通信的方法和系統的制作方法

專利名稱：通信的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及高數據速率通信，更具體地涉及視線LOS的多輸入多輸出MIMO鏈路，例如無線電鏈路和光學無線通信鏈路。為了簡單起見，在這里將用于接收或發射電磁場的元件稱為天線元件，正如舉例來說，在光通信中，光發射機與傳感器是用于無線電波通信的天線元件的直接對應。
背景和相關技術描述對用于互連陸地無線電接入網的節點的骨干網而言，它所具有的高速有線或光纖連接已經是公知的。此外，將無線電基站與提供中等數據速率互連的微波鏈路相互連接同樣是已知的。
現有技術的微波鏈路天線的增大的天線面積提升了信號質量，但這同樣也增強了輻射的微波功率，并且增大了傳輸功率。天線面積的增大可以通過在陣列中排列多個面積較小的天線元件來實現。
有效的調制和信號星座可以提供減輕的功率需求，或者如果保持微波功率，那么隨著信號星座中的信號點數量的增加，所述有效的調制和信號星座可以提供改進的性能。
美國專利申請US2003/0125040公開了一種用于多輸入多輸出(MIMO)通信的系統。由NT個MIMO發射天線和NR個接收天線形成的MIMO信道分解成了NC個獨立信道，這些信道稱為空間子信道，其中Nc≤min{NT，NR}。而數據則是在傳輸之前根據信道狀態信息來進行處理的。
美國專利申請US2002/0039884揭示了一種無線電通信系統，該系統具有配備了多個發射機天線的發射機，以及配備了至少一個天線的接收機。由此，在發射機天線與至少一個接收機天線之間會形成多條具有不同特性的路徑。而數據則被指配到一個或多個分類之中。并且數據是依照分類和路徑特性而被映射到一個或多個發射機部分以及天線的。
美國專利申請US2002/0039884還描述了一種無線電通信系統，該系統具有配備了多個發射機天線的發射機，以及配備了至少一個天線的接收機。數據標簽指示的是數據重要性或其他需求。而數據則被指配到一個或多個分類之中。并且數據是根據分類和路徑特性而被映射到一個或多個發射機部分以及天線的。
在2001年三月于法國公開的3rdGeneration Partnership Project(3GPP)Technical Specification Group Radio Access Network，Physical layer aspects of UTRA High Speed Downlink Packet Access(Release 4)(第三代伙伴計劃(3GPP)技術規范組無線電接入網絡，UTRA高速下行鏈路分組接入的物理層方面(發布4))，3G TS 25.848v4.0.0中，其中在第6.5節描述了MIMO發射機和接收機執行的MIMO開環信號處理。
而在G.Foschini于1996年秋發表于Bell Labs TechnicalJournal的論文“Layered Space-Time Architecture for WirelessCommunication in a Fading Environment When Using Multi-ElementAntennas(用于當使用多元件天線時在衰落環境中用于無線通信的分層空時結構)”中顯示，當處于衰落狀況中、有令人滿意地不相關的、相同分布的傳播信道時，對MIMO信道來說，它所具有的帶寬受限的信道容量CMIMO可以平均換算為CSISO·min{M，N}，(1)其中CSISO是SISO信道的容量，M和N則分別是接收機與發射機側的天線數量。對頻帶受限(帶寬B)的AWGN(加性高斯白噪聲)信道而言，SISO信道容量等于GSISO＝B·log2(1+SNRSISO)[bits/s]，(2)其中SNRSISO是SISO信道的信噪比。


圖1示意性描述了處于MIMO通信中的N個發射機天線元件《T1，T2，...，TN》以及M個接收機天線元件《R1，R2，...，RM》。并且在不同的發射機與接收機天線元件之間存在傳播信道《h11，h12，...，h1M，...，hNM》。
MIMO信道是由單獨的傳播信道構成的，并且這些單獨的傳播信道都是SISO(單輸入單輸出)信道。
在C.Schlegel和Z.Bagley于2002年4月23日遞交到JSAC，MIMOSystems Special Issue(MIMO系統特刊)的論文“Efficient Processingfor High-Capacity MIMO Channels(用于高容量MIMO信道的有效處理)”中揭示了借助奇異值分解(singular value decomposition)SVD來為信道矩陣H所描述的已知MIMO信道估計MIMO系統的最優信道容量。
