專利名稱:一種寬帶非對稱業(yè)務(wù)無線通信基站天線系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種寬帶非對稱業(yè)務(wù)無線通信基站天線系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù):
在移動通信系統(tǒng)中,一般由基站和終端組成系統(tǒng)。隨著社會的信息化,人們越來越依賴INTERNET及各種多媒體業(yè)務(wù)。而且,希望在任何時間、任何地點(diǎn)與任何人及機(jī)構(gòu)通信。這就使得各種先進(jìn)技術(shù)相繼在無線寬帶通信基站系統(tǒng)得以被采用。例如,多輸入多輸出(MIMO)是下一代無線通信系統(tǒng)(B3G/4G、WLAN、BWA、MBWA等)的關(guān)鍵技術(shù),但它假設(shè)應(yīng)用環(huán)境是平坦衰落無線信道,這一假設(shè)在寬帶系統(tǒng)中一般不能成立。正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種多載波調(diào)制技術(shù),發(fā)射端把數(shù)據(jù)調(diào)制到多個相互正交的子載波上同時發(fā)送,每個子載波都是窄帶,具有很強(qiáng)的抗多徑衰落能力,因而可以認(rèn)為對每個子載波而言,信道是平坦衰落的。另一方面,MIMO技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率,因此將MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合,適應(yīng)下一代系統(tǒng)發(fā)展趨勢的要求。研究表明,在衰落信道環(huán)境下,OFDM系統(tǒng)非常適合使用MIMO技術(shù)來提高容量。MIMO OFDM技術(shù)是通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實(shí)現(xiàn)空間分集,提高了信號質(zhì)量,是聯(lián)合OFDM和MIMO而得到的一種新技術(shù)。它利用了時間、頻率和空間三種分集技術(shù),使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。因此,在需要高數(shù)據(jù)率和高頻譜利用率的系統(tǒng)中,MIMO和OFDM相結(jié)合的技術(shù)開始受到關(guān)注。
DBF是自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)中常用的技術(shù),它是數(shù)字信號處理技術(shù)和自適應(yīng)算法的結(jié)合,在現(xiàn)代數(shù)字無線通信系統(tǒng)中具有越來越重要的地位。但是,它的應(yīng)用條件與MIMO技術(shù)有較大的不同。具體來說,MIMO要求系統(tǒng)中各天線單元具有相對獨(dú)立性,即空間相關(guān)性越小越好;而DBF則相反,希望系統(tǒng)中各天線單元具有較強(qiáng)的相關(guān)性。
在當(dāng)今信息時代,隨著網(wǎng)絡(luò)的普及,人們的工作和生活越來越離不開網(wǎng)絡(luò),因為,只要上網(wǎng),就與全球的資訊系統(tǒng)相連接了,個人之間、個人與企業(yè)及機(jī)構(gòu)之間、企業(yè)機(jī)構(gòu)之間的各種交流與溝通,人們的工作、學(xué)習(xí)、解惑;生活、休閑與購物等等,可以說,當(dāng)代的人們,一刻也離不開網(wǎng)絡(luò)。因此,滿足人們隨時隨地上網(wǎng)成為新一代無線寬帶通信系統(tǒng)的主要目標(biāo)。目前,人類已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)世界建立了許許多多數(shù)據(jù)庫,構(gòu)成龐大的知識系統(tǒng),滿足人們求知、娛樂(VOD,游戲等)。人們只需要提出問題或發(fā)出簡單的指令,網(wǎng)上就可以下載整部電影,或在線傳播視頻游戲動態(tài)圖像,等等。而這些應(yīng)用的一個共同特點(diǎn)就是,人們發(fā)指令只需要很少數(shù)據(jù)流,而網(wǎng)絡(luò)傳回來的是非常龐大的數(shù)據(jù)流,即業(yè)務(wù)是非對稱的。因此,人們開始越來越關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)一個高效的非對稱無線寬帶通信系統(tǒng)。
