CN108377161B - 用于下一代无线用户设备硬件设计与方法的分布式相控阵多入多出 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于分布式相控阵多入多出(DPA‑MIMO)通信的系统和方法。系统可以包括基带处理单元；多个波束成形(BF)模块，每个波束成形(BF)模块至少包括波束成形天线和收发器电路。所述收发器电路至少包括一个下变频器和上变频器；多个中频(IF)无线电，其中每一个都包括接收链与发射链电路，所述接收或发射链电路至少包括一个下变频器或上变频器将上述BF模块发送来的中频信号下变频转换到可被基带处理单元处理的基带信号，或将基带信号上变频为波束成形模块所需的中频信号并将之传送给BF模块；和多个线缆或任何类型的物理信号传输介质，而它们中每一个都能将所述的众多波束成形模块中的一个与所述中频无线电中的一个相连接。

Description

用于下一代无线用户设备硬件设计与方法的分布式相控阵多 入多出
本发明专利申请要求于2017年2月1日提交的题为“Distributed Phased ArraysBased MIMO(DPA-MIMO)for Next Generation Wireless User Equipment HardwareDesign and Method”的第62/453,120号美国临时申请的权益。
技术领域
本发明的一个或多个实施例一般涉及移动无线通信。更具体地说，本发明涉及多入多出无线通信设备设计。
背景技术
以下背景信息可以呈现现有技术的具体方面的(例如，不限于方法，事实或普通知识)，虽然被认为有助于进一步教育读者关于先前技术的其他方面，但不应被解释为将本发明或其任何实施例限制于其中或其中推断或暗示的任何事物。
当前的移动计算设备，例如但不限于智能手机，随着时间的推移，通常包含越来越多的无线技术和标准。支持更多的无线技术和标准通常可以通过额外的硬件系统来实现。当为用户设计移动计算设备时，通常要考虑它们的功率，成本，和/或物理空间。
通常，当前的无线通信系统要求更高的数据速率以实现日益复杂的应用。无线通信系统可能涉及频率高达60GHz的通信。高频通信可以允许更多的可用频谱和带宽，但也可能导致高传播损耗和穿透损耗。频谱效率可以通过多入多出(MIMO)技术来改善。
诸如5G之类的第五代无线通信系统通常被认为具有大约每秒10G比特的峰值数据吞吐量。通常可以通过使用更宽的频率范围，改进数据编码和/或纠错，和/或改善信号接收来实现更高的数据吞吐量。与典型更传统的蜂窝通信频率相比，诸如37GHz以上的更高频率通常已知具有来自诸如，但不限于建筑物和/或人的实物对象的更高程度的信号干扰。数据编码和/或纠错的技术提高通常需要考虑硬件成本和/或功率消耗。信号接收质量通常可以通过使用附加的硬件组件(例如但不限于天线和/或放大器)来改善，并且通常需要考虑诸如但不限于硬件成本，功率消耗和/或物理尺寸。
以下是一个现有技术中的特定方面的示例，其虽然被认为有助于进一步教育读者关于现有技术的其他方面，但不应被解释为限制本发明，或者其实施方案，其中或其中所述或暗示的任何内容。作为教育背景，现有技术通常有用的另一方面是有些公司可以实现包括多个天线的无线通信设计，以改善预定频率范围的信号接收。
鉴于上述情况，有一点明确的是，这些传统技术并不完美，为更优化的方法留下了空间。
附图说明
在附图的图中，通过示例而非限制的方式示出了本发明，其中用相似的附图标记指代相似的元件，并且其中：
图1给出了本发明中复用分布式相控阵多入多出无线通信架构的一个实施例的顶层系统框图；
图2给出了本发明中分布式相控阵多入多出系统的一个实施例的详细示意图；
图3给出了本发明中采用DPA-MIMO架构的用户设备装置的一个实施例俯视图；
图4给出了本发明中波束成形模块的一个实施例侧面图；
图5给出了本发明中复用分布式相控阵多入多出无线通信架构的一个实施例的顶层系统框图；
图6给出了本发明中分布式相控阵多入多出无线通信系统的一个实施例的具体示意图；
图7给出了本发明中具备多个辐射波束的用户设备装置的实施例图；
图8给出了本发明中一个分布式相控阵多入多出无线网络的实施例图；
图9给出了本发明中一个分布式相控阵多入多出无线通信的实施例流程图；
图10给出了本发明中一个复用分布式相控阵多入多出无线通信的实施例流程图。
具体实施方式
本发明的一些实施例及其变体涉及无线通信系统。这些实施例中的一些可包括计算机软件。在这些实施例的一些中，软件可以被集成到硬件中，包括但不限于用于运行实施例软件的独特设计的硬件。
图1给出了本发明中复用分布式相控阵多入多出(DPA-MIMO)无线通信架构的一个实施例的顶层系统框图。一个DPA-MIMO无线通信架构100包括一个基带处理单元102，单个或多个中频(IF)无线电104，一个或多个线缆106，单个或多个波束成形(BF)模块108。基带处理单元102可以处理来自所有中频无线电104的基带信号。电信号和/或能量从中频无线电104通过单个或多个线缆106传输到单个或多个BF模块108。BF模块106可以被配置用于接收和/或发射无线数据。
在典型接收操作过程即下行通道中,在典型接收操作过程即下行通道中，BF模块108接收无线信号并将信号下变频至中频。单个或多个BF模块108形成多个独立或联合指向任何方向的无线接收波束,并且这些波束在给定的传播环境中可以有任意的波束宽度。获得的中频无线信号通过一个或多个线缆106传送至一个或多个中频无线电504。中频无线电104将中频无线信号进一步下变频，并传送至基带处理单元102进行处理。
在典型发射操作过程即上行通道中，基带处理单元102产生携带通信信息的基带数据，并将基带信号传送至单个或多个中频无线电104。中频无线电104对基带信号进行上变频至中频，然后通过单个或多个线缆106将中频信号传送至单个或多个BF模块108。单个或多个BF模块108对收到的中频信号进行上变频至系统指定的发射频率。进一步，BF模块108形成多个独立或联合指向任何方向的无线传输波束,并在发射频率发送无线信号，这些波束在给定的传播环境中可以有任意的波束宽度。
单个或多个中频无线电104可以通过单个或多个线缆106连接到一个BF模块108。BF模块108可以与多个中频无线电104交换中频信号，这可以在，但不限于，一些BF模块断电或待机的情况下执行。
本领域普通技术人员可以理解，基带处理单元102可以对电信号实现任何类型的处理和/或算法计算。处理和算法计算包括，但不局限于，数字波束成形技术。该技术独立或联合处理来自于单个或多个BF模块108的单路或多路信号。数字波束成形技术可以实现如下一些功能，但不局限于此，例如减小干扰，和/或增强来自于该BF模块108对应天线单元中的信号信噪比。基带处理单元102也可以实现其他无线协议和/或标准中的基带信号处理。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个线缆106可以是任意类型具备信号和/或能量传输的媒体介质。线缆106可以是，但不局限于，光纤电缆，同轴电缆，IPEX/IPX线缆，和/或以太网线等拥有耦合性质，而本领域普通技术人员所理解的公知事物。本发明中的一种实施例是，线缆106可以是能够承载不同光波段信号和/或能量的光纤线缆。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个线缆106可以在每个线缆106上承载单个或多个频段的信号。本发明中的一种实施例是，单个线缆106承载多频段的多路信号。
本领域普通技术人员可以理解，单个波束成形模块108可以包括任意种波束成形天线并按任意位置放松。波束成形模块的天线可以包括，但不局限于，相控阵天线，可控天线，和/或可重构天线。本发明中的一种实施例是，一组相控阵天线放置定向成环状结构。本发明中的另一种实施例是，多个一组相控阵天线以堆叠的三维形式定向放置。
