ФОРМИРОВАНИЕ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНТЕННОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2018 года по МПК H04B7/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Варианты осуществления, представленные здесь, относятся к формированию диаграммы напрасности и, в частности, к способу, антенной решетке и компьютерной программе для формирования диаграммы направленности с использованием антенной решетки, содержащей элементы с двойной поляризацией.

Уровень техники

В сетях связи необходимо решить техническую задачу получения высокой производительности и пропускной способности для данного протокола связи, его параметров и физической среды, в которой развертывают сеть связи.

Одним из компонентов сетей беспроводной связи, где сложно добиться хорошей производительности и емкости, является антенны сетевых узлов, выполненные с возможностью устанавливать беспроводную связь; либо с другим сетевым узлом, либо с беспроводным пользовательским терминалом.

Например, ожидается, что формирование массивной диаграммы направленности, то есть, формирование диаграммы направленности с использованием активных антенных решеток с порядком величин больше элементов антенны, чем используется в современных сетях связи, станет техническим компонентом в части радиодоступа будущих сетей связи пятого поколения (5G), Используя большие антенные решетки на базовых радиостанциях, пользовательские данные могут передаваться сфокусированными в пространстве, так что энергия принимается, главным образом, беспроводным устройством, выделенным пользовательскими данными, что приводит к низкому уровню помех работе других беспроводных устройств или других типов узлов. Следовательно, формирование массивной диаграммы направленности потенциально увеличивает емкость системы и эффективность использования энергии на порядок величин.

Одна потенциальная техническая задача, которую требуется решить, касается формирования массивной диаграммы направленности, где лучи могут быть настолько узкими, так что данные могут приниматься только выделенным беспроводным устройством. Для пользовательских данных это желательно, но некоторые данные, например системная информация, предпочтительно, должны быть переданы всем или, по меньшей мере, большинству беспроводных устройств (то есть, широковещательных) в сети связи.

Поэтому такие данные должны передаваться с широким покрытием, чтобы охватить все беспроводные устройства. Ниже будут кратко изложены некоторые способы решения этой технической задачи. Однако, как также отмечалось, каждый из этих способов имеет свои недостатки.

Согласно первому подходу для передачи широковещательных данных может использоваться отдельная антенна с широкой диаграммой направленности. Недостатком такого подхода является то, что он требует использования дополнительного оборудования.

Согласно второму подходу широковещательные данные передают с использованием одного элемента антенной решетки или субрешетки антенны. Этот элемент решетки или субрешетка будет иметь более широкую диаграмму направленности, чем вся решетка антенны. Недостатком этого подхода является то, что используют только один или несколько усилителей мощности (PAs) в антенной решетке, что, таким образом, нерационально использует ресурсы мощности.

Согласно третьему подходу применяют спад апертурного распределения амплитуды и/или фазы по всей решетке антенны для расширения диаграммы направленности. Недостатки, вызванные таким спадом апертурного распределения, заключаются в том, что спад апертурного распределения амплитуды вызывает неэффективное использование PA ресурса, и что во многих случаях, невозможно синтезировать желаемую форму диаграммы направленности с использованием только спада апертурного фазового распределения.

Согласно четвертому подходу широковещательные данные передают последовательно в разных направлениях с использованием узких лучей. Потенциальным недостатком такого подхода является то, что это занимает больше времени и потребляет больше элементов ресурсов, чем передача широковещательных данных одновременно во всех направлениях широким лучом.

В других сценариях, где может быть желательным использовать широкую диаграмму направленности антенной решетки с множеством элементов, является коммуникации в миллиметровом диапазоне волн (mmW), что является технологией доступа, предусмотренной как часть радиодоступа в 5G. Из-за увеличения потерь на распространение на таких высоких частотах может потребоваться формирование диаграммы направленности антенны с большим коэффициентом усиления, чтобы сохранить бюджет линии связи, возможно, как на приемнике, так и на передатчике. Формирование диаграммы направленности может быть необходимым для доминирующих трактов распространения между передатчиком и приемником, что обычно неизвестно a priori. Тестирование всех комбинаций большого количества узких передающих и приемных лучей для поиска лучшей пары лучей может потреблять непомерно большое количество ресурсов времени/частоты. Способ решения этой технической задачи может состоять в том, что базовая радиостанция начнет процедуру поиска с широкой диаграммой направленности, и затем постепенно ссужает диаграмму направленности до тех пор, пока не будет найдена лучшая пара узких лучей. Такая процедура поиска луча обычно требует средство для генерирования лучей с различной шириной диаграммы направленности гибким способом. Чтобы полностью использовать антенную решетку и доступный РА ресурс, может потребоваться использование всех элементов антенны и всех РАs при полной мощности при передаче лучей с различной шириной диаграммы направленности.

Следовательно, существует потребность в улучшенном способе формирования диаграммы направленности.

Сущность изобретения

Задачей вариантов осуществления в настоящем документе является обеспечение эффективного способа формирования диаграммы направленности.

В соответствии с первым аспектом представлен способ формирования диаграммы направленности с использованием антенной решетки, содержащей элементы с двойной поляризацией. Способ содержит генерирование одного или двух лучевых портов, в котором один или два лучевых порта формируют объединением, по меньшей мере, двух неперекрывающихся субрешеток. Каждая субрешетка имеет два порта субрешеток, два порта субрешеток, имеют одинаковые диаграммы направленности по мощности и взаимно ортогональную поляризацию. По меньшей мере, две неперекрывающихся субрешетки объединяют посредством весовых коэффициентов расширения. Весовые коэффициенты расширения отображают один или два лучевых порта на порты субрешеток, так что один или два лучевых порта имеют ту же диаграмму направленности по мощности, что и субрешетки. По меньшей мере, некоторые весовые коэффициенты расширения имеют одинаковую ненулевую величину и соотносятся по фазе с образованием лепестка передачи. Способ содержит передачу сигналов с использованием упомянутого одного или двух лучевых портов.

Преимущественно, это обеспечивает эффективный способ формирование диаграммы направленности.

Преимущественно, это обеспечивает антенную архитектуру и способ для формирования одного или двух лучевых портов с регулируемой шириной луча.

