CN1734972B - 分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

所描述的方法包括：从基站的每个天线传输训练信号到多个客户装置中的每一个客户装置，每个客户装置分析每个训练信号以生成信道特征数据，以及将信道特征数据传输回基站；存储多个客户装置中的每个客户装置的信道特征数据；接收要被传输到每个客户装置的数据；和使用与各客户装置相关联的信道特征数据对所述数据进行预编码，以生成基站每个天线的预编码数据信号；并通过基站的每个天线将所述预编码数据信号传输到各客户装置。

Description

分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法
技术领域
本发明通常涉及通信系统领域。特别地，本发明涉及用于使用时空编码技术的分布式输入分布式输出的无线通信的系统和方法。
背景技术
                     通信信号的时空编码
空间多工和时空编码是无线技术中已知的较新的发展。由于有几个天线用在每个终端，所以一种特殊类型的时空编码被称为“多重输入多重输出”(MIMO)。通过使用多个天线来发送和接收，多个独立的无线电波可以在相同的频率范围内同时传送。下面的文章提供了MIMO的概述。
IEEE成员David Gesbert、IEEE会员Mansoor Shafi、IEEE成员Da-shanShiu，、IEEE成员Peter J.Smith和IEEE高级会员Ayman Naguib的IEEEJOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS，VOL.21，NO.3，APRIL 2003：”From theory to Practice：An Overview of MIMO Space-TimeCoded Wireless Systems”。
IEEE成员David Gesbert、IEEE成员Helmut Bolcskei、Dhananijay A.Gore和IEEE会员Arogyaswami J.Paulraj的IEEE TRANSCTIONS ONCOMMUNICATIONS，VOL.50，NO.12，DECEMBER 2000：”Outdoor MIMOWireless Channels：Models and Performance Prediction”。
基本上，MIMO技术是基于用于在公共频带内产生并列空间数据流的空间分布式天线的应用。无线电波以这样的方式传播，从而可以在接收器分离和解调单个信号，即使它们在相同的频带内传输，这能造成多个统计学意义上独立(也就是有效地分离)的通信信道。因此，和努力抑制多径信号的标准无线通信系统相比，MIMO可以依赖于非相关或弱相关的多径信号，在给定的频带内实现较高的吞吐率和改善的信噪比。例如，在802.11g系统中使用MIMO技术，最近Airgo网络能够实现108Mbps，而在相同频谱中，传统的802.11g仅能实现54Mbps(当前，Airgo’s的网页“http：//www.airgonetworks.com描述了这项技术)。
通常上，由于几个原因，MIMO系统面对着每个装置少于10个天线的实际性限制(因此网络中的改善少于10×吞吐率)：
1.物理限制。给定装置上的MIMO天线之间必须具有足够的间隔，从而每个都接收统计独立的信号。尽管即使在具有六分之一波长(λ/6)的天线间隔时仍然可以看到MIMO带宽的改善，但当天线更加接近时效率迅速恶化，这导致了较低的MIMO带宽倍增器。而且，当天线拥挤到一起的时候，天线通常必须做得更小，这也能够影响带宽效率。最后，用较低频率和较长波长的话，MIMO装置的物理尺寸就变得难以处理。一个极端的例子是在HF波段，这里MIMO装置天线必须互相分开10米或更大距离。
2.噪声限制。每个MIMO的接收器/发送器子系统产生一定水平的噪声。当越来越多的这种子系统互相临近放置时，背景噪声就会上升。同时，当需要从多天线MIMO系统中识别出更多不同信号的时候，就要求更低的背景噪声。
3.成本和功率限制。尽管有些MIMO应用中成本和功耗不是焦点，但在典型的无线产品中，开发一种成功的产品时，成本和功耗都是至关重要的制约因素。对于每个MIMO天线，需要分离的RF子系统，包括分离的模-数和数-模转换器。不像以摩尔定律来衡量规模的数字系统的很多方面，这样密集的模拟子系统通常具有一定的物理结构尺寸和功率要求，其尺寸与成本和功率线性成比例。因此，和单天线装置相比，多天线MIMO装置将变得极其昂贵并且具有惊人的能耗。
作为上面的结果，今天预期的大多数MIMO系统是在2至4个天线的等级上，导致带宽2至4倍的上升和由于多天线系统的分集益处而引起的一些SNR(信噪比)的上升。已经预期到10个天线的MIMO系统(特别是由于较短的波长和较近的天线间隔的在较高的微波频率上)，但是除了对于一些特殊的和对成本不敏感的应用以外，超过10个天线是很不实际的。
                      虚拟天线阵列
