CN107408970B - 波束成形方法、天线装置、网络节点、无线设备和计算机可读介质 - Google Patents

Abstract

提供了使用包括双极化元件的天线阵列进行波束成形的机制。一种方法包括生成一个或两个波束端口，其中所述一个或两个波束端口通过组合至少两个不重叠子阵列来定义。每个子阵列具有两个子阵列端口，所述两个子阵列端口具有相同的功率样式和相互正交的极化。所述至少两个不重叠子阵列通过扩展权重进行组合。扩展权重将所述一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得所述一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率样式。扩展权重中的至少一些具有相同的非零幅度并且在相位上相关以形成发射波瓣。该方法包括使用所述一个或两个波束端口发射信号。

Description

波束成形方法、天线装置、网络节点、无线设备和计算机可读 介质

技术领域

本文提出的实施例涉及波束成形，更具体地，涉及使用包括双极化元件的天线阵列进行波束成形的方法、天线阵列和计算机程序。

背景技术

在通信网络中，针对给定的通信协议、其参数和部署有该通信网络的物理环境，获得良好性能和容量会是一种挑战。

无线通信网络中获得良好性能和容量的可能的一个挑战在于配置用于不论是去往/来自另一网络节点、还是/或者去往/来自无线用户终端的无线通信的网络节点的天线。

例如，大规模波束成形(即，使用比在当前通信网络中使用的天线元件多若干数量级的有源天线阵列的波束成形)预期将成为未来第五代(5G)通信网络的无线电接入部分中的技术组件。通过在无线基站使用大天线阵列，用户数据可以在空间中聚焦的状态下被发射，使得能量主要被用户数据所针对的无线设备接收，因此其他无线设备或其他类型的节点几乎不会感觉到干扰。因此，大规模波束成形具有成数量级地提高系统容量和能量效率的潜力。

大规模波束成形的一个潜在问题可能涉及波束可能太窄以致数据只能被所针对的无线设备接收的事实。对于用户数据而言，这是期望的，但是对于一些数据(例如系统信息)，优选地需要将其发射给通信网络中的全部或至少大多数的无线设备(即广播)。因此，为了到达所有无线设备，这种数据应该以宽覆盖范围发射。下面将总结解决这个问题的一些方法。然而，还应指出的是，这些方法中的每一种都有其缺点。

根据第一种方法，可以使用单独的宽波束天线来发射广播数据。这种方法的缺点是需要额外的硬件。

根据第二种方法，使用天线的单个天线阵列元件或子阵列来发射广播数据。该阵列元件或子阵列将具有比天线的整个阵列更宽的波束。这种方法的缺点在于，仅使用天线阵列中的一个或几个功率放大器(PA)，从而造成功率资源的浪费。

根据第三种方法，在天线的整个阵列上使用幅度和/或相位渐缩(tapering)以加宽波束。这种渐缩的缺点在于幅度渐缩导致PA资源的不良利用，并且在许多情况下，不可能仅使用相位渐缩来合成期望的波束形状。

根据第四种方法，使用窄波束在不同方向上顺序地发射广播数据。这种方法的潜在缺点在于，这需要更长的时间并且比用宽波束在所有方向上同时发射广播数据消耗更多的资源单元。

可能希望使用具有许多元件的天线阵列的宽波束的其他场景是毫米波(mmW)通信，其是预见成为5G无线电接入的一部分的接入技术。由于在这样高的频率下增加的传播损耗，可能需要高增益波束成形(可能在接收机和发射机两者处均)保持链路预算。可能需要波束成形，因为发射机和接收机之间的主要传播路径通常不是先验已知的。测试大量窄发射和接收波束的所有组合以找到最佳波束对可能会消耗过高的时间/频率资源量。解决这个问题的一种方法可以是无线电基站用宽波束开始搜索过程，然后使波束变得越来越窄，直到找到最好的窄波束对。这种波束寻找过程通常需要以灵活的方式生成具有不同波束宽度的波束的手段。为了充分利用天线阵列和可用的PA资源，可能需要在发射具有不同波束宽度的波束时以全功率使用所有天线元件和所有PA。

