CN107078379B - 集成二维有源天线阵列通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种装置，能够与若干个传输点通信，包括：处理器，被配置成控制波束成形发送或波束成形接收，以及天线阵列模块。天线阵列模块包括被配置为执行基带功能并被布置在两个部分之间的基带单元。天线阵列模块还包括按组布置的多个天线元件。每个组包括相等数量的天线元件。多个天线元件围绕所述基带单元被对称地布置。

Description

集成二维有源天线阵列通信系统
技术领域
本申请一般涉及无线通信系统，更具体地，涉及集成二维有源天线阵列通信系统。
背景技术
由移动设备驱动的数据通信的快速增长对无线网络的容量提出挑战。多输入多输出(MIMO)和多用户MIMO(MU-MIMO)是在3GPP LTE和高级 LTE系统中引入以提高频谱效率的关键技术。在当前的MIMO系统中，演进型节点B(eNB)通常配备有具有天线元件以水平线放置的线性阵列，并且eNB利用方位角(水平)域中的空间多样性。相比之下，垂直地部署天线允许eNB通过例如仰角(elevation)波束成形来利用仰角域中的多样性，从而实现系统容量的高达30％的增益。
发明内容
技术问题
本公开的一方面提供一种具有比线性阵列更高性能的天线阵列。
问题的解决方案
在第一实施例中，提供了一种天线阵列模块。天线阵列模块包括被配置为执行基带功能的基带单元。天线阵列模块还包括以组布置的多个物理天线元件。每个组包括相等数量的天线元件。这些组围绕基带信号处理被对称地布置。
在第二实施例中，提供了一种装置。该装置包括被配置为控制波束成形发送或接收的处理器和集成天线阵列系统。天线阵列模块包括被配置为执行基带功能并布置在两个部分之间的基带单元。天线阵列模块还包括以组布置的多个物理天线元件。每个组包括相等数量的天线元件。这些组围绕基带信号处理被对称地布置。
从以下附图、描述和权利要求，其他技术特征对于本领域技术人员来说是显而易见的。在本专利文档全文中提供了其他某些词和短语的定义。本领域的普通技术人员应当理解，在许多(即使不是大多数)情况下，这些定义适用于这样定义的词和短语的先前以及将来的使用。
在进行下面的具体实施方式之前，阐述贯穿本专利文档全文中使用的某些词和短语的定义可能是有利的。术语“耦接”及其派生词是指两个或更多个元件之间的任何直接或间接通信，无论那些元件是否彼此物理接触。术语“发送”、“接收”和“通信”及其派生词包括直接和间接通信。术语“包括”和“包括”及其派生词意味着包括但不限于。术语“或”是包括性的，意指和/或。短语“与……相关联”以及其派生词意味着包括、被包括在内、与……互连、包含、包含在……内、连接到或与……连接、耦接到或与……耦接、可与……传播、与……协作、交织、并置、接近于、绑定到或与……绑定、具有、具有……的属性、涉及到或与……具有关系等等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这样的控制器可以以硬件或硬件和软件和/ 或固件的组合来实现。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式或分布式的，无论是本地还是远程。短语“至少一个”当与项目列表一起使用时，意味着可以使用所列出的项目中的一个或多个的不同组合，并且可能仅需要列表中的一个项目。例如，“A、B和C中的至少一个”包括以下组合中的任何一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C。
本发明的有益效果
可以提高通信系统性能。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在参考结合附图的以下描述，其中相同的附图标记表示相同的部分：
图1示出了根据本公开的示例无线网络；
图2a和图2b示出了根据本公开的示例无线发送和接收路径；
图3示出了根据本公开的示例用户设备(UE)；
图4示出了根据本公开的演进型节点B(eNB)；
图5示出了根据本公开的全维度MIMO(FD-MIMO)系统；
图6示出了示例天线阵列系统；
图7示出了根据本公开的集成天线阵列系统；
图8示出了根据本公开的用于无线通信系统的集成天线阵列系统的侧视图；
图9示出了根据本公开的用于无线通信系统的集成天线阵列系统的另一实施例的侧视图；
图10示出了根据本公开的用于无线通信系统的集成天线阵列系统的处理电路；
图11示出了根据本公开的2×2RF收发器模块的示意图；
图12示出了根据本公开的2×2RF收发器模块和母板连接；
图13示出了根据本公开的安装在母板上的集成天线阵列系统的部分；
图14a和图14b示出了根据本公开的天线元件；
图15示出了根据本公开的双极化宽带天线元件的S参数和包络相关曲线；
图16a、图16b和图16c示出了根据本公开的模拟天线元件增益模式和相应的天线阵列配置；
图17示出了根据本公开的集成天线阵列系统的阵列配置3；
图18示出了根据本公开的利用所提出的RF和天线架构的链路级仿真结果；
图19示出了根据本公开的SLNR预编码的总速率分布；以及
图20示出了根据本公开的SINR分布分析。
具体实施方式
下面讨论的图1至图20以及用于在本专利文档中描述本公开的原理的各种实施例仅仅是通过说明性的方式，而不应以任何方式解释来限制本公开的范围。本领域技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的无线电中实现。
