CN103814529A - 在无线通信系统中用于波束锁定的装置和方法 - Google Patents

在无线通信系统中用于波束锁定的装置和方法 Download PDF

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Abstract

根据一个实施例，用于波束成形的装置包括：检测器，测量装置的移动和旋转的至少一种改变；以及计算器，根据所述移动和旋转的至少之一确定通过补偿波束方向的改变将波束方向对准另一装置的波束成形参数。

Description

在无线通信系统中用于波束锁定的装置和方法
技术领域
本发明通常涉及无线通信系统。
背景技术
为了增强无线通信系统的性能，经常应用波束成形。通常，波束成形通过使用多天线给予波束方向性来提高特定接收机的信号接收灵敏度。基于哪个通信元件进行波束成形操作，可以根据发送波束成形和接收波束成形对波束成形进行分类。
图1示出在无线通信系统中应用波束成形操作的基站的波束。参照图1，基站覆盖多个扇区并且在每个扇区成形具有方向性的多个波束。当应用波束成形时，传播式样变窄。因此，有必要在扇区中使用比天线更多的波束以便服务于一个基站小区或扇区。因为基站的窄波束成形，所以用户站能够获得较好的信道状态。
用户站需要从基站的多个波束中选择最佳波束，并且根据用户站的旋转或移动选择新波束。随着波束变窄，选择波束更加频繁。当用户站应用波束成形时，仅当基站的波束方向与用户站的波束方向匹配时，才能获得最佳信道状态。然而，与静止基站不同，用户站是移动的。此外，朝向基站的用户站方向能够很容易地改变。结果，用户站和基站的波束方向可能经常错位。
发明内容
为了解决以上所讨论的现有技术的缺陷，本发明的首要方面是提供在无线通信系统中用于保持执行波束成形的用户站的波束方向的装置和方法。
本发明的另一方面是提供在无线通信系统中基于用户站的移动和/或旋转补偿波束方向的装置和方法。
根据本发明的一个方面，在无线通信系统中用于波束成形的装置包括：检测器，其测量所述装置的移动和/或旋转的至少一种改变；以及计算器，根据移动和旋转的至少之一确定通过补偿波束方向的改变将波束方向对准另一装置的波束成形参数。
根据本发明的另一方面，在无线通信系统中用于波束成形的方法包括：测量装置的移动和旋转的至少一种改变；以及根据移动和旋转的至少之一确定通过补偿波束方向的改变将波束方向对准另一装置的波束成形参数。
根据本发明的另一方面，在无线通信系统中的用户站的方法包括：产生通知支持波束锁定方案以便通过补偿由用户站的移动和/或旋转所引发的波束方向的改变来将波束方向保持在参考方向上的控制消息；以及将控制消息发送给基站。
根据本发明的另一方面，在无线通信系统中的基站的方法包括：接收通知支持波束锁定方案以便通过补偿由用户站的移动和/或旋转所引发的波束方向的改变来将波束方向保持在参考方向上的控制消息；以及基于控制消息确定用户站是否支持波束锁定方案。
从结合附图公开的本发明实例实施例的以下详细描述中，本发明的其它方面、优点和显著特点对于本领域技术人员将变得显而易见。
在进行本发明的以下详细描述之前，阐明在本发明文档全文中所使用的某些词和短语的定义可能是有益的。术语“包括”和“包含”及其变形意味着没有限制的包含；术语“或”是包容的，意味着和/或；短语“与相关联”和“与其相关联”及其变形可以意味着包括、被包括在内、与之互联、包含、被包含在内、连接到或者与之连接、耦接到或者与之耦接、与之可通信、与之合作、交织、并列、邻近于、结合到或者与之结合、具有、具有特性或者等等；以及术语“控制器”意味着控制至少一种操作的任何设备、系统或其部件，这种设备可以以硬件、固件或软件或者它们的至少两种的一些组合来实现。应当注意到，可以将与任何特定控制器相关联的功能不论是本地还是远程地集中化或分布化。本发明文档全文中提供了某些词和短语的定义，本领域普通技术人员应当理解，在许多（如果不是大部分）情形中，这些定义适用于被如此定义的词和短语的以前和未来使用。
附图说明
为了更全面地理解本公开及其优点，现在参照结合附图的以下描述，其中，相似的参考编号表示相似的部件：
图1示出在无线通信系统中采用波束成形技术的基站的实例波束；
图2A至2D示出根据本发明实施例的，在无线通信系统中的基站和用户站的实例波束方向；
图3示出根据本发明实施例的，在无线通信系统中基于用户站旋转被补偿的实例波束方向；
图4示出根据本发明实施例的在无线通信系统中的实例波束锁定方法；
图5示出根据本发明另一实施例的在无线通信系统中的实例波束锁定方法；
图6示出根据本发明另一实施例的在无线通信系统中的实例波束锁定方法；
图7示出根据本发明另一实施例的在无线通信系统中的实例波束锁定方法；
图8示出根据本发明实施例的在无线通信系统中用于锁定波束的实例装置；
图9示出根据本发明另一实施例的在无线通信系统中用于锁定波束的实例装置；
图10示出根据本发明另一实施例的在无线通信系统中用于锁定波束的实例装置；
图11示出根据本发明另一实施例的在无线通信系统中用于锁定波束的实例装置；
图12示出根据本发明实施例的在无线通信系统中的实例波束锁定单元；
图13示出根据本发明另一实施例的在无线通信系统中的实例波束锁定单元；
图14示出根据本发明实施例的在无线通信系统中的基站和用户站之间的实例信号；以及
图15示出根据本发明实施例的在无线通信系统中的当应用波束锁定时的波束训练实例。
整个图形中，相似的参考编号将被理解指代相似的部件、组件和结构。
具体实施方式
