CN104753576A - 波束成形器及其无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了波束成形器及其无线通信方法。其中，该方法包含：接收来自于多个站所分别对应的多个参考信息；针对该多个站中的每一站，依据所对应的该多个参考信息中的至少一个参考信息来计算出一评价值；以及比较该多个站所分别对应的该评价值，来从该多个站中挑选出要进行波束成形操作的特定站。

Description

波束成形器及其无线通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，具体地，涉及一种筛选要进行波束成形操作的站的无线通信方法与波束成形器（Beamformer）。 

背景技术

随着无线传输应用的普及，例如使用无线保真（Wireless Fidelity,WiFi）将高画质电影及电视节目串流至笔记本电脑，或在手持装置（如平板计算机、智能型手机）上玩在线游戏、浏览社交媒体以及看影片等，一般的家庭用户往往同时使用多个WiFi装置下载网络内容，因此如何增进无线传输的速度是一重要的议题。目前有许多无线装置是基于2.4GHz频段操作，例如蓝芽（Bluetooth;BT）、家用无线电话（Cordless Phone）及其它802.11b/g/n装置，导致信号彼此干扰情形严重。 

波束成形（Beamforming）为一种应用于无线传输的技术，其将信道（Channel）对接收机（Receiver）所造成的影响，在发射机（Transmitter）做事先的消除，以减轻接收机软硬件的请求并增进传输性能。波束成形技术已应用于802.11n系统，然而各厂商所采用的802.11n标准可能彼此并不兼容。 

现阶段无线局域网络（Wireless Local Area Network,WLAN）的标准制订已经到802.11ac，相较于802.11n，各厂商所采用的802.11ac标准为兼容。此外，802.11ac标准操作于较不拥挤的5GHz频段，故可减少与其它无线装置共享同一频段的情形发生。 

然而，若同时有多个具有波束成形功能的站（Station，STA）连结到同一波束成形器（Beamformer）（例如：接入点（Access Point））来进行无线传输时，该波束成形器为了同时让每个站都享有波束成形的好处，就必须要为所有连结上来的站，存储各自的信道状态信息报告（Channel Station Information report,CSI report），如此一来，除了波束成形器必须大量增加支持波束成形的硬件，而造成设备成本提高之外，对于整个系统的负载也会越大，而导致性能降低。 

综上所述，如何有效地使用波束成形来提升无线传输的性能实为一重要的议题。 

发明内容

因此，本发明的目的之一在于提出一种运用波束成形技术的无线通信方法与波束成形器，其可通过一选择机制来筛选要进行波束成形操作的站，进而改善无线传输的性能，以解决上述问题。 

本发明的一实施方式关于一种无线通信方法，该方法应用于一波束成形器中，并且包含：接收来自于多个站所分别对应的多个参考信息；针对该多个站中的每一站，依据所对应的该多个参考信息中的至少一个参考信息来计算出一评价值；以及比较该多个站所分别对应的该评价值，来从该多个站中挑选出要进行波束成形操作的特定站。 

本发明的另一实施方式关于一种波束成形器，该波束成形器包含一接收电路以及一控制电路。该接收电路用以接收来自于多个站所分别对应的多个参考信息。该控制电路用以针对该多个站中的每一站，依据所对应的该多个参考信息中的至少一个参考信息来计算出一评价值；以及比较该多个站所分别对应的该评价值，来从该多个站中挑选出要进行波束成形操作的特定站。 

通过本发明提供的方法，可通过有限的波束成形器的波束成形硬件来大幅改善单一波束成形器与多个站之间的无线通信质量，进而解决现有技术无法有效选取较为需要改善的站以进行波束成形操作或是设置太多硬件导致成本提高的问题。 

附图说明

图1为使用本发明波束成形器的无线通信系统的一实施方式的示意图。 

图2为本发明应用于图1所示的波束成形器的无线通信方法的一实施方式的流程图。 

图3为图2的步骤208中选取挑选出要进行波束成形操作的特定站的示意图。 

图4为图1所示的波束成形器的一实施方式的示意图。 

图5为本发明计算评价值的一实施方式的流程图。 

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求书中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中普通技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及后续的权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权项当中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。另外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。 

