CN101682386A - 用于模拟波束形成的方法、发射站和接收站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将信号从第二站传输到第一站的方法，这些站具有天线阵列。对于在如60GHz的波段中的通信，可取的是执行模拟波束转向。但是需要计算单个消息中所有波束形成权重。随后，本发明提出：针对每个信号，在前导(preamble)中包括多个训练符号，其中在每个训练符号重复期间，接收站调整多个天线中的至少一个天线参数并且测量组合信号以用于计算适用于在用于接收数据段的天线阵上模拟波束形成的一组天线权重。

Description

用于模拟波束形成的方法、发射站和接收站

技术领域

本发明涉及一种使用模拟波束形成传输信号的方法、执行该方法的发射站和接收站以及在该方法中使用的特定的前导结构(preamblestructure)。

本发明与无线通信有关，具有任意的传输方案，例如OFDM，或者类似地，且特别感兴趣的是毫米波无线通信(例如，60GHz波段)。

背景技术

对于一些应用而言，例如基于60GHz波段的毫米波无线通信，在超过若干米的距离上，需要高增益天线以便克服链路预算限制。

这种高增益天线可以利用包括多个天线或天线元件的天线阵列获得，其辐射束可被电子地转向(steer)。借助放大器/衰减器和移相器或延迟线来修改这些天线中的每一个上的信号。对于动态波束形成，放大器的增益和移相器的相位可被控制和调整。这可以使用被称为权重的复数模拟，其模(或绝对值)代表适用于所考虑的天线专用的放大器的增益，并且其辐角(argument)代表应用于移相器的相移。波束形成(beam forming)允许修改天线阵列的灵敏度图案(sensitivity pattern)，以便使其更具方向性，即提高沿特定方向的灵敏度和/或降低沿不同方向的灵敏度，其中假定例如信号被干涉。

对于需要高天线增益的某些应用而言，可以使用包括许多元件的天线。然而，根据基带处理器的能耗和处理要求，针对每个单独天线信号，具有高速模数转换器是受到抑制的。因此，优选的是，使用模拟波束形成，即，接收站体系结构，其中天线信号在模拟域中被修改(相位移动和振幅倍增)、被添加并且仅在随后使用单个模数转换器来使该天线信号数字化。在一些应用中，接收站包括多个模数转换器，每个模数转换器为多个天线元件(可能是很少的M个模数转换器，其中M＜N＝天线元件的数量)所共用。相似地，在发射站中，单个数字信号(或者多个数字信号)被转换为模拟量并且在多个天线元件上被分开。在每一个元件上的模拟信号被单独地修改，正如在接收器中一样。

然而，因为接收站具有比天线元件(N)更少的A/D转换器(M)，所以该接收站仅仅可以同时完成M个信道测量，而全部信道测量将需要N个测量。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于从发射站到接收站通信的方法，从而允许使用单个前导(preamble)训练许多天线元件。

本发明的另一个目的是提出一种用于快速配置模拟波束形成的方法。

为此，本发明提出一种用于将信号从第二站传输到第一站的方法，所述第一站具有包含多个天线的天线阵列，所述方法包括以下步骤：

(a)在每个天线上接收具有配置字段和数据字段的相应的模拟信号，所述配置字段包括重复多次的训练符号，

(b)将至少两个模拟信号组合为一个组合信号，其中在每个训练符号重复期间，调整多个天线的至少一个天线参数并且测量所述组合信号，以及

-计算一组天线权重，其被应用于在用于接收数据字段的天线阵列上的模拟波束形成。

因此，在单个前导的帮助下，当接收不同训练符号时，接收站(这里为第一站)可以通过切换其波束形成权重完成更多的信道测量，并且因此确定最佳的波束形成权重。根据训练符号(training symbol)的数量，它甚至可以测量所有天线的信号，并且计算波束形成权重的最优集合，并使用它们接收后续的数据包。

本发明还涉及一种接收站，其包括：

天线阵列，包含多个天线，用于在每个天线上接收具有配置字段和数据字段的相应的模拟信号，所述配置字段包括重复多次的训练符号，

组合装置，用于将至少两个模拟信号组合为一个组合信号，

调整装置，用于在每个训练符号重复期间调整多个天线的至少一个天线参数，

测量装置，用于测量利用至少一个参数的每个设置获得的组合信号，以及

计算装置，用于计算一组天线权重，其被应用于调整装置，用于在接收数据字段的天线阵列上的模拟波束形成。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于与根据本发明前述方面的接收站通信的发射站，该发射站包括用于发射具有配置字段和数据字段的模拟信号的发射装置，所述配置字段包括重复多次的相同的训练符号的序列，使得接收站可以利用相应的天线设置执行多个测量，以用于推导模拟波束形成。

