天线系统和用于控制所述天线系统的方法

文档序号:10654784
天线系统和用于控制所述天线系统的方法
【专利摘要】一种天线系统,其包括:基站;多个天线元件,其组合到天线上,而一个天线的所述多个天线元件连接到天线元件映射器,每一天线元件映射器经由天线端口连接到所述基站。本发明还涉及一种用于为天线系统的天线元件提供天线信号的方法,其中将所述天线信号分布到多个天线元件且以天线元件特定的参数加权。本发明的目的是提供可以个别地控制比天线端口的数目要多的天线元件的配置。这是通过以下方式解决:将所述天线元件布置于天线元件阵列中,其中所有天线元件受到个别地控制;在所述天线阵列中存储天线端口特定的波束成形向量;以及所述天线元件阵列的每个天线元件受到所述波束成形向量的天线元件特定的向量元素个别地控制。
【专利说明】天线系统和用于控制所述天线系统的方法
[0001 ]本发明提供一种天线系统,其包括:基站;多个天线元件,其组合到天线上,而一个 天线的所述多个天线元件经由天线信号线连接到天线元件映射器,且每一天线元件映射器 经由天线端口连接到所述基站,其中天线端口的数目对应于天线元件映射器的数目。
[0002]本发明还提供一种用于为天线系统的天线元件提供天线信号的方法,其中所述天 线信号被分布到多个天线元件且以天线元件特定的参数加权。
[0003]自适应天线阵列多年来已经是众所周知的。并非利用单个天线来发射或接收信 号,而是使用以某种几何次序布置的多个天线。此布置通常可以称为天线阵列。对于发射, 待发射的信号被呈现给所述天线阵列的所有天线。通过谨慎控制每一天线的每一相位,天 线阵列的方向性受到影响。这是因为远场中的辐射信号会重叠,且因此取决于其相位而相 长地或相消地相加。为了说明目的,图1中示出了此情况。
[0004] 图1示出了由四个天线2构成的线性天线阵列1,所述四个天线通过多个波前4在发 射方向3上发射射频(RF)信号。此图示出了在角度α的方向上波前4全部对准,即,来自天线2 的信号在此方向上相长地相加。
[0005] 在接收方向上,天线阵列1以类似方式工作。此处,个别接收天线2的相位是对准 的,从而获得在特定方向上的方向性。
[0006]天线阵列1的主要优点在于,可以用电子方式形成天线方向图。一种可能的应用是 波束成形,即,以朝向特定方向的高方向性产生波束方向图。通过控制相位,可以朝向目标 接收器或发射器导引波束,且所述波束也可用于跟踪目标。
[0007] 常规的相控阵列波束导引对馈送每一发射天线的信号的整体引入了相位和振幅 偏移。意图是在特定方向上聚集信号功率。应用相位和振幅偏移的相同技术也用于接收天 线上,以使接收器对来自特定方向的信号更敏感。在LTE中,可以调整个别资源块的振幅和 相位,从而使波束导引灵活得多且更加用户特定。但是波束导引并未增加数据速率,且因此 在未来应用中,与在增加信号稳健性方面的分集类似的波束导引的积极作用不再足以作为 专门的技术。
[0008] 图2示出了用于移动无线电接入技术的波束成形的应用。图2中描绘的波瓣5表示 天线阵列1的若干天线2在发射和接收方向上对于一些选择性用户6或7的方向性。大体上, 对于发射和接收方向的方向性可以不同。在图2中,基站8以利用波束成形的高方向性发送 和接收四个用户信号。用户6和7在较大范围上是空间分离的。与全向发射相比,通过使用波 束,指向特定用户6发送的能量集中得多,从而对其它用户7造成较少干扰且进而释放其它 用户的容量。
[0009] 另一应用涉及尤其当干扰为高度方向性时的干扰抑制。在此情况下,形成朝向干 扰的方向具有高衰减的方向图。
[0010] 对于电子天线方向图形成,常规天线阵列技术利用在通带处应用于信号的移相 器。在此情况下,在发射方向上,信号首先被转换为载波频率,且随后被分裂而呈现给大量 移相器。同样,在接收方向上,每一天线信号在组合之前首先被移位,且随后被转换回到信 号处理发生的基带。
[0011] 在图3中,示出包括Μ个天线2的天线阵列1,其中每一天线包括N个天线元件9。通 常,天线端口 10具备放大器11,所述放大器放大天线信号。
[0012] 在图4中,示出具有根据图3的若干天线元件9的单个天线2的详细图式。天线2包括 天线元件9。为了实现简单波束成形的效果,例如向下倾斜,天线元件9具备移相器12。通过 这些移相器12,放大器11的输出处的天线信号可以针对每一天线元件9个别地移位其相位。 可以手动地调整相移。通过机电方式驱动的组合件、例如通过齿轮电机来调整移位也是可 能的。以不同相位覆盖同一天线信号实现了天线方向的改变。移相器12的布置可以视为天 线元件映射器13。如图4中所示,天线元件映射器13布置于天线2内。
