CN101442355B - 具有快速自适应波束形成的无线个域网通信系统、装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种用于在无线个域网中通信的方法，包括：使用自适应波束形成，其中自适应波束形成用于可靠的低速率通信的低速率模式和高速率通信的高速率模式；以及使用快速算法来执行高速率模式的波束形成，其中快速算法包括使用从接收机(RX)到发射机(TX)的关于进一步训练阶段的有用性的判决反馈，逐块地执行训练。

Description

具有快速自适应波束形成的无线个域网通信系统、装置和方法
背景技术
人们期望在60GH频带中操作的毫米波(mm Wave)WPAN通信系统，以向大概10米的距离提供高达数Gbps的吞吐量，并且在几年内用于服务中。目前，几个标准机构(IEEE802.15.3c，WirelessHD SIG，ECMA TG20)考虑了不同概念的mmWave WPAN系统，以定义最适合多Gbps WPAN应用的系统。
任意通信系统的本质需求是改善吞吐量和可靠性。因此，强烈需要用于改善mmWave无线个域网的技术。
附图说明
在说明书的结尾部分特别指出并且明确要求了本发明的主题。然而，可以参考以下详细的描述并且结合附图来最好地理解本发明的组织和操作方法，及其目标、特征和优势，其中：
图1示出了具有本发明的实施例的RF波束形成系统的TX和RX通信设备的方框图；
图2示出了本发明的实施例的TX和RX天线系统的数学模型；
图3示出了用于本发明的实施例中的天线系统的全训练的结构；
图4根据本发明的一个实施例示出了用于天线系统训练的单个训练块的结构；
图5根据本发明的一个实施例示出了由多个块(阶段)构成的训练的结构；以及
图6根据本发明的一个实施例示出了RX站使用的用于波束形成过程的单处理方案的方框图。
要认识到，为了使图示简单和清晰，没必要按比例绘制图形中示出的元件。例如，将一些元件的尺寸相对于其它元件被放大。进一步，在任意合适的地方，在图形中重复参考标号以指示对应的或类似的元件。
具体实施方式
在以下详细的描述中，阐述了许多具体的细节以便提供对本发明的详尽理解。然而，所属领域的技术人员将理解的是，无需这些具体的细节也可以实践本发明。在其它示例中，没有详细描述公知的方法、程序、组件和电路，以免模糊本发明。
在以下详细的描述中，阐述了许多具体的细节以便提供对本发明的详尽理解。然而，所属领域的技术人员将理解的是，可以不需要这些具体的细节来实践本发明。在其它示例中，没有详细描述公知的方法、程序、组件、单元和/或电路，以免模糊本发明。
本发明的实施例可以用于各种应用。可以结合各种设备和系统，例如，发射机、接收机、收发器、发射机-接收机、无线通信站、无线通信设备、无线接入点(AP)、调制解调器、无线调制解调器、个人电脑(PC)、台式电脑、移动电脑、膝上型电脑、笔记本电脑、平板电脑、服务器电脑、手提电脑、手提设备、个人数字助理(PDA)设备、手提PDA设备或者PAN中的高清电视信号，来使用本发明的一些实施例。
利用例如“处理”、“计算”、“计算”、“判决”、“建立”、“分析”、“检查”等术语的讨论可以涉及计算机、计算平台、计算系统或其它电子计算设备的操作和/或处理，其将计算机的寄存器和/或存储器中表示为物理量(例如，电子)的数据处理并且/或者转换为其它数据，其中该其它数据在计算机的寄存器和/或存储器或者其它信息存储介质中被类似地表示为物理量，其中其它信息存储介质可存储指令以执行操作和/或处理，但是本发明的实施例不限于此。
本文使用的术语“多个”可以包括，例如，“多数个”或“两个或更多”。整个说明书可以使用术语“多个”来描述两个或更多组件、设备、元件、单元、参数等等。例如，“多个站”可以包括两个或更多站，但是本发明的实施例不限于此。
本发明的实施例向mmWave无线个域网(WPAN)通信系统提供自适应波束形成，自适应波束形成采用用于可靠的低速率通信的低速率模式和用于高速率通信的高速率模式，并且包括用于对高速率模式执行天线波束形成的新型快速算法。本发明通过波束可控定向天线的支持，比所提出的其它mmWave WPAN系统提供了许多的优势。逐块地来执行根据本发明的一个实施例的算法，这使得允许大部分实践情况仅使用少数阶段，但是也能够对一些很少发生的具体情况具有全长训练。所以，所需要的训练时间根据信道特性和所需要的训练质量而变化，并且与总是采用穷举搜索的算法的训练时间相比，该时间可以短得多。
本发明可以获得关于频率选择性信道矩阵的所有信息，并且不管传播信道的空-时特性，因为，例如，它是用其它方法进行的。全信道信息的估计允许根据设备的复杂性，用不同的最佳和简化的次最佳算法在RX端计算天线权向量。
本发明的实施例允许定向天线的支持。因为60GHz的高频允许微型高增益天线的实现，并且需要高天线增益来维持足够的链路预算以用于大信号带宽(～2GHz)和有限的传输功率，所以定向天线的支持对mmWaveWPAN系统是重要的。
mmWave WPAN系统可支持的天线系统的类型的实例包括，但是不限于：
1、用于将去向天线元件的输入和来自天线元件的输出乘以权(相位)向量以形成TX/RX波束的相控天线阵列。
2、可以转换到多个波束中的一个的扇形天线。
3、可用于将去向天线元件的输入和来自天线元件的输出与一些权的扇形天线。
4、无转换的定向或全定向天线。
需要在一个微微网(piconet)网络内支持具有任意类型天线配置的设备之间的通信。具有波束可控天线的设备需要在数据传输开始之前最佳地调整TX和RX天线系统(波束形成)。对于低速率和高速率模式，天线系统调整的质量的需要是不同的。由于粗略的天线调整就足以执行大冗余(扩散)的低速率模式，而高速率模式需要精细的天线调整以便最大的性能(吞吐量)。
低速率模式波束形成的目标是为了在任意两个节点之间建立可靠的低速率链路，以允许MAC命令和低速率数据的转换，但本发明不限于此。为了这个目的，可以将波束形成限制于无需相位向量的精确调整的最佳TX-RX天线扇区选择的情况(例如，在这种模式中，可以将相位天线阵列配置为具有少数扇区/波束的扇形天线)。假设在高速率波束形成处理开始之前进行低速率模式中的波束形成。
高速率模式的波束形成
为了链路性能最大化(不仅仅是可靠的低速率链路的建立)的目的，必须进行高速率模式的波束形成。对于扇形天线，高速率模式波束形成如同低速率模式那样，还包括最佳TX和RX扇区/波束选择。但是对于相位天线阵列(以及可以将扇区与一些权组合的扇形天线)，必须在高速率模式波束形成(不仅仅是最佳扇区的选择)期间进行权的精确调整以达到最大性能。
应该强调的是，在RF中实现了60GHz通信系统的波束形成，以便能够有大量天线元件来提供高度定向的天线方向图(pattern)。TX和RX通信设备的方框图通常如图1的100示意性地示出。TX可以包括TX基带处理105、数字到模拟转换115和RF处理120。RX可以包括RF模拟组合器125、RF处理130、ADC135和RX基带处理145。RF波束形成对整个频率选择性信道使用单个权向量，这与将唯一的权向量用于每个或小型子载波集的基带波束形成(典型地用于Wi-Fi和WiMAX系统)不同。
为了在通常情况中实现最佳RX波束形成，需要关于所有信道带宽的信道矩阵(TX-RX天线元件之间)的信息。如果可以获得这些信息，那么可以计算满足某些标准的最佳权向量(例如，使整个带宽上的整体处理后容量最大化的权向量)。出于这个原因，需要使用用于信道探通的宽带信号，因为它提供关于宽带信道传递函数(信道矩阵)的完全随时可用的信息。如果信道矩阵估计是在时域中进行的，那么这种宽带信号可以是具有良好自相关性质(窄自相关函数)的时域生成的信号。在其它情况中，如果信道矩阵估计是在频域中进行的，那么这种信号可以是频域生成的OFDM信号。
