CN201282561Y - 固定波束切换智能天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种固定波束切换智能天线系统，其特征在于：包括赋形波束定向天线阵列、多个场强信号检测模块、赋形波束定向天线切换模块、信号处理功能模块、信号控制功能模块、基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块和电源功能模块，其中赋形波束定向天线阵列分别与各场强信号检测模块对应信号连接，赋形波束定向天线阵列还与赋形波束定向天线切换模块信号连接。本实用新型固定波束切换智能天线系统结构简单，抗干扰性能力强、信号处理速度快，基站覆盖范围大，组阵方式灵活，与现有系统尤其是基站兼容能力强，并有效地提高了系统信道容量。

Description

固定波束切换智能天线系统

技术领域

本实用新型涉及移动通信系统中的智能天线领域，具体涉及固定波束切换智能天线系统。

背景技术

无线通信系统中，用户设备与基站之间是通过无线信道传播信号的。由于无线信道传输条件相对有线信道较为恶劣，存在衰落、多径和同频干扰等诸多不利因素，所以无线通信系统的信号发射、接收和处理方法是直接影响系统性能的决定性因素。

随着通信技术的飞速发展，人们对网络通信的需求不断提高，特别是3G(Third Generation)通信时代的到来，人们希望打破不同地域等客观条件的制约，实现任何人在任何时候的任何地方与任何人进行任何方式的通信的目标。实现这些目标对无线通信系统信号接收和发射性能提出了更高的要求。近年来，多用户检测(MUD，Multi-User Detection)技术、自适应均衡技术以及智能天线(Smart Antenna)技术的发展，为无线信号的接收和发射性能得到进一步提高提供了可能。智能天线利用空间分割技术，多提供一种多址功能，并应用阵列天线技术，扩展有效信号覆盖而滤掉不希望的干扰以及环境和系统噪声，因此具有较高的增益和较强的抗干扰特性，成为无线通信核心技术之一。

目前采用的智能天线主要是自适应方向图智能天线。运用天线阵列方向图合成技术，使合成的方向图主瓣对准目标用户，零点对准干扰源的基本原理，使输出信号的信噪比最大。天线阵列权值通过迭代的自适应算法获得。对于这种智能天线，用户定位需要获得所有的信号源和干扰源的信息。专利号为CN02155088.3、CN01139171.5的中国专利均提到了这种智能天线。

自适应波束形成技术的智能天线：一是参数估算复杂性和时延在阵列系统设计中是一个很大的问题，自适应阵列天线权值形成是通过迭代算法来实现的，信号处理和形成计算量巨大，存在较大的时延扩展，定位和响应速度将受到限制，难以实现快速跟踪；二是干扰抑制受限，增加信道容量能力低，在移动通信的实际信道中，复杂的通信环境使接收到的信号中包含了大量目标用户自身的多径信号和同频干扰，阵列天线通过天线综合技术形成的零陷不能超过单元天线个数，而多径及干扰的数目却远大于阵列天线单元数目，又由于自适应智能天线的单元天线全向性使干扰遍布于周围各个方向，自适应算法无法通过有限阵元形成的零陷来进行有效干扰抑制，因此在这种复杂的多径传播环境下，自适应天线零陷抑制作用已经部分失效，且处于主瓣内的干扰同样无法抑制；三是兼容能力差，建设费用大，自适应智能天线为完善空域波束形成和时域均衡，在天线设计中需要使用功能强大和价格昂贵的处理器和移项器，它与现有基站难以兼容，无法改善现有移动通信系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种固定波束切换智能天线系统，本实用新型固定波束切换智能天线结构简单、抗干扰性能力强、信号处理速度快、性价比高、与现有系统兼容能力强，并有效地提高了系统信道容量。

本实用新型目的通过下述技术方案实现：固定波束切换智能天线系统包括赋形波束定向天线阵列、多个场强信号检测模块、赋形波束定向天线切换模块、信号处理功能模块、信号控制功能模块、基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块和电源功能模块，其中赋形波束定向天线阵列分别与各场强信号检测模块对应信号连接，赋形波束定向天线阵列还与赋形波束定向天线切换模块信号连接，所述信号控制功能模块分别与赋形波束定向天线切换模块、信号处理功能模块、基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块信号连接，信号处理功能模块还分别与各场强信号检测模块信号连接，所述电源功能模块分别与各场强信号检测模块、天线切换模块、信号处理功能模块、信号控制功能模块、基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块电连接，所述基站接口模块与基站通信连接。

