使用天线装置的波束成形制造方法及图纸

提出了使用包括双极化元件的天线阵列进行波束成形的机制。一种方法包括生成一个或两个波束端口。通过组合至少两个非重叠的子阵列来定义一个或两个波束端口。每个子阵列具有两个子阵列端口。两个子阵列端口具有相同的功率方向图和相互正交的极化。通过扩展权重矢量或扩展权重阵列组合至少两个非重叠的子阵列。扩展权重将一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率方向图。扩展权重中的至少一些扩展权重具有相同的非零大小并且在相位上相关以形成传输波瓣。该方法包括使用所述一个或两个波束端口发送信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用天线装置的波束成形
本文给出的实施例涉及波束成形，尤其涉及使用包括双极化元件的天线阵列进行波束成形的方法、天线阵列和计算机程序。
技术介绍
在无线通信网络中，天线设计可能是获得良好性能和容量的关键。这适用于从网络节点到无线用户终端或者相反方向以及两个网络节点之间的的无线通信。例如，大规模波束成形，即使用有源天线阵列的波束成形(其中天线元件比当前通信网络中的天线单元多若干数量级)，预计将成为未来第五代(5G)通信网络的无线电接入部分中的技术组件。通过在无线电基站处的大型天线阵列的部署，可以在空间中聚焦地发送用户数据，使得能量主要被用户数据专注的无线设备来接收，从而导致其他无线设备或其他类型的节点感知到很小的干扰。因此，大规模波束成形具有显着提高系统容量和能量效率的潜力。根据长期演进(LTE)标准，可以使用基于离散傅立叶变换(DFT)的矢量来构造码本，使得能够朝向一组固定的角度方向进行波束成形。DFT波束本质上具有固定功率方向图，其半功率波束宽度(HPBW)由天线阵列的参数确定(天线数量、天线元件间距、天线元件的功率方向图的HPBW)。例如，用DFT矢量激励的具有八个等距全向天线的天线阵列(其具有0.8个波长的最近邻居间隔)将生成HPBW为8度的功率方向图。通常，从具有N个天线的ULA发送的指向角度的DFT波束的功率方向图可以由狄利克雷核(DirichletKernel)来如下描述：如根据以上针对|G(θ)|的表达式，随着ULA中的天线的数量N增加，功率方向图变得越来越窄并且在φ＝φ0处增加天线增益。实际上，当N→∞时，在φ＝φ0，狄利克雷核接近具有无限小波束宽度和无限天线增益的狄拉克得尔塔函数。图1示出了针对具有N＝10，φ0＝5°的DFT波束的根据作为角度θ的函数|G(θ)|的功率方向图。同时，除了创建(窄)设备特定的波束之外，无线电基站必须能够也创建宽的小区特定的波束以覆盖具有期望的辐射水平的整个扇区/小区。这可能是需要的，例如用于发送广播信息或公共参考信号。接下来将总结解决该问题的现有方法。根据第一种方法，单独的宽波束天线可以用于广播数据的传输。这种方法的缺点是它需要额外的硬件。根据第二种方法，使用天线的单个天线阵列元件或子阵列来发送广播数据。该阵列元件或子阵列将具有比天线的整个阵列更宽的波束。这种方法的缺点是使用天线阵列中仅有的一个或若干功率放大器(PA)，这浪费了功率资源。根据第三种方法，在天线的整个阵列上使用幅度和/或相位锥化(tapering)以加宽波束。使用这种锥化的缺点是幅度锥化导致PA资源的低利用率，以及在许多情况下使用仅相位锥化来合成期望的波束形状是不可能的。根据第四种方法，使用窄波束在不同方向上顺序地发送广播数据。这种方法的一个潜在缺点是，与使用宽波束在所有方向上同时发送广播数据相比，该方法需要更长的时间并且消耗更多的资源元素。可能希望使用具有许多元件的天线阵列的宽波束的其他场景是在毫米波通信中，其是被预见为5G无线电接入的一部分的接入技术。由于在这样的高频下所增加的传播损耗，可能需要高增益的波束成形以保持可能在接收器和发射器两者处的链路预算。可能需要波束成形，因为发射器和接收器之间的主要传播路径通常不是先验已知的。测试大量的窄发射和接收波束的所有组合以便找到最佳波束对可能消耗限量的时间/频率资源。解决该问题的途径可以是无线电基站用宽波束开始搜索过程，然后使波束越来越窄，直到已经找到最佳的窄波束对。这种波束发现过程通常需要用于以灵活的方式生成具有不同波束宽度的波束的构件。为了充分利用天线阵列和可用的PA资源，当发送具有不同波束宽度的波束时，可能希望使用所有天线元件和全功率的所有PA。因此，需要改进的波束成形。
技术实现思路
