TWI526029B - 通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法和系統 - Google Patents

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Description

通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法和系統
本發明涉及無線通訊。更具體地說，本發明涉及通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法及系統。
現有的無線用戶站使用射頻(RF)發射機來產生發射到基站(BS)的輸出信號。在移動無線網路中，一個站可以是移動站(MS)，而另一個站可以是基站(BS)。當MS在整個無線網路的覆蓋區域移動時，MS和BS之間的路徑損耗因一些因素，包括站之間的距離的變化以及環境中物體的存在，而產生變化，該環境中物體的存在會阻礙或減弱信號從一個站傳輸到另一個站。
在MS的一個關鍵部件是用於發射信號到基站的功率放大器。功率放大器通常具有最大輸出功率定額。以基站實現可靠的通訊的一種方法是，確保功率放大器具有足夠的功率來克服在無線媒介中存在的衰減和路徑損耗。
然而，給MS配備任意高功率的放大器不是一般可行的，有幾個原因：(I)由設備消耗的總功率限制；(Ⅱ)高功率的放大器可能遭受過熱；(Ⅲ)高功率的放大器可能很昂貴；(Ⅳ)高功率的放大器可能太大而不適合匹配小型移動終端的尺寸限制；(V)高功率的放大器可能超過安全保護設計的特定吸收率限制。
比較本發明後續將要結合附圖介紹的系統，現有和傳統技術的其它局限性和弊端對於本領域的普通技術人員來說是顯而易見的。
本發明提供了一種通過多埠網路波束成型寬頻信號的系統和/或方法，結合至少一幅附圖進行了詳細描述，並在申請專利範圍中得到了更完整的闡述。
根據一個方面，提供一種通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法，所述通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法包括：檢測每一個通過多條天線接收的多個信號的相位，生成多個發射信號，其中根據至少一個所述接收信號的檢測相位來確定至少一個所述多個發射信號的相位；分別放大每一個所述生成的多個發射信號，以生成多個放大信號；及將多個放大信號輸入到多埠網路的多個第一埠，其中，根據輸入到至少兩個所述多個第一埠的信號來確定所述多埠網路的至少一個第二埠。
較佳地，所述發射信號與一個或多個空間流相對應。
較佳地，所述通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法進一步包括：利用不同的權重對每一個與所述發射信號相對應的一個或多個空間流進行加權。
較佳地，所述接收信號通過所述多埠網路。
較佳地，所述通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法進一步包括：根據在一個或多個同軸開關的信號來檢測多個信號中每一個的相位。
較佳地，至少一個所述多個放大信號在被輸入到所述多埠網路之前，通過至少一個同軸開關。
較佳地，在一條或所述多條天線和一個或多個相應的路徑中的一個或多個相應的發射/接收(T/R)開關之間放置 一個或多個定向耦合器。
較佳地，所述通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法進一步包括根據來自所述一個或多個定向耦合器的相應的信號，來對所述多個放大信號的每一個的相位和/或振幅進行測量。
較佳地，所述通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法進一步包括：利用一個或多個校準信號對所述接收信號的振幅和/或相位進行測量，所述校準信號應用於所述多個定向耦合器中的一個或多個。
較佳地，所述多埠網路是正交混合器。
根據一個方面，提供一種通過多埠網路波束成型寬頻信號的系統，所述通過多埠網路波束成型寬頻信號的系統包括：一個或多個電路，其應用在通訊設備中，所述一個或多個電路用於：檢測每一個通過多條天線接收的多個信號的相位，生成多個發射信號，其中根據至少一個所述接收信號的檢測相位來確定至少一個所述多個發射信號的相位；分別放大每一個所述生成的多個發射信號，以生成多個放大信號；及將多個放大信號輸入到多埠網路的多個第一埠，其中，根據輸入到至少兩個所述多個第一埠的信號來確定所述多埠網路的至少一個第二埠。
較佳地，所述發射信號與一個或多個空間流相對應。
較佳地，所述一個或多個電路用於利用不同的權重對每一個與所述發射信號相對應的一個或多個空間流進行加 權。
較佳地，所述接收信號通過所述多埠網路。
較佳地，所述一個或多個電路包括一個或多個同軸開關；及所述一個或多個電路用於根據在一個或多個同軸開關的信號來檢測多個信號中每一個的相位。
較佳地，所述一個或多個電路包括一個或多個同軸開關；及所述多個放大信號的至少一個在輸入所述多埠網路之前，通過所述一個或多個同軸開關。
較佳地，所述一個或多個電路包括一個或多個定向耦合器和一個或多個相應的發射/接收(T/R)開關；及在一條或所述多條天線和一個或多個相應的路徑中的一個或多個相應的發射/接收(T/R)開關之間放置一個或多個所述定向耦合器。
較佳地，所述一個或多個電路用於根據來自所述一個或多個定向耦合器的相應的信號，來對每一個所述多個放大信號的相位和/或振幅進行測量。
較佳地，所述一個或多個電路用於利用一個或多個校準信號對所述接收信號的振幅和/或相位進行測量，所述校準信號應用於所述多個定向耦合器中的一個或多個。
較佳地，所述多埠網路是正交混合器。
本發明的各種優點、各個方面和創新特徵，以及其中所示例的實施例的細節，將在以下的說明書和附圖中進行詳細介紹。
在時分雙工系統中，上行鏈路和下行鏈路無線通道是相互的；兩條或更多條天線的發射可以利用這個相互性， 使得在基站連貫地組合發射信號。此外，無線通道常常在MS接收天線中出現重大失衡。為了更有效地利用兩者的功率放大器的可實現的發射功率，使用多埠網路來提供增益，即使在無線通道存在強烈失衡的情況下。
本發明的實施例包括通過多條天線發射信號的方法。 該方法包括從發射信號中生成至少一個動態可調相移信號(dynamically adjustable phase shifted signal)。分別放大發射信號和至少一個動態可調相移信號。使用多埠網路，組合放大的發射信號和放大的至少一個動態可調相移信號和/或幅移信號。多埠網路生成在一條或多條天線的輸出信號。還包括幅度縮放。它也可有益於縮放幅度。
本發明的另一個實施例包括發射器。該發射器包括用於從發射信號中生成至少一個動態可調相移信號的裝置。 第一放大器放大發射信號，而第二放大器放大至少一個動態可調相移信號。多埠網路組合放大的發射信號和放大的至少一個動態可調相移信號，以及為多條天線中的每一條生成輸出信號。
通過下面詳細的描述，本發明所描述的實施例的其他方面和優勢將是顯而易見的，並結合附圖，以舉例的方式說明本發明所描述的實施例的原理。
圖1示出了根據本發明實施例的示範性無線通訊系統。參考圖1，通訊系統可以包括BS 110和用戶站收發器120，其中多徑傳播通道H1、H2，是在每個BS天線112和每個用戶站天線122、124之間形成的。在本發明的各個實施例中，BS 110可以包括多徑天線，而用戶站收發器120可以包括超過兩條天線。
無線通訊信號從BS 110傳輸到用戶站收發器120，可以稱為“下行鏈路傳輸”；無線通訊信號從用戶站收發器120傳輸到BS 110，可以稱為“上行鏈路傳輸”。傳輸可以包含於框內，該框包括下行鏈路子框和上行鏈路子框。
除了資料音訊(data tones)以外，BS發射導頻信號，該導頻信號允許使用者站(SS)估計到達它的每一條接收天線的無線通道。導頻通常支援下行鏈路子框的頻率和時間。一些無線系統使用作為下行鏈路傳輸的一部分的前導序列(preamble)，例如，WiMAX 802.16e系統。在WiMAX系統中，前導序列，發生在每個下行鏈路子框的開始，使用發生在多載波信號的頻譜中的每個第三音訊(tone)的導頻音(pilot tones)。此外，與攜帶子載波的資料相比，前導序列中的導頻以更高的功率譜密度進行傳輸和包含為接收器(用戶站)所熟知的調製。用戶站可以使用這些導頻來準確估計下行鏈路無線通道。在3GPP長期演進(LTE)系統中，下行鏈路信號包含被稱為社區專用參考信號的導頻，該社區專用參考信號可以類似地用於估計下行鏈路無線通道。此外，在LTE系統中，使用者可以估計BS和MS之間的多輸入多輸出(MIMO)無線通道。
圖2是根據本發明實施例的示範性無線使用者收發器的部分的框圖。參考圖2，示例用戶收發器200包括Tx信號處理模組202、功率放大器212和214、低雜訊放大器242和244、開關元件222和224，以及天線232和234。雖然圖2描述了示例性情況，該示例性情況中有兩條發射天線，以及，相應地，兩個功率放大器、低雜訊放大器和信號Tx1(t)和Tx2(t)，但並不限制本發明。本發明的各方面可以擴展 到許多天線。
Tx信號處理模組202可以包括合適的邏輯、電路、介面，和/或代碼，用於從信號m(t)中生成多個信號Tx1(t)和Tx2(t)，在收發器的運行過程中，每一個信號Tx1(t)和Tx2(t)的相位和振幅是可以動態可調的。相位和振幅調節的量可以在運行過程中，基於，例如，即時、或接近即時、信號特徵的測量，來動態確定。另外或替代性地，相位和振幅的值的調節可以基於任何其他合適的資訊，例如，預設值表。Tx信號處理模組202，可以運行於資料欄、模擬域，或兩者兼而有之。
