CN102204014A - 无线网络的有源天线装置、网络设备和接入点 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种有源天线装置、一种网络设备和一种配备有所述网络设备和多个分布式有源天线装置的接入点。所述有源天线装置包括一天线单元、一放大器单元以及一控制单元，其中所述放大器单元的放大由所述控制单元根据来自位于所述网络设备中的一管理单元的指令来控制。本发明可实现较低的切换频率，但使通信与在常规系统中相比，较不易受争用和/或干扰的攻击。

Description

无线网络的有源天线装置、网络设备和接入点

技术领域

本发明涉及无线网络(尤其是交通工具到路旁通信网络)的一种有源天线装置、一种网络设备以及一种接入点。

背景技术

举例来说，在例如无线CBTC(基于通信的列车控制)或PIS(乘客信息系统)等交通工具到路旁数据通信中，客户端的移动性和所造成的信道条件的迅速变化使得难以获得可靠且高效的通信。尽管对AP(接入点)放置、天线配置和硬件设置的仔细规划可考虑到传播路径损耗、屏蔽和(在某种程度上)多路径传播的效应，但例如来自其它系统的干扰或传播条件的临时变化等其它效应较难预测，且可严重影响系统性能(即，数据通过量和链路可靠性)。

在一常规无线网络中，每一AP配备有单个天线单元。在本申请案中，术语“天线单元”可指代单个天线，或指代分集方案中所使用的一组天线。术语“天线单元”还涵盖MIMO(多输入多输出)通信系统(例如，IEEE 802.11n无线网络)中或波束成形方案中所使用的天线阵列。然而，在这些情况的每一者中，形成AP的天线单元的所有天线元件彼此靠近，也即其距离与AP之间的距离相比较小)。

图1描绘在AP和客户端侧使用天线分集的交通工具到路旁(此处为列车到轨道旁)通信网络的典型设置。为了选择邻近AP之间的合适距离，必须考虑各种方面：

·无线电传播：考虑到发射功率、接收器灵敏度以及AP和客户端的天线增益，AP之间的距离必须足够小以保证客户端的运动路径的任一点处的接收信号强度足以允许与至少一个AP的通信。在实践中，邻近AP的覆盖范围需要有一些重叠，以便能够顺畅的切换。

·成本：AP之间的距离越小导致AP的数量越大，且因此设备成本越高。

·切换频率：频繁的切换将增加开销且减少传输量。因此，不应将邻近AP之间的距离选择得太小。交通工具的速度在此场境中发挥重要作用，因为快速移动的交通工具与缓慢的交通工具相比，将在较短的时间间隔中从一个AP通过到下一个AP。因此，高速交通工具需要较大的AP间距，以便使切换引起的开销保持在可接受的限度内。

·频率再用：因为RF(射频)带宽是有限的，因此密集的AP部署将导致使用同一RF的AP之间的争用和/或干扰。这影响了带宽利用的效率。

发明内容

因此，本发明旨在提供无线网络中的AP与无线终端之间的较易预测且可靠的无线电链路，并允许AP之间相对较大的间距，从而实现低切换频率，但使通信与在常规系统中相比，较不易受争用和/或干扰的攻击。

本发明的目的是通过一有源天线装置实现的。所述有源天线装置包括：一放大器单元，其用于放大一RF信号；以及一天线单元，其用于将所述RF信号转换为电磁波，以及将电磁波转换为RF信号。所述有源天线装置进一步包括：一控制单元，其用于接收来自一管理单元的一指令，并根据所述指令产生一控制信号，该控制信号用于控制放大器单元的放大。

本发明的目的进一步通过用于将一无线终端连接到一无线网络的一网络设备来实现。所述网络设备具有一管理单元，所述管理单元用于控制根据本发明的至少一有源天线装置，其中根据来自所述管理单元的指令而控制放大器单元的放大。

本发明的目的进一步通过一AP来实现。所述AP具有一网络设备和多个根据本发明的分布式有源天线装置，且另外具有用于耦合所述网络设备和所述有源天线装置的一电力配送单元，其中根据来自所述网络设备的管理单元的指令而控制每一有源天线装置的放大器单元的放大。

在本发明的一实施例中，AP的网络设备和有源天线装置通过由电力配送单元提供的一有线链路而彼此耦合。在此情况下，管理单元的指令可在网络设备与无线终端之间的交通数据信号的RF上连同交通数据信号一起，或在单独的RF上，或作为低频率或基带信号，经由有线链路而发射到控制单元。

