通信装置和操作通信装置的方法与流程

通常，本发明涉及一种通信装置和一种操作这种通信装置的方法。更具体地，本发明涉及一种能够进行波束成形的通信装置和一种操作这种通信装置的方法。

背景技术：

波束成形(Beamforming，BF)是众所周知的，它被广泛采用于多天线通信系统中的空间滤波信号处理技术(例如，参见，B.D.Van Veen和K.M.Buckley“波束成形：一种用于空间过滤的通用方法，”IEEE Acoustics，Speech and Signal Processing Magazine，vol.5，no.2，pp.4-24，Apr.1988)。BF传统上用于向/从空间中的特定位置辐射/接收能量，或等同地衰减到/来自特定空间位置的信号。BF是用于在高频频带中操作的新兴无线通信系统的物理层的最普及的技术之一，例如微波和毫米波频带，并且已被考虑用于接入和回程通信。BF在这样的系统中的普及主要是因为它可以用大尺寸的相控天线阵列高效地实现，该相控天线阵列能够提供大的BF增益，也被称为大方向性增益，具有小而廉价的单个天线元件。

尤其是在两个网络节点A和B之间的具有视线(LOS)组件的高频无线通信链路中，这两个网络节点A和B都配备有大尺寸天线阵列并且能够实现BF技术，可能出现以下问题。如上所述，当节点A向节点B的方向辐射能量，并且后者从节点A辐射到它的方向接收能量，可以获得大的BF增益，反之亦然，即当无线通信链路两端的波束呈几何对准时。当网络节点A或B，或者只有它们的天线阵列移动或改变位置/方向时，它们从BF获得的波束可能会停止几何对准到可接受的水平，这通常会降低它们的通信链路的性能。未对准越大，性能下降越严重。当在节点A和节点B处部署高指向性窄波束时，被称为波束未对准的问题变得更加频繁，并且其对链路性能的影响更不利。在高频无线通信系统中使用高指向性窄波束，以对抗通信信号由于通信端之间递增的距离而愈加严重的信号衰减。工作频率越高，通信系统越容易出现路径损耗。因此，在这样的系统中，需要设计和采用稳健的波束对准技术。

S.Hur等在“在小蜂窝网络中无线回程和接入的毫米波波束成形”(IEEE Transaction on Communications，vol.61，no.10，pp.4391-4403，Oct.2013)中，已经提出了使用子码本集自适应地对信道子空间进行采样的波束对准技术。这种硬对准技术在任何两个通信无线网络节点处使用一组候选波束方向性模式，并以乒乓式进行搜索，即以多轮形式，在用于一对波束方向图的节点之间，最大化通信链路的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)性能。

J.Wang等在，“用于多Gbps毫米波WPAN系统的基于波束码本的波束成形协议”(IEEE Journal on Selected Areas in Communication，vol.27，no.8，pp.1390-1399，Oct.2009)中提出通过一个三级BF协议，在60GHz无线个人局域网中建立无线网络节点之间的通信。在这篇文献中，从波束的指向性模式(也称为BF码本)的预定义集合中进行波束级搜索，包括波束对准，其取代任何一对通信网络节点之间的穷举波束搜索。

J.Song等在“双极化MIMO系统的自适应毫米波波束对准”(ar Xiv preprint ar Xiv：1408.2098v2，Jan.2015)中针对毫米波无线通信已经提出了使用双极化信道的软判决波束对准技术。这种基于信道子空间估计的两阶段技术结合了使用训练波束的子空间采样，接着是由两轮波束对准组成的后处理阶段。

R.Maiberger等在“基于位置的波束成形”(Proc.IEEE 26th Convention of Electrical and Electronics Engineers in Israel，Eilat，Israel，17-20Nov.2010，pp.184-187)中，提出了用于LOS无线通信系统的接收网络节点使用定位数据来创建发射BF矢量(即发射波束)的BF技术。根据这种技术，多天线发射网络节点估计预期的单天线接收机节点的位置以构建发射BF向量。可以使用到达角度估计技术、全球定位系统(global positioning systems，GPS)读数或基于位置的广告来执行接收节点的位置估计。

在IEEE，PHY/MAC完整提案规范(T Gad D0.1)，IEEE 802.11-10/0433r2Std.，2010中描述了用于无线局域网的具有大尺寸天线的无线网络节点的单侧波束搜索。

在IEEE 802.11ad，无线局域网实时介质访问控制(LAN MAC)和物理层(PHY)规范中-修正案3：在60GHz频带中超高吞吐量的增强(2012年)包含了用于无线局域网的两阶段波束搜索技术。根据该技术，首先执行粗粒度的扇区级扫描，接着是波束级对齐阶段。所有可能的传输和接收方向的详尽搜索在每个级别被应用。

在US 6417803 B1中已经提出了一种用于校正移动平台上的发射天线和接收天线之间的天线波束未对准的设备和方法。在该技术中，为了纠正波束未对准，提出了在任何两个通信网络节点处的顺序天线波束控制。

在US 2013/0229309中已经提出了一种在任意两个通信无线网络节点处使用全向BF码本的波束对准方法。根据该方法，一个网络节点使用一组预定义的BF模式或波束方向性模式，以及其想要通信接收节点指示哪个波束需要被使用。后一个节点通过在码本中发送具有选择的波束入口的反馈来通知前一个要使用的BF模式。

在US 2014/0347222中已经提出了一种包括一个或多个传感器的可操纵微波回程多天线收发器架构。该传感器可以输出可以用来调节收发器的相位和/或幅度系数的读数/测量值。

在US 2014/0056256 A1中提供了一种用于在无线通信系统中维持波束对准的装置和方法。根据该方法，发送网络节点使用一组预定义的BF模式或波束方向性模式，并且当其与接收网络节点的通信链路的质量低于某个阈值时，后者节点反馈满足他们的通信链路的质量要求的首选的BF模式。

在US 2010/0124210 A1中已经提出了一种使用GPS引导和接入点(AP)的预加载位置的射频发射和接收BF的方法。使用这种方法，任何希望连接到网络的无线设备都具有网络AP的位置，并使用其GPS数据连接到它们中的一个。到网络的连接是想要连接到其的节点通过计算与其中一个AP的相对向量，然后向选择的一个发送探测包来实现的。为了这个计算，无线设备通过GPS获得它的位置。接下来，选择的AP估计其与无线设备的链接状况，将其波束引向它并向其发送分组以建立期望的连接。

