信道自適應天線選擇的方法及系統的製作方法

2023-10-09 15:06:14 2

專利名稱：信道自適應天線選擇的方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及通信系統，更具體地，涉及一種在多天線單元通信系統中進行天線選擇的方法和系統。
背景技術：
當前多數無線通信系統都由配有單個發射和接收天線的節點組成。據預測，通過使用多個發射和/或多個接收天線，很多通信系統的性能包括容量將得到充分的提升。這種天線配置形成了「智能」天線技術的基礎。結合時空信號處理的智能天線技術可用於降低輸入信號多徑衰落的有害影響和抑制幹擾信號。這樣，已有的或正在部署的數字無線系統(例如，基於CDMA的系統、基於TDMA的系統、WLAN系統和基於OFDM的系統如IEEE 802.11a/g)的性能和容量將得到提升。
通過使用為在信號接收處理過程中引入分集增益和抑制幹擾而設計的多單元天線系統，上述類型的無線系統的至少一些性能損害會得到部分地改善。如J.H.Winters等人在1994年2月《IEEE通信學報》第42卷2/3/4號1740-1751頁中「The Impact of Antenna Diversity On the Capacity ofWireless Communication Systems」所介紹。通過減輕多徑以得到更均衡覆蓋、增加接收信噪比以獲得更大距離或降低所需的發射功率、提供更好的穩健性以抗幹擾、或者允許更多的頻率重用以獲得更大的容量，這種分集增益提升了系統性能。
在結合了多天線接收器的通信系統中，一組M個接收天線能消除M-1個幹擾。因此，可以用N個發射天線在同一帶寬上同時發射N個信號，接著，這N個發射信號被接收器的一組N個天線分成N個單獨的信號。這種系統通常稱為多入多出(MIMO)系統，並已得到廣泛研究。例如，參見J.H Winters在《IEEE通信學報》1987年11月COM-35卷11號的論文「Optimum combiningfor indoor radio systems with multiple users」；C.Chuan等人在1998年11月的《全球通信系統學會』98，澳大利亞，雪梨，IEEE 1998》1894-1899頁的論文「Capacity of Multi-Antenna Array Systems In Indoor WirelessEnvironment」；D.Shiu等人在《IEEE通信學報》2000年3月48卷3號502-513頁的論文「Fading Correlation and Its Effect on the Capacity ofMulti-Element Antenna Systems」。
一些多元天線陣列(如MIMO)為系統增加了容量，這可通過使用上面提到的配置來實現。MIMO系統中，在對接收器可適用信道的理想估算的假設之下，接收信號分解到M個「空間復用」的獨立信道。這樣使容量得以增加，相當於單天線系統的M倍。在總發射功率固定的前提下，MIMO提供的容量與天線單元的數目成線性比例。具體地，已證實在總帶寬和總發射功率不增加的情況下，具有N個發射和N個接收天線的數據速率可以是單天線系統的N倍。例如，參見G.J.Foschini等人在Kluwer Academic Publishers出版的1998年3月的《無線個人通信》第6卷第3號第311-335頁上「On Limits ofWireless Communications in a Fading Environment When Using MultipleAntennas」。在以N倍空間復用為基礎的實驗性MIMO系統中，通常在給定的發射器或接收器上使用超過N個的天線。因為每個額外的天線都增加分集增益和天線增益，而幹擾抑制適用於所有的N個空間復用信號。參見G.J.Foschini等人在IEEE Journal on Selected Areas in Communications 1999年11月11期17卷1841-1852頁的「Simplified processing for highspectral efficiency wireless communication employing multi-elementarrays」。
雖然增加發射和/或接收天線的數目增強了MIMO系統的多方面性能，但是為每個發射和接收天線提供獨立的RF鏈路使成本增加。通常每個RF鏈路包括低噪聲放大器、濾波器、下變頻器和模-數轉換器(A/D)，其中，後三者佔據了RF鏈路成本的主要部分。在一些現有的單天線無線接收器中，所需的單個RF鏈路的成本超過接收器總成本的30％。很顯然，隨著發射和接收天線增加，總的系統成本和功率消耗將顯著地增加。
目前已經找到一些處理上述缺陷的方法，如美國專利公開號為20020102950、名稱為「Method and apparatus for selection and use ofoptimal antennas in wireless systems」；A.Molisch等人在2001年6月IEEE ICC學會，芬蘭，赫爾辛基，2卷第570-574頁的「Capacity of MIMOSystems with antenna selection」；以及R.S.Blum等人在《IEEECommunications Letters》2002年8月第6卷第8期第322-324頁的「Onoptimum MIMO with antenna selection」，其中，從眾多天線中選擇發射/接收天線的子集。因為具有N倍的空間復用，所以至少要使用N個RF鏈路，典型地，從接收器上總共M個天線中選擇N個天線和/或從發射器總共nT個天線中選擇N個天線，其中M＞N並且nT＞N。
具有天線選擇的系統的性能取決於選擇過程中使用的標準。使用的標準不同，即使在相同的信道條件下也可能導致選擇的天線子集不同，從而造成性能不同。部分上面提到的文獻主張使用最大化容量的標準選擇天線子集。但是，容量是一個理想量，該理想量可能是無法達到的，因為她需要完美的編碼和/或均衡和/或連續的調製。實際上，使用的是有限編碼(或者甚至沒有編碼)和量化調製，且均衡器不是理想的。

發明內容
本發明的一些方面涉及在多天線單元通信系統中提供信道-自適應天線選擇的系統和方法。
根據本發明一些方面的一個實施例中，從具有M個天線單元的發射器或具有M個天線單元的接收器中選擇N個天線的系統，其中N小於M，該系統包括例如，M個天線單元發射器或M個天線單元接收器中的M個天線單元、N個RF鏈路、連接於該N個RF鏈路的開關。所述M個天線單元接收器為該M個天線單元中每個可能的N天線單元子集計算輸出誤碼率。每個輸出誤碼率都基於至少一組信道參數統計而計算。該M個天線單元接收器根據以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準選擇特定的N天線單元子集。作為對基於所述標準選擇特定的N天線單元子集的響應，所述開關將N個RF鏈路連接到該特定N天線單元子集的N天線單元上。
根據本發明一些方面的另一個實施例中，選擇接收器的接收天線的子集來接收所發射的RF信號的方法包括，例如，以下一項或多項建立接收天線的可能的子集；確定與所述接收天線的可能的子集對應的信道參數統計；計算接收器的輸出誤碼率，每個輸出誤碼率都基於至少一組信道參數統計而計算；根據以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準選擇接收天線的特定的可能子集；將接收器的一個或多個RF鏈路連接到所選擇的特定的可能子集的接收天線上。
根據本發明一些方面的再一個實施例中，選擇發射器的發射天線的子集以發射RF輸入信號的方法，其中所發射的RF輸入信號作為隨後被接收器接收的多個輸出RF信號，所述方法包括，例如，以下一項或多項建立發射天線的可能的子集；確定與所述發射天線的可能的子集對應的信道參數統計組；選擇分別與各組信道參數統計對應的發射模式；計算接收器的輸出誤碼率，每個輸出誤碼率都基於至少一組信道參數統計以及至少一種所選擇的發射模式計算；根據至少以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準選擇發射天線的特定的可能子集；將發射器的一個或多個RF鏈路連接到所選擇的特定的可能子集的發射天線上。
