有源天线阵列线性化

技术领域

本公开涉及无线电系统中的功率放大器的线性化，并且更具体地，涉及无线电系统中被耦合到多个有源天线元件的多个功率放大器的线性化。

背景技术

任何形式的射频(RF)发送单元将具有对多少额外的频谱发射被允许在它自己的发送带宽之外的限制。取决于RF发送单元的发送带宽出现在频谱域中的位置，可对RF发送单元设置不同的要求。作为示例，带内发射和带外发射是多个可能要求中的两个。主要地，带外发射可通过应用RF滤波器来有效地控制。而且，从纯理论的角度，带内频谱的过滤可能实际上是可能的。然而，带内频谱的过滤通常绝不考虑，因为这类过滤会严重限制硬件设备用于特定的载波频率，并且甚至在RF发送单元的工作频带内也不可重新调谐。如此，由于RF发送单元的功率放大器通常负责发射，因此，设计者通常试图线性化放大器来代替。

线性化可以以多种方式执行，以模拟形式和以数字形式两者。在模拟形式中，线性化通常在RF处执行，但也可以在低频或中频(IF)进行。数字线性化通常在数字基带处执行。在最简单的形式中，数字线性化在信号进入功率放大器之前对信号进行预失真，以使得预失真或多或少抵消由功率放大器产生的失真。该技术被称为数字预失真(DPD)。然而，也存在前馈方法，其中由功率放大器引起的失真在功率放大器的输出处被直接抵消。前馈方法具有在设计复杂性和固有弱功率效率这两方面的缺点。

显然，在大多数情况下，通常需要实现某种线性化。通常，在预失真器与放大器之间存在一一映射。也就是说，用于特定失真器的硬件被实现并被设计用于每个放大器。结合预失真器自身的激活器功能，通常设计并实现反馈系统以跟踪实际的输出信号并能够对系统的变化作出反应，而该系统的变化可能进而需要激活器的变化。

在将DPD扩展到其中存在多个有源天线无线电分支的所谓有源天线系统(AAS)和多输入多输出(MIMO)(例如，大规模MIMO)系统时出现问题。现今，天线分支的数量并且因此功率放大器的数量是大约几百个。使用现有的DPD技术，对于每个单独的功率放大器需要单独的预失真器和反馈环。针对每个功率放大器，反馈环使用线性化器算法，该算法试图通过进而配置相应的预失真器以将适当的信号失真量添加到输入上来最小化由功率放大器产生的额外的互调频谱。

典型的实现包括预失真器、放大器、耦合器、专用于失真检测的接收机、以及自适应地配置预失真器以最小化反馈信号中的失真的适配器。耦合器取出少量的RF信号，这些RF信号经由接收机被反馈给适配器，在适配器中与原始信号进行比较。一个示例会是通过模拟数字转换器(ADC)馈送反馈信号，然后用同相和正交相位分量(I和Q)将其传送回到数字复基带，与原始信号进行比较。适配器应用一种算法，该算法通常试图最小化原始信号与来自放大器的输出信号之间的差，可能除了增益因子和可选的相位+时滞差之外。然后，针对有源天线无线电系统中的每个分支重复这种环路。这导致大量的硬件和处理用于线性化。

特别地，在无线电系统中，诸如具有大量有源天线无线电分支的AAS和MIMO系统，需要大幅度地减少同时线性化多个放大器所需的硬件数量，并且同时减少信号处理需要。

减少所需硬件的一种方式是使用一个接收分支作为用于线性化的反馈系统，如在[1]中所描述的。也就是说，不需要实现用于反馈信号的特殊接收器。如果通信系统的类型是时域划分(TDD)，则这将起作用，但不用于频域划分(FDD)系统。另外，会需要特殊的控制信令以在发送模式中切换一些分支，而一个或可能的多个分支会被设定为接收模式。

