TWI475823B - 使用類比束引導之傳遞信號之方法、使用此方法之發射站及接收站及使用此方法之前置項結構 - Google Patents
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Description
本發明係關於使用類比束形成傳遞一信號之方法、執行此方法之一發射站及一接收站及使用此方法之特別前置項結構。
本發明係關於利用任一發射方案之無線通信,例如OFDM或類似之方案,且特別關注於毫米波無線通信(例如,在60GHz頻帶)。
對於一些應用,由於例如基於60GHz頻帶中之毫米波無線通信係橫跨超過若干米之距離,故需要高增益天線以克服鏈路預算限制。
使用包含複數個天線或天線元件之天線陣列可獲得此高增益天線,其中輻射束可被電子地引導。此等天線之每一者上的信號係憑藉一放大器/衰減器及移相器或延遲線修改。對於一動態束形成,放大器之增益及移相器之相位可被控制及調整。此可由複數、稱為權數之物而模擬,其模量(或絕對值)代表待應用至一專用於一考慮天線之放大器之增益,及其引數代表待應用至移相器之移相。束形成允許修改天線陣列之靈敏度型樣以使其更具方向性,亦即,以增加沿著一特別方向之靈敏度,及/或其中該信號被假定成沿著一不同方向減少例如對干擾之靈敏度。
對於需要高天線增益之特定應用,吾人可採用包含多個元件之天線。然而,根據基帶處理器之功率消耗及處理需求,對於每一個別天線信號具有一高速類比-數位轉換器是禁止的。因此,較佳地使用類比束形成,亦即,就一接收站結構,其中天線信號係在類比域中修改(移相及振幅增加)、附加及然後藉由一單一類比-數位轉換器數位化。在一些應用中,接收站包含複數個類比-數位轉換器,每一者為複數個天線元件共有(可能幾個、M個類比-數位轉換器,其中M<N,N=天線元件之數量)。類似地,在發射站,一單一數位信號(或幾個數位信號)被轉換成類比且分開在多個天線元件上。每一元件上的類比信號可被個別地修改,正如在接收器中一樣。
然而,由於接收站具有的A/D轉換器(M)比天線元件(N)少,其僅可同時執行M個頻道測量,而一全頻道測量可能需要N個測量。
本發明之一目的是提議一種自一發射站傳遞至一接收站之方法,其允許使用一單一前置項訓練多個天線元件。
本發明之另一目的是提議一種快速組態一類比束形成之方法。
為此,本發明提議一種自一第二站傳遞一信號至一第一站之方法,該第一站具有包含複數個天線之一天線陣列,該方法包含以下步驟:
(a)於每一天線上接收具有一組態欄位及一資料欄位之一個別類比信號,該組態欄位包含重複複數次之一訓練(training)符號,
(b)將至少兩個類比信號組合成一組合信號,其中在每一訓練符號重複期間,調整該複數個天線之至少一天線參數並且測量該組合信號,及
-計算用於該天線陣列上之一類比束形成的待應用之一組天線權數以供接收資料欄位。
因此,在單一前置項之幫助下,接收站(即此處之第一站)當接收不同訓練符號時,可藉由切換其束形成權數來執行更多頻道測量,且因此決定最佳束形成權數。取決於訓練符號之數量,接收站甚至可測量所有天線之信號,及計算最佳組束形成權數,且將其等用於接收後續資料包(datagram)。
在本發明之一示例性實施例中,組態欄位包含訓練符號之重複次數之一指示。例如,預先決定符號之此數量。
在另一實例中,該方法包含自第一站用信號發送該天線陣列之天線數量至第二站之初始步驟。在此一情況下,例如,在第一站之天線數量基礎上決定重複次數。
本發明亦關於一種接收站,該接收站包含:一天線陣列,其包含複數個天線,用於在每一天線上接收具有一組態欄位及一資料欄位之一個別類比信號,該組態欄位包含重複複數次之一訓練符號;組合構件,其用於將至少兩個類比信號組合成一組合信號;調整構件,其用於在每一訓練符號重複期間,調整該複數個天線之至少一天線參數;測量構件,其用於測量以該至少一參數之各者設定所獲得的組合信號;及計算構件,其用於計算用於該天線陣列上之一類比束形成的待應用之用於該調整構件之一組天線權數以供接收該資料欄位。
