1.公开领域
本公开一般涉及用于可缩放rf前端的波束成形架构，尤其涉及细调用于增强射频(rf)系统性能的接收机和发射机天线权重向量。
2.相关技术描述
波束成形技术已广泛用于无线(即射频)和毫米波应用空间，以增加定向天线阵列增益。定向天线阵列增益的增加有助于更好的信号传输和接收质量。使用无线技术的产品(诸如手机，膝上型电脑等)包括多个发射天线和多个接收天线，以传送和接收单个空间流。为了增加天线阵列增益，常规波束成形器使用固定的权重(振幅和相位)集来控制天线阵列。自适应波束成形器通常基于其从天线阵列接收到的信号响应来调整权重。
通常，波束成形器(不管是自适应的还是常规的)被设计用于固定数目的发射或接收天线。波束成形硬件被设计用于最坏情形，即发射/接收天线的最大数目，尽管可能并不是所有的天线用于通信，由此增加了整个系统成本。
概述
本公开的实施方式涉及用于配置发射和接收天线的阵列以用于为可变数目的天线进行波束成形的装置和方法。发射或接收阵列中的天线的数目不一定是固定的，并且因此可以是可变的，使得rf天线架构是可缩放的。为了配置发射或接收天线阵列，该天线被划分成k个组。当前的发射或接收机天线权重被应用于k个组中的每一者的发射或接收机天线。
测量组中发射或接收机天线中的每一者对当前权重向量的响应(例如，经相加的响应)。基于该测量，计算复合缩放因子以调整每个组的当前发射或接收机天线权重，使得输出功率(接收机或发射)被最大化。经更新的权重被应用于k个组中的每一组的天线。在应用经更新的权重之后，接收或发射天线阵列可以被重新分组。该过程可在多个循环中重复。该过程的循环可以重复，直到发射或接收机天线阵列被配置为输出最大功率或满足另一停止准则。细调迭代可在发射和接收天线细调循环之间交替。该过程可响应于检测到的状况或准则而重新开始。
在一特定方面，本发明包括一种用于细调接收机天线权重的方法，其包括将接收机天线分组成第一多个天线组。第一多个天线组中的每个天线组包括接收机天线的子集。接收机天线权重向量被应用于每个天线组。接收机天线权重向量对于给定天线组中的每个天线指定要应用到由该给定天线组中的每个天线所接收的信号的幅度和相位增益。当训练信号被接收时测量各天线组中的每一者的响应并且应用接收机天线权重向量。应用基于所测量的响应的用于天线权重向量的复合缩放因子。接收机天线权重向量是基于所计算的复合缩放因子而被更新。经更新的天线权重向量被应用于接收机天线组。
一方面涉及一种装置，该装置包括具有非瞬态存储介质的数据处理设备和与非瞬态存储介质耦合的数字信号处理器。该非瞬态存储介质存储当由数字信号处理器(dsp)执行时使得处理器进行以下操作的指令：将接收机天线分组为第一多个天线组，该第一多个天线组中的每个天线组包括接收机天线的子集。该指令还使得dsp将接收机天线权重向量应用于每个天线组，接收机天线权重向量对于给定天线组中的每个天线指定要应用于由该给定天线组中的每个天线所接收的信号的幅度和相位增益；当接收训练信号时测量各天线组中的每一者的响应并应用接收机天线权重向量；基于所测量的响应来计算用于天线权重向量的复合缩放因子；基于所计算的复合缩放因子来更新接收机天线权重向量；以及将经更新的天线权重向量应用于接收机天线组。
另一方面涉及一种包括用于细调发射天线权重的数据处理设备的装置，该装置包括：用于将发射天线分组为第一多个天线组的逻辑电路；该第一多个天线组中的每个天线组包括发射天线的子集。该设备还包括用于将发射天线权重向量应用于每个天线组的逻辑电路；发射天线权重向量对于给定天线组中的每个天线指定要应用于由该给定天线组中的每个天线所接收的信号的幅度和相位增益。该设备还包括用于当传送训练信号时从接收机获得各天线组中的每一者的响应并应用发射天线权重向量的逻辑电路。该设备还包括用于更新发射天线组的天线权重向量的逻辑电路以及用于将经更新的天线权重向量应用于该发射天线组的逻辑电路。