请参考图1，图1为使用本发明波束成形器（Beamformer）的无线通信系统的一实施方式的示意图。如图1所示，无线通信系统10包含一波束成形器30（Beamformer）以及多个站（Station）STA-1～STA-M，且波束成形器30包含一接收电路32以及一控制电路34。请注意，本发明并未限制站个数M，换言之，M可为任意正整数。接收电路32用以接收来自于站STA-1～STA-M所分别对应的多个参考信息，换言之，每一站会提供多个参考信息至波束成形器30。针对站STA-1～STA-M中的每一站，控制电路34用以依据所对应的多个参考信息中的至少一个参考信息来计算出一评价值；此外，控制电路34会比较站STA-1～STA-M所分别对应的评价值，来从站STA-1～STA-M中挑选出要进行波束成形操作的特定站。举例来说，若是有M个站连结到波束成形器30，而波束成形器30有N个得以进行波束成形操作的硬件以存储与站间的信道状态信息报告以及存储站的参考信息（M与N均为正整数，且N>1以及M>N），因此在能够进行波束成形操作的硬件为有限的情况下，如何从中选取联机质量较差的N个或少于N个站来进行波束成形操作是极为重要的，后续段落将说明本发明如何有效改善波束成形器与站间的联机质量。 

请参考图2，图2为本发明应用于图1所示的波束成形器的无线通信方法的一实施方式的流程图。请注意，假若可获得实质上相同的结果，则这些步骤并不一定要遵照图2所示的执行次序来执行。图2可简短归纳为下列步骤： 

步骤202：开始。 

步骤204：接收来自于多个站所分别对应的多个参考信息。 

步骤206：针对多个站中的每一站，依据所对应的多个参考信息中的至少一个参考信息来计算出一评价值。 

步骤208：比较该多个站所分别对应的该评价值，来从多个站中挑选出要进行波束成形操作的特定站。 

步骤210：判断是否需要动态地更新所接收的该多个参考信息。若是，则回到步骤204，否则，继续执行步骤210。 

请注意，以上步骤中，多个站的个数为M，所挑选出要同时进行波束成形操作的特定站的个数为N，M与N均为正整数，其中N>1，且M>N。 

在步骤204中，参考信息例如是：站是否具备波束成形操作功能、站与波束成形器之间的数据流量（Data Traffic）、站的编码译码类型、站的分集能力、或站与波束成形器之间的联机质量等。接着，在步骤206中，波束成形器则依据所接收的各站的参考信息，产生判断结果，例如，判断站是否具备波束成形操作功能、判断站与波束成形器之间的数据流量、判断站的编码译码类型、判断站有无分集能力、或判断站与波束成形器之间的联机质量等，并依据这些判断结果对该站计算出一评价值。 

在本实施方式中，可视实际需求应用部分的或全部的上述计算评价值的方式，且根据每一种不同的判断方式可能会给予不同的权重值，并将所有权重值相加后得到的一评价值来决定是否对此站进行波束成形处理，在一实作方式中，若一站被给予一较高的评价值，即表示该站已经具有较佳的通信质量，故较不需要对其实施波束成形的操作以提高通信质量，换言之，在波束成形器仅设置有限的波束成形操作硬件的前提之下，具有较高评价值的站将不会被选取来进行波束成形操作。 

上述有关评价值的计算方式进一步说明如下。若依据参考信息判断出一站不具备波束成形接收功能，则会给予一最高的权重值，亦即波束成形器不会对该站实施波束成形的操作。 

此外，通过判断一站与波束成形器之间的数据流量可得知该站使用无线网络的流量以及该站是否处于一闲置（idle）状态，若该站使用无线网络的流量较低或该站处于闲置状态，则会将该站的数据流量判断项目给予一较高的权重值，以使波束成形器可优先对其他站实施波束成形的操作。 

另外，可根据一站是否支持信道编码译码，以及编码译码类型的不同来给予不同的权重值。站所采用的编码译码类型可为位卷积码（Binary Convolutional Code,BCC）、分组码（Block code）、低密度奇偶校验（Low Density Parity Check,LDPC）码或涡轮码（Turbo Code）。一般而言，信道编码可以增加传输位的容错能力，也即可以进行错误位的修正。当然，不同的信道编码其进行错误更正的能力也不同，因而给予站的权重值也有所不同。例如以上述提到的BCC与LDPC为例，一般而言，LDPC的容错能力较佳，因此使用LDPC的站会被给于较高的权重值。 

站的分集（Diversity）能力包含站的天线个数，以及站是否支持最大比合并（Maximum Ratio Combining,MRC）或空时分组码（Space-time block code,STBC）。通常有支持分集能力的站，较能够对抗多径衰弱（Multipath Fading）的情况，例如当某一无线传输路径被障碍物挡住，而其它的无线传输路径没有被挡住或遮蔽程度较轻微，接收机接收到多路径的无线信号时可以通过适当的合并（Combining）或选择（Selection）而达到分集的目地，使接收信号可以正确的被解调。此外，若接收机支持多根天线，也会提高分集能力。所以，当站的分集能力越高，则被给与的权重值也会越高。 