实施管理单元以通过计算网络设备与相应的有源天线装置之间的RF信号损耗，来得出针对每一有源天线的控制单元的指令。

更有利的是，每一有源天线装置可进一步包括：一接收器单元，其用于接收来自天线单元的RF信号输出；以及一测量单元，其用于测量来自接收器单元的接收信号输出。依据接收器单元的复杂性，测量单元可测量相应的有源天线装置与无线终端之间的传播损耗，甚至测量相应的有源天线装置所遭受的干扰。此外，测量单元还可以用于将其测量结果经由有线链路发送到管理单元。在此情况下，管理单元可进一步实施为基于测量结果来动态地更新指令，使得可通过动态调整放大器单元的放大来抵消传播损耗甚至干扰。

除了上文所提及的测量结果，管理单元还可使用对无线终端的位置和/或运动的估计或结合测量结果来更新指令。可基于从有源天线装置搜集到的测量结果和/或从其它来源获得的信息来作出此估计。这样，可控制放大器单元的放大，使得仅靠近无线终端的有源天线装置被激活，而较远的有源天线装置被去激活。因此，AP的辐射功率可以用在真正需要的地方。

在本发明的一有利实施例中，电力配送单元具备两个有线链路，使得可单独发射交通数据信号和指令，其中交通数据信号在一个有线链路上，且指令在第二有线链路上。在此情况下，相对较大量的数据在第二有线链路上的交换变得可能。

在本发明的另一实施例中，可在网络设备与有源天线装置之间进一步提供一无线链路，指令可经由所述无线链路从管理单元发射到控制单元。

因此，进一步提供每一有源天线装置的接收器单元，以供控制单元经由无线链路接收指令。

另外，每一有源天线装置可进一步包括发射器单元，以供测量单元将其测量结果经由无线链路发射到管理单元。

可进一步提供有源天线装置的发射器单元和接收器单元，以用于与一蜂窝式网络基础设施进行通信。在此情况下，有源天线装置变为一蜂窝式网络节点，其可使得同一AP、不同AP的有源天线装置之间以及有源天线装置与任何其它合适装置之间的通信能够与AP无关。可开发此自主通信以(例如)获得关于传播损耗的信息，从而调节不同AP之间的切换，或在电力配送单元有缺陷的情况下用于诊断目的。

本发明在体现于交通工具到路旁通信网络中时尤其有利，而有源天线装置在此情况下是沿客户端的运动路径而分布。

附图说明

下文参考图中所示意的示范性实施例更详细地描述和阐释本发明。

图1示意了常规的列车到轨道旁通信网络的典型设置，

图2示意了根据本发明的列车到轨道旁通信网络的示范性设置，

图3示意了本发明的示范性实施例中的网络设备和有源天线装置的示意图，

图4示意了本发明的一有利实施例中的网络设备和有源天线装置的示意图，

图5示意了图4的实施例中的有源天线装置的替代示意图，

图6示意了本发明的另一实施例中的网络设备和有源天线装置的示意图。

具体实施方式

在图2中提供根据本发明的列车到轨道旁通信网络的一示范性设置。在此设置中，每一AP配备有沿轨道(即，客户端的运动路径)分布的若干有源天线装置。网络设备和AP的分布式有源天线装置通过由AP的电力配送单元提供的有线链路彼此耦合。举例来说，网络设备的RF端口连接到一低损耗RF传输线(优选为同轴电缆)，个别有源天线装置通过非对称性功率分配器或可相当的耦合构件而耦合到所述低损耗RF传输线。由于网络设备与有源天线装置之间的RF信号损耗将因不同的电缆长度、不同的耦合器损耗和由其它有源天线装置耦合输出的不同功率量而针对每一有源天线装置而不同，所以每一有源天线装置的放大器单元的放大将受网络设备的管理单元控制，以补偿这些差异。

图3示意了本发明的一示范性实施例中的网络设备和有源天线装置的示意图。在有源天线装置侧，放大器单元包括：一可控制PA(功率放大器)，其用于放大去往天线单元的RF信号输入；和/或一可控制LNA(低噪声放大器)，其用于放大来自天线单元的RF信号输出。控制单元经由一有线链路接收来自管理单元的指令，并产生用以控制可控制PA和/或可控制LNA的增益因子的控制信号。在网络设备侧，管理单元通过线下计算网络设备与相应的有源天线装置之间的RF信号损耗来得出针对每一有源天线的控制单元的指令。

