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CN116803020A - 无线收发装置及其波束成形方法 - Google Patents

无线收发装置及其波束成形方法 Download PDF

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CN116803020A
CN116803020A CN202180074659.XA CN202180074659A CN116803020A CN 116803020 A CN116803020 A CN 116803020A CN 202180074659 A CN202180074659 A CN 202180074659A CN 116803020 A CN116803020 A CN 116803020A
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CN
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polarization
beams
orthogonal
signals
pair
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CN202180074659.XA
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金德龙
文荣灿
沈埈亨
尹敏先
吴泰烈
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Original Assignee
KMW Inc
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Abstract

本发明涉及一种无线收发装置及其波束成形方法，本发明的装置包括：排列天线，形成具有相互不同的方向性的多重波束，通过所述多重波束收发信号；数字部，合成正交极化对，生成用于形成所述多重波束的多重波束信号；及RF部，对于所述多重波束信号进行频率转换来分别输出于所述排列天线。

Description

无线收发装置及其波束成形方法
技术领域
本发明涉及一种无线收发装置及方法(无线收发装置及其波束成形方法)，更详细地说，涉及具有异种正交极化对交叉的多重波束的无线收发装置及方法。
背景技术
为了降低由多重路径带来的衰落影响并且执行极化分集功能，移动通信的MIMO(多输入多输出)天线模块通常设置成多个双极化天线模块(双极化天线模块阵列)。
衰落是指电波的强度随时间发生变化的现象，分集是指将电场强度或者信号输出对比噪声输出的比相互不同的多个接收信息合成来获取单一信号，进而降低衰落的影响的方式。
从双极化天线辐射的波束具有宽波束形状，宽波束形状因为周边环境导致SNR(信噪比)下降，因此存在很难将信号传输到远处的局限性。
为了解决这种问题，在以往通过耦合双极化天线模块阵列中的辐射元件(共享信号路径)，对于相同频率的信号(相同极化信号)进行空间(扇区)分离来解决这种问题。
然而，如上所述的方法为具有相同极化的波束相邻设置，因此各个波速之间的相关性增加，从而可出现通信质量下降的问题。
如上所述，在使用多波束的大规模MIMO(多输入多输出)系统中，因为彼此相邻的波束之间的干扰，无线信道的相关系数提高，进而出现天线信号收发效率降低的问题。再则，因为波束之间的干扰带来的影响，存在单元容量受限的问题。
近来，在大规模MIMO系统中采用具有相互不同极化的天线模块，以使相邻的波束使用相互不同的极化，进而降低相邻的波束之间的干扰。然而，该方法对于待使用的极化需要分别单独构成天线模块，因此制作工艺复杂，存在需要大量的时间与成本的问题。
另外，该方法需要对于待使用的极化分别单独形成天线模块，因此也存在扩大天线尺寸的问题。
发明内容
(要解决的问题)
本发明是为了解决上述的技术课题而提出的，目的在于，提供一种无线收发装置及其波束成形方法，对于在小区或者扇区内形成的多波束分别赋予正交极化对，而且对于相邻的波束之间赋予异种的正交极化对，而不是同种的极化对，进而将波束之间的干扰最小化，提高天线效率及小区容量。
另外，本发明的另一目的在于，提供如下的无线收发装置及其波束成形方法：在一个小区或者扇区内将固定的波束分离以具有相互不同的方向，进而可扩大覆盖率，并且辐射窄波束，因此提高天线增益。
本发明的课题不限于在以上提及的课题，而未提及的其他课题，本发明所属技术领域的普通的技术人员可从以下的记载中明确理解。
(解决问题的手段)
用于达到上述目的的本发明的一实施例的无线收发装置包括：排列天线，形成具有相互不同的方向性的多重波束，通过所述多重波束收发信号；数字部，合成正交极化对，生成用于形成所述多重波束的多重波束信号；及RF部，对于所述多重波束信号进行频率转换来分别输出于所述排列天线；
所述数字部对于所述多重波束中的彼此相邻的波束分配异种的正交极化对，并且对于分配于各个波束的正交极化对分别设定不同的相位。
所述多重波束为，各个波束以垂直及水平方向具有不同的方向性。
所述数字部包括：极化合成部，从异种的极化信号中合成正交极化对；极化分配部，将所述正交极化对分配于各个波束；及多重波束成形部，基于分配于所述各个波束的正交极化对，生成用于在所述排列天线中形成多重波束的波束信号。
所述极化合成部将输入信号的极化转换为第一正交极化对及第二正交极化对。
所述第一正交极化对为±45度正交极化对或者垂直/水平正交极化对中的任意一种。
所述第二正交极化对为±45度正交极化对或者垂直/水平正交极化对中的另一种。
所述极化分配部对于各个波束分配所述合成的第一正交极化对或者第二正交极化对。
所述极化分配部为，在各个波束中对于第一波束分配第一正交极化对，对于与所述第一波束相邻的第二波束分配所述第二正交极化对。
所述数字部还包括极化分配控制部，所述极化分配控制部根据波束的数量及基准波束的极化成分针对各个波束生成极化分配控制信号来提供于所述极化分配部。
