CN108702195A - 天线映射和分集 - Google Patents

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Abstract

一种涉及天线阵列的方法，所述天线阵列用于无线地发送包括独立的多个发送信号流的源信号流所承载的信息，所述方法涉及：将所述多个发送信号流映射到独立的多个波束信号流，其中所述多个波束信号流中的至少一个波束信号流是所述多个发送信号流中的数个发送信号流的组合；使用所述天线阵列来生成多个发送波束；以及通过所述多个发送波束中的不同发送波束来发送所述多个波束信号流中的各波束信号流。

Description

天线映射和分集
根据美国法典第35条第119(e)款，本申请要求2016年1月8日提交的、标题为“Antenna Mapping and Diversity”的序列号为62/276,311的临时申请的权益，其全部内容通过引用而并入于此。
技术领域
本发明一般涉及诸如蜂窝或无线本地局域网中所使用的无线通信系统，更特别地涉及多波束相控阵列(phased array)系统。
背景技术
在传统MIMO(多输入多输出)LTE系统中，各发送信号流被直接路由或映射至单独的基站天线，其中所有波束图案在扇形区内彼此重叠。图1～3中示出了三个示例。
图1示出传统2T2R MIMO LTE基站系统功能布置，其包括基站30、远程无线头20、以及二元+/-45°交叉极化天线10a。在该2T2R系统中，天线10a在发送功能和接收功能这两者所用的范围或扇形区(sector)32内生成两个固定的宽角重叠波束33a。基站30向远程头发送信号流Tx1和Tx2，其中该远程头在一些处理之后将这两个发送信号流中的各发送信号流路由至交叉极化天线10a内的相应的不同天线元件以经由重叠宽波束中的相应的一个进行发送。在接收器侧，远程无线头20接收并处理两个天线元件所接收到的两个信号流Rx1和Rx2中的各信号流，并将这两个接收信号流提供给基站30。
图2示出传统2T4R MIMO LTE基站系统功能布置，其包括基站30、远程无线头20、以及包含两个+/-45°交叉极化天线的天线系统10b。在该2T4R系统中，天线系统10b生成发送功能所用的两个固定的宽角重叠波束以及接收功能所用的四个宽角重叠波束。基站30向远程头20发送两个发送信号流Tx1和Tx2，其中该远程头20将各发送信号流转发至其中一个交叉极化天线10b的两个天线元件中的相应的一个不同天线元件。在接收器侧，远程无线头20接收并处理两个交叉极化天线元件所接收到的四个信号流Rx1、Rx2、Rx3和Rx4中的各信号流，并将这些接收信号流发送至基站30。
图3示出传统4T4R MIMO LTE基站系统功能布置，其包括基站30、远程无线头20、以及包含两个+/-45°交叉极化天线的天线系统10b。在该4T4R系统中，天线系统10b生成发送功能和接收功能这两者所用的四个固定的宽角重叠波束。基站30向远程头20发送四个发送信号流Tx1、Tx2、Tx3和Tx4，其中该远程头20将各发送信号流转发至四个天线元件中的相应的一个不同天线元件。在接收器侧，远程无线头20接收并处理四个天线元件10b所接收到的四个信号流Rx1、Rx2、Rx3和Rx4中的各信号流，并将这四个信号流发送至基站30。
发明内容
一般来说，在一方面，本发明的特征在于一种涉及天线阵列的方法，所述天线阵列用于无线地发送包括独立的多个发送信号流的源信号流所承载的信息，所述方法包括：将所述多个发送信号流映射到独立的多个波束信号流，其中所述多个波束信号流中的至少一个波束信号流是所述多个发送信号流中的数个发送信号流的组合；使用所述天线阵列来生成多个发送波束；以及通过所述多个发送波束中的不同发送波束来发送所述多个波束信号流中的各波束信号流。
其它实施例包括以下特征中的一个或多个特征。所述方法还涉及在将所述多个发送信号流映射到独立的多个波束信号流之前，从所述源信号流中提取所述多个发送信号流。所述多个发送波束是可独立转向的发送波束。所述组合是线性组合。所述多个波束信号流中的各波束信号流是所述多个发送信号流中的数个发送信号流的相应的线性组合。所述方法还涉及在通过所述多个发送波束发送所述多个波束信号流之前将所述多个波束信号流转换为IF。所述源信号流采用数字形式，并且所述方法还涉及对所述源信号流进行解多路复用以生成多个数字发送信号流。所述映射是在数字域中进行的。所述映射涉及对所述多个发送信号流进行矩阵乘法运算以生成所述多个波束信号流。可选地，所述源信号流是RF信号，并且所述方法还涉及在将所述多个发送信号流映射到所述多个波束信号流之前将所述多个发送信号流降频为IF。在这种情况下，将所述多个发送信号流映射到独立的多个波束信号流是在模拟域中进行的。
