Mimo信號發送和接收設備以及包括至少一個這種設備的系統的制作方法

Mimo信號發送和接收設備以及包括至少一個這種設備的系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于在MIMO系統中發送和/或接收信號的設備，該設備包括：-MIMO模塊(10)，包括用于傳遞或接收N個信號的N個輸入/輸出，其中N≥2；-天線系統(301...30N)，用于發送或接收所述N個信號，該系統包括至少一個天線(301...30N，130)，天線在水平平面內具有M個角扇區，M個角扇區敏感地不彼此覆蓋并且一起形成360°的總角扇區；以及-開關裝置(201...20N)，安裝在MIMO模塊與天線系統之間，用于根據開關圖將所述多扇區天線的P個角扇區與MIMO模塊的N個輸入/輸出中的每一個相連，其中1≤P＜M，其中使用控制裝置根據表示所述設備或另一設備的信號接收質量的標準來確定開關圖。
【專利說明】MIMO信號發送和接收設備以及包括至少-Iv這種設備的 系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線多天線MIMO(多輸入多輸出）發送系統中信號的發送和接收。本 發明可以應用于許多領域，例如，高比特率家庭多媒體網絡領域。

【背景技術】
[0002] 當前的WiFi技術，即使是與最新標準相對應的技術，也不能在家庭中提供與在有 線網絡中提供的覆蓋質量相同的覆蓋質量。通過提高發射功率不能解決該問題，原因在于， 隨著生態學的出現，有必要設計出既能很好地對抗干擾又低能耗并且發射盡可能少的電磁 輻射的信號變換設備。這些需求具體應用于在家庭環境中頻繁使用的設備，例如，家庭網關 和機頂盒。
[0003] 這種設備中最頻繁用于傳輸信號的技術是MMO技術。已知這種技術通過倍增信 號傳輸路徑來提高傳輸能力，并使用空間復用以及空間-時間編碼技術來提高傳輸的魯棒 性。
[0004] MIMO技術包括使用具有不同特性的多個傳輸信道發送和接收信號，以獲得分離的 信號，從而提高至少一個信號不被衰減影響的概率。經由與多個天線相關聯的多個無線電 信道來接收或發送信號。
[0005] 例如，US2010/119002提供了一種具有一個或多個多扇區天線的天線系統，其中每 個扇區與典型MIMO設備相關聯。
[0006] 可以通過以能耗為代價增加設備的無線電信道數目來提高設備發送或接收信號 的速度。能耗通常隨著無線電信道數目成指數增長。每個無線電信道的能耗實質上由功率 放大器引起，由于WiFi中使用的OFDM調制的低能量效率，所述功率放大器消耗大約1W，這 強制放大器以增大的回退（back-off)在飽和狀態以下良好地工作。
[0007] 此外，眾所周知，MIMO技術在受干擾支配的環境中變得效率更低。另外，隨著家庭 中無線設備的數量不斷增加，有必要針對家庭環境中的信號傳輸改進這種技術。
[0008] 因此，針對有噪環境中的MMO傳輸開發了圖1所示的MMO波束形成技術。如圖1 所示，該方案使用與MMO芯片的輸入/輸出相連的多個全向天線。這些天線一起被控制以 獲得在期望的傳播方向上具有最大值而在不期望的傳播方向上具有最小值的輻射方向圖。 根據這種技術，通過MMO芯片中的信號處理來獲得輻射方向圖的形式。
[0009] 盡管使用這種技術來獲得期望的輻射方向圖，然而該方案還由于以下原因而存在 不足之處：
[0010]-在接收期間，由設備的全向天線拾取的任何干擾機和干擾始終存在于無線電信 道上，并且引起飽和、動態線性度和噪聲問題，這使接收機的靈敏度變差。
[0011]-此外，與分配給用于波束形成的MMO芯片的計算功率無關，可以實現的輻射方 向圖極大地依賴于天線（或輻射元件）的數目、天線關于彼此的幾何可用性以及每個天線 關于彼此的性能，事實上，通常要求天線的最小數目相對高，以獲得期望的輻射方向圖形 式，但是增加天線的數目（在標準Wifi Iln情況下可以最多8個）意味著增加MMO芯片中 無線電發送和接收信道的數目，這增加了設備的成本和消耗，
