重新可配置天线和获取重新可配置天线的配置的方法

摘要

本发明涉及一种用于获取重新可配置天线(A)的配置的方法，所述重新可配置天线(A)包括至少两个天线单元，其中所述天线的单元互耦合特性是以天线耦合矩阵(Ck(n))的形式事先已知的，所获取的配置对传输信道具有希望的影响，所述方法包括步骤：设置(8)重新可配置天线的初始配置，产生初始耦合矩阵(C0)；估计(9)传输信道矩阵(H(n))，所述传输信道矩阵(H(n))包括天线的影响；计算(10)普通传输信道矩阵(H(n))，所述普通传输信道矩阵(H(n))排除天线的影响；以及提取(11)提供希望的传输信道矩阵(H(n))的耦合矩阵(C)，该矩阵包括天线的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及用于获取重新可配置天线(re-configurable antenna)的配置的方法，所述重新可配置天线包括至少两个天线单元，该天线具有至少两个不同的天线单元配置，每个天线单元配置具有某种天线单元互耦合特性，对于每个可能的天线单元配置而言该天线单元互耦合特性事先以天线耦合矩阵的形式被已知，所述获取的配置对于传输信道具有希望的作用。

本发明还涉及重新可配置天线，所述重新可配置天线包括至少两个天线单元，该天线具有至少两个不同的天线单元配置，每个天线单元配置具有某种天线单元互耦合特性，对于每个可能的天线单元配置而言该天线单元互耦合特性事先以天线耦合矩阵的形式被已知，所获取的配置对于传输信道具有希望的作用。

背景技术

对于无线通信系统的需求已经稳定地增长，并且仍在增长中，在这种增长期间已经采取了大量的技术先进步骤。为了通过为数据流采用不相关的传播路径来获取无线系统的增加的系统容量和用户比特率，已经考虑MIMO(多输入多输出)系统来构成提高所述容量的优选技术。

MIMO例如通过若干发送和接收天线，为数据流采用大量单独的不相关(independent)信号路径。可获得的信号路径越多，可以被发送的并行数据流就越多。

MIMO传输的一个问题是信道相关和天线耦合。这些因素趋于限制将有可能发送或接收的信息流的数目。

在Daniele Piazza和Kapil R.Dandekar的文献“Reconfigurableantenna solution for MIMO-OFDM systems”中，描述了一种包括重新可配置天线的MIMO天线系统。该重新可配置天线被描述为偶极子，其电长度可通过PIN二极管开关加以改变。因此改变互耦合和远场辐射图案(radiation pattern)。这些可变的电特性允许多径信号分量被不同地加权，通过在某种配置中设置开关并因此设置了某种电特性，MIMO链路容量可以得到增强。

在所述文献中所公开的配置的缺点是瞬时最佳选择通过下列加以确定：在可获得的所有可能的开关配置上切换，和为每个开关配置测量信道。每当信道容量降低到低于门限时，重复该过程。这是需要大量容量的冗长过程以及该过程事实上是相当不实际的。

在MIMO传输中，信道矩阵具有相同阶幅度的特征值。所以在信道矩阵具有大的特征值分布的情况下，部分的信息流将会经受高的误码率并且因此不应该被恢复。与信道矩阵类似的方式，信道单元之间的耦合挑战MIMO传输。耦合和信道矩阵能够被看作是两个不相关的矩阵。因此，所述乘积(product)能够是更MIMO破坏性的但是也具有增强MIMO传输的均衡作用。因此，观察给定的某天线星座(antenna constellation)的信道矩阵导致应该如何调整天线耦合的测量。假设MIMO天线支持调整该耦合的方式那么它能够被设置成产生矩阵乘积，该乘积是proMIMO。所述调整是自适应的或者通过查询表进行。

发明内容

本发明解决的目的问题是就当前传输信道而言，提供容易地找到重新可配置天线的最佳配置的方法和结构。

该目的问题是通过根据序言所述的方法予以解决。所述方法包括以下步骤：设置重新可配置天线的初始配置，产生初始耦合矩阵；估计传输信道矩阵，该传输信道矩阵包括天线的影响；计算普通传输信道矩阵，该普通传输信道矩阵排除天线的影响；以及提取提供希望的传输信道矩阵的耦合矩阵，该矩阵包括天线的影响。

