具有快速自适应波束跟踪的毫米波WPAN通信系统.pdf

摘要
申请专利号：	CN200980108507.6	申请日：	2009.03.11
公开号：	CN101971517A	公开日：	2011.02.09
当前法律状态：	实审	有效性：	审中
法律详情：	实质审查的生效IPC(主分类):H04B 7/04申请日:20090311\|\|\|公开
IPC分类号：	H04B7/04; H04B7/26	主分类号：	H04B7/04
申请人：	英特尔公司
发明人：	H·牛; Q·李
地址：	美国加利福尼亚
优先权：	2008.03.11 US 61/035,480; 2008.08.12 US 12/190,307
专利代理机构：	永新专利商标代理有限公司 72002	代理人：	张扬;王英
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内容摘要

简单地说，本发明公开了在交换数据分组期间进行波束跟踪的机制。针对每个数据分组的传输或接收在发射或接收波束成形向量上添加扰动。所述扰动可以是允许的最小相位旋转。

权利要求书

1：一种方法，其包括：在交换数据分组期间，进行波束成形或波束跟踪中的一种。
2：根据权利要求 1 所述的方法，其中，针对每个数据分组的传输在发射波束成形向量上添加扰动。
3：根据权利要求 3 所述的方法，其中，所述扰动是允许的最小相位旋转。
4：根据权利要求 3 所述的方法，其中，所述扰动是所述允许的最小相位旋转的整数倍。
5：根据权利要求 1 所述的方法，其中，针对每个数据分组的接收在接收波束成形向量上添加扰动。
6：根据权利要求 5 所述的方法，其中，所述扰动是允许的最小相位旋转。
7：根据权利要求 4 所述的方法，其中，所述扰动是所述允许的最小相位旋转的整数倍。
8：根据权利要求 1 所述的方法，其中，以更改的发射天线权重向量来发送所述数据分组。
9：根据权利要求 8 所述的方法，其中，所述更改的发射天线权重向量是经过允许的最小相位旋转扰动的以前生成的发射天线权重向量。
10：根据权利要求 1 所述的方法，其中，以更改的接收天线权重向量来接收所述数据分组。
11：根据权利要求 1 所述的方法，其中，数据分组的传输和接收两者都用于跟踪。
12：根据权利要求 1 所述的方法，其中，实现一部分跟踪，使得仅在子空间内更新波束跟踪。
13：根据权利要求 1 所述的方法，其中，将不同的经过扰动的天线权重向量应用于单个数据分组内的不同的 OFDM 符号。
14：根据权利要求 11 所述的方法，进一步包括：在单个数据分组的前导中发送信道估计信息。
15：根据权利要求 1 所述的方法，其中，进行波束成形以估计信道状态信息，进一步包括：使用所获得的信道状态信息来计算优化的天线权重向量。
16：一种装置，其包括：天线的阵列；移相器，其耦合至所述阵列中的每个天线；以及控制电路，其用于在交换数据分组期间通过将天线权重向量应用于所述移相器，来进行波束成形或波束跟踪。
17：根据权利要求 16 所述的装置，其中，所述控制电路配置为：针对每个数据分组的传输在发射波束成形向量上添加扰动。
18：根据权利要求 17 所述的装置，其中，所述扰动是允许的最小相位旋转。
19：根据权利要求 17 所述的装置，其中，所述扰动是允许的最小相位旋转的整数倍。
20：根据权利要求 16 所述的装置，其中，所述控制电路配置为：针对每个数据分组的接收在接收波束成形向量上添加扰动。
21：根据权利要求 16 所述的装置，其中，所述控制电路配置为：将不同的经过扰动的天线权重向量应用于单个数据分组内的不同的 OFDM 符号。
22：根据权利要求 21 所述的装置，其中，所述控制电路进一步配置为：在所述单个数据 2 分组的前导中发送信道估计信息。
23：一种装置，其包括：控制电路，其用于在交换数据分组期间通过将天线权重向量应用于移相器，来进行波束成形或波束跟踪。
24：根据权利要求 23 所述的装置，其中，所述控制电路配置为：针对每个数据分组的传输在发射波束成形向量上添加扰动。
25：根据权利要求 23 所述的装置，其中，所述控制电路配置为：针对每个数据分组的接收在接收波束成形向量上添加扰动。
26：根据权利要求 23 所述的装置，其中，所述控制电路配置为：将不同的经过扰动的天线权重向量应用于单个数据分组内的不同的 OFDM 符号。
27：根据权利要求 26 所述的装置，其中，所述控制电路进一步配置为：在所述单个数据分组的前导中发送信道估计信息。

