CN1881830A - 一种宽带非对称业务无线通信基站天线系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带非对称业务无线通信基站天线系统及其实现方法，所述系统包括：M个发射通道、N个接收通道和K个天线单元，其中K大于M、N；当发射时使用K个天线单元中的M个完成MIMO或MIMO与OFDM结合，当接收时使用K个天线中的N个天线完成DBF；所述的M个天线单元能提供相对独立的传输路径，所述N个天线单元具有强相关性；本发明下行因为采用MIMO技术可以与OFDM技术结合，具有较高的通信速率和较高的频谱利用率，以便满足下行对高数据率的要求；上行采用自适应DBF处理技术，满足终端实现相对简单，实现成本较低等需求，特别当终端为便携式时，具有重要意义。

Description

一种宽带非对称业务无线通信基站天线系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种宽带非对称业务无线通信基站天线系统及其实现方法。

背景技术

在移动通信系统中，一般由基站和终端组成系统。随着社会的信息化，人们越来越依赖INTERNET及各种多媒体业务。而且，希望在任何时间、任何地点与任何人及机构通信。这就使得各种先进技术相继在无线宽带通信基站系统得以被采用。例如，多输入多输出(MIMO)是下一代无线通信系统(B3G/4G、WLAN、BWA、MBWA等)的关键技术，但它假设应用环境是平坦衰落无线信道，这一假设在宽带系统中一般不能成立。正交频分复用(OFDM)是一种多载波调制技术，发射端把数据调制到多个相互正交的子载波上同时发送，每个子载波都是窄带，具有很强的抗多径衰落能力，因而可以认为对每个子载波而言，信道是平坦衰落的。另一方面，MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，因此将MIMO技术与OFDM技术相结合，适应下一代系统发展趋势的要求。研究表明，在衰落信道环境下，OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高容量。MIMO OFDM技术是通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，是联合OFDM和MIMO而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。因此，在需要高数据率和高频谱利用率的系统中，MIMO和OFDM相结合的技术开始受到关注。

DBF是自适应智能天线系统中常用的技术，它是数字信号处理技术和自适应算法的结合，在现代数字无线通信系统中具有越来越重要的地位。但是，它的应用条件与MIMO技术有较大的不同。具体来说，MIMO要求系统中各天线单元具有相对独立性，即空间相关性越小越好；而DBF则相反，希望系统中各天线单元具有较强的相关性。

在当今信息时代，随着网络的普及，人们的工作和生活越来越离不开网络，因为，只要上网，就与全球的资讯系统相连接了，个人之间、个人与企业及机构之间、企业机构之间的各种交流与沟通，人们的工作、学习、解惑；生活、休闲与购物等等，可以说，当代的人们，一刻也离不开网络。因此，满足人们随时随地上网成为新一代无线宽带通信系统的主要目标。目前，人类已经在网络世界建立了许许多多数据库，构成庞大的知识系统，满足人们求知、娱乐(VOD，游戏等)。人们只需要提出问题或发出简单的指令，网上就可以下载整部电影，或在线传播视频游戏动态图像，等等。而这些应用的一个共同特点就是，人们发指令只需要很少数据流，而网络传回来的是非常庞大的数据流，即业务是非对称的。因此，人们开始越来越关注如何实现一个高效的非对称无线宽带通信系统。

在非对称业务宽带通信系统条件下，为了满足下行极高的数据率需求，基站往往采用了M路的MIMO系统，即具有至少M个天线，以便达到几十到上百Gbps的数据率；而上行，即基站接收时，往往只要低得多得数据率。现有技术的缺点在于：直接作为单天线使用，或者作为分集。如果接收时仍然使用与发射同样的M个天线完成DBF，因为无法兼顾MIMO和DBF两种技术所需要的工作环境，无法达到预期的效果。在这种情况下，要不因为满足了MIMO对天线单元间相对独立的要求，而使得DBF需要天线单元间的良好相关性无法满足而无法有效形成波束；要么满足了DBF天线单元间的强相关性而使得MIMO的性能大大下降。如果要靠通过FDD(频分复用)使上行与下行情况下，因为频率频段不同而使同样的天线阵列呈现出完全不同的相关特性，则要求下行与上行的频率相差达10倍频程，这显然是不实际的。美国专利6058105“Multipleantenna communication system and method theoreof”提出了一种MIMO技术多天线系统；美国专利5034752“Multiple-Beam antenna system with active modules and digitalbeam-forming”提出了一种基于DBF的无线通信系统。但是，没有MIMO技术和DBF技术同时实现的系统及具体方法。

发明内容

本发明提出了一种宽带非对称业务无线通信基站天线系统和实现方法，可以充分利用非对称业务无线宽带通信系统基站的天线系统资源，在同一个基站中，利用同一个天线族，实现了MIMO和DBF两种技术。

