基于大规模天线的图案、极化分束多路访问方法及执行其的装置与流程

以下实施例涉及基于大规模天线的图案、极化分束多路访问方法及执行其的装置。

背景技术：

大规模多输入多输出(massivemimo，multipleinputmultipleoutput)技术为在基站或中继站使用大规模天线的无线传送技术，通过波束成形，用户设备(ue，userequipment)信号之间的干扰受到空间限制，从而可通过相同量的无线资源同时对大量的用户设备进行服务，同时，每个用户设备所消耗的电力减少成天线数的倒数。

但是，如以往的3扇区，若上述技术对大规模服务对象区域内的个别用户设备个别适用波束成形，则为了通过频分双工(fdd，frequencydivisionduplexing)体现上述技术，在用户设备推定大规模多输入多输出通道状态信息(channelstateinformation(csi))来向基站反馈，基站将其用为确定波束成形加权值(weight)，上述大量的通道状态信息反馈很难通过技术体现。

作为用于解决上述问题的方法，将以往的3扇区系统的扇区分割为多个波束扇区，在波束扇区内，作为以往的mu多输入多输出技术提出了分束多路(beamdivisionmultipleaccess(bdma))技术。分束多路技术在通信系统中有效分割频率、时间资源及空间资源，向用户设备分割直交(orthogonal)的波束来实现分多址。即，分束多路技术使位于类似位置的终端共享一个波束来进行通信。

技术实现要素：

技术问题

实施例可改善基于以往的分束多路技术的波束扇区内的多输入多输出通道的条件数(conditionnumber)变多，从而很难稳定地传送n个字符串流的问题。

并且，实施例使用k个的天线阵列来在各个阵列构成b个波束扇区，通过分束多路方式再次使用频率，同时，为了在各个波束扇区内体现多输入多输出传送，k个的天线阵列具有k个不同的辐射图案(包括极化)，可同时向多输入多输出传送各个波束扇区的k个信号，从而可改善系统的自由度(dof，degreeoffreedom)和频率有效性(spectralefficiency)。

不仅如此，实施例为了使用具有相同aod的k个的波束来以多输入多输出方式同时传送k个字符串流而重叠使用具有不同图案的k个的天线阵列，由此，为了k个发送天线阵列所需要的物理空间的面积不会增加，从而可以改善空间使用性。

解决问题的方案

一实施例的图案、极化分束多路访问方法可包括：利用多个图案、极化天线阵列来按各个天线阵列生成多个波束扇区的步骤；以及分别对上述多个波束扇区执行多输入多输出传送的步骤，上述多个图案、极化天线阵列各自具有不同的辐射图案。

上述分别对上述多个波束扇区执行多输入多输出传送的步骤可包括：对所要分别向上述多个波束扇区发送的多个信号进行预编码的步骤；以对于上述经过预编码的多个信号各自的加权值为基础，分别对上述经过预编码的多个信号进行波束成形的步骤；以及分别利用上述多个天线阵列来发送经过波束成形的多个信号的步骤。

上述多个天线阵列可呈重叠(overlapping)结构。

在上述多个波束扇区各自生成的各个波束的发射角(angleofdeparture)与上述多个图案、极化天线阵列的天线阵列指数无关地大致相同。

一实施例的通信装置可包括：多个图案、极化天线阵列，分别具有不同的辐射图案；以及控制器，利用上述多个图案、极化天线阵列来生成各个天线阵列的多个波束扇区，并分别对上述多个波束扇区执行多输入多输出传送。

上述控制器可包括：预编码器，用于对所要分别向上述波束扇区发送的多个信号进行预编码；以及波束形成器，以对于上述经过预编码的信号各自的加权值为基础，分别对上述经过预编码的多个信号进行波束成形。

