CN105656524B - 多频多模超高速mimo无线通信方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多频多模超高速MIMO无线通信方法，发射机根据终端请求的无线通信模式，将IEEE 802.3的数据帧转换成IEEE 802.11的无线数据帧，并选择相应的无线网口发送数据；对于IEEE 802.11b/a/g/n/ac模式，对信源数据进行相应的基带信号处理和射频调制，产生2.4GHz或5.8GHz频段的最大N路空间流信号，通过N个天线发送数据；对于IEEE 802.11aj模式，对信源数据进行基带信号处理和两次上变频，产生45GHz频段的最大N路空间流信号，通过N个发射天线发送数据。接收机采用相对应的方法进行数据接收和解调。本发明还提供了采用上述方法的通信装置，本发明能有效利用毫米波丰富的频谱资源，极大的提高无线通信系统的数据传输吞吐量，能同时支持目前3种频段、6种模式WIFI标准的终端接入。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及无线局域网的多频多模超高速多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）通信方法及装置。
背景技术
低频段5.8GHz的超高速无线局域网技术IEEE 802.11ac在目前市场上的产品的最大的信道带宽是80MHz，传输速率可达1.3Gbps，数据吞吐率可达700Mbps，目前实现的技术及产品可以同时支持2.4GHz和5.8GHz两个频段，同时支持IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac五种模式，但目前市场上多路视频流传输需要1Gbps以上的传输速率，以及智能终端的数据流量的日益增长，需要新的技术及方法增大无线接入点或无线基站的数据吞吐量。
低频段（低于6GHz）无线通信频谱资源日益稀缺，目前广泛使用干扰非常严重，超高速数据传输速率的需求以及毫米波频段的频率资源非常丰富，使得毫米波频段超高速无线通信技术越来越受到关注，例如2013年12月，工信部批准将42.3~47GHz和47.2~48.4GHz共计5.9GHz的频谱资源用于超高速无线接入且无需无线电执照。
本发明利用毫米波45GHz频段资源，实现可以同时支持2.4GHz（2400MHz~2483.5MHz）、5.8GHz（5.15GHz~5.85GHz）和45GHz（42.3~47.0GHz、47.2GHz~48.4GHz）三个频段，同时支持IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11aj(draft1.0)六种模式的多频多模超高速MIMO无线接入点。实现的接入点可以达到3Gbps以上的峰值速率。
发明内容
发明目的：低频段（低于6GHz）无线通信频谱资源日益稀缺，广泛使用干扰非常大，严重影响系统性能，甚至不能有效工作，本发明有效利用毫米波45GHz 频段资源，实现可以同时支持2.4GHz、5.8GHz和45GHz三个频段，同时支持IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE802.11g、IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11aj六种模式的多频多模超高速MIMO无线接入点，有效利用毫米波频段非常丰富的频率资源，实现无线通信系统的峰值速率可以达到3Gbps以上，满足智能终端的数据流量的日益增长以及目前市场上第四代移动通信技术LTE基站的回传及多路视频流传输高达1Gbps以上的传输速率的要求。
技术方案：针对上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种多频多模超高速MIMO无线通信方法，其数据发送步骤包括：
发射机根据终端设备请求的无线通信模式，将IEEE 802.3的数据帧转换成IEEE802.11的无线数据帧，并选择相应的无线网口发送数据；
无线通信模式为IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac中的一种时，对信源数据根据相应的无线模式进行基带信号处理和射频调制，产生2.4GHz或5.8GHz频段的最大N路空间流信号，通过N个射频天线发送数据；
