CN102017447A - 用于在多输入多输出系统中发射信号的方法及其设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种在MBVD系统中发射信号的方法。一种在多输入多输出(MIMO)系统中发射信号的方法，包括步骤：基于预定序列经由至少一个波束形成天线组发射训练信号，所述波束形成天线组包括多个天线；接收第一信息，所述第一信息指示多个波束形成天线组中的至少一个可用波束形成天线组；以及发射第二信息和天线权重信息，所述第二信息指示基于所述第一信息确定的波束形成天线组，所述天线权重信息与由所述第二信息指示的所述天线组发射的信号相关联。

Description

用于在多输入多输出系统中发射信号的方法及其设备
技术领域
本发明涉及多输入多输出(MIMO)系统，并且尤其涉及在MIMO系统中经由波束形成天线组发射信号的方法及其设备。
背景技术
近年来，随着信息通信技术的广泛传播，开发了各种多媒体服务和各种高质量服务并引入市场，因此全世界对无线通信服务的需求迅速增长。为了积极应对这种日益增长的需求，就必须增加通信系统的容量，并且必须提高数据传输的可靠性。
已经考虑了在无线通信情况下增加通信容量的各种方法，例如在所有频带中搜索新的可用频带的方法、提高给定资源效率的方法。在后一类方法的一个示例中，收发器可以包括多个天线，以额外地保证利用资源的空间区域，从而获得分集增益(diversity gain)。在后一类方法的另一个示例中，近年来很多公司和开发人员已经开发了多输入多输出天线(下面称为MIMO)通信技术，用于通过经由单个天线并行发射数据来提高传输容量。
发明内容
技术问题
因此，本发明涉及一种在多输入多输出(MIMO)系统中发射信号的方法，这种方法基本上消除了由于现有技术的限制和缺点带来的一个或多个问题。
本发明的目的是提供一种在MIMO系统中经由波束形成天线组发射信号的方法。
技术方案
为了实现这些目的和其他优点，以及根据本发明的目的，如这里具体实施以及广泛描述的，一种在多输入多输出(MIMO)系统中发射信号的方法，包括步骤：基于预定序列经由至少一个波束形成天线组发射训练信号，所述波束形成天线组包括多个天线。
所述方法还包括步骤：接收第一信息，所述第一信息指示多个波束形成天线组中至少一个可用波束形成天线组；以及发射第二信息和天线权重信息，所述第二信息指示基于所述第一信息而确定的波束形成天线组，所述天线权重信息与由所述第二信息指示的天线组所发射的信号相关联。
所述天线权重信息可应用于被确定的波束形成天线组，从而形成具有方向性的信号。
所述天线权重信息可应用于被确定的波束形成天线组，从而实现天线分集。
所述天线权重信息可包括发射单元的天线权重信息和接收单元的天线权重信息。
用于发射信号的方法可以在预定时间期间周期性地执行。
用于发射信号的方法可以重复预定次数。
所述方法还包括步骤：如果在经由确定的波束形成天线组相互通信的发射单元与接收单元之间的通信模式中出现通信故障，则经由所述第一信息所指示的另一个波束形成天线组恢复所述通信模式。
所述方法还包括步骤：执行跟踪操作，当发射单元经由被确定的波束形成天线组与接收单元通信时，所述跟踪操作根据通信状态适应性地调节天线权重值。
对每个波束形成天线组执行所述跟踪操作。
经由所述波束形成天线组发射的所述信号是“毫米波”信号。
为了实现这些目的和其他优点，以及根据本发明的目的，如这里具体实施以及广泛描述的，一种用于在多输入多输出(MIMO)系统中发射信号的设备，包括：天线，被配置为发射数据，并被配置为接收数据。
所述设备还可包括：控制器，所述控制器被配置用来控制基于预定序列经由至少一个波束形成天线组发射训练信号，所述波束形成天线组包括多个天线；所述控制器被配置用来控制接收第一信息，所述第一信息指示多个波束形成天线组中至少一个可用波束形成天线组；以及所述控制器被配置用来控制发射第二信息和天线权重信息，所述第二信息指示基于所述第一信息确定的波束形成天线组，所述天线权重信息与由所述第二信息指示的天线组发射的信号相关联。
所述天线权重信息可包括发射单元的天线权重信息和接收单元的天线权重信息。
经由所述波束形成天线组发射的信号是“毫米波”信号。
有益效果
根据本发明，在MIMO系统中发射信号的方法选择波束形成天线组并经由选定的波束形成天线组来发射信号。这样，本发明形成能将干扰程度最小化的波束，并利用该波束发射数据，因此它能改善通信性能。
本发明能经由选定的波束形成天线组来发射具有方向性的信号。此外，本发明能利用多个选定的波束形成天线组来执行分集方案或MIMO方案。
附图说明
附图用于提供对本发明进一步的理解，图示本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。其中：
图1是图示在无线网络环境下包括多个天线的发射/接收单元的方框图；
图2是图示根据本发明在无线网络环境下包括多个天线的发射/接收单元的方框图；
图3是图示根据本发明经由波束形成天线组发射信号的方法的流程图；
图4是图示根据本发明在通信故障情况下的通信恢复方法的流程图；以及
图5是图示根据本发明在通信模式下的波束跟踪过程的流程图。
具体实施方式
实现本发明的最佳模式
为了实现这些目标和其他优点，以及根据本发明的目的，如这里具体实施以及广泛描述的，一种在多输入多输出(MIMO)系统中发射信号的方法，包括步骤：形成至少一个波束形成天线组，所述波束形成天线组具有形成波束的多个天线；基于预定序列经由包含在所述波束形成天线组中的天线发射训练信号。
所述方法还包括步骤：接收第一信息，所述第一信息指示多个波束形成天线组中至少一个可用波束形成天线组；以及发射第二信息和天线权重信息，所述第二信息指示基于所述第一信息确定的波束形成天线组，所述天线权重信息与所述第二信息相关联。
所述设备还包括：控制器，所述控制器被配置用来控制形成若干个波束形成天线组，每个波束形成天线组包括形成波束的多个天线；所述控制器被配置用来控制基于预定序列经由包含在每个波束形成天线组中的天线控制发射训练信号，所述控制器被配置用来控制接收第一信息，所述第一信息指示多个波束形成天线组中至少一个可用波束形成天线组，以及所述控制器配置用来控制发射第二信息和天线权重信息，所述第二信息指示基于所述第一信息确定的波束形成天线组，所述天线权重信息与所述第二信息相关联。
下面详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中图示。
图1是图示在无线网络环境下包括多个天线的发射/接收单元的方框图。
参照图1，发射单元包括多个发射器10，接收单元包括多个接收器(未示出)和接收(Rx)MIMO处理器15，用于检测发射(Tx)信号。
在有限信道带宽环境下，MIMO技术可应用于发射单元和接收单元的每个。根据这种MIMO方案，发射单元和接收单元的每个包括多个收发器(例如多个天线)，并利用天线发射数据包(data packet)。MIMO方案在发射单元和接收单元的每个中包括多个天线，并将多种MIMO技术应用于发射单元和接收单元，因此单个天线同时并行发射数据。MIMO方案可发射不同的数据包，以提高数据传输效率，或者通过经由不同天线发射相同的数据包来获得天线分集增益。
理论上，由于是经由N个发射器10和N个接收器(未示出)来同时发射数据包，所以期望数据速率将增加N倍。但是，N个发射器10与N个接收器(未示出)之间的信道可能有干扰。为了解决这种干扰，可向发射单元和接收单元的每个添加复杂解码、滤波和检测算法，因此数据速率增长的下降与添加信息差不多。
因此，如果形成独立的信道，消除了单个信道之间的相互干扰而没有信道重叠，并且如果在可变衰落环境下能适应性地控制信道，则能最大化容量增加效应，并容易构造接收单元，从而改进MIMO效果。
