專利名稱：用來在mimo系統(tǒng)中發(fā)射訓練幀的方法和mimo系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)，并且更具體 地i兌，涉及產(chǎn)生用于MIMO系統(tǒng)的訓練幀。
背景技術(shù)：
熟知的是，在無線通信系統(tǒng)中使用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù) 顯著增加在多路徑情況下的容量。然而，多個天線增加復雜性和成本， 因為每根發(fā)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(diào)制器和/或解調(diào)器、AD/DA轉(zhuǎn)換器、上/下轉(zhuǎn)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(shù)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。借助于天線選擇，每個輸入/ 輸出RF信道與一根選擇天線相聯(lián)。天線選擇取決于小規(guī)模衰減，其 隨頻率變化。因此，當兩個頻率由多于一個相干帶寬分離時，對于一 個頻率選擇的天線通常對于其它頻率是不適當?shù)摹?br>
波束選擇取決于到達的路徑角，該路徑角對于感興趣的整個頻帶 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(lián)， 這可通過包括在所有天線處的接收/發(fā)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(jù)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(fā)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，并且兩個站都可獨立地選擇同一個子矩陣， 而沒有選擇結(jié)果的顯式交換。然后，所選擇的子矩陣可用于發(fā)射數(shù)據(jù) 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(fā)射模式或接收 模式時所觀察的通道是不同的，并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，那么系統(tǒng)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(guān)于在所述站的物理(PHY)層或媒體接入層(MAC)層中的選擇的信息。然而，由于實 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(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種在MIMO系統(tǒng)中發(fā)射訓練幀的方法和系統(tǒng)。長序列的訓練幀經(jīng)MIMO系統(tǒng)的通道從站B發(fā)射到站A，在該 MIMO系統(tǒng)中，站A包括Na根天殘和Na—ss個RF信道，并且站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(shù)量至少等于LNB.NA/NASS」，其中LJ 是下界運算，即大于或等于(NB.NA/NASS )的最小整數(shù)。響應于接收到所述長序列訓練幀，短序列訓練幀經(jīng)所述通道從站 A發(fā)射到站B。在短訓練序列中幀的數(shù)量至少等于LNA,NB/NB_SS」。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的MIMO系統(tǒng)的方塊圖； 圖2是由第一站B產(chǎn)生的長序列訓練幀的方塊圖；及 圖3是由笫二站B產(chǎn)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(tǒng)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，并且站B 包括Nb根天幾、和Nbss個RF信道，如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣。 典型地，NA>NA—ss ，并且NB>NBSS ，例如NA=NB=4 ，并且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(xiàn)有技術(shù)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(shù)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(shù)被預先確定。以發(fā)射模式操作的站B產(chǎn)生111長訓練幀(TF )序列200，見圖 2。在長序列中幀的數(shù)量至少等于LNB.NA/NA—ss」，其中L」指示下 界，即大于或等于(NB.NA/NASS)的最小整數(shù)。典型地，長序列訓練 幀響應于從站A接收"對于完全訓練的請求，，而在站B中產(chǎn)生。因此，如這里定義的那樣，長序列訓練幀如圖2中所示，包括用 于發(fā)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(jīng)通道130發(fā)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(shù)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(jù)所述完整通道特性，以發(fā)射模式操作的站A產(chǎn)生122短序列 訓練幀300，見圖3。如這里定義的那樣，在短序列中幀的數(shù)量至少等 于LNA SS.NB/NB ss 短序列訓練幀300經(jīng)過所述通道130經(jīng)過所選擇的天線發(fā)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(shù)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后經(jīng)通道130把 數(shù)據(jù)幀(DT)從以發(fā)射模式操作的站A發(fā)射120到以接收模式操作
的站B110，并且反之亦然。 用于MIMO系統(tǒng)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(tǒng)中，在發(fā)射和接收信號之間的關(guān)系可表達為 rB=FHB(HA—BFAsA+n)