[0012] -此外，天線網絡的幾何結構和天線的類型是在電路集成階段確定的，并且通常依 賴于印刷電路卡的形式和尺寸以及該卡上為天線剩余的空間，這意味著某些幾何結構是不 可能的。


【發明內容】

[0013] 本發明的一個目的在于提供一種能夠發送和接收MIMO信號的多天線設備，以克 服上述缺陷中的一些或全部。
[0014] 更具體地，本發明的目的在于提供一種能夠發送和接收MIMO信號的多天線設備， 在由干擾支配的環境中在速度和魯棒性方面高效，并且向其所在的環境中發送最少的可能 電磁輻射。
[0015] 為此，本發明提出使用圖2所示的簇傳播現象。圖2示出了在建筑物內部傳播的 信號的關于MMO設備的天線的發射角和到達角。在天線的水平平面（平面H)和垂直平面 (平面V)示出了這些角。如圖所示，信號能量主要在已知為極化方向的減少數目的方向上 傳播。這意味著，從接收機側到達天線處的具有顯著能量的輻射存在于在平面H和平面V中 的有限數目的角扇區中，當這些輻射的傳輸路徑遵循發射機時，這些輻射還對應于在平面H 和平面V中的有限數目的角扇區中發射的輻射。如果如圖3所示將平面H分割成大約60° 的角扇區，在該傳播示例中，這表明接收機接收到的顯著輻射存在于角扇區[0°，60° ]、 [-180°，-120° ]和[-60°，0° ]中。在發射機中在平面H(水平）的角扇區[0°，60° ]、 [120°，180° ]和[-180°，-120° ]中發射這些輻射。對于所有這些扇區，在發送和接收 時，平面V(垂直）中的開口在大約60°，并且對應于平面V的扇區[-30°，30° ]。在其他 角扇區中發射的輻射不到達接收機，或者非常少量地到達接收機。因此，這些扇區的能力被 浪費，并且不必要地對增加背景噪聲和干擾做出了貢獻。
[0016] 此外，根據本發明，提出將MMO信號發送和接收設備的全向天線替換成受控的多 扇區天線，以僅工作在對應于簇的扇區中，所述簇是針對所述多扇區天線所在的環境而標 識的。
[0017] 因此，本發明提出了一種MIMO系統中的信號發送和/或接收設備，包括：
[0018] -ΜΙΜΟ模塊，包括用于傳遞或接收N個信號的N個輸入/輸出，其中N大于或等于2 ；
[0019] -天線系統，用于發送或接收所述N個信號，
[0020] 其特征在于，
[0021 ] 所述天線系統包括至少一個所謂的多扇區天線，所述多扇區天線在水平平面內具 有M個角扇區，能夠在所述M個角扇區的一個或多個中選擇性地接收和/或發送所述N個 信號，所述M個角扇區不彼此交疊并且一起形成了 360度的總角扇區，其中M > N，并且
[0022] 所述設備還包括開關裝置，所述開關裝置安裝在MMO模塊與天線系統之間，用于 根據開關圖將MIMO模塊的N個輸入/輸出中的每一個與所述至少一個多扇區天線的P個 角扇區相連，其中I < P < M，其中使用控制裝置根據表示所述設備或另一設備的信號接收 質量的標準來確定所述開關圖。
[0023] 這樣，根據本發明，設備在多扇區天線的M個角扇區之中減少數目（=P)的角扇 區中發送和/接收N個信號。這樣，在發送時，設備不沿每一個方向發送信號，而是僅在預 定的極化方向上發送信號，這減少了發射的電磁波的量并且將發送的能量集中在極化方向 上。在接收時，設備僅從這些極化方向接收信號，這降低了信號處理的成本以及設備的能 耗。
[0024] 根據第一實施例，天線系統包括具有M個角扇區的N個多扇區天線以及具有N個 開關電路的開關裝置，MMO模塊的每個輸入/輸出經由所述N個開關電路之一與所述N個 多扇區天線之一相連。
[0025] 所述N個多扇區天線中的每一個包括Q個輸入/輸出，Q小于或等于2M-1，所述Q 個輸入/輸出中的每一個與多扇區天線的角扇區的特定組合相連。
[0026] 有利地，對于每個多扇區天線，不多于D個角扇區經由開關電路與MMO模塊的輸 入/輸出相連，其中D<M。數目D與設備接受的極化方向的最大數目相對應。例如，可以 認為設備使用最多3個極化方向。因此D可以固定為3。在這種情況下，天線沒必要包含 M! 2M_1個輸入。因此，Q等于ΣΑ__ Ajl個輸入/輸出對于天線來說就可以足夠了。
[0027] 有利地，M至少等于4, D至多等于3。
