CN116918266A - 使用大规模波束mimo相控阵进行通信的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种远距离(例如，卫星到地面)无线通信方法和装置。二维天线阵列成对操作，以产生交错的波束组，这些波束组在一个方向上被拉长并在另一方向上对齐。这些波束组可以使用固定的模拟波束成形阵列来提供。有源波束成形器可以用于形成在每个波束组内定向的波束。模拟波束成形阵列的不同端口可以操作，以产生不同组中的波束或同一组中的不同双扇区波束。还提供了一种使用到达方向进行MIMO处理的简化的基于参数的信道状态信息预编码运算。

Description

使用大规模波束MIMO相控阵进行通信的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年3月8日递交的发明名称为“Method and apparatus forcommunication using massive-beam MIMO phased array”的第17/195,089号美国非临时专利申请的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明总体上涉及远距离无线通信，例如，地面设备与低地球轨道(low-earthorbit，LEO)卫星等卫星之间的远程无线通信，具体涉及例如安装在这些卫星上的MIMO相控天线阵列和相关的方法和装置。
背景技术
正在规划或发布各种低轨道卫星星座，以支持各种应用，例如，提高全球连通性、进行高速和安全的通信以及实现全球互联网接入。高吞吐量卫星(high throughputsatellite，HTS)系统特别令人感兴趣，与传统卫星服务相比，这些系统能够提供非常高的数据速率。这些系统通常使用朝向目标可控的多个点波束，以通过高增益发送/接收天线提高数据容量，从而实现更好的频率重用。然而，产生这些高增益可控波束的传统方法需要大型、复杂且昂贵的相控天线阵列。因此，大型相控阵方法存在成本和物理限制。
最近，使用大型相控阵和使用预编码处理的(地面设备之间的)高数据速率蜂窝通信取得了进展。这些进展涉及大规模多输入多输出(multi-input,multi-output，MIMO)通信等技术。使用这种方法，地面站可以使用大量天线振子(电磁辐射器)产生多个可控且独立的高增益波束。大规模MIMO的当前进展非常适合发送器和接收器相对靠近的高容量基于地面的蜂窝系统。
当前大规模MIMO系统的一个关键组成部分是使用导频信号，导频信号是每个给定目标设备进行复杂信号处理所必需的。导频信号从发送器传送到接收器，接收器向发送器提供反馈，从而支持信道估计，这对于正确的MIMO配置很重要。对于地面通信，目标设备被限制在相对较小的小区(例如，几公里)内，已经开发了使用导频信号的相对成功的方法。然而，对于非常远距离的空间到地面通信或网络，同样的方法可能没有足够的信号强度来实现所需的处理性能。此外，相对于信道相干时间在较远距离上涉及的传播延迟以及卫星网络特有的其他因素(例如，高相对卫星速度)使这种导频信号的使用成为问题。此外，特别适合于远距离使用的天线阵列有待改进。
因此，需要提供一种消除或减轻现有技术的一个或更多个限制的通信方法和装置。
背景技术的目的是揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。没有必要承认也不应解释任何上述信息构成与本发明相对的现有技术。
发明内容
本发明的实施方式的目的是提供一种使用例如安装在LEO卫星等卫星上的大规模波束MIMO相控阵进行通信的方法、装置和系统。虽然本发明主要针对卫星实现方式进行了描述，但应当注意，本发明的实施方式可以包含在例如地面、空中、轨道或空基设备等其他通信设备中。下面描述本发明的各个方面。还应当注意，如本文所述，可以使用本发明的多个方面的协同组合来提供本发明的实施方式。例如，本发明的实施方式可以包括多个天线阵列、多个波束成形器阵列和有源波束成形器，其中，多个波束成形器阵列产生窄的交错波束组，并且有源波束成形器用于使用给定一组波束来引导波束。在一些实施方式中，简化的CSI运算也可以与上述结合使用。
本发明的实施方式提供了一种包含模拟和数字预编码(例如，关于波束成形)两者的多天线(例如，MIMO或大规模MIMO)方法和装置。这使得该方法和装置更适合于远距离通信，例如，应用于LEO、高通量卫星(high-throughput satellite，HTS)通信。可以使用简化的信道状态信息(channel state information，CSI)处理方法，与传统的大规模MIMO相控阵方法相比，该处理方法可以促进更简单、更快速的处理。
根据一些实施方式，提供了一种通信装置，该通信装置包括一个、两个或更多个天线阵列集合。每个天线阵列集合可以是一对天线阵列。天线阵列可以以小于或等于工作波长的一半的振子间间隔紧密相邻。每个天线阵列集合中的每个天线阵列被配置并被操作成产生多个波束组。每个波束组可以组合地呈拉长(例如，椭圆形)形状的截面。这种拉长的形状可以明显比长形状窄得多。该形状可以在通信设备的主要行进方向(例如，卫星的轨道方向)上拉长。给定天线阵列的不同波束组彼此间隔开，并且来自同一集合(例如，对)的不同天线阵列的组相互交错。因此，每个天线阵列集合被配置成产生多个波束组，这些波束组可以是大致连续的，并且具有相邻波束组由同一天线阵列集合中的不同天线阵列产生的特性。该特性可以应用于所有相邻波束组对。
根据进一步或任何上述实施方式，提供了一种双扇区波束空间大规模MIMO相控阵通信装置。该通信设备包括二维相控天线阵列，例如，每个天线阵列具有N组N个天线振子，总共N2个元件。可以提供多个面板，每个面板具有这样的相控天线阵列。为了便于说明，阵列可以描述为具有N行N列。例如，N可以等于8或16。此外，提供了多个波束成形器网络，并耦合到阵元。波束成形器网络共同形成波束成形器阵列的一部分。每个波束成形器网络可以使用模拟射频(radiofrequency，RF)电路实现，并可以在固定配置中操作。每个波束成形器网络可以被配置成产生N个正交波束，其中，不同的正交波束在不同的(例如，方位角)方向上定向。可以选择这样的波束的子集M<N并用于通信。两个或更多个以上天线阵列(如上所述)的组可以一起操作，以产生多个大致正交的拉长的波束组。使用其他有源波束成形器，多个天线阵列集合可以一起操作。通过组合来自给定组的波束或来自多个共同定向的组的波束，成对或多个天线阵列可以一起操作，以产生较小的跟踪波束。跟踪波束能够在给定(例如，海拔)方向上可控。在各种实施方式中，沿着拉长波束的主轴的波束控制和跟踪可以使用线性大规模MIMO处理来实现。
根据进一步或任何上述实施方式，波束成形器阵列包括N个波束成形器网络以及多个(例如，N/2行)混合耦合器，其中，N是阵列中天线振子的行数。每个波束成形器网络可以是巴特勒(Butler)矩阵或类似的波束成形器。在这些实施方式中，每个波束成形器网络可以具有可操作地耦合到相控阵的相应一行天线振子的N个波束端口和N个天线端口。N个波束成形器网络可以平行实现，每个网络耦合到一行不同的天线振子。成对的波束成形器网络可以使用几行混合耦合器耦合在一起，并一起操作，以通过双扇区方式产生N个前向波束和N个后向波束。
根据进一步或任何上述实施方式，波束成形器阵列包括N/2个定制波束成形器网络，其中，N是阵列中天线振子的行数。每个波束成形器网络耦合到两(例如，相邻)行天线振子。每个波束成形器网络包括多个波束端口，波束端口的数量小于两行中天线振子(和相应的天线端口)的总数。例如，波束端口的数量可以约为天线端口总数的四分之一。给定阵列的波束成形器网络可以都是相似的或基本上相同的。然而，可以在两个不同的互补天线阵列中提供和使用波束成形器网络的两种不同配置(例如，具有不同的移相器设置)，以便产生要交错在一起的不同波束组。在这些实施方式中，也可以使用用于形成前向和后向(双扇区)波束的混合耦合器。
