CN107710507B - 正交波束域空间复用无线电通信系统及相关联的天线阵列 - Google Patents

正交波束域空间复用无线电通信系统及相关联的天线阵列 Download PDF

Info

Publication number
CN107710507B
CN107710507B CN201680023823.3A CN201680023823A CN107710507B CN 107710507 B CN107710507 B CN 107710507B CN 201680023823 A CN201680023823 A CN 201680023823A CN 107710507 B CN107710507 B CN 107710507B
Authority
CN
China
Prior art keywords
terminals
radio beams
beams
radio
subset
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201680023823.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107710507A (zh
Inventor
森格利·福
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huawei Technologies Co Ltd
Original Assignee
Huawei Technologies Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huawei Technologies Co Ltd filed Critical Huawei Technologies Co Ltd
Publication of CN107710507A publication Critical patent/CN107710507A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107710507B publication Critical patent/CN107710507B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/40—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with phasing matrix
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H04B7/0426—Power distribution
    • H04B7/043—Power distribution using best eigenmode, e.g. beam forming or beam steering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H04B7/0452—Multi-user MIMO systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0686—Hybrid systems, i.e. switching and simultaneous transmission
    • H04B7/0695—Hybrid systems, i.e. switching and simultaneous transmission using beam selection
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0697—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using spatial multiplexing
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/03—Shaping networks in transmitter or receiver, e.g. adaptive shaping networks
    • H04L25/03006—Arrangements for removing intersymbol interference
    • H04L25/03343—Arrangements at the transmitter end
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/03—Shaping networks in transmitter or receiver, e.g. adaptive shaping networks
    • H04L25/03891—Spatial equalizers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H04B7/0426—Power distribution

Abstract

提供了用于空间复用Mu‑MIMO无线电通信的方法及系统。对天线阵列进行控制以建立以下多个无线电波束，所述多个无线电波束依据激励函数而相互正交并且在空间上被不同地定向以覆盖地理区域。这些波束可以以行图案布置在角域中，其中相邻的行是偏移的。为了便于上述，天线阵列可以包括与相邻元件水平地、竖直地或者既水平地又竖直地偏移的元件。对于每个终端，可以选择所述无线电波束的子集以用于通信。该选择可以优选功率较高的波束，其中通过对来自本征信道的贡献进行求和来确定功率。无线电波束的子集可以被分组成用于对不同地理区域中的不同终端组提供服务的正交信道，并且共享信道的终端还可以使用多址接入技术来共享资源。

