CN102412881A - 无线通信系统和用于无线通信系统的波束形成训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了无线通信系统和用于无线通信系统的波束形成训练方法。一种无线通信系统，包括：各自包括发送天线阵列的多个发送台站，所述多个发送台站在同一时间段中通过各自的发送天线阵列发送训练序列；以及与所述多个发送台站分别对应的、各自包括接收天线阵列的多个接收台站，所述多个接收台站中的每个接收台站通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并获取与该接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息，所述信道信息被用于确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量和所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量中的至少一者。

Description

无线通信系统和用于无线通信系统的波束形成训练方法

技术领域

本发明总地涉及无线通信，更具体而言涉及无线通信系统和用于无线通信系统的波束形成(beamforming)训练方法。

背景技术

波束形成是充分利用多天线阵列的分集技术。对于毫米波系统，例如60GHz无线个人区域网络(WPAN)/无线局域网(WLAN)系统，由于系统内部的高路径损耗，波束形成变得极为重要。诸如扇区天线、1D/2D相控天线阵列之类的不同天线配置能够支持波束形成。对于60GHz应用，预期能够支持大约30dBi天线增益的基于CMOS的低成本相控天线阵列被认为是对抗60GHz频谱上的高路径损耗的有效方式。

最近的60GHz的物理(PHY)层标准，例如无线HD(WirelessHD)、Wigig、IEEE 802.11ad，都支持单载波和正交频分复用(OFDM)这两种传输模式。然而，这两种传输模式中的波束形成在实现上几乎没有差异。

波束形成训练对于相互通信的一对通信台站实现最优的发送天线权重向量(transmit antenna weight vector，简称为TX AWV，也可称为发送波束形成向量)和接收天线权重向量(receive antenna weight vector，简称为RX AWV，也可称为接收波束形成向量)是必要的。

美国专利申请公布US 20090318091A1中公开了一种利用串接训练序列来进行一对多同时波束形成训练的系统。在该系统中，一个发送台站首先生成由n个子训练序列构成的串接训练序列。在通过包括多个天线单元的发送天线阵列发送每个子训练序列时，应用一个独特的TX AWV来区分这多个天线单元上的相位，以便使得发送出的子训练序列具有独特的波束样式。

发送台站发送此串接训练序列，以用于同时训练多个接收台站。基于某些度量，例如容量、信号噪声比(SNR)，这些接收台站中的每一个分别确定相对于该接收台站而言的最优TX AWV，并将其反馈给发送台站。

基于码本(codebook)或其他规则，发送台站所应用的多个TX AWV是预定的，并且是发送台站和多个受训接收台站已知的。因此，多个接收台站可以很容易地反馈其各自的最优TX AWV。

在典型的IEEE 802.11ad密集用户会议室环境中，多对台站需要同时收发数据并且个人基本服务集(PBSS)的控制点(PCP)充当所有台站的网络协调者。由于多对台站需要执行主动式/按需式波束形成训练，所以基于时分复用接入(time division multiplexing access，TDMA)竞争的逐一训练方法将会太过耗时。也就是说，在现有技术中，多个通信对必须在不同时间段中执行波束形成训练，这是耗时的并且频谱效率不高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种无线通信系统和用于无线通信系统的波束形成训练方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种无线通信系统，包括：各自包括发送天线阵列的多个发送台站，所述多个发送台站在同一时间段中通过各自的发送天线阵列发送训练序列；以及与所述多个发送台站分别对应的、各自包括接收天线阵列的多个接收台站，所述多个接收台站中的每个接收台站通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并获取与该接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息，所述信道信息被用于确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量和所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量中的至少一者。

根据本发明的另一个方面，提供了一种在包括多个发送台站和与所述多个发送台站分别对应的接收台站的无线通信系统中进行波束形成训练的方法，包括：训练序列发送步骤，所述多个发送台站在同一时间段中通过各自的发送天线阵列发送训练序列；训练序列接收步骤，所述多个接收台站中的每个接收台站通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列；信道信息获取步骤，获取与所述多个接收台站中的每个接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息；以及优化天线权重向量确定步骤，基于所述信道信息来确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量和所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量中的至少一者。

附图说明

在附图中以示例而非限制方式示出了本发明的实施例。在各幅图中相同或相似的标号指代相同或相似的特征。

图1示出了在主动式波束形成训练的情况下的无线通信系统的示意图。

图2示出了图1所示的无线通信系统中的协调器、发送台站和接收台站的示例性功能框图。

图3示出了根据本发明第一实施例的主动式同时波束形成训练的方法的流程图。

图4示出了根据本发明第二实施例的主动式同时波束形成训练的方法的流程图。

图5示出了在按需式同时波束形成训练的情况下无线通信系统的示意图。

图6示出了根据本发明第三实施例的同时波束形成训练的方法的流程图。

图7示出了根据本发明第四实施例的同时波束形成训练的方法的流程图。

图8示出了本发明中可使用的训练序列的一个示例。

图9示出了本发明中可使用的训练序列的另一个示例。

具体实施方式

下面参考附图来详细描述本发明的实施例。

概括来说，本发明提供了无线通信系统和在无线通信系统中执行主动式或按需式同时波束形成训练的方法。

图1示出了在主动式波束形成训练的情况下的无线通信系统1的示意图。

如图1所示，无线通信系统1包括N个作为发送方的通信台站(以下简称为发送台站或TX台站)10₁，10₂，...，和10_N以及N个作为接收方的通信台站(以下简称为接收台站或RX台站)20₁，20₂，...，和20_N，其中N是大于1的整数。

发送台站10₁，10₂，...，和10_N与接收台站20₁，20₂，...，和20_N分别相对应，从而形成N个通信对。即，发送台站10₁，10₂，...，和10_N与接收台站20₁，20₂，...，和20_N想要执行一对一无线通信。例如，发送台站10₁将向接收台站20₁发送无线信号，从而两者构成第1通信对；发送台站10₂将向接收台站20₂发送无线信号，从而两者构成第2通信对；……；依此类推，发送台站10_N将向接收台站20_N发送无线信号，从而两者构成第N通信对。