U·S·VH＝SVD{H}， (3)其中U和V是單位矩陣，S是做為結果的對角矩陣，其中該矩陣的主對角線中具有奇異值，VH則是經過厄密共軛變換的矩陣V。
在A.Goldsmith、S.A.Jafar、N.Jindal、S.Vishwanath于2003年6月發表于IEEE Journal on Sel.Areas in Comm.第21卷第5號的論文“Capacity Limits of MIMO Channels(MIMO信道的容量限制)”中提供了相對于發射機或接收機上的信息、信道信噪比以及各個天線元件的信道增益之間的相關性而從多個天線獲得的容量增益的結果。此外，該論文還概述了MIMO廣播信道、BC以及多接入信道的結果，并且論述了在基站協作的情況下多小區MIMO信道的容量結果，其中該基站充當的是處于不同空間的天線陣列。
依照Goldsmith等人的論文，如果發射機與接收機天線的天線元件數量相等，則對平坦衰落信道狀態而言，MIMO信道容量是CMIMO=B·log2(det{I+SNRNH·HH})[bits/s],---(4)]]>其中假設不同的發送天線元件具有不相關的信道。
在P.Kyritsi于2002年9月發表于13th IEEE InternationalSymposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications2002第1.1卷第182～196頁的論文“MIMO capacityin free space anda bove perfect groundTheory and experimental results”中研究了在理想地(perfect ground)之上的自由空間中用于傳播的容量潛能。并且這種理論預測被與在具有近乎平坦表面的空曠停車場上方進行的測量進行了比較。
上述文獻并沒有公開對于視線LOS MIMO通信、與通信距離有關的特定天線結構。
發明概述下一代無線電接入網絡預期需要支持量級大約為30Mbps～1Gbps的峰值用戶數據速率。在具有非常大量基站的情況下，較為有利的是經由無線電鏈路來互連這些基站，由此在移動站移動時靈活地在基站與移動站的無線電鏈路有效集之間建立/斷開鏈接。
當前的無線電鏈路解決方案并沒有為往來于基站的聚集的用戶數據提供足夠的數據速率，包含多個高速率用戶數據鏈路，這些鏈路都具有對于合理大小的元件天線孔徑合理的功率電平。
由此需要一種大孔徑天線，其中該天線能以對于合理大小的元件天線孔徑合理的傳輸功率來提供所需要的數據速率。
因此，本發明的一個目的是實現一種用于視線通信的天線結構，其中該天線結構對于在適當的管理機構可能要求的限度以內以中等傳輸功率來提供低差錯率是有益的。
本發明的另一個目的是實現一種靈活應對不同傳輸范圍以及波長范圍的系統。
本發明的另一個目的是為依照天線屬性來為低傳輸功率電平提供高數據速率。
本發明的另一個目的是實現一種適合特定通信距離和波長的天線結構。
最后，本發明還有一個目的是減輕對于互連基站或電信系統其他節點的有形互連的依賴性，其中舉例來說，所述互連可以是有線線路或是光纖。通常，這種互連方式是與高昂的初期投資成本和維護成本相掛鉤的。
這些目的是通過一種方法以及天線系統來實現的，其中所述方法和天線系統是針對視線鏈路上的特定通信距離來配置的，由此而提供多輸入多輸出通信鏈路。
附圖簡述圖1示意性描述了處于MIMO通信之中的N個發射機天線元件和M個接收機天線元件。
圖2示意性描述了對于本發明的球面波前背景。
圖3描述的是依照本發明的四元件LOS MIMO線性陣列以及四元件線性陣列非LOS MIMO的例示容量與SNRSISO的對比關系。
圖4描述的是依照本發明的方形網格LOS MIMO天線陣列。
圖5描述的是依照本發明的、具有四行和三列元件的例示矩形陣列。
圖6顯示的是依照本發明的線性LOS MIMO天線陣列。
圖7描述的依照本發明的實施例的等邊三角形天線的實現方式。
圖8描述的是依照本發明的空間過采樣的天線陣列。
圖9論述的是依照本發明的六邊形天線元件的組裝形式。
圖10是依照本發明并具有圓形元件組裝形式的天線陣列。
圖11顯示的是依照本發明、具有用于八個信道MIMO的八個群集天線元件群組的群集定向混合器(hybrid)。
圖12顯示的是依照本發明、具有用于四個信道MIMO的四個群集天線元件群組的群集定向混合器。
圖13描述的是依照本發明、具有用于兩個信道MIMO的兩個群集天線元件群組的群集定向混合器。
圖14包含的是依照本發明、就發射機與接收機側的不同群集等級所繪制的容量/帶寬與歸一化SNR之間的對比關系，是用于具有方形網格LOS MIMO天線的MIMO通信。
圖15顯示的是依照本發明、具有導向器元件的LOS MIMO天線陣列。
圖16示意性描述了一個依照本發明的LOS MIMO天線，其中該天線具有附著了天線元件的互連的桿或拉緊的線的網格。
