TWI802411B

TWI802411B - 天線裝置以及波束控制方法

Info

Publication number: TWI802411B
Application number: TW111118131A
Authority: TW
Inventors: 汪在祥
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2022-05-13
Filing date: 2022-05-13
Publication date: 2023-05-11
Also published as: TW202345567A

Abstract

一種天線裝置，包括天線陣列、波束成形電路以及處理器。波束成形電路連接天線陣列，其中波束成形電路用以控制天線陣列以進行波束成形，其中波束成形電路包括暫存電路，其中暫存電路包括先進先出暫存區，先進先出暫存區儲存多個波束索引。處理器連接波束成形電路，其中處理器用以經由第一處理介面控制波束成形電路，以藉由先進先出方法依序讀取多個波束索引，並根據讀取的波束索引設定天線陣列的波束的方向，其中讀取的波束索引對應於天線陣列的波束的方向。此外，一種波束控制方法亦在此揭示。

Description

天線裝置以及波束控制方法

本發明是有關於五代新無線電(5G new radio，5G NR)的技術，且特別是有關於一種天線裝置以及波束控制方法。

在第五代新無線電(5G new radio，5G NR)毫米波(mmWave)天線陣列(antenna array)中，往往在天線陣列中採用波束成形的方法以傳送各種訊號。然而，每當天線陣列要改變其波束的方向時，由於處理器往往需要傳送與波束相關的大量資料至波束成形晶片，以設定天線陣列的波束的方向。進一步而言，在現有技術中，往往需要先藉由序列周邊介面(Serial Peripheral Interface，SPI)將波束表儲存於波束成形晶片，並藉由序列周邊介面設定通用輸入輸出介面(General-purpose Input/Output，GPIO)對與波束表對應的波束的切換控制。藉著，需要藉由序列周邊介面(SPI)傳送完整的波束索引至波束成形晶片，並藉由通用輸入輸出介面(GPIO)控制波束成形晶片對波束進行切換。因此，這往往需要花費大量時間才能完成設定天線陣列的波束的方向的步驟。有鑑於此，要如何大大減少設定天線陣列的波束的方向所需要的時間是本領域技術人員急欲解決的問題。

本揭示的一態樣揭露一種天線裝置，包括天線陣列、波束成形電路以及處理器。波束成形電路連接天線陣列，其中波束成形電路用以控制天線陣列以進行波束成形，其中波束成形電路包括暫存電路，其中暫存電路包括先進先出暫存區，先進先出暫存區儲存多個波束索引。處理器連接波束成形電路，其中處理器用以經由第一處理介面控制波束成形電路，以藉由先進先出方法依序讀取多個波束索引，並根據讀取的波束索引設定天線陣列的波束的方向，其中讀取的波束索引對應於天線陣列的波束的方向。

本揭示的另一態樣揭露一種波束控制方法，包括：藉由波束成形電路控制天線陣列以進行波束成形，其中波束成形電路包括暫存電路，其中暫存電路包括先進先出暫存區，先進先出暫存區儲存多個波束索引；經由第一處理介面控制波束成形電路，以藉由先進先出方法依序讀取多個波束索引；以及在波束切換時間中根據讀取的波束索引設定天線陣列的波束的方向，其中利用所述的波束切換時間小於或等於循環字首時間設置於循環字首時間中。

參照第1圖，第1圖是本揭示的天線裝置100的示意圖。在本實施例中，天線裝置100包括處理器110、波束成形電路120以及天線陣列130。處理器110連接波束成形電路120，波束成形電路120連接天線陣列130。

在一些實施例中，處理器110可由處理電路、中央處理單元或計算單元實現。在一些實施例中，波束成形電路120可以是由一般常用的類比式波束成形積體電路（Integrated Circuit，IC）實現。在一些實施例中，天線陣列130可包括多個天線單元，其中天線單元可以是任意類型的天線（例如，貼片天線或倒F天線等）。

