CN1864347A - 高数据率宽带分组无线通信信号的多天线发射机波束成形的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高数据率宽带分组无线通信信号的多天线发射机波束成形的装置和方法，其中每个信号包括N个频率，其中N是正整数。在一个示例性实施例中，该装置包括(1)发射波束成形器，它将M根天线上的N个频率中的每一个的信号同相并加权，由此生成M个经同相和加权的频率数据，以及(2)M个快速傅立叶逆变换单元(IFFT)，它们将这M个经同相和加权的频率数据转换为M个数字输出，以及M根发射天线，它们发射这M个经同相和加权的信号，其中M是大于或等于2的整数。

Description

高数据率宽带分组无线通信信号的多天线发射机波束成形的装置和方法

                         相关申请的参照

本申请涉及共同待批和共同拥有的于2003年10月8日提交的题为“ApparatusAnd Method Of Multiple Antenna Receiver Combining Of High Data RateWideband Packetized Wireless Communication Signals(高数据率宽带分组无线通信信号的多天线接收机组合的装置和方法)”的美国专利申请第10/682,787号(序列号待分配，含代理卷号73169-293275)。前述申请由此通过引用而被包括。

                           发明领域

本发明涉及无线通信。更具体地，本发明涉及高数据率宽带分组无线通信信号的多天线发射机波束成形的装置和方法。

                           发明背景

无线通信系统使用天线来传达信号。无线局域网(WLAN)是在给定区域中的节点之间传达信息的一类无线通信系统。

信号的类型

窄带和宽带信号

大多数当前的无线通信系统是窄带信号系统。窄带信号具有范围从几十千赫(kHz)(例如，50kHz)到几百千赫(500KHz)的信号带宽。相反，宽带或宽频信号具有高于1MHz的信号带宽。

802.11和802.11a

一类宽带信号是在使用电气和电子工程师协会(IEEE)802.11标准的WLAN中使用的信号。IEEE 802.11标准(802.11)概括了WLAN的媒体访问控制(MAC)和物理层(PHY)规范。

IEEE 802.11a标准(802.11a)是802.11的一部分，并解决了在高数据率宽带分组无线通信系统中的通信，它覆盖5GHz和6GHz之间的工作频率。802.11a使用正交频分多路复用(OFDM)调制，该种调制通过在很宽的频率范围上的多个频率槽上发射数据，来允许通信以非常高的数据率发生。本文中适用于802.11a的所有讨论也适用于IEEE 802.11g。IEEE 802.11g OFDM标准除了是在2.4GHz频带工作以外和802.11a是相同的。

802.11考虑到成功和不成功的分组发射，并包括为处理分组发射问题而设计的机制。例如，802.11允许发射机重新发射接收机未能正确接收的分组。

发射机

图1A中示出了典型的现有技术的发射机100。发射机100包括如图1A中所示地逻辑互连的编码器110、调制器120、数模转换器(D/A)130、射频(RF)前端140和天线150。

802.11a无线通信系统及其它无线通信系统可能会在信号发射期间经历许多问题。

信道效应-衰落和多径通信信道

例如，无线通信系统可能会遇到信道效应，诸如在衰落的通信信道上发射信号等。通信信道的衰落可能由多径和传播损失引起。

在多径信道的情形中，在天线之间发射的RF能量受到破坏性和相长性的干扰，这些干扰是由于RF能量取道在去往接收天线的途中具有多种延迟的多条路径而产生的。这些多径干扰调制无线通信系统所使用的所有频率和载波上的信号的相位，并使它们的振幅衰减。在WLAN中，此类多径干扰可能会使接收机错误地接收分组或是完全丢失分组。

天线分集

天线分集是用来处理衰落和多径通信信道的技术。在具有发射天线分集的无线通信系统中，使用带有多根天线的发射机来发射信号。

转换发射分集

图1B中示出了典型的现有技术的交换分集发射机160。分集发射机160包括如图所示地逻辑互连的编码器110、调制器120、D/A 130、RF前端140、天线转换器142和多根天线150、164。

现有技术的分集发射机160将相同的信号发射到RF前端140，RF前端140随即调制该信号并通过在两根天线之间转换来分别经由天线150、164发射相同的信号。此技术的不利方面是它提供慢速的分集。天线转换在发射机得知第一信号发射有误之后才发生。这个延迟可能会引起吞吐量的损失。该技术还要求从接收机向发射机的反馈手段。此外，转换分集提供有限的分集增益，因为在接收机处仅使用选中的天线的信号。然而，发射自诸天线的信号的最优加权将会带来更大的分集增益。

发射波束成形

在具有天线分集的无线通信系统中，实现分集的另一个方法是用发射波束成形。有了发射波束成形，无线通信系统就可包括具有发射波束成形的多天线发射机。图1C中示出了典型的现有技术的具有发射波束成形的多天线发射机170。具有发射波束成形的多天线发射机170包括如图所示地逻辑互连的编码器110、调制器120、发射波束成形器172和多根天线150、174。

现有技术的具有发射波束成形的多天线发射机170把要发射的信息发送到发射波束成形器172，发射波束成形器172随即调制并形成分别要在多根天线150、174上发射的多个RF信号。当在调制和形成多个RF信号时，发射波束成形器172为每根天线150、174用包括相位和振幅的复权重来对要被发射的每个RF信号加权。此类现有技术的天线分集技术可能对相位和权重与频率无关的窄带信号效果良好。但是，这些常规技术对诸如802.11a信号等发射相位和功率在发射信号带宽上不恒定、且与频率相关的宽带信号效果不佳。因此，常规的天线分集组合技术不适用于诸如802.11a信号等宽带信号无线通信信号。常规的天线波束成形不能高效地对移动节点起效，因为如果移动节点移动，则波束可能被聚焦到错误的方向。此外，诸如物体的移动等环境效应会改变波束成形发射天线与接收机之间的通信信道，由此引起连接的丢失。

