CN101273545A - 在mimo无线lan中选择天线和波束的方法 - Google Patents

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Abstract

一种计算机实现的方法在包括多个站的多输入多输出无线局域网中选择天线，每一个站都包括天线集合。在一站中接收多个连续发射的探测分组。每一个探测分组都与所述天线集合中的不同子集相对应。根据该多个连续发射的探测分组来估计信道矩阵。发送包含高吞吐量(HT)控制字段的帧，以启动天线选择，并且根据所述信道矩阵来选择天线子集。

Description

在MIMO无线LAN中选择天线和波束的方法
技术领域
本发明总体上涉及多输入多输出无线局域网，更具体地说，涉及在这样的网络中选择天线和波束。
背景技术
多输入多输出(MIMO)技术可以在无线网络的分散环境中显著地增加系统容量。然而，因为在典型系统中，每一个发送/接收天线都需要包括调制器/解调器、AD/DA转换器、上/下转换器以及功率放大器在内的独立RF链(chain)，所以使用更多的天线增加了硬件复杂性和成本。另外，在基带的处理复杂度也随着天线的数量而增加。
天线/波束选择能够减少RF链的数量，而仍旧能够利用由多天线所提供的容量/分集增加的优点。在无线局域网(WLAN)中，站通常以高信噪比(SNR)进行操作，其中，分集在保护系统使之免于深度衰减信道的影响方面起到关键作用。此外，已知的是，WLAN信道的状态变化较慢。因此，在WLAN中执行天线/波束选择是有利的。
天线/波束选择的想法是，根据一些预定标准，从完整信道矩阵或经变换的信道矩阵中选择子矩阵，以进行波束选择。为了执行天线/波束选择，通过发送使得天线选择站能够测量完整信道状态信息(CSI)的训练(探测(sounding))帧来估计该完整信道矩阵。传统地，通过对所有要选择的天线发送训练帧，在物理(PHY)或介质访问(MAC)层使用显式信令(explicit signaling)。然而，由于实际的限制，不希望有额外开销。另一方面，较慢变化的WLAN信道环境能够支持(advocate)在MAC和PHY层中需要很少变化或不需要变化的、更有效的天线/波束选择训练方案。
MAC层中的IEEE 802.11n WLAN链路自适应控制(LAC)机制的结构
如图1和图12所示，也被称为WiFi的WLAN IEEE 802.11n标准(在此通过引用将其并入)建议规定在MAC层定义的快速链路自适应控制(LAC)机制来支持MIMO训练请求和链路自适应信息的交换。通常，可以通过被定义为LAC的单个控制帧，或者通过可以是高吞吐量(HT)控制帧的单个控制帧，或者通过可以并入到任何MAC层帧中的HT控制字段，来实现LAC功能。如图1所示，LAC帧包含以下字段：MAC报头110、用于指示在当前控制帧中所承载的逻辑元素的LAC掩码120、用于指示发射参数的调制编码方案(MCS)反馈字段130、以及用于错误检测的帧校验序列(FCS)140。包括帧控制111、持续时间112、接收地址(RA)113及发射地址(TA)114的该MAC报头110应用于任何MAC层分组。在IEEE 802.11-04/0889r7，“TGn Sync Proposal TechnicalSpecification”中对LAC帧进行了详细描述，在此通过引用将其并入。
该LAC帧支持MIMO训练请求的控制和链路自适应信息的交换。可以通过发起者站(发射机)或接收者站(接收机)来发送该LAC帧。
图2更详细地示出了LAC掩码字段120。在不考虑天线/波束选择的情况下，LAC掩码字段120包括以下字段：RTS(请求发送)121、CTS(清除发送)122、TRQ(MIMO训练请求)123、MRQ(MCS反馈请求)124、以及MFB(MCS反馈)125。保留三个位126。在MCS反馈的情况下，即，MFB＝1，在图1中的“MCS反馈”字段130中表示该MCS设置。
HT控制字段包括：控制快速链路自适应训练过程的LAC字段；以及可以专用于其它HT控制特征的两个其它未用字段。在不考虑天线/波束选择的情况下，HT控制字段的LAC字段包括：MRQ、MRS(MRQ序列号)、MFS(MFB序列号)、以及在上述LAC帧中用作MCS反馈字段的7位MFB。注意，相同的HT控制字段也可以通过加入MAC报头来形成单个HT控制帧，参见图1，项110。在IEEE 802.11-20051020“LinkAdaptation Draft Text Alternative 2r2”中对该HT控制字段进行了详细描述，在此通过引用将其并入。
用于IEEE 802.11n WLAN的闭环MIMO训练方法
IEEE 802.11n标准要求在介质访问控制(MAC)层服务接入点(SAP)处有每秒100兆比特(Mbps)的吞吐量。根据在WLAN环境下的信道特性，针对所增加的吞吐量，包括发射波束成形(TXBF)、MCS自适应以及天线/波束选择的闭环方案是优选的。