在一些實施例中，處理器110可藉由第一處理介面IF1以及第二處理介面IF2控制波束成形電路120。在一些實施例中，第一處理介面IF1可以是通用輸入輸出（General-purpose Input/ Output，GPIO）介面，且第二處理介面IF2可以是序列周邊介面（Serial Peripheral Interface，SPI）。

在本實施例中，波束成形電路120用以控制天線陣列130以進行波束成形（Beamforming）。此外，波束成形電路包括暫存電路121。

在一些實施例中，暫存電路121可以是暫存記憶體（Register）。在一些實施例中，在初始化階段（Initial Phase）（即，系統初始化）中，處理器110可經由第二處理介面IF2將波束表（Beam Table）BT儲存於暫存電路121。在一些實施例中，波束表BT可包括多個候選波束方向的波束參數以及與這些候選波束方向對應的候選波束索引。

在一些實施例中，候選波束方向的波束參數可以是預先藉由模擬決定的與一個或多個波束所指向的候選波束方向對應的各天線單元的相位控制（Phase Control）位元串以及振幅控制（Amplitude Control）位元串（例如，皆是由三串位元組成），其中各天線單元的相位控制位元串可用以控制各天線單元的相位以調整天線陣列130的波束的方向，且各天線單元的振幅控制位元串可用以控制各天線單元的振幅以調整天線陣列130的波束的寬度。

在本實施例中，暫存電路121包括先進先出暫存區（First-in First-out Region）FIFOR，先進先出暫存區FIFOR儲存多個波束索引。換言之，在初始化階段中，就會預先依序將這些波束索引存入此先進先出暫存區FIFOR。

再者，處理器110用以經由第一處理介面IF1控制波束成形電路120，以藉由先進先出方法（即，先儲存的資料需要先被讀取出來）依序讀取多個波束索引，並根據讀取的波束索引設定天線陣列130的波束的方向，其中讀取的波束索引對應於天線陣列130的波束的方向。

在一些實施例中，處理器110可經由第一處理介面IF1控制波束成形電路120，以根據讀取的波束索引從波束表BT選擇對應的候選波束方向的波束參數，換言之，從波束表BT搜尋與此波束參數相同的候選波束索引，並選擇與此候選波束索引對應的候選波束方向的波束參數。接著，處理器110可根據對應的候選波束方向的波束參數設定天線陣列130的波束的方向。以下以表一所示出的先進先出暫存區FIFOR以及表二所示出的波束表BT的實際例子做說明。表一

波束	波束索引
A	0
B	1
C	2
D	3

表二

波束	波束索引	波束參數	候選波束方向
A	0	第一相位控制位元組與第一振幅控制位元組	-16度
B	1	第二相位控制位元組與第二振幅控制位元組	-5度
C	2	第三相位控制位元組與第三振幅控制位元組	5度
D	3	第四相位控制位元組與第四振幅控制位元組	16度

由表一可得知，處理器110會經由第一處理介面IF1控制波束成形電路120，以藉由先進先出方法依序讀取這些波束索引0~3。接著，由表二可得知，處理器110會根據讀取的波束索引從上述波束表BT選擇對應的候選波束方向的波束參數，其中對應的候選波束方向的波束參數可包括一組相位控制位元串與一組振幅控制位元串（例如，第一相位控制位元組與第一振幅控制位元組）。藉此，波束成形電路120可根據對應的波束（A~D）的波束參數設定天線陣列130的波束（A~D）的方向。例如，當波束成形電路120讀取的波束索引為0時，波束成形電路120可根據第一相位控制位元組調整天線陣列130中的各天線單元的相位以進行相位控制（Phase Control），並可根據第一振幅控制位元組調整天線陣列130中的各天線單元的振幅以進行增益控制（Gain Control），進而將天線陣列130的波束A的方向設定為-16度。換言之，處理器110就是藉由第一處理介面IF1根據波束索引0~3依序由波束A切換（Toggle）至波束D。

