CN106030905A - 用于在无线通信系统中扩展波束区域的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种无线通信系统中的电子设备。该设备包括：多个天线集；多个天线元件，其配置所述多个天线集；RF收发器，其包括用于选择所述多个天线元件的多个开关以及用于使通过所述多个天线元件发送/接收的信号的相位移位的多个移相器；以及控制单元，其用于通过根据波束薄同时控制所述多个开关和所述多个移相器来确定所述信号的波束形成方向和相位。

Description

用于在无线通信系统中扩展波束区域的方法和设备

技术领域

本发明涉及当通过使用毫米波频段来执行无线通信时用于波束覆盖范围扩展的方法和装置。

背景技术

通信可能在毫米波频段中由于传播的直线性而被障碍物中断。因此，需要一直维持视线(LOS)环境，或者针对非LOS环境中的平滑通信必定需要波束形成功能。此外，需要在毫米波频段的天线中扩展波束覆盖范围，因为天线有方向性而不是全向辐射。

因此，需要在毫米波频段中包括波束形成功能的低功率且小尺寸射频(RF)收发器。

发明内容

技术问题

因此，本发明的一个目的是为了提供一种用于在无线通信系统中扩展波束覆盖范围的方法和装置。

本发明的另一目的是为了提供一种用于在无线通信系统中控制波束形成方向的方法和装置。

本发明的另一目的是为了提供一种用于当在无线通信系统中控制波束形成方向时使信号损失最小化的方法和装置。

本发明的另一目的是为了提供一种用于同时控制移相器以及用于选择天线元件的开关的方法和装置，以便克服毫米波的诸如直线性、窄波束覆盖范围等的独特的传播特性，并且以便通过使用毫米波频段来扩展波束覆盖范围以用于允许高速通信。

本发明的另一目的是为了提供一种用于通过使用不需要中频(IF)端的直接转换结构并且通过以集成有发送器和接收器的收发器的形式实现它来减小收发器的封装尺寸的方法和装置。

技术方案

提供了一种无线通信系统中的电子设备。该设备包括：多个天线集，其由多个天线元件的组合构成；多个开关，其用于选择所述多个天线元件；射频(RF)收发器，其包括用于使通过所述多个天线元件发送/接收的信号的相位移位的多个移相器；以及控制器，其用于通过同时控制所述多个开关和所述多个移相器来确定所述信号的波束形成方向和相位。

提供了一种在无线通信系统中操作电子设备的方法。该方法包括：确定波束训练区域；确定与所述波束训练区域对应的波束索引；根据所确定的波束索引来确定多个天线元件和多个移相器；以及通过基于移位相位和所确定的天线元件测量波束的质量来选择最好的波束。

在各种示例性实施例中，该方法还包括：在确定所述波束训练区域之前，测量链路质量，以及检查所述链路质量是否满足服务质量(QoS)。

在各种示例性实施例中，所述多个天线集和所述多个天线元件被集成在多层基板上。

在各种示例性实施例中，所述多层基板具有按行配置的部分A、B和C。

在各种示例性实施例中，所述多个天线集和所述多个天线元件包括边射天线(broadside antennna)和端射天线(end-fire antenna)中的至少一个。

在各种示例性实施例中，所述多个天线集和所述多个天线元件包括多个边射天线。

在各种示例性实施例中，所述多个天线集和所述多个天线元件包括多个端射天线。

在各种示例性实施例中，所述边射天线包括所述部分A中的至少一个层。

在各种示例性实施例中，所述边射天线包括所述部分B中的至少一个层。

在各种示例性实施例中，所述边射天线包括所述部分C中的至少一个层。

在各种示例性实施例中，所述端射天线位于所述部分A中。

在各种示例性实施例中，所述端射天线位于所述部分B中。

在各种示例性实施例中，所述端射天线位于所述部分C中。

在各种示例性实施例中，波束薄(beam book)包括波束索引、针对所述波束索引的开关信息、以及相位信息中的至少一种。

提供了一种无线通信设备。该无线通信设备包括：至少两个开关，其用于选择多个天线元件中的至少两个；

多个移相器，其电耦接至所述至少两个开关以使RF信号的相位移位；以及

控制器，其用于根据所述RF信号的波束形成方向来控制两个或更多个开关和多个移相器。

有益效果

本发明通过使用波束薄来同时控制移相器和开关，从而具有的优点在于能够在毫米波频段高速通信系统中减小通信中断和信号损失。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的射频(RF)收发器的框图；

