一種天線陣列以及一種用于全雙工通信的通信方法
【專利摘要】為了解決現(xiàn)有的全雙工通信的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種天線陣列以及一種用于全雙工通信的通信方法。該天線陣列包括：第一子陣列，具有多個(gè)第一天線元；第二子陣列，具有多個(gè)第二天線元；在同一時(shí)間，所述第一子陣列和所述第二子陣列中的一個(gè)用于發(fā)送信號(hào)，另一個(gè)用于接收信號(hào)，以進(jìn)行全雙工通信，其中，所述第一子陣列與第二子陣列分離，且所述第一子陣列的該第一天線元的極化方向和所述第二子陣列的第二天線元的極化方向正交。該天線陣列在全雙工收發(fā)之間具有很高的隔離度，減少了全雙工收發(fā)的自干擾。
【專利說明】-種天線陣列以及一種用于全雙工通信的通信方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信，尤其涉及全雙工通信。

【背景技術(shù)】
[0002] 在傳統(tǒng)的雙向通信系統(tǒng)中，半雙工技術(shù)（例如TDD時(shí)分雙工和FDD頻分雙工）通 常用于分隔發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)。
[0003] 本發(fā)明旨在提出用于實(shí)現(xiàn)全雙工通信的技術(shù)。很早以前，全雙工通信就引起了廣 泛地關(guān)注，但是直至今日全雙工通信還缺乏技術(shù)上的可操作性。全雙工意味著無線節(jié)點(diǎn)能 夠使用相同的載波頻率在相同時(shí)間來實(shí)施發(fā)送和接收。因?yàn)槿p工具有加倍系統(tǒng)的頻譜效 率的潛能，因此其是非常有吸引力的。全雙工還能夠解決基于無線網(wǎng)絡(luò)（例如WiFi、藍(lán)牙 等）的競爭環(huán)境中的隱藏節(jié)點(diǎn)的問題，即半雙工狀況下的競爭會(huì)導(dǎo)致某些用戶設(shè)備始終無 法獲得服務(wù)，從而變成"隱藏"的節(jié)點(diǎn)。
[0004] 全雙工通常被認(rèn)為是不切實(shí)際的，這是因?yàn)橥瑫r(shí)收發(fā)通常將引起發(fā)送機(jī)與其自身 的接收機(jī)之間的強(qiáng)烈的自干擾，并且降低了頻譜效率。因此，設(shè)計(jì)實(shí)際的全雙工無線網(wǎng)絡(luò)的 最大挑戰(zhàn)在于移除強(qiáng)烈的自干擾的影響，并且增強(qiáng)對期望的信號(hào)的檢測能力。
[0005] 現(xiàn)有的解決方案可以歸類為兩種：基于模擬消除器（analog cancellator)的全 雙工，以及基于空間分離的全雙工。
[0006] 對于第一類，圖1示出了典型的現(xiàn)有的方案（參見Full-Duplex Wireless Communications Using Off-The-Shelf Radios Feasibility and First Results， VTC， 2010)。該方案的主要缺點(diǎn)在于在每個(gè)發(fā)送機(jī)信道需要兩個(gè)發(fā)送機(jī)，一個(gè)用于正常的發(fā)送， 另一個(gè)用于干擾抑制。這與現(xiàn)有的無線系統(tǒng)是不兼容的。此外，為了消去自干擾，基于干擾 信號(hào)（x_l*h_ab)和消除支路（cancellation brand)信道的響應(yīng)（h_z)的估計(jì)的具有專用 的功率和相位的信號(hào)（c_l)需要被注入到消除支路中。在實(shí)際中，確定cl的相位和幅度是 困難的，因此h_ab是變化的并且由于天線周圍的建筑物的反射，h_ab將難以跟蹤。因此， 這類全雙工方案缺乏可操作性。
[0007] 對于第二類，圖2示出了典型的現(xiàn)有的方案（參見Self-Interference Suppression in Full-Duplex ΜΙΜΟ Relays，PIMRC2011)。如圖所不，該系統(tǒng)需要信源和 信宿是不同的，因此通常應(yīng)用在中繼的環(huán)境中。在這種系統(tǒng)中，信源和信宿并不工作在全雙 工模式，而僅有中繼工作在全雙工。并且，中繼的接收天線和發(fā)送天線具有很強(qiáng)的指向性， 分別指向信源和信宿，這樣來實(shí)現(xiàn)同時(shí)的收發(fā)?？梢姡@類全雙工系統(tǒng)通常利用了發(fā)送機(jī)和 其本地接收機(jī)的空間分離來實(shí)現(xiàn)自干擾抑制。但是，這種方案的應(yīng)用場景是非常受限制的。 在普通的基站中，無法將發(fā)送天線和接收天線進(jìn)行這種分離，因此很難使用這種技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 由此可見，至今為止，還沒有用于實(shí)現(xiàn)在常規(guī)的蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)（例如LTE、或LTE-A) 中的全雙工傳輸，而不對射頻電路進(jìn)行更改的可行方案。
