CN108141260A - 人工相互耦合的天线阵列 - Google Patents

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Abstract

一种用于在无线通信环境中相互耦合多个用于传输的天线的机制，其中针对接收或发送的无线信号，创建包括人工相互天线耦合系数的预编码矩阵，以及使用所创建的预编码矩阵来处理接收或发送的无线信号。

Description

人工相互耦合的天线阵列
技术领域
所描述的发明涉及无线通信，并且更具体地涉及相互耦合多个天线以用于传输。
背景技术
天线到天线的相互耦合通常是不合需要的。在全向第一天线位于与预期接收天线不同的第二天线附近的情况下，在发送时第二天线倾向于吸收并再辐射由第一天线辐射的能量。类似地，当第二天线发送时其一部分能量被第一天线吸收，因此耦合是相互的。因为一个天线可以作为另一个天线传输的高欧姆电阻，所以有时这被称为互阻抗。当任一天线正在接收时，通过相同的原理，其可能采集的能量受附近其它天线影响。相互的天线耦合影响天线发送和接收性能，并且天线阵列的物理布局通常设计为λ半间距，这可以避免或最小化该相互耦合。
当前的蜂窝和WiFi系统利用MIMO天线传输技术，并且诸如3GPP5G(LTE-A)的未来蜂窝系统考虑来自网络/eNB侧的大规模MIMO传输。在该方面，大规模指的是阵列中天线单元的总数。用于5GHz LTE-A系统的这些大规模MIMO天线阵列可容易在物理尺寸上变得非常大，这主要是由于相对较大的波长λ，波长λ在4到40cm范围内。
在UE侧处，约10cm范围内的波长λ仅允许手持装置设计者放置非常有限数量的UE天线。但是，在UE侧处的波束成形增益将是非常有价值的；两个此类示例为强大的干扰抑制合并(IRC)滤波器和用于相关信道分量的相关多路径分量(MPC)的下选。
在网络/eNB侧处，具有半λ间隔天线单元的大小为16×32个单元的大规模MIMO阵列通常会呈现约0.8m*1.6m的物理大小。对于通常拥有城市地区宏小区站点的移动运营商来说，实施此类大的物理大小可能具有挑战性：较大的天线阵列尺寸通常会增加成本并相应地增加假定的性能；风载荷成为可能进一步增加实施成本的日益重要的因素；而有关来自小区塔的美观性和辐射的抱怨可能随着所增加的大型天线阵列而增加。
这些教导的实施例通过提供物理上较小的天线阵列以及增加MIMO和波束形成场景中的天线性能来解决上述问题中的一些问题。
附图说明
图1是具有32个天线单元的虚拟波束成形器的波束模式图(虚拟波束模式(以dB为单位)相对于入射角(以度为单位))，其中更接近间隔的绘图线示出根据这些教导的人工相互耦合，而间隔更大的绘图线没有此类人工相互耦合。
图2是示出用于人工相互耦合矩阵WMC的相互耦合单元的典型分配的幅度的三维图。
图3示出了在eNB处具有非常窄的半功率波束宽度的人工相互耦合生成波束的示例，用于生成每个小区的波束网格。
图4A是示出在网络侧用于不同大规模MIMO波束成形器的CTF上的传统卡尔曼滤波以及用于测量和射线追踪无线信道的1、16或32个虚拟天线上的虚拟波束成形的仿真结果的图。
图4B是具有和不具有人工相互耦合的信道冲激响应的每抽头的简单线性预测器的比较。
图5是总结这些教导的某些方面的过程流程图。
图6是其中可以设置这些教导的实施例以利用其优点的一些示例性通信实体的高级示意性框图。
具体实施方式
上面的背景部分中的相互天线耦合的示例示出了全向天线之间的物理相互天线耦合。通常在蜂窝基站中使用的天线阵列具有(接近)λ半间距，因为其允许生成一个单个可控波束并且另外避免了相邻天线单元之间的物理相互耦合。基于任何类型的波束成形的方向性根据增加的吞吐量和降低的错误率而在无线通信中提供巨大的优势，使得能够通过在较小的地理区域上更高的无线频率重用而更有效地使用无线频谱。本文这些教导的实施例涉及与物理相互耦合相对的人工相互天线耦合，这将在下面进一步详细描述，使天线传输能够具有更大的方向性。
对于物理天线，相互耦合意味着一个天线将其自身信号的一些部分耦合到相邻的天线单元或多个天线单元中，反之亦然。在该方面，相互耦合的一种具体形式是通过无线链路从一个天线(TX天线)到另一个天线(RX天线)的传输。对于物理相互耦合天线，耦合因子或多或少地通过天线几何形状、天线之间的距离等定义。如在此所用的人工相互天线耦合意味着耦合是人工进行的，而不是在通过天线辐射其能量的物理空间中自然地进行。在下面的非限制性示例中，该人工相互耦合通过将相互耦合系数添加到波束形成矩阵W中的执行软件而在数学上施加，当这些相互耦合系数被添加时W在此表示为WMC。