功率放大器212和214可以包括合適的邏輯、電路、介面，和/或代碼，用於分別放大信號Tx1(t)和Tx2(t)。每一個功率放大器212和214的增益可以在無線收發器的運行過程中，通過，例如，一個或多個來自Tx信號處理模組202的控制信號，來進行動態調節。
低雜訊放大器242和244可以包括合適的邏輯、電路、介面，和/或代碼，用於分別放大從天線232和234接收的信號，以生成信號Rx1(t)和Rx2(t)。每一個低雜訊放大器242和244的增益可以在無線收發器的運行過程中，通過，例如，一個或多個來自Tx信號處理模組202的控制信號，來進行動態調節。
在運行中，可以將調製的信號m(t)輸入到Tx信號處理模組202。Tx信號處理模組202可以從信號m(t)生成類比信號Tx1(t)和Tx2(t)。Tx信號處理模組202可以動態調節每一個信號Tx1(t)和Tx2(t)的相位和振幅。信號Tx1(t)和Tx2(t)可以通過功率放大器212和214進行放大，並分別通過開 關元件222和224而應用於天線232和234。在本發明的實施例中，執行信號的調節來實現接收器的天線(例如，圖1中BS 110的BS天線112)的陣列增益，將在下面的段落中進行更詳細的描述。為了說明本發明的目的，我們考慮SS含有兩條天線的情況，但並不局限於此。
用表示從BS到天線232和234的向量 通道。用表示接收時天線232和234的電壓的 向量。類似地用表示發射時天線的電壓的向 量。用和分別表示在天線232和234上，在時間tRx，以頻率為指數的相位向量值。這裡，(．)：→[0,2π) N 表示角運算元(angle operator)，而tRx對應於在接收器進行相位測量時下行鏈路子框的時間間隔(interval)。類似地用和分別表示在天線232和234上，在時間間隔tTx期間，以頻率為指數的相位向量值，該時間是用戶收發器200發射的時間。
在本發明的實施例中，用戶收發器200可以在發射時間間隔tTx期間，控制發射信號的相位關係，要滿足關係：
也就是說，在每個頻率，可以將時間間隔tTx期間埠1和2之間的相位差控制成時間間隔tRx期間在埠1和2之間的相位差的負數(negative)。在本發明的實施例中，可以 通過將調製信號m(t)乘以加權向量w(f,t Rx )，控制發射期間的相位差來生成調節的上行鏈路信號T(t)=w(f,t Rx )m(t)。在本發明的實施例中，Tx信號處理模組202可以利用等式2來確定w(f,t Rx )。
然後分別將調節的上行鏈路信號Tx1(t)和Tx2(t)T2(t)輸入到功率放大器212和214。功率放大器的輸出可以通過開關元件222和224到達天線232和234。天線232和234的輸出可以表示為：
其中k是與振幅縮放相關的實常數，而φ是發射信號(t)和(t)的共同相移。
對於時間和頻率的相同值，上行鏈路和下行鏈路通道是相互的；即，。用表示在時間間隔tTx期間的上行鏈路通道。然後，由於tTx非常接近於接收測量時間tRx，則有非常低的移動性(mobility)，。這些條件通常約束TDD蜂窩網路。為了簡單解釋，忽視明確的時間依賴和相對應的技術條件，在BS接收的得到的上行鏈路信號由以下公式給出：
如果，在BS接收的信號的振幅是從兩條天線中的一條發射的值的兩倍。採用適當的相位，僅僅以雙倍的總發射功率就可以使得由BS接收的功率增加4倍。通過使用兩個相同功率的放大器而得到雙倍的總發射功率。在BS的接收功率的附加兩倍被稱為陣列增益。更普遍的是，陣列增益等於接收通道向量的規範l 1。可實現的增益如圖3所示。
對數正態的陰影和衰減通常引起接收和發射通道中的失衡；強烈的失衡是常見的。在這種情況下，陣列增益減少。在限制的情況下，當一個通道的振幅趨於零時，沒有與來自較弱通道的天線的發射相關的利益。然而，在本發明的另一個實施例中，多埠網路的使用可使能實現陣列增益，即使在一個通道的振幅趨於零這樣的限制情況下。
圖3示出了根據本發明實施例的每條發射天線以恒定功率的相位波束成型的可實現的陣列增益的示例。
圖4示出了根據本發明實施例的通常被稱為90度混合耦合器的多埠網路的示例。對於這個實施例，把埠1和2作為輸入端，而埠3和4作為輸出端。如圖所示，使用含 有電長度和特性阻抗的傳輸線來實現90度混合耦合器 410。這裡，Z0表示特性阻抗，通常為50歐姆；為發射 中心頻率的四分之一波長線。
通常使用二埠網路的S參數矩陣、依照公式 來描述反射波功率和入射波功率之間的關 係，其中，O1和O2為輸入，I1和I2為輸入。相等地， O 1=S 11 I 1+S 12 I 2和O 2=S 21 I 1+S 22 I 2。90度混合耦合器410的傳遞函數可以表示為S參數矩陣。
