CN109313028B - 用于波束图案稳定的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

稳定在包括多个订户模块的点对多点无线通信网络的接入点(1)处由天线元件的阵列(14)形成的至少一个多用户多输入多输出MU‑MIMO波束图案(3)，以校正阵列取向在第一时间间隔与第二时间间隔之间的变化。处理陀螺仪传感器(12)的输出以生成针对第一时间间隔的第一相位校正并生成针对第二时间间隔的第二相位校正。在第一时间间隔内测量阵列的每个天线元件与第一订户模块(2)和第二订户模块(4)中的每一个之间的信号传播特征，并且基于所测量的信号传播特征、第一相位校正和第二相位校正，形成针对第二时间间隔的MU‑MIMO波束图案，该图案具有朝向第一订户模块(2)的主瓣和朝向第二订户模块(4)的零点。

Description

用于波束图案稳定的方法和装置
技术领域
本发明总体上涉及点对多点无线网络中的接入点以及操作该接入点的方法，并且更具体地但不排他地，涉及一种稳定在无线通信网络中接入点处从天线元件的阵列发射或由天线元件的阵列接收的波束图案的方法。
背景技术
现代无线通信网络通常处于极大的需求下，以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，通常可以根据预定的频率重用模式，通过重用小区之间的频率来增加容量。固定无线接入系统可以包括基站以及安装在客户所在地处的多个订户模块，基站可以称为接入点，通常安装在天线塔上。接入点的覆盖范围可以划分为扇区，每个扇区用于与相应的小区进行发送和接收。通过将相应波束指向特定用户设备(可以称为订户模块)，可以进一步增加小区内容量，以允许与接入点之间的通信同覆盖扇区的波束相比，具有改进的增益和/或减少的干扰接收。接入点可以配备有用于每个扇区的天线阵列和波束成形器，用于形成用于与每个相应订户模块进行通信的波束。通过采用多用户多输入多输出(MU-MIMO)波束成形，可以进一步增加容量，其中各个波束可以同时指向选择为MU-MIMO组的不同订户模块，每个波束承载不同的数据。被选择为MU-MIMO组的成员的订户模块具有足够的空间分离，每个波束可以指向该组的一个成员，而波束的辐射图案中的零点被引导到该组的其他成员，以避免组成员之间的干扰。
可以通过将波束成形权重集应用于加权矩阵来形成一组MU-MIMO波束图案。加权矩阵采用多个输入信号，并对每个输入信号应用适当的振幅和相位权重，以用于从天线阵列的每个元件进行发送，以便形成相应的MU-MIMO波束以将每个输入信号发送到相应的订户模块。可以基于信道估计来计算波束成形权重集，该信道估计涉及通过每个发送链的无线电频率传播路径的振幅和相位特征以及到每个订户单元的接入点处天线的每个元件。可以基于具有预定相位和振幅特征的探测符号来计算信道估计，探测符号可以从接入点发送以便在订户模块处接收。然后，订户模块可以根据接收到的探测符号的相位和振幅特征确定信道估计，并将指示所确定的信道估计的响应消息发送回接入点。
接入点处的天线阵列通常安装在塔上以提供对扇区的良好覆盖。天线阵列可能受到风载荷影响，风载荷可能由于塔的高度加剧，导致抖振效应，这可能引起阵列取向的扰动，通常是小角度的振荡。就保持朝向订户单元的零点而言，MU-MIMO波束图案可能对方位角取向上的变化特别敏感，因为零点在角度方面可能非常窄。可以通过频繁发送探测符号来跟踪阵列取向变化的影响，以产生信道估计的频繁更新。然而，这可能由于频繁的信道探测而导致高水平的信令开销。
本发明的一个目的是减轻现有技术的问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种稳定在包括多个订户模块的点对多点无线通信网络的接入点处由天线元件的阵列形成的至少一个多用户多输入多输出MU-MIMO波束图案的方法，该方法包括：
处理陀螺仪传感器的输出，以生成针对第一时间间隔的多个第一相位校正并生成针对第二时间间隔的多个第二相位校正；
在第一时间间隔内测量阵列的每个天线元件与第一订户模块和第二订户模块中的每一个之间的相应信号传播特征；以及
基于所测量的相应信号传播特征、基于所述多个第一相位校正并基于所述多个第二相位校正，形成针对第二时间间隔的具有朝向第一订户模块的主瓣和朝向第二订户模块的零点的MU-MIMO波束图案，
从而校正阵列取向在第一时间间隔与第二时间间隔之间的变化。
这允许MU-MIMO波束图案的稳定化，而不会引起信令开销，所述信令开销可能与足够经常地探测传播信道以跟踪由于风对塔上固定安装的接入点的影响所产生的阵列取向上的变化的影响相关联。
在本发明的实施方式中，所述多个第一相位校正包括阵列中的每个天线元件的相应的第一相移值；并且
该方法包括通过相应的第一相移值校正每个所测量的相应信号传播特征。
这提供了一种针对天线阵列的移动影响来校正所测量的相应信号传播特征的有效方法。
在本发明的实施方式中，所述多个第二相位校正包括阵列中的每个天线元件的相应的第二相移值；并且
形成所述MU-MIMO波束图案包括：
基于校正后的所测量的相应信号传播特征，生成用于波束成形权重矩阵的第一权重集；以及
通过对阵列的每个元件应用相应的第二相移值来校正第一权重集。
这提供了一种有效的方法，用于校正阵列的每个元件的波束成形权重矩阵的每个输出，以稳定波束图案。校正是近似的，因为跨阵列的射频相位斜率的变化与波束图案的零点或波瓣的方位角的所得变化之间的关系取决于方位角，通常取决于方位角的余弦。例如，在视轴上(也就是说垂直于阵列)产生1度变化的相位斜率的变化，可以在与视轴成+或-45度的方位角上产生大约0.7度的方位角变化。已经发现该近似给出了跨受风载荷影响的接入点所服务的扇区上的波束图案的有用稳定性。在本发明的实施方式中，该方法包括：
将相应的校正因子应用于波束成形权重矩阵的每个输出，以校正波束成形权重矩阵的每个相应输出与相应天线元件之间的相应信号发送特征，
其中，校正所述第一权重集包括通过将每个相应的第二相移值应用于相应的校正因子，针对相应的第二相移值校正波束成形权重矩阵的每个输出。
应用校正因子来校正波束成形权重矩阵的每个相应输出与相应天线元件之间的信号发送特征允许基于天线和发送信道的精确模型来形成可预测的波束图案，所述精确模型保持在形成波束图案的控制处理器中。精确模型允许处理器将由陀螺仪传感器测得的旋转转换成阵列的各个元件的相移，以对天线阵列的运动进行校正。
在本发明的实施方式中，该方法包括：
通过测量波束成形权重矩阵的每个相应输出与相应天线元件之间的相应信号传播特征通过以下过程来生成相应校正因子，该过程包括：
将来自从波束成形权重矩阵的每个输出发送的每个信号的样本耦合到每个相应的天线元件；
从每个耦合的样本中去除相应的第二相移；以及
基于去除了相应第二相移的耦合的样本，更新相应的校正因子。
这允许基于相应的信号传播特征针对阵列的运动进行精确校正。
在本发明的实施方式中，处理陀螺仪传感器的输出包括：
基于将阵列取向的变化与射频相位的变化相关联的单个近似因子，生成第一相移值和第二相移值。
