CN107667480B - 传输设备及其方法、计算机可读介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于无线通信系统(500)的传输设备，所述传输设备(100)包括：至少一个逻辑天线端口(102)，被配置用于提供广播分量信号；天线阵列(104)，其具有数量为M的行和数量为N的列的天线元件(106a，106b，……，106n)，其中每个天线元件(106)包括在一个偏振中的至少一个物理天线端口(108)；处理器(110)，被配置用于在所述数量为N的列中选择数量为Q的列，其中Q≤N，确定用于所述逻辑天线端口(102)的相位中心位置(phase centre location，PCL)，其中所述相位中心位置(PCL)被布置在位于所述数量为Q的列中的垂直轴(A)上的点处，基于所述确定的相位中心位置(PCL)将所述逻辑天线端口(102)映射在所述数量为Q的列物理天线端口(108a，108b，……，108q)上；其中所述天线阵列(104)被配置用于在所映射的数量为Q的列物理天线端口(108a，108b，……，108q)上传输所述广播分量信号。此外，本发明还涉及相应的方法、计算机程序和计算机程序产品。

Description

传输设备及其方法、计算机可读介质
技术领域
本发明涉及一种传输设备。此外，本发明还涉及相应的方法、计算机程序和计算机程序产品。
背景技术
多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天线系统通常包含两个根本不同的物理信道，即广播信道和共用信道。广播信道传输需要被基站(Base Station，BS)的预期小区覆盖范围内的所有用户终端(例如用户设备，(User Equipment UE))接收的信息。另一方面，共用信道被分割成时间-频率-空间片段，其中一些用户终端使用一些片段，并且一些其他用户终端使用其他片段。
同步和小区搜索信号主同步信道(Primary Synchronization Channel，PSCH)和辅同步信道(Secondary Synchronization Channel，SSCH)、物理广播信道(PhysicalBroadcast Channel，PBCH)、小区特定的参考信号(Reference Signal，RS)、控制信号(PCFICH、 PHICH、PDCCH)具有共同的属性，即它们需要在预期由BS覆盖的整个小区上广播。
进一步地，在3GPP长期演进(Long Term Evolution，LTE)中存在多个可能的传输模式。LTE系统允许在所使用的逻辑天线端口的数量以及如何使用所述的天线端口方面具有相当高的灵活性。关于传输模式的信息给出在LTE的规范中。
此外，与常规BS天线系统中的逻辑天线端口的数量相比，MIMO天线系统中的逻辑天线端口的数量大幅地增加。在常规天线系统中仅具有两个天线端口，而在MIMO BS天线系统中普遍具有8个甚至更多数量的天线端口。对于具有少量宽波束天线的BS，实现广播波束成形是一个简单的任务，因为信号仅映射在一个天线端口上，单个宽波束天线固有地产生宽波束。因此，在这个天线上传输的信号将在小区上被广泛监听。相同的原理也适用于MIMOBS天线系统。在单个天线上传输的信号将在空间域上被广泛传输。然而，当MIMO天线系统中的天线和放大器的数量增加时，这也意味着每个天线端口的可用功率减少，所以MIMO系统具有越多的端口，被广泛传输的波束将具有越少的功率。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种减轻或解决常规解决方案的缺陷和问题的解决方案。
本说明书和相应权利要求中的“或”应当被理解为涵盖“和”和“或”的数学上的或，并且不应当被理解为异或(exclusive OR，XOR)。
上述目的由独立权利要求的主题解决。本发明的进一步有利的实现形式可见于从属权利要求。
根据发明的第一方面，通过一种用于无线通信系统的传输设备实现上述和其它目的，所述传输设备包括：
至少一个逻辑天线端口，被配置用于提供广播分量信号；
天线阵列，具有数量为M的行和数量为N的列的天线元件，其中每个天线元件包括在一个偏振(polarization)中的至少一个物理天线端口；
处理器，被配置用于
-在所述N列中选择Q列，其中Q≤N，
-确定用于所述逻辑天线端口的相位中心位置，其中所述相位中心位置被布置在位于所述Q列中的垂直轴上的点处，
-基于所述确定的相位中心位置将所述逻辑天线端口映射在所述Q列物理天线端口上；
其中所述天线阵列被配置用于在所映射的Q列物理天线端口上传输所述广播分量信号。
表述“至少一个逻辑天线端口”表示可以有被配置用于提供广播分量信号的一个或多个逻辑天线端口。也就是说，有数量为S的逻辑天线端口，其中S≥1。每个逻辑天线端口被映射到数量为N的列物理天线端口中的Q列。垂直轴位于所选的数量为Q的列所跨越的区域中的位置处。进一步地，每个天线元件包括数量为P的物理天线端口，其中P≥1。
通过根据第一方面确定用于(至少一个)逻辑天线端口的相位中心位置，并且在所映射的数量为Q的列物理天线端口上传输广播分量信号，提供了许多优点。
本映射的一个优点是包括在这Q列中的所有功率放大器可用于放大广播信号，从而增加待覆盖的小区中的每个地方的辐射强度和检测概率。另一个优点是通过使Q小于N的灵活性，可能在天线孔径上产生多个相位中心，从而使得将相当数量的逻辑天线端口映射在这些相位中心上成为可能。
在根据第一方面的传输设备的第一种可能的实现形式中，每个天线元件包括分别在第一偏振和第二偏振中的两个物理天线端口，其中所述第一偏振与所述第二偏振正交。
使用第一种可能的实现形式的优点在于，通过在第一偏振中传输第一广播信号和在第二偏振中传输第二广播信号，可以同时传输两个广播信号。
在根据第一方面的第一种可能的实现形式的或第一方面本身的传输设备的第二种可能的实现形式中，所述传输设备包括一个逻辑天线端口，并且其中Q＝N。
使用第二种可能的实现形式的优点在于，通过将广播信号映射在所有可用的列上(即， Q＝N)，发射器功率放大器的使用率为Q/N＝100％，这意味着使用了所有可用的功率。
