WO2012037769A1

WO2012037769A1 - 无线通信系统和用于无线通信系统的波束形成训练方法

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Publication number: WO2012037769A1
Application number: PCT/CN2011/000987
Authority: WO
Inventors: 吴晔; 雷鸣
Original assignee: 日电（中国）有限公司
Priority date: 2010-09-26
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2012-03-29
Also published as: JP2013538492A; CN102412881B; US20130083865A1; CN102412881A; US9191079B2; JP5739532B2

Description

无线通信系统和用于无线通信系统的波束形成训练方法技术领域

本发明总地涉及无线通信，更具体而言涉及无线通信系统和用于无线通信系统的波束形成（beamfo说miing) 训练方法。龍

波束形成是充分利用多天线阵列的分集技术。对于毫米波系统，例如 60 GHz无线个人区域网络（WPAN) /无线书局域网（WLAN) 系统，由于系统内部的高路径损耗，波束形成变得极为重要。诸如扇区天线、 1D/2D 相控天线阵列之类的不同天线配置能够支持波束形成。对于 60GHz应用，预期能够支持大约 30 dBi天线增益的基于 CMOS的低成本相控天线阵列被认为是对抗 60GHz频谱上的高路径损耗的有效方式。

最近的 60 GHz 的物理（PHY ) 层标准，例如无线 HD ( Wireless HD) 、 Wigig. IEEE 802.11ad, 都支持单载波和正交频分复用（OFDM) 这两种传输模式。然而，这两种传输模式中的波束形成在实现上几乎没有差异。

波束形成训练对于相互通信的一对通信台站实现最优的发送天线权重向量（transmit antenna weight vector, 简称为 TX AWV，也可称为发送波束形成向量）和接收天线权重向量（receive antenna weight vector, 简称为 RX AWV, 也可称为接收波束形成向量）是必要的。

美国专利申请公布 US 20090318091 A1中公开了一种利用串接训练序列来进行一对多同时波束形成训练的系统。在该系统中，一个发送台站首先生成由 n个子训练序列构成的串接训练序列。在通过包括多个天线单元的发送天线阵列发送每个子训练序列时，应用一个独特的 TX AWV来区分这多个天线单元上的相位，以便使得发送出的子训练序列具有独特的波束样式。发送台站发送此串接训练序列，以用于同时训练多个接收台站。基于某些度量，例如容量、信号噪声比（SNR) ，这些接收台站中的每一个分别确定相对于该接收台站而言的最优 TX AWV，并将其反馈给发送台站。

基于码本（codebook) 或其他规则，发送台站所应用的多个 TX AWV 是预定的，并且是发送台站和多个受训接收台站已知的。因此，多个接收台站可以很容易地反馈其各自的最优 TX AWV。

在典型的 IEEE 802.11ad密集用户会议室环境中，多对台站需要同时收发数据并且个人基本服务集（PBSS) 的控制点（PCP) 充当所有台站的网络协调者。由于多对台站需要执行主动式 /按需式波束形成训练，所以基于时分复用接入（time division multiplexing access, TDMA) 竞争的逐一训练方法将会太过耗时。也就是说，在现有技术中，多个通信对必须在不同时间段中执行波束形成训练，这是耗时的并且频谱效率不高。发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种无线通信系统和用于无线通信系统的波束形成训练方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种无线通信系统，包括：各自包括发送天线阵列的多个发送台站，所述多个发送台站在同一时间段中通过各自的发送天线阵列发送训练序列；以及与所述多个发送台站分别对应的、各自包括接收天线阵列的多个接收台站，所述多个接收台站中的每个接收台站通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并获取与该接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息，所述信道信息被用于确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量和所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量中的至少一者。

根据本发明的另一个方面，提供了一种在包括多个发送台站和与所述多个发送台站分别对应的接收台站的无线通信系统中进行波束形成训练的方法，包括：训练序列发送步骤，所述多个发送台站在同一时间段中通过各自的发送天线阵列发送训练序列；训练序列接收步骤，所述多个接收台站中的每个接收台站通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列；信道信息获取步骤，获取与所述多个接收台站中的每个接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息；以及优化天线权重向量确定步骤，基于所述信道信息来确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量和所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量中的至少一者。附图说明

在附图中以示例而非限制方式示出了本发明的实施例。在各幅图中相同或相似的标号指代相同或相似的特征。

图 1 示出了在主动式波束形成训练的情况下的无线通信系统的示意图。

图 2示出了图 1所示的无线通信系统中的协调器、发送台站和接收台站的示例性功能框图。

图 3示出了根据本发明第一实施例的主动式同时波朿形成训练的方法的流程图。

图 4示出了根据本发明第二实施例的主动式同时波朿形成训练的方法的流程图。

图 5示出了在按需式同时波束形成训练的情况下无线通信系统的示意图。

图 6示出了根据本发明第三实施例的同时波束形成训练的方法的流程图。

图 7示出了根据本发明第四实施例的同时波束形成训练的方法的流程图。

图 8示出了本发明中可使用的训练序列的一个示例。

图 9示出了本发明中可使用的训练序列的另一个示例。 ^

下面参考附图来详细描述本发明的实施例。概括来说，本发明提供了无线通信系统和在无线通信系统中执行主动式或按需式同时波束形成训练的方法。

图 1示出了在主动式波束形成训练的情况下的无线通信系统 1的示意图。

如图 1所示，无线通信系统 1包括 N个作为发送方的通信台站〔以下简称为发送台站或 TX台站） 10_b 10₂, 和 le 以及 N个作为接收方的通信台站（以下简称为接收台站或 RX台站） 20^ 20₂， ...，和 20^，其中 N是大于 1的整数。

