CN101926103A - 用于波束形成矢量的多级天线训练的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于波束形成矢量的多级天线训练的系统和方法。在一个实施例中，所述方法包括一种在无线通信系统中获得波束形成样式的方法，所述方法包括：接收具有不同收发器扇形样式的第一多个信号；测量与第一多个信号相应的链路质量的第一指示符；基于链路质量的第一指示符选择至少一个收发器扇形样式；接收具有不同收发器波束样式的第二多个信号，每个收发器波束样式与选择的所述至少一个收发器扇形样式相关联；测量与第二多个信号相应的链路质量的第二指示符；基于链路质量的第二指示符选择至少一个收发器波束样式。

Description

用于波束形成矢量的多级天线训练的系统和方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统中的波束形成。

背景技术

无线通信网络通常与不使用有线来实现通信装置之间的互连的电信网络相关联。通常使用一些类型的远程信息传输系统来实现无线电信网络，所述实现通常发生在网络的物理层，所述远程信息传输系统使用电磁波(诸如，无线电波)用于载波。

无线个域网(WPAN)是用于在多个装置(诸如，计算机、移动电话、个人数字助理、打印机、数字相机、电视、媒体播放器等)中进行通信的无线网络的一种类型。通常，WPAN覆盖10米到20米的小范围。最近开发了用于这种小范围网络通信的大量标准，包括但不限于：蓝牙和IEEE 802.15。

在诸如WPAN的一些通信系统中，可在发送器和接收器两者使用波束形成。在这样的系统的两端经常使用天线阵列，需要在发送载荷之前训练天线阵列。然而，天线训练引入了不希望的开销，因为天线阵列可能是不发送感兴趣的数据(诸如，音频或视频数据)的耗时处理。在任何通信系统中都期望最小化或降低开销量。

此外，由于WPAN涉及无线通信，网络内装置的移动不受有线连接的妨碍。然而，装置的移动或环境的改变会通过改变所述装置之间的信道特性而中断所述装置之间的通信。因此，需要一种在无线网络(诸如WPAN)中保持可靠发送和接收，而不引入不满意开销量的方法。

发明内容

技术方案

本开发的一方面是一种方法。

附图说明

图1是具有各种定向天线和全向天线的无线装置之间的无线网络的示图；

图2是示出根据一个实施例的用于通过无线介质传输数据的示例性通信系统的功能性框图；

图3是示出根据一个实施例的通信的示例性波束形成方案的示意性示图；

图4是示出可在示例性二级码本中找到的波束形成样式的示图；

图5是示出根据一个实施例的获得波束样式的方法的流程图；

图6是示出波束跟踪的方法的流程图。

具体实施方式

最优模式

本开发的一方面是一种在无线通信系统中获得波束形成样式的方法，所述方法包括：接收具有不同收发器扇形样式的第一多个信号；测量与第一多个信号相应的链路质量的第一指示符；基于链路质量的第一指示符选择至少一个收发器扇形样式；接收具有不同收发器波束样式的第二多个信号，每个收发器波束样式与选择的所述至少一个收发器扇形样式相关联；测量与第二多个信号相应的链路质量的第二指示符；以及基于链路质量的第二指示符选择至少一个收发器波束样式。

本开发的另一方面是一种获得波束形成样式的方法，所述方法包括：发送具有不同发送器扇形样式的第一多个信号；接收指示至少一个收发器扇形样式的选择的第一选择信号；发送具有不同发送器波束样式的第二多个信号，每个收发器波束样式与选择的所述至少一个收发器扇形样式相关联；以及接收指示至少一个收发器波束样式的选择的第二选择信号。

本开发的另一方面是一种在无线通信系统中获得波束形成样式的系统，所述系统包括：接收器，被配置用于接收具有不同收发器扇形样式的第一多个信号；测量模块，被配置用于测量与第一多个信号相应的链路质量的第一指示符；选择模块，被配置为基于链路质量的第一指示符选择至少一个收发器扇形样式；其中，接收器还被配置用于接收具有不同收发器波束样式的第二多个信号，每个收发器波束样式与选择的至少一个收发器扇形样式相关联；其中，测量模块还被配置用于测量与第二多个信号相应的链路质量的第二指示符；其中，选择模块还被配置为基于链路质量的第二指示符选择至少一个收发器波束样式。

本开发的另一方面是一种在无线通信系统中获得波束形成样式的系统，所述系统包括：发送器，被配置用于发送具有不同发送器扇形样式的第一多个信号；接收器，被配置用于接收指示至少一个收发器扇形样式的选择的第一选择信号；其中，发送器还被配置用于发送具有不同发送器波束样式的第二多个信号，每个收发器波束样式与选择的所述至少一个收发器扇形样式相关联；其中，接收器还被配置用于接收指示至少一个收发器波束样式的选择的第二选择信号。

本开发的另一方面是一种在无线通信系统中获得波束形成样式的系统，所述系统包括：用于接收具有不同收发器扇形样式的第一多个信号的装置；用于测量与第一多个信号相应的链路质量的第一指示符的装置；基于链路质量的第一指示符选择至少一个收发器扇形样式的装置；用于接收具有不同收发器波束样式的第二多个信号的装置，每个收发器波束样式与选择的所述至少一个收发器扇形样式相关联；用于测量与第二多个信号相应的链路质量的第二指示符的装置；以及基于链路质量的第二指示符选择至少一个收发器波束样式的装置。

