CN105052057A - 用于隐式波束形成的自校准技术 - Google Patents

Abstract

一种用于通信的方法，包括：在包括多个发送/接收(TX/RX)链的通信设备(24)中，每个TX/RX链包括被耦合至各自的天线(40)的各自的TX链(32)和各自的RX链(36)，经由一个或多个TX链发送校准信号并经由一个或多个RX链接收所发送的校准信号。基于所接收的校准信号来计算校准系数，校准系数表示TX链和对应的RX链之间的响应中的偏移。使用校准系数产生自校准的波束形成信号。经由TX链将自校准的波束形成信号发送至远程通信设备(28)。

Description

用于隐式波束形成的自校准技术

交叉引用相关申请

本申请要求2013年3月15日提交的美国临时专利申请61/786,998的权益，其公开内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及无线通信，尤其是涉及用于隐式波束形成的方法和***。

发明背景

波束形成是通信技术，其中，发送器(被称为波束形成器)向接收器(被称为波束形成接收端(beamformee))发送方向性传输波束。在各种类型的通信***中使用波束形成技术。例如，2009年10月的题目为“IEEEStandardforInformationTechnology-TelecommunicationsandInformationExchangebetweenSystems-LocalandMetropolitanAreaNetworks-SpecificRequirements；Part11:WirelessLANMediumAccessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)Specifications；Amendment5:EnhancementsforHigherThroughput,”的IEEE标准802.11n-2009指定了用于无线LAN(WLAN，也被称为Wi-Fi)的波束形成，其作为参考被并入本文。

可将波束形成技术分类到显式和隐式波束形成。在显式波束形成中，波束形成器接收来自波束形成接收端的关于通信信道的反馈，并在产生波束形成传输波束时使用该反馈。在隐式波束形成中，波束形成器不依靠来自波束形成接收端的反馈，而是使用相反方向信道的估计，假设信道互易性。IEEE802.11n-2009标准的章节9.19和20.3.12大体上指定了波束形成。在章节20.3.12.1和9.19.2中提出了隐式波束形成。章节9.19.2.4提出了用于隐式波束形成的校准。

发明内容

本文描述的本发明的实施方式提供了用于通信的方法。方法包括：在包括多个发送/接收(TX/RX)链且每个发送/接收(TX/RX)链包括被耦合至各自的天线的各自的TX链和各自的RX链的通信设备中，经由一个或多个TX链发送校准信号并经由一个或多个RX链接收所发送的校准信号。基于所接收的校准信号来计算校准系数，校准系数表示TX链和对应的RX链之间的响应中的偏移。使用校准系数产生自校准的波束形成信号。经由TX链将自校准的波束形成信号发送至远程通信设备。

在一些实施方式中，产生自校准的波束形成信号包括：接收来自远程通信设备的上行链路信号；基于所接收的上行链路信号和校准系数，对从通信设备到远程通信设备的下行链路通信信道的响应进行估计；以及使用下行链路通信信道的所估计的响应产生自校准的波束形成信号。

在一些实施方式中，计算所述校准系数包括：将校准信号从第一TX/RX链的TX链发送至第二TX/RX链的RX链，从而产生第一接收信号；将校准信号从第二TX/RX链的TX链发送至第一TX/RX链的RX链，从而产生第二接收信号；以及基于第一接收信号和第二接收信号，计算用于第一TX/RX链的校准系数。计算校准系数可包括：从第一接收信号推出第一TX/RX链的TX链的和第二TX/RX链的RX链的第一信道响应；从第二接收信号推出第二TX/RX链的TX链的和第一TX/RX链的RX链的第二信道响应；以及将第二信道响应除以第一信道响应。在实施方式中，在不大于最大预定时间间隙之内进行经由第一TX/RX链和经由第二TX/RX链的校准信号的传输。

在另一个实施方式中，方法包括通过通知远程通信设备在至少部分地包含校准信号的传输的时间间隔之内通信设备将不可用，防止远程通信设备导致对校准信号的接收的干扰。在另一个实施方式中，计算校准系数包括分配RX/RX链的其中一个，以用作参考链，以及计算用于相对参考链的其他TX/RX链的校准系数。在另一个实施方式中，发送和接收校准信号包括：经由所选择的TX链发送校准信号；以及经由RX链的两个或多个同时接收所发送的校准信号。

在一些实施方式中，发送和接收校准信号包括在各自的频率仓(frequencybin)发送和接收多个载波，以及计算每个校准系数包括计算对应各自的频率仓的一组频率仓专用校准系数。在一个示例性实施方式中，发送和接收校准信号包括将多个载波分为子集合，以及在不同时间发送和接收每个子集合。在另一个实施方式中，计算校准系数包括插值频率仓专用校准系数，从而推出用于未被校准信号覆盖的频率仓的频率仓专用校准系数。

在一些实施方式中，发送和接收校准信号包括将TX/RX链设置到低于第二增益的第一增益，第二增益被用于与远程通信设备的通信。计算校准系数可包括补偿在第一和第二增益之间的TX/RX链中的响应差异。在所公开的实施方式中，所述方法包括：响应于导致TX/RX链的相位的不连续变化的事件，估计相位的变化，并校正校准系数，以计及所估计的变化。

