RU2844326C2 - Method and device for communication using massive-beam mimo phased array - Google Patents
Method and device for communication using massive-beam mimo phased arrayInfo
- Publication number
- RU2844326C2 RU2844326C2 RU2023125609A RU2023125609A RU2844326C2 RU 2844326 C2 RU2844326 C2 RU 2844326C2 RU 2023125609 A RU2023125609 A RU 2023125609A RU 2023125609 A RU2023125609 A RU 2023125609A RU 2844326 C2 RU2844326 C2 RU 2844326C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- beams
- array
- antenna
- beamformer
- additional
- Prior art date
Links
Abstract
Description
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКАCROSS REFERENCE
[0001] Настоящая заявка испрашивает преимущество и приоритет непредварительной патентной заявки США №. 17/195,089, озаглавленной «Способ и устройство для связи с использованием фазированной решетки massive-beam MIMO», поданной 8 марта 2021 г., содержание которой полностью включено в настоящий документ посредством ссылки.[0001] This application claims the benefit of and priority to non-provisional U.S. Patent Application No. 17/195,089, entitled "Method and Apparatus for Communication Using a Massive-Beam MIMO Phased Array," filed March 8, 2021, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИAREA OF TECHNOLOGY
[0002] Настоящее изобретение в целом относится к беспроводной связи на большие расстояния, например, между наземными устройствами и спутниками, такими как спутники на низкой околоземной орбите (low-earth orbit, LEO), и, в частности, к фазированным антенным решеткам MIMO и связанным с ними способам и устройствам, например, установленным на таких спутники.[0002] The present invention relates generally to long-range wireless communications, such as between terrestrial devices and satellites, such as low-earth orbit (LEO) satellites, and in particular to MIMO phased array antennas and related methods and devices, such as those installed on such satellites.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
[0003] Планируются или запускаются различные группировки низкоорбитальных спутников для поддержки различных приложений, таких как улучшенная глобальная связь, высокоскоростная и безопасная связь и глобальный доступ в Интернет. Особый интерес представляют спутниковые системы с высокой пропускной способностью (high throughput satellite system, HTS), которые способны обеспечивать значительно более высокие скорости передачи данных по сравнению с обычными спутниковыми услугами. В этих системах обычно используются несколько точечных лучей, направленных на цели, чтобы улучшить емкость передачи данных с помощью передающих/приемных антенн с высоким коэффициентом усиления, что позволяет лучше повторно использовать частоту. Однако обычные подходы к созданию этих управляемых лучей с высоким коэффициентом усиления требуют больших, сложных и дорогих фазированных антенных решеток. Таким образом, подход с использованием большой фазированной решетки имеет финансовые и физические ограничения.[0003] Various constellations of low-Earth orbit satellites are planned or launched to support a variety of applications, such as improved global communications, high-speed and secure communications, and global Internet access. Of particular interest are high-throughput satellite systems (HTS), which are capable of delivering significantly higher data rates than conventional satellite services. These systems typically employ multiple spot beams directed at targets to improve data capacity using high-gain transmit/receive antennas, allowing for better frequency reuse. However, conventional approaches to creating these steerable high-gain beams require large, complex, and expensive phased array antennas. Thus, the large phased array approach has financial and physical limitations.
[0004] В последнее время получили развитие высокоскоростная сотовая связь (между наземными устройствами) с использованием больших фазированных решеток и обработки предварительного кодирования. Такие разработки включают в себя такие технологии, как массивная (massive) связь с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO). Используя этот способ, наземная станция может создавать несколько управляемых и независимых лучей с высоким коэффициентом усиления, используя большое количество антенных элементов (электромагнитных излучателей). Текущая разработка massive MIMO хорошо подходит для наземных сотовых систем высокой пропускной способности, в которых передатчики и приемники расположены относительно близко друг к другу.[0004] Recently, high-speed cellular communications (between ground units) have developed using large phased arrays and pre-coding processing. Such developments include technologies such as massive multiple-input multiple-output (MIMO) communications. Using this technique, a ground station can create multiple, steerable, and independent high-gain beams using a large number of antenna elements (electromagnetic radiators). Current developments in massive MIMO are well suited for high-capacity terrestrial cellular systems in which transmitters and receivers are located relatively close to each other.
[0005] Одним из важнейших компонентов современных систем massive MIMO является использование пилот-сигналов, которые необходимы для сложной обработки сигналов для каждого конкретного целевого устройства. Пилот-сигналы передаются от передатчика к приемнику, приемник обеспечивает обратную связь с передатчиком, тем самым поддерживая оценку канала, что важно для правильной конфигурации MIMO. Для наземной связи с целевыми устройствами, заключенными в соте относительно небольшого размера (например, несколько километров), был разработан относительно успешный подход с использованием пилот-сигналов. Однако для связи космос-земля или сетей на значительно больших расстояниях этот же подход, вероятно, не будет иметь достаточной мощности сигнала для достижения требуемой производительности обработки. Кроме того, задержки распространения на больших расстояниях относительно времени когерентности канала и другие факторы, характерные для спутниковых сетей, такие как высокие относительные скорости спутников, делают использование таких пилот-сигналов проблематичным. Кроме того, совершенствованию подлежат антенные решетки, специально приспособленные для использования на больших расстояниях.[0005] One of the most important components of modern massive MIMO systems is the use of pilot signals, which are necessary for complex signal processing for each specific target device. Pilot signals are transmitted from the transmitter to the receiver, the receiver provides feedback to the transmitter, thereby maintaining channel estimation, which is important for the correct MIMO configuration. For terrestrial communications with target devices contained in a cell of relatively small size (e.g., a few kilometers), a relatively successful approach using pilot signals has been developed. However, for space-to-ground communications or networks over significantly longer distances, the same approach will likely not have sufficient signal power to achieve the required processing performance. In addition, propagation delays over long distances relative to the channel coherence time and other factors specific to satellite networks, such as high relative satellite velocities, make the use of such pilot signals problematic. In addition, antenna arrays specially adapted for use over long distances are subject to improvement.
[0006] Поэтому существует необходимость предоставить способ и устройство связи, которые устраняют или смягчают одно или более ограничений предшествующего уровня техники.[0006] There is therefore a need to provide a communication method and apparatus that overcomes or mitigates one or more limitations of the prior art.
[0007] Эта исходная информация предоставлена для раскрытия информации, которая, по мнению заявителя, может иметь отношение к настоящему изобретению. Никакое признание не обязательно подразумевается и не должно быть истолковано, что любая из предшествующей информации представляет собой уровень техники в отношении настоящего изобретения.[0007] This background information is provided to disclose information that applicant believes may be relevant to the present invention. No admission is necessarily intended or should be construed that any of the prior information constitutes prior art with respect to the present invention.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯESSENCE OF THE INVENTION
[0008] Задачей вариантов осуществления настоящего изобретения является создание способа, устройства и системы для связи с использованием фазированных решеток massive-beam MIMO, например, установленных на спутнике, таком как спутник LEO. Хотя настоящее изобретение описано главным образом применительно к спутниковой реализации, следует отметить, что варианты осуществления изобретения могут быть включены в другие устройства связи, такие как наземные, воздушные, орбитальные или космические устройства. Ниже описаны различные аспекты изобретения. Следует также отметить, что варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы с использованием синергических комбинаций множества аспектов изобретения, как описано здесь. Например, варианты осуществления настоящего изобретения могут включать в себя множество антенных решеток, множество решеток формирователей лучей и активный формирователь луча, где множество решеток формирователей лучей создают узкие, перемежающиеся группы лучей, а активный формирователь луча используется для направления лучей с использованием лучей данной группы. В некоторых вариантах осуществления упрощенная операция CSI также может использоваться в сочетании с вышеизложенным.[0008] An object of embodiments of the present invention is to provide a method, device and system for communication using massive-beam MIMO phased arrays, such as those installed on a satellite, such as a LEO satellite. Although the present invention has been described primarily with respect to a satellite implementation, it should be noted that embodiments of the invention may be included in other communication devices, such as terrestrial, airborne, orbital or space devices. Various aspects of the invention are described below. It should also be noted that embodiments of the present invention may be implemented using synergistic combinations of multiple aspects of the invention, as described herein. For example, embodiments of the present invention may include a plurality of antenna arrays, a plurality of beamformer arrays and an active beamformer, where the plurality of beamformer arrays create narrow, interleaved groups of beams, and the active beamformer is used to direct the beams using the beams of a given group. In some embodiments, a simplified CSI operation may also be used in combination with the above.
[0009] Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают способ и устройство с несколькими антеннами (например, MIMO или massive MIMO), которые включают в себя как аналоговое, так и цифровое предварительное кодирование (например, в отношении формирования луча). Это делает способ и устройство более подходящими для связи на большие расстояния, например, при применении на LTS, спутниковой связи с высокой пропускной способностью (HTS). Может использоваться упрощенный подход к обработке информации о состоянии канала (channel state information, CSI), который может способствовать более простой и быстрой обработке по сравнению с обычным подходом с фазированной решеткой massive MIMO.[0009] Embodiments of the present invention provide a method and device with multiple antennas (e.g., MIMO or massive MIMO), which include both analog and digital pre-coding (e.g., with respect to beamforming). This makes the method and device more suitable for long-range communications, such as when applied to LTS, high-throughput satellite (HTS) communications. A simplified approach to processing channel state information (CSI) can be used, which can facilitate simpler and faster processing compared to a conventional massive MIMO phased array approach.
[0010] Согласно некоторым вариантам осуществления предусмотрено устройство связи, которое включает в себя один, два или более наборов антенных решеток. Каждый набор антенных решеток может представлять собой пару антенных решеток. Антенные решетки могут располагаться в непосредственной близости с расстоянием между элементами менее или равным половине рабочей длины волны. Каждая из каждого набора антенных решеток сконфигурирована и работает для создания нескольких групп лучей. Каждая группа лучей может в совокупности иметь поперечное сечение, которое принимает вытянутую (например, эллиптическую) форму. Эта вытянутая форма может быть значительно уже, чем длинная. Форма может быть вытянутой в основном направлении движения устройства связи (например, в орбитальном направлении спутника). Различные группы лучей данной антенной решетки разнесены, а группы разных антенных решеток одного и того же набора (например, пары) чередуются друг с другом. Таким образом, каждый набор антенных решеток выполнен с возможностью создания множества групп лучей, которые могут быть по существу смежными и которые обладают тем свойством, что соседние группы лучей создаются разными антенными решетками в одном и том же наборе антенных решеток. Это свойство может применяться ко всем парам соседних групп лучей.[0010] According to some embodiments, a communication device is provided that includes one, two or more sets of antenna arrays. Each set of antenna arrays may be a pair of antenna arrays. The antenna arrays may be located in close proximity with a distance between elements less than or equal to half the operating wavelength. Each of each set of antenna arrays is configured and operates to create several groups of beams. Each group of beams may collectively have a cross-section that takes an elongated (e.g., elliptical) shape. This elongated shape may be significantly narrower than the long one. The shape may be elongated in the main direction of movement of the communication device (e.g., in the orbital direction of the satellite). Different groups of beams of a given antenna array are spaced apart, and groups of different antenna arrays of the same set (e.g., a pair) alternate with each other. Thus, each set of antenna arrays is configured to create a plurality of beam groups that may be substantially adjacent and that have the property that adjacent beam groups are created by different antenna arrays in the same set of antenna arrays. This property may be applied to all pairs of adjacent beam groups.
[0011] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления предоставлено устройство связи с двухсекторной фазированной решеткой massive MIMO в пространстве лучей (beam-space massive MIMO). Устройство связи включает в себя двумерную фазированную антенную решетку, например, имеющую N наборов по N антенных элементов в каждом, всего N2 элементов. Могут быть предусмотрены несколько панелей, каждая из которых имеет такую фазированную антенную решетку. Для простоты представления решетку можно описать как имеющую N рядов и N столбцов. N может быть равно, например, 8 или 16. Кроме того, предусмотрено множество сетей формирователей лучей, соединенных с элементами решетки. Сети формирователей лучей вместе образуют часть решеток формирователей лучей. Каждая сеть формирователей лучей может быть реализована с использованием аналоговой радиочастотной (radiofrequency, RF) схемы и может работать в фиксированной конфигурации. Каждая сеть формирователей лучей может быть выполнена с возможностью создания N ортогональных лучей, разные из которых направлены в разных (например, азимутальных) направлениях. Подмножество M <N таких лучей может быть выбрано и использовано для связи. Наборы из двух или более антенных решеток (как описано выше) могут работать вместе для создания множества по существу ортогональных удлиненных групп лучей. Несколько наборов антенных решеток могут работать вместе, используя дополнительный активный формирователь луча. Пары или более антенных решеток могут работать вместе для создания меньших следящих лучей путем объединения лучей из заданной группы или лучей из нескольких совместно направленных групп. Следящие лучи могут управляться в заданном направлении (например, по углу места). В различных вариантах осуществления управление и отслеживание луча вдоль главной оси удлиненных лучей может быть реализовано с использованием линейной массивной обработки MIMO.[0011] According to additional or any previous embodiments, a communication device with a two-sector phased array massive MIMO in beam-space massive MIMO is provided. The communication device includes a two-dimensional phased antenna array, for example, having N sets of N antenna elements each, for a total of N 2 elements. Several panels may be provided, each of which has such a phased antenna array. For ease of presentation, the array can be described as having N rows and N columns. N can be equal to, for example, 8 or 16. In addition, a plurality of beamformer networks are provided, connected to the array elements. The beamformer networks together form part of the beamformer arrays. Each beamformer network can be implemented using an analog radio frequency (RF) circuit and can operate in a fixed configuration. Each network of beamformers may be configured to create N orthogonal beams, different of which are directed in different (e.g., azimuthal) directions. A subset M < N of such beams may be selected and used for communication. Sets of two or more antenna arrays (as described above) may operate together to create a plurality of substantially orthogonal extended beam groups. Several sets of antenna arrays may operate together using an additional active beamformer. Pairs or more antenna arrays may operate together to create smaller tracking beams by combining beams from a given group or beams from several jointly directed groups. The tracking beams may be steered in a given direction (e.g., in elevation). In various embodiments, beam steering and tracking along the main axis of the extended beams may be implemented using linear massive MIMO processing.
[0012] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления решетка формирователей лучей включает в себя N сетей формирователей лучей, а также множество (например, N/2 рядов) гибридных ответвителей, где N - количество рядов антенных элементов в решетке. Каждая сеть формирователей лучей может представлять собой матрицу Батлера или аналогичный формирователь луча. В таких вариантах осуществления каждая сеть формирователей лучей может иметь N лучевых портов и N антенных портов, которые функционально соединены с соответствующим рядом антенных элементов фазированной решетки. N сетей формирователей лучей могут быть реализованы параллельно, каждая из которых соединена с разными рядами антенных элементов. Пары сетей формирователей лучей могут быть соединены вместе с помощью рядов гибридных ответвителей и работать вместе для создания N лучей, направленных вперед, и N лучей, направленных назад, в двухсекторном режиме.[0012] According to additional or any previous embodiments, the beamformer array includes N beamformer networks and a plurality (e.g., N/2 rows) of hybrid couplers, where N is the number of rows of antenna elements in the array. Each beamformer network may be a Butler matrix or similar beamformer. In such embodiments, each beamformer network may have N beam ports and N antenna ports that are operatively connected to a corresponding row of antenna elements of a phased array. The N beamformer networks may be implemented in parallel, each of which is connected to different rows of antenna elements. Pairs of beamformer networks may be connected together via rows of hybrid couplers and operate together to create N forward beams and N backward beams in a two-sector mode.
[0013] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления решетка формирователей лучей включает в себя N/2 настроенных сетей формирователей лучей, где N представляет собой количество рядов антенных элементов в решетке. Каждая сеть формирователей лучей соединена с двумя (например, соседними) рядами антенных элементов. Каждая сеть формирователей лучей включает в себя множество лучевых портов, количество которых меньше общего количества антенных элементов (и соответствующих антенных портов) в двух рядах. Например, количество лучевых портов может составлять примерно четверть общего количества портов антенны. Сети формирователей лучей данной решетки могут быть одинаковыми или по существу идентичными. Однако могут быть предусмотрены и использованы две разные конфигурации сетей формирователей лучей (например, с разными настройками фазовращателя) в двух разных дополнительных антенных решетках, чтобы создавать разные наборы лучей, подлежащих чередованию вместе. В таких вариантах осуществления также можно использовать гибридные ответвители, сконфигурированные и работающие для формирования направленных вперед и назад (двухсекторных) лучей.[0013] According to additional or any previous embodiments, the beamformer array includes N/2 tuned beamformer networks, where N is the number of rows of antenna elements in the array. Each beamformer network is connected to two (e.g., adjacent) rows of antenna elements. Each beamformer network includes a plurality of beam ports, the number of which is less than the total number of antenna elements (and corresponding antenna ports) in the two rows. For example, the number of beam ports can be approximately a quarter of the total number of antenna ports. The beamformer networks of a given array can be the same or substantially identical. However, two different configurations of beamformer networks (e.g., with different phase shifter settings) can be provided and used in two different additional antenna arrays to create different sets of beams to be interleaved together. In such embodiments, hybrid couplers configured and operative to form forward and backward (bi-sector) beams may also be used.