这允许对于发送和/或接收的信号的阵列取向的变化进行有效的近似校正，而不管阵列所覆盖的扇区内的方位角如何。
在本发明的实施方式中，形成MU-MIMO波束图案包括：
基于多个第一相位校正和多个第二相位校正，针对阵列取向在第一时间段与第二时间段之间上的变化，校正每个所测量的相应信号传播特征；以及
基于校正后的所测量的相应信号传播特征，生成形成MU-MIMO波束图案。
这允许为发送的信号针对阵列取向的变化进行精确校正和/或通过为每个订户模块提供特定于方位角的校正相位值，其中MU-MIMO波束图案的波束或零点导向该订户模块。
在本发明的实施方式中，天线元件的阵列是接入点的组成部分，并且陀螺仪传感器安装在接入点内。
这允许陀螺仪传感器用于精确测量阵列的取向。
在本发明的实施方式中，接入点包括已校准的集成模块，该集成模块包括发送链和天线元件的阵列。
这允许基于精确的天线模型对阵列的运动进行精确校正，该天线模型基于天线元件的位置和模块内的射频传播路径，射频传播路径由于是集成模块的一部分而可靠地保持。
在本发明的实施方式中，接入点安装在天线塔上，并且阵列的所述取向变化是由于风而产生的。
在本发明的实施方式中，天线阵列的取向变化是方位角的变化。
在本发明的实施方式中，陀螺仪传感器是速率陀螺仪，并且陀螺仪传感器的所述输出是角旋转速率。
在本发明的实施方式中，处理陀螺仪传感器的输出包括：
对角旋转速率进行积分并去除平均值以确定方位角；以及
从方位角和所存储的关于阵列的几何形状的数据确定针对阵列的每个天线元件的相应相移值。
这提供了对阵列取向的精确校正。
在本发明的实施方式中，第一时间间隔是第一时分双工时段，第二时间间隔是后续时分双工时段。
这允许对阵列在第一和第二时间间隔之间的移动进行校正。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于包括多个订户模块的点对多点无线通信网络的接入点，该接入点包括：
天线元件的阵列；
数字波束成形权重矩阵，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；
陀螺仪传感器；以及
处理器，被配置为：
处理陀螺仪传感器的输出，以生成针对第一时间间隔的多个第一相位校正，并生成针对第二时间间隔的多个第二相位校正；
在第一时间间隔内测量阵列的每个天线元件与第一订户模块和第二订户模块中的每一个之间的相应信号传播特征；以及
基于所测量的相应信号传播特征、所述多个第一相位校正和多个第二相位校正，形成针对第二时间间隔的具有朝向第一订户模块的主瓣和朝向第二订户模块的零点的多用户多输入多输出MU-MIMO波束图案。
从而对阵列取向在第一时间间隔与第二时间间隔之间的变化进行校正。
在本发明的实施方式中，接入点可以具有一个或多个以下特征：每个相应发送链使用印制导体连接至天线阵列；对于每个天线元件，每个发送链至相应天线元件的射频发送路径的电路设计和物理布局是相同的；接入点的物理布局为每个天线元件的射频发送路径提供固定的间隔；和/或每个天线元件之间的射频隔离在天线元件的工作频率下至少为30dB。这些特征每个都可以有助于波束图案的可预测性以及波束图案的方位角与每个元件的相应相移值之间的关系的可预测性。这可以允许基于陀螺仪传感器的输出生成相移值，从而以改进的精度稳定波束图案，用于在使用MU-MIMO波束的点对多点无线通信网络的接入点处使用。
从以下对本发明优选实施方式的描述中，本发明的其他特征将变得显而易见，这些描述仅作为示例给出。
附图说明
图1是示出形成到订户单元的MU-MIMO波束并且形成到至少第二订户单元的零点的接入点的示意图，该接入点在本发明的实施方式中被布置成基于陀螺仪传感器稳定波束图案；
图2是示出接入点的第一实施方式的示意图，其中相位校正被应用于波束成形权重矩阵的输出和/或输入；
图3是示出接入点的第二实施方式的示意图，其中相位校正被应用于用于生成MU-MIMO波束图案的波束成形权重的信道估计；
图4是示出在本发明的实施方式中用于在接入点进行发送的波束成形装置的示意图；
图5是示出在本发明的实施方式中用于在接入点进行接收的波束成形装置的示意图；
图6是示出用于测量波束成形权重矩阵的每个相应端口与相应天线元件之间的相应信号传播特征的装置的示意图；
图7是示出用于接入点的发送架构的示意图，该接入点被布置为测量波束成形权重矩阵的每个相应端口与相应天线元件之间的相应信号传播特征；
图8是示出接入点的发送架构的示意图，其中相位校正被应用于用于生成MU-MIMO波束图案的波束成形权重的信道估计；
图9是在本发明的实施方式中，稳定在点对多点无线通信网络的接入点处由天线元件的阵列形成的至少一个多用户多输入多输出MU-MIMO波束图案的方法的流程图；
图10是稳定至少一个多用户多输入多输出MU-MIMO波束图案的方法的流程图，其中相位校正被应用于波束成形权重矩阵的输出和/或输入；以及
图11是稳定至少一个多用户多输入多输出MU-MIMO波束图案的方法的流程图，其中相位校正被应用于用于生成MU-MIMO波束图案的波束成形权重的信道估计。
具体实施方式
作为示例，现在将在固定无线接入系统的背景下描述本发明的实施方式，该固定无线接入系统在通常在5至6GHz之间的载波频率下操作基于IEEE 802.11标准的时分双工系统。然而，应当理解，这仅是示例性的，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特定的操作频带或特定标准，并且可以涉及在经许可或未经许可的频带的操作。
图1、图2和图3是示出根据本发明实施方式的接入点1的示意图，接入点1用在包括该接入点和多个订户模块2、4、5的点对多点无线通信网络中。接入点1具有天线元件的阵列14，每个元件被布置为发送在振幅和相位上适当加权的信号，以形成多用户多输入多输出(MU-MIMO)波束图案。天线阵列，并且通常是整个接入点，可以安装在天线塔上，通常在安装时设定的取向上。天线元件的阵列可以是接入点的组成部分。由于风载荷的影响，阵列和/或接入点可能易于改变取向，通常是改变小角度，例如4度，且通常小于2度的峰峰值。在传统的点对多点固定无线接入系统中，在接入点处使用扇区天线以覆盖通常为90度的扇区，阵列取向的微小变化可能几乎没有影响。然而，在配置为形成MU-MIMO波束图案的固定无线接入系统中，由于风载荷导致的阵列取向(特别是方位角)的改变的影响可能潜在地导致系统性能的降低，除非采取一些校正动作。特别地，形成于波束图案中的到订户模块4的零点6的方位角可以非常窄，使得方位角阵列取向上的小扰动8可以使零点6远离订户单元4。结果，在接收时，从订户模块4接收的信号可能表现为对从形成波束3的另一订户模块2接收的信号的干扰，并且在发送时，意图由预期的订户模块2接收的发送信号可能表现为对另一订户模块4的干扰。
通常，MU-MIMO波束图案可以通过众所周知的技术基于天线阵列的每个元件与MU-MIMO组中的每个订户模块之间的传播信道的信道探测来形成。可以周期性地执行信道探测，以更新信道探测结果来考虑传播环境的变化。可以使用周期性的通道探测来校正由于风载荷而导致的阵列和/或接入点的取向变化的影响。然而，由于需要发送具有预定内容的探测符号和相关的信令开销，因此频繁的信道探测可能对系统容量产生影响。
