BR102016000297A2 - 3d radiation pattern formating method and apparatus for an arbitrary active antenna system - Google Patents

Abstract

a invenção apresenta o método e aparato de um sistema de transmissão e recepção para a execução do algoritmo de formatação de feixe em três dimensões (3d). o algoritmo flexível e de rápida convergência, sendo capaz de formatar os feixes tanto no plano horizontal quanto vertical em três dimensões (3d) de um sistema de antenas ativas arbitrárias. é flexível em relação à frequência, tendo a mesma estrutura de execução para todo o espectro, e é capaz de criar feixes em diferentes direções para o atendimento de terminais distintos. no invento proposto é apresentado um método que pode ser aplicado em antenas com qualquer polarização e número de camadas de multiplexação espacial (mimo), e se concentra na descrição de um método de formatação de padrão de irradiação 3d para um sistema de antena ativa arbitrária.

Description

“MÉTODO E APARATO DE FORMATAÇÃO DE PADRÃO DE IRRADIAÇÃO 3D PARA UM SISTEMA DE ANTENA ATIVA ARBITRÁRIA” APRESENTAÇÃO E CAMPO DA INVENÇÃO

[0001 ]A presente invenção propõe um algoritmo flexível e de rápida convergência para a formatação do padrão de irradiação em três dimensões de um sistema de antenas ativas arbitrárias. A invenção pode ser aplicada em arquiteturas de comunicação tipo ponto-multiponto, como em sistemas de comunicações móveis de banda larga e também pode ser aplicada em arquitetura de comunicação tipo multiponto-multiponto como em sistema de comunicação Ad Hoc Mesh operando em qualquer frequência.

[0002] A presente invenção apresenta um aparato genérico de um sistema de transmissão e recepção para a execução do algoritmo de formatação de feixe em três dimensões (3D).

[0003] 0 sistema de antena ativa (SAA) terá um papel importante nas comunicações móveis de banda larga. O SAA possibilita que o padrão de irradiação da antena possa ser modificado para melhorar a comunicação entre o transmissor e o receptor, e também atenuar a interferência de outros transmissores.

[0004] 0 algoritmo para alterar o padrão de irradiação da antena é proprietário e sua eficiência poderá trazer ganhos na qualidade da comunicação sem fio, trazendo vantagens competitivas aos fornecedores de equipamentos.

[0005] 0 algoritmo pode ser aplicado em qualquer sistema de antena ativo (SAA), não se restringindo somente às redes celulares mas em qualquer comunicação ponto-multiponto e multiponto-multiponto.

[0006JO algoritmo irá viabilizar a aplicação da técnica de Acesso Múltiplo por Divisão Espacial (Spatial Division Multiple Access - SDMA), que são utilizadas para proporcionar maiores taxas de transmissão de dados entre o transmissor e receptor. TERMINOLOGIAS

[0007]Para melhor entendimento deste pedido de patente se faz premente definir algumas siglas, expressões e termos utilizados: AAS - Active Antena System DSP - Processamento de sinais digitais (Digitai Signal Processor) ERB - Estação Rádio Base E - Campo Elétrico H - Horizontal IQ - ln-phase and Quadratura L - Elementos de antena por sub-arranjo M - Portas (MIMO) MIMO - Multiple-lnput and Multiple-Output PMI - Indicador de Matriz de Pré-codificação Q - Feixes RF - Radio Frequency RX - Receptor SAA - Sistema de Antena Ativa SDMA - Acesso Múltiplo por Divisão Espacial T - Operador de transposição TX - Transmissor V - Vertical (φο,θο) - Ângulo de apontamento CONVENCIMENTO TEÓRICO

[0008JA formatação do padrão de irradiação de uma antena, principalmente quando isso precisa ser realizado de forma dinâmica em um sistema, é uma tarefa de alta complexidade. O algoritmo precisa ser muito rápido para que acompanhe as mudanças espaciais dos transmissores, receptores e interferentes.