根據本發明之另一態樣,提議一種用於與根據本發明之先前態樣之一接收站通信的發射站,其包含用於發射具有一組態欄位及一資料欄位之一類比信號之發射構件,該組態欄位包含重複複數次之一序列相同之訓練符號,使得該接收站可使用各自天線設定執行複數個測量以推論一類比束形成。
根據本發明之另一態樣,提議一種前置項結構,該前置項結構具有重複複數次之一序列相同之訓練符號,其經配置使得如本發明主張之接收站可使用各自天線設定執行複數個測量以推論一類比束形成。
從下文描述之實施例,本發明之此等及其他態樣將變得顯而易見且將參考該等實施例闡述本發明之此等及其他態樣。
現在,茲以實例方式,將參考附隨圖式更詳細描述本發明。
本發明係關於在如圖1上說明之一系統中通信之方法,該系統具有至少一第一站100,其可接收信號,及至少一第二站200,其可發射信號。一般而言,且如圖1上之說明,該系統之每一站既可接收信號又可發射信號。
根據本發明之第一站100包含N條天線101至10N,每一者被分別連接至調整構件111至11N。此等調整構件可包含用於調整接收信號之增益之放大器或衰減器,及用於調整其等各自信號之相位之移相器或延遲閘。在此實例中,此等調整構件111至11N是類比的,且藉由一處理單元140動態控制。調整構件供應一信號至一組合構件120,例如,如圖1上說明之加法器。加法器120輸出一組合的類比信號,然後該類比信號被一類比-數位轉換器(ADC)130數位化成一數位信號。處理單元140接收該數位信號以執行測量及予以處理。在本發明之一變體中,第一站100可包含複數個類比-數位轉換器130,每一者為天線陣列之一天線子組共有。
如所說明,第一站100亦可使用同一天線陣列發射信號。切換構件150允許自一接收模式切換至一發射模式。在發射模式下,第一站100之發射鏈是藉由切換構件150連接至天線陣列。當與先前描述之接收鏈比較時,發射鏈具有一對稱結構。在發射模式下,每一天線101至10N被分別連接至調整構件211至21P。此等調整構件211至21P可以是類比的且可類似於接收鏈之調整構件。處理單元140可動態控制天線。此處理單元可首先產生待發送至第二站之一數位信號。此數位信號可藉由一數位-類比轉換器230轉換成一類比信號,且然後該信號係由一多工構件220複製,且被供應至每一調整構件211至21P及發射天線T1至TP。
第二站200具有一類似結構且此後將不進一步描述。
如圖1上之說明,所有站可包含用於同時發射及接收信號之構件,例如,藉由使用同一天線陣列,其等自接收時的一接收鏈切換至發射時的一發射鏈。
當彼此通信時,第一站100及第二站200使用具有圖3上描述之前置項之一信號。此前置項包含複數個訓練符號,標記為L。一L-符號係例如在一單一天線系統中一接收器可用以估算頻道的一預先決定波形。事實上,如第一站100之一接收站可使用調整構件調整一些天線參數,並用此等參數測量信號。因此,其可嘗試若干不同天線設定,且自結果計算束形成權數。一S-符號是由發射器發射的另一訓練符號,接收器可將其用以執行同步化(類似定義於802.11中的長短前置項)。
在根據本發明之束形成系統中,發射站發射具有圖3之結構之封包,其中L-符號之總數為以下任一者:
-藉由標準固定至一適合的數,例如,1、2、4或137。在此情況下可能沒有指示符欄位;或
-是可變的,在此情況下在指示符欄位中用信號發送其等數量。可使用與信號欄位(低資料速率)相同之調變發射指示符欄位,因此其具有可正確解碼之最高可能性。為考慮多個訓練符號,可提供至少一全八位元組(取值0,...,255),因此由此數量指示接續於指示符欄位之L-符號之數量是有意義的。如果提供緊接於同步化符號之後之一第一L-符號,則L-符號之總數可能再多一個,使得接收站可測試其當前束形成權數。指示符欄位中剩餘的八位元組可用於其他目的,例如,當其等角色作為發射器及接收器被顛倒時,用以對接收器指示發射器稍後打算自接收器接收之L符號之數量。