根据进一步或任何上述实施方式，提供了一种被配置成产生(至少)两个正交且独立可控的双扇区波束的通信装置。这些波束是双扇区的，因为其中一个波束指向给定区域的前部，而另一个波束指向同一给定区域的后部。两个波束可以交叠，因为前部和后部可以交叠。在一些实施方式中，使用上述混合耦合器产生双扇区波束。混合耦合器可以是90°混合耦合器。任意幅度和相位锥度也可以用于波束成形器中。两个双扇区波束在工作频率下可以分别具有30°的前预倾角和后预倾角。预倾角相对于垂直于阵列平面的轴。这提供了有效的半波长振子间隔。在一些实施方式中，两个双扇区波束中的每一个波束都能够从0°控制到45°，辐射效率至少85％。使用两个波束的组合，可以在半功率波束宽度(half powerbeamwidth，HPBW)内实现在角度接近垂直于阵列平面的轴的方向上的覆盖。
根据进一步或任何上述实施方式，提供了一种通信装置，该通信装置包括两个独立的Nx2N(例如，N＝8)正交波束成形网络，具有低旁瓣和低波束耦合因子(beam couplingfactor，BCF)。
根据进一步或任何上述实施方式，提供了一种简化的基于参数的信道状态信息(channel state information，CSI)预编码器和相关方法，使用来自目标设备的信号的到达方向进行大规模MIMO处理。
根据本发明的实施方式，提供了一种无线通信装置。该装置包括：第一和第二分离的二维阵列，每个二维阵列具有多个天线振子；第一和第二波束成形器阵列(例如，固定的模拟阵列)。第一波束成形器阵列可操作地耦合到第一天线阵列，并被配置成通过将第一天线阵列作为相控阵操作来产生第一多个波束。第一多个波束被分成多个间隔开的波束组，例如，在方位角方向上间隔开。类似地，第二波束成形器阵列可操作地耦合到第二天线阵列，并且被配置成通过将第二天线阵列作为第二相控阵操作来产生第二多个波束。第二多个波束被分成多个附加的间隔开的波束组，这些波束组与来自第一阵列的多个间隔开的波束组交错。每个波束组通常包括相应的多个交叠波束，这些交叠波束可以一起运行，用于进一步波束成形。在各种实施方式中，每个波束成形器阵列包括平行设置的多个波束成形器网络。在这些实施方式中，波束成形器阵列被配置成提供波束端口集合。所述波束端口中的每个波束端口通过波束成形器网络中的一个波束成形器网络或通过耦合的一对波束成形器网络可操作地耦合到天线振子的一对相邻行。
根据进一步或任何上述实施方式，所述波束成形器网络中的每个波束成形器网络耦合到不同的相应一行天线振子，并且每个波束成形器阵列包括一行或更多行混合耦合器。每行混合耦合器连接至多个波束成形器网络中的相应一对波束成形器网络，并且其中，所述波束端口是混合耦合器的端口。在一些进一步实施方式中，不同的混合耦合器操作波束组中的不同波束组中的波束，其中，每个混合耦合器包括一对端口。所述一对端口中的每一个端口操作波束组中的同一波束组中的不同双扇区波束。
根据进一步或任何上述实施方式，波束成形器网络中的每个波束成形器网络耦合到所述天线振子的不同的相应一对相邻行，并且包括波束端口集合的子集。子集中的波束端口的数量小于所述一对相邻行中的天线振子的数量。在进一步实施方式中，波束成形器网络中的每个波束成形器网络包括：以串并联配置设置的多个混合耦合器；多个功率分配器，每个功率分配器耦合到一对天线振子，该对天线振子包括所述一对相邻行中的每一行中的一个天线振子；以及多个移相器，所述移相器中的至少一些移相器设置在所述功率分配器与所述天线振子之间。
根据进一步或任何上述实施方式，特别是结合每个波束成形器网络耦合到所述天线振子的不同的相应一对相邻行的情况，多个天线振子和多个附加振子分别以小于或等于工作波长的一半的振子间间隔设置，以提供紧密间隔的阵列。
根据进一步或任何上述实施方式，每个波束组由单独的波束组成，单独的波束共同具有在第一(例如，仰角)方向上被拉长的相应组合截面，并且不同的波束组在垂直于第一方向的第二(例如，方位角)方向上彼此并排对齐。在一些进一步实施方式中，该装置携带在相对于地球移动的卫星上，并且第一方向被定向成使得每个相应的组合截面是平行于卫星的行进方向被拉长的地球表面的一部分。在一些实施方式中，每个波束组是包括一个、两个或更多个前向波束以及一个、两个或更多个后向波束的双扇区波束组。前向波束共同提供所述组合截面的第一部分。第一部分朝向组合截面的第一端定位。后向波束共同提供组合截面的第二部分。第二部分朝向组合截面的第二端定位。第一端和第二端沿着第一方向彼此相对，并且第一部分和第二部分可以(部分)交叠，或者替选地不交叠。前向波束可以与后向波束正交。前向波束可以相对于后向波束以不同的角度定向。
根据进一步或任何上述实施方式，提供了有源波束成形器，例如，作为上述装置的一部分。有源波束成形器可操作地耦合到第一波束成形器阵列。有源波束成形器被配置成使用数字预编码至少部分地通过组合属于多个间隔开的波束组的波束组之一的多个波束来生成一个或更多个跟踪波束。在一些进一步实施方式中，每个波束组由单独的波束组成，单独的波束共同具有在第一方向上被拉长的相应组合截面，并且有源波束成形器被配置成在第一方向上控制跟踪波束。在一些进一步实施方式中，除了第一和第二阵列之外，该装置还包括一个或更多个附加天线阵列和一个或更多个附加波束成形器阵列，每个附加波束成形器阵列可操作地耦合到附加天线阵列中的相应一个附加天线阵列。附加波束成形器阵列中的每个附加波束成形器阵列被配置成通过将附加天线阵列中的相应一个附加天线阵列作为另一相控阵操作，来产生第一多个波束的附加副本。这些附加副本中的每个附加副本与第一多个波束交叠。在这些实施方式中，有源波束成形器还可操作地耦合到附加波束成形器阵列中的每个附加波束成形器阵列，并且有源波束成形器被配置成通过将所述多个波束与属于第一多个波束的所述附加副本的一个或更多个附加波束组合，进一步生成所述一个或更多个跟踪波束。
根据进一步或任何先前的实施方式，每个波束组由单独的波束组成，单独的波束共同具有在第一方向上被拉长的相应组合截面。不同的波束组在垂直于第一方向的第二方向上彼此并排对齐。此外，天线振子行在第二方向上彼此平行延伸，并且在第一方向上彼此间隔开。
根据进一步或任何上述实施方式，提供信道状态估计器，例如(但不一定)作为上述装置的一部分。信道状态估计器被配置成估计主机装置与远程无线通信设备之间的主要视距无线通信信道状态。该估计是基于由远程无线通信设备发送的信号的到达方向。该估计还基于天线阵列(例如，第一天线阵列和第二天线阵列)的几何形状，使用统计信道状态信息和参数信道模型。在一些实施方式中，当信道状态估计器形成上述装置的一部分时，波束组彼此正交，并且估计无线通信信道状态包括执行多个单独的线性预编码运算。
根据本发明的实施方式，提供了一种系统，该系统包括两个或更多个设备，包括上述一个或更多个装置、一个或更多个目标设备或其组合。
根据本发明的实施方式，提供了一种无线通信的方法，该方法涉及运行如上所述或本文其他地方描述的装置或系统。
上文结合本发明的各个方面描述了实施方式，这些实施方式可以基于这些方面来实现。本领域技术人员将理解，实施方式可以结合描述这些实施方式的方面来实现，但也可以与该方面的其他实施方式一起实现。当实施方式相互排斥或以其他方式彼此不兼容时，这对于本领域技术人员将是明显的。一些实施方式可以结合一个方面进行描述，但也可以适用于其他方面，这对本领域技术人员是明显的。
附图说明
结合附图，通过以下详细描述，本发明的进一步特征和优点将变得明显，在附图中：
图1a示出了根据实施方式的可控双扇区(NxN)波束空间大规模MIMO阵列。
图1b示出了根据另一实施方式的可控双扇区(NxN)波束空间大规模MIMO阵列。
图2是示出根据实施方式的由巴特勒矩阵产生的正交波束的典型波束图案的曲线图。
图3是示出根据实施方式的通过叠加NxN巴特勒正交波束的复合波束的波束图案的曲线图。
图4是示出根据实施方式的第一正交复合波束空间相控阵(这里称为阵列A)的波束图案的曲线图。
图5是示出根据实施方式的第二正交复合波束空间相控阵(这里称为阵列B)的波束图案的曲线图。
图6a示出了用于相控阵A的实施方式的8x16正交模拟波束成形器。
