CN108432153A - 用于控制等效全向辐射功率的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在无线通信网络的接入点(1)控制从天线元件的阵列发射的等效全向辐射功率EIRP。接入点(1)被配置为在第一操作模式中通过将波束形成权重矩阵(12)的权重集应用于一个或多个信号流形成一个或多个波束(3、5)。通过校准每个天线元件(14a‑14n)的相应发送链(13a‑13n)的发送相位和增益，提供用于该阵列的天线元件的极辐射模型，并且受在任何方位角方向上组合的一个或多个波束的最大总EIRP保持在预定EIRP限制内的约束确定权重矩阵(12)的权重集来控制EIRP。该确定至少基于天线元件的空间分离、极辐射模型以及每个相应发送链的校准发送相位和增益。

Description

用于控制等效全向辐射功率的方法和设备
技术领域
本发明总体涉及一种点对多点无线网络中的接入点以及操作接入点的方法，并且更具体地而非排它地，涉及一种在无线通信网络的接入点控制从天线元件的阵列发射的等效全向辐射功率(EIRP)的方法。
背景技术
现代无线通信网络通常需求很大，以便在所分配的信号频谱的约束内提供高数据容量。在蜂窝无线通信网络中，通常可以根据预定频率重复使用模式通过重复使用小区之间的频率增大容量。固定无线接入系统可以包括通常安装在天线塔上的基站(可被称为接入点)，以及安装在客户住宅处的大量用户模块。可将接入点的覆盖区域划分成扇区，每个扇区用于与相应小区一起发送和接收。与覆盖扇区的波束相比，通过向特定用户设备(可被称为用户模块)引导相应波束，小区内的容量可以进一步增加，以便在改进的增益和/或减少的干扰接收下允许在接入点之间进行通信。接入点可以为每个扇区配备有天线阵列和波束形成器用以形成与各个相应用户模块通信的波束。可能需要波束形成器用不同的操作方法形成各种波束宽度的波束。
可能需要将等效全向辐射功率(EIRP)保持在预定限制内。这可以通过将发送到天线阵列的每个天线元件的功率限制为如果发生波束形成器施加最大阵列增益的这种最差的情况也不会超过EIRP限制的水平来实现。然而，该方法的缺点是可能使接入点在显著低于不会施加最大阵列增益的波束形成器设置的EIRP限制的水平处进行发送。可能会限制在链上可达到的信号噪声比从而限制系统数据容量。
本发明的目的是缓解现有技术中的问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种在无线通信网络的接入点控制从天线元件的阵列发射的等效全向辐射功率(EIRP)的方法，接入点被配置为通过在第一操作模式中将波束形成权重矩阵的权重集应用于一个或多个信号流形成一个或多个波束，该方法包括：
校准每个天线元件的相应发送链的发送相位和增益；
提供阵列的天线元件的极辐射模型；以及
受以下约束确定权重矩阵的权重集：在任何方位角方向上组合的一个或多个波束的最大总EIRP保持在预定EIRP限制内，
其中，所述确定至少基于天线元件的空间分离、极辐射模型以及每个相应发送链的校准的发送相位和增益。
这使得对于各种波束形状都能可靠地控制从天线元件的阵列发射的等效全向辐射功率(EIRP)，使得接入点可以更接近EIRP限制发送而没有超过限制的风险。已发现，具体地，发送链的相对发送相位的变化可能会影响阵列增益。相应发送链的校准使得在计算EIRP时能够对每个发送链的相位和增益随时间和/或温度的变化进行说明，从而与如果发送链未被校准的情况相比允许更接近EIRP限制的操作。
在本发明的实施方式中，所述确定包括：
确定用于形成一个或多个波束的第一权重集；以及
修正第一权重集使得在任何方位角方向组合的一个或多个波束的最大总EIRP保持在预定EIRP限制之内。
这就使得例如通过可以为给定的用户模块优化信噪声比的波束形成处理确定第一权重集，并且然后可以例如通过将增益系数应用于权重集修正第一权重集，以便在发送时将EIRP维持在预定限制之内。这就允许在维持EIRP限制之内的操作的同时生成窄波束的灵活性。
在本发明的实施方式中，修正第一权重集包括：
确定在任何方位角方向组合的一个或多个波束的最大总EIRP；
将所确定的一个或多个波束的最大总EIRP与预定EIRP限制相比较；
根据超过预定EIRP限制的一个或多个波束的最大总EIRP修正第一权重集，以减小一个或多个信号流中的至少一个的增益系数，从而将第一波束的最大EIRP减小到在EIRP限制的范围之内。
这允许选择性降低相应波束的EIRP。
在本发明的实施方式中，根据频率对相应发送链进行所述校准，并且其中增益系数是基于频率的增益矩阵。
这允许将增益保持在不超过EIRP限制的频率下，从而提高整体信噪比。
在本发明的实施方式中，相应发送链的所述校准包括：
生成每个发送链的正交频分复用(OFDM)测试符号；
将来自每个发送链的信号组合为组合信道；
接收组合信道中的组合的OFDM符号，组合的OFDM符号包括通过相应发送链发送的相应子载波；以及
基于组合的OFDM符号中所接收的相应子载波校准每个发送链。
这允许使用简单的被动组合器执行校准。
在本发明的实施方式中，每个相应OFDM测试符号均包括相应一组激励子载波(energised subcarrier)的相应集合。
这就允许在测试符号之间没有干扰的情况下接收测试符号。
在本发明的实施方式中，OFDM测试符号之间的关系的特征在于埃尔米特矩阵。
这允许对于发送链的发送特性能得出正交结果。
这允许使用组合器实现简单的接收器架构，并且通过使得能够同时接收测试符号且在测试符号之间没有干扰减少测试时间。
在本发明的实施方式中，方法包括在天线元件之间提供至少30dB的隔离。
这允许确定EIRP的精确模型而不会对天线元件之间的相互作用建模，使得接入点可更接近预定EIRP限制操作。
在本发明的实施方式中，方法包括相应发送链的发送相位和增益的所述校准作为包含发送有效载荷数据的时间帧的时间帧序列的一部分周期性地执行。
