CN100588130C

CN100588130C - 一种基于聚焦信号的分布式多天线的通信方法及系统

Info

Publication number: CN100588130C
Application number: CN200710049036A
Authority: CN
Inventors: 张霞; 符初生; 唐友喜
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2027-05-08
Also published as: CN101047415A

Abstract

本发明公开了一种基于聚焦信号的分布式多天线通信方法及系统，其中，移动用户处在多个分布式基站的“包围”之中，呈多点围绕一点的拓扑式结构。移动台根据分布式基站及其自身位置等信息选择其方向图，方向图中有多个场强相对较强的指向分别指向不同的基站天线。分布式基站根据移动台的具体地理位置选择适当的基站及其天线通过协同合作进行聚焦操作，在移动台周围形成一个聚焦场，使得移动台天线处于场强相对较强的位置。本发明所公开的一种基于聚焦信号的分布式多天线通信方法及系统使得能量更集中，更加有效的降低误码率，提高整个通信系统的性能。

Description

一种基于聚焦信号的分布式多天线的通信方法及系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，如无线通信、移动通信、雷达、电子对抗等，特别涉及使用分布式天线的无线通信系统。

背景技术

无线通信的通信方法及系统随着多天线技术的发展发生着巨大的变化，多天线技术在无线通信系统中的应用是当前无线通信技术中的研究热点之一。

为达到第三代移动通信系统的理想目的，智能天线在无线通信系统中得到了广泛的研究和应用。智能天线移动通信系统的一个显著的特点是：通过智能天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个移动用户，同时抑制来自窄波束以外的干扰信号和噪声，使得能量集中，使系统处于较好的工作状态。智能天线移动通信系统模型如图1所示，该系统的工作原理为：智能天线对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰；对基站发送信号进行数字波束形成，使基站发送信号能够沿着移动电波的到达方向发送回移动台，使得能量聚集在移动台周围。

智能天线移动通信系统也存在着弊端：智能天线要求天线阵元之间的距离小于半波长，以便每个阵元上的信号完全相关，使得在智能天线系统中智能天线向移动台传输的通信信号只能位于移动台的一侧。到达接受阵列的信号更趋于集中在一个主要方向，且角度扩散小，即到达角度的扩展受到根本性的限制。智能天线移动通信系统现在的智能天线技术只适用于到达角度扩展较小，同时用户数又较少的平坦郊区和乡村环境。而在到达角度扩展的多径丰富场合，现有的波达方向估计方法无法对波达方向进行估计。

与智能天线移动通信系统一样同样得到广大通信爱好者广泛研究的还有分布式无线通信系统。

2003年，清华大学和北京邮电大学在国家自然科学基金立项时提出了分布式无线通信系统(DWCS：Distributed wireless communication system)的概念与体系结构。分布式无线通信系统逻辑结构主要分为三个层次：分布式天线、分布式光纤、分布式处理。

DWCS摒弃了传统的以移动节点(用户)为中心的虚拟小区的概念，移动节点可以同时使用多个天线进行发送和接收。每个天线集合就是该移动节点的虚拟小区。相应的，传统的中心处理基站也由虚拟基站代替，分布式处理系统根据用户虚拟小区的位置，网络负荷等因素分配相应的处理计算单元，构成虚拟基站。虚拟小区的各个天线通过分布式光纤将接受到的移动节点的信号传送到虚拟基站进行相应的处理。

分布式无线通信系统中，分布式天线不再局限于智能移动通信系统中基站天线只分布在移动台一侧的形式，而是在移动台周围分布开来。其中，分布式天线的覆盖面积是单个天线单元覆盖面积之和，从而增加小区的覆盖面积；分布式处理主要用于动态地调动安排处理任务，如同步、跟踪、切换。在小区频繁切换的环境下分布式结构有明显的优势。

分布式无线通信系统中分布式天线阵元间隔足够大，有能力使得信号从各个方向传播到移动台，为更充分的利用空间和多个基站间的协作关系提供了良好的系统平台。然而，现有的分布式小区结构只是单纯的增大了覆盖面积，各分布式天线之间的协作主要局限于同步、跟踪、切换等操作。在通信过程中，即使移动台同时和多个基站通信，也只是为了降低阴影衰落的影响单纯的增加了与移动台通信的基站个数，忽视了不同基站通信信号之间的联合处理功能，没有将类似于智能天线移动通信系统中的聚焦技术应用在分布式天线上，能量还是没有尽量多的集中在移动台。归结起来就是现有的分布式小区结构还没有充分利用分布式基站及其多天线协同合作的特点。

为方便表述，对以下几个用语(局限于本文的描述范围)进行解释：

上行链路：从移动台到基站的通信过程；

下行链路：从基站到移动台的通信过程；

视距：指无线通信接收机能直接看到无线通信发射机的天线。

发明内容

本发明基于现有的分布式系统的基础上提出了一种基于聚焦信号的分布式多天线通信方法及系统。

本发明的分布式多天线通信系统由M个具有多天线结构的分布式基站(如基站3，基站4及基站5)，具有多天线结构的移动台6，基站协同控制器7，传输媒质8组成。

本发明中，移动台6根据分布式基站及其自身位置等信息确定方向图，方向图中有多个场强相对较强的指向，这些场强相对较强的方向，分别指向不同的基站天线；分布式基站根据移动台的具体地理位置选择适当的基站及其天线进行聚焦操作，在移动台6周围形成一个聚焦场，使得移动台天线处于场强相对较强的位置，离开移动台天线越远则场强越弱。

所述的基站协同控制器7的功能是根据移动台所处地理位置及相关环境信息确定通信方案，并将确定的方案(包括向分布式基站发送有关聚焦的控制指令)通过传输媒质8传输给各个分布式机站3、4、5。

所述的分布式基站3、4、5的功能为：(1)向移动台发送和接收移动台的无线信号；(2)进行数字处理，并调整发射功率，使各机站在移动台天线处形成相对较强的场强，即起到聚焦的作用。

所述的M个分布式基站分布在一个平面内，而且其高度是可以根据实际情况调整的。因此在视距条件下通信时，分布式基站及其天线形成的方向图还是立体三维形状。

所述的传输媒质8完成分布式基站和基站协同控制器之间的信号传输，可以是光纤、同轴电缆、电力线等。

所述的移动台是多天线结构，移动台在与分布式基站通信时，有判断是否要做方向选择的能力，要根据分布式基站及其自身的位置和信道环境等因素决定。在移动台要进行方向选择时，利用一定的技术，如波束成形等，形成多个场强相对较强的指向，其方向图如图4所示，选择的方向是指向所要通信的多个分布式基站天线的方向的。

所述的移动台的多个天线与待选择的信号方向间有一定的对应关系，这样移动台才能进行方向选择。

下面介绍本发明工作方法及过程，整个工作过程由上行链路的工作过程和下行链路的工作过程两部分组成。

所述的下行链路的工作过程如图5所示，在基站端，由基站协同控制器控制基站发射聚焦信号，在移动台端，移动台接收来自各基站发射的聚焦信号后，对聚焦信号进行后续处理。

下行链路分布式基站端的工作过程如图6所示：

步骤1：基站获取移动台位置及信道信息；

步骤2：各分布式基站将步骤1所获得的信息通过传输媒质传输给基站协同控制器；

步骤3：基站协同控制器通过对步骤2所提供的信息的分析，形成控制基站进行聚焦的控制指令。聚焦控制指令含有通过对步骤2所提供的信息的分析所选择的N个基站的编号以及被选基站的部分或全部天线的编号，其中，1≤N≤M；

步骤4：基站协同控制器通过传输媒质将步骤3所得的聚焦控制信息传输到每个分布式基站；

步骤5：所选择分布式基站根据步骤4提供的聚焦控制指令，对发射信号进行处理，使所选择基站的发射信号在移动台周围形成一个聚焦场，使得能量集中在移动台周围；

步骤6：分布式基站天线发射信号。

下行链路移动台端的工作过程如图7所示：

步骤1：移动台接收下行信号；

步骤2：移动台根据预判断准则决定是否要进行方向选择接收，本发明涉及的系统结构是分布式天线系统，考虑到基站的分布、信道环境等因素，对移动台是否要进行方向选择接收的判断过程是有必要的；

步骤3：如果由步骤2判断结果为选择方向接收信号，移动台根据分布式基站及其自身位置等信息确定方向图，确定的方向图含有多个场强相对较强的指向分别指向不同的基站天线，然后，进入步骤4。如果移动台不用选择方向，则直接全向接收信号；