圖17描述的是雙層方格LOS MIMO天線，具有兩層的天線元件，各自處于一方形網格上。
圖18描述的是一種依照本發明的實現方式，其中所有最近的相鄰天線元件之間具有相等的距離，并且天線元件被定位于立方體的頂點。
圖19描述的是一種依照本發明的實現方式，其中所有最近的相鄰天線元件之間都具有相等的距離，并且天線元件被定位于四面體的頂點。
優選實施例詳述在基于無線通信的骨干網中，達到處理聚集業務量的數據速率的能力是非常重要的，其中單個峰值用戶數據率約為100Mbps～1Gbps。
固定的光纖網絡并不是始終適用的。它們經常與高昂的成本相掛鉤，并且僅僅提供了很少的靈活性或者根本沒有靈活性，此外它們還占用了大量的地面空間。
在大多數情況下，現有技術中的多輸入多輸出MIMO通信系統都被設計成了使用散射，由此需要一種散射環境。
本發明不依賴于這樣的散射并且非常適合視線通信。關于這一點的理論依據在于它使用的是球面波前以及相關的相位差。
圖2示意性描述了本發明的傳播路徑和原理。由于所傳送的信號具有球面波前屬性，因此，介于發射機天線《T1》與接收機天線《R1》、《R2》、《R3》之間的相應傳播路徑《p11》、《p12》、《p13》在長度方面是存在輕微差別的。而路徑長度的這種微小差別《δ11》、《δ12》、《δ13》會添加到通信距離D中。對作為通信距離的參考的路徑pij來說，δij等于零。也就是說，在選擇p11作為參考的時候，δ11＝0。實質上，對用于LOS通信的球面波前屬性而言，依照本發明的天線結構會在具有高信噪比SNR的情況下將MIMO信道容量最大化。這一點與例如下文中結合圖14所描述和解釋的天線方向性的最大化是相反的。
對每一個以接近其最大理論性能的方式來進行操作的MIMO子信道而言，其中可以依照本發明的配置來實現很高的性能增益。
圖3描述的是用于四元件線性陣列的LOS MIMO和非LOS MIMO(衰落的不相關信道)的例示容量與SNRSISO之間的對比關系。對圖3描述的比較而言，假設通過放置非LOS MIMO陣列天線元件而使天線元件經歷那些沒有互相關或互相關可以忽略的信道。在典型的局部散射環境中，這是通過將天線元件以分隔半個波長的方式放置來實現的。所描述的LOSMIMO的容量則是為依照本發明的系統實現的。與非LOS MIMO相比，，LOS MIMO的在容量方面的增益是提升的，或者在曲線之間，SNR增益分別是在垂直或水平方向上的差別。舉例來說，SNR增益意味著噪聲免除性的增強或傳輸功率需求的降低。
在很多情況下，無線接入網絡RAN是借助串聯連接的基站實現的，其中至少一個串聯的基站充當了到核心網絡的錨點。因此，基站之間的單獨鏈路可以載送多個基站的數據業務量。對范圍介于100Mbps～1Gbps的單獨峰值用戶數據速率而言，基站之間的數據鏈路的必要峰值速率應該預期為處于范圍1～100Gbps之中。
目前尚未得知在現有技術中有無線電數據鏈路能提供大于1Gbps的數據速率來用于借助本發明所實現的頻譜效率。與之相關的主要原因有兩個信道星座大小有實際限制、可用無線電頻譜有實際的和管理上的限制，以及有功率限制。
現有技術依賴于不同天線元件之間的不相關信道。舉例來說，這有可能對應的是因為散射所導致的信道衰落的情況。然而，對經由無線鏈路、例如無線電鏈路進行的LOS通信而言，這種假設正常情況下并不成立。但是，如本發明所指，通過使用波前的球面屬性，在沒有散射體的情況下得到了理想的MIMO增益。依照本發明，較為優選的是使用矩形或方形網格的LOS MIMO天線陣列以及線性LOS MIMO天線陣列，相關的內容分別可以參見圖4和圖6。這其中也不排除如圖9和10中分別描述的那樣將圓形或六邊形組裝形式作為一種用于提升天線元件表面密度的手段。實質上，在圖9的六邊形組裝方式中，在最接近的相鄰天線元件《天線元件》(最多6個)之間的相應距離全都等于《d》。分別參見圖8和11，在某些情況下，較為優選地是使用空間過采樣和群集的天線陣列。圖12和13顯示了用于16個天線元件《天線元件》的一些其他的群集定向混合器。
參考圖11～13，雖然天線元件的總數N保持恒等于16個元件，但是這些圖中的元件群組的相應數量k(1≤k≤N)卻是變化的。在圖11中，其中存在八個群組，并且每一個群組都具有兩個天線元件《天線元件》。在每一個群組的內部，天線元件《天線元件》是以足夠接近的方式定位的，由此讓信號相干地同相相加，從而產生方向性增益。圖13描述的是具有四個群組的例示實現方式，其中每一個群組都具有四個天線元件《天線元件》。在圖13中，其中描述的是N＝16以及k＝2的實例。在這些圖中，每一個天線元件《天線元件》的群組都會產生一個MIMO子信道。對用于接收機和發射機側的各個MIMO子信道的N/k個天線元件來說，由于這兩側都有助于該增益，因此，可以實現的整體增益是(N/k)2。