CN107710506A - 在相位天线阵列中用以产生具有较宽波束宽度的波束场型的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供波束赋型蜂窝系统中，引导波束方向以及使用相位天线阵列，形成方向性波束的波束宽度的方法以及装置。相位天线阵列的N个天线元素应用有一组组合波束系数以引导波束的方向，以及形成期望宽度的波束宽度。特别地，除了原始常数相移数值，应用额外的相位调制以扩展波束到期望的宽度。应用有组合波束系数的相位天线阵列包含只有相移，不需要幅度调制，以及因此增加了波束赋型增益以及效率。

Description

在相位天线阵列中用以产生具有较宽波束宽度的波束场型的 方法和装置

相关申请的交叉应用

本申请依据35U.S.C.§119，要求2016年5月11日递交，申请号为62/334,475，标题为“在相位天线阵列中用以产生具有较宽波束宽度的波束场型的方法以及装置(Methodsand Apparatus for Generating Beam Pattern with Wider Beam Width in PhasedAntenna Array)”的美国临时申请的优先权，上述申请的标的在此组合作为参考。

技术领域

所揭露实施例一般有关于无线通信，以及更具体地，有关相位天线阵列(phasedantenna array)中，产生具有较宽(wider)波束宽度(beam width)的波束场型(beampattern)。

背景技术

天线理论中，相位天线阵列通常意味着一个天线阵列，该天线阵列产生无线电波(radio wave)，该天线阵列可以不移动天线而被电子引导(steer)以指向不同方向。在相位天线阵列中，当前来自发送器的无线频率，被送入到独立的天线中，该多个独立天线具有正确(correct)相位关系，所以，来自分离天线的无线电波叠加在一起，增加了期望方向的辐射。在相位天线阵列中，透过被处理器控制的相移器(phase shifter)，来自发送器的功率送入到天线中，该处理器可以电子地改变相位，因此引导无线电波的波束到不同方向。

相位阵列天线可以形成窄(narrowly)聚焦波束。在最流行配置中，N个天线元素形成一个一致(uniform)线性阵列，具有一半(half)波长间隔(wavelength spacing)。从一个元素到另一个的常数(constant)相移，决定了波束指向的方向。波束宽度以及波束增益，为阵列配置的函数，包含：天线元素的数量N，相邻元素的间隔，以及无线信号的载波频率。一旦固定了配置，就决定了常数相移引导系数所形成的波束宽度。例如，波束宽度＝103°/N。有时，期望以一个方式设定参数，这样，波束宽度比这个传统配置产生的较宽，例如，拓宽(broaden)波束的覆盖范围区域。在发送以及接收波束赋型中存在相同问题。

解决这个问题的简单方式为只使用一个子集合的天线元素。使用天线元素的第一半，可能典型的形成二倍波束宽度的波束场型。但是，使用子集合天线元素可能降低发送功率。如果每一天线元素具有功率放大器，关闭天线元素意味着全部发送功率的降低。稍微复杂的方法为不只改变送入到天线元素的信号相位，也改变其幅度。跨天线元素的幅度有时候来自加窗函数(windowing function)，例如汉明窗(hamming window)。在送入到天线的信号幅度上应用加窗，需要每一个天线元素具有一个功率放大器。幅度加窗实质上降低了阵列的发送/接收功率，以及不是高效的。

寻求解法。

发明内容

在波束赋型蜂窝系统中，提出引导波束方向以及使用相位天线阵列形成方向性波束的波束宽度的方法。相位天线阵列的N个天线元素上应用一组组合波束参数，以引导波束方向，以及形成波束宽度到期望宽度。特别地，除了原始常数相移数值，应用额外相位调制以扩展波束到期望宽度。原始相移数值被称作为波束引导系数，其为用于引导方向性波束的方向。额外相位调制被称作为波束扩展系数，其被用于形成方向波束的宽度。相位天线阵列上应用有组合波束系数，只包含有相移，不需要幅度调制，以及因此增加了波束赋型增益以及效率。