以下所讨论的图2至15以及在本发明文档中被用于描述本公开原则的各种实施例仅是说明性的，并且不应当以任何方式理解为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解到，本公开的原则可以在任何被适当安排的无线通信系统中实现。
本发明涉及在无线通信系统的波束成形中用于保持波束方向的装置和方法。本发明的实例实施例提供在无线通信系统中用于保持用户站的波束方向的技术。
图2A至2D示出根据本发明实施例的在无线通信系统中的基站和用户站的实例波束方向。
首先参照图2A，基站210的发送和接收的波束方向与用户站220的发送和接收的波束方向相匹配。当基站210的波束方向朝向用户站220时，用户站220处在基站210的波束范围内。为了提高数据发送和接收的可靠性和效率，波束范围内的用户站220也形成朝向基站210的波束。当基站210和用户站220的波束方向如图2A所示对准时，获得最佳通信质量。
通常，使用波束训练来对准基站210和用户站220之间的波束方向。将所述波束训练分为上行链路和下行链路。在下行链路中，基站210将用于波束训练的特定序列分配给特定方向的波束训练参考信号，并且发送所述参考信号作为特定方向的波束。因此，用户站220通知基站210在由基站210发送的一个或多个波束训练参考信号当中具有最佳通信质量的参考信号的特定序列值。于是，能够确定基站210和用户站220的已对准波束方向。在上行链路中，用户站220将用于波束训练的特定序列分配给特定方向的波束训练参考信号，并且发送所述参考信号作为特定方向的波束。基站210通知用户站220在所述波束训练参考信号当中具有最佳通信质量的参考信号的特定序列值。
如上所述，波束训练方法对于静止基站和静止用户站是合适的。然而，当用户站220在短时间内频繁运动时，难以应用使用波束训练的波束对准方法。在图2B、2C和2D中示出此问题。图2B、2C和2D示出根据用户站220的旋转和移动的波束方向的错位。参照图2B，由于用户站220发生倾斜，基站210和用户站220的波束方向出现根据倾斜的错位。参照图2C，由于用户站220旋转，基站210和用户站220的波束方向出现根据旋转的错位。参照图2D，由于用户站220移动，基站210和用户站220的波束方向出现根据移动的错位。
如图2B、2C和2D中所示，当用户行动或移动时，基站210和用户站220之间的波束方向能够出现错位。在此情形中，基站210和用户站220之间的通信质量可能恶化。进一步地，由于用户的旋转或移动在相对较短时间上可以是相对频繁的，所以使用通常的波束训练技术可能难以克服所述错位。更详细地，为了检测用户站220的波束方向的改变，基站210需要频繁地检查用户站220的波束方向的改变。因此，典型地频繁地进行控制消息交换。随着需要用户站220的波束方向改变的更精确信息，控制消息的交换更加频繁，从而导致系统开销。因此，本发明提供根据用户站220的旋转或移动克服波束方向错位的方法。
图3示出根据本发明实施例的在无线通信系统中基于用户站旋转的实例波束方向补偿。
参照图3，当基站与用户站之间的波束方向对准时，用户站将已对准的波束方向设置为参考方向301。例如，通过波束训练能够设置波束方向的参考方向301。例如，能够将波束方向的参考方向301设置为基于基站与用户站之间的位置信息已对准的波束方向。此外，能够应用各种方案来设置参考方向301。
接下来，当用户站的旋转倾斜或旋转波束方向时，或者当用户站的移动改变波束方向时，用户站依据参考方向测量所述改变。就是说，用户站在三个（即三维）方向上测量物理改变值。能够将三个方向的物理改变值测量为在水平（例如，纬度）方向和垂直（经度）方向上的角度、角速度、角加速度、旋转角、旋转角速度、旋转加速度、移动距离、移动速度和移动加速度。能够使用各种熟知的方案测量物理改变。这里，能够使用各种传感器的任意来测量所述物理改变。例如，所述传感器能够包括罗盘传感器、加速计、重力传感器和陀螺仪的至少之一。可替换地，能够使用全球定位系统（GPS）。可替换地，能够使用由基站发送的电信号的到达角。可替换地，能够使用利用基站或访问点（AP）的位置以及从基站或访问点接收的信号的三角法。
通过根据所述物理改变值补偿波束方向，用户站将波束方向保持在参考方向301上。例如，当用户在打电话期间转动或移动他/她的头时，与基站对准的用户站的波束方向改变。当在正交方向x、y和z上表示几何空间并且波束方向从参考方向301向z轴旋转30度时，通过在z轴上旋转用户站的波束方向-30度可以将用户站的波束方向保持在参考方向301上。因此，即使当用户站的波束方向旋转30度时，基站也能够在已有的波束方向上与用户站通信，而不管用户站的波束方向旋转。换句话说，当将由用户站直接补偿波束方向的本算法应用于由用户站的旋转或移动所引发的物理方向和位置改变时，它与其中基站与没有物理移动或旋转的用户站通信的情形类似。在此情形中，可以在没有过度系统开销的情况下实现所述的上行和下行链路波束成形。
用于保持波束方向的技术将维持基站和用户站之间相对较好通信质量的用户站的波束方向设置为参考方向，当波束方向改变时测量物理改变值，并且基于已测量的物理改变值补偿波束方向。因此，可以将用于保持波束方向的技术称为波束锁定方案。能够将所述波束锁定方案广泛应用于当在无线通信系统中使用时被配置移动或旋转的任何台站。
现在通过参照附图描述如上所解释的波束锁定技术的装置的操作和结构。
