TWI810120B

TWI810120B - 用於無線通訊的方法及裝置

Info

Publication number: TWI810120B
Application number: TW111145859A
Authority: TW
Inventors: 黃建華
Original assignee: 聯發科技股份有限公司
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2023-07-21
Also published as: US20230170959A1; CN116208216A; TW202324950A

Abstract

一種用於無線通訊的方法，包括：由一裝置通過複數個天線從一網路節點接收複數個輸入訊號；由所述裝置通過調整所述複數個輸入訊號的相位來執行自主波束成形以生成自主波束成形的訊號；以及由所述裝置基於來自所述網路節點的參考訊號對所述自主波束成形的訊號執行數位波束成形和類比波束成形中的至少一個，以生成波束成形的訊號。

Description

用於無線通訊的方法及裝置

本發明係相關於無線通訊，尤指行動通訊中使用自主波束成形器（autonomous beamformer）的混合波束成形方法和裝置。

在具有多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術的傳統無線通訊系統中，例如在第三代合作夥伴計畫（Third Generation Partnership Project，3GPP）的第五代（5th Generation，5G）新無線電（New Radio，NR）系統中，複數個輸入訊號被接收器的複數個天線接收。由於輸入訊號的傳播路徑/通道不同，因此接收到的輸入訊號可能具有不同的相位。因此，接收端需要有一些波束成形方案來處理和組合訊號。接收器需要調整/對齊輸入訊號的相位，以使輸入訊號不會相互干擾。

在傳統的接收器（比如使用者設備（User Equipment，UE））中，根據來自網路節點的參考訊號來執行波束成形（比如調整相位）。接收器需要依靠參考訊號來確定每個輸入訊號的相位差。但是，這種對參考訊號的需求會在網路側造成巨大的信令開銷。網路節點需要發送/廣播大量參考訊號以用於在接收端進行波束成形。這些參考訊號將佔用大量的無線電資源，並且加重通訊系統的信令開銷。

因此，如何降低參考訊號開銷以及提高無線電效率成為新開發的通訊系統（例如第六代（6th Generation，6G））中的重要問題。因此，需要提供適當的方案以使用較少的參考訊號來執行波束成形。

可以提供用於在行動通訊中使用自主波束成形器進行混合波束成形的方法和裝置。特別地，裝置可以通過複數個天線從網路節點接收複數個輸入訊號。該裝置可以通過調整複數個輸入訊號的相位來執行自主波束成形以生成自主波束成形的訊號。該裝置可以基於來自網路節點的參考訊號對自主波束成形的訊號執行數位波束成形和類比波束成形中的至少一個，以生成波束成形的訊號。相應地，該裝置可以使用來自網路節點的較少數量的參考訊號來執行波束成形。

一種用於無線通訊的裝置，包括：複數個天線，從一網路節點接收複數個輸入訊號；一自主波束成形器，通過調整所述複數個輸入訊號的相位來執行自主波束成形以生成自主波束成形的訊號；以及一數位波束成形器和一類比波束成形器中的至少一個，基於來自所述網路節點的參考訊號對所述自主波束成形的訊號執行數位波束成形和類比波束成形中的至少一個，以生成波束成形的訊號。

其他的實施例和優勢將會在下面的具體實施方式中進行描述。本發明內容不旨在定義本發明。本發明由請求項定義。

下面將詳細參考本發明的一些實施例，其示例在附圖中例示。

第1圖可例示根據本發明實施例的支持利用自主波束成形器的混合波束成形的示範性無線通訊網路100（比如6G網路）。網路100可以包括UE 110以通訊方式連接到BS 121，其中BS 121可在存取網路120的許可頻帶（例如30 GHz ~ 300 GHz）中操作，存取網路120可以使用無線電存取技術（Radio Access Technology，RAT）來提供無線電存取。存取網路120可以通過NG介面連接到核心網路130，特別地，可以通過NG使用者平面部分（NG user-plane part，NG-u）連接到用戶平面功能（User Plane Function，UPF），並且可以通過NG控制平面部分（NG control-plane part，NG-c）連接到存取和行動管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）。一個基地台可以連接到複數個UPF/AMF，以實現負載共用和冗餘。UE 110可以是智慧手機、可穿戴設備、車輛、物聯網（Internet of Things，IoT）設備和平板電腦等。或者，UE 110可以是插入或安裝有資料卡的筆記型電腦（Notebook，NB）或個人電腦（Personal Computer，PC），其中資料卡可包含數據機（modem）和射頻（Radio Frequency，RF）收發器以提供無線通訊功能。