发送台站 10_h 10₂， ...，和 1( 与接收台站 20 20₂，和 20^分别相对应，从而形成 N个通信对。即，发送台站 10_b 10₂， ...，和 1( 与接收台站 20_1; 20₂, ...，和 20jv想要执行一对一无线通信。例如，发送台站 lOt将向接收台站 20,发送无线信号，从而两者构成第 1通信对；发送台站 10₂将向接收台站 20₂发送无线信号，从而两者构成第 2通信对； ……；依此类推，发送台站 IOJV将向接收台站 20^发送无线信号，从而两者构成第 N通信对。

另外，在无线通信系统 1中，第通信对的接收台站 20,.除了能够经由其与发送台站 10,之间的无线链路（可以称为第通信对的 "本链路"，在图 1 中用实线表示）接收到从发送台站 10,发送来的无线信号之外，也可能经由其与其他发送台站 1( ( = l, 2, ...，N， g = l，2，..., N且？ ί') 之间的无线链路（可以称为第通信对的 "交叉链路" ，在图 1 中用虚线表示）接收到从其他发送台站发送来的无线信号。

发送台站 10 10₂， ...，和 IOJV中的每一个包括用于发送无线信号的发送天线阵列，该发送天线阵列可以包括多个天线单元。这里，假定发送台站 10,· ( ί· = 1，2，...，Λ 的发送天线阵列包括个天线单元，其中 ί,·是大于 1的整数。

接收台站 20 20₂, ...，和 20W中的每一个包括用于接收无线信号的接收天线阵列，该接收天线阵列可以包括多个天线单元。这里，假定接收台站 20,· a = 1， 2, N) 的接收天线阵列包括个天线单元，其中是大于 1 的整数。为了进行波束形成，在发送台站处，对发送天线阵列中的每个天线单元应用相位偏移并且还可能应用幅度缩放；在接收台站处，对接收天线阵列中的每个天线单元应用相位偏移并且还可能应用幅度缩放。

天线权重向量（AWV) 也可以称为波束形成向量，其描述了在波束形成时向天线阵列中的每个天线单元应用的相位偏移（也可能有幅度缩放）。以下，发送台站的发送天线阵列的天线权重向量也可简称为 TX AWV, 接收台站的接收天线阵列的天线权重向量也可简称为 RX AWV。

一个发送台站处可以使用多个不同的发送天线权重向量。每个发送台站可使用的这些天线权重向量构成一个矩阵，矩阵中的每一列（或每一行）是一个天线权重向量。该矩阵被称为发送码本或简称为 TX码本。在一个实施例中，发送台站的 TX码本是方阵，即该发送台站的 TX AWV的数目等于该发送台站的发送天线阵列所包括的发送天线单元的数目。在一个实施例中， TX码本可以采取酋矩阵的形式，矩阵的列数等于相应发送台站的发送天线阵列所包括的天线单元的数目。例如，对于 = 1， 2,…， N, 其发送天线阵列中包括个天线单元的发送台站 10,.的 ΤΧ码本 W,可以是如下 1 散傅立叶矩阵：

其中 w_{i = e}-」 ''， W,.的第列 w_i;Jt是第 :个发送天线权重向量， k = 1, 2, ...₅ /_ίο 本领域的技术人员将清楚， ΤΧ码本不限于上述示例，而是可以采取其他形式。注意，在本文中， [.]^τ表示向量或矩阵的转置， [.]^Η表示向量或矩阵的埃米特共轭。

类似地，一个接收台站处可以使用多个不同的接收天线权重向量。每个接收台站可使用的这些天线权重向量构成一个矩阵，矩阵中的每一列 (或每一行）是一个天线权重向量。该矩阵被称为接收码本或简称为 RX 码本。在一个实施例中，接收台站的 RX码本是方阵，即该接收台站的 RX AWV的数目等于该接收台站的接收天线阵列所包括的接收天线单元的数目。在一个实施例中， RX码本可以采取酋矩阵的形式，矩阵的列数等于相应接收台站的接收天线阵列所包括的天线单元的数目。例如，对于 = 1， 2，…， N, 其接收天线阵列中包括 r,个天线单元的接收台站 20,.的 RX码本 D,可以叶矩阵：

(式 2) 其中 4 = _e-w， j d 。 D,的第 A:列是第；t个接收天线权重向量，其中 = 1， 2， ...， r_io 本领域的技术人员将清楚， RX码本不限于上述示例，而是可以采取其他形式。

无线通信系统 1还包括协调器 30，它是无线通信系统 1 中的控制 /协调点，负责控制和协调所有发送台站 10_h 10₂， ...，和 1(½和接收台站 20， 20₂,…，禾 Π 20ΛΓ。

在一种实现方式中，发送台站 10 10₂, ...，和 1( 和接收台站 2( 20₂, ...，和 20^构成一个基本服务集（BSS) /个人基本服务集（PBSS) 。在此情况下，协调器 30可以是该 BSS中的接入点（AP) 或者 PBSS中的控制和协调点（PCP) ，并且台站经由协调器 30相互通信。

