專利名稱：劃分天線陣列并應用mimo和波束成形機制的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及天線系統(tǒng)，更具體而言，涉及用于組合用于天線陣 列的諸如發(fā)送分集或空間復用方案之類的發(fā)送多輸入多輸出(MIMO)機 制和波束成形機制的改進方法。
背景技術：
在無線通信系統(tǒng)中，自適應天線陣列被用于提供極大的容量改進，尤 其在干擾受限環(huán)境中。例如參見J丄iberti、 T.Rappaport的"Analytical results for capacity improvements in CDMA " ， IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol.43 ，第680-690頁，1994年，以及J.Winters等 人的 "The impact of antenna diversity on the capacity of wireless communication systems" ， IEEE Transactions on Communications, vol.42， 第1740-1751頁，1994年。該技術提供了消除針對同時服務的移動臺的相 同小區(qū)干擾的能力。這使得有望減小小區(qū)間干擾。還增大了被服務的特定 移動臺的信噪比，從而使得能夠增大用戶數(shù)據(jù)速率。這些益處和優(yōu)點導致給定小區(qū)或服務基礎結(jié)構(gòu)內(nèi)更高的數(shù)據(jù)吞吐量或同時服務更多移動臺的能 力。自適應天線陣列被用于提高無線通信系統(tǒng)的性能。存在兩種自適應天 線陣列分集天性陣列和波束成形天線陣列。在分集天線陣列中，數(shù)據(jù)流 在空間和時間上被編碼并被從多個低相關天線發(fā)送以實現(xiàn)分集增益。另一 方面，波束成形陣列利用空間方向性并提供波束成形增益。空間方向性要 求天線之間具有良好的相關性。陣列的多個天線通常被部署在每個小區(qū)的基站處，并且由天線發(fā)送或 接收的信號被與某些復權重線性組合。不同天線權重被用來提取出發(fā)送到 或接收自小區(qū)中不同移動臺的信號。通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)天線權重，多天線可 以通過波束成形、干擾消除和接收分集來提高信號-干擾比(SIR)。通過利用天線陣列中空間上分離的天線，波束成形對于發(fā)送和接收模 式都變得實用。通過將輻射能量聚集在移動臺的方向上，減小了基站需要 生成的總功率量。天線陣列技術可被用于將來自移動臺的功率經(jīng)由反向鏈 路或上行鏈路聚集到基站，以及將來自基站的功率經(jīng)由前向鏈路或下行鏈 路聚集到移動臺。通常，在發(fā)送模式期間，希望采用寬發(fā)送波束，從而發(fā)送波束及其相 關導頻可以到達服務區(qū)或扇區(qū)中的所有移動臺，這是因為基站最初不知道 任意特定移動臺位于該區(qū)域中的何處。在特定移動臺在基站的服務區(qū)中被 定位到之后，可以采用較窄發(fā)送波束來在同時服務的所有移動臺之間分割 和集中有限的基站功率。在基站接收模式中，非常希望采用極窄的波束，以便提供多波束分集 并集中來自在可用服務信道中的特定服務信道中工作的多個移動臺中的特 定移動臺的信號能量，并且排除或減小利用可用服務信道中的其他服務信 道來自同一服務區(qū)中的其他移動臺的信號能量。在基站處針對接收和發(fā)送 模式兩者以高天線陣列增益創(chuàng)建非常窄的波束的窄波束成形需要更多的天 線元件。在傳統(tǒng)技術中，可以使用兩個天線陣列，其中每個天線陣列單獨執(zhí)行 波束成形。然后，通過將每個天線陣列視為彼此獨立的單個天線，而在這兩個天線陣列之間執(zhí)行發(fā)送分集過程。