本发明提供一种方法，用于把发射方向信号的天线阵列安装到发射单元和接收单元的每个，从而形成独立信道，通过适当控制独立信道将干扰最小化，同时通过适应性地控制信道环境变化来稳定MIMO效果。下面参照附图详细描述本发明的方法。
图2是图示根据本发明在无线网络环境下包括多个天线的发射/接收单元的方框图。
参照图2，发射单元包括多个发射器20、第一加权单元21和多个天线，其中第一加权单元21用于加权发射器20产生的信号序列。接收单元包括多个天线、第二加权单元24和接收(Rx)MIMO处理器25，其中第二加权单元24用于加权从天线接收的信号序列，接收(Rx)MIMO处理器25用于检测发射(Tx)信号。
根据本发明，发射单元和接收单元的每个中包含的天线可构成一个或多个组。在这种情况下，每个组指示用于形成方向性信号(即波束)的天线阵列，并包括一个或多个天线。下面将形成特定波束的天线阵列定义为波束形成天线组。
如图2所示，构成总共M个波束形成天线组。在这种情况下，每个波束形成天线组可包括相同数量的天线，并且单个组可具有不同数量的天线。一列串接起来的天线可构成图2所示的天线组，或者，天线组也可由任意散布的天线构成。为了发射方向性信号，优选地预定数量的串接的天线序列构成单一组。
可将这种波束形成天线组固定，或者根据信道条件适应性地控制，因此可将它重构为能够将容量最大化的组合。
本发明从若干个波束形成天线组中选择至少一个波束形成天线组，因此能经由选定的波束形成天线组来发射数据包。此外，本发明选择多个波束形成天线组，因此它能经由包含在每个波束形成天线组中的天线来发射数据包。
在这种情况下，如上所述，优选经由波束形成天线组传送的每个信号可具有方向性，并且可最小化单个波束形成天线组的Tx信号之间的干扰。上述情况也可对应于另一种状态，其中经由构成每个波束形成天线组的天线阵列来发射信号，但是天线阵列具有不同的相(phase)。
为了经由包含在一个或两个波束形成天线组中的天线利用方向性信号来发射数据包，优选向发射单元和接收单元的每个分配适当的权重。换言之，本实施例可向发射/接收单元分配适当的权重。通过适当的权重，本实施例能形成适合于当前信道条件的最佳波束，并能最小化经由单个组发射的Tx信号波束之间的干扰。
下面的方程式1表示考虑了应用于接收单元的权重的接收单元的接收(RX)信号的示例。
[方程式1]
R＝(WrHWt)+W
在方程式1中，R是接收(Rx)信号矢量，X是发射(Tx)信号矢量，W是噪声，Wt是将权重应用于发射单元的权重矢量，Wr是将权重应用到接收单元的权重矢量。H是随机MIMO信道特征。如果Tx天线的数量是M，并且Rx天线的数量是N，则H可由(M×N)矩阵来表示。在这种情况下，如果使用一些选定的波束形成天线组来发射信号，则可将M或N限制到包含在相应组中的Tx/Rx天线的数量。
在这种情况下，适当调节发射/接收单元处的权重矢量值，从而能够最小化经由单个波束形成天线组传送的信号之间的干扰。下面的表2在数字上表示通过调节后的权重，没有干扰的理想情况。
[方程式2]
Figure BPA00001185864300081
如方程式2所示，R1通过方程式(R1＝H1X2+W2)来表示，R2通过方程式(R2＝H2X3+W3)来表示，以及R3通过方程式(R3＝H3Xn+Wn，...Rn＝HnX1+W1)来表示。即，R1受H1影响，R2受H2影响，以及R3受H3影响，因此没有干扰效应。在这种情况下，接收单元可使用简单的算法来检测Tx信号。
虽然干扰成分没有准确到达方程式2所示的零(即，0)，但是因为每个波束形成天线组发射高度方向性信号，所以能显著降低信号之间的干扰水平。假定这个干扰水平为0，则通过与方程式2相同的算法，容易检测到Tx信号。无需说明，考虑到预定干扰，本发明可使用改进的算法。