[0009] 為了解決【背景技術(shù)】中的問題，本發(fā)明提出新的全雙工技術(shù)方案。第一個(gè)方面，提出 了一種適于全雙工通信的天線陣列的新的設(shè)計(jì)，其具有較低的成本。該新的天線陣列的外 觀與常規(guī)的半雙工天線陣列的外觀類似。不同之處主要在以下方面：1.分離的并且正交極 化發(fā)送和接收天線元；2.使用相同極化的天線元構(gòu)成垂直的子陣列，實(shí)現(xiàn)了用于自干擾抑 制的垂直波束成形。
[0010] 第二個(gè)方面，提出了一種全雙工發(fā)送和接收方案，以進(jìn)一步減少自干擾的影響并 且增加系統(tǒng)的性能。
[0011] 本發(fā)明提出的新的天線設(shè)計(jì)和全雙工發(fā)送和接收方案可以在一起使用，也可以分 別使用。
[0012] 具體的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了一種天線陣列，其特征在于，包括：第一 子陣列，具有多個(gè)第一天線元；第二子陣列，具有多個(gè)第二天線元；在同一時(shí)間，所述第一 子陣列和所述第二子陣列中的一個(gè)用于發(fā)送信號(hào)，另一個(gè)用于接收信號(hào)，以進(jìn)行全雙工通 信，其中，所述第一子陣列與第二子陣列分離，且所述第一子陣列的該第一天線元的極化方 向和所述第二子陣列的第二天線元的極化方向正交。
[0013] 因此，本發(fā)明這一方面所提供天線陣列使用正交極化的天線來分別進(jìn)行發(fā)送和接 收，具有很高的隔離度，使得全雙工通信中的發(fā)送不會(huì)對接收造成太大影響。通過新的全雙 工天線陣列設(shè)計(jì)，避免了對收發(fā)機(jī)電路的修改。因此，不需要特別的電路，節(jié)約了成本。并 且也不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的模擬自干擾消除電路和信號(hào)。發(fā)明人對根據(jù)該方面的一個(gè)實(shí)施方式 的性能進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果證明，任意端口對之間的觀察到的最小隔離度是45dB，這比兩 個(gè)共極化的傳統(tǒng)天線之間的通常的隔離度高了 20dB。
[0014] 根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，在該天線陣列中，不同的收發(fā)機(jī)組，或接收機(jī)，或發(fā)送 機(jī)分別連接到各第一天線元，且，不同的收發(fā)機(jī)組，或接收機(jī)，或發(fā)送機(jī)分別連接到各第二 天線元。
[0015] 現(xiàn)有技術(shù)中，所有天線元都連接到同一個(gè)收發(fā)機(jī)組，所以每個(gè)天線所受自干擾會(huì) 疊加給該收發(fā)機(jī)組，因而自干擾會(huì)上升，并因而對隔離度有著更高要求。在該實(shí)施方式中， 每個(gè)收發(fā)機(jī)組對單個(gè)天線元的信號(hào)進(jìn)行處理，使得收發(fā)機(jī)僅受到該單個(gè)收發(fā)機(jī)上所受自干 擾的影響，所以緩解了對于發(fā)送至接收的隔離度要求。并且，收發(fā)機(jī)能夠單獨(dú)控制各天線， 從而使天線的波束成型稱為可能。
[0016] 根據(jù)一個(gè)進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式，所述收發(fā)機(jī)組，或接收機(jī)，或發(fā)送機(jī)分別對各第 一天線元所接收/發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)控制，以實(shí)現(xiàn)第一子陣列的發(fā)送/接收的垂直波束 成形；所述收發(fā)機(jī)組，或接收機(jī)，或發(fā)送機(jī)分別對各第二天線元所接收/發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行加 權(quán)控制，以實(shí)現(xiàn)第二子陣列的發(fā)送/接收的垂直波束成形。
[0017] 優(yōu)選地，所述垂直波束成形用于減少至相鄰天線元的功率泄漏，且抑制第一子陣 列和第二子陣列之間的自干擾。
[0018] 在該優(yōu)選的實(shí)施方式中，由于各個(gè)天線元是獨(dú)立的，各收發(fā)機(jī)能夠數(shù)字地控制 (加權(quán)）各個(gè)天線元的相位和增益來形成子陣列級別的垂直波束。能夠通過選擇適合的垂 直權(quán)重來調(diào)整垂直波束，以最大化發(fā)送和接收子陣列之間的隔離度，有助于減少至其相鄰 天線的功率泄露，并且抑制自干擾。
[0019] 根據(jù)一個(gè)進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式，所述第一子陣列和第二子陣列還被配置為進(jìn)行 水平波束成形，實(shí)現(xiàn)三維空間中的波束成形，以減少相鄰天線元的功率泄露，抑制自干擾， 同時(shí)提高用戶接受性能。
