RU2844326C2 - Способ и устройство связи с использованием фазированной решетки massive-beam mimo - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области беспроводной связи на большие расстояния, например, между наземными устройствами и спутниками, такими как спутники на низкой околоземной орбите (LEO), в частности к фазированным антенным решеткам (ФАР) для связи с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO). Техническим результатом является обеспечение высокой пропускной способности с использованием ФАР massive-beam (массивная) MIMO, установленных на спутнике LEO. Предложены способ и устройство беспроводной связи на большие расстояния, например спутник - земля. Двумерные антенные решетки работают попарно для создания чередующихся групп лучей, которые вытянуты в одном направлении и выровнены в другом направлении. Эти группы лучей можно обеспечить с помощью фиксированных аналоговых решеток формирования лучей. Активный формирователь луча можно использовать для формирования лучей, направленных внутри каждой группы лучей. Различные порты аналоговых решеток формирования лучей могут использоваться для создания лучей в разных группах или разных двухсекторных лучей в одной группе. Также предусмотрена упрощенная параметрическая операция предварительного кодирования информации о состоянии канала с использованием направления прибытия для обработки MIMO. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 21 ил.

Description

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА

[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.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[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.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[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.

[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.

[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.

[0006] Поэтому существует необходимость предоставить способ и устройство связи, которые устраняют или смягчают одно или более ограничений предшествующего уровня техники.

[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.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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).

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0028] Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего подробного описания, взятого в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

[0029] Фиг. 1a иллюстрирует управляемую двухсекторную (N×N) решетку massive-MIMO в пространстве лучей согласно варианту осуществления.

[0030] Фиг. 1b иллюстрирует управляемую двухсекторную (N×N) решетку massive-MIMO в пространстве лучей согласно другому варианту осуществления.

[0031] Фиг. 2 представляет собой график, показывающий типичные диаграммы направленности ортогональных лучей, созданных с помощью матрицы Батлера, согласно варианту осуществления.

[0032] Фиг. 3 представляет собой график, показывающий диаграммы направленности составных лучей путем наложения N×N ортогональных лучей Батлера согласно варианту осуществления.

[0033] Фиг. 4 представляет собой график, показывающий диаграммы направленности первой ортогональной составной фазированной в пространстве лучей решетки, называемой здесь решеткой A, согласно варианту осуществления.

[0034] Фиг. 5 представляет собой график, показывающий диаграммы направленности второй ортогональной составной фазированной в пространстве лучей решетки, называемой здесь решеткой B, согласно варианту осуществления.

[0035] Фиг. 6a иллюстрирует ортогональный аналоговый формирователь луча 8x16 для варианта осуществления фазированной решетки A.

[0036] Фиг. 6b представляет собой таблицу, показывающую значения фазового сдвига для различных фазовращателей по фиг. 6a.

[0037] Фиг. 7a иллюстрирует ортогональный аналоговый формирователь луча 8x16 для варианта осуществления фазированной решетки B.

[0038] Фиг. 7b представляет собой таблицу, показывающую значения фазового сдвига для различных фазовращателей по фиг. 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.

[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.

[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.

[0042] Фиг. 9 иллюстрирует общую систему координат для двумерной фазированной решетки massive MIMO согласно варианту осуществления.

[0043] Фиг. 10 представляет собой концептуальное изображение низкоорбитальной massive-MIMO-решетки VHTS согласно варианту осуществления.

[0044] Фиг. 11 иллюстрирует двухпанельную ортогональную фазированную решетку с massive-MIMO в пространстве лучей согласно варианту осуществления.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[0050] Следует отметить, что на всех прилагаемых чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позиционными обозначениями.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[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.

[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).

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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:

[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, E_R и E_L. Обычно BCF должен быть ниже -15 дБ.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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).

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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 (U_o, V_o), а направление 910 целевого устройства i показано имеющим компонент, проецируемый на плоскость XY, (Ui, Vi). Углы θ_i и ϕ_i относятся к направлению 910 целевого устройства i с использованием сферических координат.

[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:

где:

β_i(t) - коэффициент усиления канала для целевого устройства i,

- временной коэффициент фазированной решетки спутника,

- сигнал передачи от целевого устройства i с задержкой , и

N(t) - это шум, например - аддитивный белый гауссов шум (additive white Gaussian noise, AWGN).

[00101] Частотная характеристика, соответствующая , равна:

где:

- комплексное усиление канала,

- комплексный коэффициент двумерной решетки,

- передаваемый сигнал с фазовой задержкой , и

W - шум AWGN.

[00102] На основании фиг. 9 общий вид коэффициента решетки для однородной двумерной фазированной решетки можно выразить как:

где:

x и y - оси двумерной решетки,

k₀ - постоянная распространения

m - номер элемента решетки

dx и dy - расстояние между элементами в направлениях x и y.

u и v - оси сканирования,

( - угол наведения опорной антенны и

( - местоположение целевого устройства i, заданное следующим образом:

[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):

[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:

[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:

[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:

[00107] Каждый полученный сигнал луча становится равным:

[00108] Вектор управления лучом можно определить как:

(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.

[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.

[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.

[00112] В некоторых вариантах осуществления оценка состояния канала беспроводной связи содержит выполнение множества отдельных операций линейного предварительного кодирования, как описано выше.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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°.

[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.

[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.

[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).

[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.

[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.

[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.

[00125] В варианте осуществления характеристики m-MIMO могут быть достигнуты с помощью пилот-сигнала с использованием двух решеточных панелей площадью 320 кв. мм.

[00126] Фиг. 15a представлена таблица, показывающая фактические данные производительности m-MIMO для пилот-сигнала с использованием двух решеточных панелей площадью 320 кв. мм.

[00127] Затем производительность можно значительно улучшить с помощью обработки m-MIMO со значительно более широкой полосой пропускания и большим количеством решеточных панелей.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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).

[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.

[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.

Claims (30)

1. Устройство беспроводной связи, содержащее:

первую двумерную антенную решетку, содержащую множество антенных элементов;

вторую двумерную антенную решетку, причем вторая антенная решетка содержит множество дополнительных антенных элементов и отделена от первой антенной решетки;

первую решетку формирователей лучей, функционально соединенную с первой антенной решеткой и выполненную с возможностью формирования первого множества лучей путем работы первой антенной решетки как фазированной решетки, при этом первое множество лучей разделяется на множество разнесенных групп лучей; и

вторую решетку формирователей лучей, функционально соединенную со второй антенной решеткой и выполненную с возможностью формирования второго множества лучей путем работы второй антенной решетки как второй фазированной решетки, при этом второе множество лучей разделено на множество дополнительных разнесенных групп лучей, которые чередуются с упомянутым множеством разнесенных групп лучей,

при этом каждая группа лучей содержит соответствующее множество перекрывающихся лучей; и

при этом каждая решетка формирователей лучей содержит множество сетей формирователей лучей, расположенных параллельно, и при этом решетка формирователей лучей выполнена с возможностью обеспечения набора лучевых портов, причем каждый из лучевых портов функционально соединен через одну из сетей формирователей лучей или через соединенную пару сети формирователей лучей к паре соседних рядов упомянутых антенных элементов.

2. Устройство по п. 1, в котором каждая из сетей формирователей лучей соединена с другим соответствующим рядом антенных элементов и каждая решетка формирователей лучей дополнительно содержит один или более рядов гибридных ответвителей, причем каждый ряд гибридных ответвителей соединен с соответствующей парой из множества сетей формирователей лучей, и при этом упомянутые лучевые порты являются портами гибридных ответвителей.

3. Устройство по п. 2, в котором разные гибридные ответвители управляют лучами в разных группах лучей, и при этом каждый гибридный ответвитель содержит пару портов, причем каждый из пары портов управляет разными двухсекторными лучами в одном и том же одном из группировки лучей.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором каждая из сетей формирователей лучей соединена с другой соответствующей парой соседних рядов упомянутых антенных элементов и содержит подмножество набора лучевых портов, причем количество лучевых портов в упомянутом подмножестве меньше, чем число антенных элементов в упомянутой паре соседних рядов.

5. Устройство по п. 4, в котором каждая из сетей формирователей лучей содержит 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.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, в котором множество антенных элементов и множество дополнительных элементов, соответственно, расположены с расстоянием между элементами, меньшим или равным половине рабочей длины волны.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, в котором каждая группа лучей состоит из отдельных лучей, которые в совокупности имеют соответствующее объединенное поперечное сечение, вытянутое в первом направлении, и в котором различные группы лучей выровнены рядом друг с другом во втором направлении, перпендикулярном первому направлению.

8. Устройство по п. 7, при этом устройство установлено на спутнике, который движется относительно Земли, и в при этом первое направление ориентировано так, что каждое соответствующее объединенное поперечное сечение представляет собой часть поверхности Земли, вытянутую параллельно направлению движения спутника.

