CN109347492B - 一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统及方法，所述系统包括基带处理单元、射频拉远单元和全空域阵列天线；所述全空域阵列天线包括转换通道模块、接口处理模块、数字波束成形模块、收发通道模块和天线阵列；所述基带处理单元与射频拉远单元连接，射频拉远单元通过射频电缆与转换通道模块连接，转换通道模块依次通过接口处理模块、数字波束成形模块和收发通道模块与天线阵列。本发明在现有移动通信基站的基础上，采用全空域阵列天线，并进行适当配置，即可实现空天用户终端的覆盖，有效增强了移动通信基站的空天覆盖能力。

Description

一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统及方法

技术领域

本发明涉及移动通信，特别是涉及一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统及方法。

背景技术

以4G为代表的蜂窝移动通信网络已经融入生活的方方面面。无论是在室外、室内、汽车上、火车上，用户终端都能可靠接入网络，以获取高带宽数据传输和稳定语音服务。

但是，当前蜂窝移动通信网络的覆盖主要在地面，而随着各类空天应用的增多，以民航飞机、无人机、卫星等为代表的空天用户接入移动通信网络的需求越来越强烈。现有蜂窝移动通信基站主要由基带处理单元(BBU)、射频拉远单元(RRU)和天线构成。BBU完成基带处理并与RRU连接，RRU完成变频处理并通过射频电缆与天线相连，天线完成电磁信号的辐射与接收。这样的基站架构并不具备足够的空天覆盖能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统及方法，在现有移动通信基站的基础上，采用全空域阵列天线，并进行适当配置，即可实现空天用户终端的覆盖，有效增强了移动通信系统的空天覆盖能力。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统，其特征在于：包括基带处理单元、射频拉远单元和全空域阵列天线；

所述全空域阵列天线包括转换通道模块、接口处理模块、数字波束成形模块、收发通道模块和天线阵列，所述收发通道模块包括多路收发通道，所述天线阵列包括与收发通道一一对应的多个天线阵元；

所述基带处理单元与射频拉远单元连接，射频拉远单元通过射频电缆与转换通道模块连接，转换通道模块通过接口处理模块与数字波束成形模块连接；

所述转换通道模块，用于实现射频信号与数字信号之间的转换；所述接口处理模块，用于完成转换通道模块和数字波束成形模块之间的数据汇聚传输；所述数字波束成形模块，用于调整各收发通道的幅相加权系数，实现覆盖特定空域的发射波束成形，数字波束成形模块分别通过每一路收发通道与对应的天线阵元连接。

优选地，所述全空域阵列天线的形态包括但不限于球形、半球形、半球形与柱形结合、多面体形、平滑曲面以及多边形拼接成的网格曲面。

一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统实现空天覆盖的方法，包括用户接入步骤、用户跟踪步骤和用户服务步骤。

所述用户接入步骤包括以下三种方式：

第一、外部辅助接入方式：通过外部方式获取到用户位置信息时，全空域阵列天线基于用户位置信息，形成定向波束指向用户方向，以保证用户的可靠接入；

第二、宽波束接入方式：当用户位置信息无法获取时，减少参与数字波束合成的阵元个数，以形成波束宽度较宽的宽波束以覆盖用户，实现用户的可靠接入；

第三、窄波束接入方式：在合成阵元数不变的情况下，全空域阵列天线形成波束宽度较窄的窄波束实现波束扫描，在不同时刻形成覆盖不同波位的窄波束，以实现全空域扫描，用户随机接入。

所述用户跟踪步骤包括以下两种方式：

第一、角跟踪方式：系统利用全空域阵列天线的多波束能力调配一个波束，基于角跟踪实时调整波束指向，实现对用户的跟踪，从而保证用户的稳定业务传输；

第二、外部辅助跟踪方式：对于搭载了卫星定位接收装置的用户，在接入阶段向系统报告自身位置信息，系统利用其位置信息实现波束定向跟踪覆盖。

所述用户服务步骤包括以下两种工作模式：

第一、单流模式：

配置基带处理单元和射频拉远单元工作于单天线模式，此时基带处理单元处理单个数据流，射频拉远单元只有一个通道工作，发射时，全空域阵列天线接收射频拉远单元输出的单个射频信号，解析出单个基带数据流，通过数字波束成形形成数字波束，实现空天覆盖。接收时，全空域阵列天线通过数字波束成形形成数字波束，实现空天覆盖，接收用户信号，解析出单个基带数据流，并恢复为射频信号输出至射频拉远单元；

