专利名称：用于在mimo系统中选择可重新配置天线的系统和方法
技术领域：
本发明主要涉及多元天线系统领域。具体地，本发明涉及用于在ΜΙΜΟ、SIMO和 MISO系统中有效地使用多元可重新配置天线的系统和方法。
背景技术：
最近的研究显示，采用可重新配置天线可以改善由多输入多输出(ΜΙΜΟ)、单输入多输出(SIMO)和多输入单输出(MISO)系统提供的增益，如在"Design and evaluation of a reconfigurable antenna array for MIMO systems " (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 56, no. 3,2008,由 D. Piazza, N.J. Kirsch, A. Forenza, R. W. Heath Jr.禾口 K. R. Dandekar 发表)；"Α ΜΙΜΟ system with multifunctional reconfigurable antennas " (IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol.5, no.31, pp. 463-466,2006,由 B. A. Cetiner, E. Akay, E. Sengul 禾口 Ε· Ayanoglu 发
； " Multifunctional reconf igurable MEMS integrated antennas for adaptive MIMO systems " (IEEE Communications Magazine, vol.42, no.12, pp. 62-70,2004,由 B. A. Cetiner, H. Jafarkhani, Jiang-Yuan Qian, Hui Jae Yoo, A. Grau 禾口 F. De Flaviis 发 ； " Maximizing ΜΙΜΟ capacity in sparse multipath with reconfigurable antenna arrays" (IEEE Journal of S elected Topics in Signal Processing, vol.1，no. 1， pp. 156-166，200，由 A. M. Sayeed 禾口 N. Raghavan 发表)；以及“Two port reconfigurable circular patch antenna for MIMO systems " (Proceedings of the European Conference on Antennas and Propagation, EUCAP,2007 年，由 D.Piazza, P. Mookiah, Μ. D' Amico和K. R. Dandekar发表)中所解释的。这些天线根据无线信道的传播特性，自适应地改变它们的电气和辐射性质，以便于在给定通信系统中的发射和接收天线之间提供强信道(strong channel)。为了最好地使用这样的可重新配置天线，有必要知道用于每个天线配置的发射机禾口接收机之间的信道响应，如在"A reconfigurable multiple-input multiple-output communication system"(IEEE Transactions on Wireless Communications,vol. 7,no. 5, 2008年，由A. Grau，H. Jafarkhami和De Flaviis发表)中所示的。然而，在上述论文中描述的在发射机和在接收机处估计用于每个天线配置的信道响应被证明为耗电的，并且对可重新配置的ΜΙΜ0、MISO和SIMO系统的性能具有有害效果。对通信系统的性能的信道估计的负面影响与天线配置的数目成比例地增加，达到由不完全信道估计导致的损失可能高于由可重新配置天线提供的容量增益的点。为了克服该信道估计问题，在此提供了一种方法，该方法允许线性和非线性多元可重新配置天线在没有任何额外功耗和对传统的不可重新配置ΜΙΜΟ、SIMO或MISO系统的数据帧进行任何修改的情况下，在接收机处选择天线配置。该配置选择方案并不旨在最大化用于每个特定信道实现的吞吐量，而是选择平均上增加通信链路的谱效率的天线配置。以下示出的自适应算法被示出为对图案可重新配置天线有效，但是其用途还可以被扩展至其他种类的天线。因为图案可重新配置天线在关于利用空间或极化分集的天线的 ΜΙΜΟ、SIMO或MISO通信中的优点，所以选择图案可重新配置天线。与极化分极天线类似， 图案分集天线允许系统设计者减少在通信设备上所占用的天线空间，解决在传统多元天线系统中阻碍天线被远离放置的尺寸和成本的约束，如在〃 Benefit of pattern diversity via two-element array of circular patch antennas in indoor clustered MIMO channels" (IEEE Transactions on Communications, vol. 54,no. 5,pp. 943-954,2006^, 由A. Forenza和R. W. Heath Jr发表)中教导的。