MIMO类型的技术的一种特殊应用是虚拟天线阵列。欧洲科学技术领域研究协作组织提出的研究文件中建议了这种系统，EURO，Barcelona，Spain，2003年1月15-17日：Center for Telecommunication Research，King’s CollegeLondon，UK：”A step towards MIMO：Virtual Antenna Arrays”，Mischa Dohler &Hamid Aghvami。
如文件中所述，虚拟天线阵列是协作无线装置系统(例如蜂窝电话)，其在分离的通信信道上互相通信(假如当它们相互足够临近)，而不是在它们主要的通信信道上与它们的基站通信，使得协作性地工作(例如，如果它们是UHF波段中的GSM蜂窝电话，那么这可以是5GHz的工业科学医学无线波段)。通过在相互的中继范围(除了在基站范围内)内的几个装置之间转发信息，就好像他们是在物理上具有多个天线的一个装置工作一样，使得单天线装置潜在地实现象MIMO一样的带宽提升。
然而，实际上，这样的系统极难实现并且用处有限。首先，必须保持每个装置现在最少有两个不同的通信路径以实现吞吐率提升，其第二中继链路的可用性经常是不确定的。而且，由于它们最少具有第二通信子系统并且有更大的计算需求，因此该装置更昂贵，物理尺寸更大，并且消耗更多的功率。此外，潜在地通过多个通信链路，该系统依赖于非常复杂的所有系统的实时协作。最后，由于同时发生的信道利用增加(例如，使用MIMO技术的同时发生的电话呼叫传输)，对于各装置的计算负担也就增加了(通常随信道利用的线性增加而成指数增加)，这对具有严格的功率和尺寸限制的便携装置是很不实际的。
发明内容
一种方法，该方法包括：将训练信号从基站的每个天线传送到多个客户装置中的每一个，每个客户装置分析每个训练信号来生成信道特征数据，并将信道特征数据传送回基站；存储多个用户装置中的每一个的信道特征；接收要被传送到每个客户装置的数据；和利用与各客户装置相关联的信道特征数据对所述数据进行预编码，来生成基站每个天线的预编码过的信号；并且将预编码过的信号通过基站的每个天线传送到各客户装置。
附图说明
结合附图，下面详尽的描述可以获得对本发明更好的理解，其中：
图1显示了现有技术的MIMO系统。
图2显示了与多个单天线客户装置进行通信的N天线基站。
图3显示了与三个单天线客户装置进行通信的三个天线的基站。
图4显示了本发明的一个实施例中使用的训练信号技术。
图5显示了根据本发明一个实施例的从客户装置传输到基站的信道特征数据。
图6显示了根据本发明一个实施例的分布式输入多重输出(“DIMO”)下行传输。
图7显示了根据本发明一个实施例的多重输入多重输出(“MIMO”)上行传输。
图8显示了根据本发明的一个实施例的通过不同客户群循环以分配带宽的基站。
图9显示了根据本发明的一个实施例的基于临近的客户分组。
图10显示了在NVIS系统中使用的本发明的实施例。
具体实施方式
在下列描述中，为了解释的目的，为了提供对本发明彻底的理解，阐明了多个特殊细节。然而，很明显的是，对于本领域内的普通技术人员，即使没有一些特殊细节，仍然可以实现本发明。此外，公知的结构和装置显示为框图形式，以避免将本发明根本的原理模糊化。
图1显示了具有发送天线104和接收天线105的现有技术MIMO系统。这样的系统的吞吐率可以实现通常在可用信道中实现的吞吐率的3倍。有多种不同的方法来实现这种MIMO系统的细节，其在关于该主题的出版文献中有过描述，下面的解释将描述一个这样的方法。
数据在图1的MIMO系统中传输之前，信道被“特征化”。这是通过在开始将“训练信号”从每个发送天线104传输到每个接收器105来实现的。训练信号有编码和调制子系统102生成，并被D/A转换器(没有示出)转换成模拟信号，然后由每个发送器103从基带信号转换为RF信号。每个耦合到其RF接收器106的接收天线105接收每个训练信号并将其转换为基带信号。基带信号由D/A转换器(没有示出)转换为数字信号，然后信号处理子系统107特征化该训练信号。每个信号的特征可以包括很多因素，例如，其包括，相对于接收器内部的参考信号的相位和振幅、绝对参考信号、相对参考信号、特征噪声或其他因素。每个信号的特征通常定义为当信号通过信道传送时表现信号几个方面的相位和振幅变化的向量。例如，在正交幅度调制(“QAM”)的调制信号中，所述特征可能是信号的几个多径映像的相位与振幅偏移的向量。另外一个例子是，在正交频分复用(“OFDM”)调制的信号中，它可能是OFDM频谱中几个或所有单个分量信号(sub-signal)的相位与振幅偏移的向量。
信号处理子系统107将由每个接收天线105和相应接收器106接收到的信道特征存储起来。所有的三个发送天线104完成它们的训练信号传输之后，信号处理子系统107将已经存储了三个对于三个接收天线105中每一个的信道特征，这形成了3×3的矩阵108，其表示为信道特征矩阵“H”。每个单独的矩阵元素Hi，j是接收天线105j接收到的传输天线104i的训练信号传输的信道特征。
在这点上，信号处理子系统107将矩阵H108求逆以产生H-1，并且等待从发送天线104来的实际数据的传输。注意，多种在可用文献中描述的现有MIM0技术可用于确保H矩阵108可逆。
在实施中，要传输的数据的内容(payload)送到数据输入子系统100。然后在送到编码和调制子系统102之前，其被分配器(splitter)101分割为三部分。例如，如果内容是“abcdef”的ASCII比特，它就可以被分配器分割为三个子内容“ad”、“be”和“cf”。然后，每个子内容单独发送给编码和调制子系统102。
