CN101120519A - 用来在mimo系统中发射训练帧的方法和mimo系统 - Google Patents

Abstract

一种在MIMO系统中发射训练帧的方法。从站B到站A经MIMO系统的通道发射长序列训练帧，其中站A包括N_A根天线和N_{A_SS}个RF信道，并且站B包括N_B根天线和N_{B_SS}个RF信道，并且在所述长序列训练帧中帧的数量至少等于N_B·N_A/N_{A_SS}。响应于接收到所述长序列训练帧，从站A到站B经所述通道发射短序列训练帧。在所述短训练序列中帧的数量至少等于N_{A_SS}·N_B/N_{B_SS}。

Description

用来在MIMO系统中发射训练帧的方法和MIMO系统

技术领域

本发明一般涉及多输入多输出(MIMO)通信系统，并且更具体地说，涉及产生用于MIMO系统的训练帧。

背景技术

熟知的是，在无线通信系统中使用多输入多输出(MIMO)技术显著增加在多路径情况下的容量。然而，多个天线增加复杂性和成本，因为每根发射天线和每根接收天线需要分离的射频(RF)信道，该射频信道包括调制器和/或解调器、AD/DA转换器、上/下转换器、及功率放大器。

天线和/或波束选择可减小RF信道的数量，而仍然具有多个天线和/或波束所提供的容量和多样性增加。借助于天线选择，每个输入/输出RF信道与一根选择天线相联。天线选择取决于小规模衰减，其随频率变化。因此，当两个频率由多于一个相干带宽分离时，对于一个频率选择的天线通常对于其它频率是不适当的。

波束选择取决于到达的路径角，该路径角对于感兴趣的整个频带近似相同。波束选择把每个输入/输出RF信道与一个选择波束相联，这可通过包括在所有天线处的接收/发射信号的信号向量的线性变换而形成。

在天线和/或波束选择中，典型地，通道子矩阵根据某种标准，从完整通道矩阵、或用于波束选择的变换通道矩阵中选择。为了实施天线和波束选择，通道矩阵通过发送训练帧而被估计，该训练帧使两个站能够完全地估计通道的特性。

在两个站都具有选择能力的情况下，通过通道的互换性，估计通道应该在两个方向上相同，并且两个站都可独立地选择同一个子矩阵，而没有选择结果的显式交换。然后，所选择的子矩阵可用于发射数据帧的相干探测。

然而，因为由估计误差引起的通道模糊性或由在不同方向上在训练帧之间的时间差引起的通道变化，当一个站操作在发射模式或接收模式时所观察的通道是不同的，并且所述独立天线选择可使两个站选择不同的子矩阵。如果不同的子矩阵由两个站使用，那么系统的性能可能严重地降低。

为了解决这个问题，显式信令可用来交换关于在所述站的物理(PHY)层或媒体接入层(MAC)层中的选择的信息。然而，由于实际的限制，在物理(PHY)层中的额外信令信息或在MAC层中的信令延迟是不希望的。

发明内容

本发明提供一种在MIMO系统中发射训练帧的方法和系统。

长序列的训练帧经MIMO系统的通道从站B发射到站A，在该MIMO系统中，站A包括N_A根天线和N_{A_SS}个RF信道，并且站B包括N_B根天线和N_{B_SS}个RF信道。

在长序列训练帧中帧的数量至少等于N_B·N_A/N_{A_SS}，其中是下界运算，即大于或等于(N_B·N_A/N_{A_SS})的最小整数。

响应于接收到所述长序列训练帧，短序列训练帧经所述通道从站A发射到站B。在短训练序列中帧的数量至少等于N_{A_SS}·N_B/N_{B_SS}。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的MIMO系统的方块图；

图2是由第一站B产生的长序列训练帧的方块图；及

图3是由第二站B产生的部分训练帧序列的方块图。

具体实施方式

如图1中所示，MIMO系统100包括由无线通道130连接的站B110和站A120。站A包括N_A根天线、和N_{A_SS}个RF信道，并且站B包括N_B根天线、和N_{B_SS}个RF信道，如在现有技术中已知的那样。典型地，N_A＞N_{A_SS}，并且N_B＞N_{B_SS}，例如N_A＝N_B＝4，并且N_{A_SS}＝N_{B_SS}＝2，如在图中表示的那样。也提供切换装置以把RF信道连接到适当天线上，如在现有技术中已知的那样。这个切换过程通常称作天线或波束选择。参数N_A＝N_B和N_{A_SS}＝N_{B_SS}可在媒体接入层(MAC)中或在物理(PHY)层中的首部中通信，或者所述参数被预先确定。