在本发明的实施方式中，如图1所示，陀螺仪传感器12，通常是可以批量生产以供例如在移动电话中使用的微机电系统(MEMS)设备，用于测量阵列取向的变化，使得可以根据阵列在不同时间的取向生成适当的相位校正。相位校正可用于形成11MU-MIMO波束图案，以校正阵列的取向从第一时间间隔(其中执行信道探测)到第二时间间隔(其中基于信道探测估计使用MU-MIMO波束图案进行发送和/或接收)的改变。
如图2所示，相位校正可以作为相移15应用于从阵列的每个元件发送和/或接收的信号，以相对于阵列取向的变化而在方位角方面稳定波束图案。通过对作为生成波束图案的基础而执行的信道探测的时间与应用该波束图案的时间之间的阵列的取向变化进行校正，这允许使用预先计算的波束图案。这允许较不频繁的信道探测，减少信令开销。校正是近似的，因为跨越阵列的射频相位斜率的变化与波束图案的零点或波瓣的方位角的所得变化之间的关系取决于方位角，通常取决于方位角的余弦。例如，从0度方位角产生方位角的1度变化的相位斜率的变化可以从+或-45度的方位角产生大约0.7度的方位角变化。在该示例中，假设0度方位角是阵列的视轴，也就是说在水平平面中垂直于阵列的角度。然而，已经发现该近似给出了跨受风载荷影响的接入点所服务的扇区的波束图案的有用稳定性，尤其是校正与参考位置通常+/-1度的小偏差，该参考位置是在没有风载荷的情况下的取向。具体地，即使给定由于近似引起的误差，通过该方法可以将不同方位角处的MU-MIMO波束图案中的一个或多个零点保持在通常30dB的零点深度。在没有波束稳定的情况下，对于+/-1度偏差，零点可能降低到20dB或更小，从而降低由于来自要朝向其形成零点的MU-MIMO组的订户单元的干扰而需要的系统容量。将阵列的每个元件的每个相应的第二相移应用为相位斜率以校正用于形成MU-MIMO波束的权重集具有实现方式简单的优点。相移可以以数字方式应用于波束成形权重矩阵的每个元素的输出或输入，而不影响波束成形过程，这可以基于阵列的参考取向来执行。
在替代实施方式中，如图3所示，通过处理陀螺仪传感器的输出而生成的相位校正，可用于针对在执行探测时的第一时间段与应用波束图案时的第二时间段之间的阵列取向的变化来校正信号传播特征17，并且校正后的信号传播特征可以用作生成波束图案18的基础，波束图案18可以被应用波束成形权重16，波束成形权重16可以是用于波束成形权重矩阵的权重集。这可能比将相移应用于阵列的每个元件更准确，但可能计算强度更大。
在本发明的实施方式中，至少发送链和/或接收链和天线阵列的模拟部分被构建为集成模块，其被针对到达和/或来自每个天线元件的每个发送路径的射频发送特征而校准。这允许准确预测将由给定波束成形权重集产生的波束图案，并且允许处理器计算准确的校正相位以应用于每个天线元件信号，以校正由陀螺仪传感器检测到的方位角的变化。
在图2的实施方式中，在发送时，MU-MIMO波束成形权重16被应用于调制的数据9，以形成阵列的每个元件的加权信号流。可以是频率相关的相应相移15被应用于每个元件的加权信号流，以校正阵列14的取向变化。相移后的加权信号流由天线阵列14的相应元件发送。当基带信号被上变频时，基带处的相移在射频处引起对应的相移。基于陀螺仪传感器12的输出计算13相移。
在接收时，从天线阵列14的每个元件接收信号，并且对于每个元件，接收的信号通过相应的相移15进行相移。基于陀螺仪传感器12的输出计算13相移。在时分双工(TDD)系统中，其中以相同频率交替地发送和接收信号，对于给定取向，应用于发送和接收的相移可以是相同的。相应相移信号流由MU-MIMO波束成形权重16加权，该权重在TDD系统中可以与用于发送的情况相同，以形成可以被解调以产生接收的数据10的组合接收信号流。
陀螺仪传感器12定位成监测阵列的取向，通常是方位角的取向。陀螺仪传感器12可以安装在接入点1内，接入点1通常与阵列14集成在一起。
在风载荷的情况下，如图1、图2和图3所示的系统的射频信道动态特性可以由接入点的移动支配。这是因为在具有视线和近视线链路的固定无线系统中，到每个订户模块的固有MU-MIMO无线电信道趋于稳定。应对快速变化的信道的常规方法是增加探测率。通过使用陀螺仪传感器可以避免这种情况。
通过将权重集应用于波束成形权重矩阵，可以由接入点1处的天线元件的阵列14形成至少一个多用户多输入多输出MU-MIMO波束图案。波束成形权重矩阵通常允许同时形成若干MU-MIMO波束，使得数据可以同时发送到MU-MIMO组中的若干订户模块和/或从MU-MIMO组中的若干订户模块接收。每个MU-MIMO波束被布置为将波束引导到期望的订户模块并且将零点引导到MU-MIMO组的其他订户模块。MU-MIMO组的成员可被选择为具有合适的角度分离的多个订户模块中的订户模块的子集，以允许在波束被导向MU-MIMO组的一个订户模块同时零点被导向MU-MIMO组的其他订户模块。应用于每个天线元件的信号以校正阵列取向的相应相移可以作为对权重集的应用的单独操作来应用，或者相移可以作为校正结合到权重集中。两种方法都通过对阵列中每个元件应用相应的相移值来校正权重集。
可以处理陀螺仪传感器12的输出以生成针对第一时间间隔的阵列的每个天线元件的相应第一相移值，并且生成针对第二时间间隔的阵列的每个天线元件的相应第二相移值。
处理陀螺仪传感器的输出可以包括基于将阵列取向的变化与射频相位的变化相关的单个近似因子生成第一相移值和第二相移值。这可以提供计算上的有效实现方式。
单个近似因子可以如下导出。跨阵列的射频相位斜率通常与假设视轴(即垂直于阵列的角度，对应于0度方位角)的波束方位角的正弦成比例。跨阵列的射频相位斜率校正，即相移值，与波束方位角的变化的余弦成比例，再次假设视轴对应于0度方位角。以覆盖90度扇区的阵列为例，即+/-45度方位角范围，可以看出，根据所考虑的方位角，也就是说，到导有波束或零点的订户模块的方位角，方位角的余弦cos(az)范围为0.707至1至0.707。将90度扇区上的cos(az)近似于固定值0.853，得到峰值近似误差0.146＝1-0.853＝0.853-0.707。在这个意义上，对于指向视轴的波束，方位角旋转的校正精度为～15％，即～0.146/cos(0)。这种校正可能足以提供有用的性能提升。
因此，可以看出，对于阵列的给定元件，相位校正与旋转角度的精确比率不是恒定的，而是取决于预期的波束方向。该比率可以通过选择的常数近似，以使关注的方位区域上的所有波束方向的零点深度最大化或使其增加。如果在给定旋转的校正之后的近似值的结果，则可能存在未被补偿的有效残余旋转。残余旋转小于原始旋转，并因此系统的行为具有较小的有效旋转。对于90度方位角的典型操作包络，残余旋转小于实际旋转的15％。因此，对于1度旋转，对于任何波束方向校正后的有效误差都小于0.15度。未校正的1度旋转误差可能导致完美零点降低至小于20dB，从而阻止64QAM操作，而对于0.15度有效误差，零点深度仍然大于30dB，从而允许64QAM操作。因此，这是一种潜在的有用改进。