本领域普通技术人员可以理解，单个波束成形模块108可以在任意频率范围工作。频率范围可以是，但不局限于，6到600GHz,因而可以涵盖多种无线技术与无线标准，而这些标准包括但不局限于蜂窝通信，无线局域网(WLAN)通信,全球导航卫星系统通信，毫米波(mmWave)通信，太赫兹(THz)通信，可见光通信，近场通信，和/或其它无线通信。本发明中的一种实施例是，一组BF模块108可以涵盖一系列无线通信频率因而可以使得一个DPA-MIMO无线通信系统100可以在一系列无线通信协议上工作。
本领域普通技术人员可以理解，在DPA-MIMO无线通信架构100的单个或多个单元之间可以传输任意信号和/或能量。单个或多个单元之间传输的信号和/或能量包括，但不局限于，直流(DC)功率，控制信号，参考信号，和/或反馈信号。本发明中的一种实施例是，单个或多个蜂窝中频无线电104可以通过单个或多个线缆106传输控制和参考信号至单个或多个BF模块108。BF模块108可以通过线缆106传回反馈信号至蜂窝中频无线电104。
本领域普通技术人员可以理解，DPA-MIMO无线通信架构100的单个或多个单元之间可以合并成单个功能组或者独立进入多个功能组。在本发明的一种实施例中，每个包括中频无线电104，线缆106和BF模块108的多个组可以以各自的功能工作，例如但不局限于以特定频率的通信，基于特定数据流的通信，传输信号和/或接收信号。在本发明的另一个实施例中，包括一个或多个中频无线电104，线缆106和BF模块108的多个组可以以单个功能工作，例如但不限于以特定频率的通信，基于特定数据流的通信，传输信号和/或接收信号。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个BF模块108可以覆盖一个很宽的频率范围。而这个被单个或者多个模块所覆盖的频率范围包括但不限制于，高于6GHz的WiFi频段，覆盖57-71GHz的无线千兆比特(WiGig)频段,和/或用于其它无线标准的频率，和/或授权与非授权频谱的频率。
图2给出了本发明中分布式相控阵多入多出系统200的一个实施例的详细示意图。分布式相控阵多入多出系统200包含基带处理单元202，单个或多个中频(IF)无线电204，单个或多个线缆206，记忆单个或多个波束成形模块208。基带处理单元202进一步与单个或多个射频(RF)系统240连接，其可以包括本领域普通技术人员显而易见的任何RF前端和/或天线。
BF模块208包括天线阵列264，单个或多个四工器216，单个或多个本地振荡器248，单个或多个发射信号混频器246，单个或多个接收信号混频器244，两个或多个移相器250，单个或多个功率放大器252，单个或多个低噪声放大器254，单个或多个发射带通滤波器256，单个或多个可调接收带通滤波器258，以及单个或多个时控开关260。其中天线阵列264包含单个或多个天线单元262。
天线阵列264由单个或多个天线单元262构成，每个天线单元可以是任意异质或同质类型，形状，极化，定向和设计的天线。本领域普通技术人员可以理解，天线单元262可以根据DPA-MIMO无线系统200的设计和/或应用需求进行选择和/或定向。
中频无线电模块204包括单个或多个四工器216，控制-参考信号生成器212，供电装置214，本地振荡器236，单个或多个低通滤波器224，单个或多个自动增益控制单元226以及228，单个或多个模数转换器(ADC)232，数字接口234，单个或多个数模转换器(DAC)230，多个信号混频器218，单个或多个发射滤波器224，两个及以上信号放大器220和222。
典型的BF模块208操作中，上行或下行通道的信号将通过直接与单个或多个天线单元262相连接的单刀双掷开关260路由。下行通道包括置于时控开关260与单个或多个低噪声放大器254中间的可调接收带通滤波器258。每个低噪声放大器254后面连接一个或多个移相器250。经由单个或多个移相器250输出的信号汇合后，由本地振荡器248和接收信号混频器244进行下变频得到中频信号。产生的中频信号再经由单个或多个线缆206传输至中频无线电204中的单个或多个四工器216。BF模块208可以包括收发器电路，其中包括连接到单个或多个天线阵列264的多个上行链路和下行链路路径。
BF模块208中的传输路径开始时通过单个或多个线缆206从四工器216接收信号。从四工器216接收到的信号由本地振荡器248和发射信号混频器246进行上变频。发射信号混频器246将信号输出至多个移相器250。每个通道配置一个或多个移相器250，其中每个通道指单个或多个功率放大器252将放大后的信号输出至单个或多个发射带通滤波器256。从发射带通滤波器输出的滤波信号被传送至时控开关260，进而路由至对应天线单元262进行发射。
典型的中频无线电204操作中，单个或多个四工器216通过供电设备214经由单个或多个线缆206向单个或多个BF模块208供电。控制-参考信号生成器212产生控制和/或参考信号，并可以用于接收反馈信号。控制-参考信号生成器212还可以接收反馈信号，该反馈信号可以包括但不限于BF模块208的通信质量和温度指示。中频无线电204的下行通道开始于单个或多个四工器216的输出信号。单个或多个信号放大器222功能包括，但不局限于，放大并将单边信号转换为差分信号。本地振荡器236和信号混频器218对信号放大器222的输出信号进行下变频，得到单个或多个基带模拟信号。单个或多个低通滤波器224对基带模拟信号进行滤波。单个或多个自动增益控制单元228对滤波信号进行幅度调整。滤波和/或放大后的基带信号通过ADC 232进行数字化。ADC 232输出的数字信号通过数字接口234桥接至基带处理单元202。
中频无线电204的上行通道开始于单个或多个DAC 230将数字基带信号转换为模拟基带信号。单个或多个低通滤波器224对模拟基带信号进行滤波。单个或多个自动增益控制单元226对经过低通滤波器224滤波之后的模拟基带信号进行幅度调整。本地振荡器236和信号混频器218对滤波和/或放大后的信号进行上变频。单个或多个信号放大器220可以进一步对来自信号混频器218的上变频信号进行放大，然后将信号送至单个或多个四工器216。信号经由单个或多个线缆206从四工器216传输至单个或多个BF模块208。
本领域普通技术人员可以理解，基带处理单元202可以对电信号实现任何类型的处理和/或算法计算。处理和算法计算包括，但不局限于，数字波束成形技术。该技术独立或联合处理来自于单个或多个BF模块208的单路或多路信号，进而减小干扰，和/或增强来自于该BF模块208对应天线单元中的信号信噪比。基带处理单元202也可以实现其他无线协议和/或标准中的基带信号处理。
本领域普通技术人员可以理解，单个波束成形模块208可以在任意频率范围工作。频率范围可以是，但不局限于，6到600GHz,因而可以涵盖多种无线技术与无线标准，而这些标准包括但不局限于蜂窝通信，无线局域网(WLAN)通信,全球导航卫星系统通信，毫米波(mmWave)通信，太赫兹(THz)通信，可见光通信，近场通信，和/或其它无线通信。本发明中的一种实施例是，一组BF模块208肯可以涵盖一系列无线通信频率因而可以使得一个DPA-MIMO无线通信系统200可以在一系列无线通信协议上工作。
本领域的普通技术人员可以理解，多个中频无线电204可以在相同或不同的频率范围内工作，其每个工作的频率范围取决于其所连接的BF模块208的工作频率。中频无线电204和BF模块208的工作频率可以协同设计。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个四工器216可以是任意大小和/或数值的多工器。本发明中的一种实施例是，四工器216可以是一个六工器。本发明中的另一种实施例是，由多个小多工器级联构成四工器。