说明书

具有快速自适应波束跟踪的毫米波 WPAN 通信系统
    背景技术操作在 60 千兆赫 (GHz) 频率带的毫米波 (mmWave) 无线个人区域网络 (WPAN) 通信系统被期望向大约十米的距离提供每秒数个千兆比特 (Gbps) 的吞吐量，并且将在未来几年投入使用。当前数个标准化组织 (IEEE802.15.3c、 WirelessHD SIG、 ECMA TG20、 COMPA 等 ) 正在考虑用于 mmWave WPAN 系统的不同概念，以定义最适用于多个 Gbps WPAN 应用的系统。
     由于氧吸收及其短波长， mmWave 通信链路比更低频率 ( 例如， 2.4GHz 和 5GHz 频带 ) 的通信链路更不稳健，其中氧吸收会使长距离上的信号衰减，短波长导致在通过如墙和天花板的障碍物时的高衰减。因此，使用定向天线 ( 如波束成形天线、扇区化天线或固定波束天线 ) 已经被认为对于 60GHz 应用是有用的。
     任何无线通信系统的固有特性是需要改善的吞吐量和可靠性。因此，非常需要改善 mmWave 无线个人区域网络的技术。
     附图说明
     参考附图，本领域技术人员可以更好地理解本发明，其数个特征和优点也会显而易见。图 1 描绘了根据本发明的实施例的用于模拟波束成形和跟踪的系统。
     图 2 描绘了具有在超帧中分配的专用时间的波束跟踪分组图。
     图 3 描绘了根据本发明的实施例的波束跟踪分组图。
     图 4 描绘了根据本发明的实施例、在专用训练方式和训练方式之间的 100 个信道实现的波束成形增益的性能比较。
     图 5 描绘了根据本发明的实施例的波束跟踪协议。
     图 6 描绘了根据本发明的实施例的可选的波束跟踪协议。
     图 7 描绘了根据本发明的实施例的可选的波束跟踪分组图。
     在不同附图中使用的相同的附图标记表示相似或相同的项目。
     具体实施方式
     在以下描述中，将阐述多个具体细节。但是，应当理解，本发明的实施例可以不以这些具体细节来实现。在其它实例中，公知的方法、结构和技术没有被详细描述，以避免对本申请的理解变得模糊。
     提及 “一个实施例” 、 “实施例” 、 “示例性实施例” 、 “各种实施例” 等，指示如所描述的本发明的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但不是每个实施例必须包括所述特定特征、结构或特性。此外，对短语 “在一个实施例中” 的重复使用不一定表示相同实施例，尽管其可以如此表示。
     如这里所用的，除非另有指定，使用序数形容词 “第一” 、 “第二” 、 “第三” 等来描述通用对象，仅指示相似对象的不同实例被引用，并不是暗示如此描述的对象必须有给定的顺序，不管是时间上的、空间上的、排名的或任何其它方式。
     本发明的实施例可以用于各种应用。本发明的一些实施例可以结合各种设备和系统来使用，设备和系统例如是发射机、接收机、收发机、发射机 - 接收机、无线通信站、无线通信设备、无线接入点 (AP)、调制解调器、无线调制解调器、个人计算机 (PC)、台式计算机、移动计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、平板计算机、服务器计算机、手持计算机、手持设备、个人数字助理 (PDA) 设备、手持 PDA 设备或甚至是个人区域网络 (PAN) 中的高清电视信号。
     尽管本发明的实施例不限于这些方面，讨论中利用的术语，如 “处理” 、 “计算” 、 “推算” 、 “确定” 、 “建立” 、 “分析” 、 “检测” 等，可以指计算机、计算平台、计算系统或其它电子计算设备的操作和 / 或处理，其将在计算机的寄存器和 / 或存储器内作为物理 ( 例如，电)量表示的数据进行操作和 / 或改变为在计算机的寄存器和 / 或存储器或可以存储指令的其它信息存储介质内类似地作为物理量表示的其它数据，以执行操作和 / 或处理。
     尽管本发明的实施例不限于这些方面，这里使用的术语 “多个” 和 “许多” 可以包括，例如 “多个” 或 “两个或更多” 。术语 “多个” 和 “许多” 可以在说明书全文中用于描述两个或更多组件、设备、元件、单元、参数等。例如， “多个站” 可以包括两个或更多个站。
     根据本发明的实施例，使用例如与相位天线阵列系统一起使用的新的过程，可以完成定向通信，其中在相位天线阵列系统中，将去往天线单元的输入 / 来自天线单元的输出乘以权重 ( 相位 ) 向量，以形成发射 (TX) 和接收 (RX) 波束。具有波束可操控天线的设备需要对 TX 和 RX 天线系统 ( 波束成形 / 跟踪 ) 的优化调整，典型地使用针对波束成形、跟踪和调整的专用时间帧。根据本发明的实施例，不使用针对跟踪的专用时间的使用。此外，由于非静止的环境，波束成形传输的质量可能随着时间而变差，然后可以使用新的波束跟踪过程来调整 TX 和 RX 天线权重向量。在靠近当前波束成形处可以进行天线训练，使得使用递归过程可以更新天线权重向量，其中递归过程使用当前的 TX 和 RX 天线权重向量作为初始值。
     图 1 描绘了根据本发明的实施例的用于模拟波束成形和跟踪的系统。系统 100 可以包括一个或多个发射设备 102 和 / 或一个或多个接收设备 104。发射设备 102 可以包括发射基带处理电路 112、多个功率放大器 114，每个功率放大器 114 连接到移相器 116 和天线 118。接收设备 104 可以包括多个天线 122，每个天线 122 连接到移相器 124 和低噪声放大器 126。每个低噪声放大器 126 连接到单个接收基带处理电路 128。尽管被示出为分开的设备，发射设备 102 和接收设备 104 可以被包含在单一组件中，并且可以共享电路，例如，天线和 / 或移相器。
     发射设备 102 使用相控阵列方式来完成定向传输。在相控阵列方式中，通过改变每个天线单元的输出信号的相位来形成发射波束。发射功率被分布至多个功率放大器 114，并且波束可以被自适应地操控。接收设备 104 也使用相控阵列方式来完成定向接收。通过改变每个天线单元的输入信号的相位来检测接收波束。接收增益被分布至多个低噪声放大器 126，并且波束可以被自适应地接收。
     根据本发明的实施例，发射设备 102 使用预先确定的 TX 天线设置的更改版本来发送数据信号，而接收设备 104 进行对接收到的信号的处理，并且能够从接收到的信号中估计所需要的信道状态信息。在接收设备 104 向发射设备 102 反馈控制消息的一个或多个阶段期间，可以进行波束成形，其中控制消息包括与需要进一步训练的参数有关的信息。在获得了所有所需要的信道状态信息之后，接收设备 104 计算优化的 TX 和 RX 天线设置。然后，接收设备 104 应用 RX 天线权重向量，并且将 TX 天线权重向量发送至发射设备 102。然后，发射设备 102 应用 TX 天线权重向量。
     可选地，接收设备 104 可以估计 RX 天线权重向量，并且 TX 天线权重向量估计所需要的信道状态信息可以被发送至发射设备 102。发射设备 102 可以进行 TX 天线权重向量计算。