下面假定在波束锁定之前在基站和用户站之间设置波束的参考方向。能够在基站和用户站之间初始设置或者定期复位参考波束方向。例如，所述装置能够将波束方向设置在多个候选方向上，重复地发送训练参考信号，并且选择与波束方向匹配的候选方向。此外，所述装置能够调节根据波束成形技术所成形的波束的波束宽度。
图4示出根据本发明实施例的在无线通信系统中的实例波束锁定方法。
参照图4，在步骤401中，所述装置基于波束的参考方向测量改变；即，根据移动的位置改变以及根据旋转/倾斜的方向和斜度改变。例如，所述装置能够以规则的时间间隔定期地测量所述改变。当装置没有移动/旋转/倾斜时，将所述改变测量为零。例如，使用传感器、GPS、信号到达角、或者使用所接收信号的三角法能够测量位置的改变以及方向和斜度的改变。
在步骤403中，所述装置补偿波束方向。就是说，所述装置计算将由所述改变更改的波束方向对准参考方向的新波束成形参数，并且使用新波束成形参数补偿波束方向。这样做时，通过参考方向的波束成形参数和所述改变确定新波束成形参数。例如，所述装置根据使用参考方向的波束成形参数和所述改变作为输入变量的预定义函数或规则来确定新波束成形参数。可替换地，所述装置使用基于与参考方向的波束成形参数相比较的所述改变定义新波束成形参数的映射表来确定新波束成形参数。
所述波束成形参数包括使用物理改变值作为其输入变量的函数的结果值。详细地，当参考方向的波束成形参数是（α,β,γ），物理改变值是(a,b,c)，并且由物理改变值改变的新波束成形参数是（α*,β*,γ*）时，能够根据方程（1）确定波束成形参数。
α*(α,a,b,c)=α×f1(a,b,c)+g1(a,b,c)
β*(β,a,b,c)=β×f2(a,b,c)+g2(a,b,c)
γ*(γ,a,b,c)=γ×f3(a,b,c)+g3(a,b,c)….(1)
在方程（1）中，α、β和γ表示在参考方向上的波束成形参数，a、b和c表示物理改变值，并且α*、β*和γ*表示由物理改变值变更的新波束成形参数。
就是说，用于确定新波束成形参数的值是参考波束方向的波束成形参数和由用户站测量的物理改变值。这里，能够由预定义的函数或规则或者映射表定义f1、f2、f3、g1、g2和g3。
波束成形参数根据所选择的波束成形方案能够变化。例如，在数字波束成形中，波束成形参数能够包括在数字阶段使用的预编码码本的索引、波束成形矩阵和波束成形向量中的至少之一。对于另一实例，在模拟波束成形中，波束成形参数能够包括每个天线的相位和幅度值。对于另一实例，在其中天线可以物理移动的情形中，波束成形参数能够是诸如旋转或斜度的物理姿势控制值。对于另一实例，当提前配备与波束方向相对应的天线、天线组或天线阵列并且将波束索引或天线索引分配给每个波束方向时，波束成形参数能够包括波束索引和天线索引的至少之一。
尽管图4中未示出，所述装置能够在测量所述改变之前设置参考方向。例如，所述装置能够通过波束训练设置参考方向。例如，所述装置能够将波束方向设置在多个候选方向上，重复地发送训练参考信号，并且选择与波束方向对准的候选方向。此外，所述装置能够改善波束以使用相对更窄的波束。
图5示出根据本发明另一实施例的实例波束锁定方法。
在步骤501中，所述装置确定是否发生移动或旋转。就是说，所述装置确定位置、斜度和方向的至少之一是否发生改变。
当发生所述移动或旋转时，在步骤503中，所述装置测量根据移动的位置改变以及根据旋转/倾斜的方向和斜度改变。反之，当装置没有发生移动或旋转时，所述装置可以不执行步骤503。就是说，利用针对物理改变的参数(a,b,c)以及用于确定旋转的门限(a',b',c')，仅当(a,b,c)的至少之一大于或等于至少一个门限值(a',b',c')时，即，仅当a≥a'，b≥b'或c≥c'时，所述装置才能够测量所述改变。例如，使用传感器、GPS、信号到达角、或者使用所接收信号的三角法能够测量位置的改变以及方向和斜度的改变。
在步骤505中，所述装置补偿波束方向。就是说，所述装置计算将由所述改变更改的波束方向对准参考方向的新波束成形参数，并且使用新波束成形参数补偿波束方向。这样做时，通过参考方向的波束成形参数和所述改变来确定新波束成形参数。例如，所述装置根据使用参考方向的波束成形参数和所述改变作为输入变量的预定义规则能够确定新波束成形参数。可替换地，所述装置使用基于相对于参考方向的波束成形参数的所述改变定义新波束成形参数的映射表能够确定新波束成形参数。更特定地，能够使用方程（1）确定新波束成形参数。波束成形参数根据所选择的波束成形方案能够变化。例如，在数字波束成形中，波束成形参数能够包括在数字阶段使用的预编码码本的索引、波束成形矩阵和波束成形向量的至少之一。对于另一实例，在模拟波束成形中，波束成形参数能够包括每个天线的相位和幅度值。对于另一实例，在以物理移动天线的波束成形中，波束成形参数能够是诸如旋转或斜度的物理姿势控制值。对于另一实例，当提前配备与波束方向相对应的天线、天线组或天线阵列并且将波束索引或天线索引分配给每个波束方向时，波束成形参数能够包括波束索引和天线索引的至少之一。
虽然图5中未示出，但是所述装置能够在确定是否发生移动或旋转之前设置参考方向。例如，所述装置能够通过波束训练设置参考方向。例如，所述装置能够将波束方向设置在多个候选方向上，重复地发送训练参考信号，并且选择与波束方向对准的候选方向。此外，所述装置能够改善波束以使用更窄波束。
图6示出根据本发明另一实施例的实例波束锁定方法。
在步骤601中，所述装置根据移动测量位置和方向的改变以及根据装置的旋转/倾斜测量方向和斜度的改变。例如，所述装置能够以规则时间间隔定期地测量所述改变。当所述装置没有移动/旋转/倾斜时，将所述改变被测量为零。例如，使用诸如GPS设备的传感器、信号到达角、或者使用所接收信号的三角法能够测量位置的改变以及方向和斜度的改变。
在步骤603中，所述装置确定波束方向是否错位。例如，当所述改变为零时，波束方向没有错位。当所述改变不为零但是非常微小时，不认为波束方向错位。例如，利用表示物理改变的参数(a,b,c)，表示由使用物理改变作为输入变量的函数所确定的波束方向的参数（α,β,γ），以及表示门限波束方向的参数（α',β',γ'），仅当(a,b,c)的至少之一大于或等于至少一个门限（α',β',γ'）时，即，仅当当a≥α'，b≥β'或c≥γ'时，所述装置才能够确定波束方向错位并且补偿波束方向。当不再执行进一步的方向对准时，该过程完成。
反之，当波束方向错位时，所述装置在步骤605中补偿波束方向。就是说，所述装置计算将由所述改变更改的波束方向对准参考方向的新波束成形参数，并且使用新波束成形参数补偿波束方向。这样做时，通过参考方向的波束成形参数和所述改变来确定新波束成形参数。例如，所述装置根据使用参考方向的波束成形参数和所述改变作为输入变量的预定义规则来确定新波束成形参数。可替换地，所述装置使用基于相对于参考方向的波束成形参数的改变定义新波束成形参数的映射表来确定新波束成形参数。更特定地，能够根据方程（1）确定新波束成形参数。波束成形参数根据所选择的波束成形方案能够变化。例如，在数字波束成形中，波束成形参数包括在数字阶段使用的预编码码本的索引、波束成形矩阵和波束成形向量中的至少之一。对于另一实例，在模拟波束成形中，所述波束成形参数包括每个天线的相位和幅度值。对于另一实例，在其中天线物理移动的波束成形中，波束成形参数能够是诸如旋转或斜度的物理姿势控制值。例如，当提前配备与波束方向相对应的天线、天线组或天线阵列并且将波束索引或天线索引分配给每个波束方向时，波束成形参数能够包括波束索引和天线索引的至少之一。
虽然图6中未示出，所述装置能够在确定移动或方向改变是否发生之前设置参考方向。例如，所述装置能够通过波束训练设置参考方向。例如，所述装置能够将波束方向设置在候选方向之一，重复地发送训练参考信号，并且选择与波束方向对准的候选方向。此外，所述装置能够调节波束的波束宽度。
图7示出根据本发明另一实施例的在无线通信系统中的实例波束锁定方法。
在步骤701中，所述装置确定是否发生移动或旋转。就是说，所述装置确定位置、斜度和方向的至少之一是否改变。
当发生移动或旋转时，在步骤703中，所述装置根据移动测量位置的改变并且根据旋转/倾斜测量方向和斜度的改变。反之，当没有发生移动或旋转时，所述装置不执行步骤703。就是说，利用针对物理改变的参数(a,b,c)和用于确定旋转的门限(a',b',c')，当(a,b,c)的至少之一大于或等于至少一个门限(a',b',c')时，即，当a≥a'，b≥b'或c≥c'时，所述装置确定发生改变。例如，使用诸如GPS的传感器、信号到达角、或者使用所接收信号的三角法能够测量位置的改变以及方向和斜度的改变。
在步骤705中，所述装置确定波束方向是否错位。例如，当改变为零时，认为波束方向没有发生错位。当所述改变不为零但非常微小时，认为波束方向没有发生错位。例如，利用针对物理改变的参数(a,b,c)，由使用物理改变作为输入变量的函数确定的波束方向的参数（α,β,γ），以及门限的波束方向的参数（α',β',γ'），当(a,b,c)的至少之一大于或等于至少一个门限（α',β',γ'）时，即，当a≥α'，b≥β'或c≥γ'时，所述装置能够确定波束方向错位并且补偿波束方向。当波束方向没有错位时，所述过程完成。
当波束方向错位时，所述装置在步骤707中补偿波束方向。就是说，所述装置计算将由所述改变更改的波束方向对准参考方向的新波束成形参数，并且使用新波束成形参数补偿波束方向。这样做时，由参考方向的波束成形参数和所述改变确定新波束成形参数。例如，所述装置根据使用参考方向的波束成形参数和所述改变作为输入变量的特定规则能够确定新波束成形参数。可替换地，所述装置使用基于相对于参考方向的波束成形参数的改变定义新波束成形参数的映射表能够确定新波束成形参数。更特定地，能够根据方程（1）确定新波束成形参数。波束成形参数根据所选择的波束成形方案能够变化。例如，在数字波束成形中，波束成形参数能够包括在数字阶段使用的预编码码本的索引、波束成形矩阵和波束成形向量的至少之一。对于另一实例，在模拟波束成形中，波束成形参数能够包括每个天线的相位和幅度值。对于另一实例，在其中物理地移动天线的波束成形中，波束成形参数能够包括诸如旋转或斜度的物理姿势控制值。对于另一实例，当提前配备与波束方向相对应的天线、天线组或天线阵列，并且将波束索引或天线索引分配给每个波束方向时，波束成形参数能够包括波束索引和天线索引的至少之一。
虽然图7中未示出，所述装置能够在确定是否发生移动或旋转之前设置参考方向。例如，所述装置能够通过波束训练设置参考方向。对于另一实例，所述装置能够将波束方向设置在多个候选方向上，重复地发送训练参考信号，并且选择与波束方向对准的候选方向。此外，所述装置能够改善波束以便使用更窄波束。
图8是根据本发明实施例的波束锁定的实例装置。
如图8中所示，所述装置包括波束锁定单元802、数字数据收发器804、以及多个射频（RF）处理器806-1至806-N。