在非對稱業(yè)務(wù)寬帶通信系統(tǒng)條件下,為了滿足下行極高的數(shù)據(jù)率需求,基站往往采用了M路的MIMO系統(tǒng),即具有至少M(fèi)個天線,以便達(dá)到幾十到上百Gbps的數(shù)據(jù)率;而上行,即基站接收時,往往只要低得多得數(shù)據(jù)率?,F(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)在于直接作為單天線使用,或者作為分集。如果接收時仍然使用與發(fā)射同樣的M個天線完成DBF,因為無法兼顧MIMO和DBF兩種技術(shù)所需要的工作環(huán)境,無法達(dá)到預(yù)期的效果。在這種情況下,要不因為滿足了MIMO對天線單元間相對獨(dú)立的要求,而使得DBF需要天線單元間的良好相關(guān)性無法滿足而無法有效形成波束;要么滿足了DBF天線單元間的強(qiáng)相關(guān)性而使得MIMO的性能大大下降。如果要靠通過FDD(頻分復(fù)用)使上行與下行情況下,因為頻率頻段不同而使同樣的天線陣列呈現(xiàn)出完全不同的相關(guān)特性,則要求下行與上行的頻率相差達(dá)10倍頻程,這顯然是不實(shí)際的。美國專利6058105“Multipleantenna communication system and method theoreof”提出了一種MIMO技術(shù)多天線系統(tǒng);美國專利5034752“Multiple-Beam antenna system with active modules and digitalbeam-forming”提出了一種基于DBF的無線通信系統(tǒng)。但是,沒有MIMO技術(shù)和DBF技術(shù)同時實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)及具體方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種寬帶非對稱業(yè)務(wù)無線通信基站天線系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)方法,可以充分利用非對稱業(yè)務(wù)無線寬帶通信系統(tǒng)基站的天線系統(tǒng)資源,在同一個基站中,利用同一個天線族,實(shí)現(xiàn)了MIMO和DBF兩種技術(shù)。
本發(fā)明提出的寬帶非對稱業(yè)務(wù)無線通信基站天線系統(tǒng)包括M個發(fā)射通道、N個接收通道和K個天線單元,其中K大于M、N;當(dāng)發(fā)射時使用K個天線單元中的M個完成MIMO或MIMO與OFDM結(jié)合,當(dāng)接收時使用K個天線中的N個天線完成DBF;所述的M個天線單元能提供相對獨(dú)立的傳輸路徑,所述N個天線單元具有強(qiáng)相關(guān)性。
所述的M個發(fā)射天線單元和N個接收天線單元分別獨(dú)立從所述K個天線單元中選取,選取的天線單元可以是收發(fā)共用的。
所述K個天線單元組成天線族,該天線族可以是圓陣、線陣、方陣、三維立體陣。
所述天線族構(gòu)成一個天線子系統(tǒng),所述M個天線單元組成基站MIMO發(fā)射系統(tǒng),所述N個天線單元組成基站智能天線DBF接收系統(tǒng)。
本發(fā)明提出的寬帶非對稱業(yè)務(wù)無線通信基站天線的實(shí)現(xiàn)方法為當(dāng)發(fā)射時在K個天線單元中選取能提供相對獨(dú)立的傳輸路徑的M個天線單元用于MIMO或MIMO與OFDM結(jié)合;當(dāng)接收時在K個天線單元中選取具有強(qiáng)相關(guān)性的N個天線單元用于DBF。
所選取的M個發(fā)射天線單元和N個接收天線單元中相同的天線單元可采用收發(fā)共用天線單元機(jī)制。
所述M個發(fā)射天線單元的選取原則是選擇天線單元間空間距離大并使得天線單元間的相關(guān)性小的天線單元作為發(fā)射天線單元。
所述N個接收天線單元可以按照半個波長的原則進(jìn)行選取。
所述K個天線單元組成天線族,該天線族可以是圓陣、線陣、方陣、三維立體陣。