上述多个天线阵列可呈重叠结构。

在上述多个波束扇区各自生成的各个波束发射角与上述多个图案、极化天线阵列的天线阵列指数无关地大致相同。

上述预编码器可按各个波束扇区来体现。

附图说明

图1示出多输入多输出分束多路系统的一例。

图2示出一实施例的图案极化天线阵列。

图3示出利用图2所示的天线阵列的天线结构的一例。

图4示出基于一实施例的图案极化分束多路技术的波束扇区化示意图。

图5示出一实施例的模式极化分束多路发送器结构。

图6示出在多个接收天线的多个图案不同的情况下，使用均匀线性阵列(uniformlineararray)的通道模拟。

图7为在多个接收天线的多个图案相同的情况下，使用均匀线性阵列的通道模拟。

图8示出一实施例的图案极化天线结构的体现例。

图9示出图8所示的图案极化天线器件的各个端口的辐射图案。

图10示出用于模式极化分束多路性能模拟的极化分束多路波束扇区结构。

图11示出图10所示的波束扇区的aod得到反映而生成的多个波束图案。

图12示出使用横向8个天线器件来设计的多个水平波束的多个图案和使用纵向4个天线器件来设计的多个垂直波束的多个图案。

图13示出以往分束多路和模式极化分束多路之间的频率有效性(spectralefficiency)比较的一例。

图14示出以往分束多路和模式极化分束多路之间的频率有效性比较的另一例。

具体实施方式

对在本说明书中记载的本发明的概念的实施例，特定结构或功能性说明仅用于说明本发明的概念的实施例，本发明的概念的实施例可实施呈多种形态，而并不局限于在本说明书中说明的实施例。

本发明的概念的实施例可具有多种变更，并可以具有多种形态，实施例例示附图并在本说明书中进行详细说明。但是，这并非将本发明的概念的实施例限定在特定的公开形态，而是包括本发明的思想及技术范围内的变更、等同技术方案或代替技术方案。

第一或第二等的术语可用于说明多种结构要素，上述结构要素并不局限于上述术语。上述术语仅用于区分两种结构要素，例如，在不从本发明的概念的发明要求范围脱离的情况下，第一结构要素可被命名为第二结构要素，类似地，第二结构要素可被命名为第一结构要素。

当一个结构要素与其他结构要素“相连接”或者“链接”时，可以与其他结构要素直接连接或者链接，也可以在中间存在其他结构要素。相反，当一个结构要素与其他结构要素“直接连接”或“直接链接”时，中间不存在其他结构要素。说明结构要素之间的关系的表现，例如，“之间”和“直接之间”或“相邻”等也相同。

在本说明书中使用的术语仅用于说明特定实施例，而并非用于限定本发明。只要在文脉上并未明确表示，单数的表现包括复数的表现。在本发明中，“包括”或“具有”等的术语指定特定、数字、步骤、动作、结构要素、部件或这些组合的存在，而并非预先排除一个或一个以上的其他特征或数字、步骤、动作、结构要素、部件或这些组合的存在或附加可能性。

只要并未明确表示，包括技术或科学术语，在此使用的所有术语为本发明所属技术领域的普通技术人员一般理解的含义。通常使用的预先定义的术语具有与相关的技术文脉所具有的含义相同的含义，只要在本发明书中并未明确定义，无法被解释为异常或过度的含义。

以下，参照附图，详细说明实施例。但是，发明要求保护范围并不局限于这种实施例。各个附图中提出的相同附图标记示出相同部件。

以下说明的实施例为3gpp的5g核心技术的一种，标准化的全尺寸多输入多输出(fd-mimo，fulldimensionmimo)技术得到进化的新概念的技术，与以往的分束多路相比，实现极高的频谱效率(spectralefficiency)改善的技术，其效果在移动及无线通信市场极大。

图1示出多输入多输出分束多路系统的一例。

参照图1，多输入多输出分束多路技术使用波束形成器来构成波束扇区，在各个波束扇区可提供单用户多输入多输出(su-mimo，singleusermultipleinputmultipleoutput)或多用户多输入多输出(multiusermultipleinputmultipleoutput)传送。

多输入多输出分束多路技术在如下侧面存在问题。

自由度实现侧面

在k个发送天线阵列按规定间隔以上分离的位置中传送多重字符串流的情况下，若k个信号的发射角均向相同的波束扇区传送，则k个接收天线和发送天线之间的多输入多输出通道的条件数增加，从而很难稳定地传送k个字符串流。

空间使用性侧面

为了使用具有相同aod的k个波束来通过多输入多输出方式同时传送k个字符串流，具有相同的图案的k个天线阵列需要具有大于半波长的间隔，因此，需要用于k个发送天线阵列的大的物理空间。