一方面涉及一种用于细调发射天线权重的方法，包括将发射天线分组为第一多个天线组。第一多个天线组中的每个天线组包括发射天线的子集。该方法还包括将发射天线权重向量应用于每个天线组。发射天线权重矢量对于给定天线组中的每个天线指定要应用于由该给定天线组中的每个天线所传送的信号的幅度和相位增益。该方法包括：当传送训练信号时，从接收机获得各天线组中的每一者的响应并应用发射天线权重向量，更新发射天线组的天线权重向量并将经更新的天线权重向量应用于该发射天线组。
另一方面涉及一种装置，该装置包括具有非瞬态存储介质的数据处理设备和与非瞬态存储介质耦合的数字信号处理器。该非瞬态存储介质存储当由数字信号处理器执行时，使得处理器进行以下操作的指令：将发射天线分组为第一多个天线组，该第一多个天线组中的每个天线组包括发射天线的子集。该指令还使过程将发射天线权重向量应用于每个天线组，其中发射天线权重向量对于给定天线组中的每个天线指定要应用于由该给定天线组中的每个天线所接收的信号的幅度和相位增益。该指令还使过程在传送训练信号时，从接收机获得天线组中的每一者的响应并应用发射天线权重向量。该指令还使过程更新发射天线组的天线权重向量以及将经更新的天线权重向量应用于该发射天线组。逻辑电路可通过用可从一个或多个存储器检索的指令编程数字信号处理器(dsp)来实现。此电路可使用和/或重用形成或被用于形成其他电路的元件。dsp可使用可重配置电路系统(诸如现场可编程门阵列的电路系统)来实现。
附图简述
通过结合附图考虑以下详细描述，可容易地理解本公开的实施例的教导。
图1是根据一个实施例的用于可缩放rf前端的波束成形架构的框图。
图2是解说根据一个实施例的配置用于波束成形的发射天线和接收天线的步骤的流程图。
图3是解说根据一个实施例的用于细调接收机天线的步骤的流程图。
图4是解说根据一个实施例的用于细调发射天线的步骤的流程图。
实施例的详细描述
附图(图)和以下描述仅通过解说涉及本公开的优选实施例。现在将详细参考本公开的若干实施例，其示例在附图中得以解说。应注意，只要可行，在附图中可使用相同或相似的附图标记，并且可指示相同或相似的功能。本领域技术人员根据以下描述将容易认识到，可采用本文所解说的结构和方法的替代实施例而不偏离本文所描述的公开内容的原理。
图1是根据一个实施例的用于可缩放rf前端系统100的波束成形架构的框图。rf前端系统包括位于一个设备上的rf发射机和位于第二设备上的rf接收机。尽管图1示出了包括一个设备上的一个发射机和第二设备上的一个接收机的示例系统100，但是在其他实施例中，每个设备可以包括发射机和接收机。该两个设备通过经由发射机(tx)和接收机(rx)天线传送和接收在由信道矩阵h表示的信道上发送的rf信号来进行通信。rf发射机包括一个或多个发射天线120vi,0,…,vi,n、连接到每个发射天线的功率放大器118、在发射机侧的rf前端处理模块110，诸如数字信号处理(dsp)模块112、数模转换器(dac)114和混频器116。另外，rf接收机包括一个或多个接收机天线140ui,0,…,ui,n、在接收机侧的rf前端处理模块130，诸如放大器132、混频器134、模数转换器(adc)136和数字信号处理(dsp)模块138。
rf发射机将较低的中频(if)信号转换成高频射频(rf)信号并在发射天线阵列120上传送它。在发射机侧的dsp模块118执行信号处理任务(诸如，针对每个递归阶段的数字调制、滤波、基带波束成形处理以及其他此类数字处理)。大部分信号处理是对数字信号完成的，并且在它被发送到其他发射机前端模块之前，由数模转换器(dac)模块112将其转换为模拟信号。混频器116将传入信号与射频信号混合以生成用于传输的rf信号。功率放大器116将低功率rf信号转换为较大显著功率以用于经由发射天线阵列120进行传输。
每个发射和接收天线对之间的信道被建模为单信道。用于多个发射/接收天线的信道矩阵h包括由每对的单信道模型给定的发射机/接收机天线对中的每一者的输入-输出关系的向量表示。
