CN102158269B

CN102158269B - 使用多单元阵列天线的信道估算和射束成形的通信系统和方法

Info

Publication number: CN102158269B
Application number: CN2011100375066A
Authority: CN
Inventors: S·拉克施米帕蒂
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2024-08-25
Also published as: US20090034640A1; CN102158269A; EP2262127A3; WO2005024995A3; EP2262127A2; US8165233B2; US20120170672A1; US7453946B2; CN1846368B; WO2005024995A2; CN1846368A; US20050047322A1; TW200522565A; TWI247497B; EP1671396A2; EP1671396B1; EP2262127B1

Abstract

无线局域网的通信节点利用多单元阵列天线来估算可以在符号调制的正交副载波上通信的一个或多个信号源的到达角。可以根据该一个或多个信号源的到达角估算信道系数，以增加信道容量，改善信道均衡和降低多径衰落的影响。还可以执行基于到达角的射束成形，以实现与一个或多个信号源通信的定向接收和/或发射。

Description

使用多单元阵列天线的信道估算和射束成形的通信系统和方法

技术领域

本发明的实施例涉及无线通信，并且一些实施例涉及使用符号调制的正交副载波通信的系统。

背景技术

正交频分复用是多载波发射技术的一个例子，它使用符号调制的正交副载波在可用的频谱内发送信息。当这些副载波彼此正交时，它们可以在可用频谱内较之例如常规频分复用(FDM)系统中的个体信道间隔紧密得多地在一起。为了获得正交性，一个副载波可以在其他副载波的中心频率上具有空值。副载波的正交性可以帮助降低系统内副载波之间的干扰。在发射之前，副载波可以以低速率数据流来调制。符号的发送符号速率可能低，因此发送的信号可以高度容忍信道内的多径延迟扩散。为此，许多现代数字通信系统使用符号调制的正交副载波作为调制方案，以帮助信号在具有多径反射和/或强干扰的环境中幸存。

使用符号调制的正交副载波通信的通信系统因多径衰落和其他信道状况可能降低的信道容量。因此，普遍需要增加信道容量、改善信道均衡和/或降低多径衰落的影响的装置和方法，尤其在使用符号调制的正交副载波通信的系统中更是如此。

附图说明

所附权利要求针对本发明的一些不同实施例。但是，当结合图来考虑时详细的描述提供本发明的实施例更全面的理解，其中在整个图中相似的附图标记指相似的项。

图1图示其中可以实施本发明一些实施例的无线通信环境；

图2是根据本发明一些实施例的通信节点的框图；

图3图示根据本发明一些实施例的收发器的框图；

图4图示适于本发明一些实施例使用的正交频分复用的包的时间频率结构；以及

图5是根据本发明一些实施例的通信过程的流程图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地说明本发明的一些特定实施例，以使本领域技术人员可以实施它们。其他实施例可能结合结构、逻辑、电、过程和其他变化。示例仅仅作为可能变化典型示例。除非明确要求，否则个体组件和功能是可选的，而且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以包含在另一些中或替代它们。本发明实施例的范围包括权利要求书的全部范围以及那些权利要求的所有可得到的等效体。

图1图示其中可以实施本发明一些实施例的无线通信环境。通信环境100包括一个或多个无线通信设备(WCD)102，该设备可以通过可以是双向链路的通信链路108与接入点(AP)104通信。WCD102可以包括例如个人数字助理(PDA)、具有通信功能的膝上型和便携式通勤者(commuter)、Web书写板(web tablet)、无线电话、无线耳机、寻呼机、即时消息设备、MP3播放器、数码相机以及可以无线接收和/或发送信息的设备。WCD 102可以使用多载波发射技术与AP 104通信，如使用正交副载波在分配的频谱内发送信息的正交频分复用(OFDM)技术。WCD 102和AP 104还可以实施一种或多种通信标准，如IEEE 802.11a、b或g标准的其中之一、数字视频广播地面(DVB-T)广播标准或高性能无线电局域网(HiperLAN)标准。其他局域网(LAN)和无线区域网(WAN)通信技术也适于通过链路108的通信。

