用來在mimo系統中發射訓練幀的方法和mimo系統的製作方法

2023-07-22 13:03:21

專利名稱：用來在mimo系統中發射訓練幀的方法和mimo系統的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及多輸入多輸出(MIMO)通信系統，並且更具體 地i兌，涉及產生用於MIMO系統的訓練幀。
背景技術：
熟知的是，在無線通信系統中使用多輸入多輸出(MIMO)技術 顯著增加在多路徑情況下的容量。然而，多個天線增加複雜性和成本， 因為每根發射天線和每根接收天線需要分離的射頻(RF)信道，該射 頻信道包括調製器和/或解調器、AD/DA轉換器、上/下轉換器、及功
率放大器o
天線和/或波束選擇可減小RF信道的數量，而仍然具有多個天線 和/或波束所提供的容量和多樣性增加。藉助於天線選擇，每個輸入/ 輸出RF信道與一根選擇天線相聯。天線選擇取決於小規模衰減，其 隨頻率變化。因此，當兩個頻率由多於一個相干帶寬分離時，對於一 個頻率選擇的天線通常對於其它頻率是不適當的。
波束選擇取決於到達的路徑角，該路徑角對於感興趣的整個頻帶 近似相同。波束選擇把每個輸入/輸出RF信道與一個選擇波束相聯， 這可通過包括在所有天線處的接收/發射信號的信號向量的線性變換 而形成。
在天線和/或波束選擇中，典型地，通道子矩陣根據某種標準， 從完整通道矩陣、或用于波束選擇的變換通道矩陣中選擇。為了實施 天線和波束選擇，通道矩陣通過發送訓練幀而被估計，該訓練幀使兩 個站能夠完全地估計通道的特性。
在兩個站都具有選擇能力的情況下，通過通道的互換性，估計通
道應該在兩個方向上相同，並且兩個站都可獨立地選擇同一個子矩陣， 而沒有選擇結果的顯式交換。然後，所選擇的子矩陣可用於發射數據 幀的相干探測。然而，因為由估計誤差引起的通道模糊性或由在不同方向上在訓 練幀之間的時間差引起的通道變化，當一個站操作在發射模式或接收 模式時所觀察的通道是不同的，並且所述獨立天線選擇可使兩個站選 擇不同的子矩陣。如果不同的子矩陣由兩個站使用，那麼系統的性能 可能嚴重地降低。為了解決這個問題，顯式信令可用來交換關於在所述站的物理(PHY)層或媒體接入層(MAC)層中的選擇的信息。然而，由於實 際的限制，在物理(PHY)層中的額外信令信息或在MAC層中的信 令延遲是不希望的。發明內容本發明提供一種在MIMO系統中發射訓練幀的方法和系統。長序列的訓練幀經MIMO系統的通道從站B發射到站A，在該 MIMO系統中，站A包括Na根天殘和Na—ss個RF信道，並且站B 包括NB根天線和NB—ss個RF信道。在長序列訓練幀中幀的數量至少等於LNB.NA/NASS」，其中LJ 是下界運算，即大於或等於(NB.NA/NASS )的最小整數。響應於接收到所述長序列訓練幀，短序列訓練幀經所述通道從站 A發射到站B。在短訓練序列中幀的數量至少等於LNA,NB/NB_SS」。


圖1是根據本發明一個實施例的MIMO系統的方塊圖； 圖2是由第一站B產生的長序列訓練幀的方塊圖；及 圖3是由笫二站B產生的部分訓練幀序列的方塊圖。
具體實施例方式
如圖1中所示，MIMO系統100包括由無線通道130連接的站B 110和站A 120。站A包括Na根天幾、和Na—ss個RF信道，並且站B 包括Nb根天幾、和Nbss個RF信道，如在現有技術中已知的那樣。 典型地，NA>NA—ss ，並且NB>NBSS ，例如NA=NB=4 ，並且NA—SS=NB—ss=2 ， 如在圖中表示的那樣。也提供切換裝置以把RF信道連接到適當天線 上，如在現有技術中已知的那樣。這個切換過程通常稱作天線或波束 選擇。參數NA=NB和NA—SS=NBSS可在媒體接入層(MAC)中或在物 理(PHY)層中的首部中通信，或者所述參數被預先確定。以發射模式操作的站B產生111長訓練幀(TF )序列200，見圖 2。在長序列中幀的數量至少等於LNB.NA/NA—ss」，其中L」指示下 界，即大於或等於(NB.NA/NASS)的最小整數。典型地，長序列訓練 幀響應於從站A接收"對於完全訓練的請求，，而在站B中產生。