图6b是示出图6a的各种移相器的相移值的表格。
图7a示出了用于相控阵B的实施方式的8x16正交模拟波束成形器。
图7b是示出图7a的各种移相器的相移值的表格。
图8a是示出根据实施方式的组合了相控阵A和相控阵B(A+B)的相控阵的具有低波束耦合因子的16个正交波束中的12个正交波束的曲线图，其中，12个正交波束沿着方位轴Az覆盖高达±40度。
图8b是示出根据图8a的实施方式的8x16波束成形网络的有效激励幅度和相位锥度的表格，其中，波束被标记为L1-L6。
图8c是示出根据图8a的实施方式的8x16波束成形网络的有效激励幅度和相位锥度的表格，其中，波束被标记为R1-R6。
图9示出了根据实施方式的2D大规模MIMO相控阵的通用坐标系。
图10是根据实施方式的低轨道VHTS大规模MIMO通过阵的概念图。
图11示出了根据实施方式的双面板正交波束空间大规模MIMO相控阵。
图12是示出前辐射图案和后辐射图案的曲线图，该曲线图由90°混合产生，该混合有效地将单个元件的辐射图案分割成双扇区正交波束。
图13是示出根据实施方式的在仰角平面中除了接近0°仰角的角度的±45°范围内的双扇区正交可控波束的阵列输出图案的曲线图。
图14是示出根据实施方式的接近0o仰角的两个双扇区可控波束的组合图案的曲线图，其中，低轨道卫星在350km的高度以30GHz运行。
图15a是示出根据实施方式的使用2个320平方毫米的阵列面板的导频信号的m-MIMO性能数据的表格。
图15b是示出根据实施方式的使用2个320平方毫米的阵列面板的导频信号的实际m-MIMO性能数据的表格，其中，m-MIMO处理具有更宽的带宽和更多数量的阵列面板，例如，2x5的阵列面板。
需要说明的是，在整个附图中，相同的特征由相同的附图标记标识。
具体实施方式
本文中使用的术语“约”应当理解为包括相对于标称值的变化，例如，相对于标称值的±10％的变化。应当理解，无论是否具体提及，本文提供的给定值总是包括这种变化。
本发明的实施方式提供了有关波束空间大规模MIMO相控天线阵列的方法和装置。相控阵可以具有高增益，并且可以是可控的。大规模MIMO技术先前并未被实现用于卫星通信。例如，这是由于传输距离长(延迟大)和传输损耗高造成的。这些因素使得难以获得用于信道估计的CSI反馈，该反馈通常用于MIMO系统中。本发明的实施方式涉及使用大型相控阵，该大型相控阵使用大规模MIMO处理，用于使用模拟和数字预编码的组合进行远距离通信。这可能会导致更强的导频信号用于CSI处理，并显著简化CSI处理。简化可以涉及将二维数字预编码运算减少为单独的、更简单的线性处理运算的组合。这特别适合于低轨道高通量卫星(high-throughput satellite，HTS)通信中的应用。
图1a示出了根据本发明的实施方式提供的单个天线阵列102。这可以被称为M可控双扇区(NxN)波束空间大规模MIMO阵列。所示的天线阵列例如适用于单极化应用，例如，使用单极化天线(辐射器)。然而，应当理解，通过使用双极化辐射器，本发明可以容易地扩展到双极化应用。天线阵列是具有多个元件110的二维阵列，例如，每个元件设置在N个辐射器的N行(例如，行105)中。为了说明的目的并且在本发明的各种实施方式中，每一行(在图1a中垂直定向)在方位角方向上延伸，行彼此平行并且在仰角方向上彼此间隔开。然而，应当理解，可以采用其他方向和取向。天线阵列可以是平面阵列，或者该阵列可以设置在曲面上。在运行中，可以形成M个(可能是N个中的)正交波束(或波束组)的波束空间，M个波束中的每个波束在方位角方向上被不同地定向。在当前所示的实施方式中，这些波束或波束组是部分使用多个波束成形器网络120产生的，每个波束成形器网络具有N个天线端口和N个波束端口(称为NxN波束成形器)。虽然N个波束端口可用，这意味着N个波束，但在各种实施方式中，仅使用M<N个波束，其中，例如，基于方位角方向上的扫描角要求来选择数字M。
根据各种实施方式，天线阵列102的振子间间隔以及装置的其他天线阵列的振子间间隔小于或等于天线阵列的工作波长的一半。因此，天线阵列可以是紧密间隔的阵列。阵列也可以被配置为非谐振阵列。例如，当实现图6a和图7a的波束成形器网络时，这样的实施方式特别有用。
小于或等于波长的一半的振子间间隔通常会在天线振子之间引入高互耦合。设计并操作紧耦合相控阵，同时考虑了如此高的互耦合。示例是最近在文献中介绍的紧耦合偶极子阵列(tightly coupled dipole array，TCDA)。例如，参见J.T.Logan、R.W.Kindt、M.Y.Lee、M.N.Vouvakis的“A new class of planar ultrawideband modular antennaarrays with improved bandwidth”，IEEE天线与传播汇刊(IEEE Trans.On Antennas andProp)，第66卷，第2期，2018年2月，第692-701页，并且参见J.J.H.Wang的“Traveling-waveantenna array，TWAA)(Traveling-wave antenna array(TWAA)with multioctave scan-gain-banwdith”，2016年IEEE相控阵系统与技术(Phased Array Systems andTechnology，PAST)国际研讨会，2016年。
典型的相控阵是使用独立谐振辐射器设计的。这些辐射器在特定频率范围内谐振，或者是窄带谐振器。在紧耦合相控阵中，整个阵列以大致单一的方式操作。然而，每个辐射器不一定在工作频率范围内作为谐振器操作。
更详细地，每个波束成形器网络120耦合到同一天线阵列102的N个天线振子110的不同对应组(例如，行或一对紧密间隔的行)。波束成形器网络可以是巴特勒矩阵或类似于巴特勒矩阵的结构。在一个替选实施方式中，使用参照图6a和图7a描述的波束成形器网络。在这种情况下，还可以包括并使用混合耦合器155，以例如在仰角方向上形成双扇区波束。在本文其他地方更详细地描述这些实施方式。
波束成形器网络通常使用模拟部件构建，并且在行为上是固定的，例如，相移是大致不可控的，或者至少仅在校准容量方面是可控的。例如，波束成形器网络可以使用功率分配器/合路器、移相器和混合耦合器。由于波束成形器网络的部件是固定的，即不可控的，所以波束控制通常使用其他有源波束成形器来完成，这在本文其他地方描述。
波束成形器网络的波束端口可操作地耦合到混合(例如，3dB)耦合器155的行152，混合耦合器可以是90°混合耦合器，也被称为正交混合或简称为混合。为清楚起见，在图1a中，每行混合都显示为在仰角方向上延伸，尽管这只是为了便于说明。混合耦合器是四端口定向耦合器，在输入端口与输出端口之间提供相等的功率分配/组合。在一些实施方式中，90°混合耦合器在输出端口之间产生90°的相移。如图所示，每个混合具有面向天线和波束成形器网络的第一对端口以及背对波束成形器网络的第二对端口。第二对端口可以耦合到单独的有源波束成形器。通过将混合的第一对端口连接到波束成形器网络的波束端口，每行混合连接到一对两个不同的波束成形器网络。在各种实施方式中，连接到同一行混合的两个不同波束成形器网络彼此相邻，例如，因为波束成形器网络耦合到阵列中的天线振子的相邻行。
因此，多个波束成形器网络平行设置并耦合到不同的相应天线振子组。混合耦合器的行152连接到波束成形器网络的相应(相邻)对。波束成形器网络120的不同波束端口操作不同波束组中的波束，因此混合耦合器155的不同端口也操作不同波束组中的波束。由于不同的端口以不同的方式将RF能量引导到波束成形器网络对或从波束成形器网络对引导RF能量，因此同一混合耦合器的这些不同波束端口操作波束组中的同一波束组中的不同双扇区波束。
耦合到同一天线阵列的多个波束成形器网络120以及连接到多个波束成形器网络的混合耦合器155形成整个波束成形器阵列的一部分。每个天线阵列可操作地耦合到其自己相应的波束成形器阵列。