根据本发明的实施方式，另外提供了通信设备，通信设备包括处理电路和多个发送/接收(TX/RX)链。每个TX/RX链包括被耦合至各自的天线的各自的TX链和各自的RX链。处理电路被配置成经由一个或多个TX链发送校准信号，经由一个或多个RX链接收所发送的校准信号，基于所接收的校准信号计算校准系数，使用校准系数产生自校准的波束形成信号，并经由TX链将自校准波束形成信号发送至远程通信设备，其中校准系数表示TX链和对应的RX链之间的响应中的偏移。

根据本发明的实施方式的以下详细描述并结合附图将更充分地理解本发明，附图中：

附图说明

图1是根据本发明的实施方式示意性示出执行用于隐式反馈波束形成的自校准的接入点(AP)的方框图；

图2是根据本发明的实施方式示意性示出执行用于隐式反馈波束形成的自校准的方法的流程图；以及

图3是根据本发明的实施方式示意性示出用于使用正交频分多路复用(OFDM)信号计算校准系数的电路的方框图。

实施方式的详细描述

概述

本文描述的本发明的实施方式提供了用于隐式波束形成(IBF)的改进的方法和***。所公开的技术补偿了可能使得IBF操作变形的波束形成器硬件中的增益和相位缺陷。仅仅由波束形成器实施所公开的技术，而不需要跟波束形成接收端或任何其他外部实体的协作。虽然这里描述的实施方式主要是指诸如波束形成器的WLAN接入点(AP)，但是所公开的技术也可用于各种其他通信设备。

在一些实施方式中，AP包括多个发送/接收(TX/RX)链。每个TX/RX链包括均被耦合至各自的天线的TX链和RX链。AP还包括处理电路，除了其他任务之外，处理电路使用IBF来将波束形成下行链路信号发送至WLAN基站(STA)。具体地，处理电路基于所接收的上行链路信号计算用于对下行链路信号进行波束形成的波束控制矩阵。

使用IBF来计算波束控制矩阵通常假设信道互易性，即，(从AP到STA)下行链路信道的响应类似于(从STA到AP)上行链路信道的响应。然而，实际上，TX和RX链的元件通常在上行链路信道和下行链路信道响应之间引入增益和相位差异。除非另有说明，这种差异可能相当地恶化隐式波束形成的性能。

在一些实施方式中，AP中的处理电路实施自校准过程，自校准过程测量并补偿在TX和RX链之间的信道响应差异。处理通常产生一组校准系数，每个系数表示各自的TX/RX链的TX链和RX链之间的增益和相位差异。在一些实施方式中，相对于所选择的TX/RX链计算校准系数，所选择的TX/RX链作为参考链。

传输时，AP对下行链路信号应用校准系数，以经由各自的TX链发送下行链路信号。因此，不管AP的TX和RX链之间的增益和相位差异，以高度准确度对传输信号进行波束形成。

所公开的自校准过程，AP经由所选择的TX链发送校准信号，经由所选择的RX链接收信号。因此，出于校准的目的，天线之间的空气介质作为回路连接，而不需要额外的硬件。在一些实施方式中，自校准过程是由一系列“校准切换(toggle)”组成。在每个校准切换中，通过以下项，AP计算给定TX/RX链的相对于参考链的校准系数：(1)将校准信号从给定TX/RX链发送到参考链；(2)将校准信号在相反方向上传输，即从参考链到给定TX/RX链；以及(3)基于两个所接收的校准信号，获得用于给定TX/RX链的校准系数。

本文描述了自校准过程的各种设计考虑和示例性实现。在一些实施方式中，在诸如IEEE802.11nWLAN的正交频分多路复用技术(OFDM)中实现该过程。

如上文指出的，本文所述的校准过程全部在AP中实施，并不需要与STA或除了AP之外的其他实体的任何互动或合作。在AP的生产中可实施自校准过程，在这种情况下，它简化并缩短了最终测试，并减少生产成本。额外地或可选择地，在实地AP的正常操作过程期间可实施自校准过程，结果产生高度准确的波束形成性能。

***描述

图1是根据本发明的实施方式示意性示出执行用于隐式反馈波束形成的自校准的接入点(AP)24的方框图。在本示例中，AP24与作为无线局域网(WLAN)20的一部分的一个或多个基站(STA)28进行通信，WLAN20根据IEEE802.11n-2009标准运行。在可选实施方式中，可在各种其他类型的通信设备、***和网络中实现所公开的技术。

AP24包括多个发送/接收(TX/RX)链，每个链包括各自的TX链32和各自的RX链36，其通过各自的发送/接收(T/R)开关42耦合至各自的天线40。TX和RX链实施模拟和RF发送和接收功能。AP还包括处理电路44，处理电路44执行AP的各种数字和基带处理任务。处理电路44包括隐式波束形成(IBF)自校准单元48，在下文中将详细描述其功能。

在附图的底部处的插图示出给定TX/RX链的内部结构。其他TX/RX链具有相似的结构。在此示例中，TX链32包括数模转换器(DAC)52，其接收来自处理电路44的数字信号，并将信号转换为模拟信号。上变频器56将信号上变频为合适的射频(RF)。功率放大器(PA)60将RF信号放大为所期望的输出功率级，并将RF信号经由T/R开关42提供给天线40。RX链36包括低噪放大器(LNA)64，其放大由天线40接收到的RF信号。下变频器68对RF信号进行下变频。模数转换器(ADC)72对信号进行采样(数字化)，并将数字信号提供给处理电路44。