[0014] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления предусмотрено устройство связи, выполненное с возможностью создания (по меньшей мере) двух ортогональных и независимо управляемых двухсекторных лучей. Лучи являются двухсекторными в том смысле, что один из лучей направлен к передней части данной области, а другой из лучей направлен к задней части той же самой данной области. Два луча могут перекрываться в том смысле, что передняя и задняя части могут перекрываться. В некоторых вариантах осуществления двухсекторные лучи создаются с использованием гибридных ответвителей, как описано выше. Гибридные ответвители могут представлять собой гибридные ответвители под углом 90°. В формирователях луча также можно использовать произвольные спады амплитуды и фазы. Два двухсекторных луча могут иметь углы предварительного наклона вперед и назад, равные 30°, соответственно, на рабочей частоте. Углы предварительного наклона относятся к оси, которая перпендикулярна плоскости решетки. Это представляет собой эффективное расстояние между элементами на полуволне. В некоторых вариантах осуществления каждый из двух двухсекторных лучей может управляться от 0° до 45° с эффективностью излучения по меньшей мере 85%. Покрытие в направлениях, угловых близких к оси, перпендикулярной плоскости решетки, в пределах ширины луча половинной мощности (HPBW) может быть достигнуто с использованием комбинации двух лучей.[0014] According to additional or any previous embodiments, a communication device is provided, configured to create (at least) two orthogonal and independently controllable dual-sector beams. The beams are dual-sector in the sense that one of the beams is directed toward the front of a given region, and the other of the beams is directed toward the back of the same given region. The two beams may overlap in the sense that the front and back may overlap. In some embodiments, the dual-sector beams are created using hybrid couplers, as described above. The hybrid couplers may be 90° hybrid couplers. Arbitrary amplitude and phase roll-offs may also be used in the beam formers. The two dual-sector beams may have forward and backward pre-tilt angles of 30°, respectively, at the operating frequency. The pre-tilt angles are relative to an axis that is perpendicular to the plane of the array. This is the effective spacing between elements on a half-wave. In some embodiments, each of the two two-sector beams can be controlled from 0° to 45° with a radiation efficiency of at least 85%. Coverage in directions angularly close to the axis perpendicular to the plane of the array, within the half-power beam width (HPBW) can be achieved using a combination of two beams.
[0015] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления предложено устройство связи, которое включает в себя две независимые Nx2N (например, N=8) ортогональные сети формирования лучей, имеющие низкие боковые лепестки и низкий коэффициент взаимодействия лучей (beam coupling factor, BCF).[0015] According to additional or any previous embodiments, a communication device is provided that includes two independent Nx2N (e.g., N=8) orthogonal beamforming networks having low sidelobes and a low beam coupling factor (BCF).
[0016] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления предусмотрен упрощенный прекодер информации о состоянии канала (CSI) на основе параметрических параметров и связанный с ним способ, который использует направление поступления сигналов от целевых устройств для обработки massive MIMO.[0016] According to additional or any previous embodiments, a simplified channel state information (CSI) precoder based on parametric parameters and an associated method are provided that utilize the direction of arrival of signals from target devices for processing massive MIMO.
[0017] Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения предложено устройство беспроводной связи. Устройство включает в себя первую и вторую отдельные двумерные решетки, каждая из которых имеет множество антенных элементов, а также первую и вторую решетки формирователей лучей (например, фиксированные аналоговые решетки). Первая решетка формирователей лучей функционально соединена с первой антенной решеткой и выполнена с возможностью формирования первого множества лучей путем работы первой антенной решетки как фазированной решетки. Первое множество лучей разделяется на множество разнесенных групп лучей, например, разнесенных в азимутальном направлении. Аналогично, вторая решетка формирователей лучей функционально соединена со второй антенной решеткой и выполнена с возможностью формирования второго множества лучей путем работы второй антенной решетки в качестве второй фазированной решетки. Второе множество лучей разделяется на множество дополнительных разнесенных групп лучей, которые чередуются с множеством разнесенных групп лучей из первой решетки. Каждая группа лучей обычно включает в себя соответствующее множество перекрывающихся лучей, которыми можно управлять вместе для дальнейшего формирования луча. В различных вариантах осуществления каждая решетка формирователей лучей включает в себя множество сетей формирователей лучей, расположенных параллельно. В таких вариантах осуществления решетка формирователей лучей выполнена с возможностью обеспечения набора лучевых портов. Каждый из лучевых портов функционально соединен через одну из сетей формирователей лучей или через соединенную пару сетей формирователей лучей с парой соседних рядов антенных элементов.[0017] According to embodiments of the present invention, a wireless communication device is proposed. The device includes first and second separate two-dimensional arrays, each of which has a plurality of antenna elements, as well as first and second arrays of beam formers (e.g., fixed analog arrays). The first array of beam formers is operatively connected to the first antenna array and is configured to form a first plurality of beams by operating the first antenna array as a phased array. The first plurality of beams are divided into a plurality of spaced groups of beams, for example, spaced in the azimuthal direction. Similarly, the second array of beam formers is operatively connected to the second antenna array and is configured to form a second plurality of beams by operating the second antenna array as a second phased array. The second plurality of beams are divided into a plurality of additional spaced groups of beams, which alternate with the plurality of spaced groups of beams from the first array. Each group of beams typically includes a corresponding plurality of overlapping beams that can be controlled together for further beam formation. In various embodiments, each array of beam formers includes a plurality of networks of beam formers arranged in parallel. In such embodiments, the array of beam formers is configured to provide a set of beam ports. Each of the beam ports is operatively connected through one of the networks of beam formers or through a connected pair of networks of beam formers to a pair of adjacent rows of antenna elements.
[0018] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления каждая из сетей формирователей лучей соединена с другим соответствующим рядом антенных элементов, и каждая решетка формирователей лучей включает в себя один или более рядов гибридных ответвителей. Каждый ряд гибридных ответвителей соединен с соответствующей парой из множества сетей формирователей лучей, при этом упомянутые лучевые порты являются портами гибридных ответвителей. В некоторых дополнительных вариантах осуществления разные гибридные ответвители управляют лучами в разных группах лучей, и каждый гибридный ответвитель содержит пару портов. Каждый из пары портов управляет разными двухсекторными лучами в одной и той же группе лучей.[0018] According to additional or any previous embodiments, each of the beamformer networks is connected to another corresponding row of antenna elements, and each beamformer array includes one or more rows of hybrid couplers. Each row of hybrid couplers is connected to a corresponding pair of the plurality of beamformer networks, wherein said beam ports are ports of hybrid couplers. In some additional embodiments, different hybrid couplers control beams in different beam groups, and each hybrid coupler comprises a pair of ports. Each of the pair of ports controls different two-sector beams in the same beam group.
[0019] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления каждая из сетей формирователей лучей соединена с другой соответствующей парой соседних рядов упомянутых антенных элементов и включает в себя подмножество набора лучевых портов. Количество лучевых портов в подмножестве меньше количества антенных элементов в упомянутой паре соседних рядов. В дополнительных вариантах осуществления каждая из сетей формирователей лучей включает в себя множество гибридных ответвителей, расположенных в последовательно-параллельной конфигурации, множество делителей мощности, каждый из которых соединен с парой антенных элементов, содержащих по одному антенному элементу в каждой из упомянутой пары соседних рядов, и множество фазовращателей, по меньшей мере некоторые из фазовращателей расположены между упомянутыми делителями мощности и упомянутыми антенными элементами.[0019] According to additional or any previous embodiments, each of the beamformer networks is connected to another respective pair of adjacent rows of said antenna elements and includes a subset of the set of beam ports. The number of beam ports in the subset is less than the number of antenna elements in said pair of adjacent rows. In additional embodiments, each of the beamformer networks includes a plurality of hybrid couplers arranged in a series-parallel configuration, a plurality of power dividers, each of which is connected to a pair of antenna elements comprising one antenna element in each of said pair of adjacent rows, and a plurality of phase shifters, at least some of the phase shifters are located between said power dividers and said antenna elements.
[0020] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления, в частности, в сочетании со случаем, когда каждая сеть формирователей лучей соединена с другой соответствующей парой соседних рядов упомянутых антенных элементов, множество антенных элементов и множество дополнительных элементов, соответственно, скомпонованы с расстояние между элементами меньше или равно половине рабочей длины волны, чтобы обеспечить решетку с малым шагом.[0020] According to further or any previous embodiments, in particular in combination with the case where each network of beam formers is connected to another respective pair of adjacent rows of said antenna elements, the plurality of antenna elements and the plurality of further elements are respectively arranged with a distance between the elements less than or equal to half the operating wavelength, so as to provide a fine pitch array.
[0021] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления каждая группа лучей состоит из отдельных лучей, которые в совокупности имеют соответствующее объединенное поперечное сечение, вытянутое в первом (например, по углу места) направлении, и различные группы лучей выровнены друг напротив друга в второе (например, азимутальное) направление, которое перпендикулярно первому направлению. В некоторых дополнительных вариантах осуществления устройство устанавливается на спутнике, который движется относительно Земли, и первое направление ориентировано так, что каждое соответствующее объединенное поперечное сечение представляет собой часть поверхности Земли, вытянутую параллельно направлению движения спутника. В некоторых вариантах осуществления каждая группа лучей представляет собой двухсекторную группу лучей, включающую в себя один, два или более передних лучей и один, два или более задних лучей. Передние лучи вместе образуют первую часть упомянутого объединенного поперечного сечения. Первая часть расположена ближе к первому концу объединенного поперечного сечения. Задние лучи вместе составляют вторую часть объединенного поперечного сечения. Вторая часть расположена ближе ко второму концу объединенного поперечного сечения. Первый конец и второй конец расположены напротив друг друга в первом направлении, и первая часть и вторая часть могут (частично) перекрываться или, альтернативно, не перекрываться. Передние лучи могут быть ортогональны задним лучам. Передние лучи могут быть направлены под другим углом относительно задних лучей.[0021] According to additional or any previous embodiments, each beam group consists of individual beams that together have a corresponding combined cross-section extended in a first (e.g., elevation) direction, and different beam groups are aligned opposite to each other in a second (e.g., azimuthal) direction that is perpendicular to the first direction. In some additional embodiments, the device is mounted on a satellite that moves relative to the Earth, and the first direction is oriented so that each corresponding combined cross-section is a portion of the Earth's surface extended parallel to the direction of motion of the satellite. In some embodiments, each beam group is a two-sector beam group that includes one, two or more forward beams and one, two or more rear beams. The forward beams together form a first portion of said combined cross-section. The first portion is located closer to the first end of the combined cross-section. The rear beams together form a second portion of the combined cross-section. The second portion is located closer to the second end of the combined cross-section. The first end and the second end are located opposite each other in the first direction, and the first part and the second part may (partially) overlap or, alternatively, not overlap. The front rays may be orthogonal to the back rays. The front rays may be directed at a different angle relative to the back rays.
[0022] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления предусмотрен активный формирователь луча, например, как часть устройства, описанного выше. Активный формирователь луча может быть функционально соединен с первой решеткой формирователей лучей. Активный формирователь луча выполнен с возможностью формировать с использованием цифрового предварительного кодирования один или более следящих лучей, по меньшей мере частично, путем объединения нескольких лучей, принадлежащих одной из групп лучей, из множества разнесенных групп лучей. В некоторых дополнительных вариантах осуществления каждая группа лучей состоит из отдельных лучей, которые вместе имеют соответствующее объединенное поперечное сечение, вытянутое в первом направлении, а активный формирователь луча выполнен с возможностью управления следящими лучами в первом направлении. В некоторых дополнительных вариантах осуществления устройство включает в себя, в дополнение к первой и второй решеткам, одну или более дополнительных антенных решеток и одну или более дополнительных решеток формирователей лучей, каждая из которых функционально соединена с соответствующей одной из дополнительных антенных решеток. Каждая из дополнительных решеток формирователей лучей выполнена с возможностью создания дополнительных копий первого множества лучей путем работы соответствующей одной из дополнительных антенных решеток в качестве дополнительной фазированной решетки. Каждая из этих дополнительных копий перекрывается с первым множеством лучей. В таких вариантах осуществления активный формирователь луча дополнительно функционально соединен с каждой из дополнительных решеток формирователей лучей, и активный формирователь луча выполнен с возможностью формирования упомянутого одного или более следящих лучей дополнительно путем объединения упомянутого множества лучей с одним или более дополнительными лучами, принадлежащими упомянутым дополнительным копиям первого множества лучей.[0022] According to additional or any previous embodiments, an active beam former is provided, for example as part of the device described above. The active beam former can be operatively connected to a first array of beam formers. The active beam former is configured to form, using digital pre-coding, one or more tracking beams, at least in part, by combining several beams belonging to one of the beam groups, from a plurality of spaced beam groups. In some additional embodiments, each beam group consists of individual beams that together have a corresponding combined cross-section elongated in a first direction, and the active beam former is configured to steer the tracking beams in the first direction. In some additional embodiments, the device includes, in addition to the first and second arrays, one or more additional antenna arrays and one or more additional beam former arrays, each of which is operatively connected to a corresponding one of the additional antenna arrays. Each of the additional beamformer arrays is configured to create additional copies of the first plurality of beams by operating a corresponding one of the additional antenna arrays as an additional phased array. Each of these additional copies overlaps with the first plurality of beams. In such embodiments, the active beamformer is additionally operatively connected to each of the additional beamformer arrays, and the active beamformer is configured to form said one or more tracking beams additionally by combining said plurality of beams with one or more additional beams belonging to said additional copies of the first plurality of beams.
[0023] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления каждая группа лучей состоит из отдельных лучей, которые в совокупности имеют соответствующее объединенное поперечное сечение, вытянутое в первом направлении. Различные группы лучей выровнены рядом друг с другом во втором направлении, которое перпендикулярно первому направлению. Кроме того, ряды антенных элементов проходят параллельно друг другу во втором направлении и разнесены в первом направлении.[0023] According to additional or any previous embodiments, each group of beams consists of individual beams that collectively have a corresponding combined cross-section that is elongated in the first direction. Different groups of beams are aligned next to each other in a second direction that is perpendicular to the first direction. In addition, the rows of antenna elements extend parallel to each other in the second direction and are spaced apart in the first direction.
[0024] В соответствии с дополнительными или любыми предыдущими вариантами осуществления предусмотрен средство оценки состояния канала, например (но не обязательно), как часть устройства, описанного выше. Средство оценки состояния канала выполнено с возможностью оценивать состояние канала беспроводной связи преимущественно в пределах прямой видимости между главным устройством и удаленным устройством беспроводной связи. Оценка основана на направлении прибытия сигнала, передаваемого удаленным устройством беспроводной связи. Оценка дополнительно основана на геометрии антенной решетки (например, первой антенной решетки и второй антенной решетки) с использованием статистической информации о состоянии канала и параметрической модели канала. В некоторых вариантах осуществления, когда средство оценки состояния канала образует часть вышеописанного устройства, группы лучей ортогональны друг другу, и оценка состояния канала беспроводной связи включает в себя выполнение множества отдельных операций линейного предварительного кодирования.[0024] According to additional or any previous embodiments, a channel state estimator is provided, for example (but not necessarily) as part of the device described above. The channel state estimator is configured to estimate the state of the wireless communication channel primarily within the line of sight between the host device and the remote wireless communication device. The estimation is based on the direction of arrival of the signal transmitted by the remote wireless communication device. The estimation is further based on the geometry of the antenna array (for example, the first antenna array and the second antenna array) using statistical information about the channel state and a parametric channel model. In some embodiments, when the channel state estimator forms part of the above-described device, the beam groups are orthogonal to each other, and estimating the state of the wireless communication channel includes performing a plurality of separate linear precoding operations.
[0025] Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения предложена система, которая включает в себя два или более устройств, включая одно или более устройств, как описано выше, одно или более целевых устройств или их комбинацию.[0025] According to embodiments of the present invention, a system is provided that includes two or more devices, including one or more devices as described above, one or more target devices, or a combination thereof.
[0026] Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения предложен способ беспроводной связи, который включает в себя работу устройства или системы, как описано выше или где-либо еще в настоящем документе.[0026] According to embodiments of the present invention, a method of wireless communication is provided that includes operating a device or system as described above or elsewhere herein.
[0027] Варианты осуществления были описаны выше в связи с аспектами настоящего изобретения, на которых они могут быть реализованы. Специалистам в данной области техники будет понятно, что варианты осуществления могут быть реализованы в сочетании с аспектом, для которого они описаны, но также могут быть реализованы и с другими вариантами осуществления этого аспекта. Когда варианты осуществления являются взаимоисключающими или иным образом несовместимы друг с другом, это будет очевидно специалистам в данной области техники. Некоторые варианты осуществления могут быть описаны в отношении одного аспекта, но могут также быть применимы и к другим аспектам, как будет очевидно специалистам в данной области техники.[0027] The embodiments have been described above in connection with the aspects of the present invention on which they can be implemented. Those skilled in the art will understand that the embodiments can be implemented in combination with the aspect for which they are described, but can also be implemented with other embodiments of this aspect. When embodiments are mutually exclusive or otherwise incompatible with each other, this will be apparent to those skilled in the art. Some embodiments may be described with respect to one aspect, but may also be applicable to other aspects, as will be apparent to those skilled in the art.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
[0028] Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего подробного описания, взятого в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:[0028] Additional features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
[0029] Фиг. 1a иллюстрирует управляемую двухсекторную (N×N) решетку massive-MIMO в пространстве лучей согласно варианту осуществления.[0029] Fig. 1a illustrates a steerable two-sector (N×N) massive-MIMO array in beam space according to an embodiment.