對此的替代方式是使用一個天線陣 列，但是從針對該天線陣列的上行鏈路信號來計算兩個權重。這兩個權重 隨后被應用到發(fā)送信號，以形成兩個發(fā)送信號，從而構(gòu)成兩個"虛擬天 線"。發(fā)送分集然后將針對這兩個"虛擬天線"實現(xiàn)。發(fā)送波束成形需要天線之間具有良好的相關性以實現(xiàn)波束成形增益， 而發(fā)送分集方案需要天線之間具有獨立或低相關性以實現(xiàn)分集增益。很明 顯，這兩種要求，即對于波束成形的良好天線相關性和對于分集的低天線 相關性是相互矛盾的。此外，天線相關性具有動態(tài)特性，因為它取決于天線陣列和其與之通信的移動終端上的天線之間的無線信道(air channel)。例如，在點對多 點系統(tǒng)(PMP，例如蜂窩)的情況下，對于具有視距(line-of-sight)或近 視距條件的位置上的終端，基站天線將具有高相關性。相反，如果終端位 于具有非視距條件的位置上并且信道經(jīng)歷校重的多徑，基站天線則將不具 有或具有很小的相關性。傳統(tǒng)方法沒有考慮到在對于天線陣列組合波束成形和發(fā)送分集時的天 線相關性。例如，某些傳統(tǒng)方法使用兩個發(fā)射器天線陣列(或一個具有固 定子陣列劃分的發(fā)射器天線陣列)。固定的子陣列劃分沒有考慮到天線相 關性并且不會隨時間改變或更新。某些其他傳統(tǒng)方法沒有在物理上將天線 陣列劃分成兩個子陣列。相反，它們使用兩個權重(即，波束成形)來形 成兩個虛擬天線，并在這兩個虛擬天線之間應用分集。權重是通過協(xié)方差 矩陣來計算的。它們需要針對所有天線的波束成形，并且沒有考慮到天線 相關性。因此，存在對于一種改進的無線通信系統(tǒng)的需求，該無線通信系統(tǒng)能 夠同時受益于分集和波束成形增益兩者并且考慮到天線之間的相關性。發(fā)明內(nèi)容提供了用于配置具有預定數(shù)目的天線的天線陣列的系統(tǒng)和方法。根據(jù) 本發(fā)明一個實施例，在提供了所有天線關于移動終端的天線相關性矩陣之 后，天線陣列基于該天線相關性矩陣被虛擬地劃分成兩個或更多個子陣列，從而使得每個子陣列中的天線之間的相關性高于屬于不同子陣列的天 線之間的相關性。對應于子陣列中的每個天線生成一個或多個波束成形權 重，以用于應用到從其發(fā)射的一個或多個信號，并且通過將每個子陣列視 為一個虛擬天線而在子陣列之間進一步應用至少一種預定的多輸入多輸出(MIMO)機制。


圖1是描繪根據(jù)本發(fā)明一個實施例的天線陣列系統(tǒng)的示意圖。
具體實施方式
雖然下面針對有限多個示例示出本發(fā)明，但是將會理解，本發(fā)明可被 應用到具有任意多個接入方案的任意電信技術。這些接入技術包括頻分多路接入(FDMA)、時分多路接入(TDMA)、碼分多路接入(CDMA) 和正交頻分復用多路接入(OFDM-MA)及其任意組合，這些接入技術可 以同步或不同步，使用頻分雙工(FDD)或時分雙工(TDD)。本發(fā)明提供了一種同時受益于分集和波束成形增益兩者的改進的無線 通信系統(tǒng)。此外，在給定天線結(jié)構(gòu)的情況下，天線之間的相關性被考慮 到，并且開發(fā)出用于組合分集/空間復用和波束成形的優(yōu)化方案。因此， 當對于天線陣列同時使用波束成形和分集/空間復用時，該優(yōu)化方案將天 線陣列以如下方式劃分成兩個子陣列在每個子陣列中，天線具有高相關 性并且使用波束成形來實現(xiàn)良好的波束成形增益，而在子陣列之間的天線 具有低相關性并且在子陣列(虛擬天線)之間使用分集/空間復用方案來 實現(xiàn)良好的分集/容量增益。圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的天線陣列系統(tǒng)100。