以下文档和标准说明在此被并入本公开内容，如同在此充分阐述： Vuokko，V.M.Kolmonen，J.Kivinen和P.Vainikainen，“Results from 5.3GHz MIMO measurementcampaign”，在COST 273TD(04)193，Duisburg，2004 (参考1)中介绍；Young-Han Nam，BoonLoong Ng，Krishna Sayana，Yang Li，Jianzhong(Charlie)Zhang，Younsun Kim和JuhoLee，“Full Dimension MIMO(FD-MIMO)for Next Generation Cellular Technology”，Communication Magazin,IEEE,51卷6号，第172-179页，2013年6月(参考2)；以及标题为“Sparse array antenna”的美国专利号6351243B1，命名Anders Derneryd和 BjornGunnar Johannisson为发明人(参考3)。通过引用将其全部内容并入本文。
本公开的实施例提供了一种用于大的二维(2D)天线阵列通信系统的新颖架构。根据某些实施例，有源天线阵列被划分为由基带单元物理分离的两个部分。两个天线阵列部分之间的距离大于一个波长(1λ)。这种分离提供了两个关键的好处。首先，基带单元使用对称迹线连接到有源天线收发器单元。因此，尽管天线阵列的尺寸大，但路由是对称的并且易于实现。其次，尽管发生了旁瓣，但大于1λ的不均匀(交叉)间隔增强了系统性能(更高的容量)。通常，有源天线阵列采用小于1λ的均匀天线间隔，以避免旁瓣和栅瓣。
图1示出了根据本公开的示例无线网络100。图1所示的无线网络100 的实施例仅用于说明。可以使用无线网络100的其他实施例，而不脱离本公开的范围。
如图1所示，无线网络100包括eNodeB(eNB)101、eNB 102和eNB 103。 eNB 101同eNB 102和eNB 103通信。eNB 101还与至少一个比如互联网、专有IP网络或其他数据网络的互联网协议(IP)网络130通信。
取决于网络类型，可以使用其他比如“基站”或“接入点”的公知的术语代替“eNodeB”或“eNB”。为了方便起见，术语“eNodeB”和“eNB”在本专利文档中用于指代提供对远程终端的无线接入的网络基础设施组件。此外，取决于网络类型，可以使用其他公知的术语，比如“移动站”、“用户站”、“远程终端”、“无线终端”或“用户设备”，来代替“用户装备”或“UE”。为了方便起见，在本专利文档中使用术语“用户装备”和“UE”是指无线地接入eNB的远程无线装备，无论UE是移动设备(比如移动电话或智能电话)还是通常被认为是固定设备(比如台式计算机或自动售货机)。
eNB 102为eNB 102的覆盖区域120内的第一多个用户装备(UE)提供到网络130的无线宽带接入。第一多个UE包括：UE 111，其可以位于小企业(SB)中；UE 112，其可以位于企业(E)中；UE 113，其可以位于WiFi 热点(HS)中；UE 114，其可以位于第一住宅(R)中；UE115，其可以位于第二住宅(R)中；以及UE 116，其可以是类似手机、无线笔记本电脑、无线PDA等的移动设备(M)。eNB 103为eNB 103的覆盖区域125内的第二多个UE提供到网络130的无线宽带接入。第二多个UE包括UE 115和UE 116。在一些实施例中，一个或多个eNB 101至103可以使用5G、LTE、LTE-A、 WiMAX或其他高级无线通信技术彼此通信并与UE 111至116通信。
虚线示出了覆盖区域120和125的近似范围，仅为了说明和解释的目的，这些区域被示出为近似圆形。应当清楚地理解，与eNB相关联的覆盖区域(比如覆盖区域120和125)可以具有其他形状，包括不规则形状，这取决于eNB 的配置以及与自然和人为阻碍相关联的无线电环境中的变化。
如下面更详细地描述的，eNB 101、102和103中的一个或多个利用集成 2D有源天线阵列架构来与UE 111、112、113、114、115和116中的一个或多个进行通信。在某些实施例中，UE 111、112、113、114、115和116中的一个或多个包括集成2D有源天线阵列架构以与eNB101、102或eNB 103中的一个或多个通信。
虽然图1示出了无线网络100的一个示例，但是可以对图1进行各种改变。例如，无线网络100可以包括任何数量的eNB和任何合适布置的任何数量的UE。此外，eNB 101可以与任何数量的UE直接通信，并且向这些UE 提供对网络130的无线宽带接入。类似地，eNB 102至103的每一个可以直接与网络130通信，并向UE提供对网络130的直接无线宽带接入。此外， eNB 101、102和/或103可以提供对其他或附加外部网络(比如外部电话网络或其他类型的数据网络)的接入。
图2a和图2b示出了根据本公开的示例性无线发送和接收路径。在下面的描述中，发送路径200可以被描述为在eNB(比如eNB 102)中实现，而接收路径250可以被描述为在UE(比如UE 116)中实现。然而，将理解，接收路径250可以在eNB中实现，并且发送路径200可以在UE中实现。在一些实施例中，发送路径200和接收路径250被配置为经由集成2D有源天线阵列架构进行通信。