在一个实施例中，在波束赋型蜂窝网络中，无线装置在方向性波束上使用相位天线阵列而发送无线信号，该相位天线阵列具有N个天线元素。相邻天线元素具有距离d，以及N为正整数。该无线装置应用多个相移数值到多个天线元素上，每一天线元素应用一组合波束系数的相移数值。每一组合波束系数包含波束引导系数，加上波束扩展系数。无线装置，透过使用处理器控制组合波束系数，引导方向性波束的方向，以及形成一个方向波束的波束宽度。该波束引导系数用于引导该方向性波束的方向，而该波束扩展系数用于形成该方向性波束的波束宽度。

下面详细描述本发明的其他实施例以及有益效果。发明内容不用于限定本发明。本发明保护范围以权利要求为准。

附图说明

附图中相同数字表示相似组件，用于说明本发明的实施例。

图1为根据一新颖方面，在波束赋型蜂窝移动通信网路中，具有相位天线阵列的无线装置的示意图，该相位天线阵列用于发送或者接收具有较宽波束宽度的方向性波束。

图2为根据本发明的实施例，基站或者UE的简化方块示意图。

图3为根据本发明的实施例，具有N个天线元素的相位天线阵列的发送器或者接收器，发送或者接收方向性波束的一个实施例的示意图，其中每一天线元素应用有组合波束系数以引导波束方向以及形成方向性波束的宽度。

图4为透过与传统波束形成相比，具有波束扩展的波束形成，以及具有矩形(rectangular)窗口的波束赋型的相位天线阵列的阵列增益以及方位(azimuth)角度的示意图。

图5为根据一新颖方面，在波束赋型蜂窝系统中，使用相位天线阵列的方向性波束，引导波束方向以及形成波束宽度的方法流程图。

具体实施方式

下面详细参考本发明的一些实施例，伴随附图介绍本发明的例子。

图1为根据一新颖方面，在波束赋型蜂窝移动通信网路100中，具有相位天线阵列的无线装置的示意图，该相位天线阵列用于发送或者接收具有较宽波束宽度的方向性波束。波束赋型蜂窝移动通信网路100包含一个基站BS 101，以及第一用户设备UE 102，以及第二用户设备，UE 103。蜂窝网络使用具有窄波束的方向性通信，以及可以支持多G数据率。方向性通信透过波束赋型(beamforming)而达成，其中相位天线阵列，具有多个天线元素，被应用有多组(set)波束赋型权重(相移数值)以形成多个波束场型(pattern)。

在图1的例子中，BS 101为方向性配置有一组粗略TX/RX控制波束以及一组TX/RX数据波束以服务移动台，包含UE 102以及UE 103。典型的，控制波束的集合，覆盖一个服务小区的整个服务区域，以及其中每一控制波束具有较宽(wider)以及更短的空间覆盖范围，具有更小的阵列增益(array gain)。每一控制波束依次被一组专用数据波束覆盖。专用数据波束的集合覆盖一个控制波束的一个服务区域，以及其中每一专用数据波束具有更窄以及更长空间覆盖范围，具有更大阵列增益。该组控制波束提供低速率控制信令，以方便专用数据波束上的高速率数据通信。相似的，UE 102以及UE 103可以应用波束赋型以形成多个波束场型以发送以及接收无线信号。

相位阵列天线可以形成窄聚焦波束。在一个最流行配置中，N个天线元素形成一个具有半波长间隔的一致线性阵列。从一个元素到下一个的常数相移，决定波束指向的方向。波束宽度以及波束形成增益为阵列配置的函数，包含：天线元素的数量N，相邻元素之间的间隔，以及无线信号的载波频率。一旦固定了配置，就决定了常数相移引导系数所形成的波束宽度。例如，波束宽度＝103°/N。有时候，以一个方式设定系数，这样波束宽度比透过传统配置而产生的较宽，例如，拓宽波束的覆盖范围区域。在发送以及接收波束赋型中发生相同问题。例如，期望BS 101配置有一组粗略控制波束，具有较宽波束宽度，所以，控制波束的集合可以覆盖服务小区的全部服务区域。

根据一新颖方面，提出在蜂窝波束赋型系统中，引导波束方向以及使用相位天线阵列形成方向性波束的波束宽度的方法。在图1的例子中，BS 101包含发送器TX 110，耦接到具有N个天线元素的相位天线阵列中，具有天线索引n＝0,1,…N-1。N个天线元素形成一具有半波长间隔的一致线性阵列。N个天线元素应用有一组组合波束系数Φn，以引导波束方向以及形成期望宽度的波束宽度。特别地，除了原始常数相移数值从一个天线元素到下一个天线元素，应用额外相位调制θn，以拓宽波束到期望宽度。原始相移数值被称作波束引导系数，其用作引导波束方向。额外相位调制θn称作波束扩展(expansion)系数。其用于形成波束的宽度。应用有组合波束系数Φn的相位天线阵列只包含相移，不需要幅度调制，以及因此增加了波束赋型增益以及效率。在一个例子中，应用有原始常数相移数值的天线阵列形成专用波束120，具有用于BS 101以及UE 102之间的数据通信的更窄波束宽度。另一方面，应用有组合波束系数的天线阵列形成一个具有较宽波束宽度的控制波束130，其可以用于发送控制信令以及从BS 101到UE 102以及UE 103的系统信息。

图2为实现本发明实施例的无线装置201的简化方块示意图。装置201具有相位天线阵列211，具有发送以及接收无线信号的多个天线元素，收发器230，包含一个或者多个RF收发器模块231，以及基频处理单元232，耦接到相位天线阵列，从天线211接收RF信号，将其转换为基频信号以及发送给处理器233。处理器233处理已接收基频信号以及调用不同功能模块以及电路以实施BS201的功能。存储器234存储程序指令以及数据235以控制装置201的运作。程序指令以及数据235，当被处理器233执行时，使能装置201应用不同波束赋型权重到天线211的多个天线元素上以及形成不同的波束。

装置201也包含多个功能模块以及电路，以根据本发明的实施例实施不同任务。功能模块以及电路可以透过硬件，固件，软件以及上述几者的组合而实现以及配置。例如，装置201包含波束控制电路220，其进一步包含波束方向引导电路221引导波束的方向，以及波束宽度形成电路222形成波束的波束宽度。波束控制电路220可以属于RF链的一部分，该RF链应用多个波束赋型权重到天线211的多个天线元素上，以及因此形成多个波束。基于相位阵列互异性(reciprocity)或者通道互异性，相同的接收天线场型可以用于发送天线场型。在一个例子中，波束控制电路220应用额外相位调制到原始相移数值上，以形成具有期望宽度的方向性波束场型。波束引导电路221应用原始相移数值，该原始相移数值形成一个方向性窄波束场型。波束形成电路222应用额外相位调制，该额外相位调制扩展窄波束场型到期望宽度。存储器234存储多天线预编码器码书236，基于参数化(parameterized)波束赋型权重，如波束控制电路220所产生。

图3为发送器或者接收器的一个实施例，其中，该发送器或者接收器具有N个天线元素的相位天线阵列300以发送或者接收一方向性波束，每一个天线元素应用有组合波束系数以引导波束方向，以及形成方向性波束的波束宽度。相位天线阵列300具有N个天线元素，索引为n＝0,1,…N-1。在最流行配置中，N个天线元素形成一个一维一致线性阵列，具有半波长间隔。也就是说，每一个相邻天线元素具有实体(physical)距离d＝(1/2)λ。请注意，一维阵列可以容易扩展为二维阵列。N个天线元素应用一组组合波束系数Φn，以引导波束方向以及形成期望宽度的波束宽度。特别地，从一个天线元素到下一个天线元素除了原始常数相移数值应用额外相位调制θn以扩展波束到期望宽度。