所述数字部还包括相位校准部，所述相位校准部校准分配于所述波束信号的正交极化对的幅度及相位。
所述数字部还包括极化合成校准部，所述极化合成校准部比较在对于所述波束信号分配的正交极化对的极化合成时的幅度及相位与所述RF部的RF链的幅度及相位来决定幅度及相位的校准，并且向所述相位校准部输出校准信号。
所述数字部包括：多重波束成形部，生成用于在所述排列天线中形成多重波束的波束信号；极化合成部，在所述波束信号合成异种的正交极化对；及极化分配部，将在所述波束信号合成的任意一个正交极化对分配于各个波束信号。
另外，用于达到上述目的的本发明的另一实施例的无线收发装置包括：排列天线，形成具有相互不同的方向性的多重波束，通过所述多重波束收发信号；数字部，在输入信号合成正交极化对，对于各个波束分配任意一个正交极化对，而且对于彼此相邻的波束分配异种的正交极化对；及RF部，对于分配于所述各个波束的正交极化对的极化信号进行频率转换，并且设定各个极化信号的相位，向所述排列天线输出波束信号；
所述RF部包括：多个RF链，转换各个极化信号的频率；及多重波束成形部，对于所述转换频率的各个极化信号设定不同的相位来生成模拟多重波束信号。
另一方面，用于达到上述目的的本发明的一实施例的无线收发装置的波束成形方法包括如下的步骤：合成正交极化对，以生成用于形成所述多重波束的多重波束信号；通过RF链对于所述多重波束信号进行频率转换来分别输出于排列天线；在所述排列天线从所述多重波束信号中形成具有相互不同的方向性的多重波束。
所述多重波束为，对于彼此相邻的波束分配异种的正交极化对，并且对于分配于各个波束的正交极化对分别设定不同的相位。
(发明的效果)
根据本发明的无线收发装置及其波束成形方法，对于在小区或者扇区内形成的多重波束分别赋予正交极化对，而且对于相邻的波束之间赋予异种的正交极化对，而不是同种的极化对，进而可将波束之间的干扰最小化，因此具有提高天线效率及小区容量的效果。
另外，本发明为，在一个小区或者扇区内将固定波束分离成具有相互不同的方向性，进而可扩大覆盖率，并且辐射窄波束，进而具有可提高天线增益的效果。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施例的无线收发装置的结构的图。
图2及图3是示出说明本发明的一实施例的极化合成部的动作时参照的实施例的图。
图4a、4b及图5是示出说明本发明的一实施例的极化分配部的动作时参照的实施例的图。
图6是示出说明本发明的一实施例的多重波束成形部的动作时参照的实施例的图。
图7是示出说明本发明的一实施例的幅度/相位校准部的动作时参照的实施例的图。
图8、图9a及9b是示出说明本发明的一实施例的波束形成动作时参照的实施例的图。
图10、图11a及11b是示出说明本发明的一实施例的数字部的接收动作时参照的实施例的图。
图12是示出本发明的第二实施例的无线收发装置的结构的图。
图13及图14是说明本发明的第二实施例的数字部的动作时参照的实施例的图。
图15是示出本发明的第三实施例的无线收发装置的结构的图。
图16a及16b是示出说明本发明的实施例的无线收发装置的动作效果时参照的实施例的图。
图17是示出本发明的第一实施例的无线收发装置的波束成形方法的动作流程的图。
图18是示出本发明的第二实施例的无线收发装置的波束成形方法的动作流程的图。
图19是本发明的第三实施例的无线收发装置的波束成形方法的动作流程的图。
具体实施方式
以下，通过示例性附图详细说明本发明的一部分实施例。在对各个附图的构件赋予附图标记时，对于相同的构件，应注意即使在不同的附图示出，也应尽可能具有相同的附图标记。另外，在说明本发明的实施例时，若判断相关公知结构或者功能的具体说明妨碍理解本发明的实施例，则省略该具体说明。
在说明本发明的实施例的构件时，可使用第一、第二、A、B、(a)、(b)等的用语。这种用语只是用于将一构件与其他构件区分开来，不得由用语限制构件的本质或者顺序等。另外，除非有不同的定义，否则将技术性或者科学性用语包括在内的在此使用的所有用语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。诸如在通常使用的词典定义的用语应解释为与相关技术文章中的含义一致，除非在本申请中有明确定义，否则不得以理想性或者过度形式性的含义解释。
本发明涉及无线收发装置及方法，本发明的无线收发装置可适用于使用多重波束的大规模MIMO(多输入多输出)系统。
图1是示出本发明的第一实施例的无线收发装置的结构的图。
参照图1，无线收发装置10可包括：排列天线100、RF部200及数字部300。
排列天线100由多个天线模块110构成。在此，排列天线100是指按照预定图案在预定的位置分别排列多个天线模块110，根据各个天线模块110的排列位置调节相位及幅度等，以向预定方向辐射波束的天线。此时，排列天线100根据在RF部200或者数字部300生成的波束形成控制信号可形成多重波束。
各个天线模块110可形成小区覆盖范围内以垂直或者水平方向具有相互不同方向的多重波束。从而，可动态构成各个天线模块110，以执行特定波束方向的发送或者接收。
各个天线模块110可由具有相互不同的极化方向的两个或者两个以上的辐射元件构成。
举一示例，天线模块110可以是由具有正交的极化方向的两个辐射元件构成的双极化天线模块。
在此，双极化天线模块可包括：具有+45度极化方向的第一辐射元件及具有与所述第一辐射元件的极化方向正交(或者，垂直)的-45度极化方向的第二辐射元件。
另一方面，双极化天线模块可包括：具有垂直极化方向的第三辐射元件及具有与所述第三辐射元件的极化方向正交(或者，垂直)的水平极化方向的第四辐射元件。
举另一示例，天线模块110也可以是四重极化天线模块(或者，四极化天线模块)，由具有正交的极化方向的四个辐射元件构成。
在此，四重极化天线模块可包括：具有+45度极化方向的第一辐射元件、具有与所述第一辐射元件的极化方向正交(或者，垂直)的-45度极化方向的第二辐射元件、具有垂直极化方向的第三辐射元件及具有与所述第三辐射元件的极化方向正交(或者，垂直)的水平极化方向的第四辐射元件。此时，第三辐射元件及/或者第四辐射元件与第一辐射元件及/或者第二辐射元件具有±45度的极化方向差。
