天线波束宽度配置装置和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2015年2月17日提交的申请号为14/624,430、名为“天线波束宽度配置装置和方法”的非临时申请的优先权，该申请的全部公开内容通过引用结合于此。

本发明涉及通信领域，并且在特定实施例中，涉及一种天线波束宽度配置装置和方法。

背景技术：

在用于无线或蜂窝通信，例如用于长期演进(longtermevolution，lte)，的交叉极化天线系统中，将天线设计成分别以+45°和-45°极化发射两种交叉极化射频(radiofrequency，rf)波束。此外，该两种极化被设置成相同的下倾角，例如对于两个极化波束中的每一个都为8°。为了确保适当的多输入和多输出(multiple-inputandmultiple-output，mimo)操作，多个交叉极化天线需要具有相同的覆盖，这受其下倾角的显著影响。然而，具有两个拥有固定下倾角的极化波束的交叉极化天线的当前设置在垂直维度上不提供任何mimo或波束成形功能。需要一种改进的交叉极化天线设计，其能够为通常的mimo或波束成形，诸如通用垂直或三维覆盖，提供通用功能。

技术实现要素：

本发明的实施例总体上实现了技术效果，所述实施例描述了一种天线传输特性配置装置和方法，所述传输特性包括至少部分地由于天线倾角所引起的波束宽度和波束角。

根据实施例，提供了一种进行极化传输的方法。在该示例中，所述方法包括生成两个信号，通过将不同的波束成形权重向量应用于所述两个信号来获得低波束信号和高波束信号，以及在天线阵列的不同极化上发送所述低波束信号和所述高波束信号以发射低波束传输信号和高波束传输信号。在该示例中，所述高波束传输信号具有与所述低波束传输信号不同的天线倾角、不同的波束宽度和不同的极化。还提供了一种用于执行该方法的装置。

根据另一实施例，提供了一种进行极化传输的接入点(accesspoint，ap)。在该示例中，所述ap包括天线阵列和连接到所述天线阵列的无线发射机。所述无线发射机用于将不同的波束成形权重向量应用于两个信号以获得低波束信号和高波束信号，以及在天线阵列的不同极化上发送所述低波束信号和所述高波束信号以发射低波束传输信号和高波束传输信号。在该示例中，所述高波束传输信号具有与所述低波束传输信号不同的天线倾角、不同的波束宽度和不同的极化。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其有益效果，下面结合附图参考进行描述，其中：

图1示出了示例性无线通信网络的示意图；

图2示出了用于产生具有彼此不同的天线倾角、波束宽度和极化的高波束和低波束传输信号的示例性交叉极化天线的示意图；

图3示出了示例性低波束和高波束传输的覆盖方案的示意图；

图4示出了进行低波束和高波束传输的示例性发射机的示意图；

图5示出了进行低波束和高波束传输的另一示例性发射机的示意图；

图6示出了进行低波束和高波束传输的示例性方法的流程图；

图7示出了具有上旁瓣抑制的示例性低波束传输信号的示意图；

图8示出了具有下旁瓣抑制的示例性高波束传输信号的示意图；

图9a-9b示出了展示示例性高波束和低波束传输技术的性能优势的仿真结果图；

图10a-10b示出了展示示例性高波束和低波束传输技术的性能优势的附加仿真结果图；

图11a-11b示出了展示示例性高波束和低波束传输技术的性能优势的又一仿真结果图；

图12示出了示例性计算平台的示意图；和

图13示出了示例性通信设备的示意图。

除非另外说明，不同附图中的相应数字和符号均指示相应部分。附图是为了更清楚地示出示例性的相关方面内容，并不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细讨论本发明的多个实施例的形成和使用。然而，应当理解的是，本发明公开的概念可以在多种具体环境下实施，并且本文讨论的特定实施例仅仅是说明性的，而不用于限制权利要求的范围。此外，应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行各种改变、替换和变更。

