CN109314555A - 用于扇区化的灵活模拟架构 - Google Patents

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CN109314555A CN201680086584.6A CN201680086584A CN109314555A CN 109314555 A CN109314555 A CN 109314555A CN 201680086584 A CN201680086584 A CN 201680086584A CN 109314555 A CN109314555 A CN 109314555A
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Abstract

提供了一种在无线通信系统中的包括用于实现垂直扇区化的模拟架构的节点。所述节点包括至少四个主输入/输出端口(1，2，3，4)、功率分裂级(5)、至少一个功率再分配级(20)以及多个成对布置的双极化天线(31，32，33，34)。

Description

用于扇区化的灵活模拟架构
技术领域
本公开涉及一种在无线通信系统中的节点，尤其涉及一种包括用于提供扇区化的模拟架构的节点。
背景技术
未来几代无线系统有望提供无处不在的高数据速率覆盖。实现这一目标需要有效利用可用资源。鉴于此，使用更先进和自适应天线受到越来越多的关注。例如，通过在发射机和/或接收机处使用多个天线，有可能利用无线信道内的多径衰落提供的空间自由度，以便显著增加无线传输的数据速率和可靠性。将传输的能量聚焦在某些方向上通常称为波束成形。
小区整形和UE特定波束成形是两种类型的可以显著改善蜂窝网络中的性能的波束成形技术。这两种技术都可以通过在基站(BS)处使用天线阵列来实现。利用用户和无线信道的空间扩展的另一种技术是扇区化。扇区化是将一个小区分成两个或更多个，并且传统上通过添加硬件来完成，例如将一个天线(和RBS)替换为两个新天线。然而，通过使用高级天线，可以从同一天线创建两个扇区(而不是一个扇区)。这通常被称为具有孔径重用的扇区化。在无线系统中引入扇区化的主要优点之一是容量的潜在改进。更多小区允许更多同时调度的用户。基本上，利用信道的空间结构(以及用户的传播)能够重用给定区域内的资源。
传统的扇区化方法是将站点划分为多个水平扇区，其中三个扇区最常见。在一些高业务区域中，每个站点还部署了六个水平扇区。增加扇区化的另一种方法是将每个水平扇区分成两个垂直扇区，这称为垂直扇区化。最近，对垂直扇区化的关注越来越大。在平坦场景中垂直扇区化的一个问题是上部和下部小区之间的负载平衡通常变得相当不均匀。其中一个原因是用户分布关于仰角通常分布不均匀，其中在地平线以下通常有大量用户。当创建两个垂直扇区时，覆盖接近地平线的用户的扇区通常比其他扇区获得高得多的业务负载，通常这对于系统性能不是最优的。在为所服务的用户保持高天线增益的同时缓解该问题的一种方法是创建一个覆盖接近地平线的用户的窄波束和一个覆盖其他用户的宽波束。
通过在每个天线单元后面具有无线电的有源天线，通常可以进行孔径重用垂直扇区化，其具有改变相应扇区波束的波束宽度的灵活性。该解决方案的一个问题是它需要许多无线电设备(TRX)，这使得产品的设计和制造成本高。
发明内容
鉴于现有技术的上述和其他缺点，本发明的目的是提供一种改进的用于实现垂直扇区化的模拟结构。
根据第一方面，提供了一种在无线通信系统中的节点，包括：至少四个主输入/输出端口，所述端口的一半与第一极化关联，所述端口的另一半与第二极化关联；功率分裂级，其包括至少四个1+N端口功率分配器/合成器，一个分配器/合成器连接到每个主输入/输出端口，每个功率分配器/合成器包括输入端/输出端和N个输出端/输入端，N>1，其中，每个功率分配器/合成器输出端包括可控相位改变装置，所述可控相位改变装置被配置为改变在该功率分配器/合成器输入端/输出端处接收的信号的相位。所述节点还包括：第一功率再分配级，其包括多个四端口功率分配器/合成器，每个功率分配器/合成器具有第一端口对和第二端口对，其中，对于每个功率分配器/合成器，输入到端口对中的任何端口的功率输入与所述端口对中的另一端口隔离，但是在另一端口对中的端口之间分配；多个成对布置的双极化天线，每个天线具有第一极化天线单元和第二极化天线单元，所述第一极化和所述第二极化相互正交，以使得每个天线包括与所述第一极化天线单元关联的第一天线端口和与所述第二极化天线单元关联的第二天线端口。