本领域普通技术人员可以理解，射频系统240可以是针对任意无线通信标准的系统。无线通信标准含义包括，但不局限于，2G，3G，4G，WLAN，蓝牙，和/或他无线标准。本发明中的一种实施例是，射频系统240可以是基于蓝牙，近场通信，以及3G无线标准定义的射频功能系统。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个时控开关260可以是时控开关的任何类型，组合和/或数量。时控开关260可以是但不限于N刀N掷开关。在本发明的一个实施例中，时控开关260可以是单刀双掷开关和单刀三掷开关的组合。
本领域普通技术人员可以理解，一个或多个时控开关260可以是任何交换和/或复用设备，以实现用于一个或多个BF模块208的任何双工方案。BF模块208可以执行双工，例如但不限于时分双工和/或频分双工。双工开关和/或多路复用器可以包括但不限于双工器和/或单刀双掷开关。在本发明的一个实施例中，一个或多个BF模块208，通过一个或多个单刀双掷开关作为时控开关260，使得具有时分双工。在本发明的另一个实施例中，一个或多个BF模块208可以通过将一个或多个时控开关260的替换为双工器，而具有频分双工。
图3给出了本发明中采用DPA-MIMO架构的用户设备装置300的一个实施例俯视图。用户设备装置300由背板310，摄像头314，LED灯316，单个或多个无线协议芯片组318，单个或多个亚6GHz天线312，主逻辑板322，基带处理单元302，单个或多个中频无线电304，单个或多个线缆306，以及单个或多个波束成形模块308构成。
主逻辑板322上连接有单个或多个中频无线电304，基带处理单元302，以及单个或多个无线协议芯片组318。单个或多个BF模块308以及单个或多个亚6GHz天线312通过单个或多个线缆306连接于主逻辑板322上的线缆连接器332上。主逻辑板322上还可以连接包括，但不局限于，摄像头314，LED灯316，和/或单个或多个无线协议芯片组318等在内的额外外围设备。
背板310上的一个或多个BF模块308可以分布方式并且保持一个边到边的间隔，这在最大限度地减小了互耦和传播干扰，并且增强了波束成形模块之间的信号分集和信号质量，同时这么做也考虑到了可用物理空间，波束成形模块尺寸，波束成形模块的总数，散热，和/或目标空间复用增益，和/或目标分集增益。本发明中的一种实施例是，多个BF模块308在排布时需要保证模块边缘间隔不小于1.5倍自由空间载波波长。BF模块308的排布可以根据应用需求确定，这些应用需求包括，但不局限于，物理需求，散热要求，和/或空间复用增益要求。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个无线协议芯片组318可以任意无线协议的组合。无线协议芯片组318所支持的协议包括，但不局限于，WiFi，蓝牙，全球导航卫星系统，和/或近场通信。本发明中的一种实施例是，用户设备装置300包含不同无线协议芯片组318以支持蓝牙通信，WiFi通信，全球导航卫星通信，以及近场通信功能。
本领域普通技术人员可以理解，用户设备装置300上所配置的各功能模块位置与数量可以根据任意指标和用途确定。指标和用途包括，但不局限于，散热、功率消耗、信号质量，和/或装置外观。本发明中的一种实施例是，一组BF模块308放置于间隔为1.5倍自由空间载波波长的网格点上，从而最优化无线信号能量。
本领域普通技术人员可以理解，用户设备装置300和/或背板310可以是任何形态的实体。用户设备装置300和背板310的实体形式包括，但不局限于，蜂窝手机、平板电脑、计算机、笔记本电脑、虚拟现实设备、可穿戴设备，和/或交通工具。本发明中的一种实施例是，用户设备装置300和背板310实体形式为智能电视。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个亚6GHz天线312可以是工作于任意频段的天线。亚6GHz天线312可以是定向或者全向天线。亚6GHz天线包括，但不局限于，蓝牙天线，WLAN天线，和/或超高频段天线。本发明中的一种实施例是，亚6GHz天线312可以是一组覆盖多频段的定向天线。
本领域普通技术人员可以理解，主逻辑板322上可以部署放置用户设备装置300的任何硬件模块。硬件模块包括，但不局限于，计算处理器，单个或多个计算存储单元，和/或用户设备装置300上各模块的多个副本。本发明中的一种实施例是，主逻辑板322上可以部署放置一组电池控制器。
图4给出了本发明中波束成形(BF)模块400的一个实施例侧面图。波束成形模块400包括单个或多个射频集成电路(RFIC)410，衬底层412，印刷电路板(PCB)层414，单个或多个焊球凸点416，单个或多个线缆耦合器432，以及单个或多个天线单元462。
衬底层412支撑单个或多个天线单元462。衬底层412下面的也许有单个或多个焊球凸点，其作用包括，但不局限于，保持机械稳定性和/或保持单个或多个天线单元462与RFIC 410之间的信道导通。RFIC 410集成了多个功能模块，包括但不局限于，低噪声放大器，功率放大器，移相器，滤波器，单刀双掷开关，本地振荡器，和/或波束成形模块400功能实现中的其它必要电路。RFIC 410可以通过不同制造工艺实现。RFIC 410上还可以集成其他适用于其中单个或多个制造工艺的功能模块。RFIC 410也可以是未包装的射频集成电路裸片。PCB层414上可以安装单个或多个RFIC 410，单个或多个线缆耦合器432，和/或单个或多个焊球凸点416。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个焊球凸点416可以是具备功能所需要的任意物理性质的材料。焊球凸点416可以由具备包括，但不局限于，传导特性，可锻造特性，和/或尺寸合适的材料构成。本发明中的一种实施例是，焊球凸点可以是由传导优良的焊接剂与非导体橡胶构成的非均匀混合物。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个天线单元462可以是任意频段的单个或多个天线。天线单元462可以是同构或者异构天线。天线单元462可以是，但不局限于，蓝牙天线，WLAN天线，毫米波天线，太赫兹天线，和/或超高频段天线。本发明中的一种实施例是，天线单元462为覆盖一段频谱的一组异质天线。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个天线单元462包括任意方向性的任意类型天线。天线单元462包括，但不局限于，相控阵天线，可调天线，和/或可重构天线。本发明中的一种实施例是，位于衬底层412上的一组相控阵天线形成全向辐射信号。本发明中的另一种实施例是，多个一组相控阵天线以堆叠的三维形式定向放置。
图5给出了本发明中复用分布式相控阵多入多出(DPA-MIMO)无线通信架构500的一个实施例总系统框图。复用DPA-MIMO无线通信架构500包括基带处理单元502，单个或多个蜂窝中频(IF)无线电504，单个或多个线缆506，单个或多个波束成形(BF)模块508，单个或多个开关518，蜂窝亚6GHz前端510，单个或多个亚6GHz天线512，单个或多个蜂窝-WiFi开关520，单个或多个WiFi-中频无线电514，以及WiFi基带处理单元516。基带处理单元502负责为所有中频无线电504处理所有基带信号。电信号和/或能量从中频无线电504通过单个或多个线缆506传输到单个或多个BF模块508。配置BF模块508用于接收和/或发射无线数据。单个或多个线缆506与单个或多个中频无线电504中间通过单个或多个蜂窝-WiFi开关520连接。此开关520用于控制介于单个或多个线缆506与单个或多个中频无线电504之间，或与单个或多个WiFi-中频无线电514之间的信号通道。单个或多个中频无线电504与单个或多个亚6GHz前端510中间通过单个或多个蜂窝-WiFi开关518连接。蜂窝亚6GHz前端510可以工作于6GHz以下频段，其包括功率放大器，低噪声放大器，天线开关模块，和/或滤波器。每个蜂窝亚6GHz前端510连接单个或多个亚6GHz天线510。
