CN202713298U - 适合电力无线通信专用网的多天线系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种适合电力无线通信专用网的多天线系统，属于无线电通信领域。该多天线系统在基站侧实现发射信号空间分集和分集接收信号合并，并利用终端定向天线提供波束赋形。该天线系统配合基站侧的分集接收信号合并处理，能极大的提高电力无线通信专用网的上、下行无线链路性能，保证数据在信道中的有效、可靠传输；并且能简化基站和终端设备的射频处理和天线单元，降低设备成本；能够节约基站和终端天线的安装空间，便于工程实施。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种天线系统，特别是一种适合电力无线通信专用网的多天线系统。
背景技术
作为智能电网的基础设施，建设一个安全、可靠、高效的通信系统显得尤为重要。随着我国自主知识产权的TD-LTE技术的成熟和逐步商用，电网行业也正在积极探索这一先进技术在智能电网中的应用。在智能电网的建设中，配用电环节的智能化是其中的重要组成部分，通信系统需要解决分布地域广泛、数量众多的智能测控终端的远程接入。合理、有效的通信方式就是使用无线通信接入系统。
在TD-LTE系统中采用了大量先进的技术，在天线系统上使用MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）技术，但这一技术在电力无线通信专用网中的应用还是面临一些问题：射频系统复杂导致成本上升，基站天线数量多从而不便于选址和工程实施。其实，使用MIMO技术的主要目的在于配合OFDMA技术提供高效的频谱利用效率、提升热点或中心区域的峰值速率，而这并不是专网无线通信的主要要求。
在电力无线通信专用网中，通信终端数据速率小，终端位置固定，多径效应和阴影效应是影响通信的主要问题。因此，电力无线通信专网的主要目标在于提高链路质量而不是提高链路容量，这就为简化天线系统的设计提供了有利条件，可以重点考虑在基站侧实施空间分集，提高数据传输的可靠性，增大小区覆盖范围，并且在基站和终端的天线系统构成上尽可能简单，以减少占无线通信设备成本构成大部分的射频系统成本。同时，电力无线通信专用网的基站设备和天线系统安装环境较差，要求基站及其天线系统在满足系统性能的同时也要便于工程实施。
目前，在TD-LTE系统中利用MIMO系统实现空间分集、空间复用、波束赋形，以提高小区中心或热点地区的数据传输容量为目的，从物理层调制到天线的映射由MAC层的天线资源分配决定，算法复杂且对信道估计和同步系统要求较高，在试图提高性能的同时增加了较大的实现上的复杂性、使得设备的成本上升，天线数量多不便于基站的选址和工程实施，为了达到较高的性能，对基站天线系统的安装条件有较多的限制。事实上，基站侧的MIMO应用效果取决于能否有效区分多个天线，由于金属天线的耦合产生相互干扰，如使用环境不当，MIMO天线系统的性能甚至差于单天线系统。
实用新型内容
本实用新型的发明目的在于：针对电力无线通信专用网的特点和上述MIMO天线系统存在的问题，提供一种适合电力无线通信专用网的多天线系统，通过在基站侧的发射和接收空间分集、以及在终端侧提供的波束赋形，提高电力无线通信专用网的上、下行链路质量，保证合适的数据传输速率和传输可靠性；简化整个系统的天线设计，在基站侧使用两个全向天线，在终端侧使用单一的定向天线，减少了系统的天线数量，降低了基站射频系统和天线系统的成本，并且便于工程实施。
本实用新型采用的技术方案是这样的：
一种适合电力无线通信专用网的多天线系统，包括基站侧天线设备和终端侧天线设备，该基站侧天线设备用于发送下行信号给该终端侧天线设备，并接收该终端侧天线设备发送的上行信号；
其特征在于：该基站侧多天线设备包括功率分配器、TDD收发开关、第一全向天线和第二全向天线，工作在时分双工方式；该终端侧天线设备使用单一的定向天线；
所述基站侧功率分配器用于对下行信号形成两路下行发射空间分集信号；
所述TDD收发开关在发射（Tx）状态时，功率分配器输出的两路下行发射空间分集信号分别通过该第一全向天线和第二全向天线同时发送给该定向天线；