Один или два лучевых порта имеют одинаковые диаграммы направленности по мощности и ортогональные поляризации в любом направлении.

Ширина диаграммы направленности для одного или двух лучевых портов может быть очень большой по сравнению с размером решетки, даже шириной одного элемента.

Все усилители мощности антенной решетки могут быть полностью использованы, то есть, только с использованием спада апертурного распределения фазы, либо посредством каждого лучевого порта, либо посредством двух лучевых портов вместе.

Архитектура антенны может быть основана либо на линейных (1-D), либо на планарных (2-D) антенных решетках.

Согласно второму аспекту представлено антенное устройство, содержащее антенную решетку. Антенная решетка содержит элементы с двойной поляризацией для формирования диаграммы направленности. Антенная решетка дополнительно содержит блок обработки. Блок обработки выполнен с возможностью вызывать антенную решетку генерировать один или два лучевых порта, в котором лучевые порты сформированы объединением, по меньшей мере, двух неперекрывающихся субрешеток. Каждая субрешетка имеет два порта субрешетки, два порта субрешеток имеют одинаковые диаграммы направленности по мощности и взаимно ортогональную поляризацию. По меньшей мере, две неперекрывающиеся субрешетки объединяют посредством весовых коэффициентов расширения. Весовые коэффициенты расширения отображают один или два лучевых порта на порты субрешеток, так что один или два лучевых порта имеют ту же диаграмму направленности по мощности, что и субрешетки. По меньшей мере, некоторые весовые коэффициенты расширения имеют одинаковую ненулевую величину и соотнесены по фазе для формирования лепестка передачи. Блок обработки выполнен с возможностью вызывать антенную решетку передавать сигналы с использованием одного или двух лучевых портов.

Также представлен сетевой узел, содержащий антенное устройство в соответствии со вторым аспектом.

Также представлено беспроводное устройство, содержащее антенное устройство в соответствии со вторым аспектом.

Согласно третьему аспекту представлена компьютерная программа для формирования диаграммы направленности с использованием антенной решетки, содержащей элементы с двойной поляризацией, причем компьютерная программа содержит компьютерный программный код, который при запуске на блоке обработки вызывает антенную решетку выполнить способ по первому аспекту.

Согласно четвертому аспекту представлен компьютерный программный продукт, содержащий компьютерную программу в соответствии с третьим аспектом и машиночитаемое средство, на котором хранится компьютерная программа.

Следует отметить, что любой признак первого, второго, третьего и четвертого аспектов может быть применен к любому другому аспекту, когда это необходимо. Аналогично, любое преимущество первого аспекта может в равной степени относиться ко второму, третьему и/или четвертому аспектам соответственно и vice versa. Другие задачи, признаки и преимущества прилагаемых вариантов осуществления будут очевидны из следующего подробного раскрытия из прилагаемых зависимых пунктов формулы изобретения, а также из чертежей.

Обычно, все термины, используемые в формуле изобретения, должны интерпретироваться в соответствии с их обычным значением в технической области, если здесь явно не указано иное. Все ссылки на «один/один/этот элемент, устройство, компонент, средство, этап и т.д.» должны интерпретироваться открыто, ссылаясь, по меньшей мере, на один экземпляр элемента, устройства, компонента, средства, этап и т.д., если явно не указано иное. Этапы любого способа, раскрытого здесь, не должны выполняться в точном порядке, если не указано явно.

Краткое описание чертежей

Ниже приведено описание концепции изобретения, в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1, 2, 3 и 5 - схемы, иллюстрирующие различные аспекты антенных решеток в соответствии с вариантами осуществления;

фиг. 4 – схема, иллюстрирующая примеры субрешеток;

фиг. 6 – схема, иллюстрирующая примеры расширения порта;

фиг. 7- схема, иллюстрирующая рекурсивное расширение порта;

фиг. 8 – схема, иллюстрирующая отображение портов;

фиг. 9 - блок-схема, показывающая функциональные блоки антенного устройства в соответствии с вариантом осуществления;

фиг. 10 - блок-схема, показывающая функциональные модули антенного устройства согласно варианту осуществления;

фиг. 11- схема, иллюстрирующая сетевой узел, содержащий антенное устройство в соответствии с вариантами осуществления;

фиг. 12 схематично иллюстрирует беспроводное устройство, содержащее антенное устройство в соответствии с вариантами осуществления;

фиг. 13 схематически иллюстрирует компьютерный программный продукт согласно варианту осуществления;

фиг. 14 - блок-схема последовательности операций способа согласно варианту осуществления;

фиг. 15 показывает результаты моделирования примера лепестка передачи для первого лучевого порта в соответствии с вариантом осуществления;

фиг. 16 показывает результаты моделирования примера лепестка передачи для второго лучевого порта в соответствии с вариантом осуществления;

фиг. 17 показывает результаты моделирования формирования диаграммы направленности согласно уровню техники с использованием только спада апертурного распределения амплитуды на поляризацию;

фиг. 18 показывает результаты моделирования формирования диаграммы направленности согласно уровню техники с использованием только спада апертурного распределения фазы на поляризацию; и

фиг. 19 показывает результаты моделирования формирования диаграммы направленности согласно варианту осуществления.

Подробное описание вариантов осуществления

Далее концепция изобретения будет описана более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны некоторые варианты осуществления концепции изобретения. Однако эта изобретательская концепция может быть воплощена во многих различных формах и не должна толковаться как ограниченная вариантами осуществления, изложенными в настоящем документе; скорее, эти варианты осуществления приведены в качестве примера, так что это раскрытие будет полным и полностью передает объем концепции изобретения специалистам в данной области техники. Одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым элементам в описании. Любой этап или признак, проиллюстрированный пунктирными линиями, следует рассматривать как возможный.

