波束成型校准系统及方法与流程

本发明涉及使用多个天线的无线信号传输，且特别涉及一种波束成型校准系统及方法。

背景技术：

相较于现今普遍使用的第三代(3g)或第四代(4g)通信系统，毫米波(millimeterwave，简称mmwave)通信系统使用相对高频的频段来进行通信。由于接收器所接收到的电磁波能量强弱与信号传送距离的平方成反比并与电磁波信号的波长成正比，毫米波通信系统因为使用短波长的高频信号而提升信号能量衰减的幅度。再者，由于使用高频段的电磁波信号，因此毫米波通信系统中收发信号穿透障碍物的能力较为降低，且空气中的氧气跟水蒸气等等也会吸收掉毫米波能量。因此，为了确保通信质量，毫米波通信系统中的收发器通常需要使用多天线波束成型(beamforming)技术来改善信号能量衰减的问题。

波束成型是一种信号处理技术，一般是在基站(basestation)或用户设备(userequipment)上配置包括多个天线的天线阵列，藉由调整这些天线的发射信号，使得某些角度的信号获得相长干涉(建设性干涉)，而另一些角度的信号获得相消干涉(毁灭性干涉)，让基站或用户设备可产生具有指向性的波束，从而改善从发射器到接收器的通信质量。波束成型技术的优点包括能量集中、信号传送距离增加、用户之间干扰降低、以及数据传输速率快。由于波束成型技术对于毫米波无线通信系统的效能具有重要影响，为达到更精准的波束成型效果，有需要提出一种能够校准波束成型的系统与方法。

技术实现要素：

本发明涉及一种波束成型校准系统与方法，能够考虑硬件造成的误差，对于发射天线设定适当的相位，以达到波束成型校准的效果。

根据本发明的一实施例，提出一种波束成型校准系统包括发射器、接收器、及计算装置。发射器包括多个发射天线。计算装置提供多个相位组合至发射器。当计算装置提供多个相位组合其中的第一相位组合至发射器时，发射器使用第一相位组合设定多个发射天线的相位，接收器接收来自多个发射天线的无线传输信号以取得对应于第一相位组合的第一辐射场型，计算装置比较第一辐射场型与预设场型，以计算对应于第一相位组合的场型近似程度。计算装置根据对应于各相位组合的场型近似程度从多个相位组合中选择一校准相位组合，并提供校准相位组合至发射器以校准波束成型。

根据本发明的另一实施例，提出一种波束成型校准方法，用于发射器、接收器、以及计算装置，发射器包括多个发射天线，该波束成型校准方法包括下列步骤。计算装置提供多个相位组合至发射器。当计算装置提供多个相位组合其中的第一相位组合至发射器时，执行以下步骤：(a)发射器使用第一相位组合设定多个发射天线的相位；(b)接收器接收来自多个发射天线的无线传输信号以取得对应于第一相位组合的第一辐射场型；(c)计算装置比较第一辐射场型与预设场型，以计算对应于第一相位组合的场型近似程度。计算装置根据对应于各相位组合的场型近似程度从多个相位组合中选择一校准相位组合。计算装置提供校准相位组合至发射器以校准波束成型。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图详细说明如下：

附图说明

图1绘示依照本发明一实施例的发射器示意图。

图2绘示依照本发明一实施例的波束成型校准系统示意图。

图3绘示依照本发明一实施例的波束成型校准方法流程图。

图4绘示依照本发明一实施例的比较辐射场型与预设场型的示意图。

图5绘示依照本发明另一实施例的比较辐射场型与预设场型的示意图。

图6绘示依照本发明一实施例的邻近于初始相位组合的示意图。

【符号说明】

1：波束成型校准系统

10：发射器

20：接收器

30：计算装置

101：基带处理器

102_1～102_n：数字模拟转换器

103_1～103_n：相位旋转器

104_1～104_n：发射天线

p0_a、p0_b：预设场型

p_01：第一辐射场型

s200、s202、s204、s206、s208、s210：步骤

具体实施方式

波束成型技术可分为固定性波束成型(fixedbeamforming)以及适应性波束成型(adaptivebeamforming)。举例而言，做为发射器的基站，可依序朝不同方向传送波束，直到于正确的方向与用户设备相互建立联系，此步骤可称为固定性波束成型。而在基站与用户设备相互建立联系的情况下，可以依据基站与用户设备之间的信道(channel)讯息，对于波束的方向和振幅作微调，此步骤可称为适应性波束成型。