此處,使用一固定編碼&調變方法發射符號(信號欄位)。其中,發射站將其使用的某種編碼&調變方法編碼於遵守該方法之資料符號中。
由於L-符號之數量,當接收不同L-符號時,接收站可藉由切換其束形成權數而執行頻道測量,且因此決定最佳束形成權數。此將於下文更詳細描述。
如圖1中,對於皆使用相同天線用於發射及接收的二個站(如第一站100及第二站200),頻道互易性暗示用於第一站100自第二站200接收之最佳權數亦係用於第一站100發射至第二站200之最佳權數。如果此等站使用不同的天線進行發射及接收,歸因於發射鏈與接收鏈的差異,頻道是非互易的。但是,由於可藉由已知方法測量及校準此等差異,所以可使用此校準確保頻道互易性。
根據本發明之方法之第一實施例,且假定站之頻道互易性,當一站例如第二站200開始與第一站100通信時,其可首先使用一全向發射型樣發射一第一信號。而且,如果第一站100及第二站200最初既不知道其等之最佳束形成權數也不知道彼此的天線元件數量,發射站100將以低資料速率發送其第一封包及使用對應於一完全全向輻射型樣之發射束形成權數V (1)
,亦即,發射之無方向是較佳的,在圖2上之步驟S100。如圖3上顯示,在信號之一指示符欄位320中,第二站200指示其天線元件之數量P,及其正發射多少訓練符號,圖3上標記為L-符號。由於第二站200不知道接收站100具有的天線元件之數量N,其必須任意選擇L-符號之數量。在第一步驟S100,第二站200可選擇K=1。
在步驟S101,第一站100接收具有第一組束形成權數 W (1)
之此封包。由於其僅接收K=1個訓練符號,第一站100無法進行任何最佳化。在步驟S102,第一站100以一使用束形成權數 W (1)
發射且包含P個L-符號之封包回應,其亦可在指示符欄位中指示其具有N個天線元件。第一站100可選擇發射較少L-符號,且其亦可選擇稍較高資料速率用於此封包之資料符號,因為第二站200在步驟S103接收期間可執行接收器束形成。使 V (2)
表示所形成之束形成權數。
然後,在步驟S104,第二站200發射其例如具有N個L-符號及使用束形成權數 V (2)
之第二封包。可以較高速率發射資料符號,因為第一站100現在正完成發射束形成且在第二站200之第二封包接收期間第二站200應可完成接收束形成。事實上,第一站100知道將接著N個L-符號。然後,對於每一L符號,其可調整其調整構件至各自設定及測量接收信號,例如藉由測量信號之品質(CQI測量、信雜比測量等等)。藉由此等,然後其可計算束形成權數。第一站100之束形成之結果是 W (2)
。然後,第一站100再次回應以一用束形成權數 W (2)
發射之封包等等。
所執行之計算之一實例如下。如果第n個天線元件上的基帶信號是由X(n)表示且對應於該天線元件之複數(束形成權數)是W(n),然後接收信號是:
其中N是接收站,例如第一站100之天線元件之數量。
如果前置項包含K個L-符號,接收器測量接收信號(在A-D轉換器之後)用於K不同天線設定。如果束形成權數對應於第k個天線設定且第n個元件是由Wk
(n)表示及一L-符號之接收期間第n個天線元件上的基帶信號是X(n),則在第k個L-符號期間,接收的信號是
在接收R1
,...,RK
之後,接收器立即計算在封包中資料符號之接收期間,其將用於束形成權數。在此上述實例中,假定權數Wk
(n)是正交的。
對於發射站宜再發射一個L-符號,使得接收站亦可使用計算的束形成權數W進行一頻道測量。(當K=1時,不需要此額外符號)。此等權數在由W 1
,...,W K
跨越之空間中提供最佳束形成權數,亦即,束形成提供最高信雜比。如果K=N且W 1