     应当注意，所有建议的波束成形 / 跟踪方法可以提供非量化的 TX 和 RX 天线权重向量。但是，发射设备 102 和接收设备 104 可以对已应用的权重向量系数的幅度和相位的连续性进行限制。这样，天线权重向量的量化可以靠近最接近的允许值，例如 π/3 或 π/2。此外， TX 和 RX 天线权重向量可以被量化，以在它们被计算出之后降低站之间的用于天线权重向量传输而传递的数据的量。
     图 2 描绘了具有在超帧中分配的专用时间的波束跟踪分组图。在正常的数据交换中，微网控制器 (PNC) 向站 1(STA1) 发出信标 202 和信道接入周期 (CAP)204，随后是数据分组 206。进行接收的 STA1 发送用于指示接收到数据分组 206 的确认 208。PNC 向站 2(STA2) 发送数据分组 210，并且从 STA2 接收 ACK 212。可以发送额外的数据分组 214 和 216 并且接收相应的 ACK 218 和 220。使用静态的、以前确定的 TX 和 RX 权重向量来发送和接收这些数据传输。作为专用跟踪协议的一部分， PNC 向 STA1 发送波束跟踪分组 222，在从 STA1 接收到 ACK 224 之后，向 STA2 发送波束跟踪分组 226，并且从 STA2 接收 ACK 228。使用训练矩阵来形成波束跟踪分组 222 和 226。随着站的数量的增加，用于专用跟踪过程的时间显著地增加，使得系统更加缺乏效率。此外，可能需要频繁的波束跟踪来跟踪信道的小变化。波束搜索和波束跟踪中的每一种都可能需要消息交换的多次迭代。随着站的数量的增加，例如，在密集环境中，分配给跟踪开销的时间可能很大，因此引起效率下降。波束跟踪开销可以多达每次迭代 100us，并且可能被非常频繁的调度，如每 1 或 2ms 被调度一次。
     在图 2 示出的训练方式中，可以分别将发射 (TX) 和接收 (RX) 天线权重向量 v 和 u 应用于使用移相器 116 的发射天线 118 的输入和使用移相器 124 的接收天线 122 的输出。图 1 中所示的系统的数学模型可以由下列等式所示出：
     y1 ＝ uHHFdiag{x} (1) H
     y2 ＝ diag{z}G Hv (2)
     其中 y 是接收到的信号； x 是发送的符号；向量 u 和 v 分别是接收和发射波束成形向量，并且还包括用于跟踪的量； H 是 Nr×Nt 的频率非选择性的信道转移矩阵；矩阵 F 和 G 是训练矩阵，其可以是满秩矩阵。例如，由于其正交性以及其相位仅取 0 和 π 值， Hardmard 矩阵可以用作训练矩阵。发送的符号是训练符号。
     在图 2 所示的方式中， F 或 G 矩阵仅存在于传输的一侧。例如，为了跟踪和更新发射波束成形向量 u，在发射机侧使用 F( 见等式 1)。另一方面，为了跟踪接收波束成形向量 v，在接收机侧使用矩阵 G( 见等式 2)。跟踪协议需要保留特定的时间，来以 F 的每列进行发送并且以 G 矩阵的每列进行接收。此外，在每个传输中使用时域中的训练序列。
     根据本发明的实施例，不同于使用图 2 中示出的专用跟踪消息交换，而是将训
     练分布在数据传输中。根据一个实施例，不再需要用于发送和接收 F 和 G 的专用训练时间。在每个传输中，针对每个分组传输顺序地在 v 和 u 向量上添加扰动，这仅引起在波束成形增益上的可忽略的降级。Nt 个经过扰动的发射波束成形向量形成波束成形矩阵其中是第 i 个经过扰动的波束成形向量。类似地， Nr 个经过扰动的接收波束成形向量形成波束成形矩阵向量。在 Nr+Nt 个分组传输之后，两个接收向量示出为：
     其中是第 i 个经过扰动的
     其中 v 和 u 是在跟踪之下的最新的波束成形向量； xi 和 zi 是发送的符号；忽略了噪声。发送的符号是数据符号。通过向 v 的第 i 项添加允许的最小相位旋转，可以生成例如，如果移相器具有八个等级的值，则可以将 θ ＝ π/3 添加至 v 的第 i 项的相位 ( 表示为 φi)，以生成是满秩的并且可以被写作其中 c 是取决于 θ 的常数。可以类似地生成矩阵
     应当注意，仅描述了单个数据流。但是，这里所述的概念可以应用于多个数据流。图 3 描绘了根据本发明的实施例的波束跟踪分组图。微网控制器 (PNC) 使用经来发出信标 302 和 CAP 304( 跟随着去往站 1(STA1) 的数据分组来发送额外的数据分过扰动的天线权重向量306)，并且由 STA1 使用天线权重向量 u 进行接收。正在接收的 STA1 发送用于指示接收到数据分组 306 的确认 308。PNC 使用经过扰动的天线权重向量至组 310 至 312，其中 STA1 使用天线权重向量 u 来接收数据分组 310 至 312。PNC 接收来自 STA1 的额外的 ACK 314 至 316。注意， PNC 可以正在向其它站 ( 未示出 ) 发送额外的数据。接下来， PNC 使用新的天线权重向量 vnew 来发送数据分组 318 至 320，其中 STA1 使用经过扰动的天线权重向量至
     来接收数据分组 318 至 320。STA1 发送 ACK 322 至 324。如图 3 所示，没有使用用于训练的保留时隙。使用更改的波束成形向量和来发送和接收数据分组。在该例子中， PNC 和 STA1 进行波束跟踪。在 STA1 处跟踪接收波束成形向量之前，先在 PNC 处跟踪发射波束成形向量。
     图 4 描绘了根据本发明的实施例、在迭代训练方式和训练方式之间 100 个信道实现的波束成形增益的性能比较。图 404 表示使用优化的波束成形向量 ( 例如使用图 2 中示出的协议 ) 的信道实现结果。图 406 表示使用用于跟踪的更改的向量 ( 例如使用图 3 中示出的协议 ) 的信道实现结果。使用经过扰动的训练矩阵和代替优化的训练矩阵 v 和 u，其性能差别低于 0.2dB。迭代训练协议在专用训练时隙中激发满秩矩阵 F 和 G 的每列，以更新波束成形向量，这会降低效率。根据本发明的实施例，发射机和接收机分别使用和用于数据发送和接收，其也是满秩矩阵，这提供了更高效的系统。满秩特征捕获了在所有方向上的波束成形变动。
     使用等式 (3) 和 (4) 以及更新的方法，波束成形向量可以更新为
     其中以及
     在发射波束成形向量更新至 vnew 之后， vnew 用于接收波束成形向量的更新。可以以如下的低复杂度来进行该逆变换。可以将该等式转换以找到秩一更新的逆变换。由于仅有 v 的第 i 个元素被更改以获得矩阵。因此有其中 diag(·) 是对角
     其中 b ＝ ([1 1...1]diag-1(·))H。可以计算的两个项的逆变换。第一项的逆变换是 (I+vbH)-1 ＝ I-(1+bHv)-1vbH，第二项的逆变换是每个对角项的逆变换。因此，仅需要当数据分组被正确接收到时，可以使用决定反馈，其中等式 (3)Nt+1 个标量部分以获得和 (4) 中的 xi 和 zi 是数据符号。由于数据符号的密集数目，通过决定反馈能够极大地改善跟踪准确性。
