抑制MIMO和SIMO无线系统中的衰落的方法和装置

摘要

在无线通信系统中，接收器包括第一多个接收链和第二多个天线。各接收链可选择性地连接到所选择的天线上。基于从所接收的RF信号获得的标准选择天线，以产生与接收链连接从而降低接收器处的RF衰落的天线配置。电子开关将天线连接到接收链上。接收器被编程为通过测量针对各个被允许的天线配置的所接收信号的特性并选择最佳的天线配置来确定哪个天线应当通过开关被连接到各接收链。可以类似地配置发送器。

说明书

相关申请的交叉引用

不适用

关于联邦政府赞助的研发的声明

不适用

光盘上提交的材料的引用纳入

不适用

材料受著作权保护的公告

本专利文件中的部分材料在美国和其它国家的著作权法下受到著作权保护。著作权所有人不反任何人对该专利文件或专利公开内容的传真复制，因为其出现在美国专利商标局的公共可用文件或记录中，但是无论怎样都保留所有的著作权。著作权所有人不会因此放弃任何权利以使该专利文件保持秘密状态，包括不依照37C.F.R§1.14限制其权利。

技术领域

本发明一般涉及无线通信，尤其涉及降低无线通信系统中的RF衰落(fading)。

背景技术

近年来，无线通信由于其灵活性和方便性而迅速发展。无线通信的基本特征是通常在基站和移动台之间通过空气(无需电缆)发送和接收RF信号。一种具体类型的无线通信系统是无线局域网(WLAN)。根据许多标准，尤其是数个802.11x IEEE标准，建立WLAN。通常将信息作为包含识别信息、实际信息和错误信息的分组发送。完整的消息可能包含在许多不同的分组中。

不管使用哪种类型的无线系统，共同的要求或目标是高性能。这些系统都面临与RF传播相关的性能问题。由于RF传播问题而导致的信号变化会对系统性能产生不利影响。

RF传播(例如从802.11WLAN发送的信号的RF传播)遇到空间衰落以及时间衰落。衰落的原因包括由于多路径传播而引起的RF的相长干涉和相消干扰以及物体在环境中的运动。这种衰落除了导致在任何单个位置处信号功率随时间变化之外，还可能导致RF信号功率在一英寸或更长的距离上产生数dB的变化。

对于基于诸如MIMO(多输入多输出)之类的技术的无线系统来说，RF衰落是个问题。在这样的MIMO系统中，空间复用(spatialmultiplexing)用来增加单个频率信道的容量。从两个或多个天线同时发送数据，且各天线上的数据不同。例如，通过使用三个发送(Tx)天线和三个接收(Rx)天线，802.11信道的频谱效率(即容量)可以增加3倍。然而，MIMO系统的性能取决于三个Rx天线中的每一个从三个Tx天线中的每一个所接收的信号的性质。理想地，从各Tx天线到各Rx天线的路径不相关，同时具有足够的信噪比(SNR)以允许在接收器进行可靠的解复用(demultiplexing)。然而，可能接收器处的三个天线中的一个或多个的信号具有低SNR(信噪比)，因此即使在数(例如3)英寸以外可能存在具有足够高的SNR的信号，也不能支持MIMO系统所期望的数据率(例如72Mbps)。

对于在接收器处使用相干合并(coherent combination)的WLAN，例如采用最大比合并(Maximum Ratio Combining，MRC)的WLAN，RF衰落也是个问题；这些WLAN可以是MIMO或SIMO(单输入多输出)系统。在对MIMO使用MRC型处理的情况下，同时从发送器的两个或多个天线发送数据；然而，Tx天线上的数据是相同的序列，可能仅偏移了固定的时间延迟。此处，在试图通过空间上分离接收天线以避免衰落的同时，使用附加(＞1)接收器来增大接收器处的SNR。

