CN108550990A - 一种5g大规模天线波束控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种5G大规模天线波束控制系统，包括用于发出基带信号的基带信号处理器，基带信号处理器连接有n个射频链路，每个射频链路还分别连接有天线波束控制子系统，n个天线波束控制子系统呈阵列排布，每个天线波束控制子系统均用于发出或联合其它天线波束控制子系统组合发出波束，每个天线波束控制子系统还用于调节或联合其它天线波束控制子系统组合调节发出波束的方位角和俯仰角；该系统所设计的阵列灵活度大，两组移相器可分别控制天线波束的水平及俯仰角，也可进行多个波束同时扫描，直接在实际系统中采用。

Description

一种5G大规模天线波束控制系统及方法

【技术领域】

本发明属于无线通讯技术领域，尤其涉及一种5G大规模天线波束控制系统及方法。

【背景技术】

5G完整的标准预计将在2019年底完成，国际电联建议书最终将包含IMT-2020的全部技术规范。5G主要技术指标包括：峰值速率大于10G bit/S，时延小于1毫秒等。为了达到这个速率提升指标，需要大幅度扩展通信频宽。而6GHz以下的频段基本被各类其他通信系统占用，因此需要利用毫米波频段。毫米波频段由于其波长短、路径损耗大、覆盖受限，必须采用大规模天线阵列技术以获得高的方向性增益。受制于功耗及成本的限制，基站天线单元数量在100-1000个之间、而射频链路数通常远小于天线数量，一般在几个到几十个之间。因此，需要在射频链路到天线之间采用移相器等以完成波束控制。

目前，采用移相器方案有如下几种：1)全连接的波束成型方案；如图5所示，该方案中每个射频链路到每个天线之间均有移相器连接。2)混合连接方法；如图6所示，该方法将射频链路及天线分别分组，然后在每一组内将每个射频链路与每个天线用移相器连接。全连接方法需要采用大量移相器且相互之间耦合严重，成本高且实用性差。混合连接方案虽然大幅降低了移相器的使用数量，但未考虑实际天线布设方式等方面因素，实用效果仍然较差。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种5G大规模天线波束控制系统及方法，可以控制波束在三维空间进行扫描，还可以分别构建增益最大的单波束和不同增益的多个波束。

本发明采用以下技术方案：一种5G大规模天线波束控制子系统，包括与外部射频链路相连的主路功分器，主路功分器连接至方位角移相器组，方位角移相器组包含有m₁个方位角移相器，每个方位角移相器均通过支路功分器连接至俯仰角移相器组，每个俯仰角移相器组均包含有m₂个俯仰角移相器，每个俯仰角移相器均连接有天线单元；其中，m₁、m₂均为大于0的整数。

进一步地，主路功分器将信号分为m₁路，并分别与m₁个方位角移相器相连接；每个支路功分器均将信号分为m₂路，并分别与m₂个俯仰角移相器相连接；m_1＝m₂，且m₁、m₂均为2的整数倍。

本发明另一种技术方案：一种5G大规模天线波束控制系统，包含上述的一种5G大规模天线波束控制子系统，包括用于发出基带信号的基带信号处理器，基带信号处理器连接有n个射频链路，每个射频链路还分别连接有天线波束控制子系统，n个天线波束控制子系统呈阵列排布，每个天线波束控制子系统均用于发出或联合其它天线波束控制子系统组合发出波束，每个天线波束控制子系统还用于调节或联合其它天线波束控制子系统组合调节发出波束的方位角和俯仰角；其中，n为大于0的整数。

进一步地，m₁＝m₂＝n＝4。

本发明的另一种技术方案：一种5G大规模天线波束控制方法，具体方法为：基带信号处理器发出n个基带信号至n个射频链路，并分别通过n个射频链路发送至n个天线波束控制子系统，通过每个天线波束控制子系统调节波束的方位角和俯仰角并发出波束；