在根据第一方面的第一种可能的实现形式的或第一方面本身的传输设备的第三种可能的实现形式中，所述传输设备包括两个逻辑天线端口，并且其中Q＝N，并且其中将一个逻辑天线端口映射在所述第一偏振中的所述物理天线端口上，并且其中将另一个逻辑天线端口映射在第二偏振中的所述物理天线端口上。
使用第三种可能的实现形式的优点在于，对于这种情况，功率放大器的使用率也是 100％。除此之外，两个广播信号可以同时传输，每个在所述两个偏振中的一个中。
在根据第一方面的任一前述可能的实现形式的或第一方面本身的传输设备的第四种可能的实现形式中，所述处理器还被配置用于
基于所述相位中心位置产生行向激发矢量和列向激发矢量，
用所述行向激发矢量和所述列向激发矢量激发所述分量广播信号，用于分别控制所传输的分量广播信号的仰角波束和方位角波束。
使用第四种可能的实现形式的优点在于，在仰角域也实现了电子波束倾斜，从而使得灵活地将所述广播波束引导至靠近或远离所述传输设备成为可能。
在根据第一方面的第四种可能的实现形式的传输设备的第五种可能的实现形式中，所述列向激发矢量的每列具有等于
Figure BDA0001488125090000031
的振幅：并且作为所述行向激发矢量和所述列向激发矢量的组合的每个天线元件激发具有等于
Figure BDA0001488125090000032
的振幅；并且作为每个天线元件的物理天线端口的数量P和所述行向激发矢量以及所述列向激发矢量的组合的每个物理天线端口激发具有等于
Figure BDA0001488125090000033
的振幅。
使用第五种可能的实现形式的优点在于，这导致在Q×M天线元件的阵列中的所有物理天线端口的均匀的振幅激发。这继而又导致不需要逐渐减小放大器的振幅，并且因此它们都可以以最大振幅水平传输信号。
在根据第一方面的第四种或第五种可能的实现形式的传输设备的第六种可能的实现形式中，所述列向激发矢量是对称的。
列向激发矢量可以是对称的，以使得列向激发矢量围绕其中心元件的镜像得到相同的矢量。
使用第六种可能的实现形式的优点在于，辐射波束在Q×M天线元件所跨越的表面的孔径的前方辐射，并且由此示出预期由所述广播信号覆盖的区域。
在根据第一方面的第四种、第五种或第六种可能的实现形式的传输设备的第七种可能的实现形式中，使用几何方法来产生所述列向激发矢量的所述元素，以使得所传输的分量广播信号的相位具有小于在方位角波束宽度内的相位阈值的变化。
根据一个示例，方位角波束宽度为所需的方位角波束宽度。所需在上下文中表示方位角波束宽度内的辐射强度的减小不大于与相同波束内的最大辐射强度相比的特定的相对水平，通常以dB表示，例如-3dB、-6dB或-10dB，但其他值也是可能的。
使用第七种可能的实现形式的优点在于，将广播信号映射到相位中心在位于Q列乘以 M行所跨越的区域内的点处的波束上将降低其与另一个广播信号的相关性，这继而改善了 MIMO和分样性性能，该另一个广播信号的相位中心在由Q列乘以M行的另一个选项定义的另一点处。
在根据第一方面的第四种、第五种、第六种或第七种可能的实现形式的传输设备的第八种可能的实现形式中，使用几何方法来产生所述列向激发矢量的所述元素，以使得所传输的分量广播信号的振幅具有小于在方位角波束宽度内的振幅阈值的变化。
根据一个示例，方位角波束宽度应是所需的方位角波束宽度。所需在上下文中表示方位角波束宽度内的辐射强度的减小不大于与相同波束内的最大辐射强度相比的特定的相对水平，通常以dB表示，例如-3dB、-6dB或-10dB，但其他值也是可能的。
使用第八种可能的实现形式的优点在于，使所选择的Q列的振幅的逐渐减小最小化意味着放大器的使用率的最大化，因为它们都可以以它们最大的水平传输信号。
在根据第一方面的第七种或第八种可能的实现形式的传输设备的第九种可能的实现形式中，所述几何方法基于组中的一个或多个参数：天线元件的辐射特性、天线元件之间的空间距离、所传输的分量广播信号的频率和所传输的广播分量信号的所需的方位波束宽度。
使用第九种可能的实现形式的优点在于，可以通过在元件级上选择等效激发来解决阵列中的天线元件的特性的任何偏差。
在根据第一方面的任一前述可能的实现形式的或第一方面本身的传输设备的第十种可能的实现形式中，Q≥2，并且其中所述相位中心位置在所述Q列的所述中心轴上。
使用第十种可能的实现形式的优点在于，Q≥2的任何选择将在水平域中创建阵列天线，使得利用阵列增益成为可能。
在根据第一方面的任一前述可能的实现形式的或第一方面本身的传输设备的第十一种可能的实现形式中，每个物理天线端口耦合到相应的独立的发射器放大器。
使用第十一种可能的实现形式的优点在于，通过使用每个物理天线端口的独立的发射器，减少了每个放大器所需的功率容量，这与当一个发射器驱动所有天线端口时的情况相反。因此可以使用更简单和更便宜的发射器电路。
在根据第一方面的任一前述可能的实现形式的或第一方面本身的传输设备的第十二种可能的实现形式中，所述分量广播信号被用作为小区特定的参考信号或者用于组中的信道的一个或多个广播信号：主同步信道、辅同步信道、物理广播信道、物理控制格式指示符信道、物理混合自动重发请求指示符信道和物理下行链路控制信道。
使用第十二种可能的实现形式的优点在于，所列的信号将被映射到完整阵列或其子集，从而使得可用发射器功率的使用最大化，并且还使可能的阵列增益的使用最大化，并且还使从不同的相位中心传输的广播信号的相关性最小化。
根据发明的第二方面，通过一种用于传输设备的方法来实现上述和其它目的，所述传输设备包括：
至少一个逻辑天线端口，被配置用于提供广播分量信号；
天线阵列，具有数量为M的行和数量为N的列的天线元件，其中每个天线元件包括在一个偏振中的至少一个物理天线端口；
所述方法包括：
在所述数量为N列中选择数量为Q的列，其中Q≤N，
确定用于所述逻辑天线端口的相位中心位置，其中所述相位中心位置被布置在位于所述数量为Q的列中的垂直轴上的点处，
基于所述确定的相位中心位置将所述逻辑天线端口映射在所述数量为Q的列物理天线端口上；
在所映射的数量为Q的列物理天线端口上传输所述广播分量信号。
