CN106936450B - 多数据模块共用射频天线通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

多数据模块共用射频天线通信系统，包括外部天线，外部功分器、切换开关、N组功分器单元，主天线连接至外部功分器输入端，副天线连接至外部功分器的外部天线连接至切换开关；外部功分器的第n路功分输出端连接至第n组功分器单元中一个天线信号功分器的输入端，且外部功分器最多与N‑1组功分器单元相接；切换开关的第n个输出端连接至第n组功分器单元中另一个天线功分器的合路输入端。多数据模块共用射频天线的通信方法，根据接入的无线通信单元的数量m，调整外部功分器输出端接天线功分器的数量，控制切换开关与通信单元的接通通路。该系统使用一副外部天线，支持通信单元、通信模块的扩展，可以实现多数据模块共用一副外部天线通信。

Description

多数据模块共用射频天线通信系统及通信方法

技术领域

本发明通信技术领域，涉及一种多数据模块共用射频天线的通信系统及通信方法。

背景技术

2015年5月，中国铁路总公司颁发了铁总运[2015]153号文件，其中发布了《旅客列车无线局域网系统和安装布线总体技术要求(暂行)》技术文件，该通知在技术要求中提到了车载无线局域网必须具备互联网接入功能，必须支持多家运营商3G/LTE多模块集中上联。

目前的3G/LTE技术的无线数据终端的设计基本上都是采用一个终端模块一副天线102(包括一个主天线和一个副天线)的技术方案，而在某些特殊场景下，外接天线的数量受到限制，比如高速动车组中心服务器以太网组网情况下，因为空间的约束，车顶天线只部署一副，而为了增加车地无线互联的带宽和稳定性，要求中心服务器最大支持多个运营商多张SIM卡同时工作(例如：3个运营商的9张SIM卡同时工作)，这就要求在只有一副车顶天线的情况下，能够支持最大多个无线链路同时工作(例如：针对3个运营商的9张SIM卡同时工作的工况，需要支持9个无线链路同时工作，即通过一副车顶天线支持最大9个无线模块同时工作)。

现有技术中，尚没有一副天线支持多运营商多SIM卡同时工作的解决方案，而多是通过扩展车顶天线，为每个运营商通信系统配置专用天线的方式来解决以上问题。

发明内容

本发明的目的在于针对在只有一副天线的情况下，无法实现多张SIM卡模块的天线和射频复用问题，提供了一种多个SIM卡无线模块天线复用的通信系统和通信方法，通过这种方法可以实现多张SIM卡的无线模块使用一副天线的无线信号发射和接收。

本发明的内容为：多数据模块共用射频天线通信系统，包括外部天线，具体包括一主天线和一副天线，其特征在于：进一步包括外部功分器、切换开关、N组功分器单元，每组功分器单元均对应一组通信单元；每组功分器单元包括两个天线信号功分器，每组通信单元均包括多个通信模块，每个通信模块均包括一个SIM卡；

主天线连接至外部功分器输入端，副天线连接至外部功分器的外部天线连接至切换开关；一副外接天线是同时接入的，但正常工况下，主天线起主要通信作用。

外部功分器的第n路功分输出端连接至第n组功分器单元中一个天线信号功分器的合路输入端，且外部功分器最多与N-1组功分器单元相接；切换开关的第n个输出端连接至第n组功分器单元中另一个天线功分器的合路输入端，切换开关与N组功分器单元均相接。

每个天线功分器输出端数量至少需与每组通信单元中通信模块的数量相同，输出端分别接其对应的无线通信单元中的每个通信模块。

优选为：包括两组功分器单元和两组无线通信单元，所述外部功分器选用二功分器，所述切换开关为二选一开关。

优选为：包括三组功分器单元和三组无线通信单元，所述外部功分器选用二功分器，所述切换开关为三选一开关。

优选为：每组无线通信单元包括三个无线通信模块，所述天线信号功分器选用三功分器。

多数据模块共用射频天线的通信方法，采用上述多数据模块共用射频天线通信系统，根据接入的无线通信单元的数量m，调整外部功分器输出端接天线功分器的数量，控制切换开关与通信单元的接通通路。

优选为：若m＝1，外部功分器和切换开关分别接同一组功分器单元的两个天线信号功分器。

优选为：若m＝2，外部功分器和切换开关分别接两组功分器单元的两个天线信号功分器。

优选为：若m≥3，外部功分器接m-1组通信单元中的功分器单元，切换开关与未分配主天线信号的一组通信单元对应的功分器单元接通。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种多数据模块共用射频天线的通信系统，该系统使用一副外部天线，通过外部功分器、切换开关和天线功分器的选型，支持通信单元、通信模块的扩展，从而支持SIM卡单元的扩展，由于不同SIM卡支持不同的运营商网络，因此可以实现多数据模块共用一副外部天线通信。例如，在设置有三组通信单元的情况下，通过一副天线102可提供9个无线上联链路场镜，可实现9张SIM卡接入。