该目的问题还通过根据序言的重新可配置天线予以解决。所述天线被安排用于根据以下步骤进行重新配置：设置重新可配置天线的初始配置，产生初始耦合矩阵；估计传输信道矩阵，传输信道矩阵包括天线的影响；计算普通传输信道矩阵，普通传输信道矩阵排除天线的影响；以及提取提供希望的传输信道矩阵的耦合矩阵，该矩阵包括天线的影响，其中该天线以使其耦合矩阵对应于所提取的耦合矩阵的方式被重新配置。

根据优选实施例，通过将逆初始耦合矩阵乘以传输信道矩阵来计算普通传输信道矩阵。

在从属权利要求中公开了其他优选实施例。

通过本发明达到了若干优点，例如：

-提供取决于所观察的信道而适配天线响应的能力；

-在解调之前执行信号修改，或者调制，消除无线电噪声失真；和

-提供实际可行的方法。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出了一组重新可配置的偶极子天线；

图2示出了重新可配置的偶极子天线；和

图3示出了根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

在MIMO系统中，关键构思是立刻发送和接收若干数据流。这能够被看作是在向量x(n)中堆放(stack)的消息，其中，n表示时间。在通过信道矩阵H(n)描述的时间变化的信道中发送这些消息，其中n是时间索引。在以下向量中堆放所接收的消息：

y(n)＝H(n)x(n)         (1)

根据矩阵理论，任何矩阵能够通过SVD(奇异值分解)来加以表示。也就是说，能够根据以下方程(2)将信道矩阵H(n)写为三个基本矩阵的乘积：

H(n)＝U(n)D(n)V^H(n).   (2)

结果，时间索引n常常被降低到缩短的记号(notation)，然而当被函数或矩阵使用时它强调时间相关的存在。在方程(2)中，D是对角矩阵以及单元的值是非负实数，并且还已知作为矩阵H的奇异值。U是第一单式(unitary)矩阵以及V是第二单式矩阵。

通常上标^H意味着矩阵被转置和复数共轭。矩阵U和V是单元的意味着VV^H＝UU^H＝I，其中I是单位矩阵。而且，V的列是H^HH的特征向量，以及U的列是HH^H的特征向量。

矩阵的度量是最大vs最小特征值幅度的商，它被已知为条件数c。在所述条件数n高的情况下，特征值分布大。那么该矩阵是奇异的或者状态不好的。

将H的特征值与矩阵U和V的特征向量相关联。矩阵的秩等于非零特征值的数目。在存在一个或更多特征值等于零的情况下，矩阵H是秩缺乏的。

MIMO构思依赖于信道矩阵具有等于或超过要发送的流的数目的秩。该数据流在多个天线上发送。天线的数姆必须等于或超过要发送的流的数目。天线具有与信道矩阵的特征向量有关的辐射波瓣，以及特征值的幅度指示天线波瓣的信道衰减。

MIMO系统的容量或流的数目正如所述取决于信道矩阵的秩r。如果信道矩阵包含天线系统，那么信道协方差矩阵的计算提供了有关如何能够较佳地实现MIMO系统的信息。在信号的互相关高的情况下，信道矩阵的条件数c也高。这意味着某些特征向量具有大的衰减，以及它使用相应的向量以作为波束形成器中的阵列加权来发送数据流是不可靠的。

更详细而言，在说明性的实例中，D是3×3矩阵并具有以下外观：

$>D=\left(\begin{array}{ccc}{d}_{11}& 0& 0\\ 0& d_{22}& 0\\ 0& 0& d_{33}\end{array}\right)$>

于是对角值d₁₁、d₂₂、d₃₃是H的奇异值，也是H的特征值的幅度。特征值是复数并不是罕见的，在本上下文中更有利地使用特征值的幅度，原因在于在这种情况下这些特征值是信道质量的测量。这里每个数据流被与某天线辐射波瓣相关联。如果与特征值幅度d₃₃相关联的天线辐射波瓣例如被干扰衰减，那么特征值幅度具有较小的数。