另外，在无线通信系统1中，第i通信对的接收台站20_i除了能够经由其与发送台站10_i之间的无线链路(可以称为第i通信对的“本链路”，在图1中用实线表示)接收到从发送台站10_i发送来的无线信号之外，也可能经由其与其他发送台站10_q(i＝1，2，...，N，q＝1，2，...，N且q≠i)之间的无线链路(可以称为第i通信对的“交叉链路”，在图1中用虚线表示)接收到从其他发送台站发送来的无线信号。

发送台站10₁，10₂，...，和10_N中的每一个包括用于发送无线信号的发送天线阵列，该发送天线阵列可以包括多个天线单元。这里，假定发送台站10_i(i＝1，2，...，N)的发送天线阵列包括t_i个天线单元，其中t_i是大于1的整数。

接收台站20₁，20₂，...，和20_N中的每一个包括用于接收无线信号的接收天线阵列，该接收天线阵列可以包括多个天线单元。这里，假定接收台站20_i(i＝1，2，...，N)的接收天线阵列包括r_i个天线单元，其中r_i是大于1的整数。

为了进行波束形成，在发送台站处，对发送天线阵列中的每个天线单元应用相位偏移并且还可能应用幅度缩放；在接收台站处，对接收天线阵列中的每个天线单元应用相位偏移并且还可能应用幅度缩放。

天线权重向量(AWV)也可以称为波束形成向量，其描述了在波束形成时向天线阵列中的每个天线单元应用的相位偏移(也可能有幅度缩放)。以下，发送台站的发送天线阵列的天线权重向量也可简称为TXAWV，接收台站的接收天线阵列的天线权重向量也可简称为RX AWV。

一个发送台站处可以使用多个不同的发送天线权重向量。每个发送台站可使用的这些天线权重向量构成一个矩阵，矩阵中的每一列(或每一行)是一个天线权重向量。该矩阵被称为发送码本或简称为TX码本。在一个实施例中，发送台站的TX码本是方阵，即该发送台站的TX AWV的数目等于该发送台站的发送天线阵列所包括的发送天线单元的数目。在一个实施例中，TX码本可以采取酋矩阵的形式，矩阵的列数等于相应发送台站的发送天线阵列所包括的天线单元的数目。例如，对于i＝1，2，...，N，其发送天线阵列中包括t_i个天线单元的发送台站10_i的TX码本W_i可以是如下式1所示的离散傅立叶矩阵：

(式1)

其中

W_i的第k列w_i，k是第k个发送天线权重向量，k＝1，2，...，t_i。本领域的技术人员将清楚，TX码本不限于上述示例，而是可以采取其他形式。注意，在本文中，[.]^T表示向量或矩阵的转置，[.]^H表示向量或矩阵的埃米特共轭。

类似地，一个接收台站处可以使用多个不同的接收天线权重向量。每个接收台站可使用的这些天线权重向量构成一个矩阵，矩阵中的每一列(或每一行)是一个天线权重向量。该矩阵被称为接收码本或简称为RX码本。在一个实施例中，接收台站的RX码本是方阵，即该接收台站的RX AWV的数目等于该接收台站的接收天线阵列所包括的接收天线单元的数目。在一个实施例中，RX码本可以采取酋矩阵的形式，矩阵的列数等于相应接收台站的接收天线阵列所包括的天线单元的数目。例如，对于i＝1，2，...，N，其接收天线阵列中包括r_i个天线单元的接收台站20_i的RX码本D_i可以是如下式2所示的离散傅立叶矩阵：

(式2)

其中

D_i的第k列d_i，k是第k个接收天线权重向量，其中k＝1，2，...，r_i。本领域的技术人员将清楚，RX码本不限于上述示例，而是可以采取其他形式。

无线通信系统1还包括协调器30，它是无线通信系统1中的控制/协调点，负责控制和协调所有发送台站10₁，10₂，...，和10_N和接收台站20₁，20₂，...，和20_N。

在一种实现方式中，发送台站10₁，10₂，...，和10_N和接收台站20₁，20₂，...，和20_N构成一个基本服务集(BSS)/个人基本服务集(PBSS)。在此情况下，协调器30可以是该BSS中的接入点(AP)或者PBSS中的控制和协调点(PCP)，并且台站经由协调器30相互通信。

在无线通信系统1中，多对发送台站和接收台站可同时进行无线通信，并且如上所述，每个接收台站不仅可接收到从与其相对应的发送台站(即，该接收台站预期与之通信的发送台站)发送来的无线信号，还可能接收到从其他发送台站发送来的无线信号。为了使得接收台站20_i能够以尽可能高的质量接收到从发送台站10_i发送来的信号(本链路的信号)并且所受到的来自交叉链路的干扰尽可能小，可以对发送台站10_i的发送天线阵列和接收台站20_i的接收天线阵列进行波束形成训练来确定优化的TXAWV和优化的RX AWV。

在本发明中，发送台站10₁，10₂，...，和10_N在同一时间段中通过各自的发送天线阵列基本同时地发送训练序列(training sequence，也可简称为TS)，并且接收台站20₁，20₂，...，和20_N中的每一个通过各自的接收天线阵列接收由各发送台站10₁，10₂，...，和10_N发送的各个训练序列，并获得与该接收台站和各发送台站10₁，10₂，...，和10_N之间的各个链路(包括本链路和交叉链路)的信道状况有关的信息(可称为信道信息)。然后，该信息被用于确定发送台站10₁，10₂，...，和10_N的发送天线阵列的优化TX AWV和接收台站20₁，20₂，...，和20_N的接收天线阵列的优化RX AWV。下文中将对此进行详细描述。

正如本领域的技术人员可理解的，这里的训练序列可以是系统中收发的帧中包含的前导序列(preamble sequence)。

图2示出了无线通信系统1中的协调器、发送台站和接收台站的示例性功能框图。作为示例，图2只示出了一对发送台站10_i和接收台站20_i，其他发送台站和接收台站可具有类似的功能配置。