,...,W N
是線性獨立,所形成之束形成權數是最佳的。接收器可自由選擇W 1
,...,W K
。
如果頻道是穩定的,束形成權數V (i)
及W (i)
快速會聚至極限值。然後,由於不需要進一步最佳化,此等站可選擇請求比其等天線元件之各自數量更少的L-符號(例如,僅1)。如果頻道條件改變,其等可再次請求更多L-符號。於每一反覆,站自由選擇其用於K頻道測量期間之基本向量。宜讓第一基本向量等於自先前步驟計算之最佳向量。
在本發明之一變體中,一第一站指示將由另一站在下一發射信號中使用之一位元速率。可基於計算之天線權數組選擇位元速率。例如,如果計算之天線權數不夠精細,由於L-符號之數量太低而不能測試所有可能的設定,第一站將指示一中間資料速率而不是一高資料速率。
在本發明之另一變體中,發射站例如第二站200可發射比接收站100之天線之數量更多的L-符號。例如,其可發射Q
個L-符號,其中Q=
NxP。此可同時用於測試發射及接收天線設定。第二站200可用不同天線設定發射L-符號,該等天線設定隨一預先決定週期變化,例如T,其等於N個L-符號之持續時間。第一站100以不同天線設定接收L-符號,例如每一L-符號各不相同。
可執行設定改變使得每一站更不常改變。例如,如果第一站100及第二站200均具有相同之天線數量,其等可每隔兩個L-符號改變其等各自設定,但是不同相,例如彼此相對正交。
然後,接收站100可計算發射天線權數及接收天線權數並對第二站200發射至少該等發射天線權數,使得後者可在下一發射中使用其等。
在本發明之另一實施例中,發射站發送一序列之Q
個L-符號,其中例如Q
=N+P。此可用於同時測試發射及接收天線設定。如圖4上可見,在形成接收訓練階段(Rx訓練)之N個最前L-符號期間,發射站可用其當前最佳天線設定發射L-符號(在第一發射,可選擇一全向天線設定),及在形成發射訓練階段(Tx訓練)之P個最後L-符號期間,發射站可用不同變化天線設定發射L-符號。在接收側,在接收訓練階段之N個最前L-符號期間,接收站可用不同變化天線設定接收L-符號,且在接收訓練階段之P個最後L-符號期間,接收站可用其當前最佳天線設定接收L-符號。接收站可計算發射站將用以最大化所接收信號功率的束形成權數。然後,在下一訊息中,接收站可對發射站回饋此等權數。
在發射訓練階段期間,可在若干規範之基礎上選擇天線設定。例如,每一L-符號可與不同發射權數Tk相乘(亦即,一指定的訓練矩陣T之第k個行)。事實上,天線陣列之每一天線元件n是藉由訓練矩陣之係數T(n,k)調整,其中T(n,k)是第k個訓練L-符號之發射中的第n個天線元件之發射權數。例如,可使用一Hadamard矩陣。
應注意的是,使用具有正交行之一矩陣特別有利,因為此可輔助接收站處理權數。事實上,如果矩陣之行不是正交的,則接收器在接收之前必須瞭解此矩陣。然而,正交行產生在所有方向輻射的型樣,因此對其他鄰近終端產生干擾。因此,提議使用一傅立葉(Fourier)矩陣。
一N×K傅立葉矩陣F定義為如下:
每一係數,n=0,...,N-1,k=0,...,K-1
N=N1*N2,K=K1*K2,K1>=N1,K2>=N2
n1=n mod N1,n1=0,..,.N1-1,n2=floor(n/N1),n2=0,...,N2-1。
在此實施例之一實例中,天線陣列包含配置在一矩形N2×N1中的N個元件。在此一情況下,F之K行之每一者對應於一指向一特定方向之束,亦即,K決定束指向解析度。
一傅立葉矩陣之主要優點是其容易對接收站發送需要的參數以構造矩陣。
根據此實施例之一變體,區別兩個不同操作模式。在一發現模式期間,該發現模式可以低速率在一特定發現頻道上且以一全向型樣執行,可選擇一全傅立葉矩陣,亦即,K1=N1及K2=N2。然後,需要僅發送N1及N2至接收站。在該發現模式中,兩個站不知道彼此及不知道哪個束形成是最佳的。發射站發送如上文解釋之具有一Q
