CN1925219B - 无线网络装置及其调整式数字波束形成的方法 - Google Patents

Abstract

一种无线网络装置，包括天线阵列、收发器、数字/模拟转换器、加权组件以及媒体存取控制组件。天线阵列包括数个天线。收发器通过天线以接收来自客户端的数个模拟输入信号，数字/模拟转换器则将模拟输入信号转换成数字输入信号。加权组件包括加权产生器及演算单元，加权组件用以接收来自天线的数字输入信号，并将其乘上加权向量而输出数字加权信号。本发明借助检测客户端的信号强度及使用依据上述算法的调整式数字波束形成的方法，将天线阵列所产生的主波束朝向客户端而搜寻客户端的位置。搜寻客户端的方法包括：首先，搜寻主中心角；接着，决定对应主中心角的加权向量；然后，微调主中心角；以及依据微调后的主中心角及加权向量以形成主波束。

Description

无线网络装置及其调整式数字波束形成的方法

技术领域

本发明有关于一种无线网络装置，且特别是有关于一种无线网络装置及其调整式数字波束形成(adaptive digital beamforming)的方法。

背景技术

随着高数据传输率的流量需求的增加，对于高效率的无线数据通讯系统的需求也变得更为重要。于是提出具备波束形成技术的智能型天线系统以减少种种干扰并克服多重路径传播(multipath propagation)所引起的信号褪变(signalfading)。

请参照图1，其是传统的具有模拟波束形成器的智能型天线系统的构造图。智能型天线系统100包括天线阵列110，天线阵列110具有能够产生多重波束场型(multi-beam pattern)112的n个天线。来自远距单元(未显示)如网络客户的信号是配以不同的媒体存取控制(Media Access Control，MAC)识别码MAC101～MACn，并在落于波束场型所界定的涵盖范围(coverage area)内时由天线阵列110加以检测及接收。而模拟波束形成器120即用以「加权(weight)」接收信号，如施以适当的相位移(phase shifting)及振幅调整，以重建接收信号。接着，将加权后接收信号供至用以过滤信号的收发器130。然后，将收发器130滤出的信号供至数字/模拟转换器140而转换成数字格式。最后，将转换后数字信号供至MAC组件150。

然而，传统的具有模拟波束形成器的智能型天线系统除构造复杂外且消耗相当大的电源，因此并不适合支持有网络功能的轻便型携带式装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种数字实作的无线网络装置及其调整式数字波束形成的方法以解决上述问题。

根据本发明的一方面，提出一种无线网络装置。无线网络装置包括天线阵列、收发器、数字/模拟转换器、加权组件以及媒体存取控制组件。天线阵列包括数个天线。收发器通过天线以接收来自客户端的数个模拟输入信号，数字/模拟转换器则将模拟输入信号转换成数字输入信号。加权组件包括加权产生器及演算单元，加权组件是用以接收数字输入信号并将其乘上加权向量而输出数字加权信号。加权产生器包括搜寻单元、辐射场型单元以及追踪单元，加权产生器是用以产生加权向量，而加权向量具有对应接收自天线阵列的数字输入信号的数个加权值。搜寻单元用以决定对应数字输入信号的主中心角。辐射场型单元用以决定对应主中心角的加权向量。追踪单元用以微调主中心角。演算单元则将数字输入信号乘上加权向量以产生数字加权信号。最后，与加权组件相耦接的媒体存取控制组件用以处理数字加权信号。

根据本发明的另一方面，提出一种调整式数字波束形成的方法。该方法包括借助分别形成具有不同中心角的数个波束而搜寻主中心角。即计算每一波束中的接收信号的信号强度，具有最大信号强度的波束其中心角便选为主中心角。然后，借助查阅预设参数表而决定对应主中心角的加权向量。接着，借助检测接收信号的信号强度以微调主中心角。最后，依据微调后的主中心角及加权向量以形成主波束。

为让本发明之上述目的、特点和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图进行详细说明如下。

附图说明

图1是传统的具有模拟波束形成器的智能型天线系统的构造图。

图2是依照本发明的较佳实施例的无线网络装置200。

图3是具有主波束及数个副波束的波束场型的直角坐标图。

图4是输入信号的抵达角度θ₀的角度定义的示意图。

图5是应用于无线网络装置200的调整式数字波束形成的方法的流程图。

图6是天线阵列210在前平面的涵盖范围。

图7是搜寻主中心角的步骤520的流程图。

图8是决定对应主中心角的加权向量的步骤530的子步骤的流程图。

图9是微调主中心角C的步骤540的子步骤的流程图。

具体实施方式

请参照图2，其是依照本发明的较佳实施例的无线网络装置200。无线网络装置200包括天线阵列210、收发器220、数字/模拟(D/A)转换器230、加权组件(weighting device)240以及媒体存取控制(Media Access Control，MAC)组件250。天线阵列210包括n个天线，即212(0)~212(n)。天线阵列210中的n个天线共同形成多重波束辐射场型，如图3所示，其是具有主波束310及数个副波束320的波束场型的直角坐标图。主波束310具有中心角C。收发器220通过天线阵列210中的n个天线而接收来自客户端(未显示)的数个模拟输入信号。D/A转换器230则将模拟输入信号转换成数字输入信号。加权组件240包括加权产生器241及演算单元248。加权产生器241是用以产生加权向量w，而加权向量w具有n个对应接收自天线阵列210的数字输入信号的加权值w0～wn。演算单元248则将数字输入信号DS乘上加权向量w以产生数字加权信号DS’至MAC组件250。

加权产生器241包括搜寻单元(searching unit)242、辐射场型单元(radiation pattern unit)244以及追踪单元(track unit)246。加权产生器241用以产生加权向量w。亦即，搜寻单元242依据客户端的数字输入信号DS决定主中心角C。辐射场型单元244依据主中心角C决定加权向量w。追踪单元246用以微调主中心角C。

数字输入信号DS在数学上能表成具有实部i(t)及虚部q(t)的复数相量(phasor)。实部i(t)表示输入信号对于信道中心频率(channel centerfrequency)的正频率。虚部q(t)表示输入信号对于信道中心频率的负频率。于是借助实部及虚部，数字输入信号DS能表成：

s(t)＝x(t)+j×y(t)    (1)

其中s(t)＝DS、x(t)＝i(t)以及y(t)＝q(t)，而 $j==\sqrt{(-1)}.$

执行加权动作时，以天线阵列210中的第0天线212(0)为例，第0天线212(0)的数字输入信号s₀(t)的实部x₀(t)及虚部y₀(t)是与复数的加权值w₀相乘以产生适当的相位移及振幅调整。所有的天线212(0)～212(n)的数字输入信号皆执行这样的加权乘法，而乘积加总后即输出数字加权信号DS’。MAC组件250则接收数字加权信号DS’并据此重建信息。

底下将更详细讨论加权向量w。加权向量w具有复数的加权值w₀～w_n，分别为对应于天线212(0)～212(n)的加权值。对应天线阵列210中的第i天线的加权值能表成：

$W_i=a_i\×e^{j{\mathrm{\θ}}_i}---\left(2\right)$

也能表成复数相量w_i＝a_i×cosθ_i+j×a_i×sinθ_i；其中i小于等于n，n为整数，a_i为复数的加权值w_i的相对振幅；θ_i为第i天线的相位移，且等于被第0天线所接收的接收信号的抵达角度θ₀(入射角θ₀)加上相位差i×ΔΦ：

θ_i＝θ₀+i×ΔΦ    (3)

请参照图4，其是输入信号410的抵达角度θ₀(入射角θ₀)的角度定义的示意图。接收信号410的波前(wave front)420自角度θ₀的方向首先抵达第0天线212(0)。接着，行经额外的路径长Δl₁后，接收信号410抵达第1天线212(1)。路径长Δl₁产生第0天线212(0)及第1天线212(1)之间的相位差ΔΦ：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}\×\mathrm{\Δ}{l}_1}{\mathrm{\λ}}=\frac{2\mathrm{\π}\×d\×\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

其中Δl₁＝d×sinθ₀，λ(lambda)为信道中心频率的波长。而将上述相位差公式重新表示后，通过辐射源定向法(radiation source direction-finding approach)便能够将远距单元的客户端所产生的接收信号定位，亦即，从相位差ΔΦ来计算接收信号在第0天线212(0)的抵达角度θ₀：

${\mathrm{\θ}}_0={\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\Δ\φ}\×\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}\×d}\right)---\left(5\right)$

请参照图5，其是应用于无线网络装置200的调整式数字波束形成的方法的流程图。调整式数字波束形成的方法是用以调整配置于一表面如平面上的天线阵列，以将来自客户端的所需接收信号定位。首先，于步骤510中，初始化数个参数，包括设定波束的振幅及预设信号强度等，容待稍后更详细讨论。接着，于步骤520中，利用搜寻单元242决定涵盖客户端的接收信号的主波束的主中心角C。

此外，无线网络装置200还包括一预设参数表。于步骤530中，辐射场型单元244是借助查阅预设参数表决定对应主中心角C的加权向量。接着，于步骤540中，为最佳化信号强度，追踪单元246借助检测所需接收信号的信号强度而微调主中心角C。然后，于步骤550中，最佳化信号强度后，依据微调后的主中心角C及加权向量形成主波束。

为形成涵盖范围，图2中的天线阵列210产生朝向数个方向的数个波束而延展一平面。亦即，天线阵列210产生的波束形成360度的全方位范围，并区分为前平面及后平面。请参照图6，其是天线阵列210在前平面的涵盖范围。前平面由波束如N1及N2所界定出的涵盖区域依次区分出N个位置。每一波束具有波束宽度BW如120度及用以信号跨区(signal hand-off)的重迭区(阴影区)。为求图示效果，图6中的波束是绘成调整式主波束；然而，如图3所示，天线阵列210也能产生具有主波束及数个副波束的多重波束场型。

请参照图5，于步骤510中，在形成数个波束以决定主中心角C的前，是决定波束宽度BW以及其它参数如初始加权向量与预设信号强度RSSIO。

于步骤520中，欲搜寻主中心角C，于本发明的较佳实施例中，是于天线阵列210所界定的涵盖范围中的N个不同位置之间切换波束的位置，直到找出接受信号的最大信号强度。N个不同位置是对应于涵盖此涵盖范围内所有接收信号的N个主波束，如图6所示，N即等于2(N1及N2)。N为将表面角度(surface angle)除以波束宽度BW所得的商数修(round off)为最接近的两整数中的较大者。表面较佳者是为一平面。于是，在表面为平面而表面角度为180度以及波束宽度为120度时，N等于180/120＝1.5，再将N修整为最接近的两整数(1及2)中的较大者即得N＝2。如图6所示，由平面直角坐标系统定义的平面具有平行于平面的水平轴以及垂直于平面的垂直轴。正水平轴位于+P(90)度，负水平轴位于-P(90)度，而正垂直轴位于0度。于是决定出主波束的主中心角C如下式：

$C=P-(n+1)\×\frac{\mathrm{BW}}{2}---\left(6\right)$

其中n为小于或等于(N-1)的整数(注意：此处n并非指「n」个天线)。因此，于图6的例子中，即P＝90度、N＝2及BW＝120度，则n＝0及1。接着，由公式(6)可计算出当n＝0及1时，C分别等于30及-30，并分别对应涵盖区域N1及N2的位置。待更详细讨论调整式数字波束形成的方法中的步骤后，上述概念将更为清楚。

请参照图7，其是搜寻主中心角C的步骤520的流程图。首先，于步骤810中，借助滤出不需要的接收信号，以识别与所需要接收信号相关的客户端MAC代码。接着，于步骤820中，将初始化数个参数的步骤510中决定的表面角度除以波束宽度BW而决定N(N＝表面角度/BW)。然后，于步骤830中，n的初始值设为1，其中n≤(N-1)。接着，于步骤840中，计算中心角，

并将主波束的中心角C调整至计算所得的中心角C，如图6所示的C＝30度。然后，于步骤850中，检查于计算所得的中心角C检测的接收信号的信号强度RSSI_n是否大于所需接收信号的预设信号强度RSSI₀：若是，则执行步骤880，若否，则执行步骤860。于步骤880中，是执行步骤530以决定对应主中心角的加权向量。

于步骤860中，决定n是否小于N：若是，则执行步骤870，若否，则回到步骤830。

于步骤870中，是将n增加1，回到步骤840以增加1的n值计算主波束的新中心角C后，将主波束的中心角C调整至新中心角C。请参照图6，若于主中心角C＝30度所检测的来自客户端的接收信号的信号强度未大于预设信号强度RSSI₀(步骤850)，则执行步骤840以将涵盖区域从N1的位置换至N2的位置，以及调整主波束即主中心角至C＝-30度以进一步搜寻客户端，并重复切换主中心角C的位置直到找到客户端。

于步骤520的子步骤决定出主中心角C后，执行决定加权向量的步骤530而更新天线阵列210所产生的数个波束并消除不需要的接受信号以增加所需接收信号的信号强度RSSI。请参照图8，其是决定对应主中心角的加权向量的步骤530的子步骤的流程图。首先，于步骤910中，依据最大信号强度RSSI更新加权值的振幅a。接着，于步骤920中，更新加权值的相角θ。最后，于步骤930中，使用施以适当的相位移及振幅调整的更新后加权向量分别形成天线阵列中的天线的波束。

请参照图9，其是微调主中心角C的步骤540的子步骤的流程图。于步骤1010中，决定步进数(step number)K以微调主中心角C的位置，其中K为二分之一的波束宽度除以一步进角量θ_atep，即

$K=\frac{\left(\frac{\mathrm{BW}}{2}\right)}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{step}}}---\left(7\right)$

亦即，例如在波束宽度BW＝120度及步进角量θ_step＝5度时，则依照公式(7)决定步进数K，而主波束依据步进数K以步进角量θ_step的整数倍由主中心角C递增或递减至微调后的主中心角C。此外，如步骤1010所示，也定义整数k，其中k为大于或等于-K且小于或等于+K的整数。于步骤1020中，k的初始值设为1。于是，依据θ₀＝C+k×θ_step将主波束的中心角的位置调整至θ0。请参照图6，于步骤1030中，假若步进角量θ_step＝5，主中心角C为30度，则主波束是增加至新中心角，即入射角θ₀＝35度(以θ＝0度的轴向右偏离35度)。接着，于步骤1040中，检查利用k计算出的θ₀所检测的信号强度RSSI_k是否大于进行初始化的步骤510中决定的所需接收信号的预设信号强度RSSI₀。若RSSI_k＞RSSI₀，于步骤1050中，检查RSSI_k减去RSSI₀的差值是否小于或等于预设分贝值DB，即RSSI_k-RSSI₀≤DB。DB较佳为1.5dB。若RSSI_k-RSSI₀≤DB，表示找到客户端并满足预设分贝值DB的条件，则回到步骤1030，仔细地将主波束的中心角C的位置调整至θ0以锁定客户端。相反地，于步骤1040中，若判断RSSI_k未大于RSSI₀，则进入步骤1060中检查k是否为负值。接着，若k非为负值，于步骤1070中将k设为-k，并回到步骤1030以便最佳化信号强度RSSI_k。如图6所示，依照θ₀＝C+k×θ_step，其中k＝1，主中心角C＝30度，若k变为-k时，入射角θ₀由θ＝0度的轴向右偏离35度调整至由θ＝0度的轴向右偏离25度，即新主中心角为θ₀＝25度，而锁定客户端。然而，若k为负值，于步骤1080中检查于整个涵盖范围内是否搜寻到客户端，亦即，检查k的绝对值是否小于K。若否，回到步骤1020重新搜寻客户端。若于步骤1080中判断k的绝对值小于K，则于步骤1090中将k增加1，并回到步骤1030依据新的k值将主波束调整至主中心角C以最佳化信号强度RSSI_k。

本发明的实施例解决当客户端在涵盖范围内不同涵盖区域的位置之间移动时产生的问题。借助应用调整式数字波束形成的方法，加权组件240不断地调整天线阵列210产生的波束场型，使得能够最佳化来自客户端的接收信号的信号强度。本发明的实施例也借助将用以计算加权向量的演算单元设置于加权组件内而提供较简单的构造。此外，相较于模拟波束形成的方法，采取数字波束形成的方法如应用本发明的实施例，亦减少可观的电源消耗。又，传统的模拟波束形成的方法中，将模拟信号馈至MAC组件经常需要颇可观的时间。本发明的实施例提供快速的处理而解决此问题，这对于支持网络功能的轻便型携带式装置如需要快速处理以求行动性的PDA及膝上型(laptop)计算机特别有用。

综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中任何普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的等效的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims (14)

1.一种无线网络装置，包括：

一天线阵列，包括复数个天线；

一收发器，通过这些天线以接收来自一客户端的复数个模拟输入信号；

一数字/模拟转换器，用以将这些模拟输入信号转换成复数个数字输入信号；

一加权组件，用以接收这些数字输入信号，并将各数字输入信号乘上一加权向量而输出一数字加权信号，该加权组件包括：

一加权产生器，用以产生该加权向量，该加权向量具有对应接收自该天线阵列的这些数字输入信号的复数个加权值，其中该加权产生器还包括：

一搜寻单元，通过切换该天线阵列所界定的涵盖范围中的N个不同位置之间多个波束的位置直到找出接受信号的最大信号强度，以决定对应各个所述数字输入信号的一主中心角，其中所述N个不同位置对应于涵盖此涵盖范围内所有接收信号的N个主波束，N为正整数；

一辐射场型单元，通过查阅一预设参数表以决定对应该主中心角的该加权向量；及

一追踪单元，用以微调该主中心角；及

一演算单元，用以将这些数字输入信号乘上该加权向量以产生该数字加权信号；以及

一媒体存取控制组件，耦接该加权组件，用以处理该数字加权信号。

2.如权利要求1所述的无线网络装置，其特征在于该搜寻单元借助分别形成具有不同中心角的复数个波束，计算各这些波束中的接收信号的信号强度，以及将接收信号具有最大信号强度的波束的该中心角选为该主中心角而决定该主中心角。 

3.如权利要求1所述的无线网络装置，其特征在于该追踪单元进一步检测接收信号的信号强度以微调该主中心角。

4.一种调整式数字波束形成的方法，用以调整一天线阵列，该方法包括：

搜寻一主中心角C，是借助该天线阵列所接收的具有不同中心角的复数个波束，计算各这些波束中的接收信号的信号强度，并将接收信号具有最大信号强度的该波束的中心角选为该主中心角C；

借助查阅一预设参数表，决定对应该主中心角C的一加权向量，其中搜寻该主中心角的该步骤包括切换该天线阵列所界定的涵盖范围中的N个不同位置之间多个波束的位置直到找出接受信号的最大信号强度以决定该主中心角，其中所述N个不同位置对应于涵盖此涵盖范围内所有接收信号的N个主波束，N为正整数；

借助检测接收信号的信号强度，以微调该主中心角C；以及

依据微调后的该主中心角C及该加权向量，以形成一主波束。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于微调该主中心角C的该步骤包括：

调整该主中心角C，使得微调后的该主中心角C更接近所需接收信号的一入射角θ₀。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于该天线阵列包括多个天线，这些天线配置于一表面上，且N为将该表面的一表面角度除以一波束宽度BW所得的商数修整为最接近的两整数中的较大者。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于该表面为一平面，该表面角度为180度，且N为180/BW。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于该表面具有位于+P度之一第一方向轴、位于-P度之一第二方向轴以及位于0度的一正垂直轴，该主波束的该主中心角C为 其中P为整数，n≤(N-1)。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于该P为90度。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于该BW为120度。 

11.如权利要求6所述的方法，其特征在于搜寻一主中心角C的该步骤包括：

(a)借助滤出不需要的接收信号，以识别与所需接收信号相关的一客户端MAC代码；

(b)将一初始化步骤中决定该表面的该表面角度除以该波束宽度BW而决定N值，其中该表面具有位于+P度的一第一方向轴、位于-P度的一第二方向轴以及位于0度的一正垂直轴，P为整数；

(c)将n的初始值设为1，其中n≤(N-1)；

(d)计算该主中心角C为 

并将该主波束的该

主中心角C调整至计算所得的该主中心角C；

(e)检查于以n计算所得的该中心角C检测的接收信号的信号强度是否大于所需接收信号的一预设信号强度；

(f)若于计算所得的该中心角C检测的接收信号的信号强度未大于所需接收信号的预设信号强度，则检查n是否小于N，若计算所得的该中心角C检测的接收信号的信号强度大于所需接收信号的预设信号强度，进行决定对应该主中心角的一加权向量的该步骤；

(g)若n小于N，则将n增加1，否则回到步骤(c)；以及

(h)回到步骤(d)以增加1的n值计算该主波束的一新中心角后，将该主波束的该中心角C调整至该新中心角。

12.如权利要求4所述的方法，其特征在于决定一加权向量的该步骤包括：

依据搜寻一主中心角C的该步骤所得的最大信号强度RSSI，更新该加权向量的振幅a；

依据该主中心角C，更新该加权向量的相角θ；以及 

使用以更新后的相角θ及振幅a施以适当的相位移及振幅调整的该更新后加权向量分别形成该天线阵列中各这些天线的该些波束。

13.如权利要求4所述的方法，其特征在于微调该主中心角C的该步骤包括：

(j)决定一步进数K以微调该主中心角C的位置，

其特征在于K为二分之一的波束宽度除以一步进角量θ_step，即

(k)定义一k，其特征在于k为大于或等于-K且小于或等于+K的整数；

(l)设k＝1；

(m)将该主波束的该中心角的位置调整至θ₀，其中θ₀＝C+k×θ_step；

(n)检查利用k计算出的θ₀所检测的信号强度RSSI＝RSSI_k是否大于一初始化步骤中决定的所需接收信号的一预设信号强度RSSI₀；

(o)若RSSI_k＞RSSI₀，则检查RSSI_k减去RSSI₀的差值是否小于或等于一预设分贝值DB，RSSI_k-RSSI₀≤DB；

(p)若RSSI_k-RSSI₀≤DB，则回到步骤(m)，将该主波束的该中心角C位置调整至θ₀以锁定网络客户；

(q)检查k是否为负值；

(r)若k非为负值，则设k＝-k，并回到步骤(m)以最佳化信号强度RSSI_k；

(s)检查k的绝对值是否小于K，若k的绝对值未小于K，则回到步骤(l)以重新搜寻网络客户；以及

(t)若k的绝对值小于K，则将k增加1，并回到步骤(m)以最佳化信号强度RSSI_k。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于该预设分贝值DB为1.5分贝。 

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