CN101064531B - 一种基于电力线的分布式多入多出公用移动通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统，它是将无线接入点6安装在位于不同地理位置的电力线接口8上或者照明灯内，从而实现本发明中无线接入点6的分布，利用现有的低压电力线9进行信息传输，从而大大降低了移动通信系统的成本，也很好的解决了现有的分布式MIMO公用移动通信系统建网复杂，基站选址困难等问题。它具有信号接入距离减小、对无线接入点的发射功率的要求降低、系统容量提高、电磁辐射伤害减小、充分利用现有电力网分布广泛的特点，降低了施工的成本、简便易行等特点。

Description

一种基于电力线的分布式多入多出公用移动通信系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及通信技术中的使用多天线的移动通信系统。

背景技术

众所周知，多入多出(Multiple Input Multiple Output，简称：MIMO)移动通信系统是指基站端和移动终端都具有多天线的通信系统，它具有良好的频谱效率，较高的系统容量和较好的通信质量。

近年来，分布式MIMO移动通信系统(Distributed Multiple Input Multiple Output)作为未来公共无线接入的一种新趋势受到越来越多的关注。

分布式MIMO移动通信系统模型如图1所示，该系统主要由移动终端天线1、移动终端2、基站天线3、传输媒质4、中心信号处理器5构成。移动终端2和中心信号处理器5分别连接有多个移动终端天线1和多个基站天线3，中心信号处理器5实现数字信号处理和MIMO空时处理等功能，其特点是基站天线3位于不同的地理位置，而不是集中于一处。

分布式MIMO技术能克服集中式MIMO中链路空间相关性较强的问题，但是目前已报道的论文、专利和相关出版物还局限于从理论上对分布式MIMO技术性能指标的研究，相关的技术如检测算法等还不太成熟，同时也还没有一种实用的分布式MIMO移动通信系统的方案。

在实际应用中，分布式MIMO和一般的公用移动通信系统均存在施工成本高、建网复杂、基站选址困难、对人体的电磁辐射较大等不足。

电力线通信技术，简称PLC，是一种利用中、低压配电网作为通信介质，实现数据、话音、图像等综合业务传输的通信技术，不仅可以作为解决宽带末端接入瓶颈的有效手段，而且可以为电力负荷监控、远程抄表、配用电自动化、需求侧管理、企业内部网络、智能家庭以及数字化社区提供高速数据传输平台。

PLC按应用的配电网电压等级划分为低压PLC和中压PLC。低压PLC利用低压(220V/380V)电力线作为传输媒介，为用户提供Internet接入、家庭局域网、远程抄表、智能家居等应用。中压PLC利用中压(10KV)电力线作为通信链路，为接入骨干网、配电网自动化、用户需求侧管理及农村电话等应用提供传输通道。

近10年，特别是2000年以来，由于人们对带宽需求的不断增长，包括ADSL、PLC技术在内的宽带接入技术得到了快速发展。特别是PLC技术，由于充分利用最为普及的电力网络资源，建设速度快、投资少、户内不用布线，能够通过遍布各个房间的电源插座进行高速上网，实现“有线移动”，具备了其它接入方式不可比拟的优势，受到国内外的广泛关注。

发明内容

本发明的目的是提供的一种基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统，它具有信号接入距离减小、对无线接入点的发射功率的要求降低、系统容量提高、电磁辐射伤害减小、充分利用现有电力网分布广泛的特点，降低了施工的成本、简便易行等特点。

本发明提供一种基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统，如图2所示，它包括：移动终端天线1、移动终端2；其特征是它还包括：中心信号处理器5、无线接入点6、电力线通信网络7、其中，无线接入点6通过电力线通信网络7与中心信号处理器5连接，进行信息交换。

所述的无线接入点6结构(如图3所示)，它包括：微型收、发信天线15，无线调制解调器14，针对电力线传输或者无线传输的编译码器13，电力线调制解调器12，电力线接口8。微型收、发信天线15和无线调制解调器14连接对信号进行无线调制或者解调，之后无线调制解调器14连接到针对电力线传输或者无线传输的编译码器13对信号进行编译码，再由电力线调制解调器12对编译码之后的信号进行电力线的调制或者解调，最后通过电力线接口8连接到电力线通信网络7，进行信息交换；

