專利名稱：用于發射機路徑加權的裝置與方法
技術領域：
本發明涉及天線陣。
天線陣擁有多個用以通過無線通信鏈路傳達射頻(RF)信號的天線。天線陣通過為覆蓋區域提供一個更好的天線方向圖來提供相對于單天線有所改善的性能。
盡管借助于提供改善了的天線方向圖的天線陣，通信設備之間所傳達的信號仍易于遭遇干擾。建筑物、山丘、以及其它物體產生多徑電波傳播，加之諸通信設備及能量源引入噪聲，引起通信設備之間所傳達的信號中的差錯。
為減少這些差錯，已發展了多項技術來優化使用天線陣的通信設備的接收路徑。通過改變陣列中每個單獨的天線所檢測的信號的權值，有可能改變天線方向圖以更好地檢測來自特定方向的信號或安排多徑信號的非破壞性合并。這些技術通過測量一個接收機的輸出量調節天線陣信號的權值以使接收路徑增益最大。然而，為接收路徑所導出的權值不能為發送路徑提供最佳權值。
相應地，令人欲求的是為發射機提供改善的天線陣權值。
一個通信設備包含連接在天線陣的諸天線與發射機之間的諸加權電路。一個控制器被連接至諸加權電路，并且控制該發射機通過至少一個天線發送一個參考信號，以及根據從另一個通信設備接收的權值信息調節與至少一個天線相關聯的權值，從而可以根據通過至少一個天線所發送的參考信號改變發送路徑。
本發明的另一實施方式包含一個接收通信設備，它接收通過一個發送通信設備中的多個天線的每個所發送的信號。根據從每個天線接收的參考信號，電路為另一個通信設備的發射機路徑計算至少一個權值。將該至少一個權值傳送給另一個通信設備。
還公開一種操作發送通信設備的方法。亦公開一種操作接收通信設備的方法。


圖1是一個電路原理方框圖，描述包含擁有一天線陣的通信設備的一個通信系統。
圖2是一個類似于圖1的電路原理方框圖，但更詳細地描述圖1的發送路徑的發送路徑加權電路。
圖3是一個流程圖，描述在一個擁有一天線陣的通信設備中設定發送路徑增益的一種方法。
圖4是一個流程圖，描述在一個擁有一天線陣的通信設備中設定發送路徑增益的一種方法。
圖5是一個流程圖，描述在與根據圖4操作的一個通信設備進行通信時的一種操作通信設備的方法。
圖6是一個在通信設備之間傳輸的信號的信號圖。
圖7是一個電路原理方框圖，描述一個包含擁有天線陣的兩個通信設備的通信系統。
圖8是一個電路圖，描述一個用于接收路徑中擁有一均衡器的通信設備的控制器。
圖9是一個電路圖，描述一個用于接收路徑中擁有一均衡器的通信設備的另一可供選擇的控制器。
圖10描述圖8的使用4個發送天線的系統性能與不使用陣列GSM型系統的情況的對比。
圖11描述圖9的控制器方法的性能與圖8的控制器方法的性能的比較。
圖12是一個信號圖，描述當在接收路徑中使用均衡器時的參考信號。
一個通信系統100(圖1)包含一個通信設備101和一個通信設備102，它們經由通信鏈路104通信。通信設備101可以是一個無線調制解調器(調制器/解調器)、一個蜂窩無線電話、一個無繩無線電話、一個雙向無線電設備、一個尋呼機、一個基站、或任何其它通信設備。通信設備102是通信設備101的一個互補通信設備，并且可以是一個無線調制解調器(調制器/解調器)、一個蜂窩無線電話、一個無繩無線電話、一個雙向無線電設備、一個尋呼機、一個基站、或任何其它通信設備。如同這里所使用的，“通信設備”指的是這些設備的每個以及它們的等同物。
通信鏈路104是易遭遇多徑傳播的一個射頻無線鏈路。因此，路徑P1和P2表示通信設備102的第一天線106和通信設備101的一個天線108之間的兩條信號路徑。通信路徑P3和P4延伸于一個天線110和天線108之間。通信路徑P5和P6延伸于一個天線112和天線108之間。將被認識到的是，在天線106、110和112中的任何一個與天線108之間的通信路徑的實際數目可以少于或多于兩條。
通信設備101包含連接到天線108的一個發射機116和一個接收機118，發射機116和接收機118是由一個控制器120控制的。發射機116是用任何合適的商品化現有的用于無線通信的發射機實現的。接收機118是用任何合適的商品化現有的用于無線通信的接收機實現的。控制器120是用一個微處理器、一個數字信號處理器(DSP)、一個可編程邏輯單元(PLU)、或類似物實現的。將發射機116和接收機118連接到天線108，以通過天線發送和接收信號。
通信設備102包含一個發射機122、一個接收機124和一個控制器126。控制器126可以用一個微處理器、一個數字信號處理器、一個可編程邏輯單元、一個計算機或類似物實現。控制器126控制發射機122和接收機124的操作。發射機122是用任何合適的商品化現有的用于無線通信的發射機實現的。接收機124是用任何合適的商品化現有的用于無線通信的接收機實現的。
發射機122的一個輸出端被連接到發送路徑加權電路131、133和135，每一個發送路徑加權電路又通過一雙工電路113與天線106、110和112中相應的一個相連接。發送路徑加權電路根據從控制器126接收的一個控制信號對經發射機的信號輸出進行加權。經發射機的信號輸出可通過相應的導線接到發送路徑加權電路131、133和135使得每個發送路徑加權電路接收一相應的信號，或者通過一個公共導線接到發送路徑加權電路131、133和135使得每個發送路徑加權電路全部接收同一個信號。
接收機124的輸入端被連接到接收路徑加權電路150、152和154的輸出端。接收路徑加權電路的每個接收來自天線106、110和112的通過雙工電路113輸入的相應信號。