本开发的另一方面是一种包括当被执行时引起处理器执行在无线通信系统中获得波束形成样式的方法的代码的可编程存储装置，所述方法包括：发送具有不同发送器扇形样式的第一多个信号；接收指示至少一个收发器扇形样式的选择的第一选择信号；发送具有不同发送器波束样式的第二多个信号，每个收发器波束样式与选择的至少一个收发器扇形样式相关联；以及接收指示至少一个收发器波束样式的选择的第二选择信号。

本开发的另一方面是一种在无线通信系统中获得波束形成样式的方法，所述方法包括：接收具有不同收发器波束样式的第一多个信号，每个收发器波束样式与特定收发器扇形样式相关联；测量与第一多个信号相应的链路质量的第一指示符；基于链路质量的第一指示符选择第一收发器波束样式；检测信道改变；在检测信道改变之后接收具有不同收发器波束样式的第二多个信号，每个收发器波束样式与特定收发器扇形样式相关联；测量与第二多个信号相应的链路质量的第二指示符；以及基于链路质量的第二测量从所述多个收发器波束样式选择第二收发器波束样式。

本开发的另一方面是一种获得波束形成样式的方法，所述方法包括：发送具有不同发送器波束样式的第一多个信号，每个收发器波束样式与特定收发器扇形样式相关联；接收指示第一收发器波束样式的选择的第一选择信号；检测信道改变；响应于信道改变的检测，发送具有不同发送器波束样式的第二多个信号，每个发送器波束样式与特定收发器扇形样式相关联。

本开发的另一方面是一种构造多级码本的方法，所述方法包括：确定包括第一收发器扇形样式的多个收发器扇形样式；确定多个第一收发器波束样式，每个第一收发器波束样式与第一收发器扇形样式相关联；以及将多个收发器扇形样式和多个收发器波束样式存储为多级码本。

发明模式

本申请要求于2008年1月25日提交的61/023,802号美国临时申请的权利，该公开合并于此以资参考。

特定实施例提供了一种在无线网络中获得波束形成样式的方法和系统。以下详细描述致力于本发明的特定示例实施例。然而，可以以如权利要求限定和覆盖的多种不同方法来实施本发明。在所述描述中，参考始终使用相同的标号指定相同的部件的附图。

WPAN系统概述

无线个域网(WPAN)系统是靠近个人的装置(例如，电话和个人数字助理)之间的通信中使用的计算机网络。所述装置可以属于个人，也可以不属于个人。WPAN的范围通常是几米，但是在特定情况下可以更多。WPAN可以用于在装置之间通信，或者与更高等级的网络(诸如互联网)互连。最近已经开发了用于网络通信的大量标准，包括但不限于：蓝牙和IEEE 802.15。

由于WPAN涉及无线通信，网络内装置的移动不受有线连接的妨碍。然而，装置的移动或环境的改变会通过改变所述装置之间的信道特性而中断所述装置之间的通信。因此，需要一种在无线网络(诸如WPAN)中保持可靠发送和接收，而不引入不满意开销量的方法。

图1是根据一个实施例的响应于诸如装置移动或环境改变的事件而保持可靠发送和接收的示例性无线个域网的示图。示出的网络100包括协调器120、第一装置130、第二装置140和第三装置150。协调器120、第一装置130、第二装置140和第三装置150可使用包括不同调制和编码方案、不同协议、不同随机接入方案和不同频带的各种不同参数进行通信。

协调器120可负责协调其本身与其它装置之间的数据传送。协调器120可将无线信道划分为多个时间段，并在这些时间段期间调度特定装置之间的通信。协调器120可以是例如电视、机顶盒、个人计算机、膝上型计算机或专用控制盒。

在图1的网络100中，协调器120用于与第一装置130、第二装置140、第三装置150执行定向发送和/或接收。协调器120可利用扇形天线或天线阵列用于定向发送和/或接收。当使用诸如喇叭天线的扇形天线时，每个扇形121表示沿着轴远离可用于数据的发送或接收的协调器120的不同的方向。协调器120选择扇形，当选择了扇形时，协调器120能够在由扇形的形状限定的总体方向上发送或接收数据。如本领域技术人员所知和以下描述的，当使用诸如线性阵列或圆形阵列的天线阵列时，由天线波束形成系数确定每个方向。

第一装置130可使用全向发送和接收。第二装置140可使用具有比协调器120更多或更少的扇形的扇形天线。此外，第三装置150可使用具有与协调器120相同数量的扇形的扇形天线。第一装置130、第二装置140、第三装置150的每一个可以是例如电视、桌上型计算机、膝上型计算机、机顶盒、DVD播放器或记录器、VCR、音频播放器、数码相机、便携式摄像机、游戏装置或者诸如鼠标、键盘、打印机或扫描仪的计算机外设。

在定向发送中，协调器120或者一个或多个装置也可以使用波束形成。在一些实施例中，协调器120或者一个或多个装置可以使用不对称天线系统(AAS)，形成发送和接收方向的不同集。

图2是示出示例无线个域网(WPAN)系统200的概括性框图。示例WPAN系统200包括无线发送器202和无线接收器204。发送器202包括物理(PHY)层206、媒体访问控制(MAC)层208、上层210和一个或多个天线。相似地，接收器204包括PHY层214、MAC层216、上层218和一个或多个天线。在一些实施例中，PHY层206、214包括射频(RF)模块207、217。PHY层206、214通过无线介质201经由RF模块207、217和一个或多个天线在发送器202与接收器204之间提供无线通信。

上层210、218表示分别在MAC层208、216之上的一个或多个层，并且将命令和/或数据消息发送到MAC层。在特定实施例中(例如，OSI或TCP/IP模型)，上层210、218包括网络层。在特定实施例中，网络层包括执行使数据包从源到目的地的基本任务的IP协议。在其它实施例中(例如，五层TCP/IP模型)，上层210、218还包括传输层和应用层。在其它实施例中(例如，七层OSI模型)，除了传输层和应用层之外，上层210、218还包括会话层和表现层。

在无线发送器202中，上层210将数据(例如，文本、图形或音频数据)和/或命令消息提供给MAC层208。在特定实施例中，MAC层208可包括将数据和/或命令消息输入为一个或多个数据包的形式的打包模块(未示出)。MAC层208随后将数据包传递给PHY层206。发送器202的PHY/MAC层将PHY头和MAC头添加到数据包。PHY层206在无线信道201经由RF模块207将包括数据包的无线信号发送到接收器204。

在无线接收器204中，PHY层214经由RF模块217接收包括数据包的发送的无线信号。PHY/MAC层214、216随后处理接收的数据包以提取一个或多个数据/命令消息。提取的数据/命令消息被传递到上层210，在上层210所述消息被进一步处理，和/或被传送到例如将被显示(文本或图形)或播放(音频)的其它模块或装置。

一般波束形成

发送和/或接收波束形成具有在无线通信中充分提高链路质量的潜力。对于典型的多输入/多输出(MIMO)系统，在发送器端的数模转换(DAC)操作之前，接收器端的模数转换(ADC)操作之后，在数字域实现发送和/或接收波束形成。数字波束形成系统的优良性能以min(N，M)RF链的成本实现，其中，N是发送器天线的数量，M是接收器天线的数量。该成本会变得相当可观，尤其当采样频率增加时。当成本-效益成为主导的系统设计问题时，由于仅需要一个RF链，模拟波束形成更加有利。

我们接下来示出用于MIMO OFDM(正交频分复用)系统的模拟波束形成，该方案也可以应用于MIMO单载波调制系统和其它各种变形。假设K是用于OFDM调制的子载波的数量，N是发送器天线的数量，M是接收器天线的数量。另外，假设发送波束形成矢量是接收波束形成矢量是

另外，令L+1为用于每对发送天线和接收天线的多径信道抽头(tap)的最大数量。在没有一般性损失的情况下，使K＞＞L+1(即，OFDM子载波的数量远多于任意一对发送器天线和接收器天线之间的多径信道抽头的最大数量)是合理的。此外，令成为第i接收天线与第j发送天线之间的多径信道脉冲响应，添加0从而每个矢量

的大小是K×1。总共有M×N个这样的信道矢量，每一个相应于一个发送天线和接收天线对。令S＝diag(S₁，S₂，...，S_K)成为包含OFDM系统中的所有K个数据子载波的对角矩阵。因此，在波束形成之后的第j发送器天线上的发送的矢量(在OFDM符号期间)是[w_js₁，w_js₂，...，w_js_K]，j＝1，2，...，N。由于OFDM调制对角化多径信道，故第i接收天线上的接收的矢量(在OFDM符号期间)可以被写为其中，

是与时域信道相应的频率信道响应，w_j是第j发送波束形成系数，F_K是K×K傅里叶变换矩阵。在接收器端，将通过接收波束形成矢量来组合穿过所有M个接收器天线的接收的矢量

其中，v_i是第i接收波束形成系数。因此，组合的信号矢量可被写为

$\stackrel{\→}{z}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i{\stackrel{\→}{y}}_i=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{j}S\stackrel{\→}{c_{\mathrm{ij}}}=S\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j\stackrel{\→}{c_{\mathrm{ij}}}$

$\stackrel{\→}{z}=S\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i{A}_i\stackrel{\→}{w}$

$\stackrel{\→}{z}=\mathrm{SA}\stackrel{\→}{v}$

其中，K×N矩阵A_i被定义为

K×N矩阵A被定义为 $A=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i{A}_i.$

相似地，接收信号矢量可被写为

$\stackrel{\→}{z}=S\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i\stackrel{\→}{c_{\mathrm{ij}}}$

$\stackrel{\→}{z}=S\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j{B}_j\stackrel{\text{\→}}{v}$

$\stackrel{\→}{z}=\mathrm{SB}\stackrel{\→}{w}$

其中，K×N矩阵B_i被定义为

K×N矩阵B被定义为 $B=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j{B}_j.$

为了优化发送和接收波束形成矢量，本发明的一个实施例找出共同地最小化两个任意信息码之间的成对差错概率(PEP)的发送和传输波束形成矢量。为了达到这个目的，本发明的一个实施例同时解决以下两个问题：按照

