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    • 专利摘要:
    本文提供了一種帶有波束成形天線的RF收發器及其使用方法，其中，所述RF收發器包括：配置控制器，生成控制信號以基於第一組多個導向權重為波束成形天線選擇第一候選輻射圖案；以及RF收發器部，用第一候選輻射圖案廣播第一信標發射，並生成回饋信號來指示第一遠端站是否回應第一信標發射；當第一遠端站回應所述第一信標發射，配置控制器儲存被與信標發射相關使用的第一組多個導向權重並生成到RF收發器部的控制信號以當與第一遠端站通訊時使用第一候選輻射圖案。
    公开号:TW201322544A
    申请号:TW101138630
    申请日:2012-10-19
    公开日:2013-06-01
    发明作者:David Garrett；Jun Zheng；Hamid Eslami
    申请人:Broadcom Corp；
    IPC主号:H04B7-00
    专利说明:
    帶有波束成形天線的RF收發器及其使用方法
    本發明大體上涉及無線通訊，更具體地，涉及用於支援無線通訊的天線。
    已知通訊系統支援無線和/或有線通訊裝置之間的無線和有線通訊。該通訊系統涵蓋從國家和/或國際蜂窩電話系統到網際網路以及到點對點家庭無線網路再到射頻識別(RFID)系統的範圍。每種類型的通訊系統根據一種或多種通訊標準來構建並由此來工作。例如，無線通訊系統可根據包括但不限於RFID、IEEE 802.11、藍芽、高級行動電話服務(AMPS)、數位AMPS、全球行動通訊系統(GSM)、分碼多工存取(CDMA)、本地多點分散式系統(LMDS)、多通道多點分散式系統(MMDS)和/或它們的變形的一種或多種標準來工作。
    根據無線通訊系統的類型，諸如蜂窩電話、雙向無線電、個人數位助理(PDA)、個人電腦(PC)、筆記型電腦、家庭娛樂設備、RFID讀取器、RFID標籤等的無線通訊裝置直接或間接與其他無線通訊裝置通訊。對於直接通訊(也被稱為點對點通訊)，所參與的無線通訊裝置將其接收器和發送器調諧至相同的一個或多個通道(例如，無線通訊系統的多個射頻(RF)載波之一)，並經由該通道來通訊。對於間接無線通訊，各無線通訊裝置經由所分配的通道直接與(例如用於蜂窩服務的)關聯基地台和/或(例如用於家庭或建築內無線網路的)關聯接入點通訊。為實現無線通訊裝置之間的通訊連接，關聯基地台和/或關聯接入點經由系統控制器、經由公共交換電話網路、經由網際網路和/或經由某些其他的廣域網而彼此直接通訊。
    對於參與無線通訊的各無線通訊裝置，它包括內置無線電收發器(即，一個或多個接收器和發送器)或者被耦接至相關聯的無線電收發器(例如，用於家庭和/或建築內無線通訊網路的站、RF數據機等)。眾所周知，接收器耦接至天線，且包括低雜訊放大器、一個或多個中頻級、濾波級以及資料恢復級。低雜訊放大器經由天線接收入站RF信號並隨後將其放大。一個或多個中頻級將放大後的RF信號與一個或多個本地振盪混頻，以將放大後的RF信號轉換為基頻信號或中頻(IF)信號。濾波級對基頻信號或IF信號濾波來衰減不期望的帶外信號以產生濾波後的信號。資料恢復級根據具體無線通訊標準從濾波後的信號中恢復出原始資料。
    同樣眾所周知，發送器包括資料調製級、一個或多個中頻級以及功率放大器。資料調製級根據具體無線通訊標準將原始資料轉換為基頻信號。一個或多個中頻級將基頻信號與一個或多個本地振盪混頻以產生RF信號。功率放大器在經由天線發射之前放大RF信號。
    目前，無線通訊發生在授權或未授權頻譜內。例如，無線區域網路(WLAN)通訊發生在900 MHz、2.4 GHz和5 GHz的未授權的工業、科技和醫學(ISM)頻譜內。儘管ISM頻譜未被授權，但卻具有對功率、調製技術和天線增益的限制。另一未授權頻譜是55-64 GHz的V頻帶。
    當後續由本公開給出時，傳統方法的其他缺陷對本領域技術人員而言將是顯而易見的。
    本發明針對在後續附圖說明、具體實施方式和所附申請專利範圍中被進一步描述的操作的設備和方法。根據後續參照附圖進行的本發明的詳細描述，本發明的其他特徵和優勢將變得顯而易見。
    根據本發明的一個方面，提供了一種射頻(RF)收發器，具有多個天線，所述RF收發器包括：配置控制器，用於生成控制信號以基於第一多個導向權重為所述多個天線選擇第一候選輻射圖案；以及RF收發器部，耦接至所述配置控制器，用於用所述第一候選輻射圖案廣播第一信標發射，用於生成回饋信號來指示第一遠端站是否已回應所述第一信標發射；其中，當所述第一遠端站已回應所述第一信標發射時，所述配置控制器還用於儲存與所述信標發射關聯使用的所述第一多個導向權重，以及生成到所述RF收發器部的所述控制信號以在與所述第一遠端站通訊時使用所述第一候選輻射圖案。
    優選地，當所述第一站尚未回應所述第一信標發射時，所述配置控制器還用於生成所述控制信號以基於第二多個導向權重為所述波束成形天線選擇第二候選輻射圖案；以及其中，所述RF收發器部還用於用所述第一候選輻射圖案廣播第二信標發射，以及從所述RF收發器生成所述回饋信號來指示所述第一遠端站是否已回應所述第二信標發射。
    優選地，所述配置控制器還用於生成所述控制信號以基於第二多個導向權重為所述多個天線選擇第二候選輻射圖案；以及所述RF收發器部還用於經由所述RF收發器用所述第二候選輻射圖案廣播第二信標發射，以及生成所述回饋信號來指示第二遠端站是否已回應所述第二信標發射。
    優選地，當所述第一遠端站已回應所述第一信標發射時，所述配置控制器還用於基於使用所述第一候選輻射圖案與所述遠端站的通訊確定到所述第一遠端站的反向通道評估，以及基於所述反向通道評估調整第一導向權重和所述第一候選輻射圖案。