[0030] Фиг. 1b иллюстрирует управляемую двухсекторную (N×N) решетку massive-MIMO в пространстве лучей согласно другому варианту осуществления.[0030] Fig. 1b illustrates a steerable two-sector (N×N) massive-MIMO array in beam space according to another embodiment.
[0031] Фиг. 2 представляет собой график, показывающий типичные диаграммы направленности ортогональных лучей, созданных с помощью матрицы Батлера, согласно варианту осуществления.[0031] Fig. 2 is a graph showing typical orthogonal beam patterns created using a Butler matrix, according to an embodiment.
[0032] Фиг. 3 представляет собой график, показывающий диаграммы направленности составных лучей путем наложения N×N ортогональных лучей Батлера согласно варианту осуществления.[0032] Fig. 3 is a graph showing composite beam patterns by superimposing N×N orthogonal Butler beams according to an embodiment.
[0033] Фиг. 4 представляет собой график, показывающий диаграммы направленности первой ортогональной составной фазированной в пространстве лучей решетки, называемой здесь решеткой A, согласно варианту осуществления.[0033] Fig. 4 is a graph showing the radiation patterns of a first orthogonal composite spatially phased array, referred to herein as array A, according to an embodiment.
[0034] Фиг. 5 представляет собой график, показывающий диаграммы направленности второй ортогональной составной фазированной в пространстве лучей решетки, называемой здесь решеткой B, согласно варианту осуществления.[0034] Fig. 5 is a graph showing the radiation patterns of a second orthogonal composite spatially phased array, referred to herein as array B, according to an embodiment.
[0035] Фиг. 6a иллюстрирует ортогональный аналоговый формирователь луча 8x16 для варианта осуществления фазированной решетки A.[0035] Fig. 6a illustrates an 8x16 orthogonal analog beamformer for phased array embodiment A.
[0036] Фиг. 6b представляет собой таблицу, показывающую значения фазового сдвига для различных фазовращателей по фиг. 6a.[0036] Fig. 6b is a table showing the phase shift values for the various phase shifters of Fig. 6a.
[0037] Фиг. 7a иллюстрирует ортогональный аналоговый формирователь луча 8x16 для варианта осуществления фазированной решетки B.[0037] Fig. 7a illustrates an 8x16 orthogonal analog beamformer for phased array embodiment B.
[0038] Фиг. 7b представляет собой таблицу, показывающую значения фазового сдвига для различных фазовращателей по фиг. 7a.[0038] Fig. 7b is a table showing the phase shift values for the various phase shifters of Fig. 7a.
[0039] Фиг. 8a представляет собой график, показывающий 12 из 16 ортогональных лучей, имеющих низкий коэффициент взаимодействия лучей, для фазированной решетки, объединяющей фазированную решетку A и фазированную решетку B (A+B), для покрытия до ± 40 градусов вдоль азимутальной оси Az, согласно варианту осуществления.[0039] Fig. 8a is a graph showing 12 of 16 orthogonal beams having a low beam interaction coefficient for a phased array combining phased array A and phased array B (A+B) for coverage of up to ±40 degrees along the azimuthal axis Az, according to an embodiment.
[0040] Фиг. 8b представляет собой таблицу, показывающую эффективный спад амплитуды и фазы возбуждения для сети формирования лучей 8x16 согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 8a, где лучи обозначены L1-L6.[0040] Fig. 8b is a table showing the effective amplitude and phase roll-off of the excitation for an 8x16 beamforming network according to the embodiment shown in Fig. 8a, where the beams are designated L1-L6.
[0041] Фиг. 8c представляет собой таблицу, показывающую эффективный спад амплитуды и фазы возбуждения для сети формирования лучей 8x16 согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 8a, где лучи обозначены R1-R6.[0041] Fig. 8c is a table showing the effective amplitude and phase roll-off of the excitation for an 8x16 beamforming network according to the embodiment shown in Fig. 8a, where the beams are designated R1-R6.
[0042] Фиг. 9 иллюстрирует общую систему координат для двумерной фазированной решетки massive MIMO согласно варианту осуществления.[0042] Fig. 9 illustrates a general coordinate system for a two-dimensional massive MIMO phased array according to an embodiment.
[0043] Фиг. 10 представляет собой концептуальное изображение низкоорбитальной massive-MIMO-решетки VHTS согласно варианту осуществления.[0043] Fig. 10 is a conceptual illustration of a low-orbit massive-MIMO VHTS array according to an embodiment.
[0044] Фиг. 11 иллюстрирует двухпанельную ортогональную фазированную решетку с massive-MIMO в пространстве лучей согласно варианту осуществления.[0044] Fig. 11 illustrates a two-panel orthogonal phased array with massive-MIMO in beam space according to an embodiment.
[0045] Фиг. 12 представляет собой график, показывающий переднюю диаграмму направленности и обратную диаграмму направленности, полученную в результате 90-градусного гибрида, эффективно разделившего диаграмму направленности одного элемента на двухсекторные ортогональные лучи.[0045] Fig. 12 is a graph showing the forward radiation pattern and the backward radiation pattern resulting from a 90 degree hybrid that effectively splits the radiation pattern of one element into two sector orthogonal beams.
[0046] Фиг. 13 представляет собой график, показывающий решеточные диаграммы направленности выходных сигналов двухсекторных ортогональных управляемых лучей в диапазоне ± 45° в плоскости угла места, за исключением углов, близких к углу места 0°, согласно варианту осуществления.[0046] Fig. 13 is a graph showing the array patterns of the output signals of two-sector orthogonal steerable beams over a range of ±45° in the elevation plane, except for angles close to 0° elevation, according to an embodiment.
[0047] Фиг. 14 представляет собой график, показывающий объединенную диаграмму направленности для двух двухсекторных управляемых лучей вблизи угла места 0°, согласно варианту осуществления, в котором низкоорбитальный спутник работает на частоте 30 ГГц на высоте 350 км.[0047] Fig. 14 is a graph showing a combined radiation pattern for two dual-sector steerable beams near an elevation angle of 0°, according to an embodiment in which the low-orbit satellite operates at 30 GHz at an altitude of 350 km.
[0048] Фиг. 15a представляет собой таблицу, показывающую данные производительности m-MIMO для пилот-сигнала с использованием двух решеточных панелей площадью 320 кв. мм согласно варианту осуществления.[0048] Fig. 15a is a table showing m-MIMO performance data for a pilot signal using two 320 mm2 grating panels according to an embodiment.
[0049] Фиг. 15b представляет собой таблицу, показывающую фактические данные производительности m-MIMO для пилот-сигнала с использованием 2 решеточных панелей площадью 320 кв. мм, где обработка m-MIMO имеет более широкую полосу пропускания и большее количество решеточных панелей, например 2x5, согласно варианту осуществления.[0049] Fig. 15b is a table showing actual m-MIMO performance data for a pilot signal using 2 grating panels of 320 mm2, where m-MIMO processing has a wider bandwidth and a larger number of grating panels, such as 2x5, according to an embodiment.
[0050] Следует отметить, что на всех прилагаемых чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позиционными обозначениями.[0050] It should be noted that in all the accompanying drawings, the same elements are designated by the same reference designations.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕDETAILED DESCRIPTION
[0051] Используемый здесь термин «приблизительно»/«около» следует понимать как включающий отклонение от номинального значения, например, отклонение +/-10% от номинального значения. Следует понимать, что такое изменение всегда включено в данное значение, представленное здесь, независимо от того, упоминается оно конкретно или нет.[0051] The term "approximately"/"about" as used herein shall be understood to include a deviation from the nominal value, such as a deviation of +/- 10% from the nominal value. It shall be understood that such a variation is always included in the value presented herein, whether or not it is specifically mentioned.
[0052] Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают способы и устройство, относящиеся к фазированной антенной решетке massive MIMO в пространстве лучей. Фазированная решетка может иметь высокий коэффициент усиления и быть управляемой. Технология massive MIMO ранее не применялась для спутниковой связи. Это происходит, например, из-за больших расстояний передачи (и больших задержек) и высоких потерь при передаче. Такие факторы затрудняют получение обратной связи CSI для использования при оценке канала, которая обычно используется в системах MIMO. Варианты осуществления настоящего изобретения включают использование большой фазированной решетки с использованием обработки massive-MIMO для связи на большие расстояния с использованием комбинации аналогового и цифрового предварительного кодирования. Потенциально это приводит к более сильным пилот-сигналам для обработки CSI и значительному упрощению обработки CSI. Упрощение может включать в себя сокращение операции двумерного цифрового предварительного кодирования до комбинации отдельных, более простых операций линейной обработки. Это может быть особенно хорошо подходит для применения в низкоорбитальной спутниковой связи с высокой пропускной способностью (HTS).[0052] Embodiments of the present invention provide methods and apparatus related to a massive MIMO phased array antenna in beam space. The phased array may have a high gain and be steerable. Massive MIMO technology has not been previously applied to satellite communications. This is due, for example, to the long transmission distances (and long delays) and high transmission losses. Such factors make it difficult to obtain CSI feedback for use in channel estimation, which is typically used in MIMO systems. Embodiments of the present invention include using a large phased array using massive-MIMO processing for long-range communications using a combination of analog and digital precoding. This potentially results in stronger pilot signals for CSI processing and a significant simplification of CSI processing. The simplification may include reducing the two-dimensional digital precoding operation to a combination of separate, simpler linear processing operations. This may be particularly well suited for use in low-orbit high-throughput satellite (HTS) communications.
[0053] Фиг. 1a иллюстрирует одиночную антенную решетку 102, предусмотренную в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Это можно назвать М-управляемой двухсекторной (N×N) решеткой massive-MIMO. Проиллюстрированная антенная решетка применима, например, в однополяризованном применении, например, с использованием однополяризованных антенн (излучателей). Однако следует понимать, что настоящее изобретение может быть легко расширено до применения с двойной поляризацией путем использования излучателей с двойной поляризацией. Антенная решетка представляет собой двумерную решетку, имеющую множество элементов 110, например, расположенных в N рядах (например, ряд 105) по N излучателей в каждом. В целях пояснения и в различных вариантах осуществления настоящего изобретения каждый ряд (вертикально ориентированный на фиг. 1a) проходит в азимутальном направлении, и ряды параллельны друг другу и разнесены в направлении угла места. Однако следует понимать, что могут использоваться и другие направления и ориентации. Антенная решетка может представлять собой плоскую решетку или решетка может быть расположена на изогнутой поверхности. В ходе работы может быть сформировано пространство лучей из М (из возможных N) ортогональных лучей (или групп лучей), причем каждый из М лучей направлен по-разному в азимутальном направлении. В проиллюстрированном здесь варианте осуществления эти лучи или группы лучей создаются частично с использованием множества сетей 120 формирователей лучей, каждая из которых имеет N антенных портов и N лучевых портов (называемых N×N формирователями лучей). Хотя доступны N лучевых портов, что подразумевает N лучей, в различных вариантах осуществления используются только M<N лучей, причем число M выбирается, например, на основе требований к углу сканирования в азимутальном направлении.[0053] Fig. 1a illustrates a single antenna array 102 provided in accordance with an embodiment of the present invention. This may be referred to as an M-steered dual-sector (N×N) massive-MIMO array. The illustrated antenna array is applicable, for example, in a single-polarized application, for example, using single-polarized antennas (radiators). However, it should be understood that the present invention can be easily extended to a dual-polarized application by using dual-polarized radiators. The antenna array is a two-dimensional array having a plurality of elements 110, for example, arranged in N rows (for example, row 105) with N radiators in each. For purposes of explanation and in various embodiments of the present invention, each row (vertically oriented in Fig. 1a) extends in the azimuthal direction, and the rows are parallel to each other and spaced apart in the elevation direction. However, it should be understood that other directions and orientations may also be used. The antenna array may be a flat array or the array may be located on a curved surface. In operation, a beam space may be formed from M (out of possible N) orthogonal beams (or beam groups), where each of the M beams is directed differently in the azimuthal direction. In the embodiment illustrated here, these beams or beam groups are created in part using a plurality of beamformer networks 120, each of which has N antenna ports and N beam ports (called N×N beamformers). Although N beam ports are available, which implies N beams, in various embodiments only M<N beams are used, where the number M is selected, for example, based on the requirements for the scan angle in the azimuthal direction.
[0054] Согласно различным вариантам осуществления, расстояние между элементами антенной решетки 102, а также расстояние между элементами других антенных решеток устройства меньше или равно половине рабочей длины волны антенной решетки. По существу, антенная решетка может представлять собой решетку с малым шагом. Решетка также может быть выполнена в виде нерезонансной решетки. Такие варианты осуществления особенно полезны, например, при реализации сетей формирователей лучей, показанных на фиг. 6a и 7a.[0054] According to various embodiments, the distance between the elements of the antenna array 102, as well as the distance between the elements of other antenna arrays of the device, is less than or equal to half the operating wavelength of the antenna array. In essence, the antenna array can be a fine-pitch array. The array can also be implemented as a non-resonant array. Such embodiments are particularly useful, for example, when implementing the beamformer networks shown in Figs. 6a and 7a.
[0055] Расстояние между элементами, меньшее или равное половине длины волны, обычно приводит к высокой взаимной связи между антенными элементами. Фазированная решетка с сильной связью спроектирована и эксплуатируется с учетом такой высокой взаимной связи. Примером является сильносвязанная дипольная решетка (Tightly Coupled Dipole Array, TCDA), которая недавно была представлена в литературе. См., например, J.T.Logan, R.W. Kindt, M.Y.Lee, M.N. Vouvakis, "A new class of planar ultrawideband modular antenna arrays with improved bandwidth,"IEEE Trans. On Antennas and Prop., vol. 66, no.2, Feb. 2018, pp.692-701, а также J.J.H. Wang, "Traveling-wave antenna array (TWAA) with multioctave scan-gain-banwdith," 2016 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology (PAST), 2016.[0055] An element spacing less than or equal to half a wavelength typically results in high mutual coupling between the antenna elements. A tightly coupled phased array is designed and operated taking into account such high mutual coupling. An example is the tightly coupled dipole array (TCDA), which has been recently presented in the literature. See, for example, J.T. Logan, R.W. Kindt, M.Y. Lee, M.N. Vouvakis, "A new class of planar ultrawideband modular antenna arrays with improved bandwidth," IEEE Trans. On Antennas and Prop., vol. 66, no. 2, Feb. 2018, pp. 692–701, and J.J.H. Wang, "Traveling-wave antenna array (TWAA) with multioctave scan-gain-banwdith," 2016 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology (PAST), 2016.
[0056] Типичная фазированная решетка спроектирована с использованием независимо резонирующих излучателей. Эти излучатели резонируют в определенных диапазонах частот или являются узкополосными резонаторами. В сильносвязанной фазированной решетке вся решетка работает по существу унитарно. Однако каждый излучатель не обязательно работает как резонатор в рабочем диапазоне частот.[0056] A typical phased array is designed using independently resonating radiators. These radiators resonate in specific frequency ranges or are narrow-band resonators. In a tightly coupled phased array, the entire array operates essentially unitarily. However, each radiator does not necessarily operate as a resonator in the operating frequency range.
[0057] Более подробно, каждая сеть 120 формирователей лучей соединена с другим соответствующим набором (например, рядом или парой рядов с малым шагом) из N антенных элементов 110 одной и той же антенной решетки 102. Сети формирователей лучей могут представлять собой матрицы Батлера или структуры, подобные матрицам Батлера. В альтернативном варианте осуществления сети используются формирователей лучей, как описано со ссылкой на фиг. 6a и 7a. В таких случаях также могут быть включены гибридные ответвители 155, которые можно использовать для формирования двухсекторных лучей, например, в направлении угла места. Такие варианты осуществления описаны более подробно в других местах настоящего документа.[0057] In more detail, each network 120 of beamformers is connected to another corresponding set (e.g., a row or a pair of rows with a small pitch) of N antenna elements 110 of the same antenna array 102. The networks of beamformers may be Butler matrices or structures similar to Butler matrices. In an alternative embodiment, the networks use beamformers as described with reference to Figs. 6a and 7a. In such cases, hybrid couplers 155 may also be included, which can be used to form two-sector beams, for example, in the direction of the elevation angle. Such embodiments are described in more detail elsewhere in this document.
[0058] Сети формирователей лучей обычно конструируются с использованием аналоговых компонентов и имеют фиксированное поведение, например, с фазовыми сдвигами, которые по существу неконтролируемы или, по меньшей мере, могут контролироваться только при калибровке. Сети формирователей лучей могут использовать, например, делители/объединители мощности, фазовращатели и гибридные ответвители. Поскольку компоненты сети формирователей лучей фиксированы, т.е. неуправляемы, управление лучом обычно выполняется с использованием дополнительного активного формирователя луча, который описан в других местах настоящего документа.[0058] Beamformer networks are typically constructed using analog components and have fixed behavior, such as phase shifts that are essentially uncontrollable or at least controllable only during calibration. Beamformer networks may use, for example, power splitters/combiners, phase shifters, and hybrid couplers. Since the beamformer network components are fixed, i.e., uncontrollable, beam steering is typically accomplished using an additional active beamformer, which is described elsewhere in this document.