图1所示的AP24的配置是示例配置，其纯粹为了概念清楚起见而被选择。在可选实施方式中，能够使用任何其它合适的AP配置。例如，IBF自校准单元48的一些功能(例如，对校准权值的计算)可由在AP外部的处理器实施。可在硬件(例如在一个或多个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA))中实现AP24的一些元件。另外地或可选地，可使用软件或使用硬件和软件单元的组合来实现AP24的一些单元(例如单元48和/或处理电路44的其他部分)。

AP24的一些功能，诸如单元48或处理电路44的其他部分的一些或所有功能，可使用通用处理器实施，其被编程在软件中，以实施本文所述的功能。该软件例如可通过网络以电子形式下载到计算机上，或者可选地或另外地，该软件可在诸如磁存储器、光学存储器、或电子存储器的非暂态有形介质上提供和/或储存。

用于隐式波束形成的自校准

在一些实施方式中，AP24使用隐式波束形成与STA28进行通信。为了向给定STA28发送方向性传输波束，处理电路44对信号的矢量应用合适的波束控制矩阵，以经由各自的TX链将其传输。波束控制矩阵有效地用各自的复数权值乘以每个TX链的信号，从而产生所期望的波束。

当使用关于特定STA28的隐式波束形成时，AP24通常使用RX链36接收来自STA的上行链路信号，并估计从STA到AP的(MIMO)上行链路信道的响应。然后，在信道是互易的假设下，即下行链路信道(从AP到STA)的响应类似于上行链路信道(从STA到AP)的响应，AP使用上行链路信道响应来计算波束控制矩阵。

信道互易性的假设可适用于无线媒体和诸如天线40的一些组件。然而，实际上，TX和RX链的元件通常在上行链路和下行链路信道响应之间引入增益和相位差异。除非另有说明，这种差异可能相当地恶化隐式波束形成的性能。

在一些实施方式中，IBF自校准单元48实施自校准过程，自校准过程补偿在TX和RX链之间的信道响应中的差异。所公开的校准过程完全在AP24中实施，而不需要与STA28或在AP外部的任何其他实体协作。

大体上，校准过程为每个TX/RX链估计校准系数，校准系数表示TX链的响应和RX链的响应之间的比率。校准系数通常是计及增益差异和相位差异的复数。当产生用于传输的波束形成信号时，处理电路44将经由每个TX链发送的信号与为该链估计的校准系数相乘。因此，恢复了互易性假设，且波束形成信号没有因为TX/RX信道响应差异而恶化。

在一些实施方式中，单元48将TX/RX链的其中一个视为参考链，并将用于该链的校准系数设为一。相对于参考链估计用于其他TX/RX链的校准系数。由于波束形成操作对于所有信号和常数的相乘是不可知的，相对于参考链估计校准系数等同于估计每个链的绝对的TX/RX响应比率。对于N个TX/RX链，由此产生的(相对)校准系数被表示为按照定义，当j表示参考链的索引时，

通常，单元48通过从一个或多个TX链发送信号并在一个或多个RX链中接收信号来估计校准系数对于给定的一对TX链和RX链，信号穿过在TX链和RX链的天线40之间的由空气介质形成的信道，该信道作为回路连接。以此方式，不需要与任何外部实体协作以执行校准过程。然而，这种形式的回路确保整个TX链和RX链(包括天线)在估计校准系数时被考虑在内。

考虑经由第i个TX链发送并经由第j个RX链接收的已知信号。影响该信号的总响应可被写成：

T_i→j＝K_RX，j·H_i→j·K_TX，i

其中K_RX,j表示第j个RX链的响应，H_i→j表示从第i个天线到第j个天线的信道的响应，以及K_TX，i表示第i个TX链的响应。现在考虑在相反方向上传输的已知信号，即经由第j个TX链发送并经由第i个RX链接收的。影响该信号的总响应可被写成：

T_j→i＝K_RX，i·H_j→i·K_TX，j

假设无线信道是互易的，即H_j→i＝H_j→i，可能的是，得到第i个TX/RX链的校准系数(相对于第j个TX/RX链，其在本示例中被视为参考链)：

$\frac{T_{j\→i}}{T_{i\→j}}=\frac{K_{TX,j}}{K_{RX,j}}.\frac{K_{RX,i}}{K_{TX,i}}=\frac{C_i}{C_j}={\tilde{C}}_i$

因此，一些实施方式中，单元48经由第i个TX链传输信号，经由第j个RX链接收信号，并估计T_i→j。相似地，单元48经由第j个TX链发送信号，并经由第i个RX链接收信号，并估计T_j→i。从这两个估计值，单元48计算其中按照定义被设为一。对于所有的i(i≠j)重复该过程。在波束形成期间使用校准系数的一种方式是将经由第i个TX链发送的信号与相乘。

上述技术假设无线信道是互易的，即H_i→j＝H_j→i。为了确保该假设有效，单元48通常在互相接近的时间测量T_i→j和T_j→i，例如，在不大于两次测量之间的预定的时间差或时间间隔之内。这个约束减少例如可能由信道中的变化、来自其他信号的干扰或随着时间改变TX链或RX链响应的硬件漂移(例如，VCO偏移)导致的失真。