在典型接收操作过程即下行通道中，BF模块508接收无线信号并将信号下变频至中频。在传播环境的有效接收带宽内，BF模块508将形成多个独立或联合指向的无线传输波束。获得的中频无线信号通过单个或多个线缆506传送至单个或多个中频无线电504。中频无线电504将信号进一步下变频，并传送至基带处理单元502进行处理。
在典型发射操作过程即上行通道中，基带处理单元502产生携带通信信息的基带数据，并将基带信号传送至单个或多个中频无线电504。中频无线电504对基带信号进行上变频至中频，然后通过单个或多个线缆506将中频信号传送至单个或多个BF模块508。BF模块508对收到的中频信号进行上变频至系统指定的发射载波频率。进一步，BF模块508在有效发射波束宽度内形成独立或联合指向的无线传输波束，并在发射频率发送无线信号。
电路通道由单个或多个开关518以及单个或多个蜂窝-WiFi开关520根据控制信号进行开关。当位于单个或多个中频无线电504与蜂窝亚6GHz前端510之间的信号通道由单个或多个开关518打开时，位于单个或多个线缆506与单个或多个WiFi中频无线电514之间的信号通道将由两个及以上的蜂窝-WiFi开关520关闭。类似地，当位于单个或多个中频无线电504与蜂窝亚6GHz前端510之间的信号通道由单个或多个开关518关闭时，位于单个或多个线缆506与单个或多个WiFi中频无线电514之间的信号通道将由单个或多个蜂窝-WiFi开关520打开。
本领域普通技术人员可以理解，由单个或多个开关518和/或蜂窝-WiFi开关520控制的电路通道将可以用于控制单个或多个BF模块508和/或出入自基带处理单元502的输入/输出信号。本发明中的一种实施例是，通过关闭连接到蜂窝亚6GHz前端510的所有电路通道，并打开一个或多个连接中频无线电504的电路通道，可以建立WiFi通信。本发明中的另一种实施例是，通过调节控制单个或多个开关518和/或单个或多个蜂窝-WiFi开关520来实现时分方式使用BF模块508和/或基带处理单元502。
本领域普通技术人员可以理解，基带处理单元502可以对电信号实现任何类型的处理和/或算法计算。处理和算法计算包括，但不局限于，数字波束成形技术。该技术独立或联合处理来自于单个或多个BF模块508的单路或多路信号，进而减小干扰，和/或增强来自于该BF模块508对应天线单元中的信号信噪比。基带处理单元502也可以实现其他无线协议或标准中的基带信号处理。
本领域普通技术人员可以理解，单个波束成形模块508可以在任意频率范围工作。频率范围可以是，但不局限于，6到600GHz,因而可以涵盖多种无线技术与无线标准，而这些标准包括但不局限于蜂窝通信，无线局域网(WLAN)通信,全球导航卫星系统通信，毫米波(mmWave)通信，太赫兹(THz)通信，可见光通信，近场通信，和/或其它无线通信。本发明中的一种实施例是，一组BF模块508可以涵盖一系列无线通信频率因而可以使得一个DPA-MIMO无线通信系统500可以在一系列无线通信协议上工作。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个线缆506可以是能够发送信号和/或电力的任何类型的介质。线缆506可以是但不限于光纤电缆，同轴电缆，和/或以太网线等拥有耦合性质，而本领域普通技术人员所理解的公知事物。在本发明的一个实施例中，线缆506可以是承载各种光波长的信号和/或功率的光纤电缆。
本领域的普通技术人员容易推断知道，一个或多个线缆506可以在每个线缆506中以一个或多个频率承载信号。在本发明的一个实施例中，单个线缆506可以在多个频率上承载多个信号。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个天线单元462包括任意方向性的任意类型天线。天线单元462包括，但不局限于，相控阵天线，可调天线，以及/或可重构天线。本发明中的一种实施例是，位于衬底层412上的一组相控阵天线形成全向辐射信号。本发明中的另一种实施例是，多个一组相控阵天线以堆叠的三维形式定向放置。
本领域普通技术人员可以理解，在DPA-MIMO无线通信架构500的单个或多个单元之间可以传输任意信号和/或能量。单个或多个单元之间传输的信号和/或能量包括，但不局限于，直流(DC)功率，控制信号，参考信号，和/或反馈信号。本发明中的一种实施例是，单个或多个蜂窝中频无线电504可以通过单个或多个线缆506传输控制和参考信号至单个或多个BF模块508。BF模块508可以通过线缆506传回反馈信号至蜂窝中频无线电504。
本领域普通技术人员可以理解，DPA-MIMO无线通信架构500的单个或多个单元之间可以合并成单个功能组或者独立进入多个功能组。在本发明的一种实施例中，每个包括中频无线电504，线缆506和BF模块508的多个组可以以各自的功能工作，例如但不局限于以特定频率的通信，基于特定数据流的通信，传输信号和/或接收信号。在本发明的另一个实施例中，包括一个或多个中频无线电504，线缆506和BF模块508的多个组可以以单个功能工作，例如但不限于以特定频率的通信，基于特定数据流的通信，传输信号和/或接收信号。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个BF模块108可以覆盖一个很宽的频率范围。而这个被单个或者多个模块所覆盖的频率范围包括但不限制于，高于6GHz的WiFi频段，覆盖57-71GHz的无线千兆比特(WiGig)频段,和/或用于其它无线标准的频率，和/或授权与非授权频谱的频率。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个开关518，蜂窝亚6GHz前端510，单个或多个亚6GHz天线512，单个或多个蜂窝-WiFi开关520，单个或多个WiFi-中频无线电514，以及WiFi基带处理单元516可以是为任意无线频段和/或协议设计的硬件。本发明中的一种实施例是，单个或多个开关518，蜂窝亚6GHz前端510，以及单个或多个亚6GHz天线512可以是为超高频段无线通信设计的开关器件，前端电路，以及天线器件。
本领域的普通技术人员容易推断知道，可以针对任何无线通信频率来配置复用DPA-MIMO无线通信架构500和任何包括的元件。无线通信频率可以包括但不限于蓝牙，NFC，蜂窝频率和/或无线电频率。在本发明的一个实施例中，一个或多个WiFi中频无线电514和单个或多个WiFi基带信号处理单元516可以被配置用于蓝牙频率，而单个或多个蜂窝亚6GHz前端510和单个或多个蜂窝亚6GHz天线512可以被配置用于近场通信频率。
图6给出了本发明中DPA-MIMO无线通信系统600的一个实施例具体示意图。一个复用DPA-MIMO无线通信系统600包含基带处理单元602，单个或多个中频无线电604，单个或多个线缆606，单个或多个波束模块608，媒体访问控制模块(MAC)680，单个或多个蜂窝-WiFi切换开关682，单个或多个WiFi中频无线电684，WiFi基带处理单元692，单个或多个亚6GHz前端686，以及单个或多个亚6GHz天线688。基带处理单元602可以与单个或多个射频(RF)系统640连接。本领域的技术人员应了解RF系统640可以包含若干RF前端以及/或天线。