所述天线系统对信道矩阵作出贡献，对于信道的主要贡献是天线单元之间的耦合。在下文中，由于定义了新的矩阵，所以时间变量n将再次临时地被插入。所述耦合能够表示为耦合矩阵：

矩阵表示普通(generic)信道矩阵，用于不包括天线系统的矩阵，但是仅仅是信道本身。可观察的信道H(n)包括耦合。在数学上它被表达为：

$>H\left(n\right)=C\tilde{H}\left(n\right).---\left(4\right)$>

这里，可以通过信道测量估计H(n)。根据(1)我们知道y(n)＝H(n)x(n)，因此总的系统可以被描述为：

$>y\left(n\right)=C\tilde{H}\left(n\right)x\left(n\right).---\left(5\right)$>

根据本发明，没有天线的普通信道矩阵被模型化。所述天线被先验地已知，所以它是已知的。从信道的一个观察和任何天线配置开始，有可能找到可获得的最佳天线配置。

在第一实施例实例中，取代之前提及的更多普通的U和V矩阵，信道矩阵(n)和耦合矩阵C共享单式基矩阵S(n)。使用S(n)，形成以下方程：

$>\tilde{H}\left(n\right)=S\left(n\right)D_{\tilde{H}}{S}^H\left(n\right)---\left(6\right)$>

C(n)＝S(n)D_c(n)S^H(n).           (7)

现在使用S将方程(2)重写为公共基(common basis)：

H＝SDS^H.                        (8)

在方程(6)和(7)中，和D_C是包含与耦合和信道有关的特征值的对角矩阵。它们的相乘导致联合天线信道矩阵的特征值，即：

$>H={\mathrm{SD}}_{\tilde{H}}{S}^H{\mathrm{SD}}_C{S}^H={\mathrm{SD}}_{\tilde{H}}{D}_C{S}^H.---\left(9\right)$>

从方程(8)和(9)明显看出，和D_C的乘积形成联合天线信道矩阵D的特征值。这暗指能够使用所述耦合补偿信道中的特征值。换言之，通过改变C可以改变矩阵D_C，而矩阵是固定的。但是如果D_C被改变，那么联合天线信道矩阵D也被修改。如果D被改变，则将影响数据流传送，干扰可以例如被补偿。换言之，所使用的天线系统中的天线单元之间的互耦合能够被用来达到最佳可能的MIMO传输。

因此希望具有可变互耦合的天线配置，即希望能够改变耦合矩阵C。一种改变互耦合的优选方式是引入寄生单元，其中寄生单元将改变天线系统的阻抗并且因此互耦合也将改变。

根据优选实施例，如在图1中所示，包括数q个偶极子天线单元A1、A2...Aq的重新可配置天线A被设置成用于MIMO通信。偶极子天线A1、A2...Aq在本实例中被蚀刻在电介质敷铜箔的衬底S上。每个偶极子天线A1、A2...Aq具有两个偶极子臂D1a、D1b；D2a、D2b...Dqa、Dqb。

在图2中，图示了一个这样的偶极子天线单元An。每个偶极子臂Dna、Dnb被分成三个部分1a、2a、3a；1b、2b、3b，其中各自第一部分1a、1b总是被连接到其余的偶极子天线An。两个其他各自部分2a、3a；2b、3b是不连续的，在它们本身和/或各自第一部分1a、1b之间形成间隙4a、5a；4b、5b。

在每个间隙4a、5a；4b、5b上，PIN二极管6a、7a；6b、7b被连接，其中每个PIN二极管6a、7a；6b、7b被外部地控制，以及可以连接或断开连接这两个部分，它被连接在这两个部分之间。通过这种方式，还参考图1，每个偶极子天线A1、A2...Aq具有四个寄生单元2a、3a；2b、3b，这些单元以每个偶极子臂Dna、Dnb的第二和第三部分的形式。四个寄生单元2a、3a；2b、3b可以以这种方式被连接和断开连接，这种方式使得对于每个偶极子单元A1、A2...Aq而言每个天线单元可获得16个不同的天线配置。天线配置的总数M在本实例中是16^q。通常，每个天线单元可获得的天线配置的数目是p，于是天线配置的总数M被写为M＝p^q。那么，可获得的天线耦合矩阵可以被写为C_k，其中k＝1..M。