所述多个功率分配器/合成器成对布置，每一对包括第一极化功率分配器/合成器和第二极化功率分配器/合成器，其中，所述第一功率再分配级中的每个功率分配器/合成器的第一端口对通信地耦接到对应极化的所述主输入/输出端口，并且其中，每对功率分配器/合成器连接到天线对，以使得第一极化功率分配器/合成器的第二端口对连接到对应的天线对中的天线的第一极化天线单元，第二极化功率分配器/合成器的第二端口对连接到所述天线对中的第二极化天线单元。此外，连接到对应的天线单元的每个功率分配器/合成器的所述第二端口对的一个端口包括被配置为引入该端口的可调相移的相位改变装置。
因此，提供了一种用于具有孔径重用的垂直扇区化的模拟架构，其不需要每个天线使用一个收发机(TRX)。此外，通过控制各种相移，能够进行波束控制，从而能够控制所得扇区的配置。因此，所提出的技术的优点是能够减少灵活的垂直扇区化所需的无线电设备的数量，这又降低了无线通信系统的设计成本和制造成本。
根据一些方面，所述节点还包括：第二功率再分配级，其包括布置在所述功率分裂级与所述第一功率再分配级之间的多个四端口功率分配器/合成器，其中，对于每个功率分配器/合成器，输入到端口对中的任何端口的功率输入与所述端口对中的另一端口隔离，但是在另一端口对中的端口之间分配，其中，每个功率分配器/合成器的第一端口对的第一端口和第二端口连接到相应的第一极化和第二极化的相应的第一和第二功率分配器/合成器。所述四端口功率分配器/合成器的第二端口对的第一端口和第二端口连接到所述第一级中相应的功率分配器/合成器的第一端口对的相应的第一端口和第二端口。所述第一端口连接到所述第一级中与所述第二端口所连接的所述功率分配器/合成器相比属于不同对的功率分配器/合成器，并且其中，所述第二级中的每个功率分配器/合成器的所述第二端口对的一个端口包括被配置为引入该端口的可调相移的可控相位改变装置。
因此，提供了垂直扇区化，其能够自适应地改变相应扇区波束的波束方向和宽度/形状，即，波束控制和波束成形。
根据一些方面，在所述1+N端口功率分配器/合成器中，N等于所述天线的数量的一半。
因此，增加1+N端口功率分配器/合成器中的端口数量以适应增加的天线的数量。因此能够按比例放大天线的数量，并且能够提供对扇区化的进一步控制，而不增加节点中的发射机的数量。
通常，权利要求中使用的所有术语将根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确定义。所有对“一/一个/所述单元、装置、组件、手段、步骤等”的引用，除非另有明确说明，将被公开解释为指代单元、装置、组件、手段、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。当研究所附权利要求和以下说明书时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以创建除了下面描述的实施例之外的实施例。
附图说明
现在参考附图通过示例描述本技术，其中：
图1是示意性地示出根据本技术的一个方面的节点的框图；
图2是示意性地示出根据本技术的一个方面的节点的框图；
图3是示意性地示出根据本技术的一个方面的节点的框图；
图4是示意性地示出根据本技术的一个方面的节点的框图；
图5示意性地示出了角度用户分布的示例；以及
图6示意性地示出了垂直扇区化。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本技术，附图中示出了本发明的某些方面。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例和方面；相反，这些实施例是作为示例提供的，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同的数字在整个说明书中指代相同的元件。
在以下详细描述中，主要参考用于通信系统的节点来描述根据本技术的节点的各个方面。