第二、多流模式：

配置基带处理单元和射频拉远单元工作于多天线模式，通过码本设计，实现多天线空分复用，此时基带处理单元同时处理L个数据流，各数据流承载不同用户的数据，同一个用户的数据只存在于一个数据流中，射频拉远单元同时进行L个通道的频率变换；发射时，全空域阵列天线接收射频拉远单元输出的L个射频信号，并解析出L个基带数据流，然后通过数字波束成形形成L个数字波束，从而实现L个空域的用户数据发射；接收时，全空域阵列天线通过数字波束成形形成L个数字波束，覆盖L个空域的用户，接收用户信号，解析出L个基带数据流，并恢复为L个射频信号输出至射频拉远单元。

本发明的有益效果是：本发明在现有移动通信基站的基础上，采用全空域阵列天线，并进行适当配置，即可实现空天用户终端的覆盖，有效增强了通信系统的空天覆盖能力；全空域阵列天线中，采用通道转换模块完成了对射频信号和数字信号的转换，故全空域阵列天线能够与现有基站的射频拉远单元直连，保证了全空域阵列天线与现有基站射频拉远单元之间的兼容性；本发明在单流模式下，采用高增益窄波束和数字多波束成形技术，提高了系统覆盖范围，多流模式下，利用多天线空分复用，提高了空天用户的接入数量。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2为全空域阵列天线的原理示意图；

图3为收发通道的原理示意图；

图4为转换通道的原理示意图；

图5为射频收发组件的原理示意图；

图6为本发明的方法流程图；

图7为TDD工作场景下系统原理示意图；

图8为FDD工作场景下系统原理示意图；

图9实施例中全空域阵列天线多个数字波束的空域覆盖示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1~2所示，一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统，包括基带处理单元、射频拉远单元和全空域阵列天线；

所述全空域阵列天线包括转换通道模块、接口处理模块、数字波束成形模块、收发通道模块和天线阵列，所述收发通道模块包括多路收发通道，所述天线阵列包括与收发通道一一对应的多个天线阵元；

所述基带处理单元与射频拉远单元连接，射频拉远单元通过射频电缆与转换通道模块连接，转换通道模块通过接口处理模块与数字波束成形模块连接；

所述转换通道模块，用于实现射频信号与数字信号之间的转换；所述接口处理模块，用于完成转换通道模块和数字波束成形模块之间的数据汇聚传输；所述数字波束成形模块，用于调整各收发通道的幅相加权系数，实现覆盖特定空域的发射波束成形，数字波束成形模块分别通过每一路收发通道与对应的天线阵元连接。

在本申请的实施例中，所述全空域阵列天线的形态包括但不限于球形、半球形、半球形与柱形结合、多面体形、平滑曲面以及多边形拼接成的网格曲面；在本申请的实施例中，所述基带处理单元和射频拉远单元均为现有移动通信基站货架产品。

如图3所示，每一路所述的收发通道均包括射频收发组件、第一选择开关、收发切换开关和第一双工器；所述数字波束成形模块与射频收发组件连接，射频收发组件与第一选择开关连接，第一选择开关分别连接收发切换开关和第一双工器，所述收发切换开关和第一双工器均与该路收发通道对应的天线阵元连接。

其中，所述转换通道模块包括多个转换通道，转换通道的数目与射频拉远单元的通道数目相同，且一一对应连接；

如图4所示，所述转换通道包括第二双工器、耦合器、收发控制单元、包络检测单元、第二选择开关和信号转换通道；

所述信号转换通道的一端与接口处理模块连接，信号转换单元的另一端与第二选择开关连接，第二选择开关分别连接收发控制单元和第二双工器，所述收发控制单元与耦合器连接，所述第二双工器与耦合器均与射频拉远单元连接；

