用于确定发送或接收波束的优选集合的方法及使用相同方法的通信设备与流程

本申请要求申请号为62/093,568、申请日为2014/12/18日以及发明名称为“借助于设备内传感器的稳健的移动通信”的美国临时申请的优先权，以及其全部内容被合并引用到该申请中。本申请还要求申请号为14/623,820、申请日为2015/2/17以及发明名称为“用于确定发送/接收波束的优选集合的方法及使用相同方法的通信设备”美国申请的优先权，以及其全部内容被合并引用到该申请中。

技术领域

本发明涉及用于确定发送或接收波束的优选集合的方法及通信设备，用以通信设备加快其波束搜索(beam-search)及波束追踪(beam-track)的操作。

背景技术：

在无线通信中多径传播可以为相关的错误源，尤其在具有高信号反射率的区域，例如在有大型建筑的城区。由于多径传播，接收机从发射机接收到已反射的信号，这会引起与直传信号(direct signals)的多径干扰。这样的多径干扰限制了无线通信的速度与准确性。

为了克服多径干扰问题的问题，已提出了波束成形技术。第一设备的发射机经由多个发送波束在各个方向发送已知导频信号。第二设备的接收机经由所有可能的接收波束，扫描第一设备经由发送波束发送的导频信号，以为后续接收找到优选接收波束及第一设备对应的优选发送波束。第二设备可经由某些反馈信道与第一设备通信这样的发现。

然而，这样很浪费时间，而且当搜索优选发送/接收波束时，尤其当通信设备开机时，系统开销高。另外，当通信设备移动时，优选发送/接收波束通常会变化。在波束成形在很高载波频率的情况下，优选发送/接收波束对通信设备的位置、朝向及移动更敏感。因此，如何加快波束搜索及波束追踪的操作是一个 值得关心的问题。

技术实现要素：

提供一种用于确定通信设备的发送/接收波束的优选集合的方法及通信设备。通信设备的一个示例性的实施例包含收发器模块、通信状态测量模块、传感器模块及通信控制模块。收发器模块经由一或多个发送波束向空中接口发送多个信号，以及经由一或多个接收波束从空中接口接收多个信号。通信状态测量模块，测量接收信号强度以获得空间分布(spatial profile)，空间分布包含一或多个接收波束的接收信号强度的相关信息，该一或多个接收波束与另一通信设备的一或多个发送波束有关，另一通信设备与通信设备通信。传感器模块，感测通信设备的状态，以根据已感测状态获得通信设备的上下文信息(context information)。通信控制模块从通信状态测量模块获得空间分布及从传感器模块获得上下文信息，以及根据空间分布及上下文信息确定优选措施(optimum action)，以控制收发器模块搜索、追踪和/或调整一或多个发送波束。

通信设备的另一示例性的实施例包含收发器模块、通信状态测量模块、传感器模块及通信控制模块。收发器模块经由一或多个发送波束向空中接口发送多个信号，以及经由一或多个接收波束从空中接口接收多个信号。通信状态测量模块测量接收信号强度以获得空间分布，空间分布包含一或多个接收波束的接收信号强度的相关信息，该一或多个接收波束与另一通信设备的一或多个发送波束有关，另一通信设备与通信设备通信。传感器模块感测通信设备的状态，以根据已感测状态获得通信设备的上下文信息。通信控制模块从通信状态测量模块获得空间分布及从传感器模块获得上下文信息，以及根据空间分布及上下文信息确定优选措施，以控制收发器模块搜索、追踪和/或调整一或多个接收波束。

用于确定第一通信设备的发送/接收波束的优选集合的方法的示例性的实施例包含：测量经由第一通信设备的一或多个接收波束接收到的多个信号强度，以获得空间分布，空间分布包含第一通信设备的一或多个接收波束的接收信号强度的相关信息，第一通信设备的一或多个接收波束与第二通信设备的一或多个发送波束有关，第二通信设备与第一通信设备通信；感测通信设备的状态，以根据已感测状态获得通信设备的上下文信息；以及根据空间分布及上下文信 息确定优选措施，以控制通信设备的收发器模块搜索、追踪和/或调整一或多个接收波束或一或多个发送波束。

