基于對(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于對(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，其特征是：包括低空平臺(tái)，所述低空平臺(tái)上搭載有大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)，大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)同時(shí)同頻率向多個(gè)用戶(hù)終端收發(fā)信號(hào)，低空平臺(tái)系留在一個(gè)地面單元，地面單元通過(guò)空地鏈路和低空平臺(tái)進(jìn)行通信，地面單元通過(guò)高速微波鏈路或者衛(wèi)星鏈路和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)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(zhǎng)期的可持續(xù)服務(wù)能力，覆蓋范圍大，可以帶來(lái)更高的面積頻譜效率以及更高的用戶(hù)密度，降低了成本。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于對(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)
[0001](一)【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種無(wú)線通信架構(gòu)，特別涉及一種基于對(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)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(wú)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(gè)天線以及配套的獨(dú)立射頻單元，一般只被用來(lái)進(jìn)行單個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信傳輸。
[0003]應(yīng)用空中平臺(tái)用以支持無(wú)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(tái)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(tái)中，平流層高空平臺(tái)已被廣泛研究。高空平臺(tái)一般是以氣球，飛艇或者無(wú)人機(jī)形式，工作在17千米到22千米的平流層，可以對(duì)廣大的地域提供無(wú)線覆蓋。但是，高空平臺(tái)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(duì)穩(wěn)定，但是高空平臺(tái)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(yáng)能電池板提供。這些大大限制了高空平臺(tái)的持久服務(wù)能力；
3、從高空平臺(tái)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(duì)平臺(tái)的載荷能力提出了很高要求；
4、盡管高空平臺(tái)可以提供很大的覆蓋范圍，但是從另一個(gè)角度看，其搭載的通信基站系統(tǒng)的容量是有限的。那么，過(guò)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(bǔ)償以上缺陷的成本將會(huì)非常高昂。
[0004](三)
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種傳輸速率高、操作簡(jiǎn)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(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種基于對(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，其特征是:包括低空平臺(tái)，所述低空平臺(tái)上搭載有大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)，大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)同時(shí)同頻率向多個(gè)用戶(hù)終端收發(fā)信號(hào)，低空平臺(tái)系留在一個(gè)地面單元，地面單元通過(guò)空地鏈路和低空平臺(tái)進(jìn)行通信，地面單元通過(guò)高速微波鏈路或者衛(wèi)星鏈路和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。
[0006]所述大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)利用空分多址技術(shù)同時(shí)同頻和多個(gè)用戶(hù)終端進(jìn)行上行和下行通信。
[0007]所述大規(guī)模主動(dòng)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(shí)分多址、頻分多址或者碼分多址的方式和多個(gè)用戶(hù)終端通信。[0008]所述大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)在和用戶(hù)終端通信的同時(shí)，可利用相同的時(shí)間和頻率資源和其他非用戶(hù)終端節(jié)點(diǎn)以空分多址的方式進(jìn)行通信。
[0009]所述大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)可以利用時(shí)分雙工、頻分雙工的方式和用戶(hù)終端或者其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上行和下行的通信。
[0010]所述地面單元與低空平臺(tái)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(tái)上設(shè)有增穩(wěn)結(jié)構(gòu)。
[0013]所述大規(guī)模主動(dòng)天線陣列至少具有4根天線。
[0014]所述低空平臺(tái)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(hù)MMO(MU-MMO)以及波束賦形技術(shù)的應(yīng)用，傳輸速率會(huì)得到幾十上百倍的增加；
(2)、用簡(jiǎn)單的信號(hào)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(shí)也減少對(duì)其他無(wú)線節(jié)點(diǎn)的干擾；