每个PHY层分组都由两个部分组成：前导码和数据。该PHY分组前导码包括用于在接收机处的信道估计的训练信息。通常，在传统的PHY层分组中，在训练字段中所指示的天线或空间流(spatial stream)的数量可以小于由MIMO信道所提供的最大数量。探测分组是特定的PHY层分组，其包含用于MIMO信道中的所有可用数据流的训练信息，而不管有多少数据流被用于发送数据部分。如果在该系统中没有应用探测分组的概念，则PHY层训练分组的另选种类是实施了使用MIMO信道中的所有可用数据流的MCS设置的PHY层训练分组，从而不仅使得前导码包含MIMO信道的全部训练信息，而且还能够使用所有可用数据流来发送数据部分。
MCS训练过程
虽然图3示出了基于LAC帧的MCS自适应的传统MIMO训练过程，但是应该理解，也可以使用HT控制字段。发起者(发射)站STAA 301向接收者(接收)站STAB 302发送MRQ＝1的LAC帧310，或者MRQ＝1且MRS等于对应序列号的包含HT控制字段的帧。发起者还请求它的PHY层通过信号发送(signal)探测分组。响应于接收到MRQ和探测分组，接收者302估计MIMO信道并为当前信道确定合适的MCS设置。然后，该接收者向发起者应答LAC帧302，其中MFB被设置为1且MCS反馈字段130包含所选择的MCS设置，或者应答包含HT控制字段的帧，其中MFS等于它当前响应的接收帧中的MRS且MFB包括所选择的MCS设置。
接收者302还可以在无论何时它具有完整MIMO信道信息(knowledge)的情况下，通过确定MCS并直接发送具有MCS反馈而不具有任何匹配MRQ元素的MFB，来启动MCS训练过程。
TXBF训练过程
图4示出了基于LAC帧的传统的发射波束成形(TXBF)训练过程。再次，应该理解，如果在上述保留字段中定义了对应的TXBF训练功能，则可以使用HT控制字段。该发起者301向接收者302发送出TRQ被设置为1的LAC帧410。响应于接收到该TRQ，接收者向发起者发送回探测分组420。当接收到探测分组时，该发起者估计MIMO信道并且更新它的波束成形控制(steering)矩阵。到目前为止，没有定义接收者启动的TXBF训练。
对于天线选择，一些现有技术的训练方法使用包含了用于所有要被选择的天线的训练信息的单个PHY层训练帧(例如，探测分组)，并且不同的天线子集随后连接到用于该单个训练帧的RF链。这引入了现有训练帧设计方面的开销。
在另一种训练方法中，从接收站向发射站发送长序列的训练帧，并且作为响应，发射站发送短序列的训练帧，以便发射站和接收站都能执行信道估计和天线选择，参见由Andreas Molisch、Jianxuan Du以及DaqingGu于2005年5月11日提交的美国专利申请No.11/127,006“TrainingFrames for MIMO Stations”，在此通过引用将其并入。
发明内容
本发明提供了一种在MIMO无线局域网(WLAN)中选择天线/波束的训练方法。该方法在MAC层进行操作。与现有技术的天线/波束选择训练方法相比，根据本发明的方法不需要修改PHY层。
该训练方法快速发送被称为探测分组的多个训练帧。每个探测分组都符合传统的PHY层设计，并且用于所有可用天线的不同子集，以便可以由探测分组的接收者来估计整个信道的特征。探测分组的接收者可以选择发射或接收天线。整个训练方法在MAC层进行操作。
该探测分组除了为选择天线/波束而训练MIMO信道之外，还可以包括数据，这使得该方法极其高效，因为并行地执行训练和数据传送。由于该方法在MAC层进行操作，所以与在MAC和PHY层进行操作的传统方法相比，该方法具有较少的开销。
探测和分组可以是顺序的或交替的。
作为附加的优点，该方法可以被扩展用于普通闭环MIMO系统，例如由接收者启动的发射波束成形训练过程。另外，该天线/波束选择训练方法可以与发射波束成形相结合，来实现附加的性能改善。
附图说明
图1是现有技术的LAC帧的框图；
图2是现有技术的LAC掩码字段的框图；
图3是现有技术的MCS训练过程的流程图；
图4是现有技术的TXBF训练过程的流程图；
图5A是根据本发明实施方式的MIMO系统的框图；
图5B是根据本发明的选择天线的方法的流程图；
图5C是根据本发明的实施方式的LAC帧的框图；
图6是根据本发明的实施方式的LAC帧的ASBFC字段的框图；
图7是根据本发明的实施方式的发射天线/波束选择的训练的流程图；
图8是根据本发明的实施方式的接收天线/波束选择的训练的流程图；
图9是根据本发明的实施方式的接收机启动的波束成形训练的流程图；
图10是根据本发明的实施方式的组合接收天线/波束选择和TXBF训练的流程图；
图11是根据本发明的实施方式的组合发射天线/波束选择和TXBF训练的流程图；
图12是根据本发明的实施方式的具有LAC字段的HT控制字段的框图；
图13是根据本发明的另一实施方式的天线/波束选择训练的流程图；以及