以发射模式操作的站B产生111长训练帧(TF)序列200，见图2。在长序列中帧的数量至少等于N_B·N_A/N_{A_SS}，其中指示下界，即大于或等于(N_B·N_A/N_{A_SS})的最小整数。典型地，长序列训练帧响应于从站A接收“对于完全训练的请求”而在站B中产生。

因此，如这里定义的那样，长序列训练帧如图2中所示，包括用于发射天线201-204的每一根和接收天线301-304的每一根的至少一个训练帧。

长序列训练帧200经通道130发射到以接收模式操作的站A。站A由所述长序列训练帧估计所述通道130的完整特性。所述完整通道特性可用来选择在站A中可用的天线或波束的子集。所述子集具有比所述可用天线或波束的总数少的元件。例如，选择天线301-302。典型地，子集的大小是N_{B_SS}。

根据所述完整通道特性，以发射模式操作的站A产生122短序列训练帧300，见图3。如这里定义的那样，在短序列中帧的数量至少等于N_{A_SS}·N_B/N_{B_SS}。

短序列训练帧300经过所述通道130经过所选择的天线发射到以接收模式操作的站B。站B由短序列训练帧估计112通道的部分特性。所述部分通道特性可用来在站B中选择天线或波束的子集。所述子集具有比所述可适用天线的数量少的元件，例如天线201-202，见图3。

所述估计通道特性和所选择天线或波束可用来随后经通道130把数据帧(DT)从以发射模式操作的站A发射120到以接收模式操作的站B110，并且反之亦然。

用于MIMO系统的模型

在站A120处具有N_A根天线和在站B110处具有N_B根天线的平缓衰减MIMO系统中，在发射和接收信号之间的关系可表达为：

r_B＝F^H _B(H_A→BF_As_A+n)

其中，r_B是N_{B_SS}×1接收信号向量，s_A是N_{A_SS}×1发射信号向量，及矩阵H_A→B是代表通道特性的N_B×N_A。N_B×1噪声向量n具有多个项，该项是具有方差NO的独立和相同分布(i.i.d.)的零均值对称复高斯随机变量。

矩阵F_A是N_A×N_{A_SS}发射选择矩阵，并且矩阵F_B是N_B×N_{B_SS}接收选择矩阵。选择矩阵是用于天线选择的单位矩阵(identity matrix)的子矩阵。在波束-选择的情况下，矩阵包括酉矩阵(unitary matrix)的列。

在天线或波束选择之后的等效通道矩阵是N_{B_SS}×N_{A_SS}矩阵F_eq＝F^H _BH_A→BF_A，后者是通道矩阵H_A→B的子矩阵、或用于波束选择的变换通道矩阵的子矩阵。F_A和F_B的确定典型地要优化通道容量或信噪比(SNR)。

天线选择

对于天线选择，所述选择简单地通过把来自RF调制器信道的输出信号切换到所选择的发射天线、或把来自所选择的接收天线的输入信号切换到RF解调器信道而进行。

波束选择

对于波束选择，变换使用如下元件的一些或全部：Butler矩阵、移相器、衰减器/放大器、及线性组合器和开关、及跟随切换电路，可在RF域中实施。可选择地，变换和选择可联合地进行，同样采用移相器、衰减器/放大器、及线性组合器。在两种情况下，调制/解调发射/接收信号的RF信道的要求数量小于发射和接收天线的可用总数，并且可降低系统的复杂性和成本。

训练帧

站A120估计从站A到站B、代表完整通道特性的完整通道矩阵H_A→B，以确定选择矩阵F_A。这通过把长序列训练帧111从站B发射到站A而实现。根据通道130的互换性，从站B到站A的、在站A120处的估计通道矩阵H_B→A是矩阵H_A→B的转置，即H_B→A＝H^T _A→B。

类似过程可由站A110使用短序列训练帧进行。注意，选择矩阵FA和FB的确定在两个站处基于他们的估计通道矩阵独立地进行。选择天线或波束因为通道估计误差或在不同方向上的通道变化，在两个站处可能不同。这种矛盾有时可引起严重的性能降低。