在2015年1月29日提交的申请号为14/609，251、名为“用于交叉极化倾斜天线的装置和方法”的美国专利申请中，讨论了一种产生具有不同天线波束下倾角和不同极化的高波束和低波束传输信号的交叉极化天线系统，其全部公开内容通过引用结合于此。

本发明的多个方面通过对于高波束和低波束传输信号使用不同的波束宽度来扩展该概念，从而产生具有彼此不同的天线倾角、不同的波束宽度和不同的极化的高波束和低波束传输信号。该高波束传输信号和低波束传输信号可以具有正交极化。例如，高波束传输信号和低波束传输信号可以是相对于y轴具有不同的电磁场(electromagneticfield，e场)极化角的线性极化信号，例如，相对于垂直极化波正/负45度。作为另一示例，高波束传输信号可以是垂直极化信号，并且低波束传输信号可以是水平极化信号，反之亦然。在其他示例中，高波束和低波束传输信号可以是具有右旋和左旋电磁场(electromagneticfield，e场)极化的圆极化或椭圆极化信号。除了具有正交极化之外，低波束传输信号可以具有比高波束传输信号更大的天线波束下倾角和更宽的波束宽度。例如，低波束传输信号可以具有14度的天线波束下倾角和8度的波束宽度，而高波束传输信号可以具有8度的下倾角和4度的波束宽度。还可能有其他组合。通过对低波束信号进行上旁瓣抑制以及对高波束信号进行下旁瓣抑制可以实现额外的性能增强。具体地，对相应的高波束和低波束传输信号进行旁瓣抑制可以在多用户多输入多输出(multi-usermultiple-input-multiple-output，mu-mimo)中带来显著的性能优势。此外，可以针对不同的目标优化高波束和低波束图案，例如，可以针对最大增益和方向性来优化高波束，而低波束可以针对对高波束的最小干扰来优化。下面更详细地描述这些和其它方面。

图1示出了数据通信网络100。网络100包括具有覆盖区域101的基站110、多个移动设备120和回程网络130。如图所示，基站110与移动设备120建立上行链路(虚线)和/或下行链路(虚线)连接，其用于将数据从移动设备120承载至基站110，反之亦然。上行链路/下行链路连接承载的数据可以包括在移动设备120之间传送的数据，以及通过回程网络130传送到远端(未示出)/从远端(未示出)传来的数据。如本文所使用的，术语“基站”是指配置用于提供对网络(例如，增强型基站(enhancedbasestation，enb)、宏小区、家庭基站、wi-fi接入点(accesspoint，ap)或其他无线使能设备)的无线接入的任何组件(或组件的集合)。基站可以根据一个或多个无线通信协议，例如长期演进(longtermevolution，lte)、高级lte(lteadvanced，lte-a)、高速分组接入(highspeedpacketaccess，hspa)、wi-fi802.11a/b/g/n/ac等提供无线接入。如本文所使用的，术语“移动设备”是指诸如用户设备(userequipment，ue)、移动站(mobilestation，ta)和其他无线使能的设备等，能够与基站建立无线连接的任何组件(或组件的集合)。在一些实施例中，网络100可以包括各种其他无线设备，诸如中继、低功率节点等。

本发明的多个方面提供了用于产生具有彼此不同的天线倾角、不同的波束宽度和不同的极化的高波束和低波束传输信号的技术。图2示出了用于产生高波束和低波束传输信号的示例性交叉极化天线210的示意图。如图所示，该示例性交叉极化天线210可以产生低波束传输信号212和高波束传输信号214。该低波束传输信号212具有与高波束传输信号212不同的天线倾角、不同的波束宽度和不同的极化。在一些实施方式中，理想的情况是低波束传输信号212和高波束传输信号214可以具有线性正交极化，其中低波束传输信号212比高波束传输信号214天线下倾更多且波束宽度更宽。在图2所示的示例中，低波束传输信号212包括-45度极化、14度天线下倾角和8度波束宽度，而高波束传输信号214包括45度极化、8度天线下倾角和4度波束宽度。其他组合也是可能的。