所述定向天线提供下行信号的等效波束赋形。
该基站侧多天线设备还包括第一射频处理单元、第二射频处理单元、分集接收信号合并器和检测器，其中所述终端侧天线设备通过使用单一的定向天线对上行信号进行波束赋形并发送经波束赋形后的上行信号；
所述TDD收发开关在Rx状态时，该第一全向天线和第二全向天线同时用于接收来自定向天线的上行信号；
所述第一射频处理单元用于对该第一全向天线接收的上行信号进行射频处理，并送入分集合并器；
所述第二射频处理单元用于对该第二全向天线接收的上行信号进行射频处理，并送入分集合并器；
所述分集信号合并器用于进行二重空间分集接收信号的合并处理；
所述检测器用于对该分集合并结果进行检测。
该功率分配器的输入/输出阻抗为50欧姆。
该基站侧天线设备在TDD时分双工方式下工作。
第一全向天线和第二全向天线的距离应大于或者等于10个信号波长。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
1、在下行方向，基站侧的发射分集提供了分集路径，并利用终端定向天线提供的等效波束赋形，极大的提高了系统下行链路质量，保证了数据传输速率和传输的可靠性，增大了小区覆盖范围。并且有利于终端接收机信号处理的简化，降低终端成本。
2、发射的两重分集信号由射频功放的输出功分出两路形成，分别送给两个相距为10个波长的不同的天线；功率分配器是50欧系统，不会产生相位畸变，即使两路开关的接通时间有很小的差别，在终端的接收也可等效为不同传输路径的时延。该发射分集方式性能好、实现方式简单，可有效降低基站射频系统和天线系统成本。
3、在基站侧使用两个全向天线，在终端侧使用一个天线定向天线，减少了天线系统占据的空间，便于工程安装实施；
4、在TDD时分双工方式下工作，使用的频率相同、天线相同，可以认为上、下行传输的无线信道特性基本一致；
5、终端通过使用定向天线进行上行信号波束赋形，在上行方向，终端发射功率较小，波束赋形提高了上行链路的质量；同时，基站使用与发射分集相同的第一全向天线和第二全向天线进行上行分集接收，并通过对接收信号的接收分集合并处理获得分集增益，进一步提高了上行链路的质量；
附图说明
图1是本实用新型的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，该适合电力无线通信专用网的多天线系统包括基站侧天线设备和终端侧天线设备，其中该基站侧天线设备用于发送下行信号给该终端侧天线设备，该终端侧天线设备用于发送上行信号给该基站侧天线设备。
该多天线系统位于基站侧，该基站侧的多天线系统由功率分配器、TDD收发开关、第一全向天线和第二全向天线构成，工作在时分双工方式；当然，该基站侧的射频发射系统还包括射频功率放大器、滤波器等射频单元；该终端侧天线设备使用单一的定向天线；
在下行链路中，该功率分配器用于对经滤波后的基站下行信号分成两路输出；该第一全向天线和第二全向天线用于基站下行信号的发射分集，给终端提供接收信号的分集路径；终端侧的定向天线可以形成等效的下行信号波束赋形，提高了系统的下行链路质量，保证了数据传输速率和传输可靠性，增加了小区覆盖范围，并且可以简化终端侧设备的信号处理。在基站侧仅使用两个全向天线，可以减少天线系统的安装空间，便于工程实施。在终端侧使用定向天线，定向天线尺寸较小，并不会占据较大的安装空间。
在上行链路中，该终端侧使用的定向天线设备对上行信号进行波束赋形；该基站侧的第一全向天线和第二全向天线通过TDD收发开关的切换，用于接收上行信号；并通过基站侧的第一射频处理单元和第二射频处理单元分别送给该分集合并器、该分集合并器用于对基站接收的上行信号进行接收分集合并处理；检测器用于对该分集合并结果进行检测从而产生接收分集增益。由于终端侧设备的发射功率较小，通过终端侧定向天线提供的上行波束赋形，可以有效提高上行链路的质量；同时，通过基站侧的接收分集信号合并处理，进一步提高了上行链路的质量。基站侧天线设备的分集合并可以根据情况在数字中频或基带中进行处理。