BS 121可以為地理覆蓋區域提供通訊覆蓋，其中可以通過通訊鏈路101支持與UE 110的通訊。網路100中所示的通訊鏈路101可以包括從UE 110到BS 121的上行鏈路（Uplink，UL）傳輸（比如在物理上行鏈路控制通道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）或物理上行鏈路共用通道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）上）或從BS 121到UE 110的下行鏈路（Downlink，DL）傳輸（比如在物理下行鏈路控制通道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）上或物理下行鏈路共用通道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）上）。

第2圖是根據本發明實施例的BS 121和UE 110的簡化框圖。對於BS 121來說，天線197可以發送和接收無線電信號。天線197可以包括複數個天線/子天線。與天線197耦接的RF收發器模組196可以從天線197接收RF訊號，將RF訊號轉換為基頻訊號並將基頻訊號發送到處理器193。RF收發器模組196還可以轉換從處理器193接收的基頻訊號，將基頻訊號轉換為RF訊號，並發出天線197。收發器模組196和天線197可以形成天線陣列。處理器193可以處理接收到的基頻訊號，並調用不同的功能模組和電路來執行BS 121中的特徵。存儲介質192可以存儲程式指令和資料190以控制BS 121的操作。

類似地，對於UE 110來說，天線177可以發送和接收RF訊號。天線177可以包括複數個天線/子天線。與天線177耦接的RF收發器模組176可以從天線177接收RF訊號，將RF訊號轉換為基頻訊號並將基頻訊號發送到處理器173。RF收發器模組176還可以將接收到的來自處理器173的基頻訊號轉換為RF訊號，並發出天線177。收發器模組176和天線177可以形成天線陣列。處理器173可以處理接收到的基頻訊號，並調用不同的功能模組和電路來執行UE 110中的特徵。存儲介質172可以存儲程式指令和資料170以控制UE 110的操作。

BS 121和UE 110還可以包括一些功能模組和電路，該些功能模組和電路可以被實施和配置為執行本發明實施例。在第2圖的示例中，BS 121可以包括一組控制功能模組和電路180。參考訊號電路182可以生成和處理參考訊號。配置和控制電路181可以提供不同的參數來配置和控制UE 110。UE 110可以包括一組波束成形模組和電路160。自主波束成形器電路162可以執行自主波束成形。數位/類比波束成形器電路161可以根據來自BS 121的參考訊號執行數位波束成形/類比波束成形。

請注意，不同的功能模組和電路可以通過軟體、韌體、硬體及其任意組合來實現和配置。上述功能模組和電路在由處理器193和173執行時（比如通過執行程式代碼190和170執行），可以允許BS 121和UE 110執行本發明的實施例。

第3圖可例示根據本發明實施例的傳統接收器的一個實施例。接收器300可以包括八元（eight-element）接收天線陣列。天線陣列可以包括八個用於接收輸入訊號的天線。每個天線可以電耦接到用於放大輸入訊號的低雜訊放大器（Low Noise Amplifier，LNA）。每個LNA可以電耦接到用於調整輸入訊號相位的移相器（phase shifter）。每個移相器可以電耦接到用於放大輸入訊號幅度的功率放大器（Power Amplifier，PA）。八個PA可以電耦接到加法器/訊號組合器，以用於組合八個輸入訊號並生成波束成形的訊號。