rf信号由接收机天线集140接收，并且信号由接收机前端130进一步处理以将rf信号转换为基带信号。放大器132放大所期望的信号，同时其拒绝不需要的信号。混频器134将传入信号与同载波频率具有固定偏移的信号混合以产生基带信号。在一些实施例中，可级联混频器和放大器，并且可在rf与基带之间生成if信号。模数转换器(adc)136模块将模拟基带信号转换为数字信号以用于由在接收机中的dsp模块138进一步处理。dsp模块138可执行处理操作，诸如基带波束成形处理和其他此类配置操作。
在一实施例中，dsp模块112和dsp模块138各自包括一个或多个处理器和存储指令的非瞬态计算机可读存储介质，所述指令在由一个或多个处理器执行时使得一个或多个处理器执行本文所描述的操作(例如，下面图2-4中所描述的过程)。在替换实施例中，发射机和/或接收机可分别包括取代dsp模块112和dsp模块138或者除了dsp模块112和dsp模块138之外的数字逻辑，以用于完全或部分地执行本文所描述的过程。
对于波束成形，发射天线120和接收天线140阵列的集合被配置为最大化收到信号的信噪比(snr)。图2是解说根据一个实施例的配置用于波束成形的发射天线和接收天线的步骤的流程图。
天线阵列的配置开始(205)于确定当前接收机天线权重向量是否处于稳定点(210)。在一实施例中，该稳定点是用于最大系统性能的全局最优点。在另一实施例中，该稳定点是系统性能的局部最优点，其不会因天线权重向量的小扰动而改变。接收机权重向量的稳定点可以是给定发射天线权重向量的临时稳定点。接收机天线权重向量的稳定点可以是不管发射权重向量的不同选择都是最优点的永久稳定点。在实际实现中，可在当前接收机天线权重向量没有将波束成形增益提高预定阈值的情况下确定稳定点。如果接收机天线向量不处于稳定点，则通过执行以下图3中所描述的方法来进一步细调接收机天线(215)。如果接收机天线权重向量达到稳定点，则确定当前发射天线权重向量是否处于稳定点(220)。如果当前发射天线权重向量不处于稳定点，则通过执行图4中所描述的方法来进一步细调发射天线(225)。如果发射天线权重向量达到稳定点，则确定当前波束成形增益是否满足所预定的迭代次数(230)。如果当前波束成形增益满足目标(例如，预定义或预确定的)迭代次数。如果满足上述条件，则停止细调天线权重向量的过程(240)。否则，将迭代计数增加1，并且从步骤205重新开始细调过程。
图3是解说根据一个实施例的配置用于波束成形的接收机天线阵列的步骤的流程图。在此过程中，迭代地细调接收机天线权重向量，并且每次递归涉及以下步骤。
为nr个接收机天线接收初始天线权重向量(305)。根据一实施例，nr个接收机天线由dsp模块划分为k个组(310)。该划分在每个递归循环中变化，即，k个组中的至少一者在连贯递归循环中具有不同的接收机天线集。使r1,…,rk表示每个组的天线索引集。
当在发射机处应用的当前发射机天线权重向量在发射机处固定于v(tk)时，基于接收机天线组在应用当前接收机天线权重向量的u(rk)*时的响应，为接收机天线组中的每一者测量信道响应。每个组的测量代表针对在每个组中的天线的相加的响应。为了执行响应测量，对每组天线权重应用不同缩放因子，并且执行不同测量集。这里，yr表示测量的列向量，其中每个元素对应于个体测量。基于以下等式形成组合的测量：
其中w通常是具有k个正交列和至少k个行并且秩为k的矩阵，并且yr是接收机天线组的组合的测量，u(r,)h…u(rk)h是向接收机天线集应用当前接收机天线权重向量，而hv(r1),…,hv(rk)对应于关于k个组中的每个天线的信道响应。在第m个测量中，第k组天线的实际权重是u(rk)的共轭乘以因子wm,k，其中wm,k是w的第m行和第k列中的元素。
存在使用训练序列的用于测量信道响应的多个实施例。在一实施例中，训练序列是从tx和rx发送的特定序列。在另一实施例中，训练序列跟随分组的数据有效载荷作为后置码。在另一实施例中，训练序列是可以或可以不跟随有数据有效载荷的分组的前导码部分。在训练序列是没有数据有效载荷的分组的前导码的情况下，在其之前可具有训练序列的宣告。