天线系统的数学模型
为了描述本发明的一些实施例中引入的波束形成过程，方便的做法是引入所考虑的通常如图2的200所示的系统的基带信号的数学模型，其中在210处示出了TX波束形成矩阵F并且220处示出了RX波束形成矩阵G并且230处示出了求和。需要估计所有TX和RX天线元件之间，或等效地，如下定义的TX天线系统输入di和RX天线系统输出ej之间的信道传递函数。TX天线系统输入di通过TX波束形成矩阵F连接到TX天线元件，并且RX天线元件输出通过RX波束形成矩阵G连接到RX天线系统ej的输出。TX和RX天线权向量u和v分别应用到TX的输入和RX天线系统的输出。
所以，可以根据以下方程式，通过发送信号x表示接收信号y：
y＝vHGHHFux
其中，H是频率非选择性信道传递矩阵。对于频率选择性信道，以上方程式将对OFDM系统的每个子载波都是可用的，并且经过一些修改后对于SC系统也可用。矩阵F和G分别由向量f1...fNtx和g1...gNrx所组成，其中可以将这些向量视为由单天线元件的天线方向图所构造的基元天线方向图或者波束(elementary antenna pattern or beams)的权向量。使用TX权向量u和RX权向量v将这些基元天线方向图组合成最终的TX和RX天线方向图。要注意到，RX可以不知道TX波束形成矩阵，并且TX可以不知道RX波束形成矩阵就执行训练。使用波束形成矩阵的普遍方法允许针对天线系统训练的应用任意波束形成基本原理(例如，Butler，Hadamard，单位矩阵等等)。
可以将具有单扇区选择的扇形天线系统和具有扇区组合的扇形天线系统视为建议的数学模型的特别情况。对于这种情况，波束形成矩阵F和G是单位矩阵，但是每个天线元件具有它自己的天线方向图(波束)，其中可以通过将其包含在H矩阵中来数学地考虑该天线方向图(波束)。对于简单转换的扇形天线，仅仅可以使用波束形成向量u和v，其中波束形成向量u和v具有一个等于一的要素以及其它等于零的要素。
高速率模式波束形成训练结构
假设在建议的训练过程期间，一次仅使用一个TX天线系统输入di和一个RX天线系统输出ej。所以，仅仅使用一个TX天线波束fi发送训练信号并且仅仅使用一个RX天线波束gj接收训练信号。因此在训练期间TX天线系统输入di和RX天线系统输出ej发生了改变，以扫描空间信道矩阵。
在训练期间使用的信号可以是诸如OFDM符号、PN序列、唧声信号等等任意类型的宽带信号。也可以将不同训练信号用于来自不同TX天线系统输入的传输，以便可以在接收端识别TX天线系统输入索引di。可以重复发送训练信号(例如，多次发送的相同的信号)，以便RX能够针对初始信号检测和同步使用自相关方案。
为了获得全信道知识，需要在TX天线系统输入di和RX天线系统输出ej的所有配对之间执行训练。例如，如果TX天线系统输入和RX天线系统输出的数量等于64并且两个64点OFDM符号用于每个配对之间的信道测量(训练)，那么需要的样本的数量将等于64x64x2x64＝524288个样本(对于2GHz采样速率大概为262us)。在图3的300处示意性地示出了这个情况的训练信号的结构，并且其包括64点OFDM符号330、128个OFDM符号320、TX天线波束340、64个OFDM符号310和RX天线波束350。
从给定的实例可以看出，执行穷举波束搜索所需要的时间可能相当大。对于许多实际的情况，可以在所有TX-RX配对之间不需要完全穷举训练，并且为了较少总的训练时间，可以利用从RX到TX的关于进一步训练阶段(进一步链路提高)的有用性的判决反馈，逐块地执行该训练。例如，对于我们考虑的实例，可以如在图4的400所示意性地示出的，发送16×40个OFDM符号，并且此后RX做出继续训练的判决。图4描述了TX天线波束410、20个OFDM符号440、64点OFDM符号450、16个OFDM符号430和RX天线波束420。一个训练块结束之后，RX在低速率模式中对于进一步行动进行反馈。RX反馈给TX的反馈信息可以包括(但不限于)：
