交叉引用本申请根据35U.S.C.§119要求2014年11月17日递交的美国临时申请案62/080,626，发明名称为“TransceiverArchitectureforMultipleAntennaSystems”的优先权，且将此申请作为参考。技术领域本发明有关于无线通信，且尤其有关于多天线系统中具有综合波束成形(beamforming)的收发机架构。
背景技术：
在下一代宽带蜂窝通信网络中，移动载波带宽的日益短缺促进了对利用不足的3G到300GHz之间的毫米波(MillimeterWave,mmWave)频谱的探索。mmWave频带的可用频谱是传统蜂窝系统的两百倍大。mmWave无线网络采用窄波束进行定向通信，并可支持数千兆位(multi-gigabit)的数据率。利用不足的mmWave频谱的带宽具有1mm到100mm的波长。mmWave频谱如此小的波长可使大量微型天线(miniaturizedantenna)放置在较小区域内。这种微型天线系统可通过电操纵阵列(electricallysteerablearray)形成定向传送，从而产生较高的波束成形增益。由于mmWave半导体电路最近的发展，mmWave无线系统已成为实作中一种很有前途的方案。然而，对定向传送的严重依赖以及传播环境的脆弱也给mmWave网络带来特别的挑战。在mmWave或高频系统中，定向天线用来提供较高增益，以补偿路径损耗。定向天线可通过相位阵列(phasedarray)以及多个天线单元实现。波束成形和空间复用(spatialmultiplexing)方法可用于多天线系统中。模拟、数字或混合(hybrid)波束成形技术被用于相位阵列天线系统中。当应用波束成形或空间复用时，需要信道状态信息。信道状态信息可通过估计上行链路或下行链路导频训练符号获取。在波束成形技术中，到达角(AngleofArrival,AoA)是一种信道状态信息。通过调整移相器(phaseshifter)的值，相位阵列系统中的波束方向可被相应控制(steer)。在模拟波束成形中，一个移相器值集合只能用于一个训练周期。一种特定天线样式(pattern)与一个移相器值集合有关。如需要检测N个天线样式(方向)，则需要N个训练周期。这很耗费时间。另一方面，在数字波束成形中，在一个训练周期中，不同的移相器值可通过数字信号处理器给出。需要多个RF链路(NA个天线需要NA个RF链路)，这会导致较高的复杂度。寻找一种方案，来解决数字波束成形中的高数据率处理和高功耗问题，以及模拟或混合波束成形中的切换(switch)波束的切换时间的高开销(overhead)问题。
技术实现要素：
本发明提出一种具有综合的数字波束成形以及模拟/混合波束成形的收发机架构。数字波束成形用于波束训练，具有降低的开销(切换时间)，同时有利于估计所有用户设备的到达角。此外，导频/训练信号在窄带中发送，可以降低复杂度。模拟/混合波束成形用于数据传送，具有高定向增益和低复杂度。模拟域中的波束成形权重的值(移相器值)可基于波束训练中估计的到达角。通过采用数字波束成形进行波束训练，加上模拟/混合波束成形用于数据传送，可达到具有降低的开销、复杂度和成本的高效波束成形。在一实施例中，在波束成形蜂窝网络中，由基站通过天线单元集合接收携带数据符号的多个数据信号。基站进行模拟波束成形以处理该数据符号。该天线单元集合通过移相器集合，应用第一移相值集合来形成第一天线样式，以接收该多个数据信号。基站通过该天线单元集合接收携带训练符号的多个训练信号。基站进行数字波束成形以处理该训练符号。该天线单元集合通过基带处理器，应用第二移相值集合来形成第二天线样式，以接收该多个训练信号。如下详述其它实施例以及优势。本部分内容并非对发明作限定，本发明范围由权利要求所限定。附图说明附图说明了本发明的实施例，其中相同的符号代表相同的元件。图1是根据一新颖性方面的波束成形蜂窝系统中用于波束训练的数字波束成形和用于数据传送的模拟/混合波束成形的综合的示意图。图2是实现本发明某些实施例的基站或用户设备的简化方块示意图。图3是具有综合数字波束成形和模拟波束成形的接收机的第一实施例的示意图。