基于以下等式对正交向量集进行后处理，以计算来自rx天线的k个组中的每组的接收机响应
其中z1,...,zk表示针对rx天线组的总体信道响应，其中wh中的h表示w的厄米(hermitian)转置(即，取矩阵的转置，并且随后取每一项的复共轭)。w的例子是哈达码(hadamard)矩阵，即其元素是+1或-1的方矩阵。这使得矩阵乘法变得简单，因为它现在只是与其相乘的矩阵的各元素的加法，即yr元素的响应的相加。在实践中，必要条件是矩阵w是满列秩的，即，矩阵w的秩与其列数相同。具有该必要条件，矩阵wh被替换为以下对应的伪逆
w+＝(whw)-1wh。
基于测量，计算缩放因子集α1,…,αk以调整每个组中的接收机天线权重矢量(325)。缩放因子可以是包括相位和幅度调整的复数，或者是指示仅包括幅度调整的实数。
计算缩放因子以最大化度量|uhhv|，该度量表示当在发射机处应用发射权重向量v时信道矩阵h的rx天线组的输出功率，即，
该缩放因子按以下计算：
其中
基于等式
将经更新的接收机天线权重u＝unew应用到接收机天线(335)。如果需要，接收机天线被重新分组(340)并且重复递归步骤(315-340)。
表示用于信道矩阵h的rx天线组的输出功率的度量|uhhv|在每次递归中被改善。通过在每个递归循环中调整接收机天线的组划分，实现整体优化。该方法中的一个重要处理是k个天线组的缩放因子的优化。递归一次仅优化k个因子，并且重复使用相同的测量和计算引擎以调整到不同数目的天线。细调过程是可缩放的，使得如果天线的数目改变，则天线组划分被更新，并且在经划分的天线上递归地重复剩余的过程。如果天线数目增加，只要通过在每个组中具有更多天线来保持组数目相同，则波束成形方法由于其取决于组数目而保持相同。
本文的波束成形方法包括具有幅度和相位两者的权重，其基于响应的测量和缩放因子而调整。在另一实施例中，权重可以仅包括相位分量。在仅相位权重的情形中，可使用因子zk的相位，而不需要获得αk因子。
以下针对包括4个天线的接收机解释示例方法。信道响应测量可以通过接收机在特定时间开启每个天线并执行测量来执行。然而，通过同时开启全部4个天线，可改善接收机snr。这里，对于矩阵w使用hadamard矩阵如下：
统计上，所获得的收到信号比单接收机信号大4倍。在一实施例中，天线逐行地使用收到向量[1,1,1,1]、[1,-1,1,-1]...来获得测量。在另一实施例中，天线可将收到向量[u1,u2,u3,u4]、[u1,-u2,u3,-u4]、[u1,u2,-u3,-u4]、以及[u1,-u2,-u3,u4]用于信道测量。这两种方法是等价的并且获得相似结果。
在可缩放方法中，4个天线被拆分以形成两组。训练可基于以下矩阵：
如果初始接收机相位向量是
和
在对两组的第一集合执行训练之后，在随后的迭代中，使用例如
在归一化之后，可使用分配为[1,3]和[2,4]的两组的第三集合来执行第三迭代。
图4是解说根据一个实施例的配置用于波束成形的发射机天线阵列的步骤的流程图。迭代地细调发射机天线权重向量，并且每次递归涉及以下步骤。
为nt个发射天线接收初始天线权重向量(405)。nt个发射天线由rf发射机的dsp模块划分为k个组(410)。该划分在每个递归循环中变化，使得k个组中的至少一者针对连贯递归循环具有不同发射天线集。使t1,…,tk表示每个组的天线索引集。
从发射天线向接收机天线传送信号(420)，将发射权重向量ν(τk)*应用到k个组中的发射天线中的每一者(420)，并且发射机针对k个发射天线组中的每一者从接收机获得结果(425)。当接收机天线权重向量固定于u(rk)*时，基于k个组在应用当前发射天线权重向量ν(τk)*时的响应，在k个组中的每一者中针对每个接收机天线测量信道响应。为了执行响应测量，对天线权重中的每一组应用不同缩放因子，并且执行测量的不同集合。将yt表示为测量的列向量，每个元素对应于个体测量。yt可根据以下等式形成。