因此，如這裡定義的那樣，長序列訓練幀如圖2中所示，包括用 於發射天線201-204的每一根和接收天線301-304的每一根的至少一 個訓練幀。長序列訓練幀200經通道130發射到以接收模式操作的站A。站 A由所述長序列訓練幀估計所述通道130的完整特性。所述完整通道 特性可用來選擇在站A中可用的天線或波束的子集。所述子集具有比 所述可用天線或波束的總數少的元件。例如，選擇天線301-302。典 型地，子集的大小是Nb—ss。根據所述完整通道特性，以發射模式操作的站A產生122短序列 訓練幀300，見圖3。如這裡定義的那樣，在短序列中幀的數量至少等 於LNA SS.NB/NB ss 短序列訓練幀300經過所述通道130經過所選擇的天線發射到以 接收模式操作的站B。站B由短序列訓練幀估計112通道的部分特性。 所述部分通道特性可用來在站B中選擇天線或波束的子集。所述子集 具有比所述可適用天線的數量少的元件，例如天線201-202，見圖3。所述估計通道特性和所選擇天線或波束可用來隨後經通道130把 數據幀(DT)從以發射模式操作的站A發射120到以接收模式操作
的站B110，並且反之亦然。 用於MIMO系統的模型
在站A 120處具有Na根天幾和在站B 110處具有Nb根天殘的平 緩衰減MIMO系統中，在發射和接收信號之間的關係可表達為 rB=FHB(HA—BFAsA+n)
其中，rB是NBssXl接收信號向量，Sa是Na—ssxl發射信號向量， 及矩陣Ha^b是代表通道特性的NBxNA。NBxl噪聲向量n具有多個項， 該項是具有方差No的獨立和相同分布(i丄d.)的零均值對稱復高斯隨 機變量。
矩陣Fa是NAxNA—ss發射選擇矩陣，並且矩陣Fb是NbxNb—ss接 收選擇矩陣。選擇矩陣是用於天線選擇的單位矩陣(identity matrix ) 的子矩陣。在波束-選擇的情況下，矩陣包括酉矩陣(unitary matrix) 的列。
在天線或波束選擇之後的等效通道矩陣是NB—ssxNA—ss矩陣 Feq=FHBH"BFA，後者是通道矩陣H^b的子矩陣、或用于波束選擇的 變換通道矩陣的子矩陣。Fa和FB的確定典型地要優化通道容量或信 噪比(SNR)。
天線選擇
對於天線選擇，所述選擇簡單地通過把來自RF調製器信道的輸 出信號切換到所選擇的發射天線、或把來自所選擇的接收天線的輸入 信號切換到RF解調器信道而進行。
波束選擇
對于波束選擇，變換使用如下元件的一些或全部Butler矩陣、 移相器、衰減器/放大器、及線性組合器和開關、及跟隨切換電路，可 在RF域中實施。可選擇地，變換和選擇可聯合地進行，同樣採用移 相器、衰減器/放大器、及線性組合器。在兩種情況下，調製/解調發 射/接收信號的RF信道的要求數量小於發射和接收天線的可用總數， 並且可降低系統的複雜性和成本。
訓練幀
站A 120估計從站A到站B、代表完整通道特性的完整通道矩陣 HA—b，以確定選擇矩陣FA。這通過把長序列訓練幀111從站B發射 到站A而實現。根據通道130的互換性，從站B到站A的、在站A 120 處的估計通道矩陣H"a是矩陣HA—B的轉置，即H"a-H^—B。類似過程可由站A110使用短序列訓練幀進行。注意，選擇矩陣 Fa和FB的確定在兩個站處基於他們的估計通道矩陣獨立地進行。選 擇天線或波束因為通道估計誤差或在不同方向上的通道變化，在兩個 站處可能不同。這種矛盾有時可引起嚴重的性能降低。對於典型的MIMO系統，讓站A和B都根據"四中選二"天線選擇策略操作。在站A120處的估計通道是formula see original document page 9並且在站A 120處的選擇發射/接收天線分別是{1，2}和{1,2},從 而希望的等效通道是formula see original document page 9在站B處，由於某種通道模糊性估計通道是formula see original document page 9因而，在站B處的選擇發射/接收天線分別是{3，4}和{3，4},從而 希望的等效通道是H' -卩0—沒有關於在兩個站處選擇天線的信息的某種交換，站A使用發射 天線{1，2}，而站8使用接收天線{3，4}，並且生成通道矩陣是H" -「0 0—H叫-L。 0。在現有技術中，這個問題通過在PHY層或MAC層中提供某種 信息交換機制而解決，從而兩個站都使用相同的選擇天線集。
