CN102916260B - 天线与基站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线与基站。其中，该天线包括上天线部分和下天线部分，上天线部分与下天线部分均由双极化线阵构成，每个双极化线阵均由多个线性排列的阵子构成，上天线部分与下天线部分在垂直方向上相互隔离，上天线部分的最下一个阵子与下天线的最上一个阵子之间的间距由上下天线端口的隔离度决定，上天线部分和下天线部分中同一极化方向的线阵间距由天线阵元间的相关性决定。本发明利用天线结构中两组不同极化天线执行发射分集算法，可以获得发射分集增益。上天线部分和所述下天线部分中同一极化的线阵被配置为执行基于码本的波束赋型算法，以获得波束赋形增益从而提升链路覆盖能力。

Description

天线与基站

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别地，涉及一种天线与基站。

背景技术

目前移动通信网络已经发展到了第三代(即，3G)，3G网络已经在世界范围内大规模部署并商用，随着数据业务及移动互联网的不断普及和推广，国际通信标准组织正在制定移动通信长期演进(Long TimeEvolution，LTE)及4G等技术标准，以满足网络技术和服务能力的不断发展。由于多天线技术通常可以充分利用无线信号的空间传播特性来大大提升网络服务速率和链路性能，因此成为LTE及未来4G技术的核心技术之一。

目前2G及3G网络大多数使用低频段资源，例如，GSM使用900MHz、cdma使用800MHz，而LTE未来将很可能使用2GHz以上的频段，这样2G和3G网络的信号传播将优于LTE系统，在目前基站站址很难增加的情况下，运营商一般会采用多系统共基站建设方案来部署LTE网络，这样LTE系统就需要通过多天线技术来增强覆盖以达到与2G/3G基站同覆盖水平，从而最终保证LTE网络的连续覆盖。

在多天线技术中，可以用来增强覆盖的技术主要有分集技术和波束形成(Beam Forming，BF)技术，可以用来提升系统容量的技术主要有空间复用技术。这几种多天线技术对于基站天线的设计要求存在一定的差异性，例如，BF技术要求各个天线之间存在强相关性，以保证最终发射波束的方向性，所以一般要求天线间距在1/3λ到4/5λ(其中，λ为天线支持频段中心频点波长)，通常选取1/2λ为天线间距；而分集与空间复用的MIMO技术则是利用空间信道的多径特性，要求天线间距尽可能的大，以保证各个天线空间传播路径之间的弱相关性，具体天线间距大小与传播波束扩散角有关。以手机为例，由于周围布满散射体，传播波束的扩散角较大，天线间距甚至达到1/2λ到1λ即可保证天线之间的弱相关性，而对于基站，由于一般部署在建筑物的顶部，周围散射体没有那么多，所以天线间距一般要求在4λ到12λ才能保证天线之间的弱相关性。

从上述分析可以看出，多天线技术中的各种技术方案对于基站天线的设计要求存在差异，如何在同一天线上融合BF和MIMO覆盖增强技术以扩大网络覆盖能力成为产业界噬待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种天线与基站，能够有效融合BF和MIMO技术以扩大网络覆盖能力。

根据本发明的一方面，提出了一种天线，包括上天线部分和下天线部分，上天线部分与下天线部分均由双极化线阵构成，每个双极化线阵均由多个线性排列的阵子构成，上天线部分与下天线部分在垂直方向上相互隔离，上天线部分的最下一个阵子与下天线的最上一个阵子之间的间距由上下天线的端口隔离度和空间信道隔离度决定，上天线部分和下天线部分中同一极化方向的线阵间距由天线阵元间的相关性决定。

根据本发明的另一方面，还提出了一种基站，包括前述实施例中的天线。

本发明提供的天线与基站，综合考虑了BF和MIMO技术，利用天线结构中两组不同极化天线执行发射分集算法，可以获得发射分集增益。上天线部分和所述下天线部分中同一极化的线阵被配置为执行基于码本的波束赋型算法，以获得波束赋形增益从而提升链路覆盖能力。如果两组极化天线之间发射不同的数据流，执行空间复用算法则可以提升系统的吞吐量和容量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。在附图中：

图1是本发明天线的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，但并不构成对本发明的不当限定。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