Предложены различные способы генерации широких диаграмм направленности большой решетки с двойной поляризацией. Одним из примеров является применение сети формирования диаграммы направленности, например, матрицы Батлера, к каждому направлению поляризации антенной решетки, и затем передачу сигнала посредством диаграммы направленности с чередующейся поляризацией во избежание нежелательного когерентного добавления сигналов, передаваемых посредством соседних лучей с одинаковой поляризацией. Результирующая диаграмма направленности обычно искажается значительно, скажем, на пару dB. На фиг. 17 показан пример широкой диаграммы направленности, образованной с помощью обычного способа однополяризованного формирования луча (SPBF), где к каждой поляризации применяют весовой коэффициент для формирования желаемой диаграммы направленности на поляризацию со многими весовыми коэффициентами, имеющие набор амплитуд до нуля, что приводит к неэффективному использованию энергетических ресурсов. Это можно рассматривать как крайний случай спада апертурного распределения амплитуды. Другой пример включает в себя применение изменения амплитуды, что также можно рассматривать как обеспечивающее удовлетворительные результаты с точки зрения формирования желаемой диаграммы направленности, но не с точки зрения использования ресурса мощности для передачи. Использование только спада апертурного распределения фазы во многих случаях приводит к формированию диаграммы направленности, которая не отвечает желаемым характеристикам, но с удовлетворительным использованием ресурса мощности. Диапазон получаемой ширины диаграммы направленности также часто ограничен. На фиг. 18 показан пример широкой диаграммы направленности, образованной с помощью обычного способа (SPBF) формирования диаграммы направленности, но ограниченный спадом апертурного распределения фазы только для эффективного использования ресурса мощности. В результате получается диаграмма направленности, имеющая нежелательную пульсацию.

Предлагаемая в настоящем изобретении способ и антенная решетка предлагают как диаграммы направленности с желаемыми формами лучей, так и эффективное использование мощности. Варианты осуществления, раскрытые здесь, в частности, относятся к эффективному способу формированию диаграммы направленности. Для получения эффективного способа формирования диаграммы направленности здесь представлена антенная решетка, способ, выполняемый антенной решеткой, компьютерная программа, содержащая код, например, в виде компьютерного программного продукта, который при запуске на блоке обработки, вызывает антенную решетку выполнить способ.

Фиг. 1 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерную архитектуру двухмерной антенной решетки 1, для которой могут быть применены варианты осуществления, представленные здесь. Однако варианты осуществления, представленные здесь, одинаково применимы к одномерным антенным решеткам. Таким образом, антенная решетка 1 может быть либо линейной решеткой (1-D), равномерной линейной решеткой (ULA) либо плоской решеткой (2-D), равномерной прямоугольной решеткой (URA).

Передний фронт антенны содержит решетку 1е антенных элементов, где каждый антенный элемент может быть субрешеткой нескольких излучающих антенных элементов, соединенных через питающие сети с двумя портами субрешеткой, имеющими ортогональную поляризацию. Каждый порт субрешетки соединен с радиоцепью, которая содержится в радиорешетке 1d. Количество портов субрешетки в блоке 1b, доступных для обработки сигнала основной полосы частот, может быть уменьшено посредством блока 1c сокращения порта, который формирует новые антенные порты, которые являются (линейными) комбинациями входной портов антенны. Доступ осуществляется к портам субрешетки в базовой полосе, если одновременно передают как выделенные, так и широковещательные данные. Кроме того, в общих чертах, доступ ко всем портам субрешетки может потребоваться для формирования широких диаграмм направленности в соответствии с раскрытыми здесь механизмами формирования диаграммы направленности. В блоке 1а обработки сигналов основной полосы виртуальные антенные порты могут быть сформированы путем умножения матриц. Эти виртуальные антенные порты могут быть разных типов. Например, в LTE они могут для базовой радиосвязи иметь общие опорные сигналы (CRS) в портах 0-3, опорные сигналы информации о состоянии канала (CSI-RS) на порту 15-22 и UE-специфические опорные сигналы и данные в портах 7-14. В некоторых вариантах осуществления можно удалить один или несколько блоков двухмерной антенной решетки 1 на фиг. 1.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую возможный вариант осуществления двухмерной антенной решетки 1, показанной на фиг. 1. Он содержит формирователь диаграммы направленности, содержащий блоки 1а, 1b, 1с на фиг. 1, радиорешетку 1d и физическую антенную решетку 1е. В примере на фиг. 2 показаны два антенных порта на каждую субрешетку. Формирователь 1a-c диаграммы направленности выполнен с возможностью принимать пользовательские данные и данные управления, весовые коэффициенты формирования диаграммы направленности для пользовательских данных, весовые коэффициенты формирования диаграммы направленности для опорных сигналов, таких как CSI-RS, и весовые коэффициенты формирования диаграммы направленности для широкополосной передачи. Каждый антенный элемент содержит два подэлемента 31, 32, имеющие ортогональные поляризации во всех направлениях (представляющие интерес). Обычно, эти два подэлемента 31, 32 расположены на той же позиции, что и на фиг. 3 (а), но они также могут смещаться относительно друг друга, как показано на фиг. 3 (b).

Антенная решетка 1 выполнена с возможностью генерировать один или два лучевых порта, в котором лучевые порты определяются объединением, по меньшей мере, двух неперекрывающихся субрешеток. Как понимает специалист в данной области техники, антенная решетка 1 может быть выполнена с возможностью генерировать дополнительные порты, определенные для различных передач. Каждая субрешетка имеет два порта субрешетки, два порта субрешеток имеют одинаковые диаграммы направленности по мощности и взаимно ортогональную поляризацию. По меньшей мере, две неперекрывающихся субрешетки объединяют посредством весовых коэффициентов расширения. Весовые коэффициенты расширения отображают один или два лучевых порта на порты субрешеток, так что один или два лучевых порта имеют ту же диаграмму направленности по мощности, что и субрешетки. По меньшей мере, некоторые весовые коэффициенты расширения имеют одинаковую ненулевую величину и связаны по фазе с образованием лепестка передачи. Антенная решетка 1 выполнена с возможностью передавать сигналы с использованием одного или двух лучевых портов. Как понимает специалист в данной области техники, антенная решетка 1 может быть выполнена с возможностью передавать дополнительные сигналы с использованием тех же или дополнительных лучевых портов.