发送台站10_i包括协调器交互单元101_i、AWV设定单元102_i以及训练序列发送单元103_i。协调器交互单元101_i用于向协调器30发送请求，以及接收从协调器30通知来的所分配时隙、训练序列索引和优化TXAWV、空间复用指示等等。AWV设定单元102_i用于设定发送台站10_i的发送天线阵列(图2中未示出)的天线权重向量。训练序列发送单元103_i用于根据AWV设定单元102_i的设定，经由发送台站10_i的发送天线阵列来发送训练序列。

接收台站20_i包括协调器交互单元201_i、计算单元202_i、AWV设定单元203_i以及训练序列接收单元204_i。协调器交互单元201_i用于向协调器30反馈信道信息等等，以及接收从协调器30通知来的所分配时隙、训练序列索引、空间复用指示等等。AWV设定单元203_i用于设定接收台站20_i的接收天线阵列(图2中未示出)的天线权重向量。训练序列接收单元204_i用于根据AWV设定单元202_i的设定，经由接收台站20_i的接收天线阵列来接收从系统中的发送台站发送来的训练序列。另外，计算单元202_i用于根据训练序列接收单元204_i接收到的训练序列，来估计与该接收台站和各发送台站之间的各个链路(包括本链路和交叉链路)的信道响应，计算本链路的接收方信号与干扰和噪声比(SINR)、本接收台站的优化RXAWV等等。

协调器30包括台站交互单元301、安排单元302、计算单元303以及空间复用判定单元304。台站交互单元301用于接收从台站发送来的请求和反馈信息，并向台站发送通知等等。安排单元302基于SP可用性来安排基于空间复用的同时波束形成训练。计算单元303根据从台站反馈来的信息来计算各发送台站的优化TX AWV、各链路的发送方信号与泄漏和噪声比(SLNR)等等。空间复用判定单元304用于基于台站反馈来的信息和计算单元303的计算结果等等来判定是否能进行空间复用。

下面结合图1-4来描述在无线通信系统1中执行主动式同时波束形成训练的情况下的过程流程。

图3示出了根据本发明第一实施例的主动式同时波束形成训练的方法的流程图。

在初始化阶段(可包括步骤S101-S103)期间，在步骤S101中，如图1所示的无线通信系统1中的N个通信对的发送台站10₁，10₂，...，和10_N作为服务发起者向协调器30发送服务时段(SP)请求和各自的TX码本。例如，第i通信对的发送台站10_i(i＝1，2，...，N)可通过其协调器交互单元101_i向协调器30发送SP请求和其TX码本。发送台站10_i的W_i可如以上式(1)所示。注意，如果协调器30已预先通过某种方式获知系统中的各发送台站的TX码本，则此处发送台站无需向协调器30发送TX码本。

在步骤S102中，在接收到来自各通信对的发送台站10₁，10₂，...，和10_N的主动SP请求后，协调器30基于SP可用性来安排基于空间复用的同时波束形成训练。例如，协调器30可以经由其台站交互单元301接收SP请求和TX码本，并且利用其安排单元302来安排基于空间复用的同时波束形成训练。

一旦决定了空间复用，在步骤S103中，协调器30就将所安排的时隙和为每一通信对分配的训练序列索引通知给这多个通信对的服务发起者(发送台站10₁，10₂，...，和10_N)和服务响应者(接收台站20₁，20₂，…，和20_N)。例如，协调器30可经由其台站交互单元301将上述时隙和索引通知给各发送台站10₁，10₂，...，和10_N和接收台站20₁，20₂，...，和20_N。

在一个实施例中，所安排的时隙是发送训练时隙，其中包括TN个发送训练子时隙。TN等于无线通信系统1中的所有N个发送台站10₁，10₂，...，和10_N的TX码本矩阵的最大列数，亦即等于具有最多发送天线单元的发送台站的发送天线单元数目。

另外，为了说明简单，这里假定为第i通信对分配的训练序列的索引等于在图1中为了说明而为该通信对分配的索引i。然而，本领域的技术人员应明白，本发明并不限于此。

发送台站10_i和接收台站20_i一旦得知了分配给第i通信对的训练序列索引，就可以推导出分配给该通信对的训练序列。这样，由于训练序列是发送台站和接收台站双方已知的，因此每个接收台站在接收到训练序列时可以估计其与各个发送台站之间的信道响应。另外，在本发明中，由于各个通信对使用的训练序列之间是正交的，因此每个接收台站在接收到训练序列时可以分辨出该训练序列是由与自身相对应的发送台站还是其他发送台站发送的。

用TS_i表示分配给第i通信对的训练序列，该训练序列可包括M个符号。这里，假定系统中的N个通信对的训练序列的长度均为M。通常，M为大于1的整数。在下文中将结合图8和9更详细描述训练序列的示例。

接下来，进入发送训练阶段。发送训练阶段大体上包括步骤S104-S108。

在步骤S104中，接收台站20₁，20₂，...，和20_N将各自的接收天线阵列的天线权重向量固定到某个RX AWV。在各个接收台站之间，这个固定RX AWV可以相同或不同。另外，这个RX AWV可以是最常用的或者是遵循其他选择标准来选择的。例如，接收台站20_i可利用其AWV设定单元203_i将其接收天线权重向量固定为D_i中的某一列。

在步骤S105中，在所分配的各个发送训练子时隙中，发送台站10₁，10₂，...，和10_N从各自的TX码本中取出不同的一列TX AWV，将取出的TX AWV应用到各自的发送天线阵列以调节各个天线单元的相位(和幅度)，并且基本同时地经由各自的发送天线阵列发送各自的训练序列。

例如，发送台站10_i在第k(k＝1，2，...，t_i)个发送训练子时隙中利用其AWV设定单元102_i向其发送天线阵列应用第k个TX AWV(例如，W_i中的第k列)，并利用其训练序列发送单元103_i经由其发送天线阵列的每个天线单元发送训练序列TS_i。与此同时，系统中的其他发送台站在第k个发送训练子时隙中也进行类似的操作。