在无线通信系统 1 中，多对发送台站和接收台站可同时进行无线通信，并且如上所述，每个接收台站不仅可接收到从与其相对应的发送台站 (即，该接收台站预期与之通信的发送台站）发送来的无线信号，还可能接收到从其他发送台站发送来的无线信号。为了使得接收台站 20₍能够以尽可能高的质量接收到从发送台站 10,.发送来的信号（本链路的信号）并且所受到的来自交叉链路的干扰尽可能小，可以对发送台站 10,·的发送天线阵列和接收台站 20,·的接收天线阵列进行波束形成训练来确定优化的 TX AWV和优化的 RX AWV。

在本发明中，发送台站 10₁₅ 10₂，…，和 1( 在同一时间段中通过各自的发送天线阵列基本同时地发送训练序列（training sequence , 也可简称为 TS) ，并且接收台站 2(^, 202，...，和 2( 中的每一个通过各自的接收天线阵列接收由各发送台站 10i, 10₂, ...，和 IOJV发送的各个训练序列，并获得与该接收台站和各发送台站 10b 10_2j ...，和 10w之间的各个链路（包括本链路和交叉链路）的信道状况有关的信息（可称为信道信息）。然后，该信息被用于确定发送台站 10₁₅ 10₂， ...，和 1( 的发送天线阵列的优化 TX AWV和接收台站 20 20₂, ...，和 20_w的接收天线阵列的优化 RX AWVo 下文中将对此进行详细描述。

正如本领域的技术人员可理解的，这里的训练序列可以是系统中收发的帧中包含的前导序列（preamble sequence ) 。

图 2示出了无线通信系统 1中的协调器、发送台站和接收台站的示例性功能框图。作为示例，图 2只示出了一对发送台站 10,·和接收台站 20,-，其他发送台站和接收台站可具有类似的功能配置。

发送台站 10,·包括协调器交互单元 101,·、 AWV设定单元 102,·以及训练序列发送单元 103,·。协调器交互单元 101,·用于向协调器 30发送请求，以及接收从协调器 30通知来的所分配时隙、训练序列索引和优化 TX AWV、空间复用指示等等。 AWV设定单元 102,·用于设定发送台站 10,·的发送天线阵列（图 2中未示出）的天线权重向量。训练序列发送单元 103,- 用于根据 AWV设定单元 102,·的设定，经由发送台站 10,·的发送天线阵列来发送训练序列。

接收台站 20,·包括协调器交互单元 201,.、计算单元 202,·、 AWV设定单元 203,.以及训练序列接收单元 204,.。协调器交互单元 201,.用于向协调器 30 反馈信道信息等等，以及接收从协调器 30通知来的所分配时隙、训练序列索引、空间复用指示等等。 AWV设定单元 203,·用于设定接收台站 20,的接收天线阵列（图 2中未示出）的天线权重向量。训练序列接收单元 204,· 用于根据 AWV设定单元 202,.的设定，经由接收台站 20,·的接收天线阵列来接收从系统中的发送台站发送来的训练序列。另外，计算单元 20¾用于根据训练序列接收单元 204₍接收到的训练序列，来估计与该接收台站和各发送台站之间的各个链路（包括本链路和交叉链路）的信道响应，计算木链路的接收方信号与干扰和噪声比（SINR ) 、本接收台站的优化 RX AWV等等。协调器 30包括台站交互单元 301、安排单元 302、计算单元 303以及空间复用判定单元 304。台站交互单元 301用于接收从台站发送来的请求和反馈信息，并向台站发送通知等等。安排单元 302基于 SP可用性来安排基于空间复用的同时波束形成训练。计算单元 303根据从台站反馈来的信息来计算各发送台站的优化 TX AWV、各链路的发送方信号与泄漏和噪声比（SLNR ) 等等。空间复用判定单元 304用于基于台站反馈来的信息和计算单元 303的计算结果等等来判定是否能进行空间复用。

下面结合图 1-4来描述在无线通信系统 1中执行主动式同时波束形成训练的情况下的过程流程。

图 3示出了根据本发明第一实施例的主动式同时波束形成训练的方法的流程图。

在初始化阶段（可包括步骤 S101-S103 ) 期间，在步骤 S101中，如图 1所示的无线通信系统 1中的 N个通信对的发送台站 10_b 10₂, ...，和 10_w作为服务发起者向协调器 30发送服务时段（SP) 请求和各自的 TX码本。例如，第 i通信对的发送台站 10,· ( i = 1， 2， ..., Ν) 可通过其协调器交互单元 101,.向协调器 30发送 SP请求和其 ΤΧ码本。发送台站 10i的可如以上式（1 ) 所示。注意，如果协调器 30 巳预先通过某种方式获知系统中的各发送台站的 TX码本，则此处发送台站无需向协调器 30发送 TX码本。

在步骤 S102中，在接收到来自各通信对的发送台站 10_l5 10₂，…，和 1( 的主动 SP请求后，协调器 30基于 SP可用性来安排基于空间复用的同时波束形成训练。例如，协调器 30可以经由其台站交互单元 301接收 SP 请求和 TX码本，并且利用其安排单元 302来安排基于空间复用的同时波朿形成训练。

一旦决定了空间复用，在步骤 S103中，协调器 30就将所安排的时隙和为每一通信对分配的训练序列索引通知给这多个通信对的服务发起者 (发送台站 10_υ 10_2> ...，和和服务响应者（接收台站 20， 20₂,…，和 20^) 。例如，协调器 30可经由其台站交互单元 301将上述时隙和索引通知给各发送台站 10_b 10₂， ...，和 1( 和接收台站 20， 20₂, 和 2(^。

在一个实施例中，所安排的时隙是发送训练时隙，其中包括个发送训练子时隙。 rN等于无线通信系统 1中的所有 N个发送台站 10₁₅ 10₂， ...，和 1CV的 TX码本矩阵的最大列数，亦即等于具有最多发送天线单元的发送台站的发送天线单元数目。

另外，为了说明简单，这里假定为第通信对分配的训练序列的索引等于在图 1 中为了说明而为该通信对分配的索引。然而，本领域的技术人员应明白，本发明并不限于此。

发送台站 10,·和接收台站 20_;—旦得知了分配给第 ΐ通信对的训练序列索引，就可以推导出分配给该通信对的训练序列。这样，由于训练序列是发送台站和接收台站双方已知的，因此每个接收台站在接收到训练序列时可以估计其与各个发送台站之间的信道响应。另外，在本发明中，由于各个通信对使用的训练序列之间是正交的，因此每个接收台站在接收到训练序列时可以分辨出该训练序列是由与自身相对应的发送台站还是其他发送台站发送的。

用 TS,表示分配给第通信对的训练序列，该训练序列可包括 Μ个符号。这里，假定系统中的 N个通信对的训练序列的长度均为 Μ。通常， Λ 为大于 1的整数。在下文中将结合图 8和 9更详细描述训练序列的示例。

接下来，进入发送训练阶段。发送训练阶段大体上包括步骤 S104 - S108。

在步骤 S104中，接收台站 2( ， 20₂， ...，和 20w将各自的接收天线阵列的天线权重向量固定到某个 RX AWV。在各个接收台站之间，这个固定 RX AWV可以相同或不同。另外，这个 RX AWV可以是最常用的或者是遵循其他选择标准来选择的。例如，接收台站 20,可利用其 AWV设定单元 203,将其接收天线权重向量固定为 Di中的某一列。

在步骤 S105 中，在所分配的各个发送训练子时隙中，发送台站 10,， 10₂，…，和 1( 从各自的 TX码本中取出不同的一列 TX AWV，将取出的 TX AWV应用到各自的发送天线阵列以调节各个天线单元的相位（和幅度），并且基本同时地经由各自的发送天线阵列发送各自的训练序列。

例如，发送台站 10,.在第 (k = 1， 2, ...，个发送训练子时隙中利用其 AWV设定单元 10 向其发送天线阵列应用第 A个 TX AWV (例如，中的第列），并利用其训练序列发送单元 103,经由其发送天线阵列的每个天线单元发送训练序列 TS,。与此同时，系统中的其他发送台站在第 k 个发送训练子时隙中也进行类似的操作。

在步骤 S106中，相应地，各接收台站 20₁，20₂，...，和2(^在固定其11 AWV的情况下接收各发送台站 10₁ 10₂, 和 1CW发送的训练序列。例如，接收台站 20,·利用其训练序列接收单元 204,·经由其接收天线阵列来接收训练序列。这里，接收台站 20,·除了接收到与自身相对应的发送台站 10,· 发送的训练序列外（即，本链路的信号），也将接收到系统中的其他发送台站发送的训练序列（即，交叉链路的信号）。

假设在整个发送训练时隙中，接收台站 20,·经由其接收天线阵列接收到的、从第 q个发送台站 10 发送的训练序列构成一个矩阵 TR^ (i = 1， 2, ...,N， q= l, 2, ...,N 如下：

(式 3) 其中 s是符号索引， s= l，2，...，M_; 是子时隙索引， k= l,2, ...,t_i0

用 _g,_s表示上述矩阵中的一行，则 _q，_s可以被称为特定发送加权信道冲击响应（CIR) ，其是信道信息的一种，是由接收台站 20测量到的，其可以被表达如下：

(式 4) 其中 d_f是接收台站 20,·在发送训练时隙期间的固定 RX AWV, h,表示在第 s个符号时刻的多输入多输出（MIMO) CIR, 并且是第 g个发送台站 10g的 TX码本。

然后，在步骤 S107中，各接收台站 20,， 20₂,…，和 20_w对于各自的本链路和交叉链路，进一步获取（估计）与各链路的信道状况有关的信道信息，并且将所获取的信道信息与各自的 RX码本的大小（例如，列数）告知协调器 30。例如，接收台站 20,.可利用其计算单元 202,·得到上述信道言息，并利用其协调器交互单元 201,.来将所得到的信道信息和 RX码本大小反馈给协调器 30。

上述信道信息可包括信道冲击响应（CIR) 、所有子载波上的平均频域信道响应（CR) 、所有子载波上的 CR协方差矩阵中的任一种。

具体而言，第个通信对的接收台站 20,·与第个发送台站 10_g之间的链路的相对于第 s个符号的信道冲击响应（CIR) 为如上所述的 „。

上述 CIR可被转换成第 c个子载波的频域信道响应 Χ^_ε，其可以被表达为：

K H_CW (式 5) 其中 _C是子载波的索引， c = l，2, ...，C, 其中 C表示子载波的总数。

所有子载波的平均频域 CR_A可以通过下式获得：

CR_l!q (式 6)

