CN108809453B - 用于多输入多输出操作的平衡拼图天线波束搜寻方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于多输入多输出操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，其中，可支持N个不同天线波束的传送端利用平衡拼图概念将所述天线波束分成具有偶数个对应于天线扇区的天线波束的平衡群、及余群，并根据相关于对所述天线扇区且利用分层多分辨率编码簿所执行的扇区扫描程序的估测结果的反馈信号，判定所述平衡群是否含有对应于接收端的目标天线波束，且在判定为肯定时，根据所述反馈信号及经由执行利用所述分层多分辨率编码簿的波束搜寻编程，自撷取自所述平衡群且含有所述目标天线波束的子群决定出所述目标天线波束，否则自所述余群决定出所述目标天线波束。本发明能有效地减少搜寻时间并大幅降低搜寻复杂度。

Description

用于多输入多输出操作的平衡拼图天线波束搜寻方法
技术领域
本发明涉及一种天线波束搜寻方法，特别是涉及一种用于多输入多输出操作的天线波束搜寻方法。
背景技术
下个世代的移动通信将会使用到毫米波段的频谱，且在此波段的峰值数据传输率恐将达到100亿位/秒(Gbps)等级。然而，要在如此高频的环境中达到高连结裕度(LinkMargin)乃是一大挑战。于是，为了克服此挑战，已提出了通过大型天线阵列的方向性波束成型(Directional Beamforming)。
一种用于追踪在多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，以下简称为MIMO)系统中天线阵列的出射角(Angle of Departure，以下简称为AoD)与入射角(Angleof Arrival，以下简称为AoA)的波束成型训练使用了现有穷尽搜寻法(亦称作暴力搜寻法)，并且将所有可能的AoD与AoA都进行一次配对。举例来说，参考图1，对于具有同一最高分辨率N的一传送端Tx的一天线阵列与一接收端Rx的一天线阵列而言，当N＝8时，该传送端Tx与该接收端Rx所需调整波束成型的次数为N2(＝64)次(也就是，第一阶段至第64阶段)。然而，此方法需要相对较长的搜寻时间，以及相对较多的调整波束成型次数，也就是说，此方法具有相对较高的搜寻复杂度。
为了降低传送端与接收端所需调整波束成型的次数，一种用于估测通道(也就是，AoD及AoA)的二分(Bi-section)搜寻法已揭露于一篇论文(by A.Alkhateeb,O.El Ayach,G.Leus and R.Heath,"Channel estimation and hybrid precoding for millimeterwave cellular systems",IEEE J.Sel.Topics Signal Process.,vol.8,no.5,pp.831-846,2014)，且此二分搜寻法同时对于传送端及接收端进行角度估测。举例来说，参阅图2，同样地对于具有同一最高分辨率N的一传送端Tx的一天线阵列与一接收端Rx的一天线阵列而言，当N＝8时，会进行log2N(＝log28＝3)个阶段的二分搜寻程序，且在每一阶段的二分搜寻程序中，进行4次搜寻。更明确地，在第一阶段的二分搜寻程序中，首先该传送端Tx借由执行扇区扫描(sector sweeping)，分别经由两个彼此不同且大小为π/2的天线扇区发送出两个训练信号，且在此同时，对于来自于该传送端Tx的每一训练信号，该接收端Rx同样地借由执行扇区扫描，分别经由两个彼此不同且大小为π/2的天线扇区获得两个接收信号。于是，该接收端Rx根据所获得的该等接收信号中具有较佳信号质量(如，较高信号噪声比)者，自该等大小为π/2的天线扇区选出一者作为一第一候选RX天线扇区，其对应一特定接收端天线波束，并将指示出具有较佳信号质量的该接收信号所对应的该训练信号的第一反馈数据发送出，并且该传送端Tx在接收到来自该接收端Rx的该第一反馈数据时，根据该第一反馈数据自该等大小为π/2的天线扇区选出一者作为一第一候选TX天线扇区，其对应一特定传送端天线波束。所以，在该第一阶段的二分搜寻程序中，该传送端Tx与该接收端Rx所需调整波束成型的次数为4次。然后，进行第二阶段的二分搜寻程序。在该第二阶段的二分搜寻程序中，首先该传送端Tx以借由执行扇区扫描，分别经由两个均等划分自该第一候选TX天线扇区且大小为π/4的天线扇区发送出两个训练信号，且在此同时，对于来自于该传送端Tx的每一训练信号，该接收端Rx同样地借由执行扇区扫描，分别经由两个均等划分自该第一候选RX天线扇区且大小为π/4的天线扇区获得两个接收信号。于是，该接收端Rx根据所获得的该等接收信号中具有较佳信号质量者，自该第一候选RX天线扇区所含的该等天线扇区选出一者作为一第二候选RX天线扇区，并将指示出具有较佳信号质量的该接收信号所对应的该训练信号的第二反馈数据发送出，并且该传送端Tx在接收到来自该接收端Rx的该第二反馈数据时，根据该第二反馈数据，自该第一候选TX天线扇区所含的该等天线扇区选出一者作为一第二候选TX天线扇区。所以，在该第二阶段的二分搜寻程序中，该传送端Tx与该接收端Rx所需调整波束成型的次数亦为4次。接着，进行第三阶段的二分搜寻程序。在该第三阶段的二分搜寻程序中，首先该传送端Tx以借由执行扇区扫描，分别经由两个均等划分自该第二候选TX天线扇区且大小为π/8的天线扇区发送出两个训练信号，且在此同时，对于来自于该传送端Tx的每一训练信号，该接收端Rx同样地借由执行以扇区扫描，分别经由两个均等划分自该第二候选RX天线扇区且大小为π/8的天线扇区获得两个接收信号。于是，该接收端Rx根据所获得的该等接收信号中具有较佳信号质量者，自该第二候选RX天线扇区所含的该等天线扇区选出一者作为一目标RX天线扇区(也就是，AoA)，并将指示出具有较佳信号质量的该接收信号所对应的该训练信号的第三反馈数据发送出，并且该传送端Tx在接收到来自该接收端Rx的该第三反馈数据时，根据该第三反馈数据，自该第二候选TX天线扇区所含的该等天线扇区选出一者作为一目标TX天线扇区(也就是，AoD)。所以，在该第三阶段的二分搜寻程序中，该传送端Tx与该接收端Rx所需调整波束成型的次数亦为4次。因此，在此例中，该传送端Tx与该接收端Rx所需调整波束成型的次数一共为4log2N(＝4×3＝12)次，此外，该接收端Rx需传送分别对应于该第一至第三阶段二分搜寻程序的该第一反馈数据、该第二反馈数据及该第三反馈数据至该传送端Tx，也就是说，需要执行三次反馈操作。