在根据第二方面的方法的第一种可能的实现形式中，每个天线元件都包括分别在第一偏振和第二偏振中的两个物理天线端口，其中所述第一偏振与所述第二偏振正交。
在根据第二方面的第一种可能的实现形式的或第二方面本身的方法的第二种可能的实现形式中，所述传输设备包括一个逻辑天线端口，并且其中Q＝N。
在根据第二方面的第一种可能的实现形式的或第二方面本身的方法的第三种可能的实现形式中，所述传输设备包括两个逻辑天线端口，并且其中Q＝N，并且其中所述方法还包括：
将一个逻辑天线端口映射在所述第一偏振中的所述物理天线端口上，以及
将另一个逻辑天线端口映射在第二偏振中的所述物理天线端口上。
在根据第二方面的任一前述可能的实现形式的或第二方面本身的方法的第四种可能的实现形式中，所述方法还包括
基于所述相位中心位置产生行向激发矢量和列向激发矢量，
用所述行向激发矢量和所述列向激发矢量激发所述分量广播信号，用于分别控制所传输的分量广播信号的仰角波束和方位角波束。
在根据第二方面的第四种可能的实现形式的方法的第五种可能的实现形式中，所述列向激发矢量的每列具有等于
Figure BDA0001488125090000051
的振幅：并且作为所述行向激发矢量和所述列向激发矢量的组合的每个天线元件激发具有等于
Figure BDA0001488125090000052
的振幅；并且作为每个天线元件的物理天线端口的数量P和所述行向激发矢量以及所述列向激发矢量的组合的每个物理天线端口激发具有等于
Figure BDA0001488125090000053
的振幅。
在根据第二方面的第四种或第五种可能的实现形式的方法的第六种可能的实现形式中，所述列向激发矢量是对称的。
在根据第二方面的第四种、第五种或第六种可能的实现形式的方法的第七种可能的实现形式中，所述方法还包括
使用几何方法来产生所述列向激发矢量的所述元素，以使得所传输的分量广播信号的相位具有小于在方位角波束宽度内的相位阈值的变化。
在根据第二方面的第四种、第五种、第六种或第七种可能的实现形式的方法的第八种可能的实现形式中，所述方法还包括
使用几何方法来产生所述列向激发矢量的所述元素，以使得所传输的分量广播信号的振幅具有小于在方位角波束宽度内的振幅阈值的变化。
在根据第二方面的第七种或第八种可能的实现形式的方法的第九种可能的实现形式中，所述几何方法基于以下组中的一个或多个参数：天线元件的辐射特性、天线元件之间的空间距离、所述传输的分量广播信号的频率和所传输的广播分量信号的所需的方位波束宽度。
在根据第二方面的任一前述可能的实现形式的或第二方面本身的方法的第十种可能的实现形式中，Q≥2，并且其中所述相位中心位置在所述数量为Q的列的所述中心轴上。
在根据第二方面的任一前述可能的实现形式的或第二方面本身的方法的第十一种可能的实现形式中，每个物理天线端口耦合到相应的独立的发射器放大器。
在根据第二方面的任一前述可能的实现形式的或第二方面本身的方法的第十二种可能的实现形式中，所述分量广播信号被用作为小区特定的参考信号或者用于组中的信道的一个或多个广播信号：主同步信道、辅同步信道、物理广播信道、物理控制格式指示符信道、物理混合自动重发请求指示符信道和物理下行链路控制信道。
根据第二方面的方法的优点与根据第一方面要求的相应装置的优点相同。
本发明还涉及一种计算机程序，其特征在于代码装置，当由处理装置运行时，使得所述处理装置执行根据本发明的任何方法。此外，本发明还涉及包括计算机可读介质和所述的计算机程序的计算机程序产品，其中所述计算机程序包括在计算机可读介质中，并且由以下组中的一个或多个组成：只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程ROM(Programmable ROM，PROM)、可擦除PROM(Erasable PROM，EPROM)、闪存、电子EPROM(Electrically EPROM，EEPROM)和硬盘驱动器。
从下面的详细描述中，本发明的其它应用和优点将变得显而易见。
附图说明
所附附图旨在阐明和解释本发明的不同实施例，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的传输设备；
图2示出了根据本发明实施例的方法；
图3示出了根据本发明实施例的天线元件；
图4示出了根据本发明实施例的天线阵列；
图5图示了根据本发明实施例的相位中心位置；
图6-7图示了根据本发明的实施例的几何方法；
图8-11示出了本发明的不同的进一步的实施例；
图12示出了性能方位角波束宽度；以及
图13示出了根据本发明的实施例的示例性无线通信系统。
具体实施例
考虑到上述常规解决方案，本发明的实施例旨在在具有宽波束特性的天线阵列的多个物理天线端口上传输广播信号。
图1示出了根据本发明的实施例的传输设备100。传输设备100包括至少一个逻辑天线端口102(然而图1中示出了多个逻辑天线端口)和具有数量为N的列和数量为M的行的天线阵列104。根据本领域已知的技术，逻辑天线端口102可通信地耦合到天线阵列 104。本公开中的逻辑天线端口的数量表示为S，其中S≥1。
逻辑天线端口102被配置用于提供意欲被映射在天线阵列104的物理天线端口上的广播分量信号。因此，天线阵列104包括一个或多个天线元件106，并且每个天线元件106包括在一个偏振(Pol)中的至少一个物理天线端口108(参见图3)。因此，每个天线元件106包括P个物理天线端口，其中P≥1。
显然，可以将多于一个的逻辑天线端口102映射在物理天线端口上，并且下面的描述给出了这样的进一步实现形式的示例。此外，图3中示出了更多关于天线元件106、物理天线端口108和偏振的详细信息。
传输设备100还包括处理器110，被配置用于控制逻辑天线端口与天线元件的物理天线端口之间的映射。因此，根据本解决方案的处理器110被配置用于在天线阵列104的数量为N的列中选择数量为Q的列，其中Q≤N。处理器110还被配置用于确定用于逻辑天线端口102的相位中心位置，PCL。相位中心位置PCL如图1中所图示的被布置在垂直轴 A上的点处，该垂直轴A位于Q列所跨越的空间中。垂直轴A由图1中标记为A的虚线箭头图示。处理器110最后被配置用于基于确定的相位中心位置PCL将逻辑天线端口102 映射在可用的数量为N的列的物理天线端口上。以下描述将更详细地解释和描述确定的相位中心位置PCL。此外，天线阵列104被配置用于在映射的Q列物理天线端口上传输广播分量信号。