個L-符號序列的一訊框,其中,例如Q
=N+P。當在此發現模式之後計算一最佳束形成時,兩個站可切換至另一頻道,如一資料頻道,且可開始以較高資料速率通信。
在此通信期間,需要維持一最佳束形成。因此,此等站進入一追蹤模式。在此追蹤模式中,在至少一些訊息的前置項中提供一些訓練符號。由於認為一最佳束形成是已知的,提供與發現階段一樣多的訓練符號可能是無用的。此等訓練符號用以測試當前最佳束形成周圍的一些束形成權數。在此實施例之一實例中,發射站使用一等於當前束形成向量逐點與一傅立葉矩陣之指定行相乘的一矩陣。此提供波瓣接近於當前型樣的適合型樣。使用的行被發送使得接收站瞭解當前訓練矩陣及可進行更多進階處理以獲得新發射權數之較佳估算。
例如,可選擇具有小陣列尺寸之追蹤模式矩陣,例如,K1=N1*4,K2=N2*4用於小陣列尺寸,或K1=N1,K2=N2用於大陣列尺寸。然後,訓練矩陣:使用自一尺寸N×4(或N×8)之傅立葉矩陣中選擇之4(或8)行。僅需要發送N1、N2、K1、K2以確保權數之較佳估算。
可能選擇一縮減的傅立葉矩陣,其中當前最佳束形成權數周圍僅具有少數波瓣。例如,自F中選擇行用於束追蹤
追蹤束:wopt.*F(:,k1k2)。
當前最佳束:(k1,k2)=(0,0)。
最接近之4束:(k1,k2)=(0,1),(0,K2-1),(1,0),(K1.1,0)。
下一最接近之4束:(k1,k2)=(1,1),(1,K2-1),(K1-1,1),(K1-1.K2-1)。
應注意根據本發明之另一實施例,發現模式及/或追蹤模式中的前置項可僅包含一發射訓練階段(且無接收訓練階段),亦即,一序列L-符號,在其期間發射站根據一傅立葉矩陣調整束形成權數。然後,接收站需要一回饋。
無論使用何種發射方案(例如,OFDM、單載波、單載波塊發射或一些其他方法),前置項之結構可被使用。
此方法允許確保束形成權數之計算而不需要對另一站回饋發射。而且,在一單一前置項中,此等站可獲得最佳束形成權數,且可在每次資料發射調整此等權數。
在本說明書及請求項中,在一元件之前之字「一」或「一個」不排除複數個此等元件之存在。另,字「包含(comprising)」或「包含(comprise)」不排除除了所列之外存在其他之元件或步驟。請求項中圓括號中包含的參考標記旨在輔助理解且不打算起限制作用。
經由閱讀本發明,其他修改對熟悉此項技術者將是顯而易見的。此等修改將包含無線電通信之技術中已知及可用以替代或附加至本文已經描述之特徵的其他特徵之中。
100...第一站
101-10N...天線
111-11N...調整構件
120...加法器
130...類比-數位轉換器(ADC)
140...處理單元
150...切換構件
200...第二站
211-21P...調整構件
220...多工構件
230...數位-類比轉換器
圖1是一概略代表根據本發明之第一實施例之包含兩個站之一系統之方塊圖;
圖2是一說明根據本發明之一實施例之方法之流程圖;及
圖3是一時序圖,其代表根據本發明之一實施例之包含一前置項結構之一信號;
圖4是一時序圖,其代表根據本發明之另一實施例之包含一前置項結構之一信號。
(無元件符號說明)
Claims (12)
- 一種自一第二站傳遞一信號至一第一站之方法,該第一站具有包含複數個天線之一天線陣列,該方法包含以下步驟:(a)在該第一站於每一天線上接收具有一組態欄位及一資料欄位之一個別類比信號,該組態欄位包含重複複數次之一訓練符號;(b)將至少兩個類比信號組合成一組合信號,其中在每一訓練符號重複期間,調整該複數個天線之至少一天線參數並且測量該組合信號;及計算用於該天線陣列上的一類比束形成的待應用之一組天線權數以供接收該資料欄位,其中該第一站指示由該第二站在下一發射信號中待使用的一位元速率,該位元速率係基於該組合信號之信號品質而選擇,其中該組合信號在被測量之前經數位化。