假設天線陣列 系統(tǒng)100總共具有N個天線(Al-Am和Am+1-An)，其中N〉1。陣列中 的天線可以是全向和方向性天線，只要它們可被用于波束成形即可。天線 陣列可被配置為具有圓形或線性或任意2D或3D預定布局，以使得本發(fā) 明的優(yōu)勢最大化。此外，將會理解，基站與至少一個移動終端101通信， 并且在每個移動終端上存在至少一個天線。對于每個移動終端的每個天線，基站天線之間的相關性矩陣可被計算出。針對一個或多個天線的相關 性矩陣提供了天線之間的天線相關性信息。相關性矩陣如下給出<formula>formula see original document page 10</formula>其中 是天線i和j之間的相關性系數(shù)。相關性系數(shù)"^可以通過監(jiān)視第i和第j天線與移動終端之間的通信信 道來獲得。如果上行鏈路和下行鏈路信道是對稱的(例如在時分雙工 (TDD)系統(tǒng)中)，信道相關性監(jiān)視則可以通過從上行鏈路信道接收的信 號來實現(xiàn)，并且系數(shù)",.,可以被計算如下其中A和^分別是來自移動終端的在天線i和j上接收到的上行鏈路信號 (零中值)。如果上行鏈路和下行鏈路信道是不對稱的(例如上行鏈路和下行鏈路 頻帶被大大分開的頻分雙工系統(tǒng))，天線相關性則可以通過來自移動終端 的反饋信號來監(jiān)視。就是說，移動終端觀察來自基站上的天線陣列的所有 天線的下行鏈路信號，并計算相關性矩陣，然后將其發(fā)回基站，從而周期 性地通知基站。用于獲得相關性矩陣的替代方法是通過校準過程。在校準過程中，特 定移動終端被用作校準終端，其向基站上的天線陣列發(fā)送具有某一到達方 向(DOA)的信號?；倦S后利用該提供的DOA來計算相關性矩陣。該 過程利用不同的DOA被重復，從而建立用于將DOA鏈接到其相應的相 關性矩陣的校準表。在其后的使用中， 一旦信號的DOA被計算出，相應 的相關性矩陣可以通過査找校準表來搜索。在操作中，關于移動終端并且在特定時間實例上，相應的相關性矩陣 被首先獲得。基于該信息，天線陣列系統(tǒng)100被劃分成兩個虛擬子陣列 102和104。 一個虛擬子陣列具有天線Al-Am，另一個虛擬子陣列具有天 線Am+1-An。人為劃分是以如下方式進行的每個子陣列中的天線之間 的相關性比兩個不同子陣列中的任意兩個天線之間的相關性高得多。在理 想操作中，每個子陣列中的天線之間的相關性被最大化，而兩個不同子陣列中的天線之間的相關性被最小化。如圖1所示，假設在天線陣列系統(tǒng)中存在N個天線，其中一個虛擬子陣列具有天線Al-Am，另一個子陣列具有天線Am+1-An。該天線陣列被 進一步連接到處理控制器106，其中所需數(shù)據(jù)處理被執(zhí)行。控制器106還 具有將波束成形權重應用到天線以及實現(xiàn)所選MIMO機制的功能。以下 參數(shù)可以獲得<formula>formula see original document page 11</formula>m=l,2,...M; n = M+l,M+l，...N m = M+l,M+2, ..,N; n=l,2，...M m，n = M+l,M+2, ... N其中fl,》是天線i和j之間的相關性系數(shù)。對于虛擬子陣列的劃分可以按如下方式進行COO和Cll被最大化， 而CIO和C01被最小化。算術上，這可以通過例如如下優(yōu)化過程來3 現(xiàn)C00 ' Cl 1通過在優(yōu)化過程中包括各種預定參數(shù)，可以施加其他條件。例如，可以施加以下條件所需總發(fā)射功率應該對于兩個子陣列是幾乎相同的。對 于每個子陣列，所需總發(fā)射功率可以從其天線中的每個天線上接收的上行 鏈路信號或從其天線中的每個天線接收的下行鏈路功率中估計出。將會理 解，關于接收的下行鏈路功率的信息可以從移動終端反饋。