    優選地，所述RF收發器基於所述RF收發器的發射通路和接收通路執行單側通道校準作為對所述第一遠端站特性的評估。
    優選地，所述配置控制器生成所述控制信號以選擇多個候選輻射圖案，所述RF收發器部經由所述多個候選輻射圖案週期性地廣播信標發射。
    優選地，所述多個候選輻射圖案包括全向輻射圖案。
    優選地，所述多個候選輻射圖案包括多個不同的窄波束輻射圖案。
    優選地，所述配置控制器生成所述控制信號以在多個不同的窄波束輻射圖案中所選的一個和全向輻射圖案之間交替。
    優選地，所述RF收發器部根據802.11ac標準工作。
    根據本發明的另一方面，提供了一種結合射頻(RF)收發器使用的方法，所述射頻(RF)收發器具有多個天線，所述方法包括：生成控制信號，以基於第一多個導向權重為所述多個天線選擇第一候選輻射圖案；經由所述RF收發器用所述第一候選輻射圖案廣播第一信標發射；評估來自所述RF收發器的回饋信號以確定第一遠端站是否已回應所述第一信標發射；當所述第一遠端站已回應所述第一信標發射時：儲存與所述信標發射相關聯的所述第一多個導向權重；以及使用所述第一候選輻射圖案與所述第一遠端站通訊。
    優選地，該方法進一步包括：當所述第一遠端站尚未回應所述第一信標發射時：生成所述控制信號以基於第二多個導向權重為所述多個天線選擇第二候選輻射圖案；經由所述RF收發器用所述第二候選輻射圖案廣播第二信標發射；以及評估來自所述RF收發器的回饋信號以確定所述第一遠端站是否回應所述第二信標發射。
    優選地，該方法進一步包括：生成所述控制信號以基於第二多個導向權重為所述多個天線選擇第二候選輻射圖案；經由所述RF收發器用所述第二候選輻射圖案廣播第二信標發射；以及評估來自所述RF收發器的回饋信號以確定第二遠端站是否回應所述第二信標發射。
    優選地，該方法進一步包括：當所述第一遠端站已回應所述第一信標發射時：基於使用所述第一候選輻射圖案與所述遠端站的通訊，確定到所述第一遠端站的反向通道評估；以及基於所述反向通道評估調整所述第一導向權重和所述第一候選輻射圖案。
    優選地，該方法進一步包括：基於所述RF收發器的發射通路和接收通路執行單側通道校準作為對所述第一遠端站特性的評估。
    優選地，生成所述控制信號以選擇第一候選輻射圖案並廣播所述第一信標發射是經由多個候選輻射圖案週期性地廣播信標發射的過程的一部分。
    優選地，所述多個候選發射圖案包括全向輻射圖案。
    優選地，所述多個候選輻射圖案包括多個不同的窄波束輻射圖案。
    優選地，所述多個候選輻射圖案在全向輻射圖案和多個不同的窄波束輻射圖案中所選的一個之間交替。
    優選地，使用所述第一候選輻射圖案與所述第一遠端站通訊包括將包發射定址到所述遠端站。
    圖1是根據本發明的通訊系統的一種實施方式的示意性框圖。具體地，示出了包括與諸如基地台18、非即時裝置20、即時裝置22以及非即時和/或即時裝置25的一個或多個其他裝置無線傳送非即時資料24和/或即時資料26的通訊裝置10的通訊系統。此外，通訊裝置10還可選擇性地經由有線連接與網路15、非即時裝置12、即時裝置14、非即時和/或即時裝置16通訊。
    在本發明的實施方式中，有線連接28可以是根據諸如通用串列匯流排(USB)、電氣和電子工程師協會(IEEE)488、IEEE 1394(火線)、乙太網、小型電腦系統介面(SCSI)、串列或並行高級技術附件(SATA或PATA)、或其他標準的或專用的有線通訊協議的一種或多種標準協議來工作的有線連接。該無線連接可根據無線網路協定(諸如WiHD、NGMS、IEEE 802.11a，ac，b，g，n或其他802.11標準協定、藍芽、超寬頻(UWB)、WIMAX、或其他無線網路協定)、無線電話資料/語音協定(諸如全球行動通訊系統(GSM)、通用分組無線業務(GPRS)、基於全球演進的增強型資料速率業務(EDGE)、長期演進(LTE)、個人通訊服務(PCS)或其他移動無線協議)、或其他標準的或專用的無線通訊協定來通訊。此外，無線通訊通路可包括多重發射和接收天線、使用單獨載波頻率和/或單獨頻率通道的單獨的發送和接收通路。可替代地，單個頻率或頻率通道可被用於向通訊裝置10和從通訊裝置10雙向傳送資料。
    通訊裝置10可以是諸如蜂窩電話的行動電話、局域網裝置、個人區域網路裝置或其他無線網路裝置、個人數位助理、遊戲控制臺、個人電腦、筆記型電腦、或執行包括經由有線連接28和/或無線通訊通路的語音和/或資料的通訊的一種或多種功能的其他裝置。此外，通訊裝置10可以是接入點、基地台或經由有線連接28耦接至諸如網際網路或其他廣域網的公用的或私用的網路15的其他網路接入裝置。在本發明的實施方式中，即時和非即時裝置12、14、16、18、20、22和25可以是個人電腦、筆記本、PDA、諸如蜂窩電話的行動電話、配備有無線區域網路或藍芽收發器的裝置、FM調諧器、TV調諧器、數位相機、數位攝像機、或者產生、處理或使用音頻、視頻信號、或其他資料或通訊的其他裝置。
    工作中，通訊裝置包括一種或多種應用，這些應用包括諸如標準電話應用的語音通訊、網際網路語音協定(VoIP)應用、本地遊戲、網際網路遊戲、電子郵件、即時消息、多媒體消息、網路流覽器、音頻/視頻記錄、音頻/視頻播放、音頻/視頻下載、流式音頻/視頻播放、諸如資料庫、試算表、文字處理、圖像創建和處理的辦公室應用、以及其他語音和資料應用。結合這些應用，即時資料26包括語音、音頻、視頻和包括網際網路遊戲等的多媒體應用。非即時資料24包括文本消息、電子郵件、網路流覽、檔案上傳和下載等。