一般来说，在另一方面，本发明的特征在于一种天线系统，用于无线地发送包括独立的多个发送信号流的源信号流所承载的信息，所述天线系统包括：天线阵列系统，其具有数个天线元件以及多个输入；控制器，其用于控制所述天线阵列系统、并且被配置为使所述天线阵列系统生成多个发送波束，所述多个发送波束中的各发送波束与所述天线阵列系统的所述多个输入中的不同输入相对应；以及信号映射模块，其具有多个输出，所述多个输出各自电气连接至所述天线阵列系统中的相应的不同输入，其中，所述信号映射模块被配置为将所述多个发送信号流映射到独立的多个波束信号流，所述多个波束信号流各自在所述信号映射模块的多个输出中的相应的不同输出上呈现，以及所述多个波束信号流中的至少一个波束信号流是所述多个发送信号流中的数个发送信号流的组合。
其它实施例包括以下特征中的一个或多个特征。所述天线系统还包括：解多路复用器模块，其电气连接至所述信号映射模块，所述解多路复用器模块用于从所述源信号流中提取所述多个发送信号流以及将所述多个发送信号流提供至所述信号映射模块。所述多个发送波束是可独立转向的发送波束。所述源信号流采用数字形式，并且所述系统还包括用于对所述源信号流进行解多路复用以生成多个数字发送信号流的解多路复用器。在这种情况下，所述信号映射模块在数字域中进行所述映射。所述天线阵列还包括：数字至IF转换器，用于在通过所述多个发送波束发送所述多个波束信号流之前将所述多个波束信号流转换为IF。所述源信号流是RF信号。所述天线系统还包括：降频器，用于在所述信号映射模块将所述多个发送信号流映射到独立的多个波束信号流之前将所述多个发送信号流降频为IF。所述信号映射模块在模拟域中进行所述映射。所述组合是线性组合。所述多个波束信号流中的各波束信号流是所述多个发送信号流中的数个发送信号流的相应的线性组合。所述信号映射模块被配置为对所述多个发送信号流进行矩阵乘法运算以生成所述多个波束信号流。
一般来说，在又一方面，本发明的特征在于一种涉及天线阵列的方法，所述方法包括：使用所述天线阵列来生成多个接收波束；通过所述多个接收波束来接收多个波束信号流，其中所述多个波束信号流中的各波束信号流是通过所述多个接收波束中的相应的不同的接收波束而接收的；以及将所述多个波束信号流映射到独立的多个接收信号流，其中所述多个接收信号流中的至少一个接收信号流是所述多个波束信号流中的数个波束信号流的组合。
其它实施例包括以下特征中的一个或多个特征。所述组合是线性组合。所述多个接收信号流中的各接收信号流是所述多个波束信号流中的数个波束信号流的相应的线性组合。所述映射涉及对所述多个波束信号流进行矩阵乘法运算以生成所述多个接收信号流。所述方法还包括：将所述多个接收信号流多路复用为复合信号流。所述多个接收波束是可独立转向的接收波束。所述波束信号流是IF信号，并且所述方法还涉及：在将所述多个波束信号流映射到独立的多个接收信号流之前将所述多个波束信号流从IF转换为数字。所述映射是在数字域中进行的。
一般来说，在又一方面，本发明的特征在于一种天线系统，包括：天线阵列系统，其具有数个天线元件；控制器，其用于控制所述天线阵列系统、并且被配置为使所述天线阵列系统生成用于接收多个波束信号流的多个接收波束，所述多个接收波束中的各接收波束用于产生所述多个波束信号流中的相应的波束信号流；以及信号映射模块，其电气连接至所述天线阵列系统并且具有多个输出，其中，所述信号映射模块被配置为将所述多个波束信号流映射到独立的多个接收信号流，所述多个接收信号流各自在所述信号映射模块的多个输出中的相应的不同输出上呈现，以及所述多个接收信号流中的至少一个接收信号流是所述多个波束信号流中的数个波束信号流的组合。
其它实施例包括以下特征中的一个或多个特征。所述组合是线性组合。所述多个接收信号流中的各接收信号流是所述多个波束信号流中的数个波束信号流的相应的线性组合。所述映射涉及对所述多个波束信号流进行矩阵乘法运算以生成所述多个接收信号流。所述天线系统还包括：多路复用器模块，其电气连接至所述信号映射模块，所述多路复用器模块用于将所述多个接收信号流多路复用为复合信号流。
在以下附图和说明书中详细阐述了本发明的一个或多个实施例的详情。根据说明书和附图以及权利要求书，本发明的其它特征、目的和优点将显而易见。
附图说明
图1描绘了传统2T2R MIMO LTE基站系统功能布置。
图2描绘了传统2T4R MIMO LTE基站系统功能布置。
图3描绘了传统4T4R MIMO LTE基站系统功能布置。
图4描绘了具有四个波束的相控阵列4T4R MIMO LTE基站系统功能布置。
图5描绘了具有四个波束的另一相控阵列4T4R MIMO LTE基站系统功能布置。