这允许校准发送链的增益和/或相位随时间和/或温度的变化。
在本发明的实施方式中，校准的性能之间的周期小于或等于64个时分双工帧。
这就使得能精确校准。
在本发明的实施方式中，周期是8至32个时分双工帧。
已发现在校准精度与在校准期间可以得到抑制的有效载荷数据的吞吐量之间提供良好权衡。
在本发明的实施方式中，方法包括提供天线阵列、相应发送链和组合信道的组合器网络作为被布置为阻止操作者改变天线元件的相对特定布置的单个外壳内的单元，借此维持天线阵列的预定配置以实现最大EIRP的精确确定。
这允许在递送给操作者之后保持EIRP的精确确定。
在本发明的实施方式中，方法包括将每个相应发送链连接至天线阵列而不使用同轴电缆连接器。
这允许通过防止设备重新配置在递送给操作者之后保持EIRP的精确确定。
在本发明的实施方式中，方法包括：
从第一操作模式切换到第二操作模式；
在第二操作模式中，通过将波束形成权重矩阵的第二权重集应用于一个或多个信号流配置一个或多个波束，
其中受以下约束确定第二权重集：在任何方位角方向上组合的一个或多个波束的最大总EIRP保持在与第一模式相同的预定EIRP限制内。
这就允许在将发送功率保持在EIRP限制之内的同时在波束宽度上的操作灵活性。
在本发明的实施方式中，第一模式是扇区模式，在该扇区模式中，将来自相应收发器链的信号组合以形成足够宽以提供蜂窝无线网络的扇区的覆盖的波束；并且
第二模式是组合模式，在该组合模式中，将来自相应收发器链的信号组合以形成在方位角上比在扇区模式中形成的波束窄的波束从而在蜂窝无线网络的扇区内提供转至单独用户模式的波束。
这就允许切换到例如用于传送给给定用户模块的波束形成操作模式、同时将发送功率保持在EIRP限制内的灵活性。
在本发明的实施方式中，第一模式是扇区模式，在该扇区模式中，将来自相应收发器链的信号组合以形成足够宽以提供蜂窝无线网络的扇区的覆盖的波束；并且
第二模式是多用户多入多出(MU-MIMO)模式，在该多用户多入多出中，将来自相应收发器链的信号组合以形成将不同的数据携带至蜂窝无线网络的扇区内的相应用户模块的至少两个波束。
这就允许切换到例如用于将相应数据流传送至几个用户模块的MU-MIMO操作模式、同时在所有的方位角方向上将MU-MIMO波束的总发送功率保持在EIRP限制之内的灵活性。
在本发明的实施方式中，每个权重集均包括OFDM符号的相应子载波的相应天线元件的相应信号流的相应幅度和相位值。
这就使得波束形成考虑与频率相关的影响。
根据本发明的第二方面，提供一种无线通信网络的接入点，接入点包括：
天线元件的阵列；
数字波束形成权重矩阵，用于将权重集应用于一个或多个信号流；
每个天线元件的相应发送链；以及
处理器，被配置为在第一操作模式中通过以下步骤控制一个或多个波束中的从天线阵列发射的等效全向辐射功率(EIRP)：
就每个天线元件的相应发送链的增益和相位进行校准；
提供阵列的天线元件的极辐射模型；以及
受以下约束确定所述波束形成权重矩阵的权重集：在任何方位角上组合的一个或多个第一波束的最大总EIRP保持在预定EIRP限制内，确定至少基于天线元件的空间分离、极辐射模型、以及每个相应发送链的校准增益和相位。
在本发明的实施方式中，接入点包括：
组合器网络，被布置为将从每个发送链的输出端耦合的信号组合为组合信道。
在本发明的实施方式中，接入点包括OFDM接收器，该OFDM接收器被配置为接收组合信道中的OFDM测试符号。
在本发明的实施方式中，天线阵列、相应发送链以及组合器网络是被布置为阻止操作者改变天线元件的间隔的单个外壳内的部分，借此维持天线阵列的预定配置以实现最大EIRP的精确确定。
在本发明的实施方式中，使用印刷导线而不使用同轴电缆连接器将每个相应发送链连接至天线阵列。
在本发明的实施方式中，射频传输路径的电路设计和物理布局对每个天线元件是一样的。
这允许精确计算EIRP，因为未知的射频特性对每个天线元件都将是一样的因此可能不影响所计算的阵列增益。
在本发明的实施方式中，物理布局提供每个天线元件的射频传输路径之间的固定间隔。
这就使得能精确计算EIRP。
从仅仅通过实例提供的本发明的优选实施方式的以下描述中，本发明的进一步特征和优势变得显而易见。
附图说明
图1是示出在本发明的实施方式中的EIRP限制和在EIRP限制内形成扇区波束或用户单元的波束的接入点的示意图；
图2是示出本发明的实施方式中的EIRP限制和在EIRP限制内形成三个MU-MIMO波束和MU-MIMO波束的组合EIRP的接入点的示意图；
图3是示出具有单个数据流的波束形成权重矩阵的接入点的发送架构的示意图；
图4是示出发送链的示意图；
图5是示出具有多个数据流的波束形成权重矩阵的接入点的发送架构的示意图；
图6是示出本发明的实施方式中的具有波束形成权重矩阵的接入点、包括发送链和天线元件的校准模块、以及用于受EIRP约束计算权重集的处理器的示意图；
图7是示出本发明的实施方式中包括发送链和天线元件的校准模块的示意图；
图8是示出本发明实施方式中用于将探测音调(sounding tones)发送到包括发送链和天线元件的模块中并且从接收链接收混合探测音调的架构的示意图；
图9是示出接收链的示意图；
图10是示出本发明的实施方式中的频域中探测音调的产生和组合的示意图；以及
图11是本发明的实施方式中的控制从天线元件的阵列发射的EIRP的方法的流程图。
具体实施方式
举例来说，现在将在以通常在5GHz与6GHz之间的载波频率基于IEEE 802.11标准操作时分双工系统的固定无线接入系统的背景下描述本发明的实施方式。然而，将理解，这仅是举例并且其他实施方式可以涉及其他无线系统和频率，并且实施方式不限于操作的具体频带或具体标准，并且可能涉及许可或没有许可的频带中的操作。