一般来说，通过相互耦合，天线阵列的所得TX波束模式不能由单个矢量充分描述，而是由大小为N*N的复合矩阵W来描述，其中N是天线阵列的天线单元的整数数量。WMC包括每个天线单元与所有其它天线单元的相互耦合系数。对于其中相邻天线单元彼此间隔均匀距离(通常为λ/2的一些整数倍)的均匀线性阵列(ULA)，该耦合系数与SI函数(定义为sin x/x-)近似，在λ/2的整数倍处为零。一般来说，SI函数是理想化的，因为它们在矩阵的对角线元素处生成1。
相互耦合对于物理天线是众所周知的效果，并且所谓的超指向性在理论上对于越来越小的天线距离可以实现。Michel T.Ivrlac"和Josef A.Nossek发表的题为“THEMULTIPORT COMMUNICATION THEORY(多端口通信理论)(IEEE Circuits and SystemsMagazine，2014年8月20日，第27-44页)”的论文描述了方向性增益最终可以增加到N2，而不是仅增加N，其是对于λ/2间隔天线阵列可达到的极限。但是实现这些方向性增益面临实际和众所周知的挑战，如由于大电流流动以及例如有限的RF带宽，即使对于高导电率也增加功率损耗。
根据这些教导的某些实施例的天线的人工相互耦合选择结合到波束形成矩阵WMC中的相互耦合系数以实现所谓的超指向性，并且该特征可以用于在移动无线系统的未来演进中有利，甚至超越了LTE Advanced(例如所谓的5G系统)。这些教导的实施例使得能够在网络无线接入节点(诸如eNB)以及UE侧处实现高效且小型的物理大小MIMO天线阵列实施方式。这些教导的实施例使得能够生成用于低于6GHz系统的具有非常低的半功率波束宽度(HPBW)的非常窄的波束，同时实现与物理上大的MIMO天线阵列相似的性能。
由于在UE处接收的MIMO传输的大的到达角度的传播，在此描述的人工相互天线耦合技术可以改进UE侧处的无线性能。采用大的到达角度，具有几度的非常低的半功率波束宽度(HPBW)的窄波束将比在无线设备的网络/发送侧处在物理上大的大规模MIMO天线阵列更有效地减少相关多路径分量的数量，以更小的出射角度传播。
此外，UE可以通过执行其自己的人工相互天线耦合以实现其自己的接收信号的波束成形中的超指向性，实现其从网络接收的传输中的益处。具体地且如下所示，UE可以使用非常简单的线性信道预测器，对于高度定向的波束，其将优于更加复杂的预测器，如在更传统的波束形成应用中使用的传统卡尔曼滤波器。以该方式，人工相互耦合的天线阵列可以成为联合传输CoMP和/或大规模MIMO的主要推动者，这两者都因其突出的干扰抑制能力而受到重视。过去，CoMP和大规模MIMO由于其对CSI过时的敏感性而受到限制，这意味着信道估计保持有效的相干性时间间隔很短，并且因此需要相当频繁的新的信道测量/估计来有效地利用传统CoMP和大规模MIMO的潜力。
这些教导的实施例实现了对于具有一个或几个天线单元的UE以及对于其天线阵列甚至可以具有有限物理大小的网络接入节点的高波束成形方向性增益，而无论其是否是大规模MIMO阵列。
首先描述的实施例针对UE侧，或者更一般地针对可以例如实施为UE或机器类型通信(MTC)装置的移动无线装置。移动无线装置具有仅一个，或可能几个天线；虽然未来的无线接入技术可能支持多于8个，但是LTE-A假定在UE处最多8个天线。在该第一实施例中，将人工相互耦合(AMC)的概念应用于移动无线装置中的虚拟波束生成器。
虚拟波束形成意味着以中等速度和直线移动的UE针对多个附近位置多次估计信道并存储针对每个位置测量的CSI。通过使用单个(或几个)天线单元组合所存储的信道测量，可以生成包括大量虚拟天线的虚拟天线阵列。由此类虚拟天线阵列形成的波束可能已经具有相当小的半功率波束宽度(HPBW)。在网络/发送侧处通过人工相互耦合的天线阵列添加超指向性提供了进一步显著的方向性增益，这可用于例如抑制极其高效的多径分量(MPC)。
移动无线装置中的波束形成矩阵控制由移动装置的天线所看到的空间信号的相位和幅度，如上面所解释这可能是虚拟的。通过组合来自所有(虚拟)天线单元的信号，来自不同方向的信号被加强或衰减，并且对于适当的设计，可能形成波束。这些波束或多个波束对关注的信号、噪声、干扰等进行加权，以便最优地接收关注的信号以及使关注的信号最大化，同时最小化干扰和噪声。