值得注意的是，當第一處理介面IF1為通用輸入輸出介面時，處理器110只要傳送具有少量資料的切換訊號（例如，3個通用輸入輸出時脈訊號）至波束成形電路120，波束成形電路120就會以先進先出的方式依序讀取先進先出暫存區FIFOR中的多個波束索引，並根據讀取到的波束索引設定天線陣列130的波束（A~D）的方向。如此一來，將大幅減少切換天線陣列130的波束（A~D）的方向所需要的時間。

一併參照第2A圖以及第2B圖，其中第2A圖是根據本揭示一些實施例的在初始化階段的天線裝置200的示意圖，且第2B圖是根據本揭示一些實施例的在波束成形階段的天線裝置200的示意圖。如第2A圖以及第2B圖所示，天線裝置200包括處理器110、波束成形電路120以及天線陣列130。處理器110連接波束成形電路120，波束成形電路120連接天線陣列130。波束成形電路120包括先進先出暫存區FIFOR。

再者，處理器110藉由序列周邊介面SPI以及通用輸入輸出介面GPIO控制波束成形電路120以使天線陣列130進行波束成形，其中序列周邊介面SPI包括多個SPI傳輸腳位，且通用輸入輸出介面GPIO包括多個GPIO腳位。

在一些實施例中，處理器110包括初始化模組111，其中，如第2A圖所示，在初始化階段中，初始化模組111藉由序列周邊介面SPI將波束表BT儲存於暫存電路121，並藉由通用輸入輸出介面GPIO設定通用輸入輸出介面GPIO對與暫存電路121中的波束表BT對應的波束的切換控制。

在一些實施例中，波束成形電路120更可包括波束選擇模組122以及波束應用模組123。在一些實施例中，處理器110更包括排程模組112。在一些實施例中，如第2B圖所示，在波束成形階段中，排程模組112可僅僅藉由通用輸入輸出介面GPIO對先進先出暫存區FIFOR儲存的波束索引進行切換，以對天線陣列130產生的波束進行切換。在一些實施例中，在波束成形階段中，排程模組112可藉由通用輸入輸出介面GPIO依序傳送切換訊號TS(1)~TS(N)至先進先出暫存區FIFOR，其中N為任意正整數。在一些實施例中，在波束成形階段中，每當排程模組112藉由通用輸入輸出介面GPIO傳送切換訊號TS(1)~TS(N)中的一者至先進先出暫存區FIFOR時，先進先出暫存區FIFOR為可讀取狀態，進而使波束選擇模組122藉由先進先出方法讀取先進先出暫存區FIFOR中的一個波束索引。而在完成讀取後，若基於某些安全機制考量，先進先出暫存區FIFOR也可切換到不可讀取狀態。

詳細而言，當排程模組112藉由通用輸入輸出介面GPIO傳送第1個切換訊號TS(1)至先進先出暫存區FIFOR時，先進先出暫存區FIFOR可切換為可讀取狀態，進而使波束選擇模組122讀取先進先出暫存區FIFOR中的最先儲存的波束索引。以次類推，響應於之後依序傳送的切換訊號TS(2)~TS(N)，波束選擇模組122藉由先進先出方法依序讀取先進先出暫存區FIFOR中的其他波束索引。

在一些實施例中，在波束成形階段中，波束選擇模組122可根據讀取的波束索引從波束表BT中選擇對應的候選波束方向的波束參數，以將候選波束方向的波束參數傳送至波束應用模組123。接著，波束應用模組123根據對應的候選波束方向的波束參數控制天線陣列130進行波束成形。

值得注意的是，上述初始化模組111以及排程模組112可以是以硬體電路的形式設置於處理器110內，也可以是以軟體程式的形式儲存於處理器110中的暫存器（未繪示），更可以是儲存於外部的儲存裝置（未繪示）以讓處理器110讀取以執行的軟體程式。

