CN102629883A - 波束成形方法和使用该方法的多天线系统 - Google Patents

波束成形方法和使用该方法的多天线系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种波束成形方法和使用该方法的多天线系统。提供一种通过发射器和接收器之间的训练序列的传输形成最佳波束方向图的多天线系统，其中发射器和接收器均包括多个天线，多天线系统包括：发射器，根据等级选择要激活的预定天线，并通过所选天线向接收器发送训练序列；以及接收器，根据等级选择要激活的天线，并基于从发射器发送的训练序列向发射器发送极大地降低成本函数的最佳发送权重向量的指数，其中，发射器这样选择天线使得由在第q等级(q：等级指数)选择的天线形成的波束方向图包括由在第q+1等级选择的天线形成的波束方向图。因此，可降低训练序列的发送频率。

Description

波束成形方法和使用该方法的多天线系统
相关申请相互参考 
本申请要求于2011年2月8日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2011-0011050的优先权，其内容通过引证结合于此。 
技术领域
本发明涉及一种能够减少训练序列的发送频率的波束成形方法和使用该方法的多天线系统。 
背景技术
近来，正在寻求一种电信频率资源缺乏的解决方案。这些方案中的一个方案是毫米波段通信，由于其使用宽带来获得高传输速率的优点而引起极大的关注。另外，因为由于短波长而能够实现RF设备的小型化和轻质化，所以已经开发了国际标准化标准的无线局域网(WLAN)和无线个人区域网(WPAN)。 
在毫米波段通信中，广泛采取使用多天线的波束成形技术，具体地，在毫米波段通信中，由于毫米波段信道的高空间相关性而使用其中正交频分复用(OFDM)与多输入多输出(MIMO)方案结合的MIMO-OFDM系统。作为用在MIMO-OFDM系统中的波束成形技术，提供了一种基于码本的符号波束成形技术。在该情况下，用于智能天线的多个方案之一的波束成形是一种其中波束仅从天线指向至特定相应的终端的技术。为了提高 其效率，可使用多天线来实现智能天线。其中多个天线安装在发射器和接收器中的智能天线方案被称为多输入多输出(MIMO)。 
基于码本的符号波束成形技术是一种其中在不估计信道信息的前提下通过训练序列的传输选择能够优化成本函数的权重向量的发射和接收。也就是说，在发送数据之前，用于选择权重向量的发送和接收的训练序列传输步骤是很重要的。然而，执行训练序列传输步骤时，增加了训练序列的发送频率，从而消耗了过量的时间。 
发明内容
本发明一方面提供一种能够降低训练序列的发送频率的波束成形方法和使用该方法的多天线系统。 
根据本发明的示例性实施方式，提供一种通过发射器和接收器之间的训练序列传输来形成最佳波束方向图的多天线系统，其中发射器和接收器都包括多个天线，该多天线系统包括：发射器，根据用于形成最佳波束方向图的逐步增加的等级选择要激活的预定天线，并通过所选天线向接收器发送训练序列；以及接收器，根据等级选择要激活的预定天线，并基于从发射器发送的训练序列向发射器发送极大地降低成本函数的最佳发送权重向量的指数，其中，发射器通过使由在第q等级(q：等级指数)选择的天线形成的波束方向图包括由在第q+1等级选择的天线形成的波束方向图的方式选择天线。 
发射器可以通过使由在第q等级选择的天线形成的波束方向图的任何一个等于由在第q+1等级选择的天线形成的波束方向图中的两个波束方向图的和的方式选择天线。 
发射器和接收器的多个天线可以分别包括等间距线性天线阵列。 
发射器可以在每一等级选择2q个天线，并在每一等级选择的天线之间的距离D取决于下式： 
D＝2n-(q+1)λ         式 
其中，q表示等级指数，n表示等级总数以及λ表示载波波长。 
发射器可以在每一等级向两个方向发射训练序列，两个方向中的每一个都在各自的方向上向接收器发送相同训练序列两次。 
根据本发明的示例性实施方式，提供一种通过在发射器和接收器之间传输训练序列形成最佳波束方向图的波束成形方法，其中发射器和接收器均包括多个天线，该波束成形方法包括：(a)根据用于形成最佳波束方向图的逐步增加的等级选择发射器和接收器的要激活的预定天线；(b)通过所选择的天线从发射器向接收器发送训练序列；以及(c)基于在接收器中接收到的训练序列向发射器发送极大地减少成本函数的最佳发送权重向量的指数，其中，操作(a)包括通过使由在第q等级(q：等级指数)选择的天线形成的波束方向图包括由在第q+1等级选择天线形成的波束方向图的方式选择天线。 
操作(a)可以包括通过使由在第q等级选择的天线形成的波束方向图中的任何一个等于由在第q+1等级选择的天线形成的波束方向图中的两个波束方向图的和的方式选择天线。 
