阅读说明：本技术 多输入多输出天线系统及其控制方法 (multiple-input multiple-output antenna system and control method thereof ) 是由 张献文 陈治宇 方士豪 许仁源 于 2018-07-26 设计创作，主要内容包括：一种多输入多输出天线系统及其控制方法。多输入多输出天线系统包括第一波束配置装置、第二波束配置装置及控制装置。该第一波束配置装置用以自多个天线进行天线选择程序,以调整波束方向。该第二波束配置装置连接于该第一波束配置装置。该第二波束配置装置用以进行相位位移程序,以调整波束覆盖范围。该控制装置用以控制该第一波束配置装置及该第二波束配置装置。(a MIMO antenna system and a control method thereof are provided. The MIMO antenna system comprises a first beam configuration device, a second beam configuration device and a control device. The first beam configuration device is used for performing an antenna selection procedure from a plurality of antennas so as to adjust the beam direction. The second beam configuration device is connected to the first beam configuration device. The second beam configuration device is used for performing a phase shift procedure to adjust the beam coverage. The control device is used for controlling the first beam configuration device and the second beam configuration device.)

多输入多输出天线系统及其控制方法

技术领域

本发明是有关于一种多输入多输出天线系统及其控制方法。

背景技术

随着无线通讯技术的发展，通讯系统不断推陈出新。其中5G系统可能采用的技术包含多输入多输出天线(MIMO system)、毫米波(Millimeter Wave，mmWave)及异构网络(Heterogeneous Network，HetNet)等先端技术。

在多输入多输出天线的技术发展中，面临到了一些问题。例如，使用智能天线(或透镜阵列)通过天线选择程序来决定波束时，形成的波束空间固定，且需要更大、更贵的阵列元件才能形成更细致的波束。

使用相位调整器来形成波束时，如希望提高波束形成增益，需要增加相位调整器的数量，其数量与成本呈指数型成长，不符成本效益。这些问题对多输入多输出天线的技术发展形成一项瓶颈。

发明内容

本发明有关于一种多输入多输出天线系统及其控制方法，其通过第一波束配置装置与第二波束配置装置的控制，来同时进行天线选择程序与相位位移程序，以控制波束的方向与波束的覆盖范围，增加波束能够控制的自由度。如此一来，即可获得较为细致的调整后波束。

根据本发明的一示例性实施例，提出一种多输入多输出天线系统(MIMO antennasystem)。多输入多输出天线系统包括第一波束配置装置、第二波束配置装置及控制装置。该第一波束配置装置用以自多个天线进行天线选择程序(antenna selection)，以调整波束方向(beam direction)。该第二波束配置装置连接于该第一波束配置装置。该第二波束配置装置用以进行相位位移程序(phase shifting)，以调整波束覆盖范围(beamcoverage)。该控制装置用以控制该第一波束配置装置及该第二波束配置装置。

根据本发明的另一示例性实施例，提出一种多输入多输出天线系统的控制方法。控制方法包括以下步骤。控制第一波束配置装置自多个天线进行天线选择程序(antennaselection)，以调整波束方向(beam direction)。控制第二波束配置装置进行相位位移程序(phase shifting)，以调整波束覆盖范围(beam coverage)，该第二波束配置装置连接于该第一波束配置装置。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举示例性实施例，并配合所附附图详细说明如下：

附图说明

图1图示根据一示例性实施例的多输入多输出天线系统的示意图。

图2图示根据一示例性实施例的多输入多输出天线系统的控制方法的流程图。

图3图示根据一示例性实施例的多输入多输出天线系统之示意图。

图4图示根据另一示例性实施例的多输入多输出天线系统的示意图。

图5图示根据另一示例性实施例的多输入多输出天线系统的示意图。

具体实施方式

请参照图1，其图示根据一示例性实施例的多输入多输出天线系统(MIMO antennasystem)100的示意图。多输入多输出天线系统100包括基频预编码器(baseband pre-coder)140、L个射频链(RF chain)150、第一波束配置装置110、第二波束配置装置120、控制装置130及N个天线160。基频预编码器140用以对信号进行线性预编码(1inear pre-coding)或非线性预编码(non-linear pre-coding)，以提供L个射频链150。非线性预编码例如是脏纸编码技术(dirty-paper-coding，DPC)或向量扰动技术(vector perturbation，VP)，非线性预编码例如是符合滤波预编码技术(Matched-Filter Pre-coding)、强制归零技术(Zero-forcing Precoding)或共轭波束赋形技术(Conjugate Beamforming)等，但本发明不以此为限。

第一波束配置装置110用以自N个天线160进行天线选择程序(antennaselection)，以调整波束方向(beam direction)。第一波束配置装置110例如是智能天线矩阵(smart antenna array)、相位偏移阵列(phase shifter array)或透镜阵列(1ensarray)。第一波束配置装置110进行天线选择程序时，可以选择某些方向的天线160，以控制波束的方向。或者，第一波束配置装置110进天线选择程序时，也可以增减天线160的使用数量，以控制波束的投射距离。一般而言，在提供相同的能量下，天线160的数量越少时，这些天线160所形成的波束的投射距离越长。