图1是示出在包括接入点和多个用户模块4a、4b、4c的点对多点无线通信网络中使用的根据本发明的实施方式的接入点1的示意图。接入点在等效全向辐射功率(EIRP)限制2内操作，其不论辐射波束的宽度如何均可应用。接入点1具有天线元件的阵列，每个元件均被设置为发送在幅度和相位上适当加权的信号以便在第一操作模式中在EIRP限制内形成扇区波束5，并且同样在第二操作模式中在限制内向用户单元4b形成更窄的定向波束3。在图1中，辐射功率由波束形状的半径指示。EIRP可以表示为功率，如果通过理想的同位天线辐射EIRP在给定距离每单位面积将会产生相同的功率。例如，EIRP限制可以是+36dBm或4W。
图2示出了在第三模式下形成三个MU-MIMO(多用户多入多出)波束6、7、8的接入点1，MU-MIMO波束9的组合EIRP在EIRP限制2以内。在MU-MIMO模式中，使用波束形成权重矩阵为多个数据流中的每一个形成相应波束。因此，例如，可将不同的有效载荷数据同时发送给用户模块4a、4b、4c。每个波束通常设置为在其他波束的方向上形成为空(null)，以便减少波束之间的干扰。每个波束的适当加权信号通过在波束形成矩阵中进行叠加而组合在一起以形成供每个天线元件发送的组合加权信号。可以单独组合信号以在每个极化形成波束。
图3是示出接入点的发送架构的示意图。在该实例中，示出了一个数据流的输入，例如，在扇形模式或定向波束形成模式中使用的数据流#1。通过映射功能块10将数据流映射至一串正交频分复用(OFDM)音调。创建两个流的OFDM音调值，A和B。如果使用极化分集发射方案，那么A将是B的副本，使得可以在两种极化上发送相同的数据。这给出稳健的操作。如果采用极化复用方法，那么数据流将在OFDM音调值的流A与流B之间分离，使得流A和流B不同并且每个均携带数据流的部分。这增大数据容量。OFDM音调值是OFDM符号的音调的幅度和相位的表示，也称为子载波。这通常可以是具有同相和正交值的矢量。可以使用QAM(正交幅度调制)调制在音调值中编码数据。
将OFDM音调值的流A和B馈送至波束形成权重矩阵12。波束形成权重矩阵例如使用来自用户模块的反馈将通过波束形成函数11产生的权重集应用于OFDM音调值的流。通常，通过每个天线元件的各个名义上垂直极化(V)和水平极化(H)分量的相应加权值在幅度和相位上对每个OFDM音调值进行加权。通常使用复合I(同相)和Q(正交)分量执行加权。对于不同的子载波所施加的权重可以是不同的，即权重可取决于频率。通过波束形成函数计算权重集以在从预期操作模式的天线阵列发送时形成合适的波束形状；扇区模式的较宽波束和用于用户模块的定向波束形成模式的较窄波束。将相应天线元件的相应V和H分量的加权OFDM音调值馈送至发送链13a-13n。
图4是示出典型发送链的组件的框图。将已适当加权的OFDM音调值应用于IFFT块15，IFFT块15通过向符号的子载波的OFDM音调值集合应用逆傅里叶变换形成OFDM符号。在IFFT块的输出处形成时域采样的同相和正交流。应注意，给IFFT块的输入通常还是同相(I)和正交(Q)形式，但这在图4中通过单箭头示出以便与图3的格式一致，图3也使用单箭头表示同相分量和正交分量。在IFFT块的输出处向符号的时域采样的同相正交流中的每一个添加16a、16b循环前缀。通过DAC(数模转换器17a、17b)将时域采样的每个流转换为模拟域。然后通过上变频器18对每个模拟信号进行上变频，上变频器通常包括复合IQ调制器和射频混合器及放大器以使用射频信号源20在频率上向上转化一般基带同相正交信号。调制信号随后通常通过功率放大器19放大，并且馈送至天线阵列元件(通常是贴片天线)或由贴片阵列形成的单个天线元件(例如，贴片的垂直阵列)的合适极化输入。返回至图3，将射频模拟信号从相应发送链输出并且连接到天线元件的阵列的相应天线元件(示出为14a-14g)，在这种情况下，7个元件的阵列，每个元件均具有输入用以在两个正交极化(在这种情况下，为名义上垂直V和水平H)中的每一个上进行传输。来自每个天线元件的辐射组合以形成适当形状的波束。应用于每个极化的权重集可以是单独的，使得可以单独在每个极化上形成波束。
图5示出了多个数据流的接入点架构。在该实例中，示出了三个数据流：数据流#1、数据流#2以及数据流#3。架构不限于具有三个数据流；对于一些模式，例如，对于扇形模式或组合模式，仅可以使用一个数据流。对于MU-MIMO模式，可能有任意数量的数据流，上达至待发送同时MU-MIMO流的数目。通过首先将每个数据流映射10a、10b、10c至OFDM音调值的流然后将来自权重集的相应权重应用于每个天线元件的每个极化的每个音调值，将波束形成权重矩阵的权重集应用于数据流。通过叠加将每个数据流的加权音调组合在一起以便发送到相应发送链。
通常，难以计算将由应用具有高度信任度的给定权重集产生的最大EIRP，因为存在很多影响EIRP的可变因素。已经发现，每个天线元件的天线辐射图，天线元件之间的隔离，天线元件的空间布置，以及发送链的增益和相位和天线元件的电缆铺设路径都影响EIRP。发送链的增益和相位可随时间而变，尤其，随温度而变，并且天线阵列的配置和发送链的连接布置通常在接入点的制造商的控制之外。操作者可以替换电缆，或者使用不同的天线元件或者不同的空间布置。因此，在应用最大EIRP限制的情况下，必须通过设计限制功率输出使得在最坏情况下也不会超过EIRP。这样的缺点是接入点将会经常在EIRP限制以下操作，这可能会限制无线电系统的数据容量。例如，每个天线元件的传导功率可以被限制为一个值使得如果最大可能的阵列增益应用于被配置为使阵列增益最大化的接入点，也不会超过EIRP限制。例如，这将降低配置为小于最大可能的阵列增益的波束的EIRP。
图6示出本发明的实施方式中的在接入点控制从天线元件的阵列发射的等效全向辐射功率(EIRP)的布置。接入点被配置为通过将波束形成权重矩阵12的权重集应用于一个或多个信号流形成一个或多个波束。