BF模块608包含一个天线阵列664，单个或多个四工器616，单个或多个本地振荡器648，单个或多个发射信号混频器646，单个或多个接收信号混频器644，单个或多个移相器650，单个或多个功率放大器652，单个或多个低噪声放大器654，单个或多个传输带宽滤波器656，单个或多个可调接收滤波器658，时控开关660。天线阵列664包含单个或多个天线单元662。
天线阵列664包括单个或多个不同类型、形状和设计的天线单元662。本领域普通技术人员可以理解，根据指定的DPA-MIMO复用无线通信系统600设计和/或应用需求，可以选择和/或调整天线单元662的对准方向。
中频无线电模块604包括单个或多个四工器616，控制-参考信号生成器612，供电装置614，本地振荡器636，单个或多个低通滤波器624，单个或多个自动增益控制单元626以及628，单个或多个模数转换器(ADC)632，数字接口634，单个或多个数模转换器(DAC)630，多个信号混频器618，单个或多个发射滤波器624，两个及以上信号放大器620和622，以及单个或多个开关690。
媒体访问控制(MAC)单元680的设计可以支持来自基带处理单元602和WiFi基带处理单元692的信号。MAC单元680包含了可以支持基带处理单元602与WiFi基带处理单元692之间通信的算法和/或协议。基带处理单元602与WiFi基带处理单元692之间通信含义包括，但不局限于，基于应用场景的蜂窝与WiFi功能之间的协作通信，支持蜂窝基带处理单元602和WiFi基带处理单元692同时通信，和/或在授权频段和非授权频段上的载波聚合。
典型的BF模块608操作中，上行或下行通道的信号通过直接与单个或多个天线单元662相连接的单刀双掷开关660路由。下行通道包括置于时控开关660与单个或多个低噪声放大器654中间的可调接收带通滤波器658。每个低噪声放大器654后面连接移相器650。经由单个或多个移相器650输出的信号汇合后，由本地振荡器648和接收信号混频器644进行下变频得到中频信号。产生的中频信号再经由单个或多个线缆606传输至中频无线电604中的单个或多个四工器616。
BF模块608中的传输路径开始时通过单个或多个线缆606从四工器616接收信号。从四工器616接收到的信号由本地振荡器648和发射信号混频器646进行上变频。发射信号混频器646将信号输出至多个移相器650。每个通道配置一个移相器650，其中每个通道指单个或多个功率放大器652将放大后的信号输出至单个或多个发射带通滤波器656。从发射带通滤波器输出的滤波信号被传送至时控开关660，进而路由至对应天线单元662进行发射。
典型的中频无线电604操作中，单个或多个四工器616通过供电设备614经由单个或多个线缆606向单个或多个BF模块608供电。控制-参考信号生成器612产生控制和/或参考信号，并可以用于接收反馈信号。
中频无线电604的下行通道开始于单个或多个四工器616的输出信号。单个或多个信号放大器622功能包括，但不局限于，放大并将单边信号转换为差分信号。本地振荡器636和信号混频器618对信号放大器622的输出信号进行下变频，得到单个或多个基带模拟信号。单个或多个低通滤波器624对基带模拟信号进行滤波。单个或多个自动增益控制单元628对滤波信号进行幅度调整。滤波和/或放大后的基带信号通过ADC 632进行数字化。ADC632输出的数字信号通过数字接口634桥接至基带处理单元602。
中频无线电604的上行通道开始于单个或多个DAC 630将数字基带信号转换为模拟基带信号。单个或多个低通滤波器624对模拟基带信号进行滤波。单个或多个自动增益控制单元626对经过低通滤波器624滤波之后的模拟基带信号进行幅度调整。本地振荡器636和信号混频器618对滤波和/或放大后的信号进行上变频。单个或多个信号放大器620可以进一步对来自信号混频器618的上变频信号进行放大，然后将信号送至单个或多个四工器616。信号经由单个或多个线缆606从四工器616传输至单个或多个BF模块608。
电路通道可以由单个或多个开关690以及单个或多个蜂窝-WiFi开关682根据控制信号来进行开关。当位于两个及以上信号放大器620和622与单个或多个蜂窝亚6GHz前端686之间的信号通道由单个或多个开关690打开时，位于单个或多个线缆606与单个或多个WiFi-中频无线电684之间的信号通道将由单个或多个蜂窝-WiFi开关682关闭。类似地，当位于两个及以上信号放大器620和622与单个或多个蜂窝亚6GHz前端686之间的信号通道由单个或多个开关690关闭时，位于单个或多个线缆606与单个或多个WiFi中频无线电684之间的信号通道将由单个或多个蜂窝-WiFi开关682打开。
本领域普通技术人员可以理解，由单个或多个开关690和/或蜂窝-WiFi开关682控制的电路通道将可以用于控制单个或多个BF模块608和/或出入自基带处理单元602的输入/输出信号。本发明中的一种实施例是，通过关闭连接到单个或多个蜂窝亚6GHz前端686的所有电路通道，并打开一个或多个连接WiFi-中频无线电684的电路通道，可以建立WiFi通信。本发明中的另一种实施例是，通过调节控制单个或多个开关690和/或单个或多个蜂窝-WiFi开关682来实现时分方式使用BF模块608和/或基带处理单元602。
本领域普通技术人员可以理解，单个波束成形模块608可以在任意频率范围工作。频率范围可以是，但不局限于，6到600GHz,因而可以涵盖多种无线技术与无线标准，而这些标准包括但不局限于蜂窝通信，无线局域网(WLAN)通信,全球导航卫星系统通信，毫米波(mmWave)通信，太赫兹(THz)通信，可见光通信，近场通信，和/或其它无线通信。本发明中的一种实施例是，一组BF模块608肯可以涵盖一系列无线通信频率因而可以使得一个DPA-MIMO无线通信系统600可以在一系列无线通信协议上工作。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个四工器616可以是任意大小和/或数值的多工器。本发明中的一种实施例是，四工器616可以是一个六工器。本发明中的另一种实施例是，由多个小多工器级联构成四工器。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个中频无线电604，单个或多个开关690，单个或多个蜂窝亚6GHz前端686，单个或多个亚6GHz天线688，单个或多个蜂窝-WiFi开关682，单个或多个WiFi中频无线电684，以及WiFi基带处理单元692可以是为任意无线频段和/或协议设计的硬件。本发明中的一种实施例是，单个或多个开关690，单个或多个蜂窝亚6GHz前端686，以及单个或多个亚6GHz天线688可以是为超高频段无线通信设计的开关器件，前端电路，以及天线器件。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个时控开关660可以是时控开关的任何类型，组合和/或数量。时控开关660可以是但不限于N刀N掷开关。在本发明的一个实施例中，时控开关660可以是单刀双掷开关和单刀三掷开关的组合。
本领域普通技术人员可以理解，一个或多个时控开关660可以是任何交换和/或复用设备，以实现用于一个或多个BF模块608的任何双工方案。BF模块608可以执行双工，例如但不限于时分双工和/或频分双工。双工开关和/或多路复用器可以包括但不限于双工器和/或单刀双掷开关。在本发明的一个实施例中，一个或多个BF模块608，通过一个或多个单刀双掷开关作为时控开关660，使得具有时分双工。在本发明的另一个实施例中，一个或多个BF模块608可以通过将一个或多个时控开关660的替换为双工器，而具有频分双工。
