BR112017018125B1 - Método para formação de feixe usando um arranjo de antena - Google Patents

Abstract

MÉTODO PARA FORMAÇÃO DE FEIXE USANDO UM ARRANJO DE ANTENA, ARRANJO DE ANTENA, NÓ DE REDE, DISPOSITIVO SEM FIO, PROGRAMA DE COMPUTADOR, E, PRODUTO DE PROGRAMA DE COMPUTADOR. São providos mecanismos para formação de feixe usando um arranjo de antena que compreende elementos polarizados duais. Um método compreende gerar uma ou duas portas de feixe, em que as uma ou duas portas de feixe são definidas pela combinação de pelo menos dois subarranjos não sobrepostos. Cada subarranjo tem duas portas de subarranjo, as duas portas de subarranjo tendo padrões de potência idênticos e polarização mutuamente ortogonal. Os pelo menos dois subarranjos não sobrepostos são combinados por meio de pesos de expansão. Os pesos de expansão mapeiam as uma ou duas portas de par de feixes para portas de subarranjo de maneira tal que as uma ou duas portas de feixe tenham o mesmo padrão de potência dos subarranjos. Pelo menos alguns dos pesos de expansão têm magnitude não zero idêntica e são relacionados em fase para formar um lóbulo de transmissão. O método compreende transmitir sinais usando as ditas uma ou duas portas de feixe.

Description

Campo Técnico

[001] As modalidades aqui apresentadas referem-se à formação de feixe e, particularmente, a um método, a um arranjo de antena e a um programa de computador para formação de feixe usando um arranjo de antena que compreende elementos polarizados duais.

Fundamentos

[002] Em redes de comunicações, pode haver um desafio para obter bons desempenho e capacidade para um dado protocolo de comunicações, seus parâmetros e o ambiente físico no qual a rede de comunicações é implementada.

[003] Um componente das redes de comunicações sem fio em que pode ser desafiador obter bons desempenho e capacidade são as antenas de nós de rede configuradas para comunicações sem fio; tanto para/a partir de um outro nó de rede e/ou para/a partir de um terminal de usuário sem fio.

[004] Por exemplo, formação de feixe massiva, isto é, espera-se que formação de feixe usando arranjos de antena ativos com maiores ordens de magnitudes e mais elementos de antena do que usado em atuais redes de comunicações se torne um componente técnico na parte de acesso por rádio de futuras redes de comunicações de quinta geração (5G). Pelo uso de grandes arranjos de antena nas estações bases de rádio, dados de usuário podem ser transmitidos focalizados no espaço de forma que energia seja recebida principalmente pelo dispositivo sem fio dedicado pelos dados de usuário, assim, resultando em pouca interferência sendo percebida por outros dispositivos sem fio ou outros tipos de nós. Formação de feixe massiva tem, portanto, o potencial de aumentar a capacidade de sistema e a eficiência energética por ordens de magnitudes.

[005] Um problema em potencial com formação de feixe massiva pode ser relacionado ao fato de que os feixes podem ser tão estreitos que dados apenas possam ser recebidos pelo dispositivo sem fio dedicado. Para dados de usuário isto é desejado, mas alguns dados, por exemplo, informação de sistema, preferivelmente, precisam ser transmitidos para todos os, ou pelo menos a maior parte dos, dispositivos sem fio (isto é, difundidos) na rede de comunicações. Portanto, tais dados devem ser transmitidos com ampla cobertura a fim de alcançar todos os dispositivos sem fio. Algumas maneiras de abordar este problema serão sumarizadas a seguir. Entretanto, da forma também exposta, cada uma destas maneiras tem seus inconvenientes.

[006] De acordo com uma primeira abordagem, uma antena de feixe largo separada pode ser usada para transmissão de dados de difusão. Um inconveniente com esta abordagem é que ela exige hardware adicional.

[007] De acordo com uma segunda abordagem, dados de difusão são transmitidos usando um único elemento do arranjo de antena, ou subarranjo, da antena. Este elemento de arranjo ou subarranjo terá um feixe mais largo do que o completo arranjo da antena. Um inconveniente desta abordagem é que apenas um, ou poucos, amplificadores de potência (PAs) no arranjo de antena é/são utilizados, o que, assim, desperdiça recursos de energia.

[008] De acordo com uma terceira abordagem, estreitamento de amplitude e/ou de fase é usado sobre o completo arranjo da antena para ampliar o feixe. Inconvenientes com tal estreitamento são que estreitamento de amplitude proporciona fraca utilização do recurso de PA e que, em muitos casos, não é possível sintetizar a forma de feixe desejada usando estreitamento apenas de fase.

[009] De acordo com uma quarta abordagem, dados de difusão são transmitidos sequencialmente em diferentes direções usando feixes estreitos. Um potencial inconveniente com esta abordagem é que isto toma mais tempo e consome mais elementos de recurso do que a transmissão de dados de difusão simultaneamente em todas as direções com um feixe amplo.

[0010] Outros cenários em que pode ser desejado usar feixes amplos com um arranjo de antena com muitos elementos é em comunicações em onda milimétrica (mmW), que é uma tecnologia de acesso prevista como uma parte do acesso por rádio 5G. Devido à maior perda de propagação em tais altas frequências, formação de feixe em alto ganho pode ser necessária para reter o custo de ligação, possivelmente, tanto no receptor quanto no transmissor. A formação de feixe pode ser necessária, já que os caminhos de propagação dominantes entre um transmissor e um receptor são tipicamente não conhecidos a priori. Testar todas as combinações de um grande número de feixes de transmissão e recepção estreitos a fim de encontrar o melhor par de feixes pode consumir uma quantidade proibitiva de recursos de tempo/frequência. Uma maneira de resolver este problema pode ser que a estação base de rádio inicie o procedimento de busca com feixes amplos e, então, torne os feixes cada vez mais estreitos até que o melhor par de feixes estreitos tenha sido encontrado. Um procedimento de descoberta de feixe como este, no geral, exige meio para gerar feixes com diferentes larguras de feixe de uma maneira flexível. A fim de utilizar completamente o arranjo de antena e o recurso de PA disponível, pode ser desejado usar todos os elementos de antena e todos os PAs em potência completa durante a transmissão de feixes com diferentes larguras de feixe.

