CN105580200A - 用于天线对准的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信网络(2)中的节点(1)。节点(1)包括天线布置(3)，天线布置(3)又包括阵列天线(4)。阵列天线包括形成第一天线孔径(6)的第一天线单元集合(5)以及形成第二天线孔径(8)的第二天线单元集合(7)。天线布置(3)还包括被适配成在第一操作模式(M1)与第二操作模式(M2)之间切换的切换布置(22)。在第一操作模式下，第一天线孔径(6)被布置成生成第一天线波束(9)。在第二操作模式下，第一天线孔径(6)和第二天线孔径(8)被组合并且被布置成生成第二天线波束(10)，第一天线波束(9)比第二天线波束(10)具有更宽的天线波束宽度。本发明还涉及相应的方法。

Description

用于天线对准的设备和方法
技术领域
本发明涉及无线通信网络中的节点，其中节点包括天线布置。天线布置又包括阵列天线，阵列天线又包括形成第一天线孔径的第一天线单元集合以及形成第二天线孔径的第二天线单元集合。
本发明还涉及用于无线通信网络中的第一节点与第二节点的对准的方法。对于第一操作模式，方法包括步骤：
使得第一模式端口能够使用具有第一主指向的第一天线波束经由第一天线孔径发射和/或接收信号；以及执行第一对准过程。
背景技术
在无线通信网络中获取高水平的容量是所期望的。增加无线通信网络中的容量的一个技术是在宏小区覆盖区域内部署低功率微微无线电基站以形成异构网络。微微基站小于常规的宏基站，其覆盖更小区域，并且在很多情况下被放置成靠近街道水平，同时回程聚合点通常放置在屋顶水平以上的宏基站处。
传统的用于在微微基站与回程聚合点之间建立连接的无线回程技术为视线无线电链路。然而，当回程聚合点被放置在屋顶水平以上同时微微基站位于屋顶以下更接近街道水平时，可以防止视线(LOS)使得存在非视线(NLOS)场景。NLOS传播场景利用衍射、反射和穿透效应。
在NLOS传播场景中，不能借助于视觉检查和手动调节使宏基站处的无线电链路回程天线波束与微微基站处的无线电链路回程天线波束朝着彼此对准。传统上，已经通过使用例如铜导线或者光纤导线解决了回程连接。
然而，以上讨论的传统的回程技术并不总是符合异构回程场景。已经提出了被配备以高增益天线的无线NLOS回程无线电链路作为替选。
具有窄波束的高增益无线电链路天线通常用在LOS应用中，其具有为几度的非常窄的波束宽度。对准过程因此对于指向错误非常敏感。因此，使两个窄波束宽度天线在其之间没有视觉连接的情况下朝着NLOS场景中的共同的衍射、反射或穿透点对准变得非常困难。
现有技术中描述了在LOS场景中对准天线，例如在WO2008/047342、US2010/0302101和US6836675中。
US2010/0302101教示在预定路径衰减下第一方向性波束天线与第二方向性波束天线的自动对准的方法。
US6836675教示通过使天线瞄准最佳方向来实现微波通信系统的最佳无线链路状态的方法。
然而，所有这些文档都没有公开如何使NLOS场景中的两个窄波束无线电链路天线同时对准，因此需要这样的方法。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于使NLOS场景中的两个窄波束无线电链路天线同时对准的方法。
上述目的借助于无线通信网络中的节点来获得，其中节点包括天线布置。天线布置又包括阵列天线，阵列天线又包括形成第一天线孔径的第一天线单元集合以及形成第二天线孔径的第二天线单元集合。天线布置还包括被适配成在第一操作模式与第二操作模式之间切换的切换布置。在第一操作模式下，第一天线孔径被布置成生成具有第一主指向的第一天线波束，在第二操作模式下，第一天线孔径和第二天线孔径被组合并且被布置成生成具有第二主指向的第二天线波束。第一天线波束在平行于并且穿过相应主指向的至少一个相应平面中具有比第二天线波束更宽的天线波束宽度。
