天線系統(tǒng)和用于控制所述天線系統(tǒng)的方法
【專利摘要】一種天線系統(tǒng)，其包括：基站；多個天線元件，其組合到天線上，而一個天線的所述多個天線元件連接到天線元件映射器，每一天線元件映射器經(jīng)由天線端口連接到所述基站。本發(fā)明還涉及一種用于為天線系統(tǒng)的天線元件提供天線信號的方法，其中將所述天線信號分布到多個天線元件且以天線元件特定的參數(shù)加權(quán)。本發(fā)明的目的是提供可以個別地控制比天線端口的數(shù)目要多的天線元件的配置。這是通過以下方式解決：將所述天線元件布置于天線元件陣列中，其中所有天線元件受到個別地控制；在所述天線陣列中存儲天線端口特定的波束成形向量；以及所述天線元件陣列的每個天線元件受到所述波束成形向量的天線元件特定的向量元素個別地控制。
【專利說明】天線系統(tǒng)和用于控制所述天線系統(tǒng)的方法
[0001 ]本發(fā)明提供一種天線系統(tǒng)，其包括:基站;多個天線元件，其組合到天線上，而一個 天線的所述多個天線元件經(jīng)由天線信號線連接到天線元件映射器，且每一天線元件映射器 經(jīng)由天線端口連接到所述基站，其中天線端口的數(shù)目對應(yīng)于天線元件映射器的數(shù)目。
[0002]本發(fā)明還提供一種用于為天線系統(tǒng)的天線元件提供天線信號的方法，其中所述天 線信號被分布到多個天線元件且以天線元件特定的參數(shù)加權(quán)。
[0003]自適應(yīng)天線陣列多年來已經(jīng)是眾所周知的。并非利用單個天線來發(fā)射或接收信 號，而是使用以某種幾何次序布置的多個天線。此布置通常可以稱為天線陣列。對于發(fā)射， 待發(fā)射的信號被呈現(xiàn)給所述天線陣列的所有天線。通過謹(jǐn)慎控制每一天線的每一相位，天 線陣列的方向性受到影響。這是因?yàn)檫h(yuǎn)場中的輻射信號會重疊，且因此取決于其相位而相 長地或相消地相加。為了說明目的，圖1中示出了此情況。
[0004] 圖1示出了由四個天線2構(gòu)成的線性天線陣列1，所述四個天線通過多個波前4在發(fā) 射方向3上發(fā)射射頻(RF)信號。此圖示出了在角度α的方向上波前4全部對準(zhǔn)，即，來自天線2 的信號在此方向上相長地相加。
[0005] 在接收方向上，天線陣列1以類似方式工作。此處，個別接收天線2的相位是對準(zhǔn) 的，從而獲得在特定方向上的方向性。
[0006]天線陣列1的主要優(yōu)點(diǎn)在于，可以用電子方式形成天線方向圖。一種可能的應(yīng)用是 波束成形，即，以朝向特定方向的高方向性產(chǎn)生波束方向圖。通過控制相位，可以朝向目標(biāo) 接收器或發(fā)射器導(dǎo)引波束，且所述波束也可用于跟蹤目標(biāo)。
[0007] 常規(guī)的相控陣列波束導(dǎo)引對饋送每一發(fā)射天線的信號的整體引入了相位和振幅 偏移。意圖是在特定方向上聚集信號功率。應(yīng)用相位和振幅偏移的相同技術(shù)也用于接收天 線上，以使接收器對來自特定方向的信號更敏感。在LTE中，可以調(diào)整個別資源塊的振幅和 相位，從而使波束導(dǎo)引靈活得多且更加用戶特定。但是波束導(dǎo)引并未增加數(shù)據(jù)速率，且因此 在未來應(yīng)用中，與在增加信號穩(wěn)健性方面的分集類似的波束導(dǎo)引的積極作用不再足以作為 專門的技術(shù)。
[0008] 圖2示出了用于移動無線電接入技術(shù)的波束成形的應(yīng)用。圖2中描繪的波瓣5表示 天線陣列1的若干天線2在發(fā)射和接收方向上對于一些選擇性用戶6或7的方向性。大體上， 對于發(fā)射和接收方向的方向性可以不同。在圖2中，基站8以利用波束成形的高方向性發(fā)送 和接收四個用戶信號。用戶6和7在較大范圍上是空間分離的。與全向發(fā)射相比，通過使用波 束，指向特定用戶6發(fā)送的能量集中得多，從而對其它用戶7造成較少干擾且進(jìn)而釋放其它 用戶的容量。
[0009] 另一應(yīng)用涉及尤其當(dāng)干擾為高度方向性時的干擾抑制。在此情況下，形成朝向干 擾的方向具有高衰減的方向圖。
[0010] 對于電子天線方向圖形成，常規(guī)天線陣列技術(shù)利用在通帶處應(yīng)用于信號的移相 器。在此情況下，在發(fā)射方向上，信號首先被轉(zhuǎn)換為載波頻率，且隨后被分裂而呈現(xiàn)給大量 移相器。同樣，在接收方向上，每一天線信號在組合之前首先被移位，且隨后被轉(zhuǎn)換回到信 號處理發(fā)生的基帶。
[0011] 在圖3中，示出包括Μ個天線2的天線陣列1，其中每一天線包括N個天線元件9。通 常，天線端口 10具備放大器11，所述放大器放大天線信號。
[0012] 在圖4中，示出具有根據(jù)圖3的若干天線元件9的單個天線2的詳細(xì)圖式。天線2包括 天線元件9。為了實(shí)現(xiàn)簡單波束成形的效果，例如向下傾斜，天線元件9具備移相器12。通過 這些移相器12,放大器11的輸出處的天線信號可以針對每一天線元件9個別地移位其相位。 可以手動地調(diào)整相移。通過機(jī)電方式驅(qū)動的組合件、例如通過齒輪電機(jī)來調(diào)整移位也是可 能的。以不同相位覆蓋同一天線信號實(shí)現(xiàn)了天線方向的改變。移相器12的布置可以視為天 線元件映射器13。如圖4中所示，天線元件映射器13布置于天線2內(nèi)。