空-时编码

空-时编码是具有天线分集的无线通信系统能够将信号编码以便发射的另一种方法。空-时码使用编码访问天线来实现分集增益。编码的信号从多根发射天线发射，并由多根接收天线接收。空-时解码器将在接收机处对信号解码。简单的空-时码是延迟分集码，其中编码是通过从两根或多根天线发射码元及那些码元的延迟复本来实现的。

此类现有技术的天线分集技术可能对相位和权重与频率无关的窄带信号效果良好。但是，这些常规技术对诸如802.11a信号等发射相位和功率在发射信号带宽上不恒定、且与频率相关的宽带信号效果不佳。此外，空-时码要求不符合802.11a标准的特殊解码处理器。

因此，需要一种低成本且高效率的多天线发射机波束成形技术，它适于解决诸如802.11a等高数据率宽带分组无线通信信号带来的难题，并在宽带信号波束成形时实现频率相关的加权。由此，需要一种低成本且高效率的高数据率宽带分组无线通信信号的多天线发射机波束成形的系统和方法。

                          发明概述

本发明提供一种多天线发射机在宽带无线分组通信网络中将数字信号波束成形为M个数字输出信号(“M信号”)的系统和方法。

在一个优选的实施例中，M个信号中的每一个适用于在不同的通信信道上发射，并且M个信号中的每一个都是从被分成N个频率槽中的副载波的复信号获得的，其中N是大于1的正整数。

在一个特别优选的实施例中，该系统包括发射波束成形器，它对对应于M个信号中的每一个的N个频率槽中的每一个的副载波中的每一个进行相位调整和加权，由此为对应于M个信号的N个频率槽中的每一个生成经相位调整和加权的频率数据。较佳的是，发射波束成形器包括权重计算器，它基于不同通信信道的估算来计算每个副载波的复权重；并包括加权块，它将这些权重施加于不同的副载波以获得对应于M个信号中的每一个的N个频率槽中的每一个的经相位调整和加权的频率数据。该特别优选的实施例中还包括M个快速傅立叶逆变换单元(IFFT)，它们每一个输入对应于M个信号中的每一个的N个频率槽中的每一个副载波的经相位调整和加权的频率数据，并且每一个对N个频率槽中的每个副载波的加权频率数据进行转换以获得M个信号，其中M是大于或等于2的整数，其中M个信号中的每一个都是被独立确定的，并且适用于形成天线阵模式。

该系统还可被修改，从而权重计算器为N个频率槽中的每一个将信道估算转换为对应的复权重，由此获得N个频率槽里的每一个中的副载波的M个权重，并且加权块包括M个不同的权重块，其中每个权重块将复权重施加于对应于M个信号中的一个的不同副载波，以获得对应于M个信号中的这一个的N个频率槽中的副载波的经相位调整和加权的频率数据，其中M是大于或等于2的整数。

在一个示例性实施例中，每个IFFT顺序地处理来自发射波束成形器的经相位调整和加权的频率数据，从而每个IFFT依次处理N个频率槽中的每一个。

                           附图简述

图1A是现有技术的发射机图。

图1B是现有技术的多天线发射机图。

图1C是现有技术的具有发射波束成形的多天线发射机图。

图2是根据本发明的一个示例性实施例的多天线发射机波束成形器的框图。

图3是根据本发明的一个示例性实施例的发射波束成形器的框图。

图4示出根据本发明的一个示例性实施例的RTS-CTS信道更新。

                            发明详述

本发明提供一种宽带无线通信网络中高数据率宽带无线通信信号的多天线发射机波束成形的系统和方法。参考图2，在具有两条发射链路的示例性实施例中，本发明提供多天线发射机波束成形器216，它包括如图所示地逻辑互连的发射波束成形器220和M个快速傅立叶逆变换单元(IFFT)230、232。尽管图2中示出M等于2，但是M可以是大于或等于2的整数。在一个示例性实施例中，高数据率宽带无线通信信号是分组OFDM信号，并且可以是移动信号，诸如移动交通工具中的驾驶员随身的，或者是可动信号，诸如在建筑物的范围内活动。就在本文中讨论移动性的程度而言，将参考的是移动信号，尽管可以理解，这也适用于可动信号。在一个示例性实施例中，分组OFDM信号是802.11a信号。在另一个实施例中，分组OFDM信号是802.11g信号。在一个示例性实施例中，M等于2。在另一个示例性实施例中，M等于4。

多天线发射机组合器216如图2中所示地与编码器210、调制器214、M个D/A 240、242、M个RF前端250、252、以及M根天线260、262逻辑互连，以构成多天线发射机200。多天线RF前端包括M条独立的RF链路，包括具有公用晶振的M个合成器。公用的晶振将保证多条链路之间共同的定时和共同的载波频率。于2002年5月3日提交的题为“DUAL FREQUENCY BAND WIRELESS LAN(双频带无线LAN)”的共同待批的美国专利申请第10/139,137号描述了诸如RF前端250、252等示例性RF前端，由此它们每一个都通过引用而被包括。

多/单信道操作

在一个示例性实施例中，用本文中所描述的电路构成的多天线电子芯片组具有在一个频带中工作的两条链路(M＝2)，以及在不同的频带中工作的另外两条链路。在另一个示例性实施例中，用本文中所描述的电路构成的多天线电子芯片组具有在一个频带中工作的四条链路。