无线通信模式为IEEE 802.11aj时，对信源数据进行基带信号处理和两次上变频，产生45GHz频段的最大N路空间流信号，通过N个微波频段发射天线发送数据；
数据接收步骤包括：
接收机从N个射频天线接收到最大N路2.4GHz或5.8GHz频段的空间流信号后，进行射频解调和基带信号处理，恢复发射机发送的信源数据；
接收机从N个微波频段接收天线接收到最大N路45GHz频段的空间流信号后，进行两次下变频和基带信号处理，恢复发射机发送的信源数据；
接收机将IEEE 802.11的无线数据帧转换成IEEE 802.3的数据帧，并将数据帧转发至以太网口；
上述N为大于等于1的自然数。
进一步的，所述对信源数据根据相应的无线模式进行基带信号处理和射频调制，产生2.4GHz或5.8GHz频段的最大N路空间流信号，通过N个射频天线发送数据的具体步骤包括：
将信源数据依次进行编码、调制、空间扩展和数字模拟信号转换处理，产生N路基带模拟信号；
将每路基带模拟信号依次进行放大、I/Q调制和小功率放大，产生2.4GHz或5.8GHz的差分信号；
将每路差分信号匹配转换成单端50欧姆阻抗信号，再进行滤波和放大后输出至相应的射频开关的发送端，从射频开关的天线连接端输出至各自的天线，通过天线发送数据；
所述接收机从N个射频天线接收到最大N路2.4GHz或5.8GHz频段的空间流信号后，进行射频解调和基带信号处理，恢复发射机发送的信源数据的具体步骤包括：
将每路射频开关输出的2.4GHz或5.8GHz信号进行宽带低噪声放大，输出至双工器分离出2.4GHz和5.8GHz单端信号；
将每路单端信号匹配转换成差分信号，再进行射频信号放大、I/Q解调和放大后输出基带模拟信号；
将基带模拟信号依次进行模拟数字信号转换、MIMO信道估计、MIMO信道均衡、解调和译码处理，恢复发射机发送的信源数据。
进一步的，所述对信源数据进行基带信号处理和两次上变频，产生45GHz频段的最大N路空间流信号，通过N个微波频段发射天线发送数据的具体步骤包括：
将信源数据依次进行编码、调制、空间扩展和数字模拟信号转换处理，产生N路基带模拟信号；
将每路基带模拟信号依次进行滤波、可变增益放大和I/Q调制，产生低于6GHz频段的射频信号，射频信号进行信号放大后输出至混频器上变频产生45GHz频段的微波信号，再进行滤波和功率放大，通过发射天线发送数据；
所述接收机从N个微波频段接收天线接收到最大N路45GHz频段的空间流信号后，进行两次下变频和基带信号处理，恢复发射机发送的信源数据的具体步骤包括：
将每路接收天线输出的45GHz信号进行低噪声放大和滤波后输出至混频器下变频产生低于6GHz频段的射频信号，射频信号再依次进行滤波、可变增益放大和I/Q解调后得到模拟基带信号，再将模拟基带信号的I/Q两路信号分别进行可变增益放大和滤波；
将模拟基带信号依次进行模拟数字信号转换、MIMO信道估计、MIMO信道均衡、解调和译码处理，恢复发射机发送的信源数据。
一种采用上述多频多模超高速MIMO无线通信方法的装置，包括一个千兆网络处理器，所述千兆网络处理器包括第一PCIE接口、第二PCIE接口和至少两个千兆以太网接口，所述第一PCIE接口连接2.4GHz/5.8GHz双频段无线收发信机，所述第二PCIE接口连接45GHz频段无线收发信机；
所述千兆网络处理器还包括：
网桥模块，分别与千兆以太网接口和PCIE接口连接，用于管理千兆以太网接口对应的以太网口和PCIE接口对应的无线网口，并以网口的MAC地址为依据进行数据链路层的数据转发和传输；
协议转换模块，与网桥模块连接，用于实现IEEE 802.11无线协议与IEEE 802.3以太网协议之间的转换，并将转换后的数据输出至网桥模块；
所述45GHz频段无线收发信机包括基带信号处理器以及与基带信号处理器连接的45GHz射频收发信机，45GHz射频收发信机包括N个发射通道和N个接收通道；每个发射通道包括依次连接的射频调制模块、射频开关和微波频段上变频模块，一个微波频段上变频模块与一个微波频段发射天线连接；所述基带信号处理器用于产生N路模拟基带信号；所述射频调制模块与基带信号处理器一路输出连接，用于将模拟基带信号转换成射频信号，并输出至射频开关，所述微波频段上变频模块接收射频开关输出的射频信号，用于将射频信号转换成45GHz微波频段信号，并输出至微波频段发射天线；