在US 2010/0124212 A1中已经提出了一种非常类似的用于射频发射和接收BF的方法。根据US 2010/0124212 A1，希望连接到网络的AP的无线设备具有由GPS和电子罗盘组成的定位系统。此外，AP广播其位置。然后，设备计算其位置与AP位置之间的相对向量，然后向其发送探测分组。接下来，AP估计其与无线设备的信道状况，将它的波束转向它，并向其发送分组以建立期望的连接。

尽管上述波束对准技术可以提供一些改进，但仍然存在一些缺点。例如，基于单侧码本的波束搜索技术通常不适合于高频无线通信系统，其中在两个通信端使用窄波束并且需要尽可能精确地对准。在基于双边码本的波束对准技术中，波束对选择通常要要在任何两个通信的无线网络节点之间进行信息的多轮乒乓交换。这种操作模式导致高计算负担以及乒乓信令的巨大开销。另外，已经发现在低SNR值下表现不佳，即，具有很高的波束未对准的可能性。因此，用于波束对准的当前解决方案不适于高频无线通信系统，不适合在任何两个通信节点之间提供可接受水平的波束对齐和/或需要高计算复杂度以及用于通信节点之间的乒乓信令的大开销。因此，需要一种改进的波束对准技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种实现改进的波束对准技术的通信装置和操作通信装置的方法。

前述和其他目的通过独立权利要求的主题来实现。进一步的实施形式从从属权利要求，说明书和附图中显而易见。

根据第一方面，本发明涉及被配置为与另一通信装置通信的通信装置，其中该通信装置包括：天线阵列，被配置为定义波束方向性模式，所述波束方向性模式用于与所述另一通信装置的天线阵列通信，其中所述天线阵列被配置为基于关于所述通信设备的天线阵列的位置的信息和/或关于所述另一通信设备的天线阵列的位置的信息来调整所述波束方向性模式。

在根据第一方面的通信设备的第一种可能的实现形式中，其中所述关于所述另一通信设备的所述天线阵列的所述位置的信息是基于由所述通信设备计算的所述另一通信设备的所述天线阵列位置估计，或基于由所述另一通信设备提供的定义所述另一通信设备的所述天线阵列的数据。

在根据第一方面或其第一种实施形式的通信装置的第二种可能的实现形式中，天线阵列被配置为基于由与通信的控制实体提供的信息来调整波束方向性模式，其中所述控制实体被配置为基于所述关于所述通信设备的所述天线阵列的所述位置的信息和/或关于所述另一通信装置的所述天线阵列的所述位置的信息，选择用于所述通信装置的所述天线阵列的波束方向性模式和用于所述另一通信装置的所述天线阵列的波束方向性模式。

在根据第一方面或其第一种或第二种实施形式的通信装置的第三种可能实现形式中，所述通信装置还包括位置传感器，所述位置传感器被配置为提供关于通信装置的天线阵列的位置的信息。

在根据本发明第一方面或其第一种至第三种实施形式中的任一种的通信装置的第四种可能的实现形式中，所述通信装置还包括通信接口，所述通信接口被配置为将关于所述通信设备的天线阵列的位置的信息发送到所述另一通信设备，并从所述另一通信设备接收关于另一通信设备的天线阵列的位置的信息。在一个实施形式中，通信接口被配置为以比用于波束方向性模式的频率低的频率进行操作。这允许确保更可靠的通信链路，因为在较低的通信频率处，波束未对准的可能性降低。

在根据本发明第一方面或其第一种至第四种实施形式中的任一种的通信装置的第五种可能的实现形式中，通信装置还包括估计器，被配置为估计通信信道的质量测量，所述通信信道由通信设备的天线阵列的波束方向性模式和所述另一通信设备的天线阵列的波束方向性模式定义，并且其中，所述天线阵列被配置为在所述通信信道的质量测量小于第一质量测量阈值的情况下，调整所述通信设备的天线阵列的波束方向性模式。在一种实施形式中，SNR是通信装置与另一通信装置之间的通信信道的质量的测量的优选。通信信道的其他质量测量也是可能的。

在根据本发明第一方面或其第一种至第五种实施形式中的任一种的通信装置的第六种可能的实现形式中，所述通信装置还包括选择器，被配置为基于关于所述通信设备的天线阵列的位置的信息和/或关于所述另一通信设备的天线阵列的位置的信息来选择波束方向性模式。

在根据第一方面的第六种实现形式的通信装置的第七种可能实现形式中，选择器被配置为从数据库(特别是查找表)中选择所述波束方向性模式，其中所述数据库包含由所述通信设备的天线阵列的波束方向性模式和所述另一通信设备的天线阵列的波束方向性模式定义的通信信道的质量测量，用于为所述通信设备的天线阵列的多个不同位置和所述另一通信设备的天线阵列的多个不同位置定义的多个波束方向性模式。

在根据第一方面的第七种实现形式的通信装置的第八种可能实现形式中，选择器被配置为通过从数据库中那些波束方向性模式中选择波束方向性模式来从数据库选择波束方向性模式，其为最接近所述通信设备(100a)的所述天线阵列(101a)的当前位置的所述通信设备(100a)的所述天线阵列(101a)的位置而被定义。在一个实施形式中，通信装置的天线阵列的当前位置与数据库中定义的位置之间的距离可以使用欧式距离测量来估计。其他距离测量也是可能的。

在根据第一方面的第七种或第八种实现形式的通信设备的第九种可能实现形式中，所述选择器被配置为从数据库中的那些波束方向性模式选择波束方向性模式，其与所述通信信道的质量测量大于第二质量测量阈值相关联。

在根据第一方面的第九种实现形式的通信装置的第十种可能实现形式中，所述通信设备被配置为发送关于所述通信设备的天线阵列的位置的信息和关于所选择的波束方向性模式，如果通信信道的质量测量低于第二质量测量阈值，则使用来自数据库的波束方向性模式，其为通信装置的天线阵列的当前位置提供通信信道的最大质量测量。