图14是根据本发明的实施方式的天线/波束选择训练的另一流程图。
具体实施方式
图5A示出了根据本发明的实施方式的多输入多输出(MIMO)无线局域网(WLAN)100。该网络包括第一站(STAA)510以及第二站(STAB)520。每个站都可以工作在接收或发射模式。通常，发射数据的站被称为发射站，以及接收数据的站被称为接收站。
所定义的“集合”包括一个或更多个元素；“子集”中的元素的数量等于或小于对应集合中的元素的数量。
每个站包括接收(Rx)RF链501的集合和发射(Tx)RF链502的集合，它们通过开关530连接至天线503的集合。通常，天线的数量大于RF链的数量。因此，如在此所述的，在训练阶段期间，通过根据本发明的实施方式的方法540从全部可用天线的集合中选择天线子集。可以通过发射机或接收机来启动该选择方法，并且可以在发射机或在接收机处进行该选择。
如图5B所示，通过在站中接收562多个连续发射的探测分组561来选择540天线。这里定义的连续发射或接收预定数量的分组是指一个接一个地发送分组，而在任何方向上都没有任何其它的插入分组，并且，在发送探测分组之前两个站都已知道分组的数量。优选地，以相对短的延迟发射这些探测分组。为了进一步减少探测所需要的时间，可以使探测分组的大小最小化。例如，可以将探测分组限制为前导码和报头，并且排除任何数据。
根据探测分组来估计563信道矩阵564，并且根据该信道矩阵来选择565天线子集566。
该方法还可以被用于由接收者站(例如STA B 520)启动的闭环MIMO训练。该训练过程完全在介质访问(MAC)层进行操作，并且对于物理(PHY)层是透明的，以使开销最小化。
用于带有天线/波束选择的MIMO系统的系统模型
在MIMO WLAN 100中，发射机或发起者站A具有NA天线的集合，并且接收机或接收者站B具有NB天线的集合。平衰落(flat-fading)信道550中的发射信号和接收信号之间的关系可以表示为：
r B = F B H ( H A → B F A s A + n ) ,
其中rB是NB_SS×1接收信号向量，sA是NA_SS×1发射信号向量，以及HA→B是NB×NA信道矩阵。噪声向量n具有NB×1项，这些项是独立的并且相同分布的(i.i.d.)零均值圆复数高斯随机变量(zero-mean circularcomplex Gaussian random variable)，并且方差为N0。FA是NA×NA_SS发射天线/波束选择矩阵，而FB是NB×NB_SS接收天线/波束选择矩阵。这些用于选择的矩阵是用于纯天线选择的单位矩阵(identity matrix)的子矩阵。在波束成形的情况下，这些矩阵包括酉矩阵(unitary matrix)的正交变换列。天线/波束选择之后的等价信道矩阵是NB_SS×NA_SS矩阵 H eq = F B H H A → B F A , 这是信道矩阵HA→B的子矩阵，或者是用于波束选择的变换信道矩阵的子矩阵。上标“H”是指共轭转置，这里将其用于接收机进行的选择。
通常，执行FA/FB的确定，来优化信道550的容量和信噪比(SNR)。这里，只考虑一侧的天线/波束选择，即，FA和FB中的至少一个等于单位矩阵，并且RF链的对应数量等于天线的数量。
通过将发射RF链502的输出信号切换到所选择的发射天线，或者通过将所选择的接收天线的输入信号切换到接收RF链501，来执行天线选择。对于波束选择，如果在该选择矩阵中的所有元素的大小都是0或者1，则可以使用相移器、开关以及线性组合器在RF域中实现该选择540，Sudarshan，P.，Mehta，N.B.，Molisch，A.F.，Zhang，J.，“Spatial Multiplexingand Channel Statistics-Based RF Pre-Processing for Antenna Selection，”Globecom，November 2004，在此通过引用将其并入。
在这两种情况下，对发射/接收信号进行调制/解调所需的RF链的数量少于可用发射/接收天线的总数。因此，降低了系统的成本。在初始关联阶段期间，这些站交换与RF链的数量、天线振子的数量以及天线/波束选择的类型相关的信息。具体地说，在该时间期间发射反馈分组中所包含的信息的类型(例如，它是否是要使用的天线的索引，和/或完整(即时)信道状态信息(CSI)，和/或平均信道状态信息)，或者，另选地，作为反馈分组的一部分。
用于MIMO天线/波束选择的基于MAC的训练方案
LAC帧
图5C示出了根据本发明实施方式的链路自适应控制(LAC)帧的结构。LAC掩码字段120中的保留位126中的一位，例如，位127，用作天线/波束选择指示器(ASI)。如果ASI字段127被设置为1，则字段130被用于天线/波束选择/发射器波束成形控制，(ASBFC)600，如下所述，否则，字段130的使用是传统的。即，字段130仅在MFB＝1时用作MCS反馈。因此，为了将字段130用于ASBFC 600，ASI和MFB不能都设置为1。另选地，可以在LAC帧中包括新的1字节ASBFC字段，这消除了对同时的ASI和MFB的限制。