本领域普通技术人员可以理解，射频系统640可以是针对任意无线通信标准的系统。无线通信标准含义包括，但不局限于，2G，3G，4G，WLAN，蓝牙，和/或其他无线标准。本发明中的一种实施例是，射频系统640可以是基于蓝牙，近场通信，以及3G无线标准定义的射频功能系统。
本领域的普通技术人员容易推断知道，可以针对任何无线通信频率来配置复用DPA-MIMO无线通信架构600和任何包括的元件。无线通信频率可以包括但不限于蓝牙，近场通信，蜂窝频率和/或无线电频率。在本发明的一个实施例中，一个或多个WiFi中频无线电684和单个或多个WiFi基带信号处理单元692可以被配置用于蓝牙频率，而单个或多个蜂窝亚6GHz前端686和单个或多个蜂窝亚6GHz天线688可以被配置用于近场通信频率。
图7给出了本发明中具备多个辐射波束的用户设备装置700的实施例图。用户设备装置700在背板712上配置有一个或多个BF模块708。每个BF模块708可以辐射单个或多个波束710。波束710上承载着用于无线通信的无线信号，其包含一个主瓣和多个旁瓣。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个BF模块708可以形成、衰减，和/或引导单个或多个波束710。本发明中的一种实施例是，多个BF模块708可以协作形成单个、相对更强的波束。本发明中的另一种实施例是，多个BF模块708在针对用户设备装置700的指定方向上形成多个波束710。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个波束710可以代表单个或多个载波频率，和/或单个或多个数据流。本发明中的一种实施例是，多个波束710中的每个波束代表用户设备装置700使用的一个频率，从而多个波束覆盖更大的频段范围。本发明中的另一种实施例是，多个波束710中的每个波束承载一路数据流，从而多波束可以最大化用户设备装置700的通信带宽。
本领域普通技术人员容易推断知道，背板712可以容纳任何部件和/或外围设备。组件和/或外围设备可以包括但不限于一个或多个摄像头，一个或多个LED，螺钉安装座，天线和/或电子模块。在本发明的一个实施例中，背板712可以容纳用于用户设备装置700的实施例的摄像头，LED灯和任何相关支持硬件。
图8给出了本发明中一个DPA-MIMO无线网络800的实施例图。DPA-MIMO无线网络800由一个用户设备802和一个基站812组成。用户设备802可以包括单个或多个无线波束810。基站812可以包括单个或多个基站单元814，每个基站单元可以产生单个或多个基站波束816。
典型操作中，基站813可以将单个或多个基站波束816对准用户设备802。基站波束816可以与来自用户设备802上的单个或多个无线波束810进行对准，从而实现用户设备802与基站812之间链路的高性能通信。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个基站单元814可以形成、衰变单个或多个波束基站波束816。本发明中的一种实施例是，多个基站单元814可以协作形成单个、相对更强的波束。本发明中的另一种实施例是，多个基站单元814在指定方向上形成多个基站波束816用于获得指定方向上的信号冗余。
本领域普通技术人员可以理解，单个或多个波束810以及单个或多个基站波束816可以代表单个或多个载波频率，和/或单个或多个数据流。本发明中的一种实施例是，多个波束810中的每个波束代表用户设备装置802使用的一个频率，从而多个波束覆盖更大的频段范围。本发明中的另一种实施例是，多个基站波束816中的每个波束承载一路数据流，从而多波束可以最大化DPA-MIMO无线网络800的通信带宽。
本领域普通技术人员可以理解，DPA-MIMO无线网络800中可以包含多个用户设备802或者/和多个基站812。本发明中的一种实施例是，单个基站812可以包括多个基站单元814，每个基站单元814可以与单个用户设备802建立高性能通信链路。本发明中的另一种实施例是，多个基站812与用户设备802之间建立多路高性能通信链路，从而增加信号冗余。
本领域普通技术人员可以理解，高性能链路的判断指标可以是单个指标或多指标。用于定义通信链路性能的指标包括，但不局限于，信号能量，通信带宽，和/或传输速率。
图9给出了本发明中一个分布式相控阵多入多出无线通信网络900的实施例流程图。DPA-MIMO无线通信流程900包括参考信号接收步骤902，波束扫描步骤904，遮挡探测步骤906，反馈步骤908，波束扫描与合并步骤910，基带波束成形步骤912，发射或接收步骤914，以及掉电步骤916。
根据图9和图2，DPA-MIMO无线通信流程900开始于参考信号接收步骤902。DPA-MIMO无线通信系统200通过单个或多个BF模块208接收来本系统200外的通信站的单个或多个参考信号。单个或多个来自本系统外发射机的参考信号可以是任意形式信号，包括但不局限于，短脉冲，编码数据流，和/或超过给定功率门限的无线波束。
波束扫描步骤904由单个或多个BF模块208通过扫描和信道估计实现。遮挡探测步骤906由包括，但不局限于，基带处理单元202在内的处理单元实现。遮挡探测步骤906负责探测BF模块208是否被遮挡。
如果遮挡探测步骤906探测到BF模块208被遮挡，BF模块208实施掉电步骤916。在掉电步骤916中，单个或多个BF模块208下调发射功率并且/或者进入待机模式。BF模块208将保持掉电/待机模式直至下一时间间隔中DPA-MIMO无线通信流程900重新进入接收参考信号步骤902。
如果遮挡探测步骤906没有探测到至少单个或者多个BF模块208的遮挡，反馈步骤908由基带处理单元202发起，并由单个或者多个没有被遮挡的BF模块208发送。包括但不局限于，工作模式，每一个BF模块208的信道状态，温度，和/或使用带宽在内的信息将被反馈至DPA-MIMO无线系统200的发射端。
BF模块208可以实施波束控制与波束合并步骤910，换言之，就是对传输做预编码而对接收做合并。在波束扫描与合并步骤910中，将根据最优化包括，但不局限于，信号强度、功率使用、和/或传输数据速率在内的DPA-MIMO无线系统200的性能指标来实施波束扫描与波束对准。
基带波束成形步骤912由基带处理单元202实施。根据DPA-MIMO无线通信系统200的收发信号需求，基带波束成形步骤912将对DPA-MIMO无线通信系统200的信号进行预编码或合并。根据传输模式，单个或多个BF模块208将实施发射或接收步骤914来发射或接收无线信号。
本领域普通技术人员可以理解，DPA-MIMO无线通信流程900中的单个或多个步骤可以增加、删除、或重排。本发明中的一种实施例是，DPA-MIMO无线通信流程900可以跳过反馈步骤908从而降低DPA-MIMO无线通信系统200的时延。本发明中的另一种实施例是，DPA-MIMO无线通信流程900中的波束扫描步骤904和遮挡探测步骤906可以按任意先后顺序实施。本发明中的再一种实施例是，DPA-MIMO无线通信流程900中可以增加包括，但不局限于，如数据加密和/或信号复用等额外步骤。
本领域普通技术人员可以理解，DPA-MIMO无线通信流程900中的单个或多个步骤可以由单个或多个DPA-MIMO无线通信系统200模块，单个或多个电路，和/或单个或多个装置进行实施。本发明中的一种实施例是，DPA-MIMO无线通信流程900中的单个或多个步骤可以由包括，但不局限于，单个或多个电子装置、计算机网络，和/或单个或多个DPA-MIMO无线通信系统200在内的装置进行实施。本发明中的另一种实施例是，DPA-MIMO无线通信流程900中的步骤由无线局域网中的网络计算装置实施。