根據本發明一些方面的另一個實施例中，提供一種在包括發射器和接收器的通信系統中選擇天線的方法，所述發射器包括發射天線，該發射天線使用兩個或多個RF發射鏈路通過信道發射一組空間復用的RF輸出信號。所述接收器包括接收天線，該接收天線用於接收該組空間復用的RF輸出信號和相應地生成一組經兩個或多個RF鏈路處理的空間復用的接收RF信號。所述方法包括以下一項或多項建立該發射天線的可能的子集和該接收天線的可能的子集；確定對應於該發射天線的可能子集之一和該接收天線的可能子集之一的各種組合的信道參數統計；選擇分別與各種信道參數統計對應的發射模式；計算接收器的輸出誤碼率，每個輸出誤碼率都基於至少一組信道參數統計以及所選擇的相應的發射模式而計算；根據至少以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準選擇發射天線的特定的可能子集和接收天線的特定的可能子集；將所述兩個或多個RF發射鏈路連接到所選擇的特定的發射天線的可能子集上；將兩個或多個RF接收鏈路連接到所選擇的特定的接收天線的可能子集上。
根據本發明一些方面的又一個實施例中，提供一種在包括發射器和接收器的通信系統中選擇天線的方法。所述發射器包括發射天線，該發射天線使用一個或多個RF發射鏈路通過信道發射一組RF輸出信號。所述接收器包括接收天線，該接收天線用於接收該組RF輸出信號和相應地生成一組經一個或多個RF接收鏈路處理的接收RF信號。所述方法包括以下一項或多項建立該發射天線的可能的子集和該接收天線的可能的子集；確定對應於該發射天線的可能子集和該接收天線的可能子集的各種組合的信道參數統計；選擇分別與各種信道參數統計對應的發射模式；計算接收器的輸出誤碼率，每個輸出誤碼率都基於至少一組信道參數統計以及所選擇的相應的發射模式而計算；根據至少以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準選擇發射天線的特定的可能子集和接收天線的特定的可能子集；將所述一個或多個RF發射鏈路連接到所選擇的特定的發射天線的可能子集上；將所述一個或多個RF接收鏈路連接到所選擇的特定的接收天線的可能子集上。
通過以下的描述和附圖，可以更深入地理解本發明的各種優點、各種特性各個方面及其實施例的細節。其中，同一個附圖標記在各幅附圖中用於表示相同的或相似的部件。


圖1A和圖1B是常規的MIMO系統的示意圖；圖2A和圖2B是根據本發明一些方面的MIMO系統的示意圖；圖3是根據本發明一些方面的SM-MIMO-OFDM系統的示意圖；圖4A和圖4B是根據本發明一些方面進行天線選擇的流程圖；圖5是根據本發明一些方面導致的性能變化的示意圖；圖6是根據本發明一些方面的SC-MIMO-OFDM系統的示意圖；圖7是根據本發明一些方面的DS-SS SIMO系統中的接收器的示意圖。
具體實施例方式
一、概述本發明一些方面的一些實施例涉及使用具有多個天線單元的發射器和/或接收器的通信系統。
本發明一些方面的一些實施例涉及在多天線單元通信系統中提供信道-自適應天線選擇的方法和系統。
實施本發明一些方面的一些實施例，有助於根據至少部分地以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準在一個或多個多天線無線通信設備中選擇天線單元子集。
實施本發明一些方面的一些實施例，有助於在一個或多個多天線無線通信設備中選擇天線單元的子集，從而使誤碼率(BER)最小化或最優化。
實施本發明一些方面的一些實施例，有助於根據至少部分地以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準在一個或多個多天線無線通信設備中信道-自適應地選擇天線單元子集。
實施本發明一些方面的一些實施例，能夠使用比射頻(RF)鏈路數目更多的天線單元。本發明一些方面的一些實施例以具有成本效益的方式提高了系統性能。
可以使用本發明一些方面的一些實施例來選擇多天線發射器中天線單元的子集以發射信號和/或選擇多天線接收器中天線單元的子集以接收信號。
本發明一些方面的一些實施例中，至少部分地根據至少部分地以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準來選擇天線單元的子集。
本發明一些方面的一些實施例中，至少部分地基於最小誤碼率來選擇天線單元的子集。
本發明一些方面的一些實施例適用於使用，例如，碼分多址信號、擴頻信號、單載波信號、多載波信號、正交頻分復用信號和超寬帶信號、時空分集信號和空間復用信號的通信系統。
本發明一些方面的一些實施例中，至少部分地根據以與一個或多個通信信道相關的參數(例如統計參數)為基礎的最小誤碼率來選擇天線單元的子集。本發明一些方面的一些實施例中，至少部分地基於根據一個或多個適用的通信信道的參數統計而計算出的最小誤碼率來選擇天線單元的子集。
本發明一些方面的一些實施例可用於在多入多出(MIMO)通信系統中選擇天線。例如，MIMO通信系統提供發射器，該發射器通過N個發射天線單元廣播多個(N個)空間復用信號，該N個天線單元是從一組nT個天線單元中選取，其中nT＞N。例如，MIMO通信系統提供接收器，該接收器中共M個天線單元，從其中選擇N個接收天線單元，其中M＞N，該N個接收天線單元生成的輸出信號數目等於空間復用信號的數目。然後該輸出信號被提供給對應的RF鏈路以在基帶中處理。這樣，本發明一些方面的一些實施例有利於使BER最小化(例如，信道-自適應的BER最小化)和/或降低多天線系統中RF信號的處理成本。
根據本發明一些方面的一些實施例提供一種發射器，該發射器包括一個或多個RF鏈路和特定數量的發射天線，其中，RF鏈路的數量等於或少於發射天線的數量。根據本發明一些方面的一些實施例提供一種系統和/或方法，例如，選擇特定的多個發射天線的子集，被選擇的天線子集發射RF輸入信號，所發射的RF信號隨後作為多個RF輸出信號由接收器接收。建立特定多個發射天線的多個可能子集(例如，其數目等於或小於包括特定數量的發射天線或其他類型組合特性的可能子集的數目)。確定對應於該特定多個發射天線的可能子集的多組信道參數統計或其他參數。選擇與相應的信道參數統計對應的發射模式或其他類型的模式。所述發射模式包括，例如，調製水平和/或編碼率。例如，計算接收器的多個BER(如輸出BER)。其中，每一個輸出BER都至少部分地基於一組信道參數統計和/或相應的所選擇的發射模式來計算。例如，特定多個發射天線的可能子集可以基於至少部分地根據輸出BER和/或所選擇的發射模式而定的標準來選擇。接著，一個或多個RF鏈路被連接到所述發射天線上或特定多個發射天線中被選擇的可能子集的發射天線上。
根據本發明一些方面的一些實施例提供信道參數統計，其包括，一階統計、二階統計和更高階統計。信道參數統計包括以下一項或多項例如，接收器的輸出信噪比、輸出信號與幹擾及噪聲比、似然率(例如對數似然率)、信號群的歐幾裡得距離(Euclidean distance)。例如，信道參數統計可在頻域或時域上計算。
根據本發明一些方面的天線選擇方法的一些實施例可用於不同類型的多天線通信系統中。在特定的實施例中，可將根據本發明一些方面的天線選擇方法的一些實施例應用到單信道(SC)系統(如，沒有空間復用的系統)的多天線接收器中，應用到單信道系統的多天線發射器中或應用到使用空間復用(SM)或單信道的MIMO系統的發射器和/或接收器中。
例如，根據本發明一些方面的一些實施例，從一組M個可用的天線單元中選取N個接收天線單元(其中M＞N)，例如，考慮多種信道參數統計時，所選擇的天線單元的子集使BER最小化。實現過程如下首先建立多個發射天線的可能子集和M個接收天線的可能子集。該方法還包括確定對應於發射天線的可能子集之一和接收天線的可能子集之一的各種組合的多組信道參數統計。選擇分別與所述多組信道參數統計對應的多個發射模式。另外，至少部分地基於所述多組信道參數統計中的一組參數統計及對應的多個發射模式中的一個模式來計算接收器的多個輸出誤碼率。接著，基於一定的標準選擇多個發射天線的一個可能子集和多個接收天線的一個可能子集，其中，該標準至少部分地根據所述多個輸出誤碼率及多個發射模式而確定。該方法還包括將一個或多個RF發射鏈路連接到多個發射天線的所述一個可能子集和將一個或多個RF接收鏈路連接到多個接收天線的所述一個可能子集上。
根據本發明一些方面的一些實施例提供一種標準，例如，該標準基於以下一項或多項輸出誤碼率、發射模式、輸出誤碼率的最小值、數據速率的最大值、接收器第一級上的數據速率的最大值和接收器第二級上的輸出誤碼率的最小值。