通过四重极化天线模块辐射的波束可具有窄波束形状，在这些波束中彼此相邻的波束可具有相互不同的正交极化方向。
在此，“正交”或者“垂直”可以是辐射元件的极化方向具有准确的90度差的情况与具有90±θ的角度差的情况全部包括在内。θ根据天线模块110的制作工艺中的误差、与其他天线模块的相关性程度、波束形成方向的调节必要性等可发生变化。
构成天线模块110的辐射元件在天线模块110的构成区域内配置成各种相形态。
举一示例，构成天线模块110的辐射元件可相互间隔配置。
举另一示例，构成天线模块110的辐射元件可配置成使一部分或者全部的辐射元件的中心相互交叉。在该情况下，减少辐射元件在天线模块110中占据的面积，进而可提高天线模块整体的面积效率。
如上所述，通过提高天线模块110的面积效率可提高天线的制作、安装、维护等的便利性。
通过各个天线模块110形成的波束通过正交的至少两个正交极化对形成，彼此相邻的波束的正交极化对可由相互不同类型(方向)的正交极化构成。
举一示例，在多个波束中的第一波束由第一类型的正交极化对形成。在此，第一类型的正交极化对可以是由+45度极化信号及-45度极化信号构成的极化对。
另一方面，与第一波束相邻的至少一个第二波束可由第二类型的正交极化对形成。在此，第二类型的正交极化对可以是由垂直极化信号及水平极化信号构成的极化对。
如上所述，本发明为，在形成多重波束时对于彼此相邻的波束适用不同类型(异种)的正交极化对，进而降低相邻的波束之间的相关性，可提高通信质量。在此，彼此相邻的波束为，不仅是以水平方向相邻的波束，对于以垂直方向相邻的波束也可适用相互不同类型的正交极化对。如上所述，适用正交极化对，提高无线信道的正交性，从而可增加无线收发系统的信道容量。
假设，作为利用多极化形成波束的天线系统，可考虑在同一扇区内形成波束的天线模块按各个模块分别形成一个波束，使各个波束具有相同极化或者一种极化成分地形成波束的方式。
与此相比，本发明为，在形成具有异种极化的多重波束时，在同一扇区内形成波束的各个天线模块形成按各个模块分别具有相互正交的一对极化信号(假设，±45度正交极化信号)一对波束。即，一个天线模块对于2个极化信号(假设，±45度正交极化信号)生成2个波束，对于所述2个波束中的一个分配+45度极化信号，而另一个分配-45度极化信号。如此，设定一对极化信号具有相互不同的相位，从而空间性分离波束，因此将波束之间的干扰最小化。
不仅如此，与形成具有所述一对±45度正交极化信号的一对波束的天线模块相邻的天线模块形成具有与所述±45度正交极化信号不发生干扰的另一对极化信号(V/H正交极化信号)的一对波束，因此可将相邻的天线模块的波束之间的干扰最小化。
另外，参照图1，能够空间性完全分离具有一对±45度正交极化信号的波束与具有同种的另一对±45度正交极化信号的波束，因此具有也将具有同种极化的波束之间的干扰最小化的优点。
RF部200可包括多个RF链210。此时，RF链210可包括：滤波器、功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)及RFIC等。RFIC可包括：DAC(数字到模拟转换器)/ADC(模拟到数字转换器)、混频器等。
RF链210在使用射频天线在发送之前将信号调整为合适的信号或者将通过排列天线100接收到的信号转换为适合于采样和基带处理的信号。
虽未在图1示出，但是RF部200可包括模拟型多重波束成形部。如果，RF部200包括模拟型多重波束成形部的情况，可省略数字部300的多重波束成形部。对此的具体说明参照后述的图15的实施例。
在此，本发明的多重波束成形基本利用数字波束形成技法。
模拟波束成形是将完成数字信号处理的模拟信号分支成多路径，通过在各个路径中的相移(PS)与功率放大(PA)设定形成波束的方式，由将1个RF链与多个相移及信号衰减器一同包括的发送及接收系统结构构成。模拟波束成形是分别改变与每个天线个别连接的相移与信号衰减器的相位及振幅值来形成波束的方向与形状的方式。这种模拟波束成形技法因为相移的有限分辨率特性与高价的零部件问题，在系统性能与经济性方面处于弱势，而且在结构上是不适合于为了高容量的高容量空间多路复用传输技法的结构。
与此相比，数字波束成形是为了将分集与多路复用增益最大化而利用基站的基带处理在数字端形成波束的技法。另外，数字波束成形为每个天线连接RF链，不使用诸如相移或者信号衰减器的RF电路，基于这种系统结构的数字波束成形技法通过在基带进行数字信号处理来改变信号的相位及振幅，而不是在RF端改变信号的相位与振幅。
在此，本发明的多重波束成形是以在天线系统的无线单元(RU)实现数字波束成形为特征，而不是在数字系统实现，对此将在以下进行详细的相关说明。
另一方面，在图1的实施例中分别示出了RF部200及排列天线100，但是也能够以在RF部200包括排列天线100的形式实现。
数字部300包括：接口部310、极化合成部320、360、极化分配部330、370、多重波束成形部340、幅度/相位校准部350、极化分配控制部380及极化合成校准部390。在此，数字部300能够以无线单元(RU)的数字前端(DFE)或者包括于此的一部分单元形式实现。
通常的数字波束成形是在天线系统的数字装置(DU)将与波束成形相关的动作全部执行，与此相比，本发明的无线收发装置10特征为，不仅是在天线系统的数字装置执行的波束形成，极化合成及分配等的动作也可在无线单元(RU)执行。
在此，所述无线单元(RU)的特征为，无法区分用户，因此并不是每个用户使用不同的波束，而是给在扇区内的所有用户都使用相同的波束。另一方面，诸如图1的(实施例1)或者图12的(实施例2)，数字部300为可在不同的位置构成多重波束成形部340。
(实施例1)
根据图1的实施例，接口部310起到从与无线收发装置10连接的装置接收信号或者向装置发送(传递)信号的作用。在此，接口部310可以是将无线收发装置10连接于基站的数字装置(DU)的前传接口。
举一示例，前传接口可以是CPRI(通用公共无线接口)、eCPRI(增强型CPRI)等。