在说明实施例的模式极化分束多路技术之前，可如下定义在本说明书中使用的“图案、极化天线器件”和“图案、极化天线阵列”。

在本说明书中，“图案、极化天线器件”为包括极化特性并具有唯一(unique)的辐射图案的天线器件，“图案、极化天线阵列”可以为由具有相同的极化特性及辐射图案的多个天线器件构成的天线阵列。

实施例的模式极化分束多路技术为了上述侧面而可如下进行工作。

dof实现侧面

使用k个天线阵列来在各个阵列构成b个波束扇区，从而通过分束多路方式再次使用频率。

在各个波束扇区内，为了体现多输入多输出传送，k个天线阵列可具有不同的辐射图案。

为了向波束扇区b发送k个信号，将向波束扇区b发送的k个信号{s1(b)，s2(b)，...，sk(b)}预编码之后，使用各个信号的加权向量w(b)来对多个预编码器输出信号{u1(b)，u2(b)，...，uk(b)}进行波束成形之后，使用波束形成器的输出信号来进行发送。

此时，预编码器b可控制向波束扇区b发送的k个的信号之间的干扰。

空间使用性侧面

可通过重叠k个发送天线阵列来进行聚集。

对此，上述侧面可通过本发明的模式极化分束多路技术如下改善。

dof实现侧面

使用k个发送图案、极化天线阵列来同时向多输入多输出传送各个波束扇区的k个的信号，从而使系统的dof达到k，以此具有频率有效性。

空间使用性侧面

为了使用具有相同的aod的k个的波束，通过多输入多输出方式传送k个字符串流，重叠使用具有不同图案的k个天线阵列，由此，为了k个发送天线阵列所需要的物理空间的面积不会增加。

以下，详细说明实施例的模式极化分束多路技术。

图2示出一实施例的图案极化天线阵列。图3示出利用图2所示的天线阵列的天线结构的一例。

参照图2，模式极化分束多路技术可利用具有多个独立的图案、极化特性的天线阵列。图2中，为了说明的便利，假设具有独立的图案、极化特性的天线阵列为4个。

如图2所示，第一图案、极化天线阵列type1可包括具有第一极化特性及第一辐射图案的第一图案、极化天线。第二图案、极化天线阵列type2可包括具有第二极化特性及第二辐射图案的第二图案、极化天线。第三图案、极化天线阵列type3可包括具有第三极化特性及第三辐射图案的第三图案、极化天线。第四图案、极化天线阵列type4可包括具有第四极化特性及第四辐射图案的第四图案、极化天线。

第一极化特性、第二极化特性、第三极化特性及第四极化特性可以不同。并且，第一辐射图案、第二辐射图案、第三辐射图案及第四辐射图案可以不同。

以具有4种独立的图案、极化特性的天线阵列type1～type4为对象分析性能的结果将后述。

如图3所示，具有4种独立的图案、极化特性的天线阵列type1～type4可呈重叠结构。对此，可节约天线的物理占有空间。

图4示出基于一实施例的图案极化分束多路技术的波束扇区化示意图。

参照图4，使用如图3所示的图案、极化阵列来构成多个波束扇区，生成多个波束扇区各自的波束的方法如下。

可使用具有不同的辐射图案的k个图案、极化天线阵列。

多个图案、极化天线阵列通过波束成形分别生成(或构成)b个波束扇区。即，在图案、极化天线阵列生成b个波束扇区。通过第k个图案、极化天线阵列形成在第b个波束扇区内的波束，例如，波束1、k的aod与阵列指数k无关，可以具有类似的值。即，可以为其中，ω(b)为第b个波束扇区的aod。

如上所述，在特定波束扇区b内可形成kxk多输入多输出通道。

图5示出一实施例的模式极化分束多路发送器结构。

参照图5，使用图5的发送装置的结构来向b个波束扇区发送k个字符串流的方法如下。例如，通常，发送装置可以为与用户设备进行通信的固定或移动基站。并且，发送装置可被称为节点b(node-b)、e节点b(enode-b或enb)、基站收发系统(basetransceiversystem)或切入点(accesspoint)等。

各个波束扇区内的用户设备可接收k个的字符串流。用户设备可被称为移动台(ms，mobilestation)、移动终端(mt，mobileterminal)、终端(terminal)或用户终端(ut，userterminal)、无线终端、接入终端(at)、用户单元(subscriberunit)、用户站(ss，subscriberstation)、无线设备(wirelessdevice)、无线通信设备、无线发射、接收单元(wtru)、移动节点、移动设备等。