可操作地耦合到天线阵列102的波束成形器阵列被配置成通过将天线阵列102作为相控阵操作来产生第一多个波束。波束可以是发送波束、接收波束或其组合。如下面将更详细地描述的，第一多个波束被分成多个间隔开的波束组。也就是说，相邻组可以由给定宽度的间隙分隔。每个波束组包括其自己相应的多个交叠波束。
与上述天线阵列和波束成形器阵列相似但不完全相同地提供和配置第二天线阵列和第二波束成形器阵列。具体地，第二波束成形器阵列可操作地耦合到第二天线阵列。第二天线阵列包括多个附加天线天线振子，并且通常与第一天线阵列分开。例如，第一天线阵列和第二天线阵列可以间隔开。第一阵列和第二阵列在振子设计和布局方面可以大致相同。第二波束成形器阵列被配置成通过将第二天线阵列作为第二相控阵操作来产生第二多个波束。第二多个波束被分成多个附加的间隔开的波束组。值得注意的是，多个附加的间隔开的波束组与第一天线阵列和第一波束成形器的多个间隔开的波束组交错。在各种实施方式中，两个波束组交错。然而，理论上，三个或更多个波束组可以交错，前提是波束成形器结构被配置成适应这种配置。使用多个单独的阵列可以促进波束正交性。
还可以提供附加天线阵列和相应的附加波束成形器阵列，每个附加波束成形器阵列可操作地耦合到附加天线阵列中的相应一个附加天线阵列。附加波束成形器阵列中的每个附加波束成形器阵列被配置成产生第一多个波束或第二多个波束的附加副本。这是通过以与上述关于第一和第二波束成形器阵列和相应阵列所描述的相同的方式将附加阵列作为其他相控阵操作来实现的。附加阵列可以与如上所述的阵列大致相同。附加副本中的每个附加副本与第一多个波束或第二多个波束交叠(例如，与第一多个波束或第二多个波束重合或共同定向)。如本文其他地方将解释的，多个波束成形器阵列(例如，第一波束成形器阵列和具有波束的交叠/重合副本的一个、两个或更多个附加波束成形器阵列)可以使用有源波束成形器一起操作，以便产生可控跟踪波束。这些可控跟踪波束可以更紧密地聚焦和可控，以便引导RF能量与特定目标设备通信。
在各种实施方式中，每个波束组由单独的波束组成，单独的波束共同具有在第一方向上被拉长的相应组合截面，第一方向可以是仰角方向。不同的波束组在可以垂直于第一方向的第二方向上彼此并排对齐，第二方向可以是方位角方向。在一些实施方式中，例如，当该装置携带在相对于地球移动的卫星上时，第一方向被定向成使得每个相应的组合截面是地球表面的一部分，该截面平行于卫星的轨道行进方向被拉长。
第二波束成形器阵列的波束组可以足够宽，以基本上填充第一波束成形器阵列的波束组之间的间隙。因此，在各种实施方式中，第一和第二波束成形器阵列的波束(即，多个波束组和多个附加波束组)可以一起形成彼此并排对齐的大致连续的总波束组。
图11示出了在第一(例如，仰角)方向上被拉长并在第二(例如，方位角)方向上彼此并排对齐的多个波束组中的两组交错的波束的示例。拉长的截面可以是椭圆，如图所示，也可以是其他形状。每个椭圆1120、1130对应于波束组。非阴影椭圆1120对应于一个阵列(例如，阵列A1)的多个间隔开的波束组，而阴影椭圆1120对应于另一互补阵列(例如，阵列B1)的多个间隔开的波束组。阵列A2至Am还可以产生对应于非阴影椭圆1120的波束组，并且阵列A2至Am还可以产生对应于阴影椭圆1130的波束组。
在各种实施方式中，每个波束组包括至少两个不同的双扇区波束。第一个双扇区波束指向组合截面的第一(例如，前部)部分(例如，指向图11的椭圆1120或1130的底部)，并且第二个双扇区波束指向组合截面的第二(例如，后部)部分(例如，指向图11的椭圆1120或1130的顶部)。因此，双扇区波束被不同地定向，但通常是交叠的。每个组可以包括每个双扇区波束的多个副本。
因此，每个波束组可以是具有一个、两个或更多个前向波束和一个、两个或更多个后向波束的双扇区波束组。前向波束可以彼此大致相同，并且后向波束可以彼此大致相同。前向波束共同提供组的组合截面的第一部分。该第一部分朝向组合截面的第一端。类似地，后向波束共同提供所述组合截面的第二部分。该第二部分朝向组合截面的第二端。第一端和第二端沿着第一方向彼此相对，并且第一部分和第二部分可以是交叠的。替选地，第一部分和第二部分可以是不交叠的，然而，当期望形成朝向组合截面的中心部分的波束(例如，使用有源波束成形器)时，这会影响波束成形选项。因为波束都来自大致相同的位置(如从远处的目标所见)，所以通过使波束成不同的角度，以不同的方式朝向不同的位置引导波束。例如，前向波束相对于后向波束以不同的角度定向。
在各种实施方式中，不同的波束是正交的。例如，前向波束可以与后向波束正交。附加地或替选地，不同的波束组可以彼此正交。正交性用于例如如下描述波束成形中的空间正交性。对于使用多波束传输的高级通信，相控阵的激励需要满足以下条件才能获得最佳性能：
其中
上面的等式(1)提供了两个波束之间的端口正交性，其中，Li和Ri表示两个复合波束激励。当两个端口完全正交时，总和为零。通常，期望将这种影响保持在–20dB以下。上面的等式(2)表示两个波束之间的波束耦合因子(beam coupling factor，BCF)。这进一步限制了复合激励，使得通过辐射模式ER和EL的耦合达到最小。通常，BCF需要低于–15dB。
图1b示出了类似于图1a的实施方式。装置170具有与其可操作地耦合的六个阵列面板，对应于M＝3对面板。更详细地示出了一个这样的面板175。面板175产生多个间隔开的波束组，例如，组177。另一面板185产生多个附加的间隔开的波束组，例如，与组177交错的组187(虚线)。
在波束端口的行(例如，行157)上执行数字波束成形，以便在仰角方向上执行有源波束成形。具有三组(三对天线振子行)天线振子190，每组天线振子产生一个波束组，包括前向波束192和后向波束194。这些组相互交叠。仰角方向上的有源波束成形至少部分地使用这三个波束组的组合来执行。波束成形还可以涉及来自他它面板的附加交叠的波束组。不同行的波束端口(例如，行157和行159)可以用于在方位角方向上产生不同定向的波束。同一混合的不同端口(例如，端口162、端口164)可以用于产生相同波束组的前向波束192和后向波束194中的不同波束。
通常，NxN波束成形器(例如，巴特勒矩阵)产生N个具有较高旁瓣的正交波束图案，该旁瓣可以是–13dB。图2示出了例如可以由16x16巴特勒矩阵产生的正交波束的典型波束图案。N个正交波束图案可以具有高旁瓣。对于向右逐渐向外成角度的波束，波束标记为1R至6R，而对于向左逐渐向外成角度的波束，波束标记为1L至6L。
虽然这样的NxN波束成形器产生的波束通常彼此正交，但波束空间图案可以具有高波束耦合因子(beam coupling factor，BCF)。这可以增加相邻波束之间的干扰，并降低系统的整体容量。在图2中，波束是正交的，具有–4dB交叉(crossover)。然而，旁瓣电平(sidelobe level，SLL)只有–13dB。因此，所有波束之间的波束耦合因子大于–10dB，相关系数大于0.3。可以通过将NxN个正交波束中的2个或3个正交波束叠加形成新正交波束集合来解决该问题。在这种情况下，旁瓣电平可以降低到–15dB以下，这在图案的BCF方面更容易接受。
图3示出了通过叠加巴特勒矩阵波束成形网络产生的NxN个正交波束而形成的复合波束的波束图案。仅显示了有限数量的波束，这些波束落在感兴趣的角度范围内。图3的波束可以通过叠加图2的波束对来实现。例如，图2中最左边的两个波束6R和5R可以叠加，以形成图3中最左边的波束6R-5R。复合波束以诸如1R-1L至6L-5L的形式标记，以指示每个复合波束由图2的波束的什么组合形成。复合波束可以通过使用RF组合电路组合具有适当幅度和相位的多个波束输出来形成。在图3中，复合波束SLL可以小于–15dB，相关系数可以小于0.3，其中，交叉小于2dB。
然而，这种复合波束仅与相隔一个以上波束空间的波束正交。因此，在本发明的实施方式中，可以被称为阵列A和阵列B的两个单独的和/或独立的相控阵可以用于覆盖方位角方向上的整个波束空间，其中，每个阵列产生交替波束的波束图案(如图11中所示)。也就是说，阵列A可以产生第一间隔开的波束组，而阵列B可以产生与第一间隔开的波束组交错的第二间隔开的波束组。阵列A可以对应于第一天线阵列和第一波束成形器阵列，并且阵列B可以对应于第二天线阵列和第二波束成形器阵列。
