专利名称：通过信道传送信号的方法和无线电通信装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过具有N个天线的第一装置和具有M个天线的第二装置之间的信道传送信号的方法和无线电通信装置。
背景技术：
本发明针对一种最大化在两个无线电通信装置之间的一无线电通信链路的容量和/或范围的系统与方法。多输入多输出(MMO)无线电通信技术已熟知是用来提升由一装置到另一装置所发射的信号的接收的SNR，在MMO无线电算法的研究已经导入多重信号流同时从一装置的多个天线上发射到另一个装置，因此大幅地提升在两个装置间的无线电通信信道的数据率。传统的借由多个天线同步地发射多个信号流的一个方法是利用在经由多个天线组合所发射的总功率上的一功率限制以及一注水解法(waterfilling solution),所谓的注水解法在发射装置上需要多个全功率的功率放大器，因为对于某些信道，所有的或几乎全部的发射功率都由一功率放大器所发射是可能的。对于MMO系统来说，还有空间来改善用于MIMO无线电通信系统的装置的设计，尤其是，在想要在一集成电路上制造无线电收发信机装置的情况时。
发明内容
简单来说，本发明提供用于具有N个天线的一第一装置与具有M个天线的第二装置间的多重信号(信号流)的同步无线电通信的一系统、方法与装置。不像先前技术中的方法，本发明中所提供的方法在发射装置的每一发射天线路径上加入了一功率限制。根据本发明一方面提供一种用于在具有N个天线的一第一装置与具有M个天线的一第二装置间的无线电通信的方法，所述的方法包含通过计算一个发射矩阵A以该一个发射矩阵A来处理代表L个信号的向量S，以便使得在所述第一装置与所述第二装置间受制于一功率限制的信道容量得以最大，其中，由所述N个天线中的各天线所发出的功率小于或等于一最大功率，并且，该发射矩阵A顺着该N个天线以及该第二装置的M个天线之间的信道的特征向量加权同步发射的L个信号[S1... ];借此，当NS M时，所述的发射矩阵A=VD,其中V为HhH的特征向量，H为从所述的第一装置到所述的第二装置的信道响应，矩阵D=I sqrt (P_/N)，而I为单位矩阵，因此由N个天线的每一天线所发射的功率彼此相同且等于P_/N，其中Pmax是来自所有N个天线组合的总发射功率。根据本发明另一方面提供一种无线电通信装置，其包含a.N个天线；b.N个无线电发射机，每一发射机连接到多个天线中对应的一个；C. 一基带信号处理器，连接到所述的N个无线电发射机，通过计算一个发射矩阵A以该一个发射矩阵A来处理代表L个信号的向量S，以便使得在所述装置与一远端装置间受制于一功率限制的信道容量得以最大，其中，由所述N个天线中的各天线所发出的功率小于或等于一最大功率，并且，该发射矩阵A顺着该N个天线以及该远端装置的M个天线之间的信道的特征向量加权同步发射的L个信号[S1. . . sL];借此，当N彡M时，所述的发射矩阵A=VD,其中V为HhH的特征向量，H为从所述的装置到所述的远端装置的信道响应，矩阵D=I -sqrt (P_/N)，而I为单位矩阵，因此由N个天线的每一天线所发射的功率彼此相同且等于P_/N，其中Pmax是从所有N个天线组合的总发射功率。
根据本发明又一方面提供一种无线电通信系统，其包含a. —第一装置；i. N个天线；ii. N个无线电发射机,每一发射机连接到多个天线中对应的一个；以及iii. 一基带信号处理器，连接到所述的N个无线电发射机，通过计算一个发射矩阵A以该一个发射矩阵A来处理代表L个信号的向量S，以便使得在所述第一装置与一第二装置间受制于一功率限制的信道容量得以最大，其中，由所述N个天线中的各天线所发出的功率小于或等于一最大功率，并且，该发射矩阵A顺着该N个天线以及该第二装置的M个天线之间的信道的特征向量加权同步发射的L个信号[Sl. .. ];借此，当NS M时，所述的发射矩阵A=VD,其中V为HhH的特征向量，H为从所述的第一装置到所述的第二装置的信道响应，矩阵D=I sqrt(P_/N)，而I为单位矩阵，因此由N个天线的每一天线所发射的功率彼此相同且等于Pmax/N，其中Pmax是从所有N个天线组合的总发射功率；b.