另一种用于估测AoD与AoA的改良式二分搜寻法已揭露于美国专利申请公开案US2016/0087695 A1及US 2016/0021549 A1，此改良式二分搜寻法分开地对于传送端及接收端进行通道估测，也就是说，先在传送端以二分法发送出训练信号而接收端操作在一全向性接收模式，借此获得AoD，并接着再估测出AoA。举例来说，参阅图3，同样地对于具有同一最高分辨率N的一传送端Tx的一天线阵列与一接收端Rx的一天线阵列而言，当N＝8时，该传送端Tx及该接收端Rx各自会进行log2N(＝log28＝3)个阶段的二分搜寻程序，且在每一阶段的二分搜寻程序中，进行2次搜寻。更明确地，首先，针于该传送端Tx，在第一阶段的二分搜寻程序中，该传送端Tx以借由执行扇区扫描，分别经由两个彼此不同且大小为π/2的天线扇区发送出两个训练信号，且在此同时，对于来自于该传送端Tx的每一训练信号，该接收端Rx以全向性接收方式获得两个分别对应于该等训练信号的接收信号。于是，该接收端Rx将指示出该等接收信号中具有较佳信号质量者所对应的该训练信号的第一反馈数据发送出，并且该传送端Tx在接收到来自该接收端Rx的该第一反馈数据，根据该第一反馈数据，自该等大小为π/2的天线扇区选出一者作为一第一候选TX天线扇区。所以，该传送端Tx在该第一阶段的二分搜寻程序中所需调整波束成型的次数为2次。然后，进行第二阶段的二分搜寻程序。在该第二阶段的二分搜寻程序中，该传送端Tx借由执行扇区扫描，分别经由两个均等划分自该第一候选TX天线扇区且大小为π/4的天线扇区发送出两个训练信号，且在此同时，对于来自于该传送端Tx的每一训练信号，该接收端Rx同样以全向性接收方式获得两个分别对应于该等训练信号的接收信号。于是，该接收端Rx将指示出该等接收信号中具有较佳信号质量者所对应的该训练信号的第二反馈数据发送出，并且该传送端Tx在接收到来自该接收端Rx的该第二反馈数据，根据该第二反馈数据，自该第一候选TX天线扇区所含的该等天线扇区选出一者作为一第二候选TX天线扇区。所以，该传送端Tx在该第二阶段的二分搜寻程序中所需调整波束成型的次数亦为2次。接着，进行第三阶段的二分搜寻程序。在该第三阶段的二分搜寻程序中，首先该传送端Tx借由执行扇区扫描方式先后发送出两个，分别经由两个均等划分自该第二候选TX天线扇区且大小为π/8的天线扇区发送出两个训练信号，且在此同时，对于来自于该传送端Tx的每一训练信号，该接收端Rx同样以全向性接收方式获得两个分别对应于该等训练信号的接收信号。于是，该接收端Rx将指示出该等接收信号中具有较佳信号质量者所对应的该训练信号的第三反馈数据发送出，并且该传送端Tx在接收到来自该接收端Rx的该第三反馈数据，根据该第三反馈数据，自该第二候选TX天线扇区所含的该等天线扇区选出一者作为一目标TX天线扇区(也就是，AoD)。所以，该传送端Tx在该第三阶段的二分搜寻中所需调整波束成型的次数亦为2次。然后，针对该接收端，在第一阶段的二分搜寻程序中，该传送端Tx经由该目标TX天线扇区持续发出一训练信号，且在此同时，对于来自于该传送端Tx的该训练信号，该接收端Rx借由执行扇区扫描，分别经由两个彼此不同且大小为π/2的天线扇区获得两个接收信号。于是，该接收端Rx根据所获得的该等接收信号中具有较佳信号质量者，自该等大小为π/2的天线扇区选出一者作为一第一候选RX天线扇区。所以，该接收端Rx在该第一阶段的二分搜寻程序中所需调整波束成型的次数为2次。然后，进行第二阶段的二分搜寻程序。在该第二阶段的二分搜寻程序中，该传送端Tx，相似于该第一阶段，同样地经由该目标TX天线扇区持续发送出一训练信号，且在此同时，对于来自于该传送端Tx的该训练信号，该接收端Rx以借由执行扇区扫描，分别经由两个均等划分自该第一候选RX天线扇区且大小为π/4的天线扇区发送出两个接收信号。于是，该接收端Rx根据所获得的该等接收信号中具有较佳信号质量者，自该第一候选RX天线扇区所含的该等天线扇区中选出一者作为一第二候选RX天线扇区。所以，该接收端Rx在该第二阶段的二分搜寻程序中所需调整波束成型的次数为2次。然后，进行第三阶段的二分搜寻程序。在该第三阶段的二分搜寻程序中，该传送端Tx，相似于该第一及第二阶段，同样地经由该目标TX天线扇区持续发送出一训练信号，且在此同时，对于来自于该传送端Tx的该训练信号，该接收端Rx以π/8的借由执行扇区扫描，分别经由两个均等划分自该第二候选RX天线扇区的天线扇区获得两个接收信号。于是，该接收端Rx根据所获得的该等接收信号中具有较佳信号质量者，自该第二候选RX天线扇区所含的该等天线扇区选出一者作为一目标RX天线扇区(也就是，AoA)。所以，该接收端Rx在该第三阶段的二分搜寻程序中所需调整波束成型的次数亦为2次。因此，在此例中，该传送端Tx与该接收端Rx所需调整波束成型的次数一共为2(log2N+log2N)(＝2×(3+3)＝12)次，此外，该接收端Rx需传送分别对应于该第一至第三阶段的该第一反馈数据、该第二反馈数据及该第三反馈数据至该传送端Tx，也就是说，需要三次反馈程序。
然而，上述的波束搜寻方法在复杂度上仍存在改良的空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，其能有效地减少搜寻时间并大幅降低搜寻复杂度。