CR协方差矩阵 CM^可以通过下式获

CM^ =φ， ∑Χ Ί (式 7) 每个接收台站 20,· G'= 1，2，...，N) 将 ,_s. (g= l,2, ...,N, s = 1， 2，…， ) 或者 CR^ (q = 1, 2, ...,N) 或者 CM^ (q = 1， 2,…， N) 作为信道信息，连同其 RX码本的大小（列数）一起反馈给协调器 30。注意，如果协调器 30巳预先通过某种方式获知系统中的各接收台站的 RX码本，则此处接收台站无需向协调器 30通知 RX码本的大小。另外，在一种实现方式中，信道信息可以被进一步量化，以便减少开销。

在步骤 S108中，在接收到来自各接收台站 20^ 20₂，…，和 20_w反馈的信道信息以及 RX码本大小之后，协调器 30为各通信对计算优化的 TX AWV和作为链路泄漏状况的度量的 SLNR，安排接收训练时隙，并将计算出的优化 TX AWV告知各发送台站 10_υ 10₂, ..·,和 W_N，同时将所安排的接收训练时隙告知各发送台站， 10₂,…，和 10_w和各接收台站 20,, 20₂,…，和 20w。例如，协调器 30可利用其台站交互单元 301接收来自各接收台站的反馈，利用其计算单元 303计算优化 TX AWV和 SLNR, 利用安排单元 302安排接收训练时隙，并利用其台站交互单元 301将计算出的 TX AWV 告知各发送台站，以及将所安排的接收训练时隙告知各发送台站和接收台站。

具体而言，第 Ϊ'通信对的发送台站 10,·的优化 TX AWV可利用下式来计算：

R (式 8 )

其中 eig(.)表示最大的特征向量， N。是加性白高斯噪声（AWGN) 的单边功率谱密度（PSD ) 。

如果从接收台站反馈回的是 CIR, 则协调器 30可以先利用以上的式 6 或式 7来计算平均频域信道响应或 CR协方差矩阵，再利用以下的式 9或式 10来计算上式中的 R, 中。如果从接收台站反馈回的是平均信道响应 CR^或者 CR协方差矩阵 CM , 则协调器 30可以直接利用以下的式 9或式 10来计算上式中的 R 。

R, q = W.CR^CR^W; (式 9) R^ W'.CIV^W (式 10) 然后，协调器 30可发送方 sum:

SLNR_; (式 11 )

另外，协调器 30还可以参考各接收台站 20,， 20₂，…，和 2( 告知的 RX 码本的大小，来安排接下来的接收训练时隙。所安排的接收训练时隙可包括 RN个子时隙。 RN等于无线通信系统 1 中的所有 N个接收台站 20₁₅ 20₂，…，和 20^的 RX码本矩阵的最大列数，亦即等于具冇最多接收天线单元的接收台站的接收天线单元数目。

然后，协调器 30将为第通信对计算出的优化 TX AWV (即通知给发送台站 10,.，并且将所安排的接收训练时隙告知各发送台站和接收台站。

接下来，进入接收训练阶段。接收训练阶段大体上包括步骤 S109 - Slllc

具体而言，在步骤 S109中，各发送台站 10₁₅ 10₂,…，和 1( 将各自的发送天线权重向量固定为从协调器 30通知来的优化 TX AWV。即，发送台站 10,·将其发送天线权重向量固定为 _W 。在将其发送天线向量固定为优化的 TX AWV的情况下，各发送台站 10,， 10₂， ...，和 10w在每个接收训练子时隙中基本同时地发送相应的训练序列 TS,。例如，每个发送台站 10,·在所安排的个接收训练子时隙中利用其 AWV设定单元 102,·向其发送天线阵列应用 w'，并利用其训练序列发送单元 103,.经由其发送天线阵列的每个天线单元发送训练序列 TS, -。

然后，在步骤 S110中，各接收台站 20,， 20₂， ...，和 2( 在各个接收训练子时隙中切换其 RX AWV, 并接收各发送台站发送的训练序列。

例如，接收台站 20i在第 (k = l, 2， ...，个接收训练子时隙中利用其 AWV设定单元 203_;向其接收天线阵列应用第 :个 RX AWV (例如，中的第列），并利用其训练序列接收单元 204,·经由其接收天线阵列接收从各发送台站发送来的训练序列。

这里，接收台站 20,除了接收到与自身相对应的发送台站 10,·发送的训练序列外（即，本链路的信号），也将接收到系统中的其他发送台站发送的训练序列（即，交叉链路的信号）。

假设在整个接收训练时隙中，接收台站 20,·经由其接收天线阵列接收到的、从第 q个发送台站 10₉发送的训练序列构成一个矩阵 RR^ " = 1,

■■，Λ 9 如下：

(式 12) 其中 s是符号索引， _S = 1，2，...，M_; k是子时隙索引， = 1，2, ...， ·, -。

用 y,.，^表示上述矩阵中的一列，则可以被称为特定接收加权信道冲击响应 CIR，其是信道信息的一种，是接收台站 20,·测量到的，其可以被表达如下：

yi,_q,s = Dfh.w (式 13 ) 其中是接收台站 20,的 RX码本， h_s表示第 s个符号吋刻的多输入多输出（MIMO ) CIR, 并且 w'q是第 g个发送台站 10在接收训练阶段期间的固定 TX AWV。

在步骤 S111中，各接收台站 20_b 20₂， ...，和 2( 对于各自的本链路和交叉链路，进一步获取（估计）与各链路的信道状况有关的信道信息，并进而计算出优化的 RX AWV以及作为各链路的链路质量的度量的 SINR，然后将计算出的 SINR反馈给协调器 30。例如，接收台站 20,可利用其计算单元 202,.来得出上述信道信息、优化 RX AWV和 SINR、并利用其协调器交互单元 201,.来将所计算出的 SINR反馈给协调器 30。