在以下实施例中参考附图给出详细的描述。

附图说明

通过阅读随后的详细描述和结合附图描述的例子，可以更全面地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的通信设备的方块示意图；

图2是根据本发明的另一实施例的通信设备的方块示意图；

图3是发送方通信设备生成的多个发送波束及接收机通信设备生成的多个接收波束的概要示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的，用于确定通信设备的发送/接收波束的优选集合的方法的流程图；

图5是根据本发明一个实施例的，用三维统计图表表示的示例性的空间分布的示意图；

图6是根据本发明一个实施例的通信控制模块的示例性的方块示意图；

图7是根据本发明一个实施例的，加快波束搜索或波束追踪的操作的方法的流程图。

具体实施方式

下面的描述是实现本发明的优选方式。此描述是为了说明本发明一般原理的目的，而不应该理解为具有限制性的意义。本发明的范围最好参考所附的权利要求确定。

图1是根据本发明的一个实施例的通信设备的方块示意图。根据本发明的一个实施例，通信设备100能够与服务网络中的另一通信设备50(诸如所示的基站)通信，以及其可包含至少一个天线模块、通信模块110、传感器(sensor)模块120及数据分析模块130，天线模块包含一或多个天线。通信模块110提供无线通信功能。传感器模块120可包含一或多个传感器，每个传感器用于感测(sense)通信设备100的当前状态，诸如通信设备100的移动，以及根据已感测状态获得通信设备100的上下文信息。数据分析模块130可分析在不同时间 获得的多个训练数据点(training data point)，以生成数据分析结果。

在本发明的一些实施例中，通信设备100还可包含控制器或处理器(未示出)，用于控制通信模块110、传感器模块120、数据分析模块130及其它功能组件(未示出)的操作，其它功能组件诸如用作人机界面(Man Machine Interface，MMI)的显示单元和/或按键、用于存储数据及应用或通信协议的程序代码的存储单元以及其它功能组件。

根据本发明的一个实施例，通信模块110可包含至少一个收发器模块111及信号处理设备112。收发器模块111耦接至天线模块，以及其经由一或多个发送波束向空中接口发送多个信号，或经由一或多个接收波束从空中接口接收多个信号，一或多个发送波束及一或多个接收波束由天线模块生成。根据本发明的一个实施例，收发器模块111可控制天线模块生成指向不同方向的发送波束及接收波束。另外，在本发明的一些实施例中，收发器模块111还可用作前端信号处理设备，用以处理(例如，放大或滤波)向空中接口发送的信号及从空中接口接收的信号。

信号处理设备112还可处理向收发器模块111发送的信号及从收发器111接收的信号，其中信号处理可包含基带信号处理器和/或射频(Radio Frequency，RF)信号处理。根据本发明的一个实施例，信号处理设备112可包含多个硬件设备(未示出)、固件模块和/或软件模块，用以执行基带信号处理器，诸如模数转换(Analog to Digital Conversion，ADC)、数模转换(Digital to Analog Conversion，DAC)、增益调整、调制/解调以及编码/解码等。信号处理器设备112也可包含多个硬件设备(未示出)，用以执行无线频率转换及RF信号处理，诸如降频及升频转换、放大以及滤波等。

应注意，为了阐明本发明的概念，图1表示简化的方块示意图，在其中只示出了与本发明相关的元件。因而，本发明不应限于图1所示的内容。还应注意，如本领域技术人员所熟知，收发器模块111、信号处理器设备112及通信模块110所包含的硬件设备、固件模块和/或软件模块有很多的设计方式。因而，所提出的通信设备100的收发器模块111、信号处理器设备112及通信模块110的设计不应限于任意实现方式的特定方式。