图1示意性地示出了用于无线通信系统的节点100，包括：至少四个主输入/输出端口1、2、3、4，所述端口的一半与第一极化关联，所述端口的另一半与第二极化关联；功率分裂级5，其包括至少四个1+N端口功率分配器/合成器10、11、12、13，其中，分配器/合成器之一连接到每个主输入/输出端口1、2、3、4。每个功率分配器/合成器10、11、12、13包括输入端/输出端6、7、8、9和N个输出端/输入端，N>1，其中，每个功率分配器/合成器输出端包括可控相位改变装置14a-b、15a-b、16a-b、17a-b，所述可控相位改变装置被配置为改变在该功率分配器/合成器输入端/输出端处接收的信号的相位。
所述节点还包括：第一功率再分配级20，其包括多个四端口功率分配器/合成器21、22、23、24，每个功率分配器/合成器具有第一端口对25a、26a、27a、28a和第二端口对25b、26b、27b、28b，其中，对于每个功率分配器/合成器，输入到端口对中的任何端口的功率输入与所述端口对中的另一端口隔离，但是在另一端口对中的端口之间分配。
另外，所述节点包括：多个成对布置的双极化天线31、32、33、34，每个天线具有第一极化天线单元35b、36b、37b、38b和第二极化天线单元35a、36a、37a、38a，所述第一极化和所述第二极化相互正交，以使得每个天线包括与对应的第一极化天线单元35b、36b、37b、38b关联的第一天线端口40b、41b、42b、42b和与对应的第二极化天线单元35a、36a、37a、38a关联的第二天线端口40a、41a、42a、43a，其中，多个功率分配器/合成器21、22、23、24成对布置，每一对51、52包括第一极化功率分配器/合成器21、23和第二极化功率分配器/合成器22、24，其中，第一功率再分配级20中的每个功率分配器/合成器21、22、23、24的第一端口对25a、26a、27a、28a通信地耦接到对应极化的主输入/输出端口1、2、3、4。
每对功率分配器/合成器51、52连接到天线对53、54，以使得第一极化功率分配器/合成器21、23的第二端口对25b、27b连接到对应的天线对中的天线的第一极化天线单元35a、36a、37a、38a，第二极化功率分配器/合成器22、24的第二端口对26b、28b连接到所述天线对中的第二极化天线单元35b、36b、37b、38b。
连接到对应的天线单元的每个功率分配器/合成器21、22、23、24的所述第二端口对的一个端口包括被配置为引入该端口的可调相移的相位改变装置55、56、57、58。
图2示意性地示出了节点200，其除了上面参考图1描述的之外，还包括第二功率再分配级60，第二功率再分配级60包括布置在图1所示的功率分裂级5和第一功率再分配级20之间的多个四端口功率分配器/合成器61、62、63、64。
对于每个功率分配器/合成器61、62、63、64，输入到端口对中的任何端口的功率输入与所述端口对中的另一端口隔离，但是在另一端口对中的端口之间分配，其中，每个功率分配器/合成器61、62、63、64的第一端口对的第一端口65a、66a、67a、68a和第二端口65b、66b、67b、68b连接到相应的第一极化和第二极化的相应的第一极化10、12和第二极化11、131+N端口功率分配器/合成器，其中，四端口功率分配器/合成器61、62、63、64的第二端口对的第一端口70a、71a、72a、73a和第二端口70b、71b、72b、73b连接到第一级20中相应的功率分配器/合成器的第一端口对的相应的第一端口75a、76a、77a、78a和第二端口75b、76b、77b、78b，其中，第一端口70a、71a、72a、73a连接到第一级20中与第二端口70b、71b、72b、73b所连接的功率分配器/合成器21、22、23、24相比属于不同对51、52的功率分配器/合成器21、22、23、24；其中，第二级60中的每个功率分配器/合成器61、62、63、64的第二端口对的一个端口包括被配置为引入该端口的可调相移的可控相位改变装置81、82、83、84。
因此，所述节点能够被配置为使得端口1和2向第一扇区提供具有成对相等的功率模式但在每个方向上具有正交极化的信号，以及使得端口3和4向第一扇区提供具有成对相等的功率模式但在每个方向上具有正交极化的信号。