固定性波束成型技术可以利用阵列天线的相位旋转器(phaserotator，pr)达成，相位旋转器可对于个别天线旋转数个固定的相位角度，以达到想要的波束成型。图1绘示依照本发明一实施例的发射器示意图，发射器10可包括基带处理器(basebandprocessor)101、多个数字模拟转换器(digitaltoanalogconverter，dac)102_1～102_n、多个相位旋转器103_1～103_n、以及多个发射天线104_1～104_n。基带处理器101可用以处理基带信号，dac102_1～102_n可将基带数字信号转换为模拟射频信号。每个dac102_1～102_n的输出可耦接一个相位旋转器103_1～103_n，各个相位旋转器103_1～103_n可以分别设定每根发射天线104_1～104_n的相位角度，经由发射天线104_1～104_n传送无线射频信号。图1所示为一种关于发射器的示例性电路结构说明，本发明并不仅限于图1所绘示的电路结构，发射器10也可使用其他的硬件电路实现方式。

如图1所示的发射器10包括多个硬件电路元件，而硬件元件可能存在许多误差，且硬件误差会随着时间而逐渐改变。当发射器10存在这些硬件误差时，有可能因为硬件的增益及相位误差，而造成合成波束的主要传递方向产生偏移、往错误方向传输、或造成波束能量衰减，如此将难以达到正确的固定性波束成型，使得基站和用户设备难以有效地建立联系。考虑硬件误差所造成的影响，以下提出一种波束成型校准系统与方法。

图2绘示依照本发明一实施例的波束成型校准系统示意图，波束成型校准系统1包括发射器10、接收器20、以及计算装置30。发射器10包括多个发射天线104_1～104_n。计算装置30提供多个相位组合至发射器10。当计算装置30提供多个相位组合其中的第一相位组合至发射器10时，发射器10使用第一相位组合设定多个发射天线104_1～104_n的相位，接收器20接收来自多个发射天线104_1～104_n的无线传输信号以取得对应于第一相位组合的第一辐射场型(radiationpattern)p_01，计算装置30比较第一辐射场型p_01与预设场型p0，以计算对应于第一相位组合的场型近似程度。计算装置30根据对应于各相位组合的场型近似程度从多个相位组合中选择一校准相位组合，并提供校准相位组合至发射器10以校准波束成型。

如图2所示的系统，发射器10例如是天线阵列、无线基站、或用户设备，接收器20例如是喇叭天线(hornantenna)、无线基站、或用户设备，发射器10与接收器20可通过无线信号传输进行通信。接收器20例如可包括功率传感器(powersensor)，用以检测来自发射器10的无线信号强度。发射器10与接收器20可具有旋转机制，例如是仪器外部的实体硬件旋转，或是在仪器内部使用信号处理方式运算的模拟信号旋转，利用此旋转机制可测量在不同角度的信号强度。

计算装置30可以是微控制器(microcontroller)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、特殊应用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、数字逻辑电路、移动运算装置、计算机等可提供运算能力的电子装置。在一实施例中，计算装置30可以是计算机，通过线路连接接收器20以从接收器20取得需要的信息。在另一实施例中，计算装置30可以是内嵌于接收器20的处理器，接收器20例如是基站。计算装置30可通过有线网络或无线网络提供相位组合至发射器10。

使用于如图2所示系统的波束成型校准方法可参考图3，其绘示依照本发明一实施例的波束成型校准方法流程图，方法包括以下步骤。步骤s200：计算装置30提供多个相位组合至发射器10。当计算装置30提供多个相位组合其中的第一相位组合至发射器10时，执行以下步骤s202～s206。步骤s202：发射器10使用第一相位组合设定多个发射天线104_1～104_n的相位。步骤s204：接收器20接收来自多个发射天线104_1～104_n的无线传输信号以取得对应于第一相位组合的第一辐射场型p_01。步骤s206：计算装置30比较第一辐射场型p_01与预设场型p0，以计算对应于第一相位组合的场型近似程度。步骤s208：计算装置30根据对应于各相位组合的场型近似程度从多个相位组合中选择一校准相位组合。步骤s210：计算装置30提供校准相位组合至发射器10以校准波束成型。

