利用多个功率放大器的功率控制和波束成形的制作方法

本发明涉及一种通信实体，包括天线阵列和多个功率放大器。此外，提供了一种用于操作通信实体的方法和计算机可读存储介质。

背景技术

在无线网络中，无线电接收机是无线电节点中用于从一个或多个无线电发射机接收无线电发送的功能。最重要和最基本的问题之一是设置发射机的输出功率。在许多系统(例如，在lte(长期演进)中，无线电链路具有dl(下行链路)和ul(上行链路)，其中dl是从还调度无线电链路的“主”节点(例如，基站节点)起始的发送，ul是从自主节点调度的从节点(例如，ue(用户实体))起始的发送。

通常，基站节点设置发射机的输出功率，以在ul和dl二者中实现确定的接收功率。根据基站的最大功率，dl功率通常是基站侧的固定功率密度。ul功率通过以下过程来确定：基站发送ue测量并调整其输出功率的dl参考信号，以便使所有ul发送的基站处的接收功率密度或多或少相同。在lte中，不同ul发送的接收功率密度的接近程度由下面的公式(1)中的α确定，其中α＝1给出相同的接收功率密度。对于lte中的上行链路数据信道pusch(物理上行链路共享信道)，ue在子帧i中的发送功率通过以下公式确定：

ppusch(i)＝min{pcmax，10log10(mpusch(i))+po_pusch(j)+α(j)·pl+δtf(i)+f(i)}(1)

其中，pcmax是配置的最大ue发送功率，mpusch(i)是针对ue分配的资源块的数量，po_pusch(j)是由更高层提供的小区特定和ue特定部分的总和组成的参数，j可以是0或1，α是由更高层配置的小区特定参数(也称为分数路径损耗补偿因子)，pl是在ue中计算的下行链路路径损耗估计，δtf(i)是由更高层提供的ue特定参数，并且f(i)是由在pdcch(物理下行链路控制信道)上发送的上行链路授权中发送的tpc(发送功率控制)命令控制的ue特定校正项。对于3gpp规范的后续版本，由于ue可以支持多个服务小区的多载波的支持，功率控制稍微复杂一些。

先进的多天线发射机的趋势是通常馈送所有天线的共有功率放大器(pa)正在被分布式pa替代，每个天线元件或子阵列一个pa。在新兴系统中，以高于当前蜂窝频率的频率(例如，毫米波)工作，分布式pa不仅将用于基站，还将用于ue，因为无线电可能将与天线集成。由于与波束成形的相互作用，分布式pa的功率控制会是更复杂的问题。

在分布式pa的情况下利用波束成形(共同称为预编码)进行上行链路功率控制的当前解决方案中，存在两种主要方法，每种方法都有其优点和缺点。第一种方法是使用仅相位预编码器，其能够以全功率(即，采用同样好的所有pa)发送。从单个链路的角度来看，这在覆盖有限的情况下是必需的。仅相位预编码的问题在于：(与包括幅度逐渐减小的最佳预编码器相比)它具有更高的旁瓣，并且因此传播更多干扰，这具有恶化系统性能的作用。

第二种方法是找到最佳波束成形，就像有一个共有pa那样，但然后归一化输出功率，以便不使pa在最高负载下饱和。结果是，由于接收功率太低或者在某些情况下由于限幅(clipping)，接收信号质量对于小区边缘用户而言过早地恶化。这在码复用系统中尤其糟糕，例如针对用于大规模mimo(多输入多输出)的5g上行链路探测信号。

因此，需要提供一种增强的功率控制机制，通过该机制可以更长时间地保持定义的信号质量。此外，应尽量减少对其它通信实体的干扰。

技术实现要素：

通过独立权利要求的特征满足此需求。在从属权利要求中描述了另外的实施例。

根据第一方面，提供了一种通信实体，包括具有用于发送和接收信号的多个不同天线的天线阵列，其中，通过叠加来自天线阵列的不同天线的发送信号来生成组合发送信号。所述通信实体还包括多个功率放大器，每个功率放大器连接到天线或子阵列之一。提供了一种控制单元，其被配置为控制多个功率放大器中的每一个的输入信号，并且被配置为通过控制由阵列中的每个天线发送的信号的相位和幅度缩放来生成定向组合发送信号。所述控制单元被配置为确定针对定向组合发送信号的总输出功率，并且被配置为确定连接的天线的至少一个功率放大器以最大功率在饱和状态下操作的饱和状态。当针对所述至少一个功率放大器检测到饱和状态时，所述控制单元被配置为以增大由与至少一个非饱和功率放大器连接的至少一个对应的天线发射的功率的方式来控制所述至少一个非饱和功率放大器的输入信号。