发送路径200包括信道编码和调制块205、串行到并行(S-到-P)块210、长度为N的快速傅里叶逆变换(IFFT)块215、并行到串行(P-到-S)块220、添加循环前缀块225和上变频器(UC)230。接收路径250包括下变频器(DC) 255、去除循环前缀块260、串行到并行(S-到-P)块265、长度为N的快速傅立叶变换(FFT)块270、并行到串行(P-到-S)块275、以及信道解码和解调块280。
在发送路径200中，信道编码和调制块205接收一组信息比特，应用编码(比如低密度奇偶校验(LDPC)编码)，并且调制输入比特(比如使用正交相移键控(QPSK)或正交幅度调制(QAM))以产生频域调制符号序列。串行到并行块210将串行调制符号转换(比如解复用)为并行数据以便生成 N个并行符号流，其中N是在eNB 102和UE 116中使用的IFFT/FFT长度。长度为N的IFFT块215对N个并行符号流执行IFFT运算以生成时域输出信号。并行到串行块220转换(例如多路复用)来自长度为N的IFFT块215 的并行时域输出符号，以便产生串行时域信号。添加循环前缀块225将循环前缀插入到时域信号。上变频器230将添加循环前缀块225的输出调制(比如上变频)为RF频率用于经由无线信道传输。该信号也可以在转换到RF频率之前在基带处被滤波。
来自eNB 102的被发送的RF信号在通过无线信道之后到达UE 116，并且在UE 116处执行与eNB 102处的那些操作相反的操作。下变频器255将所接收的信号下变频到基带频率，并且去除循环前缀块260去除循环前缀以生成串行时域基带信号。串行到并行块265将时域基带信号转换为并行时域信号。长度为N的FFT块270执行FFT算法以产生N个并行频域信号。并行至串行块275将并行频域信号转换为调制数据符号序列。信道解码和解调块280对调制符号进行解调和解码，以恢复原始输入数据流。
eNB 101至103中的每一个可以实现类似于在下行链路中向UE 111至 116进行发送的发送路径200，并且可以实现类似于在上行链路中从UE 111 至116进行接收的接收路径250。类似地，每个UE 111至116可以实现用于在上行链路中向eNB 101至103进行发送的发送路径200，并且可以实现用于在下行链路中从eNB 101至103进行接收的接收路径250。
图2a和图2b 中的每个组件可以仅使用硬件或使用硬件和软件/固件的组合来实现。作为特定示例，图2a 和图2b 中的组件中的至少一些可以用软件实现，而其他组件可以由可配置硬件或软件和可配置硬件的混合来实现。例如，FFT块270和IFFT块215可以被实现为可配置软件算法，其中可以根据实现方式来修改长度N的值。
此外，尽管被描述为使用FFT和IFFT，但是这仅仅是说明性的方式，并且不应被解释为限制本公开的范围。可以使用其他类型的变换，比如离散傅立叶变换(DFT)和离散傅里叶逆变换(IDFT)函数。应当理解，变量N的值可以是用于DFT和IDFT函数的任何整数(比如1、2、3、4等)，而变量 N的值可以是用于FFT和IFFT函数的2的幂的任何整数(比如1、2、4、8、 16等)。
虽然图2a 和图2b 示出了无线发送和接收路径的示例，但是可以对图2a 和图2b进行各种改变。例如，图2a 和图2b 中的各种组件可以组合、进一步细分或省略，并且可以根据特定需要添加附加组件。此外，图2a 和图2b 旨在说明可以在无线网络中使用的发送和接收路径的类型的示例。任何其他合适的架构可以用于支持无线网络中的无线通信。
图3示出了根据本公开的示例UE 116。图3中所示的UE 116的实施例仅用于说明，并且图1 的UE 111至115可以具有相同或类似的配置。然而， UE具有各种各样的配置，并且图3不将本公开的范围限制为UE的任何特定实现。
UE 116包括多个天线305a-305n、射频(RF)收发器310a-310n、发送 (TX)处理电路315、麦克风320和接收(RX)处理电路325。TX处理电路315和RX处理电路325分别耦接到RF收发器310a-310n中的每一个，例如耦接到RF收发器310a、RF收发器301b到第N个RF收发器310n，其分别耦接到天线305a、天线305b和第N个天线305n。在某些实施例中，UE 116 包括单个天线305a和单个RF收发器310a。在某些实施例中，单个天线305a 或多个天线305a-305n包括集成2D有源天线阵列架构。UE 116还包括扬声器330、主处理器340、输入/输出(I/O)接口(IF)345、键盘350、显示器355和存储器360。存储器360包括基本操作系统(OS)程序361和一个或多个应用362。
RF收发器310a-310n从相应的天线305a-305n接收由网络100的eNB或 AP发送的输入RF信号。在某些实施例中，RF收发器310a-310n中的每一个和各自的天线305a-305n被配置用于特定频带或技术类型。例如，第一RF收发器310a和天线305a可以被配置为经由近场通信(比如
Figure BDA0001272498980000071
)进行通信，而第二RF收发器310b和天线305b可以被配置为经由IEEE802.11通信(比如Wi-Fi)进行通信，并且另一个RF收发器310n和天线305n可以被配置为经由蜂窝通信(比如3G、4G、5G、LTE、LTE-A或WiMAX)进行通信。在某些实施例中，RF收发器310a-310n和相应天线305a-305n中的一个或多个被配置用于特定频带或相同技术类型。RF收发器310a-310n将输入的RF信号下变频以生成中频(IF)或基带信号。IF或基带信号被发送到RX处理电路325，RX处理电路325通过将基带或IF信号滤波、解码和/或数字化来生成处理后的基带信号。RX处理电路325将处理后的基带信号发送到扬声器 330(比如用于语音数据)或发送到主处理器340用于进一步处理(比如用于网络浏览数据)。