发送装置使用包括p个具有不同的辐射图案的图案、极化天线器件的图案、极化天线阵列来在各个阵列构成b个波束扇区。

如图5所示，图3所示的图案、极化天线阵列(或图案、极化天线阵列结构)可分解为k个虚拟天线阵列(virtualantennaarray)。第k个虚拟天线阵列的大小(dimension)可以为mkxnk。其中，mk和nk可以为小于m和n的正数。此时，简单的情况为k＝p的情况。

各个虚拟天线阵列为了将服务区域(servicearea)分割为在虚拟天线阵列指数k具有独立的(或无关)aod的b个扇区而使用。例如，服务区域可以为发送装置可进行服务的(或可通信)的用户设备所在的区域。

因此，使用具有k个的虚拟天线阵列的图案、极化天线阵列，nrxk通道可在各个扇区体现。nr可以为用户设备的天线的数量。min(nr，k)字符通过相同的时间、频率资源向各个扇区传送。

为了向波束扇区b传送k个信号，对向波束扇区b发送的k个信号{s1(b)，s2(b)，...，sk(b)}进行预编码之后，预编码器输出信号{u1(b)，u2(b)，...，uk(b)}使用各个信号的加权向量wk(b)＝w(b)+ek(b)被波束成形之后，波束形成器输出信号{xk(b)，k＝1，2，...，k}可分别使用图案、极化天线阵列k(k＝1、2、…、k)来发送。

wk^(b)为用于向波束扇区b发送的第k个信号(或字符串流)的波束形成器加权值(或波束成形加权值)。w^(b)为对于波束扇区b的波束形成器加权值(或波束成形加权值)，沿着波束扇区b的中心方向形成波束扇区b。

其中，ek^(b)可以为ntx1向量，上述要素可具有如0或接近0的值。nt为发送天线的数量。

预编码器b可控制向波束扇区b发送的k个信号之间的干扰。

为了分析模式极化分束多路，可诱导特性波束扇区b内的信号模型如下。

假设发送装置，例如，从enb至波束扇区b内的用户设备存在l个的路径(path或scatterer)。具有nr个的接收天线的用户设备中的接收的信号向量如下数学式1。

[数学式1]

y＝hs^(b)+n

其中，可以为发送符号向量(transmitsymbolvector)。n可以为加性噪声矢量(additivenoisevector)。

通道矩阵如数学式2。

[数学式2]

其中，a1为第一个路径的增益和相位响应(gainandphaseresponse)，为对于波束扇区的波束形成器加权值(beamformerweight)，atx(l)arx(l)q(l)可为如数学式3、数学式4及数学式5。

[数学式3]

atx(l)为对于第一个路径的发送天线阵列的阵列因素。其中，为第n个发送天线器件的器件因素。

[数学式4]

arx(l)可为将对于第一个路径的接收天线阵列的天线因素作为元素具有的对角行列(diagonalmatrix)。其中，为第n个接收天线器件的元素因素，diag(.)可为对角化操作(diagonalizationoperation)。

[数学式5]

q(l)可为呈现出辐射图案及交叉极化效果(或干扰极化效果，cross-polarizationeffect)的nrxk矩阵。例如，q(l)可为发送天线阵列和接收天线阵列之间的天线辐射图案及极化对第一个路径通道产生的影响。其中，第(m,n)个要素可如数学式6那样定义。

[数学式6]

其中，和为具有与第一个路径相对应的的aoa的第m个接收天线的垂直及水平辐射图案，和为具有与第一个路径相对应的的aod的第k个发送天线的垂直及水平辐射图案。而且，为第一个路径的交叉极化效果。基于之前诱导的信号模型，分析对于波束扇区b内的多输入多输出通道的排行如下。

在发送装置的发送图案、极化天线阵列的图案不同，用户设备的所有接受天线(或接受天线器件)的图案相同的情况下，q(l)的所有行可以相同。对此，数学式2如数学式7表示。

[数学式7]

其中，为q(l)的第一个行向量(firstrowvector)，呈现出对于第一个路径的接收天线的阵列因素的arx(l)如数学式8。

[数学式8]