图2是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第一图；

图3是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第二图；

图4是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第三图；

图5是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第四图；

图6是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第五图；

图7是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第六图；

图8是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第七图；

图9是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第八图；

图10是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第九图；

图11是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第十图；

图12是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第十一图；

图13是例示了根据本发明的示例性实施例的操作RF收发器的处理的流程图；以及

图14是根据本发明的示例性实施例的电子设备的框图。

具体实施方式

将在下面参考附图在本文中描述本发明的示例性实施例。此外，在本发明的以下描述中，未详细地描述公知功能或构造，因为它们会不必要地在细节上使本发明混淆。并且，本文中使用的术语是根据本发明的功能而定义的，并且因此可以根据用户的或运营商的意图和用法而变化。因此，必须基于本文中做出的描述来理解本文中使用的术语的定义。

在下文中，将描述用于在无线通信系统中扩展波束覆盖范围的方法和装置。

本发明涉及用于通过使用毫米波频段来传送至少数Gbps的大容量数据的技术。由于传播的直线性，通信可能在毫米波频段中被障碍物中断。因此，需要一直维持视线(LOS)环境，或者在非LOS环境中波束形成功能必定是平滑通信所需要的。此外，需要在毫米波频段的天线中扩展波束覆盖范围，因为天线有方向性而不是全向辐射。

因此，本发明描述了克服作为毫米波的独特传播特性的直线性和窄波束覆盖范围的方法及其结构。

图1是根据本发明的示例性实施例的RF收发器的框图。

参考图1，本发明的RF收发器执行波束形成功能以克服毫米波的直线性。可以通过使用诸如本地振荡器(LO)相移方法、模拟/基带相移方法等的各种方法来实现包括使用RF移相器的RF相移功能的波束形成功能。控制器控制移相器以使得能实现高速波束形成。

对于波束覆盖范围扩展，本发明的RF收发器包括M个天线集101-1至101-M。每个天线集可以具有边射天线或端射天线的结构，并且可以组合这两个结构。边射天线集可以在相对于平面的向上或向下方向上输出波束。端射天线集可以在相对于平面的北、南、东或西方向上输出波束。具有边射天线和端射天线的混合结构的天线集可以在除相对于平面的向上、向下、北、南、东以及西方向以外的不同方向上形成波束。

在RF控制器159的控制下根据开关151-1至151-N的开关操作，从构成M个天线集101-1至101-M的M×N天线元件中选择N个天线元件。在本文中，开关151-1至151-N表示多刀双掷(MPDT)开关。

在这种情况下，RF控制器159构建波束薄并且因此同时控制用于选择天线元件的开关151-1至151-N以及用于控制天线权重向量(AWV)的移相器156-1至156-N和157-1至157-N，以允许高速波束形成。

也就是说，本发明能够执行波束形成功能，其中RF控制器159控制移相器156-1至156-N和157-1至157-N以改变波束角。由N个元件构成的M个天线集101-1至101-M被用来扩展天线波束覆盖范围。

由N个天线元件构成的M个天线集101-1至101-M包括M个边射天线集、M个端射天线集，或混合有边射天线和端射天线的M个天线集。

RF控制器159使用波束薄来通过使用用于选择N个天线元件的开关从M×N天线元件中选择N个元件。在这种情况下，功率放大器(PA)154-1至154-N对于发送执行放大功能，并且低噪声放大器(LNA)153-1至153-N对于接收信号执行低噪声放大。此外，RF/模拟块158可以对于发送/接收信号执行模数转换处理。

另外，RF控制器159以如下的方式允许高速波束形成，即，通过在主控制器165的控制下使用波束薄，用于选择天线元件的开关151-1至151-N以及用于控制天线权重向量的移相器156-1至156-N和157-1至157-N被同时控制。

主控制器165可以控制RF控制器159以指示是否执行波束形成功能。此外，主控制器165可以向RF控制器159提供波束索引。

调制解调器160根据系统的物理层协议执行基带信号与比特流之间的转换功能。例如，在数据发送中，调制解调器160通过对发送比特流进行编码和调制来生成复符号。此外，在数据接收中，调制解调器160通过对从波束形成收发器150提供的基带信号进行解调和解码来恢复接收比特流。

如上所述，调制解调器160和波束形成收发器150发送和接收信号。因此，调制解调器160和波束形成收发器150可以被称为发送器、接收器、收发器或通信单元。此外，波束薄如下表1中所示。

<表1>

在上表1中，RF控制器159根据主控制器165的控制和提供的信息来控制开关和移相器以得到确定的波束方向。也就是说，主控制器165确定波束方向，并且向RF控制器159提供针对所确定的波束方向的波束索引。

此后，根据包括在波束薄中的波束索引，RF控制器159使开关导通，并且调节移相器。在上表1中，SW[0]、SW[1]、...、SW[I]对应于N个开关的多个比特数。PS[0]、PS[1]、...、PS[J]表示N个移相器的多个比特数，并且指示开关和移相器根据波束索引被同时控制。