完全有源阵列天线的线性化需要仔细的设计，并需要可以减少复杂性和硬件需要的任何手段。

发明内容

公开了用于线性化包括天线阵列的无线电系统的系统和方法。在一些实施例中，无线电系统包括：天线阵列，其包括多个有源天线元件；多个发送分支，其包括相应的多个功率放大器；预失真子系统，其包括分别用于多个发送分支的多个预失真器；接收天线元件；发送观测接收机，其输入被耦合到接收天线元件；以及适配器。预失真器可操作以对相应的发送信号进行预失真以提供预失真的发送信号，并向相应的发送分支提供预失真的发送信号。发送分支可操作以经由相应的有源天线元件发送预失真的发送信号。发送观测接收机可操作以经由接收天线元件接收与由于接收天线元件与有源天线元件之间的耦合而在接收天线元件处接收的发送信号的组合对应的组合接收信号。适配器可操作以基于发送信号来生成组合参考信号，以使得组合参考信号模拟组合接收信号，以及基于组合参考信号和组合接收信号来对被输入到预失真器的预失真参数进行配置，其中预失真参数定义由预失真器提供的预失真。以这种方式，可执行对无线电系统的每个分支的线性化，而不需要用于每个天线元件的耦合器，并且具有低的处理复杂性。

在一些实施例中，适配器可操作以基于组合参考信号、组合接收信号和已知复值衰减因子来对被输入到预失真器的预失真参数进行配置，其中，预失真参数定义由预失真器提供的预失真，已知复值衰减因子定义从有源天线元件到接收天线元件的耦合。进一步地，在一些实施例中，预失真参数是用于预失真器的公共预失真系数集合。在一些实施例中，预失真参数是定义用于预失真器的公共预失真系数集合的估计预失真系数向量(α

其中，

·α

·η是缩放收敛因子；

·β

·x

·y

其中，

M

在一些其他实施例中，预失真参数包括用于每个预失真器的单独预失真系数集合。

在一些实施例中，适配器可操作以基于组合参考信号、组合接收信号和考虑了未知复值衰减因子的一个或多个估计参数来对被输入到预失真器的预失真参数进行配置，其中，预失真参数定义由预失真器提供的预失真，未知复值衰减因子定义从有源天线元件到接收天线元件的耦合。一些实施例中，预失真参数是用于预失真器的公共预失真系数集合。在一些其他实施例中，预失真参数包括用于每个预失真器的单独预失真系数集合。

在一些实施例中，接收天线元件是用于发送观测接收机的专用天线元件。

还公开了操作无线电系统的方法的实施例。在一些实施例中，操作无线电系统以线性化无线电系统的方法包括：经由无线电系统的相应的多个预失真器对多个发送信号进行预失真，从而提供多个预失真的发送信号；以及经由无线电系统的天线阵列中的相应的有源天线元件发送预失真的发送信号。该方法还包括：经由无线电系统的接收天线元件和发送观测接收机接收组合接收信号，其中，组合接收信号与由于接收天线元件与有源天线元件之间的耦合而在专用天线处接收的发送信号的组合相对应。该方法还包括：基于发送信号来生成组合参考信号，以使得组合参考信号模拟组合接收信号，以及基于组合参考信号和组合接收信号来对被输入到预失真器的预失真参数进行配置，其中预失真参数定义由预失真器提供的预失真。

在一些实施例中，对预失真参数进行配置包括：基于组合参考信号、组合接收信号和已知复值衰减因子来对预失真参数进行配置，其中已知复值衰减因子定义从有源天线元件到接收天线元件的耦合。在一些实施例中，预失真参数是用于预失真器的公共预失真系数集合。在一些实施例中，预失真参数是定义用于多个预失真器的公共预失真系数集合的估计预失真系数向量(α

其中，

·α

·η是缩放收敛因子；

·β

·x

·y

其中，

M

在一些其他实施例中，预失真参数包括用于每个预失真器的单独预失真系数集合。

在一些实施例中，对预失真参数进行配置包括：基于组合参考信号、组合接收信号和考虑了未知复值衰减因子的一个或多个估计参数来对预失真参数进行配置，其中未知复值衰减因子定义从多个有源天线元件到接收天线元件的耦合。在一些实施例中，预失真参数是用于预失真器的公共预失真系数集合。在一些其他实施例中，预失真参数包括用于每个预失真器的单独预失真系数集合。