其中，rB是NBssXl接收信號向量，Sa是Na—ssxl發(fā)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(fā)射選擇矩陣，并且矩陣Fb是NbxNb—ss接 收選擇矩陣。選擇矩陣是用于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后的等效通道矩陣是NB—ssxNA—ss矩陣 Feq=FHBH"BFA，后者是通道矩陣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(yōu)化通道容量或信 噪比(SNR)。
天線選擇
對于天線選擇，所述選擇簡單地通過把來自RF調(diào)制器信道的輸 出信號切換到所選擇的發(fā)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(diào)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(guān)、及跟隨切換電路，可 在RF域中實施?？蛇x擇地，變換和選擇可聯(lián)合地進行，同樣采用移 相器、衰減器/放大器、及線性組合器。在兩種情況下，調(diào)制/解調(diào)發(fā) 射/接收信號的RF信道的要求數(shù)量小于發(fā)射和接收天線的可用總數(shù)， 并且可降低系統(tǒng)的復雜性和成本。
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(fā)射 到站A而實現(xiàn)。根據(jù)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(zhuǎn)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于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。對于典型的MIMO系統(tǒng)，讓站A和B都根據(jù)"四中選二"天線選擇策略操作。在站A120處的估計通道是<formula>formula see original document page 9</formula>并且在站A 120處的選擇發(fā)射/接收天線分別是{1，2}和{1,2},從 而希望的等效通道是<formula>formula see original document page 9</formula>在站B處，由于某種通道模糊性估計通道是<formula>formula see original document page 9</formula>因而，在站B處的選擇發(fā)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(guān)于在兩個站處選擇天線的信息的某種交換，站A使用發(fā)射 天線{1，2}，而站8使用接收天線{3，4}，并且生成通道矩陣是H" -「0 0—H叫-L。 0。在現(xiàn)有技術(shù)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，對于PHY層，在用于這個目的的每個幀的首部中的字段 的添加是不希望的，因為這個字段在選擇過程期間僅用在訓練幀中。 當以后發(fā)射數(shù)據(jù)幀時，不需要該字段。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(shù)據(jù)幀的站中，并且然后在發(fā)射數(shù) 據(jù)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(fā)射到站A 120。 在站A處的天線/波束基于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(fā)射到站B，以便估計與在站A處的 所選擇天線/波束的數(shù)量相對應的部分通道矩陣。在站B處待^f吏用的天 線/波束基于所述估計的部分通道矩陣而確定。
注意，任何數(shù)據(jù)幀的依次發(fā)射獨立于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(fā)射到站A，所述估計的完整通道矩陣是<formula>formula see original document page 10</formula>
并且在站A處確定的選擇發(fā)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(fā)射天線1和2發(fā)送所述短序列訓練 所述估計的部分通道矩陣是<formula>formula see original document page 10</formula>
并且在站B處的所選擇天線是1和2。所述等效通道矩陣成為<formula>formula see original document page 10</formula>
訓練幀的結(jié)構(gòu)
由于對用于數(shù)據(jù)調(diào)制和解調(diào)的可用RF信道的數(shù)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于信號發(fā)射和接收。 圖2表示用于MIMO系統(tǒng)的長序列訓練幀300的例子，其中站 A和站B都根據(jù)"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(fā)射天線201-204的每一根發(fā)射的、并且由站A的每根對 應天線接收的訓練幀。在圖2中，TF代表用于在2x2 MIMO系統(tǒng)中的通道估計的每個 訓練幀。因而，對于從站B發(fā)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，并且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(xiàn)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(xiàn)在是 訓練幀的發(fā)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，對于從站A到站B發(fā)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?；谶@個部分通道矩陣，確定在站B處的天線/波束選擇。注意， 數(shù)據(jù)幀的發(fā)射也使用所選擇的天線/波束。由于對安置到穩(wěn)定輸出的開關(guān)需要的過渡時間，某種額外保護間 隔插入在連續(xù)訓練幀之間。當過渡時段加上通道的最大延遲散布小于 保護間隔時，這種額外保護間隔可計入在OFDM系統(tǒng)中的保護間隔 中。對于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于其中系統(tǒng)是頻選特性的情形，如根據(jù) IEEE 802.11n標準設計的OFDM系統(tǒng)，因為天線選擇和RF-頻帶處 理可獨立于頻率實施。RF-基帶處理具有性能增益獨立于頻選特性的 優(yōu)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(tǒng)中，頻率-交錯訓練幀也是可能的，從而訓練幀的 不同音調(diào)從幾根發(fā)射天線同時發(fā)射。 盡管通過舉例優(yōu)選實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但要理解，在本發(fā) 明的精神和范圍內(nèi)可以進行各種其它修正和修改。因此，附屬權(quán)利要 求書的目的是覆蓋進入本發(fā)明的真實精神和范圍內(nèi)的所有這樣的變更 和修改。