最大化和按照

最大化

注意到矩阵A取决于矢量

矩阵B取决于矢量

由于这个原因，不能够容易地解决上述两个问题。图3是示出MIMO OFDM系统的示例性波束形成方案的示图。本公开的发明还可应用于非OFDM调制的方案，诸如，单载波调制的系统。在一个实施例中，系统300用于实现模拟波束形成。系统300包括发送器310和接收器320。发送器310包括用于执行傅里叶逆变换的模块302、用于执行数模转换和混合的模块303、发送器波束形成器305和发送器天线221。接收器320包括用于执行傅里叶变换的模块312、用于执行模数转换和混合的模块313、接收器波束形成器315和接收器天线222。发送器310和接收器320彼此联合地执行波束形成。

在发送器端，将由矢量

表示的数据被输入到系统300中。在一个实施例中，数据是未压缩的高清晰度视频数据。在傅里叶逆变换(IFFT)302以及数模转换和混合303之后，将调制的数据输入到发送器波束形成器305。发送器波束形成器305的权重由变量w_i(i＝1，2，...，N)表示，其中，N是发送器天线221的数量。在由发送器波束形成器305加权之后，由发送器天线221通过无线信道201发送由接收器天线222接收的数据。接收器波束形成器315作用于接收的数据以将它们组合。接收器波束形成器315的权重由变量v_i(i＝1，2，...，M)表示，其中，M是接收器天线222的数量。在由接收器波束形成器315处理之后，通过混合器和模数转换器313输入接收器数据。另外，对数据执行傅里叶变换312以产生由矢量

表示的OFDM解调的数据311。

波束形成矢量训练

可以以多种方式进行波束形成器的权重的选择，包括自适应训练或通过从作为候选波束形成样式的集合的码本选择权重集。码本的每个候选波束形成样式是用于产生特定波束形成样式的波束形成器的每个天线的权重的集。在WPAN系统中，码本可包括32个或64个候选波束形成样式，表示存在实施码本的装置可发送或接收数据的32个或64个方向。

在本发明的一个实施例中，存在具有N_T个天线元件的发送器，发送器波束形成器码本大小是N_T×N₁，其中，N₁是发送器的候选波束形成样式的数量。还存在具有N_R个天线元件的接收器，接收器波束形成器码本大小是N_R×N₂，其中，N₂是接收器的候选波束形成样式的数量。将发送器的波束形成样式指定为A(1)，A(2)，...，A(N₁)，接收器的波束形成样式指定为B(1)，B(2)，...，B(N₂)。

一种天线训练方法以强力(brute-force)方式工作。根据该方法，发送器穷尽地扫描所有可能的N₁个波束形成样式A(1)到A(N₁)，接收器同样穷尽地扫描所有可能的N₂个波束形成样式B(1)到B(N₂)。A(i)和B(j)(i＝1，...，N₁，j＝1，...，N₂)的每个组合与唯一收发器样式相应。完成所述训练的时间与N₁×N₂×T有关，其中，T是每个收发器样式的驻留时间。在一些实施例中，N₁或N₂是1。在这样的例子中，发送器或接收器的波束形成样式可以有利地为全向，但是不总是这种情况。因此，“收发器波束形成样式”可包括发送器波束形成样式、接收器波束形成样式或者发送器波束形成样式和接收器波束形成样式两者。

由于在该处理中没有传递信息，故将用于训练天线的所有时间计算为开销。与强力天线训练相关联的开销可能是实质性的，尤其是如果N₁×N₂大。在诸如60GHz的高频，由于可从天线阵列收发器期望非常大的天线波束形成增益，故这可以是所述情况。

在此公开的另一方法和协议涉及多级逼近。为了能够进行所述多级逼近，发送器和接收器两者可处理多级码本结构。

在本发明的一个实施例中，采用二级逼近，发送器和接收器的每一个具有两个集的波束形成器码本，第一波束形成器码本是粗糙分辨率，第二波束形成器码本是精细分辨率。如下面所用的，“扇形样式”通常表示具有比第二等级更粗糙的分辨率的第一等级的样式。第二等级的样式下面通常表示为“波束样式”。此外，“收发器扇形样式”可包括发送器扇形样式、接收器扇形样式或者发送器扇形样式和接收器扇形样式两者。同理，“收发器波束样式”可包括发送器波束样式、接收器波束样式或者发送器波束样式和接收器波束样式两者。在一些实施例中，例如扇形码本的第一码本能够共同覆盖整个空间，但不总是这种情况。相似地，在一些实施例中，例如波束码本的第二码本能够共同覆盖整个空间，但也不总是这种情况。

图4是示出可在发送器或接收器的二级码本中发现的波束形成样式的示图。在所示的实施例中，由C₁表示的第一波束形成器码本包含两个扇形样式P(1)和P(2)，而由C₂表示的第二波束形成器码本包含八个波束样式T(1)、T(2)、T(3)、T(4)、T(5)、T(6)、T(7)和T(8)。所述实施例的每个码本覆盖整个空间，但这在其它实施例中不是必要条件。码本C₁中的每个扇形样式具有与码本C₂中的波束样式的组相似的覆盖。具体地，扇形样式P(1)具有与组[T(1)，T(2)，T(3)，T(4)]大体相似的覆盖，扇形样式P(2)具有与组[T(5)，T(6)，T(7)，T(8)]大体相似的覆盖。

在一些实施例中，扇形码本中的每个扇形与波束码本中的波束的组相关联，波束的组全体具有与扇形相似的覆盖。例如，发送器的候选波束形成矢量的数量N₁可被表述为N₁＝D₁×F₁，其中，D₁是可被表示为P(1)，...，P(D₁)的发送器扇形码本的大小，F₁是组大小。为了天线训练的目的，保持两个码本，其中，第一码本是包含P(i)(i＝1，...，D₁)的扇形码本，第二码本是包含T(i)(i＝1，...，N₁)的波束码本。通常，扇形样式P(i)(i＝1，...，D₁)可具有与组[T((i-1)×F₁+1)，...，T(i×F₁)]相似的覆盖。如上所述，在一些实施例中，波束样式的组[T((i-1)×F₁+1)，...，T(i×F₁)]可被视为P(i)的更好的表现。在多级波束形成器码本的设计中还可使用其它的方法和标准。例如，可通过将波束样式的天线权重求和来形成与波束样式的组相应的扇形样式的天线权重。还可通过例如归一化求和的结果来处理扇形样式的天线权重。

上面讨论了发送器的二级波束形成器码本的构造。可根据相同的原理为接收器构造二级波束形成器码本。

接收器扇形码本	接收器波束码本
		Q(1)	[R(1)，...，R(F2)]
Q(2)	[R(F2+1)，...，R(2×F2)]
		...	...

Q(D2)

[R(N2-F2+1)，...，R(N2)]

表1

在上表中示出示例，其中，[Q(1)，...，Q(D₂)]形成接收器扇形码本，D₂是码本大小，F₂是组大小，[R(1)，...，R(N₂)]形成接收器波束码本，N₂＝D₂×F₂。在一些实施例中，波束形成器Q(i)具有与组[R((i-1)×F₂+1)，...，R(i×F₂)](i＝1，...，D₂)相似的覆盖。

拟想N₁和N₂可以是不同大小。相似地，D₁和D₂可以是不同大小，F₁和F₂可以是不同大小。在特定实施例中这些数字也可以是相同的。还拟想每个扇形的组大小可以不同。例如，Q(1)可具有与全体R(1)，...，R(F₂)相似的覆盖，其中，F₂是组大小，Q(2)可具有与全体R(F₂+1)，...，R(F₂+F₃)相似的覆盖，其中，F₃是组大小，F₂可以与F₃不同。这可应用于发送器码本和接收器码本。一个直接结果是组大小(F₁，F₂，F₃...)可以不是N₁或N₂的因子(factor)。

可通过搜索上述的码本或不同码本的集来执行通信系统的发送器或接收器波束形成器的权重的选择。图5是示出选择波束样式的方法的流程图。处理500开始于方框510，接收具有不同收发器扇形样式的多个信号。

在一些实施例中，执行D₁×D₂个扇形样式对的穷尽搜索。例如，对于图4中示出的码本，接收可被表示为[P(1)Q(1)]、[P(1)Q(2)]、[P(2)Q(1)]和[P(2)Q(2)]的具有收发器样式的信号。因此，对于该示例，扇形样式的穷尽搜索包括接收四个扇形训练信号。

对于每个接收的信号或其子集，在方框520，测量链路质量的指示符。通常，子集可包括仅集的一个元素、集的至少两个元素、集的至少三个元素、集的元素的重要部分(例如，至少10％、20％、30％)、集的大部分元素、集的几乎全部元素(例如，至少80％、90％、95％)或集的全部元素。链路质量的指示符可以与本领域的技术人员指定的链路质量指示符(LQI)相应，和/或可包括信噪比(SNR)、信扰噪比(SINR)、比特差错率(BER)、包差错率(PER)、接收的信号强度指示(RSSI)或者任何其它信号、信道或本领域技术人员可用的链路质量的指示符。

测量链路质量的指示符，或实际上与在此公开的实施例联合描述的方法或算法的任意步骤可在硬件中、由处理器执行的软件模块中或在两者的组合中直接实现。软件模块可存在于例如RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM或本领域公知的任何形式的存储器介质。示例性存储器介质连接到处理器，从而处理器可从存储器介质读取信息并将信息写入到存储器介质。或者，存储器介质可以与处理器集成。处理器和存储器介质可存在于ASIC或任何合适的商业可用芯片组。

在方框530，选择至少一个收发器扇形样式。在特定实施例中，所述选择基于在方框520中测量的链路质量的指示符。在一个实施例中，选择与最佳链路相应的收发器扇形样式。在一些实施例中，也可选择和存储其它不太好的扇形样式以用于将在后面详细描述的波束跟踪算法。可存储或发送指示选择的收发器波束样式的信号。例如，如果收发器扇形样式包括发送器扇形样式，则选择的发送器扇形样式可以与发送器通信。通常，选择收发器扇形样式的子集，可存储、发送和/或使用子集用于数据通信。

在方框540，接收具有不同收发器波束样式的多个信号。在一个实施例中，收发器波束样式与在方框530中选择的收发器扇形样式相关联。例如，如果已经选择了收发器样式[P(1)Q(2)]，则相应于具有发送器波束样式T(1)、T(2)、T(3)或T(4)和接收器波束样式R(5)、R(6)、R(7)或R(8)的收发器波束样式来接收信号。在一些实施例中，执行F₁×F₂个波束样式对的穷尽搜索。