第二装置，其包含i.M个天线；ii.M个无线电发射机，每一发射机连接到多个天线中对应的一个；以及iii. 一基带信号处理器，连接到所达的N个无线电发射机，以借由接收权重处理在经由多个无线电接收机的所输出的信号并结合所得到的结果信号以回复所述的L个信号[Sl. . . sj。在第一装置上，代表所要发射的L组信号[S1... sj的一向量s通过一发射矩阵A来处理，以最大化在所述的第一装置与第二装置间的信道的容量，其中所述的信道受制于一功率限制，亦即经由N组信道中的每一信道所发射的功率小于或等于一最大功率。对每一天线的功率限制可以与所有的天线或特定的天线相同，亦或者是不同的功率限制。例如，所述的每一天线的功率限制可能与由N组天线所发射的一功率总和除以N后的值相同。所述的发射矩阵A在N组天线中分配所述的L组信号[Sl... sj以同步发射到第二装置。而在所述第二装置，由M组天线所接收的信号以接收权重来加以处理，而所得到的信号被组合以恢复所述的L组信号。这个方式适用于N>M以及N < M的情况。根据本发明又一方面提供一种通过具有N个天线的第一装置和具有M个天线的第二装置之间的信道传送信号的方法，该方法包括通过计算一个发射矩阵A来用发射矩阵A处理表示L个信号[Sl. . . sL]的向量S，以最大化第一装置和第二装置之间的信道容量，其中发射矩阵A加权L个信号并在N个天线中分配L个信号[S1...以以功率P_/N同步发射至第二装置，其中Pmax为来自所有N个天线组合的总发射功率。根据本发明又一方面提供N个天线#个无线电发射机，每个无线电发射机连接至多个天线中对应的一者；以及基带信号处理器，连接至N个无线电发生器，通过计算一个发射矩阵A来用发射矩阵A处理表示L个信号[Sl. . . sL]的向量S，以最大化无线电装置和远程装置之间的信道容量，其中发射矩阵A加权L个信号并在N个天线中分配L个信号[Sl. . . sL]以以功率P_/N同步发射至远程装置，其中Pmax为来自所有N个天线组合的总发射功率。如果在一个系统中的通信装置是设计成大约在每一天线的功率限制，那么所述的通信系统的性能将会是接近最佳的注水解法一样的优异，而且提供更显著的实施优势。所述的无线电发射机可以以需要低功率输出容量的功率放大器来执行。因而也可以减少所需要的硅晶片的面积。因此，经由所述的发射机所泄漏的DC电流将会比较低，而且经由功率放大器所引起的芯片上的干扰也会变得比较低。前面所说的技术特征以及本发明的目的及其它优势将会参考下列的详细说明以及配合附图而变的更加清楚。
图I表示两个多天线的无线电通信装置所组成的一系统图，其中多重信号流经由一第一装置而同步发射到一第二装置。图2是表示映射与多路复用信号至多个天线路径以用于同步发射的流程图。图3表示能够执行如图I所示的MMO无线电通信技术的一无线电通信装置的框图。图4表示形成如图3所述的装置的一部份的一调制解调制器(modem)的发射机部分的一较佳具体实施例的框图。图5表示所述的调制解调制器(modem)的接收机部分的一较佳具体实施例的框图。图6是示出了根据本发明所述的MIMO无线电技术的相对性能的一坐标标绘图。
具体实施例方式请参照图I与图2所示，图中所示的一系统10中，其中具有N组天线110 (I)到110 (N)的一第一无线电通信装置100借由一无线电通信链路与具有M天线210 (I)到210(M)的一第二无线电通信装置200进行通信。在下面的详细说明中，将只说明由所述的第一无线电通信装置发射到所述的第二无线电通信装置的状况，但相同的分析结果应用于由第二无线电通信装置到第一无线电通信装置的发射。从所述的第一通信装置的N个天线到所述的第二通信装置的M个天线的多输入多输出(MIMO)信道响应将由信道响应矩阵H来加以说明。所述的信道矩阵在相反的方向上即为HT。装置100将会经由天线110 (I)到110 (N)同步发射L个信号S^S2,...，Sl。一向量s将由表示在基带上发射的L个信号[S1. . . SJ来定义，以使得S=LS1. . . SJt0所述的可以同步发射的信号的数目(L)与在所述的装置100与装置200间的信道H有关，尤其是L ( Rank of HhH ( min (N，M)。