權(quán)利要求
1.一種在MIMO系統(tǒng)中發(fā)射訓練幀的方法，包括從站B到站A經(jīng)MIMO系統(tǒng)的通道發(fā)射長序列訓練幀，其中站A包括NA根天線和NA_SS個RF信道，并且站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(shù)量至少等于NB·NA/NA_SS；以及響應于接收到所述長序列訓練幀，從站A到站B經(jīng)所述通道發(fā)射短序列訓練幀，在所述短訓練序列中幀的數(shù)量至少等于NA_SS·NB/NB_SS
2. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括在站A中，根據(jù)所述完整通道特性選擇RF信道的數(shù)量，以發(fā)射 所述短序列訓練幀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括在站A中，根據(jù)所述完整通道特性選擇可用發(fā)射波束的子集，以 發(fā)射所述短序列訓練幀。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括在站B中，根據(jù)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(shù)據(jù)幀。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括在站B中，根據(jù)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(shù)據(jù)幀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述MIMO系統(tǒng)是頻率選 擇性的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述MIMO系統(tǒng)使用正交 頻分多路傳輸。
9. 根據(jù)權(quán)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(tǒng)的媒體接入層傳輸在站 A中的所述天線數(shù)量和在站B中的所述RF信道的數(shù)量。
10. 根據(jù)權(quán)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(tǒng)的物理層的首部中傳輸在 站A中的所述天線數(shù)量和在站B中的所述RF信道的數(shù)量。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中預先確定站A中的所述天 線數(shù)量以及所述RF信道的數(shù)量。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在站B中響應于從站A接 收關(guān)于完全訓練的請求，發(fā)射所述長序列訓練幀。
13. —種MIMO系統(tǒng)，包括站B，配置成經(jīng)MIMO系統(tǒng)的通道發(fā)射長序列訓練幀；和 站A，配置成響應于接收到所述長序列訓練幀，經(jīng)所述通道發(fā)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(shù) 量至少等于LNB.NA/NA—ss」，以及在所述短訓練序列中幀的數(shù)量至少 等于LNA—SS.NB/NB—SSJ ,
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的MIMO系統(tǒng)，還包括在站B中，根據(jù)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(jù)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(jù)權(quán)利要求13所述的MIMO系統(tǒng)，其中根據(jù)完整通道特 性選擇在站B中的天線，以及根據(jù)部分通道特性選擇在站A中的天線。
16. —種在MIMO系統(tǒng)中發(fā)射訓練幀的方法，包括 從站B到站A經(jīng)MIMO系統(tǒng)的通道發(fā)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(shù)量足以為所有天線估計所述通道；和 響應于接收到所述長序列訓練幀，從站A到站B經(jīng)所述通道發(fā) 射短序列訓練幀，在所述短訓練序列中幀的數(shù)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(tǒng)中發(fā)射訓練幀的方法。從站B到站A經(jīng)MIMO系統(tǒng)的通道發(fā)射長序列訓練幀，其中站A包括N<sub>A</sub>根天線和N<sub>A_SS</sub>個RF信道，并且站B包括N<sub>B</sub>根天線和N<sub>B_SS</sub>個RF信道，并且在所述長序列訓練幀中幀的數(shù)量至少等于N<sub>B</sub>·N<sub>A</sub>/N<sub>A_SS</sub>。響應于接收到所述長序列訓練幀，從站A到站B經(jīng)所述通道發(fā)射短序列訓練幀。在所述短訓練序列中幀的數(shù)量至少等于N<sub>A_SS</sub>·N<sub>B</sub>/N<sub>B_SS</sub>。
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(yōu)先權(quán)日2005年5月11日
發(fā)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