專利名稱：改進或涉及多傳輸信道無線通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明介紹改進或涉及多傳輸信道的無線通信系統(tǒng)，如MIMO(多輸入多輸出)和空間分集無線通信系統(tǒng)，特別是(但不排除其它)介紹這些通信系統(tǒng)所使用的天線系統(tǒng)。
信息理論的最新發(fā)展，例如(1)Forschinl G.J.Gans M.J.發(fā)表在Wireless-Personal-Communications(Netherlands)(無線個人通信(荷蘭))1998年3月，第6卷第3期，311-355頁的”論使用多天線時衰落環(huán)境對無線通信的限制”(On limits of wirelesscommunications in a fading environment when using multipleantennas)(2)Telatar I E于1995年發(fā)表在AT&T貝爾實驗室的技術(shù)報告(Tech.Rep.#BL0112170950615TM)的”復合天線高斯信道的容量”(Capacity of multi-antenna Gaussian Channels)揭示了通過同時在發(fā)射機和接收機使用復合天線，可以獲得前所沒有的容量。容量增加的原因在于，通信雙方的復合天線可以利用以下事實信號能量以多個不同方向發(fā)出和抵達，使天線的空間間隔可以將(電波傳播)路徑分開。這樣，就可以同時發(fā)送多個信號或子信號流并將它們解碼。其中一個利用這種技術(shù)的方案是BLAST(Bell Labs LayeredSpace Time，貝爾實驗室分層時空)，其詳細內(nèi)容見(3)Foschini G J于1996年秋季發(fā)表在美國的”貝爾實驗室技術(shù)學報(Bell-Labs-Technical-Journal(USA))”第1卷第2期41-59頁的”在衰落環(huán)境中使用多天線元的無線通信分層時空結(jié)構(gòu)”(Layered Spcace-timearchitecture for wireless communication in fading environmentwhen using multi-element antennas)一文，以及(4)Wolniansky P W和Forschini G J，Golden G D，Valenzuela R A于1998年9月29日到10月2日在意大利比薩(Pisa)召開的”信號、系統(tǒng)和電子學國際研討會”(1999 URSI)的會議論文集中發(fā)表的”V-BLAST通過高度分散的無線信道實現(xiàn)甚高數(shù)據(jù)率的結(jié)構(gòu)”(V-BLASTan architecture forrealising very high data tates over the rich-scatering wirelesschannel)。在BLAST中，不同的信息子流被送到發(fā)射機的不同天線元。在接收機中通過測量MIMO信道將這些子流解碼，包括將子流歸零(nulling)和去除已經(jīng)檢測到的子流的影響。所述方法要求接收端知道信道的情況。
在未公開的PCT application IB 02/00029(申請人檢索號PHGB010012)提供另一個替代的方法，其中，以不同的方向發(fā)射各個子流，并從不同的方向接收各個子流，更具體地說，從發(fā)送最大功率的那些方向接收各個子流，這些方向是通過在發(fā)射機和接收機測量多路徑到達角確定的。雖然接收機可以與沒有所述知識的發(fā)射機一起使用，例如BLAST發(fā)射機，但所述方法要求知道發(fā)射機的信道知識(散射出射角，angles of departure to scatterers)。
兩種方法都需要天線陣列并且具有關(guān)于天線間距的基本要求，即，相鄰天線之間的間距應當是大約半波長(λ/2)。對BLAST來說，這是當如果假定波束以平均均勻的方位角到達時，與另一根天線的間隔距離應該略小于λ/2，最好略大于λ/2。類似地，為了明確地確定波束圖，需要將間距規(guī)定為λ/2或更小。然而，似乎存在對在波長給定的條件下能夠裝進給定的區(qū)域的天線數(shù)目的基本限制，因此難以實現(xiàn)明確地確定波束圖的目標。另外，每一個天線需要用于從被各天線同時接收到的射頻(RF)信號中恢復基帶信號的各自的處理器。分別單獨處理許多射頻信號是比較困難和高成本的。