[0011] Portanto, há uma necessidade de melhor formação de feixe.

Sumário da Invenção

[0012] Um objetivo de modalidades aqui expostas é prover eficiente formação de feixe.

[0013] De acordo com um primeiro aspecto, é apresentado um método para formação de feixe usando um arranjo de antena que compreende elementos polarizados duais. O método compreende gerar uma ou duas portas de feixe, em que as uma ou duas portas de feixe são definidas pela combinação de pelo menos dois subarranjos não sobrepostos. Cada subarranjo tem duas portas de subarranjo, as duas portas de subarranjo tendo padrões de potência idênticos e polarização mutuamente ortogonal. Os pelo menos dois subarranjos não sobrepostos são combinados por meio de pesos de expansão. Os pesos de expansão mapeiam as uma ou duas portas de par de feixes para portas de subarranjo de maneira tal que as uma ou duas portas de feixe tenham o mesmo padrão de potência dos subarranjos. Pelo menos alguns dos pesos de expansão têm magnitude não zero idêntica e são relacionados em fase para formar um lóbulo de transmissão. O método compreende transmitir sinais usando as ditas uma ou duas portas de feixe.

[0014] Vantajosamente, isto provê eficiente formação de feixe.

[0015] Vantajosamente, isto provê uma arquitetura de antena e método para criar uma ou duas portas de feixe com uma largura de feixe ajustável.

[0016] As uma ou duas portas de feixe têm padrões de radiação de potência idênticos e polarizações ortogonais em qualquer direção.

[0017] A largura de feixe para as uma ou duas portas de feixe pode ser muito ampla, se comparada com o tamanho de arranjo, até mesmo tão ampla quanto para um único elemento.

[0018] Todos os amplificadores de potência do arranjo de antena podem ser completamente utilizados, isto é, com estreitamento apenas de fase aplicado, tanto por cada porta de feixe quanto por duas portas de feixe em conjunto.

[0019] A arquitetura de antena pode ser com base em arranjos de antena tanto lineares (1-D) quanto planos (2-D).

[0020] De acordo com um segundo aspecto, é apresentado um arranjo de antena que compreende um arranjo de antena. O arranjo de antena compreende elementos polarizados duais para formação de feixe. O arranjo de antena compreende adicionalmente uma unidade de processamento. A unidade de processamento é configurada para fazer com que o arranjo de antena gere uma ou duas portas de feixe, em que as portas de feixe são definidas pela combinação de pelo menos dois subarranjos não sobrepostos. Cada subarranjo tem duas portas de subarranjo, as duas portas de subarranjo tendo padrões de potência idênticos e polarização mutuamente ortogonal. Os pelo menos dois subarranjos não sobrepostos são combinados por meio de pesos de expansão. Os pesos de expansão mapeiam as uma ou duas portas de par de feixes para portas de subarranjo de maneira tal que as uma ou duas portas de feixe tenham o mesmo padrão de potência dos subarranjos. Pelo menos alguns dos pesos de expansão têm magnitude não zero idêntica e são relacionados em fase para formar um lóbulo de transmissão. A unidade de processamento é configurada para fazer com que o arranjo de antena transmita sinais usando as uma ou duas portas de feixe.

[0021] Também é apresentado um nó de rede que compreende um arranjo de antena de acordo com o segundo aspecto.

[0022] Também é apresentado um dispositivo sem fio que compreende um arranjo de antena de acordo com o segundo aspecto.

[0023] De acordo com um terceiro aspecto, é apresentado um programa de computador para formação de feixe usando um arranjo de antena que compreende elementos polarizados duais, o programa de computador que compreende código de programa de computador que, quando executado em uma unidade de processamento de a, faz com que o arranjo de antena realize um método de acordo com o primeiro aspecto.

[0024] De acordo com um quarto aspecto, é apresentado um produto de programa de computador que compreende um programa de computador de acordo com o terceiro aspecto e um meio legível por computador no qual o programa de computador é armazenado.

[0025] Percebe-se que qualquer recurso dos primeiro, segundo, terceiro e quarto aspectos pode ser aplicado em qualquer outro aspecto, sempre que apropriado. Igualmente, qualquer vantagem do primeiro aspecto pode se aplicar igualmente aos segundo, terceiro e/ou quarto aspectos, respectivamente, e vice-versa. Outros objetivos, recursos e vantagens das presentes modalidades ficarão aparentes a partir da seguinte descrição detalhada, a partir das reivindicações dependentes anexas, bem como a partir dos desenhos.

[0026] No geral, todos os termos usados nas reivindicações devem ser interpretados de acordo com seu significado ordinário no campo técnico, a menos que explicitamente aqui definido de outra forma. Todas as referências a "um/uma/o/a elemento, aparelho, componente, meio, etapa, etc." devem ser interpretadas de forma aberta como se referindo a pelo menos uma instância do elemento, aparelho, componente, meio, etapa, etc., a menos que explicitamente declarado de outra forma. As etapas de qualquer método aqui descrito não precisam ser realizadas na exata ordem descrita, a menos que explicitamente declarado.

Breve Descrição dos Desenhos

[0027] O conceito inventivo é agora descrito, a título de exemplo, em relação aos desenhos anexos, nos quais: as figuras 1, 2, 3, e 5 são diagramas esquemáticos que ilustram diferentes aspectos de arranjos de antena de acordo com modalidades; a figura 4 ilustra esquematicamente exemplos de subarranjos; a figura 6 ilustra esquematicamente exemplos de expansão de porta; a figura 7 ilustra esquematicamente expansão de porta recursiva; a figura 8 ilustra esquematicamente mapeamentos de porta; a figura 9 é um diagrama de blocos que mostra unidades funcionais de um arranjo de antena de acordo com uma modalidade; a figura 10 é um diagrama de blocos que mostra módulos funcionais de um arranjo de antena de acordo com uma modalidade; a figura 11 ilustra esquematicamente um nó de rede que compreende um arranjo de antena de acordo com modalidades; a figura 12 ilustra esquematicamente um dispositivo sem fio que compreende um arranjo de antena de acordo com modalidades; a figura 13 ilustra esquematicamente um produto de programa de computador de acordo com uma modalidade; a figura 14 é um fluxograma de um método de acordo com uma modalidade; a figura 15 mostra resultados de simulação de um exemplo de um lóbulo de transmissão para uma primeira porta de feixe de acordo com uma modalidade; a figura 16 mostra resultados de simulação de um exemplo de um lóbulo de transmissão para uma segunda porta de feixe de acordo com uma modalidade; a figura 17 mostra resultados de simulação para formação de feixe de acordo com tecnologia de ponta usando estreitamento de amplitude pura por polarização; a figura 18 mostra resultados de simulação para formação de feixe de acordo com tecnologia de ponta usando estreitamento de fase pura por polarização; e a figura 19 mostra resultados de simulação para formação de feixe de acordo com uma modalidade.