图4是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第二实施例的示意图。图5是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第三实施例的示意图。图6是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第四实施例的示意图。图7是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第五实施例的示意图。图8是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第六实施例的示意图。图9是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第七实施例的示意图。图10是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第八实施例的示意图。图11是具有综合数字波束成形和混合波束成形的发射机的第九实施例的示意图。图12是具有综合数字波束成形和混合波束成形的发射机的第十实施例的示意图。图13是根据一新颖性方面的波束成形蜂窝系统中数字波束成形进行波束训练以及模拟/混合波束成形用于数据传送的综合的方法流程图。具体实施方式以下将详述本发明的一些实施例，其中某些示范例通过附图描述。图1是根据一新颖性方面的波束成形mmWave蜂窝网络100中用于波束训练的数字波束成形和用于数据传送的模拟/混合波束成形的综合的(combined)示意图。波束成形mmWave移动通信网络100包括基站BS101，第一用户设备UE102和第二用户设备UE103。mmWave蜂窝网络采用窄波束进行定向通信，并可支持数千兆位的数据率。定向通信通过数字(自适应)以及/或者模拟(切换)波束成形达到，其中多个天线单元应用多个波束成形权重(移相值)集合，以形成多个波束样式。在图1所示的示范例中，BS101定向配置多个小区，每个小区被粗糙TX/RX控制波束成形集合覆盖。举例来说，小区110由四个控制波束CB1、CB2、CB3和CB4的集合覆盖。控制波束CB1-CB4的集合覆盖小区110的整个服务区域，且每个控制波束具有较宽的空间覆盖范围和较低的阵列增益。每个控制波束依次由专用数据波束集合覆盖。举例来说，CB2由四个专用数据波束DB1、DB2、DB3和DB4的集合覆盖。专用数据波束的集合覆盖一个控制波束的服务区域，且每个专用数据波束具有较窄的空间覆盖范围和较高的阵列增益。类似地，UE102和UE103也可应用波束成形，以形成多个波束样式(#1到#4)。无线或蜂窝网络中假定有分级别(Hierarchicallevel)波束样式。级别0波束样式为全向的(omni-directional)，用于宏(macro)小区基站。控制波束集合为低级别(级别1)波束，可提供低速率控制信令，以利于高级别(级别2)专用数据波束上的高速率数据通信。控制波束集合可被定期配置，或者以UE已知的顺序无限期(indefinitely)发生并重复。控制波束集合覆盖整个小区覆盖区域，并具有适中的波束成形增益。每个控制波束广播最少量的波束特定信息(beam-specificinformation)，其中波束特定信息与LTE中的主信息块(MasterInformationBlock,MIB)或系统信息块(SystemInformationBlock,SIB)类似。控制波束和专用数据波束架构提供鲁棒性的控制信令方案，以用于mmWave蜂窝网络系统的波束成形操作。在通信进程的很多阶段，维持天线指向(antennapointing)和追踪(tracking)的精确性至关重要。波束管理机制包括初始波束对准(alignment)和后续波束追踪，可保证BS波束和UE波束对准，以用于控制和数据通信。有两种类型的波束成形：切换(模拟或混合)波束成形和自适应(数字)波束成形。切换波束成形的复杂度较低，但波束样式不灵活，且波束对准时间较长。自适应波束成形的复杂度较高，具有灵活的波束样式，且波束对准时间可接受。