因此，需要改进的波束成形。

发明内容

本文实施例的一个目的在于提供高效的波束成形。

根据第一方案，提出了一种用于使用包括双极化元素的天线阵列进行波束成形的方法。所述方法包括生成一个或两个波束端口，其中所述一个或两个波束端口通过组合至少两个不重叠子阵列来定义。每个子阵列具有两个子阵列端口，所述两个子阵列端口具有相同的功率样式和相互正交的极化。所述至少两个不重叠子阵列通过扩展权重进行组合。扩展权重将所述一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得所述一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率样式。扩展权重中的至少一些具有相同的非零幅度，并且在相位上相关以形成发射波瓣。该方法包括使用所述一个或两个波束端口发射信号。

有利地，该方法提供高效的波束成形。

有利地，该方法提供用于创建具有可调整波束宽度的一个或两个波束端口的天线架构和方法。

所述一个或两个波束端口在任意方向具有相同的功率辐射样式和正交极化。

所述一个或两个波束端口的波束宽度与阵列尺寸相比可以非常宽，甚至与单个元件一样宽。

可以通过每个波束端口或两个波束端口一起充分(即，在仅应用相位渐缩的情况下)利用天线阵列的所有功率放大器。

天线架构可以基于线性(1D)天线阵列或平面(2D)天线阵列。

根据第二方案，提出了一种包括天线阵列的天线装置。天线阵列包括用于波束成形的双极化元件。天线阵列还包括处理单元。处理单元被配置为使天线阵列生成一个或两个波束端口，其中所述波束端口通过组合至少两个不重叠子阵列来定义。每个子阵列具有两个子阵列端口，所述两个子阵列端口具有相同的功率样式和相互正交的极化。所述至少两个不重叠子阵列通过扩展权重进行组合。扩展权重将所述一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得所述一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率样式。扩展权重中的至少一些具有相同的非零幅度并且在相位上相关以形成发射波瓣。处理单元被配置为使得天线阵列使用上述一个或两个波束端口来发射信号。

提出了一种包括根据第二方案的天线装置在内的网络节点。

提出了一种包括根据第二方案的天线装置在内的无线设备。

根据第三方案，提出了一种使用包括双极化元件的天线阵列来进行波束成形的计算机程序，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码在处理单元上运行时使天线阵列执行根据第一方案所述的方法。

根据本发明的第四方案，提出了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括根据第三方案的计算机程序和存储所述计算机程序的计算机可读装置。

应当注意的是，适当时，第一、第二、第三和第四方案的任何特征可以应用到任何其它方案。同样，第一方案的任何优点可以分别等同地应用到第二、第三和/或第四方案，反之亦然。通过以下详细公开、所附从属权利要求以及附图，所附实施例的其他目的、特征和优点将变得显而易见。

一般地，除非本文另有明确说明，否则权利要求中使用的所有术语根据其技术领域中的普通含义来解释。除非另有明确说明，否则对“一/一个/所述元件、设备、组件、装置、步骤等”的所有引用应被开放地解释为指代元件、设备、组件、装置、步骤等中的至少一个实例。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序来执行。

附图说明

下面参照附图以示例方式描述本发明构思，附图中：

图1、图2、图3和图5是示出了根据实施例的天线阵列的不同方案的示意图；

图4示意地示出了子阵列的示例；

图6示意地示出了端口扩展的示例；

图7示意地示出了递归端口扩展；

图8示意地示出了端口映射；

图9是示出了根据实施例的天线装置的功能单元的框图；

图10是示出了根据实施例的天线装置的功能模块的框图；

图11示意地示出了包括根据实施例的天线装置的网络节点；

图12示意地示出了包括根据实施例的天线装置的无线设备；

图13示意地示出了根据实施例的计算机程序产品；

图14是根据实施例的方法的流程图；

图15示出了根据实施例的第一波束端口的发射波瓣的示例的仿真结果；

图16示出了根据实施例的第二波束端口的发射波瓣的示例的仿真结果；

图17示出了使用根据现有技术的针对每个极化使用纯幅度渐缩的波束成形的仿真结果；

图18示出了使用根据现有技术的针对每个极化使用纯相位渐缩的波束成形的仿真结果；以及

图19示出了根据实施例的波束成形的仿真结果。

具体实施方式

现在将在下文参考其中示出本发明的特定实施例的附图来更全面地描述发明构思。然而，本发明构思可以按多种不同形式来体现，并且不应当被解释为受到本文阐述的实施例的限制。相反，通过示例给出这些实施例，使得本公开将透彻和完整，并且向本领域技术人员充分地传达本发明构思的范围。在说明书全文中，相似的标记指代相似的要素。由虚线示出的任何步骤或特征应当被视为可选的。