关于虚拟波束形成的进一步细节可以在由W.Zirwas和M.Haardt发表的题为“CHANNEL PREDICTION FOR B4G RADIO SYSTEMS(Proc.77th IEEE Vehicular TechnologyConference VTC-Spring 2013，Dresden Germany，2013年6月2-5日，第326-330页)”。
对于虚拟波束形成的天线单元，所有的物理耦合系数显然都是零，因为在每个时刻只有单个天线处于有效。该事实允许网络仅通过使用如上所述的预编码矩阵WMC人工地引入天线耦合，而不是在用于生成虚拟波束模式的虚拟天线单元上预编码矢量w。矩阵非对角线元素的适当选择值的结果可以在图1中看出，其示出了采用天线人工相互耦合(AMC)和不采用天线人工相互耦合(AMC)的可实现的波束模式。与在入射角大约为90度和270度的最相关的波束方向处更宽并且表现出更低幅度的非AMC波束模式相比，AMC图线的更加聚集的入射角示出更加多的限定的虚拟波束模式。图1清楚地指示人工相互耦合天线阵列的强方向性增益。
图2示出用于人工耦合矩阵WMC的矩阵元素的幅度的典型分配。在该情况下，已经使用与物理耦合的天线单元类似的SI功能，但与物理天线相互耦合不同，通常对于人工相互耦合，对于在矩阵WMC中耦合元素的选择使完全自由的。更详细的描述可以在MuhammadBilal Amin，Wolfgang Zirwas和Martin Haardt的题为“ADVANCED CHANNEL PREDICTIONCONCEPTS FOR 5G RADIO SYSTEMS(在ISWCS2015；布鲁塞尔，比利时；2015年8月25日的公布接受的)”的论文中找到。
第二描述的实施例针对网络侧，并且具体地涉及可能仅具有物理上小尺寸的MIMO阵列的网络无线接入节点。在一些传统的相互耦合天线阵列中，天线被分类为具有均匀的单元间间隔(例如，大约0.2λ)的组(例如，用于LTE无线标准的每组最多4个天线)。这为每个天线子组提供了一些物理超指向性增益。但是对于物理天线，该超指向性随着组间间距变得比组内间距更大而消失，例如其中天线单元之间的组间间距是0.2λ，但是不同的4单元组之间的间距是λ/2。组间距离λ/2提供了附加的益处，即遵循Si函数的物理相互耦合效应对于λ/2间距而言或多或少为零，并且因此子组将由他们的物理间距相互解耦合。但是在0.2λ和0.5λ物理间距之间的折衷与人工相互耦合并不重要，因为经由0.2λ组内单元间距的物理-空间耦合的优点可以通过预编码矩阵WMC人工地复制。
对于5G频分双工(FDD)系统，当前最多讨论了波束网格(GoB)概念，其包括形成例如一组8个固定窄波束的大规模MIMO阵列。这生成了少量的虚拟有效天线，使得尽管存在阵列中物理天线单元的潜在巨大数量，但是CSI RS的开销和/或CSI信息的上行链路报告受到限制。
根据这些教导的示例性实施例，天线的人工相互耦合可以与解耦的λ/2间隔的均匀线性阵列(ULA)一起应用以生成人工方向性。这样做的一个优点是可以为相同数量的物理天线单元形成更窄的波束。当人工耦合被适当地完成时，可以使用显著更少数量的人工相互耦合的天线单元来实现大规模MIMO天线阵列的相同方向性。
图3示出来自具有λ/2间距的16个天线单元的ULA的四个示例性波束的波束模式的图，并且是在网络侧具有非常窄的半功率波束宽度的人工相互耦合生成波束的示例，用于生成每个小区的波束的网格。在该图中，SI因子＝1.37，而Phi扩展因子＝-7.8，并且存在120度扇区，其中约30至150度之间的波束模式是相关的。图3揭示了对于16个单元ULA，半功率波束宽度HPBW非常低，并且子波束良好地解相关。
图3的波束模式仅用16个天线单元实现，或者相当于16*5.5cm＝0.88m的宽度(在2.6GHz的RF频率)。在其它实施例中，组合物理和人工相互耦合应允许甚至更小的尺寸。为了在没有人工相互耦合的情况下实现类似的波束模式，需要显著更多的天线单元，例如大规模MIMO阵列中的64个天线单元。
在各种实施方式中，人工相互耦合的天线阵列的优点包括以下中的一个或多个：
·对于可能具有λ/2间距的虚拟波束形成的UE天线或eNB天线，与N相比的N2的超指向性增益。
·在网络侧具有λ/2间距的天线单元是有用的，因为对于该单元间间距，传统的相互耦合为零或接近于零(与虚拟天线单元类似)。因此可以将任何期望的人工相互耦合添加到该λ/2间隔的天线阵列。
·人工相互耦合可以跨越多于几个天线单元(物理相互耦合通常限于2至4个天线单元)。
