专利名称：用于mimo系统中的天线选择的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于优化MIMO系统中天线的使用的解决方案，并且具体涉及一 种用于在通信网络中给定的特定配置下选择MIMO系统中要使用哪些天线的解决方案。
背景技术：
在ΜΙΜ0(多输入多输出)系统中，将多个天线用于传送和接收无线电信号，以便通 过提供不同类型的分集来提高无线电通信系统的性能。MIMO解决方案中常常存在的问题是 其中存在比可用的功率放大器多的天线的配置，对于例如具有内置无线通信的膝上型计算 机，情况可能如此。MIMO编码可以分成三个主要类别预编码、复用和分集编码。预编码意味着利用适合的相位加权从每个传送天线发射相同的信号，以便提供将 接收器输入处的接收最大化的波束形成这些流在接收器侧被叠加。波束形成的优点在于 通过相长组合来增加信号增益以及减少多径衰落影响。在没有散射的情况中，波束形成导 致定义明确的方向图。空间复用要求MIMO天线配置。在空间复用中，将高速率信号分成多个较低速率 流，并且每个流在相同的频率信道中从不同的传送天线传送。如果这些信号到达接收器天 线阵列，具有充分不同的空间特征(spatial signature)，则接收器能够将这些流分离，从 而创建并行信道。流的最大数量限于传送器或接收器处天线数量中较小的那个数量。在分集编码方法中，传送单个流，但是使用如空间时间编码的技术将该信号编码。 使用完全或几乎正交的编码的某些原理从每个传送天线发射该信号。分集利用多个天线链 路中的独立衰落来增强信号分集。可以针对某些情况和/或配置将这些技术的其中一些组合。对于想要实现信道容量的MIMO系统，公知的是应将天线阵列权重选取为对信道 矩阵的奇异矢量(这里假定信道是平坦的，例如OFDM符号中的个体副载波)。为此，选取与 系统的最大奇异值对应的奇异矢量。其余的(如果有的话)，不使用奇异值。本发明中将 讨论两个主题或方法。第一个方法是通用天线元件选择方案。第二主题描述一种用于减少 ULA(均勻线性阵列)中使用的元件数的方法。在用于MIMO传送的系统中，可能存在约束，例如共享的功率放大器和分布式的天 线。这意味着系统配置对多少流能够是活动的、给定特定天线分布时要使用哪些天线等设 定了限制。在ULA天线的特殊情况中，信道奇异矢量能够被视为波束形成器权重。但是，对 于可能以任何空间分布出现的天线的一般情况，波束形成器概念丧失意义，因为不可能发 生任何相关叠加。在此类情况中，奇异矢量能够被视为空间均衡器。MIMO部署的成功与否取决于信道的特性。在ULA的情况中，奇异矢量作为权重形 成的天线图指向与信道中有利的簇(cluster)对应的方向。ULA包括N个天线元件，它们 用于传送或接收M个数据流。在原理上来说，具有最大M = N个数据流是可能的。如前文 所述，流的数量由信道性质来决定。这暗示在信道不支持N个流的情况中，天线元件的数量超过流的数量，例如N >M。因此，能够将过多的元件用于其他用途，例如分集或公共信息。 就利用分集来说，此处意味着不会发生相消组合，例如通过重发符号(ARQ)。此外，当与无线 电链或放大器的数量比较时，如PC的装置可能有过多的天线。因此，选取给定无线电信道 下的天线元件的最佳组合成为必不可少的。与减少分布式天线的一般设置或波束形成器中元件的数量并行的是模型阶选择 的问题。模型阶选择处理给定模型集下选取对数据集适合地建模所要求的最小数量参数的 问题。基本上，这是在观察中提取信息以使任何剩余物(residual)不携带附加信息。通 常，对于线性模型，这意味着剩余物是白噪声。随着模型阶增加，剩余物携带更少的信息，从 而暗示应该将模型阶选取为尽可能地高。但是，这样数据集也必然增大。显然，对于实际用 途，数据集与参数的数量一样是有限的。在随机框架中，参数估计器将导致取决于参数的数 量的参数变化。即，过度参数化增加参数变化。参数和数据点之间的折衷是模型阶选择的 ■石出。目前，MIMO传送要求信道包含足够多模式以便传递M个信号是公知常识。而且， 对于传送所需的功率是有限的，必须适当地使用。一种用于将功率分布在信道的模式上的 方案是所谓的注水算法。当实现可达到的信道容量(使用所谓的注水方法)时，在传送器 和接收器处使用与注水中结合的奇异值对应的奇异矢量。因为使用奇异矢量，所以使用选 择的矢量对所有天线端口加权。