CN105072568B - 用于m2m的多天线点对多点无线通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于M2M的多天线点对多点无线通信系统，该系统包括：多个节点，所述每个节点装有单天线，所述节点通过单天线发射和接收信号；以及基站，包括装有单个发射天线的发射机和装有多个接收天线的接收机，所述接收机用数字波束成形方法形成多个不同的波束，将所述不同的波束对准不同的正在发射信号的节点。本发明系统在保持节点成本和功耗不增加的同时，能够使覆盖距离增加1.5至3倍，单基站用户容量增加2至4倍，满足了长距离M2M通信的需求。

Description

用于M2M的多天线点对多点无线通信系统及方法
技术领域
本发明涉及无线通信，具体地说是一种用于M2M的多天线点对多点无线通信系统及方法。
背景技术
随着智慧城市和移动互联网的增长，物联网应用正处于迅速增长的前期。物联网技术，实质是用新的通信技术和传感器技术形成人与物、物与物的信息化、远程化和智能化的网络，并在其上产生新的业务、应用和服务。而M2M技术则是物联网实现的关键。
M2M技术是机器对机器(Machine-To-Machine)通信的简称，是指所有实现人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段，同时也可代表人对机器(Man To Machine)、机器对人(Machine To Man)、移动网络对机器(Mobile To Machine)之间的连接与通信。M2M通信中有很大一部分是长距离M2M通信，长距离M2M通信需要满足以下要求：1、采用无线通信体制；2、上行通信量大于下行通信量；3、通信速率要求不高；4、单基站覆盖范围大；5、节点要求成本低、功耗低，用电池供电可维持很长时间；6、要求用户容量极高，也就是单基站能容纳的节点数量非常多。
而现在的移动通信技术主要是针对H2H(Human To Human)通信，也就是人与人之间的通信，它强调通信容量、传输速率和用户体验，对功耗和成本不是非常敏感。且H2H通信具有如下特点：1、采用无线通信体制；2、下行通信量大于上行通信量；3、通信速率高；单基站覆盖范围小；4、节点成本高、功耗大，电池需要经常充电；5、用户容量高。例如，现有的GSM、GPRS、UMTS、LTE、Wi-Fi、5G等无线通信技术就是为H2H通信设计的，且现在的大部分关于M2M的研究都是用来提升这些系统的容量来满足M2M通信。这些系统是专门为H2H通信设计的，虽然这些技术能够提升大容量来服务大量的M2M用户，但并不适合长距离的M2M通信，其节点成本高、功耗大，而且随着M2M设备数量的增长，会大幅影响并降低H2H通信性能。
此外，目前一些通信技术如Wi-Fi、LTE也开始采用大规模多天线技术增加覆盖距离，虽然可以增加一定的覆盖距离，但由于体制本身的限制，距离即使增加了也还是限于一公里之内，并且均采用对称的结构，因而节点的成本和功耗都较高。
还有一些无线通信技术，如zigbee等基于IEEE802.15.4标准的通信技术、蓝牙通信技术以及基于这些技术的扩展可以实现低通信速率、低节点成本、低功耗，但其覆盖范围小、用户容量小，也不适合于长距离M2M通信。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的不足，本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种用于M2M的多天线点对多点无线通信系统及方法，该系统通过双重非对称多天线技术，即基站和节点不对称、基站的接收通路和发射通路不对称，优化了节点成本、节点功耗、覆盖范围和用户容量，非常适合长距离M2M通信的需求。
实现本发明目的采用的技术方案是用于M2M的多天线点对多点无线通信系统，该系统包括：
多个节点，所述每个节点装有单天线，所述节点通过单天线发射和接收信号；以及
基站，包括装有单个发射天线的发射机和装有多个接收天线的接收机，所述接收机用数字波束成形方法形成多个不同的波束，将所述不同的波束对准不同的正在发射信号的节点。
在上述技术方案中，基站所用的数字波束成型方法采用动态自适应的方法，动态形成多个接收波束分别对准多个正在进行发射的节点，同时接收多个节点的信号而不会互相干扰。
在上述技术方案中，所述单天线为全向天线。
进一步地，上述用于M2M的多天线点对多点无线通信系统中，所述基站还包括依次电信号连接的A/D转换器、数字波束成形电路、数字解调电路、数据输出模块、输入模块、数字调制电路、D/A转换器和模拟发射器；所述模拟接收机与A/D转换器连接，所述模拟发射器通过功率放大器与所述发射天线连接。
此外，本发明还提供一种通过上述系统实现多天线点对多点无线通信的方法，该方法包括：
节点通过单天线发射信号，基站通过多个接收天线接收信号，形成单天线发射信号与多个接收天线接收信号的非对称通信；
基站通过多个接收天线接收信号，然后通过单个发射天线发射信号，也形成多个接收天线与单个发射天线之间的非对称通信。
本发明系统在保持节点成本和功耗不增加的同时，能够使覆盖距离增加1.5至3倍，单基站用户容量增加2至4倍，满足了长距离M2M通信的需求。虽然本系统中基站增加了天线数量和数字信号处理复杂性，但随着阵列天线技术和数字信号处理技术的飞速发展，其成本增加与获得的较大覆盖范围和较多基站用户容量相比，完全是在可接受的范围。
附图说明
图1为本发明用于M2M的多天线点对多点无线通信系统的结构示意图。
图中标号为：1-节点，2-接收天线阵，3-模拟接收机，4-A/D转换器，5-数字波束成形电路，6-数字解调电路，7-数据输出模块，8-数据输入模块，9-数字调制电路，10-D/A转换器，11-模拟发射器，12-功率放大器，13-发射天线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明用于M2M的多天线点对多点无线通信系统包括：多个节点1和基站，其中，
每个节点1装有单天线，节点1通过单天线发射和接收信号，且本发明中单天线为低成本全向天线，例如可以采用低成本的弹簧天线。
基站包括依次电信号连接的模拟接收机3、A/D转换器4、数字波束成形电路5、数字解调电路6、数据输出模块7、数据输入模块8、数字调制电路9、D/A转换器10和模拟发射器11，模拟发射器11通过功率放大器12与发射天线13连接，模拟接收机3连接有接收天线阵2。
本发明的发明创造点是：系统和基站均采用非对称形式的大规模多天线技术，也就是说基站发射采用发射天线13(也是单天线)发射，而基站接收采用大规模多天线技术的接收天线阵2，接收天线阵2与发射天线13之间的非对称；以及接收天线阵2与节点单天线之间的非对称。
本发明整个系统采用1GHz以下的频段，能够减小电波传播衰减，增加覆盖范围。基站端采用相对节点较高一些功率的发射机配上单天线(发射天线13)，既能满足下行通信量的要求，又能提高下行覆盖范围而不会大幅增成本。而基站的接收采用大规模多天线技术，采用数量众多的接收天线和接收机，用数字波束成形(DBF-Digital Beam Forming)技术动态形成多个不同的波束，分别对准不同的节点，同时接收来自不同节点的发射信号，这样既提高了上行的链路预算(也就是提高了上行的覆盖范围)，又提高了系统容量。节点1采用单天线、低发射功率，因而保证了其低成本和低功耗的要求。系统能够采用现有的简单通信协议的通信方式，简化系统尤其是节点端的复杂程度。
下面通过具体的实施例来说明本发明系统的优点。
实施例1
系统采用图1的结构，工作频率为1GHz，节点为单天线，发射功率15dBm。基站发射功率25dBm，采用单天线发射，接收天线分布在一个半径70cm的圆筒上，分六层，共84根天线。采用扩频因子为1024的扩频调制，基站的发射和接收采用时分双工方式。不同节点之间采用竞争发送方式，基站接收采用数字波束成形，可以额外提供10dB的链路预算，同时发送的节点数可以达到8个。达到的性能：
覆盖距离：15km
通信速率：1kbps
用户容量：12000
节点供电时间：5年(电池供电)
实施例2
系统采用图1的结构，工作频率为700MHz，节点为单天线，发射功率15dBm。基站发射功率23dBm,采用单天线发射，接收天线分布在一个半径70cm的圆筒上，分四层，共40根天线。采用扩频因子为1024的扩频调制，基站的发射和接收采用时分双工方式。不同节点之间采用竞争发送方式，基站接收采用数字波束成形，可以额外提供8dB的链路预算，同时发送的用户数可以达到4个。达到的性能：
覆盖距离：17km
通信速率：1kbps
用户容量：8000
节点供电时间：5年(电池供电)
对于上述两个实施例所提供的初始数据，若是不采用本发明多天线DBF技术，而按现有技术，采用相同的调制方式，相同的发射功率，占用相同的带宽，使用相同的通信速率，只能达到7km的覆盖范围，用户容量最大只能达到3000个。

Claims (4)

1.一种用于M2M的多天线点对多点无线通信系统，其特征在于，包括：
多个节点，所述每个节点装有单天线，所述节点通过单天线发射和接收信号；以及
基站，包括装有单个发射天线的发射机和装有多个接收天线的接收机，所述接收机用数字波束成形方法形成多个不同的波束，将所述不同的波束对准不同的正在发射信号的节点；基站所用的数字波束成型方法采用动态自适应的方法，动态形成多个接收波束分别对准多个正在进行发射的节点，同时接收多个节点的信号而不会互相干扰。
2.根据权利要求1所述用于M2M的多天线点对多点无线通信系统，其特征在于：所述单天线为全向天线。
3.根据权利要求2所述用于M2M的多天线点对多点无线通信系统，其特征在于：所述基站还包括依次电信号连接的A/D转换器、数字波束成形电路、数字解调电路、数据输出模块、输入模块、数字调制电路、D/A转换器和模拟发射器；所述模拟接收机与A/D转换器连接，所述模拟发射器通过功率放大器与所述发射天线连接。
4.一种通过权利要求1所述系统实现多天线点对多点无线通信的方法，其特征在于：
节点通过单天线发射信号，基站通过多个接收天线接收信号，形成单天线发射信号与多个接收天线接收信号的非对称通信；
基站通过多个接收天线接收信号，然后通过单个发射天线发射信号，也形成多个接收天线与单个发射天线之间的非对称通信。
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