CN104079330A - 一种mimo-相控阵天线装置、系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO-相控阵天线装置、系统及其实现方法，该天线装置包括：微带阵列天线模块、功率分配模块和移相器模块，微带阵列天线模块用于通过多个宽带贴片阵元形成的阵列以预定频率和预定的数据带宽向周围空间辐射电磁场能量；功率分配模块用于通过馈线回路在预定范围内动态调整阵元的辐射功率；移相器模块用于通过调整阵元的相位，完成对通信空间中所有终端的扫描后，建立扫描成功的终端与基站之间的基于MIMO信道的数据通信连接。

Description

一种MIMO-相控阵天线装置、系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种天线系统，特别是一种MIMO-相控阵天线装置、系统及基于该天线系统实现的基站和终端间相互工作的原理和流程。

背景技术

无线通信是当今世界最活跃的科研领域之一。目前无线通信面临的主要问题是如何提高数据传输速率和保证无线通信的安全性，而频率带宽和发射功率这两个传统的提高数据传输速率的资源几近饱和，因此，基于MIMO的无线通信技术应运而生，如何高效的应用MIMO技术是今后一段时间内无线通信发展的重要方向。

现有的天线系统可优化的方面有：(1)天线系统多采用固定方式的MIMO通信信道，这样想实现空间全覆盖必然需要MIMO信道的数量成倍增加，导致功耗增加。(2)天线系统在空间实时发射电磁场能量，对于环境污染和无用功率损耗较大。(3)天线系统几乎全部为全向通信，信道可能被侦听、监测，数据可能被篡改。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种MIMO-相控阵天线装置、系统及其实现方法，以解决现有技术中存在的全向天线带来的安全隐患问题，无线电辐射生活空间造成的污染和资源浪费问题，以及通信功耗大，通信效率低的问题。

为达上述目的，本发明提供一种MIMO-相控阵天线装置，所述天线装置应用于终端与基站之间进行终端扫描和数据通信连接建立，所述MIMO-相控阵天线装置包括：

微带阵列天线模块：用于通过多个宽带贴片阵元形成的阵列以预定频率和预定的数据带宽向周围空间辐射电磁场能量；

功率分配模块：用于通过馈线回路在预定范围内动态调整所述阵元的辐射功率；

移相器模块：用于通过调整所述阵元的相位，完成对通信空间中所有所述终端的扫描后，建立扫描成功的所述终端与所述基站之间的基于MIMO信道的数据通信连接。

上述MIMO-相控阵天线装置，所述功率分配模块还包括：

功率分配网络模块：用于实时扫描所述终端的阵列的功率分配情况，通过不均等功率分配电路，进行所述阵列的功率动态分配；

功率分配网络控制模块：用于通过控制所述功率分配网络模块，实现所述阵列的功率动态分配。

上述MIMO-相控阵天线装置，所述移相器模块还包括：

移相器网络模块：包含多个移相器，用于调整所述阵列的相位；

移相器网络控制模块：用于控制所述移相器网络模块，实现通过波束信号对空间进行扫描和定位。

上述MIMO-相控阵天线装置，所述移相器模块的工作方式包括：

扫描定位方式：通过调整所述阵列中所述阵元的相位，使所述阵元形成的波束信号的方向在空间内连续变换，实现相控阵天线扫描定位所述终端；

通信连接方式：扫描到所述终端目标后，调整所述阵元的相位，使所述阵元形成方向固定的波束信号，进行基于MIMO信道的通信。

上述MIMO-相控阵天线装置，所述阵元的大小和间距由所述天线系统的频率范围决定，所述阵元的数量由所述天线系统所需功耗决定。

本发明还提供一种MIMO-相控阵天线系统，采用如所述MIMO-相控阵天线装置，所述天线装置用于终端与基站之间进行终端扫描和数据通信，所述天线系统包含：

相控阵天线扫描模块：用于通过相控阵天线的多路径一次扫描进行整个通信空间扫描后，通过所述相控阵天线的单路径实时扫描进行新终端扫描，完成对通信空间中所有所述终端的扫描；

MIMO天线通信模块：针对扫描发现的所述终端，采用相控阵天线实时定位所述终端后，建立所述终端与所述基站之间的数据通信连接，并将所述天线系统的状态切换为MIMO天线通信方式。