然而，對於PHY層，在用於這個目的的每個幀的首部中的欄位 的添加是不希望的，因為這個欄位在選擇過程期間僅用在訓練幀中。 當以後發射數據幀時，不需要該欄位。在MAC層中，由額外信息交 換引起的延遲也是一種擔心。給定以上推理，我們依次確定在兩個站 中的天線/波束選擇首先在將接收數據幀的站中，並且然後在發射數 據幀的接收器中。
長序列訓練幀200為了完整通道估計從站B 110發射到站A 120。 在站A處的天線/波束基於使用長序列訓練幀的估計完整通道矩陣 O選擇。
短序列訓練幀300從站A發射到站B，以便估計與在站A處的 所選擇天線/波束的數量相對應的部分通道矩陣。在站B處待^f吏用的天 線/波束基於所述估計的部分通道矩陣而確定。
注意，任何數據幀的依次發射獨立於所述選擇的通道矩陣。直接 解決方案是對所有站使用固定通道子矩陣。例如，通過把完整通道訓 練幀從站B發射到站A，所述估計的完整通道矩陣是formula see original document page 10
並且在站A處確定的選擇發射/接收天線分別是{1，2}和{1，2}。 通過在站A處使用所選擇的發射天線1和2發送所述短序列訓練 所述估計的部分通道矩陣是formula see original document page 10
並且在站B處的所選擇天線是1和2。所述等效通道矩陣成為formula see original document page 10
訓練幀的結構
由於對用於數據調製和解調的可用RF信道的數量的限制，訓練 幀以交替方式組織，其中僅天線的一個子集同時用於信號發射和接收。 圖2表示用於MIMO系統的長序列訓練幀300的例子，其中站 A和站B都根據"四選二"天線選擇策略操作。長序列訓練幀包括由 站B 110的發射天線201-204的每一根發射的、並且由站A的每根對 應天線接收的訓練幀。在圖2中，TF代表用於在2x2 MIMO系統中的通道估計的每個 訓練幀。因而，對於從站B發送到站A的長序列的訓練幀的每一個， 在時間間隔1\、 T2、 T3、及T4的每一個期間，估計通道的2x2子矩 陣，並且Ha^b的前雨行(與站B處的天線1和2相對應)在1\和 T2期間被估計。從t到T2，站A(現在是訓練幀的接收器)處可用的兩 個1^信道的輸入從天線{1，2}切換到{3，4}。從T2到T3，站B(現在是 訓練幀的發射器)處可用的兩個RF信道的輸出從天線{1，2}切換到 {3，4}。天線1和2在站A處被選擇。如圖3中所示，對於從站A到站B發送的短序列訓練幀，只有 Ha^b的前丙列(與在站A處的天線1和2 (301-302)相對應)被估 計。基於這個部分通道矩陣，確定在站B處的天線/波束選擇。注意， 數據幀的發射也使用所選擇的天線/波束。由於對安置到穩定輸出的開關需要的過渡時間，某種額外保護間 隔插入在連續訓練幀之間。當過渡時段加上通道的最大延遲散布小於 保護間隔時，這種額外保護間隔可計入在OFDM系統中的保護間隔 中。對於當只有一個站具有天線/波束選擇能力的情形，訓練方案簡 化到只包括在站B處的天線/波束選擇的一步過程， 其它實施例以上描述的方法也可應用於其中系統是頻選特性的情形，如根據 IEEE 802.11n標準設計的OFDM系統，因為天線選擇和RF-頻帶處 理可獨立於頻率實施。RF-基帶處理具有性能增益獨立於頻選特性的 優點，而通過天線選擇的增益往往由頻選特性而平均。在OFDM系統中，頻率-交錯訓練幀也是可能的，從而訓練幀的 不同音調從幾根發射天線同時發射。 儘管通過舉例優選實施例已經描述了本發明，但要理解，在本發 明的精神和範圍內可以進行各種其它修正和修改。因此，附屬權利要 求書的目的是覆蓋進入本發明的真實精神和範圍內的所有這樣的變更 和修改。
權利要求
