通信方法、通信装置和通信系统 【相关申请的交叉引用】
本申请以2004年1月9日提交的在先日本专利申请2004-004846为基础，并要求其优先权，在此引入该申请的全部内容作为参考。
【技术领域】
本发明涉及向对应装置反馈信道估计信息的通信方法、装置和系统，更具体地，涉及与MIMO(Multi Input Multi Output，多输入多输出)相关的信道估计信息的交换。
背景技术
近来，通过使用多个天线发射帧的MIMO技术得到众多关注。使用MIMO技术的无线通信系统能够在不扩展频率带宽的情况下实现高速发射。MIMO还易于应用到当前已标准化的无线LAN标准IEEE802.11n中。特别是在LOS(视线)传播环境中，使用MIMO的无线通信系统中的接收机上的信号处理甚至可能不估计每一路径的信道状态。在这一情况下，通过使用多个天线发射的数据帧可能不能在接收机上解码。其中的一个起因是在发射机上未获得从发射机到接收机的信道状态。如果发射机不知道在接收机上所接收的数据的状态，则发射机可能使用接收机未通过其正确解码信息的天线来发射帧。结果，浪费了带宽，阻碍了另一通信。
为了解决这一问题，发射机可指定用于根据信道状态发射地天线配置，然后发射数据以便使接收机正确解码信息。
例如，已知一种将关于在接收机上估计的信道状态的信息反馈给发射机，并根据该信道状态选择发射机的发射方法的技术。这一技术包括根据从接收机反馈回来的信道信息切换发射机上的调制方案的方法(参见日本专利申请KOKAI公开号2002-290246)，及控制编码速率的方法(参见日本专利申请KOKAI公开号2003-69531)。
用于在发射机上使用MIMO正确控制发射信道估计信息的反馈需要不同于使用一个天线的传统通信的技术。例如，当仅应用传统技术时，帧顺序地从多个天线一个接一个地发射出去。接收机为每个天线估量信道状态，并将其反馈给发射机。但是，根据这一方法，信道资源被依赖于天线数量而极大浪费，并且这一反馈方法太复杂了。
【发明内容】
根据本发明的一个方面，提供了一种用于在每一个都包括天线的发射机和接收机之间交换信道信息的方法。将包括第一前同步码、第二前同步码和信道信息反馈请求的请求帧发射到接收机，其中第一前同步码从发射机的其中一个天线发射，第二前同步码从每一个天线发射，及信道信息反馈请求其中的那一个天线发射。在接收机处接收该请求帧，并通过基于第一前同步码的解码检测信道信息反馈请求。使用第二前同步码估计信道信息，并构建包括所估计的信息的通知帧，并将其发射到发射机。
【附图说明】
图1是显示根据本发明实施例的通信装置的方框图；
图2是显示根据本发明实施例的通信系统中MIMO信道示例的图；
图3是显示根据本发明第一实施例的通信序列示例的图；
图4是显示根据本发明第一实施例的物理帧的格式示例的图；
图5是显示根据本发明第一实施例的信道信息反馈请求帧1的格式示例的图；
图6是解释数据可能在依赖于传输信道环境的MIMO中不被重组的情况的图；
图7是显示信道信息反馈请求帧1的格式的另一示例的图；
图8是显示根据本发明第一实施例的信道估计结果通知帧2-1的格式示例的图；
图9是显示根据本发明第一实施例的信道估计结果通知帧3-1的格式示例的图；
图10是显示根据本发明第一实施例的信道估计结果通知帧3-2的格式示例的图；
图11是显示根据本发明第一实施例的信道估计结果通知帧3-3的格式示例的图；
图12是显示根据本发明第二实施例的通信序列示例的图；
图13是显示根据本发明第二实施例的信道估计结果帧2-2的格式示例的图；
图14是根据本发明第三实施例的物理层能力信息通知帧的格式示例的图。
【具体实施方式】
(第一实施例)