例如，考虑一种配置，其中AP24包括四个TX/RX链。在示例性实施方式中，单元48将第一TX/RX链定义为参考链，并相对于该参考链计算用于其他三个TX/RX链的校准系数。因此，单元48计算三个比率：

${\tilde{C}}_2\≡\frac{C_2}{C_1},{\tilde{C}}_3\≡\frac{C_3}{C_1},{\tilde{C}}_4\≡\frac{C_4}{C_1}$

实际上，可能更可取的是，相对于同一个参考链进行实际的响应测量(对T_i→j和T_j→i的测量)。例如，可能更可取的是，不进行邻近的或以其他方式非常接近彼此的天线之间的响应测量，以便避免信号压缩。在一些实施方式中，单元48在TX/RX链的不同对之间进行响应测量，而不一定使用对所有的对是共同的单个参考链。单元48通过计算将这些测量值转为相对于共同参考TX/RX链的校准系数。

例如，在四链的AP配置中，单元48可测量用于天线对{#1,#2}、{#2,#3}和{#3,#4}的响应，即测量比率

并通过用彼此相乘所测量的比率来将这些比率转换为所期望的校准系数例如，可由以下公式计算

${\tilde{C}}_3\≡\frac{C_3}{C_1}=\frac{C_3}{C_2}\·\frac{C_2}{C_1}$

可选择地，可测量任何其他合适的TX/RX链对，并将测量值转换为校准系数。不管所要测量的天线对的具体选择，可将自校准过程视为一系列“校准切换”。每个校准切换包括通过经由第i个TX链发送并经由第j个RX链接收的T_i→j的测量，以及通过经由第j个TX链发送并经由第i个RX链接收的T_j→i的测量。如上指出的，应该在很短的预定时间间隔或间隙中进行每个校准切换。

在一些实施方式中，使用硬件而不是软件来进行对校准切换的安排。硬件实现使得处理电路能够在很短的时间间隔内进行校准切换(T_i→j和T_j→i)的测量，从而提高互易性。可由软件进行对切换的触发，但是优选地(尽管并不一定)在硬件中进行触发操作本身。

在一些实施方式中，当给定的TX链发送校准信号时，单元48通过使用多个RX链接收来减少校准时间。在一个示例性实施方式中，当第i个TX链发送的时候，剩余的N-1个RX链接收并测量分别的N-1个响应(T_i→j,j＝l...N，j≠i)。在此实施方式中，单元48使用N个发送操作实施整个校准过程。尽管减少了校准时间，该技术可能涉及到更多的缓冲，以及对于校准切换的其中一些，增加了切换的两个部分之间的时间差。

在一些实施方式中，单元48在***初始化或启动期间实施所公开的自校准过程。额外的或可选择地，当操作条件改变时(例如，温度的变化)，在检测到由不良校准引起的性能恶化之后，或者在任何其他合适的时间或响应于任何其他合适的条件，单元48可在WLAN20的正常操作期间例如以周期性间隔实施校准。

当在正常的***操作期间实施校准时，单元48可间歇地实施该过程，例如，每次一个校准切换，从而在长时间段内不破坏与STA的通信。由于每个校准切换的持续时间通常不大于包长度，间歇校准通常是可容忍的。

在一些实施方式中，单元48超过一次地重复每个校准切换(或者只是所选择的校准切换)，以便对测量值噪声进行平均，并提高校准精度和稳健性。在一个实施方式中，每个校准切换被分为若干个短测量间隔，而不是单个长间隔。例如，当在正常的***操作期间实施校准过程时，短测量间隔是有用的，因为它使得AP能够推迟与STA的通信更短的时间段。短测量间隔还有助于减少缓冲需要。

单元48可使用各种技术来交错校准过程和WLAN操作，以便将对与STA的通信的破坏最小化。在一些实施方式中，单元48向处理电路中的介质访问控制(MAC)层发送请求，以实施校准操作(其可能包括一个或多个校准切换)。MAC层选择用于实施校准操作的合适的时间，并准许单元48在所选时间访问无线介质。

在示例性实施方式中，MAC层使用空闲信道评估(CCA)信号(还被称为载波侦听信号)，该信号表示信道是否空闲。MAC层将校准操作定到其中CCA信号表示空闲信道的时间(否则校准操作可能破坏流量或被外部干扰毁坏)。如果在包接收或发送期间请求校准，则MAC通常在开始校准之前结束接收或发送操作。CCA信号一表明信道变得空闲就可以立即安排校准。在校准操作结束之后，AP可立即重新开始正常操作，而所捕获的校准信号可被离线处理。

在一些实施方式中，通过通知STA在此时间间隔期间AP将不可用，单元48保护包括校准期间的至少一部分(例如，给定的校准切换)的时间间隔不受由STA28引起的干扰。例如，在IEEE802.11nWLAN中，AP可发送CTS至本身的帧，其包括覆盖校准切换期间的NAV字段。结果，STA在该时间间隔内不向AP发送，并因此不干扰自校准过程。

