CN107078399B - 多扇区mimo有源天线系统和通信设备 - Google Patents

多扇区mimo有源天线系统和通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种多扇区MIMO有源天线系统和通信设备，包括：N列双极化天线，其中每列双极化天线包括一列第一极化方向的天线单元和一列第二极化方向的天线单元，第一极化方向的天线单元中的天线阵元被设置为第一天线下倾角并服务于第一扇区，第二极化方向的天线单元中的天线阵元被设置为第二天线下倾角并服务于第二扇区。

Description

多扇区MIMO有源天线系统和通信设备
技术领域
本发明实施例涉及天线技术，尤其涉及一种多扇区MIMO有源天线系统和通信设备。
背景技术
多入多出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。MIMO技术能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量。有源天线系统(ActiveAntenna System，AAS)是将天线和射频集成在一起的一种射频器件。AAS在物理站点上可以看作是射频拉远单元(Remote Radio Unit，RRU)和天线的一体化，将原有的RRU功能与天线功能合并。
AAS是MIMO技术的重要载体，可以利用MIMO技术实现基站侧的多阶发送。但单独的MIMO技术，在一定天线阵列数量一定的情况下，提升容量空间有限。并且，MIMO的增益可以简单地认为，发端阶数越(即天线端口数量)高增益越大，但同时，发端阶数越大，相应的终端需要支持更高阶接收能力，那么对终端要求越高。而终端的更新换代是有阶段性的，现有的大量终端都不支持更高阶的接收能力，因此并不能随意提升基站侧MIMO发端阶数。
随着通信技术的发展，终端的数量与日倍增，因此急需提升系统容量。对于下行来说，在不增加基站侧天线数的前提下，如何提升系统容量，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种多扇区MIMO有源天线系统和通信设备，用于提高频谱利用率，提高网络容量。
第一方面提供一种多扇区MIMO有源天线系统，包括：
N列双极化天线，其中每列双极化天线包括一列第一极化方向的天线单元和一列第二极化方向的天线单元，所述第一极化方向和所述第二极化方向不同，所述第一极化方向的天线单元和所述第二极化方向的天线单元中分别包括M个天线阵元，N为大于等于2的自然数，M为大于等于2的自然数；
在每列双极化天线中，第一极化方向的天线单元和第二极化方向的天线单元分别与一个收发信机连接，所述第一极化方向的天线单元中的天线阵元被设置为第一天线下倾角并服务于第一扇区，所述第二极化方向的天线单元中的天线阵元被设置为第二天线下倾角并服务于第二扇区，所述第一天线下倾角和所述第二天线下倾角不同，以使基站通过所述多扇区MIMO有源天线系统分别与所述第一扇区中的用户设备UE和所述第二扇区中的UE进行MIMO传输。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述多扇区MIMO有源天线系统还包括第一RCU和第二RCU；
所述第一极化方向的天线单元与第一RCU连接，所述第二极化方向的天线单元与第二RCU连接，所述第一RCU对应第一天线下倾角，所述第二RCU对应第二天线下倾角。
结合第一方面或第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述第一极化方向为+45°，所述第二极化方向为-45°。
结合第一方面至第一方面第二种可能的实现方式中任一种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述第一扇区具有N个第一极化方向的波束，所述第二扇区具有N个第二极化方向的波束。
第二方面提供一种通信设备，包括：多扇区MIMO有源天线系统和BBU；
所述多扇区MIMO有源天线系统包括：