在一些实施例中，接收天线元件是用于发送观测接收机的专用天线元件。

附图说明

被并入本说明书并形成其中一部分的附图图示了本公开的多个方面，并且连同描述一起用于解释本公开的原理。

图1示出了根据本公开的一些实施例的提供线性化的无线电系统；

图2示出了根据本公开的一些实施例的由图1的无线电系统中的适配器利用的适配方案；

图3示出了根据本公开的一些其他实施例的提供线性化的无线电系统；

图4示出了根据本公开的一些其他实施例的提供线性化的无线电系统；以及

图5示出了根据本公开的一些实施例的示出线性化过程的流程图。

具体实施方式

以下阐述的实施例表示使得本领域技术人员能够实践实施例并且说明实践实施例的最佳模式的信息。在根据附图阅读以下描述之后，本领域的技术人员将理解到本公开的概念，并且将认识到本文中未特别解决的这些概念的应用。应当理解，这些概念和应用落在本公开的范围之内。

完全有源阵列天线的线性化要求仔细的设计，并需要可以减少复杂性和硬件需要的任何装置。在这一方面，存在一些现有解决方案，其通过围绕具有自己的耦合器接口的所有放大器分支而切换线性化器反馈接收机来再利用同一线性化器反馈接收机，从而试图最小化必要的硬件[2]。这通常被称为发送观测接收机(TOR)共享。TOR共享要求一些聪明的调度器、耦合器、和交换网。方法[3]被描述为利用用于有源阵列天线中的所有天线分支的一个公共线性化器。它取出“功率传感器”中的合计功率，并使用该信息控制不同放大器的偏置、放大器的增益、以及关于给出线性化的公共线性化器的成形。

关于[2]中所描述的现有解决方案的问题在于，它在射频(RF)耦合器和可能的在天线板自身上的传输线路由方面需要大量的硬件，并且它要求完全信号处理能力以处理完全线性化器集合，一个线性化器用于天线阵列的每个分支。如果不是TOR共享的情况，则对每个天线分支必须实现单独的TOR。另外，对于具有控制单独线性化器的单独算法的每个天线分支会存在信号处理环。

[3]中的解决方案使用功率检测器，并且能够连同单独的分支增益以及公共线性化器的形状一起控制不同放大器的功率设置。该解决方案缺乏线性化阵列天线中的多个波束的能力。它同时对于所有有源天线分支只有一个线性化器。如果数字波束成形将被使用，则单独的线性化器必须用于有源阵列天线中的每个放大器。同时支持若干波束的有源天线阵列(数字波束成形)需要具有专用于每个放大器分支的线性化器。

例如，如果所有放大器是相同的，则这些线性化器可以是全部相同的，或者如果每个放大器将被单独线性化，则这些线性化器可以是不同形状的。用于全部多个线性化器的算法可以被给定针对线性化器挑选某个平均参数集合的任务，或者它可以被给定单独线性化每个放大器的任务。

本文公开了显著减少同时线性化多个放大器所需的硬件数量并且同时以相同的步调节省信号处理需要的系统和方法。本文所公开的系统和方法具有朝向实现所有天线元件由单独的功率放大器单独驱动的有源天线阵列的线性化的清楚应用。

更具体地，在一些实施例中，提供了无线电系统，其包括：天线阵列(例如，有源天线系统(AAS))，其包括多个天线元件；发送分支，其分别被耦合到天线元件；TOR(在本文中也被称为线性化器接收机)；以及接收天线元件(例如，专用于TOR的附加天线元件)。由于相应的发送分支包括功率放大器(PA)，因此，天线元件在本文中被称为“有源天线元件”。接收天线元件可以任意定位在天线阵列的附近。另外，无线电系统包括：预失真子系统，其包括用于每个发送分支的单独数字预失真器或线性化器；以及适配器，其对被输入到数字预失真器的预失真参数进行配置以控制由数字预失真器应用的预失真。