发射器和接收器的多个天线可以分别包括等间距线性天线阵列。 
操作(a)可包括在每一等级选择2q个天线，并在每一等级选择的天线之间的距离D取决于下式： 
D＝2n-(q+1)λ          式 
其中，q表示等级指数，n表示等级总数以及λ表示载波波长。 
在操作(b)中，发射器可以在每一等级向两个方向发射训练序列，两个方向中的每一个都在各自的方向上向接收器发送相同训练序列两次。 
附图说明
通过以下结合附图进行的详细描述，将会更清楚地理解本发明的上述的以及其它方面、特征及其他优点。 
图1是根据本发明示例性实施方式的多天线系统的配置图； 
图2是用于说明根据本发明示例性实施方式的波束成形方法的流程图； 
图3是示出根据本发明示例性实施方式的天线数量为8时形成的波束方向图的图示； 
图4是示出根据本发明示例性实施方式的天线数量为8时根据等级来选择天线的方法的图示； 
图5是将根据本发明示例性实施方式的训练序列的发送频率和相关技术的训练序列的发送频率比较的图表； 
图6是将根据本发明示例性实施方式的有效信噪比增益和相关技术的有效信噪比增益比较的曲线图。 
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。然而，应当注意，本发明的精神不局限于本文所阐述的实施方式，并且本领域技术人员应当理解，本发明通过在相同精神范围内进行元件的添加、更改以及去除能够 容易地实现逆向的发明和包含在本发明精神范围内的其他实施方式，但是那些都被解释为包含在本发明的精神范围内。 
此外，在所有附图中，相同或相似的参考标号将用于表示在相似思想范围内具有相同功能的元件。 
图1是根据本发明示例性实施方式的多天线系统的配置图。该多天线系统可以包括发射器100和接收器200。 
详细地，发射器100的快速傅里叶逆变换器(IFFT)101可对待发送的信号执行快速傅里叶逆变换，并将结果发送至D/A和混频器102。 
同时，发射器100的D/A和混频器102可将快速傅里叶逆变换后的信号转换成模拟信号，并将转换后的信号混频。混频信号被发送至波束成形单元103。 
发射器100的波束成形单元103可将从D/A和混频器102发送的混频信号乘以发送权重向量W1，……，WM，然后，将该信号发送至天线阵列104。发送至天线阵列104的信号通过信道H发送至接收器200。如所示，天线阵列可包括多个天线。根据本发明示例性实施方式，天线阵列104可包括多个等间距线性天线。 
具体地，根据本发明示例性实施方式，波束成形单元103可在发送数据之前执行用于最佳波束成形的训练序列的发送步骤。为此目的，波束成形单元103可根据等级选择要激活的天线。之后，波束成形单元103将训练序列乘以发送权重向量W1，……，WM，然后通过所选的天线发送训练序列。用于形成波束方向图的多个发送权重向量预先存储在码本中，并且特定发送权重向量被乘以训练序列并被发送，从而在特定方向上形成波束方向图。 
同时，天线间的距离D可由下式1确定： 
D＝2n-(q+1)λ             式1 
在此，q表示等级指数，n表示等级总数，λ表示载波波长。以下将参照图2描述上述式1的含义。 
同时，接收器200的天线阵列201可通过信道H接收从发射器100发送的信号，并将所接收的信号发送至波束成形单元202。如图1所示，接收器200的天线阵列也可包括多个等间距的线性天线。接收器200的天线阵列201间的距离也可由上述式1确定。 
接收器200的波束成形单元202可将从天线阵列201发送的信号乘以接收权重向量C1，……，CM，然后将该信号发送至混频器和A/D转换器203。详细地，由包含在天线阵列201中的每个天线接收的每个信号被乘以接收权重向量C1，……，CM，这些信号又被发送至混频器和A/D转换器203。具体地，根据本发明示例性实施方式，波束成形单元202根据等级选择要激活的天线，并通过所选天线接收从发射器100发送的信号。 
接收器200的混频器和A/D转换器203可将从天线阵列201发送的信号混频，然后将混频信号转换成数字信号。转换信号被发送至快速傅里叶变换器(FFT)204。 
接收器200的快速傅里叶变换器(FFT)204对从混频器和A/D转换器203发送的信号执行快速傅里叶变换，然后将快速傅里叶变换后的信号输出。 
同时，接收器200的权重向量选择器205可接收来自混频器和A/D转换器203的混频信号，以选择极大地减少成本函数的最佳发送权重向量。所选最佳发送权重向量的指数通过反馈信道206发送至发射器100的波束成形单元103。 