步骤4：确定所选择的方向与移动台的多个天线间的对应关系，从而充分利用移动台的多天线结构；

步骤5：移动台进行方向选择并对所选信号进行综合处理；

步骤6：移动台对步骤5所得信息进行后续处理得最终所需信息。

所述上行链路的工作过程如图9所示，移动台对发射信号预处理后发射信号，通过无线通信信道后，分布式基站天线接收信号，并由基站协同控制器控制分布式基站及其天线做信号聚焦处理。

上行链路移动台端的工作过程如图12所示：

步骤1：移动台根据预判断准则决定是否需要进行方向选择发送信号；

步骤2：如果要进行方向选择发射，移动台根据分布式基站及其自身位置等信息确定方向图，确定的方向图含有多个场强相对较强的指向分别指向不同的基站天线，然后，进入步骤3。如果不用进行方向选择，则直接全向发射信号；

步骤3：确定所选择的方向与移动台的多个天线间的对应关系，从而充分利用移动台的多天线结构；

步骤4：移动台对发射信号进行方向选择并对所选信号进行综合处理；

步骤5：移动台天线发射信号。

上行链路分布式基站端的工作过程如图11所示：

步骤1：基站天线获得移动台位置信息和信道信息；

步骤4：基站协同控制器通过传输媒质将步骤3所得的聚焦控制指令传送给各分布式基站；

步骤5：由步骤4提供的聚焦控制指令所确定的多个分布式基站天线接收移动台的同一组发射信号；

步骤6：由步骤4提供的聚焦控制指令所确定的N个基站根据聚焦控制指令对接收信号进行处理，使得分布式基站的方向图在移动台周围的空间叠加成一个不规则的三维立体方向图；

步骤7：对经各基站聚焦处理后的信号进行后续联合处理得到所需信息。

需要说明的是，本发明并没有特定说明用来判定是否需要进行信号方向选择的预判断准则，这些可以根据具体环境和技术而定，并不影响本发明的一种利用分布式基站及其多天线的协同能力在移动台形成聚焦的核心思想。

按照本发明方法组成的分布式多天线系统与现有的其它分布式小区结构相比，虽然都是由多个阵元组成的天线阵列构成，但是它们的空间排列方式、后续信号处理的结构和方法以及工作原理都有较大的不同。

本发明的本质是：利用分布式基站协同合作，使各基站信号在移动台所在位置叠加后产生一个较强的场强区域(聚焦区域)，从而提高了移动台接收信号的质量；而移动台则根据分布式基站及其自身的位置的信息确定方向图，确定的方向图含有多个场强相对较强的指向分别指向不同的基站天线。实现多个基站与移动台的通信，从而保证了通信质量。

需要声明的是，移动台的信号处理方式及方向选择涉及的技术，并不影响本发明的一种利用分布式基站及其多天线的协同能力在移动台形成聚焦的核心思想。

本发明的有益效果

(1).与智能天线相比，本发明结构中的移动用户处在多个分布式基站的“包围”之中，呈多点围绕一点的拓扑式结构。如图3所示，通过分布式基站之间进行协同操作，位于移动台不同方向的多个基站协同处理同一组信号，使得在空间中形成一个椭球形的方向图成为可能，到达移动台的信号来自不同方向，且角度扩散很大，同时方向图更靠近用户，能够更多的接收到某个移动台的发射能量，充分利用通信信号的所有能量。

(2).与现有的分布式小区结构相比，本发明充分利用了分布式基站及其多天线的协同处理特性。如图4所示，本发明结构中，处于不同位置的多个基站同时与移动台构成通信关系，并且这一基站集合涵盖了当前时刻与移动台之间通信质量最好的若干基站。该集合中的多个基站同时处理同一组信号，同时进行协同聚焦操作，使得形成椭球形的方向图成为可能。即关键是通过协同将移动台与多个基站的通信信号进行联合处理，使得能量更集中，从而更加有效的降低误码率，提高通信质量。

综上所述，本发明所提出了一种灵活的分布式天线系统，通过分布式基站及其多天线的协同合作和移动台的多方向选择通信，它可以充分利用通信信号的所有能量，降低系统开销，有利于系统整体性能的改善。

附图及附图说明

图1是传统发射天线在一侧的系统模型模型

图2是分布式基站天线与移动台的整体无线连接模型

图3是分布式基站天线在移动台形成的聚焦信号模型

图4是移动台与分布式基站通信时的方向图

图5是下行链路整体连接框图

图6是下行链路分布式基站端的流程图

图7是下行链路中移动台接收信号流程图

图8是移动台接收下行链路信号时的接收模型

图9是上行链路整体间接框图

图10是移动台发射上行链路信号时的发射模型

图11是上行链路基站端的流程图

图12是上行链路移动台发射信号流程图

其中，1是基站端，2是移动台，3是分布式基站系统中的一个基站，4是分布式基站系统中的一个基站，5分布式基站系统中的一个基站，6是移动台，7是基站协同控制器，8是传输媒质，9是移动台接收天线，10是信号方向选择，11是各方向接收信号综合处理，12是移动台发射天线，13是所有选择方向信号综合，14是信号方向选择，{x₁(t)，...，x_p(t)}是移动台各天线的接收信号集合，{r₁(t)，...，r_j(t)}是经过信号方向选择后的信号集合，z(t)是移动台最终所需信号，x(t)是移动台待发射原始信号，{y₁(t)，y₂(t)，...，y_j(t)}是待发射原始信号经过信号方向选择后的信号集合，{z₁(t)，...，z_p(t)}是移动台各发射天线的发射信号集合。

具体实施方式

在图3中，考虑视距的情况，设共有6个编号依次为1～6的分布式基站随机地分布在方圆500米以内，即M＝6，假设移动台位置不变，根据图4划分的角度来标定六个基站的角度依次为：0°，10°，90°，190°，210°，250°。基站天线高度在8～14米之间，每个基站拥有的天线数均为8。分布式基站与基站协同控制器7之间的传输媒质8采用分布式光纤。天线数为9的移动台处于6个分布式基站中间。

下面描述本发明的一种具体实施方式：

本发明下行链路的具体实施方式：在下行链路中，首先基站天线获得移动台的地理位置信息及信道环境信息，然后，基站协同控制器经分析得聚焦控制信息，选择通信质量较好的1号、3号和6号基站进行信号传输，其中，6号基站的通信质量最好。聚焦控制信息通过分布式光纤传输给所选基站，已选的三个基站对待发射信号进行聚焦处理后，基站天线发射信号，通过无线通信信道传播后，由移动台接收聚焦信号，如图8所示，移动台接收天线所接收的信号集合{x₁(t)，...，x_p(t)}(p＝9)包含来自空间各个方向的信号，此时移动台要对0°，90°，250°三个方向进行方向选择，因与6号基站的通信质量最好，移动台选择5根天线用于对250°方向信号的接收，其余两个方向均分配2根天线接收。经过信号方向选择后的信号集合{r₁(t)，...，r_j(t)}(j＝3)，最后移动台通过对已选方向的信号进行一系列的信号处理得到有用信号z(t)。

本发明上行链路的具体实施方式：在上行链路中，如图10所示，移动台根据自身位置及信道环境等因素决定方向选择等处理过程，待发射信号x(t)通过方向选择确定通信质量较好的0°，90°，250°三个方向进行信号发射，使得方向图中在这三个角度的场强相对较强，其中，250°方向的通信质量最好。移动台选择5根天线用于对250°方向信号的发射，其余两个方向均分配2根天线发射。经方向选择后得信号集合{y₁(t)，y₂(t)，...，y_j(t)}(j＝3)。综合所选择的信号得移动台各发射天线的发射信号集合{z₁(t)，...，z_p(t)}(p＝9)。此时，移动台发射的信号是指向空间已选择的方向的。

信号通过无线传播到达分布式基站天线端。在分布式基站端，首先基站天线获得移动台得地理位置信息及信道环境信息，之后基站协同控制器经分析得聚焦控制信息，聚焦控制信息通过分布式光纤传输给分布式基站，选择1号、3号、6号三个基站进行聚焦操作，接收移动台的发射信号，最后对所选的3个分布式基站获得的信息进行联合处理得最终有用信号。

在以上所述得实施方式中，所选三个基站及其天线在移动台形成的方向图就是不规则的曲面。在移动台位置变化时，随着移动台与分布式基站的相对位置不同，所要选择的分布式基站的编号及其基站天线的个数也不同，这个曲面的形状也就在不断变化，但是通信的方式还是与以上实施方式相似的，而且移动台总是选择立体空间中的通信质量较好的多个方向进行通信，总能保证移动台所在位置与整个系统其它位置相比是能量最集中的区域，更充分的利用了信号能量，提高整个通信系统的性能。

Claims

1.一种基于聚焦信号的分布式多天线的通信方法，其特征为：移动台处在M个分布式基站的包围之中，呈多点围绕一点的拓扑式结构；多个基站及其天线根据基站协同控制器所提供的聚焦方案进行数字信号处理，在移动台周围形成一个聚焦场，使得移动台天线处于场强相对较强的位置，离开移动台天线越远则场强越弱，移动台根据分布式基站及其自身位置和信道环境确定其方向图，确定的方向图含有多个场强相对较强的指向分别指向不同的基站天线，所述的基于聚焦信号的分布式多天线通信方法包括上行链路工作过程和下行链路工作过程：

下行链路的工作过程为：

步骤1：基站获取移动台位置及信道信息；

步骤3：基站协同控制器通过对步骤2所提供的信息的分析，形成用来控制基站进行聚焦的控制指令，聚焦控制指令含有通过对下行链路的工作过程的步骤2所提供的信息的分析所选择的N个基站的编号以及被选基站的部分或全部天线的编号，其中，1≤N≤M；

步骤4：基站协同控制器通过传输媒质将步骤3所得的聚焦控制指令传输到每个分布式基站；

步骤6：移动台接收下行信号并根据分布式基站及其自身位置信息确定方向图，确定的方向图含有多个场强相对较强的指向且分别指向不同的基站天线；

步骤7：移动台对各个方向的接收信号进行综合处理，最终获得有用信号；

上行链路的工作过程为：

步骤1：移动台根据分布式基站及其自身位置信息确定方向图，确定的方向图含有多个场强相对较强的指向分别指向不同的基站天线；

步骤2：移动台对发射信号进行方向选择并对所选信号进行综合处理，然后，发射信号；

步骤3：基站获取移动台位置及信道信息并将所获得的信息通过传输媒质传输给基站协同控制器；

步骤4：基站协同控制器通过对上行链路的工作过程的步骤3所提供的信息的分析，形成用来控制基站进行聚焦的控制指令，聚焦控制指令含有通过对上行链路的工作过程的步骤2所提供的信息的分析所选择的N个基站的编号以及被选基站的部分或全部天线的编号，其中，1≤N≤M；

步骤5：基站协同控制器通过传输媒质将上行链路的工作过程的步骤4所得的聚焦控制指令传输到每个分布式基站；

步骤6：由上行链路的工作过程的步骤5提供的聚焦控制指令所确定的多个分布式基站天线接收移动台的同一组发射信号；

步骤7：由上行链路的工作过程的步骤5提供的聚焦控制指令所确定的N个分布式基站根据聚焦控制指令对接收信号进行处理，使得分布式基站的方向图在移动台周围的空间叠加成一个不规则的三维立体方向图；

步骤8：对经各基站聚焦处理后的信号进行后续联合处理得到所需信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于聚焦信号的分布式多天线的通信方法，其特征为：在分布式基站聚焦情况下，在移动台形成的三维立体方向图是一个不规则的曲面，到达移动台的信号来自不同方向，且角度扩散很大，同时方向图更靠近用户，能够更多的接收到某个移动台的发射能量。

3.根据权利要求1所述的一种基于聚焦信号的分布式多天线的通信方法，其特征为：控制基站端与移动台通信的聚焦控制指令是根据移动台的地理位置调整的，因此其方向图的形状也是随着移动台的位置变化而改变的。

4.根据权利要求1所述的一种基于聚焦信号的分布式多天线的通信方法，其特征为：在移动台要进行方向选择时，可用波束形成的方法，使得成形的多个波束分别指向所要通信的多个天线的方向。

5.一种基于聚焦信号的分布式多天线通信系统，其实施如权利要求1所述的一种基于聚焦信号的分布式多天线的通信方法，该系统包括M个具有多天线结构的分布式基站、移动台、传输媒质，其特征为：还包括一个基站协同控制器，且该协同控制器与M个分布式基站通过传输媒质连接，基站协同控制器根据移动台所处地理位置及相关环境信息确定通信方案，并形成相应的聚焦控制信息；分布式基站随机分布在一个平面内，而且其高度是可以根据实际情况调整的；移动台是多天线结构。

6.根据权利要求5所述的一种基于聚焦信号的分布式多天线通信系统，其特征为：如果移动台根据分布式基站及其自身位置判定的结果是要做信号方向选择，则移动台的多个天线分组接收或发送不同方向信号。

7.根据权利要求5所述的一种基于聚焦信号的分布式多天线通信系统，其特征为：所述的传输媒质可以是光纤、同轴电缆、电力线。