[0009] Em um sistema de comunicação móvel de banda larga, a mobilidade é um requisito primordial e os terminais estão constantemente em movimento, o que leva a diversos desafios aos algoritmos de formação do padrão de irradiação das antenas.

[0010] As condições de relevo e das construções no ambiente urbano resultam numa variação da posição do terminal tanto no plano horizontal como no plano vertical.

Desta forma, o algoritmo precisa ser capaz de formatar o feixe em todo o plano tridimensional (3D), aumentando consideravelmente o número de operações matemáticas do algoritmo propriamente dito e por consequente a necessidade de processadores cada vez mais avançados.

[0011] A Figura 4 mostra uma configuração típica ponto-multiponto de um sistema de comunicação móvel banda larga. O elemento central Estação Rádio Base (ERB) (401) está equipado com um sistema de antena ativa (SAA) (402) que permite gerar feixes F1(403), F2(404), F3(405) e Fn em distintas direções, tanto no plano horizontal quanto no plano vertical, para melhorar a qualidade do sinal de rádio frequência (RF) dos terminais T1 (406), T2 (407), T3 (408) e Tn. Como ilustração da aplicação 3D, o terminal T2 (407) está ao nível da rua enquanto o terminal T3(408) está no alto de um prédio, mostrando a capacidade de realizar o apontamento dos feixes em todas as direções.

[0012] A Figura 5 mostra uma configuração típica de multiponto-multiponto de um sistema de comunicação no modo AdHoc. Nesta configuração, todos os terminais T1 (501), T2(502), T3(503), T4(504), T5(505) e Tn podem se comunicar entre si. O terminal T1(501) e T3(503) estão transmitindo para outros terminais em direções distintas e no mesmo instante de tempo. A indicação Sxy (506) refere-se ao sentido da comunicação, de x para y ou x transmitindo e y recebendo. O indicador Fxy (507) refere-se ao padrão de irradiação, ou feixe, gerado do equipamento x na direção do equipamento y.

[0013] Os sistemas de comunicação operam em diferentes frequências que impactam a estrutura da antena, porém o algoritmo precisa ser flexível e agnóstico quanto a este parâmetro, sendo capaz de atuar da mesma forma, rápida e transparente. Algoritmos inflexíveis necessitam de uma infinidade de variantes para se ajustar às mudanças dos parâmetros, resultando em um esforço de validação maior e propício a erros.

[0014] A capacidade do algoritmo de formatar o padrão de irradiação em diferentes direções e de forma simultânea é muito importante para aumentar a eficiência espectral da célula. A criação de feixes em diferentes direções permite a transmissão ou recepção simultânea de diferentes terminais, sem que haja interferência significativa para a degradação da qualidade do sinal transmitido.

[0015] 0 algoritmo proposto neste invento atende os requisitos convergindo para uma solução rapidamente, é capaz de formatar os feixes tanto no plano horizontal quanto vertical em três dimensões (3D), e é flexível em relação à frequência, tendo a mesma estrutura de execução para todo o espectro, e é capaz de criar feixes em diferentes direções para o atendimento de terminais distintos.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

[0016] 0 estado da técnica antecipa alguns documentos de patentes que descrevem dispositivos e sistemas de irradiação em três dimensões para sistema de antena ativa, porém nenhuma das anterioridades possui a configuração de sistema e método proposto neste pedido de patente. Dentre estes documentos existentes podem-se destacar os seguintes.

[0017] 0 documento US 20130257655 A1 intitulado “Beamforming method, apparatus for polarized antenna array and radio communication device and system thereof”, nesta anterioridade é apresentado um método e aparato de conformação de feixe em um arranjo de antenas que refere-se à determinação de pesos aos parâmetros dos elementos de uma antena de polarização cruzada, com capacidade de realizar a formatação de feixe, sem a necessidade de conhecimento do Indicador de Matriz de Pré-codificação (PMI).

[0018] No invento proposto é apresentado um método que pode ser aplicado em antenas com qualquer polarização e número de camadas de multiplexação espacial (MIMO). Neste invento também é apresentado um método onde o apontamento dos feixes pode ser realizado em três dimensões (3D) com uma rápida convergência dos pesos para cada elemento da antena.

[0019] 0 documento BR 102013010691 7 intitulado “Antena setorial com controle da largura do feixe em azimute", esta anterioridade provê uma antena setorial com controle de largura de feixe em azimute para operar na faixa de micro-ondas, que possa suportar tanto polarização simples linear quanto polarização dupla (H/V ou +/- 45°) e que possibilite automatização, de modo que o dito controle da largura de feixe em azimute também possa ser efetuado remotamente, e não apenas manualmente.

[0020]Já o invento proposto refere-se à estrutura da antena, e se concentra na descrição de um método de formatação de padrão de irradiação 3D para um sistema de antena ativa arbitrária.

[0021 ]0 documento US 8040278 B2 intitulado “Adaptive antenna beamforming”, esta anterioridade descreve uma antena adaptativa de feixe formatado, onde a configuração ótima do apontamento do feixe é determinada através do processamento de sinais de treinamento. Há uma interação entre o transmissor e receptor para a troca de informações relevantes do canal que possam maximizar o apontamento do feixe.

[0022JA invenção proposta não trata de nenhum aspecto referente ao canal de propagação ou às sequências de treinamento. O apontamento do feixe e seu formato são considerados dados de entrada para o algoritmo proposto.

[0023] 0 documento US 20130120191 intitulado “ Method, Apparatus and System of Antenna Array Dynamic Configuration”, esta anterioridade trata de um método para dinamicamente transformar um arranjo físico de antenas em um arranjo virtual, baseado em estatísticas do canal direto e reverso de um sistema de comunicações móveis. Apresenta um método de configuração dinâmica dos elementos do arranjo de antenas para a formatação do feixe em três dimensões (3D) baseado na seguinte sequência: primeiro determinar de forma dinâmica o padrão de mapeamento para transformar um arranjo de antenas físico em virtual baseado nas estatísticas de canal, de um conjunto de candidatos de padrões; segundo configurar o arranjo de antena físico como um arranjo de antena virtual diferente para dinamicamente determinar o padrão de mapeamento. A sequência proposta nesta anterioridade não tem nenhuma relação com a sequência do invento proposto.

[0024] No invento proposto é apresentado um método onde o apontamento dos feixes pode ser realizado em três dimensões (3D) diferente desta anterioridade, onde há um tratamento lógico no arranjo das antenas para proporcionar a formatação do feixe em 3D.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0025] Face ao exposto acima, constitui um objetivo deste método e aparato de formatação de padrão de irradiação 3D para um sistema de antena a capacidade de formatar o feixe em três dimensões (3D), tanto no plano vertical quanto no plano horizontal.

[0026] A invenção também objetiva a flexibilidade quanto à frequência , um mesmo código é aplicado para qualquer frequência e a flexibilidade quanto ao número de camadas de multiplexação espacial (MIMO).

[0027] É também objetivo deste invento a convergência rápida, podendo ser aplicada para o rastreamento de usuários com mobilidade e nas arquiteturas de rádio com suporte ao sistema de antena ativa (SAA), somente é necessário a atualização de software para que o suporte à formatação de feixe 3D seja possível, sendo a implementação baseada em software.

DESCRIÇÃO GERAL DA INVENÇÃO

[0028] 0s objetivos acima citados são alcançados por meio da presente invenção, que propõe um algoritmo flexível e de rápida convergência para a formatação do padrão de irradiação em três dimensões de um sistema de antenas ativas arbitrárias. O invento pode ser aplicado em arquiteturas de comunicação tipo ponto-multiponto como em sistemas de comunicações móveis de banda larga e também pode ser aplicada em arquitetura de comunicação tipo multiponto-multiponto como em sistema de comunicação Ad Hoc Mesh operando em qualquer frequência. A presente invenção apresenta um aparato genérico de um sistema de transmissão e recepção para a execução do algoritmo de formatação de feixe em três dimensões (3D).