图6描绘了使用+45°/-45°交叉极化天线阵列来创建0°/90°极化波束。
图7描绘了使用+45°/-45°交叉极化天线阵列来创建RHCP和LHCP波束。
图8描绘了将4T4R映射到单个传统交叉极化天线。
图9描绘了将4T4R映射到具有附加分集的单个传统交叉极化天线。
图10描绘了具有完全冗余(overhead)覆盖和附加热点覆盖的相控阵列4T4R。
图11描绘了用于实现Tx和Rx矩阵乘法的数字实施例的功能框图。
图12描绘了用于实现Tx和Rx矩阵乘法的RF实施例的功能框图。
图13是连接至天线阵列中的一个天线元件的前端模块的框图。
图14是具有多个天线元件的有源天线阵列系统的发送器侧的框图。
图15是具有多个天线元件的有源天线阵列系统的接收器侧的框图。
在前面的图中，相同的元件可以用相同的附图标记来标识。
具体实施方式
这里所述的方法在无线通信系统内使用，并且可以应用于基站或移动设备，但是更有可能用于基站。该方法在相控阵列天线系统内使用，但是还可以用于传统天线系统。
在基站发送器方面描述了以下实施例，但是原理也适用于如下所述的接收器。所述实施例符合3GPP LTE(第三代合作伙伴计划长期演进)标准，但是原理适用于任何一般多波束通信系统。
相控阵列天线系统(诸如图4所示的相控阵列天线系统)将用于示出这里发展出的构思。相控阵列天线系统包括基站35，该基站35与用于操作相控阵列天线50的远程相控阵列无线头25进行通信。在该系统中，可以在扇形区内形成多个波束，这多个波束中的一些波束可能重叠，而一些波束可能不重叠。在该特定实施例中，基站35向远程无线头25发送四个发送信号流Tx1、Tx2、Tx3和Tx4，并从远程无线头25接收四个接收信号流Rx1、Rx2、Rx3和Rx4。远程无线头25转而向天线阵列50发送四个发送波束信号流Tb1、Tb2、Tb3和Tb4以生成四个波束(针对各发送波束信号流生成一个波束)，并且该远程无线头25从天线阵列50接收四个信号流Rb1、Rb2、Rb3和Rb4。通常，各发送信号流Tx1、Tx2、Tx3和Tx4被映射到相应的不同波束。然而，在这样的系统中，将这些发送信号流中的两个或更多个的线性组合发送到单个天线波束上可以是非常有利的。为此，系统(例如无线头)被修改为线性地组合多个发送信号流以生成发送波束信号流其中之一。
现将描述该概念的一般实现，然后利用特定示例来对其进行说明。
考虑如下的多流通信系统，其具有n个输入发送信号流以及天线阵列所形成的m个输出发送波束。通过线性组合矩阵M来实现输入发送信号流Tx1～Txn流到各发送波束TB1～TBm的映射：
[TB]＝[M][Tx]
将矩阵扩展为：
应当显而易见的是，可以以任意线性组合将任何数量的输入流映射到任何数量的相控阵列天线波束。换句话说，在最一般意义上，到各天线波束的映射是到该波束的输入流的加权求和。对于将四个发送信号流映射到四个波束的情况(即，m＝4且n＝4)，图5中示出这种映射。
在一些情况下，改变一些输入的相位以及幅度是有利的。这可以容易地通过向线性组合矩阵添加相位分量来完成。线性组合矩阵M中的各矩阵元素Mij将变成缩放器和相位调整的乘积：Mij＝Aij(ejθij)，其中，Aij是幅度乘数，以及θij是相移。
以下是这将如何用于实际系统的示例。考虑如下的4T4R MIMO基站，其发送四个独立数据流并将这些数据流映射到利用交叉极化天线元件阵列矩阵形成的四个波束上。在3GPP LTE中，冗余符号跨四个发送信号流中的两个发送信号流(Tx1和Tx2)传播，然后在剩余两个发送信号流(Tx3和Tx4)上使用Alamouti编码来重复。如果相控阵列系统局限于四个波束(两个波束具有+45°极化，而另两个波束具有-45°极化)，则将信号Tx1和Tx2的等权重线性组合强加到跨扇形区广泛传播的单波束上，使得两个冗余信道都可用于使移动装置占有小区可能是有利的。这使得针对独立输入流发送或扇形区内的热点区域所用的可能更窄的聚集波束上的输入流的不同线性组合的其它三个波束被释放。
可以通过使输入信号的相位旋转并将其适当地馈送至重叠的相对天线元件极化以自+45°/-45°天线对产生0°/90°极化波形来实现附加分集，如图6所示。可选地，通过使用如图7所示的适当选择的相移，系统可以产生RHCP(右手圆极化)或LHCP(左手圆极化)传播波。仅根据这几个示例，应当显而易见的是，该方案可以存在许多可能性。
现在考虑接收方向。在4T4R MIMO LTE系统中，将存在以最小均方误差(MMSE)方式相加、并在基站调制解调器中进行解调的四个相应的接收流。在传统基站情况下，各接收流与各发送流相对应，因此各天线和各接收流之间将存在一对一对应关系。在天线阵列情况下，波束的数量和接收流的数量之间可能不存在一对一对应关系，因此来自各波束的接收信息必须被发送(映射)至各接收流以确保所有四个接收路径都正被利用。