在步骤S106中，相应地，各接收台站20₁，20₂，...，和20_N在固定其RXAWV的情况下接收各发送台站10₁，10₂，...，和10_N发送的训练序列。例如，接收台站20_i利用其训练序列接收单元204_i经由其接收天线阵列来接收训练序列。这里，接收台站20_i除了接收到与自身相对应的发送台站10_i发送的训练序列外(即，本链路的信号)，也将接收到系统中的其他发送台站发送的训练序列(即，交叉链路的信号)。

假设在整个发送训练时隙中，接收台站20_i经由其接收天线阵列接收到的、从第q个发送台站10_q发送的训练序列构成一个矩阵TR_i，q(i＝1，2，...，N，q＝1，2，...，N)如下：

${\mathrm{TR}}_{i,q}=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{tr}}_{i,q,1}& {\mathrm{tr}}_{i,q,2}& ...& {\mathrm{tr}}_{i,q,k}& ...& {\mathrm{tr}}_{i,q,t_q}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccccccc}{\mathrm{tr}}_{i,q,\mathrm{1,1}}& {\mathrm{tr}}_{i,q,\mathrm{2,1}}& .& .& .& {\mathrm{tr}}_{i,q,k,1}& .& .& .& {\mathrm{tr}}_{i,q,t_q,1}\\ {\mathrm{tr}}_{i,q,\mathrm{1,2}}& {\mathrm{tr}}_{i,q,\mathrm{2,2}}& .& .& .& {\mathrm{tr}}_{i,q,k,2}& .& .& .& {\mathrm{tr}}_{i,q,t_q,2}\\ .& .& & .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .& & .\\ {\mathrm{tr}}_{i,q,1,s}& {\mathrm{tr}}_{i,q,2,s}& .& .& .& {\mathrm{tr}}_{i,q,k,s}& .& .& .& {\mathrm{tr}}_{i,q,t_q,s}\\ .& .& & .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .& & .\\ {\mathrm{tr}}_{i,q,1,M}& {\mathrm{tr}}_{i,q,2,M}& .& .& .& {\mathrm{tr}}_{i,q,k,M}& .& .& .& {\mathrm{tr}}_{i,q,t_q,M}\end{array}\right]$

(式3)

其中s是符号索引，s＝1，2，...，M；k是子时隙索引，k＝1，2，...，t_i。

用

表示上述矩阵中的一行，则

可以被称为特定发送加权信道冲击响应(CIR)，其是信道信息的一种，是由接收台站20_i测量到的，其可以被表达如下：

$x_{i,q,s}^T=d_i^T{h}_s{W}_q$ (式4)

其中d_i是接收台站20_i在发送训练时隙期间的固定RX AWV，h_s表示在第s个符号时刻的多输入多输出(MIMO)CIR，并且W_q是第q个发送台站10_q的TX码本。

然后，在步骤S107中，各接收台站20₁，20₂，...，和20_N对于各自的本链路和交叉链路，进一步获取(估计)与各链路的信道状况有关的信道信息，并且将所获取的信道信息与各自的RX码本的大小(例如，列数)告知协调器30。例如，接收台站20_i可利用其计算单元202_i得到上述信道信息，并利用其协调器交互单元201_i来将所得到的信道信息和RX码本大小反馈给协调器30。

上述信道信息可包括信道冲击响应(CIR)、所有子载波上的平均频域信道响应(CR)、所有子载波上的CR协方差矩阵中的任一种。

具体而言，第i个通信对的接收台站20_i与第q个发送台站10_q之间的链路的相对于第s个符号的信道冲击响应(CIR)为如上所述的

上述CIR可被转换成第c个子载波的频域信道响应

其可以被表达为：

$X_{i,q,c}^T=d_i^T{H}_c{W}_q$ (式5)

其中c是子载波的索引，c＝1，2，...，C，其中C表示子载波的总数。

所有子载波的平均频域信道响应CR_i，q可以通过下式获得：

${\mathrm{CR}}_{i,q}=E\left(X_{i,q,c}^T\right)=\frac{1}{C}\underset{c}{\mathrm{\Σ}}{X}_{i,q,c}^T$ (式6)

CR协方差矩阵CM_i，q可以通过下式获得：

${\mathrm{CM}}_{i,q}=E\left(X_{i,q,c}^{*}{X}_{i,q,c}^T\right)=\frac{1}{C}\underset{c}{\mathrm{\Σ}}{X}_{i,q,c}^{*}{X}_{i,q,c}^T$ (式7)

每个接收台站20_i(i＝1，2，...，N)将

(q＝1，2，...，N，s＝1，2，...，M)或者CR_i，q(q＝1，2，...，N)或者CM_i，q(q＝1，2，...，N)作为信道信息，连同其RX码本的大小(列数)r_i一起反馈给协调器30。注意，如果协调器30已预先通过某种方式获知系统中的各接收台站的RX码本，则此处接收台站无需向协调器30通知RX码本的大小。另外，在一种实现方式中，信道信息可以被进一步量化，以便减少开销。

在步骤S108中，在接收到来自各接收台站20₁，20₂，...，和20_N反馈的信道信息以及RX码本大小之后，协调器30为各通信对计算优化的TXAWV和作为链路泄漏状况的度量的SLNR，安排接收训练时隙，并将计算出的优化TX AWV告知各发送台站10₁，10₂，...，和10_N，同时将所安排的接收训练时隙告知各发送台站10₁，10₂，...，和10_N和各接收台站20₁，20₂，...，和20_N。例如，协调器30可利用其台站交互单元301接收来自各接收台站的反馈，利用其计算单元303计算优化TX AWV和SLNR，利用安排单元302安排接收训练时隙，并利用其台站交互单元301将计算出的TX AWV告知各发送台站，以及将所安排的接收训练时隙告知各发送台站和接收台站。