图1是显示根据本发明第一实施例的通信装置的方框图。该通信装置包括根据第一实施例的通信系统，该通信系统包括MAC层处理单元100和物理层处理单元200。这些处理单元被根据包装设计实现为模拟或数字电子电路，或组装到LSI中由CPU执行的固件。在这一通信装置中，物理层处理单元200连接到例如三个天线300。如图1所示，MAC层处理单元100具有MAC层管理实体(MLME)101。MAC层处理单元100还具有创建信道信息反馈请求帧的功能T1，该信道信息反馈请求帧要根据来自MAC层管理实体101的指令被传送给对应装置。诸如在MAC层处理单元100中创建的信道信息反馈请求帧的MAC帧被发送到物理层处理单元200。物理层处理单元200具有对MAC帧进行编码的功能T2，及向已编码数据添加前同步码以生成物理帧的功能T3。所生成的物理帧从天线300发射出去。
物理层处理单元200具有根据天线300所接收的前同步码估计信道状态的功能R1，及根据信道估计对数据进行解码的功能R3。信道估计结果由MAC层处理单元100中的信道估计结果通知帧创建功能R2使用。MAC层处理单元100具有对于由功能R3所解码的数据判断所接收的帧是否是信道信息反馈请求帧的功能R4，及判断所接收的帧是否是信道估计结果通知帧的功能R5。如果所接收的帧是信道信息反馈请求帧，则功能R2创建信道估计结果通知帧并将其发射到信道信息请求侧。如果所接收的帧是信道估计结果通知帧，则确定用于将数据至少发射到已经发射了这一帧的通信装置的天线配置(功能R6)。由R6确定的天线配置被发送到编码功能T2，以控制发射操作。后面描述由功能R6确定天线配置的方法的一个例子。
根据本发明第一实施例的通信系统设定为使用MIMO通信模式的无线LAN系统。在这一通信系统中采用的通信终端(此后称作MIMO终端)可处理在IEEE802.11a通信模式中使用的格式。IEEE802.11a通信模式对应于第一物理层协议，及MIMO通信模式对应于第二物理层协议。
图2是显示根据本发明第一实施例的通信系统中MIMO信道的示例的示图。如图2所示，本发明的第一实施例准备三个天线300，以形成矩阵信道(MIMO信道)。发射机从三个天线300接收不同信息。接收机接收由天线300复合的信号，并通过信号处理对所接收信息进行解码。
第一实施例设定矩阵信道是无线信道。因此，在没有从接收机反馈回信道估计结果信息的情况下，发射机很难知道所接收数据的条件，因为信道状态是极具变化的。
根据图3的通信序列解释向使用MIMO终端的无线通信系统中的发射机反馈信道估计结果信息的机制。信道信息主要在通信开始或通信质量降级的时候从接收机反馈到发射机。可以周期性地反馈信道信息。
如图3所示，该通信序列包括从发射机将信道信息反馈请求帧1反馈给接收机的第一步5-1，接收机根据信道信息反馈请求帧1估计信道的第二步5-2，向发射机通知接收机上的信道估计结果的帧2-1的第三步5-3，发射机根据帧2-1估计信道的第四步5-4，及从发射机将作为发射机的信道估计结果的信道估计结果通知帧3-1、3-2和3-3中任一个发射到接收机的第五步5-5。
图4是显示第一实施例中物理帧的基本示例的示图。本发明的第一实施例适当地修改和采用图4中所示的物理帧。物理帧400粗略分为前同步码和MAC帧411。在第一实施例中，前同步码包括两类前同步码401和402。前同步码401通过IEEE802.11a通信模式发射，前同步码402通过MIMO通信模式发射。除非有其他说明，否则MAC帧411基本上具有与IEEE802.11a帧格式相同的帧格式，并通过IEEE802.11a通信模式发射。MAC帧411与IEEE802.11a物理帧的不同之处在于MAC帧411没有对应于前同步码402的字段。信道信息反馈请求帧和信道估计结果信息帧(后面描述)基本上根据物理帧400的格式而生成。