沿相反方向从接收波束向接收流映射接收侧。接收波束RB1～RBm到各输出接收流Rx1～Rxn的映射通过线性组合矩阵L。
[Rx]＝[L][RB]
将矩阵扩展为：
在一些情况下，改变一些输入的相位以及幅度是有利的。如发送情况中那样，这可以容易地通过向线性组合矩阵添加相位分量来完成。线性组合矩阵L中的各矩阵元素Lij将变成缩放器和相位调整的乘积：Lij＝Aij(ejθij)，其中，Aij是幅度乘数，以及θij是相移。此外，发送矩阵M中的元素可以与接收矩阵L中的元素完全不同。
形成四个波束的4T4R相控阵列系统对于发送和接收这两者将需要4x4映射矩阵：
这里的关键概念是创建多流通信系统的输入的线性组合以优化天线阵列中可以产生的有限数量的传统天线或有限数量的波束的使用的构思。由于塔分区限制和租赁费用，因此添加附加的传统天线通常并不实际，并且在天线阵列中产生附加波束的能力可能受到可用系统硬件或软件的限制。
传统天线示例。考虑如下的4T4R无线通信系统，其中由于一些类型的塔限制(例如，空间、分区、成本)，因此服务提供商局限于单个交叉极化传统天线10a。无线头28中可以实现的一种解决方案(参见图8)是：线性地组合四个发送流中的两个发送流(例如，Tx1和Tx2)并将其馈送到+45°极化天线中，并且线性地组合剩余两个发送流(例如，Tx3和Tx4)并将其馈送到-45°极化天线中，如图8所示。
可以允许附加分集增益的第二种解决方案是利用所有四个发送流的线性组合、以辐射不同极化的所有四个流(诸如成+45°(斜极化)的Tx1、成-45°(斜极化)的Tx2、成0°(垂直极化)的Tx3、以及成+90°(水平极化)的Tx4)的这方式来馈送交叉极化天线的两个输入。这在图9中示出。
在任一种情况下，在接收器侧，接收信号将通常以匹配发送器侧的线性组合和/或极化的方式组合。
相控阵列天线示例。考虑如下的4T4R无线通信系统，其中由于一些类型的设备限制(例如，硬件/软件)，因此利用天线阵列50可以形成的波束的数量局限于四个。一种简单的解决方案是将各发送流分配至唯一发送波束。然而，这种基本布置限制了扇形区32内的波束的最佳放置，这是因为四个波束中的两个波束将需要覆盖具有波束重叠的整个扇形区以供移动装置在3GPPLTE系统中锁定到小区。
一种解决方案是：线性地组合四个发送流中的两个发送流(例如，Tx1和Tx2)并将其馈送到成+45°天线极化的波束1中，并且线性地组合剩余两个发送流(例如，Tx3和Tx4)并将其馈送到成-45°天线极化的波束2中。这使得用于独立发送流或线性组合发送流的热点覆盖的波束3和波束4被释放。这如图10所示。
附加解决方案是可能的，诸如产生包含所有四个发送流的组合的单个波束，这将会使得用于最佳扇形区覆盖、但具有分集折衷的三个波束被释放。最后，可以如先前所讨论地改变各波束的极化、或者重叠波束上的某个独立的发送流或线性组合的发送流组合的极化，以改进分集。
相控阵列系统针对传统天线系统的附加分集选项提供了灵活性，诸如使各波束的仰角倾斜、或者使重叠波束的方位角倾斜、或者这些和上述分集方案的组合。
图11示出在发送侧和接收侧上采用矩阵乘法的示例性数字基站接口实现。CPRI(通用公共无线接口)模块100提供了来自主基站(未示出)的链路接口，其中该接口相对于无线头传送Rx信号和Tx信号。注意，为了在该描述和以下描述中避免混淆，应当理解，基站可以具有两个接口点：至基站的基带处理单元的数字CPRI接口(如图11的情况那样)、或者至基站无线头或基站RF头的直接RF接口(如以下所讨论的图12的情况那样)。
信号作为CPRI帧在基站和无线头之间进行交换。在CPRI模块100内，存在用于从基站所发送的CPRI帧中提取多个数字发送信号DTx1、DTx2、DTx3和DTx4的解多路复用器或CPRI解帧功能102。然后，将这些信号流提供至用于生成多个发送波束信号BTx1、BTx2、BTx3和BTx4的处理模块106，其中这多个发送波束信号各自是处理模块106所接收到的数字发送信号流中的一个或多个的线性组合。处理模块106包括用于进行先前所述类型的矩阵乘法以生成数字发送信号的线性组合的数字矩阵乘法器和加法器。通过数字至IF转换器110来将所得到的发送波束信号转换成IF信号，并且将所得到的IF波束信号ITx1、ITx2、ITx3和ITx4提供至有源天线阵列系统114并升频为RF以供无线发送。以下更详细描述的有源天线阵列系统114包含用于生成进行发送波束信号的发送所经由的四个波束的波束形成和波束映射功能、以及IF至RF转换。