上述目的还借助于用于无线通信网络中的第一节点与第二节点的对准的方法来获得。对于第一操作模式，方法包括步骤：
使得第一模式端口能够使用具有第一主指向的第一天线波束经由第一天线孔径来发送和/或接收信号；
执行第一对准过程；
使得第二模式端口能够使用具有第二主指向的第二天线波束经由第一天线孔径和第二天线孔径的组合来发送和/或接收信号；以及
执行第二对准过程。
第一天线波束在平行于并且穿过相应主指向的至少一个相应平面中具有比第二天线波束更宽的天线波束宽度。
根据一个示例，第一主指向和第二主指向一致。
根据另一示例，阵列天线包括形成总天线孔径的总天线单元集合。总天线单元集合由第一天线单元集合和第二天线单元集合形成。相应地，总天线孔径由第一天线孔径和第二天线孔径形成。
根据另一示例，节点还包括具有第一划分端口、第二划分端口和组合端口的功分设备。从组合端口到划分端口行进的功率在划分端口之间被划分，并且从划分端口到组合端口行进的功率从划分端口被组合。第一划分端口至少能够经由切换布置切换到第一天线单元集合。第二划分端口被布置成经由第二天线单元集合发送和/或结接收信号，组合端口连接到被布置成经由第二天线波束发送和/或接收信号的第二模式端口。
根据另一示例，切换布置包括第一端口、第二端口和第三端口。第一端口能够连接到第二端口或第三端口，第二端口连接到被布置成经由第一天线波束发送和/或接收信号的第一模式端口。第三端口连接到第一划分端口。
根据另一示例，第二天线孔径被分为第一子孔径、第二子孔径、第三子孔径和第四子孔径。每个子孔径直接或者经由对应的无线电单元连接到波束成形网络。波束成形网络具有求和端口、第一差异端口和第二差异端口，其中求和端口连接到第一划分端口。
根据另一示例，第一天线单元集合连接到第一无线电单元，第二天线单元集合连接到第二无线电单元。无线电单元连接到被布置用于处理基带频率信号的数字信号处理设备。数字信号处理设备包括切换布置并且被布置成生成第一操作模式和第二操作模式。
从属权利要求中公开了更多示例。
借助于本发明可以获得若干优点。例如：
–与以前的方法相比简化了部署。
–实现了自包含的回程无线电链路。
–对准方法在链路的初始设置时以及在操作期间适用。
–使用单个天线孔径生成宽波束辐射图案和窄波束辐射图案。
–宽波束用于粗略对准同时窄波束用于精细调整。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出无线通信网络的示意性侧视图；
图2示出根据本发明的第一示例的天线布置的示意性视图；
图3示出根据本发明的天线的示意性说明视图；
图4示出根据本发明的第二示例的天线布置的示意性视图；
图5示出根据本发明的第三示例的天线布置的示意性视图；以及
图6示出根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
参考图1，第一建筑物42的顶部放置有第一节点1，第一节点1被包括在无线通信网络2中。在本示例中，第一节点1由宏站点处的回程聚合点构成。无线通信网络2还包括被放置在第一建筑物42中的第二节点38、被放置在第二建筑物43处的第三节点39、以及被放置在第三建筑物44处的第四节点40和第五节点41，使得第一节点1与其他节点38、39、40、41中的任何节点之间不存在任何视线。在本示例中，其他节点38、39、40、41由被放置成比第一节点1更靠近地平面的微微基站构成。
还可想到，第一节点与其他节点38、39、40、41中的一个或多个节点之间放置有其他建筑物或结构。这样的建筑物引起阻挡效应以及另外的衍射和反射源，从而减轻第一节点1处的回程天线与其他节点38、39、40、41中的任何节点处的回程天线之间的NLOS传输。
还参考图2，第一节点1包括天线布置3，天线布置3被布置用于将天线波束指向方位角方向A和仰角方向E。
还参考图3，天线布置3包括阵列天线4，阵列天线4又包括形成第一天线孔径6的第一天线单元集合5(附图中为了清楚仅示出几个)以及形成第二天线孔径8的第二天线单元集合7(附图中为了清楚仅示出几个)，其中第一天线孔径6被第二天线孔径8环绕。
为了阐明不同的天线孔径6、8，第一天线孔径6及其第一天线单元集合5在图2中用虚线标记，而在图3中，第一天线孔径6及其第一天线单元集合5被示出为与第二天线孔径8及其第二天线单元集合7分离。
图3仅出于说明目的而被示出，以清楚地表示第一天线孔径6和第二天线孔径8，它们在此没有分离、也不可分离。实际上，如图2所示，在本示例中，阵列天线4包括形成总天线孔径13的总天线单元集合12。总天线单元集合12由第一天线单元集合5和第二天线单元集合7形成，并且总天线孔径13由第一天线孔径6和第二天线孔径8形成。
根据本发明，天线布置3还包括被适配成在第一操作模式M1与第二操作模式M2之间切换的切换布置22。在第一操作模式下，第一天线孔径6被布置成生成具有第一主指向11的第一天线波束9。在第二操作模式下，第一天线孔径6和第二天线孔径8被组合并且被布置成生成具有第二主指向11的第二天线波束10；在本示例中，第一主指向11和第二主指向11一致。指向11通常在主波束的辐射峰值指向天线法线方向。
第一天线波束9在平行于并且穿过相应主指向11的至少一个相应平面中比第二天线波束10具有更宽的天线波束宽度。辐射图案波束宽度由天线孔径的尺寸(dimension)来控制。与天线孔径的更小尺寸相比，天线孔径的更大尺寸生成更窄波束宽度。更小的天线孔径也在固定频率处提供降低的增益。
为了实现以上，在本发明的第一示例中，如图3所示，节点1包括具有第一划分端口15、第二划分端口16和组合端口17的功分设备14，其中从组合端口17向划分端口15、16行进的功率在划分端口15、16之间被划分，并且其中从划分端口15、16向组合端口17行进的功率从划分端口15、16被组合。划分比率可以相等或者不相等。
第一划分端口15经由切换布置22可切换到第一天线单元集合5，第二划分端口16被布置成经由第二天线单元集合7发送和/或接收信号。组合端口17连接到被布置成经由第二天线波束10发送和/或接收信号的第二模式端口18。
切换布置22包括第一端口19、第二端口20和第三端口21，其中第一端口19可连接到第二端口20或第三端口21。在第一操作模式M1下，第一端口19连接到第二端口20，如用点划线所表示的。在第二操作模式M2下，第一端口19连接到第三端口21，如点线所表示的。
第二端口20连接到被布置成经由第一天线波束9发送和/或接收信号的第一模式端口23，并且第三端口21连接到第一划分端口15。
这表示在第一操作模式M1下，切换布置22将第一天线孔径连接到第一模式端口23，使得处于第一操作模式M1的第一模式端口23被布置成经由第一天线波束9发送和/或接收信号。
另外，在第二操作模式M2下，切换布置22将第一天线孔径6和第二天线孔径8组合和同相连接到第二模式端口18，使得处于第二操作模式M2的第二模式端口18被布置成经由第二天线波束10发送和/或接收信号。
第一操作模式M1包括第一对准过程，第二操作模式M2包括第二对准过程，其中第一对准过程比第二对准过程更粗略，因为如以上所提及地，第一天线波束9具有比第二天线波束10更宽的天线波束宽度。
以这一方式，可以用两个步骤执行对准。首先，通过相对粗略的对准过程，第一操作模式M1下的第一对准过程，其中执行粗略对准，以确保所讨论的节点被对准到某个角度。其次，通过相对准确的对准过程，第二操作模式M2下的第二对准过程，其中借助于精细调节执行准确调整。所讨论的节点从而适当地彼此对准。
波束宽度通常被测量为半功率波束宽度HPBW，其中这一测量为波束功率处于波束峰值功率的一半内的角度跨度。这一测量可以在沿着指向行进的任何切割中进行，通常在方位角切割和仰角切割中进行。
本发明因此旨在实现能够生成宽波束和窄波束并且在这两个波束之间切换以分别实现粗略和精细对准调节的阵列天线。整个天线孔径被激发以形成窄波束，而更小的部分用于形成宽波束辐射图案。为了进一步改善指向准确性，如下面将参考图4作为第二示例描述地，实现不同的辐射图案。
根据第二示例，第二天线孔径8被分为第一子孔径8a、第二子孔径8b、第三子孔径8c和第四子孔径8d。每个子孔径8a、8b、8c、8d连接到波束成形网络24，其中波束成形网络24包括求和端口29、第一差异端口30a、第二差异端口30b和终止端口45，其中求和端口29连接到第一划分端口16。
这表示，第一示例的功能经由将第二天线孔径8连接到第一划分端口16的求和端口29来维持，并且其中如在第一示例中，第一天线孔径连接到切换布置22的端口19。
作为第一示例的添加，在此，差异端口30a、30b在一个平面、方位角或仰角中或者在两个正交的平面、方位角和仰角中生成差异辐射图案，其中每个差异辐射图案在主波束的辐射峰值的天线法向方向上——即在天线指向11上——为空。借助于这样的差异辐射图案，可以获得增强的准确性。
每个子孔径8a、8b、8c、8d直接地或者如图4中用虚线所示经由对应的无线电单元25、26、27、28连接到波束成形网络24。第一天线孔径6与切换布置22的第一端口19之间也可以有无线电单元46。
由于可选而用虚线表示的无线电单元可以是所谓的发送和接收模块(TRM)的形式。这些无线电单元可以合并在分发网络中。另外，TRM中可以包括移相器用于同相调节和/或用于对应波束的有限扫描。
根据第三示例，参考图5，存在阵列天线4”，其中第一天线单元集合5连接到第一无线电单元31，第二天线单元集合7连接到第二无线电单元32。无线电单元31、32连接到数字信号处理设备33，数字信号处理设备33被布置用于处理基带频率信号并且包括切换布置22a。借助于这一切换布置，信号处理设备33被布置成生成第一操作模式M1和第二操作模式M2。
在第一操作模式M1下，切换布置22a将第一天线孔径6连接到第一模式端口23”，使得处于第一操作模式M1的第一模式端口23”被布置成经由第一天线波束9发送和/或接收基带信号。
另外，在第二操作模式M2下，切换布置22a将第一天线孔径6和第二天线孔径8组合和同相连接到第二模式端口18”，使得处于第二操作模式M2的第二模式端口18”被布置成经由第二天线波束10发送和/或接收基带信号。
参考图6，本发明还涉及用于无线通信网络2中的第一节点1与第二节点38、39、40、41的对准的方法，该方法例如可以在回程设置期间和/或在操作期间应用。
对于第一操作模式M1，方法包括步骤：
34：使得第一模式端口23能够使用具有第一主指向11的第一天线波束9经由第一天线孔径6来发送和/或接收信号；以及
35：执行第一对准过程。
对于第二操作模式M2，方法还包括步骤：
36：使得第二模式端口18能够使用具有第二主指向11的第二天线波束10经由第一天线孔径6和第二天线孔径8的组合来发送和/或接收信号；以及
37：执行第二对准过程。
第一天线波束9在平行于并且穿过相应主指向11行进的至少一个相应平面中比第二天线波束10具有更宽的天线波束宽度。
根据以上内容的对准过程可以以很多合适的方式来执行并且其本身先前已知。例如，阵列天线可以对着发送信号的另一节点、沿着不同方向倾斜。通过测量所接收的信号的信号强度，可以确定哪个倾斜方向提供信号强度峰值。
在第一对准过程期间，在第一操作模式M1下，天线阵列4生成相对较宽的第一天线波束9，其实现相对粗略的对准。在第二对准过程期间，在第二操作模式M2下，天线阵列4生成相对较窄的第二天线波束10，其实现相对准确的对准。当第二对准过程被符合要求地执行时，可以认为天线阵列与其他节点对准到足够的准确程度。
本发明不限于以上内容，而是可以在所附权利要求的范围内变化。例如，可以根据任意合适的配置来切换在对准期间哪个节点正在发送以及哪个节点正在接收。
可以设想天线孔径的其他实施例，诸如圆形、椭圆形或矩形天线孔径。通常，天线孔径可以具有任何形状，一个天线孔径不一定需要环绕另一天线孔径，并且它们不一定需要相邻。相反，天线孔径可以被放置成以某个距离彼此分离。天线孔径也可以具有不同的天线波束指向。