·人工相互耦合避免损失(并且可能完全无损)，这例如可能由强电流流动与真实世界天线的有限导电率一起引起。
·人工相互耦合可以在较大的RF带宽上使用。
作为比较的基准，图4A示出了对于网络/发送器侧的不同大规模MIMO波束网格(GoB)波束成形器的信道传递函数的传统卡尔曼滤波以及用于测量和射线追踪无线信道的1、16或32个虚拟天线的虚拟波束成形的仿真结果。图4B比较了在采用和不采用人工相互耦合的32个测量位置上虚拟波束形成的信道冲激响应(CIR)的每抽头的简单线性预测器。图4B示出对于复杂的非视线(NLOS)无线信道可以实现预测范围0.2至0.4λ。等同地，这意味着对于以15km/h的速度移动同时使用2.6GHz的RF频率的移动装置，预测范围为10ms。归一化均方误差(NMSE)低于-20dB，并且因此显著优于现有技术的预测器，如图4A处所示的卡尔曼滤波器。
值得注意的是，这仅仅使用应用于信道冲激响应(CIR)(即，在时域中)的抽头的最简单的线性预测器来实现。与频域相比(与CTF相比的CIR)，时域中改进的性能的原因在于少量的多径分量转化为大的相干时间，而在频域中，相干带宽可能仍然非常小。另外，即使对于CIR中的相对小的变化，信道传递函数中的陷波通常也是非常易失的。
根据在此的教导使用人工相互耦合的超指向性增益可以用于无线广播系统中的以下应用，诸如例如未来的5G系统：
·对于测量的无线信道，与超指向性相结合的虚拟波束形成显著提高了信道预测性能，如图4B处所示
·移动无线装置处的超指向性将进一步允许移动装置抑制来自其它波束、小区或站点的干扰。这实现了更简单的整体系统概念，例如，用于CSI信息的报告的显著降低的开销，由于用于其它测量和控制信令的较大的预测范围等而用于CSI预测的较低的反馈率。
·对于无线网络接入节点(eNB/基站)，可以预见不同的附加益处，诸如较小的天线面板尺寸，其可提供与具有总数高得多的天线单元的物理大型和大规模MIMO阵列类似的方向性。作为直接后果，有源天线单元的数量可能显著减少，这将降低总体功耗、实施成本和系统复杂性。
从图4B中可以清楚的是，至少对于用于图4B的大量的32个虚拟天线单元，与频域中信道传递函数上的更复杂的卡尔曼滤波相比，信道冲激响应的抽头上的时域预测表现得非常好。人工相互耦合允许甚至更大的约0.4λ的预测范围，同时具有小于20dB的非常低的归一化均方误差。为了定量证明人工相互耦合的优点，在此给出的仿真结果仅用于虚拟波束形成和人工相互耦合的信道冲激响应的简单线性预测。当然，更高级的参数估计技术，如自回归卡尔曼滤波器、基于ESPRIT的参数估计、更高阶奇异值分解等可以用作已知技术。这种更先进的估计技术可能导致更高的预测范围，或者它们可以使人们能够相应减少虚拟物理天线单元的数量，并由此进一步降低整个系统的复杂度。
考虑到以上呈现的性能、阵列大小和系统复杂度(特别是在移动装置侧上)中的显著优点，特别是与虚拟波束形成相结合使用天线的人工相互耦合具有急剧地改变5G发展的过程的可能。例如，出于发明人的知识，以前从未做过如此强有力地预测具有较大预测范围的复杂现实世界测量的非视线信道；发明人已知的其它现有预测技术也不能实现这种结果。信道预测的稳健性已经成为标准化组织将信道预测纳入无线接入技术宽泛规范的重要考虑因素。
图5是示出上述教导的一些较高级别方面的过程流程图。图5是从移动无线装置关于接收无线信号的角度以及从无线网络接入节点(例如，eNB、基站、远程无线头等)关于发送无线信号的角度来看。在框502处，相关无线设备针对接收的或发送的无线信号，创建包括人工相互天线耦合系数的预编码矩阵WMC；并且在框504处，设备使用所创建的预编码矩阵WMC来处理接收的或发送的无线信号。对于发送的信号的情况，图5的预编码矩阵和处理在信号从天线阵列实际发送之前发生。
如上面进一步详述的：在一些实施例中，选择人工相互天线耦合系数以增加接收的无线信号的方向性，并且在其它实施例中增加发送的无线信号的方向性；在一些实施例中，选择人工相互天线耦合系数以实现强的波束形成增益，实现无线信号传播的信道的精确时域估计(例如，信道的时域估计是信道冲激响应CIR)。尽管存在CIR的每一个抽头上的简单线性预测，可以实现至少0.3λ的预测范围，其中λ是接收的无线信号的波长；并且如定量地进一步所示，信道的时域估计经由虚拟波束形成和人工相互耦合的信道冲激响应的线性预测获得，并且线性预测具有不大于20dB的归一化均方误差。