值得注意的是，低波束传输信号212和高波束传输信号214可以具有任意极化，只要它们各自的极化彼此不同即可。例如，低波束传输信号212和高波束传输信号214可以具有相对于彼此的正交极化、准正交极化或非正交极化。在一个实施例中，低波束传输信号212和高波束传输信号212是相对于x轴/y轴具有不同电磁场(electromagneticfield，e场)极化角的线极化信号。在一个示例中(如图2所示)，低波束传输信号212和高波束传输信号214相对于y轴具有正/负45度的极化角。在另一示例中，低波束传输信号212和高波束传输信号214分别为水平和线性极化，或是相反的情况。在其他实施例中，低波束传输信号212和高波束传输信号214是圆极化或椭圆极化信号，其在给定的空间和时间点，相对于x轴和y轴具有不同的电磁场(electromagneticfield，e场)极化角。例如，低波束传输信号212和高波束传输信号214可以是具有正交的右旋极化和左旋极化的圆极化信号。如本文所讨论的，y轴对应于垂直极化波，并且x轴对应于垂直极化波。

另外，低波束传输信号212和高波束传输信号214可以具有任意的波束宽度，只要它们各自的波束宽度不同即可。为了本发明的目的，术语“波束宽度”是指相应传输信号的主瓣的负3分贝(-3db)点之间的角度。此外，短语“不同的波束宽度”是指有目的地以不同波束宽度传输的信号，并且不应被理解为包括由于发射机校准、制造公差等而偶然地具有不同波束宽度的传输信号。在一个示例中，低波束传输信号212的波束宽度比高波束传输信号214的波束宽度至少宽1度。在又一示例中，低波束传输信号212的波束宽度比高波束传输信号214的波束宽度至少宽百分之五十。在又一示例中，低波束传输信号212的波束宽度是高波束传输信号214的波束宽度的两倍。

最后，低波束传输信号212和高波束传输信号214可以具有任意的天线倾角，只要它们各自的天线倾角不同即可。在本发明中，术语“天线倾角”是指传输信号的主瓣所瞄准的角度方向。天线倾角可以以电的或机械的方式实现。在一些实施例中，低波束传输信号212比高波束传输信号214的天线下倾更多。例如，低波束传输信号212的天线下倾角可以比高波束传输信号214的天线下倾大至少3度。在另一示例中，低波束传输信号212的天线下倾角可以比高波束传输信号214的天线下倾大至少6度。在其它实施例中，低波束传输信号212具有天线下倾角(例如，主瓣瞄准水平面下方)，而高波束传输信号214具有天线上倾角(例如，主瓣瞄准水平面上方)。在其他实施例中，低波束传输信号212比高波束传输信号214的天线上倾小。

图3示出了高波束和低波束传输信号的示例性覆盖方案的示意图。覆盖区域表示低波束和高波束传输信号的小区布局示例，其可以使用不同的预编码矩阵指示器(precodingmatrixindicator，pmi)来产生。

本发明的多个方面提供用于进行高波束和低波束传输的示例性发射机。图4示出了用于发送高波束和低波束传输信号的示例性发射机400的图。如图所示，该示例性发射机400包括交叉极化天线410、射频(radiofrequency，rf)发射机420和425、功率放大器(poweramplifier，pa)430和435，以及双工器(duplexer，dup)450和455。rf发射机420、pa430和dup450可以用于产生低波束信号，而rf发射器425、pa435和dup455可以用于产生高波束信号。因此，相应的低波束信号和高波束信号可以在交叉极化天线410的不同极化(例如，极点)上传输，以分别发射具有不同的天线倾角、波束宽度和极化的低波束传输信号和高波束传输信号。虽然本发明的许多内容讨论了在交叉极化天线上进行高波束和低波束传输，但是本领域普通技术人员将理解，可以使用其他类型的天线来进行高波束和低波束传输。例如，可以用垂直和水平极化天线产生线性极化的正交高波束和低波束传输信号。作为另一示例，可以用右旋圆极化天线和左旋圆极化天线产生圆极化的正交高波束和低波束传输信号。也可以使用用于产生椭圆极化信号的天线。在一些实施例中，高波束和低波束传输信号具有充分正交的极化。在其他实施例中，极化是准正交的。