图6示出了字段600的结构，其包括命令字段610和数据字段620。当用于ASBFC时，命令字段610根据表A定义。
表A
  B0～B3   命令
  0   通过TX启动进行的TX天线/波束选择(TXASI)
  1   通过RX的RX启动进行的TX天线/波束选择(TXASI_RX)
  2   天线/波束选择反馈(ASFB)
  3   RX天线/波束选择启动(RXASI)
  4   通过RX进行的TX波束成形启动(TXBFI_RX)
  5～15   保留
下面更详细地描述这5个命令。数据字段620承载用于训练信息的数据，例如，用于天线/波束选择训练的探测分组的数量。
因此，如这里描述的，仅需要对LAC帧的LAC掩码字段进行很小的修改，以执行天线/波束选择和训练，并且只要不需要MFB，就可以重新使用字段130。
HT控制字段
如图12所示，根据本发明的实施方式，HT控制字段1200包含LAC字段1201(其控制该快速链路自适应训练过程)以及两个其它未用的字段1202-1203(其可以专用于其它HT控制特征)。还更详细地示出了该LAC字段1201。在不考虑天线/波束选择的情况下，LAC字段包括：MRQ1220、MRS 1230(即，MRQ序列号)、MFS 1240(即，MFB序列号)、以及用作上述LAC帧中的MCS反馈字段的7位MFB 1250。注意，HT控制字段可以是单个HT控制帧，即，通过增加MAC报头。
现有技术的HT控制字段没有定义MRS中的位组合“111”。我们使用位组合111来保留MFB字段，即MRS中的“111”用作LAC帧中ASI。
另选地，我们通过在LAC字段中或者在HT控制字段中的多个保留部分的一个中，将一个保留位用作ASI，来将MFB字段用作ASBFC。当用于ASBFC时，MFB/ASBFC的结构与在图6中的结构是相似的，除了减小了数据字段的长度(从4位到3位)以外。另一个另选方式是将命令字段减少到3位，以使数据字段保持4位。在这种情况下，表A中5～7的值用作保留命令。一种另选解决方案是将新的ASBFC字段1260加入到HT控制字段，或者将未用字节中的一个用作ASBFC字段。
发射天线/波束选择训练方法
可以通过发射机510或通过接收机520来启动发射天线/波束选择。因为接收机在通信过程中持续监测信道，所以通常更有效的是，只要接收机测量到信道质量的不可接受的变化，则接收机请求发射机开始训练过程并更新天线子集或波束控制。
该训练过程快速发射多个连续的探测分组给接收机，每个分组针对所有可用天线的不同天线子集。因此，该接收机可以“得知”或估计完整的复信道矩阵，并且根据该信道矩阵来选择天线子集或波束控制。由于WLAN信道550的慢变化特性，所以可以假定当发射探测分组时整个信道矩阵基本上不变。
分组间时间间隔在所估计的整个信道矩阵上引入了一些失真。因此，连续的探测分组之间的间隔应该相对较短，并且基于该要求来设计目前的训练方案。
该接收机执行天线/波束选择，并反馈所选择的天线子集或波束控制矩阵。如这里描述的，这不同于与发射天线/波束选择一起实现具有显式反馈的TXBF时的情况。
图7示出了根据本发明的实施方式的LAC帧的训练方法的细节。在下面的附图中，虚线代表可选传送。在可选传送700中，接收机(STAB)520监测信道质量，并且通过发送ASI＝1的LAC帧和命令TXASI_RX来请求发射机(STAA)510启动天线/波束选择训练过程。
(无论是否接收到TXASI_RX)该发射机将它的MCS选择设置为可靠的MCS，例如，默认MCS，并且接着发送701 ASI＝1的LAC帧和命令TXASI。在LAC掩码字段120中RTS＝1时，该字段的数据部分表示用于将要发射以用于训练的连续探测分组的数量。
在接收到该LAC帧之后，接收机发送702CTS＝1的LAC帧。这表示接收机准备接收探测分组。此外，只要在该系统中没有应用探测分组，则在该LAC帧中，接收机可以选择设置MFB＝1，并且指示所建议的MCS设置，这利用了MIMO信道中的所有可用的数据流，同时在每个数据流中采用最可靠的调制和编码设置。
在接收到CTS＝1的LAC帧之后，发射机发送703连续的探测分组，针对每个探测分组切换到不同的天线子集。注意，“粗”线表示刚好在时间上相邻地发射分组，而在任一方向上没有任何其它分组。此外，如上所述，探测分组的数量(例如，如所示的三个)是预定的，并且在发射分组之前对于两个站是已知的。当在系统中没有应用探测分组时，发射机针对相同数量的连续PHY层训练帧执行MCS设置，这利用了MIMO信道中的所有可用数据流，同时在每一个数据流中，采用了最可靠的调制和编码设置。因此，如在探测分组中一样，这些PHY层训练帧中的每一个都覆盖(cover)了针对MIMO信道中的所有可用流的训练信息。该MCS设置可以直接由发射机应用，或者基于接收机所建议的并且在以前接收到的LAC帧中所表示的MCS设置(如果存在的话)。在连续地发送出所有训练帧之后，该发射机随后应该切换回到用于发射LAC帧的以前的MCS设置。注意，在图7中没有描述未应用探测分组的过程，并且在下文中，为了易于描述，术语“探测分组”用于代表这两种情况。