具体而言，第i通信对的发送台站10_i的优化TX AWV可利用下式来计算：

${w^{\′}}_i=\mathrm{eig}\left\{{(\left(\underset{1\≤q\≤N,q\≠i}{\mathrm{\Σ}}{R}_{i,q}\right)+N_{0}I)}^{-1}{R}_{i,i}\right\}$ (式8)

其中eig(.)表示最大的特征向量，N₀是加性白高斯噪声(AWGN)的单边功率谱密度(PSD)。

如果从接收台站反馈回的是CIR，则协调器30可以先利用以上的式6或式7来计算平均频域信道响应或CR协方差矩阵，再利用以下的式9或式10来计算上式中的R_i，q中。如果从接收台站反馈回的是平均信道响应CR_i，q或者CR协方差矩阵CM_i，q，则协调器30可以直接利用以下的式9或式10来计算上式中的R_i，q。

$R_{i,q}=W_i{\mathrm{CR}}_{i,q}^H{\mathrm{CR}}_{i,q}{W}_i^H$ (式9)

$R_{i,q}=W_i{\mathrm{CM}}_{i,q}{W}_i^H$ (式10)

然后，协调器30可利用下式计算第i通信对的发送方SLNR_i：

${\mathrm{SLNR}}_i=\frac{{w^{\′}}_i^H{R}_{i,i}{w^{\′}}_i}{\underset{1\≤q\≤N,q\≠i}{\mathrm{\Σ}}{w^{\′}}_i^H{R}_{i,q}{w^{\′}}_i+N_{0}I}$ (式11)

另外，协调器30还可以参考各接收台站20₁，20₂，...，和20_N告知的RX码本的大小，来安排接下来的接收训练时隙。所安排的接收训练时隙可包括RN个子时隙。RN等于无线通信系统1中的所有N个接收台站20₁，20₂，...，和20_N的RX码本矩阵的最大列数，亦即等于具有最多接收天线单元的接收台站的接收天线单元数目。

然后，协调器30将为第i通信对计算出的优化TX AWV(即w′_i)通知给发送台站10_i，并且将所安排的接收训练时隙告知各发送台站和接收台站。

接下来，进入接收训练阶段。接收训练阶段大体上包括步骤S109-S111。

具体而言，在步骤S109中，各发送台站10₁，10₂，...，和10_N将各自的发送天线权重向量固定为从协调器30通知来的优化TX AWV。即，发送台站10_i将其发送天线权重向量固定为w′_i。在将其发送天线向量固定为优化的TX AWV的情况下，各发送台站10₁，10₂，...，和10_N在每个接收训练子时隙中基本同时地发送相应的训练序列TS_i。例如，每个发送台站10_i在所安排的RN个接收训练子时隙中利用其AWV设定单元102_i向其发送天线阵列应用w′_i，并利用其训练序列发送单元103_i经由其发送天线阵列的每个天线单元发送训练序列TS_i。

然后，在步骤S110中，各接收台站20₁，20₂，...，和20_N在各个接收训练子时隙中切换其RX AWV，并接收各发送台站发送的训练序列。

例如，接收台站20_i在第k(k＝1，2，...，r_i)个接收训练子时隙中利用其AWV设定单元203_i向其接收天线阵列应用第k个RX AWV(例如，D_i中的第k列)，并利用其训练序列接收单元204_i经由其接收天线阵列接收从各发送台站发送来的训练序列。

这里，接收台站20_i除了接收到与自身相对应的发送台站10_i发送的训练序列外(即，本链路的信号)，也将接收到系统中的其他发送台站发送的训练序列(即，交叉链路的信号)。

假设在整个接收训练时隙中，接收台站20_i经由其接收天线阵列接收到的、从第q个发送台站10_q发送的训练序列构成一个矩阵RR_i，q(i＝1，2，...，N，q＝1，2，...，N)，如下：

${\mathrm{RR}}_{i,q}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{rr}}_{i,q,1}^T\\ {\mathrm{rr}}_{i,q,2}^T\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{rr}}_{i,q,k}^T\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{rr}}_{i,q,r_i}^T\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccccccc}{\mathrm{rr}}_{i,q,\mathrm{1,1}}& {\mathrm{rr}}_{i,q,\mathrm{1,2}}& .& .& .& {\mathrm{rr}}_{i,q,1,s}& .& .& .& {\mathrm{rr}}_{i,q,1,M}\\ {\mathrm{rr}}_{i,q,\mathrm{2,1}}& {\mathrm{rr}}_{i,q,\mathrm{2,2}}& .& .& .& {\mathrm{rr}}_{i,q,2,s}& .& .& .& {\mathrm{rr}}_{i,q,2,M}\\ .& .& & .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .& & .\\ {\mathrm{rr}}_{i,q,k,1}& {\mathrm{rr}}_{i,q,k,2}& .& .& .& {\mathrm{rr}}_{i,q,k,s}& .& .& .& {\mathrm{rr}}_{i,q,k,M}\\ .& .& & .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .& & .\\ {\mathrm{rr}}_{i,q,r_i,1}& {\mathrm{rr}}_{i,q,r_i,2}& .& .& .& {\mathrm{rr}}_{i,q,r_i,s}& .& .& .& {\mathrm{rr}}_{i,q,r_i,M}\end{array}\right]$

(式12)

其中s是符号索引，s＝1，2，...，M；k是子时隙索引，k＝1，2，...，r_i。

用y_i，q，s表示上述矩阵中的一列，则y_i，q，s可以被称为特定接收加权信道冲击响应CIR，其是信道信息的一种，是接收台站20_i测量到的，其可以被表达如下：

$y_{i,q,s}=D_i^T{h}_s{w^{\′}}_q$ (式13)

其中D_i是接收台站20_i的RX码本，h_s表示第s个符号时刻的多输入多输出(MIMO)CIR，并且w′_q是第q个发送台站10_q在接收训练阶段期间的固定TX AWV。