波束锁定单元802设置波束的参考方向并且锁定波束以维持波束的参考方向。就是说，波束锁定单元802识别并测量所述装置的移动、倾斜和旋转，计算将波束方向对准参考方向的波束成形参数，并且将波束成形参数提供给数字数据收发器804。例如，波束成形参数包括预编码码本索引、波束成形矩阵和波束成形向量的至少之一。
例如，能够如图12中所示构建波束锁定单元802。参照图12，波束锁定单元802包括：运动检测器1202，根据移动测量位置的改变以及根据旋转/倾斜测量方向和斜度的改变；参数计算器1204，计算将由所述改变更改的波束方向对准参考方向的新波束成形参数；以及波束控制器1206，根据新波束成形参数控制数字数据收发器804的波束成形。就是说，波束控制器1206根据由参数计算器1204确定的波束成形参数控制以调节波束方向。这里，运动检测器1202能够以规则时间间隔定期地或者在装置被检测出移动或旋转的事件中测量所述改变。
例如，能够如图13中所示构建波束锁定单元802。参照图13，波束锁定单元802包括：运动检测器1302，根据移动测量位置的改变并且根据旋转/倾斜测量方向和斜度的改变；错位确定器1304，根据所述改变确定当前波束是否与参考波束错位；参数计算器1306，当错位确定器1304确定所述错位时，计算用于将被改变的波束方向对准参考方向的新波束成形参数；以及波束控制器1306，根据新波束成形参数控制数字数据收发器804的波束成形。就是说，波束控制器1308根据由参数计算器1306确定的波束成形参数调节波束方向。这里，运动检测器1302能够以规则时间间隔定期地或者在装置移动或旋转的事件中测量所述改变。
数字数据收发器804根据通信系统的协议将发送比特序列转换为基带信号并且将从RF处理器806-1至806-N输出的基带信号转换为接收比特序列。数字数据收发器804能够执行信道编码和解码、数据调制和解调、用于多天线映射的预编码、后编码、模数（A/D）转换、数模（D/A）转换、快速傅里叶变换（FFT）、逆FFT（IFFT）以及数字波束成形。例如，在符合正交频分复用（OFDM）协议的数据传输中，数字数据收发器804通过编码和调制发送比特序列产生复符号（complex symbol），将所述复符号映射到子载波，并且通过IFFT和循环前缀（CP）插入来构建OFDM符号。数字数据收发器804执行所述数字成形。就是说，数字数据收发器804将所述信号序列乘以波束成形向量或波束成形矩阵以便在每个天线路径上发送。特定地，数字数据收发器804根据从波束锁定单元802提供的预编码码本索引、波束成形矩阵和波束成形向量的至少之一执行波束成形。
RF处理器806-1至806-N执行诸如信号频带转换和放大的功能以发送和接收无线信号。就是说，RF处理器806-1至806-N将从数字数据收发器804馈送的用于发送的基带信号上变频为RF信号，通过天线发送RF信号，将通过天线接收的RF信号下变频为基带信号。例如，RF处理器806-1至806-N每一个能够包括放大器、混频器、频率滤波器、振荡器、数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）以及用于控制天线方向的移相器/控制器的至少之一。
虽然图8中未示出，所述装置能够进一步包括用于利用另一装置训练波束的波束训练器。例如，为了确定所述装置的波束参考方向，波束训练器能够将波束方向设置在候选方向的每一个上，重复地发送训练参考信号，并且选择来自其它装置的反馈方向作为参考方向。相反地，为了确定所述其它装置的波束参考方向，波束训练器能够从其它装置接收多个训练参考信号，并且向其它装置通知具有最佳通信质量的一个训练参考信号的序列值。此外，波束训练器能够连续地改善波束以便允许使用更窄波束。在波束锁定单元802操作之前，波束训练器能够通过波束训练设置参考方向。
图9示出根据本发明另一实施例的用于波束锁定的实例装置。
如图9中所示，所述装置包括波束锁定单元902、数字数据收发器904、多个RF处理器906-1至906-N以及波束成形器908。
波束锁定单元902设置波束的参考方向并且锁定波束以保持波束的参考方向。就是说，波束锁定单元902识别并测量所述装置的移动、倾斜和旋转，计算将波束方向对准参考方向的波束成形参数，并且将波束成形参数提供给波束成形器908。例如，波束成形参数包括从每个天线接收的信号的相位和幅度值。
例如，能够如图12中所示构建波束锁定单元902。参照图12，波束锁定单元902包括：运动检测器1202，根据移动测量位置的改变并且根据旋转/倾斜测量方向和斜度的改变；参数计算器1204，计算将由所述改变更改的波束方向对准参考方向的新波束成形参数；以及波束控制器1206，根据新波束成形参数控制波束成形器908的波束成形。这里，运动检测器1202能够以规则时间间隔定期地或者在装置移动或旋转的事件中测量所述改变。
例如，能够如图13中所示构建波束锁定单元902。参照图13，波束锁定单元902包括：运动检测器1302，根据移动测量位置的改变以及根据旋转/倾斜测量方向和斜度的改变；错位确定器1304，根据所述改变确定当前波束是否与参考方向错位；参数计算器1306，当错位确定器1304确定所述错位时，计算将被改变的波束方向对准参考方向的新波束成形参数；以及波束控制器1306，根据新波束成形参数控制波束成形器908的波束成形。这里，运动检测器1302能够以规则时间间隔定期地或者在装置移动或旋转的事件中测量所述改变。