在接收器侧，将接收RF波束信号降频为有源天线阵列系统114中的IF信号IRx1、IRx2、IRx3和IRx4，并且利用IF至数字转换器112来将这些IF信号转换为数字接收波束信号BRx1、BRx2、BRx3和BRx4。将这些信号提供至用于生成多个数字接收信号DRx1、DRx2、DRx3和DRx4的处理模块108，其中这多个数字接收信号各自是处理模块108所接收到的接收波束信号中的一个或多个的组合。处理模块108包括用于进行先前所述类型的矩阵乘法以生成接收波束信号的线性组合的数字矩阵乘法器和加法器。CPRI模块100内的乘法器或CPRI成帧功能104将多个数字接收信号组装为CPRI帧以供发送回基站。
在所述实施例中，使用被适当地编程为进行所需功能的FPGA(或其它处理器元件)来实现处理模块106和108的矩阵乘法运算以及CPRI模块100。在采用数模电路和模数电路的硬件中实现数字至IF转换器110和IF至数字转换器112。
图12示出在发送侧和接收侧上采用矩阵乘法的RF基站接口实现的示例。在这种情况下，相对于远程无线头发送和接收作为RF发送信号Tx1、Tx2、Tx3和Tx4的基站信号。通过RF至IF转换器126来将这些信号转换为相应的IF发送信号ITx1、ITx2、ITx3和ITx4。将这些IF发送信号提供至用于生成多个波束发送信号BTx1、BTx2、BTx3和BTx4的处理模块130，其中这多个波束发送信号各自是处理模块130所接收到的IF发送信号中的一个或多个的组合。处理模块130包括用于进行先前所述类型的矩阵乘法以生成IF发送信号的线性组合的数字矩阵乘法器和加法器。将所得到的波束信号BTx1、BTx2、BTx3和BTx4提供至有源天线阵列系统114并转换为RF以供无线发送。如上所述的有源天线阵列系统114包含用于生成进行发送波束信号的发送所经由的四个波束的波束形成和波束映射功能、以及IF至RF转换。
在接收器侧，将来自有源天线阵列的接收IF波束信号BRx1、BRx2、BRx3和BRx4提供至用于生成多个接收IF信号IRx1、IRx2、IRx3和IRx4的处理模块132，其中这多个接收IF信号各自是处理模块所接收到的IF波束信号中的一个或多个的线性组合。处理模块包括用于进行先前所述类型的矩阵乘法以生成IF发送信号的线性组合的数字矩阵乘法器和加法器。通过IF至RF转换器128来将接收IF信号转换为相应的RF接收信号Rx1、Rx2、Rx3和Rx4，并将这些RF接收信号发送至基站。
在所述的实施例中，RF至IF模块126和IF至RF模块128是利用诸如2011年6月30日提交的、标题为“Low Cost,Active Antenna Arrays”的美国8,622,959中所讨论的传统升频和降频电路实现的，上述文献的内容通过引用而并入于此。矩阵乘法模块130和132是通过使用IF和/或RF组合器以及被适当地配置为进行所述功能的开关来实现的。
通常，在系统设置时对矩阵进行定义和编程。然而，在必要的情况下，也可以在现场或动态地改变矩阵。由于实现系统的环境随时间改变(例如，建造了新的建筑物、商店或高速公路)，因此这种改变可能是必需的。这种环境改变通常将需要矩阵的改变，以使系统保持以更接近于最佳性能的方式进行操作。可以基于针对各扇形区的特定覆盖需求来设计线性组合，并且可以提供可用选项的工具箱以优化特定扇形区的RF覆盖布局。
图13、14和15中呈现了可用于图11和12的系统的典型有源天线阵列系统的内部结构的详情。应当理解，这些图仅示出用于实现有源天线阵列系统的许多不同的可能方式的一个示例。
在所述实施例中，天线阵列包括M个天线元件的一维或二维阵列。图13示出连接至多元件天线阵列中的单个天线元件210的电路的框图。在具有M个天线元件的天线阵列系统中，针对各天线元件复制该电路。对于各天线元件210，存在连接至天线元件210的前端模块(或Tx/Rx模块)200。前端模块具有发送器侧和接收器侧。发送器侧包括N个升频模块202、组合器电路204、以及功率放大器(PA)206。接收器侧包括低噪声放大器(LNA)212、分离器214、以及N个降频模块216。前端模块200还包括用于将来自发送器侧上的PA 206的驱动信号耦合至天线元件210、并且将来自天线元件210的接收信号耦合至接收器侧上的LNA 212的双工器电路208。各升频模块202的输入用于从基带单元(未示出)接收不同的波束发送信号流Bt1…Btn。并且各降频模块216的输出用于输出不同的波束接收信号流Br1…Brn。通常，将各波束发送信号流映射至有源天线阵列系统所生成的不同波束，并且各接收信号流与由有源天线阵列所形成的不同接收波束接收到的信号相对应。