還將會理解， 虛擬子陣列的劃分不一定針對所有條件被"優(yōu)化"。它們僅僅需要在一組 特定條件下被優(yōu)化。在通過上述過程實現(xiàn)虛擬子陣列劃分之后，針對每個子陣列中的天線 執(zhí)行波束成形過程，從而生成一個或多個將被應用到由每個天線傳輸?shù)男盘柕臋嘀?。此外，在子陣列之間執(zhí)行多輸入多輸出(MIMO)機制(例如轉(zhuǎn)換分集方案或空間復用方案)，其中每個子陣列被視為單個"虛擬天 線"。權重必須針對波束成形來計算，并且如果上行和下行鏈路是對稱的，則權重可以通過接收到的上行鏈路信號獲得，或者通過來自移動終端 的反饋信號獲得。發(fā)送分集方案可以是簡單的重復方案、或某種復雜的時空編碼(例如Alamouti方案)或其他功能上等同的分集方案?？臻g復用 方案可以是簡單的方案(例如從這兩個虛擬天線發(fā)送兩個不同的數(shù)據(jù)流) 或某些其他復用數(shù)據(jù)發(fā)送的復雜的MIMO方案。波束成形權重和天線相關性矩陣的計算可以是同步的或異步的。如果 它們是同步的，則可以在同一幀內(nèi)完成計算，并使用同樣的上行鏈路或反 饋數(shù)據(jù)。如果它們是異步的，用于權重計算的數(shù)據(jù)則可以不同于用于相關 性矩陣計算的數(shù)據(jù)。例如，對于固定的移動終端，在波束成形權重快速改 變的同時相關性矩陣可能不會改變太多。在此情況下，相關性矩陣的計算 可以利用來自前些幀的數(shù)據(jù)離線完成，而權重可以利用當前幀的數(shù)據(jù)計算 出。類似于波束成形權重的更新估計，相關性矩陣也是取決于終端的并且 需要不時地更新。因此，當相關性矩陣改變時，天線陣列劃分也是取決于 移動終端的，并且劃分樣式隨時間變化。各種機制可被用于觸發(fā)相關性矩 陣更新。例如，相關性矩陣的更新可以按某一固定時間間隔來設置或者由 某些預定事件觸發(fā)。例如，可以在上行鏈路空間信號大于某一閾值時觸發(fā) 更新，或者在上行鏈路功率的改變大于閾值時觸發(fā)更新?；蛘?，更新可以 由基站或移動終端提供的特定命令發(fā)起。當相關性矩陣被更新時，天線劃分可以基于最近的相關性矩陣來實 現(xiàn)?；蛘?，可以施加條件以檢査相關性矩陣的改變是否大到足以致使天線 陣列系統(tǒng)發(fā)起新的天線劃分過程。在此情況下，原始劃分在相關性矩陣沒 有太多改變的情況下可以保持不變?；诠β孰娖娇梢允┘悠渌麠l件。例 如，可以要求每個子陣列具有大體相同的總功率電平。雖然以上圖示示出天線陣列系統(tǒng)被劃分成兩個子陣列，但是將會理 解，可以執(zhí)行劃分以生成多于兩個虛擬子陣列。例如，可以將陣列劃分成 4個子陣列，以使得每個子陣列中的天線具有強相關性，而子陣列之間的 天線具有弱相關性。形成多少子陣列是無關緊要的， 一旦天線陣列被劃 分，就對于每個子陣列執(zhí)行波束成形，因此每個子陣列將被轉(zhuǎn)換成"虛擬天線"。如上所述，諸如發(fā)送分集或空間復用或兩個組合之類的MIMO 機制被應用在新定義的"虛擬天線"之間。將會理解，如果劃分只產(chǎn)生一個子陣列，則執(zhí)行波束成形，但不需要MIMO機制。上述本發(fā)明提供了一種用于利用天線陣列中的天線相關性來指導天線 劃分，然后對于這樣劃分的天線陣列組合波束成形和MIMO機制的改進 方法。此外，波束成形和MIMO機制可被同時優(yōu)化以實現(xiàn)天線陣列的最 好性能結(jié)果。除了考慮到天線相關性之外，諸如所需發(fā)射功率電平之類的 其他參數(shù)被用于進一步優(yōu)化波束成形和MIMO機制的結(jié)果。還會注意 到，天線劃分是基于逐個終端來執(zhí)行的并隨時間動態(tài)改變，同時組合波束 成形和MIMO機制用于提供天線陣列的最好性能。以上公開提供了用于實現(xiàn)本發(fā)明的不同特征的很多不同實施例或示 例。而且，組件和過程的特定示例被描述以幫助澄清本發(fā)明。當然，這些 僅僅是示例，不希望從權利要求所述內(nèi)容限制本發(fā)明。本領域技術人員將 會理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以執(zhí)行各種形式和細 節(jié)上的修改。