在操作中，用于有源天线元件的发送信号由相应的数字预失真器进行预失真以提供预失真的发送信号，这些预失真的发送信号被提供到相应的发送分支以用于经由相应的有源天线元件的传输。由于有源天线元件与接收天线元件之间的耦合，因此，TOR经由接收天线元件来接收组合接收信号。该组合信号是经由有源天线元件发送的发送信号的组合。适配器基于发送信号来生成组合参考信号，以使得组合参考信号模拟(即，模仿)经由TOR接收的组合接收信号。适配器基于组合接收信号和组合参考信号来生成(例如，更新)被提供给数字预失真器的预失真参数。例如，组合接收信号和组合参考信号可以在一者或两者已经被调整以使得两个信号被时间和相位对准之后进行比较，例如，以确定误差。然后，误差最小化技术(例如，最小均方(LMS))可以用于更新预失真参数，以使得组合接收信号与组合参考信号之间的误差被最小化。模拟信号组合与实际测量信号之间的差会是算法收敛的品质因素。由于无线电系统对每个发送分支使用单独的线性化器，而不是公共线性化器，因此，无线电系统能够同时对多个波束执行同时线性化，而且还减少处理复杂性。

尽管不限于或者被任何特定优点限定，但是本公开的实施例提供多个优点。例如，本文所公开的实施例避免了对每个天线(放大器)分支上的RF耦合器和从耦合器向下到(一个或多个)TOR接收机的RF路由网络的需要。如此，所需的硬件的数量显著降低。进一步地，所需的信号处理被减少到与单个线性化器环所需的等同。本文所公开的实施例还提供了由同一硬件通过所谓的数字波束成形来线性化同时波束的有效方式。

本文所公开的实施例提供用于将线性化应用到允许实现成本的大幅减少的大型有源天线阵列、同时还在很大程度上减少线性化系统的复杂性的解决方案。

本公开的一些实施例的另一个优点在于，可以再利用在通过其可针对单个天线线性化找到最佳解决方案的算法方面的现有线性化器解决方案。因此，不需要设计任何新的线性化器算法。相反，针对现有的线性化算法的新的输入被用于从而获得具有新的组合意义的输出。

图1示出了根据本公开的一些实施例的无线电系统100的一个示例。无线电系统100可以例如被实现在蜂窝无线电接入网络(例如，第五代(5G)新无线电(NR)无线电接入网络)的基站中。如图所示，无线电系统100包括多个发送分支102-1到102-6(在本文中也被称为天线分支)，其包括被耦合到天线阵列106的相应的PA 104-1到104-6，天线阵列106在该示例中是AAS。发送分支102-1到102-6的PA 104-1到104-6被耦合到相应的天线元件108-1到108-6。天线元件108-1到108-6在本文中也被称为有源天线元件108-1到108-6。虽然未示出，但是发送分支102-1到102-6可包括附加的组件，诸如例如，数字模拟转换器(DAC)、上变频器、滤波器等。注意，发送分支102-1到102-6通常在本文中被统称为发送分支102并且单独地被称为发送分支102。同样，PA 104-1到104-6通常在本文中被统称为PA 104并且单独地被称为PA 104，天线元件108-1到108-6通常在本文中被统称为天线元件108并且单独地被称为天线元件108。还注意，虽然在该示例中存在六个发送分支102和六个天线元件108，但是发送分支102和天线元件108的数量可以是大于或等于2的任何整数。

无线电系统100还包括线性化子系统，其在该示例中是数字预失真(DPD)子系统。注意，虽然DPD用于在本文所描述的许多示例实施例中提供线性化，但是应当注意，可以使用其他类型的线性化(例如，模拟预失真)。DPD子系统包括用于相应的发送分支102-1到102-6的单独的DPD预失真器110-1到110-6(在本文中也被称为DPD致动器)和适配器112，适配器112可以以硬件或硬件和软件的组合实现。反馈环路提供反馈信号(y

在该示例中，假定所有的PA 104具有完全相同的非线性行为。在这种情况下，所有的DPD预失真器110被配置有相同的预失真参数集合(例如，相同的复值预失真系数集合)。每个发送分支102具有单独的DPD预失真器110使得每个PA 104能够被提供将被放大的不同信号。重要地，应当理解，发送信号可以是全部不同的，并且单独的PA 104将被线性化而不是发送信号本身。因此，不管发送信号如何，预失真仅在PA 104的非线性行为出于某种原因改变的情况下改变。

反馈环路包括接收天线元件114(在本文中也被称为反馈天线元件)和TOR 116。TOR 116包括典型的接收机组件，诸如例如，低噪声放大器(LNA)、(一个或多个)滤波器、下变频电路、在一些情况下还有模拟数字转换器(ADC)电路。优选地，接收天线元件114是专用天线元件，即，专用于TOR 116的天线元件。接收天线元件114被定位在天线元件108附近。