Descrição Detalhada

[0028] O conceito inventivo será agora descrito mais completamente a seguir em relação aos desenhos anexos, em que certas modalidades do conceito inventivo são mostradas. Este conceito inventivo, entretanto, pode ser incorporado em muitas diferentes formas e não deve ser interpretado como limitado às modalidades aqui apresentadas; em vez disto, estas modalidades são providas a título de exemplo, de forma que esta descrição seja criteriosa e completa, e irá conduzir completamente o escopo do conceito inventivo aos versados na técnica. Números iguais referem-se a elementos iguais por toda a descrição. Quaisquer etapa ou recurso ilustrados por linhas tracejadas devem ser considerados como opcionais.

[0029] Diferentes maneiras para gerar feixes amplos a partir de um grande arranjo polarizado dual foram propostas. Um exemplo é aplicar uma rede de formação de feixe, por exemplo, uma matriz de Butler, em cada direção de polarização do arranjo de antena e, então, transmitir um sinal por meio de feixes com polarização alternante para evitar adição incoerente indesejada de sinais transmitidos por meio de feixes adjacentes com a mesma polarização. O padrão de feixe resultante tipicamente ondula significativamente, diga-se, um par de dB. A figura 17 mostra um exemplo de padrão de feixe amplo formado por meio de Formação de Feixe Polarizada Individual (SPBF) convencional, em que um peso é aplicado por polarização a fim de formar o padrão de feixe desejado, novamente por polarização, e com muitos elementos de peso tendo uma amplitude definida em zero, assim, resultando em fraca utilização de recurso de energia. Isto pode ser considerado como um caso extremo de estreitamento de amplitude. Um outro exemplo envolve aplicar estreitamento de amplitude, que também pode ser considerado como prover resultados satisfatórios em termos de geração de uma forma de feixe desejada, mas não em termos de utilização de recurso de energia para transmissão. Usar estreitamento apenas de fase em muitos casos resulta em um padrão que não satisfaz as propriedades desejadas, mas com utilização satisfatória dos recursos de energia. A faixa de larguras de feixe obtenível também é frequentemente limitada. A figura 18 mostra um exemplo de padrão de feixe amplo formado por meio de formação de feixe convencional (SPBF), mas restrito a estreitamento de fase apenas para boa fraca utilização de recurso de energia. O resultado é um padrão de feixe que mostra ondulação indesejada.

[0030] O arranjo de antena e o método aqui propostos oferecem tanto padrões de feixe com formas de feixe desejadas, bem como excelente utilização de energia. As modalidades aqui descritas referem-se particularmente à eficiente formação de feixe. A fim de obter eficiente formação de feixe, aqui é provido um arranjo de antena, um método realizado pelo arranjo de antena, um programa de computador que compreende código, por exemplo, na forma de um produto de programa de computador que, quando executado em uma unidade de processamento, faz com que o arranjo de antena realize o método.

[0031] A figura 1 é um diagrama de blocos esquemático que ilustra uma arquitetura de exemplo de um arranjo de antena bidimensional 1 para o qual modalidades aqui apresentadas podem ser aplicadas. Entretanto, as modalidades aqui apresentadas são igualmente aplicáveis em arranjos de antena unidimensionais. O arranjo de antena 1 pode, assim, ser tanto um arranjo linear (1-D), um arranjo linear uniforme (ULA) ou arranjo plano (2-D), arranjo retangular uniforme (URA).

[0032] A interface inicial da antena compreende um arranjo 1e de elementos de antena, em que cada elemento de antena pode ser um subarranjo de diversos elementos de antena radiadores conectados por meio de redes de alimentação em duas portas de subarranjo com polarização ortogonal. Cada porta de subarranjo é conectada em uma cadeia de rádio composta em um arranjo de rádio 1d. O número de portas de subarranjo no bloco 1b acessível para processamento de sinal em banda base pode ser reduzido por meio de um bloco de redução de porta 1c que cria novas portas de antena que são combinações (lineares) das portas de antena de entrada. Acesso é feito às portas de subarranjo em banda base se dados tanto dedicados quanto difundidos precisarem ser transmitidos ao mesmo tempo. Adicionalmente, em termos gerais, acesso a todas as portas de subarranjo pode ser necessário para modelar feixes amplos de acordo com os mecanismos aqui descritos para formação de feixe. No bloco de processamento de sinal em banda base 1a portas de antena virtuais podem ser criadas por multiplicações de matriz. Estas portas de antena virtuais podem ser de diferentes tipos. Por exemplo, em LTE, elas podem, para uma estação base de rádio, portar sinais de referência comuns (CRS) nas portas 0-3, sinais de referência da informação de estado de canal (CSI-RS) na porta 15-22, e sinais e dados de referência específicos de UE nas portas 7-14. Em algumas implementações, um ou diversos blocos do arranjo de antena bidimensional 1 na figura 1 podem ser removidos.