上面同样示出了预编码矩阵WMC与虚拟波束形成器矩阵组合，使得非零虚拟波束形成系数仅由预编码矩阵的对角线元素组成，并且人工相互天线耦合系数仅由预编码矩阵的非对角线元素组成，并且人工相互天线耦合系数取自(并因此近似)生成在矩阵对角线处值1的SI函数。在一个实施例中，SI函数被分配为块Toeplitz矩阵。在一个具体示例中，预编码矩阵WMC是N*N大小的矩阵，其中N是发送无线信号的天线的整数数量，并且人工相互天线耦合系数将N个天线单元中的每一个耦合到其它N个天线单元中的每一个。
在框502涉及接收的无线信号的情况下，图5的过程由接收无线信号的移动无线装置执行，并且选择人工相互天线耦合系数以在发送无线信号的无线网络的接入节点处相互耦合多组天线阵列的天线单元的组，其中人工相互耦合的组中的每一个组具有至少2个天线单元。在框502涉及发送的无线信号并且图5由通过发送无线信号的无线网络的接入节点的移动装置来执行的情况下，接入节点可以发送来自多组天线阵列的至少两组天线单元的无线信号，并且选择人工相互天线耦合系数以相互耦合横跨至少两组的天线单元。
根据这些教导的另一方面，人工相互耦合可以在小区范围内或者对于在小区内操作的各个UE开启或关闭。在该方面，在网络接入节点和用户设备之间存在发送或接收的下行链路控制消息，该下行链路控制消息针对下行链路无线信号开启或关闭的天线的人工相互耦合。响应于该消息，根据天线的人工相互耦合被开启或关闭，处理下行链路无线信号。对于小区范围的决定，该下行链路控制消息可以包括广播系统信息；对于各个UE切换人工相互耦合开启/关闭，下行链路控制消息将是点对点消息，或者可替代地，切换可以针对诸如装置到装置D2D簇的UE的集合，这里下行链路控制消息可以是到簇头的点对点消息，或是同时到所有分组的UE(例如，寻址到组标识符)的单个组范围消息。
该方面可以由接收下行链路控制消息的用户设备执行，并且在一个特定实施例中，为了降低用户设备中的电池消耗，下行链路控制消息关闭人工相互耦合，并且响应于从用户设备到网络接入节点的上行链路消息来生成，其中上行链路消息指示用户设备的性能度量(例如用户设备中的电池水平低)。
该方面同样可以由发送下行链路控制消息的网络接入节点来执行，并且在其中基于小区中的业务负载来开启和关闭人工相互天线耦合的一个特定实施例中，网络接入节点生成响应于确定其小区中的业务负载当前足够低以至于不需要人工相互耦合关闭人工相互耦合(例如，低于阈值的业务，没有超过一些阈值填充级别的数据缓冲区，没有调度超过一些阈值时间段的请求等)。在另一个特定实施例中，通过诸如在联合传输(JT)CoMP和大规模MIMO模式之间切换的一些其它模式来开启和关闭人工相互天线耦合。例如，如果它在给定的无线接入技术中被标准化为要一起完成这种模式切换，则在网络和移动无线装置之间用于在JT CoMP和MIMO模式之间切换的相同控制信令同样可用于同时指示在关闭和开启之间切换人工相互天线耦合模式。
可能的是，一些传统UE在与可以使用人工相互天线耦合的其它UE相同的小区中操作。在该情况下，存在本发明的另一方面，其中无线网络接入节点确定特定用户设备能够使用虚拟波束成形和人工相互天线耦合来处理无线信号；并且响应于该接入节点向特定用户设备发送无线信号，其中用于发送的至少两个天线单元被人工耦合。如上面更具体地详细说明的，人工地耦合用于发送的那些至少两个天线单元的一种方式是通过将人工相互天线耦合系数添加到预编码矩阵WMC，该预编码矩阵WMC用于在发送来自那些至少两个天线单元的那些无线信号之前处理无线信号。同样如上面进一步详细描述的，与如果在使用预编码矩阵WMC预编码之后发送无线信号而没有附加的人工相互天线耦合系数的情况相比，添加的人工相互天线耦合系数增加了发送的无线信号的方向性。
无线网络接入节点进行上述确定的一种方式是根据读取可以根据从特定用户设备接收的回复从接入节点发送的UE能力查询的UE能力信息，或者可替代地根据接入节点可以在诸如在切换/重选之后从特定用户设备变成附着到接入节点时的移动性管理实体(MME)中接收。对于传统UE的情况，接入节点可以进一步确定不同的第二用户设备不能够使用虚拟波束成形和人工相互天线耦合来处理无线信号；并且作为响应，接入节点将避免向第二用户设备发送无线信号，其中用于发送的至少两个天线单元被人工耦合。
本发明的上述方面中的任何一个及其组合可以在诸如UE的移动无线装置中以及诸如eNB、基站、接入点、远程无线头端等的无线网络接入节点中实现。类似地，它们可以、在其一个或多个组件中实现，并且因此在本发明的一般实施例中可以作为包括至少一个处理器和存储计算机指令的至少一个存储器的设备。以下，在图6处更具体示出的这些实施例中，至少一个处理器被配置有存储器和存储的计算机指令，以使装置执行如上详述的一个或多个方法。
