用多天线来增压的小范围增压器和方法.pdf

提出了一种用于操作具有多天线的无线中继器的系统、方法和技术。通过与至少两个中继器接收器天线相关联的至少两个分支信道上的无线中继器接收来自无线通信装置的信号。从所述信号中分解路径或空间分集，且在所述至少两个分支信道上处理所述信号以产生至少一个强信号用以中继到另一个无线通信装置。

1、  一种多输入，多输出无线通信中继器，所述中继器包括：
至少第一对天线，每个天线配置为接收从多输出无线通信装置的每个发射分支发射的发射分支信号；
信道评估器，用于每个发射分支，并与多个接收器分支信道的每一个相连接，每个信道评估器配置为对发射分支信号中的一个进行信道评估，用于给定发射分支的每个信道评估器的输出被用于校正与接收器分支信道相关联的发射分支信号的损伤，以产生校正后的发射分支信号；以及
合并器，与每个接收器分支信道相关联，用于将所述校正后的发射分支信号与来自其他接收器分支信道的其他发射分支信号合并，所述其他发射分支信号已通过其各自的对同一发射分支的信道评估器进行了校正。

2、  根据权利要求1所述的中继器，进一步包括一组天线，每个天线配置为发射所述校正后的发射分支信号。

3、  根据权利要求1所述的中继器，其中每个发射分支信号包括唯一的训练序列，供每个信道评估器用于在相关联的发射分支信号上进行信道评估。

4、  一种中继多输入无线通信的方法，所述方法包括：
接收来自第一对天线的每个上的基站收发器的第一发射分支信号和第二发射分支信号；
利用第一对信道评估器，在所述第一对天线的第一天线接收的第一发射分支信号和第二发射分支信号的每个上进行信道评估；
利用第二对信道评估器，在所述第一对天线的第二天线接收的第一发射分支信号和第二发射分支信号的每个上进行信道评估；
分别用来自所述第一对信道评估器和所述第二对信号评估器的所述第一发射分支信号的信道评估，来校正由所述第一对天线的第一天线和第二天线接收的信号，合并校正后的信号，以产生校正后的第一发射分支信号；以及
分别用来自所述第一对信道评估器和所述第二对信号评估器的所述第二发射分支信号的信道评估，来校正由所述第一对天线的第一天线和第二天线接收的信号，合并校正后的信号，以产生校正后的第二发射分支信号。

5、  根据权利要求4所述的方法，进一步包括：
在第二对天线的第一天线上发射所述校正后的第一发射分支信号；以及
在所述第二对天线的第二天线上发射所述校正后的第二发射分支信号。

6、  一种中继多输入无线通信的方法，所述方法包括：
从由一组第一天线的多个天线接收的多个信号中选择最佳发射信号；
在单个天线上，将所述最佳发射信号发射到移动站。

7、  一种改善用于中继到移动站的基站收发器信号的方法，所述方法包括：
从基站收发器使用的多个公共信道中获取选择的信道；
接收来自基站收发器的两个或更多个分支信号；
基于所述选择的信道评估信道冲击响应，为接收的两个或更多个分支信号的每一个产生评估的信道冲击响应；以及
在通过每个接收器分支各自不同的信道冲击响应校正接收的分支信号之后，合并接收的两个或更多个分支信号，以产生用于发射到移动站的公共信号。

8、  根据权利要求7所述的方法，其中所述选择的信道包括导频信道和/或广播信道和/或控制信道。

9、  一种改善接收信号的方法，之后将改善的信号从具有至少两个接收器分集的无线中继器中继，所述方法包括：
通过将接收的分支信号彼此交叉相关来获取接收的分支信号的相对相位差；
校正接收的分支信号之间的相位差；以及
合并两个或多个接收的分支信号以产生用于发射的公共信号。

10、  根据权利要求9所述的方法，进一步包括提取接收的分支信号的相对幅度，以及利用各自的相对相位进行接收的分支信号的最大比合并。

11、  根据权利要求10所述的方法，进一步包括发射校正后的发射信号。

12、  一种改善接收信号的方法，之后将改善的信号从具有至少两个接收器分集的无线中继器中继，所述方法包括：
在与至少两个中继器接收器天线相关联的至少两个分支信道上接收信号；
确定每个接收的信号的信号强度；
选择具有较高信号强度的信号；以及
在至少一个服务器天线上发射所述具有较高信号强度的信号。