一併參照第3圖，第3圖是本揭示的波束控制方法的流程圖。第1圖所示的天線裝置100可用以執行第3圖中的波束控制方法中的所有步驟。

首先，於步驟S210中，藉由波束成形電路120控制天線陣列130以進行波束成形。

再者，於步驟S220中，經由第一處理介面IF1控制波束成形電路120，以藉由先進先出方法依序讀取多個波束索引。

而於步驟S230中，在波束切換時間中根據讀取的波束索引設定天線陣列130的波束的方向，其中利用所述的波束切換時間小於或等於循環字首時間設置於循環字首時間中。

進一步而言，利用本發明的天線裝置以及波束控制方法，即可將波束切換時間（即，切換天線陣列130的波束的方向所需要的時間）設置為小於或等於循環字首（Cyclic Prefix，CP）時間，就可以把波束切換時間設置在循環字首時間之中，其中循環字首時間設置於同步訊號叢集（Synchronization Signal Burst，SSB）中的時槽（Time Slot，SL）中的多個符號（Symbol，SMB）之間。藉此，在波束切換時間中，可經由第一處理介面IF1根據多個波束索引依序在與這些波束索引對應的多個波束的方向之間切換，解決目前技術手段將波束切換時間設置在時槽之中進行上述的波束切換。

以下以實際的例子進一步說明先前技術以及上述的波束切換時間與循環字首時間之間的關係。一併參照第4圖，第4圖是先前技術中的波束切換時間BST的示意圖。如第4圖所示，以同步訊號欉集SSB的2個時槽SL作為例子，各時槽SL都有14個符號SMB。假設子載波間距（subcarrier spacing，SCS）為120kHz，時槽SL的時間便為125微秒，且符號SMB的時間為8.93毫秒。

在先前技術中，由於並不存在上述先進先出暫存區FIFOR，只能藉由序列周邊介面傳送與特定波束對應的波束索引傳送至波束成形電路，再藉由通用輸入輸出介面傳送切換訊號至波束成形電路，以使波束成形電路從預先儲存的波束表中選擇與此波束索引對應的候選波束方向的波束參數。藉此，波束成形電路可控制天線陣列根據此波束參數進行波束成形。

由此可知，波束的切換會耗費序列周邊介面傳送與特定波束對應的波束索引的時間以及通用輸入輸出介面傳送切換訊號的時間。假設一個時脈的時間為0.05微秒，序列周邊介面傳送與特定波束對應的波束索引的時間需要72個時脈，以及通用輸入輸出介面傳送切換訊號的時間需要3個時脈，此時，波束切換時間BST就是3.75微秒。

進一步而言，假設循環字首時間CP為0.57微秒，由於此時需要較長的波束切換時間BST，這樣的波束切換時間BST無法塞入循環字首時間CP中。因此，波束成形電路120只能在第4個符號的時間中切換至波束A（即，在第4個符號的時間中塞入波束切換時間BST）以在第5至第12個符號SMB中利用波束A傳送或接收資料，並在第16個符號的時間中切換至波束B（即，在第16個符號的時間中塞入波束切換時間BST）以在第17至第24個符號SMB中利用波束B傳送或接收資料。換言之，在先前技術中，波束成形電路120只能在需要切換波束時在符號SMB中塞入波束切換時間BST。這將導致在2個時槽SL中只能依序切換2個波束。

一併參照第5圖，第5圖是先前技術中的切換波束的方向的示意圖。如第5圖所示，以第4圖在符號SMB中塞入波束切換時間BST的方法，先前技術的天線裝置ANT就只能在2個時槽SL中依序產生波束A至波束B以分別與使用者裝置UE1~UE2進行通訊。

一併參照第6圖，第6圖是根據本揭示一些實施例的波束切換時間BST的示意圖。如第6圖所示，以同步訊號欉集SSB的2個時槽SL作為例子，各時槽SL都有14個符號SMB。假設子載波間距為120kHz，時槽SL的時間便為125微秒，且符號SMB的時間為8.93毫秒。