数学式7中的h为排行矩阵的线形组合，因此，h的排行的最大值(maximumvalue)不会大于l。对此，通道h的排行为min(l，nr，k)，对l≥min(nr，k)可以与min(nr，k)相同。

在发送装置的发送图案、极化天线阵列的图案不同，用户设备的所有接收天线的图案不同的情况下，矩阵q(l)可包括min(nr，k)的排行。与l值无关，通道h的排行可以为min(nr，k)。在此情况下，不仅是min(nr，k)＞1，l＝1的线的视线(los，line-of-sight)通道中，h的排行可大于1。

在l≥min(nr，k)的散射环境(scatteringenvironment)中，用户设备天线器件不管是相同或不同的辐射图案，均会增加图案、极化天线类型的数量来增加通道h的排行min(nr，k)。在不同图案的用户设备的天线器件的情况下，增加nr及k，通过l＝1的通道h，在相同时间及频率中可传送多个符号。

以下，参照图6及图7，说明基于上述发送装置的天线阵列和用户设备的天线图案的通道h的排行特性，即，dof的模拟。

图6示出在多个接收天线的多个图案不同的情况下，使用均匀线性阵列的通道模拟。

在多个发送图案、极化天线阵列的图案不同，多个接收天线的图案不同的情况下，通道h的排行特性如图6所示。此时，各个波束扇区内的通道群集的数为ncl＝1，各个通道群集内的光数为nray＝20，发送天线阵列的发送天线器件的数量为nt＝16，接收天线阵列的接收天线器件的数量为nr＝4，k＝4。

模拟结果与扩散角度无关，可获得dof＝4。并且，当dof判定时，通道群集的奇异值(singularvalue)为最大值的1/10³以下的部分空间固有向量可被判定为空子空间。

图7为在多个接收天线的多个图案相同的情况下，使用均匀线性阵列的通道模拟。

在多个发送图案、极化天线阵列的图案不同，多个接收天线的图案相同的情况下，通道h的排行特性可以如图7所示。此时，各个波束扇区内的通道群集的数为ncl＝1，各个通道群集内的光数为nray＝20，发送天线阵列的发送天线器件的数量为nt＝16，接收天线阵列的接收天线器件的数量为nr＝4，k＝4。

图7的模拟结果与图6相同，与扩散角度无关，可获得dof＝4。并且，当dof判定时，通道群集的奇异值为最大值的1/10³以下的部分空间固有向量可被判定为空子空间。

图8示出一实施例的图案极化天线结构的体现例。图9示出图8所示的图案极化天线器件的各个端口的辐射图案。

如图8所示，为了在更加实际的观点下观察一实施例的模式极化分束多路技术的性能，可设计具有4个图案、极化特性的团极化天线。并且，多个图案极化器件的各个端口的辐射图案可以如图9所示。

以下，说明模式极化分束多路性能模拟的结果。

图10示出用于模式极化分束多路性能模拟的极化分束多路波束扇区结构。图11示出图10所示的波束扇区的aod得到反映而生成的多个波束图案。

如图10所示，为了模式极化分束多路性能模拟，如图10所示，可定义对于8个波束扇区的aod。可向各个波束扇区内发送4个，总共32个的图案极化束。此时，图11示出对图10所示的波束扇区的aod得到反映而生成的总共32个的图案极化束适用最优化工法来获得的波束图案。

图12示出使用横向8个天线器件来设计的多个水平波束的多个图案和使用纵向4个天线器件来设计的多个垂直波束的多个图案。

如图12所示，在水平波束(horizontalbeam)的情况下，sidelobelevel为-18db左右，在垂直波束(verticalbeam)的情况下，sidelobelevel为-10db左右。

图13示出以往分束多路和模式极化分束多路之间的频率有效性(spectralefficiency)比较的一例。

参照图13，水平和垂直空间的通道的扩散角度均为5°，在单集群(singlecluster)内的光线数量为20个的条件下执行了模拟。在分别适用以往分束多路方式和实施例的模式极化分束多路方式的情况下，在各个波束扇区中，可根据snr获取的频率有效性如图13所示。

