CN107453792B - 终端设备和调整终端设备的天线配置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了终端设备和调整终端设备的天线配置的方法。本申请涉及一种用于调整蜂窝通信系统(10)中的终端设备(30)的天线配置的方法。所述系统(10)包括基站(20)和包括多个天线元件(40‑43)的终端设备(30)。在终端设备(30)中提供多个预设天线配置。每个天线配置限定多个天线元件(40‑43)的至少一个接收参数。针对多个预设天线配置中的每个天线配置，将该天线配置应用于多个天线元件(40‑43)，并且确定来自基站(20)的信号传输的接收特性。基于多个接收特性，选择一个天线配置并应用于多个天线元件(40‑43)以用于进一步的信号传输。

Description

终端设备和调整终端设备的天线配置的方法
技术领域
本发明的各种实施方式涉及用于调整蜂窝通信系统中的终端设备的天线配置的方法以及涉及用于蜂窝通信系统的终端设备。
背景技术
移动数据和语音通信的普及继续增长。即使在大量用户位于小区域内的情况下，数据和语音通信的日益普及也需要必须满足大量用户的通信需求。这些情况的典型示例包括运动场、商场或大型办公楼。
所谓的多输入多输出(MIMO)技术可以用在无线无线电电信系统中，用于增加基站与终端设备之间的通信的数据传输性能和可靠性。终端设备可以包括例如如移动电话、移动计算机和平板计算机的移动设备以及如个人计算机或收银机的固定设备。通常，终端设备可以被分配给用户，并且因此也可以被称为用户设备。
MIMO系统可以在基站处以及在终端设备处使用用于无线通信的多个发送和接收天线。MIMO技术形成使用时间以及空间维度来传输信息的编码技术的基础。MIMO系统中的增强编码可以增加无线通信的频谱和能量效率。
空间维度可以通过空间复用来使用。空间复用是MIMO系统中用于从多个天线中的每个天线发送独立数据信号(所谓的流)的传输技术。因此，可以并行地同时发送多个流，这被称为较高秩操作(higher rank operation)。例如，所述秩(rank)可以指示用户设备与基站之间的空间分离的数据传输流的数量。例如，拥有具有两个天线的基站和具有两个天线的终端设备的系统具有秩最大为2的操作能力，并且该系统也被称为2x2系统，其指示在基站处和在终端设备处的天线数量。
为了在MIMO系统中建立多个独立数据信号的传输，必须适当地配置多个天线的天线参数。例如，必须为每个天线设置相位、增益和幅度参数。这些参数可以取决于每个传输的无线电信道特性。因此，在MIMO系统中，可以通过信道探测过程来分析基站与终端设备之间的信道特性。信道探测过程可以包括在预定时间具有预定编码的导频信号的传输。
另外，或者作为替代，为了满足无线通信中日益增长的需求，可以将无线电通信移动到更高的频率，例如，可以使用具有几千兆赫兹的频率的无线电信号。例如，可以使用30GHz或以上的频率。然而，当在较高的频率下操作时，单个天线元件的孔径变小。天线孔径(或有效面积)限定天线暴露于多少功率。这将降低传输效率。为了缓解这种情况，多个天线可以用于波束成形。然而，这可能引起如何组合来自多个天线的信号以便最佳性能的问题。
尤其是，在如移动电话或可穿戴设备的小型终端设备中，包括多个天线元件的天线阵列可以包括共形天线(conformal antenna)，所述共形天线可以布置在终端设备的不同位置处，并且针对不同的方向可以具有关于极化、相位和增益的显著不同的传输特性。与包括以如行(均匀线性阵列，ULA)的规则形式布置的多个相似或相同的天线元件的天线阵列相比，导引(steer)共形天线的协作配置可能是一个复杂的任务。因此，没有简单的公式来创建导引矢量(steering vector)。此外，在较差的传输条件下，信道探测过程的导频信号可能接近或低于噪声基底(noise floor)，使得它们难以检测天线元件的配置。
发明内容
鉴于上述情况，本领域需要在无线通信系统中能够在较高频带(例如，在20或30GHz或以上)上实现和改善传输的方法和设备。此外，在本领域中需要能够在较差的传输条件下实现和改善天线阵列的配置的方法和设备。