通过表征天线配置，即通过测量可能的寄生变化，耦合矩阵C被已知。使用已知的耦合矩阵C来选择给定某信道估计的最受欢迎的天线星座。也就是，对于实际信道H的测量的估计以下表达式是有效的：

$>\tilde{H}=C_0\hat{\tilde{H}}.---\left(10\right)$>

这里，C₀是已知互耦合矩阵的开始值，是包括天线系统的估计的信道矩阵，以及是不包括天线系统的估计的信道矩阵。由于$>\hat{\tilde{H}}={\left(C_0\right)}^{-1}\hat{H},$>那么

$>\hat{\tilde{H}}={\left(C_0\right)}^{-1}\hat{H}.---\left(11\right)$>

在下文中，示出了如何确定最佳互耦合。在根据本实例的天线系统中，存在M个可能的可获得的天线配置。使用事先已知的耦合矩阵，和不包括天线的测量的估计信道，通过在第一实施例实例中按步执行(step)以下计算：

$>\underset{k=0...M}{\arg \min }Q\left(C_k\right)=\left(\mathrm{tr}\right\{{(I-C_k\hat{\tilde{H}})}^H(I-C_k\hat{\tilde{H}})\}.---\left(12\right)$>

这里，Q(C_k)是离散价值函数(discrete cost function)和“tr”指函数“trace(跟踪)”，它是对角的求和，即特征值的求和。表达式被平方以便获得正值，使得(平方的)幅度误差的最小化得以实现。由于在方程(12)中普通信道估计和耦合C_k被相乘，所以在方程(12)中使用来自方程(11)的结果。

如果在方程(12)中的价值函数Q(C_k)被最小化，则它意味着$>C_k\hat{\tilde{H}}\approx 1,$>因此$>C_k\approx {\left[\hat{\tilde{H}}\right]}^{-1}.$>由于存在无限地许多信道实现但是在绝大多数实际情况中C_k属于有限的集合，所以这将或许不是C_k和之间的确切匹配。然而，存在使用如上所指示的C_k对于信道的最佳配合。于是，由于方程(12)中的公式陈述形成包括天线系统的估计的信道矩阵，该矩阵等于单位矩阵I，从而包括天线系统的估计的信道矩阵被对角化，以及在这种情况下被均衡。

所述天线使用耦合予以重新配置，从而最小化方程(12)。所述信道是时间相关的，这意味着它随时间而变化，方程(10)-(12)为什么将必须被重新迭代。在本上下文中，初始耦合C₀是当前选择的天线配置，即最后一次最小化方程(12)的互耦合矩阵。

在本实例中，搜索最佳C_k是不连续的，并优选通过查询表方案予以完成。

如果耦合调整是成功的，即C的可变性是充分的，那么将压缩联合信道和天线系统H的特征值。这意味着由于系统的特征值分布被减小，从而能够增加无线电的灵敏性。另外，应当注意到特征值分布改变发生在解调之前。因此，某流的信号可以在放大器噪声最低限度上被推送(push)。这样的结果是能够使用附加的流以用于MIMO。而且，还有可能交换(trade)比特误差vs流数目。

为了构造一个实例：假设使用4×4MIMO方案，其中只有两个流具有可接受的功率(特征值)。调整互耦合导致最大特征值的减小而且两个最小特征值的增加，压缩。接收机现在能够增加放大，和例如使用三个流。这三个流将具有较高的比特误差但是它也是增加50％数据。这就是流和比特误差之间的权衡。

在第二优选实施例中，方程(13)中的单位矩阵I被交换为更普通的信道性能矩阵W(n)。包括天线系统的估计的信道矩阵具有特征值幅度：

$>D=\left(\begin{array}{ccc}{d}_{11}& 0& 0\\ 0& d_{22}& 0\\ 0& 0& d_{33}\end{array}\right),---\left(13\right)$>