本发明用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法借由一无线MIMO通信系统来实施，该无线MIMO通信系统包含一传送端及一接收端，该传送端配置有一具有分辨率为N并可支持N个不同天线波束的天线阵列，该等天线波束中的一个天线波束为对应于该接收端的目标天线波束，所束用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法包含：
(A)借由所述传送端，利用平衡拼图概念，将所述N个天线波束分成一个具有偶数个天线波束且对应于一个第一天线扇区的平衡群、及一个余群；
(B)借由所述传送端，对于所述平衡群，执行一个相关于所述第一天线扇区且利用所述平衡拼图概念及一个分层多分辨率编码簿的第一扇区扫描编程；
(C)借由所述传送端，在接收到一个对应于所述第一扇区扫描编程的第一估测结果的第一反馈信号时，根据所述第一反馈信号，判定所述平衡群是否含有所述目标天线波束；
(D)借由所述传送端，在中判定出所述平衡群存在所述目标天线波束时，根据所述第一反馈信号，自所述平衡群撷取出一个含有所述目标天线波束的子群，并经由执行一个利用所述分层多分辨率编码簿的第一波束搜寻编程，自所述子群决定出所述目标天线波束；及
(E)借由所述传送端，在判定出所述平衡群不存在所述目标天线波束时，经由执行一个利用所述分层多分辨率编码簿的第二波束搜寻编程，自所述余群决定出所述目标天线波束。
进一步，所述平衡群的所有天线波束的数量远大于所述余群的所有天线波束的数量。
进一步，当N为偶数时，所述余群的所有天线波束的数量为一个大于或等于2的偶数。当N为奇数时，所述余群的所有天线波束的数量为一个大于或等于1的奇数。
进一步，所述分层多分辨率编码簿包含多组分别具有不同数量且分别对应于多个不同波束宽度的波束成形向量。
进一步，所述传送端利用所述平衡拼图概念，执行所述第一天线扇区的扇区扫描，以便分别利用所述分层多分辨率编码簿中对应的两个具有匹配于两个均等划分自所述第一天线扇区的天线扇区的波束宽度的波束成形向量，产生两个训练信号，并分别经由所述两个天线扇区发送出所述两个训练信号，所述用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法在(B)与(C)之间还包括：(F)借由所述接收端，获得两个分别对应于来自所述传送端的所述两个训练信号的接收信号，且根据所述两个接收信号产生所述第一反馈信号，并发送出所述第一反馈信号。
进一步，所述接收端先判定所述两个接收信号中的每一者对另一者的强度比值中是否存在一个不小于一个预定临界值η的强度比值，并根据判定结果，产生对应于所述第一估测结果的所述第一反馈信号。所述第一估测结果指示出所述接收信号在强度上是否处于一个非平衡状态、及所述接收信号中在强度上较大的接收信号所对应的所述训练信号。
进一步，当所述判定结果指示出所述接收信号中的每一者对另一者的强度比值中存在一个不小于所述预定临界值η的强度比值时，所述第一估测结果指示出所述接收信号在强度上处于一个非平衡状态、及所述接收信号中在强度上较大的接收信号所对应的所述训练信号。当所述第一估测结果指示出所述接收信号在强度上处于所述非平衡状态时，所述传送端根据所述第一反馈信号，决定出所述平衡群存在所述目标天线波束。所述子群具有所述平衡群的所述天线波束的数量一半的天线波束，并对应于所述天线扇区其中一个用于发出所述第一估测结果所指示的所述训练信号。
进一步，所述第一反馈信号为一个2位信号，并具有一个指示出所述接收信号在强度上是否处于所述非平衡状态的第一位成分、及一个指示出所述接收信号中在强度上较大的接收信号所对应的所述训练信号的第二位成分。
进一步，
Figure BDA0001282897260000081
其中SNR代表所述接收端的信号噪声比。
进一步，当所述子群所含的天线波束的数量不小于3时，所述传送端所执行的所述第一波束搜寻编程包括：将所述子群的所述天线波束分成一个对应于一个包含于所述第一天线扇区的第二天线扇区的第一群、及一个第二群；对于所述第一群，执行一个相关于所述第二天线扇区且利用所述分层多分辨率编码簿的第二扇区扫描编程，并在接收到一个对应于所述第二扇区扫描编程的第二估测结果的第二反馈信号时，根据所述第二反馈信号，判定所述第一群是否含有所述目标天线波束；所述传送端在判定出所述第一群存在所述目标天线波束时，根据所述第二反馈信号，自所述第一群决定出所述目标天线波束；及所述传送端在判定出所述第一群不存在所述目标天线波束时，自所述第二群决定出所述目标天线波束。
进一步，当所述第一群所含的天线波束的数量为偶数时，所述第二扇区扫描编程相似于所述第一扇区扫描编程。
本发明的有益效果在于：由于利用了平衡拼图概念的分群手段，在整个波束搜寻过程中，仅所束N个天线波束其中的部分天线波束被估测。因此，对比于在高信号子噪声比(也就是，高通道增益)环境下所使用的二分通道训练法，不仅可达到相近的通道估测准确度，更可明显降低复杂度，如此更有利于MIMO操作。
附图说明
图1为现有穷尽搜寻法的示意图；
图2为现有二分搜寻法的示意图；
图3为现有改良式二分搜寻法的示意图
图4至图6为本发明平衡拼图概念的示意图；
图7为实施本发明实施例用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法的无线MIMO通信系统的方块图；
图8为所述无线MIMO通信系统如何执行本发明实施例的流程图；
图9为所述无线MIMO通信系统依照实施例在N＝8的条件下所执行三种情况的示意图；
图10为所述无线MIMO通信系统依照实施例在N＝16的条件下所执行一种情况的示意图；
图11为所述无线MIMO通信系统依照实施例在N＝16的条件下所执行另一种情况的示意图；
图12为本发明实施例与现有二分搜寻法及改良式二分搜寻法在总反馈次数上的模拟比较结果：及