90度混合耦合器含有額定(nominal)的散射參數，由下面公式給出：
用表示混合的輸入，其中x1表示應用於埠1的信 號，x2表示應用於埠2的信號。類似地，用表示混合 的輸入，其中y1表示在埠3出現的信號，y2表示在埠4出現的信號。運用公式(5)，輸入向量x和輸出向量y之間的額定關係(nominal relationship)可以由y=Ax給出，其中：
在實際應用中，90度混合耦合器存在損耗，而這個關係稍微偏離於公式(6)。90度混合耦合器410可以是線性的、非時變的、被動的、非鐵磁性的電路。假設90度混合耦合器410多埠的阻抗是額定的。則下面的電壓關係也適用：
其中，表示複數域。因此，根據上述的假設，90度混合耦合器是雙向的裝置，且從一個埠到另一個埠的傳遞 函數不依賴於輸入或輸出。
圖5是根據本發明實施例的示範性無線使用者收發器的部分的框圖。參考圖5，示例用戶收發器500包括Tx信號處理模組202、Rx信號處理模組204、功率放大器212和214、低雜訊放大器242和244、開關元件222和224、多埠網路910、以及天線232和234。
Tx信號處理模組202、功率放大器212和214、低雜訊放大器242和244、開關元件222和224，以及天線232和234如參照圖2所述。多埠網路910可以，例如，在半導體基板(“片上”)、IC封裝、和/或印刷電路板中和/或上實現。多埠網路可以是這樣的，至少一個埠回應(responsive)至少兩個其他埠。在本發明的實施例中，多埠網路910可以是如圖4中所述的90度混合耦合器410。
功率放大器212和214的輸出以及低雜訊放大器242和244的輸入耦合於多個第一埠，多埠網路910的埠1和2。 天線232和234耦合於多個第二埠，多埠網路910的埠3和4。用戶收發器500的運行可以類似於結合圖2所描述的用戶收發器200的運行。然而，多埠網路910的引入對陣列增益的影響，將在下面的段落中進行更詳細的描述。
用表示接收時在多埠網路910的埠1和2 的電壓的向量。用表示發射時在埠1和2的電 壓的向量。類似地，用表示接收時在埠3和4 的電壓的向量。這裡，埠3連接於天線232，而埠4連接於 天線234。用表示發射時在埠3和4的電壓的 向量。假設多埠網路910是線性的、非時變的、被動的、非鐵磁性的電路，以及多埠網路910的阻抗是額定的。則下面的電壓關係適用： 和
其中是散射參數矩陣。用表示從BS到多埠網路910的埠3和4的向量通道。通過多埠網路910後的明顯的接收通道可以由以下公式給出：
其中，(．) T 表示移項。用和分別表示在時間tRx，埠1和2的以頻率為指數的相位向量值。這裡，(．)：→[0,2π) N 表示角運算元，而tRx對應於在接收器進行相位測量時下行鏈路子框的時間間隔。類似地用和分別表示在時間tTx，埠3和4的以頻率為指數的相位向量值，該時間是用戶收發器500發射的時間。
在本發明的實施例中，用戶收發器500可以在發射間隔tTx期間，控制發射信號的相位關係，以滿足關係：(浮動固定(bob fix))
也就是說，在每個頻率，可以將時間間隔tTx期間在埠1和2之間的相位差控制成時間間隔tRx期間在埠1和2之間的相位差的負數(negative)。在本發明的實施例中，通過將加權因數應用到數位調製信號，m(t)，可以控制發射期間的相位差，來生成調節的上行鏈路信號T(t)=w(f,t Rx )m(t)。在本發明的實施例中，可以利用等式12來計算加權向量。
其中α是一個複雜的常數，其與到達多埠網路的發射信號的共同的振幅和相位相關。可以選擇常數α來補償在發射和/或接收鏈(chains)之間的相位差。
分別通過開關元件222和224，將信號Tx1(t)和Tx2(t)輸入到功率放大器212和214，以放大應用於多埠網路910的多個第一埠的調節的信號。多埠網路910的輸出可以由以下公式給出：
用表示上行鏈路通道。在BS接收的上行鏈路信號由以下公式給出：
採用前面關於上行鏈路和下行鏈路通道的相互性的假 設，考慮情況，可以體現出本實施例的 優越性。也就是說，在兩個通道之間存在強烈失衡的情況下。接收器的有效通道可以由以下公式給出：
發射加權向量由以下公式給出：
多埠網路的輸出端的發射信號由以下公式給出：
其中m(t)是調製信號。在BS接收的信號由以下公式給出：
相對於沒有多埠網路的情況(即，圖2)，通過從兩個功率放大器或兩者之一發射相同的功率，而不用混合，實現電壓增益等於|A 11|+|A 12|。對於額定的90度混合耦合器410，且可實現的增益等於3dB。
如果採用相同的加權選擇策略，以及 、在BS接收的信號，使用相同的設 置，由以下公式給出：
在這種情況下，相對於沒有多埠網路、在每條天線上發射相同的功率，實現|A 21|+|A 22|的電壓增益。在強烈的失衡的限制情況下，對於額定的90度混合耦合器410，且可實現的增益等於3dB。
依照公式(11)的選擇發射相位關係的增益不限制於接收信號的振幅之間存在強烈失衡的情況。如果振幅相同，仍然可以實現陣列增益。
不失一般性，考慮這樣的情況，模數小於或等於單位值(unity)的複雜信號應用於第一天線，而第二個採用單元信號被驅動(driven)；即，其中|α+jβ|1。然後
圖6示出了根據本發明實施例的、每條發射天線以恒定功率的相位波束成型的可實現的陣列增益的示例。
圖7示出了比較使用和不使用作為通道一部分的混合耦合器的相等振幅、相位波束成型的可實現的陣列增益的示例。可以觀察到，相對於來自第一天線的發射，相等的振幅、相位的波束成型提供3dB的增益，即使第二天線的通道是任意小的值。這是常常存在強烈失衡的無線通道的期望的特徵。
在另外一個實施例中，發射信號之間的共同相位差應用於所有的頻率，而不是生成以頻率為指數的相位向量；因此，即使在頻率選擇性通道也可以實現陣列增益。
圖6示出了根據本發明實施例的使用多埠網路的相位波束成型的可實現的陣列增益的示例。
圖7根據本發明實施例對使用和不使用多埠網路的相位波束成型的可實現的陣列增益進行比較。
圖8是根據本發明實施例的示範性無線使用者收發器的部分的示意圖。參考圖7、圖8，示例用戶收發器800包 括Tx信號處理模組202、Rx信號處理模組204、Tx相位檢測模組802、校準信號發生器804、功率放大器212和214、低雜訊放大器242和244、開關元件222和224、開關元件822和824、定向耦合器812和814，以及多埠網路910。
Tx信號處理模組202、功率放大器212和214、低雜訊放大器242和244、開關元件222和224、天線232和234如參照圖2中所述。在本發明的實施例中，多埠網路910可以是，例如，圖4中所述的90度混合耦合器410。多埠網路910可以，例如，在半導體基板(“片上”)、IC封裝、和/或印刷電路板中和/或上實現。類似地，定向耦合器812和814可以，例如，在半導體基板(“片上”)、IC封裝、和/或印刷電路板中和/或上實現。
Tx相位檢測模組802可以包括合適的邏輯、電路、介面，和/或代碼，用於確定在定向耦合器812的信號和定向耦合器814的信號之間的相位差。
通常，振幅和相位差可以存在於發射RF鏈(transmit RF chains)，可以由以下一個或多個因素產生：電路延遲、溫度、頻率，以及校準錯誤。信號Fb1和Fb2是回饋信號，隨後，其可以通過Tx相位檢測模組702進行處理並用於控制發射信號Tx1(t)和Tx2(t)的振幅和/或相位。例如，低雜訊放大器242和244的輸出可以使用數位信號處理技術進行降頻變換、數位化，以及處理，來得到接收信號的相位(f,t Rx )和(f,t Rx )。
在本發明的實施例中，回饋信號可以與發射信號m(t)有關。在本發明的實施例中，可以測量回饋信號存在的功率。在本發明的實施例中，回饋信號可以具有大約18dB的 功率水準，其低於定向耦合器的輸入的功率水準。
在本發明的實施例中，校準信號可以應用於信號Fb1和Fb2。這些校準信號可以通過定向耦合器812和814，以及收發開關元件222和224連接到低雜訊放大器242和244的輸入端。這些放大的校準信號可以被下變頻變換，且隨後被處理，來測量從每一個定向耦合器812和814到Tx信號處理模組202的各自的輸出的接收鏈的相位延遲。這些測量的相位延遲用於補償接收信號的測量相位(F,t Rx )和(f,t Rx )。
圖9是根據本發明實施例的示範性無線使用者收發器的部分的框圖。收發器900可以大致類似於參照圖8描述的用戶收發器800的部分，但可以另外包括同軸開關912和914。
在本發明的實施例中，發射輸入信號Tx1(t)和Tx2(t)可以由功率放大器212和214進行放大，並應用於多埠網路910的多個第一埠。多條天線232、234連接於多埠網路910的多個第二埠。多埠網路的實施例是90度混合耦合器410。 收發器900還包括允許耦合器被旁路的同軸開關。這可以導致節省大量的校準時間。雖然同軸開關912和914在定向耦合器812和814與多埠網路910之間的信號路徑示出，它們可以位於在發射和/或接收鏈的其他和/或附加位置。
圖10是根據本發明實施例的示範性無線使用者收發器的部分的框圖。參考圖10，示例用戶收發器1000包括多個功率放大器212和214、多埠網路910、多條天線232和234、開關元件222和224，以及定向耦合器812和814。在示例用戶收發器1000中，多埠網路910是發射路徑的一部分， 而不是接收路徑的一部分。定向耦合器812和814連接於天線232和234。應用於天線232和234的部分發射信號通過定向耦合器812和814進行連接，來生成回饋信號Fb1和Fb2，隨後，可以對回饋信號Fb1和Fb2進行處理，以測量通過每一條天線232和234發射的信號的相位。在本發明的實施例中，可以利用定向耦合器相同的埠，通過接收鏈，將校準信號應用到定向耦合器812和814，以支援對來自定向耦合器812和814的相位延遲進行測量。因此，無線用戶收發器1000用於補償相位差和/或其他在發射鏈中的非期望差異(non-idealities)、以及多埠網路910的參數。
