CN101326843B - 使用天线阵列产生全向发射的通信设备和方法 - Google Patents

Abstract

天线单元的分集阵列和天线单元的相控阵列可用于产生全向发射。根据要全向发射的期望通信信号来产生通信信令。响应通信信令，天线单元合作来实现期望通信信号的近似全向天线发射。

Description

使用天线阵列产生全向发射的通信设备和方法

技术领域

本发明一般涉及无线通信，更具体来说，涉及天线发射。

背景技术

采用射束形成技术的常规蜂窝接入点(或基站)通常包括用于在各个方向通过下行链路发射的相控阵列天线结构。除了定向发射的信息，接入点往往还需要全向发射某种其它信息。广播服务以及与小区有关的基本控制信息是需要全向发射的信息实例。由于阵列的各天线单元本身是全向天线，因此可通过以高于阵列其它天线单元的发射功率操作阵列的所选天线单元来实现全向发射。但是，这种方式呈现复杂化。例如，作为一个实际问题，用于全向发射的天线单元将需要与其关联功率放大器装置，它可支持比与未用于全向发射的那些天线单元关联的功率放大器高的发射功率。这使例如在接入点中使用的功率放大器的设计和放置等因素复杂化。

因此，希望提供从天线单元阵列的全向发射，而没有上述困难。

发明内容

根据本发明的各种示范实施例，天线单元的分集阵列和相控阵列都可用来产生全向发射。根据要全向发射的期望通信信号来产生通信信令。响应所述通信信令，天线单元合作来实现期望通信信号的近似全向天线发射。

附图说明

图1示出根据本发明示范实施例的无线通信设备。

图2示出根据本发明其它示范实施例的无线通信设备。

具体实施方式

本发明的示范实施例提供用于从使用天线单元相控阵列的设备或者从使用分集天线单元阵列的设备的全向发射。可在所有天线单元之间同等地共享总发射功率，同时仍然实现期望全向发射。不需要专用于全向发射的独立高功率放大器。

考虑使用分集天线单元阵列、即天线单元设置为彼此足够远离以便它们的相应发射信道彼此不相关的阵列的无线通信设备的情况。仅为了便于说明，假定一个实例，M个分集天线单元全都用于向天线单元阵列周围的各种接收器装置(例如移动台)全向发射信号X(w)。也就是说，应当使用天线单元向各接收器发射信号X(w)，方式为，所得的信道与在使用了全向发射天线时得到的信道相似。更具体来说，各接收器所看到的信道应当具有相同的统计，而与接收器相对于阵列的角定位无关。

从第m个分集天线单元到给定接收器的信道由G_m(w)表示，对于这个实例，假定它是平均值为0且方差为1的复高斯随机变量。在分集阵列中，来自阵列不同天线单元的信道是独立的，即：

$E\left\{G_i\left(w_1\right)G_j^{*}\left(w_2\right)\right\}={\mathrm{\δ}}_{i,j}{K}_G(w_1,w_2),---\left(1\right)$

其中

$K_G(w_1,w_2)=E\left\{G_i\left(w_1\right)G_i^{*}\left(w_2\right)\right\}---\left(2\right)$

一般来说，可假定：若|w₂-w₁|＞Δ，则K_G(w₁，w₂)＝0，其中Δ是G_i(w_i)的相干带宽。假定将信号

馈送到M个分集天线单元的每个。这在时域中等效地表示为如果将这个信号馈送到分集阵列的各天线单元以便发射，则在接收器接收的信号R(w)将为：

$R\left(w\right)=\left(\frac{1}{\sqrt{M}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i\left(w\right)\right)X\left(w\right)---\left(3\right)$

X(w)与R(w)之间的有效信道Q(w)由式3大括号中的表达式给出。由于Q(w)是平均值为0且方差为1的M个独立高斯随机变量之和，所以Q(w)也是平均值为0且方差为1的高斯。

信道Q(w)的相关函数为：

$K_Q(w_1,w_2)=E\{Q\left(w_1\right)Q*\left(w_2\right)\}---\left(4\right)$

$=E\left\{\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i\left(w_1\right)G_k\left(w_2\right)\right\}---\left(5\right)$

$=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{K}_G(w_1,w_2)---\left(6\right)$

$=K_G(w_1,w_2)---\left(7\right)$

式7表明有效信道Q(w)具有与以上最初假定的M个单独信道G_m(w)的任一个完全相同的统计。从任一个天线单元发射的功率是从所有天线单元发射的总功率的

图1以图解方式示出根据本发明示范实施例可实现式3-7所示原理的无线通信设备。在一些实施例中，图1的设备是蜂窝接入点或基站。图1的接入点包括一般表示为12的M个分集天线单元阵列以及一般表示为13的、向天线阵列12提供通信信令的驱动装置。要全向发射的信号x(t)被输入到驱动装置13中一般表示为14的M个天线发射通路的每个。天线发射通路分别驱动M个分集天线单元中的对应单元。如所示，各天线发射通路包括信号组合器(例如乘法器或放大器)，它将信号x(t)与