[0059] Лучевые порты сетей формирователей лучей функционально соединены с рядами 152 гибридных (например, 3 дБ) ответвителей 155, которые могут представлять собой 90-градусные гибридные ответвители, также называемые квадратурными гибридами или просто гибридами. Для ясности на фиг. 1a каждый ряд гибридов показан вытянутым в направлении угла места, хотя это сделано лишь для простоты иллюстрации. Гибридные ответвители представляют собой направленные ответвители с четырьмя портами, обеспечивающие одинаковое разделение/объединение мощности между входными и выходными портами. В некоторых вариантах осуществления гибридный ответвитель на 90° работает с результирующим фазовым сдвигом на 90° между выходными портами. Как показано, каждый гибрид имеет первую пару портов, обращенную к антеннам и сетям формирователей лучей, и вторую пару портов, обращенную в сторону от сетей формирователей лучей. Вторые пары портов могут быть подключены к отдельному активному формирователю луча. Каждый ряд гибридов соединен с парой двух разных сетей формирователей лучей путем подключения первой пары портов гибридов к лучевым портам сетей формирователей лучей. В различных вариантах осуществления две разные сети формирователей лучей, которые подключены к одному и тому же ряду гибридов, являются смежными друг с другом, например, в том смысле, что они связаны с соседними рядами антенных элементов в решетке.[0059] The beam ports of the beamformer networks are operatively connected to rows 152 of hybrid (e.g., 3 dB) couplers 155, which may be 90-degree hybrid couplers, also referred to as quadrature hybrids or simply hybrids. For clarity, in Fig. 1a, each row of hybrids is shown extended in the direction of the elevation angle, although this is done only for ease of illustration. The hybrid couplers are directional couplers with four ports that provide equal power splitting/combining between the input and output ports. In some embodiments, the 90° hybrid coupler operates with a resulting phase shift of 90° between the output ports. As shown, each hybrid has a first pair of ports facing the antennas and beamformer networks and a second pair of ports facing away from the beamformer networks. The second pairs of ports may be connected to a separate active beamformer. Each row of hybrids is connected to a pair of two different beamformer networks by connecting the first pair of ports of the hybrids to the beam ports of the beamformer networks. In various embodiments, two different beamformer networks that are connected to the same row of hybrids are adjacent to each other, for example, in the sense that they are associated with adjacent rows of antenna elements in the array.
[0060] Соответственно, множество сетей формирователей лучей располагаются параллельно и подключаются к различным соответствующим наборам антенных элементов. Ряды 152 гибридных ответвителей подключены к соответствующим (соседним) парам сетей формирователей лучей. Различные лучевые порты сетей 120 формирователей лучей и, следовательно, разные порты гибридных ответвителей 155 управляют лучами в различных группах лучей. Различные лучевые порты одного и того же гибридного ответвителя управляют разными двухсекторными лучами в одной и той же группе лучей из-за того, что такие разные порты направляют радиочастотную энергию по-разному к парам сетей формирователей лучей или от них.[0060] Accordingly, a plurality of beamformer networks are arranged in parallel and connected to different corresponding sets of antenna elements. Rows 152 of hybrid couplers are connected to corresponding (adjacent) pairs of beamformer networks. Different beam ports of the beamformer networks 120 and, therefore, different ports of the hybrid couplers 155 control beams in different beam groups. Different beam ports of the same hybrid coupler control different two-sector beams in the same beam group due to the fact that such different ports direct radio frequency energy differently to or from pairs of beamformer networks.
[0061] Множественные сети 120 формирователей лучей, соединенные с одной и той же антенной решеткой, вместе с гибридными ответвителями 155, подключенными к множественным сетям формирователей лучей, образуют части общей решетки формирователей лучей. Каждая антенная решетка может быть функционально соединена со своей собственной соответствующей решеткой формирователей лучей.[0061] Multiple beamformer networks 120 connected to the same antenna array, together with hybrid couplers 155 connected to the multiple beamformer networks, form parts of a common beamformer array. Each antenna array can be operatively connected to its own corresponding beamformer array.
[0062] Решетка формирователей лучей, которая функционально соединена с антенной решеткой 102, выполнена с возможностью создания первого множества лучей путем работы антенной решетки 102 как фазированной решетки. Лучи могут быть лучами передачи, лучами приема или их комбинацией. Как будет более подробно описано ниже, первое множество лучей разделяется на множество разнесенных групп лучей. То есть соседние группировки могут быть разделены промежутками заданной ширины. Каждая группа лучей включает в себя соответствующее множество перекрывающихся лучей.[0062] The array of beam formers, which is operatively connected to the antenna array 102, is configured to create a first plurality of beams by operating the antenna array 102 as a phased array. The beams may be transmit beams, receive beams, or a combination of both. As will be described in more detail below, the first plurality of beams is divided into a plurality of spaced groups of beams. That is, adjacent groupings may be separated by gaps of a given width. Each group of beams includes a corresponding plurality of overlapping beams.
[0063] Вторая антенная решетка и вторая решетка формирователей лучей предусмотрены и сконфигурированы аналогично, но не идентично, антенной решетке и решетке формирователей лучей, как описано выше. В частности, вторая решетка формирователей лучей функционально соединена со второй антенной решеткой. Вторая антенная решетка включает в себя множество дополнительных антенных элементов и обычно отделена от первой антенной решетки. Например, первая и вторая антенные решетки могут быть разнесены. Первый и второй решетки могут быть по существу идентичными с точки зрения конструкции и компоновки элементов. Вторая решетка формирователей лучей выполнена с возможностью формирования второго множества лучей за счет работы второй антенной решетки как второй фазированной решетки. Второе множество лучей разделено на множество дополнительных, разнесенных групп лучей. Примечательно, что множество дополнительных разнесенных групп лучей чередуются с множеством разнесенных групп лучей первой антенной решетки и первого формирователя луча. В различных вариантах осуществления две группы лучей чередуются. Однако теоретически три или более групп лучей могут чередоваться при условии, что структура формирователя луча выполнена с возможностью размещения этой конфигурации. Использование нескольких отдельных решеток может облегчить ортогональность лучей.[0063] The second antenna array and the second beamformer array are provided and configured similarly, but not identically, to the antenna array and the beamformer array as described above. In particular, the second beamformer array is operatively connected to the second antenna array. The second antenna array includes a plurality of additional antenna elements and is typically separated from the first antenna array. For example, the first and second antenna arrays can be spaced apart. The first and second arrays can be substantially identical in terms of the design and arrangement of the elements. The second beamformer array is configured to form a second plurality of beams by operating the second antenna array as a second phased array. The second plurality of beams are divided into a plurality of additional, spaced apart groups of beams. Notably, the plurality of additional spaced apart groups of beams alternate with the plurality of spaced apart groups of beams of the first antenna array and the first beamformer. In various embodiments, the two groups of beams alternate. However, three or more beam groups could theoretically be interleaved, provided that the beamformer structure is designed to accommodate this configuration. Using multiple individual arrays can facilitate beam orthogonality.
[0064] Также могут быть предусмотрены дополнительные антенные решетки и соответствующие дополнительные решетки формирователей лучей, каждая из которых функционально соединена с соответствующей одной из дополнительных антенных решеток. Каждая из дополнительных решеток формирователей лучей выполнена с возможностью создания дополнительных копий первого множества лучей или второго множества лучей. Это достигается за счет работы дополнительной решетки в качестве дополнительной фазированной решетки таким же образом, как описано выше в отношении первой и второй решеток формирователей лучей и соответствующих решеток. Дополнительные решетки могут быть по существу идентичными уже описанным выше решеткам. Каждая из дополнительных копий перекрывается (например, совпадает или сонаправлена) с первым множеством лучей или вторым множеством лучей. Как будет объяснено в другом месте в настоящем документе, несколько решеток формирователей лучей, например первая решетка формирователей лучей и одна, две или более дополнительных решеток формирователей лучей, имеющие перекрывающиеся/совпадающие копии лучей, могут работать вместе с использованием активного формирователя луча для создания управляемых следящих лучей. Эти управляемые следящие лучи могут быть более четко сфокусированы и управляемы, чтобы направлять радиочастотную энергию для связи с конкретными целевыми устройствами.[0064] Additional antenna arrays and corresponding additional beamformer arrays may also be provided, each of which is operatively connected to a corresponding one of the additional antenna arrays. Each of the additional beamformer arrays is configured to create additional copies of the first plurality of beams or the second plurality of beams. This is achieved by operating the additional array as an additional phased array in the same manner as described above with respect to the first and second beamformer arrays and the corresponding arrays. The additional arrays may be substantially identical to the arrays already described above. Each of the additional copies overlaps (e.g., coincides or is co-directional) with the first plurality of beams or the second plurality of beams. As will be explained elsewhere herein, multiple beamformer arrays, such as a first beamformer array and one, two or more additional beamformer arrays having overlapping/coincident copies of beams, may operate together using an active beamformer to create steerable tracking beams. These steerable tracking beams can be more precisely focused and controlled to direct RF energy to communicate with specific target devices.
[0065] В различных вариантах осуществления каждая группа лучей состоит из отдельных лучей, которые в совокупности имеют соответствующее объединенное поперечное сечение, вытянутое в первом направлении, которое может быть направлением угла места. Различные группы лучей выровнены рядом друг с другом во втором направлении, которое может быть перпендикулярно первому направлению и которое может быть азимутальным направлением. В некоторых вариантах осуществления, например, когда устройство размещается на спутнике, который движется относительно Земли, первое направление ориентировано так, что каждое соответствующее объединенное поперечное сечение представляет собой часть поверхности Земли, причем это поперечное сечение вытянуто параллельно направлению орбитального движения спутника.[0065] In various embodiments, each group of beams consists of individual beams that, in combination, have a corresponding combined cross-section that extends in a first direction, which may be an elevation direction. The different groups of beams are aligned next to each other in a second direction, which may be perpendicular to the first direction and which may be an azimuthal direction. In some embodiments, for example, when the device is located on a satellite that moves relative to the Earth, the first direction is oriented such that each corresponding combined cross-section represents a portion of the Earth's surface, and this cross-section extends parallel to the direction of orbital motion of the satellite.
[0066] Группы лучей второй решетки формирователей лучей могут быть достаточно широкими, чтобы по существу заполнять промежутки между группами лучей первой решетки формирователей лучей. Соответственно, в различных вариантах осуществления лучи первой и второй решеток формирователей лучей (т.е. множество групп лучей и множество дополнительных групп лучей) могут вместе образовывать по существу непрерывный общий набор лучей, которые выровнены рядом друг с другом.[0066] The beam groups of the second beamformer array may be wide enough to substantially fill the spaces between the beam groups of the first beamformer array. Accordingly, in various embodiments, the beams of the first and second beamformer arrays (i.e., the plurality of beam groups and the plurality of additional beam groups) may together form a substantially continuous common set of beams that are aligned next to each other.
[0067] Фиг. 11 показывает пример двух перемежающихся наборов множества групп лучей, которые вытянуты в первом (например, по углу места) направлении и выровнены рядом друг с другом во втором (например, азимутальном) направлении. Удлиненное поперечное сечение может иметь форму эллипса, как показано, или другой формы. Каждый эллипс 1120, 1130 соответствует группе лучей. Незаштрихованные эллипсы 1120 соответствуют множеству разнесенных групп лучей одной из решеток, например решетки A1, тогда как заштрихованные эллипсы 1120 соответствуют множеству разнесенных группировок лучей другой, дополняющей одну из решеток, например решетки B1. Решетки от A2 до Am также могут создавать группы лучей, которые соответствуют незаштрихованным эллипсам 1120, а решетки от A2 до Am также могут создавать группы лучей, которые соответствуют заштрихованным эллипсам 1130.[0067] Fig. 11 shows an example of two alternating sets of a plurality of beam groups that are elongated in a first (e.g., elevation) direction and aligned next to each other in a second (e.g., azimuthal) direction. The elongated cross-section may have the shape of an ellipse, as shown, or another shape. Each ellipse 1120, 1130 corresponds to a beam group. The unshaded ellipses 1120 correspond to a plurality of spaced beam groups of one of the arrays, such as array A1, while the shaded ellipses 1120 correspond to a plurality of spaced beam groupings of another, complementary one of the arrays, such as array B1. The lattices A2 through Am can also create ray groups that correspond to the unshaded ellipses 1120, and the lattices A2 through Am can also create ray groups that correspond to the shaded ellipses 1130.
[0068] В различных вариантах осуществления каждая группа лучей включает в себя по меньшей мере два разных двухсекторных луча. Первый из двухсекторных лучей направлен к первой (например, передней) части объединенного поперечного сечения (например, к низу эллипса 1120 или 1130 на фиг. 11), а второй из двухсекторных лучей направлен ко второй (например, задней) части объединенного поперечного сечения (например, к вершине эллипса 1120 или 1130 на фиг. 11). Таким образом, двухсекторные лучи направлены по-разному, но обычно перекрываются. Каждая группа может включать в себя несколько копий каждого из двухсекторных лучей.[0068] In various embodiments, each group of rays includes at least two different two-sector rays. The first of the two-sector rays is directed toward a first (e.g., front) portion of the combined cross-section (e.g., toward the bottom of the ellipse 1120 or 1130 in Fig. 11), and the second of the two-sector rays is directed toward a second (e.g., back) portion of the combined cross-section (e.g., toward the top of the ellipse 1120 or 1130 in Fig. 11). Thus, the two-sector rays are directed differently, but typically overlap. Each group may include multiple copies of each of the two-sector rays.
[0069] Соответственно, каждая группа лучей может представлять собой двухсекторную группу лучей, имеющую один, два или более передних лучей и один, два или более задних лучей. Передние лучи могут быть по существу идентичны друг другу, а задние лучи могут быть по существу идентичны друг другу. Передние лучи вместе составляют первую часть объединенного поперечного сечения группы. Эта первая часть расположена ближе к первому концу объединенного поперечного сечения. Аналогично, задние лучи вместе образуют вторую часть упомянутого объединенного поперечного сечения. Эта вторая часть направлена ко второму концу объединенного поперечного сечения. Первый конец и второй конец расположены напротив друг друга в первом направлении, и первая часть и вторая часть могут перекрываться. Альтернативно, первая и вторая части могут быть неперекрывающимися, однако это может повлиять на варианты формирования луча, когда желательно сформировать луч (например, с использованием активного формирователя луча), направленный к центральной части объединенного поперечного сечения. Поскольку все лучи исходят практически из одного и того же места (если смотреть с удаленной цели), направление лучей разными способами и в разные места осуществляется путем разного угла наклона лучей. Например, передние лучи направлены под другим углом относительно задних лучей.[0069] Accordingly, each group of rays may be a two-sector group of rays having one, two or more front rays and one, two or more rear rays. The front rays may be substantially identical to each other, and the rear rays may be substantially identical to each other. The front rays together form a first portion of the combined cross-section of the group. This first portion is located closer to the first end of the combined cross-section. Similarly, the rear rays together form a second portion of said combined cross-section. This second portion is directed toward the second end of the combined cross-section. The first end and the second end are located opposite each other in the first direction, and the first portion and the second portion may overlap. Alternatively, the first and second portions may be non-overlapping, however, this may affect the beam forming options when it is desirable to form a beam (for example, using an active beam former) directed toward the central portion of the combined cross-section. Since all the rays come from almost the same place (as seen from a distant target), the rays are directed in different ways and to different places by different angles of the rays. For example, the front rays are directed at a different angle relative to the back rays.
[0070] В различных вариантах осуществления разные лучи ортогональны. Например, передние лучи могут быть ортогональны задним лучам. Дополнительно или альтернативно различные группы лучей могут быть ортогональны друг другу. Ортогональность используется для описания пространственной ортогональности при формировании луча, например, следующим образом. Для усовершенствованной связи с использованием многолучевой передачи возбуждение фазированной решетки должно удовлетворять следующим условиям для оптимальной производительности:[0070] In various embodiments, different beams are orthogonal. For example, the front beams may be orthogonal to the back beams. Additionally or alternatively, different groups of beams may be orthogonal to each other. Orthogonality is used to describe spatial orthogonality in beamforming, for example, as follows. For advanced communication using multipath transmission, the excitation of a phased array must satisfy the following conditions for optimal performance:
[0071] Уравнение (1), приведенное выше, обеспечивает ортогональность портов между двумя лучами, где Li и Ri представляют собой два комплексных возбуждения луча. Сумма равна нулю, когда два порта совершенно ортогональны. Обычно желательно поддерживать этот эффект на уровне ниже -20 дБ. Уравнение (2) выше представляет коэффициент взаимодействия лучей (BCF) между двумя лучами. Это дополнительно сводит к минимуму сложные возбуждения, такие как взаимодействие через диаграммы направленности, ER и EL. Обычно BCF должен быть ниже -15 дБ.[0071] Equation (1) above ensures the orthogonality of the ports between the two beams, where Li and Ri represent two complex beam excitations. The sum is zero when the two ports are perfectly orthogonal. It is usually desirable to keep this effect below -20 dB. Equation (2) above represents the beam coupling factor (BCF) between the two beams. This further minimizes complex excitations such as interactions across radiation patterns, E R and E L . Typically the BCF should be below -15 dB.
[0072] Фиг. 1b иллюстрирует вариант осуществления, аналогичный фиг. 1a. Устройство 170 имеет шесть решеточных панелей, функционально соединенных с ним, что соответствует M=3 парам панелей. Одна такая панель 175 показана более подробно. Панель 175 образует несколько разнесенных групп лучей, например группу 177. Другая панель 185 создает множество дополнительных разнесенных групп лучей, например группу 187 (пунктирные линии), которые чередуются с группами 177.[0072] Fig. 1b illustrates an embodiment similar to Fig. 1a. The device 170 has six grating panels operatively connected thereto, which corresponds to M=3 pairs of panels. One such panel 175 is shown in more detail. The panel 175 forms several spaced groups of beams, for example, group 177. Another panel 185 creates a plurality of additional spaced groups of beams, for example, group 187 (dashed lines), which alternate with the groups 177.