在操作模式中，该方法包括校准每个天线元件的发送链的发送相位和增益。如将结合图10描述的，这可通过使用探测音调来实现。
确定权重矩阵的权重集以形成一个或多个波束，但是该确定受将在任何方位角方向组合的一个或多个波束的最大总EIRP保持在预定EIRP限制内的约束。至少基于天线元件的已知空间分离、该阵列的天线元件的极辐射模型例如一个或多个天线元件的测量极坐标图、以及每个相应发送链的校准相位和增益进行确定。
这就使得对于各种波束形状从天线元件的阵列发射的等效全向辐射功率(EIRP)都能得到可靠地控制，使得接入点可以更接近EIRP限制发送而没有超过限制的风险。例如，可以比原本不控制EIRP的情况(例如，在较宽的波束的情况下)更高的级别操作权重值的幅度以便补偿减少的阵列增益。阵列增益是从天线阵列的每个元件辐射的发送信号的相干叠加得到的信号增益。已发现，具体地，发送链的相对发送相位的变化可能会影响阵列增益。相应发送链的校准允许每个发送链的相位和增益变化，因此在计算阵列增益并且因此计算EIRP时要准确地说明从每个天线元件发送的信号的增益和相位。可以通过叠加在给定方向上从每个天线元件发送的信号的相对增益和相位计算给该向上的阵列增益。该计算考虑了天线元件的空间布置，并且还考虑了每个天线元件的极辐射模型。每个天线元件的极辐射模型可以是相同的，或者每个元件可以使用单独的极辐射模型。所以，具体地，在计算在该方向上的阵列增益时可以考虑在给定方向上辐射的幅度。可以基于用于发送的信号的已知绝对功率级别由阵列增益计算EIRP。波束的最大EIRP可以通过计算多个发送方向的EIRP并且找出EIRP的峰值而确定。多个波束(例如，MU-MIMO波束)的最大EIRP可以通过以下步骤：计算在多个方向中的每个方向上每个波束的EIRP，并且在每个方向上组合来自波束的EIRP以给出每个方向的或具有最高EIRP的方向的子集合的总EIRP。那么最大EIRP是最大组合EIRP。如果用于多个波束的最大EIRP是最大组合EIRP，超出EIRP限制，则可以将形成一个或多个波束的权重集乘以增益减小系数以使最大EIRP降至限制，或者乘以安全裕度系数使其降至低于限制。在简单的系统中，可以将组合波束的整个权重集乘以增益减小系数，或者可以仅减少形成使EIRP超出限制的波束的权重。可替换地或者此外，可通过增益减小系数减小待加权的数字信号流的幅度。与原本发送链未校准的情况相比，以这种方式约束最大EIRP允许更接近EIRP限制的操作，原因在于由于从每个天线阵列元件发送的信号的幅度和相位不可能精确已知，因此在那种情况下阵列增益不可能是精确已知的。可选地，如果最大总EIRP低于EIRP限制，那么可以应用增益增大系数代替增益减小系数使EIRP更接近限制。
如图6所示，可以通过波束形成函数11确定第一权重集，波束形成函数11可以根据传统波束形成技术优化给定用户模块的信噪声比。然后可以通过权重集处理处理函数21，例如通过将增益系数应用于权重集，修正第一权重集以在发送时将EIRP保持在预定限制内。这就允许在保持EIRP限制之内的操作的同时生成窄波束的灵活性。可以通过使用软件或硬件或固件或者它们的组合由处理器执行波束形成函数11和权重集处理函数21。可以通过以下执行确定权重集：确定用于形成一个或多个波束的第一权重集，以及修正第一权重集使得将在任何方位角方向组合的一个或多个波束的最大总EIRP保持在预定EIRP限制之内。
可以通过以下步骤修正第一权重集：确定在任何方位角方向上组合的一个或多个波束的最大总EIRP，以及所确定的将一个或多个波束的最大总EIRP与预定EIRP限制相比较。如果发现一个或多个波束的最大总EIRP超过预定EIRP限制，则修正第一权重集，以减小一个或多个信号流中的至少一个的增益系数，从而将第一波束的最大EIRP减小到在EIRP限制的范围之内。所以，例如，如果发现一个MU-MIMO波束超过EIRP限制，那么应用于该波束的权重集中的权重值的幅度可以减小。
根据频率对相应发送链进行校准，并且其中增益系数是基于频率的增益矩阵。这就使得将增益维持在不超过EIRP限制的频率下，从而提高整体信噪比。
图6的波束形成权重矩阵12按与图3和图5的方式类似方式操作。
如图6所示，提供发送链和天线元件作为校准模块25。
图7示出在本发明的实施方式中包括发送链和天线元件的校准模块25。耦合器设置在每个发送链13a-13n的输出端，其被设置为将从发送链输出的信号功率与发送链的连接的比例耦合到天线元件。将耦合的信号功率连接至信号组合器26，其将从每个发送链耦合的信号组合为信号信道。将组合信号馈送至接收链27。
校准模块25提供天线阵列、相应发送链和组合信道的组合器网络作为集成单元(通常在单个外壳中)，该集成单元布置为阻止操作者改变天线元件的相对特定布置。天线阵列的天线元件可以由贴片辐射器元件形成，贴片辐射器元件通常是以与接地平面平行的关系布置的平面金属结构。通过例如将贴片辐射器元件印刷在导电膜(诸如，聚酯)上将贴片辐射器元件保持在相对于接地平面的位置，该导电膜被被保持在从接地平面突出的位置。可以将天线元件的接地平面固定在一起，或者形成为一个单片，使得操作者正常使用时不能改变天线元件的相对空间布置。发送链13a-13n与相应天线元件14a-14g之间的射频互连可以由印刷电路板上的印刷轨迹形成，使得信号传播特性将随时间稳定。类似地，从每个发送链的输出到组合器的相应信号路径可以由印刷电路板上的印刷轨迹形成，并且通常是无源的。这就允许对从每个发送链的输出到组合器的输出的信号路径中的每一个以及从每个发送链到相应天线元件的路径的增益和相位执行校准(例如，工厂校准)。在校准每个发送链的发送相位和增益时可以使用这种校准。
将每个相应发送链连接至天线阵列而不使用同轴电缆连接器通过防止设备重新配置允许在递送给操作者之后保持EIRP的精确确定。