每个接收通道包括依次连接的射频解调模块、射频开关和微波频段下变频模块，一个微波频段下变频模块与一个微波频段接收天线连接；所述微波频段下变频模块用于接收微波频段接收天线输出的45GHz信号，将45GHz信号转换成射频信号，并输出至射频开关，所述射频解调模块用于接收射频开关输出的射频信号，将射频信号转换成模拟基带信号，并输出至基带信号处理器。
进一步的，所述2.4GHz/5.8GHz双频段无线收发信机包括基带信号处理器、与基带信号处理器连接的小信号射频收发信机，以及与小信号射频收发信机连接的射频前端；所述射频前端有N路收发链路，每路收发链路包括5.8GHz发射通道、2.4GHz发射通道、宽频带2.4GHz/5.8GHz接收通道和一个射频开关；一个射频开关与一个收发天线连接；
所述5.8GHz发射通道的输入端与小信号射频收发信机的发射机的输出端连接，用于将5.8GHz的差分信号转换成单端信号，并输出至射频开关的第一发送端；
所述2.4GHz发射通道的输入端与小信号射频收发信机的发射机的输出端连接，用于将2.4GHz的差分信号转换成单端信号，并输出至射频开关的第二发送端；
所述宽频带2.4GHz/5.8GHz接收通道的输入端与射频开关的输出端连接，用于将射频开关输出的2.4GHz或5.8GHz的单端信号进行分离，并分别转换成差分信号输出至小信号射频收发信机的接收机；
射频开关的开关控制信号输入端与基带处理器的开关控制信号输出端连接。
进一步的，所述45GHz射频收发信机还包括第一频率源和第二频率源，第一频率源与第一功分器连接，第一功分器至少包括2N个输出端，分别与射频调制模块的I/Q调制器和射频解调模块的I/Q解调器连接；第二频率源连接倍频器，倍频器连接第二功分器，第二功分器至少包括2N个输出端，分别与微波频段上变频模块的混频器和微波频段下变频模块的混频器连接。
所述第一频率源的频率f1为低于6GHz频段，第二频率源的频率为（45GHz-f1）/4频段。
有益效果：与现有技术相比，本发明有效利用毫米波频段非常丰富的频率资源，极大地增加无线通信系统的数据传输吞吐量，2.4GHz/5.8GHz基带单元采用IEEE 802.11ac技术规范，45GHz采用IEEE 802.11aj技术规范，传输三路空间流的无线通信系统的峰值速率可以提高到3Gbps以上。可以支持IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE802.11n、IEEE 802.11ac、IEEE 802.11aj六种模式，很好的兼容目前市场所有WIFI的终端设备接入。
附图说明
图1为MIMO无线通信网络的示意图；
图2为本发明的原理示意图；
图3 为图2中2.4/5.8GHz射频前端示意图；
图4 为图2中45GHz射频收发信机示意图；
图5为本发明方法实施例总体流程图；
图6为本发明装置实施例结构示意图；
图7为网络处理器数据处理逻辑示意图；
图8为无线协议栈功能框图。
具体实施方式
本发明可以用于多种宽带无线通信系统，这种通信系统的例子包括TDD模式毫米波无线MIMO通信系统等。
本发明的方法可实现在多种有线或无线通信装置中，根据本发明中的方法实现的无线节点可以包括接入点或用户终端。
接入点（Access Point, AP）可以包括、被实现为、或称为基站收发机、中心站、基站、收发机功能、无线路由器、无线收发机、基本服务集（Basic Service Set, BSS）、扩展服务集（Extended Service Set, ESS）或某些其它术语。
用户终端（User Terminal, UT）可以包括、被实现为、或称为接入终端、远端站、用户站、用户单元、移动站、用户终端、用户装置、用户设备、或某些其它术语。在某些实现方式中，接入终端可以包括具备无线连接能力的电话、手机、电脑等。
如图1所示，具有接入点和用户终端的多址MIMO系统。在任何给定的时刻，接入点可以在下行链路和上行链路上与一个或多个用户终端进行通信。下行链路是从接入点到用户终端的通信链路，上行链路是从用户终端到接入点的通信链路。用户终端还可以与另一用户终端点对点地通信。系统接入控制器连接到接入点，并向接入点提供协调和控制。
无线MIMO通信系统是TDD模式系统，对于TDD系统，下行链路和上行链路共享相同的频带。
接入点是针对下行链路的发射机和针对上行链路的接收机。用户终端是针对下行链路的接收机和针对上行链路的发射机。如本文中使用的“发射机”是能够通过无线信道发送数据的独立操作的装置或设备，“接收机”是能够通过无线信道接收数据的独立操作的装置或设备。