功率分配级的四端口功率分配器/合成器也可称为混合器(hybrids)。此外，1+N(N＝2)端口功率分配器/合成器10、11、12、13被配置为将功率均等地划分给所有四个输出端。在所描述的实施例中，N等于天线的数量的一半。
在上面引用的示例中，天线阵列被描绘为4个双极化垂直堆叠天线。通过使用多个四端口功率分配器/合成器(也可称为混合器)和相位改变装置，能够创建两个扇区，其能够自适应地改变相应扇区波束的波束指向方向和波束宽度。
为了改变扇区波束的波束宽度同时仍保持相应扇区的两个波束之间的正交极化，必须使用双极化波束成形。
此外，相位改变装置55、56、57、58被配置为引入对端口的90°相移。
此外，四个1+N端口功率分配器/合成器10、11、12、13的可控相位改变装置14a-b、15a-b、16a-b、17a-b和多个1+N端口功率分配器/合成器61、62、63、64的可控相位改变装置81、82、83、84被配置以使得功率分配器/合成器61、62、63、64的所有端口的相移之和对于第三功率分裂级60中的所有功率分配器/合成器61、62、63、64都是相同的。
因此，属于同一扇区的两个端口提供相等的功率模式但具有正交极化。
在一个实施例中，功率分配器/合成器61、62、63、64的所有端口的相移之和为零。
根据一个实施例，第一功率分裂级5的第一功率分配器/合成器10的相位改变装置14a-b的相移与第一功率分裂级5的第二功率分配器/合成器11的相位改变装置15a-b的相移相同，其中，第一功率分裂级5的第三功率分配器/合成器12的相位改变装置16a-b的相移与第一功率分裂级5的第四功率分配器/合成器13的相位改变装置17a-b的相移相同。
因此，用于同一扇区中的不同极化的波瓣指向相同的方向，这使能对每个扇区中的所有用户实现极化分集。
从图1和图2中可以看出，所示节点包括四个主输入/输出端口、四个1+N端口功率分配器/合成器10、11、12、13(N＝2)、四个四端口功率分配器/合成器21、22、23、24，以及四个成对布置的双极化天线31、32、33、34，其中，图2的节点还包括在第二功率再分配级60中的四个四端口功率分配器/合成器61、62、63、64。
相比之下，图3示出了节点300，其包括四个主输入/输出端口、功率分裂级5中的四个1+N端口功率分配器/合成器(N＝4)、第一功率再分配级20中的八个四端口功率分配器/合成器以及八个成对布置的双极化天线，并且在图4中，节点400还包括在第二功率再分配级60中的八个四端口功率分配器/合成器。
增加天线数量的有利效果是天线的增益增加，这通常意味着能够获得更大的基站覆盖区域。
在图4中，存在两个组102、104，每个组包括两个相等的1+4端口功率分配器110、111、112、113，它们将功率相等地划分给四个输出端中的每一个。在每个输出端上都有一个独立控制的移相器，用于控制每个输出信号的相位。每个组中的上部1+4端口功率分配器/合成器110、112的输出端连接到第二功率再分配级60中的每个组中的四个功率分配器/合成器的两个组120、122中布置的四端口功率分配器/合成器的上部输入端。应当注意，并非所有讨论的特征都给出了参考标号，以避免使附图混乱。
类似地，每个组中的下部1+4端口功率分配器/合成器111、113的输出端连接到对应的四端口功率分配器/合成器的下部输入端。
接下来，四端口功率分配器/合成器的上部组120的上部输出端连接到第一功率再分配级20中的4个四端口功率分配器/合成器的上部输入端，下部组122的四端口功率分配器/合成器的上部端口以相同的顺序连接到同一4个四端口功率分配器/合成器的下部输入端。
调节第二功率再分配级60中的下部输出端的移相器，以使得每个四端口功率分配器/合成器上的所有输入端/输出端的相移之和为零，然后输出端连接到第一功率再分配级中的另一组四端口功率分配器/合成器，但是以相反的顺序，即，上部组120中的最低四端口功率分配器/合成器的下部输出端连接到最上面四端口功率分配器/合成器的上部输入端，下部组122的最低四端口功率分配器/合成器的下部输出端连接到最上面四端口功率分配器/合成器的下部输入端。
第一功率再分配级20中的每个四端口功率分配器/合成器的上部端口直接连接到一对相邻的共极化/交叉极化单元的上部天线单元，下部输出端具有可调的移相器并连接到下部单元。相移控制到最右侧信号再分配的输入端的正交单元模式重叠的位置。