时间间隔可以是时分双工时段，其可以小于10ms，例如2.5ms。可以在第一时间间隔内测量阵列的每个天线元件与第一订户模块和第二订户模块中的每一个之间的相应信号传播特征，并且每个所测量的相应信号传播特征可以由相应的第一相移值来校正。可以基于校正后的所测量的相应信号传播特征来生成针对波束成形权重矩阵的第一权重集，以形成具有朝向第一订户模块的主瓣和朝向第二订户模块的零点的MU-MIMO波束图案。
波束成形权重矩阵的每个输出可以通过相应的第二相移值来校正，以校正阵列取向在第一时间间隔和第二时间间隔之间的变化，以保持零点朝向第二订户模块。
在本发明的实施方式中，可以对波束成形权重矩阵的每个相应输出端口与相应天线元件之间的相应信号发送特征进行校准，以确定相应的校正因子。这允许基于保持在形成波束图案的控制处理器中的天线和发送信道的精确模型，根据从陀螺仪传感器输出得到的角度测量精确地确定MU-MIMO波束图案和用于每个天线元件的信号的相移。将相应校正因子应用于每个波束成形权重矩阵输出，以校正波束成形权重矩阵的每个相应输出与相应天线元件之间的相应信号发送特征。
通过处理来自陀螺仪传感器的输出而计算的相应相移值可以通过将每个相应的第二相移值应用于相应的校正因子来方便地应用。因此，针对相应的第二相移值校正每个波束成形权重矩阵输出可以包括将每个相应的第二相移值应用于相应的校正因子。
可以通过测量波束成形权重矩阵的每个相应端口与相应的天线元件之间的相应信号传播特征，通过将从每个端口发送的每个信号的样本耦合到每个相应的天线元件，从每个耦合后的样本中去除相应的第二相移，并且基于去除了第二相移的耦合后的样本更新相应的校正因子，从而生成相应的校正因子。
在本发明的实施方式中，陀螺仪传感器是速率陀螺仪，陀螺仪传感器的输出是角旋转速率。处理陀螺仪传感器的输出以生成针对阵列的每个天线元件的相应相移值可以包括对角旋转速率进行积分并去除平均值以确定方位角。这可以给出方位角的非常准确的指示。可替换地，可以使用具有直接指示方位角的输出的传感器。可以从方位角和关于阵列的几何形状的存储数据来确定阵列的每个天线元件的相应相移值。
图4是示出接入点的发送架构的示意图。在该示例中，存在至少一个输入数据流，其通过映射功能块19a被映射到一系列正交频分复用(OFDM)音调。创建两个OFDM音调值流A和B。如果使用极化分集发送方案，则A将是B的副本，从而可以在两个极化上发送相同的数据。这提供了稳健的操作。如果采用极化多路复用方法，则数据流将在OFDM音调值的流A和流B之间分割，使得流A和流B不同并且每个携带数据流的一部分。这增加了数据容量。OFDM音调值是OFDM符号的音调(也称为子载波)的振幅和相位的表示。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)调制将数据编码在音调值中。
OFDM音调值A和B的流被馈送到波束成形权重矩阵20。波束成形权重矩阵例如使用来自订户模块的反馈，将由波束成形函数18生成的权重集应用于OFDM音调值流。通常，对于每个天线元件，每个OFDM音调值的振幅和相位由针对每个归一化的垂直极化(V)和水平极化(H)分量的相应权重值进行加权。通常使用复数I(同相)和Q(正交)分量来执行加权。对于不同的子载波，所应用的权重可以是不同的，因此权重可以是频率相关的。当从天线阵列发送例如MU-MIMO波束图案用于预期操作模式时，通过波束成形函数计算权重集以形成适当的波束形状。用于相应天线元件的相应V和H分量的加权OFDM音调值被馈送到相应的发送链22a-22n。
波束成形权重矩阵20(也可称为权重矩阵或波束成形器)通常是数字信号处理功能，其可通过实现数字信号处理功能的众所周知的方法来实现，例如通过可编程逻辑阵列、适当编程的数字信号处理芯片，或作为专用集成电路、或作为这些的组合。波束成形权重矩阵通常包括用于每个MU-MIMO波束的波束成形权重的阵列和将每个相应元件的每个波束成形权重的加权输出进行组合的组合器。因此，通常，在发送时，来自信号源的每个信号被分成相同的副本，以被馈送到每个天线元件和每个波束的波束成形权重。每个波束成形权重对每个信号应用振幅和相位调制。针对每个元件组合每个波束的加权信号。在本发明的实施方式中，相应的另外的相移21被应用于每个元件的组合信号。
在典型的发送链中，已经适当加权的OFDM音调值被应用于IFFT块，该IFFT块可以通过将逆傅里叶变换应用于符号的子载波的一组OFDM音调值来形成OFDM符号。可以在IFFT块的输出处形成时域样本的同相和正交流。IFFT块的输入通常也是同相(I)和正交(Q)形式。可以将循环前缀添加到IFFT块的输出处的符号的时域样本的每个同相和正交流中。可以通过DAC(数模转换器)将每个时间样本流转换至模拟域。然后，每个模拟信号可以被上变频器上变频，上变频器通常包括复合IQ调制器和射频混频器和放大器，以使用射频信号源将频率上的典型基带同相和正交信号平移。然后，调制信号通常由功率放大器放大，并馈送到天线阵列元件的适当极化输入，通常是贴片天线、或由贴片阵列形成的单个天线元件，例如垂直阵列贴片。
如图4所示，射频的模拟信号从相应的发送链输出并连接到天线元件的阵列的相应天线元件，如23a-23g所示，在这种情况下是7个元件的阵列，每个元件具有用于在两个正交极化(在这种情况下，标为垂直V和水平H)中的每一个上进行发送的输入。来自每个天线元件的辐射组合以形成适当形状的MU-MIMO波束图案。应用于每个极化的权重集可以是独立的，从而可以在每个极化上独立地形成波束。
在图4的示例中，示出了三个数据流：数据流#1，数据流#2和数据流#3。该体系结构不限于具有三个数据流；一些模式只能使用一个数据流。除了MU-MIMO模式之外，可能存在其他可能的操作模式，例如对于扇区模式，其中形成宽波束以覆盖扇区，例如90度扇区。对于MU-MIMO模式，可以存在任何数量的数据流，高达待同时发送的MU-MIMO流的数量。通过首先将每个数据流19a、19b、19c映射到OFDM音调值的流，然后将权重集中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，来将波束成形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，以便发送到相应的发送链。
如图4的实施方式所示，相应的相移值21被应用于波束成形权重矩阵20的每个输出，以校正阵列的取向。基于陀螺仪传感器12的输出计算13相移值。可以对垂直和水平极化V和H中的每一个应用单独的相移值。而且，对于每个极化值，对于每个元件，相移值可以是频率相关的，使得相移值可以包括OFDM符号的每个子载波的相应相移，也就是说相移值可以是相移的矩阵，通常作为频率的函数以数字方式作为同相和正交(I和Q)分量应用。
图5是示出接入点的接收架构的示意图。信号以与图4的发送架构中所示的相反的方向流动。可以存在连接到每个天线元件的发送/接收开关或耦合器，以允许发送和接收架构都连接到相同的天线元件23a-23g。接入点可以以其中发送和接收频率相同的时分双工方式操作。在这种情况下，天线特征以及接入点与每个订户模块之间的传播信道可以是互逆的，也就是说对于发送和接收是相同的。这简化了MU-MIMO波束的波束成形权重的计算，并简化了各个相移值的计算以校正阵列的方向。