图4是示出根据实施方式的第一正交复合波束空间相控阵(这里称为阵列A)的波束图案的曲线图。复合波束与图3的相应波束相同，然而仅显示了由阵列A实际形成的波束。
图5是示出根据实施方式的第二正交复合波束空间相控阵(这里称为阵列B)的波束图案的曲线图。复合波束与图3的相应波束相同，然而仅显示了由阵列B实际形成的波束。
阵列A和阵列B一起可以形成完整的16x16正交波束空间图案集合，在方位角方向上具有低BCF。与传统的大规模MIMO阵列不同，根据实施方式的阵列的每个发送/接收(Tx/Rx)端口处的输出由于高增益波束图案可以具有明显更高的信号强度。因此，阵列可以处理显著更大的范围，因为来自波束端口的每个导频信号在单独的波束端口处可以具有更好的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。
图6a示出了用于相控阵A的实施方式的8x16正交模拟波束成形器网络。沿着底部有8个波束端口，标记为从1L到8R。沿着顶部有两个均由15个天线组成的子集，标记为A2到B16(在该实现方式中，A1和B1不是必要的)。天线振子A2至A16可以对应于天线阵列的第一行中的振子，并且天线振子B2至B16可以对应于同一天线阵列的第二行中的振子，第二行通常与第一行相邻。框(例如，610)表示混合耦合器，而圆(例如，615)表示移相器。“Y”结(例如，620)可以是功率分配器。以的倍数给出各种相移，可以约为-–11.25°。图6b给出了相移α2至α16和β2至β16。
图7a示出了用于相控阵B的实施方式的8x16正交模拟波束成形器网络。结构和相移类似于图6a。图7b给出了相移α2至α16和β2至β16。
图6a和图7a的波束成形器网络(伴随着相移，如图6b和7b中所示)用7dB幅度锥度实现，尽管这在其他实施方式中可以改变。与传统的巴特勒波束成形器网络(或使用一行混合耦合在一起的一对巴特勒波束成形器网络)相比，图6a和图7a的波束成形器网络(伴随着相移，如图6b和7b中所示)被简化。例如，图6a和图7a的波束成形器网络中的每个波束成形器网络各自需要12个混合耦合器(总共24个)，而16波束巴特勒波束成形器网络总共需要交错4x8＝32个混合耦合器。因此，减少了至少8个混合耦合器。减少复杂度和部件数量也相应地减少了损失。此外，使用图6a和图7a的两个波束成形器网络来产生波束的交错图案(例如，在方位角方向上)，导致波束正交并且由于低旁瓣而具有低相关性。使用传统的巴特勒波束成形器网络并不容易实现这种情况。
图6a和图7a的波束成形器网络可以用作给定波束成形器阵列中的波束成形器网络。每个波束成形器网络耦合到两行不同的、通常相邻的天线。在这种情况下，天线的振子间间隔小于或等于工作波长的一半。波束成形器网络可以包括混合或与混合一起使用，以产生双扇区波束(例如，在仰角方向上的前向波束和后向波束)，类似于图1a中的那些。图6a和图7a的波束成形器网络可以与振子间间隔小于或等于工作波长的一半的天线阵列一起使用。
例如，图6a或图7a的两个相邻的波束成形器网络可以连接到一行混合耦合器，类似于图1a的设置。在这种情况下，要求阵元间隔小于或等于工作波长的四分之一。因此，相邻波束成形器网络之间的有效间隔保持小于或等于半波长。因此，在一些实施方式中，双扇区阵列波束成形仅需要N/4个混合。注意，在一些实施方式中，仅需要N/2个方位波束成形器。
因此，在一些实施方式中，例如，如图1a中所示，一对天线振子行中的每个天线振子连接到两个相应的波束成形器网络中的不同的波束成形器网络，并且两个波束成形器网络使用一行混合耦合器互连。在其他实施方式中，例如，如图6a和图7a中所示，一对天线振子行中的每个天线振子连接到单个互连的波束成形器网络，该网络用于操作两行天线振子。在这两种情况下，两行天线振子协同控制，用于波束成形。耦合到一对互连波束成形器网络或单个互连波束成形器网络的两个不同的天线振子集合可以是不同的两行天线振子。这些行可以是相同对应的天线阵列的行。这些行可以在一个方向(例如，方位角方向)上彼此平行延伸，并在另一方向(例如，仰角方向)上间隔开。
可以如下描述如图1a、图6a和图7a中所示的所有实施方式。每个波束成形器阵列包括平行设置的多个波束成形器网络。在图1a的情况下，每个波束成形器网络耦合到单行天线振子，并且波束成形器网络对使用混合耦合器行连接在一起。在图6a和图7a的情况下，每个波束成形器网络耦合到一对天线振子行。在每种情况下，波束成形器阵列被配置成提供波束端口集合。波束端口中的每个波束端口通过波束成形器网络中的一个波束成形器网络或通过耦合的一对波束成形器网络可操作地耦合到天线振子的一对相邻行。在图1a的情况下，波束端口是背对天线阵列的混合耦合器的端口。在图6a和图7a的情况下，波束端口直接集成到波束成形器网络中。
更详细地，在图1a的情况下，波束成形器网络中的每个波束成形器网络耦合到不同的相应一行天线振子，并且每个波束成形器阵列包括一行或更多行混合耦合器。每行混合耦合器连接至波束成形器网络的相应一对波束成形器网络，并且如上所述，阵列的标称波束端口是混合耦合器的端口。在进一步实施方式中，不同的混合耦合器操作波束组中的不同波束中的波束，并且每个混合耦合器包括一对端口。如本文其他地方所描述的，这对端口中的每一个端口操作波束组中的同一波束组中的不同双扇区波束。
更详细地，在图6a和图7a的情况下，波束成形器网络中的每个波束成形器网络耦合到天线振子的不同的相应一对相邻行。每个波束成形器网络包括波束端口集合的子集，其中，子集中的波束端口的数量小于所述一对相邻行中的天线振子的数量。例如，在图6a和图7a中，最多有8个波束端口(例如，1L，2L，……8R)，而有30(或32)个天线振子。事实上，波束端口的数量小于单行中天线振子的数量(例如，大约一半)。
更详细地，在图6a和图7a的情况下，波束成形器网络中的每个波束成形器网络的特征如下。波束成形器网络中的每个波束成形器网络包括以串并联配置设置的多个混合耦合器。在所示的示例中，具有三行，每行有四个混合，在混合行之间有移相器。波束成形器网络中的每个波束成形器网络包括多个功率分配器，每个功率分配器耦合到一对天线振子，包括来自每对行的一个天线振子。也就是说，每个功率分配器耦合到一对天线振子，每行一个天线振子。最上面的一行混合耦合器通过功率分配器连接到天线振子。波束成形器网络还包括多个移相器。移相器中的至少一些移相器设置在功率分配器与天线振子之间。移相器具有不同的相位设置。可以有多个级联的功率分配器集合，并且在混合耦合器与功率分配器之间以及不同级联的功率分配器组之间可以存在耦合的移相器。
在实施方式中，例如，对应于实现图6a至图7b的波束成形网络，16个正交的低BCF波束中的12个波束可以通过阵列A和阵列B的组合操作产生。这可以提供高达±40度的方位角覆盖。波束可以产生低旁瓣(小于-–15dB)，其中，低波束以>10dB交叉。这可以导致每个相控阵组的BCF显著较低。在这样的波束成形网络(beamforming network，BFN)中，两个阵列总共仅需要24个混合，而对于传统的16x16 BFN，每个阵列需要32个混合。此外，由于阵列具有有效的幅度锥度，因此仅需要15个辐射单元，而不是通常的16个辐射单元。
图8a是示出根据实施方式的组合了相控阵A和相控阵B(A+B)的相控阵的16个正交低BCF波束中的12个波束的曲线图，其中，这12个波束沿着方位(Az)轴覆盖高达±40度。实线表示相控阵A的波束，例如，波束R2能够在图6a的端口2R等处访问。虚线表示相控阵B的波束，例如，波束R1能够在图7a的端口1R等处访问。
在实施方式中，阵列A和阵列B中的每个阵列可以在波束成形网络(beam formingnetwork，BFN)的最后阶段需要具有不同相位分布的两行相同阵列。这在图6a和图7a中都示出。由于有效幅度和相位锥度(例如，如图8b和图8c所示)，这种阵列架构可以产生具有低旁瓣的正交波束。
