CN111934727A - 一种5g室内外多路mimo收发有源天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，包括MIMO天线阵列、信号判断单元、信号处理单元、室外5G基站以及室内5G基站，提高了5G在复杂环境中的通信质量，通过MIMO技术极大地提高信道容量，在不影响通信质量的情况下增强了穿透障碍物的能力；通过采用MIMO技术提高5G的传输效率，MIMO可以成倍地提高衰落信道的信道容量，多天线阵发送和接收技术本质上是空间分集与时间分集技术的结合，有很好的的抗干扰能力；在此基础上通过信号判断单元来降低整体系统的功耗，当环境干扰较小，信噪比高的情况下可以不使用信号处理单元，减少功耗。

Description

一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统
技术领域
本发明涉及5G、通信系统等技术领域，具体涉及一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统。
背景技术
第五代移动通信技术(英语：5th generation mobile networks或5thgeneration wireless systems、5th-Generation，简称5G或5G技术)是最新一代蜂窝移动通信技术，也是继4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系统之后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。Release-15中的5G规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署。Release-16的第二阶段将于2020年4月完成，作为IMT-2020技术的候选提交给国际电信联盟(ITU)；ITU IMT-2020规范要求速度高达20Gbit/s，可以实现宽信道带宽和大容量MIMO。
但是由于5G大多采用毫米波频段，电磁波的传输具有较大的衰减，而且穿透障碍物的能力较弱；可以通过多进多出(multiple input multiple output，MIMO)来极大地提高信道容量，在发送端和接收端都使用多根天线，在收发之间构成多个信道的天线系统。但是多进多出是一种相当复杂的天线分集技术。多径效应会影响信号质量，需要有效的信号处理算法或系统。所以需要一种解决上述问题的系统。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，提高了5G在复杂环境中的通信质量，通过MIMO技术极大地提高信道容量，在不影响通信质量的情况下增强了穿透障碍物的能力。
一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，包括MIMO天线阵列、信号判断单元、信号处理单元、室外5G基站以及室内5G基站，其中：所述MIMO天线阵列用于收发所述室外5G基站或室内5G基站的数据；所述室外5G基站和室内5G基站均设置有MIMO天线阵列：与室外5G基站通信连接的MIMO天线阵列A、与室内5G基站通信连接的MIMO天线阵列B；每个所述MIMO天线阵列中包括若干微型收发单元；所述MIMO天线阵列B中的微型收发单元数量大于所述MIMO天线阵列A中的微型收发单元数量；所述MIMO天线阵列B接收到所述数据后，发送该数据至信号判断单元；所述信号判断单元用于接收所述数据，并判断所述数据的信噪比：预设标准信噪比S，若所述数据的信噪比大于标准信噪比S，则直接将所述数据转发至所述室内5G基站，若所述数据的信噪比小于标准信噪比S，则将所述数据转发至所述信号处理单元；所述信号处理单元用于通过信号处理算法对所述数据进行检测去噪，将去噪后的数据发送至所述室内5G基站。
本发明一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统通过采用MIMO技术提高5G的传输效率，MIMO可以成倍地提高衰落信道的信道容量，多天线阵发送和接收技术本质上是空间分集与时间分集技术的结合，有很好的的抗干扰能力；一般情况下，基站天线架设的较高，天线阵列周围的近场散射相对较为微弱，因而为了在不同阵元上获取不相关的信号往往需要将阵元间至少保持10倍波长间距。当天线数量较大时，基站线阵列的架设将可能存在障碍。对于移动终端而言，由于近场散射体较为丰富，一般认为天线阵元间距1/2波长以上就可以使信号相关性足够微弱。极化天线阵可以在同一空间位置利用相互正交的极化状态实现阵元见得不相关性，因而可相对的减小天线阵列的尺寸。在此基础上通过信号判断单元来降低整体系统的功耗，当环境干扰较小，信噪比高的情况下可以不使用信号处理单元，减少功耗。