图5是显示信道信息反馈请求帧1的格式的图示。MAC层处理单元100在接收到来自MAC层管理实体101(T1)的信道信息反馈请求指令时，创建信道信息反馈请求帧的MAC帧部分。该帧部分被发送给物理层处理单元200，其执行由IEEE802.11a所定义的编码或用于MIMO传输的编码(T2)。IEEE802.11a前同步码或MIMO前同步码被添加在MAC帧的报头中(T3)，且PHY帧从天线300发射。
MAC帧部分通过IEEE802.11a通信模式发射，如图5所示。图6是用于解释数据可能在依赖于发射信道环境的MIMO中不被解码的情况的图。下面考虑如图6中所示在其中使用三个发射天线(Tx1、Tx2和Tx3)发射数据S1、S2、和S3的MIMO。发射天线Tx1发射数据S1。类似，发射天线Tx2和Tx3分别发射数据S2、和S3。发射机通过使用三个接收天线(Rx1、Rx2和Rx3)接收数据S1、S2、和S3。接收天线Rx1、Rx2和Rx3接收三个数据S1、S2、和S3混合在其中的信号。当关注接收天线Rx1时，接收天线Rx1所接收的信号r1由下式给出：
r1＝h1_1*S1+h2_1*S2+h3_1*S3 等式(1)
其中h1_1、h2_1、和h3_1是信道状态信息。发射天线Tx1和接收天线Rx1之间的信道状态由h1_1来代表。发射天线Tx1所发射的数据S1在发射期间在信道状态h1_1的影响下发生改变，并以S1*h1_1被接收天线Rx1所接收。类似，数据S2和S3分别以S2*h2_1和S3*h3_1被接收。
类似，由接收天线信号Rx2所接收的信号r2由下式给出：
r2＝h1_2*S1+h2_2*S2+h3_2*S3 等式(2)
由接收天线信号Rx3所接收的信号r3由下式给出：
r3＝h1_3*S1+h2_3*S2+h3_3*S3 等式(3)
等式(1)到(3)概括为：
r1r2r3=h1_1h2_1h3_1h1_2h2_2h3_2h1_3h2_3h3_3·S1S2S3]]>
=H·S1S2S3]]>
等式(4)
接收机可通过解析联立等式系统(4)直到可以估计信道状态矩阵H为止，从接收信号r1、r2和r3中分离并提取出S1、S2和S3。H的估计利用与数据添加到一起并发射的前同步码。当MIMO前同步码被添加到数据中时，可由接收机估计信道状态矩阵H。这样，可从接收信号r1、r2和r3中分离并提取出S1、S2和S3。
通过使用由接收机估计的信道状态矩阵H，发射机确定当与接收机通信时使用的天线配置(功能R6)。下面将解释确定天线配置的方法的一个例子。
可想到使用路径之间的相关系数α的方法。可通过图6中的等式(4)和信道状态估计结果hx_y(x＝1，2，3，y＝1，2，3)得到路径之间的相关系数α。例如，如果两个路径的hx_y值近似互相相等，则这两个路径之间的相关系数α是高的。相反，如果两个路径的hx_y互相大为不同，则这两个路径之间的相关系数α是低的。在MIMO通信中，接收机可不对通过具有较高相关系数α的路径接收的多个信号进行重组。当两个路径之间的相关性高时，只期望使用一个路径。也就是说，路径之间的相关系数α是根据信道估计结果hx_y得到的，且如果相关系数α高于预定阈值α_th，则只选择一个具有高相关性的路径。不使用未选择的具有高相关性的路径。因此，可确定用于通过所选择的路径发射的天线。
以另一方法为例，获得每一路径的CNR(载波与噪声比)，并选择发射天线以不使用具有低CNR的路径。在某些情况下，对于各个路径来说，重组通过具有低CNR的路径接收的信号是很难的。由于这一原因，当给定路径的CNR低于预置阈值CNR th时，该路径被设为不被使用。可通过图6中的等式(4)和信道状态估计结果hx_y(x＝1，2，3，y＝1，2，3)获得每一路径的CNR。由于具有较大信道估计结果值hx_y的路径展现了较高CNR，可根据信道估计结果值hx_y确定天线配置，而不用实际计算CNR。如果用于确定的CNR由SNR(信号与噪声比)所代替，则可使用相同确定。