所述Flash存储器功能模块存储有各单片机的程序代码以及保存基站输入的参数。

所述SDRAM存储器模块是整个程序运行的RAM区，存储有与基站的交换数据。

所述赋形波束定向天线阵列包括多个赋形波束定向天线。

所述赋形波束定向天线由微带阵列天线通过对每个单元馈送不同相位的信号，形成特定的定向波束组成。

所述赋形波束定向天线阵列根据多个场强检测模块功能和信息处理时延要求划分成多个天线阵组，每个天线阵组与1个场强检测模块信号连接。

所述赋形波束定向天线阵列根据对覆盖区域的环境及远场、近场电场强度的要求，可以选择不同增益、波瓣宽度或赋形波束的天线单元，完成基站覆盖区的空间分割，把基站覆盖区分成很多新的小区，各小区之间满足一定的电磁辐射隔离要求，在小区之间实现通信信道再用技术。

所述赋形波束定向天线包括金属反射背腔、背腔边环、微带贴片、微波接头、贴片支撑架、L形馈电极、双面覆铜电路板、馈电接点和同轴电缆。金属反射背腔的大小由阵列单元个数确定的。背腔边环的高度为中心工作频率波长的1/4。微带贴片为天线的馈源，微带贴片可为正方形或圆形，微带贴片由贴片支撑架固定在金属反射背腔的底部，高度与L形馈电极的馈电接点距贴片支撑架的距离有关，约为1/8中心功率波长。L形馈电极通过金属反射背腔低部的小孔固定中双面覆铜电路板上，双面覆铜电路板下侧刻有馈电电路。同轴电缆一端与微波接头连接，另一端与馈电电路连接完成信号的传送。每列馈源数目参与对垂直波束宽度的赋形，列数参与对水平波束宽度的赋形。

实用新型固定波束切换智能天线系统最基本的组阵形式是在垂直面内可用不同增益的赋形波束实现不同半径区域覆盖的不同形状的分层小区结构。这种组阵主要是利用了不同增益的赋形波束定向天线的互相关性小，定向性强的特性，可扩大基站的覆盖范围，消除塔下黑，降低多径干扰。所以这种组阵方式主要用于郊区大面积覆盖或高话务区增加信道容量及信号质量，其中，在郊区时，尽可能采用高增益的定向天线并增加覆盖层数，在高话务区，可适当降低增益并减少覆盖层数，在增加信道容量和减少同频干扰及多径干扰中寻求最佳。

在实用新型系统内设置多个场强检测模块的目的是降低信号处理功能模块的负荷，提高系统处理速度。

本实用新型固定波束切换智能天线系统的工作原理如下：赋形波束定向天线阵列为无线信息发射和接收设备，其根据场强检测模块功能和信息处理时延要求划分成多个天线阵组，每个天线组由1个场强检测模块管理；对移动用户定位跟踪的方法是由多个场强信号检测模块分别对接收到的信号强度进行检测，当接收到的信号强度超过导频检测门限的的天线位置信息连同接收到的射频信息送至信号处理功能模块时，信号处理功能模块对接收到的射频信息进行合法性、时延多径等进行指标进处理和判断，并将合法信号所在天线的位置信息及信号强度等信息送至信号控制功能模块，信号控制功能模块对信息进行处理后得出赋形波束定向天线切换指令并送至赋形波束定向天线切换模块，由赋形波束定向天线切换模块完成对各赋形波束定向天线间的切换操作，同时信号控制功能模块还与基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块进行数据交换，完成数据存储和读取工作，此外电源功能模块为整个固定波束切换智能天线系统的供电设备，为各场强信号检测模块、赋形波束定向天线切换模块、信号处理功能模块、信号控制功能模块、基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块提供工作电源。

本相对于现有技术具有如下的优点及效果：本实用新型固定波束切换智能天线系统基于多域协同新技术，充分考虑抗干扰和系统繁杂性等各种因素，通过赋形定向波束天线实现空分多址，用低旁瓣抑制干扰，用不同形式的组阵方式实现不同环境下用户区的覆盖，阵列中的多面赋形定向波束天线只有对应用户所在小区的天线工作，减小了电磁污染和对临近基站的干扰，提高了频谱利用率；同时，本实用新型固定波束切换智能天线系统结构简单，抗干扰性能力强、信号处理速度快，基站覆盖范围大，组阵方式灵活，与现有系统尤其是基站兼容能力强，并有效地提高了系统信道容量。

附图说明

图1是固定波束切换智能天线系统的结构示意图；

图2是本实用新型固定波束切换智能天线系统的均匀三层结构覆盖示意图；

图3是赋形波束定向天线的结构正视图；

图4是赋形波束定向天线的结构侧视图；

图5是赋形波束定向天线各馈源电流分配采用泰勒分布的驻波比图；

图6是赋形波束定向天线各馈源电流分配采用泰勒分布的方向图；

图7是本实用新型固定波束切换智能天线系统与4单元自适应智能天线提高信道容量比较示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

