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CN107852397B - 使用选择矩阵进行天线相位校准的混合波束形成天线阵列 - Google Patents

使用选择矩阵进行天线相位校准的混合波束形成天线阵列 Download PDF

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Abstract

一种用于MU‑MIMO通信系统的混合波束形成天线阵列，包括：连接到M个无源波束形成子阵列的单个数字波束形成器；所述M个无源波束形成子阵列，其中每个无源波束形成子阵列包括：一个RF收发器馈送一个RF链；一个2N输入2N输出选择矩阵，其所有输入端连接到所述单个RF链的输出端；以及2N个天线，其中每一个天线连接并馈送自所述选择矩阵的一个输出端；其中，所述数字波束形成器馈送所述无源波束形成子阵列的每个RF收发器；所述选择矩阵不具有功耗元件且没有外部控制，其被配置为在所述2N个输入端的一个或多个接收反馈，并在其2N个输出端产生2N个单独的具有逐行相位分布的RF信号波束；所述混合波束形成天线阵列不具有天线校准网络。

Description

使用选择矩阵进行天线相位校准的混合波束形成天线阵列
交叉引用声明
本申请根据巴黎公约要求于2016年3月14日递交的美国临时专利申请No. 62/307,582的优先权，其全部披露内容在此引用于本申请。
技术领域
本发明基本上涉及大规模多输入多输出（MIMO）通信系统，尤其是涉及一种多用户大规模MIMO (MU-MIMO)系统中信道估计的方法和装置。
背景技术
第五代（5G）无线网络有可能在广泛的各个方面彻底改变通信基础设施和业务模式。5G网络中的许多技术进步其一是全新的不受在先设计约束的无线接口。该接口可以在单个天线阵列中采用大规模MIMO和波束形成技术，从而可以大幅提高频谱效率和空间分集，同时可以以更高的信号和干扰噪声比（SINR）支持多用户。
由于具有多种优点，诸如大波束形成增益和空间复用增益，以及高空间分辨率，大规模MIMO通信已经引起了对下一代广域无线通信系统未来部署的巨大兴趣。在一个大规模MIMO系统，发送器一般具有很大数量（即大约10至100以上）的发射天线元件。为了获得较高的数据传输率，一种方法是通过多个天线同时向用户设备（UE）传输多个数据流。例如，如图1所示，有四个单独的数据流d 1 (t), d 2 (t), d 3 (t), 和 d 4 (t)分别用一个天线元件同时传输到UE，从而获得d 1 (t)数据率四倍的数据率。另一种获得高数据传输率的方法是使用波束形成，其中单个数据流被分离成具有相移的多个副本。每个相移副本从每个天线发送出去，形成一个波束信号给UE。
在一个MU-MIMO系统中，使用波束形成能提高SINR和每个用户的容量。然而，使用波束形成的话，天线校准则是必须的，因为波束形成算法依赖于对精确的射频（RF）信号的相位和幅度的获知。然而，每个RF链可能包含多个集成电路（RFIC），功率放大器和ADC /DAC，具有受温度变化影响的各种相位和功率放大器性能，以及微带线和机械公差的不良影响。没有任何校准的话，RF链之间的相位差可以高达+/- 20度。这是不可接受的，因为波束形成仅可以容忍最大+/- 2度的相位差。因此，需要天线校准以在RF到天线的馈送中提供幅度和相位校正。
现有的解决方案包括非自适应校准，其包括使用外部网络分析仪测量来自天线阵列的波束信号，并调整幅度和相位以在RF馈送中进行校正；然而，这种解决方案使系统的运营基础设施大大复杂化，特别是额外的昂贵设备和程序。
一种自适应校准解决方案是使用单独的校准电路（比如用DSP或FPGA实现），以及每个RF链使用单独的校准收发器。在该解决方案中，每个RF链具有在天线馈送网络之前直接连接在端口处的定向耦合器，并且耦合器连接到具有校准电路的单独的接收机网络，该校准电路具有到RF链路的反馈路径。导频信号通过所有RF链发送，并且在耦合器处进行测量作为接收机网络的输入，以确定振幅和相位校正。该解决方案精确，但由于许多额外组件增加到了RF链而昂贵，如校准电路中的组合器和功率分配器。
另一种自适应校准解决方案是利用天线之间的相互耦合特性来计算它们之间的相位差。然而，由于返回的RF链存在有源器件而与正向射频链不相同，所以该解决方案相对不太准确，尽管比上述解决方案便宜。
除了由天线校准所呈现的问题之外，目前的波束形成技术还存在功耗过大的问题。 例如，在数字波束形成（DBF）中，RF链必须包括许多RFIC、功率放大器和ADC / DAC，从而消耗大量功率。而在模拟波束形成（ABF）中，RF链中的可变移相器具有显著损耗。
发明内容
本发明提供了一种选择性波束形成子阵列，其目的在于减轻天线校准和功耗问题。 根据本发明的各种实施例，提供了一个或多个采用混合波束形成（HBF）的选择性波束形成子阵列，其具有M个数字波束形成和每个子阵列具有2N个天线元素，总共有2N的M倍天线元件（形成无源波束形成网络）。每个子阵列包含具有2N个输入和2N个输出的反馈网络，其中每个输入连接到所有输出，在特定方向上仅使用不需要外部电源或控制的元件（即二极管、开关、存储器（MEMs），等等。）形成一个天线波束，
根据一个实施例，天线阵列总功率消耗为（PDBF + 0.5dBm）的M倍，其中PDBF是数字波束形成器的功耗。每个阵列不需要校准网络，并且所产生的波束的数量是2N的M倍。
本发明的优点包括相对于其他阵列结构而言降低了功耗。电子产品具有更低的功耗意味着，允许更小的散热以及进一步可能的更低成本和封装尺寸。由于天线校准网络的消除，系统的复杂性也得到降低。
附图说明
本发明的实施例参考以下附图进行进一步的详细描述，其中：
图1a是一个模拟波束形成（ABF）结构的示意图；
图1b是一个数字波束形成（DBF）结构的示意图;
图1c是一个混合波束形成（DBF）结构的示意图；
图2是根据本发明多种实施例描绘的改进混合波束形成结构的示意图；
图3描述了MU-MIMO通信系统中的巴特勒矩阵；
图4是根据本发明一个优选实施例描绘的改进混合波束形成结构的示意图；以及