本發(fā)明的目的是增加能夠裝進給定區(qū)域的天線的數(shù)目而不會給系統(tǒng)運行帶來負面影響。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供包括發(fā)射站和至少一個接收站的多傳輸信道無線通信系統(tǒng)，所述發(fā)射站和接收站中的至少一個具有包括多個間隔開的天線元的天線系統(tǒng)，每一個天線元包括由至少2根天線組成的天線子陣列，所述至少2根天線按照小于使用頻率的半波長(λ/2)的間距隔開。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供在多傳輸信道無線通信系統(tǒng)中使用的天線系統(tǒng)，所述天線系統(tǒng)包括多個間隔開的天線元，每一個天線元包括由至少2根天線組成的天線子陣列，所述至少2根天線按照小于使用頻率的半波長(λ/2)的間距隔開。
本發(fā)明基于對以下事實的認識可以利用具有密集的天線的子陣列并且利用對由所述子陣列中的天線接收的射頻信號進行預處理的射頻(RF)網(wǎng)絡(luò)來代替大型天線陣列，與每根天線需要一個處理器的方案比較，所需要的基帶處理器的數(shù)目大為減少。由比方說N個天線元(每一個天線元包括n根天線)構(gòu)成的MIMO系統(tǒng)(或空間分集系統(tǒng))一般能夠形成至少nN個定向波束。MIMO系統(tǒng)的一個極端的情況是，如果使用N個天線元中每一個的n個波束，則能夠在通常由一個N×N系統(tǒng)所占據(jù)的空間中建造一個nN×nN的MIMO系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^輻射圖的組合(幅度和相位)和空間分集來對每一個分支進行去相關(guān)?？臻g分集依賴于天線元的空間分離，因此空間上分離的兩個完全一樣的波束圖在某種程度上是去相關(guān)的。另一個極端情況是，可以從N個天線元中每一個的n個波束中選出最好的波束來形成一個N×N系統(tǒng)。
現(xiàn)已知道使用兩個天線元的空間分集系統(tǒng)，例如DECT(DigitallyEnhanced Cordless Telecommunications，數(shù)字式增強的無繩通信系統(tǒng))。天線元中的每一個都設(shè)計成是全向的并且與其他天線元無關(guān)。為了避免必須將各天線元分開大的距離并且(任選地)將無用的天線元去調(diào)諧，專利說明書WO 01/71843(申請人檢索號PHGB 000033)公開了一種天線分集配置，其中，分別向多根天線饋送幅度和相位合適的信號，以便產(chǎn)生多個天線波束，任何波束對之間的相關(guān)系數(shù)基本上等于零。最終的天線分集配置可能包括多對距離任意靠近的天線對，同時，任何天線波束對之間的相關(guān)接近于零，從而一種緊湊而高效的配置。但還沒有公開關(guān)于MIMO系統(tǒng)，例如BLAST的此類配置。
下面將參考附圖通過實例對本發(fā)明進行說明，其中

圖1是MIMO系統(tǒng)的方框原理圖，圖2是包括兩對正交配置的天線的天線元的略圖，圖3是圖解說明與全向波束相比較，兩個定向波束的方向覆蓋范圍的示意圖，圖4是天線分集配置的方框原理圖，圖5是包括方向性天線元的高密度MIMO系統(tǒng)的簡圖，圖6是高密度MIMO系統(tǒng)的簡圖，其中天線元可以在兩個方向之間切換，圖7是天線配置的實施例，其中利用定向耦合器向兩個天線元的子陣列輸送信號，以及圖8到圖10是MIMO交換系統(tǒng)的天線配置的示意圖。
在這些附圖中，相同的標號用來表示相應的特征。
參閱圖1，MIMO系統(tǒng)包括射頻發(fā)射機(Tx)10和兩個射頻接收機(Rx)12A、12B。如前所述，習慣上Tx 10和Rx 12A、12B具有多個天線元，因為與多個信號或信號子流有關(guān)的信號能量從多個不同方向出發(fā)和到達?？梢杂羞x擇地利用射出和到達角的先驗知識來選定具有最大功率的信號的波束方向。為說明簡單起見，Tx 10和Rx 12A、12B各自具有相同的天線系統(tǒng)14。所述天線系統(tǒng)至少包括兩個天線元16A、16B，它們之間的間距為所需頻率或中心頻率的半波長(λ/2)。天線元16A、16B中的每一個包括射頻(RF)網(wǎng)絡(luò)18A、18B，兩根天線20A、20B連接到射頻網(wǎng)絡(luò)18A、18B中每一個。天線元16A、16B中每一個的天線20A、20B的間距小于λ/2，通常是λ/4或者對于方向相反的波束來說是90°。對于去相關(guān)的波束來說，所述電間距是任意的，例如125°。