圖11示出了示範性多輸入多輸出(MIMO)通訊系統的示例的示意圖。我們將採用兩個使用者站天線來解釋本發明；然而，本發明是通用的，可適用於更多數量的使用者站天線。在一些通訊系統中，3GPP長期演進LTE，基站採用多達4條發射天線。對與這4條發射天線相關的導頻進行分配，以使它們在時間和頻率上均不重疊。該導頻是根據本發明的實施例的。MIMO通訊系統1100的框圖被示出。與基站(BS)射頻(RF)發射(TX)和接收(RX)鏈相關的複雜增益分別表示為G BS,TX 和G BS,RX 。這裡，M表示BS天線的數量。在用戶站(SS)的相應的複雜增益是G SS,TX 和G SS,RX ，其中，N表示SS天線的數量。我們將僅僅考慮兩條SS天線的情況；即，N=2。
我們現在檢驗基站含有非虛擬化的多條天線的情況。在LTE系統中，每一條發射天線發射使用社區專用序列(cell-specific sequenccs)調製的天線專用參考信號；因此，用戶站要獲悉在BS和SS之間的完整MIMO通道。用表 示MIMO下行鏈路通道和用表示MIMO上行鏈路通道。
在兩條使用者天線的情況下，是UL傳播通道(propagation channel)，而是DL傳播通道。這裡，M是在基站的發射天線的數量。接收的下行鏈路信號可以由以下公式給出：
其中，是BS發射的信號，η 是附加雜訊的向量。接收的上行鏈路信號可以由以下公式給出：
在用戶站在上行鏈路發射單一的空間流的情況下，我們可以有益地應用相移到第二天線發射的信號，以最大化在BS接收的功率。假設s：∥s∥2=1和將相移應用到第二使用者發射路徑，以最大化在BS接收的總功率。這個相移與通過向量w UL 加權傳輸信號相對應。傳輸到BS天線陣列的功率由以下公式給出：
其中以及(．)*表示共扼轉置。式中可以示出，當歸一化矩陣的乘法不改變l 2向量時，在BS接收天線的任意的相位旋轉不影響結果。MIMO上行鏈路通道的Gram矩陣是厄密共軛和半正定的(Hermetian and positive semidefinite)；因此，它可以表示為：
其中，γ是非負標量，θ [0,2π)。運用公式 (22)和(23)，我們將傳輸到BS的上行鏈路功率表示為：
使在BS接收的上行鏈路功率最大化的角度(angle)由給出。應當注意的是，沒有必要去計算整個格拉姆(Gram)矩陣；相反，只需計算它的一個非對角線項的相位。因此，在瞭解完整MIMO通道的情況下，可以根據(24)計算期望的相位。在瞭解完整MIMO通道的情況下，可以在頻率選擇的基礎上，有益地計算期望的相移(f)，對於每個頻率，根據由通道估計形成的格拉姆矩陣的項來選擇相位。可以為發射和/或接收路徑之間的相位差來補償期望的相移。可以採用定向耦合器運用校準技術來確定所述相位差。
在多埠網路是發射和接收信號路徑的一部分的情況下，如圖8中所示，仍可有益地使用多埠網路。在這種情況下，多埠網路作為在接收通道的座標的變化。可以依照公式(24)計算期望的發射相位。使用者終端可能需要發射Alamouti碼。
應該最佳地選擇在公式(24)中的相位，運用的知識來使傳輸到基站陣列的功率最大化。運用公式(22)，我們可以將P表示為。運用這一事實和公式(24)， 我們使用EGT加權向量將傳輸到基站天線的功率寫為：
這裡，公式(25)中的第一列標識在第一時間單元來自天線1和2的發射信號，而其第二列標識在第二時間單元來自兩條天線的發射信號。在這種情況下，我們定義兩個複雜的加權值，其應用於兩條天線，我們將其命名為w 1和w 2。為了解釋本發明的目的，考慮在BS的一條天線的接收信號。用h 1和h 2分別表示來自第一使用者站天線的上行鏈路通道和來自第二使用者站天線的上行鏈路通道。然後，y BS,1=h 1 w 1 s 1+h 2 w 2 s 2+n 1 (26)
代表在時間例子由BS觀測的信號，以及
在第二時間例子觀測的。相當於
BS依如下公式對這兩個接收信號(代表兩個時間單元)進行處理：
其中n'是與n相同分配的附加雜訊。因此，接收信號的信噪比以下面的大小來確定：|w 1|2|h 1|2+|w 2|2|h 2|2 (30)
鑒於限制條件|w 1|2+|w 2|2=1，很顯然，若|h 1|>|h 2|則選擇w 1=1，要不然選擇w 2=1，以使得BS的信噪比有最大值。因此，終端發送離開一條天線的所有的功率，該天線具有到達BS的最大通道振幅。