[0013] 對于更快數(shù)據(jù)發(fā)射的需求越來越增加，且必須能夠進(jìn)行處置。實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率 的一種方式是使用多個天線系統(tǒng)。具有兩個或更多個天線的天線配置稱為多輸入多輸出 (ΜΙΜΟ)。至此，對先前的頻率-時間矩陣添加第三維度一空間。每個無線電信號具有其自身 的"空間指紋"。
[0014] 然而，天線陣列可以由遠(yuǎn)多于四個天線元件構(gòu)成。用于波束成形的天線元件的聯(lián) 合處理、在發(fā)射方向上的干擾減輕以及在接收方向上的干擾避免將是合意的。
[0015] ΕΡ 2 632 057 Α1公開了例如用于確定至少兩個天線元件的波束方向圖的設(shè)備。 為此目的，使用CPRI在標(biāo)準(zhǔn)基帶連接上傳送基帶信號?；鶐盘柋仨毢杏糜谥辽賰蓚€用 戶群組的至少兩個資源子集(子幀）以便形成兩個不同波束方向圖或波束形狀。這些資源子 集需要可以由信號處理器區(qū)分，以便將所述資源子集分配給用于兩個用戶群組（也參見圖 2)的不同波束(或波束形狀）。因此，分配給資源子集的頻率范圍不需要重疊 。ΕΡ 2 632 057 Α1中的波束成形過程受到帶寬限制，且因此限制了系統(tǒng)的容量，因?yàn)閭魉偷幕鶐盘柡?順序布置的不同波束成形向量，所述向量必須在天線側(cè)上由信號處理器分離。
[0016] 具有極為大量維度的波束成形和ΜΜ0(多輸入多輸出）在蜂窩式第三代合作伙伴 計(jì)劃(3GPP)標(biāo)準(zhǔn)化主體中被論述為進(jìn)一步增加容量的手段。自適應(yīng)天線陣列或自適應(yīng)天線 系統(tǒng)可以提供實(shí)現(xiàn)此技術(shù)的主要基礎(chǔ)。
[0017] 如"LTE;演進(jìn)型通用陸地?zé)o線電接入(E-UTRA)和演進(jìn)型通用陸地?zé)o線電接入網(wǎng)絡(luò) ^-1711^~) ;總體描述；階段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，基站緊鄰于小區(qū)塔而定位，其中天線安裝在小區(qū)塔的頂部。在 過去，RF功率放大器也位于小區(qū)塔的底部，且粗的低損耗RF電纜將天線與功率放大器連接 起來。在更現(xiàn)代的布置中，功率放大器連同收發(fā)器一起靠近天線而安裝。含有收發(fā)器以及功 率放大器兩者的單元通常稱為遠(yuǎn)程無線電頭端(RRHhRRH還包含用于接收器的濾波器、雙 工器和低噪聲放大器。到基站的主要連接是基帶信號。這些信號可以使用模擬信號(基帶IQ 信號)來發(fā)射，但它們越來越多地以數(shù)字方式發(fā)射。用于數(shù)字發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)是通用公共無線電 接口（CPRI)或開放式基站架構(gòu)聯(lián)盟(0BSAI)。圖5示出了基站與無線電發(fā)射位點(diǎn)之間的典型 分割。
[0018] 在圖5中作為不失一般性的實(shí)施例，假定所述基站8(eN〇deB)被設(shè)計(jì)成用于第四代 移動網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)(LTE-長期演進(jìn)）?；?含有物理層14、用于動態(tài)資源分配的單元15、用于無 線電準(zhǔn)入控制的單元16、包含媒體接入控制器(MAC)(未圖示)和無線電鏈路控制器(RLC) (未圖示）的用于連接控制的單元17、用于控制無線電承載的單元18,以及最后稱為小區(qū)間 無線電資源管理器(RRM)的用于管理小區(qū)間無線電資源的單元19?；?使用S1接口 20連接 到移動管理實(shí)體(未圖示）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)(未圖示）以及分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)(未圖示），且通過X2 接口 21連接到其它基站。物理層14經(jīng)由其基帶單元和天線單元連接到Μ個天線2,這些單元 如圖9中進(jìn)一步所示布置于所謂的遠(yuǎn)程無線電頭端(RRH)22中，所述RRH極靠近天線2附接于 天線桿處。
[0019]圖6示出了基站8與RRH 22之間通過CPRI(通用公共無線電接口）經(jīng)由光纖23的常 規(guī)連接的示意圖。多個天線信號在如CPRI中界定的若干天線端口 10中在邏輯上劃分的一個 光纖上發(fā)送到一個RRH 22。進(jìn)而僅可能選擇以移相器12確定的靜態(tài)天線方向圖。
[0020] 當(dāng)前，分別用于發(fā)射和接收側(cè)的八個天線被視為最大值。但是，通過圖5和6中示出 的分割，將所有接收的信號從例如100個天線元件9傳達(dá)到基站8用于進(jìn)一步處理以便增加 發(fā)射分集變得不可行，例如關(guān)于硬件的功率消耗、相關(guān)聯(lián)的發(fā)熱和巨大空間要求以及天線 系統(tǒng)與基站單元之間的鏈路的帶寬。
[0021] LTE標(biāo)準(zhǔn)在上行鏈路中使用單載波頻分多址（SC-roMA)且在下行鏈路中使用正交 頻分多址(0FDMA)。此外，使用幀結(jié)構(gòu)來將資源分配和指派給不同的用戶。一個幀跨越10ms 的時間周期且由各自為lms持續(xù)時間的10個子幀組成，而分別取決于使用延伸的循環(huán)前綴 還是使用正常循環(huán)前綴，一個子幀包括12或14個0FDM符號。最小的可尋址單元是所謂的資 源塊，其跨越對應(yīng)于12個15kHz的副載波的180kHz頻率且跨越lms時間。典型的eNodeB為用 于特定用戶的特定子幀分配在頻率上的連續(xù)資源塊。多個用戶可以通過在不同時間指派不 同資源塊來共享帶寬。在3GPP版本8和9中，那些塊總是被鄰接地指派，但在進(jìn)一步版本中， 非鄰接指派也可能增加分集。