[0020] 在該實(shí)施方式中，能夠一起設(shè)計(jì)垂直波束和傳統(tǒng)的水平波束，從而使用2個(gè)維度 的天線陣列實(shí)現(xiàn)3D波束成形，可以實(shí)現(xiàn)在最小化自干擾與最大化上行和下行吞吐之間的 折衷。
[0021] 附加于或獨(dú)立于以上第一方面，本發(fā)明的第二方面提供了一種用于全雙工通信的 通信方法，其特征在于，包括如下步驟：i.估計(jì)發(fā)送下行信息對接收上行信息所產(chǎn)生的自 干擾的自干擾信道；ii.根據(jù)所估計(jì)的該自干擾信道，估計(jì)通信信道；iii.根據(jù)所估計(jì)的該 自干擾信道和所估計(jì)的該通信信道，進(jìn)行相應(yīng)的上行信號(hào)接收或下行信號(hào)發(fā)送。
[0022] 在該第二方面中，自干擾信道被估計(jì)，來對通信信道進(jìn)行估計(jì)，從而能夠獲得相對 準(zhǔn)確的通信信道，并且，根據(jù)所估計(jì)的自干擾信道和通信信道來進(jìn)行全雙工通信，能夠獲得 比較好的性能。發(fā)明人對根據(jù)該第二方面的實(shí)施方式進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果顯示能夠獲得 30 %的吞吐量增益。
[0023] 根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，所述步驟i包括：a.發(fā)送下行參考信號(hào)，同時(shí)測量上 行接收信號(hào)，其中，上行接收信號(hào)中含有下行參考信號(hào)造成的自干擾；b.基于所述上行接 收信號(hào)和一個(gè)估計(jì)濾波器，估計(jì)所述自干擾信道，其中，所述估計(jì)濾波器與下行參考信號(hào)相 關(guān)。
[0024] 在該實(shí)施方式中，使用下行參考信號(hào)來對自干擾信道進(jìn)行估計(jì)。
[0025] 根據(jù)一個(gè)進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式，所述步驟b中，所述估計(jì)濾波器包括單端濾波 器，該濾波器的估計(jì)矩陣為
[0026]

【權(quán)利要求】
1. 一種天線陣列，其特征在于，包括： -第一子陣列，具有多個(gè)第一天線元； -第二子陣列，具有多個(gè)第二天線元； 在同一時(shí)間，所述第一子陣列和所述第二子陣列中的一個(gè)用于發(fā)送信號(hào)，另一個(gè)用于 接收信號(hào)，以進(jìn)行全雙工通信， 其中，所述第一子陣列與第二子陣列分離，且所述第一子陣列的該第一天線元的極化 方向和所述第二子陣列的第二天線元的極化方向正交。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線陣列，其特征在于， 不同的收發(fā)機(jī)組，或接收機(jī)，或發(fā)送機(jī)分別連接到各第一天線元，且， 不同的收發(fā)機(jī)組，或接收機(jī)，或發(fā)送機(jī)分別連接到各第二天線元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線陣列，其特征在于，所述收發(fā)機(jī)組，或接收機(jī)，或發(fā)送機(jī) 分別對各第一天線元所接收/發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)控制，以實(shí)現(xiàn)第一子陣列的發(fā)送/接收 的垂直波束成形； 所述收發(fā)機(jī)組，或接收機(jī)，或發(fā)送機(jī)分別對各第二天線元所接收/發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行加 權(quán)控制，以實(shí)現(xiàn)第二子陣列的發(fā)送/接收的垂直波束成形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線陣列，其特征在于，所述垂直波束成形用于減少至相鄰 天線元的功率泄漏，且抑制第一子陣列和第二子陣列之間的自干擾。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線陣列，其特征在于，所述第一子陣列和第二子陣列還被 配置為進(jìn)行水平波束成形，實(shí)現(xiàn)三維空間中的波束成形，以減少相鄰天線元的功率泄露，抑 制自干擾，同時(shí)提高用戶接受性能。