图2示出了根据本发明的实施例的相应方法200。方法200可以在传输设备100，诸如图1所示的传输设备100，中执行。本方法200包括在数量为N的列中选择202数量为 Q的列的步骤，其中Q≤N。方法200还包括确定204用于逻辑天线端口102的相位中心位置PCL的步骤。如上所述，相位中心位置PCL被布置在位于所述数量为Q的列中的垂直轴A上的点处。方法200还包括基于确定的相位中心位置PCL将逻辑天线端口102映射 206在所述数量为Q的列物理天线端口108a、108b、……、108q上的步骤。方法200最后包括在映射的数量为Q的列物理天线端口108a、108b……108q上传输208广播分量信号的步骤。
图3示出并图示了根据本发明的实施例的天线阵列104的天线元件106。在该具体示例中，图3中的天线元件106包括两个物理天线端口108a和108b。每个物理天线端口108a和108b连接到相应的辐射器R1和R2。两个辐射器R1和R2中的每个相对于彼此具有正交的偏振Pol1和Pol2。因此，每个天线元件106包括分别在第一偏振Pol1和第二偏振Pol2 中的两个物理天线端口108，并且第一偏振Pol1与第二偏振Pol2正交。两个辐射器R1和 R2中的每个通常具有正交或近乎正交的偏振。在图3的示例中，辐射器R1具有-45度的偏振，而辐射器R2具有+45度的偏振。此外，图3还示出了一个实施例，在该实施例中，每个物理天线端口108a和108b分别具有与其自身相关联的相应的独立的发射器放大器 112a和112b。
图4图示了具有数量为M×N的天线元件的平面大尺度MIMO(Massive MIMO，MM) 天线，诸如该天线阵列104，其中M表示MM行的数量，N表示MM列的数量。此外，该实施例中，对于MM的每个天线元件106，MM还包括两个偏振Poll和Pol2。Pol1和 Pol2的这两个偏振图示为图4中的交叉箭头。根据本发明的实施例，可用的N列的子集被选择并定义为子集Q。图4还示出了将映射在MM的天线元件的物理天线端口上的逻辑天线端口102a、102b、102c和102d。
根据本发明的实施例，处理器110还被配置用于基于确定的相位中心位置PCL产生行向激发矢量和列向激发矢量。处理器110还被配置用于用行向激发矢量和列向激发矢量激发分量广播信号，用于分别控制传输的分量广播信号的仰角波束和方位角波束。
根据本发明的另一个实施例，列向激发矢量的每列具有等于
Figure BDA0001488125090000071
的振幅：并且作为行向激发矢量和列向激发矢量的组合的每个天线元件激发具有等于
Figure BDA0001488125090000072
的振幅；并且作为每个天线元件的多个物理天线端口的数量P和行向激发矢量以及列向激发矢量的组合的每个物理天线端口激发具有等于
Figure BDA0001488125090000073
的振幅。
应当注意的是，根据本发明的实施例，列向激发矢量可以是对称的。在一个示例中，对称性可能意味着列向激发矢量围绕其中心元件的镜像得到相同的矢量。
根据本发明的又一实施例，几何方法用于基于PCL产生列向激发矢量的元素。激发矢量的每个元素包括振幅分量和相位分量，如将在下面的描述中更多地描述的。
本发明的几何方法可以例如作为传输设备100的处理器110中的算法来实现，例如是在处理器110中执行的软件的形式的。该软件可以被配置用于接收参数作为输入和计算天线阵列的不同物理天线端口的相位和振幅并输出这些计算的相位和振幅。
根据本发明的一个实施例的几何方法可以基于组中的一个或多个输入参数：
·天线元件(包括在N列中)的辐射特性，即覆盖波束内的辐射强度的所需形状，例如最大方向性、最大纹波和预期的波束宽度；
·天线元件之间的空间距离，即每个辐射天线元件的中心之间的几何距离；
·传输的分量广播信号的频率，即每秒电磁振荡的数量；
·传输的广播分量信号的所需方位波束宽度。
这些实施例的不同示例和图示示出在图6和7中。
在本发明的一个进一步的实施例中，通过使用几何方法产生列向激发矢量的元素，以使得传输的分量广播信号的相位具有小于在方位角波束宽度内的相位阈值的变化。
在本发明的再一个实施例中，通过使用几何方法产生列向激发矢量的元素，以使得传输的分量广播信号的振幅具有小于在方位角波束宽度内的振幅阈值的变化。
在本发明的再一个实施例中，组合两个上述实施例，以使得方位角波束宽度的相位和振幅都在各自的阈值内。对于位于天线阵列结构中的真实天线元件，由于小的硬件损伤和机械公差，相前将不可能保持精确地平坦。因此，预期的波束宽度内的相位和振幅变化反而需要被设计为在一些具有小的数值的阈值内。这可以例如合理地使振幅在±1.5dB内变化，并使相位在±30度内变化。
图5图示了根据本解决方案的相位中心位置PCL的概念。传输自天线阵列的N个可用列或可能地所有N列的列子集Q的波(波1、波2……波Q)将在空中组合并产生复值总辐射图案F(φ)，图5中标示为波Tot(waveTot)。通过优化列向激发元素x1、x2、......、 xQ确定列子集Q的相位中心位置PCL。
图5还描述了如何通过从N个可用列中选出Q列确定相位中心位置PCL以及相位中心位置PCL如何可以优化列向激发矢量x1、x2、......、xQ的元素，以使得总辐射波的相前在期望的所需广播波束宽度内是恒定的或近乎恒定的。在图5的示例中，考虑具有五个天线元件的子集，即Q＝5。在该具体示例中，天线阵列104的每个天线元件106具有65 度的扇形辐射图案。在图5的示例中，相位中心位置PCL位于第三列(列3)后面。实现这一点的一种方式是仅使五个天线元件的中心天线元件被激发，即其它天线元件被关闭。已经注意到的是，辐射相位在所有方向上变得恒定，这意味着辐射波源自天线阵列104中的第三垂直位置。该配置起作用，但仅使用天线阵列的总的N个可用元件中的一个，这意味着仅使用可用功率的1/N，这导致了性能的降低。