Далее будут описаны варианты осуществления, относящиеся к дополнительным деталям способа формирования диаграммы направленности с использованием антенной решетки 1.

В общих чертах, весовые коэффициенты расширения описывают, как один или два лучевых порта, сформированные с помощью одного набора субрешеток, могут быть отображены на несколько наборов субрешеток. Следовательно, согласно одному варианту осуществления, весовые коэффициенты расширения отображают один или два лучевых порта на порты субрешеток, так что один или два лучевых порта имеют одинаковую диаграмму направленности по мощности, как и субрешетки и, в случае, если имеются два лучевых порта, то два лучевых порта имеют взаимно ортогональные поляризации в любом направлении.

Могут быть разные способы определения, по меньшей мере, двух неперекрывающихся субрешеток и объединения, по меньшей мере, двух неперекрывающихся субрешеток с помощью весовых коэффициентов расширения. Ниже будут описаны различные варианты осуществления, относящиеся к ним.

В общих чертах, генерирование одного или двух лучевых портов, обеспечивающих как желаемую ширину диаграммы направленности, так и использование всей антенной решетки для эффективного использования энергетических ресурсов, может включать в себя определение отображений порта субрешетки для одного или двух лучевых портов и расширение отображения субрешеток на всю антенную решетку.

Для отображения портов субрешеток определяют субрешетку для получения желаемой ширины диаграммы направленности или, возможно, формы диаграммы направленности с максимально возможным использованием энергии. Использование мощности после расширения субрешеток будет таким же, как и для субрешетки. Фиг. 4 на (a), (b), (c) и (d) схематично иллюстрирует четыре примера антенных решеток 1е, каждый из которых содержит две субрешетки 41, 42, и каждая антенная решетка 1e содержит два лучевых порта 43, 44, соответственно.

Для расширения отображения субрешетки на всю антенную решетку используют весовые коэффициенты расширения, основанные на степенях 2, 6 и 10, так что общее количество антенных элементов, используемых лучевым портом для каждого измерения антенной решетки, будет

,

где является количеством элементов, используемых в субрешетке для интересующего размера антенной решетки. Если требуется только один лучевой порт, то возможны также коэффициенты 3 или 5. Следовательно, согласно одному варианту осуществления, в случае, когда используют два лучевых порта, и в которых весовые коэффициенты расширения отображают два лучевых порта на результаты степеней 2, 6 или 10 субрешеток на размер. Выражение на размер может быть, например, ортогональным пространственным размером в плоскости. И, согласно одному варианту осуществления, в случае, когда есть один лучевой порт, и в котором весовые коэффициенты расширения отображают два лучевых порта на степени 2, 6 или 10 раз 1, 3 или 5 субрешеток. То есть, для однократных отображений лучевых портов может быть, в соответствии со степенями 2, 6 и 10 раз либо 3, либо 5. Для двухмерной решетки отображение, включающее в себя коэффициенты расширения 3 или 5, может выполняться только в одном измерении.

Для максимального использования антенной решетки размер субрешетки может быть определен таким образом, чтобы размер субрешетки, включающий в себя возможные расширения, охватывал бы всю решетку. Следовательно, согласно варианту осуществления, по меньшей мере, две неперекрывающиеся субрешетки вместе покрывают все элементы антенной решетки.

Все антенные элементы в отображении портов могут иметь одинаковую амплитуду; само расширение дает полную мощность, но субрешетка может не получить такой результат. Одной из причин использования всех антенных элементов в антенной решетке, а также для отображения портов субрешетки и, таким образом, для отображения лучевых портов с равномерной амплитудой, требуется эффективное использование имеющегося ресурса мощности. Это применяют конкретно к активной антенной решетке с распределенными усилителями мощности, но также применяют для антенной решетки с сетью 50 распределения мощности, содержащей фазовращатели 51, возможно, также аттенюаторы 52, как показано на фиг. 5 (a) и 5 (b). Это особенно подходит для формирования луча, выполняемого только с помощью фазовращателей. Количество используемых субрешеток задается посредством объединения мощностей 2, 6 и 10, потенциально умноженных на 3 или 5 в случае однолучевого порта.

Таким образом, весовые коэффициенты расширения описывают, как один или два лучевых порта с формой луча, заданной одной субрешеткой, могут быть отображены на множество субрешеток. Фиг. 6 на (a), (b) и (c) схематично иллюстрирует три примера различных пар весовых коэффициентов расширения, расширяющих размер антенной решетки на коэффициент 2, 6 или 10, соответственно.

Далее будут описаны дополнительные варианты осуществления, касающиеся того, как могут быть определены весовые коэффициенты расширения.

Весовые коэффициенты расширения внутри пары могут использовать так, что два лучевых порта имеют ортогональную поляризацию. Следовательно, согласно одному варианту осуществления, в случае, когда есть два лучевых порта и, в которых весовые коэффициенты расширения определены для поддержки взаимной ортогональности поляризации двух лучевых портов.

Согласно варианту осуществления весовые коэффициенты расширения для порта a с первой поляризацией определяются как:

где обозначает весовые коэффициенты расширения для отображения одного порта на множества m субрешеток (или комбинаций субрешеток посредством расширений, как описано в настоящем документе), и где является матрицей с нулевым значением, имеющей строк и c столбцов.

Весовые коэффициенты расширения для порта со второй поляризацией, ортогональной первой поляризации, могут затем быть определены как:

где обозначает столбец , где * обозначает комплексное сопряжение, и где flipud() меняет порядок строк . То есть, обозначения a и b обозначают две ортогональные поляризации для порта субрешетки, комбинации портов субрешетки или лучевого порта. Это не относится к конкретной поляризации для разных портов.

Для специалиста в данной области техники понятно, что эти матрицы расширения являются лишь примерами. Другие допустимые примеры матриц расширения, например, можно получить, применяя фазовый сдвиг к показанным матрицам.