极化合成部320及极化分配部330可分别配置处理发送信号的单元与处理接收信号的单元。在该情况下，发送信号处理单元与接收信号处理单元的配置位置及顺序可发生变化。
以处理发送信号的动作为准如下说明波束成形动作。
极化合成部320以输入信号为准提取4个正交极化成分执行极化合成。此时，极化合成部320合成正交极化对，可将合成的正交极化对施加到极化分配部330。
对于在极化合成部320提取4个正交极化成分的动作的具体说明，参照图2及图3的实施例。在此，图2及图3的实施例是假设排列天线100的各个天线模块110为双极化天线模块进行说明的。
首先，参照图2，若输入2个信号，即第一输入信号及第二输入信号，则极化合成部320从第一及第二输入信号中可提取正交的第一及第二极化成分。
另外，极化合成部320转换第一及第二极化成分，可提取正交的第三及第四极化成分。
此时，极化合成部320利用以下(数学式1)的矩阵，以输入信号为准可提取4个极化成分：
(数学式1)
在所述(数学式1)中，a与b表示第一及第二极化成分，与分别表示第三及第四极化成分。
在此，第一及第二极化成分可构成正交的一个第一极化对。举一示例，第一及第二极化成分可以是±45度极化成分或者垂直/水平极化成分中的任意一种。
另外，第三及第四极化成分可构成正交的另一种第二极化对。举一示例，第三及第四极化成分可以是±45度极化成分或者垂直/水平极化成分中的另一种。
如上所述，极化合成部320利用所述(数学式1)的矩阵，以输入信号为准提取4个极化成分，据此可形成相互不同的异种极化对交叉的多重波束。
即，本发明的一实施例的无线收发装置为，利用矩阵将在一个小区(或者，扇区)内的固定的波束分割成具有相互不同相位的多个波束，对于分割的各个波束分别赋予正交极化对的极化成分，通过这种方式可形成多重波束。
在此，可根据排列天线100的特性决定输入信号的极化成分。
举一示例，在排列天线100的各个天线模块110为±45度极化天线模块的情况下，第一及第二极化成分为±45度极化成分，第三及第四极化成分可以是垂直/水平极化成分。
对此的实施例参照图3。
参照图3，根据排列天线100的特性，决定第一输入信号及第二输入信号的极化成分a、b。据此，若已决定极化成分a、b，则极化合成部320提取第一及第二极化成分a、b。
另外，极化合成部320利用(数学式1)的矩阵，将极化成分a、b合成为来提取第三极化成分，将极化成分a、b合成为来提取第四极化成分。
在以下的实施例中，假设第一极化成分为+45度极化、第二极化成分为-45度极化、第三极化成分为垂直极化以及第四极化成分为水平极化进行说明，但是不限于此。
据此，极化合成部320利用提取的第一至第四极化成分合成正交极化对的极化成分，将合成正交极化对的信号输出于极化分配部330。
极化分配部330选择通过极化合成部320合成的正交极化对，即在±45度正交极化对及垂直/水平(V/H)正交极化对中选择用于形成波束的任意一种正交极化对来分别分配于多重波束。此时，分配于多重波束的正交极化对的物理性极化合成在排列天线100端执行。
极化分配部330能够以通过排列天线100形成的波束的数量、基准波束的极化等为准分配适用于各个波束的正交极化对。
在此，极化分配部330可直接接收波束的数量及基准波束的极化信息等。
另一方面，若从极化分配控制部380接收极化分配控制信号，则极化分配部330也可根据接收的极化分配控制信号分配适用于各个波束的正交极化对。
此时，极化分配部330对于多重波束中的基准波束分配任意一种正交极化对，以基准波束的正交极化对为准，对于相邻的波束交叉分配相互不同类型的正交极化对。
也就是说，极化分配部330对于作为基准的第一波束分配第一及第二极化成分的第一正交极化对，对于与第一波束相邻的第二波束可分配第三及第四极化成分的第二正交极化对。另外，极化分配部330对于与第二波束相邻的第三波束重新交叉分配第一正交极化对。
极化分配部330对于各个波束分配正交极化对的动作的具体说明，参照图4a及图4b。
如图4a及图4b所示，极化分配部330可将由以输入信号S1、S2为准提取的+45度、-45度、V、H的4个极化成分构成的±45度正交极化对或者V/H正交极化对分别分配于多重波束。在此，假设S1为+45极化信号，S2为-45度极化信号。
此时，如图4a所示，极化分配部330对于多重波束中的任意一个第一波束可分配±45度正交极化对。在该情况下，排列天线100可利用+45度极化信号及-45度极化信号形成第一波束。
另一方面，如图4b所示，极化分配部330对于与第一波束相邻的至少一个第二波束可分配V/H正交极化对。在该情况下，排列天线100可利用垂直V极化信号及水平H极化信号形成第二波束。当然，极化分配部330对于与第二波束相邻的至少一个波束可重新分配±45度正交极化对。
如上所述，极化分配部330对于多重波束可交叉分配±45度正交极化对或者V/H正交极化对。在该情况下，在排列天线100形成多重波束时，彼此相邻的波束之间具有异种，即相互不同类型的极化成分，因此相邻的波束之间的相关性降低，可带来提高信号收发效率的效果。
在图1中示出了极化合成部320及极化分配部330是单个的，但是如图5所示，也可构成多个的极化合成部320及极化分配部330。
此时，极化分配控制部380可控制多个极化分配部330的动作。
若输入待形成的波束的数量及基准波束的极化信息，则极化分配控制部380可对应于输入的波束的数量生成与各个波束相对应的极化分配控制信号。在此，极化分配控制信号可包括待分配正交极化对的对象波束的信息及对于对象波束分配的正交极化对的信息。
极化分配控制部380可将对应于各个波束生成的极化分配控制信号分别发送于多个极化分配部330。
在此，极化分配控制部380按照待形成的波束决定相对应的极化分配部330，并且可向各个极化分配部330发送极化分配控制信号。在该情况下，各个极化分配部330基于从极化分配控制部380接收的极化分配控制信号可对于对象波束分配正交极化对。
若对于各个波束分配正交极化对，则极化分配部330可向多重波束成形部340输出分配于各个波束的正交极化对的信息。
在此，多重波束成形部340利用矩阵将小区(或者，扇区)内的固定波束分割成具有相互不同相位的多个波束，而且对于分割的各个波束赋予正交极化对的极化成分。
据此，若从极化分配部330输入对于各个波束分配的正交极化对的信息，则多重波束成形部340利用对于各个波束分配的正交极化对的信息对于多重波束分别生成波束信号。
此时，多重波束成形部340可分别设定不同的各个波束信号的相位。在此，各个波束信号具有相互不同的相位，因此在通过排列天线100形成波束时可形成具有相互不同方向性的波束。
多重波束成形部340为将生成的各个波束信号经过RF部200的RF链210输出于排列天线100的各个天线模块110。在此，各个波束信号可包括分配于对象波束的正交极化对的信号。
对于多重波束成形部340的波束信号生成动作的具体说明，参照图6的实施例。
参照图6，若通过多个的极化合成部320及极化分配部330来对应于输入信号S1、S2、…、SM对于各个波束分配正交极化对，则多重波束成形部340可对于分配于各个波束的正交极化对生成与极化信号相对应的波束信号。
在此，多重波束成形部340可以输入信号S1、S2、…、SM乘以权重向量生成各个波束信号。此时，各个波束信号根据乘以输入信号的权重向量值可改变波束的方向及形状。
通过多重波束成形部340生成的各个波束信号经过RF部200，可通过排列天线100的各个天线模块110输出。
此时，RF部200的各个RF链211～219在执行输入波束信号，即分配于波束的极化信号的频率转换之后通过相对应的天线模块110发送。
在此，数字部300在向各个RF链211～219发送波束信号之前通过幅度/相位校准部350与极化合成校准部390校准波束信号的幅度及相位。
在极化合成部320合成的极化成分实际在排列天线100侧进行极化合成。此时，若极化合成时的幅度及相位与RF链210的幅度(振幅)及相位不同，则极化的方向发生偏移，因此需要将幅度及相位校准成相同的过程。
据此，极化合成校准部390比较分配于波束的正交极化对的极化合成时的幅度及相位与RF链210的信号幅度及相位来生成校准信号，可将生成的校准信号传达于幅度/相位校准部350。
从而，幅度/相位校准部350基于从极化合成校准部390传达的校准信号校准波束信号的极化幅度及相位。此时，幅度/相位校准部350校准极化合成的波束信号的极化幅度及相位与RF链210的信号幅度及相位相同。
但是，极化合成校准部390只对于发生极化合成的信号生成校准信号来传达于幅度/相位校准部350，此时幅度/相位校准部350只对于校准对象波束信号校准极化幅度及相位。
举一示例，假设天线的极化成分为-45度极化时，幅度/相位校准部350可只在进行V/H极化合成的情况下校准极化信号的幅度及相位。
在此，幅度/相位校准部350实现为与RF链210的数量相应，校准波束信号的极化幅度及相位，可将校准的波束信号输出于相对应的RF链210。
对此的实施例参照图7。
如图7所示，多个RF链211～219分别与多个天线模块111～119相对应，幅度/相位校准部351～359实现为与多个RF链211～219的数量相应，进而可分别与多个RF链211～219相对应连接。
举一示例，第一幅度/相位校准部351校准极化合成的波束信号的幅度及相位与第一RF链211的幅度及相位相同，将校准的波束信号经过第一RF链211输出于第一天线模块111。
从而，第一天线模块形成与校准的幅度及相位相应的波束。
如上所述，幅度/相位校准部350校准在极化合成时产生的信号的幅度及相位变化，进而确保信道可逆性，并且可在排列天线能够以准确的方向形成波束。据此，各个天线模块110根据输入的各个波束信号形成多重波束。
此时，通过各个天线模块110形成的各个波束不仅是方向相互不同，而且相邻的波束之间还具有异种的极化特性。
对于基于波束信号在排列天线100形成波束的动作的实施例参照图8。
如图8所示，对于输入信号S1、S2接收波束信号的第一天线模块输出±45度正交极化信号。此时，通过输出的±45度正交极化信号，在排列天线100以第一方向形成波束A。
另外，对于输入信号S3、S4接收波束信号的第二天线模块输出与相邻的波束A不同类型的V/H正交极化信号。此时，通过输出的V/H正交极化信号，在排列天线100以第二方向形成波束B。
另外，对于输入信号S5、S6接收波束信号的第三天线模块输出与相邻的波束B不同类型的±45度正交极化信号。此时，通过输出的±45度正交极化信号，在排列天线100以第三方向形成波束C。
另外，对于输入信号S7、S8接收波束信号的第四天线模块输出与相邻的波束C不同类型的V/H正交极化信号。此时，通过输出的V/H正交极化信号，在排列天线100以第四方向形成波束D。
如图8所述，通过排列天线100形成的多重波束形成为使各个波束朝向相互不同的方向，而且相邻的波束之间形成异种的正交极化对。
在此，通过排列天线100形成的多重波束为，不仅是如图9a所示以水平方向彼此相邻的波束之间的方向及正交极化对不同，而且还如图9b所示垂直方向的各个波束也是相邻的波束之间的方向及正交极化对不同。
如上所述，通过排列天线100形成的多重波束根据设定的相位在空间上分离，以多个波束形式辐射。此时，各个波束在具有以辐射自身的辐射元件的极化方向的状态下被辐射，因此在空间上彼此相邻的两个波束可具有相互不同的极化。
通过本发明的无线收发装置辐射的波束之间也存在重叠的区域，但是相邻的波束之间的极化相互不同，因此可消除信号之间的相关性问题。
以上，以发送信号的情况下的结构及动作为中心说明波束成形过程。
另一方面，在接收信号的情况下，只是以与发送信号时的动作顺序相反的顺序执行，具体动作变化不大。但是，对于数字部300的具体动作，如图10所示，与发送信号时不同，在接收信号的过程中极化合成部361～369及极化分配部371～379的配置位置可发生变化。
对于极化合成部361～369及极化分配部371～379在接收信号的情况下的具体动作的实施例，参照图11a及图11b。
参照图11a及图11b，在假设接收波束的极化成分为±45度时，极化合成部361～369以接收波束的极化成分的±45度为准提取4个极化成分，即，+45度、-45度、V、H。