Description

正交波束域空间复用无线电通信系统及相关联的天线阵列
技术领域
本发明涉及无线电通信领域，并且特别地涉及多用户多输入多输出(Multi-user,Multi-input Multi-Output，Mu-MIMO)无线电通信系统中的空间复用。
背景技术
已经提出了多用户多输入多输出(Mu-MIMO)无线电通信系统，以往有很多这种系统已经被部署在蜂窝式通信系统中，在该多用户多输入多输出(Mu-MIMO)无线电通信系统中，使用基站MIMO天线来例如沿下行链路方向与若干独立的无线电终端进行通信，所述无线电终端例如为移动装置、典型地为终端装置如用户设备(User Equipment,UE)节点。也已经提出了大规模MIMO系统，在该大规模MIMO系统中，无线电接入点——例如但不限于蜂窝式基站——被配备有大量天线，例如，其中无线电接入点处的天线的数量大于在通信上耦接至该无线电接入点的终端的数量。
在常规的多址接入无线通信网络中，通过使用诸如正交编码、频分和/或时分的方案对信道进行正交化来执行扇区内的用户终端与基站之间的通信。由于存在数量有限的可用正交资源，所以该方法本质上受限于扇区内能够被服务的UE的总数量。
包含大规模MIMO的现有通信方案通常依赖于使用干扰消除预编码方案例如迫零(Zero-Forcing，ZF)算法和最小均方差(Minimum Mean Square Error，MMSE)算法。大规模MIMO的这些方法尝试通过干扰消除来抑制多用户干扰(multi-user interference，MUI)。然而，这些方法限于为具有相对长的相干时间和低的信道相关性的UE提供服务。此外，这些方法产生会根据终端的地理分布而显著变化的发送波束，从而因此不能保证信道之间的端口正交性，例如使得不同信道的端口之间的耦合或串扰不容易被保持在零附近。由于因信道耦合而损失系统性能，所以这会导致容量的严重损失。
因此，需要一种用于空间复用Mu-MIMO无线电通信的方法和系统来避免或减轻现有技术的一个或更多个限制。
提供本背景信息以揭示申请人所认为的可能与本发明相关的信息。并不意在承认也不应当被理解为承认任何前述信息构成本发明的现有技术。
发明内容
本发明的实施方式的目的是提供用于空间复用Mu-MIMO无线电通信如下行链路通信的方法及系统。根据本发明的实施方式，提供一种用于接入点与位于由该接入点服务的预定地理区域中的一组终端之间的无线电通信的方法，该方法包括：控制与接入点相关联的天线元件阵列以建立多个相互正交的无线电波束，所建立的多个无线电波束中的每一个无线电波束对应于多个辐射方向图中的相应的一个辐射方向图，所述多个辐射方向图中的每一个辐射方向图在空间上不同于所述多个辐射方向图中的其他辐射方向图；以及选择所述多个无线电波束的子集以用于向所述一组终端中的一个终端发送信号。在各种实施方式中，相互正交的无线电波束还具有低的波束耦合因子。
根据本发明的实施方式，提供一种用于接入点与位于由该接入点服务的预定地理区域中的一组终端之间的无线电通信的无线通信系统，该无线通信系统包括：与接入点相关联的天线元件阵列；波束控制器，其被配置成控制天线元件阵列以建立多个相互正交的无线电波束，所述多个相互正交的无线电波束中的每一个无线电波束对应于多个辐射方向图中的一个辐射方向图，所述多个辐射方向图中的所述一个辐射方向图在空间上与所述多个辐射方向图中的其他辐射方向图不同；以及波束选择器，其被配置成选择所述多个无线电波束的子集以用于向所述一组终端中的一个终端发送信号。在各种实施方式中，相互正交的无线电波束还具有低的波束耦合因子。
根据本发明的实施方式，提供一种用于服务位于预定地理区域中的一组终端的无线电通信接入点，该接入点包括：天线元件阵列；波束控制器，其被配置成控制天线元件阵列以建立多个相互正交的无线电波束，所建立的多个无线电波束中的每一个无线电波束对应于多个辐射方向图中的一个辐射方向图，所述多个辐射方向图中的每一个辐射方向图在空间上不同于所述多个辐射方向图中的其他辐射方向图；以及波束选择器，其被配置成选择所述多个无线电波束的子集以用于向所述一组终端中的一个终端发送信号。
根据本发明的实施方式，提供一种天线阵列，该天线阵列包括：以沿两个方向延伸的第一规则网格图案布置的第一组天线元件；以沿所述两个方向延伸的第二规则网格图案布置的第二组天线元件，其中，第二规则网格图案与第一规则网络方向图交错，并且第二规则网格图案相对于所述两个方向与第一规则网格图案对角线地偏移(diagonallyoffset)。还可以提供类似地交错且相互对角线地偏移的另外的天线元件组。
附图说明
根据结合附图进行的下面的详细描述，本发明的另外的特征和优点将变得明显，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施方式的无线电波束的空间布置。
图2示出了根据本发明的实施方式提供的无线通信系统。
图3A和图3B示出了根据本发明的实施方式提供的天线阵列和相关联的波束的正视图和俯视图。
图4示出了根据本发明的实施方式提供的波束控制器。
图5示出了根据本发明的实施方式提供的波束选择器。
图6A示出了根据本发明的实施方式提供的天线阵列。
图6B示出了根据本发明的其他实施方式提供的天线阵列。
图7A和图7B以俯视图示出了根据本发明的实施方式的8波束正交波束域和40波束正交波束域的波束方向图。
图8A和图8B示出了根据本发明的实施方式的本征波束方向图的示例。
图9示出了根据本发明的示例性40波束实施方式的性能指标。
图10示出了根据本发明的示例性40波束实施方式的性能指标。
图11示出了根据本发明的实施方式提供的方法。
应当注意，贯穿附图，相同的附图标记标识相同的特征。
具体实施方式
如本文中所使用的，术语“大约”应当被解读为包括与标称值的偏差，例如与标称值+/-10％偏差。应当理解的是，无论是否具体提及，这样的偏差总是被包括在本文中提供的给定值中。
本发明的一个方面涉及一种用于接入点与位于由该接入点服务的预定地理区域中的一组终端之间的无线电通信的方法。术语“通信”可以指代单向通信如下行链路通信，或者可替代地，指代双向通信。该方法包括控制与接入点相关联的天线元件阵列以建立多个无线电波束。所述无线电波束中的每一个无线电波束分别对应于多个辐射方向图中的一个辐射方向图。例如，该阵列可以是大规模MIMO阵列。所述多个辐射方向图彼此在空间上不同，以例如对预定地理区域进行划分。在各种实施方式中，所述无线电波束中的每一个无线电波束由此可以被定向成朝向方位角/仰角空间中的不同坐标区域，因此从天线阵列朝向地理区域的不同部分延伸。此外，出于要在下文进行描述的意义，所述多个无线电波束基本上相互正交，并且还可以具有低的波束耦合因子。该方法还包括：对于所述一组终端中的至少一个终端，选择所述多个无线电波束的少于全部的子集以用于所述一组终端中的一个终端与接入点的通信。该通信可以对应于从接入点向所述一组终端中的至少一个终端发送信号。在一些实施方式中，该通信可以对应于在接入点处从所述一组终端中的至少一个终端接收信号。在接收情况下，根据接收器波束成形技术，可以对从阵列的多个元件接收的信号在幅度和相位上进行调整并且然后进行组合以在操作为接收器的接入点内建立作为信息携带实体的所述多个无线电波束。
无线电波束选择可以包括选择相对较少数量的波束用于与每个终端进行通信。例如，波束的数量可以是两个波束或者三个波束。在各种实施方式中，如下文所描述的，使用功率准则来驱动波束选择，使得相对于终端具有相对低的功率的波束不被用于与该终端进行通信。在该意义上，波束功率可以涉及由给定终端的MIMO信道矩阵生成的系统矩阵的本征分解。例如，如本文中的公式(2)所指出的，波束功率可以指系统矩阵的本征向量的分量的加权和。
在各种实施方式中，两个波束A和B之间的正交性可以对应于下面的条件：
Figure GDA0001443414950000031
其中，求和索引i为从1到天线阵列的元件数量N，
Figure GDA0001443414950000032
和分别是用于产生波束A和波束B的天线阵列的第i个辐射元件的复值激励，ε是基本上接近于或等于0的预定阈值。应当注意的是，例如根据现有波束成形技术，波束特性通常由指示天线阵列辐射元件中的每一个天线阵列辐射元件的递送功率幅度和相位的激励函数来确定。这样，当两个波束的激励向量WA和
Figure GDA0001443414950000036
(具有分量
Figure GDA0001443414950000034
和
Figure GDA0001443414950000035
其中，*表示复共轭)基本上正交时，即它们的点积近似为零时，可以实现两个波束之间的正交性。更具体地，点积可以低于阈值ε，其中，随着ε向零减小，正交性增加。可以基于特定系统实现中的需求和能力来选择阈值ε。在一些实施方式中，ε可以低于大约-15dB。在一些实施方式中，ε可以为大约-17dB。在一些实施方式中，ε可以低于大约-20dB。当该条件适用于该集合的所有波束的成对波束时，类似地实现一组波束之间的相互正交性。在各种实施方式中，在标准MIMO系统的意义上，为阵列馈送网络如巴特勒矩阵(Butler matrix)等提供波束正交性。
本发明的另一方面涉及一种用于接入点(基站)与位于由该接入点服务的预定地理区域中的一组终端之间的无线电通信的无线通信系统。该无线通信系统包括与接入点相关联的天线元件阵列。在各种实施方式中，该无线通信系统还可以包括接入点和一组终端中一者或两者的功能部件。该无线通信系统还包括波束控制器，该波束控制器被配置成控制天线元件阵列以建立分别与多个辐射方向图对应的多个无线电波束，各辐射方向图彼此在空间上不同。例如，辐射方向图可以对预定地理区域或者地理区域的至少基本部分或主要部分进行划分。另外，无线电波束相互正交，并且可以具有低的波束耦合因子。该系统还包括波束选择器，该波束选择器被配置成对于所述一组终端中的至少一个终端选择所述多个无线电波束的子集以用于所述一组终端中的所述一个终端与接入点之间的通信。该通信可以对应于从接入点向所述一组终端中的至少一个终端发送信号或者在接入点处从所述一组终端中的一个终端接收信号。本领域中的普通技术人员应当理解的是，在一些实施方式中，相邻的分区可以交叠，并且相反地，可以存在覆盖区域的不被分区覆盖的部分。
这样，本发明的实施方式涉及通过使用属于接入点的天线阵列的波束成形控制来限定多个正交波束从而对地理区域进行细分区。然后，将波束或波束组用于与由接入点服务的各种终端进行通信，如下行链路通信。例如，波束可以被分组成无交叠正交信道，其中，每个正交信道与子扇区中之一相关联。子扇区可以对应于例如所选择的一组波束——少于总数量的波束——的特定角区域。该所选择的一组波束可以对应于被分配用于服务特定用户终端的正交信道，例如位于特定角域中的特定用户终端的正交信道。应当理解的是，在将节点称为终端时，意在在该节点位于点对点传输的终止端的背景下使用该术语。终端不需要是较大的通信链中的最终节点。终端可以是移动装置例如UE、使用移动网络的固定装置例如机器到机器装置或者为网络基础设施的一部分的固定装置例如中继器。