1、继续训练或停止训练的判决(如果达到了需要的链路质量)。
2、如果判决继续训练，则是用于下一阶段的训练的TX天线系统输入(TX天线波束)的索引。RX可以要求使用先前的TX天线系统输入(TX天线波束)，以指示该TX天线系统输入的索引用于下一阶段，或要求TX对于下一阶段的训练选择新的TX天线系统输入。
3、如果判决结束训练，则是在TX处应用的最佳TX天线权向量uopt。
图5的500处示出了由多个阶段(块)所构成的训练的结构，其中在520处示出了初始阶段的训练并且在510处随着发送更多具有相同的TX天线波束的符号，继续训练，并且在530处使用更多TX天线波束继续训练。训练阶段的数量将依赖于算术收敛。对于大部分实际的情况，仅仅需要少数阶段，而对于一些很少发生的具体情况全长的训练也将是可能的。
对于波束形成的信号处理
在波束形成训练期间由RX站执行的信号处理的方框图通常如图6的600所示，并且其包括初始信号处理块610、对于固定TX和RX波束配对620的信道估计，以及最佳TX和RX权向量计算器。信号处理块610可以包括RX自适应天线系统605、自适应RX波束转换器和AGC控制器640、AGC615、能量检测器670、阈值设备635和RX训练周期控制器625。针对固定的TX和RX波束对的信道估计可以包括信号采集和TX波束识别645，以及FD或TD信道估计650。最佳TX和RX权向量计算器可以包括TX反馈信息655、TXWV和RXWV计算器和最佳TX和RX波束对的选择，以及TD或FD空间矩阵累加器。当TX开始训练信号的传输的时候，RX通过使用自相关(或其它简单信号检测算法)来开始发送信号的检测。如果检测到的能量大于预定义阈值，那么RX站开始信道估计过程以便执行信道测量。可以立即开始信道估计过程，或者可以把它推迟到下个训练块(阶段)。如果不针对给定的TX和RX天线波束的组合检测能量，那么RX站可以快速地转换到其它RX天线波束(RX天线系统输出)。
然后，RX站判决找到的TX和RX天线波束的成功的组合足以用于数据传输并且不需要更多的训练阶段(块)，然后RX站计算最佳TX天线权向量uopt并且将其反馈回到TX站，以便应用并且开始数据传输。
波束跟踪
在数据传输期间波束形成的传输的质量可能由于环境不固定而变坏，并且可以使用波束跟踪过程来调整TX和RX天线权向量，而不需要开始上文所述的整个初始波束形成过程。
如果RX请求波束跟踪过程，那么通过在数据分组的结尾处发送训练信号来进行波束跟踪。虽然TX波束的数量和针对每个TX波束发送的训练信号的持续时间是不同的，但是波束跟踪过程的结构类似于初始波束形成过程的一个块的结构。通过TX(接近于先前使用的权向量)来选择在波束跟踪过程期间发送的TX波束，并且RX进行的信号处理类似于初始波束形成模式期间进行的信号处理。计算出更新的天线权向量之后，将其在确认或独立的分组中发送到TX。
尽管本文已经示出并本描述了发明的某些特性，本领域的技术人员将想到许多修改、替代、改变和等效物。因此，要理解到，附属的权利要求旨在将所有这种修改和改变包含在本发明的本质精神内。

Claims (28)

1.一种用于在无线个域网中通信的方法，包括：
使用自适应波束形成，所述自适应波束形成被配置为用于可靠的低速率通信的低速率模式和用于高速率通信的高速率模式；以及