在步骤S111中，各接收台站20₁，20₂，...，和20_N对于各自的本链路和交叉链路，进一步获取(估计)与各链路的信道状况有关的信道信息，并进而计算出优化的RX AWV以及作为各链路的链路质量的度量的SINR，然后将计算出的SINR反馈给协调器30。例如，接收台站20_i可利用其计算单元202_i来得出上述信道信息、优化RX AWV和SINR、并利用其协调器交互单元201_i来将所计算出的SINR反馈给协调器30。

上述信道信息可包括信道冲击响应(CIR)、所有子载波上的平均频域信道响应(CR)、所有子载波上的CR协方差矩阵中的任一种。

具体而言，第i个通信对的接收台站20_i与第q个发送台站10_q之间的链路的相对于第s个符号的信道冲击响应(CIR)为如上所述的y_i，q，s。

该CIR可被转换成第c个子载波的频域信道响应Y_i，q，c，其可以被表达为：

$Y_{i,q,c}=D_i^T{H}_c{w^{\′}}_q$ (式14)

其中c是子载波的索引，c＝1，2，...，C，其中C表示子载波的总数。

所有子载波的平均频域信道响应CR_i，q可以通过下式获得：

${\mathrm{CR}}_{i,q}=E\left(Y_{i,q,c}\right)=\frac{1}{C}\underset{c}{\mathrm{\Σ}}{Y}_{i,q,c}$ (式15)

CR协方差矩阵CM_i，q可以通过下式获得：

${\mathrm{CM}}_{i,q}=E\left(Y_{i,q,c}{Y}_{i,q,c}^H\right)=\frac{1}{C}\underset{c}{\mathrm{\Σ}}{Y}_{i,q,c}{Y}_{i,q,c}^H$ (式16)

接收台站20_i进而利用下式来计算其与发送台站10_i之间的通信的优化RX AWV：

${d^{\′}}_i=\mathrm{eig}\left\{{(\left(\underset{1\≤q\≤N,q\≠i}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{\‾}{R}}_{i,q}\right)+N_{0}I)}^{-1}{\stackrel{\‾}{R}}_{i,i}\right\}$ (式17)

其中eig(.)表示最大的特征向量，N₀是加性白高斯噪声(AWGN)的单边功率谱密度(PSD)。

取决于接收台站20_i计算的是平均频域信道响应CR_i，q还是CR协方差矩阵CM_i，q，上式中的

可以如下计算：

${\stackrel{\‾}{R}}_{i,q}=D_i^{*}{\mathrm{CR}}_{i,q}{\mathrm{CR}}_{i,q}^H{D}_i^T$ (式18)

${\stackrel{\‾}{R}}_{i,q}=D_i^{*}{\mathrm{CM}}_{i,q}{D}_i^T$ (式19)

然后，接收台站20_i利用下式计算第i通信对的接收SINR_i：

${\mathrm{SINR}}_i=\frac{{d^{\′}}_i^T{\stackrel{\‾}{R}}_{i,i}{d^{\′}}_i^{*}}{\underset{1\≤q\≤N,q\≠i}{\mathrm{\Σ}}{d^{\′}}_i^T{\stackrel{\‾}{R}}_{i,q}{d^{\′}}_i^{*}+N_{0}I}$ (式20)

SINR_i可作为第i通信对之间的链路的链路质量的一个度量。接收台站20_i随后将计算出的SINR_i反馈给协调器30。

最后，在判定阶段(包括步骤S112-S115)期间，在步骤S112中，协调器30通过将各接收台站20₁，20₂，...，和20_N反馈来的SINR与各通信对的相应预定阈值γ相比较，来评估各链路的链路质量。例如，协调器30经由台站交互单元301接收到从接收台站20_i反馈来的SINR，并利用空间复用判定单元304将接收台站20_i反馈来的第i通信对的SINR_i与第i通信对的阈值γ_i相比较。

在步骤S113中，协调器30基于在步骤S112中对链路质量的评估结果来判定是否能够进行空间复用，或者是否需要进行再训练。例如，协调器30利用其空间复用判定单元304来判定是否能够进行空间复用。

具体而言，如果在步骤S112中发现所有通信对的SINR均大于或等于其相应的阈值γ，则协调器30判定能够进行空间复用，并且该方法随后进行到步骤S114。反之，如果有任何一个通信对的SINR小于其相应的阈值γ，则协调器30判定需要再进行基于空间复用的波束形成训练，该方法随后进行到步骤S115。

在步骤S114中，协调器30将可用的空间复用的服务时段通知给各发送台站10₁，10₂，...，和10_N和各接收台站20₁，20₂，...，和20_N。此波束形成训练过程然后结束。此后，第i通信对的发送台站10_i和接收台站20_i可利用其在波束形成训练过程中得到的w′_i和d′_i分别作为TX AWV和RX AWV来与彼此进行数据通信。

另一方面，在步骤S115中，协调器30按照基于各发送台站10₁，10₂，...，和10_N和各接收台站20₁，20₂，...，和20_N之间的各链路的泄漏状况的标准排除一对或多对通信对。例如，协调器30可丢弃具有最小SLNR的通信对。然后，过程返回到步骤S108，在排除具有最小SLNR的通信对的情况下，针对剩余的N-1对发送台站和接收台站重复步骤S108及随后的步骤，以进行重训练，直到在步骤S113中获得肯定结果为止。

图4示出了根据本发明第二实施例的主动式同时波束形成训练的方法的流程图。

根据第二实施例的方法与图3所示的根据第一实施例的方法的不同之处在于用步骤S208和S215分别取代了步骤S108和S115。

具体而言，根据第二实施例，在步骤S208中，协调器30无需像步骤S108中那样计算各通信对的SLNR。

另外，如果在步骤S113中，协调器30基于步骤S112中的比较结果而判定不能够进行空间复用，即需要再进行波束形成训练，那么该方法随后进行到步骤S215。

在步骤S215中，协调器30通知各接收台站20₁，20₂，...，和20_N将其RX AWV固定为在步骤S111中计算出的优化RX AWV。例如，协调器30利用台站交互单元301通知接收台站20_i将其RX AWV固定为d′_i。然后，过程返回到步骤S105，在各接收台站的RX AWV被重置为优化RX AWV的情况下重复步骤S105，并进而重复进行S105之后的步骤，以进行重训练，直到在步骤S113中获得肯定结果为止。