在LOS环境中，从发射天线Tx1、Tx2和Tx3发射的信号S1、S2、和S3通过几乎相同的信道，且接收信号r1、r2、和r3之间的相关性变高。更具体地，
h1_1＝h1_2＝h1_3
h2_1＝h2_2＝h2_3
h3_1＝h3_2＝h3_3
信道状态矩阵H由下式给出
H＝(h1_1 h2_1 h3_1)
在这一情况下，等式(4)被改写为：
r1r2r3=h1_1h2_1h3_1·S1S2S3]]>等式(4)，由于等式可能不能解出，所以可能不能计算出发射信号S1、S2和S3。因此，当MIMO用于LOS环境中时，可能不能从接收信号r1、r2、和r3中分离和提取出S1、S2和S3。
如上所述，由于存在在依赖于MIMO的环境中可能不能重组数据的情况，信道信息反馈请求帧1的MAC帧部分是通过IEEE802.11a而不是MIMO发射的。
应该注意，显示于图5中的信道信息反馈请求帧1可按图7中所示的来配置。图7中，通过使用由MIMO发射的前同步码来解码通过IEEE802.11a通信模式发射的格式。当使用由MIMO发射的前同步码时，可为可能的天线组合估计出信道状态，并还可获得用于发射MAC帧的信道的信道状态。也就是说，可以对通过IEEE802.11a通信模式发射的格式的MAC帧部分进行解码。通过使用MIMO发射的前同步码，可以对通过IEEE802.11a通信模式发射的格式的MAC帧进行解码。可以使用如图7中所示的帧代替图5中的信道信息反馈请求帧1。
下面详细解释图4中所示的反馈过程的步骤。
<第一步(发射机→接收机)>
从发射机向接收机发射图5中所示的信道信息反馈请求帧1。发射机通过IEEE802.11a通信模式使用一个天线发射前同步码。然后，发射机通过MIMO通信模式使用三个天线发射前同步码。将请求信道信息的反馈的数据存储在该MAC帧中，并通过使用曾用于基于IEEE802.11a通信模式发射前同步码的一个天线将其发射出去。在这一情况下，可以将请求信道信息的反馈的数据存储在MAC帧的有效负荷或报头中。
可选地，可将请求信道估计结果信息的反馈的数据添加到一般应用数据中，并通过使用数据帧而不是信道信息反馈请求帧1由MIMO将其发射出去。
<第二步(接收机上的信道估计过程)>
接收机接收信道信息反馈请求帧1。接收机通过使用IEEE802.11a通信模式发射的前同步码来估计信道。然后，接收机通过使用MIMO发射的前同步码来估计MIMO通信中的信道。接收机通过使用基于IEEE802.11a通信模式发射的前同步码的信道估计结果，对MAC帧部分进行解码。这一解码后的数据表明发射机请求MIMO通信中的信道估计结果信息的反馈。接收机创建信道估计结果通知帧2-1，以向发射机通知MIMO通信中的信道估计结果。信道估计结果通常表示为复数，其包括相位和振幅信息。要被反馈给发射机的信道估计结果信息本身可能不是复数，而是简单的信息。例如，可将通过量化复数而准备的整数，或用真/假值(1/2)表示好/坏信号状态的位图作为信道估计结果信息来反馈。当估计信道的通信装置将信道估计结果转换为概括的信息时，则可以简化接收信息的通信装置的处理。
<第三步(接收机→发射机)>
从接收机向发射机发送回MIMO通信中的信道估计结果通知帧2-2。图8显示了该格式的一个示例。在这一步骤中，接收机通过IEEE802.11a通信模式使用一个天线发射前同步码。然后，接收机在MAC帧中存储在第二步中获得的MIMO通信中的信道估计结果信息，并通过使用一个天线发射该信息，该天线曾由IEEE802.11a通信模式用于发射前同步码。在这一情况下，请求信道估计结果信息的数据可以存储在MAC帧的报头或有效负荷中。