第二波束配置装置120用以进行相位位移程序(phase shifting)，以调整波束覆盖范围(beam coverage)。第二波束配置装置120例如是相位偏移阵列(phase shifterarray)。第二波束配置装置120可将能量分散配置，以扩张波束覆盖范围；或者，第二波束配置装置120可将能量集中配置，缩小波束覆盖范围，并增强波束的中心增益值。在一实施例中，第一波束配置装置110及第二波束配置装置120可组成模拟波束成形器(analogbeamformer)。

控制装置130则用以控制第一波束配置装置110及第二波束配置装置120，以进行上述的操作。控制装置130例如是电路、电路板、芯片、电脑或储存数组程序代码的记录装置等，但本发明不以此为限。以下还搭配流程图详细说明上述各项元件的运作方式。

请参照图2、图3，图2图示根据一示例性实施例的多输入多输出天线系统的控制方法的流程图，图3图示根据一实施例的多输入多输出天线系统200的示意图。在图3的实施例中，基频预编码器240提供L个射频链250，L个射频链250的增益值矩阵d为d₁～d_L分别为L个射频链250的增益值。L个射频链250的信号经由第一波束配置装置210及第二波束配置装置220的配置，形成所需要的波束。在图3的实施例中，第一波束配置装置210是时间延迟的离散透镜阵列(time-delay-based discrete lens array)，第二波束配置装置220是完全连接相位偏移阵列(fully-connected phase shifter array)。

首先，在步骤S110中，控制装置230获得用户测量信息UM。在步骤S110中，可由用户端回馈用户测量信息UM，以供控制装置230分析多输入多输出天线系统200的信号状况。

接着，在步骤S120中，控制装置230判断用户测量信息UM是否满足预定条件。预定条件例如是信号强度、信噪比、或信号稳定度等。若用户测量信息UM满足预定条件，则结束本流程；用户测量信息UM未满足预定条件，则进入步骤S130。

在一实施例中，步骤S110及步骤S120是可以省略的，而直接进行步骤S130及步骤S140。

接着，在步骤S130中，控制装置230控制第一波束配置装置210自N个天线进行天线选择程序(antenna selection)，以调整波束方向(beam direction)。第一波束配置装置210具有第一配置矩阵F_A＝[u₁ … u_U]，u₁～u_U为U个波束形成向量。控制装置230可调整第一配置矩阵F_A，来选择其中的数个天线260，以控制波束的方向。

然后，在步骤S140中，控制装置230控制第二波束配置装置220进行相位位移程序(phase shifting)，以调整波束覆盖范围(beam coverage)。在图3的实施例中，第二波束配置装置220包括L个输入端I22、U个输出端O22及U乘L(U*L)个相位偏移器(phase shifter)PS22。L个输入端I22连接于L个射频链250。U个输出端O22连接于第一波束配置装置210。每一个输入端I22连接于U个相位偏移器PS22，每一个输出端O22连接于L个相位偏移器PS22。

也就是说，每U个相位偏移器PS22为一组，其接收一个射频链250。U*L个相位偏移器PS22共分为L组，以接收L个射频链250。在每一组的U个相位偏移器PS22中，第一个相位偏移器PS22连接于第一波束配置装置210的第一个输入端I21，第二个相位偏移器PS22连接于第一波束配置装置210的第二个输入端I21。依此类推，第U个相位偏移器PS22连接于第一波束配置装置210的第U个输入端I21。

在每一组的U个相位偏移器PS22中，各个相位偏移器PS22具有不同的相位偏移程度。例如第1组的U个相位偏移器PS22的相位偏移程度为第L组的U个相位偏移器PS22的相位偏移程度为β_ul为第1组的第u个相位偏移器PS22的相位设定值。这些U*L个相位偏移器PS22的偏移程度组成第二配置矩阵控制装置230可调整第二配置矩阵F_B，来调整能量分布，以控制波束覆盖范围。

在一实施例中，步骤S130及步骤S140是同时进行的。控制装置230依据需求调整第一配置矩阵F_A及第二配置矩阵F_B，以获得适当的输出波束X。如下式(1)所述，其说明波束X与第一配置矩阵F_A及第二配置矩阵F_B的关系：

根据上述实施例，控制装置230可以通过控制第一波束配置装置210与第二波束配置装置220，来同时进行天线选择程序与相位位移程序，以控制波束的方向与波束的覆盖范围，而增加波束能够控制的自由度。如此一来，即可获得较为细致的调整后波束。

在另一实施例中，第一波束配置装置210也可以不采用离散透镜阵列。请参照图4，其图示根据另一示例性实施例的多输入多输出天线系统300的示意图。在图4的实施例中，基频预编码器340提供L个射频链350，L个射频链350的增益值矩阵d为L个射频链350的信号经由第一波束配置装置310及第二波束配置装置320的配置，形成所需要的波束。第一波束配置装置310系为基于子阵列的相位偏移阵列(sub-array based phase shifterarray)，第二波束配置装置320是完全连接相位偏移阵列(fully-connected phaseshifter array)。