在一些实施例中，可以将混合耦合器包括进发射机中，以均衡驱动rf发射机的基带端口的覆盖，这可以允许多个pa之间的功率共享，使得可以将每个pa指向任一信号。图5示出了用于发射高波束和低波束传输信号的示例性发射机500的示意图。如图所示，示例性发射机500包括交叉极化天线510、rf发射机520和525、pa530和535、混合耦合器540，以及dup550和555。示例性发射机500的交叉极化天线510、rf发射机520和525、pa530和535，以及dup550和555可以基本上类似于示例性发射机400的相应部件。混合耦合器540可以配置用于允许pa530和535之间的功率共享，使得可以将pa的累积功率输出的任何部分指向低波束信号或高波束信号。例如，可以用pa535的全部功率输出和pa530的半功率输出指向高波束信号，而用pa530的另一半功率输出指向低波束信号。这会使得高波束信号具有比在没有混合耦合器540提供的功率共享能力的情况下可获得的发射功率电平更高的发射功率电平。

本公开的多个方面提供高波束和低波束传输信号的发射方法。图6示出了高波束和低波束传输信号的示例性发射方法600的流程图，该方法可以由发射机执行。如图所示，该示例性方法600从步骤610开始，其中发射机生成两个信号。然后，示例性方法600进行到步骤620，其中发射机将不同的波束成形权重向量应用于两个信号以获得低波束信号和高波束信号。波束成形权重向量配置用于产生具有不同空间特性(例如，相长干扰或相消干扰的不同模式等)的信号。具体地，波束成形权重向量用于提供不同程度的天线倾角和不同的波束宽度。在一些实施例中，波束成形权重向量还为所得到的高波束和低波束信号提供旁瓣抑制。例如，应用于生成低波束信号的波束成形权重向量可以提供上旁瓣抑制，而应用于生成高波束信号的波束成形权重向量可以提供下旁瓣抑制。下面会更详细地讨论旁瓣抑制。随后，示例性方法600进行到步骤630，其中发射机在天线阵列的不同极化上发送低波束信号和高波束信号，以发射具有不同天线倾角、波束宽度和极化的低波束传输信号和高波束传输信号。

如上所述，一些实施例可对低波束信号进行上旁瓣抑制，并对高波束信号进行下旁瓣抑制，以减少所得到的低波束和高波束传输信号之间的干扰。对低波束信号进行上旁瓣抑制可以抑制(例如，降低发射功率)低波束信号的次级波瓣，其具有与高波束信号的主瓣相同的仰角。同样地，对高波束信号进行较低旁瓣抑制可以抑制高波束信号的次级波瓣，其具有与低波束信号的主瓣相同的仰角。在一些实施例中，当高波束和低波束信号各自的主瓣部分重叠时，正如当它们各自的天线倾角存在相对小的差异时可能发生的一样，旁瓣抑制也可以抑制低波束和/或高波束信号的主瓣的前/后部分。

图7示出了具有上旁瓣抑制的示例性低波束信号的示意图，图8示出了具有下旁瓣抑制的示例性高波束信号的示意图。如图所示，抑制各信号的多个部分以减少干扰。值得注意的是，如下面的仿真结果所示，旁瓣抑制可以为多用户mimo(multi-usermimo，mu-mimo)应用带来实质性的性能优势。