其中w通常是具有k个正交列和至少k个行并且秩为k的矩阵，yt是发射天线组的组合的测量的共轭，v(t1)h,…,v(tk)h是向发射天线集应用的当前发射天线权重向量的共轭，并且hu(t1),…,hu(tk)对应于k个组中每个天线的信道响应的共轭。在第m个测量中，第k组天线的实际权重是v(tk)的共轭乘以因子wm,k，其中wm,k是w的第m行和第k列中的元素。
基于以下等式对正交向量集进行后处理，以计算针对tx天线的k个组中的每组的接收机响应：
其中z1,...,zk表示针对tx天线组的总体信道响应，其中wh中的h表示取矩阵的转置随后取每一项的复共轭的hermitian转置。w的例子是hadamard矩阵，即其元素是+1或-1的方矩阵。这使得矩阵乘法变得简单，因为它现在只是与其相乘的矩阵的各元素的加法，即yt元素的响应的相加。
基于测量，计算缩放因子集合α1,…,αk，以调整每个组中的发射天线权重矢量(425)。缩放因子可以是复数(即其包括相位和幅度调整)，或者是指示包括幅度调整的实数。
在一实施例中，信道响应z1,...,zk的测量被从接收机传送到发射机(例如，经由反向信道)并且发射机计算缩放因子。替换地，接收机可计算缩放因子并将该缩放因子直接提供给发射机。
计算缩放因子以最大化度量|vhhu|，该度量表示当在接收机处应用发射加权向量u时信道矩阵h的tx天线组的输出功率，即，
其中vnew(tk)＝akv(tk),k＝1…k并且
该缩放因子按以下计算：
其中sk＝v(tk)hv(tk)，即，归一化的发射功率，并且该归一化约束意味着
根据下式更新基础发射天线向量(430)：
其中vnew(tk)＝akv(tk),k＝1…k并且
将经更新的发射天线权重v＝vnew应用到发射天线(435)。如果需要，发射天线被重新分组(440)并且重复递归步骤。
所公开的配置的示例益处和优点包括针对可缩放rf架构配置多个发射和接收天线阵列。该主要益处包括当天线阵列被缩放以包括附加天线时，消除附加rf前端处理模块的需要。该可缩放性有助于成本降低。
附加地，对天线阵列进行重新分组和细调的方法持续地提高天线增益，并且如果天线分组被正确地完成，则导致天线权重向量的全局收敛以实现最大波束成形天线增益。这导致了跨设备的发射机和接收机的高性能信号传输。
在整个说明书中，多个实例可实现被描述为单个实例的组件、操作或结构。尽管一个或多个方法的个体操作被解说和被描述为分开的操作，但是个体操作中的一者或多者可同时执行，并且不要求以所解说的顺序执行操作。在示例配置中呈现为分开的组件的结构和功能性可被实现为组合式结构或组件。类似地，被呈现为单个组件的结构和功能性可被实现为分开的组件。这些以及其他变体、修改、添加及改进落在本文主题内容的范围内。
本文所描述某些实施例包括例如图1中所解说的逻辑或多个组件、模块或机制。模块可以构成软件模块(例如，被实施在机器可读介质上或传输信号中的代码)或硬件模块。硬件模块是能够执行某些操作并且可以某种方式配置或布置的有形单元。在示例实施例中，计算机系统(例如，处理器或处理器组)的一个或多个计算机系统(例如，自立的、客户端或服务器计算机系统)或一个或多个硬件模块可由软件(例如，应用程序或应用程序部分)配置为操作以执行本文所述的某些操作的硬件模块。
在各种实施例中，硬件模块可以机械地或电子地实现。例如，硬件模块可包括永久配置(例如，作为专用处理器，诸如现场可编程门阵列(fpga)或专用集成电路(asic))以执行某些操作的专用电路或逻辑。硬件模块还可包括由软件临时配置以执行某些操作的可编程逻辑或电路系统(例如，如涵盖在通用处理器或其他可编程处理器内)。将理解，是在专用且永久配置的电路系统中还是在临时配置的电路系统(例如，由软件配置)中机械地实现硬件模块的决定可以由成本和时间考量驱动。
本文所描述的示例方法的各种操作可至少部分地由临时配置(例如，通过软件)或永久配置为执行相关操作的一个或多个处理器(例如，处理器112、138)来执行。无论是临时配置还是永久配置，此处理器都可构成操作用于执行一个或多个操作或功能的处理器实现的模块。在一些示例实施例中，本文涉及的模块可以包括处理器实现的模块。