具体而言，第 i个通信对的接收台站 20,与第 g个发送台站 10之间的链路的相对于第 s个符号的信道冲击响应（CIR) 为如上所述的>^,。

该 CIR可被转换成第 c个子载波的频域信道响应，其可以被表达为：

Y ,,c = D H_cw'₉ (式 14 ) 其中 c是子载波的索引， c = l, 2，. ..，C，其中 C表示子载波的总数。

所有子载波的平均频域信道响应 CR ^可以通过下式获得 -

CR,, - £(Y_i,J = ^∑Y_i,._c (式 15 )

CR协方差矩阵 CM^可以通过下式获得- (式 _{16 )}

接收台站 20,.进而利用下式来计算其与发送台站 10,·之间的通信的优化 RX AWV: + N₀】 (式 17)

其中 eigO表示最大的特征向量， N_Q是加性白髙斯噪声（AWGN) 的单边功率谱密度（PSD ) 。

取决于接收台站 20,·计算的是平均频域信道响应还是 CR协方差矩阵 CM^，上式中的 ^可以如下计算：

R_{i q}

(式 18 )

R_{i q} = D'CM _{; <?}D (式 19 ) 然后，接收台站 20,.利用下式计算第 i通信对的接收 S/N/?_i: 麵' (式 ^{20 )}

S/NR,.可作为第 i通信对之间的链路的链路质量的一个度量。接收台站 20,·随后将计算出的 N ?,反馈给协调器 30。

最后，在判定阶段（包括步骤 S112-S115 ) 期间，在步骤 S112中，协调器 30通过将各接收台站 20,， 20₂，…，和 2( 反馈来的 SINR与各通信对的相应预定阈值 γ相比较，来评估各链路的链路质量。例如，协调器 30经由台站交互单元 301接收到从接收台站 20₍反馈来的 SINR, 并利用空间复用判定单元 304将接收台站 20_;反馈来的第 i通信对的 Si 与第 i通信对的阈值 γ,相比较。

在步骤 S113中，协调器 30基于在步骤 S112中对链路质量的评估结果来判定是否能够进行空间复用，或者是否需要进行再训练。例如，协调器 30利用其空间复用判定单元 304来判定是否能够进行空间复用。

具体而言，如果在步骤 S112中发现所有通信对的 SINR均大于或等于其相应的阈值 γ，则协调器 30判定能够进行空间复用，并且该方法随后进行到步骤 S114。反之，如果有任何一个通信对的 SINR小于其相应的阈值 γ，则协调器 30判定需要再进行基于空间复用的波束形成训练，该方法随后进行到步骤 S115。

在步骤 S114中，协调器 30将可用的空间复用的服务时段通知给各发送台站 10_ΐ5 10₂，…，和 10w和各接收台站 20₁₅ 20₂,…，和 2( 。此波束形成训练过程然后结束。此后，第通信对的发送台站 10,.和接收台站 20,.可利用其在波束形成训练过程中得到的 w',和 d',分别作为 TX AWV和 RX AWV 来与彼此进行数据通信。

另一方面，在步骤 S115 中，协调器 30按照基于各发送台站 10₁ 10₂， ...，和 1( 和各接收台站 20₁₅ 20₂， ...，和 20^之间的各链路的泄漏状况的标准排除一对或多对通信对。例如，协调器 30可丢弃具有最小 SLNR的通信对。然后，过程返回到步骤 S108, 在排除具有最小 SLNR的通信对的情况下，针对剩余的 N-1对发送台站和接收台站重复步骤 S108及随后的步骤，以进行重训练，直到在步骤 S113中获得肯定结果为止。

图 4示出了根据本发明第二实施例的主动式同时波束形成训练的方法的流程图。

根据第二实施例的方法与图 3所示的根据第一实施例的方法的不同之处在于用步骤 S208和 S215分别取代了步骤 S108和 S115。

具体而言，根据第二实施例，在步骤 S208中，协调器 30无需像步骤 S108中那样计算各通信对的 SLNR。

另外，如果在步骤 S113中，协调器 30基于步骤 S112中的比较结果而判定不能够进行空间复用，即需要再进行波束形成训练，那么该方法随后进行到步骤 S215。

在步骤 S215中，协调器 30通知各接收台站 20,， 20₂, ...，和 2( ^将其 RX AWV固定为在步骤 S111中计算出的优化 RX AWV。例如，协调器 30 利用台站交互单元 301通知接收台站 20,·将其 RX AWV固定为 d',。然后，过程返回到步骤 S105，在各接收台站的 RX AWV被重置为优化 RX AWV 的情况下重复步骤 S105 , 并进而重复进行 S105之后的步骤，以进行重训练，直到在步骤 S113中获得肯定结果为止。

注意，可以组合第一实施例和第二实施例。即，如果在步骤 S113 中，协调器 30判定需要继续进行波朿形成训练，那么协调器 30可以既丢弃具有最小 SLNR的通信对，又通知剩余的各个通信对的接收台站将其 RX AWV固定为在步骤 S111中计算出的优化 RX AWV, 然后使过程返回到步骤 S105，重复步骤 S105及随后的步骤。