如果等效各向同性輻射功率EIRP處于所允許的它的最大水平，那么發射機側的增益是以發射功率降低的方式實現的，并且不會采用遞增的接收功率或能量/符號的形式。假設具有k個群組的分組定向天線的SNR增益是(N/k)2，那么等式(1)和(2)將會變換成Cclusterde=B·k·log2(1+N2k2SNRSISO)[bits/s].---(5)]]>在這里存在這樣的SNR范圍，在這些SNR范圍中，與群集元件天線所進行的MIMO通信的性能要優于與相同數量的未群集天線元件所進行的MIMO通信。如圖14所示，信道容量的增大是通過特別為惡劣的傳輸條件(SNR很小)執行群集來實現的。圖14描繪了與群集天線元件進行的MIMO通信所具有的信道容量/帶寬Cclustered/B與歸一化為SISO通信條件的SNR《SNRSISO》之間的對比關系，其中k是發射機和接收機端的天線元件的群集數量，并且k∈[1，N]。該圖描述了依照等式(5)的16個天線元件實例的性能，其中作為參考還包含了N＝1個天線元件的天線的SISO性能。
通常，很高的SNR條件在短距離通信中是比較普遍的。因此，對短距離通信而言，較為優選的是通過與大量天線元件進行非群集MIMO通信來實現增益的提升。
在具有很高的SNR的情況下，(4)中的MIMO信道容量近似為CMIMO＝f(|Det{H}|2)[bits/s]，(6)其中f是一個變量的單調增函數，并且|·|表示絕對值。(等式(4)和(5)轉而是由相同的最大化信道矩陣H＝Hopt最大化的)。發明人觀察到，信道矩陣H可以分離成兩個矩陣Hv和Hh的克羅內克積。
H＝HvHh， (7)其中Hv的維數為Nv×Nv，并且Hv的維數為Nh×Nh，Nv是垂直天線元件的數量，Nh則是水平天線元件的數量。因此，等式(6)中的行列式可以改寫成|Det{H}|=|Det{Hv}|Nh·|Det{Hh}|Nv.---(8)]]>依照本發明，進一步的觀察結果發現Hv和Hh中的每一個都可以分離Hv＝Hv1·Hv12·Hv2，(9)Hh＝Hh1·Hh12·Hh2，(10)其中行列式det{Hv1}＝det{Hv2}＝1， (11)det{Hh1}＝det{Hh2}＝1， (12)并且矩陣Hv12和Hh12都是范得蒙(Vandermonde)矩陣。在最后一個觀察步驟中，其中指出det{Hv12}≤(Nv)Nv/2,---(13)]]>det{Hh12}≤(Nh)Nh/2,---(14)]]>在等式(13)和(14)中，其中分別為垂直和水平距離dv和dh獲得了最大值。
dv=DλNv,]]>以及(15)dh=DλNh.---(16)]]>對每行具有Nh個元件并且每列具有Nv個元件的概括性矩形網格陣列來說，通過在通信距離D上以對應于波長λ的頻率來通信，等式(15)和(16)中的最優天線元件距離將會轉換成與下式相等的天線尺寸(antenna dimension)h=(Nv-1)DλNv,]]>以及(17)w=(Nh-1)DλNh.---(18)]]>圖5描述了具有四行和三列元件的例示矩形陣列，其中每一行都包括分隔距離dh的天線元件，并且每一列都包含了分隔距離dv的天線元件。依照本發明，優選的天線元件距離是依照等式(15)和(16)確定的。那么，天線陣列的尺寸(寬度×高度)是wopt×hopt。
在圖6中，對最優的MIMO系統以及遠遠大于元件間距d的通信距離D來說，距離a＝d(N-1)是如下規定的a=(N-1)DλN---(19)]]>≈DλN,---(20)]]>其中等式(20)中的近似對較大的天線元件數量N來說是成立的。對N＝16個天線元件《天線元件》而言，該近似誤差約為7％。表1描述了線性MIMO天線的發射機-接收機對的元件間距d在某些例示波長λ上與通信距離D的對比關系，其中所示例示波長λ等于3毫米、7.9毫米以及42.9毫米。

對圖4中的方形網格LOS MIMO天線陣列而言，與等式(19)中用于線性陣列的距離相對應的距離a被確定為a=(N-1)d]]>a=(N-1)DλN4---(21)]]>≈Dλ·N4,---(22)]]>其中等式(22)中的近似對較大的天線元件數量N來說是成立的。對N＝16個天線元件《天線元件》來說，近似誤差約為33％。而在一個非常重要的結果中顯示，對圖4中的方形網格的LOS MIMO天線陣列來說，與N的四次方根成比例的距離a和d變得相對較小，而對于圖6的線性陣列來說，距離相關性與N的平方根是成比例的。
在天線區域A＝a2的情況下，通過使用等式(22)中的近似，采用了依照本發明的圖4例示設計并且就用于SISO系統的信道容量來進行表示的MIMO信道容量CMIMO＝N·CSISO是CMIMO≈(ADλ)2CSISO---(23)]]>在圖4以及等式(21)中，假設天線元件《天線元件》是電有源元件，由此會向接收機提供電壓或電流。然而，如下文所示，某些天線元件是將接收到的電磁場引導到電有源天線元件的導向器，對這些天線元件來說，同樣的距離關系基本上是成立的。