使用快速算法来执行所述高速率模式的天线波束形成，其中所述快速算法包括：利用从接收机RX到发射机TX的关于进一步训练阶段的有用性的判决反馈来逐块地执行的训练。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述训练包括：用于天线波束形成的训练信号，该训练信号为时域生成的信号，具有良好的自相关特性；以及在所述时域中进行的信道矩阵估计。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述训练包括：用于天线波束形成的训练信号，该训练信号为频域生成的OFDM信号；以及在所述频域中进行的信道矩阵估计。
4.如权利要求1所述的方法，其中，使用TX和RX基元天线方向图来执行所述训练，其中所述方向图是使用发送和接收波束形成矩阵组成的，其中所述矩阵可以是包括单位、Butler和Hadamard型矩阵的非奇异矩阵。
5.如权利要求4所述的方法，其中，在所述天线波束形成训练期间，一次仅使用一个TX基元天线方向图发送训练信号，但是完成最终的波束形成之后，使用两个或更多TX基元天线方向图的加权组合来发送数据帧。
6.如权利要求4所述的方法，其中，将用于训练的所述TX基元天线方向图的索引编码到训练信号中，并且不同的训练信号用于不同的TX基元天线方向图，使得所述RX能够确定用于具体时隙的所述TX基元天线方向图的所述索引。
7.如权利要求1所述的方法，其中，通过所述RX反馈到所述TX的反馈信息包括：
继续训练或停止训练的判决；
如果做出的所述判决是继续训练时，要用于所述训练的下一阶段的TX基元天线方向图的索引；或
如果做出的所述判决是结束训练时，要在所述TX处应用的最佳TX天线权向量。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：所述RX请求使用先前的TX基元天线方向图，或请求对所述下一阶段使用所述TX基元天线方向图的指定的索引，或请求TX对所述训练的所述下一阶段选择新的TX基元天线方向图，其中，所述指定的索引是由所述RX所给定的。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括：对所述自适应波束形成使用信号处理，包括：
当所述TX开始传输训练信号时，所述RX通过使用自相关来开始检测所传输的信号，并且，如果检测能量大于某个预定义阈值，那么所述RX开始信道估计以执行信道测量。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述信道估计过程立即开始或者推迟到下个训练块，并且如果所述信号能量低于针对所述TX和RX天线波束的给定组合的预定阈值，那么所述RX可以快速地转换到其它RX天线波束，并且其中所述RX随后判决所找到的所述TX和RX天线波束的成功组合足以用于数据传输并且不再需要更多的训练阶段，然后所述RX计算最佳TX天线权向量并且将其反馈回到所述TX，以便应用并且开始所述数据传输。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括：使用波束跟踪过程调整TX和RX天线权向量，而不开始整个初始波束形成过程。
12.一种用于在无线个域网中通信的装置，包括：
发射机TX，其使用自适应波束形成来在无线个域网中通信，所述自适应波束形成被配置为用于可靠的低速率通信的低速率模式和用于高速率通信的高速率模式；以及
其中，所述TX被配置为使用快速算法来执行所述高速率模式的天线波束形成，其中所述快速算法包括：利用从接收机RX到所述发射机TX的关于进一步训练阶段的有用性的判决反馈来逐块地执行的训练。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述训练包括：用于天线波束形成的训练信号，该训练信号为时域生成的信号，具有良好的自相关特性；以及在所述时域中进行的信道矩阵估计。
14.如权利要求12所述的装置，其中，所述训练包括：用于天线波束形成的训练信号，该训练信号为频域生成的OFDM信号；以及在所述频域中进行的信道矩阵估计。