本文的实施例的目的是提供高效的波束成形。根据第一方面，提出了一种使用包括双极化元件的天线阵列进行波束成形的方法。该方法包括生成一个或两个波束端口。通过组合至少两个非重叠的子阵列来定义一个或两个波束端口。每个子阵列具有两个子阵列端口。两个子阵列端口具有相同的功率方向图和相互正交的极化A、B。通过每个长度为M的扩展权重wA和wB来组合至少两个非重叠的子阵列，其中M≥2是任意整数，扩展权重wA应用于极化A，扩展权重wB应用于极化B。扩展权重wA和wB将一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率方向图。扩展权重wA和wB中的至少一些扩展权重具有相同的非零大小并且在相位上相关以形成传输波瓣。该方法包括使用所述一个或两个波束端口发送信号。根据第二方面，提出了一种包括天线阵列的天线装置。天线阵列包括用于波束成形的双极化元件。天线阵列还包括处理器。处理器被配置为使天线装置生成一个或两个波束端口。通过组合至少两个非重叠的子阵列来定义一个或两个波束端口。每个子阵列具有两个子阵列端口。两个子阵列端口具有相同的功率方向图和相互正交的极化A、B。通过每个长度为M的扩展权重wA和wB组合至少两个非重叠的子阵列，其中M≥2是任意整数，扩展权重wA应用于极化A，扩展权重wB应用于极化B。扩展权重wA和wB将一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率方向图。扩展权重wA和wB中的至少一些扩展权重具有相同的非零大小并且在相位上相关以形成传输波瓣。处理器被配置为使天线装置使用一个或两个波束端口发送信号。根据第三方面，提出了一种包括天线阵列的天线装置。天线阵列包括用于波束成形的双极化元件。天线阵列还包括生成模块，其被配置为生成一个或两个波束端口。通过组合至少两个非重叠的子阵列来定义一个或两个波束端口。每个子阵列具有两个子阵列端口。两个子阵列端口具有相同的功率方向图和相互正交的极化A、B。通过每个长度为M的扩展权重wA和wB组合至少两个非重叠的子阵列，其中M≥2是任意整数，扩展权重wA应用于极化A，扩展权重wB应用于极化B。扩展权重wA和wB将一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得一个或两个波束端口具有与子阵列相同的功率方向图。扩展权重wA和wB中的至少一些扩展权重具有相同的非零大小并且在相位上相关以形成传输波瓣。天线阵列还包括发射模块，发射模块被配置为使用所述一个或两个波束端口发送信号。根据第四方面，提出了一种包括天线阵列的天线装置。天线阵列包括用于波束成形的双极化元件。天线阵列的特征在于包括扩展权重wA和wB，所述扩展权重wA和wB被确定为对于任何整数τ1，或对于任何非零整数τ2，其中和是扩展权重wA和wB的非周期自相关函数，其中δ(τ)是克罗内克德尔塔函数，其中ε相对于τ是常数。还提出了一种网络节点，包括根据第二，第三或第四方面的天线装置。还提出了一种无线设备，包括根据第二，第三或第四方面的天线装置。根据第五方面，提出了一种用于使用包括双极化元件的天线阵列进行波束成形的计算机程序，该计算机程序包括计算机程序代码，当在天线装置的处理器上运行时，该计算机程序代码使天线阵列执行根据第一方面的方法。根据第六方面，提出了一种计算机程序产品，包括根据第五方面的计算机程序和在其上存储计算机程序的计算机可读构件或介质。有利地，该方法、这些天线装置和该计算机程序提供了高效的波束成形。有利地，该方法、这些天线装置和该计算机程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用包括双极化元件的天线阵列(1)进行波束成形的方法，包括：生成(S102)一个或两个波束端口，其中通过组合至少两个非重叠的子阵列来定义所述一个或两个波束端口，其中，每个子阵列具有两个子阵列端口，所述两个子阵列端口具有相同的功率方向图和相互正交的极化A、B，其中，所述至少两个非重叠的子阵列通过扩展权重矢量wA和wB来组合，每个扩展权重矢量的长度为M，其中M≥2是任意整数，或者通过大小为M×N的扩展权重阵列来组合，其中M≥2和N≥2是任意整数，其中，扩展权重wA应用于极化A，扩展权重wB应用于极化B，其中，扩展权重wA和wB将所述一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得所述一个或两个波束端口具有与所述子阵列相同的功率方向图，以及其中，扩展权重wA和wB中的至少一些扩展权重具有相同的非零大小并且在相位上相关以形成传输波瓣；以及使用所述一个或两个波束端口发送(S104)信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.04 EP PCT/EP2016/0600011.