发射具有不同天线倾角、波束宽度、极化的低波束和高波束传输信号会带来实质性的性能优势。图9a-9b示出了展示示例性高波束和低波束传输技术的性能优势的仿真结果图910和920。具体地，图910示出了三个无线网络的所有用户的平均吞吐率，而图表920示出了三个无线网络中的小区边缘用户的平均吞吐率。第一无线网络(wn1)使用具有不同极化，但具有相同天线倾角和波束宽度的传输信号，如典型的传统网络。第二无线网络(wn2)使用具有不同极化和不同天线倾角，但具有相同波束宽度的传输信号，如在申请号为14/609，251美国专利申请中所讨论的一样。第三无线网络(wn3)是使用具有不同极化、不同天线倾角和不同波束宽度的低波束和高波束传输信号的示例性无线网络。如图所示，wn-3提供了最佳的平均性能，以及在小区边缘的最佳性能。

该示例性低波束和高波束传输技术还在单用户(singleuser，su)mimo(su-mimo)和多用户mimo(multi-usermimo，mu-mimo)无线网络中提供了优势。图10a-10b示出了展示示例性高波束和低波束传输技术的性能优势的仿真结果图1010和1020。具体地，图1010示出了四个mimo无线网络(wn4-wn7)的所有用户的平均吞吐率，而图表1020示出了四个mimo无线网络中的小区边缘用户的平均吞吐率。第四无线网络(wn4)是传统的su-mimo网络，第五无线网络(wn5)是传统的mu-mimo网络。第六无线网络(wn6)是用于传输具有不同极化、不同天线倾角和不同波束宽度的低波束和高波束传输信号的示例性su-mimo网络。第七无线网络(wn7)是用于传输具有不同极化、不同天线倾角和不同波束宽度的低波束和高波束传输信号的示例性mu-mimo网络。如图所示，示例性su-mimo网络(wn-6)为所有用户提供比传统su-mimo网络(wn-4)更好的性能，同时仍然在小区边缘提供可比拟的性能。此外，示例性su-mimo网络(wn-7)为所有用户以及小区边缘提供比传统su-mimo网络(wn-5)更好的性能。可以通过动态操纵低波束和高波束传输信号的天线图案来实现附加的性能增益。

值得注意的是，对低波束和高波束传输实施旁瓣抑制可以进一步提高性能，特别是在su-mimo和mu-mimo网络中。图11a-11b示出了展示示例性高波束和低波束传输技术的性能优势的又一附加仿真结果的图1110和1120。图1110示出了四个mimo无线网络(wn6-wn9)的所有用户的平均吞吐率，而图1020示出了四个mimo无线网络(wn6-wn9)中的小区边缘用户的平均吞吐率。第六无线网络(wn6)和第七无线网络(wn7)分别是上面描述的示例性su-mimo和mu-mimo网络，即图10a-10b中的wn6和wn7。第八无线网络(wn8)是用于对低波束和高波束信号进行旁瓣抑制的示例性su-mimo无线网络，并且第九无线网络(wn9)是用于对低波束和高波束信号进行旁瓣抑制的示例性mu-mimo无线网络。如图所示，示例性su-mimo网络(wn8)对所有用户提供比示例性su-mimo网络(wn6)稍好的性能，同时在小区边缘提供基本相同的性能。另外，可以看出，示例性mu-mimo网络(wn9)在所有用户和小区边缘都提供比示例性mu-mimo网络(wn7)明显更好的性能。值得注意的是，mu-mimo的旁瓣抑制的优点在小区边缘比在小区中心更明显。