在本发明的各种实施方式中，每个无线电波束与功率水平相关联，所述功率水平对应于在涉及所述多个无线电波束中的所有无线电波束的假设分配下该无线电波束对给定终端与接入点之间的通信的功率贡献的相对量或绝对量。从另一方面看，无线电波束功率水平对应于该无线电波束相对于来自所有波束的根据MIMO系统在给定终端与天线阵列之间传送的功率总量所做出的功率贡献量。在该意义上，通信可以包括沿下行链路方向的传输、或者可替代地沿上行链路方向的传输、或者其组合。可以根据给定终端的系统矩阵的本征分解来确定功率水平，该系统矩阵等于
Figure GDA0001443414950000041
其中，Hk是给定终端k的MIMO信道矩阵。选择所述多个无线电波束的子集可以包括对于该子集中的成员选择功率水平高于以下项中的一者或两者的无线电波束：预定阈值功率水平和所述多个无线电波束的相对功率水平。
在一些实施方式中，该阵列可以被配置成限制被分配给所述一组终端中的不同成员的多个无线电波束的子集之间的交叠。例如，可以根据无线电波束的不相交集合来尽可能多地形成用于与不同终端进行通信的不同信道。
本发明的各种实施方式提供在由无线通信系统服务的给定地理区域如蜂窝式扇区内产生多个灵活的子区域(例如，子扇区)的高层次分区。子区域可以与地理区域内的传播环境和用户概况和/或终端分布匹配。这可以便于提供对于地理用户人口密度的各种分布而言适配且灵活的无线电通信服务。
本发明的各种实施方式提供包括天线阵列如多用户MIMO(Multi-user MIMO，Mu-MIMO)或大规模MIMO阵列的无线电通信系统。在这样的实施方式中，可以使用构成基本上跨越地理区域——如蜂窝式扇区——的正交波束域的多个正交波束来在该地理区域内形成大小灵活的多个正交信道。因此，接入点如基站可以被配置成将其有限资源调整成与传播环境和用户地理匹配。这可以潜在地便于该系统相对于现有解决方案以功率高效和频谱高效的方式操作。在一些实施方式中，可以调整波束和/或信道，可以调整波束功率，等等。
在各种实施方式中，天线阵列基于正交波束域来操作，在该正交波束域中，围绕该天线阵列的角域的一部分被细分成彼此基本上正交的潜在相对高增益和高集中的多个波束。在图1中示出了这样的细分的示例，其中，在方位角方向上布置多行105、110、115、120波束，并且其中，行105、110、115、120在仰角方向上相邻地堆叠。此外，相邻的行在方位角方向上是偏移的，以例如使得给定行的给定波束的中心在仰角方向上与连接位于该给定行上方或下方的行内的紧相邻的波束的线段的中点基本上对准。这可以增大波束的中心之间的空间间隔。应当注意的是，在图1的理想化布置中示出了一些波束交叠。另外，一些区域未落入理想化的波束边界内，但是尽管如此也可以由波束来服务，例如由交叠的波束来服务。在一些实施方式中，角域可以基本上映射至蜂窝式扇区或其他地理区域的完全角域。图1的偏移配置可以帮助减少波束交叠和/或减小波束耦合因子。
在本发明的实施方式中，终端可以被配置成同时通过若干上述正交波束与接入点进行通信，以例如利用来自环境的多路径传播。然而，在各种实施方式中，选择数量有限的传播路径(波束)供终端使用，而其他波束不被该终端使用。在接入点向多个终端进行传输的下行链路场景中，可以基于预定准则如总功率百分比准则来选择要使用哪些波束和不使用哪些波束。在多个终端向接入点进行传输的上行链路场景中，可以基于不同的准则来使用不同的选择过程。来自接收阵列中的每个天线的信号可以根据该准则而被加权和/或进行移相以实现各目的，如上面提到的基于总功率百分比准则的波束选择。这样的准则可以例如如文中所描述的那样进行配置。例如，本文中所描述的一些准则可以便于达到或者基本上实现最佳容量和终端之间的最小干扰。
在各种实施方式中，通过将终端分至适当的正交波束域，接入点可以被配置成基本上同时且独立地向多个终端进行传输，并且不向一个终端传输相对于另一终端会引起不期望的信号干扰的传输。公式(1)的正交性关系可以适用于所有信道，只要在任何信道之间没有共享波束即可。也就是说，当两个信道由正交波束的不相交集合形成时，这两个信道可以是正交的。
在各种实施方式中，向被分配给同一正交波束域的不同终端进行的下行链路传输仍然可以通过分配不同的时间、频率和/或代码资源而被正交化。例如，如本领域中的普通技术人员容易理解的，朝向被分配给同一正交波束域的两个终端的传输可以被配置成通过使用码分、时分或频分复用和/或多址接入技术或者其组合等等来共享信道。在一些实施方式中，从不同终端进行的上行链路传输可以被类似地正交化。另外，由于波束正交性，可以在其他正交波束域中再利用时间、频率和/或代码资源。这样，类似于无线电资源的常规的空间再利用，可以在不同的正交信道或子扇区之间在空间上再利用这些资源。
在一些实施方式中，由于地理区域内的多个正交波束域中的资源的再利用，接入点潜在地能够相对于现行通信制度以有限的信号干扰来处理更多终端。实际上，可以增加总频谱效率。此外，例如由于使用具有高方向性的窄正交波束，功率效率会相对较高。
本发明的实施方式提供正交波束域多用户MIMO(Multi-user MIMO，Mu-MIMO)阵列。这种类型的阵列通过正交波束域来发送和接收信号。在正交波束域中，围绕天线阵列的角域的一部分——其可以对应于例如蜂窝式扇区的完全角域——被分解成彼此正交的多个相对窄的波束。例如，这些波束可以在仰角方向和方位角方向中的一者或两者上是相对窄的。例如，波束主瓣可以跨越1°至10°的角域。本发明的实施方式还可以包括相互独立地操作这些波束中的每一个波束或者相互独立地操作与不同的正交信道对应的不同波束组。由于这些波束相互正交，所以能够以正交波束和/或正交信道之间有限量的干扰来执行独立操作。
本发明的实施方式提供一种用于产生一组具有相对低的波束耦合因子的定义明确的高增益正交波束的大规模MIMO架构。正交波束被配置成覆盖所计划的通信空间的主要部分或者基本上覆盖所计划的通信空间的整个2D角域。由于每个波束以低的波束耦合与其他波束正交，所以这些发送波束可以被视为本质上独立且相对不相关。在一些实施方式中，使用针对用户链路明确定义的正交波束由此可以便于波束正交性、终端之间的低干扰以及所有终端分布场景中的可接受的波束方向图。
本发明的实施方式提供了一种空间上复用信道的适配性高层次Mu-MIMO通信制度。信道可以适配性地被限定有例如灵活的大小或正交信道。信道大小可以至少部分地对应于用于形成信道的正交波束的数量。适配性可以是针对所观测到的无线电传播环境、终端的地理分布、等等。
本发明的实施方式包括对于各种系统用户(终端)监视波束功率分布。基于所监视的波束功率分布，可以分配信道大小和波束以供各种终端使用。这样，可以分配信道大小和波束分配以与当前无线电传播环境和用户(终端)的分布概况相匹配。
本发明的各种实施方式包括限定用于为终端提供服务的本征波束和本征波束方向图。这样的本征波束可以对应于正交波束域中的波束的加权组合。特别地，加权组合使得根据从系统矩阵
Figure GDA0001443414950000061
的对应本征向量得到的权重来相对于波束功率对每个波束进行加权，所述系统矩阵是从对应用户k的信道矩阵Hk得到的。在各种实施方式中，可以基于本征波束方向图的功率比来执行对供相应终端使用的正交信道的选择。
本发明的各种实施方式可以用于例如半双工或全双工配置下的上行链路通信、下行链路通信或者两者。如本领域中的普通技术人员容易理解的，由于天线互易性，无论天线正在发送或接收，各种系统天线的电气特性可以是等同的。这样，虽然本发明的各种所描述的实施方式涉及从接入点到一个或更多个终端的下行链路传输，但是各方面诸如波束成形和波束选择可以适用于促进从终端到接入点的上行链路传输。
图2示出了根据本发明的实施方式的无线通信系统。该系统包括为预定大小和形状的地理区域200提供服务的接入点或基站210。该接入点210包括用于便于Mu-MIMO通信制度的天线阵列215。地理区域200内的各种终端220通过Mu-MIMO无线电通信来在通信上耦接至该接入点210。该系统包括波束控制器225、波束选择器230，在一些实施方式中，该系统还包括诸如竞争解决模块235的模块。在一种示例性实施方式中，例如，波束控制器225、波束选择器230和竞争解决模块235可以主要位于接入点210内，例如使用在工作上耦接至RF部件的计算机设备来实现的接入点210。然而，应当注意的是，这些模块可以被分布在无线通信和支持设备的不同部件内。例如，这些模块的一些功能可以由终端220的计算机和/或RF设备来提供。作为另一示例，这些模块的一些功能可以被提供在耦接至接入点210的核心网络212内的计算机设备内。这样，虽然该系统总体上提供这些模块的功能，但是提供这样的功能的系统部件的精确位置和身份可以变化。例如，接入点(基站)可以被配置成基于可以由终端获得并从终端发送至基站的信道状态信息来执行波束选择操作。接入点可以包括波束控制器225、波束选择器230和竞争解决模块235。
图3A和图3B分别示出了被配置成经由多个波束例如所示出的波束305、307、310、315、317、320与地理区域中的终端进行通信的天线阵列300的正视图和俯视图。虽然波束被示出为锥形区域，但是应当容易理解的是，每个波束可以对应于具有预定量的方向性、主瓣、旁瓣等的辐射方向图。在各种实施方式中，辐射方向图期望地包括一个主瓣以及相对高的方向性。天线阵列300可以是例如大规模MIMO或Mu-MIMO阵列，并且方位角方向和仰角方向上的数量增加的阵列元件可以分别便于增加方位角方向性和仰角方向性。如图所示，不同的波束沿不同的仰角方向和方位角方向被定向。例如，与波束307和310相比，波束305被以较高的仰角定向，从而在一些场景中可能地到达位于与阵列300相距较大距离处的终端。虽然波束310在仰角方向上与波束305和307交叠，但是波束310可以沿基本上不同的方位角方向定向，从而提供波束分离。作为又一示例，波束315、317和320以不同的方位角定向。此外，虽然波束320可以与波束315和317中的一者或两者交叠，但是波束320可以以与波束315和317中的一者或两者不同的仰角被定向。这样，可以实现波束的行的交错。
这样，围绕天线阵列300且与由天线阵列300服务的地理区域基本上一致的空间区域可以被分解成多个角度子区域。每个角度子区域对应于在仰角方向和方位角方向两者上不同的角度范围。此外，至少一些角度子区域的边缘部分可以与相邻角度子区域的边缘部分交叠。然而，在各种实施方式中，期望每个角度子区域包括与相邻角度子区域不交叠的中心部分。另外，波束可以被配置成限制相邻角度子区域之间的边缘部分交叠量。波束的相邻行或弧之间的交错会便于边缘部分交叠的这种限制。例如，假定视线条件，通过外插从天线阵列延伸穿过角度子区域的一组线段，每个角度子区域会潜在地与地理子区域相关联。
在各种实施方式中，如本领域中的普通技术人员容易理解的，天线阵列300可以被控制以通过使用各种波束成形方法学来提供期望的波束方向图，例如通过使用幅度和相位的特定组合来激励给定天线阵列中的各种天线元件以产生期望的合成波束辐射方向图。可以使用以适当的方式驱动的适当的波束成形子模块来产生期望的波束方向图。可以鉴于例如当前信道条件来动态地调整波束成形。
