CN103916171B - 一种波束赋形的控制方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术，特别涉及一种波束赋形的控制方法、装置及系统。用以实现波束赋形的灵活控制。该系统为：通过在各组功率放大器和天线阵元之间增加扩展移相控制装置，增加了对各路射频信号（即待发送数据）的进一步移相控制，即采用扩展相位的方法来提高相位控制的精度。这样，便构建了一个扩展移相控制架构，弥补了模拟波束赋形相位精度低的缺陷，结合天线阵元可以针对某路经由粗颗粒度移相器及功率放大器的输出信号，进一步作出细颗粒度地更精确地相位控制，从而能够以一个实现更高精度实现射频信号的控制，以及波束赋形控制。

Description

一种波束赋形的控制方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及通信技术，特别涉及一种波束赋形的控制方法、装置及系统。

背景技术

随着通信技术的迅速发展，无线移动宽带的应用将越来越广泛，便携移动设备中将使用非常高的频段进行数据通信，如，厘米波、毫米波等等。由于载频的原因以及环境的影响，信号传播的损耗非常高，为了解决此问题，一般的做法是在便携移动设备中利用波束赋形技术进行路损补偿，以保证链路质量；如，采用多天线组成阵列并采用波束赋形的方法提高增益以保证链路质量。

现有技术下，高频段信号通常采用数控移相器，参阅图1所示，待发送数据经数模转换处理以及上变频处理后，扩展为三路，每一路待发送数据分别经由一个移相器1获得相位移动处理，再经由一个功率放大器2获得功率放大处理，最后，三路待发送数据经由各自的天线阵元3被联合波束赋形发送；其中，各路天线阵元3通常采用固定天线阵元的方式。然而，这种模拟波束赋形的方案成本较小，但相位值固定，可控性和灵活性比较差，增益比较低，不能满足多种应用场景的波束赋形需求。

例如，实现60GHz无线通信的方案时，采用有限位数(假设为N)的数控移相器来控制模拟信号的相位，可控相位由位数决定，假设移相控制可从0度到160度，采用3位数字控制信号(即N＝3)可以控制0度、20度、40度、60度直到160度的8个相位。由于成本以及功耗的原因，位数更多的数控移相器与模拟射频电路集成在同一个固态电路中难度非常大，而天线阵元固定，这样的结果，实际上没有充分利用模拟波束赋形带来的益处，很难满足无线通信比较灵活的波束控制需求，从而很难达到良好的赋形能力。

为了解决固定天线阵元带来的不足，现有技术下，可以采用数字波束赋形方式加以解决。参阅图2所示，此方案中，各路待发送数据在数模转换阶段便完成相位移动处理，接着，再经上变频处理及功率放大处理后，经由天线阵元3被联合波束赋形发送。理论上讲用数字波束赋形可以达到最优的波束赋形的效果，具体参见图2，可以在待发送数据1、2……n中加入相位信息，但由于增加了多个数模转换器件，其成本和功耗却远远高于于模拟波束赋形。

发明内容

本发明实施例提供一种波束赋形的控制方法、装置及系统，用以实现波束赋形的灵活控制。

本发明实施例提供的具体技术方案如下：

第一方面、一种波束赋形的控制系统，包括：

至少两个移相器，用于分别按照各自预设的角度对各自获得的待发送数据进行相位调整；

至少两个功率放大器，每一个功率放大器分别与一个移相器相连接，用于分别对各自获得的经相位调整的待发送数据进行功率放大；

至少两个扩展移相控制装置，每一个扩展移相控制装置分别与一个功率放大器相连接，用于分别按照各自预设的修正值对各自获得的经功率放大后的待发送数据进行相位修正；其中，预设的修正值不大于所述移相器能够使用的两个相邻可调角度的差值；

至少两个天线阵元，每一个天线阵元分别与一个扩展移相控制装置相连接，用于分别对各自获得的经相位修正的待发送数据进行发送。

这样，便构建了一个扩展移相控制架构，弥补了模拟波束赋形相位精度低的缺陷，结合天线阵元可以针对某路经由粗颗粒度移相器及功率放大器的输出信号，进一步作出细颗粒度地更精确地相位控制，从而能够以一个实现更高精度实现射频信号的控制，以及波束赋形控制。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述天线阵元为微带天线、圆极化天线或椭圆极化天线。