确定相位中心位置PCL时的一个目的是使列向激发的天线元件的振幅尽可能相等，以便最大限度地使用发射器功率放大器，并且还实现了得到在所需的广播波束宽度内的恒定相位F(θ)的目的。
图6示出了当本发明的几何方法被应用用于产生列向激发矢量的天线元件时的示例。在图6中，试想我们需要将PCL定位在五个可用天线元件的第三个天线元件中。这可以通过简单地仅使五个天线元件(106a-106d)中的第三天线元件(106c)被激发来完成。这种情况下的辐射图案源自位于第三天线元件106c中的相位中心位置PCL。试想我们改为仅使五个天线元件(106a-106d)中的第一天线元件(106a)被激发。然后我们将注意到，辐射相位的方位角将变化，这意味着辐射波不是源自天线阵列104中的第三垂直位置，而是源自另一个位置，即现在相位中心位置PCL更换为在第一天线元件后面。这两种情况的辐射强度图案将看起来相似，但辐射相位将不从第三个天线元件起始，而是从另一个点起始。
图7示出了当应用本发明的几何方法时的再一个例子。图7中的示例发生在所有五个天线元件以相同的振幅和相位被激发的情况下。这次我们预计波从中心天线元件辐射，因为激发围绕第三垂直天线元件是对称的。所得到的计算的辐射图案将显示主波束内的相位确实是恒定的，但相位在每个旁瓣之间快速地变化180度。此外，当我们在所有天线元件上使用这种均匀激发(相同振幅、相位)时，主波束变得非常窄，这使得它不能用于广播覆盖。虽然相位中心位置PCL在3dB波束宽度内非常恒定。但是我们需要做一些其他事情来创建更宽的波束宽度，其在波束宽度内具有平坦的波前。
为了找到天线元件的合适振幅和相位以实现恒定相位中心的宽波束，我们现在将举例说明使用几何方法来优化激发的情况。我们再次打算根据图6将相位定位为第三天线元件。我们通过根据图示的配置定位天线元件来分解地分析该配置。天线元件的中心点之间的距离是图6-7中的d。预期的相位中心位置PCL和每个天线元件之间的角度为αn，其中 n表示在图6-7中有关天线元件的指标。从PCL到每个天线元件n的中心点的距离是图6-7 中的rn。
首先假设α1是32.5度(以获得65度的波束宽度)。还假设天线元件之间的距离d＝0.5λ。这导致，在图6中：r1＝r5＝1.86λ(对于106a和106e)，r2＝r4＝1.65λ(对于106b和106d)， r3＝1.57λ(对于106c)，并且α2＝17.7°。相应的相位长度为：
·(k*r1)＝(k*r5)＝2*π*1.86＝11.69弧度＝310度，
·(k*r2)＝(k*r4)＝2*π*1.65＝10.35弧度＝233度，
·(k*r3)＝2*π*1.57＝9.87弧度＝205度，
其中k是波数k＝2*π/λ。
所以这意味着天线元件106a和106e应该以205度-310度＝-105度的相位被激发，天线元件106b和106d应该以205度-233度＝-28度的相位被激发，并且中心天线元件，即天线元件106c，应该以0度的相位被激发。我们还需要获得振幅补偿因子。
根据图6和7中的示例性天线元件的已知特性，我们知道，根据该具体示例中的给定辐射图，在0度天线元件增益为7.2dBi，在17.7度其为6.3dBi，在32.5度其为4.2dBi。相对于在预期方向上增益最大(7.2dBi)的天线元件106c，天线元件106b和106d将需要 0.9dB的放大，天线元件106a和106e将需要3dB的放大，并且天线元件106c将需要0dB 的放大(不放大)。根据从dB到线性标尺的转换可得
Figure BDA0001488125090000091
(线性振幅)、
Figure BDA0001488125090000092
(线性振幅)、
Figure BDA0001488125090000093
(线性振幅)。在我们根据波束在不同方向上的辐射强度补偿以增加波束的权重后，天线元件的相应振幅激发因此为[1.4，1.1，1，1.1，1.4](线性振幅)。在这个示例中，我们发现天线阵列的不同天线元件之间的振幅变化很大。最外面的单元以振幅 1.4激发，最里面的单元以振幅1激发。也可能通过对振幅进行约束来优化波束宽度。已经用简单的几何方法示出了可以用一些简单的几何代数学来设计相位中心位置PCL。应当注意的是，天线辐射特性仅是示例性的，并且根据应用，不同的天线元件可能具有不同的天线辐射特性。
现在将说明我们选择将相位中心位置PCL定位在Q列的子组中间，如图6所图示的，而不是例如在拐角处的原因。此外，我们使用图示了本发明的几何方法的如图7所示的几何模型来获得天线元件的振幅和相位激发，以将相位中心定位在第一天线元件后面。所产生的广播波束将不会在天线阵列104的视轴方向上的方向上被引导。此外，我们将检查所需激发的结果，以及辐射图案的样子。
我们仍然需要创建宽度为65度的广播波束，从而α5被设置为65度。这导致：r1＝0.93λ， r2＝1.05λ，r3＝1.37λ，r4＝1.76λ，r5＝2.21A，α1＝0度，α2＝28.3度，α3＝47.1度，α4＝58.2度，α5＝65 度。因此，相应的相位长度为：
·(k*r1)＝2*π*0.93＝5.84弧度＝335度，
·(k*r2)＝2*π*1.05＝6.60弧度＝378度，
·(k*r3)＝2*π*1.37＝8.61弧度＝493度，
·(k*r4)＝2*π*1.76＝11.06弧度＝634度，
·(k*r5)＝2*π*2.21＝13.89弧度＝796度，
其中k是波数k＝2*π/λ。
这意味着天线元件106b应该以335度-378度＝-43度被激发，天线元件106c应该以335度-493度＝-158度被激发，天线元件106d应该以335度-634度＝-299度被激发，天线元件106e应该以335度-796度＝-461度＝-101度被激发，并且天线元件106a应该以0度相位被激发。我们还需要获得振幅补偿因子。
根据图6和7中的天线元件的已知特性，我们知道，在0度元件的增益是7.2dBi，在28.3度其是4.9dBi，在47.1度其是0.73dBi，在58.2度其是-2.9dBi，在65度其是-5.5dBi。相对于在预期方向上具有增益最大(7.2dBi)的天线元件106a，天线元件106b将需要2.3dB 的放大，天线元件106c将需要6.5dB的放大，天线元件106d将需要10.1dB的放大，并且天线元件106e将需要12.7dB的放大。天线元件106a将不需要任何放大，因为它已经在预期的方向上以最大强度辐射，因此该元件的放大因此为0dB。根据从dB到线性标尺的转换可得