[0073] Цифровое формирование луча выполняется на рядах лучевых портов, например, ряде 157, чтобы выполнить активное формирование луча в направлении угла места. Имеются три группы (пары рядов) антенных элементов 190, каждая из которых образует одну группу лучей, включающую в себя передний луч 192 и задний луч 194. Группы перекрывают друг друга. Активное формирование луча в направлении угла места выполняется, по меньшей мере, частично с использованием комбинации этих трех групп лучей. Формирование лучей также может включать дополнительные перекрывающиеся группы лучей из других панелей. Различные ряды лучевых портов, например ряды 157 и 159, могут использоваться для создания лучей, направленных по-разному в азимутальном направлении. Разные порты одного и того же гибрида, например порты 162, 164, могут использоваться для создания разных портов переднего и заднего лучей 192, 194 одной и той же группы лучей.[0073] Digital beamforming is performed on rows of beam ports, for example row 157, to perform active beamforming in the direction of the angle of elevation. There are three groups (pairs of rows) of antenna elements 190, each of which forms one group of beams, including a front beam 192 and a rear beam 194. The groups overlap each other. Active beamforming in the direction of the angle of elevation is performed, at least in part, using a combination of these three groups of beams. Beamforming may also include additional overlapping groups of beams from other panels. Different rows of beam ports, for example rows 157 and 159, can be used to create beams directed differently in the azimuth direction. Different ports of the same hybrid, for example ports 162, 164, can be used to create different ports of the front and rear beams 192, 194 of the same group of beams.
[0074] Обычно формирователь луча N×N, такой как матрица Батлера, создает N ортогональных диаграмм направленности с относительно высоким боковым лепестком, который может составлять -13 дБ. На фиг. 2 показаны типичные диаграммы направленности ортогональных лучей, которые могут быть получены, например, с помощью матрицы Батлера 16×16. N ортогональных диаграмм направленности могут иметь высокие боковые лепестки. Лучи имеют маркировку от 1R до 6R для лучей, постепенно наклоненных наружу вправо, и от 1L до 6L для лучей, постепенно наклоненных наружу влево.[0074] Typically, an N×N beamformer, such as a Butler matrix, produces N orthogonal radiation patterns with a relatively high side lobe, which may be -13 dB. Figure 2 shows typical orthogonal radiation patterns that may be produced, for example, by a 16×16 Butler matrix. The N orthogonal radiation patterns may have high side lobes. The beams are labeled 1R through 6R for beams that are gradually tilted outward to the right, and 1L through 6L for beams that are gradually tilted outward to the left.
[0075] Хотя результирующие лучи такого формирователя луча N×N обычно ортогональны друг другу, диаграммы направленности в пространстве лучей могут иметь высокий коэффициент взаимодействия лучей (BCF). Это может увеличить помехи между соседними лучами и снизить общую пропускную способность системы. На фиг. 2 лучи ортогональны с пересечением -4 дБ. Однако уровни боковых лепестков (sidelobe level, SLL) составляют всего -13 дБ. Следовательно, коэффициент взаимодействия лучей между всеми лучами превышает -10 дБ, а коэффициент корреляции превышает 0,3. Эту проблему можно решить путем наложения двух или трех ортогональных лучей N×N для формирования набора новых ортогональных лучей. В этом случае уровни боковых лепестков можно снизить до уровня ниже -15 дБ, что более приемлемо с точки зрения BCF диаграммы направленности.[0075] Although the resulting beams of such an N×N beamformer are typically orthogonal to each other, the beam space patterns may have a high beam coupling factor (BCF). This may increase interference between adjacent beams and reduce the overall system capacity. In Fig. 2, the beams are orthogonal with an intersection of -4 dB. However, the sidelobe levels (SLL) are only -13 dB. Therefore, the beam coupling factor between all beams exceeds -10 dB, and the correlation coefficient exceeds 0.3. This problem can be solved by superimposing two or three N×N orthogonal beams to form a set of new orthogonal beams. In this case, the sidelobe levels can be reduced to below -15 dB, which is more acceptable from the BCF point of view.
[0076] Фиг. 3 показывает диаграммы направленности составных лучей, сформированных путем наложения N×N ортогональных лучей, созданных матрицей Батлера сети формирования лучей. Показаны только ограниченное количество лучей, причем эти лучи попадают в интересующий угловой диапазон. Лучи фиг. 3 можно получить путем наложения пар лучей фиг. 2. Например, два крайних левых луча 6R и 5R на фиг. 2 могут быть наложены друг на друга, образуя крайний левый луч 6R-5R на фиг. 3. Составные лучи маркируются в виде от 1R-1L до 6L-5L, чтобы указать, из какой комбинации лучей на фиг. 2 образован каждый составной луч. Составные лучи могут быть сформированы путем объединения нескольких выходных лучей с соответствующими амплитудами и фазами с использованием схемы объединения радиочастотных сигналов. На фиг. 3, SLL составных лучей может быть менее -15 дБ, а коэффициент корреляции может быть менее 0,3 с пересечением менее 2 дБ.[0076] Fig. 3 shows the patterns of composite beams formed by superimposing N×N orthogonal beams created by the Butler matrix of the beamforming network. Only a limited number of beams are shown, and these beams fall within the angular range of interest. The beams of Fig. 3 can be obtained by superimposing pairs of beams of Fig. 2. For example, the two leftmost beams 6R and 5R in Fig. 2 can be superimposed to form the leftmost beam 6R-5R in Fig. 3. The composite beams are labeled as 1R-1L through 6L-5L to indicate from which combination of beams in Fig. 2 each composite beam is formed. The composite beams can be formed by combining multiple output beams with appropriate amplitudes and phases using an RF signal combining scheme. In Fig. 3, The SLL of composite beams can be less than -15dB, and the correlation coefficient can be less than 0.3 with an intersection less than 2dB.
[0077] Однако такие составные лучи ортогональны только лучам, которые находятся на расстоянии более одного пространства лучей друг от друга. Соответственно, в вариантах осуществления настоящего изобретения две отдельные и/или независимые фазированные решетки, которые можно называть решеткой A и решеткой B, могут использоваться для покрытия всего пространства лучей в азимутальном направлении, при этом каждая решетка создает диаграммы направленности луча для чередующихся лучей (как на фиг. 11). То есть решетка A может создавать первую разнесенную группу лучей, а решетка B может создавать вторую разнесенную группу лучей, которая чередуется с первой разнесенной группой лучей. Решетка A может соответствовать первой антенной решетке и первой решетке формирователей лучей, а решетка B может соответствовать второй антенной решетке и второй решетке формирователей лучей.[0077] However, such composite beams are orthogonal only to beams that are more than one beam space apart. Accordingly, in embodiments of the present invention, two separate and/or independent phased arrays, which may be referred to as array A and array B, may be used to cover the entire beam space in the azimuth direction, with each array creating beam patterns for alternating beams (as in Fig. 11). That is, array A may create a first diversity group of beams, and array B may create a second diversity group of beams that alternates with the first diversity group of beams. Array A may correspond to a first antenna array and a first array of beam formers, and array B may correspond to a second antenna array and a second array of beam formers.
[0078] Фиг. 4 представляет собой график, показывающий диаграммы направленности первой ортогональной составной фазированной в пространстве лучей решетки, называемой здесь решеткой A, согласно варианту осуществления. Составные лучи такие же, как и соответствующие лучи на фиг. 3, однако показаны только те лучи, которые фактически сформированы решеткой А.[0078] Fig. 4 is a graph showing the radiation patterns of a first orthogonal composite phased array of beams in space, referred to herein as array A, according to an embodiment. The composite beams are the same as the corresponding beams in Fig. 3, however, only those beams that are actually formed by array A are shown.
[0079] Фиг. 5 представляет собой график, показывающий диаграммы направленности второй ортогональной составной фазированной в пространстве лучей решетки, называемой здесь решеткой B, согласно варианту осуществления. Составные лучи такие же, как и соответствующие лучи на фиг. 3, однако показаны только те лучи, которые фактически сформированы решеткой B.[0079] Fig. 5 is a graph showing the radiation patterns of a second orthogonal composite phased array of beams in space, referred to herein as array B, according to an embodiment. The composite beams are the same as the corresponding beams in Fig. 3, however, only those beams that are actually formed by array B are shown.
[0080] Вместе решетка A и решетка B могут формировать полный набор ортогональных диаграмм направленности 16×16 в пространстве лучей с низким BCF в азимутальном направлении. В отличие от обычной решетки massive-MIMO, выходной сигнал каждого порта передачи/приема (Tx/Rx) решетки согласно варианту осуществления может иметь значительно более высокую мощность сигнала благодаря диаграммам направленности с высоким коэффициентом усиления. В результате решетка может обрабатывать значительно больший диапазон, поскольку каждый пилот-сигнал от лучевого порта может иметь гораздо лучшее соотношение сигнал/шум (SNR) на отдельных лучевых портах.[0080] Together, array A and array B can form a full set of 16×16 orthogonal radiation patterns in a low BCF beam space in the azimuth direction. Unlike a conventional massive-MIMO array, the output signal of each transmit/receive (Tx/Rx) port of the array according to an embodiment can have significantly higher signal power due to the high-gain radiation patterns. As a result, the array can handle a significantly larger range, since each pilot signal from a beam port can have a much better signal-to-noise ratio (SNR) at individual beam ports.
[0081] Фиг. 6a иллюстрирует сеть 8x16 ортогональных аналоговых формирователей лучей для варианта осуществления фазированной решетки A. Внизу имеется 8 лучевых портов, обозначенных от 1L до 8R. В верхней части расположены два подмножества по 15 антенн в каждом, обозначенные от A2 до B16 (A1 и B1 в этой реализации не обязательны). Антенные элементы от A2 до A16 могут соответствовать элементам в первом ряду антенной решетки, а антенные элементы от B2 до B16 могут соответствовать элементам во втором ряду той же антенной решетки, при этом второй ряд обычно находится рядом с первым рядом. Прямоугольники (например, 610) представляют собой гибридные ответвители, а кружки (например, 615) представляют собой фазовращатели. Y-образные разветвители (например, 620) могут быть делителями мощности. Различные фазовые сдвиги даны в кратных ϕ, которые могут составлять примерно -11,25o. Фазовые сдвиги от α2 до α16 и от β2 до β16 показаны на фиг. 6b.[0081] Fig. 6a illustrates an 8x16 network of orthogonal analog beamformers for embodiment A of phased array. At the bottom, there are 8 beam ports, labeled 1L through 8R. At the top, there are two subsets of 15 antennas each, labeled A2 through B16 (A1 and B1 are optional in this implementation). Antenna elements A2 through A16 may correspond to elements in the first row of the antenna array, and antenna elements B2 through B16 may correspond to elements in the second row of the same antenna array, with the second row typically located near the first row. Rectangles (e.g., 610) represent hybrid couplers, and circles (e.g., 615) represent phase shifters. Y-shaped couplers (e.g., 620) may be power splitters. The various phase shifts are given in multiples of ϕ, which can be approximately -11.25o. The phase shifts from α2 to α16 and from β2 to β16 are shown in Fig. 6b.
[0082] Фиг. 7a иллюстрирует сеть ортогональных аналоговых формирователей лучей 8x16 для варианта осуществления фазированной решетки B. Структура и фазовые сдвиги аналогичны фиг. 6a. Фазовые сдвиги от α2 до α16 и от β2 до β16 показаны на фиг. 7b.[0082] Fig. 7a illustrates a network of 8x16 orthogonal analog beamformers for embodiment B of phased array. The structure and phase shifts are similar to Fig. 6a. The phase shifts from α2 to α16 and from β2 to β16 are shown in Fig. 7b.
[0083] Сети формирователей лучей на фиг. 6a и 7a (с сопутствующими фазовыми сдвигами, как на фиг. 6b и 7b) реализованы со спадом амплитуды на 7 дБ, хотя в других вариантах осуществления это можно изменить. Сети формирователей лучей на фиг. 6a и 7a (с сопутствующими фазовыми сдвигами, как на фиг. 6b и 7b) упрощены по сравнению с обычной сетью формирователей лучей Батлера (или парой сетей формирователей лучей Батлера, соединенных вместе с использованием ряда гибридов). Например, каждая из сетей формирователей лучей на фиг. 6a и 7a требуют 12 гибридных ответвителей каждый (всего 24), тогда как 16-лучевая сеть формирователей лучей Батлера потребует перемежения всего 4×8=32 гибридных ответвителей. Таким образом, реализуется сокращение как минимум 8 гибридных ответвителей. Уменьшение сложности и количества компонентов также обеспечивает соответствующее снижение потерь. Кроме того, использование двух сетей формирователей лучей, показанных на фиг. 6a и 7a для создания перемежающихся диаграмм направленности лучей (например, в азимутальном направлении) приводит к получению лучей, которые являются ортогональными и также имеют низкую корреляцию из-за малых боковых лепестков. Такую ситуацию нелегко достичь с помощью обычной сети формирователей лучей Батлера.[0083] The beamformer networks of Fig. 6a and 7a (with the associated phase shifts as in Fig. 6b and 7b) are implemented with a 7 dB amplitude roll-off, although this may be changed in other embodiments. The beamformer networks of Fig. 6a and 7a (with the associated phase shifts as in Fig. 6b and 7b) are simplified compared to a conventional Butler beamformer network (or a pair of Butler beamformer networks connected together using a number of hybrids). For example, each of the beamformer networks of Fig. 6a and 7a requires 12 hybrid couplers each (24 total), whereas a 16-beam Butler beamformer network would require interleaving a total of 4×8=32 hybrid couplers. Thus, a reduction of at least 8 hybrid couplers is realized. The reduction in complexity and the number of components also provides a corresponding reduction in losses. In addition, the use of two beamformer networks shown in Fig. 6a and 7a to create interleaved beam patterns (e.g., in the azimuth direction) results in beams that are orthogonal and also have low correlation due to small sidelobes. This situation is not easily achieved with a conventional Butler beamformer network.
[0084] Сети формирователей лучей на фиг. 6a и 7a, могут использоваться в качестве сетей формирователей лучей в данной решетке формирователей лучей. Каждая сеть формирователей лучей соединена с двумя разными, обычно соседними рядами антенн. Антенны в этом случае имеют расстояние между элементами меньше или равное половине рабочей длины волны. Сети формирователей лучей могут в себя включать гибриды или использоваться с ними для создания двухсекторных лучей (например, передних и задних лучей в направлении угла места), аналогично тем, что показаны на фиг. 1a. Сети формирователей лучей на фиг. 6a и 7a, могут использоваться с антенными решетками, имеющими расстояние между элементами меньше или равное половине рабочей длины волны.[0084] The beamformer networks of Fig. 6a and 7a may be used as beamformer networks in a given beamformer array. Each beamformer network is connected to two different, typically adjacent, rows of antennas. The antennas in this case have an element spacing of less than or equal to half the operating wavelength. The beamformer networks may include or be used with hybrids to create two-sector beams (e.g., forward and backward beams in the elevation direction), similar to those shown in Fig. 1a. The beamformer networks of Fig. 6a and 7a may be used with antenna arrays having an element spacing of less than or equal to half the operating wavelength.
[0085] Например, две соседние сети формирователей лучей на фиг. 6a или 7a, могут быть подключены к ряду гибридных ответвителей аналогично схеме, показанной на фиг. 1a. В этом случае может потребоваться, чтобы расстояние между элементами решетки было меньше или равно одной четверти рабочей длины волны. В результате эффективное расстояние между соседними сетями формирователей лучей остается меньшим или равным полуволне. Следовательно, в некоторых вариантах осуществления для формирования луча двухсекторной решетки требуется только N/4 гибридов. Обратите внимание, что в некоторых вариантах осуществления могут потребоваться только N/2 азимутальных формирователя луча.[0085] For example, two adjacent beamformer networks in Fig. 6a or 7a may be connected to a series of hybrid couplers similar to the circuit shown in Fig. 1a. In this case, the spacing between the array elements may be required to be less than or equal to one quarter of the operating wavelength. As a result, the effective spacing between adjacent beamformer networks remains less than or equal to one half wavelength. Therefore, in some embodiments, only N/4 hybrids are required to form the beam of a two-sector array. Note that in some embodiments, only N/2 azimuthal beamformers may be required.
[0086] Соответственно, в некоторых вариантах осуществления, как показано, например, на фиг. 1a, каждый из пары рядов антенных элементов подключен к другой из двух соответствующих сетей формирователей лучей, и две сети формирователей лучей соединены между собой с использованием ряда гибридных ответвителей. В других вариантах осуществления, как показано, например, на фиг. 6a и 7a, каждый из пары рядов антенных элементов подключен к одной взаимосвязанной сети формирователей лучей, которая используется для управления обоими рядами антенных элементов. В обоих случаях два ряда антенных элементов совместно управляются для формирования луча. Два разных набора антенных элементов, которые соединены с парой взаимосвязанных сетей формирователей лучей или с одной взаимосвязанной сетью формирователей лучей, могут представлять собой два разных ряда антенных элементов. Эти ряды могут быть рядами одной и той же соответствующей антенной решетки. Эти ряды могут проходить параллельно друг другу в одном направлении (например, в азимутальном направлении) и располагаться на расстоянии друг от друга в другом направлении (например, в направлении угла места).[0086] Accordingly, in some embodiments, as shown, for example, in Fig. 1a, each of the pair of rows of antenna elements is connected to the other of two corresponding beamformer networks, and the two beamformer networks are interconnected using a plurality of hybrid couplers. In other embodiments, as shown, for example, in Fig. 6a and 7a, each of the pair of rows of antenna elements is connected to a single interconnected beamformer network, which is used to control both rows of antenna elements. In both cases, the two rows of antenna elements are jointly controlled to form a beam. Two different sets of antenna elements that are connected to a pair of interconnected beamformer networks or to a single interconnected beamformer network may be two different rows of antenna elements. These rows may be rows of the same corresponding antenna array. These rows may extend parallel to each other in one direction (for example, in the azimuth direction) and be spaced apart from each other in another direction (for example, in the elevation direction).