图4示出了根据本发明的实施方式提供的波束控制器。波束控制器包括波束成形子模块410，波束成形子模块410被配置成控制MIMO天线阵列420的操作以提供期望的波束空间方向图。例如，对于下行链路方向，波束成形子模块410可以控制要被发送至天线阵列420的各种元件的信号的路由，并且另外地可以控制被路由至天线阵列420的各种元件的这样的信号的各个部分的相位和幅度。为了便于该操作，波束成形子模块可以被提供有阵列参数425例如与天线元件的物理特性有关的参数。阵列参数可以被存储在存储器中或者被提供为波束控制器的固定特征。波束成形通常能够以各种方式来实现。配置子模块430可以提供由波束成形子模块使用的高级参数，例如要分配给每个波束的功率量、波束数量、个体或集体波束宽度、对波束交叠或波束耦合的限制、等等。
在各种实施方式中，测量和/或接收当前信道条件、终端分布等的测量结果的信道测量模块435可以将信道状态信息(channel state information，CSI)传递至波束成形子模块410以供使用。例如，CSI可以对应于或用于构造整个Mu-MIMO信道矩阵的项。如本领域中的普通技术人员容易理解的，对于具有p个阵列天线端口和n个终端端口的Mu-MIMO系统而言，p×n信道矩阵Hpn是满足等式y＝Hpn x+z的复值矩阵，其中，x是发送向量，y是接收向量，以及z是噪声。从而，信道矩阵的项hij反映发送向量和接收向量的元素之间的幅度和相位关系。作为非限制性示例，每个终端可以包括单个天线端口。CSI可以包括表示MIMO系统的两个给定端口之间的信号传播的瞬态和/或统计CSI。可以经由无线通信从终端接收CSI。
图5示出了根据本发明的实施方式的与Mu-MIMO系统的给定终端或用户k对应的波束选择器的一部分。波束选择器的总功能是从所有波束的集合中选择要用于接入点与终端k之间的通信例如从接入点到终端的信号传输的波束的子集。对于每个终端k而言，可以重复所示出的部分的功能，以整体上提供波束选择器。波束选择器的操作可以以各种方式来执行，并且本文中给出的操作的顺序说明了一种这样的方式。
在一些实施方式中，收发器模块可以被配置成执行矩阵操作以通过天线阵列发送数据。可以与Mu-MIMO系统的其他预编码操作——如本领域中的普通技术人员容易理解的预编码操作——类似地来执行这样的矩阵操作。包含供传输的数据的信号可以以期望的幅度和相位调整来被路由至各种期望的阵列元件，以将不同的信号分配给期望的波束。对于接收而言，从各种阵列元件接收的信号可以类似地与所进行的幅度和相位调整相结合以重构来自各种终端且与各种波束对应的信号。
波束选择器部分包括信道条件估计子模块510，信道条件估计子模块510被配置成例如基于从终端k接收的CSI报告来估计相对于该终端k的CSI。例如，CSI可以对应于或者用于构造涉及终端k的MIMO信道矩阵的项，其中终端k的MIMO信道矩阵在本文中被表示为Hk。在一些实施方式中，Hk与整个Mu-MIMO信道矩阵Hmn相关是在于：删除Hmn的涉及除了终端k之外的终端的端口的所有列来产生Hk。可以在某些假设下进行CSI估计，例如在下行链路情况的假设下、在发送功率对天线阵列的所有端口的等同分配的假设下、在终端的接收器天线的单位增益的假设下等等。信道条件估计子模块510可以引入波束控制器的参数512、由信道测量模块435提供的参数515等。参数512和参数515可以被存储在存储器中或者经由信号从其他模块提供。
波束选择器还包括功率确定子模块，功率确定子模块被配置成确定表示终端k所看到的Mu-MIMO阵列的每个波束中的总功率的值。例如，功率确定子模块可以被配置成确定表示终端k的系统矩阵的频谱的至少一部分的值，所述系统矩阵由
Figure GDA0001443414950000091
定义，其中，上标H表示共轭转置操作。在该上下文中，频谱可以指代系统矩阵的频谱分解或本征分解。例如，可以确定终端k的系统矩阵的本征向量EVi的本征值
Figure GDA0001443414950000092
和幅度，其中，i对所述系统矩阵的所有r个本征值进行索引。此后，终端k的波束j的总功率——表示为Pk(j)——可以对应于i从1到r进行的求和。
Figure GDA0001443414950000093
其中，EVi(j)是第i个本征向量EVi的第j个分量。
波束选择器还包括波束选择规则实现模块530，波束选择规则实现模块530被配置成基于表示终端k所看到的Mu-MIMO阵列的每个波束中的总功率的值Pk(j)来从波束的集合中选择用于与终端k进行通信的波束子集。例如，可以基于预定的规则集合来选择有限数量的功率相对较高的波束。规则集合可以包括将波束功率或者波束功率的总和与阈值参数Pmin 535进行比较以及例如选择数量有限或无限的其功率大于阈值参数的波束或者选择基本上最小数量的其功率相对最高的波束使得所选择的波束的总和功率大于阈值参数。
在各种实施方式中，系统矩阵包括至少一些实质非对角线分量。这样，多个波束可以以潜在非平凡方式将功率的实质量递送至每个终端。
在各种实施方式中，在对于多个终端进行波束选择之后，会存在共享一个或更多个波束的一些终端集合。这样，可以将波束选择提供给竞争解决模块550，所述竞争解决模块550被配置成对接入点与这些集合中的每一个的终端之间的通信进行调度以限制用户间干扰。如本领域中的普通技术人员容易理解的，这样的调度可以包括多址接入技术如频分、时分和码分等或者其组合。值得注意的是，被分配给第一终端的频率、时间和/或代码资源可以被重新分配给第二终端，只要第二终端被分配给与第一终端不同的波束集合即可。这基于波束使用情况来提供资源的空间再利用。
在一些实施方式中，可行的是，第一终端可以与第二终端共享至少一个波束，以及第二终端可以与第三终端共享至少一个不同的波束。然而，第三终端可以不与第一终端直接共享任何波束。在这样的情形下，竞争解决模块会被要求分配不同的频率、时间和/或代码资源以供第一终端和第二终端使用，并且还分配不同的频率、时间和/或代码资源以供第二终端和第三终端使用，同时可以允许第一终端和第三终端使用相同的频率、时间和/或代码资源。这样，在一种实施方式中，可以如下进行竞争解决。对于每个波束，定义在共享该波束的所有终端之间分配资源的竞争解决机制。此外，可以并行地以及以潜在协作的方式来操作用于每个波束的竞争解决机制。
技术处理
为了阐明起见，下面提供本发明的某些实施方式的技术处理，特别是涉及下行链路通信方向。在下面的讨论中，将给出上面所讨论的实施方式的操作的数学基础以更好地帮助理解这些实施方式的操作。
定义静态MIMO信道矩阵，该静态MIMO信道矩阵通过Hpn使N(还被表达为小写字母n)个终端与具有p个端口的发送天线阵列相关，Hpn是具有项hij的p×n矩阵。
使M(也被表达为小写字母m)表示由发送矩阵天线使用波束成形矩阵Bmp产生的正交波束的总数量。那么，可以根据波束成形系数将信道矩阵转换成波束域耦合矩阵Hmn：
Hmn＝Bmp·Hpn。
假定加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)，确定性的MIMO信道的信道容量的测量可以被表达为：
Figure GDA0001443414950000101
其中，求和索引i为从1到r，ρ＝Pave/N0是平均信噪比，Pave是功率约束，Tr(RSS)＝M，以及Λii是协方差矩阵
Figure GDA0001443414950000102
的本征向量分解(eigenvector decomposition，EVD)的第i个本征值。RSS是表示所有波束的功率分布的对角线矩阵，以及I是适当的单位矩阵。
初始地，信道H对发送器而言可能是未知的。出于对于每个终端进行波束选择的目的，本发明的实施方式可以被配置成假定发送功率基本上均等地分布在发送波束之间。从而，假定RSS＝(Pave/M)I。因此，单个终端——标记为终端k——的信道矩阵被简化成：
Figure GDA0001443414950000103
其中，Hk是终端k的信道矩阵，平均信噪比ρ0＝GtρGr，以及Gt和Gr分别表示发送器和接收器的定向天线增益。在假定接收器天线增益为一即Gr＝1的情况下，则终端k的容量可以被表达为：
Figure GDA0001443414950000104
其中，求和索引i为从1到r，
Figure GDA0001443414950000105
表示终端k的信道矩阵的第i个本征值，以及信道矩阵秩为r。根据本发明的实施方式，对于每个终端k而言，波束j的总功率——表示为Pk(j)——可以根据已经指出的公式(2)被表达为所有本征信道的贡献的和。就每个终端k而言，所得到的函数Pk(j)可以被理解为整个波束域上的功率分布。
波束选择
对于具有大量元件使得所产生的正交波束的数量M可以显著大于终端N的数量的潜在大的天线阵列而言，总功率的相当大的部分会被分布在波束的总数的相对小的比例上。作为非限制性示例，少于五个波束可以包括被分配用于传输至给定终端的总功率的超过50％的功率。为了实现期望的性能等级，本发明的实施方式被配置成为每个终端链路选择有限数量或可能最小数量的波束。在各种实施方式中，波束选择基于功率准则。具体地，在Pk(j)函数的意义上，优先于包含用于终端k的较低功率水平的波束，选择包含用于终端k的较高总功率水平的波束。所选择的波束数量可以被限制成小于或等于波束的预定阈值数量、总和功率超过预定阈值功率水平的基本上最少波束数量、等等或者其组合。然后，所选择的波束被用作链路路径的一部分。根据实施方式，当波束的数量有限时，可以降低有效天线增益和多用户干扰(multiuser interference，MUI)两者。
在一些实施方式中，波束选择包括：选择相对于终端k呈现在Pk(j)函数的意义上其总功率超过预定阈值等级Pmin％的所有波束或预定数量的波束。当有限数量的波束被选择时，有利于具有相对较低功率的波束，可以选择具有相对最高功率水平的波束(但仍然超过阈值水平)。可替代地，可以使用另一准则从所有波束中选择其总功率超过阈值的波束。
在一些实施方式中，波束选择包括：选择有限数量或者甚至最小数量的最高功率水平的波束使得所选择的波束的总功率的和超过预定阈值等级Pmin％。例如，可以选择波束的集合以包括在用于与终端k链接的波束的集合S中，使得该选择包括满足以下要求的基本上或近似最小数量的波束：
Σj Pk(j)>Pmin％，
其中，所述求和以关于属于S的j为索引。例如通过选择最高功率波束以将其包括在集合S中，每次一个，直到满足总和功率要求为止，可以实现最小数量的波束。
作为已进行的至少一定的模拟的结果，在典型的多路径环境中并且根据本发明的某些实施方式，当阈值等级Pmin％被设置在大约45％至大约60％之间时，每个终端可以需要一至三个波束。
在各种实施方式中，为了提供期望的性能等级，可以根据Pk(j)值为每个终端k以及每个所选择的波束j分配发送功率。例如，发送功率可以对应于Pk(j)值，或者对应于通过预定常数进行了缩放的Pk(j)值，等等。
多用户干扰