图14示出以往分束多路和模式极化分束多路之间的频率有效性比较的另一例。

图14示出在分别适用以往分束多路方式和实施例的模式极化分束多路方式的情况下，计算根据信噪比来在整个8个波束扇区中可获取的频率有效性的总和。如图14所示，在信噪比为20db的条件下，与以往分束多路技术相比，实施例的模式极化分束多路技术得到112％频谱效率增加。

除上述条件之外，在多种模拟条件下，与以往的分束多路技术相比，实施例的模式极化分束多路技术可获得的性能改善程度如表1所示。

表1

可从表1观察如下特性。

1.与以往分束多路相比，对图8所示的极化天线进行模拟的结果可获得90～112％以上的系统容量改善。

2.与分束多路相比，将无法获得3倍以上的频谱效率的原因判断为波束旁瓣。

3.可在高信噪比获得的最大se为98bps/hz。

4.光(ray)越大，se越大。

4.当扩散角度(angularspread)为5°时获得最大的se，当扩散角度为10°时，因波束扇区的干扰，se会降低，当扩散角度为1°时，光通道之间的相关性会增加。

通过模拟的性能分析结果，相对于以往分束多路相比，一实施例的模式极化分束多路技术可以获得90～112％以上的系统容量改善。

即，一实施例的模式极化分束多路技术以相同的天线使用空间为基准，以略微的体现复杂度(4个图案、极化天线)增加为代价来实现频率有效性(spectralefficiency)的改善。

以上说明的装置可体现为硬件结构药物、软件结构要素和、或软件结构要素及软件结构要素的组合。例如，在实施例中说明的装置及结构要素，例如，如可执行并响应处理器、控制器、算术逻辑单元(alu)、数字信号处理器、微计算机、现场可编程门阵列(fpga，fieldprogrammablegatearray)、可编程逻辑单元(plu，programmablelogicunit)、微处理器或指令(instruction)的任何装置，可利用一个以上的常用计算机或特殊目的计算机来体现。可执行处理装置操作系统(os)及由上述操作系统执行的一个以上的软件应用。并且，处理装置响应软件的执行，可对数据进行接近、存储、操作、处理及生成。为了方便理解，处理装置仅使用一个，但是，本发明所属技术领域的普通技术人员知道处理装置可包括多个处理要素(processingelement)和、或多个类型的处理要素。例如，处理装置可包括多个处理器或一个处理器及一个控制器。并且，也可以为并行处理器(parallelprocessor)和处理配置(processingconfiguration)。

软件可包括计算机程序(computerprogram)、代码(code)、指令(instruction)或这些中的一个以上的组合，构成按需要进行工作的处理装置或者独立或结合(collectively)地对处理装置进行命令。软件和、或数据通过处理装置解释或者为了向处理装置提供指令或数据，在一种类型的机械、结构要素(component)、物理装置、虚拟装置(virtualequipment)、计算机存储介质或装置或传送的信号波(signalwave)永久或暂时具体化(embody)。软件分散内在网络连接的计算机系统，通过分散的方法存储或者执行。软件及数据可存储于计算机可读记录介质。

实施例的方法体现为可通过多种计算机单元执行的程序指令形态，从而可记录在计算机可读介质。上述计算机可读介质可包括程序指令、数据文件、数据结构等的单独或组合。记录在上述介质的程序指令为了实施例而特别设计并构成，也可以为计算机软件技术领域中公知的可使用的软件。计算机可读记录介质的例包括如光盘、软盘及磁盘的磁介质(magneticmedia)、如cd-rom、dvd的光介质(opticalmedia)、光学介质(flopticaldisk)的磁光介质(magneto-opticalmedia)及rom、ram、闪存等的存储程序指令并执行的特殊构成的软件装置。执行指令的例包括通过编译器形成的机械代码和使用翻译器等来在计算机执行的高级语言代码。上述软件装置为了执行实施例的动作而作为一个以上的软件模块工作，反之亦然。

如上所述，通过限定的实施例和附图对实施例进行了说明，只要是本发明所属技术领域的普通技术人员，可从上述记载进行多种修改及变形。例如，说明的技术按与说明的方法不同的顺序执行，和、或说明的系统、结构、装置、电路等的结构要素与说明的方法不同的形态结合或组合，或者即使通过其他结构要素或等同技术方案进行代替或置换，也可以实现适当结果。

因此，其他体现、其他实施例及与发明要求保护范围相同的内容也属于后述的发明要求保护范围。