一个或多个处理器还可操作以支持在“云计算”环境中或者作为“软件即服务”(saas)的相关操作的性能。例如，至少一些操作可以由计算机组(作为包括处理器的机器的示例)来执行，这些操作是经由网络(例如，因特网)以及经由一个或多个适当的接口(例如，应用程序接口(api))可访问的。
某些操作的性能可以分布在一个或多个处理器中，不仅驻留在单个机器中，而且跨多个机器被部署。在一些示例实施例中，一个或多个处理器或处理器实现的模块可以位于单个地理位置(例如，在家庭环境、办公室环境或服务器场内)。在其他示例实施例中，一个或多个处理器或处理器实现的模块可以跨多个地理位置分布。
本说明书的一些部分是以对作为比特或二进制数字信号存储在机器存储器(例如，计算机存储器)内的数据的操作的算法或符号表示的形式来呈现的。这些算法或符号表示是在数据处理领域的普通技术人员用来将他们的工作的实质传达给本领域其他技术人员的技术的示例。如本文所使用的，“算法”是导致期望结果的操作或类似处理的自相容序列。在该上下文中，算法和操作涉及物理量的物理操纵。典型地但不一定地，此类量可以采取能够由机器存储、访问、传递、组合、比较或以其他方式操纵的电子、磁性或光学信号的形式。主要出于常用的原因，有时使用诸如“数据”、“内容”、“比特”、“值”、“元素”、“码元”、“字符”、“项”、“数量”、“数字”等措词来提及此类信号是很方便的。然而，这些措词只是方便的标记，并且与适当的物理量相关联。
除非特别另外声明，否则本文中使用诸如“处理”、“计算”、“演算”、“确定”、“呈现”、“显示”等的措词的讨论可以指机器(例如，计算机)的动作或过程，该机器操纵或转换在一个或多个存储器(例如，易失性存储器，非易失性存储器或其组合)、寄存器或其他接收、存储、传送或显示信息的机器组件内表示为物理(例如，电子、磁性或光学)量的数据。
如本文所使用的“一个实施例”或“一实施例”意指结合该实施例描述的特定元件、特征、结构或特性是包含在至少一个实施例中的。在说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”并不一定都指相同的实施例。
可使用表达“耦合”和“连接”及其派生词来描述一些实施例。例如，可使用术语“耦合”来描述一些实施例，以指示两个或更多个元件处于直接物理或电学接触。然而，术语“耦合”也可表示两个或更多个元件彼此不直接接触，但仍然彼此协作或相互作用。在该情况下，实施例不受限制。
如本文所使用的，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”、“包含(including)”、“有”、“具有”或其任何其他变化旨在涵盖非排他性包括。例如，包括元素列表的过程、方法、物品或装置不一定仅限于那些元素，而是可以包括没有明确列出或者此过程、方法、物品或装置固有的其他元素。进一步地，除非有明确的相反说明，否则“或”是指包括性的而不是排他性的。例如，以下任何一者满足条件a或b：a为真(或存在)则b为假(或不存在)，a为假(或不存在)则b为真(或存在)，以及a和b都是真(或存在)。
另外，使用“一(a)”或“一(an)”来描述本文实施例的元件和组件。这仅仅是为了方便并给出本发明的一般意义。该描述应该被解读为包括一个或至少一个，并且单数也包括复数，除非它明显是另有含义。
在阅读本公开之际，本领域技术人员将理解，通过本文所公开的原理，用于在可缩放rf架构中配置用于波束成形的天线阵列的系统和方法的附加替代结构和功能设计。因此，虽然已经解说和描述了特定实施例和应用，但应理解，所公开的实施例不限于在此公开的精确构造和组件。在不脱离所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以对本文公开的方法和装置的布置、操作和细节做出对本领域技术人员来说显而易见的各种改动、变化和变型。