[0013] 对于更快数据发射的需求越来越增加,且必须能够进行处置。实现更高数据速率 的一种方式是使用多个天线系统。具有两个或更多个天线的天线配置称为多输入多输出 (ΜΙΜΟ)。至此,对先前的频率-时间矩阵添加第三维度一空间。每个无线电信号具有其自身 的"空间指纹"。
[0014] 然而,天线阵列可以由远多于四个天线元件构成。用于波束成形的天线元件的联 合处理、在发射方向上的干扰减轻以及在接收方向上的干扰避免将是合意的。
[0015] ΕΡ 2 632 057 Α1公开了例如用于确定至少两个天线元件的波束方向图的设备。 为此目的,使用CPRI在标准基带连接上传送基带信号。基带信号必须含有用于至少两个用 户群组的至少两个资源子集(子帧)以便形成两个不同波束方向图或波束形状。这些资源子 集需要可以由信号处理器区分,以便将所述资源子集分配给用于两个用户群组(也参见图 2)的不同波束(或波束形状)。因此,分配给资源子集的频率范围不需要重叠 。ΕΡ 2 632 057 Α1中的波束成形过程受到带宽限制,且因此限制了系统的容量,因为传送的基带信号含有 顺序布置的不同波束成形向量,所述向量必须在天线侧上由信号处理器分离。
[0016] 具有极为大量维度的波束成形和ΜΜ0(多输入多输出)在蜂窝式第三代合作伙伴 计划(3GPP)标准化主体中被论述为进一步增加容量的手段。自适应天线阵列或自适应天线 系统可以提供实现此技术的主要基础。
[0017] 如"LTE;演进型通用陆地无线电接入(E-UTRA)和演进型通用陆地无线电接入网络 ^-1711^~) ;总体描述;阶段2;36??了5 36.300版本9.10.0第9版4了51了5 136 300,版本 V9.10.0,2013年2月"中描述,基站紧邻于小区塔而定位,其中天线安装在小区塔的顶部。在 过去,RF功率放大器也位于小区塔的底部,且粗的低损耗RF电缆将天线与功率放大器连接 起来。在更现代的布置中,功率放大器连同收发器一起靠近天线而安装。含有收发器以及功 率放大器两者的单元通常称为远程无线电头端(RRHhRRH还包含用于接收器的滤波器、双 工器和低噪声放大器。到基站的主要连接是基带信号。这些信号可以使用模拟信号(基带IQ 信号)来发射,但它们越来越多地以数字方式发射。用于数字发射的标准是通用公共无线电 接口(CPRI)或开放式基站架构联盟(0BSAI)。图5示出了基站与无线电发射位点之间的典型 分割。
[0018] 在图5中作为不失一般性的实施例,假定所述基站8(eN〇deB)被设计成用于第四代 移动网络标准(LTE-长期演进)。基站8含有物理层14、用于动态资源分配的单元15、用于无 线电准入控制的单元16、包含媒体接入控制器(MAC)(未图示)和无线电链路控制器(RLC) (未图示)的用于连接控制的单元17、用于控制无线电承载的单元18,以及最后称为小区间 无线电资源管理器(RRM)的用于管理小区间无线电资源的单元19。基站8使用S1接口 20连接 到移动管理实体(未图示)、服务网关(未图示)以及分组数据网络网关(未图示),且通过X2 接口 21连接到其它基站。物理层14经由其基带单元和天线单元连接到Μ个天线2,这些单元 如图9中进一步所示布置于所谓的远程无线电头端(RRH)22中,所述RRH极靠近天线2附接于 天线杆处。
[0019]图6示出了基站8与RRH 22之间通过CPRI(通用公共无线电接口)经由光纤23的常 规连接的示意图。多个天线信号在如CPRI中界定的若干天线端口 10中在逻辑上划分的一个 光纤上发送到一个RRH 22。进而仅可能选择以移相器12确定的静态天线方向图。
[0020] 当前,分别用于发射和接收侧的八个天线被视为最大值。但是,通过图5和6中示出 的分割,将所有接收的信号从例如100个天线元件9传达到基站8用于进一步处理以便增加 发射分集变得不可行,例如关于硬件的功率消耗、相关联的发热和巨大空间要求以及天线 系统与基站单元之间的链路的带宽。
[0021] LTE标准在上行链路中使用单载波频分多址(SC-roMA)且在下行链路中使用正交 频分多址(0FDMA)。此外,使用帧结构来将资源分配和指派给不同的用户。一个帧跨越10ms 的时间周期且由各自为lms持续时间的10个子帧组成,而分别取决于使用延伸的循环前缀 还是使用正常循环前缀,一个子帧包括12或14个0FDM符号。最小的可寻址单元是所谓的资 源块,其跨越对应于12个15kHz的副载波的180kHz频率且跨越lms时间。典型的eNodeB为用 于特定用户的特定子帧分配在频率上的连续资源块。多个用户可以通过在不同时间指派不 同资源块来共享带宽。在3GPP版本8和9中,那些块总是被邻接地指派,但在进一步版本中, 非邻接指派也可能增加分集。