校准模块25通常可以使用对称的设计。对称设计的好处是未知但对称的特性(诸如，PA下垂和相位扭转、馈送延迟等)在计算EIRP时都不重要，如果它们对所有的链都是一样的。这转化为对称的硬件设计，其中包括馈电网络、RF链、以及PCB布局的模拟信号路径的所有元件是相同的并且以固定间隔重复。
图8是示出本发明的实施方式中的用于发送在包括发送链和天线元件的校准模块25中进行校准使用的探测音调并且从接收链接收混合探测音调的架构的示意图。从探测音调发送功能块28发送探测音调，探测音调通常是用作试验目的的预定OFDM子载波振幅和相位值，包括发送链的校准。处理器29可以将探测音调值保留在存储器中。探测音调可以由处理器通过波束形成权重模块发送，将权重设定为预定值，用以连接至发送链，其中，频域音调被转化为时域探测符号。
在组合器26中组合从每个发送链的输出耦合的探测符号并且混合探测符号连接到接收链27，并且接收链的输出包括符号的每个接收音调的幅度和相位值被连接到处理器29。处理器将所发送的和接收的音调的幅度和相位相比较，生成相应发送链的校准数据，将通过组合器和接收链来自每个发送链的输出的校准射频路径纳入考虑。
图9是示出典型接收链27的组件的框图。混合探测符号通过低噪声放大器32放大，并且然后使用射频源35通过下变频器33从射频进行下变频，通常5-6GHz。信号通常下变频到同相分量和正交分量中的基带。然后将基带信号转换成模数转换器(ADC)34a、34b中的数字域。如果使用，则丢弃36a、36b循环前缀，然后使用快速傅里叶转换(FFT)37将所接收的符号转化为频域，以检测每个探测音调的幅度和相位值。处理器29可以将所接收的音调的幅度和相位值与所发送的每个音调的幅度和相位值相比较，以校准每个发送链的发送相位和增益。可以计算发送链的相对发送相位和增益。
图10示出了本发明的实施方式中的在频域中的探测音调的产生和组合的实例。在该实例中，针对每个发送链生成OFDM测试符号，每个相应OFDM测试符号包括一组相应的激励子载波，即探测音调。在图10中，示出了发送链1V和1H 30a、30b的典型的探测音调。给出的发送链的探测音调不用于其他发送链。这就允许接收测试符号而在测试符号之间无干扰。将来自每个发送链的信号组合为组合信道，并且在组合信道中接收组合的OFDM符号，组合的OFDM符号包括通过相应发送链发送的相应子载波，即，探测音调31。基于组合的OFDM符号中所接收的相应子载波校准每个发送链。这就使得能使用组合器实现简单的接收器架构，并且通过使得能够同时接收测试符号且在测试符号之间没有干扰而减少测试时间。
作为图10所示的OFDM测试符号的替代方案，假设可以从组合符号或一串组合符号中确定每个发送链的发送幅度和相位，可以使用其他探测音调。例如，可以将探测音调布置为使得OFDM测试符号之间的关系的特征可以在于埃尔米特矩阵，使得可以得出每个信道的正交结果。
相应发送链的发送相位和增益的校准可以作为包含发送有效载荷数据的时间帧的时间帧序列的一部分周期性地执行。这允许校准发送链的增益和/或相位随时间和/或温度的变化。
校准的性能之间的周期可以小于或等于64个时分双工帧，并且可以是8至32个时分双工帧，通常为16个帧。已发现在校准精度与在校准期间可以得到抑制的有效载荷数据的吞吐量之间提供良好权衡。
在时分双工系统中，以相同的频率发送从接入点发送的下行链路信号和从用户模块发送的上行链路信号。分别为上行链路和下行链路传输分配交替固定持续时间段，已知为时分双工帧。时分双工帧通常被划分成时隙，每个时隙通常用于与用户模块通信，或者在MU-MIMO操作的情况下与一组用户模块通信。接入点可以在时隙之间从一个操作模式切换到另一个操作模式，例如，从扇区模式切换到MU-MIMO模式。可以在时隙内执行使用探测音调的发送链的校准。
接入点可以潜在地在连续时隙中从第一操作模式切换到第二操作模式。在第二操作模式中，可以通过将波束形成权重矩阵的第二权重集应用于一个或多个信号流配置一个或多个波束。受以下约束确定第二权重集：在任何方位角方向上组合的一个或多个波束的最大总EIRP保持在与第一模式相同的预定EIRP限制内，从而允许在将传输功率维持在EIRP限制之内的同时在波束宽度上的操作灵活性。例如，第一模式可以是扇区模式，在扇区模式中将来自相应收发器链的信号组合以形成足够宽以提供蜂窝无线网络的扇区的覆盖的波束，第二模式是组合模式，在组合模式中将来自相应收发器链的信号组合以形成在方位角上比在扇区模式中形成的波束窄的波束以便在蜂窝无线网络的扇区内提供转至单独的用户模式的波束。这就允许在将发送功率保持在EIRP限制内的同时切换至例如用于传送给给定用户模块的波束形成操作模式的灵活性。
可替换地，第一模式可以是扇区模式，第二模式可以是多用户多入多出(MU-MIMO)模式，在多用户多入多出模式中，将来自相应收发器链的信号组合以形成将不同的数据携带至蜂窝无线网络的扇区内的相应用户模块的至少两个波束。这就允许在所有的方位角上将MU-MIMO波束的总发送功率保持在EIRP限制之内的同时切换到例如用于将各个数据流传送至几个用户模块的MU-MIMO操作模式的灵活性。
图11是本发明的实施方式中的用于控制从天线元件的阵列发射的EIRP的方法的流程图，包括步骤S11.1和S11.2。将理解，可以通过处理器实现本发明的实施方式的方法，处理器可以包括保留在存储器中被配置为使处理器执行方法的程序代码。处理器可以包括一个或多个数字信号处理器，和/或可编程序逻辑阵列。处理器可被配置为通过以下步骤在第一操作模式中控制从一个或多个波束中的天线阵列发射的等效全向辐射功率(EIRP)：在增益和相位上校准每个天线元件的相应发送链，提供该阵列的天线元件的极辐射模型，以及受以下约束确定波束形成权重矩阵的权重集：在任何方位角上组合的一个或多个第一波束的最大总EIRP保持在预定EIRP限制内的，所述确定至少基于天线元件的空间分离、极辐射模型、以及每个相应发送链的校准增益和相位。