13、  根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
复用接收的信号来发射到两单元中继器中的另一个中继器。

14、  根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
在两个不同的发射天线上发射之前，解复用复用的信号。

15、  一种改善接收信号的方法，之后将改善的信号从具有至少两个接收器分集的无线中继器中继，所述方法包括：
在与至少两个中继器接收器天线相关联的至少两个分支信道上接收信号；
在至少一个分支信道上延迟所述信号以在所述至少两个分支信道中产生可分解的路径分集；以及
在合并器中线性地合并所述信号以产生合并的信号。

16、  根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
调制合并的信号以产生用于在中间无线跳转上发射的调制信号；以及
在所述中间无线跳转上发射调制的信号。

17、  根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
解调所述调制的信号以产生合并的信号的副本。

18、  根据权利要求15所述的方法，进一步包括发射合并的信号。

用多天线来增压的小范围增压器和方法
背景技术
[0001]随着蜂窝和无线通信变得越来越普遍，已经设计出了新的应用软件和终端来满足市场的需求。新的2.5G和3G蜂窝系统，例如GSM/EDGE/GPRS，WCDMA，TD-SCDMA和cdma2000，以及4G系统，例如WiMax，支持多种数据率和应用软件。除了语音，这些系统也支持新的高数据率应用软件，例如视频流和互联网浏览。这些系统支持数据应用软件，产生了多种新的终端，例如带有数据卡或嵌入式蜂窝调制解调器的PDA和笔记本电脑。
[0002]这些新的终端类型不遵从手机尺寸，也不限于手机功耗，也不遵从为手持语音终端考虑的使用情况设想。因此，越来越多的数据卡和嵌入式调制解调器在接收器中采用已知的技术，例如空间分集天线(Antenna Space Diversity，ASD)，以改善链路性能。进一步地，在正涌现的4G蜂窝系统的系统设计之初，规定了例如发射分集(Transmit-Diversity，TD)和多输入多输出(MIMO)机制等更先进的多天线技术，使得这些新系统能够胜过3G系统的链路速度和质量。这些新的空间-时间分集技术在链路预算中提供了超过10dB的增益，改善了数据率、室内和室外覆盖概率(PoC)，以及蜂窝范围和鲁棒性。
[0003]尽管这些高性能的多天线技术(ASD，TD & MIMO)被逐渐引入蜂窝系统中，目前的采用单个接收器和单个发射器天线的中继体系，通常具有一定程度的方向性，不能支持采用多天线的通信，减小了采用该技术的可能的增益。
[0004]图1示出了具有ASD功能的移动站(MS)，其通过现有的中继器与基站收发器(Base Transceiver，BTS)通信。在本示例中，BTS不采用任何发射分集(TD)机制。尽管链路是双向的，方便起见这里只考虑下行链路的例子。尽管上行链路的行为可能与下行链路不同，关于下行链路的讨论对于本系统的上行链路依然有效。
[0005]在下行链路上，MS天线分集向终端单元的分集算法提供具有两个不同信噪比(SNRs)的两个信号。然后这两个信号可通过已知的算法进行合并，例如最大比合并(MRC)或等增益合并(EGC)，或其他算法，例如选择合并(SC)或切换合并(SWC)。在任一情况下，平均来说，分集机制提供了更好的最终SNR，其超过单个天线接收器可能的平均SNR。
[0006]利用分集天线的SNR的改善是通过合并或选择由MS天线(Ant1和2)接收的信号来实现的。如果MS接收的信号直接来自BTS，进入每个天线的仅有的附加噪声将分别是N_ir1和N_ir2。因此每个分支SNR将是接收信号(S_ir)功率与噪声功率(N_ir)的比。然而，当MS接收的信号是来自中继器时，中继器已经对由MS天线接收的中继器发送的信号(S_o)增加了固定的且不可消减级别的噪声功率(N_r)。因此，不管MS接收器的空间分集的SNR增益，中继器接收器的单个天线(即无分集)SNR设定了在该链路中中继器可获得的最大性能限制。