结合第一方面，在第二种可能的实现方式中，所述系统在待发送数据接入高频段系统后立即进行处理，或者，在高频无线链路存活期间接收到指令时再进行处理。

结合第一方面或第一方面的第一种或第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，扩展移相控制装置进一步用于：用于根据信号发送需求控制对应的天线阵元的开闭。

这样，可以可灵活地使用或不使用某些天线阵元，即采用不同的天线阵元组合控制方式以调整天线信号整合方向、改变信号增益，甚至可以达到适应不同频段的效果，尤其是可以采用简洁的阵元组合方式即满足可移动设备多模多频的挑战，以节约成本。

第二方面、一种波束赋形的控制装置，至少包括：

移相控制器，用于按照预设的修正值对获得的经相位调整及功率放大的待发送数据进行相位修正，再将修正的待发送数据发往相应的天线阵元；其中，预设的修正值小于系统中实现相位调整的移相器能够使用的两个相邻可调角度的差值。

这样，便构建了一个扩展移相控制架构，弥补了模拟波束赋形相位精度低的缺陷，结合天线阵元可以针对某路经由粗颗粒度移相器及功率放大器的输出信号，进一步作出细颗粒度地更精确地相位控制，从而能够以一个实现更高精度实现射频信号的控制，以及波束赋形控制。

结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述移相控制器为微机电式移相控制器或开关线式移相器。

结合第二方面或第二方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，进一步包括：

开关控制器，用于根据信号发送需求控制对应的天线阵元的开闭。

这样，可以可灵活地使用或不使用某些天线阵元，即采用不同的天线阵元组合控制方式以调整天线信号整合方向、改变信号增益，甚至可以达到适应不同频段的效果，尤其是可以采用简洁的天线阵元组合方式即满足可移动设备多模多频的挑战，以节约成本。

结合第二方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述开关控制器为微机电式开关。

结合第二方面的第二种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述装置在待发送数据接入高频段系统后立即进行处理，或者，在高频无线链路存活期间接收到指令时再进行处理。

第三方面、一种波束赋形的控制方法，包括：

按照预设的角度对获得的待发送数据进行相位调整；

对经相位调整的待发送数据进行功率放大；

按照预设的修正值对经功率放大后的待发送数据进行相位修正；其中，预设的修正值不大于所述移相器能够使用的两个相邻可调角度的差值；

对经相位修正的待发送数据进行发送。

这样，便构建了一个扩展移相控制架构，弥补了模拟波束赋形相位精度低的缺陷，结合天线阵元可以针对某路经由粗颗粒度移相器及功率放大器的输出信号，进一步作出细颗粒度地更精确地相位控制，从而能够以一个实现更高精度实现射频信号的控制，以及波束赋形控制。

结合第三方面，在第一种可能的实现方式中，所述待发送数据为参考信号，或者，为信道反馈信息。

结合第三方面，在第二种可能的实现方式中，在待发送数据接入高频段系统后立即进行处理，或者，在高频无线链路存活期间接收到指令时再进行处理。

结合第三方面或第三的第一种或第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，进一步包括：

根据信号发送需求对发送待发送数据的天线阵元的数目进行控制。

这样，可以可灵活地使用或不使用某些天线阵元，即采用不同的天线阵元组合控制方式以调整天线信号整合方向、改变信号增益，甚至可以达到适应不同频段的效果，尤其是可以采用简洁的天线阵元组合方式即满足可移动设备多模多频的挑战，以节约成本。

附图说明

图1为现有技术下模拟波束赋形原理图；

图2为现有技术下数字波束赋形原理图；

图3为本发明实施例中实现数控式模拟波束赋形的系统原理图；

图4为本发明实施例中扩展移相控制装置结构图；

图5和图6为本发明实施例中天线阵元控制示意图；

图7为本发明实施例中波束赋形控制流程图。

具体实施方式

为了实现波束赋形的灵活控制，本发明实施例中，不再使用模拟移相器进行相位调整，而在扩展的移相控制网络，增加各路射频信号的进一步移相控制。并采用扩展相位的方法来提高相位控制的精度。

下面结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

参阅图3所示，本发明实施例中，用于实现数控式模拟波束赋形的控制系统具体包括：

至少两个移相器1，用于分别按照各自预设的角度对各自获得的待发送数据进行相位调整；

当然，如图3所示，待发送数据在进行相位调整前，需要先经过数模转换处理和上变频处理，在此不再一一赘述。

另一方面，实际应用中，根据波束赋形需求，每个移相器1所采用的预设角度均不相同，这样，可以将待发送数据按照不同的方向进行发送，以增大波束赋形增益。

至少两个功率放大器2，每一个功率放大器2分别与一个移相器1相连接，用于分别对各自获得的经相位调整的待发送数据进行功率放大；

至少两个扩展移相控制装置4，每一个扩展移相控制装置4分别与一个功率放大器2相连接，用于分别按照各自预设的修正值对各自获得的经功率放大后的待发送数据进行相位修正；其中，预设的修正值小于移相器1能够使用的两个相邻可调角度的差值；