[0022] 图7示出了在频率和时间上不同用户的指派的实施例。以针对每个用户的不同影 线描绘每时隙(所谓的子帧)的频率资源的使用。在此实施例中,用户6在较低频率下总是被 指派相同资源。在第一子帧24中,用户6还与用户5和用户4共享可用带宽。在图7中所示的第 二子帧25中,用户6与用户7和用户2共享带宽,等等。
[0023] 如"LTE;演进型通用陆地无线电接入(E-UTRA);物理信道和调制(3GPP TS 36.211 版本9.1.0第9版)4了31了3 136 211,版本¥.1.0,2010年4月"中描述,1^标准已经通过称 为预编码的技术而支持某种波束成形。
[0024]大体上,将从基站传送到用户设备(UE)的用户数据或信号将由天线发射且由UE接 收,而由一种信道引入的减损必须得到克服。进而,在每一发射器的输出中在规则的频率位 置处的参考信号(或导频)提供了接收器估计信道系数的一种方式,所述信道系数可以与所 述信道中的发射条件或性能相比较。
[0025]每一数据"管线"或信道将不会具有相同性能。LTE使用已知为上文提到的预编码 和波束成形(都是"闭环多输入多输出(ΜΙΜΟ)"的形式)的反馈机制,其中手持机请求对发射 器输出的交叉耦合的改变以给出与信道特性的最佳匹配。
[0026]对于LTE已经具体采用术语"码字"、"层"和"预编码"来指代信号及其处理。图8示 出了它们所涉及的处理步骤。
[0027]所述术语以如下方式使用:
[0028]码字表示在被格式化以发射之前的用户数据。取决于主要的信道条件和使用情况 可以使用一个或两个码字,CW0和CW1。在单用户MMO(SU-MMO)的最常见情况中,将两个码 字发送到单个手持机UE,但在较不常见的下行链路多用户MMKMU-MM))的情况中,每一码 字发送到仅一个UE。
[0029] 术语"层"与流同义。对于mMO,必须使用至少两个层。在3GPP长期演进第9版标准 中允许多达四个层。层的数目总是小于或等于天线的数目。
[0030] 预编码是在发射之前修改层信号。这可以针对分集、波束导引或空间多路复用来 完成。ΜΜ0信道条件可能偏向于一个层(数据流)超过另一层。如果基站(eNodeB)被给予关 于信道的信息(例如,从UE发送回的信息),那么所述基站可以添加复杂交叉耦合以抵消信 道中的不平衡。在2*2布置中,LTE使用简单的3选1预编码选择,这在信道不改变太快的情况 下改善了性能。
[0031 ]波束成形修改发射信号以给出在信道的输出处的最佳载波干扰噪声比(CINR)。 [0032]因此,3GPP LTE第9版标准支持的预编码矩阵支持多达四个发射天线和多达16个 码簿条目。
[0033]在3GPP LTE第9版标准中,描述下行链路物理信道的一般结构,其中基带信号表示 在以下步骤(图8)方面界定的下行链路物理信道:
[0034]-在物理信道上将发射的码字(流)中的每一者中的经编码位的加扰,
[0035]-经加扰位的调制以产生复值调制信号[d](通过QPSK、16QAM或64QAM调制),
[0036] -复值调制信号[d]到一个或若干发射层[X](在LTE标准中多达四个层)上的映射,
[0037] -用于在天线端口上发射的每一层[X]上的复值调制符号的预编码,
[0038] -用于每一天线端口的复值调制符号到资源元素的映射,
[0039]-用于每一天线端口的复值时域0FDM信号[y]的产生。
[0040] 图8示出了用于发射分集和空间多路复用(ΜΙΜΟ)的信号处理的示意图。符号[d]、 [X]和[y]涉及分别在层映射之前和之后以及在预编码之后的上文提到的信号。所述信号根 据天线端口 10映射到天线阵列1的天线2。换句话说,天线端口 10限于仅控制天线阵列1的天 线2而不是天线元件9。
[0041] 如上文已经描述,将所有接收的信号从例如100个天线元件传达到基站用于进一 步处理以便增加发射分集变得不可行。
[0042] 本发明通过在天线单元处引入预处理而克服这些障碍。
[0043]因此本发明的目的是提供一种配置,所述配置可以个别地控制比依据3GPP LTE第 9版标准的标准化接口可用的天线端口的数目更多的天线元件,且由此改善波束成形技术。
[0044] 本发明的又一目的是提供一种技术,所述技术可以通过并行化信号处理而非使用 顺序技术且因此节省带宽而增加这些天线系统的容量,且增加系统容量。
[0045] 本发明是基于以下想法:通过Tx和Rx波束成形向量将相移和/或振幅缩放应用于 每一天线元件的发射信号以及接收信号。Tx波束成形向量被定义为保持用于所有天线元件 的发射路径的所有相位(且任选地,振幅)的向量。同样,在Rx方向上的Rx波束成形向量被定 义为保持用于所有天线元件的接收路径的所有相位(且任选地,振幅)的向量。这些向量应 用于在天线阵列内或极靠近天线阵列的Tx或Rx信号。