当系统是ULA(均勻线性阵列)时，情况也是如此，将最优 权重应用于整个ULA。目前，通常在传送中使用所有天线元件。这意味着没有“阵列”阶选择。可以通过 SVD (奇异值分解)来计算用于例如ULA的权重，并且减少权重的数量要求附加的SVD。SVD 是矩形实矩阵或复矩阵的分解的一种形式，其对于本领域技术人员是已知的。在W02007040564中公开一种布置成仅选择可用天线的子选择(sub selection) 的解决方案。该解决方案使用通信链路中实体之间传送的探测包来估计信道矩阵。在组合 的系统中对于每个天线子集传送探测包。传送和估计在训练时期期间执行，将估计的信道 矩阵传送到通信链路中的其他实体，并存储在每个实体中以在后来通信数据的传送期间使 用。但是此解决方案复杂且要求通信开销和大量计算。US20070140363说明其中确定信道矩阵并确定每个可用天线的传送速率的示例。 通过计算每个天线组合的信噪比并使用注水方法来选择每个传送速率，从而确定传送速率。
发明内容
本发明的一个目的在于提供可增加天线系统中的效率而同时提供具成本效率的 解决方案的装置、方法和系统。以启发式的方式，能够将天线系统视为参数化模型，其中参数是用于端口的权重。 在此方面而言，对期望目标建模所使用的参数是可变的量。通过削减(prime)天线系统，可 以免除元件。因此，天线元件可用于备选目的。备选的是，在其他地方，系统的资源可能是 有限的，例如膝上型计算机可能配备比如说六个天线元件但是只有三个无线电。而且，这六 个天线经由交换机(switch)连接到这三个无线电。这暗示在这六个天线中，存在三个天线 的组合比其他的更好。为了找到最优设置，必须确定某种意义上的最佳组合。
削减或选择能够以多种方式来实现；在本公开中，讨论三种可行方法；但是，仅后 两种对本发明是关注的。简言之，这些方法是1)基于其位置的根削减；2)将阵列视为空间 预测器；3)使用SVD的穷举搜索。在本发明的第一方面中提供一种解决方案、一种用于控制通信网络中无线通信的 通信节点，该节点包括收发器部分、处理单元、存储器单元和网络通信接口，该收发器部分 布置成控制多个天线，其中该处理单元布置成确定与另一个通信节点的通信会话中要使用 的天线的数量和身份，以及其中该处理单元布置成为用于传送的完整信道矩阵的可用信道 矩阵的至少一个子集确定至少一个度量，并选取度量对其在预定范围内的天线配置。可用信道矩阵的子集的度量可以从算术平均值、几何平均值、预测器多项式过滤 器算法或信道容量中的至少一个来选取。该通信节点还可以布置成使用该子集来确定信道矩阵并将确定的信道矩阵传送 到通信网络中的至少一个其他节点。该通信节点还可以布置成选择哪个节点来控制要在数 据的传送中使用的天线的数量。该处理单元可以布置成周期性地改变用于传送控制消息的天线和/或布置成确 定用于可用天线配置的信号以便使用控制消息中的导频信号来确定信道矩阵。通信接口可以包括无线局域网、无线个人局域网和蜂窝网络接口中的至少一个。本发明的另一方面，提供一种用于优化使用多个天线的通信链路的方法，其包括 如下步骤计算无线通信网络中两个节点之间的天线系统的完整信道矩阵的奇异值分解；初始化质量度量；从信道矩阵中选取元素并获得子信道矩阵；计算和存储用于所获得的子信道矩阵的质量度量；将计算的质量度量与用于其他子信道矩阵的先前计算的质量度量比较；从所述比较来选取适合取值的度量；选择对应的子信道矩阵并使用此子信道矩阵来计算SVD ；使用所获得的子信道矩阵配置来传送和接收通信数据。计算度量的步骤可以包括使用几何和/或算术平均值、预测器多项式或信道容量 中的至少一个。该方法还可以包括使用所获得的子信道矩阵配置来确定信道矩阵并将信道矩阵 传达到涉及的无线电装置的步骤。该方法还可以包括周期性地改变用于传送控制消息的天 线的步骤。提供本发明的又一个方面，一种用于通信网络中无线通信的系统，其包括根据第一方面的通信节点；至少两个天线元件；其中该通信节点使用单独的功率放大器来控制到所述至少两个天线元件的收发
器信号。根据本发明的方法还可以作为第一方面的装置中的处理单元中操作的计算机程 序来实现。本发明的这些和其他方面将从下文描述的实 例而显而易见并参照这些实施例来阐述。利用根据本发明的解决方案，使用具有成本效率的确定要在通信传送中使用的适 合天线和其他资源并且可以在具有成本效率的方式中实现的方法，提供更好地利用可用无 线电资源的优点。例如，提供用于确定在通信状况中使用的功率放大器和天线的适合配置 的具有成本效率的方法。
