TWI418223B - 波束成形訓練方法與通訊系統 - Google Patents

Description

波束成形訓練方法與通訊系統 相關申請之交叉引用

本申請要求如下優先權：編號為61/166,279，申請日為2009/04/03，名稱為“A method and system for beamforming training between a master communications device and a plurality of client communications devices”之美國臨時申請。其全部內容於此一併作為參考。

本發明係有關於一種波束成形(beamforming)訓練方法，且特別有關於一種於通訊系統中利用一個或多個訓練通訊裝置對受訓通訊裝置實施波束成形訓練之方法與通訊系統。

對於傳送端與接收端皆使用多個天線之通訊系統，波束成形技術可用於提升通訊性能。通常而言，需要訓練備有多個天線之通訊裝置以於資料傳送之前獲得最佳之Tx及/或Rx天線組態(configuration)。對於傳統之波束成形訓練程序，通訊裝置經由一對一(one-to-one)訓練程序將一個或多個預定波束成形訓練位元序列傳送至同級(peer)通訊裝置。特別地，對於高頻應用，例如毫米波(millimeter wave)通訊系統，由於天線之定向性(directionality)，於一個訓練期(training session)內僅訓練一個通訊裝置係較可取的。

基於傳統之波束成形訓練程序，當通訊系統中有超過一個通訊裝置時，訓練程序需要大量之訓練期與訊息(所需總數為通訊裝置數目之平方)。當通訊裝置利用不對稱(asymmetrical)組態於不對稱通道上交換資料時，為建立雙向性(bi-directional)通訊路徑，所需訓練期與訊息總數為通訊裝置數目之四倍，從而嚴重降低訓練效率。因此，亟需一種新的波束成形訓練方法以解決上述低效率問題。

有鑑於此，特提供以下技術方案：本發明提供一種於通訊系統中利用一個或多個訓練通訊裝置對受訓通訊裝置實施波束成形訓練之通訊系統與方法。於通訊系統中利用一個或多個訓練通訊裝置對受訓通訊裝置實施波束成形訓練之方法之一實施例包含：宣佈用於自一個或多個訓練通訊裝置接收一個或多個預定位元序列之第一時間段，其中一個或多個預定位元序列中之每一者皆載送用以識別訓練通訊裝置之識別符號；依第一預定規則將受訓通訊裝置之接收天線場型切換至扇形，其中扇形之角度係依據接收天線場型之組態而決定；依第二預定規則於第二時間段內保持扇形並監聽一個或多個預定位元序列；估測通道特性以及藉由利用對應已接收之一個或多個預定位元序列來分別計算一個或多個訓練通訊裝置之接收天線權重向量；以及藉由利用識別符號將與波束成形訓練相關之資訊傳送至對應之一個或多個訓練通訊裝置，其中所述資訊包含已估測之通道特性與一個或多個預定位 元序列各自之接收時間。

於具有多個訓練通訊裝置之通訊系統中由訓練通訊裝置對受訓通訊裝置實施波束成形訓練之方法之另一實施例包含：自受訓通訊裝置接收關於第一時間段之宣佈，第一時間段係被保留以接收一個或多個預定位元序列；依第二預定規則於第二時間段內於至少一個扇形內傳送一個或多個預定位元序列，其中扇形係依第一預定規則而選擇，所述至少一個扇形之角度係依據訓練通訊裝置之傳送天線場型之組態而決定，且其中一個或多個預定位元序列中之每一者皆載送用以識別訓練通訊裝置之識別符號；以及自受訓通訊裝置獲得與波束成形訓練相關之資訊，其中所述資訊包含通道特性與一個或多個預定位元序列於受訓通訊裝置之接收時間。通道特性係由受訓通訊裝置藉由利用已接收之一個或多個預定位元序列而估測。