此外，在选择性地使用若干个波束形成天线组的情况下，将分集方案和/或MIMO方案应用于经由单个波束形成天线组发射的数据包，因此能够附加地增加容量，并且还可以获得分集增益。在这种情况下，可将各种传统方案应用于分集方案和/或MIMO方案，因此分集方案和/或MIMO方案可将单一波束形成天线组用作单一天线。即，将经由每个波束形成天线组发射的方向性信号(即，具有方向性的信号)用作从单一天线发射的信号，因此本发明可根据分集方案和/或MIMO方案来发射信号，而不考虑Tx天线之间的干扰。
下述方程式3以数字表示根据分集方案发射信号的示例性情形。
[方程式3]
Figure BPA00001185864300091
将方程式3的“R1”与方程式2的“R1”作比较，由于(H11+H12+H13)，所以方程式3考虑至少3个信道，但是由于(H1X2+W)，所以方程式2只考虑1个信道(H1)，因此，可确认将分集应用于方程式3。
在这种情况下，附加的天线权重可用于分集方案或MIMO方案。在这种情况下，可使用天线权重，与用来经由每个波束形成天线组发射方向性信号的另一权重相独立。
优选地，考虑到信道条件，可将应用于每个天线或应用于每个波束形成天线组的天线权重确定为能从当前信道获得最佳增益的特定值。通过这种方式，为了反映确定权重值的当前信道条件，接收单元可向发射单元通知充当反馈信息的信道信息，其中，信道信息被视作从发射单元接收到的信号。
换而言之，如果已通过接收单元基于Rx信号确定的信道状态信息从接收单元反馈到发射单元，则发射单元可基于反馈信息确定最佳波束形成天线组或其权重。
图3是图示根据本发明经由波束形成天线组发射信号的方法的流程图。
下面参照图3描述根据本发明从若干个波束形成天线组中选择波束形成天线组以及经由选定的波束形成天线组发射信号的方法。
参照图3，每个装置包括多个天线，并且在步骤S30，将多个天线构成一个或多个波束形成天线组。但是并非任何时候选择波束形成天线组都总是进行上述步骤S30。
在步骤S31，发射单元经由每个波束形成天线组发射信号。在这种情况下，训练信号基于发射单元与接收单元之间共享的预定序列。训练信号根据需要可包括发射单元的标识信息。
在这种情况下，优选顺序地发射包含在发射单元中的若干波束形成天线组的Tx信号。即，在波束形成天线组#1发射信号之后，另一波束形成天线组#2发射信号，然后波束形成天线组顺序地发射信号。此外，一个或多个波束形成天线组可以根据需要以预定的时间间隔发射信号。
接收单元接收上述训练信号，因此它能执行信道估计和信号检测。接收单元将通过信号检测产生的结果信息反馈给发射单元，因此在步骤S32，发射单元接收上述信息，并选择一个或多个波束形成天线组。
接收单元可指示与全部或一些波束形成天线组相关联的信号检测结果。在这种情况下，根据前述信号检测结果，发射单元从波束形成天线组中选择一个最佳波束形成天线组，该最佳波束形成天线组中的每个具有比基准性能高的性能。这样，在步骤S33，发射单元能够确定一个或多个波束形成天线组。
同时，从接收单元发射的信息可直接指示发射具有比基准质量高的质量的信号的波束形成天线组的信息，或者可以指示任何有效波束形成天线组的其他信息。例如，上述信息可指示分配给每个波束形成天线组的索引信息。在使用上述指示可用波束形成天线组的信息的方法的情况下，与上述直接反馈检测结果的方法相比，能显著减少反馈信息量。
在这种情况下，发射单元接收对上述步骤S32可用的波束形成天线组的信息，例如，一个或多个波束形成天线组索引。发射单元可决定一个或多个在步骤S33要使用的波束形成天线组。在这种情况下，上述步骤S32的发射单元的Rx信息可包括波束形成天线组信息和上述检测结果(即，Rx信号强度信息)。
此外，在步骤S33可选择待使用的波束形成天线组，在步骤S33还可以确定要应用于选定波束形成天线组的权重。即，基于Rx信号强度信息可确定要应用于发射/接收单元的Tx/Rx信号的权重值。
在步骤S34，发射单元向接收单元通知波束形成天线组信息。在这种情况下，也可以通知应用于接收单元的权重值信息。
上述步骤S31～S32可根据需要重复若干次。
通过这种方式，如果从若干个波束形成天线组中选择至少一个波束形成天线组，则在步骤S35，利用选定的波束形成天线组执行通信模式。图3所示从若干个波束形成天线组中选择至少一个波束形成天线组的方法可称为波束搜索过程。该波束搜索过程可在通信模式的初始时间执行，或者也可在通信模式期间执行。
图4是图示根据本发明在通信故障情况下的通信恢复方法的流程图。
参照图4，在步骤S40，发射单元从接收单元接收第一信息，第一信息包括至少一个可用波束形成天线组的信息，因此在步骤S41决定至少一个波束形成天线组。在步骤S42将确定的信息(即，第二信息)发射到接收单元。图4的步骤S40、S41和S42实际上与图3的相应步骤等同。但是与图3不同的是，在下面将已经步骤在S41确定的波束形成天线组称为第一波束形成天线组。
当在步骤S43利用第一波束形成天线组执行发射单元与接收单元之间的通信模式时发生不期望的障碍，使得无线电环境由于障碍而改变，并且通信模式在步骤S44中止。在这种情况下，在步骤S45，发射单元利用包含在上述步骤S45中接收到的第一信息中的另一波束形成天线组(即，第二波束形成天线组)，可恢复中止的通信模式。
如果周期性地执行图3的波束搜索过程，则可以更新在上述步骤S40中接收到的第一信息，并且可选择包含在更新后的第一信息中的波束形成天线组之一，从而可以经由选定的波束形成天线组恢复通信模式。
图5是图示根据本发明在通信模式下的波束跟踪过程的流程图。
在图5中，波束跟踪过程指示根据在通信模式期间可改变的信道环境适应性地确定天线权重的方法。波束跟踪过程的详细操作与图3的波束搜索过程中的详细操作类似。但是，在通信模式期间必须迅速执行波束跟踪过程的上述操作是非常重要的。因此，本实施例的特征在于，在当前波束形成天线组中而不是全部波束形成天线组中执行上述操作。
更详细地，在步骤S50，发射单元从接收单元接收第一信息，该第一信息包括至少一个可用波束形成天线组的信息。在步骤S51，发射单元确定至少一个波束形成天线组，并在步骤S52将确定的信息(即，第二信息)发射到接收单元。上述步骤S50、S51和S52实际上与图3的步骤等同。
当在步骤S53利用确定的波束形成天线组执行通信模式时，对包括在当前波束形成天线组的天线执行波束跟踪过程。这样，可以最小化用于波束跟踪的天线数量，从而减少跟踪所需的时间。
上述跟踪过程与上述波束搜索过程类似。更详细地，如果经由包含在波束形成天线组(特别地，当前使用的波束形成天线组)中的天线发射训练信号，则接收单元接收上述训练信号。接收单元基于接收到的信号进行信道估计和检测过程，因此它可以将信道估计和检测结果或最佳权重信息通知发射单元。发射单元从接收单元接收该信息，基于接收到的信息调节其自身权重，并利用调节后的权重应用信号。
优选地，上述信号发射方法可应用于具有高方向性的“毫米波”信号。
对本领域技术人员而言显而易见的是，把没有明确引用关系的权利要求互相组合来实现实施例，或者在不脱离本发明范围和精神的情况下，在专利申请后通过修改获得的新权利要求也包含在本发明中。
上述术语可根据需要用其他术语代替。例如，设备、用户装备、或者站可用来代替用户设备，也可用控制装置、调节器(或控制器)、调节设备(或控制设备)、协调器、或微微网协调器(PNC)来代替调节设备。此外，数据包是Tx/Rx信息(例如，消息、通信量、视频/音频数据包以及控制数据包)的通用术语，并且它不限于只是特定数据包，也可应用于其他示例。
在通信系统中有多种装置能执行通信模式，例如计算机、PDA、笔记本电脑、数字TV、便携式摄像机、数码相机、打印机、麦克风、扬声器、手机、条形码阅读器、显示器、移动电话等。所有类别的数字装置都可用作上述装置。
