CN104333404B - 阵列天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线通信系统(C)，包括通信小区(2)中的至少一个基站(1)。基站(1)配备有包括至少两个天线端口(P1，P2，P3，P4；P1a，P1b，P2a，P2b，P3a，P3b，P4a，P4b)的至少一个阵列天线(3，32)，所述至少两个天线端口分别连接到至少两个相应的天线元件(4，5，6，7；33，34，35，36)，其中所述至少两个天线元件(4，5，6，7：33，34，35，36)中的至少两个具有实质上相同的偏振。阵列天线(3，32)被安排用于经由至少两个天线辐射波瓣(24，25，26，27)进行通信，每个天线辐射波瓣(24，25，26，27)将信息流通信到小区(2)中的至少一个UE(23)(用户设备)。根据本发明的特定方面，在第一操作模式中，阵列天线(3，32)被安排用于经由一个天线辐射波瓣(24，25，26，27)通信。本发明还涉及用于执行所述通信的方法。

Description

阵列天线装置

技术领域

本发明涉及包括通信小区(communication cell)中至少一个基站的无线通信系统，所述基站配备有至少一个包括至少两个天线端口的阵列天线，所述至少两个端口连接到各自的至少两个相应的天线元件上，所述至少两个天线元件中的至少两个具有基本相同的偏振。

根据本发明的特定方面，在第一操作模式中，阵列天线被安排成经由一个天线辐射波瓣进行通信，将一个信息流通信到小区(cell)中的至少一个UE(用户设备)。

本发明还涉及用于来自通信小区中基站阵列天线的至少一个信息流的通信的方法，基站阵列天线包括至少两个天线端口，所述至少两个端口连接到各自的至少两个相应的天线元件上，所述至少两个天线元件中的至少两个具有实质上相同的偏振。

根据本发明的特定方面，在第一操作模式中，所述方法包括步骤：经由一个天线辐射波瓣将一个信息流通信到小区中的至少一个UE(用户设备)。

背景技术

对无线通信系统的需求在稳定的增长，并且仍在增长，在增长期间采取了若干技术上的进步。为了通过使用非相关传播路径来获得无线系统的增加的系统能力和用户数据比特率，考虑用MIMO(多输入多输出)系统来组成优选的技术，用于提高能力和用户数据比特率。MIMO使用若干单独的独立信号路径，例如通过若干发送和接收天线。

通常，MIMO系统使用非相关的，或至少实质上非相关的发送信号。该上下文中术语“非相关信号”的意思是辐射模式(radiation pattern)是实质上非相关的。如今通过空间分离使这成为可能，即具有至少两个分开5-10个波长的天线，(从天线设计用于的频带的中心频率计算出来的)，通常在方位上，从而获得天线端口处信号之间的低相关性。所述至少两个天线每个具有至少一个天线辐射波瓣。

还可以把空间分离和偏振分离结合起来，在偏振分离的情况下天线还被安排用于具有正交偏振的信号的发送和接收。

MIMO系统中的基站从而可装配有若干天线，分开5-10个波长，基站天线中的每一个设计用于一个偏振或多个实质上非相关的偏振，典型的是两个实质上非相关的偏振。这些天线通过空间或偏振或者上述两者，产生非相关的天线辐射波瓣。

在MIMO系统中给用户设备(例如移动电话或便携计算机)装配至少两个天线端口用于通信是必要的。

现有MIMO装置的问题在于，由于将原始信息流划分为两个或更多个单独的信息流，在给定固定的输出功率下，SNR(信噪比)恶化了。降低的SNR导致传送数据的速率、数据比特率，被降低。

此外，基站和用户设备之间的信号路径会被若干目标阻挡，例如市内环境中的大建筑物，这些目标造成若干反射。这些反射会导致信噪比(SNR)变得更加恶劣，并且因此路径中有越多的建筑物，在基站和用户设备之间发送的信号就越来越有噪声。因而可能仅在基站附近使用MIMO。好的MIMO性能需要好的SNR。

