多输入多输出发送和接收
阅读说明：本技术 多输入多输出发送和接收 (Multiple input multiple output transmission and reception ) 是由 戴凌龙 T·米尔 M·西迪奇 郝墨 R·麦肯齐 于 2020-04-06 设计创作，主要内容包括：公开了多输入多输出(MIMO)发送器、接收器和收发器、以及其它相关联的设备、系统和方法。特别地,本发明的多个方面和实施方式涉及MIMO发送器、接收器和收发器,所述MIMO发送器、接收器和收发器被实现为用于向基站(10)和/或移动站(15)和/或从基站(10)和/或移动站(15)发送信号的中继设备的模块,特别是当这种设备在移动载具和/或飞行器(13)上实现,并且特别是用于以所谓的“毫米波波段”的频率发送、接收和/或转发无线通信信号。在这种设备中,功率控制单元被配置为确定能量可用性度量和/或功率需求度量,并且作为响应,使切换单元在不同状态下将多个RF链连接到多个天线元件。(Multiple-input multiple-output (MIMO) transmitters, receivers and transceivers, and other associated devices, systems, and methods are disclosed. In particular, aspects and embodiments of the present invention relate to MIMO transmitters, receivers and transceivers implemented as modules of relay devices for transmitting signals to and/or from base stations (10) and/or mobile stations (15), in particular when such devices are implemented on mobile vehicles and/or aircraft (13), and in particular for transmitting, receiving and/or forwarding wireless communication signals at frequencies of the so-called "millimeter wave band". In such an apparatus, the power control unit is configured to determine an energy availability metric and/or a power demand metric and, in response, to cause the switching unit to connect the plurality of RF chains to the plurality of antenna elements in different states.)
技术领域
本发明涉及多输入多输出(MIMO)发送器、接收器和收发器、以及其它相关设备、系统和方法。具体而言，优选实施方式涉及作为用于向和/或从基站和/或移动站发送信号的中继设备的模块实现的MIMO发送器、接收器和收发器，特别是当这些设备在移动载具和/或飞行器上实现时，并且特别是用于以所谓的“毫米波波段”中的频率发送、接收和/或转发无线通信信号。
背景技术
毫米波(mmWave)无线通信系统因其有望满足无线设备日益增长的带宽需求而受到越来越多的关注。用语“毫米波波段”通常是指从约几千兆赫(例如，3.0GHz)到几百千兆赫的频率，而毫米波系统通常在30GHz-300GHz的频段中运行。这是一个比目前用于长期演进(LTE)网络的sub-6GHz波段大得多的频段，并且因此与目前在sub-6GHz波段中运行的现有系统可以支持的带宽相比，可以支持更大的带宽。
与毫米波通信相关的一个问题是可能会经历的相对高自由空间路径损耗。这种路径损耗会导致经历阻挡(例如，由于建筑物或其它大型物体影响了基站与它可能试图与之通信的移动站之间的“视线”)或远距离通信的信号严重衰减。
解决此问题的一种方法是在多输入多输出(MIMO)系统内或使用多输入多输出(MIMO)系统实现毫米波通信，该多输入多输出(MIMO)系统可以在中继节点上实现，所述中继节点可能位于固定位置或可能本身在移动的、可能的飞行器(例如，无人驾驶飞行器(UAV)或“无人机”)上实现，从而允许在视线障碍物(诸如建筑物)上方和/或周围中继信号。图1例示了这种情景，其示出了所谓的UAV辅助毫米波MIMO系统。
在这样的系统中，如图1所示，UAV 13可以用作基站(BS)10与一个或更多个移动站(MS)15(在这个示例中被标记为具有移动设备的用户)之间的可移动中继节点，所述一个或更多个移动站(MS)15可能由于障碍物(诸如建筑物12)而无法与基站10进行视线通信。