當單信道或空間復用MIMO系統在發射端和/或接收端使用多個RF鏈路的情況下，可將確定的基帶加權和組合方案與天線選擇方法相結合，一起應用到發射器(如預編碼)和/或接收器中。例如，將基帶加權和天線選擇都設計成使BER最小化。在另一個實施例中，例如，在通過適當的天線選擇使BER最小化的同時，可將基帶加權設計成使輸出信噪比(SNR)、信號與幹擾及噪聲比(SINR)或容量最大化。
根據本發明一些方面的一些實施例涉及用於多天線系統，包括如N倍空間復用的多天線系統中，基於最小化BER選擇天線的信道-自適應方法和/或系統。為了使根據本發明一些方面的一些實施例易於理解，下面提供用於在多天線系統中實現天線選擇的典型的架構的概況。隨後，還提供與基於最小化BER進行信道-自適應的天線選擇的系統和方法相關的其他細節。
二、用於天線選擇的架構根據本發明一些方面的一些實施例可用於無線通信系統中，該無線通信系統中，發射器和/或接收器使用的RF鏈路數目少於使用的發射/接收天線的數目。在根據本發明一些方面的一些實施例中，從總共M個接收天線單元中選擇N個接收天線單元，其中M＞N。這樣生成N個RF輸出信號，接著，該N個RF輸出信號通過N個RF鏈路。在一個典型的實施例中，每個RF鏈路包括，例如濾波器、下變頻轉換器和A/D轉換器。接著，每個RF鏈路的A/D轉換器產生的輸出信號被數字處理以產生N個空間復用的輸出信號。通過在RF執行必需的天線子集的選擇，具有多於N個的接收天線，但只有N個RF鏈路的N倍空間復用系統的實現成本與具有N個接收天線的系統的成本近似。因此，在相對低成本下通過使用額外的天線能提升接收器性能。
可在具有N個RF鏈路和nT個發射天線的發射器上使用類似的技術，其中nT＞N。在一個實施例中，該N個RF鏈路後緊接著開關，該開關將每個RF鏈路連接到從nT個發射天線中選取的N個發射天線的子集上。與在接收器中一樣，通過在RF執行必需的天線的子集的選擇，具有多於N個的發射天線，但只有N個RF鏈路的N倍空間復用的系統的實現成本與具有N個發射天線和N個RF鏈路的系統的成本近似。因此，在相對低成本下通過使用額外的天線能提升發射器性能。
A、空間復用根據本發明一些方面的一些實施例，空間復用(SM)提供一種基於在發射器和接收器上均使用多個天線的信號發射模式，這種模式下，能夠增加無線鏈路的比特率而不需要增加相應的功率或帶寬消耗。當接收器和發射器都使用N個天線的情況下，提供給發射器的信息符號的輸入流被分成N個獨立的子碼流。空間復用試圖讓每個子碼流都佔據可適用的多址協議中相同的「信道」(如，時隙、頻率或編碼/鍵序列)。在發射器中，每個子碼流分別加到該N個發射天線上並通過居間多徑通信信道傳播給接收器。接著，接收器配置的N個接收天線的接收陣列接收複合的多徑信號。在接收器上，對來自接收天線陣列的相對於給定子碼流的N個相位和N個振幅定義的「空間籤名」進行估算。接著，應用信號處理技術以分離接收到的信號，該信號處理技術使原始子碼流得以還原和合成到原始輸入符號流中。J.H.Winters在《IEEE通信學報》1987年11月COM-35卷11號的論文」Optimum combining for indoor radiosystems with multiple users」中進一步闡述了空間復用通信的原理和典型的系統實現。本發明全面參考了該論文。
B、常規的MIMO系統通過考慮圖1所示的常規MIMO系統，能夠充分地闡述本發明的一些方面。如圖1所示，圖1中MIMO系統100包括圖1A所示的發射器110和圖1B所示的接收器130。發射器110和接收器130分別包括數目為T的一組RF發射鏈路和數目為R的一組RF接收鏈路，這些RF鏈路被配置以發射和接收數目為N的一組空間復用信號。系統100中，假設以下之一(i)T大於N，R等於N；(ii)T等於N，R大於N；或者(iii)T和R都大於N。
參考圖1A，將要發射的輸入信號S，該信號典型地包括數字符號碼流，由解復用器102分離成N個獨立的子碼流S1，2……，N。接著，子碼流S1，2……，N被發送給數位訊號處理器(DSP)105，DSP 105生成T個輸出信號T1，2……，T。該T個輸出信號T1，2……，T通常由將N個子碼流S1，2……，N通過加權而生成，即通過用T個不同的加權因子對該N個子碼流S1，2…，N中的每個子碼流權進行加權(如，用一個複數相乘)而形成NT個碼流。接著，將該N·T個碼流組合以形成T個輸出信號T1，2……，T。然後，用T個數字-模擬(D/A)轉換器108將該T個輸出信號T1，2……，T轉換成T個模擬信號A1，2……，T。通過在混頻器112中將本地振蕩器114產生的信號與該T個模擬信號A1，2……，T混頻將該T個模擬信號A1，2…，T上變頻到合適的發射載波RF頻率。接著，該T個RF信號(如RF1，2……，T)由相應的放大器116放大並由相應的天線118發射。
現在參考圖1B，發射器100發射的RF信號被安裝在接收器130上的R個接收天線131接收。接收天線131接收的R個信號中的每個信號都被相應的低噪放大器133放大並通過濾波器135濾波。接著，利用混頻器137將所得到的濾波信號從RF下變頻到基帶，每個混頻器都由本地振蕩器138提供一個本振信號。雖然圖1B中的接收器都被配置成零差接收器，但也可以使用以中頻(IF)頻率為特徵的外差接收器。然後，使用一組對應的R個模擬-數字(A/D)轉換器140將混頻器137產生的R個基帶信號轉換成數位訊號。接著，數位訊號處理器142將該R個數位訊號D1，2……，R加權和組合以形成N個空間復用輸出信號S′1，2……，N，該N個空間復用輸出信號S′1，2……，N包括發射信號S1，2……，N的估算。然後，多路復用器155將該N個輸出信號S′1，2……，N進行多路復用以產生原始輸入信號S的估算160(S′)。
C、空間復用通信系統中RF的天線選擇現在參見圖2，圖2所示為具有發射器210和接收器250的MIMO通信系統200，發射器210和接收器250在配置上能夠僅使用N個發射/RF接收鏈路實現N倍的空間復用，即使發射器210和接收器250上分別裝配有多於N個的發射/接收天線。具體地，發射器210包括一組MT個發射天線240，接收器包括一組MR個接收天線260，在本發明一些方面的一些實施例中，MT和/或MR大於或等於N。例如，(i)MT大於N，MR等於N；(ii)MT等於N，MR大於N；或著(iii)MT和MR都大於N。
如圖2A所示，將要發射的輸入信號S被解復用器202分離成N個獨立的子碼流SS1，2……，N。接著，對應的D/A轉換器組206將該N個獨立的子碼流SS1， 2……，N轉換成N個模擬子碼流AS1，2……，N。然後，本地振蕩器214給混頻器212提供信號，混頻器212將該N個模擬子碼流AS1，2……，N上變頻到合適的發射載波RF頻率。接著，開關218將生成的N個RF信號(如RF1，2……，N)中的每個RF信號連接到所選擇的N個發射天線單元的子集上。開關218將該N個RF信號(如RF1，2……，N)連接到從MT個可用發射天線240中選出的N個發射天線，從而獲得一組N個輸出信號。接著，對應的N個放大器234放大該N個輸出信號，經放大的輸出信號被選出的N個發射天線240發射。在另一實施例中，放大器234位於開關218之前。這種配置下，僅需要N個放大器而不是MT個；而如果該MT個發射天線中每個天線配置一個放大器，就需要MT個放大器。選擇N個天線是為了最小化接收器的輸出信號的BER。
參考圖2B，發射器210發射的N個RF信號被設置在接收器250上的MR個接收天線260接收。該MR個接收信號中每個接收信號都被對應的低噪放大器(LNA)264放大，接著，開關276將N個接收信號的子集連接到N個RF鏈路以形成N個RF信號，該N個RF信號通過對應的N個濾波器280。在另一個實施例中，低噪放大器264可位於開關276之後，這樣，使用的LNA的總數是N而不是MR；如果該MR個接收天線中每個接收天線都設置一個LNA，則需要MR個LNA。接著，使用N個混頻器282將生成的N個過慮信號下變頻到基帶，其中，本地振蕩器284向每個混頻器提供載波信號。在圖2B的實施例中，雖然接收器250是以零差接收器實現的，但接收器250也能夠以外差接收器實現，所述外差接收器以中頻(IF)頻率為特徵。(實際上，根據本發明一些方面的一些任何實施例都可以結合零差配置或外差配置)。對應的一組N個A/D轉換器286將混頻器282產生的N個基帶信號轉換成數位訊號。數位訊號處理器288進一步處理該N個數位訊號以形成N個空間復用的輸出信號SS′1，2……， N，該N個空間復用輸出信號SS′1，2……，N是N個獨立子碼流SS1，2……，N的估算。接著，多路復用器292對該N個輸出信號SS′1，2……，N進行多路復用以產生輸出信號S′，S′是輸入信號S的估算。