[0022] 圖7示出了在頻率和時間上不同用戶的指派的實(shí)施例。以針對每個用戶的不同影 線描繪每時隙(所謂的子幀）的頻率資源的使用。在此實(shí)施例中，用戶6在較低頻率下總是被 指派相同資源。在第一子幀24中，用戶6還與用戶5和用戶4共享可用帶寬。在圖7中所示的第 二子幀25中，用戶6與用戶7和用戶2共享帶寬，等等。
[0023] 如"LTE;演進(jìn)型通用陸地?zé)o線電接入(E-UTRA);物理信道和調(diào)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^標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過稱 為預(yù)編碼的技術(shù)而支持某種波束成形。
[0024]大體上，將從基站傳送到用戶設(shè)備(UE)的用戶數(shù)據(jù)或信號將由天線發(fā)射且由UE接 收，而由一種信道引入的減損必須得到克服。進(jìn)而，在每一發(fā)射器的輸出中在規(guī)則的頻率位 置處的參考信號(或?qū)ьl)提供了接收器估計(jì)信道系數(shù)的一種方式，所述信道系數(shù)可以與所 述信道中的發(fā)射條件或性能相比較。
[0025]每一數(shù)據(jù)"管線"或信道將不會具有相同性能。LTE使用已知為上文提到的預(yù)編碼 和波束成形(都是"閉環(huán)多輸入多輸出(ΜΙΜΟ)"的形式)的反饋機(jī)制，其中手持機(jī)請求對發(fā)射 器輸出的交叉耦合的改變以給出與信道特性的最佳匹配。
[0026]對于LTE已經(jīng)具體采用術(shù)語"碼字"、"層"和"預(yù)編碼"來指代信號及其處理。圖8示 出了它們所涉及的處理步驟。
[0027]所述術(shù)語以如下方式使用：
[0028]碼字表示在被格式化以發(fā)射之前的用戶數(shù)據(jù)。取決于主要的信道條件和使用情況 可以使用一個或兩個碼字，CW0和CW1。在單用戶MMO(SU-MMO)的最常見情況中，將兩個碼 字發(fā)送到單個手持機(jī)UE，但在較不常見的下行鏈路多用戶MMKMU-MM))的情況中，每一碼 字發(fā)送到僅一個UE。
[0029] 術(shù)語"層"與流同義。對于mMO,必須使用至少兩個層。在3GPP長期演進(jìn)第9版標(biāo)準(zhǔn) 中允許多達(dá)四個層。層的數(shù)目總是小于或等于天線的數(shù)目。
[0030] 預(yù)編碼是在發(fā)射之前修改層信號。這可以針對分集、波束導(dǎo)引或空間多路復(fù)用來 完成。ΜΜ0信道條件可能偏向于一個層(數(shù)據(jù)流)超過另一層。如果基站(eNodeB)被給予關(guān) 于信道的信息（例如，從UE發(fā)送回的信息），那么所述基站可以添加復(fù)雜交叉耦合以抵消信 道中的不平衡。在2*2布置中，LTE使用簡單的3選1預(yù)編碼選擇，這在信道不改變太快的情況 下改善了性能。
[0031 ]波束成形修改發(fā)射信號以給出在信道的輸出處的最佳載波干擾噪聲比(CINR)。 [0032]因此，3GPP LTE第9版標(biāo)準(zhǔn)支持的預(yù)編碼矩陣支持多達(dá)四個發(fā)射天線和多達(dá)16個 碼簿條目。
[0033]在3GPP LTE第9版標(biāo)準(zhǔn)中，描述下行鏈路物理信道的一般結(jié)構(gòu)，其中基帶信號表示 在以下步驟(圖8)方面界定的下行鏈路物理信道：
[0034]-在物理信道上將發(fā)射的碼字(流)中的每一者中的經(jīng)編碼位的加擾，
[0035]-經(jīng)加擾位的調(diào)制以產(chǎn)生復(fù)值調(diào)制信號[d](通過QPSK、16QAM或64QAM調(diào)制），
[0036] -復(fù)值調(diào)制信號[d]到一個或若干發(fā)射層[X](在LTE標(biāo)準(zhǔn)中多達(dá)四個層)上的映射，
[0037] -用于在天線端口上發(fā)射的每一層[X]上的復(fù)值調(diào)制符號的預(yù)編碼，
[0038] -用于每一天線端口的復(fù)值調(diào)制符號到資源元素的映射，
[0039]-用于每一天線端口的復(fù)值時域0FDM信號[y]的產(chǎn)生。
[0040] 圖8示出了用于發(fā)射分集和空間多路復(fù)用(ΜΙΜΟ)的信號處理的示意圖。符號[d]、 [X]和[y]涉及分別在層映射之前和之后以及在預(yù)編碼之后的上文提到的信號。所述信號根 據(jù)天線端口 10映射到天線陣列1的天線2。換句話說，天線端口 10限于僅控制天線陣列1的天 線2而不是天線元件9。
[0041] 如上文已經(jīng)描述，將所有接收的信號從例如100個天線元件傳達(dá)到基站用于進(jìn)一 步處理以便增加發(fā)射分集變得不可行。
[0042] 本發(fā)明通過在天線單元處引入預(yù)處理而克服這些障礙。
[0043]因此本發(fā)明的目的是提供一種配置，所述配置可以個別地控制比依據(jù)3GPP LTE第 9版標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化接口可用的天線端口的數(shù)目更多的天線元件，且由此改善波束成形技術(shù)。
[0044] 本發(fā)明的又一目的是提供一種技術(shù)，所述技術(shù)可以通過并行化信號處理而非使用 順序技術(shù)且因此節(jié)省帶寬而增加這些天線系統(tǒng)的容量，且增加系統(tǒng)容量。