为了保持校准切换的两个部分之间的一致性，发送的开始和捕获所接收的信号的开始之间的延迟通常是固定的和已知的。捕获可与发送操作同时开始，或在可以是***配置参数的已知的和一致的时间偏移处开始。设置非零时间偏移还有助于避免可在发送的开始可能出现的瞬时效应。

在一些实际的情况下，例如，由于干扰或由于信道条件的突然变化，在校准切换期间所捕获的信号可被破坏。在一些实施方式中，单元48在使用校准结果之前验证校准结果的有效性。这种类型的验证是重要的，因为被破坏的校准系数可能破坏整个波束形成操作。单元48可用各种方式验证校准结果。在一个实施方式中，单元48比较校准结果和先前校准操作的基准结果，并且，如果它们以超过预定的容许偏差偏离基准结果(例如，在平均相位和/或增益中)，则丢弃当前结果。上述验证最适合在正常***操作期间实施的校准。在***启动时，单元48可实施每个校准切换若干次，并丢弃偏离平均或所期望的结果的结果。

图2是根据本发明的实施方式示意性示出执行用于隐式反馈波束形成的自校准的方法的流程图。该方法始于在发送步骤80中自校准IBF单元48经由一个或多个TX链32发送信号。在接收步骤84中，单元48使用一个或多个RX链36来接收信号。

在补偿计算步骤88中，单元48通过处理所接收的信号计算还被称为补偿比率的校准系数在校准步骤92中，处理电路44使用校准系数对波束控制配置进行校准。在一些实施方式中，单元48对将经由各自的TX链被发送的信号应用校准系数。在可选的实施方式中，单元48对用于对信号进行波束形成的波束控制矩阵应用校准系数。然后，在通信步骤96中，处理电路44发送自校准的波束形成信号。

OFDM***中的示例性实现

在一些实施方式中，例如在IEEE802.11n-2009WLAN中，AP24向STA发送OFDM信号。OFDM信号在各自的频率仓中包括多个子载波。在许多实际情况下，TX和RX链的响应是与频率有关的。同样地，在给定TX/RX链中的TX链响应和RX链响应之间的差异可能也跟频率有关的。

为了计及这个频率依赖性，在一些实施方式中，单元48计算并使用每个频率仓或者包括多个频率仓的至少每个频谱子带的校准系数这种校准过程的结果是一组被表示为的校准矢量。第j个校准矢量包括每个频率仓用于第j个TX/RX链的校准系数。

在一些实施方式中，单元48通过发送已知OFDM信号并分析接收信号的快速傅立叶变换(FFT)来同时估计校准矢量的所有元素。当在发送之前对OFDM进行波束形成时，在信号被转换到用于传输的时域中之前(例如，在反向FFT-IFFT之前)，单元48在频域中对信号应用校准矢量。

实际上，例如由于内部载波干扰或信号压缩，邻近频率仓内具有子载波的OFDM校准信号的传输可能导致相位估计错误。为了避免这个失真，在一些实施方式中，单元48使用频率中稀疏的OFDM校准信号。在每个这样的信号中，子载波之间的频率分离至少是预定数量的频率仓。

在一个实施方式中，单元48使用插值法(例如，使用零阶保持-ZOH)计算用于未被校准信号覆盖的频率仓的校准系数。可选择地，单元48可在不同时间发送多个校准信号，从而使得每个信号是稀疏的，但是多个信号一起覆盖所有的频率仓。在此实施方式中，每个校准切换涉及到多个校准信号的传输。然而，对切换的两个部分的时间限制只在同一个校准信号的传输之间适用。

通常，将用于实施所公开的自校准过程的校准信号均在处理电路44中以数字的方法产生和捕获，以便对增益和相位差异的所有可能的源进行校准。在一个实施方式中，在存储缓冲器中存储所发送信号的采样。当对特定TX链32和特定RX链进行校准时，单元48经由被校准的TX链周期性发送所缓冲的采样，并经由被校准的RX链捕获信号。

在OFDM***中，可在频域中或在时域中产生校准信号。在一个实施方式中，处理电路44以OFDMFFT采样率产生时域信号(尽管实际的数字信号通常在DAC52之前被上采样)。在RX链中，通常在对随后的ADC72进行下采样之后，以OFDMFFT采样率捕获所接收的信号。这种类型的信号产生和捕获还计及由TX和RX链中的数字电路引起的增益和相位差异。尽管这种差异通常是决定性的，但是仍然方便的是，将它们包括在校准路径中。使用低采样率的信号产生和捕获还减少所需要的缓冲区大小。

处理电路44通常包括用于捕获正被接收的校准信号的一组缓冲器。通常，缓冲器足够大以容纳校准切换的两个部分，因为这些信号通常一个立即接着另一个被接收。

图3是根据本发明的实施方式示意性示出用于使用OFDM信号计算校准系数的电路的方框图。这种电路通常被实现为处理电路44的一部分，例如单元48的一部分。

在本示例中，第一TX/RX链作为参考链路，以及电路基于单一校准切换计算用于第n个TX/RX链的校准系数第1个和第n个TX/RX链之间的校准切换产生两个所接收的校准信号，其被表示为和