在本發明一些方面的一些實施例中，在發射端增加基帶加權和組合(如「預編碼」)方案，與下述的天線選擇方法結合使用。這種情況下，DSP模塊設置於解復用器202和D/A轉換器206之間，這樣N個獨立子碼流SS1，2……，N被複數因子加權和被組合以形成一組N個輸出信號。接著，對應的一組D/A轉換器206將該N個輸出信號轉換成模擬信號AS1，2……，N。
在本發明一些方面的實施例中，可以結合使用典型的天線選擇方法，在發射端增加時空編碼。這種情況下，用DSP模塊取代解復用器202，其在空間和時間域內處理輸入信號S以形成一組N個輸出信號。接著，對應的一組D/A轉換器206將該N個輸出信號轉換成模擬信號AS1，2……，N。常用的兩種時空技術是1)在N個輸出信號中的一個或多個輸出信號中引入時延(或相當於相位偏移)；2)使用發射分集技術，該技術在《IEEE Journal on Selected Areasin Communications》1998年10月第8期第16卷1451-1458頁，S.M.Alamouti撰寫的論文「A Simple transmit diversity technique for wirelesscommunications」中有相關闡述。本發明全文參考了該論文。
例如，時空編碼技術可適用於SC MIMO系統和/或為獲得分集增益而設計的系統。預編碼技術適用於基於SC或基於空間復用的MIMO系統或為獲得數據速率和分集增益兩者而設計的系統。
三、基於最小誤碼率在RF頻段進行信道自適應天線選擇的方法和/或系統A、概述根據本發明一些方面的一些實施例涉及在多天線通信系統中基於最小化誤碼率進行信道-自適應選擇天線的方法和/或信道-自適應天線選擇系統。例如，根據本發明一些方面的一些實施例，在多天線的通信系統中，選擇天線單元的子集來發射和/或接收信號，以使誤碼率最小化。例如，根據本發明一些方面的一些實施例，在多天線的通信系統中，選擇天線單元的子集來發射和/或接收信號，以便當一個或多個適用通信信道存在變化的情況下，使誤碼率在整個時間段最小化。當使用多個天線來發射時，可以使用根據本發明一些方面的一些實施例來選擇發射器的天線。當使用多個天線來接收時，可以使用根據本發明一些方面的一些實施例來選擇接收器的天線。
例如，根據本發明一些方面的一些實施例適用於(i)在稱為單信道系統(如沒採用空間復用的系統)中使用多個天線的接收器；(ii)在單信道系統中使用多個天線的發射器；和(iii)在空間復用或單信道的MIMO系統中發射器和/或接收器使用的RF鏈路少於發射和/或接收天線的系統。
以下將參考圖3至圖7，在以下的典型範圍中對本發明一些方面的一些實施例進行闡述1)具有空間復用的MIMO系統，其中發射器和接收器使用的RF鏈路的數目小於發射器/接收器天線的數目；2)不具有空間復用的單信道MIMO系統，其中發射器和接收器使用的RF鏈路的數目小於發射器/接收器天線的數目的；和3)不具有空間復用的單信道SIMO系統，其中包括使用多個天線單元的接收器。根據本發明一些方面的一些實施例還可用於不具有空間復用的單信道(SC)多入單出(MISO)系統，其中發射器使用多個天線單元。
作為示例，下面的實施例是對使用正交頻分復用調製(OFDM)(如遵循802.1-1a WLAN標準)的系統或基於直接序列擴頻(DS-SS)(如遵循WCDMA標準)的系統進行闡述的。根據本發明一些方面的一些實施例，通過結合時空Rake接收器，DS-SS接收器的處理容量能夠擴展到空間域，時空Rake(耙式)接收器能有效地組合對應於時間域和空間域兩者的多徑「抽頭(taps)」。這種擴展表明這裡所述的技術能推廣到實際中在頻率選擇性衰落環境下的任何使用時間和/或頻率域處理的系統。
B、SM-MIMO-OFDM系統中的天線選擇圖3所示的是根據本發明一些方面的一些實施例使用天線選擇的SM-MIMOOFDM系統300的發射器和接收器結構。如圖所示，兩個獨立的子碼流304(如空間復用信號)OFDM調製在Nt個頻率副載波上，並通過兩個RF鏈路308，為發射做準備。在這點上，開關模塊312從4個發射天線單元316中選擇兩個天線單元並將該兩個天線單元連接到兩個RF鏈路308上。因為發射器302的4個天線單元316隻有兩個被選擇，所以RF發射鏈路的數目方便地減少到空間復用信號的數目。
在圖3所示的實施例中，在任何給定時刻，開關模塊312都包含識別將用於發射的天線單元對316的信息。開關模塊312本身可以根據基於最小BER標準的運算法則計算該信息(如在信道318是可互換(reciprocal)的情況下)。在另一個實施例中，模塊312可通過反饋路徑(圖中未示出)接收來自接收器330的信息。在信道318不是可互換(reciprocal)的情況下，例如在限制幹擾環境下可使用後一種方法。
接收器330中，開關模塊334從4個天線單元338中選擇兩個天線單元用於接收發射器302發射的入射信號。開關模塊334將選擇的2個天線338連接到兩個RF鏈路342，該兩個RR鏈路342用於將該兩個信號轉換成數字域以進行基帶處理。接著，在每個調(at each tone)上將加權矩陣346應用到所接收的信號上以分離和還原每一個被發射的空間復用信號。
在典型的實施例中，配置開關模塊334使其能夠通過執行基於最小BER標準的運算法則自己計算出應該選擇天線單元338中的哪對天線單元來接收。當信道不是可互換情況下，可以對模塊334進行進一步配置，以計算出發射器302應該使用哪一對天線單元316，並將該信息提供給發射器302。下面結合圖4A和圖4B對由開關模塊312、334執行的兩種可能的天線選擇運算法則進行描述。
轉到圖4A中，圖4A所示為天線選擇運算法則400的流程圖，其中，編碼/調製模式(如數據速率或吞吐量)是固定或適應於長期原則(long-termbasis)(如適用於SNR的大範圍變化)。天線選擇運算法則的任務是在給定模式下為每個數據分組確定發射器302應該使用天線單元316中的哪對天線單元和確定發射器330應該使用天線單元338中的哪對天線單元。例如，該選擇過程中，假定信道318是準固定的(例如，信道318在數據分組發射期間內是不變的，在兩個相鄰的數據分組間是獨立地變化的)。雖然信道318表現出一些頻率選擇性，天線選擇對於整個頻率帶寬來說是共通的。
參考圖4A，當發射器302剛啟動(步驟401)且信道318的狀態尚未知時，使用天線單元316中默認的一組兩個天線單元的子集發射無線信號。類似地，接收器330使用天線單元338中默認的一組兩個天線單元的子集以獲得同步。接著，獲得信道狀態信息(CSI)(步驟402)。在根據本發明一些方面的一些實施例中，獲取CSI的操作由接收器330執行。由已知符號組成的訓練序列從發射器302發送到接收器330。接收器330中，基於所接收的信號和已知的符號序列估算信道318。每當信道318改變，如在每個數據分組實現時，都進行該估算操作。為了成功執行該選擇方法，應該在整個頻率帶寬內進行完全的信道矩陣估算(如，對從發射器302的所有天線單元316到接收器330的所有天線單元338在所有調上(across all tones)進行信道路徑增益估算)。J.J.Van de Beek等人在IEEE第45屆「Vehicular TechnologyConference」1995年7月25-28日第2卷第815-819頁的論文「On ChannelEstimation in OFDM Systems」和A.N.Mody及G.L.Stuber在IEEE Globecom2001年第一卷第509-513頁的論文「Synchronization for MIMO OFDM Systems」中闡述了適用於MIMO系統的基於訓練序列的信道估算技術。本發明全文參考了這些論文。