[0045] 本發(fā)明是基于以下想法:通過Tx和Rx波束成形向量將相移和/或振幅縮放應(yīng)用于 每一天線元件的發(fā)射信號以及接收信號。Tx波束成形向量被定義為保持用于所有天線元件 的發(fā)射路徑的所有相位(且任選地，振幅)的向量。同樣，在Rx方向上的Rx波束成形向量被定 義為保持用于所有天線元件的接收路徑的所有相位(且任選地，振幅）的向量。這些向量應(yīng) 用于在天線陣列內(nèi)或極靠近天線陣列的Tx或Rx信號。
[0046] 本發(fā)明的目的將進(jìn)而如下得以解決：
[0047] -天線元件布置于天線元件陣列中，其中所有天線元件受到個別地控制；
[0048] -每一天線元件映射器專用于一個天線端口而與天線元件的數(shù)目無關(guān)，其中每個 天線端口形成個別信號路徑，所述個別信號路徑用于將特定波束方向圖數(shù)據(jù)從所述基站傳 送到每個天線元件陣列且進(jìn)一步傳送到每個天線元件且反之亦然；
[0049] -在發(fā)射方向上：
[0050] -每一天線元件映射器包括對應(yīng)于所述天線元件陣列的天線元件的所述數(shù)目的移 相器；
[0051 ]-組合單元被布置成用于每一天線元件;且
[0052]-每一組合單元具備各自連接到每個天線元件映射器的多個輸入，以及連接到所 述天線元件陣列的對應(yīng)天線元件的輸出；
[0053]-在接收方向上：
[0054]-每一天線元件映射器包括對應(yīng)于所述天線元件陣列的天線元件的所述數(shù)目的移 相器；
[0055] -組合單元被布置成用于每一天線端口；且
[0056] -每一組合單元具備各自連接到每個天線元件映射器的多個輸入，以及連接到對 應(yīng)天線端口的輸出。
[0057] 前述組合單元的益處在于，天線元件的數(shù)目不限于依據(jù)3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)的天線端口 的數(shù)目或者以任何其它方式受限制。與每個天線端口連接到包括多達(dá)10個天線元件的一個 天線的先前布置相比，現(xiàn)在不受限數(shù)目的天線元件可以形成天線陣列，而每一天線元件可 以受到個別地控制。換句話說，天線陣列變?yōu)樘炀€元件陣列，其中不僅天線而且所有天線元 件都可以受到個別地控制。因此，每時間和空間的所有數(shù)據(jù)速率的總和(容量)可以增加，且 單個用戶的數(shù)據(jù)速率將改善。詞語"天線"和"天線元件陣列"同義地使用，這意味著天線元 件陣列包括多個天線元件，且形成天線，而至少兩個天線元件陣列或天線也可以形成天線 陣列。
[0058] 在本天線系統(tǒng)的有利實(shí)施方案中，天線陣列包括用于在數(shù)據(jù)庫中存儲波束成形向 量的構(gòu)件。在波束成形數(shù)據(jù)庫中，存儲不同的波束成形方向圖。根據(jù)用戶特定的要求，分配 最合適的波束方向圖。重要的是提供同步信號或參考信號，以便根據(jù)發(fā)射和接收信號的子 幀結(jié)構(gòu)使每個波束成形向量同步。
[0059] 在本天線系統(tǒng)的另一實(shí)施方案中，天線元件形成有源天線元件。這意味著放大器 和收發(fā)器布置于所述天線元件中。
[0060] 在本天線系統(tǒng)的另一有利實(shí)施方案中，天線端口的數(shù)目等于或小于天線元件的數(shù) 目。由于本天線系統(tǒng)的緣故，更多天線元件可以受到個別地控制，而對于3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)這是 不可能的。因此，可以改善波束成形過程的質(zhì)量，且可以增加數(shù)據(jù)速率量且因此增加容量。
[0061] 在本天線系統(tǒng)的另一實(shí)施方案中，在波束成形數(shù)據(jù)庫中涉及預(yù)編碼單元。本發(fā)明 使得能夠處理不在基站中而在天線側(cè)上的預(yù)編碼。這是可能的，因?yàn)椴ㄊ尚蜗蛄繉τ诿?子幀每單個用戶是時間同步的。預(yù)編碼單元還可以作為自身的數(shù)據(jù)庫單元而安裝，或者還 包含到波束成形矩陣中。還可能實(shí)時計(jì)算最合適的預(yù)編碼方案。由于天線陣列通常不具有 幀和子幀的概念，因此子幀起始樣本索引需要一次傳達(dá)到天線元件陣列。子幀起始樣本索 引可指向子幀或幀的第一樣本，或指向用作錨定樣本的任意樣本，子幀起始可以參考所述 錨定樣本。替代地，時間也可以通過一些專用導(dǎo)線來傳達(dá)。如果系統(tǒng)使用不同的子幀時序用 于上行鏈路和下行鏈路，那么上行鏈路和下行鏈路時序都需要傳達(dá)到天線元件陣列。天線 元件陣列接著在對應(yīng)子幀邊界處切換波束成形向量。因此使用波束成形數(shù)據(jù)庫。
[0062] 本發(fā)明的目的將還通過一種方法以一方式解決，使得天線元件陣列的每個天線元 件由儲存在天線陣列中的波束成形數(shù)據(jù)庫中的天線端口特定的波束成形向量個別地控制。 所述發(fā)明方法特征在于以下步驟：
[0063] -將所述天線元件布置于天線元件陣列中，其中所有天線元件受到個別地控制；
[0064] -在所述天線陣列中存儲天線端口特定的波束成形向量;且
[0065] -所述天線元件陣列的每個天線元件受到所述波束成形向量的天線元件特定的向 量元素個別地控制。
[0066]通過此方法，用于分離組合信號的復(fù)雜過程是不必要的，因?yàn)樗鲂盘栆呀?jīng)在基 站中分離。在天線側(cè)的進(jìn)一步處理是不必要的，且節(jié)省了資源。
[0067] 在所呈現(xiàn)發(fā)明方法的一個實(shí)施方案中，所述方法還特征在于以下步驟：