在此，极化合成部361～369根据接收波束的极化成分提取第一极化成分a及第二极化成分b。另外，极化合成部361～369利用(数学式1)的矩阵，将极化成分a、b合成为来提取第三极化成分，将极化成分a、b合成为来提取第四极化成分。
在此，假设第一极化成分a为+45度极化，第二极化成分b为-45度极化，第三极化成分为垂直极化及第四极化成分为但是不限于此。
极化分配部371～379可将由以接收的接收波束的极化成分为准提取的4个极化成分构成的±45度正交极化对或者V/H正交极化对分别分配于输出信号。
例如，如图11a所示，极化分配部371对于对应于接收波束转换为数字信号的第一信号可分配±45度正交极化对。
另一方面，如图11b所示，极化分配部379对于第二信号可分配V/H正交极化对。
在图1的实施例中说明了多重波束成形部340配置在极化合成部320/分配部330与幅度/相位校准部350之间，但是根据实施形式多重波束成形部340的配置位置可发生变化。
(实施例2)
图12示出了多重波束成形部的位置发生变化的实施例。
如图12所示，多重波束成形部也可配置在接口与极化合成部/极化分配部之间。
在图12的实施例中，在发送信号的情况下，如图12所示，多重波束成形部对于输入信号S1、S2、…、SM生成具有相互不同相位的多重波束信号，可将生成的多重波束信号输出于极化合成部。在该情况下，极化合成部对于通过多重波束成形部生成的各个波束信号合成正交极化对的极化成分，极化分配部在异种的正交极化对中选择任意一种异种正交极化对可分配于各个波束信号。
在图12的实施例中，在接收信号的情况下，也以与发送信号的情况的顺序相反的顺序执行动作，但是，如图14所示，可改变极化合成部及极化分配部的位置。在此，接收信号的情况下的极化合成部及极化分配部可通过图11a及11b的动作进行说明。从而，省略反复说明。
即使如图12改变多重波束成形部的位置，除了极化合成部及极化分配部的一部分以外的各个结构的功能及动作与在图1示出的实施例的结构相同，因此省略重复说明。
(实施例3)
在图1及图12的实施例中示出了多重波束成形部可配置在数字部300内的实施例，但是也可如图15所示，多重波束成形部可配置在模拟端。
如图15所示，多重波束成形部400可配置在RF部200的RF链及排列天线100之间。
本实施例中的多重波束成形部400为，与上述的图1及图12的实施例不同，可通过模拟波束成形生成具有指向性的相互不同方向的波束信号。具体地说，多重波束成形部400对应于各个排列天线100调节完成模拟信号处理的模拟信号的相位，可生成相互不同方向的波束信号。如此，随着各个波束信号的相位的调节，也对比基准天线调节排列天线100之间的相位。
在该情况下，多重波束成形部400能够以相移通过RF链输出的信号的相位向排列天线100输出的相位设定模块形式实现。为使通过天线模块辐射的波束空间性分离，所述相位设定模块可设定发送信号或者接收信号之间的相位相互不同。举一示例，相位设定模块可利用相移器等实现。
在此，模拟波束成形利用预先设定波束方向的权重向量，因此不需要用于计算权重向量的单独的机制，因此具有容易实现的优点。
不仅如此，通常的数字波束形成的情况下在基带端执行波束成形，但是与此相反，本发明的模拟波束成形的情况下，是在模拟区域通过相移执行波束成形，而不是在基带端执行，因此相比于数字波束成形更加容易实现。
图15的实施例为，仅是多重波束成形部的配置位置及实现模块不同，除此之外的结构的功能及动作是相同的，因此省略重复说明。
如上所述，本发明的无线收发装置10为，在小区或者扇区内形成的多重波束中相邻的波束之间使用异种极化，而非同种极化，进而降低相邻的波束之间的相关性，可将天线效率最大化。
另外，在本发明的实施例中说明了将诸如±45度正交极化、V/H正交极化的异种极化对分配于波束，但是也可将任意种类的极化用作异种极化，诸如左圆极化/右圆极化等。
图16a及图16b是示出说明本发明的实施例的无线收发装置的动作效果时参照的实施例的图。
本发明的一实施例的无线收发装置为，对于在小区或者扇区内形成的多重波束分别赋予正交极化对，在相邻的波束之间赋予异种的正交极化对，而非同种的极化对。因此，本发明的无线收发装置对于通过排列天线形成的多重波束可降低相邻的波束之间的相关性。
另外，由于对于相邻的波束之间赋予异种的正交极化对，因此即使将相邻的波束重叠，也可将波束干扰最小化，不仅如此因为波束重叠还带来提高天线效率及小区容量的效果。
这也可通过图16a及图16b的曲线图确认。
首先，图16a是示出在具有4X4结构的排列天线的MIMO系统中各态历经容量根据用户终端(UE)的位置发生变化的曲线图。在此，各态历经容量表示天线系统的小区(或者，扇区)容量，意味着越增加小区(或者，扇区)容量就越提高天线的性能。参照图16a，1610是利用现有的扇区天线的系统的各态历经容量变化的曲线图；1620是利用扇区天线将波束分为两个方向的系统的各态历经容量变化的曲线图。另外，1630是示出利用本发明的利用无线收发装置的天线的系统的各态历经容量变化的曲线图。
举一示例，对于图16a的各态历经容量变化的模拟结果为，载波频率为3.5GHz，并利用包括具有4个发送(Tx)天线与4个接收(Rx)天线的排列天线的无线单元(RU)计算的，是基于在所述RU的倾斜角度是在约10度范围内进行调整，用户终端(UE)的位置是在距离RU约160m左右的距离在-60度至60度之间间隔10度配置的条件下测量的数据为基础计算出的。
如图16a所示，可确认到：在以往的利用扇区天线的系统的各态历经容量1610在约8bps/Hz至11bps/Hz的范围内发生变化，而在将一个扇区分为两个波束(同种极化)的系统1620的各态历经容量在约8bps/Hz至12bps/Hz的范围内发生变化。与此相比，本发明的无线收发装置的各态历经容量1630在约9bps/Hz至16bps/Hz范围内发生变化。
如上所述，可确认到：对于本发明的无线收发装置的各态历经容量变化相比于以往的扇区天线或者利用扇区天线将波束分为两个方向的系统，更加增加各态历经容量。
图16b是对于图16a的曲线图中的各态历经容量比较平均容量及最大容量示出的。