由天线元件23a-23g的阵列接收的信号(通常在正交极化V和H处)可以连接到相应的接收链24a-24n，并且每个相应的接收信号被相移相应的相移值25。然后将相移信号传递到波束成形权重矩阵26，其然后可以应用波束成形权重以生成由波束成形函数18生成的MU-MIMO波束。接收波束成形权重可以对应于时分双工系统中的发送波束成形权重。波束成形权重矩阵的波束成形的输出，其对应于在形成的每个MU-MIMO波束图案中接收的信号，其可以包括OFDM符号的OFDM音调，各自对应于子载波的振幅和相位，然后可以被解码27a、27b、27c，以形成相应的解码数据流。
在典型的接收链24a-24n中，每个天线元件的接收信号由低噪声放大器放大，并然后通过下变频器使用射频源作为本地振荡器从射频(通常为5-6GHz)下变频。信号通常在同相和正交分量中下变频到基带。然后，基带信号在模数转换器(ADC)中转换至数字域。如果使用循环前缀，则丢弃该循环前缀，并然后使用快速傅里叶变换(FFT)将接收的符号转换到频域，以检测OFDM符号的每个子载波的振幅和相位值。然后，针对每个天线元件的每个极化的每个子载波的检测到的振幅和相位值可以相移基于来自陀螺仪传感器的输出计算的相应相移值，以校正阵列的取向。相移的子载波值然后可由波束成形权重加权从而生成波束成形权重矩阵中的一个或多个MU-MIMO波束，并组合到用于相应MU-MIMO数据流的相应波束成形的OFDM符号中，每个OFDM符号来自MU-MIMO组的相应的订户模块。然后从每个OFDM符号解码来自每个订户模块的数据。
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以及到天线元件的电缆线路影响波束图案。发送链和/或接收链的增益和相位可以随时间改变，具体是作为温度的函数。MU-MIMO波束成形权重集和相应的相移值可以至少基于天线元件的已知空间间隔、阵列的天线元件的极化辐射模型(例如一个或多个的测量极坐标图)、以及每个相应发送链的校准相位和增益来确定。在接收时，可以校准每个相应接收链的相位和增益。
可以通过众所周知的技术基于在该方向上从每个天线元件发送或接收的信号的相对增益和相位的叠加来计算给定方向上的波束图案的阵列增益。该计算考虑了天线元件的空间布置，并且还可以考虑每个天线元件的极化辐射模型。每个天线元件的极辐射模型可以是相同的，或者可以对每个元件使用单独的极辐射模型。因此，特别是在计算该方向上的阵列增益时可以考虑给定方向上的辐射大小。
图6示出了本发明实施方式中的校准模块27，其包括发送链22a-22n和天线元件23a-23g。在每个发送链22a-22n的输出端提供耦合器，该耦合器被设置为将从发送链输出的一部分信号功率与从发送链至天线元件的连接相耦合。耦合的信号功率连接到信号组合器30，信号组合器30将从每个发送链耦合的信号组合成单个信道。组合的信号被馈送到接收链31。图6中所示的体系结构可以使用探测音调，其中每个发送链被分配子载波的子集，使得可以在音调组合之后确定哪个音调通过了哪个发送链。可替换地，可以为每个发送链使用单独的接收信道。
如图6所示，可以在将探测音调应用于发送链之前，将基于陀螺仪输出计算的相移值应用于探测音调。这简化了操作，因为不管操作模式如何都可以应用相移值，例如除了探测模式之外还用于MU-MIMO发送模式。如图6所示，在处理器中与发送的探测音调进行比较之前，应用至探测音调的相应相移值在接收时从相应探测音调中去除32。这使得可以计算各自的校正因子，校正因子与发送链的发送特性有关并且与校准模块27的校准时的陀螺仪传感器的输出无关。
校准模块27为组合通道提供天线阵列23a-23g，相应发送链22a-22n和用于组合信道的组合器网络30作为集成单元，通常在单个外壳中，布置成阻止操作员改变天线元件的相对特殊布置。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设置的平面金属结构。贴片辐射器元件可以相对于接地平面保持就位，例如，通过印刷在诸如聚酯的非导电膜上，其在从接地平面的突起上保持就位。天线元件的接地平面可以固定在一起，或者形成为单件，使得天线元件的相对空间布置在操作者的正常使用中不能改变。发送链22a-22n与相应天线元件23a-23g之间的射频互连可以由印刷电路板上的印刷轨道形成，使得信号传播特征将随时间稳定。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道形成，并且通常是无源的。这允许对从每个发送链的输出到组合器的输出的每个信号路径、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。该校准可用于校准每个发送链的发送相位和增益。
校准模块27通常可以使用对称设计。对称设计的好处是，未知但对称的特征，如功率放大器下垂和相位扭曲、馈电延迟等，如果它们对于所有链都相同，则在计算MU-MIMO波束图和相移值以用于阵列取向的校正时是不重要的。这转化为对称的硬件设计，其中模拟信号路径的所有元件(包括馈电网络、RF链和PCB布局)是相同的并且以固定间隙重复。
可以生成探测音调以用于校准校准模块27。探测音调通常是用于测试目的(包括发送链的校准)的预定OFDM子载波的振幅和相位值，可以从探测音调发送功能块28发送。处理器29可以将探测音调值保持在存储器中。探测音调可以由处理器通过波束成形权重模块(未示出)发送以用于连接到发送链，其中权重设置为预定值，其中频域音调被转换为时域探测符号。
从每个发送链的输出耦合的探测符号可以在组合器30中组合，并且组合后的探测符号可以连接至接收链31，并且接收链的输出(包括用于每个接收到的符号音调的振幅和相位值)可以连接到处理器29。处理器可以对发送和接收的音调的振幅和相位进行比较，产生相应发送链的校准数据，同时考虑从每个发送链的输出通过组合器和接收链的校准射频路径。
在接收链31中，组合的探测符号通常可以在同相和正交分量中下变频为基带。然后将基带信号转换到数字域，然后可以使用快速傅立叶变换将接收的符号转换到频域，以检测每个探测音调的振幅和相位值。处理器29可以将接收到的音调的振幅和相位值与发送的每个音调的振幅和相位值进行比较，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。然后，通过将一些发送功率耦合到接收链中，已知的发送相位和增益可以用来校准每个天线元件的接收链。
如图7所示，可以生成探测音调28，并通过波束成形权重矩阵26，该矩阵具有设置为已知预定值的权重，并且先前计算的发送链校正因子33可以应用于波束成形权重矩阵26的输出，对该矩阵应用了相应的相移值25。然后可以将每个元件的相移信号施加到校准模块27以进行发送。该架构的优点在于它既可以在所描述的探测模式中使用，也可以在MU-MIMO发送模式中使用，在该模式下权重被应用于波束成形权重矩阵以产生MU-MIMO波束图案，并且用于发送的调制的数据应用于波束成形权重矩阵而不是探测音调。然而，在探测模式中，从用于校准发送链的采样信号中去除所施加的相移值，使得校正因子33不受相移的施加的影响。