雙工電路113可用任何合適的雙工器件、一個開關電路、一個濾波器、或類似物實現。雙工電路113將諸天線連接到發送和接收路徑，以提供全雙工或半雙工操作。
發送路徑加權電路131、133和135更詳細地示于圖2。發送路徑加權電路131包含一個移相電路230和一個可變增益放大器236。發送路徑加權電路133包含一個移相電路232和一個可變增益放大器238。發送路徑加權電路135包含一個移相電路234和一個可變增益放大器240。如果加權僅要求信號相位的改變，可用一個固定增益放大器代替可變增益放大器。移相電路230、232和234的每個被獨立地控制，使得諸天線擁有輸入到那里的獨立相位信號。諸放大器的每一個獨立地由控制器126控制。技術熟練人員可以認識到調節信號的增益與相位的其它方法。例如，信號電平可以在一個數字信號處理器內在軟件控制下調節，并通過一個常數增益放大器輸出。
可變增益放大器236、238和240的每個通過一個相應的開關250、252和254選擇性地連接到一個相應的天線106、110和112。諸開關被連接到控制器126以從那里接收一個發送/接收指示信號。在發送模式下，諸開關如圖2連接。在接收模式下，天線106、110和112被連接到接收路徑加權電路150、152和154。
接收路徑加權電路150、152和154的每個從控制器126接收一個控制信號。接收路徑加權電路的每個被各自控制。接收路徑加權電路150、152和154的輸出量被輸入到接收機124。控制器126根據已知算法調節加權因子W4、W5和W6。通常，控制器126響應于接收機124的輸出量，調節系數W4、W5和W6的每個，以優化接收信號質量。典型地，通過使接收幅值或功率最大或通過使有用信號對噪聲加干擾之比的估值最大，優化接收信號路徑。
控制器126為移相電路230、232和234產生相位信號，并根據存儲在一個存儲器160中的預定值控制可變增益放大器236、238和240的增益。下面的表，或這里所用的“碼本”，是對包含三個天線106、110和112的發送路徑的權值。增益與相位與等價的復記號一起被給出。在這些示例中，α＝1/√6且γ＝1/√3。借助于16個向量，存儲器160為三個天線存儲以下值，左邊一列是索引或向量編號，其余各列是三個發送路徑加權電路131、133和135的權值W1、W2和W3表1
此表僅表示相移、這意味著發送信號的相位將被調節，而可變增益放大器236、238和240的增益將不被調節。對于數字相位調節的實現，將復基帶數字信號乘以上述復數。因為存在24個向量，所以需要4位以確定一個向量的索引。
可使用一個更大的數值表。下面的表2提供31個權值組合。
表2
<p>在此表中，β＝1/√2，且諸增益與相位均被調節，使得對某些天線的發送路徑在某些時候完全不起作用的，在那里增益值為0。需要5位(25個不同向量)以確定一個向量的索引。諸表是以示例方式提供的，而不是周全的。可定義具有其它大小的諸表，且可使用具有相同條目數的不同表。
每一個增益與相位值產生一個不同的天線方向圖。通過改變可變增益放大器的增益及相位，可以改變天線方向圖。通過改變天線方向圖，天線陣可以給位于一個基站的覆蓋區內不同地理位置的遠程通信設備提供更好的性能，或者更好地定位一個遠程通信設備以便與一個基站通信。
操作中，如框300(圖3)所示，當初始地建立一個與通信設備101通信的通信鏈路時，控制器126根據預定值設定發送路徑的權值W1、W2和W3。例如，初始權值可以是來自先前連接的最終權值W1、W2和W3，初始權值可以是對應于擁有最寬覆蓋區域的天線方向圖的權值，或者為接收路徑計算的諸權值W4、W5和W6也可以用作為發送路徑的初始權值。諸天線權值可以設定可變增益放大器236、238和240的諸增益以及移相電路230、232和234的諸相位，或可僅設定移相電路的諸相位。
通信期間，信息包通過發射機122發送到通信設備101，如框302所示。如技術上所熟知的那樣，另一通信設備101接收從發射機122發送的信號，并發送回一個確認信號(ACK)或一個非確認信號(NACK)，這取決于信號是否準確地被接收。典型地，與每個信息包一起發送一個檢驗和或循環冗余校驗(CRC)數據。如果實際接收的信息包不產生CRC或檢驗和，則NACK信號被發送到接收機124。
如框304中所檢測到的，如果控制器126接收一個確認信號，則發送下一個信息包。如果從通信設備101接收到一個差錯信號，例如，NACK如框306所檢測到的，則在框308中控制器126選擇新的天線權值W1、W2和W3。這改變權值W1、W2和W3，使得天線方向圖被改變。新的諸權值可以是與存儲在存儲器160中的碼本的下一個向量編號相關聯的權值，如表1或2所表示的。
在判決框310中，控制器126確定下一個天線方向圖是否是新近遭遇來自另一個通信設備101的一個差錯信號(例如，當新的諸天線權值被最后一次使用時，從另一個通信設備接收一個NACK)的一個方向圖。可在控制器126中設定一段預定的時間。如果在這段預定的時間內它遭遇一個差錯信號，控制器126將不容許選擇權值。這在連接質量之差以致于沒有權值能夠提供一個無差錯連接時，避免了控制器126在諸方向圖中快速循環。
在判決框312中，如果接收到一個差錯訊息，控制器126控制發射機以122重新發送信息。然后控制器126返回框304，以等待來自另一個通信設備的一個確認信號或一個差錯信號。