传统的MIMO系统，每个天线具有一个信息流，因此在市内环境和乡村中都为基站和用户设备之间有关于数据比特率的劣势所烦恼，这是因为这样的事实，为了获得实质上非相关的信号，基站天线辐射波瓣空间上分离。这意味着对于给定的表面面积和输出功率，MIMO系统不能进行最理想的使用。

发明内容

本发明解决的目标问题是提供一种适合MIMO系统的装置，该装置能够在具有至少两个天线端口的基站和用户设备之间提供增强的通信，所述用户设备具有至少两个天线端口用于经由所述至少两个基站天线辐射波瓣通信。

根据引言部分，通过无线通信系统解决所述目标问题，其中所述阵列天线被安排用于经由至少两个天线辐射波瓣进行通信，每个天线辐射波瓣将信息流通信到小区中至少一个UE(用户设备)，因而通过MIMO(多输入多输出)进行通信。

根据本发明的特定方面，这对应于第二操作模式。

所述目标问题还可通过被安排用于该通信系统的阵列天线来解决。

此外，所述目标问题还可通过根据引言的方法来解决，其中该方法进一步包括步骤：经由至少两个天线辐射波瓣，将至少两个信息流通信到小区中的所述至少一个UE(用户设备)。

根据本发明的特定方面，这对应于第二操作模式。

这意味着由于将原始信息流分为两个或更多个分开的信息流而导致的SNR降低，会通过使用阵列增益而或多或少地恢复，此外需要关于信道的相对少量的信息。

在从属权利要求中公开了优选实施例。

通过本发明获得了若干优势，例如：

-较高的比特率能力

-安装容易和较低的站点成本

-使用具有多个天线辐射波瓣的单个天线，所述多个天线辐射波瓣指向不同的方向并且充分地非相关，而不是使用多个具有单个天线辐射波瓣的天线，导致有效地使用了天线表面，利用了天线阵列增益，整个天线表面为每个辐射波瓣提供增益。

附图说明

现在将参考附图更加详细地描述本发明，其中

图1a示出了根据本发明系统的示意性顶视图；

图1b示出了基站阵列天线的示意性视图；

图2示出了本发明实施方式的示意性侧视图；

图3示出了本发明另一个实施方式的示意性顶视图；

图4示出了本发明另一个实施方式的示意性侧视图；

图5示出了本发明又一个实施方式的示意性顶视图；和

图6示出了双偏振基站阵列天线的示意性视图。

具体实施方式

如图1a中所示，通信系统C包括被安排用于在MIMO(多输入多输出)系统中进行通信的基站1。基站1以覆盖通信小区2的方式放置。还参考图1b，基站1装配有阵列天线3，第一实施方式中的阵列天线3包括第一天线元件4、第二天线元件5、第三天线元件6和第四天线元件7。每个天线元件4，5，6，7包括至少一个辐射元件。天线元件4，5，6，7放置在第一行8和第二行9，以及第一列10和第二列11中，形成2×2阵列天线3。天线元件4，5，6，7优选地，在水平面上相互分离大约0.5-1个波长(根据天线设计用于的频带的中心频率计算出来)，用于方位(azimuth)上的束形成，在垂直面上相互分离大约0.5-4个波长，用于高度(elevation)上的束形成。在该示例中，每个天线元件4，5，6，7安排用于单个偏振，所述偏振对于每个天线元件4，5，6，7实质上是相同的。如果使用了FDD(频分双工)，这些天线元件4，5，6，7使用相同的频带来为上行链路接收和发送信号，使用另一个频带用于下行链路，或者如果使用了TDD(时分双工)，则对上行链路和下行链路使用相同的频带。

在该第一实施方式中，四个天线元件4，5，6，7的每一个分别经由第一P1，第二P2，第三P3和第四P4天线端口，连接到相应的第一12，第二13，第三14和第四15馈送线路，其中馈送线路12，13，14，15连接到先前已知类型的束形成设备16(例如数字束形成设备)。束形成设备16又连接到第一17，第二18，第三19和第四20信息流馈送线路上，每个信息流源自总信息流馈送线路21。总信息流由划分设备22划分为四个信息流。

一个用户设备(UE)23位于小区2中，用户设备23例如是移动电话或便携计算机。假设UE 23被安排来接收四个非相关的信号，换句话说是假设UE 23配备有四个独立的天线端口(未示出)。