如图7所示，陀螺仪传感器12可以是速率陀螺仪，其测量角度的变化率。陀螺仪传感器可以是MEMS陀螺仪，例如微芯片封装的MEMS陀螺仪。然后可以将输出积分34以给出角度，然后被高通滤波35以去除长期平均值，通常去除在20秒或更长时间内产生的平均值。然后可以将所产生的方位角转换为每个相应元件的射频相位角。对于规则间隔开的天线阵列的简单情况，这可以对应于阵列上的线性相位前沿，每个元件的增量相移取决于波长中的天线元件之间的间隙以及波束移动的角度。
在本发明的实施方式中，可以在频域中生成探测音调，例如以下面的方式。在该示例中，为每个发送链生成OFDM测试符号，每个相应的OFDM测试符号包括相应的一组通电子载波，即探测音调。给定发送链的探测音调不用于其他发送链。这允许接收测试符号而不会在测试符号之间产生干扰。来自每个发送链的信号被组合成组合信道，并且在组合信道中接收组合的OFDM符号，组合的OFDM符号包括由相应发送链发送的相应子载波，即探测音调。可以基于组合的OFDM符号中接收的相应子载波来校准每个发送链。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而不干扰测试符号来减少测试时间。
作为替代，可以使用其他探测音调，只要可以从组合符号或一系列组合符号确定每个发送链的发送振幅和相位。例如，探测音调可以被设置为使得OFDM测试符号之间的关系可以由厄米特(Hermitian)矩阵表征，从而可以为每个信道导出正交结果。
可以周期性地执行各个发送链的发送相位和增益的校准，作为包括用于发送有效载荷数据的时间帧的时间帧序列的一部分。这允许待校准的发送链的增益和/或相位随时间和/或温度变化。
校准性能之间的时段可以小于或等于64个时分双工帧，并且可以是8到32个时分双工帧，通常是16个帧。已经发现这在校准精度和有效载荷数据的吞吐量之间提供了良好的折衷，这可以在校准期间被抑制。
在时分双工系统中，从接入点发送的下行链路信号和从订户模块发送的上行链路信号以相同的频率发送。交替的固定持续时间段(称为时分双工帧)分别被分配用于上行链路和下行链路发送。时分双工帧通常被划分为时隙，每个时隙通常用于与订户模块通信，或者在MU-MIMO操作的情况下，与一组订户模块通信。使用探测音调的发送链的校准可以在时隙内执行。
图8是示出接入点的发送架构的示意图，其中相位校正被应用于用于生成MU-MIMO波束图案的波束成形权重的信道估计。这提供了诸如图4至图7所示的架构的替代技术，其中各个相移被应用于波束成形权重矩阵的输出和/或输入的每个元件。相反，陀螺仪的输出用于校正信道估计38，使得校正的信道估计可以用在波束成形18中，以计算波束成形权重矩阵20的权重集，该权重集针对阵列取向的变化进行校正。例如，可以针对在进行信道估计时阵列与参考角度的偏差来校正信道估计。参考角度可以是例如方位角的长期平均值。可以在订户模块处基于探测符号的接收来测量信道估计，该探测符号包括从接入点处的阵列的每个元件发送的OFDM子载波的已知振幅和相位。测量的振幅和相位可以从订户模块反馈到接入点，并且可以通过与已知的发送信号进行比较来计算信道估计。如果在发送探测符号时阵列的方向从参考位置被扰乱，则这将影响由订户模块从阵列的每个元件接收的振幅和相位。这可以通过对阵列的每个元件的相应估计应用相应的射频相位校正来校正。可以使用陀螺仪测量的方位角相位计算射频相位校正。该计算可以考虑到订户模块的方位角，这允许执行比方位角未知的情况更精确的计算。当计算权重集用于波束成形加权矩阵以形成MU-MIMO波束图案时，基于发送MU-MIMO波束图案时陀螺仪的输出，可以根据方位角的测量值(作为基准角度的偏差)利用射频相位校正来校正用于计算权重集的信道估计。
相对射频相位与订户模块到阵列的方位角之间的关系可以基于从阵列的几何形状以波长测量的路径长度来计算。跨越阵列的RF相位斜率通常与波束方位角的正弦成比例，假设视轴，即垂直于阵列的角度，对应于0度的方位角。由于阵列从参考位置的干扰，阵列上的射频相位斜率校正通常与到订户模块的波束方位角的余弦成比例，再次采用视轴对应于0度的方位角。如果用于特定信道的订户模块的方位角已知，则对阵列与参考位置的偏差的校正可以考虑余弦依赖性，从而提高精度。
因此，形成MU-MIMO波束图案可以包括，基于第一相位校正和第二相位校正，在测量信道估计的第一时间间隔与发送和/或接收MIMO波束图案的第二时间间隔之间校正每个所测量的相应信号传播特征以获得阵列取向的变化，其中第一相位校正基于在第一时间间隔处理陀螺仪传感器的输出，第二相位校正基于在第二时间间隔处理陀螺仪传感器的输出。可以基于校正后的测量的相应信号传播特征为波束成形权重矩阵生成权重集。
图9是本发明的一个实施方式中稳定在包括多个点对多点无线通信网络的接入点处由天线元件的阵列形成的至少一个多用户多输入多输出MU-MIMO波束图案的方法的流程图，其中订户模块、接入点被配置为通过将权重集应用于波束成形权重矩阵来形成MU-MIMO波束图案，该方法包括步骤S9.1至S9.3。
图10是本发明的一个实施方式中稳定至少一种多用户多输入多输出MU-MIMO波束图案的方法的流程图，其中相位校正被应用于波束成形权重矩阵的输出和/或输入，该方法包括步骤S10.1至S10.5。
图11是本发明的一个实施方式中稳定至少一个多用户多输入多输出MU-MIMO波束图案的方法的流程图，其中相位校正被应用于用于生成MU-MIMO波束图案的波束成形权重的信道估计，该方法包括步骤S11.1至S11.4。
应当理解，本发明实施方式的方法可以由处理器实现，该处理器可以包括保存在存储器中的程序代码，该存储器被配置为使处理器执行该方法。处理器可包括一个或多个数字信号处理器和/或可编程逻辑阵列。
每个权重集可以包括用于OFDM符号的各个子载波的各个天线元件的各个信号流的相应振幅和相位值。这允许波束成形考虑频率相关效应。
在天线元件的工作频率下，每个天线元件之间的隔离度可以至少为30dB。这允许MU-MIMO波束图案的精确模型和用于校正的相移值，其由于阵列取向的变化而被确定而无需建模天线元件之间的相互作用。
在本发明的实施方式中，射频发送路径的电路设计和物理布局对于每个天线元件是相同的，特别是对于每个发送链和从每个发送链到相应天线元件的路径。这允许准确计算MU-MIMO波束图案和相应的相移因子以校正阵列的取向，因为未知的射频特性对于每个天线元件将是相同的，因此可能不会影响计算的阵列增益。在本发明的实施方式中，所述单元的物理布局在每个天线元件的射频发送路径之间提供固定的间隔。
在固定无线接入系统中，订户模块通常可以安装到诸如建筑物之类的结构上，通常安装在建筑物外部的位置，该位置向接入点提供良好的无线电接收。接入点1可以位于便利点以服务于多个订户单元。例如，接入点或接入点的天线可以安装在天线塔上，并且可以提供对邻域的因特网接入。