例如，假如 N=4，以及 M=2，那么 L ( Rank of HhH ( 2。所述的装置100具有信道状态(例如使用训练序列，反馈等)的知识，也就是说装置100知道H。在发射装置(在发射装置与接收装置间)上获得与更新所述的信道知识的技术已经为本技术领域所熟知，因而不再于此详述。例如，训练与反馈技术已详述于Raleigh等人的美国专利号6，144,711。接下来要介绍两个矩阵；V*HhH的特征向量矩阵，而A为HhH的特征值矩阵。装置100发射乘积As，其中矩阵A为空间多路复用发射矩阵，而A=VD。所述的矩阵D=diag(屯，...，<)，其中I dp 12为在pth模式下的发射功率，或者换句话说，为所述的L个信号的第Pth个的功率。装置200接收HAs+n，而且在针对每一个模式的最大比例组合之后，装置200、计算 c=AHHHHAs+AHHHn=DHDAs+DHVHHHn。如图2所示，在所述的第一装置中，来自一比特流{b}的大量的比特以一映射技术而映射到一向量S。所述的映射技术可以选择性地包括编码调制以改善链路余量。所述的比特流lb}可以是一个文件或比特的集合，以表示任何形式的数据，例如语音、影像，声音，计算数据等，被划分或者分离成将在空间上多路复用或同步发射的不连续的的帧或块(通常被称为信号)。其中一个例子为多个IEEE 802. Ilx帧(每一 Si可能为一不同的帧)从所述的第一装置100到所述的第二装置200的同步发射，其中，例如，所述的第一装置100为一IEEE 802. 11接入点(AP)，而所述的第二装置为客户端(STA)。所述的发射矩阵A与矩阵s的乘积为一向量x。所述的矩阵乘法步骤有效地加权向量s的每一个跨过N个天线的每一个的元素，借此，在多个天线中分配多个信号以同步发射。从矩阵乘法区块中所导出的向量 X的分量X1到Xn随后连接到所述的第一通信装置的对应天线。例如，元素X1为天线I的向量S的所有加权元素的总和，分量X2为天线2的向量s所有的加权元素的总和，依此类推。发射矩阵A为包含发射权重WT, ,j的一复数矩阵，其中i=l到L，而j = I到N，每一天线权重可能与频率有关以考虑一频率相关的信道H。例如，对于一多载波调制系统，例如，一正交频分复用(OFDM)系统，对每一个次载波频率k具有一个矩阵A，换句话说，每一发射权重WT,u为次载波频率k的一个函数。对于一时域(单载波)调制系统来说，每一发射权重WT,ij可能为一抽头延迟线滤波器(tapped-delay line filter)。于先前技术中关于选择权重dp以将容量最大化的方法
权利要求
1. 一种通过具有N个天线的第一装置和具有M个天线的第二装置之间的信道传送信号的方法，该方法包括 通过计算一个发射矩阵A来用所述发射矩阵A处理表示L个信号[Sl... sj的向量S，以最大化所述第一装置和所述第二装置之间的信道容量，其中所述发射矩阵A加权所述L个信号并在所述N个天线中分配所述L个信号[S1... 以以功率P_/N同步发射至所述第二装置，其中Pmax为来自所有N个天线组合的总发射功率。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，在N( M的条件下，所述发射矩阵A=VD，其中V为HhH的特征向量，H为从所述第一装置到所述第二装置的信道响应，矩阵D=I -sqrt (Pfflax/N)，以及I为单位矩阵。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，在N>M的条件下，所述N个天线中的至少两个天线发射的功率彼此不相同。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，所述发射矩阵A等于VD，其中V为HhH的特征向量，H为从所述第一装置到所述第二装置的信道响应，D=diag (di，...，^，以及|dp|2为所述发射功率，其中P=I至L。