在最基本的操作模式中，可控制PA和/或可控制LNA的增益因子将在系统启动时被静态地设置，并在进一步操作期间保持不变。增益因子可由指令进行配置，使得针对个别有源天线装置的RF信号损耗的差异得到补偿，从而提供每一有源天线的均匀辐射功率，以及网络设备从每一有源天线装置的均匀接收信号强度。

代替于使辐射功率和接收信号强度变得均衡，还有可能(例如)在有源天线装置之间故意产生不均匀的辐射功率和接收信号强度，以补偿传播条件的已知差异。

对于所描述的增益因子的静态配置，原则上还将有可能在每一有源天线装置本地设置增益因子，然而，管理单元的中央控制有利于简化系统设置和维护。

管理单元的指令连同网络设备与无线终端之间的交通数据信号一起经由有线链路发射到控制单元。可通过使用标准或专有协议，在交通数据信号的RF上或在单独的RF上发射所述指令。或者，所述指令可经由有线链路作为一基带信号而发射或调制在一低频率上。可通过相对简单的构件(参考T型偏置器)来实现将低频率或基带信号插入到有线链路中。

图4是本发明的有利实施例中的网络设备和有源天线装置的示意图。在此实施例中，耦合网络设备和有源天线装置的电力配送单元具备两个有线链路，使得可单独发射交通数据信号和指令，其中交通数据信号在一个有线链路上，且指令在第二有线链路上。举例来说，电力配送单元具备用于交通数据信号的同轴电缆和用于指令的以太网电缆。在此情况下，相对较大量的数据在第二有线链路上的交换变得可能。

在图4中，有源天线装置进一步包括：一接收器单元，其用于接收来自天线单元的RF信号输出；以及一测量单元，其用于测量来自接收器单元的接收信号输出。依据接收器单元的复杂性，测量单元可测量有源天线装置与无线终端之间的传播损耗，甚至测量有源天线装置所遭受的干扰。

此外，提供测量单元以用于将其测量结果经由第二有线链路发射到管理单元。在实施期间，如图4中所示，控制单元和测量单元可实施为两个模块或实施为集成式信号处理模块。此信号处理模块因此可(例如，使用以太网协议)经由第二有线链路而与管理单元进行通信。

基于测量结果，进一步测量单元可以实施为动态地更新指令，使得可通过动态调整放大器单元的放大来抵消传播损耗甚至干扰。

尽管在原则上，一些分散的算法允许每一有源天线装置独立于可想到的其它增益因子而确定其自身的增益因子，但在大多数实际情况下，将需要或宜于使中央管理单元来确定增益因子，并将所述增益因子传达到有源天线装置。管理单元将不仅相对于系统性能来优化增益因子，且还确保所有有源天线装置的辐射功率不超过规定的限制。

除了上文所提及的测量结果，管理单元还可使用对无线终端的位置和/或运动(例如，路径、速度、移动方向等)的估计或结合测量结果来更新指令。管理单元可基于从有源天线装置搜集到的测量结果和/或从其它来源(例如，传感器、GPS模块、中央服务器等)获得的信息来作出此估计。这样，可动态地调整放大器单元的放大，使得仅靠近无线终端的有源天线装置被激活，而较远的有源天线装置被去活。因此，AP的辐射功率能够用在真正需要的地方。

图5示意了图4的实施例中的有源天线装置的替代示意图。在此，放大器单元包括串联耦合以用于放大去往天线单元的RF信号输入的一可控制衰减器和一固定增益PA，以及串联耦合以用于放大来自天线单元的RF信号输出的一固定增益LNA和另一可控制衰减器，且接收器单元经布置以用于在来自天线单元的RF信号输出由固定增益LNA放大之后，接收所述RF信号输出。此结构的一重要优点在于以下事实：来自天线单元的输出RF信号首先被放大，接着被分配到两个路径中：一个路径去往网络设备，且另一路径去往接收器单元。在LNA之前执行分配将显著降低网络设备处的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)。另一方面，在衰减器之后分配RF信号将防止接收器单元在管理单元已选择非常大的衰减(例如)以使有源天线装置去活的情况下接收信号。

实际的设计考虑(例如，合适的硬件组件的可用性)可使图4中或图5中的有源天线装置的结构显得有利。

如果仅需要有源天线装置与网络设备之间的低速率数据通信，那么无线方法可为合理的选择。在如图6中所示的本发明的另一实施例中，在网络设备与有源天线装置之间进一步提供一无线链路，指令经由所述无线链路从管理单元发射到控制单元。因此，进一步提供接收器单元以供控制单元经由无线链路接收指令。另外，有源天线装置进一步包括一发射器单元，供测量单元将其测量结果经由无线链路发射到管理单元。