(4)、可以充分挖掘多徑信道分集用以對(duì)抗無(wú)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(guò)低功率、低成本和小規(guī)格的無(wú)線收發(fā)射頻單元構(gòu)造。同時(shí)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(hù)系統(tǒng)通信時(shí)延可以被大大降低，可以簡(jiǎn)化多址接入算法的復(fù)雜度，可提升針對(duì)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(duì)流層中，由于天氣變化，氣流有時(shí)大大強(qiáng)平流層。系留以及低空平臺(tái)上的增穩(wěn)結(jié)構(gòu)(例如Helikite的設(shè)計(jì))可以在惡劣的天氣條件下維持平臺(tái)的位置穩(wěn)定；
(8)、低空平臺(tái)所需電力可以從地面單元通過(guò)綁定在系留繩上的線纜提供，因此可以大大提高其長(zhǎng)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(tái)供電，同時(shí)也避免了沉重和危險(xiǎn)的金屬線纜連接問(wèn)題；
(9)、往返于低空平臺(tái)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(guò)綁定于系留繩上的光纖提供。回傳數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步通過(guò)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(tái)較低的覆蓋范圍可以帶來(lái)更高的面積頻譜效率以及更高的用戶(hù)密度，這對(duì)目前無(wú)線蜂窩通信所追求的更高的單位用戶(hù)的傳輸速率更加具有意義，而更高的覆蓋范圍可以通過(guò)部署多個(gè)低空平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。低空平臺(tái)通信系統(tǒng)的的制造以及維護(hù)成本往往較低。
[0016](四)【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0017]附圖1為本發(fā)明的工作原理框圖；
(五)【具體實(shí)施方式】
附圖為本發(fā)明的一種具體實(shí)施例。該實(shí)施例包括低空平臺(tái)，所述低空平臺(tái)上搭載有大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)，大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)同時(shí)同頻率向多個(gè)用戶(hù)終端收發(fā)信號(hào)，低空平臺(tái)系留在一個(gè)地面單元，地面單元通過(guò)空地鏈路和低空平臺(tái)進(jìn)行通信，地面單元通過(guò)高速微波鏈路或者衛(wèi)星鏈路和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)利用空分多址技術(shù)同時(shí)同頻和多個(gè)用戶(hù)終端進(jìn)行上行和下行通信。大規(guī)模主動(dòng)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(shí)分多址、頻分多址或者碼分多址的方式和多個(gè)用戶(hù)終端通信。大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)在和用戶(hù)終端通信的同時(shí)，可利用相同的時(shí)間和頻率資源和其他非用戶(hù)終端節(jié)點(diǎn)以空分多址的方式進(jìn)行通信。大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)可以利用時(shí)分雙工、頻分雙工的方式和用戶(hù)終端或者其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上行和下行的通信。地面單元與低空平臺(tái)之間連接有系留繩。系留繩上綁定有光纖或線纜。低空平臺(tái)上設(shè)有增穩(wěn)結(jié)構(gòu)。大規(guī)模主動(dòng)天線陣列至少具有4根天線。低空平臺(tái)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(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)搭載大規(guī)模主動(dòng)天線陣列的低空平臺(tái)，其至少具有4根天線。低空平臺(tái)工作于低于海拔7千米的平流層。大規(guī)模主動(dòng)天線系統(tǒng)可以同時(shí)同頻率向多個(gè)用戶(hù)終端收發(fā)信號(hào)。低空平臺(tái)系留在一個(gè)地面單元，兩者之間通過(guò)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(tái)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(guò)高速微波或者衛(wèi)星鏈路和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)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(dòng)天線系統(tǒng)，可以通過(guò)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(gè)用戶(hù)終端基于同一頻率資源同時(shí)提供很高的單位用戶(hù)數(shù)據(jù)速率。該基站系統(tǒng)也可以通過(guò)傳統(tǒng)的時(shí)分多址(TDMA)，頻分多址(FDMA)或者碼分多址(CDMA)方式，對(duì)特殊情況下(如兩個(gè)用戶(hù)物理位置過(guò)于接近)空分多址無(wú)效時(shí)對(duì)多個(gè)用戶(hù)進(jìn)行接入。
[0020]由于天線數(shù)量的急劇增加，用于對(duì)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(wú)線通信的研究中，時(shí)分雙工(TDD)往往作為首選的雙工方式。其優(yōu)點(diǎn)在于，由于TDD中只用同一頻段進(jìn)行上下行發(fā)送，用戶(hù)終端無(wú)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(hào)就可以完整的估計(jì)出信道信息。時(shí)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(duì)于快速部署的系統(tǒng)確難于實(shí)現(xiàn)的。在本專(zhuān)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(guò)估計(jì)用戶(hù)的來(lái)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(duì)于空中基站，無(wú)需信道信息反饋的頻分雙工也是可行的。