图14中描绘了更详细示出升频模块202的有源天线阵列系统；并且图15中描绘了更详细示出降频模块216的有源天线阵列系统。实际上，单独示出的这两个系统将在同一个有源天线阵列系统中实现，但是为了简化附图，它们在此单独地呈现。图14的有源天线阵列系统用于经由天线阵列的M个元件210所生成的单个发送波束来发送一个发送信号流。由于针对各天线元件210仅存在一个升频模块202，因此无需图13中所示的组合器204，故省略该组合器204。同样，图15的有源天线阵列系统用于在天线阵列所生成的单个接收波束图上接收信号流。由于针对各天线元件210仅存在一个降频模块216，因此无需图13中所示的分离器214，故也省略该分离器214。
存在用于将相干或相位同步的LO信号分配给M个升频模块202和M个降频模块216的LO分配网络220。如图14所示，还存在用于将IF发送信号传递至各升频模块202的IF分配网络224。并且如图15所示，存在用于聚集来自各降频模块216的接收信号的IF聚集网络226。
分配网络和聚集网络可以是具有电气相同路径的无源线性互易网络，以确保信号的相干分配/聚集。可选地，这些网络中的一个或多个网络可以使用2008年7月21日提交的、标题为“Method and System for Multi-Point Signal Generation with PhaseSynchronized Local Carriers”的美国8,259,884以及2011年6月30日提交的、标题为“LowCost,Active Antenna Arrays”的美国8,622,959中所描述的双向信令网络，或者2016年9月8日提交的、标题为“Calibrating a Serial Interconnection”的美国序列15/259,639中所描述的串行互连方法来实现，上述文献的内容通过引用而并入于此。
各升频模块202包括混合器203、以及分别由A和P标识的各个幅度设置电路和相位设置电路。LO信号和分配IF发送信号流均被提供至混合器203，该混合器203将IF发送信号流升频为被提供至功率放大器206的RF发送信号流。同样，各降频模块216也包括混合器217、以及同样分别由A和P标识的各个幅度设置电路和相位设置电路。降频模块216中的混合器217使LO分配网络220所提供的LO信号和来自连接至天线元件210的低噪声放大器212的接收RF信号流相乘，以生成降频IF接收信号流。降频IF信号流被提供至IF聚集网络226，以与来自其它天线元件的IF接收信号流聚集并发送回基站。
幅度设置电路A和相位设置电路P用于改变各个天线信号的相对相位或幅度，从而确立天线阵列所生成的发送波束图和接收波束图的大小、方向和强度。(注意：在天线阵列中，发送波束是天线阵列所生成的辐射图。可以在天线阵列的前面测量该辐射图。与此相对，接收波束不是天线阵列所形成的辐射图，而是天线灵敏度的图。然而，尽管存在这种差异，但两者一般都被称为波束。)幅度设置电路基本上与可变增益放大器等效，其中输出信号幅度和输入信号幅度的比率是可编程的，并通过电子控制来设置。相位设置电路具有在电子控制下使输入信号在相位(或时间)上偏移的基本功能。这些幅度设置电路和相位设置电路由单独的控制处理器213所供给的数字控制信号来控制。
图14和15所示的幅度设置电路和相位设置电路的拓扑结构仅仅是用于向基本发送器和接收器赋予独立地控制各天线信号的幅度和相位值的能力的许多可能性其中之一。幅度设置电路和相位设置电路的数量和放置可以与图14和15所示不同。另外，升频模块和降频模块中可能存在其它组件，但图中未示出这些组件，因为这些组件是本领域技术人员公知的。这些组件可以例如包括信道IF滤波器和自动增益控制。
在以上提供的描述中，应当理解，n(即被提供至无线头的发送信号流的数量)和m(相位阵列所生成的波束的数量)无需相同。
在上述的最一般情况下，来自用于实现矩阵乘法的处理器的各输出信号流是多个输入流的线性组合。然而，情况并非必须如此。可能只有一个输出流是多于一个输入流的子集的线性组合，而所有其它输出流不是输入流的线性组合、而是输入流至输出的简单一对一映射。并且还应当理解，这两种极端之间的任何情况也落在本发明的范围内。另外，所有权重Mij都可以等于1，其中在这种情况下，信号流的加权求和是这些信号流的简单求和。
在利用处理器实现各种功能的实施例中，处理器可以是一个或多个处理器或微处理器、一个或多个FPGA、或其它可编程装置，并且编程代码或指令可以存储在计算机可读的非易失性存储介质(例如，EEPROM、磁盘、RAM等)中。
其它实施例在所附权利要求书内。例如，信号可以都以RF进行处理，而不是沿接收器或发送器中的信号路径被转换为IF。因此，在发送侧，来自基带单元的数字信号将被转换为RF代替IF，或者来自基带单元的RF信号将维持RF信号。同样在接收侧，接收RF信号可以维持RF信号。另外，矩阵乘法步骤可以在沿信号路径的不同位置(或者甚至多个位置)处进行，而不是在以上示出的位置(例如，在有源天线阵列系统114内)处进行。另外，尽管这里所述的信号流的组合是线性组合，但多个信号流的其它类型的组合(诸如非线性组合)也是可能的。