具有多個通訊裝置之通訊系統之另一實施例包含受訓通訊裝置以及一個或多個訓練通訊裝置。受訓通訊裝置宣佈由一個或多個訓練通訊裝置實施波束成形訓練之第一時間段，依第一預定規則將接收天線場型切換至扇形以及依第二預定規則於第二時間段內保持扇形。扇形之角度係依據接收天線場型之組態而決定。於第一時間段內，一個或多個訓練通訊裝置傳送一個或多個預定位元序列以對受訓通訊裝置實施波束成形訓練。於第三時間段內，所述一個或多個預定位元序列係依第四預定規則於至少一個扇形內傳送，所述至少一個扇形係依第三預定規則而選擇。所述至少一個扇形之角度係依據對應訓練通訊裝置之傳送天 線場型之組態而決定，且所述一個或多個預定位元序列中之每一者皆載送識別符號以識別傳送之訓練通訊裝置。受訓通訊裝置更接收扇形內之一個或多個預定位元序列，估測通道特性以及藉由利用對應已接收之一個或多個預定位元序列來分別計算一個或多個訓練通訊裝置之接收天線權重向量。所述一個或多個訓練通訊裝置自受訓通訊裝置獲得與波束成形訓練相關之資訊，其中所述資訊包含已估測之通道特性與一個或多個預定位元序列於受訓通訊裝置之接收時間，所述一個或多個預定位元序列皆載送用以識別傳送之訓練通訊裝置之識別符號。

以上所述的波束成形訓練方法與通訊系統能夠使超過一個之訓練通訊裝置於一個訓練期內並行地訓練受訓通訊裝置，從而實現多對一波束成形訓練。

下文將參考所附圖式對本發明實施例作詳細說明。

以下描述為實施本發明的較佳預期模式。此描述係用於說明本發明原理之目的，並非作為本發明的限制。本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

如上所述，傳統之波束成形訓練方法係被設計用於一對一訓練。然而，對於具有n個通訊裝置之通訊系統，傳統之波束成形訓練方法可花費O(n^2)個訓練期與至少O(n^2)個訊息以完成通訊系統之全部波束成形訓練。當通訊裝置利用不對稱組態於不對稱通道上交換資料時，為建立雙向性通訊路徑，訓練期總數為通訊裝置數目之四倍。 於本發明實施例中，提出多對一(many-to-one)波束成形訓練之方法與系統。對於多對一波束成形訓練方法，一個受訓通訊裝置需要一個訓練期以藉由佈置於不同扇形內之多個訓練通訊裝置來訓練受訓通訊裝置之接收天線波束成形權重向量。對於具有n個通訊裝置之通訊系統，本發明可僅需O(n)個訓練期以完成波束成形訓練。

第1圖係依本發明實施例之通訊系統的示意圖。通訊系統包含多個通訊裝置，舉例而言，通訊裝置100~400。通訊系統中之通訊裝置為訓練通訊裝置或受訓通訊裝置。於本發明實施例中，通訊裝置100、200及300為訓練通訊裝置，而於訓練通訊裝置之傳送信號範圍內之通訊裝置400為受訓通訊裝置。依本發明實施例，多對一波束成形訓練可於一個訓練期內完成。換言之，一個或多個訓練通訊裝置可於一個訓練期內並行地訓練受訓通訊裝置。

第2圖係依本發明實施例之藉由受訓通訊裝置執行之波束成形訓練方法的流程圖。於本發明實施例中，任一通訊裝置可偵測一個或多個其他通訊裝置之出現。對於一個或多個訓練通訊裝置(例如第1圖所示之通訊裝置100、200及300)訓練受訓通訊裝置(例如第1圖所示之通訊裝置400)之接收天線波束成形權重向量之狀況，於偵測到一個或多個其他通訊裝置出現之後，受訓通訊裝置首先宣佈第一時間段，第一時間段係被保留以自一個或多個訓練通訊裝置接收一個或多個預定位元序列(亦即，波束成形訓練序列)(步驟S201)。然後，受訓通訊裝置依第一預定規則將接收天線場型(pattern)切換至扇形，其中扇形 之預定角度係依據接收天線場型之組態而決定(步驟S202)，以及依第二預定規則於第二時間段內保持扇形以監聽一個或多個預定位元序列(步驟S203)。依本發明實施例，一個或多個預定位元序列中之每一者皆可載送用以識別訓練通訊裝置之唯一識別符號(identifier)。