对本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明精神或范围的情况下可以对本发明做出各种修改和变化。因此，本发明意在涵盖本发明的修改和变化，只要这些修改和变化落入权利要求书及其等同物的范围内。因此，上述详细描述应视作仅是为了说明的目的而不是限制性目的。本发明的范围须通过对权利要求的合理分析来决定，落入本发明等同范围内的所有修改都包含在本发明的范围之内。
工业实用性
根据以上描述显而易见的是，本发明涉及经由波束形成天线组发射信号的方法，波束形成天线组能够基于波束链(beam link)应用于MIM0系统。

Claims (13)

1.一种在多输入多输出(MIMO)系统中发射信号的方法，包括以下步骤：
基于预定序列经由至少一个波束形成天线组发射训练信号，所述波束形成天线组包括多个天线；
接收第一信息，所述第一信息指示所述波束形成天线组中的至少一个可用波束形成天线组；以及
发射第二信息和天线权重信息，所述第二信息指示基于所述第一信息确定的波束形成天线组，所述天线权重信息与由所述第二信息指示的天线组发射的信号相关联。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述天线权重信息被应用于所述确定的波束形成天线组，从而形成具有方向性的信号。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述天线权重信息被应用于所述确定的波束形成天线组，从而实现天线分集。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述天线权重信息包括发射单元的天线权重信息和接收单元的天线权重信息。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在预定时间期间周期性地执行发射所述信号的方法。
6.如权利要求1所述的方法，其中，发射所述信号的方法被重复预定次数。
7.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
如果在经由所述确定的波束形成天线组相互通信的发射单元与接收单元之间的通信模式中出现通信故障，则经由所述第一信息指示的另一个波束形成天线组恢复所述通信模式。
8.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
执行跟踪操作，所述跟踪操作在发射单元经由所述确定的波束形成天线组与接收单元通信时，根据通信状态适应性地调节天线权重值。
9.如权利要求8所述的方法，其中，对每个波束形成天线组执行所述跟踪操作。
10.如权利要求1所述的方法，其中，经由所述波束形成天线组发射的所述信号是“毫米波”信号。
11.一种用于在多输入多输出(MIMO)系统中发送信号的装置，包括：
天线，被配置为发射数据，并且被配置为接收数据；以及
控制器，所述控制器被配置用来控制基于预定序列经由至少一个波束形成天线组来发射训练信号，所述波束形成天线组包括多个天线，所述控制器被配置用来控制接收第一信息，所述第一信息指示所述波束形成天线组中的至少一个可用波束形成天线组，以及所述控制器被配置用来控制发射第二信息和天线权重信息，所述第二信息指示基于所述第一信息确定的波束形成天线组，所述天线权重信息与由所述第二信息指示的天线组发射的信号相关联。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述天线权重信息包括所述发射单元的天线权重信息和所述接收单元的天线权重信息。
13.如权利要求11所述的设备，其中，经由所述波束形成天线组发射的所述信号是“毫米波”信号。
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