步骤s200的相位组合，指的是关于每一个发射天线的相位设定。举例而言，发射天线104_1～104_n的数量为n个，则每一个相位组合包括n个相位设定值，这n个相位设定值分别对应于n个发射天线。

步骤s202，计算装置30可通过有线网络或无线网络传送一个第一相位组合到发射器10，使得发射器10以第一相位组合设定各个发射天线104_1～104_n的相位，发射无线信号至接收器20。

步骤s204，接收器20可以根据收到的信号，取得对应于第一相位组合的第一辐射场型p_01，第一辐射场型p_01可包括接收器20在各个不同角度所收到的信号强度或功率。在绘示天线的辐射场型时，可以使用极坐标或是线性坐标绘示。当具有波束成型效果时，在辐射场型通常可见清楚的主瓣(mainlobe)以及旁瓣(sidelobe)。

步骤s206，计算装置30可从接收器20取得第一辐射场型p_01，并比较第一辐射场型p_01与预设场型p0，以计算对应于第一相位组合的场型近似程度。预设场型p0可以是一个预先设定好的已知信息，预设场型p0可以存储于接收器20或是存储于计算装置30。第一辐射场型p_01与预设场型p0越相似，代表目前所使用的第一相位组合越接近最佳的波束成型校准相位组合。

在一实施例中，预设场型p0是预先设定的理想辐射场型。举例而言，可通过模拟软件对于发射器10的辐射场型进行模拟，而得到发射器10在使用不同相位组合时产生的辐射场型，根据模拟结果以产生预设场型p0。又或者可以在发射器10生产出厂后，进行实际测量，在发射器10附近设置测量仪器，假设刚出厂的发射器10具有的硬件误差不大或已经过出厂的波束校准，以此时测量仪器记录到的辐射场型作为预设场型p0。使用预先设定的理想辐射场型作为预设场型p0的方式，可称为离线(off-line)校准，此实施例中的预设场型p0通常具有单一显著的主瓣，旁瓣的能量通常显著较小。

在另一实施例中，可以在接收器20的位置被设置后，例如确定了接收器20的物理摆放位置、接收器20周围的地理环境已经确定后，接收器20接收来自发射天线104_1～104_n的无线传输信号，以此时接收器20取得的辐射场型作为预设场型p0。举例而言，发射器10已经过离线校准，当空间中没有障碍物时，应可以得到理想的波束成型效果。然而由于接收器20摆放位置的缘故，使得发射器10与接收器20之间的无线信号传输存在多路径(multi-path)的可能，假设此时的硬件误差并不大，可使用此时接收器20收到的信号作为预设场型p0。将如此取得的预设场型p0存储于接收器20，可用于往后的波束成型校准。使用此实施例的预设场型p0执行波束成型校准可称为线上(on-line)校准，此实施例中的预设场型p0由于存在多路径效应，通常主瓣与旁瓣的能量差距较小。

关于步骤s206比较第一辐射场型p_01与预设场型p0，可参考图4及图5所示范例。图4绘示依照本发明一实施例的比较辐射场型与预设场型的示意图，此范例可对应于前述的离线校准。图4使用线性坐标绘示天线场型，横轴为角度，纵轴为信号强度。预设场型p0_a具有单一显著的主瓣(在40度的位置)，而第一辐射场型p_01由于存在来自硬件误差的非理想效应，在40度以外的角度具有较高的旁瓣能量。计算装置30可以藉由计算第一辐射场型p_01与预设场型p0_a的差值，以决定二者之间的场型相似程度。

图5绘示依照本发明另一实施例的比较辐射场型与预设场型的示意图，此范例可对应于前述的线上校准。在此例中，由于多路径效应，预设场型p0_b具有一个主瓣(在40度的位置)以及一个能量接近于主瓣的旁瓣(在60度的位置)。第一辐射场型p_01由于存在来自硬件误差的非理想效应，在40度以及60度以外的角度，亦具有较大的能量。计算装置30可以藉由计算第一辐射场型p_01与预设场型p0_b的差值以决定二者的场型相似程度。