组合(例如相乘)以便产生由对应天线单元发射的关联发射信号x_1(t)、x_2(t)、...x_M(t)。因此，所有发射信号为

图1的设备实现式3-7的原理，并实现期望信号x(t)的近似全向发射，信号x(t)是上述频域信号X(w)的时域表示。

现在考虑使用天线单元相控阵列的无线通信设备的情况，其中天线单元在物理上彼此仅间隔发射载频的波长的几分之一。这种间距便于射束形成以及依靠适当控制从相应天线单元发射的相应信号的相位的其它发射技术。仅为了便于说明，假定一个实例，M个相控阵列天线单元全都用于实现向天线单元阵列周围的各个接收器装置(例如移动台)全向发射信号X(w)。也就是说，应当使用天线单元向各接收器发射信号X(w)，其方式为，所得的信道与在使用了全向发射天线时得到的信道相似。更具体来说，各接收器所看到的信道应当具有相同的统计，而与接收器相对于阵列的角定位无关。

如上所述，相控阵列设备中天线单元之间的距离远远小于发射载频的波长。这意味着，各天线单元与接收器之间的信道仅相差一个恒定(频率无关)乘法相位因子，即，与无线电波传播两个天线单元之间的距离所需时间对应的载频的相移。第m个天线单元(对于m＝1，2，...M)与接收器之间的信道G_m(w)可表示为：

$G_m\left(w\right)=G_0\left(w\right)\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πdm}}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\φ}\right)---\left(8\right)$

式中d是天线单元之间的间距(假定远小于载频的波长)，λ是载频的波长，而

是接收器相对于阵列法线的方向。对于这个说明性实例，假定G₀(w)是平均值为0且方差为1的复高斯变量。假定，将信号

馈送到第i个发射天线单元(对于i＝1，2，...M)，其中H_i(w)是平均值为0且方差为1的复高斯随机变量。对于这个实例，假定，对于i≠j，H_i(w)和H_j(w)是无关但同等分布的随机过程，使得：

E{H_i(w₁)H_j ^*(w₂)}＝δ_i，jK_H(w₁，w₂)(9)

在接收器接收的信号R(w)为：

$R\left(w\right)=\frac{1}{\sqrt{M}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(w\right)G_i\left(w\right)X\left(w\right)---\left(10\right)$

$=\frac{1}{\sqrt{M}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(w\right)\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πdi}}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\φ}\right)G_0\left(w\right)X\left(w\right).---\left(11\right)$

设

$\mathrm{\α}\left(w\right)=\frac{1}{\sqrt{M}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(w\right)\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πdi}}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\φ}\right).---\left(12\right)$

并且最初要注意，α(w)的平均值为0。α(w)的相关为：

$K_{\mathrm{\α}}(w_1,w_2)=E\left\{\mathrm{\α}\left(w_1\right)\mathrm{\α}{\left(w_2\right)}^{*}\right\}---\left(13\right)$

$=E\left\{\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(w_1\right)\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πi}}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\φ}\right)H_k^{*}\left(w_2\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πi}}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\φ})\right\}---\left(14\right)$

$=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{K}_H(w_1,w_2)---\left(15\right)$

${=K}_H(w_1,w_2)---\left(16\right)$

X(w)与R(w)之间的有效信道为Q(w)＝G₀(w)α(w)。这个有效信道Q(w)的相关函数为：

$K_Q(w_1,w_2)=E\left\{Q\left(w_1\right)Q^{*}\left(w_2\right)\right\}---\left(17\right)$

$=E\left\{G_0\left(w_1\right)\mathrm{\α}\left(w_1\right)G_0^{*}\left(w_2\right){\mathrm{\α}}^{*}\left(w_2\right)\right\}---\left(18\right)$

$=E\left\{G_0\left(w_1\right)G^{*}\left(w_2\right)\right\}E\left\{\mathrm{\α}\left(w_1\right){\mathrm{\α}}^{*}\left(w_2\right)\right\}---\left(19\right)$

$=K_G(w_1,w_2)K_H(w_1,w_2)---\left(20\right)$

如果将K_H(w₁，w₂)选择成满足：

式中Δ是由上式2所定义的原始信道的相干带宽，则X(w)与接收器之间的有效信道将具有与全向信道G₀(w)相同的二阶统计，即：

K_Q(w₁，w₂)≈K_G(w₁，w₂)(22)

式22表示X(w)与接收器之间的信道与接收器的角位置无关，并且具有与G₀(w)完全相同的二阶统计。从任一个天线单元发射的功率是从所有天线单元发射的总功率的

图2以图解方式示出根据本发明示范实施例可实现式10-22所示原理的无线通信设备。在一些实施例中，图2的设备是蜂窝接入点或基站。图2的接入点包括一般表示为22的M个天线单元的相控阵列以及一般表示为23的、向天线阵列22提供通信信令的驱动装置。全向发射的信号X(w)被输入到驱动设备23中一般表示为24的M个天线发射通路的每个。天线发射通路分别驱动M个天线单元中的对应单元。如图所示，各天线发射通路包括信号组合器(例如乘法器或放大器)，它将信号X(w)分别与M个随机波形发生器中对应发生器的输出进行组合(例如相乘)。