TX处理电路315从麦克风320接收模拟或数字语音数据，或从主处理器340接收其他输出基带数据(比如web数据、电子邮件或交互式视频游戏数据)。TX处理电路315对输出的基带数据编码、多路复用、和/或数字化以生成处理后的基带或IF信号。RF收发器310a-310n从TX处理电路315接收输出的处理后的基带或IF信号，并将基带或IF信号上变频为经由天线 305a-305n中的一个或多个发送的RF信号。
主处理器340可以包括一个或多个处理器或其他处理设备，并且执行存储在存储器360中的基本OS程序361，以便控制UE 116的整体操作。例如，主处理器340可以根据公知的原理，通过RF收发器310a-310n、RX处理电路325和TX处理电路315控制前向信道信号的接收和反向信道信号的发送。在一些实施例中，主处理器340包括至少一个微处理器或微控制器。
主处理器340还能够执行驻留在存储器360中的其他进程和程序，比如用于经由集成2D有源天线阵列架构进行通信的操作。主处理器340可以如执行进程所需的将数据移入或移出存储器360。在一些实施例中，主处理器 340被配置为基于OS程序361或响应于从eNB或操作者接收的信号来执行应用362。主处理器340还耦接到I/O接口345，该I/O接口345向UE 116 提供连接到比如膝上型计算机和手持式计算机的其他设备的能力。I/O接口 345是这些配件和主控制器340之间的通信路径。
主处理器340还耦接到键盘350和显示单元355。UE 116的用户可以使用键盘350将数据输入到UE 116中。显示器355可以是液晶显示器或能够渲染文本或比如来自网站的至少有限的图形或其组合的其他显示器。
存储器360耦接到主处理器340。存储器360的一部分可以包括随机访问存储器(RAM)，并且存储器360的另一部分可以包括闪存或其他只读存储器(ROM)。
虽然图3示出了UE 116的一个示例，但是可以对图3进行各种改变。例如，图3中的各种组件可以被组合、进一步细分或省略，并且可以根据特定需要添加附加组件。作为特定示例，主处理器340可以被划分为多个处理器，比如一个或多个中央处理单元(CPU)和一个或多个图形处理单元(GPU)。此外，虽然图3示出了被配置为移动电话或智能电话的UE 116，但是UE可以被配置为作为其他类型的移动或固定设备操作。
图4示出了根据本公开的示例eNB 102。图4所示的eNB 102的实施例仅用于说明，并且图1的其他eNB可以具有相同或类似的配置。然而，eNB 具有各种各样的配置，并且图4不将本公开的范围限制为eNB的任何特定实现。
eNB 102包括多个天线405a-405n、多个RF收发器410a-410n、发送(TX) 处理电路415和接收(RX)处理电路420。eNB 102还包括控制器/处理器425、存储器430和回程或网络接口435。在某些实施例中，多个天线405a-405n包括集成的2D有源天线阵列架构。
RF收发器410a-410n从天线405a-405n接收输入的RF信号，比如由UE 或其他eNB发送的信号。RF收发器410a-410n将输入的RF信号下变频以生成IF或基带信号。IF或基带信号被发送到RX处理电路420，RX处理电路 420通过对基带或IF信号进行滤波、解码和/或数字化来生成处理后的基带信号。RX处理电路420将处理后的基带信号发送到控制器/处理器425用于进一步处理。
TX处理电路415从控制器/处理器425接收模拟或数字数据(比如语音数据、网络数据、电子邮件或交互式视频游戏数据)。TX处理电路415对输出的基带数据进行编码、多路复用和/或数字化以产生处理后的基带或IF信号。RF收发器410a-410n从TX处理电路415接收输出的处理后的基带或IF 信号，并将基带或IF信号上变频为经由天线405a-405n发送的RF信号。
控制器/处理器425可以包括控制eNB 102的整体操作的一个或多个处理器或其他处理设备。例如，控制器/处理器425可以根据公知原理通过RF收发器410a-410n、RX处理电路420和TX处理电路415控制前向信道信号的接收和反向信道信号的传输。控制器/处理器425还可以支持附加功能，比如利用集成2D有源天线阵列架构的更先进的无线通信功能。控制器/处理器425 可以在eNB102中支持各种各样的其他功能中的任何功能。在一些实施例中，控制器/处理器425包括至少一个微处理器或微控制器。
控制器/处理器425还能够执行驻留在存储器430中的程序和其他进程，比如基本OS。控制器/处理器425可以如执行进程所需的将数据移入或移出存储器430。
控制器/处理器425还耦接到回程或网络接口435。回程或网络接口435 允许eNB102通过回程连接或通过网络与其他设备或系统通信。接口435可以支持通过任何合适的有线或无线连接的通信。例如，当eNB 102被实现为蜂窝通信系统(比如支持5G、LTE或LTE-A的系统)的一部分时，接口435可以允许eNB 102通过有线或无线回程连接与其他eNB通信。当eNB 102被实现为接入点时，接口435可以允许eNB 102通过有线或无线局域网或通过有线或无线连接与更大的网络(比如互联网)进行通信。接口435包括支持通过有线或无线连接的通信的任何合适的结构，比如以太网或RF收发器。