站与波束成形器之间的联机质量可根据一接收信号强度指示（Received Signal Strength Indicator,RSSI）、一信号质量（Signal Quality,SQ）、一信噪比（Signal-to-noise Ratio,SNR）、一误差向量幅度（Error Vector Magnitude,EVM）、一信道状态信息（Channel State Information,CSI）、一误码率（Bit Error Rate,BER）及一包错误率（Packet Error Rate,PER）中至少一种参数来决定。所以，当站的通信质量越好，则被给与的权重值也会越高。 

在步骤210中，动态地更新接收的多个参考信息可通过控制电路34来实现，也可有以下多种的实施方式，例如每隔一固定时间周期，更新所接收的多个参考信息（换言之，每隔一固定时间周期，流程便会由步骤210回到步骤204）；或是当支持波束成形的站的数量改变时，更新所接收的多个参考信息（换言之，当支持波束成形的站的数量改变时，流程便会由步骤210回到步骤204）；也可以是当进行波束成形接收中的至少一特定站的状态发生改变时，更新所接收的多个参考信息（换言之，当进行波束成形接收中的至少一特定站的状态发生改变时，流程便会由步骤210回到步骤204），举例来说，当波束成形器与至少一特定站的联机中断、波束成形器与至少一特定站之间的传输数据量低于一临界值、波束成形器与至少一特定站之间的联机质量发生改变以及至少一特定站无法接收探测包（sounding packet）中至少一条件满足时，则判断进行波束成形接收中的至少一特定站的状态发生改变。 

请参考图3与以下所列的表1与表2，图3为图2的步骤208中挑选出要进行波束成形操作的特定站的操作示意图，表1为站在时间A的状态，而表2为站在时间B的状态。在时间A，有三个站STA-1、STA-2及STA-3连上波束成形器30且皆有支持波束成形，故上述的M为3。站STA-1、STA-2及STA-3的状态如表1所示。 

表1 

站	信号接收强度	数据流量	编码能力	分集能力	评价值
						STA-1	50	0	0	0	50
STA-2	35	0	0	5	40
						STA-3	15	0	0	0	15

站STA-1具有最强的信号接收强度，而站STA-2、STA-3具有较弱的信号接收强度，因此在信号接收强度的判断项目上，站STA-1会得到最高的权重值。此外，站STA-2由于具有较佳分集能力（例如，站STA-2有两根天线，站STA-1、STA-3各自仅具有一根天线），故在分集能力的判断项目上，站STA-2会得到最高的权重值。另外，由于站STA-1、STA-2、STA-3 采用相同的编码译码类型（例如较低容错能力的BCC），因此，在编码能力的判断项目上，站STA-1、STA-2、STA-3会给予相同的较低的权重值。在图3以及表1的举例中，假设波束成形器30最大仅支持同时对二站实施波束成形（亦即上述的N为2），因此在时间A，评价值较低的站STA-2、STA-3会被选取来实施波束成形。然而，在本发明另一实施方式中，若波束成形器可支持同时对更多站实施波束成形（例如N=3），则站STA-1、STA-2、STA-3皆会被选取。 

接着，若在时间B有另一站STA-4（其也支持波束成形）与波束成形器联机（上述的M为3），由于支持波束成形的站的数量此时改变，故根据步骤210，波束成形器30会动态地更新所接收的参考信息，因此在时间B，波束成形器30会从四个站STA-1～STA-4中选取分数较低的二站进行波束成形。站STA-1、STA-2、STA-3、STA-4的状态如表2所示。 

表2 

站	信号接收强度	数据流量	编码能力	分集能力	评价值
						STA-1	50	0	0	0	50
STA-2	35	0	0	5	40
						STA-3	15	80	0	0	95
STA-4	20	0	2	0	22