15.如权利要求12所述的装置，其中，使用TX和RX基元天线方向图来执行所述训练，其中所述方向图是使用发送和接收波束形成矩阵组成的，其中所述矩阵可以是包括单位、Butler和Hadamard型矩阵的非奇异矩阵。
16.如权利要求15所述的装置，其中，在所述天线波束形成训练期间，一次仅使用一个TX基元天线方向图发送训练信号，但是在完成最终的波束形成之后，使用两个或更多TX基元天线方向图的加权组合来发送数据帧。
17.如权利要求15所述的装置，其中，将用于训练的所述TX基元天线方向图的索引编码到训练信号中，并且不同的训练信号用于不同的TX基元天线方向图，使得所述RX能够确定用于具体时隙的所述TX基元天线方向图的所述索引。
18.如权利要求12所述的装置，其中，通过所述RX反馈回到所述TX的所述反馈信息包括：
继续训练或停止训练的判决；
如果做出的所述判决是继续训练时，要用于所述训练的下一阶段的TX天线系统输入的索引；或
如果做出的所述判决是结束训练时，要在所述TX处应用的最佳TX天线权向量。
19.如权利要求18所述的装置，进一步包括：所述RX被配置为请求使用先前的TX天线系统输入来指示要用于所述下一阶段的所述TX天线系统输入的索引，或要求TX选择用于所述训练的所述下一阶段的新的TX天线系统输入。
20.一种用于在无线个域网中通信的装置，包括：
用于使用自适应波束形成的模块，所述自适应波束形成被配置为用于可靠的低速率通信的低速率模式和用于高速率通信的高速率模式；以及
用于使用快速算法来执行所述高速率模式的天线波束形成的模块，其中所述快速算法包括：利用从接收机RX到发射机TX的关于进一步训练阶段的有用性的判决反馈来逐块地执行的训练。
21.如权利要求20所述的装置，其中，所述训练包括：用于天线波束形成的训练信号，该训练信号为时域生成的信号,具有良好的自相关特性；以及在所述时域中进行的信道矩阵估计。
22.如权利要求20所述的装置，其中，所述训练包括：用于天线波束形成的训练信号，该训练信号为频域生成的OFDM信号；以及在所述频域中进行的信道矩阵估计。
23.如权利要求20所述的装置，其中，使用TX和RX基元天线方向图来执行所述训练，其中所述方向图是使用发送和接收波束形成矩阵组成的，其中所述矩阵可以是包括单位、Butler和Hadamard型矩阵的非奇异矩阵。
24.如权利要求23所述的装置，其中，在所述天线波束形成训练期间，一次仅仅使用一个TX基元天线方向图发送训练信号，但是在完成最终的波束形成之后，使用两个或更多TX基元天线方向图的加权组合来发送数据帧。
25.如权利要求23所述的装置，其中，将用于训练的所述TX基元天线方向图的索引编码到训练信号中，并且不同的训练信号用于不同的TX基元天线方向图，使得所述RX能够确定用于具体时隙的所述TX基元天线方向图的所述索引。
26.如权利要求20所述的装置，其中，通过所述RX反馈回到所述TX的所述反馈信息包括：
继续训练或停止训练的判决；
如果做出的所述判决是继续训练时，要用于所述训练的下一阶段的TX基元天线方向图的索引；或
如果做出的所述判决是结束训练时，要在所述TX处应用的最佳TX天线权向量。
27.如权利要求26所述的装置，进一步包括用于请求使用先前的TX基元天线方向图的模块，或用于请求对所述下一阶段使用所述TX基元天线方向图的指定的索引的模块，或用于请求TX对所述训练的所述下一阶段选择新的TX基元天线方向图的模块，其中，所述指定的索引是由所述RX所给定的。
28.如权利要求21所述的装置，进一步包括用于对所述自适应波束形成使用信号处理的模块，包括：
当所述TX开始传输训练信号时，所述RX通过使用自相关来开始检测所传输的信号，并且，如果检测能量大于某个预定义阈值，那么所述RX开始信道估计以执行信道测量。
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