在根据第一方面的第七种实现形式的通信装置的第十一种可能实现形式中，通信设备被配置为从所述另一通信设备接收关于另一通信设备的天线阵列的位置的信息和关于由另一通信设备选择的波束方向性模式的信息，并且其中所述选择器被配置为基于关于所述另一通信设备的天线阵列的位置的信息和关于由另一通信设备选择的波束方向性模式的信息，从数据库中选择波束方向性模式。

在根据第一方面的第十一种实现形式的通信设备的第十二种可能的实现形式中，所述选择器被配置为通过从数据库中的那些波束方向性模式中选择波束方向性模式来选择波束方向性模式，其为最接近所述通信设备的所述天线阵列的当前位置的所述通信设备的所述天线阵列的位置被定义，并且其与所述通信信道的质量测量大于第三质量测量阈值相关联。

在根据第一方面的第十二种实现形式的通信装置的第十三种可能实现形式中，通信装置被配置为基于关于通信装置的天线阵列的位置的信息，关于另一通信装置的天线阵列的位置的信息以及关于由另一通信设备选择的波束方向性模式的信息来计算优化的波束方向性模式。

在根据第一方面的第十三种实施形式的通信装置的第十四种可能的实现形式中，所述通信装置还被配置为将所述优化的波束方向性模式存储在所述数据库中。

根据第二方面，本发明涉及一种操作通信装置的方法，所述通信装置被配置成使用天线阵列与另一通信装置通信，所述天线阵列被配置为定义波束方向性模式，所述波束方向性模式用于与另一通信设备的天线阵列通信，其中所述方法包括以下步骤：基于关于通信设备的天线阵列的位置的信息和/或关于另一通信设备的天线阵列的位置的信息，调整波束方向性模式。

根据本发明的第二方面的方法可以由根据本发明的第一方面的通信装置执行。根据本发明的第二方面的方法的进一步的特征直接由根据本发明的第一方面及其不同实现形式的通信装置的功能产生。

根据第三方面，本发明涉及一种包括程序代码的计算机程序，当在计算机上执行时，所述程序代码用于执行根据本发明第二方面的方法。

本发明可以用硬件和/或软件来实现。

附图说明

将参照以下附图描述本发明的其他实施例，其中：

图1示出了描述根据一个实施例的通信装置的示意图；

图2示出了描述根据一个实施例的一种操作通信装置的方法的示意图；

图3示出了描述根据一个实施例操作通信设备的流程图；

图4示出了描述根据一个实施例的通信装置与另一通信装置在不同时刻之间的空间关系的示例性坐标系的示意图；

图5示出了根据一个实施例的通信装置与另一个通信设备之间的通信信道的SNR形式的质量测量表，用于两个通信设备的多个波束方向性模式和多个位置/位移；

图6示出了描述根据一个实施例的通信装置的五个示例性波束方向性模式的示例图；

图7示出了描述与图6的通信装置进行通信的根据一个实施例的通信装置的五个示例性波束方向性模式的另一个示例图；

图8示出了描述根据一个实施例的通信装置处发生的操作的第一阶段的不同步骤的流程图；

图9示出了描述根据一个实施例的通信装置处发生的操作的第二阶段的不同步骤的流程图；

图10示出了描述根据一个实施例的通信装置处发生的操作的第三阶段的不同步骤的流程图；

图11示出了描述根据一个实施例的通信装置处发生的操作的第四阶段的不同步骤的流程图；

图12示出了描述在第一场景中根据一个实施例的通信装置与另一通信装置之间的信令图；

图13示出了描述在第二场景中根据一个实施例的通信装置与另一通信装置之间的信令图；

图14示出了描述在第三场景中根据一个实施例的通信装置与另一通信装置之间的信令图；以及

图15示出了描述在第四场景中根据一个实施例的通信装置与另一通信装置之间的信令图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，参考了形成本公开的一部分的附图，并且其中通过示例的方式示出了可以实践本发明的特定方面。可以理解的是，可以使用其他方面并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义，因为本发明的范围由所附权利要求限定。

例如，可以理解，结合所描述的方法的公开内容也可以适用于被配置为执行该方法的对应的设备或系统，反之亦然。例如，如果描述了特定的方法步骤，则相应的设备可以包括执行所描述的方法步骤的单元，即使这些单元未在附图中明确描述或示出。此外，应该理解的是，除非另外特别指出，否则这里描述的各种示例性方面的特征可以彼此组合。

图1示出了描述根据一个实施例的通信装置100a的示意图。所述通信装置100a被配置为采用BF与另一通信装置100b通信。为此，通信设备100a包括天线阵列101a，其被配置为定义用于与另一通信设备100b的天线阵列101b进行通信的波束方向性模式。将在下面进一步详细解释，天线阵列101a被配置为基于关于通信设备100a的天线阵列101a的位置的信息和/或关于另一通信设备100b的天线阵列101b的位置的信息来调整波束方向性模式。在一个实施例中，另一通信设备100b可以与通信装置100a基本相同，即通信装置100b可以具有与通信装置100a相同或相似的部件，这将在下面进一步详细描述。

如在图1中示意性地示出的，通信装置100a和另一通信装置100b(在下文中也将被称为节点100a和节点100b)中的每一个可以以一种它们各自的位置为时间依赖的方式安装或支撑。在一个实施例中，通信装置100的天线阵列101a定义用于与另一通信装置100b进行通信的波束方向性模式的形状和中心位置。下面将更详细地解释，通信设备100a的位置变化会导致天线阵列101a的位置变化，这又会导致其波束方向性模式的中心位置的改变。

在一个实施例中，关于另一通信装置100b的天线阵列101b的位置的信息是基于由通信设备100a计算的另一通信设备100b的天线阵列101b的位置的估计，或基于由另一通信设备101b提供的定义另一通信设备101b的天线阵列101b的数据。

在一个实施例中，天线阵列101a被配置为基于由与所述通信设备101a通信的控制实体提供的信息来调整波束方向性模式，其中控制实体被配置为基于关于通信设备100a的天线阵列101a的位置的信息和/或关于所述另一通信设备100b的天线阵列101b的位置的信息，选择用于通信设备100a的天线阵列101a的波束方向性模式和用于另一通信设备100b的天线阵列101b的波束方向性模式。