提供了一种用于调整蜂窝通信系统(例如，蜂窝多输入多输出(MIMO)系统)中的终端设备的天线配置的方法。该系统包括基站和终端设备。终端设备包括多个天线(所谓的天线阵列)。根据该方法，在终端设备中提供多个预设天线配置。所述多个预设天线配置中的每个天线配置限定多个天线元件的至少一个接收参数。因此，至少一个接收参数例如针对多个天线元件中的每个天线元件可以包括相应的相位信息和幅度信息，以便组合经由天线元件接收的信号。针对多个预设天线配置中的每个天线配置，连续执行以下操作：将该天线配置应用于多个天线元件，并且利用所应用的天线配置来确定从基站发送并在多个天线处接收的信号传输的接收特性。换句话说，多个预设天线配置中的每个天线配置被一个接一个地应用于多个天线元件，并且在应用相应的天线配置的同时确定信号传输的接收特性。因此，针对多个预设天线配置中的每个天线配置，确定相应的接收特性，导致多个接收特性。基于所述多个接收特性，选择多个预设天线配置中的一个天线配置。例如，确定多个接收特性的最佳接收特性，并选择相关联的天线配置。所选择的天线配置被应用于多个天线元件以用于进一步的信号传输。
该方法可以在较差的接收条件下工作，即使接收到的信号传输接近噪声基底，使得几乎无法执行基于导频的信道探测机制。此外，上述方法利用任何类型的天线元件来工作，尤其是还利用共形天线元件的阵列来工作，其中，所述共形天线元件的阵列的行为比均匀天线元件的线性阵列更难以确定。
根据实施方式，在终端设备中提供多个预设天线配置作为预定义数据，该预定义数据已经针对终端设备的类型在该类型的终端设备的开发期间被具体确定。例如，在该类型的终端设备的开发期间，可以通过针对多个接收场景的模拟或费力的测量来确定预设天线配置。例如，多个预设天线配置可以包括针对相应的接收场景的20至50个天线配置。每个预设天线配置可以包括用于多个天线元件中的每个天线元件的接收参数。尤其是，每个预设天线配置可以配置多个天线元件，使得至少两个天线元件在信号的接收或传输期间是激活的，并且因此至少两个天线元件有助于信号的接收或传输。预设天线配置中的每个预设天线配置可以被设计为使得多个天线元件协作以接收特定信号传输，这意味着仅仅是秩1传输。然而，在较差的接收条件下，这可能是最合适的。
根据另一实施方式，通过迭代算法来优化所应用的天线配置。例如，可以通过逐步迭代搜索算法来优化所应用的天线配置。因此，从预设天线配置开始，可以执行轻微的逐步和迭代的优化以使天线配置适应当前接收条件。
例如，信号传输的传输频率高于30GHz。在这种传输频率下，天线的孔径变小。因此，为了增加接收到的功率，可以使用多个天线元件。然而，当使用共形天线时，计算天线参数可能变成一个复杂的任务，因为信号需要被相干地组合。因此，预设天线配置的上述使用可以有助于简化此任务。
根据实施方式，接收特性包括信噪比。即使在较差的接收条件下，例如基于从基站发送的信号传输的阴影(shadowing)，也可以容易地确定信噪比。
根据另一实施方式，提供了一种用于调整蜂窝通信系统(例如，蜂窝MIMO通信系统)中的终端设备的天线配置的方法。所述蜂窝系统包括基站和终端设备。所述终端设备包括多个天线元件。根据该方法，确定从基站发送并且在多个天线处接收的信号传输的接收特性。将所确定的接收特性与阈值进行比较。基于该比较，或者如上所述调整天线配置，或者根据信道探测过程来调整天线配置。例如，在接收特性示出当前接收条件较差的情况下，可以执行使用多个预设天线配置的上述方法。在当前接收条件良好的情况下，可以进行信道探测过程，这可以导致较高秩传输。
根据实施方式，针对其确定接收特性的信号传输包括从基站发送并在多个天线处接收的信道探测过程的导频信号传输，或者从基站发送并在在多个天线处接收的有效载荷信号传输。换句话说，为了确定接收特性，可以对来自基站的任何传输进行评估。
决定执行信道探测过程还是使用多个预设天线配置的上述方法的阈值形式可以具有低于1dB的比率，优选地，为0dB的值。因此，当信噪比低并且信号接近噪声基底时，将使用利用多个预设天线配置的上述方法，而不是使用信道探测过程。
提供了一种用于蜂窝通信系统(例如，蜂窝多输入多输出(MIMO)系统)的终端设备。所述蜂窝MIMO系统包括基站和终端设备。所述终端设备包括多个天线元件、存储器和处理单元。存储器存储多个预设天线配置。所述多个预设天线配置中的每个天线配置限定多个天线元件的至少一个接收参数。处理单元针对多个预设天线配置中的每个天线配置连续地向多个天线元件应用相应的天线配置。此外，处理单元针对多个预设天线配置中的每个天线配置利用所应用的天线配置确定从基站发送并且在多个天线处接收的信号传输的接收特性。基于针对多个预设天线配置确定的多个接收特性，处理单元选择多个预设天线配置中的一个天线配置。最后，处理单元将所选择的天线配置应用于多个天线元件以用于进一步的信号传输。
终端设备可以被配置为执行上述方法，并且因此包括上述优点。