[0046] 本发明的目的将进而如下得以解决:
[0047] -天线元件布置于天线元件阵列中,其中所有天线元件受到个别地控制;
[0048] -每一天线元件映射器专用于一个天线端口而与天线元件的数目无关,其中每个 天线端口形成个别信号路径,所述个别信号路径用于将特定波束方向图数据从所述基站传 送到每个天线元件阵列且进一步传送到每个天线元件且反之亦然;
[0049] -在发射方向上:
[0050] -每一天线元件映射器包括对应于所述天线元件阵列的天线元件的所述数目的移 相器;
[0051 ]-组合单元被布置成用于每一天线元件;且
[0052]-每一组合单元具备各自连接到每个天线元件映射器的多个输入,以及连接到所 述天线元件阵列的对应天线元件的输出;
[0053]-在接收方向上:
[0054]-每一天线元件映射器包括对应于所述天线元件阵列的天线元件的所述数目的移 相器;
[0055] -组合单元被布置成用于每一天线端口;且
[0056] -每一组合单元具备各自连接到每个天线元件映射器的多个输入,以及连接到对 应天线端口的输出。
[0057] 前述组合单元的益处在于,天线元件的数目不限于依据3GPP LTE标准的天线端口 的数目或者以任何其它方式受限制。与每个天线端口连接到包括多达10个天线元件的一个 天线的先前布置相比,现在不受限数目的天线元件可以形成天线阵列,而每一天线元件可 以受到个别地控制。换句话说,天线阵列变为天线元件阵列,其中不仅天线而且所有天线元 件都可以受到个别地控制。因此,每时间和空间的所有数据速率的总和(容量)可以增加,且 单个用户的数据速率将改善。词语"天线"和"天线元件阵列"同义地使用,这意味着天线元 件阵列包括多个天线元件,且形成天线,而至少两个天线元件阵列或天线也可以形成天线 阵列。
[0058] 在本天线系统的有利实施方案中,天线阵列包括用于在数据库中存储波束成形向 量的构件。在波束成形数据库中,存储不同的波束成形方向图。根据用户特定的要求,分配 最合适的波束方向图。重要的是提供同步信号或参考信号,以便根据发射和接收信号的子 帧结构使每个波束成形向量同步。
[0059] 在本天线系统的另一实施方案中,天线元件形成有源天线元件。这意味着放大器 和收发器布置于所述天线元件中。
[0060] 在本天线系统的另一有利实施方案中,天线端口的数目等于或小于天线元件的数 目。由于本天线系统的缘故,更多天线元件可以受到个别地控制,而对于3GPP LTE标准这是 不可能的。因此,可以改善波束成形过程的质量,且可以增加数据速率量且因此增加容量。
[0061] 在本天线系统的另一实施方案中,在波束成形数据库中涉及预编码单元。本发明 使得能够处理不在基站中而在天线侧上的预编码。这是可能的,因为波束成形向量对于每 子帧每单个用户是时间同步的。预编码单元还可以作为自身的数据库单元而安装,或者还 包含到波束成形矩阵中。还可能实时计算最合适的预编码方案。由于天线阵列通常不具有 帧和子帧的概念,因此子帧起始样本索引需要一次传达到天线元件阵列。子帧起始样本索 引可指向子帧或帧的第一样本,或指向用作锚定样本的任意样本,子帧起始可以参考所述 锚定样本。替代地,时间也可以通过一些专用导线来传达。如果系统使用不同的子帧时序用 于上行链路和下行链路,那么上行链路和下行链路时序都需要传达到天线元件阵列。天线 元件阵列接着在对应子帧边界处切换波束成形向量。因此使用波束成形数据库。
[0062] 本发明的目的将还通过一种方法以一方式解决,使得天线元件阵列的每个天线元 件由储存在天线阵列中的波束成形数据库中的天线端口特定的波束成形向量个别地控制。 所述发明方法特征在于以下步骤:
[0063] -将所述天线元件布置于天线元件阵列中,其中所有天线元件受到个别地控制;
[0064] -在所述天线阵列中存储天线端口特定的波束成形向量;且
[0065] -所述天线元件阵列的每个天线元件受到所述波束成形向量的天线元件特定的向 量元素个别地控制。
[0066]通过此方法,用于分离组合信号的复杂过程是不必要的,因为所述信号已经在基 站中分离。在天线侧的进一步处理是不必要的,且节省了资源。
[0067] 在所呈现发明方法的一个实施方案中,所述方法还特征在于以下步骤:
[0068] -将包括所述波束成形向量的波束方向图数据存储在所述天线系统的波束方向图 矩阵存储器中,
[0069] -用逻辑上界定的天线端口经由光纤发射天线信号;
[0070] -其中在每个天线端口上与子帧相关地时分发射所述信号;
[0071 ]-其中在子帧特定的时间间隔中的一者中在所述天线端口中的一者中的所述信号 属于所述波束方向图中的一者;