从图1所示的实施例中可以看出，通信装置100a还包括位置传感器102a，所述位置传感器102a被配置为提供关于所述通信装置100a的天线阵列101a的位置的信息。

从图1所示的实施例可以看出，通信装置100a还包括通信接口103a，所述通信接口103a被配置为将关于所述通信设备100a的天线阵列101a的位置的信息发送到所述另一通信设备100b，并从所述另一通信设备100b接收关于另一通信设备100b的天线阵列101b的位置的信息。在一个实施例中，通信接口103a被配置为在较低频率下操作。这允许确保更可靠的通信链路，因为在较低的通信频率处，波束未对准的可能性降低。

从图1所示的实施例可以看出，通信设备100a还包括估计器105a，被配置为估计通信信道的质量测量，所述通信信道由通信设备100a的天线阵列101a的波束方向性模式和所述另一通信设备100b的天线阵列101b的波束方向性模式定义，并且其中所述天线阵列101a被配置为在所述通信信道的质量测量小于第一质量测量阈值的情况下，调整所述通信设备100a的天线阵列101a的波束方向性模式。在一个实施例中，通信装置100a和另一通信装置100b之间通信信道的质量测量为信噪比。

从图1所示的实施例可以看出，通信设备100a还包括选择器107a，选择器107a被配置为基于关于通信设备101a的天线阵列101a的位置的信息和/或关于另一通信设备100b的天线阵列101b的位置的信息来选择波束方向性模式。

在一个实施例中，选择器107a被配置为从数据库109a中选择波束方向性模式，其中数据库109a包含由所述通信设备100a的天线阵列101a的波束方向性模式和所述另一通信设备100b的天线阵列101b的波束方向性模式定义的通信信道的质量测量，用于为所述通信设备100a的天线阵列101a的多个不同位置和所述另一通信设备100b的天线阵列101b的多个不同位置定义的多个波束方向性模式。在一个实施例中，数据库109a可以包含查找表。在一个实施例中，数据库109a可以是通信装置100a的一部分，如图1的实施例所示。在另一个实施例中，数据库109a可以是与通信装置100a分离的实体，其可以被通信装置100a和另一个通信装置100b二者访问。

在实施例中，选择器107a被配置为通过从数据库109a中的那些波束方向性模式选择所述波束方向性模式来从数据库109a选择波束方向性模式，其为被最接近通信设备100a的天线阵列101a的当前位置的所述通信设备100a的所述天线阵列101a的位置而被定义。在一个实施例中，选择器107a可以被配置为使用欧式距离测量来确定接近度或距离的测量。

在一个实施例中，选择器107a被配置为从数据库109a中的那些波束方向性模式选择波束方向性模式，其与所述通信信道的质量测量大于第二质量测量阈值相关联。在一个实施例中，第二质量测量阈值可以等于第一质量测量阈值。

在一个实施例中，通信设备100a被配置为发送关于所述通信设备100a的天线阵列101a的位置的信息和关于发送到另一通信装置100b所选择的波束方向性模式的信息，使用例如通信接口103a，如果通信信道的质量测量低于第二质量测量阈值，则使用来自数据库109a的波束方向性模式，其为通信装置100a的天线阵列101a的当前位置提供通信信道的最大质量测量。

在一个实施例中，通信设备100a被配置为从另一通信设备100b接收关于另一通信设备100b的天线阵列101b的位置的信息和关于由另一通信设备100b选择的波束方向性模式的信息，并且其中选择器107a被配置为基于关于所述另一通信设备100b的天线阵列101b的位置的信息和关于由另一通信设备100b选择的波束方向性模式的信息，从数据库109a中选择波束方向性模式。

在一个实施例中，选择器107a被配置为通过从所述数据库109a中的那些波束方向性模式中选择所述波束方向性模式来选择所述波束方向性模式，其为最接近所述通信设备100a的所述天线阵列101a的当前位置的所述通信设备100a的所述天线阵列101a的位置被定义，并且其与所述通信信道的质量测量大于第三质量测量阈值相关联在一个实施例中，第三质量测量阈值可以等于第一质量测量阈值和/或第二质量测量阈值。

在一个实施例中，通信设备100a还被配置为基于关于通信设备100a的天线阵列101a的位置的信息，关于通信设备100a的天线阵列101b的位置的信息，以及关于由另一通信设备选择的波束方向性模式的信息来计算优化的波束方向性模式。

在一个实施例中，通信装置100a还被配置为将优化的波束方向性模式存储在数据库109a中。

图2示出了描述一种操作通信装置100a的方法200的步骤的示意图。方法200包括使用通信装置或节点100a的天线阵列101a的步骤201，天线阵列101a被配置为定义用于与另一通信设备或节点100b的天线阵列101b进行通信的波束方向性模式。方法200还包括基于关于通信节点100a的天线阵列101a的位置的信息和/或关于另一通信节点100b的天线阵列101b的位置的信息来调整波束方向性模式的步骤203。

在下文中，将描述通信装置100a和方法200的进一步的实施形式、实施例以及方面。

从图3所示的实施例可以看出，当节点100a，100b之间的通信链路的性能变得不可接受，即低于期望的性能水平(图3的附图标记301)时，每个节点100a，100b可以获得其位置信息或其天线阵列101a，101b的位置信息(图3的附图标记303)。然后，基于主从方式，节点100a，100b可以交换它们的位置信息或者它们的天线阵列101a，101b的位置信息以及它们使用的波束方向性模式(预定义的或者计算的；图3的附图标记305)。在上述方式下，每个节点100a，100b可以在共同可用的数据库(例如，查找表)中查找预定义的波束方向性模式，产生波束对准的可接受水平，即期望的性能水平(图3的附图标记307)的预定义波束方向性模式。对于在通用数据库中没有一对预定义波束方向性模式产生波束对准的可接受水平的情况，每个节点100a，100b使用其可用信息，即从BF信息交换阶段，其他节点或该节点的天线阵列，以设计指向其的最佳的波束方向性模式。使用该位置信息与后面的最佳波束方向性模式以及所得到的性能指示符一起，完善/更新具有预先计算的性能指示符的通用数据库109a(图3的参考标记309)。