[0033] A figura 2 é um diagrama de blocos esquemático que ilustra uma possível implementação do arranjo de antena bidimensional 1 da figura 1. Ele compreende um formador de feixe que compreende blocos 1a, 1b, 1c da figura 1, um arranjo de rádio 1d e um arranjo de antena físico 1e. No exemplo da figura 2, há duas portas de antena por subarranjo. O formador de feixe 1a-c é configurado para receber dados de usuário e dados de controle, pesos de formação de feixe para os dados de usuário, pesos de formação de feixe para sinais de referência, tais como CSI-RS, e pesos de formação de feixe para transmissão de feixe amplo. Cada elemento de antena compreende dois subelementos 31, 32 com polarizações ortogonais em todas as direções (de interesse). Tipicamente, estes dois subelementos 31, 32 estão localizados na mesma posição, como na figura 3(a), mas eles também podem ser deslocados um em relação ao outro, como na figura 3(b).

[0034] O arranjo de antena 1 é configurado para gerar uma ou duas portas de feixe, em que as portas de feixe são definidas pela combinação de pelo menos dois subarranjos não sobrepostos. Como versados na técnica entendem, o arranjo de antena 1 pode ser configurado para gerar portas adicionais definidas para várias transmissões. Cada subarranjo tem duas portas de subarranjo, as duas portas de subarranjo tendo padrões de potência idênticos e polarização mutuamente ortogonal. Os pelo menos dois subarranjos não sobrepostos são combinados por meio de pesos de expansão. Os pesos de expansão mapeiam as uma ou duas portas de par de feixes para portas de subarranjo de maneira tal que as uma ou duas portas de feixe tenham o mesmo padrão de potência dos subarranjos. Pelo menos alguns dos pesos de expansão têm magnitude não zero idêntica e são relacionados em fase para formar um lóbulo de transmissão. O arranjo de antena 1 é configurado para transmitir sinais usando as uma ou duas portas de feixe. Como versados na técnica entendem, o arranjo de antena 1 pode ser configurado para transmitir sinais adicionais usando as mesmas, ou adicionais, portas de feixe.

[0035] Modalidades relacionadas a detalhes adicionais da formação de feixe usando um arranjo de antena 1 serão agora descritas.

[0036] Em termos gerais, os pesos de expansão descrevem como uma ou duas portas de feixe, formadas por meio de um único conjunto de subarranjos, podem ser mapeadas sobre múltiplos conjuntos de subarranjos. Portanto de acordo com uma modalidade, os pesos de expansão mapeiam as uma ou duas portas de par de feixes para portas de subarranjo de maneira tal que as uma ou duas portas de feixe tenham o mesmo padrão de potência dos subarranjos e, no caso em que houver duas portas de feixe, as duas portas de feixe têm polarizações mutuamente ortogonais em qualquer direção.

[0037] Pode haver diferentes maneiras de determinar os pelo menos dois subarranjos não sobrepostos e de combinar os pelo menos dois subarranjos não sobrepostos por meio dos pesos de expansão. Diferentes modalidades em relação a isto serão agora descritas por sua vez.

[0038] Em termos gerais, a geração das uma ou duas portas de feixe que produzem ambas as larguras de feixe desejadas e o uso da íntegra do arranjo de antena para boa utilização de recursos de energia podem envolver determinar os mapeamentos de porta de subarranjo para as uma ou duas portas de feixe, e expandir mapeamentos de subarranjo para a íntegra do arranjo de antena.

[0039] Para o mapeamento de porta de subarranjo, um subarranjo é determinado de maneira tal que a largura de feixe desejada ou, possivelmente, a forma de feixe, seja alcançada com tão boa utilização de energia quanto possível. A utilização de energia depois da expansão dos subarranjos será a mesma do subarranjo. A figura 4 em (a), (b), (c) e (d) ilustra esquematicamente quatro exemplos de arranjos de antena 1e, cada qual compreendendo dois subarranjos 41, 42, e cada um dos arranjos de antena 1e compreendendo duas portas de feixe 43, 44, respectivamente.

[0040] Para expandir os mapeamentos de subarranjo para a íntegra do arranjo de antena, pesos de expansão com base em potências de 2, 6 e 10 são usados de maneira tal que o número total de elementos de antena usados por uma porta de feixe, por dimensão do arranjo de antena, seja Dport = Dsubarray2k6m10, k = 0, 1, 2, ..., m = 0, 1, 2, ... n = 0, 1, 2, ..., em que Dsubarray é o número de elementos usados no subarranjo para o dimensão do arranjo de antena de interesse. Se apenas uma única porta de feixe for desejada, os fatores de 3 ou 5 também são possíveis. Portanto de acordo com uma modalidade, no caso em que houver duas portas de feixe, e em que os pesos de expansão mapeiam as duas portas de par de feixes para produtos de potências de 2, 6 ou 10 subarranjos por dimensão. A expressão por dimensão pode, por exemplo, ser dimensões espaciais ortogonais em um plano. E de acordo com uma modalidade, no caso em que houver uma porta de feixe, e em que os pesos de expansão mapeiam as duas portas de par de feixes para potências de 2, 6, ou 10 vezes 1, 3, ou 5 subarranjos. Isto é, para uma única porta de feixe, mapeamentos podem ser de acordo com potências de 2, 6 e 10 vezes tanto 3 quanto 5. Para um arranjo bidimensional, o mapeamento que inclui fatores de expansão 3 ou 5 pode ser feito em uma dimensão apenas.

[0041] Para máximo uso do arranjo de antena, o tamanho de subarranjo pode ser determinado de maneira tal que o tamanho de subarranjo, incluindo as possíveis expansões, cubra a íntegra do arranjo. Portanto de acordo com uma modalidade, os pelo menos dois subarranjos não sobrepostos em conjunto cobrem todos os elementos do arranjo de antena.

[0042] Todos os elementos de antena no mapeamento de porta podem ter a mesma amplitude; a própria expansão proporciona completa utilização de energia, mas o subarranjo pode não alcançar isto. Um motivo para usar todos os elementos de antena no arranjo de antena, bem como para o mapeamento de porta de subarranjo e, assim, mapeamento de porta de feixe, para ter amplitude uniforme, é usar eficientemente o recurso de energia disponível. Isto se aplica especificamente para um arranjo de antena ativo com amplificadores de potência distribuídos, mas isto também se aplica para um arranjo de antena com uma rede de distribuição de energia 50 que compreende deslocadores de fase 51, possivelmente, também, atenuadores 52 como na figura 5(a) e 5(b). Isto é especialmente adequado para formação de feixe realizada por meio de deslocadores de fase apenas. O número de subarranjos a usar é dado pela combinação de potências de 2, 6 e 10, potencialmente multiplicadas por 3 ou 5 no caso de porta de feixe individual.