[0007]中继器“原始”接收的来自BTS信号(S_io)进入中继器天线，该信号具有由进入接收器的附加终端噪声(N_io)以及有效中继器噪声(N_e)设定的单个SNR。随着中继器增益(G)施加给信号(S_io)和中继器噪声(N_i+N_e))，中继器增益不能改善单个天线接收器的“原始”SNR。因此，由MS接收的中继的信号(S_o)在最好情况下具有中继器输出SNR，其比中继器输入SNR相差了中继器噪声系数(NF)。
[0008]从上文的讨论可明白，单个天线中继器不能提供由无线接收器的空间分集可能提供的增益。现有的中继器的方向性天线加重了分集增益的丢失，因为天线的方向性减少、或消除了接收(或发送)信号的多路径分量，则进一步减少了在BTS或MS侧的接收端的分集增益。
发明内容
[0009]本文公开了一种具有多天线的小范围增压器。在一个方面，一种多输入、多输出无线通信中继器包括至少第一对天线。每个天线配置为接收从多输出无线通信装置的每个发射分支发射的发射分支信号。中继器进一步包括信道评估器，用于对每个发射分支，并与多个接收器分支信道的每一个相连接。每个信号评估器配置为对发射分支信号中的一个进行信道评估，用于给定发射分支的每个信道评估器的输出被用于校正与接收器分支信道相关联的发射分支信号的损伤，以产生校正后的发射分支信号。中继器进一步包括合并器，其与每个接收器分支信道相关联，用于将所述校正后的发射分支信号与来自其他接收器分支信道的其他发射分支信号合并，所述其他发射分支信号已通过其各自的对同一发射分支的信道评估器进行了校正。
[0010]根据另一方面，提出了一种用于中继多输入无线通信的方法，包括步骤：接收来自第一对天线的每一个上的基站收发器的第一发射分支信号和第二发射分支信号。该方法进一步包括步骤：利用第一对信道评估器，在所述第一对天线的第一天线接收的第一发射分支信号和第二发射分支信号的每个上进行信道评估，利用第二对信道评估器，在所述第一对天线的第二天线接收的第一发射分支信号和第二发射分支信号的每个上进行信道评估。该方法进一步包括步骤：分别用来自所述第一对信道评估器和所述第二对信道评估器的所述第一发射分支信号的信道评估，来校正由所述第一对天线的第一天线和第二天线接收的信号，合并校正后的信号，以产生校正后的第一发射分支信号。该方法进一步包括步骤：分别用来自所述第一对信道评估器和所述第二对信道评估器的所述第二发射分支信号的信道评估，来校正由所述第一对天线的第一天线和第二天线接收的信号，合并校正后的信号，以产生校正后的第二发射分支信号。
[0011]在又一方面，一种中继多输入无线通信的方法包括：从由一组第一天线的多个天线接收的多个信号中选择最佳发射信号，并在单个天线上，将所述最佳信号发射给移动站。同时，也提出了一种改善用于中继至移动站的基站收发器信号的方法，包括步骤：从基站收发器使用的多个公共信道中获取选择的信道，接收来自基站收发器的两个或更多个分支信号，基于所述选择的信道评估信道冲击响应，为接收的两个或更多个分支信号的每一个产生评估的信道冲击响应。一种改善用于中继到移动站的基站收发器信号的方法还包括：在通过每个接收器分支各自不同的信道冲击响应校正接收分的支信号之后，合并接收的两个或更多个分支信号，以产生用于发射到移动站的公共信号。
[0012]另一种改善接收信号的方法，之后将改善的信号从具有至少两个接收器分集的无线中继器中继。所述方法包括：通过将接收的分支信号彼此交叉相关来获取接收的分支信号的相对相位差，校正接收的分支信号之间的相位差，以及合并两个或更多个接收的分支信号以产生用于发射的公共信号。