如表2所示，由于站STA-4具有较佳的编码能力，因此在编码能力的判断项目上，站STA-4会被给予最高的权重值。此外，由于站STA-4采用不同的编码译码类型（例如较高容错能力的LDPC），因此，在编码能力的判断项目上，站STA-4会给予较高的权重值。再者，由于站STA-3由时间A的工作（active）状态进入时间B的闲置（idle）状态，因此在数据流量的判断项目上，站STA-3会被给予最高的权重值。从图3以及表2可知，虽然在时间B，站STA-3的信号接收强度比站STA-2弱，但由于站STA-2处于工作状态，而站STA-3处于闲置状态，故波束成形器30仍会优先选取站STA-2进行波束成形，而不选取站STA-3。此外，在图3以及表2的举例中，波束成形器最大仅支持同时对二个站实施波束成形（上述的N为2），因此在时间B，评价值较低的站STA-2、STA-4会被选取来实施波束 成形。然而，在本发明另一实施方式中，若波束成形器30可支持同时对更多站实施波束成形，则站STA-1、STA-2、STA-4皆会被选取（例如N=3），或站STA-1、STA-2、STA-3、STA-4皆会被选取（例如N=4）。 

请参考图4，图4为图1所示的波束成形器的一实施方式的示意图。如图4所示，波束成形器400为一个支持N个波束成形操作的波束成形器，故包含N个波束成形操作硬件HW-1～HW-N，可存储与站间的信道状态信息报告以及存储站的参考信息，此外，波束成形器400另具有一接收电路432以及一控制电路434。接收电路432用以接收来自于多个站的多个参考信息。控制电路434依据该多个参考信息，从该多个站之中支持波束成形接收的M个站（例如STA-1～STA-M）中选取出N个特定站，以及控制该N个波束成形操作硬件同时对该N个特定站进行波束成形操作。在M>N的通信条件之下，控制电路434采用前述的选择机制来从M个站中挑选出N个特定站（例如优先选择距离波束成形器较远、错误更正码较差及/或分集能力较差的站），因而在有限的波束成形操作硬件（亦即N个波束成形操作硬件HW-1～HW-N）之下，可让这些被选取站的数据流量以及数据传输质量经由波束成形技术而有效提升。 

请参考图5，图5为本发明计算评价值的一实施方式的流程图。请注意，假若可获得实质上相同的结果，则这些步骤并不一定要遵照图5所示的执行次序来执行。本发明评价值的计算方式除了可参考上述表1、表2的举例，亦可参考本实施方式的举例。图5可简短归纳为下列步骤： 

步骤502：开始。 

步骤504：判断站是否具备波束成形接收功能，若是，执行步骤506；否则，执行步骤518。 

步骤506：根据站与波束成形器之间的数据流量大小来判断站是否处于工作状态，若是，执行步骤508；否则，执行步骤520。 

步骤508：权重值加上一第一得分。 

步骤510：判断站是否具备编码译码能力，若是，执行步骤512；否则，执行步骤514。 

步骤512：权重值加上一第二得分。 

步骤514：判断站是否具备分集能力，若是，执行步骤516；否则，执行步骤522。 

步骤516：权重值加上一第三得分。 

步骤518：权重值加上一满分，执行步骤522。 

步骤520：权重值加上一第四得分。 

步骤522：结束。 

请注意，执行完上述步骤所得到最终的权重值即为站的评价值。步骤518中，满分为一最高分数，等同于判定波束成形器不对此站作波束成形操作。在步骤520中，第四得分为一较低于满分但极高的分数，因此若一站的权重值加上一第四得分，则波束成形器比较不可能对此站作波束成形操作。关于其它步骤的概念已详述如前，故不赘述。 

上述实施方式虽以得到较低评价值的站作为可能进行波束成形操作的选项，但在实作上，亦可将系统做相反的设计，例如，当站在闲置时，给予较低的权重值；当站具有较佳的编码译码能力时，给予较低的权重值；以及当站具有较佳的分集能力时，给予较低的权重值等。换言之，具有较低权重值的站可被视为本身具有较佳的通信能力/质量，因而较不需要额外通过波束成形操作来提升此站的通信能力/质量。反之，若依据该些权重值 所记算出的评价值越高时，表示该站需要进行波束成形操作来提升其通信能力/质量的可能性也越大。 

此外，依据不同的应用，上述该的波束成形器可为接入点（Access Point，AP）、路由器（Router），或是设定成独立基本服务集模式（Independent Basic Service Set（IBSS）mode）的站。 

综上所述，通过本发明提供的方法，波束成形器可通过有限的的波束成形硬件来大幅改善单一波束成形器与多个站之间的无线通信质量，进而解决现有技术无法有效选取较为需要改善的站以进行波束成形操作或是设置太多硬件导致成本提高的问题。 

以上所述仅为本发明的优选实施方式，凡依本发明权利要求书所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。 