这种行为的优点在于，利用这种改进的功率控制机制，通信实体可以针对更高值的路径损耗来保持通过接收功率确定的信号质量。此外，定向组合发送信号保持在期望的方向上，使得与仅相位预编码器相比，减少了在其它通信实体处的干扰。

此外，提供了一种用于操作通信实体的方法，其中该方法如上所述或如下面进一步详细描述的那样执行。

所述方法包括如下步骤：控制多个功率放大器中的每一个的输入信号，并且通过控制阵列中的每个天线的相位和幅度来生成定向组合发送信号。此外，确定针对定向组合发送信号的总功率输出。此外，确定连接的天线的至少一个功率放大器以最大功率在饱和状态下操作的饱和状态，其中当针对至少一个功率放大器检测到饱和状态时，以增大由与至少一个非饱和功率放大器连接的至少一个对应的天线发射的功率的方式来控制所述至少一个非饱和功率放大器的输入信号。

此外，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中由通信实体的至少一个处理器执行计算机程序使得至少一个处理器执行如上所述的用于操作通信实体的方法。

应该理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，上文提到的特征以及下文将要解释的特征不仅可以用于所指出的各个组合，而且可以在其它组合中使用或者单独使用。除非另有明确说明，否则上述方面和实施例的特征可以在其它实施例中彼此组合。

附图说明

结合附图阅读以下详细描述，本申请的上述和附加特征及效果将变得清楚，在附图中相似的附图标记指代相似的元件。

图1示出了通信实体的示意图，该通信实体可以以优化的方式控制发送功率处于饱和状态。

图2示出了包括由图1的通信实体执行的以在饱和状态下优化输出的步骤的示例流程图。

图3示出了在饱和状态下的优化功率控制的另一实施例中的包括由图1的通信实体执行的步骤的示例流程图。

图4示出了指示本发明与本领域已知的解决方案之间的小区边缘比较的曲线图。

图5示出了指示与现有技术的解决方案相比的本发明实施例中的使用功率的曲线图。

具体实施方式

以下，将参照附图详细地描述本发明的实施例。应该理解的是，以下对实施例的描述不应被认为是限制性的。本发明的范围并非意图被下文所述的实施例或附图所限制，它们仅被视为说明性的。

附图被认为是示意性表示，附图中示出的元素不必按比例示出。相反，示出各元素以便本领域技术人员能够明白它们的功能和一般目的。附图中示出和下文中描述的功能块、设备、组件或物理或功能单元之间的任何连接或耦接也可以通过间接连接或耦接实现。组件之间的耦接也可以通过有线或无线连接来建立。功能块可以以硬件、软件、固件、或其组合来实现。

在下文中，描述了可以如何设计和操作多天线通信实体(例如，ue)的技术，该多天线通信实体具有向节点(例如，基站)进行发送的分布式功率放大器。图1示出了这样的通信实体100的示意图。通信实体100包括具有多个天线111-114的天线阵列110。每个天线连接到功率放大器，例如功率放大器121-124。此外，提供了控制单元130，其能够控制到功率放大器的输入信号，并且被配置为通过控制阵列110中的每个天线的相位和幅度来生成定向组合发送信号。控制单元能够并且负责确定生成定向组合发送信号所需的不同天线的波束成形权重。因此，控制单元可以结合基带和/或无线电处理能力，而功率放大器121-124可以仅控制信号的幅度缩放。控制单元130可以包括一个或多个处理器，这些处理器被提供用于控制通信实体的操作。至少一个处理器可以是多核处理器。通信实体100还包括存储器140，其可以存储可以由至少一个处理单元131执行的程序代码。执行程序代码可以使通信实体执行上述或者在下面更详细地描述的技术。天线阵列110可以被认为是用于与其它实体通信的接口，其中该接口用作向其它实体发送用户数据或控制消息的发射机，并且可以被认为是提供从其它实体接收用户数据或控制消息的可能性的接收机单元。

在功率控制过程中，通信实体110可以估计朝向节点b200(在图1中被示出为其它通信实体，比如与通信实体100通信的基站)的路径损耗。当朝向接收实体或节点b200的路径损耗已知时，可以估计用于发送的波束成形矢量w。波束成形矢量有助于定义由所有天线111-114发送的定向组合发送信号。路径损耗因子和波束成形矢量w用于估计实现期望功率密度所需的总发送功率，该期望功率密度可以是通过上述公式1给出的接收功率密度。如果所估计的发送功率导致功率放大器121-124中的一个以全功率操作的功率饱和状态，则通信实体100通过增大非饱和功率放大器的输入信号功率来补偿饱和。

