CN102687436A - 利用波束形成的通信系统 - Google Patents

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Abstract

在MIMO通信系统(199)中，第一通信设备(100)对包括同步数据和有效载荷数据或训练符号的完整发送分组应用波束形成。第二通信设备(200)评估经波束形成后的同步数据，并且确定和发送指示最低要求的同步数据和/或最少数目的训练符号的反馈信息。第一通信设备(100)基于反馈信息(sI1)对同步数据和/或训练符号的数目进行调整。对整个发送分组进行波束形成还便于实现在预定义位置处的信号抑制。当信道属性改变时，第二通信设备(200)可以提供进一步的信道状态信息以适配第一通信设备(100)中的波束形成，而无需发送未经波束形成的训练符号。该通信系统可以是电力线通信系统。

Description

利用波束形成的通信系统
技术领域
本发明的实施例涉及利用波束形成的通信系统，其中信道状态信息从接收器设备被反馈到通信系统的发送器设备。另一些实施例涉及用于基于信道状态信息反馈利用波束形成的通信系统的设备，以及用于操作利用发送器侧的信道状态信息的通信系统的方法。
背景技术
多进多出(MIMO)和多进单出(MISO)通信系统利用波束形成来提高带宽。
WO 2004/038952A2描述了用于无线时分复用(TDD)MIMO通信系统的信道估计和空间处理。利用互惠信道特性简化了在发送器和接收器两方的信道状态估计和空间处理。
US 2007/0177681A1涉及在下行发送器中利用特征波束形成的无线MIMO正交频分复用(OFDM)通信系统。上行反馈设备将短期和长期特征波束形成向量提供给下行发送器。在下行发送器中，本征模发生器基于所述短期和长期特征波束形成向量为在每个子载波处从信号再生器输出的多个再生信号中的每个再生信号生成特征波束形成向量。短期和长期特征波束形成向量的使用减少了反馈信息的量。
EP 2019496A1涉及将特征波束形成与自适应正交频分复用方法组合使用的电力线通信系统，其中信道状态信息从接收器单元被反馈到发送器单元。
EP 2061160A1描述了对训练符号和有效载荷数据进行预编码而不在通信设备之间交换信道状态信息的另一电力线通信系统。
本发明的目的在于提供用于提高电力线通信系统中的数据吞吐量并且改善有线通信系统中的干扰和共存属性的方法和设备。
这个目的通过根据权利要求1所述的通信系统、如权利要求8和10中所述的被适配用于所述通信系统的通信设备以及如权利要求11中所述的用于操作通信系统的方法来实现。另一些实施例分别在从属权利要求中被定义。通过以下结合附图对实施例的描述，本发明的细节将变得更加清楚，其中不同实施例的特征可以被组合，除非它们彼此排斥。
附图说明
图1A是图示了根据本发明实施例的有线MIMO通信系统的示意性框图，其中接收器单元被集成在第一通信设备中并且发送器单元被集成在第二通信设备中。
图1B是图示了根据实施例的图1A的发送器单元的示意性框图。
图1C是图示了根据参考了频域中的波束形成的另一实施例的发送器单元的细节的示意性框图。
图1D是图示了根据参考了时域中的波束形成的另一实施例的发送器单元的细节的示意性框图。
图1E是图示了根据实施例的图1A的接收器单元的示意性框图。
图1F是图示了根据参考了频域中的波束形成解码的另一实施例的接收器单元的细节的示意性框图。
图1G是图示了根据参考了时域中的波束形成解码的另一实施例的接收器单元的细节的示意性框图。
图2是用于图示根据实施例的通信设备的特征的指出发送分组的细节的简化时间图。
图3是根据另一实施例的MIMO通信系统的示意性框图。
图4A是图示了在第一状态下根据另一实施例的利用室内电力布线的MIMO通信系统的示意性框图，在所述第一状态下被暂时连接的通信设备被连接到室内布线的插口。
图4B是图示了在第二状态下图4A的MIMO通信系统的示意性框图，在所述第二状态下被暂时连接的通信设备用消费者应用设备来替换。
图5是图示了根据另一实施例的包括两个独立的MIMO子系统和MIMO子系统之间的干扰信道的MIMO通信系统的示意性框图。
图6是图示了根据另一实施例的操作MIMO通信系统的方法的示意性定时图。
图7是图示了用于说明根据另一实施例的确定波束形成矩阵的方法的码字簿和查找表的示意性框图。
图8是图示了根据另一些实施例的用于操作通信系统的方法的简化流程图。
具体实施方式
图1A示出了通信系统199。通信系统199可以是无线或有线通信系统，例如xDSL(通用数字用户线路)或DVB-C2(数字视频广播线缆)。根据实施例，通信系统199基于OFDM(正交频分复用)调制机制。根据另一实施例，通信系统199是利用配电线进行数据通信的系统。例如，通信系统199是分别利用被叠加到电力线的50或60Hz交流电上的经调制的载波的电力线通信(PLC)、干线通信、电力线电信(PLT)、宽带电力线(BPL)或电力带或电力线联网(PLN)。
通信系统199是具有第一通信设备100和第二通信设备200的MIMO系统，所述第一通信设备100包括利用一个、两个或更多个发送端口101-102的发生器单元110，所述第二通信设备200包括利用至少一个(例如两个、三个或四个)接收端口201-203的接收器单元220。传输信道300连接发送器单元110和接收器单元220。
第一通信设备100可以是只具有发送端口101-102的专用发送设备。根据其它实施例，第一通信设备100是除了包括发送器单元110以外还包括接收器单元120的双向设备，接收器单元120可以是与第二通信设备200中的接收器单元220同一类型的接收器单元，其中端口101-102可以是双向端口并且第一通信设备100可以包括另一接收端口103。第二通信设备200可以是专用接收设备。根据其它实施例，第二通信设备200是除了包括接收器单元220以外还包括发送器单元210的双向设备，发送器单元210可以是与第一通信设备100中的发送器单元110同一类型的发送器单元，其中端口201-202可以是双向端口。通信设备100，200可以是单机设备或者可以被集成在用户所应用的电子设备中，例如存储单元、电视机、音频接收器或视频记录器。
传输信道300可以是多线路连接。根据实施例，传输信道是被用于AC(交流电)电功率的发送并且作为建筑物内的永久布线被安装或被埋在地里的包含两个或更多个电导体的电力线缆。m个发送信号tx定义发送向量tm，并且n个接收信号ry定义接收向量rn。例如，发送器单元110可以利用火线(L，P)、零线(N)和保护地(PE)提供两个差分发送信号tx，其中差分发送信号tx被调制在叠加电源电压的AC频率的载波上。根据实施例，接收器单元220接收火线和零线之间、零线和保护地之间以及火线和保护地之间的三个差分接收信号。根据另一实施例，接收器单元220可以接收所述三个差分接收信号以及由来自布线的漏电流所产生的共模信号作为第四接收信号。
在实际的传输信道300中，发送信号tx例如通过线路之间的电容耦合彼此相互干扰。在将接收向量rn描述为发送向量tm的函数的信道矩阵Hn，m中，每一行的条目描述接收信号ry中的一个对所有发送信号tx的依赖关系，其中当发生串扰时通常Hn，m的条目hi，j都不为零。
(1) rn＝Hn，mtm
为了提高信噪比(SNR)，波束形成的原理通过利用预编码矩阵Pm，m对发送向量进行预编码来提供对接收信号的去耦合，以使得根据结果等价信道矩阵Hn，mPm，m和在接收器侧的解码机制，对角矩阵可以被得到，其中每个接收信号仅依赖于一个发送信号。
例如，第二通信设备200可以包括信道估计器单元，用于通过将接收到的训练符号序列与标称训练符号序列进行比较来确定描述传输信道300的信道状态信息(CSI)的信道矩阵Hn，m。然后，对Hn，m的奇异值分解可以被用来得到预编码矩阵Pm，m。
如等式(2)中所示，奇异值分解(SVD)将信道矩阵Hn，m分解成第一酉矩阵Un，n、第二酉矩阵Vm，m的Hermitian转置Vm，m H和对角矩阵Dn，m，其中Dn，m的对角条目为信道矩阵Hn，m的奇异值。
(2) Hn，m＝Un，nDn，mVm，m H
第二通信设备200将包含描述信道矩阵Hn，m或第二酉矩阵Vm，m的信息的反馈信息发送给第一通信设备100。该反馈信息可以经由传输信道300或经由替代发送路径被发送。第一通信设备100可以包括被配置为基于反馈信息生成预编码矩阵的控制单元。例如，控制单元利用第二酉矩阵Vm，m作为预编码矩阵。然后，等式(3)描述了接收单元220所接收的接收向量rn：
(3) rn＝Hn，mVm，mtm
在等式(3)中，信道矩阵Hn，m可以用等式(2)中的其SVD描述来替换：
(4) rn＝Un，nDn，mVm，m HVm，mtm
酉矩阵与其Hermitian转置的乘积是单位矩阵。利用第一酉矩阵Un，n的Hermitian转置Un，n H对接收向量进行解码得到解码后的接收向量yn。
(5) yn＝Un，n HUn，nDn，mVm，m HVm，mtm
(6) yn＝Dn，mtm
就解码后的接收向量yn而言，传输信道300被分解为一组并行的独立路径。
通常，所述的预编码/解码机制利用波束形成来对干扰信号进行分解以提高有效载荷数据的信噪比。本发明的实施例利用波束形成来得到更多的效果，例如除了所述的波束形成为有效载荷数据的SNR的影响以外或者作为替换，可以提高发送带宽，以及/或者用于预定位置处的信号消除。本发明的实施例不仅将波束形成预编码/解码机制应用于有效载荷数据的发送，而且还用于同步数据和训练符号的发送。
图2示出了用于将数据从图1中的第一通信设备100发送到第二通信设备200的发送分组(脉冲)600。发送分组600包含同步序列(前导序列)620和在同步序列620之后的数据部分610。
同步序列指示任意数据的发送并且也可以被用于接收器单元的时间同步。数据部分610可以包括有效载荷数据或训练数据或者这两者都包括。训练数据可以包括多个训练符号640，其中每个训练符号640可以被前置保护间隔630，该保护间隔630被提供以使得发送相对于多路径发送是鲁棒的。保护间隔630例如可以包含训练符号640的片段的拷贝。
例如，在电力线通信的情境中，同步序列620是固定大小的零自相关序列(CAZAC)，该序列包含用于对参与通信设备进行同步的数据，所述通信设备可以是类似的设备或者可从不同制造商那得到的不同设备。通常，同步序列620与电源AC电压线路周期对齐，其中同步序列620中所包含的时隙具有相对于AC线路周期的零交叉点的指定定时。
同步序列620可以包含针对每个参与通信设备的同步信号622，该信号包括用于为参与通信设备分配时域单元624的信息。同步信号622可以在接收器侧的通信设备处利用相关分析来检测，并且通常不经过接收通信设备中的特定解调和纠错路径。同步信号622可以包含用于系统组织的若干子时隙611-618。