對Tx 10而言，通過編碼器22將數(shù)據(jù)編碼并且通過調(diào)制器22將編碼后的信號調(diào)制到載頻上。已調(diào)制信號被輸送到功率放大器26，后者的輸出分別經(jīng)過傳輸線21A、21B耦合到各自的RF網(wǎng)絡(luò)18A、18B，饋送網(wǎng)絡(luò)18A、18B可以分別控制其相應的天線對20A、20B，使得它們能夠?qū)⑿盘栄刂A先確定的方向傳播。
在接收機Rx 12A，12B中的每一臺接收機中，相應的RF網(wǎng)絡(luò)18A、18B被耦合到RF級28，RF級28的輸出被耦合到調(diào)制器30。解碼器32耦合到調(diào)制解調(diào)器20的輸出。RF網(wǎng)絡(luò)18A、18B用來處理來自天線20A和20B的RF信號，從而，與每根天線都需要一個處理器和一個基帶接收機相比，此方案可以減少基帶處理器的數(shù)目。而且，這些RF網(wǎng)絡(luò)有利于處理緊密靠近的天線之間出現(xiàn)的高頻互作用問題。在進一步的改進方面，接收機的射頻網(wǎng)絡(luò)18A、18B可以這樣控制它們各自的天線，以便檢測來自傳輸最大功率的方向的信號。
圖2圖解說明圖1所示的天線元16A、16B的變型。在這種變型中，天線元16A(16B)的每一根天線分別包括一對正交配置的提供正交極化的天線20A、20A’和20B、20B’。
為了便于理解如何利用RF網(wǎng)絡(luò)來控制發(fā)射和/或接收的方向，請參閱圖3，它給出了圖4所示的2元天線陣列的方向覆蓋的實例。具有分集配置的發(fā)射機34能夠通過全向波束36來發(fā)射和接收用虛線表示的第一定向波束38和用點畫線表示的第二定向波束40則用。
參考圖4，假定天線元20A、20B位于單一軸上。在第一種發(fā)送方式下，20A被視為參考天線元，而饋送到天線元20B的信號具有受級42調(diào)節(jié)的幅度和相位，導致在特定方向上形成定向波束。在第二傳送方式下，將相應的幅度和相位反向，從而產(chǎn)生方向相反的定向波束。級42可以按照最大±180°的量調(diào)節(jié)信號的相位。鑒于天線系統(tǒng)的接收特性，同樣的說明用于使接收天線具有方向性。
圖5圖解說明設(shè)置成足夠靠近在一起的一對天線元，所述一對天線元相互間的耦合大為增強并且具有引起來自鄰近天線的再輻射效果。由于另一根天線的存在，使得每根天線的輻射圖具有方向性，這和沒有相互耦合時的全向性不同。方向性的增強意味著，一般說來，每根天線往往會從不同的多路徑(multipath)或同一多路徑的不同加權(quán)組合取樣，使得相關(guān)性降低。
根據(jù)本發(fā)明，天線元包括由兩根或兩根以上密集的天線組成的陣列，而許多陣列組合起來形成規(guī)模較大的天線系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)(或空間分集系統(tǒng))由比方說N個天線元構(gòu)成，每一個天線元包括一般能夠形成n個定向波束n根天線。MIMO系統(tǒng)的一個極端的情況是，如果使用N個天線元中每一個的n個波束，則能夠在通常由一個N×N系統(tǒng)所占據(jù)的空間中建造一個nN×nN的MIMO系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^輻射圖(幅度和相位)的組合和空間分集來對每一個分支進行去相關(guān)。空間分集依賴于包括每一個天線元的各天線的空間分離，因此空間上分離的兩個完全一樣的波束圖在某種程度上是去相關(guān)的。另一個極端情況是，可以從N個天線元中每一個的n個波束中選出最好的波束來形成一個N×N系統(tǒng)。
圖5所示的高密度MIMO系統(tǒng)可能是4×4 MIMO系統(tǒng)的接收機(或1×4分集接收機)，它具有的缺點是易受角度小的窄波束瞬時抵達角的影響，它所造成的問題是橫過波束接收的功率非常不平均，其后果是，從某些波束里不能接收到任何信息子流的任何功率。從MIMO的觀點來看，這將是災難性的，因為這意味著不可能對信息子流進行可靠解碼，因為所接收到的信息子流(天線或不同的波束圖)的樣本數(shù)目將少于信息子流的數(shù)目(這意味著獨立方程的數(shù)目少于未知數(shù)的數(shù)目)。
如果采用圖6所示的配置就較少可能發(fā)生這種情況，圖6中每個子陣列從眾多可能的方向中選出一個方向，使得所選出的波束方向能保證接收到一定量的功率。在圖6的實例的情況下，兩個波束都被選定指向產(chǎn)生最大多路徑的方向，在本例中是同一方向。它們在空間上分離是使兩個分支去相關(guān)的機制，雖然對于相同的天線元間距來說，去相關(guān)的程度可能與具有全向天線的空間分集一樣好，也可能沒有具有全向天線的空間分集那樣好。但是，兩個分支在末端發(fā)射方向?qū)写蠹s3dB的額外增益，可以抵消由額外的相關(guān)性引起的性能降低。