存储器430耦接到控制器/处理器425。存储器430的一部分可以包括 RAM，且存储器430的另一部分可以包括闪存或其他ROM。
如下面更详细描述的，eNB 102(使用RF收发器410a-410n、TX处理电路415和/或RX处理电路420实现)的发送和接收路径支持与FDD小区(cell) 和TDD小区的聚合的通信。
虽然图4示出了eNB 102的一个示例，但是可以对图4进行各种改变。例如，eNB 102可以包括任何数量的图4中所示的每个组件。作为特定示例，接入点可以包括若干接口435，并且控制器/处理器425可以支持路由功能以在不同的网络地址之间路由数据。作为另一特定示例，尽管被示为包括TX 处理电路415的单个实例和RX处理电路420的单个实例，但是eNB 102可以包括每一者的多个实例(例如每个RF收发机一个)。
图5示出了根据本公开的全维度MIMO(FD-MIMO)系统。图5所示的 FD-MIMO系统500的实施例仅用于说明。可以使用其他实施例，而不脱离本公开的范围。
FD-MIMO已经成为显著增加系统容量的有前途的技术。在FD-MIMO 中，eNB 102在二维平面中部署大量有源天线元件。也就是说，eNB 102采用一个或多个2D有源天线阵列505。eNB 102可以向UE 111至116中的一个或多个发送信号以及从UE 111至116中的一个或多个接收信号。例如，eNB 102可以向UE 111和112使用仰角波束成形(elevationbeamforming)，向UE 115和116使用方位角波束成形(azimuth beamforming)，而UE 113和114可能不能接收信号或不能调度用于通信。
图6示出了根据某些系统的示例天线阵列系统构造。图6中所示的天线阵列系统600的实施例仅用于说明。
天线阵列系统600包括若干个天线元件605。天线元件605被布置为在方位域中具有等距dx610间隔，并且在仰角域中具有等距dy615间隔。可以通过连接到相应天线列625的巴特勒矩阵620，在方位平面中产生若干个同时固定的扫描波束。存在设计的不同变化；然而，天线元件以相等的距离分开。
图7示出根据本公开的集成天线阵列系统。图7中所示的集成天线阵列系统700的实施例仅用于说明。可以使用其他实施例，而不脱离本公开的范围。集成天线阵列系统可以被称为“天线阵列模块”。
在图7中所示的示例中，集成天线阵列系统700包括两个16元件部分705a和705b。集成2D有源天线阵列系统700包括基带信号处理单元710(也称为基带模块或基带单元)、多个物理天线元件715、多个RF收发器模块720 和校准模块725。基带信号处理单元710被设置在部分705a和705b当中，使得部分705a和705b围绕基带信号处理单元710对称地定位。部分705a和705b 可以通过电连接或只要部分705a和705b围绕基带信号处理单元710对称地定位的任何合适的手段来逻辑地分组。注意，对称是指部分705a和705b中的每一个具有彼此面对或围绕由基带信号处理单元710定义的轴的完全相似的部分；示出了部分705a和705b与基带信号处理单元710之间的对称性。
天线元件715在方位角域中以元件之间的距离d1间隔开。元件的顶部 705a包括以彼此分开d2间隔来布置的天线元件的第一行730a和元件的第二行730b。包括第三行和第四行的天线元件的底部705b具有作为集成2D有源天线阵列系统700的顶部705a的天线元件715的对称配置。包括第一行730a和第二行730b的天线阵列的顶部705a，和包括第三行和第四行的底部705b以d3的距离间隔分开。部分705a和705b中的每一个的图示在其中具有两行是为了便于说明，并且部分705a和705b中的每一个可以具有更多或更少的行以及更多或更少的天线元件715或更多或更少的RF 收发器模块720。在某些实施例中，集成天线阵列系统700包括多于两个的部分。
基带信号处理单元710包括处理电路，比如一个或多个处理器。基带信号处理单元710通过等长连接迹线735、740、745和750耦接到收发器模块 720和天线元件715。在这些迹线735、740、745和750上承载的信号可以是模拟基带信号，模拟中频信号或高速数字信号。迹线735、740、745和750 彼此对称。
校准模块725包括处理电路，比如一个或多个处理器和一个或多个产生周期性的振荡电子信号的本地振荡器件，比如晶体振荡器或电子电路。校准模块725与基带信号处理单元710通信。校准模块725还连接到天线元件715 和收发器模块720。
在某些实施例中，集成天线阵列系统700被水平地安装。也就是说，图 7中的图示旋转九十度。在这种情形下，由于基带信号处理单元710和校准模块725的放置，在方位角维度中引入顶部705a和底部705b之间的非均匀 (较大)间隔。本公开的实施例不限于集成天线阵列系统700的任何一个具体朝向，并且可以采用许多不同的朝向，而不脱离本公开的范围。另外，图 7中所示的示例中所示的天线元件715的数量仅用于说明。集成天线阵列系统700的各种实施例可以包括不同数量的天线元件715、元件的不同配置或其组合。在某些实施例中，集成天线阵列系统700包括一个或多个非对称部分，其可以类似于或不同于部分705a和705b。在某些实施例中，集成天线阵列系统700在三维中被配置，使得一个或多个部分705a或705b被布置在基带信号处理单元710之上或之下。