例如，假设移相器1可使用的角度为0度、20度、40度、60度直到160度的8个相位，则扩展移相控制装置4可以采用的修正值为[0，20)之间的某个数值。

至少两个天线阵元3，每一个天线阵元3分别与一个扩展移相控制装置4相连接，用于分别对各自获得的经相位修正的待发送数据进行发送。

本发明实施例中，天线阵元3包括但不限于微带天线、圆极化天线、椭圆极化天线等等。

基于上述实施例，参阅图4所示，本发明实施例中，任意一个扩展移相控制装置4中至少包含移相控制器40，其中，

移相控制器40，用于按照预设的修正值对获得的经相位调整及功率放大的待发送数据进行相位修正，再将修正的待发送数据发往相应的天线阵元3；其中，预设的修正值小于系统中实现相位调整的移相器1能够使用的两个相邻可调角度的差值。

本发明实施例中，移相控制器40可以采用但不限于微机电式移相控制器、开关线式移相器等等。

在上述实施例中，数控式模拟波束赋形的控制系统可以在待发送数据接入高频段系统后立即进行处理，也可以在高频无线链路存活期间接收到指令时再进行处理，在此不再一一赘述。

如图4所示，进一步地，扩展移相控制装置4中还可以包括开关控制器41，用于根据信号发送需求控制对应的天线阵元3的开闭，即可以根据信号发送需求通过开关来控制对应的天线阵元3的打开或闭合。

这样，在待发送数据较少时或者信号增益需求较低时，无需使用天线阵列中全部的天线阵元3进行数据发送，从而有效节省了系统资源。当然，如果某个天线阵元3被其连接的扩展移相控制装置4关闭，则该扩展移相控制装置4处理的经相位修正后的待发送数据则自动作废，在此不再赘述。

例如：参阅图5和图6所示，假设天线阵列中总共存在16个天线阵元3，采用16路射频电路时，则开关全部打开。采用4路射频电路时，则选取打开并使用其中的4个天线阵元3，即通过各个开关控制器41，可以将天线阵列中的全部天线阵元3均打开，也可以只打开天线阵列中的部分天线阵元3(如，4个)，而关闭其余天线阵元3，至于打开或关闭哪一个天线阵元3可以灵活控制，图5中关闭的12个天线阵元3仅为举例。

本实施例中，开关控制器41包括但不限于微机电式开关。

下面结合一个具体的应用场景对上述实施例作出进一步详细说明。

假设移相器1的位数为3(即N＝3)，则移相器1可以采用3位数字控制信号控制0度、20度、40度、60度直到160度的8个相位；

而扩展相位控制装置4的倍数假设为5，则前端的移相器1采用预设的角度对获得的待发送数据进行相位调整后，扩展相位控制装置4可以1/32的精度对待发送数据当前的角度进行相位修正。

例如，前端n个移相器1所使用的角度之间隔为20度，而前端经过功率放大器2到达的待发送数据的相位假设为60度，则经过扩展相位控制装置4输出到天线阵元3的待发送数据的相位为〔60+(m/32)20〕度，m的取值从0到31。

当然，也可以通过扩展相位控制装置4中的开关控制器41来控制对应的天线阵元3的开闭，从而可以自由控制天线路数以及某路射频信号的开关，以达到省电或调整信号增益调整的目的，进而可以根据使用需求将天线特性调整到最优状态。

另一方面，实际应用中，扩展相位控制装置4可以在待发送数据接入高频段系统后立即进行处理，也可以在高频无线链路存活期间接收到指令时再进行处理，在此不再一一赘述。

也就是说整个的控制系统的中的每一个部件，包括移相器1、功率放大器2、扩展相位控制装置4和天线阵元3，在接收到待发送数据后，均可以立即进行处理，或者，等待一段时间，待接收到指令时再进行相关处理，这样，可以实现更为灵活的信号控制。