圖7描述的是依照本發明實施例的等邊三角形天線的實現方式。天線元件的間距均為dtri。與圖5中的矩形實現方式相似，具有三個天線元件的等邊三角形天線結構的最優天線元件間距等于

其中D是通信距離，而λ則是通信波長。
圖15描述的是將導向器元件《導向器》安裝在支架《支架》上的實現方式。這些導向器對所接收的電磁場以及所要發射的電磁場進行定向，其中較為優選的是，每一個電有源天線元件《天線元件》都具有一個導向器。優選地，導向器《導向器》是純的反射器，但也可以由電介質材料制成。支架《支架》則被設計成不會屏蔽電有源天線元件《有源元件》，或者只對電有源天線元件《有源元件》具有很少的屏蔽影響。優選的是，導向器是依照分別用于線性和方形網格的LOS MIMO天線的等式(19)以及(21)來定位的。相關的距離d則與導向器在某個平面上的投影的間隔距離基本相等，其中該平面與到其他接收機/發射機端的LOS傳輸路徑是垂直的。除了上述優點之外，圖15的實現方式還可以實現以下優點，例如天線元件布線簡化并且天線元件只跨越較小的距離范圍，由此其在機械方面是非常堅固的。此外，通過調整導向器，可以不必總是重新定位電有源天線元件，即使在通信距離發生變化的情況下也是如此。
對LOS MIMO天線來說，a、A以及dv/dh/d對于D的依賴性具有實際意義，這一點是通過本發明加以解決的。對于通信距離D而言，對獲取合適匹配的元件距離dv、dh、d的問題的一種顯而易見的解決方案是制造定制的天線。然而，從成本角度來看，更有吸引力的解決方案是制造一組用于MIMO通信的天線模型，其中每一個模型都是針對某個范圍的通信距離D來設計的，且一旦進行安裝，那么可以選擇該組天線模型中的某個與通信距離最佳匹配的天線模型。對頻率非選擇性的信道來說，SVD(奇異值分解)同樣在通信距離D與元件間距dv、dh、d的非完美匹配的情況下提供了堅固性以及近乎最優的性能。另一個實施例則是由單獨可調整的天線元件實現的。優選地，這是通過圖16所示的附著了天線元件《天線元件》的互連桿或拉緊線的網格《網格》來實現的。優選地，所述線或桿與某個框架《框架》相連。可以采用機電方式調整的模型包含了與桿相連的機電發動機，由此，這些附著了天線元件《天線元件》的桿可以沿著框架移動。另一個使LOS MIMO天線與通信距離D相適應的實施例則使用了圖8中示意性描述的空間過采樣天線，并且通過在實際通信距離上提供最佳性能的信號處理來激活天線元件。舉例來說，如圖9和10所示，特定的元件分布是可以變化的。對本發明而言，其中一個非常重要的問題在于對有源元件進行分布，以使其相互距離反映通信距離(發射與接收天線之間的距離)和波長，從而使得可以使用無線電波的球面屬性。
可以觀察到的是，在發射機和接收機天線形成了通信鏈路的天線對的情況下，如果通信鏈路相應例示接收機天線的元件距離是以一種與發射機天線的距離減小(或增大)成比例的方式增大(或減小)的，那么舉例來說，在例示發射機天線的等式(15)和(16)中，相應元件的距離dv、dh和d可以減小(或增大)。在分別用T和R來標引發射機和接收機天線距離的情況下，如果相對于初始確定的距離dv、dh或d而減小(或增大)接收機天線的相應元件距離dvR、dhR和dR，那么發射機端的天線元件的距離dvT、dhT和dT應以一種與之成比例的方式增大(或減小)(相對于dv、dh和d而言)。因此，等式(15)和(16)中的距離dv、dh分別是接收機與發射機天線元件距離的幾何平均值。
當然，等式(17)和(18)中的實際天線尺寸也可以通過實際的相應垂直和水平元件距離來確定。相應地，如果采用上述方式進行調整，那么等式(19)和(20)中的天線尺寸也通過實際距離來確定。在接收機側，等式(17)、(18)、(19)和(21)將會轉化成等式(24)、(25)、(26)和(27)。
hT＝(NvT-1)dvT，(24)wT＝(NhT-1)dhT，(25)aT＝(NT-1)dT，以及 (26)aT=(NT-1)dT,---(27)]]>相應地，對接收機側來說，這些等式將會轉化成等式(28)、(29)、(30)以及(31)。
hR＝(NvR-1)dvR，(28)wR＝(NhR-1)dhR，(29)aR＝(NR-1)dR，以及 (30)aR=(NR-1)dR,---(31)]]>其中
dv=dvR·dvT,---(32)]]>dh=dhR·dhT,---(33)]]>d=dR·dT,---(34)]]>本發明不僅覆蓋了平面天線結構，而且還包含了圖17～19所述的三維結構。圖17描述的是雙層方形網格的LOS MIMO天線，具有兩層天線元件，每一層都處于某個方形網格之上。圖18和19描述的是在所有最接近的相鄰天線元件之間都具有相等距離的情況下的實現方式。在圖18中，天線元件被定位于立方體的頂點，在圖19中，天線元件被定位于四面體的頂點。