[0013]在又一方面，一种改善接收信号的方法，之后将改善的信号从具有至少两个接收器分集的无线中继器中继，包括步骤：在与至少两个中继器接收器天线相关联的至少两个分支信道上接收信号，确定每个接收信号的信号强度，选择具有较高信号强度的信号，以及在至少一个服务器天线上发射所述具有较高信号强度的信号。
[0014]在又一方面，一种改善接收信号的方法，之后将改善的信号从具有至少两个接收器分集的无线中继器中继。所述方法包括：在与至少两个中继器接收器天线相关联的至少两个分支信道上接收信号，在至少一个分支信道上延迟所述信号以在所述至少两个分支信道中产生可分解的路径分集。所述方法进一步包括在合并器中线性地合并所述信号以产生合并的信号的步骤。
[0015]以下附图和说明书将阐述一个或多个实施例的细节。其他特征和优点将在说明书、附图和权利要求书中呈现。
附图说明
[0016]现在参考以下附图，详细地描述上述及其他方面。
[0017]图1示出了一具有ASD功能的移动站，其通过现有中继器与基站收发器(BTS)通信。
[0018]图2示出了一具有ASD功能的移动站，其包含分集中继器。
[0019]图3示出了一具有ASD功能的移动站，其包含具有无线链路的分集中继器。
[0020]图4示出了一具有ASD功能的移动站，其包含开关和选择分集中继器。
[0021]图5示出了数字分集中继器下行链路接收器端。
[0022]图7示出了二分支宽带分集ECG机制。
[0023]图8示出了二分支宽带分集MRC机制。
[0024]图9示出了二分支窄带分集ECG机制。
[0025]图10示出了二分支窄带分集MRC机制。
[0026]图11示出了二分支MIMO中继器。
[0027]各图中相同的附图标记指示相似的元件。
具体实施方式
[0028]本文描述了多输入多输出中继器，其为移动站(MS)接收器提供了分集增益。图2示出了调节MS和基站收发器(BTS)之间的信号的分集中继器200。两个中继器施主天线(Ant_d1 & Ant_d2)接收两个不同的信号，这两个信号很可能具有不同的SNR。这两个信号的SNR在中继器链中被保持，直到通过中继器服务器天线(Ant_s1 & Ant_s2)对其进行中继。然后这两个发射信号在到达两个MS接收器天线(Ant₁ &Ant₂)之前在“空”中被合并。
[0029]尽管这两个信号在空中合并(在进入天线之前)，只要具有较低SNR的中继器发射的信号被充分削弱，而具有较高SNR的中继器发射的信号被以足够的功率接收，两个MS天线中的至少一个将接收到高SNR信号，该信号随后可用于获得某些分集增益。由于增益级别非常依赖于在接收天线处的发射信号的组成，这里的分集增益的概率是有条件的，并且相对于通信路径中没有中继器的可能增益是减少的。然而，这种“分集中继器”(如图2所示)提供的是高成本的分集增益，因为此处需要两个中继器，而不是一个。
[0030]在三跳中继器中，例如Mohebbi在2003年9月3日提出的专利申请WO2005025078中所述，其内容就各方面引用于此作为参考，其中在接收器端和发射器端之间有无线链路(UNII波段中的OFDM)，在相同的无线链路上可复用每个分集分支数据。图3示出了一种三跳中继器300。也可采用例如选择合并(SC)或切换合并(SWC)算法来降低中继器复杂度，如图4中的分集中继器400所示。图4中所示的分集中继器400的复杂度比图2中的中继器200更低，且可能是次等的，其不发射具有较低SNR的中继信号，该信号可能在移动接收器处形成干涉。
[0031]随着数字中继器的出现(例如在专利申请WO2005025078中的中继器)，能够经济地在中继器中引入更先进的信号处理机制。在这样的数字中继器中，中继器的输入信号首先被下变频(down-converted)到基带，并被采样用于数字处理，其中可在专门的处理单元或通用处理引擎中引入新的更先进的算法。图5示出了具有天线空间分集的数字中继器的下行链路接收器端500的示例。