这些教导的其它实施例可以被实现为存储计算机指令的计算机可读存储器，该计算机指令在由处理器执行时使主机无线装置执行如上详述的方法。这种计算机可读存储器同样在下面在图6中处更具体地示出。在这些实施例中，主机装置可以例如被实现为移动无线装置或者被实现为上面提到的接入节点。
图6是示出在通用无线通信网络中的传统无线划分的相对侧上的不同通信实体的一些组件的高级图。接入节点12对应于将无线信号发送到移动用户/移动无线装置的无线接入网络的实体，该移动用户/移动无线装置由用户设备UE 10表示，该用户设备UE 10经由接入节点12向无线接入网络发送其信息上行链路。接入节点12例如可以被实现为蜂窝基站、NodeB、eNB、接入点、中继节点或远程无线头端；而UE10可以被实现为诸如智能电话的手持式移动无线装置，或其可穿戴或可植入版本。无线接入网络可以包括网络控制单元(NCE，未示出)，其可以包括移动管理实体/服务网关功能以提供与诸如公共交换电话网络和/或数据通信网络(例如，互联网)的另一网络的连接。
UE 10包括控制器(诸如计算机或数据处理器(DP)10A)、计算机可读存储器介质(被实现为存储计算机指令程序(PROG)10C的存储器(MEM)10B)，以及合适的无线接口(诸如无线10D(示为发送器和接收器))以便经由一个或多个天线10E与接入节点12进行双向无线通信。
类似地，接入节点12同样包括诸如计算机或数据处理器(DP)12A的控制器、被实现为存储计算机指令程序(PROG)12C的存储器(MEM)12B的计算机可读存储器介质，以及用于经由一个或多个天线12E与UE10进行双向无线通信的诸如无线12D(示出为发送器和接收器)的合适的无线接口，为了匹配以上示例示出该一个或多个天线12E中的4个，其中N＝4天线单元被用于向移动装置/UE10传输。接入节点12可以经由数据/控制路径耦合到NCE(未示出)以及经由类似的对等数据/控制路径耦合到其它接入节点。
假定PROG 10C、12C中的至少一个包括程序指令，该程序指令在由相关联的DP执行时使装置能够根据相关的通信协议进行操作，并且可以包括可通过UE 10的DP 10A、和通过接入节点12的DP 12A、或者通过硬件、或者通过软件和硬件(以及固件)的组合执行的计算机软件。
UE 10和/或接入节点12同样可以包括专用处理器，例如在无线装置10D/12D中或其它位置。该专用模块可以被构造为实现在此详述的本发明的方面。也就是说，由示例示出且在此更具体描述的过程的实施例可以被设置在示出的DP 10A/12A中，或者专用模块或芯片中，诸如形成所示无线装置10D/12D的一部分(特别是这种无线装置10D/12D的发送器和接收器部分)的RF前端芯片/模块。在其它实施方式中，这些教导可以在存储在MEM 10B/12B中的软件中实现，该软件如以上详述的用人造相互耦合系数来创建矩阵。
DP 10A和12A以及实现这些教导的任何专用处理芯片可以是包括适合于本地技术环境的互连逻辑门的任何类型的电路，并且作为非限制性示例可以包括一个或多个通用计算机、专用计算机、微处理器、数字信号处理器(DSP)和基于多核处理器架构的处理器。无线接口(例如无线装置10D和12D)可以是适用于本地技术环境的任何类型，并且可以使用任何合适的通信技术(诸如单独的发送器、接收器、收发机或这些组件的组合)来实现。
一般来说，UE 10的各种实施例可以包括但不限于智能电话，无论是手持的、可佩戴在身体上或全部或部分地可植入在用户身体内；其它类型的蜂窝电话，包括固定地或可拆卸地设置在诸如汽车和水运工具的交通工具中的那些蜂窝电话；具有无线通信能力的个人数字助理(PDA)；具有无线通信能力的便携式计算机，包括笔记本计算机、掌上计算机、平板计算机和电子阅读器；图像采集装置，诸如具有无线通信能力的数码相机；具有无线通信能力的游戏装置；具有无线通信能力的音乐存储和回放装置；允许无线网络接入和浏览的互联网装置；以及包含这些功能组合的便携式单元或终端。