根据实施方式，多个天线元件包括符合终端设备的组件的规定形状的共形天线元件。该组件可以包括例如终端设备的壳体或终端设备的印刷电路板。每个共形天线元件可以包括例如偶极天线、喇叭天线或贴片天线。共形天线元件可以容易地集成在终端设备的组件中，从而不需要或者需要较少的额外空间。例如，可以在终端设备处提供四至十六个天线元件。终端设备可以包括例如如移动电话、移动计算机、平板计算机、可穿戴设备、移动附件或机器人设备的用户设备。可穿戴设备或移动附件(也被称为智能移动附件或智能可穿戴设备)可以包括可穿戴计算机(也称为体戴计算机(body worn computer)或简单地可穿戴件)，所述可穿戴计算机是可由用户佩戴在服装下面、随服装佩戴或佩戴在服装上面的微型电子设备。
尽管结合本发明的具体实施方式和方面描述了上述发明内容和以下详细描述中描述的具体特征，但应当注意，除非另有特别说明，示例性实施方式和方面的特征可以彼此组合。
附图说明
将参照附图更加详细地描述本发明的各种实施方式。
图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的无线通信系统。
图2示意性地示出了根据本发明的实施方式的终端设备。
图3示意性地示出了根据本发明的实施方式的终端设备的波束成形图案。
图4示出了包括根据本发明的实施方式的方法步骤的流程图。
具体实施方式
在下文中，将对本发明的示例性实施方式进行更加详细的描述。应理解的是，除非另有特别说明，本文所描述的各种示例性实施方式的特征可彼此相结合。除非另有特别说明，附图中所示的组件或设备之间的任何连接可以是直接连接或间接连接。
图1示出了根据实施方式的通信系统10。通信系统10可以是例如无线蜂窝通信系统或无线局域网系统。通信系统10包括基站20，例如，蜂窝通信系统的基站或无线局域网系统的接入点。通信系统还包括布置在基站20的无线电通信范围内的终端30。终端30可以包括例如如移动电话、平板计算机、可穿戴设备或移动附件的用户设备。此外，终端30可以包括例如固定或移动站(如收银机、信用卡读取器、家庭或办公自动化系统的控制设备、机器人设备、无人机或例如车辆中的移动电话)。尽管图1中仅示出了一个终端30，但是在通信系统10中，多个终端可以被布置，并且可以被配置为与基站20进行通信，如下面将描述的。
基站20包括基站逻辑21和天线结构22。基站逻辑21可以包括例如控制器、计算机或微处理器。天线结构22可以包括单个天线或多个天线，所述天线在图1中由圆圈来表示。多个天线元件的一个示例性天线元件由附图标记23表示。天线元件23可以以二维或三维空间阵列布置在载体上。基站20还可以包括用于天线元件23的相关联的收发器(未示出)。基站20可以在多输入多输出(MIMO)模式下操作。因此，基站20可以具有数十个或超过100个天线元件23。
终端30包括包含多个天线元件的天线阵列32。因此，可以建立在基站20与终端30之间的无线电传输11。尤其是，可以从基站20向终端30发送信号传输。
图2更详细地示出了终端30。天线阵列32包括多个天线元件40至43。天线元件40至43可以包括所谓的共形天线，所述共形天线被设计为符合或遵循某些规定的形状(例如，终端30的壳体的形状或者终端30的显示器或印刷电路板的形状)。天线元件40至43可以被布置在终端30的不同位置处，例如，一些天线元件可以被布置在终端30的顶侧，并且一些天线元件可以被布置在终端30的底侧。因此，天线元件40至43中的每个可以具有关于方向性和灵敏度的不同的传输特性。此外，由于它们在空间上不同的位置，天线元件40至43可以具有不同的相位特性。终端30还可以包括用于天线元件40至43的相关联的收发器(未示出)。另外，终端30包括终端逻辑31(例如，控制器或微处理器)，所述终端逻辑31被连接到天线元件40至43的收发器。存储器33被连接到终端逻辑31，以便存储信息(尤其是，预设天线配置)，如下面将详细描述的。终端30可以包括更多一些的组件(例如，显示器、图形用户界面和电池)，但是为了清楚起见这些组件在图1中未示出。
与线性天线阵列相比，尤其是共形天线元件显示出复杂和不均匀的空间接收灵敏度。图3示出了终端设备30的共形天线40至43的示例性天线波束50至53。因此，根据终端设备30的取向，接收灵敏度可以显著变化。换句话说，即使在相同的位置处，终端设备30在沿图2所示的θ(Theta)和
Figure GDA0002623099470000061
方向旋转时可以显示显著不同的接收灵敏度。
当在蜂窝MIMO系统10中操作终端设备30时，终端设备30将采用多个天线元件来形成一种天线阵列以补偿路径损耗，尤其是在毫米波传输上，并且提高移动信道的秩。因此，天线阵列需要用双极化来覆盖大多数入射波角度，这可以利用提供足够覆盖效率的共形天线阵列来完成。应当注意，共形天线阵列不是可以具有有限覆盖角度和单一极化的传统线性阵列。当使用任意共形天线阵列时，数字波束成形可能是优选的，以在广角范围内获得最佳波束成形增益，因为对于这种复杂系统，难以使用传统的模拟波束成形技术。