可以使用硬件和软件模块来实现本发明，用于：i)测量通信网络节点100a，100b和/或它们的天线阵列101a，101b的位置/位移；ii)可靠地交换包括BF信息的控制通信信号，该BF信息包括后者的位置信息以及来自节点100a，100b的所使用的波束方向性模式(预定义的或计算的)以及iii)用于提供具有它们之间链路的性能指示符的数据库109a(特别是查找表)，该性能指示符用于节点100a，100b两者的预定义的波束方向性模式以及节点100a，100b和/或它们的天线阵列101a，101b的替换的位置/位移的不同组合。

如上所述，可以使用一个或多个仪器/传感器(例如位置传感器102a)来估计每个节点100a，100b和/或其天线阵列101a，101b的位置/位移，所述一个或多个仪器/传感器可以包括附接到每个节点100a，100b和/或其天线阵列101a，101b的高精度专用装置，GPS装置，位移传感器和/或电子罗盘。BF信息的交换(包括例如在希望通信的网络节点100a，100b之间使用的波束方向性模式和节点100a，100b和/或其天线阵列101a，101b的位置/位移)可以通过一个或多个硬件和软件模块来实现，这些模块可以最大限度地减少错误接收这些信息的可能性。为了在包括诸如节点100a，100b的网络节点的高频无线通信网络中实现这个目标，部署大尺寸天线阵列并实现高度定向BF技术，专用低频常规收发器系统，诸如通信接口103a可以被使用。在一个实施例中，该收发器系统由一个天线或天线阵列构成，其具有比高度定向天线阵列101a，101b更宽的波束宽度，以确保携带上述BF信息的控制通信信号的可靠交换。如上所述，在一个实施例中，通信网络节点100a，100b都保存包含前面描述的性能指示符的公共数据库109a，特别是查找表。在一个实施例中，这个公共数据库109a可以在初始校准阶段期间构建，或者在特定时间段内被完善/更新。为了后一个目的，可以部署专用软件以完善/更新数据库，特别是查找表109a，根据某些目标(例如，提高查找表的分辨率，以适应不断变化的环境条件)。

在一个实施例中，通信装置100a和另一通信装置例如可以是，在无线环境中操作的两个固定位置多天线网络节点，所述无线环境包括在例如微波或毫米波频带中提供高频通信链路的LOS组件。当该通信链路的性能变得不可接受时，即低于期望的性能水平时，由于一个或两个网络节点100a，100b的小的移动/位移(例如，由于风或地面振动导致的节点100a，100b的支撑结构的摇摆)，节点100a，100b都首先监测它们的位置信息。然后，使用具有全向天线的低频收发器系统，例如通信接口103a，节点100a，100b可以以主从方式交换它们的位置信息以及它们所使用的波束方向性模式。最后，每个节点100a，100b使用后者的BF信息，诸如通信的节点100a，100b和/或其天线阵列101a，101b所使用的波束方向性模式以及坐标或相对坐标，以便在共同可用的查找表109a中搜索波束方向性模式产生波束对准的可接受水平，即期望的性能水平。在一个实施例中，共同可用查找表109a包括用于通信的网络节点100a，100b之间的链路的性能指示符，该指示符用于节点100a，100b两者的预定义的波束方向性模式以及节点100a，100b和/或其天线阵列101a，101b的替换位置/位移的不同组合。

在另一个实施例中，其中通信装置100a和另一通信装置例如可以是在包括提供高频通信链路的LOS组件的无线环境中操作的两个固定位置多天线网络节点，例如在微波或毫米波频带中，在两个节点100a，100b之间的通信链路的性能变得不可接受的情况下，即低于期望的性能水平的情况下，节点100a，100b两者首先监测它们的位置/位移信息但彼此不交换。相反，在该实施例中，每个网络节点100a，100b可以使用其自己的测量的位置/位移信息以及另一个节点100a，100b的位置/位移的估计或预测(例如，使用可从天气预报获得的风信息进行节点运动预测)，以便在共同可用查找表109a中查找，其包括用于节点100a，100b之间的链路的用于节点100a，100b两者的预定义的波束方向性模式以及节点100a，100b和/或其天线阵列101a，101b的替换位置/位移的不同组合的性能指示符，适当的波束方向性模式产生波束对准的可接受水平，即期望的性能水平。

在一个实施例中，通信装置100a和另一通信装置100b可以以希望通过具有LOS组件的高频无线链路进行通信的多天线网络节点100a，100b的形式实施，并且可以被配置为周期性地监测其通信链路的性能(例如SNR值)。当通信链路的性能变得不可接受，即低于期望的性能水平时，两个节点100a，100b都测量它们的位置/位移或它们的天线阵列101a，101b的位置/位移并交换这个信息。每个网络节点100a，100b使用希望与之通信的节点的位置/位移信息，以便设计转向它的最佳的波束方向性模式。

在一个实施例中，通信装置100a和另一通信装置100b可以以通过具有LOS组件的高频无线通信链路(例如微波或毫米波链路)通信的两个多天线网络节点100a，100b的形式来实现。节点100a，100b可以在固定的路由轨迹上移动，并且每个节点100a，100b可以具有一定数量的预定义的波束方向性模式。当它们的通信链路的质量低于最小需要水平时，每个节点100a，100b测量其位置或其天线阵列101a，101b的位置并将其转发给网络控制实体，特别是使用专用的低频收发器系统，例如通信接口103a，该网络控制实体维护具有通信节点100a，100b之间的链路的性能指示符的查找表109a，该性能指示符用于节点100a，100b两者的预定义的波束方向性模式和节点100a，100b或其天线阵列101a，101b在固定路由轨迹上的替换位置的不同组合。接下来，网络控制实体在查找表109a中搜索产生可接受的性能的一对波束方向性模式，然后将各个波束方向性模式的指示符转发到每个节点100a，100b，使得每个节点100a，100b采用相应的波束方向性模式。