[0028] 根據第二實施例，天線系統包括具有M個角扇區的多扇區天線和具有開關電路的 開關裝置，其中M > N，所述多扇區天線包括M個輸入/輸出，每個輸入/輸出與所述天線的 角扇區相連，所述開關電路用于選擇性地將N個天線輸入/輸出與MIMO模塊的N個輸入/ 輸出相連。該實施例是次優的，但是減少了設備組件的數目。
[0029] 與該實施例無關，多扇區天線的角扇區的數目M優選地等于6,因為已發現在統計 學上平面H中簇的角開口典型地為60°。因此典型地需要6個扇區覆蓋整個空間（360° ) 此外，每個扇區在垂直平面內具有60 °的角開口。在某些情況下，增加扇區的數目可能是值 得的，但是6個扇區在復雜度-性能和成本-性能方面表現出良好的折衷。
[0030] 根據本發明，所述至少一個多扇區天線的M個角扇區在垂直平面內呈現相同的開 口。所述M個角扇區在垂直平面內各自呈現在-60°與+60°角之間至少120°的開口。優 選地它們在垂直平面內各自呈現在-30°和+30°之間至少60°的開口。
[0031] 本領域技術人員在閱讀以下在附圖中示出并以示例方式提供的示例時可以注意 到其他優點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] -圖1示出了實現波束形成技術的MMO信號傳輸設備的圖，
[0033] -圖2以圖示的形式示出了在家庭環境中發送和接收的信號的平面H和平面V中 的發射角和到達角，
[0034] -圖3示出了標識出了極化信號傳播方向的圖2的圖，
[0035] -圖4示出了根據本發明的設備的第一實施例的圖，
[0036] -圖5示出了根據本發明的設備的第二實施例的圖，
[0037] -圖6示出了在M = 6, N = 2并且D = 2的情況下包括根據圖4的兩個設備的 ΜΙΜΟ系統的工作，
[0038] -圖7示出了在M= 6,Ν=2并且D= 2的情況下包括根據圖5的兩個設備的 MIMO系統的工作。

【具體實施方式】
[0039] 參考圖4,本發明的設備包括：
[0040] -MMO模塊10,包括用于傳遞或接收N個信號的N個輸入/輸出ES1-ESn,N大于 或等于2，
[0041] -天線系統30,包括用于發送或接收N個信號的N個多扇區天線3(V·· 30N，每個天 線包括M個角扇區，以及
[0042] -開關裝置20,安裝在天線系統與MMO模塊之間，包括N個開關電路2(V.. 20n。
[0043] ΜΙΜΟ模塊的每個輸入/輸出ESi經由開關電路2〇i與天線3〇i的輸入/輸出相連， 其中ie[1..N]。使用由開關電路實現的開關圖2(^來選擇與MIMO模塊的輸出ESi相連 的天線3〇i的輸入/輸出。根據信號接收質量標準使用控制裝置40來實現該圖。
[0044] 每個天線3〇i在平面H中包括M個角扇區，所述M個角扇區敏感地不彼此交疊并 且一起形成360度的總角扇區。每個天線3〇i能夠在P個角扇區中選擇性地發送或接收信 號,其中I<P<M。每個角扇區或角扇區的組合對應于特定的輻射方向圖。
[0045] 每個天線3〇i還包括Q = 2M-1個輸入，每個輸入與天線的2M-1個可能的角扇區組 合之中特定的角扇區組合相連。沒有與任何扇區相連的輸入/輸出不包含在內。
[0046] 根據使用控制裝置確定的開關圖，使用開關電路2〇i來選擇P個角扇區，其中通過 所述P個角扇區來發送或接收與輸入ES i相關聯的MMO信號。使用開關電路2〇i將ESi輸 入/輸出與天線3〇i的輸入/輸出相連，所述天線3〇i的輸入/輸出與所選的P個角扇區相 連。
[0047] 使用控制裝置40來確定由開關電路2〇i使用的開關圖。這些控制裝置40可以包 含在MIMO模塊10中。這是使用算法來確定的，如果關注于發送/接收設備，則算法基于設 備使用的MMO信號接收質量，如果當前設備僅僅是MMO信號發送設備，則算法基于MMO 接收設備所使用的MMO信號接收質量。可以使用由MIMO值提供的一個或多個值來限定信 號接收質量，具體地，RSSI(接收信號強度指示）值、SINR(信號干擾噪聲比）值、BER(比特 誤差率）和PER(分組誤差率）。