有时可以通过在接收器局部附近对其进行简单移动来改善衰落期间接收器的性能。然而，这在接收器是不可移动的大型物体的一部分的情况下是不实际的，而且由于通常甚至移动用户都不清楚到底应该怎样或者沿什么方向移动接收器来改善性能，因此其也不具有用户友好性。

为了帮助减轻MIMO以及MRC型系统的衰落，通常添加附加的Rx路径。各附加Rx链(chain)不仅包括专用天线，而且还包括专用低噪声放大器、PHY(RF和数字)芯片以及其它组件。在接收器处对来自各附加天线(处理路径)的信号进行处理。通过与之前已存在于系统中的处理链并行地添加这些附加处理链，接收器可以在也从空间上分离的位置采样RF时改善所接收信号的SNR，从而减小衰落同时影响所有天线的可能性。因此，附加天线可以提供改善MIMO和MRC型无线系统的性能的空间(spatial)、极化(polarization)、图案(pattern)以及其它类型的多样性(diversity)。然而，该方法的问题是添加附加的并行处理链在计算上复杂，而且添加了许多组件，因此实现起来更昂贵且体积更大。

因此，期望提供改进的方法和装置以减小无线通信系统中的RF衰落。

发明内容

本发明的一方面是一种无线通信装置，该无线通信装置具有用于发送RF信号的发送器和用于接收RF信号的接收器。该接收器包括第一多个接收链和第二多个天线。各接收链可选择性地连接到所选择的天线上。基于从所接收的RF信号获得的标准选择天线，以产生连接到接收链从而降低接收器处的RF衰落的天线配置。

本发明适用于无线局域网(WLAN)，包括根据802.11x标准中的任一标准设计的WLAN。本发明适用于作为多输入多输出(MIMO)系统的具有发送器和接收器的无线系统，并且还适用于作为最大比合并(MRC)系统的接收器。

本发明的另一方面是，接收器包含将天线连接到接收链的电子开关。接收器被编程为通过测量针对各个被允许的天线配置的所接收信号的特性并选择最佳的天线配置来确定通过开关将哪个天线连接到各接收链上。

本发明的又一方面是一种无线通信装置，该由无线通信装置包括：用于发送RF信号的发送器；用于接收RF信号的接收器，所述接收器包括第一多个接收链和第二多个天线；用于将各接收链选择性连接到所选择的天线上的装置；以及用于基于从所接收的RF信号获得的标准选择连接到各接收链的天线以产生连接到接收链从而降低接收器处的RF衰落的天线配置的装置。

本发明的再一方面是一种方法，该方法通过提供具有第一多个接收链和第二多个天线的接收器、基于从所接收的RF信号获得的标准选择连接到各链的最佳天线以产生连接到接收链从而降低接收器处的RF衰落的天线配置、并将各接收链连接到所选择的天线上来降低无线通信系统中的衰落。通过测量针对各个被允许的天线配置的所接收信号的特性并选择最佳的天线配置来选择各链的最佳天线。

本发明还适用于通过开关将多个发送链连接到所选择的天线上的发送器。

在说明书的以下部分将说明本发明的其它方面，其中，详细说明是为了完全公开本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制。

附图说明

通过参考以下仅用作说明目的的附图可以更全面地理解本发明：

图1是包括本发明的天线切换的一个实施例的无线系统接收器的RF前端的示意图。

图2示出本发明的天线切换的可替换实施例。

图3是根据本发明选择接收器链中的天线的方法的流程图。

图4是包括本发明的天线切换的一个实施例的无线系统发送器的RF前端的示意图。

图5示出本发明的用于发送器的天线切换的可替换实施例。

具体实施方式

更具体地参照附图，为了说明的目的，在由图1至图5所一般示出的装置和方法中实施本发明。应该理解，在不脱离此处所公开的基本概念的情况下，装置可以在结构和部件的细节上改变，方法可以在具体的步骤和顺序上改变。