上述論點適用於在BS的任何接收天線。因此，在BS使用多條接收天線，為使用者的信噪最大化的策略是使用將在BS的總接收功率最大化的發射天線。這就要求終端知道矩陣的列規範。
圖12是根據本發明實施例的無線使用者收發器運作的步驟的流程圖。參考圖12，在接收時間間隔tRx期間，其中示例步驟開始於步驟1210。Tx相位檢測模組802可以測定在定向耦合器812的接收信號和在定向耦合器814的接收信號之間的相位差。這測定可以補償相位差，該相位差是在用戶收發器800的兩條RF接收鏈引入的非期望的結果。 Tx相位檢測模組802可以輸出確定的相位差的指示到Tx信號處理模組202。
在步驟1220中，在發射時間間隔tTx期間，利用在步驟1210中生成的相位測定，可以從調製信號m(t)生成信號Tx1(t)和Tx2(t)。信號Tx1(t)和Tx2(t)的生成包括基於在步驟1210中生成的相位測定來調節信號Tx1(t)和Tx2(t)中的一個或兩個的相位和/或振幅。在步驟1230中，分別通過功率放大器212和214對信號Tx1(t)和Tx2(t)進行放大。在步驟1240 中，每一個放大器的輸出可以輸入到多埠網路910的多個第一埠的一個。可以將在多埠網路的多個第二埠生成的每一個信號傳輸到多條天線232和234的一條以發射。
實施例包括預處理發射輸入信號，以確定由多埠網路910接收的放大信號之間的相位關係。可以選擇這個相位關係來產生在基站(BS)的改善的信噪比(SNR)，該基站與收發器(例如，用戶)進行通訊。在時分雙工(TDD)系統中，可以從所接收的下行鏈路信號預測在基站(BS)的SNR；也就是說，從在接收來自BS的發射信號時，在使用者收發器處接收信號。
在本發明的實施例中，可以在頻率選擇的基礎上，有益地選擇信號Tx1(t)和Tx2(t)的相位關係。例如，在包括多個用戶的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分複用)系統中，可以在逐個副載波(subcarrier-by-subcarrier)的基礎上，調節信號Tx1(t)和Tx2(t)的相位。如另一個例子，信號Tx1(t)和Tx2(t)的共同相位關係可以用於所有的子載波。另外或替代性地，可以動態調節相位關係。
在本發明的一個實施例中，結合多埠網路910的相位關係的選擇，本質上導致可供選擇的一條發射天線(Ant.1到Ant.M)，在其中，大多數的發射信號功率是被指示的。 天線的數量是不受限制的，以及在天線的子集的中，信號功率不限制於被指示到某一個。可以通過使用者和多載波信號的時間(符號)適應性地進行天線的選擇。天線的數量是不受限制的。可以通過頻率(使用者)和多載波信號的時間(符號)適應性地進行天線的選擇。
本發明的其它實施例可以提供一種永久性電腦可讀媒介和/或儲存媒介，和/或永久性機器可讀媒介和/或儲存媒介，他們儲存的機器代碼和/或電腦程式包括至少一個程式碼片段，所述至少一個程式碼片段由機器和/或電腦執行，從而使該機器和/或電腦執行上述用於通過多埠網路波束成型寬頻信號。
因此，本發明可以通過硬體、軟體，或者軟、硬體結合來實現。本發明可以以集中方式在至少一個電腦系統中實現，或者以分散方式由分佈在幾個互連的電腦系統中的不同部分實現。任何可以實現所述方法的電腦系統或其它設備都是可適用的。常用軟硬體的結合可以是安裝有電腦程式的通用電腦系統，通過安裝和執行程式控制電腦系統，使其按這裡所述的方法運行。
本發明還可以嵌入到電腦程式產品進行實施，套裝程式含能夠實現本發明所述的方法的全部特徵，當其安裝到電腦系統中時，可以實現本發明的這些方法。本文件中的電腦程式所指的是：可以採用任何程式語言、代碼或符號編寫的一組指令的任何運算式，該指令組使系統具有資訊處理能力，以直接實現特定功能，或在進行下述一個或兩個步驟之後實現特定功能：a)轉換成其它語言、代碼或符號；b)以不同的格式再現。
雖然本發明是通過具體實施例進行說明的，本領域技術人員應當明白，在不脫離本發明範圍的情況下，還可以對本發明進行各種變換及等同替代。另外，針對特定情形或材料，可以對本發明做各種修改，而不脫離本發明的範 圍。因此，本發明不局限於所公開的具體實施例，而應當包括落入本發明申請專利範圍內的全部實施方。
110‧‧‧基站(BS)
112‧‧‧BS天線
120‧‧‧用戶站收發器
122‧‧‧用戶站天線
124‧‧‧用戶站天線
200‧‧‧用戶收發器
202‧‧‧Tx信號處理模組
204‧‧‧Rx信號處理模組
212‧‧‧功率放大器
214‧‧‧功率放大器
222‧‧‧開關元件
224‧‧‧開關元件
232‧‧‧天線
234‧‧‧天線
242‧‧‧低雜訊放大器
244‧‧‧低雜訊放大器
410‧‧‧90度混合耦合器
500‧‧‧用戶收發器