6. -種用于全雙工通信的通信方法，其特征在于，包括如下步驟： i. 估計(jì)發(fā)送下行信息對接收上行信息所產(chǎn)生的自干擾的自干擾信道； ii. 根據(jù)所估計(jì)的該自干擾信道，估計(jì)通信信道； iii. 根據(jù)所估計(jì)的該自干擾信道的所估計(jì)的該通信信道，進(jìn)行相應(yīng)的上行信號(hào)接收或 下行信號(hào)發(fā)送。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟i包括： a. 發(fā)送下行參考信號(hào)，同時(shí)測量上行接收信號(hào)，其中，上行接收信號(hào)中含有下行參考信 號(hào)造成的自干擾； b. 基于所述上行接收信號(hào)和一個(gè)估計(jì)濾波器，估計(jì)所述自干擾信道，其中，所述估計(jì)濾 波器與下行參考信號(hào)相關(guān)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟b中，所述估計(jì)濾波器包括單端 濾波器，該濾波器的估計(jì)矩陣為
，其中，Pm是下行參考信號(hào)的向量， 所估計(jì)的所述自干擾信道為
，其中，Υι是所述上行接收信號(hào)，其包含下行參考信號(hào)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述步驟ii中是估計(jì)上行信道，該步 驟ii包括： ii-ι.測量上行接收參考信號(hào)，所述上行接收參考信號(hào)包括上行參考信號(hào)，以及包括同 時(shí)發(fā)送的下行信息造成的自干擾； ii-2.基于已知的該下行信息和所估計(jì)的所述自干擾信道，從上行接收信號(hào)中去除所 述下行信息造成的自干擾，獲得去除干擾的接收上行參考信號(hào)； ii- 3基于所述去除干擾的接收上行參考信號(hào)和另一個(gè)估計(jì)濾波器，估計(jì)所述上行信 道，其中，所述另一個(gè)估計(jì)濾波器與上行參考信號(hào)相關(guān)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述步驟ii-3中，所述另一個(gè)估計(jì)濾波 器包括單端濾波器，該濾波器的估計(jì)矩陣為
，其中，是上行參考信號(hào)的向量， 所估計(jì)的所述上行信道為
，其中，Υ(Ρι)是去除干擾的所述接收上行參考信號(hào)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述步驟iii中是基于所估計(jì)的上行信 道進(jìn)行上行通信，所述步驟iii包括： iii- Ι.測量上行接收信息信號(hào)，所述上行接收信息信號(hào)包括上行信息信號(hào)，以及包括 同時(shí)發(fā)送的下行信息造成的自干擾； iii-2.基于已知的該下行信息和所估計(jì)的所述自干擾信道，從上行接收信號(hào)中去除所 述下行信息造成的自干擾，獲得去除干擾的接收上行信息信號(hào)； iii-3.基于所估計(jì)的所述上行信道，從去除干擾的接收上行信息信號(hào)中恢復(fù)出上行信 肩、。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟： X.根據(jù)所述步驟ii中所估計(jì)出的所述上行信道和所述步驟iii中所恢復(fù)上行信息，調(diào) 整所估計(jì)的所述自干擾信道； y.根據(jù)所調(diào)整后的所估計(jì)的所述自干擾信道，再次進(jìn)行所述步驟ii來估計(jì)上行信道 以及所述步驟iii來恢復(fù)上行信息； 重復(fù)以上步驟X和所述步驟y，直至所估計(jì)的自干擾信道、上行信道和上行信息收斂。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，所述步驟ii中還以所估計(jì)的所述上行信道作為所估 計(jì)的下行信道； 或者，所述步驟ii中： -以所估計(jì)的所述上行信道作為所估計(jì)的下行信道； -在此基礎(chǔ)上，使用信道互易性校準(zhǔn)方法來提高所估計(jì)的下行信道的精確性。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述步驟iii包括： -基于所估計(jì)的下行信道和所估計(jì)的自干擾信道，確定對下行信息進(jìn)行發(fā)送的發(fā)送方 案； -使用該發(fā)送方案發(fā)送該下行信息； 其中，該發(fā)送方案滿足以下約束： -使發(fā)送下行信息的發(fā)送功率最大，且使發(fā)送下行信息對接收上行信息所產(chǎn)生的自干 擾最小。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述發(fā)送方案包括預(yù)編碼矩陣，所述預(yù) 編碼矩陣為 WFD = GEV(HHmHm，HHKT,eNBH KT，eNB)，其中GEVO是取兩個(gè)矩陣的最大一般化特征值分解， iV是所估計(jì)的下行信道，Ηκτ，_所述所估計(jì)的自干擾信道。
【文檔編號(hào)】H04L5/14GK104052529SQ201310082191
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月14日
【發(fā)明者】羅慶霖, 楊濤 申請人:上海貝爾股份有限公司