在此實施例中，處理器110會藉由通用輸入輸出介面GPIO傳送切換訊號至先進先出暫存區FIFOR，以使波束選擇模組122可讀取先進先出暫存區FIFOR中的最先儲存的波束索引，以使波束選擇模組122從波束表BT中選擇與此波束索引對應的候選波束方向的波束參數。以次類推，響應於之後傳送的切換訊號，波束選擇模組122藉由先進先出方法依序讀取先進先出暫存區FIFOR中的其他波束索引。

藉此，波束選擇模組122可從波束表BT中選擇與讀取的波束索引對應的候選波束方向的波束參數，並可將此波束參數傳送至波束應用模組123，以控制天線陣列130根據此波束參數進行波束成形。

由此可知，波束的切換只會耗費通用輸入輸出介面GPIO傳送切換訊號的時間。假設一個時脈的時間為0.05微秒，且通用輸入輸出介面GPIO傳送切換訊號的時間需要3個時脈，此時，波束切換時間BST就是0.15微秒。

進一步而言，假設循環字首時間CP為0.57微秒，由於此時只需要較短的波束切換時間BST（即，0.15秒），波束成形電路120就能在第5個的循環字首時間CP中切換至波束A以在第5至第8個符號SMB中利用波束A傳送或接收資料，並在第9個循環字首時間CP中切換至波束B以在第9至第12個符號SMB中利用波束B傳送或接收資料。以此類推，可藉由相同的方法從波束B切換到波束C，最後從波束C切換到波束D。

換言之，藉由上述方法，波束成形電路120就能在需要切換波束時在循環字首時間CP中塞入波束切換時間BST。藉此，同樣在2個時槽SL中，本揭示的天線裝置100可依序由波束A切換至波束D。反觀，在上述第4圖的先前技術中僅僅只能在2個時槽SL中依序切換2個波束。

一併參照第7圖，第7圖是根據本揭示一些實施例的天線裝置100切換波束的方向的示意圖。如第7圖所示，以第6圖在循環字首時間CP中塞入波束切換時間BST的方法，天線裝置100將可依序產生波束A至波束D以分別與使用者裝置UE1~UE4進行通訊。每次產生新的波束都僅需要3個通用輸入輸出時脈的時間，這將大大減少設定天線陣列130的波束的方向所需要的時間。

綜上所述，本揭示可在波束成形電路中的暫存電路設定一個先進先出暫存區以預先儲存天線陣列將要產生的波束的方向的所有波束索引。藉此，將僅需要利用通用輸入輸出介面就能快速切換天線陣列的波束。此外，可在循環字首時間中的波束切換時間中切換天線陣列的波束，以大大減少設定天線陣列的波束的方向所需要的時間。

雖然本揭示的特定實施例已經揭露有關上述實施例，此些實施例不意欲限制本揭示。各種替代及改良可藉由相關領域中的一般技術人員在本揭示中執行而沒有從本揭示的原理及精神背離。因此，本揭示的保護範圍由所附申請專利範圍確定。

100、200、ANT:天線裝置 110:處理器 111:初始化模組 112:排程模組 120:波束成形電路 121:暫存電路 122:波束選擇模組 123:波束應用模組 130:天線陣列 IF1:第一處理介面 IF2:第二處理介面 BT:波束表 SPI:序列周邊介面 GPIO:通用輸入輸出介面 FIFOR:先進先出暫存區 TS(1)~TS(N):切換訊號 S210~S230:步驟 SSB:同步訊號欉集 SL:時槽 SMB:符號 CP:循環字首時間 A~D:波束 BST:波束切換時間 UE1~UE4:使用者裝置

第1圖是本揭示的天線裝置的示意圖。第2A圖是根據本揭示一些實施例的在初始化階段的天線裝置的示意圖。第2B圖是根據本揭示一些實施例的在波束成形階段的天線裝置的示意圖。第3圖是本揭示的波束控制方法的流程圖。第4圖是先前技術中的波束切換時間的示意圖。第5圖是先前技術中的切換波束的方向的示意圖。第6圖是根據本揭示一些實施例的波束切換時間的示意圖。第7圖是根據本揭示一些實施例的天線裝置切換波束的方向的示意圖。