计算机可读MEM 10B和12B可以是适合于本地技术环境的任何类型，并且可以使用任何合适的数据存储技术来实现，诸如基于半导体的存储器装置、闪存、磁存储器装置和系统、光存储器装置和系统、固定存储器和可移动存储器。一个或多个计算机可读介质的任何组合都可以用作存储器10B/12B。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或非暂态计算机可读存储介质。非暂态计算机可读存储介质不包括传播信号，并且可以例如是但不限于：电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、设备或装置；或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体但非详尽的示例列表包括：便携式计算机磁盘、硬盘、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或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储装置、磁存储装置或前述的任何合适组合。
虽然图6示出了UE 10和接入节点12，但是这些教导不限于此，但是移动装置的教导可以在没有特定用户输入的情况下操作的机器类型通信装置中实现，并且阵列传输可以由除了无线接入网络的接入节点12之外的节点发送。
应该理解，前面的描述仅是说明性的。本领域技术人员可以设计各种替代和修改。例如，各种从属权利要求中列举的特征可以以任何合适的组合相互组合。另外，来自上述不同实施例的特征可以被选择性地组合成新的实施例。因此，该描述旨在涵盖落入所附权利要求范围内的所有此类替代、修改和变化。
在此使用的缩略语：
3GPP 第三代合作项目
5G 第五代移动无线系统
AMC 人工相互耦合
CoMP 协作多点传输
CSI 信道状态信息
CTF 信道传递函数
eNB 增强节点B
FDD 频分双工
GoB 波束网格
LTE-A 长期演进-先进的(3GPP的)
MIMO 多输入多输出
RF 无线频率(射频)
RS 参考信号
RX 接收
TX 发送
UE 用户设备
ULA 统一线性阵列

Claims (29)

1.一种用于接收或发送无线信号的方法，包括：
针对接收或发送的无线信号，创建包括人工相互天线耦合系数的预编码矩阵WMC；以及
使用所创建的预编码矩阵WMC来处理所述接收或发送的无线信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述人工相互天线耦合系数以增加所述接收或发送的无线信号的方向性。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，选择所述人工相互天线耦合系数以增加传播所述无线信号的信道的时域估计的准确度或相干时间间隔。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述信道的所述时域估计通过对虚拟波束形成且人工相互耦合的信道冲激响应的抽头的线性预测来获得，对每个抽头的线性预测最小化所预测的信道状态冲激响应的归一化均方误差。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述预编码矩阵WMC与仅具有不等于零的对角线元素的虚拟波束形成器矩阵组合。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述预编码矩阵WMC包括仅在其对角线元素内的非零虚拟波束形成系数以及仅在其非对角线元素内的所述人工相互天线耦合系数。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述人工相互天线耦合系数与生成在所述矩阵对角线元素处的一个元素的值的SI函数近似。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述SI函数采用块托普利茨矩阵的形式被分配。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述预编码矩阵WMC是N*N大小的矩阵，其中N是发送所发送或接收的无线信号的天线的整数数量，并且所述人工相互天线耦合系数将N个天线单元中的每一个耦合到其它N个天线单元中的每一个。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述方法由接收所述无线信号的移动无线装置来执行。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，选择所述人工相互天线耦合系数以在发送所述无线信号的无线网络的接入节点处使多组天线阵列中的具有至少2个天线单元的组相互耦合。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述方法由发送所述无线信号的无线网络的接入节点来执行。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述接入节点从多组天线阵列发送所述无线信号，所述人工相互天线耦合系数被选择以使至少2组天线单元相互耦合。
