CN102611485B - 3d空间多天线无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D空间多天线无线通信系统，通信双方分为管理端和用户端，分别采用单一的射频发射接收模块，每个单一射频发射接收模块可以连接多个天线，多个天线置放在3D空间中的不同位置，应对于不同位置、不同极化的发射接收。通过使用最优天线对选择算法，在基带模块中选择出通信双方各自最佳的天线，在不增加成本和功耗的前提下，实现了多天线技术空间分集，提高了无线传输可靠性和减轻信道衰落。本发明尤其适用于超低功耗超低成本高性能的无线通信应用。

Description

3D空间多天线无线通信系统
技术领域
本发明涉及一种无线通信系统，尤其涉及一种3D空间多天线无线通信系统，属于无线通信技术领域。
背景技术
多天线发射和接收(MIMO)技术已成为无线通信的重要发展方向。通过在发射端和接收端分别采用多个射频收发模块，每个模块接收到的数据分别通过模数转换，输进基带处理模块，进行信号处理和解调；发射数据经过调制、分配给不同射频模块，再通过数模转换，用多个射频模块发射出去。多天线技术实现了提升数据传输速率、提高无线传输的可靠性、减轻信道衰落的影响。例如，第三代无线移动通信技术WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000、第四代无线移动通信技术LTE、无线宽带接入技术WiFi (802.11n)均采用多天线技术传输。
在提升数据传输速率方面，多天线技术利用空间信道正交叠加的无线传输方式，通过在3D空间产生等效的多个独立传输信道，达到增加传输速率的目的。例如，在发射端和接收端分别采用四个射频模块，最高可以提高四倍传输速率。但是，多天线技术也带来了功耗和成本的上升。
在提高无线传输可靠性和减轻信道衰落影响方面，多天线技术利用空间分集，利用3D空间多个独立不相关的传输信道，保证了平均传输速率的可靠性，从而减轻信道衰落的影响。同样，多天线技术用于分集发射接收带来功耗和成本的上升。
在许多功耗和成本敏感的实际应用中，产品对功耗和成本非常敏感，采用多个射频收发模块是不可接受的。但是，单天线接收模块又达不到系统要求的性能，对低成本、低功耗、高性能多天线收发提出了挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种3D空间多天线无线通信系统，不增加成本和功耗，实现了多天线技术空间的最优分集的无线数据传输。
为解决上述技术问题，一种3D空间多天线无线通信系统，其特征是，通信双方分为管理端和用户端，分别采用单一的射频发射接收模块，每个单一射频发射接收模块连接多个天线，多个天线置放在3D空间中的不同位置，应对于不同位置、不同极化的发射接收。
每个单一的射频发射接收模块连接的天线数量为2-8根。
所述天线间的距离大于0.25倍天线发射的无线电波的波长。
所述多个天线分别设置在相互收发数据的所述用户端和管理端，用户端包括N个天线，管理端包括M个天线，
所述用户端还包括采集数据的传感器、第一无线收发系统、用于天线选择的第一开关、第一开关控制模块； 
所述管理端还包括用于转发收到数据的网络接口、第二无线收发系统、用于天线选择的第二开关、第二开关控制模块。
所述传感器将需要的数据采集进入所述第一无线收发系统，
所述第一开关控制模块接收来自所述第一无线收发系统的指令，控制所述第一开关，指定选择的天线， 
所述第一开关用于连接选择的用户端天线，断开未选择的用户端天线连接，用选择的指定天线实现用户端数据的发射接收；
所述网络用于转发来自用户端所述传感器的数据到指定的网络地址；
所述第二开关控制模块接收来自所述第二无线收发系统的指令，控制所述第二开关，选择指定的天线，所述第二开关用于连接选择的管理端的天线，断开未选择的管理端的天线连接，用指定的天线实现管理端数据的发射接收。
天线的选择遵循天线对选择协议，即一个管理端和一个用户端的天线，指定规定的时间点，用每个天线对事先已知的信号实现发射接收，在管理端评估每个天线对发射接收的性能，从中选出发射接收性能最好的天线对，分别通知管理端和用户端，分别用选定的天线进行发射接收。