在本示例中，首先使用各自的抽选滤波器100对两个信号进行抽取，并然后被存储到各自的校准缓冲器104中。在校准切换期间实时地进行这些操作。可离线进行接下来的操作。在可选实施方式中，缓冲器104位于抽选滤波器100之前。这种实现需要大的缓冲器，以便在抽取之前存储信号，但是使得抽取也能够被离线进行。

各自的FFT单元106将所缓冲的时域校准信号转换到频域。产生的频域校准信号被表示为和每个频域信号包括矢量，矢量的元素对应于各自的OFDM子载波(或频率仓)。复矢量除法单元112逐个元素地用去除以产生其元素是每个频率仓的校准系数的校准矢量

如上文解释的，在一些实施方式中，校准信号仅仅覆盖频率仓的稀疏子集合。在这些实施方式中，插值模块116计算用于未被信号覆盖的频率仓的校准系数。模块116在的元素上进行任何合适类型的插值法，例如，零阶保持(ZOH)。在可选实施方式中，可使用一个或多个其他校准信号重复校准切换，从而共同覆盖所有的频率仓。

在一些实施方式中，每个缓冲器104被规定尺寸，从而在至少一个FFT周期捕获。在FFT操作之前或之后，若干FFT周期的捕获可被用于对信号进行平均。

在一个实施方式中，对于N天线***，单元48进行N-1个校准切换。每个校准切换涉及到两个发送操作。发送操作的总数因此为2(N-1)。在可选实施方式中，单元48进行N个发送操作，对每个天线进行一个发送操作。在每个发送操作期间，由所有其他天线同时接收校准信号。当使用稀疏校准信号(例如，稀疏频域梳)时，单元48可重复每个校准切换若干次，每次用具有不同的频率偏移的信号。

TX/RX链增益考虑

实际上，天线40常常相互非常接近，并且天线之间的空气信道的路径损耗因此很小。当设计自校准过程时，应考虑小的路径损耗，以便不引起接收器饱和以及信号压缩。在接收器RF电路和ADC72中均可出现这种效应。

在一些实施方式中，单元48配置TX链，以在自校准过程中以低功率传输(相对于用于与STA28的通信的正常传输功率)。在模拟域(即，在DAC之后)中或两者中，可用数字方式(即，在DAC52之前)应用传输功率的降低。另外，单元48还在自校准过程中将RX链配置到低增益设置(相对于用于与STA28的通信的正常接收器增益)。可在RF处(例如，通过控制LNA64的增益)、在基带处(例如，使用下变频器68中的可变增益放大器(VGA))或两者中设置接收器增益。

由于不同的天线对可能在距离上(并因此在路径损失上)彼此不同，因此单元48可为不同的校准切换设置不同的TX和/或RX增益设置。

单元48通常在***启动时取得用于每个校准切换的合适的TX和RX增益。在一个实施方式中，单元48最初将接收器设为用于正常通信的自动增益控制(AGC)设置。可选择地，独立的AGC回路可被用于校准。

通常，在给定的校准切换的两个部分之间的增益变化是很小的。因此，在一些实施方式中，单元48根据更强的信号X_i→j或X_j→i来设置用于给定校准切换的增益。在一些实施方式中，单元48可迭代地设置用于给定校准切换的AGC增益。例如，可使用默认增益设置来进行校准切换的第一次迭代。然后，将校准切换中的较强的信号(X_i→j或X_j→i)与门限进行比较，并可能根据信号电平与门限的差距，在下一个迭代中进行增益改变。

在取得用于每个校准切换(即，对于将要校准的每一对TX链和RX链)的初始TX和RX增益设置之后，单元48在操作期间追踪实际的信号强度，并如需要，则调整增益设置。因为操作期间的增益变化通常很小(通常由温度变化引起)，AGC机制可比较两个连续校准过程的信号强度，并在下一个校准过程之前改变增益。

起作用的另一个因素是在TX或RX链中不同增益设置之间的相对相位变化。例如，RX链中的LNA或VGA可在不同增益设置中展现不同的传输相位。当以不同于校准过程的增益设置实施实际的隐式波束形成操作时(在发送和/或接收中)，这些相位差异可能恶化波束形成性能。

单元48可用各种方式克服这种相位差异的效应。在一个实施方式中，单元48预先表征不同增益设置之间的相位差异。当对特定的波束控制矢量应用校准系数时，处理电路44可使用预先表征的结果来补偿相位差异。更具体地，当在给定TX/RX链中应用校准系数时，单元48使用预先表征的结果来补偿在用于校准的增益设置和用于接收从中得到波束空置矢量的信号的增益之间的RX链的传输相位的差异。

在另一个实施方式中，处理电路48在上行链路接收期间在所有的RX链36中强加相同的LNA增益设置，其中从上行链路接收得到导向矢量。因此，处理电路48可在一些帧中实施从中得到导向矢量的一个AGC算法，并在其他帧中实施不同的ACG算法。

由于接收链之间的相对相位通常对于绝对的LNA增益不敏感，即使这个增益设置不同于校准期间所使用的设置，在所有的RX链中强制使用同一个LNA增益是准确的。然而，LNA增益设置在校准切换的两个方向上应该基本相同(尤其是当多个RX链同时接收来自TX链中的一个的校准信号时)。