图1所示为本实用新型的硬件结构，固定波束切换智能天线系统包括赋形波束定向天线阵列、n(n为自然数，且n≥2)个场强信号检测模块、赋形波束定向天线切换模块、信号处理功能模块、信号控制功能模块、基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块和电源功能模块，其中赋形波束定向天线阵列分别与各场强信号检测模块对应信号连接，赋形波束定向天线阵列还与赋形波束定向天线切换模块信号连接，所述信号控制功能模块分别与赋形波束定向天线切换模块、信号处理功能模块、基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块信号连接，信号处理功能模块还分别与各场强信号检测模块信号连接，所述电源功能模块分别与各场强信号检测模块、天线切换模块、信号处理功能模块、信号控制功能模块、基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块电连接，所述基站接口模块与基站通信连接。

所述信号处理功能模块、信号控制功能模块均采用Xilinx XC4VLX100芯片设计。

所述n个场强信号检测模块均采用TA31194芯片设计。

所述n个场强信号检测模块即为场强信号检测模块1、场强信号检测模块2、…场强信号检测模块n。

所述Flash存储器功能模块存储有各单片机的程序代码以及保存基站输入的参数。

所述SDRAM存储器模块是整个程序运行的RAM区，存储有与基站的交换数据。

所述赋形波束定向天线阵列包括多个赋形波束定向天线。

所述赋形波束定向天线阵列根据多个场强检测模块功能和信息处理时延要求划分成多个天线阵组，每个天线阵组与1个场强检测模块信号连接。

所述赋形波束定向天线阵列根据对覆盖区域的环境及远场、近场电场强度的要求，可以选择不同增益、波瓣宽度或赋形波束的天线单元，完成基站覆盖区的空间分割，把基站覆盖区分成很多新的小区，各小区之间满足一定的电磁辐射隔离要求，在小区之间实现通信信道再用技术。

所述赋形波束定向天线根据需要覆盖的区域环境设计成不同的赋形波束，组成不同形式的阵列。

所述场强信号检测模块分管一定数量的赋形波束定向天线，完成对接收信号强度判断，由信号处理功能模块和信号控制处理功能模块对合法信号进行时延、多径和干扰等判断，达到对赋形波束定向天线的选择和切换操作。

信号处理功能模块是整个固定波束切换智能天线系统信号处理的核心功能模块，管理整个信号处理电路和所有的赋形波束定向天线，处理场强检测模块送来的合法信号。

信号控制功能模块管理天线切换和运行升级程序，参数输入，实现固定波束切换智能天线信号处理器本地总线与基站的通信功能。

基站接口模块是该智能天线与移动通信基站的通信接口。

本实用新型固定波束切换智能天线系统的工作原理如下：赋形波束定向天线阵列为无线信息发射和接收设备，其根据场强检测模块功能和信息处理时延要求划分成多个天线阵组，每个天线组由1个场强检测模块管理；对移动用户定位跟踪的方法是由多个场强信号检测模块分别对接收到的信号强度进行检测，当接收到的信号强度超过导频检测门限的的天线位置信息连同接收到的射频信息送至信号处理功能模块时，信号处理功能模块对接收到的射频信息进行合法性、时延多径等进行指标进处理和判断，并将合法信号所在天线的位置信息及信号强度等信息送至信号控制功能模块，信号控制功能模块对信息进行处理后得出赋形波束定向天线切换指令并送至赋形波束定向天线切换模块，由赋形波束定向天线切换模块完成对各赋形波束定向天线间的切换操作，同时信号控制功能模块还与基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块进行数据交换，完成数据存储和读取工作，此外电源功能模块为整个固定波束切换智能天线系统的供电设备，为各场强信号检测模块、赋形波束定向天线切换模块、信号处理功能模块、信号控制功能模块、基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块提供工作电源。

固定波束切换智能天线系统信号处理部分实现以下主要功能：启动运行主程序，擦写FLASH前确认命令；升级主程序；写固定波束切换智能天线的天线信号处理卡版本号；读固定波束切换智能天线的天线信号处理卡版本号；场强芯片自检；合路器功能自检；天线M*N信号阵列自检；输入定向波束分组大小；输入导频检测门限Ath；输入导频比较门限Cth；输入导频丢失门限Dth；计算接收信号总功率；计算有用信号与干扰信号功率之比值；对接收的信号强度进行判断；对超过门限信号进行合法性判别；判别信号发射源方向；判别分组最强、时延最短信号；保持本组合法信号与处理器处于通讯状态；切换处理；寻呼信号发送。