图1、图2和图3中所示的订户模块2、4、5可以具有天线，该天线具有例如由反射器限定的孔径，并且每个天线元件可以包括用于从该孔径接收和/或向该孔径发送相应极化的探测器。通常安装天线以便在接入点1的方向上对准发送/接收辐射图的峰值，接入点1通常安装在塔上。发送到每个订户模块的命令可以包括指示作为时间的函数的对订户模块的无线电资源和/或极化的调度的映射。该映射可以指示作为时间的函数的对几个订户单元的相应分配，通常是由接入点服务的所有订户单元。该映射可以指示例如用于发送和/或接收的时间、极化和/或频率分配。可以周期性地更新无线电资源和极化的调度，更新之间的时段由接入点处的调度器确定。
根据本发明实施方式的接入点的具体示例由具有七个元件的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。现在将更详细地描述该示例。应该理解，本发明的实施方式不限于该示例。此示例中的接入点设计用于室外部署，作为具有PMP网络中扇区覆盖的AP。单位可以以倍数展开，以提供塔楼或屋顶的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的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个相关的收发器链可以包含在单个刚性组件内，每个天线元件使用印刷导体和无线通孔连接直接连接到两个收发器链。组件的集成确保了天线元件的间隔和对准是已知的并且是恒定的。
每个天线元件可以包括八个辐射贴片的垂直列和用于水平和垂直极化的独立无源馈电网络。单个元件在仰角方向上可以具有相对窄的波束宽度(大约8°)，并且在方位方向上具有更宽的波束宽度(大约80°)。每个天线元件(也就是说，八个贴片的每列)的增益约为14dBi。整个天线组件可以包含56个贴片，阵列中七个元件(七个贴片)宽，一个元件(八个贴片)高。
天线阵列可以在天线元件之间提供高隔离度。天线元件之间的耦合损耗可能大于30dB；这使设备能够更准确地模拟智能天线操作。
该示例中的集成组件不使用天线元件和相关电子器件之间的任何连接器，并且不提供可用于进行传导测量的任何测试点。
在该示例中，单个发送器链的最大输出功率约为10dBm，或每个双极化链对为13dBm。
相关的订户模块(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来支持单个数据流。在MU-MIMO操作中，AP可以支持多个(在该示例中多达七个)并行数据流，其中每个流与不同的SM设备相关联。
接入点可以使用MU-MIMO模式在若干并行流中发送和接收数据，其中每个流涉及不同的SM。
MU-MIMO操作包括波束成形以最大化每个所需SM的一个流中的上行链路和下行链路信号，以及零点引导以最小化与其他并行流相关联的SM的上行链路和下行链路信号。得到的天线波束必须处于不同的方位角，使得天线波束基本上不重叠。
当已经识别出合适的SM正交组，并且其中缓冲的数据被排队，准备好发送到这些SM或从这些SM接收时，可以调用MU-MIMO智能天线模式。
AP中的控制功能可以自动降低数字发送增益以补偿MU-MIMO模式中的阵列增益，确保任何方位角处的辐射功率小于相关规则允许的功率。
接入点可以使用探测模式来表征每个天线元件和每个SM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。
在探测模式中，在该示例中，每个OFDM音调可以仅在14个链中的一个中被激励。由此得出，在这种智能天线模式中，所有智能天线输出本质上都是不相关的。
接入点可以支持至少两种MIMO模式，即：使用循环延迟分集(CDD)的极化分集；和极化复用。
在极化分集MIMO模式中，在相同的符号周期期间在两个极化中存在相同的数据，因此认为这两个信道是部分相关的。在极化复用MIMO模式中，数据流在两个极化之间共享，因此两个信道被认为是完全不相关的。
MU-MIMO操作所需的信道条件类似于极化复用所需的信道条件，并且极化分集和MU-MIMO操作的组合可能相对较少地发生。
回到图4，这里示出的第一级19a、19b、19c使用极化分集(其中每个信道中存在相同的数据)或极化复用(其中数据在两个信道之间划分)将串行数据序列映射到单独的A和B信道中，并且对于每个信道，将数据映射到表示单个OFDM符号的一组OFDM音调的振幅和相位坐标中。
然后，A和B音调组的坐标可以各自乘以由波束成形函数生成的一组14个振幅和相位权重，以产生到下一级的七个H和七个V输入。
在14个发送器链中的每一个中，加权音调集被传递到IFFT级以生成OFDM符号的一系列同相和正交时域采样。然后，该单元将复杂的循环前缀添加到时域信号，并将I和Q信号转换为模拟波形。模拟信号被施加到上变频器以提供调制的RF输出。
然后将14个调制的RF信号放大并成对地施加到七个双极化天线元件的H和V端口。
对于MU-MIMO操作，权重矩阵支持多个独立数据流，并且每个数据流根据振幅和相位权重应用于14个收发器链。
图4显示了三个数据流，因此权重矩阵的维数为6×14。该单元最多支持七个并行数据流，这意味着权重矩阵可以具有14×14的维度。
探测模式可用于校准每个AP发送链的增益和相位，高至RF功率放大器的输出。通过将所有发送器信号耦合到精确的检测器中，并通过将复合信号传递到附加的OFDM接收器级来确定发送信号的振幅。该设备能够通过分别考虑14组OFDM音调中的每一组的振幅和相位来校准每个发送器链。如图6和图7所示，在将接收的探测音调与通过发送链传递的预定探测音调进行比较之前，可以去除用于校正天线阵列取向的相移，从而校正因子是不受陀螺仪稳定性的影响。
可以通过将RF级中的模拟增益调整和组合矩阵中的权重计算的数字增益和相位调整进行组合来调整发送器增益。可以在设备初始化时以及每当操作员改变最大发送功率时调整校准序列的模拟增益。此后，可以仅通过改变权重矩阵中的数字增益来进行调整，除了偶尔需要附加的模拟调整以维持数字信号的期望动态范围。可以尽可能避免模拟调整，因为在进行调整时可能需要在暂时暂停MU-MIMO操作。
接入点中的应用固件可以计算发送器增益，以及组合矩阵的振幅和相位权重，以提供所需的扇区、单波束或MU-MIMO波束图案。该操作基于智能天线操作的精确模型，其中在任何方位角处所得的信号强度被确定为由各个天线元件辐射的信号的叠加。该模型可以自动且固有地允许智能天线中的阵列增益。
用于MU-MIMO波束成形的模型预测系统行为的准确性以及用于校正阵列取向的相应相移值的生成的准确性可以通过以下因素来促成：七天线元件和14个发送器链基本相同；天线元件之间的间距相等且固定；安装人员不能更换天线，也没有可以更换或断开的天线电缆；该模型包括单个天线元件的频率相关极性响应；定期校准发送器链的振幅和相位响应；校准过程测量并抵消由于制造扩散、频率或工作温度而产生的链之间的差异；并且天线元件彼此有效隔离，使得元件之间的相互作用最小，因此叠加的假设是现实的。