通过使用适合每个信号的统计独立性和纠错能力的编码系统，单独地对每个子内容进行编码。这些包括，而不仅仅限于，Reed-Solomon编码、维特比编码(Viterbi coding)和增强编码(Turbo Codes)。最后，使用对信道合适的调制方法对这三个编码后的子内容中的每一个进行调制。示例性的调制方法是差分相移键控调制(“DPSK”)、64-QAM调制和OFDM。这里应该注意的是，MIMO提供的分集增益允许较高级数的调制星座图，所述调制星座图在使用相同信道的SISO(单输入单输出)系统中也是可行的。然后，每个编码并且调制后的信号通过它自己的天线104传输出去，所述传输跟随在D/A转换单元(没有示出)的D/A转换和每个发送器103的RF生成之后。
假设有足够的空间分集存在于发送和接收天线之间，每个接收天线105将从天线104接收三个传输信号的不同组合。每个RF接收器106将每个信号接收到并将它们转换为基带信号，然后A/D转换器(没有示出)再对信号进行数字化。如果yn是由第n个接收天线105接收到的信号，xn是由第n个发送天线104发送的信号，N是噪声，那么这就能以下列等式描述。
y1＝x1H11+x2H21+x3H31+N
y2＝x1H12+x2H22+x3H32+N
y3＝x1H13+x2H23+x3H33+N
假设这是一个具有三个未知量的三个等式的系统，那么这就是信号处理子系统107推导出x1、x2和x3的线性代数的问题了(假设N在足够低的水平，允许对信号进行解码)：
x1＝y1H-1 11+y2H-1 12+y3H-1 13
x2＝y1H-1 21+y2H-1 22+y3H-1 23
x3＝y1H-1 31+y2H-1 32+y3H-1 33
一旦推导出三个传送的信号xn，它们就被信号处理子系统107解调、解码和纠错，以恢复出原来由分配器101分开的三个比特流。这些比特流在合并器单元108中合并，并从数据输出109中输出为单数据流。假设系统强健性可以克服噪声损伤，那么数据输出109产生的比特流将和引入到数据输入100中的比特流一样。
尽管所描述的现有技术系统通常有效直到四个天线，或许直到10个之多的天线，由于在该公开的背景部分中描述的原因，具有大量天线(例如25、100或1000)时其变得很不实际。
通常，这样的现有技术系统是双向的，返回路径以完全相同的方式实现，但是反过来，在通信信道的每一侧都具有发送和接收子系统。
图2显示了本发明的一个实施例，在其中，基站200配置有广域网接口(例如通过T1或其它高速连接)201并且提供有一定数量的(n个)天线202。有一些客户装置203-207，每个具有单天线，基站200通过无线方式对它们进行服务。尽管对于这个例子的目的，非常容易想到位于办公室环境的基站，在这种环境中，其为装备有无线网络的个人计算机的用户装置203-207提供服务，但这种结构将运用于大量的应用情况，室内和室外，在这里基站服务于无线客户。例如，所述基站可以位于蜂窝电话塔上，或者位于电视广播塔上。在一个实施例中，基站200被安置于地面，用于HF频率的(例如24MHz的频率)上行传送，以将信号从电离层反射回来，如2004年4月20日提出的，序列号为No.10/817,731，题目为SYSTEM AND METHOD FORENHANCING NEAR VERTICAL INCIDENTCE SKYWAVE(“NVIS”)COMMUNICATION USING SPACE-TIME CODING的同时未决的申请描述的一样，其被支配给本申请的代理人，在这里作为参考。
与基站200相联系的某些细节和所阐明的客户装置仅仅是为了例证的目的，而不是根据本发明的根本原理必需的。例如，该基站可以经由WAN接口201连接于多个不同类型的广域网，其包括专用广域网，例如那些用于数字视频发送的广域网。类似地，客户装置可以是任何种类的无线数据处理和/或通信装置，其包括，而不仅仅局限于，蜂窝电话、个人数字助理(“PDA”)、接收器和无线相机。
在一个实施例中，基站的n个天线202在空间上是分开的，从而每一个发送和接收非空间相关的信号，就好像所述基站是现有技术MIMO的收发器一样。如在背景技术中所描述的，天线以λ/6(即1/6波长)间隔放置的实验已经做出，其成功地实现了从MIMO的带宽提升，但一般来说，这些基站天线越进一步分开放置，系统的性能就越好，λ/2是令人满意的最小距离。当然，本发明的根本原理不限于天线间任何特定的分离。
注意，单基站200可以很好地将其天线放置于很远的距离。例如，在HF频谱中，天线可以有10米或更远(例如，在上面提到的NVIS实现中)。如果使用100个这样的天线，该基站的天线阵列就可以占有几个平方公里的面积。
除了空间分集技术之外，为了提高系统的有效带宽，本发明的一个实施例将信号极化。通过极化来提高信道带宽是一种公知的技术，其已经被卫星电视供应商使用了很多年。使用极化技术，可以使多个(例如三个)基站天线互相间非常接近，并且仍然是非空间相关的。尽管传统的RF系统通常仅仅受益于极化的二维(例如x和y)分集，但这里描述的结构可进一步受益于极化的三维(x、y和z)分集。