(2)本发明还提供了一种多数据模块共用射频天线的通信方法，通过外部功分器和切换开关分别接入主天线信号和副天线信号，分别接入不同的通信单元，通过切换开关控制天线信号的通路选择，基于此实现一副外部天线情况下，多通信模块的接入，从而提高互联网接入带宽。

(3)本通信系统和方法可以用于高铁中心服务器、TD-LTE数据终端、FDD-LTE数据终端等具备无线数据终端能力的产品设计，通过使用这种方法，可以实现在只有一副射频天线的情况下，支持多个无线数据模块的射频无线信号聚合。

附图说明

图1为多数据模块共用射频天线通信系统结构示意图。

图2为多数据模块共用射频天线通信系统结构示意图。

图3为通信方法示意图。

图4为通信方法示意图。

图5为通信方法示意图。

图6为通信方法示意图。

图7为通信方法示意图。

图8为通信方法示意图。

其中：101-主天线，102-副天线，2-外部功分器，3-切换开关，401-主天线101功分器，402-副天线102信号功分器，5-无线通信模块

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“主”、“副”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供了一种多个SIM卡无线模块天线复用的通信系统和通信方法，通过这种方法可以实现多张SIM卡的无线模块使用一副天线102的无线信号发射和接收。

本实施例提供一种多SIM卡无线模块共用一副天线102的通信系统，解决多运营商、多SIM卡共用一副天线102通信的问题。

多无线数据模块共用射频天线通信系统包括外部天线、进一步包括外部功分器2、切换开关3、N组功分器单元、N组无线通信单元，每组功分器单元对应一组无线通信单元。N为任意正整数。

其中，外部天线包括一外部主天线101和一外部副天线102；功分器单元包括两个天线信号功分器，我们定义其中一个为主天线信号功分器401，另一个为副天线信号功分器402，这种区分仅是从天线信号的流向上来区分，两个天线信号功分器的功能没有差异；每组无线通信单元均包括多个无线通信模块5，本实施例中，无线通信模块5采用3G/LTE1模块，每个无线通信模块5均包括一个SIM卡，每个无线通信模块可支持相同或不同的运营商网络通信。

主天线101或副天线102连接至外部功分器2，未连接至外部功分器2的外部天线连接至切换开关。也就是说，根据需要，可以选择将外部主天线信号连接至外部功分器2，副天线102信号连接至切换开关3，或者，将外部副天线信号连接至外部功分器2，主天线101信号连接至切换开关3。

外部功分器2的第n路功分输出端连接至第n组功分器单元中一个天线信号功分器(此处为主天线信号功分器401)的合路输入端，且外部功分器2最多与N-1组功分器单元相接，形成主天线信号通路；切换开关3的第n个输出端连接至第n组功分器单元中另一个天线功分器(此处为副天线信号功分器402)的合路输入端，形成副天线信号通路，切换开关3与N组功分器单元均相接。其中，n为任意正整数。

在信号接收过程中，外部功分器2的作用是将主天线的信号接入无线通信单元，分配到相应的SIM卡，切换开关3的作用是选择接通通路，将副天线信号接入无线通信单元，分配到相应的SIM卡；信号发送过程中，外部功分器2的作用是将无线通信单元的信号经主天线101发出，切换开关的作用是选择接通通路，将通信单元信号经副天线102发出。

前文已述，一个功分器单元对应一个无线通信单元，每个功分器单元中两个天线信号功分器的输出端分别接其对应的无线通信单元中的每个无线通信模块，是指，一个主天线信号功分器401的功分信号输出分别接任每一个无线通信模块，一个副天线信号功分器402的功分信号输出也分别接任何一个无线通信模块。

天线信号功分器的功分输出信号至少需要实现一路输出信号对应一个无线通信模块，因此，主天线信号功分器401和副天线信号功分器402的选择与无线通信模块的数量有关，例如若每组无线通信单元包括两个无线通信模块，则主天线信号功分器401和副天线信号功分器402均可选择二合一功分器；若每组无线通信单元包括三个无线通信模块，则主天线信号功分器401和副天线信号功分器402均可选择三合一功分器。

如此，可以实现多组无线通信单元，多个SIM卡共用一组外设天线进行数据通信。

多数据模块共用射频天线的通信方法，采用上述多数据模块共用射频天线通信系统，根据接入的无线通信单元的数量m，m为任意正整数，调整外部功分器输出端接天线功分器的数量，控制切换开关与通信单元的接通通路。

若m＝1，外部功分器和切换开关分别接同一组功分器单元的两个天线信号功分器。

若m＝2，外部功分器和切换开关分别接两组功分器单元的两个天线信号功分器。

若m≥3，外部功分器接m-1组通信单元中的功分器单元，切换开关与未分配主天线信号的一组通信单元对应的功分器单元接通。

以下将通过两个具体的实施结构来描述系统的组成及信号通信原理。

实施例1

第一种实施结构及通信方法。

以包括两个无线通信单元，每个通信单元包括三个无线通信模块为例来说明通信系统的组成。由于每个通信模块均接一SIM卡，每组通信单元对应3张SIM卡，分别支持移动、联通和电信的网络通信制式，这种结构可以实现6张SIM卡共用一副外部天线。

如图1所示，一副外部天线分别连接至外部功分器和切换开关，这种实施结构中，外部功分器2选用二功分器，切换开关3选择二选一切换开关，主天线信号功分器401和副天线信号功分器402均选择三功分器。外部功分器2的输出端连接至第一组无线通信单元的主天线信号功分器401(外部功分器2的输出端可以选择是否连接到第二组无线通信单元的主天线信号功分器401)，切换开关3连接至第一组无线通信单元和第二组无线通信单元中的副天线信号功分器402。如此，形成两条主天线信号通信线路和两条副天线信号通路。

基于这种通信系统结构，通信方法如下。

选择一组无线通信单元接入时的通信方法。

发送信号过程：

如图3所示，第一组无线通信单元中的主天线信号功分器401和副天线信号功分器402分别对三个通信模块的信号进行三合一合路，形成主天线信号(1)和副天线信号(1)；同理，第二组无线通信单元中形成主天线信号(2)和副天线信号(2)；

如图4所示，将主天线信号(1)和主天线信号(2)连接到一个二功分外部功分功分器2上，主天线信号(1)和主天线信号(2)经外部功分器2合路，经主天线101发出；副天线信号(1)和副天线信号(2)连接到一个二选一切换开关3上；通过切换开关3的通断选择其接入第一组无线通信单元中的副天线信号功分器402或者接入第二组无线通信单元中的副天线信号功分器402，与切换开关3接通的一组无线通信单元的信号经副天线102发出。

如图5所示，当选择一组无线通信单元接入，切换开关与第一组无线通信单元中的副天线信号功分器402接通，此时输出的为主(1)和副(1)信号，接入的无线通信单元工作在双天线双MO模式下。

接收信号的过程：

该过程与发送信号的过程相反，该过程中，外部功分器2将主天线信号一分为二，接入第一组无线通信单元的主天线信号功分器401，即接入主天线信号(1)，主天线信号功分器401对主天线信号(1)进行一分三功分，分别传递至3张SIM卡。此时选择开关3也接入第一组无线通信单元的副天线信号功分器402，即接入副天线信号(1)，接入的无线通信单元工作在双天线双MI模式下。

选择两组无线通信单元接入时的通信方法。

信号接入方式，以及信号接入和输出的原理与上述相同，不在赘述，不同的是：

如图6所示，当选择两组无线通信单元接入，外部功分器2与第一组无线通信单元中的主天线信号功分器401接通，形成主天线信号(1)，切换开关3与第二组无线通信单元中的副天线信号功分器402接通，此时输出的为主(1)和副(2)信号，接入的两组无线通信单元工作在单天线单MIMO模式下。

采用这种通信系统和通信方法，可以实现6张SIM卡共用一副外部天线的数据通信。

实施例2

第二种实施结构及通信方法。

进一步以包括三个无线通信单元，每个通信单元包括三个无线通信模块为例来说明通信系统的组成。

如图2所示，一副外部天线分别连接至外部功分器和切换开关，这种实施结构中，外部功分器2选用二功分器，切换开关3选择三选一切换开关，主天线信号功分器401和副天线信号功分器402均选择三功分器。外部功分器2的输出端连接至第一组和第二组无线通信单元的主天线101信号功分器401，切换开关3连接至第一组无线通信单元、第二组无线通信单元和第三组无线通信单元中的副天线信号功分器402。如此，形成两条主天线信号通信线路和三条副天线102信号通路。

基于这种通信系统结构，通信方法如下。

具体的说，选择一组无线通信单元接入时的通信方法，参考图3、图5和图7。

天线信号接入的过程：

主天线信号经外部功分器2接入，并进行一分二，主天线信号(1)传递至一组无线通信单元，选择开关3接入副天线信号(1)，也接入该无线通信单元；主天线信号功分器401和副天线信号功分器402分别对主天线信号(1)和副天线信号(1)进行一分三功分，传递到3张SIM卡。

信号输出过程：

一组无线通信单元中3张SIM卡信号分别经主天线信号功分器401和副天线信号功分器402进行三合一合路，形成主天线信号(1)和副天线信号(1)，并分别经外部功分器2和选择开关3后由主天线101和副天线102输出。

一组无线通信单元接入时，其工作在双天线MIMO的工作模式下。

选择两组无线通信单元接入时的通信方法。

信号接入方式与上述相同，不在赘述，不同的是：

如图6所示，当选择两组无线通信单元接入，外部功分器2将主天线信号接入一组无线通信单元的主天线信号功分器401，相应的切换开关3与另一组无线通信单元中的副天线信号功分器402接通，此时输出一个主天线信号和一个副天线信号，例如为主(1)和副(2)信号，接入的两组无线通信单元工作在单天线单MIMO模式下。

选择三组无线通信单元接入时的通信方法。

信号接入方式与上述相同，不在赘述，不同的是：

如图8所示，当选择三组无线通信单元接入，外部功分器2将主天线信号接入两组无线通信单元的主天线信号功分器401，切换开关3与第三组无线通信单元中的副天线信号功分器402接通，此时输出的为两个主天线信号和一个副天线信号，主(1)、主(2)和副(3)信号，接入的三组无线通信单元工作在单天线单MIMO模式下。

采用这种通信方法，可以实现9张SIM卡共用一副外部天线的数据通信。

除以上实施结构外，根据配置需求，还可以设计其他数量的通信单元，相应的，需要更改外部功分器、切换开关的和天线功分器的选型。

其中，切换开关3和外部功分器2的选型与通信单元的数量有关，切换开关3的阶数与通信单元的数量相同，例如：若包括四组通信单元，则切换开关3应用四选一开关，外部功分器2应用三功分器，外部功分器2的输出端与三个通信单元中的主天线信号功分器401连接，形成主天线信号通路，切换开关3与四个通信单元中的副天线信号功分器402相接，形成副天线信号通路。天线功分器的选型与通信单元中通信模块的数量有关，天线功分器的功分通道数等于通信单元中通信模块的数量。

Claims (9)

1.多数据模块共用射频天线通信系统，包括外部天线，具体包括一主天线和一副天线，其特征在于：进一步包括外部功分器、切换开关、N组功分器单元，每组功分器单元均对应一组无线通信单元；每组功分器单元包括两个天线信号功分器，每组无线通信单元均包括一个主天线信号功分器、一个副天线功分器和多个无线通信模块，每个无线通信模块均包括一个SIM卡，每个SIM卡分别连接至主天线信号功分器和副天线信号功分器；

主天线连接至外部功分器输入端，外部功分器输出端与N-1组功分器单元中的主天线信号功分器相接；

副天线连接至切换开关，切换开关输出端与功分器单元中的副天线信号功分器相接；

每个天线功分器功分输出端数量至少与每组无线通信单元中无线通信模块的数量相同，功分输出端分别接其对应的无线通信单元中的每个无线通信模块。

2.如权利要求1所述的多数据模块共用射频天线通信系统，其特征在于：包括两组功分器单元和两组无线通信单元，所述外部功分器选用二功分器，所述切换开关为二选一开关。

3.如权利要求1所述的多数据模块共用射频天线通信系统，其特征在于：包括三组功分器单元和三组无线通信单元，所述外部功分器选用二功分器，所述切换开关为三选一开关。

4.如权利要求2或3所述的多数据模块共用射频天线通信系统，其特征在于：每组无线通信单元包括三个无线通信模块，所述天线信号功分器选用三功分器。

5.多数据模块共用射频天线的通信方法，采用权利要求1所述的多数据模块共用射频天线通信系统，其特征在于，根据接入的无线通信单元的数量m，调整外部功分器输出端接天线信号功分器的数量，控制切换开关与通信单元的接通通路；

主天线信号与外部功分器、主天线信号功分器形成信号通路，进行通信；

副天线信号与切换开关、副天线信号功分器形成信号通路，进行通信。

6.如权利要求5所述的多数据模块共用射频天线的通信方法，其特征在于：若m＝1，外部功分器和切换开关分别接同一组功分器单元的主天线信号功分器和副天线信号功分器形成通路。

7.多数据模块共用射频天线的通信方法，采用权利要求2或3所述的多数据模块共用射频天线通信系统，其特征在于，根据接入的无线通信单元的数量m，调整外部功分器输出端接天线信号功分器的数量，控制切换开关与通信单元的接通通路；

主天线信号与外部功分器、主天线信号功分器形成信号通路，进行通信；

副天线信号与切换开关、副天线信号功分器形成信号通路，进行通信。

8.如权利要求7所述的多数据模块共用射频天线的通信方法，其特征在于：若m＝2，外部功分器和切换开关分别接两组功分器单元的主天线信号功分器和副天线信号功分器形成通路。

9.如权利要求7所述的多数据模块共用射频天线的通信方法，其特征在于：若m≥3，外部功分器接m-1组通信单元中的主天线信号功分器单元，切换开关与未分配主天线信号的一组通信单元对应的副天线信号功分器单元接通。