可进一步提供有源天线装置的发射器单元和接收器单元，以用于与一蜂窝式网络基础设施进行通信。在此情况下，有源天线装置变为一蜂窝式网络节点，其可使得同一AP、不同AP的有源天线装置之间以及有源天线装置与任何其它合适装置之间的通信能够与AP无关。可开发此自主通信，以(例如)获得关于传播损耗的信息，从而调节不同AP之间的切换，或在电缆有缺陷的情况下用于诊断目的。

从应用的角度，本发明与一漏泄馈电系统(例如，漏泄同轴电缆或漏泄波导)的概念有一些类似之处。虽然漏泄馈电系统可实现辐射功率沿一给定运动路径的相对均匀的分布，但耦合损耗(即，馈送到电缆中的发射功率与无线终端所拾取的功率的比率(或反之亦然))较高，且随着距电缆的距离而增加。因此，漏泄馈电系统仅在可保证馈电电缆与无线终端之间的距离非常小的情况下有利。

从常见RF路径向若干无源天线而非有源天线馈电的系统将导致不同天线遭受不同的电缆损耗，且因此导致沿给定运动路径的不均匀的辐射功率。尽管RF信号损耗中的此差异可通过根据不同的分配比率来定制每一个别天线的功率分配器而静态地得到补偿，但有源天线可提供对RF信号损耗的较有效补偿。此外，本发明允许对不同的要求、传播条件或干扰场景的灵活适应。规章限制所允许的辐射功率可集中于具有去往无线终端的良好无线电信道的那些有源天线装置上。可拒绝达到高干扰等级的有源天线装置进行接收。

现在的低硬件成本甚至可使沿运动路径十分密集地放置AP(即，如同可与根据本发明的有源天线装置的间距相当的AP间距一样)显得可行。并非将RF信号分配给有源天线装置，且需要在每一有源天线装置与网络设备之间建立一额外数据连接，而是密集间隔的AP中的每一者将具有到固定网络的数据连接(例如，以太网)。在此情况下架设电缆的成本可能更加便宜。此方案与本发明相比的主要缺点是因AP之间的较小距离而导致的较高切换频率。此外，在本发明中，若干有源天线装置可同时以有源方式发射同一信号。在密集AP方案的情况下，一次仅一个AP可向无线终端进行发射。对于公认的通信，这也适用于从无线终端到AP的发射。实际上，一次仅一个AP可确认接收。只能用大量的努力和定制协议以及AP和可能的无线终端处的硬件设计来克服这些限制。对于本发明的方法，仅有源天线装置和管理单元是(相对简单的)定制设计。因此，实施方案复杂性相当低。此外，尽管根据本发明的AP之间的同信道干扰的方面也需要仔细的考虑，但密集AP方案情况下的可能干扰场景可能十分复杂，且可能严重影响系统性能，即使AP以降低的输出功率电平操作也是如此。

作为本发明的一非常重要的优点，必须指出的是，网络设备与有源天线装置之间的RF信号损耗可通过提高网络设备的发射功率而在较大程度上得到补偿。规章限制仅适用于由AP的所有有源天线装置辐射的功率，而不适用于网络设备的发射功率。因此，可期望根据本发明的单个AP的最大覆盖范围可显著大于常规AP的最大覆盖范围。

根据本发明，关于AP之间200m的距离，考虑基于通信的列车控制(CBTC)或基于WLAN技术(IEEE 802.11a/b/g)的乘客信息系统(PIS)。对应于约80dB的自由空间路径损耗，客户端到最近AP的最大距离将是100m。假设有源天线装置间隔开10m(每AP有20个有源天线装置)，且所有有源天线装置辐射相同的功率，即静态地设置增益因子，使得不同的RF信号损耗得到补偿，且AP的辐射功率等于常规系统的辐射功率。每有源天线装置的辐射功率因此为13dB，低于常规AP的辐射功率。在距有源天线装置10m的距离处(这是最不利的假设，暗示有源天线装置与客户端的运动路径之间距离相当大。最有利的假将是略大于5m，即有源天线装置之间的距离的一半)，忽略从邻近的有源天线装置提供的放射功率，自由空间路径损耗约为60dB。因此，从有源天线装置接收到的信号功率的总损耗与来自常规AP的总损耗相比，对应于7dB的增益。如果自适应性地更新放大器单元的放大，那么增益可显著更高。此外，以上计算假设其中路径损耗指数为2的自由空间路径损耗。路径损耗指数越高，增益将越大。