在下文中，将参考附图示出的示范实施例以非限制方式详细地描述本发明，其 中图1示意示出根据本发明的网络系统；图2示意示出根据本发明的具有天线配置的装置；图3在框图中示意示出根据本发明的方法；图4示意示出根据本发明的均勻线性天线阵列；以及图5至图9示出来自使用根据本发明的解决方案的多种仿真的结果。
具体实施例方式在图1中，引用数字1 一般指示到基础设施通信网络2的基站或相似无线接入网 关(例如接入点)。基站1布置成无线地与用户设备3通信。基站还包括无线电控制器4， 无线电控制器4用于控制无线通信和用于控制与基础设施网络2的通信。基站1可以包括 多个天线和/或多个基站可以由无线电控制器4来控制。应该注意，基站的确切配置对于 本发明不是至关重要的，只要有多个天线和控制无线电资源的装置即可，这将在本文中稍 后明白。在图2中示出的是，具有实现根据本发明的解决方案的通信装置4 (例如基站中的 无线电控制器、无线电网络控制器或终端装置(UE))的系统。该装置可以包括至少一个处 理单元201、至少一个存储器单元202和至少一个通信接口 203。而且，该装置包括用于接 收和传送无线电信号的收发器部分208。该收发器部分可以包括AD/DA单元204、至少一个 功率放大器205、206、207和可选的交换机/复用器209。处理单元布置成运行用于通信控 制和数据业务的代码。它还布置成确定将在MIMO通信配置中使用哪些天线。处理单元201 可以包括微处理器、ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)。存储器单元202 可以包括任何适合类型的存储器(易失性和/或非易失性)，例如RAM、R0M、EEPR0M、闪速存 储器和硬盘。通信接口 203将装置4连接到基础设施网络2。本领域技术人员应该理解，根 据所使用的无线通信协议/标准的类型还可能存在其他通信设备。在图2中，出于说明的 目的，将收发器208示出为传送器，但是应该认识到，还可以用根据本发明的解决方案来实 现接收器，以及还可以根据本发明来实现传送器和接收器的组合_收发器。提供交换机和/或复用器209以在根据本发明的解决方案所确定的方式中将收发 器信号分布到天线Ia-Id/分布来自天线Ia-Id的收发器信号。在仅具有一个功率放大器 (PA)或具有少于可用天线的数量的多个PA的配置中可以使用交换机/复用器。而且，可以 使用交换机/复用器来选择用于不同通信信道(不同用户通信或不同会话)的天线。应该注意，正如本领域技术人所理解的，可以根据所使用的无线电技术和/或通
7信协议在不同方式中配置收发器部分208。本发明可应用于使用多个天线来用于传送和/或接收通信信号的所有类型的无 线通信设置。在许多配置中，收发器可用的天线的数量大于可用的放大器。因此，处理无线 电资源的处理单元可以布置成确定通信中要使用的天线的数量和应该利用哪些天线。甚至 在功率放大器与可用天线数量相同的情况中，在一些情况中仅利用这些天线中的一些也是 关注的，这具有减少功耗和/或使用一些天线用于其他通信传送的好处。在MIMO系统(多输入多输出)中，可以使用信道矩阵的奇异矢量对天线元件加 权。假定信道是已知的，这些权重将确保可以更优化地利用信道容量(但是，也需要满足功 率上的附加要求，以便充分地利用信道容量的能力，这些要求可能联系到例如对信道、小区 设置的功率约束、或其他功率约束、和/或联系到考虑定向天线配置的传送的方向)。所部 署的天线元件的数量等于奇异矢量的维。但是，奇异矢量能够被视为空间过滤器。此处，空 间过滤器将表示波束形成器中的权重。在波束形成的上下文中，能够将其视为用于干扰拒 绝的方式，即在给定方向中不传递能量。对于根削减模型，这暗示对定义空间过滤器的多项 式的根提供信息源。在线性参数模型中，尝试捕获数据的要素(essence)。例如，在AR模型 (自回归)中通过两个参数唯一地描述正弦信号。通常通过解最小二乘问题来找到如AR模 型的模型参数。此解涉及协方差矩阵的逆，此矩阵应该是2乘2矩阵。假定模型阶是可变 的，当然可以估计4X4协方差矩阵。但是，对于无噪声的情况，此矩阵的秩是2。在存在加 法白噪声的情况中，该协方差矩阵将是满秩的。由此，该模型是过度参数化的，并且额外的 参数仅贡献于输出中的不确定性。此后果的起点是一般MIMO系统。MIMO系统由通信信道H来表征。此信道描述可 在传送器天线元件与接收器天线元件之间构造的所有路径。显然，该信道是具有维凡xNt的 矩阵，其中凡和Nt分别是在接收器和传送器侧的天线元件的数量。可以从离线测量获得或 在导频块的传送期间估计该信道矩阵。此处，将信道建模为对其使用接收器和传送器相关 矩阵的随机矩阵。接收器和传送器相关矩阵分别由艮和Rt表示。传送器和接收器相关矩 阵可以由相关矢量来构造，例如Toeplitz矩阵(对角常量矩阵)。联合相关可计算为