图13为本发明实施例与现有二分搜寻法及改良式二分搜寻法在复杂度上的模拟比较结果。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
在说明本发明用于多MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法的实施例之前，先以简单的例子来说明平衡拼图概念。例如，如图4所示，对于8个似乎完全相同的球，其中一个呈黑色的球比其他7个呈灰色的球还稍重，所述平衡拼图概念可被应用来以最少秤重次数找出所述较重的球(以下被称为目标球)。参阅图5及图6，依照所述平衡拼图概念，首先，将此8个球任意分成两群，其中一群具有偶数个球，例如6个球，且此群亦被称为一个平衡群，而另一群则具有剩下的球，例如2个球，且此群亦被称为一个余群。经分群后的所述8球存在两种实际情况，也就是说，所述目标球存在于所述平衡群的第一情况(如图5所示)，以及所述目标球存在于所述余群的第二情况(如图6所示)。在第一情况中，假想成将所述平衡群的所述6个球等分地放在一个天平的两侧秤重，也就是说，可将含有所述目标球的所述6个球进一步相等地划分成(各自含有3个球的)第一子群及第二子群秤重，且获得所述第一子群及所述第二子群不等重的秤重结果(也就是说，处于非平衡状态)，然后将较重的例如所述第二子群进一步执行如上述的分群编程、等分秤重及比较编程后，所述目标球被获得。而在第二情况中，同样地将所述平衡群的所述6个球等分地放在一个天平的两侧秤重，由于天平两侧等重(也就是说，处于平衡状态)，可推知所述目标球存在于所述余群，接着将所述余群的所述2个球等分地放在一个天平的两侧秤重，于是获得所述目标球。
图7示例地绘示出一个用来实施本发明实施例一种用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法的无线MIMO通信系统100，所述MIMO通信系统100包含一个传送端Tx及一个接收端Rx。在本实施例中，所述传送端Tx例如可被实施成一个基地台，但不以此为限，并包含一个具有分辨率为N的天线阵列11、一个储存单元12及一个电连接所述天线阵列11及所述储存单元12的信号处理单元13。所述天线阵列11可支持N个不同天线波束，每一个天线波束对应于所述天线阵列11的一个特定唯一出射角。所述储存单元12储存有一个分层多分辨率编码簿(Hierarchical Multi-resolution codebook)CB，所述分层多分辨率编码簿CB包含多组分别具有不同数量且分别对应于多个不同波束宽度的波束成形向量。所述接收端Rx例如可被实施成一个使用者移动装置，但不以此为限，并包含一个天线单元21、及一个电连接所述天线单元21的信号处理单元22。在此实施例中，所述天线单元21可被实施成一个全向性天线或一个具有分辨率为N’的天线阵列。值得注意的是，所述传送端Tx的所述天线阵列11所支持的所述N个天线波束其中一者为对应于所述接收端Rx的目标天线波束(也就是说，所述传送端Tx对于所述接收端Rx的一个最佳传输通道)。
以下，将参阅图7及图8来示例地说明所述MIMO通信系统100如何依照本发明实施例一种用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法来执行一个搜寻所述目标天线波束的编程。此编程包含以下步骤。
首先，依照上述的平衡拼图概念，可将所述N个天线波束视作似乎完全相同的N个球，而所述目标天线波束可被视为所述N个球中的一个较重者。
在步骤S81中，所述传送端Tx的所述信号处理单元13执行一个分群处理，也就是说，利用所述平衡拼图概念，将所述N个天线波束分成一个具有偶数个天线波束且对应于一个第一个天线扇区的平衡群、及一个余群。在本实施例中，所述平衡群所具有的所述天线波束的数量远大于所述第一余群所具有的天线波束的数量。此外，由于N并不限于是2的指数倍，所以当N为偶数时，所述第一余群所具有的天线波束的数量例如为一个大于或等于2的偶数，而当N为奇数时，所述第一余群所具有的天线波束的数量例如为一个大于或等1的奇数。
在步骤S82中，所述传送端Tx对于所述平衡群执行一个相关于所述第一天线扇区的第一扇区扫描编程。此第一扇区扫描编程利用了所述平衡拼图概念并使用了所述储存单元12所储存的所述分层多分辨率编码簿CB。更明确地，在所述第一扇区扫描编程中，所述传送端Tx利用所述平衡拼图概念，执行所述第一天线扇区的扇区扫描，以使得所述信号处理单元13分别利用所述储存单元12所储存的所述分层多分辨率编码簿CB中对应的两个具有匹配于两个均等划分自所述第一天线扇区的天线扇区的波束宽度的波束成形向量，产生两个训练信号，并分别经由所述天线阵列11的所述两个天线扇区，例如以一个符合窄频带非时变无线通道模型(narrowband time-invariant wireless channel model)的离散时间(discrete-time)方式，发送出所述训练信号。值得注意的是，在本实施例中，需假设所述传送端Tx与所述接收端Rx之间的连结并无干扰(也就是说，在一个高信号噪声比的情况)，并且采用了例如一个Salah-Valenzuela(S-V)通道模型，其在所述传送端Tx与所述接收端Rx之间仅提供单一个行进路径。