所述包络检测单元的输入端与耦合器连接，用于检测信号的收发时隙，并将检查结果传输给收发控制器，收发控制器据此完成收发切换控制。

其中，每一个信号转换通道均包括第一滤波单元、第一功率检测单元、第一下变频单元、第一模数转换单元、第二滤波单元、第一功率调整单元、第一上变频单元和第一数模转换单元；所述第一滤波单元的输入端通过第二选择开关连接收发控制单元或双工器，第一滤波单元的输出端依次通过第一功率检测单元、第一下变频单元和第一模数转换单元连接到接口处理模块；所述第一数模转换单元的输入端与接口处理模块连接，第一数模转换单元的输出端依次通过第一上变频单元和第一功率调整单元连接到第二滤波单元，所述第二滤波单元的输出端通过第二选择开关连接收发控制单元或双工器；

如图5所示，每一个射频收发组件均包括第二数模转换单元、第二上变频单元、第三滤波单元、功率放大单元、低噪声放大单元、第四滤波单元、第二功率检测单元、第二下变频单元和第二模数转换单元；所述第二数模转换单元的输入端与数字波束成形模块连接，第二数模转换单元的输出端依次通过第二上变频单元、第三滤波单元和功率放大单元与第一选择开关连接；所述低噪声放大单元的输入端与第一选择开关连接，低噪声放大单元的输出端依次通过第四滤波单元、第二功率检测单元、第二下变频单元和第二模数转换单元连接到数字波束成形模块；

所述接口处理模块包括数据传输单元和功率控制单元，所述数据传输单元用于完成转换通道模块和数字波束成形模块之间的数据汇聚传输；所述功率控制单元用于接收第一功率检测单元检测到的功率信息，据此对收发通道模块的放大功率进行控制，或是接收第二功率检测单元采集到的功率信息，据此对转换通道模块中的功率调整进行控制。

如图6所示，一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统实现空天覆盖的方法，包括用户接入步骤、用户跟踪步骤和用户服务步骤。

所述用户接入步骤包括以下三种方式：

第一、外部辅助接入方式：通过外部方式获取到用户位置信息时，全空域阵列天线基于用户位置信息，形成定向波束指向用户方向，以保证用户的可靠接入；例如民航飞机的飞行航迹、卫星的运行轨迹等用户位置信息，可以通过航线图、星历或者监视设备等外部方式获取。

第二、宽波束接入方式：当用户位置信息无法获取时，减少参与数字波束合成的阵元个数，以形成波束宽度较宽的宽波束以覆盖用户，实现用户的可靠接入；

第三、窄波束接入方式：在合成阵元数不变的情况下，全空域阵列天线形成波束宽度较窄的窄波束实现波束扫描；在本申请的实施例中，由于全空域阵列天线为有源相控阵天线，可以利用数字波束合成很方便的实现波束扫描，所以可以在不同时刻形成覆盖不同波位的窄波束，以实现全空域扫描，用户随机接入，足够的波位驻留时间可保证用户的可靠接入。

所述用户跟踪步骤包括以下两种方式：

第一、角跟踪方式：系统利用全空域阵列天线的多波束能力调配一个波束，基于角跟踪实时调整波束指向，实现对用户的跟踪，从而保证用户的稳定业务传输；

第二、外部辅助跟踪方式：对于搭载了GPS/北斗等卫星定位接收装置的用户，在接入阶段向系统报告自身位置信息，系统利用其位置信息实现波束定向跟踪覆盖。

所述用户服务步骤包含以下两种场景：

TDD工作场景下，控制第一选择开关将射频收发组件与收发切换开关连通，第二选择开关将信号转换通道与收发控制单元连通；如图7所示，将射频拉远单元输出信号耦合一路送给包络检测单元，检测包络信号的大小，若大于阈值则为发射时隙，若小于阈值则为接收时隙；

若检测为发射时隙，则将射频拉远单元输出信号通过转换通道进行滤波、功率检测、下变频、模数变换得到原始基带发送信号送给接口处理模块；接口处理模块完成数据汇聚并分发至数字波束成形模块；数字波束成形模块调整各通道幅相加权系数实现覆盖特定空域的发射波束成形；经过幅相调整后的各通道基带信号进而通过收发通道完成数模变换、上变频、滤波和基于功率检测值进行信号放大，并在收发切换开关的控制下通过阵元辐射；

若检测为接收时隙，则在收发切换开关的控制下，将各天线阵元接收的信号通过收发通道进行放大、滤波、功率检测、下变频、模数变换后输入数字波束成形模块；数字波束成形模块调整各通道幅相加权系数实现覆盖特定空域的接收波束成形；接口处理模块对接收波束成形后的信号进行汇聚并分发至转换通道模块；转换通道模块进行数模变换、上变频、滤波和基于功率检测值的射频信号功率调整，得到射频接收信号并传输给射频拉远单元；