进一步的，所述MIMO天线阵列还包括数字信号处理单元，所述数字信号处理单元与所有微型收发单元通信连接。
进一步的，所述信号处理单元采用VLSI阵列处理器。
进一步的，为了提高信号处理效率，匹配对不同环境的处理能力，所述信号处理算法包括有：最大比合并算法、迫零算法以及最小均方误差算法。
进一步的，所述预设标准信噪比S为110-140dB。
进一步的，所述微型收发单元包括数模/模数转换器、低噪声放大器和双向三端滤波器。
进一步的，为了提高信号接收质量，所述室内5G基站设置在室内的任意两个对角处。
进一步的，为了提高信号接收质量，所述MIMO天线阵列B设置在室外。
进一步的，为了提高信号接收质量，所述室外5G基站所设置的海拔高度比所述室内5G基站的海拔高度高。
进一步的，为了提高信号接收质量，所述MIMO天线阵列A所设置的海拔高度比所述MIMO天线阵列B的海拔高度高。
本发明的有益效果体现在：
本发明一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，提高了5G在复杂环境中的通信质量，通过MIMO技术极大地提高信道容量，在不影响通信质量的情况下增强了穿透障碍物的能力；通过采用MIMO技术提高5G的传输效率，MIMO可以成倍地提高衰落信道的信道容量，多天线阵发送和接收技术本质上是空间分集与时间分集技术的结合，有很好的的抗干扰能力；在此基础上通过信号判断单元来降低整体系统的功耗，当环境干扰较小，信噪比高的情况下可以不使用信号处理单元，减少功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的原理结构示意图；
图2为图1中MIMO天线阵列的原理结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例
如图1、2所示：
一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，包括MIMO天线阵列、信号判断单元、信号处理单元、室外5G基站以及室内5G基站，其中：所述MIMO天线阵列用于收发所述室外5G基站或室内5G基站的数据；所述室外5G基站和室内5G基站均设置有MIMO天线阵列：与室外5G基站通信连接的MIMO天线阵列A、与室内5G基站通信连接的MIMO天线阵列B；每个所述MIMO天线阵列中包括若干微型收发单元；所述MIMO天线阵列B中的微型收发单元数量大于所述MIMO天线阵列A中的微型收发单元数量；所述MIMO天线阵列B接收到所述数据后，发送该数据至信号判断单元；所述信号判断单元用于接收所述数据，并判断所述数据的信噪比：预设标准信噪比S，若所述数据的信噪比大于标准信噪比S，则直接将所述数据转发至所述室内5G基站，若所述数据的信噪比小于标准信噪比S，则将所述数据转发至所述信号处理单元；所述信号处理单元用于通过信号处理算法对所述数据进行检测去噪，将去噪后的数据发送至所述室内5G基站。
本发明一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统通过采用MIMO技术提高5G的传输效率，MIMO可以成倍地提高衰落信道的信道容量，多天线阵发送和接收技术本质上是空间分集与时间分集技术的结合，有很好的的抗干扰能力；一般情况下，基站天线架设的较高，天线阵列周围的近场散射相对较为微弱，因而为了在不同阵元上获取不相关的信号往往需要将阵元间至少保持10倍波长间距。当天线数量较大时，基站线阵列的架设将可能存在障碍。对于移动终端而言，由于近场散射体较为丰富，一般认为天线阵元间距1/2波长以上就可以使信号相关性足够微弱。极化天线阵可以在同一空间位置利用相互正交的极化状态实现阵元见得不相关性，因而可相对的减小天线阵列的尺寸。在此基础上通过信号判断单元来降低整体系统的功耗，当环境干扰较小，信噪比高的情况下可以不使用信号处理单元，减少功耗。
所述微型收发单元为MIMO天线阵列的天线阵元，即为天线(发送天线或接收天线)的最小单位，可通过以下公式体现信道容量，信道容量公式：
Figure BDA0002627958100000051
其中发送天线数为m，接收天线数是n，SNR是每个接收天线的信噪比，C既是信道容量。
MIMO技术还分为：空间分集和空间复用两种类型，本实施例采用空间分集，空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去，同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得分集提高的接收可靠性。
在本实施例中，所述MIMO天线阵列还包括数字信号处理单元，所述数字信号处理单元与所有微型收发单元通信连接。