1.一種在MIMO系統中發射訓練幀的方法，包括從站B到站A經MIMO系統的通道發射長序列訓練幀，其中站A包括NA根天線和NA_SS個RF信道，並且站B包括NB根天線和NB_SS個RF信道，在所述長序列訓練幀中幀的數量至少等於NB·NA/NA_SS；以及響應於接收到所述長序列訓練幀，從站A到站B經所述通道發射短序列訓練幀，在所述短訓練序列中幀的數量至少等於NA_SS·NB/NB_SS
2. 根據權利要求1所述的方法，還包括在站A中，由所述長序列訓練幀估計所述通道的完整特性；和 在站B中，估計所述通道的部分特性。
3. 根據權利要求2所述的方法，還包括在站A中，根據所述完整通道特性選擇RF信道的數量，以發射 所述短序列訓練幀。
4. 根據權利要求2所述的方法，還包括在站A中，根據所述完整通道特性選擇可用發射波束的子集，以 發射所述短序列訓練幀。
5. 根據權利要求2所述的方法，還包括在站B中，根據所述通道的所述部分特性選擇一組可用RF信道 集，以從站A接收數據幀。
6. 根據權利要求2所述的方法，還包括在站B中，根據所述通道的所述部分特性選擇可用接收波束的子 集，以從站A接收數據幀。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中所述MIMO系統是頻率選 擇性的。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中所述MIMO系統使用正交 頻分多路傳輸。
9. 根據權利要求1所述的方法，還包括在站A與站B之間使用所述MIMO系統的媒體接入層傳輸在站 A中的所述天線數量和在站B中的所述RF信道的數量。
10. 根據權利要求1所述的方法，還包括在站A與站B之間在所述MIMO系統的物理層的首部中傳輸在 站A中的所述天線數量和在站B中的所述RF信道的數量。
11. 根據權利要求1所述的方法，其中預先確定站A中的所述天 線數量以及所述RF信道的數量。
12. 根據權利要求1所述的方法，其中在站B中響應於從站A接 收關於完全訓練的請求，發射所述長序列訓練幀。
13. —種MIMO系統，包括站B，配置成經MIMO系統的通道發射長序列訓練幀；和 站A，配置成響應於接收到所述長序列訓練幀，經所述通道發射 短序列訓練幀，其中站A包括Na根天幾和Nass個RF信道，以及站 B包括Nb根天殘和Nbss個RF信道，在所述長序列訓練幀中幀的數 量至少等於LNB.NA/NA—ss」，以及在所述短訓練序列中幀的數量至少 等於LNA—SS.NB/NB—SSJ ,
14. 根據權利要求13所述的MIMO系統，還包括在站B中，根據所述長序列訓練幀把一組RF信道集切換到所選 擇的天線；和在站A中，根據所述短序列訓練幀把一組RF信道集切換到所選 擇的天線。
15. 根據權利要求13所述的MIMO系統，其中根據完整通道特 性選擇在站B中的天線，以及根據部分通道特性選擇在站A中的天線。
16. —種在MIMO系統中發射訓練幀的方法，包括 從站B到站A經MIMO系統的通道發射長序列訓練幀，其中站A包括Na根天幾和Na—ss個RF信道，以及站B包括Nb根天幾和Nb—ss 個RF信道，在所述長序列訓練幀中幀的數量足以為所有天線估計所述通道；和 響應於接收到所述長序列訓練幀，從站A到站B經所述通道發 射短序列訓練幀，在所述短訓練序列中幀的數量足以為站A中所選擇 的天線估計所述通道。
全文摘要
一種在MIMO系統中發射訓練幀的方法。從站B到站A經MIMO系統的通道發射長序列訓練幀，其中站A包括NA根天線和NA_SS個RF信道，並且站B包括NB根天線和NB_SS個RF信道，並且在所述長序列訓練幀中幀的數量至少等於NB·NA/NA_SS。響應於接收到所述長序列訓練幀，從站A到站B經所述通道發射短序列訓練幀。在所述短訓練序列中幀的數量至少等於NA_SS·NB/NB_SS。
文檔編號H04B7/08GK101120519SQ200680004715
公開日2008年2月6日 申請日期2006年4月13日 優先權日2005年5月11日
發明者安德瑞斯·F.·莫利茨, 杜健烜, 顧大慶 申請人:三菱電機株式會社