一种使用包括双极化元件的天线阵列(1)进行波束成形的方法，包括：生成(S102)一个或两个波束端口，其中通过组合至少两个非重叠的子阵列来定义所述一个或两个波束端口，其中，每个子阵列具有两个子阵列端口，所述两个子阵列端口具有相同的功率方向图和相互正交的极化A、B，其中，所述至少两个非重叠的子阵列通过扩展权重矢量wA和wB来组合，每个扩展权重矢量的长度为M，其中M≥2是任意整数，或者通过大小为M×N的扩展权重阵列来组合，其中M≥2和N≥2是任意整数，其中，扩展权重wA应用于极化A，扩展权重wB应用于极化B，其中，扩展权重wA和wB将所述一个或两个波束端口映射到子阵列端口，使得所述一个或两个波束端口具有与所述子阵列相同的功率方向图，以及其中，扩展权重wA和wB中的至少一些扩展权重具有相同的非零大小并且在相位上相关以形成传输波瓣；以及使用所述一个或两个波束端口发送(S104)信号。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少两个非重叠的子阵列通过扩展权重矢量来组合，M是2、3、5、11或13的幂的乘积。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述至少两个非重叠的子阵列通过扩展权重矢量来组合并且M＝2a+f3b5c11d13e，其中a，b，c，d，e，f是非负整数，使得f≤c+e和b+c+d+e≤a+2f+1。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述扩展权重wA和wB，使得对于任何整数τ：其中和是扩展权重矢量wA和wB的非周期自相关函数，其中δ(τ)是克罗内克德尔塔函数，或者使得对于任何整数τ1，τ2：其中和是扩展权重阵列wA和wB的二维非周期自相关函数，其中6(τ1，τ2)是二维克罗内克德尔塔函数。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述扩展权重wA和wB与四元格雷互补序列成比例。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述扩展权重wA和wB与如下给出的矢量zA和zB成比例：和其中θA和θB是任意实数。7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述扩展权重wA和wB与如下给出的矢量zA和zB成比例：和其中θA和θB是任意实数。8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，确定所述扩展权重wA和wB，使得对于任何非零整数τ：其中和是扩展权重矢量wA和wB的非周期自相关函数，其中ε相对于τ是常数，或者使得对于任何非零整数τ1，τ2：其中是扩展权重阵列wA和wB的二维非周期自相关函数，其中ε≥0相对于τ1和τ2是常数。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述常数ε表示旁瓣功率容忍度。10.根据权利要求9所述的方法，其中确定所述旁瓣功率容忍度ε使得ε≤0.025·2M，其中2M表示对于τ＝0的11.根据权利要求8所述的方法，其中ε＝0。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过将优化算法应用于如下给出的效用函数来确定所述扩展权重wA和wB：其中和是扩展权重wA和wB的非周期自相关函数，p≥1是实数，是表示wA和wB的分量的各个相位的矢量。13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述优化算法是大洪水算法、金丝雀算法、MM算法或模拟退火算法。14.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，确定所述扩展权重wA和wB，使得：其中和是扩展权重矢量wA和wB的非周期自相关函数，其中Z是正整数，其中τ是序列索引，或者使得：其中和是扩展权重阵列wA和wB的非周期自相关函数，其中Z是正整数，其中τ1，τ2是序列索引。15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在定义所述一个或两个波束端口之前，通过另外的扩展权重xA和xB进一步扩展所述子阵列，每个另外的扩展权重矢量具有长度M′，其中M′≥2是任意整数，或者每个另外的扩展权重阵列具有大小为M′×N′，其中M′，N′≥2是任意整数。16.根据权利要求15所述的方法，其中，根据以下方程式，将扩展权重矢量wA和wB以及另外的扩展权重矢量xA和xB组合成组合的扩展权重矢量w′A和w′B，每个组合的扩展权重矢量的长度为2MM′，其中表示矢量a和b的克罗内克乘积，表示矢量a的所有元素的复共轭和翻转顺序，或者其中，根据以下方程式，大小为M×N的扩展权重阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·吉尔克，S·彼得松，
申请(专利权)人：瑞典爱立信有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典,SE