通过对同步序列620和训练符号640应用波束形成，同步序列620和训练符号640的发送变得更加鲁棒。根据实施例，在接收器侧的通信设备可以确定反馈信息，该反馈信息描述接收器单元实际需要多少同步信息和/或训练符号来实现对所接收的发送信号的正确解调。被反馈到发送通信设备，同步反馈信息便于实现对训练符号的数目和/或同步序列进行调整以满足实际需要，从而通信资源可以被大大减少。
根据另一实施例，包括同步序列的波束形成被用于实现在通信系统的被选择位置处的信号消除，例如在室内电力布线的被选择插座(电源插槽)处的信号消除。
图1B示出了具有如在图1A中更详细图示的发送器单元110的通信设备100。第一控制单元190可以将包括有效载荷数据的数据流d1输出到发送器单元110。该数据流可以包含也可以不包含训练符号。发送器单元110包括串并多路复用器112，该复用器可以将数据流d1分成或倍增为M个并行数据流并且可以为M个数据流中的每个数据流添加同步数据，例如同步序列。数据流的数目M等于或小于发送端口的数目m与接收端口的数目n的最小值，M≤min[n，m]。例如，在有两个发送端口和三个接收端口的系统中，数据流的数目M等于1或2。利用一个接收端口的MISO系统只使用一个数据流。
串并多路复用器112输出M个数据流d2，这些数据流可以分别包括同步序列以及训练符号或有效载荷数据或者两者。串并多路复用器112可以针对同步序列和/或训练符号的数目进行编程。
例如，通信设备100可以包括第二控制单元170，该控制单元接收来自参与到同一通信系统中的其它通信设备的反馈信息，并且可以根据所接收到的反馈信息对串并多路复用器112进行编程或配置，以使得只有实际需要的数量的训练符号被插入到发送数据流中以及/或者使得同步序列只有所需要的长度。第二控制单元170可以经由如图1A中所示的接收器单元120或者替代传输路径接收用于确定当前同步数据的信息。
数据流d2中的每个数据流被分别发送到M个调制器114中的一个调制器。调制器114可以是正交幅度调制器(QAM)并且每个调制器114生成经调制的数据发送信号tx。
根据其它实施例，训练符号或同步序列或者这两者可以在对数据信号d2的调制之后以适当的形式被插入。
预编码单元116根据上述波束形成机制对调制后的数据信号tx进行预编码(波束形成)以生成经预编码的发送信号。预编码单元116可以用从预编码矩阵得到的系数来表征。预编码单元116可以是可编程的，以实现不同的预编码矩阵。例如，在认知阶段，预编码矩阵可以是单位矩阵以使得预编码单元116对于调制后的数据信号tx而言是透明的。在操作阶段，预编码矩阵Pm，m可以近似地等于第二酉矩阵Vm，m。
根据另一实施例，预编码矩阵Pm，m被定义为消除在预定义的位置处的预编码后的发送信号。因为通信系统包括在不同频率处的多个传输信道，所以对特定发送信号的消除可以等同于带陷滤波器。第一通信设备100中的预编码器控制单元180可以例如经由如图1中所示的接收器单元120接收用于确定预编码矩阵的信息，并且可以被用于配置预编码单元116。根据实施例，预编码器控制单元180从存储在码字簿单元185中的多个预定义矩阵中为每个信道选择一个预定义矩阵。
图1C针对其中通信设备100的发送器单元110提供频域中的波束形成的实施例。数据源(例如第一控制单元190)输出包含有效载荷数据但不包含训练符号和同步序列的主数据流。FEC(前向纠错)单元191根据用于实现接收器侧的纠错的错误检测机制插入码字冗余，并输出第一数据流d1。多路复用器单元112可以将第一数据流d1分成至少两个互补数据流d2或者将数据流倍增(至少双倍)为两个或更多个相同的数据流d2。
调制器单元114例如利用多个子载波和QAM(正交幅度调制)分别对每个数据流d2进行调制。调制器单元114可以利用描述频率相关的信道特性的星座数据ConDat来相应地适应QAM机制。星座控制单元182可以根据反馈信息得到星座数据ConDat，所述反馈信息可以例如经由如针对图1A和图1B所描述的接收器单元被接收。
根据实施例，多路复用器112在其输出数据流d2中的每个数据流中插入训练符号TS1，TS2或同步序列CAZAC1，CAZAC2或者这两者。根据另一实施例，调制器单元114以适当的形式在其输出数据流中的每个数据流中插入训练符号或同步序列或者这两者。训练符号TS1，TS2的数目和同步序列CAZAC1，CAZAC2可以在第二控制单元170的控制下针对每个输出数据流d2而变化，所述第二控制单元170可以包括被分配用于训练符号的第一子单元170a和被分配用于同步序列的第二子单元170b。第二控制单元170可以经由如图1A中所示的接收器120或者经由替代发送路径接收用于为每个输出数据流d2确定当前所需要的同步序列和/或训练符号的数目的信息。根据其它实施例，第二控制单元170只包括子单元170a，170b中的一个。
预编码单元116利用由预编码器控制单元180接收到的预编码矩阵V对调制后的数据信号进行预编码，所述预编码器控制单元180也可以基于例如经由接收器单元接收到的其它反馈信息来提供预编码矩阵V。调制后的数据信号包含训练符号或同步序列或者这两者，以使得波束形成包括对训练符号、同步序列或者这两者的波束形成。发送器单元110的另一调制器单元152可以利用OFDM(正交频分复用)将经预编码(波束形成)的调制后的数据信号调制到频率载波上。混频器和反向傅立叶变换单元154合并正交信号并且进行反向傅立叶变换以得到描述时域中的发送信号的数字输出信号。转换器和耦合单元156将数字输出信号转换成模拟发送信号并将每个模拟发送信号耦合到相应的发送端口101，102。