所述的电力线通信网络7，是由低压电力线9组成的网络，其电压在380V以下，为用户提供电力，在本发明中它也用来传输本公用移动通信系统中信息；

所述的中心信号处理器5具有对接收信号实现电力线信号的解调，以及分布式MIMO空时处理和数字信号处理等功能，可采用分层空时码、空时分组码或者空时格码进行编码和译码，组成中心信号处理器5的编码、译码技术为常用技术(详细内容可参考：林华炯，分布式MIMO系统的检测技术(硕士毕业论文)，电子科技大学，2005年)；

所述的电力线接口8是电力线的输出接口，可以是插座、灯头等，其中L表示火线，N表示零线；

所述的电力线调制解调器12实现对要通过电力线通信网络7的信号进行调制和对接收到电力线通信网络7的信号进行解调的功能，如美国Intellon公司14Mbps的电力线调制解调芯片；

所述的针对电力线传输或者无线传输的编译码器13实现对即将在电力线和无线信道上传输的信号的编码，以及通过电力线和无线信道后的译码功能，可以使用卷积码或者RS码等编码技术，是常用的现有技术(详见：陈春雷、张圣清、于东海、邹采荣，“电力线通信系统中信道编码的FPGA实现”，电力系统通信，2005年26卷152期)；

所述的无线调制解调器14实现对要通过无线信道的发送信号的调制和通过无线信道之后的接收信号的解调功能，如英国Consumer Microcircuits Limited公司推出的无线调制解调芯片CMX909B；

所述的微型收、发信天线15用于接收和发送无线信号；

需要说明的是：

本发明中的无线接入点6可以单独连接到电力线接口8实现无线接入功能，也可以集成到照明灯内部，同时实现照明和无线接入的功能，还可以转接在电力线接口8与照明灯之间，同时实现无线接入和照明功能。

本发明中所述的无线接入点6主要实现对移动终端2的无线接入功能，也可以对其在功能上进行扩充，同时以支持无线局域网等其它无线接入功能。

本发明中所述的中心信号处理器5具有实现分布式MIMO空时处理和数字信号处理等功能。

本发明中可以在每个电力线接口8上安装一个无线接入点6，也可以按照实际需求有选择性的在部分电力线接口8上进行安装。

本发明中所述的无线接入点6可以同时安装在户内和户外，如果分布于户外和户内的无线接入点6的分布不符合工程上移动通信网络的覆盖要求时，可以增加其它无线接入点6，所述无线接入点的承载体要求与已有的无线接入点6一起组成的网络能够满足工程上移动通信网络的覆盖要求。

本发明中所述的无线接入点6到中心信号处理器5的传输介质主要是电力线通信网络7中的低压电力线9，如果还存在其它的传输媒质，如光纤、同轴电缆等，则可以在无线接入点6内增加针对光纤、同轴电缆等传输媒质的编译码器、调制解调器以及光纤、同轴电缆等接口，同时使用多种传输媒质，此时系统根据每种传输媒质的传输状况进行判断，自动选择传输质量最好的传输媒质进行信号传输。

本发明中所述的移动终端可以有M_R(M_R为大于1的正整数)个移动终端天线1，也可以只有单个移动终端天线1。

本发明中所述的一个中心信号处理器5连接到一个用户小区，对一定数量的用户提供服务，中心信号处理器5的具体配置要结合实际的用户分布情况，用户数比较密集的地方，用户小区可以划分的小一些，可以是一幢建筑物或者是一幢建筑物内的一层楼，在用户数比较稀疏的地方，用户小区则可以划分的大一些，可以是若干幢的建筑物。

本发明中所述的中心信号处理器5到无线接入点6的距离要按照实际情况进行规划，在电力线通信网络7中的低压电力线9衰减较大、传输质量较差的地方，应该减小中心信号处理器5到无线接入点6的距离，或者增加低压电力线传输的中继器。

当无线接入点6的信号只通过电力线通信网络7传输到中心信号处理器5，为了保证信息的安全，在电力线通信网络7的信号到达中心信号处理器5和变压器的时候，需要将信号隔离在上变压器之前。

本发明中所述的接入服务器10实现将中心信号处理器5接入到主干网11的功能，如深圳市华为技术有限公司的A8010接入服务器；

本发明中所述的主干网11包括互联网(Internet)和公共电话网(PSTN)；

本发明这种分布式MIMO公用移动通信系统中，可使用基于多入多出系统结构的技术实现系统链路的正常工作，如空时码技术、智能天线技术等。

当无线接入点6集成在照明灯内部，此时需要改进用户的照明灯开关，使它在控制照明灯的照明功能开关的同时，还要保证对照明灯内部的无线接入点6持续供电，从而保证其正常工作。