操作

编码器210将高数据率宽带无线分组通信信号的高数据率宽带无线分组通信比特208编码为已编码的比特212。在一个示例性实施例中，编码器210是卷积编码器。然后，调制器214调制已编码的比特212以将它们映射到复信号215。

发射波束成形器220在每个副载波的基础上为要由多天线发射机220发射的每个包含数据的副载波对复信号215进行相位调整和加权，其中N个频率槽中每一个里有一个副载波，由此为每个副载波生成了经相位调整和加权的频率数据，其中N是正整数。在一个示例性实施例中，N等于52，即802.11a/g信号中所使用的频率槽的个数。

IFFT 230、232将来自发射波束成形器220的每个副载波的经相位调整和加权的频率数据转换为数字输出。D/A 240、242分别将IFFT 230、232的数字输出转换为模拟的基带输出。RF前端250、252将来自D/A 240、242的基带输出分别调制为RF信号。然后，天线260、262分别发射来自RF前端250、252的RF信号。

发射波束成形器220对复信号215执行发射波束成形。特别地，需要发射的数字信号被分成M个不同的数字信号，每条发射链路一个数字信号，每个数字信号包含相同的原始数据，但每个数字信号接下来被调整相位并加权以对应于将用来进行发射的天线和/或信道。由此，发射波束成形器220为每根天线260、262找出并修改基带中的每个数字信号215的相位和振幅，以分别形成抵消来自耦合到每根发射天线260、262的每个信道的信道效应的天线阵模式。

参考图3，在一个示例性实施例中，发射波束成形器220包括权重计算器320、以及分别被逻辑地耦合到IFFT 230、232的M个权重块330、332。

现在将就M＝2的情况来描述发射波束成形器的一个实施例。

权重计算器

对于每个频率槽f_i，权重计算器320将信道估算350转换为M个权重(对应于M个权重块330、332，分别示为322、324)。如果需要，在为每个频率槽建立M个权重时也可使用增益数据340。因此，权重计算器320为M个权重块330、332生成M×N个权重。对于每个频率槽f_i，每个权重322、324分别是天线260、262的最优波束成形加权矢量。在一个示例性实施例中，权重计算器320从接收机获得模拟增益数据340，并从接收机获得信道估算350。在一个示例性实施例中，接收机是接收天线260、262上的信号的多天线接收机。在于2003年10月8日提交的题为“Apparatus And Method Of Multiple Antenna Receiver Combining Of HighData Rate Wideband Packetized Wireless Communication Signals(高数据率宽带分组无线通信信号的多天线接收机组合的装置和方法)”的共同待批并共同拥有的美国专利申请第10/682,787号(序列号待分配，含代理卷号73169-293275)中描述了一种示例性多天线接收机。

加权块

加权块包含多个权重块。对于每个频率槽f_i，(使用M＝2)，分别具有权重322、324的权重块330、332(1)调整相位并且(2)较佳地还基于信号质量的估算350(诸如分别耦合到天线260、262的信道的信噪比(SNR)、信号干扰比、或是信号与噪声加干扰之比)来对第i个原始频率数据312(也称为副载波数据)加权，以及(3)分别被逻辑地耦合到IFFT 230、232。SNR估算优于信号干扰比和信号与噪声加干扰之比，因为接收者和发送者可能具有不同的干扰等级。并且，在一个优选的实施例中，既执行相位调整也执行加权，但是只进行相位调整而不进行加权也是较佳的。因此，对于第i个频率槽f_i，具有权重_j，i的第j个权重块，每个加权块(1)调整相位并且(2)基于耦合到第j根天线的第j个信道的信号质量特征，将第i个原始频率数据312加权到第j个信道估算350，以及(3)被逻辑地耦合到第j个IFFT，其中j是大于或等于2并且小于或等于M的正整数。因此，对于每个频率槽f_i，权重块330、332分别向IFFT 230、232输出经相位调整和加权的频率数据。

权重归一化

对于每个频率槽f_i，需将权重322、324归一化。为了找到每条链路合适的功率，应当考虑两个功率约束：(1)EIRP(有效各向同性辐射功率)限制，(2)每条链路的功率限制。我们首先将由经增益调整的信道估算给出的波束成形权重归一化以满足这两个约束。然后可计算每条链路合适的功率。如果EIRP是限制性的，则为权重归一化运行基于EIRP的算法，以确保既满足EIRP限制又满足功率限制；否则，运行基于功率的算法。有两个不同算法的原因是，基于功率的算法要简单得多，并且提供略优的多径缓和性质，但它仅在EIRP不受限制时才能正确工作。

                        基于EIRP的算法

波束成形权重应当满足两个功率约束：每个副信道的EIRP(有效各向同性辐射功率)限制，以及每条链路的功率和限制。令W_j，i为第j条链路的第i个槽的波束成形权重。则W_j，i必须满足以下准则。

${\left|\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}\right|W_{j,i}\left|\right|}^2\≤P_{\mathrm{eirp}},\∀i$

$\underset{j=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\Σ}}}{\left|W_{j,i}\right|}^2\≤P_j$

其中N_t是发射链路的条数，N_f是副信道的个数，P_eirp是每条副信道的EIRP限制，而P_j是第j条链路总的功率限制。注意公式中的 是第i个子信道的相干功率，而