依本發明實施例，所述一個或多個預定位元序列可藉由利用確保受訓通訊裝置將可接收所述一個或多個預定位元序列之方法發送。為增加所述一個或多個預定位元序列之到達率，較可取之傳送場型係定向波束(directional beam)。定向波束覆蓋空間之一部分，亦即，扇形，且每一扇形有其預定角度，其中扇形之預定角度係依據傳送定向波束之通訊裝置之傳送天線場型之組態而決定。因此，受訓通訊裝置引導其天線將接收天線場型切換至一個或多個扇形以自訓練通訊裝置接收所述一個或多個預定位元序列，其中扇形之預定角度係依據接收天線場型之組態而決定。於接收所述一個或多個預定位元序列之後，受訓通訊裝置估測受訓通訊裝置與傳送所述一個或多個預定位元序列之對應訓練通訊裝置之間的無線電通道之通道特性，以及藉由利用對應之已接收之一個或多個預定位元序列來分別計算一個或多個訓練通訊裝置之接收天線權重向量(步驟S204)。最後，受訓通訊裝置藉由利用識別符號將與波束成形訓練相關之資訊傳送至對應之一個或多個訓練通訊裝置(步驟S205)。依本發明實施例，所述資訊包含已估測之通道特性與所述一個或多個預定位元序列各自之接收時間。

如上所述，為增加所述一個或多個預定位元序列之到達率，較可取之傳送場型係定向波束。當定向波束被用於波束成形訓練時，所述一個或多個預定位元序列可被發送至多個扇形。所述多個扇形可覆蓋通訊空間。因此，於第一時間段內(亦即，訓練時間段，或所謂之訓練期)，受訓通訊裝置依第一預定規則依次將接收天線場型切換至多個扇形，以及依第二預定規則於第二時間段內保持至少一個扇形以接收所述一個或多個預定位元序列。因此，於本發明上述實施例中，受訓通訊裝置可重複執行步驟S202至S205以於通訊系統中利用一個或多個訓練通訊裝置完成波束成形訓練程序。依本發明上述實施例，第一預定規則係用於受訓通訊裝置以順序或隨機方式逐步切換至全部扇形，而第二預定規則係用於確保受訓通訊裝置保持扇形之持續時間足夠長以接收所述至少一個預定位元序列。

第3圖係依本發明實施例之於保留第一時間段內之不同時間點10、20…及60上受訓通訊裝置之接收角度之多個範例的示意圖。於本發明上述實施例中，如第3圖所示，於第一時間段內之不同時間點上，受訓通訊裝置可依第一預定規則將其接收天線場型切換至多個扇形。於本發明一實施例中，如第3圖所示，受訓通訊裝置可以順序方式逐步切換至全部扇形。於本發明另一實施例中，受訓通訊裝置可以隨機方式逐步切換至全部扇形。當將接收天線場型切換至預定扇形時，受訓通訊裝置更可依第二預定規則於第二時間段內保持預定扇形以監聽所述一個或多個預定位元序列。於本發明一實施例中，第二預定規則係受訓通訊 裝置保持扇形之第二時間段足夠長以接收一個預定位元序列。於本發明另一實施例中，第二預定規則係受訓通訊裝置保持扇形之第二時間段足夠長以接收超過一個之預定位元序列。

第4圖係依本發明實施例之藉由訓練通訊裝置執行之波束成形訓練方法的流程圖。於自受訓通訊裝置接收到關於第一時間段之宣佈之後(步驟S401)，其中第一時間段係被保留以接收一個或多個預定位元序列，訓練通訊裝置(例如第1圖所示之通訊裝置100~300)依第四預定規則於第三時間段內於至少一個扇形內傳送所述一個或多個預定位元序列，其中所述至少一個扇形係依第三預定規則而選擇(步驟S402)。此外，第三預定規則係一個或多個訓練通訊裝置以順序或隨機方式於全部扇形上傳送所述一個或多個預定位元序列。依本發明一實施例，所述至少一個扇形之角度係依據對應之訓練通訊裝置之傳送天線場型之組態而決定，且所述一個或多個預定位元序列中之每一者皆載送用以識別對應之訓練通訊裝置之唯一之識別符號。