[0068] -將包括所述波束成形向量的波束方向圖數(shù)據(jù)存儲在所述天線系統(tǒng)的波束方向圖 矩陣存儲器中，
[0069] -用邏輯上界定的天線端口經(jīng)由光纖發(fā)射天線信號；
[0070] -其中在每個天線端口上與子幀相關(guān)地時分發(fā)射所述信號；
[0071 ]-其中在子幀特定的時間間隔中的一者中在所述天線端口中的一者中的所述信號 屬于所述波束方向圖中的一者；
[0072]-在發(fā)射方向上：
[0073]-以對應(yīng)的波束成形向量對所述信號加權(quán)；
[0074] -以其它天線端口的對應(yīng)波束成形向量對所述其它天線端口的所述信號加權(quán)；
[0075] -將所有信號組合成天線元件信號；以及
[0076] -將所述天線元件信號遞送到所述天線元件；以及 [0077]-在接收方向上：
[0078] -從所述天線元件接收天線元件信號；以及
[0079] -以對應(yīng)于將用于接收數(shù)據(jù)的所述天線端口的適當(dāng)子幀間隔的波束成形向量對所 述天線元件信號加權(quán)；
[0080] 且接著將所有經(jīng)加權(quán)天線元件信號組合成將由天線端口發(fā)射的數(shù)據(jù)。通過此發(fā)明 方法，形成甚至更大天線的一個天線陣列的極大增加數(shù)目的天線元件可以受到個別地控 制。這不再受限于由3GPP長期演進(jìn)第9版標(biāo)準(zhǔn)(參見上文)設(shè)置的帶寬極限或限制。
[0081] 在所呈現(xiàn)方法的有利實(shí)施方案中，根據(jù)發(fā)射和接收信號的子幀結(jié)構(gòu)以時間同步方 式切換每個波束成形向量。
[0082] 進(jìn)而在子幀基礎(chǔ)上在每一天線端口上發(fā)射和接收不同的波束成形方向圖。
[0083]在RF側(cè)上針對每個子幀以時間同步方式提供預(yù)編碼處理。因?yàn)轭A(yù)編碼是在一個子 幀的持續(xù)時間中的時變操作，所以子幀起始樣本索引可指向子幀或幀的第一樣本，或指向 用作錨定樣本的任意樣本，子幀起始可以參考所述錨定樣本。替代地，時間也可以通過一些 專用導(dǎo)線來傳達(dá)。如果系統(tǒng)使用不同的子幀時序用于上行鏈路和下行鏈路，那么上行鏈路 和下行鏈路時序都需要傳達(dá)到天線元件陣列。天線元件陣列接著在對應(yīng)子幀邊界處切換波 束成形向量。
[0084]在本方法的實(shí)施方案中，在0FDM符號基礎(chǔ)上在每一天線端口上在下行鏈路方向上 發(fā)射不同的波束成形方向圖，而在接收上行鏈路方向上使用SC-FDMA。在此情況下，波束成 形向量的選擇不是在子幀基礎(chǔ)上提供，而是在符號基礎(chǔ)上提供。這可以在探測參考符號 (SRS)中使用。
[0085] 波束成形方向圖取決于用戶特定的要求，且可以根據(jù)基站來調(diào)適，所述基站通過 發(fā)送一些標(biāo)引向量而為每一子幀選擇不同的波束成形方向圖，所述標(biāo)引向量僅含有波束成 形向量數(shù)據(jù)庫中關(guān)于選定波束成形向量的索引。如上所述，這可以也在符號基礎(chǔ)上使用。
[0086] 在用于以天線元件陣列布置為天線陣列提供天線信號的本方法的另一實(shí)施方案 中，以一方式在所述天線陣列中在時域中執(zhí)行預(yù)編碼處理，使得每一天線端口映射到所述 天線元件陣列的每個天線元件的一個特定的波束成形方向圖。
[0087] 所呈現(xiàn)方法支持關(guān)于許多用戶的大的現(xiàn)場試驗(yàn)，只要每子幀選定波束成形方向圖 的數(shù)目限于由基站支持的天線端口的數(shù)目即可。
[0088] 將借助于實(shí)施方案來說明本發(fā)明。對應(yīng)圖式示出了相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)以及本發(fā)明的實(shí) 施方案，即：
[0089] 圖1由天線陣列發(fā)射的波前的示意圖；
[0090] 圖2用于移動無線電接入技術(shù)的波束成形應(yīng)用的示意圖；
[0091 ]圖3包括具有天線元件的若干天線的天線陣列的示意圖；
[0092]圖4包括若干天線元件的單個天線的示意圖；
[0093]圖5基站與RF發(fā)射側(cè)之間的典型分割；
[0094]圖6基站與RRH之間經(jīng)由CPRI的常規(guī)連接的示意圖；
[0095] 圖7向不同用戶的LTE資源分配的實(shí)施例；
[0096] 圖8用于發(fā)射分集和空間多路復(fù)用(ΜΙΜΟ)的信號處理的示意圖。在規(guī)范中使用符 號[d]、[x]和[y]來分別表示在層映射之前和之后以及在預(yù)編碼之后的信號；
[0097] 圖9作為本發(fā)明的基礎(chǔ)在基帶中發(fā)生加權(quán)的天線陣列的概念框圖；
[0098] 圖10根據(jù)本發(fā)明的天線系統(tǒng)針對Tx方向的示意圖；
[0099] 圖11根據(jù)本發(fā)明用于波束成形多個發(fā)射和接收信號的網(wǎng)絡(luò)；
[0100]圖12圖11的詳細(xì)示意圖；
[0101] 圖13根據(jù)本發(fā)明借助天線元件映射的LTE物理信道處理的概覽；
[0102] 圖14根據(jù)本發(fā)明的連接到天線元件陣列的基站；
[0103] 圖15可變波束成形處理和用戶分配的示意圖；
[0104] 圖16針對圖15的實(shí)施例的用戶到天線端口的示例性映射的表；
[0105] 圖17根據(jù)本發(fā)明借助天線元件映射的替代LTE物理信道處理，其中預(yù)編碼在0FDM 信號產(chǎn)生之后完成；