一般表示为25的随机波形发生器产生相应输出信号

(对于i＝1，2，...M)。在一些实施例中，对于i≠j，H_i(w)和H_j(w)是无关但同等分布的随机过程，各具有平均值0和方差1。信号乘法器将来自随机波形发生器的相应信号与输入信号X(w)组合，以便产生一般表示为26的相应频域信号。M个天线发射通路分别包括一般表示为27的频率-时间转换器。这些转换器使用常规技术将表示为26的关联频域信号转换成时域中的对应发射信号。表示为x1(t)、x2(t)、...xM(t)的所得M个时域发射信号提供用于由分别对应的天线单元进行发射。图2的设备实现了式10-22的原理，并实现频域信号X(w)的时域形式的近似全向发射。

本发明的各种实施例使用各种符号调制方案。在使用正交频分复用(OFDM)的一些实施例中，被调制到副载波频率w_k上的符号乘以H_i(w_k)。这要求每个OFDM副载波只一次相乘。

关于上述相干带宽Δ，这个参数取决于信道的延迟扩展，它又取决于发射设备的工作环境。延迟扩展越长的环境具有越短的相干带宽，而延迟扩展越短的环境具有越长的相干带宽。例如，在户外环境下，相干带宽的范围可从大约200KHz至大约1MHz。

虽然以上详细描述了本发明的示范实施例，但这并没有限制可在各种实施例中实施的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种通信设备，包括：

天线单元的分集阵列；以及

驱动装置，耦合到所述分集阵列，用于根据要全向发射的期望通信信号来产生通信信令，所述天线单元响应所述通信信令能够合作来实现所述期望通信信号的近似全向天线发射；以及

其中所述驱动装置包括分别耦合到所述天线单元的多个天线通路，每一个所述天线通路包括信号组合器。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述天线单元在所述近似全向天线发射期间用相等的功率进行发射。

3.如权利要求1所述的设备，其中信号组合器是信号乘法器。

4.如权利要求1所述的设备，其中信号组合器是信号放大器。

5.如权利要求4所述的设备，其中所有所述信号放大器接收与所述期望信号对应的公共输入信号。

6.如权利要求5所述的设备，其中每一个所述信号放大器将一个放大量施加到所述公共输入信号，所述放大量与其余每一个所述信号放大器施加到所述公共输入信号的放大量相等。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述相等的放大量基于所述分集阵列中所述天线单元的数量。

8.如权利要求1所述的设备，设置为固定位置设备。

9.一种通信设备，包括：

天线单元的相控阵列；以及

驱动装置，耦合到所述相控阵列，用于根据要全向发射的期望通信信号来产生通信信令，所述天线单元响应所述通信信令能够合作来实现所述期望通信信号的近似全向天线发射；以及

其中所述驱动装置包括分别耦合到所述天线单元的多个天线通路，每一个所述天线通路包括信号组合器。

10.如权利要求9所述的设备，其中所述天线单元在所述近似全向天线发射期间用相等的功率进行发射。

11.如权利要求9所述的设备，其中所述信号组合器包括相应的信号乘法器。

12.如权利要求9所述的设备，其中所有所述信号组合器接收与所述期望信号对应的公共输入信号。

13.如权利要求9所述的设备，其中每一个信号组合器将所述公共输入信号与表示对应随机变量的对应信号进行组合。

14.如权利要求13所述的设备，其中所述随机变量彼此独立。

15.如权利要求14所述的设备，其中所述随机变量是高斯变量。

16.如权利要求13所述的设备，其中所述随机变量是高斯变量。

17.如权利要求12所述的设备，其中所有所述信号组合器接收作为与所述期望信号对应的频域信号的公共输入信号，每一个所述信号组合器将所述公共输入信号与另一频域信号进行组合以便产生频域的组合信号，每一个所述天线通路包括：转换器，耦合到所关联信号组合器，用于将所关联组合信号转换成驱动所关联天线单元的对应时域信号。

18.如权利要求17所述的设备，其中每一个信号组合器包括信号乘法器。

19.一种操作天线单元的分集阵列的方法，包括：

提供天线单元的分集阵列；

提供耦合到天线单元的分集阵列的驱动装置用于根据要全向发射的期望通信信号来产生通信信令；以及

使用所述通信信令，结合在所述天线单元之间合作，通过在所有天线单元之间同等地共享总发射功率来实现所述期望通信信号的近似全向天线发射。

20.一种操作天线单元的相控阵列的方法，包括：

提供天线单元的相控阵列；

提供耦合到天线单元的相控阵列的驱动装置用于根据要全向发射的期望通信信号来产生通信信令；以及

使用所述通信信令，结合在所述天线单元之间合作，通过在所有天线单元之间同等地共享总发射功率来实现所述期望通信信号的近似全向天线发射。

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