在操作中，用于天线阵列106中的相应的有源天线元件108-1到108-6的发送分支102-1到102-6的发送信号x

在预失真的发送信号x

适配器112根据发送信号x

以这种方式，单个接收天线114和单个TOR 116用于获得表示由有源发送分支(即，被耦合到有源天线元件108的发送分支102)中的PA 104输出的所有发送信号的组合接收信号。进一步地，单个适配器112(即，单一适配算法)可用于生成被输入到所有DPD预失真器110中的预失真参数。换句话说，单个适配器112用于天线阵列100中的所有天线元件108的所有PA 104。

图2示出了根据本公开的一些实施例的由适配器112实现的适配方案。更具体地，图2所示的适配方案是最小化组合参考信号与组合接收信号之间的误差的LMS算法，其中，“y”是组合接收信号(在图1中被标记为y

其中，y

以及

M

根据以上迭代公式(等式(1))来更新预失真参数α

注意，以上适配方案仅仅是示例。也可以使用上文关于图2和等式(1)至(3)所描述的适配方案的变型。进一步地，可以使用用于最小化组合接收信号与组合参考信号之间的误差(例如，在LMS意义上)的任何其他算法。

还应当注意，在图2中，采用Matlab注释来写解，其中“\”字符意味着LMS解。更具体地，“\”字符在Matlab语言中是指伪逆，其与进行LMS过程几乎相同。Matlab已经提供了LMS的快速计算的便利方式，也就是基本上“\”字符所意味的。等式(1)-(3)也提供LMS解。在这方面，可关于图2和等式(1)-(3)做出以下注释。项“y

因此，应当理解，图2和等式(1)至(3)的适配方案的示例实施例应当仅被视为示例，并且本公开并不限于此。本公开聚焦于仅具有一个单一接收天线元件114和TOR 116的整体实现，而不需要实现RF耦合器和/或用于不同反馈信号中的每一个的网络路由树并结合多个线性化器。

现在描述对上述的线性化过程给出附加自由度的多个附加实施例。在这方面，图3示出了根据另一个实施例的无线电系统100，其中，假定所有PA 104具有相等的非线性行为。否则，无线电系统100及其操作与上文所描述的相同。然而，由于PA 104可能具有不同的非线性特性，但是所有DPD预失真器110使用相同的预失真参数集合，因此，不再提供每个分支的线性化。然而，组合接收信号将仍然得到线性化。也就是说，尽管一些PA 104仍然发送相对高的失真水平，但是信号的总和仍然得到线性化。

图4示出了根据另一个实施例的无线电系统100，其中，DPD预失真器110被配置有不同的预失真参数。换句话说，适配器112生成用于单独的DPD预失真器110的单独预失真参数。这乘以未知参数的数量以在适配器112中求解，并且整体算法的收敛比可能受到影响。然而，从LMS观点，仍然可以使所有线性化器专用于每个自己的非线性放大器。为了扩展以上图2和等式(1)至(3)的算法以求解用于DPD预失真器110的单独的系数，描述非线性的系数向量“α”被堆叠N次以容纳用于附加的独立DPD预失真器110的额外系数。梯度矩阵M还被扩展了附加列以便照顾LMS优化过程中的额外的未知数。

在又一个实施例中，图1至4中的任一个的实施例可以被进一步扩展以容纳天线元件108与接收天线元件114之间的未知耦合因子。更具体地，在一个示例实施例中，引入不确定因子。例如，可以基于例如天线元件108与接收天线元件114之间的物理距离再加上不确定因子来估计耦合参数。这将干扰算法的收敛，但无论如何，它将得出相当稳定的解。在另一个示例实施例中，耦合参数被包括到LMS解中作为未知数。特别地，为了规定用于允许“β”(即，耦合参数)未知或至少不确定，可以根据上文关于额外的DPD系数的描述，将额外的β未知数堆叠在原始α向量的下面/上面。也就是说，未知迭代向量会是[α；β]。梯度矩阵M还被扩展了与关于每个β的导数对应的额外的列。然后，该方法会不仅在α上迭代，而且同时在β上迭代。

最后，应当注意，虽然DPD预失真器110和适配器112在图1、图3、和图4中被示出为无线电系统100的一部分，但是在一些其他实施例中，DPD预失真器110和/或适配器112被实现在无线电系统100以外，诸如例如在另一个设备或系统处或被虚拟化“在云中”。在这种情况下，无线电系统100会例如从外部设备/系统(例如，另一个设备或“云”)接收预失真的发送信号，并向外部设备/系统提供组合接收信号，在外部设备/系统中，组合接收信号被用于生成(例如，更新)DPD预失真器110的预失真参数。作为另一个示例，适配器112被实现在外部设备/系统处，但是DPD预失真器110被实现在无线电系统100处，在这种情况下，被输入到DPD预失真器110的预失真参数会从外部设备/系统接收。

图5是根据上文所描述的实施例的至少一些方面示出线性化过程的流程图。该过程由无线电系统执行，诸如例如图1、3、或4的无线电系统。如此，对无线电系统100的引用被包括在以下描述中。如图所示，该过程包括经由无线电系统100的相应的预失真器110对发送信号进行预失真，从而提供预失真的发送信号(步骤500)。该过程还包括经由无线电系统100的天线阵列106中的相应的有源天线元件108发送预失真的发送信号(步骤502)。该过程还包括经由无线电系统100的接收天线元件114和TOR 116接收组合接收信号，其中，组合接收信号对应于由于接收天线元件114与有源天线元件108之间的耦合而在专用天线元件114处接收的发送信号的组合(步骤504)。该过程还包括基于发送信号来生成组合参考信号，以使得组合参考信号模拟组合接收信号(步骤506)，并且基于组合参考信号和组合接收信号，对被输入到预失真器的预失真参数进行配置，其中预失真参数定义由预失真器提供的预失真(步骤508)。

在一些实施例中，对预失真参数进行配置包括：基于组合参考信号、组合接收信号和已知复值衰减因子来对预失真参数进行配置，其中已知复值衰减因子定义从有源天线元件108到接收天线元件114的耦合，如上文所述。在一些实施例中，预失真参数是用于DPD预失真器110的公共预失真系数集合。

如上文进一步描述的，在一些实施例中，预失真参数采用定义用于DPD预失真器110的公共预失真系数集合的估计预失真系数向量α

其中，

·α

·η是缩放收敛因子；

·β

·x

·y

其中，

M

如上文进一步描述的，在一些实施例中，预失真参数包括用于每个DPD预失真器110的单独的预失真系数集合。

还如上文所描述的，在一些其他实施例中，对预失真参数进行配置包括：基于组合参考信号、组合接收信号和未知复值衰减因子来对预失真参数进行配置，其中未知复值衰减因子定义从有源天线元件108到接收天线元件114的耦合。进一步地，在一些实施例中，预失真参数采用用于所有DPD预失真器110的公共预失真系数集合的形式。在一些其他实施例中，预失真参数包括用于每个DPD预失真器110的单独的预失真系数集合。

如上文进一步描述的，在一些实施例中，接收天线元件114是用于TOR 116的专用天线元件。

在本公开中可使用以下缩写中的至少一些。如果在缩写之间存在不一致，则应当在上文给出如何使用的偏好。如果在下文中列出多次，则第一次列出应当优于任何后续的(一个或多个)列出。

·5G第五代

·AAS有源天线系统

·ADC模拟数字转换器

·DAC数字模拟转换器

·DPD数字预失真

·FDD频域划分

·I和Q同相和正交分量

·IF中频

·LMS最小均方

·LNA低噪声放大器

·LUT查找表

·MIMO多输入多输出

·NR新无线电

·PA功率放大器

·RF射频

·TDD时域划分

·TOR发送观测接收机

本领域技术人员将认识到对本公开的实施例的改进和修改。所有这样的改进和修改被认为在本文所公开的构思的范围内。

[1]CA 2804444 A1,“Method and apparatus to use auxiliary receiver tocompensate multiple transmitters based upon one of the transmitters”

[2]EP 3 255 799A1,“Reducing distortions in amplified signals radiatedby a multiple antenna system”

[3]US 20170163217 A1,“Simultaneous Linearization Of Multiple PowerAmplifiers With Independent Power,”公开日期2017年6月8日