以上描述了系统中的多对通信台站几乎同时主动发起服务吋段请求的情况。然而，系统中的多个通信对不一定要同时发起服务时段请求，而可以根据需要随时发起服务时段请求。

下面结合图 5-7来描述这种情况。图 5示出了在这种按需式同时波束形成训练的情况下无线通信系统 1的示意图。

如图 5所示，系统中的第 1， 2，…， N-1个通信对已经经过波束形成训练，正在进行数据通信。此时，一个或多个另外的通信对（例如第 N通信对）发起服务时段（SP) 请求并且向协调器 30发送其 TX码本。在接收到来自第 N通信对的请求后，协调器 30综合考虑包括第 1, 2, N-l， N对通信台站的系统的情况，以基于服务时段可用性安排基于空间复用的同时波束形成训练。然后系统中的所有 N对通信对执行如上所述的同时波束形成训练。

根据第三实施例的方法与图 3所示的根据第一实施例的方法的不同之处在于步骤 S301-S304取代了步骤 S101-S103。

具体而言，根据第三实施例，在步骤 S301 中，系统中已经有一对或多对通信台站经过了波朿形成训练，并例如正在进行数据通信。

在步骤 S302中，至少一对额外的通信台站中的发送台站向协调器 30 发送服务时段请求以及相应的 TX码本。

在步骤 S303 中，在接收到来自额外的至少一对通信台站的服务时段请求后，协调器 30综合考虑系统中的所有通信对的情况，基于服务时段可用性安排基于空间复用的同时波束形成训练，并且通知系统中的所有通信对将要重新进行波束形成训练，同时将所安排的训练时皞和分配给各通信对的训练序列索引告知各通信对的发送台站和接收台站。

然后，在步骤 S104-S115中，各通信对在协调器 30的帮助和协调下以类似于第一实施例的方式进行同时波束形成训练。

根据第四实施例的方法与图 6所示的根据第三实施例的方法的不同之处在于用步骤 S208和 S215分别取代了步骤 S108和 S115。在以上对第二实施例的描述中已经给出了关于步骤 S208和 S215的描述，这里将不再重类似地，也可以组合第三实施例和第四实施例。 SP，如果协调器 30 判定需要继续进行波束形成训练，那么可以既丢弃具有最小 SLNR的通对，又通知剩余的各个通信对的接收台站将其 RX AWV固定为计算出的优化 RX AWV, 然后使过程返回到步骤 S105，重复步骤 S105及其后的步图 8示出了本发明中可使用的训练序列的一个示例。如图 8所示，训练序列可以包括互补 Golay序列。基本 Golay序列 G = [Ga Gbf包括两个互补序列 Ga = [Gaj Ga₂ ... Ga^—厦] ⁷和 Gb = [Gbj Gb₂… Gb_{N MAX}:f，其中

Gb_v (v = 1，...^_ΛΜ^)本身各自是一个符号序列，其中包括 S个符号。 N一 MA 表示系统中允许同时训练的通信对的最大数目。在分配索引时，假设协调器 30为第 ΐ通信对分配训练序列索引 " 每个通信对在得知该索引

第

第 ι·通信对（i' = 3, 4....，N) ：

TS, = [Ga^—厦― _i+2Ga_w— — i+ .Gaw A^—wGbw— — _i+2Gbw—顯— w'Gbw— — ,.+ιί" 所有通信对得出的训练序列是相互正交的。

另外，如图 8所示，在每个通信对的训练序列中的两个互补序列的两端，可以分别附加循环前缀和 /或循环后缀，以例如调整由信道和硬件导致的任何可容忍的定时误差。

注意，训练序列可以始终利用单载波模式来发送。

另外， 0^和 Gb_v的长度 S取决于最大信道阶数 L (经 chip长度（即 6^或6 中包括的每个符号的时间长度）归一化），满足 S > = 。图 9示出了本发明中可使用的训练序列的另一个示例。如图 9所示，训练序列可以包括 Zadoff-Chu序列。基本 Zadoff-Chu序列可以写作 Z= [Z, Z₂ ... Z_{N MAX} , 其中 Z_v (v = 1,...^— 本身是一个符号序列，其中包括 5个符号。表示系统中允许同时训练的通信对的最大数目。在分配索引时，假设协调器 30为第 /通信对分配训练序列索引每个通信对在得知该索引 i后，可如下得出与本通信相关联的训练序列：

第 1通信对： TS^ ^Z,..^

第 2通对： S₂ =

__MAX' _V.!L_{N ΜΑΧ}_ 第 i通信对（i = 3 4·.·. N) TS₍ = [Z_{w i+2}Z_w_ .Zw—

所有通信对得出的训练序列是相互正交的。

另外，如图 9所示，在每个通信对的训练序列中包含的 Zadoff-Chu序列的两端，可以分别附加循环前缀和 /或循环后缀，以例如调整由信道和硬件导致的任何可容忍的定时误差。

与以上所述类似地，在使用 Zadoff-Chu序列作为训练序列的情况下，训练序列也可始终利用单载波模式来发送。

另外， Z_v的长度 ^取决于最大信道阶数（经 chip长度（即 Z_v中包括的每个符号的时间长度）归一化）满足 S > = 。

以上出于说明而非限制目的已经描述了本发明的一些具体实施例。然而，本发明并不限于所描述的实施例。本领域的技术人员将会明白，可以对本发明进行多种修改、组合和替换，并且本发明包含落在所附权利要求书的范围内的这种修改、组合和替换。