图3提供了图2中所示的基站200和客户装置203-207的一个实施例的额外细节。为了简化的目的，该基站300仅仅显示为三个天线305和三个客户装置306-308。然而，需要注意的是，这里描述的本发明的实施例可以用几乎无限数量的天线305(即，仅仅由可用的空间和噪声来限制)和客户装置306-308来实现。
图3与图1所示的现有技术MIMO结构类似，其中，两者在通信信道的每一端有三个天线。显著的区别是，在现有技术的MIMO系统中，图1右侧的三个天线105互相之间是固定距离(例如，集成在单一装置中)，从每个天线105接收到的信号一起在信号处理子系统107中得到处理。相比之下，在图3中，图右侧的三个天线309每一个都耦合到不同的客户装置306-308上，每个所述客户装置都可以分布于基站305的范围内的任何地方。这样，每个客户装置接收到的信号可以在其编码、调制、信号处理子系统311中独立于其它两个接收到的信号而得到处理。因此，与多重输入(即天线105)多重输出(即天线104)的“MIMO”系统相比较，图3显示了分布式输入(即天线309)多重输出(即天线305)系统，以下指“DIMO”系统。
图3所示的DIMO结构对于给定数量的发送天线实现了类似于MIMO在SISO系统上实现的带宽提升。然而，MIMO和图3所示的特定DIMO实施例的一个区别是，为实现多个基站天线提供的带宽提升，每个DIMO客户装置306-308仅仅要求单个接收天线，而对于MIMO，每个客户装置至少要求与希望实现的带宽倍数一样多的接收天线。假设通常有一实行的限制，其限制能够在客户装置放置多少天线(如在背景技术中解释的)，典型上这就将MIMO系统限制在4个至10个天线之间(4倍至10倍的带宽)。由于基站300通常从固定和装有动力的位置服务于很多客户装置，将其扩展为远超过10个天线，和用适当的距离分离天线以实现空间分集是很实际的。如所述，每个天线装备有收发器304和一部分编码、调制和信号处理部件303的处理能力。值得注意的是，在此实施例中，无论基站300扩展多少，每个客户装置306-308将仅仅要求一个天线309，因此对于单用户客户装置306-308的成本将很低，并且基站300的成本可以在大基数的用户中分担。
在图4至图6中，显示了如何完成从基站300到客户装置306-308的DIMO传输的例子。
在本发明的一个实施例中，DIMO传输开始之前，信道被特征化。对于MIMO系统，每个天线405对训练信号一个接一个进行传输。图4仅仅显示了第一个训练信号的传输，但对于三个天线405来说，共有三个分开的传输。每个训练信号由编码、调制和信号处理子系统403生成，通过D/A转换器转换成模拟信号，并作为RF信号通过每个RF收发器404发送出去。可用的各种不同的编码、调制和信号处理技术包括，而不局限于那些上面描述的技术(例如，Reed Solomon、维特比编码(Viterbi Coding)；QAM、DPSK、QPSK调制等等)。
每个客户装置406-408通过其天线409接收训练信号并通过收发器410将该训练信号转换成基带信号。A/D转换器(没有示出)在该信号被编码、调制和信号处理子系统411处理的地方将其转换成数字信号。然后信号特征逻辑单元320识别所得信号的特征(例如，识别上述的相位和振幅失真)并将该特征存放到存储器中。这个特征处理过程类似于现有技术的MIMO系统的处理过程，一个显著的区别是，每个客户装置仅仅计算其一个天线，而不是n个天线的特征向量。例如，已知模式的所述训练信号将客户装置406的编码、调制和信号处理子系统420初始化(在产生时通过在发送的信息中接收它，或通过其他初始化处理)。当天线405以已知模式发送该训练信号的时候，编码、调制和信号处理子系统420使用相关法来找到最强的训练信号接收模式，其将相位和振幅偏移保存起来，然后其将该模式从接收到的信号中间减掉。接下来，其找到与所述训练信号相关的第二强接收模式，将相位和振幅偏移保存起来，然后其将第二强模式从所述接收到的信号中减掉。该处理一直进行，直到保存了某固定数量的相位和振幅偏移(例如，8个)或可探测的训练信号模式下降到给定的背景噪声之下。该相位/振幅偏移的向量成为向量413的元素H11。与此同时，客户装置407和408的编码、调制和信号处理子系统执行同样的处理，产生它们的向量元素H21和H31。
信道特征存放的存储器可以是非易失性存储器，例如闪存，或硬盘，和/或易失性存储器，例如随机存取存储器(例如，SDRAM、RDAM)。此外，不同的用户装置可以同时使用不同类型的存储器来存储特征信息(例如PDA可是使用闪存，而笔记本电脑可是使用硬盘)。在各种客户装置或基站上，本发明根本的原理不限于任何特定类型的存储机构。
如上所述，根据所使用的方案，由于每个客户装置406-408仅有一个天线，每个仅仅存储H矩阵的1×3列413-415。图4显示了第一训练信号传输后的阶段，这里，1×3列413-415的第一行存储了三个基站天线405的第一个天线的信道特征信息。其余两列存储了从其余两个基站天线的接下来的两个训练信号传输的信道特征。注意，为了例证的目的，所述三个训练信号模式在分开的时间传输。如果选择了三个训练信号模式从而互不相关，那么它们可以同时传输，因此减少训练时间。
如图5所示，所有三个导频传输完成之后，每个客户装置506-508将已经存储起来的矩阵H的1×3列513-515发送回基站500。为了简化的目的，在图5中仅显示有一个客户装置506传送其特征信息。结合适当的纠错编码(例如Reed Solomon、维特比编码(Viterbi Coding)和/或增强编码(TurboCodes))，可以使用合适的调制方法(例如DPSK、64QAM、OFDM)来确保基站500准确地接收列513-515中的数据。
图5中，尽管所有三个天线505显示出接收信号，但是对于接收每1×3列513-515的传输，基站500的单天线和单收发器已经足够了。然而，在一定条件下，使用很多或所有天线505和收发器504来接收每个传输(即，在编码、调制和信号处理子系统503中使用现有技术的多重输入单输出(“MISO”)处理技术)可以实现比单天线505和收发器504更好的信噪比(SNR)。
当基站500的编码、调制和信号处理子系统503从每个客户装置507-508接收所述1×3列513-515的时候，其将所述1×3列513-515存入3×3的H矩阵516中。对于客户装置，基站可以使用很多不同的存储技术来存储矩阵516，其包括，但不局限于，非易失性海量存储器(例如硬盘)和/或易失性存储器(例如SDRAM)。图5显示了基站已经接收和存储了来自客户装置509的1×3列513的阶段。当1×3列514和515从其余客户装置传输的时候，它们可以被传输并保存在H矩阵516中，直到整个H矩阵516被存储起来。
参考图6，现在将描述从基站600到客户装置606-608的DIMO传输的实施例。因为每个客户装置606-608是独立的装置，所以每个装置接收不同的数据传输。这样，基站600的实施例包括位于WAN接口601和编码、调制与信号处理子系统603之间对它们进行通信联络的路由器602，其从WAN接口601接收多个数据流(格式为比特流)，分别对应于每个客户装置606-608将所述数据流按分开的数据流u1-u3发送。为此目的，该路由器602可以使用各种已知的路由技术。
如图6所示，将所述三个比特流，u1-u3，路由进所述编码、调制和信号处理子系统603中，将它们编码为统计独立的纠错流(例如，使用ReedSolomon、维特比或增强编码)，并用对信道合适的调制方法(例如DPSK、64QAM或OFDM)将它们调制。此外，图6显示的实施例包括信号预编码逻辑单元630，基于信号特征矩阵616，该信号预编码逻辑单元630用于对从每个天线605发送来的信号进行唯一编码。特别地，在该实施例中，预编码逻辑单元630将图6中的三个比特流u1-u3与H矩阵616的逆矩阵相乘以生成三个新的比特流u′1-u′3，而不是将每个编码和调制过的比特流路由到分开的天线(如图1中所做)。然后，D/A转换器(没有示出)将所述的三个预编码比特流转换为模拟信号，收发器604和天线605将其作为RF信号发送出去。
在解释客户装置606-608如何接收所述别特流之前，将描述预编码模块630执行的操作。类似于上面图1中MIMO的例子，三个原始比特流中每一个比特流的编码和调制过的信号将表示为un。在图6所示的实施例中，每个ui包含路由器602所路由的三个比特流来的数据，每个这样的比特流将成为三个用户装置606-608其中的一个。
然而，不象图1中的MIMO例子，那里，每个xi有各天线104发送，在图6所示的本发明的实施例中，在每个客户装置天线609接收各ui(加上信道中任何的噪声N)。为实现这样的结果，三个天线605中的每一个的输出(我们将其表示为νi)是ui和特征化每个客户装置的H矩阵的函数。在实施例中，编码、调制和信号处理子系统中的预编码逻辑单元630通过执行下列等式来计算各νi：
ν1＝u1H-1 11+u2H-1 12+u3H-1 13ν2＝u1H-1 21+u2H-1 22+u3H-1 23
ν3＝u1H-1 31+u2H-1 32+u3H-1 33
因此，不象MIMO，那里，信道将信号变换之后在接收器计算各xi，而这里描述的本发明的实施例在信道将信号变换之前在发送器求解每个νi。每个天线609接收已经从其它用于其它天线609的un-1比特流中分离出来的ui。每个收发器610将各接收到的信号转换成基带信号，这里A/D转换器(没有示出)对其进行数字化，各编码、调制和信号处理子系统611对其xi比特流进行解调和解码，并将其比特流送到客户装置使用的数据接口612(例如，客户装置上的应用程序)。
这里描述的本发明的实施例可以使用多种不同的编码和调制方法来实现。例如，在OFDM实现中，其中频谱被分为多个分频带，这里描述的技术可用于特征化每个单独的分频带。然而，如上所述，本发明的根本原理不限于任何特定的调制方法。
如果客户装置606-608是便携式数据处理装置，例如PDA、笔记本电脑和/或无线电话的话，那么由于客户装置可能会从一个位置移动到另外一个，则信道特征会频繁发生改变。这样，在本发明的一个实施例中，基站的信道特征矩阵616不断地得到更新。在一个实施例中，基站600周期地(每250毫秒)发出新的训练信号到每个客户装置，每个客户装置将其信道特征向量不断地发送回基站600以确保信道特征保持准确(例如，如果环境改变或客户装置移动从而影响到信道)。在一个实施例中，在发送到每个客户装置的实际数据信号中对训练信号进行交织。典型地，所述训练信号的带宽远低于所述数据信号的带宽，因此这对系统总的吞吐率将几乎没有影响。相应地，在该实施例中，信道特征矩阵616在基站主动与各客户装置进行通信时可以不断得到更新，从而当客户装置从一个位置移动到下一个位置，或环境发生改变从而影响到信道的时候保持准确的信道特征。
图7中所示的本发明的一个实施例使用MIMO技术来改善上行通信信道(即，从客户装置706-708到基站700的信道)。在该实施例中，基站中的上行信道特征逻辑单元741不断对从每个客户装置来的信道进行分析和特征化。特别地，每个客户装置706-708发送训练信号到基站700，那里信道特征逻辑单元741分析以产生N×M的信道特征矩阵741，这里N是客户装置的数量，M是基站所使用的天线的数量。图7所示的实施例在基站使用三个天线705和三个客户装置706-708，这导致了存放于基站700的3×3信道特征矩阵741。客户装置可以将图7所示的MIMO上行传输用于将数据发送回基站700和将信道特征向量传送回基站700，如图5所示。但是和图5所示的实施例不同的是，在图5中，每个客户装置的信道特征向量以分开的时间进行传输，而图7所示的方法允许从多个客户装置同时将信道特征向量传输回基站700，从而大大降低信道特征向量对回程信道吞吐率的影响。
如上所述，每个信号的特征可以包括很多因素，例如，其包括相对于接收器内部的参考信号、绝对参考信号、相对参考信号、特征噪声或其他因素的相位和振幅。例如，在正交幅度调制所调制的信号中，所述特征可以是信号的几个多径映像的相位和振幅偏移向量。另一个例子是，在正交频分复用所调制的信号中，所述特征可以是OFDM频谱中几个或所有单个分量信号的相位和振幅偏移向量。所述训练信号可以由各客户装置的编码和调制子系统711生成，D/A转换器(未示出)将该训练信号转换成模拟信号，然后各客户装置的发送器709将其从基带信号转换成RF信号。在一个实施例中，为了确保训练信号的同步，客户装置仅仅在基站请求的时候传送训练信号(例如，在循环(round robin)的情况下)。此外，可以在从各客户装置发送来的实际数据信号中对训练信号进行交织，或者训练信号可以和所述实际数据信号一起传输。因此，即使客户装置706-708是移动的，上行信道特征逻辑单元741也可以连续地传输和分析该训练信号，从而确保信道特征矩阵741保持更新。
本发明的前述实施例所支持的总的信道带宽可以被定义为min(N，M)，这里，N是客户装置的数量，而M是基站天线的数量。也就是说，容量由基站侧或客户侧的天线数量所限定。如此，本发明的一个实施例使用同步技术来确保在给定时间内不超过min(N，M)个天线在发送/接收。
在典型的情况下，基站700的天线705的数量将少于客户装置706-708的数量。图8显示了一个示例性的情况，其允许5个客户装置804-808与具有三个天线802的基站进行通信。在这个实施例中，确定总的客户装置804-808的数量并且检测到必要的信道特征信息(例如，上面的描述)之后，基站800选择第一群与其进行通信的三个客户810(因为min(N，M)＝3，所以在此例中是三个客户)。在与第一群客户810通信了指定时间之后，基站就选择另一群与其通信的三个客户811。为了均匀分配通信信道，基站800选择没有包含在第一群中的两个客户装置807、808。此外，由于额外的天线是可用的，基站800就选择包含在第一群中的额外的客户装置806。在一个实施例中，基站800以这种方式在客户群众循环，从而能够有效地分配给每个客户在时间上相同数量的带宽。例如，为了均匀分配带宽，基站可以接着选择除客户装置806之外的三个客户装置的任何组合(即，由于客户装置806用于在开始的两个循环中与基站进行通信)。
在一个实施例中，除了标准的数据通信之外，基站可以使用前述技术来传送训练信号到各客户装置和从各客户装置接收训练信号和信号特征数据。
在一个实施例中，某些客户装置或客户装置群可以分配到不同水平的带宽，例如，可以把客户装置区分优先次序，从而可以确保相对较高优先级的客户装置必较低优先级的客户装户有更多的通信周期(即，更多的带宽)。基于一定数量的变量，可以对客户的“优先级”进行选择，所述变量包括，例如，用户的对无线带宽的预订费(例如，用于愿意为额外带宽付出更多)，和/或通信到/从客户装置的数据类型(例如，实时通信，譬如电话语音和视频，获得高于非实时通信的优先级，例如电子邮件)。
在基于各客户装置要求的当前负载，基站动态分配带宽的实施例中。例如，如果客户装置804直播视频流，而其它装置805-808在执行例如电子邮件的非实时功能，那么基站800可以给该客户804分配相对较多的带宽。然而，应该注意的是，本发明的根本原理不限于任何特定的带宽分配技术。
如图9所示，两个客户装置907、908可以非常接近，使得所述客户的信道特征在实际上是一样的。结果，基站将接收和存储两个客户装置907、908的实际上相等的信道特征向量，因此这将不能产生对于各客户唯一的、空间分布的信号。相应地，在一个实施例中，基站将确保相互距离非常接近的任何两个或更多客户装置被分配给不同的群。例如，在图9中，基站900首先和客户装置904、905以及908的第一群910通信，然后和客户装置905、906、907的第二群911通信，这确保了客户装置907和908在不同的群中。
可选择地，在一个实施例中，基站900同时和客户装置907以及908进行通信，但使用已知的信道复用技术来对通信信道进行复用。例如，基站可以使用时分复用(“TDM”)、频分复用(“FDM”)或码分多址(“CDMA”)技术来分开客户装置907和908之间单个的、空间相关的信号。
