基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，其特征是：包括低空平臺，所述低空平臺上搭載有大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)，大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)同時同頻率向多個用戶終端收發(fā)信號，低空平臺系留在一個地面單元，地面單元通過空地鏈路和低空平臺進(jìn)行通信，地面單元通過高速微波鏈路或者衛(wèi)星鏈路和遠(yuǎn)端節(jié)點或者網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。本發(fā)明的有益效果是：大大提高了傳輸速率，操作簡單，可快速部署，所需發(fā)射功率小，干擾小，可靠性高，適用范圍廣，大大提高了其長期的可持續(xù)服務(wù)能力，覆蓋范圍大，可以帶來更高的面積頻譜效率以及更高的用戶密度，降低了成本。
【專利說明】基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)
[0001](一)【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種無線通信架構(gòu)，特別涉及一種基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)。
[0002](二)【背景技術(shù)】
多入多出天線技術(shù)(multiple-1n multiple-out , ΜΙΜΟ)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于提高各種無線通信系統(tǒng)的傳輸速率和可靠性，例如UMTS HSPA, LTE、802.lln/ac等通信系統(tǒng)。傳統(tǒng)的多天線技術(shù)一般只包含2到8個天線以及配套的獨立射頻單元，一般只被用來進(jìn)行單個節(jié)點之間的通信傳輸。
[0003]應(yīng)用空中平臺用以支持無線通信服務(wù)正在受到廣泛的推崇。同一般的陸基通信基站相比，空中平臺一般可以快速部署并且提供較大覆蓋范圍。在各種空中平臺中，平流層高空平臺已被廣泛研究。高空平臺一般是以氣球，飛艇或者無人機(jī)形式，工作在17千米到22千米的平流層，可以對廣大的地域提供無線覆蓋。但是，高空平臺存在一些固有缺陷，使其應(yīng)用范圍受到了很大限制:
1、盡管平流層空氣流相對穩(wěn)定，但是高空平臺仍然需要能源維持其位置和覆蓋范圍；
2、能源一般只能用其搭載的電池、燃料或者太陽能電池板提供。這些大大限制了高空平臺的持久服務(wù)能力；
3、從高空平臺回傳大吞吐量的數(shù)據(jù)十分困難，往往需要搭載額外的回傳收發(fā)電路和天線及其伺服機(jī)構(gòu)(例如衛(wèi)星天線系統(tǒng))，對平臺的載荷能力提出了很高要求；
4、盡管高空平臺可以提供很大的覆蓋范圍，但是從另一個角度看，其搭載的通信基站系統(tǒng)的容量是有限的。那么，過大的覆蓋范圍將導(dǎo)致非常有限的面積頻譜效率(比特/秒/赫茲/平方米);
5、用于解決或者補償以上缺陷的成本將會非常高昂。
[0004](三)
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明為了彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種傳輸速率高、操作簡單、所需發(fā)射功率小、干擾小、可靠性高、適用范圍廣、成本低的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)。
[0005]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，其特征是:包括低空平臺，所述低空平臺上搭載有大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)，大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)同時同頻率向多個用戶終端收發(fā)信號，低空平臺系留在一個地面單元，地面單元通過空地鏈路和低空平臺進(jìn)行通信，地面單元通過高速微波鏈路或者衛(wèi)星鏈路和遠(yuǎn)端節(jié)點或者網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。
[0006]所述大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)利用空分多址技術(shù)同時同頻和多個用戶終端進(jìn)行上行和下行通信。
[0007]所述大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)在空分多址不夠有效的情況下，可以結(jié)合傳統(tǒng)的時分多址、頻分多址或者碼分多址的方式和多個用戶終端通信。[0008]所述大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)在和用戶終端通信的同時，可利用相同的時間和頻率資源和其他非用戶終端節(jié)點以空分多址的方式進(jìn)行通信。
[0009]所述大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)可以利用時分雙工、頻分雙工的方式和用戶終端或者其他節(jié)點進(jìn)行上行和下行的通信。
[0010]所述地面單元與低空平臺之間連接有系留繩。
[0011 ] 所述系留繩上綁定有光纖或線纜。
[0012]所述低空平臺上設(shè)有增穩(wěn)結(jié)構(gòu)。
[0013]所述大規(guī)模主動天線陣列至少具有4根天線。
[0014]所述低空平臺工作于低于海拔7千米的平流層。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
(1)、由于大規(guī)模的空間復(fù)用，多用戶MMO(MU-MMO)以及波束賦形技術(shù)的應(yīng)用，傳輸速率會得到幾十上百倍的增加；
(2)、用簡單的信號處理算法就可以達(dá)到接近極限的傳輸速率，例如最大比例合并傳輸預(yù)編碼(MRT)以及迫零傳輸預(yù)編碼(ZF)算法；
(3)、在保證更高的通信速率前提下，可以極大的節(jié)省發(fā)射功率同時也減少對其他無線節(jié)點的干擾；