已经提出了从大的双极化阵列中生成宽波束的不同方式。一个示例是将波束成形网络(例如Butler矩阵)应用于天线阵列的每个极化方向，然后通过具有交替极化的波束发射信号，以避免经由具有相同极化的相邻波束发射的信号的不期望的相干叠加。所得到的波束样式通常显著地波动，例如几分贝。图17示出了通过传统单极化波束成形(SPBF)形成的宽波束样式的示例，其中按照每个极化施加权重以形成仍针对每个极化的期望的波束样式，并且将许多权重元素的幅度设置为零，从而导致不良的功率资源利用(utilization)。可以将其视为幅度渐缩的极端情况。另一个示例涉及应用幅度渐缩，其也可以被视为在生成期望的波束形状方面、而不是在发射功率资源的利用方面提供令人满意的结果。在许多情况下仅使用相位渐缩导致不满足期望属性但具有令人满意的功率资源的利用的样式。可获得的波束宽度的范围也通常是受限的。图18示出了通过传统(SPBF)波束成形而形成、但是为了好的不良功率资源利用仅限于相位渐缩的宽波束样式的示例。所得到的是显示不期望的波纹的波束样式。

本文提出的天线阵列和方法提供具有期望波束形状以及非常好的功率利用两者的波束样式。本文公开的实施例尤其涉及高效波束成形。为了获得高效波束成形，这里提供了一种天线阵列、由天线阵列执行的方法、包括例如以计算机程序产品的形式的代码在内的计算机程序，其中当所述计算机程序在处理单元上运行时使天线阵列执行所述方法。

图1是示出了可应用本文提出的实施例的二维天线阵列1的示例架构的示意框图。然而，本文提出的实施例同样适用于一维天线阵列。因此，天线阵列1可以是线性阵列(1D)、均匀线性阵列(ULA)或平面阵列(2-D)、均匀矩形阵列(URA)。

天线前端包括天线元件的阵列1e，其中每个天线元件可以是具有经由馈电网络连接到具有正交极化的两个子阵列端口的若干辐射天线元件的子阵列。每个子阵列端口连接到包括在无线电阵列1d中的无线电链路。可以经由端口减少块1c来减少可以接入基带信号处理的块1b中的子阵列端口的数量，所述端口减少块1c用于创建作为输入天线端口的(线性)组合的新天线端口。如果要同时发射专用和广播的数据，则接入基带处的子阵列端口。此外，一般来说，根据本文公开的用于波束成形的机制，可能需要对所有子阵列端口的接入以形成宽波束。在基带信号处理块1a中，可以通过矩阵乘法创建虚拟天线端口。这些虚拟天线端口可以是不同的类型。例如，在LTE中，它们可以是针对无线电基站在端口0-3处携带公共参考信号(CRS)、在端口15-22处携带信道状态信息参考信号(CSI-RS)以及在端口7-14处携带UE特定的参考信号和数据。在一些实施方式中，可以去除图1中的二维天线阵列1中的一个或多个块。

图2是示出了图1的二维天线阵列1的可能实现的示意框图。它包括包含图1的块1a、1b和1c在内的波束成形器、无线电阵列1d和物理天线阵列1e。在图2的示例中，每个子阵列有两个天线端口。波束成形器1a-1c被配置为接收用户数据和控制数据、用于用户数据的波束成形权重、用于诸如CSI-RS的参考信号的波束成形权重和用于宽波束发射的波束成形权重。每个天线元件包括在(感兴趣的)所有方向上具有正交极化的两个子元件31、32。通常，这两个子元件31、32位于图3(a)中所示的相同位置，但是它们也可以相对于彼此移位，如图3(b)所示。

天线阵列1被配置为生成一个或两个波束端口，其中通过组合至少两个不重叠子阵列来定义所述波束端口。如本领域技术人员所理解的，天线阵列1可以被配置为生成为各种发射而定义的其他端口。每个子阵列具有两个子阵列端口，所述两个子阵列端口具有相同的功率样式和相互正交的极化。所述至少两个不重叠子阵列通过扩展权重进行组合。扩展权重将所述一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得所述一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率样式。扩展权重中的至少一些具有相同的非零幅度并且在相位上相关以形成发射波瓣。天线阵列1被配置为使用一个或两个波束端口来发射信号。如本领域技术人员所理解的，天线阵列1可以被配置为使用相同的波束端口或其他波束端口来发射其他信号。