无线传输性能(所谓的空中下载(OTA)性能)可以随着终端设备30中的天线元件的数量而提高。例如，可以通过充分地组合来自多个天线元件的信号，在较差的接收条件下能够进行较高秩传输或者可以增加总体天线增益。组合来自多个天线元件的信号可以包括例如将每个天线信号相移一个相位角并且利用加权因子对每个天线信号进行加权。在这种背景下，加权因子也称为幅度。必须针对每个天线元件单独地配置相位角和加权因子。天线元件的这种配置也称为预编码。
在良好和丰富的接收条件下，当信噪比大时，可以使用基于导频信号的信道探测技术来适应天线阵列32的天线元件40至43的配置。基于导频信号的信道探测技术可以涉及用于确定和优化每个天线元件40至43的相位和幅度参数的最大比合并(MRC)技术。
然而，当接近噪声基底操作时，对于单独天线元件来说导频信号可能低于噪声基底。因此，MRC在这些条件下是不可行的。在这些条件下，单个天线元件的选择也可能不工作，因为在单个天线元件处接收到的信号可能不够强。因此，终端设备32的处理单元31可以执行包括如图4所示的方法步骤61-70的方法60。
在步骤61中，处理单元31确定在当前条件下的接收特性。例如，可以确定基于针对每个天线元件40至43确定的信噪比的公共信噪比。在步骤62中，将所确定的接收特性(例如，公共信噪比)与预定阈值进行比较。该比率可以在0至1dB的范围内。因此，在步骤62中，确定当前接收条件是否接近噪声基底。在信噪比高于阈值的情况下，在步骤63中，可以执行信道探测过程，并且在步骤64中，可以根据信道探测的结果来配置天线元件40至43。
在信噪比低的情况下，处理单元31继续步骤65。在步骤65中，从存储器33检索来自多个预设天线配置的一个预设天线配置。存储器33中提供的多个预设天线配置可以在终端设备30的开发期间被确定并被存储在存储器33中。存储器33可以提供数十个或甚至超过100个预设天线配置。多个预设天线配置中的每个预设天线配置为每个天线元件40至43提供参数(例如，相位信息和幅度信息)，使得天线元件40至43中的至少一些(例如，两个或更多个)有助于接收在处理单元31中进一步处理的信号。预设天线配置被设计为使得可以在大的空间角度θ和
Figure GDA0002623099470000071
上实现总全向灵敏度(TIS)。多个预设天线配置可以被称为码本，并且每个天线配置可以被看作是码本的代码。
在步骤66中，检索到的预设天线配置被应用于天线阵列32。当天线阵列32以所应用的预设天线配置操作时，在步骤67中确定从基站22发送到终端设备30的信号传输的接收特性。将所确定的接收特性与预设天线配置相关联地存储在存储器33中。针对存储在存储器33中的每个预设天线配置重复步骤65-67。因此，在在步骤68中处理单元31已经确定所有预设天线配置已经被测试之后，该方法在步骤69中继续。
在步骤69中，从上面在步骤65-67中确定的接收特性确定最佳接收特性。例如，最佳接收特性可以是具有最佳信噪比的接收特性。从存储器33检索与最佳接收特性相关联的预设天线配置，并且利用该配置对天线元件40至43进行配置，以便来自基站的未来信号传输的最佳接收。另外，可以使用搜索算法(例如，通过逐步迭代方法)来提高性能。
上述方法60可以不时地(例如，每几秒钟)重复，以确保最佳接收质量。另外，在接收质量劣化的情况下，可以启动方法60。
总而言之，使用共形天线阵列允许更容易的集成和更好的覆盖。限定了有限数量的预设天线配置(所谓的代码或状态)，其中，天线信号与不同的相位和幅度设置组合，所述相位和幅度设置与沿不同方向和/或极化的天线增益对应。然后，在接近噪声操作时检查所有这些设置，并且选择最佳设置以用于进一步传输。
上述方法在高传输频率下(例如，在高于20GHz的传输频率下)可以尤其是有利的。在这种情况下，天线孔径变得接近，使得在较差的接收条件下，单个天线元件的选择可能无法提供足够的天线增益，并且基于导频信号的信道探测是不可行的。

Claims (14)

1.一种用于调整蜂窝通信系统中的终端设备的天线配置的方法，所述蜂窝通信系统(10)包括基站(20)和所述终端设备(30)，所述终端设备(30)包括多个天线元件(40-43)，所述方法包括以下步骤：
-在所述终端设备(30)中提供多个预设天线配置，所述多个预设天线配置中的每个天线配置限定所述多个天线元件(40-43)的至少一个接收参数，