每个天线波束控制子系统调节波束方位角和俯仰角的过程为：

通过主路功分器将射频链路发出的信号分为m₁个支路，并分别将发送至m₁个方位角移相器，每个方位角移相器发出的信号相位移动分别为 m₁个方位角移相器组成方位角移相器组，每个方位角移相器组的相位移动

将每个方位角移相器发出的信号发送至支路功分器，通过支路功分器将信号分为m₂个支路，并分别发送至m₂个俯仰角移相器，每个俯仰角移相器发出的信号相位移动分别为m₂个俯仰角移相器组成俯仰角移相器组，每个俯仰角移相器组的相位移动其中，n、m₁、m₂均为大于0的整数；

将每个俯仰角移相器的输出信号均通过天线单元发出，得出阵列响应矢量为的波束。

进一步地，m_1＝m₂，且m₁、m₂均为2的整数倍。

进一步地，m₁＝m₂＝n＝4。

进一步地，当发射单个高增益波束时，基带信号x₁＝x₂＝x₃＝x₄，波束的方位角波束的俯仰角其中，为信号x₁调节后的方位角，为信号x₂调节后的方位角，为信号x₃调节后的方位角，为信号x₄调节后的方位角，信号x₁调节后的俯仰角，信号x₂调节后的俯仰角，为信号x₃调节后的俯仰角，为信号x₄调节后的俯仰角，发出波束对应的阵列响应矢量为

当发射两个波束时，通过第一个天线波束控制子系统和第二个天线波束控制子系统构造第一个波束，基带信号x₁＝x₂，第一个波束的方位角第一个波束的俯仰角

通过第三个天线波束控制子系统和第四个天线波束控制子系统构造第二个波束，基带信号x₃＝x₄，第二个波束的方位角第二个波束的俯仰角

第一个波束和第二个波束的阵列响应矢量分别为

本发明的有益效果是：通过平面均匀布设的天线阵列，采用一组移相器控制波束方位角，另一组移相器控制波束俯仰角，从而组成基本单元阵列，可以控制波束在三维空间进行扫描，在减少移相器使用数量的同时，保证了波束的增益及使用效果。且通过多组基本单元阵列可以构建成更大的阵列，通过这些移相器的排列组合可以构造出各类复杂的波束，可以构建增益最大的单波束，也可以构建不同增益的多个波束，以适应5G通信系统的复杂环境；该方法所设计的阵列灵活度大，两组移相器可分别控制天线波束的水平及俯仰角，也可进行多个波束同时扫描，直接在实际系统中采用。

【附图说明】

图1为本发明一种5G大规模天线波束控制系统的结构示意图；

图2为本发明一种5G大规模天线波束控制子系统的结构示意图；

图3为本发明实施例1中发出的不同数量天线波束的示意图；

图4为本发明实施例2中发出的不同数量天线波束的示意图；

图5为现有技术中全连接的波束成型方案示意图；

图6为现有技术中混合连接的波束成型方案示意图。

其中，1.基带信号处理器；2.射频链路；3.主路功分器；4.方位角移相器组；5.支路功分器；6.俯仰角移相器组；7.天线单元。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种5G大规模天线波束控制子系统，如图2所示，包括与外部射频链路2相连的主路功分器3，每个主路功分器3均连接至方位角移相器组4，方位角移相器组4包含有m₁个方位角移相器，每个方位角移相器均通过支路功分器5连接至俯仰角移相器组6，每个俯仰角移相器组6均包含有m₂个俯仰角移相器，每个俯仰角移相器均连接有天线单元7；其中，m₁、m₂均为大于0的整数。

本发明还公开了一种5G大规模天线波束控制系统，如图1所示，包括用于发出基带信号的基带信号处理器1，基带信号处理器1连接有n个射频链路2，每个射频链路2还分别连接有天线波束控制子系统。

每个天线波束控制子系统均包括与射频链路2相连的主路功分器3，每个主路功分器3均连接至方位角移相器组4，每个方位角移相器组4均包含有m₁个方位角移相器，每个方位角移相器均通过支路功分器5连接至俯仰角移相器组6，每个俯仰角移相器组6均包含有m₂个俯仰角移相器，每个俯仰角移相器均连接有天线单元7。

n个天线波束控制子系统呈阵列排布，每个天线波束控制子系统均用于发出或联合其它天线波束控制子系统组合发出波束，每个天线波束控制子系统还用于调节或联合其它天线波束控制子系统组合调节发出波束的方位角和俯仰角。