[0043] Os pesos de expansão, assim, descrevem como uma ou duas portas de feixe, com forma de feixe dada por um único subarranjo, podem ser mapeadas sobre múltiplos subarranjos. A figura 6 em (a), (b), e (c) ilustra esquematicamente três exemplos de diferentes pares de pesos de expansão que expandem o tamanho do arranjo de antena por um fator de 2, 6 ou 10, respectivamente.

[0044] Modalidades adicionais em relação a como os pesos de expansão podem ser determinados serão agora descritas.

[0045] Os pesos de expansão em um par podem ser relacionados de maneira tal que as duas portas de feixe tenham polarização ortogonal. Portanto de acordo com uma modalidade, no caso em que houver duas portas de feixe, e em que os pesos de expansão forem definidos para manter a polarização das duas portas de feixe mutuamente ortogonais.

[0046] De acordo com uma modalidade, os pesos de expansão para uma porta a com uma primeira polarização são determinados como: em que EAm denota os pesos de expansão para mapeamento da uma porta para múltiplos de m subarranjos (ou combinações de subarranjos por meio de expansões, da forma aqui descrita), e em que Zrc é uma matriz nula com r linhas e c colunas.

[0047] Os pesos de expansão para uma porta b com uma segunda polarização, ortogonal à primeira polarização, podem, então, ser determinados como: ebm = flipud([ebm (: ,2) -ebm (: ,1)]*), em que EAm (: ,c) denota coluna c de EAm, em que * denota conjugado complexo, e em que flipud(x) inverte a ordem da linha de x. Isto é, as notações a e b denotam duas polarizações ortogonais para uma porta de subarranjo, combinação de portas de subarranjo ou uma porta de feixe. Isto não se refere à polarização específica para as diferentes portas.

[0048] Como os versados na técnica entendem, estas matrizes de expansão são somente exemplos. Outros exemplos de matrizes de expansão válidos são, por exemplo, obteníveis pela aplicação de um deslocamento de fase nas matrizes mostradas.

[0049] Fatores de expansão podem ser concatenados para realizar a expansão em mais de uma etapa. Portanto de acordo com uma modalidade, os subarranjos são adicionalmente expandidos pelos pesos de expansão adicionais antes de definir as uma ou duas portas de feixe. A ordem na qual expansões com base em 2, 6 e 10 são aplicadas é arbitrária, enquanto que a expansão com 3 ou 5 deve ser a última aplicada, já que esta resulta em apenas uma única porta de feixe. Estas podem ser encontradas a partir de EA6 e EA10, da forma definida anteriormente, pela remoção da parte inferior, zero, (isto é, Z32 e Z52, respectivamente) e não definição de nenhum mapeamento EB. A figura 7 ilustra um exemplo ilustrativo de como expansões podem ser recursivamente usadas a fim de alcançar o tamanho desejado do vetor de peso final. Como é mostrado na figura 7, fatores de expansão podem ser concatenados com diferentes fatores de expansão; um primeiro fator de expansão 6 (expansão x6) é seguido por um segundo fator de expansão 2 (expansão x2).

[0050] Um exemplo de utilização de energia depois da expansão é mostrado na figura 8 para duas portas de antena. Como pode-se ver na parte superior da figura 8, metade dos elementos de antena de uma primeira polarização são conectados na porta 1 (o) e a outra metade na porta 2 (*). O comportamento similar se aplica, da forma mostrada na parte inferior da figura 8, também, para a segunda polarização. Isto significa que as duas portas de antena, no caso de uma antena ativa com amplificadores de potência distribuídos, podem não compartilhar os mesmos amplificadores de potência. A magnitude variável na figura 8 vem da definição de subarranjo usada neste caso, em que amplitudes não iguais, para propósitos ilustrativos, foram selecionadas a título de exibição de como as variações da amplitude do subarranjo são repetidas sobre o arranjo.

[0051] Em alguns casos, pode ser benéfico se ambas as portas de feixe compartilharem os mesmos amplificadores de potência, enquanto que, em outros casos, por exemplo, se sinais correlacionados precisarem ser aplicados nas duas portas de antena, isto pode não ser desejado. Um motivo é que sinais correlacionados em combinação com amplificadores de potência compartilhados podem levar ao carregamento não uniforme dos amplificadores de potência.

[0052] No caso em que as portas de antena precisarem compartilhar amplificadores de potência, ou no caso em que apenas uma única porta de antena precisar ser usada, isto é alcançável, por exemplo, pela adição dos dois pesos de expansão, cada qual definido uma porta de feixe, um no outro, elemento por elemento. Portanto de acordo com uma modalidade, os pesos de expansão dos pelo menos dois subarranjos são adicionados para gerar uma das uma ou duas portas de feixe. No caso em que a expansão por 3 ou 5 for usada, o resultado é uma única porta de feixe mapeada para todas as portas de subarranjo, isto é, fazendo uso de todos os recursos de energia. Como a expansão de um subarranjo não muda o padrão de potência, segue que o fator de arranjo (que é dado pelo vetor/matriz de expansão total) pode ser espacialmente branco para habilitar as duas portas de feixe para ter padrões de potência idênticos às portas de subarranjo. De acordo com uma modalidade, os pesos de expansão são determinados de maneira tal que todos os elementos em uma matriz definida pela soma da magnitude quadrada da transformada discreta de Fourier bidimensional de uma primeira matriz de peso de expansão aplicada em uma primeira das portas de subarranjo e da magnitude quadrada da transformada discreta de Fourier bidimensional de uma segunda matriz de peso de expansão aplicada em uma segunda das portas de subarranjo tenham o mesmo valor. Isto é, os pesos de expansão podem ser determinados de maneira tal que: IDFT( ea )|2 + IDFT( eb )l2 = kJrc, em que DFT(EA) e DFT(EB) denotam as transformadas discretas de Fourier de EA e EB, respectivamente, em que EA e EB são as matrizes de expansão totais aplicadas nas portas de subarranjo a e b, respectivamente, em que a é a primeira das portas de subarranjo, em que b é uma segunda das portas de subarranjo, em que k é uma constante, e em que Jrc é uma matriz all-one (matriz onde todos os elementos são um)com r linhas e c colunas. No caso de um arranjo de antena bidimensional, os pesos de expansão são coletados em uma matriz. Para um arranjo de antena unidimensional, esta matriz colapsa em um vetor (que pode ser visto como um caso especial de uma matriz que tem apenas uma linha ou uma coluna).