[0106] 圖18作為可通過本發(fā)明在元件面板設(shè)計(jì)中致動的天線元件陣列的天線陣列；
[0107] 圖19作為可通過本發(fā)明在用于小型小區(qū)的立方體設(shè)計(jì)中致動的天線元件陣列的 天線陣列；以及
[0108] 圖20可通過本發(fā)明在用于靈活的360°波束成形的圓柱形設(shè)計(jì)中致動的天線元件 陣列的天線陣列。
[0109] 本發(fā)明是基于區(qū)別于如上文論述的現(xiàn)有技術(shù)的波束成形技術(shù)。其中，在將基帶信 號上變頻轉(zhuǎn)換到RF之前或在下變頻轉(zhuǎn)換RF信號之后將相位添加到所述基帶信號。在此情況 下，每一天線元件與收發(fā)器和由功率放大器、濾波器、雙工器等等組成的RF前端相關(guān)聯(lián)。圖3 中示出了此配置。這些有源天線元件形成一個天線。
[0110] 圖9示出了具有N個天線元件9的天線2。每一天線元件9具有其自身的包括RF前端 27和收發(fā)器28的天線單元26,且與基帶處理單元29相關(guān)聯(lián)，所述基帶處理單元進(jìn)一步簡稱 為基帶單元。天線單元26負(fù)責(zé)輻射用于特定天線元件9的發(fā)射信號且拾取接收的信號。在RF 前端27中發(fā)生發(fā)射信號和接收信號的放大和額外濾波。收發(fā)器28負(fù)責(zé)分別將發(fā)射信號從基 帶上變頻轉(zhuǎn)換到RF頻率，且將接收信號從RF下變頻轉(zhuǎn)換到基帶?；鶐卧?9自身負(fù)責(zé)根據(jù) Tx和Rx波束成形向量將相移和/或振幅縮放應(yīng)用于發(fā)射信號和接收信號。Tx波束成形向量 被定義為保持用于所有天線元件的發(fā)射路徑的所有相位(且任選地，振幅)的向量。
[0111] 參見圖9,在Tx方向30上的波束成形向量是~ &其中倘若 波束成形向量僅影響相位，則相位向量為1>! …Κ?Γ。如果另外將對振幅進(jìn)行縮 放，那么波束成形向量將由復(fù)值元素組成奴|…
[0112] 同樣，在Rx方向31上的Rx波束成形向量被定義為保持用于所有天線元件的接收路 徑的所有相位(且任選地，振幅)的向量。
[0113] 圖10中示出了天線元件9的發(fā)明性天線元件陣列32的詳細(xì)圖式。具有天線元件9的 天線元件陣列32包含組合單元33,優(yōu)選且在此描繪為加法器單元，其將所有天線元件映射 器13的所有移相器12的對應(yīng)信號添加到天線元件9。因此，根據(jù)由移相器12應(yīng)用的波束成形 向量，一個天線端口的信號被分裂到天線元件陣列32的每個天線元件9。應(yīng)注意，圖10中的 天線元件映射器13僅作為實(shí)施例而由移相器12執(zhí)行和描繪。天線元件映射器13也可以作為 如上文關(guān)于圖9描述的基帶單元29來執(zhí)行。進(jìn)而在方向30和31上都將波束成形向量以電子 方式應(yīng)用于信號。
[0114] 在圖11中，分別待發(fā)射和接收的不同信號被映射到不同端口 10上。
[0115]在發(fā)射方向30上，待發(fā)射的多個發(fā)射端口 34的每一信號被個別地加權(quán)。隨后，建立 用于每一天線元件的所有發(fā)射信號的總和，然后將每一天線元件9的所述總和呈現(xiàn)到收發(fā) 器28。在接收方向31上，每一天線元件9的接收的信號被分裂且隨后通過與一些復(fù)值 相乘而被個別地加權(quán)，其中指數(shù)P表示端口編號，指數(shù)1表示天線元件的數(shù)目，且"r"表示相 位是針對接收側(cè)。經(jīng)加權(quán)總和隨后被呈現(xiàn)給天線元件陣列32的多個接收端口 35?；踞槍?每一接收信號使用Rx端口 35中的一者且針對每一發(fā)射信號使用Tx端口 34中的一者，即，每 一端口使用不同的波束成形方向圖。如果信號將在所有波束上發(fā)送，那么基站可以在所有 可用端口上發(fā)送所述信號。
[0116]圖12示出了數(shù)字單元36的組件，其中執(zhí)行上文闡釋的過程。所述數(shù)字單元至少包 含Rx波束成形與組合單元37、波束成形方向圖矩陣存儲器38、Tx波束成形單元39、控制單元 40以及時鐘同步單元41。發(fā)射端口 34和接收端口 35連接到CPRI接口 42,所述CPRI接口變換 了由光纖23發(fā)射的天線端口 10。數(shù)字單元36經(jīng)由光纖23連接到基站8(圖12中未圖示）。此 外，提供控制線43以使時鐘同步單元41與基站8同步。進(jìn)而天線端口 10的子幀間隔由數(shù)字單 元36"已知"。對于關(guān)于圖11描述的Tx波束成形，數(shù)字單元36從波束方向圖矩陣存儲器38選 擇至對應(yīng)子幀間隔的波束成形向量。而且對于關(guān)于圖11描述的Rx波束成形與組合，數(shù)字單 元36從波束方向圖矩陣存儲器38選擇至對應(yīng)子幀間隔的波束成形向量。
[0117] 在圖11和12中示出了天線元件陣列32至少包括天線元件9。通常，CPRI接口 42、數(shù) 字單元36以及天線單元26物理上也布置于天線元件陣列32中。
[0118] 在圖13中示出了天線元件陣列32經(jīng)由天線端口直接連接到基站8,因?yàn)橐匀缟衔?闡釋的配置控制天線元件9是可能的。這與圖8形成對比，其中天線陣列1連接到基站8且進(jìn) 而天線陣列1的天線2中的僅一者可以由天線端口 10中的一者控制。