根据本发明，根据基站1和UE 23之间用于发送的发送环境来控制辐射波瓣24，25，26，27。所述控制以这样的方式执行，即，获得基站1和UE 23之间增强的通信。

在本实施方式中，束形成设备16设置成以这样的方式来控制输出辐射波瓣的数量，即，开启在方位(azimuth)和高度(elevation)上都具有固定的预定方向的一个24，两个25，三个26，四个27辐射波瓣。辐射波瓣的数量和哪些波瓣应该打开和关闭，以获得基站1和UE 23之间增强的通信的方式进行控制。

在第一操作模式中，仅经由一个辐射波瓣来执行通信，通信一个信息流。然后通信系统C不经由MIMO通信。在第二操作模式中，经由至少两个天线辐射波瓣24，25，26，27来执行通信，每个天线辐射波瓣24，25，26，27通信信息流。然后通信系统C经由MIMO进行通信。

与使用了多少个辐射波瓣无关，来自总信息流的所有信息总是由四个天线元件4，5，6，7进行辐射，使用天线元件孔径的全部区域。

UE 23可相对于基站1进行移动，其持续地向基站1提供关于当前可能的最高数据比特率的反馈。基于该信息，天线辐射波瓣24，25，26，27自适应地受到控制。该自适应控制包括打开和关闭天线波瓣，以及在每个信息流中分配不同的功率水平和/或数据比特率。

反馈通常包括关于信道的相对有限的信息，以最简单的形式，反馈仅为一个数据比特的形式。包括在反馈中关于信道的信息越多，自适应控制就越好。然而，可以用所述关于信道的相对有限的信息，实现可接受的自适应控制。反馈的典型类型是所谓的CQI值(信道质量指示符)，其在本领域中是熟知的。

在还参考图1a和1b来实现的第二实施方式中，四个信息流馈送到束形成设备16，所述束形成设备16这里安排用于控制每个输出天线辐射波瓣24，25，26，27控制方位角(azimuth)和仰角(elevation)方向。束形成设备在该示例中优选地是数字束形成设备。

四个信息流的每一个对应于四个基站天线辐射波瓣，其中每一个波瓣指向获得与特定UE最优通信的方向。在方位角和仰角上执行波瓣的调整。以这种方式引导波瓣会以这样的方式影响信号路径，即，它们并不是实质上非相关，而是根据本发明它们非相关到足够的程度。

如第一实施方式一样，UE 23可相对于基站1进行移动，其连续地向基站1提供关于当前可用的最高发送数据比特率的反馈。基于该信息，天线辐射波瓣24，25，26，27的方向自适应地受到控制。

本发明的主要目标因此是增强通信，即使这意味着降低了非相关的程度。然后对于所有实施方式不以通信数据比特率为代价来保持非相关。

根据上述实施方式，在发送期间，数字束形成设备16以特定幅度关系和特定相位关系将四个信息流的每一个馈给基站阵列天线3中的天线端口P1，P2，P3，P4的每一个，从而获得每个天线辐射波瓣24，25，26，27在方位和高度上期望的天线辐射波瓣方向。

这意味着，在示例中，第一信息流馈给所有四个天线端口P1，P2，P3，P4，对于天线端口P1，P2，P3，P4的每一个具有特定的幅度关系和特定相位关系。这可以对所有信息流同时执行，并且由于重叠，获得四个天线辐射波瓣24，25，26，27，每一个用于一个信息流，每个天线辐射波瓣24，25，26，27通过四个天线元件4，5，6，7而获得。

在第一实施方式中，没有提供用于改变天线辐射波瓣24，25，26，27的方向的功能，仅有打开和关闭天线辐射波瓣24，25，26，27从而指向预定方向的可能性。

上面描述的数字束形成是先前已知的，这里将不会更加详细的描述。

如图2中的侧视图所示，示出了第二实施方式的功能的示例，相对小的建筑物28位于UE 23的前方，而大的建筑物位于UE 23的后方。三个天线辐射波瓣24’，25’，26’指向UE23，具有方位上实质相同的方向角，但是具有高度上不同的方向角。