参阅图7所示，本发明实施例中，控制系统进行波束赋形控制的流程如下：

步骤700：控制系统按照预设的角度对获得的待发送数据进行相位调整。

本发明实施例中，待发送数据可以根据包括但不限于接收的参考信号、信道反馈信息等等。可选的，控制系统可以在待发送数据接入高频段系统后立即进行处理，或者，在高频无线链路存活期间接收到指令时再进行处理。

具体为：控制系统按照预设的角度，基于粗赋形颗粒度对待发送数据进行初步的相位调整。

步骤710：控制系统对经相位调整的待发送数据进行功率放大。

步骤720：控制系统按照预设的修正值对经功率放大后的待发送数据进行相位修正；其中，预设的修正值不大于相位调整过程中能够使用的两个相邻可调角度的差值。

具体为：控制系统按照预设的修正值，基于细赋形颗粒度对待发送数据进行进一步相位修正。

步骤730：控制系统对经相位修正的待发送数据进行发送。

进一步地，控制系统可以根据信号发送需求(如增益需求)对发送待发送数据的阵元数目进行控制，这样，可以灵活地使用不同的阵元组合，实现不同方向上报信号增益，从而令波束赋形的效果达到最优。

本发明实施例中，通过在各组功率放大器和天线阵元之间增加扩展移相控制装置，增加了对各路射频信号(即待发送数据)的进一步移相控制，即采用扩展相位的方法来提高相位控制的精度。这样，便构建了一个扩展移相控制架构，弥补了模拟波束赋形相位精度低的缺陷，结合天线阵元可以针对某路经由粗颗粒度移相器及功率放大器的输出信号，进一步作出细颗粒度地更精确地相位控制，从而能够以一个实现更高精度实现射频信号的控制，以及波束赋形控制。

进一步地，扩展移相控制架构可以与高频段天线阵元高度集成，在性能和成本之间获得一定的平衡。而高频段天线阵元也可以可灵活地使用或不使用某些天线阵元，即采用不同的天线阵元组合控制方式以调整天线信号整合方向、改变信号增益，甚至可以达到适应不同频段的效果，尤其是可以采用简洁的天线阵元组合方式即满足可移动设备多模多频的挑战，以节约成本。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种波束赋形的控制系统，其特征在于，包括：

至少两个移相器，用于分别按照各自预设的角度对各自获得的待发送数据进行相位调整；

至少两个功率放大器，每一个功率放大器分别与一个移相器相连接，用于分别对各自获得的经相位调整的待发送数据进行功率放大；

至少两个扩展移相控制装置，每一个扩展移相控制装置分别与一个功率放大器相连接，用于根据信号发送需求控制对应的天线阵元的开闭，以及分别按照各自预设的修正值对各自获得的经功率放大后的待发送数据进行相位修正；其中，预设的修正值不大于所述移相器能够使用的两个相邻可调角度的差值；

至少两个天线阵元，每一个天线阵元分别与一个扩展移相控制装置相连接，用于分别对各自获得的经相位修正的待发送数据进行发送。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述天线阵元为微带天线、圆极化天线或椭圆极化天线。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统在待发送数据接入高频段系统后立即进行处理，或者，在高频无线链路存活期间接收到指令时再进行处理。

4.一种波束赋形的控制装置，其特征在于，所述波束赋形的控制装置至少包括若干扩展移相控制装置，每一所述扩展移相控制装置至少包括：

开关控制器，用于根据信号发送需求控制对应的天线阵元的开闭；

移相控制器，用于按照预设的修正值对获得的经相位调整及功率放大的待发送数据进行相位修正，再将修正的待发送数据发往相应的天线阵元；其中，预设的修正值小于系统中实现相位调整的移相器能够使用的两个相邻可调角度的差值。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述移相控制器为微机电式移相控制器或开关线式移相器。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述开关控制器为微机电式开关。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置在待发送数据接入高频段系统后立即进行处理，或者，在高频无线链路存活期间接收到指令时再进行处理。

8.一种波束赋形的控制方法，其特征在于，包括：

按照预设的角度对获得的待发送数据进行相位调整；

对经相位调整的待发送数据进行功率放大；

根据信号发送需求对发送待发送数据的天线阵元的数目进行控制，并按照预设的修正值对经功率放大后的待发送数据进行相位修正；其中，预设的修正值不大于相位调整过程中能够使用的两个相邻可调角度的差值；

对经相位修正的待发送数据进行发送。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述待发送数据为参考信号，或者，为信道反馈信息。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在待发送数据接入高频段系统后立即进行处理，或者，在高频无线链路存活期间接收到指令时再进行处理。