根据一新颖性方面，提出一种具有综合数字波束成形和模拟/混合波束成形的收发机架构。数字波束成形用于波束训练和波束管理，具有降低的开销(切换时间)，同时有利于估计所有UE的AoA。此外，导频/训练信号在窄带上传送，以降低复杂度。模拟/混合波束成形用于具有高定向增益(directivegain)和低复杂度的数据传送。模拟域中波束成形权重(移相器)的值可基于波束训练中的AoA估计。假定AoA信息在特定带宽中是一致的(coherent)。因此，通过采用数字波束成形用于波束训练，加上采用模拟/混合波束成形用于数据传送，可达到具有降低的开销、复杂度以及成本的高效的波束成形。图2是实现本发明某些实施例的无线装置201的简化方块示意图。装置201包括天线阵列211和接收机230。其中天线阵列211具有多个天线单元、可发送和接收无线电信号。接收机230包括一个或多个RF收发机模块231和基带处理单元232，耦接至天线阵列，从天线211接收RF信号，将RF信号转化为基带信号，并将基带信号发送给处理器233。RF收发机231也将从处理器233接收的基带信号转换为RF信号，并发送给天线211。处理器233处理接收到的基带信号，并调用不同的功能模块，以实现BS201的功能。存储器234储存程序指令和数据235，以控制装置201的操作。装置201也包括多个功能模块，以根据本发明的实施例执行不同的任务。功能模块为电路，可通过软件、硬件、固件和任何上述的组合实现和配置。举例来说，装置201包括波束训练电路220，其中波束训练电路220进一步包括波束成形电路221、波束监测器222以及波束训练信息电路223。波束成形电路221可属于RF链路的一部分，将多个波束成形权重用于天线211的多个天线单元，从而形成多个波束。波束监测器222监测接收到的无线电信号，并对多个波束上的无线电信号和包括AoA的装置信道状态信息进行测量。波束训练信息电路223提供波束训练信息，其中波束训练信息包括训练周期、窗口尺寸和资源映射信息。基于相位阵列互易性(reciprocity)或信道互易性，相同的接收天线样式可用于发送天线样式。可采用不同的算法用于选择最佳接收波束，包括(但不限于)功率最大化、SINR最大化或干扰最小化。图3是具有综合数字波束成形和模拟波束成形的接收机的第一实施例的示意图。接收机包括用于进行数字波束成形以及模拟波束成形的元件。数字波束成形器包括多个天线，耦接至多个低噪声放大器(Low-NoiseAmplifier，LNA)、多个混频器(mixer)、多个窄带低通滤波器(Narrow-BandLow-PassFilter,NB-LPF)、多个低速率模数转换器(Low-RateAnalog-To-DigitalConverter,LR-ADC)以及基带处理器2。模拟波束成形器包括多个天线，耦接至多个LNA、多个移相器、一信号综合电路、一混频器、一低通滤波器(Low-PassFilter,LPF)、一模数转换器(Analog-To-DigitalConverter,ADC)以及基带处理器1。根据一新颖性方面，对于波束训练来说，训练符号在窄带中发送，且采用数字波束成形。对于高速率数据传送来说，数据符号在全频带(fullband)或子频带中发送，且采用模拟波束成形。此外，波束训练符号可与数据符号在频域上复用(multiplex)，同时在相同的训练周期传送和处理。对于波束训练来说，接收机通过N个天线接收携带训练符号的多个窄带训练信号。每个训练信号如虚线所示，沿着数字波束成形路径PD-1到PD-N。以路径PD-1为例，训练信号首先由天线301接收，并通过LNA302。LNA进程之后，信号T1由混频器303下变频(down-converted)，并随之通过NB-LPF304和LR-ADC305，以获得窄带数字信号B1。窄带数字信号B1到BN用于基带处理器312，其中基带处理器312进行信号综合，并进行数字波束成形或者估计AoA信息。采用数字波束成形方法对于同时估计不同UE的AoA信息是有利的。若所有UE的训练符号可在空域或时域或频域或码域区分，则波束管理可在一个训练周期完成。一般来说，数字波束成形需要高数据率处理和高复杂度。