而且，与极化可重新配置天线不同，图案可重新配置天线可以在不需要在发射机和接收机处同时切换天线配置以供极化对准的情况下被有效地使用。而且，与极化可重新配置天线不同，图案可重新配置天线允许每个天线元素的理想无限数目 (infinitive number)的完全不相关图案的生成，以便于最佳地调谐用于最高谱效率的无线信道。根据本发明提出配置选择方案分析通过可重新配置圆形贴片(patch)天线可实现的性能，如在〃 Two port reconfigurable circular patch antenna for MIMO systems" (roceedings of the European Conference on Antennas and Propagation, EUCAP，2007，由 D. Piazza, P. Mookiah, M. D ' Amico 和 K. R. Dandekar 合著)中描述的。 如在D. Piazza的论文中所描述的，这些天线能够通过改变圆形平板的半径来动态地改变它们的图案。在遍历信道容量和误码率(BER)方面，使用分簇信道模型来进行对这些可重新配置圆形贴片天线(PCPA)的性能的分析，如在“T&i channel models" (IEEE 802. ll-03/940r4,2004,由 V. Erceg 等人发表)中教导的。通过该方法，阵列配置选择直接关联于i)无线信道的空间特性(角功率谱的角度扩展(angle spread), ii)可重新配置阵列的单元之间存在的图案分集的等级，iii)各种天线配置之间的辐射效率和输入阻抗的差异，以及iv)平均系统信噪比(SNR)。对多元可重新配置天线最佳的天线选择方案是期望的并且在此进行描述。
发明内容
根据本发明所提出的多元天线选择方案选择用于多元可重新配置发射机和/或接收机天线的天线阵列配置。该系统包括包括多个可重新配置单元的发射机天线阵列和接收机天线阵列中的至少一个；以及处理器，该处理器实现用于选择天线阵列配置的软件， 并且还建立用于至少一个天线阵列配置的查找表。提供可以通过处理器调节以重新配置天线阵列配置的连接装置，诸如，PIN 二极管、MEMS开关、FET晶体管、可变电感器和/或可变电容器。可重新配置天线阵列配置可以是但不限于，圆形贴片天线阵列。接收机天线阵列还可以使用线性或非线性接收机来执行信道估计。发射功率可以在发射机天线阵列的阵列元素之间相等地被分配，或者其可以在发射机天线阵列的阵列元素之间自适应地被分配。多个可重新配置的元素可以在多种无线通信系统中使用，包括但不限于采用波束成形、空间多路复用、空时分集传输方案的系统、无线局域网、无线个人局域网、无线自组织网络、传感器网络、无线个体局域网、雷达系统、卫星通信网络、3G蜂窝网络、和/或4G蜂窝网络。处理器建立天线阵列配置的查找表，其包括但不限于，表示信噪比(SNR)、角度扩展(AQ、倒数条件数(D。)、发射/接收相关性矩阵的倒数条件数(DJ、以及延迟扩展(DS) 的值。可以用于建立查找表的附加元素包括电磁分簇信道模型、电磁射线跟踪模拟、信道测量或系统性能矩阵，诸如信道容量、数据传送速率、误码率、分组错误率、或发射功率量。 这些值可以从在数据分组中接收到的信息来估计，其中，每个数据分组中的一部分被分配用于信道估计。针对多种天线阵列配置估计每个阵列元素的值。针对发射机和/或接收机天线来设置天线阵列配置。还可以确定和使用用于所选阵列配置的信号相关性来确定信道倒数条件数Da。可以确定和使用用于当前阵列配置的信道转移矩阵来确定信道倒数条件数D。。可以基于用于建立查找表的阵列配置来选择查找表。还可以基于SNR的直接测量来选择查找表。可以使用倒数条件数信息来估计AS。阵列配置优选地可以被设置为具有总辐射图案的可重新配置阵列，其保证在进入信号的平面内的准全向覆盖。这样选择的所选择的天线阵列配置可以影响辐射图案的形状、辐射图案的极化和/或天线阵列的阵列元素之间的分离。
图1(a)和图1(b)图示了具有两种(图1(a))和三种(图1(b))天线配置的可重新配置圆形贴片天线(RCPA)的示意图，同时图1(c)图示了在用于不同电磁模式的RCPA的两个端口处在方位角平面中激励的辐射图案。图2图示了作为基板电介质介电常数的函数的用于不同天线配置的RCPA辐射效率。图3(a)图示了作为用于在接收机处采用RCPA-I的2X 2MIM0系统的角度扩展 (AS)的函数的用于三种不同天线配置的信道容量曲线，同时图3(b)图示了当相对于采用在模式TM21、TM31和TM41下操作的圆形贴片天线的不可重新配置天线系统在同一 2X 2MIM0系统中使用RCPA-I时可实现的作为AS的函数的百分比容量改善。图4图示了作为用于采用(a)在接收处的RCPA-2和(b)具有用于所有天线配置的单一辐射效率的理想RCPA (其中，SNR = 5dB)的2X2MIM0系统的角度扩展的函数的用于三种不同天线配置(TM21、TM31、TM41)的信道容量曲线。