图8示出了根据本公开的用于无线通信系统的集成天线阵列系统的侧视图。图8所示的集成天线阵列系统700的实施例仅用于说明。可以使用其他实施例，而不脱离本公开的范围。
集成天线阵列系统700包括散热器805，散热器805围绕所有电路，比如基带信号处理单元710、天线元件715、RF收发器模块720和校准模块725。散热器805被配置为提供结构保护和散热。母板可以是单个母板元件或包括两个或更多个单独的板。在图8所示的示例中，集成天线阵列系统700包括第一母板810a和第二母板810b。天线元件715安装在母板810a、810b的顶部，RF收发器模块720安装在母板810a、810b的底部。基带信号处理单元 710包括基带板820和基带处理器825。基带板820通过各自的连接器830连接到母板810a、810b。基带处理器825邻近于散热器805安装。
图9示出了根据本公开的用于无线通信系统的集成天线阵列系统的另一侧视图。图9所示的集成天线阵列系统700的实施例仅用于说明。可以使用其他实施例，而不脱离本公开的范围。
集成天线阵列系统700包括散热器805，散热器805围绕所有电路，比如基带信号处理单元710、天线元件715、RF收发器模块720和校准模块725。散热器805被配置为提供结构保护和散热。母板810包括单片PCB板。天线元件715安装在母板810的顶部，RF收发器模块720安装在母板810的底部。基带处理器825安装在母板810的底部，与散热器805相邻。
图10示出了根据本公开的用于无线通信系统的集成天线阵列系统700 的处理电路。图10所示的集成天线阵列系统700的实施例仅用于说明。可以使用其他实施例，而不脱离本公开的范围。
集成天线阵列系统700包括基带信号处理单元710、多个RF收发器模块 720和天线元件715。基带信号处理单元710包括基带处理器825。基带处理器825可以是数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。由基带处理器825发送的信号由一个或多个数模转换器 (DAC)1005转换为模拟信号，并向RF模块720发送。由基带信号处理单元710接收的信号被一个或多个模数转换器(ADC)1010转换为数字信号。模拟发送信号通过一个或多个发送(TX)混频器1015和前端模块1020进行处理，并经由一个或多个天线元件715进行发送。通过使用具有发送(TX) 本地振荡器(LO)频率的TX混频器1015，模拟发送信号被调制到RF频率。在接收路径中，RF信号经由一个或多个天线元件715接收，由前端模块1020 处理，并且由一个或多个RF混频器1025下变频为中频(IF)信号或基带信号。
图11示出了根据本公开的2×2RF收发器模块的示意图。图11中所示的 2×2RF收发器模块720的实施例仅用于说明。可以使用其他实施例，而不脱离本公开的范围。
在图11所示的示例中，2x2RF收发器模块720包括蜂窝形通路通路 (castellatedvia)1105。RF收发器模块720可以安装在母板810上的铜焊盘上，并将RF、数字和DC信号传送到天线715和基带板820以及从天线715 和基带板820传送RF、数字和DC信号。例如，蜂窝形通路1105被配置为将RF、数字和DC信号从RF模块传送到天线元件715和基带单元。
图12示出了根据本公开的2×2RF收发机模块720和母板810连接。图 12中所示的2×2RF收发器模块720的实施例仅用于说明。可以使用其他实施例，而不脱离本公开的范围。
在图12所示的示例中，2x2RF模块720通过蜂窝形通路1105连接到母板810上的铜焊盘1205。蜂窝形通路1105被配置为将来自2x2RF模块720 的RF、数字和DC信号运载到天线元件和基带单元。
图13示出了根据本公开的安装在母板810上的集成天线阵列系统700 的部分。安装在图13中所示的母板810上的集成天线阵列系统700的实施例仅用于说明。可以使用其他实施例，而不脱离本公开的范围。
在图13所示的示意表述中，安装在母板810上的集成天线阵列系统700 的部分包括基带信号处理单元710和RF模块720，并示出关键迹线。在某些实施例中，基带信号处理单元710被放置在母板810的中心，并且有源天线阵列元件在基带信号处理单元710的任一侧被分成两个部分705a、705b。基带信号处理单元710设置在中心且有源天线阵列被分成两个部分705a、 705b的配置，使得容易分布携带RF信号、LO信号或校准电路相关信号的关键、相位或长度匹配的线。这种配置对于实现关键信号线(比如LO信号、 RF信号、ADC和DAC信号)以及校准电路线的相位和长度容易的匹配是非常重要的。此外，两个天线阵列部分705a、705b之间的大于1λ的间隔有助于增加系统容量。
图14a 和图14b 示出了根据本公开的天线元件。图14a 示出了具有带有宽带性能的宽带双线性对角(±45°)极化贴片天线的天线配置和母板上的安装的平面视图示意表述，该天线配置包括馈电技术。图14b 示出了天线配置的横截面视图示意表述。图14a 和图14b 所示的天线元件的实施例仅用于说明。可以使用其他实施例，而不脱离本公开的范围。