这里d₁₁非常小，d₂₂相对小些而以及d₃₃最大。这意味着与特征值幅度d₁₁相关联的天线辐射波瓣不被衰减，与特征值幅度d₂₂相关联的天线辐射波瓣被轻微衰减以及与特征值幅度d₃₃相关联的天线辐射波瓣被非常大地衰减。

于是矩阵W具有以下值：

$>W=\left(\begin{array}{ccc}{w}_{11}& 0& 0\\ 0& w_{22}& 0\\ 0& 0& w_{33}\end{array}\right),---\left(14\right)$>

其中w₁₁是平均值，w₂₂是最大值以及w₃₃是零。然后d₁₁和d₂₂被变得相等，而“不利的”d₃₃被最小化。于是，当考虑天线辐射波瓣时，对应于d₃₃的天线辐射波瓣被抑制，而对应于d₁₁和d₂₂的天线辐射波瓣以这种方式形成：它们形成两个基本上相等地优良的MIMO信道。通过以参考图1描述的方式影响天线互耦合来执行天线辐射波瓣的形成。取代方程(13)中的I而使用W来计算该耦合。在特殊情况下根据第一实施例，W＝1。

总之，本发明提供了在诸如调制之类的任何信号修改之前补偿信道(包括天线系统)的方法。根据该方法，应该减小，或者以有利的方式重新配置特征值分布。

因此有可能构造能够采用增益控制以便在没有模拟失真风险的情况下获得优良的解调的接收机。也就是，该方法能够被视为通信信号的压缩器。另外终端或许能够在MIMO信道中利用更多的流。

总的来说，参考图3，本发明提供了一种获取重新可配置天线的配置的方法，所述重新可配置天线包括至少两个天线单元，该天线具有至少两个不同的天线单元配置，每个天线单元配置具有某种天线单元互耦合特性，对于每个可能的天线单元配置而言天线单元互耦合特性是以天线耦合矩阵C_k(n)的形式被事先已知的，所获取的配置对于传输信道具有希望的作用，参考图3，所述方法包括步骤：

设置8重新可配置天线的初始配置，产生初始耦合矩阵C₀(n)；

估计9传输信道矩阵该传输信道矩阵包括天线的影响；

计算10普通传输信道矩阵该普通传输信道矩阵排除天线的影响；以及

提取11提供希望的传输信道矩阵H(n)的耦合矩阵C，该矩阵包括天线的影响。

然后用所计算的耦合矩阵C设置12重新可配置天线，该耦合矩阵C优选是可获得的天线耦合矩阵C_k(n)之一。当必要时，用所计算的耦合矩阵C作为初始值C₀，重新迭代13该方法。

本发明并不局限于以上描述的实例，而是可以在所附权利要求的范围内自由地变化。例如，如果通过连续向量函数Q(x)参数化耦合矩阵，其中向量函数Q(x)相对于参数向量x的微分产生梯度g(x)，则方程(12)将变为：

argmin Q(x)＝tr{(I-CH(x))^H(I-CH(x))}       (15)

其在x是连续的。所述表达式相对于向量能够被微分，和梯度g(x)能够被计算。根据以下公式使用梯度g(x)通过迭代搜索来计算参数向量x中的更新：

x_p＝x_p-1—μg(x_p-1)，       (16)

其中μ是步长参数，以及p是迭代数。迭代搜索当然可以以许多其他已知方式，例如所谓的修正Newton搜索予以执行。

所描述的天线类型和配置仅仅是容易理解的实例。本发明当然可应用于所有类型的天线组，所述天线组包括至少两个天线单元，其中每个天线单元可以以这样的方式重新配置：影响所述天线组中的天线单元之间的互耦合。可以使用完成所希望的影响的任何类型的寄生。

还可以想到的是执行天线单元互耦合特性的或多或少的连续改变。这样的改变例如将会通过可移动电介质部件予以实现。

使用公共单式基矩阵S(n)，代替更普通的U和V矩阵是由于它提供了对本发明更易于理解的解释的事实。当然，可以使用更普通的U和V矩阵作为替代，但是这将在矩阵被旋转的情况下，导致对于本领域普通技术人员来说稍微更复杂的表述。