数字数据收发器904根据系统的物理层标准将发送比特序列转换为基带信号，并且将从RF处理器906-1至906-N输出的基带信号转换为接收比特序列。数字数据收发器904能够执行信道编码和解码、数据调制和解调、用于多天线映射的预编码、后编码、A/D转换、D/A转换、FFT处理以及IFFT处理。例如，在符合OFDM协议的数据传输中，数字数据收发器904通过编码和调制发送比特序列产生复符号，将复符号映射到子载波，并且通过IFFT和CP插入来构建OFDM符号。
RF处理器906-1至906-N执行诸如信号转换和放大的功能以通过无线信道发送和接收信号。就是说，RF处理器906-1至906-N将从数字数据收发器904馈送的用于发送的基带信号上变频为RF信号，通过天线发送RF信号，并且将通过天线接收的RF信号下变频为基带信号。例如，RF处理器906-1至906-N每一个能够包括放大器、混频器、频率滤波器、振荡器、DAC、ADC和用于控制天线方向的移相器/控制器的至少之一。
波束成形器908包括多个组件，并且每个组件调节每个天线路径中的信号的相位和幅度。就是说，波束成形器908通过根据从波束锁定单元902馈送的每个天线的信号的相位和幅度值调节在每个天线路径中所发送的信号的相位和幅度来执行波束成形。虽然图9中RF处理器906-1至906-N每一个具有单条天线路径，并且对每个天线的所述路径包括波束成形器908的单个组件，但是每个天线能够独立地具有发送路径和接收路径。在此情形中，能够为每个天线提供波束成形器908的两个组件。
虽然图9中未示出，所述装置能够进一步包括利用另一装置训练波束的波束训练器。例如，为了确定所述装置的波束的参考方向，波束训练器能够将波束方向设置在多个候选方向上，重复地发送训练参考信号，并且选择来自其它装置的反馈方向作为参考方向。反之，为了确定所述其它装置的波束的参考方向，波束训练器能够从所述其它装置接收多个训练参考信号，并且向所述其它装置通知具有最佳通信质量的一个训练参考信号的序列值。此外，波束训练器能够连续地改善波束以便使用更窄波束。在波束锁定单元902操作之前，波束训练器能够通过波束训练设置参考方向。
图10示出根据本发明另一实施例的用于波束锁定的实例装置。
如图10中所示，所述装置包括波束锁定单元1002、数字数据收发器1004、多个RF处理器1006-1至1006-N以及天线驱动器1008。
波束锁定单元1002设置波束的参考方向并且锁定波束以保持波束的参考方向。就是说，波束锁定单元1002识别和测量所述装置的移动、倾斜和旋转，计算将波束方向对准参考方向的波束成形参数，并且将波束成形参数提供给天线驱动器1008。例如，波束成形参数包括诸如每个天线的旋转和倾斜的物理姿势控制值。
例如，能够如图12中所示构建波束锁定单元1002。参照图12，波束锁定单元1002包括：运动检测器1202，根据移动测量位置的改变以及根据旋转/倾斜测量方向和斜度的改变；参数计算器1204，计算将由所述改变更改的波束方向对准参考方向的新波束成形参数；以及波束控制器1206，根据新波束成形参数控制天线驱动器1008的波束成形。这里，运动检测器1202能够以规则时间间隔定期地或者在装置移动或旋转的事件中测量所述改变。
例如，能够如图13中所示构建波束锁定单元1002。参照图13，波束锁定单元1002包括：运动检测器1302，根据移动测量位置的改变并且根据旋转/倾斜测量方向和斜度的改变；错位确定器1304，根据所述改变确定当前波束是否与参考方向错位；参数计算器1306，当错位确定器1304确定所述错位时，计算将被改变波束方向对准参考方向的新波束成形参数；以及波束控制器1306，根据新波束成形参数控制天线驱动器1008的波束成形。这里，运动检测器1302能够以规则时间间隔定期地或者在装置移动或旋转的事件中测量所述改变。
数字数据收发器1004根据系统的协议将发送比特序列转换为基带信号，并且将从RF处理器1006-1至1006-N输出的基带信号转换为接收比特序列。数字数据收发器1004能够执行信道编码和解码、数据调制和解调、用于多天线映射的预编码、后编码、A/D转换、D/A转换、FFT处理以及IFFT处理。例如，在符合OFDM协议的数据传输中，数字数据收发器1004通过编码和调制发送比特序列产生复符号，将复符号映射到子载波，并且通过IFFT和CP插入来构建OFDM符号。
RF处理器1006-1至1006-N执行诸如信号转换和放大的功能以便通过无线信道发送和接收信号。就是说，RF处理器1006-1至1006-N将从数字数据收发器1004馈送的用于发送的基带信号上变频为RF信号，通过天线发送RF信号，并且将通过天线接收的RF信号下变频为基带信号。例如，RF处理器1006-1至1006-N每一个能够包括放大器、混频器、频率滤波器、振荡器、DAC、ADC以及用于控制天线方向的移相器/控制器中的至少一个。
天线驱动器1008包括与多个天线相对应的多个组件。每个组件物理地调节每个天线的信号辐射方向。就是说，天线驱动器1008通过根据从波束锁定单元1002馈送的诸如天线旋转和倾斜的物理姿势控制值调节每个天线的信号辐射方向来执行波束成形。
虽然图10中未示出，所述装置能够进一步包括用于利用另一装置训练波束的波束训练器。例如，为了确定装置的波束的参考方向，波束训练器能够将波束方向设置在多个候选方向上，重复地发送训练参考信号，并且选择来自其它装置的反馈方向作为参考方向。反之，为了确定其它装置的波束的参考方向，波束训练器能够从其它装置接收多个训练参考信号，并且向所述其它装置通知具有最佳通信质量的一个训练参考信号的序列值。此外，波束训练器能够连续地改善波束以便使用更窄的波束。在波束锁定单元1002操作之前，波束训练器能够通过波束训练设置参考方向。
图11示出根据本发明另一实施例的用于波束锁定的实例装置。
如图11中所示，所述装置包括波束锁定单元1102、数字数据收发器1104、多个RF处理器1106-1至1106-N以及天线开关1108。
波束锁定单元1102设置波束的参考方向并且锁定波束以保持波束的参考方向。就是说，波束锁定单元1102检测和测量装置的移动、倾斜和旋转，计算将波束方向对准参考方向的波束成形参数，并且将波束成形参数提供给天线开关1108。例如，波束成形参数包括预定义的波束索引或天线索引。
例如，能够如图12中所示构建波束锁定单元1102。参照图12，波束锁定单元1102包括：运动检测器1202，根据移动测量位置的改变并且根据旋转/倾斜测量方向和斜度的改变；参数计算器1204，计算将由所述改变更改的波束方向对准参考方向的新波束成形参数；以及波束控制器1206，根据新波束成形参数控制天线开关1108的波束成形。这里，运动检测器1202能够以规则时间间隔定期地或者在装置移动或旋转的事件中测量所述改变。
例如，能够如图13中所示构建波束锁定单元1102。参照图13，波束锁定单元1102包括：运动检测器1302，根据移动测量位置的改变以及根据旋转/倾斜测量方向和斜度的改变；错位确定器1304，根据所述改变确定当前波束是否与参考方向错位；参数计算器1306，当错位确定器1304确定错位时，计算将被改变的波束方向对准参考方向的新波束成形参数；以及波束控制器1308，根据新波束成形参数控制天线开关1108的波束成形。这里，运动检测器1302能够以规则时间间隔定期地或者在装置移动或旋转的事件中测量所述改变。
数字数据收发器1104根据系统的协议将发送比特序列转换为基带信号，并且将从RF处理器1106-1至1106-N输出的基带信号转换为接收比特序列。数字数据收发器1104能够执行信道编码和解码、数据调制和解调、用于多天线映射的预编码、后编码、A/D转换、D/A转换、FFT处理以及IFFT处理。例如，在符合OFDM协议的数据传输中，通过编码和调制发送比特序列产生复符号，将复符号映射到子载波，以及通过IFFT和CP插入来构建OFDM符号。
RF处理器1106-1至1106-N执行诸如信号转换和放大的功能以通过无线信道发送和接收信号。就是说，RF处理器1106-1至1106-N将从数字数据收发器1104馈送的用于发送的基带信号上变频为RF信号，通过天线发送RF信号，以及将通过天线接收的RF信号下变频为基带信号。例如，RF处理器1106-1至1106-N每一个能够包括放大器、混频器、频率滤波器、振荡器、DAC、ADC以及用于控制天线方向的移相器/控制器的至少之一。
天线开关1108激活与从波束锁定单元1102馈送的波束索引或天线索引相对应的至少一个天线组。就是说，将所述装置的天线安排在多个天线组中，所述天线组与波束方向相对应，并且将波束索引或天线索引分配给所述天线组。这里，一个天线组包括一个天线、多个天线或者天线阵列。因此，天线开关1108仅连接由从波束锁定单元1102和RF处理器1106-1至1106-N馈送的波束索引或天线索引所指示的天线组，或者切断除所指示天线组以外的其它组天线。
虽然图11中未示出，所述装置能够进一步包括用另一装置训练波束的波束训练器。例如，为了确定装置的波束的参考方向，波束训练器能够将波束方向设置在多个候选方向上，重复地发送训练参考信号，并且选择来自其它装置的反馈方向作为参考方向。反之，为了确定其它装置的波束的参考方向，波束训练器能够从其它装置接收多个训练参考信号，并且向所述其它装置通知具有最佳通信质量的一个训练参考信号的序列值。此外，波束训练器能够连续地改善波束以便使用更窄的波束。在波束锁定单元1102操作之前，波束训练器能够通过波束训练设置参考方向。
当用户站如上所述锁定波束时，基站能够以比没有锁定波束的其它用户站更少的频度进行波束训练。就是说，基站需要区分锁定波束的用户站和没有锁定波束的其它用户站。为了确定特定用户站是否执行波束成形，基站需要控制信息的交换。例如，通过用户站的能力协商过程能够将用户站是否支持波束锁定通知给基站。
图14示出根据本发明实施例的在无线通信系统中的基站和用户站之间所传送的实例信号。在步骤1401中，用户站1420将包括指示是否支持波束锁定的信息的能力信息传送给基站1410。详细地，用户站1420产生通知支持波束锁定以便通过根据天线的移动和旋转补偿波束方向的改变将波束方向维持在参考方向的控制消息，并且将所述控制消息发送给基站1410。例如，能够如表1中所示安排指示是否支持波束锁定的信息。
表1
[表1]
例如，指示是否支持波束锁定的信息能够进一步包括如表2中所示的详细条目。
表2
[表2]
Figure BDA0000477316800000182
在步骤1403中，接收到所述能力信息的基站1410向用户站1420发送通知所述能力信息接收的确认消息。例如，能够如表3中所示安排确认消息。
表3
[表3]
Figure BDA0000477316800000183
在其它各种实施例中，如果不期望或不需要确认，则能够省略步骤1403。
图15示出根据本发明实施例的当应用波束锁定时的实例波束训练技术。
在步骤1501中，基站1510和用户站1520执行波束训练。例如，基站1510和用户站1520将波束方向设置在多个候选方向上，重复地发送训练参考信号，并且确定与波束方向对准的候选方向。此外，基站1510和用户站1520能够连续地改善波束以便利用更窄波束。基于时间间隔T定期地进行波束训练。