再參考圖4，通過執行鏈路自適應運算法則獲取模式信息(步驟404)。在圖4A所示的實施例中，模式變化出現緩慢。因此能夠使用鏈路自適應運算法則來確定從長期平均SNR來看，哪種可能的候選模式是最適合使用的。在給定模式選擇標準下(如，最大的數據速率和最小的發射功率)，從長期變動的信道/SNR條件來看，使用鏈路自適應運算標準能夠確保使用的是最有效的模式。能夠用於頻率選擇性MIMO系統中的典型的鏈路自適應運算法則在IEEE通信雜誌2002年6月第40卷第6號第108-115頁S.Catreux等人的論文「Adaptive Modulation and MIMO Coding for Broadband Wireless DataNetworks」有闡述，本發明全面參考了該論文。通常，模式選擇獨立於選擇發射器/接收器天線單元的方法。模式的選擇可排外地基於長期的SNR統計。因此，模式變化的速率比天線選擇的速率要慢很多。換句話說，選擇運算法則可能對應於每個數據分組實現選擇新的天線子集，而模式變化則作為長期SNR變化的函數。
步驟406、408和410以循環方式重複執行，直到所有可能的發射/接收天線單元的子集的組合被估算完(步驟411)。例如，考慮圖3所示類型的MIMO-OFDM系統(如，配置有4個發射天線單元316和4個接收天線單元338)，完整的信道矩陣可以在頻率域內調k(tone k)上用4×4的矩陣表示，該4×4矩陣用Hk表示。在每一端都選擇了兩個天線的子集後，子信道矩陣的尺寸減小為2×2的矩陣，用 表示。從總共4個天線單元中選擇2個單元的組合有42=6]]>種可能的選法。因為天線選擇是應用到發射器302和接收器330兩者中的，所以 的可能的組合的總數是36。通常，在M×M的MIMO系統的尺寸減小到n×n的MIMO系統(M＞n)的情況下，從M個可能的天線單元中選擇n個天線單元的可能組合有Mn=M!n!(M-n)!]]>種。當發射器和接收器上都進行天線選擇時， 的可能的組合的總數是 這對應於包括步驟406、408和410的循環重複的次數。該重複過程可以串行方式進行(如重新使用共用的處理資源)或以並行方式進行(如花費額外的處理資源)。在典型的實施例中，能夠同時處理所有的可能的天線組合，其中每個可能的天線組合使用獨立的處理資源。
包括步驟406、408和410的循環的每次重複都影響一個天線子系統的處理。首先，為期望子系統獲取所有調(tone)上(k＝1，……，Nt)的2×2矩陣 (步驟406)。接著，在每個調k上和為每個被發射的空間復用信號計算處理後的信號與幹擾及噪聲比(SINR)(步驟408)。基於發射器302和/或接收器330使用的信號處理技術(如，最大比例合成(MRC)、最小均方差(MMSE)、本徵波束成型和最大似然(ML))，常常用閉型解決方法求解SINR。例如，如果發射器302沒有執行空間處理且接收器330使用MMSE，那麼SINR可如下確定計算Bk=H~kHH~k+2s2I2]]>其中，I2=1001,]]>σ2與σs2分別表示噪聲和信號功率，k＝1，……，Nt(步驟408-1)。
計算Ck=1/diag(Bk-1),]]>對每一個k＝1，……，Nt，CK是N×1的矢量(步驟408-2)。
計算SINRk=s22Ck-1,]]>對每一個k＝1，……，Nt，SINRk是N×1的矢量
(步驟408-3)。
步驟410中，考慮到當前模式，SINR信息被轉換成BER信息(如步驟404)。因為BER可能是信道318和所使用的編碼/調製及天線組合技術的複雜函數，所以採用BER的近似表達式。該近似表達式也可以是信道318和適用的編碼/調製及天線組合技術的函數。發射子碼流i的數據分組(例如，如果使用了編碼，Viterbi解碼器的輸出)上的BER可表示為一組SINRk、K＝1，……，Nt的非線性的未知函數f，如BERi=f({SINRki}),i=1,...,N;k=i,...,Nt]]>接著，用一些已知函數近似表示函數f。具體地，用信道的平均誤碼率近似表示輸出BER，如BERt1/Ntk=1NtBERki---(1)]]>其中BERki是空間復用子碼流i在調k上給定SINR下的誤碼率。在另一個實施例中，BERk是在調k上給定信噪比(SNR)下的誤碼率。當BERk是在信道時間取樣k上給定SINR下的誤碼率時，也可在時間域內取平均值。BERk可以是對應於給定信號成分(如信道調或控制延遲)的誤碼率。
另外，也可以用一些簡單的閉型函數近似表示BERk。通過仿真發現能夠模擬802.1-1a的模式1(如BPSK、R1/2)下與SINR或SNR(在一些實施例中，可忽略BER標準化因子1/Nt，因為該因子不影響天線選擇)相關的平均誤碼率BER的行為，例如通過BER-k=1Nttanh(SINRki);i=1,...,N---(2)]]>可用-tanh(SINRk)近似表示信號成分k的BER。
函數tanh不總是能夠充分近似表示BER，特別是對於不同的調製技術。當使用特定的技術時，可用以下的函數更好地近似表示BER1)AWGN信道下未編碼的BPSK調製的BER是(例如參見J.G.Proakis，Digital Communications，3rdED.McGraw-Hill Series，1995)BERBPSK=Q(2EbNo)=Q(2b)=12erfc(b)=12erfc(s)]]>
可用下面的函數(與y＝-tanh(x)比較)適度地近似表示函數erfc的形式y=-[(1-e-2x)+(1-e-1.8x)]]]>2)AWGN信道下未編碼的QPSK調製的BER是(例如參見J.G.Proakis，Digital Communications，3rdED.McGraw-Hill Series，1995)BERQPSK=Q(2EbNo)=Q(2b)=12erfc(b)=12erfc(s2).]]>可用下面的函數來比y＝-tanh(x)更好地近似表示 的形式y=-[(1-e-1.3x)+(1-e-x)]]]>3)AWGN信道下未編碼的16QAM調製的BER可從給定的符號誤碼率導出，例如從J.G.Proakis，Digital Communications，3rdED.McGraw-Hill Series，1995中給定的符號誤碼率導出BER16QAM=1-1-32Q(3Es15No)=1-1-34erfc(s10)]]>一個適當的擬合函數是y＝-(1-e-02x)。
4)AWGN信道下未編碼的64QAM調製的BER可從給定的符號誤碼率導出，例如從J.G.Proakis，Digital Communications，3rdED.McGraw-Hill Series，1995中給定的符號誤碼率導出BER64QAM=1-(1-74Q(s21))1/3=1-(1-78erfc(s42))1/3]]>一個適當的擬合函數是y=-(1-e-0.35x).]]>可以理解，任何能夠合理地模擬BER與SINR關係的擬合函數都可用在等式(2)中。該合適的擬合函數的數目不限於上面列舉的例子。
如上所示，步驟406至步驟410重複執行，直到考慮完所有可能的天線子集的組合(步驟411)。重複過程的結果是，獲得了所有 (或 種可能的天線組合的BER值的一組N個估算(每個空間復用信號對應於一個估算)。接著，後面就是選擇能夠將該組BER的均值(mean)、該組BER的最大值(max)或該組BER的最小值(min)最小化的的天線子集(步驟412)。
圖4B是天線選擇運算法則500的流程圖，其中，響應信道318的相應變化，編碼/調製模式改變的次數與每數據分組實現的次數相同。在該實施例中，編碼/調製模式調整的頻率與天線選擇實現的頻率相同。
參考圖4B，步驟501和502分別與步驟401和402相似。如圖所示，步驟504到步驟510包括一個循環，該循環重複執行直到所有的可能的天線子集的組合已經估算完畢。該循環重複的次數等於 (在鏈路的一端進行選擇)或 (在鏈路的兩端都進行選擇)。有關這一點，步驟504和506分別與步驟406和408相似。基於對所有調上的瞬時SINR的了解，鏈路適應模塊在給定模式選擇標準下(如最大的數據速率和最小的發射功率)為每個空間復用信號確定最有效的模式(步驟508)。該步驟與步驟404相似，不同的是模式確定是基於瞬時SNR(或SINR)統計而不是基於長期的SNR(或SINR)統計。因此，不同的天線子集的組合可能獲得不同的模式確定。最後，在給定的瞬時SINR和模式信息下，步驟510以步驟410中所述的方式計算或確定對應的BER。