FDD工作场景下，

如图8所示，控制第一选择开关将射频收发组件与第一双工器连通，第二选择开关将信号转换通道与第二双工器连通；

转换通道内的双工器完成收发信号分离，对于发射信号，射频拉远单元的输出信号经过双工器输出至转换通道；转换通道对其进行滤波、功率检测、下变频、模数变换得到原始基带发送信号，并送给接口处理模块；接口处理模块完成数据汇聚并分发至数字波束成形模块，数字波束成形模块调整各通道幅相加权系数实现覆盖特定空域的发射波束成形；经过幅相调整后的各通道基带信号进而通过收发通道完成数模变换、上变频、滤波和基于功率检测值进行信号放大，并在经双工器后通过阵元辐射；

对于接收信号，各天线阵元接收的信号经双工器进入各收发通道进行放大、滤波、功率检测、下变频、模数变换后输入数字波束成形模块；数字波束成形模块调整各通道幅相加权系数实现覆盖特定空域的接收波束成形；接口处理模块对接收波束成形后的信号进行汇聚并分发至转换通道模块；转换通道模块进行数模变换、上变频、滤波和基于功率检测值的射频信号功率调整，得到射频接收信号并通过双工器送给射频拉远单元。

所述TDD工作场景和FDD工作场景均包括以下两种工作模式：

第一、单流模式：

配置基带处理单元和射频拉远单元工作于单天线模式，此时基带处理单元处理单个数据流，射频拉远单元只有一个通道工作，发射时，全空域阵列天线接收射频拉远单元输出的单个射频信号，解析出单个基带数据流，通过数字波束成形形成数字波束，实现空天覆盖。接收时，全空域阵列天线通过数字波束成形形成数字波束，实现空天覆盖，接收用户信号，解析出单个基带数据流，并恢复为射频信号输出至射频拉远单元；

第二、多流模式：

配置基带处理单元和射频拉远单元工作于多天线模式，通过码本设计，实现多天线空分复用，此时基带处理单元同时处理L个数据流，各数据流承载不同用户的数据，同一个用户的数据只存在于一个数据流中，射频拉远单元同时进行L个通道的频率变换；发射时，全空域阵列天线接收射频拉远单元输出的L个射频信号，并解析出L个基带数据流，然后通过数字波束成形形成L个数字波束，从而实现L个空域的用户数据发射；接收时，全空域阵列天线通过数字波束成形形成L个数字波束，覆盖L个空域的用户，接收用户信号，解析出L个基带数据流，并恢复为L个射频信号输出至射频拉远单元。这里多天线空分复用带来系统容量提升并不体现在单个用户数据传输速率的提高，而在于提高空天用户接入数量的增加。

如图9所示，全空域阵列天线可利用数字多波束成形技术同时形成多个数字波束，以提高空域覆盖范围；通过功率检测判断某个波束中是否存在用户上行信号，若该波束中无用户上行信号，则该波束信号不参与波束叠加，以避免引入额外的噪声。

本发明在现有移动通信基站的基础上，仅需要采用全空域阵列天线替换现有天线，并进行适当配置，即可实现空天用户终端的覆盖和接入，有效提高了通信系统的空天覆盖能力；全空域阵列天线中，采用通道转换模块完成了对射频信号和数字信号的转换，故全空域阵列天线能够与现有基站的射频拉远单元直连，保证了全空域阵列天线与现有基站射频拉远单元之间的兼容性；本发明在单流模式下，采用高增益窄波束和数字多波束成形技术，提高了系统覆盖范围，多流模式下，利用多天线空分复用，提高了空天用户的接入数量。

最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。例如所述模块的划分，为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，可以结合或者可以分离，或一些特征可以忽略，或不执行；可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统，其特征在于：包括基带处理单元、射频拉远单元和全空域阵列天线；

所述全空域阵列天线包括转换通道模块、接口处理模块、数字波束成形模块、收发通道模块和天线阵列，所述收发通道模块包括多路收发通道，所述天线阵列包括与收发通道一一对应的多个天线阵元；