將認識到，通過一個在普通的發送過程期間出現的一個差錯信號所啟動的中斷，可執行判決框304和306。因此，若干包的暫存，它們之間的編碼和交插以及調制和傳輸，可以是通信設備102的一個行進過程。當檢測到一個差錯信號，如一個NACK，控制器126簡潔地中斷傳輸以改變權值W1、W2和W3，然后將恢復該傳輸過程。
還將認識到，控制器126將基于接收機124的輸出信號調節權值W4、W5和W6。這些加權方法在技術上是眾所周知的。
本發明特別有利于發送和接收路徑具有不同頻率的通信系統，如GSM通信系統。在這樣的環境中，由接收路徑加權電路150、152和154給出的接收路徑的權值不必表示用于發送路徑由發送路徑加權電路131、133和135給出的最優權值。這歸因于傳輸延遲、干擾、及其它頻率敏感現象。
另一個重要的考慮是通信設備101和102彼此相對移動的速率。如果通信設備101正在迅速移動，而通信設備102是靜止的，則諸傳輸路徑P1-P6將迅速地改變。在另一些場合，通信設備101和102可以不彼此相對移動。這在步行情況下是真實的，其中蜂窩電話用戶在通話呼叫期間，站立不動或正在步行。在這樣的步行情況下，路徑P1-P6將以低速率改變，或根本不改變。
通信設備101和102中的一個或全部可以有利地確定通信設備101和102彼此相對運動的速率。例如，多普勒測量可被用來確定變化的速率。控制器126使用變化速率的信息確定是否改變相位和幅值的設置。尤其是在通信設備101和102之間相對緩慢運動或不運動的場合，本發明是特別有利的，因為在這些情形下，接收一個NACK的時延將導致最少的性能損害。在這些情形下，天線方向圖的選擇在呼叫期間可對電話性能有實質性的影響。這歸因于這樣的事實為用戶提供最優服務的天線方向圖將不改變。另外，一個壞的天線方向圖在整個呼叫期間，將很可能一直處于不希望用的狀態。
在通信設備101位于一個高速行進的車輛中的情況下，產生為通信設備101提供最優服務的天線方向圖的權值可迅速變化。相應地，每當接收一個差錯信號時改變天線方向圖不能獲得通信系統100性能的實質改善。另外，在某一時刻作用不佳的權值可能在幾秒鐘后是最優的，這會導致權值W1、W2和W3的迅速切換。速度的影響當然有賴于系統的設計，尤其是一個包的發送與一個NACK接收之間的延遲。
存儲增益與相位值的存儲器160可存儲一個最近所使用的若干個天線方向圖的表。最好在一段預定的時間內不使用曾導致差錯指示的那些方向圖。這一段預定的時間最好是參照通信設備101和102彼比相對移動的速度可調的。因此，在通信設備101和102不移動離開的情形下，這段時間可等于通信設備101和102的整個連接時間。可供選擇地，在通信設備101和102彼此相對迅速移動的情形下，這段時間可極短，或為零。任何情形下，一段預定的時間應大于信道的相關時間以避免重選這樣的權向量，該種權向量先前曾導致差錯并且如果信道并無大的變化時仍會給出差的性能。
以上實施方式的一個優點是通信設備101不借助其它通信設備而改變權值。相應地，不必更換現有裝置即可在現有系統中實現加權調節電路。
根據另一個實施方式，通信設備102發送一個信號以由通信設備101確定用于發送路徑加權電路131、133和135的權值。現在參看圖4和圖5描述該實施方式。如框400所示，控制器126控制發射機122產生一個參考信號，該信號被施加于天線106。該參考信號可以是一個單音或任何其它適宜的信號。
通過控制可變增益放大器238和240來獲得零增益并控制可變增益放大器236來獲得一個非零增益，將該參考信號施加到天線106。如框402所示，控制器126控制發射機122輸出一個單音信號至天線110。為將該單音信號只施加至天線110，僅有可變增益放大器238的增益不為零。如框404所示，控制器126控制發射機122輸出一個單音信號至天線112。為將該單音信號施加至天線112，僅有可變增益放大器240的增益不為零。
于是，在不同的時刻將一種預定的單音輸入至每個天線。可供選擇地，可同時給每個天線106、110和112輸入不同頻率的信號，或者同時給每個天線輸入不同編碼的信號。然而，采用這三種手段的任何一種，施加給每個天線的信號必須能夠被通信設備101區別。
將被認識到，發射機122可通過從發射機122延伸至發送路徑加權電路131、133和135的一個總線的相應的導線連接至發送路徑加權電路131、133和135。這允許由發射機122對于每個天線產生的不同信號分別加到諸發送路徑加權電路。
控制器126等待接收在接收機124處的加權信號，如判決框408所示。另一方面，當加權信號被接收時，控制器126可從標準的發送操作中斷。不論發生哪種情況，當從通信設備101接收到新的權值時，控制器126將發送路徑加權電路131、133和135的權值改變至從通信設備101接收到的值，如框410所示。如果從通信設備101接收到索引，則控制器126從存儲器160內的碼本中選擇與該索引相關聯的權值，并相應地控制發送路徑加權電路131、133和135。
現在參看圖5描述通信設備101的操作。控制器120接收通過框500、502和504中的諸天線106、110和112之每個所發送的參考信號。如以上參看圖4所描述的，盡管與相對應的天線106、110和112相關聯的信號在時間上是相分離的，但可通過其頻率——如果它們具有不同的頻率、或者通過其編碼——如果它們具有不同的編碼，兩者挑一地識別它們。于是控制器120識別出每個天線所發送的參考信號。