第一天线孔径6和第二天线孔径8每个可以具有方位角扩展A和仰角扩展E，扩展A、E可以一致。
在使用如正交等术语时，这些术语不应当被理解为在数学上精确，而是在实际可获得的范围内。
第一节点1在示例中由宏站点处的回程聚合点构成。第一节点可以是任何种类的节点，其中本发明通常涉及任何两个节点之间的天线对准。本发明不需要针对所有天线波束的非视线，但是也适用于其中存在视线的无线通信网络3中的天线波束。
其他节点38、39、40、10可以是任何种类的节点，但是主要包括诸如所谓的微微基站或类似的更小型的基站。可以有任何数目的第二节点，并且方法可以根据需要对于其中每个来执行。
本发明不限于任意某个平面中的对准，诸如方位角平面A、仰角平面E或者方位角和仰角平面二者；可设想任何平面或者平面的组合，其中每个相应平面平行于或者穿过相应主指向11行进。
第一天线孔径6可以小于第二天线孔径8，但是不一定如此。第一天线孔径6和第二天线孔径8的组合通常大于第一天线孔径6，这对于本发明是基本的。
如图2中用虚线表示的，对应地，可以存在连接在天线孔径6、8和切换布置22的第一端口19与第二划分端口16之间的无线电单元47、48，诸如例如TRM。
第一天线单元集合5和第二天线单元集合7可以被线性极化或者双极化。不同的天线单元集合不一定具有相同的极化。
在所描述的示例中，存在包括宏站点处的回程聚合点的第一节点1，第一节点包括天线布置3，天线布置3又包括阵列天线4。然而，通常，天线布置3可以被包括在无线通信网络2中的任何节点中、以及无线通信网络2中的一个或若干节点中。这表示，本发明例如可以涉及微微基站或类似处的节点。

Claims (15)

1.一种无线通信网络(2)中的节点(1)，所述节点(1)包括天线布置(3)，其中所述天线布置(3)又包括阵列天线(4)，所述阵列天线(4)又包括形成第一天线孔径(6)的第一天线单元集合(5)以及形成第二天线孔径(8)的第二天线单元集合(7)，其特征在于所述天线布置(3)还包括被适配成在第一操作模式(M1)与第二操作模式(M2)之间切换的切换布置(22)，其中在所述第一操作模式下，所述第一天线孔径(6)被布置成生成具有第一主指向(11)的第一天线波束(9)，并且其中在所述第二操作模式下，所述第一天线孔径(6)和所述第二天线孔径(8)被组合并且被布置成生成具有第二主指向(11)的第二天线波束(10)，所述第一天线波束(9)在平行于并且穿过相应主指向(11)的至少一个相应平面中具有比所述第二天线波束(10)更宽的天线波束宽度。
2.根据权利要求1所述的节点，其特征在于所述第二天线孔径(8)大于所述第一天线孔径(6)，其中所述天线孔径(6，8)至少部分地相邻。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的节点，其特征在于所述第一主指向和所述第二主指向一致。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的节点，其特征在于所述第一操作模式(M1)包括第一对准过程，并且所述第二操作模式(M2)包括第二对准过程，所述第一对准过程比所述第二对准过程粗略。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的节点，其特征在于所述阵列天线(4)包括形成总天线孔径(13)的总天线单元集合(12)，所述总天线单元集合(12)由所述第一天线单元集合(5)和所述第二天线单元集合(7)形成，并且所述总天线孔径(13)由所述第一天线孔径(6)和所述第二天线孔径(8)形成。