如图2、3、4所示，本发明公开了多频多模超高速MIMO无线通信方法及装置的原理示意图。如图5，本发明实施例公开的一种多频多模超高速MIMO无线通信方法，包括以下步骤：
（1）发射机的网络处理器根据终端设备请求的无线通信模式，将IEEE 802.3的数据帧转换成IEEE 802.11的无线数据帧，并选择相应的无线网口发送数据。
其中，网络处理器的数据处理逻辑如图7所示，发射机的网络处理器可将有线以太网口和无线网口加入网桥，使用网桥的桥接技术实现无线和有线之间、无线和无线之间以及有线和有线之间的数据高速转发和传输。网桥又称Bridge，通过端口间的桥接，使得相互间的数据传输工作于数据链路层，并以MAC地址为依据进行数据的转发和传输。
网络协议栈是指网络中各层协议的总称，反映了一个网络中数据传输的过程和数据转发所遵循的规则和依据，如运输层的TCP、UDP协议，网络层的IP协议，链路层的以太网协议、MAC等。现有技术能够同时支持IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE802.11n和IEEE 802.11ac五种模式，将五种模式的协议标准采用2.4GHz和5.8GHz两个频段，从同一个无线网口发送数据。本发明方法中网络处理器通过集成IEEE 802.11aj协议栈，采用45GHz频段从高速无线网口发送数据。
如图8所示，IEEE 802.11a/b/g/n/ac协议栈在收到需要发送的帧时，需要对数据帧进行一些无线特性添加，并将IEEE 802.3的数据帧转换成IEEE 802.11的无线数据帧，转放到网卡的发送队列。
其中无线特性包含了：
1) Protocol Version: (协议版本)通常为0
2) Type: 帧类型，数据帧: 10
3) Subtype: 进一步判断帧的子类型，不同类型的数据帧这个字段的格式是不同的
3.1) IBSS帧
3.1.1) 0000: Data
3.1.2) 0010: Null
3.2) From AP帧
3.2.1) 0000: Data
3.2.2) 1000: Data+CF+ASK
3.2.3) 0100: Data+CF+Poll
3.2.4) 1100: Data+CF+ACK+CF+Poll
3.2.5) 1010: CF+ACK
3.2.6) 0110: CF+Poll
3.2.7) 1110: ACK+CF+Poll
3.3) To AP帧
3.3.1) 0000: Data
3.3.2) 1000: Data+CF+ACK
3.3.3) 0010: Null
3.3.4) 1010: CF+ACK(no data)
3.4) WDS帧
4) To DS: 表明该帧是否是BSS向DS发送的帧时
4.1) IBSS: 设置为0
4.2) To AP: 设置为1
4.3) From AP: 设置为0
4.4) WDS: 设置为1
5) From DS: 表明该帧是否是DS向BSS发送的帧时
5.1) IBSS: 设置为0
5.2) To AP: 设置为0
5.3) From AP: 设置为1
5.4) WDS: 设置为1
6) More Fragment: 用于说明长帧被分段的情况，是否还有其它的帧，如果有则该值设置为1
7) Retry(重传域): 表示该分段是先前传输分段的重发帧。
8) Power Management: 表示传输帧以后，站所采用的电源管理模式
8.1) 为1: STA处于power_save模式
8.2) 为0: STA处于active模式
9) More Data: 表示有很多帧缓存到站中。即至少还有一个数据帧要发送给STA是设置为1。
10) Protected Frame: 表示根据WEP(Wired Equivalent Privacy)算法对帧主体进行加密。如果帧体部分包含被密钥套处理过的数据，则设置为1，否则设置为0
11) Order(序号域): 在长帧分段传送时，该域设置为1表示接受者应该严格按照顺序处理该帧，否则设置为0
IEEE 802.11aj协议栈是在IEEE802.11a/b/g/n/ac协议栈的基础上根据IEEE802.11aj协议内容进行修改。主要的差异有媒体接入控制层的服务数据单元字段的长度，聚合服务数据单元字段的长度，修改动态带宽机制支持540MHz或1080MHz信道带宽。
（2）无线通信模式为IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac中的一种时，对信源数据根据相应的无线模式进行基带信号处理和射频调制，产生2.4GHz或5.8GHz频段的最大N路空间流信号，通过N个射频天线发送数据。（这里5种通信模式对应的射频频段为：IEEE802.11b IEEE802.11g是2.4GHz；IEEE802.11aIEEE802.11ac 是5.8GHz；IEEE802.11n 是2.4GHz 或5.8GHz）。具体步骤包括：
（2.1）将信源数据依次进行编码、调制、空间扩展和数字模拟信号转换处理，产生N路基带模拟信号；
（2.2）将每路基带模拟信号依次进行放大、I/Q调制和小功率放大，产生2.4GHz或5.8GHz的差分信号；
（2.3）将每路差分信号匹配转换成单端50欧姆阻抗信号，再进行滤波和放大后输出至相应的射频开关的发送端，从射频开关的天线连接端输出至各自的天线，通过天线发送数据。
（3）无线通信模式为IEEE 802.11aj时，对信源数据进行基带信号处理和超外差两次变频，产生45GHz频段的最大N路空间流信号，通过N个微波频段发射天线发送数据。具体步骤包括：
（3.1）将信源数据依次进行编码、调制、空间扩展和数字模拟信号转换处理，产生N路基带模拟信号；
（3.2）将每路基带模拟信号依次进行滤波、可变增益放大和I/Q调制，产生低于6GHz频段的射频信号，射频信号进行信号放大后输出至混频器上变频产生45GHz频段的微波信号，再进行滤波和功率放大，通过发射天线发送数据；
（4）接收机从N个射频天线接收到最大N路2.4GHz或5.8GHz频段的空间流信号后，进行射频解调和基带信号处理，恢复发射机发送的信源数据。具体步骤包括：
（4.1）将每路射频开关输出的2.4GHz或5.8GHz信号进行宽带低噪声放大，输出至双工器分离出2.4GHz和5.8GHz单端信号；
（4.2）将每路单端信号匹配转换成差分信号，再进行射频信号放大、I/Q解调和放大后输出基带模拟信号；
（4.3）将基带模拟信号依次进行模拟数字信号转换、MIMO信道估计、MIMO信道均衡、解调和译码处理，恢复发射机发送的信源数据。
（5）接收机从N个微波频段接收天线接收到最大N路45GHz频段的空间流信号后，进行两次下变频和基带信号处理，恢复发射机发送的信源数据。具体步骤包括：
（5.1）将每路接收天线输出的45GHz信号进行低噪声放大和滤波后输出至混频器下变频产生低于6GHz频段的射频信号，射频信号再依次进行滤波、可变增益放大和I/Q解调后得到模拟基带信号，再将模拟基带信号的I/Q两路信号分别进行可变增益放大和滤波；
（5.2）将模拟基带信号依次进行模拟数字信号转换、MIMO信道估计、MIMO信道均衡、解调和译码处理，恢复发射机发送的信源数据。
（6）接收机的网络处理器将IEEE 802.11的无线数据帧转换成IEEE 802.3的数据帧，并将数据帧转发至以太网口。
如图8所示，网络处理器接收到数据后，首先送到相应的无线协议栈。无线协议栈对数据帧进行相关合法性检查完毕后，然后去除无线协议帧头并重新添加依据IEEE802.3封装的以太网帧头，最后上传到网络协议栈。网络协议栈将网桥成员的无线网口先进行网桥的MAC转发表项查询，然后根据查询结果进行桥组内的数据单播或广播传输。
IEEE 802.11a/b/g/n/ac协议栈接收到帧时，需要对帧进行类型判断，如果接收到的是数据帧需要对数据帧的IEEE 802.11帧头部进行一些无线特性校验，并将IEEE 802.11帧中的源地址和目标地址复制到以太网的包头对应的源地址和目标地址，并将转换后的数据帧放到下一层协议栈进行处理；如果接收到的不是数据帧，则按照协议规定的类型对非数据帧做相应的处理并发送相对应的状态；非数据帧包含了管理帧和控制帧，其中管理帧又包含Association request（关联请求）、Association response（关联响应）、Reassociation request（重新关联请求）、Reassociation response（重新关联响应）、Probe request（探测请求）、Probe response（探测响应）、Beacon（信标）、ATIM（通知传输指示消息）、Disassociation（取消关联）、Authentication（身份验证）和Deauthentication（解除身份验证）等；控制帧又包含Power Save（PS）- Poll（省电－轮询）、RTS（请求发送）、CTS（清除发送）、ACK（确认）、CF-End（无竞争周期结束）和CF-End（无竞争周期结束）＋CF-ACK（无竞争周期确认）等。
IEEE 802.11aj协议栈是在IEEE802.11a/b/g/n/ac协议栈的基础上根据IEEE802.11aj（Draft1.0）协议内容进行修改。
如图6所示，本发明实施例公开了一种采用上述方法的多频多模超高速MIMO无线通信装置，包括一个千兆网络处理器，千兆网络处理器有两个高速PCIE接口，一个PCIE接口连接2.4GHz/5.8GHz双频段无线收发信机；另一个PCIE接口连接45GHz频段IEEE802.11aj无线收发信机。为了匹配无线端口的速率，千兆网络处理器还至少有两个千兆以太网接口。千兆网络处理器还包括：用于管理千兆以太网接口对应的以太网口和PCIE接口对应的无线网口，并以网口的MAC地址为依据进行数据链路层的数据转发和传输的网桥模块；以及用于实现IEEE 802.11无线协议与IEEE 802.3以太网协议之间的转换，并将转换后的数据输出至网桥模块，通过网桥模块进行以太网口和无线网口间的数据传输的协议转换模块。
其中，2.4GHz/5.8GHz双频段无线收发信机包括基带信号处理器、小信号射频收发信机和射频前端。
基带信号处理器的发射通道处理是将信源数据进行编码、调制、空间扩展、数字模拟信号转换等处理，接收通道处理包括模拟数字信号转换、MIMO信道估计、MIMO信道均衡、解调、译码等处理。
小信号射频收发信机的发射机是将基带处理器输出的基带模拟信号通过放大、I/Q调制、小功率放大输出小功率射频信号。
小信号射频收发信机的接收机是接收射频信号放大、I/Q解调、放大后输出基带模拟信号给基带处理器。
射频前端有N路收发链路，每路收发链路包括5.8GHz发射通道，2.4GHz发射通道，宽频带2.4GHz/5.8GHz接收通道和一个射频开关。
如图3所示，5.8GHz发射通道包括5.8GHz发射匹配及差分转单端电路、滤波器和功率放大器，5.8GHz发射通道接收小信号射频收发信机的5.8GHz的差分输出信号后将差分信号匹配转换成单端50欧姆阻抗信号，连接滤波器进行杂散信号滤除，然后输入功率放大器进行信号放大，功率放大器输出信号连接射频开关的TX1端。2.4GHz发射通道包括2.4GHz发射匹配及差分转单端电路、滤波器和功率放大器，2.4GHz发射通道接收小信号射频收发信机的2.4GHz的差分输出信号后将差分信号匹配转换成单端50欧姆阻抗信号，连接滤波器进行杂散信号滤除，然后输入功率放大器进行信号放大，功率放大器输出信号连接射频开关的TX2端。宽频带2.4GHz/5.8GHz接收通道包括5.8GHz发射匹配及单端转差分电路、2.4GHz发射匹配及单端转差分电路、双工器和宽带低噪声放大器，宽频带2.4GHz/5.8GHz接收通道的宽带低噪声放大器接收射频开关输出的2.4GHz或5.8GHz信号进行低噪声放大，然后输入双工器分离出2.4GHz和5.8GHz信号，2.4GHz信号单端转差分信号输入小信号射频收发信机，5.8GHz信号单端转差分信号输入小信号射频收发信机。此处使用一个宽频段通道，接收和处理2.4GHz或5.8GHz的信号，能够有效节省成本。射频开关根据基带处理器输出的开关控制信号控制天线端口在2.4GHz发射端、5.8GHz发射端、2.4GHz/5.8GHz接收端进行切换。
2.4GHz/5.8GHz射频前端有N路收发链路，最大可以传输N路空间流信号。
45GHz频段无线收发信机包括基带信号处理器和45GHz射频收发信机。
基带信号处理器包括媒体接入控制单元、发射机基带信号处理单元、接收机机基带信号处理单元、控制器、数字模拟转换器和模拟数字转换器。发射机基带信号处理单元根据45GHz无线信道传输特性是将信源数据进行编码、调制、空间扩展、数字模拟信号转换等处理产生N路基带输出信号，最多传输N路空间流信号。接收机基带信号处理单元包括模拟数字信号转换以及根据45GHz无线信道传输特性设计的MIMO信道估计、MIMO信道均衡、解调、译码等处理恢复出发射机发送的信源数据。
如图4所示，45GHz射频收发信机采用超外差二次变频方案，包括N路收发链路和二个频率源，每路收发链路包括一个发射通道和一个接收通道，每个发射通道包括依次连接的射频调制模块、射频开关和微波频段上变频模块，一个微波频段上变频模块与一个微波频段发射天线连接，每个接收通道包括依次连接的射频解调模块、射频开关和微波频段下变频模块，一个微波频段下变频模块与一个微波频段接收天线连接；第一频率源（本振1）与第一功分器连接，通过功分器转换成2N路输出提供给射频调制模块的I/Q调制器和射频解调模块的I/Q解调器变频使用，第一频率源的频率f1,可选择低于6GHz；第二频率源（本振2）连接4倍频器，4倍频器连接第二功分器，通过功分器转换成2N路输出提供给微波频段上变频模块的混频器和微波频段下变频模块的混频器变频使用，第二频率源的频率f2可选择（45GHz-f1）/4频段，4倍频后对外提供频率源。发射通道输入端接收数字模拟转换器输出的I/Q两路模拟基带信号后滤波、可变增益放大、然后输入I/Q调制器，I/Q调制器输出f1频段的射频信号，然后可变增益放大后再经过射频开关输入混频器上变频到45GHz微波频段的信号，滤波、输入功率放大器进行信号放大，功率放大器输出信号连接发射天线。接收通道接收天线输出的45GHz信号先进行低噪声放大，然后滤波、滤波后输入混频器进行下变频到f1频段，混频器输出滤波后经过射频开关输入可变增益放大器进行放大，可变增益放大器的输出连接I/Q解调器的输入，I/Q解调器将f1频段的射频信号下变频到模拟基带信号，输出的I/Q两路信号分别进行可变增益放大、滤波。此处通过收发天线分离和两次变频在射频通道上加射频开关的方法实现了TDD通信方式，由于微波频段开关损耗大，在射频通道上设开关能够有效降低发射功率损耗和接收机噪声系数。
45GHz射频收发信机的N路收发链路最大可以传输N路空间流信号。
图2中WIFI基带处理器及射频收发信机可选高通公司（Qualcomm）的QCA9882或高通公司QCA9880的或博通公司(Broadcom)的BCM4352，网络处理器可选高通公司（Qualcomm）的IPQ8068。
45GHz频段IEEE 802.11aj基带处理及媒体控制可使用Xilinx 4片大规模FPGAVirtex6实现。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种多频多模超高速MIMO无线通信方法，其特征在于：所述通信方法的数据发送步骤包括：
发射机根据终端设备请求的无线通信模式，将IEEE 802.3的数据帧转换成IEEE802.11的无线数据帧，并选择相应的无线网口发送数据；
无线通信模式为IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n和IEEE802.11ac中的一种时，对信源数据根据相应的无线模式进行基带信号处理和射频调制，产生2.4GHz或5.8GHz频段的最大N路空间流信号，通过N个射频天线发送数据；包括：将信源数据依次进行编码、调制、空间扩展和数字模拟信号转换处理，产生N路基带模拟信号；将每路基带模拟信号依次进行放大、I/Q调制和小功率放大，产生2.4GHz或5.8GHz的差分信号；将每路差分信号匹配转换成单端50欧姆阻抗信号，再进行滤波和放大后输出至相应的射频开关的发送端，从射频开关的天线连接端输出至各自的天线，通过天线发送数据；
无线通信模式为IEEE 802.11aj时，对信源数据进行基带信号处理和两次上变频，产生45GHz频段的最大N路空间流信号，通过N个微波频段发射天线发送数据；包括：将信源数据依次进行编码、调制、空间扩展和数字模拟信号转换处理，产生N路基带模拟信号；将每路基带模拟信号依次进行滤波、可变增益放大和I/Q调制，产生低于6GHz频段的射频信号，射频信号进行信号放大后输出至混频器上变频产生45GHz频段的微波信号，再进行滤波和功率放大，通过发射天线发送数据；
数据接收步骤包括：
接收机从N个射频天线接收到最大N路2.4GHz或5.8GHz频段的空间流信号后，进行射频解调和基带信号处理，恢复发射机发送的信源数据；包括：将每路射频开关输出的2.4GHz或5.8GHz信号进行宽带低噪声放大，输出至双工器分离出2.4GHz和5.8GHz单端信号；将每路单端信号匹配转换成差分信号，再进行射频信号放大、I/Q解调和放大后输出基带模拟信号；将基带模拟信号依次进行模拟数字信号转换、MIMO信道估计、MIMO信道均衡、解调和译码处理，恢复发射机发送的信源数据；
接收机从N个微波频段接收天线接收到最大N路45GHz频段的空间流信号后，进行两次下变频和基带信号处理，恢复发射机发送的信源数据；包括：将每路接收天线输出的45GHz信号进行低噪声放大和滤波后输出至混频器下变频产生低于6GHz频段的射频信号，射频信号再依次进行滤波、可变增益放大和I/Q解调后得到模拟基带信号，再将模拟基带信号的I/Q两路信号分别进行可变增益放大和滤波；将模拟基带信号依次进行模拟数字信号转换、MIMO信道估计、MIMO信道均衡、解调和译码处理，恢复发射机发送的信源数据；
接收机将IEEE 802.11的无线数据帧转换成IEEE 802.3的数据帧，并将数据帧转发至以太网口；
上述N为大于等于1的自然数。
2.一种采用根据权利要求1所述多频多模超高速MIMO无线通信方法的装置，其特征在于，包括一个千兆网络处理器，所述千兆网络处理器包括第一PCIE接口、第二PCIE接口和至少两个千兆以太网接口，所述第一PCIE接口连接2.4GHz/5.8GHz双频段无线收发信机，所述第二PCIE接口连接45GHz频段无线收发信机；
所述千兆网络处理器还包括：
网桥模块，分别与千兆以太网接口和PCIE接口连接，用于管理千兆以太网接口对应的以太网口和PCIE接口对应的无线网口，并以网口的MAC地址为依据进行数据链路层的数据转发和传输；
协议转换模块，与网桥模块连接，用于实现IEEE 802.11无线协议与IEEE 802.3以太网协议之间的转换，并将转换后的数据输出至网桥模块；
所述45GHz频段无线收发信机包括基带信号处理器以及与基带信号处理器连接的45GHz射频收发信机，45GHz射频收发信机包括N个发射通道和N个接收通道；每个发射通道包括依次连接的射频调制模块、射频开关和微波频段上变频模块，一个微波频段上变频模块与一个微波频段发射天线连接；所述基带信号处理器用于产生N路模拟基带信号；所述射频调制模块与基带信号处理器一路输出连接，用于将模拟基带信号转换成射频信号，并输出至射频开关，所述微波频段上变频模块接收射频开关输出的射频信号，用于将射频信号转换成45GHz微波频段信号，并输出至微波频段发射天线；
每个接收通道包括依次连接的射频解调模块、射频开关和微波频段下变频模块，一个微波频段下变频模块与一个微波频段接收天线连接；所述微波频段下变频模块用于接收微波频段接收天线输出的45GHz信号，将45GHz信号转换成射频信号，并输出至射频开关，所述射频解调模块用于接收射频开关输出的射频信号，将射频信号转换成模拟基带信号，并输出至基带信号处理器；
所述2.4GHz/5.8GHz双频段无线收发信机包括基带信号处理器、与基带信号处理器连接的小信号射频收发信机，以及与小信号射频收发信机连接的射频前端；所述射频前端有N路收发链路，每路收发链路包括5.8GHz发射通道、2.4GHz发射通道、宽频带2.4GHz/5.8GHz接收通道和一个射频开关；一个射频开关与一个收发天线连接；
所述5.8GHz发射通道的输入端与小信号射频收发信机的发射机的输出端连接，用于将5.8GHz的差分信号转换成单端信号，并输出至射频开关的第一发送端；
所述2.4GHz发射通道的输入端与小信号射频收发信机的发射机的输出端连接，用于将2.4GHz的差分信号转换成单端信号，并输出至射频开关的第二发送端；
所述宽频带2.4GHz/5.8GHz接收通道的输入端与射频开关的输出端连接，用于将射频开关输出的2.4GHz或5.8GHz的单端信号进行分离，并分别转换成差分信号输出至小信号射频收发信机的接收机；
射频开关的开关控制信号输入端与基带处理器的开关控制信号输出端连接。
3.根据权利要求2所述的多频多模超高速MIMO无线通信装置，其特征在于，
所述45GHz射频收发信机还包括第一频率源和第二频率源，第一频率源与第一功分器连接，第一功分器至少包括2N个输出端，分别与射频调制模块的I/Q调制器和射频解调模块的I/Q解调器连接；第二频率源连接倍频器，倍频器连接第二功分器，第二功分器至少包括2N个输出端，分别与微波频段上变频模块的混频器和微波频段下变频模块的混频器连接。
4.根据权利要求3所述的多频多模超高速MIMO无线通信装置，其特征在于，所述第一频率源的频率f1为低于6GHz频段，第二频率源的频率为（45GHz-f1）/4频段。
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