[0072]-在发射方向上:
[0073]-以对应的波束成形向量对所述信号加权;
[0074] -以其它天线端口的对应波束成形向量对所述其它天线端口的所述信号加权;
[0075] -将所有信号组合成天线元件信号;以及
[0076] -将所述天线元件信号递送到所述天线元件;以及 [0077]-在接收方向上:
[0078] -从所述天线元件接收天线元件信号;以及
[0079] -以对应于将用于接收数据的所述天线端口的适当子帧间隔的波束成形向量对所 述天线元件信号加权;
[0080] 且接着将所有经加权天线元件信号组合成将由天线端口发射的数据。通过此发明 方法,形成甚至更大天线的一个天线阵列的极大增加数目的天线元件可以受到个别地控 制。这不再受限于由3GPP长期演进第9版标准(参见上文)设置的带宽极限或限制。
[0081] 在所呈现方法的有利实施方案中,根据发射和接收信号的子帧结构以时间同步方 式切换每个波束成形向量。
[0082] 进而在子帧基础上在每一天线端口上发射和接收不同的波束成形方向图。
[0083]在RF侧上针对每个子帧以时间同步方式提供预编码处理。因为预编码是在一个子 帧的持续时间中的时变操作,所以子帧起始样本索引可指向子帧或帧的第一样本,或指向 用作锚定样本的任意样本,子帧起始可以参考所述锚定样本。替代地,时间也可以通过一些 专用导线来传达。如果系统使用不同的子帧时序用于上行链路和下行链路,那么上行链路 和下行链路时序都需要传达到天线元件阵列。天线元件阵列接着在对应子帧边界处切换波 束成形向量。
[0084]在本方法的实施方案中,在0FDM符号基础上在每一天线端口上在下行链路方向上 发射不同的波束成形方向图,而在接收上行链路方向上使用SC-FDMA。在此情况下,波束成 形向量的选择不是在子帧基础上提供,而是在符号基础上提供。这可以在探测参考符号 (SRS)中使用。
[0085] 波束成形方向图取决于用户特定的要求,且可以根据基站来调适,所述基站通过 发送一些标引向量而为每一子帧选择不同的波束成形方向图,所述标引向量仅含有波束成 形向量数据库中关于选定波束成形向量的索引。如上所述,这可以也在符号基础上使用。
[0086] 在用于以天线元件阵列布置为天线阵列提供天线信号的本方法的另一实施方案 中,以一方式在所述天线阵列中在时域中执行预编码处理,使得每一天线端口映射到所述 天线元件阵列的每个天线元件的一个特定的波束成形方向图。
[0087] 所呈现方法支持关于许多用户的大的现场试验,只要每子帧选定波束成形方向图 的数目限于由基站支持的天线端口的数目即可。
[0088] 将借助于实施方案来说明本发明。对应图式示出了相关现有技术以及本发明的实 施方案,即:
[0089] 图1由天线阵列发射的波前的示意图;
[0090] 图2用于移动无线电接入技术的波束成形应用的示意图;
[0091 ]图3包括具有天线元件的若干天线的天线阵列的示意图;
[0092]图4包括若干天线元件的单个天线的示意图;
[0093]图5基站与RF发射侧之间的典型分割;
[0094]图6基站与RRH之间经由CPRI的常规连接的示意图;
[0095] 图7向不同用户的LTE资源分配的实施例;
[0096] 图8用于发射分集和空间多路复用(ΜΙΜΟ)的信号处理的示意图。在规范中使用符 号[d]、[x]和[y]来分别表示在层映射之前和之后以及在预编码之后的信号;
[0097] 图9作为本发明的基础在基带中发生加权的天线阵列的概念框图;
[0098] 图10根据本发明的天线系统针对Tx方向的示意图;
[0099] 图11根据本发明用于波束成形多个发射和接收信号的网络;
[0100]图12图11的详细示意图;
[0101] 图13根据本发明借助天线元件映射的LTE物理信道处理的概览;
[0102] 图14根据本发明的连接到天线元件阵列的基站;
[0103] 图15可变波束成形处理和用户分配的示意图;
[0104] 图16针对图15的实施例的用户到天线端口的示例性映射的表;
[0105] 图17根据本发明借助天线元件映射的替代LTE物理信道处理,其中预编码在0FDM 信号产生之后完成;
[0106] 图18作为可通过本发明在元件面板设计中致动的天线元件阵列的天线阵列;
[0107] 图19作为可通过本发明在用于小型小区的立方体设计中致动的天线元件阵列的 天线阵列;以及
[0108] 图20可通过本发明在用于灵活的360°波束成形的圆柱形设计中致动的天线元件 阵列的天线阵列。