[0032]图6示出了用于合并“路径分集”的分集中继器600。在该分集中继器600中，在将分集分支上接收的信号线性合并之前，将这些信号相对于彼此延迟(例如，在图6中，第二分支在与分支1合并之前被延迟t秒)。该延迟必须足以产生可分解(resolvable)的路径分集，手机(UE)接收器可与之合并。例如，对于WCDMA系统，该延迟(t)大于半个片(chip)(l/3.84e6sec)，且小于20μsec。具有RAKE接收器(例如WCDMA)和/或均衡器(例如GSM)的蜂窝系统可直接受益于路径分集。使用OFDM作为其调制的系统间接受益，因为延迟过的路径使得衰减特性从平滑衰减变为频率选择性衰减，在系统中引入了一些频率分集。该机制也有额外的优点，如专利申请WO2005025078所述，其中在两个中继器单元之间的UNII波段中有无线链路OFDM，UNII波段中的OFDM链路上的数据不会通过第二分支增加，因为来自两个分支的数据被合并了。尽管图6示出了无限中继器，相同的原理也可以应用于现有的中继器或具有有线连接的中继器。
[0033]尽管可能对于某些系统，例如基于GSM的系统，可以容易地获得分集分支之间的相位关系，然而对于采用扩频调制的系统，例如WCDMA和cdma2000这是比较难的。例如在WCDMA中，在下行链路上进入中继器的信号可来自几个具有类似功率的基站。同时，信号的扩频属性使得有噪声时难于可靠地检测任何相位或幅度，在有噪声和干涉时甚至更难。进一步地，这些系统通常是宽带的，在时间分集信道中运行，这使得对宽带合并进行载波频率的简单相位检测不适合。
[0034]因此，对于例如WCDMA的系统，中继器需要通过获得一个公共控制信道，例如主同步信道(P-SCH)或公共导频信道(CPICH)，来获得BTS发射。一旦获得这些信道中的一个(CPICH或P-SCH或任何其他公共广播信道)，就能够为给定的BTS(通常是最强的)评估每个分集分支的信道冲击响应(即“信道评估”)。在检测不到单个的清晰的强BTS时(即在软切换区中)，可随机选择BTS中的一个。也可能检测到并行的几个不同的BTS信号，这些信号分别针对每个不同的BTS被合并以得到最大SNR，之后，将来自每个BTS的合并信号再次合并用于最终对移动站发射。
[0035]以WCDMA为例，对于给定的BTS，需要对每个中继器接收器分支进行“信道评估”。一旦知道对每个分支的信道评估(图7中的h₁和h₂)，在利用MRC或EGC机制对信号进行片级合并之前，可采用抽头延迟线(或片级均衡器)来收集每个分支中的所有延迟能量。图7示出了针对两分支分集接收的这样的操作的示例。
[0036]图7示出了两分支宽带分集配置700，其中，在交叉相关操作之前，来自每个分支的数据段首先通过抽头延迟线，为各个分支信道评估设定的抽头系数是变化的(图7中的h₁^＊和h₂^＊)。抽头延迟线收集每个分支中的所有延迟的能量，并在每个分支中提供可能的最大SNR。然后抽头延迟线的输出被交叉相关以建立在两个分支之间存留的任何剩余相位差。一旦建立了相对相位信息，来自每个分支的数据首先通过抽头延迟线，为各个分支信道评估设定的抽头系数是变化的(图7中的h₁^＊和h₂^＊)，之后对剩余相位差进行校正并后续地将信号合并。以上示例是针对EGC的。然为通过在相关器之前评估抽头延迟线输出的相对幅度或SNR，可以进行如图8描述的两分支宽带分集配置800中所示的MRC合并。
[0037]当不能获得信道评估和/或时间扩展(time dispersion)不大时(例如在WCDMA系统中小于片间隔)，图7所示的合并机制可减为图9所示的两分支窄带分集配置900。图9中所示的合并机制可用于例如具有室内中继器的WCDMA系统的上行链路上，其中单个移动站(或多个移动站)位于室内环境，延迟传播小于200nsec，信道移动很慢(即大的相干时间～50msec)。小的数据段(例如100片)可以在持续进行的基础上被交叉相关，以建立两个(或任意数量的)分支的相对相位。