同时，图2是用于说明根据本发明示例性实施方式的波束成形方法的流程图，图3是示出根据本发明示例性实施方式的天线数量为8时形成的波束方向图的图示，图4是示出根据本发明示例性实施方式的天线数量为8时根据等级来选择天线的方法的图示。 
下文中，将参照图1至图4描述本发明的示例性实施方式。 
参照图1至图4，在操作200中，发射器100的波束成形单元103和接收器200的波束成形单元202可首先将等级指数q初始化至1。 
在操作201中，发射器100的波束成形单元103可根据等级指数q在包含在天线阵列104中的多个天线中选择要激活的天线。类似地，接收器200的波束形成单元202可根据等级指数q在包含在天线阵列201中的多个天线中选择要激活的天线。 
下文中，将详细描述根据每一等级选择的天线。在描述本发明示例性实施方式的过程中，可假设发射器100的天线数量与接收器200的天线数量相同，诸如以包含在发射器100的天线阵列104中的天线数量M为8并且包含在接收器200的天线阵列201中的天线数量M为8为例。在该情况下，总等级n可根据下式2进行确定： 
M＝2n，...，等式2 
此处，M是包含在天线阵列中的天线数量并且在发射器100和接收器200中的天线数量都是8，而n则是等级总数。根据本发明示例性实施方式，在每一等级可选择2q个天线。因此，选择的天线数量可根据等级指数q的增加而增加，而天线间的距离D则可减小。在该情况下，所选天线可保持为相同距离。每一等级的天线距离可由下表1表示。 
【表1】 
等级指数(q) 所选天线数量 天线间距(D)
  1   21   D＝2n-2λ
  2   22   D＝2n-3λ
  3   23   D＝2n-4λ
  ..   ..   ..
  q   2q   D＝2n-(q+1)λ
  ..   ..    ..
  n   M＝2n   D＝2-1λ
参照图1和图4，在第一等级(q＝1)，可选择两个(21)发射天线和两个接收天线(图4中的1和5)。在该情况下，天线间的距离D可以是2λ(参见图4的400)。在第二等级(q＝2)，可选择四个(22)发射天线和四个接收天线(图4的1、3、5和7)。在该情况下，天线间的距离D可以是λ(参见图4的410)。在第三等级(q＝3)，可选择八个(23)发射天线和八个(23)接收天线(图4的1至8)。在该情况下，天线间的距离D可以是λ/2(参见图4的420)。通过上述天线选择，在第q等级产生的波束方向图可包括在第q+1等级产生的波束方向图。将参照图3对此进行详细描述。 
参照图3和图4，可由在第一等级(q＝1)选择的天线1和5形成两个波束方向图301和302(参见参考标号300)。可由在第二等级(q＝2)选择的天线1、3、5和7形成四个波束方向图311至314(参见参考标号310)。同时，可由在第三等级(q＝3)选择的天线1至8形成八个波束方向图321至328(参见参考标号320)。在该情况下，在第q+1等级产生 的波束方向图中的两个波束方向图的和可与在第q等级产生的波束方向图中的任何一个相同。例如，在第一等级形成的波束方向图301和波束方向图302中的一个波束方向图301可等于在作为下一等级的第二等级形成的波束方向图311至314中的两个波束方向图312和314的和。另外，在第二等级(q＝2)形成的波束方向图311至314中的一个波束方向图312可等于在作为下一等级的第三等级(q＝3)形成的波束方向图321至328中的两个波束方向图324和328的和。 
在操作202中，发射器100的波束成形单元103可使用相应等级的波束方向图发射训练序列。详细地，发射器100的波束成形单元103在每一等级从两个方向发射训练序列，两个方向中的每一个都在各自的方向上发送相同训练序列两次。因此，接收器200的波束成形单元202在一个方向上两次接收总共四个训练序列。 
在操作203中，接收器200的权重向量选择器205可基于接收到的训练序列选择极大地降低成本函数的最佳发送权重向量的指数。 
然后，在操作204中，接收器200的权重向量选择器205可通过反馈信道206将所选择的最佳发送权重向量的指数发送到发射器100的波束成形单元103。 
在操作205中，发射器100的波束成形单元103可确定等级指数q是否等于预定总指数log2M，作为测定结果，如果等级指数小于总指数(n＝log2M)，则重新执行操作201至205。在该情况下，只有与在上一等级选择的最佳发送权重向量相对应的方向可用于发送训练序列。因此，根据本发明示例性实施方式，由于天线数量为8时训练序列在每一等级被发送四次，所以可以理解，可通过总共发送十六次训练序列来选择最佳发送权重向量。图5中示出根据本发明示例性实施方式的训练序列的发送频率和相关技术的训练序列的发送频率的对比结果。 
