CN109417407B - 具有高自由度的mimo耦合器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提出耦合器阵列的实施例，用于MIMO基站的天线阵列和MIMO RF信道模拟器之间的RF信号。该实施例使得能够测试大规模MIMO无线通信系统而无需将大量RF电缆连接至MIMO基站的天线端口。

Description

具有高自由度的MIMO耦合器阵列

本申请要求2016年7月15日提交的美国临时申请No.62/362,595的优先权。

技术领域

本发明涉及用于测试大规模多用户多输入多输出(MU-MIMO)无线通信系统的无线电频率(RF)耦合器阵列。

背景技术

为满足移动数据的持续快速增长的需求，无线工业需要能够获得有限的频谱资源的空间重复利用的高秩的方案。用于增加无线频谱的空间重复利用的一种方法是MIMO，尤其是大规模多用户MIMO(MU-MIMO)，通常被称作大型MIMO。在无线通信系统中，具有多个天线的无线节点、基站(BS)或用户设备(UE)，可以在下行链路(DL)或上行链路(UL)中使用波束成形以增加信号噪声比(SNR)或信号与干扰及噪声比(SINR)，从而增加与其他无线节点的连路的数据速率。具有MU-MIMO的BS可以在频率和时间块(例如，资源块(RB))中同时向多个UE进行波束成形，即，使用空间复用以提供容量增长，而不必增加带宽。在大规模MIMO或大型MIMO系统中，BS可以配备有几十到数百甚至上千的发送(Tx)链以及接收(Rx)链，并且使用相同的RB同时向几十个UE进行波束成形。假设BS Tx和Rx链的数量为M，以及RB上的同时服务的UE的数量为K。需要能够实时模拟MxK个RF信道的硬件RF信道模拟器。在TDD系统中，需要这样的模拟器维持BS和UE之间的信道的互易性，从而BS能够使用UL信令估计DLOTA信道。这允许大型MIMO系统中的信道估计用K缩放而非M，因此，显著地降低大型MIMO系统中的信道估计的开销。进而，大型MIMO系统中的天线可以集成有RF电路，并且没有天线端口用于使用电缆将BS RF路径连接到信道模拟器。即使BS具有天线端口连接器，使用电缆将几十或者更多的RF端口连接也是很困难的。在我们之前在2016年2月18日提交的临时专利申请62/296，614“大型MIMO信道模拟器”中，我们提出了这样的实施例，即将BS的天线阵列、RF信道模拟器的天线阵列以及放置在其间以用于建立多路径的反射器和/或漫射器放置到RF室中，该RF室将设备和信道与外界环境隔离。目标是在BS上的M个Tx/Rx路径/天线和信道模拟器的N个Tx/Rx路径/天线之间建立秩为M的空中传输(OTA)信道矩阵G，该信道矩阵的秩为M，并且几乎时不变或具有足够长的相干时间。在我们2016年4月26日提交的相关的临时专利申请62/327，753“用于具有空中传输连接的大型MIMO信道模拟器的空中传输信道状态信息获取”中，我们提出了用于估计OTA信道矩阵G的实施例。

本发明提供一个新设备，提供用于将MIMO BS与MIMO RF信道模拟器连接的不同方式，而无需用于测试的RF端口连接器，并且不会降低用于连接大型MIMO BS和UE的总信道的信道矩阵的秩。

附图说明

图1a表示在BS的天线阵列，图1b表示梯形棱镜腔的内部视图，图1c表示该腔的外部视图。

图2a表示在BS的天线阵列，图2b表示在MCE的耦合器阵列，图2c表示BS天线阵列和MCE天线阵列之间通过OTA的耦合。

具体实施方式

现在可以参考附图，其中相同的数字始终表示相同的部分。现在说明本发明的示例的实施例。示例的实施例被提供用来说明本发明的方面，并且不应被解释为对于本发明范围的限制。当参考框图或流程图描述示例性实施例时，每个框可以表示用于执行方法步骤的方法步骤或装置元件。根据实现方式，相应的装置元件可以配置为硬件、软件、固件或其组合。此后，导频信号可以表示由一个天线发送的信号，用于估计发送天线与一个或多个接收天线之间的信道。它也可以称为参考信号、信道估计信号或测试信号。

在以下描述中，除非上下文另有说明，天线用于指示包括RF电路和天线的RF电路路径，例如，在混合波束形成系统中，一个RF路径可以通过波束形成电路(大多是模拟的)连接到多个天线元件。在这样的系统中，连接到相同RF路径的所有天线元件可以在基带处理中被视为单个等效天线。RF的缩写用来表示无线电频率或任何频率的无线电信号，例如，从几百MHz到太赫兹。

为了克服缺乏用于连接电缆的天线端口或者连接大量电缆的困难，一个实施例采用耦合器220的阵列200将来自(或发往)MIMO BS的MIMO天线阵列100的RF信号与发往(或来自)MIMO RF信道模拟器(MCE)的RF信号耦合。每个耦合器220包括腔221，用于限制辐射自(或辐射到)MIMO BS的天线矩阵中的共定位交叉极化天线的第1天线(例如，101)或第1对(例如，101和102)；以及交叉极化天线的第2天线(例如，201)或第2对(例如，201和202)的能量，其以MIMO BS的天线阵列中的第1天线的极化被对准，并且被用于接收信号自(或发送信号至)由腔221覆盖的天线，或者与腔内的天线对应的BS天线阵列100中的天线(例如，201和202)。腔用金属材料构筑以增加阵列中的腔之间的RF信号的隔离。腔可以是立方体、长方形或梯形棱镜或其他形状的金属盒。图1b表示梯形冷静腔的内部视图，图1c表示该腔的外部视图，这是从侧视图225观看的，不过上下翻转。腔221的内部可以排列有损耗吸收材料，用来吸收会降低腔的存储与传输能量的比率Q的电磁能量。

为了说明的目的，如例子所示，图1a、2a和2b在BS天线阵列100和耦合器阵列200上表示16个交叉极化天线元件的阵列。但是，实施例不应该限定于该数。事实上，天线元件的数目在BS天线阵列100上可以多至几百或几千，并且耦合器阵列200上的耦合器的数目可以等于或多于BS天线阵列100上的天线的数目，以确保自由度(DoF)或MIMO信道矩阵秩不被降低。或者，当允许或需要DoF或MIMO信道矩阵秩降低时，耦合器阵列200上的耦合器的数量可以少于BS天线阵列100上的天线的数量。进而，图1和2表示交叉极化天线元件，但实施例并不限定于交叉极化天线元件。实施例也可以应用于其他类型的天线元件的阵列。

为了耦合来自BS天线阵列100上的天线的RF信号，耦合器阵列200上的耦合器的开口被放置为非常接近或者接触到BS天线阵列100的表面，从而BS天线阵列上的每个天线都部分地、大部分或者完全被腔220覆盖，如图2c中的侧视图所示，其中，侧视图是通过从箭头219所示的一侧观看图2b中的耦合器阵列200所得的。设天线BS天线阵列100上的天线的数目为M，耦合器阵列200上的天线的数目为N，并且BS天线阵列100和耦合器阵列200上的天线阵列之间的信道矩阵为G。

目标是要近似使用RF电缆将BS上的RF端口与MCE上的RF端口连接。一个实施例包括使用耦合器阵列以获得具有min{M，N}的秩或满秩的信道矩阵G，并且当M＝N时，秩(G)＝M；估计信道矩阵G；并且当M＝N时应用逆矩阵G^-1，或者当M<N时应用伪逆矩阵(G^TG)^-1G^T，从而BS和MCE之间的等效连接矩阵近似对角矩阵，相似于通过RF电缆的连接。G矩阵的估计和逆矩阵的应用也在我们在2016年2月18日提交的临时专利申请62/296，614“大型MIMO信道模拟器”，和2016年4月26日提交的62/327，753“用于具有空中传输连接的大型MIMO信道模拟器的空中传输信道状态获取”。此外，要求G的条件书较小，从而其逆矩阵G^-1或伪逆矩阵(G^TG)^-1G^T在G的估计中存在错误的情况下能够被可靠地计算。

在一个实施例中，BS天线阵列上的每个天线由对应的腔覆盖，并且两个对应的天线的极化被对准以备使用极化天线，从而来自BS天线阵列中的天线的信号被良好地耦合到耦合器阵列200中的对应的天线，即，在图2中，1i对应于2ij，i＝0，1，j＝1，...，16，例如，101对应于201，102对应于202，116对应于216。BS天线阵列上的天线101到116的每个被连接到BS的无线电单元(RU)上的天线端口。对应地，天线201到216的每一个被连接到MCE的RU上的天线端口。在一个实施例中，天线元件201到216的每一个被连接到相应地排序的连接器301到316，即，2ij连接到3ij，i＝0，1，j＝1，...，16，并且使用RF电缆将每个连接器301到316与MCE上的RF端口连接。目标是增加耦合对角优势(DDC)，即，来自BS天线的信号功率更有利地耦合到MCE上的对应RF端口，并且相比之下，来自BS天线的信号功率不太有利地耦合到MCE上的非对应端口。如图1和2的例子，这表示天线1ij和2ij之间的耦合应当显著地强于天线1ij和2mn之间的耦合，当对于阵列上的所有天线mn≠ij。这么做的原因在于这样的耦合更可能导致对角优势的信道矩阵G，并且完全的对角优势矩阵是非奇的，即，满秩。如果对于矩阵的每一行，行中的对角元素的大小大于或等于该行中的所有其他(非对角)元素的大小的总和，则该矩阵被称作对角优势。更精确地说，如果