在本发明的实施方式中，每个终端利用空间上独立于其他终端的数量有限的波束。需要使用交叠波束的用户终端可能会需要使用其他正交资源例如由时分、频分提供的正交资源或者使用用于信道分分离的正交代码。由于波束是正交的，所以可以通过波束耦合因子(Beam Coupling Factor，BCF)来适当地表征终端之间的干扰。具体地，可以将两个终端(k,l)之间的多用户干扰(Multi-User Interference，MUI)因子表征为与这两个终端的有源波束之间的BCF对应：
Figure GDA0001443414950000111
其中，分别根据i从1至M以及j从1至N对外部求和以及内部求和进行索引，M和N是终端k和l的有源波束的数量，Ei和Ej表示球面坐标系中的第i个波束和第j个波束的电场方向图，即，将其表示为方位角θ和仰角的函数，以及
Figure GDA0001443414950000113
是积分Ω的角变量。对于更多细节，例如在诸如以下的参考文献中描述了可比较的波束耦合因子度量：“On CrossCoupling in Multiple-Beam Antennas(多波束天线中的交叉耦合)”，S.Stein，关于天线和改革的IRE学报，第10卷，第5期，第548至558页，1962年9月；以及“Phased Array AntennaHandbook(相控阵列天线手册)”，R.J.Mailloux，Artech House，波士顿，伦敦，1994。
在一些实施方式中，当两个波束对应于公式(3)中的使得对于整个BCF基本上贡献为零或者至少贡献低于预定阈值——通常接近于零——的被加数时，这两个波束被视为基本上不耦合。在各种实施方式中，正交波束基本上以成对方式彼此不耦合。
在例如如以上所描述的执行每个终端的波束分配之后，Mu-MIMO的总信道容量可以被表达为：
Figure GDA0001443414950000114
其中，求和索引i为从1到r。在此，可以根据终端波束选择来修改波束域信道矩阵。在该修改的信道矩阵中存在两种不同类型的项：有源波束元素和耦合波束元素。当m是用户n的有源波束时：
Hmn＝Bmp·Hpn。
否则：
Figure GDA0001443414950000121
其中，M是终端n的有源波束的总数量。协方差矩阵RSS表示根据本文中其他地方所描述的波束选择方案得到的所有终端的波束域中的信号功率分布。λi是第i个本征值，以及
Figure GDA0001443414950000122
是第i个本征向量系统矩阵
Figure GDA0001443414950000123
的阵列增益。在各种实施方式中，可以使用本征向量i的阵列激励函数来确定阵列增益
Figure GDA0001443414950000124
j＝1,…,P个端口，
其中，Wi(j)是第i本征模式的第j天线阵列辐射元件的激励函数。鉴于上述，应当注意，本发明的各种实施方式可以提供利用本文中所确定的正交波束域的特定属性以实现地理无线服务区域例如但不一定限于蜂窝式扇区的灵活的高层次分区的Mu-MIMO方案。该构思可以被用于当前标准的三扇区蜂窝式网络以及未来的无线蜂窝式或非蜂窝式网络。
天线阵列配置
本发明的多个方面包括或者利用被配置成形成具有不同的辐射方向图的多个正交无线电波束的天线阵列。所述多个辐射方向图可以共同跨越由接入点服务的预定地理区域，例如所述多个辐射方向图中的每一个辐射方向图包括主瓣的中心部分，各主瓣的中心部分相互不交叠。在一些实施方式中，例如，如在示出了与天线阵列的32波束正交波束域对应的示例性波束方向图的图1中先前示出的，各个主瓣的各个中心部分在空间上以其相邻的行呈对角线偏移的网格图案布置。波束的总数量可以例如根据操作频率和阵列大小而变化。
图1的波束方向图沿着仰角方向和方位角方向延伸。在一些实施方式中，该方向图可以被解释为透过基本上平行于天线阵列定向的矩形空间片所看到的波束方向图。在一些实施方式中，该方向图可以被解释为透过基本上平行于天线阵列沿仰角方向延伸且距天线阵列基本上等距的圆柱形、椭球形或球形空间片的弓形部分所看到的波束方向图。该天线阵列可以以平面形状、圆柱形形状或其他适当的形状被布置。假定终端驻留在天线阵列周围的平坦地理区域中，所示出的波束方向图可以投射到该地理区域上，使得不同的波束到达该地理区域的不同部分。例如，该方向图的下部中的波束可以较陡峭地向下成角度以到达该地理区域的较靠近天线的部分，而该方向图的上部中的波束可以较不陡峭地向下成角度以到达该地理区域的较远离天线的部分。该方向图的边上的波束可以到达该地理区域的径向边缘上的部分，而该方向图的中心内的波束可以到达该地理区域的径向中心内的部分。
在各种实施方式中，应当注意的是，无线电波束以空间方向图被分布，使得波束被分配在空间中以沿不同的空间方向辐射，而不是被明确地定向到相应终端。这样，如果两个或更多个终端处于类似的位置或类似的情形，即其中这两个或更多个终端中的每个的最高功率波束的集合包括集合之间所共用的一个或更多个波束，则它们可以共享波束。此外，可以避免或减少当多个终端进入/退出和/或穿过网络时跟踪所述多个终端的波束成形调整。对于每个终端，基于波束功率准则来选择给定波束的子集，例如选择有限数量的最高功率波束来用于与该终端进行通信。
为了有效地提供波束的期望的布置以及相关联的辐射方向图，天线阵列的元件可以以特定图案配置。在一些实施方式中，图案可以是偏移网格图案。天线元件的偏移网格图案可以便于波束的对应的偏移方向图的实现。特别地，在各种实施方式中，根据沿方位角方向和仰角方向延伸的图案来将天线元件在空间上布置在阵列中，其中，该图案包括下面特征中的一者或两者：在方位角方向上相邻的至少两个天线元件在仰角方向上对角线地偏移；在仰角方向上相邻的至少两个天线元件在方位角方向上对角线地偏移，或者上述两者的组合。图6A示出了这样的阵列配置的示例。所示出的阵列配置对应于多列多波束阵列架构。所示出的阵列包括在空间上以偏移矩形阵列分布的多个有源辐射元件。元件的该布置使得相邻的元件在水平方向和竖直方向两者上偏移，但是某些组的非相邻元件可以水平地或竖直地对准。在图6A的示例中，提供了四个交错的矩形网络阵列，但是在其他实施方式中可以提供更多或更少数量的交错阵列。每个元件网格与每个其他元件网格之间水平地及竖直地偏移，并且每个元件网格在内部包含水平地和竖直地对准的规则间隔元件。例如，示出了四个元件605、610、615、620，每个属于不同的元件网格。如所示，四个元件605、610、615、620彼此水平地和竖直地相互偏移。此外，由这四个元件形成的图案以规则网格图案水平地和竖直地重复以提供四个交错的阵列。
图6B示出了根据本发明的一些实施方式提供的另一示例性阵列配置。所示出的阵列配置对应于具有多行650元件655的二维阵列。相邻的行650是偏移的，以例如使得一行中的元件655的中心线657延伸落入相邻行中的元件655之间。每行650中的元件655基本上沿与朝向其他行的方向垂直的方向对准。观看图6B的阵列的替选方式在于其包括两个交错的阵列，其中，每个阵列包括规则网格图案中的元件，这两个阵列以如下方式交错：一个阵列的相邻行由另一阵列的行隔开并且这两个阵列相对于规则网格图案彼此对角线地偏移。
偏移阵列中的列的数量和行的数量可以变化并且不一定必须彼此相等。可替代地，在一些实施方式中，可以使用无源辐射元件来提供较小尺寸的阵列。例如，在一种实施方式中，可以用无源元件代替该阵列中的有源辐射元件中的至少一些。图6A所示出的辐射体交替地沿方位角方向和仰角方向在行与列之间偏移。辐射体的这种偏移可以相对于非偏移配置在两个方向上提供改进的低波束耦合波束方向图。可替代地，阵列元件可以如图6B一样仅沿着一个方向偏移，或者阵列元件可以以非偏移配置例如矩形网格配置或者其他配置进行布置。
在各种实施方式中，如图6A和图6B所示，天线阵列包括多组天线元件，每组天线元件以沿两个方向如方位角方向和仰角方向延伸的相应的规则网格图案进行布置，使得规则网格图案被交错并且每个规则网格图案关于这两个方向与每个其他规则网格图案对角线地偏移。每个规则网格图案可以对应于元件的子阵列，并且交错会导致每个子阵列的元件在整个阵列内不相邻。例如，如图6B所示，可以具有第一组天线元件和第二组天线元件，其中，第一组天线元件对应于奇数行650元件的集合，并且第二组天线元件对应于偶数行650元件的集合。如图6A所示，可以具有第一组天线元件、第二组天线元件、第三组天线元件和第四组天线元件，其中，第一组包括第一元件605以及与其水平地和竖直地对准的所有元件，第二组包括第二元件610以及与其水平地和竖直地对准的所有元件，第三组包括第三元件615以及与其水平地和竖直地对准的所有元件，第四组包括第四元件620以及与其水平地和竖直地对准的所有元件。在替选实施方式中，省略这四组中的一组。
在各种实施方式中，可以从各种类型的宽带辐射体如宽带贴片天线或偶极子中选择天线阵列的辐射元件。阵列中的辐射元件的列和行的总数量会根据天线阵列需求而变化。例如，可以使用在方位角方向上具有较多列的阵列来产生具有较窄的方位角半功率波束宽度(Half-power Beamwidth，HPBW)的较多波束，这会是在本发明的各种实施方式中所期望的。较多的方位角波束可以提供形成灵活的正交波束信道的较多的自由度。另外，在一些实施方式中，较窄的波束会导致较低的发送功率需求，并且会产生较高的功率效率。
在一些实施方式中，当例如如图6A所示天线元件被实现为正方形或矩形元件时，正方形或矩形天线元件的边可以相对于仰角方向和/或方位角方向以一定角度例如45°角度定向。这会便于该偏移配置内的天线元件的期望的间隔，这是因为在该布置中会减轻相邻天线元件的角交叠。
在各种实施方式中，可以提供波束的空间布置——例如包括波束的偏移行或列——以实现改进的波束正交性和低波束耦合因子(beam coupling factor，BCF)中的一者或两者。在各种实施方式中，还可以提供该阵列中的天线元件的空间布置——例如包括元件的偏移行和/或列——以改进波束耦合因子(beam coupling factor，BCF)。
在一些实施方式中，例如通过核心网络中的计算机或者与接入点或基站相关联的计算机来集中执行波束选择以及辅助测量和计算。在其他实施方式中，至少部分地以分布式方式——例如通过将某些测量和/或选择任务分配给各个终端——来执行这样的任务。例如使用无线链路的控制信道来执行波束选择信息和/或遥测信息的传送。
一般而言，应当理解的是，包括接入点/基站、核心网络计算硬件、MIMO天线控制硬件、无线终端等的无线通信系统将集体地包括一组元件如微处理器、用于存储程序指令和其他信息的存储器元件、通信基础设施、传感器和遥测信息获取元件、有源和无源无线环境和信道质量测量装置、等等。因此，可以通过彼此协同地操作这些元件来以各种方式实现本发明的实施方式。
本发明的各种实施方式涉及一种实现以产生一组具有基本上低的波束耦合因子的基本上正交的波束。通常，可以使用具有由正交波束成形器如快速傅里叶变换(Fast-Fourier-Transform，FFT)算法或具有统一的锥度的巴特勒矩阵等等同地产生的幅度和相位的激励来产生多个正交波束。然而，由于统一的锥度，这样的波束成形器的所得到的波束方向图往往具有高的旁瓣(-13dB)，由于差的方位角波束方向图，这会导致差的BCF。使用幅度锥度可以减少方向图旁瓣；然而，这会导致波束正交性的严重损失。实际上，相信难以提供能够产生同时满足正交性和低波束耦合因子准则两者的一整组2D波束方向图的激励函数。