对于典型的MIMO系统，让站A和B都根据“四中选二”天线选择策略操作。在站A120处的估计通道是

${\hat{H}}_{A\→B}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0.9& 0\\ 0& 0& 0& 0.9\end{array}\right],$

并且在站A120处的选择发射/接收天线分别是{1，2}和{1，2}，从而希望的等效通道是

$H_{\mathrm{eq}}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right].$

在站B处，由于某种通道模糊性估计通道是

${\hat{H}}_{A\→B}^{\′}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1.1& 0\\ 0& 0& 0& 1.1\end{array}\right],$

因而，在站B处的选择发射/接收天线分别是{3，4}和{3，4}，从而希望的等效通道是

${H^{\′}}_{\mathrm{eq}}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right].$

没有关于在两个站处选择天线的信息的某种交换，站A使用发射天线{1，2}，而站B使用接收天线{3，4}，并且生成通道矩阵是

${H^{\′\′}}_{\mathrm{eq}}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\end{array}\right].$

在现有技术中，这个问题通过在PHY层或MAC层中提供某种信息交换机制而解决，从而两个站都使用相同的选择天线集。

然而，对于PHY层，在用于这个目的的每个帧的首部中的字段的添加是不希望的，因为这个字段在选择过程期间仅用在训练帧中。当以后发射数据帧时，不需要该字段。在MAC层中，由额外信息交换引起的延迟也是一种担心。给定以上推理，我们依次确定在两个站中的天线/波束选择：首先在将接收数据帧的站中，并且然后在发射数据帧的接收器中。

长序列训练帧200为了完整通道估计从站B110发射到站A120。在站A处的天线/波束基于使用长序列训练帧的估计完整通道矩阵

被选择。

短序列训练帧300从站A发射到站B，以便估计与在站A处的所选择天线/波束的数量相对应的部分通道矩阵。在站B处待使用的天线/波束基于所述估计的部分通道矩阵而确定。

注意，任何数据帧的依次发射独立于所述选择的通道矩阵。直接解决方案是对所有站使用固定通道子矩阵。例如，通过把完整通道训练帧从站B发射到站A，所述估计的完整通道矩阵是

${\hat{H}}_{A\→B}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0.9& 0\\ 0& 0& 0& 0.9\end{array}\right],$

并且在站A处确定的选择发射/接收天线分别是{1，2}和{1，2}。

通过在站A处使用所选择的发射天线1和2发送所述短序列训练帧，所述估计的部分通道矩阵是

${\hat{H}}_{A\→B}^{\′}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right],$

并且在站B处的所选择天线是1和2。所述等效通道矩阵成为

${H^{\′\′}}_{\mathrm{eq}}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right].$

训练帧的结构

由于对用于数据调制和解调的可用RF信道的数量的限制，训练帧以交替方式组织，其中仅天线的一个子集同时用于信号发射和接收。

图2表示用于MIMO系统的长序列训练帧300的例子，其中站A和站B都根据“四选二”天线选择策略操作。长序列训练帧包括由站B110的发射天线201-204的每一根发射的、并且由站A的每根对应天线接收的训练帧。

在图2中，TF代表用于在2×2MIMO系统中的通道估计的每个训练帧。因而，对于从站B发送到站A的长序列的训练帧的每一个，在时间间隔T₁、T₂、T₃、及T₄的每一个期间，估计通道的2×2子矩阵，并且H_A→B的前两行(与站B处的天线1和2相对应)在T₁和T₂期间被估计。从T₁到T₂，站A(现在是训练帧的接收器)处可用的两个RF信道的输入从天线{1，2}切换到{3，4}。从T₂到T₃，站B(现在是训练帧的发射器)处可用的两个RF信道的输出从天线{1，2}切换到{3，4}。天线1和2在站A处被选择。

如图3中所示，对于从站A到站B发送的短序列训练帧，只有H_A→B的前两列(与在站A处的天线1和2(301-302)相对应)被估计。基于这个部分通道矩阵，确定在站B处的天线/波束选择。注意，数据帧的发射也使用所选择的天线/波束。