在一个实施例中，通信装置100a以节点A的形式实现，而另一通信装置100b以节点B的形式实现，其中节点A被认为是主节点，而节点B被认为是从节点，两个节点都存在于如图4所示的二维空间中。这个实现例子扩展到三维空间是很容易的。考虑将每个节点100a，100b安装在杆上，并且假设两个杆都会由于风或地面振动而摇摆。由于杆摇摆，网络节点100a和100b两者都沿任意方向移动，但会在根据杆的材料和结构的特定位移限制内。在这个例子中，超过这些特定位移限制的杆摆动可能导致杆断裂，这被认为是极端情况。网络节点100a和100b都部署一个或多个用于位置/位移监测的仪器/传感器，如位置传感器102a，以及额外的低频常规收发器系统，例如通信接口103a，用于交换BF信息，例如，使用波束方向性模式和节点100a，100b的位置/位移。一旦在节点100a，100b之间设置通信链路，假设它们的初始距离d₀，即在时刻t＝1时被精确测量，使用例如一个或多个高度精确的仪器来达到此目的。在获得距离d₀之后，采用图4所示的示例性坐标系，其中原点由主节点100a的位置定义。特别地，图4中的二维坐标系的(0，0)点是主节点100a的位置点M₀^(A)，并且从节点100b的位置由具有坐标(0，d₀)的点M₀^(B)定义。在任何时刻t＞1，图4的二维坐标系中的节点100a的位置由点M_t^(A)的坐标给出，节点100b的位置由点M_t^(B)的坐标给出，d_t表示该时刻t的节点距离。例如，如图4所示，在时刻t＝1之前，主节点100a从位置M₀^(A)移动到具有坐标(-x₁^(A)，y₁^(A))的新位置M₁^(A)，而从节点100b从位置M₀^(B)移动到具有坐标(x₁^(B)，d_0-y₁^(B))的新位置M₁^(B)。因此，在示例性实施例中，连接点M₁^(A)和M₁^(B)的线段的角度ζ₁可以按照如下计算：

因此，为了使每个节点100a，100b计算到另一个节点的方向，即转向波束的方向，每个节点需要两个节点100a，100b的位置坐标以及节点100a，100b的原始距离，即d₀。

在一个实施例中，可以将网络节点100a，100b的位置定义为其天线阵列101a，101b的中心的位置，并且距离指的是节点100a，100b的天线阵列101a，101b的中心之间的距离。即使监测位置/位移的一个或多个仪器/传感器和/或测量节点100a，100b之间的距离的一个或多个仪器未附接到节点100a，100b的天线阵列101a，101b的中心，而是附接到节点100a，100b的其他部分或支持节点100a，100b的杆，仍然可以计算出天线阵列101a，101b的中心的位置，如从下面的例子中可以理解的那样。假设在时刻t的图4的二维坐标系中，主网络节点100a的天线阵列101a的中心的位置由坐标(a，b)给出。由于节点100a的结构的形状是已知的，即节点100a的整体几何形状，所以节点100a从初始点(0，0)的任何移动/位移可以被转换为其天线阵列101a的中心a的移动/位移。因此，在节点100a，100b的位置/位移与节点的天线阵列101a，101b的中心的位置/位移之间存在确定的关系，从而术语节点100a，100b的位置/位移与节点的天线阵列101a，101b的中心的位置/位移在这里可互换使用。

返回参照在图4的上下文中描述的实施例，主节点100a和从节点100b都可以在其存储器中保存查找表，例如上述的查找表109a，具有节点100a，100b之间的链路的SNR性能指示符，该性能指示符用于两个节点100a，100b的预定义的波束方向性模式以及它们和/或它们的天线阵列101a，101b的替换位置/位移的所有组合。对于图4中所示的二维示例，图5所示的表格中给出了两个节点100a，100b的K个预定义的波束方向性模式以及两个节点100a和100b在x轴上的M个替换位置/位移和在y轴上的N个替换位置的示例性查找表Γ。通常，节点100a，100b之间的预定义的波束方向性模式的数量和/或替换位置/位移的数量可以是不同的。图5中所示的示例性查找表Γ是具有m＝n＝KMN的mxn矩阵，并且符号Γ_i，j表示Γ的第(i，j)个元素，其中i＝1，2，...，m以及j＝1，2，...，n。在图5所示的表中，符号X_e^(A)和X_e^(B)分别表示节点100a和100b在x轴上的第e个替换位置/位移，而Y_c^(A)和Y_c^(B)分别用e表示节点100a和100b在y轴上的第c个替换位置/位移，其中e∈{1，2，...，M}以及c∈{1，2，...，N}。此外，b_n^(A)和b_n^(B)分别表示节点100a和100b的天线阵列101a，101b的第n个预定义波束方向性模式，其中n∈{1，2，...，K}。

在图6和图7中提供了用于图4所示的主节点100a和从节点100b的K＝5时预定义波束方向性模式的示例。这些波束方向性模式通过节点100a的60和120度内以及节点100b的240和300度内的均匀采样获得。

在一个实施例中，对节点100a和100b两者共同可用的查找表Γ109a是在初始校准阶段中构建的，其中两个节点100a，100b被放置在沿着图4所示的坐标系的x轴的M个不同位置/位移和沿着图4所示的坐标系的y轴的N个不同位置/位移。节点100a，100b之间的无线通信链路的SNR性能为节点100a，100b的位置/位移和预定义波束方向性模式的不同组合测量。原则上，查找表109a中的条目数将随着上述组合的数量而增加。具有增大尺寸的查找表109a因此转换为针对不同位置/位移和预定义波束方向性模式的SNR性能指示符方面的增加的分辨率。通常，共同可用的查找表109a的大小可以取决于应用，更具体地说：i)在某些应用中可能需要特定角度扇区中增加的分辨率。(例如见图4，图6和图7，其中节点100a和100b被放置成彼此转向，并且即使当节点100a，100b稍微移动(由于风或地面振动)时，也需要保证波束对准。)，这减少了采样的可用空间，并因此使得查找表109a的尺寸合理(如上所述，在一个实施例中，查找表109a可以托管在具有增加的存储和大数据恢复能力的网络控制实体上，而不是托管在节点100a，100b中)；ii)查询表109a的大小对于极端位置/位移可以保持合理，并且发生查找表109a中不包括位置/位移时(在这种情况下可以使用测量的位置/位移到可用的替换位置/位移有多近的一个或多个阈值，)，可以通过在节点100a，100b之间交换节点100a，100b的实际测量的位置/位移来完成波束对准；以及iii)定期更新固定大小的查找表109a的内容，以动态捕获两个网络节点100a，100b正在操作的环境。