天线辐射波瓣的方位方向角定义为从天线主辐射表面中心延伸的法线和天线辐射波瓣的方位方向之间的角度。对应的定义对天线辐射波瓣的高度方向角有效。天线辐射波瓣的方向优选地定义为天线辐射波瓣具有其最大信号的方向，且可存在其他定义。

由于较小的建筑物28部分阻塞了路径，所有四个天线辐射波瓣24’，25’，26’，27’由于差不多直接指向UE 23，不能获得与UE 23的最优通信。因此，天线辐射波瓣之一27’，在该示例中是第四天线辐射波瓣，反而指向较大的建筑物29，使得由第四天线辐射波瓣27’发送的第四信息流通过较大建筑物29的反射而到达UE 23。

如果，例如UE 23清除了较小的建筑物28，则第四波瓣27’基于来自UE 23的反馈而以更直接地指向UE的方式进行重指向。然后，所有四个天线辐射波瓣24’，25’，26’，27’指向UE 23，在方位上具有实质上相同的方向角，但是在高度上具有不同的方向角，从而提供足够非相关的传播路径。

如图3中顶视图所示，示出了第二实施方式的另一个功能示例，相对小的建筑物30位于UE 23的前方，但是没有显著的建筑物在UE 23的后方。当从基站1看UE 23时，相对较大的建筑物31位于UE 23的左侧。

三个天线辐射波瓣24”，25”，26”指向UE 23，具有方位上实质相同的方向角，但是具有高度上不同的方向角(因为图3是顶视图，因此图3中未示出)。由于较小的建筑物30部分阻塞了路径，所有四个天线辐射波瓣24”，25”，26”，27”由于直接指向UE 23，不能实现与UE 23的最优通信。因此，天线辐射波瓣之一27”，在该示例中是第四天线辐射波瓣，反而指向左侧的较大的建筑物31，使得从基站1的观察点来考虑，由第四天线辐射波瓣27”发送的第四信息流通过左侧较大建筑物31的反射而到达UE 23。

以与之前所述同样的方式，波瓣的方向可以由于UE 23的移动或其他环境而变化。这基于UE的反馈进行控制。

如图4中侧视图所示，还示出了第二实施方式功能的另一个示例，UE 23位于乡村，那里没有建筑物。这里，所有的天线辐射波瓣24”’，25”’，26”’，27”’指向UE 23，具有方位上实质相同的方向角，但是高度上具有不同的方向角。第四实施方式示出了本发明并不主要涉及建筑物的反射，而是主要涉及基站1和UE23之间的通信优化，不论环境如何，也不论非相关的程度是否被降低。

当然，小区中经常有不止一个UE。参考图5，在小区2中有第一UE 23a，第二UE 23b，和第三UE 23c。根据本发明，小区2中的UE 23a，23b，23C的每一个接收特定的时隙，在该特定时隙中所有基站天线辐射波瓣(图5中未示出)协作来优化基站1和特定UE之间的通信。在第一时隙期间，所有基站天线辐射波瓣协作来优化基站1和第一UE 23a之间的通信。在第二和第三时隙期间，以相同的方式分别优化基站1和第二23b和第三23c UE之间的通信。对于每个UE23a，23b，23c，如何天线辐射波瓣如何指向依赖于每个UE 23a、23b、23c的环境，例如是否存在建筑物(未示出)。根据上述内容的过程涉及时分多址(TDMA)系统，当然其他系统例如频分多址(FDMA)系统或两者的结合，是可能的。

UE 23可以装配有任何数量的天线端口，但是为了使UE 23安排用于MIMO系统，有必要使UE 23装配有至少两个天线端口。当通信开始时，基站1适应于UE 23中可用天线端口的数量。

UE 23可装配有自适应的天线，所述天线在获得最高数据比特率的方向上电可控。UE 23还可以装配有用于确定UE 23的哪个取向提供最佳通信性能的装置(未示出)。

本发明不受上述实施方式的限制，而是可以在所附权利要求的范围内自由变化。例如，基站阵列天线可以有天线元件的任何适当配置，例如4行和4列，形成4×4的阵列天线，因而可被安排用于获得多达十六个天线辐射波瓣。