接收器300可以使用類比波束成形器來執行類比波束成形。特別地，可以由移相器來實現類比波束成形器。移相器可以被配置為通過根據來自網路節點的參考訊號調整輸入訊號的相位來執行類比波束成形。舉例來講，由於不同的傳播路徑/延遲，天線接收的八個輸入訊號相對於彼此可能具有相位漂移/相位差。接收器300還可以從網路節點接收參考訊號。然後，移相器可以利用參考訊號來確定八個輸入訊號之間的相位差。移相器可以被配置為調整每個輸入訊號的相位以消除每個輸入訊號之間的相位漂移/相位差。因此，在類比波束成形之後，八個輸入訊號的相位可以對齊/相同。八個波束成形的輸入訊號之間可以沒有相位差/零相位差。相應地，所有的八個輸入訊號可以被加法器/訊號組合器進行相長組合，並且八個輸入訊號之間不會存在干擾。

然而，在接收器300中，需要基於從網路節點接收到的參考訊號來執行類比波束成形。接收器300需要足夠數量的具有參考訊號的正交分頻多工（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）符號來確定天線陣列中的相位漂移/相位差。這將導致網路節點側的顯著信令開銷。而且，大量的無線電資源將被參考訊號佔用/使用。

第4圖可例示根據本發明實施例的自主波束成形器的一個實施例。自主波束成形器400可以包括用於接收兩個輸入訊號的兩條路徑。兩個輸入訊號可以被傳遞到相位檢測器410。相位檢測器410可以被配置為檢測兩個輸入訊號之間的相位差。自主波束成形器400還可以包括用於將相位差轉換為電壓控制訊號的相位電壓轉換器（phase-to-voltage converter）和用於將電壓控制訊號轉換為相位調整訊號的電壓相位轉換器（voltage-to-phase converter）。自主波束成形器400還可以包括用於根據電壓控制訊號調整輸入訊號相位的移相器420。

自主波束成形器400的操作原理如第4圖所示。當接收器以入射角接收輸入的訊號（比如輸入訊號）時，如果兩個天線元件相隔的距離（其中是波長），則兩個相鄰天線元件處接收到的訊號具有相位差。相位檢測器可以檢測到相位差，並且直流（Direct Current，DC）控制電壓可以根據該相位差而生成。可以形成相位電壓轉換增益。然後，可以以電壓相位轉換增益將直流控制電壓作為控制電壓回饋給移相器。這可以在相位域中形成負反饋回路操作，且具有寬頻特性和的總環路增益。輸出殘餘相位差（output residual phase difference）可以表示為。在執行自主波束成形之後，輸出殘餘相位差可以減小到幾乎為零度（比如）。

利用自主波束成形器，可以通過在接收器側檢測相位差來消除複數個輸入訊號之間的相位差，而無需使用來自網路節點的參考訊號。然而，自主波束成形器無法區分干擾訊號和資料訊號。儘管自主波束成形器可以對齊輸入訊號之間的相位差，但無法排除干擾訊號。干擾訊號和資料訊號均可以被處理和放大。在接收器中僅使用自主波束成形器的情況下，由於干擾訊號和資料訊號被混合和組合，所以輸出訊號的性能/訊號品質比較差。因此，自主波束成形器之後的基頻處理器將難以處理（比如解碼）上述訊號。因此，如何使用自主波束成形器來降低對參考訊號的需求，並且避免由自主波束成形器導致的資料性能/品質不佳是值得研究的。

特別地，裝置（比如接收器）可以被配置為通過複數個天線從網路節點接收複數個輸入訊號。該裝置可以通過調整複數個輸入訊號的相位來執行自主波束成形以生成自主波束成形的訊號。然後，該裝置可以基於來自網路節點的參考訊號對自主波束成形的訊號執行數位波束成形和類比波束成形中的至少一個，以生成波束成形的訊號。