本发明的多个方面可以在使用两个传输流和单列天线资源，并使用标准版本的八个双发射流(2t)码本时实现波束控制。可以通过波束成形得到额外的容量增加。

图12示出了可以用于实现本文公开的设备和方法的处理系统的框图。在一个实施例中，在适于发送上述高波束和低波束传输信号的接入点中包括进该处理系统。具体的设备可以使用所示的所有部件，或者仅使用部件的子集，并且其集成水平可以随设备而变化。此外，设备可以包含诸如多个处理单元、处理器、存储器、发射机、接收机等组件的多个实例。该处理系统可以包括配备有一个或多个输入/输出设备，这里的输入/输出设备比如可以是扬声器、麦克风、鼠标、触摸屏、小键盘、键盘、打印机、显示器等)的处理单元。处理单元可以包括连接到总线的中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)、存储器、大容量存储设备、视频适配器和i/o接口。

该总线可以是任意类型的多种总线结构中的一个或多个，比如内存总线或内存控制器、外围总线、视频总线或其他类似总线。cpu可以包括任意类型的电子数据处理器。存储器可以包括任何类型的系统存储器，诸如静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、同步dram(sdram)、只读存储器(rom)、上述各种存储器的组合，或其它类似的存储器等。在一个实施例中，存储器可以包括在开机时使用的rom以及在运行程序时用于程序及数据存储的dram。

大容量存储设备可以包括用于存储数据、程序和其他信息，以使这些数据、程序或其他信息可以通过总线被获取到的任意类型的存储设备。大容量存储设备可以包括例如固态硬盘驱动器、硬盘驱动器、磁盘驱动器、光盘驱动器或其它类似设备中的一种或多种。

视频适配器和i/o接口为将外部输入和输出设备连接至处理单元提供接口。如图所示，输入和输出设备的示例包括连接到视频适配器的显示器和连接到i/o接口的鼠标/键盘/打印机。其他设备可以与处理单元连接，并且可以使用其它附加的或较少的接口卡。例如，诸如通用串行总线(usb)(未示出)的串行接口可以用于为打印机提供接口。

处理单元还包括一个或多个网络接口，该网络接口可以包括诸如以太网电缆或其他类似物的有线链路和/或无线链路，以接入节点或不同网络。网络接口使得处理单元可以通过网络与这些远程单元通信。例如，网络接口可以经由一个或多个发射机/发射天线和一个或多个接收机/接收天线提供无线通信。在实施例中，处理单元连接到局域网或广域网，用于数据处理和与诸如其他处理单元、因特网、远程存储设施或其他类似的远程设备进行通信。

图13示出了通信设备1300的实施例框图，该通信设备可以对应于用于发送上述高波束和低波束传输信号的接入点。在实施例中，通信设备1300是用于进行具有彼此不同的天线倾角、波束宽度、极化的高波束和低波束传输的接入点。通信设备1300可以包括处理器1304、存储器1306、多个接口1310、1312和1314，可以(或可以不)如图13所示布置它们。处理器1304可以是能够执行计算和/或其他处理相关的任务的任意组件，并且存储器1306可以是能够存储用于处理器1304的编程和/或指令的任意组件。接口1310、1312和1314可以是允许通信设备1300与另一设备通信的任意组件或组件的集合。

在一个实施例中，一种设备包括用于产生两个信号的至少一个信号发生器和配置用于向上述两个信号应用不同的波束成形系数的波束成形权重向量模块。该设备还包括用于在天线阵列的不同极化上的低波束信号和高波束信号的发射器，以发射低波束传输信号和高波束传输信号，其中由波束成形权重向量模块产生的两个信号是上述高波束和上述低波束信号。该设备还包括用于控制天线倾角的天线倾角模块和用于为每个高波束和低波束信号设置波束宽度和天线倾角的波束宽度设置模块。

虽然已经详细描述了本发明，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和更改。此外，本发明的范围并不旨在限于本文所述的具体实施方案，本领域普通技术人员将根据本发明容易地理解，现存的或以后将被开发的过程、设备、工艺、物质的组成、装置、方法或步骤可以与本文描述的相应实施方式执行基本相同的功能或实现基本相同的结果。因此，所附权利要求旨在将这些过程、设备、工艺、物质的组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。