[0087] Все варианты осуществления, показанные на фиг. 1a, 6a и 7a, можно описать следующим образом. Каждая решетка формирователей лучей включает в себя множество сетей формирователей лучей, расположенных параллельно. В случае фиг. 1a каждая сеть формирователей лучей соединена с одним рядом антенных элементов, а пары сетей формирователей лучей соединены вместе с использованием рядов гибридных ответвителей. В случае фиг. 6a и 7a каждая сеть формирователей лучей соединена с парой рядов антенных элементов. Решетка формирователей лучей в каждом случае выполнен с возможностью обеспечения набора лучевых портов. Каждый из лучевых портов функционально соединен через одну из сетей формирователей лучей или через соединенную пару сетей формирователей лучей с парой соседних рядов антенных элементов. В случае фиг. 1a лучевые порты представляют собой порты гибридных ответвителей, обращенные в сторону от антенной решетки. В случае фиг. 6a и 7a лучевые порты непосредственно интегрированы в сети формирователей лучей.[0087] All embodiments shown in Fig. 1a, 6a and 7a can be described as follows. Each beamformer array includes a plurality of beamformer networks arranged in parallel. In the case of Fig. 1a, each beamformer network is connected to one row of antenna elements, and pairs of beamformer networks are connected together using rows of hybrid couplers. In the case of Fig. 6a and 7a, each beamformer network is connected to a pair of rows of antenna elements. The beamformer array in each case is configured to provide a set of beam ports. Each of the beam ports is operatively connected via one of the beamformer networks or via a connected pair of beamformer networks to a pair of adjacent rows of antenna elements. In the case of Fig. 1a, the beam ports are hybrid coupler ports facing away from the antenna array. In the case of Fig. 6a and 7a beam ports are directly integrated into the beamformer networks.
[0088] Более подробно, в случае фиг. 1a каждая из сетей формирователей лучей соединена с другим соответствующим рядом антенных элементов, и каждая решетка формирователей лучей включает в себя один или более рядов гибридных ответвителей. Каждый ряд гибридных ответвителей подключен к соответствующей паре сетей формирователей лучей, и, как упоминалось выше, номинальные лучевые порты решетки являются портами гибридных ответвителей. В дополнительных вариантах осуществления разные гибридные ответвители управляют лучами в разных группах лучей, и каждый гибридный ответвитель имеет пару портов. Как описано здесь в другом месте, каждый из пары портов управляет различным двухсекторным лучом в одной и той же группе лучей.[0088] In more detail, in the case of Fig. 1a, each of the beamformer networks is connected to another respective row of antenna elements, and each beamformer array includes one or more rows of hybrid couplers. Each row of hybrid couplers is connected to a respective pair of beamformer networks, and, as mentioned above, the nominal beam ports of the array are ports of the hybrid couplers. In further embodiments, different hybrid couplers control beams in different beam groups, and each hybrid coupler has a pair of ports. As described elsewhere herein, each of the pair of ports controls a different two-sector beam in the same beam group.
[0089] Более подробно, в случае фиг. 6a и 7a, каждая из сетей формирователей лучей соединена с другой соответствующей парой соседних рядов антенных элементов. Каждая сеть формирователей лучей включает в себя подмножество набора лучевых портов, где количество лучевых портов в подмножестве меньше количества антенных элементов в упомянутой паре соседних рядов. Например, на фиг. 6a и 7a имеется до 8 лучевых портов (например, 1L, 2L, … 8R), а антенных элементов - 30 (или 32). Фактически количество лучевых портов меньше (например, примерно вдвое) количества антенных элементов в одном ряду.[0089] In more detail, in the case of Fig. 6a and 7a, each of the beamformer networks is connected to another respective pair of adjacent rows of antenna elements. Each beamformer network includes a subset of a set of beam ports, where the number of beam ports in the subset is less than the number of antenna elements in said pair of adjacent rows. For example, in Fig. 6a and 7a, there are up to 8 beam ports (e.g., 1L, 2L, ... 8R), and the antenna elements are 30 (or 32). In fact, the number of beam ports is less (e.g., about half) the number of antenna elements in one row.
[0090] Еще более подробно, в случае фиг. 6a и 7a, каждую из сетей формирователей лучей можно охарактеризовать следующим образом. Каждая из сетей формирователей лучей включает в себя множество гибридных ответвителей, расположенных в последовательно-параллельной конфигурации. В проиллюстрированном примере имеется три ряда по четыре гибрида в каждом с фазовращателями между рядами гибридов. Каждая из сетей формирователей лучей включает в себя множество делителей мощности, каждый из которых соединен с парой антенных элементов, включая один антенный элемент из каждой пары рядов. То есть каждый делитель мощности соединен с парой антенных элементов, по одному антенному элементу в каждом ряду. Самый верхний ряд гибридных ответвителей подключается к антенным элементам через делители мощности. Сеть формирователей лучей также включает в себя множество фазовращателей. По меньшей мере некоторые из фазовращателей расположены между делителями мощности и антенными элементами. Фазовращатели имеют разные настройки фазы. Может быть несколько каскадных наборов делителей мощности, а также могут быть фазовращатели, соединенные между гибридными ответвителями и делителями мощности, а также между различными каскадными наборами делителей мощности.[0090] In even more detail, in the case of Figs. 6a and 7a, each of the beamformer networks can be characterized as follows. Each of the beamformer networks includes a plurality of hybrid couplers arranged in a series-parallel configuration. In the illustrated example, there are three rows of four hybrids each with phase shifters between the rows of hybrids. Each of the beamformer networks includes a plurality of power splitters, each of which is connected to a pair of antenna elements, including one antenna element from each pair of rows. That is, each power splitter is connected to a pair of antenna elements, one antenna element in each row. The uppermost row of hybrid couplers is connected to the antenna elements via power splitters. The beamformer network also includes a plurality of phase shifters. At least some of the phase shifters are located between the power splitters and the antenna elements. The phase shifters have different phase settings. There may be multiple cascaded sets of power dividers, and there may also be phase shifters connected between hybrid couplers and power dividers, and between different cascaded sets of power dividers.
[0091] В вариантах осуществления, например, соответствующих реализации сетей формирования лучей на фиг. 6a-7b, 12 из 16 ортогональных лучей с низким BCF могут быть созданы в результате совместной работы решетки A и решетки B. Это может обеспечить азимутальное покрытие до ± 40 градусов. Лучи могут создавать низкие боковые лепестки (менее -15 дБ) с пересечениями ближнего света на уровне > 10 дБ. Это может привести к значительно низкому BCF для каждого набора фазированных решеток. В такой сети формирования лучей (beamforming network, BFN) всего требуется всего 24 гибрида для двух решеток вместо 32 гибридов для каждого из обычных BFN 16x16. Кроме того, требуется всего 15 излучающих элементов вместо обычных 16, поскольку решетки имеют эффективный спад амплитуды.[0091] In embodiments such as those corresponding to the beamforming network implementation of Figs. 6a-7b, 12 of the 16 orthogonal beams with low BCF may be created by the joint operation of array A and array B. This may provide azimuth coverage of up to ±40 degrees. The beams may create low sidelobes (less than -15 dB) with low beam intersections of > 10 dB. This may result in a significantly low BCF for each set of phased arrays. In such a beamforming network (BFN), a total of only 24 hybrids are required for the two arrays instead of 32 hybrids for each of the conventional 16x16 BFNs. In addition, only 15 radiating elements are required instead of the conventional 16, since the arrays have an effective amplitude roll-off.
[0092] Фиг. 8a представляет собой график, показывающий 12 из 16 ортогональных лучей с низким BCF фазированной решетки, объединяющей фазированную решетку A и фазированную решетку B (A+B), для покрытия до ± 40 градусов вдоль азимутальной (Az) оси, согласно к варианту воплощения. Сплошные линии представляют лучи фазированной решетки A, например, с лучом R2, доступным через порт 2R на фиг. 6a и т. д. Пунктирные линии представляют собой лучи фазированной решетки B, например, с лучом R1, доступным через порт 1R на фиг. 7a и т. д.[0092] Fig. 8a is a graph showing 12 of 16 orthogonal low BCF beams of a phased array combining phased array A and phased array B (A+B) for coverage of up to ±40 degrees along the azimuth (Az) axis, according to an embodiment. Solid lines represent beams of phased array A, such as with beam R2 accessible through port 2R in Fig. 6a, etc. Dashed lines represent beams of phased array B, such as with beam R1 accessible through port 1R in Fig. 7a, etc.
[0093] В вариантах осуществления для каждой из решеток A и решеток B может потребоваться два ряда идентичных решеток, имеющих разные распределения фазы на заключительном этапе сети формирования лучей (BFN). Это показано как на фиг. 6a, так и на фиг. 7a. Из-за эффективного спада амплитуды и фазы (например, как на фиг. 8b и 8c), такие архитектуры решеток могут создавать ортогональные лучи, имеющие низкие боковые лепестки.[0093] In embodiments, each of the arrays A and B may require two rows of identical arrays having different phase distributions in the final stage of the beam forming network (BFN). This is shown in both Fig. 6a and Fig. 7a. Due to the effective amplitude and phase roll-off (e.g., as in Figs. 8b and 8c), such array architectures can create orthogonal beams having low sidelobes.
[0094] Фиг. 8b представляет собой таблицу, показывающую эффективный спад амплитуды и фазы возбуждения для сети формирования лучей 8x16 согласно варианту осуществления, где лучи обозначены L1-L6 и соответствуют лучам на фиг. 8a. Величины и фазы для различных комбинаций антенн (показаны, как на фиг. 6a, 7a) показаны для различных лучей.[0094] Fig. 8b is a table showing the effective amplitude roll-off and excitation phase for an 8x16 beamforming network according to an embodiment, where the beams are labeled L1-L6 and correspond to the beams in Fig. 8a. The magnitudes and phases for various antenna combinations (shown as in Figs. 6a, 7a) are shown for the various beams.
[0095] Фиг. 8c представляет собой таблицу, показывающую эффективный спад амплитуды и фазы возбуждения для сети формирования лучей 8x16 согласно варианту осуществления, где лучи обозначены R1-R6 и соответствуют другим лучам на фиг. 8a. Величины и фазы для различных комбинаций антенн (показаны, как на фиг. 6a, 7a) показаны для различных лучей.[0095] Fig. 8c is a table showing the effective amplitude roll-off and excitation phase for an 8x16 beamforming network according to an embodiment, where the beams are designated R1-R6 and correspond to the other beams in Fig. 8a. The magnitudes and phases for various antenna combinations (shown as in Figs. 6a, 7a) are shown for the various beams.
[0096] После описания различных аспектов аналоговых решеток формирования лучей и антенных решеток, ниже будут описаны способы активного (например, цифрового) формирования луча и оценки информации о состоянии канала согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.[0096] Having described various aspects of analog beamforming arrays and antenna arrays, methods for active (e.g., digital) beamforming and channel state information estimation according to embodiments of the present invention will now be described.
[0097] В вариантах осуществления аналоговые (например, 8x16) BFN могут эффективно разделять пространство покрытия по азимуту на множество ортогональных пространств лучей с группированием лучей с высоким коэффициентом усиления. Направления этих лучей могут быть фиксированными и могут быть выбраны ортогональными направлению полета спутника, на котором установлена аппаратура. Таким образом, целевые устройства могут быть выделены на основе местоположения луча в азимутальном направлении. Однако целевые устройства для каждого луча можно отслеживать по траектории полета с использованием способов цифрового формирования луча.[0097] In embodiments, analog (e.g., 8x16) BFNs can effectively divide the azimuth coverage space into multiple orthogonal beam spaces with high-gain beam grouping. The directions of these beams can be fixed and can be selected to be orthogonal to the flight direction of the satellite on which the equipment is installed. Thus, target devices can be allocated based on the location of the beam in the azimuth direction. However, target devices for each beam can be tracked along the flight path using digital beamforming methods.
[0098] Оценка канала в системе massive MIMO может быть достигнута путем оценки передаточной функции канала с использованием доступной информации о состоянии канала (CSI). Однако из-за больших задержек распространения (например, между целевыми устройствами и спутниками), которые обычно могут составлять несколько миллисекунд, а также из-за высокой скорости мобильности спутников и целевых устройств получение мгновенного CSI на передающей стороне спутниковой системы не осуществимо. В вариантах осуществления оценка канала может проводиться на основе параметрических моделей канала с использованием направления прибытия (direction-of-arrival, DOA) сигналов. В основном при передаче в пределах прямой видимости, что можно предположить во многих случаях, относительные фазы возбуждения излучателей в двумерной фазированной решетке могут быть аппроксимированы после определения DOA падающего сигнала. В вариантах осуществления этот подход может быть основан на определении векторов отклика фазированной решетки. В вариантах осуществления простая линейная обработка предварительного кодирования может быть получена для 2D massive MIMO на основе общей конфигурации решетки.[0098] Channel estimation in a massive MIMO system can be achieved by estimating the channel transfer function using available channel state information (CSI). However, due to large propagation delays (e.g., between target devices and satellites), which can typically be several milliseconds, and due to the high mobility of satellites and target devices, obtaining instantaneous CSI at the transmitting side of the satellite system is not feasible. In embodiments, channel estimation can be performed based on parametric channel models using the direction-of-arrival (DOA) of the signals. Basically, for line-of-sight transmission, which can be assumed in many cases, the relative excitation phases of the emitters in a two-dimensional phased array can be approximated after determining the DOA of the incident signal. In embodiments, this approach can be based on determining the response vectors of the phased array. In embodiments, a simple linear precoding processing can be obtained for 2D massive MIMO based on the overall array configuration.
[0099] Фиг. 9 иллюстрирует общую систему координат для двумерной фазированной решетки massive MIMO согласно варианту осуществления. Показана система координат XYZ, где ось X может проходить, например, в азимутальном направлении антенной решетки, а ось Y может проходить, например, в направлении угла места антенной решетки. Двумерная антенная решетка расположена в плоскости XY, угол наведения опорной антенны показан в направлении (Uo, Vo), а направление 910 целевого устройства i показано имеющим компонент, проецируемый на плоскость XY, (Ui, Vi). Углы θi и ϕi относятся к направлению 910 целевого устройства i с использованием сферических координат.[0099] Fig. 9 illustrates a general coordinate system for a two-dimensional massive MIMO phased array according to an embodiment. An XYZ coordinate system is shown, where the X axis may pass, for example, in the azimuth direction of the antenna array, and the Y axis may pass, for example, in the direction of the elevation angle of the antenna array. The two-dimensional antenna array is located in the XY plane, the pointing angle of the reference antenna is shown in the direction (U o , V o ), and the direction 910 of the target device i is shown as having a component projected onto the XY plane, (Ui, Vi). The angles θ i and ϕ i are related to the direction 910 of the target device i using spherical coordinates.
[00100] Для передачи в пределах прямой видимости (line-of-sight, LOS) сигналы, полученные двумерными антеннами с фазированной решеткой спутника от ряда P целевых устройств на земле, могут быть выражены как:[00100] For line-of-sight (LOS) transmission, the signals received by the satellite's two-dimensional phased array antennas from a number P of target devices on the ground can be expressed as:
где:Where:
βi(t) - коэффициент усиления канала для целевого устройства i,β i (t) is the channel gain for the target device i,
- временной коэффициент фазированной решетки спутника, - time coefficient of the satellite phased array,
- сигнал передачи от целевого устройства i с задержкой , и - transmission signal from target device i with delay , And
N(t) - это шум, например - аддитивный белый гауссов шум (additive white Gaussian noise, AWGN).N(t) is noise, for example additive white Gaussian noise (AWGN).
[00101] Частотная характеристика, соответствующая , равна:[00101] Frequency response corresponding to , is equal to:
где:Where:
- комплексное усиление канала, - complex channel amplification,
- комплексный коэффициент двумерной решетки, - complex coefficient of a two-dimensional lattice,
- передаваемый сигнал с фазовой задержкой , и - transmitted signal with phase delay , And
W - шум AWGN.W - AWGN noise.
[00102] На основании фиг. 9 общий вид коэффициента решетки для однородной двумерной фазированной решетки можно выразить как:[00102] Based on Fig. 9, the general form of the array coefficient for a homogeneous two-dimensional phased array can be expressed as:
где:Where:
x и y - оси двумерной решетки,x and y are the axes of a two-dimensional lattice,
k0 - постоянная распространенияk 0 - propagation constant
m - номер элемента решеткиm - lattice element number
dx и dy - расстояние между элементами в направлениях x и y.dx and dy are the distance between elements in the x and y directions.
u и v - оси сканирования,u and v are the scanning axes,
( - угол наведения опорной антенны и( - the pointing angle of the reference antenna and
( - местоположение целевого устройства i, заданное следующим образом:( - the location of the target device i, given as follows:
[00103] Выполняя аналоговое формирование луча в направлении оси сканирования u, можно получить набор ортогональных лучей со следующей общей диаграммой направленности (1/x)sin(x) (пространство лучей в направлении u):[00103] By performing analog beamforming in the scan axis direction u, a set of orthogonal beams can be obtained with the following overall radiation pattern (1/x)sin(x) (ray space in the u direction):
[00104] Приведенное выше уравнение может представлять собой набор из N ортогональных лучей в направлении u, где значение для каждого луча зависит только от местоположения целевого устройства i и номера луча m. Следовательно, сигнал, полученный двумерной фазированной решеткой, можно выразить как:[00104] The above equation can be represented as a set of N orthogonal beams in the u direction, where the value for each beam depends only on the location of the target device i and the beam number m. Therefore, the signal received by the two-dimensional phased array can be expressed as:
[00105] Поскольку N лучей в направлении оси сканирования u ортогональны и имеют малое взаимодействие лучей, их можно рассматривать как пространственно разделенный сектор. Следовательно, общий принятый сигнал можно рассматривать отдельно в каждом пространстве лучей m:[00105] Since the N beams in the direction of the scan axis u are orthogonal and have little beam interaction, they can be considered as a spatially separated sector. Therefore, the total received signal can be considered separately in each beam space m:
[00106] В вариантах осуществления, где спутник движется с постоянной высокой скоростью , а терминалы движутся с относительно гораздо более медленной скоростью, доплеровский сдвиг может быть включен в формулировку как коэффициент фазового сдвига с доплеровским радианным углом, определяемым как:[00106] In embodiments where the satellite moves at a constant high speed , and the terminals move at a relatively much slower speed, the Doppler shift can be included in the formulation as a coefficient phase shift with Doppler radian angle defined as:
[00107] Каждый полученный сигнал луча становится равным:[00107] Each received beam signal becomes equal to:
[00108] Вектор управления лучом можно определить как:[00108] The beam steering vector can be defined as:
(1, (1,
[00109] Здесь {A⋅S(t)}n - это n-мерный линейный прекодер, который можно легко выполнить с использованием одного из множества способов обработки, включая цифровое преобразование Фурье (Digital Fourier Transform, DFT), множественную классификацию сигналов (Multiple Signal Classification, MUSIC) и параметр оценивающего сигнала с помощью способа вращательного инварианта (Estimation Signal Parameter via a Rotational Invariant Technique, ESPRIT). Соответственно, для каждого целевого устройства i сложная обработка massive-MIMO может быть сведена к линейному предварительному кодированию n измерений.[00109] Here, {A⋅S(t)} n is an n-dimensional linear precoder, which can be easily implemented using one of a variety of processing methods, including Digital Fourier Transform (DFT), Multiple Signal Classification (MUSIC), and Estimation Signal Parameter via a Rotational Invariant Technique (ESPRIT). Accordingly, for each target device i, the complex massive-MIMO processing can be reduced to linear precoding of n dimensions.
[00110] Согласно вышеизложенному, в устройстве, раскрытом здесь, может быть предусмотрено средство оценки состояния канала. Средство оценки состояния канала выполнено с возможностью оценивать состояние канала беспроводной связи (в основном прямой видимости) между устройством и удаленным устройством беспроводной связи. Эта оценка может быть основана на направлении прибытия сигнала (например, пилот-сигнала), передаваемого удаленным устройством беспроводной связи, и, кроме того, на основе геометрии первой антенной решетки и второй антенной решетки. Эта оценка может быть получена с использованием статистической информации о состоянии канала и параметрической модели канала. Оценка может быть выполнена, как описано выше относительно фиг. 9 и раскрытых уравнений.[00110] According to the above, a channel state estimator may be provided in the device disclosed here. The channel state estimator is configured to estimate the state of a wireless communication channel (primarily line of sight) between the device and a remote wireless communication device. This estimate may be based on the direction of arrival of a signal (e.g., a pilot signal) transmitted by the remote wireless communication device, and, in addition, on the basis of the geometry of the first antenna array and the second antenna array. This estimate may be obtained using statistical information about the channel state and a parametric channel model. The estimate may be performed as described above with respect to Fig. 9 and the disclosed equations.
[00111] Оценка состояния канала может быть описана как использование статистической информации о состоянии канала, например, с использованием параметрической модели. В этом подходе обработка двумерного пилот-сигнала (которая потребовалась бы для обычной двумерной антенной решетки) заменяется множеством операций линейной обработки. Операции обработки основаны на направлении прибытия (например, пилотных) сигналов при вычислении, которое конфигурируется на основе геометрии решетки (как представлено коэффициентом решетки). Направление прибытия указано для одного направления, например, в направлении угла места. Это приводит к увеличению скорости и снижению простоты. Поскольку пилот-сигналы принимаются посредством лучей, а не на уровне одного антенного элемента, мощность пилот-сигналов значительно увеличивается по сравнению с обычными способами. Поскольку существует множество отдельных групп лучей, которые по существу разделены, обработка упрощается до набора одномерных линейных операций обработки. В частности, обработка пилот-сигнала сводится к N параллельным линейным операциям предварительного кодирования с использованием статистической CSI.[00111] Channel state estimation can be described as using statistical information about the channel state, for example, using a parametric model. In this approach, the processing of a two-dimensional pilot signal (which would be required for a conventional two-dimensional antenna array) is replaced by a plurality of linear processing operations. The processing operations are based on the direction of arrival (e.g., of the pilot) signals in a calculation that is configured based on the geometry of the array (as represented by the array coefficient). The direction of arrival is specified for one direction, for example, in the direction of the elevation angle. This leads to an increase in speed and a decrease in simplicity. Since the pilot signals are received via beams and not at the level of a single antenna element, the power of the pilot signals is significantly increased compared to conventional methods. Since there are many separate beam groups that are essentially separated, the processing is simplified to a set of one-dimensional linear processing operations. In particular, the pilot signal processing is reduced to N parallel linear precoding operations using statistical CSI.
[00112] В некоторых вариантах осуществления оценка состояния канала беспроводной связи содержит выполнение множества отдельных операций линейного предварительного кодирования, как описано выше.[00112] In some embodiments, estimating the state of a wireless communication channel comprises performing a plurality of separate linear precoding operations, as described above.
[00113] Также согласно вышесказанному может быть предоставлен активный (например, цифровой) формирователь луча, который соединен с одной, двумя или более решетками формирования лучей. Активный формирователь луча может быть выполнен с возможностью формирования с использованием цифрового предварительного кодирования одного или более следящих лучей, по меньшей мере частично, путем объединения множества лучей, принадлежащих одной из групп лучей, из множества разнесенных групп лучей, которые создаются антенная решетка или решетки в сочетании с решеткой или решетками формирования лучей. Активный формирователь луча может комбинировать, используя различную фазировку, лучи заданной группы лучей или набора перекрывающихся групп лучей для создания управляемых лучей.[00113] Also according to the above, an active (e.g. digital) beam former can be provided, which is connected to one, two or more beam forming arrays. The active beam former can be configured to form, using digital pre-coding, one or more tracking beams, at least in part, by combining a plurality of beams belonging to one of the beam groups, from a plurality of spaced beam groups, which are created by an antenna array or arrays in combination with the beam forming array or arrays. The active beam former can combine, using different phasing, the beams of a given beam group or a set of overlapping beam groups to create steerable beams.
[00114] Поскольку группы лучей могут иметь узкое поперечное сечение и быть вытянутыми в первом направлении (например, направлении угла места), управление лучом может быть по существу одномерным, т.е. направлением в первом направлении. Это может упростить работу. Соответственно, в различных вариантах осуществления каждая группа лучей (решеток формирователей лучей и антенных решеток) состоит из отдельных лучей, которые в совокупности имеют соответствующее объединенное поперечное сечение, вытянутое в первом направлении. Тогда следящие лучи активного формирователя луча становятся управляемыми в первом направлении.[00114] Since the beam groups may have a narrow cross-section and be elongated in a first direction (e.g., the direction of the elevation angle), the beam steering may be substantially one-dimensional, i.e., the direction in the first direction. This may simplify the operation. Accordingly, in various embodiments, each beam group (beamformer arrays and antenna arrays) consists of individual beams that, in combination, have a corresponding combined cross-section elongated in the first direction. Then, the tracking beams of the active beamformer become steerable in the first direction.
[00115] Фиг. 10 изображен концептуальный вид низкоорбитальной фазированной решетки VHTS с massive-MIMO на борту спутника 1000, показанной в трех различных положениях, согласно варианту осуществления. Спутник может формировать множество ортогональных эллиптических лучей с высоким усилением (или группы лучей) 1010a, 1010b, 1010c, 1010d, 1010e, 1010f, 1010g, 1010h в азимутальном направлении 1030. Более подробно это показано на фиг. 11. Лучи 1010a, 1010c, 1010e, 1010g могут быть созданы одной решеткой или набором решеток, а лучи 1010b, 1010d, 1010f, 1010h могут быть созданы другой решеткой или набором решеток. Целевое устройство на земле может затем отслеживаться спутником с использованием обработки massive-MIMO во время каждого прохода. Как проиллюстрировано в качестве примера, поперечные сечения луча (или группы лучей) при пересечении Земли могут иметь, например, длину 900 км (соответствует направлению 1020 угла места) и ширину 24 км (соответствует азимутальному направлению). Таким образом, лучи или группы лучей таковы, что это поперечное сечение значительно длиннее (например, по меньшей мере в десять раз длиннее в некоторых вариантах осуществления и в 30-50 раз длиннее в некоторых дополнительных вариантах осуществления, чем его ширина.[00115] Fig. 10 is a conceptual view of a low-orbit phased array VHTS with massive-MIMO on board a satellite 1000, shown in three different positions, according to an embodiment. The satellite can form a plurality of orthogonal elliptical high-gain beams (or beam sets) 1010a, 1010b, 1010c, 1010d, 1010e, 1010f, 1010g, 1010h in an azimuthal direction 1030. This is shown in more detail in Fig. 11. Beams 1010a, 1010c, 1010e, 1010g may be created by one array or a set of arrays, and beams 1010b, 1010d, 1010f, 1010h may be created by another array or a set of arrays. The target device on the ground may then be tracked by the satellite using massive-MIMO processing during each pass. As illustrated by way of example, the cross-sections of the beam (or group of beams) when crossing the Earth may have, for example, a length of 900 km (corresponding to the direction of the 1020 elevation angle) and a width of 24 km (corresponding to the azimuth direction). Thus, the beams or groups of beams are such that this cross-section is significantly longer (for example, at least ten times longer in some embodiments and 30-50 times longer in some additional embodiments than its width).
[00116] В варианте осуществления фазированная решетка может быть выполнена с двухпанельной ортогональной massive-MIMO в пространстве лучей. Можно использовать набор из двух дополняющих друг друга решеточных панелей, решетки A и решетки B, и они могут создавать чередующиеся лучи, ортогональные друг другу. Могут быть предусмотрены несколько наборов из двух таких дополнительных решеточных панелей. Для достижения высокой скорости передачи данных за счет обработки massive-MIMO можно использовать общее количество M пар панелей. Каждая решеточную панель включает в себя антенную решетку и, необязательно, соответствующую решетку формирования лучей. Альтернативно, решетки формирования лучей могут быть отделены от панелей при условии, что может быть выполнена достаточная связь между решетками формирования лучей и антенными решетками.[00116] In an embodiment, the phased array may be implemented with a two-panel orthogonal massive-MIMO in beam space. A set of two complementary grid panels, grid A and grid B, may be used, and they may create alternating beams that are orthogonal to each other. Several sets of two such additional grid panels may be provided. A total of M pairs of panels may be used to achieve a high data rate due to massive-MIMO processing. Each grid panel includes an antenna array and, optionally, a corresponding beamforming array. Alternatively, the beamforming arrays may be separated from the panels, provided that sufficient coupling can be performed between the beamforming arrays and the antenna arrays.
[00117] Фиг. 11 иллюстрирует двухпанельную ортогональную фазированную решетку с massive-MIMO в пространстве лучей согласно варианту осуществления. Краткое объяснение фиг. 11 было представлено ранее. Однако здесь следует отметить, что фиг. 11 иллюстрирует устройство, имеющее шасси 1100 и первый набор антенн и решеток формирования лучей A1, A2, A3, A4, … Am, и второй набор антенн и решеток формирования лучей B1, B2, B3, B4, … Вм. В общем, m может быть любым числом, большим или равным одному или двум. Каждый из первого набора антенн и решеток формирования лучей выполнен с возможностью создания копии разнесенных групп лучей 1120, в то время как каждый из второго набора антенн и решеток формирования лучей выполнен с возможностью создания копии разнесенных групп лучей 1130. Примечательно, что группы лучей вытянуты в первом направлении и каждая обычно включает в себя несколько лучей. Более того, многочисленные копии группировок обеспечивают множество перекрывающихся лучей. Все перекрывающиеся лучи, соответствующие данной группе, могут работать вместе с использованием активного формирователя луча для создания составных лучей, управляемых в первом направлении. Управление лучом во втором направлении может быть достигнуто за счет использования различных групп лучей.[00117] Fig. 11 illustrates a dual-panel orthogonal phased array with massive-MIMO in beam space according to an embodiment. A brief explanation of Fig. 11 was presented earlier. However, it should be noted here that Fig. 11 illustrates a device having a chassis 1100 and a first set of antennas and beam-forming arrays A1, A2, A3, A4, ... Am, and a second set of antennas and beam-forming arrays B1, B2, B3, B4, ... Bm. In general, m can be any number greater than or equal to one or two. Each of the first set of antennas and beam-forming arrays is configured to create a copy of the diverse groups of beams 1120, while each of the second set of antennas and beam-forming arrays is configured to create a copy of the diverse groups of beams 1130. Notably, the beam groups are extended in the first direction and each typically includes several beams. Furthermore, multiple copies of the constellations provide multiple overlapping beams. All overlapping beams corresponding to a given constellation can be operated together using an active beamformer to create composite beams steerable in the first direction. Beam steerability in the second direction can be achieved by using different constellations.
[00118] Согласно примерному варианту осуществления, соответствующему фиг. 11, может быть предусмотрено несколько (например, 16) эллиптических групп лучей на спутник. Управление лучом или отслеживание могут выполняться вдоль главной оси каждого эллипса, может выполняться операция Massive-MIMO (M-MIMO) или и то, и другое. Такая конфигурация потенциально может улучшить сложность передачи обслуживания. В различных вариантах осуществления на каждый спутник посредством формирования луча можно обеспечить 8-16 параллельных эллиптических лучей или групп лучей. Может быть предоставлено 50 портов (800/спутник) на луч для HPBW = 2 градуса. M решеточных панель на спутник можно использовать для M-MIMO или обработки слежения для достижения эффективного луча с HPBW < 1 градуса (вдоль трассы). Это может включать в себя сверхширокополосные активные фазированные решетки с полосой пропускания более 5 ГГц, двойной поляризацией и широким углом сканирования> ± 45. Фазированная решетка с шагом элементов < λ/2 и хорошим активным сопротивлением может быть предусмотрена для угла сканирования до 45°.[00118] According to an exemplary embodiment corresponding to FIG. 11, several (e.g., 16) elliptical beam groups may be provided per satellite. Beam steering or tracking may be performed along the main axis of each ellipse, Massive-MIMO (M-MIMO) operation may be performed, or both. Such a configuration may potentially improve the complexity of handover. In various embodiments, 8-16 parallel elliptical beams or beam groups may be provided per satellite via beamforming. 50 ports (800/satellite) may be provided per beam for HPBW = 2 degrees. M grid panels per satellite may be used for M-MIMO or tracking processing to achieve an effective beam with HPBW < 1 degree (along the path). This may include ultra-wideband active phased arrays with a bandwidth of more than 5 GHz, dual polarization and a wide scan angle > ± 45. A phased array with an element pitch < λ/2 and good active resistance can be provided for a scan angle of up to 45°.
[00119] Низкоорбитальный спутник обычно может двигаться с относительно высокой скоростью по постоянной траектории на высоте от нескольких сотен до тысячи километров над землей. Для пользователя (целевого устройства), находящегося на земле, низкоорбитальный спутник появляется в поле зрения лишь на небольшой промежуток времени (несколько минут) и может двигаться с постоянной скоростью по предсказуемому линейному направлению. Таким образом, спутниковый луч может потребоваться для отслеживания целевого устройства на земле во время его движения. Это может потребовать возможности широкоугольного управления лучом в направлении угла места. Поскольку ожидается, что угол обзора спутника составит около ± 40°, луч антенной решетки должен иметь возможность поворачиваться под углом более ± 45°. Для достижения этой цели с использованием предварительного кодирования с massive-MIMO по углу места может потребоваться, чтобы каждый отдельный выходной азимутальный луч имел угол покрытия ± 45° и создавал пилот-сигнал с достаточной силой для достижения минимального отношения сигнал/шум для обработки с massive-MIMO. Выходные сигналы каждого ортогонального луча при заданном угле азимута затем можно объединить для формирования типичного управляемого луча с фазированной решеткой. Однако из-за большого угла места луча (± 45°) это может не обеспечить достаточную мощность сигнала на каждом азимутальном формирователе луча.[00119] A low earth orbit satellite may typically move at a relatively high speed along a constant trajectory at an altitude of several hundred to one thousand kilometers above the earth. For a user (target device) on the ground, the low earth orbit satellite appears in the field of view for only a short period of time (several minutes) and may move at a constant speed along a predictable linear direction. Thus, a satellite beam may be required to track a target device on the ground as it moves. This may require wide-angle beam steering capability in the elevation direction. Since the satellite's field of view is expected to be approximately ±40°, the antenna array beam must be able to steer through an angle greater than ±45°. To achieve this goal using massive-MIMO precoding in elevation, each individual output azimuth beam may need to have a coverage angle of ±45° and produce a pilot signal with sufficient strength to achieve the minimum signal-to-noise ratio for massive-MIMO processing. The output signals of each orthogonal beam at a given azimuth angle can then be combined to form a typical phased array steerable beam. However, due to the large beam elevation angle (±45°), this may not provide sufficient signal strength at each azimuth beamformer.