然後，於受訓通訊裝置(例如第1圖所示之通訊裝置400)接收所述一個或多個預定位元序列，估測通道特性並藉由利用對應已接收之一個或多個預定位元序列來計算訓練通訊裝置之接收天線權重向量，以及傳送與波束成形訓練相關之資訊(請參考第2圖中之步驟S203、S204及S205)之後，訓練通訊裝置自受訓通訊裝置獲得與波束成形訓練相關之資訊(步驟S403)。

依本發明一實施例，於步驟S402中，訓練通訊裝置 於一個或多個扇形(甚至覆蓋通訊空間之全部扇形)內傳送所述一個或多個預定位元序列。當訓練通訊裝置決定於超過一個扇形內傳送所述一個或多個預定位元序列時，訓練通訊裝置以順序方式於扇形內傳送所述一個或多個預定位元序列(第三預定規則之一實施例)。於另一範例中，依本發明另一實施例，當訓練通訊裝置決定於超過一個扇形內傳送所述一個或多個預定位元序列時，訓練通訊裝置以隨機方式於扇形內傳送所述一個或多個預定位元序列(第三預定規則之另一實施例)。此外，依本發明上述實施例，於步驟S402中，一個或多個訓練通訊裝置依第四預定規則於第三時間段內傳送所述一個或多個預定位元序列。舉例而言，依本發明一實施例，第四預定規則係訓練通訊裝置於一扇形內傳送一個預定位元序列。依本發明另一實施例，第四預定規則係一個或多個訓練通訊裝置於一扇形內傳送超過一個之預定位元序列。依本發明又一實施例，第四預定規則係訓練通訊裝置於多個扇形內傳送一個或多個預定位元序列。

如上所述，由於一個或多個訓練通訊裝置於一個或多個扇形內傳送所述一個或多個預定位元序列，為估測通道特性，受訓通訊裝置必須識別哪個預定位元序列已藉由哪個訓練通訊裝置傳送，及/或受訓通訊裝置已於哪個扇形內接收到已傳送之預定位元序列。因此，依本發明一實施例，於步驟S403中，藉由一個或多個訓練通訊裝置獲得之相關資訊可包含由受訓通訊裝置估測之通道特性與一個或多個預定位元序列於受訓通訊裝置之接收時間。

請再次參考第1圖，依本發明一實施例，於一個訓練期內，訓練通訊裝置(例如，通訊裝置100~300)於一時間段內於超過一個扇形內並行地傳送一個或多個預定位元序列以訓練受訓通訊裝置(例如，通訊裝置400)。如上所述，每一扇形之角度係依據對應傳送之訓練通訊裝置之傳送天線場型之組態而決定。另一方面，受訓通訊裝置將其接收天線場型切換至一個或多個扇形並依第二預定規則於另一時間段內保持每一扇形，其中扇形之角度係依據接收天線場型之組態而決定。訓練通訊裝置用以傳送一個或多個預定位元序列之時間段與受訓通訊裝置用以切換接收天線場型之時間段係處於初始保留時間段內，以於保留訓練期內完成全部之波束成形訓練。舉例而言，於保留第一時間段內之時間點10、20、30、40、50及60上訓練通訊裝置100之傳送角度如第1圖與第3圖所示，以及於時間點10上發送之預定位元序列被受訓通訊裝置400接收。再舉一例，於保留第一時間段內之時間點10、20、30、40、50及60上訓練通訊裝置300之傳送角度如第1圖與第3圖所示，以及於時間點60上發送之預定位元序列被受訓通訊裝置400接收。