计算装置30可以对于数个相位组合重复执行步骤s202～步骤s206。在步骤s208，计算装置30可根据对应于各相位组合的场型近似程度，从多个相位组合中选择校准相位组合。举例而言，计算装置30可以选择具有最高场型近似程度的相位组合作为校准相位组合，或者可以选择于步骤s206计算过程中，实际辐射场型与预设场型之间差值最小的一个作为校准相位组合。接着在步骤s210，计算装置30将得到的校准相位组合传送至发射器10，使得发射器10可以使用校准相位组合执行波束成型，而能够校准因硬件误差而影响的波束成型。

在一实施例中，在步骤s206计算装置30可以将接收信号(对应于第一辐射场型p_01)以及预设信号(对应于预设场型)p0_a皆转到角度域，计算不同角度的能量差的总和，以决定二者之间的场型相似程度。在步骤s208计算装置30可选择辐射场型与预设场型之间差值最小的一个作为校准相位组合，例如可以使用如下的数学式子(1)：

式子(1)的f代表将信号转到角度域的函数，a代表预设信号，以发射器10具有64根发射天线为例，代表来自于硬件误差而产生的振幅衰减和相位旋转。而φ＝[φ1，…，φ64]^t代表各个发射天线的相位，步骤s208即是要找出可以使得式子(1)得到最小值的φ。

根据图2所示的系统及图3所示的方法流程，计算装置30会对于所提供的多个相位组合分别计算场型相似程度，在步骤s208选择具有最高场型相似程度的作为校准相位组合。此校准方法测试了发射天线可能使用的多个相位组合，使得校准后的辐射场型接近理想辐射场型。

本文中所公开的波束成型校准方法，考虑硬件误差所造成的影响，然而无需使用复杂的方式去直接估计硬件误差量，而是藉由观察于接收端辐射场型的差异，而直接修改发射器10所使用的编码簿(codebook)，即各个发射天线使用的相位，而达到校准目的。由于此波束成型校准方法是藉由比较辐射场型，不仅可以校准波束成型的主瓣方向，也可以校准旁瓣方向。此外，本发明提出的波束成型校准方法可用于离线测试，也可用于实际线上运行测试。

关于步骤s200计算装置30提供给发射器10的多个相位组合，可以有多种实施例，以下分别使用实施例m1～实施例m6作为说明。以下使用的范例为，发射器10具有n个发射天线，其中的每个天线所耦接的相位旋转器可由b个位的数字信号控制，亦即每个天线可以具有2^b种可能的相位。

实施例m1：计算装置30提供的多个相位组合包括多个发射天线104_1～104_n所有可使用的相位组合。亦即，计算装置30穷举所有可能的相位组合，对于每一个天线皆尝试2^b种可能的相位，计算装置30寻找最佳解的搜寻空间为(2^b)ⁿ。实施例m1适用于发射器10的规模较小，发射天线的数量较少，或相位旋转器103_1～103_n可设定的相位选择较少。

实施例m2：计算装置30取得对应于多个发射天线的初始相位组合，计算装置30提供的多个相位组合仅包括邻近于初始相位组合的相位组合，这个初始相位组合可以是存储于接收器20或计算装置30。如实施例m1所述的搜寻空间，对于大部分的发射器10而言可能都过于庞大，因此实施例m2并不对于每一个天线皆尝试2^b种可能的相位，而可以仅尝试于初始相位组合(例如是前次得到的最佳相位)附近的相位。例如当波束成型校准系统1执行完一次波束成型校准之后，可将此次找到的最佳解存储于接收器20当中，当下一次要执行波束成型校准时，计算装置30可以先取得前次的最佳解作为此次的初始相位组合。

图6绘示依照本发明一实施例的邻近于初始相位组合的示意图。在图6所示的例子中，每一个天线具有10种可能的相位状态，在经过前次波束成型校准后，天线编号1～5的最佳相位分别为相位状态编号{3，4，5，10，7}。实施例m2可以使用这组相位组合作为初始相位组合，并设定搜寻视窗w的大小为3(w＝3代表搜寻的相位包括初始相位、以及最邻近初始相位的2个相位)。例如对于天线编号1，仅寻找相位状态2、3、4；对于天线编号4，仅寻找相位状态9、10、1(由于相位角每增加360度为一个循环，每个天线具有的10种可能相位状态可以视为循环，相位状态10与相位状态1视为邻近)。