再一次，執行步驟504至步驟510直到所有的可能的天線組合已經考慮完畢(步驟511)。一旦重複執行完畢後，獲得所有 (或 種可能的天線組合的BER值的一組N個估算(如每個空間復用信號對應一個估算)。選擇運算法則500與運算法則400的不同之處在於 (或 種可能的天線組合無需使用相同的編碼/調製模式。因此，選擇哪一個天線子集不僅取決於BER的最小化，還取決於模式(如數據速率或吞吐量)。按照選擇運算法則500中的步驟512，在選擇天線單元子集作出最終確定時，有以下幾種典型選項選項11)將使用相同模式的天線子集的所有組合歸組到公用存儲池(common pool)。
2)選擇與最高模式(獲得最大速據速率)對應的存儲池(pool)。
3)在該存儲池中，用與步驟412充分相似的方式選擇將BER最小化的天線子集的組合。
選項2不考慮每個組合使用的模式，用與步驟412充分相似的方式選擇將BER最小化的天線子集的組合。
選項3執行選項1和選項2的混合版，例如
1)將使用相同模式的天線子集的所有組合歸組到公用存儲池。
2)選擇與X個最高模式(獲得最大速據速率)對應的X個存儲池，其中，X是整數，等於1或2或3，等。
3)在這些存儲池中，用與步驟412充分相似的方式選擇將BER最小化的天線子集的組合。
圖5所示為在噪聲限制環境下的SM-MIMO-OFDM系統中採用典型的天線選擇技術後，作為SNR函數的分組誤碼率(PER)的示意圖。例如，可將圖5的結果應用到以圖3所示的示例性方式使用4個發射和接收天線的系統中。結果僅反映了一些示例中1000位元組大小的數據分組和固定的編碼/調製模式的情況。該結果也反映了可適用的發射器和接收器都結合了兩個典型的RF鏈路。另外，圖5的結果使用BPSK調製、編碼率為1/2(如802.11a的模式1)、信道模型特徵為「信道A」(如50ns rms的延遲擴展、0.5的天線相關性)和擬合函數是tanh。
圖5中的曲線的圖例如下2×22SM-MIMO MMSE該系統對應於使用2個發射天線和2個接收天線、有2個空間復用(SM)信號的SM-MIMO-OFDM系統。因為天線的數目等於SM信號的數目，所以沒有應用天線選擇。接收器中使用基帶組合方案來分離2個子碼流，如MMSE。
4×42SM-MIMO sel mcap MMSE該系統對應於使用4個發射天線單元和4個接收天線單元、有2個空間復用(SM)信號的SM-MIMO-OFDM系統。發射器和接收器上都應用常規的選擇方法以根據最大容量標準在4個天線單元中選擇2個天線單元的子集。接收器上選擇天線子集後，MMSE被應用到基帶中以分離2個子碼流。
2×42SM-MIMO sel mber MMSE(bound)該系統對應於使用2個發射天線單元和4個接收天線單元、有2個空間復用(SM)信號的SM-MIMO-OFDM系統。僅在接收端上應用選擇方法以根據最小BER標準在4個天線單元中選擇2個天線單元的子集。這種情況下，沒有使用擬全函數來近似表示BER。作為替代，假定已經完全知道BER。這種情況不容易實現，但提供了通過使用本發明一些方面的一些實施例能達到的性能的範圍。
4×4 2SM-MIMO sel mber MMSE(bound)該系統對應於使用4個發射天線單元和4個接收天線單元、有2個空間復用(SM)信號的SM-MIMO-OFDM系統。在發射端和接收端上都應用選擇方法以根據最小BER標準在4個天線單元中選擇2個天線單元的子集。這種情況下，沒有使用擬合函數來近似表示BER。作為替代，假定已經完全知道BER。這種情況不容易實現，但提供了通過使用本發明一些方面的一些實施例能達到的性能的範圍。
4×42SM-MIMO sel mber MMSE(implementation tanh)該系統對應於使用4個發射天線單元和4個接收天線單元、有2個空間復用(SM)信號的SM-MIMO-OFDM系統。在發射端和接收端上都應用根據本發明一些實施例的選擇方法，以根據最小BER標準在4個天線單元中選擇2個天線單元的子集。使用tanh作為近似表示BER的擬合函數。
圖5的結果表明，相對於不使用天線選擇的系統，所有的使用一些類型的天線選擇的系統提供了增益，也表明了基於最小BER標準的天線選擇比基於最大容量標準的天線選擇能提供更大的增益。具體地，相對於不使用天線選擇的系統，在發射器和接收器都應用了根據本發明的天線選擇的系統在10e-2的PER水平上獲得7.6dB的增益；相對於使用基於最大容量標準的天線選擇的系統，在發射器和接收器都應用了根據本發明的天線選擇的系統在10e-2的PER水平上獲得4.2dB的增益。能觀察到，僅僅在接收器上應用根據本發明一些方面的一些實施例的選擇方法獲得的增益，小於在發射器和接收器都應用選擇方法所獲得的增益，但大於不使用選擇方法的增益。最後，根據本發明一些方面的一些實施例的系統的性能非常接近圖5所示的理論上的性能範圍。
C、SC-MIMO-OFDM系統的天線選擇圖6所示的是SC-MIMO-OFDM系統600，該系統除使用根據本發明一些實施例的天線選擇方法外，還使用預編碼技術。在圖6的實施例中，預編碼涉及發射器602上執行的各種基帶加權和組合方案。參考圖6，單碼流符號604由一組複合因子608加權和組合以生成一組N個輸出信號，其中N與發射器602中使用的RF鏈路612的數目有關。接著，這N個輸出信號通過N個RF鏈路612以產生N個RF信號。接著，該N個RF信號被開關620連接到M個發射天線單元616中相應的一組N個發射天線單元並通過信道624發射。
接收器622中，開關630從M個接收天線單元626中選擇N個接收天線單元以接收通過信道624進來的信號。接著，該N個RF接收信號被N個RF鏈路634處理，並為進行基帶處理而轉換成數字域以還原原始發射信號。
例如，根據本發明一些方面的一些實施例，將基帶加權608和天線選擇方法設計到一起，以共同將BER最小化。例如，根據本發明一些方面的一些實施例中，選擇基帶加權608來最大化輸出SNR(或SINR)或容量，同時實施天線選擇以最小化BER。與最大奇異值(singular value)對應的子信道矩陣 的右奇異矢量和左奇異矢量可用於選擇最佳的發射天線616的子集、接收天線626的子集以及合適的發射基帶加權608和接收基帶加權640。J.B.Andersen在《IEEE Antennas and Propagation Magazine》2000年4月第42卷第2號第13-16頁中，對未採用天線選擇MIMO系統範圍內的基帶加權值的確定進行了描述，本發明全文參考了該文章。
可用時空編碼模塊取代發射器602中的基帶加權608來修改圖6所示的實施例。這種情況下，根據本發明一些實施例，發射器和接收器上都使用天線選擇方法來選擇天線子集。另外，時空編碼模塊處理符號的輸入碼流，如S.M.Alamouti在《IEEE Journal on Selected Areas in Communications》1998年10月第8期第16卷第1451-1458頁的「A simple transmit diversitytechnique for wireless communications」中所述。
D、DS-SS-SIMO系統的天線選擇圖7是DS-SS SIMO系統的具有2個接收天線單元704(nR＝2)的接收器700的示意圖。接收器700結合了RAKE接收器功能和典型的天線選擇處理。如圖所示，接收器700僅設置有單個RF鏈路708，在任何時刻下，開關712將該RF鏈路708連接到兩個接收天線單元704中的一個天線單元。基於最小BER標準來確定選擇兩個天線單元704中的哪個天線單元與RF鏈路708連接。根據本發明一些方面的一些實施例中，計算與每個接收天線單元704對應的接收信號的BER值，選擇獲得最小BER值的天線單元704。因為BER通常是可適用的信道以及使用的編碼/調製和天線組合技術的複雜的函數，給定信道和天線組合技術給定時，近似表示BER，使BER的變化是所使用的編碼/調製方法的函數。
一旦選擇出天線單元704中的最佳天線，RAKE接收器以在單入單出(SISO)系統(如鏈路的每端有一個天線)中相同的方式運行。RAKE接收器使用J個相關器720(如圖7中J＝2)，每個相關器都與第一J個獨立多徑組件之一對應。每一個這樣的組件都分別與時延τJ相關，j＝1，……，J。接著，每個相關器720的輸出(如指針)被加權730和組合740以形成接收信號的單個輸出750，該輸出750包括已發射信號的估算。