毫米波通信的相对短波长使得MIMO系统(即，涉及发送器、接收器或收发器和/或其它组件)的天线阵列中的天线元件的天线间距得以减小，并且因此使相对大的天线阵列(例如，包含256个至1024个天线元件)被封装在相对小的物理尺寸中(相比于在sub-6GHz波段中运行时可实现的物理尺寸)。这些大型天线阵列能够有效补偿由毫米波的高频通信引起的高路径损耗。
尽管如此，在实践中实现毫米波MIMO系统仍然存在挑战。
传统上，MIMO系统已经被实现为具有全数字预编码。图2示出了具有全数字预编码的示例MIMO发送器。
在该示例中，发送器200包括数字预编码器202和联接到数字预编码器202的多个射频(RF)链(一般表示为204)。每个RF链联接到天线(总体被表示为208)。在此处所示的示例中，每个RF链通过放大器联接到相应的天线，放大器总体被表示为206。
数字预编码器202接收多个数据流(总体被表示为210)，并且运行以控制每个接收到的数据流的幅值和相位，以实现来自天线208的具有期望方向和增益的发送波束。数据流一旦被预编码，就被传递通过RF链204。每个RF链可以支持单个天线元件。相应RF链运行，以将经数字预编码的数据流转换为模拟信号以供相应天线208发送。每个RF链通常包括收发器电路，所述收发器电路用于根据接收到的经数字预编码的数据流来生成模拟信号。例如，收发器电路可以包括数模(DAC)转换器(以及可能的模数(ADC)转换器，例如，如果设备是MIMO收发器时)、混频器和频率转换器。然后，每个RF链生成的输出信号由相应的放大器206放大并从相应的天线208发送。
全数字预编码提供了高水平的设计选择，并且能够实现不同数据流之间的高数据速率和低干扰。但是，它通常还需要针对每个天线的专用RF链。对于如上所述天线数量通常很大的毫米波MIMO系统，这种需求可能会导致不期望的高硬件成本和功耗。这些问题通常与许多类型的毫米波MIMO系统有关，并且可能与UAV辅助毫米波MIMO系统有关，因为这些毫米波MIMO系统通常(在使用时)无法连接到UAV必须携带的电池或诸如太阳能电池板电源之类的电源以外的电源，其性能可能是可变的和/或受到诸如天气、时间和位置之类的因素的限制，从而意味着能量和/或功率可能会受到限制或约束、或不可靠。这意味着可能需要在性能与功耗(或能耗)之间找到折衷方案。
虽然与当前蜂窝波段(3G或LTE)中的信号相比，毫米波信号可能会经历诸如严重路径损耗、穿透损耗和雨衰等问题，但有利的是，如上所述，毫米波频率的更短波长使更多的天线能够被封装在同一物理尺寸中，这使得它们特别适用于大规模空间复用和高定向波束成形。这导致了用于毫米波通信的大规模多输入多输出(或“大规模MIMO”)概念的出现。
尽管无论载频如何，预编码的原理都可能基本相同，但对于大规模天线阵列使用常规全数字预编码方案通常是不切实际的。这是因为全数字预编码的实现通常需要每个天线元件有一个专用RF链(包括高分辨率数模转换器、混频器等)，这在毫米波频率下，从成本和功耗两者的角度来看是令人望而却步的。这种配置对大规模MIMO系统的实现提出了挑战，因为大量耗电且成本高昂的RF链会使大规模MIMO系统的能耗和硬件成本高得令人望而却步。
为了解决这个问题，最近已针对毫米波大规模MIMO系统提出了一种“混合”预编码技术(即，部分数字、部分模拟)。其关键思想是将常规数字预编码器的功能分成小尺寸数字预编码器(由少量RF链实现)和大尺寸模拟预编码器(由大量移相器(PS)实现)以增加天线阵列增益。
一般而言，毫米波通信被应用于视线(line-of-sight，LOS)主导情景，因为毫米波信号对阻挡敏感(即，与更长波长的通信技术相比)，但是为了减轻阻挡造成的负面影响，可以将UAV用于毫米波大规模MIMO系统(如以上关于图1讨论的)。在这种UAV辅助毫米波系统中，从基站(BS)10到UAV 13以及从UAV 13到每个移动站(MS)15的信道可能是视线的，并且发送范围和覆盖范围可以扩展。与常规毫米波大规模MIMO系统类似，预编码在UAV辅助毫米波大规模MIMO系统中起着重要作用，以补偿高天线阵列增益带来的高路径损耗。
混合预编码可以通过两种典型的架构来实现，即(a)“全连接”架构和(b)“子连接”架构(并且可能涉及这两个极端情况之间的多个“更多连接”和“更少连接”架构)。“全连接”架构是这样一种架构：其中每个RF链经由包括移相器的元件网络连接到所有天线(或天线阵列或子阵列的所有天线元件)。全连接架构可以提供接近最佳的总速率性能，但由于大量移相器而以高能耗为代价。由于基站天线数量可能非常多，全连接架构需要大量移相器。相比之下，“子连接”架构是这样一种架构：其中每个RF链仅经由移相器网络连接到天线子集(可能只有一个天线)。与全连接架构相比，这可以节省能耗，但会遭受性能劣化。
图3示出了毫米波大规模MIMO系统中通常用于混合预编码目的的两种预编码架构(或“状态”)，即(a)全连接架构和(b)子连接架构。
具有全连接架构的模拟预编码器30a(如图3的(a)部分所示)包括多个移相器(总体表示为34a)和多个RF组合器(总体表示为36a)。每个RF组合器联接到天线元件(总体表示为38a)。
模拟预编码器30a从其自身与数字预编码器之间的RF链接收多个模拟信号(经由总体表示为32a的输入)。移相器34a运行以控制每个接收到的RF链模拟信号的相位。每个RF组合器36a运行以组合预编码的模拟信号并将组合后的信号映射到相应的天线38a。
在这个全连接架构中(即，如图3的(a)部分所示)，N38a＝N36a；N38a≥N32a；N34a＝N32a×N38a，其中，N32a是输入RF链的数量，N34a是移相器的数量，N36a是RF组合器的数量，并且N38a是天线元件的数量。
具有子连接架构的模拟预编码器30b(如图3的(b)部分所示)包括多个移相器(总体表示为34b)，所述多个移相器根据天线元件(总体表示为38b)被划分成子集。(经由总体表示为32b的相应输入接收到的)输入RF链信号中的每一者仅连接到移相器34b的一个子集。在这个子连接架构中(即，如图3的(b)部分所示)，N38b＝N34b；N38b＝Ls×N32b；N38a≥N32b；Ls≥1，其中，N32b是输入RF链的数量，N34b是移相器的数量，N38b是天线的数量，并且Ls是子集的大小(每个子集中的移相器的数量)。
在一般的MIMO发送器、接收器和收发器中，并且特别是与UAV辅助毫米波大规模MIMO系统相关的MIMO发送器、接收器和收发器中，期望提供更高的总速率性能，但如上所述，(特别是在UAV上的)可用的功率或能量的量可能是有限的(即，在UAV上，功率一般是由机载电源(例如，电池)或经由太阳能电池板设备来提供的，因此通常是受约束的资源)。如果UAV具有作为其电源的电池，这通常会限制在需要为电池充电之前可用的能量的总量(这通常涉及UAV返回地面上的位置)，并且会通常对它可以提供的功率水平(可能是可变的，可能不可靠的，通常是减少的)有限制。即使使用基于太阳能的电源，虽然这可以避免或推迟UAV着陆以充电的需要，但对UAV上可以提供的功率水平通常会有可变的限制。这些因素影响了与UAV辅助毫米波大规模MIMO系统有关的当前混合预编码技术的适用性。
因此，有鉴于此，有必要针对UAV辅助毫米波大规模MIMO系统开发一种新的混合预编码架构设计。
参考各种先前的公开内容，Wahab Khawaja、Ozgur Ozdemir和Ismail Guvenc的题为“UAV air-to-ground channel characterization for mmWave systems”(VehicularTechnology Conference(VTC-Fall),2017IEEE 86th)的论文讨论了用于UAV通信的毫米波空对地(AG)信道的表征，从而使用光线追踪模拟来研究AG毫米波波段在不同频率下的行为。
X.Xue、Y.Wang、L.Dai和C.Masouros的题为“Relay Hybrid Precoding Design inMillimeter-Wave Massive MIMO Systems”(IEEE Transactions on Signal Processing,vol.66,no.8,pp.2011-2026,15April 15,2018)的论文讨论了毫米波大规模MIMO系统中的中继混合预编码设计。
S.Payami、N.M.Balasubramanya、C.Masouros和M.Sellathurai的题为“PhaseShifters vs Switches:An Energy Efficiency Perspective on Hybrid Beamforming”(IEEE Wireless Communications Letters,Vol.8,No.1,February 2019)的论文讨论了混合波束成形架构如何通过结合移相器、开关或其组合来提供利用大规模MIMO系统的优势的前景，并从能效的角度解决此类架构的设计问题，提供封闭形式的表达式来比较各种混合波束成形架构，并得出最大化能效所需的最佳天线数量。
Shahar Stein和Yonina C.Eldar的题为“Hybrid Analog-Digital Beamformingfor Massive MIMO Systems”(可在https://arxiv.org/pdf/1712.03485.pdf在线获取)的论文讨论了大规模MIMO系统以及混合波束成形如何有助于利用潜在的阵列增益，而无需针对每个天线使用专用RF链。它考虑了大规模MIMO通信过程中的数据阶段，其中发送器和接收器使用的RF链比天线少，并检查了若干不同的全连接方案和半连接方案。
Wendong Liu、Zhaocheng Wang、Jianfei Cao和Sheng Chen的题为“Partially-Activated Conjugate Beamforming for LoS Massive MIMO Communications”(IEEEAccess PP(99):1-1,October 2018)的论文提出了用于大规模MIMO通信的部分激活共轭波束成形(PACB)，其中视线(LoS)信道处于主导地位。与激活所有天线元件以辐射信号的常规共轭波束成形不同，所提出的PACB通过利用LoS信道的空间结构仅激活一小部分天线，以减轻用户间干扰并提高下行链路频谱效率。
现参考在先专利文献，中国申请CN107809274涉及一种基于新型移相切换网络的混合预编码方法。
美国专利US9967014(Park等人)涉及用于天线系统中的波束成形的装置、方法和系统。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种多输入多输出(MIMO)发送器，该MIMO发送器包括：
数字信号处理器，该数字信号处理器被配置为对多个数据流进行预编码；
多个射频(RF)链，每个RF链被配置为传递来自数字信号处理器的经预编码的数据流，以生成表示该数据流的信号；
天线阵列，该天线阵列包括多个天线元件；
切换单元，该切换单元被配置为在第一状态或第二状态中的一者下将多个RF链连接到多个天线元件，其中：
-在第一状态下，多个RF链中的至少一个RF链连接到多个天线元件中的第一子集，并且
-在第二状态下，多个RF链中的至少一个RF链连接到多个天线元件中的第二子集，其中，与至少一个RF链有关的第一子集和第二子集具有不同数量的天线元件；以及
功率控制单元，该功率控制单元被配置为确定能量可用性度量和/或功率需求度量，并且作为响应，使切换单元在第一状态或第二状态下将多个RF链连接到多个天线元件。
凭借所阐述的特征，优选实施方式可以响应于功率控制单元对能量可用性度量和/或功率需求度量的确定而至少在第一状态与第二状态之间切换。
响应于能量可用性度量和/或功率需求度量的这种确定，切换单元可以被配置为切换与多个RF链中的仅一个RF链、一些RF链或所有RF链有关的状态，以便将MIMO发送器置于所谓的全连接状态或子连接状态，或(在有两个以上状态的情况下)将MIMO发送器置于依赖于这种确定的“更多连接”或“更少连接的状态”。
可能存在两个以上与特定RF链有关的状态，所讨论的RF链连接到每个状态下多个天线单元的不同子集，不同子集具有不同数量的天线元件，其范围从仅一个天线元件到所有可能的天线元件。
RF链可以包括实体，该实体包括(但不限于)模数转换器、数模转换器、至少一个移相器和至少一个滤波器，特定RF链的实体被配置为执行与提供给该RF链的数据流和/或由该RF链生成的信号有关的相应功能。
根据优选实施方式，能量可用性度量可以是以下一项或更多项的度量或者是指示以下一项或更多项的度量：
-发送器从中获取功率的电源中剩余的能量的量；
-发送器从中获取功率的电源能够提供的功率电平；以及
-发送器从中获取功率的电源能够支持的电压电平。
根据优选实施方式，功率需求度量可以是需要由发送器从中获得功率的电源提供的功率电平的度量或者是指示需要由发送器从中获得功率的电源提供的功率电平的度量。
能量可用性度量可以从电源的当前状态直接测量，或者可以基于其过去的测量结果来估计或预测。它可以取决于或基于对电源中剩余的能量的量的当前和/或过去的测量结果和/或对由电源提供的功率水平的当前和/或过去的测量结果和/或对电源支持的电压电平的当前和/或过去的测量结果。它可以基于电源的电特性的当前和/或过去的测量结果，例如，电压、电流和/或内阻测量结果。
功率需求度量可以根据由电源提供给发送器和/或其它设备的当前功率水平直接测量，或者可以基于其过去的测量结果来估计或预测。它可以取决于或基于指示与发送器和/或其它设备(例如，在其上实现发送器的系统或载具)有关的预测的未来需求或未来需求的变化的信息。
根据优选实施方式，该MIMO发送器可以在中继节点上实现或作为中继节点的一部分实现。
根据优选实施方式，该MIMO发送器可以在无人驾驶载具上实现或作为无人驾驶载具的一部分实现。
根据优选实施方式，该MIMO发送器可以在飞行器上实现或作为飞行器的一部分实现。
根据优选实施方式，该MIMO发送器可以在具有电池电源的载具上实现或作为具有电池电源的载具的一部分实现。
另选地或除了在其上或作为其一部分的中继节点、载具或其它系统(其中，MIMO发送器是使用电池电源来实现)之外，中继节点、载具或其它系统可以使用诸如太阳能、风力涡轮机等的发电机。
当MIMO发送器在中继节点和/或载具上实现时，功率需求度量可能取决于电源提供给中继节点和/或所讨论的载具的当前功率水平的直接测量结果，或者可以基于其过去的测量结果来估计或预测。它可以取决于或基于指示与需要提供给中继节点和/或所讨论载具的功率有关的预测未来需求或未来需求的变化的信息。
根据优选实施方式，与至少一个RF链有关的第一子集可以包括单个天线元件。
根据本发明的第二方面，提供了一种多输入多输出(MIMO)接收器，该MIMO接收器包括：
天线阵列，所述天线阵列包括多个天线元件，每个天线元件被布置成接收无线通信信号；
切换单元，所述切换单元被配置为在第一状态或第二状态中的一者下将所述多个天线元件连接到多个RF链，其中：
-在第一状态下，所述多个RF链中的至少一个RF链连接到所述多个天线元件中的第一子集，并且
-在第二状态下，所述多个RF链中的所述至少一个RF链连接到所述多个天线元件中的第二子集，其中，与所述至少一个RF链有关的所述第一子集和所述第二子集具有不同数量的天线元件；
每个RF链被配置为传递从该RF链连接到的天线元件的子集接收到的信号以生成数字信号；
数字信号处理器，所述数字信号处理器被配置为接收从每个RF链生成的数字信号并且执行这些信号的组合以生成多个数据流；以及
功率控制单元，所述功率控制单元被配置为确定能量可用性度量和/或功率需求度量，并且作为响应，使所述切换单元在所述第一状态或所述第二状态下将所述多个RF链连接到所述多个天线元件。
根据本发明的第三方面，提供了一种MIMO系统，该MIMO系统包括根据第一方面的MIMO发送器和根据第二方面的MIMO接收器。
根据本发明的第四方面，提供了一种操作多输入多输出(MIMO)发送器的方法，该方法包括：
在数字信号处理器处对多个数据流执行预编码；
经由多个射频(RF)链中的每一者，传递来自数字信号处理器的经预编码的数据流，以生成表示该数据流的信号；
配置切换单元，以在第一状态或第二状态中的一者下将所述多个RF链连接到天线阵列的多个天线元件，其中：
-在所述第一状态下，所述多个RF链中的至少一个RF链连接到所述多个天线元件中的第一子集，并且
-在所述第二状态下，所述多个RF链中的所述至少一个RF链连接到所述多个天线元件中的第二子集，其中，与所述至少一个RF链有关的所述第一子集和所述第二子集具有不同数量的天线元件；以及
确定能量可用性度量和/或功率需求度量，并且作为响应，使所述切换单元在所述第一状态或所述第二状态下将所述多个RF链连接到所述多个天线元件。
根据本发明的第五方面，提供了一种操作多输入多输出(MIMO)接收器的方法，该方法包括：
在天线阵列的多个天线元件中的每一者处接收无线通信信号；
配置切换单元，以在第一状态或第二状态中的一者下将所述多个天线元件连接到多个RF链，其中：
-在所述第一状态下，所述多个RF链中的至少一个RF链连接到所述多个天线元件中的第一子集，并且
-在所述第二状态下，所述多个RF链中的所述至少一个RF链连接到所述多个天线元件中的第二子集，其中，与所述至少一个RF链有关的所述第一子集和所述第二子集具有不同数量的天线元件；
每个RF链被配置为传递从该RF链连接到的天线元件的子集接收到的信号以生成数字信号；
在数字信号处理器处接收从每个RF链生成的数字信号并将这些信号组合以生成多个数据流；以及
确定能量可用性度量和/或功率需求度量，并且作为响应，使所述切换单元在所述第一状态或所述第二状态下将所述多个RF链连接到所述多个天线元件。
根据本发明的第六方面，提供了一种操作多输入多输出(MIMO)收发器系统的方法，该方法包括执行根据第四方面的方法和根据第五方面的方法。
与第一方面相关的上述各种选项和优选实施方式也适用于与第二方面、第三方面、第四方面、第五方面和第六方面相关的情况。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的优选实施方式，其中：
图1为UAV辅助毫米波MIMO系统；
图2示出了全数字预编码MIMO发送器的示例；
图3示出了两种混合预编码实现，它们通常用于毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码的目的；
图4示出了适合为UAV辅助毫米波大规模MIMO系统提供混合预编码的系统配置；
图5示出了根据优选实施方式的MIMO发送器的元件以及与其相互作用的元件；
图6示出了根据优选实施方式的可由MIMO发送器或MIMO接收器的功率控制单元使用的决策作出过程；以及
图7是适于在本发明实施方式的操作中使用的计算机系统的框图。
具体实施方式
将参考附图描述根据优选实施方式的方法和装置。
将主要参考安装在UAV上的中继器来描述优选实施方式，该中继器具有MIMO发送器，所述发送器和相关联的元件将从源(诸如，图1中的基站10)接收到的信号传送到一个或更多个目的地(诸如，图1中的移动站15)。应当理解，该描述一般以对应方式应用于“镜像”实施方式，诸如，具有MIMO接收器的安装在UAV上的中继器，所述接收器和相关联的元件将从源(诸如，移动站15)接收到的信号传送到目的地(诸如，基站10)，以及应用于具有MIMO收发器的安装在UAV上的中继器的实施方式，所述收发器和相关联的元件在两个方向上传送信号。应当理解，该描述一般也应用于诸如未安装在UAV或其它此类载具或中继器上的MIMO发送器、接收器和收发器的实施方式。虽然以下描述主要集中在UAV(充当中继器)与多个移动站之间的链路上，但相同的原理同样可应用于UAV与基站之间的链路。此外，虽然相较于与机载设备和/或移动设备(诸如，充当单向或双向中继器的UAV)相关的问题，可能变化的功率可用性以及能够在更耗能(并且通常更高的数据速率)与更节能(通常更低的数据速率)状态之间切换的可能需要(或期望)对于与固定的地面实体(诸如，基站)相关的问题而言通常不是问题，但地面实体(诸如，基站)在某些情境下可能具有在较高功率状态与较低功率状态之间切换的类似需要，因此本发明的实施方式也可应用于此类实体(例如，仅用作例如发送器的地面基站)。
如在本文档中所使用的，短语“毫米波波段”是指从约几千兆赫(例如，3.0GHz)到几百千兆赫的频率。蜂窝波段中的无线电波可能具有较少的传播损耗并提供更好的覆盖范围，但也可能使用相对较少数量的天线。另一方面，毫米波波段的无线电波可能会遭受更高的传播损耗，但使它们非常适合小形状因子的高增益天线或天线阵列设计。
图4以示例方式例示了适用于在UAV上提供混合预编码的系统配置，适用于关于UAV辅助毫米波大规模MIMO系统使用。
源(其可以是基站，诸如，图1中的BS 10)具有混合预编码器40，混合预编码器40具有多个天线(总体为408)并且可以包括多个RF收发器和发送器电路(未示出)。天线可以包括天线子阵列的阵列。因此，所示的每个天线可以表示包括一个或更多个天线的子阵列。每个天线子阵列被配置为对发送到子阵列和从子阵列接收的信号进行波束成形。发送器(TX)处理电路对传出的基带数据进行编码、多路复用和数字化，以生成经处理的基带信号。RF收发器从发送器处理电路接收所传出的经处理的基带信号，将该基带信号上变频为RF信号，并对经由天线408发送的RF信号执行RF预编码。
目的地(其可以是移动站，诸如，图1中示出为MS 15的那些移动站中的一者)具有混合组合器45，混合组合器45具有多个天线(总体为458)并且可以包括多个RF收发器和接收器电路(未示出)。
目的地处的RF收发器从天线458接收传入的RF信号，诸如，基站发送的信号。RF收发器执行RF组合(即，在各个子阵列处进行波束成形)并将传入的RF信号下变频以生成基带信号。基带信号被发送到接收器(RX)处理电路，RX处理电路通过对基带信号进行滤波、解码和数字化来生成经处理的基带信号。然后，RX处理电路通常将经处理的基带信号发送到控制器/处理器(未示出)以供进一步处理。
在UAV处，如图4所示，系统具有从源(例如，基站10)到UAV 43的第一信道42和从UAV 43到目的地(例如，移动站15)的第二信道44。基站处的混合预编码和移动站处的混合组合可以如上所述被执行。因此，以下解释集中在UAV 43处的混合预编码处理。为了简单起见，主要与源是基站(BS)10并且目的地是移动站(MS)15的情况相关地提供该解释，但是应当理解，UAV 43上的元件也可以处理沿相反方向(即，从移动站15到基站10)行进的信号。
首先，接收模拟组合器420被用于在天线428处接收的来自基站10的信号。然后，数字预编码器430(如果UAV被配置为处理两个方向上的信号，即，从BS 10到MS 15以及从MS15到BS 10，则数字预编码器430可以是数字预编码器/组合器的功能模块)将信号处理到基带中。接下来，模拟预编码器440被用于经由模拟预编码器440的天线448和移动站混合组合器上的天线458将UAV处发送的信号转发到移动站。这是UAV辅助毫米波大规模MIMO系统的通用混合预编码处理。然而，我们现在详细解释所提议的具有开关和移相器的技术，该技术允许在UAV处实现全连接架构和子连接架构，并允许根据参考图5解释的要求在两种架构之间切换。
与基站10和移动站15处的混合预编码相比，此处提出的UAV辅助系统的混合预编码方法与传统MIMO毫米波系统的混合预编码方法有很大不同。本解释将集中在源与目的地之间没有直接链接的毫米波大规模MIMO系统的“放大和转发”UAV，如图5所示。为简单起见，我们将考虑没有非视线(NLOS)通信的场景，因此所有信道都是视线(LOS)。对于预编码，我们假设信道42(即，源40(例如，基站10)与UAV 43(或其它此类中继器13)之间的信道)和信道44(即，UAV 43(或其它此类中继器13)与目的地45(例如，移动站15)之间的信道)在源、UAV和目的地处是已知的。在实际系统中，在UAV处接收到的信道状态信息(CSI)可以经由从源到UAV的训练获得，并且在目的地处接收到的CSI可以经由从UAV向目的地的训练获得。然后，经由从UAV向源的反馈与UAV处的发送器共享CSI，并且通过从UAV向目的地的反馈共享在源处发送的CSI。
如上所述，由于UAV处的功率限制，传统混合预编码技术并不普遍可应用。因此，与这些现有技术不同，这里采用的技术使用移相器(PS)(总体为554)和节能开关(总体为552)的组合。
在继续讨论图5所示元素的整体功能之前，需要注意的是，示出了两个RF链(总体为54)，被标记为“RF链1”和“RF链2”，并且示出了四个天线558，被标记为TX1、TX2、TX3和TX4。在两个RF链54与四个天线558之间是模拟预编码器55的切换单元550。切换单元(在虚线框内示出)包括八个开关552，每个开关与八个移相器554中的一者的连接有关地起作用。八个连接经由四个RF组合器556与四个天线558中的相应天线配对。在图5中，来自/去往RF链1的连接被示出为实线，而来自/去往RF链2的连接被示出为虚线——这是为了便于(在图中)识别与相应连接相关的RF链。
此外，图5中的每个开关都标记有“s-编号”或“开关-编号”，s-编号表明哪个RF链和哪个天线经由开关被连接(或断开)。因此，编号为s11的开关在闭合时会将RF链1连接到天线TX1，而编号为s24的开关在闭合时会将RF链2连接到天线TX4。
数字预编码器51从模拟组合器获取输入并且在将预编码信号传递到快速傅立叶逆变换(IFFT)阶段之前应用依赖于子载波的数字预编码。每个RF链的信号传递通过“M点逆快速傅立叶变换”模块52，其中M是子载波的数量，所述子载波将频域信号转换成时域数字信号。然后，从M点IFFT 52传递的每个符号具有由“添加CP”模块53添加的循环前缀，然后在将其传递到可应用的RF链54。RF链将通常包括如下功能：数模(DAC)转换、混频器和频率转换器。该数字模块可以被用于将基带信号转换到RF域中。(注意，对于接收器，通常会使用相反的顺序和功能集合，例如，DAC被模数转换器(ADC)代替，而IFFT被快速傅立叶变换(FFT)模块代替。)
来自RF链54的信号被传递到切换单元550。如果开关“sXn”是闭合的，那么来自“RF链X”的信号将经由相关移相器554和组合器556被传递到天线“TXn”。如果开关“sXn”是打开的，则没有信号从“RF链X”传递到天线“TXn”。在这种情况下，可以关闭相关移相器。
显而易见，全连接架构和子连接架构两者都因此成为可能，它们之间的切换以不同于现有混合预编码技术的特定方式执行。
如前所述，有时性能可能是高优先级，而能耗则不太重要，因此UAV可以在全连接(或更多连接)模式下运行，并能够提供更高的总速率性能。在其它时候，例如，当功耗成为优先项时(例如，如果服务需求低，或者如果电池电量低，或者如果UAV确定或被告知它需要保持运行比先前预期更长的时间段)，它可以通过利用新系统中并入的额外开关来切换到子连接(或更少连接)架构。
需要注意的是，除了“全连接”架构(其中，每个RF链都连接到所有天线(或天线阵列或子阵列的所有天线元件))以及一个或一系列“子连接”架构(其中，每个RF链仅连接到天线的子集(可能只有一个天线))之外，一个或更多个天线元件不再连接到任何RF链的架构也是可能的。
更详细地参见图5，功率控制单元50执行确定“能量可用性度量”和/或“功率需求度量”的任务，并且响应于任一者或两者(或任一者或两者的变化)，可以通过将一个或更多个RF链连接到一个或更多个天线元件或将一个或更多个RF链从一个或更多个天线元件断开来指示或促使切换单元550将架构改变为更多连接架构或更少连接架构。在本示例中，开关控制单元(SCU)58(为方便起见被示为功率控制单元50的一部分)执行控制切换单元550中的开关552的任务，但SCU 58不需要是功率控制单元50的功能模块——它可以是单独的模块，或者其功能可以集成到功率控制单元50中。该示例中的SCU 58连接到具有一个或更多个功率监测传感器的功率监测单元56，功率监测传感器连续监测在UAV处的可用功率资源，并且还可以从数据速率测量单元57(例如，准入控制单元)获得关于数据要求的信息。与SCU 58一样，为方便起见，功率监测单元56和数据速率测量单元57被示为功率控制单元50的模块，但任一者或两者可以是通过(有线或无线)遥测或其它方式与功率控制单元50通信的单独模块，或者可以在功能上集成到功率控制单元50。基于它(自身或从外部)获得的数据功率和/或能量数据，功率控制单元50然后做出使用哪种架构的通知决策，然后使SCU 58为所选择的架构配置切换单元550中的开关552。
通常UAV/无人机使用遥测系统来报告无人机状态的各个方面，因此功率控制单元50可以使用由此获得的数据来确定能源可用性度量，取决于该能源可用性度量，做出将架构切换到更多连接架构或更少连接架构的可能决策。电池指示可以是作为电池中剩余能源的量的已知最大水平的百分比(或估计百分比)或电池仍然能够提供的最大功率的百分比(或估计百分比)来给出，并且可以是基于电流、电压或内阻的测量结果的。此外，从天线、移相器、放大器或无人机上系统的信号处理或发送部分的其它电子组件、或无人机的其它组件(诸如，电机)获得的数据可以被功率控制单元50用来确定功率需求度量，根据这些功率需求度量，可以做出将架构切换到更多连接架构或更少连接架构的决策。
可以使用简单的电池监测设备，其在超过一个或更多个电压电平阈值时发送消息，例如，可以将其用作当电压降低时切换到子连接架构的不同(更少连接)水平的触发器，或者例如，可能用于例如在电池充电(例如，使用太阳能)时切换到不同(更多连接)架构。
根据电池百分比水平或其它方面，可以计算/估计剩余的飞行持续时间，例如，如果期望/指示的飞行时间延长(或反之亦然)，则触发切换到更少连接架构的决策，或者如果电池百分比水平开始减少的速度比先前估计的更快(例如，流量速率的增加需要更多的无线电处理，从而导致更短的电池寿命)，可以触发切换到更少连接的结构以将飞行持续时间恢复到先前的预期。
虽然在本示例中SCU 58与功率监测单元56和数据速率测量单元57之间的通信主要涉及SCU 58从功率监测单元56和/或数据速率测量单元57接收输入，但是可能来自SCU58的一些控制反馈请求例如以正确的频率或基于相关阈值来发送信息，因此SCU 58与功率监测单元56及数据速率测量单元57之间的信道59被表示为双向箭头。
可以根据本实施方式使用的基本过程如图6所示，其示出了图5的示例实施方式中所示的功率控制单元50和SCU 58的决策作出过程。可以通过以下方式来激活事件：通过系统或架构的定期审查；通过来自(即，在UAV的功率控制单元50或其它中的)功率监测单元56中的或连接到功率监测单元56的功率监测传感器或来自数据速率测量单元57(例如，准入控制单元)的特定消息；或其它方式。
然后，电源控制单元50确定是否需要改变状态或架构。如果是，则可以使用请求改变的专用消息。
另选地，例如，可以通过超过阈值来触发可能需要改变状态或架构的确定。例如，如果UAV确定或被指示需要在空中保持附加时间段(例如，另外两分钟)，并且这种增加需要或将花费超过阈值(例如，5小时阈值)的总时间，这可能会触发需要更改状态或架构的决策，或者需要就此做出确定。
需要注意的是，功率监测传感器可以监测MIMO发送器或中继器(或其组件)的功率要求或状态和/或UAV作为整体(或其组件)的功率要求，和/或例如可以直接监测机载电源的当前或正在进行的状态。
参考图6，一旦系统处于被激活(即，在通电、起飞或另一个这样的“开始”步骤s60之后)，本示例中的处理可能被功率监测单元56和/或准入控制单元中的或监测的一个或更多个传感器激活，功率监测单元56发送关于功耗要求改变的消息(步骤s61)，准入控制单元发送关于资源需求和/或重要性改变的消息(步骤s62)。这些消息中的一者(或两者)可以触发关于是否需要改变状态或架构的决策(步骤s64)。如果不是，则该处理返回到等待消息。
如果在步骤s64决定需要改变状态或架构，则功率控制单元50决定应该选择什么架构(步骤s66)。在本例中，这基于功率和性能要求。能效将有利于最多(或更多)子连接配置，而性能增强将有利于最多(或更多)全连接配置。功率控制单元50可以选择这些极端情况中的一者，或者两个极端情况之间的配置。
如果所选择的配置与当前使用的配置不同，则功率控制单元50中的SCU 58指示切换单元550中的相关开关552打开或闭合。它可以(总体是同时)通知数字预编码器51配置的改变，但是在切换处理本身期间，主要功能是指示切换单元550打开或闭合适当开关552。可以看出，如果所有的开关都闭合，则RF链2的开关s24和s23以及RF链1的开关s13和s14打开，就会引起从全连接架构到子连接架构的改变。例如，功率控制单元50可以仅指示模拟预编码器55，其中模拟预编码器55将改变的指示传递给数字预编码器51。此外，当特定开关552打开时，RF链54与天线558之间的相关连接将断开，因此所讨论的移相器554可以关断而所讨论的天线558可以保持开启以进行数据发送。
提供以下场景作为本发明的实施方式可以如何工作的示例。首先，UAV 13中的MIMO发送器(或接收器或收发器)在根据需要提供高数据速率要求的全连接架构中运行。例如，它可能处于高峰时间，此时数据需求可能更高。随着非高峰时间的到来，数据速率要求可能会降低，并且不再需要高数据速率要求，此时可能适合切换到子连接架构，以便节约能源，同时仍以更低的数据速率要求保持运行。切换处理可以描述如下(参考图5中编号的元件)：
(i)如果功率控制单元50确定从全连接架构切换到子连接架构是适当的或必要的，RF链1将仅与发送天线元件TX1和TX2连接。为此，切断开关s13和s14。通过这样做，全连接架构被转换为子连接架构，并且RF链1只与TX1和TX2连接，其与TX3和TX4的连接断开。
(ii)如果电源控制单元50决定切换回全连接架构是合适的，则开启开关s13和s14。通过这样做，RF链1与TX3和TX4重新连接，从而得到全连接架构，该架构可以提供更高的数据速率，但以更高的能耗为代价。
以这种方式，优选实施方式提供了针对UAV辅助毫米波大规模MIMO系统的混合预编码技术。在该技术中，组合了两种预编码架构(全连接和子连接)。附加单元(即，SCU 58、功率监测单元56(包括传感器或与传感器通信以感测当前要求等))被用作功率控制单元50的一部分，以允许确定何时在两种架构之间切换，这可以使用低成本开关552来实现，该开关可以结合当前结构来实现。在UAV辅助毫米波大规模MIMO系统的实际部署中，这可以在总速率性能与能耗之间提供更好的权衡。
图7是适用于本发明的实施方式的操作的计算机系统的框图。中央处理器单元(CPU)702经由数据总线708通信地连接到数据存储器704和输入/输出(I/O)接口706。数据存储器704可以是任何读/写存储设备或设备的组合，诸如，随机存取存储器(RAM)或非易失性存储设备，并且可以用于存储可执行数据和/或非可执行数据。非易失性存储设备的示例包括磁盘或磁带存储设备。I/O接口706是用于数据输入或输出、或数据输入和输出两者的设备的接口。可连接到I/O接口706的I/O设备的示例包括键盘、鼠标、显示器(例如，监视器)和网络连接。
只要所描述的本发明的实施方式至少部分地使用软件控制可编程处理设备(诸如，微处理器、数字信号处理器或其它处理设备、数据处理装置或系统)是可实现的，将理解，用于配置可编程设备、装置或系统以实现前述方法的计算机程序被设想为本发明的方面。例如，计算机程序可以被实施为源代码或经过编译以在处理设备、装置或系统上实现，或者可以被实施为目标代码。
适当地，计算机程序以机器或设备可读形式存储在载体介质上，例如，固态存储器、诸如磁盘或磁带之类的磁存储器、诸如压缩盘或数字通用盘之类的光学或磁光可读存储器等，而处理设备利用该程序或其一部分对其进行配置以进行操作。可以从在诸如电子信号、射频载波或光载波之类的通信介质中实施的远程源提供计算机程序。这种载体介质也被设想为本发明的多个方面。
本领域技术人员将理解，虽然已经结合上述示例性实施方式描述了本发明，但本发明不限于此，并且存在落入本发明范围内的许多可能变化和修改。
本发明的范围可以包括本文公开的其它新颖特征或特征的组合。申请人特此声明，在本申请或从其得出的任何此类进一步申请的审查期间，可针对此类特征或特征组合作出新权利要求。特别地，参考所附权利要求，从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征组合，并且各个独立权利要求的特征可以以任何适当的方式组合，而不仅仅是权利要求中列举的特定组合。
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