划分天线阵列并应用MIMO和波束成形机制的方法和系统

摘要

本发明提供了用于配置具有预定数目的天线的天线阵列的系统和方法。在提供了所有天线关于移动终端的天线相关性矩阵之后，天线阵列基于该天线相关性矩阵被虚拟地划分成两个或更多个子阵列，从而使得每个子阵列中的天线之间的相关性高于属于不同子阵列的天线之间的相关性。对应于子阵列中的每个天线生成一个或多个波束成形权重，以用于应用到从其发射的一个或多个信号，并且通过将每个子阵列视为一个虚拟天线而在子阵列之间进一步应用至少一种预定的多输入多输出(MIMO)机制。

说明书

交叉引用

本申请要求2005年11月4日递交的题为“Optimized Scheme ofCombining Transmit Diversity，Spatial Multiplex and Beamforming for anAntenna Array”的美国临时专利申请No.60/733,837、2005年8月29日递交的题为“Optimized Scheme of Combining Transmit Diversity andBeamforming for an Antenna Array”的美国临时专利申请No.60/712,631和2005年12月21日递交的题为“Method and System for Partitioning anAntenna Array and Applying Multiple-Input-Multiple-Output and BeamformingMechanisms”的美国专利申请No.11/316,101的优先权。

技术领域

本发明一般地涉及天线系统，更具体而言，涉及用于组合用于天线阵列的诸如发送分集或空间复用方案之类的发送多输入多输出(MIMO)机制和波束成形机制的改进方法。

背景技术

在无线通信系统中，自适应天线阵列被用于提供极大的容量改进，尤其在干扰受限环境中。例如参见J.Liberti、T.Rappaport的“Analyticalresults for capacity improvements in CDMA”，IEEE Transactions onVehicular Technology，Vol.43，第680-690页，1994年，以及J.Winters等人的“The impact of antenna diversity on the  capacity of wirelesscommunication systems”，IEEE Transactions on Communications，vol.42，第1740-1751页，1994年。该技术提供了消除针对同时服务的移动台的相同小区干扰的能力。这使得有望减小小区间干扰。还增大了被服务的特定移动台的信噪比，从而使得能够增大用户数据速率。这些益处和优点导致给定小区或服务基础结构内更高的数据吞吐量或同时服务更多移动台的能力。

自适应天线阵列被用于提高无线通信系统的性能。存在两种自适应天线阵列：分集天性阵列和波束成形天线阵列。在分集天线阵列中，数据流在空间和时间上被编码并被从多个低相关天线发送以实现分集增益。另一方面，波束成形阵列利用空间方向性并提供波束成形增益。空间方向性要求天线之间具有良好的相关性。

阵列的多个天线通常被部署在每个小区的基站处，并且由天线发送或接收的信号被与某些复权重线性组合。不同天线权重被用来提取出发送到或接收自小区中不同移动台的信号。通过适当地调节天线权重，多天线可以通过波束成形、干扰消除和接收分集来提高信号-干扰比(SIR)。

通过利用天线阵列中空间上分离的天线，波束成形对于发送和接收模式都变得实用。通过将辐射能量聚集在移动台的方向上，减小了基站需要生成的总功率量。天线阵列技术可被用于将来自移动台的功率经由反向链路或上行链路聚集到基站，以及将来自基站的功率经由前向链路或下行链路聚集到移动台。

通常，在发送模式期间，希望采用宽发送波束，从而发送波束及其相关导频可以到达服务区或扇区中的所有移动台，这是因为基站最初不知道任意特定移动台位于该区域中的何处。在特定移动台在基站的服务区中被定位到之后，可以采用较窄发送波束来在同时服务的所有移动台之间分割和集中有限的基站功率。

在基站接收模式中，非常希望采用极窄的波束，以便提供多波束分集并集中来自在可用服务信道中的特定服务信道中工作的多个移动台中的特定移动台的信号能量，并且排除或减小利用可用服务信道中的其他服务信道来自同一服务区中的其他移动台的信号能量。在基站处针对接收和发送模式两者以高天线阵列增益创建非常窄的波束的窄波束成形需要更多的天线元件。