    在本發明的實施方式中，通訊裝置10包括無線收發器，該無線收發器包括本發明的一個或多個特徵或功能。這種無線收發器將結合後續圖3至圖8更詳細描述。
    圖2是根據本發明的另一通訊系統的實施方式的示意性框圖。具體地，圖2示出了包括圖1的多個相同元件的通訊系統，這些相同元件由相同附圖標記來表示。通訊裝置30與通訊裝置10類似，且具備如結合圖1所討論的賦予通訊裝置10的任何應用、功能和特徵。然而，通訊裝置30包括用於同時通過兩種或多種無線通訊協定經由RF資料40與資料裝置32和/或資料基地台34通訊以及經由RF語音信號42與語音基地台36和/或語音裝置38通訊的兩個以上單獨的無線收發器。
    圖3是根據本發明的無線收發器125的一種實施方式的示意性框圖。RF收發器125表示與通訊裝置10或30、基地台18、非即時裝置20、即時裝置22及非即時和/或即時裝置25、資料裝置32和/或資料基地台34、以及語音基地台36和/或語音裝置38結合使用的一種無線收發器。RF收發器125包括RF發送器129和RF接收器127。RF接收器127包括RF前端140、下變頻模組142和接收器處理模組144。RF發送器129包括發送器處理模組146、上變頻模組148和無線電發送器前端150。
    如圖所示，接收器和發送器分別通過天線介面171和雙工器(天線共用器)177耦接至天線，該雙工器將發射信號155耦合至天線來產生出站RF信號170，以及耦合入站信號152來產生接收信號153。可替代地，發送/接收開關可被用於替代雙工器177。儘管示出了單個天線，但接收器和發送器可共用包括兩個以上天線的多天線結構。在另一實施方式中，接收器和發送器可共用多輸入多輸出(MIMO)天線結構、分集天線結構、包括多個天線的定相陣列或其他可控天線結構、以及與RF收發器125類似的其他RF收發器。這些天線中的每一個可以是固定的、可編程的以及天線陣列或其他天線配置。另外，無線收發器的天線結構可取決於無線收發器遵循的具體標準及其應用。
    工作中，RF發送器129接收出站資料162。發送器處理模組146根據標準的或專用的毫米波協定或無線電話協定來對出站資料162分包，以產生基頻或低中頻(IF)發射(TX)信號164，該信號164包括出站符號流，其包括出站資料162。基頻或低IF TX信號164可以是數位基頻信號(例如，具有零IF)或數位低IF信號，其中，低IF通常將在一百千赫茲到幾兆赫茲的頻率範圍內。注意，由發送器處理模組146執行的處理可包括但不限於加擾、編碼、增信刪餘、映射、調製和/或數位基頻到IF轉換。
    上變頻模組148包括數位類比轉換(DAC)模組、濾波和/或增益模組以及混頻部。DAC模組將基頻或低IF TX信號164從數位域轉換到類比域。濾波和/或增益模組在將類比信號提供給混頻部之前對該類比信號濾波和/或調節其增益。混頻部基於發送器本地振盪來將類比基頻或低IF信號轉換為上變頻信號166。
    無線電發送器前端150包括功率放大器，且還可包括發射濾波模組。功率放大器放大上變頻後的信號166以產生出站RF信號170，若包括發射濾波模組，則該信號170可被發射濾波模組濾波。天線結構經由耦接至提供阻抗匹配和可選擇的帶通濾波的天線的天線介面171來發射出站RF信號170。
    RF接收器127經由天線和工作以將入站RF信號152處理為用於接收器前端140的接收信號153的天線介面171來接收入站RF信號152。通常，天線介面171提供天線與RF前端140的阻抗匹配、可選擇的對入站RF信號152的帶通濾波。
    下變頻模組142包括混頻部、類比數位轉換(ADC)模組，且還可包括濾波和/或增益模組。混頻部將期望RF信號154轉換為基於接收器本地振盪158的下變頻信號156，諸如類比基頻或低IF信號。ADC模組將類比基頻或下變頻信號轉換為數位基頻或下變頻信號。濾波和/或增益模組對數位基頻或下變頻信號高通和/或低通濾波，以產生包括入站符號流的基頻或下變頻信號156。注意，ADC模組以及濾波和/或增益模組的順序可互換，從而使濾波和/或增益模組為類比模組。
    接收器處理模組144根據標準的或專用的毫米波協議來處理基頻或下變頻信號156以產生入站資料160，諸如從探測裝置105或者裝置100或101接收到的探測資料。由接收器處理模組144執行的處理可包括但不限於數位中頻到基頻轉換、解調、解映射、解增信刪餘、解碼和/或解擾。
    在本發明的實施方式中，接收器處理模組144和發送器處理模組146可經由使用微處理器、微控制器、數位信號處理器、微型電腦、中央處理單元、現場可編程閘陣列、可編程邏輯器件、狀態機、邏輯電路、類比電路、數位電路和/或基於操作指令來導向信號(類比和/或數位)的任何裝置來實現。相關聯的記憶體可以是晶片上或晶片外的單個儲存裝置或多個儲存裝置。這種記憶體裝置可以是唯讀記憶體、隨機存取記憶體、依電性記憶體、非依電性記憶體、靜態記憶體、動態記憶體、快閃記憶體和/或儲存數位資訊的任何裝置。注意，當處理裝置經由狀態機、類比電路、數位電路和/或邏輯電路來實施其功能中的一種或多種時，儲存用於該電路的相應操作指令的相關記憶體被嵌入包括狀態機、類比電路、數位電路和/或邏輯電路的電路中。如圖所示，為了波束成形校準的目的，在接收器處理模組144和發送器處理模組146之間存在回饋通路，這將結合圖4至圖8更詳細地進行描述。
    儘管接收器處理模組144和發送器處理模組146被單獨示出，但應當理解，這些元件可單獨、通過一個或多個共用處理裝置的操作一起、或者結合單獨和共用的處理來實現。
    包括RF收發器的可選功能和特徵的其他細節結合後續圖4至圖8來討論。