在步骤1503中，在时间T期间，用户站1520激活波束锁定。就是说，用户站1520连续地执行波束锁定。因此，即使当不执行波束训练时，也可以维持相对好的波束方向，能够减少波束训练中的系统开销，并且就精度和时间延迟而言可以是更有利的。
在步骤1505中，在时间T之后，基站1510和用户站1520再次进行波束训练。有利地，当不应用波束锁定时，时间T长于波束训练时间间隔。
将理解到，根据说明书中的描述和权利要求的本发明实施例能够以硬件、软件或硬件和软件组合的形式来实现。
可以将任何这种软件存储在计算机可读存储介质中。计算机可读存储介质存储一个或多个程序（软件模块），所述一个或多个程序包含当由电子设备中的一个或多个处理器执行时引发电子设备执行本发明方法的指令。
可以以诸如例如像ROM（不管是否可擦除或可写入）的存储设备的易失或非易失存储器的形式，或者以诸如例如RAM、存储芯片、设备或集成电路的存储器形式，或者在诸如例如CD、DVD、磁盘或磁带等的光或磁可读介质上存储任何这种软件。将理解到，所述存储设备和存储介质是适合于存储包含当被执行时实现本发明实施例的指令的一个或多个程序的机器可读存储器的实施例。
因此，实施例提供包含用于实现如在本说明书的权利要求书的任何之一中所主张的装置或方法的代码的程序以及存储这种程序的机器可读存储器。仍然进一步，经由诸如通过有线或无线连接承载的通信信号的任何媒介以及适当包含其的实施例，可以以电子方式传递这些程序。
如上所述，由于通过根据执行无线通信系统中的波束成形的装置的移动和运动来补偿波束方向的改变，波束方向保持在参考方向上，所以即使波束方向意外地改变，仍能实现有效的波束成形。
虽然参照某些实例实施例已经示出和描述了本发明，本领域技术人员将理解到，在不脱离如所附权利要求书及其等价物所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以对其在形式和细节上进行各种修改。

Claims (15)

1.一种在无线通信系统中的波束成形方法，所述方法包括：
测量装置的移动和旋转的至少一种改变；以及
根据所述装置的移动和旋转的至少之一确定通过补偿波束方向的改变将波束方向对准另一装置的波束成形参数。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
确定是否发生移动和旋转的至少之一，
其中，当移动和旋转的至少之一发生时，测量所述改变。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
在测量所述改变之后，确定波束方向是否错位。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
根据所确定的波束成形参数调节波束方向。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述波束成形参数包括预编码码本索引、波束成形矩阵和波束成形向量中的至少之一。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述波束成形参数包括每个天线的相位和幅度值。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述波束成形参数包括包含每个天线的旋转和倾斜角的至少之一的物理姿势控制值。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述波束成形参数包括指示分别与多个波束方向相对应的天线组的至少之一的索引。
9.如权利要求1所述的方法，其中，波束成形参数的确定包括：
根据使用参考方向的波束成形参数和所述改变作为输入变量的特定规则确定波束成形参数。
10.如权利要求1所述的方法，其中，波束成形参数的确定包括：
使用基于相比于参考方向的波束成形参数的所述改变定义波束成形参数的映射表来确定新波束成形参数。
11.一种装置，被安排实现权利要求1至10之一的方法。
12.一种在无线通信系统中的用户站的操作方法，所述方法包括：
产生用于指示支持波束锁定方案以便通过补偿由用户站的移动和旋转所引发的波束方向改变来将波束方向保持在参考方向的控制消息；以及
将所述控制消息发送给基站。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述控制消息包括指示是否支持波束锁定方案的值、补偿波束方向错位所花的时间、在三维方向上由用户站的倾斜或旋转所产生的角度的可测量分辨率以及根据用户站的旋转的速度分辨率中的至少之一。
14.一种在无线通信系统中的基站的操作方法，所述方法包括：
接收通知支持波束锁定方案以便通过补偿由用户站的移动和旋转所引发的波束方向的改变来将波束方向保持在参考方向的控制消息；以及
基于所述控制消息确定用户站是否支持波束锁定方案。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述控制消息包括指示是否支持波束锁定方案的值、补偿波束方向错位所花的时间、在三维方向上由用户站的倾斜或旋转所产生的角度的可测量分辨率以及根据用户站的旋转的速度分辨率中的至少之一。
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