接收机根据所接收的探测分组来估计完整的信道矩阵，并且相应地执行天线/波束选择。基于所选择的天线结果来确定合适的MCS设置。
在天线选择之后，接收机发送704 RTS＝1、ASI＝1以及在字段ASBFC600中具有命令ASFB的LAC帧。
当发射机准备好接收天线/波束选择反馈时，该发射机使用用于发送最后的探测分组的天线子集，来发送705 CTS＝1的LAC帧。
接收机发送回706包含选择结果的分组。
接收机发送回707 MFB＝1的LAC帧，并且ASBFC字段600包含所选择的MCS设置号。
发射机对应地更新其选择的天线子集或波束控制，并且应用该新的MCS设置。
如果发射机在预定时间之后没有接收到ASFB，则该发射机恢复到以前的选择或默认设置，并且发送708 MRQ＝1的LAC帧，以启动新的MCS训练循环。
基于WLAN PHY层的设计，与其中应用了MCS设置的规则数据字段相比，PHY层分组的信令和训练前导码得到更好的保护。因此，即使错误地检测了用于选择训练的一个探测分组，也仍然可以正确地解码它的前导码。因此，不影响天线选择训练。
对于发射数据分组，在发射下一个数据分组之前，发射机等待在MAC层定义的短ACK分组。否则，如果超时，则发射机重新发射先前的数据分组。当发射具有用于天线/波束选择训练的数据的探测分组时，即使发射机可能没有接收到响应于发送每一个探测分组的ACK，该发射机也针对每一个连续的探测分组切换至不同的天线子集。
探测分组中的“丢失”数据的重发不会增加探测分组的数量。在下一个可用的分组中重发该丢失数据，而不管该分组是探测分组或传统分组。换句话说，该天线/波束选择训练过程与使用探测分组发射数据的过程是并行的。这两个过程彼此独立。在一另选实施中，可能需要从同一天线集合重发数据，但可能采用不同的MCS。
如果错误地接收到探测分组，但是正确地接收了前导码，则接收机仍对用于天线/波束选择的对应信道矩阵进行缓冲。然而，不对错误接收的探测分组应答ACK。
如果错误地检测或完全丢失探测分组(包括它的前导码)，则接收机得知天线/波束选择训练过程已经失败，并且该接收机停止选择过程。在预定时间间隔之后，如果发射机没有从接收机接收到ASBF命令，则该发射机切换回到以前选择的或默认的天线子集或波束控制，并且该发射机发射MRQ＝1的LAC帧，来更新MCS设置。
为了提高训练过程的效率和可靠性，连续的探测分组之间的时间间隔应该相对较短。因此，在探测分组中发射的数据的量应该相对较小。对数据分组的长度的确定超出了MAC层的功能。然而，确定将要发射的数据的长度的功能块考虑了探测分组所需要的开销以及不同信道的MCS方案，以优化总的净吞吐量。
如果探测分组不包含数据(这是另选的选项)，则信道估计最准确，并且减少了整个训练过程所需要的时间。因此，存在效率和性能之间的折衷问题。
在探测分组不被允许并且具有强制MCS设置的另选PHY训练帧(分组)被应用于训练(如上所述)的情况下，当发射机处的RF链的数量大于由MIMO信道所提供的数据流的最大数量(即信道等级)时，如果与PHY层训练分组一起发射数据，则每个数据流应该包括数量等于信道等级的独立训练序列。如果训练分组不包含数据，则该数量应该等于发射机的RF链的数量，以对应地减少所需的训练分组的数量。这是在训练分组中不包含数据的另一个潜在优点。
发射机知道不同探测分组的子集中的天线的顺序，而接收机简单地根据到达探测分组的顺序对天线索引进行编号。因此，发射机可以解释天线选择反馈，并且选择540对应的天线子集。
可以基于不同的天线/波束选择过程来改变选择反馈分组的格式和排列。一个示例是，当从NA个天线中选择NA_SS天线/波束时，反馈一个NA×NA_SS矩阵FA。对于纯天线选择，FA只包含0和1，这是NA×NA单位矩阵的NA_SS列的置换；而对于RF波束控制，FA包含相移因子。
LAC掩码字段120中的ASI 127和MFB 125不能同时设置为1。在前向链路(图7中的从STA A到STA B)上，因为在设置新的选择结果之前训练过程不需要任何MCS更新，所以是否应用约束MFB＝0没有影响。在反向链路上，因为只要ASI＝0，则只能从STA A向STA B发送MCS反馈，所以存在MFB被天线/波束选择训练过程延迟的可能性。另一方面，如果还对反向链路应用STA A处的经更新的天线子集或RF控制，则在完成整个训练过程之前不必对反向链路执行MCS更新。一般地说，ASI和MFB之间的这种冲突问题对系统没有影响。
使用HT控制域对训练进行的扩展是直接的。在图7中，“LAC”应该由“HT控制字段”代替；“ASI＝1”应该由“MRS＝111”代替，或者当ASI被用来指示MFB字段的重新使用时，由“ASI＝1”代替。