權利要求
1.一種用于配置具有預定數(shù)目的天線的天線陣列的方法，該方法包括提供天線相關性矩陣，該天線相關性矩陣標識出一個或多個天線關于移動終端的天線相關性信息；基于所述天線相關性矩陣將所述天線陣列虛擬地劃分成兩個或更多個子陣列，以使得每個子陣列中的天線之間的相關性高于屬于不同子陣列的天線之間的相關性；生成與子陣列中的每個天線相對應的一個或多個波束成形權重，用于應用到從其發(fā)送的一個或多個信號；以及通過將每個子陣列視為一個虛擬天線來在子陣列之間應用至少一種預定的多輸入多輸出(MIMO)機制。
2. 如權利要求1所述的方法，其中所述提供還包括獲得代表所述天線 陣列的任意兩個天線之間的相關性的一組相關性系數(shù)。
3. 如權利要求2所述的方法，其中所述相關性系數(shù)是基于由所述基站 從每個天線接收的一個或多個上行鏈路信號來獲得的。
4. 如權利要求2所述的方法，其中所述相關性系數(shù)是由所述移動終端 提供的。
5. 如權利要求1所述的方法，其中所述天線相關性矩陣是通過校準過 程來獲得的，在所述校準過程中，基于從所述信號得到的DOA建立標識 所述相關性矩陣的校準表。
6. 如權利要求1所述的方法，其中所述虛擬劃分還包括要求每個子陣 列的總發(fā)射功率基本相同。
7. 如權利要求1所述的方法，其中所述波束成形權重是由所述基站或 所述移動終端獲得的。
8. 如權利要求1所述的方法，其中所述MIMO機制是發(fā)送分集方案。
9. 如權利要求8所述的方法，其中所述發(fā)送分集方案是重復方案。
10. 如權利要求8所述的方法，其中所述發(fā)送分集方案是時空編碼方案。
11. 如權利要求1所述的方法，其中所述MIMO機制是空間復用方案。
12. 如權利要求1所述的方法，其中所述空間復用方案是通過經(jīng)由劃 分的子陣列發(fā)送不同數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。
13. 如權利要求1所述的方法，其中所述天線相關性矩陣和所述波束 成形權重是基于同一幀重的數(shù)據(jù)同步獲得的。
14. 如權利要求1所述的方法，其中所述天線相關性矩陣和所述波束 成形權重是基于不同幀中接收的數(shù)據(jù)異步獲得的。
15. 如權利要求1所述的方法，其中所述提供被周期性地執(zhí)行以更新 所述相關性矩陣。
16. 如權利要求15所述的方法，其中所述更新基于預定的觸發(fā)事件。
17. 如權利要求1所述的方法，其中不同的MIMO機制被應用到不同 的虛擬子陣列。
18. —種用于配置具有預定數(shù)目的天線的天線陣列的方法，該方法包括提供天線相關性矩陣，該天線相關性矩陣標識出一個或多個天線關于 移動終端的天線相關性信息；基于所述天線相關性矩陣將所述天線陣列虛擬地劃分成兩個或更多個 子陣列，以使得每個子陣列中的天線之間的相關性被最大化，而屬于不同 子陣列的天線之間的相關性被最小化；生成與子陣列中的每個天線相對應的一個或多個波束成形權重，用于 應用到從其發(fā)送的一個或多個信號；以及通過將每個子陣列視為一個虛擬天線來在子陣列之間應用至少一種預 定的多輸入多輸出(MIMO)機制。
19. 如權利要求18所述的方法，其中所述波束成形權重是由所述基站 或所述移動終端獲得的。
20. 如權利要求18所述的方法，其中所述MIMO機制是發(fā)送分集方案。
21. 如權利要求20所述的方法，其中所述發(fā)送分集方案是重復方案。
22. 如權利要求20所述的方法，其中所述發(fā)送分集方案是時空編碼方案。