     图 5 描绘了根据本发明的实施例的波束跟踪协议，其中没有假设信道互易。微网控制器 (PNC) 使用经过扰动的发射天线权重向量发送数据分组 502，站使用优化的接收天线权重向量 u 来接收数据分组 502。此外，分别使用经过扰动的发射天线权重向量至来发送数据分组 504 至 506。 STA 计算更新的发射向量 v 并且在传输 508 中向 PNC 发送更新的向量 v。PNC 传送 Nr 个数据分组 510 和 512 至 514。PNC 以更新的向量 v 来发送数据分组 510 和 512 至 514，并且以接收天线权重向量和至来接收数据分组 510 和 512 至 514。在数据传输阶段期间进行跟踪。仅示出了从微网控制器 (PNC) 至站 (STA) 的传输。从 STA 至 PNC 的确认 (ACK) 传输不参与跟踪，因此未示出。可以根据用于立即 ACK、延迟的 ACK 或块 ACK 的 ACK 策略来发送 ACK。也可以以 ACK 或其它上行链路业务来搭载 (piggyback) 从 STA 至 PNC 的 vnew 的反馈。
     图 6 描绘了根据本发明的实施例的可选的波束跟踪协议，其中假设了信道互易。微网控制器 (PNC) 以经过扰动的天线权重来发送数据分组 602，站 (STA) 以天线权重向量 u 来接收数据分组 602。STA 以经过扰动的天线权重向量来发送数据分组 604， PNC 以天线权重向量 v 来接收数据分组 604。重复该处理， PNC 以经过扰动的天线权重来发送数据分组 606， STA 以天线权重向量 u 来接收数据分组 602。STA 以经过扰动的天线权重向量来发送数据分组 608， PNC 以天线权重向量 v 来接收数据分组 608。多次重复该处理，直到 PNC 以经过扰动的天线权重来发送数据分组 610， STA 以天线权重向量 v 来接收数据来发送数据分组 612， PNC 以天线权重向量 v 分组 610。STA 以经过扰动的天线权重向量来接收数据分组 612。对于隐式反馈波束成形 ( 其中假设了信道互易 )，下行链路和上行链路传输两者都用于跟踪 PNC 和 STA 处的波束成形向量。在一个方向上的接收波束成形向量被用作另一方向的发射波束成形向量。
     因为示出的方案需要约 Nt+Nr 个分组，虽然在数据传输中没有中断，但是如果分组持续时间太长的话，信道可能会改变。在可选的实施例中，可以实现部分跟踪。也就是说，发射机和接收机可以更新其在子空间内的波束成形权重。代替 Nt 和 Nr，仅分别跟踪射向量空间和形矩阵其中是第 i 个经过扰动的波束成形向量 ( 并且个发个接收向量空间内的改变。个经过扰动的发射波束成形向量形成波束成)。类似地，个经过扰动的接收波束成形向量形成波束成形矩阵其中是第 i 个经过扰动的向量 ( 并且量：
     )。在个分组传输之后，有两个接收向
     其中 v 和 u 是在跟踪之下的最新的波束成形向量； xi 和 zi 是发送的符号；忽略了噪声。发送的符号是数据符号。通过移除训练符号的影响，等式 (7) 和 (8) 可以被简化为：
     其中并且
     在由的列跨越的子空间内可以通过下式来计算发射向量：
     其中
     是 A 的伪逆 (pseudo inverse)。类似地，在由的列跨越的子空间内可以通过下式来计算接收向量：
     q2 ＝ Λzy2(13)在发射波束成形向量更新至 vnew 之后， vnew 被用于接收波束成形向量的更新。可以以低复杂度完成伪逆变换。
     图 7 描绘了根据本发明的实施例的另一可选的波束跟踪分组图。由于 TX 和 RX 转换期间可能引入随机相位，在一个数据分组内可以出现跟踪序列。可以将不同的经过扰动的相位向量应用于多个 OFDM 符号。如图所示，发送前导 702。对 OFDM 符号的解码将使用前
     导 702 中的信道估计。以经过扰动的权重向量和至至来发送 OFDM 符号 704 和 706 至708。以新更新的 vnew 来发送 OFDM 符号 710 和 712 至 714，并且以经过扰动的权重向量和来接收 OFDM 符号 710 和 712 至 714。数据符号可能会出现轻微的性能损失。解码和的精确估计，多个 OFDM 符号将使用相同的的信息可以被用于决定指导的信道估计，其中该信道估计将被用于波束向量更新。要得到相位向量，并且所述估计将在频率和时间上取平均。
     当在相控阵列中使用小数量的天线 ( 例如四个天线 ) 时，改变四个天线中的一个天线上的相位偏移，可能导致无法提供所需的天线增益的天线模式。根据本发明的实施例，可以使用各种可选实施例来改善增益。可以由波束搜索的一次迭代来代替波束跟踪。由于天线数量少并且初始波束成形向量是接近优化的，因此训练时间很短。可选地，由于天线数量少，仅有分组的一小部分数据符号用于波束成形跟踪，并由经过扰动的波束成形向量来进行波束成形。可以以未扰动的波束成形向量 ( 也就是说，优化的向量 ) 来发送 ( 或接收 )其余的符号。可以将更低的调制编码方案 (MCS) 应用于由经过扰动的波束成形向量发送的数据符号，可以将更高的 MCS 用于未扰动的部分。因此，可以最小化来自跟踪的损失。这两种机制还可以应用于扇区化天线的集合。在扇区化天线的情况中，可以对天线的选择的子集进行跟踪以便降低开销。
     上述的技术可以包含在计算机可读介质中，计算机可读介质用于配置计算系统来执行该方法。计算机可读介质可以包括，作为例子但不限于，任意数量的下述内容：包括磁盘和磁带存储介质的磁存储介质；如压缩光盘介质的光存储介质 ( 例如， CD-ROM、 CD-R 等 ) 和数字视频盘存储介质；全息存储器；包括基于半导体存储器单元的如 FLASH 存储器、 EEPROM、 EPROM、 ROM 等的非易失性存储器存储介质；铁磁数字存储器；包括寄存器、缓冲器或高速缓存、主存储器、 RAM 等的易失性存储介质；包括永久的和间歇的计算机网络、点对点电信设备、载波传输介质、因特网等的数据传输介质。其它新的和各种类型的计算机可读介质可以用于存储和 / 或发送这里所述的软件模块。可以在许多形式中发现计算系统，包括但不限于此：大型机、小型机、服务器、工作站、个人计算机、笔记本计算机、个人数字助理、各种无线设备和嵌入式系统等等。典型的计算系统包括至少一个处理单元、相连的存储器和多个输入 / 输出 (I/O) 设备。计算系统根据程序处理信息，并且通过 I/O 设备产生结果输出信息。在特定实施例的上下文中已经描述了根据本发明的各种实现。这些实施例是示例性的并且不用于限制。可以进行多种变化、更改、添加和改善。因此，用于这里所述的组件的多个实例可以作为单个实例。各种组件、操作和数据存储之间的边界是有些任意的，并且特别操作在具体示例性配置的上下文中示出。其它的功能分配是可以想象的，并且可以落入随附的权利要求的范围中。最后，在各种配置中作为分立组件示出的结构和功能可以实现为组合的结构或组件。所有这些及其它变化、更改、添加和改善可以落入随附的权利要求中定义的本发明的范围之内。