其中n、m₁、m₂均为大于0的整数，优选的m_1＝m₂，且m₁、m₂均为2的整数倍，更优选的m₁＝m₂＝4，n＝4。

本发明还公开了一种5G大规模天线波束控制方法，基带信号处理器1发出n个基带信号至n个射频链路2，并分别通过n个射频链路2发送至n个天线波束控制子系统，通过每个天线波束控制子系统调节波束的方位角和俯仰角并发出波束。

每个天线波束控制子系统调节波束方位角和俯仰角的过程为：

通过主路功分器3将射频链路2发出的信号分为m₁个支路，并分别将发送至m₁个方位角移相器，每个方位角移相器发出的信号相位移动分别为 m₁个方位角移相器组成方位角移相器组4，每个方位角移相器组4的相位移动

将每个方位角移相器发出的信号发送至支路功分器5，通过支路功分器5将信号分为m₂个支路，并分别发送至m₂个俯仰角移相器，每个俯仰角移相器发出的信号相位移动分别为m₂个俯仰角移相器组成俯仰角移相器组6，每个俯仰角移相器组6的相位移动

将每个俯仰角移相器的输出信号均通过天线单元7发出，得出阵列响应矢量为的波束。

其中，n、m₁、m₂均为大于0的整数，优选的m_1＝m₂，且m₁、m₂均为2的整数倍，更优选的m₁＝m₂＝n＝4。

对于m₁＝m₂＝4，n＝4，当发射单个高增益波束时，基带信号x₁＝x₂＝x₃＝x₄，波束的方位角波束的俯仰角其中，为信号x₁调节后的方位角，为信号x₂调节后的方位角，为信号x₃调节后的方位角，为信号x₄调节后的方位角，信号x₁调节后的俯仰角，信号x₂调节后的俯仰角，为信号x₃调节后的俯仰角，为信号x₄调节后的俯仰角，发出波束对应的阵列响应矢量为

当发射两个波束时，通过第一个天线波束控制子系统和第二个天线波束控制子系统构造第一个波束，基带信号x₁＝x₂，第一个波束的方位角第一个波束的俯仰角

通过第三个天线波束控制子系统和第四个天线波束控制子系统构造第二个波束，基带信号x₃＝x₄，第二个波束的方位角第二个波束的俯仰角

第一个波束和第二个波束的阵列响应矢量分别为

由此，通过控制方位角移相器组4和俯仰角移相器组6，即可控制波束在三维空间进行扫描。

实施例1：

如图3所示，总天线单元7的数量为64，分为4个天线波束控制子系统，每个天线波束控制子系统的天线单元数为16。如图3-1所示，是由天线波束控制子系统1-天线波束控制子系统4可构成的单个高增益波束，如图3-2所示，是分别由其两个天线波束控制子系统构造的两个波束，对比图3两种波束可见，4个天线波束控制子系统构建为一个波束时候其增益大，方向性强，而利用天线波束控制子系统构建多个波束时候其增益降低且方向性不好。

实施例2：

如图4所示，总天线单元7的数量为1024，分为4四个天线波束控制子系统，每个天线波束控制子系统天线单元数为256，如图4-1所示，当采用1024根天线单元构造成一个波束时候，可见波束很窄，从而波束增益高。如图4-2所示，当采用其中的两个天线波束控制子系统构造两个波束时候(每个波束使用256根天线单元)，可见两个波束几乎互不影响，但波束变宽，采用两个波束可以同时与两个用户通信，能够提高系统容量，但是每个波束的增益变低。实际系统中，需要根据用户的链路质量合理规划波束。

Claims (8)