更一般地，基站天线是配备有至少两个天线端口的阵列天线，所述至少两个端口分别连接到至少两个相应的天线元件，其中所述至少两个天线元件中的至少两个具有实质上相同的偏振。

因此，根据本发明，至少两个天线端口必须包括在基站阵列天线中，基站阵列天线因而安排用于辐射两个天线辐射波瓣，这对MIMO通信来说是必需的。

然而，假设第一实施方式用于根据图4的情况，可想到的是仅有一个天线辐射波瓣被开启，因为不需要更多的天线辐射波瓣获得基站1和UE 23之间的最优通信。

当然，可想到具有可控天线辐射波瓣的第二实施方式可安排用于以与第一实施方式中相同的方式关闭天线辐射波瓣。

根据本发明第二实施方式的基站阵列天线3的波瓣可仅在方位上可控制，仅在高度上可控制，或如上述实施方式所示，在方位和高度上都可控制。本领域熟练的技术人员已知，可在方位和高度两者上进行控制的基站阵列天线必须是双向的，即在行和列中都具有天线元件。

对于所有实施方式，基站阵列天线3可进一步包括双偏振天线元件，因而基站阵列天线3被安排用于经由两个基本正交偏振的通信，因此使信息流发送率加倍。

下面参考图6描述如何安排双偏振天线元件的示例。示出了阵列天线32，具有第一33，第二34，第三35和第四36天线元件。每个天线元件33，34，35，36包括至少一个辐射元件。天线元件33，34，35，36放置在第一行37和第二行38，和第一列39和第二列40，形成了2×2阵列天线32。天线元件33，34，35，36优选地，在水平面上分离大约0.5-1个波长(根据天线设计用于的频带的中心频率计算出来)，用于方位上的束形成，并且在垂直面上分离大约0.5-4个波长，用于高度上的束形成。每个天线元件33，34，35，36安排用于第一和第二偏振，所述偏振实质上是非相关的。

如果使用了FDD(频分双工)，天线元件33，34，35，36使用相同的频带来为上行链路接收和发送信号，另一个频带用于下行链路，或者如果使用了TDD(时分双工)，则为上行链路和下行链路使用相同的频带。

在该示例中，第一33，第二34，第三35和第四36天线元件的第一偏振经由相应的第一P1a，第二P2a，第三P3a和第四P4a天线端口，连接到相应的第一41，第二42，第三43和第四44馈线。以相同的方式，第一33，第二34，第三35和第四36天线元件的第二偏振经由相应的第五P1b，第六P2b，第七P3b和第八P4b天线端口，连接到相应的第五45，第六46，第七47和第八48馈线。

连接到第一行37中天线元件33，34的第一偏振的第一41和第二42馈线，被连接到第一功率分配器49，而连接到第二行38中天线元件35，36的第一偏振的第二43和第三44馈线，被连接到第二功率分配器50。

连接到第一列39中天线元件33，35的第二偏振的第五45和第七47馈线，被连接到第三功率分配器51，而连接到第二列40中天线元件34，36的第二偏振的第六46和第八48馈线，被连接到第四功率分配器56。

第一49和第二50功率分配器连接到第一束形成设备53，而第三51和第四52功率分配器连接到第二束形成设备54。束形成设备53，54是先前已知的类型，例如，数字束形成设备。设备53，54可结合成一个束形成设备。

通过这种布置，由行37，38形成的具有第一偏振的辐射波瓣，可与由列39，40形成的具有第二偏振的辐射波瓣分开控制。天线辐射束在远场中非相干地叠加。

通常，对于描述的所有实施方式，由于所有天线布置都是相应的，因此有关发送所描述的所有特征也适用于接收。

此外，基站阵列天线3、基站天线辐射波瓣24，25，26，27的数量可以以任何便利的方式变化，只要系统仍然安排用于MIMO。

如上所示，本发明适用于任意数量的UE 23；23a，23b，23c。不止一个基站1也可能是必须的，例如由于容量的要求和/或小区2环境的规划。

基站1可以是任何无线通信系统中的基站，例如无线局域网(WLAN)中的基站。

Claims (12)