如下面将更详细地说明的，功率控制机制使得非饱和功率放大器处的功率用附加项b增强，该附加项b补偿由于功率饱和引起的损耗。

这将在下面更详细地说明。如果使用上述公式1，则可以去除一些项，因为α可以被设置为1并且m可以被设置为1，其中p被定义为和使得公式1简化为公式2：

p＝ptarget+pl(2)

当没有从基站接收到功率值时，可以省略公式1的最后两项。为了简化说明，下面还假设所有n个功率放大器是相同的，即具有最大输出功率。

pmax＝pcmax/n

在给定波束成形矢量为||w||＝1的已知技术中，用于获得满足分布式功率放大器约束的预编码器的典型方法如下：

在其中一个方法中，包含总功率p和波束成形矢量w的预编码器变为：

这是本领域已知的解决方案。在该等式3中，表达式clip意味着对应的功率放大器不以期望的功率水平输出功率。通过该限幅操作确定的有效预编码器的问题在于，当一个或多个功率放大器可能变得饱和并且将以最大功率运行时，允许改变波束成形特性。在本领域已知的另一方法中，通过将每个功率放大器的有效发送功率设置为如下形式来避免该问题：

其中，||||max是无穷大范数，意味着它给出了元素的值和具有最高绝对值的矢量。因此，保持所需的波束成形特性，因为避免了对预编码器中的任何元素进行限幅或缩小(downscale)。通常，预编码器中的所有元素都以相同的方式缩小。由此，有效预编码器将以与w相同但传输的功率较小的图案形状进行发送。因此，其它现有技术解决方案如下：

上述解决方案的问题在于：用等式5的运算确定的有效预编码器引起功率损耗。

在下文中，讨论了本发明的实施例，其中建议当功率放大器之一处于饱和状态时，用增量因子b对功率进行超线性缩放：

超线性缩放意味着其它非饱和功率放大器的增大量大于使用路径增益时的增大量。

增大功率以将所需功率保持在预编码器w的方向上。在这种情况下，可以观察到，如果根据真正的归一化信道确定w，则该公式将完美地保持接收机处的接收功率。满足该等式的b的值可以是例如通过迭代线搜索算法而获得的。对于非常高的路径损耗，所有功率放大器将变得饱和，因此将没有满足该等式的b的值。在这种情况下，b可以根据任何足够大的值来简单地设置，例如

这意味着b足够大，导致w中的最小非零元素被缩放以给出最大输出功率。

在另一示例中，替代使用所需的预编码器w的投影，而是使用估计的信道h上的投影。这意味着：

当未根据信道h确定预编码器(例如，当根据有限的码本从基站用信号通知w)、但仍然需要知道不是始终可用的通信实体处的信道h时，这可能更好。

图4指示针对上述解决方案的基站处的接收功率的结果。从图4可以推断出，当使用由等式3提到的现有技术的解决方案时，功率放大器限制的影响是什么。该限制主要是由于矢量w的幅度变化。在所示的示例中，认为使用发射机天线，并且每个天线使用独立的相等幅度瑞利衰落，并且使用-90dbm目标。可以看出，与上面通过等式3和曲线图41所示的解决方案相比，通过曲线图40所示的本发明在-1db功率偏移下的性能提高了1.5db，并且与由等式5和曲线图42给出的已知解决方案相比，甚至提高了大约3.2db。仅相位策略将给出与本发明的上述实施例中描述的接收功率相同的接收功率，但会生成更多干扰。图5中指示了针对通信实体发送23db的总功率的结果。功率与生成的干扰量成比例。从图5中可以看出，曲线图51所示的现有技术的仅相位预编码器通常不是一个好的选择的原因，尽管在基站处给出与曲线图51所示的所提出的解决方案相同的接收功率。可以看出，对于更高的路径增益值，本发明实施例的输出功率比仅相位预编码器低大约0.90db，并且干扰显著降低。

关于上面提到的超线性缩放，将结合图4对其进行说明。举例来说，情况始于路径增益为-115db的非饱和情况，ue移动至-120db路径增益处的饱和状态。然后，例如，由于饱和，波束成形增益可以从9db下降到8db。因此，如果仅施加线性功率增大，则不满足-90dbm目标。但是，通过可以给出附加的1db功率增大的超线性缩放，将实现功率目标，除非附加的pa因为这1db的增大变得饱和(然后需要更高的功率)。

