近於H，其中W min{w，"}，則可將信道表 徵為強LOS。
如果在方框406中確定信道是強LOS，則控制轉到方框408,在 方框408,將天線配置成扇形定向。在方框410，選擇扇形定向天線 10 之一以用於進行到接入點的通信，在方框412,重設並啟動定時器， 由此，控制轉到方框414。
但是，如果方框406確定通信信道不是強LOS，則控制轉到方框 415，由此將天線310配置成全向。以此方式，利用MIMO系統的優 勢。然後，控制轉到方框412。 15 如果方框404確定接入點不支持MIMO，例如SISO發射器，則
控制從方框404轉到方框416。方框416將信道表徵為強LOS或強散 射。但是， 一般來說，方框416將採用不同於方框406的算法。之所 以這樣是因為，在此情況下，H是mxl向量，其秩為l。
對於一些實施例，通過觀察從一個天線到另 一個天線的信道增益
20的互相關性來表徵信道。例如，形成積&^ 的樣本數據平均 值，其表示為五^'力》，其中由於在此情況下H是mxl向量，所以A,'
是H的第i個分量。￡{)表示總體平均值，但實際上，是通過形成隨 機變量的大量樣本的平均值、即樣本平均值來估計該隨機變量的總體
平均值的。因此，￡{ }也將用於表示樣本平均值。對於一些實施例，如果^ ，其中A是某個閾值，則將通信信道表徵為強
LOS。
如果將通信信道表徵為強LOS，則控制轉到方框408。但是，如 果方框416確定通信信道是散射的，則控制轉到方框415。 5 方框410可採用各種方法來選擇這些天線之一用於與接入點通
信。作為一個簡單的實例，可從接入點接收信標，並在每個天線處對 信號強度採樣。選擇提供最大信號功率的天線。
通過在由於強LOS信道而削減了 MIMO的益處時選擇單個扇形 定向天線，預期，對或來自相鄰客戶端的幹擾將減少，從而增加相同 10竟爭空間中的空間再利用或信道可再利用性，並且因而貢獻出較高的 信道容量。而對於MMO提供益處的那些情形，例如對於將通信信道 表徵為強散射的情形，將天線配置成全向以利用MIMO系統。
自適應天線310可通過標準的天線設計原理進行設計。每個自適 應天線310可包括諸如偶極子的簡單天線元件的陣列。陣列可以是相
和的方式，將該陣列配置成全向或扇形定向。相移和求和可在RF域 或基帶域中執行，或者在量化基帶信號並將其表示成數字數值之後在 數字域中執行。
在不背離如隨附權利要求所述的本發明的範圍的情況下，可以對 20 7>開的實施例做出各種修改。
可利用各種教學關係式來描述一個或多個量之間的關係。例如， 數學關係式或數學變換可表示用於通過諸如加、減、乘、除等各種數 學運算從一個或多個其它量推導出一個量的關係。或者，數學關係式 可指示一個量大於、小於或等於另一個量。這些關係式和變換實際上 25 是不能完全滿足的，並且因此應當將其解釋為是為關係式和變換而
"設計"的。本領域的技術人員可設計各種可行的實施例來滿足各種 數學關係式或變換，但這些關係式或變換隻能在實踐者可用的技術的 容許範圍內滿足。因此，在隨附權利要求中，應理解，所主張的數學關係式或變換 實際上只能在實踐者可用的技術的容許範圍或精度內滿足，並且要求 權利的主題的範圍包括基本上滿足所主張的數學關係式或變換的那 些實施例。
權利要求
1. 一種裝置，包括一組天線，每個天線具有全向模式和扇形定向模式；以及控制器，用於基於估計通信信道具有第一特性而將所述一組天線中的每個天線切換到其扇形定向模式，並基於估計所述通信信道具有第二特性而將所述一組天線中的每個天線切換到其全向模式。
2. 如權利要求l所述的裝置，其中如果視線通信路徑佔主導，則 所述通信信道具有第一特性，否則具有第二特性。
3.如權利要求1所述的裝置，在所述一組天線中的每個天線切換到其扇形定向才莫式之後，所述控制器在一定時間間隔內只利用所述一 組天線中的 一個天線進行通信。
4. 如權利要求1所述的裝置，如果接收到來自多輸入多輸出通信 設備的信號，則所述控制器估計具有多於一行和多於一列的通信信道矩陣，並基於所述通信信道矩陣的一組奇異值，估計所述通信信道具 有第一或第二特性。
5. 如權利要求4所述的裝置，如果大於閾值的奇異值的數量大於 整數閾值，則所述控制器估計所述通信信道具有第二特性，否則估計 所述通信信道具有第一特性。
6.如權利要求4所述的裝置，如果商大於閾值，則所述控制器估計所述通信信道具有第一特性，所述商的^皮除數等於所述奇異值的最 大值，而其除數等於所述奇異值的和，所述和不包括具有所述最大值 的奇異值；否則，所述控制器估計所述通信信道具有第二特性。
7. 如權利要求4所述的裝置，如果接收的信標信號指示不支持多輸入多輸出，則所述控制器估計所述一組天線中的信道增益的互相關性。
8. 如權利要求7所述的裝置，如果所估計的互相關性的和大於閾 值，則所述控制器估計所述通信信道具有第一特性。
9. 如權利要求1所述的裝置，如果接收的信標信號指示不支持多 輸入多輸出，則所述控制器估計所述一組天線中的信道增益的互相關 性。
10. 如權利要求9所述的裝置，如果所估計的互相關性的和大於 5閾值，則所述控制器估計所述通信信道具有第一特性。