[0053] Detalhes ainda adicionais de como gerar pesos de expansão para um arranjo retangular uniforme serão providos a seguir. O ponto de partida são vetores do peso de expansão por dimensão, da forma gerada anteriormente. Estes vetores do peso de expansão são combinados em duas matrizes, uma por porta de feixe.

[0054] Primeiro, os vetores do peso de expansão para uma porta de feixe ao longo de uma primeira dimensão (aqui, dimensão y) com recursos não compartilhados são determinados. No caso em que a expansão com fatores 3 ou 5 for usada para uma das dimensões (resultando em uma única porta de feixe usando todos os recursos), esta dimensão é aqui selecionada como a dimensão y. O vetor completo para uma primeira porta de feixe (isto é, porta de feixe 1), que compreende todos os elementos (isto é, polarização tanto a quanto b), pode ser descrito como em que w1ya e w1yb denotam vetores de coluna que contêm os pesos de expansão para porta de feixe 1 aplicados nos elementos com polarização a e b, respectivamente, ao longo da dimensão y, e congêneres. Em segundo lugar, os vetores do peso de expansão para duas portas de feixe ao longo de uma segunda dimensão (aqui, dimensão z) com recursos não compartilhados são determinados para uma primeira porta por meio de expansões consecutivas, como seguee em que w2za e w2zb denotam vetores de coluna que contêm os pesos de expansão para a segunda porta de feixe (isto é, porta de feixe 2) aplicados nos elementos com polarização a e b, respectivamente, ao longo da dimensão z.

[0055] Os dois vetores w1z e w2z são relacionados para produzir polarizações ortogonais e os mesmos padrões de potência. A relação é dada de acordo com

[0056] A notação "*" aqui exposta denota conjugado complexo (e transposição conjugada não Hermitiana).

[0057] Aqui, F é uma matriz que inverte a ordem do elemento (linha) no vetor; esta é uma matriz com uns na antidiagonal e zeros nos outros locais.

[0058] Estes vetores são combinados para formar uma matriz, um por polarização, que compreende todos os elementos no arranjo retangular uniforme (URA) de acordo come

[0059] O fator do ajuste de fase β é usado para garantir a completa utilização de energia. O valor real depende de como os pesos de expansão por dimensão são definidos. Seguindo o procedimento aqui descrito, os ajustes de fase são, na maior parte dos casos, iguais a 1.

[0060] Finalmente, as matrizes do peso de expansão para a segunda porta são encontradas comoe em que Fz e Fy são matrizes com uns na antidiagonal e zeros nos outros locais. No caso dos fatores de expansão 3 e 5 não serem usados, os resultados neste estágio são matrizes do peso de expansão que definem duas portas de feixe com padrões de potência idênticos, polarização ortogonal, recursos não compartilhados (amplificadores de potência) e, para as duas portas de feixe em conjunto, completa utilização de energia.

[0061] Se recursos compartilhados forem desejados, isto é obtido pelo seguinte procedimento. Primeiro, as matrizes para as duas portas são adicionadas como segue:e

[0062] Então, as matrizes para a segunda porta são formadas pela realização das seguintes operações:

[0063] No caso em que fatores de expansão 3 ou 5 forem usados, os resultados são, em vez disto, uma matriz de expansão que define uma porta de feixe com um padrão de potência dado pelo subarranjo. A matriz de expansão conecta a porta de feixe em todos os recursos de energia, de maneira tal que todos os recursos de energia sejam utilizados. No caso em que uma segunda porta de feixe for gerada, da forma supradescrita, sem adicionar pesos de expansão, já que a primeira porta de feixe já usa todos os recursos, uma segunda porta de feixe é encontrada com o padrão de potência e a polarização ortogonal desejados compartilhando recursos com a primeira porta de feixe.

[0064] A figura 9 ilustra esquematicamente, em termos de um número de unidades funcionais, os componentes de um arranjo de antena 100 de acordo com uma modalidade. Uma unidade de processamento 21 é provida usando qualquer combinação de um ou mais de uma unidade de processamento central (CPU), multiprocessador, microcontrolador, p de sinal digital (DSP), circuito integrado específico de aplicação (ASIC), arranjos de porta programáveis no campo (FPGA) etc. adequados, capazes de executar instruções de software armazenadas em um produto de programa de computador 130 (como na figura 13), por exemplo, na forma de uma mídia de armazenamento 103. Assim, a unidade de processamento 101 é, desse modo, arranjada para executar métodos da forma aqui descrita. Por exemplo, a unidade de processamento 101 é configurada para gerar quaisquer subarranjos, tal como na figura 4, e mapeamentos para portas de feixe, tais como nas figuras 6 e 7, da forma aqui descrita.

[0065] A mídia de armazenamento 103 também pode compreender armazenamento persistente, que, por exemplo, pode ser qualquer um ou uma combinação de memória magnética, memória óptica, memória em estado sólido ou até mesmo memória remotamente montada. O arranjo de antena 100 pode compreender adicionalmente uma interface de comunicações 22 para transmitir e receber sinais. Como tal, a interface de comunicações 22 pode compreender um arranjo de antena como em qualquer uma das figuras 1, 2, 3 e 5.

[0066] A unidade de processamento 21 controla a operação geral do arranjo de antena 100, por exemplo, pelo envio de dados e sinais de controle para a interface de comunicações 102 e a mídia de armazenamento 103, pela recepção de dados e relatos a partir da interface de comunicações 102, e pela recuperação de dados e instruções a partir da mídia de armazenamento 103. Outros componentes, bem como a funcionalidade relacionada, do arranjo de antena 100 são omitidos a fim de não obscurecer os conceitos aqui apresentados.