23. 如權利要求18所述的方法，其中所述MIMO機制是空間復用方案。
24. 如權利要求23所述的方法，其中所述空間復用方案是通過經(jīng)由劃 分的子陣列發(fā)送不同數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。
25. 如權利要求18所述的方法，其中不同的MIMO機制被應用到不同 的虛擬子陣列。
26. —種利用具有預定數(shù)目的天線的天線陣列的無線通信系統(tǒng)，該系 統(tǒng)包括用于提供天線相關性矩陣的裝置，該天線相關性矩陣標識出一個或多 個天線關于移動終端的天線相關性信息；用于基于所述天線相關性矩陣將所述天線陣列虛擬地劃分成兩個或更 多個子陣列，以使得每個子陣列中的天線之間的相關性高于屬于不同子陣 列的天線之間的相關性的裝置；用于生成與子陣列中的每個天線相對應的一個或多個波束成形權重， 用于應用到從其發(fā)送的一個或多個信號的裝置；以及用于通過將每個子陣列視為一個虛擬天線來在子陣列之間應用至少--種預定的多輸入多輸出(MIMO)機制的裝置。
27. 如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述用于提供的裝置是移動終A山頓。
28. 如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述用于提供的裝置是基站。
29. 如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述用于提供的裝置是基于DOA 標識所述相關性矩陣的校準表，其中所述DOA是從在校準終端和所述基 站之間傳輸?shù)男盘柅@得的。
30. 如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述用于生成波束成形權重的裝 置是所述基站或所述移動終端。
31. 如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述MIMO機制是發(fā)送分集方案。
32. 如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述MIMO機制是空間復用方案。
33. 如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述相關性矩陣被周期性地更新。
34. 如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述相關性矩陣基于預定觸發(fā)事 件被動態(tài)更新。
35. 如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中不同的MIMO機制被應用到不同 的虛擬子陣列。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于配置具有預定數(shù)目的天線的天線陣列的系統(tǒng)和方法。在提供了所有天線關于移動終端的天線相關性矩陣之后，天線陣列基于該天線相關性矩陣被虛擬地劃分成兩個或更多個子陣列，從而使得每個子陣列中的天線之間的相關性高于屬于不同子陣列的天線之間的相關性。對應于子陣列中的每個天線生成一個或多個波束成形權重，以用于應用到從其發(fā)射的一個或多個信號，并且通過將每個子陣列視為一個虛擬天線而在子陣列之間進一步應用至少一種預定的多輸入多輸出(MIMO)機制。
文檔編號H04M1/00GK101253751SQ200680032016
公開日2008年8月27日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權日2005年8月29日
發(fā)明者杭·金, 約翰·加拉布納 申請人:納維尼網(wǎng)絡公司