是第j条链路的功率和。

找出在满足上述功率约束的同时将性能最优化的波束成形权重是很复杂的。因此，已经开发出一种并非最优的算法。用于两条链路的非最优算法中的步骤概括如下：

1.以 $W_{j,i}=\frac{{{\hat{H}}_{j,i}}^{*}}{G_j}$ 开始，其中

是第j条链路的第i个副信道的信道估算， 是

的复共轭，而G_j是第j条链路的总增益。

2.按比例缩放W_j，i以使每个副信道满足EIRP限制：

${\tilde{W}}_{j,i}=\frac{W_{j,i}}{\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{\left|W_{j,i}\right|}^2}\sqrt{P_{\mathrm{eirp}}}$

3.检查是否有链路超过功率和约束。若无，则该算法结束。否则前进至步骤4。

4.降低超过功率和约束的链路的功率。不失一般性，假定第一链路超过了功率和约束。则应通过以下因式将其按比例降低。

$r_1=\sqrt{\frac{P_1}{\underset{i=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|{\tilde{W}}_{1,i}\right|}^2}}<1$

5.如果第二条链路也超过了功率和限制，则将第二条链路按比例降低以使其功率和该限制一样。否则EIRP就会有空间，因为第一链路的功率已被降低。第二链路功率增长量如下确定：

$r_1\left|{\tilde{W}}_{1,i}\right|+r_{2,i}^1\left|{\tilde{W}}_{2,i}\right|=\sqrt{P_{\mathrm{eirp}}}$

$r_2^1=\min \left(r_{2,i}^1\right)=\min (1+\frac{(1-r_1)\left|{\tilde{W}}_{1,i}\right|}{\left|{\tilde{W}}_{2,i}\right|})$

$r_2^2=\sqrt{\frac{P_2}{\underset{i=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|{\tilde{W}}_{2,i}\right|}^2}}$

r²＝min(r₁ ²，r₂ ²)

其中r₂ ¹基于EIRP约束，而r₂ ²来自功率和约束。

也可使用其它算法。

                         基于功率的算法

当EIRP不是限制性因素时，可使用频谱平坦性(恒定功率)来作为权重归一化的准则。这一基于功率的算法对于平坦的信道将产生与基于EIRP的算法相同的权重。并且很明显，在EIRP非限制性时的情形中，基于功率的算法要简单得多。

基于功率的归一化算法的基本过程如下：

1.以 $W_{j,i}=\frac{{{\hat{H}}_{j,i}}^{*}}{G_j}$ 开始

2.按比例缩放W_j，i以使每个副信道具有恒定的功率和。

${\tilde{W}}_{j,i}=\frac{W_{j,i}}{\sqrt{\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|W_{j,i}\right|}^2}}$

3.将最大功率P_j分配给每条链路。

等增益加权

如前所述，本发明还提供与加权无关的相位调整。在此实施例中，较佳的是使用等增益权重。如果仅仅执行相位调整，则以下算法适用

$W_{j,i}=\frac{{H_{j,i}}^{*}}{\left|\right|H_{j,i}\left|\right|}$

其中所适用的变量之前已经定义。因为没有使用加权，所以较佳的是将最大功率P_j分配给每条链路。

权重分辨率

在一个示例性实施例中，是以较低的分辨率，即取K个值中的一个来表示权重的。其中在一个示例性实施例中K为8。使用较低分辨率的权重，就可在电子芯片上使用较少的硬件和空间来实现权重块330、332。

在K等于8的情形中，每个权重322、324可具有8个值中的一个，并且权重块330-332将是3比特的权重块。因此，使用3比特乘12比特的权重乘法器，它要比用12比特值来表示权重的情况下的12比特乘12比特的乘法器单元小得多。因此，这一设计通过使用3比特乘12比特的乘法器来降低电路复杂性，并将多天线发射机的任何性能降低最小化。

在另一个示例性实施例中，权重322、324具有全分辨率。在一个示例性实施例中，全分辨率是8比特。为了降低乘法器的复杂性，仅使用乘法器输出的最高12位。在另一个示例性实施例中，权重322、324的分辨率小于或等于数据分辨率的一半。由此，大大地降低了乘法器的复杂性。

快速傅立叶逆变换

对于每个频率槽f_i，IFFT 230、232将来自发射波束成形器220的经相位调整和加权的频率数据转换为数字输出。每个IFFT 230、232顺序地处理经相位调整和加权的频率数据，从而它依次处理每个频率。由此，对于第i个频率槽f_i，IFFT 230和IFFT 232处理来自发射波束成形器220的第i个经相位调整和加权的频率数据。

确定信道

为了执行发射波束成形，多天线发射机200获得它在其上发射信号的信道的知识。多天线发射机200能以数种方式来获得关于信道、信道知识的信道知识。

一种方式是使用接收机信道估算来找出发射权重。这是对天线位置的自校准。当天线位置改变时，接收信道估算反映新的天线位置。

接收机可使用不同类型的分组来达到信道估算的目的：ACK分组、作为广播分组的CTS分组、以及数据分组是一些示例。

接收机的信道估算

最初分集发射机200从其接收机提取信道知识。当接收数据时，分集发射机存储信道信息，并在发射期间使用该信息。在另一个示例性实施例中，接收机是接收天线260、262上的信号的多天线接收机。在于2003年10月8日提交的题为“Apparatus And Method Of Multiple Antenna Receiver Combining Of High DataRate Wideband Packetized Wireless Communication Signals(高数据率宽带分组无线通信信号的多天线接收机组合的装置和方法)”的共同待批并共同拥有的美国专利申请第10/682,787号(序列号待分配，含代理卷号73169-293275)中描述了一种示例性多天线接收机。