则，矩阵

为严格对角优势，其中，g_ij表示G的第t行、第j列的元素。请注意，对角优势矩阵(DDM)也可以被等同地在列方向定义。严格DDM的最重要性质之一是其为非奇的(det(G)≠0)，这被称作Levy-Desplanques定理，其证明如下：

证明.设det(G)＝0，则表示存在非零向量x＝[x₁…x_M]从而Gx＝0。设k为索引，从而|x_k|＝max(|x₁|，…，|x_M|)，则得到

g_k1x₁+g_k2x₂+…+g_kMx_M＝0，

这意味着

|g_kkx_k|＝|g_kk||x_k|＝|∑_j≠kg_kjx_j|≤∑_j≠k|g_kj||x_k|≤|x_k|∑_j≠k|g_kj|。

因此，这表示

|g_kk|≤∑_j≠k|g_kj|，

这与严格DDM的定义相反，并且定理得以证明。Levy-Desplanques定理也可以使用格尔什戈林圆定理来证明。

严格DDM是满秩矩阵的充分条件。增加DDC会增加在信道矩阵G中产生严格DDM的可能性。我们已经通过实验以及测量数据表明尽管G并非严格DDM，增加和调整DDC可以产生具有低条件数的满秩G矩阵。

在一个实施例中，耦合器阵列200的配置参数包含耦合器220的位置、方向、形状或尺寸可以被调整和/或与BS天线阵列100上的天线校准，以获得满秩信道矩阵G。这个实施例在于可能具有不同尺寸、形状、天线间距离、天线元件的分布、波束图案等的BS天线阵列自适应地耦合中是有效的。在另一个实施例中，耦合器阵列200的一个或多个配置参数使用微控制器或计算机来控制，并且提供用户接口以使用户能够调整配置参数来获取所需信道矩阵。在另一个实施例中，对于BS天线阵列的耦合器阵列200的配置参数的调整通过反馈控制环自动进行，该反馈控制环反复搜索所需配置以获得具有包括秩和条件书的所需性质的信道矩阵G。

要求保持信道矩阵G接近时不变，或在一段时间内接近时不变，从而不频繁需要重新估计信道矩阵G。在一个实施例中，被靠近耦合的BS天线阵列100和耦合器阵列200被放置在RF隔离室中，其将电磁场从室外的环境屏蔽。如果BS RU和BS天线阵列100被集成到一起，和/或如果MCE RU和耦合器阵列被集成到一起，则对应的RU以及也与RU集成或者需要被安装到RU其他元件也需要被放置到RF室中。当诸如RU这样的设备被放置在小的封闭空间中时，其产生的热量需要被驱散。在一个实施例中，具有网眼尺寸比RF信号的波长足够小的金属网被用来构筑RF屏蔽室，从而允许热从空气通风设备驱散，或者强制空气冷却或空气调节。

尽管上述描述展示讨论了本发明的优选实施方式，或图解了本发明的新颖特征和原理，但应当理解的是对于本发明所示的方法、元件或装置的细节，以及其使用形式的各种省略、替换和改变均是本领域的技术人员在不脱离本发明的范围和精神的情况下能够做出的。因此，本发明的保护范围不应当被上述描述所限制。相反，本发明的原理可以被更广地运用在一系列方法、系统和装置中，以获取所述性能优势或满足其他目的、获取其他优势。

Claims (5)

1.一种多输入多输出无线电信号信道模拟器，用于将来自和/或发往基站(BS)天线阵列的无线电信号耦合，所述信道模拟器包括耦合器的阵列，其被排列以与基站(BS)的多输入多输出(MIMO)无线电单元(RU)的天线阵列的分布或波束图案匹配，其中，每个耦合器包括一个或多个耦合天线，主要用于从MIMO RU的天线阵列通过空中传输接收无线电信号的子组，和/或对MIMO RU的天线阵列通过空中传输发送无线电信号的子组，其中，每个耦合器降低或调节从MIMO RU的天线阵列辐射的无线电信号的子组的、对于耦合器的阵列中的其他耦合天线的干扰，并且降低或调节从耦合器的阵列中的一个耦合器中的耦合天线辐射的无线电信号的子组的、对于从其他耦合器的耦合天线辐射的无线电信号的干扰。

2.如权利要求1所述的信道模拟器，其中，耦合器包括一对耦合天线，其通过与MIMO RU的天线阵列中的交叉极化天线对对准的极化而被交叉极化。

3.如权利要求1所述的信道模拟器，其中，耦合器包括容纳一个或多个耦合天线的腔。

4.如权利要求3所述的信道模拟器，其中，耦合器的腔排列或填充有用于吸收电磁能量的吸收材料。

5.如权利要求3所述的信道模拟器，其中，耦合器的阵列中的耦合器的腔的开口被放置为非常接近或接触到MIMO RU天线阵列的表面，并且MIMO RU天线阵列中的天线至少部分被耦合器的腔所覆盖。

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