本发明还提供一种MIMO-相控阵天线系统的实现方法，应用于如所述MIMO-相控阵天线系统，包括：

相控阵天线扫描步骤：用于通过相控阵天线的多路径一次扫描进行整个通信空间扫描后，通过所述相控阵天线的单路径实时扫描进行新终端扫描，完成对通信空间中所有所述终端的扫描；

MIMO天线通信步骤：针对完成扫描的所述终端，采用相控阵实时定位所述终端后，建立所述终端与所述基站之间的数据通信连接，并将所述天线系统的状态切换为MIMO天线通信方式。

上述MIMO-相控阵天线系统的实现方法，所述相控阵天线扫描步骤包括：

多路径一次扫描步骤：通过调整所述阵元的相位，形成多路相控阵扫描波束，每路所述波束负责在一定空间范围内扫描，所述整个通信空间扫描完成后，多路径一次扫描结束；

单路径实时扫描步骤：进行所述通信步骤的同时，系统预留一路相控阵扫描波束实时扫描空间内新的所述终端，发现所述终端后，与所述终端建立通信连接。

上述MIMO-相控阵天线系统的实现方法，所述MIMO天线通信步骤包括：

通信范围内通信步骤：所述终端在所述天线系统的通信范围内移动，并且已建立通信连接，则所述天线系统针对所述终端实时调整阵列阵元相位，以控制通信波束的方向，并保持与所述终端的正常通信；

通信范围外通信步骤：所述终端移动到所述天线系统的通信范围外，则所述天线系统释放该目标的通信资源，并上报统计信息。

终端固定通信步骤：所述天线系统分配通信带宽资源，计算基站与终端之间的通信距离，并检测无线信号的状态与强度，在视距环境下，所述基站与所述终端建立SISO信道通信，在非视距环境下，所述基站与所述终端之间建立MIMO信道相互通信。

上述MIMO-相控阵天线系统的实现方法，所述多路径一次扫描步骤包括：

启动步骤：系统上电启动后，所述移相器网络控制模块将所述阵列调整为多路相控阵波束，每路所述波束独立，且具有互相不重叠的扫描空间范围，每路所述波束的扫描空间范围叠加构成整个通信空间；

多路波束扫描步骤：每路所述波束在各自的扫描空间发现新的所述终端，则通过应答机制建立与所述终端的通信连接，同时为所述终端分配通信资源，并完成整个所述扫描空间的扫描；

多路扫描结束步骤：所述多路波束扫描步骤结束后，统计系统资源，并启动所述单路径实时扫描步骤。

上述MIMO-相控阵天线系统的实现方法，所述单路径实时扫描步骤包括：

扫描波束建立步骤：建立相控阵扫描波束，并启动所述波束扫描，所述波束覆盖所述天线系统的全部通信空间；

快速扫描步骤：在所述相控阵扫描波束扫描过程中发现新的所述终端，所述天线系统统计自身剩余的MIMO信道资源，如果资源充足，则调整扫描间隙并进行所述相控阵波束快速扫描，如果所述资源耗尽，则终止所述相控阵波束扫描；

天线调整步骤：被发现的所述终端由全向天线模式转换为定向MIMO天线模式，所述天线系统分配通信资源，并与所述终端建立通信连接；

实时扫描结束步骤：所述相控阵扫描波束完成所述天线系统的通信空间扫描，并判断如果有新释放的通信资源时，则根据设定的扫描时隙，继续执行扫描波束建立步骤，否则扫描终止。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)减小由基站全向天线带来的安全隐患，提高无线通信的安全性；

(2)避免无线电辐射生活空间造成的污染和资源浪费问题；

(3)降低终端的功耗、提高通信效率、使终端更专注其业务功能。

附图说明

图1为本发明天线装置结构示意图；

图2为本发明实施例天线装置结构示意图；

图3为本发明天线系统结构示意图；

图4为本发明实施例天线系统结构示意图；

图5为本发明实施例天线系统状态转移图；

图6为本发明实现方法示意图；

图7为本发明实现方法详细步骤示意图；

图8为本发明实施例多路径一次扫描过程示意图；

图9为本发明实施例单路径实时扫描过程示意图；

图10为本发明实施例通信过程示意图。

其中，附图标记：

1 微带阵列天线模块            2 功率分配模块

3 移相器模块                  4 相控阵天线扫描模块

5 MIMO天线通信模块

21 功率分配网络               22 功率分配网络控制模块

31 移相器网络模块             32 移相器网络控制模块

S10～S20、S11～S12、S21～S23、S111～S113、S121～S124、S201～S204、S301～S304、S401～S404：本发明各实施例的施行步骤