存储和压缩信道估算的方法

在一个示例性实施例中，发射机有一张对应于网络中所有节点的信道估算的表。发射机可以是接入点(AP)或是处于站自组织(Ad Hoc)模式，即，它作为接入点工作。每当接收到来自每个无线网络节点的新的信道估算，就更新该网络节点的信道估算。

在一个示例性实施例中，信道估算数据被编码并压缩以减少存储该数据所需的存储量。

在具有许多节点、大量发射/接收天线的大型网络中，存储空间可能会很大。对于802.11网络，单个接入点网络中可存在128个节点。给定4根发射天线，就需要存储512个复信道估算，其中每一个是12比特长。对信道估算使用数据压缩，则可将存储空间至少减少一半。

信道互易性

由于信道互易性，多天线发射机200可从使用同一信道的接收机获得并使用信道知识。信道互易性是在给定信道未被改变的前提下，接收机所使用的信道也可由多天线发射机200使用的这一假定。由此，有了信道互易性，权重计算器320从接收机获得信道估算350。在一个示例性实施例中，接收机是接收天线260、262上的信号的多天线接收机。在于2003年10月8日提交的题为“Apparatus AndMethod Of Multiple Antenna Receiver Combining Of High Data Rate WidebandPacketized Wireless Communication Signals(高数据率宽带分组无线通信信号的多天线接收机组合的装置和方法)”的共同待批并共同拥有的美国专利申请第10/682,787号(序列号待分配，含代理卷号73169-293275)中描述了一种示例性多天线接收机。

处理信道不匹配

在某些情况下，信道互易性可能不存在。例如，当有信道不匹配时，互易性就可能不存在，该情况下接收机所使用的信道信息不再反映多天线发射机200所使用的信道。当信道由于多天线发射机200移动或接收机移动而改变时可能发生信道不匹配。并且，当信道由于发生通信的环境改变而发生改变时可能发生信道不匹配。此外，当在用来估算信道的接收机电路与发射机电路之间存在电路不匹配，诸如路径的增益和相位不匹配时可能会发生信道不匹配。并且，在FDD系统中不能假定有信道互易性。在频分双工(FDD)中，使用单独的频带(信道)来发射和接收，因此这两个信道将不是互易的。

多天线发射波束成形器216的性能可取决于存在的信道不匹配的量。多天线发射机200能以数种方式来处理信道不匹配：信道老化(channel aging)机制，使用RTS/CTS模式，以及校准。

信道老化机制

在一个示例性实施例中，对于要在其上发射的每个信道，根据从获得信道估算的时间起的时间来设置信道老化的阈值。在一个示例性实施例中，多天线发射机200设置信道老化的阈值。如果从接收到信道估算起的时间超过了所设的阈值，则多天线发射机200将不会使用超时的信道估算，并且将通常通过采取以下各种行动中的一个来获得新的信道估算：

-发起发送分组的请求(RTS)，该请求强制正与其通信的移动节点经由清除发送(CTS)分组来向多天线发射机200发送分组。RTS/CTS是MAC层上的功能。

-使用稍后在广播方法一节中讨论的广播方法中的一种来进行发射。

RTS-CTS模式

如上所述并在图4中示出的，当发生信道超时的时候，则认为信道估算350是过期的，且不能被多天线发射机200使用。在此情况下，在一个示例性实施例中，多天线发射机200使用RTS-CTS操作来确定信道知识。

在RTS-CTS操作中，在一个示例性实施例中，多天线发射机200广播RTS信号。然后，收发机400内接收所发射的RTS信号的的接收机402(它可有单根或多根天线与其相关联，但图中仅示为单根天线410)使用与收发机400相关联的发射机404来向与发射机200相关联的天线260、262和接收机275发射CTS信号。从所接收的CTS信号中提取信道估算。此后，发射波束成形器220执行发射波束成形。

校准

在另一个实施例中，权重计算器220为每个信道校准信道信息，以减少由电路不匹配引起的信道不匹配。例如，对于N个频率槽中的每一个，因为RF增益对在天线260、262上接收信号的多天线接收机的M条接收链路可能是不同的，所以在一个示例性实施例中，权重计算器320在生成M个权重322、324之前调整信道估算350。对于每个频率槽f_i，因为信道估算350包括多天线接收机的RF增益G₁、G_M，所以权重计算器220根据下式来调整信道估算350：

$H_1\&ap;\frac{{\widehat{\mathrm{HG}}}_1}{(G_{\min }/G_1)}$ 以及 $H_M\&ap;\frac{{\widehat{\mathrm{HG}}}_M}{(G_{\min }/G_M)}.$

是耦合到天线260的信道的信道估算，而

是耦合到天线262的信道的信道估算。

隐藏节点问题

多天线发射机通过将RF能量聚焦到特定信道上的特定接收机来向该特定接收机发射信号。使用现有技术的多天线发射机，可能存在隐藏节点的问题，即其它发射机可能无法接收到来自多天线发射机的发射。因此，其它发射机可能认为信道空闲，并将它们自己的数据发到该信道上，由此干扰了从多天线发射机发射的信号。

处理隐藏节点问题

为了避免隐藏节点问题，在一个示例性实施例中，当在天线260、262上向特定接收机发射RF信号时，多天线发射机200广播CTS信号。通过发送CTS信号，多天线发射机200向其它发射机指示在一定量的时间里不要发射。在发送了CTS信号之后，多天线发射机200使用发射波束成形来向预期的接收机发射信号。