在步骤S83中，所述接收端Rx先获得两个分别对应于来自所述传送端Tx的所述训练信号的接收信号(以下分别以s1、s2来表示)，然后根据所述接收信号产生一个对应于所述第一扇区扫描编程的第一估测结果的第一反馈信号，并发送出所述第一反馈信号。值得注意的是，在本实施例中，所述信号处理单元22先判定所获得的所述接收信号s1、s2中的每一者对另一者的强度比值(以下分别以E[s1]/E[s2]，E[s2]/E[s1]来表示)中是否存在一个不小于一个预定临界值η的强度比值，并根据判定结果，产生对应于所述第一估测结果的所述第一反馈信号。此外，所述第一估测结果指示出例如所述接收信号s1、s2在强度上是否处于非平衡状态、及所述接收信号s1、s2中在强度上较大的接收信号所对应的所述训练信号。更具体地，例如，若所述信号处理单元22所做出的判定结果指示出所述强度比值E[s1]/E[s2]，E[s2]/E[s1]存在一个不小于所述预定临界值η的强度比值，也就是说，E[s1]/E[s2]≥η或者E[s2]/E[s1]≥η时，所述第一估测结果指示出所述接收信号s1、s2在强度上处于非平衡状态、及所述接收信号s1、s2中在强度上较大的接收信号所对应的所述训练信号。相反地，若E[s1]/E[s2]<η或者E[s2]/E[s1]<η时，所述第一估测结果指示出所述接收信号s1、s2在强度上大致处于平衡状态、及所述接收信号s1、s2中在强度上较大的接收信号所对应的所述训练信号。在本实施例中，例如，
Figure BDA0001282897260000131
其中SNR代表所述接收端Rx的信号噪声比。在本实施例中，SNR例如为30dB，但不在此限。此外，所述第一反馈信号例如为一个2位信号，并具有一个指示出所述接收信号s1、s2在强度上是否处于非平衡状态的第一位成分、及一个指示出所述接收信号s1、s2中在强度上较大的接收信号所对应的所述训练信号，但不以此为限。
在步骤S84中，当所述传送端Tx的所述信号处理单元13经由所述天线阵列11接收到来自所述接收端Rx的所述第一反馈信号时，所述信号处理单元13根据所述第一个反馈信号，判定所述平衡群是否含有所述目标天线波束。当此判定结果为肯定时，流程进行步骤S85，否则流程进行步骤S86。更明确地，当所述第一估测结果指示出所述接收信号s1、s2在强度上处于非平衡状态时，所述信号处理单元13根据所述第一反馈信号，决定出所述平衡群存在所述目标天线波束。相反地，当所述第一估测结果指示出所述接收信号s1、s2在强度上处于平衡状态时，所述信号处理单元13根据所述第一反馈信号，决定出所述平衡群不存在所述目标天线波束。
当所述信号处理单元13判定出所述平衡群存在所述目标天线波束时，在步骤S85中，首先，所述信号处理单元13根据所述第一反馈信号的所述第二位成分，自所述平衡群撷取出一个含有所述目标天线波束的子群。在本实施例中，所述子群具有所述平衡群的所述天线波束的数量一半的天线波束，并且对应于所述天线扇区其中一个用于发出所述第一反馈信号(所述第一估测结果)所指示的所述训练信号。然后，所述传送端Tx经由执行一个利用所述储存单元12所储存的所述分层多分辨率编码簿CB的第一波束搜寻编程，自所述子群决定出所述目标天线波束。值得注意的是，所述第一波束搜寻编程可视所述子群所含的天线波束的数量而定。举例来说，若所述子群所含的天线波束的数量不小于3时，在所述第一波束搜寻编程中，首先，所述信号处理单元13将所述子群的所述天线波束分成一个对应于一个包含于所述第一个天线扇区的第二天线扇区的第一群、及一个第二群，其中，较佳地，所述第一群在其所含的天线波束的数量上是大于所述第二群。然后，所述传送端Tx例如可先对于所述第一群，但不以此为限，执行一个相关于所述第二天线扇区且利用所述分层多分辨率编码簿的第二扇区扫描编程以发出对应的多个训练信号，以致所述接收端Rx，相似于步骤S83的操作，在获得对应于此阶段的所述训练信的接收信号时，产生并发出一个对应于所述第二扇区扫描编程的第二估测结果的第二反馈信号。值得注意的是，若所述第一群所含的所述天线波束的数量为偶数时，较佳地，第二扇区扫描编程例如可相似于步骤S82所执行的所述第一扇区扫描编程，但不以此为限。在其他实施态样中，所述第二扇区扫描编程亦可利用现有的暴力搜寻法或二分搜寻法。之后，所述传送端Tx在接收到来自所述接收端Rx得所述第二反馈信号时，相似于步骤S84的操作，所述信处理单元13根据所述第二反馈信号，判定所述第一群是否含有所述目标天线波束。最后，所述信号处理单元13在判定出所述第一群存在所述目标天线波束时，根据所述第二反馈信号，自所述第一群决定出所述目标天线波束。在此情况下，同样地，所述传送端Tx可视所述第一群所含的天线波束的数量选择性采用上述的平衡拼图概念、以及现有的暴力搜寻法与二分搜寻法其中一者来执行后续操作，直到所述目标天线波束被决定出来。另一个方面，所述信号处理单元13在判定出所述第一群不存在所述目标天线波束时，自所述第二群决定出所述目标天线波束。在此情况下，同样地，所述传送端Tx可视所述第二群所含的天线波束的数量来决定后续的操作。举例来说，若所述第二群仅包含单一个天线波束时，则所述信号处理单元13不需执行任何操作，即可决定出所述天线波束就是所述目标天线波束，而若所述第二群所含的天线波束的数量不小于2时，所述传送端Tx可选择性采用上述的平衡拼图概念、以及现有的暴力搜寻法与二分搜寻法其中一者来执行后续操作，直到所述目标天线波束自所述第二群被决定出来。
当所述信号处理单元13判定出所述平衡群不存在所述目标天线波束时，在步骤S86中，所述传送端Tx经由执行一个利用所述储存单元12所储存的所述分层多分辨率编码簿的第二波束搜寻编程，自所述余群决定出所述目标天线波束。在此情况下，同样地，所述传送端Tx可视所述余群所含的天线波束的数量选择性采用上述的平衡拼图概念、以及现有的暴力搜寻法与二分搜寻法其中一者来执行后续操作，直到所述目标天线波束自所述余群被决定出来。
以下，将参阅图8及图9来说明，在例如N＝8的所述天线阵列11的条件下，基于所述传送端Tx与所述接收端Rx彼此相对方位的不同，所述无线MIMO通信系统100根据本实施例搜寻到所述目标天线波束所发生的三种不同情况，以下分别以A，B及C来表示。