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的说明。

本发明技术将在保证网络全覆盖且实时通信的前提下，通过相控阵技术实时搜索、跟踪通信目标，并自适应实时动态建立MIMO信道与目标通信，这样在与通信目标以外的空间将不受到电磁辐射的干扰，同时也能保证通信信道的安全性不受破坏。

一种MIMO-相控阵天线装置，该天线装置应用于终端与基站之间进行终端扫描和数据通信连接建立，图1为本发明天线装置结构示意图，如图1所示，该MIMO-相控阵天线装置包括：

微带阵列天线模块1：用于通过多个宽带贴片阵元形成的阵列以预定频率和预定的数据带宽向周围空间辐射电磁场能量；

功率分配模块2：用于通过馈线回路在预定范围内动态调整阵元的辐射功率；

移相器模块3：用于通过调整阵元的相位，完成对通信空间中所有终端的扫描后，建立扫描成功的终端与基站之间的基于MIMO信道的数据通信连接。

其中，功率分配模块2还包括：

功率分配网络模块21：用于实时扫描终端的阵列的功率分配情况，通过不均等功率分配电路，进行阵列的功率动态分配；

功率分配网络控制模块22：用于通过控制功率分配网络模块，实现阵列的功率动态分配。

其中，移相器模块3还包括：

移相器网络模块31：包含多个移相器，用于调整阵列的相位；

移相器网络控制模块32：用于控制移相器网络模块，实现通过波束信号对空间进行扫描和定位。

其中，移相器模块3的工作方式包括：

扫描定位方式：通过调整阵列中阵元的相位，使阵元形成的波束信号的方向在空间内连续变换，实现相控阵天线扫描定位终端；

通信连接方式：扫描到终端目标后，调整阵元的相位，使阵元形成方向固定的波束信号，进行基于MIMO信道的通信。

其中，阵元的大小和间距由天线系统的频率范围决定。阵元的数量由所述天线系统所需功耗决定。

以下结合图示，详细说明本发明天线装置的结构：

图2为本发明实施例天线装置结构示意图，如图2所示，天线装置包含3个主要的逻辑单元：微带天线阵列模块100、功率分配模块200、移相器模块300。

微带阵列天线模块100，MIMO-相控阵天线装置的最基本的组成单元，阵列每个阵元相同且相互独立，工作时以固定的频率、固定的数据带宽向周围空间辐射电磁场能量；

微带阵列天线模块100，由宽带阵元按照一定的规则排列成一个面阵，每个阵元的面积，阵元与阵元之间的距离由天线工作的频率范围决定，阵元的数量由天线系统所需的功耗决定。微带阵列天线单元，MIMO-相控阵天线系统的最基本的组成单元，阵列每个阵元相同且相互独立，工作时以固定的频率、固定的数据带宽向周围空间辐射电磁场能量。

其中，微带天线阵列模块100采用宽带贴片阵元实现，本实施例采用贴片的形状为正方形，所有阵元按照矩形排列，形成阵列天线，各阵元的间距，阵元的面积，由通信的频率计算得出，但本发明并不以此为限。最后本发明实施例设计的微带天线阵列单元通过HFSS15.0软件版本仿真天线单元的方向图形状、主瓣宽度、增益、输入阻抗、工作频率、频带宽度等参数。

功率分配模块200，控制所述的微带阵列天线每个阵元的辐射功率，天线系统根据通信距离、通信方位、通信环境等因素自动调整每个阵元的辐射功率，使整个天线系统在实现通信全覆盖情况下满足功耗最小。