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1、(10)申请公布号 CN 101971517 A(43)申请公布日 2011.02.09CN101971517A*CN101971517A*(21)申请号 200980108507.6(22)申请日 2009.03.1161/035,480 2008.03.11 US12/190,307 2008.08.12 USH04B 7/04(2006.01)H04B 7/26(2006.01)(71)申请人英特尔公司地址美国加利福尼亚(72)发明人 H牛 Q李(74)专利代理机构永新专利商标代理有限公司 72002代理人张扬王英(54) 发明名称具有快速自适应波束跟踪的毫米波WPAN通信系统(57)。

2、摘要简单地说，本发明公开了在交换数据分组期间进行波束跟踪的机制。针对每个数据分组的传输或接收在发射或接收波束成形向量上添加扰动。所述扰动可以是允许的最小相位旋转。(30)优先权数据(85)PCT申请进入国家阶段日2010.09.10(86)PCT申请的申请数据PCT/US2009/036837 2009.03.11(87)PCT申请的公布数据WO2009/114629 EN 2009.09.17(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页说明书 8 页附图 4 页CN 101971517 A 1/2页21.一种方法，其包括：在交换数据分。

3、组期间，进行波束成形或波束跟踪中的一种。2.根据权利要求1所述的方法，其中，针对每个数据分组的传输在发射波束成形向量上添加扰动。3.根据权利要求3所述的方法，其中，所述扰动是允许的最小相位旋转。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述扰动是所述允许的最小相位旋转的整数倍。5.根据权利要求1所述的方法，其中，针对每个数据分组的接收在接收波束成形向量上添加扰动。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述扰动是允许的最小相位旋转。7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述扰动是所述允许的最小相位旋转的整数倍。8.根据权利要求1所述的方法，其中，以更改的发射天线权重向量来发送所述数据分组。9.根据权利要求。

4、8所述的方法，其中，所述更改的发射天线权重向量是经过允许的最小相位旋转扰动的以前生成的发射天线权重向量。10.根据权利要求1所述的方法，其中，以更改的接收天线权重向量来接收所述数据分组。11.根据权利要求1所述的方法，其中，数据分组的传输和接收两者都用于跟踪。12.根据权利要求1所述的方法，其中，实现一部分跟踪，使得仅在子空间内更新波束跟踪。13.根据权利要求1所述的方法，其中，将不同的经过扰动的天线权重向量应用于单个数据分组内的不同的OFDM符号。14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：在单个数据分组的前导中发送信道估计信息。15.根据权利要求1所述的方法，其中，进行波束成形以估计信道。

5、状态信息，进一步包括：使用所获得的信道状态信息来计算优化的天线权重向量。16.一种装置，其包括：天线的阵列；移相器，其耦合至所述阵列中的每个天线；以及控制电路，其用于在交换数据分组期间通过将天线权重向量应用于所述移相器，来进行波束成形或波束跟踪。17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述控制电路配置为：针对每个数据分组的传输在发射波束成形向量上添加扰动。18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述扰动是允许的最小相位旋转。19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述扰动是允许的最小相位旋转的整数倍。20.根据权利要求16所述的装置，其中，所述控制电路配置为：针对每个数据分组的接收在接收波束成。

6、形向量上添加扰动。21.根据权利要求16所述的装置，其中，所述控制电路配置为：将不同的经过扰动的天线权重向量应用于单个数据分组内的不同的OFDM符号。22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述控制电路进一步配置为：在所述单个数据权利要求书CN 101971517 A 2/2页3分组的前导中发送信道估计信息。23.一种装置，其包括：控制电路，其用于在交换数据分组期间通过将天线权重向量应用于移相器，来进行波束成形或波束跟踪。24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述控制电路配置为：针对每个数据分组的传输在发射波束成形向量上添加扰动。25.根据权利要求23所述的装置，其中，所述控制电路配。

7、置为：针对每个数据分组的接收在接收波束成形向量上添加扰动。26.根据权利要求23所述的装置，其中，所述控制电路配置为：将不同的经过扰动的天线权重向量应用于单个数据分组内的不同的OFDM符号。27.根据权利要求26所述的装置，其中，所述控制电路进一步配置为：在所述单个数据分组的前导中发送信道估计信息。权利要求书CN 101971517 A 1/8页4具有快速自适应波束跟踪的毫米波 WPAN 通信系统背景技术0001 操作在60千兆赫(GHz)频率带的毫米波(mmWave)无线个人区域网络(WPAN)通信系统被期望向大约十米的距离提供每秒数个千兆比特(Gbps)的吞吐量，并且将在未来几年投。