图2是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第一图。

参考图2，RF收发器的多层基板被划分成三个部分，即，部分A、部分B和部分C。例如，图2中示出了混合有边射天线和端射天线的天线集位于部分A的顶平面处。

通过天线、RF收发器以及多层基板的通孔和信号线来递送RF信号。尽管RF信号可以位于部分A、部分B和部分C中的全部中，但是例如在图2中它位于部分B处。此外，尽管RF收发器可以位于部分A、部分B和部分C中的全部处，但是例如在图2中它位于部分C中的底平面处。每个部分可以包括至少一个层。

图3是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第二图。

参考图3，从上部和下部查看图2的图。例示了边射天线指向上部并且端射天线指向侧部，并且RF收发器位于多层基板的下部处。每个部分可以包括至少一个层。

图4是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第三图。

参考图4，在这些天线当中，例示了边射天线和端射天线的辐射方向。

边射天线集在上部方向401上辐射，并且端射天线集在横向方向402、403、404和405上辐射。

例如，在本发明中，分别位于方向401、402、403、404和405上的N个天线元件指示M个天线集当中的一个天线集。

在实施例中，在相应的方向401、402、403、404和405上辐射的RF信号可以根据无线环境作为垂直极化或水平极化被输出。

图5是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第四图。

参考图5，例示了边射天线位于作为一个或多个层的部分A中，并且端射天线也位于部分A中。在图5中，寄生贴片位于部分A的顶平面处。边射天线和端射天线皆位于部分A中。如上所述，每个部分可以包括至少一个层。

图6是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第五图。

参考图6，例示了边射天线位于作为一个或多个层的部分A中，并且端射天线位于部分A的顶平面中。边射天线和端射天线皆位于部分A中，并且寄生贴片位于部分A的顶平面中。如上所述，每个部分可以包括至少一个层。

图7是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第六图。

参考图7，例示了边射天线位于部分A的顶平面中，并且端射天线位于部分B中。如上所述，每个部分可以包括至少一个层。

图8是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第七图。

参考图8，例示了边射天线位于部分A中，并且端射天线例如位于部分C的顶平面中，但是它能够位于包括至少一个层的部分C中的任何层中。如上所述，每个部分可以包括至少一个层。

图9是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第八图。

参考图9，例示了边射天线位于部分A的顶平面中，并且端射天线例如位于部分C的底平面中，但是它能够位于包括至少一个层的部分C中的任何层中。如上所述，每个部分可以包括至少一个层。

图10是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第九图。

参考图10，例示了混合有边射天线和端射天线的结构。两种类型的天线可以位于多层基板的诸如部分A、部分B和部分C的三个部分中。如上所述，每个部分可以包括至少一个层。

图11是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第十图。

参考图11，例示了仅包括边射天线的情况。该边射天线可以位于诸如部分A、部分B和部分C的任何部分中。如上所述，每个部分可以包括至少一个层。

图12是例示了根据本发明的示例性实施例的RF收发器的结构的第十一图。

参考图12，例示了天线集仅包括端射天线的情况。该端射天线可以位于诸如部分A、部分B和部分C的任何部分中。如上所述，每个部分可以包括至少一个层。

图13是例示了根据本发明的示例性实施例的操作RF收发器的处理的流程图。

参考图13，本发明的调制解调器的主控制器165或在下面将描述的波束管理程序1414监视当前的上行链路和/或下行链路质量(步骤1305)。

此后，主控制器165或波束管理程序1414检查所监视的上行链路或下行链路质量是否满足预设服务质量(QoS)(步骤1310)。

如果所监视的上行链路或下行链路质量满足预设QoS，则主控制器165或波束管理程序1414结束本发明的算法。

如果所监视的上行链路/下行链路质量不满足预设QoS，则主控制器165或波束管理程序1411设置波束训练区域并且为所设置的波束训练区域确定波束索引(步骤1315)。

此后，主控制器165或波束管理程序1414将波束索引提供给波束形成收发器的RF控制器159，使得能够同时控制移相器以及用于选择天线元件的MPDT开关(步骤S1320)。

RF控制器159根据波束索引来控制波束形成开关和移相器，使得电子设备能够通过根据所确定的波束形成方向选择天线集和相位来发送或者接收波束(步骤1325)。

此后，控制器165或波束管理程序1414测量所接收到的波束的信道质量，并且选择最好的波束(步骤1330)。

此后，主控制器165或波束管理程序1414检查所选择的最好的波束是否满足QoS(步骤1310)，并且重复后续操作。

图14是根据本发明的示例性实施例的电子设备的框图。

参考图14，电子设备包括存储器1410、处理器单元1420、输入/输出控制器1440、显示单元1450以及输入设备1460。在本文中，存储器1410可以是多个。每个组成元件被描述如下。