- 如請求項1之方法,其中該等天線參數包含每一天線信號之相位及振幅。
- 如請求項1之方法,其中該第二站包含具有複數個發射天線之一發射天線陣列,且該方法進一步包含:在每一訓練符號重複期間,在該第二站調整該複數個發射天線之該第二站之至少一天線參數;在該第一站計算一組發射天線權數及一組接收天線權數;在該第一站,將該組發射天線權數發送至該第二站以 供用於下一發射期間。
- 如請求項1之方法,其中該第二站包含具有複數個發射天線之一發射天線陣列,該方法包含在該第二站使用一全向輻射型樣開始與接收站通信。
- 如請求項1之方法,其中該第一站發射該傅立葉矩陣之至少一參數,使得該第二站可在此至少一參數之基礎上建置該傅立葉矩陣。
- 一種用於無線通信之接收站,其包含:一天線陣列,其包括複數個天線,用於在每一天線上接收具有一組態欄位及一資料欄位之一個別類比信號,該組態欄位包含重複複數次之一訓練符號;組合構件,其用於將至少兩個類比信號組合成一組合信號;調整構件,其用於在每一訓練符號重複期間調整該複數個天線之至少一天線參數;測量構件,其用於測量以該至少一參數之各者設定所獲得的該組合信號;及計算構件,其用於計算用於該天線陣列上之一類比束形成的待應用之用於該調整構件之一組天線權數以供接收該資料欄位,其中該接收經調適用於指示由該第二站在下一發射信號中待使用的一位元速率,該位元速率係基於該組合信號之信號品質而選擇,且其中該組合信號在被測量之前經數位化。
- 一種用於與如請求項6之接收站通信之發射站,其包含 用於發射具有一組態欄位及一資料欄位之一類比信號的發射構件,該組態欄位包含重複複數次之一序列相同的訓練符號,使得該接收站可用各自之天線設定而執行複數個測量以用於推論一類比束形成。
- 一種自一第一站傳遞一信號至一第二站之方法,該第一站具有包含複數個天線之一天線陣列,該方法包含以下步驟:(a)在該第一站憑藉該天線陣列發射藉由對應於該天線陣列之每一天線之個別類比信號之組合所形成之一組合信號,該等個別類比信號具有一組態欄位,該組態欄位包含重複複數次之一訓練符號,其中該發射步驟包含根據以一傅立葉矩陣為基礎之一訓練矩陣,在每一訓練符號重複期間調整該複數個天線之每一天線之至少一天線參數之子步驟;及(b)在該第二站接收及測量該組合信號,測量對應於每一訓練符號之至少一參數,及用信號發送基於該等測量參數的一指示至該第一站,其中該組合信號在被測量之前經數位化;(c)在該第一站自基於該等測量參數的該指示計算一組發射天線權數。
- 如請求項8之方法,其中藉由一先前計算的最佳組發射天線權數與一傅立葉矩陣之至少一行逐點相乘而獲得該訓練矩陣。
- 如請求項8或9之方法,其中藉由在該等符號之該等測量 參數之基礎上計算束形成權數而獲得基於該等測量參數之該指示。
- 如請求項8之方法,其中重複該等步驟直至找到一最佳組束形成權數,且一旦已經找到該最佳組束形成權數,該第一站與該第二站之間的通信被切換至一不同頻道。
- 一種無線電站,該無線電站包含用於傳遞一信號至另一無線電站之構件,該無線電站包含:一天線陣列,其包含複數個天線;用於憑藉該天線陣列發射及測量藉由對應於該天線陣列之每一天線之個別類比信號之組合所形成之一組合信號的構件,該等個別類比信號具有一組態欄位,該組態欄位包含重複複數次之一訓練符號,其中該組合信號在被測量之前經數位化;用於根據以一傅立葉矩陣為基礎之一訓練矩陣在每一訓練符號重複期間調整該複數個天線之每一天線之至少一天線參數之構件;用於接收來自該另一無線電站之基於測量參數之一指示之構件,該等測量參數對應於每一訓練符號;用於自基於該等測量參數之該指示計算一組發射天線權數之構件。
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