如框506所示，控制器120基于天線108、110和112的每個的接收信號電平計算供發送路徑加權電路131、133和135用的最優權值。該最優權向量可根據接收信號的增益與相位算得。所估計的來自每個天線的增益與相位的復表示的復共軛可被用作每個天線的權值。對每個天線所估計的增益與相位是在控制器120內用控制器120中所存儲的預定參考信號的一個局部副本與所接收的參考信號求相關值而獲得的。這兩信號之間的相關值指示來自天線106、110和112的每個的傳輸路徑的估計增益與相位。
可供選擇地，可使用碼本從候選列單中選擇一個優選的權向量。這可通過從最為接近由估計接收增益與相位的復共軛所計算出的最優權向量的那個碼本中選出該向量來完成。可供選擇地，該優選權向量被選為使接收通信設備中接收信號功率最大。
來自使上述功率最大的碼本的權值可被算出。如已經提及的，從每個天線所發送的參考信號的增益與相位是在接收機中通過求取與原有發送的參考信號的一個已知局部副本的相關值而估計的。該權向量則被選擇如下t＝|w0Tc|index＝0dok＝1 to K-1if|wkTc|＞t thenindex＝kt＝|wkTc|end ifend do其中從第i個天線(天線1、天線2和天線3)接收的信號的估計增益與相位被表示成復記號ci，而所有天線的集表示成向量c；并且預定列單中的第k個權向量為wk，其中存儲于通信設備102的存儲器106中和通信設備101的控制器120中的列單中有K個向量。|*|表示復數*的幅值。并且*T表示向量或矩陣*的轉置——其中諸行與諸列互換。
這個方法將索引碼本中的每個向量的權值wk與每個天線ci的增益與相位估值相乘，并將結果相加來對特定的權值產生一個臨時幅值測量t。假如將該特定的權值施加給發射機則這是接收到的信號的幅值的一個估值。與最大的t(接收機中最高的估計幅值)相關聯的索引被選作供通信設備102的發送路徑用的最優權值。如框508所示，與該最優權值相關聯的索引則被送回通信設備102。
仿真顯示出當使用合適的正則化以及候選向量分布時，碼本方法比復共軛接收增益與相位的量化方法在下行鏈路上需要更少的容量開銷。另外，可選擇諸碼本條目來提供以下益處。通過選擇權值使得信號經由多個天線發送，單條天線發送路徑不必傳送全部的功率。這對每個路徑中的發送電路單個放大器峰值功率要求提供了一個限制，相對于其中發送路徑的一條路徑可能傳送全部功率的系統而言，這提供價格和尺寸兩方面的優勢。
另外，可使用查閱表或碼本以便于防止差錯編碼，比如檢查和或CRC信息。防止差錯編碼可使用索引信息存儲，并且不需防止差錯編碼的計算而發送。這減少了發射機防止差錯編碼的復雜度。
查閱表的另一個優點是在每幀的時間上所估計的諸候選權向量可以是那些最接近用于最新近一幀的權向量。當先前的權值可能保持為一個好的選擇時，這減少步行環境中搜尋的復雜性，這種步行環境中緩慢的速度導致最優權向量緩慢變化。然而，如果最接近先前所選擇權值的權值不令人滿意，控制器還可以考慮碼本中所有的權值。
使用碼本的場合，通信設備101和102必須擁有相同的值。這可以通過從一個通信設備將碼本下載到另一個通信設備來完成。可供選擇地，可提供另一種方法來驗證這兩個通信設備中的向量數目的值是相同的。
參看圖6可以看到，一個信息包和諸參考信號均從通信設備102發送至通信設備101。諸參考信號被分別經由每個天線一個接一個地發送。從通信設備101中處理信息來計算諸系數的時間到通信設備102使用由通信設備101所指明的權向量的時間有一個延遲。通信設備102隨后使用從通信設備101收到的權值發送一個信息包。
每當發送一個信息包時，從天線106、110和112傳達諸參考信號以及通信設備101中為下一幀所計算出的新權值。為使反饋系統中的延遲效應最小，諸參考信號可被定位得不鄰近諸信息包以便諸參考信號更為接近通信設備102使用上述系數所發送的信息包。可供選擇地，諸參考信號可被定位于該信息包之中。使用任一種方法使延遲最小或消除延遲均有助于避免起因于基準信號被傳出之后所發生的信道變化的疑難通信。
還設想了控制器120可根據由以兩個信息包發送的若干個參考信號所產生的權值來內插值天線用的權值。通過根據兩個相連貫的、隔離的參考信號產生諸系數，可在確定最佳信號方向圖時將諸傳輸路徑特性的變化考慮在內。
數字蜂窩電話系統700(圖7)的一個發送模式包含第一通信設備702和第二通信設備704。通信設備702包含一個天線陣706，而通信設備704包含一個天線陣708。這兩天線陣由P所表示的多個信號路徑互連。通信設備702和704可以是雙向無線電設備、一個無線電話與一個基站，等等。
通信設備702包含這樣一個控制器714，它輸出控制信號來選擇發送路徑中的權值W1、W2和W3，也輸出語音和數據信號。語音和數據信號被輸入至一個編碼與調制電路716。權值控制信號被輸入一個增益與移相電路718，它將幅值與相位控制信號從控制器714連接到可變增益放大器720-722和移相電路724-726。通過一個編幀與參考信號發生電路723，傳輸信號被輸入至移相電路724-726。
編幀與參考信號發生電路723將語音和數據信號編幀以供傳輸，并將參考信號連接至移相電路724-726，每一路對應天線728-730的一付。由編幀與參考信號發生電路723形成相應的基帶信號，每一路對應一付天線，并且通過移相電路724-726給每一路施加適當的相移。
移相電路724-726由一個乘法器以數字形式提供，使得來自碼本的復值可乘以編幀與參考信號發生電路的輸出量以產生相移。相移信號在一個數模轉換器電路732中被轉換成模擬信號。該模擬信號的頻率在一個上變頻器734-736中被提升，而該更高頻率的信號在可變增益放大器720-722中被放大。可變增益放大器720-722的增益是根據每個天線的權值選擇的。因此，發送路徑中的發送路徑加權電路包括移相電路724-726和可變增益放大器720-722。盡管本例中顯示了3個移相電路，但實用中僅需實現兩個，這是因為絕對相位不起作用，僅是這三個發送路徑加權電路的相對相位起作用。