根据本发明的又一个方面，提出一种前导结构，前导结构具有重复多次的相同训练符号的序列，其被布置成使得如根据本发明要求的接收站可以利用相应的天线设置执行多个测量，以用于推导模拟波束形成。

通过参照下面描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显然并且将被阐明。

附图说明

现在将通过实例并参照附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1是示意性表示根据本发明的第一实施例的、包括两个站的系统的框图；

图2是示出根据本发明的实施例的方法的流程图；以及

图3是表示根据本发明的实施例的、包括前导结构的信号的时序图。

具体实施方式

本发明涉及在如图1所示的系统中通信的方法，该系统具有至少一个能够接收信号的第一站100和至少一个能够发射信号的第二站200。一般地，且如图1所示，系统中的每个站能够接收和发射信号。

根据本发明的第一站100包括N个天线101-10N，每个天线分别连接到调整装置111-11N。这些调整装置可以包括用于调整所接收到信号的增益的放大器或衰减器和用于调整它们相应信号的相位的移相器或延迟门。在该实例中，这些调整装置111-11N是模拟的(analog)，并且被处理单元140动态地控制。调整装置将信号提供给组合装置120，例如图1所示的加法器。加法器120输出组合的模拟信号，随后由模数转换器(ADC)130将该组合的模拟信号数字化为数字信号。处理单元140接收数字信号，以执行测量并处理它。在本发明的变型中，站100可以包括多个模数转换器(ADC)130，每个模数转换器为天线阵列的天线子集所共有。

如图所示，第一站100还能够利用相同的天线阵列发射信号。切换装置150允许从接收模式切换到发射模式。在发射模式中，站100的发射链路通过切换装置150连接到天线阵列。与先前描述的接收链路相比，发射链路(transmitchain)具有对称的结构。在发射模式中，每个天线101-10N分别连接到调整装置211-21P。这些调整装置211-21P可以是模拟的并且可以与接收链路的调整装置相似。处理单元140可以动态地控制天线。该处理单元可以首先产生被发送到第二站的数字信号。该数字信号可以由数模转换器230转换为模拟信号，随后该信号被去复用装置(demultiplexing means)220拷贝并且被提供给每个调整装置211-21P和发射天线T1-TP。

第二站200具有类似的结构，下面将不再进一步详细描述。

如图1所示，所有站可以包括用于发射和接收信号的装置，例如通过使用相同的天线阵列，该天线阵列从接收时的接收链路切换到发射时的发射链路。

当站100和200相互通信时，站100和200使用具有图3上所描绘的前导的信号。该前导包括多个训练符号，其被记为L。L符号是预定的波形，例如在单天线系统中接收器使用它来估计信道。事实上，作为站100的接收站可以利用调整装置来调整一些天线参数，并且可以利用这些参数测量信号。因此它可以尝试若干不同的天线设置，并且根据结果计算波束形成权重(beam forming weight)。S符号是由发射器发射的另一种训练符号(training symbol)，接收器可以使用它来完成同步(与802.11中长和短前导类似定义的)。

在根据本发明的波束形成系统中，发射站发射具有图3的结构的包，其中L符号的总数是：

-被标准固定为合适的数量，例如1、2、4或137。在这种情况下，指示符字段可以没有，或

-可变的，在该情况下，它们的数量在指示符字段中被告知。可以使用与信号字段相同的调制发射指示符字段(低数据速率)，从而其具有可正确解码的最高的可能性。为了允许许多训练符号，可以提供至少一个全八位字节(取值为0，...，255)，从而有意义的是，让该数量指示跟随指示符字段的L符号的数量。如果正好跟随同步符号的第一L符号被提供，L符号的总数可以超过一个，使得接收站可以检测其当前波束形成权重。指示符字段中剩余的八位字节可以用于其他目的，例如用于向接收器指示稍后发射器想要从接收器接收的L符号的数量(当它们作为发射器和接收器的角色被颠倒时)。

在这里，使用固定的编码和调制方法来发射符号(信号字段)。其中，发射站对在跟随发射符号的数据符号中使用的编码和调制方法进行编码。

由于L符号的数量，当接收不同的L符号时，接收站可以通过切换其波束形成权重来完成信道测量，并且因此确定最佳波束形成权重。这将在下面更详细的描述。

对于如图1中的均使用与用于接收的天线相同的用于发射的天线的两个站(如站100和站200)，信道互惠意味着：对于从站200接收信号的站100最优的权重对于发射信号到站200的站100也是最优的。如果这些站使用不同的天线来发射和接收，则由于发射和接收链路的差异使得信道是非互惠的。但是，由于这些差异是可以通过已知的方法来测量并且校准，所以可以通过使用该校准确保信道互惠。