广播方法

当在广播分组时，诸如在RTS/CTS模式中，或为避免隐藏节点问题，多天线发射机可采取以下行动中的一个：

-从单根默认天线发射广播分组。此默认天线可基于哪根发射天线向相关联的不同节点投放了最佳的分组接收。不同的天线也可能在不同的时间成为默认天线。

-从多根天线发射广播分组，其中每根天线用来广播频带的单独一个部分。

还注意到，有不同类型的广播分组，并且不同类型的广播分组可以用不同的方式来广播。例如，当在发送信标时，可使用特定的天线作为默认天线，而它可能不是包括其它广播分组在内的其它类型的分组的默认天线。

与多天线接收机组合

在一个示例性实施例中，多天线发射机220可与多天线接收机组合器封装在单个电子芯片中，以构成多天线接收机/发射机组合器/波束成形器系统。在于2003年10月8日提交的题为“Apparatus And Method Of Multiple Antenna ReceiverCombining Of High Data Rate Wideband Packetized Wireless CommunicationSignals(高数据率宽带分组无线通信信号的多天线接收机组合的装置和方法)”的共同待批并共同拥有的美国专利申请第10/682,787号(序列号待分配，含代理卷号73169-293275)中描述了一种示例性多天线接收机组合器。多天线接收机组合器所使用的信道估算和权重为多天线发射机提供了信道估算和发射权重，它们除了归一化因子以外与接收机组合权重是一样的。

与另一个多天线发射机组合

在一个示例性实施例中，多天线发射机220可与另一个多天线发射机通信。本发明允许这种形式，因为它没有断言另一个移动节点发射机是单天线还是多天线。多天线发射机220在接收由该移动节点发射的分组时，通过使用从另一个多天线发射机接收的信道估算来向这另一个多天线发射机进行发射。

禁用多天线波束成形

当多天线发射连续K次发射都失败了的时候，多天线发射机回到使用单根默认天线进行发射，其中K是大于或等于2的整数值。连续失败可能由于许多原因而发生：快速信道改变、移动或接入点快速移动性、或是发射和接收信道的非互易性。

功率控制

对数字信号进行比例缩放

根据归一化算法所获得的权重，带TxBf的发射信号可能在数字域中有不同的大小。在诸如D/A 240、242等数模转换器之前，这些信号需要被比例缩放，原因有两个。第一，通过覆盖D/A的整个动态范围既能降低量化噪声又能降低削波畸变。如果信号太小，则量化噪声将增大，而如果信号过大，则削波畸变将增大。第二，因为模拟RF发射链路中的发射功率控制反馈可假定进入其的恒定信号功率。因此必须确保D/A的输入功率在每个分组上是相同的。

给出与单条链路相同的波束成形后的信号功率的条件由下式给出

$\underset{i=1}{\overset{52}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|{\tilde{W}}_{j,i}\right|}^2=52,$ 对于j因此，对于长码元、信号码元和数据码元，缩放因子将是 $r_d=\sqrt{52/\underset{i=1}{\overset{52}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|{\tilde{W}}_{j,i}\right|}^2}.$

注意短码元仅占12个槽，因此对于短码元需要不同的缩放。结果是，短码元和分组的其余部分具有相同的功率，因为对短码元执行了模拟功率控制。因此对短码元的比例缩放是

              波束成形与峰值功率检测器的交互

典型的模拟功率控制循环可基于峰值检测电路。原因是要构建峰值检测器与更加复杂的功率检测器相比是相当简单的。因为PAR(峰值均值比)对于短码元是预定的，所以将峰值功率转换为平均功率是可能的。

因为每个分组很可能会使用不同的波束成形权重，所以短序列的时域波形对每个分组是不同的。因此，将预先为每个分组计算波束成形后的短码元的PAR，并需要据此调整峰值。

还有另一个方面值得注意。原始的短序列有其自身的特定结构(该结构是已知的)，这使其振幅周期为400纳秒。使用任意的波束成形权重，则短序列的振幅周期将不会总是400纳秒。因此，峰值检测电路的采样周期现在应当至少是800纳秒，这是短序列的周期。

结论

本发明涉及无线通信。更具体地，本发明涉及一种高数据率宽带分组无线通信信号的多天线发射机波束成形的系统和方法。

本文已完整地描述了本发明的优选实施例及各种替换方案，在给定本文中的教导的前提下，本领域技术人员将会认识到，存在许多并不偏离本发明的替换方案和等效方案。因此旨在使本发明不受前述描述的限定，而是由所附权利要求书来限定。

Claims (71)

1.一种多天线发射机在宽带无线分组通信网络中对M个数字输出OFDM信号(“M信号”)进行波束成形的装置，其中每个所述数字输出OFDM信号包括N个频率槽中的副载波数据，其中所述M信号的每一个都适用于在不同的通信信道上进行发射，并且其中所述M信号中的每一个都是从同一单个数字信号中获得的，其中N是大于1的正整数，所述装置包括：

发射波束成形器，它适用于为所述M信号中的每一个对所述N个频率槽中的每一个里的副载波数据进行相位调整，由此为所述M信号中的每一个生成经相位调整的频率数据；以及

M个快速傅立叶逆变换单元(IFFT)，它们每一个都适用于输入所述M信号中的一个的经相位调整的频率数据，并且每一个都对对应于所述的一个M信号的经相位调整的频率数据进行转换以获得所述的一个M信号，其中M是大于或等于2的整数，以使所述M信号适用于形成独特的天线阵模式。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射波束成形器还适用于为所述M信号中的每一个对所述N个频率槽中的每一个里的副载波进行加权，由此为所述M信号中的每一个生成经相位调整和加权的频率数据，并且其中，所述发射波束成形器包括：