通信設備702的接收路徑包含下變頻器740-742，分別用于降低由天線728-730所接收信號的頻率。下變頻信號被輸入至一個模數轉換器電路744，它根據下變頻器的信號輸出之每個輸出對應的數字信號。該數字信號在一個接收機處理器750中被解調。
通信設備704包含一個控制器752，它輸出控制信號來選擇發送路徑中的權值W1、W2和W3，也輸出語音和數據信號。語音和數據信號被輸入至一個編碼與調制電路754。權值控制信號被輸入一個增益與移相電路756，它將幅值與相位控制信號從控制器752連接到可變增益放大器758-760和移相電路762-764。通過一個編幀與參考信號發生電路766，傳輸信號被輸入至移相電路762-764。編幀與參考信號發生電路766將語音和數據信號編幀以供傳輸，并將參考信號連接至移相電路762-764，每一路對應天線768-770的一付。形成相應的基帶信號，每一路對應一付天線，并且通過移相電路762-764給每一路施加適當的相移。相移信號在一個數模轉換器電路772中被轉換成模擬信號。該模擬信號的頻率在一個上變頻器774-776中被提升，而該更高頻率的信號在可變增益放大器758-760中被放大。該可變增益放大器的增益是根據每個天線的權值選擇的。
通信設備704的接收路徑包含下變頻器780-782，分別用于由天線728-730所接收的信號。下變頻信號被輸入至一個模數轉換器電路784，它根據下變頻器的信號輸出之每個輸出對應的數字信號。該數字信號在一個接收機處理器790中被解調。
因為發送路徑可以是從通信設備702至通信設備704，或者從通信設備704到通信設備702，通信設備702和704被描述為等同的。然而，通信設備702和704可以不相同，比如通信設備702是一個基站而通信設備704是一個無線電話。將被認識到，基站的情形下，發送路徑還將包含一個多路復用器以合并用于多個同時用戶的諸信號。基站的接收路徑還將包含一個多路分解器，以從不同的同時用戶中分離諸信號。
現在對從通信設備702到通信設備704的傳輸，描述用于發送路徑的最優權值的計算，盡管該描述同樣適用于從通信設備704到通信設備702的傳輸。盡管通信設備702和704擁有三付天線，該描述同樣適用于擁有其它數目天線的系統，并因此普遍適用于發送通信設備的發送路徑中擁有I付天線并在接收通信設備的接收路徑中擁有N付天線的系統。對于從通信設備702到通信設備704的通信，I等于3且N等于3。
第n付接收機天線處從第i付發射機天線所收到的信號的估計增益與相位由ci，n表示(成復記號)，而所有組合的集由矩陣C(具有N行和I列)表示。將由發射機權向量w產生的天線768-780處所接收的信號的估計增益與相位則由Cw給出。以如下方式從碼本中選擇權向量v＝Cw0t＝vHvindex＝0do k＝1，to K-1v＝Cwkt＝vHvif p＞t thenindex＝kt＝pend ifend do通信設備704的控制器752使用這個方法通過將矩陣C乘以一個權向量w0來計算向量v，其中w0是碼本中的第一個權向量。根據由w0所導出的向量v計算出一個初始值1。t的這個值代表在發射機處使用權向量w0并在接收機處使用諸信號的最大比值合并之條件下將在接收機處接收到的信號的幅值的估值。最大比值合并是合并來自多付天線的若干路信號的著名技術。向量v是根據C和權值的每個向量wk導出的。對應來自碼本的每個權值的估計幅值p是通過將該權向量v與v的Hermitian變換相乘而算出的。與控制器752中所測得的最大值p相關聯的索引k被送回發送通信設備702。控制器714控制可變增益放大器720-722和移相電路724-726以發送對應于該索引號碼的權值。
如此，控制器752估計接收機處理器790的輸出端的性能。接收機處理器790的輸出量是由天線陣708的諸天線768-770的合并輸出量導出的。該估值還基于由控制器752確定的接收路徑的權值。
如所提及的，最大比值合并器被用于接收機。可替代諸如最佳合并的其它優化技術，尤其是當希望降低干擾的影響時更如此。最佳合并是一個眾所周知的技術。取代使接收幅度或功率最大的做法，控制器752的比值可使有用信號對干擾加噪聲的比值最大。
將描述若干個實施方式，其中接收通信設備包含一個均衡器820。在這些實施方式中，如圖1和2所示，所描述的是包含單天線的接收通信設備和擁有多付天線的發送通信設備。
這些實施方式中，使用一個參考信號來確定權值并計算接收路徑中均衡器820的設定。眾所周知，將一個參考信號發送至一個接收通信設備，該接收通信設備在設定均衡器820時使用該信號。現行的系統中，選擇參考信號來簡化諸系數的設定。
然而，發明人已發現，在發送通信設備包含天線陣而接收通信設備包含一個均衡器的情形下，所發送的參考信號可被選擇，來減少參考信號的發送開銷同時以天線陣保持大的增益。
本發明需要發送多個參考信號，每個信號對應陣列中的一付天線。在通信設備101為基站而通信設備102為一部無線電話的情形下，使用通信設備102發送路徑中選擇權值的發送開銷最小的信號是有利的，這無須考慮為基站的通信設備101中的資源需求。為基站的通信設備101擁有足夠的容量在設定均衡器820值時執行困難的運算，而使通信設備102中能量需求最小來延長電池壽命仍是有利的。