在自主波束成形中，該裝置可以檢測複數個輸入訊號之間的相位差並且補償該相位差。舉例來講，該裝置可以調整第一輸入訊號的第一相位（比如將第一相位加上/減去相位差的一半）並調整第二輸入訊號的第二相位（比如將第二相位減去/加上相位差的一半）。第一相位和第二相位之間的相位差在補償之後可以接近或等於零。在自主波束成形之後，第一輸入訊號和第二輸入訊號可以相長組合。可以根據複數個輸入訊號來執行自主波束成形，而無需使用來自網路節點的參考訊號。可以對複數個輸入訊號中的每一對輸入訊號執行自主波束成形。

在數位波束成形中，該裝置可以根據來自網路節點的參考訊號來調整自主波束成形的訊號的相位和/或幅度。在類比波束成形中，該裝置可以根據來自網路節點的參考訊號來調整自主波束成形的訊號的相位。

在一種實施方式中，在自主波束成形之後，可以執行數位波束成形和類比波束成形中的至少一個。在一種實施方式中，可以對複數個輸入訊號中的每一對輸入訊號執行自主波束成形。在一種實施方式中，可以對至少兩個自主波束成形的訊號執行數位波束成形和類比波束成形中的至少一個。

第5圖可例示根據本發明實施例的利用自主波束成形器的混合波束成形的一個實施例。第5圖可示出八元接收天線陣列的架構。該天線陣列可以是混合波束成形器，混合波束成形器可以包括四組由自主波束成形器實施的雙天線類比波束成形（two-antenna analog beamforming）和一組由網路節點提供的機制實施的四流數位波束成形器（four-stream digital beamformer）。八個天線可以被配置為接收輸入訊號。每個天線可以電耦接到用於放大輸入訊號的LNA。八個天線元件可以分為四組，同一組中的兩個天線元件接收到的輸入訊號可以通過自主波束成形器進行組合。

特別地，一對天線元件可以電耦接到一個自主波束成形器。在每個自主波束成形器中，每個LNA可以電耦接到移相器。兩個移相器的輸出可以電耦接到相位檢測器。相位檢測器可以被配置為檢測兩個輸入訊號之間的相位差。然後，相位檢測器可以控制移相器來調整每個輸入訊號的相位。兩個輸入訊號之間的相位差可以通過相位調整來補償。舉例來講，兩個輸入訊號之間的相位差可以是60度。相位檢測器可以控制第一移相器將第一輸入訊號調整-30度，並且控制第二移相器將第二輸入訊號調整+30度。相應地，第一輸入訊號與第二輸入訊號之間的相位差在相位調整之後可以為0度。然後，第一輸入訊號和第二輸入訊號可以被傳遞到加法器或訊號組合器。由於消除了相位差，因此第一輸入訊號和第二輸入訊號可以相長組合。

四組自主波束成形器可以電耦接到四流數位波束成形器。數位波束成形器的每個流可以包括PA、混頻器、濾波器和用於將輸入訊號轉換為基頻數位訊號的類比數位轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）。然後，四個基頻數位訊號可以被傳遞到基頻數位波束成形電路以進行數位波束成形。在數位波束成形中，還可以根據來自網路節點的參考訊號來調整每個流的相位和幅度。使用來自網路節點的參考訊號，數位波束成形器能夠排除干擾訊號和放大資料訊號。相應地，數位波束成形器可以組合四流輸入訊號而沒有干擾和相位差。

利用第5圖所示的自主波束成形器，接收器可以自主地執行雙天線類比波束成形，而無需來自網路節點的支援（比如參考訊號）。與第3圖中沒有自主波束成形器的天線陣列相比，第5圖中的天線陣列可以用更少的OFDM符號來確定接收波束成形。如果沒有自主波束成形器，網路節點通常需要提供支援在發送器和接收器之間進行類比波束對齊的機制。特別地，網路節點需要提供足夠數量的OFDM符號來確定天線陣列的接收波束成形器。舉例來講，可能需要兩個OFDM符號來確定如第5圖所示的二元天線陣列的接收波束成形器。網路節點還需要為物理下行鏈路共用通道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）提供傳輸配置指示符（Transmission Configuration Indicator，TCI）機制，以通知UE用於PDSCH的接收波束成形器與用於接收已知的導頻訊號（比如參考訊號）的波束成形器相同。因此，在混合波束成形器中引入自主波束成形器可以顯著降低來自網路節點的參考訊號/控制訊號的需求和開銷，從而可以減輕網路節點和無線電資源的負擔。相應地，通過結合自主波束成形器和數位波束成形器，混合波束成形器可以提高無線電效率並且可以在接收器處保持良好的訊號品質/性能。