本发明适用于信号的无线RF传播的系统，尤其包括从802.11无线局域网(WLAN)发送的信号的RF传播。这些类型的系统的基本结构和操作在本领域广为人知。所述系统包括具有相关联天线的发送器和接收器，或其组合收发器。所述系统一般以各种调制和解调方案运行。通常以分组发送信息。

可以以各种方式来配置无线系统的发送器和接收器以建立通信路径。四种类型是单输入单输出，即SISO；单输入多输出，即SIMO；多输入单输出，即MISO；以及多输入多输出，即MIMO；这取决于在发送器和接收器上是否存在一个或多个天线。发送器和接收器上的天线越多，存在的路径就越多。

最大比合并(MRC)是对所接收的各信号施加权重的技术。该系统包括各自连接到接收器天线阵列的接收天线的多个增益放大器。与信号的信噪比(SNR)值成比例地对所接收的各信号进行加权。然后对加权值求和。

本发明旨在减轻这些无线RF系统中的空间及时间衰落。衰落产生的原因可能是由于多路径传播而引起的RF的相长干涉或相消干扰以及物体在环境中的运动。这样的衰落可能导致RF信号功率在短距离上发生显著变化，或者在单个位置处随时间发生显著变化。因此，因为用户移动或者即使用户静止，由用户接收到的信号也可能发生显著变化。这些信号变化可能降低系统性能。

本发明适用的无线系统包括但不局限于基于诸如MIMO(多输入多输出)之类的技术的系统。在这样的MIMO系统中，使用空间复用来增加单个信道的容量。同时从多个天线发送不同的数据。例如，具有Nt个Tx天线和Nr个Rx天线的系统可以用来增加802.11信道的频谱效率(即容量)，其中Nt＞1且Nr＞1。然而，MIMO系统的性能取决于各Nr个Rx天线从各Nt个Tx天线所接收的信号。理想地，从各Tx天线到各Rx天线的路径不相关，同时具有足够的SNR以允许在接收器进行可靠的解复用。然而，可能接收器处的一个或多个Nr天线处于不能提供足够的数据率(例如72Mbps)的低SNR区域，但是对于相同的天线在很近的地方存在足够的SNR以接收适当的信号。

对于在接收器处使用相干合并的WLAN，例如采用最大比合并(MRC)的WLAN，RF衰落也是个问题。MRC系统可以是MIMO或SIMO系统。在对MIMO使用MRC型处理的情况下，同时从发送器的多个天线发送数据，然而，所有Tx天线上的数据是相同的序列，可能仅偏移了固定的时间延迟。在试图通过空间上分离接收天线以避免衰落的同时，使用附加接收器来增大接收器处的SNR。

在本发明中，MIMO以及MRC型系统采用两个阶段，第一阶段是天线选择阶段，第二阶段是实际信号处理阶段。以下例子基于无线接收器，但可类似地适用于无线发送器。一般而言，在单个接收链和一个或多个天线之间存在电子开关，该电子开关在任何时间可将接收链连接到最多一个天线上。对于具有三个Rx链的MIMO或MRC型系统来说，在各Rx链和一个或多个天线之间存在电子开关。至少一个Rx链在其自身和多于一个的天线之间具有开关。因此三Rx链系统将具有四个或更多天线。

图1详细示出具有三个接收(Rx)链(#1、#2和#3)11、12、13的接收器10的RF前端。各Rx链11、12、13由串联连接的PHY芯片14(包括RF电路)、Balun电路(阻抗匹配变压器)15、低噪声放大器(LNA)16以及带通滤波器(BPF)17形成。各Rx链的PHY芯片14连接到介质访问控制(MAC)芯片18。MAC芯片18和PHY芯片14一起形成接收器的无线芯片组(PHY/MAC)19。这些单个组件在本领域广为人知。接收器10从发送器24接收RF信号。这些组件中的一些组件可以物理集成为单个组件/分组；示出的是所执行的功能的例子。