    圖4是根據本發明的RF收發器112的實施方式的示意性框圖。具體地，無線收發器112被示出為可被用於替換RF收發器125。無線收發器112包括RF收發器部111，RF收發器部111包括諸如RF發送器129的一個或多個RF發送器和諸如RF接收器127的一個或多個RF接收器，以及陣列天線100。RF收發器112經由陣列天線100向諸如無線收發器110的一個或多個遠端收發器發射包括出站資料162的出站RF信號170。此外，陣列天線100接收來自無線收發器110的包括入站資料160的入站RF信號152。陣列天線100可基於來自配置控制器104的控制信號106被配置為多個不同的輻射圖案。
    陣列天線100包括多個個體天線元件。這樣的個體天線元件的實例包括單極或雙極天線、三維空中螺旋天線、矩形、喇叭形等的孔徑天線；具有錐形、圓柱形、橢圓形等的雙極天線；以及具有平面反射器、角反射器或拋面反射器的反射器天線，蜿蜒的圖案或微帶線配置。此外，RF收發器部111包括控制到和來自每個個體天線元件的信號的相位和幅度以便基於導向(steering)權重w i 調整陣列的發送和/或接收輻射圖案的控制矩陣。導向權重w i 在發射信號到達天線陣列100之前控制發射信號的增益和相位。每組導向權重可包括取決於增益和相位的頻率以便在信號帶寬上整形波束成形的發射。一種實例是在802.11n/802.11ac發射的情況下針對每個OFDM頻點的唯一的增益和相位。導向權重可以被選擇為表徵具體的輻射圖案，或可以由不表徵物理輻射圖案的數學方程組來生成。天線陣列100可以被調諧用於在55-64 GHz的V頻帶或其他毫米波頻率頻帶或諸如900 MHz頻帶、2.4 GHz頻帶或5 GHz頻帶的RF頻譜的其他部分中工作。
    配置控制器104可以利用共用的處理裝置、個體處理裝置或多個處理裝置實現並可進一步包括記憶體。這樣的處理裝置可以是微處理器、微控制器、數位信號處理器、微電腦、中央處理單元、現場可編程閘陣列、可編程邏輯裝置、狀態機、邏輯電路線路、類比電路線路、數位電路線路、和/或基於操作指令處理(類比和/或數位)信號的任意裝置。記憶體可以是單個的儲存裝置或多個儲存裝置。這樣的儲存裝置可以是唯讀記憶體、隨機訪問記憶體、依電性記憶體、非依電性記憶體、靜態記憶體、動態記憶體、快閃記憶體和/或儲存數位資訊的任意裝置。注意當配置控制器104經由狀態機、類比電路線路、數位電路線路和/或邏輯電路線路實現其功能中的一個或更多時，儲存對應操作指令的記憶體被與包括狀態機、類比電路線路、數位電路線路和/或邏輯電路線路的電路線路一起嵌入。
    在本發明的實施方式中，配置控制器104包括與多個導向權重對應的控制信號106的表。在工作中，通過配置控制器104生成對應的控制信號106以及RF收發器部回應於此調整到和來自陣列中每個天線的信號的增益和相位，為陣列天線100生成具體的導向權重組。在本發明的實施方式中，控制信號106包括與期望輻射圖案對應的導向權重w i 的具體值。可選地，控制信號106可包括指示期望輻射圖案的其他信號。配置控制器104可以基於來自RF收發器部111的回饋信號108調整輻射圖案。在該系統中，RF收發器112被限定為波束形成器(transformer)，而RF收發器110由於其接收發射的波束成形框，故被限定為波束接收器(transformee)。
    在本發明的實施方式中，RF收發器112實現了透明的TX波束成形，本質上是波束接收器(在該情況下是收發器110)沒有任何參與的TX波束成形。在工作中，RF收發器112從反向連結通道評估(即，ACK框和/或接收框)獲得通道狀態資訊(CSI)並對通過配置控制器104生成的經測量的反向連結通道實施自互易校準。這使得RF收發器112可以對諸如傳統的802.11a/c裝置的不能夠TXBF的裝置或不支援TX波束成形的802.11n/11ac裝置波束成形。其提高了CSI資訊的品質，因為其可以在前一資訊框的接收之後直接被施加。沒有即刻轉向(turn-around)，CSI由於當其被測量以及被應用於波束形成器發射時的延遲而變得缺乏關聯性。其還通過減少延遲(有益於SU-MIMO和MU-MIMO配置)提高CSI品質並在沒有STA的實現的情況下實現透明的DL-MU-MIMO TX波束成形。當與明確的可TXBF裝置的通訊時，該配置還節省回饋開銷並且不涉及導向權重的空中通訊。
    在工作中，為了提高發送器處的通道狀態資訊(CSI)品質，RF收發器112利用通道互易性。具體地，RF收發器112通過經由反向連結通道評估獲得CSI執行不明確回饋波束成形(implicit beamforming)。就RF收發器112為站“A”，收發器110為站“B”而言，配置控制器104基於回饋信號108工作以在“A”側通過反向連結通道評估H_BA獲得通道狀態資訊。基於通道互易性，前向連結通道回應可以通過H_AB=(H_BA)T獲得。基於波束形成器(beamformer)和波束接收器(beamformee)無線電收發器的傳遞函數，前向和反向連結通路間存在差異。前向通路包括站A發送傳遞函數(G_TA)、通道(H)以及站B接收傳遞函數(G_RB)。反向通路包括站B發送傳遞函數(G_TB)、反向通道(HT)以及站A接收傳遞函數(G_RA)。目標是測量基頻到基頻的反向連結通路，H_BA=(G_TB)(HT)(G_RA)，然後評估前向連結通道，H_AB=(G_TA)(H)(G_RB)。求解測量反向通路連結，利用H_AB=(G_TA/G_RA)(H_BAT)(G_RB/G_TB)計算前向連結評估。波束形成器可以補償其自身發送接收不匹配(G_TA/G_RA)，如果已知，還可以補償波束接收器側的不匹配。一般來說，前向連結的評估對於波束接收器不匹配(G_TA/G_RA)較不敏感，並且在實際中可被忽略，即H_AB=(G_TA/G_RA)(H_BAT)。