在某些实施例中，天线元件715是配置有具有宽带性能(12％带宽)的双线性对角线极化(±45°)贴片天线元件1405的贴片天线元件1400。为每个极化提供单独的端口1410。例如，第一馈线1410a馈送第一贴片天线元件 1405a，第二馈线1410b馈送第二贴片天线元件1405b。贴片天线1400由天线接地平面1420上的槽开口1415馈送，天线接地平面1420包括多层母板810 的顶层。贴片天线1400包括在天线馈板1430中的耦接槽1425，并且被设置为与倾斜开口1415相邻。2×2(2TX和2RX)RF收发器模块720设置在母板810的底侧上的每个贴片天线元件1400下方，并且电连接到相应的贴片天线元件1400。由于包括或以其他方式耦接到基带处理器825的基带板820 位于天线阵列即集成天线阵列系统700的中心，从基带模块到RF收发器模块720的路由容易地实现。
图15示出了根据本公开的双极化宽带天线元件的S参数和包络相关曲线。图15中所示的图1500仅用于说明并且仅代表示例性示例。在一个示例中，集成天线阵列系统700包括d1＝0.75λ、d2＝1λ和d3＝2.5λ的间隔，该间隔被选择为使系统容量最大化并使天线元件之间的耦接和包络相关最小化。可以使用生成其他S参数和包络相关曲线的其他值，而不脱离本公开的范围。
图16a 、图16b 和图16c 示出了根据本公开的仿真天线元件增益模式和对应的天线阵列配置。图16a 和图16c 中所示的图1600、1605仅用于说明并且仅代表一个示例。如图所示，集成天线阵列系统700被设计成在高度和方位角上具有相等的波束宽度。集成天线阵列系统700配置1610也在图16b中示出。为了容纳集成天线阵列系统700的中心处的基带信号处理单元710，将其分为分别放置在基带单元的上方和下方的两个部分705a、705b。这种布置提供了关键数字和RF信号的对称迹线路由的益处，并且可以随着天线数量的增加而特别有用。此外，将天线阵列分成两个部分705a、705b在天线元件之间产生大于1λ的间隔，比如在特定示例中d3＝2.5λ，并且因此在仰角域中具有更窄的波束宽度，如在天线阵列波束模式1605中所见的。与均匀间隔的天线阵列相比，尽管发生了旁瓣，但2.5λ间隔提供更高的系统容量。
系统级(基于几何的)模拟假设
表1列出了在系统级仿真中使用的假设。
表1：系统级仿真假设
Figure BDA0001272498980000161
表2总结了所研究的三种天线和RF配置。所有三个配置具有三十二个天线。配置1和配置2是典型的均匀矩形阵列，其中配置2是配置1的90度旋转版本，而配置3是在两组之间具有间隙的非均匀矩形阵列。
图17示出了根据本公开的集成天线阵列系统的阵列配置3。图17中所示的配置31700的实施例仅用于说明。可以使用其他实施例，而不脱离本公开的范围。
在配置3中，存在水平放置的天线1700的八列1705和垂直放置的天线1700 的四行1710 ，其中每列1705由四个天线元件组成，并且每行1710由八个天线元件组成。第一和第二行形成为一个组1715，第三和第四行形成为另一组1720 。第一组1715和第二组1720相距2.5倍波长被放置(非均匀放置)。
表2：所研究的天线和RF配置的概述
Figure BDA0001272498980000162
系统级(基于几何的)模拟结果
表3总结了三种天线和RF配置的模拟结果，与基线方法(集群的小小区解决方案)进行比较。配置2在三种配置中始终达到最佳性能：在5％(％瓦(tile))吞吐量中增加53.6％，在50％瓦(中值)吞吐量中增加57.1％，在95％瓦中增加74.4％。结果表明，具有非均匀矩形阵列作为配置-2，即放置于两个或更多个天线组当中的分离优于其他配置。
表3：模拟结果的概述
Figure BDA0001272498980000163
Figure BDA0001272498980000171
9.5.3链路级仿真假设
表4列出了在链路级仿真中使用的假设。在信道的四百个随机实现中进行模拟，每个实现具有四百个子帧的持续时间。
表4：链路级仿真假设的概述
信道模型 3D ITU、NLoS
频率 <u>10MHz@3.5GHz</u>
UE布置 随机分布
调度 对所有UE全带宽
预编码 SLNR或共轭波束成形
UE接收器 具有MMSE IRC的两个天线
信道状态信息(CSI) 理想CSI
CQI MU CQI预测
链路适配 是
9.5.4链路级仿真结果
图18示出了根据本公开的具有所提出的RF和天线架构的链路级仿真结果。链路级仿真结果的图示仅用于示例目的，并且可以实现其他仿真和结果。
评估两种预编码方法：共轭波束成形(CB)和信号泄漏比最小化(SLNR)。使用SLNR预编码，所提出的用于集成天线阵列系统700的架构在15dB处达到27bps/Hz，这几乎是通过具有秩1传输的8UE MU-MIMO(即29.6bps/ Hz)可以获得的最大总速率，与SU秩1相比，达到7.3倍的增益，与秩2 的SU相比，达到3.6倍的增益。
图19示出了根据本公开的SLNR预编码的总速率分布。SLNR结果的总速率分布的图示仅出于示例的目的，并且可以实现其他结果。
结果总结在表5中，从该表显而易见，在高SNR下，总速率的中值为 28bps/Hz，这几乎与29bps/Hz的最优总速率相同。
表5：在不同SNR下SLNR的中间总速率
Figure BDA0001272498980000172
Figure BDA0001272498980000181
图20示出了根据本公开的SINR分布分析。SINR分布分析结果的图示仅用于示例目的，并且可以实现其他结果。显而易见的是，对于SLNR，所提出的架构对于所有UE维持高SINR，大约在15到29dB变动。
在用于无线通信系统的集成大型天线阵列系统中，形状因素、阵列性能、硬件布局和散热是四个主要挑战。