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的节点，其特征在于所述节点(1)还包括功分设备(14)，所述功分设备(14)具有第一划分端口(15)、第二划分端口(16)和组合端口(17)，其中从所述组合端口(17)向所述划分端口(15，16)行进的功率在所述划分端口(15，16)之间被划分，并且其中从所述划分端口(15，16)向所述组合端口(17)行进的功率从所述划分端口(15，16)被组合，其中所述第一划分端口(15)至少能够经由所述切换布置(22)切换到所述第一天线单元集合(5)，其中所述第二划分端口(16)被布置成经由所述第二天线单元集合(7)发送和/或接收信号，并且其中所述组合端口(17)连接到被布置成经由所述第二天线波束(10)发送和/或接收信号的第二模式端口(18)。
7.根据权利要求6所述的节点，其特征在于所述切换布置(22)包括第一端口(19)、第二端口(20)和第三端口(21)，其中所述第一端口(19)能够连接到所述第二端口(20)或所述第三端口(21)，所述第二端口(20)连接到被布置成经由所述第一天线波束(9)发送和/或接收信号的第一模式端口(23)，并且所述第三端口(21)连接到所述第一划分端口(15)。
8.根据权利要求6或7中的任一项所述的节点，其特征在于所述第二天线孔径(8)被分为第一子孔径(8a)、第二子孔径(8b)、第三子孔径(8c)和第四子孔径(8d)，每个子孔径(8a，8b，8c，8d)直接地或者经由对应的无线电单元(25，26，27，28)连接到波束成形网络(24)，所述波束成形网络(24)具有求和端口(29)、第一差异端口(30a)和第二差异端口(30b)，其中所述和端口(29)连接到所述第一划分端口(16)。
9.根据权利要求1-5中的任一项所述的节点，其特征在于所述第一天线单元集合(5)连接到第一无线电单元(31)并且所述第二天线单元集合(7)连接到第二无线电单元(32)，所述无线电单元(31，32)连接到数字信号处理设备(33)，其中所述数字信号处理设备(33)被布置用于处理基带频率上的信号，所述数字信号处理设备(33)包括所述切换布置(22a)并且被布置成生成所述第一操作模式(M1)和所述第二操作模式(M2)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的节点，其特征在于所述第一天线孔径(6)被所述第二天线孔径(8)环绕。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的节点，其特征在于所述第一天线孔径(6)和所述第二天线孔径(8)各自具有方位角扩展(A)和仰角扩展(E)，所述相应的扩展(A，E)一致。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的节点，其特征在于所述第一天线单元集合(5)和所述第二天线单元集合(7)被双极化。
13.一种用于无线通信网络(2)中的第一节点(1)与第二节点(38，39，40，41)的对准的方法，其中对于第一操作模式(M1)，所述方法包括以下步骤：
(34)使得第一模式端口(23)能够使用具有第一主指向(11)的第一天线波束(9)经由第一天线孔径(6)来发送和/或接收信号；以及
(35)执行第一对准过程；
其特征在于对于第二操作模式(M2)，所述方法还包括以下步骤：
(36)使得第二模式端口(18)能够使用具有第二主指向(11)的第二天线波束(10)经由所述第一天线孔径(6)和第二天线孔径(8)的组合来发送和/或接收信号，所述第一天线波束(9)在平行于并且穿过相应主指向(11)的至少一个相应平面中具有比所述第二天线波束(10)更宽的天线波束宽度；以及
(37)执行第二对准过程。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述第一对准过程比所述第二对准过程粗略。
15.根据权利要求13或14中的任一项所述的方法，其特征在于所述第一主指向和所述第二主指向一致。
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