图5图示了用于三种不同天线配置的信道容量曲线，作为在接收机处采用RCPA-I 的2X 2MIM0系统的角度扩展的函数，用于(a) SNR = 0和(b) SNR = 20dB。图6图示了角度扩展交叉点相对于用于配置TM21X TM31和TM31X TM41的SNR。图7图示了倒数条件数Da，作为在2X 2MIM0系统中的接收机处使用的天线配置 TM21的角度扩展的函数。图8 (a)图示了可实现信道容量，作为用于2X 2MIM0系统的角度扩展(AS)的函数，并且图8(b)图示了百分比容量改善，作为用于在接收机处采用RCPA-I的同一 MIMO系统的AS的函数。图9图示了可实现信道容量，作为用于在接收机处具有RCPA (RCPA-I)的2X 6MIM0 的角度扩展(AQ的函数。图10图示了 BER相对于用于在接收机处具有RCPA-1的2X 2MIM0系统的SNR。图11图示了解释基于当前阵列配置选择适当组查找表的流程图。图12图示了可以用于选择已知用于参考配置TM21的SNI^PDa的天线配置的采样查找表。图13图示了用于不同参考天线配置的一组采样查找表。图14图示了用于选择已知(a)用于参考配置TM21的SNR和D。和(b)用于参考配置TM21的SNR和DS的天线配置的采样查找表。
具体实施例方式SIMO和MISO系统分别仅在接收机和在发射机处采用多元天线，同时MIMO系统在通信链路的两端采用多元天线。在以下说明中，MIMO通信系统被认为是示例性实施例，但是本领域技术人员将认识到，所有的结果还适用于SIMO和MISO系统。与传统不可重新配置多元天线系统不同，在可重新配置MIMO系统中，发射/接收阵列的每个天线元素都能够改变其辐射图案特征(即，图案、极化或二者)。改变每个天线元素的辐射性质已经被示为是适用于在发射机和接收机之间的无线信道的改变条件的有效技术。通过适当地选择阵列配置，能够选择允许最高吞吐量的信道情况。采用可重新配置阵列的MIMO系统能够具有P种不同配置。假设平坦衰落信道，在接收机处收集的信号通过以下关系与从发射机外出的信号相关yP;q = HP;qxP;q+nP;q其中，yp;(1 e Cnxi是在接收机阵列处的信号矢量，e Cmxi是在发射天线阵列处的信号矢量，np;q e Cnxi是方差为σ 2的复杂加性高斯白噪声(AWGN)矢量，并且Hp;(1 e Cnxm 是信道转移矩阵。子下标第P个和第q个指分别在发射机和接收机多元天线处采用的阵列配置。根据克罗内克(Kronecker)模型，转移信道矩阵Hp ；q被定义为Hp.q = R11^qH J^p其中，RTXp和RRXq分别表示分别用于接收阵列的第ρ个配置和用于发射阵列的第q个配置的接收和发射空间相关性矩阵。H e Cnxm是复杂高斯衰落系数的矩阵。为了执行对信道响应的估计Hp ；q，考虑导频辅助估计，其使用最小均方差(MMSE)接收机。由L 个符号构成的训练序列在K个符号时段内被发射，并且由接收机使用，以估计信道响应。通常，指配给不同发射天线的导频信号彼此正交。该假设暗示每个导频序列的总发射数据等于K-LM个符号。发射功率在M个发送天线元素之间均勻分布。然后，数据符号的振幅可以被表达为
权利要求
1.一种用于多元可重新配置发射机和/或接收机天线的选择天线阵列配置的方法，包括下述步骤建立用于N个天线阵列配置中的至少一个的查找表，所述查找表包括用于信噪比SNR、 角度扩展AS、倒数条件数D。、发射/接收相关矩阵的倒数条件数Da和延迟扩展DS中的至少一个的值；估计少于N个天线阵列配置的SNR、AS、D。、Da和/或DS的值；以及至少部分地基于这样估计的值和使用所估计的值从查找表检索的阵列配置，来设置用于所述发射机和/或接收机天线的所述天线阵列配置。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定所述当前阵列配置的信号相关性，并且使用所述信号相关性来确定所述信道倒数条件数Da。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定用于所述当前阵列配置的信道转移矩阵，并且使用所述信道转移矩阵来确定所述信道倒数条件数D。。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于用于建立所述查找表的所述阵列配置来选择所述查找表。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于直接测量的信噪比来选择所述查找表。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述倒数条件数信息来估计所述角度扩展。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，建立所述查找表包括使用电磁分簇信道模型。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，建立所述查找表包括使用电磁射线跟踪模拟。