在发射前同步码和MAC帧时，还可以根据第二步中的信道估计结果选择处于良好信道状态的一个天线，并使用IEEE802.11a通信模式进行发射。
在这一步骤中，可以将信道估计结果信息添加到一般发射数据中，并通过MIMO使用数据帧而不是信道估计结果通知帧2-1将其发射出去。
<第四步(发射机上的信道估计过程)>
发射机接收信道估计结果通知帧2-1。发射机通过使用IEEE802.11a通信模式发射出的前同步码来估计信道。然后，发射机通过使用MIMO发射的前同步码来估计MIMO通信中的信道。发射机通过使用基于IEEE802.11a通信模式的前同步码的信道估计结果来解码MAC帧部分。这一解码的数据表明接收机已反馈回MIMO通信中的信道估计结果信息。发射机确定MIMO数据发射中的天线配置。这时，可以将MIMO通信中的信道估计结果与从接收机反馈回的接收机上的MIMO通信中的信道估计结果相比较，以确认这些信道估计结果是否彼此一致。因为由于在发射机和接收机之间在它们配置上的差异，从发射机到接收机的信道状态和从接收机到发射机的信道状态可能不是总彼此一致，所以执行这一过程。利用这一过程，可以在数据通信开始之前可以认识到发射和接收机之间信道状态在认识上的不匹配。可以配置在发射和接收机之间可允许的通信参数。
<第五步(发射机→接收机)>
在第五步中，从发射机向接收机发射在第四步中在发射机上获得的信道估计结果信息。如果根据在第三步中从接收机反馈回的信道估计结果确定通过MIMO发射的信号可以由接收机正确解码，则使用信道估计结果通知帧3-1或3-2。图9显示了信道估计结果通知帧3-1的格式示例，图10显示了信道估计结果通知帧3-2的格式示例。当使用信道估计结果通知帧3-1或3-2时，则采用在第四步中确定的天线配置。对在第四步中在发射机上获得的信道估计结果信息进行多路复用，以发射MAC帧部分。如果根据在第三步中从接收机反馈回的信道估计结果确定通过MIMO发射的信号可能不能被接收机正确重组，且信息可能不是从多个天线多路复用且发射的，则使用信道估计结果通知帧3-3。图11显示了帧3-3的格式示例。在这一情况下，可能不能执行MIMO通信，且只能实现使用一个天线的发射/接收。这样，从一个天线将存储在第四步中在发射机上获得的信道估计结果信息的MAC帧部分发射出去。可以使用类似于第三步的帧2-1，将在第四步中发射机上的信道估计结果信息发射出去，而不管接收机是否可以正确重组通过MIMO发射的信号。在第五步中，可以将信道估计结果信息添加到一般发射数据中，并通过MIMO使用数据帧而不是信道估计结果通知帧3-1、3-2和3-3将其发射出去。
通过执行上面描述的第一到第五步，发射和接收通信终端可以认知它们的信道估计结果。发射机可以通过指定一个或多个用于发射的天线来发射数据，以使接收机正确解码信息。
根据第一实施例，在第四步中，发射机根据从接收机反馈回的信道估计结果确定用于发射的天线配置。或者，当接收机估计信道时，该接收机可以根据信道估计结果确定天线配置，并向发射机不反馈信道估计结果而是反馈天线配置。
(第二实施例)
本发明的第二实施例在与第一实施例相同的无线系统中反馈信道信息的通信序列不同于第一实施例。在第二实施例中，只发射用于信道估计的一个前同步码，以使对方侧估计信道，而不是在发射机和接收机之间发射信道估计结果信息。图12显示了根据第二实施例的通信序列。
<第一步(发射机→接收机)>
第一步与第一实施例中的相同。
<第二步(接收机上的信道估计过程)>