除了有助WCD 102之间的通信外，在一些实施例中，AP 104还可以与诸如内部网或因特网的一个或多个网络114耦合，使WCD102可以访问此类网络。为了方便，术语“下行流”在此用于指从AP104到WCD 102的方向上的通信，而术语“上行流”在本文中用于指从WCD 102到AP 104的方向上的通信，但是，术语下行流和上行流是可以互换的。WCD 102可以支持对上行流和下行流通信利用不同频谱的双工通信，尽管这并非要求。在一些实施例中，上行流和下行流通信可以共享相同的频谱用于在上行流和下行流两个方向上的通信。虽然图1图示点到多点通信，但是本发明的实施例适于点到多点和点到点通信。

在一些实施例中，无线局域网(WLAN)的通信节点(例如接入点104)可以利用多单元阵列天线106来估算通过链路108从一个或多个信号源(例如WCD 102)接收的通信信号的到达角110(例如theta(θ))。可以相对于天线106的端射方向116来测量角度110，尽管本发明的范围并不局限于此。信号源可以是在符号调制的正交副载波上通信的无线通信设备。可以从该一个或多个信号源的到达角估算信道系数，以增加信道容量，改善信道均衡和/或降低多径衰落的影响。在一些实施例中，可以根据不同天线单元106接收的多个副载波上调制的一个符号来生成信道系数。在一些实施例中，AP104可以为无线通信设备提供一直到500英尺甚至更大范围的通信，尽管本发明的范围并不局限于此。

在一些实施例中，还可以从到达角生成射束成形系数，通过使用多单元阵列天线106，改善一个或多个信号源的通信信号的接收和/或发射。射束成形系数可以用于特定信号源方向上指导信号的接收和/或发射。可以通过从该阵列的天线单元在副载波频率上至少一个符号的响应取样来估算到达角，虽然本发明的范围并不局限于此。取样的符号可以是具有已知值的训练符号。取样可以在通过快速傅立叶变换(FFT)解调之后在所有副载波频率上的相同符号执行，虽然本发明的范围并不局限于此。通过射束成形，可以使用空分多址技术实现频率再用。

多单元阵列天线106可以是包括至少两个定向或全向天线单元112的相控阵列天线。单元112可以包括偶极天线、单极天线、环形天线、微带天线或适于接收和/或发射可以由AP 104处理的RF信号的其他类型的天线。在一些实施例中，可以使用射束成形器来控制单元112之间的定相，以提供与WCD 102的定向通信。在一些实施例中，定相可以在基带上控制，虽然本发明的范围并不局限于此。

图2是根据本发明一些实施例的通信节点的框图。通信节点200可适于用作AP 104(图1)，虽然其他通信节点也可适用。在一些实施例中，通信节点200还可适于用作一个或多个WCD 102(图1)，虽然本发明的范围并不局限于此。

通信节点200接收和/或发射与多单元阵列天线202的射频(RF)通信。可以由收发器204将从天线202接收的RF信号转换到基带信号，并最终转换到含有比特流的数据信号。收发器204还可以将含有比特流的数据信号转换到用于通过天线202发射的基带信号和RF信号。通信节点200还可以包括信号分离器206以分离接收的和发射的通信信号。通信节点200还可以包括数据处理部分208以处理经由收发器204接收的数据信号以及生成由收发器204发射的数据信号。天线202可以包括多个天线单元212，它们可以对应于天线单元112(图1)。虽然信号分离器206图示为节点200的分离单元，但是本发明并不局限于此。在一些实施例中，信号分离器206可以是天线202的一部分，而在另一些实施例中，天线202可以包括用于信号发射的一组天线单元，和用于接收信号的另一组天线单元，从而无需信号分离器206。

在一些实施例中，通信节点200可以包括到有线设备和有线网络的接口210，如到个人计算机、服务器、或因特网的接口。在这些实施例中，通信节点200可有助于WCD 102(图1)与这些有线设备和/或网络之间的通信。