Rx链11、12、13的各BPF 17连接到各电子开关(SW1、SW2、SW3)21、22、23，各电子开关连接到一对空间上分离的天线(ANT)20。SW1连接到ANT1和ANT2；SW2连接到ANT3和ANT4；SW3连接到ANT5和ANT6。由无线芯片组19控制开关21、22、23。开关21、22、23允许任一相关联的天线20分别连接到Rx链11、12、13。在操作中，所连接的天线20接收随后通过各Rx链11、12、13到达无线芯片组19以进行处理的RF信号。接收器10选择天线20的最佳组合以提供最佳的接收信号。

在图1的示例性实施例中，各Rx链可能连接到两个天线，从而产生六天线系统。各链的两个Rx天线中的每一个连接到由无线芯片组(PHY/MAC)控制的电子开关。接收器芯片组使用该开关确定应该使用两个可能天线中的哪一个来接收各接收链的数据(以及在从该设备进行发送期间应该使用哪一个或多个天线)。同样的设备也可以(且通常可以)用作发送器；然而，该设备不会同时进行发送和接收。

也可以使用对图1的每一接收链两个开关的简单实施例的替代切换配置。图2示出具有通过更复杂的开关33连接到多个空间上分离的天线(ANT1…ANTN)32的多个接收链(#1…#M)31的接收器30。开关33允许任一天线32连接到任一接收链31。接收器30的细节与接收器10相似，不进行重复说明。一般而言，可以通过将任何期望数量的天线连接到任何数量的接收器链的任何开关配置来实现本发明。

因此，现在改进了系统避免RF衰落的能力，同时避免了接收器的复杂性/成本的主要增加。在图1的例子中，不需要增加LAN和PHY的数量以及PHY和MAC的复杂性来支持六个同步接收链，所需要的只是三个相对低成本的开关。系统的其余部分保持与原始的三链系统相同，但是本发明使之有效地成为六链系统，仅通过添加三个开关和三个额外天线就可以从该六链系统中选择各种三链系统。

现在的问题是如何确定在接收分组期间应该选择连接到各Rx链的两个天线中的哪一个。注意，各天线空间上分离，从而提供对于MIMO性能以及降低衰落的影响都很重要的空间多样性。另外，各天线可以具有其它形式的多样性以改善总的系统性能；这样的多样性包括极化多样性和图案多样性。使用以下方法在连接到各开关的天线之间进行选择和切换。

图3是示出本发明用于选择用来接收输入信号的天线的方法的流程图。在本发明图1的接收器10的芯片组19中的装置中，例如在802.11(或者其它无线)方案的PHY和MAC组件中实现该方法。用于测量和计算实现本发明所需的测度的基本功能在本领域广为人知，且实际上由大部分802.11芯片组的销售商来实现。没有实现的是此处说明的多天线实现方式、所需开关和基于所测量和计算出的测度选择天线的更高水平的逻辑。

如图3的步骤40所示，当接收器首先与新的远程设备联系(即从新的远程设备接收RF信号)时，该接收器测量该信号的特定特性或参数。优选地，根据本发明，如步骤41所示，对于各Rx链上的天线的每一(或一些)组合，接收器(对于从远程设备发送的分组)测量其各Rx链的信号质量(即信噪比(SNR))，以及整个接收到的分组的总的信号质量(SNR)(其中总的SNR＝经过任何后处理之后的最终信号的SNR，该后处理与通过MRC发生的一样)、未编码的比特错误率(BER)和/或分组错误率(PER)。在这点上，优选使用所有这些测度；然而，如果这些度量中的一个或多个不可用，则系统可以使用其它度量进行操作。在存在各自仅连接到两个天线的三个Rx链的本示例性情况下，最多有八种可能性。然而，可以有更多种可能性。例如，在六个天线都连接到三个不同开关中的每一个的可选配置中，有120种可能性。在该情况下，如步骤42所示，可以使用先验知识仅探究天线的特定组合。然后，如步骤43所示，基于该信息或从所接收的信号中获得的“选择标准”来选择最佳天线配置。