图1D针对其中通信设备100的发送器单元110提供时域中的波束形成的实施例。根据该实施例，发送器单元110提供两个发送信号。根据其它实施例，发送器单元110可以提供更多个发送信号，例如三个、四个或更多。预编码单元116可以被提供在混频器和反向傅立叶变换单元154与转换器和耦合单元156之间。预编码器控制单元180提供时域预编码矩阵Vconv，该矩阵可以通过卷积根据时域预编码矩阵而得到。
训练符号TS1，TS2或同步序列CAZAC1，CAZAC2可以在多路复用器112处被插入，如以上参考图1C所描述的。根据所示出的实施例，第二调制单元152在第一子单元170a的控制下、在分别执行每个支路中的调制之前将训练符号TS1，TS2插入到相应的数据流中。根据其它实施例，支路的数目可以不为2，并且训练符号的数目可以等于支路的数目。根据另一实施例，混频器和反向傅立叶变换单元154在正交信号被生成之前、在第二控制单元170的第二子单元170b的控制下将同步序列CAZAC1，CAZAC2插入到相应的数据流中。同样，同步序列的数目可以与支路的数目相对应。
图1E示出了具有如在图1A中更详细图示的接收器单元220的通信设备200。通信设备200在一个、两个、三个、四个或更多个输入端口201-203处接收接收信号。例如，通信设备200具有三个输入端口，被分别配置为接收火线与零线之间、火线与保护地之间以及零线与保护地之间的差分信号。根据另一实施例，通信设备200还包括第四输入端口，被配置为接收由于漏电流所引起的共模信号。
信道估计单元250将被选择的接收信号与等同的标称信号进行比较，并例如通过从多个预定义的信道矩阵中选择最好地表征实际传输信道的那个信道矩阵来确定信道矩阵Hn，m。通常，预定义的一组训练符号在发送器和接收器两侧都是已知的，并且训练符号被选择用于信道估计。信道估计单元250还被配置为提供描述信道矩阵的信道状态信息以用于在接收器和发送器两侧的进一步处理。例如，确定或直接描述第二酉矩阵Vm，m所需要的信息可被提供给第二通信设备200的发送器单元210。确定或直接描述第一酉矩阵Un，n所需要的信息可被提供给第二通信设备200的解码器控制单元280。
解码器控制单元280接收用于确定解码矩阵的信息并相应地配置解码器单元216，所述解码矩阵例如是第一酉矩阵Un，n的Hermitian转置Un，n H。
解码器单元216可以根据上述波束形成机制对接收信号rx进行解码以生成解码后的接收信号yx。解码器单元216用从解码矩阵得到的系数来表征。解码器单元216是可以编程的，以实现不同的解码矩阵。例如，在认知阶段，解码矩阵可以被选择来实现用于检测被发送的MIMO路径的均衡器或检测功能，例如迫零接收器。在操作阶段，解码矩阵可以近似地等于第一酉矩阵Um，m的Hermitian转置Un，n H。根据另一实施例，解码矩阵被使得与预编码矩阵适配，所述预编码矩阵消除在预定义位置处的发送信号。
解码器单元216所输出的数据流中的每个数据流分别通过N个解调器214中的一个解调器来解调。解调器214可以是正交幅度解调器(QAD)。每个解调器214生成解调后的数据信号d4，这些数据信号被输出到并串解复用器212。
解复用器212可以将N个数据信号d4合并成一个、两个或更多个数据流d5，该数据流d5被发送到控制单元290。此外，解复用器212可以包括或者可以被连接到质量单元270，该质量单元270检查例如同步序列的同步数据以及训练符号的质量。根据质量，质量单元270确定反馈信息，该反馈信息例如描述确保当前传输信道上的无干扰数据发送的同步序列的最小长度和/或最少的训练符号数目。
至少当所确定的同步序列的最小长度偏离所接收到的同步序列的长度时或者当所确定的最少的训练符号数目偏离所接收到的训练符号的数目时，质量单元270将更新的反馈信息输出到例如发送器单元210。根据其它实施例，反馈信息和信道状态信息被传送到控制单元290并且控制单元290将反馈信息和/或信道状态信息插入到从控制单元290输出到发送器单元210的数据流中。根据实施例，质量单元270将存储在码字簿单元275中的多个预定义矩阵中的一个矩阵的索引作为信道状态信息进行发送。
对于经由传输信道被分配用于同一第一通信设备100的每个第二通信设备200，不同的反馈信息可以被提供并且第一通信设备100可以针对每个第二通信设备200分别调整同步数据的长度和/或训练符号的数目，以节省传输资源。
根据另一实施例，波束形成被用于去除在第三插口处的发送信号，该发送信号是从被连接到电力线布线的第一插口的第一通信设备被发送到被连接到电力线布线的第二插口的第二通信设备的信号。在发送器侧调整等价信道可以抑制与其它通信系统(例如其它PLT系统或无线电广播服务)的干扰。
图1F指出了其中通信设备200的接收器单元220提供频域中的解码的实施例的细节。所示出的实施例针对驱动两个发送信号的发送通信设备(未示出)和经由输入端口201-204接收两个或更多个(例如四个)接收信号的接收通信设备200。耦合和转换器单元256对模拟接收信号进行采样，并且可以输出两个或更多个(例如四个)数字接收信号，其中耦合和转换器单元256可以响应于AGC(自动增益控制)单元264所提供的信息来调节接收信号的信号水平。