[0067] A figura 10 ilustra esquematicamente, em termos de um número de módulos funcionais, os componentes de um arranjo de antena 100 de acordo com uma modalidade. O arranjo de antena 100 da figura 10 compreende inúmeros módulos funcionais; um módulo de geração configurado para realizar a seguinte etapa S102, e um módulo de transmissão/recepção 101b configurado para realizar a seguinte etapa S104. O arranjo de antena 100 da figura 10 pode compreender adicionalmente inúmeros módulos funcionais opcionais. A funcionalidade de cada módulo funcional 101a-101b fica evidente a partir do contexto do qual os módulos funcionais 101a-101b podem ser usados. Em termos gerais, cada módulo funcional 101a-101b pode ser implementado em hardware ou em software. Preferivelmente, um ou mais ou todos os módulos funcionais 101a-101b podem ser implementados pela unidade de processamento 10, possivelmente, em cooperação com as unidades funcionais 102 e/ou 103. A unidade de processamento 101 pode, assim, ser arranjada para fazer a mídia de armazenamento 103 localizar e carregar instruções providas por um módulo funcional 101a-101b e para executar estas instruções, desse modo, realizando todas as etapas que serão descritas a seguir.

[0068] O arranjo de antena 1 e/ou o arranjo de antena 100 podem ser providos como circuitos integrados, como dispositivos independentes ou como uma parte de um dispositivo adicional. Por exemplo, o arranjo de antena 1 e/ou o arranjo de antena 100 podem ser providos em um dispositivo transceptor de rádio, tais como em um nó de rede 110 ou um dispositivo sem fio 120. A figura 11 ilustra um nó de rede 110 que compreende pelo menos um arranjo de antena 1 e/ou arranjo de antena 100, da forma aqui descrita. O nó de rede 110 pode ser uma BTS, um NodeB, um eNB, um repetidor, um nó de transferência por concentração de dados ou congêneres. A figura 12 ilustra um dispositivo sem fio 120 que compreende pelo menos um arranjo de antena 1 e/ou arranjo de antena 100, da forma aqui descrita. O dispositivo sem fio 120 pode ser um equipamento de usuário (UE), um telefone celular, um computador tipo tablet, um computador tipo laptop, etc. ou congêneres.

[0069] O arranjo de antena 1 e/ou o arranjo de antena 100 podem ser providos como uma parte integral do dispositivo adicional. Isto é, os componentes do arranjo de antena 1 e/ou do arranjo de antena 100 podem ser integrados com outros componentes do dispositivo adicional; alguns componentes do dispositivo adicional e do arranjo de antena 1 e/ou do arranjo de antena 100 podem ser compartilhados. Por exemplo, se o dispositivo adicional, como tal, compreender uma unidade de processamento, esta unidade de processamento pode ser configurada para realizar as ações da unidade de processamento 31 associada com o arranjo de antena 100. Alternativamente o arranjo de antena 1 e/ou o arranjo de antena 100 podem ser providos como unidades separadas no dispositivo adicional.

[0070] A figura 13 mostra um exemplo de um produto de programa de computador 130 que compreende meio legível por computador 132. Neste meio legível por computador 132, um programa de computador 131 pode ser armazenado, programa de computador 131 este que pode fazer com que o processamento 101, 21 e entidades e dispositivos operativamente acoplados no mesmo, tais como a interface de comunicações 102 e a mídia de armazenamento 103, executem métodos de acordo com modalidades aqui descritas. O programa de computador 131 e/ou o produto de programa de computador 130 podem, assim, prover meio para realizar todas as etapas aqui descritas.

[0071] No exemplo da figura 13, o produto de programa de computador 130 é ilustrado como um disco óptico, tais como um CD (disco compacto) ou um DVD (disco versátil digital) ou um disco Blu-Ray. O produto de programa de computador 130 também pode ser incorporado como uma memória, tais como uma memória de acesso aleatório (RAM), uma memória exclusiva de leitura (ROM), uma memória exclusiva de leitura programável apagável (EPROM), ou uma memória exclusiva de leitura programável eletricamente apagável (EEPROM) e, mais particularmente, como uma mídia de armazenamento não volátil de um dispositivo em uma memória externa, tais como uma memória USB (Barramento Serial Universal) ou uma memória flash, tal como uma memória flash compacta. Assim, embora o programa de computador 131 seja aqui esquematicamente mostrado como uma trilha no disco óptico representado, o programa de computador 131 pode ser armazenado de qualquer maneira que seja adequada para o produto de programa de computador 130.

[0072] Referência é agora feita à figura 14 que ilustra um método para formação de feixe usando um arranjo de antena 1 de acordo com uma modalidade. O arranjo de antena 1 compreende elementos polarizados duais. O método é realizado por um arranjo de antena 100 que compreende o arranjo de antena 1. O método é vantajosamente provido como um programa de computador 32.

[0073] O arranjo de antena 100 é configurado para, em uma etapa S102, gerar uma ou duas portas de feixe. As uma ou duas portas de feixe são definidas pela combinação de pelo menos dois subarranjos não sobrepostos. Cada subarranjo tem duas portas de subarranjo. As duas portas de subarranjo têm, para cada subarranjo, padrões de potência idênticos e polarização mutuamente ortogonal. Os pelo menos dois subarranjos não sobrepostos são combinados por meio de pesos de expansão. Os pesos de expansão mapeiam as uma ou duas portas de par de feixes para portas de subarranjo de maneira tal que as uma ou duas portas de feixe tenham o mesmo padrão de potência dos subarranjos. Pelo menos alguns dos pesos de expansão têm magnitude não zero idêntica e são relacionados em fase para formar um lóbulo de transmissão. O arranjo de antena 100 é configurado para, em uma etapa S104, transmitir sinais usando as uma ou duas portas de feixe.

[0074] A figura 15 mostra um exemplo de um lóbulo de transmissão (padrão de feixe) de uma primeira porta de feixe (porta de feixe 1) com largura de feixe de meia potência em azimute (HPBW) = 50° e elevação HPBW = 25°.