一旦基于天线上的SNR和Reed-Solomon(RS)解码之前的原始数据的比特错误率(和/或最终分组错误率)选择了最佳天线组合，则对来自远程发送器的所有接收保持该天线选择。这在接收器仅从单个诸如可能位于A/V家庭网络中的视频客户机之类的发送器接收数据时是可接受的方案。这由步骤44、45和46示出。在步骤44接收器保持为所选择的配置，同时在步骤45接收输入的RF信号，并且在步骤46处理这些信号以获得所发送的信息。

如果接收器支持一个以上的发送器，那么基于系统需求有多个选项。在第一选项中，将用于接收的天线简单地固定为对于接收设备的物理定位、该设备上天线的位置和使用该系统的环境来说先验地认为是最佳的整体配置。在第二选项中，选择接收天线以对来自发送器的分组接收进行最优化，其中从该发送器接收最近的分组。在第三选项中，基于所接收的信息的预期时间序列改变天线配置。例如，如果第一个分组来自接收器#1，且预期从接收器#1接收一串50个分组，则为接收器#1最佳地保持天线选择，直到接收到了50个分组为止。可能还有其它选项。

除了上述学习用于Rx的天线的组合的方法之外，或者作为其替代，接收器可以周期性地改变Rx天线的组合以确定Rx天线的更好组合现在是否可用，如步骤47所示。当从发送器接收到实际数据时或者在仅为该目的而专门开始的分组发送的接收期间，可以进行该操作，如步骤48所示。另外，当可能例如由于物体在环境中的运动之类的时间衰落而引起的针对RX天线特定组合的分组接收失败(一次或多次，取决于阈值)时，开始对新组合的这种探究。步骤49示出从接收器获得错误信号以开始改变天线配置。

尽管上面描述了接收，但是可以使用类似方法来学习和选择用于发送的天线组合。如图4和图5所示，除了用“Tx链”代替“Rx链”以及用功率放大器(PA)代替LNA之外，示意图对Tx和Rx来说基本相同。在图4中，发送器25由三个与图1的接收链11、12、13类似的发送链27、28、29组成，除了各链中的LNA 16被PA 36代替以外。其余组件与图1中的组件类似且具有相同的标号。TX 25将RF信号发送到接收器26。与图2相同，图5示出具有通过更复杂的开关33连接到天线32的多个(1…M)发送链35的发送器34。

尽管上述例子考虑了三个链和每个链两个天线的系统，但也可以使用其它配置。可以使用每个链两个以上的天线候选。图2示出更复杂的切换配置。

可以支持不同的无线技术(例如802.11x、802.16等)。本发明一般适用于任何无线系统中的衰落问题。

尽管上述描述包含许多细节，但不应将其理解为限制本发明的范围，而应理解为仅提供对本发明一些目前优选的实施例的说明。因此，应该理解，本发明的范围完全包括对本领域技术人员来说显而易见的其它实施例，相应地本发明的范围仅由所附权利要求书来限制，其中，除非明确声明，否则对单个元件的引用并不是旨在表示“一个并且仅此一个”，而是指“一个或多个”。本领域普通技术人员已知的上述优选实施例的元件的所有结构、化学和功能的等同物通过引用明确包括在此且包括在本权利要求书中。而且，由于设备或方法被本权利要求书所包含，因此该设备或方法不需要解决本发明寻求解决的每个问题。此外，不管本公开中的元件、组件或方法步骤是否在权利要求书中明确陈述，这些元件、组件或方法步骤都不是旨在专用于本公开。此处，权利要求的要素无需按照35U.S.C.112第六款的规定进行解释，除非该要素使用短语“用于…的装置”进行了明确的说明。