使用例如上述对方框520描述的处理，在方框550，对接收的信号的子集测量链路质量的指示符。在方框560，选择至少一个收发器波束样式。在一些实施例中，波束样式的选择基于测量的指示符。例如，可选择与具有链路质量的最高指示符的链路相应的收发器波束样式。随后可使用选择的收发器波束样式在所述链路上在发送器与接收器之间鲁棒性地通信数据。在一些实施例中，也可选择和存储其它不太好的波束样式以用于将在后面详细描述的波束跟踪算法。可存储或发送指示选择的收发器波束样式的信号。例如，如果收发器波束样式包括发送器波束样式，则选择的发送器波束样式可以与发送器通信。通常，选择收发器波束样式的子集，可存储、发送和/或使用子集用于数据通信。

如上所述，用于穷尽地搜索每个发送器/接收器波束形成样式对的开销量与N₁×N₂×T有关。相似地，用于穷尽地搜索所有发送器/接收器扇形样式对的开销量与D₁×D₂×T有关，用于穷尽地搜索与一个发送器/接收器扇形样式对相关联的波束样式对的开销与F₁×F₂×T有关。例如，如果对扇形样式对执行穷尽搜索，则选择N_cand个扇形样式对，执行相关联的波束样式对的穷尽搜索，在一些实施例中，全部开销与具有为一到三的N_cand的[D₁×D₂+F₁×F₂×N_cand]×T相关联。在其它实施例中，N_cand大于三，诸如真实地在一些实施例中N_cand在五与七之间。另一方面，强力训练的全部开销与N₁×N₂×T＝D₁×D₂×F₁×F₂×T有关。

通过使用二级天线训练方法，可以极大地减少训练开销(以及相关联的复杂性)。实际上，通过分别按照N₁和N₂的平方根的顺序选择D₁和D₂以及选择F₁和F₂，全部开销粗略地减少到原始开销的平方根。例如，如果N₁和N₂均为36，D₁、D₂、F₁和F₂是6，则如果N_cand是1，全部开销从1296的顺序减少到72的顺序，如果N_cand是2，全部开销从1296的顺序减少到108的顺序，如果N_cand是3，全部开销从1296的顺序减少到144的顺序。实现至少9倍的开销减少。

上述已经公开了二级天线训练方法，然而，可使用相似的过程实现三级、四级等训练方法。例如，可存在具有大量样式的三等级波束形成器码本，所述大量样式具有比二级的波束样式更佳的分辨率。这样的样式可以是指定的子波束样式或引脚(pin)样式。如另一示例，可存在具有大量样式的三等级波束形成器码本，所述大量样式具有比一级的扇形样式更粗糙的分辨率。这样的样式可以是指定的超级扇形样式或准全向样式。此外，发送器和接收器的等级的数量可以不同。因此，每个等级的顺序也可以相反(traversed)。

基于列表的天线跟踪

在一些实施例中，天线训练(传统强力搜索或多级搜索)引入了以下问题：如果信道经历慢、小的改变，则必须再次执行完整天线训练以跟踪这些改变。

在一些实施例中，天线跟踪方法用于跟踪慢、小的信道改变，从而仅执行部分天线训练(与完整天线训练相比)。部分天线训练(或天线跟踪)的一个好处是引起的开销比完整天线训练小得多。如上所述，可以以多种方式选择波束形成器的权重，包括自适应训练或通过从码本选择权重集。虽然在天线训练的上下文中提到，但是其在天线跟踪的上下文中也是真实的。因此，可以自适应地或通过使用候选波束形成矢量的列表来执行天线跟踪。在此公开基于列表的天线跟踪方法。

为了执行基于列表的天线训练，在一些实施例中，在执行每个天线训练过程之后，保持最佳候选收发器样式的列表。例如，如果在天线训练协议的输出，最佳候选发送器/接收器波束形成矢量是[v₁ w₁]，则在一些实施例中，v₁被反馈到发送器，可使用作为发送器和接收器波束形成矢量的v₁和w₁开始数据通信。收发器样式[v₁ w₁]可以是例如来自图4中示出的码本的[T(2)R(6)]。

在另一实施例中，利用基于列表的天线跟踪，然而，不仅产生最佳候选[v₁ w₁]，还保持其它最佳候选(例如，第二最佳、第三最佳、第四最佳等)的列表。所述列表可被形成为

[v₂ w₂]

[v₃ w₃]

[v₄ w₄]

[v_n w_n]

v₂...v_n和w₂...w_n是选择的候选发送器和接收器波束形成矢量。同时，v₁被反馈到发送器，v₂，v₃，...，v_n也可被反馈到发送器。

因此，一旦信道经历慢、小的改变，取代于再次运行完整天线训练过程，以及对每个可能的波束形成矢量执行强力搜索或执行多级天线训练过程，在一些实施例中，仅对最佳候选的列表执行搜索已更新发送和接收波束形成矢量。

图6是示出波束跟踪的方法的流程图。处理600开始于方框610，完成天线训练过程。天线训练过程可以是例如图5中示出的过程500。或者，训练过程可以是不同多级天线训练过程或强力训练过程。