Claims (41)

1.一种涉及天线阵列的方法，所述天线阵列用于无线地发送包括独立的多个发送信号流的源信号流所承载的信息，所述方法包括：
将所述多个发送信号流映射到独立的多个波束信号流，其中所述多个波束信号流中的至少一个波束信号流是所述多个发送信号流中的数个发送信号流的组合；
使用所述天线阵列来生成多个发送波束；以及
通过所述多个发送波束中的不同发送波束来发送所述多个波束信号流中的各波束信号流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述组合是线性组合。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：在将所述多个发送信号流映射到独立的多个波束信号流之前，从所述源信号流中提取所述多个发送信号流。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多个波束信号流中的各波束信号流是所述多个发送信号流中的数个发送信号流的相应的线性组合。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多个发送波束是可独立转向的发送波束。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，
所述源信号流采用数字形式，
所述方法还包括：对所述源信号流进行解多路复用以生成所述多个发送信号流，以及
所述多个发送信号流也采用数字形式。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述映射是在数字域中进行的。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：在通过所述多个发送波束发送所述多个波束信号流之前将所述多个波束信号流转换为IF。
9.根据权利要求2所述的方法，其中，所述映射涉及对所述多个发送信号流进行矩阵乘法运算以生成所述多个波束信号流。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述矩阵乘法运算是：
其中，对于i＝1…n，Txi是所述多个发送信号流，对于j＝1…m，TBj是所述多个波束信号流，以及对于i＝1…n且j＝1…m，Mji是权重，其中n是整数，m是整数。
11.根据权利要求2所述的方法，其中，所述源信号流是RF信号。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：在将所述多个发送信号流映射到所述多个波束信号流之前将所述多个发送信号流降频为IF。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述多个发送信号流映射到独立的多个波束信号流是在模拟域中进行的。
14.一种天线系统，用于无线地发送包括独立的多个发送信号流的源信号流所承载的信息，所述天线系统包括：
天线阵列系统，其具有数个天线元件以及多个输入；
控制器，其用于控制所述天线阵列系统、并且被配置为使所述天线阵列系统生成多个发送波束，所述多个发送波束中的各发送波束与所述天线阵列系统的所述多个输入中的不同输入相对应；以及
信号映射模块，其具有多个输出，所述多个输出各自电气连接至所述天线阵列系统中的相应的不同输入，其中，所述信号映射模块被配置为将所述多个发送信号流映射到独立的多个波束信号流，所述多个波束信号流各自在所述信号映射模块的多个输出中的相应的不同输出上呈现，以及所述多个波束信号流中的至少一个波束信号流是所述多个发送信号流中的数个发送信号流的组合。
15.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述组合是线性组合。
16.根据权利要求15所述的天线系统，还包括：解多路复用器模块，其电气连接至所述信号映射模块，所述解多路复用器模块用于从所述源信号流中提取所述多个发送信号流以及将所述多个发送信号流提供至所述信号映射模块。
17.根据权利要求15所述的天线系统，其中，所述多个波束信号流中的各波束信号流是所述多个发送信号流中的数个发送信号流的相应的线性组合。
18.根据权利要求15所述的天线系统，其中，所述多个发送波束是可独立转向的发送波束。
19.根据权利要求15所述的天线系统，其中，
所述源信号流采用数字形式，
所述天线系统还包括：解多路复用器，用于对所述源信号流进行解多路复用以生成所述多个发送信号流，以及