[0119] 圖14示出了本發(fā)明的另一呈現(xiàn)。天線元件陣列13使用多端口 IQ接口44連接到基站 8。天線元件陣列13的每一端口 10映射到天線元件陣列32的一個特定波束成形方向圖。多個 IQ信號可以通過CPRI協(xié)議來發(fā)射。波束成形方向圖可以是波束，或者可以是完全任意的方 向圖。方向圖自身可以存儲在天線元件陣列32的波束方向圖矩陣存儲器38(此處名為波束 成形向量數(shù)據(jù)庫）中。不同的方向圖可以分別用于發(fā)射和接收。根據(jù)本發(fā)明，基站8可以為每 一子幀選擇不同的波束成形方向圖。這可以通過以下方式完成:分別在對應(yīng)子幀的發(fā)射或 接收之前下載用于此子幀的對應(yīng)向量，或者通過發(fā)送一些標(biāo)引向量而從數(shù)據(jù)庫38選擇對應(yīng) 向量，所述標(biāo)引向量含有數(shù)據(jù)庫中關(guān)于選定波束成形向量的索引。
[0120] 由于天線元件陣列32通常不具有幀和子幀的知識，因此子幀起始樣本索引需要一 次傳達(dá)到天線元件陣列32。子幀起始樣本索引可指向子幀或幀的第一樣本，或指向用作錨 定樣本的任意樣本，子幀起始可以參考所述錨定樣本。替代地，時間也可以通過一些專用導(dǎo) 線來傳達(dá)。如果系統(tǒng)使用不同的子幀時序用于上行鏈路和下行鏈路，那么上行鏈路和下行 鏈路時序都需要傳達(dá)到天線元件陣列32。天線元件陣列32接著在對應(yīng)子幀邊界處切換波束 成形向量。
[0121] 圖15示出了使用本發(fā)明可如何將不同的用戶信號分別映射到不同波束上的實(shí)施 例，前提是所述用戶信號在發(fā)射之前已經(jīng)映射到不同端口 10上。在圖15的實(shí)施例中，需要僅 四個(在MBTO的情況下為八個)專用天線端口 10,因?yàn)榛菊{(diào)度器在子幀24、25的給定時隙 處從不分配多于四個用戶6、7。系統(tǒng)可以提供再多幾個端口 10,例如用于物理下行鏈路控制 信道(PDCCH)發(fā)射和物理廣播信道(PBCH)、主要和次要同步序列（分別為PSS和SSS)等等的 控制數(shù)據(jù)廣播發(fā)射的端口。
[0122] 在圖16中將針對圖15的實(shí)施例的用戶6、7到天線端口 10的示例性映射示出為表。
[0123] 認(rèn)識到LTE中的預(yù)編碼45是在一個子幀的持續(xù)時間中的時變操作且信號處理是線 性的，預(yù)編碼操作45也可以在0FDM信號產(chǎn)生46之后完成，前提是需要不同預(yù)編碼的所有 0FDM信號是單獨(dú)地產(chǎn)生，即，映射到不同的層上，且然后在天線元件映射器中完成組合。使 用此分割，可以如圖17中所示完成LTE下行鏈路信號產(chǎn)生。
[0124] 然而在上行鏈路接收側(cè)上，在天線元件陣列處組合信號，接著將不同時域信號提 供到基站，且接著僅在所分配的頻域中處理數(shù)據(jù)，是足夠的。
[0125] 圖18到20示出了關(guān)于本發(fā)明被設(shè)計(jì)為天線元件陣列的天線陣列的各種實(shí)施方案。 圖18示出了元件面板設(shè)計(jì)。在圖19中，示出了用于小型小區(qū)的立方體設(shè)計(jì)。而且，圖20描繪 了在用于靈活的360°波束成形的圓柱形設(shè)計(jì)中的天線元件陣列。
[0126] 參考符號列表
[0127] 1天線陣列
[0128] 2 天線
[0129] 3發(fā)射方向
[0130] 4 波前
[0131] α 角度
[0132] 5 波瓣
[0133] 6特定用戶
[0134] 7其它用戶
[0135] 8 基站
[0136] 9天線元件
[0137] 10天線端口
[0138] 11放大器
[0139] 12移相器
[0140] 13天線元件映射器
[0141] 14物理層
[0142] 15用于動態(tài)資源分配的單元
[0143] 16用于無線電準(zhǔn)入控制的單元
[0144] 17用于連接控制的單元
[0145] 18用于控制無線電承載的單元
[0146] 19小區(qū)間無線電資源管理器(RRM)
[0147] 20 S1 接口
[0148] 21 XI 接口
[0149] 22遠(yuǎn)程無線電頭端
[0150] 23 光纖
[0151] 用戶1到7
[0152] 24第一子幀
[0153] 25第二子幀
[0154] 26天線單元
[0155] 27 前端
[0156] 28收發(fā)器
[0157] 29基帶處理單元，基帶單元
[0158] 30 Τχ方向
[0159] 31 Rx 方向
[0160] 32天線元件陣列
[0161] 33組合單元，加法器
[0162] 34發(fā)射端口
[0163] 35接收端口
[0164] 36數(shù)字單元
[0165] 37 Rx波束成形與組合單元
[0166] 38波束方向圖矩陣存儲器
[0167] 39 Τχ波束成形單元
[0168] 40控制單元
[0169] 41時鐘同步單元
[0170] 42 CPRI接口
[0171] 43控制線
[0172] 44 多端口 IQ接口
[0173] 45預(yù)編碼
[0174] 46 0FDM信號產(chǎn)生