傅立叶变换单元254将数字接收信号变换到频域，其中针对每个数字接收信号的数字数据流可以被生成。此外，幅度和相位信息可以从接收信号中被获得以控制同步单元266，该同步单元266可以提供被AGC单元264用于调节信号水平的信息。第一解调器单元252可以利用OFDM来在时域中将每个数据流分解成两个正交调制的组分。根据实施例，由同步单元266提供的同步信息可被用于解调。
分路器单元251可被提供来将第一解调器单元252所输出的两个或更多个(例如四个)数据流路由到均衡器单元253和信道估计单元250。根据另一实施例，分路器单元251将全部或一些数据流路由到时钟偏移估计单元250，该时钟偏移估计单元250提供控制信号给电压控制的振荡器，控制在耦合和转换器单元256中对模拟接收信号的采样。
信道估计单元250被用于确定各种信道特性。例如，该单元可被配置为确定描述接收信号之间的相互影响的信道矩阵H的条目。此外，信道估计单元250可被配置为确定描述传输信道的每个路径的频率特性的色调图(tonemap)。信道估计单元250所获得的信息可被解码器控制单元280用于确定解码器单元216的解码器矩阵V-1。根据另一实施例，信道估计单元250所获得的信息可被调制器控制单元282用于确定用于第二解调器单元214的系数。另外，信道估计单元250所获得的信息可被伪逆变换单元250b用于确定均衡器单元253的系数。此外，信道估计单元250所获得的信息可被反馈到发送当前所接收的接收信号的发送通信设备。
均衡器单元253可被用于从表示两个或多个(例如四个)接收信号的数据流中恢复表示原始发送信号的两个或多个数据流。解码器单元216利用解码矩阵V-1对数据流进行解码。第二调制器单元214可以执行QAM解调(该解调可以使用色调图信息也可以不使用该信息)，并执行反向傅立叶变换以得到两个或更多个接收信号。解复用器212将这两个或更多个接收信号重新合并成结果接收信号。前向纠错单元291利用被包括的码字冗余来检测和纠正数据错误。解码在频域中被执行。图1G的实施例与图1F中所示的实施例的不同在于解码在时域中被执行。例如，解码器单元216可以被布置在耦合和转换器单元256与傅立叶变换单元254之间，接收所述两个或更多个(例如四个)数字接收信号并将解码后的数字接收信号输出到傅立叶变换单元254。
图3示出了具有多个通信设备301-305的通信系统399。通信设备301-305可以是包括接收单元320和发送单元310的双向设备、包括接收单元320的专用接收设备或者包括发送单元310的专用发送设备，只要通信设备301-305中的至少一个设备包含发送单元310。通信设备301-305被连接到电力线布线330，例如室内电力布线。电力线布线330还具有另一被监视的接口309，例如插口(电源插座)，在该接口处应当可检测到尽可能少的发送信号功率，例如因为被监视的插口309被提供用于连接功能可能被通信设备301-305的发送信号干扰的电子设备。
在五个双向通信设备301-305之间，电力线布线330提供20个不同的传输信道。每个通信设备301-305可以保存四个预编码矩阵，并且可以利用根据从相应的通信设备301-305和/或从被监视的插口309接收到的信道状态信息而得到的相应预编码矩阵，对要被发送到其它通信设备301-305中的一个通信设备的数据进行预编码，所述数据例如有效载荷数据或同步数据或者两者。
根据实施例，每个通信设备301-305中的预编码矩阵被确定，使得发送信号在被监视的插口309处尽可能地低，或者使得在所针对的接收器单元320处的接收信号与在被监视的插口309处的接收信号之间的比值尽可能高。根据其它实施例，发送信号可以在多于一个插口处被衰减。
图4A示出了在第一状态下的通信系统499。通信系统499包括第一和第二通信设备401，402和用于从第一通信设备401到第二通信设备402的数据发送的第一传输信道430a。通信设备401，402可以被提供在电力布线系统(例如室内电力布线430)的第一和第二插口431，432处。第二传输信道430b定义同一电力布线系统430的第一插口431与第三插口433之间的数据发送。在第一状态下，第三通信设备403被连接到第三插口433。第三通信设备403确定描述第二传输信道430b的信道状态信息并将该信道状态信息发送到第一通信设备401。
至少在特定频率范围内，信道状态信息可以包含或不包含消除标识符，该标识符将相应的插口标识为信号应当被消除的插口。例如，如果第三插口433被提供用于连接对发送信号带宽内的电磁辐射敏感的电子设备，例如无线电广播调频器，则消除标识符被设置。消除标识符还可以包含标识所希望消除的频率范围的信息。
如果信道状态信息不包含消除标识符，则第一通信设备401将第三通信设备标记为永久设备，并且可以根据波束形成机制为第二和第三插口432，433选择预编码矩阵，所述波束形成机制确保从第一通信设备401被发送到第三通信设备403和从第一通信设备401被发送到第二通信设备402的信号的高SNR。如果信道状态信息包含消除标识符，则第一通信设备401将第三插口433标记为被监视的插口，并且可以根据波束形成机制为第二插口432选择预编码矩阵，所述波束形成机制一方面确保在第三插口433处有较低的介质信号水平或者在被选择的频带内有较低的介质信号水平，以及另一方面确保从第一通信设备401被发送到第二通信设备402的信号的高SNR。