如果另一方面通信設備101是移動臺而通信設備102是基站，則所期盼的是使通信設備101的需求最小。發送需求對基站來說并不那末至關重要，因為它可廣播信號而無須顧忌電池壽命。更大的顧慮在于計算其接收路徑中均衡器820用的值的同時移動通信設備資源耗盡。相應地，如果通信設備101為移動通信設備，則所期盼的是參考信號簡化均衡器設定計算。因此，構想了可以使用不同的信號作為參考信號，這依賴于諸如移動電話網的通信系統中通信設備101和102哪一個是移動臺。
如果通信設備101是一部移動電話，例如，簡化均衡器設定計算的參考信號是諸如類似GSM的系統中所使用的已調制數據的一部分。該參考信號被顯示于圖12中。如圖12所示，該參考信號在時間上被足夠的間隔隔離以允許多徑延遲。該參考信號的起始與結束的特征是一段斜變，以便功率無瞬時變化。
為使開銷最小，參考信號兼被用于同步、均衡器設定和權向量選擇。另外，為進一步減小開銷，將參考信號設計成不同于TDMA系統(比如TETRA和GSM)中常用的那些參考信號。為在權向量選擇的同時，設定均衡器使用一種碼本方法。
圖8描述包含一個均衡器設定電路802的控制器電路800。該控制器可用于通信設備702或704中，或者兩者均用，且當通信設備的某一方或雙方擁有均衡器時被使用。控制器電路800包含這樣的一個參考信號處理器電路904，它處理接收信號來計算擁有天線陣的另一端通信設備處的天線權值。權向量選擇電路806使用存儲在碼本808中的權值索引，該碼本是諸如表1或表2的權值的索引。權向量選擇被輸入均衡器設定電路802和一個二進制格式與編碼電路812。該二進制格式與編碼電路輸出信息用于傳送至另一方通信設備。
發送通信設備兼發圖6所示的信息信號和參考信號。諸參考信號被分隔地從每一天線發送。為使反饋系統中的延遲效果最小，諸參考信號最好不與諸信息包相鄰。另外，在接收通信設備擁有均衡器的情形下，則使用相同的參考信號設定該均衡器和天線陣用的發送路徑權值，不同于通過頻率或編碼區分每個天線用的信號，最好將其用時間分隔。
首次描述這樣的一種方法不依賴均衡器設定找出權向量，其后根據該權向量確定接收機均衡器的設定。此方法適用于選擇參考信號以使得開銷最小的時候，這時可能是通信設備101為基站。該方法使用通信設備中預設的值。在通信設備制造、激活或在一個新的系統中使用時，矩陣X被存入該通信設備中。該矩陣計算如下X＝(YHY)-1YH其中Y=r0.000r.0000......r000.0r,]]>而r為已知參考信號波形的一個列向量，Y1是Y的Hermitian變換。
參考信號處理器電路804(圖8)計算并存儲諸參考信號的相關矩陣RR＝∑isi.siH其中si是從第i付天線接收到的參考信號，而siH是從第i付天線接收到的參考信號的Hermitian變換。
權向量選擇電路806隨后為碼本808中索引的每個執行計算，以使功率信號p最大，其中p＝wH.R.ww代表一個候選權向量，而wH代表該候選權向量的Hermitian變換。因此選出產生p最大值的權值的索引。所選權向量的索引隨后通過二進制格式與編碼電路812被發往手機。
隨后根據所選的權向量計算諸系數。例如，在最大似然序列估計器(MLSE)均衡器中，均衡器系數是如下根據均衡器設定電路中所導出的設定而產生的。首先假如以所選的權值從所有天線同時發送參考信號，向量v是而將被收到之信號的一個估值，它被計算如下v＝∑iSiWi*其中wi為所選的權向量的第i個元素。一個從它提取出均衡器設定的信道估值h被計算如下h＝(Xv)m其中m是發送通信設備中的一個濾波器(未示出)的調制沖擊響應，且其中表示卷積。
這個向量v被用于碼元時標同步，在其之后均衡器設定以一種適當的方式被提取，這對于技術熟練人員是眾知的。通過預先計算盡可能多的量使復雜度最小。
對應一信息包的均衡器設定與對應該信息包的權向量選擇在同一時刻被找出。在某些情形下，反饋路徑中可能有大的延遲。這既影響權向量選擇的精度又影響均衡器的設定。在另一種可供選擇的方法中，對應一個信息包的均衡器設定是根據用于導出對應下一個信息包的權向量的參考信號而找出的。這減少均衡器設定的建立中的延遲，并當權向量選擇與均衡器設定無關時是可能的。
使開銷最小的諸參考信號是這樣的一部分已調數據，它們具備使以上所示的逆(YHY)-1具有好的條件特性的特點。如圖12所顯示的，該參考信號將被在時間上以足夠的間隔分隔以容許多徑延遲。該參考信號的起始與結束特征是一段斜變以便功率不作瞬時變化，這與當今TDMA系統的突發脈沖序列同屬一理。
根據另一個實施方式，權向量連同均衡器設定一同被找出。當選擇參考信號使開銷最小時該方法亦適用，此時通信設備101可能是基站。在均衡器長度使得均衡器不能獲取所有的多徑傳播時，該方法是所期望的。該方法使用圖9所描述的控制器電路900的結構。控制器電路900也可與一個MLSE均衡器一同使用。一個權向量選擇與均衡器設定電路902使用以下量X＝(YHY)-1YH其中Y=r0.000r.0000......r000.0r,]]>而r為已知參考信號波形的一個列向量。
如同以上簡單描述的，這些值被預計算并存入控制器752。另一個已知的脈沖序列是z，它被定義為當z由擁有沖擊響應m(諸如升余弦濾波器)的一個調制濾波器(位于通信設備702的發送路徑中的一濾波器，未示出)濾波時，所得結果波形為r。在使用碼本808的值之前，計算并存儲以下量ci＝(Xsi)mR＝∑iSiSiH其中Si是從第i付天線所接收的參考信號。