图8b是示出根据实施方式的8x16波束成形网络的有效激励幅度和相位锥度的表格，其中，波束被标记为L1-L6，并对应于图8a中的波束。针对各种波束显示了各种天线组合的幅度和相位(如图6a和图7a所示)。
图8c是示出根据实施方式的8x16波束成形网络的有效激励幅度和相位锥度的表格，其中，波束被标记为R1-R6，并对应于图8a中的其他波束。针对各种波束显示了各种天线组合的幅度和相位(如图6a和图7a所示)。
在描述了模拟波束成形阵列和天线阵列的各个方面之后，下面将描述根据本发明的实施方式的有源(例如数字)波束成形和信道状态信息估计技术。
在实施方式中，模拟(例如，8x16)BFN可以有效地将方位角覆盖空间分割成具有高增益波束组的多个正交波束空间。这些波束的方向可以是固定的，并且可以选择这些方向与安装该装置的卫星的飞行方向正交。因此，可以在方位角方向上基于波束位置分配目标设备。然而，可以使用数字波束成形技术沿着飞行路径跟踪每个波束的目标设备。
大规模MIMO系统中的信道估计可以通过使用可用信道状态信息(channel stateinformation，CSI)估计信道传递函数来实现。然而，由于传播延迟较长(例如，在目标设备与卫星之间)，通常可以是几毫秒，而且由于卫星和目标设备的移动率高，在卫星系统的发送器侧获得瞬时CSI是不可行的。在实施方式中，通过使用信号的到达方向(direction-of-arrival，DOA)，可以基于参数信道模型进行信道估计。通过大多数情况下可以假设的视距传输，一旦确定了入射信号的DOA，就可以近似计算2D相控阵中辐射器的相对激励相位。在实施方式中，这种方法可以是基于对相控阵的响应矢量的确定。在实施方式中，可以基于通用阵列配置为2D大规模MIMO导出简单的线性预编码处理。
图9示出了根据实施方式的2D大规模MIMO相控阵的通用坐标系。示出了X-Y-Z坐标系，其中，X轴可以例如在天线阵列的方位角方向上延伸，并且Y轴可以例如在天线阵列的仰角方向上延伸。二维天线阵列设置在X-Y平面中，参考天线指向角在(Uo，Vo)方向上显示，并且目标设备i的方向910在投影到X-Y平面上时显示为具有(Ui，Vi)的分量。角度θi和Φi参考使用球面坐标的目标设备i的方向910。
对于视距(line-of-sight，LOS)传输，卫星的2D相控阵天线从地面上的P个目标设备接收的信号可以表示为：
其中：
βi(t)是目标设备i的信道增益，
F(θi,Φi,t)是卫星相控阵的时间阵因子，
R(t-τi)是来自目标设备i的具有延迟τi的传输信号，以及
N(t)是噪声，例如，加性高斯白(additive white Gaussian，AWGN)噪声。
对应于Y(t)的频率响应为：
其中：
βi是复信道增益，
F(θi,Φi)是复2D阵因子，
是具有相位延迟的发送信号，以及
W是AWGN噪声。
根据图9，均匀2D相控阵的阵因子的通用形式可以表示为：
其中：
x和y是2D阵列轴，
k0是传播常数，
m是阵元的数量，
dx和dy是振子在x和y方向上的间隔，
u和v是扫描轴，
(u0,v0)是参考天线的指向角，以及
(ui,vi)是目标设备i的位置，由以下等式给出：
ui＝Cos(Φi)Sin(θi)
vi＝Sin(Φi)Sin(θi)
通过在u扫描轴方向上执行模拟波束成形，可以获得具有以下通用(1/x)sin(x)波束图案(u方向上的波束空间)的正交波束集合：
模拟
上述等式可以表示u方向上的N个正交波束的集合，其中，每个波束的值仅取决于目标设备i的位置和波束数量m。因此，由2D相控阵接收的信号可以表示为：
由于u扫描轴方向上的N个波束是正交的，并且具有低波束耦合，因此这些波束可以被视为空间上分离的扇区。因此，总接收信号可以在每个波束空间m中单独处理：
在卫星以恒定高速νsat移动并且终端以相对较慢的速度移动的实施方式中，多普勒偏移可以作为相移因子包括在公式中，其中，多普勒弧度角被定义为：
然后，接收到的每个波束信号变为：
波束控制矢量可以被定义为：
在此处，{A·S(t)}n是n维线性预编码器，该预编码器可以很容易地使用包括以下各种处理方法中的一个来执行：数字傅里叶变换(digital Fourier transform，DFT)、多信号分类(multiple signal classification，MUSIC)和借助旋转不变技术估计信号参数(estimation signal parameter via a rotational invariant technique，ESPRIT)。因此，对于每个目标设备i，复杂的大规模MIMO处理可以缩减为n维的线性预编码。
根据上述内容，在本文公开的装置中可以提供信道状态估计器。信道状态估计器被配置成估计装置与远程无线通信设备之间的(主要视距)无线通信信道的状态。该估计可以基于由远程无线通信设备发送的信号(例如，导频信号)的到达方向，并且进一步基于第一天线阵列和第二天线阵列的几何形状。可以使用统计信道状态信息和参数信道模型获得该估计。可以如上面关于图9和所公开的等式所描述的那样来执行估计。
信道状态估计可以被描述为使用统计信道状态信息，例如，使用参数模型。在这种方法中，用多个线性处理运算替换二维导频信号处理(如传统二维天线阵列所需的)。处理运算基于计算中(例如，导频)信号的到达方向，该计算是基于阵列的几何形状(如阵因子所表示的)配置的。到达方向是一个方向，例如，仰角方向。这提高了速度并且更加简单。由于导频信号是通过波束而不是在单个天线振子电平处接收的，因此与传统方法相比，导频信号的信号强度显著增加。由于具有大致解耦的多个单独的波束组，因此处理被简化为一维线性处理运算的集合。具体地，使用统计CSI将导频信号处理缩减为N个并行线性预编码运算。
在一些实施方式中，估计无线通信信道状态包括执行多个单独的线性预编码运算，如上所述。
同样根据上述内容，可以提供耦合到一个、两个或更多个波束成形阵列的有源(例如，数字)波束成形器。有源波束成形器可以被配置成使用数字预编码至少部分地通过组合属于多个间隔开的波束组的波束组之一的多个波束来生成一个或更多个跟踪波束，该跟踪波束由一个或更多个天线阵列与一个或更多个波束成形阵列组合产生。有源波束成形器可以使用不同的相位组合给定波束组的波束或交叠波束组集合的波束，以产生可控波束。
由于波束组可以具有窄截面，并且在第一(例如，仰角)方向上被拉长，因此波束控制可以大致是一维的，即，在第一方向上控制。这会简化操作。因此，在各种实施方式中，(波束成形器阵列和天线阵列的)每个波束组由单独的波束组成，这些波束共同具有在第一方向上被拉长的相应组合截面。然后，有源波束成形器的跟踪波束在第一方向上是可控的。
图10描绘了根据实施方式的在三个不同位置显示的卫星1000上的低轨道VHTS大规模MIMO相控阵的概念视图。卫星可以在方位角方向1030上产生多个正交椭圆高增益波束(或波束组)1010a、1010b、1010c、1010d、1010e、1010f、1010g、1010h。这在图11中更详细地示出。波束1010a、1010c、1010e、1010g可以由一个阵列或阵列集合产生，并且波束1010b、1010d、1010f、1010h可以由另一阵列或阵列集合产生。然后，卫星可以在每次通过期间使用大规模MIMO处理跟踪地面上的目标设备。如示例所示，在地球交叉点处的波束(或波束组)截面可以是例如900公里长(对应于仰角方向1020)和24公里宽(对应于方位角方向)。因此，波束或波束组使得该截面明显比其宽度长(例如，在一些实施方式中至少长10倍，在一些进一步实施方式中长30至50倍)。
在一个实施方式中，相控阵可以被设置为具有双面板正交波束空间大规模MIMO。可以使用两个互补阵列面板的集合，即阵列A和阵列B，这两个阵列面板可以产生彼此正交的交替波束。可以提供多个集合，每个集合具有两个这样的互补阵列面板。为了通过大规模MIMO处理实现高数据速率，可以使用总共M对面板。每个阵列面板包括天线阵列，并且可选地包括对应的波束成形阵列。替选地，波束成形阵列可以与面板分离，前提是可以执行波束成形阵列与天线阵列之间的充分耦合。