本发明提出的宽带非对称业务无线通信基站天线系统包括：M个发射通道、N个接收通道和K个天线单元，其中K大于M、N；当发射时使用K个天线单元中的M个完成MIMO或MIMO与OFDM结合，当接收时使用K个天线中的N个天线完成DBF；所述的M个天线单元能提供相对独立的传输路径，所述N个天线单元具有强相关性。

所述的M个发射天线单元和N个接收天线单元分别独立从所述K个天线单元中选取，选取的天线单元可以是收发共用的。

所述K个天线单元组成天线族，该天线族可以是：圆阵、线阵、方阵、三维立体阵。

所述天线族构成一个天线子系统，所述M个天线单元组成基站MIMO发射系统，所述N个天线单元组成基站智能天线DBF接收系统。

本发明提出的宽带非对称业务无线通信基站天线的实现方法为：当发射时在K个天线单元中选取能提供相对独立的传输路径的M个天线单元用于MIMO或MIMO与OFDM结合；当接收时在K个天线单元中选取具有强相关性的N个天线单元用于DBF。

所选取的M个发射天线单元和N个接收天线单元中相同的天线单元可采用收发共用天线单元机制。

所述M个发射天线单元的选取原则是：选择天线单元间空间距离大并使得天线单元间的相关性小的天线单元作为发射天线单元。

所述N个接收天线单元可以按照半个波长的原则进行选取。

所述K个天线单元组成天线族，该天线族可以是：圆阵、线阵、方阵、三维立体阵。

本发明具有如下特点：

本发明所述的无线宽带通信基站天线系统，适合非对称无线宽带通信业务应用场合。该系统下行因为采用MIMO技术可以与OFDM技术结合，具有较高的通信速率和较高的频谱利用率，以便满足下行对高数据率的要求。上行采用自适应DBF处理技术，满足终端实现相对简单，实现成本较低等需求，特别当终端为便携式时，具有重要意义。

本发明的特点还在于，通过一定的准则和策略，灵活地在一个由K个独立的天线单元组成的天线族中，同时实现两个在一般通信天线系统中不可能同时实现的技术：MIMO和DBF。

附图说明

图1是本发明基站天线系统组成框图；

图2是本发明收发通道与天线族连接方式示意图；

图3是本发明基站天线系统的一个实施例。

具体实施方式

本发明所述的系统，涉及一个基站的天线系统，以及利用同一个天线系统成功地实现MIMO(结合OFDM)与DBF两种技术。如图1和图2所示。

基站在发射时用M路发射机和从K个天线中选取的M个天线的MIMO结构，以便满足非对称宽带无线通信系统的下行高数据率业务特性需求；在接收时从K个天线中选用N个和N路接收机组成DBF结构，以便最大限度地简化终端：降低发射功率要求和成本。

如图1，系统下行要求有大的数据率，故本发明的下行链路采用MIMO和OFDM技术相结合，以便实现宽带、高数据率和高频谱利用率的目的。基站采用M个天线的MIMO技术进行发射。M可以是任意整数。适当的M取值，可以较好地兼顾基站高数据率的性能要求和工程实现低复杂性两个方面。此时，系统能适用于宽带、高数据率的情况。频谱利用率也比目前系统提高一个数量级以上。当然，要实现MIMO，理论上说，M为大于2的整数都可以。

在接收时，则采用自适应DBF处理的方式，可以在保证下行数据率的前途下，充分利用基站系统的多个天线，组成智能天线，而基站的智能天线可以很好地简化终端。

基站系统有K个独立的天线单元组成一个天线族。由于使用MIMO技术提高系统容量的关键是系统具有不少于M条的独立传输路径，因此从K中选出的M个天线应当可以满足上述条件，即M个天线单元之间是不相关或相关性较小的；又由于DBF组成的智能天线需要N个天线单元具有较强的相关性，因此，N个天线的选择标准与发射时M个天线的选择标准不同。接收时采用N个天线和N路接收机，实现自适应DBF处理。

1)发射采用MIMO+OFDM方式，这种方式是在提高下行通信容量，多径环境适合MIMO技术，即独立或弱相关路径较多时；

2)接收DBF实现智能天线功能，在多径相关性较强时，且上行容量远小于下行情况使用。由于智能天线的特性，基站的接收窄波束可以自适应地对准所通信的终端，从而使终端的发射功率更小，降低终端的设备成本，延长电池使用时间。通常，则仅仅需要比下行少数倍的数据率。因此，可以采用较窄的带宽和较低的数据率。

根据信息时代人们对网络的依赖性，从而在很多情况下，人们需要一种能提供非对称业务服务的系统。本发明的优点在于，提供了一种解决方案，其性能可以满足上述需求。同时，有高的频谱利用率。而后者在无线通信中，是非常重要的。因为，频率资源在无线通信中，是非常宝贵的、不可再生的资源。采用本发明给出的体系结构，能明显提高频谱利用率。本发明的优点还在于，可以应用于非对称无线通信。根据使用业务模型不同，可以灵活分配上下行的带宽。即可以适合于TDD系统，也可以适合于FDD系统。