在下文中，给出了用于搜索b的值的示例搜索。

b→b_low

2b→b

endwhile

(b+b_low)/2→b

else

(b+b_low)/2→b_low

endif2

endwhile

endifl

图2总结了由图1中所示的通信实体100执行的一些主要步骤。在步骤s210中，确定通信设备处所需的总功率输出。在步骤s220中，检测意味着功率放大器121至124中的至少一个正在饱和状态下操作的饱和状态。作为对饱和状态的反应，在步骤s230中增大非饱和天线的功率。

图3提供了在通信实体100处执行的方法的更详细图。在步骤s310中，估计朝向目的地节点(比如，图1的节点200)的路径损耗。在下一步骤s320中，确定波束成形矢量w，以在目的地节点处获得期望的功率。在步骤330中，确定通信实体的总输出功率。在步骤s340中，检查是否存在意味着至少一个放大器正以最大功率操作的饱和状态。如果是这种情况，则在步骤s350中增大其余天线处的功率。在步骤s360中，检查是否获得定义的功率。如果不是这种情况，则进一步增大功率直到获得所需的功率为止。当在步骤s340中未检测到饱和状态时，其直接在步骤s370中结束。

在图1所示的实施例中，单个控制130用于控制不同天线的相位和幅度。在备选实施例中，控制单元可以分成两个部分，即两个对应的子控制单元。如果通过第一子控制单元预先给出并确定和应用波束成形权重，则第二子控制单元将仅负责检查是否可以利用给定功率放大器针对给定波束成形矢量实现对波束成形和功率缩放的组合进行预编码，以满足定义的接收功率。如果不是，由于功率放大器饱和，则第二子控制单元将控制功率，从而仅控制非饱和功率放大器的信号的幅度。这意味着相位缩放保持不变，并且可以假设该相位已经由第一子控制单元配置。

根据上面所述，可以得出一些一般性的结论。

就通信实体而言，控制单元被配置为估计由通信实体朝向目的地节点发送的组合发送信号的朝向目的地节点的路径损耗。此外，通信实体被配置为确定用于到目的地节点的发送的波束成形矢量w，以在所述目的地节点处获得定义的功率，其中波束成形矢量w指示针对天线阵列中的每个天线的信号的幅度和相位缩放。

这里，控制单元可以以在目的地节点处保持定义的功率的方式来控制至少一个非饱和功率放大器的输出信号，除非所有非饱和功率放大器均在饱和状态下操作。

当所述至少一个功率放大器处于这种情况状态时，控制单元优选地将功率放大器与所连接的天线保持为处于最大功率，并且增大非饱和功率放大器处的功率，使得在目的地节点处保持所述定义的功率。

控制单元可以将针对其余每个天线的其余功率放大器处的功率增大常数因子b。

在另一选择中，可以针对每个功率放大器单独确定因子b，使得可以针对不同的功率放大器生成不同的因子b。

此外，控制单元可以估计从通信实体朝向目的地节点发送的信号的从通信实体到目的地节点的通信信道，并且控制单元基于所估计的通信信道将所述至少一个非饱和状态功率放大器处的输入信号适配为处于饱和状态。此外，在天线阵列的所有天线的相位和定向组合发送信号的方向保持恒定的情况下，可以增大至少一个非饱和功率放大器的功率。

其上存储有用于执行上述步骤的计算机程序的计算机可读存储介质可以是任何计算机可读信号介质。计算机可读存储介质可以是例如(但不限于)电、磁、光、电磁、半导体系统、装置或设备、或者前述各项的任意合适组合。计算机可读存储介质的更具体的示例将包括以下各项：具有一个或多个电线的电连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器ram、只读存储器rom、可擦除可编程只读存储器eprom或闪存、光纤、便携式高密度盘只读存储器cd-rom、光存储设备、磁存储设备、或前述各项的任意合适组合。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是任何有形介质，其可以包含或存储由指令执行系统装置或设备使用或与指令执行系统装置或设备相组合的程序。

上述方法的优点在于提供了一种增强的功率控制机制，其中与现有技术中已知的系统相比，诸如通信设备的功率受限节点可以将通过接收功率确定的信号质量保持更长时间。这尤其改善了上行链路小区边缘比特率，其是通常最难以改进且最重要的性能度量。与现有技术的实施例相比的另一优点在于，在非小区边缘处的干扰减少大约1db。