现在将公开关于使用天线阵列1的波束成形的更多细节的实施例。

一般来说，扩展权重描述了通过单组子阵列形成的一个或两个波束端口能够如何映射到多组子阵列上。因此，根据一个实施例，扩展权重将一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得所述一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率样式，并且在存在两个波束端口的情况下，所述两个波束端口在任何方向都具有相互正交的极化。

可以通过不同的方式来确定至少两个不重叠的子阵列，并且经由扩展权重组合所述至少两个不重叠的子阵列。现在将公开涉及这些条件的不同实施例。

一般来说，生成一个或两个波束端口来得到期望的波束宽度并且将整个天线阵列用于功率资源的良好利用可以包括：确定针对所述一个或两个波束端口的子阵列端口映射，以及将子阵列映射扩展到整个天线阵列。

对于子阵列端口映射，确定子阵列，使得以尽可能好的功率利用实现期望的波束宽度或可能的波束形状。子阵列扩展后的功率利用将与针对子阵列的功率利用相同。图4的(a)、(b)、(c)和(d)示意地示出了天线阵列1e的四个示例，每个示例包括两个子阵列41、42，并且每个天线阵列1e分别包括两个波束端口43、44。

为了将子阵列映射扩展到整个天线阵列，使用基于2、6和10的幂的扩展权重，使得天线阵列的每个维度的波束端口使用的天线元件的总数将是

D_port＝D_subarray2^k6^m10ⁿ，k＝0，1，2，....m＝0，1，2，...n＝0，1，2，....，其中D_subarray是在感兴趣的天线阵列维度的子阵列中使用的元件数目。如果只期望单个波束端口，则也可以使用因子3或5。因此，根据实施例，在存在两个波束端口的情况下，其中扩展权重在每个维度上将所述两个波束端口映射到2、6或10的幂的乘积个子阵列。每个维度的表达式可以例如是在平面中的正交空间维度。并且，根据实施例，在存在一个波束端口的情况下，其中扩展权重将所述一个波束端口映射到2、6或10的幂的1、3或5倍个子阵列。也就是说，单个波束端口映射可以根据2、6或10的幂乘以1、3或5。对于二维阵列，包括扩展因子1、3或5的映射可以仅在一维中完成。

为了最大限度地使用天线阵列，可以确定子阵列大小，使得包括可能扩展的子阵列大小覆盖整个阵列。因此，根据实施例，至少两个不重叠子阵列一起覆盖天线阵列的所有元件。

端口映射中的所有天线元件可以具有相同的幅度；扩展本身提供了充分的功率利用，但是子阵列可能无法实现。使用天线阵列中的所有天线元件以及进行子阵列端口映射、因而进行波束端口映射以具有均匀幅度的一个原因在于高效地使用可用功率资源。这尤其适用于具有分布式功率放大器的有源天线阵列，但是它也适用于具有配电网络50的天线阵列，所述配电网络包括移相器51、可能还包括如图5(a)和5(b)中的衰减器52。这尤其适用于仅通过移相器执行的波束成形。要使用的子阵列的数量通过组合2、6和10的幂来给出，在单波束端口的情况下可以乘以3或5。

因此，扩展权重描述了如何将具有由单个子阵列给出的波束形状的一个或两个波束端口映射到多个子阵列上。图6的(a)、(b)和(c)示意地示出了将天线阵列的大小分别扩大2、6或10倍的不同扩展权重对的三个示例。

现在将公开与如何确定扩展权重相关的其它实施例。

一对中的扩展权重可以是相关的，使得两个波束端口具有正交极化。因此，根据实施例，在存在两个波束端口的情况下，其中扩展权重被定义为保持所述两个波束端口的极化相互正交。

根据实施例，将具有第一极化的端口a的扩展权重确定为：

其中ea_m表示用于将一个端口映射到m的倍数个子阵列(或如本文所公开的经由扩展的子阵列的组合)的扩展权重，并且其中Z_rc是具有r行和c列的全零矩阵。

然后可以将具有与第一极化正交的第二极化的端口b的扩展权重确定为：

eb_m＝flipud([ea_m(：，2)-ea_m(：，1)]^*)，

其中ea_m(：，c)表示ea_m的列c，其中*表示复共轭，并且其中flipud(x)将x的行顺序反转。也就是说，符号a和b表示子阵列端口、子阵列端口的组合或波束端口的两个正交极化。它不是指不同端口的特定极化。

如本领域技术人员所理解的，这些扩展矩阵仅仅是示例。扩展矩阵的其他有效示例例如可以通过对所示矩阵应用相移来获得。

扩展因子可以级联以在多于一个步骤中执行扩展。因此，根据实施例，在定义一个或两个波束端口之前，通过其他扩展权重来进一步扩展子阵列。基于2、6和10的扩展所应用的顺序是任意的，而利用3或5的扩展必须在最后应用，因为它仅导致单个波束端口。这些可以通过从如上定义的ea₆和ea₁₀去除下面的(零)部分(即，分别为Z₃₂和Z₅₂)并且不定义任何eb映射获得。图7示出了为了达到最终权重矢量的期望大小如何递归地使用扩展的一个示意性示例。如图7所示，扩展因子可以与不同的扩展因子级联；第一扩展因子6(扩展×6)之后是第二扩展因子2(扩展×2)。

在图8中示出了对于两个天线端口的扩展后的功率利用的一个示例。从图8的上部可以看出，第一极化的天线元件的一半连接到端口1(o)，另一半连接到端口2(*)。类似的动作(如图8的下部所示)也适用于第二极化。这意味着在具有分布式功率放大器的有源天线的情况下，两个天线端口可以不共享同一功率放大器。图8中的变化幅度来自于在选择了不相等幅度的情况(为了示出目的)下使用的子阵列定义，以示出子阵列幅度变化如何在阵列上重复。

在某些情况下，两个波束端口共享同一功率放大器是有益的，而在其他情况下，例如，如果将相关信号应用于两个天线端口，则这可能是不希望的。一个原因在于相关信号与共享功率放大器组合可能导致功率放大器的不均匀加载。

在天线端口要共享功率放大器的情况下，或者在仅使用单个天线端口的情况下，这是可以例如通过逐元件地将两个扩展权重(每个权重定义一个波束端口)彼此相加来实现的。因此，根据实施例，至少两个子阵列的扩展权重相加以生成所述一个或两个波束端口中的一个波束端口。如果使用乘以3或5的扩展，则结果是将单个波束端口映射到所有子阵列端口，即利用所有功率资源。由于子阵列的扩展不会改变功率样式，因此接下来，(由总扩展矢量/矩阵给出的)阵列因子在空间上可以是白化的(white)以使得两个波束端口能够具有与子阵列端口相同的功率样式。根据实施例，确定扩展权重，使得由应用于第一子阵列端口的第一扩展权重矩阵的二维离散傅立叶变换的平方幅度与应用于第二子阵列端口的第二扩展权重矩阵的二维离散傅立叶变换的平方幅度之和定义的矩阵中的所有元素具有相同的值。也就是说，扩展权重可以被确定为使得：

|DFT(ea)|²+|DFT(eb)|²＝k·J_rc，

其中，DFT(ea)和DFT(eb)分别表示ea和eb的离散傅立叶变换，其中ea和eb分别是应用于子阵列端口a和b的总扩展矩阵，其中a是第一子阵列端口，b是第二子阵列端口，其中k是常数，并且J_rc是具有r行和c列的全一矩阵。在二维天线阵列的情况下，扩展权重被收集在矩阵中。对于一维天线阵列，该矩阵瓦解为矢量(可以视为矩阵仅具有一行或一列的特殊情况)。

接下来将提供如何生成用于均匀矩形阵列的扩展权重的进一步细节。开始于如上所生成的每个维度上的扩展权重矢量。这些扩展权重矢量被组合为两个矩阵，每个波束端口一个矩阵。

首先，确定具有非共享资源的沿着第一维度(这里为维度y)的一个波束端口的扩展权重矢量。在针对维度之一使用因子3或5的情况下(这导致单个波束端口使用所有资源)，将该维度选为这里的y维度。包括所有元素(即，极化a和b两者)的第一波束端口(即，波束端口1)的全矢量可以被描述为

其中，w_1ya和w_1yb表示包含应用于沿着y维度分别具有极化a和b的元素的波束端口1的扩展权重在内的列矢量，以此类推。其次，经由连续扩展，针对第一端口确定具有非共享资源的沿着第二维度(这里为维度z)的两个波束端口的扩展权重如下