图3图示根据本发明一些实施例的收发器的框图。收发器300可适于用作收发器204(图2)，虽然其他收发器配置也可以适用。收发器300可以包括RF电路302以经由具有多个天线单元的多单元天线从信号源接收信号。该信号可以包括利用至少一个符号调制的多个副载波。收发器300还可以包括到达角(AOA)估算器304以根据至少两个天线单元接收到的符号的副载波电平估算信号源的到达角。收发器300还可以包括信道系数生成器306，用于基于到达角的从信号源接收的通信的信道系数的生成。这些信道系数可以补偿信号源与接入点之间的至少一些信道影响。收发器300还可以包括信道均衡器308，它可以响应信道系数以提供均衡的频域符号调制的副载波310，从而导致改善的接收。

在一些实施例中，收发器300可以进一步包括射束成形器系数生成器312，以基于到达角生成多单元天线的单元的射束成形系数。射束成形系数可以用于帮助定向信号接收和/或发射为特定信号源方向。在这些实施例中，收发器300可以进一步包括射束成形器314。射束成形器314可以基于射束成形系数改变天线的方向性，并且在一些实施例中，射束成形器314可以改变接收和/或发射的信号的定相。在一些实施例中，射束成形可以在由RF电路302转换到对应的RF信号和由多单元天线的单元发射信号之前完成。在一些实施例中，射束成形器314可以通过更改基带级信号的定相来改变天线的方向性，该基带级信号包括在通过RF电路302生成和/或接收正交频分复用信号以由多单元天线发射和/或接收时使用的多个符号调制的副载波。通过射束成形，可以使用空分多址技术实现频率再用。

在一些实施例中，到达角估算器304可以包括一个或多个处理器和存储器，以生成包含对应于每个天线单元的FFT 328提供的符号的解调导频副载波的初始矩阵(例如X)。该处理器和存储器还可以基本上从等式X＝AD+N生成响应矩阵(例如A)。在此等式中，“D”可以代表具有对应于该符号的导频副载波的元素的对角矩阵，而“N”可以代表不相关的噪声矩阵。该处理器和存储器可以使用搜索函数来标识对应于到达角的峰值。该搜索函数可以基于响应矩阵的分解。下文将对此作更详细地描述。

图4图示适于配合本发明一些实施例使用的正交频分复用的包的时间频率结构。时间频率结构400是根据IEEE 802.11(a)标准的包的例子；然而，包的其他时间频率结构同样地可以适于配合本发明的一些实施例来使用。如结构400中所示，具有已知训练值的符号是交叉线/阴影表示的。结构400图示在12个副载波404上调制的10个短训练符号402开始的包。这些符号可以包含已知的导频副载波。短训练符号402随后是两个长训练符号406，然后是数据符号408。数据符号408可以包含4个导频副载波410。

在一些实施例中，到达角估算器304(图3)可以基于训练符号402的其中之一的副载波404的天线响应或基于训练符号406的其中之一来估算到达角，虽然本发明的范围并不局限于此。训练符号可以具有已知的训练值。在一些实施例中，信道均衡器308(图3)可以为从信号源接收到的数据包的后续数据符号(例如符号408)提供均衡的频域符号调制的副载波。

再次参考图3，在一些实施例中，RF接收电路302通过多单元天线接收信号，并生成代表符号的串行符号流320。在一些实施例中，包可以包含短训练符号402(图4)和长训练符号406(图4)，跟着是数据符号408(图4)。在一些实施例中，接收的信号可以具有在5与6GHz范围之间的载波频率，虽然本发明的实施例同样适于例如在2与20GHz以及甚至更大范围之间的载波频率。在一些实施例中，符号调制的信号可以包含直到一百或更多的副载波。这些短训练符号可以在副载波的部分上发送，并且数据符号可以包含一个或多个已知的导频副载波，虽然这并非要求。在一些实施例中，长训练符号可以具有约4微秒的持续时间，而短训练符号可以具有约1微秒的持续时间。在一些实施例中，信号可以是红外线(IR)信号。

收发器300的接收器部分可以包括串行至并行(S/P)转换器322以将串行符号流320的符号转换成并行组的时域样本324。循环冗余前缀(C/P)单元326从每个符号中消除循环冗余前缀。快速傅立叶变换(FFT)单元328对并行组的时域样本330执行FFT，以生成频域符号调制的副载波332，以供均衡器308和到达角估算器304使用。

到达角估算器304可以生成信号源的到达角估算，其可供信道系数生成器306使用以生成供均衡器308使用以获得改善的副载波解调的信道系数。在一些实施例中，除了生成器306，还可以使用信道估算器(未示出)以生成供均衡器308使用的信道估算。

均衡器308可以对FFT单元328提供的频域符号调制的副载波332执行信道均衡。均衡器308可以使用信道系数生成器306提供的信道系数生成均衡的频域符号调制的副载波310。例如，频域上的均衡可以通过频域副载波332与代表信道估算的复数值的除法来执行。因此，可以规格化均衡的频域符号调制副载波332的量值，并将均衡的频域符号调制的副载波310的相位对齐到零原点，以便可以供解映射器334执行进一步处理。

均衡的频域符号调制的副载波310可以由解映射器334解映射以产生多个并行的符号。解映射器334可以根据发射器调制副载波的特定调制命令解映射并行符号。例如调制命令可以包括每个符号通信一个比特的二进制相移键控(BPSK)、每个符号通信两个比特的正交相移键控(QPSK)、每个符号通信三个比特的8-PSK、每个符号通信四个比特的16正交振幅调制(16-QAM)、每个符号通信五个比特的32-QAM以及每个符号通信六个比特的64-QAM。调制命令还可以包括差分编码的星型QAM(DSQAM)。还可以使用具有更低和甚至更高通信速率的命令。可以由分析器336将来自解映射器334的并行符号从并行形式转换成串行流，该分析器可以对串行流执行解交织操作。分析器336生成解码的串行比特流338，以供数据处理单元(未示出)使用。

收发器300的发射器部分可以包括分析器342，以编码串行比特流340以生成并行符号。映射器344将并行符号映射到频域符号调制的副载波346。IFFT单元348对频域符号调制的副载波346执行快速傅立叶逆变换(IFFT)以生成并行组的时域样本350。CP电路352对每个符号添加循环冗余前缀，以及并行至串行(P/S)电路354将并行组的时域样本356转换成用于RF电路302的串行符号流358。根据实施例，循环冗余前缀的长度大于符号间干扰的长度。

虽然通信节点200(图2)和收发器300图示为具有几个分离的功能电路单元，但是这些功能单元的一个或多个可以结合并且可以通过以下的组合来实施：诸如包括数字信号处理器(DSP)的处理单元的软件配置的单元、和/或其他硬件单元与软件。例如，电路单元可以包括一个或多个处理单元，诸如微处理器、DSP、专用集成电路(ASIC)和用于执行至少于此描述功能的各种硬件和逻辑电路的组合等。

图5是根据本发明一些实施例的通信过程的流程图。通信过程500可以由诸如AP 104(图1)的通信节点来执行，虽然其他通信节点也可适用于执行过程500。在一些实施例中，通信过程500可以由诸如WCD 102(图1)的通信设备来执行。虽然过程500的各个操作是作为分离的操作来示出和描述的，但是上述各个操作的一个或多个可以同时执行，而且无需按所示的次序来执行这些操作。

在操作502，经由多单元天线从信号源接收包含有包含符号调制的副载波的数据包的至少一个符号的信号。在操作504，可以对代表如多单元天线的单元接收的符号的并行组的时域样本执行FFT。FFT可以为每个天线单元生成频域符号调制的副载波。该符号可以是具有已知训练值的训练符号。在操作506，为信号源生成到达角估算。该到达角可以和多单元天线的端射方向有关。该到达角可以基于对符号的多于一个副载波频率的天线单元的天线响应来估算，虽然本发明的范围并不局限于此。在操作508，可以由到达角估算生成信道系数，以及在操作510，这些信道系数可以用于均衡包含后续从信号源接收的数据符号的符号。在操作512，可以基于到达角生成射束成形系数，以及在操作514，可以使用射束成形系数定向地将包含符号调制的副载波的通信信号发送到信号源(例如沿信号源的方向)。在一些实施例中，可以使用射束成形系数定向地从信号源接收包含符号调制的副载波的通信信号。

在一些实施例中，可以对多个信号源的其中一个或多个重复或同时执行过程500的操作。在这些实施例中，可以对不同的信号源个别地估算到达角，以及可以对不同的信号源生成信道和射束成形系数，并用于与信号源的通信。因此，可以实现增加的信道容量、改善的信道均衡和/或降低的多径衰落的影响，虽然本发明的范围并不局限于此。

根据本发明的一些实施例，按如下例子所示，到达角估算器304(图2)可以估算到达角，以及信道系数生成器306(图3)可以生成信道系数。考虑N-单元自适应天线接收具有J个不同方向θ₁、...θ_J的J个用户信号，其中角度θ_j是相对于端射方向116(图1)来测量的。在本示例中，假定Q是用于承载已知导频子符号传送的副载波的数量。其余(K-Q)个副载波可以用于信息承载子符号。在本示例中，假定N＞Q。为一般起见，图示了单个样本的情况，这可以进一步扩充为多个样本，其中可以取得平均估算。在单个样本的情况中，可以在通过FFT解调之后以矩阵的形式收集信号，该矩阵可以通过如下等式描述。

(1)X＝AD+N

在等式(1)中，X是一个矩阵，其中第i列可以对应于对第i个副载波的天线阵列响应。D是对角矩阵，其元素可以对应于按信道系数连同相移比例换算的已知导频符号。A是副载波频率的阵列响应矩阵。m对应于第m个符号。N可以是空间和时间上不相关的噪声矩阵。

(2) X = [\begin{matrix} x_{1} (m, 0) & x_{1} (m, 1) & . . . & x_{1} (m, Q - 1) \\ x_{2} (m, 0) & x_{2} (m, 1) & . . . & x_{2} (m, Q - 1) \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ x_{N} (m, 0) & x_{N} (m, 1) & . . . & x_{N} (m, Q - 1) \end{matrix}]

(3) A = [\begin{matrix} 1 & 1 & . . . & 1 \\ e^{i k_{1} d \cos θ} & e^{i k_{2} d \cos θ} & . . . & e^{i k_{Q} d \cos θ} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ e^{i k_{1} d (N - 1) \cos θ} & e^{i k_{2} d (N - 1) \cos θ} & . . . & e^{i k_{Q} d (N - 1) \cos θ} \end{matrix}]

(4)D＝diag(p(m，0)，p(m，1)，....，p(m，Q-1))

(5) p (m, 0) = s (m, 0) h_{0} e^{- i δ_{1}}, . . . ., p (m, Q - 1) = s (m, Q - 1) h_{Q - 1} e^{- i δ_{Q - 1}}

(6) N = [\begin{matrix} n_{11} (m, 0) & n_{12} (m, 0) & . . . & n_{1 Q} (m, 0) \\ n_{21} (m, 0) & n_{22} (m, 0) & . . . & n_{2 Q} (m, 0) \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ n_{N 1} (m, 0) & n_{N 2} (m, 0) & . . . & n_{NQ} (m, 0) \end{matrix}]

在一些实施例中，等式(1)可以乘以单位矢量，例如e＝[1...1]^T并示为Xe＝ADe+Ne，由此简化为：

(7)x＝Ap

其中x＝x₁+x₂+...+x_Q-1以及p＝p₁+p₂+...+P_Q-1

(8)x∈span{A}

可以构成矩阵B。

(9)B＝[A(θ)x]其中θ∈(0，2π)。

矩阵B的大小可以是N(Q+1)，其中N≥(Q+1)。

当θ＝θ_true时，矩阵B可能变成秩缺(例如未确定的)。θ_truc估算可以从如下QR分解和搜索函数得到。

(10) B(θ)＝Q(θ)R(θ)，

其中搜索函数为

(11) G (θ) = \max [\frac{1}{r_{(Q) {(Q)}} (θ)}] .

r_Q，Q(θ)是上三角矩阵R(θ)的第Q个对角元素。搜索函数G(θ)可以具有可对应于J个源的到达角估算

的J个最高峰值。注意估算

可以从频谱间隔很开的四个导频副载波的处理来获得。这种特性可以提供对应于OFDM中完整副载波集合的到达角的良好逼近。换言之，这些估算可以对应于宽带信号源的到达角。

获得了将

代入等式(7)中的矩阵A：

(12) \hat{x} = A (\hat{θ}) p .

由此，在等式(12)中，p是未知的，而且可以按如下得到它：

(13) p = {[A (\hat{θ}) A (\hat{θ})]}^{- 1} A^{T} (\hat{θ}) x .

p的第k个元素是因为s(m，k)是已知的，所以可以按如下得到信道估算：

(14) h_{k} e^{i δ_{k}} = \frac{p (m, k)}{s (m, k)}

其中s(m，k)，k＝1，...，Q是已知的导频符号。

在第二阶段，可以选择下一个集合的Q-副载波来按如下得到信道系数：

p = {[A (\hat{θ}) A (\hat{θ})]}^{- 1} A^{T} (\hat{θ}) x,

其中

对应于作为下一个副载波子集的函数的列。可以对该下一个副载波子集重复此信道估算过程。

在一些实施例中，可以仅对一个样本执行信号源的角度信息

的估算。角度估算

可以重复地用于每个子集的副载波矩阵，并由此可以找出整个副载波信道的信道估算。为了增加可靠性，在一些实施例中，可以对每个样本执行角度估算，并按如下等式得到平均估算：

(15) θ_{eslimate} = E [\hat{θ}] .

在一些实施例中，执行方向θ_eslimate上的射束成形以增加信道容量。利用射束成形，可以使用空分多址技术来实现频率再用。射束成形可以用于接收和发射。

要强调的是，提供的摘要符合37C.F.R.第1.72(b)节，要求摘要会使读者可以确定技术公开的性质和要点。基于认识-它不用于限定或解释权利要求的范围或含义一摘要被提交。

在前述的详细描述中，为了使发明公开简化而有效，有时将各种特征组合在一个实施例中。公开的方法不视为反映以下意图：主题的所要求的实施例需要在每个权利要求中明示的更多特征。相反，如所附权利要求所反映的，发明主题在于少于一个公开的实施例中的所有特征。因此所附权利要求由此结合于详细描述中，每个权利要求自身作为一个单独的优选实施例。

Claims

1. 一种利用多单元阵列天线通过多个空分多址（SDMA）通信信道在无线多址网络中进行正交频分复用（OFDM）信号通信的多载波收发器，所述收发器包括：

到达角估算器，用于估算接收信号的到达角；

射束成形器系数生成器，用于基于接收信号的所述到达角生成射束成形系数；以及

射束成形器，用于将所述射束成形系数应用于基带信号，以控制用于通过两个或更多SDMA通信信道进行通信的所述多单元阵列天线的单元之间的定相。

2.如权利要求1所述的多载波收发器，还包括RF电路，耦合到所述多单元阵列天线以由所述射束成形器提供的基带信号生成RF信号用于传送，所述RF信号被定向到一个或更多信号源。

3.一种利用多单元阵列天线通过多个空分多址（SDMA）通信信道在无线多址网络中进行正交频分复用（OFDM）信号通信的方法，所述方法包括：

基于接收信号中具有已知训练值的训练符号来估算接收信号的到达角；

基于接收信号的所述到达角生成射束成形系数；以及

将所述射束成形系数应用于基带信号，以控制用于通过两个或更多SDMA通信信道进行通信的所述多单元阵列天线的单元之间的定相。

4.如权利要求3所述的方法，还包括：

由所述射束成形系数被应用到的基带信号生成RF信号用于通过所述多单元阵列天线传送；以及

将所述RF信号定向到一个或更多信号源。

5.一种用于通过多个空分多址（SDMA）信道利用正交频分复用（OFDM）通信信号进行通信的无线多址网络中射束成形的方法，所述方法包括：

经一个多单元阵列天线通过空间信道接收OFDM训练符号，所述一个多单元阵列天线包括多个天线单元；

基于所述训练符号的接收来生成到达角估算；

基于所述到达角估算来生成射束成形系数并将所述射束成形系数应用于基带信号以用于后续通信,

其中在基带应用所述射束成形系数以控制所述多单元阵列天线的单元之间的定相，以及

其中所述多单元阵列天线被配置用于通过两个或更多SDMA通信信道进行通信。

6.如权利要求5所述的方法，还包括：

基于接收信号的到达角生成所述射束成形系数；以及

发送RF信号到一个或更多信号源。