Figure BDA0001488125090000101
(线性振幅)、
Figure BDA0001488125090000102
(线性振幅)、
Figure BDA0001488125090000103
(线性振幅)、
Figure BDA0001488125090000104
(线性振幅)、
Figure BDA0001488125090000105
(线性振幅)。在我们根据波束在不同方向上的辐射强度补偿波束以增加，束的权重后，天线元件的相应振幅激发因此是[1，1.3，2.1，3.2，4.3] (线性振幅)。在这个示例中，我们发现不同天线元件之间的振幅变化很大，天线元件具有振幅为4.3的最高激发振幅，而最里面的天线元件以振幅1被激发。
从实验，已经发现图7中的示例的相前在我们需要优化的方向上确实变得相当平坦，但是广播波束的振幅形状变得扭曲，并且最高激发振幅和最弱激发振幅之间的比率高，关系为4.3∶1，所以如果我们希望不同的天线元件具有均匀的振幅，则选择Q个天线元件的中心位置之外的其他位置作为相位中心位置PCL不是一个好的选择。
此外，对于需要从相同的天线阵列104传输多于一个的广播波束的情况，从多集的角度来看，从天线阵列104的不同相位中心位置传输广播波束将是有益的。其原因在于，传输设备100和接收机之间的环境包括多个散射体，例如房屋、树、地面、山等，其中来自传输设备100的辐射波将被反射并被朝向接收器设备重新传输。如果不同广播波束的相位中心位置PCL将相等，则每个相位中心位置与散射体之间的距离也将相等，并且实现传输分集(Transmit Diversity，TD)可用的分集方案的可行性将有所牺牲。通过不同的相位中心位置，我们还使切换无线电信号的相位中心，从而同样获得这些信号的更高的分集成为可能。对于支持CRS信号的常规传输的情况，可以创建的相位中心位置实际上将导致 MM BS表现为类似于常规基站，利用来自MM天线孔径上的不同相位中心位置点的CRS 信号来传输宽波束。
在下面的公开中描述了本发明的不同示例性实施例。然而，应当注意到本解决方案不限于所描述的实施例。如将在图8-11中看到的，每个列向激发x1、x2、......、xQ依次乘以行激发y1、y2、y3、……、yM，其中M表示可用的总行数。此外，每个物理天线元件可以具有P个物理天线端口(通常为具有两个正交偏振的1或2个物理天线端口)。这最后导致元件激发zm，n，其是每个物理天线端口的激发，并取决于列激发xn乘以行激发ym再除以(split on)每个物理天线元件上可用的物理天线端口的组合。这使得在期望的高度方向上引导仰角波束覆盖成为可能。与常规BS波束成形相比，MM波束成形中的一个特定方面是，我们在最大可能的程度上需要使用垂直域中的发射器的所有可用功率，即全功率、恒定振幅，以便最大限度地使用发射器放大器中的可用功率。
将单个逻辑天线端口映射在大型MIMO天线阵列上
对于传输设备100中仅具有一个可用逻辑天线端口(即S＝1)的情况，我们打算将该单个逻辑端口102映射到所有可用物理天线端口(M×N×P)上。图8和图9图示了根据这些实施例的传输设备100。
图8示出了将单个逻辑天线端口102a映射在天线阵列，由8(垂直(M))×8(水平(N))×2(偏振(P))个物理天线端口构成，上的示例。由于列向激发(x1、x2、x3、 x4、x4、x3、x2、x1)的对称性，相位中心轴A位于天线阵列的中间处。对于图8的情况，每列的两个偏振得到相同的激发。
图9示出了将单个逻辑天线端口102a映射在天线阵列，由8(垂直(M))×8(水平(N))×2(偏振(P))个物理天线端口构成，上的示例。由于列向激发(x1、x2、x3、 x4、x4、x3、x2、x1)的对称性，相位中心轴A位于天线阵列的中间处。通过使第二偏振与+1或-1相乘，所得到的广播波束的偏振可以是垂直的或水平的。对于图9的情况，图示了使第二偏振乘以-1的选项，其将所得的偏振旋转90度。要注意的是，列向激发是对称的，即最左边的天线元件具有与最右边的天线元件相同的激发。这是为了实现对称的广播图案所必需的。激发列向矢量应该被归一化，以使得它不会相对于在逻辑天线端口上传输的信号增加或减去能量。
将两个逻辑天线端口映射在大型MIMO天线阵列上
对于传输设备100中具有两个可用逻辑端口102a和102b(即S＝2)的情况，我们打算映射传输设备100中的每个天线偏振端口的每个逻辑端口。图10图示了该实施例。可以看出，每列的两个偏振都得到相同的激发，但每个偏振专用于一个逻辑天线端口。此外，列激发矢量是对称的，在某种意义上，如果它沿着水平轴和垂直轴都是镜像的，它看起来是相同的。这是为了实现波束的对称广播图案而必需的。此外，列向激发矢量被归一化，从而它不会相对于在逻辑天线端口上传输的广播信号增加或减去能量。
上面所述的图10示出了将两个逻辑天线端口102a和102b映射在天线阵列，由8(垂直(M))×8(水平(N))×2(偏振(P))个物理天线端口构成，上的示例。由于列向激发(x1、x2、x3、x4、x4、x3、x2、x1)的对称性，相位中心轴A位于天线阵列的中间处。通过将102a映射到+45度偏振的单元以及将102b映射到-45度偏振的单元，每个逻辑天线端口将产生广播波束，其相位中心在天线阵列的中间，并且具有+45度或-45度偏振。
将四个逻辑天线端口映射在大型MIMO天线阵列上
图11示出了将四个逻辑天线端口102a、102b、102c和102d(即S＝4)映射在天线阵列，由8(垂直(M))×8(水平(N))×2(偏振(P))个物理天线端口构成，上的示例。由于每个逻辑天线端口的列激发(x1、x2、x2、x1)的对称性，以及对每个逻辑天线端口的总的可用列的子集Q的选择(在本示例中为从八列中选择四列)，每个逻辑天线端口的相位中心轴A1和A2位于所选的子集列Q1或Q2的中间处。该示例中的逻辑天线端口102a和102b(具有中心轴A1)具有相同的列子集Q1，列1、2、3、4，但具有正交的偏振(即+45或-45度)，而逻辑天线端口102c和102d(具有中心轴A2)具有另一个列子集Q2，列5、6、7、8，并且也具有正交的偏振(即+45或-45度)。该配置在所有的四个逻辑天线端口之间创建正交性，即使102a、102b和102c、102d对具有相同的偏振。