参照图16b，在利用扇区天线的系统为，各态历经容量的平均容量为约10bps/Hz，最大容量为11bps/Hz左右。另外，在将一个扇区分为两个波束(同种极化)的系统为，各态历经容量的平均容量也是11bps/Hz左右，最大容量为12bps/Hz左右。此时，虽然该系统适用了将波束分两个方向的技术，但是使各个波束具有相同极化，因此相比于诸如本发明的形成具有相互不同的极化的波束对的技术，形成更小的扇区容量。
与此相比，本发明的无线收发装置的各态历经容量的平均容量为约13bps/Hz，最大容量为约16bps/Hz，确认到本发明的无线收发装置的平均容量及最大容量相比于适用扇区天线的系统的平均容量及最大容量增加了约30％左右。
如图16a及图16b所示，相比以往，本发明的无线收发装置增加各态历经容量带来了提高天线性能及小区(或者，扇区)容量的效果。
除此之外，通常波束成形是在天线系统的数字装置(DU)中执行全部的相关动作，因此增加了前传孔的容量。
也就是说，以往在天线系统的数字装置(DU)中处理数字波束成形，此时通过在低频带中进行数字信号处理对于去向所有天线的各个信号个别控制波束成形、极化合成及分配等。如此，同时处理去向各个个别天线的各个信号，存在数字装置(DU)的负荷及前传孔的容量增加的问题。
尤其是，数字波束成形的情况下，输入信号乘以权重向量执行波束成形，但是此时需要执行用于计算权重向量的复杂机制，因此因为数字波束成形增加数字装置(DU)的负荷。
如上所述，对于数字装置(DU)的负荷增加或者前传孔的容量增加，需要从第五代通信系统的观点进行改善。
为此，本发明的无线收发装置100为，不仅是在天线系统的数字装置(DU)执行的波束成形，在无线单元(RU)还执行极化合成及分配等的动作。根据本发明，将数字装置(DU)中的处理动作分散给无线单元(RU)，进而带来降低数字装置(DU)的负荷并且可降低前传孔的容量的效果。
如下更加详细说明如上所述构成的本发明的无线收发装置的动作流程。
图17是示出本发明的第一实施例的无线收发装置的波束成形方法的动作流程的图。
参照图17，与图1相同，第一实施例的无线收发装置10是在数字部300内的极化分配部330与幅度/相位校准部350之间配置多重波束成形部的结构。
据此，第一实施例的无线收发装置10的极化合成部320对于输入信号的流合成正交极化对(S110)。此时，无线收发装置10可将正交的两个极化信号合成为一个正交极化对。
举一示例，无线收发装置10以输入信号为准利用已定义的矩阵提取4个极化成分，即±45度极化成分及垂直/水平极化成分，在提取的极化成分中将正交的±45度极化成分合成为一个正交极化对，将V/H极化成分合称为另一个正交极化对。
然后，无线收发装置10的极化分配部330将在“S110”过程中合成的两个正交极化对分别分配于多重波束(S120)。此时，极化分配部330根据波束的数量及基准波束的极化成分对于基准波束分配任意一种正交极化对，并且将另一种正交极化对分配于与基准波束相邻的波束。
无线收发装置10的极化合成部320基于在“S120”过程中分配于各个波束的正交极化对的信号生成多重波束信号(S130)。此时，在“S130”过程中生成的多重波束可生成为使各个波束具有相互不同的相位。
若通过极化合成部320生成相互不同相位的多重波束信号，则无线收发装置10的RF部200通过多个RF链210对于各个波束信号进行频率转换(S140)，通过排列天线100的各个天线模块110形成具有相互不同的方向性的波束(S150)。
无线收发装置10通过在上述的过程中形成的波束收发信号。此时，各个波束不仅具有相互不同的方向，而且彼此相邻的波束之间还具有异种极化成分，因此降低相邻的波束之间的相关性，可提高排列天线100的信号收发效率。
虽未在图17示出，但是在对于在“S120”过程中分配的正交极化对的极化成分进行极化合成的情况下，还可执行根据RF链210的信号幅度及相位校准在“S140”过程之前在“S130”过程中生成的多重波束信号的幅度及相位的动作。在该情况下，防止在极化合成时极化方向方向发生偏移，进而能够以准确的方向形成波束。
图18是示出本发明的第二实施例的无线收发装置的波束成形方法的动作流程的图。
参照图18，与图12相同，第二实施例的无线收发装置10是在数字部300内的接口与极化合成部320/极化分配部330之间配置多重波束成形部的结构。
据此，第二实施例的无线收发装置10的多重波束成形部生成与输入信号相对应的多重波束信号(S210)。此时，多重波束成形部可对于各个波束信号设定不同的相位。
然后，无线收发装置10的极化合成部320对于在“S210”过程中生成的多重波束信号合成正交极化对(S220)。此时，无线收发装置10可将正交的两个极化信号合成为一个正交极化对。
举一示例，无线收发装置10以输入信号为准利用已定义的矩阵提取4个极化成分，即±45度极化成分及垂直/水平极化成分，在提取的极化成分中将正交的±45度极化成分合成为一个正交极化对，将V/H极化成分合成为另一个正交极化对。
然后，无线收发装置10的极化分配部330将在“S220”过程中合成的两个的正交极化对分别分配于多重波束信号(S230)。此时，极化分配部330根据波束的数量及基准波束的极化成分对于基准波束信号分配任意一种异种正交极化对，而对于与基准波束信号相邻的波束信号分配另一种正交极化对。
然后，无线收发装置10的RF部200通过多个RF链210对于各个波束信号进行频率转换(S240)，通过排列天线100的各个天线模块110形成具有相互不同的方向性的波束(S250)。
无线收发装置10通过在上述的过程中形成的波束收发信号。此时，各个波束不仅可具有相互不同的方向性，而且彼此相邻的波束之间具有异种的极化成分，因此降低相邻的波束之间的相关性，进而可提高排列天线100的信号收发效率。
虽未在图18示出，但是在对于在“S230”过程中分配的正交极化对的极化成分进行极化合成的情况下，还可执行在“S240”过程之前根据RF链210的信号幅度及相位校准多重波束信号的幅度及相位的动作。在该情况下，防止在极化合成时极化发生方向发送偏移，进而能够以准确的方向形成波束。
图19是示出本发明的第三实施例的无线收发装置的波束成形方法的图。
参照图19，第三实施例的无线收发装置10与图15相同，是在RF部200的模拟端配置多重波束成形部的结构。