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0029JA invenção será melhor compreendida a partir da descrição detalhada que segue e das figuras que a ela se referem, em que: Figura 1: Ilustra um sistema de transmissão genérico para Q feixes de transmissão, com M camadas de multiplexação espacial.

Figura 2: Ilustra o diagrama de implementação do algoritmo de Formatação do Padrão de Irradiação 3D para um Sistema de Antenas Ativas Arbitrárias.

Figura 3: Ilustra a representação em coordenadas esféricas de um feixe numa direção qualquer.

Figura 4: Ilustra o diagrama da configuração típica ponto-multiponto.

Figura 5: Ilustra o diagrama da configuração típica multiponto-multiponto DESCRIÇÃO DETALHADA DA REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO

[0030]Na Figura 3 é ilustrado a representação em coordenadas esféricas de um feixe numa direção qualquer (301). O sistema de coordenadas tem como referência a antena (302). A orientação de cada feixe é determinada por dois ângulos: “Θ” (303) e “cp” (304) conforme apresentado na ilustração e que são parâmetros de entrada para o algoritmo proposto neste invento.

[0031 ]A Figura 1 mostra um sistema de transmissão genérico para Q feixes de transmissão, com M camadas de multiplexação espacial (MIMO) e M x L elementos de antenas.

[0032JA pilha de protocolos (Banda Base) (101) que pode implementar tecnologias como LTE, WiWAX ou Wi-Fi é executada em processadores de uso geral, DSPs, FPGAs ou outros dispositivos. O sistema de transmissão genérico apresentado mostra a possibilidade de execução de várias pilhas de protocolos em paralelo, sendo uma para cada feixe F1 (102) até FQ (103) o resultado do bloco (101) são sinais digitais em fase (I) e em quadratura (Q) conhecidos como IQ. Cada feixe pode possuir M camadas de multiplexação espacial (MIMO), resultando em Q x M sinais IQ como apresentado em (104).

[0033JO Módulo Digital de Elevada Capacidade de Processamento (105) é responsável pela execução do algoritmo proposto nessa patente, conforme detalhado na Figura 2. O algoritmo é executado Q vezes com base das informações de apontamento Θ (106) e φ (107) para cada feixe (108), por exemplo (φ1, θ-ι). Ο resultado para cada execução passa por um estágio de Rádio Frequência (RF) em frequência intermediária (IF) (109). Cada elemento de antena (110) de cada sub-arranjo de antena (111) possui um estágio de frequência intermediária (109). O número de sub-arranjos está relacionado com o número de camadas M de multiplexação espacial (MIMO).

[0034] 0 barramento (112) (M x L) realiza a organização dos sinais para serem conectados no arranjo de antenas. Cada sub-arranjo (111) possui um circuito de L circuitos de Rádio Frequência (RF) na frequência e potências especificadas, estágio chamado de “RF front end” (113). Cada sub-arranjo terá L estágios RF front ends conectados a cada elemento da antena.

[0035] 0 conjunto de RF front end e o arranjo de antenas é a principal composição do Sistema de Antena Ativa (SAA) (114). Essa arquitetura genérica mostra os elementos e conexões necessárias para execução do algoritmo que será descrito a seguir.

[0036] A Figura 2 mostra o diagrama de implementação do algoritmo de Formatação do Padrão de Irradiação 3D para um Sistema de Antenas Ativas Arbitrárias.

[0037] 0 algoritmo foi concebido para formatar o padrão de irradiação 3D para um sistema de antena ativa (SAA). A principal vantagem desse algoritmo é a sua capacidade para convergir rapidamente, podendo então ser usada em qualquer Sistema de Antena Ativo Arbitrário e produzindo resultados com elevada precisão.

[0038] 0 algoritmo irá encontrar pesos para cada elemento individual da antena com objetivo de produzir o padrão de irradiação 3D desejado. O fluxo do algoritmo e o detalhamento dos blocos do algoritmo são apresentados a seguir.