在一個實施例中，在RAKE接收器的輸入端，對應於第i個天線單元704的接收信號可表示為ri(t)=l=1Lihi,l2Pd(t-i,l)p(t-i,l)cos(w0(t-i,l)-i,l)+ni(t)---(3)]]>其中，Li是第i個天線單元704接收的信道中的抽頭(tap)的數目，hi，l是天線i和抽頭 的複合信道增益，P是信號發射功率，d是包括周期T的符號的數據序列，p是擴展序列，該擴展序列包括周期Tc＝T/G的晶片，其中G是擴展因子。另外，τi，l對應於抽頭 和天線i的路徑延遲，wo對應於載波頻率，wo＝2πf0，θi，l對應於抽頭 和天線i的移相。在第i天線單元704上測得的噪聲ni的模型為兩端頻譜密度為N0/2的AWGN處理。為了表達簡潔和清晰，等式(3)假定單用戶環境。但是，本發明不局限於該假定，本發明能應用到多用戶環境中。
在第j個指針的相關器720的輸出端，接收信號如下表示ri,j=2Tjjri(t)p(t-j)cos(w0(t-j)-j)dt=PThi,jd0+ni,j---(4.)]]>其中d0是將要調製的期望符號，ni，l是具有0均值和兩端頻譜密度為N0/2的AWGN噪聲成分。同樣為了表達簡潔和清晰，假定等式(4)中沒有路徑內幹擾(IPI)。但是，本發明也能用於存在IPI的環境中。
分集組合之後，與第i個天線單元704對應的RAKE接收器的最終輸出是ri=j=1Jwi,jri,j---(5.)]]>其中J是RAKE接收器的指針數目，通常選擇最適宜的組合加權以匹配信道，如wi,j=hi,j*---(6.)]]>這種環境下，RAKE執行最大比例的組合，與第i個天線單元704對應的的RAKE輸出端的SNR是i=j=1Ji,j---(7.)]]>其中，γi，j是與第i個天線單元704關聯的第j個路徑上組合後的SNR。基於等式(4)，可以用下式表示i,j=|hi,j|2P2---(8.)]]>其中，2=N022T]]>是噪聲功率。
可從對γi的似然密度函數(PDF)的認知中獲取與第i個天線單元704對應的RAKE接收器的輸出端的BER。例如，如果數據序列沒有使用編碼，應用了BPSK調製，如J.G.Proakis，1995年McGraw-Hill系列，第3版的「DigitalCommunications」中所述的方法，通過將表示為 的條件差錯概率結合到γi的似然密度函數(PDF)中能求出BER，如BERi=0Q(2i)pr(i)di---(9.)]]>一旦估算完所有的接收天線的BER，就選擇獲得最小BER的天線單元704mini=1,...nR{BERi}---(10)]]>其中，nR表示接收天線單元的總數。
顯然，當在系統中加入編碼(如turbo編碼，卷積編碼)和使用其他調製級時，等式(9)中使用的用於估算BER的模擬函數將需要改變。根據本發明一些方面的一些實施例中，典型的天線選擇運算法則能使用任何能夠準確模擬給定系統中BER行為的擬合函數。通常，擬合函數取決於以下一項或多項參數，例如信道、使用的編碼和/調製、發射端和/或接收端的信號處理、接收器SNR和其他參數。
圖7所示的典型的實施例可擴展到二維RAKE接收器，二維RAKE接收器中進行空間域和時間域的處理。在該範圍內，可結合典型的天線選擇運算法則來從總共M個天線中選擇N(N＞1)個天線的子集(M＞N)，所選擇的子集將二維RAKE輸出端的BER最小化。
本發明是通過一些實施例進行描述的，本領域技術人員知悉，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以對這些特徵和實施例進行各種改變或等效替換。另外，在本發明的教導下，可以對這些特徵和實施例進行修改以適應具體的情況及材料而不會脫離本發明的精神和範圍。因此，本發明不受此處所公開的具體實施例的限制，所有落入本申請的權利要求範圍內的實施例都屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種選擇接收器的接收天線的子集以接收被發射的RF信號的方法，包括建立所述接收天線的可能的子集；確定與所述接收天線的可能的子集對應的信道參數統計組；計算接收器的輸出誤碼率，每個輸出誤碼率都基於至少一組信道參數統計而計算；根據以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準選擇接收天線的特定的可能子集；將接收器的一個或多個RF鏈路連接到所選擇的特定的可能子集的接收天線上。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括選擇發射模式，其中，每種發射模式的選擇都基於至少一組信道參數統計；和使所述標準至少基於所選擇的發射模式。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，每組信道參數統計包括接收器的輸出信噪比、輸出信號與幹擾及噪聲比、對數似然率、信號群的歐幾裡得距離中的至少一種。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，每組信道參數統計包括一階統計、二階統計和更高階統計中的至少一種。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，每組信道參數統計都在頻域上計算。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，每組信道參數統計都在時域上計算。
7.根據權利要求2所述的方法，其中，每個所選擇的發射模式包括調製水平和編碼率。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，所述標準基於最小輸出誤碼率。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述標準基於接收器第一級的最大數據速率和接收器第二級的最小輸出誤碼率中的至少一個。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，至少一個所述輸出誤碼率用閉型表達式近似表示。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，每一個輸出誤碼率用閉型表達式近似表示。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，所述閉型表達式至少包括以下之一a)y＝-tanh(x)，b)---y=-[(1-e-2x)+(1-e-1.8x)],]]>c)---y=-[(1-e-1.3x)+(1-e-x)],]]>d)y＝-(1-e-0.2x)，或e)---y=-(1-e-0.35x).]]>
13.根據權利要求10所述的方法，其中，所述閉型表達式取決於已發射的RF信號的編碼和調製中的至少一個。
14.根據權利要求10所述的方法，其中，所述閉型表達式是接收器的輸出信噪比或輸出信號與噪聲及幹擾比的函數。
15.根據權利要求1所述的方法，其中所述接收天線的數目大於RF鏈路的數目，和每個可能的子集中接收天線的數目等於RF鏈路的數目。
16.一種選擇發射器的發射天線的子集以發射RF輸入信號的方法，其中所發射的RF輸入信號作為隨後由接收器接收的多個輸出RF信號，所述方法包括建立發射天線的可能的子集；確定與所述發射天線的可能的子集對應的信道參數統計組；選擇分別與各組信道參數統計對應的發射模式；計算接收器的輸出誤碼率，每個輸出誤碼率都基於至少一組信道參數統計以及至少一種所選擇的發射模式而計算；根據至少以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準選擇發射天線的特定的可能子集；將發射器的一個或多個RF鏈路連接到所選擇的特定的可能子集的發射天線上。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，每組信道參數統計包括接收器的輸出信噪比、輸出信號與幹擾及噪聲比、對數似然率、信號群的歐幾裡得距離中的至少一種。
18.根據權利要求16所述的方法，其中，每組信道參數統計包括一階統計、二階統計和更高階統計中的至少一種。
19.根據權利要求16所述的方法，其中，每組信道參數統計都在頻域上計算。
20.根據權利要求16所述的方法，其中，每組信道參數統計都在時域上計算。
21.根據權利要求16所述的方法，其中，每個所選擇的發射模式包括調製水平和編碼率。
22.根據權利要求16所述的方法，其中，所述標準最小化接收器的輸出誤碼率。