注意，可以组合第一实施例和第二实施例。即，如果在步骤S113中，协调器30判定需要继续进行波束形成训练，那么协调器30可以既丢弃具有最小SLNR的通信对，又通知剩余的各个通信对的接收台站将其RX AWV固定为在步骤S111中计算出的优化RX AWV，然后使过程返回到步骤S105，重复步骤S105及随后的步骤。

以上描述了系统中的多对通信台站几乎同时主动发起服务时段请求的情况。然而，系统中的多个通信对不一定要同时发起服务时段请求，而可以根据需要随时发起服务时段请求。

下面结合图5-7来描述这种情况。图5示出了在这种按需式同时波束形成训练的情况下无线通信系统1的示意图。

如图5所示，系统中的第1，2，...，N-1个通信对已经经过波束形成训练，正在进行数据通信。此时，一个或多个另外的通信对(例如第N通信对)发起服务时段(SP)请求并且向协调器30发送其TX码本。在接收到来自第N通信对的请求后，协调器30综合考虑包括第1，2，...，N-1，N对通信台站的系统的情况，以基于服务时段可用性安排基于空间复用的同时波束形成训练。然后系统中的所有N对通信对执行如上所述的同时波束形成训练。

图6示出了根据本发明第三实施例的同时波束形成训练的方法的流程图。

根据第三实施例的方法与图3所示的根据第一实施例的方法的不同之处在于步骤S301-S304取代了步骤S101-S103。

具体而言，根据第三实施例，在步骤S301中，系统中已经有一对或多对通信台站经过了波束形成训练，并例如正在进行数据通信。

在步骤S302中，至少一对额外的通信台站中的发送台站向协调器30发送服务时段请求以及相应的TX码本。

在步骤S303中，在接收到来自额外的至少一对通信台站的服务时段请求后，协调器30综合考虑系统中的所有通信对的情况，基于服务时段可用性安排基于空间复用的同时波束形成训练，并且通知系统中的所有通信对将要重新进行波束形成训练，同时将所安排的训练时隙和分配给各通信对的训练序列索引告知各通信对的发送台站和接收台站。

然后，在步骤S104-S115中，各通信对在协调器30的帮助和协调下以类似于第一实施例的方式进行同时波束形成训练。

图7示出了根据本发明第四实施例的同时波束形成训练的方法的流程图。

根据第四实施例的方法与图6所示的根据第三实施例的方法的不同之处在于用步骤S208和S215分别取代了步骤S108和S115。在以上对第二实施例的描述中已经给出了关于步骤S208和S215的描述，这里将不再重复。

类似地，也可以组合第三实施例和第四实施例。即，如果协调器30判定需要继续进行波束形成训练，那么可以既丢弃具有最小SLNR的通信对，又通知剩余的各个通信对的接收台站将其RX AWV固定为计算出的优化RX AWV，然后使过程返回到步骤S105，重复步骤S105及其后的步骤。

图8示出了本发明中可使用的训练序列的一个示例。如图8所示，训练序列可以包括互补Golay序列。基本Golay序列G＝[Ga Gb]^T包括两个互补序列Ga＝[Ga₁Ga₂...Ga_{N_MAX}]^T和Gb＝[Gb₁Gb₂...Gb_{N_MAX}]^T，其中Ga_v和Gb_v(v＝1，...N_MAX)本身各自是一个符号序列，其中包括S个符号。N_MAX表示系统中允许同时训练的通信对的最大数目。在分配索引时，假设协调器30为第i通信对分配训练序列索引i。每个通信对在得知该索引i后，可如下得出与本通信相关联的训练序列：

第1通信对：TS₁＝[Ga₁Ga₂...Ga_{N_MAX}Gb₁Gb₂...Gb_{N_MAX}]^T

第2通信对：TS₂＝[Ga_{N_MAX}Ga₁...Ga_{N_MAX-1}Gb_{N_MAX}Gb₁...Gb_{N_MAX-1}]^T

...

第i通信对(i＝3，4....，N)：

TS_i＝[Ga_{N_MAX-i+2}Ga_{N_MAX-i+3}...Ga_{N_MAX-i+1}Gb_{N_MAX-i+2}Gb_{N_MAX-i+3}...Gb_{N_MAX-i+1}]^T

所有通信对得出的训练序列是相互正交的。

另外，如图8所示，在每个通信对的训练序列中的两个互补序列的两端，可以分别附加循环前缀和/或循环后缀，以例如调整由信道和硬件导致的任何可容忍的定时误差。

注意，训练序列可以始终利用单载波模式来发送。

另外，Ga_v和Gb_v的长度S取决于最大信道阶数L(经chip长度(即Ga_v或Gb_v中包括的每个符号的时间长度)归一化)，满足S＞＝L。

图9示出了本发明中可使用的训练序列的另一个示例。如图9所示，训练序列可以包括Zadoff-Chu序列。基本Zadoff-Chu序列可以写作Z＝[Z₁Z₂...Z_{N_MAX}]^T，其中Z_v(v＝1，...，N_MAX)本身是一个符号序列，其中包括S个符号。N_MAX表示系统中允许同时训练的通信对的最大数目。在分配索引时，假设协调器30为第i通信对分配训练序列索引i。每个通信对在得知该索引i后，可如下得出与本通信相关联的训练序列：

第1通信对：TS₁＝[Z₁Z₂...Z_{N_MAX}]^T

第2通信对：TS₂＝[Z_{N_MAX}Z₁...Z_{N_MAX-1}]^T

...