每个权重集可以包括OFDM符号的相应子载波的相应天线元件的相应信号流的相应幅度和相位值。这允许波束形成考虑与频率相关的影响。
天线元件之间的隔离可以是至少30dB。这允许确定EIRP的精确模型而不会对天线元件之间的相互作用建模，使得接入点可更接近预定EIRP限制操作。
在本发明的实施方式中，射频传输路径的电路设计和物理布局对每个天线元件是一样的。这允许精确计算EIRP，因为未知的射频特性对每个天线元件都将是一样的，因此可能不影响所计算的阵列增益。在本发明的实施方式中，所述单元的物理布局提供每个天线元件的射频传输路径之间的固定间隔。这允许精确计算EIRP。
在固定无线接入系统中，用户模块通常可以安装至诸如建筑物的结构，通常在建筑物的外面，为接入点提供良好无线电接收的位置中。接入点1可以位于一个方便的点以服务多个用户单元。例如，接入点或接入点的天线可以安装在天线塔上并且可以为邻近地区提供互联网接入。
图1所示的用户模块4a、4b、4c可具有拥有例如通过反射器限定的孔口的天线，并且每个天线元件可以包括用于从孔口接收相应极化和/或向孔口发送相应极化的探测器。天线通常安装成在通常安装在塔架上的接入点1的方向上使发送/接收辐射图案的峰值对齐。发送给每个用户模块的命令可以包括指示随时间变化向用户模块调度无线电资源和/或极化(polarisation，偏振)的地图。地图可以指示随时间变化对几个用户单元的相应分配，通常接入点服务所有的用户单元。例如，地图可以指示用于发送和/或接收的时间、极化和/或频率分配。可以周期性地更新极化和无线电资源的调度，通过接入点处的调度器确定更新之间的周期。
由具有七元件双极化自适应阵列智能天线和多用户MIMO(MU-MIMO)能力的点对多点(PMP)接入点(AP)给出根据本发明的实施方式的接入点的具体实例。现在将更详细地描述该实例。将理解本发明的实施方式不限于该实例。该实例中的接入点被设计用于室外部署作为在PMP网络中具有扇区覆盖的AP。可以部署多个单元以从塔架或者屋顶提供360°覆盖。接入点可以是使用上行链路和下行链路方向的时分双工(TDD)分离在5150MHz至5925MHz的频率范围内操作的完整无线电收发器。
接入点可以包括集成双极化七元件自适应阵列智能天线。七个相同的双极化天线元件和14个相关联的收发器链可以包含在单个刚性组件内，通过连接使用印刷导线和无线将每个天线元件直接连接至两个收发器链。组件的集成确保天线元件的间隔和对齐是已知且恒定的。
每个天线元件均可以由垂直栏的八个辐射贴片和水平和垂直极化的分开的无源馈电网络组成。单个元件在竖直方向上可具有相对窄的波束宽度(大约8°)，并且在方位角方向上可具有较宽的波束宽度(大约80°)。每个天线元件的增益(即，每栏的八个贴片)为大约14dBi。整体天线组件在七个元件(七个贴片)宽一个元件(八个贴片)高的阵列中可以包含56个贴片。
天线阵列可以在天线元件之间提供高隔离。天线元件之间的耦合损耗可以大于30dB；这使设备能够更准确地模拟智能天线操作。
该实例中的集成组件不利用天线元件与相关联电子设备之间的任何连接器，并且不会提供可用于进行导电测量的任何测试点。
在该实例中，对于每个双极化对的链，单个发送器链的最大输出功率为大约10dBm，或13dBm。
相关联的用户模块(SM)设备可以包含具有两个收发器链的定向双极化天线。SM可以使用极化分集或极化复用支持单个数据流。在MU-MIMO操作中，AP可以支持几个(在该实例中上达至七个)并行数据流，其中每个流均与不同的SM设备相关联。
该实例中的接入点支持四个不同的智能天线模式：组合模式；扇区模式；MU-MIMO模式；以及探测模式。
当通过已知的信道与单个SM通信时，该实例中的接入点使用组合智能天线模式。波束形成动作产生在方位角方向上显著地比标准扇区天线窄的图案，从而通过改变14个链中的数字幅度和相位权重允许主天线响应转至单独的SM。与使用标准扇区天线的接收相比较，该模式中的较窄波束宽度帮助减少在AP处接收的小区间上行线路干扰。当部署到整个网络时，较窄的下行链路波束宽度还倾向于减少SM处的整体小区间干扰水平。
AP中的控制功能可以自动地调整数字发送增益以补偿组合模式中的阵列增益，从而确保辐射功率从未大于相应规则允许的功率。可以基于单个天线元件的极化响应的频率相关的模型使用智能天线操作的精确模型确定增益调整。随着波束偏离中心转向模型增大数字增益，以便在方位角范围上保持所配置的EIRP。
由于利用阵列增益而出现的驱动电平减小的有利结果是发信失真减少并且从而有利于在下行链路方向上使用最有效的调制方式。
当发送广播数据时或者当通过未知的信道从SM接收时，接入点可以使用扇区模式。选择单独的链的幅度和相位权重以提供扇区覆盖，意味着整体阵列增益接近于一。与使用单个天线元件相比扇区模式的优势是允许设备开发所有14个链的组合发射器功率。
接入点可以使用MU-MIMO模式在几个平行流中发送和接收数据，其中，每个流包括不同的SM。
MU-MIMO操作包括波束形成以使每个想要的SM的一个流中的上行链路和下行链路信号最大化，以及调零以使与其他平行流相关联的SM的上行链路和下行链路信号最小化。所得到的天线波束必需处于不同的方位角使得天线波束基本上不相重叠。
当已识别SM的合适的正交群时，并且在缓冲数据排队准备被发送到这些SM或从这些SM接收的情况下，可以调用MU-MIMO智能天线模式。
AP中的控制功能可以自动减少数字发送增益以补偿MU-MIMO模式中的阵列增益，确保在任何方位角上的辐射功率小于相应规则允许的功率。
接入点可以使用探测智能天线模式以表征天线元件中的每一个与SM中的每一个之间的信道。探测模式还用于校准每个AP发送链的增益和相位。
在探测智能天线模式中，每个OFDM音调可以仅在14个链中的一个中被激励(energised)。由此可知，在该智能天线模式中，所有的智能天线输出在本质上都是不相关的。