从输入端口到天线单元端口的信号传输矩阵由下式给出
其中前8行用于第一极化，其他8行用于第二极化。Δ1标示端口1的功率分裂级5中的1+N端口功率分配器/合成器的输出端口之间的相位差，并且Δ2、Δ3和Δ4类似。ΔH是第一功率再分配级20的四端口功率分配器/合成器上的相位设置。第二功率再分配级60的四端口功率分配器/合成器上的移相器的相位设置包括在矩阵中，并且由相位设置Δ1、Δ2、Δ3和Δ4给出。
图5示意性地示出了在城市平坦场景中的服务用户的仰角角度用户分布，其示出了对具有不同波束宽度的垂直扇区化的需要，以便在两个扇区之间获得均匀的业务负载分布。
图6是垂直扇区化的说明性示例，其中扇区1的上扇区波束窄而扇区2的下扇区波束宽，以便更好地平衡两个扇区之间的负载。
本文的实施例被示出为包括四个和八个8单元天线阵列，但是可以以相同的方式对于阵列中的任何偶数个单元实现。
此外，术语波瓣和波束都与天线辐射特性有关。此外，当使用诸如正交的术语时，它们不应被解释为是在数学上精确的，而是在实际可获得的范围内。另外，极化可以具有任何方向，但是应始终正交。
尽管已经参考本发明的具体示例性实施例描述了本发明，但是通过研究附图、本公开和所附权利要求，许多不同的改变，修改等对于本领域技术人员将是显而易见的。而且，应该注意，连接器布置的部分可以以各种方式被省略、互换或布置，但连接器布置仍能够执行本发明的功能。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。另外，本领域技术人员在实施所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他单元或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。

Claims (11)

1.一种用于无线通信系统的节点，包括：
至少四个主输入/输出端口(1，2，3，4)，所述端口的一半与第一极化关联，所述端口的另一半与第二极化关联；
功率分裂级(5)，其包括至少四个1+N端口功率分配器/合成器(10，11，12，13)，一个分配器/合成器连接到每个主输入/输出端口，每个功率分配器/合成器包括输入端/输出端(6，7，8，9)和N个输出端/输入端，N>1，其中，每个功率分配器/合成器输出端包括可控相位改变装置(14a-b，15a-b，16a-b，17a-b)，所述可控相位改变装置被配置为改变在该功率分配器/合成器输入端/输出端处接收的信号的相位；
第一功率再分配级(20)，其包括多个四端口功率分配器/合成器(21，22，23，24)，每个功率分配器/合成器具有第一端口对(25a，26a，27a，28a)和第二端口对(25b，26b，27b，28b)，其中，对于每个功率分配器/合成器，输入到端口对中的任何端口的功率输入与所述端口对中的另一端口隔离，但是在另一端口对中的端口之间分配，
多个成对布置的双极化天线(31，32，33，34)，每个天线具有第一极化天线单元(35b，36b，37b，38b)和第二极化天线单元(35a，36a，37a，38a)，所述第一极化和所述第二极化相互正交，以使得每个天线包括与对应的第一极化天线单元(35b，36b，37b，38b)关联的第一天线端口(40b，41b，42b，42b)和与对应的第二极化天线单元(35a，36a，37a，38a)关联的第二天线端口(40a，41a，42a，43a)；
其中，所述多个功率分配器/合成器(21，22，23，24)成对布置，每一对(51，52)包括第一极化功率分配器/合成器(21，23)和第二极化功率分配器/合成器(22，24)；
其中，所述第一功率再分配级(20)中的每个功率分配器/合成器(21，22，23，24)的第一端口对(25a，26a，27a，28a)通信地耦接到对应极化的所述主输入/输出端口(1，2，3，4)；
并且其中，每对功率分配器/合成器(51，52)连接到天线对(53，54)，以使得第一极化功率分配器/合成器(21，23)的第二端口对(25b，27b)连接到对应的天线对中的天线的第一极化天线单元(35a，36a，37a，38a)，第二极化功率分配器/合成器(22，24)的第二端口对(26b，28b)连接到所述天线对中的第二极化天线单元(35b，36b，37b，38b)；以及