对于传输设备100中具有四个可用逻辑端口的情况，我们打算将系统中的每个逻辑天线端口映射到一个偏振(Pol1、Pol2)，并且还将每个逻辑天线端口映射到可用的N列天线的子集Q上。图11图示了传输设备100。可以看出，每列的两个偏振都得到相同的激发，但是每个偏振专用于一个逻辑天线端口102a、102b、102c或102d。并且专用于N列中的子组Q1和Q2。
根据本发明的一个实施例，每个天线元件106耦合到相应的独立的发射器放大器112。通常与MM系统相关的目标之一是，取代供给整个天线阵列的强劲的功率放大器，可以使用较小的便宜的被定位为靠近物理天线元件的功率放大器，从而可以使损耗最小化并可以压低成本。通过MM，系统可能以全新的方式系统化BS天线。复杂的供给系统可以被丢弃，改为将小型有源射频(Radio Frequency，RF)电路(如功率放大器(Power Amplifier， PA)和低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)等)定位为非常靠近天线元件。这是因为根据MM的基本原理，MM以下事实为基础：基带处理必须涉及非常多的BS天线元件(优选地所有这些)和有源模拟电路，并且因此AD/DA转换必须尽可能靠近天线元件完成。
根据本发明的另一个实施例，分量广播信号被用作为小区特定的参考信号，或者用于以下组中的信道的一个或多个广播信号：主同步信道、辅同步信道、物理广播信道、物理控制格式指示符信道、物理混合自动重发请求指示符信道和物理下行链路控制信道。所有这些提到的信道被用于需要在传输设备100覆盖的小区上广播的这些信号。因此，在方位角和仰角平面上实现宽波束成形是重要的，以确保在我们要传输的用户设备所在的所有方向上监听到辐射。
图12示出了根据本发明的实施例的具有8×8个天线元件的天线阵列的解决方案的天线阵列方位角波束宽度。图12的横轴以角度为单位示出了相位，纵轴以dBi为单位示出了增益辐射图案。通常，本解决方案的效果在于，与仅将广播波束映射到几个物理天线端口的情况相比，分量广播波束将获得高得多的有效全向辐射功率(Effective IsotropicRadiated Power，EIRP)。例如，如果将PSS/SSS信号映射在四列，而不是映射在仅一列，则结果是获得6dB的EIRP增益。通过用适当的激发矢量[x1、x2、......、xQ]激发Q列创建的相位中心位置PCL导致辐射场F(φ)，其在预期的广播波束覆盖范围(波束宽度 -φBW/2＜φ＜φBW/2)上具有恒定(或近乎恒定)的相位。这进一步具有这样的效果：组合的波具有在期望的波束宽度内的低纹波和良好的覆盖。
图13如上了根据本发明的实施例的示例性无线通信系统500。在本公开中描述的传输设备100在无线通信系统500中将广播分量信号传输到接收机设备300。本示例中的传输设备100是无线电网络节点，并且接收器设备300是用户设备(User Equipment，UE)。
根据本发明的实施例的传输设备100可以是无线电网络节点或基站，例如无线电基站 (Radio Base Station，RBS)，根据使用的技术和术语，其在一些网络中可以被称为发射器、“eNB”、“e节点B”、“节点B”或“B节点”。无线电网络节点，根据传输功率并且从而也根据小区大小，可以是不同类别的，例如宏eNodeB、家庭eNodeB或微基站。无线电网络节点可以是站(Station，STA)，其是包含到无线介质(Wireless Medium，WM)的 IEEE802.11兼容媒体接入控制(Media Access Control，MAC)和物理层(Physical Layer， PHY)接口的任何设备。
接收机设备300可以是能够在无线通信系统(有时也被称为蜂窝无线电系统)中无线通信的用户设备(User Equipment，UE)、移动站、无线终端和/或移动终端。用户设备(User Equipment，UE)还可以被称为具有无线性能的移动电话、蜂窝电话、计算机平板电脑或笔记本电脑。在本上下文中的UE可以是例如能够经由无线电接入网络与另一个实体，例如另一个接收器或服务器，进行话音和/或数据通信的便携式的、可口袋存储的、手持式的、计算机内置的或车载的移动设备。UE可以是站(Station，STA)，其是包含到无线介质(Wireless Medium，WM)的IEEE802.11兼容媒体接入控制(Media Access Control， MAC)和物理层(Physical Layer，PHY)接口的任何设备。
此外，根据本发明的任何方法可以在具有代码装置的计算机程序中实现，当由处理装置运行时使处理装置执行该方法的步骤。计算机程序包括在计算机程序产品的计算机可读介质中。计算机可读介质可以包括基本上任何存储器，诸如只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)、可擦除PROM(Erasable PROM，EPROM)、闪存、电可擦除PROM(Electrically Erasable PROM，EEPROM)或硬盘驱动器。
此外，本领域技术人员认识到，该第一网络节点和第二网络节点包括用于执行本解决方案的例如功能、装置、单元、元件等形式的必要的通信性能。其他这样的装置、单元、元件和功能的示例是：处理器、存储器、缓冲器、控制逻辑、编码器、解码器、速率匹配器、解速率匹配器、映射单元、乘法器、决策单元、选择单元、开关、交织器、解交织器、调制器、解调器、输入、输出、天线、放大器，接收器单元、发射器单元、DSP、MSD、 TCM编码器、TCM解码器、电源单元、馈电器、通信接口、通信协议等，其被适当地布置在一起以执行本解决方案。