以及

其中w_2za和w_2zb表示包含应用于沿z维度分别具有极化a和b的元素的第二波束端口(即，波束端口2)的扩展权重在内的列矢量。

将这两个矢量w_1z和w_2z相关以得到正交极化和相同的功率样式。根据下式给出该相关

这里，符合“*”表示复共轭(而不是Hermitian共轭-转置)。

这里，F是将矢量中的元素(行)顺序反转的矩阵；即在反对角线上为1而在其他位置为0的矩阵。

将这些矢量组合以形成矩阵，针对每个极化形成一个矩阵，该矩阵包括根据下式的均匀矩形阵列(URA)中的所有元素

以及

使用相位调整因子β来确保完全功率利用。实际的值取决于如何定义针对每个维度的扩展权重。遵循本文描述的过程，相位调整在大多数情况下等于1。

最终第二端口的扩展权重矩阵为

以及

其中F_z和F_y是在反对角线上为1而在其他位置为0的矩阵。在不使用扩展因子3和5的情况下，该阶段的结果是这样的扩展权重矩阵：定义了具有相同功率样式、正交极化、非共享资源(功率放大器)、以及(对于两个波束端口一起而言的)完全功率利用的两个波束端口。

如果期望共享资源，则通过下面的过程来获得。首先，将两个端口的矩阵如下相加：

w_{1a_shared}＝w_1a+w_2a

以及

w_{1b_shared}＝w_1b+w_2b

然后，通过执行以下操作来形成第二端口的矩阵：

在使用扩展因子3或5的情况下，结果变为定义具有由子阵列给出的功率样式的一个波束端口的扩展矩阵。该扩展矩阵将波束端口连接到所有功率资源，从而利用所有功率资源。如上所述，在不加扩展权重而生成第二波束端口的情况下，由于第一波束端口已经使用了所有资源，因此发现第二端口具有期望的功率样式和与第一波束端口共享资源的正交极化。

图9以多个功能单元的方式示意性地示出了根据实施例的天线装置100的组件。使用能够执行计算机程序产品130(如图13)(例如，具有存储介质103的形式)中存储的软件指令的合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等中的一种或多种的任意组合来提供处理单元21。处理单元101由此被布置为执行本文公开的方法。例如，如本文的公开，处理单元101被配置为生成诸如图4中的任意子阵列以及诸如图6和图7中的到波束端口的映射。

存储介质103还可以包括持久存储设备，其例如可以是磁存储器、光存储器、固态存储器或甚至远程安装存储器中的任意单独一个或组合。天线装置100还可以包括用于发射和接收信号的通信接口22。如此，通信接口22可以包括如图1、图2、图3和图5的任一幅图中的天线阵列。

处理单元21例如通过向通信接口102和存储介质103发送数据和控制信号、通过从通信接口102接收数据和报告、以及通过从存储介质103中取回数据和指令来控制天线装置100的总体操作。省略了天线装置100的其他组件以及有关功能以不使本文提出的概念模糊。

图10以多个功能模块的方式示意性地示出了根据实施例的天线装置100的组件。图10的天线装置100包括多个功能模块：被配置为执行下面的布置S102的生成模块以及被配置为执行下面的步骤S104的发射/接收模块101b。图10的天线装置100还可以包括多个可选功能模块。以下将在可以使用功能模块101a-101b的上下文中进一步呈现每个功能模块101a-101b的功能。一般地，每个功能模块101a-101b可以在硬件或在软件中实现。优选地，一个或多个或所有功能模块101a-101b可以由处理单元10实现，并且可能与功能单元102和/或103协作。处理单元101可以因此被布置为从存储介质103获取由功能模块101a-101b提供的指令，并且被布置为执行这些指令，由此执行下文将公开的任何步骤。

天线阵列1和/或天线装置100可以被提供为集成电路/独立设备或另一设备的一部分。例如，天线阵列1和/或天线装置100可以设置在诸如网络节点110或无线设备120之类的无线电收发机设备中。图11示出了包括如本文所公开的至少一个天线阵列1和/或天线装置100在内的网络节点110。网络节点110可以是BTS、NodeB、eNB、中继器、回程节点等。图12示出了包括如本文所公开的至少一个天线阵列1和/或天线装置100在内的无线设备120。无线设备120可以是用户设备(UE)、移动电话、平板计算机、膝上型计算机等。