根据本发明的一个实施例，信号处理设备112可包含通信控制模块113及 通信状态测量模块114。通信状态测量模块114可测量接收信号强度，以获得空间分布(spatial profile)，空间分布包含一或多个接收波束的接收信号强度的相关信息，该一或多个接收波束与另一通信设备的一或多个发送波束有关，该另一通信设备与通信设备100通信。通信控制模块113可从通信状态测量模块114获得空间分布，以及从传感器模块120获得上下文信息，以及根据空间分布及上下文信息确定优选措施以控制收发器模块111搜索、追踪和/或调整一或多个发送波束和/或一或多个接收波束。在本发明的一些实施例中，通信控制模块113还可根据从数据分析模块130获得的数据分析结果确定优选措施。通信控制模块113、通信状态测量模块114及收发器模块111可经由其耦接的内部总线115彼此通信。应注意，在本发明的又一些实施例中，通信控制模块113不仅可确定通信设备100的优选措施，还可确定与通信设备100通信的另一通信设备的优选措施。例如，通信控制模块113可确定用于调节(tune)发送/接收波束的推荐角度，以及经由高层信令(higher layer signaling)向其它通信设备提供关于所推荐的角度的信息，以便于也帮助其它通信设备加快波束搜索或波束追踪的操作。

应注意，在本发明的一些实施例中，代替配置于通信设备的内部，数据分析模块也可配置在云服务器中，以及通信控制模块可与云服务器通信，以获得数据分析结果。

图2是根据本发明的另一实施例的通信设备的方块示意图。根据本发明的一个实施例，通信设备200能够与服务网络中的另一通信设备50(诸如所示的基站)通信，以及其可包含至少一个天线模块、通信模块210及传感器模块220，天线模块包含一或多个天线。通信模块210提供无线通信功能。传感器模块220可包含一或多个传感器，每个传感器用于感测通信设备200的当前状态，诸如通信设备200的移动，以及根据已感测状态获得通信设备200的上下文信息。在该实施例中，数据分析模块230可配置在云服务器250中以及可分析在不同时间获得的多个训练数据点以生成数据分析结果。

在本发明的一些实施例中，通信设备200还可包含控制器或处理器(未示出)，用以控制通信模块210、传感器模块220及其它功能组件(未示出)的操作，其它功能组件诸如用作MMI的显示单元和/或按键、用于存储数据及应用或 通信协议的程序代码的存储单元以及其它功能组件。

根据本发明的一个实施例，通信模块210可包含至少一个收发器模块211及信号处理设备212。收发器模块211耦接至天线模块，以及其经由一或多个发送波束向空中接口发送多个信号，或经由一或多个接收波束从空中接口接收多个信号，一或多个发送波束及一或多个接收波束由天线模块生成。根据本发明的一个实施例，收发器模块211可控制天线模块生成指向不同方向的发送波束及接收波束。另外，在本发明的一些实施例中，收发器模块211还可用作前端信号处理设备，用以处理(例如，放大或滤波)向空中接口发送的信号及从空中接口接收的信号。

信号处理设备212还可处理向收发器模块211发送的信号及从收发器211接收的信号，其中信号处理可包含基带信号处理器和/或RF信号处理。根据本发明的一个实施例，信号处理设备212可包含多个硬件设备(未示出)、固件模块和/或软件模块，用以执行基带信号处理器，诸如ADC、DAC、增益调整、调制/解调以及编码/解码等。信号处理器设备212也可包含多个硬件设备(未示出)，用以执行无线频率转换及RF信号处理，诸如降频及升频转换、放大以及滤波等。