[00120] Чтобы улучшить мощность пилот-сигнала и сформировать два ортогонально управляемых угла места с высоким коэффициентом усиления, варианты осуществления настоящего изобретения используют гибридный ответвитель 90° (также называемый гибридным) на выходе каждого ортогонального азимутального луча. Вариант осуществления, включающий гибриды с углом поворота 90°, показан на фиг. 1a. Каждый 90-градусный гибрид может эффективно разделить диаграмму направленности одного элемента на два сектора: передний сектор излучения и задний сектор излучения.[00120] In order to improve the pilot signal power and to form two orthogonally controlled elevation angles with a high gain, embodiments of the present invention use a 90° hybrid coupler (also called a hybrid) at the output of each orthogonal azimuth beam. An embodiment including hybrids with a 90° rotation angle is shown in Fig. 1a. Each 90-degree hybrid can effectively divide the radiation pattern of one element into two sectors: a forward radiation sector and a rear radiation sector.
[00121] Фиг. 12 представляет собой график, показывающий переднюю диаграмму направленности и обратную диаграмму направленности, полученную в результате 90-градусного гибрида, эффективно разделившего диаграмму направленности одного элемента на двухсекторные ортогональные лучи. Диаграмма 1210 направленности переднего луча излучения и задний луч 1220 излучения ортогональны друг другу, и они могут управляться с углом предварительного наклона приблизительно или точно равным 30° на рабочей частоте, на которой расстояние между решетками составляет ровно половину длина волны. Эти две диаграммы направленности могут иметь подходящую (например, правильную) ширину луча половинной мощности (HPBW), чтобы обеспечить управление лучом с использованием обработки решетки от 0° до 45° с минимальной эффективностью излучения 85%. Поскольку угол охвата каждого луча можно уменьшить вдвое, общее усиление каждого управляемого луча можно увеличить в 2 раза (3 дБ).[00121] Fig. 12 is a graph showing a forward radiation pattern and a backward radiation pattern resulting from a 90-degree hybrid that effectively splits the radiation pattern of one element into two-sector orthogonal beams. The forward radiation pattern 1210 and the rear radiation beam 1220 are orthogonal to each other, and they can be steered with a pre-tilt angle of approximately or exactly 30° at an operating frequency at which the spacing between the arrays is exactly half a wavelength. These two radiation patterns can have a suitable (e.g., correct) half-power beamwidth (HPBW) to provide beam steering using array processing from 0° to 45° with a minimum radiation efficiency of 85%. Since the coverage angle of each beam can be halved, the overall gain of each steered beam can be increased by a factor of 2 (3 dB).
[00122] Фиг. 13 представляет собой график, показывающий решеточные диаграммы направленности выходных сигналов двухсекторных ортогональных управляемых лучей в диапазоне ± 45° в плоскости угла места, за исключением углов, близких к углу места 0°. Лучи являются двухсекторными: задние лучи (обозначенные NDIR) и передние лучи (обозначенные PDIR) разделены под углом.[00122] Fig. 13 is a graph showing the output pattern of two-sector orthogonal steerable beams over a range of ±45° in the elevation plane, except for angles close to 0° elevation. The beams are two-sectored: the back beams (labeled NDIR) and the front beams (labeled PDIR) are separated at an angle.
[00123] Соответственно, когда используются двухсекторные передний и задний лучи, каждый луч может использоваться отдельно (или вместе с другими передними или задними лучами соответственно) для управления лучом в направлении передней или задней части заданной области, например, к одному концу эллипса на фиг. 11. Передние и задние лучи можно комбинировать для управления лучом в направлении центральной части заданной области, например, к центру эллипса на фиг. 11.[00123] Accordingly, when dual-sector front and rear beams are used, each beam can be used alone (or together with other front or rear beams, respectively) to steer the beam toward the front or rear portion of a given region, such as toward one end of the ellipse in Fig. 11. The front and rear beams can be combined to steer the beam toward the center portion of a given region, such as toward the center of the ellipse in Fig. 11.
[00124] Фиг. 14 представляет собой график, показывающий объединенную диаграмму направленности для двух двухсекторных управляемых лучей с углом места около 0°, согласно варианту осуществления, в котором низкоорбитальный спутник работает на частоте 30 ГГц на высоте 350 км. При малом угле места (менее одного HPBW) два луча могут перекрываться. В результате эффективность излучения каждого луча может быть снижена из-за высокой связи. Хотя два луча могут иметь большое взаимодействие лучей при угле места около 0°, их можно возбуждать индивидуально без потерь связи, поскольку два луча остаются ортогональными. Объединение двух лучей может привести к практически полному восстановлению потерь эффективности в каждом отдельном луче.[00124] Fig. 14 is a graph showing a combined radiation pattern for two two-sector steerable beams with an elevation angle of about 0°, according to an embodiment in which a low-orbit satellite operates at a frequency of 30 GHz at an altitude of 350 km. At a low elevation angle (less than one HPBW), the two beams may overlap. As a result, the radiation efficiency of each beam may be reduced due to high coupling. Although the two beams may have a large beam interaction at an elevation angle of about 0°, they can be excited individually without loss of coupling, since the two beams remain orthogonal. Combining the two beams can lead to almost complete recovery of the efficiency losses in each individual beam.
[00125] В варианте осуществления характеристики m-MIMO могут быть достигнуты с помощью пилот-сигнала с использованием двух решеточных панелей площадью 320 кв. мм.[00125] In an embodiment, m-MIMO performance may be achieved using a pilot signal using two 320 mm2 grating panels.
[00126] Фиг. 15a представлена таблица, показывающая фактические данные производительности m-MIMO для пилот-сигнала с использованием двух решеточных панелей площадью 320 кв. мм.[00126] Fig. 15a is a table showing actual m-MIMO performance data for a pilot signal using two 320 mm2 grating panels.
[00127] Затем производительность можно значительно улучшить с помощью обработки m-MIMO со значительно более широкой полосой пропускания и большим количеством решеточных панелей.[00127] The performance can then be significantly improved using m-MIMO processing with significantly wider bandwidth and more grid panels.
[00128] Фиг. 15b представляет собой таблицу, показывающую фактические данные производительности m-MIMO для пилот-сигнала с использованием двух решеточных панелей площадью 320 кв. мм, где обработка m-MIMO имеет более широкую полосу пропускания и большее количество решеточных панелей, пять пар панелей.[00128] Fig. 15b is a table showing actual m-MIMO performance data for a pilot signal using two 320 mm2 grating panels, where m-MIMO processing has a wider bandwidth and a larger number of grating panels, five panel pairs.
[00129] Ввиду вышеизложенного предложено устройство беспроводной связи на большие расстояния, которое можно адаптировать для использования в спутниковых системах. Например, устройство может использоваться для обеспечения massive-MIMO-решетки на базе спутника VLEO для прямой линии связи телефонная трубка-спутник, например, с использованием передачи в Ku/Ka/V/Q-диапазоне. Для спутниковой группировки очень малой высоты на высоте 350 км варианты осуществления настоящего изобретения могут использоваться для обеспечения прямой связи между телефонными устройствами со спутником с использованием massive-MIMO в пространстве лучей, например, с BER=1e-05.[00129] In view of the above, a long-range wireless communication device is proposed that can be adapted for use in satellite systems. For example, the device can be used to provide a massive-MIMO array based on a VLEO satellite for a direct handset-to-satellite communication link, for example, using Ku/Ka/V/Q-band transmission. For a very low altitude satellite constellation at an altitude of 350 km, embodiments of the present invention can be used to provide direct communication between telephone devices to a satellite using massive-MIMO in beam space, for example with a BER=1e-05.
[00130] В различных вариантах осуществления могут использоваться пилот-сигналы от целевых устройств, которые используют код низкой модуляции, такой как BPSK/QPSK, тогда как при передаче данных может использоваться модуляция более высокого порядка. Здесь был разработан способ параметрической оценки канала на основе DOA для быстрого линейного предварительного кодирования.[00130] In various embodiments, pilot signals from target devices that use a low modulation code such as BPSK/QPSK may be used, while higher order modulation may be used during data transmission. A method for parametric channel estimation based on DOA for fast linear precoding was developed here.
[00131] Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают многолучевое устройство M-MIMO, которое потенциально снижает сложность антенны и решетки формирования лучей и потенциально обеспечивает гибкость в улучшении общей производительности.[00131] Embodiments of the present invention provide a multi-beam M-MIMO device that potentially reduces the complexity of the antenna and beamforming array and potentially provides flexibility in improving overall performance.
[00132] Варианты осуществления настоящего изобретения потенциально могут быть использованы в системе связи, обеспечивающей общую пропускную способность более 30 Гбит/с/спутник/луч, с использованием фазированных решеток с massive-MIMO размерами порядка 1,6×0,64 м и доступной полосой пропускания спектра 5 ГГц, мощностью передачи 200 мВт/панель.[00132] Embodiments of the present invention can potentially be used in a communication system providing a total throughput of more than 30 Gbps/satellite/beam, using massive-MIMO phased arrays of dimensions on the order of 1.6 x 0.64 m and an available spectrum bandwidth of 5 GHz, with a transmit power of 200 mW/panel.
[00133] В некоторых случаях, в отличие от обычной фазированной решетки m-MIMO с точечным лучом, варианты осуществления настоящего изобретения используют параметрическую оценку канала для быстрой обработки сигнала. Здесь раскрыт целесообразный способ линейного предварительного кодирования для параметрической оценки канала на основе DOA пользователя. Этот способ оценки канала применим как к передаче TDD, так и к FDD.[00133] In some cases, in contrast to the conventional m-MIMO spot beam phased array, embodiments of the present invention use parametric channel estimation for fast signal processing. An advantageous linear precoding method for parametric channel estimation based on the DOA of a user is disclosed here. This channel estimation method is applicable to both TDD and FDD transmission.
[00134] В некоторых случаях по сравнению с обычной системой с massive-MIMO варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают значительно улучшенную мощность пилот-сигнала, что улучшает качество обслуживания и позволяет увеличить расстояние обслуживания. Пилот-сигналы контролируются по каждому лучу, а не по каждому антенному элементу.[00134] In some cases, compared to a conventional massive-MIMO system, embodiments of the present invention provide significantly improved pilot signal power, which improves service quality and allows for an increase in service range. Pilot signals are monitored on a beam-by-beam basis rather than on an antenna element-by-antenna basis.
[00135] В некоторых вариантах осуществления, относящихся к низкоорбитальным спутниковым приложениям, если направление управления лучом решетки (например, направление угла места) установлено таким же, как направление вращения спутника, то отслеживание луча для данного пользователя сводится к простому линейная одномерная обработка предварительного кодирования после выбора соответствующего азимутального луча. По сравнению с полной двумерной фазированной решеткой с точечным лучом это позволяет значительно упростить и повысить энергоэффективность многопользовательских операций.[00135] In some embodiments related to low-orbit satellite applications, if the beam steering direction of the array (e.g., the elevation direction) is set to the same as the rotation direction of the satellite, then beam tracking for a given user is reduced to a simple linear one-dimensional precoding processing after selecting the appropriate azimuth beam. Compared to a full two-dimensional phased array with a spot beam, this allows for significantly simpler and more energy-efficient multi-user operations.
[00136] Варианты осуществления настоящего изобретения легко масштабируются. Емкость системы можно увеличить за счет добавления дополнительных решеточных панелей без значительного увеличения сложности и времени обработки. Добавление панелей увеличивает степень свободы, доступную для формирования луча с использованием активного формирователя луча и обработки M-MIMO по меньшей мере в одном направлении (например, в направлении угла места). Это может способствовать уменьшению ширины луча, увеличению усиления или тому и другому, при этом ширина луча уменьшается пропорционально количеству используемых панелей. В одном варианте осуществления HPBW может составлять приблизительно 0,2° в направлении удлинения группировок (например, в направлении угла места).[00136] Embodiments of the present invention are easily scalable. The capacity of the system can be increased by adding additional grid panels without significantly increasing the complexity and processing time. Adding panels increases the degree of freedom available for beamforming using an active beamformer and M-MIMO processing in at least one direction (e.g., in the elevation direction). This can help to reduce the beamwidth, increase the gain, or both, wherein the beamwidth is reduced proportionally to the number of panels used. In one embodiment, the HPBW can be approximately 0.2° in the direction of constellation elongation (e.g., in the elevation direction).
[00137] Хотя в настоящем изобретении лучи описываются как создаваемые, следует отметить, что лучи могут быть реализованы для использования при передаче, приеме или и том, и другом, посредством принципа взаимности антенн.[00137] Although the present invention describes the beams as being created, it should be noted that the beams may be implemented for use in transmission, reception, or both, through the principle of antenna reciprocity.
[00138] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на его конкретные признаки и варианты осуществления, очевидно, что в него могут быть внесены различные модификации и комбинации, не выходя за рамки изобретения. Соответственно, описание и чертежи следует рассматривать просто как иллюстрацию изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения, и предполагается, что они охватывают любые и все модификации, вариации, комбинации или эквиваленты, которые входят в объем настоящего изобретения.[00138] Although the present invention has been described with reference to specific features and embodiments thereof, it will be apparent that various modifications and combinations may be made therein without departing from the scope of the invention. Accordingly, the description and drawings are to be regarded merely as illustrative of the invention as defined by the appended claims, and are intended to cover any and all modifications, variations, combinations or equivalents that fall within the scope of the present invention.
Claims (30)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US17/195,089 | 2021-03-08 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2023125609A RU2023125609A (en) | 2023-11-03 |
| RU2844326C2 true RU2844326C2 (en) | 2025-07-28 |
Family
ID=
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2731627C1 (en) * | 2015-04-10 | 2020-09-07 | Виасат, Инк. | Satellite for through beam direct formation |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2731627C1 (en) * | 2015-04-10 | 2020-09-07 | Виасат, Инк. | Satellite for through beam direct formation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| DIVAYDEEP SIKRI et al., Multi-Beam Phased Array with Full Digital Beamforming for SATCOM and 5G, 11 April 2019, найдено в Интернет на https://www.microwavejournal.com/ articles/32053-multi-beam-phased-array-with-full-digital-beamforming-for-satcom-and-5g?page=1. FOO S., Orthogonal-beam-space massive-MIMO array, IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications, 2015. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7671857B2 (en) | Method and apparatus for communication using large beam MIMO phased arrays - Patents.com | |
| US10468781B1 (en) | Polarization control for electronically scanned arrays | |
| US10971815B1 (en) | Element level polarization synthesis network for electronically scanned arrays | |
| US8427370B2 (en) | Methods and apparatus for multiple beam aperture | |
| US10367262B2 (en) | Architectures and methods for novel antenna radiation optimization via feed repositioning | |
| EP3213371B1 (en) | Antenna apparatus supporting adjustability of an antenna beam direction | |
| US6314305B1 (en) | Transmitter/receiver for combined adaptive array processing and fixed beam switching | |
| JP7659258B2 (en) | System and method for real-time phased array antenna to modem multiplexing - Patents.com | |
| JP5038433B2 (en) | Optimized radiation pattern | |
| Rajagopal | Beam broadening for phased antenna arrays using multi-beam subarrays | |
| Sikri et al. | Multi-beam phased array with full digital beamforming for SATCOM and 5G | |
| US20100188289A1 (en) | Communication system and method using an active phased array antenna | |
| US9294176B2 (en) | Transmitter | |
| He et al. | Application of the time modulated array in satellite communications | |
| Fusco et al. | Self-phasing antenna array techniques for mobile communications applications | |
| CN116170057A (en) | Low-orbit satellite earth wave beam staring method and device, storage medium and electronic equipment | |
| RU2844326C2 (en) | Method and device for communication using massive-beam mimo phased array | |
| Gupta et al. | Modern Flat Panel Antenna Technology for Ku-/Ka-Band User Terminals in LEO Satellite Communications Systems. | |
| Greda et al. | Beamforming capabilities of array-fed reflector antennas | |
| Foo et al. | Massive-Beam MIMO for LEO/VLEO VHTS | |
| Wu et al. | Angle‐of‐Arrival Estimation in Large‐Scale Hybrid Antenna Arrays | |
| Javed et al. | Improving analog zero-forcing null depth with N-bit vector modulators in multi-beam phased array systems | |
| US20250226909A1 (en) | Devices and methods for steering an electromagnetic beam having one or more orbital angular momentum modes | |
| Abdel-Wahab et al. | A modular architecture for low cost phased array antenna system for ka-band mobile satellite communication | |
| EP4241331B1 (en) | Self-compensating analog beamforming traveling-wave phased array |