所述多个发送信号流采用数字形式。
20.根据权利要求15所述的天线系统，其中，所述信号映射模块在数字域中进行所述映射。
21.根据权利要求20所述的天线系统，其中，所述天线阵列包括：数字至IF转换器，用于在通过所述多个发送波束发送所述多个波束信号流之前将所述多个波束信号流转换为IF。
22.根据权利要求15所述的天线系统，其中，所述信号映射模块被配置为对所述多个发送信号流进行矩阵乘法运算以生成所述多个波束信号流。
23.根据权利要求22所述的天线系统，其中，所述矩阵乘法运算是：
其中，对于i＝1…m，TBi是所述多个波束信号流，对于j＝1…n，Txj是所述多个发送信号流，以及对于i＝1…m且j＝1…n，Mij是权重，其中m是整数，n是整数。
24.根据权利要求15所述的天线系统，其中，所述源信号流是RF信号。
25.根据权利要求15所述的天线系统，还包括：降频器，用于在所述信号映射模块将所述多个发送信号流映射到所述独立的多个波束信号流之前将所述多个发送信号流降频为IF。
26.根据权利要求25所述的天线系统，其中，所述信号映射模块在模拟域中进行所述映射。
27.一种涉及天线阵列的方法，所述方法包括：
使用所述天线阵列来生成多个接收波束；
通过所述多个接收波束来接收多个波束信号流，其中所述多个波束信号流中的各波束信号流是通过所述多个接收波束中的相应的不同的接收波束而接收的；以及
将所述多个波束信号流映射到独立的多个接收信号流，其中所述多个接收信号流中的至少一个接收信号流是所述多个波束信号流中的数个波束信号流的组合。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述组合是线性组合。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括：将所述多个接收信号流多路复用为复合信号流。
30.根据权利要求28所述的方法，其中，所述多个接收信号流中的各接收信号流是所述多个波束信号流中的数个波束信号流的相应的线性组合。
31.根据权利要求28所述的方法，其中，所述多个接收波束是可独立转向的接收波束。
32.根据权利要求28所述的方法，其中，所述波束信号流是IF信号，以及所述方法还包括：在将所述多个波束信号流映射到独立的多个接收信号流之前将所述多个波束信号流从IF转换为数字。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述映射是在数字域中进行的。
34.根据权利要求28所述的方法，其中，所述映射涉及对所述多个波束信号流进行矩阵乘法运算以生成所述多个接收信号流。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述矩阵乘法运算是：
其中，对于i＝1…n，Rxi是所述多个接收信号流，对于j＝1…m，RBj是所述多个波束信号流，以及对于i＝1…n且j＝1…m，Lij是权重，其中n是整数，m是整数。
36.一种天线系统，包括：
天线阵列系统，其具有数个天线元件；
控制器，其用于控制所述天线阵列系统、并且被配置为使所述天线阵列系统生成用于接收多个波束信号流的多个接收波束，所述多个接收波束中的各接收波束用于产生所述多个波束信号流中的相应的波束信号流；以及
信号映射模块，其电气连接至所述天线阵列系统并且具有多个输出，其中，所述信号映射模块被配置为将所述多个波束信号流映射到独立的多个接收信号流，所述多个接收信号流各自在所述信号映射模块的多个输出中的相应的不同输出上呈现，以及所述多个接收信号流中的至少一个接收信号流是所述多个波束信号流中的数个波束信号流的组合。
37.根据权利要求36所述的天线系统，其中，所述组合是线性组合。
38.根据权利要求37所述的天线系统，还包括：多路复用器模块，其电气连接至所述信号映射模块，所述多路复用器模块用于将所述多个接收信号流多路复用为复合信号流。
39.根据权利要求37所述的天线系统，其中，所述多个接收信号流中的各接收信号流是所述多个波束信号流中的数个波束信号流的相应的线性组合。
40.根据权利要求37所述的天线系统，其中，所述信号映射模块被配置为通过对所述多个波束信号流进行矩阵乘法运算以生成所述多个接收信号流来将所述多个波束信号流映射到独立的多个接收信号流。
41.根据权利要求37所述的天线系统，其中，所述矩阵乘法运算是：
其中，对于i＝1…n，Rxi是所述多个接收信号流，对于j＝1…m，RBj是所述多个波束信号流，以及对于i＝1…n且j＝1…m，Lij是权重，其中n是整数，m是整数。
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