接收天线/波束选择训练过程
图8示出了由接收机启动的使用LAC帧的天线/波束选择训练过程。该接收机从发射机接收多个探测分组，并且在接收不同的探测分组时将它的RF链切换到不同的天线子集。这使得接收机能够估计整个信道矩阵并执行天线/波束选择。
该接收机520发送ASI＝1、命令RXASI并且ASBFC字段的数据部分包含所需的探测分组的数量的LAC帧801。
与发射选择训练相似，为了保护LAC帧和探测分组中的数据(如果存在的话)不受不匹配(mismatched)的MCS设置的影响，发射机在接收到RXASI命令时重新设置MCS。类似地，在不能应用探测分组的情况下，发射机针对连续的PHY层训练帧实施MCS设置，这利用了MIMO信道中的所有可用的数据流，同时在每个数据流中，采用了最可靠的调制和编码设置。在图8中没有示出该过程，并且将术语“探测分组”用于表示这两种情况。
当接收到第一RXASI命令时，该发射机510发送RTS＝1的LAC帧802，而接收机使用CTS＝1的LAC帧803来进行响应，该发射机随后发送探测分组804。
在接收机处，当正确检测到探测分组的前导码时，即使没有正确地检测到数据，该接收机也继续估计信道并且进行天线/波束选择，但是如果没有正确检测到数据字段，则不发送回ACK。
如果丢失了探测分组(包含它的前导码)，则该接收机切换回到以前的天线子集或控制设置，并执行对应的MCS确定。
在后面的分组中重传在任何探测分组中丢失的数据。
然后，该接收机发送MFB＝1并且具有指示该选择的MCS反馈的LAC帧805。
当接收到第一RXASI命令时，该发射机启动时钟，如果在超过阈值之后没有接收到MCS反馈805，则这表示当前的训练过程可能失败了，该发射机发送MRQ，以更新MCS设置。
可以如在发射机天线/波束选择的情况那样，类似地解决其它所关心的问题，例如探测分组中的数据长度(或没有数据)、独立训练序列的数量以及MFB与ASI的冲突。
使用HT控制字段对训练进行扩展是直接的。在图7中，“LAC”应该由“HT控制字段”代替；“ASI＝1”应该由“MRS＝111”代替，或者当ASI被用来指示MFB字段的重新使用时，由“ASI＝1”代替。
接收机启动的发送波束成形
如上所述，在现有技术中，仅发射机可以启动TXBF训练。由于本征波束成形方案中，接收机可以始终监测所控制的信道质量，例如，MIMO信道矩阵中的所控制的列向量之间的正交性(orthogonallity)，所以更有效的是，只要接收机检测到不能接受的控制，则该接收机启动TXBF训练。
在此描述的方法可以通过使用命令TXBFI_RX来执行接收机启动的训练。
图9示出了由接收机使用LAC帧启动的TXBF训练过程。该训练过程假设RTS/CTS交换已经完成。
该接收机发送ASI＝1并具有命令TXBFI_RX的LAC帧901。该发射机使用TRQ＝1的LAC帧902进行响应，或者如图4的传统方案那样直接发送TRQ。该接收机发送一个探测分组903。该发射机估计信道，更新控制矩阵，并且最终使用MRQ＝1的LAC帧904来进行应答，以启动新的MCS训练循环。
使用HT控制字段对训练进行扩展是直接的。在图7中，“LAC”应该由“HT控制字段”代替；“ASI＝1”应该由“MRS＝111”代替，或者当ASI被用来指示MFB字段的重新使用时，由“ASI＝1”代替。
与TXBF组合的天线/波束选择
如上所述，发射波束成形(TXBF)是增加系统的吞吐量和可靠性的另一有效的闭环MIMO方案。因此，期望组合天线/波束选择和TXBF。注意，天线/波束选择训练过程需要选择结果的显式反馈，选择结果通常是一个矩阵，而TXBF可能需要应用于高吞吐量WLAN中的MIMO-OFDM系统中的所有子载波的信道矩阵的显式反馈，或者隐含反馈，其中，发射机可以基于发射机根据反向链路所估计的内容来更新其波束成形控制矩阵，假设前向和反向链路上的信道互逆(reciprocal)。接着，该互逆假设的实施(这需要在与天线/波束选择进行组合时解决)需要通常仅在相关联时才进行的校准处理。当将显式反馈用于TXBF训练时，可以将天线/波束选择与TXBF进行组合。此外，由于可以将整个信道矩阵从接收机反馈给发射机，所以不需要单独的TXBF训练。对于发射天线/波束选择，该发射机可以完全基于反馈值，来计算它的选择(而不是如图7中那样在接收机处)、波束成形矩阵以及对应的MCS设置。对于接收机选择，在接收机处确定并应用该选择，而在发射机处执行波束成形矩阵。
作为另选实施方式，也可以作为独立的操作来执行天线选择和TXBF，其中，如前面的部分中描述的那样执行该选择过程，而使用隐式反馈方案(例如，在TGnSync草案规范中所述)来进行TXBF，与天线选择相比可能以不同的间隔进行。
当将隐式反馈用于TXBF训练时，也可能由接收机来执行天线/波束选择，而对训练过程没有任何显著的修改，这是因为发射机侧校准足够用于执行TXBF训练。