14.一种装置，包括至少一个处理器和存储计算机指令的至少一个存储器，其中，所述至少一个处理器被配置为与所述存储器和所存储的计算机指令一起使所述装置执行权利要求1至13中任一项所述的方法。
15.一种存储计算机指令的计算机可读存储器，所述计算机指令在由处理器执行时使主机无线装置执行权利要求1至13中任一项所述的方法。
16.一种方法，包括：
在网络接入节点和用户设备之间发送或接收下行链路控制消息，所述下行链路控制消息针对下行链路无线信号开启或关闭天线的人工相互耦合和/或配置用于所述人工相互耦合的参数；以及作为响应
根据天线的所述人工相互耦合被开启或关闭，处理下行链路无线信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法由接收所述下行链路控制消息的所述用户设备来执行。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述下行链路控制消息关闭所述人工相互耦合，并且响应于从所述用户设备到所述网络接入节点的上行链路消息而生成，其中所述上行链路消息指示所述用户设备的性能度量。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法由发送所述下行链路控制消息的所述网络接入节点来执行。
20.根据权利要求19所述的方法，所述方法进一步包括：所述网络接入节点响应于确定其小区中的业务负载当前足够低而不需要人工相互耦合来生成关闭所述人工相互耦合的所述下行链路控制消息。
21.一种装置，包括至少一个处理器和存储计算机指令的至少一个存储器，其中所述至少一个处理器被配置为与所述存储器和所存储的计算机指令一起使所述装置执行权利要求16至20中任一项所述的方法。
22.一种存储计算机指令的计算机可读存储器，所述计算机指令在由所述处理器执行时使主机无线装置执行权利要求16至20中任一项所述的方法。
23.一种方法，包括：
在无线网络接入节点处，确定特定用户设备能够使用虚拟波束成形和人工相互天线耦合来处理无线信号；以及作为响应；
向所述特定用户设备发送无线信号，其中用于所述发送的至少两个天线单元被人工耦合。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，用于所述发送的所述至少两个天线单元通过将人工相互天线耦合系数添加到预编码矩阵WMC来人工耦合，其中所述预编码矩阵WMC用于在使用所述至少两个天线单元发送所述无线信号之前处理所述无线信号。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，与没有添加人工相互天线耦合系数的预编码矩阵WMC相比，所添加的人工相互天线耦合系数增加所发送的无线信号的方向性。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的方法，其中，根据从所述特定用户设备接收的回复从所述接入节点发送的UE能力查询的UE能力信息或者根据所述特定用户设备变成附着到所述接入节点时的移动性管理实体来进行所述确定。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，进一步包括：
所述接入节点确定不同的第二用户设备不能够使用虚拟波束成形和人工相互天线耦合来处理无线信号；以及作为响应；
避免向所述第二用户设备发送无线信号，其中用于所述发送的至少两个天线单元被人工耦合。
28.一种装置，包括至少一个处理器和存储计算机指令的至少一个存储器，其中所述至少一个处理器被配置为与所述存储器和所述存储的计算机指令一起使所述装置执行权利要求23至27中任一项所述的方法。
29.一种存储计算机指令的计算机可读存储器，所述计算机指令在由所述处理器执行时使主机无线装置执行权利要求23至27中任一项所述的方法。
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