N列双极化天线，其中每列双极化天线包括一列第一极化方向的天线单元和一列第二极化方向的天线单元，所述第一极化方向和所述第二极化方向不同，所述第一极化方向的天线单元和所述第二极化方向的天线单元中分别包括M个天线阵元，N为大于等于2的自然数，M为大于等于2的自然数；
在每列双极化天线中，第一极化方向的天线单元和第二极化方向的天线单元分别与一个收发信机连接，所述第一极化方向的天线单元中的天线阵元被设置为第一天线下倾角并服务于第一扇区，所述第二极化方向的天线单元中的天线阵元被设置为第二天线下倾角并服务于第二扇区，所述第一天线下倾角和所述第二天线下倾角不同；
所述多扇区MIMO有源天线系统中的各收发信机通过光纤与所述BBU连接；
所述BBU通过所述多扇区MIMO有源天线系统分别与所述第一扇区中的用户设备UE和所述第二扇区中的UE进行MIMO传输。
结合第二方面，在第二方面第一种可能的实现方式中，所述多扇区MIMO有源天线系统还包括第一RCU和第二RCU；
所述第一极化方向的天线单元与第一RCU连接，所述第二极化方向的天线单元与第二RCU连接，所述第一RCU对应第一天线下倾角，所述第二RCU对应第二天线下倾角。
结合第二方面或第二方面第一种可能的实现方式，在第二方面第二种可能的实现方式中，所述第一极化方向为+45°，所述第二极化方向为-45°。
结合第二方面至第二方面第二种可能的实现方式中任一种可能的实现方式，在第二方面第三种可能的实现方式中，所述第一扇区具有N个第一极化方向的波束，所述第二扇区具有N个第二极化方向的波束。
本实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统和通信设备，通过设置N列双极化天线，其中每列双极化天线包括一列第一极化方向的天线单元和一列第二极化方向的天线单元，第一极化方向的天线单元和第二极化方向的天线单元中分别包括M个天线阵元，每列双极化天线中第一极化方向的天线单元和第二极化方向的天线单元分别与一个收发信机连接，第一极化方向的天线单元对应第一天线垂直倾角并形成第一扇区，第二极化方向的天线单元对应第二天线垂直倾角并形成第二扇区，通过该天线系统能够实现两个不同极化方向的MIMO，从而提高了频谱利用效率，提高了网络容量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统实施例二的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的通信设备实施例一的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
多扇区技术是在不增加带宽的情况下，利用多天线阵列，将原有扇区劈裂成多个从而提升容量的技术。多扇区技术就是将原本的一个天线波束对应的扇区，劈裂为多个波束。目前的多扇区技术主要分为两种，一种是采用巴特勒矩阵技术，使用N×N的巴特勒矩阵，输入信号分为N个输出端口，使得天线波束劈裂呈N个波束。但是采用巴特勒矩阵进行劈裂时，N个波束之间的夹角是固定的，不能调整。另一种多扇区技术是在数字域对基带信号进行加权处理，使得天线波束产生劈裂，但这种劈裂方式劈裂后的各小区之间的干扰较大。
本发明实施例结合AAS和MIMO技术的特点，提出一种采用新的多扇区劈裂方式的MIMO天线系统。
图1为本发明实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统实施例一的结构示意图，如图1所示，本实施例的多扇区MIMO有源天线系统包括：
4列双极化天线构成的天线10，其中每列双极化天线11包括一列第一极化方向的天线单元12和一列第二极化方向的天线单元13，第一极化方向和第二极化方向不同。例如，第一极化方向和第二极化方向正交，第一极化方向为+45°，第二极化方向为-45°。第一极化方向的天线单元12和第二极化方向的天线单元13中分别包括4个天线阵元。
每列双极化天线11中第一极化方向的天线单元12和第二极化方向的天线单元13分别与一个收发信机(Transmitter and Receiver，TRX)14连接，第一极化方向的天线单元12中的4个天线阵元被设置为第一天线下倾角，且服务于第一扇区，第二极化方向的天线单元13中的4个天线阵元被设置为第二天线下倾角，且服务于第二扇区，第一天线下倾角和第二天线下倾角是指各天线阵元在垂直于地平面的方向上，辐射的波束与地平面的夹角，第一天线下倾角和第二天线下倾角不同，譬如第一天线下倾角为8°，第二天线下倾角为12°。
每列第一极化方向的天线单元12和每列第二极化方向的天线单元13分别连接一个收发信机14，那么对于本实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统，将包括8个收发信机14。那么本实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统能够实现8出8入(8T8R)的天线收发能力，其中两个不同下倾角所对应的扇区分别能够实现4T4R的天线收发能力，即4T4R的MIMO收发能力。
在各列双极化天线11中，第一极化方向的天线单元12对应第一天线下倾角，第二极化方向的天线单元13对应第二天线下倾角，第一天线下倾角和第二天线下倾角不同。即相同的极化方向的天线对应相同的下倾角，那么对于整个多扇区MIMO有源天线系统，将形成第一天线下倾角对应的第一扇区和第二天线下倾角对应的第二扇区。若第一天线下倾角小于第二天线下倾角，则从多扇区MIMO有源天线系统的垂直方向图来看，第二扇区将覆盖位于内圈的环形区域，第一扇区将覆盖位于外圈的环形区域。这样就将4列双极化天线11在垂直方向上劈裂成了内外两个扇区，并且内圈扇区和外圈扇区中分别包括4个同极化的波束，且内圈扇区和外圈扇区中波束的极化方向不同。
同时，由于对于每个极化方向，同时由4个TRX驱动，即相当于4发4收(4T4R)天线，即下行4发，上行4收；根据终端设备的能力，下行既可以实现4×4MIMO，也可以实现4×2MIMO。那么整个多扇区MIMO有源天线系统就可以实现内圈和外圈两组不同极化方向的4×4MIMO或4×2MIMO。同时，由于内圈和外圈的波束极化方向不同，因此在内圈和外圈相互重合的地方，也不会产生相互干扰，那么内圈和外圈两种不同极化方向的天线就可以复用相同的频谱资源。也就是说，本实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统将扇区劈裂技术和MIMO技术融合在了一起，在复用了频谱资源的同时，利用波束赋形技术提高了每个劈裂的扇区的频谱效率，提高了网络容量。
需要说明的是，在每个极化方向上，具体实现4×4MIMO天线还是4×2MIMO天线，取决于终端能力，若终端支持4×4MIMO，则将多扇区MIMO有源天线系统的每个极化方向配置为4×4MIMO；若终端支持4×2MIMO，则将多扇区MIMO有源天线系统的每个极化方向配置为4×2MIMO。
本实施例是以4列双极化天线11，其中每列双极化天线11中一列第一极化方向的天线单元12和一列第二极化方向的天线单元13，第一极化方向的天线单元12和第二极化方向的天线单元13中各包括4个天线阵元为例，对本发明实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统进行说明。但本发明实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统不以此为限，该有源天线系统包含的双极化天线的数量可以为N列，第一极化方向的天线单元12和第二极化方向的天线单元13中可以分别包括M个天线阵元，其中N为大于等于2的自然数，M为大于等于2的自然数。对于包括N列双极化天线11的多扇区MIMO有源天线系统，将包括2N个收发信机14。对于包括N列双极化天线11的多扇区MIMO有源天线系统，利用上述方法，可通过该多扇区MIMO有源天线系统实现内圈和外圈两组不同极化方向的MIMO。
本实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统，通过设置N列双极化天线，其中每列双极化天线包括一列第一极化方向的天线单元和一列第二极化方向的天线单元，第一极化方向的天线单元和第二极化方向的天线单元中分别包括M个天线阵元，每列双极化天线中第一极化方向的天线单元和第二极化方向的天线单元分别与一个收发信机连接，第一极化方向的天线单元对应第一天线垂直倾角并形成第一扇区，第二极化方向的天线单元对应第二天线垂直倾角并形成第二扇区，通过该天线系统能够实现两个不同极化方向的MIMO，从而提高了频谱利用效率，提高了网络容量。
图2为本发明实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统实施例二的结构示意图。由于AAS天线能够实现天线的波束调整，而实现波束调整一般采用电调单元(Radio ControlUnit，RCU)实现，因此，在图1所示实施例的基础上，本实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统还包括第一RCU 21和第二RCU 22。第一极化方向的天线单元12与第一RCU连接，第二极化方向的天线单元13与第二RCU连接，第一RCU对应第一天线下倾角，第二RCU对应第二天线下倾角。从而可以通过调整第一RCU和第二RCU对第一天线下倾角和第二天线下倾角进行调整。
一般地，AAS双极化天线都是采用+45°和-45°两个极化方向的两组天线单元实现的。因此，在图1所示实施例中，第一极化方向为+45°，第二极化方向为-45°。
下面以图1所示实施例的多扇区MIMO有源天线系统实现4×2MIMO为例，对本发明实施例提供的多扇区MIMO有源天线系统的波束生成方式进行详细说明。
第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)协议，规定了4×2MIMO包括16个预编码矩阵指示(Precoding Matrix Indication，PMI)。对应于这16个PMI，在图1所示多扇区MIMO有源天线系统的内外两个扇区，分别对应16个子波束。
对于闭环MIMO，对每个向终端发送的信号X(i)都需要乘上一个预编码矩阵W(i)，预编码后的天线端口0～P-1的发射信号向量Y(i)为：
其中，X(i)是初始的发射向量，Y(i)是经过预编码后的发射向量，预编码矩阵W(i)来源于一个预编码码本，P是天线端口数(一个天线端口可简单理解为每列双极化天线的一个极化)在本实施例中，内外每个扇区各有4个天线端口。
根据3GPP协议，4×2闭环MIMO有16个PMI，如表1所示。其中un是生成预编码矩阵的基向量，I表示4×4的单位矩阵，上标“H”表示共轭转置操作。
由于同极化阵元间的高相关性，异极化间阵元的低相关性特点，当预编码矩阵的权向量作用于同极化的天线时，才能产生波束赋形的作用。
根据表1和预编码矩阵的计算公式，可以求得16个不同的码本Wn，如表2所示。
在没有应用图1所示的多扇区劈裂方法的双极化MIMO天线中，每个权值向量的4个权值，其中2个作用于+45°极化，两个作用于-45°极化，16个码本在每个极化可能的权值组合最多只有8个，因此最多只能对应8个波束。对应每一极化，即4行中的前2行或后2行，会出现如下权值组合：【1，1】，【1，-1】，【1，j】，【1，-j】，【1，(1+j)/sqrt(2)】，【1，(-1+j)/sqrt(2)】，【1，(1-j)/sqrt(2)】，【1，(-1-j)/sqrt(2)】。
而对于如图1所示的多扇区MIMO有源天线系统，由于每个扇区都是4列同极化天线形成的4*2闭环MIMO，每个权值向量对应的4个权值同时作用于4个同极化天线，则16个码本即16个权值组合，对应16个波束。
在内外圈两个扇区各有16个波束，内外圈交叠区在水平面波束域错开，很大程度上解决了交叠区干扰问题，交叠区波束域自然产生了协同作用。因此，图1所示的多扇区MIMO有源天线系统叠加了垂直劈裂复用频谱资源、4*2MIMO波束赋形、丰富的波束对内外圈交叠区的干扰协同，性能大幅提升。
表1
表2
图3为本发明实施例提供的通信设备实施例一的结构示意图，如图3所示，本实施例的通信设备包括多扇区MIMO有源天线系统31和基带处理单元(Base Band Unit，BBU)32。
多扇区MIMO有源天线系统31包括如图1或图2所示的多扇区MIMO有源天线系统。多扇区MIMO有源天线系统31用于执行图1或图2所示多扇区MIMO有源天线系统的处理。多扇区MIMO有源天线系统31中的各收发信机通过光纤与BBU 32连接。BBU 32通过多扇区MIMO有源天线系统31与多扇区MIMO有源天线系统31服务的第一扇区中的用户设备(UserEquipment，UE)以及第一扇区中的UE分别进行MIMO传输。
以多扇区MIMO有源天线系统31为图1所示多扇区MIMO有源天线系统，并且实现4×2MIMO为例。多扇区MIMO有源天线系统31用于MIMO传输的16个PMI都存储于BBU 32中的，BBU32对需要发送的信号进行预编码处理，得到用于MIMO传输的各权值，使用各权值将需要发送的信号通过多扇区MIMO有源天线系统31的各天线发送出去，从而实现了MIMO传输。由于多扇区MIMO有源天线系统31形成了两个不同极化方向的MIMO，两个不同极化方向的MIMO不会相互干扰，因此本实施例提供的通信设备提高了频谱利用效率，提高了网络容量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多扇区多入多出MIMO有源天线系统，其特征在于，包括：
N列双极化天线，其中每列双极化天线包括一列第一极化方向的天线单元和一列第二极化方向的天线单元，所述第一极化方向和所述第二极化方向不同，所述第一极化方向的天线单元和所述第二极化方向的天线单元中分别包括M个天线阵元，N为大于等于2的自然数，M为大于等于2的自然数；
在每列双极化天线中，第一极化方向的天线单元和第二极化方向的天线单元分别与一个收发信机连接，所述第一极化方向的天线单元中的天线阵元被设置为第一天线下倾角并服务于第一扇区，所述第二极化方向的天线单元中的天线阵元被设置为第二天线下倾角并服务于第二扇区，所述第一天线下倾角和所述第二天线下倾角不同。
2.根据权利要求1所述的多扇区多入多出MIMO有源天线系统，其特征在于，还包括第一电调单元RCU和第二电调单元RCU；
所述第一极化方向的天线单元与第一电调单元RCU连接，所述第二极化方向的天线单元与第二电调单元RCU连接，所述第一电调单元RCU对应第一天线下倾角，所述第二电调单元RCU对应第二天线下倾角。
3.根据权利要求1或2所述的多扇区多入多出MIMO有源天线系统，其特征在于，所述第一极化方向为+45°，所述第二极化方向为-45°。
4.根据权利要求1或2所述的多扇区多入多出MIMO有源天线系统，其特征在于，所述第一扇区具有N个第一极化方向的波束，所述第二扇区具有N个第二极化方向的波束。
5.一种通信设备，其特征在于，包括：多扇区多入多出MIMO有源天线系统和基带处理单元BBU；
所述多扇区MIMO有源天线系统包括：
N列双极化天线，其中每列双极化天线包括一列第一极化方向的天线单元和一列第二极化方向的天线单元，所述第一极化方向和所述第二极化方向不同，所述第一极化方向的天线单元和所述第二极化方向的天线单元中分别包括M个天线阵元，N为大于等于2的自然数，M为大于等于2的自然数；
在每列双极化天线中，第一极化方向的天线单元和第二极化方向的天线单元分别与一个收发信机连接，所述第一极化方向的天线单元中的天线阵元被设置为第一天线下倾角并服务于第一扇区，所述第二极化方向的天线单元中的天线阵元被设置为第二天线下倾角并服务于第二扇区，所述第一天线下倾角和所述第二天线下倾角不同；
所述多扇区MIMO有源天线系统中的各收发信机通过光纤与所述基带处理单元BBU连接；
所述基带处理单元BBU通过所述多扇区MIMO有源天线系统分别与所述第一扇区中的用户设备UE和所述第二扇区中的UE进行MIMO传输。
6.根据权利要求5所述的通信设备，其特征在于，所述多扇区MIMO有源天线系统还包括第一电调单元RCU和第二电调单元RCU；
所述第一极化方向的天线单元与第一电调单元RCU连接，所述第二极化方向的天线单元与第二电调单元RCU连接，所述第一电调单元RCU对应第一天线下倾角，所述第二电调单元RCU对应第二天线下倾角。
7.根据权利要求5或6所述的通信设备，其特征在于，所述第一极化方向为+45°，所述第二极化方向为-45°。
8.根据权利要求5或6所述的通信设备，其特征在于，所述第一扇区具有N个第一极化方向的波束，所述第二扇区具有N个第二极化方向的波束。
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