毫米波RF信道仿真器制造技术

本发明专利技术呈现了一种用于测试毫米波(mm波)无线通信系统的RF信道仿真器，包括既完成BS与UE处的波束扫描又完成正常数据传输的以下实施方案：使用无线信道来连接RF信道仿真器与mm波无线通信系统、天线阵列布局、天线阵列设计、天线选择、和极化矩阵估计。

【技术实现步骤摘要】
毫米波RF信道仿真器
本专利技术总体上涉及一种用于多输入多输出(MIMO)系统的厘米或毫米波信道仿真器，并且更具体地涉及一种在基站(BS)与信道仿真器之间的无线连接。专利技术背景随着移动数据需求的爆发式增长，未来的无线网络将开发新的可用频谱，即，厘米至毫米(mm波)波段，以大大地增加通信容量。mm波通信系统与现有的在5GHz以下操作的微波系统之间的根本差异是高传播损耗、方向性以及对阻塞的灵敏度。为了解决这个问题，具有由包含多个天线元件的天线阵列生成的非常高增益的定向波束成形已被认为是用于在接收器处提高信号强度水平的重要技术。由于在BS或用户设备(UE)处采用的强方向性天线，因此要求在BS和/或UE处的波束或定向扫描实现像常规蜂窝网一样的无缝覆盖。此外，为了进一步增加系统容量，在BS和/或UE处使用多天线阵列，使得可以在mm波通信系统中采用MIMO技术、甚至多用户MIMO(MU-MIMO)技术。用于在mm波通信系统中实现MIMO和MU-MIMO的最重要技术之一是混合波束成形(HB)，该混合波束成形是用于射频(RF)信号的模拟波束成形与用于数字信号或基带信号的预编码的组合，可在BS与UE两者处采用该数字信号或基带信号。自适应模拟波束成形可以利用高增益波束完成波束/定向扫描，而预编码可以在MIMO和/或MU-MIMO中去除多路复用的数据流中的干扰。由于mm波天线阵列的较小尺寸，其可以与RF电路整合，这意味着不存在如常规方法在测试BS时所做的用于使用线缆将BSRF路径连接至信道仿真器的天线端口。此外，利用波导或其他类似技术将BS的每个天线元件直接连接到信道仿真器的相应天线元件仍然是不可能的，因为每个天线元件的尺寸以及任意两个天线元件之间的空间太小而不能放下这些巨大数量的波导。像在BS处的数字模拟转换器(DAC)前将数字信号直接传送至信道仿真器的其他方法仍面临一个问题，即，在仿真器处无法对BS处的自适应模拟波束成形以及相应的波束扫描进行仿真。总之，不存在满足这些需求的现有技术硬件RF信道仿真器。本专利技术呈现了用于构建满足测试mm波通信系统需求的硬件RF信道仿真器的电路和方法。附图简述以下附图列表中使用的缩写在下一章节中定义，下一章节提供了本专利技术的实施方案的详细描述。图1示出了信道仿真器的框图图2示出了信道仿真器的主要部件图3示出了针对一维天线阵列与每个天线相关联的空间角度图4示出了针对二维球面天线阵列与每个天线相关联的空间角度图5示出了对BS与信道仿真器之间的极化矩阵的估计图6示出了针对具有单极化一维天线阵列的SU-MIMO的信道仿真器图7示出了针对具有交叉极化一维天线阵列的SU-MIMO的信道仿真器图8示出了针对具有交叉极化二维球面天线阵列的SU-MIMO的信道仿真器图9示出了针对具有交叉极化二维球面天线阵列的MU-MIMO的信道仿真器图10示出了针对具有交叉极化二维球面天线阵列的MU-MIMO的信道仿真器，其中，该天线阵列被布置在密封腔体中。专利技术详述现在参考附图，其中相同标号自始至终指代相同部分。现在，将描述本专利技术的示例性实施方案。示例性实施方案被提供用于展示本专利技术的方面并且不应被解释为限制本专利技术的范围。当参考框图或流程图描述示例性实施方案时，每个框可以表示方法步骤或用于执行该方法步骤的装置元件。根据实现方式，相应装置元件可以被配置到硬件、软件、固件或其组合中。在以下描述中，除非上下文中以其他方式指示，否则天线和RF路径可互换地用于指示发射(Tx)和/或接收(Rx)RF电路以及连接至该发射和/或接收RF电路的天线，例如，在混合波束成形系统中，一条RF路径可以经由波束成形电路(主要为模拟的)连接至多个天线元件。