举例来说，当采用具有1GHz信号的64个天线单元时，基站需要处理128GHz数据。然而，通过在窄带(如一窄带＝1/64全频带)接收训练信号，当采用具有1/64GHz训练信号的64个天线单元时，基站只需要处理2GHz数据。如此一来，硬件复杂度得以降低。对于高速率数据传送来说，接收机通过N个天线接收携带数据符号的多个数据信号R1到RN。如点划线所示，每个数据信号沿着模拟波束成形路径PA-1到PA-N。以PA-1为例，数据信号首先由天线301接收，并通过LNA302。LNA进程之后，信号用于移相器306，并输出信号S1。信号S1到SN随后由综合电路307进行综合。综合的模拟信号SC由混频器308下变频，并随之通过LPF309和ADC310，以获得数字信号A1。数字信号A1用于基带处理器311，其中基带处理器311进行模拟波束成形。在模拟波束成形中，移相器值集合只能在一个训练周期使用。一种特定的天线样式与一移相值集合有关。调整移相值集合最简单的方法是通过切换波束方法。若需检测N个天线样式，则需要N个训练周期。如此一来，若用于波束训练或波束管理，模拟波束成形会耗费时间(长切换时间)。然而，对于数据传送来说，模拟波束成形可用于有效降低硬件复杂度。移相器的值可根据从过去波束训练符号估计的AoA信息进行调整。图4是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第二实施例的示意图。图4与图3类似。在图4所示的示范例中，N个天线单元被分成L组的倍数。对于波束训练来说，与图3类似，训练信号沿着数字波束成形路径，如PD-1，并由基带处理器2进行处理。对于数据传送来说，数据信号沿着模拟/混合波束成形路径，如PA-1，由基带处理器1进行处理。在模拟/混合波束成形中，来自多个模拟路径PA-1到PA-L的数据信号(G1到GL)被综合，并由基带处理器1采用数字波束成形统一处理。混合波束成形可用于MU-MIMO数据传送。举例来说，用于模拟波束成形的每组RF链路与不同UE的数据传送有关。图5是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第三实施例的示意图。接收机包括用于进行数字波束成形以及模拟波束成形的元件。接收机包括多个天线(501)，耦接至多个低噪声放大器(LNA502)、多个移相器(511)、第一开关集合C1到CN、一信号综合电路521、一混频器522、一NB-LPF523、一LR-ADC524、一LPF525、一ADC526、第二开关集合D1和D2，以及基带处理器530。对于波束训练来说，训练符号在窄带中发送，且采用数字波束成形。对于高速率数据传送来说，数据符号在全频带或子频带中发送，且采用模拟波束成形。在图5所示的示范例中，可同时进行用于波束训练的波束成形或用于数据传送的波束成形。特定周期和窄带训练信号可被发送以用于波束训练。在特定周期中，全频带数据传送无法进行。假定有N个天线，N个LNA以及N个移相器。举例来说，第一信号R1由天线501接收，通过LNA502以输出信号T1。LNA502之后的信号T1可选择通过移相器511进行模拟波束成形，或者省略以进行数字波束成形。需注意，对于数字波束成形来说，移相器511的值可为1(即零相移)。开关D1和D2控制应用模拟还是数字波束成形。若D1开启，则应用数字波束成形。开关集合C1到CN的时序在时域上连续(serialized)。在给定时隙，每个所接收窄带训练信号通过相应的天线、LNA，略过移相器并随后到达信号综合电路521。综合信号SC随后由混频器522进行下变频，并通过NB-LPF523和LR-ADC524，以获得窄带数字信号。窄带数字信号由基带处理器530采用，其中基带处理器530进行信号综合，并进行数字波束成形或估计AoA信息。需注意，由于每个窄带训练信号依次处理，与图3中需要N个NB-LPF和N个LR-ADC相比，本实施例只需要一个NB-LPF和一个LR-ADC。若D2开启，则应用模拟波束成形。开关集合C1到CN被同时开启。每个所接收宽带数据信号通过相应的天线、LNA和移相器，并随后到达信号综合电路521。综合信号SC随后由混频522进行下变频，并通过LPF525和ADC526，以获得宽带数字信号。