本發明的不同實施例還覆蓋了發射機和接收機端的信號處理的不同實現方式。對于與普遍的信道條件相適配而言，該處理是必需的。在接收機或發射側，對結合等式(3)所述的信道奇異值進行確定以及奇異值分解處理可以通過對基帶信號執行數字信號處理來實現。參見附圖，如果在發射機側已經確定，那么有必要從接收機側傳送有關信道矩陣H的信息，否則將會在發射機側以其他方式估計該信道矩陣。對2×2的信道矩陣來說，也可以通過3dB混合器而實現奇異值分解處理，以便在必要時執行作用于高頻信號的乘法或加權。同樣，對大于2×2的信道矩陣來說，其中也可以使用3dB混合器的推廣，一個巴特勒矩陣定向耦合器。而另一個實施例則是借助微帶或波導的安排來實現該處理的，其中同樣是作用于高頻信號。在接收機側，其中需要進行信道均衡處理。該處理可以借助任何一種為發射機側描述的處理實現方式來執行，或者也可以借助迫零處理來均衡接收信號，為此而將接收信號與信道矩陣H的逆矩陣相乘，此外還可以借助最小化均方誤差的最小均方誤差MMSE來均衡接收信號，其中不同的處理實現方式都可以引發其他的實施例。
如果有多徑傳播，那么較為優選的是將此通過反饋信息引入到發射機側的奇異值分解中。如果在發射機側(該發射機側同樣包含了無線電接收機)確定了逆方向信道矩陣，那么相應信息也可以通過信道互易性來得到。另一種解決方案則包含了自調諧天線，由此可以在接收機側、發射機側或是同時在這兩側優化性能。由此，天線元件的定位將會與對應于測得的信道矩陣H的信道傳播屬性相適應。舉例來說，這可以通過例如一種隨機梯度算法來實現。特別地，對固定定位的天線元件來說，為了實現最優的性能，它們有可能需要對天線元件進行重新分布。對可以采用機電方式調整的元件天線來說，這種優化可以通過天線元件的自動位置調整來實現。此外，在這里也可以結合針對多徑傳播的不同解決方案。
優選地且依照本發明，奇異值分解被應用于平坦(頻率非選擇性)衰落信道。然而，如果信道是頻率選擇性衰落的，那么可以認為該信道相對于足夠小的頻率間隔而言是段狀平坦衰落的。舉例來說，這種段狀的平坦衰落信道可以通過使用有足夠窄的一個或多個帶寬的正交頻率子載波來劃分指定的頻率范圍或帶寬而實現，其中所述一個或多個帶寬遠遠小于相干帶寬。一種用于實現此類子載波的技術是正交頻分復用OFDM。
本發明的概念能夠很好地與其他的已知手段相結合，以便提高吞吐量，其中舉例來說，所述其他的已知手段可以是以垂直和水平極化進行的傳輸，或者以左旋和右旋的圓極化進行的傳輸，或者是依賴其相應的信道質量來對不同的子信道進行不同編碼，這些都進一步證明了本發明的有效性。這種組合同樣處于本發明的范圍以內。
在這里已經結合特定的方位而對尺寸(dimensioning)進行了表述，例如水平或垂直方位，參考正交方向，與通信方向相垂直。但是，這并不排除在與天線元件相平行的平面中旋轉接收機和發射機天線，通過對這兩個天線進行相應的旋轉，其相互方位得到保持。盡管或多或少有些不恰當，但是出于簡明的目的，在這里保留了垂直和水平的符號。
本發明并不打算僅僅被局限于上文中詳細描述的實施例。在不脫離本發明的情況下，各種變化和修改都是可能進行的。其覆蓋了在后續權利要求的范圍以內的所有修改。
權利要求
1.一種天線配置方法，其特征在于對包含了多個天線元件的天線進行配置，以便相對于通信距離來設置天線元件間距。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于對天線進行配置，以便相對于通信波長來設置天線元件間距。
3.根據權利要求1或2的方法，其特征在于所述天線配置將MIMO信道容量最大化。
4.根據權利要求1或2的方法，其特征在于對線性天線來說，天線元件的間距是相對于 來設置的，其中D是通信距離，λ是通信波長，而N是天線元件的數量。
5.根據權利要求1或2的方法，其特征在于對方形網格的天線來說，天線元件的間距是相對于 來設置的，其中D是通信距離，λ是通信波長，而N是天線元件的數量。
6.根據權利要求5的方法，其特征在于N＝n2，其中n是大于1的整數。
7.根據權利要求1或2的方法，其特征在于對矩形網格天線來說，天線元件的間距是相對于 來設置的，其中D是通信距離，λ是通信波長，N是間距尺寸上的天線元件的數量。
8.根據權利要求7的方法，其特征在于間距尺寸是水平尺寸。
9.根據權利要求7的方法，其特征在于間距尺寸是垂直尺寸。
10.根據權利要求1或2的方法，其特征在于對具有三個天線元件的三角形網格天線來說，天線元件的間距是相對于 來設置的，其中D是通信距離，而λ是通信波長。
11.一種天線配置方法，其特征在于對包含一個或多個天線元件的多個群集的天線進行配置，以便通過相對于通信距離所設置的距離來分離這些群集。