在这种系统中，连接至同一RF路径的所有天线元件可以被视作基带处理中的单个等效天线。此后，导频信号可以指出于估计发射天线与一个或多个接收天线之间的信道的目的由一个天线发射的信号。其也可以被称为参考信号、信道估计信号或测试信号。此外，术语“毫米波”或“mm波”用于指示频率通常高于10GHz的无线电波，因此亚毫米级、亚厘米级或几厘米的波长。针对mm波无线通信系统，信道仿真器用于对BS与UE之间的无线信道进行仿真，从而使得可以测试和验证BS与UE之间的波束扫描和数据传输。如图1所示，放置在BS2与UE3之间的信道仿真器1通过无线信道(例如，用无线电)而不是常规信道仿真器中的线缆来连接至BS和UE。如图2所示，mm波信道仿真器主要由三个部件组成，即，面向BS4、用于在下行链路中接收来自BS的信号以及在上行链路中将信号发射至BS的天线阵列；完成RF信号接收和发射、将RF信号转换成数字信号以及反过来、生成信道系数相关的参数、以及对穿过无线信道的信号进行仿真的处理单元5；以及面向UE6、用于在下行链路中将信号发射至UE以及在上行链路中接收来自UE的信号的天线阵列。针对多UE的情况，面对每个UE采用专门的天线阵列。注意到，用于生成信道系数的那些参数还可以离线生成并被下载到这个处理单元中。信道仿真器的天线阵列中的每个天线通过线缆、光纤或其他有线连接而连接至处理单元，并且每个连接可以通过自适应受控开关被接通和断开。面向BS的天线阵列可以是扇形的、圆形的或球面的，其中，阵列的大小(例如，阵列的半径)取决于BS的角度覆盖范围和载波频率，并且阵列中天线的数量是通过有待由信道仿真器提供的角分辨率确定的。面向UE的天线阵列可以是扇形的、圆形的或球面的，其中，阵列的大小(例如，天线阵列的半径)取决于部署场景和载波频率，并且阵列中天线的数量是通过有待提供的信道仿真器角分辨率确定的。此外，天线元件可以是单极化或交叉极化的。针对信道仿真器的天线阵列，每个单极化天线元件或每个共同定位的交叉极化天线对与一个或一对特定的空间角度相关联。图3示出了面向BS、具有单极化天线元件的一维扇形天线阵列7的实施方案，其中，每个天线与由天线在阵列中的位置以及该天线阵列的半径确定的空间角度相关联。在此实施方案中，此天线阵列的半径为R，并且第m个天线在竖直维度上的坐标为dm。然后，通过确定与第m个天线相关联的空间角度。每个天线元件与相关联的空间角度之间的映射被存储在处理单元的存储器中的表中。类似地，天线阵列中面向UE的每个天线元件与特定的角度相关联，相应的映射也被存储在处理单元的存储器中的表中。图4示出了具有交叉极化天线元件的二维球面天线阵列8的另一个实施方案，即，每个天线定位在球面表面处，其中，每两个共同定位的交叉极化天线与相同的两个空间角度相关联，该相同的两个空间角度是基于天线在阵列中的位置以及该阵列的半径确定的。在此实施方案中，此天线阵列的半径为R，并且第m个交叉极化天线对在竖直维度和水平维度上的尺寸分别为和然后，针对第m个天线对，这两个相关联的空间角度(φm，θm)分别由和确定。每个交叉极化天线对与相关联的空间角度之间的映射被存储在处理单元的存储器中的表中。类似地，天线阵列中面向UE的每个交叉极化天线对与两个特定的角度相关联，并且相应的映射也被存储在处理单元的存储器中的表中。当在BS处使用交叉极化天线阵列时，在信道仿真器处也需要使用面向BS的交叉极化天线阵列。类似地，当UE配备有交叉极化天线阵列时，在信道仿真器处也需要使用面向UE的交叉极化天线阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对毫米波无线通信信道进行仿真的装置，该装置包括：天线阵列，该天线阵列具有面向基站(BS)的用于与该BS无线(OTA)通信的M个天线，其中，该BS在同一频率和时间资源上将信号发射至K(K≥1)个用户设备(UE)或从该K(K≥1)个用户设备接收信号；M条路径，该M条路径将该M个天线元件连接至第一组RF路径，该第一组RF路径包括包含将RF信号转换成数字信号的接收RF电路和/或包含将数字信号转换