9. Устройство по п. 7 или 8, в котором каждая группа лучей представляет собой двухсекторную группу лучей, содержащую один, два или более передних лучей, которые вместе образуют первую часть упомянутого объединенного поперечного сечения, причем упомянутая первая часть расположена к первому концу объединенного поперечного сечения, причем каждая группа лучей дополнительно содержит один, два или более задних лучей, которые вместе образуют вторую часть упомянутого объединенного поперечного сечения, причем упомянутая вторая часть расположена ближе ко второму концу объединенного поперечного сечения, причем первый конец и второй конец расположен напротив друг друга в первом направлении, причем первая часть и вторая часть перекрываются или не перекрываются.

10. Устройство по п. 9, в котором упомянутые передние лучи ортогональны упомянутым задним лучам и в котором упомянутые передние лучи направлены под другим углом относительно упомянутых задних лучей.

11. Устройство по любому из пп. 1-10, дополнительно содержащее активный формирователь луча, функционально соединенный с первой решеткой формирователей лучей, при этом активный формирователь луча выполнен с возможностью формирования, с использованием цифрового предварительного кодирования, одного или более следящих лучей, по меньшей мере частично, путем объединения нескольких лучей, принадлежащих одной из групп лучей, из множества разнесенных групп лучей.

12. Устройство по п. 11, в котором каждая группа лучей состоит из отдельных лучей, которые вместе имеют соответствующее объединенное поперечное сечение, вытянутое в первом направлении, и в котором активный формирователь луча выполнен с возможностью управления следящими лучами в первом направлении.

13. Устройство по п. 11 или 12, дополнительно содержащее 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, причем каждая из дополнительных решеток формирователей лучей выполнена с возможностью создания дополнительных копий первого множества лучей путем приведения в действие соответствующей одной из дополнительных антенных решеток в качестве дополнительной фазированной решетки, причем каждая из упомянутых дополнительных копий перекрывается с первым множеством лучей, при этом активный формирователь луча дополнительно функционально соединен с каждой из дополнительных решеток формирователей лучей, и при этом 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.

14. Устройство по любому из пп. 1-13, в котором каждая группа лучей состоит из отдельных лучей, которые в совокупности имеют соответствующее объединенное поперечное сечение, вытянутое в первом направлении, при этом различные группы лучей выровнены рядом друг с другом во втором направлении, которое перпендикулярно первому направлению, и при этом упомянутые ряды антенных элементов проходят параллельно друг другу во втором направлении и разнесены в первом направлении.

15. Устройство по любому из пп. 1-14, дополнительно содержащее средство оценки состояния канала, выполненное с возможностью оценивать состояние канала беспроводной связи преимущественно в пределах прямой видимости между устройством и удаленным устройством беспроводной связи на основе направления прибытия сигнала, передаваемого на удаленное устройство беспроводной связи, и дополнительно на основе геометрии первой антенной решетки и второй антенной решетки с использованием статистической информации о состоянии канала и параметрической модели канала.

16. Устройство по п. 15, в котором упомянутые группы лучей ортогональны друг другу и в котором оценка состояния канала беспроводной связи содержит выполнение множества отдельных операций линейного предварительного кодирования.

17. Устройство по любому из пп. 1-16, в котором первая решетка формирователей лучей и вторая решетка формирователей лучей представляют собой фиксированные аналоговые решетки формирователей лучей.

18. Способ для беспроводной связи, содержащий:

работу первой двумерной антенной решетки, содержащей множество антенных элементов, расположенных с расстоянием между элементами, меньшим или равным половине рабочей длины волны;

работу второй двумерной антенной решетки, причем вторая антенная решетка содержит множество дополнительных антенных элементов, расположенных с расстоянием между элементами, меньшим или равным половине рабочей длины волны, и отделенных от первой антенной решетки;

работу первой решетки формирователей лучей, функционально соединенной с первой антенной решеткой и выполненной с возможностью формирования первого множества лучей, путем работы первой антенной решетки как фазированной решетки, при этом первое множество лучей разделяется на множество разнесенных групп лучей; и

работу второй решетки формирователей лучей, функционально соединенной со второй антенной решеткой и выполненной с возможностью формирования второго множества лучей, путем работы второй антенной решетки как второй фазированной решетки, при этом второе множество лучей разделяется на множество дополнительных разнесенных групп лучей, которые чередуются с упомянутым множеством разнесенных групп лучей,

при этом каждая группа лучей содержит соответствующее множество перекрывающихся лучей; и

при этом каждая решетка формирователей лучей содержит множество сетей формирователей лучей, расположенных параллельно, и при этом решетка формирователей лучей выполнена с возможностью обеспечения набора лучевых портов, причем каждый из лучевых портов функционально соединен через одну из сетей формирователей лучей или через соединенную пару сети формирователей лучей к паре соседних рядов упомянутых антенных элементов.