图11示出了根据实施方式的双面板正交波束空间大规模MIMO相控阵。前面已经提供了对图11的简要解释。然而，这里要注意的是，图11示出了具有底盘1100和第一天线集合和波束成形阵列A1，A2，A3，A4，……Am以及第二天线集合和波束成形阵列B1，B2，B3，B4，……Bm的装置。通常，m可以是大于或等于1或2的任何数字。第一天线集合和波束成形阵列中的每一个被配置成产生间隔开的波束组1120的副本，而第二天线集合和波束成形阵列中的每一个被配置成产生间隔开的波束组1130的副本。值得注意的是，波束组在第一方向上被拉长，并且每个波束组通常包括多个波束。此外，组的多个副本提供了多个交叠波束。与给定组相对应的所有交叠波束可以使用有源波束成形器一起操作，以便产生在第一方向上可控的复合波束。在第二方向上的波束控制可以通过使用不同的波束组来实现。
根据对应于图11的示例性实施方式，每个卫星可以提供多个(例如，16个)椭圆波束组。可以沿着每个椭圆的主轴执行波束控制或跟踪，可以执行大规模MIMO(Massive-MIMO，M-MIMO)操作，也可以执行这两者。这样的配置可能会提高切换复杂度。在各种实施方式中，可以通过波束成形为每个卫星提供8至16个平行椭圆波束或波束组。对于HPBW＝2度，每个波束可以提供50个端口(800/卫星)。每个卫星的M个阵列面板可以用于M-MIMO或跟踪处理，以实现HPBW<1度(沿轨道)的有效波束。这可以包括超宽带有源相控阵，具有超过5GHz的带宽、双极化和>±45的宽扫描角。对于高达45°的扫描角，可以提供具有良好的有源阻抗的振子间隔<λ/2的相控阵。
低轨道卫星通常可以沿着恒定的路径以相对较高的速度移动，距离地面几百到一千公里。对于地面上的用户(目标设备)来说，低轨道卫星仅出现在视野中较短的一段时间(几分钟)，并且可以沿着可预测的线性方向以恒定的速度移动。因此，在地面上的目标设备移动时，需要卫星波束来跟踪该设备。这需要在仰角方向上具有广角波束控制能力。由于卫星的视角预计约为±40°，所以阵列波束应能够控制超过±45°的角度。为了在仰角中使用大规模MIMO预编码实现这一目标，需要每个单独的方位波束输出具有±45°的覆盖角，并产生具有足够强度的导频信号，以实现大规模MIMO处理的最小SNR。然后，在给定方位角下的每个正交波束的输出可以被组合，以形成典型的可控相控阵波束。然而，由于仰角(±45°)中的波束角很宽，这无法在每个方位波束成形器上产生足够的信号强度。
为了提高导频信号的信号强度，并形成两个高增益正交可控的仰角波束，本发明的实施方式在每个正交方位波束的输出处使用90°混合耦合器(也称为混合)。图1a显示了包括90°混合的实施方式。每个90°混合可以有效地将单个振子的辐射模式分割成两个扇区：前辐射扇区和后辐射扇区。
图12是示出前辐射图案和后辐射图案的曲线图，该曲线图由90°混合产生，该混合有效地将单个振子的辐射图案分割成双扇区正交波束。前辐射波束图案1210和后辐射波束图案1220彼此正交，并且在阵列间隔正好是一个半波长的工作频率下，这两种波束图案可以以大约或正好30°的预倾角能够进行控制。这两种波束图案可以具有适当的(例如，正好)半功率波束宽度(half-power beam width，HPBW)，以使波束控制能够使用0°至45°的阵列处理，辐射效率最低为85％。由于每个波束的覆盖角可以减小到一半，所以每个可控波束的总增益可以增加2倍(3dB)。
图13是示出在仰角平面中除了接近0°仰角的角度的±45°范围内的双扇区正交可控波束的阵列输出图案的曲线图。波束是双扇区的，因为后向波束(标记为NDIR)和前向波束(标记为PDIR)是成角度分开的。
因此，当使用双扇区前向波束和后向波束时，每个波束可以单独使用(或分别与其他前向波束或后向波束一起使用)，以朝向给定区域的前部或后部(例如，朝向图11的椭圆的一端)执行波束控制。前向波束和后向波束可以被组合，以朝向给定区域的中心部分(例如，朝向图11的椭圆的中心)执行波束控制。
图14是示出根据实施方式的接近0°仰角的两个双扇区可控波束的组合图案的曲线图，其中，低轨道卫星在350km的高度以30GHz运行。在低仰角(小于一个HPBW)下，两个波束可以交叠。因此，由于高耦合，每个波束的辐射效率可以降低。虽然这两个波束可以具有接近0°仰角的高波束耦合，但这两个波束可以被单独激励，而不会有耦合损失，因为这两个波束保持正交。组合两个波束可以使得每个单独波束中的效率损失基本上完全恢复。
在实施方式中，m-MIMO性能可以通过使用两个320平方毫米的阵列面板的导频信号来实现。
图15a是示出使用2个320平方毫米的阵列面板的导频信号的m-MIMO性能数据的表格。
然后，使用具有显著更宽带宽和更多阵列面板的m-MIMO处理，性能可以显著提高。
图15b是示出使用2个320平方毫米的阵列面板的导频信号的实际m-MIMO性能数据的表格，其中，m-MIMO处理具有更宽的带宽和更多数量的阵列面板，例如，五对面板。
鉴于上述情况，提供了一种可以适于在卫星系统中使用的远距离无线通信装置。例如，该装置可以用于例如使用Ku/Ka/V/Q波段传输为直接手机卫星链路提供基于VLEO卫星的大规模MIMO阵列。对于高度为350km的极低高度卫星星座，可以采用本发明的实施方式来提供手持设备与使用波束空间大规模MIMO的卫星(例如，BER＝1e-–05)之间的直接链路。
在各种实施方式中，可以使用来自目标设备的导频信号，这些导频信号使用低调制码，例如，BPSK/QPSK，而数据通信可以利用高阶调制。本文已经基于用于快速线性预编码的DOA开发了一种参数信道估计方法。
本发明的实施方式提供了一种多波束M-MIMO装置，该装置可能降低天线和波束成形阵列的复杂度，并且可能在提高整体性能方面提供灵活性。
本发明的实施方式可能用于提供超过30Gbps/卫星/波束的总吞吐量、使用尺寸约为1.6x0.64 m和可用频谱带宽为5GHz、发送功率为200mW/面板的大规模MIMO相控阵的通信系统中。
在某些情况下，与传统的点波束m-MIMO相控阵不同，本发明的实施方式使用参数信道估计进行快速信号处理。本文公开了一种基于用户DOA进行参数信道估计的线性预编码的方便方法。这种信道估计方法适用于TDD和FDD传输。
在某些情况下，与传统的大规模MIMO系统相比，本发明的实施方式提供了显著改进的导频信号强度，该强度提高了服务质量并实现了更长的服务距离。导频是在每个波束的基础上而不是每个天线振子上进行监控的。
在与低轨道卫星应用相关的一些实施方式中，如果阵列的波束控制方向(例如，仰角方向)被设置为与卫星的轨道方向相同，则一旦选择了适当的方位波束，给定用户的波束跟踪就被缩减为简单的线性一维预编码处理。与完整的二维点波束相控阵相比，这具有明显更简单、更高的节能多用户操作。
本发明的实施方式易于扩展。通过添加更多的阵列面板，可以增加系统的容量，而不会显著增加复杂度和处理时间。添加面板增加了至少在一个(例如，仰角)方向上使用有源波束成形器和M-MIMO处理进行波束成形可用的自由度。这可以促进更窄的波束宽度、更高的增益或二者，其中，波束宽度与使用的面板数量成比例地减少。在一个实施方式中，HPBW在组的拉长方向(例如，仰角方向)上可以是大约0.2°。
虽然本发明将波束描述为正在产生，但应当注意，波束可以通过天线互易性原理被实现为用于发送、接收或这两者。
尽管已经参考本发明的特定特征和实施方式描述了本发明，但是明显在不脱离本发明的情况下可以制定本发明的各种修改和组合。因此，说明书和附图仅被视为所附权利要求书限定的对本发明的说明，并且预期覆盖在本发明的范围内的任何和所有修改、变化、组合或等同物。

Claims (18)

1.一种无线通信装置，包括：
第一二维天线阵列，所述第一二维天线阵列包括多个天线振子；
第二二维天线阵列，所述第二天线阵列包括多个附加天线振子，并且与所述第一天线阵列分开；