Claims (23)

1.一种有源天线装置，所述有源天线装置包括：

一放大器单元，用于放大一射频信号；以及

一天线单元，用于将所述射频信号转换为一电磁波，以及将一电磁波转换为射频信号，其特征在于，

所述有源天线装置进一步包括：一控制单元，用于接收来自一管理单元的一指令，并根据所述指令生成一控制信号，使得所述放大器单元的放大受所述控制信号的控制。

2.根据权利要求1所述的有源天线装置，其中，所述控制单元通过一有线链路接收所述指令。

3.根据权利要求1所述的有源天线装置，其中，所述有源天线装置进一步包括：一接收器单元，用于接收来自所述天线单元的射频信号输出；以及一测量单元，其用于测量来自所述接收器单元的一接收信号输出。

4.根据权利要求3所述的有源天线装置，其中，所述测量单元进一步用于通过一有线链路将其测量结果发射到所述管理单元。

5.根据权利要求3或4所述的有源天线装置，其中，所述放大器单元包括：一可控制功率放大器，用于放大去往所述天线单元的射频信号输入；和/或一可控制低噪声放大器，用于放大来自所述天线单元的所述射频信号输出。

6.根据权利要求3或4所述的有源天线装置，其中所述放大器单元包括：

串联耦合的一可控制衰减器和一固定增益功率放大器，用于放大去往所述天线单元的所述射频信号输入；以及

串联耦合的一固定增益低噪声放大器和另一可控制衰减器，用于放大来自所述天线单元的所述射频信号输出，且所述接收器单元设置为接收被所述固定增益低噪声放大器放大后的来自所述天线单元的所述射频信号输出。

7.根据权利要求3所述的有源天线装置，其中，所述接收器单元进一步供所述控制单元经由一无线链路接收所述指令。

8.根据权利要求3所述的有源天线装置，其中，所述有源天线装置进一步包括一发射器单元，以供所述测量单元将其测量结果经由一无线链路发射到所述管理单元。

9.根据权利要求8所述的有源天线装置，其中所述发射器单元和所述接收器单元经进一步用于与一蜂窝式网络基础设施进行通信。

10.根据权利要求1到9中任一权利要求所述的有源天线装置，其中所述天线单元包括单个天线元件或一组天线元件。

11.一种用于将一无线终端连接到一无线网络的网络设备，所述网络设备具有一管理单元，所述管理单元用于控制至少一根据权利要求1所述的有源天线装置，其中放大器单元的放大根据来自所述管理单元的指令控制。

12.根据权利要求11所述的网络设备，其中，所述管理单元用于通过计算所述网络设备与所述有源天线装置之间的射频信号损耗来得出所述指令。

13.根据权利要求12所述的网络设备，其中，所述管理单元进一步用于基于所述有源天线装置与所述无线终端之间的传播损耗的一测量来更新所述指令。

14.根据权利要求13所述的网络设备，其中，所述管理单元进一步用于基于对所述有源天线装置的干扰的一测量来更新所述指令。

15.根据权利要求12到14中任一权利要求所述的网络设备，其中所述管理单元进一步用于基于对所述无线终端的位置和/或运动的一估计来更新所述指令。

16.一种接入点，所述接入点具有根据权利要求11所述的一网络设备、根据权利要求1所述的多个分布式有源天线装置，以及用于耦合所述网络设备和所述有源天线装置的一电力配送单元，其中每一有源天线装置的放大器单元的放大根据来自所述网络设备的管理单元的指令进行控制。

17.根据权利要求16所述的接入点，其中，所述电力配送单元具备单个有线链路，所述网络设备与无线终端之间的交通数据信号以及所述指令通过所述有线链路发射。

18.根据权利要求17所述的接入点，其中所述交通数据信号和所述指令在同一射频上发射。

19.根据权利要求17所述的接入点，其中所述交通数据信号和所述指令在两个单独的射频上发射。

20.根据权利要求17所述的接入点，其中所述指令是在一低频率或基带上发射。

21.根据权利要求16所述的接入点，其中所述电力配送单元具备两个有线链路，所述网络设备与所述无线终端之间的交通数据信号以及所述指令分别经由所述两个有线链路而发射。

22.根据权利要求16所述的接入点，其中在所述网络设备和所述有源天线设备之间进一步设置有一无线链路，所述指令通过所述无线链路发射。

23.根据权利要求16到22中任一权利要求所述的接入点，其中所述无线网络是一交通工具到路旁通信网络，而所述有源天线装置沿所述无线终端的运动路径而分布。

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