Коэффициенты расширения могут быть объединены для выполнения расширения более чем на один шаг. Следовательно, согласно варианту осуществления, субрешетки дополнительно расширяют за счет дополнительных весовых коэффициентов расширения перед определением одного или двух лучевых портов. Порядок, в котором применяются расширения, основанные на 2, 6 и 10, является произвольным, тогда как расширение с 3 или 5 должно быть последним, поскольку это приводит к формированию только одного лучевого порта. Они могут быть получены из и , как определено выше, удалением нижней нулевой части (т.е. и , соответственно) и не определяя никакого отображения . На фиг. 7 показан один иллюстративный пример того, как могут быть рекурсивно использовано расширение для достижения желаемого размера конечного весового вектора. Как показано на фиг. 7, коэффициенты расширения могут быть объединены с другими коэффициентами расширения; первый коэффициент 6 расширения (расширение x6) следует за вторым коэффициентом 2 расширения (расширение x2).

Один пример использования мощности после расширения показан на фиг. 8 для двух антенных портов. Как видно из верхней части фиг. 8, половина антенных элементов первой поляризации подключены к порту 1 (o) и другая половина - к порту 2 (*). Применяют аналогичную структуру, как показано в нижней части фиг. 8, также для второй поляризации. Это означает, что два антенных порта в случае активной антенны с распределенными усилителями мощности не могут совместно использовать одни и те же усилители мощности. Изменение магнитуды, как показано на фиг. 8, происходит из-за неравных амплитуд при определении субрешетки, как показано для иллюстративных целей, которые были выбраны, чтобы показать, как амплитудные вариации субрешетки повторяются по всей решетке.

В некоторых случаях может быть полезным, если оба лучевых порта имеют одинаковые усилители мощности, тогда как в других случаях, например, если коррелированные сигналы должны быть применены к двум портам антенны, может быть нежелательным. Одна из причин заключается в том, что коррелированные сигналы, в сочетании с совместно используемыми усилителями мощности, могут приводить к неравномерной нагрузке усилителей мощности.

В случае, если порты антенн должны совместно использовать усилители мощности или, в случае использования только одного антенного порта, то это достигается, например, путем добавления двух весовых коэффициентов расширения, каждый из которых определяет лучевой порт, друг к другу, элемент к элементу. Следовательно, согласно варианту осуществления весовые коэффициенты расширения, по меньшей мере, двух субрешеток добавляют для генерации одного из одного или двух лучевых портов. В случае, если используется расширение на 3 или 5, то результатом является один лучевой порт, отображаемый во все порты субрешетки, т.е. использование всех энергетических ресурсов. Поскольку расширение субрешетки не изменяет диаграмму направленности по мощности, то следует, что коэффициент решетки (который задается полным вектором/матрицей расширения) может быть пространственно-белым, чтобы позволить двум лучевым портам иметь диаграммы направленности по мощности, идентичные портам субрешетки. Согласно варианту осуществления, весовые коэффициенты расширения определяют так, что все элементы в матрице, определяемые суммой квадрата величин двумерного дискретного преобразования Фурье первой матрицы весовых коэффициентов расширения, применяемой к первому из портов субрешетки и квадрата величины двумерного дискретного преобразования Фурье второй матрицы весовых коэффициентов расширения, примененной ко второму из портов субрешетки, имеют одинаковую величину. То есть, весовые коэффициенты расширения могут быть определены как:

|DFT()|² + |DFT()|² = ,

где DFT (ea) и DFT (eb) обозначают дискретные преобразования Фурье ea и eb соответственно, где ea и eb - это суммарные матрицы расширения, применяемые к портам a и b субрешетки, соответственно, где a является первым из портов субрешетки, где b является вторым из портов субрешетки, где k является константой, и где является матрицей с единицами, имеющей r строк и c столбцов. В случае двумерной антенной решетки весовые коэффициенты расширения собирают в матрице. Для одномерной антенной решетки эта матрица сворачивается в вектор (который можно рассматривать как частный случай матрицы, которая имеет только одну строку или один столбец).

Далее будут представлены дополнительные сведения о процессе генерации весовых коэффициентов расширения для однородной прямоугольной решетки. Отправной точкой являются векторы весов расширения на размер, которые были получены выше. Эти векторы весов расширения объединены в две матрицы, по одному на лучевой порт.

Прежде всего, определяют векторы весов расширения для одного лучевого порта по первой размерности (здесь размерность y) с отдельными ресурсами. В случае, если расширение с коэффициентами 3 или 5 используют для одной из размерности (в результате получается однолучевой порт с использованием всех ресурсов), эта размерность выбирается здесь как y-размерность. Полный вектор для первого лучевого порта (то есть, лучевого порта 1), содержащий все элементы (то есть, обе поляризации a и b), можно описать как

где и обозначают векторы столбцов, содержащие весовые коэффициенты расширения для лучевого порта 1, применяемые к элементам с поляризацией a и b соответственно вдоль y-размерности и т.д. Во-вторых, векторы весов расширения для двух лучевых портов по второй размерности (здесь размерность z) с раздельными ресурсами определяют для первого порта посредством последовательного расширения следующим образом:

и

где и обозначают векторы столбцов, содержащие весовые коэффициенты расширения для второго лучевого порта (то есть, лучевого порта 2), применяемые к элементам с поляризацией а и b, соответственно вдоль z-размерности.

Два вектора и связаны с выходом ортогональных поляризаций и одинаковыми диаграммами направленности по мощности. Отношение дано в соответствии с

обозначение «*» здесь означает комплексно сопряженное (а не эрмитово сопряженное-транспонирование).

Здесь F - матрица, которая меняет порядок элемента (строки) в векторе; это матрица с единицами на антидиагонах и нулями в другом месте.

Эти векторы объединяют для формирования матрицы, по одной на поляризацию, содержащей все элементы в равномерной прямоугольной решетке (URA) в соответствии с

и

Коэффициент β фазовой коррекции используют для обеспечения полной мощности. Фактическое значение зависит от того, как определяют веса расширения на размерность. В соответствии с описанной здесь процедурой фазовая регулировка в большинстве случаев равна 1.

На завершающем этапе, матрицы весов расширения для второго порта найдены как

и

где и - матрицы с единицами на антидиагонах и нулями в другом месте. В случае, если коэффициенты 3 и 5 расширения не используют, то результаты на этом этапе представляют собой матрицы весов расширения, которые определяют два лучевых порта с идентичными диаграммами направленности по мощности, ортогональную поляризацию, не разделяемые ресурсы (усилители мощности), и для двух лучевых портов совместное использование мощности.

Если требуются общие ресурсы, то получают этот результат посредством выполнения следующей процедуры. Сначала матрицы для двух портов добавляют следующим образом:

и

Затем, матрицы для второго порта формируют путем выполнения следующих операций:

В случае использования коэффициентов 3 или 5 расширения результаты представляют собой вместо этого матрицу расширения, которая определяет один лучевой порт с диаграммой направленности по мощности, как задано субрешеткой. Матрица расширения соединяет лучевой порт со всеми энергетическими ресурсами, так что используют все энергетические ресурсы. В случае генерирования второго лучевого порта, как описано выше, без добавления весовых коэффициентов расширения, поскольку первый лучевой порт уже использует все ресурсы, второй лучевой порт имеет желаемую диаграмму направленности по мощности и совместно использует ресурсы ортогональной поляризации с первым лучевым портом.

Фиг. 9 схематически иллюстрирует в терминах функциональных блоков компоненты антенного устройства 100 согласно варианту осуществления. Блок 21 обработки предоставляется с использованием любой комбинации одного или нескольких подходящих центрального процессора (CPU), мультипроцессора, микроконтроллера, цифрового сигнального процессора (DSP), специализированной интегральной схемы (ASIC), программируемой вентильной матрицы (FPGA) и т.д., способных выполнять программные инструкции, хранящиеся на компьютерном программном продукте 130 (как показано на фиг. 13), например, в виде носителя 103 информации. Таким образом, блок 101 обработки выполнен с возможностью выполнять описанные здесь способы. Например, блок 101 обработки выполнен с возможностью генерировать любые субрешетки, такие как показаны на фиг. 4, и отображает на лучевые порты, например, на фиг. 6 и 7, как раскрыто здесь.

Носитель 103 информации также может содержать постоянное запоминающее устройство, которое, например, может быть любым одним или комбинацией магнитной памяти, оптической памяти, твердотельной памяти или даже удаленной памяти. Антенное устройство 100 может дополнительно содержать интерфейс 22 связи для передачи и приема сигналов. Таким образом, интерфейс 22 связи может содержать антенную решетку, как показано на любом из фиг. 1, 2, 3 и 5.

Блок 21 обработки управляет общей работой антенного устройства 100, например, путем передачи данных и управляющих сигналов в интерфейс 102 связи и носитель 103 информации, посредством приема данных и отчетов из интерфейса 102 связи и извлечением данных и инструкций с носителя 103 информации. Другие компоненты, а также относящиеся функциональные возможности антенного устройства 100 не описаны для простоты понимания концепции, представленной здесь.

На фиг. 10 схематично показано в терминах функциональных модулей компоненты антенного устройства 100 согласно варианту осуществления. Антенное устройство 100, показанное на фиг. 10, содержит ряд функциональных модулей; модуль генерации, выполненный с возможностью выполнять нижеописанный этап S102, и модуль 101b передачи/приема, выполненный с возможностью выполнять нижеприведенный этап S104. Антенное устройство 100, показанное на фиг. 10, может дополнительно содержать ряд возможных функциональных модулей. Функциональность каждого функционального модуля 101a-101b очевидна из контекста, в котором могут использоваться функциональные модули 101a-101b. В общем, каждый функциональный модуль 101a-101b может быть реализован на аппаратном или программном обеспечении. Предпочтительно один или несколько или все функциональные модули 101a-101b могут быть реализованы блоком 10 обработки, возможно, совместно с функциональными блоками 102 и/или 103. Таким образом, блок 101 обработки может быть выполнен с возможностью извлекать команды с носителя 103 информации, как предоставлено функциональным модулем 101a-101b, и выполнять эти инструкции, тем самым, выполняя любые этапы, как будет описано ниже.

Антенная решетка 1 и/или антенное устройство 100 могут быть предусмотрены в виде интегральных схем как автономные устройства или как часть дополнительного устройства. Например, антенная решетка 1 и/или антенное устройство 100 могут быть предусмотрены в устройстве радио приемопередатчика, таком как сетевой узел 110 или беспроводное устройство 120. На фиг. 11 проиллюстрирован сетевой узел 110, содержащий, по меньшей мере, одну антенную решетку 1 и/или антенное устройство 100, как раскрыто здесь. Сетевой узел 110 может быть BTS, NodeB, eNB, ретранслятором, транзитным-узлом и т.п. На фиг. 12 показано беспроводное устройство 120, содержащее, по меньшей мере, одну антенную решетку 1 и/или антенное устройство 100, как описано здесь. Беспроводное устройство 120 может быть устройством пользователя (UE), мобильным телефоном, планшетным компьютером, переносным компьютером и т.д.

Антенная решетка 1 и/или антенное устройство 100 могут быть предусмотрены как неотъемлемая часть дополнительного устройства. То есть, компоненты антенной решетки 1 и/или антенного устройства 100 могут быть объединены с другими компонентами дополнительного устройства; некоторые компоненты дополнительного устройства и антенной решетки 1 и/или антенного устройства 100 могут использоваться совместно. Например, если дополнительное устройство как таковое содержит блок обработки, этот блок обработки может быть выполнен с возможностью выполнять действий блока 31 обработки, связанные с антенным устройством 100. В альтернативном варианте антенная решетка 1 и/или антенное устройство 100 могут быть предусмотрены в виде отдельных блоков в дополнительном устройстве.

На фиг. 13 показан один пример компьютерного программного продукта 130, содержащего считываемое компьютером средство 132. На этом машиночитаемом средстве 132 может быть сохранена компьютерная программа 131, причем компьютерная программа 131 может вызвать блок 101 21 обработки и функционально связанные объекты и устройства, такие как интерфейс 102 связи и носитель 103 информации, выполнить способ в соответствии с вариантами осуществления, описанными здесь. Таким образом, компьютерная программа 131 и/или компьютерный программный продукт 130 могут предоставлять собой средство для выполнения любых этапов, описанных здесь.