    RF收發器111生成發射預編碼矩陣以基於H_AB生成期望的導向權重w i 。來自站A的波束成形的(導向的)包可以在沒有提及或涉及波束接收器(站B)的情況下被形成。不過，在範圍和速率方面可以提高站A和B之間的連結預算。
    如上所討論的，這種透明波束形成方法的使用使能夠對傳統的裝置(802.11a/g)或不能夠TXBF的裝置的MIMO TX波束成形，並避免了空中兩站式通道校準過程的使用。在實踐中，為了良好的性能，僅需要波束形成器側片上自校準。這進一步用於減少源於多普勒和/或回饋延遲的通道不匹配、減少回饋開銷。此外，由於相比於SU-MIMO其對CSI品質的敏感度增強，因此其有益於MU-MIMO TXBF演算法。
    圖5是根據本發明實施方式的無線收發器112所產生的多種輻射圖案的示意性框圖。具體地，除了結合圖4描述的透明波束成形外，或可選地，RF收發器112能夠波束成形信標發射以定位並與諸如在全向發射信標信號範圍之外的收發器110的遠端收發器相關聯。
    在802.11協定中，為了廣播關於網路的所有的資訊，接入點(AP)週期性地發射信標框。其包括資訊的關鍵部分，其中該關鍵部分包括時間戳、信標間隔、能力資訊以及服務組識別字(SSID)。這就是賦予站(STA)獲知網路、開始連接AP的過程並建立資料連接的能力的關鍵框。
    802.11標準中的發射波束形成(TxBF)協議的關鍵問題之一是其僅當初始連接建立時受益。一旦AP和STA之間的連接建立，TxBF可提高有效的信噪比(SNR)，從而提高系統性能。不幸的是，由於信標的接收是限制因素，其並不增加AP的有效範圍。這意味著AP(沒有波束成形)的初始範圍外部的STA不能連接至網路，即使其可通過TxBF是可達的。
    通過在信標框上利用TxBF在接入點實施RF收發器112以增加其有效範圍，進而(一般通過認證和之後的相關步驟)使STA能夠接收信標並開始與AP的連接。AP以已知TxBF導向權重組廣播信標，然後以不同TxBF權重組週期性地發送信標以覆蓋整個感興趣的區域。其可以是TxBF權重，其對於空間被空間優化，以及可以在頻域優化(沒有特定的隱含導向權重的天線幾何結構)。此外，AP還可包括非導向信標框以便不影響AP的通常的覆蓋範圍。具體的AP可在TxBF信標數量和發射頻率之間做出決定，以便平衡範圍外STA進入網路的能力，並允許範圍內的STA連接。由於無線信號的定向屬性，波束成形的信標可能無法被非常靠近AP的全部可用STA接收到。
    在圖5所示的實例中，收發器110在標準全向信標框發送82的標稱範圍之外。在實例中，如果這些AP使用適當的導向權重w i ，那麼無線信號在STA-2的方向被加強，然後成功地接收信標，並開始認證和相關框交換。在工作中，RF收發器112生成具有相應導向權重w i 的多個候選輻射圖案80。例如，候選輻射圖案可以被順序地掃描、隨機生成等。
    一旦候選信標被用候選輻射圖案發送，該AP必須在之後跟蹤利用該信標進入網路的所有新STA。跟蹤非常重要，因為特定地向STA發送的連續包應當使用相同的TxBF權重以到達STA。一旦建立完全的連接，AP可以通過測量反向連結通道進一步改進到STA的TxBF權重，如結合圖4所描述地。AP可以以多種方式將STA與TxBF信標相關聯，優選通過基於時間的元件。對於在信標之後立刻回應的任意STA，AP可以使用TxBF權重來繼續與STA的通訊。存在可選的方法，其中，AP可對每個TxBF導向信標使用唯一的SSID，進而基於來自STA的下一個包中的SSID識別合適的TxBF導向權重。
    在本發明的實施方式中，AP通過發送具有權重w i 組的信標開始。如果AP接收到來自STA的回應，其記錄該特定STA的權重w i 並利用這些權重發起進一步的包交換。在達到信標間隔之後，AP將信標的TxBF權重更新為新候選輻射圖案80，並重新尋找STA回應。
    圖6是根據本發明的RF收發器部111的實施方式的示意框圖。具體地，RF收發器部包括例如與天線陣列100中的每個天線對應的多個RF部137。例如，每個RF部可包括RF前端140、下變頻模組142、上變頻模組148和無線電發送器前端150。對於每個RF部137，接收器處理模組144和發送器處理模組146的功能可以由基頻部139實施。
    如結合圖4所討論的那樣，配置控制器104可包括與多個不同的導向權重w i 對應的控制信號106的表。在工作中，通過配置控制器104生成對應的控制信號106以及RF收發器部回應於此調整到和來自陣列中每個天線的信號的增益和相位，為陣列天線100生成特定的導向權重組。本發明的實施方式中，回饋信號108可包括反向連結通道評估H_BA、前向通道連結評估H_AB、CSI或用於生成控制信號106的其他回饋。控制信號106可包括與基於回饋信號108或基於更新候選輻射圖案或基於其他輸入生成的期望輻射圖案對應的導向權重w i 具體的值。可選地，控制信號106可包括指示期望輻射圖案的任意其他信號。配置控制器104可以基於來自RF收發器部111的回饋信號108調整輻射圖案。
    可結合下面的實例描述RF收發器111的工作。配置控制器104生成控制信號106以基於第一多個導向權重為波束成形天線陣列100選擇第一候選輻射圖案。RF收發器部111用第一候選輻射圖案廣播第一信標發射，以生成回饋信號108來指示在幾個預定的間隔期間遠端站是否已回應第一信標發射。當諸如收發器110的遠端站已回應第一信標發射時，配置控制器104還用於儲存與第一信標發射關聯使用的第一多個導向權重。在定址到遠端站的包發射中，配置控制器104生成到RF收發器111的控制信號106以當與該遠端站通訊時使用第一候選輻射圖案。