尽管上述各客户装置装备有单天线，但可以通过使用具有多个天线的客户装置来实现本发明的根本原理以提高吞吐率。例如，当用在上述的无线系统上时，具有2个天线的客户将实现2倍的吞吐率提升，具有3个天线的客户将实现3倍的吞吐率提升，等等(即，假设天线之间的空间和角度分离是足够的)。当通过具有多个天线的客户装置循环的时候，基站可以应用同样的一般规则。例如，其可以将每个天线看作分开的客户，并将带宽分配给那个“客户”，就如同它是任何其它客户一样(例如，确保每个客户提供有足够或相当的通信周期)。
如上所述，本发明的一个实施例使用上述的DIMO和/或MIMO信号传输技术在近乎垂直入射天波(“NVIS”)中提高信噪比和传输带宽。参考图10，在本发明的一个实施例中，装备有N个天线1002的矩阵的第一NVIS基站1001用于和M个客户装置1004进行通信。所述NVIS天线1002和多种用户装置的天线1004以和垂直方向约成15度以内的角度将信号上行传送以获得想要的NVIS并且将地面波干扰效应降到最低。在一个实施例中，天线1002和客户装置1004使用上述的多种DIMO和MIMO技术在NVIS频谱中的指定频率(例如在载波频率或低于23MHz的频率，但通常低于10MHz的频率上)支持多个独立的数据流1006，从而显著提高了在指定频率的带宽(即，以和统计独立的数据流的数量成正比)。
服务于给定基站的所述NVIS天线相互之间可以有很远的物理距离。假设低于10MHz的长波长和信号传播的长距离(300英里的往返距离)，几百码，甚至是几英里的天线物理间隔能够在分集上提供益处。在这样的条件下，单独的天线信号可以被收回到中心位置，用传统的有线或无线通信系统对其进行处理。可选择地，每个天线可以具有本地设备来处理其信号，然后使用传统的有线或无线通信系统来将该数据传输回中心位置。在本发明的一个实施例中，NVIS基站1001具有到因特网1010(或其它广域网)的宽带链路1015，从而提供给客户装置1003远程、高速、无线网络访问。
本发明的实施例可以包括上面所阐述的各种步骤。这些步骤可以体现在可执行机器指令中，该可执行机器指令使通常目的或特殊目的处理器执行某些特定步骤。例如，上述基站和客户装置中的多种部件可以在通常目的或特殊目的处理器上执行的软件中实现。为避免将本发明相关的方面模糊化，图中排除了多种已知的个人计算机部件，例如计算机存储器、硬盘、输入装置等等。
可选择地，在一个实施例中，这里显示的各种功能模块以及相关的步骤可以通过包含执行这些步骤的硬件逻辑单元的特定的硬件部件来实现，例如专用集成电路(“ASIC”)，或通过可编程的计算机部件和用户硬件部件的任何组合来实现。
在一个实施例中，某些部件，例如上述的调制、解调和信号处理逻辑单元903可以在可编程的数字信号处理芯片(DSP)(或DSP群)上实现，譬如使用德州仪器公司TMS320x结构的DSP(例如，TMS320C6000、TMS320C5000等)。本实施例中的DSP可以嵌入个人计算机的附加卡中，例如PCI卡。当然，可以使用多种不同的DSP结构，而仍然遵循本发明的根本原理。
本发明的元件也可以提供为存储机器可执行指令的机器可读媒质。所述机器可读介质可以包括，而不仅仅限于，闪存、光盘、CD-ROM、DVD ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、传播媒质或其它类型适合存储电子指令的机器可读介质。例如，本发明可以作为经由通信链路(例如调制解调器或网络连接)，以体现在载波或其它传播介质中的数据信号的方式从远程计算机(例如服务器)传送到请求计算机(例如客户机)的计算机程序而下载。
概括前面的描述，为了解释的目的，阐述了许多特定的细节以提供对本系统和方面全面的理解。然而，即使没有这些特定细节中的一些，对于本领域内的普通技术人员，很明显也可以实现本系统和方法。相应地，应该根据下面的权利要求书来判断本发明的范围和实质。

Claims (20)

1.一种用于在基站与多个客户装置之间进行通信的方法，该方法包括：
将训练信号从具有多个天线的基站的每个天线传送到多个客户装置中的每一个，每个客户装置分析每个训练信号来生成信道特征数据，其中对于具有M个天线的基站向N个客户装置传送的情况，所述信道特征数据包括N×M个组分，每个组分定义所述M个天线中的每个天线与所述N个客户装置中的每个客户装置之间的信道特征；
所述客户装置将所述信道特征数据传送回基站；
所述基站存储所述信道特征数据；
所述基站接收要被传送到每个客户装置的数据；
所述基站用所述信道特征数据对所述数据进行预编码，来生成基站的多个天线的预编码数据信号；和
将预编码数据信号通过基站的多个天线同时并且以特定频率传送到多个客户装置，其中作为预编码的结果，每个客户装置接收已经从被传送到其他客户装置的比特流分离开的比特流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述客户装置独立地处理和特征化来自基站的每个天线的训练信号。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
通过基站的每个天线周期地发送新训练信号到每个客户装置；和
在所述基站处，接收每个客户装置的新信道特征数据，各客户装置的所述信道特征数据由每个客户装置生成，所述客户装置独立地处理和特征化来自基站的每个天线的新训练信号；和