宽带数字信号由基带处理器530采用，其中基带处理器530进行模拟波束成形。此外，需注意，虚线框520中的LPF525和ADC526可分别被重新配置为NB-LPF523和LR-ADC。如此一来，只需要一个LPF和一个ADC。图6是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第四实施例的示意图。图6与图5类似。在图6所示的示范例中，N个天线单元被分成L组的倍数。对于波束训练来说，当D1开启时，窄带训练信号沿着数字波束成形路径。对于数据传送来说，当D2开启时，宽带数据符号沿着模拟/混合波束成形路径。在模拟/混合波束成形中，来自多个模拟路径的数据信号被综合，并由基带处理器530采用数字波束成形统一处理。混合波束成形可用于MU-MIMO数据传送。举例来说，用于模拟波束成形的每组RF链路与不同UE的数据传送有关。图7是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第五实施例的示意图。图7是图3的替代方案。接收机包括用于进行数字波束成形以及模拟波束成形的元件。数字波束成形器包括多个天线，耦接至多个LNA、多个混频器、多个NB-LPF、一多工器(mux)、一模数转换器(ADC2)以及一基带处理器2。模拟波束成形器包括多个天线，耦接至多个LNA、多个移相器、一信号综合电路、一混频器、一LPF、一模数转换器(ADC1)以及一基带处理器1。根据一新颖性方面，对于波束训练来说，训练符号在窄带中发送，且采用数字波束成形。对于高速率数据传送来说，数据符号在全频带或子频带中发送，且采用模拟波束成形。此外，波束训练符号可与数据符号在频域上复用，同时在相同的训练周期传送和处理。图7中的数字和模拟波束成形路径与图3中的数字和模拟波束成形路径类似。不过如图所示，在图7所示的示范例中，数字波束成形路径包括连续的高速率开关集合C1到CN。在开关的控制下，每个窄带训练信号顺序通过每个NB-LPF，并在时域由多工器711进行复用。产生的模拟信号M1随后由高速率ADC2转换为数字信号B1。数字信号B1随后用于基带处理器2，其中基带处理器2进行数字波束成形或者估计AoA信息。与图3中包括多个低速率ADC不同，图7只包括一个高速率ADC2进行数字波束成形。图8是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第六实施例的示意图。图8与图7类似。在图8所示的示范例中，N个天线单元被分成L组的倍数。对于波束训练来说，与图7类似，训练信号沿着数字波束成形路径，并由基带处理器2进行处理。对于数据传送来说，数据信号沿着模拟/混合波束成形路径，由基带处理器1进行处理。在模拟/混合波束成形中，来自多个模拟路径的数据信号G1到GL被综合，并由基带处理器1采用数字波束成形统一处理。混合波束成形可用于MU-MIMO数据传送。举例来说，用于模拟波束成形的每组RF链路与不同UE的数据传送有关。图9是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第七实施例的示意图。图9是图7的替代方案。图9中的数字和模拟波束成形路径与图7中的数字和模拟波束成形路径类似。不过在图9所示的示范例中，每个窄带训练信号在时域上顺序通过每个开关C1到CN，并被综合成为信号M1。信号M1随后被混频器911进行下变频，并随之通过NB-LPF912和ADC2，以获得数字信号B1。数字信号B1用于基带处理器2，其中基带处理器2进行数字波束成形或者估计AoA信息。与图7中包括多个NB-LPF不同，图9只包括一个NB-LPF，以降低硬件复杂度。图10是具有综合数字波束成形和混合波束成形的接收机的第八实施例的示意图。图10与图9类似。在图10所示的示范例中，N个天线单元被分成L组的倍数。对于波束训练来说，与图9类似，训练信号沿着数字波束成形路径，并由基带处理器2进行处理。对于数据传送来说，数据信号沿着模拟/混合波束成形路径，由基带处理器1进行处理。在模拟/混合波束成形中，来自多个模拟路径的数据信号G1到GL被综合，并由基带处理器1采用数字波束成形统一处理。