8、入使用。当前数个标准化组织(IEEE802.15.3c、WirelessHD SIG、ECMA TG20、COMPA等)正在考虑用于mmWave WPAN系统的不同概念，以定义最适用于多个Gbps WPAN应用的系统。0002 由于氧吸收及其短波长，mmWave通信链路比更低频率(例如，2.4GHz和5GHz频带)的通信链路更不稳健，其中氧吸收会使长距离上的信号衰减，短波长导致在通过如墙和天花板的障碍物时的高衰减。因此，使用定向天线(如波束成形天线、扇区化天线或固定波束天线)已经被认为对于60GHz应用是有用的。0003 任何无线通信系统的固有特性是需要改善的吞吐量和可靠性。因此，非常需要改善。

9、mmWave无线个人区域网络的技术。附图说明0004 参考附图，本领域技术人员可以更好地理解本发明，其数个特征和优点也会显而易见。0005 图1描绘了根据本发明的实施例的用于模拟波束成形和跟踪的系统。0006 图2描绘了具有在超帧中分配的专用时间的波束跟踪分组图。0007 图3描绘了根据本发明的实施例的波束跟踪分组图。0008 图4描绘了根据本发明的实施例、在专用训练方式和训练方式之间的100个信道实现的波束成形增益的性能比较。0009 图5描绘了根据本发明的实施例的波束跟踪协议。0010 图6描绘了根据本发明的实施例的可选的波束跟踪协议。0011 图7描绘了根据本发明的实施例的可选的波束跟踪。

10、分组图。0012 在不同附图中使用的相同的附图标记表示相似或相同的项目。具体实施方式0013 在以下描述中，将阐述多个具体细节。但是，应当理解，本发明的实施例可以不以这些具体细节来实现。在其它实例中，公知的方法、结构和技术没有被详细描述，以避免对本申请的理解变得模糊。0014 提及“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“各种实施例”等，指示如所描述的本发明的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但不是每个实施例必须包括所述特定特征、结构或特性。此外，对短语“在一个实施例中”的重复使用不一定表示相同实施例，尽管其可以如此表示。0015 如这里所用的，除非另有指定，使用序数形容词“第一”、。

11、“第二”、“第三”等来描述通用对象，仅指示相似对象的不同实例被引用，并不是暗示如此描述的对象必须有给定的说明书CN 101971517 A 2/8页5顺序，不管是时间上的、空间上的、排名的或任何其它方式。0016 本发明的实施例可以用于各种应用。本发明的一些实施例可以结合各种设备和系统来使用，设备和系统例如是发射机、接收机、收发机、发射机-接收机、无线通信站、无线通信设备、无线接入点(AP)、调制解调器、无线调制解调器、个人计算机(PC)、台式计算机、移动计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、平板计算机、服务器计算机、手持计算机、手持设备、个人数字助理(PDA)设备、手持PDA设备或甚至是个。

12、人区域网络(PAN)中的高清电视信号。0017 尽管本发明的实施例不限于这些方面，讨论中利用的术语，如“处理”、“计算”、“推算”、“确定”、“建立”、“分析”、“检测”等，可以指计算机、计算平台、计算系统或其它电子计算设备的操作和/或处理，其将在计算机的寄存器和/或存储器内作为物理(例如，电)量表示的数据进行操作和/或改变为在计算机的寄存器和/或存储器或可以存储指令的其它信息存储介质内类似地作为物理量表示的其它数据，以执行操作和/或处理。0018 尽管本发明的实施例不限于这些方面，这里使用的术语“多个”和“许多”可以包括，例如“多个”或“两个或更多”。术语“多个”和“许多”可以在说明书全文中。

13、用于描述两个或更多组件、设备、元件、单元、参数等。例如，“多个站”可以包括两个或更多个站。0019 根据本发明的实施例，使用例如与相位天线阵列系统一起使用的新的过程，可以完成定向通信，其中在相位天线阵列系统中，将去往天线单元的输入/来自天线单元的输出乘以权重(相位)向量，以形成发射(TX)和接收(RX)波束。具有波束可操控天线的设备需要对TX和RX天线系统(波束成形/跟踪)的优化调整，典型地使用针对波束成形、跟踪和调整的专用时间帧。根据本发明的实施例，不使用针对跟踪的专用时间的使用。此外，由于非静止的环境，波束成形传输的质量可能随着时间而变差，然后可以使用新的波束跟踪过程来调整TX和RX天线权。

14、重向量。在靠近当前波束成形处可以进行天线训练，使得使用递归过程可以更新天线权重向量，其中递归过程使用当前的TX和RX天线权重向量作为初始值。0020 图1描绘了根据本发明的实施例的用于模拟波束成形和跟踪的系统。系统100可以包括一个或多个发射设备102和/或一个或多个接收设备104。发射设备102可以包括发射基带处理电路112、多个功率放大器114，每个功率放大器114连接到移相器116和天线118。接收设备104可以包括多个天线122，每个天线122连接到移相器124和低噪声放大器126。每个低噪声放大器126连接到单个接收基带处理电路128。尽管被示出为分开的设备，发射设备102和接收设备。

15、104可以被包含在单一组件中，并且可以共享电路，例如，天线和/或移相器。0021 发射设备102使用相控阵列方式来完成定向传输。在相控阵列方式中，通过改变每个天线单元的输出信号的相位来形成发射波束。发射功率被分布至多个功率放大器114，并且波束可以被自适应地操控。接收设备104也使用相控阵列方式来完成定向接收。通过改变每个天线单元的输入信号的相位来检测接收波束。接收增益被分布至多个低噪声放大器126，并且波束可以被自适应地接收。0022 根据本发明的实施例，发射设备102使用预先确定的TX天线设置的更改版本来发送数据信号，而接收设备104进行对接收到的信号的处理，并且能够从接收到的信号中估计所。