在图3的例子中，原始相移数值形成方向性窄波束场型以及决定该波束指向的一般方向。形成窄波束场型的原始相位调制项(term)的集合，称作波束引导系数。在一个实施例中，其中n为天线元素索引，以及为用于引导波束方向的参数。典型的，以弧度为单位具有一个在0到2π之间的一个数值。

额外相位调制项，θn将波束扩展到期望宽度。额外相位调制词的集项，被称作波束扩展系数。天线元素中每一个的波束扩展系数，从一个公式得到，该公式为天线元素的索引的函数，以及控制成形(shape)以及波束宽度的参数。在一个实施例中，θn＝ε*|n-(N-1)/2|ρ，其中，n为天线元素索引，第一参数ε为用于形成专用波束的波束宽度，以及第二参数ρ用于控制方向性波束的通带(passband)波纹(ripple)。典型的，参数ε的更大数值导致了较宽的波束宽度，以及ε＝π大致加倍了ε＝0的波束宽度。用于参数ρ的典型数值，设定为ρ＝2。可以看出，额外相移数值θn，用于天线元素n，与天线元素n以及相位天线阵列的中点之间的距离以指数方式成比例。

组合波束系数给出如组合波束系数可以进一步根据处理器而量化，该处理器控制天线阵列。N元素天线阵列的波束赋型权重向量Φ＝[Φ1,Φ2…ΦN]为基于上述已参数化波束赋型权重设计，可以生成多天线预编码器码书以及存储在无线装置的存储器中。码书包含一组M个波束赋型加权向量[Φ1,Φ2…ΦM]，从有限数量参数 而产生。M个波束赋型加权向量中的每一个表示与一个波束场型关联的一个权重设计，该波束场型具有一个波束方向，一个形状(shape)，以及一个宽度。

图4为透过比较传输的波束赋型，具有波束扩展的波束赋型，以及具有举行窗口的波束赋型的相位天线阵列，阵列增益以及方位(azimuth)角的示意图。如图4所示，8个波束形成一个120度扇形区域，透过32元素天线阵列。水平(horizontal)轴表示方位(azimuth)角度，其与波束引导参数关联。垂直轴表示天线阵列增加(dB)。虚线(dotted line)410表示传统的波束赋型(beamforming)，只应用有波束引导系数，其创建了具有很大峰值增益的8个波束，但是也留下了很多区域没有覆盖。短划线(Dashed line)420表示应用有相移调制以及幅度调制的波束形成(例如，跨天线元素的幅度为从矩形窗口函数得到)——峰值增益降低6dB，但是覆盖范围微微增加。实线430描述应用有组合波束系数，包含波束引导系数以及波束扩展系数的波束赋型(例如，具有扩展系数ε＝1.125π以及ρ＝2)——覆盖范围更加一致(uniform)，而峰值增益与幅度窗口波束赋型相同。

可以看出，应用有组合波束系数的波束赋型的好处如下：首先，波束场型的形成，可以调整为具有期望波束宽度，用于具有多个天线元素的相位天线阵列。第二，波束场型的波束宽度，可以透过只改变一些参数而调整。第三，相位天线阵列，应用有组合波束系数，只包含相移，不需要幅度调制，以及因此增加了波束赋型增益以及效率。

图5为根据一新颖方面，在波束赋型蜂窝系统中，使用相位天线阵列的方向性波束的，引导波束方向以及形成波束宽度的方法流程图。步骤501中，在一波束赋型蜂窝系统中，在具有N个天线元素的相位天线阵列上的方向性波束上，无线装置发送或者接收无线信号。每一相邻天线元素具有距离d，以及N为正整数。步骤502中，该无线装置应用多个相移数值到该多个天线元素上，每一个天线元素应用有一具有组合波束系数的相移数值。每一组合波束系数包含波束引导系数，加上波束扩展系数。步骤503中，该无线装置引导该方向性波束的方向以及透过处理器控制该组合波束系数，而形成该方向性波束的波束宽度。