[0048] 從圖2和圖3可以看出，通常減小平面H中的極化信號傳播方向的數目。在圖2 和圖3的示例中，對應于在平面H中具有6個角扇區的天線，在平面H中這種極化方向數目 等于3。為了簡化開關電路并減少每個天線3〇i的輸入/輸出數目，能夠提供在MIMO模塊 的輸入/輸出ESi處對天線3〇i的最多D個輸入/輸出的仿真連接，其中D是允許的極化方 向的最大數目。例如，認為D將小于或等于3或4。那么，天線3〇i的輸入/輸出數目可以 ^M! 跡到J ^Ai(M-A)!針齡貼齡D賴軀機，瓶賊祕2仍必儒 V-1M! 現的開關圖的數目也可以減小到 A=1 。
[0049] 可以簡化本發明的設備以進一步降低其成本，如圖5所示。在該圖中，設備包括僅 一個具有M個角扇區的多扇區天線130,其中M>N，多扇區天線130經由單個開關電路120 與MMO模塊110相連。MMO模塊110包括N個輸入/輸出ESi,天線130包括M個輸入/ 輸出，每個輸入/輸出與M個角扇區中的特定角扇區相連。開關電路120根據使用控制裝 置40選擇的開關電路，將N個輸入/輸出ESi與天線130的N個輸入/輸出相連。在該實 施例中，N個MMO信號中的每一個是經由天線130的M個角扇區之中其自己的角扇區來接 收或發送的。控制方法140選擇的角扇區各自對應于極化信號傳播方向。在2x2MMO模 塊的情況下，2個MIMO信號各自在對應于極化信號傳播方向的其自己的角扇區中被發送或 接收。那么，控制裝置140必須具有所確定的至少兩個極化方向。
[0050] 與實施例（圖4或圖5)無關，天線3(^或130包括至少M= 4個角扇區，優選地M =6個角扇區。
[0051]在M= 6的情況下，角扇區的寬度為在水平平面中大約60°，在垂直平面（或高度 平面）中在-30°和+30°之間。
[0052] 圖6和圖7不出了包括根據圖4的（相應地，圖5)的發送和接收設備的系統的工 作。這些設備包括2x2MIMO天線模塊（N= 2)和具有6個角扇區（M= 6)的天線。已標 識出與兩個簇相對應的兩個極化傳播方向。設備選擇的角扇區對應于這些簇。
[0053] 例如按照以下方式來選擇圖7中由設備使用的角扇區。A和B指示兩個系統設備。 這種選擇包括兩個步驟：
[0054] -在第一步驟中，設備B通過M個角扇區中N個扇區的可能配置（或組合）中的 每一個來發送學習符號；設備A監聽由設備B發送的學習符號，并針對M個發送扇區（設備 B)中的N個扇區的每一個配置以及N個接收扇區（設備A)中的N個扇區的每一個可能配 -Ml I2 置，確定質量指示符（RSSI、SINR、BER或PER);總計確定κιι--......_.....個質量指示符；針對 * [NI(M-N)! 設備A選擇示出最高質量指示符的配置，以便與設備B通信；
[0055] -在第二步驟中，設備A發送具有在第一步驟中選擇的配置的學習信號；設備B監 聽由設備A發送的學習符號并針對M個接收扇區中N個扇區的每一個可能配置來確定質量 M! 指示符（RSSI、SINR、BER或PER);然后確定個質量指示符，并針對設備B選擇示 出了最高質量指示符的配置，以便與設備A通信。應注意，在由干擾支配的環境中，SINR指 示符表現為是最合適的指示符。
[0056] 可以周期性地重復第二步驟或第一步驟和第二步驟兩者，以考慮傳播環境的改 變。作為備選，為了減小系統重新配置的頻率（啟動學習過程的頻率），可以決定在發送信 道略微改變的同時保持設備A和設備B的配置，換言之，使得質量指示符不下降到預定極限 以下。
[0057] 應注意，本發明的設備能夠與具有傳統全向天線的典型設備一起工作，例如，便攜 式設備。如果A表示本發明的設備，B表示典型設備，則學習階段如下進行。設備A通過其 全向天線來監聽由設備B發送的學習符號，并針對M個扇區中N個扇區的每一個配置（或 Μ! 組合）來確定質量標準（RSSI、SINR、BER或PER)。因此，確定_____個質量指示符，并 針對設備A選擇具有最高質量指示符的配置，以便與設備B通信。
[0058] 當設備A或B包括N個多扇區天線和N個開關電路（圖4和圖6)時，如之前那樣 M! 執行學習，但是經由N個天線和N個開關電路來測Hn_ = ^jj個配置。