据此，第三实施例的无线收发装置10的极化合成部320对于输入信号的流合成正交极化对(S310)。此时，无线收发装置10可将正交的两个极化信号合成为一个正交极化对。
举一示例，无线收发装置10以输入信号为准利用已定义的矩阵提取4个极化成分，即±45度极化成分及垂直/水平极化成分，在提取的极化成分中将正交的±45度极化成分合成为一个正交极化对，将V/H极化成分合成为另一个正交极化对。
然后，无线收发装置10的极化分配部330将在“S310”过程中合成的两个正交极化对分别分配于多重波束(S320)。此时，极化分配部330根据波束的数量及基准波束的极化成分对于基准波束分配任意一种正交极化对，对于与基准波束相邻的波束分配另一种正交极化对。
无线收发装置10的RF部200通过多个RF链210对于分配正交极化对的各个波束的极化信号进行频率转换(S330)。
然后，无线收发装置10的多重波束成形部对于在“S330”过程中转换频率的正交极化对的信号分别设定不同相位，进而生成模拟多重波束信号(S340)，通过排列天线100的各个天线模块110形成具有相互不同方向性的波束(S350)。
无线收发装置10通过在上述过程中形成的波束收发信号。此时，各个波束不仅具有相互不同的方向性，而且彼此相邻的波束之间具有异种的极化成分，因此降低相邻的波束之间的相关性，可提高排列天线100的信号收发效率。
虽未在图19示出，但是在对于在“S320”过程中分配的正交极化对的极化成分进行极化合成的情况下，还可追加执行在“S330”过程之前根据RF链210的信号幅度及相位校准极化信号的幅度及相位的动作。在该情况下，防止在极化合成时极化发生方向偏移，进而能够以准确的方向形成波束。
以上的说明仅是示例说明了本发明的技术思想，在本发明所属技术领域中具有通常知识的从业人员可在不超出本发明的本质性特性的范围内可进行各种修改及变形。
从而，在本发明公开的实施例并不是用于限定本发明的技术思想，而是用于说明的，并且不得由这种实施例限定本发明的技术思想的范围。本发明的保护范围应该由权利要求书解释，而且在与此同等范围内的所有技术思想应解释为包括在本发明的权利范围内。

Claims (14)

1.一种无线收发装置，其特征在于，包括：
排列天线，形成具有相互不同的方向性的多重波束，通过所述多重波束收发信号；
数字部，合成正交极化对，生成用于形成所述多重波束的多重波束信号；及
RF部，对于所述多重波束信号进行频率转换来分别输出于所述排列天线；
其中，所述数字部对于所述多重波束中的彼此相邻的波束分配异种的正交极化对，并且对于分配于各个波束的正交极化对分别设定不同的相位。
2.根据权利要求1所述的无线收发装置，其特征在于，
所述多重波束为，各个波束以垂直及水平方向具有不同的方向性。
3.根据权利要求1所述的无线收发装置，其特征在于，
所述数字部包括：
极化合成部，从异种的极化信号中合成正交极化对；
极化分配部，将所述正交极化对分配于各个波束；及
多重波束成形部，基于分配于所述各个波束的正交极化对，生成用于在所述排列天线中形成多重波束的波束信号。
4.根据权利要求3所述的无线收发装置，其特征在于，
所述极化合成部将输入信号的极化转换为第一正交极化对及第二正交极化对。
5.根据权利要求4所述的无线收发装置，其特征在于，
所述第一正交极化对为±45度正交极化对或者垂直/水平正交极化对中的任意一种。
6.根据权利要求4所述的无线收发装置，其特征在于，
所述第二正交极化对为±45度正交极化对或者垂直/水平正交极化对中的另一种。
7.根据权利要求4所述的无线收发装置，其特征在于，
所述极化分配部对于各个波束分配所述合成的第一正交极化对或者第二正交极化对。
8.根据权利要求7所述的无线收发装置，其特征在于，
所述极化分配部为，在各个波束中对于第一波束分配第一正交极化对，对于与所述第一波束相邻的第二波束分配所述第二正交极化对。
9.根据权利要求3所述的无线收发装置，其特征在于，
所述数字部还包括极化分配控制部，
所述极化分配控制部根据波束的数量及基准波束的极化成分针对各个波束生成极化分配控制信号来提供于所述极化分配部。
10.根据权利要求3所述的无线收发装置，其特征在于，
所述数字部还包括幅度/相位校准部，
所述幅度/相位校准部校准分配于所述波束信号的正交极化对的幅度及相位。
11.根据权利要求10所述的无线收发装置，其特征在于，
所述数字部还包括极化合成校准部，
所述极化合成校准部比较在对于所述波束信号分配的正交极化对的极化合成时的幅度及相位与所述RF部的RF链的幅度及相位来决定幅度及相位的校准，并且向所述幅度/相位校准部输出校准信号。
12.根据权利要求1所述的无线收发装置，其特征在于，
所述数字部包括：
多重波束成形部，生成用于在所述排列天线中形成多重波束的波束信号；
极化合成部，在所述波束信号合成异种的正交极化对；及
极化分配部，将在所述波束信号合成的任意一个正交极化对分配于各个波束信号。
13.一种无线收发装置，其特征在于，包括：
排列天线，形成具有相互不同的方向性的多重波束，通过所述多重波束收发信号；
数字部，在输入信号合成正交极化对，对于各个波束分配任意一个正交极化对，而且对于彼此相邻的波束分配异种的正交极化对；及
RF部，对于分配于所述各个波束的正交极化对的极化信号进行频率转换，并且设定各个极化信号的相位，向所述排列天线输出波束信号；
其中，所述RF部包括：
多个RF链，转换各个极化信号的频率；及
多重波束成形部，对于所述转换频率的各个极化信号设定不同的相位来生成模拟多重波束信号。
14.无线收发装置的波束成形方法，其特征在于，包括如下的步骤：
合成正交极化对，以生成用于形成所述多重波束的多重波束信号；
通过RF链对于所述多重波束信号进行频率转换来分别输出于排列天线；
在所述排列天线从所述多重波束信号中形成具有相互不同的方向性的多重波束；
其中，所述多重波束为，对于彼此相邻的波束分配异种的正交极化对，并且对于分配于各个波束的正交极化对分别设定不同的相位。
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