在所述基站处，存储每个客户装置的新信道特征数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在预编码数据信号中对新的训练信号进行交织。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
通过基站的每个天线从每个客户装置接收训练信号；
在所述基站处，特征化训练信号来生成所述信道特征数据，所述信道特征数据与每个客户装置和基站的每个天线相联系；和
在所述基站处，存储信道特征数据；
6.根据权利要求5所述的方法，在所述通过基站的每个天线从每个客户装置接收训练信号之前，该方法进一步包括：
从每个客户装置中请求训练信号。
7.根据权利要求5所述的方法，所述通过基站的每个天线从每个客户装置接收训练信号进一步包括：
不断从每个客户装置接收新的训练信号。
8.根据权利要求1所述的方法，其中传送各预编码数据信号包括：
到所述多个客户装置中的第一选择群的第一传输；和
到所述多个客户装置中的第二选择群的第二传输，定义第一和第二选择群，从而以想要的方式分配带宽。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述想要的方式是从由以下各项构成的群中选择出来的任意的组合，所述以下各项包括：均匀分配带宽、根据优先级分配带宽、基于客户装置要求的当前负载分配带宽、和分配带宽以避免临近的多个客户装置互相接近。
10.根据权利要求1所述的方法，其中基站使用多路复用技术和两个客户装置同时通信。
11.根据权利要求1所述的方法，其中客户装置具有多个天线，将每个天线看作单独的客户装置。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
所述基站将所述要被传送到每个客户装置的数据路由为分开的比特流到基站的各天线，每个分开的比特流供各客户装置使用；
所述基站将信道特征数据存储为信道特征矩阵；和
所述基站将信道特征矩阵的逆矩阵和每个分开的比特流相乘，产生预编码信号。
13.一种用于在基站与多个客户装置之间进行通信的方法，该方法包括：
在多个客户装置中的各客户装置处接收多个预编码数据信号，每个预编码数据信号为从基站的多个天线的各天线传送到多个客户装置中的每一个客户装置的独立比特流，每个预编码数据信号基于将被传送到各客户装置的数据和与每个客户装置以及基站的各天线相联系的信道特征数据，其中对于具有M个天线的基站向N个客户装置传送的情况，所述信道特征数据包括N×M个组分，每个组分定义所述M个天线中的每个天线与所述N个客户装置中的每个客户装置之间的信道特征，
其中所述多个客户装置通过每个单独的客户装置上的天线来同时并且以特定频率接收预编码数据信号，其中作为预编码的结果，每个单独的客户装置接收已经从被传送到其他客户装置的比特流分离开的比特流。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
从基站的多个天线中的每个天线接收训练信号；
处理所述训练信号；
特征化所述训练信号以生成客户装置的信道特征数据；
存储客户装置的信道特征数据；
将客户装置的信道特征数据传送到基站的每个天线，所述基站使用所述装置的信道特征数据生成各个预编码数据信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，客户装置具有第二天线，所述第二天线被看作接收各预编码信号和训练信号的单独客户装置。
16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
所述多个客户装置传送训练信号到基站，所述基站处理并特征化该训练信号以生成信道特征数据。
17.一种用于在基站与多个客户装置之间进行通信的系统，该系统包括：
多个客户装置，每个客户装置具有一天线；
基站；和
基站的多个天线，其中，基站的每个天线同时并且以特定频率传送各预编码数据信号到每个客户装置，所述各预编码数据信号通过使用与各客户装置以及基站的各天线相联系的信道特征数据对输入数据进行预编码而生成，其中对于具有M个天线的基站向N个客户装置传送的情况，所述信道特征数据包括N×M个组分，每个组分定义所述M个天线中的每个天线与所述N个客户装置中的每个客户装置之间的信道特征，其中作为预编码的结果，每个客户装置接收已经从被传送到其他客户装置的比特流分离开的比特流。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，信道特征数据由独立处理和特征化被基站天线传送到每个客户装置的训练信号的每个客户装置生成。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，信道特征数据由处理和特征化从每个客户装置传送到基站每个天线的训练信号的基站所生成。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，使用同步技术来确保在给定时间内少于一定次数的传输和接收，从而避免超过总的信道带宽。
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