16、需要的信道状态信息。在接收设备104向发射设备102反馈控制消息的一个或多个阶说明书CN 101971517 A 3/8页6段期间，可以进行波束成形，其中控制消息包括与需要进一步训练的参数有关的信息。在获得了所有所需要的信道状态信息之后，接收设备104计算优化的TX和RX天线设置。然后，接收设备104应用RX天线权重向量，并且将TX天线权重向量发送至发射设备102。然后，发射设备102应用TX天线权重向量。0023 可选地，接收设备104可以估计RX天线权重向量，并且TX天线权重向量估计所需要的信道状态信息可以被发送至发射设备102。发射设备102可以进行TX天线权重向量计算。0024 应。

17、当注意，所有建议的波束成形/跟踪方法可以提供非量化的TX和RX天线权重向量。但是，发射设备102和接收设备104可以对已应用的权重向量系数的幅度和相位的连续性进行限制。这样，天线权重向量的量化可以靠近最接近的允许值，例如/3或/2。此外，TX和RX天线权重向量可以被量化，以在它们被计算出之后降低站之间的用于天线权重向量传输而传递的数据的量。0025 图2描绘了具有在超帧中分配的专用时间的波束跟踪分组图。在正常的数据交换中，微网控制器(PNC)向站1(STA1)发出信标202和信道接入周期(CAP)204，随后是数据分组206。进行接收的STA1发送用于指示接收到数据分组206的确认208。PN。

18、C向站2(STA2)发送数据分组210，并且从STA2接收ACK 212。可以发送额外的数据分组214和216并且接收相应的ACK 218和220。使用静态的、以前确定的TX和RX权重向量来发送和接收这些数据传输。作为专用跟踪协议的一部分，PNC向STA1发送波束跟踪分组222，在从STA1接收到ACK 224之后，向STA2发送波束跟踪分组226，并且从STA2接收ACK 228。使用训练矩阵来形成波束跟踪分组222和226。0026 随着站的数量的增加，用于专用跟踪过程的时间显著地增加，使得系统更加缺乏效率。此外，可能需要频繁的波束跟踪来跟踪信道的小变化。波束搜索和波束跟踪中的每一种都可能。

19、需要消息交换的多次迭代。随着站的数量的增加，例如，在密集环境中，分配给跟踪开销的时间可能很大，因此引起效率下降。波束跟踪开销可以多达每次迭代100us，并且可能被非常频繁的调度，如每1或2ms被调度一次。0027 在图2示出的训练方式中，可以分别将发射(TX)和接收(RX)天线权重向量v和u应用于使用移相器116的发射天线118的输入和使用移相器124的接收天线122的输出。图1中所示的系统的数学模型可以由下列等式所示出：0028 y1uHHFdiagx (1)0029 y2diagzGHHv (2)0030 其中y是接收到的信号；x是发送的符号；向量u和v分别是接收和发射波束成形向量，并且还。

20、包括用于跟踪的量；H是NrNt的频率非选择性的信道转移矩阵；矩阵F和G是训练矩阵，其可以是满秩矩阵。例如，由于其正交性以及其相位仅取0和值，Hardmard矩阵可以用作训练矩阵。发送的符号是训练符号。0031 在图2所示的方式中，F或G矩阵仅存在于传输的一侧。例如，为了跟踪和更新发射波束成形向量u，在发射机侧使用F(见等式1)。另一方面，为了跟踪接收波束成形向量v，在接收机侧使用矩阵G(见等式2)。跟踪协议需要保留特定的时间，来以F的每列进行发送并且以G矩阵的每列进行接收。此外，在每个传输中使用时域中的训练序列。0032 根据本发明的实施例，不同于使用图2中示出的专用跟踪消息交换，而是将训说。

21、明书CN 101971517 A 4/8页7练分布在数据传输中。根据一个实施例，不再需要用于发送和接收F和G的专用训练时间。在每个传输中，针对每个分组传输顺序地在v和u向量上添加扰动，这仅引起在波束成形增益上的可忽略的降级。Nt个经过扰动的发射波束成形向量形成波束成形矩阵其中是第i个经过扰动的波束成形向量。类似地，Nr个经过扰动的接收波束成形向量形成波束成形矩阵其中是第i个经过扰动的向量。在Nr+Nt个分组传输之后，两个接收向量示出为：0033 0034 0035 其中v和u是在跟踪之下的最新的波束成形向量；xi和zi是发送的符号；忽略了噪声。发送的符号是数据符号。通过向v的第i项添加允许的。

22、最小相位旋转，可以生成例如，如果移相器具有八个等级的值，则可以将/3添加至v的第i项的相位(表示为i)，以生成是满秩的并且可以被写作其中c是取决于的常数。可以类似地生成矩阵0036 应当注意，仅描述了单个数据流。但是，这里所述的概念可以应用于多个数据流。0037 图3描绘了根据本发明的实施例的波束跟踪分组图。微网控制器(PNC)使用经过扰动的天线权重向量来发出信标302和CAP 304(跟随着去往站1(STA1)的数据分组306)，并且由STA1使用天线权重向量u进行接收。正在接收的STA1发送用于指示接收到数据分组306的确认308。PNC使用经过扰动的天线权重向量至来发送额外的数据分组31。

23、0至312，其中STA1使用天线权重向量u来接收数据分组310至312。PNC接收来自STA1的额外的ACK 314至316。注意，PNC可以正在向其它站(未示出)发送额外的数据。接下来，PNC使用新的天线权重向量vnew来发送数据分组318至320，其中STA1使用经过扰动的天线权重向量至来接收数据分组318至320。STA1发送ACK 322至324。0038 如图3所示，没有使用用于训练的保留时隙。使用更改的波束成形向量和来发送和接收数据分组。在该例子中，PNC和STA1进行波束跟踪。在STA1处跟踪接收波束成形向量之前，先在PNC处跟踪发射波束成形向量。0039 图4描绘了根据本发明的。