其中，连接到对应的天线单元的每个功率分配器/合成器(21，22，23，24)的所述第二端口对的一个端口包括被配置为引入该端口的可调相移的相位改变装置(55，56，57，58)。
2.根据权利要求1所述的节点，还包括：第二功率再分配级(60)，其包括布置在所述功率分裂级(5)与所述第一功率再分配级(20)之间的多个四端口功率分配器/合成器(61，62，63，64)，其中，对于每个功率分配器/合成器(61，62，63，64)，输入到端口对中的任何端口的功率输入与所述端口对中的另一端口隔离，但是在另一端口对中的端口之间分配，其中，每个功率分配器/合成器(61，62，63，64)的第一端口对的第一端口(65a，66a，67a，68a)和第二端口(65b，66b，67b，68b)连接到相应的第一极化和第二极化的相应的第一极化(10，12)和第二极化(11，13)1+N端口功率分配器/合成器；
其中，所述四端口功率分配器/合成器(61，62，63，64)的第二端口对的第一端口(70a，71a，72a，73a)和第二端口(70b，71b，72b，73b)连接到所述第一级(20)中相应的功率分配器/合成器的第一端口对的相应的第一端口(75a，76a，77a，78a)和第二端口(75b，76b，77b，78b)，
其中，所述第一端口(70a，71a，72a，73a)连接到所述第一级(20)中与所述第二端口(70b，71b，72b，73b)所连接的所述功率分配器/合成器(21，22，23，24)相比属于不同对(51，52)的功率分配器/合成器(21，22，23，24)；以及
其中，所述第二级(60)中的每个功率分配器/合成器(61，62，63，64)的所述第二端口对的一个端口包括被配置为引入该端口的可调相移的可控相位改变装置(81，82，83，84)。
3.根据权利要求1或2所述的节点，其中，所述相位改变装置(55，56，57，58)被配置为引入所述端口的90°相移。
4.根据权利要求2或3所述的节点，其中，所述四个1+N端口功率分配器/合成器(10，11，12，13)的所述可控相位改变装置(14a-b，15a-b，16a-b，17a-b)和所述多个1+N端口功率分配器/合成器(61，62，63，64)的所述可控相位改变装置(81，82，83，84)被配置以使得功率分配器/合成器(61，62，63，64)的所有端口的相移之和对于第三功率分裂级(60)中的所有功率分配器/合成器(61，62，63，64)都是相同的。
5.根据权利要求4所述的节点，其中，功率分配器/合成器(61，62，63，64)的所有端口的相移之和为零。
6.根据前述权利要求中任一项所述的节点，其中，所述第一功率分裂级(5)的第一功率分配器/合成器(10)的所述相位改变装置(14a-b)的相移与所述第一功率分裂级(5)的第二功率分配器/合成器(11)的所述相位改变装置(15a-b)的相移相同，其中，所述第一功率分裂级(5)的第三功率分配器/合成器(12)的所述相位改变装置(16a-b)的相移与所述第一功率分裂级(5)的第四功率分配器/合成器(13)的所述相位改变装置(17a-b)的相移相同。
7.根据前述权利要求中任一项所述的节点，其中，N等于所述天线的数量的一半。
8.根据前述权利要求中任一项所述的节点，包括：
四个主输入/输出端口；
四个1+N端口功率分配器/合成器(10，11，12，13)，N＝2；
四个四端口功率分配器/合成器(21，22，23，24)；以及
四个成对布置的双极化天线(31，32，33，34)。
9.根据权利要求8所述的节点，还包括：在第二功率再分配级(60)中的四个四端口功率分配器/合成器(61，62，63，64)。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的节点，包括：
四个主输入/输出端口；
在所述功率分裂级(5)中的四个1+N端口功率分配器/合成器，N＝4；
在所述第一功率再分配级(20)中的八个四端口功率分配器/合成器；以及
八个成对布置的双极化天线。
11.根据权利要求10所述的节点，包括：在第二功率再分配级(60)中的八个四端口功率分配器/合成器。
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