100:天線裝置

110:處理器

120:波束成形電路

121:暫存電路

130:天線陣列

IF1:第一處理介面

IF2:第二處理介面

BT:波束表

FIFOR:先進先出暫存區

Claims

一種天線裝置，包括：一天線陣列；一波束成形電路，連接該天線陣列，其中該波束成形電路用以控制該天線陣列以進行波束成形，其中該波束成形電路包括一暫存電路，其中該暫存電路包括一先進先出暫存區，該先進先出暫存區儲存多個波束索引；以及一處理器，連接該波束成形電路，其中該處理器用以經由一第一處理介面控制該波束成形電路，以藉由先進先出方法依序讀取該些波束索引，並根據讀取的波束索引設定該天線陣列的波束的方向，其中該讀取的波束索引對應於該天線陣列的波束的方向，其中該處理器更用以在一波束切換時間中根據讀取的波束索引設定該天線陣列的波束的方向，其中該波束切換時間設置為小於或等於一循環字首時間，且該波束切換時間設置於該循環字首時間中。
如請求項1所述之天線裝置，其中該暫存電路儲存一波束表，該波束表包括多個候選波束方向的波束參數。
如請求項2所述之天線裝置，其中該處理器更用以：經由該第一處理介面控制該波束成形電路，以根據該讀取的波束索引從該波束表選擇對應的候選波束方向的波束參數；以及根據該對應的候選波束方向的波束參數設定該天線陣列的波束的方向。
如請求項2所述之天線裝置，其中該處理器更用以：在一初始階段中，經由一第二處理介面將該波束表儲存於該暫存電路。
如請求項4所述之天線裝置，其中該第一處理介面為一通用輸入輸出介面，其中該第二處理介面為一序列周邊介面。
如請求項5所述之天線裝置，其中該波束成形電路包括一波束選擇模組以及一波束應用模組，其中該處理器更用以：藉由該通用輸入輸出介面控制該波束選擇模組藉由先進先出方法讀取該先進先出暫存區中的該些波束索引，以將該讀取的波束索引傳送至該波束應用模組；以及藉由該波束應用模組根據該讀取的波束索引控制該天線陣列以進行波束成形。
一種波束控制方法，包括：藉由一波束成形電路控制一天線陣列以進行波束成形，其中該波束成形電路包括一暫存電路，其中該暫存電路包括一先進先出暫存區，該先進先出暫存區儲存多個波束索引；經由一第一處理介面控制該波束成形電路，以藉由先進先出方法依序讀取該些波束索引；以及在一波束切換時間中根據讀取的波束索引設定該天線陣列的波束的方向，其中該波束切換時間設置為小於或等於一循環字首時間，且該波束切換時間設置於該循環字首時間中。
如請求項7所述之波束控制方法，其中該暫存電路儲存一波束表，該波束表包括多個候選波束方向的波束參數。
如請求項8所述之波束控制方法，更包括：經由該第一處理介面控制該波束成形電路，以根據該讀取的波束索引從該波束表選擇對應的候選波束方向的波束參數；以及根據該對應的候選波束方向的波束參數設定該天線陣列的波束的方向。
如請求項8所述之波束控制方法，更包括：在一初始階段中，經由一第二處理介面將該波束表儲存於該暫存電路。
如請求項10所述之波束控制方法，其中該第一處理介面為一通用輸入輸出介面，其中該第二處理介面為一序列周邊介面。
如請求項11所述之波束控制方法，其中該波束成形電路包括一波束選擇模組以及一波束應用模組，其中該波束控制方法更包括：藉由該通用輸入輸出介面控制該波束選擇模組藉由先進先出方法讀取該先進先出暫存區中的該些波束索引，以將該讀取的波束索引傳送至該波束應用模組；以及藉由該波束應用模組根據該讀取的波束索引控制該天線陣列以進行波束成形。