В примере на фиг. 13, компьютерный программный продукт 130 иллюстрируется как оптический диск, такой как CD (компакт-диск) или DVD (цифровой универсальный диск) или диск Blu-Ray. Компьютерный программный продукт 130 также может быть воплощен в виде памяти, такой как оперативное запоминающее устройство (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROM) или электрически стираемое программируемое считывающее устройство, (EEPROM) и, в частности, как энергонезависимый носитель информации устройства во внешней памяти, такой как память USB (универсальная последовательная шина) или флэш-память, например компактная флэш-память. Таким образом, хотя компьютерная программа 131 здесь схематически показана как дорожка на изображенном оптическом диске, компьютерная программа 131 может быть сохранена любым способом, который подходит для компьютерного программного продукта 130.

Теперь обратимся к фиг. 14, иллюстрирующий способ формирования диаграммы направленности с использованием антенной решетки 1 в соответствии с вариантом осуществления. Антенная решетка 1 содержит элементы с двойной поляризацией. Способ выполняется антенным устройством 100, содержащим антенную решетку 1. Способ преимущественно предоставляется в виде компьютерной программы 32.

Антенное устройство 100 выполнено с возможностью, на этапе S102, генерировать один или два лучевых порта. Один или два лучевых порта определяются объединением, по меньшей мере, двух неперекрывающихся субрешеток. Каждая субрешетка имеет два порта субрешетки. Два порта субрешетки имеют для каждой подрешетки идентичные диаграммы направленности по мощности и взаимно ортогональную поляризацию. По меньшей мере, две неперекрывающиеся субрешетки объединяют посредством весовых коэффициентов расширения. Весовые коэффициенты расширения отображают один или два лучевых порта на порты субрешеток, так что один или два лучевых порта имеют ту же диаграмму направленности по мощности, что и субрешетки. По меньшей мере, некоторые весовые коэффициенты расширения имеют одинаковую ненулевую величину и связаны по фазе с образованием лепестка передачи. Антенное устройство 100 выполнено с возможностью, на этапе S104, передавать сигналы, используя один или два лучевых порта.

На фиг. 15 показан пример лепестка передачи (диаграммы направленности луча) первого лучевого порта (лучевой порт 1) с шириной луча на половине мощности по оси азимута (HPBW) = 50° и высотой HPBW = 25°.

На фиг. 16 показан пример лепестка передачи (диаграммы направленности луча) второго лучевого порта (лучевой порт 2) с азимутом HPBW = 50° и высотой HPBW = 25°, в котором форма лепестка передачи второго лучевого порта идентична тому первого лучевого порта (т.е. лепестка передачи, показанного на фиг. 15). Лепестки передачи, показанные на фиг. 15 и 16, таким образом, имеют идентичные диаграммы направленности по мощности. Лепестки имеют (хотя и не показано на фиг. 15 и 16) ортогональную поляризацию в любом направлении.

На фиг. 17 показан пример широкоугольной диаграммы направленности, сформированной с помощью обычного (SPBF) способа формирования луча. Соответствующие весовые элементы приведены слева на фиг. 17. Следовательно, многие весовые элементы имеют амплитуду, установленную на ноль, что приводит к неэффективному использованию энергетических ресурсов.

На фиг. 18 показан пример широкой диаграммы направленности луча, сформированной с помощью обычного (SPBF) способа формирования луча, ограниченного фазовым спадом апертурного распределения, только для эффективного использования энергетических ресурсов. Соответствующие весовые элементы приведены слева на фиг. 18. Однако результирующая диаграмма направленности имеет сильную пульсацию.

На фиг. 19 показан пример широкоугольной диаграммы направленности, сформированной согласно раскрытым здесь вариантам осуществления. Диаграммы направленности имеют желаемую форму, здесь HPBW = 50° и эффективное использование энергетических ресурсов. Соответствующие весовые элементы приведены слева на фиг. 19.

Концепция изобретения в основном описана выше со ссылкой на несколько вариантов осуществления. Однако, как понятно специалисту в данной области техники, другие варианты осуществления, кроме раскрытых выше, одинаково возможны в рамках концепции изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения. Например, хотя варианты осуществления были описаны с использованием специфической терминологии LTE, они могут также применяться к сетям связи, не основанным на LTE, mutatis mutandis.

Изобретение относится к области антенной техники, в частности к формированию диаграммы направленности антенной решетки, и предназначено для эффективного формирования диаграммы направленности с желаемыми формами лучей и предусмотрены механизмы формирования луча с использованием антенной решетки, содержащей элементы с двойной поляризацией. Изобретение раскрывает способ формирования диаграммы направленности, который содержит генерирование одного или двух лучевых портов, в котором один или два лучевых порта определяют объединением по меньшей мере двух неперекрывающихся субрешеток, каждая субрешетка имеет два порта субрешетки, причем два порта субрешетки имеют одинаковые диаграммы направленности по мощности и взаимно ортогональную поляризацию, по меньшей мере две неперекрывающиеся субрешетки объединяют посредством весовых коэффициентов расширения, весовые коэффициенты расширения отображают один или два лучевых порта на порты субрешетки, так что один или два лучевых порта имеют ту же диаграмму направленности по мощности, что и субрешетки, по меньшей мере некоторые весовые коэффициенты расширения имеют одинаковую ненулевую величину и связаны по фазе с образованием лепестка диаграммы направленности излучения. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Способ формирования диаграммы направленности с использованием антенной решетки (1), содержащей элементы с двойной поляризацией, содержащий:

генерирование (S102) одного или двух лучевых портов, в котором один или два лучевых порта определяют объединением по меньшей мере двух неперекрывающихся субрешеток,

в котором каждая субрешетка имеет два порта субрешетки, причем два порта субрешетки имеют одинаковые диаграммы направленности по мощности и взаимно ортогональную поляризацию,

в котором по меньшей мере две неперекрывающиеся субрешетки объединены посредством весовых коэффициентов расширения,

в котором весовые коэффициенты расширения отображают один или два лучевых порта на порты субрешетки, так что один или два лучевых порта имеют одинаковую диаграмму направленности по мощности, как и субрешетки, и

в котором по меньшей мере некоторые из весовых коэффициентов расширения имеют одинаковую ненулевую величину и связаны по фазе с образованием лепестка передачи;

в котором весовые коэффициенты расширения собирают в матрицу расширения и определяют так, что матрица расширения является пространственно белой; и

передачу (S104) сигналов с использованием упомянутого одного или двух лучевых портов.