第i通信对(i＝3，4....，N)：TS_i＝[Z_{N_MAX-i+2}Z_{N_MAX-i+3}...Z_{N_MAX-i+1}]^T

所有通信对得出的训练序列是相互正交的。

另外，如图9所示，在每个通信对的训练序列中包含的Zadoff-Chu序列的两端，可以分别附加循环前缀和/或循环后缀，以例如调整由信道和硬件导致的任何可容忍的定时误差。

与以上所述类似地，在使用Zadoff-Chu序列作为训练序列的情况下，训练序列也可始终利用单载波模式来发送。

另外，Z_v的长度S取决于最大信道阶数L(经chip长度(即Z_v中包括的每个符号的时间长度)归一化)，满足S＞＝L。

以上出于说明而非限制目的已经描述了本发明的一些具体实施例。然而，本发明并不限于所描述的实施例。本领域的技术人员将会明白，可以对本发明进行多种修改、组合和替换，并且本发明包含落在所附权利要求书的范围内的这种修改、组合和替换。

Claims (20)

1.一种无线通信系统，包括：

各自包括发送天线阵列的多个发送台站，所述多个发送台站在同一时间段中通过各自的发送天线阵列发送训练序列；以及

与所述多个发送台站分别对应的、各自包括接收天线阵列的多个接收台站，所述多个接收台站中的每个接收台站通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并获取与该接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息，所述信道信息被用于确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量和所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量中的至少一者。

2.如权利要求1所述的无线通信系统，其中

所述多个发送台站在同一时间段中在切换各自的发送天线权重向量的同时通过各自的发送天线阵列发送训练序列，并且

所述多个接收台站中的每个接收台站在固定各自的接收天线权重向量的同时通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并获取与该接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息，该信道信息被用于确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量。

3.如权利要求1所述的无线通信系统，其中

所述多个发送台站在同一时间段中在固定各自的发送天线权重向量的同时通过各自的发送天线阵列发送训练序列，并且

所述多个接收台站中的每个接收台站在切换各自的接收天线权重向量的同时通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并获取与该接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息，该信道信息被用于确定所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量。

4.如权利要求1所述的无线通信系统，还包括协调器，其中

所述多个接收台站将所获取的信道信息反馈给所述协调器，并且

所述协调器基于从所述多个接收台站反馈来的信道信息，评估所述多个发送台站和所述多个接收台站之间的各个链路的链路质量，以判定是否需要进行再训练。

5.如权利要求4所述的无线通信系统，其中，在所述协调器判定需要进行再训练的情况下，再训练基于先前训练中确定的优化发送天线权重向量和优化接收天线权重向量中的至少一者来进行。

6.如权利要求4所述的无线通信系统，其中，在所述协调器判定需要进行再训练的情况下，所述多个发送台站和多个接收台站中的一对发送台站和接收台站按照基于所述多个发送台站和所述多个接收台站之间的各个链路的泄漏状况的标准被排除，并且再训练针对剩余的发送台站和接收台站进行。

7.如权利要求1所述的无线通信系统，还包括协调器，该协调器根据所述多个发送台站的请求，来为所述多个发送台站和所述多个接收台站安排训练时隙。

8.如权利要求1所述的无线通信系统，还包括协调器，该协调器根据所述多个发送台站之一的请求，来为所述多个发送台站和所述多个接收台站安排训练时隙。

9.如权利要求1所述的无线通信系统，其中每个所述训练序列包括互补Golay序列或Zadoff-Chu序列中的任一种。

10.如权利要求9所述的无线通信系统，其中每个所述训练序列还包括循环前缀和循环后缀中的至少一者。

11.一种在包括多个发送台站和与所述多个发送台站分别对应的接收台站的无线通信系统中进行波束形成训练的方法，包括：

训练序列发送步骤，所述多个发送台站在同一时间段中通过各自的发送天线阵列发送训练序列；

训练序列接收步骤，所述多个接收台站中的每个接收台站通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列；

信道信息获取步骤，获取与所述多个接收台站中的每个接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息；以及

优化天线权重向量确定步骤，基于所述信道信息来确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量和所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量中的至少一者。

12.如权利要求11所述的方法，其中

所述训练序列发送步骤包括所述多个发送台站在同一时间段中在切换各自的发送天线权重向量的同时通过各自的发送天线阵列发送训练序列，

所述训练序列接收步骤包括所述多个接收台站中的每个接收台站在固定各自的接收天线权重向量的同时通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并且

所述优化天线权重向量确定步骤包括基于所述信道信息来确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量。

13.如权利要求11所述的方法，其中

所述训练序列发送步骤包括所述多个发送台站在同一时间段中在固定各自的发送天线权重向量的同时通过各自的发送天线阵列发送训练序列，

所述训练序列接收步骤包括所述多个接收台站中的每个接收台站在切换各自的接收天线权重向量的同时通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并且

所述优化天线权重向量确定步骤包括基于所述信道信息来确定所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量。

14.如权利要求11所述的方法，还包括：

再训练判定步骤，基于所获取的信道信息，来评估所述多个发送台站和所述多个接收台站之间的各个链路的链路质量，以判定是否需要进行再训练。

15.如权利要求14所述的方法，还包括：

在判定需要进行再训练的情况下，基于先前训练中确定的优化发送天线权重向量和优化接收天线权重向量中的至少一者来进行再训练。

16.如权利要求14所述的方法，还包括：

在判定需要进行再训练的情况下，按照基于所述多个发送台站和所述多个接收台站之间的各个链路的泄漏状况的标准排除所述多个发送台站和所述多个接收台站中的一对发送台站和接收台站，并且针对剩余的发送台站和接收台站来执行所述再训练。

17.如权利要求11所述的方法，还包括：

根据所述多个发送台站的请求，来为所述多个发送台站和所述多个接收台站安排训练时隙。

18.如权利要求11所述的方法，还包括：

根据所述多个发送台站之一的请求，来为所述多个发送台站和所述多个接收台站安排训练时隙。

19.如权利要求11所述的方法，其中每个所述训练序列包括互补Golay序列或Zadoff-Chu序列中的任一种。

20.如权利要求19所述的方法，其中每个所述训练序列还包括循环前缀和循环后缀中的至少一者。

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