[0021]大規(guī)模主動(dòng)天線系統(tǒng)不光可以和多個(gè)終端同時(shí)同頻以空分多址的方式進(jìn)行無(wú)線通信，還可以同時(shí)同頻與其他非終端節(jié)點(diǎn)(例如其他的基站系統(tǒng))通信。這對(duì)于實(shí)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(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)未來(lái)5G無(wú)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(duì)于無(wú)線通信，工作于5公里高度以下的對(duì)流層低空平臺(tái)正在具有更大的吸引力。特別是基于系留氣球的低空平臺(tái)受到了特別關(guān)注，相對(duì)于高空平臺(tái)，它具有很大優(yōu)勢(shì)。
[0023]采用本發(fā)明的基于對(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，基于結(jié)合低空平臺(tái)和大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)這兩種技術(shù)。由于低空平臺(tái)基站比普通地面基站具有更高的高度，它到用戶(hù)設(shè)備間會(huì)具有非常高概率直射傳輸并且用戶(hù)間也會(huì)有較高的角度分離。因此，當(dāng)增加低空平臺(tái)上的天線數(shù)量時(shí)，用戶(hù)間無(wú)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(jì)獨(dú)立同分布信道。因此，用于大規(guī)模主動(dòng)天線陣列的信號(hào)處理技術(shù)(例如多MU-MMO，Massive MMO和空分多址)在低空平臺(tái)條件下將會(huì)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(hù)的比特傳輸速率。
[0024]采用本發(fā)明的基于對(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)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(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。而用戶(hù)(如消防、救援、醫(yī)療和警察等部門(mén))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(shí)系留的低空平臺(tái)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(shí)活動(dòng)
移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)正在迅速普及，人們對(duì)數(shù)據(jù)速率需求在快速增加。大規(guī)模主動(dòng)天線基站平臺(tái)可用于支持在大型活動(dòng)(例如大型體育賽事、文藝活動(dòng))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(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，其特征是:包括低空平臺(tái)，所述低空平臺(tái)上搭載有大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)，大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)同時(shí)同頻率向多個(gè)用戶(hù)終端收發(fā)信號(hào)，低空平臺(tái)系留在一個(gè)地面單元，地面單元通過(guò)空地鏈路和低空平臺(tái)進(jìn)行通信，地面單元通過(guò)高速微波鏈路或者衛(wèi)星鏈路和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)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(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，其特征是:所述大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)利用空分多址技術(shù)同時(shí)同頻和多個(gè)用戶(hù)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(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，其特征是:所述大規(guī)模主動(dòng)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(shí)分多址、頻分多址或者碼分多址的方式和多個(gè)用戶(hù)終端通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于對(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，其特征是:所述大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)在和用戶(hù)終端通信的同時(shí)，可利用相同的時(shí)間和頻率資源和其他非用戶(hù)終端節(jié)點(diǎn)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(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，其特征是:所述大規(guī)模主動(dòng)天線陣列系統(tǒng)可以利用時(shí)分雙工、頻分雙工的方式和用戶(hù)終端或者其他節(jié)點(diǎn)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(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，其特征是:所述地面單元與低空平臺(tái)之間連接有系留繩。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于對(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)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(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，其特征是:所述低空平臺(tái)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(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，其特征是:所述大規(guī)模主動(dòng)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(duì)流層低空平臺(tái)和大規(guī)模主動(dòng)天線陣列無(wú)線通信架構(gòu)，其特征是:所述低空平臺(tái)工作于低于海拔7千米的平流層。
【文檔編號(hào)】H04B7/04GK103825639SQ201410105198
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)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(qǐng)人:山東聞遠(yuǎn)通信技術(shù)有限公司