应注意，为了阐明本发明的概念，图2表示简化的方块示意图，在其中只示出了与本发明相关的元件。因而，本发明不应限于图2所示的内容。还应注意，如本领域技术人员所熟知的，收发器模块211、信号处理器设备212及通信模块210所包含的硬件设备、固件模块和/或软件模块有很多的设计方式。因而，所提出的通信设备200的收发器模块211、信号处理器设备212及通信模块210的设计不应限于任意实现方式的特定方式。

根据本发明的一个实施例，信号处理设备212可包含通信控制模块213及通信状态测量模块214。通信状态测量模块214可测量接收信号强度，以获得空间分布，空间分布包含一或多个接收波束的接收信号强度的相关信息，该一或多个接收波束与另一通信设备的一或多个发送波束有关，该另一通信设备与通信设备200通信。通信控制模块213可从通信状态测量模块214获得空间分布，以及从传感器模块220获得上下文信息，以及根据空间分布及上下文信息确定优选措施以控制收发器模块211搜索、追踪和/或调整一或多个发送波束和/或一 或多个接收波束。在本发明的一些实施例中，通信控制模块213还可根据从数据分析模块230获得的数据分析结果确定优选措施。通信控制模块213、通信状态测量模块214及收发器模块211可经由其耦接的内部总线215彼此通信。应注意，在本发明的又一些实施例中，通信控制模块213不仅可确定通信设备200的优选措施，还可确定与通信设备200通信的另一通信设备的优选措施。例如，通信控制模块213可确定用于调节发送/接收波束的推荐角度，以及经由高层信令向其它通信设备提供关于所推荐的角度的信息，以便于也帮助其它通信设备加快波束搜索或波束追踪的操作。

图3是发送方通信设备(TX)生成的多个发送波束及接收机通信设备(RX)生成的多个接收波束的概要示意图。在图3的示例性场景中，有发送方通信设备生成的8个发送波束以及接收机通信设备生成的8个接收波束。另外，在发送方通信设备与接收机通信设备之间分布有许多障碍。为了找到无线通信的至少一个优选发送波束及至少一个优先接收波束，在8个发送波束及8个接收波束之间，在搜索优选发送波束及优选接收波束的波束搜索的操作的每个回合中有64(也即，8*8)个组合。这非常浪费时间以及开销高，尤其在发送方通信设备支持的可能的发送波束的数量以及接收机通信设备支持的可能的接收波束的数量增加时。

为了加快波束搜索及波束追踪的操作，将在以下段落中进一步讨论用于确定发送/接收波束的优选集合的方法及使用相同方法的通信设备(例如，所示的通信设备100或200)。

图4是根据本发明的一个实施例的，用于确定通信设备的发送/接收波束的优选集合的方法的流程图。通信状态测量模块(例如，通信状态测量模块114/214)可经由通信设备(例如，通信设备100/200)的一或多个接收波束测量多个接收信号强度，以获得空间分布(步骤S402)，空间分布包含一或多个接收波束的接收信号强度的相关信息，该一或多个接收波束与另一通信设备的一或多个发送波束有关，该另一通信设备与通信设备100通信。关于特定接收波束(以及特定的发送波束)的接收信号强度是指将接收机通信设备接收的信号转向到特定波束方向(以及将发送方通信设备发送的信号转向特定波束方向)时接收信号强度。根据本发明的一个实施例，可以列表、数据表格或二维或三维的统计 图表中表示空间分布。

图5是根据本发明一个实施例的用三维统计图表表示的示例性的空间分布的示意图。在该实施例中，空间分布包含接收信号强度的相关信息，该接收信号强度与接收机通信设备的接收波束及发送方通信设备的发送波束有关。因而，空间分布的一个轴记录接收机通信设备的接收波束索引RX波束索引，空间分布的一个轴记录发送方通信设备的发送波束索引TX波束索引，以及空间分布的一个轴记录信号强度。应注意，在本发明的一些实施例中，还可记录每个发送波束和/或接收波束的波束图样的相关信息。还应注意，在本发明的一些实施例中，空间分布还可以列表、数据表格或二维统计图表表示，二维统计图表包含接收波束索引RX有关的接收信号强度的相关信息。因而，本发明不应限于图5所示的例子。