图5是根据本发明另一个优选实施例描绘的改进混合波束形成结构的示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，MU-MIMO系统中的波束形成系统和方法被列为优选示例。对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对其进行修改，包括添加和/或替换。某些具体细节被省略以免使本发明晦涩不清。然而，本申请的描述能使本领域技术人员能够在不进行实验的情况下实践本文的教导。
参看图1a。模拟波束形成（ABF）的架构是具有多个连接到单个收发器并接受其反馈的天线。波束信号是通过给每个天线使用单独的功率放大器和单独的可变移相器来形成，以实现对从天线发送的每个信号的相移。参考图1b，数字波束形成（DBF）的架构是其中每个天线连接到单独的收发器并接受其反馈，并且波束信号通过波束形成算法形成在基带中。参考图1c，混合波束形成（HBF）的架构是其中n个收发器（DBF架构特性）中的每一个连接到并反馈M个天线（ABF架构特性）。因此，在HBF架构中，每个子阵列包括n个收发器其中之一，M个天线，M个功率放大器且每个天线对应一个，以及M个可变移相器且每个天线对应一个。
参见图1c和图2，根据本发明的各种实施例，选择性波束形成子阵列用于改进具有无源波束形成（PBF）架构的HBF架构。改进基于HBF架构中的每个模拟波束形成子阵列（一个收发器101、M个天线104、M个功率放大器103且每个对应一个天线，以及M个可变移相器102且每个对应一个天线）由无源波束形成子阵列替代，将如图1c所示的架构转变为图2所示的架构。
在各种实施例中，每个无源波束形成子阵列包括一个2N元素巴特勒矩阵，以代替反馈2N个天线的多个单独的天线反馈。一个巴特勒矩阵是一个n输入n输出信号馈送网络，其主要包括定向耦合器和移相器，其已经在各种公开出版物上描述过，包括巴特勒等人在Electronic Design第九卷（1961年4月）第170-173页发表的“Beam-Forming MatrixSimplifies Design of Electronically Scanned Antennas”一文。无源波束形成子阵列可无需天线校准网络而产生MU-MIMO系统的多天线波束。
选择矩阵是包含n个输入端和n个输出端的天线信号馈送网络，使得RF信号进入一个输入端而由几个或全部输出端离开。在各种实施例中，使用巴特勒矩阵作为选择矩阵，其中RF信号进入一个输入端而由所有输出端离开，使得在输出端处产生具有逐行相位分布的n个分离的RF信号波束以覆盖整个半球天线阵列，这在图3中示出。使用巴特勒矩阵的优点是在馈电网络中没有功耗元素，并且不需要外部控制。因此，在改进的HBF架构中，用PBF替换ABF同时能降低功耗和系统复杂性，并消除对天线校准网络的要求。此外，所有的波束在数字波束成形器中发生的波束选择同时发送。
请参看图4。根据本发明的一个优选实施例，改进的HBF架构（结构）包括一个单独的具有空移键控调制的数字波束形成器401，其连接到一个或者多个（M个）无源波束形成子阵列402。空移键控调制已经在各种公开出版物中有所揭示，包括Jeganathan等人在IEEETransactions on Wireless Communications2009年7月第7期第8卷发表的文章SpaceShift Keying Modulation for MIMO Channels，其全部内容在此引入本文作为参考。每个无源波束形成子阵列包括至少一个RF收发器403，其连接到一个功率放大器404，所述功率放大器404连接到一个功率分配器/组合器405，所述功率分配器/组合器405连接到一个2N元素巴特勒矩阵406，巴特勒矩阵406自2N个天线实现接收并反馈到2N个天线，巴特勒矩阵406的每个输出分别连接到其中一个天线。如图4所示，是一个改进的HBF架构，其在每个无源波束形成子阵列中具有8个天线（N=3）。
参看图5，根据本发明的另一个优选实施例，改进的HBF架构包括具有波束选择的数字波束形成器501，其连接到一个或者多个（M个）无源波束形成子阵列502。每个无源波束形成子阵列包括至少2N个RF收发器503，每个RF收发器503连接到一个功率放大器504，而功率放大器504连接到2N元素巴特勒矩阵505的一个输入端，巴特勒矩阵505自2N个天线实现接收并反馈到2N个天线，巴特勒矩阵505的每个输出分别连接到其中一个天线。图5所示为一种改进的HBF结构，其每个无源波束形成子阵列具有8个天线（N=3）。
在一个优选例子当中，从能量效率角度出发，改进的HBF架构中的天线和收发器的优选数量为4个RF收发器和每个RF收发器分别配8个（N=3）天线，也就是总共32个天线。下面的表1对ABF、DBF、HBF和依据本发明的MU-MIMO系统中的改进HBF架构的功耗进行了对比。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表1：功耗对比
本文公开的实施例可以使用通用或专用计算设备，计算机处理器或电子电路来实现，包括但不限于专用集成电路（ASIC），现场可编程门阵列（FPGA）和其他可编程逻辑器件，其被配置或根据本公开的教导编程。基于本公开的教导，在通用或专用计算设备，计算机处理器或可编程逻辑设备中运行的计算机指令或软件代码可以由软件或电子技术领域的技术人员很容易地完成。
电子类的实施例包括具有存储在其中的计算机指令或软件代码的计算机存储介质，其可用于对计算机或微处理器进行编程以执行本发明的任何过程。存储介质可以包括但不限于软盘，光盘，蓝光盘，DVD，CD-ROM和磁光盘，ROM，RAM，闪存设备或任何类型的适用于存储指令、代码和/或数据的介质或设备。
为了说明和描述的目的，提供了本发明的前述描述。但它不是穷举的或将本发明限制于所公开的精确的具体形式。许多修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。
本申请中的实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用而选择和被描述的，从而使得本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例以及适用于所考虑的具体用途的各种修改。