实施例m2的搜寻空间为wⁿ，相较于实施例m1减少了许多，且由于较佳的天线相位选择，通常位于前一次所得到最佳相位附近的相位，因此实施例m2也可以找到适合的校准相位组合。搜寻视窗的大小w并不限于3，也可以是其他更大的数字，搜寻视窗的大小w可取决于发射天线的数量、计算装置30的运算能力、系统执行波束成型校准容许的时间等因素。

由于实施例m1及m2所述的搜寻空间有可能对于大部分的发射器10而言仍然太大，以下提出的实施例m3～实施例m6皆是采取分群搜寻的方式，以缩小搜寻空间。计算装置30将多个发射天线划分为多个群组，群组的数量例如为p，每个群组内的发射天线数量等于q，其中接着计算装置30依序决定对应于各群组的局部最佳相位组合，以根据各群组的局部最佳相位组合决定校准相位组合。

在一种实作方式中，当计算装置30决定第一群组的局部最佳相位组合时，不属于第一群组的发射天线的相位为固定值，亦即在搜寻单一群组的最佳解时，对于其他群组的相位值维持固定。例如，先搜寻群组1的最佳解，群组2～群组p的相位维持固定不动；在找到群组1的最佳解后，将群组1的相位固定在这个最佳解，接着搜寻群组2的最佳解，并仍然将群组3～群组p的相位维持固定不动；其余依此类推。以此方式当计算装置30依序搜寻完群组1～群组p的局部最佳相位时，可称为计算装置30完成一次迭代，一个波束成型校准程序可包括执行多次迭代，例如1～4次迭代。

实施例m3：当计算装置30决定第一群组的局部最佳相位组合时，计算装置30提供的多个相位组合包括第一群组的发射天线所有可使用的相位组合。计算装置30寻找最佳解的搜寻空间为(2^b)^q×p。

实施例m4：计算装置30取得对应于多个发射天线的初始相位组合，当计算装置30决定第一群组的局部最佳相位组合时，计算装置提供的多个相位组合仅包括邻近于初始相位组合的相位组合。类似于实施例m2，仅寻找在搜寻视窗内在初始相位附近的可能相位，以减小搜寻空间。计算装置30寻找最佳解的搜寻空间为(w)^q×p。在此实施例中，一个波束成型校准程序可包括执行多次迭代，在每次迭代时所使用的初始相位组合，可以是在前一次迭代时所找到的最佳解。

实施例m5：可视为实施例m3的一个特例，各群组具有的发射天线数量为1(p＝n，q＝1)。即计算装置30依序决定从第1根天线到第n根天线，每一根天线的局部最佳相位。计算装置30寻找最佳解的搜寻空间为2^b×n。

实施例m6：可视为实施例m4的一个特例，各群组具有的发射天线数量为1(p＝n，q＝1)。计算装置30寻找最佳解的搜寻空间为w×n。在此实施例中，一个波束成型校准程序可包括执行多次迭代，在每次迭代时所使用的初始相位组合，可以是在前一次迭代时所找到的最佳解。

关于实施例m1～实施例m6所使用的搜寻方式、分群方式与群组大小(群组大小为n即代表只有1个群组，相当于没有执行分群)、搜寻空间，整理如下方表一所示。本发明所提出的波束成型校准方法不限于使用哪一个实施例，可视发射器10的规模以及计算装置30的运算能力决定适用的实施例。下方表一记载一个范例数值，更易于比较不同实施例之间搜寻空间的大小关系。所使用的数值范例为：发射器10具有32个发射天线(n＝32)，每个发射天线的相位可由4个位决定(b＝4)，即每个发射天线有16种可能相位。当执行实施例m3～m4的分群组时，将32个发射天线分为8个群组(p＝8)，每个群组具有4个天线(q＝4)。当执行搜寻邻近初始相位组合时，使用的搜寻视窗大小为3(w＝3)。

表一

综上所述，虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。