在方框620，将候选收发器样式的列表反馈到发送器。在一些实施例中，候选收发器样式仅包括发送器样式，而在其它实施例中，候选收发器样式包括发送器样式和接收器样式两者。在这样的实施例中，反馈收发器样式的接收器样式部分是可选的。

在方框630，使用选择的收发器样式执行波束形成。可在使用选择的收发器样式建立的链路上执行数据通信。继续通信和/或波束形成，直到在方框640确定信道已经改变。可通过在通信期间测量链路质量的指示符来执行这样的确定。例如，当信噪比降低时可确定信道已经改变。在方框650进一步确定信道改变是否是显著改变。如果确定天线跟踪过程有可能会收敛失败、如果确定天线跟踪过程已经收敛失败、如果确定天线跟踪过程可能会引入比天线训练过程更多的开销或如果天线跟踪过程已经待机了预定量的时间，则可认为信道改变是显著的。如果这样的话，则过程返回方框610，等待天线训练过程的完成。

如果信道已经改变，但是不是显著改变，则处理进行到方框660，对候选收发器样式的列表执行搜索以尝试提高链路质量。一旦基于搜索候选收发器样式的列表已经选择了新的最佳收发器样式，则处理返回方框630，使用新选择的收发器样式执行波束形成。

在其它实施例中，不反馈候选收发器样式，然而，通过在已经被选择的扇形内搜索波束来执行波束跟踪。在具有多于二级的多级实施例中，系统可使用由矢量[(a，b，c)，(x，y，z)]描述的波束形成样式，其中，a是为发送器选择的扇形的索引，b是为发送器选择的波束的索引，c是为发送器选择的引脚的索引，x是为接收器选择的扇形的索引，y是为接收器选择的波束的索引，z是为接收器选择的引脚的索引。在波束跟踪过程的另一实施例中，曾经使用由[(a，b，c)，(x，y，z)]描述的波束形成样式的系统将搜索使用相同扇形和波束(例如，[(a，b，i)，(x，y，j)]，对于所有的i和j)的其它引脚。如果没有产生具有超过某些阈值的性能指标(诸如，链路质量的指示符)的波束样式，则系统将搜索使用相同的扇形(例如，[(a，m)，(b，n)]，对于所有的m和n)的其它波束。如果找到适合的波束，则可选择所述波束并可开始搜索合适的引脚。如果没有找到适合的波束，则波束跟踪失败，可在扇形等级开始执行完整样式搜索。

在2007年9月28日提交的名为“使用波束形成采集协议的未压缩的高清晰度视频数据的无线通信的系统和方法(System and method for wireless communication of uncompressed high definition video data using a beamforming acquisition protocol)”的美国专利申请11/864,707号中讨论了可合并在此描述的一些创造性方面的波束跟踪过程，该全部公开合并于此以资参考。

虽然上述描述已经指出了本发明应用于各种实施例的新颖性特征，但是技术人员应该理解：在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所示的装置或处理进行形式和细节上的各种省略、替换和改变。

因此，本发明的范围是由权利要求限定，而不是由先前描述限定。在权利要求的等同物的意义和范围内的所有改变落入其范围内。

Claims (36)

1.一种在无线通信系统中获得波束形成样式的方法，所述方法包括：

接收具有不同收发器扇形样式的第一多个信号；

测量与第一多个信号相应的链路质量的第一指示符；

基于链路质量的第一指示符选择至少一个收发器扇形样式；

发送第一选择信号，所述第一选择信号包括指示选择的所述至少一个收发器扇形样式的数据；

接收具有不同收发器波束样式的第二多个信号，每个收发器波束样式与选择的所述至少一个收发器扇形样式相关联；

测量与第二多个信号相应的链路质量的第二指示符；以及

基于链路质量的第二指示符选择至少一个收发器波束样式。

2.如权利要求1所述的方法，其中，收发器扇形样式包括：发送器扇形样式、接收器扇形样式或者发送器扇形样式和接收器扇形样式两者，

其中，收发器波束样式包括：发送器波束样式、接收器波束样式或者发送器波束样式和接收器波束样式两者。

3.如权利要求1所述的方法，其中，第一多个信号包括与每个收发器样式相应的信号。

4.如权利要求1所述的方法，其中，链路质量的指示符包括以下至少一个的指示符：信噪比(SNR)、信扰噪比(SINR)、比特差错率(BER)、包差错率(PER)或接收器信号强度指示(RSSI)。

5.如权利要求1所述的方法，其中，选择至少一个收发器扇形样式的步骤包括：选择产生最高信噪比的发送器扇形样式和接收器扇形样式。

6.如权利要求1所述的方法，还包括：发送第二选择信号，所述第二选择信号包括指示选择的所述至少一个收发器波束样式的数据。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：接收具有指示选择的收发器波束样式的数据的信号。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述数据是音频数据或视频数据。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述数据是未压缩的高清晰度数据。