在一个实施例中，当主节点100a和从节点100b之间的无线通信链路的瞬时SNR值下降到最小SNR阈值γ_th(即第一质量测量阈值)以下时，认为发生波束未对准。该阈值可以取决于特定的应用并且反映通信链路的所需服务质量水平。为了监测节点100a，100b之间的链路的瞬时SNR性能，节点100a，100b中的一个或两个可以在每个时刻t测量SNR性能，并获得瞬时SNR性能的估计值g_t。为了使发送节点在时刻t知道与预期接收节点的通信链路的SNR，在一个实施例中提供了将估计的SNR值g_t从后一节点发送到前者的反馈。这种反馈操作可以通过以下方式进行：i)g_t值的常规反馈，可能是其量化版本；或者ii)时分双工系统中从接收节点到发送节点的专用信号，以便后者估计它们的通信链路的SNR值。在一个实施例中，可以使用通信接口103a来交换g_t值，以确保可靠的交换。

在一个实施例中，首先，主节点100a在g_t＜γ_th时发起一系列动作，然后在需要时跟随来自从节点100b的一系列动作。如果还是g_t＜γ_th，则可以使用来自主节点100a的最后一系列动作。在一个实施例中，可以使用以下三个阶段来实现通信网络节点100a和100b之间可接受的波束对准水平：i)主恢复1(MR1)阶段；ii)从恢复(SR)阶段；以及iii)主恢复2(MR2)阶段。在下文中，为了清楚起见，在节点100a和100b之间交换的信号中使用索引，以便指示包括BF信息(节点100a，100b或其天线阵列101a，101b所使用的波束方向性模式和坐标，或相对坐标)的纯控制通信信号或包括数据和/或上述BF信息的数据信号。

在图8的流程图中总结了在主节点100a处发生的MR1阶段的实施例的步骤。在该图和下面的图中，具有s∈{1，2，...，K}的b_s^(A)和b_s^(B)分别表示节点A和B的天线阵列101a，101b所选的预定义波束方向性模式，产生可接受的SNR性能水平(如上所述，K表示可用的BF模式集合的元素的数量)。分别用b_opt^(A)和b_opt^(B)表示设计成转向相应的另一个节点的节点100a和100b的天线阵列101a，101b的波束方向性模式。g_max表示使用所有可用的预定义波束方向性模式在特定时刻在节点100a，100b之一处测量的最大SNR性能。

从图8所示的实施例可以看出，主节点100a估计瞬时SNR值g_t，并且仅当g_t＜γ_th时遵循以下动作(图8的附图标记801)。每当g_t＜γ_th，主节点100a从其一个或多个仪器/传感器(例如位置传感器102a)获得其当前位置/位移信息(图8的附图标记803)，并且在其查找表109a中找到离其当前位置/位移最近替换的位置/位移(图8的附图标记805))。计算最接近的替换位置/位移的一种方法是使用欧式距离测量。后一个替换位置/位移与来自前一时隙的从节点100b的BF信息(使用的波束方向性模式和位置/位移)一起使用，以便主节点100a在查找表109a中搜索预定义的波束方向性模式产生g_t≥γ_th(图8的附图标记807)。最初，主节点100a可以对所有可用的波束方向性模式执行顺序扫描，并使用满足SNR要求的第一个或者产生最大SNR性能的一个。如果存在这种预定义的波束方向性模式，即如果已经实现了可接受的波束对准水平，则主节点100a可以使用它来向从节点100b发送数据(图8的附图标记809和811)。否则，主节点100a可以使用其预定义的波束方向性模式产生用于预期通信链路的最大SNR性能，以将数据连同其BF信息一起发送到从节点100b(图8的附图标记809和813)，诸如节点100a使用的波束方向性模式及其从一个或多个仪器/传感器获得的其位置/位移信息。在一个实施例中，在参考标号813的上下文中提到的BF信息可以借助于通信接口103a来发送，优选地在低频率操作。在参考标记813的上下文中提到的数据可以使用天线阵列101a在高频发送。

对于图5所示的示例性查找表109a，通信节点100a，100b之间的BF信息交换需要B个比特，其中

响应于在从节点100b处接收到具有主节点100a的BF信息的控制信号(图9的附图标记901)，从节点100b可以进入SR阶段并且遵循图9所示的一系列动作。最初，从节点100b从其一个或多个仪器/传感器获得其当前的位置/位移信息(图9的附图标记903)，并在查找表中找到与其当前位置/位移最接近的可用替换位置/位移(例如，使用欧式距离测量)。此外，节点100b可以使用从主节点100a接收到的位置/位移信息来在其查找表中查找与节点100a的当前位置最接近的可用替换位置/位移。这两个节点100a，100b的这些替换位置/位移与由主节点100a选择的预定义的波束方向性模式的信息一起使用，以便从节点100b在查找表中搜索预定义的波束方向性模式，产生g_t≥γ_th(图9的参考符号905)。如果存在这样的预定义波束方向性模式，即如果已经实现了可接受的波束对准水平，则从节点100b使用它来向主节点100a发送数据(图9的附图标记909和911)。否则，从节点101b使用从主节点100a接收的位置/位移信息来设计转向其的最佳波束方向性模式(图9的附图标记913)。如果从节点100b对该优化的波束方向性模式的使用导致g_t≥γ_th，则该波束方向性模式被用于向主节点100a发送数据(图9的附图标记915和919)。此外，该优化的波束方向性模式与从节点100b的位置/位移信息以及值g_t一起被存储在查找表中以便完善/更新节点100b的查找表并且也被发送到主节点100a用于相同的目的(图9的附图标记917)。在一个实施例中，可以使用以较低频率操作的通信接口103a发送该信息以确保可靠的交换。然而，在另一个实施例中，这个信息可以使用工作在更高频率的天线阵101a来发送，因为g_t≥γ_th。如果从节点100b对优化的波束方向性模式的使用仍然产生g_t＜γ_th，则从节点100b仍然可以使用该波束方向性模式将数据以及最优波束方向性模式信息与从节点100b的位置/位移信息一起发送到主节点100a(图9的附图标记915和919)。在这种情况下，由于g_t＜γ_th，所以BF信息优选地使用工作在较低频率的通信接口103a来发送。在一个实施例中，可以在没有值g_t的情况下发送BF信息，或者可以包括预定义的值，例如，“0”，用于这种情况。