[0075] A figura 16 mostra um exemplo de um lóbulo de transmissão (padrão de feixe) de uma segunda porta de feixe (porta de feixe 2) com azimute HPBW = 50° e elevação HPBW = 25°, em que a forma do lóbulo de transmissão da segunda porta de feixe é idêntica àquela da primeira porta de feixe (isto é, do lóbulo de transmissão na figura 15). Os lóbulos de transmissão das figuras 15 e 16, assim, têm padrões de potência idênticos. Os lóbulos têm (embora não vista a partir das figuras 15 e 16) polarização ortogonal em qualquer direção.

[0076] A figura 17 mostra um exemplo de um padrão de feixe amplo criado por meio da formação de feixe convencional (SPBF). Os correspondentes elementos de peso são providos à esquerda da figura 17. Portanto, muitos elementos de peso têm uma amplitude definida em zero, assim, resultando em utilização de recurso de energia muito fraca.

[0077] A figura 18 mostra um exemplo de um padrão de feixe amplo criado por meio da formação de feixe convencional (SPBF) restrita a estreitamento de fase apenas para boa utilização de recurso de energia. Os correspondentes elementos de peso são providos à esquerda na figura 18. Entretanto, o padrão de feixe resultante mostra pesada ondulação.

[0078] A figura 19 mostra um exemplo de um padrão de feixe amplo formado de acordo com modalidades aqui descritas. Os padrões de feixe têm a forma desejada, aqui HPBW = 50°, e muito boa utilização de recurso de energia. Os correspondentes elementos de peso são providos à esquerda da figura 19.

[0079] O conceito inventivo foi principalmente supradescrito em relação a poucas modalidades. Entretanto, como é prontamente percebido por versados na técnica, modalidades diferentes daquelas descrita anteriormente são igualmente possíveis no escopo do conceito inventivo, definido pelas reivindicações de patente anexas. Por exemplos, embora usando terminologia LTE específica, as modalidades aqui descritas também podem ser aplicáveis às redes de comunicações não com base em LTE, MUTATIS MUTANDIS.

Claims (14)

1. Método para formação de feixe usando um arranjo de antena (1) que compreende elementos polarizados duais, caracterizado pelo fato de que compreende: gerar (S102) uma ou duas portas de feixe: em que as uma ou duas portas de feixe são definidas pela combinação de pelo menos dois subarranjos não sobrepostos; em que cada subarranjo tem duas portas de subarranjo, as duas portas de subarranjo tendo padrões de potência idênticos e polarização mutuamente ortogonal; em que os pelo menos dois subarranjos não sobrepostos são combinados por meio de pesos de expansão; em que os pesos de expansão mapeiam as uma ou duas portas de feixes para portas de subarranjo de maneira tal que as uma ou duas portas de feixe tenham o mesmo padrão de potência das portas de subarranjos; e em que pelo menos alguns dos pesos de expansão têm magnitude não zero idêntica e são relacionados em fase para formar um lóbulo de transmissão; em que os pesos de expansão são coletados em uma matriz de expansão e são determinados de modo que a matriz de expansão seja espacialmente branca; e transmitir (S104) sinais usando as uma ou duas portas de feixe.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os pesos de expansão mapeiam as uma ou duas portas de feixes para portas de subarranjo de maneira tal que as uma ou duas portas de feixe tenham o mesmo padrão de potência dos subarranjos.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: existem duas portas de feixes; e os pesos de expansão são definidos para manter a polarização das duas portas de feixe mutuamente ortogonais.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: existem duas portas de feixes; e os pesos de expansão mapeiam as duas portas de feixes para produtos de potências de 2, 6, ou 10 subarranjos por dimensão.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: existe uma porta de feixe; e os pesos de expansão mapeiam a porta de feixe para potências de 2, 6, e/ou 10 vezes 1, 3, ou 5 subarranjos.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os subarranjos são adicionalmente expandidos por pesos de expansão adicionais antes de definir as uma ou duas portas de feixe.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os pesos de expansão são determinados de maneira tal que todos os elementos em uma matriz definida pela soma da magnitude quadrada da transformada discreta de Fourier bidimensional de uma primeira matriz de peso de expansão aplicada em uma primeira das portas de subarranjo e da magnitude quadrada da transformada discreta de Fourier bidimensional de uma segunda matriz de peso de expansão aplicada em uma segunda das portas de subarranjo tenham o mesmo valor.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os pesos de expansão são determinados de maneira tal que: |DFT( )|2 + |DFT( )|2 = , em que DFT(ea) e DFT(eb) denotam as transformadas discretas de Fourier de ea e eb, respectivamente, em que ea e eb são as matrizes de expansão totais aplicadas nas portas de subarranjo a e b, respectivamente, em que a é a primeira das portas de subarranjo, em que b é uma segunda das portas de subarranjo, em que k é uma constante, e em que Jrc é uma matriz all-one (matriz onde todos os elementos são um) com r linhas e c colunas.

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os pelo menos dois subarranjos não sobrepostos em conjunto cobrem todos os elementos do arranjo de antena.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os pesos de expansão dos pelo menos dois subarranjos são adicionados para gerar uma das uma ou duas portas de feixe.

11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os pesos de expansão para uma porta a com uma primeira polarização são determinados como: em que eam denota os pesos de expansão para mapeamento de uma porta de feixe das uma ou duas portas de feixes para múltiplos de m subarranjos, e em que Zrc é uma matriz nula com r linhas e c colunas.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os pesos de expansão para uma porta b com uma segunda polarização, ortogonal à primeira polarização, são determinados como: , em que eam(:,c) denota coluna c de eam, em que * denota conjugado complexo, e em que flipud(x) inverte a ordem da linha de x.

13. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os sinais compreendem pelo menos uma de informação de difusão e informação de sistema.

14. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: existem duas portas de feixe; e em que os pesos de expansão mapeiam as uma ou duas portas de feixe para portas de subarranjo, de modo que as uma ou duas portas de feixe tenham o mesmo padrão de potência dos subarranjos e as duas portas de feixe tenham polarizações ortogonais mutuamente em qualquer direção.