根据本发明的方法的第一实施例并假设当站(例如站200)开始与站100通信时站的信道互惠，它可以首先使用全方向发射模式发射第一信号。而且，如果最初站100和200既不知道它们的最优波束形成权重也不知道彼此的天线元件的数量，则在图2的步骤S100，发射站100将以低速率并使用发射波束形成权重V(1)来发送其第一包(packet)，所述权重对应于完全全方向的辐射模式，即没有发射方向是优选的。如图3所示，在信号的指示符字段320中，站200指示其天线元件的数量P以及它将发射多少个训练符号(在图3中被记为L符号)。由于站200不知道接收站100所具有的天线元件的数量N，所以它必须任意地选择多个L符号。在第一步骤S100中，站200可以选择K＝1。

在步骤S101，站100利用第一组波束形成权重W⁽¹⁾接收该包。由于它仅仅接收K＝1训练符号，所以站100还不能做任何优化。在步骤S102，站100以使用波束形成权重W⁽¹⁾发射的、并含有P个L符号的包响应，在标识符字段中它还可以指示它具有N个天线元件。站100可以选择发射较少的L符号，并且它还可以选择用于该包数据符号的稍高的数据速率，因为在步骤S103站200将能够在接收期间进行接收器波束形成。让V⁽²⁾表示所得到的波束形成权重。

随后，在步骤S104，站200发射其具有例如N个L符号并使用波束形成权重V⁽²⁾的第二包。数据符号可以以较高的速率被发射，因为站100现在正在进行发射波束形成并且站200应当能够在站200’的第二包的接收期间进行接收波束形成。事实上，站100知道将跟随N个L符号。随后，对于每个L符号，它可以调整其调整装置到相应的设置并且例如通过测量信号的质量(CQ I测量、信噪比测量，等等...)测量所接收的信号。通过这样操作，于是它可以计算波束形成权重。站100’的波束形成的结果是W⁽²⁾。于是，站100再次以利用波束形成权重W⁽²⁾等发射的包响应。

所执行的计算的实例如下。如果第n个天线元件上的基带信号由X(n)表示，而对应于该天线元件的复数(波束形成权重)为W(n)，那么所接收到的信号为：

$R=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}W\left(n\right)X\left(n\right)$

其中N是接收站(例如站100)的天线元件数量。

如果前导包括K个L符号，则接收器针对K个不同的天线设置测量所接收到的信号(在A-D转换器之后)。如果对应于第k个天线设置和第n个元件的波束形成权重由W_k(n)表示，而在接收L符号期间第n个天线元件上的基带信号为X(n)，那么，在第k个L符号期间所接收到的信号为 $R_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k\left(n\right)X\left(n\right).$

在接收R₁，...，R_K之后，接收器立刻计算 ${\mathrm{\α}}_k=\frac{{\left(R_k\right)}^{*}}{{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{\left|W_k\left(n\right)\right|}^2},$ 它将在接收包中的数据符号期间用于波束形成权重 $W\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_k{W}_k\left(n\right).$

对于发射站而言，可取的是发射一个以上的L符号，使得接收站也可以利用所计算的波束形成权重W进行信道测量。(当K＝1时，不需要该额外的符号。)这些权重在由W₁，...，W_K跨越的空间中给出最优波束形成权重，即波束形成给出最高的信噪比)。如果K＝N且W₁，...，W_N线性无关，则所得的波束形成权重是最优的。接收器可以自由选择W₁，...，W_K。

如果信道是稳定的，则波束形成权重V⁽ⁱ⁾和W⁽ⁱ⁾快速收敛到极限值。于是，站可以选择请求比它们相应的天线元件数量更少的L符号(例如，仅仅一个)，因为不需要进一步优化。如果信道条件改变，则它们可以再次请求更多的L符号。在每一个反复中，站自由选择在K个信道测量期间它所使用的基本向量。可取的是，让第一基本向量等于根据先前步骤所计算的最优向量。

在本发明的变型中，第一站指示在下一个发射信号中被其他站使用的位速率。位速率可以根据所计算的天线权重组来选择。例如，如果所计算的天线权重不够精确，因为L符号的数量对于测试所有可能的设置来说太低，则第一站将指示中间数据速率而不是高数据速率。