(4)、可以充分挖掘多徑信道分集用以對抗無線信道深衰落，從而大大提高通信的可靠
性；
(5)、大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)可以通過低功率、低成本和小規(guī)格的無線收發(fā)射頻單元構(gòu)造。同時天線和射頻單元可以被緊密的集成用以構(gòu)成規(guī)格小巧、易于安裝部署的結(jié)構(gòu)；
(6)、多用戶系統(tǒng)通信時延可以被大大降低，可以簡化多址接入算法的復(fù)雜度，可提升針對相鄰小區(qū)干擾以及人為惡意阻塞干擾的系統(tǒng)魯棒性；
(7)、盡管在對流層中，由于天氣變化，氣流有時大大強(qiáng)平流層。系留以及低空平臺上的增穩(wěn)結(jié)構(gòu)(例如Helikite的設(shè)計)可以在惡劣的天氣條件下維持平臺的位置穩(wěn)定；
(8)、低空平臺所需電力可以從地面單元通過綁定在系留繩上的線纜提供，因此可以大大提高其長期的可持續(xù)服務(wù)能力。例如，光纖輸電技術(shù)可以持續(xù)的向低空平臺供電，同時也避免了沉重和危險的金屬線纜連接問題；
(9)、往返于低空平臺的大吞吐量(往往大于I吉比特每秒)回傳數(shù)據(jù)也可以方便的通過綁定于系留繩上的光纖提供?；貍鲾?shù)據(jù)可以進(jìn)一步通過地面單元到達(dá)遠(yuǎn)方的網(wǎng)絡(luò)，例如高速的微波和衛(wèi)星通信，而地面單元的供電和載荷往往受限不大；
(10)、低空平臺較低的覆蓋范圍可以帶來更高的面積頻譜效率以及更高的用戶密度，這對目前無線蜂窩通信所追求的更高的單位用戶的傳輸速率更加具有意義，而更高的覆蓋范圍可以通過部署多個低空平臺實現(xiàn)。低空平臺通信系統(tǒng)的的制造以及維護(hù)成本往往較低。
[0016](四)【專利附圖】

【附圖說明】
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0017]附圖1為本發(fā)明的工作原理框圖；
(五)【具體實施方式】
附圖為本發(fā)明的一種具體實施例。該實施例包括低空平臺，所述低空平臺上搭載有大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)，大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)同時同頻率向多個用戶終端收發(fā)信號，低空平臺系留在一個地面單元，地面單元通過空地鏈路和低空平臺進(jìn)行通信，地面單元通過高速微波鏈路或者衛(wèi)星鏈路和遠(yuǎn)端節(jié)點或者網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)利用空分多址技術(shù)同時同頻和多個用戶終端進(jìn)行上行和下行通信。大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)在空分多址不夠有效的情況下，可以結(jié)合傳統(tǒng)的時分多址、頻分多址或者碼分多址的方式和多個用戶終端通信。大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)在和用戶終端通信的同時，可利用相同的時間和頻率資源和其他非用戶終端節(jié)點以空分多址的方式進(jìn)行通信。大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)可以利用時分雙工、頻分雙工的方式和用戶終端或者其他節(jié)點進(jìn)行上行和下行的通信。地面單元與低空平臺之間連接有系留繩。系留繩上綁定有光纖或線纜。低空平臺上設(shè)有增穩(wěn)結(jié)構(gòu)。大規(guī)模主動天線陣列至少具有4根天線。低空平臺工作于低于海拔7千米的平流層。
[0018]采用本發(fā)明的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，設(shè)計了一個搭載大規(guī)模主動天線陣列的低空平臺，其至少具有4根天線。低空平臺工作于低于海拔7千米的平流層。大規(guī)模主動天線系統(tǒng)可以同時同頻率向多個用戶終端收發(fā)信號。低空平臺系留在一個地面單元，兩者之間通過某種空地鏈路(例如光纖)進(jìn)行通信。大規(guī)模天線陣列，低空平臺和地面單元這三者是大規(guī)模天線低空基站系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。大規(guī)模天線低空基站系統(tǒng)可以通過高速微波或者衛(wèi)星鏈路和遠(yuǎn)端節(jié)點或者網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。
[0019]在這樣的低空基站系統(tǒng)上采用大規(guī)模主動天線系統(tǒng)，可以通過MU-MMO，MassiveMIMO和多波速賦形(mult1-beamforming)以及空分多址(SDMA)等技術(shù)，為多個用戶終端基于同一頻率資源同時提供很高的單位用戶數(shù)據(jù)速率。該基站系統(tǒng)也可以通過傳統(tǒng)的時分多址(TDMA)，頻分多址(FDMA)或者碼分多址(CDMA)方式，對特殊情況下(如兩個用戶物理位置過于接近)空分多址無效時對多個用戶進(jìn)行接入。
[0020]由于天線數(shù)量的急劇增加，用于對下行信道進(jìn)行多址預(yù)編碼的信道反饋信息將變得巨大。在以往有關(guān)大規(guī)模天線系統(tǒng)用于無線通信的研究中，時分雙工(TDD)往往作為首選的雙工方式。其優(yōu)點在于，由于TDD中只用同一頻段進(jìn)行上下行發(fā)送，用戶終端無須將大量的信道信息(channel state information, CSI)反饋到基站端；而基站只需要根據(jù)終端發(fā)射的上行信號就可以完整的估計出信道信息。時分雙工的缺陷在于，它要求相鄰的基站系統(tǒng)嚴(yán)格同步，否則將形成巨大的小區(qū)間干擾。這對于快速部署的系統(tǒng)確難于實現(xiàn)的。在本專利提案中，由于空中基站系統(tǒng)具有較聞的聞度(幾百到數(shù)千米)，和終端具有很聞的直射傳輸概率和角度分辨率。因此基站端可以通過估計用戶的來波角度(angle of arrival,AoA),構(gòu)造頻分雙工(FDD)模式下，異頻下行空分多址的預(yù)編碼參數(shù)。因此對于空中基站，無需信道信息反饋的頻分雙工也是可行的。