特别地，本设备的处理器可以包括例如中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)、处理单元、处理电路、处理器、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，ASIC)、微处理器或可解释和执行指令的其他处理逻辑的一个或多个实例。因此，表述“处理器”可以表示包括多个处理电路(例如上述的任一、一些或全部处理电路)的处理电路。处理电路还可以执行用于输入、输出和处理数据的数据处理功能，包括数据缓冲和设备控制功能，例如呼叫处理控制、用户界面控制等。
最后，应当理解的是，本发明不限于上述实施例，还涉及并包括在所附独立权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (13)

1.一种用于无线通信系统(500)的传输设备，所述传输设备(100)包括：
至少一个逻辑天线端口(102)，被配置用于提供广播分量信号；
天线阵列(104)，具有数量为M的行和数量为N的列的天线元件(106a，106b，……，106n)，其中每个天线元件(106)包括在一个偏振中的至少一个物理天线端口(108)；
处理器(110)，被配置用于
-在所述数量为N的列中选择数量为Q的列，其中Q≤N，
-确定用于所述逻辑天线端口(102)的相位中心位置PCL，其中所述相位中心位置PCL被布置在位于所述数量为Q的列中的垂直轴(A)上的点处，
-基于所确定的相位中心位置PCL，将所述逻辑天线端口(102)映射在所述Q列物理天线端口(108a，108b，……，108q)上；
其中所述天线阵列(104)被配置用于在所映射的数量为Q的列物理天线端口(108a，108b，……，108q)上传输所述广播分量信号；
其中Q≥2，并且其中所述相位中心位置PCL在所述数量为Q的列的所述中心轴(A)上；
其中所述处理器(110)还被配置用于
基于所述相位中心位置PCL产生行向激发矢量和列向激发矢量，
用所述行向激发矢量和所述列向激发矢量激发所述广播分量信号，用于分别控制所传输的广播分量信号的仰角波束和方位角波束。
2.根据权利要求1所述的传输设备(100)，其中每个天线元件(106)包括分别在第一偏振和第二偏振中的两个物理天线端口(108)，其中所述第一偏振与所述第二偏振正交。
3.根据权利要求1或2所述的传输设备(100)，其中所述传输设备(100)包括一个逻辑天线端口(102)，并且其中Q＝N。
4.根据权利要求1或2所述的传输设备(100)，其中所述传输设备(100)包括两个逻辑天线端口(102a，102b)，并且其中Q＝N，并且其中将一个逻辑天线端口(102a)映射在所述第一偏振中的所述物理天线端口上，并且其中将另一个逻辑天线端口(102b)映射在第二偏振中的所述物理天线端口上。
5.根据权利要求1所述的传输设备(100)，其中所述列向激发矢量的每列具有等于
Figure FDA0002503477020000011
的振幅：并且作为所述行向激发矢量和所述列向激发矢量的组合的每个天线元件激发具有等于
Figure FDA0002503477020000012
的振幅；并且作为每个天线元件的物理天线端口的数量P和所述行向激发矢量以及所述列向激发矢量的组合的每个物理天线端口激发具有等于
Figure FDA0002503477020000013
的振幅。
6.根据权利要求1所述的传输设备(100)，其中所述列向激发矢量是对称的。
7.根据权利要求1所述的传输设备(100)，其中使用几何方法来产生所述列向激发矢量的元素，以使得所传输的广播分量信号的相位的变化小于在方位角波束宽度内的相位阈值。
8.根据权利要求1所述的传输设备(100)，其中通过使用几何方法产生所述列向激发矢量的元素，以使得所传输的广播分量信号的振幅具有小于在方位角波束宽度内的振幅阈值的变化。
9.根据权利要求7所述的传输设备(100)，其中所述几何方法基于组中的一个或多个参数：用于所述天线元件(106a，106b，……，106n)的辐射特性、所述天线元件(106a，106b，……，106n)之间的空间距离、所传输的广播分量信号的频率和所传输的广播分量信号的所需的方位波束宽度。
10.根据权利要求1或2所述的传输设备(100)，其中每个物理天线端口(108)耦合到相应的独立的发射器放大器(112)。
11.根据权利要求1或2所述的传输设备(100)，其中所述广播分量信号被用作为小区特定的参考信号或者用于组中的信道的一个或多个广播信号：主同步信道、辅同步信道、物理广播信道、物理控制格式指示符信道、物理混合自动重发请求指示符信道和物理下行链路控制信道。
12.一种用于传输设备(100)的方法，包括：
至少一个逻辑天线端口(102)，被配置用于提供广播分量信号；
天线阵列(104)，具有数量为M的行和数量为N的列的天线元件(106a，106b，……，106n)，其中每个天线元件(106)包括在一个偏振中的至少一个物理天线端口(108)；
所述方法(200)包括：
在所述数量为N的列中选择(202)数量为Q的列，其中Q≤N，
确定(204)用于所述逻辑天线端口(102)的相位中心位置PCL，其中所述相位中心位置PCL被布置在位于所述Q列中的垂直轴(A)上的点处，
基于所述确定的相位中心位置PCL，将所述逻辑天线端口(102)映射(206)在所述数量为Q的列物理天线端口(108a，108b，……，108q)上；
在所映射的Q列物理天线端口上(108a，108b，……，108q)传输(208)所述广播分量信号；
其中Q≥2，并且其中所述相位中心位置PCL在所述数量为Q的列的所述中心轴(A)上；
其中所述方法(200)还包括：
基于所述相位中心位置PCL产生行向激发矢量和列向激发矢量，
用所述行向激发矢量和所述列向激发矢量激发所述广播分量信号，用于分别控制所传输的广播分量信号的仰角波束和方位角波束。
13.一种计算机可读介质，包括计算机程序，所述计算机程序具有用于当所述计算机程序在计算机上运行时执行根据权利要求12所述的方法的程序代码。
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