在传统技术中，可以使用两个天线阵列，其中每个天线阵列单独执行波束成形。然后，通过将每个天线阵列视为彼此独立的单个天线，而在这两个天线阵列之间执行发送分集过程。对此的替代方式是使用一个天线阵列，但是从针对该天线阵列的上行链路信号来计算两个权重。这两个权重随后被应用到发送信号，以形成两个发送信号，从而构成两个“虚拟天线”。发送分集然后将针对这两个“虚拟天线”实现。

发送波束成形需要天线之间具有良好的相关性以实现波束成形增益，而发送分集方案需要天线之间具有独立或低相关性以实现分集增益。很明显，这两种要求，即对于波束成形的良好天线相关性和对于分集的低天线相关性是相互矛盾的。

此外，天线相关性具有动态特性，因为它取决于天线阵列和其与之通信的移动终端上的天线之间的无线信道(air channel)。例如，在点对多点系统(PMP，例如蜂窝)的情况下，对于具有视距(line-of-sight)或近视距条件的位置上的终端，基站天线将具有高相关性。相反，如果终端位于具有非视距条件的位置上并且信道经历校重的多径，基站天线则将不具有或具有很小的相关性。

传统方法没有考虑到在对于天线阵列组合波束成形和发送分集时的天线相关性。例如，某些传统方法使用两个发射器天线阵列(或一个具有固定子阵列划分的发射器天线阵列)。固定的子阵列划分没有考虑到天线相关性并且不会随时间改变或更新。某些其他传统方法没有在物理上将天线阵列划分成两个子阵列。相反，它们使用两个权重(即，波束成形)来形成两个虚拟天线，并在这两个虚拟天线之间应用分集。权重是通过协方差矩阵来计算的。它们需要针对所有天线的波束成形，并且没有考虑到天线相关性。

因此，存在对于一种改进的无线通信系统的需求，该无线通信系统能够同时受益于分集和波束成形增益两者并且考虑到天线之间的相关性。

发明内容

提供了用于配置具有预定数目的天线的天线阵列的系统和方法。根据本发明一个实施例，在提供了所有天线关于移动终端的天线相关性矩阵之后，天线阵列基于该天线相关性矩阵被虚拟地划分成两个或更多个子阵列，从而使得每个子阵列中的天线之间的相关性高于属于不同子阵列的天线之间的相关性。对应于子阵列中的每个天线生成一个或多个波束成形权重，以用于应用到从其发射的一个或多个信号，并且通过将每个子阵列视为一个虚拟天线而在子阵列之间进一步应用至少一种预定的多输入多输出(MIMO)机制。

附图说明

图1是描绘根据本发明一个实施例的天线阵列系统的示意图。

具体实施方式

虽然下面针对有限多个示例示出本发明，但是将会理解，本发明可被应用到具有任意多个接入方案的任意电信技术。这些接入技术包括频分多路接入(FDMA)、时分多路接入(TDMA)、码分多路接入(CDMA)和正交频分复用多路接入(OFDM-MA)及其任意组合，这些接入技术可以同步或不同步，使用频分双工(FDD)或时分双工(TDD)。

本发明提供了一种同时受益于分集和波束成形增益两者的改进的无线通信系统。此外，在给定天线结构的情况下，天线之间的相关性被考虑到，并且开发出用于组合分集/空间复用和波束成形的优化方案。因此，当对于天线阵列同时使用波束成形和分集/空间复用时，该优化方案将天线阵列以如下方式划分成两个子阵列：在每个子阵列中，天线具有高相关性并且使用波束成形来实现良好的波束成形增益，而在子阵列之间的天线具有低相关性并且在子阵列(虚拟天线)之间使用分集/空间复用方案来实现良好的分集/容量增益。

图1示出根据本发明一个实施例的天线阵列系统100。假设天线阵列系统100总共具有N个天线(A1-Am和Am+1-An)，其中N＞1。阵列中的天线可以是全向和方向性天线，只要它们可被用于波束成形即可。天线阵列可被配置为具有圆形或线性或任意2D或3D预定布局，以使得本发明的优势最大化。此外，将会理解，基站与至少一个移动终端101通信，并且在每个移动终端上存在至少一个天线。对于每个移动终端的每个天线，基站天线之间的相关性矩阵可被计算出。针对一个或多个天线的相关性矩阵提供了天线之间的天线相关性信息。相关性矩阵如下给出：

C＝|a_i，j|，i，j＝1，2，...N

其中a_i，j是天线i和j之间的相关性系数。

相关性系数a_i，j可以通过监视第i和第j天线与移动终端之间的通信信道来获得。如果上行链路和下行链路信道是对称的(例如在时分双工(TDD)系统中)，信道相关性监视则可以通过从上行链路信道接收的信号来实现，并且系数a_i，j可以被计算如下：

$a_{i,j}=\frac{{\hat{s}}_i·\widehat{s_j}}{\sqrt{E\left({\left|\widehat{s_i}\right|}^2\right)·\sqrt{E\left({\left|\widehat{s_j}\right|}^2\right)}}}$i，j＝1，2，...N

其中和分别是来自移动终端的在天线i和j上接收到的上行链路信号(零中值)。

如果上行链路和下行链路信道是不对称的(例如上行链路和下行链路频带被大大分开的频分双工系统)，天线相关性则可以通过来自移动终端的反馈信号来监视。就是说，移动终端观察来自基站上的天线阵列的所有天线的下行链路信号，并计算相关性矩阵，然后将其发回基站，从而周期性地通知基站。

用于获得相关性矩阵的替代方法是通过校准过程。在校准过程中，特定移动终端被用作校准终端，其向基站上的天线阵列发送具有某一到达方向(DOA)的信号。基站随后利用该提供的DOA来计算相关性矩阵。该过程利用不同的DOA被重复，从而建立用于将DOA链接到其相应的相关性矩阵的校准表。在其后的使用中，一旦信号的DOA被计算出，相应的相关性矩阵可以通过查找校准表来搜索。

在操作中，关于移动终端并且在特定时间实例上，相应的相关性矩阵被首先获得。基于该信息，天线阵列系统100被划分成两个虚拟子阵列102和104。一个虚拟子阵列具有天线A1-Am，另一个虚拟子阵列具有天线Am+1-An。人为划分是以如下方式进行的：每个子阵列中的天线之间的相关性比两个不同子阵列中的任意两个天线之间的相关性高得多。在理想操作中，每个子阵列中的天线之间的相关性被最大化，而两个不同子阵列中的天线之间的相关性被最小化。

如图1所示，假设在天线阵列系统中存在N个天线，其中一个虚拟子阵列具有天线A1-Am，另一个子阵列具有天线Am+1-An。该天线阵列被进一步连接到处理控制器106，其中所需数据处理被执行。控制器106还具有将波束成形权重应用到天线以及实现所选MIMO机制的功能。以下参数可以获得：

$c_{00}=\underset{m,n}{\Sigma }{\left|a_{m,n}\right|}^2$m，n＝1，2，...M

$c_{01}=\underset{m,n}{\Sigma }{\left|a_{m,n}\right|}^2$m＝1，2，...M；n＝M+1，M+1，...N

$c_{10}=\underset{m,n}{\Sigma }{\left|a_{m,n}\right|}^2$m＝M+1，M+2，...N；n＝1，2，...M

$c_{11}=\underset{m,n}{\Sigma }{\left|a_{m,n}\right|}^2$m，n＝M+1，M+2，...N

其中a_i，j是天线i和j之间的相关性系数。

对于虚拟子阵列的划分可以按如下方式进行：C00和C11被最大化，而C10和C01被最小化。算术上，这可以通过例如如下优化过程来实现：

$\underset{\mathrm{partition}}{\underset{\mathrm{antenna}}{\mathrm{MAX}}}\left(\frac{c_{00}·c_{11}}{c_{10}·c_{01}}\right)$

通过在优化过程中包括各种预定参数，可以施加其他条件。例如，可以施加以下条件：所需总发射功率应该对于两个子阵列是几乎相同的。对于每个子阵列，所需总发射功率可以从其天线中的每个天线上接收的上行链路信号或从其天线中的每个天线接收的下行链路功率中估计出。将会理解，关于接收的下行链路功率的信息可以从移动终端反馈。还将会理解，虚拟子阵列的划分不一定针对所有条件被“优化”。它们仅仅需要在一组特定条件下被优化。

在通过上述过程实现虚拟子阵列划分之后，针对每个子阵列中的天线执行波束成形过程，从而生成一个或多个将被应用到由每个天线传输的信号的权重。此外，在子阵列之间执行多输入多输出(MIMO)机制(例如转换分集方案或空间复用方案)，其中每个子阵列被视为单个“虚拟天线”。权重必须针对波束成形来计算，并且如果上行和下行链路是对称的，则权重可以通过接收到的上行链路信号获得，或者通过来自移动终端的反馈信号获得。发送分集方案可以是简单的重复方案、或某种复杂的时空编码(例如Alamouti方案)或其他功能上等同的分集方案。空间复用方案可以是简单的方案(例如从这两个虚拟天线发送两个不同的数据流)或某些其他复用数据发送的复杂的MIMO方案。

波束成形权重和天线相关性矩阵的计算可以是同步的或异步的。如果它们是同步的，则可以在同一帧内完成计算，并使用同样的上行链路或反馈数据。如果它们是异步的，用于权重计算的数据则可以不同于用于相关性矩阵计算的数据。例如，对于固定的移动终端，在波束成形权重快速改变的同时相关性矩阵可能不会改变太多。在此情况下，相关性矩阵的计算可以利用来自前些帧的数据离线完成，而权重可以利用当前帧的数据计算出。

类似于波束成形权重的更新估计，相关性矩阵也是取决于终端的并且需要不时地更新。因此，当相关性矩阵改变时，天线阵列划分也是取决于移动终端的，并且划分样式随时间变化。各种机制可被用于触发相关性矩阵更新。例如，相关性矩阵的更新可以按某一固定时间间隔来设置或者由某些预定事件触发。例如，可以在上行链路空间信号大于某一阈值时触发更新，或者在上行链路功率的改变大于阈值时触发更新。或者，更新可以由基站或移动终端提供的特定命令发起。

当相关性矩阵被更新时，天线划分可以基于最近的相关性矩阵来实现。或者，可以施加条件以检查相关性矩阵的改变是否大到足以致使天线阵列系统发起新的天线划分过程。在此情况下，原始划分在相关性矩阵没有太多改变的情况下可以保持不变。基于功率电平可以施加其他条件。例如，可以要求每个子阵列具有大体相同的总功率电平。

虽然以上图示示出天线阵列系统被划分成两个子阵列，但是将会理解，可以执行划分以生成多于两个虚拟子阵列。例如，可以将阵列划分成4个子阵列，以使得每个子阵列中的天线具有强相关性，而子阵列之间的天线具有弱相关性。形成多少子阵列是无关紧要的，一旦天线阵列被划分，就对于每个子阵列执行波束成形，因此每个子阵列将被转换成“虚拟天线”。如上所述，诸如发送分集或空间复用或两个组合之类的MIMO机制被应用在新定义的“虚拟天线”之间。将会理解，如果划分只产生一个子阵列，则执行波束成形，但不需要MIMO机制。

上述本发明提供了一种用于利用天线阵列中的天线相关性来指导天线划分，然后对于这样划分的天线阵列组合波束成形和MIMO机制的改进方法。此外，波束成形和MIMO机制可被同时优化以实现天线阵列的最好性能结果。除了考虑到天线相关性之外，诸如所需发射功率电平之类的其他参数被用于进一步优化波束成形和MIMO机制的结果。还会注意到，天线划分是基于逐个终端来执行的并随时间动态改变，同时组合波束成形和MIMO机制用于提供天线阵列的最好性能。

以上公开提供了用于实现本发明的不同特征的很多不同实施例或示例。而且，组件和过程的特定示例被描述以帮助澄清本发明。当然，这些仅仅是示例，不希望从权利要求所述内容限制本发明。本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以执行各种形式和细节上的修改。