[0021]大規(guī)模主動天線系統(tǒng)不光可以和多個終端同時同頻以空分多址的方式進(jìn)行無線通信，還可以同時同頻與其他非終端節(jié)點(例如其他的基站系統(tǒng))通信。這對于實現(xiàn)基站間接口(例如LTE中的X2接口)是很有意義的。
[0022]采用本發(fā)明的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)對于實現(xiàn)未來5G無線通信系統(tǒng)具有很大吸引力，已經(jīng)被定為5G通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于無線通信，工作于5公里高度以下的對流層低空平臺正在具有更大的吸引力。特別是基于系留氣球的低空平臺受到了特別關(guān)注，相對于高空平臺，它具有很大優(yōu)勢。
[0023]采用本發(fā)明的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，基于結(jié)合低空平臺和大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)這兩種技術(shù)。由于低空平臺基站比普通地面基站具有更高的高度，它到用戶設(shè)備間會具有非常高概率直射傳輸并且用戶間也會有較高的角度分離。因此，當(dāng)增加低空平臺上的天線數(shù)量時，用戶間無線信道的相關(guān)度的減少速度甚至?xí)哂诘孛婊緲O限情況下的統(tǒng)計獨立同分布信道。因此，用于大規(guī)模主動天線陣列的信號處理技術(shù)(例如多MU-MMO，Massive MMO和空分多址)在低空平臺條件下將會凸顯出更加優(yōu)秀的性能從而達(dá)到更高的頻譜效率和單位用戶的比特傳輸速率。
[0024]采用本發(fā)明的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，應(yīng)用領(lǐng)域有:
1、應(yīng)急通信
目前主流的應(yīng)急通信系統(tǒng)(如TETRA，P25)只支持低速的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。而用戶(如消防、救援、醫(yī)療和警察等部門)迫切需要高速可靠的系統(tǒng)提供高清視頻和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。同時系留的低空平臺被認(rèn)為是一種理想的可快速部署的應(yīng)急通信系統(tǒng)載具。
[0025]2、支持大型臨時活動
移動互聯(lián)網(wǎng)正在迅速普及，人們對數(shù)據(jù)速率需求在快速增加。大規(guī)模主動天線基站平臺可用于支持在大型活動(例如大型體育賽事、文藝活動)中突然聚集的大量人群的快帶通需求。
【權(quán)利要求】
1.一種基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，其特征是:包括低空平臺，所述低空平臺上搭載有大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)，大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)同時同頻率向多個用戶終端收發(fā)信號，低空平臺系留在一個地面單元，地面單元通過空地鏈路和低空平臺進(jìn)行通信，地面單元通過高速微波鏈路或者衛(wèi)星鏈路和遠(yuǎn)端節(jié)點或者網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，其特征是:所述大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)利用空分多址技術(shù)同時同頻和多個用戶終端進(jìn)行上行和下行通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，其特征是:所述大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)在空分多址不夠有效的情況下，可以結(jié)合傳統(tǒng)的時分多址、頻分多址或者碼分多址的方式和多個用戶終端通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，其特征是:所述大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)在和用戶終端通信的同時，可利用相同的時間和頻率資源和其他非用戶終端節(jié)點以空分多址的方式進(jìn)行通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，其特征是:所述大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)可以利用時分雙工、頻分雙工的方式和用戶終端或者其他節(jié)點進(jìn)行上行和下行的通信。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，其特征是:所述地面單元與低空平臺之間連接有系留繩。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，其特征是:所述系留繩上綁定有光纖或線纜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，其特征是:所述低空平臺上設(shè)有增穩(wěn)結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，其特征是:所述大規(guī)模主動天線陣列系統(tǒng)至少具有4根天線。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于對流層低空平臺和大規(guī)模主動天線陣列無線通信架構(gòu)，其特征是:所述低空平臺工作于低于海拔7千米的平流層。
【文檔編號】H04B7/04GK103825639SQ201410105198
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】曹瀚文, 溫慶超, 陳容, 吳漢光, 高原 申請人:山東聞遠(yuǎn)通信技術(shù)有限公司