[0109] 本发明是基于区别于如上文论述的现有技术的波束成形技术。其中,在将基带信 号上变频转换到RF之前或在下变频转换RF信号之后将相位添加到所述基带信号。在此情况 下,每一天线元件与收发器和由功率放大器、滤波器、双工器等等组成的RF前端相关联。图3 中示出了此配置。这些有源天线元件形成一个天线。
[0110] 图9示出了具有N个天线元件9的天线2。每一天线元件9具有其自身的包括RF前端 27和收发器28的天线单元26,且与基带处理单元29相关联,所述基带处理单元进一步简称 为基带单元。天线单元26负责辐射用于特定天线元件9的发射信号且拾取接收的信号。在RF 前端27中发生发射信号和接收信号的放大和额外滤波。收发器28负责分别将发射信号从基 带上变频转换到RF频率,且将接收信号从RF下变频转换到基带。基带单元29自身负责根据 Tx和Rx波束成形向量将相移和/或振幅缩放应用于发射信号和接收信号。Tx波束成形向量 被定义为保持用于所有天线元件的发射路径的所有相位(且任选地,振幅)的向量。
[0111] 参见图9,在Tx方向30上的波束成形向量是~ &其中倘若 波束成形向量仅影响相位,则相位向量为1>! …Κ?Γ。如果另外将对振幅进行缩 放,那么波束成形向量将由复值元素组成奴|…
[0112] 同样,在Rx方向31上的Rx波束成形向量被定义为保持用于所有天线元件的接收路 径的所有相位(且任选地,振幅)的向量。
[0113] 图10中示出了天线元件9的发明性天线元件阵列32的详细图式。具有天线元件9的 天线元件阵列32包含组合单元33,优选且在此描绘为加法器单元,其将所有天线元件映射 器13的所有移相器12的对应信号添加到天线元件9。因此,根据由移相器12应用的波束成形 向量,一个天线端口的信号被分裂到天线元件阵列32的每个天线元件9。应注意,图10中的 天线元件映射器13仅作为实施例而由移相器12执行和描绘。天线元件映射器13也可以作为 如上文关于图9描述的基带单元29来执行。进而在方向30和31上都将波束成形向量以电子 方式应用于信号。
[0114] 在图11中,分别待发射和接收的不同信号被映射到不同端口 10上。
[0115]在发射方向30上,待发射的多个发射端口 34的每一信号被个别地加权。随后,建立 用于每一天线元件的所有发射信号的总和,然后将每一天线元件9的所述总和呈现到收发 器28。在接收方向31上,每一天线元件9的接收的信号被分裂且随后通过与一些复值 相乘而被个别地加权,其中指数P表示端口编号,指数1表示天线元件的数目,且"r"表示相 位是针对接收侧。经加权总和随后被呈现给天线元件阵列32的多个接收端口 35。基站针对 每一接收信号使用Rx端口 35中的一者且针对每一发射信号使用Tx端口 34中的一者,即,每 一端口使用不同的波束成形方向图。如果信号将在所有波束上发送,那么基站可以在所有 可用端口上发送所述信号。
[0116]图12示出了数字单元36的组件,其中执行上文阐释的过程。所述数字单元至少包 含Rx波束成形与组合单元37、波束成形方向图矩阵存储器38、Tx波束成形单元39、控制单元 40以及时钟同步单元41。发射端口 34和接收端口 35连接到CPRI接口 42,所述CPRI接口变换 了由光纤23发射的天线端口 10。数字单元36经由光纤23连接到基站8(图12中未图示)。此 外,提供控制线43以使时钟同步单元41与基站8同步。进而天线端口 10的子帧间隔由数字单 元36"已知"。对于关于图11描述的Tx波束成形,数字单元36从波束方向图矩阵存储器38选 择至对应子帧间隔的波束成形向量。而且对于关于图11描述的Rx波束成形与组合,数字单 元36从波束方向图矩阵存储器38选择至对应子帧间隔的波束成形向量。
[0117] 在图11和12中示出了天线元件阵列32至少包括天线元件9。通常,CPRI接口 42、数 字单元36以及天线单元26物理上也布置于天线元件阵列32中。
[0118] 在图13中示出了天线元件阵列32经由天线端口直接连接到基站8,因为以如上文 阐释的配置控制天线元件9是可能的。这与图8形成对比,其中天线阵列1连接到基站8且进 而天线阵列1的天线2中的仅一者可以由天线端口 10中的一者控制。
[0119] 图14示出了本发明的另一呈现。天线元件阵列13使用多端口 IQ接口44连接到基站 8。天线元件阵列13的每一端口 10映射到天线元件阵列32的一个特定波束成形方向图。多个 IQ信号可以通过CPRI协议来发射。波束成形方向图可以是波束,或者可以是完全任意的方 向图。方向图自身可以存储在天线元件阵列32的波束方向图矩阵存储器38(此处名为波束 成形向量数据库)中。不同的方向图可以分别用于发射和接收。根据本发明,基站8可以为每 一子帧选择不同的波束成形方向图。这可以通过以下方式完成:分别在对应子帧的发射或 接收之前下载用于此子帧的对应向量,或者通过发送一些标引向量而从数据库38选择对应 向量,所述标引向量含有数据库中关于选定波束成形向量的索引。