如上所述，例如如果第三插口433被提供用于连接对发送信号带宽内的电磁辐射敏感的电子设备，消除标识符在第三通信设备403中可以被设置。消息标识符可以通过用户交互被设置，例如通过开关或经由电输入端口。根据另一实施例，当特定通信设备已被断开连接时，例如当第三通信设备403已从第三插口433被断开连接时，第一通信设备401在内部设置消除标识符。
图4B示出了在第三通信设备403已被断开与电力布线系统430的连接之后并且无线电接收器450已被连接到第三插口433之后第二状态下的图4A的通信系统400。如果第一通信设备401对被发送到第二通信设备402的信号进行预编码以使得在第三插口处所选频带被抑制，则无线电接收器在不受通信系统400所引起的干扰的情况下接收广播信号。
图5示出了包括第一通信子系统500a和第二通信子系统500b的通信系统599，所述第一通信子系统500a具有第一和第二通信设备501，502和用于从第一通信设备501到第二通信设备502的数据发送的第一传输信道530a，所述第二通信子系统500b具有第三和第四通信设备503，504和用于从第三通信设备503到第四通信设备504的数据发送的第二传输信道530b。第一和第二通信子系统500a，500b可以例如被提供在建筑物的不同楼层FL1，FL2处室内电力布线的插口处。当第一通信设备501向第二通信设备502发送信号时，与第二通信子系统500b的串扰可能会发生，导致第三传输信道530c例如与第四通信设备504处的第二传输信道530b互相干扰。
根据实施例，在认知阶段，第四通信设备504可以将描述第三传输信道530c的信道状态信息传送给第一通信设备501。然后，第一通信设备501可以对用于向第二通信设备502的数据发送的预编码矩阵进行调整，以使得从第三传输信道530c得到的在第四通信设备504处的接收信号水平尽可能地低，或者针对从第一通信设备501发送的信号，在第二通信设备502处的接收信号水平与在第三通信设备503处的接收信号水平之间的比值尽可能大。
图6示出了操作利用预编码矩阵来进行波束形成的通信系统的方法。在初始化阶段，通信设备601，602，603将通信参数设置为预定义的值。例如，指示例如同步序列的长度的同步长度和/或训练符号的数目被设置为预定值，并被用在通信设备的发送单元中的预编码器矩阵被设置为透明的。
在接下来的认知阶段中，第一通信设备601可以发送未经编码的训练符号TS到其它通信设备，例如发送到被提供用于接收来自第一通信设备601的发送信号的第二通信设备602以及发送到应当接收尽可能少的信号功率的第三通信设备603。
第二和第三通信设备602，603确定描述从第一通信设备601到第二通信设备602和从第一通信设备601到第三通信设备603的传输信道的信道状态信息CSI1，CSI2。此外，至少第二通信设备602确定解码矩阵Qn，n，该解码矩阵例如是根据从信道状态信息CSI1得到的信道矩阵的SVD而得到的第一酉矩阵的Hermitian转置。
基于所接收到的信道状态信息CSI1，第一通信设备601中的预编码器控制单元确定最佳预编码矩阵Pm，m，用于对要从第一通信设备601被发送到第二通信设备602的数据进行编码。根据实施例，预编码矩阵Pm，m被选择为获得在第二通信设备602处的解码后接收信号的最优SNR。例如，预编码矩阵Pm，m可以是从信道矩阵的SVD得到的第二酉矩阵Vm，m。根据其它实施例，预编码矩阵Pm，m被选择为确保在第三通信设备603处的最低信号能量或者在第三通信设备603处的不超过预定水平的信号能量。根据另一些实施例，预编码矩阵Pm，m可以被选择以使得在第一通信设备601和第三通信设备603处的信号水平之间的比值尽可能地高。根据另一实施例，预编码矩阵Pm，m可以被选择以使得预编码矩阵Pm，m与针对第二通信设备的最佳预编码矩阵之间的距离和预编码矩阵Pm，m与针对第三通信设备的最佳预编码矩阵之间的距离的总和尽可能地小。该机制可以以等效的方式被应用于三个以上的通信设备。
随着预编码和解码矩阵Pm，m，Qn，n的确定，认知阶段可以被完成，并且通信设备601，602前进到操作模式，在该模式下，当在第一通信设备601中有效载荷数据Pdata要被发送到第二通信设备601时，第一通信设备601利用预编码矩阵Pm，m对发送分组进行预编码并将预编码后的发送分组发送到第二通信设备602，所述发送分组可以包含具有同步长度sl0的同步序列Sync以及有效载荷Pdata或预定义数目的训练符号或者两者。
第二通信设备602利用解码矩阵Qn，n对接收到的发送分组进行解码。
第二通信设备602可以检查多少同步数据，例如多少训练符号TS被实际需要以确保对从第一通信设备601发送的信号的无干扰接收，并且可以向第一通信设备601发送更新后的反馈信息sl1，该反馈信息sl1描述例如最低要求的训练符号TS的数目或者最低要求的同步序列长度。第一通信设备601可根据所接收到的反馈信息sl0调整下一个发送分组中训练符号TS的数目或者同步序列的长度，以提高对有效载荷数据的发送容量。
作为替换或者附加选项，第二通信设备602可以检查发送属性是否发生了很大变化。当第二通信设备602检测到非常大的信道变化时，第二通信设备602可以更新其信道状态信息CSI，并将信道变化CC和/或更新的信道状态信息CSI1发信号给第一通信设备601。第二通信设备602确定更新的解码矩阵Qn，n为例如根据从更新后的信道状态信息CSI1得到的新的信道矩阵的SVD而得到的第一酉矩阵的Hermitian转置。