鉴于上述，例如分别如图6A和图1所示，本发明的实施方式提供使用具有天线元件的偏移图案的阵列以及对应的具有波束的偏移行的波束方向图。在一些实施方式中，可以操作这些阵列架构以使用具有统一幅度锥度的激励在2D空间中产生基本上正交的波束。在一些实施方式中，可以使用偏移波束布置将这些正交波束之间的波束耦合因子减小至合理可接受的水平，例如减小至低于-17dB的水平。
范例实现
图7A和图7B分别示出了根据本发明的实施方式的8波束正交波束域阵列和40波束正交波束域阵列的可能的正交波束信道。在图7A的8波束情况下，使用8个正交波束将±65°扇区分解成三个正交信道：信道#1包括三个波束L4、L2和R3，信道#2包括两个波束L3和R4，以及信道#3包括三个波束L1、R1和R2。在图7B的40波束的情况下，正交波束域包括±65°扇区内的总计34至36个波束。在这种情况下，也存在与波束的三个不相交的群组750、755、760对应的总计三个正交波束信道。作为示例，这三个信道可以用于服务至少四个终端。这样，一个信道可以由两个终端共享，例如，通过对共享信道内的正交资源进行进一步共享。如在图7B的40波束情况下明显的，较大数量的波束导致更多波束可用于另外的正交波束域。相反，在图7A的8波束情况下，用尽了所有波束，这对于大规模的实现而言会不足够。在任一情况下，通常，2至3个正交波束会足以形成正交信道。此外，应当注意的是，特定信道的波束不一定必须是相邻的波束，而是可以从宽角度间隔上的扇区内选择。
在各种实施方式中以及如本文中其他地方所指出的，针对终端进行的波束选择至少部分地基于该终端的无线信号传播特性，例如如至少部分地由MIMO信道矩阵所表示的。更特别地，针对每个终端进行的波束选择可以通过检查所有波束上的功率分布来实现。根据实施方式，可以仅通过少量波束来发送总功率的大部分。这样，基于预定百分比功率准则来选择具有较高功率比的这些有限数量的波束来用于与每个终端进行通信。
图8A示出了如图7B所示且用于服务4个终端的本发明的40波束实施方式的典型的本征波束方向图的示例。阵列的方向性被示为方位角的函数。作为方位角的函数的方向性增益可以遵循类似的方向图。如所示，整个信号的扩展角(θ)相对较宽，例如几乎包括整个±65°扇区。示出了两个不同的本征波束的方向图810和820。图8B示出了两种情况的仅给定终端(UE3)的本征波束方向图中之一：第一方向图830对应于其中波束选择操作中的Pmin参数被设置成100％的情况；第二方向图840对应于其中波束选择操作中的Pmin参数被设置成60％的情况。60％值和100％值对应于来自所使用的波束的组合的总发送或接收功率。如由迹线840的两个峰所示，如果总功率需求被设置成总功率的60％，则服务UE3的波束的数量可以减少至2。这样，两个波束可以提供UE3所看到的功率的至少60％。虽然图8B示出了本征波束方向图中仅之一，但是应当注意的是，特定终端的正交信道的合适的波束选择会需要检查关于所有本征波束方向图中的所有波束的功率分布。为了比较，在图8A和图8B中还示出了统一辐射方向图，其对应于其中天线阵列的所有辐射元件使用在方位角方向上相等的幅度和相位来激励的基准波束。
在各种实施方式中，应当注意的是，使用降低的功率准则减少波束的数量不一定代表功率的损失。这是由于例如以下事实：随着以本文中其他地方所描述的方式减少波束的数量，信道的方向性有效地提高。
作为示例，图9示出了用于正交波束选择Mu-MIMO阵列的本发明的例如如图7B所示的40波束实施方式的过量增益，其中本征波束具有100％和50％或60％功率比。过量增益对应于与单个辐射元件的增益相比的天线增益。如图9所示，通过将总波束从100％减少至50％或60％，即通过将足够的波束移除以将功率减少至总功率的50％或60％，过量增益可以增大至4dB。这尤其适用于下行链路，因为所有发送功率将被引向波束的缩减的子集。因此，在各种情况下，会存在较少功率损失或不存在功率损失。根据实施方式，由于本征波束的整个辐射方向图方向性的增加，会期望性能的净增益。本征波束可以表示使用具有不同的加权值的正交波束的组合的特定空间复用模式的辐射波束方向图。每个本征模式与其他模式正交。可以重复类似的处理以确定用于其他终端的正交信道的波束。
根据实施方式，本文中所描述的信道的正交化可以潜在地显著降低终端之间的干扰。此外，由于用于每个终端的传输波束的数量的减少以及因此由于每个终端的方向性的对应提高，还可以提高波束效率。图10示出了根据本发明的某些实施方式会出现且可以对应于服务四个终端的40波束情况的上述示例的速率的总和的增加。如所示，下迹线1010表示考虑MUI的所有影响的所有四个终端的总速率，中间迹线1015表示当使用Pmin＝100％功率准则时所有四个正交化终端的总速率，以及上迹线1020表示当使用Pmin＝50％功率准则时所有四个正交化终端的总速率。
本发明的各种实施方式可以涉及或包括下文将描述的另外的细节。
参照图11，提供了一种用于接入点与位于由该接入点服务的预定地理区域中的一组终端之间的无线电通信的方法。该方法包括：控制1110天线元件阵列以建立与多个辐射方向图分别对应的多个无线电波束，其中，所述多个辐射方向图彼此在空间上不同，并且其中，所述多个无线电波束相互正交。该方法还包括：对于所述一组终端中的每一个终端，选择1120所述多个无线电波束的子集以用于所述一组终端中的该终端与接入点之间的通信。
本发明的实施方式涉及一种用于接入点与位于由该接入点服务的预定地理区域中的一组终端之间的无线电通信的方法，该方法包括：控制与该接入点相关联的天线元件阵列以建立多个相互正交的无线电波束，所建立的多个无线电波束中的每一个无线电波束对应于多个辐射方向图中的相应的一个辐射方向图，所述多个辐射方向图中的每一个辐射方向图在空间上不同于所述多个辐射方向图中的其他辐射方向图；以及选择所述多个无线电波束的子集以用于所述一组终端中的一个终端与该接入点之间的通信。通信可以是单方向的上行链路通信或下行链路通信，或者双向通信。本发明的实施方式涉及根据上述方法所配置的无线通信系统和/或接入点。
本发明的实施方式涉及一种用于接入点与位于由该接入点服务的预定地理区域中的一组终端之间的无线电通信的方法，该方法包括：控制与该接入点相关联的天线元件阵列以建立多个相互正交的无线电波束，所建立的多个无线电波束中的每一个无线电波束对应于多个辐射方向图中的相应的一个辐射方向图，所述多个辐射方向图中的每一个辐射方向图在空间上不同于多个辐射方向图中的其他辐射方向图；以及选择所述多个无线电波束的子集以用于接收来自所述一组终端中的一个终端的信号。从而，无线电波束和对应的辐射方向图可以是通过该接入点所看到的无线电波束和辐射方向图，例如根据由该接入点执行的接收器波束成形所确定的无线电波束和辐射方向图。通过天线互易性，接收的无线电波束和对应的辐射方向图可以表现得类似于本文中其他地方所讨论的发送的无线电波束和辐射方向图。
本发明的实施方式可以另外包括使用所选择的所述多个无线电波束的子集或选择所述多个无线电波束的另一子集用于将信号传输至所述一组终端中的所述一个终端或所述一组终端中的另一个终端。这样，所选择的所述多个无线电波束的子集可以用于将信号传输至终端，从终端接收信号或两者的组合。本发明的实施方式涉及根据上述方法所配置的无线通信系统和/或接入点。
在各种实施方式中，在接入点处使用大量有源天线元件，例如与使用大规模MIMO阵列一致，可以增强无线电能量集中在较小的立体角上。例如，由于无线电波束被集中至期望的位置，所以这相对于辐射能量效率和总频谱效率会引起显著的性能改进。波束分离还可以用于便于空间复用。
在各种实施方式中，相对于现行系统，本文中所配置的天线阵列如大规模MIMO阵列可以用于提供功率高效的通信方法。现行基站天线阵列通常在相对大的角域中沿方位角进行辐射，例如提供大约±65°与±90°之间的半功率波束宽度(Half-Power Beamwidth，HPBW)，以实现必要的信号覆盖。这转而需要相对高的发送功率。大规模MIMO技术可以根据较高的阵列增益和分集效果来提供改进的功率效率。此外，使用随之产生的大规模MIMO阵列，本发明的实施方式可以被配置成使用方位角方向上的较大范围，并因此显著地减小方位角波束宽度。例如，该范围可以与MIMO阵列的天线的数量有关。因此，MIMO天线阵列的总方向性会高于现行标准的基站天线的总方向性。这还会显著地降低所需发送功率并且提高总功率效率。
在各种实施方式中，如果接入点例如基站能够通过在给定地理区域例如但不限于蜂窝式扇区中再利用相同的频率、时间和/或代码资源与更多终端进行通信，则可以增加通信容量。本发明的实施方式涉及将扇区细分成具有可以与信号传播环境和用户概况匹配的潜在灵活的信道大小的多个正交信道。这样的实施方式可以包括在地理区域的不同正交信道内再利用正交代码频率时间资源。因此，无线电网络能够应付更多终端，由此潜在地实现总通信容量的增加。
如上面所提到的，本发明的各种实施方式涉及通过使用大量的正交波束将地理区域例如蜂窝式扇区细分成多个正交信道。由于信道正交性以及避免依赖于使用干扰消除方案，该方法被认为较少可能地受制于相干时间或用户相关关系。这可以提供比其他类型的MIMO方案好的操作优势。
在本发明的各种实施方式中，结合适当的检测最小功率准则，通常可以使用少于全部正交波束并且通常使用正交波束中的仅仅少数来有效地服务终端。例如，在一些实施方式中可以使用两个至五个波束。实际上，这利用较小正交扇区的灵活的大小和形状来产生被服务的地理区域的高层次分区。因此，可以在不同的正交波束域中使用相对有效的高增益信道来服务相对大量的终端。
应当明显的是，对于例如每地理区域服务数十、数百或更多用户的大规模多用户MIMO系统，可以实现本发明的实施方式。
通过前面的实施方式的描述，本发明可以通过使用仅硬件或通过使用软件和必要的通用硬件平台来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式来体现。该软件产品可以被存储在非易失性或非暂态存储介质中，所述非易失性或非暂态存储介质可以是光盘只读存储器(compact disk read-only memory，CD-ROM)、USB闪存盘或可移除硬盘。该软件产品包括使得计算机装置(个人计算机、服务器或网络装置)能够执行本发明的实施方式中提供的方法的大量指令。例如，这样的执行可以对应于本文中所描述的逻辑操作的模拟。该软件产品可以另外或可替代地包括使得计算机装置能够执行用于根据本发明的实施方式对数字逻辑设备进行配置或编程的操作的大量指令。
虽然已经参照具体特征和实施方式描述了本发明，但是明显的是，在不偏离本发明的情况下，可以对本发明做出各种修改和组合。因此，说明书和附图应当仅被视为是对由所附权利要求书限定的本发明的说明，并且被设想包括落入本发明的范围内的任何及所有修改、变化、组合或等同操作。