所述天线对选择协议步骤为：
1）天线搜索请求：管理端向用户端发送信令，申请用户端开始天线选择，信令包括管理端的配置信息，包括天线数、发射数据选择；
2）天线搜索回复：用户端回复管理端，向管理端发送信令，信令包括用户端的配置信息，包括天线数、发射数据选择；
3）天线对评估信号传输：用户端分别在每个天线上发射指定的评估信号，用于管理端分别在每个天线上接收，开展性能评估；
4）天线对选择：管理端分别用每个天线，接收用户端在每个天线上发射出来的指定的评估信号，计算出所有可能天线对的组合的性能，从中选择最优的天线对，通知用户端；
5）天线对选择确认：用户端确认收到管理端最优天线对的选择；
6）数据发射：管理端和用户端分别使用指定的最优天线开始发射接收数据。
所述管理端天线对选择算法步骤为：
管理端用第M个接收天线，接收到来自第N个用户端天线发射的信号，并计算出接收信号的信噪比SNR(M,N)；当所有N个用户端天线全部发射完评估信号，所有M个管理端天线完成接收评估信号，选择具有最大信噪比的天线对，即为最优天线对。
本发明所达到的有益效果：
本发明的3D空间多天线无线通信系统采用单一射频发射接收模块，通过使用最优天线对选择算法，在基带模块中选择出通信双方各自最佳的天线，在不增加成本和功耗的前提下，实现了多天线技术空间分集，提高了无线传输可靠性和减轻信道衰落。本发明尤其适用于超低功耗超低成本高性能的无线通信应用。
附图说明
图1是本发明的3D空间多天线无线通信系统用户端示意图；
图2是本发明的3D空间多天线无线通信系统管理端示意图；
图3是本发明的3D空间多天线无线通信系统天线对选择协议；
图4是图3中的管理端天线对选择算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的3D空间多天线无线通信系统，在管理端和用户端分别采用单一射频发射接收模块，每端分别连接多个极低成本的天线（2-8根），多个天线置放在3D空间中，实现不同位置（距离大于0.25倍发射的无线电波长）、不同极化的发射接收。
管理端和用户端在启动无线通信系统前，首先，使用本发明提供的管理端的天线对选择算法，搜索管理端和用户端的每个天线对，选出接收接收性能最优的天线对，用最优的天线对开始发射接收。同时，本发明提供的算法采用最优天线对选择协议控制，在规定的时间点，重新搜索每个发射接收天线对，选出发射接收性能最好的天线对，保证最优发射接收。
本发明的3D空间多天线无线通信系统包括用户端和管理端。
其中，用户端包括传感器、N个天线、无线收发系统、开关、开关控制，如图1所示，
传感器：将需要的数据采集进入无线收发系统；
天线：选择其中的一个天线实现数据发射接收；
无线收发系统：发射用户端数据；接收管理端的数据；
开关：连接选择的天线，断开未选择的天线连接；
开关控制：根据接收来自管理端的指令，控制开关，选择连接指定的的天线。
管理端包括网络、天线、无线收发系统、开关、开关控制，如图2所示，
网络：转发传感器的数据到指定网络地点；
天线：选择其中的一个天线实现数据发射接收；
无线收发系统：发射管理端数据；接收用户端的数据；
开关：连接选择的天线，断开未选择的天线连接；
开关控制：根据接收的数据，使用本发明的算法，选出最优天线对，控制开关选择连接的天线；
如图3所示，管理端与用户端之间的无线收发遵从天线对选择协议。
天线对选择协议：指定规定的时间点，实现搜索每管理端和用户端每个发射接收对，选出发射接收性能最好的天线对。传输管理端的最优天线对信息到用户端，控制用户端天线选择开关；根据最优天线对的选择，控制管理端选择天线进行发射接收。
天线对选择协议过程如下：
1）天线搜索请求：管理端向用户端发送信令，申请用户端开始天线选择，信令包括管理端的配置信息（天线数、发射数据选择）；
2）天线搜索回复：用户端回复管理端，向管理端发送信令，信令包括用户端的配置信息（包括天线数、发射数据选择）；
3）天线对N评估信号传输：用户端分别在每个天线上发射指定的评估信号，用于管理端分别在每个天线上接收，开展性能评估；
4）天线对选择：管理端分别用每个天线，接收用户端在每个天线上发射出来的指定的评估信号，计算出所有可能天线对的组合的性能，从中选择最优的天线对，通知用户端；
5）天线对选择确认：用户端确认收到管理端最优天线对的选择；
6）数据发射：管理端和用户端分别使用指定的最优天线开始发射接收数据。
其中，管理端天线对选择算法流程图，如图4所示，管理端天线对选择过程为：
管理端用第M个接收天线，接收到来自第N个用户端天线发射的信号，并计算出接收信号的信噪比SNR(M,N)；当所有N个用户端天线全部发射完评估信号，所有M个管理端天线完成接收评估信号，选择具有最大信噪比的天线对，即为最优天线对。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种3D空间多天线无线通信系统，其特征是，通信双方分为管理端和用户端，分别采用单一的射频发射接收模块，每个单一射频发射接收模块连接多个天线，多个天线置放在3D空间中的不同位置，应对于不同位置、不同极化的发射接收；
所述多个天线分别设置在相互收发数据的所述用户端和管理端，
所述用户端还包括采集数据的传感器、第一无线收发系统、用于天线选择的第一开关、第一开关控制模块； 
所述管理端还包括用于转发收到数据的网络接口、第二无线收发系统、用于天线选择的第二开关、第二开关控制模块；
天线的选择遵循天线对选择协议，即一个管理端和一个用户端的天线，指定规定的时间点，用每个天线对事先已知的信号实现发射接收，在管理端评估每个天线对发射接收的性能，从中选出发射接收性能最好的天线对，分别通知管理端和用户端，分别用选定的天线进行发射接收。
2.根据权利要求1所述的3D空间多天线无线通信系统，其特征是，每个单一的射频发射接收模块连接的天线数量为2-8根。
3.根据权利要求1所述的3D空间多天线无线通信系统，其特征是，所述天线间的距离大于0.25倍天线发射的无线电波的波长。
4.根据权利要求1所述的3D空间多天线无线通信系统，其特征是，所述传感器将需要的数据采集进入所述第一无线收发系统，
所述第一开关控制模块接收来自所述第一无线收发系统的指令，控制所述第一开关，指定选择的天线， 
所述第一开关用于连接选择的用户端天线，断开未选择的用户端天线连接，用选择的指定天线实现用户端数据的发射接收。
5.根据权利要求1所述的3D空间多天线无线通信系统，其特征是，所述网络用于转发来自用户端所述传感器的数据到指定的网络地址；
所述第二开关控制模块接收来自所述第二无线收发系统的指令，控制所述第二开关，选择指定的天线，所述第二开关用于连接选择的管理端的天线，断开未选择的管理端的天线连接，用指定的天线实现管理端数据的发射接收。
6.根据权利要求1所述的3D空间多天线无线通信系统，其特征是，
所述天线对选择协议步骤为：
1）天线搜索请求：管理端向用户端发送信令，申请用户端开始天线选择，信令包括管理端的配置信息，包括天线数、发射数据选择；
2）天线搜索回复：用户端回复管理端，向管理端发送信令，信令包括用户端的配置信息，包括天线数、发射数据选择；
3）天线对评估信号传输：用户端分别在每个天线上发射指定的评估信号，用于管理端分别在每个天线上接收，开展性能评估；
4）天线对选择：管理端分别用每个天线，接收用户端在每个天线上发射出来的指定的评估信号，计算出所有可能天线对的组合的性能，从中选择最优的天线对，通知用户端；
5）天线对选择确认：用户端确认收到管理端最优天线对的选择；
6）数据发射：管理端和用户端分别使用指定的最优天线开始发射接收数据。
7.根据权利要求6所述的3D空间多天线无线通信系统，其特征是，所述管理端天线对选择算法步骤为：
所述管理端用第M个接收天线，接收到来自第N个用户端天线发射的信号，并计算出接收信号的信噪比SNR(M,N)；当所有N个用户端天线全部发射完评估信号，所有M个管理端天线完成接收评估信号，选择具有最大信噪比的天线对，即为最优天线对。
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