重新参考图4，除了空间分布，传感器模块(例如，传感器模块120/220)可感测通信设备的状态，以根据已感测状态获得通信设备的上下文信息(步骤S404)。根据本发明的一个实施例，通信设备的状态可包含位置、三维朝向、靠近阻碍路径的物体及通信设备的移动速度或其它中的至少一个。这里，位置可用绝对位置或相对位置表示。传感器模块可包含全球定位系统(Global Positioning System，GPS)接收机、陀螺仪传感器、靠近传感器及重力传感器中的至少一个，用以感测通信设备的状态。

接着，通信控制模块(例如，通信控制模块113/213)可根据空间分布及上下文信息确定优选措施，以控制通信设备的收发器模块搜索、追踪和/或调整一或多个接收波束或一或多个发送波束(步骤S406)。应注意，在本发明的一些实施例中，通信控制模块还可根据从数据分析模块(例如，数据分析模块130/230)获得的数据分析结果确定优选措施。在以下段落中进一步讨论确定控制收发器模块的优选措施的方法。

图6是根据本发明一个实施例的通信控制模块的示例性的方块示意图。根据本发明的一个实施例，通信控制模块613可包含预测模块615、数据融合及处理模块(data fusion and processing module)616及波束搜索器及追踪器617。预测模块616可从传感器模块620接收上下文信息，以及根据当前接收到的上下文信息及先前接收到的上下文信息(如果有)预测通信设备的后续状态。例如， 预测模块615可根据当前接收到的上下文信息及先前接收到的上下文信息预测后续的位置、三维朝向、靠近阻碍路径的物体或通信设备的移动速度。

数据分析模块630可获得上下文信息及空间分布，将空间分布与在相同时间获得的上下文信息同步，以在预定时间形成训练数据点，以及分析在不同时间获得的多个训练数据点以生成数据分析结果。数据分析模块630可将在不同时间获得的训练数据点记录为数据库。另外，根据本发明的一些实施例，数据分析模块630还可通过滤波、平均、内插和/或外推(interpolating and/or extrapolating)训练数据点关联的数据，来处理该数据，以便降低噪声及提升数据的质量。

如上讨论，数据分析模块630可配置在所提出的通信设备内或配置在云服务器中。当数据分析模块630配置在所提出的通信设备内时，数据分析模块630可直接从传感器模块620获得上下文信息以及从通信状态测量模块614获得空间分布。当数据分析模块630配置在云服务器中时，数据分析模块630可从通信控制模块613获得空间分布及上下文信息，以及通信控制模块613可与数据分析模块630通信以在需要时获得数据分析结果的结果。

数据融合及处理器模块616可从通信状态测量模块614接收空间分布，从数据分析模块630接收数据分析结果以及从预测模块615接收已预测的后续状态，以及根据空间分布、已预测的后续状态及数据分析结果中的训练数据点，确定优选措施。

根据本发明的一个实施例，数据融合及处理模块616可通过根据空间分布、所述已预测的后续状态及所述数据分析结果中的训练数据点，计算发送波束的优选集合或接收波束的优选集合来确定优选措施，用以收发器模块搜索、追踪和/或调整一或多个发送波束或一个多个接收波束。例如，基于预测模块615预测的已预测的后续状态及空间分布，数据融合及处理模块616可查找数据分析结果和/或数据库中的训练数据点，以及为已预测的后续状态，找到发送波束的优选集合或接收波束的优选集合。

数据融合及处理模块616可向波束搜索器及追踪器617提供优选措施相关的进一步信息，诸如作为波束搜索或波束追踪的偏移(bias)或初始值的发送波束的优选集合和/或接收波束的优选集合。波束搜索器及追踪器617可与收发器 模块611通信优选措施，诸如提供或设置一些相关参数，以便于收发器模块611还可基于优选措施控制天线模块执行波束搜索的操作、波束追踪的操作和/或波束调整的操作。