2. Способ по п. 1, в котором весовые коэффициенты расширения отображают один или два лучевых порта на порты субрешетки, так что один или два лучевых порта имеют одинаковую диаграмму направленности по мощности, как субрешетки, и в случае, когда есть два лучевых порта, два лучевых порта имеют взаимно ортогональные поляризации в любом направлении.

3. Способ по п. 1, в котором есть два лучевых порта и в котором весовые коэффициенты расширения определены для поддержки поляризации двух лучевых портов взаимно ортогональных.

4. Способ по п. 1, в котором есть два лучевых порта и в котором весовые коэффициенты расширения отображают два лучевых порта на произведения степеней 2, 6 или 10 субрешеток на измерение.

5. Способ по п. 1, в котором есть один лучевой порт и весовые коэффициенты расширения отображают два лучевых порта на степени 2, 6 и/или 10 раз 1, 3 или 5 субрешеток.

6. Способ по п. 1, в котором субрешетки дополнительно расширяют посредством дополнительных весовых коэффициентов расширения до определения одного или двух лучевых портов.

7. Способ по п. 1, в котором весовые коэффициенты расширения определяют так, что все элементы в матрице, определяемые суммой квадрата величины двумерного дискретного преобразования Фурье первой матрицы весов расширения, применяемой к первому из портов субрешетки, и квадрата величины двумерного дискретного преобразования Фурье второй матрицы весов расширения, применяемой ко второму из портов субрешетки, имеют одинаковое значение.

8. Способ по п. 1, в котором весовые коэффициенты расширения определяют таким образом, что:

|DFT()|² + |DFT()|² = ,

где DFT (ea) и DFT (eb) обозначают дискретные преобразования ea и eb Фурье соответственно, где ea и eb - это матрицы суммарного расширения, применяемые к портам a и b субрешетки соответственно, где a является первым из портов субрешетки, где b является вторым из портов субрешетки, где k является константой и где является матрицей с единицами, имеющей r строк и c столбцов.

9. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере две неперекрывающиеся субрешетки вместе покрывают все элементы антенной решетки.

10. Способ по п. 1, в котором весовые коэффициенты расширения по меньшей мере двух субрешеток добавляют для генерации одного из одного или двух лучевых портов.

11. Способ по п. 1, в котором весовые коэффициенты расширения для порта a с первой поляризацией определяют как:

где обозначает весовые коэффициенты расширения для отображения одного лучевого порта одного или двух лучевых портов на множества m субрешеток и где является матрицей с нулевым значением, имеющей r строк и c столбцов.

12. Способ по п. 11, в котором весовые коэффициенты расширения для порта b со второй поляризацией, ортогональной первой поляризации, определяют как:

,

где обозначает столбец c , где * обозначает комплексно сопряженную величину и где flipud (x) меняет порядок x строк.

13. Способ по п. 1, в котором сигналы содержат по меньшей мере одну из широковещательную информацию и системную информацию.

14. Антенное устройство (100), содержащее антенную решетку (1), причем антенная решетка содержит элементы с двойной поляризацией для формирования луча, причем антенная решетка дополнительно содержит блок (31) обработки, выполненный с возможностью побуждать антенную решетку (1):

генерировать один или два лучевых порта, в котором лучевые порты определяют объединением по меньшей мере двух неперекрывающихся субрешеток,

в котором каждая субрешетка имеет два порта субрешетки, причем два порта субрешетки имеют одинаковые диаграммы направленности по мощности и взаимно ортогональную поляризацию,

в котором по меньшей мере две неперекрывающиеся субрешетки объединены посредством весовых коэффициентов расширения,

в котором весовые коэффициенты расширения отображают один или два лучевых порта на порты субрешетки, так что один или два лучевых порта имеют одинаковую диаграмму направленности по мощности, как и субрешетки, и

в котором по меньшей мере некоторые из весовых коэффициентов расширения имеют одинаковую ненулевую величину и связаны по фазе с образованием лепестка передачи;

в котором весовые коэффициенты расширения собирают в матрицу расширения и определяют так, что матрица расширения является пространственно белой; и

передавать сигналы с использованием упомянутого одного или двух лучевых портов.

15. Сетевой узел (110), содержащий антенное устройство (100) по п. 14.

16. Беспроводное устройство (120), содержащее антенное устройство (100) по п. 14.

17. Машиночитаемое средство, на котором хранится компьютерная программа (131) для формирования луча с использованием антенной решетки (1), содержащей элементы с двойной поляризацией, причем компьютерная программа содержит компьютерный программный код, который при запуске на блоке (31) обработки побуждает антенную решетку (1):

генерировать (S102) один или два лучевых порта, причем лучевые порты определяют объединением по меньшей мере двух неперекрывающихся субрешеток,

в котором каждая субрешетка имеет два порта субрешетки, причем два порта субрешетки имеют одинаковые диаграммы направленности по мощности и взаимно ортогональную поляризацию,

в котором по меньшей мере две неперекрывающиеся субрешетки объединены посредством весовых коэффициентов расширения,

в котором весовые коэффициенты расширения отображают один или два лучевых порта на порты субрешетки, так что один или два лучевых порта имеют одинаковую диаграмму направленности по мощности, как и субрешетки, и

в котором по меньшей мере некоторые из весовых коэффициентов расширения имеют одинаковую ненулевую величину и связаны по фазе с образованием лепестка передачи;

в котором весовые коэффициенты расширения собирают в матрицу расширения и определяют так, что матрица расширения является пространственно белой; и

передавать (S104) сигналы, используя упомянутые один или два лучевых порта.