功率分配模块200包含：功率分配网络模块201及功率分配网络控制模块202，功率分配网络模块201及其控制模块202采用不均等功率分配电路，用于实时扫描的子阵列的功率分配较大，它要实现整个网络空间的无线终端的扫描；在满足馈线的阻抗相位匹配情况下，用于通信的子阵列的功率分配可动态调整，实现在通信距离不同时，无线通信的功耗相同，达到资源的有效利用。功率分配网络控制单元是决定天线系统覆盖面积的因素之一。功率分配网络模块201及其控制模块202，控制微带阵列天线每个阵元的辐射功率，天线系统根据通信距离、通信方位、通信环境等因素自动调整每个阵元的辐射功率，使整个天线系统在实现通信全覆盖情况下满足功耗最小；

功率分配模块200通过系统的馈线回路实现，本发明实施例的功率分配模块200采用MOS开关电路实现馈线电平信号的开断就能实现功率分配，每个阵元都有多个馈线回路且所有馈线回路满足阻抗和相位匹配。根据实际的通信目标的各种参数，控制单元控制与通信目标对应的子阵元阵列的MOS开关网络的开断状态，分配对应的功耗给对应的子阵元阵列，即实现功率分配，本发明控制单元采用MOS开关电路，但本发明并不以此为限。

移相器模块300，通过调整辐射信号的相位来控制所述微带阵列天线单元中主波束信号的方向，实现天线系统的定向通信；单独控制微带子阵列波束信号的相位，使每个波束形成的通信信道在空间相互独立并作用于通信目标，则实现一个MIMO天线系统；按照固定规则连续控制辐射信号的相位，则能实现天线波束信号的空间扫描和定位。

移相器模块300包含：移相器网络模块301及移相器网络控制模块302，移相器网络模块301中包含N个移相器，该移相器在该天线系统设计中是最关键的一部分，由移相器网络控制模块302控制整个系统相控阵天线扫描波束的数量、每路波束扫描的路径和范围、移动通信目标的实时跟踪、固定通信目标MIMO波束的形成、某个通信目标失效后其余通信目标的MIMO天线波束的重新分配等。移相器网络模块301及移相器网络控制模块302是决定天线系统性能的重要因素之一，通过调整辐射信号的相位来控制所述微带阵列天线单元中主波束信号的方向，实现天线系统的定向通信；单独控制微带子阵列波束信号的相位，使每个波束形成的通信信道在空间相互独立并作用于通信目标，则实现一个MIMO天线系统；按照固定规则连续控制辐射信号的相位，则能实现天线波束信号的空间扫描和定位。

移相器模块300在本发明具体实施例中采用Ka波段的5位数控移相器MMIC实现，其在34～36GHz范围内可获得优异的电性能，可实现单阵元180°、90°和45°的相位控制，但本发明并不以此为限。移相器网络需实现两种功能：第一种是控制阵列天线的相位实现连续的波束方向变化，形成相控阵扫描功能；第二种是控制阵列天线的相位实现多路定向波束，形成MIMO信道的通信功能。

本发明还提供一种MIMO-相控阵天线系统，采用如上述的MIMO-相控阵天线装置，该天线装置用于终端与基站之间进行终端扫描和数据通信，图3为本发明天线系统结构示意图，如图3所示，天线系统包含：

相控阵天线扫描模块4：用于通过相控阵天线的多路径一次扫描进行整个通信空间扫描后，通过相控阵天线的单路径实时扫描进行新终端扫描，完成对通信空间中所有终端的扫描；

MIMO天线通信模块5：针对扫描发现的终端，采用相控阵天线实时定位终端后，建立终端与基站之间的数据通信连接，并将天线系统的状态切换为MIMO天线通信方式。

图4为本发明实施例天线系统结构示意图，如图4所示，基站有双重功能，即MIMO天线通信模块400和相控阵天线实时扫描模块500，其中MIMO天线通信模块400负责与通信空间内所有终端节点进行数据通信，如果通信双方在可视距离内在采用SISO通信模式，如果通信双方在非可视距离则采用MIMO通信模式；相控阵天线实时扫描模块500用于发现空间内新增终端目标，并建立通信连接。

天线系统的状态转移图，图5为本发明实施例天线系统状态转移图，如图5所示，天线系统状态转移主要是指基站天线所处的功能的状态转移过程，初始状态S0，经过上电操作，转移到系统多路径一次扫描状态S1，在扫描过程结束后，系统转化为终端固定通信状态S2和系统单路径实时扫描状态S3，在系统资源饱和后，S2状态和S3状态之间相互转化由系统资源是否饱和决定，在终端移动时，系统由S2状态转化为终端移动通信状态S4状态，终端移动超出网络覆盖范围导致终端失效时，系统由S4状态转化为终端失效资源重新分配状态S5状态，S5状态通过调整系统通信资源直接转化为S2状态。

系统的状态转移图描述了系统运行过程中最基本的6中状态，应用中可根据具体情况增加或减少个别状态。

本发明还提供一种MIMO-相控阵天线系统的实现方法，应用于如上述MIMO-相控阵天线系统，图6为本发明实现方法示意图，如图6所示，该方法包括：

相控阵天线扫描步骤S10：用于通过相控阵天线的多路径一次扫描进行整个通信空间扫描后，通过相控阵天线的单路径实时扫描进行新终端扫描，完成对通信空间中所有终端的扫描；

MIMO天线通信步骤S20：针对完成扫描的终端，采用相控阵实时定位所述终端后，建立所述终端与所述基站之间的数据通信连接，并将所述天线系统的状态切换为MIMO天线通信方式。

其中，相控阵天线扫描步骤S10包括：

多路径一次扫描步骤S11：通过调整阵元的相位，形成多路相控阵扫描波束，每路波束负责在一定空间范围内扫描，整个通信空间扫描完成后，多路径一次扫描结束；

单路径实时扫描步骤S12：进行通信步骤的同时，系统预留一路相控阵扫描波束实时扫描空间内新的终端，发现终端后，与终端建立通信连接。

其中，MIMO天线通信步骤S20包括：

通信范围内通信步骤S21：终端在天线系统的通信范围内移动，并且已建立通信连接，则天线系统针对终端实时调整阵列阵元相位，以控制通信波束的方向，并保持与终端的正常通信；

通信范围外通信步骤S22：终端移动到天线系统的通信范围外，则天线系统释放该目标的通信资源，并上报统计信息。

终端固定通信步骤S23：天线系统分配通信带宽资源，计算基站与终端之间的通信距离，并检测无线信号的状态与强度，在视距环境下，基站与终端建立SISO信道通信，在非视距环境下，基站与终端之间建立MIMO信道相互通信。

其中，图7为本发明实现方法详细步骤示意图，如图7所示，多路径一次扫描步骤S11包括：

启动步骤S111：系统上电启动后，移相器网络控制模块将阵列调整为多路相控阵波束，每路波束独立，且具有互相不重叠的扫描空间范围，每路波束的扫描空间范围叠加构成整个通信空间；

多路波束扫描步骤S112：每路波束在各自的扫描空间发现新的终端，则通过应答机制建立与终端的通信连接，同时为终端分配通信资源，并完成整个扫描空间的扫描；

多路扫描结束步骤S113：多路波束扫描步骤结束后，统计系统资源，并启动单路径实时扫描步骤。

其中，单路径实时扫描步骤S12包括：

扫描波束建立步骤S121：建立相控阵扫描波束，并启动波束扫描，波束覆盖天线系统的全部通信空间；

快速扫描步骤S122：在相控阵扫描波束扫描过程中发现新的终端，天线系统统计自身剩余的MIMO信道资源，如果资源充足，则调整扫描间隙并进行相控阵波束快速扫描，如果资源耗尽，则终止相控阵波束扫描；

天线调整步骤S123：被发现的终端由全向天线模式转换为定向MIMO天线模式，天线系统分配通信资源，并与终端建立通信连接；

实时扫描结束步骤S124：相控阵扫描波束完成天线系统的通信空间扫描，并判断如果有新释放的通信资源时，则根据设定的扫描时隙，继续执行扫描波束建立步骤，否则扫描终止。

以下结合图示，详细说明本发明的新型MIMO-相控阵天线系统实现方法，该方法包括：

系统上电的多路径一次扫描过程，此过程中系统为相控阵天线功能，通过调整阵列阵元的相位，形成多路相控阵扫描波束信号，用以发现通信目标，每路波束信号都有单独的扫描路径和范围，多路波束扫描范围的叠加构成整个通信空间。

系统稳定运行中单路径实时扫描过程，此过程伴随着系统的正常通信同时进行，系统预留一路相控阵扫描波束信号实时扫描空间内新的通信目标，发现并建立通信连接。

终端移动时系统的通信过程，此过程分两种情况：第一，通信目标在系统的通信范围内移动并且已建立通信连接，系统中其余通信过程保持不变，则系统只针对该目标实时调整阵列阵元相位控制通信波束的方向保持与该目标的正常通信；第二，通信目标移动到通信范围外，则系统释放该目标的通信资源，并上报统计信息。

终端固定时系统的通信过程，此过程为MIMO信道的建立过程，系统分配一定的通信带宽资源，计算基站与终端之间的通信距离、检测无线信号的状态与强度，在视距环境下，基站与终端建立SISO信道通信；在非视距环境下，基站与终端之间建立MIMO信道相互通信。

以下对实现方法的各个步骤进行详细描述：

1、基站上电的多路径一次扫描过程，系统上电时，基站启动多路相控阵波束扫描功能，终端在没有与基站建立通信前都是一个全向天线；基站的每一路相控阵波束负责扫描一定空间范围内的终端目标，所有波束的扫描空间叠加构成整个通信系统的空间；基站的每路波束扫描到终端目标后，迅速与其建立通信连接，终端由全向天线转为定向天线与基站通信，同时基站继续下一目标的扫描，所有路径扫描完成后，基站的多路径一次扫描功能结束，整个系统转化为一个MIMO的通信系统。

图8为本发明实施例多路径一次扫描过程示意图，如图8所示，描述了天线系统上电时，多路径一次扫描流程：

S201：系统上电，基站启动多路相控阵波束扫描功能，；

S202：系统上电启动相控阵天线多路径一次搜索功能，此时移相器网络控制单元将整个天线阵列调整为多路相控阵波束在空间扫描，每路波束独立并且有互不重叠的扫描范围，所有波束的空间集合构成整个通信空间；

S203：每路波束在各自的扫描空间内如果发现有新的终端节点，则通过应答机制建立与该节点的通信连接过程，同时为该节点分配系统的通信资源，然后继续扫描该波束负责的剩余空间；

S204：每路波束只在系统初次上电过程中对系统空间扫描一次便结束，整个系统转化为一个MIMO的通信系统，统计系统剩余资源、启动系统的单路径的实时扫描过程。

2、基站运行过程中的单路径实时扫描过程，为应对系统正常通信过程中，新终端目标的加入，在基站通信资源中划分一路固定的相控阵波束资源，实现在基站运行过程中实时扫描整个通信网络空间的终端目标，在扫描过程中，如果发现有新终端目标，则迅速与该终端建立通信连接，同时基站天线分配剩余资源建立对应的MIMO通信过程与该终端通信，而相控阵扫描波束继续扫描剩余空间的目标，如此循环直至系统资源饱和。

图9为本发明实施例单路径实时扫描过程示意图，如图9所示，该过程是在系统多路径一次扫描过程结束后立即启动。

S301：天线系统建立相控阵扫描波束，波束要覆盖所有系统规划的通信空间；

S302：如果相控阵波束扫描过程中发现有新的终端时，系统统计自身剩余MIMO信道资源，如果资源充足，则调整扫描间隙并进行相控阵波束快速扫描，如果资源耗尽，则终止相控阵波束扫描过程，此时系统只实现MIMO通信过程；

S303：被发现的终端调整自身的移相器网络控制器，使其从全向天线转化为定向的MIMO天线功能，系统分配通信资源与其建立通信连接；

S304：系统继续扫描空间内终端节点，直至空间扫描完成后按照设定的扫描时隙重新开始扫描过程。

3、基站与移动终端的通信过程，终端移动过程中，如果处于整个通信网络范围内，则基站调整与该终端建立的MIMO波束的相位和功率，实时跟踪该终端，保持通信过程流畅进行；如果终端移动超出了通信网络的范围，则基站释放与其建立的MIMO资源，并上报释放的资源数量，以备新终端目标的通信资源分配。

基站与终端的MIMO通信过程，一旦基站与终端建立连接，则基站天线按照预先设置好的分配规则分配自身剩余的通信带宽资源给该终端，同时计算基站与终端之间的距离、检测无线信号的状态与强度，在视距环境下，基站与终端建立SISO信道通信；在非视距环境下，基站与终端之间建立MIMO信道相互通信。最终实现整个网络内终端目标的全覆盖通信。

图10为本发明实施例通信过程示意图，如图10所示，终端X在通信过程中移动，由于已有的MIMO信道的建立是根据前一时刻的终端的位置和距离等因素决定，在移动过程中MIMO信道的建立还需要参考某时刻终端的移动方向和移动速度，因此移动环境下系统之间的通信较为复杂。本发明中给出一种移动环境下系统简单的工作流程不作为对发明的限制。

S401：某一时刻终端上报其坐标位置和移动偏移量给基站系统，基站计算新的距离，并判断是否在通信范围内；

S402；如果移动的终端还在通信范围内，并且已有的MIMO信道满足通信需求，则系统状态保持不变，继续通信；

S403：如果移动的终端还在通信范围内，但是MIMO信道不满足通信需求，则系统根据终端上报的移动偏移量和方位信息，重新调整与该终端通信的MIMO信道，迅速建立通信；

S404：如果移动的终端不在通信范围内，则基站释放其所占的通信资源，并上报释放的资源信息。

综上所述，本发明提供的MIMO-相控阵天线装置、系统及其实现方法是通信领域的一种技术创新，结合相控阵技术快速扫描和定位通信目标，然后建立通信连接，同时转化自身状态为MIMO通信方式，即能实现基站覆盖区域内的全网络的高效通信，又能增强无线网络通信方式的安全性，同时能降低整个通信系统的功耗。由该天线系统实现的基站和终端设备间的工作原理和流程中，基站能实时探测网络内新增和移动的终端设备，有效的分配无线通信资源，通过增强基站的逻辑控制功能而降低终端设备的参数要求，使得终端能更加专注于其业务功能。总之，本发明中的MIMO-相控阵天线系统及其工作原理能大大改善现有基于公网全向天线系统的多种问题，适用于民营产业和军方需求，具有较高的技术和价值。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种MIMO-相控阵天线装置，所述天线装置应用于终端与基站之间进行终端扫描和数据通信连接建立，其特征在于，所述MIMO-相控阵天线装置包括：

微带阵列天线模块：用于通过多个宽带贴片阵元形成的阵列以预定频率和预定的数据带宽向周围空间辐射电磁场能量；

功率分配模块：用于通过馈线回路在预定范围内动态调整所述阵元的辐射功率；

移相器模块：用于通过调整所述阵元的相位，完成对通信空间中所有所述终端的扫描后，建立扫描成功的所述终端与所述基站之间的基于MIMO信道的数据通信连接。

2.根据权利要求1所述MIMO-相控阵天线装置，其特征在于，所述功率分配模块还包括：

功率分配网络模块：用于实时扫描所述终端的阵列的功率分配情况，通过不均等功率分配电路，进行所述阵列的功率动态分配；

功率分配网络控制模块：用于通过控制所述功率分配网络模块，实现所述阵列的功率动态分配。

3.根据权利要求1所述MIMO-相控阵天线装置，其特征在于，所述移相器模块还包括：

移相器网络模块：包含多个移相器，用于调整所述阵列的相位；

移相器网络控制模块：用于控制所述移相器网络模块，实现通过波束信号对空间进行扫描和定位。

4.根据权利要求1或3所述的MIMO-相控阵天线装置，其特征在于，所述移相器模块的工作方式包括：

扫描定位方式：通过调整所述阵列中所述阵元的相位，使所述阵元形成的波束信号的方向在空间内连续变换，实现相控阵天线扫描定位所述终端；

通信连接方式：扫描到所述终端目标后，调整所述阵元的相位，使所述阵元形成方向固定的波束信号，进行基于MIMO信道的通信。

5.根据权利要求1所述的MIMO-相控阵天线装置，其特征在于，所述阵元的大小和间距由所述天线系统的频率范围决定，所述阵元的数量由所述天线系统所需功耗决定。

6.一种MIMO-相控阵天线系统，采用如权利要求1-5中任一项所述MIMO-相控阵天线装置，所述天线装置用于终端与基站之间进行终端扫描和数据通信，其特征在于，所述天线系统包含：

相控阵天线扫描模块：用于通过相控阵天线的多路径一次扫描进行整个通信空间扫描后，通过所述相控阵天线的单路径实时扫描进行新终端扫描，完成对通信空间中所有所述终端的扫描；

MIMO天线通信模块：针对扫描发现的所述终端，采用相控阵天线实时定位所述终端后，建立所述终端与所述基站之间的数据通信连接，并将所述天线系统的状态切换为MIMO天线通信方式。

7.一种MIMO-相控阵天线系统的实现方法，应用于如权利要求6所述MIMO-相控阵天线系统，其特征在于，所述实现方法包括：

相控阵天线扫描步骤：用于通过相控阵天线的多路径一次扫描进行整个通信空间扫描后，通过所述相控阵天线的单路径实时扫描进行新终端扫描，完成对通信空间中所有所述终端的扫描；

MIMO天线通信步骤：针对完成扫描的所述终端，采用相控阵实时定位所述终端后，建立所述终端与所述基站之间的数据通信连接，并将所述天线系统的状态切换为MIMO天线通信方式。

8.根据权利要求7所述MIMO-相控阵天线系统的实现方法，其特征在于，所述相控阵天线扫描步骤包括：

多路径一次扫描步骤：通过调整所述阵元的相位，形成多路相控阵扫描波束，每路所述波束负责在一定空间范围内扫描，所述整个通信空间扫描完成后，多路径一次扫描结束；

单路径实时扫描步骤：进行所述通信步骤的同时，系统预留一路相控阵扫描波束实时扫描空间内新的所述终端，发现所述终端后，与所述终端建立通信连接。

9.根据权利要求7所述MIMO-相控阵天线系统的实现方法，其特征在于，所述MIMO天线通信步骤包括：

通信范围内通信步骤：所述终端在所述天线系统的通信范围内移动，并且已建立通信连接，则所述天线系统针对所述终端实时调整阵列阵元相位，以控制通信波束的方向，并保持与所述终端的正常通信；

通信范围外通信步骤：所述终端移动到所述天线系统的通信范围外，则所述天线系统释放该目标的通信资源，并上报统计信息。

终端固定通信步骤：所述天线系统分配通信带宽资源，计算基站与终端之间的通信距离，并检测无线信号的状态与强度，在视距环境下，所述基站与所述终端建立SISO信道通信，在非视距环境下，所述基站与所述终端之间建立MIMO信道相互通信。

10.根据权利要求8所述MIMO-相控阵天线系统的实现方法，其特征在于，所述多路径一次扫描步骤包括：

启动步骤：系统上电启动后，所述移相器网络控制模块将所述阵列调整为多路相控阵波束，每路所述波束独立，且具有互相不重叠的扫描空间范围，每路所述波束的扫描空间范围叠加构成整个通信空间；

多路波束扫描步骤：每路所述波束在各自的扫描空间发现新的所述终端，则通过应答机制建立与所述终端的通信连接，同时为所述终端分配通信资源，并完成整个所述扫描空间的扫描；

多路扫描结束步骤：所述多路波束扫描步骤结束后，统计系统资源，并启动所述单路径实时扫描步骤。

11.根据权利要求8所述MIMO-相控阵天线系统的实现方法，其特征在于，所述单路径实时扫描步骤包括：

扫描波束建立步骤：建立相控阵扫描波束，并启动所述波束扫描，所述波束覆盖所述天线系统的全部通信空间；

快速扫描步骤：在所述相控阵扫描波束扫描过程中发现新的所述终端，所述天线系统统计自身剩余的MIMO信道资源，如果资源充足，则调整扫描间隙并进行所述相控阵波束快速扫描，如果所述资源耗尽，则终止所述相控阵波束扫描；

天线调整步骤：被发现的所述终端由全向天线模式转换为定向MIMO天线模式，所述天线系统分配通信资源，并与所述终端建立通信连接；

实时扫描结束步骤：所述相控阵扫描波束完成所述天线系统的通信空间扫描，并判断如果有新释放的通信资源时，则根据设定的扫描时隙，继续执行所述扫描波束建立步骤，否则扫描终止。