第一波束成形器阵列，所述第一波束成形器阵列可操作地耦合到所述第一天线阵列，并且被配置成通过将所述第一天线阵列作为相控阵操作来产生第一多个波束，所述第一多个波束被分成多个间隔开的波束组；以及
第二波束成形器阵列，所述第二波束成形器阵列可操作地耦合到所述第二天线阵列，并且被配置成通过将所述第二天线阵列作为第二相控阵操作来产生第二多个波束，所述第二多个波束被分成多个附加的间隔开的波束组，所述多个附加的间隔开的波束组与所述多个间隔开的波束组交错，
其中，每个波束组包括相应的多个交叠波束；并且
其中，每个波束成形器阵列包括平行设置的多个波束成形器网络，并且其中，所述波束成形器阵列被配置成提供波束端口集合，所述波束端口中的每个波束端口通过所述波束成形器网络中的一个波束成形器网络或通过耦合的一对波束成形器网络可操作地耦合到所述天线振子的一对相邻行。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波束成形器网络中的每个波束成形器网络耦合到不同的相应一行天线振子，并且每个波束成形器阵列还包括一行或更多行混合耦合器，每行混合耦合器连接至所述多个波束成形器网络中的相应一对波束成形器网络，并且其中，所述波束端口是所述混合耦合器的端口。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，不同的混合耦合器操作所述波束组中的不同的波束组中的波束，并且其中，每个混合耦合器包括一对端口，所述一对端口中的每个端口操作所述波束组中的同一波束组中的不同双扇区波束。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述波束成形器网络中的每个波束成形器网络耦合到所述天线振子的不同的相应一对相邻行，并且包括所述波束端口集合的子集，所述子集中的波束端口的数量小于所述一对相邻行中的天线振子的数量。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述波束成形器网络中的每个波束成形器网络包括：以串并联配置设置的多个混合耦合器；多个功率分配器，每个功率分配器耦合到一对天线振子，所述一对天线振子包括所述一对相邻行中的每一行中的一个天线振子；以及多个移相器，所述移相器中的至少一些移相器设置在所述功率分配器与所述天线振子之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述多个天线振子和所述多个附加振子分别以小于或等于工作波长的一半的振子间间隔设置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，每个波束组由单独的波束组成，所述单独的波束共同具有在第一方向上被拉长的相应组合截面，并且其中，所述不同的波束组在垂直于所述第一方向的第二方向上彼此并排对齐。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述装置携带在相对于地球移动的卫星上，并且其中，所述第一方向被定向成使得每个相应的组合截面是平行于所述卫星的行进方向被拉长的地球表面的一部分。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中，每个波束组是包括一个、两个或更多个前向波束的双扇区波束组，所述前向波束共同提供所述组合截面的第一部分，所述第一部分朝向所述组合截面的第一端，并且其中，每个波束组还包括一个、两个或更多个后向波束，所述后向波束共同提供所述组合截面的第二部分，所述第二部分朝向所述组合截面的第二端，所述第一端和所述第二端沿着所述第一方向彼此相对，所述第一部分和所述第二部分交叠或非交叠。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述前向波束与所述后向波束正交，并且其中，所述前向波束相对于所述后向波束以不同的角度定向。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，还包括可操作地耦合到所述第一波束成形器阵列的有源波束成形器，所述有源波束成形器被配置成使用数字预编码至少部分地通过组合属于所述多个间隔开的波束组的波束组之一的多个波束来生成一个或更多个跟踪波束。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，每个波束组由单独的波束组成，所述单独的波束共同具有在第一方向上被拉长的相应组合截面，并且其中，所述有源波束成形器被配置成在所述第一方向上控制所述跟踪波束。
13.根据权利要求11或12所述的装置，还包括：
一个或更多个附加天线阵列和一个或更多个附加波束成形器阵列，每个附加波束成形器阵列可操作地耦合到所述附加天线阵列中的相应一个附加天线阵列，其中，所述附加波束成形器阵列中的每个附加波束成形器阵列被配置成通过将所述附加天线阵列中的所述相应一个附加天线阵列作为其他相控阵操作，来产生所述第一多个波束的附加副本，所述附加副本中的每个附加副本与所述第一多个波束交叠，
其中，所述有源波束成形器还可操作地耦合到所述附加波束成形器阵列中的每个附加波束成形器阵列，并且其中，所述有源波束成形器被配置成通过将所述多个波束与属于所述第一多个波束的所述附加副本的一个或更多个附加波束组合，进一步生成所述一个或更多个跟踪波束。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其中，每个波束组由单独的波束组成，所述单独的波束共同具有在第一方向上被拉长的相应组合截面，其中，所述不同的波束组在垂直于所述第一方向的第二方向上彼此并排对齐，并且其中，所述天线振子行在所述第二方向上彼此平行延伸，并在所述第一方向上彼此间隔开。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，还包括信道状态估计器，所述信道状态估计器被配置成：使用统计信道状态信息和参数信道模型，基于远程无线通信设备发送的信号的到达方向并进一步基于所述第一天线阵列和所述第二天线阵列的几何形状，估计所述装置与所述远程无线通信设备之间的主要视距无线通信信道状态。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述波束组彼此正交，并且其中，估计所述无线通信信道状态包括执行多个单独的线性预编码运算。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的装置，其中，所述第一波束成形器阵列和所述第二波束成形器阵列为固定模拟波束成形器阵列。
18.一种用于无线通信的方法，包括：
操作第一二维天线阵列，所述第一二维天线阵列包括以小于或等于工作波长的一半的振子间间隔设置的多个天线振子；
操作第二二维天线阵列，所述第二天线阵列包括以小于或等于工作波长的一半的振子间间隔设置的多个附加天线振子，并与所述第一天线阵列分开；
操作第一波束成形器阵列，所述第一波束成形器阵列可操作地耦合到所述第一天线阵列，并且被配置成通过将所述第一天线阵列作为相控阵操作来产生第一多个波束，所述第一多个波束被分成多个间隔开的波束组；以及
操作第二波束成形器阵列，所述第二波束成形器阵列可操作地耦合到所述第二天线阵列，并且被配置成通过将所述第二天线阵列作为第二相控阵操作来产生第二多个波束，所述第二多个波束被分成多个附加的间隔开的波束组，所述多个附加的间隔开的波束组与所述多个间隔开的波束组交错，
其中，每个波束组包括相应的多个交叠波束；并且
其中，每个波束成形器阵列包括平行设置的多个波束成形器网络，并且其中，所述波束成形器阵列被配置成提供波束端口集合，所述波束端口中的每个波束端口通过所述波束成形器网络中的一个波束成形器网络或通过耦合的一对所述波束成形器网络可操作地耦合到所述天线振子的一对相邻行。
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