然后，对应地修改图8中的训练过程，如图10所示。接收机发送ASI＝1并且具有命令RXASI的LAC帧1001。发射机设置默认的MCS，切换至未控制(unsteered)的或基本MIMO模式，并且使用RTS＝1的LAC帧1002进行应答。该接收机使用CTS＝1的LAC帧1003进行响应，这使得发射机发送探测分组1004。该接收机执行信道估计和天线/波束选择，并且使用ASI＝1并具有命令TXBFI_RX的LAC帧1005进行响应，这启动了TXBF训练过程。当接收到TXBFI_RX或者在预定的超时阈值之后，该发射机发送TRQ＝1的LAC帧1006，以开始TXBF训练。在更新了TXBF控制矩阵之后，发射机发送MRQ＝1的LAC帧1007，以启动新的MCS训练循环。
注意，接收机只选择天线而不确定对应的MCS，并且在更新了选择结果之后，发射机随后启动TXBF和MCS训练过程。
最后，使用用于TXBF训练的隐式反馈，如果在发射机处执行该选择，则对应地修改校准过程和天线/波束选择训练过程。
例如，在发射机STA A处存在 N S = N A N A _ SS 个可能的天线子集，以用于校准。该发射机将RF链切换至天线的第一子集并进行校准过程。然后，发射机将RF链切换至下一天线子集并进行校准。重复该过程直到对所有的子集进行了校准为止。该发射机存储对应的校准修正矩阵 K l ~ K N S , 用于进一步的使用。
在正常发射模式中，如果将天线子集l∈[1，NS]用于发射，则在发射机RF链处应用对应的校准矩阵Kl。在天线选择期间，只要更新了天线子集，则该发射机切换至新的校准矩阵。
图11示出了对应的训练过程。该接收机发送ASI＝1并且具有命令TXASI_RX的LAC帧1101(该步骤如图7一样是可选的)。该发射机设置默认的MCS，切换至未控制的或基本MIMO模式，并且使用ASI＝1并且在ASBFC字段的数据部分中具有分组的数量的LAC帧1102进行应答。该接收机使用CTS＝1的LAC帧1103进行响应，这使得发射机发送探测分组1104。该接收机执行信道估计和天线/波束选择，并且使用RTS＝1的表示选择完成的LAC帧1105进行响应，如上所述。该发射机保持与最后的探测分组相对应的天线子集，并且使用CTS＝1的LAC帧1106进行响应。该接收机反馈选择结果1107。这使得发射机更新天线子集或控制，并且应用对应的校准矩阵。然后，发射机发送TRQ＝1的LAC帧1108，以开始TXBF训练。最后，在更新TXBF波束控制之后，发射机发送MRQ＝1的LAC帧1109，以启动新的MCS训练循环。
使用HT控制字段对训练进行扩展是直接的。在图7中，“LAC”应该由“HT控制字段”代替；“ASI＝1”应该由“MRS＝111”代替，或者当ASI被用来指示MFB字段的重新使用时，由“ASI＝1”代替。
变型例
上述方法也可以应用于其中系统为频率选择性的(frequency-selective)(例如根据IEEE 802.11n标准的OFDM系统)情况，这是因为可以与频率无关地实现纯天线选择和波束选择。RF基带处理具有这种优点，因为性能增益与频率选择性无关，而纯天线选择的增益通过频率选择性而趋于平衡。
在此描述的实施方式使用LAC帧和HT控制字段。本发明可以被用于MAC层中的任何类似定义的信令帧，其使得能够在发射机和接收机之间进行快速通信，其中，使用一个位或位组合来表示天线/波束选择训练帧，并且该控制帧中的长度至少为7位的任何合适的字段可以被用于交换选择训练信息。该字段可以是用于MCS反馈的字段的重复使用字段，或者可以是仅专用于天线/波束选择训练的新定义的字段。在后一种情况下，不需要对同时的天线/波束选择训练和MCS反馈的限制。
当发射机和接收机都具有天线/波束选择能力时，与同时在两侧进行选择相比，可以根据边缘性能劣化而在两侧交替进行训练处理。另一另选实施方式是增加训练分组的数量，保证空间流的总数(包括(take over)所有的训练分组)足够用于分组的完整训练。
另一另选实施方式是虚拟(dummy)数据的发送，即，不携带有用信息而是保证在数据发送期间的发射信号具有训练字段的形式(在接收器处已知)的值的数据。
交替探测和应答分组
图13示出了本发明的另一实施方式，该实施方式与使用通过HT控制字段的信令或其它MAC信令的发射天线/波束选择训练有关。其基本思想是发射机发射多个探测分组1301，每一个探测分组在MAC帧中包含HT控制字段，如上所述。
与天线选择相关的信息包括在与各个探测分组一起发送的这些HT控制字段(或相似的字段)中。下面，我们说明(多个可能的)特定实施方式中的一个特定实施方式。
针对每个天线子集发射一个探测分组。在每个探测分组中，MRS/ASI1230被设置为111，MFB/ASBFC字段1250中的命令部分610被设置为TXASI，HT控制字段1200中的MFB/ASBFC字段1250中的数据部分620被用于表示要发送的探测分组的剩余数量。另选地，该控制字段也可以仅表示探测分组是用于天线选择的探测分组序列中的第一个(最后一个)。