对于其余智能天线模式，接入点可以支持两个MIMO模式，即：使用循环延迟分集(CDD)的极化分集；以及极化复用。
在极化分集MIMO模式中，在相同的符号周期期间，相同的数据存在于两种极化中，并且因此认为两个信道是部分相关的。在极化复用MIMO模式中，在两种极化中共享数据流，并且因此认为两个信道完全不相关。
原则上，MIMO模式的选择与智能天线模式的选择无关。然而，MU-MIMO操作所需的信道条件与极化复用所需的信道条件相似，并且可以相对很少地出现极化分集和MU-MIMO操作的组合。
返回至图3，其示出了智能天线中发射方向的单个流(扇区或组合)操作的框图。图左侧的单个输入串行数据流已加密，针对向前误差校正(FEC)编码并且加扰以在图中未示出的更早的阶段确保转变密度。这里第一阶段示出使用极化分集(其中相同的数据存在于每个信道之中)或极化复用(其中数据在两个信道之间划分)将一系列串行数据映射到单独的A和B信道中，并且针对两个信道中的每一个将数据映射至表示单个OFDM符号的一组OFDM音调的幅度和相坐标。
A和B音调设定的坐标然后可以各自乘以通过波束形成函数生成的一组14个幅度和相位权重以在接下来的阶段形成七个H和七个V输入。
在14个发送器链中的每一个中，加权音调设定被传送到IFFT阶段以针对OFDM符号生成一系列同相和正交时域样本。单元然后向时域信号添加复合循环前缀并且将I和Q信号转换为模拟波形。将模拟信号施加于上变频器以提供调制RF输出。
然后放大14个调制RF信号并且将其成对地施加于七个双极化天线元件的H和V端口。
返回至图5，其示出了MU-MIMO操作在发射方向上的权重矩阵的框图。除了单元支持多个单独的数据流之外，权重矩阵与图3中的矩阵相似，并且根据幅度和相位权重将每个数据流施加于14个收发器链。
图5示出了三个数据流，使得权重矩阵具有6×14的维数。单元支持高达七个并行数据流，意味着权重矩阵可具有14×14的维数。
探测模式可以用于校准AP发送链中的每一个的增益和相位一直到RF功率放大器的输出。通过将所有的发送器信号耦合到准确的检测器中并且通过将复合信号传送到附加OFDM接收器级来确定发送信号的幅度。设备能够通过单独考虑14组OFDM音调中的每一个的幅度和相位校准每个发送器链。
发送器增益可以通过在组合矩阵中计算权重时数字增益及相位调整和RF级中的模拟增益的组合来调整。可以在设备初始化时，并且只要操作者改变最大传输功率，则按校准顺序调整模拟增益。此后，除了偶尔可能需要进行附加模拟调整以保持数字信号的期望动态范围之外，可以仅通过改变权重矩阵中的数字增益进行调整。可以尽可能避免模拟调整，因为在进行调整时MU-MIMO操作必须暂时暂停。
接入点中的应用固件可以计算发送器增益，组合矩阵的幅度和相位权重，以提供所需扇区、单个波束或MU-MIMO波束图案。这个操作基于智能天线操作的精确模型，其中由于单个天线元件辐射的信号的叠加，能确定在任何方位角上所得到的信号强度。这个模型可以自动地并且固有地允许智能天线中的阵列增益。
通过智能天线操作的模型对系统行为预测的准确度可归于以下因素：七个天线元件和14个发送器链基本上是相同的；天线元件之间的间隔是相等且固定的；安装人员不能改变天线，并且没有可改变或断开的天线电缆；模型包括单个天线元件的频率相关的极化响应；有规律地校准发送器链的幅度和相位响应；由于制造扩展、频率或工作温度而在链之间出现的校准处理测量和计数差；并且天线元件有效地彼此隔离使得元件之间的相互作用最小，使得叠加的假定逼真。
固件可以受以下约束计算模拟增益和数字组合器权重：在波束的峰值处所得到的辐射功率(包含阵列增益的效果)不可超过操作者配置的最大辐射功率的约束的。操作者可配置的最大辐射功率在可应用规则允许的最大值处峰顶，确保单元将会遵守在任何方位角上辐射功率和辐射功率密度以及SM位置的任何组合的规则。
上述实施方式应被理解为发明的示例性实施例。应当理解的是，可以单独使用或结合所描述的其他特征使用、并且还可以结合任何其他实施方式中的一个或多个特征使用、或以任何其他实施方式的任何组合使用所描述的与任意一种实施方式有关的任何特征。进一步地，在不背离发明的范围的情况下，还可以采用上面未描述的等同物及修改，所附权利要求中限定了发明的范围。

Claims (25)

1.一种在无线通信网络的接入点控制从天线元件的阵列发射的等效全向辐射功率(EIRP)的方法，所述接入点被配置为在第一操作模式中通过将波束形成权重矩阵的权重集应用于一个或多个信号流形成一个或多个波束，所述方法包括：
校准每个天线元件的相应发送链的发送相位和增益；
提供用于所述阵列的天线元件的极辐射模型；以及
受以下约束确定所述波束形成权重矩阵的权重集：在任何方位角方向上组合的一个或多个波束的最大总EIRP保持在所述预定EIRP限制内，
其中，所述确定至少基于所述天线元件的空间分离、所述极辐射模型以及每个相应发送链的校准发送相位和增益。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定包括：
确定用于形成所述一个或多个波束的第一权重集；以及
修正所述第一权重集使得在任何方位角方向组合的所述一个或多个波束的所述最大总EIRP保持在所述预定EIRP限制内。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，修正所述第一权重集包括：
确定在任何方位角方向组合的所述一个或多个波束的所述最大总EIRP；
将所确定的所述一个或多个波束的所述最大总EIRP与预定EIRP限制相比较；