第6圖可例示根據本發明實施例的具有自主波束成形器的混合波束成形的另一個實施例。第6圖可示出類比波束成形器，類比波束成形器可以包括四組由自主波束成形器實施的雙天線類比波束成形，然後可以包括一組由網路節點提供的機制實施的四流類比波束成形器（four-stream analog beamformer）。第6圖中的自主波束成形器的操作原理與第5圖類似。

特別地，四組自主波束成形器可以電耦接到四流類比波束成形器，以利用網路節點支援的機制執行類比波束成形。類比波束成形器的每個流可以包括PA和移相器。四個類比訊號可以被傳遞到加法器或訊號組合器以進行組合。在類比波束成形中，還可以根據來自網路節點的參考訊號來調整每個流的相位。利用來自網路節點的參考訊號，類比波束成形器能夠排除干擾訊號並放大資料訊號。相應地，類比波束成形器可以組合四流輸入訊號而沒有干擾和相位差。

利用自主波束成形器，接收器可以自主地執行雙天線類比波束成形，而無需來自網路節點的支援（比如參考訊號）。與第3圖中沒有自主波束成形器的天線陣列相比，第6圖中的天線陣列可以使用較少數量的OFDM符號來確定接收波束成形。使用自主波束成形器和隨後的類比波束成形器，接收器可以從資料訊號中排除干擾訊號，並根據來自網路節點的參考訊號對資料訊號進行放大。類比波束成形器可以在沒有干擾和相位差的情況下組合四流輸入訊號。因此，在混合波束成形器中引入自主波束成形器可以顯著降低來自網路節點的參考訊號/控制訊號的需求和開銷，從而減輕網路節點和無線電資源的負擔。相應地，通過結合自主波束成形器和類比波束成形器，混合波束成形器可以提高無線電效率，並且可以在接收器處保持良好的訊號品質/性能。

在本發明的一些實施例中，在執行自主波束成形之後，可以執行數位波束成形和類比波束成形兩者。類似地，通過結合自主波束成形器以及數位波束成形器和類比波束成形器，可以提高無線電效率，並且可以在接收器處保持良好的訊號品質/性能。

第7圖是根據一個新穎方面的利用自主波束成形器的混合波束成形方法的流程圖。在步驟701中，裝置可以通過複數個天線從網路節點接收複數個輸入訊號。在步驟702中，該裝置可以通過調整複數個輸入訊號的相位來執行自主波束成形以生成自主波束成形的訊號。在步驟703中，該裝置可以基於來自網路節點的參考訊號對自主波束成形的訊號執行數位波束成形和類比波束成形中的至少一個，以生成波束成形的訊號。

在一種實施方式中，該裝置可以檢測複數個輸入訊號之間的相位差並且補償該相位差。

在一種實施方式中，該裝置可以調整第一輸入訊號的第一相位（比如將第一相位加上/減去相位差的一半）並調整第二輸入訊號的第二相位（比如將第二相位減去/加上相位差的一半）。補償後第一相位與第二相位之間的相位差可以為零。在自主波束成形之後，第一輸入訊號和第二輸入訊號可以相長組合。

在一種實施方式中，該裝置在執行數位波束成形時可以根據來自網路節點的參考訊號調整自主波束成形的訊號的相位和/或根據來自網路節點的參考訊號調整自主波束成形的訊號的幅度。

在一種實施方式中，該裝置在執行類比波束成形時可以根據來自網路節點的參考訊號來調整自主波束成形的訊號的相位。

本發明雖結合特定的具體實施例揭露如上以用於指導目的，但是本發明不限於此。相應地，在不脫離本發明請求項所闡述的範圍內，可對上述實施例的各種特徵進行各種修改、調整和組合。