於接收所述一個或多個預定位元序列之後，受訓通訊裝置估測通道特性，以及藉由利用對應已接收之一個或多個預定位元序列來分別計算一個或多個訓練通訊裝置之接收天線權重向量。依本發明上述實施例，天線權重向量描述一個或多個傳送/接收波束之特性，例如天線方向或天線增益場型。因此，不同之天線權重向量與不同之波束場型 關聯。依本發明一實施例，通訊裝置之傳送及/或接收波束場型係依據至少一個參數決定，上述至少一個參數包含傳送及/或接收信號之相位與強度、天線數目、天線佈局、以及通訊裝置之每一天線元件之各自傳送及/或接收波束場型。此外，依本發明一實施例，依已接收之一個或多個預定位元序列而擷取之通道特性包含天線方向、天線之相位轉動向量(phase rotating vector)、最佳天線組態等等之組合。舉例而言，受訓通訊裝置藉由已接收之一個或多個預定位元序列計算一權重向量作為訓練結果，上述權重向量可最大化信號雜訊比(signal to noise ratio)，並將訓練結果回傳至對應之訓練通訊裝置。再舉一例，受訓通訊裝置藉由已接收之一個或多個預定位元序列擷取一最佳天線碼作為訓練結果，並將訓練結果回傳至對應之訓練通訊裝置。

如上所述，與波束成形訓練相關之資訊係藉由利用唯一之識別符號而被傳送至一個或多個訓練通訊裝置。與波束成形訓練相關之資訊包含已估測之通道特性與一個或多個預定位元序列於受訓通訊裝置之接收時間。因此，訓練通訊裝置依據載送於相關資訊中之接收時間可知道哪個預定位元序列被受訓通訊裝置接收以估測通道特性，及/或受訓通訊裝置已接收之預定位元序列係於哪個扇形內傳送以估測通道特性。

依本發明實施例，於一個或多個訓練通訊裝置自受訓通訊裝置接收到載送相關資訊之一個或多個響應訊息之後，可完成波束成形訓練期。基於本發明提出之波束成形訓練方法，超過一個之訓練通訊裝置可於一個訓練期內並 行地訓練受訓通訊裝置，從而實現多對一波束成形訓練。

雖然本發明係以特定實施例來說明，其並非用於限制本發明之範疇。舉凡熟悉本案之人士援依本發明之精神所做之等效變化與修飾，皆應涵蓋於後附之申請專利範圍內。因此，本發明藉由後附之申請專利範圍及其等效變化界定。

10~60‧‧‧時間點

100~400‧‧‧通訊裝置

S201~S205、S401~S403‧‧‧步驟

本發明可藉由閱讀後續之詳細描述與範例並參考附圖得到充分理解，其中：第1圖係依本發明實施例之通訊系統的示意圖；第2圖係依本發明實施例之藉由受訓通訊裝置執行之波束成形訓練方法的流程圖；第3圖係依本發明實施例之於保留時間段內之不同時間點上受訓通訊裝置之接收角度之多個範例的示意圖；以及第4圖係依本發明實施例之藉由訓練通訊裝置執行之波束成形訓練方法的流程圖。

10~60‧‧‧時間點

100~400‧‧‧通訊裝置

Claims (11)