天线阵列1和/或天线装置100可以被提供为另一设备的组成部分。也就是说，天线阵列1和/或天线装置100的组件可以与另一设备的其它组件集成；另一设备的一些组件和天线阵列1和/或天线装置100的可以被共享。例如，如果这种另一设备包括处理单元，则该处理单元可被配置为执行与天线装置100相关联的处理单元31的动作。备选地，天线阵列1和/或天线装置100可以被提供为另一设备中的单独单元。

图13示出了包括计算机可读装置132在内的计算机程序产品130的一个示例。在该计算机可读装置132上，可以存储计算机程序131，该计算机程序131可以使得处理单元101和操作耦接到处理单元的实体和设备(例如，通信接口102和存储介质103)执行根据本文描述的实施例的方法。计算机程序131和/或计算机程序产品130可以因此提供执行如本文公开的任何步骤的方法。

在图13的示例中，计算机程序产品130示出为光盘，例如CD(高密度盘)或DVD(数字多功能盘)或蓝光盘。计算机程序产品130还可以体现为存储器，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和更具体地作为外部存储器中的设备的非易失性存储介质，例如USB(通用串行总线)存储器或闪存(例如紧凑闪存)。因此，尽管计算机程序131这里示意性地示出为所描述的光盘上的轨道，计算机程序131可以用适于计算机程序产品130的任意方式进行存储。

现在参考图14，其示出了根据实施例的使用天线阵列1进行波束成形的方法。天线阵列1包括双极化的元件。该方法由包括天线阵列1的天线装置100执行。有利地，将这些方法提供为计算机程序32。

天线装置100被配置为在步骤S102中生成一个或两个波束端口。通过组合至少两个不重叠子阵列来定义所述一个或两个波束端口。每个子阵列具有两个子阵列端口。对于每个子阵列，所述两个子阵列端口具有相同的功率样式和相互正交的极化。所述至少两个不重叠子阵列通过扩展权重进行组合。扩展权重将所述一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得所述一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率样式。扩展权重中的至少一些具有相同的非零幅度并且在相位上相关以形成发射波瓣。天线装置100被配置为在步骤S104中使用所述一个或两个波束端口来发射信号。

图15示出了方位角半功率波束宽度(HPBW)＝50°并且仰角HPBW＝25°的第一波束端口(波束端口1)的发射波瓣(波束样式)的示例。

图16示出了方位角HPBW＝50°且仰角HPBW＝25°的第二波束端口(波束端口2)的发射波瓣(波束样式)的示例，其中第二波束端口的发射波瓣的形状为与第一波束端口的发射波瓣(即，图15中的发射波瓣)相同。因此，图15和图16的发射波瓣具有相同的功率样式。波瓣具有在任意方向上的正交极化(虽然从图15和图16中看不出来)。

图17示出了通过传统(SPBF)波束成形的方式创建的宽波束样式的示例。相应的权重元素被提供给图17的左侧。因此，许多权重元素具有被设置为零的幅度，从而导致了非常差的功率资源利用。

图18示出了通过为了好的功率资源利用而仅限于相位渐缩的传统(SPBF)波束成形而创建的宽波束样式的示例。相应的权重元素被提供给图18的左侧。然而，生成的波束样式显示出严重的波纹。

图19示出了根据本文公开的实施例而形成的宽波束样式的示例。波束样式具有期望的形状，这里HPBW＝50°，并且具有非常好的功率资源利用。相应的权重元素被提供给图19的左侧。

以上已经参考一些实施例主要地描述了发明构思。然而，本领域技术人员容易理解的是：上述公开之外的在如由所附专利权利要求所限定的发明构思的范围之内的其它实施例同样是可能的。例如，虽然使用LTE特定术语，本文所公开的实施例也可以适用于不是基于LTE的通信网络，经必要修改。

Claims (17)

1.一种使用包括双极化元件的天线阵列(1)进行波束成形的方法，包括：

生成(S102)一个或两个波束端口，其中所述一个或两个波束端口通过组合至少两个不重叠子阵列来定义；

其中每个子阵列具有两个子阵列端口，所述两个子阵列端口具有相同的功率样式和相互正交的极化，

其中所述至少两个不重叠子阵列通过扩展权重进行组合，

其中扩展权重将所述一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得所述一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率样式，

其中扩展权重中的至少一些具有相同的非零幅度，并且在相位上相关以形成发射波瓣，以及

其中扩展权重被收集在扩展矩阵中，并被确定为使得所述扩展矩阵在空间上是白化的；以及

使用所述一个或两个波束端口来发射(S104)信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中扩展权重将所述一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得所述一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率样式，并且在存在两个波束端口的情况下，所述两个波束端口在任何方向上都具有相互正交的极化。