存储器1410包括用于存储控制电子设备的操作的程序的程序存储单元1411以及用于存储在程序被执行的同时生成的数据的数据存储单元1412。

数据存储单元1412可以存储应用程序1413和波束管理程序1414的操作所需要的数据。特别地，数据存储单元1412可以存储根据本发明的波束薄。

程序存储单元1411包括应用程序1413和波束管理程序1414。在本文中，包括在程序存储单元1411中的程序是指令的集合并且可以被表达为指令集。

应用程序1413包括在电子设备中操作的应用程序。也就是说，应用程序1413包括由处理器1422驱动的应用的指令。

波束管理程序1414执行图13的前述过程。

也就是说，波束管理程序1411监视当前的上行链路/下行链路质量，并且检查所监视的上行链路或下行链路质量是否满足预设服务质量(QoS)。

如果所监视的上行链路/下行链路质量不满足预设QoS，则波束管理程序1411设置波束训练区域并且为所设置的波束训练区域确定波束索引。

根据所确定的波束索引，波束管理程序1414将该波束索引提供给波束形成收发器的RF控制器159，使得能够同时控制移相器以及用于选择天线元件的MPDT开关。

波束管理程序1414测量每个波束的信道质量，并且选择最好的波束。

波束管理程序1414检查所选择的最好的波束是否满足QoS，并且重复后续操作。

存储器接口1421控制对诸如处理器1422或外围设备接口1423的组件的存储器1410的访问。

外围设备接口1423控制处理器1422和存储器接口1421相对于基站的输入/输出外围设备的连接。

处理器1422控制基站以通过使用至少一个软件程序来提供对应的服务。在这种情况下，处理器1422执行存储在存储器1410中的至少一个程序并且根据该程序来提供服务。

输入/输出控制器1440在外围设备接口1423与诸如显示单元1450和输入设备1460的输入/输出设备之间提供接口。

显示单元1450显示状态信息、输入文本、运动图片、静止图片等。例如，显示单元1450显示由处理器1422驱动的应用程序的信息。

输入设备1460通过输入/输出控制器1440来向处理器单元1420提供通过电子设备的选择而生成的输入数据。在这种情况下，输入设备1460包括包含至少一个硬件按钮的键盘、用于检测触摸信息的触摸板等。例如，输入设备1460通过输入/输出控制器1440来向处理器1422提供通过触摸板检测到的触摸信息，诸如触摸、触摸的移动、触摸的释放等。

电子设备包括用于执行针对语音通信和数据通信的通信功能的通信处理器1490，并且该通信处理器1490包括图1的前述波束形成收发器150和调制解调器160。

虽然已经参考本发明的特定优选实施例示出并描述了各种实施例，但是本领域的技术人员将理解的是，在不脱离如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中做出形式和细节上的各种改变。因此，各种实施例的范围不由本发明的详细描述来限定，而是由所附权利要求来限定，并且本范围内的所有差异将被解释为被包括在本发明中。

Claims (15)

1.一种无线通信系统中的电子设备，该设备包括：

多个天线集，其包括多个天线元件的组合；

多个开关，其用于选择所述多个天线元件；

射频(RF)收发器，其包括用于使通过所述多个天线元件发送/接收的信号的相位移位的多个移相器；以及

控制器，其用于通过同时控制所述多个开关和所述多个移相器来确定所述信号的波束形成方向和相位。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个天线集和所述多个天线元件被集成在多层基板上。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述多层基板具有按行配置的部分A、部分B和部分C。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述多个天线集和所述多个天线元件包括边射天线和端射天线中的至少一个。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所述多个天线集和所述多个天线元件包括多个边射天线。

6.根据权利要求3所述的设备，其中所述多个天线集和所述多个天线元件包括多个端射天线。

7.根据权利要求4或5所述的设备，其中所述边射天线包括所述部分A中的至少一个层。

8.根据权利要求4或5所述的设备，其中所述边射天线包括所述部分B中的至少一个层。

9.根据权利要求4或5所述的设备，其中所述边射天线包括所述部分C中的至少一个层。

10.根据权利要求4或6所述的设备，其中所述端射天线位于所述部分A中。

11.根据权利要求4或6所述的设备，其中所述端射天线位于所述部分B中。

12.根据权利要求4或6所述的设备，其中所述端射天线位于所述部分C中。

13.根据权利要求1所述的设备，其中所述波束薄包括所述波束索引、针对所述波束索引的开关信息、以及相位信息中的至少一种。

14.一种在无线通信系统中操作电子设备的方法，所述方法包括：

确定波束训练区域；

确定与所述波束训练区域对应的波束索引；

根据所确定的波束索引来确定多个天线元件和多个移相器；以及

通过基于移位相位和所确定的天线元件测量波束的质量来选择最好的波束。

15.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：

在确定所述波束训练区域之前，

测量链路质量；以及

检查所述链路质量是否满足服务质量(QoS)。