1.一种无线通信系统（C），包括通信小区（2）中的至少一个基站（1），基站（1）配备有包括至少四个天线端口（P1，P2，P3，P4；P1a，P1b，P2a，P2b，P3a，P3b，P4a，P4b）的至少一个阵列天线（3，32），所述至少四个端口（P1，P2，P3，P4；P1a，P1b，P2a，P2b，P3a，P3b，P4a，P4b）分别连接到排列为至少两行和至少两列的至少四个相应的天线元件（4，5，6，7；33，34，35，36），所述天线元件（4，5，6，7；33，34，35，36）中的至少四个具有实质上相同的偏振，其特征在于，所述阵列天线（3，32）被安排用于经由至少两个天线辐射波瓣（24，25，26，27）通信，每个天线辐射波瓣（24，25，26，27）将信息流通信到小区（2）中的至少一个用户设备UE（23），从而通过多输入多输出MIMO进行通信，每个天线辐射波瓣在方位和高度上都单独地可控，使得信息流的通信被实质上最优化。

2.根据权利要求1的通信系统（C），其特征在于，每个天线元件（4，5，6，7；33，34，35，36）包括至少一个辐射元件。

3.根据上述权利要求任意一个的通信系统（C），其特征在于，基于来自UE（23）的反馈信息，自适应地执行天线波瓣（24，25，26，27）的控制，所述反馈信息的形式为至少一个数据比特。

4.根据权利要求3的通信系统（C），其特征在于，反馈信息的形式为所谓的信道质量指示符CQI值。

5.根据上述权利要求1－2中任意一个的通信系统（C），其特征在于总信息流馈送到该通信系统中，所述总信息流总是使用天线元件孔径的全部区域由天线元件（4，5，6，7；33，34，35，36）进行辐射。

6.根据上述权利要求1－2中任意一个的通信系统（C），其特征在于所述阵列天线（32）包括双偏振天线元件（33，34，35，36）。

7.根据权利要求6的通信系统（C），其特征在于，所述阵列天线（32）包括至少四个天线元件（33，34，35，36），每个天线元件（33，34，35，36）具有第一和第二偏振，所述偏振实质上是非相关的，所述天线元件（33，34，35，36）进一步形成至少两行（37，38）和两列（39，40），第一行（37）中天线元件（33，34）的第一偏振和第二行（38）中的天线元件（35，36）的第一偏振连接到束形成设备（53）并且第一列（39）中天线元件（33，35）的第二偏振和第二列（40）中的天线元件（34，36）的第二偏振连接到束形成设备（54）的行（37，38），使具有第一偏振的由所述行（37，38）形成的辐射波瓣，能够与具有第二偏振的由所述列（39，40）形成的辐射波瓣分开地受到控制，所述天线辐射波瓣在远场中非相干地叠加。

8.一种阵列天线（3，32），安排用于根据权利要求1-7任意一个的通信系统（C）。

9.一种用于通信来自通信小区（2）中基站阵列天线（3，32）的至少两个信息流的方法，所述基站阵列天线（3，32）包括至少四个天线端口（P1，P2，P3，P4；P1a，P1b，P2a，P2b，P3a，P3b，P4a，P4b），所述至少四个端口（P1，P2，P3，P4；P1a，P1b，P2a，P2b，P3a，P3b，P4a，P4b）分别连接到排列为至少两行和至少两列的至少四个相应的天线元件（4，5，6，7；33，34，35，36），所述天线元件（4，5，6，7；33，34，35，36）中的至少四个具有实质上相同的偏振，其特征在于，该方法包括步骤：

经由至少两个天线辐射波瓣（24，25，26，27）将所述至少两个信息流通信到小区（2）中的至少一个用户设备UE（23），其中每个天线辐射波瓣在方位和高度上都单独地可控，使得信息流的通信被实质上最优化。

10.根据任何权利要求9的方法，其特征在于，使用来自UE（23）的反馈信息，自适应地控制天线波瓣（24，25，26，27），所述反馈信息的形式为至少一个数据比特。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于，反馈使用所谓的信道质量指示符CQI值。

12.根据权利要求9-11任意一个的方法，其特征在于使用双偏振。