在一些实施方式中，AP24支持若干个带宽模式，例如，它能够在20MHz、40MHz和80MHz的带宽上根据IEEE802.11ac进行通信。在每个带宽模式中，AP通常使用不同的基带(模拟和数字)滤波器。在一些实施方式中，单元48在每个带宽模式中重复自校准过程。在另一个实施方式中，单元48在最宽带宽模式中实施自校准过程，并应用合适的增益/相位校正，以计及模式之间的差异。例如，可以从先验特征数据获得增益/相位校正。

TX/RX链相位的不连续变化的快速补偿

诸如从一个RF信道转换到另一个RF信道的一些事件可能导致TX和/或RX链的传输相位的不连续变化。例如，在一些VCO或混合器实现中，信道变化可导致RX或TX链的传输相位随机地以90°的整数倍数(即，以0°、90°、180°或270°)变化。在应用校准系数之前应该计及这个相位变化。

对于该问题的简单的解决方法是在每个这样的事件之后重复整个自校准过程，并丢弃在事件之前所使用的校准系数。然而，该解决方案效率非常低并耗费时间。在一些实施方式中，单元48估计不连续的相位变化，并校正现有的校准系数，而不需要重复自校准过程。

在第k个TX/RX链中，事件导致TX链32和RX链36之间的相位差异以下列公式改变：

如上文中指出的，相对于一些参考链估计是足够的。换言之，估计达到常数的是足够的，其对于所有的TX/RX链是相同的。

在一些实施方式中，单元48从在导致相位变化的事件之前获取的一对接收信号矢量和在事件之后为同一对链获取的一对矢量中估计在一些实施方式中，可使用诸如单频的更简单的校准信号来测量矢量

在一个示例的实施方式中，单元48计算在事件之后获取的矢量和事件之前获取的矢量之间的互相关。互相关结果包括复数，其相位表示附加相位的总和。对于第一个链和第二个链，例如：

$S_1=\underset{m}{\Σ}{\stackrel{\‾}{Y}}_{1\→2}\[m\]\·{\stackrel{\‾}{X}}_{1\→2}\[m\]*$

$S_2=\underset{m}{\Σ}{\stackrel{\‾}{Y}}_{2\→1}\[m\]\·{\stackrel{\‾}{X}}_{2\→1}\[m\]*$

角(S₁)＝附加相位(TX₁)+附加相位(RX₂)

角(S₂)＝附加相位(TX₂)+附加相位(RX₁)

所期望的校准相位是在两个互相关结果之间的相位差异：

$L=S_2{S}_1^{*}$

在一些实施方式中，处理电路44可直接使用角(L)来校正校准矢量。可选择地，可将角(L)取整为所期望的相位变化的最接近的整数倍。例如，如果不连续的相位变化是90°的整数倍，可对角(L)进行取整，并因此用于第二链的校正因子由以下公式给出

第n个TX/RX链的校准矢量因此与(复数)标量校正因子Corr_n相乘，以产生已校正的校准矢量。

将认识到，通过示例的方式提出上面描述的实施方式，以及本发明不限于在上文中特别示出和描述的内容。更确切地说，本发明的范围包括上述的各种特征的组合和子组合二者、及其变型和修改，这些对于本领域技术人员来说在阅读了前面的说明会想得到，且在现有技术中并未公开。通过引用并入本专利申请中的文件被认为是申请书的组成部分，除了在某种程度上任何术语在那些并入的文档中以与在本说明书中明确地或含蓄地做出的定义相冲突的方式被定义，仅应该考虑在本说明书中的定义。

Claims (28)

1.一种用于通信的方法，包括：

在包括多个发送/接收(TX/RX)链且每个发送/接收(TX/RX)链包括被耦合至各自的天线的各自的TX链和各自的RX链的通信设备中，经由一个或多个TX链发送校准信号并经由一个或多个RX链接收所发送的校准信号；

基于所接收的校准信号，计算校准系数，所述校准系数表示在所述TX链和对应的所述RX链之间的响应中的偏移；

使用所述校准系数产生自校准的波束形成信号；以及

经由所述TX链将所述自校准的波束形成信号发送至远程通信设备。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，产生所述自校准的波束形成信号包括：接收来自所述远程通信设备的上行链路信号；基于所接收的上行链路信号和所述校准系数，对从所述通信设备到所述远程通信设备的下行链路通信信道的响应进行估计；以及使用所述下行链路通信信道的所估计的响应产生所述自校准的波束形成信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，计算所述校准系数包括：将所述校准信号从第一TX/RX链的TX链发送至第二TX/RX链的RX链，从而产生第一接收信号；将所述校准信号从所述第二TX/RX链的TX链发送至所述第一TX/RX链的RX链，从而产生第二接收信号；以及基于所述第一接收信号和所述第二接收信号，计算用于所述第一TX/RX链的校准系数。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，计算所述校准系数包括：从所述第一接收信号推出所述第一TX/RX链的TX链和所述第二TX/RX链的RX链的第一信道响应；从所述第二接收信号推出所述第二TX/RX链的TX链和所述第一TX/RX链的RX链的第二信道响应；以及将所述第二信道响应除以所述第一信道响应。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，在不大于最大预定时间间隙之内进行经由所述第一TX/RX链和经由所述第二TX/RX链的所述校准信号的传输。