所述基带处理单元与射频拉远单元连接，射频拉远单元通过射频电缆与转换通道模块连接，转换通道模块通过接口处理模块与数字波束成形模块连接；

所述转换通道模块，用于实现射频信号与数字信号之间的转换；所述接口处理模块，用于完成转换通道模块和数字波束成形模块之间的数据汇聚传输；所述数字波束成形模块，用于调整各收发通道的幅相加权系数，实现覆盖特定空域的发射波束成形，数字波束成形模块分别通过每一路收发通道与对应的天线阵元连接；

所述转换通道模块包括多个转换通道，转换通道的数目与射频拉远单元的通道数目相同，且一一对应连接；

所述转换通道包括第二双工器、耦合器、收发控制单元、包络检测单元、第二选择开关和信号转换通道；

所述信号转换通道的一端与接口处理模块连接，信号转换单元的另一端与第二选择开关连接，第二选择开关分别连接收发控制单元和第二双工器，所述收发控制单元与耦合器连接，所述第二双工器与耦合器均与射频拉远单元连接；

所述包络检测单元的输入端与耦合器连接，用于检测信号的收发时隙，并将检查结果传输给收发控制器，收发控制器据此完成收发切换控制。

2.根据权利要求1所述的一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统，其特征在于：所述全空域阵列天线的形态包括球形、半球形、半球形与柱形结合、多面体形、平滑曲面以及多边形拼接成的网格曲面。

3.根据权利要求1~2中任意一项所述的一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统实现空天覆盖的方法，其特征在于：包括用户接入步骤、用户跟踪步骤和用户服务步骤。

4.根据权利要求3所述的一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统实现空天覆盖的方法，其特征在于：所述用户接入步骤包括以下三种方式：

第一、外部辅助接入方式：通过外部方式获取到用户位置信息时，全空域阵列天线基于用户位置信息，形成定向波束指向用户方向，以保证用户的可靠接入；

第二、宽波束接入方式：当用户位置信息无法获取时，减少参与数字波束合成的阵元个数，以形成波束宽度较宽的宽波束以覆盖用户，实现用户的可靠接入；

第三、窄波束接入方式：在合成阵元数不变的情况下，全空域阵列天线形成波束宽度较窄的窄波束实现波束扫描，在不同时刻形成覆盖不同波位的窄波束，以实现全空域扫描，用户随机接入。

5.根据权利要求3所述的一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统实现空天覆盖的方法，其特征在于：所述用户跟踪步骤包括以下两种方式：

第一、角跟踪方式：系统利用全空域阵列天线的多波束能力调配一个波束，基于角跟踪实时调整波束指向，实现对用户的跟踪，从而保证用户的稳定业务传输；

第二、外部辅助跟踪方式：对于搭载了卫星定位接收装置的用户，在接入阶段向系统报告自身位置信息，系统利用其位置信息实现波束定向跟踪覆盖。

6.根据权利要求3所述的一种增强移动通信基站空天覆盖能力的系统实现空天覆盖的方法，其特征在于：所述用户服务步骤包括以下两种工作模式：

第一、单流模式：

配置基带处理单元和射频拉远单元工作于单天线模式，此时基带处理单元处理单个数据流，射频拉远单元只有一个通道工作，发射时，全空域阵列天线接收射频拉远单元输出的单个射频信号，解析出单个基带数据流，通过数字波束成形形成数字波束，实现空天覆盖；

接收时，全空域阵列天线通过数字波束成形形成数字波束，实现空天覆盖，接收用户信号，解析出单个基带数据流，并恢复为射频信号输出至射频拉远单元；

第二、多流模式：

配置基带处理单元和射频拉远单元工作于多天线模式，通过码本设计，实现多天线空分复用，此时基带处理单元同时处理L个数据流，各数据流承载不同用户的数据，同一个用户的数据只存在于一个数据流中，射频拉远单元同时进行L个通道的频率变换；发射时，全空域阵列天线接收射频拉远单元输出的L个射频信号，并解析出L个基带数据流，然后通过数字波束成形形成L个数字波束，从而实现L个空域的用户数据发射；接收时，全空域阵列天线通过数字波束成形形成L个数字波束，覆盖L个空域的用户，接收用户信号，解析出L个基带数据流，并恢复为L个射频信号输出至射频拉远单元。

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