    無論在預定的間隔期間站回應第一信標發射與否，配置控制器104還用於生成控制信號106以基於第二多個導向權重為波束成形天線100選擇第二候選輻射圖案。RF收發器部111還用於用第二候選輻射圖案廣播第二信標發射，並生成回饋信號108來指示是否有任何遠端站回應第二信標發射。
    在該方法中，配置控制器104生成控制信號106以選擇多個候選輻射圖案90，RF收發器部111經由多個候選輻射圖案週期性地廣播信標發射。多個候選輻射圖案可包括全向輻射圖案和多個不同的窄波束輻射圖案。具體地，配置控制器104可生成控制信號106以在全向輻射圖案和所選的多個不同的窄波束輻射圖案中的一個之間交替。
    如上面討論所討論的，當遠端站回應信標發射時，配置控制器104還用於基於利用對應的候選輻射圖案與遠端站的通訊確定對該遠端站的反向通道評估，並基於反向通道評估調整導向權重和輻射圖案。應注意，雖然上面的描述集中在與單個遠端站的通訊，但與多個遠端站的關聯可以以相似的方式實現，其中根據這些站對信標發射的回應，每個遠端站具有相同或不同的導向權重。
    應注意雖然上面討論的候選導向權重被示出為生成窄波束輻射圖案，但被用於調整候選導向權重的對幅度、相位和頻率的控制可生成或不生成這樣的窄帶或定向輻射圖案。
    圖7是根據本發明的方法實施方式的流程圖。具體地，提供該方法與結合圖1至圖6所述的一個或多個功能和特徵結合使用。在步驟S400中，生成控制信號以基於多個導向權重為波束成形天線選擇候選輻射圖案。在步驟S402中，經由RF收發器利用候選輻射圖案廣播信標發射。在步驟S404中，評估來自RF收發器的回饋信號以確定是否一個或多個遠端站已響應第一信標發射。如果在回應間隔期間遠端站尚未回應信標發射，方法返回步驟S400選擇新候選輻射圖案。如果在評估間隔期間遠端站已作出回應，方法進行到步驟S406以儲存與信標發射關聯使用的多個導向權重並進行到步驟S408利用第一候選輻射圖案與第一遠端站通訊。在預定的時間處，RF收發器返回步驟S400並重新開始新的信標發射。
    本發明的實施方式中，步驟S400和S402是經由多個候選輻射圖案週期性廣播信標發射的過程的一部分。多個候選輻射圖案可以包括全向輻射圖案和多個不同的窄波束輻射圖案。具體地，多個候選輻射圖案可在全向輻射圖案和多個不同的窄波束輻射圖案中的所選的一個之間交替。然而，如上所討論的，被用於調整候選導向權重的對幅度、相位和頻率的控制可生成或不生成這樣的窄帶或定向輻射圖案。
    在一個實例中，當在預定的間隔期間站尚未回應信標發射，生成控制信號以基於另一多個導向權重為波束形成天線選擇新候選輻射圖案。新信標發射可以經由RF收發器用新候選輻射圖案廣播。可評估來自RF收發器的回饋信號以確定遠端站何時已響應新的信標發射。
    在另一個實例中，當在預定間隔期間第一站已回應信標發射時，生成控制信號以基於另一多個導向權重為波束成形天線選擇新候選輻射圖案。新信標發射可以經由RF收發器用新候選輻射圖案廣播。應注意，雖然上面的描述集中在與單個遠端站的通訊上，以相似的方式可以實現與多個遠端站的關聯，其中根據這些站對信標發射的回應，每個遠端站具有相同或不同的導向權重。可評估來自RF收發器的回饋信號以確定何時一個或多個其他遠端站已回應任意的特定的信標發射並被用於分配用於與這些站通訊的導向權重。
    步驟408可包括根據802.11n/ac標準將包發射定址到遠端。
    圖8是根據本發明的方法的實施方式的流程圖。具體地，提出該方法用於與結合圖1至7所描述的一個或多個功能和特徵結合使用。在步驟410中，RF收發器基於接收的包發射執行對遠端站的反向通道評估，然後確定導向權重組來優化返回遠端站的連接。在步驟412中，由反向連結確定的導向權重被用於與遠端站通訊，計算導向權重以優化返回遠端站的通訊連結。
    如本文所使用，術語“基本”和“約”為其相應項目和/或項目之間的相關性提供了業內可接受的容差。這種業內可接受的容差範圍從小於百分之一到百分之五十，且對應但不限於分量值、積體電路處理變數、溫度變數、上升和下降時間、和/或熱雜訊。項目之間的這種相關性範圍從百分之幾的差異到大幅差異。還如本文所使用，術語“可操作地耦接至”、“耦接至”和/或“耦接”包括項目之間的直接耦接和/或項目之間經由插入項目(例如，專案包括但不限於元件、元件、電路和/或模組)的間接耦接，其中，對於間接耦接，插入專案不修改信號資訊，但可能調節其電流水準、電壓水準和/或功率水準。另外如本文所使用，推斷耦接(即，一個元件通過推斷耦接至另一元件的情況)包括兩個專案之間以與“耦接至”相同的方式直接和間接耦接。此外如本文所使用，術語“可操作”或“可操作地耦接至”指示專案包括電力連接、輸入、輸出等中的一個或多個以在被啟動時執行一個或多個其相應功能，且還可包括推斷耦接至一個或多個其他項目。再如本文所使用，術語“與...相關聯”包括單獨項目的直接和/或間接耦接和/或一個項目嵌入其他項目內。如本文所使用，術語“有利比較”指示兩個以上專案、信號等之間的比較提供了所期望關係。例如，當所期望關係是信號1具有比信號2更大的幅度時，在信號1的幅度大於信號2的幅度時或在信號2的幅度小於信號1的幅度時即可獲得有利比較。
    還如本文所使用，術語“處理模組”、“處理電路”和/或“處理單元”可以是單個處理裝置或多個處理裝置。這種處理裝置可以是微處理器、微控制器、數位信號處理器、微型電腦、中央處理單元、現場可編程閘陣列、可編程邏輯器件、狀態機、邏輯電路、類比電路、數位電路和/或基於電路的硬編碼和/或操作指令來導向信號(類比和/或數位)的任何裝置。處理模組、模組、處理電路和/或處理單元可以是或者還包括記憶體和/或可以是單個儲存裝置、多個儲存裝置和/或其他處理模組、模組、處理電路和/或處理單元的嵌入式電路的集成記憶元件。這種儲存裝置可以是唯讀記憶體、隨機存取記憶體、依電性記憶體、非依電性記憶體、靜態記憶體、動態記憶體、快閃記憶體、緩存和/或儲存數位資訊的任何裝置。注意，若處理模組、模組、處理電路和/或處理單元包括多於一個的處理裝置，則處理裝置可被集中設置(例如，經由有線和/或無線匯流排結構直接耦接在一起)或者可被分散設置(例如，採用經由局域網和/或廣域網的間接耦接的雲計算)。還需注意，若處理模組、模組、處理電路和/或處理單元經由狀態機、類比電路、數位電路和/或邏輯電路來實施其功能中的一種或多種，則儲存相應操作指令的記憶體和/或記憶元件可被嵌入包括狀態機、類比電路、數位電路和/或邏輯電路的電路內或在其外部。仍需注意，記憶元件可儲存以及處理模組、模組、處理電路和/或處理單元能執行對應於一個或多個圖所示的步驟和/或功能中的至少一些的硬編碼和/或操作指令。這種儲存裝置或記憶元件可包括在一個製成品中。
    上述已利用示出其指定功能和關係的性能的方法步驟描述了本發明。為便於描述，本文已隨意定義了這些功能結構塊和方法步驟的邊界和順序。只要指定功能和關係能被恰當表現，則可定義替代的邊界和順序。因此，任何這種替代的邊界或順序均處於所要求權利的本發明的範圍和思想內。此外，為便於描述，已任意定義了這些功能結構塊的邊界。只要特定的重要功能被恰當表現，則可定義替代的邊界。類似地，本文也可任意定義流程圖框來示出特定的重要功能。在使用的程度上，流程圖框的邊界和順序可另外定義，且仍執行特定的重要功能。因此，這種功能結構塊以及流程圖框的替代定義和順序處於所要求權利的本發明的範圍和思想內。本領域一般技術人員還將認識到，功能結構塊以及本文其他示例性塊、模組和元件可如圖所示或者通過分立組件、專用積體電路、執行適當軟體的處理器等或它們的任何組合來實現。
    也可至少部分地根據一種或多種實施方式來描述本發明。本文使用本發明的實施方式來說明本發明、其方面、其特徵、其概念和/或其實例。設備、製成品、機器和/或實施本發明的過程的物理實施方式可包括參照本文討論的一種或多種實施方式所述的方面、特徵、概念、實例等中的一個或多個。此外，從圖到圖，這些實施方式可結合可能使用相同或不同附圖標記的相同或類似命名的功能、步驟、模組等，且因此，這些功能、步驟、模組等可以是相同或類似的功能、步驟、模組等，或者是不同的功能、步驟、模組等。
    儘管上述圖中的電晶體作為場效應電晶體(FET)而被示出，但正如本領域一般技術人員將認識到的那樣，電晶體可使用包括但不限於雙極型電晶體、金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、N阱電晶體、P阱電晶體、增強型電晶體、耗盡型電晶體和零電壓閾值(VT)電晶體的任何類型的電晶體結構來實現。
    除非特別聲明相反情況，否則在本文所示的任何圖的一幅圖中，到元件、來自元件和/或在元件之間的信號可以是類比或數位的、連續時間或離散時間的、以及單端或差分的。例如，若信號通路被示出為單端通路，則它也表示差分信號通路。類似地，若信號通路被示出為差分通路，則它也表示單端信號通路。儘管本文描述了一個或多個具體架構，但正如本領域一般技術人員所認識到的那樣，可使用未明確示出的一個或多個資料匯流排、元件之間的直接連接和/或其他元件之間的間接耦接來類似地實現其他架構。
    術語“模組”被用於本發明的各種實施方式的描述。模組包括處理模組、功能塊、硬體和/或儲存在記憶體上用於執行如本文所述的一種或多種功能的軟體。注意，若模組經由硬體來實現，則硬體可獨立和/或結合軟體和/或固件來工作。如本文所使用，模組可包括一個或多個子模組，其各自可以是一個或多個模組。
    儘管本文已明確描述了本發明的各種功能和特徵的具體組合，但這些特徵和功能的其他組合也同樣可行。本發明不由本文所公開的具體實例來限定，且明確結合了這些其他組合。
    10、30‧‧‧通訊裝置
    12、20‧‧‧非即時裝置
    14、22‧‧‧即時裝置
    15‧‧‧網路
    16、25‧‧‧非即時和/或即時裝置
    18‧‧‧基地台
    24‧‧‧非即時資料
    26‧‧‧即時資料
    28‧‧‧有線連接
    32‧‧‧數據裝置
    34‧‧‧數據基地台
    36‧‧‧語音基地台
    38‧‧‧語音裝置
    40‧‧‧RF資料
    42‧‧‧RF語音信號
    112、125‧‧‧RF收發器
    127‧‧‧RF接收器
    129‧‧‧RF發送器
    140‧‧‧RF前端
    142‧‧‧下變頻模組
    144‧‧‧接收器處理模組
    146‧‧‧發送器處理模組
    148‧‧‧上變頻模組
    150‧‧‧無線電發射器前端
    152‧‧‧入站RF信號
    153‧‧‧接收信號
    154‧‧‧期望RF信號
    155‧‧‧發射信號
    156‧‧‧下變頻信號
    160‧‧‧入站資料
    162‧‧‧出站資料
    164‧‧‧發射(TX)信號
    166‧‧‧上變頻信號
    170‧‧‧出站RF信號
    171‧‧‧天線I/F
    177‧‧‧雙工器
    100‧‧‧陣列天線
    104‧‧‧配置控制器
    106‧‧‧控制信號
    108‧‧‧回饋信號
    110‧‧‧無線收發器
    111‧‧‧RF收發器部
    80‧‧‧候選輻射圖案
    82‧‧‧全向信標框發射
    137‧‧‧RF部
    139‧‧‧基頻部
    400、402、404、406、408、410、412‧‧‧步驟