6.根据权利要求1或2所述的方法，还包括通过通知所述远程通信设备在至少部分地包含所述校准信号的传输的时间间隔之内所述通信设备将不可用，来防止所述远程通信设备引起对所述校准信号的接收的干扰。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，计算所述校准系数包括：分配所述RX/RX链中的一个用作参考链；以及计算用于相对所述参考链的其他TX/RX链的校准系数。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，发送和接收所述校准信号包括：经由选择的TX链发送所述校准信号；以及经由所述RX链中的两个或多个同时接收所发送的校准信号。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，发送和接收所述校准信号包括在各自的频率仓发送和接收多个载波，以及其中，计算每个校准系数包括计算对应于所述各自的频率仓的一组频率仓专用校准系数。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，发送和接收所述校准信号包括将所述多个载波分为子集合，以及在不同时间发送和接收每个子集合。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，计算所述校准系数包括对所述频率仓专用校准系数进行插值，从而推出用于未被所述校准信号覆盖的频率仓的频率仓专用校准系数。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，发送和接收所述校准信号包括将所述TX/RX链设置到低于第二增益的第一增益，所述第二增益被用于与所述远程通信设备的通信。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，计算所述校准系数包括补偿在所述第一增益和所述第二增益之间的所述TX/RX链中的响应差异。

14.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：响应于引起所述TX/RX链的相位的不连续变化的事件，估计所述相位的所述变化，并校正所述校准系数，以计及所估计的变化。

15.一种通信设备，包括：

多个发送/接收(TX/RX)链，每个发送/接收(TX/RX)链包括被耦合至各自的天线的各自的TX链和各自的RX链；以及

处理电路，其被配置成经由一个或多个TX链发送校准信号；经由一个或多个RX链接收所发送的校准信号；基于所接收的校准信号计算校准系数，所述校准系数表示在所述TX链和对应的所述RX链之间的响应中的偏移；使用所述校准系数产生自校准的波束形成信号；以及经由所述TX链将所述自校准的波束形成信号发送至远程通信设备。

16.根据权利要求15所述的通信设备，其中，所述TX/RX链被配置成接收来自所述远程通信设备的上行链路信号，并且其中，所述处理电路被配置成基于所接收的上行链路信号和所述校准系数，估计从所述通信设备到所述远程通信设备的下行链路通信信道的响应；以及使用所述下行链路通信信道的所估计的响应产生所述自校准的波束形成信号。

17.根据权利要求15或16所述的通信设备，其中，所述处理电路被配置成将所述校准信号从第一TX/RX链的TX链发送至第二TX/RX链的RX链，从而产生第一接收信号；将所述校准信号从所述第二TX/RX链的TX链发送至所述第一TX/RX链的RX链，从而产生第二接收信号；以及基于所述第一接收信号和所述第二接收信号，计算用于所述第一TX/RX链的校准系数。

18.根据权利要求17所述的通信设备，其中，所述处理电路被配置成通过从所述第一接收信号推出所述第一TX/RX链的TX链和所述第二TX/RX链的RX链的第一信道响应、从所述第二接收信号推出所述第二TX/RX链的TX链和所述第一TX/RX链的RX链的第二信道响应、以及将所述第二信道响应除以所述第一信道响应，来计算所述校准系数。

19.根据权利要求17所述的通信设备，其中，所述处理电路被配置成在不大于最大预定时间间隙之内经由所述第一TX/RX链和经由所述第二TX/RX链传输所述校准信号。

20.根据权利要求15或16所述的通信设备，其中，所述处理电路被配置成通过通知所述远程通信设备在至少部分地包含所述校准信号的传输的时间间隔之内所述通信设备将不可用，来防止所述远程通信设备引起对所述校准信号的接收的干扰。

21.根据权利要求15或16所述的通信设备，其中，所述处理电路被配置成分配所述RX/RX链中的一个用作参考链；以及计算用于相对所述参考链的其他TX/RX链的校准系数。

22.根据权利要求15或16所述的通信设备，其中，所述处理电路被配置成经由选择的TX链发送所述校准信号；以及经由所述RX链中的两个或多个同时接收所发送的校准信号。

23.根据权利要求15或16所述的通信设备，其中，所述处理电路被配置成通过在各自的频率仓发送和接收多个载波来发送和接收所述校准信号，以及通过计算对应于所述各自的频率仓的一组频率仓专用校准系数来计算每个校准系数。

24.根据权利要求23所述的通信设备，其中，所述处理电路被配置成将所述多个载波分为子集合，以及在不同时间发送和接收每个子集合。

25.根据权利要求23所述的通信设备，其中，所述处理电路被配置成对所述频率仓专用校准系数进行插值，从而推出用于未被所述校准信号覆盖的频率仓的频率仓专用校准系数。

26.根据权利要求15或16所述的通信设备，其中，所述处理电路被配置成将所述TX/RX链设置到低于第二增益的第一增益，所述第二增益被用于与所述远程通信设备的通信。

27.根据权利要求26所述的通信设备，其中，所述处理电路被配置成补偿在所述第一增益和所述第二增益之间的所述TX/RX链中的响应差异。

28.根据权利要求15或16所述的通信设备，其中，响应于引起所述TX/RX链的相位的不连续变化的事件，所述处理电路被配置成估计所述相位的所述变化，并校正所述校准系数，从而计及所估计的变化。