[0059] 相較于具有全向天線并且使用波束形成技術的已有MMO設備，本發明的設備提 供了以下優點：
[0060] -在前端無線電信道（定向天線）中降低了干擾率，并且降低了 MMO模塊的無線 電信道的飽和或擾動的風險，
[0061] -可以通過對所選角扇區的"智能"選擇來限制MMO信道的數目（=N)，并降低 設備的總消耗。
[0062] 此外，由于本發明的設備包括N個多扇區天線和N個開關電路（對應于圖4和圖 6)，所以還改善了信號傳輸。預期的增益等于大約GTx+GRx，其中GTx對應于發送增益，GRx 對應于接收增益。
[0063] 關于由1個單獨的天線和1個單獨的開關電路的本發明的設備，預期的增益更低， 在GTx+GRx-10 IogN的量級上，其中N是MMO鏈的數目，但是設備的結構更不復雜。
[0064] 盡管關于不同的具體實施例描述了本發明，顯然這絕不是限制，本發明包括在本 發明的范圍內描述的措施及其組合的所有技術上的等同物。
【權利要求】
1. 一種用于在ΜΙΜΟ系統中發送和/或接收信號的設備，所述設備包括： -MIMO模塊（10,110)，包括用于傳遞或接收N個信號的N個輸入/輸出，其中N大于或 等于2 ; -天線系統（30,130)，用于發送或接收所述N個信號， 其特征在于， 所述天線系統包括至少一個多扇區天線GO1. .. 30N，130)，所述多扇區天線在水平平面 內具有M個角扇區，能夠在所述M個角扇區的一個或多個中選擇性地接收和/或發送所述 N個信號，其中M > N，并且 所述設備還包括開關裝置（20 ; 120)，所述開關裝置（20 ; 120)安裝在MMO模塊與天線 系統之間，用于根據開關圖將所述至少一個多扇區天線的P個角扇區與MIMO模塊的N個輸 入/輸出中的每一個相連，其中I < P〈M，其中使用控制裝置根據表示所述設備或另一設備 的信號接收質量的標準來確定所述開關圖。
2. 根據權利要求1所述的設備，其中，所述天線系統（30)包括具有M個角扇區的N個 多扇區天線GO1. . . 30N)以及具有N個開關電路OO1. . . 20N)的開關裝置，MMO模塊的每個 輸入/輸出經由所述N個開關電路之一與所述N個多扇區天線之一相連。
3. 根據權利要求2所述的設備，其中，所述N個多扇區天線中的每一個包括Q個輸入/ 輸出，Q小于或等于2M-1，所述Q個輸入/輸出中的每一個與多扇區天線的角扇區的特定組 合相連。
4. 根據權利要求2所述的設備，其中，對于每個多扇區天線，最多D個角扇區經由開關 電路與MMO模塊的輸入/輸出相連，其中D〈M。
5. 根據權利要求4所述的設備，其中，所述N個多扇區天線中的每一個包括Q個輸入/ 輸出，Q等于
所述Q個輸入/輸出中的每一個與多扇區天線的角扇區的特定 組合相連。
6. 根據權利要求4或5所述的設備，其中，M至少等于4, D至少等于3。
7. 根據權利要求1所述的設備，其中，天線系統包括具有M個角扇區的多扇區天線 (130)和具有開關電路（120)的開關裝置，其中M >Ν，所述多扇區天線包括M個輸入/輸 出，每個輸入/輸出與所述天線的角扇區相連，所述開關電路用于選擇性地將N個天線輸入 /輸出與MMO模塊的N個輸入/輸出相連。
8. 根據前述任一項權利要求所述的設備，其中，M等于6,每個角扇區在水平平面內呈 現大約60°的開口。
9. 根據前述任一項權利要求所述的設備，其中，所述至少一個多扇區天線的M個角扇 區在垂直平面內呈現相同的開口。
10. 根據權利要求9所述的設備，其中，所述M個角扇區各自在垂直平面內呈現 在-60°和+60°之間最大為120°的開口，優選地在垂直平面內呈現在-30°和+30°之間 最大為60°的開口。
【文檔編號】H04N7/04GK104380719SQ201380029816
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年5月31日 優先權日:2012年6月7日
【發明者】阿里·盧齊耶, 讓-伊夫·勒納烏爾, 多米尼克·洛海通, 菲利普·梅納德, 讓-盧克·羅伯特 申請人:湯姆遜許可公司