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種天線系統(tǒng)，其包括： -基站(8); -多個天線元件(9)，其組合到天線(2)上，而一個天線(2)的所述多個天線元件(9)經(jīng)由 天線信號線連接到天線元件映射器(13); -每一天線元件映射器(13)經(jīng)由天線端口（10)連接到所述基站(8); -天線端口（ 10)的數(shù)目對應(yīng)于天線元件映射器(13)的數(shù)目， 所述天線系統(tǒng)特征在于 -所述天線元件(9)布置于天線元件陣列（32)中，其中所有天線元件(9)受到個別地控 制； -每一天線元件映射器(13)專用于一個天線端口（10)而與天線元件(9)的數(shù)目無關(guān)，其 中每個天線端口（10)形成個別信號路徑，所述個別信號路徑用于將特定波束方向圖數(shù)據(jù)從 所述基站(8)傳送到每個天線元件陣列(32)且進(jìn)一步傳送到每個天線元件(9)且反之亦然； -在發(fā)射方向上： -每一天線元件映射器(13)包括對應(yīng)于所述天線元件陣列（2)的天線元件(9)的所述數(shù) 目的移相器(12); -組合單元(33)被布置成用于每一天線元件(9);且 -每一組合單元(33)具備各自連接到每個天線元件映射器（13)的多個輸入，以及連接 到所述天線元件陣列(2)的對應(yīng)天線元件(9)的輸出； -在接收方向上： -每一天線元件映射器(13)包括對應(yīng)于所述天線元件陣列（2)的天線元件(9)的所述數(shù) 目的移相器(12); -組合單元(33)被布置成用于每一天線端口（10);且 -每一組合單元(33)具備各自連接到每個天線元件映射器（13)的多個輸入，以及連接 到對應(yīng)天線端口（ 10)的輸出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述天線陣列（1)包括用于在數(shù)據(jù)庫 中存儲波束成形向量的構(gòu)件。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述天線元件(9)形成天線元件陣 列⑵。4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，天線端口（10)的所述數(shù) 目等于或小于天線元件(9)的所述數(shù)目。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，預(yù)編碼單元(45)布置于所述波束成形 數(shù)據(jù)庫中。6. -種用于為天線系統(tǒng)（1)的天線元件(9)提供天線信號的方法，其中將所述天線信號 分布到多個天線元件(9)且以天線元件特定的參數(shù)加權(quán)，所述方法特征在于具有以下步驟： -將所述天線元件(9)布置于天線元件陣列（32)中，其中所有天線元件(9)受到個別地 控制； -在所述天線陣列（1)中存儲天線端口特定的波束成形向量；以及 -所述天線元件陣列(32)的每個天線元件(9)受到所述波束成形向量的天線元件(9)特 定的向量元素個別地控制。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于具有以下步驟： -將包括所述波束成形向量的波束方向圖數(shù)據(jù)存儲在所述天線系統(tǒng)中的波束方向圖矩 陣存儲器(38)中， -用邏輯上界定的天線端口（ 10)經(jīng)由光纖發(fā)射天線信號； -其中在每個天線端口（10)上與子幀(24,25)相關(guān)地時分發(fā)射所述信號； -其中在子幀特定的時間間隔中的一者中在所述天線端口（1 〇)中的一者中的所述信號 屬于所述波束方向圖中的一者； -在發(fā)射方向上： -以對應(yīng)的波束成形向量對所述信號加權(quán)； -以其它天線端口（10)的對應(yīng)波束成形向量對所述其它天線端口（10)的所述信號加 權(quán)； -將所有信號組合成天線元件信號；以及 -將所述天線元件信號遞送到所述天線元件(9);以及 -在接收方向上： -從所述天線元件(9)接收天線元件信號；以及 -以對應(yīng)于將用于接收數(shù)據(jù)的所述天線端口（10)的適當(dāng)子幀間隔的波束成形向量對所 述天線元件信號加權(quán)； -將所有經(jīng)加權(quán)天線元件信號組合成將由天線端口（10)發(fā)射的數(shù)據(jù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述發(fā)射和接收信號的子幀結(jié)構(gòu)以時 間同步方式切換每個波束成形向量。9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在子幀基礎(chǔ)上在每一天線端 口（ 10)上發(fā)射和接收不同的波束成形方向圖。10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在RF側(cè)上在每個子幀的時序 同步下提供預(yù)編碼處理。11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在OFDM符號基礎(chǔ)上在每一天 線端口（10)上在下行鏈路方向上發(fā)射不同的波束成形方向圖，而在接收上行鏈路方向上使 用SC-FDMA。12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述基站(8)通過發(fā)送一些 標(biāo)引向量而為每一子幀選擇不同的波束成形方向圖，所述標(biāo)引向量僅含有波束成形向量數(shù) 據(jù)庫中關(guān)于選定波束成形向量的索引。13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，以一方式在所述天線陣列中 在時域中執(zhí)行預(yù)編碼處理，使得每一天線端口（10)映射到所述天線元件陣列(32)的每個天 線元件(9)的一個特定的波束成形方向圖。
【文檔編號】H04B7/06GK106031052SQ201580009417
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月23日
【發(fā)明人】V·奧厄
【申請人】艾賴斯股份有限公司