在本实施例中，所述信号处理单元采用VLSI阵列处理器，VLSI阵列处理器，也叫超大规模集成电路(VLSI)阵列处理器，是一种利用大量处理单元在单指令序列控制下对不同的数据完成相同的操作，从而获得高速计算的信号处理器。非常适合于大数据量、大计算量、运算重复性强的信号处理任务。它们常与通用计算机联用，构成强有力的信号处理系统现有的阵列处理器大致上有两类，即脉动阵列处理器；所述VLSI阵列处理器采用现有的信号处理器和信号处理技术。
在本实施例中，为了提高信号处理效率，匹配对不同环境的处理能力，所述信号处理算法包括有：最大比合并算法、迫零算法以及最小均方误差算法。其中最大比合并算法：最大比合并是分集合并技术中的最优选择，相对于选择合并和等增益合并可以获得最好的性能，性能提升是由Array Gain带来的更高的信噪比，进而带来更好的误码率特性决定的；迫零算法：首先进行线性处理，然后进行SIC(Serial Interference Canceller,串行干扰抵消)检测，线性处理是部分解相关运算，然后按照信号能量大小排序，进行串行干扰抵消操作。
在本实施例中，所述预设标准信噪比S为110-140dB。
在本实施例中，所述微型收发单元包括数模/模数转换器、低噪声放大器和双向三端滤波器。所述微型收发单元可采用现有技术。
在本实施例中，为了提高信号接收质量，所述室内5G基站设置在室内的任意两个对角处。所述MIMO天线阵列B设置在室外。所述室外5G基站所设置的海拔高度比所述室内5G基站的海拔高度高。所述MIMO天线阵列A所设置的海拔高度比所述MIMO天线阵列B的海拔高度高。
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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，其特征在于，包括MIMO天线阵列、信号判断单元、信号处理单元、室外5G基站以及室内5G基站，其中：
所述MIMO天线阵列用于收发所述室外5G基站或室内5G基站的数据；
所述室外5G基站和室内5G基站均设置有MIMO天线阵列：与室外5G基站通信连接的MIMO天线阵列A、与室内5G基站通信连接的MIMO天线阵列B；
每个所述MIMO天线阵列中包括若干微型收发单元；
所述MIMO天线阵列B中的微型收发单元数量大于所述MIMO天线阵列A中的微型收发单元数量；
所述MIMO天线阵列B接收到所述数据后，发送该数据至信号判断单元；
所述信号判断单元用于接收所述数据，并判断所述数据的信噪比：预设标准信噪比S，若所述数据的信噪比大于标准信噪比S，则直接将所述数据转发至所述室内5G基站，若所述数据的信噪比小于标准信噪比S，则将所述数据转发至所述信号处理单元；
所述信号处理单元用于通过信号处理算法对所述数据进行检测去噪，将去噪后的数据发送至所述室内5G基站。
2.根据权利要求1所述的一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，其特征在于：所述MIMO天线阵列还包括数字信号处理单元，所述数字信号处理单元与所有微型收发单元通信连接。
3.根据权利要求1所述的一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，其特征在于：所述信号处理单元采用VLSI阵列处理器。
4.根据权利要求1所述的一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，其特征在于：所述信号处理算法包括有：最大比合并算法、迫零算法以及最小均方误差算法。
5.根据权利要求1所述的一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，其特征在于：所述预设标准信噪比S为110-140dB。
6.根据权利要求1所述的一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，其特征在于：所述微型收发单元包括数模/模数转换器、低噪声放大器和双向三端滤波器。
7.根据权利要求1所述的一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，其特征在于：所述室内5G基站设置在室内的任意两个对角处。
8.根据权利要求1所述的一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，其特征在于：所述MIMO天线阵列B设置在室外。
9.根据权利要求1所述的一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，其特征在于：所述室外5G基站所设置的海拔高度比所述室内5G基站的海拔高度高。
10.根据权利要求1所述的一种5G室内外多路MIMO收发有源天线系统，其特征在于：所述MIMO天线阵列A所设置的海拔高度比所述MIMO天线阵列B的海拔高度高。
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