模块化天线系统及信号处理的方法技术方案

本发明专利技术涉及一种模块化天线系统以及一种用于使用所述模块化天线系统进行信号处理的方法。本发明专利技术的目的在于克服常规天线阵所缺乏的可扩展性并改进总体天线阵性能，以及有可能单独地更换模块化天线阵系统中瑕疵或不可靠地操作的无线电单元或无线电子单元并且提供可适于可扩展天线阵的校准程序。这通过一种模块化天线系统来实现，所述模块化天线系统包括：基站；至少一个无线电单元，其包括至少两个无线电子单元，每个无线电子单元包括无线电模块和天线模块，而所述无线电模块包括数字信号处理单元、至少一个收发器、前端以及功率放大器，其中所述至少两个无线电子单元提供完全相同的架构并且通过连接器接口模块化地连接在一起，并且每个无线电子单元具有自己的IQ输入端和自己的IQ输出端。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术提供一种模块化天线系统以及一种用于使用所述模块化天线系统处理信号的方法。专利技术背景及现有技术自适应天线阵多年来已为人所熟知。使用按某种几何次序布置的多个天线元件替代利用单个天线来发射或接收信号。这种布置通常称为天线阵。为了发射，向天线阵的所有天线元件呈现将要发射的信号。通过仔细控制向每个天线呈现的信号的振幅和相位，影响阵列的辐射方向图。这因为所有天线元件的辐射信号在远场中重叠、从而根据它们的相位导致相长或相消干扰而得以实现。同样地，在改编相位和振幅以改编阵列的接收方向图之后，在天线元件处接收到的信号得以叠加。自适应天线阵的主要优点在于：可以电子方式形成天线方向图。一种可能的应用是所谓的波束成形，即形成朝向特定方向具有高增益的方向图。通过控制单独天线处的信号相位，波束可朝向目标接收器或发射器转向并且它还可用于跟踪目标。大型天线系统(LSAS)被视作用于提高即将到来的5G蜂窝网络的频谱效率的手段。介绍可见于“4GAmericas’Recommendationon5GRequirementsandSolutions，http://www.4gamericas.org/documents/4G％20Americas％20Recommendations％20on％205G％20Requirements％20and％20Solutions_10％2014％202014-FINALx.pdf”。具有两个或更多个天线的天线配置称为多输入多输出(MIMO)。在大规模多输入多输出(MIMO)系统中，在基站处采用非常大量的天线。这个数量可大于小区中的活跃用户或“物联网”中的装置的数量。天线可在发射或接收方向上使用。使用双工滤波器，天线可同时用于发射和接收。大规模MIMO系统是自有源天线系统演进的阶段。在第四代(4G)中，有源天线通常包括多达16个天线元件，其中的每个天线元件可具有其自己的功率放大器。在大规模MIMO系统中，天线元件的数量可能多得多，并且在常规系统中在基站处执行的信号处理的部分可转移到大规模MIMO天线。图1示出有源天线的常规架构的简化图示。每个天线元件1连接到无线电子单元2。对于简单有源天线，无线电子单元2可由双工滤波器和移相器构成。在最先进且灵活的方法中，相移是在中央集线器中在数字基带域中完成的。在这种情况下，无线电子单元2由数模转换器和收发器、功率放大器和滤波器构成。无线电子单元2全都连接到中央集线器13。当以数字方式执行波束成形时，中央集线器13具有多个任务：a)执行Rx波束成形，b)执行Tx波束成形，c)执行无线电子单元2之间的振幅、相位和样本延时的校准，以及d)向无线电子单元2分配时钟。数字波束成形拥有可同时形成多个波束的优点。也就是说，在接收方向上，所有Rx信号单独地被加权，且然后加15在一起以产生组合信号。这在图2中针对采用64个接收天线的天线系统示出。在这个天线系统中，来自64个收发器的64个接收信号各自通过使每个信号j(0≤j≤63)与复合权重rxbf[i，j]相乘18来单独地加权。加权信号然后加15在一起以形成接收信号rx_信号[j]。在数字域中，这个程序可使用不同权重来并行地执行以计算多个加权rx_信号i。在Tx方向上，相同信号tx_信号[i]被分配到连接到天线元件1的分支。在每个分支j中，tx_信号[i]16与复合权重txbf[i，j]相乘18。在数字域中，这个程序可使用不同权重来并行地执行以计算多个加权tx_信号i以在同时形成多个波束。这在图3中示出。使用常规架构的解决方案的主要缺点首要地是缺乏的可扩展性。常规架构是基于如图1所示的中央集线器13来执行信号处理并分配处理后信号。这种常规架构由于以下原因而在性能和可扩展性方面受到限制：·引脚：每个无线电子单元都需要连接到中央集线器。所使用的无线电子单元越多，就需要越多的连接。通常地，中央集线器是基于现场可编程门阵列(FPGA)。FPGA所提供的引脚的数量是有限的。因此，如果连接的数量要求的连接比FPGA所提供的连接多，则需要不同的设计。·可扩展性：可能期望天线阵的尺寸(无线电子单元的数量)应适用于特定使用情况。针对每种配置使用同一中央集线器(这是为了降低设计和生产成本所优选的)导致将过大集线器用于较小天线阵。·中央集线器的计算能力：中央集线器的计算要求随着天线元件的数量而扩展。对于大型天线系统(LSAS)，计算复杂性也可超过FPGA所提供的计算复杂性。·成本：即使中央集线器的计算复杂性随天线元件的数量线性增加，FPGA的成本也不会如此。较大FPGA常常比具有相同的组合逻辑元件数量的两个较小FPGA更昂贵。·功耗和散热：不仅所要求FPGA大小随天线元件的数量增大，而且由于所要求的计算数量增加，功耗也增大。使用一个中央FPGA，会在集中热源处产生热量，这使得要采取以进行冷却的预防措施变复杂。·电缆和布线：对于LSAS，如果使用中央集线器，布线和连接则变成为挑战。电缆需要变得更长以连接离中央集线器最远的天线元件。因为电缆变长，保证信号完整性(诸如转换速率和信号强度)的挑战增大。·天线元件的校准：校准振幅、相位和样本延时对于在天线元件处以及无线电子单元之间控制所发射信号和所接收信号是必须的。到目前为止，在现有技术中仅考虑到必要的校准程序(像天线元件之间的振幅和相位的校正)的部分。WO2010060953A1考虑到PN校准序列的生成以及对相位和振幅的估计的校正。但是类似于US8374826B2，未提出对延迟的估计和对这种延迟的校正。EP2044784B1公开了远程基站的非常基础的架构，所述远程基站通过纤维到天线阵系统，而所有无线电子单元连接到中央集线器。对于这种配置，无限可扩展性是不能的。现有技术中的另一个缺陷是有源天线维护的不便性。用于数字无线通信系统诸如UMTS、LTE等的有源天线由四个主要功能部分构成：数字信号处理、模拟(RF)信号处理、到基站的接口以及天线元件阵列。与常规模拟天线系统相比，有源部件的集成可导致更高的故障率(减少的平均故障间隔时间(MTBF))，并且因此导致维修装置所需要的努力增加。另一方面，鉴于装置可通过适当数据接口来配置，数字和模拟(RF)信号处理与天线阵列的组合提供另外的特征和自由度。维护过程通常具有以下阶段：1.监测装置的适当功能并检测误差；2.用于缓解所发生误差的影响的专门测量；3.修理或更换瑕疵装置；4.再集成装置以重新建立原始网络功能。人可将需要物理触及装置的硬件部件的修理与可通过适当的数据接口远程地进行的软件部件的修理(更新)区分开。监测硬件部件也可以远程地进行，其条件是可以取得适当的测量结果并且可以通过适当的数据接口交换关于这些测量结果的信息。一旦发生问题，现有技术就将天线假设为整体块。其结果是，技术人员需要现场识别具体瑕疵并对其进行修理，或者必须整个地更换完整的天线。创新的任务是减少修理失灵装置所需要的努力。这涉及定位天线系统内的失灵部件并且现场更换失灵部件。现有技术中尚未成功克服接下来的缺陷，即可容易地定位所述误差。无法现场更换经常出错的部件，诸如FPGA、功率放大器等。因此，天线必须更换，并且瑕疵天线需要在具有适当工具可供使用的车间修理。但是有源天线可由许多模块构成。假如本文档来自技高网...

【技术保护点】
模块化天线系统，其包括：‑至少一个无线电单元(20)，其包括至少两个无线电子单元(2)；‑每个无线电子单元(2)包括无线电模块(22)和/或天线模块(21)；‑而所述无线电模块(22)包括数字信号处理单元(4)、至少一个收发器(3)、前端以及功率放大器；其中所述至少两个无线电子单元(2)提供完全相同的架构并且通过连接器接口(130)互相连接，并且每个无线电子单元(2)具有IQ输入端和IQ输出端。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.12 DE 102014118539.0;2014.12.12 DE 10201411.模块化天线系统，其包括：-至少一个无线电单元(20)，其包括至少两个无线电子单元(2)；-每个无线电子单元(2)包括无线电模块(22)和/或天线模块(21)；-而所述无线电模块(22)包括数字信号处理单元(4)、至少一个收发器(3)、前端以及功率放大器；其中所述至少两个无线电子单元(2)提供完全相同的架构并且通过连接器接口(130)互相连接，并且每个无线电子单元(2)具有IQ输入端和IQ输出端。2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，每个无线电子单元的所述IQ输入端和所述IQ输出端连接到基站。3.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述无线电子单元(2)的所述IQ输入端和所述IQ输出端连接到至少一个相邻无线电子单元(2)，并且第一根部无线电子单元(RSU-R)的所述IQ输入端和所述IQ输出端通过IQ-信号线连接到所述基站。4.根据权利要求3所述的天线系统，其特征在于，接口子单元(ISU)连接到所述根部无线电子单元(RSU-R)。5.根据权利要求3所述的天线系统，其特征在于，所述根部无线电子单元(2)包括用于支持所述无线电子单元的分级引导程序的FPGA引导图像。6.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述无线电子单元与光学有源元件(272)组合。7.根据前述权利要求之一所述的天线系统，其特征在于，所述无线电子单元(2)连接到恰好一个母无线电子单元和n个子无线电子单元，其中n≥0。8.根据权利要求7所述的天线系统，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·奥厄，M·葛雷格，A·费斯克，
申请(专利权)人：艾赖斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE