[发明专利]使用选择矩阵进行天线相位校准的混合波束形成天线阵列

说明书

一种用于MU‑MIMO通信系统的混合波束形成天线阵列，包括：连接到M个无源波束形成子阵列的单个数字波束形成器；所述M个无源波束形成子阵列，其中每个无源波束形成子阵列包括：一个RF收发器馈送一个RF链；一个2^N输入2^N输出选择矩阵，其所有输入端连接到所述单个RF链的输出端；以及2^N个天线，其中每一个天线连接并馈送自所述选择矩阵的一个输出端；其中，所述数字波束形成器馈送所述无源波束形成子阵列的每个RF收发器；所述选择矩阵不具有功耗元件且没有外部控制，其被配置为在所述2^N个输入端的一个或多个接收反馈，并在其2^N个输出端产生2^N个单独的具有逐行相位分布的RF信号波束；所述混合波束形成天线阵列不具有天线校准网络。

交叉引用声明

本申请根据巴黎公约要求于2016年3月14日递交的美国临时专利申请No. 62/307,582的优先权，其全部披露内容在此引用于本申请。

技术领域

本发明基本上涉及大规模多输入多输出（MIMO）通信系统，尤其是涉及一种多用户大规模MIMO (MU-MIMO)系统中信道估计的方法和装置。

背景技术

第五代（5G）无线网络有可能在广泛的各个方面彻底改变通信基础设施和业务模式。5G网络中的许多技术进步其一是全新的不受在先设计约束的无线接口。该接口可以在单个天线阵列中采用大规模MIMO和波束形成技术，从而可以大幅提高频谱效率和空间分集，同时可以以更高的信号和干扰噪声比（SINR）支持多用户。

由于具有多种优点，诸如大波束形成增益和空间复用增益，以及高空间分辨率，大规模MIMO通信已经引起了对下一代广域无线通信系统未来部署的巨大兴趣。在一个大规模MIMO系统，发送器一般具有很大数量（即大约10至100以上）的发射天线元件。为了获得较高的数据传输率，一种方法是通过多个天线同时向用户设备（UE）传输多个数据流。例如，如图1所示，有四个单独的数据流d₁(t), d₂(t), d₃(t), 和 d₄(t)分别用一个天线元件同时传输到UE，从而获得d₁(t)数据率四倍的数据率。另一种获得高数据传输率的方法是使用波束形成，其中单个数据流被分离成具有相移的多个副本。每个相移副本从每个天线发送出去，形成一个波束信号给UE。

在一个MU-MIMO系统中，使用波束形成能提高SINR和每个用户的容量。然而，使用波束形成的话，天线校准则是必须的，因为波束形成算法依赖于对精确的射频（RF）信号的相位和幅度的获知。然而，每个RF链可能包含多个集成电路（RFIC），功率放大器和ADC /DAC，具有受温度变化影响的各种相位和功率放大器性能，以及微带线和机械公差的不良影响。没有任何校准的话，RF链之间的相位差可以高达+/- 20度。这是不可接受的，因为波束形成仅可以容忍最大+/- 2度的相位差。因此，需要天线校准以在RF到天线的馈送中提供幅度和相位校正。

现有的解决方案包括非自适应校准，其包括使用外部网络分析仪测量来自天线阵列的波束信号，并调整幅度和相位以在RF馈送中进行校正；然而，这种解决方案使系统的运营基础设施大大复杂化，特别是额外的昂贵设备和程序。