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，建立所述查找表包括使用信道测量。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，建立所述查找表包括使用系统性能度量。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所选择的性能度量包括信道容量、数据传送速率、误码率、分组错误率或发射功率的量。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述设置步骤中设置的所述天线阵列配置是具有总辐射图案的可重新配置阵列，所述总辐射图案保证了在进入信号的平面中的准全向覆盖。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述天线阵列配置的设置影响辐射图案的形状、所述辐射图案的极化和/或所述天线阵列的阵列元素之间的分离。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括使用连接装置来将所述天线阵列配置重新配置为所设置的天线阵列配置。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，使用所述连接装置来重新配置所述天线阵列配置包括设置PIN 二极管、MEMS开关、FET晶体管、可变电感器和/或可变电容器。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述天线阵列配置是圆形贴片天线阵列。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述估计值根据在数据分组中接收到的信息来进行估计，其中，每个数据分组的一部分被分配用于信道估计。
18.一种用于将数据从第一位置传输到第二位置的传输系统，包括发射机天线和接收机天线，所述发射机和接收机天线中的至少一个包括具有多个可重新配置的元素的阵列；以及处理器，所述处理器执行用于选择用于所述发射机和接收机天线阵列中的所述至少一个的天线阵列配置的选择软件，当执行所述选择软件时，使得所述处理器建立用于N个天线阵列配置中的至少一个的查找表，所述查找表包括信噪比SNR、角度扩展AS、倒数条件数 D。、所述发送/接收相关性矩阵的倒数条件数Da和延迟扩展DS中的至少一个，以估计少于 N个天线阵列配置的SNR、AS、D。、Da和/或DS的值，并且至少部分地基于这样估计的值和使用所估计的值从查找表检索的阵列配置来设置用于所述发射机和/或接收机天线的所述天线阵列配置。
19.根据权利要求18所述的系统，进一步包括连接装置，所述连接装置由所述处理器调整，以将所述天线阵列配置重新配置为所设置的天线阵列配置。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述连接装置包括PIN二极管、MEMS开关、FET 晶体管、可变电感器和/或可变电容器。
21.根据权利要求18所述的系统，其中，所述可重新配置天线阵列配置包括圆形贴片天线阵列。
22.根据权利要求18所述的系统，其中，所述估计值根据在数据分组中接收到的信息来进行估计，其中，每个数据分组中的一部分被分配用于信道估计。
23.根据权利要求18所述的系统，其中，所述接收机天线阵列使用线性或非线性接收机来执行信道估计。
24.根据权利要求18所述的系统，其中，发射功率在所述发射机天线阵列的阵列元素之间被相等地分布。
25.根据权利要求18所述的系统，其中，发射功率在所述发射机天线阵列的阵列元素之间被自适应地分布。
26.根据权利要求18所述的系统，其中，所述多个可重新配置的元素在无线通信系统中使用。
27.根据权利要求沈所述的系统，其中，所述无线通信系统采用波束成形、空间多路复用或空时分集传输方案。
28.根据权利要求沈所述的系统，其中，所述无线通信系统包括无线局域网、无线个人局域网、无线自组织网络、传感器网络、无线主体局域网、雷达系统、卫星通信网络、3G蜂窝网络和/或4G蜂窝网络。
全文摘要
一种方法允许可重新配置多元天线在MIMO、SIMO和MISO通信系统中选择天线配置。该选择方案使用空间相关性、信道倒数条件数、延迟扩展和平均信噪比(SNR)信息，以在接收机处选择天线辐射图案。使用该方法，能够在不修改传统无线通信系统的数据帧的情况下，实现多元可重新配置天线系统中的容量增益。可通过该配置选择方法实现的容量增益使用在采用用于信道估计的最小均方误差接收机的MIMO系统的接收机处的可重新配置圆形贴片天线通过数值模拟来计算。信道容量和误码率(BER)结果示出相对于用于可重新配置MIMO系统的传统天线选择技术提供的改善。
文档编号H04B7/00GK102362439SQ201080012828
公开日2012年2月22日 申请日期2010年1月25日 优先权日2009年1月26日
发明者丹尼利·皮亚扎, 卡皮尔·R·丹德卡尔, 米歇尔·达米科, 约翰·康途瑞欧替斯 申请人:德雷塞尔大学