[0038]该信息可用于合并两个接收器分支的信号，不需知道任何关于信号及其内容的其他信息。图9所示的机制的MRC版示出了如图10中所示的两分支窄带分集配置1000。如前文所述，相对幅度或SNR的评估可用于MRC合并。图9和10中所示的分集合并机制也可用于蜂窝系统(本例中为WCDMA)的下行链路上，其相比于图6和图7中分别示出的宽带版本损失了一些性能。
[0039]对于如专利申请WO2005025078中描述的中继器，其中自动增益控制(AGC)机构控制中继器发射的信号的输出功率，应注意优选地在合并算法之后测量耦合的信号级别，以在耦合的信号上包含合并效应。
[0040]对于基于OFDM的系统，例如WiMax(和WCDMA LTE)，可如上文图5、7、8或9中那样在接收的时域信号上进行合并，或在子载波的频域上进行合并。这些系统的前导(或训练序列)可用于时域信道评估。另一方面，频域可基于频域中的前导(或训练序列)，和/或插入的“导频”子载波。时域方法将呈现较少的处理延迟，而频域方法将在具有频率选择行为的宽带信道中具有更好的性能，因为合并是在子载波级别进行的。
[0041]尽管上文的讨论是基于具有天线分集接收的中继器和系统，并结合例如MRC、EGC、SC和SWC等算法进行的，利用某些修改，可在MIMO中继器和系统上应用相同的新机制。MIMO系统通常针对每个发射器链(多输出)采用唯一且不同的训练序列，这些训练序列对于接收器来说也是已知的。接收器具有与发射的训练序列(先验)有关的所有所需信息，在所有接收器分支为每个发射序列进行信道评估。有了针对每个发射天线的每个分支上的信道评估，就可使用合并机制，例如MRC或EGC，来改进接收器侧的每个发射分支SNR。每个发射分支可以发射相同的信息，提供非常弹性的链路，也可发射不同的数据流，提供比单个发射天线的可能的数据率更高的数据率。支持MIMO的中继器可利用多个不同的策略在BTS和MS之间调节。再次仅以下行链路为例，中继器可以：
[0042]第一，如图2(和3)所示，中继器可独立地将每个MIMO分支中继到MS，无需任何合并。在这样的情况中，MS将使用其合并算法来合并接收的信号以获得最好的可能的SNR。如前文所述，具有低SNR的中继器接收的信号的性能可以限制最终的信能以及MS的MIMO增益，因为所有的中继器发射的信号将在空中合并并到达所有的MS天线。
[0043]第二，如图4所示，在中继器接收器端，可以在每个中继器接收器分支上检测并评估RSSI(或每个发射分支的信道评估或SNR)，并通过选择具有最好的RSSI(或SNR)的接收信号的子集来发射到MS，来为移动站提供具有更好的SNR的信号。
[0044]第三，图11示出了两分支蜂窝MIMO系统的两分支MIMO中继器的下行链路数据路径和合并模块1100。在该配置中，在中继器接收器分支，每个BTS发射分支训练序列用于为特定的发射分支信号(S_{Tx_Branch})进行“信道评估”。在获得与所有发射分支相关联的所有信道评估之后，来自每个接收器分支的接收到的信号用(相同的接收器分支)的适当的信道评估“校正”，并与来自其他接收器分支的校正后的信号进行合并。对所有发射分支信号(本示例中为两个)重复该处理。也可使用MIMO分支的子集进行合并和/或发射。在合并处理之后，每个接收器分支(在本示例中为两个)被独立地放大，并通过中继器到达中继器发射器分支(在本示例中为两个)。
[0045]对于如专利WO2005025078所述的中继器，需关注测量接收天线耦合，以及为发射器分支的发射功率设置获取最大耦合(最小路径损失)。此外，优选地，在合并算法之后获取耦合的发射信号的接收功率，以在耦合信号上包含合并增益。
[0046]尽管上文详细介绍了几个实施例，还可以存在其他修改。例如，本领域技术人员能够理解，上述新颖的观点可用于所有无线和蜂窝中继器系统，其中涉及GSM/GPRS/EDGE，cdma2000，TD-SCDMA，WCDMA，WiMax。进一步地，任何上述逻辑流程不需任何特定的顺序以获得所期望的结果。其他实施例可包含在权利要求书的保护范围中。