在情况A中，首先，所述八个天线波束被分成一个含有六个天线波束的平衡群，以及一个含有两个天线波束的余群，接着，进入第一估测阶段。在所述第一估测阶段中，所述传送端Tx借由执行对应于所述平衡群的扇区扫描，分别经由两个彼此不同且大小例如为3π/8的天线扇区a1，a2发送出两个训练信号，且在此同时，对于来自于所述传送端Tx的所述训练信号，所述接收端Rx例如以全向性接收方式获得两个分别对应于所述训练信号的接收信号。于是，所述接收端Rx根据所述接收信号，产生一个指示出所述接收信号在强度上处于非平衡状态、及所述较大强度的接收信号所对应的所述训练信的第一反馈信号，并将所述第一反馈信号发送出。所述传送端Tx在接收到来自所述接收端Rx的所述第一反馈信号，根据所述第一反馈信号，判定出所述平衡群含有所述目标天线波束，且判定出所述目标天线波束存在于所述天线扇区a1所对应的一个子群。所以，所述传送端Tx在所述第一估测阶段所需调整波束成型的次数为2次。然后，进入第二估测阶段。在所述第二估测阶段中，首先，所述传送端Tx例如利用平衡拼图概念，将所述子群的所述三个天线波束分成一个具有两个天线波束的第一群、及具有单一个天线波束的第二群。接着，所述传送端Tx借由执行对应于所述第一群的扇区扫描，分别经由两个彼此不同且大小为π/8的天线扇区发送出两个训练信号，且在此同时，对于来自于所述传送端Tx的所述训练信号，所述接收端Rx获得两个分别对应于所述训练信号的接收信号。于是，所述接收端Rx根据所述接收信号，产生一个指示出所述接收信号在强度上处于平衡状态、及所述较大强度的接收信号所对应的所述训练信的第二反馈信号，并将所述第二反馈信号发送出。所述传送端Tx在接收到来自所述接收端Rx的所述第二反馈信号，根据所述第二反馈信号，判定出所述第一群不含有所述目标天线波束。于是，所述传送端Tx不需执行对于所述第二群的扇区扫描可直接判定出所述第二群所含的所述天线波束就是所述目标天线波束，更省略了对于所述余群的扇区扫描。所以，所述传送端Tx在所述第二估测阶段所需调整波束成型的次数亦为2次。因此，在情况A中，所述传送端Tx需一共4次的波束成型调整、及每阶段来自所述接收端Rx的反馈(也就是，第一反馈信号与第二反馈信号)即可决定出所述目标天线波束(也就是，AoD)。此编程亦可应用于具有分辨率例如N＝8的所述接收端Rx来决定其目标天线波束(也就是，AoA)，换言之，所述接收端Rx亦需一共4次的波束成型调整、及每阶段来自所述传送端Tx的反馈信号就可决定出AoA。
在情况B中，首先，相似于情况A，所述八个天线波束被分成一个含有六个天线波束的平衡群，以及一个含有两个天线波束的余群，接着，进入第一估测阶段。在所述第一估测阶段中，所述传送端Tx借由执行对应于所述平衡群的扇区扫描，分别经由两个彼此不同且大小例如为3π/8的天线扇区b1，b2发送出两个训练信号，且在此同时，对于来自于所述传送端Tx的所述训练信号，所述接收端Rx例如以全向性接收方式获得两个分别对应于所述训练信号的接收信号。于是，所述接收端Rx根据所述接收信号，产生一个指示出所述接收信号在强度上处于一个非平衡状态、及所述较大强度的接收信号所对应的所述训练信的第一反馈信号，并将所述第一反馈信号发送出。所述传送端Tx在接收到来自所述接收端Rx的所述第一反馈信号，根据所述第一反馈信号，判定出所述平衡群含有所述目标天线波束，且判定出所述目标天线波束存在于所述天线扇区b1所对应的一个子群。所以，所述传送端Tx在所述第一估测阶段所需调整波束成型的次数为2次。然后，进入第二估测阶段。在所述第二估测阶段中，首先，所述传送端Tx同样地利用平衡拼图概念，将所述子群的所述三个天线波束分成一个具有两个天线波束的第一群、及具有单一个个天线波束的第二群。接着，所述传送端Tx借由执行对应于所述第一群的扇区扫描，分别经由两个彼此不同且大小为π/8的天线扇区b11，b12发送出两个训练信号，且在此同时，对于来自于所述传送端Tx的所述训练信号，所述接收端Rx获得两个分别对应于所述训练信号的接收信号。于是，所述接收端Rx根据所述接收信号，产生一个指示出所述接收信号在强度上处于非平衡状态、及所述较大强度的接收信号所对应的所述训练信的第二反馈信号，并将所述第二反馈信号发送出。所述传送端Tx在接收到来自所述接收端Rx的所述第二反馈信号，根据所述第二反馈信号，判定出所述目标天线波束。于是，所述传送端Tx省略了对于所述第二群及所述余群的扇区扫描。所以，所述传送端Tx在所述第二估测阶段所需调整波束成型的次数亦为2次。因此，在情况B中，所述传送端Tx需一个共4次的波束成型调整、及每阶段来自所述接收端Rx的反馈(也就是，第一反馈信号与第二反馈信号)就可决定出所述目标天线波束(也就是，AoD)。此编程亦可应用于具有分辨率例如N＝8的所述接收端Rx来决定其目标天线波束(也就是，AoA)，换句话说，所述接收端Rx亦需一共4次的波束成型调整、及每阶段来自所述传送端Tx的反馈信号就可决定出AoA。
在情况C中，首先，相似于情况A及情况B，所述八个天线波束被分成一个含有六个天线波束的平衡群，以及一个含有两个天线波束的余群，接着，进入第一估测阶段。在所述第一估测阶段中，所述传送端Tx借由执行对应于所述平衡群的扇区扫描，分别经由两个彼此不同且大小例如为3π/8的天线扇区c1，c2发送出两个训练信号，且在此同时，对于来自于所述传送端Tx的所述训练信号，所述接收端Rx获得两个分别对应于所述训练信号的接收信号。于是，所述接收端Rx根据所述接收信号，产生一个指示出所述接收信号在强度上处于平衡状态、及所述较大强度的接收信号所对应的所述训练信的第一反馈信号，并将所述第一反馈信号发送出。所述传送端Tx在接收到来自所述接收端Rx的所述第一反馈信号，根据所述第一反馈信号，判定出所述平衡群不含有所述目标天线波束。所以，所述传送端Tx在所述第一估测阶段所需调整波束成型的次数为2次。然后，进入第二估测阶段。在所述第二估测阶段中，首先，所述传送端Tx借由执行对应于所述余群的扇区扫描，分别经由两个彼此不同且大小为π/8的天线扇区c3，c4发送出两个训练信号，且在此同时，对于来自于所述传送端Tx的所述训练信号，所述接收端Rx获得两个分别对应于所述训练信号的接收信号。于是，所述接收端Rx根据所述接收信号，产生一个指示出所述接收信号在强度上处于非平衡状态、及所述较大强度的接收信号所对应的所述训练信的第二反馈信号，并将所述第二反馈信号发送出。所述传送端Tx在接收到来自所述接收端Rx的所述第二反馈信号，根据所述第二反馈信号，判定出所述目标天线波束。所以，所述传送端Tx在所述第二估测阶段所需调整波束成型的次数亦为2次。因此，在情况C中，所述传送端Tx需一共4次的波束成型调整、及每阶段来自所述接收端Rx的反馈信号(也就是，第一反馈信号与第二反馈信号)就可决定出所述目标天线波束(也就是，AoD)。此编程亦可应用于具有分辨率例如N＝8的所述接收端Rx来决定其目标天线波束(也就是，AoA)，换句话说，所述接收端Rx亦需一共4次的波束成型调整、及每阶段来自所述传送端Tx的反馈信号就可决定出AoA。