图5是将根据本发明示例性实施方式的训练序列的发送频率和相关技术的训练序列的发送频率比较的图表，其中，X轴表示天线数量，Y轴表示从发射器100发射的训练序列的发送频率。 
参照图5，参考标号501指的是以穷举搜索法成形的基于符号级的波束(SB-ES)，参考标号502指的是以双级训练成形的基于符号级的波束(SB-2T)，参考标号500指的是以根据本示例性实施方式的多级训练和天线选择成形的基于符号级的波束(SB-MTAS)。如图5所示，可以理解，与根据相关技术发明501和502的情况相比，在利用根据本发明示例性实施方式的SB-MTAS方法500的情况下，训练序列发送频率可进一步降低。 
此外，图6是将根据本发明示例性实施方式的有效信噪比(SNR)增益和相关技术的有效信噪比(SNR)增益比较的曲线图，其中X轴表示天线数量，Y轴表示有效SNR增益。 
如图6所示，可以理解的是，根据本发明示例性实施方式的SB-MTAS601的有效SNR增益可接近SB-ES 602，并且可低于基于子载波级的波束成形(BF)603的有效SNR增益而高于SB-2T 600的有效SNR增益。 
如上，根据本发明的示例性实施方式，所选天线的数量可随着等级的增加而增加，并且由在下一等级选择的天线形成的波束方向图可包括在由在上一等级所选择的天线形成的波束方向图中，从而降低了训练序列的发送频率，使得在不损失性能增益的前提下可将由于加权向量的发送和接收而消耗的建立时间显著减少。 
尽管已经结合示例性实施方式示出并描述了本发明，但本领域的普通技术人员应当理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以进行修改和改变，本发明的精神和范围由所附权利要求限定。 

Claims (10)

1.一种通过发射器和接收器之间的训练序列传输来形成最佳波束方向图的多天线系统，其中发射器和接收器都包括多个天线，所述多天线系统包括：
发射器，根据用于形成所述最佳波束方向图的逐步增加的等级选择要激活的预定天线，并通过所选天线向接收器发送所述训练序列；以及
接收器，根据等级选择要激活的预定天线，并基于从所述发射器发送的所述训练序列向所述发射器发送极大地降低成本函数的最佳发送权重向量的指数，
其中，所述发射器通过使由在第q等级(q：等级指数)选择的天线形成的波束方向图包括由在第q+1等级选择的天线形成的波束方向图的方式选择天线。
2.根据权利要求1所述的多天线系统，其中，所述发射器通过使由在第q等级选择的天线形成的波束方向图的任何一个等于由在第q+1等级选择的天线形成的波束方向图中的两个波束方向图的和的方式选择天线。
3.根据权利要求1所述的多天线系统，其中，所述发射器和所述接收器的所述多个天线分别包括等间距线性天线阵列。
4.根据权利要求2所述的多天线系统，其中，所述发射器在每一等级选择2q个天线，以及
在每一等级选择的天线之间的距离D取决于下式：
D＝2n-(q+1)λ
其中，q表示等级指数，n表示等级总数以及λ表示载波波长。
5.根据权利要求1所述的多天线系统，其中，所述发射器在每一等级向两个方向发送所述训练序列，两个方向中的每一个在各自的方向上向所述接收器发送相同训练序列两次。
6.一种通过在发射器和接收器之间传输训练序列形成最佳波束方向图的波束成形方法，其中所述发射器和所述接收器均包括多个天线，所述波束成形方法包括：
(a)根据用于形成所述最佳波束方向图的逐步增加的等级选择所述发射器和所述接收器的要激活的预定天线；
(b)通过所选择的天线从所述发射器向所述接收器发送所述训练序列；以及
(c)基于在所述接收器中接收到的所述训练序列向所述发射器发送极大地减少成本函数的最佳发送权重向量的指数，
其中，操作(a)包括通过使由在第q等级(q：等级指数)选择的天线形成的波束方向图包括由在第q+1等级选择天线形成的波束方向图的方式选择天线。
7.根据权利要求6所述的波束成形方法，其中，操作(a)包括通过使由在第q等级选择的天线形成的波束方向图中的任何一个等于由在第q+1等级选择的天线形成的波束方向图中的两个波束方向图的和的方式选择天线。
8.根据权利要求6所述的波束成形方法，其中，所述发射器和所述接收器的多个天线分别包括等间距线性天线阵列。
9.根据权利要求7所述的波束成形方法，其中，操作(a)包括在每一等级选择2q个天线，以及
在每一等级选择的天线之间的距离D取决于下式：
D＝2n-(q+1)λ
其中，q表示等级指数，n表示等级总数以及λ表示载波波长。
10.根据权利要求6所述的波束成形方法，其中，在操作(b)中，所述发射器在每一等级向两个方向发射所述训练序列，两个方向中的每一个都在各自的方向上向所述接收器发送相同训练序列两次。
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