接收机接收信道信息反馈请求帧1。接收机通过使用IEEE802.11a通信模式发射的前同步码来估计信道。然后，接收机通过使用MIMO发射的前同步码来估计MIMO通信中的信道。接收机通过使用基于IEEE802.11a通信模式发射的前同步码的信道估计结果，对MAC帧部分进行解码。这一解码后的数据表明发射机请求MIMO通信中的信道估计结果信息的反馈。在这一步中，还可以根据MIMO通信中的信道估计结果，确定用于从接收机向发射机发射数据的天线配置。
<第三步(接收机→发射机)>
从接收机向发射机发送回MIMO通信中的信道估计结果帧2-2，以使发射机估计MIMO通信中的信道。图13显示了信道估计结果帧2-2的格式示例。
接收机通过IEEE802.11a通信模式使用一个天线发射前同步码。然后，接收机通过使用三个天线的MIMO发射前同步码。接收机通过使用一个天线发射只具有一个MAC报头的MAC帧，该天线曾由IEEE802.11a通信模式用于发射前同步码。
要被发射的信道估计结果帧可能是图8中显示的信道估计结果帧2-1，因为该帧足够满足MIMO发射中的信道估计。
在通过IEEE802.11a通信模式发射前同步码时，还可以根据第二步中的信道估计结果选择并使用处于良好信道状态的一个天线。
<第四步(发射机上的信道估计过程)>
发射机接收信道估计结果帧2-2。发射机通过使用IEEE802.11a通信模式发射出的前同步码来估计信道。然后，发射机通过使用MIMO发射的前同步码来估计MIMO通信中的信道。发射机根据MIMO通信中的信道估计结果信息来确定用于发射的天线配置。
第二实施例省略了发射机向接收机通知发射机上的信道估计结果的步骤。第二实施例与第一实施例相比，可以降低接收机的通信开销。
(第三实施例)
本发明的第三实施例在与第一或第二实施例相同的无线系统中的第一步骤之前执行一个预备步骤。在该预备步骤中，在两侧之间通过使用图14中的物理层能力信息通知帧来交换物理层能力信息，诸如发射机和接收机上的天线数量。物理层能力信息通知帧中的MAC帧的信道估计结果信息部分不是存储信道估计结果，而是存储物理层能力信息，诸如该装置的天线数量。执行该预备步骤，以获得诸如发射机和接收机上的天线数量的信息。可以将物理报头的前同步码添加到MAC帧中，以实现对应于天线数量的MIMO通信中的信道估计。在该预备步骤之后执行的第一到第五步中，可根据信道信息反馈请求帧1，将用于MIMO通信中、被设为MIMO通信中信道估计所需的长度和格式的前同步码用于物理层能力信息通知帧中。
代替该预备步骤，可将诸如AP(Access Point，接入点)或每个终端的天线数量的物理层能力信息存储在由AP发射的信标帧中，并将其发射给存在于AP的BSS(Basic Service Set，基本业务组)内的终端。或者，可将每个终端的物理层能力信息存储在由该终端向四周广播的探测请求帧或探测响应帧中，并将其发射给外围终端。可将每个终端的物理层能力信息存储在起源于该终端的相关请求帧或起源于该AP的相关响应帧中，并将其发射给外围终端。
通过任何方法，每个终端都能预先获得对应装置的物理层能力。在执行第一到第五步时，可根据信道信息反馈请求帧1，将用于MIMO通信中的物理层能力信息通知帧的前同步码设为与对方终端的物理层能力相对应的长度和格式。
根据上述实施例，接收通信装置估计表示MIMO通信中接收特性的信道状态，且信道状态估计信息被反馈给发射通信装置。发射通信装置可以根据从接收通信装置反馈回的信道状态估计信息，正确确定要用于发射的天线配置。
因此，虽然信道状态不利且MIMO通信不可能，但通过使用MIMO发起通信的情况可以避免。这能够防止由于可能的通信错误而导致的通信信道频带的浪费。
本领域的技术人员将容易地联想到其他的优点和修改。因此，本发明在其更广方面并不限于这里所示出和所描述的具体细节和代表性实施例。因此，可以作出各种修改，而不脱离由所附权利要求和它们的等效变换所定义的本发明总体构思的精神或范围。