图10给出了本发明中一个复用分布式相控阵多入多出无线通信1000的实施例流程图。复用分布式相控阵多入多出无线通信1000包括频谱感知步骤1002，有效网络判断步骤1004，应用需求检测步骤1006，网络选择步骤1008，蜂窝工作模式配置步骤1010，蜂窝和WiFi工作模式配置步骤1012，WiFi工作模式配置步骤1014，以及发射或接收步骤1016。
根据图10和图6，复用DPA-MIMO无线通信流程1000开始于频谱感知步骤1002。单个或多个BF模块608实施频谱感知步骤1002，从而确定无线通信的可用频谱和流量。
有效网络判断步骤1004由单个或多个BF模块和/或处理模块实施。可以根据包括但不局限于，传感器读数、频带流量，和/或频带噪声等被动手段实施有效网络判断。有效网络判断也可以基于主动实施方式，例如，但不局限于，复用DPA-MIMO无线系统600与发射机之间信息交互、发射机信息广播，和/或用户设备装置输入。
应用需求检测步骤1006可以由包括，但不局限于，基带处理单元602在内的处理单元实施。应用需求检测步骤1006通过评估应用需求决定网络使用。判断网络使用的准则包括，但不局限于，数据速率、时延，以及或者用户输入。
在网络选择步骤1008，例如，但不局限于，基带处理单元602的处理单元根据从应用需求检测步骤1006获得的信息来决定使用单个或多个网络。根据选择使用的网络，实施蜂窝工作模式配置步骤1010、蜂窝和WiFi工作模式配置步骤1012，或WiFi工作模式配置步骤1014。网络选择还可以根据包括，但不局限于，用户设备装置的接收无线信号、网络流量，和/或发射网络来决定。本领域普通技术人员可以理解，网络选择能够支持任意类型的无线网络。无线网络包含，但不局限于，蓝牙、WiFi、NFC、和/或蜂窝。
在蜂窝工作模式配置步骤1010，蜂窝和WiFi工作模式配置步骤1012，和WiFi工作模式配置步骤1014中，网络选择步骤1008选择使用的网络。蜂窝工作模式配置步骤1010选择单独使用蜂窝网络，蜂窝和WiFi工作模式配置步骤1012选择使用蜂窝和WiFi两个网络，WiFi工作模式配置步骤1014选择单独使用WiFi网络。复用DPA-MIMO无线通信系统600通过包括，但不局限于，单个或多个蜂窝-WiFi开关682、单个或多个蜂窝亚6GHz前端686，单个或多个时控开关660，和/或MAC模块680等开关和/或初始化软件与硬件，配置蜂窝网络通信。本发明的一个实施例是，复用DPA-MIMO无线通信系统600通过包括，但不局限于，单个或多个线缆606和/或单个或多个BF模块608的复用共享硬件资源控制WiFi和蜂窝工作模式。
发射与接收步骤1016可以由包括，但不局限于，单个或多个BF模块608、单个或多个中频无线电模块604、单个或多个WiFi无线电684等发射硬件实施，并根据复用DPA-MIMO无线通信系统600的工作模式状态对无线信号进行发射或接收。
本领域普通技术人员可以理解，复用DPA-MIMO无线通信流程1000不局限于蜂窝和WiFi两种模式复用。复用DPA-MIMO无线通信流程1000可以用于任意两个或多个无线通信技术的复用。本发明中的一种实施例是，复用DPA-MIMO无线通信流程1000可以用于配置使用蓝牙、近场通信，以及业余无线电通信系统。在本发明的另一个实施例中，蜂窝工作模式配置步骤1010、蜂窝和WiFi工作模式配置步骤1012，和WiFi工作模式配置步骤1014可以分别对复用DPA-MIMO无线通信系统600进行配置，实现单个或多个无线协议。
本领域普通技术人员可以理解，复用DPA-MIMO无线通信流程1000中的单个或多个步骤可以增加、删除、或重排。本发明中的一种实施例是，复用DPA-MIMO无线通信流程1000可以跳过频谱感知步骤1002从而降低复用DPA-MIMO无线通信系统600的时延。本发明中的另一种实施例是，复用DPA-MIMO无线通信流程1000中的有效网络判断步骤1004和应用需求检测步骤1006可以按任意先后顺序实施。本发明中的再一种实施例是，复用DPA-MIMO无线通信流程1000中可以增加包括，但不局限于，如数据加密和/或信号复用等额外步骤。
本领域普通技术人员可以理解，复用DPA-MIMO无线通信流程1000中的单个或多个步骤可以由单个或多个复用DPA-MIMO无线通信系统600模块，单个或多个电路，和/或单个或多个装置进行实施。本发明中的一种实施例是，复用DPA-MIMO无线通信流程1000中的单个或多个步骤可以由包括，但不局限于，单个或多个电子装置、计算机网络，和/或单个或多个复用DPA-MIMO无线通信系统600在内的装置进行实施。本发明中的另一种实施例是，复用DPA-MIMO无线通信流程1000中的步骤由无线局域网中的网络计算装置实施。
根据或受到本发明专利启发，本技术领域的技术人员可以认识到，上述步骤可以根据特定应用需求进行替换、重新排序、删除、以及增加额外步骤。此外，受到本发明专利启发，本技术领域的技术人员可以知道，上述发明步骤案例可以通过任意物理或硬件系统实现。任何经过配置设计的典型计算机系统都可以为本发明中所有可以在计算机上实现的方法步骤提供计算系统服务。
除特别说明，本文件中包括摘要、插图在内的所有披露特征，都可以用提供相同或类似功能的其他特征替代。因此，除非特别说明，每个披露特征都仅代表一系列相同或类似特征的一个特例。
已经完整地描述了本发明的至少一个实施例，在根据本发明的硬件设计中实现DPA-MIMO的其他等同或替代方法，对本领域技术人员而言是显而易见的。以上已经通过说明的方式描述了本发明的各个方面，并且公开的具体实施例并不意味将本发明限制于所公开的特定形式。硬件设计中的DPA-MIMO的具体实现可以根据特定的上下文或应用而变化。作为示例而非限制，上述硬件设计中的DPA-MIMO原则上针对消费电子类的实现；然而，类似的技术可以替代地应用于物联网应用(IoT)，例如车辆到车辆通信或者传感器到传感器通信，本发明的实施方式被认为是在本发明的范围内。因此，本发明涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有修改，等同物和替代方案。需要进一步理解的是，在前述说明书中并非所有公开的实施例都必须满足或实现前述说明书中描述的每个目的，先进性或者改进提高。

Claims (24)

1.一种用于分布式相控阵多入多出(DPA-MIMO)通信系统，包括：
一个基带处理单元；
多个分布式放置的波束成形(BF)模块，每个波束成形(BF)模块至少包括波束成形天线和收发器电路，所述收发器电路至少包括一个下变频器和上变频器，下变频器将波束成形的天线射频信号下变频成中频信号，而上变频器将中频信号上变频到射频并发送到所述波束成形天线进行传输；和
多个分布式放置的中频(IF)无线电，每一个中频无线电都包括接收链电路与发射链电路，所述接收链电路至少包括一个下变频器将上述BF模块发送来的中频信号，下变频到传送到所述基带处理单元的基带信号，并传送给该基带处理单元,而发射链电路至少包括一个上变频器，其将所接收到的基带处理单元的基带信号上变频为波束成形模块的所需的中频信号，并将该中频信号传送给BF模块；
每一个BF模块与多个独立的分布式放置中频(IF)无线电模块通过多个独立的线缆连接；