本發(fā)明具有如下特點(diǎn)本發(fā)明所述的無線寬帶通信基站天線系統(tǒng),適合非對稱無線寬帶通信業(yè)務(wù)應(yīng)用場合。該系統(tǒng)下行因為采用MIMO技術(shù)可以與OFDM技術(shù)結(jié)合,具有較高的通信速率和較高的頻譜利用率,以便滿足下行對高數(shù)據(jù)率的要求。上行采用自適應(yīng)DBF處理技術(shù),滿足終端實(shí)現(xiàn)相對簡單,實(shí)現(xiàn)成本較低等需求,特別當(dāng)終端為便攜式時,具有重要意義。
本發(fā)明的特點(diǎn)還在于,通過一定的準(zhǔn)則和策略,靈活地在一個由K個獨(dú)立的天線單元組成的天線族中,同時實(shí)現(xiàn)兩個在一般通信天線系統(tǒng)中不可能同時實(shí)現(xiàn)的技術(shù)MIMO和DBF。
圖1是本發(fā)明基站天線系統(tǒng)組成框圖;圖2是本發(fā)明收發(fā)通道與天線族連接方式示意圖;圖3是本發(fā)明基站天線系統(tǒng)的一個實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所述的系統(tǒng),涉及一個基站的天線系統(tǒng),以及利用同一個天線系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)MIMO(結(jié)合OFDM)與DBF兩種技術(shù)。如圖1和圖2所示。
基站在發(fā)射時用M路發(fā)射機(jī)和從K個天線中選取的M個天線的MIMO結(jié)構(gòu),以便滿足非對稱寬帶無線通信系統(tǒng)的下行高數(shù)據(jù)率業(yè)務(wù)特性需求;在接收時從K個天線中選用N個和N路接收機(jī)組成DBF結(jié)構(gòu),以便最大限度地簡化終端降低發(fā)射功率要求和成本。
如圖1,系統(tǒng)下行要求有大的數(shù)據(jù)率,故本發(fā)明的下行鏈路采用MIMO和OFDM技術(shù)相結(jié)合,以便實(shí)現(xiàn)寬帶、高數(shù)據(jù)率和高頻譜利用率的目的?;静捎肕個天線的MIMO技術(shù)進(jìn)行發(fā)射。M可以是任意整數(shù)。適當(dāng)?shù)腗取值,可以較好地兼顧基站高數(shù)據(jù)率的性能要求和工程實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜性兩個方面。此時,系統(tǒng)能適用于寬帶、高數(shù)據(jù)率的情況。頻譜利用率也比目前系統(tǒng)提高一個數(shù)量級以上。當(dāng)然,要實(shí)現(xiàn)MIMO,理論上說,M為大于2的整數(shù)都可以。
在接收時,則采用自適應(yīng)DBF處理的方式,可以在保證下行數(shù)據(jù)率的前途下,充分利用基站系統(tǒng)的多個天線,組成智能天線,而基站的智能天線可以很好地簡化終端。
基站系統(tǒng)有K個獨(dú)立的天線單元組成一個天線族。由于使用MIMO技術(shù)提高系統(tǒng)容量的關(guān)鍵是系統(tǒng)具有不少于M條的獨(dú)立傳輸路徑,因此從K中選出的M個天線應(yīng)當(dāng)可以滿足上述條件,即M個天線單元之間是不相關(guān)或相關(guān)性較小的;又由于DBF組成的智能天線需要N個天線單元具有較強(qiáng)的相關(guān)性,因此,N個天線的選擇標(biāo)準(zhǔn)與發(fā)射時M個天線的選擇標(biāo)準(zhǔn)不同。接收時采用N個天線和N路接收機(jī),實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)DBF處理。
1)發(fā)射采用MIMO+OFDM方式,這種方式是在提高下行通信容量,多徑環(huán)境適合MIMO技術(shù),即獨(dú)立或弱相關(guān)路徑較多時;2)接收DBF實(shí)現(xiàn)智能天線功能,在多徑相關(guān)性較強(qiáng)時,且上行容量遠(yuǎn)小于下行情況使用。由于智能天線的特性,基站的接收窄波束可以自適應(yīng)地對準(zhǔn)所通信的終端,從而使終端的發(fā)射功率更小,降低終端的設(shè)備成本,延長電池使用時間。通常,則僅僅需要比下行少數(shù)倍的數(shù)據(jù)率。因此,可以采用較窄的帶寬和較低的數(shù)據(jù)率。