本发明一种基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统的上行链路工作过程如下：在分布式MIMO公用移动通信系统的上行链路中，信号从移动终端2通过多个移动终端天线1发射，通过无线传播后，由位于一定范围内的M_T个无线接入点6接收。接收到的信号通过电力线通信网络7传输到中心信号处理器5进行联合检测。中心信号处理器5通过接入服务器10与主干网11相连，进行信息交换。

本发明一种基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统下行链路的工作过程如下：在分布式MIMO公用移动通信系统的下行链路中，信号从位于一定范围内的M_T个无线接入点6发射，经过无线传播后，在移动终端2通过M_R个移动终端天线1接收并进行信号检测。

本发明的创新之处：现有的分布式MIMO移动通信系统，都是将基站天线3分布在不同地理位置，仅用于接收信号，并通过光纤和同轴电缆传输到中心信号处理器5，如图1所示。本发明提出的基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统，如图2所示，其特点是将无线接入点6安装在位于不同地理位置的电力线接口8上或者照明灯内，从而实现本发明中无线接入点6的分布，利用现有的低压电力线9进行信息传输，从而大大降低了移动通信系统的成本，也很好的解决了现有的分布式MIMO公用移动通信系统建网复杂，基站选址困难等问题。

本发明的实质：从技术角度来看，将原来多个无线接入点6安装到位于不同地理位置的电力线接口8上或者照明灯内，利用这些无线接入点6在地理位置上分布的特点，减少了微型收、发信天线15间的空间相关性，增强了微型收、发信天线15与移动终端天线1间的独立性，缩小了信号接入距离，能改善链路性能，提高系统容量，降低电磁波对人体的辐射；从实现角度来看，使用电力线通信网络7中的低压电力线9作为无线接入点6到中心信号处理器5的传输承载体，能充分利用现有电力网分布广泛的特点，降低了施工的成本，增加了可操作性，简便易行。

与现有的分布式MIMO移动通信系统相比，本发明的优点是：

(1)由于无线接入点6位于不同地理位置的电力线接口8上或者照明灯内，利用这些无线接入点6在地理位置上分布很广的特点，能够达到更高的系统容量。

(2)微型收、发信天线15位于不同地理位置的无线接入点6内，缩短了信号的接入距离，降低了对发射信号的功率要求，提高了小区覆盖率，降低了电磁波对人体的辐射。

(3)无线接入点6把接收到的信号进行之后，能够利用原有的广泛分布的低压电力线9进行传输，降低了成本，易于施工实现，在某些只有电力线而不能铺设其它传输媒质的情况下，优势更加明显。

(4)微型收、发信天线15设计在电力线接口8处的无线接入装置内或者灯泡内，有效的解决了现有移动通信系统的基站选址难问题，本发明的方案更加隐蔽和美观。

附图说明

图1是分布式MIMO移动通信系统示意图

其中，1是移动终端天线，2是移动终端，3是基站天线，4是传输媒质光纤或同轴电缆，5是中心信号处理器，TX₁、TX_i和TX_MT分别表示第1根、第i根和第M_T根基站天线，i＝1，…，M_T，RX₁、RX_j和RX_MR分别表示第1根、第j根和第M_R根移动终端天线，j＝1，…，M_R。

图2是本发明基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统结构示意图

其中，1是移动终端天线，2是移动终端，6是无线接入点，7是电力线通信网络，5是中心信号处理器，TX₁、TX_i和TX_MT分别表示第1根、第i根和第M_T根基站天线，i＝1，…，M_T，RX₁、RX_j和RX_MR分别表示第1根、第j根和第M_R根移动终端天线，j＝1，…，M_R。

图3是本发明的无线接入点结构示意图

其中，15是微型收、发信天线，14是无线调制解调器，13是针对电力线传输或者无线传输的编译码器，12是电力线调制解调器，8是电力线接口，L是火线，N是零线。

图4是本发明基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统的实施例示意图

其中，1是移动终端天线，2是移动终端，6是无线接入点，8是电力线接口，9是低压电力线，5是中心信号处理器，10是接入服务器，11是主干网。

图5是本发明的中心信号处理器实施例示意图

其中，1是移动终端天线，16是匹配滤波器组，17是检测及合并模块，18是复用模块，RX₁、RX_j和RX_MR分别表示第1根、第j根和第M_R根移动终端天线，r₁(t)、r_j(t)和r_MR(t)分别表示第1根、第j根和第M_R根移动终端天线的接收信号，j＝1，…，M_R。