[0039] Para a implementação do algoritmo de formatação de padrão de irradiação 3D para um Sistema de Antenas Ativas Arbitrárias serão seguidos os passos de acordo com a figura 2. Inicialmente em (201) extrair todos os padrões de campo elétrico (E) complexos 3D dos elementos individuais da antena. Uma vez que a potência irradiada total é considerada, ambas as polarizações (por exemplo: Ee e Εφ) precisam ser extraídas. Os padrões de campo elétrico complexo 3D consistirão de amostras. Essas amostras precisam ser espaçadas igualmente em termos de graus.

[0040] A seguir em (202) conformar o padrão de irradiação 3D, o ângulo de apontamento (q>o, θο) e o nível do lóbulo lateral (R) desejado precisam ser especificados. Em seguida, é necessário definir uma estimativa da largura do feixe principal.

[0041 ]Em (203) visando minimizar a irradiação em outras direções diferentes do ângulo de apontamento, a matriz de covariância “A” precisa ser definida conforme a equação [1] abaixo: [1] [0042] Em (204) o problema de minimização não linear conforme definido na equação [2] assegura que o lóbulo principal está posicionado no ângulo desejado de apontamento e minimiza a irradiação em outras direções. Este problema tem que ser resolvido usando solucionador interativo conforme o seguinte problema de minimização: [2] Com as seguintes restrições: Com o sobrescrito T definido como o operador de transposição.

[0043] A seguir em (205) com os pesos encontrados no passo (204), o padrão de irradiação 3D pode ser construído. O padrão de irradiação 3D irá conter lóbulos laterais. A localização e os níveis desses lóbulos precisam ser encontrados. O máximo de Mmax lóbulos laterais pode ser suprimido, assim os Mmax maiores lóbulos precisam ser encontrados.

[0044] Já em (206) se todos os lóbulos estiverem abaixo do nível de lóbulo lateral (R) desejado, o algoritmo é finalizado. Se pelo menos um lóbulo lateral excede o limite, o algoritmo continuará.

[0045] A seguir em (207) restrições Mmax extras podem ser definidas para suprimir os lóbulos laterais. Essas restrições são definidas pela equação [3], Para assegurar que o lóbulo lateral será suprimido abaixo de um certo nível, algumas restrições extras precisam ser definidas. Uma vez que a variável dwéum vetor de dimensão ΛΓ x 1, então N restrições podem ser definidas no total. O primeiro passo é encontrar os maiores picos no diagrama de irradiação: Mmax. Uma vez que essas localizações são conhecidas, as restrições definidas na equação [3] podem ser utilizadas para suprimir cada lóbulo lateral. com [3] onde ^ e são as coordenadas θ e $ da localização do i**1 lóbulo lateral e R é o lóbulo lateral seguinte na interação. Ainda, C; é o valor do ith lóbulo lateral e ^ refere-se ao J.L montante residual necessário para o iin lóbulo lateral alcançar o nível desejado.

[0046]Em (208) o problema de minimização não linear como definido na equação [4] assegura que o lóbulo lateral especificado no passo (205) são suprimidos para o nível (R) do lóbulo lateral desejado e minimizar a irradiação extra nas outras direções causada pela atualização dos pesos. Este problema é solucionado usando um solucionador interativo. A parte real do novo problema de minimização complexa é resolvida pela equação [4].

Com as seguintes restrições [4] com e Aj^' ^99 e Υβφ definidos na Eq. 5. Esse problema de minimização pode ser solucionado de forma interativa utilizando pacotes de software comerciais. Fazendo uso desse procedimento, o padrão de irradiação 3D desejado é construído.

[5] [0047JA seguir em (209) com os pesos encontrados no passo (208), o padrão de irradiação 3D pode ser construído. Se o lóbulo principal ainda estiver apontando para o ângulo desejado, o algoritmo encontrou a solução do problema no passo (208). Este pode proceder para o passo (205), para verificar se o novo padrão de irradiação 3D atende as especificações definidas no passo (202). Se o lóbulo principal não estiver no ângulo de apontamento desejado, o solucionador não encontrou uma solução adequada.