以上实施方式应被理解为本发明的说明性示例。应该理解，关于任何一个实施方式描述的任何特征都可以单独使用，或者与描述的其他特征结合使用，并且也可以与任何其他实施方式的一个或多个特征结合使用，或者是任何其他实施方式的任何组合。此外，在不脱离由所附权利要求限定的本发明范围的情况下，也可以采用上面未描述的等同效和修改实施方式。

Claims (16)

1.一种稳定在包括多个订户模块的点对多点无线通信网络的接入点处由天线元件的阵列形成的至少一个多用户多输入多输出MU-MIMO波束图案的方法，所述方法包括：
处理陀螺仪传感器的输出，以生成针对第一时间间隔的多个第一相位校正并生成针对第二时间间隔的多个第二相位校正；
在所述第一时间间隔内测量所述阵列的每个天线元件与第一订户模块和第二订户模块中的每一个之间的相应信号传播特征；以及
基于所测量的相应信号传播特征、基于所述多个第一相位校正并基于所述多个第二相位校正，形成针对所述第二时间间隔的具有朝向所述第一订户模块的主瓣和朝向所述第二订户模块的零点的MU-MIMO波束图案，
从而校正所述阵列的取向在所述第一时间间隔与所述第二时间间隔之间的变化，
其中：
所述多个第一相位校正包括所述阵列的每个天线元件的相应的第一相移值；
所述方法包括通过相应的所述第一相移值校正每个所测量的相应信号传播特征；
所述多个第二相位校正包括所述阵列的每个天线元件的相应的第二相移值；
形成所述MU-MIMO波束图案包括基于校正后的所测量的相应信号传播特征，生成用于波束成形权重矩阵的第一权重集，以及通过对所述阵列的每个元件应用相应的所述第二相移值来校正所述第一权重集；
将相应的校正因子应用于所述波束成形权重矩阵的每个输出，以校正所述波束成形权重矩阵的每个相应输出与相应天线元件之间的相应信号发送特征，以及
其中，校正所述第一权重集包括通过将每个相应的所述第二相移值应用于相应的所述校正因子，来针对相应的所述第二相移值校正所述波束成形权重矩阵的每个输出。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：
通过测量所述波束成形权重矩阵的每个相应输出与相应天线元件之间的相应信号传播特征，通过以下过程来生成相应的校正因子，所述过程包括：
将来自从所述波束成形权重矩阵的每个输出发送的每个信号的样本耦合到每个相应的天线元件；
从每个耦合的样本中去除相应的第二相移；以及
基于去除了相应的所述第二相移的耦合的样本，更新相应的所述校正因子。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，处理所述陀螺仪传感器的输出包括：
基于将阵列取向的变化与射频相位的变化相关的单个近似因子，生成所述第一相移值和所述第二相移值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述MU-MIMO波束图案包括：
基于所述多个第一相位校正和所述多个第二相位校正，针对所述阵列的取向在所述第一时间间隔与所述第二时间间隔之间的变化，校正每个所测量的相应信号传播特征；以及
基于校正后的所测量的相应信号传播特征形成所述MU-MIMO波束图案。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述天线元件的阵列是所述接入点的组成部分，并且所述陀螺仪传感器安装在所述接入点内。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述接入点包括已校准的集成模块，所述集成模块包括发送链和所述天线元件的阵列。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述接入点安装在天线塔上，并且所述阵列的取向的变化是由于风而产生的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，天线阵列的取向的变化是方位角的变化。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述陀螺仪传感器是速率陀螺仪，并且所述陀螺仪传感器的输出是角旋转速率。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，处理所述陀螺仪传感器的输出包括：
对角旋转速率积分并去除平均值以确定方位角；以及
从所述方位角和所存储的关于所述阵列的几何形状的数据，确定所述阵列的每个天线元件的相应相移值。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时间间隔是第一时分双工时段，并且所述第二时间间隔是后续时分双工时段。
12.一种用于包括多个订户模块的点对多点无线通信网络的接入点，所述接入点包括：
天线元件的阵列；
数字波束成形权重矩阵，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；
陀螺仪传感器；以及
处理器，所述处理器被配置为：
处理所述陀螺仪传感器的输出，以生成针对第一时间间隔的多个第一相位校正并生成针对第二时间间隔的多个第二相位校正；
在所述第一时间间隔内测量所述阵列的每个天线元件与第一订户模块和第二订户模块中的每一个之间的相应信号传播特征；以及
基于所测量的相应信号传播特征、所述多个第一相位校正和所述多个第二相位校正，形成针对所述第二时间间隔的具有朝向所述第一订户模块的主瓣和朝向所述第二订户模块的零点的多用户多输入多输出MU-MIMO波束图案，
从而对所述阵列的取向在所述第一时间间隔与所述第二时间间隔之间的变化进行校正，其中：
所述多个第一相位校正包括所述阵列的每个天线元件的相应的第一相移值；
所述处理器被配置为通过相应的所述第一相移值校正每个所测量的相应信号传播特征；
所述多个第二相位校正包括所述阵列的每个天线元件的相应的第二相移值；以及
所述处理器被配置为通过以下步骤形成所述MU-MIMO波束图案：
基于校正后的所测量的相应信号传播特征，生成用于波束成形权重矩阵的第一权重集；以及
通过对所述阵列的每个元件应用相应的所述第二相移值来校正所述第一权重集；
将相应的校正因子应用于所述波束成形权重矩阵的每个输出，以校正所述波束成形权重矩阵的每个相应输出与相应天线元件之间的相应信号发送特征，以及
其中，校正所述第一权重集包括通过将每个相应的所述第二相移值应用于相应的所述校正因子，来针对相应的所述第二相移值校正所述波束成形权重矩阵的每个输出。
13.根据权利要求12所述的接入点，其中，每个相应的发送链使用印刷导体连接到所述天线元件的阵列。
14.根据权利要求13所述的接入点，其中，针对到相应天线元件的每个发送链的射频发送路径的电路设计和物理布局对于每个天线元件是相同的。
15.根据权利要求14所述的接入点，其中，所述接入点的物理布局在针对每个天线元件的所述射频发送路径之间提供固定间隙。
16.根据权利要求12所述的接入点，其中，在所述天线元件的工作频率下，每个天线元件之间的射频隔离至少为30dB。
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