当终端为便携式设备，如手机时，设备的技术复杂性往往直接影响到其体积、重量、功耗和成本。在这种情况下，尽量降低终端的发射功率、成本及能耗往往成为问题的关键。一种常用的方法是，适当增加基站的复杂性，如在基站端采用智能天线，自适应智能天线能根据终端所处位置和环境，自适应地调整接收波束的形状和指向。其好处在于可以大大提高基站的覆盖范围，按需改变波束覆盖形状。降低了终端所需的发射功率，减少其它终端和基站的干扰，提高接收灵敏度和信杂比，从而降低了终端的复杂性，减少制造成本，延长了电池的使用时间，而电池的使用时间对于一个便携式多媒体移动终端是很重要的。

下面，结合图1和图2，来说明本发明如何具体实现该天线系统：

本发明所述的无线通信天线系统的实现参考模型见图1。基站将需要发射的数据101，通过102进行MIMO映射，上变频后，通过M路发射机113到1M3与天线族104相连。与天线族的连接方法见图2，即为了达到MIMO的技术要求，从天线族K个天线单元中选取M个天线单元与发射通道的M个发射机连接，即M个发射机311到3P1及3Q1到3M1分别与选择出的M个天线单元312到3P2及3Q2到3M2相连；

基站接收时，通过天线族104中选取的N个天线单元与接收通道的N个接收机215到2N5连接，如图1。与天线族的具体连接方法如图2，即N个接收机411到4P1及4J1到4N1分别与选择出的M个天线单元312到3P2及4J2到4N2相连。接收通道完成下变频，A/D变换，将各路信号送给自适应数字波束形成处理单元206，还原的接收信号为207。

天线族共K个天线单元，发射通道所对应连接的M个天线与接收通道所对应的N个天线，其中有P个重叠。亦即本天线系统中，收发共用了P个天线，即在图2中，天线族中编号312到3P2的P个天线供收发共用。而3Q2到3M2共M-P个天线单元仅供发射用，4J2到4N2共N-P个天线单元仅供接收用。N个天线单元的选择原则是满足接收机完成自适应DBF所达到的技术要求。

为了保证天线族即满足发射时的MIMO要求，又满足接收时的DBF要求，天线族的形状和天线单元个数K必须有一定的要求。天线族可以设计成平面阵列、圆阵列、线阵列、或2、3维的其它形式阵列；天线单元个数K应该大于M和N中的任何一个，以便在选择收发天线单元时有足够大的自由度。天线单元本身的形式则不限制，以可以满足系统要求为原则。

下面设K＝8、M＝4、N＝8和P＝4，结合附图3，对一个实施例作详细描述。需要说明的是，在圆阵情况下，只是一种特殊的例子，而且，相对来说是一种比较苛刻的情况：

1)将K＝8个天线单元，例如半波振子天线，微带天线或多木天线等，按相互间隔半个波长布置成圆阵；

2)M个发射天线的选取，根据尽量不相关原则，取第偶数个(A2，A4，A6，A8)或第奇数个(A1，A3，A5，A7)的4个天线，尽量拉远个单元的空间距离，以便减少其相关性；

3)N则取全部8个天线(A1-A8)，符合智能天线系统DBF的技术需求。

基站发射时采用M个天线，实现发射MIMO(可以和OFDM结合)，旨在提高下行频谱利用率；接收采用DBF智能天线，旨在合理利用基站天线族资源，降低终端复杂性，从而降低终端的功耗和成本。

Claims (9)

1.一种宽带非对称业务无线通信基站天线系统，其特征在于，所述系统包括：M个发射通道、N个接收通道和K个天线单元，其中K大于M、N；当发射时使用K个天线单元中的M个完成MIMO或MIMO与OFDM结合，当接收时使用K个天线中的N个天线完成DBF；所述的M个天线单元能提供相对独立的传输路径，所述N个天线单元具有强相关性。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的M个发射天线单元和N个接收天线单元分别独立从所述K个天线单元中选取，选取的天线单元可以是收发共用的。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述K个天线单元组成天线族，该天线族可以是：圆阵、线阵、方阵、三维立体阵。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述天线族构成一个天线子系统，所述M个天线单元组成基站MIMO发射系统，所述N个天线单元组成基站智能天线DBF接收系统。

5.一种宽带非对称业务无线通信基站天线的实现方法，其特征在于，所述方法包括：

当发射时在K个天线单元中选取能提供相对独立的传输路径的M个天线单元用于MIMO或MIMO与OFDM结合；当接收时在K个天线单元中选取具有强相关性的N个天线单元用于DBF。

6.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所选取的M个发射天线单元和N个接收天线单元中相同的天线单元可采用收发共用天线单元机制。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述M个发射天线单元的选取原则是：选择天线单元间空间距离大并使得天线单元间的相关性小的天线单元作为发射天线单元。

8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述N个接收天线单元可以按照半个波长的原则进行选取。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述K个天线单元组成天线族，该天线族可以是：圆阵、线阵、方阵、三维立体阵。

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