圖6所給出的實例是一個極端的例子，因為它假定沒有來自相反方向的功率，因此最好是讓兩個波束指向同一方向。如果這個假定不成立，則最好選擇較好的開關(guān)算法，而不是選擇最強的方向，因為兩個分支之間的相關(guān)性可能是最重要的考慮因素。這樣，即使來自相反方向的功率可能會小些，通過方向的選擇，總相關(guān)性會小一些。可能需要根據(jù)以下事實對此作出選擇存在較小的總功率以及分支之間的功率差異。
比較圖5和圖6所示的配置，可以在二者中作出選擇。高密度方法(圖5)使用所有模式，在N×N系統(tǒng)的空間中給出一個nN×nN的MIMO系統(tǒng)，但存在可靠性問題；而開關(guān)式結(jié)構(gòu)(圖6)給出的是N×N系統(tǒng)，但有可能提高可靠性和容量。
參見圖7，高密度MIMO系統(tǒng)包括分別由天線20A、20B組成的天線元陣列16A、16B，利用射頻(RF)移相器或數(shù)字域的移相措施來調(diào)整天線20A、20B的相位。圖7展示了4×4的MIMO發(fā)射機，其中使用混合式耦合器42A、42B來調(diào)整密集的天線對20A、20B的相位。分別將成對的信號電壓s1、s2和s3、s4輸送到混合式耦合器42A、42B。當信號電壓s1、s2高于信號電壓s3、s4時，天線元指向方向d1和d3。在相反的情況下，天線元16A、16B指向d1和d4方向。
在接收機處，混合耦合器42A或42B的4個端口是MIMO接收機的4個分支。此原理可以擴展到任意數(shù)目N，而n＝2。所述配置可能出現(xiàn)的問題是，由于耦合器不同端口之間的阻抗將隨著不同的相移而改變，所以帶來需要尋找源、混合耦合器和天線之間的適當?shù)淖杩蛊ヅ涞膯栴}。一個替換的施加相移的方法是使用數(shù)字波束形成技術(shù)，其中基本上解決了陣列阻抗匹配問題。應當指出，在這些MIMO范例中，有多少信息子流，就需要有多少RF(射頻)發(fā)射機和接收機。
圖8表示MIMO交換系統(tǒng)的一部分的實施例，所述MIMO交換系統(tǒng)包括兩天線元中的一個16A(16B)，每一個天線元包括天線20A、20B。在所述實施例中，控制每一個天線元16A(16B)以便選擇兩束波束中的一束，使得只有兩個信息子流被發(fā)射或者兩個信息子流的樣本被接收。開關(guān)切換的寄生效應被利用來切換每一個天線元的天線20A、20B。圖8表示了利用分別饋送到天線20A、20B的復電壓V1和V2來形成定向波束。天線的最終復阻抗分別是Z1和Z2。通過用純電抗-jX2替代源V2可以產(chǎn)生相同的波束圖，-jX2是天線20B阻抗的虛部。使用所述電抗意味著相互作用可以產(chǎn)生非常接近正確的饋送電壓，其中，源V2被純電抗-jX2代替。當阻抗中的電阻部分相當小的時候，這種技術(shù)的效果是最佳的，如圖9所示。
為了沿反方向產(chǎn)生波束，需要交換所述各電壓，因而將交換所述各天線的阻抗。將以阻抗-jX2終接天線20A，而饋送到天線20B的是電壓V1。
圖10表示使用包括天線20A、20B的單一天線元16A的開關(guān)結(jié)構(gòu)時，這些可能性的組合。提供兩個源S1、S2和表示為完全相同的純阻抗-jX2的兩個阻抗44、46，而第一轉(zhuǎn)換開關(guān)48或者將源S1或者將阻抗44連接到天線20A，第二轉(zhuǎn)換開關(guān)50或者將阻抗46或者將源S2接到天線20B。當開關(guān)48、50處在所示位置時，方向瓣如實線所表示的那樣，而當這些開關(guān)處于用虛線表示的相反位置時，方向瓣如虛線所表示的那樣。
經(jīng)過改進的天線系統(tǒng)可以使用在按照各種不同標準工作的發(fā)射機和接收機上，這些標準有UMTS、HiperLan/2、IEEE 802.11A & B等。所述系統(tǒng)可以通過提供更高的數(shù)據(jù)速率、降低功率消耗或減小無線通信設(shè)備的帶寬來增強移動和無線局域網(wǎng)(LAN)的容量。
在本說明書和權(quán)利要求書中，天線元(element)前面的冠詞”a”或”an”并不排除多個天線元的出現(xiàn)。而且，單詞”comprising”(包括)并不排除除了文件所列的之外，還會有其它元件或步驟的存在。