[0048]Já em (210) se o algoritmo alcança o passo (210), as restrições definidas não podem ser atendidas pela antena. Isso significa que a antena precisa ser alterada e recomeçar no passo (201), ou a especificação precisa ser aliviada para então continuar no passo (202).

REIVINDICAÇÕES

Claims (10)

1) “MÉTODO E APARATO DE FORMATAÇÃO DE PADRÃO DE IRRADIAÇÃO 3D PARA UM SISTEMA DE ANTENA ATIVA ARBITRÁRIA”, caracterizada por um algoritmo flexível de rápida convergência para a formatação do padrão de irradiação em três dimensões tanto no plano vertical quanto no horizontal; flexibilidade quanto à frequência, um mesmo código é aplicado para qualquer frequência e flexibilidade quanto ao número de camadas de multiplexação (MIMO).

2) “MÉTODO E APARATO DE FORMATAÇÃO DE PADRÃO DE IRRADIAÇÃO 3D PARA UM SISTEMA DE ANTENA ATIVA ARBITRÁRIA”, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por convergência rápida ser aplicada para o rastreamento de usuários com mobilidade e nas arquiteturas de rádio com suporte ao sistema de antena ativa (SAA).

3) “MÉTODO E APARATO DE FORMATAÇÃO DE PADRÃO DE IRRADIAÇÃO 3D PARA UM SISTEMA DE ANTENA ATIVA ARBITRÁRIA”, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por módulo digital de elevada capacidade de processamento (105) ser responsável pela execução do algoritmo proposto; o algoritmo é executado Q vezes com base das informações de apontamento Θ (106) e φ (107) para cada feixe (108); o número de sub-arranjos está relacionado com o número de camadas M de multiplexação espacial (MIMO).

4) “MÉTODO E APARATO DE FORMATAÇÃO DE PADRÃO DE IRRADIAÇÃO 3D PARA UM SISTEMA DE ANTENA ATIVA ARBITRÁRIA”, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por extrair as amostras dos elementos individuais da antena.

5) “MÉTODO E APARATO DE FORMATAÇÃO DE PADRÃO DE IRRADIAÇÃO 3D PARA UM SISTEMA DE ANTENA ATIVA ARBITRÁRIA”, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por especificar o ângulo de apontamento (φ0, θ0) e o nível do lóbulo lateral (R).

6) “MÉTODO E APARATO DE FORMATAÇÃO DE PADRÃO DE IRRADIAÇÃO 3D PARA UM SISTEMA DE ANTENA ATIVA ARBITRÁRIA”, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por encontrar a matriz de covariância "A”.

7) “MÉTODO E APARATO DE FORMATAÇÃO DE PADRÃO DE IRRADIAÇÃO 3D PARA UM SISTEMA DE ANTENA ATIVA ARBITRÁRIA”, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por usar o solucionador não linear que assegura que o lóbulo principal está posicionado no ângulo desejado.

8) “MÉTODO E APARATO DE FORMATAÇÃO DE PADRÃO DE IRRADIAÇÃO 3D PARA UM SISTEMA DE ANTENA ATIVA ARBITRÁRIA”, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por encontrar a localização e o nível Mmáx do maior lóbulo lateral.

9 ) “MÉTODO E APARATO DE FORMATAÇÃO DE PADRÃO DE IRRADIAÇÃO 3D PARA UM SISTEMA DE ANTENA ATIVA ARBITRÁRIA”, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por finalizar o algoritmo se todos os lóbulos estiverem abaixo do nível de lóbulo lateral (R) desejado.

10) “MÉTODO E APARATO DE FORMATAÇÃO DE PADRÃO DE IRRADIAÇÃO 3D PARA UM SISTEMA DE ANTENA ATIVA ARBITRÁRIA” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por continuar o algoritmo se pelo menos um lóbulo lateral excede o limite, reiniciando o processo até que o algoritmo seja finalizado.