根據(jù)信息時代人們對網(wǎng)絡(luò)的依賴性,從而在很多情況下,人們需要一種能提供非對稱業(yè)務(wù)服務(wù)的系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于,提供了一種解決方案,其性能可以滿足上述需求。同時,有高的頻譜利用率。而后者在無線通信中,是非常重要的。因為,頻率資源在無線通信中,是非常寶貴的、不可再生的資源。采用本發(fā)明給出的體系結(jié)構(gòu),能明顯提高頻譜利用率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還在于,可以應(yīng)用于非對稱無線通信。根據(jù)使用業(yè)務(wù)模型不同,可以靈活分配上下行的帶寬。即可以適合于TDD系統(tǒng),也可以適合于FDD系統(tǒng)。
當(dāng)終端為便攜式設(shè)備,如手機(jī)時,設(shè)備的技術(shù)復(fù)雜性往往直接影響到其體積、重量、功耗和成本。在這種情況下,盡量降低終端的發(fā)射功率、成本及能耗往往成為問題的關(guān)鍵。一種常用的方法是,適當(dāng)增加基站的復(fù)雜性,如在基站端采用智能天線,自適應(yīng)智能天線能根據(jù)終端所處位置和環(huán)境,自適應(yīng)地調(diào)整接收波束的形狀和指向。其好處在于可以大大提高基站的覆蓋范圍,按需改變波束覆蓋形狀。降低了終端所需的發(fā)射功率,減少其它終端和基站的干擾,提高接收靈敏度和信雜比,從而降低了終端的復(fù)雜性,減少制造成本,延長了電池的使用時間,而電池的使用時間對于一個便攜式多媒體移動終端是很重要的。
下面,結(jié)合圖1和圖2,來說明本發(fā)明如何具體實(shí)現(xiàn)該天線系統(tǒng)本發(fā)明所述的無線通信天線系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)參考模型見圖1?;緦⑿枰l(fā)射的數(shù)據(jù)101,通過102進(jìn)行MIMO映射,上變頻后,通過M路發(fā)射機(jī)113到1M3與天線族104相連。與天線族的連接方法見圖2,即為了達(dá)到MIMO的技術(shù)要求,從天線族K個天線單元中選取M個天線單元與發(fā)射通道的M個發(fā)射機(jī)連接,即M個發(fā)射機(jī)311到3P1及3Q1到3M1分別與選擇出的M個天線單元312到3P2及3Q2到3M2相連;基站接收時,通過天線族104中選取的N個天線單元與接收通道的N個接收機(jī)215到2N5連接,如圖1。與天線族的具體連接方法如圖2,即N個接收機(jī)411到4P1及4J1到4N1分別與選擇出的M個天線單元312到3P2及4J2到4N2相連。接收通道完成下變頻,A/D變換,將各路信號送給自適應(yīng)數(shù)字波束形成處理單元206,還原的接收信號為207。
天線族共K個天線單元,發(fā)射通道所對應(yīng)連接的M個天線與接收通道所對應(yīng)的N個天線,其中有P個重疊。亦即本天線系統(tǒng)中,收發(fā)共用了P個天線,即在圖2中,天線族中編號312到3P2的P個天線供收發(fā)共用。而3Q2到3M2共M-P個天線單元僅供發(fā)射用,4J2到4N2共N-P個天線單元僅供接收用。N個天線單元的選擇原則是滿足接收機(jī)完成自適應(yīng)DBF所達(dá)到的技術(shù)要求。
為了保證天線族即滿足發(fā)射時的MIMO要求,又滿足接收時的DBF要求,天線族的形狀和天線單元個數(shù)K必須有一定的要求。天線族可以設(shè)計成平面陣列、圓陣列、線陣列、或2、3維的其它形式陣列;天線單元個數(shù)K應(yīng)該大于M和N中的任何一個,以便在選擇收發(fā)天線單元時有足夠大的自由度。天線單元本身的形式則不限制,以可以滿足系統(tǒng)要求為原則。
下面設(shè)K=8、M=4、N=8和P=4,結(jié)合附圖3,對一個實(shí)施例作詳細(xì)描述。需要說明的是,在圓陣情況下,只是一種特殊的例子,而且,相對來說是一種比較苛刻的情況1)將K=8個天線單元,例如半波振子天線,微帶天線或多木天線等,按相互間隔半個波長布置成圓陣;2)M個發(fā)射天線的選取,根據(jù)盡量不相關(guān)原則,取第偶數(shù)個(A2,A4,A6,A8)或第奇數(shù)個(A1,A3,A5,A7)的4個天線,盡量拉遠(yuǎn)個單元的空間距離,以便減少其相關(guān)性;3)N則取全部8個天線(A1-A8),符合智能天線系統(tǒng)DBF的技術(shù)需求。