對于本專業(yè)的技術(shù)人員而言，通過閱讀本公開的內(nèi)容，其它修改，例如其它涉及多傳輸信道無線通信系統(tǒng)及其組成部分的設(shè)計、制造和使用中已知特征的修改，是顯而易見的。這些修改可以取代或增加這里已經(jīng)介紹的特征。雖然權(quán)利要求書已經(jīng)開列了本申請的特征的某些特定組合，但是，顯然，本申請所公開的內(nèi)容范圍還應該包括任何新穎的特征或這里所公開的特征的新穎組合，無論是明顯的、隱含的或根據(jù)這些特征所作的任何推廣，無論是否涉及目前以任何形式的權(quán)利要求提出的發(fā)明內(nèi)容，也無論它有沒有像本發(fā)明那樣解決任何或所有的技術(shù)問題。本申請人特此宣告，在本申請或由此引出的進一步申請執(zhí)行期間，在這些特征和/或這些特征的組合的基礎(chǔ)上，可能提出新的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種包括發(fā)射站(10)和至少一個接收站(12)的多傳輸信道無線通信系統(tǒng)，所述發(fā)射站(10)和至少一個接收站(12)中的至少一個具有包括多個間隔開的天線元(16A，B)的天線系統(tǒng)(14)，每個天線元包括由至少2根天線(20A，B)組成的子陣列，所述至少2根天線(20A，B)的間距小于工作頻率的半波長(λ/2)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述子陣列的天線(20A，B)耦合到用于處理所述天線接收到的信號的射頻網(wǎng)絡(luò)(18A，B)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于每個子陣列的所述天線(20A，B)的間距小于λ/4。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于混合耦合器(42A，B)將每個子陣列的所述天線耦合在一起。
5.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述子陣列的天線(20A，B)是可以轉(zhuǎn)換的，以便實現(xiàn)定向傳播或接收。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述天線系統(tǒng)(14)形成多個正交的天線波束圖。
7.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述子陣列包括設(shè)置成產(chǎn)生正交極化的天線(20)。
8.一種用于多傳輸信道無線通信系統(tǒng)的天線系統(tǒng)，所述天線系統(tǒng)包括多個間隔開的天線元(16A，B)，每個天線元包括由至少2根天線(20A，B)組成的子陣列，所述至少2根天線(20A，B)的間距小于工作頻率的半波長(λ/2)。
9.如權(quán)利要求8所述的天線系統(tǒng)，其特征在于所述子陣列的天線(20A，B)耦合到用于處理所述天線接收到的信號的射頻網(wǎng)絡(luò)(18A，B)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的天線系統(tǒng)，其特征在于每個子陣列的所述天線(20A，B)的間距小于λ/4。
11.如權(quán)利要求8所述的天線系統(tǒng)，其特征在于混合耦合器(42A，B)將每個子陣列的所述天線耦合在一起。
12.如權(quán)利要求8或9所述的天線系統(tǒng)，其特征在于所述子陣列的天線(20A，B)是可以轉(zhuǎn)換的，以便實現(xiàn)定向傳播或接收。
13.如權(quán)利要求8或9所述的天線系統(tǒng)，其特征在于所述天線系統(tǒng)(14)形成多個正交的天線波束圖。
14.如權(quán)利要求8或9所述的天線系統(tǒng)，其特征在于所述子陣列包括設(shè)置成產(chǎn)生正交極化的天線(20)。
全文摘要
諸如MIMO系統(tǒng)的多傳輸信道傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射站和至少一個接收站，所述發(fā)射站和至少一個接收站中的至少一個具有包括多個間隔開的天線元(16A，16B)的天線系統(tǒng)，每一個天線元包括由至少2根天線(20A，20B)組成的子陣列，子陣列中的天線間距小于工作頻率的半波長?？梢钥刂泼恳粋€天線元的天線以便提供定向的傳播或接收。
文檔編號H01Q21/00GK1669244SQ03816369
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月11日
發(fā)明者B·S·哈特里, K·R·博伊爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司