index＝1，min-error(最小差錯)＝1,000,000.0p-threshold(閾值)＝介于0.0與1.0之間的一個值，比如0.7其中ci是表示合并濾波器的諸分量和來自第i付發送天線的信道響應的系數構成的向量，m是發送路徑濾波器(未示出)的調制沖擊響應，而表示卷積。最小差錯的初值選擇得很大。選擇p-閾值的值以限制必須執行的計算次數。因此，僅考慮那些具有最大功率測量的權值。值0.7相當于僅考慮最高的30％。發明人已發現當信號強時出現最小差錯，而無須當信號為最強時才出現。可考慮諸權值候選值的更大的百分比或者更小的百分比。
J個候選權向量的碼本計算可執行如下doj＝1 to Jp＝wH.R.w其中w是候選權向量ifp＞p_threshold計算“error(差錯)”if error＜min_error thenmin_error＝errorindex＝jend ifend ifend do loop
均衡器設定電路902首先測量功率并確定該功率是否高于閾值。對于高于閾值的功率測量，使用對應權向量算出的均衡器設定計算差錯。對于MLSE均衡器，如下在每次迭代中計算“差錯”候選沖擊響應h＝∑iciwi*“差錯”＝|hz-x1/|x|其中x是具有分量xi＝wiHsi的向量，|.|表示向量的范數，h表示在碼元時標同步過程期間從h中提取出的候選均衡器設定，如已經描述的，上述同步過程對均衡技術熟練人員是眾知的，以及wi*是wi的復共軛。不同于檢測使接收信號功率最大的權值，此過程通過確定使差錯最小的h和w的值使品質等級(quality level)最大。“差錯”是均衡器的信號輸出的品質估值。
隨后處理所選權向量的索引，供通過二進制格式與編碼電路812向手機發送之用。均衡器設定被用以設定均衡器820中的諸系數。
與不用陣列的GSM型系統對比，圖10顯示在2個碼元延遲擴展信道且在步行速度條件下具有圖4發送天線的圖8系統的性能。該圖顯示比特差錯率(BER)隨每比特能量對噪聲功率密度的比值(Eb/N0)分貝數(dB)的變化。曲線1000是在無防止差錯編碼條件下不使用陣列時的性能，應對比于使用陣列的相應無編碼性能的曲線1002。達到了7dB量級的增益——它允許通話時間或移動無線系統容量非常可觀的增加。曲線1001是使用防止差錯編碼但不用陣列時的性能，應對比于使用陣列的相應編碼性能的曲線1003。也達到了7dB量級的增益。與更常規的參考信號設計相比以及與不同于碼本方案的權向量量化方案相比，參考信號與權值區分符方面的開銷節省均大于20％。
圖11顯示在不適宜獨立地估計陣列設定與均衡器設定的特定情形下圖9的控制器方法的性能與圖8的性能的對比。曲線1005表示圖8的方法在無防止差錯編碼條件下的性能，應對比于表示圖9方法的無編碼性能的曲線1006。曲線1007表示圖8方法使用防止差錯編碼的性能，應對比于表示圖9方法的編碼性能的曲線1008。在此情形下，圖9電路提供良好信號條件下的性能益處。
因此，可以看出天線陣用的發送路徑權值可被調節以提高發送路徑的增益。發送路徑諸權值可不依賴于接收通信設備而被設定。可供選擇地，接收通信設備可基于從發送通信設備所接收到的參考信號選擇諸權值。可使用一個碼本來簡化選擇諸權值的過程。在接收通信設備包含一個均衡器的情形下，可根據同一參考信號計算均衡器的設定以及諸權值，籍此使發送開銷最小。
權利要求
1.在一個第一通信設備中為一個第二通信設備中一條發送路徑產生諸權值的一種方法，第一通信設備中的發送路徑包含一個擁有若干天線的天線陣，該方法包括如下步驟在第二通信設備接收一個經由天線陣的至少一個天線發送的參考信號；在第二通信設備中計算用于發送路徑的至少一個權值；以及將至少一個權值從第二通信設備發送至第一通信設備。
2.權利要求1所要求的方法，其特征在于計算步驟包含計算在第二通信設備接收的參考信號的一個幅度和相位的復共軛的步驟。
3.權利要求2所要求的方法，其特征在于計算步驟包含從一組預先確定的權值中選擇至少一個權值的步驟，其中所選擇的至少一個權值是一個最接近于上述復共軛的權值。
4.權利要求3所要求的方法，其特征在于發送步驟包含發送一個對應上述至少一個權值的索引的步驟。
5.權利要求1所要求的方法，其特征在于計算步驟包含從一組預先確定的權值導出對上述至少一個權值的信號測量估值以及從諸信號測量估值中選擇該至少一個權值的步驟。
6.權利要求3或5所要求的方法，其特征在于上述預先確定的權值組是基于一個先前的加權選擇的。
7.權利要求1所要求的方法，進一步包含從第二通信設備接收一組權值以及根據從第二通信設備接收的該權值組選擇至少一個權值的步驟。
8.權利要求3、5或7所要求的方法，其特征在于選擇步驟包含在第一通信設備處的天線陣的合并輸出端估計發送路徑的性能的步驟。
9.權利要求1所要求的方法，其特征在于上述至少一個權值是在第一通信設備的一個接收機中確定的。
10.權利要求7所要求的方法，其特征在于上述權值組中的諸索引包含所存儲的防止差錯編碼，以及發送步驟包含發送一個防止差錯編碼索引的步驟。
11.操作一個通信設備以在與一個天線陣的諸天線相關聯的諸發送路徑中設置至少一個權值的一種方法，包括以下步驟通過天線陣的每一個天線發送一個參考信號；接收對應每一付天線的權值信息；以及根據接收的權值信息在與諸天線相關聯的至少一個發送路徑中設置一個權值。
12.權利要求11所要求的方法，其特征在于上述權值信息包含相位信息。
13.權利要求11或12所要求的方法，其特征在于上述權值信息包含幅度信息。