在一个实施例中，在MR2阶段开始时，主节点100a从从节点100b接收数据和BF信息，例如最佳波束方向性模式以及节点100b的位置/位移信息。

该BF信息可以包括从节点100b测量的g_t值。在包含这个值的情况下，这意味着在SR阶段已经达到可接受的波束对准水平。在图10中示出了当在SR阶段中已经实现可接受的波束对准水平时，MR2阶段内的主节点100a所遵循的动作。在该实施例中，主节点100a继续解码接收自从节点100b的数据(图10的附图标记1001)，并将接收自从节点100b的BF信息与其来自图8所示的MR1阶段的BF信息一起保存，例如选择的预定义的波束方向性模式，值g_t以及节点100a的位置/位移信息，以完善/更新其查找表109a。

图11示出了根据一个实施例MR2阶段内主节点100a遵循的步骤，当没有接收到来自节点100b测量的g_t值(或者该值是预定义的，例如0)时。首先，主节点100a使用接收自从节点100b的位置/位移信息来设计转向其的最佳波束方向性模式(图11的标号1101和1103)。然后，节点100a测量该波束的g_t(图11的附图标记1105)。然后，主节点100a使用该最佳的BF模式连同其位置/位移信息和先前测量的g_t以及所接收的从节点100b的BF信息，以便完善/更新其查找表109a(参考图11的符号1107)。然后，主节点100a使用转向到从节点100b的最佳波束方向性模式向从节点100b发送数据(图11的参考标记1109)，包括关于由主节点100a确定的最佳波束方向性模式的信息，值g_t和主节点100a的位置/位移信息，以便从节点100b完善/更新其查找表。在节点100a未从其先前位置(即，其在MR1阶段中的位置)移动的情况下，关于其未改变位置的信息不必在图11的步骤1109中被发送到节点100b。

在图12至图15中示出根据一个实施例的用于波束对准的通信装置和/或方法中实现的前述阶段内发生的信令。图12示出了在达到波束对准的可接受水平而仅需主节点100a处的MR1阶段1201内的动作时，根据一个实施例的主节点100a和从节点100b之间的信令。图13示出了当使用主节点100a处的MR1阶段1301内和从节点100b处的SR阶段1303的动作达到波束对准的可接受水平时的信令。图13是指在MR1阶段1301之后，在SR阶段1303中使用从节点100b的查找表中的可用信息并导致波束对准的可接受水平的情况。对于从节点100b使用主节点100a的位置/位移来设计转向其的最佳的波束方向性模式的情况，在图14中示出了在MR1阶段1401和SR阶段1403内发生的信令。最后，图15描绘了当使用所有三个阶段，即MR1阶段1501，SR阶段1503和MR2阶段1505的动作实现波束对准的可接受水平时的信令。与图14中的SR阶段1403相反，在图15的SR阶段1503中，不发送g_t值。而在图15的MR2阶段1505中，将值g_t以及主节点100a的最优波束方向性模式发送到从节点100b。

除其它以外，本发明实施例在处理在具有LOS组件的无线环境中操作的高频无线通信网络中的波束未对准中提供以下优点。

根据本发明实施例，可以在至多三个控制通信阶段中实现通信多天线网络节点100a，100b之间的波束对准。波束对准的性能水平将取决于任何两个通信网络节点100a，100b之间的无线通信信道的LOS状况。根据本发明实施例，LOS成分越占优势，本发明的性能越接近最佳BF。在这种情况下，应该提到的是，最佳的BF在通信节点100a，100b处都需要完美的信道状态信息，并且根据这一点，节点使用信道矩阵的主左右奇异向量。根据本发明实施例，由通信节点100a，100b交换的每个控制通信信号包括BF信息，诸如关于节点100a，100b和/或通信节点100a，100b中的一个其天线阵列101a，101b所使用的波束方向性模式和坐标的信息。

本发明实施例不需要任何通信多天线网络节点100a，100b的信道估计。因此，根据本发明实施例，避免了使用具有比天线元件少得多的射频链的天线阵列(例如具有很少甚至一个射频链的大尺寸相控阵列)，并且需要大量训练符号的高频无线通信系统的信道估计技术。

由于最多使用三个控制通信阶段，来源于根据本发明实施例的波束对准的操作模式在网络节点100a，100b之间交换BF信息的复杂性较低，该BF信息例如是节点100a，100b和/或其天线阵列101a，101b的所使用的波束方向性模式和位置/位移。

虽然本公开的特定特征或方面可能已经相对于若干实施方式或实施例中的仅仅一个被公开，但是这样的特征或方面可以根据需要与其他实施方式或实施例的一个或多个其他特征或方面组合，有利于任何给定的或特定的应用。此外，就详细描述或权利要求书中使用的术语“包括”，“有”，“具有”或其他变体而言，这些术语旨在以类似于术语“包括”。而且，术语“示例性”，“例如”和“比如”仅仅是作为一个例子，而不是最好的或最优的。术语“耦合”和“连接”以及派生词可能已被使用。应该理解的是，这些术语可能已经被用于指示两个元件彼此协作或相互作用，而不管它们是直接物理接触还是电接触，还是彼此不直接接触。

尽管在此已经示出和描述了具体方面，但是本领域普通技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，各种替代和/或等同的实现方式可以替代所示出和描述的具体方面披露。本申请旨在涵盖在此讨论的具体方面的任何修改或变化。

尽管以下权利要求中的元素以具有相应标签的特定顺序列举，除非权利要求列举另外暗示用于实现这些元素中的一些或全部的特定顺序，那么这些元素不一定旨在被限制为在该特定序列。

鉴于上述教导，许多替代，修改和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的。当然，本领域技术人员容易认识到，除本文所描述的以外，本发明还有许多应用。虽然已经参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下可以对其做出许多改变。因此应该理解，在所附权利要求及其等价物的范围内，本发明可以以与本文具体描述的不同的方式实施。