权利要求
一种用于控制通信网络中的无线通信的通信节点(4)，所述节点包括收发器部分(208)、处理单元(201)、存储器单元(202)和网络通信接口(203)，所述收发器部分布置成控制多个天线(1a、1b、1c、1d)，所述通信节点特征在于所述处理单元(201)布置成确定与另一个通信节点的通信会话中要使用的天线的数量和身份，以及其中所述处理单元布置成为用于传送的完整信道矩阵的可用信道矩阵的至少一个子集确定至少一个度量，并选取度量对其在预定范围内的天线配置。
2.如权利要求1所述的通信节点，其中可用信道矩阵的所述子集的度量是从算术平均 值、几何平均值、预测器多项式过滤器算法或信道容量中的至少一个来选取的。
3.如权利要求1所述的通信节点，还布置成使用所述子集来确定所述信道矩阵并将所 确定的信道矩阵传送到所述通信网络中的至少一个其他节点。
4.如权利要求1所述的通信节点，其中所述处理单元布置成周期性地改变用于传送控 制消息的天线。
5.如权利要求1所述的通信节点，其中所述处理单元布置成确定用于可用的天线配置 的信号质量以便使用控制消息中的导频信号来确定所述信道矩阵。
6.如权利要求1所述的通信节点，还布置成选择哪个节点来控制要在数据的传送中使 用的天线的数量。
7.如权利要求1所述的通信节点，其中所述通信接口包括无线局域网、无线个人局域 网和蜂窝网络中的至少一个。
8.如权利要求1所述的通信节点，其中所述装置还布置成作为基站或终端装置之一来 操作。
9.一种用于优化使用多个天线的通信链路的方法，包括以下步骤-计算无线通信网络中两个节点之间的天线系统的完整信道矩阵的奇异值分解； -初始化质量度量；-从所述信道矩阵来选取元素并获得子信道矩阵；-计算并存储用于所获得的子信道矩阵的质量度量；-将所计算的质量度量与用于其他子信道矩阵的先前计算的质量度量比较；-从所述比较来选取适合取值的度量；-选择对应的子信道矩阵并使用此子信道矩阵来计算SVD ；-使用获得的子信道矩阵配置来传送和接收通信数据。
10.如权利要求9所述的方法，其中计算所述度量的步骤包括使用几何和/或算术平均 值、预测器多项式或信道容量中的至少一个。
11.如权利要求9所述的方法，还包括使用所获得的子信道矩阵配置来确定所述信道 矩阵并将所述信道矩阵传达到涉及的无线电装置的步骤。
12.如权利要求9所述的方法，还包括周期性地改变用于传送控制消息的天线的步骤。
13.一种用于通信网络中的无线通信的系统(200)，包括 -如权利要求1所述的通信节点(4)；-至少两个天线元件(IaUbUcUd)；其中所述通信节点使用单独的功率放大器来控制到所述至少两个天线元件的收发器信号。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述通信节点布置成周期性地改变用于传送控制 消息的天线。
15.一种存储在计算机可读存储媒体上的计算机程序，用于控制到通信系统中的多个 天线的收发器信号，包括用于操作如权利要求9所述的方法的指令集。
16.如权利要求15所述的计算机程序，其中所述程序布置成使得可作为计算机程序产 品来分发。
全文摘要
本发明涉及一种用于有效率地处理无线通信网络中的通信装置中的无线电资源的解决方案。在该解决方案中，使用从与完整信道矩阵相关的子矩阵确定奇异值度量的方法来选取要使用的可用天线的子集。通过推导度量并与其他子矩阵比较来选取子信道矩阵。优选的是，使用最佳子信道矩阵来确定要在通信中使用的适合的完整信道矩阵，并将此完整信道矩阵传达到每个涉及的通信装置。
文档编号H04B7/06GK101981826SQ200880128542
公开日2011年2月23日 申请日期2008年3月28日 优先权日2008年3月28日
发明者F·哈里森, M·科尔德雷, S·彼得森, U·林德格伦 申请人:爱立信电话股份有限公司