以下，将参阅图8、图10及图11来说明，在例如N＝16的所述天线阵列11的条件下，基于所述传送端Tx与所述接收端Rx彼此相对方位的不同，所述无线MIMO通信系统100根据本实施例搜寻到所述目标天线波束所发生的两种不同情况。在图10及图11中，每一个灰球代表一个独特的天线波束，而黑球代表对应于所述接收端Rx的一个目标天线波束。
如图10所示，在第一情况中，首先，所述传送端Tx执行第一次分群，也就是将16个天线波束分成一个具有14个天线波束的平衡群、及一个具有2个天线波束的余群。然后，所述传送端Tx对于所述平衡群的14个天线波束进行第一次估测，且判定出一个撷取自所述平衡群且具有7个天线波束的子群含有所述目标天线波束。接着，所述传送端Tx进行第二次分群及估测，也就是先将所述子群的7个天线波束分成一个具有6个天线波束的第一群、及一个具有单一个天线波束的第二群，然后对于所述第一群的6个天线波束进行第二次估测。在所述第二次分群及估测中，由于分群的方式不同，会导致不同的估测结果，也就是说，在图10中的左侧的第一结果表示所述第一群含有所述目标天线波束，而在图10中的右侧的第二结果表示所述第二群含有所述目标天线波束。值得注意的是，对于第二次估测阶段所获得的所述第一估测结果，所述传送端Tx仍需进一步进行第三次分群及估测。然而，对于在第二次分群及估测所获得的所述第二估测结果，所述传送端Tx直接可判定出所述于群所具有的单一个天线波束即为所述目标天线波束，不需进行其他操作。在所述第三次分群及估测中，所述传送端Tx先将一个撷取自所述第一群且包含所述目标天线波束的3个天线波束分成一个具有2个天线波束的第三群、及一个具有单一个天线波束的第四群，然后对于所述第三群的2个进行第三次估测。同样地，在所述第三次分群及估测中，由于分群的方式不同，会导致不同的估测结果，也就是说，在图10中的左侧的第三结果表示所述第三群含有所述目标天线波束，而在图10中的右侧的第四结果表示所述第四群含有所述目标天线波束。因此，在此情况下，视分群的方式，所述传送端Tx需至多6次的波束成型调整(也就是，第一次估测的2次、第二次分群及估测的2次及第三次分群及估测的2次)，以及三阶段来自所述接收端Rx的(三个)反馈信号或者至少4次的波束成型调整以及两阶段来自所述接收端Rx的(两个)反馈信号就可决定出所述目标天线波束(也就是，AoD)。
如图11所示，在第二情况中，首先，相似于所述第一情况，所述传送端Tx执行第一次分群，也就是将16个天线波束被分成一个具有14个天线波束的平衡群、及一个具有2个天线波束的余群。然后，所述传送端Tx对于所述平衡群的14个天线波束进行第一次估测，且判定出所述平衡群不含有所述目标天线波束。接着，所述传送端Tx对于所述余群进行第二次估测，且所得的结果估测可直接判定出所述目标天线波束。因此，在此情况下，所述传送端Tx仅需4次的波束成型调整(也就是，第一次估测的2次及第二次分群及估测的2次)，以及两阶段来自所述接收端Rx的(两个)反馈信号就可决定出所述目标天线波束(也就是，AoD)。
以下表1个归纳了，分别在N＝23，24，…，2n的条件下，本发明实施例用于搜寻AoD所使用的第一次分群方式以及所需的最大估测次数的例子，但不限于此。
表1
Figure BDA0001282897260000201
Figure BDA0001282897260000211
以下表二归纳了现有的暴力搜寻法、二分搜寻法与改良式二分搜寻法，以及本发明实施例在分辨率N下被用于搜寻AoD及AoA时，对于所需的复杂度(也就是，调整波束成型的总次数)以及总反馈次数的一个实验比较结果。
表2
Figure BDA0001282897260000212
图12绘示出本发明实施例与现有的二分搜寻法及改良式二分搜寻法在总反馈次数上的模拟比较结果。从图12可看出，本发明实施例，相较于现有二分法搜寻法及改良式二分搜寻法，大致上需要较少的总反馈次数。图13绘示出本发明实施例与现有二分搜寻法及改良式二分搜寻法在复杂度上的模拟比较结果。从图13可看出，本发明实施例，相较于现有二分法搜寻法及改良式二分搜寻法，具有较低复杂度，亦即需要较少的波束成型调整次数。
综上所述，由于本发明平衡拼图天线波束搜寻方法利用了一个平衡拼图概念的分群手段，在整个波束搜寻过程中，仅所述N个天线波束其中的部分天线波束被估测。因此，对比于在高信号噪声比(也就是，高通道增益)环境下所使用的二分通道训练法，不仅可达到相近的通道估测准确度，更可明显降低复杂度，如此更有利于MIMO操作。此外，本发明平衡拼图天线波束搜寻方法可被实施于具有任何天线分辨率的无线MIMO通信系统，对比于现有仅能被实施于天线分辨率N为2的指数倍的两个二分搜寻法，具有较广的应用度。故确实能达成本发明的目的。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，借由无线MIMO通信系统来实施，所述无线MIMO通信系统包含传送端及接收端，所述传送端配置有具有分辨率为N并能够支持N个不同天线波束的天线阵列，所述天线波束中的一个天线波束为对应于所述接收端的目标天线波束；其特征在于，所述方法包括：