3.根据权利要求1所述的方法，在存在两个波束端口的情况下，扩展权重被定义为保持所述两个波束端口的极化相互正交。

4.根据权利要求1所述的方法，在存在两个波束端口的情况下，扩展权重在每个维度上将所述两个波束端口映射到2、6或10的幂的乘积个子阵列。

5.根据权利要求1所述的方法，在存在一个波束端口的情况下，扩展权重将所述一个波束端口映射到2、6或10的幂的1、3或5倍个子阵列。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在定义所述一个或两个波束端口之前，通过基于2、6和10的幂的扩展权重来进一步扩展子阵列。

7.根据权利要求1所述的方法，其中扩展权重被确定为使得由应用于第一子阵列端口的第一扩展权重矩阵的二维离散傅立叶变换的平方幅度与应用于第二子阵列端口的第二扩展权重矩阵的二维离散傅立叶变换的平方幅度之和定义的矩阵中的所有元素具有相同的值。

8.根据权利要求1所述的方法，其中扩展权重被确定为使得：

|DFT(ea)|²+|DFT(eb)|²＝k·J_rc，

其中，DFT(ea)和DFT(eb)分别表示ea和eb的离散傅立叶变换，ea和eb分别是应用于子阵列端口a和b的总扩展矩阵，a是第一子阵列端口，b是第二子阵列端口，k是常数，并且J_rc是具有r行和c列的全一矩阵。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少两个不重叠子阵列一起覆盖天线阵列的所有元件。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少两个子阵列的扩展权重相加以生成所述一个或两个波束端口中的一个波束端口。

11.根据权利要求1所述的方法，其中具有第一极化的所述两个子阵列端口中的一个端口a的扩展权重被确定为：

其中ea_m表示用于将所述一个或两个波束端口中的一个波束端口映射到m的倍数个子阵列的扩展权重，并且Z_rc是具有r行和c列的全零矩阵。

12.根据权利要求11所述的方法，其中具有与第一极化正交的第二极化的所述两个子阵列端口中的另一端口b的扩展权重被确定为：

eb_m＝flipud([ea_m(：，2)-ea_m(：，1)])，

其中ea_m(：，c)表示ea_m的列c，其中*表示复共轭，并且flipud(x)将x的行顺序反转。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号包括广播信息和系统信息中的至少一个。

14.一种包括天线阵列(1)的天线装置(100)，所述天线阵列包括用于波束成形的双极化元件，所述天线阵列还包括被配置为使天线阵列(1)执行以下操作的处理单元(31)：

生成一个或两个波束端口，其中所述波束端口通过组合至少两个不重叠子阵列来定义；

其中每个子阵列具有两个子阵列端口，所述两个子阵列端口具有相同的功率样式和相互正交的极化，

其中所述至少两个不重叠子阵列通过扩展权重进行组合，

其中扩展权重将所述一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得所述一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率样式，

其中扩展权重中的至少一些具有相同的非零幅度并且在相位上相关以形成发射波瓣，

其中扩展权重被收集在扩展矩阵中，并被确定为使得所述扩展矩阵在空间上是白化的；以及

使用所述一个或两个波束端口来发射信号。

15.一种包括根据权利要求14所述的天线装置(100)在内的网络节点(110)。

16.一种包括根据权利要求14所述的天线装置(100)在内的无线设备(120)。

17.一种计算机可读介质，存储有用于使用包括双极化元件的天线阵列(1)来进行波束成形的计算机程序(131)，所述计算机程序包括计算机程序代码，当所述计算机程序代码在处理单元(31)上运行时使天线阵列(1)执行以下操作：

生成(S102)一个或两个波束端口，其中所述波束端口通过组合至少两个不重叠子阵列来定义；

其中每个子阵列具有两个子阵列端口，所述两个子阵列端口具有相同的功率样式和相互正交的极化，

其中所述至少两个不重叠子阵列通过扩展权重进行组合，

其中扩展权重将所述一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得所述一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率样式，以及

其中扩展权重中的至少一些具有相同的非零幅度，并且在相位上相关以形成发射波瓣，

其中扩展权重被收集在扩展矩阵中，并被确定为使得所述扩展矩阵在空间上是白化的；以及

使用所述一个或两个波束端口来发射(S104)信号。