总的来说，本实用新型在基站侧使用两个全向天线、TDD收发开关、功率分配器，在时分双工方式下工作，提供下行信号发射分集，同样的天线还用于上行信号的分集接收；在终端侧使用单一的定向天线，可以形成上行信号的波束赋形，同样的天线还可以形成下行信号的等效波束赋形；其结果是在下行链路上同时具备发射信号分集和波束赋形效果，在上行链路上同时具备波束赋形和接收分集处理效果，极大的提高了电力无线通信专用网的上、下行无线链路质量，提高了系统的性能，减少了基站射频系统和天线系统成本，减少了终端设备的信号处理复杂度从而降低终端成本；在基站侧和终端侧使用少量的天线，在提高性能的同时，又方便工程安装实施。
在基站侧，功率分配器的输入/输出阻抗为50欧，使得功率分配器生成的两路输出信号不会产生相位畸变，即使两路天线开关的接通时间有很小的差别，对基站或终端的接收处理来说也可等效为不同传输路径的时延。该基站侧天线设备和终端侧天线设备在TDD时分双工方式下工作，使用的频率相同、天线相同，可以认为上、下行传输的无线信道特性基本一致。
在本实用新型的第一实施例中，电力无线通信专用网使用700MHz频率，波长约为0.4m，为了实现有效的空间分集，天线距离应达到4m。此时，基站设备和天线可以安装在变电站或条件较好的开关站、配电室，甚至在10KV架空线路上，且对终端来说定向天线尺寸也较小（如八木天线）。在充分保障通信性能的前提下，本实用新型的天线安装空间合理实用，便于根据系统覆盖需要选定基站位置。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适合电力无线通信专用网的多天线系统，包括基站侧天线设备和终端侧天线设备，该基站侧天线设备用于发送下行信号给该终端侧天线设备，并接收该终端侧天线设备发送的上行信号；
其特征在于：该基站侧多天线设备包括功率分配器、TDD收发开关、第一全向天线和第二全向天线，工作在时分双工方式；该终端侧天线设备使用单一的定向天线；
所述基站侧功率分配器用于对下行信号形成两路下行发射空间分集信号；
所述TDD收发开关在发射（Tx）状态时，功率分配器输出的两路下行发射空间分集信号分别通过该第一全向天线和第二全向天线同时发送给该定向天线；
所述定向天线提供下行信号的等效波束赋形。
2.根据权利要求1所述的适合电力无线通信专用网的多天线系统，其特征在于：该基站侧多天线设备还包括第一射频处理单元、第二射频处理单元、分集接收信号合并器和检测器，其中所述终端侧天线设备通过使用单一的定向天线对上行信号进行波束赋形并发送经波束赋形后的上行信号；
所述TDD收发开关在Rx状态时，该第一全向天线和第二全向天线同时用于接收来自定向天线的上行信号；
所述第一射频处理单元用于对该第一全向天线接收的上行信号进行射频处理，并送入分集合并器；
所述第二射频处理单元用于对该第二全向天线接收的上行信号进行射频处理，并送入分集合并器；
所述分集信号合并器用于进行二重空间分集接收信号的合并处理；
所述检测器用于对该分集合并结果进行检测。
3.根据权利要求1所述的适合电力无线通信专用网的多天线系统，其特征在于：该功率分配器的输入/输出阻抗为50欧姆。
4.根据权利要求1或2所述的适合电力无线通信专用网的多天线系统，其特征在于：该基站侧天线设备在TDD时分双工方式下工作。
5.根据权利要求1或2所述的适合电力无线通信专用网的多天线系统，其特征在于：第一全向天线和第二全向天线的距离应大于或者等于10个信号波长。
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| CN106033992A (zh) * | 2015-03-12 | 2016-10-19 | 北京军懋国兴科技股份有限公司 | 飞行数据实时监控系统的基站系统 |
| CN114513219A (zh) * | 2020-11-16 | 2022-05-17 | 深圳市万普拉斯科技有限公司 | 天线设备、移动终端及其控制方法 |
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