步骤A：借由所述传送端，利用平衡拼图概念，将所述N个天线波束分成具有偶数个天线波束且对应于第一天线扇区的平衡群、及余群；
步骤B：借由所述传送端，对于所述平衡群，执行相关于所述第一天线扇区且利用所述平衡拼图概念及分层多分辨率编码簿的第一扇区扫描编程；
步骤C：借由所述传送端，在接收到对应于所述第一扇区扫描编程的第一估测结果的第一反馈信号时，根据所述第一反馈信号，判定所述平衡群是否含有所述目标天线波束；
步骤D：借由所述传送端，在步骤C中判定出所述平衡群存在所述目标天线波束时，根据所述第一反馈信号，自所述平衡群撷取出含有所述目标天线波束的子群，并经由执行利用所述分层多分辨率编码簿的第一波束搜寻编程，自所述子群决定出所述目标天线波束；及
步骤E：借由所述传送端，在判定出所述平衡群不存在所述目标天线波束时，经由执行利用所述分层多分辨率编码簿的第二波束搜寻编程，自所述余群决定出所述目标天线波束。
2.根据权利要求1所述的用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，其特征在于，所述平衡群的所有天线波束的数量远大于所述余群的所有天线波束的数量。
3.根据权利要求2所述的用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，其特征在于，
当N为偶数时，所述余群的所有天线波束的数量为大于或等于2的偶数；及
当N为奇数时，所述余群的所有天线波束的数量为大于或等于1的奇数。
4.根据权利要求1所述的用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，其特征在于，所述分层多分辨率编码簿包含多组分别具有不同数量且分别对应于多个不同波束宽度的波束成形向量。
5.根据权利要求4所述的用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，其特征在于，在所述第一扇区扫描编程中，所述传送端利用所述平衡拼图概念，执行所述第一天线扇区的扇区扫描，以便分别利用所述分层多分辨率编码簿中对应的两个具有匹配于均等划分自所述第一天线扇区的两个天线扇区的波束宽度的波束成形向量，产生两个训练信号，并分别经由所述两个天线扇区发送出所述两个训练信号，所述用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法在步骤B与步骤C之间还包括：
步骤F：借由所述接收端，获得分别对应于来自所述传送端的所述两个训练信号的两个接收信号，且根据所述两个接收信号产生所述第一反馈信号，并发送出所述第一反馈信号。
6.根据权利要求5所述的用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，其特征在于，
所述接收端先判定所述两个接收信号中的一者对另一者的强度比值中是否存在不小于预定临界值η的强度比值，并根据判定结果，产生对应于所述第一估测结果的所述第一反馈信号；及
所述第一估测结果指示出所述接收信号在强度上是否处于非平衡状态、及所述接收信号中在强度上较大的接收信号所对应的所述训练信号。
7.根据权利要求6所述的用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，其特征在于，
当所述判定结果指示出所述接收信号中的每一者对另一者的强度比值中存在不小于所述预定临界值η的强度比值时，所述第一估测结果指示出所述接收信号在强度上处于非平衡状态、及所述接收信号中在强度上较大的接收信号所对应的所述训练信号；
当所述第一估测结果指示出所述接收信号在强度上处于所述非平衡状态时，所述传送端根据所述第一反馈信号，决定出所述平衡群存在所述目标天线波束；及
所述子群具有所述平衡群的所述天线波束的数量一半的天线波束，并对应于所述天线扇区其中一个用于发出所述第一估测结果所指示的所述训练信号。
8.根据权利要求6所述的用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，其特征在于，所述第一反馈信号为2位信号，并具有指示出所述接收信号在强度上是否处于所述非平衡状态的第一位成分、及指示出所述接收信号中在强度上较大的接收信号所对应的所述训练信号的第二位成分。
9.根据权利要求6所述的用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，其特征在于，
Figure FDA0002696738610000031
其中SNR代表所述接收端的信号噪声比。
10.根据权利要求1所述的用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，其特征在于，当所述子群所含的天线波束的数量不小于3时，所述传送端所执行的所述第一波束搜寻编程包括：
将所述子群的所述天线波束分成对应于包含于所述第一天线扇区的第二天线扇区的第一群、及第二群；
对于所述第一群，执行相关于所述第二天线扇区且利用所述分层多分辨率编码簿的第二扇区扫描编程，并在接收到对应于所述第二扇区扫描编程的第二估测结果的第二反馈信号时，根据所述第二反馈信号，判定所述第一群是否含有所述目标天线波束；
所述传送端在判定出所述第一群存在所述目标天线波束时，根据所述第二反馈信号，自所述第一群决定出所述目标天线波束；及
所述传送端在判定出所述第一群不存在所述目标天线波束时，自所述第二群决定出所述目标天线波束。
11.根据权利要求10所述的用于MIMO操作的平衡拼图天线波束搜寻方法，其特征在于，当所述第一群所含的天线波束的数量为偶数时，所述第二扇区扫描编程相似于所述第一扇区扫描编程。
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