Claims (26)

1.一种用于接入点与位于由所述接入点服务的预定地理区域中的一组终端之间的无线电通信的方法，所述方法包括：
控制与所述接入点相关联的天线元件阵列以建立多个相互正交的无线电波束，所建立的多个无线电波束中的每一个无线电波束对应于多个辐射方向图中的相应的一个辐射方向图，所述多个辐射方向图中的每一个辐射方向图在空间上不同于所述多个辐射方向图中的其他辐射方向图；以及
选择所述多个无线电波束的子集以用于向所述一组终端中的一个终端发送信号；
其中，所述多个无线电波束中的每一个无线电波束具有相应的功率水平，所述功率水平对应于所述多个无线电波束中的一个无线电波束的如下功率贡献量，所述功率贡献量是相对于来自全部所述多个无线电波束的在所述一组终端中的一个终端与所述接入点之间传送的总功率量所做出的功率贡献量，并且其中，选择所述多个无线电波束的子集包括对于所述子集中的成员选择所述功率水平的绝对值或相对值较高的无线电波束；
其中，通过对矩阵Hk·Hk H的频谱分析来得到所述功率水平，或者对于所述多个无线电波束中的给定波束j以及所述一组终端中的所述一个终端k而言，所述功率水平对应于满足下式的值Pk(j)：
Pk(j)＝Σiλi k·||EVi(j)||2，
其中，i是对系统矩阵Hk·Hk H的本征值λi k进行求和的索引；
其中，Hk是终端k的MIMO信道矩阵，EVi(j)是所述矩阵Hk·Hk H的第i个本征向量EVi的第j个分量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述多个无线电波束的子集包括对于所述子集中的成员选择所述功率水平高于以下项中的一者或两者的无线电波束：预定阈值功率水平和所述多个无线电波束的相对功率水平。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述多个无线电波束的子集包括选择所述功率水平的总和超过预定阈值功率水平的最小数量的无线电波束。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预定阈值功率水平是全部所述多个无线电波束的功率水平的总和的预定部分。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：限定多个信道，所述多个信道中的每一个信道对应于所述多个无线电波束的不相交集合；以及使用所述多个信道中的每一个信道与所述一组终端中的不同成员进行通信。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述多个信道中的至少一个信道用于与两个或更多个终端进行通信，所述方法还包括使用多址接入方案在所述两个或更多个终端之间共享所述多个信道中的所述至少一个信道。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个无线电波束的相互正交性对应于所述多个无线电波束中的每一对无线电波束满足与下式对应的正交条件：
Figure FDA0002222320200000021
其中，i是对多个天线元件进行求和的索引，Wi A和Wi B分别是用于产生与所述多个无线电波束中的无线电波束对相对应的波束A和波束B的第i个天线元件的复值激励，ε是被选择成提供期望的正交性的量的预定阈值。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括限制被分配给所述一组终端中的不同成员的所述多个无线电波束的子集之间的波束交叠。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，根据沿方位角方向和仰角方向延伸的图案来在空间上布置所述天线元件阵列，其中，所述图案包括以下项中的一者或两者：
在所述方位角方向上相邻的至少两个天线元件在所述仰角方向上是偏移的；以及
在所述仰角方向上相邻的至少两个天线元件在所述方位角方向上是偏移的。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括对所述多个辐射方向图进行配置使得所述一组终端中的所有终端对k和l的波束耦合因子BCF低于预定阈值，其中，终端k和l之间的所述BCF由下式给出：
Figure FDA0002222320200000022
其中，M和N是终端k和l的有源波束的数量，Ei和Ej表示作为方位角θ和仰角
Figure FDA0002222320200000023
的函数的第i波束的电场方向图和第j波束的电场方向图，Ω是积分的角变量。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括选择所述多个无线电波束的所述子集或者所述多个无线电波束的另一子集以用于接收来自所述一组终端中所述一个终端的或者来自所述一组终端中的另一个终端的另一信号。
12.一种用于接入点与位于由所述接入点服务的预定地理区域中的一组终端之间的无线电通信的无线通信系统，所述无线通信系统包括：
与所述接入点相关联的天线元件阵列；
波束控制器，被配置成控制所述天线元件阵列以建立多个相互正交的无线电波束，所述多个无线电波束中的每一个无线电波束对应于多个辐射方向图中的一个辐射方向图，所述多个辐射方向图中的每一个辐射方向图在空间上不同于所述多个辐射方向图中的其他辐射方向图；以及
波束选择器，被配置成选择所述多个无线电波束的子集以用于向所述一组终端中的一个终端发送信号；
其中，所述多个无线电波束中的每一个无线电波束具有相应的功率水平，所述功率水平对应于所述多个无线电波束中的一个无线电波束的如下功率贡献量，所述功率贡献量是相对于来自全部所述多个无线电波束的在所述一组终端中的一个终端与所述接入点之间传送的总功率量所做出的功率贡献量，并且其中，选择所述多个无线电波束的子集包括对于所述子集中的成员选择所述功率水平的绝对值或相对值较高的无线电波束；
其中，通过对矩阵Hk·Hk H的频谱分析来得到所述功率水平，或者对于所述多个无线电波束中的给定波束j以及所述一组终端中的所述一个终端k而言，所述功率水平对应于满足下式的值Pk(j)：
Pk(j)＝Σiλi k·||EVi(j)||2，
其中，i是对系统矩阵Hk·Hk H的本征值λi k进行求和的索引；
其中，Hk是终端k的MIMO信道矩阵，EVi(j)是所述矩阵Hk·Hk H的第i个本征向量EVi的第j个分量。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，选择所述多个无线电波束的子集包括对于所述子集中的成员选择功率水平高于以下项中的一者或两者的无线电波束：预定阈值功率水平和所述多个无线电波束的相对功率水平。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，选择所述多个无线电波束的子集包括选择所述功率水平的总和超过预定阈值功率水平的最小数量的无线电波束。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述波束选择器还被配置成：限定多个信道，所述多个信道中的每一个信道对应于所述多个无线电波束的不相交集合；以及使用所述多个信道中的每一个信道与所述一组终端中的不同成员进行通信。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述多个信道中的至少一个信道用于与两个或更多个终端进行通信，所述系统还包括竞争解决模块，所述竞争解决模块被配置成使用多址接入方案在所述两个或更多个终端之间直接共享所述多个信道中的所述至少一个信道。
17.根据权利要求12所述的系统，其中，所述多个无线电波束的相互正交性对应于所述多个无线电波束中的每一对无线电波束满足与下式对应的正交条件：
Figure FDA0002222320200000031
其中，i是对多个天线元件进行求和的索引，Wi A和Wi B分别是用于产生与所述多个无线电波束中的无线电波束对相对应的波束A和波束B的第i个天线元件的复值激励，ε是被选择成提供期望的正交性的量的预定阈值。
18.根据权利要求12所述的系统，其中，所述波束选择器被配置成限制被分配给所述一组终端中的不同成员的所述多个无线电波束的子集之间的波束交叠。
19.根据权利要求12所述的系统，其中，所述天线元件阵列包括：
以沿两个方向延伸的第一规则网格图案布置的第一组天线元件；
以沿所述两个方向延伸的第二规则网格图案布置的第二组天线元件，其中，所述第二规则网格图案与所述第一规则网格图案交错，并且所述第二规则网格图案相对于所述两个方向与所述第一规则网格图案对角线地偏移。
20.根据权利要求19所述的系统，所述天线元件阵列还包括：
以沿所述两个方向延伸的第三规则网格图案布置的第三组天线元件，其中，所述第三规则网格图案与所述第一规则网格图案和所述第二规则网格图案交错，并且所述第三规则网格图案相对于所述两个方向与所述第一规则网格图案和所述第二规则网格图案均对角线地偏移。
21.根据权利要求20所述的系统，所述天线元件阵列还包括：
以沿所述两个方向延伸的第四规则网格图案布置的第四组天线元件，其中，所述第四规则网格图案与所述第一规则网格图案、所述第二规则网格图案和所述第三规则网格图案交错，并且所述第四规则网格图案相对于所述两个方向与所述第一规则网格图案、所述第二规则网格图案和所述第三规则网格图案中的每一个均对角线地偏移。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，所述天线元件具有矩形形状，其中，所述矩形形状的边在仰角方向与方位角方向之间以一定角度定向。
23.根据权利要求12所述的系统，其中，所述波束控制器被配置成提供所述多个辐射方向图以共同跨越以下项中的一者或两者：所述预定地理区域；以及与所述天线元件阵列相邻的空间的角区域。
24.根据权利要求22所述的系统，其中，所述多个辐射方向图中的每一个辐射方向图包括主瓣的中心部分，并且其中，所述主瓣的所述中心部分在空间上以其相邻的行呈对角线偏移的网格图案布置。
25.根据权利要求12所述的系统，其中，所述波束选择器还被配置成选择所述多个无线电波束的所述子集或者所述多个无线电波束的另一子集用于接收来自所述一组终端中的所述一个终端的或者来自所述一组终端中的另一个终端的另一信号。
26.一种用于经由无线电通信来服务位于预定地理区域中的一组终端的接入点，所述接入点包括：
天线元件阵列；
波束控制器，被配置成控制所述天线元件阵列以建立多个相互正交的无线电波束，所建立的多个无线电波束中的每一个无线电波束对应于多个辐射方向图中的一个辐射方向图，所述多个辐射方向图中的每一个辐射方向图在空间上不同于所述多个辐射方向图中的其他辐射方向图；以及
波束选择器，被配置成选择所述多个无线电波束的子集以用于向所述一组终端中的一个终端发送信号
其中，所述多个无线电波束中的每一个无线电波束具有相应的功率水平，所述功率水平对应于所述多个无线电波束中的一个无线电波束的如下功率贡献量，所述功率贡献量是相对于来自全部所述多个无线电波束的在所述一组终端中的一个终端与所述接入点之间传送的总功率量所做出的功率贡献量，并且其中，选择所述多个无线电波束的子集包括对于所述子集中的成员选择所述功率水平的绝对值或相对值较高的无线电波束；
其中，通过对矩阵Hk·Hk H的频谱分析来得到所述功率水平，或者对于所述多个无线电波束中的给定波束j以及所述一组终端中的所述一个终端k而言，所述功率水平对应于满足下式的值Pk(j)：
Pk(j)＝Σiλi k·||EVi(j)||2，
其中，i是对系统矩阵Hk·Hk H的本征值λi k进行求和的索引；
其中，Hk是终端k的MIMO信道矩阵，EVi(j)是所述矩阵Hk·Hk H的第i个本征向量EVi的第j个分量。
CN201680023823.3A 2015-05-29 2016-05-17 正交波束域空间复用无线电通信系统及相关联的天线阵列 Active CN107710507B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/725,306 US10158173B2 (en) 2015-05-29 2015-05-29 Orthogonal-beam-space spatial multiplexing radio communication system and associated antenna array
US14/725,306 2015-05-29
PCT/CN2016/082383 WO2016192533A1 (en) 2015-05-29 2016-05-17 Orthogonal-beam-space spatial multiplexing radio communication system and associated antenna array