11. 一種包括計算機可讀介質的製品，在所述計算機可讀介質上 存儲有指令，所述指令在計算機上執行時使所述計算機執行以下動 作如果接收的信號指示多輸入多輸出發射器，貝，J:估計mxn維的信道矩陣H，其中m〉1，且n〉l; 10 執行H的奇異值分解以生成H的奇異值；以及取決於所述奇異值，將一組天線配置成一組全向天線或扇形定向 天線。
12. 如權利要求11所述的製品，其中如果大於閾值的奇異值的數 量大於整數閾值，則將所述一組天線配置成一組扇形定向天線；否則， 將所述一組天線配置成一組全向天線。
13. 如權利要求11所述的製品，其中如果商大於閾值，則將所述 一組天線配置成一組扇形定向天線，所述商的被除數等於所述奇異值 的最大值，而其除數等於所述奇異值的和，其中所述和不包括具有所 述最大值的奇異值；否則，將所述一組天線配置成一組全向天線。
14.如權利要求11所述的製品，其中如果所接收的信號指示發射器不是多輸入多輸出發射器，則所述指令使所述計算機估計信道增益 的互相關性。
15. —種用於第一設備與第二設備通信的方法，所述方法包括 在所述第二設備處確定所述第 一設備是否包括多輸入多輸出發 25 射器；如果所述第二設備確定所述第 一設備包括多輸入多輸出發射器， 則在所述第二設備處估計信道矩陣以提供m x n維的估計的矩陣H， 其中m〉1，且n〉l;否則，n=l;以及如果n>l，則執行H的奇異值分解以便使=缶^"'v'，其中 A》& Umin )^0是H的奇異值，是m x m酉矩陣U的第i個列，而《是nxn酉矩陣V的第i行；以及取決於所述奇異值，將一組天線中的每個天線配置成全向或扇形 5 定向。
16.如權利要求15所述的方法，還包括確定使°> 〉S的最大下標K，其中s是正數；以及如果所述最大下標K使得K<N,其中N是整數，則將所述一組天線中的每個天線配置成扇形定向。
17.如權利要求15所述的方法，還包括。形成商§ ；以及如果所述商大於閾值，則將所述一組天線中的每個天線配置成扇 形定向。
18.如權利要求15所述的方法，還包括 如果11=1，則計算某個i的5^^》，其中j的範圍在從l到m的除i以外的整數集合內，其中&是H的第k個分量，k=l,2,...，m,而 E表示樣本數據平均值；以及取決於所述E仏力》，將所述一組天線中的每個天線配置成全向或 扇形定向。
19.如權利要求18所述的方法，還包括加柳>A 八如果一 ，其中八是閾值，則將所述一組天線中的每個天線配置成扇形定向。
20. —種系統，包括一組天線，每個天線具有全向才莫式和扇形定向才莫式； 25 處理器；與所述處理器通信的系統存儲器； 與所述處理器和所述系統存儲器通信的晶片組；以及 控制器，用於基於估計通信信道具有第一特性而將所述一組天線 中的每個天線切換到其扇形定向衝莫式，並基於估計所述通信信道具有 第二特性而將所述一組天線中的每個天線切換到其全向模式。
21. 如權利要求20所述的系統，其中所述控制器與所述晶片組集 成在一起。
22. 如權利要求20所述的系統，其中所述控制器作為在所述處理 器上運行的進程實施。
23.如權利要求20所述的系統，如果接收到來自多輸入多輸出通信設備的信號，則所述控制器估計具有多於一行和多於一列的通信信 道矩陣，並基於所述通信信道矩陣的一組奇異值，估計所述通信信道 具有第一或第二特性。
24. 如權利要求23所述的系統，如果大於閾值的奇異值的數量大 15於整數闊值，則所述控制器估計所述通信信道具有第二特性，否則估計所述通信信道具有第一特性。
25. 如權利要求23所述的系統，如果商大於闊值，則所述控制器 估計所述通信信道具有第一特性，所述商的糹皮除數等於所述奇異值的 最大值，而其除數等於所述奇異值的和，其中所述和不包括具有所述 最大值的奇異值；否則，所述控制器估計所述通信信道具有第二特性。
26. 如權利要求23所述的系統，如果接收的信標信號指示不支持 多輸入多輸出，則所述控制器估計所述一組天線中的信道增益的互相 關性。
27. 如權利要求26所述的系統，如果所估計的互相關性的和大於 25閾值，則所述控制器估計所述通信信道具有第一特性。
28. 如權利要求20所述的系統，如果接收的信標信號指示不支持 多輸入多輸出，則所述控制器估計所述一組天線中的信道增益的互相 關性。
29.如權利要求28所述的系統，如果所估計的互相關性的和大於 閾值，則所述控制器估計所述通信信道具有第一特性。
全文摘要
在與SISO或MIMO接入點相容的通信設備中，分別取決於通信設備是將通信信道表徵為強視線還是強散射，而將一組天線配置成扇形定向或全向。在一些實施例中，對於利用MIMO接入點的情況，生成估計的信道矩陣的奇異值，並基於奇異值，估計通信信道的特性。還描述其它實施例並要求其它實施例的權利。
文檔編號H04B7/04GK101536355SQ200780037749
公開日2009年9月16日 申請日期2007年10月8日 優先權日2006年10月10日
發明者G·李, L·L·楊, M·樸 申請人:英特爾公司