由于对安置到稳定输出的开关需要的过渡时间，某种额外保护间隔插入在连续训练帧之间。当过渡时段加上通道的最大延迟散布小于保护间隔时，这种额外保护间隔可计入在OFDM系统中的保护间隔中。

对于当只有一个站具有天线/波束选择能力的情形，训练方案简化到只包括在站B处的天线/波束选择的一步过程。

其它实施例

以上描述的方法也可应用于其中系统是频选特性的情形，如根据IEEE 802.11n标准设计的OFDM系统，因为天线选择和RF-频带处理可独立于频率实施。RF-基带处理具有性能增益独立于频选特性的优点，而通过天线选择的增益往往由频选特性而平均。

在OFDM系统中，频率-交错训练帧也是可能的，从而训练帧的不同音调从几根发射天线同时发射。

尽管通过举例优选实施例已经描述了本发明，但要理解，在本发明的精神和范围内可以进行各种其它修正和修改。因此，附属权利要求书的目的是覆盖进入本发明的真实精神和范围内的所有这样的变更和修改。

Claims (16)

1.一种在MIMO系统中发射训练帧的方法，包括：

从站B到站A经MIMO系统的通道发射长序列训练帧，其中站A包括N_A根天线和N_{A_SS}个RF信道，并且站B包括N_B根天线和N_{B_SS}个RF信道，在所述长序列训练帧中帧的数量至少等于

N_B·N_A/N_{A_SS}

；以及

响应于接收到所述长序列训练帧，从站A到站B经所述通道发射短序列训练帧，在所述短训练序列中帧的数量至少等于

N_{A_SS}·N_B/N_{B_SS}

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在站A中，由所述长序列训练帧估计所述通道的完整特性；和

在站B中，估计所述通道的部分特性。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

在站A中，根据所述完整通道特性选择RF信道的数量，以发射所述短序列训练帧。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括：

在站A中，根据所述完整通道特性选择可用发射波束的子集，以发射所述短序列训练帧。

5.根据权利要求2所述的方法，还包括：

在站B中，根据所述通道的所述部分特性选择一组可用RF信道集，以从站A接收数据帧。

6.根据权利要求2所述的方法，还包括：

在站B中，根据所述通道的所述部分特性选择可用接收波束的子集，以从站A接收数据帧。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述MIMO系统是频率选择性的。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述MIMO系统使用正交频分多路传输。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在站A与站B之间使用所述MIMO系统的媒体接入层传输在站A中的所述天线数量和在站B中的所述RF信道的数量。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在站A与站B之间在所述MIMO系统的物理层的首部中传输在站A中的所述天线数量和在站B中的所述RF信道的数量。

11.根据权利要求1所述的方法，其中预先确定站A中的所述天线数量以及所述RF信道的数量。

12.根据权利要求1所述的方法，其中在站B中响应于从站A接收关于完全训练的请求，发射所述长序列训练帧。

13.一种MIMO系统，包括：

站B，配置成经MIMO系统的通道发射长序列训练帧；和

站A，配置成响应于接收到所述长序列训练帧，经所述通道发射短序列训练帧，其中站A包括N_A根天线和N_{A_SS}个RF信道，以及站B包括N_B根天线和N_{B_SS}个RF信道，在所述长序列训练帧中帧的数量至少等于

N_B·N_A/N_{A_SS}

，以及在所述短训练序列中帧的数量至少等于

N_{A_SS}·N_B/N_{B_SS}

14.根据权利要求13所述的MIMO系统，还包括：

在站B中，根据所述长序列训练帧把一组RF信道集切换到所选择的天线；和

在站A中，根据所述短序列训练帧把一组RF信道集切换到所选择的天线。

15.根据权利要求13所述的MIMO系统，其中根据完整通道特性选择在站B中的天线，以及根据部分通道特性选择在站A中的天线。

16.一种在MIMO系统中发射训练帧的方法，包括：

从站B到站A经MIMO系统的通道发射长序列训练帧，其中站A包括N_A根天线和N_{A_SS}个RF信道，以及站B包括N_B根天线和N_{B_SS}个RF信道，在所述长序列训练帧中帧的数量足以为所有天线估计所述通道；和

响应于接收到所述长序列训练帧，从站A到站B经所述通道发射短序列训练帧，在所述短训练序列中帧的数量足以为站A中所选择的天线估计所述通道。

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