-确定从所述基站(20)发送并在所述多个天线元件(40-43)处接收的信号传输(11)的接收特性，
-将所确定的接收特性与阈值进行比较，
-响应于所确定的接收特性大于所述阈值，根据信道探测过程调整所述天线配置，以及
-响应于所确定的接收特性小于所述阈值，通过以下方式来调整所述天线配置：
-针对所述多个预设天线配置中的每个天线配置连续执行以下步骤：
-将该天线配置应用于所述多个天线元件(40-43)，以及
-利用所应用的天线配置来确定从所述基站(20)发送并在所述多个天线元件(40-43)处接收的信号传输(11)的接收特性，
-基于针对所述多个预设天线配置确定的多个接收特性选择所述多个预设天线配置中的一个天线配置，以及
-将所选择的天线配置应用于所述多个天线元件(40-43)以用于进一步的信号传输(11)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个天线元件(40-43)包括符合所述终端设备(30)的组件的规定形状的共形天线元件。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，每个天线配置针对每个天线元件(40-43)包括相应的相位信息和相应的幅度信息。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述终端设备(30)中提供所述多个预设天线配置作为预定义数据，所述预定义数据已经针对所述终端设备(30)的类型在该类型的终端设备(30)的开发期间被具体确定。
5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-通过迭代算法优化所应用的天线配置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信号传输(11)的传输频率高于30GHz。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接收特性包括信噪比。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信号传输(11)包括以下传输中的至少一个：
-所述信道探测过程的从所述基站(20)发送并在所述多个天线元件(40-43)处接收的导频信号传输，以及
-从所述基站(20)发送并在所述多个天线元件(40-43)处接收的有效载荷信号传输。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阈值具有低于1dB的比率。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述阈值具有0dB的比率。
11.一种用于蜂窝通信系统的终端设备，所述蜂窝通信系统(10)包括基站(20)和所述终端设备(30)，所述终端设备(30)包括：
-多个天线元件(40-43)，
-存储器(33)，所述存储器(33)存储多个预设天线配置，所述多个预设天线配置中的每个天线配置限定所述多个天线元件(40-43)的至少一个接收参数，以及
-处理单元(31)，所述处理单元(31)被配置为执行以下步骤：
确定从所述基站(20)发送并在所述多个天线元件(40-43)处接收的信号传输(11)的接收特性，
将所确定的接收特性与阈值进行比较，以及
当所确定的接收特性大于所述阈值时，根据信道探测过程调整所述天线配置，以及
当所确定的接收特性小于所述阈值时，所述处理单元(31)还被配置为：
针对所述多个预设天线配置中的每个天线配置将该天线配置连续应用于所述多个天线元件(40-43)，
针对所述多个预设天线配置中的每个天线配置利用所应用的天线配置确定从所述基站(20)发送并在所述多个天线元件(40-43)处接收的信号传输(11)的接收特性，
基于针对所述多个预设天线配置确定的所述多个接收特性来选择所述多个预设天线配置中的一个天线配置，以及
将所选择的天线配置应用于所述多个天线元件(40-43)以用于进一步的信号传输(11)。
12.根据权利要求11所述的终端设备，其中，所述多个天线元件(40-43)包括符合所述终端设备(30)的组件的规定形状的共形天线元件。
13.根据权利要求11所述的终端设备，其中，所述多个天线元件(40-43)包括四至十六个天线元件。
14.根据权利要求11所述的终端设备，其中，所述终端设备(30)被配置为执行根据权利要求1所述的方法。
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