基站發(fā)射時采用M個天線,實(shí)現(xiàn)發(fā)射MIMO(可以和OFDM結(jié)合),旨在提高下行頻譜利用率;接收采用DBF智能天線,旨在合理利用基站天線族資源,降低終端復(fù)雜性,從而降低終端的功耗和成本。
權(quán)利要求
1.一種寬帶非對稱業(yè)務(wù)無線通信基站天線系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)包括M個發(fā)射通道、N個接收通道和K個天線單元,其中K大于M、N;當(dāng)發(fā)射時使用K個天線單元中的M個完成MIMO或MIMO與OFDM結(jié)合,當(dāng)接收時使用K個天線中的N個天線完成DBF;所述的M個天線單元能提供相對獨(dú)立的傳輸路徑,所述N個天線單元具有強(qiáng)相關(guān)性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述的M個發(fā)射天線單元和N個接收天線單元分別獨(dú)立從所述K個天線單元中選取,選取的天線單元可以是收發(fā)共用的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng),其特征在于,所述K個天線單元組成天線族,該天線族可以是圓陣、線陣、方陣、三維立體陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng),其特征在于,所述天線族構(gòu)成一個天線子系統(tǒng),所述M個天線單元組成基站MIMO發(fā)射系統(tǒng),所述N個天線單元組成基站智能天線DBF接收系統(tǒng)。
5.一種寬帶非對稱業(yè)務(wù)無線通信基站天線的實(shí)現(xiàn)方法,其特征在于,所述方法包括當(dāng)發(fā)射時在K個天線單元中選取能提供相對獨(dú)立的傳輸路徑的M個天線單元用于MIMO或MIMO與OFDM結(jié)合;當(dāng)接收時在K個天線單元中選取具有強(qiáng)相關(guān)性的N個天線單元用于DBF。
6.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,所選取的M個發(fā)射天線單元和N個接收天線單元中相同的天線單元可采用收發(fā)共用天線單元機(jī)制。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法,其特征在于,所述M個發(fā)射天線單元的選取原則是選擇天線單元間空間距離大并使得天線單元間的相關(guān)性小的天線單元作為發(fā)射天線單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法,其特征在于,所述N個接收天線單元可以按照半個波長的原則進(jìn)行選取。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,所述K個天線單元組成天線族,該天線族可以是圓陣、線陣、方陣、三維立體陣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬帶非對稱業(yè)務(wù)無線通信基站天線系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法,所述系統(tǒng)包括M個發(fā)射通道、N個接收通道和K個天線單元,其中K大于M、N;當(dāng)發(fā)射時使用K個天線單元中的M個完成MIMO或MIMO與OFDM結(jié)合,當(dāng)接收時使用K個天線中的N個天線完成DBF;所述的M個天線單元能提供相對獨(dú)立的傳輸路徑,所述N個天線單元具有強(qiáng)相關(guān)性;本發(fā)明下行因為采用MIMO技術(shù)可以與OFDM技術(shù)結(jié)合,具有較高的通信速率和較高的頻譜利用率,以便滿足下行對高數(shù)據(jù)率的要求;上行采用自適應(yīng)DBF處理技術(shù),滿足終端實(shí)現(xiàn)相對簡單,實(shí)現(xiàn)成本較低等需求,特別當(dāng)終端為便攜式時,具有重要意義。
文檔編號H04L1/02GK1881830SQ20051007666
公開日2006年12月20日 申請日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月13日
發(fā)明者謝玉堂 申請人:中興通訊股份有限公司