权重计算器，它适用于基于所述不同的通信信道的信道估算，为所述N个频率槽计算M个复权重；以及

加权块，它适用于为所述M信号中的每一个将所述M个复权重施加于对应于所述N个频率槽中的每一个的副载波数据，以为所述M信号获得所述经相位调整和加权的频率数据；以及

其中，所述M个IFFT中的每一个都适用于输入所述M信号中的一个的经相位调整和加权的频率数据，并且每一个都对对应于所述的一个M信号的经相位调整和加权的频率数据进行转换以获得所述的一个M信号。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述权重计算器为所述N个频率槽中的每一个，将所述信道估算转换为对应的复权重，由此为所述N个频率槽中的每一个获得所述M个复权重；以及

所述加权块包括M个不同的权重块，其中每个权重块将对应的复权重施加于对应于所述M信号中的一个的副载波数据，以为所述的一个M信号获得所述经相位调整和加权的频率数据。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述权重计算器还包括在确定所述复权重中的至少某几个时使用增益数据。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，每个IFFT为所述对应的M信号顺序地处理来自所述N个频率槽中的每一个的经相位调整和加权的频率数据。

6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述权重计算器还包括在确定所述复权重中的至少某几个时使用增益数据，并且从接收机获得所述增益数据。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述发射波束成形器是发射机的一部分，并且所述接收机和所述发射机共享一根天线。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述发射波束成形器是发射机的一部分，并且所述接收机和所述发射机共享多根天线。

9.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述权重计算器从接收机获得所述信道估算。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述发射波束成形器是发射机的一部分，并且所述接收机和所述发射机共享一根天线。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述发射波束成形器是发射机的一部分，并且所述接收机和所述发射机共享多根天线。

12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述从接收机获得的信道估算是在一段时间上所接收的不同的信道的信道估算。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所使用的通信信道对应于获得了其信道估算的那些通信信道。

14.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述权重计算器获得特定通信信道的特定频率槽的信道估算。

15.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述N个频率槽中的每一个的M个复权重中至少有几个是对所述N个频率槽中的每一个分配恒定功率的频谱平坦性权重，由此在所述M信号中的至少一些的全部N个频率槽上保持频谱平坦性。

16.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述M个复权重中至少有几个是从经增益调整的信道估算获得的，并且是基于有效的各向同性辐射功率限制和每条链路的功率限制来归一化的。

17.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述N个频率槽中的每一个的M个复权重中的至少一个是具有低于全分辨率的分辨率的离散复权重。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述离散复权重是由一对3比特二进制数表示的。

19.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述M个权重块中的每一个是12比特×3比特的乘法器。

20.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述权重计算器在生成所述M个复权重之前，为所述N个频率槽中的每一个调整所述信道估算，以减少由电路不匹配引起的信道不匹配。

21.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：

M个D/A，它们每一个将所述IFFT的M个数字输出中的一个转换为多个模拟基带输出中的一个；

M个RF前端，它们每一个将从所述M个D/A中的一个输出的模拟基带输出中的一个调制成射频(RF)信号；以及

M根天线，它们每一根发送来自所述M个RF前端中的一个的RF信号中的一个。

22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述发射波束成形器还在广播模式中工作，在所述广播模式期间，使用所述M根天线中的一根来进行发射。

23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，在所述广播模式期间，仅使用所述M根天线中的一根来进行发射。

24.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述M根天线中的一根发送请求发送(RTS)信号。

25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，新的信道估算是从响应于所发送的RTS信号而接收的清除发送(CTS)信号中提取的。

26.如权利要求2所述的装置，其特征在于，信道估算老化阈值被设置成如果所述信道估算变为过期的，则所述过期的信道估算不再被使用。

27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，响应于所述信道估算老化阈值的设置，从响应于所发送的请求发送(RTS)信号而接收的清除发送(CTS)信号获得经更新的信道估算。

28.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述M根天线中的至少一根发射CTS信号，由此向其它发射机指示在某个时间量里不要发射，由此避免了隐藏节点问题。

29.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述M信号是802.11a和802.11g信号中的一种。

30.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述M等于2。

31.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述M等于4。

32.如权利要求1所述的装置，其特征在于，使用单独的天线来发射对应于所述M信号中的每一个的RF信号。

33.如权利要求1所述的装置，其特征在于，使用单独的天线来发射对应于所述M信号中的每一个的相同的一个或数个频率槽的RF信号。

34.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在广播模式期间，使用M根天线来发射共同对应于广播信号的M个RF信号，并且其中，所述M根天线中的一根发射对应于表示来自所述频率槽中的一些的副载波的所述数字输出的一部分的RF信号，并且所述M根天线中的其它每一根发射对应于表示来自所述频率槽中的其它几个的副载波的所述数字输出的另一部分的RF信号。

35.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括M根天线，并且其中，使用不到全部M根的天线来发射RF信号，并且其中，所述不到全部M根的天线在具有良好发射路径的通信信道上发射。

36.如权利要求1所述的装置，其特征在于，形成所述阵列模式是为了抵消信道效应。

37.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述独特的天线阵模式包括多个独特的空间模式，其中每个频率槽对应于一个独特的空间模式。

38.一种多天线发射机在宽带无线分组通信网络中对M个数字输出OFDM信号(“M信号”)进行波束成形的方法，其中每个所述数字输出OFDM信号包括N个频率槽中的副载波数据，其中所述M信号中的每一个都适用于在不同的通信信道上进行发射，并且其中所述M信号中的每一个都是从同一单个数字信号中获得的，其中N是大于1的正整数，所述方法包括：