在某些实施例中，天线元件以某个距离放置以便最小化天线元件的耦合，这可能导致不同天线元件当中的干扰。此外，就宽度、长度和深度而言，集成单元的形状因素足够小，使得部署可以是灵活的，例如在建筑物的灯柱、天花板、侧壁等之上。在许多部署情况下，单元的尺寸和重量是主要考虑因素。因此，减小单元的形状因素是重要的。
其次，就天线阵列系统的容量而言确定通信系统性能的主要因素是孔径尺寸。仰角域中的孔径尺寸决定系统级性能。系统级设计权衡包括增加仰角域孔径而不牺牲整体单元尺寸。通过将天线阵列分成两个部分，在两个部分之间留有空间；因此在仰角域中孔径尺寸增加。同时，中间的空间由基带模块提供。
第三，在大规模2D有源天线阵列硬件布局中，高频和宽带宽模拟信号或高速数字信号的路由和分布是主要的挑战。在PCB板上信号可能具有导致干扰的串扰。此外，数据路径信号需要长度匹配以便实现在整个单元上均匀的信号传播。如本公开的实施例中所示的对称和集中式基带模块使得更容易以对称方式路由信号，因此减少了迹线的总长度以及迹线之间的串扰。
最后，大规模2D有源天线阵列系统的散热对于实现系统的良好性能是重要的。通常对于室外部署，主要由于可靠性原因(没有移动部件)，单元不能具有冷却风扇。集成单元具有许多有源组件，包括PA、收发器、基带单元和电源。在本公开的实施例中，这些单元使用散热器散热以保持结温(junction temperature)低于击穿阈值(breakdown threshold)。为了最大化散热器的使用，有源组件被均匀分布。
在传统的1D有源天线阵列系统中，由于天线的数量少，PA被配置为以相对高的功率输出。PA产生的热量主导该单元产生的整体热量。然而，在大型2D天线阵列系统中，收发器链的数量很大。因此，每个单独的PA可以具有相对较低的输出功率。可替代地，由于多个信道的大量信号处理，基带单元需要消耗更高百分比的功率。
通过具有集中式基带单元，基带处理器可以在整个散热器上均匀地散热。这将反过来减小散热器的厚度，因为散热器的更大面积可用于散热。为了确保对基带单元容易物理接入以及充分的散热，基带单元安装在母板的顶部朝向单元的前(开放)面。
虽然已经利用示例性实施例描述了本公开，但是对本领域技术人员，可以建议各种改变和修改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求的范围内的这些改变和修改。

Claims (15)

1.一种天线阵列系统，包括：
基带单元，被配置为执行基带功能；以及
多个天线元件，耦接到所述基带单元，
其中，所述多个天线元件按组布置在平面上，每个组包括相等数量的天线元件，以及
其中，所述组布置在所述基带单元的相对侧上的两个部分中，
其中，布置在两个部分中的每个部分中的多个天线元件的数量相等。
2.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，包括在每个组中的天线元件在一个维度上以第一相等间隔放置，并且在另一个维度上以第二相等间隔放置。
3.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述多个天线元件中的每一个是双极化的。
4.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述多个天线元件中的每一个耦接到射频RF收发器单元并由RF收发器单元馈送。
5.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述基带单元设置在所述两个部分之间。
6.根据权利要求1所述的天线阵列系统，还包括：
耦接到所述基带单元的至少一个模数转换器和至少一个数模转换器。
7.根据权利要求4所述的天线阵列系统，其中，所述多个天线元件中的每一个通过相应的迹线耦接到所述基带单元，以及
其中，所述组和所述基带单元之间的迹线的长度匹配。
8.根据权利要求7所述的天线阵列系统，还包括：
多个数据转换器，
其中，所述基带单元和所述多个数据转换器被配置为通过长度匹配的迹线向所述RF收发器单元传送下行链路信号并且从所述RF收发器单元接收上行链路信号。
9.根据权利要求7所述的天线阵列系统，其中，所述多个天线元件中的每一个连接到移相器，并且
其中，所述移相器耦接到所述RF收发器单元并由所述RF收发器单元馈送。
10.根据权利要求1所述的天线阵列系统，还包括：
布置在所述两个部分之间的校准单元。
11.根据权利要求10所述的天线阵列系统，其中，所述多个天线元件中的每一个耦接到RF收发器单元并由所述RF收发器单元馈送，
其中，所述RF收发器单元包括发射器和接收器，以及
其中，所述校准单元被配置为测量在所述发射器处的至少一个信号或在所述接收器处的至少一个信号。
12.根据权利要求11所述的天线阵列系统，其中，所述校准单元被配置为测量在所述发射器处的相位变化或在所述接收器处的相位变化。
13.根据权利要求1所述的天线阵列系统，还包括：
布置在所述两个部分之间并且通过匹配长度的迹线分布到所述两个部分的本地振荡器。
14.根据权利要求1所述的天线阵列系统，还包括：
母板，被配置为容纳所述多个天线元件和所述基带单元。
15.根据权利要求14所述的天线阵列系统，其中，所述母板容纳分别馈送所述多个天线元件的多个RF收发器单元，以及
其中，所述多个RF收发器单元中的每一个被布置在相应的天线元件的下方。
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