在本发明的另一个变型中，发射站(例如站200)可以发射比接收站100的天线的数量更多的L符号。例如，它可以发射Q个L符号，其中Q＝NxP。这可以用于测试发射和接收天线设置。站200可以利用不同的天线设置发射L符号，该设置随着等于N个L符号的持续时间的预定周期(例如T)改变。站100利用不同的天线设置(例如改变每个L符号)来接收L符号。

设置改变可以执行，使得每个站不太频繁地改变。例如，如果两个站100和200具有相同数量的天线，则它们可以例如在相对于彼此正交的情况下改变每两个L符号它们相应的设置，但异相(out-phased)。

随后，接收站100可以计算发射天线权重和接收天线权重并且至少发射发射天线权重到站200，使得后者可以在下一次发射中使用它们。

前导的结构可以被使用，无论使用什么样的发射机制(例如OFDM、单个载体、单个载体块发射或某种其它方法)。

该方法有可能确保波束形成权重的计算而无需发射到其他站的反馈。而且，在单个前导中，站能够获得最优的波束形成权重，并且可以在数据的每次发射时适应这些权重(weight)。

在本说明书和权利要求中，元件前面的文字“一”不排除多个这样的元件的存在。而且，文字“包括”不排除所列出之外的其他元件的存在。权利要求中的括号内所包含的附图标记意在帮助理解而并不是限制。

通过阅读本公开，本领域技术人员将清楚其他的修改。这些修改可以涉及无线通信领域中已知的和可以代替本文已经描述的特征使用的或除了本文已经描述的特征之外而使用的其他特征。

Claims (13)

1.一种用于将信号从第二站传输到第一站的方法，所述第一站具有包含多个天线的天线阵列，所述方法包括以下步骤：

(a)在每个天线上接收具有配置字段和数据字段的相应的模拟信号，所述配置字段包括重复多次的训练符号，

(b)将至少两个模拟信号组合为一个组合信号，其中在每个训练符号重复期间，调整所述多个天线的至少一个天线参数并且测量所述组合信号，以及

-计算一组天线权重，其被应用于在用于接收数据字段的天线阵列上的模拟波束形成。

2.权利要求1的方法，其中所述组合信号在被测量之前被数字化。

3.前述权利要求中任一项的方法，其中所述天线参数包括每个天线信号的相位和幅度。

4.前述权利要求中任一项的方法，其中所述配置字段包括训练符号的重复次数的指示。

5.前述权利要求中任一项的方法，其中训练符号的重复次数是预定的。

6.权利要求1-4的方法，进一步包括在步骤(a)之前的下列步骤：从第一站向第二站发送告知天线阵列的天线数量的信号。

7.权利要求6的方法，其中训练符号的重复次数是根据第一站的天线的数量确定的。

8.前述权利要求中任一项的方法，其中第二站包括具有多个发射天线的发射天线阵列，并且该方法进一步包括：

在发射站，在每个训练符号重复期间调整多个发射天线的第二站的至少一个天线参数，

在第一站，计算一组发射天线权重和一组接收天线权重，

在第一站，发送将在下一次发射期间使用的发射天线权重组。

9.前述权利要求中任一项的方法，其中第二站包括具有多个发射天线的发射天线阵列，该方法包括：在第二站使用全方向辐射模式启动与接收站的通信。

10.前述权利要求中任一项的方法，其中第一站指示由第二站在下一次发射信号中使用的位速率，所述位速率根据组合信号的信号质量来选择。

11.一种接收站，其包括：

天线阵列，包含多个天线，用于在每个天线上接收具有配置字段和数据字段的相应的模拟信号，所述配置字段包括重复多次的训练符号，

组合装置，用于将至少两个模拟信号组合为一个组合信号，

调整装置，用于在每个训练符号重复期间调整多个天线的至少一个天线参数，

测量装置，用于测量利用至少一个参数的每个设置获得的组合信号，以及

计算装置，用于计算一组天线权重，其被应用于调整装置，用于在接收数据字段的天线阵列上的模拟波束形成。

12.一种用于与如权利要求11所述的接收站通信的发射站，包括用于发射具有配置字段和数据字段的模拟信号的发射装置，所述配置字段包括重复多次的相同训练符号的序列，使得接收站可以利用相应的天线设置执行多个测量，以用于推导模拟波束形成。

13.一种具有重复多次的相同训练符号的序列的前导结构，该前导结构被配置成使得如权利要求11的接收站可以利用相应的天线设置执行多个测量，以用于推导模拟波束形成。

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