根据实施例，预编码器控制单元基于更新后的信道状态信息CSI1和之前所用的预编码矩阵Pm，m确定新的最佳预编码矩阵Pm，m，如下面所详细描述的：
第一信道矩阵H1描述信道变化之前的传输信道，并且第一通信设备601利用通过根据等式(7)的H1的SVD所得到的第二酉矩阵V1作为预编码矩阵。
(7) H1＝U1D1V1 H
当第二通信设备602检测到显著的信道变化时，第二通信设备602将接收信号中包含的所接收到的经预编码和解码后的训练符号与标称训练符号进行比较，所述标称训练符号可以被存储在第二通信设备602中或者可以用其它方式得到。按照这种方式，新的等效信道矩阵H可以被得到。根据另一实施例，第二通信设备602可以通过评估所接收的经预编码和解码后的训练符号来检测显著的信道变化。
在检测到信道变化之后，第二通信设备602执行进一步的SVD。由于在此时间点处，发送信号被利用V1进行了预编码并且经由新的传输信道H2被发送，所以新的等效信道H＝H2V1。将SVD应用于新的等效信道H得到等式(8)：
(8) H2V1＝UDVH
VH是新的等效信道的最佳预编码矩阵V的Hermitian转置。在等式(8)中，新的信道矩阵H2可以用其SVD的结果H2＝U2D2V2 H来替换：
(9) U2D2V2 HV1＝UDVH
通过比较等式(9)的两边，可以得到等式(10)和(11)：
(10) V2 HV1＝VH
(11) V2＝V1V
根据等式(11)，针对新的信道矩阵H2的更新后的预编码矩阵V2可以根据之前所用的预编码矩阵V1和新的等效信道H2V1的SVD来得到，并且不需要知道新的信道矩阵H2。不需要发送未经编码的训练符号来确定新的预编码矩阵V2。
同样的考虑应用于解码矩阵和对角矩阵。不需要发送未经编码的训练符号来确定新的解码矩阵和新的对角矩阵。
第二通信设备602将预编码更新信息(例如信道状态信息)发送给第一通信设备601。预编码更新信息指定预编码矩阵。根据实施例，第二通信设备602发送指定新的预编码矩阵的条目的值或者可以用来导出新的预编码矩阵的条目的值。根据另一实施例，第一和第二通信设备601，602包含相同的码字簿和查找表，其中每个码字簿包含一组预定义的预编码矩阵，并且第二通信设备602发送指定码字簿条目中作为最合适预编码矩阵的一个条目的索引。如果信道再次改变，该机制可以被重新进行或者信道可以基于未经编码的训练符号被重新估计。
图7示出了包含z个条目c1-cz的码字簿720。每个条目c1-cz是具有预编码器矩阵的维度的预定义的矩阵721。预定义的矩阵721彼此不同。同样的码字簿720可以被提供在参与到同一通信系统的每个通信设备中。每个码字簿720可以被存储在码字簿单元中。
图7还示出了包含z2个条目c1，1-cz，z的查找表740。查找表740的每个条目ci，j标识预编码矩阵。例如，查找表740的每个条目ci，j是标识码字簿720的条目中的一个条目的索引。每个条目ci，j与码字簿720中所包含的两个预定义矩阵721的矩阵乘积相对应。
例如，查找表740中的条目cm，n是指向码字簿条目ck的指针，标识与通过将由码字簿条目cm标识的预定义矩阵721与由码字簿条目cn标识的预定义矩阵721相乘所得到乘积矩阵最匹配的那个预定义矩阵721。换言之，查找表740是通过将从i＝1到z和j＝1到z的用ci和cj标识的预定义矩阵721相乘而生成的。结果与每个预定义矩阵721进行比较，并且标识与所计算出的矩阵乘积最匹配的那个预定义矩阵721的条目编号cm被存储为查找表条目ci，j。
在操作期间，索引I1标识被用于对第一通信设备中的发送信号进行预编码的第一预定义矩阵。索引I1已在接收由第一通信设备发送的信号的第二通信设备中被确定，并且已被发送给第一通信设备，以使得参与双方的通信设备都知道第一索引I1。
在信道变化被检测到之后，第二通信设备可以在码字簿720中进行搜索以识别与通过对新的等效信道矩阵H2V1的SVD而得到的第二酉矩阵最匹配的那个预定义矩阵的索引I。
在索引I被识别以后，第二通信设备对作为与乘积矩阵V1V最匹配的那个预定义矩阵的索引I2的码字簿条目cI，I1进行寻址。第二通信设备可以向第一通信设备发送索引I2或者可以由其明确得到索引I2的任意其它值。
第二通信设备中的解码矩阵可以用同样的方式被处理。
只要第二通信设备未检测到信道变化，预编码矩阵就可以被保持不变。根据另一实施例，在认知阶段，码字簿搜索识别出与所计算出的理想预编码矩阵(例如通过对信道矩阵H1的SVD而得到的第二酉矩阵)最匹配的预定义的预编码矩阵，并且针对H1确定定义所计算出的理想预编码矩阵与最匹配的预定义矩阵之间的距离的第一距离值。在认知阶段之后，第二通信设备可以连续地执行码字簿搜索以识别出与所计算出的理想预编码矩阵(例如通过对信道矩阵H1V1的SVD而得到的第二酉矩阵)最匹配的那个预定义矩阵的索引I，并且针对H1V1确定定义所计算出的理想预编码矩阵与最匹配的预定义矩阵之间的距离的第二距离值。
如果第二距离值小于第一距离值，则等效信道可能被估计得好于实际信道H1。因此，预编码/解码可以传送更好的结果。因此，第二通信设备可以向第一通信设备发送命令以使用由V1V所定义的那个矩阵，而不是与V1最匹配的那个矩阵。
图8示出了操作通信系统的方法，所述通信系统至少包括经由传输信道连接的第一和第二通信设备。包含经波束形成的有效载荷数据和经波束形成的同步数据的发送信号经由传输信道从第一通信设备被发送到第二通信设备(802)。在第二通信设备中，描述实现无干扰接收的最低要求的同步数据的反馈信息基于经波束形成的有效载荷数据和经波束形成的同步数据被生成(804)。反馈信息被发送到第一通信设备(806)，第一通信设备基于反馈信息调整同步数据(808)。