为所述M信号中的每一个对所述N个频率槽中的每一个中的副载波数据进行相位调整，由此为所述M个信号中的每一个生成经相位调整的频率数据；以及

使用快速傅立叶逆变换(IFFT)来转换对应于所述M信号中的每一个的所述经相位调整的频率数据以获得所述M信号，其中M是大于或等于2的整数，以使所述M信号适用于形成独特的列天线阵模式。

39.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位调整步骤还包括为所述M信号中的每一个对所述N个频率槽中的每一个里的子载波进行加权，由此为所述M信号中的每一个生成经相位调整和加权的频率数据，并且在所述相位调整步骤之前，还包括以下步骤：

基于所述不同的通信信道的信道估算，为所述N个频率槽中的每一个计算M个复权重；以及

其中，所述相位调整步骤包括为所述M信号中的每一个将所述M个复权重施加于对应于所述N个频率槽中的每一个的副载波数据，以为所述M个号中的每一个获得所述经相位调整和加权的频率数据。

40.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述计算步骤包括在确定所述复权重中的至少某几个时使用增益数据。

41.如权利要求39所述的方法，其特征在于，每个IFFT为对应的M信号顺序地处理来自所述N个频率槽中的每一个的经相位调整和加权的频率数据。

42.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述计算步骤包括在确定所述复权重中的至少某几个时使用增益数据，并从接收机获得所述增益数据。

43.如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括发射所述M信号的步骤以及接收信号的步骤，并且其中，所述发射步骤和所述接收步骤共享一根天线。

44.如权利要求42所述的方法，其特征在于，还包括发射所述M信号的步骤以及接收信号的步骤，并且其中，所述发射步骤和所述接收步骤共享多根天线。

45.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述计算步骤从接收机获得所述信道估算。

46.如权利要求45所述的方法，其特征在于，还包括发射所述M信号的步骤以及接收信号的步骤，并且其中，所述发射步骤和所述接收步骤共享一根天线。

47.如权利要求45所述的方法，其特征在于，还包括发射所述M信号的步骤以及接收信号的步骤，并且其中，所述发射步骤和所述接收步骤共享多根天线。

48.如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述从接收机获得的信道估算是在一段时间上所接收的不同的信道的信道估算。

49.如权利要求48所述的方法，其特征在于，所使用的通信信道对应于获得了其信道估算的那些通信信道。

50.如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述计算步骤获得特定通信信道的特定频率槽的信道估算。

51.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述N个频率槽中的每一个的M个复权重中至少有几个是对所述N个频率槽中的每一个分配恒定功率的频谱平坦性权重，由此在所述M信号中的至少一些的全部N个频率槽上保持频谱平坦性。

52.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述M个复权重中至少有几个是从经增益调整的信道估算获得的，并且是基于有效的各向同性辐射功率限制和每条链路的功率限制来归一化的。

53.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述N个频率槽中的每一个的M个复权重中的至少一个是具有低于全分辨率的分辨率的离散复权重。

54.如权利要求53所述的方法，其特征在于，所述离散复权重是由一对3比特二进制数表示的。

55.如权利要求53所述的方法，其特征在于，所述M个权重块中的每一个是12比特×3比特的乘法器。

56.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述计算步骤在生成所述M个复权重之前，为所述N个频率槽中的每一个调整所述信道估算，以减少由电路不匹配引起的信道不匹配。

57.如权利要求39所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

将所述IFFT的M个数字输出中的每一个转换为多个模拟基带输出中的一个；

将所述模拟基带输出中的每一个调制成射频(RF)信号；以及

在M根天线中的一根上发射所述RF信号中的每一个。

58.如权利要求57所述的方法，其特征在于，存在广播模式，在所述广播模式期间，使用所述M根天线中的一根来进行发射。

59.如权利要求58所述的方法，其特征在于，在所述广播模式期间，仅使用所述M根天线中的一根来进行发射。

60.如权利要求58所述的方法，其特征在于，所述M根天线中的一根发送请求发送(RTS)信号。

61.如权利要求60所述的方法，其特征在于，新的信道估算是从响应于所发送的RTS信号而接收的清除发送(CTS)信号中提取的。

62.如权利要求39所述的方法，其特征在于，信道估算老化阈值被设置成如果所述信道估算变为过期的，则所述过期的信道估算不再被使用。

63.如权利要求62所述的方法，其特征在于，响应于所述信道估算老化阈值的设置，从响应于所发送的请求发送(RTS)信号而接收的清除发送(CTS)信号获得经更新的信道估算。

64.如权利要求57所述的方法，其特征在于，所述M根天线中的至少一根发射CTS信号，由此向其它发射机指示在某个时间量里不要发射，由此避免了隐藏节点问题。

65.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述M信号是802.11a和802.11g信号中的一种。

66.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述M等于2。

67.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述M等于4。

68.如权利要求38所述的方法，其特征在于，在广播模式期间，使用M根天线来发射共同对应于广播信号的M个RF信号，并且其中，所述M根天线中的一根发射对应于表示来自所述频率槽中的1/M的副载波的数字输出的一部分的RF信号，并且所述M根天线中的其它每一根发射对应于表示来自所述频率槽中的其它1/M的副载波的数字输出的另一部分的RF信号。

69.如权利要求38所述的方法，其特征在于，还包括M根天线，并且其中，使用不到全部M根的天线来发射RF信号，并且其中，所述不到全部M根的天线在具有良好发射路径的通信信道上发射。

70.如权利要求38所述的方法，其特征在于，形成所述阵列模式是为了抵消信道效应。

71.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述独特的天线阵模式包括多个独特的空间模式，其中每个频率槽对应于一个独特的空间模式。

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