702‧‧‧Tx相位檢測模組
800‧‧‧用戶收發器
802‧‧‧Tx相位檢測模組
804‧‧‧校準信號發生器
812‧‧‧定向耦合器
814‧‧‧定向耦合器
822‧‧‧開關元件
824‧‧‧開關元件
900‧‧‧收發器
910‧‧‧多埠網路
912‧‧‧同軸開關
914‧‧‧同軸開關
1000‧‧‧用戶收發器
1100‧‧‧多輸入多輸出(MIMO)通訊系統
H1、H2‧‧‧多徑傳播通道
圖1是根據本發明實施例的示範性無線通訊系統的框圖。
圖2是根據本發明實施例的示範性無線使用者收發器的部分的示意圖。
圖3是根據本發明實施例的每條發射天線以恒定功率的相位波束成型的可實現的陣列增益的框圖。
圖4是根據本發明實施例的通常被稱為90度混合耦合器的多埠網路的框圖。
圖5是根據本發明實施例的示範性無線使用者收發器的部分的框圖。
圖6是根據本發明實施例的使用多埠網路的相位波束成型的可實現的陣列增益的框圖。
圖7是根據本發明實施例的比較使用和不使用多埠網路的相位波束成型的可實現的陣列增益的框圖。
圖8是根據本發明實施例的示範性無線使用者收發器的部分的框圖。
圖9是根據本發明實施例的示範性無線使用者收發器的部分的框圖。
圖10是根據本發明實施例的示範性無線使用者收發器的部分的框圖。
圖11是根據本發明實施例的示範性多輸入多輸出(MIMO)通訊系統的框圖。
圖12是根據本發明實施例的無線用戶收發器運作的示範性步驟的流程圖。

Claims (10)

  1. 一種通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法，包括：檢測每一個通過多條天線接收的多個信號的相位，生成多個發射信號，其中根據至少一個所述接收信號的檢測相位來確定至少一個所述多個發射信號的相位；分別放大每一個所述生成的多個發射信號，以生成多個放大信號；及將多個放大信號輸入到多埠網路的多個第一埠，其中根據輸入到至少兩個所述多個第一埠的信號來測定所述多埠網路的至少一個第二埠。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法，其中所述發射信號與一個或多個空間流相對應。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法，其中所述通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法進一步包括：利用不同的權重對每一個與所述發射信號相對應的一個或多個空間流進行加權。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法，其中至少一個所述多個放大信號在被輸入到所述多埠網路之前，通過至少一個同軸開關。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法，其中在一條或所述多條天線和一個或多個相應的路徑中的一個或多個相應的發射/接收開關之間放置一個或多個定向耦合器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法，其中所述通過多埠網路波束成型寬頻信號的 方法進一步包括根據來自所述一個或多個定向耦合器的相應的信號，來對所述多個放大信號的每一個的相位和/或振幅進行測量。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法，其中所述通過多埠網路波束成型寬頻信號的方法進一步包括：利用一個或多個校準信號對所述接收信號的振幅和/或相位進行測量，所述校準信號應用於所述多個定向耦合器中的一個或多個。
  8. 一種通過多埠網路波束成型寬頻信號的系統，包括：一個或多個電路，其應用在通訊設備中，所述一個或多個電路用於：檢測每一個通過多條天線接收的多個信號的相位，生成多個發射信號，其中根據至少一個所述接收信號的檢測相位來確定至少一個所述多個發射信號的相位；分別放大每一個所述生成的多個發射信號，以生成多個放大信號；及將多個放大信號輸入到多埠網路的多個第一埠，其中，根據輸入到至少兩個所述多個第一埠的信號來測定所述多埠網路的至少一個第二埠。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之通過多埠網路波束成型寬頻信號的系統，其中所述發射信號與一個或多個空間流相對應。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之通過多埠網路波束成型寬頻信號的系統，其中所述一個或多個電路用於利用不同的權重對每一個與所述發射信號相對應的一個或多個空間流進行加權。
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