混合波束成形可用于MU-MIMO数据传送。举例来说，用于模拟波束成形的每组RF链路与不同UE的数据传送有关。图11是具有综合数字波束成形和混合波束成形的发射机的第九实施例的示意图。图11中的发射机与图3中的接收机相对应。发射机包括用于进行数字波束成形以及模拟波束成形的元件。数字波束成形器包括基带处理器2、多个低速率数模转换器(Low-RateDigital-To-AnalogConverter,LR-DAC)、多个NB-LPF、多个混频器以及耦接至多个功率放大器(PowerAmplifier,PA)的多个天线。模拟波束成形器包括基带处理器1、一DAC、一LPF、一混频器、多个移相器以及耦接至多个PA的多个天线。根据一新颖性方面，对于波束训练来说，训练符号在窄带中发送，且采用数字波束成形。对于高速率数据传送来说，数据符号在全频带或子频带中发送，且采用模拟波束成形。此外，波束训练符号可与数据符号在频域上复用，同时在相同的训练周期传送和处理。对于波束训练来说，发射机通过N个天线发送携带训练符号的多个窄带训练信号。以数字波束成形路径PD-1为例，基带处理器2通过对窄带训练信号T1应用移相器值和幅度调整，进行数字波束成形。信号T1首先被LR-DAC1101转换为模拟信号，并随后通过NB-LPF1102，由混频器1103进行上变频(up-converted)，并最终通过PA1104，以通过天线1105发送。一般来说，数字波束成形需要高数据率处理和高复杂度。举例来说，当采用具有1GHz信号的64个天线单元时，基站需要处理128GHz数据。然而，通过在窄带(如一窄带＝1/64全频带)接收训练信号，当采用具有1/64GHz训练信号的64个天线单元时，基站只需要处理2GHz数据。如此一来，硬件复杂度得以降低。对于高速率数据传送来说，发射机通过N个天线发送携带数据符号的多个全频带或子频带数据信号。以模拟波束成形路径PA-1为例，数据信号R1首先由基带处理器1产生。信号R1由DAC1111转换为模拟信号，通过LPF1112，由混频器1113进行上变频，随后应用移相器1114，最后通过PA1104，以通过天线1105进行发送。在模拟波束成形中，移相器值集合只能在一个训练周期使用。一种特定的天线样式与一个移相值集合有关。调整移相值集合最简单的方式是通过切换波束方法。若需检测N个天线样式，则需要N个训练周期。如此一来，若用于波束训练或波束管理，模拟波束成形会耗费时间(长切换时间)。然而，对于数据传送来说，模拟波束成形可用于有效降低硬件复杂度。移相器的值可根据从过去波束训练符号估计的AoA信息进行调整。图12是具有综合数字波束成形和混合波束成形的发射机的第十实施例的示意图。图12与图11类似。在图12所示的示范例中，N个天线单元被分成L组的倍数。对于波束训练来说，与图11类似，训练信号由基带处理器2进行处理，并沿着数字波束成形路径。对于数据传送来说，数据信号由基带处理器1进行处理，并沿着模拟/混合波束成形路径。在模拟/混合波束成形中，数据信号由基带处理器1采用数字波束成形统一处理，并沿着多个模拟路径。混合波束成形可用于MU-MIMO数据传送。举例来说，用于模拟波束成形的每组RF链路与不同UE的数据传送有关。图13是根据一新颖性方面的波束成形蜂窝系统中数字波束成形进行波束训练以及模拟/混合波束成形用于数据传送的综合的方法流程图。在步骤1301中，基站在波束成形蜂窝网络中通过天线单元集合接收携带数据符号的多个数据信号。在步骤1302中，基站进行模拟波束成形，以处理数据符号。天线单元集合通过移相器集合应用第一移相器值集合，以形成第一天线样式，来接收多个数据信号。在步骤1303中，基站通过天线单元集合接收携带训练符号的多个训练信号。在步骤1304中，基站进行数字波束成形，以处理训练符号。天线单元集合通过基带处理器应用第二移相器值集合，以形成第二天线样式，来接收多个训练信号。本发明虽以较佳实施例揭露如上以用于指导目的，但是其并非用以限定本发明的范围。相应地，在不脱离本发明的范围内，可对上述实施例的各种特征进行变更、润饰和组合。本发明的范围以权利要求书为准。