根据所述一个或多个波束的所述最大总EIRP超过所述预定EIRP限制而修正所述第一权重集，以减小所述一个或多个信号流中的至少一个信号流的增益系数，从而将所述第一波束的最大EIRP减小到所述EIRP限制内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据频率对所述相应发送链进行所述校准，并且其中增益系数是基于频率的增益矩阵。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述相应发送链的所述校准包括：
生成每个发送链的OFDM测试符号：
将来自每个发送链的信号组合为组合信道；
接收所述组合信道中的组合OFDM符号，所述组合OFDM符号包括通过相应发送链发送的相应子载波；以及
基于所接收的所述组合OFDM符号中的相应子载波校准每个发送链。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，每个相应OFDM测试符号包括相应一组激励子载波。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述OFDM测试符号之间的关系的特征在于埃尔米特矩阵。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在天线元件之间提供至少30dB的隔离。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括相应发送链的所述发送相位和增益的所述校准作为包含发送有效载荷数据的时间帧的时间帧序列的一部分周期性地执行。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，校准的性能之间的周期小于或等于64个时分双工帧。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述周期是8至32个时分双工帧。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括提供天线阵列、所述相应发送链和组合信道的组合器网络作为被布置为阻止操作者改变所述天线元件的相对特定布置的单个外壳内的单元，借此保持所述天线阵列的预定配置以实现最大EIRP的精确确定。
13.根据权利要求12所述的方法，包括将每个相应发送链连接至所述天线阵列而不使用同轴电缆连接器。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：
从第一操作模式切换到第二操作模式；
在所述第二操作模式中，通过将所述波束形成权重矩阵的第二权重集应用于所述一个或多个信号流配置一个或多个波束，
其中，受以下约束确定所述第二权重集：在任何方位角方向上组合的所述一个或多个波束的最大总EIRP保持在与第一模式相同的预定EIRP限制内。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述第一模式是扇区模式，在所述扇区模式中，将来自所述相应收发器链的信号组合以形成足够宽以提供蜂窝无线网络的扇区的覆盖的波束；并且
所述第二模式是组合模式，在所述组合模式中，将来自所述相应收发器链的信号组合以形成在方位角上比在所述扇区模式中形成的波束窄的波束从而在蜂窝无线网络的扇区内提供转至单独用户模式的波束。
16.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述第一模式是扇区模式，在所述扇区模式中，将来自所述相应收发器链的信号组合以形成足够宽以提供蜂窝无线网络的扇区的覆盖的波束；并且
所述第二模式是多用户多入多出(MU-MIMO)模式，在所述多用户多入多出模式中，将来自所述相应收发器链的信号组合以形成将不同的数据携带至蜂窝无线网络的扇区内的相应用户模块的至少两个波束，
其中，阵列增益由所述第二增益系数控制，使得在任何方位角方向上MU-MIMO波束的组合EIPR保持在所述预定EIRP限制内。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个权重集包括OFDM符号的相应子载波的相应天线元件的相应信号流的相应幅度和相位值。
18.一种无线通信网络的接入点，所述接入点包括：
天线元件的阵列；
数字波束形成权重矩阵，用于将权重集应用于一个或多个信号流；
每个天线元件的相应发送链；以及
处理器，被配置为在第一操作模式中通过以下步骤控制一个或多个波束中的从天线阵列发射的等效全向辐射功率(EIRP)：
就每个天线元件的相应发送链的增益和相位进行校准；
提供用于所述阵列的天线元件的极辐射模型；以及
受以下约束确定所述波束形成权重矩阵的权重集：在任何方位角上组合的一个或多个第一波束的最大总EIRP保持在预定EIRP限制内，所述确定至少基于所述天线元件的空间分离、所述极辐射模型以及每个相应发送链的校准增益和相位。
19.根据权利要求18所述的接入点，包括：
组合器网络，被布置为将从每个发送链的输出端耦合的信号组合为组合信道。
20.根据权利要求19所述的接入点，包括OFDM接收器，所述OFDM接收器被配置为接收所述组合信道中的OFDM测试符号。
21.根据权利要求19或20所述的接入点，其中，天线阵列、所述相应发送链以及所述组合器网络是被布置为阻止操作者改变所述天线元件的间隔的集成单元的部分，借此保持所述天线阵列的预定配置以实现最大EIRP的精确确定。
22.根据权利要求21所述的接入点，其中，使用印刷导线而不使用同轴电缆连接器将每个相应发送链连接至所述天线阵列。
23.根据权利要求22所述的接入点，其中，射频传输路径的电路设计和物理布局对每个天线元件都是一样的。
24.根据权利要求23所述的接入点，其中，所述单元的所述物理布局在每个天线元件的所述射频传输路径之间提供固定间隔。
25.根据权利要求18至24中任一项所述的接入点，其中，天线元件之间的隔离至少为30dB。
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