其中，基于以下至少一项：一个可用的物理空间，波束成形模块尺寸，波束成形模块总数，散热，一个空间多路复用增益或目标分集增益，所述多个波束成形模块以分布式方式放置并且保持一个能够最大程度减少相互耦合和传播干扰的波束成形模块的边到边间隔，从而在所述波束成形模块之间增强了信号多样性和信号质量，所述多个中频无线电以分布式方式放置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述波束成形(BF)模块包括一个相控天线阵列，一个可控天线或可重构天线，以及被配置形成指向特定方向的波束，而其特定波束宽度和增益适合于发射或接收。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述相控天线阵列包括同质或异质类型，形状，定向，极化和设计的一个或多个天线元件，每个天线元件与能够分别调节天线元件信号相位的两个或更多个移相器相关。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个波束成形模块包括同质或异质类型的波束成形天线，其形成无线波束，而所述的无线波束可独立地或共同地指向任意方向，并且所诉任意方向可具有任何波束宽度和增益，并适合于单个或多个数据流传输与接收。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个波束成形模块被配置为在相同或不同的频带中操作，跨越从GHz到毫米波(mmWave)，太赫兹甚至光学频率的宽频率范围。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述边到边的间隔是边缘间距大于自由空间波长的1.5倍。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个中频无线电被配置为在相同或不同频率范围内操作，并且每个中频无线电还包含用于传输和接收的数模转换器和模数转换器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述基带处理单元独立地或联合地对从所述BF模块和IF无线电传送的信号执行数字波束成形，从而进一步减少干扰并且增强了处理的信号的信噪比，并且也强化了许多其他基带处理功能，包括处理其他无线协议和/或标准。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括多根线缆，其中每条线缆将所述波束成形模块之一与所述IF无线电模块之一连接，并且承载单个或多个频率的多个信号包括中频无线电与波束成形模块之间交换的中频信号、控制信号、参考信号、直流功率或反馈信号。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，可以选择线缆为同轴电缆、光纤线缆、IPEX/IPX线缆，以及以太网电缆。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，波束成形模块集成了衬底层或者印刷电路板上的所有元件，并与此印刷电路板或衬底层上的基带处理单元位于相同位置的中频无线电隔离开。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，波束成形模块支持时分双工通信或者频分双工通信。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，基带处理单元，多个BF模块和多个中频无线电模块组合为一个功能模块组或者分开形成多个功能模块组。
14.根据权利要求1所述的系统，其中系统与包含单个或多个基站单元的基站通信时，其中至少一个BF模块形成与由这单个或多个基站单元产生的单个或多个波束方向相匹配的单个或多个波束，并且由来自至少一个波束成形模块的单个或多个波束与单个或多个基站单元的单个或多个波束之间建立的高性能链路代表了单个或多个载波频率或者单个或多个数据流。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一个壳体，这个壳体可以容纳基带处理单元，多个BF模块，多个中频无线电模块或一个其组合。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统被包括在用户设备里。
17.根据权利要求9所述的系统，进一步包含，
位于单个或多个线缆与单个或多个中频无线电之间的第一组多个开关，
根据第一无线协议组运作的另一组多个中频无线电模块，和
根据第一无线协议组执行基带处理的另一个基带处理模块；
或者
根据第二无线协议组运作的多个前端模块，和
位于单个或多个中频无线电模块与单个或多个前端模块之间的第二组多个开关；
其中第一无线协议组或第二无线协议组能够可以启用一个无线协议的复用与重用，而所述无线协议被多个波束成形(BF)模块或多个中频无线电模块，或其它多个中频无线电模块使用。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，由第一控制信号控制的第一批多个开关中的第一个开关可以启用/禁用在一个波束成形(BF)模块和一个中频无线电之间的信号通道，第一个开关在(i)波束成形(BF)模块和(ii)一个中频无线电模块或另一组根据第一组无线协议组运作的多个中频无线电模块中的一个模块，其中，由第二控制信号控制的第二批多个开关中的第二个开关启用/禁用一个信号通道，这个信号通道处于中频无线电模块与一个前端模块之间，以及处于中频无线电与一个根据第二无线协议组运作的前端模块之间。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，基带处理单元和另一个基带处理单元交互它们的数据，以便通过更高层协议进行联合处理，从而同时支持无线协议和第一无线协议，或支持授权和非授权频段的载波聚合。
20.根据权利要求17所述的系统，进一步包含一个壳体，该壳体容纳第一组多个开关，其他多个中频无线电设备，另一个基带处理单元，多个前端，第二组多个开关或其组合。
21.根据权利要求17所述的系统，其中，所述系统被包括在用户设备里。
22.一种采用权利要求1所述的系统的数据通信方法，该方法包括：
通过所述分布式波束成形模块接收单个或多个来自DPA-MIMO无线通信系统外通信站的参考信号；
通过所述分布式波束成形模块、所述中频无线电和所述基带处理单元进行波束扫描和信道估计；
根据波束扫描结果和信道估计步骤判断BF模块是否被遮挡，并由所述基带处理单元对每个BF模块进行遮挡检测；
对于一个或多个检测到未被遮挡的BF模块使用未被遮挡的BF模块进行波束扫描与波束对准与来自通信基站的波束进行优化包括信号强度、功率使用，以及和传输数据速率在内的通信链路性能；
所述基带处理单元进行基带数字波束成形来进一步优化通信链路性能；以及
从来自未被遮挡的BF模块、中频无线电和基带处理单元的配置波束上发射和接收无线数据信号。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述分布式BF模块独立或联合形成单个或多个具有任意带宽和增益的波束，波束方向指向来自单个或多个基站或单个或多个基站单元的任意波束的方向，并且所述单个或多个波束指代单个或多个载波频率或者单个或多个数据流。
24.一种采用权利要求1所述的系统的数据通信方法，该方法包括：
在单个或多个所述BF模块上实现频谱感知来确定可用频段，并且流量通过由中频无线电模块开启的信号通道再由基带处理单元控制；
在每个所述BF模块上确定可用网络/协议；
检测应用需求来确定所需要的资源；
选择单个或多个共同满足包括通信服务质量的应用需求的网络/协议；
配置和初始化不同的所述BF模块和所述中频无线电模块组合以供选择一个或多个无线网络/协议；和
在所述分布式相控阵多入多出(DPA-MIMO)系统上，发射和接收无线数据。
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