根据实施例，通信系统包括第一通信设备和第二通信设备，所述第一通信设备包括：被配置为经由传输信道发送至少两个并行发送信号的发送器单元和被配置为根据信道状态信息对发送信号进行波束形成的预编码单元，其中每个发送信号包含同步数据，所述第二通信设备包括：被配置为经由传输信道接收并解码发送信号中的至少一个发送信号。发送器和接收器单元可以是上述任意一个。
根据另一实施例，操作包括至少第一和第二通信设备的通信系统的方法包括经由传输信道将包含经波束形成的同步数据的发送信号从第一通信设备发送到第二通信设备。该方法可以利用上述发送器和接收器单元中的任意单元来执行。

Claims (15)

1.一种通信设备(100)包括：
发送单元(110)，该发送单元被配置为经由传输信道(300)发送至少两个并行发送信号，其中每个发送信号分别包含同步数据；以及
预编码单元(116)，该预编码单元被配置为根据第一信道状态信息对所述发送信号进行波束形成。
2.根据权利要求1所述的通信设备，其中
所述发送信号还包含有效载荷数据或训练符号或者两者都包括。
3.根据权利要求1或2中的任一权利要求所述的通信设备，还包括：
控制单元(170)，该控制单元被配置为根据反馈信息(sl1)修改所述同步数据；以及
输入单元，该输入单元被配置为接收所述第一信道状态信息和所述反馈信息并且将所述第一信道状态信息输出到所述预编码单元(116)以及将所述反馈信息输出到所述控制单元(170)。
4.根据权利要求1到3中的任一权利要求所述的通信设备，其中
所述预编码单元(116)被配置为在时域内对所述发送信号进行波束形成。
5.根据权利要求1到4中的任一权利要求所述的通信设备，其中
电力线通信系统提供所述传输信道(300)。
6.根据权利要求1到5中的任一权利要求所述的通信设备，还包括
预编码器控制单元(180)，被配置为响应于所述第一信道状态信息控制所述预编码单元(116)；以及
码字簿单元(185)，被配置为至少存储包含多个不同的预定义矩阵(721)的码字簿(720)，其中
所述预编码器控制单元(180)还被配置为根据所述第一信道状态信息从所述码字簿(720)中选择所述预定义矩阵(721)中的一个预定义矩阵作为预编码矩阵。
7.根据权利要求1到5中的任一权利要求所述的通信设备，还包括
预编码器控制单元(180)，被配置为响应于所述第一信道状态信息控制所述预编码单元(116)，其中
所述预编码器控制单元(180)还被配置为基于所述第一信道状态信息以及描述通往另一通信设备的第二传输信道的第二信道状态信息，确定被用于经由所述第一传输信道的发送的预编码矩阵，以使得
在所述另一通信设备处的信号功率被最小化。
8.一种通信设备(200)包括：
接收单元(220)，被配置为接收经由传输信道(300)的至少一个接收信号，其中所述至少一个接收信号在发送之前已基于描述所述传输信道(300)的信道状态信息被进行了波束形成，并且其中每个接收信号都包含经过波束形成的同步数据。
9.根据权利要求8所述的通信设备，其中
所述至少一个接收信号还包含有效载荷数据或训练符号或者两者都包括。
10.根据权利要求8或9中的任一权利要求所述的通信设备，其中
电力线通信系统提供所述传输信道(300)。
11.根据权利要求8到10中的任一权利要求所述的通信设备，还包括
质量单元(270)，被配置为基于所述至少一个接收信号生成反馈信息(sl1)，该反馈信息描述不受干扰的接收所述有效载荷数据和同步数据所需要的最少同步数据和/或最少数目的训练符号；以及
输出单元，被配置为输出所述反馈信息(sl1)。
12.根据权利要求11所述的通信设备，其中
所述质量单元(270)还被配置为检测所述传输信道(300)的发送属性的变化并生成更新的信道状态信息；并且
所述输出单元还被配置为输出所述更新的信道状态信息。
13.根据权利要求12所述的通信设备，其中
所述质量单元(270)还被配置为基于经过波束形成的接收信号和之前的信道状态信息生成所述更新的信道状态信息，并且
所述输出单元还被配置为输出所述更新的信道状态信息。
14.根据权利要求11所述的通信设备，还包括
码字簿单元(275，被配置为存储包含多个不同的预定义矩阵(721)的码字簿和二维查找表(740)，其中所述查找表的条目标识所述预定义矩阵(721)中与通过将所述预定义矩阵(721)中的两个预定义矩阵相乘而得到的乘积矩阵最匹配的一个预定义矩阵，其中
所述质量单元(270)还被配置为基于通过对由未经波束形成的接收信号得到的表示所述信道状态信息的信道矩阵的奇异值分解而得到的矩阵以及通过对由发送经波束形成的信号所得到的等效传输信道的奇异值分解而得到的另一矩阵来生成所述更新的信道状态信息。
15.根据权利要求14所述的通信设备，其中
所述质量单元(270还被配置为将当前最佳波束形成矩阵与当前所使用的波束形成矩阵之间的第一距离值与所述当前最佳波束形成矩阵与所述预定义矩阵中与所述当前最佳波束形成矩阵最匹配的那个预定义矩阵之间的第二距离值进行比较，
所述质量单元(270还被配置为生成表示所述比较的结果的选择信息，并且
所述输出单元还被配置为输出所述选择信息。
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