100, 120, 130:網路 101:通訊鏈路 110:UE 121:BS 160:波束成形模組和電路 180:控制功能模組和電路 161:數位/類比波束成形器電路 181:配置和控制電路 162:自主波束成形器電路 182:參考訊號電路 170, 190:程式指令 172, 192:存儲介質 173, 193:處理器 176, 196:收發器模組 177, 197:天線 400:自主波束成形器 410:相位檢測器 420:移相器 701~703:步驟

附圖可例示本發明的實施例，其中相同的編號可表示相同的組件。第1圖可例示根據本發明實施例的支持利用自主波束成形器的混合波束成形的示範性無線通訊網路。第2圖是根據本發明實施例的基地台（Base Station，BS）和UE的簡化框圖。第3圖可例示根據本發明實施例的傳統接收器的一個實施例。第4圖可例示根據本發明實施例的自主波束成形器的一個實施例。第5圖可例示根據本發明實施例的利用自主波束成形器的混合波束成形的一個實施例。第6圖可例示根據本發明實施例的利用自主波束成形器的混合波束成形的一個實施例。第7圖是根據本發明實施例的利用自主波束成形器的混合波束成形方法的流程圖。

701~703:步驟

Claims

一種用於無線通訊的方法，包括：由一裝置通過複數個天線從一網路節點接收複數個輸入訊號；由所述裝置通過調整所述複數個輸入訊號的相位來執行自主波束成形以生成自主波束成形的訊號；以及由所述裝置基於來自所述網路節點的參考訊號對所述自主波束成形的訊號執行數位波束成形和類比波束成形中的至少一個，以生成波束成形的訊號。
如請求項1所述之用於無線通訊的方法，其中，所述自主波束成形還包括：由所述裝置檢測所述複數個輸入訊號之間的一相位差；以及由所述裝置補償所述相位差。
如請求項2所述之用於無線通訊的方法，其中，所述補償還包括：由所述裝置調整一第一輸入訊號的一第一相位；以及由所述裝置調整第二輸入訊號的一第二相位，其中，在所述補償之後，所述第一相位和所述第二相位之間的相位差為零。
如請求項3所述之用於無線通訊的方法，其中，在所述自主波束成形之後，所述第一輸入訊號和所述第二輸入訊號被相長組合。
如請求項1所述之用於無線通訊的方法，其中，所述數位波束成形還包括：由所述裝置根據來自所述網路節點的所述參考訊號調整所述自主波束成形的訊號的相位；以及/或者由所述裝置根據來自所述網路節點的所述參考訊號調整所述自主波束成形的訊號的幅度。
如請求項1所述之用於無線通訊的方法，其中，所述類比波束成形還包括：由所述裝置根據來自所述網路節點的所述參考訊號調整所述自主波束成形的訊號的相位。
如請求項1所述之用於無線通訊的方法，其中，所述自主波束成形是根據所述複數個輸入訊號執行的，而不使用來自所述網路節點的所述參考訊號。
如請求項1所述之用於無線通訊的方法，其中，在所述自主波束成形之後執行所述數位波束成形和所述類比波束成形中的至少一個。
如請求項1所述之用於無線通訊的方法，其中，對所述複數個輸入訊號中的每一對輸入訊號執行所述自主波束成形。
如請求項1所述之用於無線通訊的方法，其中，對所述自主波束成形的訊號中的至少兩個執行所述數位波束成形和所述類比波束成形中的至少一個。
一種用於無線通訊的裝置，包括：複數個天線，從一網路節點接收複數個輸入訊號；一自主波束成形器，通過調整所述複數個輸入訊號的相位來執行自主波束成形以生成自主波束成形的訊號；以及一數位波束成形器和一類比波束成形器中的至少一個，基於來自所述網路節點的參考訊號對所述自主波束成形的訊號執行數位波束成形和類比波束成形中的至少一個，以生成波束成形的訊號。