1.一种5G大规模天线波束控制子系统，其特征在于，包括与外部射频链路(2)相连的主路功分器(3)，所述主路功分器(3)连接至方位角移相器组(4)，所述方位角移相器组(4)包含有m₁个方位角移相器，每个所述方位角移相器均通过支路功分器(5)连接至俯仰角移相器组(6)，每个所述俯仰角移相器组(6)均包含有m₂个俯仰角移相器，每个所述俯仰角移相器均连接有天线单元(7)；其中，m₁、m₂均为大于0的整数。

2.如权利要求1所述的一种5G大规模天线波束控制子系统，其特征在于，所述主路功分器(3)将信号分为m₁路，并分别与m₁个方位角移相器相连接；每个所述支路功分器(5)均将信号分为m₂路，并分别与m₂个俯仰角移相器相连接；所述m_1＝m₂，且m₁、m₂均为2的整数倍。

3.一种5G大规模天线波束控制系统，包含权利要求1或2任一所述的一种5G大规模天线波束控制子系统，其特征在于，包括用于发出基带信号的基带信号处理器(1)，所述基带信号处理器(1)连接有n个射频链路(2)，每个所述射频链路(2)还分别连接有所述天线波束控制子系统，所述n个天线波束控制子系统呈阵列排布，每个所述天线波束控制子系统均用于发出或联合其它天线波束控制子系统组合发出波束，每个所述天线波束控制子系统还用于调节或联合其它天线波束控制子系统组合调节发出波束的方位角和俯仰角；其中，n为大于0的整数。

4.如权利要求3所述的一种5G大规模天线波束控制系统，其特征在于，所述m₁＝m₂＝n＝4。

5.一种5G大规模天线波束控制方法，使用权利要求3或4所述的一种5G大规模天线波束控制系统，其特征在于，具体方法为：基带信号处理器(1)发出n个基带信号至n个射频链路(2)，并分别通过n个射频链路(2)发送至n个天线波束控制子系统，通过每个天线波束控制子系统调节波束的方位角和俯仰角并发出波束；

每个天线波束控制子系统调节波束方位角和俯仰角的过程为：

通过主路功分器(3)将射频链路(2)发出的信号分为m₁个支路，并分别将发送至m₁个方位角移相器，每个方位角移相器发出的信号相位移动分别为 m₁个所述方位角移相器组成方位角移相器组(4)，每个所述方位角移相器组(4)的相位移动

将每个方位角移相器发出的信号发送至支路功分器(5)，通过支路功分器(5)将信号分为m₂个支路，并分别发送至m₂个俯仰角移相器，每个俯仰角移相器发出的信号相位移动分别为m₂个所述俯仰角移相器组成俯仰角移相器组(6)，每个所述俯仰角移相器组(6)的相位移动其中，n、m₁、m₂均为大于0的整数；

将每个俯仰角移相器的输出信号均通过天线单元(7)发出，得出阵列响应矢量为的波束。

6.如权利要求5所述的一种5G大规模天线波束控制方法，其特征在于，m_1＝m₂，且m₁、m₂均为2的整数倍。

7.如权利要求5或6所述的一种5G大规模天线波束控制系统，其特征在于，所述m₁＝m₂＝n＝4。

8.如权利要求7所述的一种5G大规模天线波束控制方法，其特征在于，当发射单个高增益波束时，基带信号x₁＝x₂＝x₃＝x₄，波束的方位角波束的俯仰角其中，为信号x₁调节后的方位角，为信号x₂调节后的方位角，为信号x₃调节后的方位角，为信号x₄调节后的方位角，信号x₁调节后的俯仰角，信号x₂调节后的俯仰角，为信号x₃调节后的俯仰角，为信号x₄调节后的俯仰角，发出波束对应的阵列响应矢量为

当发射两个波束时，通过第一个天线波束控制子系统和第二个天线波束控制子系统构造第一个波束，基带信号x₁＝x₂，第一个波束的方位角第一个波束的俯仰角

通过第三个天线波束控制子系统和第四个天线波束控制子系统构造第二个波束，基带信号x₃＝x₄，第二个波束的方位角第二个波束的俯仰角

第一个波束和第二个波束的阵列响应矢量分别为