在步骤S130中，控制装置330控制第一波束配置装置310自N个天线进行天线选择程序(antenna selection)，以调整波束方向(beam direction)。第一波束配置装置310包括U个输入端I31、N个输出端O31及N个相位偏移器(phase shifter)PS31。U个输入端I31连接于第二波束配置装置320。N个输出端O31连接于N个天线360。各个输入端I31连接于M个相位偏移器PS31，M小于N。各个输出端O31连接于一个相位偏移器PS31。

也就是说，每M个相位偏移器PS31为一组，共有U乘M(U*M)个相位偏移器PS31。U*M＝N。第一个相位偏移器PS31连接于第一个天线360，第二个相位偏移器PS31连接于第二个天线360。依此类推，第N个相位偏移器PS31连接于第N个天线360。第一波束配置装置310具有第一配置矩阵第1组的M个相位偏移器PS31的相位偏移程度为第U组的M个相位偏移器PS31的相位偏移程度为控制装置330可调整第一配置矩阵F_A，来调整能量分布，进而选择其中的数个天线360，以控制波束的方向。

在步骤S140中，控制装置330控制第二波束配置装置320进行相位位移程序(phaseshifting)，以调整波束覆盖范围(beam coverage)。在图4的实施例中，第二波束配置装置320与图3的第二波束配置装置220类似，在此不再重复叙述。

控制装置330依据需求调整第一配置矩阵F_A及第二配置矩阵F_B，以获得适当的输出波束X。如下式(2)所述，其说明波束X与第一配置矩阵F_A及第二配置矩阵F_B的关系：

根据上述实施例，控制装置330可以通过控制第一波束配置装置310与第二波束配置装置320，来同时进行天线选择程序与相位位移程序，以控制波束的方向与波束的覆盖范围，增加能够波束能够控制的自由度。如此一来，在不增加过多成本的情况下，即可获得相当细致的调整后波束。

在另一实施例中，第一波束配置装置210可以不采用完全连接相位偏移阵列。请参照图5，其图示根据另一示例性实施例的多输入多输出天线系统400的示意图。在图5的实施例中，基频预编码器440提供L个射频链450，L个射频链450的增益值矩阵d为L个射频链450的信号经由第一波束配置装置410及第二波束配置装置420的配置，形成所需要的波束。在图5的实施例中，第二波束配置装置420是完全切换相位偏移阵列(fully-switchedphase shifter array)。

在步骤S130中，控制装置430控制第一波束配置装置410自N个天线进行天线选择程序(antenna selection)，以调整波束方向(beam direction)。第一波束配置装置410具有第一配置矩阵F_A＝[u₁ … u_U]。控制装置430可调整第一配置矩阵F_A，来选择其中的数个天线460，以控制波束的方向。

在步骤S140中，控制装置430控制第二波束配置装置420进行相位位移程序(phaseshifting)，以调整波束覆盖范围(beam coverage)。在图5的实施例中，第二波束配置装置420包括L个输入端I42、U个输出端O42、切换器421及U个相位偏移器(phase shifter)PS42。L个输入端I42连接于L个射频链450。U个输出端O42连接于第一波束配置装置410。切换器421连接于L个输入端I42及U个相位偏移器PS42之间，各个输入端I42连接于U个相位偏移器PS42的其中之一。

切换器421具有第三配置矩阵若第1个输入端I42连接于第u个输出端O42，则c_ul＝1，否则c_ul＝0，且控制装置430可以第三配置矩阵F_C控制切换器421的切换动作，使射频链450经由某一相位偏移器PS42输入至第一波束配置装置410。此外，U个相位偏移器PS42具有第二配置矩阵F_B为对角矩阵，对角线上为U个相位偏移器PS42的相位设定值。控制装置430也调整第二配置矩阵F_B，来调整能量分布，以控制波束覆盖范围。

控制装置430依据需求调整第一配置矩阵F_A、第二配置矩阵F_B及第三配置矩阵F_C，以获得适当的输出波束X。如下式(3)所述，其说明波束X与第一配置矩阵F_A、第二配置矩阵F_B及第三配置矩阵F_C的关系：

根据上述实施例，控制装置430可以通过控制第一波束配置装置410与第二波束配置装置420，来同时进行天线选择程序与相位位移程序，以控制波束的方向与波束的覆盖范围，增加波束能够控制的自由度。如此一来，在不增加过多成本的情况下，即可获得相当细致的调整后波束。

综上所述，虽然本发明已以示例性实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种之改动与润饰。因此，本发明的保护范围当以权利要求所界定的范围为准。

【符号说明】

100、200、300、400：多输入多输出天线系统

110、210、310、410：第一波束配置装置

120、220、320、420：第二波束配置装置

130、230、330、430：控制装置

140、240、340、440：基频预编码器

150、250、350、450：射频链

160、260、360、460：天线

421：切换器

d：增益值矩阵

F_A：第一配置矩阵

F_B：第二配置矩阵

F_C：第三配置矩阵

I21、I22、I31、I42：输入端

O22、O31、O42：输出端

PS22、PS31、PS42：相位偏移器

S110、S120、S130、S140：步骤

UM：用户测量信息

X：波束