[0120] 由于天线元件阵列32通常不具有帧和子帧的知识,因此子帧起始样本索引需要一 次传达到天线元件阵列32。子帧起始样本索引可指向子帧或帧的第一样本,或指向用作锚 定样本的任意样本,子帧起始可以参考所述锚定样本。替代地,时间也可以通过一些专用导 线来传达。如果系统使用不同的子帧时序用于上行链路和下行链路,那么上行链路和下行 链路时序都需要传达到天线元件阵列32。天线元件阵列32接着在对应子帧边界处切换波束 成形向量。
[0121] 图15示出了使用本发明可如何将不同的用户信号分别映射到不同波束上的实施 例,前提是所述用户信号在发射之前已经映射到不同端口 10上。在图15的实施例中,需要仅 四个(在MBTO的情况下为八个)专用天线端口 10,因为基站调度器在子帧24、25的给定时隙 处从不分配多于四个用户6、7。系统可以提供再多几个端口 10,例如用于物理下行链路控制 信道(PDCCH)发射和物理广播信道(PBCH)、主要和次要同步序列(分别为PSS和SSS)等等的 控制数据广播发射的端口。
[0122] 在图16中将针对图15的实施例的用户6、7到天线端口 10的示例性映射示出为表。
[0123] 认识到LTE中的预编码45是在一个子帧的持续时间中的时变操作且信号处理是线 性的,预编码操作45也可以在0FDM信号产生46之后完成,前提是需要不同预编码的所有 0FDM信号是单独地产生,即,映射到不同的层上,且然后在天线元件映射器中完成组合。使 用此分割,可以如图17中所示完成LTE下行链路信号产生。
[0124] 然而在上行链路接收侧上,在天线元件阵列处组合信号,接着将不同时域信号提 供到基站,且接着仅在所分配的频域中处理数据,是足够的。
[0125] 图18到20示出了关于本发明被设计为天线元件阵列的天线阵列的各种实施方案。 图18示出了元件面板设计。在图19中,示出了用于小型小区的立方体设计。而且,图20描绘 了在用于灵活的360°波束成形的圆柱形设计中的天线元件阵列。
[0126] 参考符号列表
[0127] 1天线阵列
[0128] 2 天线
[0129] 3发射方向
[0130] 4 波前
[0131] α 角度
[0132] 5 波瓣
[0133] 6特定用户
[0134] 7其它用户
[0135] 8 基站
[0136] 9天线元件
[0137] 10天线端口
[0138] 11放大器
[0139] 12移相器
[0140] 13天线元件映射器
[0141] 14物理层
[0142] 15用于动态资源分配的单元
[0143] 16用于无线电准入控制的单元
[0144] 17用于连接控制的单元
[0145] 18用于控制无线电承载的单元
[0146] 19小区间无线电资源管理器(RRM)
[0147] 20 S1 接口
[0148] 21 XI 接口
[0149] 22远程无线电头端
[0150] 23 光纤
[0151] 用户1到7
[0152] 24第一子帧
[0153] 25第二子帧
[0154] 26天线单元
[0155] 27 前端
[0156] 28收发器
[0157] 29基带处理单元,基带单元
[0158] 30 Τχ方向
[0159] 31 Rx 方向
[0160] 32天线元件阵列
[0161] 33组合单元,加法器
[0162] 34发射端口
[0163] 35接收端口
[0164] 36数字单元
[0165] 37 Rx波束成形与组合单元
[0166] 38波束方向图矩阵存储器
[0167] 39 Τχ波束成形单元
[0168] 40控制单元
[0169] 41时钟同步单元
[0170] 42 CPRI接口
[0171] 43控制线
[0172] 44 多端口 IQ接口
[0173] 45预编码
[0174] 46 0FDM信号产生
【主权项】
1. 一种天线系统,其包括: -基站(8); -多个天线元件(9),其组合到天线(2)上,而一个天线(2)的所述多个天线元件(9)经由 天线信号线连接到天线元件映射器(13); -每一天线元件映射器(13)经由天线端口(10)连接到所述基站(8); -天线端口( 10)的数目对应于天线元件映射器(13)的数目, 所述天线系统特征在于 -所述天线元件(9)布置于天线元件阵列(32)中,其中所有天线元件(9)受到个别地控 制; -每一天线元件映射器(13)专用于一个天线端口(10)而与天线元件(9)的数目无关,其 中每个天线端口(10)形成个别信号路径,所述个别信号路径用于将特定波束方向图数据从 