在波束搜索的操作、波束追踪的操作和/或波束调整的操作之后，可形成发送波束与接收波束的优选配对。这里，发送波束与接收波束的优选配对可以为第一通信设备的优选发送波束与第二通信设备的优选接收波束的配对，或者第一通信设备的优选接收波束与第二通信设备的优选发送波束的配对。第一通信设备可通过空中接口，经由优选发送波束向第二通信设备发送多个信号，以及通过空中接口，经由优选接收波束从第二通信设备接收多个信号。

根据本发明的实施例，使用上下文信息、已预测的后续(subsequent)状态、空间分布和/或数据分析结果，数据融合及处理模块616确定的优选集合中的发送波束的数量及优选集合中接收波束的数量可小于通信设备支持的可能的发送波束及接收波束的数量。因而，可以加快波束搜索的操作、波束追踪的操作和/或波束调整的操作，以及可降低执行这些操作的开销。

图7是根据本发明一个实施例的，加快波束搜索或波束追踪的操作的方法的流程图。通信控制模块可先确定波束成形设置是否过期(outdated)(步骤S702)。当接收信号强度大大降低时，通信控制模块可确定波束成形设置过期。如果波束成形设置没有过期，通信控制模块可根据波束成形的参数设置，指示收发器模块发送和/或接收(步骤S710)。当波束成形设置过期时，通信控制模块还可确定是否需要通信设备的上下文信息(步骤S704)。

根据本发明的一个实施例，当通信设备刚开机时、通信设备运行在长的不连续发送(Discontinuous Transmission，DTX)/不连续接收(Discontinuous Reception，DRX)周期时、通信设备高速移动时或其它情况时，通信控制模块可确定是否需要通信设备的上下文信息。如果不需要通信设备的上下文信息，通信控制模块可确定执行正常的波束搜索或波束追踪的操作(步骤S706)，以及接着根据波束搜索或波束追踪的操作的结果，更新波束成形的参数设置(步骤S708)。在这之后，通信控制模块可根据波束成形的参数设置，指示收发器模块发送和/或接收(步骤S710)。

另一方面，当需要通信设备的上下文信息时，通信控制模块可执行以上讨 论的用于确定发送/接收波束的优选集合的方法(步骤S712)，以及接着基于在步骤S712中确定的发送/接收波束的优选集合，执行波束搜索或波束追踪的操作(步骤S714)。

在这之后，在步骤S708中，根据波束搜索或波束追踪的操作的结果，更新波束成形的参数设置，以及通信控制模块可根据波束成形的参数设置，指示收发器模块发送和/或接收(步骤S710)。

如上所述地，与正常的波束搜索或波束追踪的操作不同，在本发明的实施例中，使用通信设备的上下文信息，可确定发送波束和/或接收波束的优选集合，以及优选集合中的发送波束及接收波束的数量可小于待搜索或追踪的通信设备支持的可能的发送波束及接收波束的数量。因而，可以加快波束搜索的操作、波束追踪的操作和/或波束调整的操作，以及可以降低这些操作的开销。

本发明的上述实施例可以用多种方式实现。例如，这些实施例可以用硬件、软件或其组合实现。应理解，执行上述功能的任意组件或组件的集合可整体上视为控制以上讨论的功能的一或多个处理器。该一或多个处理器可以用多种方式实现，以执行以上叙述的功能，诸如用专用硬件或用微码或软件程序化的通用目的的硬件。

虽然已经通过举例的方式和优先实施例的方式描述本发明，应理解本发明并不限于此。本领域的普通技术人员仍旧可以不脱离本发明的范围和精神，做出不同的变换和修改。因此，权利要求及其等同变换，限定和保护本发明的范围。