成RF信号的发射RF电路，其中，可以使用自适应受控的开关来接通或断开该M条路径中的每一条到RF路径的连接；面向该UE的一个或多个天线阵列，其中，面向一个或多个UE的每个天线阵列具有用于与该一个或多个UE进行无线通信的Nk个天线元件；针对面向该UE的该天线阵列中的每一个的Nk条路径，该Nk条路径将该Nk个天线元件连接至第二组RF路径，该第二组RF路径包括包含将RF信号转换成数字信号的接收RF电路和/或包含将数字信号转换成RF信号的发射RF电路，其中，可以使用自适应受控的开关来接通或断开该Nk条路径中的每一条到RF路径的连接；以及，处理单元，该处理单元生成、接收用于生成信道系数的参数或该信道系数、或者将该参数或该信道系数存储在存储器中，该参数或该信道系数对从该BS到该UE的实际无线信道和/或从该UE到该BS的实际无线信道进行仿真；并且，在下行链路中，选择以接通从该M条路径的子集以及面向该BS的该天线阵列中的相关联的天线元件到具有包含将RF信号转换成数字信号的接收RF电路的该第一组RF路径的连接、选择以接通从该Nk条路径的子集以及面向该(多个)UE的该(多个)天线阵列中的每一个的相关联的天线元件到具有包含将数字信号转换成RF信号的发射RF电路的该第二组RF路径的连接、从该M条路径的该子集中接收该BS的RF信号、将该RF信号转换成数字信号、使用信道系数来处理该数字信号以对从该BS到该(多个)UE的实际无线信道进行仿真、将该处理的数字信号转换成RF信号、并且通过面向该(多个)UE的该(多个)天线阵列中的每一个的该Nk条路径的子集来将该RF信号发射至该(多个)UE；并且在上行链路中，选择以接通从该M条路径的子集以及面向该BS的该天线阵列中的相关联的天线元件到具有包含将RF信号转换成数字信号的接收RF电路的该第一组RF路径的连接、选择以接通从该Nk条路径的子集以及面向该(多个)UE的该(多个)天线阵列中的每一个的相关联的天线元件到具有包含将数字信号转换成RF信号的发射RF电路的该第二组RF路径的连接、通过面向该(多个)UE的该(多个)天线阵列中的每一个的该Nk条路径的子集来接收来自该(多个)UE的RF信号、将该RF信号转换成数字信号、使用信道系数来处理该数字信号以对从该(多个)UE到该BS的实际无线信道进行仿真、将该处理的数字信号转换成RF信号、并且通过该M条路径的该子集将该RF信号发射该BS。...

【技术特征摘要】
2017.12.11 US 62/597,0891.一种用于对毫米波无线通信信道进行仿真的装置，该装置包括：天线阵列，该天线阵列具有面向基站(BS)的用于与该BS无线(OTA)通信的M个天线，其中，该BS在同一频率和时间资源上将信号发射至K(K≥1)个用户设备(UE)或从该K(K≥1)个用户设备接收信号；M条路径，该M条路径将该M个天线元件连接至第一组RF路径，该第一组RF路径包括包含将RF信号转换成数字信号的接收RF电路和/或包含将数字信号转换成RF信号的发射RF电路，其中，可以使用自适应受控的开关来接通或断开该M条路径中的每一条到RF路径的连接；面向该UE的一个或多个天线阵列，其中，面向一个或多个UE的每个天线阵列具有用于与该一个或多个UE进行无线通信的Nk个天线元件；针对面向该UE的该天线阵列中的每一个的Nk条路径，该Nk条路径将该Nk个天线元件连接至第二组RF路径，该第二组RF路径包括包含将RF信号转换成数字信号的接收RF电路和/或包含将数字信号转换成RF信号的发射RF电路，其中，可以使用自适应受控的开关来接通或断开该Nk条路径中的每一条到RF路径的连接；以及，处理单元，该处理单元生成、接收用于生成信道系数的参数或该信道系数、或者将该参数或该信道系数存储在存储器中，该参数或该信道系数对从该BS到该UE的实际无线信道和/或从该UE到该BS的实际无线信道进行仿真；并且，在下行链路中，选择以接通从该M条路径的子集以及面向该BS的该天线阵列中的相关联的天线元件到具有包含将RF信号转换成数字信号的接收RF电路的该第一组RF路径的连接、选择以接通从该Nk条路径的子集以及面向该(多个)UE的该(多个)天线阵列中的每一个的相关联的天线元件到具有包含将数字信号转换成RF信号的发射RF电路的该第二组RF路径的连接、从该M条路径的该子集中接收该BS的RF信号、将该RF信号转换成数字信号、使用信道系数来处理该数字信号以对从该BS到该(多个)UE的实际无线信道进行仿真、将该处理的数字信号转换成RF信号、并且通过面向该(多个)UE的该(多个)天线阵列中的每一个的该Nk条路径的子集来将该RF信号发射至该(多个)UE；并且在上行链路中，选择以接通从该M条路径的子集以及面向该BS的该天线阵列中的相关联的天线元件到具有包含将RF信号转换成数字信号的接收RF电路的该第一组RF路径的连接、选择以接通从该Nk条路径的子集以及面向该(多个)UE的该(多个)天线阵列中的每一个的相关联的天线元件到具有包含将数字信号转换成RF信号的发射RF电路的该第二组RF路径的连接、通过面向该(多个)UE的该(多个)天线阵列中的每一个的该Nk条路径的子集来接收来自该(多个)UE的RF信号、将该RF信号转换成数字信号、使用信道系数来处理该数字信号以对从该(多个)UE到该BS的实际无线信道进行仿真、将该处理的数字信号转换成RF信号、并且通过该M条路径的该子集将该RF信号发射该BS。2.权利要求1的装置，其中，面向该BS的该天线阵列是一维扇形阵列、半圆形阵列或二维球面阵列，其中，该天线元件是单极化或交叉极化的。3.权利要求1的装置，其中，面向该UE的该天线阵列中的每一个是一维扇形阵列、半圆形阵列或二维球面阵列，其中，该天线元件是单极化或交叉极化的。4.权利要求1的装置，其中，该处理单元中的该存储器存储与面向该BS的该天线阵列中每个天线元件相关联的空间角度或一对空间角度、和/或与面向该UE的该天线阵列中的每一个中的每个天线元件相关联的空间角度或一对空间角度，其中，该(多个)角度是由每个天线元件在该天线阵列中的位置确定的。5.权利要求1的装置，其中，该处理单元中的该存储器将面向该BS的该天线阵列中的每个天线元件与相应空间角度之间的映射存储在表中，查找这个表以选择其相关联的角度最接近与该BS侧的每个多路径相关联的角度的天线元件，并且将RF路径连接至该选择的天线元件，和/或将面向该(多个)UE的该(多个)天线阵列中的每个天线元件与相应空间角度之间的映射存储在表中，查找这个表以选择其相关联的角度最接近与该(多个)UE侧的每个多路径相关联的角度的天线元件，并且将RF路径连接至该选择的天线元件。6.权利要求1的装置，其中，该处理单元接收来自该BS的(多个)导频信号、使用从该BS接收的该(多个)导频信号来估计该BS与面向该BS的天线阵列中的每对交叉极化天线之间的极化矩阵、并且将对该极化矩阵的该估计存储在该处理单元的该存储器中，和/或该处理单元接收来自UE的导频信号、使用从该(多个)UE接收的该(多个)导频信号来估计该UE与面向该UE的天线阵列中的每对交叉极化天线之间的极化矩阵、并且将对该极化矩阵的该估计存储在该处理单元的该存储器中。7.权利要求1的装置，其中，用于生成该信道系数的该参数或者该信道系数对该实际的无线信道进行仿真，包括：一个或多个多路径延迟的影响、多路径的数量、该BS处与每个多路径相关联的角度、该(多个)UE处与每个多路径相关联的角度、与每个多路径相关联的时间延迟和功率、功率衰减、多普勒效应、该BS与该(多个)UE之间的相对移动的方向、随机初始相位、极化、去极化、以及极化耦合因子。8.权利要求1的装置，其中，该处理单元基于该BS处与每个多路径相关联的角度以及与面向该BS的该天线阵列中的该天线元件相关联的角度来选择面向该BS的该天线阵列中的天线元件以连接至RF路径，和/或基于该UE处与每个多路径相关联的角度以及与面向该(多个)UE的该(多个)天线阵列中的每一个的该天线元件相关联的角...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱登魁，梁平，
申请(专利权)人：梁平，
类型：发明
国别省市：美国,US