1. 一種波束成形訓練方法，用於於一通訊系統中利用一個或多個訓練通訊裝置對一受訓通訊裝置實施波束成形訓練，該波束成形訓練方法包含：宣佈用於自該一個或多個訓練通訊裝置接收一個或多個預定位元序列之一第一時間段，其中該一個或多個預定位元序列中之每一者皆載送用以識別一訓練通訊裝置之一識別符號；依一第一預定規則將該受訓通訊裝置之一接收天線場型切換至一扇形，其中該扇形之一角度係依據該接收天線場型之一組態而決定；依一第二預定規則於一第二時間段內保持該扇形並監聽該一個或多個預定位元序列；估測一通道特性以及藉由利用對應之已接收之該一個或多個預定位元序列來分別計算該一個或多個訓練通訊裝置之接收天線權重向量；以及藉由利用該識別符號將與波束成形訓練相關之一資訊傳送至對應之該一個或多個訓練通訊裝置，其中該資訊包含已估測之該通道特性與該一個或多個預定位元序列各自之接收時間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之波束成形訓練方法，更包含：依該第一預定規則將該受訓通訊裝置之該接收天線場型切換至一另一扇形；以及依該第二預定規則於一第三時間段內保持該另一扇 形並監聽該一個或多個預定位元序列；其中該切換步驟、該保持步驟以及該監聽步驟係執行於該第一時間段內。
3. 如申請專利範圍第1項所述之波束成形訓練方法，其中該第二預定規則係保持該扇形之該第二時間段足夠長以監聽至少一個預定位元序列。
4. 一種波束成形訓練方法，用於於具有多個訓練通訊裝置之一通訊系統中由一訓練通訊裝置對一受訓通訊裝置實施波束成形訓練，該波束成形訓練方法包含：自該受訓通訊裝置接收關於一第一時間段之一宣佈，該第一時間段係被保留以接收一個或多個預定位元序列；依一第二預定規則於一第二時間段內於至少一個扇形內傳送該一個或多個預定位元序列，其中該至少一個扇形係依一第一預定規則而選擇，該至少一個扇形之一角度係依據該訓練通訊裝置之一傳送天線場型之一組態而決定，且其中該一個或多個預定位元序列中之每一者皆載送用以識別該訓練通訊裝置之一識別符號；以及自該受訓通訊裝置獲得與波束成形訓練相關之一資訊，其中該資訊包含一通道特性與該一個或多個預定位元序列於該受訓通訊裝置之一接收時間，其中該通道特性係由該受訓通訊裝置藉由利用已接收之該一個或多個預定位元序列而估測。
5. 如申請專利範圍第4項所述之波束成形訓練方法，其中該第二預定規則係於該第二時間段內於至少一個扇形 內傳送該一個或多個預定位元序列。
6. 如申請專利範圍第4項所述之波束成形訓練方法，更包含：依該第二預定規則於該第一時間段內於超過一個之扇形內自該多個訓練通訊裝置並行地傳送該一個或多個預定位元序列，其中每一扇形之一角度係依據該對應之進行傳送之訓練通訊裝置之該傳送天線場型之該組態而決定，以及其中該一個或多個預定位元序列中之每一者皆載送用以識別該傳送之訓練通訊裝置之該識別符號。
7. 一種通訊系統，具有多個通訊裝置，該通訊系統包含：一受訓通訊裝置，用於宣佈由一個或多個訓練通訊裝置實施波束成形訓練之一第一時間段，其中該受訓通訊裝置依一第一預定規則將一接收天線場型切換至一扇形以及依一第二預定規則於一第二時間段內保持該扇形，該扇形之一角度係依據該接收天線場型之一組態而決定；以及該一個或多個訓練通訊裝置，用於於該第一時間段內傳送一個或多個預定位元序列以對該受訓通訊裝置實施波束成形訓練，其中該一個或多個預定位元序列係依一第四預定規則於一第三時間段內於至少一個扇形內傳送，該至少一個扇形係依一第三預定規則而選擇，其中該至少一個扇形之一角度係依據該對應訓練通訊裝置之一傳送天線場型之一組態而決定，且該一個或多個預定位元序列中之每一預定位元序列皆載送用以識別傳送該每一預定位元序列 之訓練通訊裝置之一識別符號，其中該受訓通訊裝置接收一扇形內之該一個或多個預定位元序列，估測一通道特性以及藉由利用對應已接收之該一個或多個預定位元序列來分別計算該一個或多個訓練通訊裝置之接收天線權重向量，以及其中該一個或多個訓練通訊裝置自該受訓通訊裝置獲得與波束成形訓練相關之一資訊，該資訊包含已估測之該通道特性與該一個或多個預定位元序列於該受訓通訊裝置之接收時間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之通訊系統，其中該受訓通訊裝置更依該第一預定規則將該接收天線場型切換至多個扇形，該第一預定規則係以一順序方式逐步切換至全部扇形。
9. 如申請專利範圍第7項所述之通訊系統，其中該受訓通訊裝置更依該第一預定規則將該接收天線場型切換至多個扇形，該第一預定規則係以一隨機方式逐步切換至全部扇形。
10. 如申請專利範圍第7項所述之通訊系統，其中該第二預定規則係該受訓通訊裝置保持該扇形之該第二時間段足夠長以接收一個預定位元序列。
11. 如申請專利範圍第7項所述之通訊系統，其中該受訓通訊裝置更於該第一時間段內將該接收天線場型切換至多個扇形，以及依該第二預定規則保持每一扇形以接收該一個或多個預定位元序列。