图2所示为本实用新型固定波束切换智能天线系统的均匀三层结构覆盖图。如图2所示，赋形波束定向天线覆盖采用正六边形等效覆盖结构。第一层用低增益赋形波束定向天线覆盖，若赋形波束定向天线的半功率波束宽度为90度，则用4个这样的天线完成对第一层的覆盖。第二层用中增益赋形波束定向天线覆盖，天线个数相应增加。第三层用高增益赋形波束定向天线覆盖，高增益赋形波束定向天线波束宽度较小，覆盖一周所用天线个数相应增加。对公路、铁路可用不同的赋形波束定向天线组成线形阵列实现均匀覆盖。

图3所示为赋形波束定向天线正视图，图中示出了赋形波束定向天线中的金属反射背腔1、背腔的边环2、微带贴片3、微波接头4。

图4是赋形波束定向天线结构侧视示意图。赋形波束定向天线由微带阵列天线通过对每个单元馈送不同相位的信号，形成特定的定向波束组成。赋形波束定向天线主要由以下9部分组成：金属反射背腔1、背腔边环2、微带贴片3、微波接头4、贴片支撑架5、L形馈电极6、双面覆铜电路板7、馈电接点8和同轴电缆9。金属反射背腔1的大小由阵列单元个数确定的，背腔边环2的高度为中心工作频率波长的1/4。微带贴片3为天线的馈源，微带贴片3可为正方形或圆形，由贴片支撑架5固定在金属反射背腔1的底部，高度约为1/8中心功率波长，高度与L形馈电极6的馈电接点8距贴片支撑架的距离有关，L形馈电极6通过金属反射背腔1低部的小孔固定中双面覆铜电路板7上，双面覆铜电路板7下侧刻有馈电电路。同轴电缆9一端与微波接头4连接，另一端与馈电电路连接完成信号的传送。每列馈源数目参与对垂直波束宽度的赋形，列数参与对水平波束宽度的赋形。

图5是赋形波束定向天线各馈源电流分配采用泰勒分布的驻波比图。中心频率为2.44GHz驻波比小于1.5的带宽为170MHz。

图6是赋形波束定向天线各馈源电流分配采用泰勒分布的方向图。该方向图天线采用单列8单元泰勒同相馈电，半功率波束宽度为18°，旁辨濒于-20dBi。通过改变各馈源的相位可实现不同的波束形状。

图7是本实用新型固定波束切换智能天线系统与自适应智能天线提高信道容量比较图。包括自适应智能天线信道容量与信噪比(CIR)的关系曲线10、固定波束切换智能天线系统信道容量与信噪比(CIR)的关系曲线11。

通过信道建模，自适应智能天线中各天线相互关联，因此是多入多出(MIMO)信道模型。平均信道容量表示为：

${\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{TBA}}=\frac{1}{M}{E}_{\mathrm{\θ}}{E}_W{\log }_2\det [I_M+\mathrm{\ρ}{\mathrm{FWW}}^H{F}^H]$

固定波束切换智能天线系统中各定向天线独立接收，因此信道变成了多入单出(MISO)模型，平均信道容量表示为：

${\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{SBA}}=E_h{\log }_2[1+\mathrm{\ρ}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{K/M}{\left|h_k\right|}^2]$

经过分析运算得出固定波束切换智能天线系统与自适应智能天线提高信道容量比较图，从图中可以看出本实用新型固定波束切换智能天线系统提高信道容量数比自适应智能天线高，且信噪比越高，提高信道容量的能力越强。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1、固定波束切换智能天线系统，其特征在于：包括赋形波束定向天线阵列、多个场强信号检测模块、赋形波束定向天线切换模块、信号处理功能模块、信号控制功能模块、基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块和电源功能模块，其中赋形波束定向天线阵列分别与各场强信号检测模块对应信号连接，赋形波束定向天线阵列还与赋形波束定向天线切换模块信号连接，所述信号控制功能模块分别与赋形波束定向天线切换模块、信号处理功能模块、基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块信号连接，信号处理功能模块还分别与各场强信号检测模块信号连接，所述电源功能模块分别与各场强信号检测模块、天线切换模块、信号处理功能模块、信号控制功能模块、基站接口模块、Flash存储器功能模块、SDRAM存储器功能模块电连接，所述基站接口模块与基站通信连接。

2、根据权利要求1所述的固定波束切换智能天线系统，其特征在于：所述赋形波束定向天线阵列包括多个天线阵组，每个天线阵组与1个场强检测模块信号连接。

3、根据权利要求1所述的固定波束切换智能天线系统，其特征在于：所述赋形波束定向天线阵列包括多个赋形波束定向天线。

4、根据权利要求3所述的固定波束切换智能天线系统，其特征在于：所述赋形波束定向天线包括金属反射背腔、背腔边环、微带贴片、微波接头、贴片支撑架、L形馈电极、双面覆铜电路板、馈电接点和同轴电缆。

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