5.根据权利要求4所述的方法,其中，当N>M时,D=sqrt(d Pmax/N) I,其中天线i发射的功率为(d Pmax/N) (VVh) i=l， ，N，以及 d=dp，其中 p=l 至 L。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，d=l/z，以及Z=mp [(VVh)11)，由此来自所述N个天线中的任意天线的最大功率为P_/N，而由所述N个天线组合发射的总功率介于Pmax/M和Pmax之间。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，d=l，由此天线i发射的功率为(Pmax/N) (VVh) ，i=l至N，以及由所述N个天线组合发射的总功率为P_/M。
8.根据权利要求I所述的方法，其中，所述L个信号中的每个信号利用多载波调制处理而被基带调制，且其中所述处理包括用多个子载波k的每个子载波处的发射矩阵A(k)乘以所述向量S。
9.一种无线电通信装置，该无线电通信装置包括 N个天线； N个无线电发射机，每个无线电发射机连接至所述多个天线中对应的一者；以及 基带信号处理器，连接至所述N个无线电发射机，通过计算一个发射矩阵A来用所述发射矩阵A处理表示L个信号[Sl. . . sL]的向量S，以最大化所述无线电通信装置和远程装置之间的信道容量，其中所述发射矩阵A加权所述L个信号并在所述N个天线中分配所述L个信号[S1... ]以以功率？_州同步发射至所述远程装置，其中Pmax为来自所有N个天线组合的总发射功率。
10.根据权利要求9所述的无线电通信装置，其中，在N( M的条件下，所述发射矩阵A=VD,其中M为所述远程装置的天线数量，V为HhH的特征向量，H为从所述无线电通信装置到所述远程装置的信道响应，矩阵D = I sqrt (P_/N)，以及I为单位矩阵。
11.根据权利要求9所述的无线电通信装置，其中，在N>M的条件下，其中M为所述远程装置的天线数量，所述N个天线中的至少两个天线发射的功率彼此不相同。
12.根据权利要求9所述的无线电通信装置，其中，所述发射矩阵A等于VD，其中V为HhH的特征向量，H为从所述无线电通信装置到所述远程装置的信道响应，D=diag Cd1,...,4)，以及Idp 12为所述发射功率，其中p=l至L。
13.根据权利要求12所述的无线电通信装置，其中，当N>M时，其中M为所述远程装置的天线数量，D=Sqrt Cd Pmax/N) I，其中天线i发射的功率为(d Pmax/N) (VV11)ii,i=l, . . . , N,以及 d=dp,其中 p=l 至 L。
14.根据权利要求13所述的无线电通信装置，其中 ，d=l/z，以及7
15.根据权利要求13所述的无线电通信装置，其中，d=l，由此天线i发射的功率为(Pmax/N) (VVh) n，i=l至N，以及由所述N个天线组合发射的总功率为Pmax/M。
16.根据权利要求9所述的无线电通信装置，其中，所述L个信号中的每个信号利用多载波调制处理而被基带调制，且其中所述处理包括用多个子载波k的每个子载波处的发射矩阵A(k)乘以所述向量S。
全文摘要
一种通过具有N个天线的第一装置和具有M个天线的第二装置之间的信道传送信号的方法和无线电通信装置。在所述的第一装置，代表将发射的L个信号的一向量s是经过一发射矩阵A的处理，进而最大化在第一装置与第二装置之间受制于一功率限制的信道容量，其中，经由N个天线的每一天线所发射的功率小于或等于一最大的功率值。每个天线的功率限制可以是所有天线相同，或者是每个天线特定的或不同。例如，每个天线的功率限制可以等于由所有N个天线组合发射的总最大功率除以N。发射矩阵A在N个天线中分配L个信号以同步发射至第二装置。在所述的第二装置，由M个天线所接收的信号经由接收权重处理，并且所得到的信号被组合来恢复所述的L个信号。
文档编号H04B1/02GK102655430SQ20121015292
公开日2012年9月5日 申请日期2003年7月25日 优先权日2002年7月30日
发明者强德拉·法得雅纳珊, 葛里·L·苏格而 申请人:美商智慧财产权授权股份有限公司