10.如权利要求1所述的方法，在接收第一多个信号之前还包括：

接收具有不同收发器准全向样式的第三多个信号；

测量与第三多个信号相应的链路质量的第三指示符；以及

基于链路质量的第三指示符选择至少一个收发器准全向样式。

11.如权利要求1所述的方法，还包括：

接收具有不同收发器引脚样式的第三多个信号，每个收发器引脚样式与选择的所述至少一个收发器波束样式相关联；

测量与第三多个信号相应的链路质量的第三指示符；以及

基于链路质量的第一指示符选择至少一个收发器引脚样式。

12.一种获得波束形成样式的方法，所述方法包括：

发送具有不同发送器扇形样式的第一多个信号；

接收指示至少一个收发器扇形样式的选择的第一选择信号；

发送具有不同发送器波束样式的第二多个信号，每个收发器波束样式与选择的所述至少一个收发器扇形样式相关联；以及

接收指示至少一个收发器波束样式的选择的第二选择信号。

13.如权利要求12所述的方法，其中，第一多个信号包括具有相同发送器扇形样式的多个信号。

14.如权利要求12所述的方法，其中，第一选择信号指示包括发送器扇形样式或者发送器扇形样式和接收器扇形样式两者的至少一个收发器扇形样式，其中，第二选择信号指示包括发送器波束样式或者发送器波束样式和接收器波束样式两者的至少一个收发器波束样式。

15.如权利要求12所述的方法，还包括：基于第二选择信号发送具有不同发送器波束样式的数据。

16.一种在无线通信系统中获得波束形成样式的系统，所述系统包括：

接收器，被配置用于接收具有不同收发器扇形样式的第一多个信号；

测量模块，被配置用于测量与第一多个信号相应的链路质量的第一指示符；

选择模块，被配置为基于链路质量的第一指示符选择至少一个收发器扇形样式；和

发送器，被配置用于发送第一选择信号，所述第一选择信号包括指示选择的所述至少一个收发器扇形样式的数据；

其中，接收器还被配置用于接收具有不同收发器波束样式的第二多个信号，每个收发器波束样式与选择的所述至少一个收发器扇形样式相关联；

其中，测量模块还被配置用于测量与第二多个信号相应的链路质量的第二指示符；以及

其中，选择模块还被配置为基于链路质量的第二指示符选择至少一个收发器波束样式。

17.如权利要求16所述的系统，其中，接收器包括扇形/开关天线阵列或相控天线阵列。

18.如权利要求16所述的系统，还包括：存储器，被配置用于存储链路质量的第一指示符、选择的收发器扇形样式、链路质量的第二指示符或选择的收发器波束样式中的至少一个。

19.一种在无线通信系统中获得波束形成样式的系统，所述系统包括：

发送器，被配置用于发送具有不同发送器扇形样式的第一多个信号；和

接收器，被配置用于接收指示至少一个收发器扇形样式的选择的第一选择信号；

其中，发送器还被配置用于发送具有不同发送器波束样式的第二多个信号，每个收发器波束样式与选择的所述至少一个收发器扇形样式相关联；和

其中，接收器还被配置用于接收指示至少一个收发器波束样式的选择的第二选择信号。

20.如权利要求19所述的系统，其中，发送器和接收器都包括天线。

21.如权利要求20所述的系统，其中，天线是扇形/开关天线阵列或相控天线阵列。

22.如权利要求19所述的系统，还包括：存储器，被配置用于至少存储选择的收发器波束样式。

23.一种在无线通信系统中获得波束形成样式的方法，所述方法包括：

确定包括第一收发器波束样式的多个收发器波束样式；

接收具有指示第一收发器波束样式的数据的信号；

检测信道改变；

在检测到信道改变之后接收具有所述多个收发器波束样式的多个信号；以及

基于链路质量的测量从所述多个收发器波束样式选择收发器波束样式。

24.如权利要求23所述的方法，其中，确定多个收发器波束样式的步骤包括：执行波束形成获得程序。

25.如权利要求23所述的方法，还包括：在接收多个信号之前，发送包括指示信道改变的检测的数据的检测信号。

26.一种获得波束形成样式的方法，所述方法包括：

确定包括第一收发器波束样式的多个收发器波束样式；

发送具有指示第一收发器波束样式的数据的信号；

发送具有所述多个收发器波束样式的多个信号；以及

接收指示从所述多个收发器波束样式的收发器波束样式的选择的选择信号。

27.如权利要求26所述的方法，其中，确定多个收发器波束样式的步骤包括：执行波束形成获得程序。

28.如权利要求26所述的方法，其中，检测信道改变的步骤包括：接收包括指示信道改变的检测的数据的信号。

29.一种构造多级码本的方法，所述方法包括：

确定多个收发器扇形样式；

确定多个收发器波束样式，每个收发器波束样式包含在收发器扇形样式内；以及

将所述多个收发器扇形样式和所述多个收发器波束样式存储为多级码本。

30.如权利要求29所述的方法，还包括：确定多个收发器引脚样式，每个收发器引脚样式包含在收发器波束样式内。

31.如权利要求29所述的方法，还包括：确定多个收发器准全向样式，每个收发器第二样式包含在收发器准全向样式内。

32.如权利要求29所述的方法，其中，多个收发器扇形样式共同覆盖全向方向。

33.如权利要求29所述的方法，其中，多个收发器波束样式共同覆盖由收发器扇形样式限定的方向。

34.如权利要求29所述的方法，其中，在方向覆盖方面，每个收发器扇形样式比每个收发器波束样式更宽。

35.如权利要求29所述的方法，其中，两个收发器扇形样式在方向覆盖上重叠。

36.如权利要求29所述的方法，其中，两个收发器波束样式在方向覆盖上重叠。

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