23.根據權利要求16所述的方法，其中，所述標準基於所計算的輸出誤碼率和所選擇的發射模式。
24.根據權利要求16所述的方法，其中，所述標準基於接收器第一級的最大數據速率和接收器第二級的最小輸出誤碼率中的至少一個。
25.根據權利要求16所述的方法，其中，每一個輸出誤碼率用閉型表達式近似表示。
26.根據權利要求25所述的方法，其中，所述閉型表達式至少是以下之一a)y＝-tanh(x)，b)---y=-[(1-e-2x)+(1-e-1.8x)],]]>c)---y=-[(1-e-1.3x)+(1-e-x)],]]>d)y＝-(1-e-0.2x)，或e)---y=-(1-e-0.35x).]]>
27.根據權利要求25所述的方法，其中，所述閉型表達式取決於RF輸出信號的編碼和調製中的至少一個。
28.根據權利要求25所述的方法，其中，所述閉型表達式是接收器的輸出信噪比或輸出信號與噪聲及幹擾比中至少一個的函數。
29.根據權利要求1所述的方法，其中，所述被發射的RF信號至少包括以下之一碼分多址信號、單載波信號、正交頻分復用編碼和超寬帶信號。
30.根據權利要求16所述的方法，其中，所述多個RF輸出信號至少包括以下之一碼分多址信號、單載波信號、正交頻分復用信號和超寬帶信號。
31.根據權利要求16所述的方法，其中所述發射天線的數目大於RF鏈的數目，和每一可能的子集中發射天線的數目等於RF鏈的數目。
32.一種在包括發射器和接收器的通信系統中選擇天線的方法，所述發射器包括發射天線，該發射天線使用兩個或多個RF發射鏈路通過信道發射一組空間復用的RF輸出信號，所述接收器包括接收天線，該接收天線用於接收該組空間復用的RF輸出信號和相應地生成一組經兩個或多個RF鏈路處理的空間復用的接收RF信號，所述方法包括建立所述發射天線的可能的子集和所述接收天線的可能的子集；確定對應於所述發射天線的可能子集和所述接收天線的可能子集的各種組合的信道參數統計；選擇分別與各種信道參數統計對應的發射模式；計算接收器的輸出誤碼率，每個輸出誤碼率都基於至少一組信道參數統計以及所選擇的相應的發射模式而計算；根據至少以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準選擇發射天線的特定的可能子集和接收天線的特定的可能子集；將所述兩個或多個RF發射鏈路連接到所選擇的特定的發射天線的可能子集上；將所述兩個或多個RF接收鏈路連接到所選擇的特定的接收天線的可能子集上。
33.根據權利要求32所述的方法，其中，每一組信道參數統計包括接收器的輸出信噪比、輸出信號與幹擾及噪聲比、對數似然率、信號群的歐幾裡得距離中的至少一種。
34.根據權利要求32所述的方法，其中，每組信道參數統計包括一階統計、二階統計和更高階統計中的至少一種。
35.根據權利要求32所述的方法，其中，每組信道參數統計都在頻域上計算。
36.根據權利要求32所述的方法，其中，每組信道參數統計都在時域上計算。
37.根據權利要求32所述的方法，其中，每個所選擇的發射模式包括調製水平和編碼率。
38.根據權利要求32所述的方法，其中，所述標準基於接收器的最小輸出誤碼率。
39.根據權利要求32所述的方法，其中，所述標準基於所計算的輸出誤碼率和所選擇的發射模式。
40.根據權利要求32所述的方法，其中，所述標準基於接收器第一級的最大數據速率和接收器第二級的最小輸出誤碼率中的至少一個。
41.根據權利要求32所述的方法，其中，所述輸出誤碼率用一個或多個閉型表達式近似表示。
42.根據權利要求41所述的方法，其中，所述一個或多個閉型表達式至少包括以下之一a)y＝-tanh(x)，b)---y=-[(1-e-2x)+(1-e-1.8x)],]]>c)---y=-[(1-e-1.3x)+(1-e-x)],]]>d)y＝-(1-e-0.2x)，或e)---y=-(1-e-0.35x).]]>
43.根據權利要求41所述的方法，其中，所述一個或多個閉型表達式取決於該組空間復用RF輸出信號的編碼和/或調製中的至少一個。
44.根據權利要求41所述的方法，其中，所述一個或多個閉型表達式是接收器的輸出信噪比或輸出信號與噪聲及幹擾比中至少一個的函數。
45.根據權利要求32所述的方法，其中，該方法還包括使用一組基帶加權值對輸入信號執行分離和加權操作以形成第一組基帶信號；和至少基於該第一組基帶信號產生所述空間復用RF輸出信號組。
46.根據權利要求32所述的方法，其中，該方法還包括將接收到的空間復用RF信號降頻以形成第一組基帶信號；和使用第一組基帶加權值對該第一組基帶信號實施基帶加權和合成操作。
47.根據權利要求32所述的方法，其中，所述空間復用RF輸出信號至少包括以下之一碼分多址信號、單載波信號、正交頻分復用信號和超寬帶信號。
48.根據權利要求32所述的方法，其中所述發射天線的數目大於所述兩個或多個RF鏈的數目，和所述接收天線的數目大於所述兩個或多個RF鏈的數目。
49.一種在包括發射器和接收器的通信系統中選擇天線的方法，所述發射器包括發射天線，該發射天線使用一個或多個RF發射鏈路通過信道發射一組RF輸出信號，所述接收器包括接收天線，該接收天線用於接收該組RF輸出信號和相應地生成一組經一個或多個RF接收鏈路處理的接收RF信號，該方法包括建立所述發射天線的可能的子集和所述接收天線的可能的子集；確定對應於所述發射天線的可能子集和所述接收天線的可能子集的各種組合的信道參數統計；選擇分別與各種信道參數統計對應的發射模式；計算接收器的輸出誤碼率，每個輸出誤碼率都基於至少一組信道參數統計以及所選擇的相應的發射模式而計算；根據至少以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準選擇發射天線的特定的可能子集和接收天線的特定的可能子集；將所述一個或多個RF發射鏈路連接到所選擇的特定的發射天線的可能子集上；將所述一個或多個RF接收鏈路連接到所選擇的特定的接收天線的可能子集上。
50.根據權利要求49所述的方法，其中，所述標準基於所計算的輸出誤碼率和所選擇的發射模式。
51.根據權利要求49所述的方法，其中，該方法還包括使用一組發射基帶加權值對輸入基帶信號執行分離和加權操作以形成第一組基帶信號；和至少基於該第一組基帶信號產生所述RF輸出信號。
52.根據權利要求51所述的方法，其中，所述發射基帶加權值是使用預編碼或時空編碼技術產生。
53.根據權利要求49所述的方法，其中，該方法還包括將接收的RF信號組下變頻以形成第一組基帶信號；和使用一組接收基帶加權值對該第一組基帶信號執行基帶加權及合成操作。
54.根據權利要求51所述的方法，其中，所述發射基帶加權值從對應於所選擇的發射天線的可能子集的信道矩陣的單一向量中獲得。
55.根據權利要求53所述的方法，其中，所述接收基帶加權值從對應於所選擇的接收天線的可能子集的信道矩陣的單一向量中獲得。
56.一種從M個天線單元的發射器或M個天線單元的接收器中選擇N個天線單元的系統，其中N小於M，包括M個天線單元的發射器或M個天線單元的接收器中的M個天線單元；N個RF鏈路；和連接到該N個RF鏈的開關，其中，該M個天線單元的接收器計算該M個天線單元中每一可能的N個天線單元子集的輸出誤碼率，每一個輸出誤碼率都至少基於一組信道參數統計而計算，所述M個天線單元的接收器基於以所計算的輸出誤碼率為基礎的標準選擇特定的N天線單元子集；和作為對基於所述標準選擇特定的N天線單元子集的響應，所述開關將所述N個RF鏈路連接到該特定N天線單元子集的N個天線單元上。
全文摘要
本發明提供一種在多天線單元通信系統中進行信道－自適應天線選擇的系統和方法。例如，在一個實施例中，選擇接收器的接收天線的子集來接收被發射的RF信號的方法包括以下一項或多項建立接收天線的可能的子集；確定與各個接收天線的可能子集對應的信道參數統計組；計算接收器的輸出誤碼率，每個輸出誤碼率都基於至少一組信道參數統計而計算；基於一定的標準選擇接收天線的特定的可能子集，該標準以所計算的輸出誤碼率為基礎；將接收器的一個或多個RF鏈連接到所選擇的特定可能子集的接收天線上。
文檔編號H04B7/08GK1868147SQ200480030570
公開日2006年11月22日 申請日期2004年11月12日 優先權日2003年11月12日
發明者塞韋林·卡特羅伊斯厄斯戈, 文科·厄斯戈, 皮特·魯, 皮特·范魯延, 傑克·溫特斯 申請人:美國博通公司