14.權利要求11所要求的方法，其特征在于上述權值信息包含一個對應于諸發送路徑的權值的索引號。
15.加權一個第一通信設備的一發送路徑的一種方法，該發送路徑在一發射機和第一通信設備的一天線陣之間，該天線陣包含多個天線，該方法包括以下步驟經由上述天線陣中的諸天線將一個參考信號發送至第二通信設備；在第二通信設備中計算至少一個用于發送路徑的權值；根據所計算的至少一個權值，將權值信息從第二通信設備發送至第一通信設備；以及根據從第二通信設備接收的權值信息，在第一通信設備中設置至少一個權值。
16.權利要求15所要求的方法，其特征在于計算步驟包含在第二通信設備計算一個在參考信號傳輸至第二通信設備期間的一個幅度和相位變化的復共軛的步驟。
17.權利要求16所要求的方法，其特征在于計算步驟包含從一組預先確定的權值中選擇至少一個權值的步驟，其中所選擇的至少一個權值是最接近于上述復共軛的預先確定權值組的一個權值。
18.權利要求17所要求的方法，其特征在于發送步驟包含發送一個對應上述至少一個權值的索引的步驟。
19.權利要求17所要求的方法，其特征在于計算步驟包含從一組預先確定的權值中選擇至少一個最接近于上述復共軛的權值的步驟，并且發送步驟包含發送一個對應所選擇的至少一個權值的索引的步驟。
20.權利要求19所要求的方法，其特征在于計算步驟包含在一組預先確定的權值中導出諸權值的信號測量估值并且從諸信號測量估值選擇至少一個權值的步驟。
21.權利要求15所要求的方法，其特征在于參考信號是通過每一個天線分別發送的。
22.權利要求15所要求的方法，其特征在于一個參考信號是通過天線陣的每個天線發送的，并且該參考信號對于每個天線是可辨別的。
23.權利要求22所要求的方法，其特征在于對應每個天線的諸參考信號是通過它們的頻率辨別的。
24.權利要求22所要求的方法，其特征在于對應每個天線的諸參考信號是通過時間辨別的，諸參考信號在不同時間輸入到一相應的天線。
25.權利要求15所要求的方法，其特征在于將一組預先確定的權值從第一通信設備傳送到第二通信設備。
26.權利要求25所要求的方法，進一步包含確定先前的諸權值的步驟以及根據該預先確定的權值組中的權值的子集計算選擇的步驟，該權值的子集根據先前的加權中的諸權值確定。
27.權利要求15所要求的方法，其特征在于計算步驟包含在第一通信設備處的天線陣的合并輸出端估計發送路徑的性能的步驟。
28.權利要求15所要求的方法，進一步包含確定第一通信設備的一個接收機中至少一個權值的權值的步驟。
29.權利要求25所要求的方法，特征在于預先確定的列單上的諸索引包含防止差錯編碼，并且發送步驟包含發送一個防止差錯編碼索引的步驟。
30.一個通信設備包括；一個發射機；多個天線；連接在每個天線與發射機之間的加權電路；以及一個連接到加權電路的控制器，特征在于該控制器控制發射機通過至少一個天線發送一個參考信號，以及根據從另一通信設備接收的權值信息控制至少一個加權電路以調節一個與至少一個天線相關聯的權值，借此一個包含加權電路的發送路徑可根據通過至少一個天線發送的參考信號加以變化。
31.權利要求30所要求的通信設備，進一步包含一個存儲預先確定的權值的存儲器，權值信息包含一個與涉及至少一個天線的權值相關聯的索引數，并且控制器根據該索引數控制至少一個加權電路。
32.權利要求30所要求的通信設備，特征在于上述權值信息包含相位信息，控制器根據該相位信息控制至少一個加權電路。
33.權利要求30所要求的通信設備，特征在于上述權值信息包含幅度信息，控制器根據該幅度信息控制至少一個加權電路。
34.一個接收通信設備，包括一個接收機，該接收機接收一個通過一發送通信設備中的多個天線的每一個發送的參考信號；用于根據從每個天線接收的參考信號計算用于該發送通信設備的一個發送路徑的至少一個權值的電路；以及一個用于將上述至少一個權值發送至上述發送通信設備的發射機。
35.權利要求34所要求的接收通信設備，特征在于接收機包含一個存儲一碼本的存儲器，該碼本包含用于發送通信設備的發送路徑的碼本權值。
36.權利要求35所要求的接收通信設備，特征在于諸碼本權值是與諸碼本索引相關聯的，并且諸碼本索引包含誤差校正編碼。
37.權利要求35所要求的接收通信設備，特征在于存儲器存儲一個先前選擇的諸權值，并且該電路使用碼本和先前的諸權值以計算至少一個權值。
38.權利要求35或36所要求的接收通信設備，特征在于選擇諸權值以限制發送路徑中的峰值功率。
39.權利要求36所要求的接收通信設備，特征在于檢查碼本以了解它是否與發送通信設備中的一個碼本相同。
40.權利要求39所要求的通信設備，特征在于通過將碼本從接收和發送通信設備之一發送至另一發送和接收通信設備以檢查諸碼本。
41.權利要求34所要求的通信設備，特征在于上述電路根據一個接收的參考信號以及根據接收通信設備中的一個參考信號的副本計算一個權值和相位值。
全文摘要
一個接收通信設備(101)接收通過一個發送通信設備(102)的一個天線陣的天線(106,110,112)的至少一個發送的一個參考信號。該接收通信設備確定一個與至少一個天線相關聯的權值,并且將權值信息發送至發送通信設備。該發送通信設備根據從接收通信設備接收的權值信息調節與至少一個天線相關聯的上述權值。
文檔編號H04B7/08GK1170282SQ97111190
公開日1998年1月14日 申請日期1997年5月15日 優先權日1996年5月17日
發明者尼古拉斯·懷尼特 申請人:摩托羅拉有限公司