波束方向性系数用于引导方向性波束的方向，而波束扩展系数θn用于形成方向性波束的波束宽度。组合波束系数在一个实施例中， 其中n为天线元素索引，以及为用于引导波束的方向的参数。典型的，具有以弧度为单位的范围内0到2π之间的数值。θn＝ε*|n-(N-1)/2|ρ,，其中，n为天线元素索引，第一参数ε用于形成方向性波束的波束宽度，以及第二参数ρ为用于控制方向性波束的通带波纹。典型的，参数ε的更大数值指向较宽波束宽度，以及ε＝π大致加倍ε＝0的波束宽度。参数ρ的典型数值设定为ρ＝2。

虽然结合特定实施例，用于说明目的描述本发明，本发明不以此为限。相应地，所属领域一般技术人员在不脱离本发明精神范围内可以随所揭示的实施例多个特征进行润饰、修改以及组合，本发明保护范围以权利要求为准。

Claims (20)

1.一种方法，包含：

在一波束赋型蜂窝网络中，在使用具有N天线元素的相位天线阵列的方向性波束上，发送或者接收无线信号，其中，相邻天线元素具有距离d，其中N为正整数；

应用多个相移数值到该多个天线元素上，其中每一天线元素应用相移数值，该相移数值具有一组合波束系数，以及其中，每一组合波束系数包含波束引导系数加上波束扩展系数；以及

引导该方向性波束的方向，以及透过处理器控制该组合波束系数而形成该方向性波束的波束宽度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该距离等于该数据信号的波长的一半。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该波束引导系数为用于引导该方向性波束的该方向。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该波束引导系数其中n为一天线元素索引，其中为0以及2π弧度之间的数值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该波束扩展系数用于形成该方向性波束的该波束宽度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该波束扩展系数θ_n＝ε*|n-(N-1)/2|^ρ，其中n为天线元素索引，其中ε为用于形成该方向性波束的该波束宽度。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，更大ε导致较宽波束宽度，以及其中ε＝π大大致加倍了ε＝0的该波束宽度。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，ρ用于控制该方向性波束的通带波纹。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该处理器不调整该N个天线元素的幅度，以最大化该相位天线阵列的阵列增益。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含：

存储有限组波束赋型权重的多天线预编码器码书，该有限组波束赋型权重为基于该组合波束系数。

11.一种无线装置，包含：

相位天线阵列，具有N天线元素，该相位天线阵列用于在波束赋型蜂窝网络的一方向性波束上，发送或者接收无线信号，其中，相邻天线元素具有距离d，其中N为正整数；

多个相移器，该多个相移器耦接到该多个天线元素上，其中每一天线元素被应用相移，该相移具有一组合波束系数，以及其中，每一组合波束系数包含波束引导系数加上波束扩展系数；以及

处理器，控制该组合波束系数引导该方向性波束的方向以及形成波束宽度。

12.如权利要求11所述的无线装置，其特征在于，该距离等于该数据信号的波长的一半。

13.如权利要求11所述的无线装置，其特征在于，该波束引导系数为用于引导该方向性波束的该方向。

14.如权利要求13所述的无线装置，其特征在于，该波束引导系数其中n为一天线元素索引，其中为0以及2π弧度之间的数值。

15.如权利要求11所述的无线装置，其特征在于，该波束扩展系数用于形成该方向性波束的该波束宽度。

16.如权利要求11所述的无线装置，其特征在于，该波束扩展系数θ_n＝ε*|n-(N-1)/2|^ρ，其中n为天线元素索引，其中ε为用于形成该方向性波束的该波束宽度。

17.如权利要求16所述的无线装置，其特征在于，更大ε导致较宽波束宽度，以及其中ε＝π大大致加倍了ε＝0的该波束宽度。

18.如权利要求16所述的无线装置，其特征在于，ρ用于控制该方向性波束的通带波纹。

19.如权利要求11所述的无线装置，其特征在于，该处理器不调整该N个天线元素的幅度，以最大化该相位天线阵列的阵列增益。

20.如权利要求11所述的无线装置，其特征在于，进一步包含存储器，用于存储有限组波束赋型权重的多天线预编码器码书，该有限组波束赋型权重为基于该组合波束系数。