[发明专利]用于MIMO系统中的天线选择的方法和设备

说明书

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MIMO(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(均匀线性阵列)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基础。

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(均匀线性阵列)时，情况也是如此，将最优权重应用于整个ULA。