Claims

权利要求书

1.一种无线通信系统，包括：

各自包括发送天线阵列的多个发送台站，所述多个发送台站在同一时间段中通过各自的发送天线阵列发送训练序列；以及

与所述多个发送台站分别对应的、各自包括接收天线阵列的多个接收台站，所述多个接收台站中的每个接收台站通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并获取与该接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息，所述信道信息被用于确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量和所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量中的至少一者。

2.如权利要求 1所述的无线通信系统，其中

所述多个发送台站在同一时间段中在切换各自的发送天线权重向量的同时通过各自的发送天线阵列发送训练序列，并且

所述多个接收台站中的每个接收台站在固定各自的接收天线权重向量的同时通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并获取与垓接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息，该信道信息被用于确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量。

3.如权利要求 1所述的无线通信系统，其中

所述多个发送台站在同一时间段中在固定各自的发送天线权重向量的同时通过各自的发送天线阵列发送训练序列，并且

所述多个接收台站中的每个接收台站在切换各自的接收天线权重向量的同时通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并获取与该接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息，该信道信息被用于确定所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量。

4.如权利要求 1所述的无线通信系统，还包括协调器，其中所述多个接收台站将所获取的信道信息反馈给所述协调器，并且所述协调器基于从所述多个接收台站反馈来的信道信息，评估所述多个发送台站和所述多个接收台站之间的各个链路的链路质量，以判定是否需要进行再训练。

5.如权利要求 4所述的无线通信系统，其中，在所述协调器判定需要进行再训练的情况下，再训练基于先前训练中确定的优化发送天线权重向量和优化接收天线权重向量中的至少一者来进行。

6.如权利要求 4所述的无线通信系统，其中，在所述协调器判定需要进行再训练的情况下，所述多个发送台站和多个接收台站中的一对发送台站和接收台站按照基于所述多个发送台站和所述多个接收台站之间的各个链路的泄漏状况的标准被排除，并且再训练针对剩余的发送台站和接收台站进行。

7.如权利要求 1所述的无线通信系统，还包括协调器，该协调器根据所述多个发送台站的请求，来为所述多个发送台站和所述多个接收台站安排训练时隙。

8.如权利要求 1所述的无线通信系统，还包括协调器，该协调器根据所述多个发送台站之一的请求，来为所述多个发送台站和所述多个接收台站安排训练时隙。

9.如权利要求 1所述的无线通信系统，其中每个所述训练序列包括互补 Golay序列或 Zadoff-Chu序列中的任一种。

10.如权利要求 9所述的无线通信系统，其中每个所述训练序列还包括循环前缀和循环后缀中的至少一者。

11.一种在包括多个发送台站和与所述多个发送台站分别对应的接收台站的无线通信系统中进行波束形成训练的方法，包括：

训练序列发送步骤，所述多个发送台站在同一时间段中通过各自的发送天线阵列发送训练序列；

训练序列接收步骤，所述多个接收台站中的每个接收台站通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列；

信道信息获取步骤，获取与所述多个接收台站中的每个接收台站和所述多个发送台站中的各个发送台站之间的各个链路的信道状况有关的信道信息；以及

优化天线权重向量确定步骤，基于所述信道信息来确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量和所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量中的至少一者。

12.如权利要求 11所述的方法，其中

所述训练序列发送步骤包括所述多个发送台站在同一时间段中在切换各自的发送天线权重向量的同时通过各自的发送天线阵列发送训练序列，所述训练序列接收步骤包括所述多个接收台站中的每个接收台站在固定各自的接收天线权 S向量的同时通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并且

所述优化天线权重向量确定步骤包括基于所述信道信息来确定所述多个发送台站的发送天线阵列的优化发送天线权重向量。

13.如权利要求 11所述的方法，其中

所述训练序列发送步骤包括所述多个发送台站在同一时间段中在固定各自的发送天线权重向量的同时通过各自的发送天线阵列发送训练序列，所述训练序列接收步骤包括所述多个接收台站中的每个接收台站在切换各自的接收天线权重向量的同时通过各自的接收天线阵列接收由所述多个发送台站发送的各个训练序列，并且

所述优化天线权重向量确定歩骤包括基于所述信道信息来确定所述多个接收台站的接收天线阵列的优化接收天线权重向量。

14.如权利要求 11所述的方法，还包括：

再训练判定步骤，基于所获取的信道信息，来评估所述多个发送台站和所述多个接收台站之间的各个链路的链路质量，以判定是否需要进行再训练。

15.如权利要求 14所述的方法，还包括：

在判定需要进行再训练的情况下，基于先前训练中确定的优化发送天线权重向量和优化接收天线权重向量中的至少一者来进行再训练。

16.如权利要求 14所述的方法，还包括：在判定需要进行再训练的情况下，按照基于所述多个发送台站和所述多个接收台站之间的各个链路的泄漏状况的标准排除所述多个发送台站和所述多个接收台站中的一对发送台站和接收台站，并且针对剩余的发送台站和接收台站来执行所述再训练。

17.如权利要求 11所述的方法，还包括- 根据所述多个发送台站的请求，来为所述多个发送台站和所述多个接收台站安排训练时隙。

18.如权利要求 11所述的方法，还包括：

根据所述多个发送台站之一的请求，来为所述多个发送台站和所述多个接收台站安排训练时隙。

19.如权利要求 11 所述的方法，其中每个所述训练序列包括互补 Golay序列或 Zadoff-Chu序列中的任一种。

20.如权利要求 19所述的方法，其中每个所述训练序列还包括循环前缀和循环后缀中的至少一者。