当接收每个探测分组时，该接收机针对每个对应的探测分组1301，反馈包含CSI的分组1302。换句话说，探测分组和反馈针对天线的每个子集交替。
另选地或附加地，该接收机可以反馈与随后应该使用的哪个天线子集相关的信息。在已经接收到最后一个探测分组之后发生该反馈。
如图14所示，该接收机也可以选择在接收了所有的探测分组之后，对每个探测分组1401进行应答1402。
对于反馈结构，如果显式部分CSI、显式完整CSI以及天线选择结果都可能被采用，则可能需要附加的信令以区分该选择。一个可能的方案是利用MFB/ASBFC字段1250的命令部分610中的保留命令。另一方法是使用MFB/ASBFC字段1250的数据部分620，当将命令部分610设置为ASFB时，数据部分610不被用于表示探测分组的数量。另外，可以使用已经定义用于其它目的的反馈结构。
类似地，如果如图7、13和14所示的不同训练协议共存，则可能需要经扩展的命令部分610，以区分这些协议。大量的保留命令保证了上述扩展的可能性。
虽然已经通过优选实施方式的示例的方式对本发明进行了说明，应该理解，可以在本发明的精神和范围内进行各种其它的变化和修改。因此，所附权利要求书的目的在于覆盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这些变型和修改。
相关申请
本申请是Gu等在2005年11月3日提交的题为“在MIMO无线LAN中选择天线和波束的方法”的PCT申请No.PCT/US2005/039651，以及Gu等在2005年9月30日提交的题为“用于在MIMO无线LAN中选择天线和波束的训练信号”的PCT申请No.PCT/US2005/035012的延续部分，并要求上述申请的优先权。

Claims (23)

1、一种用于在包括多个站的多输入多输出无线局域网中选择天线的计算机实现的方法，每个站都包括天线集合，该方法包括以下步骤：
在一站中接收多个发射的探测分组，每一个探测分组都与所述天线集合中的不同子集相对应；
估计各个天线子集的信道矩阵；
在估计各个天线子集的信道矩阵之后，发送包括高吞吐量(HT)控制字段的帧，以启动天线选择；以及
根据所述信道矩阵选择天线子集。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述高吞吐量控制字段包括链路自适应控制(LAC)字段，并且该LAC字段包括天线/波束选择指示符(ASI)字段。
3、根据权利要求1所述的方法，其中，所述高吞吐量控制字段包括MCS选择反馈(MFB)字段，并且如果ASI字段被设置为1或如果MRS字段被设置为“111”，则所述MFB字段用于天线/波束选择/发射机波束成形控制(ASBFC)。
4、根据权利要求3所述的方法，其中，ASBFC字段包括命令子字段和数据子字段。
5、根据权利要求4所述的方法，其中，所述数据子字段表示所述多个探测分组的数量。
6、根据权利要求4所述的方法，其中，所述数据子字段表示要接收的剩余探测分组的数量。
7、根据权利要求4所述的方法，其中，所述数据子字段表示所述多个探测分组中的第一个。
8、根据权利要求4所述的方法，其中，所述数据子字段表示所述多个探测分组中的最后一个。
9、根据权利要求1所述的方法，其中，所选择的天线是接收天线。
10、根据权利要求1所述的方法，其中，所选择的天线是发射天线。
11、根据权利要求1所述的方法，其中，所有的步骤在所述多输入多输出无线局域网的介质访问控制层进行操作。
12、根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个探测分组包括数据。
13、根据权利要求1所述的方法，其中，通过排除数据来使特定的探测分组的大小最小化。
14、根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：
根据所述信道矩阵来选择波束。
15、根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：
通过索引来指示所选择的天线子集。
16、根据权利要求1所述的方法，其中，所述站是接收站。
17、根据权利要求1所述的方法，其中，所述站是发射站。
18、根据权利要求1所述的方法，其中，使用发射站的各个天线子集来发射所述探测分组。
19、根据权利要求1所述的方法，其中，在接收各个对应的探测分组之后对各个帧进行应答。
20、根据权利要求1所述的方法，其中，在接收所有的探测分组之后对各个帧进行应答。
21、根据权利要求3所述的方法，其中，所述ASBFC字段指定了选择所述天线子集的方式。
22、根据权利要求21所述的方法，其中，所述选择根据所述信道矩阵。
23、根据权利要求21所述的方法，其中，所述选择根据天线索引。
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