Claims (8)

1.一种混合波束形成天线阵列，用于多用户大规模多输入多输出(MU-MIMO)通信系统，其特征在于，包括：
单个数字波束形成器，其连接到M个无源波束形成子阵列，且M为大于1的整数；
所述M个无源波束形成子阵列，其中所述M个无源波束形成子阵列具有相同的配置，且每个无源波束形成子阵列包括：
一个射频(RF)收发器，包括一个连接到单个RF链的输入端的输出端；
一个选择矩阵，具有2N个输入端以及2N个输出端，且其所有输入端连接到所述单个RF链的输出端；以及
2N个天线，其中每一个天线连接并馈送自所述选择矩阵的一个输出端；其中，
所述单个数字波束形成器的输出连接并馈送所述无源波束形成子阵列的每个RF收发器；以及
所述选择矩阵不具有功耗元件且没有外部控制，其被配置为在所述2N个输入端的一个或多个接收反馈，并在其所述2N个输出端产生2N个单独的具有逐行相位分布的RF信号波束；以及
所述混合波束形成天线阵列不具有天线校准网络。
2.如权利要求1所述的混合波束形成天线阵列，其特征在于，所述单个RF链包括：
功率分配器/组合器；和
功率放大器(PA)、低噪音放大器(LNA)、滤波器与混频器其中至少之一。
3.如权利要求1所述的混合波束形成天线阵列，其特征在于，所述选择矩阵是一个2N元素巴特勒矩阵。
4.如权利要求1所述的混合波束形成天线阵列，其特征在于，所述M为4，所述N为3，所述天线总数为32。
5.一种混合波束形成天线阵列，用于多用户大规模多输入多输出(MU-MIMO)通信系统，其特征在于，包括：
单个数字波束形成器，其连接到M个无源波束形成子阵列，且M为大于1的整数；
所述M个无源波束形成子阵列，其中所述M个无源波束形成子阵列具有相同的配置，且每个无源波束形成子阵列包括：
2N个射频(RF)收发器，每个收发器包括一个输出端连接到2N个RF链的每个输入端；
一个选择矩阵，具有2N个输入端以及2N个输出端，且其每个输入端连接到所述2N个RF链的每个输出端；以及
2N个天线，其中每一个天线连接并馈送自所述选择矩阵的一个输出端；其中，
所述单个数字波束形成器的输出连接并馈送所述无源波束形成子阵列的每个RF收发器；以及
所述选择矩阵不具有功耗元件且没有外部控制，其被配置为在所述2N个输入端的一个或多个接收反馈，并在其所述2N个输出端产生2N个单独的具有逐行相位分布的RF信号波束；以及
所述混合波束形成天线阵列不具有天线校准网络。
6.如权利要求5所述的混合波束形成天线阵列，其特征在于，每个所述RF链包括功率放大器(PA)、低噪音放大器(LNA)、滤波器与混频器其中至少之一。
7.如权利要求5所述的混合波束形成天线阵列，其特征在于，所述选择矩阵是一个2N元素巴特勒矩阵。
8.如权利要求5所述的混合波束形成天线阵列，其特征在于，所述M为4，所述N为3，所述天线总数为32。
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