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107710507A CN107710507A (zh) 2018-02-16
CN107710507B true CN107710507B (zh) 2020-01-31

Family

ID=57399003

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680023823.3A Active CN107710507B (zh) 2015-05-29 2016-05-17 正交波束域空间复用无线电通信系统及相关联的天线阵列

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10158173B2 (zh)
EP (1) EP3284185B1 (zh)
CN (1) CN107710507B (zh)
WO (1) WO2016192533A1 (zh)

Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11431386B1 (en) 2004-08-02 2022-08-30 Genghiscomm Holdings, LLC Transmit pre-coding
WO2017011359A1 (en) * 2015-07-10 2017-01-19 Ping Liang Methods for reducing complexity of pre-coding matrix computation and grouping of user equipments in massive mimo systems
WO2017078851A2 (en) * 2015-09-18 2017-05-11 Corman David W Laminar phased array
CN109952716B (zh) * 2016-08-12 2022-08-23 瑞典爱立信有限公司 用于高级csi反馈开销减少的可配置码本
RU2765573C2 (ru) 2016-08-12 2022-02-01 Телефонактиеболагет Лм Эрикссон (Пабл) Многолучевые кодовые книги с дополнительно оптимизированными издержками
US11071095B2 (en) 2016-08-12 2021-07-20 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Layer 1 and layer 2 channel state information rich reporting mechanisms
US11025322B2 (en) 2016-08-12 2021-06-01 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Progressive advanced CSI feedback
EP3520168A4 (en) 2016-09-30 2020-07-01 Jeffrey Freedman PROVIDE A COMMUNICATION COVER USING HYBRID ANALOG / DIGITAL BEAM SHAPING
WO2018076362A1 (en) * 2016-10-31 2018-05-03 Southeast University Systems and methods for wireless communication with per-beam signal synchronization
CN110100483A (zh) 2016-11-02 2019-08-06 Idac控股公司 用于无线系统中的功率有效波束管理的设备、系统和方法
US10686251B2 (en) * 2017-01-23 2020-06-16 The Boeing Company Wideband beam broadening for phased array antenna systems
EP3565128A4 (en) * 2017-01-25 2020-01-15 Huawei Technologies Co., Ltd. BEAM GENERATION METHOD AND BASE STATION
CN110574235B (zh) * 2017-04-26 2021-05-14 株式会社村田制作所 天线模块和通信装置
US10637705B1 (en) 2017-05-25 2020-04-28 Genghiscomm Holdings, LLC Peak-to-average-power reduction for OFDM multiple access
US10511378B2 (en) 2017-10-12 2019-12-17 Rkf Engineering Solutions Llc Hybrid analog/digital beam forming rain fade mitigation
WO2019081024A1 (en) * 2017-10-26 2019-05-02 Nokia Technologies Oy PARALLEL PLANNER ARCHITECTURE
US10637544B1 (en) 2018-04-24 2020-04-28 Genghiscomm Holdings, LLC Distributed radio system
CN109151977B (zh) * 2018-07-09 2020-09-04 南京中兴软件有限责任公司 一种功率控制方法及装置、计算机可读存储介质
US20210306061A1 (en) * 2018-08-07 2021-09-30 Beijing Xiaomi Mobile Software Co., Ltd. Information reporting method and apparatus, terminal, and storage medium
JP7189336B2 (ja) * 2018-09-24 2022-12-13 ソニーグループ株式会社 通信装置における干渉低減方法
CN112823478A (zh) * 2018-10-18 2021-05-18 瑞典爱立信有限公司 基于对基于码本的dl mu-mimo的相对波束功率的多用户配对和sinr计算
KR102179030B1 (ko) * 2018-12-19 2020-11-16 한국과학기술원 무선 전력 통신 네트워크에서 사용자들의 충전 시간을 최소화하기 위한 다중 안테나 전송 방법 및 장치
EP3921948A1 (en) * 2019-02-08 2021-12-15 Telefonaktiebolaget LM Ericsson (publ) Method and apparatus for beamspace processing based on multiple beamspace bases
US11539412B2 (en) * 2019-07-30 2022-12-27 At&T Intellectual Property I, L.P. Beam recovery for antenna array
JP2023511254A (ja) 2020-01-09 2023-03-17 ヴィアサット，インコーポレイテッド サブアレイの互いに素なセットを有するマルチビームフェーズドアレイアンテナ
EP4147368A4 (en) * 2020-05-07 2024-02-21 Ericsson Telefon Ab L M BEAM INDEX BASED DATA DISTRIBUTION FOR SCALABLE DISTRIBUTED RADIO SYSTEMS
CN114390695A (zh) * 2020-10-22 2022-04-22 索尼公司 无线通信系统中的电子设备和方法
US11515927B2 (en) * 2020-10-30 2022-11-29 Qualcomm Incorporated Beam management with backtracking and dithering
CN112799058B (zh) * 2020-12-30 2022-02-18 无锡国芯微电子系统有限公司 一种基于四臂螺旋天线的二维测角方法
US11245442B1 (en) * 2021-03-08 2022-02-08 Huawei Technologies Co., Ltd. Method and apparatus for communication using massive-beam MIMO phased array
CN113067168B (zh) * 2021-03-24 2022-01-14 电子科技大学 一种用于低成本相控阵的非邻接不规则子阵架构
US11510219B1 (en) 2021-09-03 2022-11-22 Charter Communications Operating, Llc Beam design to mitigate interference at cell edges for shared spectrum systems

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1507673A (zh) * 2001-04-16 2004-06-23 �����ɷ� 双频带双极化天线阵列
CN101124734A (zh) * 2005-02-17 2008-02-13 美商内数位科技公司 选择多输入多输出天线波束组合的方法及装置
EP2775634A2 (en) * 2013-03-08 2014-09-10 Electronics and Telecommunications Research Institute Method for multi-input multi-output communication in large-scale antenna system

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6912621B2 (en) 2002-04-17 2005-06-28 International Business Machines Corporation Method and apparatus for updating data in mass storage subsystem using emulated shared memory
US20060264184A1 (en) 2005-02-17 2006-11-23 Interdigital Technology Corporation Method and apparatus for selecting a beam combination of multiple-input multiple-output antennas
JP4802830B2 (ja) 2005-04-11 2011-10-26 パナソニック株式会社 端末装置
CN102624496B (zh) * 2011-01-30 2015-03-11 华为技术有限公司 预编码处理方法、基站和通信系统
US9215622B1 (en) * 2012-07-30 2015-12-15 GoNet Systems Ltd. Method and systems for associating wireless transmission with directions-of-arrival thereof
EP2923412B1 (en) * 2012-11-26 2019-07-03 Agence Spatiale Européenne Beam-forming network for an array antenna and array antenna comprising the same
US9570815B2 (en) * 2012-12-12 2017-02-14 Electronics And Telecommunications Research Institute Antenna apparatus and method for handover using the same
CN104063355B (zh) 2013-03-21 2017-11-03 腾讯科技（北京）有限公司 对服务器集群进行配置的方法及配置中心服务器
US20180138592A1 (en) * 2013-07-04 2018-05-17 Telefonaktiebolaget Lm Erisson (Publ) Multi-beam antenna arrangement
CN103458036B (zh) 2013-09-03 2017-02-15 杭州华三通信技术有限公司 一种集群文件系统的访问装置和方法
EP2869476A1 (en) * 2013-10-29 2015-05-06 Alcatel Lucent Transmitter Method For Multiple Antenna Systems, Transmitter Apparatus And Network Node Thereof
US20150215013A1 (en) * 2014-01-28 2015-07-30 Cambium Networks Limited Method and apparatus for a multi-user multiple input multiple output (mu-mimo) network with single transceiver subscriber modules

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1507673A (zh) * 2001-04-16 2004-06-23 �����ɷ� 双频带双极化天线阵列
CN101124734A (zh) * 2005-02-17 2008-02-13 美商内数位科技公司 选择多输入多输出天线波束组合的方法及装置
EP2775634A2 (en) * 2013-03-08 2014-09-10 Electronics and Telecommunications Research Institute Method for multi-input multi-output communication in large-scale antenna system

Also Published As

Publication number Publication date
EP3284185B1 (en) 2019-10-16
EP3284185A4 (en) 2018-09-26
WO2016192533A1 (en) 2016-12-08
CN107710507A (zh) 2018-02-16
US10158173B2 (en) 2018-12-18
EP3284185A1 (en) 2018-02-21
US20160352012A1 (en) 2016-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107710507B (zh) 正交波束域空间复用无线电通信系统及相关联的天线阵列
US9960825B2 (en) Method, control system and communication system for adapting beam patterns
US8144666B2 (en) Downlink beamforming for broadband wireless networks
US8787279B2 (en) Radio communication system, centralized station, control station apparatus, radio base station and coordinated transmission method for determining an assignment of cluster patterns
US20080273515A1 (en) Wireless communications in a multi-sector network
Dicandia et al. Exploitation of triangular lattice arrays for improved spectral efficiency in massive MIMO 5G systems
MXPA06004774A (es) Metodo y aparato para un sistema de antena de multiples haces.
US9509387B2 (en) Node in a wireless communication system where antenna beams match the sector width
EP3411958B1 (en) A method for adapting a beam shape of a beam
Yuan et al. Cluster-based multi-carrier hybrid beamforming for massive device terahertz communications
Khaled et al. Joint SDMA and power-domain NOMA system for multi-user mm-wave communications
EP3035620B1 (en) Method and apparatus to mitigate pilot power contamination in large scalable antenna systems
Aslan et al. 5G multi-user system simulations in line-of-sight with space-tapered cellular base station phased arrays
Khalid et al. Capacity and coverage analysis for FD-MIMO based THz band 5G indoor Internet of Things
Sheu et al. On the design of downlink multiuser transmission for a beam-group division 5G system
KR20140089312A (ko) 다중 안테나를 이용한 신호 전송 방법
Zhang et al. Hybrid CSI-RS transmission mechanism-based 3D beamforming scheme for FDD massive MIMO system
Foo Orthogonal-beam-space massive-MIMO array
Sayeed Multi-aperture phased arrays versus multi-beam lens arrays for mmW multiuser MIMO
Fujio et al. Low-complexity scheduling method for interleaved hybrid beamforming in mmwave communications
Hoshino et al. Codebook design for vertical beamforming by multi-cell coordination
Ng et al. Impact of inter-cell interference on capacity in the joint multiple access (CDMA and SDMA) system
Prasad et al. Multi-beam multi-channel secure communication using a mmWave analog phased array beamformer
Li et al. Channel-statistics-based analog downlink beamforming for millimeter-wave multi-user massive MIMO
Han et al. Directional transmission by 3-D beam-forming using smart antenna arrays

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant