CN107547114B - 点波束天线指向逐包调整的sdm/sdma通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提出一种点波束天线指向逐包调整的SDM/SDMA通信方法，它在每个数据包发送前，根据该数据包的接收用户站的地理位置，实时调整点波束天线的指向，实现中心站与多个用户站之间的通信。本发明的特点包括中心站点波束天线的指向可快速调整；中心站所有发射机发射载波的中心频率、带宽和调制方式相同；中心站可以通过1个点波束天线向多个用户站发送数据包；中心站也可以通过多个点波束天线向1个用户站发送数据包。本发明可以实现处于不同位置的用户在同一时间使用同一频率通信而不会相互干扰，从而显著提高通信系统的容量。

Description

点波束天线指向逐包调整的SDM/SDMA通信方法

技术领域 本发明涉及一种SDM/SDMA的通信方法，尤其是一种点波束指向根据接收数据包的用户站所在的地理位置实时调整的SDM/SDMA无线通信方法，属通信技术领域。

背景技术 随着人类社会对地面移动通信、空间通信和卫星通信需求的不断增加，无线频率资源越来越紧张。充分利用有限的频率资源，获取最大的通信容量，是无线通信技术发展的方向。

现代无线通信系统一般采用多路复用和多址接入技术，实现中心站与多个用户站之间的通信。其中中心站至用户站的传输信道为下行信道，用户站至中心站的传输信道为上行信道。多路复用是下行信道的复用技术，多址接入是上行信道的复用技术。目前常用的多路复用技术有频分复用(Frequency Division Multiplexing，FDM)、时分复用(TimeDivision Multiplexing，TDM)和码分复用(Code Division Multiplexing CDM)，常用的多址接入技术有频分多址(Frequency Division Multiple Access，FDMA)、时分多址(TimeDivision Multiple Access，TDMA)和码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)。

近年来，随着智能天线技术的发展，空分复用(Space Division Multiplexing，SDM)和空分多址(Space Division Multiple Access，SDMA)技术成为通信领域的热点。SDM是利用空间分割构成不同信道的多路复用方式。SDMA是根据用户的空间位置区分每个用户的多址接入方式。SDM和SDMA可以实现处于不同位置的用户在同一时间使用同一频率通信而不会相互干扰，从而显著提高通信系统的容量。

目前SDM和SDMA技术的主要应用方式是多波束并行系统，以下简称MA(MultipleBeam)系统，即中心站用频率相同的多个并行窄波束覆盖整个用户区，而不是传统TDM/TDMA系统(以下简称TD系统)用1个宽波束覆盖整个用户区。由于MA系统每个窄波束覆盖区域内的用户也可能有多个，因此，多波束并行技术还要与其它多址技术，如TDMA，CDMA结合使用。

下面以下行信道为例，分析MA系统与TD系统相比，具有哪些优势。假设在TD系统中，中心站用1个宽波束TMD载波均匀覆盖区域S。用户的地理位置在区域S中均匀分布，每个用户的传输速率要求是R。TMD载波功率为W，中心频率为f，带宽为B_TD，传输速率为R_TD，可以同时为N_TD个用户提供数据传输服务，即R_TD/R＝N_TD。

在MB系统中，中心站用K_MB个窄波束共同覆盖区域S，每个窄波束的覆盖范围为S_MB，S_MB＝S/K_MB。假设K_MB个窄波束在空间上完全隔离，信号相互之间没有干扰，每个波束发射信号都是1个中心频率为f的TDM载波。与TD系统相比，MB系统容量的提升体现在以下3个方面：

1、通信带宽扩展

假设MB系统每个窄波束发射载波的功率和调制方式与TD系统相同。由于S_MB＝S/K_MB，因此，在用户站接收信号功率谱密度相同的情况下，每个MB波束传输信号的带宽可扩至B_TD的K_MB倍，因此，每个MB载波的传输速率是R_TD的K_MB倍，那么MB系统总体传输速率

可同时提供数据传输服务的用户数

是TD系统的

倍

2、辐射功率减少

假设在MB系统中，每个窄波束发射载波的调制方式及带宽与TD系统相同。由于S_MB＝S/K_MB，因此，在用户站接收信号功率谱密度相同的情况下，MB系统每个载波的辐射功率可以减少至TD系统的1/K_MB，传输速率等于R_TDM，整个MB系统的传输速率R_MB＝K_MBR_TDM，可同时提供数据传输服务的用户数N_MB＝K_MBN_TDM，是TD系统的K_MB倍。

3、支持高阶调制

假设在MB系统中，每个窄波束发射载波的功率和调制方式与TD系统相同。由于S_MB＝S/K_MB，因此，用户站接收信号功率谱密度增加至K_MB倍。所以在载波带宽不变的情况下，可通过采用高阶调制，使每个波束传输的信息速率增加至G_MB倍，整个MB系统的传输速率R_MB＝K_MBG_MBR_TD，可同时提供数据传输服务的用户数N_MB＝K_MBG_MBN_TD，是TD系统的K_MBG_MB倍。

MB系统通过多个窄波束并行，获得了系统容量的显著增加。但是，在MB系统中，每个窄波束的指向是固定的，不同窄波束覆盖区的用户，无法共享信道资源，同时，同一窄波束覆盖区内的用户，由于信号能量均匀覆盖在波束覆盖区，大部分能量还是浪费在了没有用户或非接收用户的地方。

随着定位技术的发展，用户站的准确地理位置可实时获取，通过点波束天线，将每个用户的数据发给用户站所在的最小区域，则可以实现中心站辐射功率的最大节省，以及频率资源的最大利用。但是，用户站数量很大，且具有移动性，中心站不可能为每个用户站固定分配一个点波束，因此，本发明提出一种基于点波束天线指向实时调整的SDM/SDMA通信方法，特别是点波束天线指向基于用户站位置逐包调整的SDM/SDMA通信方法，使无线通信系统的容量，得到更大程度的提升。

假设基于本发明的SDM/SDMA系统(以下简称SD系统)中心站用K_SD个点波束天线为上文S区域的用户提供服务，每个点波束的覆盖范围是S_SD，S_SD＝S/K_SD，每个点波束发射载波的功率、中心频率和调制方式与上文TD系统相同，在用户站接收信号功率谱密度相同的情况下，每个SD点波束传输信号的带宽可扩至B_TD的K_SD倍。由于S_SD＜＜S_MB，因此，K_SD＞＞K_MB，因此，SD单个点波束的带宽远远大于MB系统单个波束带宽。如果

1个SD点波束的传输速率就可超过MB系统K_MB个窄波束的总和。即1个SD点波束就可为超过

个用户同时提供数据传输服务。当SD系统点波束个数为Z时，可同时提供数据传输服务的用户个数可达到

以上，比MB系统有了明显提升。SD系统由于波束覆盖范围更小，因此，在辐射功率减少，支持高阶调制方面，也更优于MB系统，不再赘述。

本发明中，SD系统的每个点波束要为多个用户提供数据传输服务，就必须能够根据用户站的地理位置，实时调整点波束天线的指向。因此，本发明提出一种点波束天线指向逐包调整的SDM/SDMA通信方法。

发明内容 本发明的目的是提出一种点波束天线指向逐包调整的SDM/SDMA通信方法，它在每个数据包发送前，根据该数据包的接收用户站的地理位置，实时调整点波束天线的指向，实现中心站与多个用户站之间的通信。

本发明提出的点波束天线指向逐包调整的SDM/SDMA通信方法，包括以下步骤：

1、中心站为到达数据包分配发射机和发射时隙。

2、中心站根据步骤1到达数据包的目的地址，查询接收该数据包的用户站当前的地理位置信息。

3、中心站根据步骤2获取的用户站的地理位置信息调整与步骤1分配的发射机相连的点波束天线的指向。

4、中心站在步骤1分配的时隙，通过步骤1分配的发射机向步骤2用户站发送步骤1到达的数据包。

5、步骤2用户站在步骤1分配的时隙，向中心站发送业务数据和位置数据。

6、步骤3点波束天线接收步骤5用户站发送的业务数据和系统数据。

7、中心站输出步骤5中用户站上传的业务数据，并保存步骤5中用户站上传的位置数据。

上述方法中，中心站的发射机可以有多台，每台发射机连接1个点波束天线。

上述方法中，中心站点波束天线的指向可快速调整。

上述方法中，中心站所有发射机发射载波的中心频率、带宽和调制方式相同。

上述方法中，中心站可以通过1个点波束天线向多个用户站发送数据包。

上述方法中，中心站可以通过多个点波束天线向1个用户站发送数据包。

述方法中，中心站通过1个点波束天线向多个用户站发送的数据包，必须在规定的时隙发送。

上述方法中，中心站通过多个点波束天线向1个用户站发送的数据包，必须在规定的时隙发送，在时间上不能有重叠。

上述方法中，用户站上传业务数据和位置数据的时隙与中心站通过点波束天线向用户站发送数据的时隙相同。

上述方法中，用户站上传的位置数据是用户站当前的地理位置信息。

上述方法中，中心站依据最新的用户地理位置信息，调整点波束天线的指向。

上述方法中，中心站发射机的发射由分配的数据包激活。

附图说明

图1是点波束天线指向逐包调整的SDM/SDMA通信系统示意图；

图2本发明下行信号传输流程图；

图3中心站通过1个点波束天线向多个用户站发送数据时隙分配示意图；

图4中心站通过多个点波束天线向1个用户站发送数据时隙分配示意图；

具体实施方式

本发明点波束天线指向逐包调整的SDM/SDMA通信方法的典型应用如图1所示。图1中，中心站配备n个指向可快速调整的点波束天线，每个点波束天线连接1台发射机和1台接收机，用于数据发送和接收。数据包到达中心站后，发射机调度与时隙分配模块为其分配发射机和发送时隙(假设分配的是发射机H，发送时隙是T1至T2之间的时间，T1时间的分配要保证与发射机H相连的点波束天线H的指向调整完毕)。并将其目的地址、H编号和T1、T2的值发送给点波束天线指向控制模块。点波束天线指向控制模块根据数据包的目的地址，向用户站地理位置信息管理模块查询接收该数据的用户站(假设为B站)当前的地理位置信息，并根据该信息，调整与发射机H相连的点波束天线H的指向。T1时刻到达后，中心站通过发射机H发射数包，用户站B接收数包。用户站B也同时通过上行信道发送数据包(包含业务数据和位置数据)。点波束天线H通过下行信道接收用户站B发送的数据包，传输给与之相连的接收机H。接收机H解析用户站B上传的数据包，将业务数据输出给外部系统，将位置数据保存至用户站地理位置信息管理模块。

图1中，中心站至用户站的下行数据传输流程如图2所示。数据包到达中心站后，中心站首先为该数据包分配发射机和发送时隙。之后，中心站根据该数据包的目的地址，查询接收该数据包的用户站当前的地理位置信息，然后根据该信息，调整与已分配发射机相连的点波束天线的指向，然后在分配的发送时隙，发送数据包。

图1中中心站通过1个点波束天线向多个用户站发送数据的时隙分配如图3所示。图3中横轴表示时间，纵轴表示空间，即中心站点波束指向。图中“1(1)”表示中心站向用户站1发送的第1个数据包，“2(1)”表示中心站向用户站2发送的第1个数据包，“m(1)”表示中心站向用户站m发送的第1个数据包，“m(2)”表示中心站向第m个用户站发送的第2个数据包，以此类推。图3中中心站通过1个点波束天线向m个用户站发送的数据包，必须在规定的时隙发送。

图1中中心站通过多个点波束天线向1个用户站发送数据的时隙分配如图4所示。图4中横轴表示时间，纵轴表示空间，即中心站点波束指向。图4中“(1)1”表示中心站天线1向用户站发送的第1个数据包，“(1)2”表示中心站天线2向用户站发送的第1个数据包，“(1)n”表示中心站天线n向用户站发送的第1个数据包，“(2)n”表示中心站天线n向用户站发送的第2个数据包，以此类推。图4中中心站通过n个天线向1个用户站发送的数据包，必须在规定的时隙发送，在时间上不能有重叠。

Claims (12)

1.一种点波束天线指向逐包调整的SDM/SDMA通信方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)中心站为到达数据包分配发射机和发射时隙；

(2)中心站根据步骤(1)到达数据包的目的地址，查询接收该数据包的用户站当前的地理位置信息；

(3)、中心站根据步骤(2)获取的用户站的地理位置信息调整与步骤(1)分配的发射机相连的点波束天线的指向；

(4)中心站在步骤(1)分配的时隙，通过步骤(1)分配的发射机向步骤(2)用户站发送步骤(1)到达的数据包；

(5)步骤(2)用户站在步骤(1)分配的时隙，向中心站发送业务数据和位置数据；

(6)步骤(3)点波束天线接收步骤(5)用户站发送的业务数据和系统数据；

(7)中心站输出步骤(5)中用户站上传的业务数据，并保存步骤(5)中用户站上传的位置数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于中心站的发射机为多台，每台发射机连接1个点波束天线。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于中心站点波束天线的指向可快速调整。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于中心站所有发射机发射载波的中心频率、带宽和调制方式相同。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于中心站通过1个点波束天线向多个用户站发送数据包。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于中心站通过多个点波束天线向1个用户站发送数据包。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于中心站通过1个点波束天线向多个用户站发送的数据包，必须在规定的时隙发送。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于中心站通过多个点波束天线向1个用户站发送的数据包，必须在规定的时隙发送，在时间上不能有重叠。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于用户站上传业务数据和位置数据的时隙与中心站通过点波束天线向用户站发送数据的时隙相同。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于用户站上传的位置数据是用户站当前的地理位置信息。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于中心站依据最新的用户站位置数据，调整点波束天线的指向。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于中心站发射机的发射由分配的数据包激活。

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