所述基站(8)传送到每个天线元件阵列(32)且进一步传送到每个天线元件(9)且反之亦然; -在发射方向上: -每一天线元件映射器(13)包括对应于所述天线元件阵列(2)的天线元件(9)的所述数 目的移相器(12); -组合单元(33)被布置成用于每一天线元件(9);且 -每一组合单元(33)具备各自连接到每个天线元件映射器(13)的多个输入,以及连接 到所述天线元件阵列(2)的对应天线元件(9)的输出; -在接收方向上: -每一天线元件映射器(13)包括对应于所述天线元件阵列(2)的天线元件(9)的所述数 目的移相器(12); -组合单元(33)被布置成用于每一天线端口(10);且 -每一组合单元(33)具备各自连接到每个天线元件映射器(13)的多个输入,以及连接 到对应天线端口( 10)的输出。2. 根据权利要求1所述的天线系统,其特征在于,所述天线阵列(1)包括用于在数据库 中存储波束成形向量的构件。3. 根据权利要求1或2所述的天线系统,其特征在于,所述天线元件(9)形成天线元件阵 列⑵。4. 根据前述权利要求中任一项所述的天线系统,其特征在于,天线端口(10)的所述数 目等于或小于天线元件(9)的所述数目。5. 根据权利要求2所述的天线系统,其特征在于,预编码单元(45)布置于所述波束成形 数据库中。6. -种用于为天线系统(1)的天线元件(9)提供天线信号的方法,其中将所述天线信号 分布到多个天线元件(9)且以天线元件特定的参数加权,所述方法特征在于具有以下步骤: -将所述天线元件(9)布置于天线元件阵列(32)中,其中所有天线元件(9)受到个别地 控制; -在所述天线阵列(1)中存储天线端口特定的波束成形向量;以及 -所述天线元件阵列(32)的每个天线元件(9)受到所述波束成形向量的天线元件(9)特 定的向量元素个别地控制。7. 根据权利要求6所述的方法,其特征在于具有以下步骤: -将包括所述波束成形向量的波束方向图数据存储在所述天线系统中的波束方向图矩 阵存储器(38)中, -用逻辑上界定的天线端口( 10)经由光纤发射天线信号; -其中在每个天线端口(10)上与子帧(24,25)相关地时分发射所述信号; -其中在子帧特定的时间间隔中的一者中在所述天线端口(1 〇)中的一者中的所述信号 属于所述波束方向图中的一者; -在发射方向上: -以对应的波束成形向量对所述信号加权; -以其它天线端口(10)的对应波束成形向量对所述其它天线端口(10)的所述信号加 权; -将所有信号组合成天线元件信号;以及 -将所述天线元件信号递送到所述天线元件(9);以及 -在接收方向上: -从所述天线元件(9)接收天线元件信号;以及 -以对应于将用于接收数据的所述天线端口(10)的适当子帧间隔的波束成形向量对所 述天线元件信号加权; -将所有经加权天线元件信号组合成将由天线端口(10)发射的数据。8. 根据权利要求7所述的方法,其特征在于,根据所述发射和接收信号的子帧结构以时 间同步方式切换每个波束成形向量。9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在子帧基础上在每一天线端 口( 10)上发射和接收不同的波束成形方向图。10. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在RF侧上在每个子帧的时序 同步下提供预编码处理。11. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在OFDM符号基础上在每一天 线端口(10)上在下行链路方向上发射不同的波束成形方向图,而在接收上行链路方向上使 用SC-FDMA。12. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述基站(8)通过发送一些 标引向量而为每一子帧选择不同的波束成形方向图,所述标引向量仅含有波束成形向量数 据库中关于选定波束成形向量的索引。13. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,以一方式在所述天线阵列中 在时域中执行预编码处理,使得每一天线端口(10)映射到所述天线元件阵列(32)的每个天 线元件(9)的一个特定的波束成形方向图。
【文档编号】H04B7/06GK106031052SQ201580009417
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年2月23日
【发明人】V·奥厄
【申请人】艾赖斯股份有限公司
再多了解一些
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