符号说明 

30、400  波束成形器 

32、432  接收电路 

34、434  控制电路 

10  无线通信系统 

202～210、502～522  步骤 

A、B  时间 

HW-1～HW-N  波束成形操作硬件 

STA-1～STA-M  站。 

Claims (20)

1.一种无线通信方法，应用于一波束成形器中，所述方法包含：

接收来自于多个站（STA）所分别对应的多个参考信息；

针对所述多个站中的每一站，依据所对应的所述多个参考信息中的至少一个参考信息来计算出一评价值；以及

比较所述多个站所分别对应的所述评价值，来从所述多个站中挑选出要进行波束成形操作的特定站。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个站的个数为M，所挑选出要同时进行波束成形操作的特定站的个数为N，M与N均为正整数，N>1，且M>N。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，依据所对应的所述多个参考信息中的至少一个参考信息来计算出所述评价值的步骤包含有：

依据所述多个参考信息来判断所述站是否具备波束成形接收功能，以产生一判断结果；以及

至少依据所述判断结果来决定所述评价值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，依据所对应的所述多个参考信息中的至少一个参考信息来计算出所述评价值的步骤包含有：

依据所述多个参考信息来判断所述站与所述波束成形器之间的数据流量，以产生一判断结果；以及

至少依据所述判断结果来决定所述评价值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，依据所对应的所述多个参考信息中的至少一个参考信息来计算出所述评价值的步骤包含有：

依据所述多个参考信息来判断所述站的编码译码类型，以产生一判断结果；以及

至少依据所述判断结果来决定所述评价值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述站的编码译码类型为：位卷积码（BCC）、分组码、低密度奇偶校验（LDPC）码或涡轮码。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，依据所对应的所述多个参考信息中的至少一个参考信息来计算出所述评价值的步骤包含有：

依据所述多个参考信息来判断所述站的分集能力，以产生一判断结果；以及

至少依据所述判断结果来决定所述评价值。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述站的分集能力包含：天线个数、是否支持最大比合并（MRC）或空时分组码（STBC）。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，依据所对应的所述多个参考信息中的至少一个参考信息来计算出所述评价值的步骤包含有：

依据所述多个参考信息来判断所述站与所述波束成形器之间的联机质量，以产生一判断结果；以及

至少依据所述判断结果来决定所述评价值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述站与所述波束成形器之间的联机质量根据一接收信号强度指示（RSSI）、一信号质量（SQ）、一信噪比（SNR）、一误差向量幅度（EVM）、一信道状态信息（CSI）、一误码率（BER）及一包错误率（PER）中至少一种参数来决定。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，接收来自于多个站所分别对应的多个参考信息的步骤包含有：

动态地更新所接收的所述多个参考信息。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，动态地更新所接收的所述多个参考信息的步骤包含有：

每隔一固定时间周期，更新所接收的所述多个参考信息。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，动态地更新所接收的所述多个参考信息的步骤包含有：

当支持波束成形的站的数量改变时，更新所接收的所述多个参考信息。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，动态地更新所接收的所述多个参考信息的步骤包含有：

当进行波束成形接收中的至少一特定站的状态发生改变时，更新所接收的所述多个参考信息。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，动态地更新所接收的所述多个参考信息的步骤另包含有：

当所述波束成形器与所述至少一特定站的联机中断、所述波束成形器与所述至少一特定站之间的传输数据量低于一临界值、所述波束成形器与所述至少一特定站之间的联机质量发生改变以及所述至少一特定站无法接收探测包中至少一条件满足时，则判断进行波束成形接收中的所述至少一特定站的状态发生改变。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述波束成形器为一接入点（AP）、一路由器或是设定成独立基本服务集（IBSS）模式的一站。

17.一种波束成形器，包含：

一接收电路，用以接收来自于多个站（STA）所分别对应的多个参考信息；以及

一控制电路，用以针对所述多个站中的每一站，依据所对应的所述多个参考信息中的至少一个参考信息来计算出一评价值；以及比较所述多个站所分别对应的所述评价值，来从所述多个站中挑选出要进行波束成形操作的特定站。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，多个参考信息为：一站是否具备波束成形操作功能、一站与波束成形器之间的数据流量（、一站的编码译码类型、一站的分集能力或一站与波束成形器之间的联机质量。

19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述控制电路动态地更新所接收的所述多个参考信息。

20.根据权利要求17所述的装置，其中，所述波束成形器为一接入点（AP）、一路由器或是设定成独立基本服务集（IBSS）模式的一站。