具体实施方式

基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统的实施例如图4所示，考虑城市中微小区户外的情况，典型的小区半径为500米，共有7个无线接入点均匀分布在小区内，相邻无线接入点间距离为300米，至少共有7个电力线接口，每个电力线接口上或者照明灯内有一个无线接入点。在路灯的分布不满足小区覆盖要求的情况下，无线接入点也可以架设在其它承载体上。

再考虑位于建筑物户内的情况，此时无线接入点位于户内的电力线接口上或者照明灯内，假设有5～7个无线接入点，并且可以覆盖整个用户小区，在户内电力线接口的分布不满足建筑物户内覆盖要求的情况下，无线接入点也可以架设在其它承载体上。

其中，移动终端采用的是一部手机。

中心信号处理器实施例如图5所示，匹配滤波器组实现对发射信号波形的匹配功能，包括M_T个匹配滤波器，第j个接收天线上的信号r_j(t)首先通过匹配滤波器组对不同发射天线到达接收天线j的信号进行匹配滤波之后，再经过检测及合并模块，检测及合并模块实现对匹配滤波之后的信号进行检测及合并的功能，最后通过复用模块，复用模块实现将多路信号合并为一路信号的功能，最后就可以恢复出原始信号。检测算法采用迫零(ZeroForcing)检测，详见：《空时编码技术》，Branka Vucetic，Jinhong Yuan等著，王晓海等译，机械工业出版社，2004年。合并算法采用等增益合并，详见：《数字通信》(第四版)，JohnG.Proakis著，张力军、张宗橙、郑宝玉等译，电子工业出版社，2005年。分布式MIMO系统的检测技术还可以详见：林华炯，分布式MIMO系统的检测技术(硕士毕业论文)，电子科技大学，2005年。

电力线通信网络由居民低压电力供电线组成，其电压为220V。

无线接入点中的电力线调制解调器采用美国Intellon公司14Mbps的电力线调制解调芯片。无线接入点中的针对电力线传输或者无线传输的编译码器的详细技术可参考：陈春雷、张圣清、于东海、邹采荣，“电力线通信系统中信道编码的FPGA实现”，电力系统通信，2005年26卷152期。无线接入点中的无线调制解调器采用英国Consumer MicrocircuitsLimited公司推出的无线调制解调芯片CMX909B。接入服务器采用深圳市华为技术有限公司的A8010接入服务器。

在现有的分布式MIMO移动通信系统中，基站天线的架设往往受到地理位置等因素的限制，不能实现最佳的分布；在本发明的基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统中，无线接入点可以很简单的均匀分布在小区中不同地理位置的电力线接口上或者照明灯内，并由低压电力线连接到中心信号处理器。下面分析在该实例中，基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统与现有的分布式MIMO移动通信系统相比所具有的优点：

1.信号接入距离减小。当移动终端处于小区边缘时，现有分布式MIMO公用移动通信系统中，无线接入点到移动终端最远的接入距离在150米左右，而基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统中，由于电力线通信网络覆盖很广，无线接入点到移动终端的接入距离一般只有几米～几十米。

2.对无线接入点的发射功率的要求降低。由于接入距离减小，则无线接入点到移动终端的路径损耗减小，为对抗路径损耗所要求的无线接入点的发射功率也相应减小。设无线传播中路径损耗因子为4，基于电力线的分布式MIMO移动通信系统中无线接入点的发射功率比现有分布式MIMO移动通信系统中无线接入点的发射功率低7～60dB左右。

3.系统容量提高。与现有的分布式MIMO移动通信系统相比，基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统中无线接入点的数量更多、分布更广，能够提高系统容量。

4.电磁辐射伤害减小。基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统中无线接入点的发射功率能够比现有分布式MIMO公用移动通信系统的发射功率低7～60dB左右，从而大大减小了天线周边区域的电磁污染。

5.方便、灵活、可控的接入。安装在室内的无线接入点，可以完全根据用户的需要，由用户自主控制安装、开关，就像安装灯泡一样简捷、方便，不会影响其他用户的使用。

下面描述本发明的一种具体实施方式：

本发明上行链路具体实施方式：在上行链路中，信号从移动终端2通过多个移动终端天线1发射，通过无线传播后，由位于户外不同地理位置的电力线接口上或者照明灯内总共7个无线接入点6接收。接收到的信号通过低压电力线9传输到中心信号处理器5进行联合检测。中心信号处理器5、接入服务器10与主干网11之间通过光纤或同轴电缆等传输媒质连接，进行信息交换。

本发明下行链路的具体实施方式：在下行链路中，信号从位于不同地理位置的电力线接口上或者照明灯内的总共7个无线接入点6发射，通过无线传播后，在移动终端2由多个移动终端天线1接收并进行信号检测。

本发明提出的基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统，由于无线接入点6分布在不同地理位置，虽然能够获得收发链路更加独立带来的系统容量增益，但是从不同的发射天线到达接收天线的时延不同。而集中式MIMO移动通信系统中，信号经历相同的信道传播时延后到达接收机，从而导致了集中式MIMO通信系统的检测算法在分布式MIMO公用移动通信系统中不再适用。在这里，我们给出分布式MIMO公用移动通信系统一种具体的检测方式。除此之外，该系统也可使用其它可行的检测算法，均不影响本发明的一般性。

下面给出分布式MIMO公用移动通信系统上行链路和下行链路一种具体的检测方式。

分布式MIMO公用移动通信系统上行链路的一种具体检测方式：

分布式MIMO公用移动通信系统的上行链路中，多个发射天线集中在移动终端，无线接入点分布于不同的地理位置，从不同的发射天线到不同的接收天线的信道传播时延不同，从不同的发射天线到同一个接收天线的信道传播时延相同。基于该特点，分布式MIMO公用移动通信系统上行链路的发射机与集中式MIMO发射机的原理相同，详见G.D.Golden，C.J.Foschini，“Detection algorithm and initial laboratory results using V_BLAST space-timecommunication architecture”，IEEE ECTRONICS LETTERS 7^th Jan 1999，Vol.35 No.1。上行链路的接收机需要先对信道传播时延进行补偿后再根据集中式MIMO的接收机原理进行信号检测。

下面对分布式MIMO公用移动通信系统上行链路的接收机结构进行说明。如图2所示，M_T个不同的无线接入点6接收到信号后传送到中心信号处理器5。在中心信号处理器5对信号进行检测前，先对不同无线接入点6传输到的信号进行延时，用于补偿不同的信道传播时延。假设信道传播时延在接收机已知，对不同的接收天线接收到的信号进行延时。设移动终端天线1到第i个无线接入点6的传播时延为τ_i，i＝1，…，M_T；接收机中对第i个接收天线上的信号的延时为τ_i′，τ_i′满足 ${\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_1^{\′}=\·\·\·={\mathrm{\τ}}_i+{\mathrm{\τ}}_i^{\′}=\·\·\·={\mathrm{\τ}}_{M_T}+{\mathrm{\τ}}_{M_T}^{\′}.$ 因此通过延时模块后，每个接收天线的信号的经历的总时延相等，可以用集中式MIMO的检测方法进行检测。

分布式MIMO公用移动通信系统的下行链路中，信号通过分布于不同地理位置的M_T个无线接入点6发射，M_R(M_R为大于等于1的正整数)个移动终端天线1集中于移动终端2，从不同的无线接入点6到不同的移动终端天线1的信道传播时延不同，从不同的无线接入点6到同一个移动终端天线1的信道传播时延也不同。基于该特点，分布式MIMO公用移动通信系统需采用不同于集中式MIMO通信系统的方法进行检测，现存的检测算法有一种基于格的搜索迭代算法，在此不再赘述，详见Y.L.C.de Jong，T.J.Wollink，“Iterative trellis searchdetection for asynchronous MIMO systems，”IEEE VTC’2003-Fall，vol.1，Oct，2003，pp.503-507。

Claims (4)

1.一种基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统，它包括：移动终端天线(1)、移动终端(2)；其特征是它还包括：能够进行电力线信号的解调，以及分布式MIMO空时信号处理和数字信号处理功能的中心信号处理器(5)、能够进行电力线信号传输的无线接入点(6)、低压电力线通信网络(7)、其中，无线接入点(6)通过低压电力线通信网络(7)与中心信号处理器(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统，其特征是所述的无线接入点(6)包括：微型收、发信天线(15)，无线调制解调器(14)，针对电力线传输或者无线传输的编译码器(13)，电力线调制解调器(12)，电力线接口(8)；微型收、发信天线(15)和无线调制解调器(14)连接，无线调制解调器(14)与针对电力线传输或者无线传输的编译码器(13)连接，电力线调制解调器(12)对编译码之后的信号进行电力线的调制或者解调，最后通过电力线接口(8)连接到电力线通信网络。

3.根据权利要求1所述的一种基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统，其特征是所述的低压电力线通信网络(7)是由低压电力线(9)组成的网络，其电压在380V以下。

4.根据权利要求2所述的一种基于电力线的分布式MIMO公用移动通信系统，其特征是所述的电力线接口(8)是插座或灯头。

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