    圖1是根據本發明的無線通訊系統的一種實施方式的示意性框圖；圖2是根據本發明的無線通訊系統的另一實施方式的示意性框圖；圖3是根據本發明的無線收發器125的實施方式的示意性框圖；圖4是根據本發明的RF收發器112的實施方式的示意性框圖；圖5是根據本發明的實施方式的無線收發器112所產生的多種輻射圖案的示意性框圖；圖6是根據本發明的RF收發器部111的實施方式的示意性框圖；圖7是根據本發明的方法的實施方式的流程圖；圖8是根據本發明的方法的實施方式的流程圖。
    100‧‧‧陣列天線
    104‧‧‧配置控制器
    106‧‧‧控制信號
    108‧‧‧回饋信號
    110、112‧‧‧RF收發器
    111‧‧‧RF收發器部
    152‧‧‧入站RF信號
    160‧‧‧入站資料
    162‧‧‧出站資料
    170‧‧‧出站RF信號
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種射頻(RF)收發器，具有多個天線，所述射頻收發器包括：配置控制器，用於生成控制信號以基於第一多個導向權重為所述多個天線選擇第一候選輻射圖案；以及射頻收發器部，耦接至所述配置控制器，用於用所述第一候選輻射圖案廣播第一信標發射，以生成回饋信號來指示第一遠端站是否已回應所述第一信標發射；其中，當所述第一遠端站已回應所述第一信標發射時，所述配置控制器還用於儲存與所述信標發射關聯使用的所述第一多個導向權重，並生成到所述射頻收發器部的所述控制信號，以在與所述第一遠端站通訊時使用所述第一候選輻射圖案。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之射頻收發器，其中，當所述第一站尚未回應所述第一信標發射時，所述配置控制器還用於生成所述控制信號以基於第二多個導向權重為所述波束成形天線選擇第二候選輻射圖案；以及其中，所述射頻收發器部還用於用所述第一候選輻射圖案廣播第二信標發射，以及從所述射頻收發器生成所述回饋信號來指示所述第一遠端站是否已回應所述第二信標發射。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之射頻收發器，其中，所述配置控制器還用於生成所述控制信號以基於第二多個導向權重為所述多個天線選擇第二候選輻射圖案；以及所述射頻收發器部還用於經由所述射頻收發器用所述第二候選輻射圖案廣播第二信標發射，並生成所述回饋信號來指示第二遠端站是否已回應所述第二信標發射。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之射頻收發器，其中，當所述第一遠端站已回應所述第一信標發射時，所述配置控制器還用於基於使用所述第一候選輻射圖案與所述遠端站的通訊確定到所述第一遠端站的反向通道評估，以及基於所述反向通道評估調整第一導向權重和所述第一候選輻射圖案。
    [5] 如申請專利範圍第4項所述之射頻收發器，其中，所述射頻收發器基於所述射頻收發器的發射通路和接收通路執行單側通道校準作為對所述第一遠端站的特性的評估。
    [6] 一種射頻(RF)收發器的使用方法，所述射頻收發器具有多個天線，所述方法包括：生成控制信號，以基於第一多個導向權重為所述多個天線選擇第一候選輻射圖案；經由所述射頻收發器用所述第一候選輻射圖案廣播第一信標發射；評估來自所述射頻收發器的回饋信號以確定第一遠端站是否已回應所述第一信標發射；當所述第一遠端站已回應所述第一信標發射時：儲存與所述信標發射相關聯的所述第一多個導向權重；以及使用所述第一候選輻射圖案與所述第一遠端站通訊。
    [7] 如申請專利範圍第6項所述之方法，進一步包括：當所述第一遠端站尚未回應所述第一信標發射時：生成所述控制信號以基於第二多個導向權重為所述多個天線選擇第二候選輻射圖案；經由所述射頻收發器用所述第二候選輻射圖案廣播第二信標發射；以及評估來自所述射頻收發器的回饋信號以確定所述第一遠端站是否回應所述第二信標發射。
    [8] 如申請專利範圍第6項所述之方法，進一步包括：生成所述控制信號以基於第二多個導向權重為所述多個天線選擇第二候選輻射圖案；經由所述射頻收發器用所述第二候選輻射圖案廣播第二信標發射；以及評估來自所述射頻收發器的回饋信號以確定第二遠端站是否回應所述第二信標發射。
    [9] 如申請專利範圍第6項所述之方法，進一步包括：當所述第一遠端站已回應所述第一信標發射時：基於使用所述第一候選輻射圖案與所述遠端站的通訊，確定到所述第一遠端站的反向通道評估；以及基於所述反向通道評估調整所述第一導向權重和所述第一候選輻射圖案。
    [10] 如申請專利範圍第6項所述之方法，進一步包括：基於所述射頻收發器的發射通路和接收通路執行單側通道校準作為對所述第一遠端站的特性的評估。
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    法律状态:
    2018-10-11| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    US201161552835P| true| 2011-10-28|2011-10-28||
    US13/329,302|US9160434B2|2011-10-28|2011-12-18|RF transceiver with beamforming antenna and methods for use therewith|
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