12.根據權利要求11的方法，其特征在于對天線元件進行配置，以便通過相對于通信波長所設置的距離來分離天線元件的群集。
13.根據權利要求11或12的方法，其特征在于對線性天線來說，所述群集是通過相對于 所設置的距離來分離的，其中D是通信距離，λ是通信波長，而L是群集的數量。
14.根據權利要求11或12的方法，其特征在于對方形網格的天線來說，所述群集是通過相對于 所設置的距離來分離的，其中D是通信距離，λ是通信波長，而L是群集的數量。
15.根據權利要求14的方法，其特征在于L＝l2，其中l是大于1的整數。
16.根據權利要求11或12的方法，其特征在于群集內的天線元件是以一個小于群集之間的最小距離的距離來分離的。
17.根據權利要求1或2的方法，其特征在于所述天線配置是三維的。
18.根據權利要求17的方法，其特征在于所述天線配置包含兩個層，其中每一個層都包含處于方形網格之上的天線元件的平面排列。
19.根據權利要求17的方法，其特征在于該天線配置包含在三維空間中等距離定位的天線元件。
20.根據權利要求19的方法，其特征在于天線元件被定位于立方體的頂點。
21.根據權利要求19的方法，其特征在于天線元件被定位于四面體的頂點。
22.根據權利要求1、2、11和12中的任何一個權利要求的方法，其特征在于為天線元件饋送的是依照用于通信距離上的傳輸信道的奇異值分解而被處理的信號。
23.根據權利要求22的方法，其特征在于所考慮的傳輸信道是平坦衰落的子載波。
24.根據權利要求22的方法，其特征在于所考慮的傳輸信道是OFDM子載波。
25.根據權利要求1、2、11和12中的任何一個權利要求的方法，其特征在于從天線元件接收的信號是依照用于通信距離上的傳輸信道的迫零處理而被處理的。
26.根據權利要求1、2、11和12中的任何一個權利要求的方法，其特征在于對從天線元件接收的信號進行處理，以便最小化用于通信距離上的傳輸信道的最小均方誤差。
27.根據權利要求1、2、11、12、22和25中的任何一個權利要求的方法，其特征在于對所接收或是要傳送的信號所進行的信號處理是在高頻上執行的。
28.根據權利要求27的方法，其特征在于該處理是由一個或多個3dB混合器來執行的。
29.根據權利要求27的方法，其特征在于該處理是由一個或多個巴特勒矩陣定向耦合器執行的。
30.根據權利要求27的方法，其特征在于該處理是通過微帶的排列來執行的。
31.根據權利要求27的方法，其特征在于該處理是通過波導的排列來執行的。
32.根據權利要求1～31中任何一個權利要求的方法，其特征在于所述天線配置是無線電天線配置。
33.根據權利要求1～31中任何一個權利要求的方法，其特征在于所述天線配置是用于光通信的傳感器或激勵器的配置。
34.一種天線結構，其特征在于對包含了多個天線元件的天線進行配置，以便相對于通信距離來設置天線元件間距。
35.根據權利要求34的天線結構，其特征在于對天線進行配置，以便相對于通信波長來設置天線元件間距。
36.根據權利要求34或35的天線結構，其特征在于所述天線結構將MIMO信道容量最大化。
37.根據權利要求34或35的天線結構，其特征在于天線元件的間距是相對于 來設置的，其中D是通信距離，λ是通信波長，而N是天線元件數量，其中所述天線結構是線性天線結構。
38.根據權利要求34或35的天線結構，其特征在于天線元件的間距是相對于 來設置的，其中D是通信距離，λ是通信波長，而N是天線元件數量，其中所述天線是方形網格的天線結構。
39.根據權利要求38的天線結構，其特征在于N＝n2，其中n是大于1的整數。
40.根據權利要求34或35的天線，其特征在于對矩形網格的天線來說，天線元件的間距是相對于 來設置的，其中D是通信距離，λ是通信波長，N是間距尺寸上的天線元件的數量。
41.根據權利要求40的天線，其特征在于間距尺寸是水平尺寸。
42.根據權利要求40的天線，其特征在于間距尺寸是垂直尺寸。
43.根據權利要求34或35的天線，其特征在于天線元件的間距是相對于 來設置的，其中D是通信距離，λ是通信波長，其是具有三個天線元件的三角形網格天線。
44.根據權利要求34或35的天線結構，其特征在于所述天線結構是三維的。
45.根據權利要求44的天線結構，其特征在于所述天線結構包含兩個層，其中每一個層都包含處于方形網格之上的天線元件的平面排列。
46.根據權利要求44的天線結構，其特征在于該天線結構包含在三維空間中等距離定位的天線元件。
47.根據權利要求46的天線結構，其特征在于天線元件被定位于立方體的頂點。
48.根據權利要求46的方法，其特征在于天線元件被定位于四面體的頂點。
49.一種天線結構，其特征在于對包含一個或多個天線元件的多個群集的天線進行配置，以便通過相對于通信距離所設置的距離來分離這些群集。