24、实施例、在迭代训练方式和训练方式之间100个信道实现的波束成形增益的性能比较。图404表示使用优化的波束成形向量(例如使用图2中示出的协议)的信道实现结果。图406表示使用用于跟踪的更改的向量(例如使用图3中示出的协议)的信道实现结果。使用经过扰动的训练矩阵和代替优化的训练矩阵v和u，其性能差别低于0.2dB。说明书CN 101971517 A 5/8页80040 迭代训练协议在专用训练时隙中激发满秩矩阵F和G的每列，以更新波束成形向量，这会降低效率。根据本发明的实施例，发射机和接收机分别使用和用于数据发送和接收，其也是满秩矩阵，这提供了更高效的系统。满秩特征捕获了在所有方向上的波束成形变。

25、动。0041 使用等式(3)和(4)以及更新的方法，波束成形向量可以更新为0042 0043 0044 其中以及0045 在发射波束成形向量更新至vnew之后，vnew用于接收波束成形向量的更新。可以以如下的低复杂度来进行该逆变换。可以将该等式转换以找到秩一更新的逆变换。由于仅有v的第i个元素被更改以获得因此有其中diag()是对角矩阵。0046 0047 0048 0049 0050 其中b(1 1.1diag-1()H。可以计算的两个项的逆变换。第一项的逆变换是(I+vbH)-1I-(1+bHv)-1vbH，第二项的逆变换是每个对角项的逆变换。因此，仅需要Nt+1个标量部分以获得当数据分组。

26、被正确接收到时，可以使用决定反馈，其中等式(3)和(4)中的xi和zi是数据符号。由于数据符号的密集数目，通过决定反馈能够极大地改善跟踪准确性。0051 图5描绘了根据本发明的实施例的波束跟踪协议，其中没有假设信道互易。微网控制器(PNC)使用经过扰动的发射天线权重向量发送数据分组502，站使用优化的接收天线权重向量u来接收数据分组502。此外，分别使用经过扰动的发射天线权重向量至来发送数据分组504至506。STA计算更新的发射向量v并且在传输508中向PNC发送更新的向量v。PNC传送Nr个数据分组510和512至514。PNC以更新的向量v来发送数据分组510和512至514，并且以接收。

27、天线权重向量和至来接收数据分组510和512至514。在数据传输阶段期间进行跟踪。仅示出了从微网控制器(PNC)至站(STA)的传输。从STA至PNC的确认(ACK)传输不参与跟踪，因此未示出。可以根据用于立即ACK、延迟的ACK或说明书CN 101971517 A 6/8页9块ACK的ACK策略来发送ACK。也可以以ACK或其它上行链路业务来搭载(piggyback)从STA至PNC的vnew的反馈。0052 图6描绘了根据本发明的实施例的可选的波束跟踪协议，其中假设了信道互易。微网控制器(PNC)以经过扰动的天线权重来发送数据分组602，站(STA)以天线权重向量u来接收数据分组602。

28、。STA以经过扰动的天线权重向量来发送数据分组604，PNC以天线权重向量v来接收数据分组604。重复该处理，PNC以经过扰动的天线权重来发送数据分组606，STA以天线权重向量u来接收数据分组602。STA以经过扰动的天线权重向量来发送数据分组608，PNC以天线权重向量v来接收数据分组608。多次重复该处理，直到PNC以经过扰动的天线权重来发送数据分组610，STA以天线权重向量v来接收数据分组610。STA以经过扰动的天线权重向量来发送数据分组612，PNC以天线权重向量v来接收数据分组612。对于隐式反馈波束成形(其中假设了信道互易)，下行链路和上行链路传输两者都用于跟踪PNC和STA。

29、处的波束成形向量。在一个方向上的接收波束成形向量被用作另一方向的发射波束成形向量。0053 因为示出的方案需要约Nt+Nr个分组，虽然在数据传输中没有中断，但是如果分组持续时间太长的话，信道可能会改变。在可选的实施例中，可以实现部分跟踪。也就是说，发射机和接收机可以更新其在子空间内的波束成形权重。代替Nt和Nr，仅分别跟踪个发射向量空间和个接收向量空间内的改变。个经过扰动的发射波束成形向量形成波束成形矩阵其中是第i个经过扰动的波束成形向量(并且)。类似地，个经过扰动的接收波束成形向量形成波束成形矩阵其中是第i个经过扰动的向量(并且)。在个分组传输之后，有两个接收向量：0054 0055 005。

30、6 其中v和u是在跟踪之下的最新的波束成形向量；xi和zi是发送的符号；忽略了噪声。发送的符号是数据符号。通过移除训练符号的影响，等式(7)和(8)可以被简化为：0057 0058 说明书CN 101971517 A 7/8页100059 其中并且0060 在由的列跨越的子空间内可以通过下式来计算发射向量：0061 0062 其中0063 0064 是A的伪逆(pseudo inverse)。类似地，在由的列跨越的子空间内可以通过下式来计算接收向量：0065 0066 q2zy2(13)0067 0068 在发射波束成形向量更新至vnew之后，vnew被用于接收波束成形向量的更新。可以以低。

31、复杂度完成伪逆变换。0069 图7描绘了根据本发明的实施例的另一可选的波束跟踪分组图。由于TX和RX转换期间可能引入随机相位，在一个数据分组内可以出现跟踪序列。可以将不同的经过扰动的相位向量应用于多个OFDM符号。如图所示，发送前导702。对OFDM符号的解码将使用前导702中的信道估计。以经过扰动的权重向量和至来发送OFDM符号704和706至708。以新更新的vnew来发送OFDM符号710和712至714，并且以经过扰动的权重向量和至来接收OFDM符号710和712至714。数据符号可能会出现轻微的性能损失。解码的信息可以被用于决定指导的信道估计，其中该信道估计将被用于波束向量更新。要得到和的精确估计，多个OFDM符号将使用相同的相位向量，并且所述估计将在频率和时间上取平均。0070 当在相控阵列中使用小数量的天线(例如四个天线)时，改变四个天线中的一个天线上的相位偏移，可能导致无法提供所需的天线增益的天线模式。根据本发明的实施例，可以使用各种可选实施例来改善增益。可以由波束搜索的一次迭代来代替波束跟踪。由于天线数量少并且初始波束成形向量是接近优化的，因此训练时间很短。可选地，由于天线数量少，仅有分组的一小部分数据符号用于波束成形跟踪，并由经过扰动的波束成形向量来进行波束成形。可以以未扰动的波束成形向量(也就是说，优化的向量)来发送(或接收)说明书。

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