首先通过下述实施例介绍本发明的天线结构：

图1是本发明天线的一个实施例的结构示意图。

如图1所示，该实施例的天线10可以包括：

上天线部分11和下天线部分12，这两个部分相互独立，上天线部分与下天线部分均由双极化线阵构成，每个双极化线阵均由多个线性排列的阵子构成，上天线部分与下天线部分在垂直方向上相互隔离(即，上天线部分与下天线部分之间采用上下摆放的方式，形成上天线部分与下天线部分之间的空间信道独立性，从而形成天线之间的隔离，因为是垂直的上下隔离方式，所以称为垂直隔离)，上天线部分的最下一个阵子与下天线的最上一个阵子之间的间距由上下天线的端口隔离度和空间信道隔离度决定，上天线部分和下天线部分中同一极化方向的线阵间距由天线阵元间的相关性决定。

该实施例相对于现有的多天线实现方案，通过双极化和垂直方向隔离等天线隔离方式实现LTE的多天线结构，基于此多天线结构，以及此多天线结构中各天线之间的相关性提出了波束赋形与多入多出技术相结合的技术方案，可以提升LTE网络的覆盖能力。此外，该实施例的覆盖增强多天线结构并不会增加对基站天面空间大小的要求，有利于网络建设和降低投资。

在一个实施例中，为了保证上天线部分和下天线部分的空间信道隔离度和端口隔离度(通常要求天线端口之间的隔离度达到30dB左右)，可以将上天线部分的最下一个阵子与下天线的最上一个阵子之间的间距d设置为0.5λ以上，根据天线长度的限制，可以将该间距设置为0.5λ～2λ，优选地，可以为0.7λ～1λ，从而既可以满足隔离度要求，同时也不增大天线的长度。

假设LTE天线所使用频段的中心频点为2GHz，按照图1所示的结构，则可以计算出该多天线结构的总长度约为18λ(假设上下天线部分各自有10个阵子，阵子之间间距为0.9λ，则天线的总高度大约为20＊0.9＝18λ)，即天线总长度约为2.7米。假设LTE天线所使用频段的中心频点为2.6GHz，同理可以计算出天线总长度为2.1米，相对于850MHz的CDMA同增益天线长度，都在工程上可以接受的范围内。随着LTE天线使用频点的升高，将会进一步缩短天线的总长度，因此本发明更适用于高频段系统。本发明与传统的横向排列的双极化2+2天线的宽度相比，由于其将多个天线排列在垂直方向上，在天线长度满足要求的情况下宽度基本上可以减半。

再如图1所示，上天线部分和下天线部分均可以由两组双极化线阵构成，即，上下天线部分均可以为传统的双极化2+2(第一个2代表两根物理天线，第二个2代表是每根物理天线里面包含2个双极化阵元)小间距天线，考虑到天线阵元间的强相关性，上天线部分和下天线部分中同一极化方向的线阵间距t可以介于0.5λ与0.8λ之间；每组双极化线阵均采用±45度的极化方式，每组双极化线阵中阵子的个数由天线增益决定。

为了保证天线的高集成度和小体积，在天线的封装方式上，可以将上天线部分和下天线部分封装在一个天线罩中，以实现多天线的集成化。同时，由于封装在一个外罩里，并且在垂直方向上排列，所以可以用一根抱杆进行架设与安装，比较容易地保持所有天线都有一样的下倾角和方位角，保证了MIMO天线中每根天线参数的一致性，进一步提高了MIMO的性能。此外，这种天线封装方式在天线外形上可以看成是一根天线，有利于运营商的实际网络部署、便于运营商对基站的选址，同时一体化的结构也给天线的安装带来极大的便利性。

接下来，通过下述实施例介绍本发明天线的工作原理：

在另一实例中，可以将本发明的上述天线应用于诸如LTE或4G等系统的基站中。本发明上述实施例中的天线结构可以支持BF、分集、空间复用等多天线技术组合的工作模式。

从BF算法性能的分析结果可以看出，BF在2天线配置下性能较差，在4天线配置下性能较理想，因此可以选择多天线结构中的4根天线用来执行BF算法。

由于上天线部分或下天线部分中同一极化方向的2根天线之间间距为0.5λ-0.8λ，因此天线之间具有强相关特性，而上下天线间的垂直隔离和双极化隔离都使得上下天线和不同极化方向的天线间为弱相关性。根据波束赋形算法对天线相关性要求的研究结果，尽量选择强相关特性的天线，而对于弱相关性的天线可以采用基于码本的波束赋形算法来保证BF性能。从实际测试结果表明，不同极化天线之间的弱相关性更为稳定，同时根据天线相关性分析和BF对天线结构的要求，本发明可以配置上天线和下天线中同一极化方向的4天线执行BF算法，以获得波束赋形增益从而提升链路覆盖能力。由于本发明的多天线结构中的天线存在两个极化方向，因此可以构成两组天线，两组天线各自执行BF算法。

对于LTE系统，存在MIMO的七种工作模式，目前这七种工作模式无法同时应用，在某一时刻只能工作于其中一种模式，即，很难同时获得波束赋形增益和发射分集增益。但是，从对LTE的七种MIMO工作模式的分析可以看出，模式二的发射分集模式是通过空频编码来实现发射分集增益，这种工作模式可以在信道矩阵秩为1的场景下保证获得发射分集增益。而对于本发明，可以采用极化分集来获得发射分集增益。极化分集技术要求不同极化方向的发射天线之间存在弱相关性，并且不同极化天线都发送同样的信息内容，不做空频编码或者空时编码处理。此外，由于上天线或下天线部分中同一极化天线阵元间的强相关性可以获得波束赋型增益。本发明的这种天线结构可以兼容现有LTE国际标准，对国际标准不做修改，同时可以获得波束赋形增益和发射分集增益，最大化地提升了LTE的覆盖能力。

根据上述分析可以看出，本发明采用多天线结构中两组不同极化天线组来执行发射分集算法，从而获得发射分集增益。在该多天线结构中，由于双极化天线中不同极化方向之间的弱相关性保证了系统可以获得发射分集增益，并提升了LTE的覆盖增强能力。如果两组极化天线之间发送不同的数据流，则可以执行空间复用算法，以提升系统吞吐量和容量。

此外，根据波束赋型增益的大小，还可以设置多根MIMO天线，例如，在天线宽度允许的情况下，可以在图1所示的天线右侧或左侧再设置2根或4根物理天线。本发明不对MIMO物理天线的根数进行限制，具体天线的根数由波束赋型增益大小决定。

综上所述，在基站中，可以将上天线部分和下天线部分中同一极化的线阵被配置为执行基于码本的波束赋型算法，不同极化线阵之间被配置为执行发射分集算法，使得链路同时获得波束赋型增益和发射分集增益，从而实现LTE覆盖增强；也可以将上天线部分和下天线部分中同一极化的线阵被配置为执行基于码本的波束赋型算法，不同极化线阵之间被配置为执行空间复用算法，从而在提升覆盖能力的同时有效提升LTE容量。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种天线，其特征在于，包括上天线部分和下天线部分，上天线部分与下天线部分均由双极化线阵构成，每个双极化线阵均由多个线性排列的阵子构成，上天线部分与下天线部分在垂直方向上相互隔离，上天线部分的最下一个阵子与下天线的最上一个阵子之间的间距由上下天线的端口隔离度和空间信道隔离度决定，上天线部分和下天线部分中同一极化方向的线阵间距由天线阵元间的相关性决定；其中，上天线部分的最下一个阵子与下天线的最上一个阵子之间的间距介于0.5波长与1波长之间。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上天线部分的最下一个阵子与下天线的最上一个阵子之间的间距介于0.7波长与1波长之间。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上天线部分和下天线部分中同一极化方向的线阵间距介于0.5波长与0.8波长之间。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上天线部分和下天线部分均由两组双极化线阵构成。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，每组双极化线阵均采用±45度的极化方式。

6.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，每组双极化线阵中阵子的个数由天线增益决定。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上天线部分与下天线部分封装在一个天线罩中。

8.一种基站，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项的天线。

9.根据权利要求8所述的基站，其特征在于，所述上天线部分和所述下天线部分中同一极化的线阵被配置为执行基于码本的波束赋型算法，不同极化线阵之间被配置为执行发射分集算法。

10.根据权利要求8所述的基站，其特征在于，所述上天线部分和所述下天线部分中同一极化的线阵被配置为执行基于码本的波束赋型算法，不同极化线阵之间被配置为执行空间复用算法。