50.根據權利要求49的天線結構，其特征在于對天線進行配置，以便通過相對于通信波長所設置的距離來分離天線元件的群集。
51.根據權利要求49或50的天線結構，其特征在于所述群集是通過相對于 所設置的距離來分離的，其中D是通信距離，λ是通信波長，而L是群集的數量，其中所述天線結構是線性天線結構。
52.根據權利要求49或50的天線結構，其特征在于所述群集是通過相對于 所設置的距離來分離的，其中D是通信距離，λ是通信波長，而L是群集的數量，且其中所述天線結構是方形網格的天線結構。
53.根據權利要求49或50的天線結構，其特征在于L＝l2，其中l是大于1的整數。
54.根據權利要求49或50的天線結構，其特征在于群集內的天線元件是以一個小于群集之間的最小距離的距離來分離的。
55.根據權利要求34、35、49和50中的任何一個權利要求的天線結構，其特征在于一個或多個天線元件饋送器適合于為天線元件饋送依照用于通信距離上的傳輸信道的奇異值分解而被處理的信號。
56.根據權利要求55的天線結構，其特征在于所考慮的傳輸信道是平坦衰落的子載波。
57.根據權利要求55的天線結構，其特征在于所考慮的傳輸信道是OFDM子載波。
58.根據權利要求34、35、49和50中的任何一個權利要求的天線結構，其特征在于一個或多個處理元件適合于依照用于通信距離上的傳輸信道的迫零處理來處理那些從天線元件接收的信號。
59.根據權利要求34、35、49和50中的任何一個權利要求的天線結構，其特征在于一個或多個處理元件適合于對從天線元件接收的信號進行處理，以便最小化用于通信距離上的傳輸信道的最小均方誤差。
60.根據權利要求34、35、49、50、55和58中的任何一個權利要求的天線結構，其特征在于一個或多個處理元件適合于在高頻上對所接收或要傳送的信號進行處理。
61.根據權利要求60的天線結構，其特征在于所述一個或多個處理元件是一個或多個3dB混合器。
62.根據權利要求27的方法，其特征在于所述一個或多個處理元件是一個或多個巴特勒矩陣定向耦合器。
63.根據權利要求60的天線結構，其特征在于所述一個或多個處理元件是微帶的排列。
64.根據權利要求60的天線結構，其特征在于所述一個或多個處理元件是波導的排列。
65.根據權利要求34～64中任何一個權利要求的天線結構，其特征在于所述天線元件是電有源元件。
66.根據權利要求34～64中任何一個權利要求的天線結構，其特征在于所述天線元件是導向器。
67.根據權利要求66的天線結構，其特征在于所述導向器是反射器。
68.根據權利要求34～67中任何一個權利要求的天線結構，其特征在于所述天線元件是以圓形對稱的方式安排的。
69.根據權利要求34～67中任何一個權利要求的天線結構，其特征在于所述天線元件是以六邊形圖案安排的。
70.根據權利要求34～67中任何一個權利要求的天線結構，其特征在于所述天線元件安裝在位置可調整的桿或線上。
71.根據權利要求70的天線結構，其特征在于所述位置可調整的桿或線是可以用機電方式調整的。
72.根據權利要求71的天線結構，其特征在于所述可調整位置與對應于被測量信道矩陣的傳播信道屬性相適應。
73.根據權利要求34～69中任何一個權利要求的天線結構，其特征在于所述天線配置與預定范圍的通信距離相適應。
74.一種天線結構，其特征在于所述天線結構包含了多個天線元件，這些天線元件的子集形成天線元件的一個活動集，并且所述活動的天線元件是依照權利要求34～69中的任何一個權利要求來形成天線結構的。
75.根據權利要求34～74中任何一個權利要求的天線結構，其特征在于所述天線結構是無線電天線結構。
76.根據權利要求34～74中任何一個權利要求的天線結構，其特征在于所述天線結構是用于光通信的傳感器或激勵器的配置。
77.一種通信系統，其特征在于用于執行權利要求1～31中任何一個權利要求的方法的裝置。
78.一種通信系統，其特征在于多個在權利要求34～74的任何一個權利要求中所述的設備。
79.根據權利要求78的通信系統，其特征在于為第一和第二天線設置不同的天線元件距離，其中這兩個天線是以配對方式工作的，使得第一天線的元件距離d1與第二天線的元件距離d2的幾何平均即為有效的天線元件距離。
全文摘要
本發明涉及高數據速率通信，更具體地涉及視線LOS的多輸入多輸出MIMO通信鏈路，以及用于LOS MIMO鏈路、特別是無線電鏈路和光學無線鏈路的天線結構。
文檔編號H04B7/04GK1898836SQ200480038409
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月21日 優先權日2003年12月22日
發明者S·西內爾, P·拉松 申請人:艾利森電話股份有限公司