基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，其特征是：包括低空平台，所述低空平台上搭载有大规模主动天线阵列系统，大规模主动天线阵列系统同时同频率向多个用户终端收发信号，低空平台系留在一个地面单元，地面单元通过空地链路和低空平台进行通信，地面单元通过高速微波链路或者卫星链路和远端节点或者网络进行数据回传。本发明的有益效果是：大大提高了传输速率，操作简单，可快速部署，所需发射功率小，干扰小，可靠性高，适用范围广，大大提高了其长期的可持续服务能力，覆盖范围大，可以带来更高的面积频谱效率以及更高的用户密度，降低了成本。
【专利说明】基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构
[0001](一)【技术领域】
本发明涉及一种无线通信架构，特别涉及一种基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构。
[0002](二)【背景技术】
多入多出天线技术(multiple-1n multiple-out , ΜΙΜΟ)已经被广泛的应用于提高各种无线通信系统的传输速率和可靠性，例如UMTS HSPA, LTE、802.lln/ac等通信系统。传统的多天线技术一般只包含2到8个天线以及配套的独立射频单元，一般只被用来进行单个节点之间的通信传输。
[0003]应用空中平台用以支持无线通信服务正在受到广泛的推崇。同一般的陆基通信基站相比，空中平台一般可以快速部署并且提供较大覆盖范围。在各种空中平台中，平流层高空平台已被广泛研究。高空平台一般是以气球，飞艇或者无人机形式，工作在17千米到22千米的平流层，可以对广大的地域提供无线覆盖。但是，高空平台存在一些固有缺陷，使其应用范围受到了很大限制:
1、尽管平流层空气流相对稳定，但是高空平台仍然需要能源维持其位置和覆盖范围；
2、能源一般只能用其搭载的电池、燃料或者太阳能电池板提供。这些大大限制了高空平台的持久服务能力；
3、从高空平台回传大吞吐量的数据十分困难，往往需要搭载额外的回传收发电路和天线及其伺服机构(例如卫星天线系统)，对平台的载荷能力提出了很高要求；
4、尽管高空平台可以提供很大的覆盖范围，但是从另一个角度看，其搭载的通信基站系统的容量是有限的。那么，过大的覆盖范围将导致非常有限的面积频谱效率(比特/秒/赫兹/平方米);
5、用于解决或者补偿以上缺陷的成本将会非常高昂。
[0004](三)
【发明内容】
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种传输速率高、操作简单、所需发射功率小、干扰小、可靠性高、适用范围广、成本低的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构。
[0005]本发明是通过如下技术方案实现的:
一种基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，其特征是:包括低空平台，所述低空平台上搭载有大规模主动天线阵列系统，大规模主动天线阵列系统同时同频率向多个用户终端收发信号，低空平台系留在一个地面单元，地面单元通过空地链路和低空平台进行通信，地面单元通过高速微波链路或者卫星链路和远端节点或者网络进行数据回传。
[0006]所述大规模主动天线阵列系统利用空分多址技术同时同频和多个用户终端进行上行和下行通信。
[0007]所述大规模主动天线阵列系统在空分多址不够有效的情况下，可以结合传统的时分多址、频分多址或者码分多址的方式和多个用户终端通信。[0008]所述大规模主动天线阵列系统在和用户终端通信的同时，可利用相同的时间和频率资源和其他非用户终端节点以空分多址的方式进行通信。
[0009]所述大规模主动天线阵列系统可以利用时分双工、频分双工的方式和用户终端或者其他节点进行上行和下行的通信。
[0010]所述地面单元与低空平台之间连接有系留绳。
[0011 ] 所述系留绳上绑定有光纤或线缆。
[0012]所述低空平台上设有增稳结构。
[0013]所述大规模主动天线阵列至少具有4根天线。
[0014]所述低空平台工作于低于海拔7千米的平流层。
[0015]本发明的有益效果是:
(1)、由于大规模的空间复用，多用户MMO(MU-MMO)以及波束赋形技术的应用，传输速率会得到几十上百倍的增加；
(2)、用简单的信号处理算法就可以达到接近极限的传输速率，例如最大比例合并传输预编码(MRT)以及迫零传输预编码(ZF)算法；
(3)、在保证更高的通信速率前提下，可以极大的节省发射功率同时也减少对其他无线节点的干扰；
(4)、可以充分挖掘多径信道分集用以对抗无线信道深衰落，从而大大提高通信的可靠
性；
(5)、大规模天线阵列系统可以通过低功率、低成本和小规格的无线收发射频单元构造。同时天线和射频单元可以被紧密的集成用以构成规格小巧、易于安装部署的结构；
(6)、多用户系统通信时延可以被大大降低，可以简化多址接入算法的复杂度，可提升针对相邻小区干扰以及人为恶意阻塞干扰的系统鲁棒性；
(7)、尽管在对流层中，由于天气变化，气流有时大大强平流层。系留以及低空平台上的增稳结构(例如Helikite的设计)可以在恶劣的天气条件下维持平台的位置稳定；
(8)、低空平台所需电力可以从地面单元通过绑定在系留绳上的线缆提供，因此可以大大提高其长期的可持续服务能力。例如，光纤输电技术可以持续的向低空平台供电，同时也避免了沉重和危险的金属线缆连接问题；
(9)、往返于低空平台的大吞吐量(往往大于I吉比特每秒)回传数据也可以方便的通过绑定于系留绳上的光纤提供。回传数据可以进一步通过地面单元到达远方的网络，例如高速的微波和卫星通信，而地面单元的供电和载荷往往受限不大；
(10)、低空平台较低的覆盖范围可以带来更高的面积频谱效率以及更高的用户密度，这对目前无线蜂窝通信所追求的更高的单位用户的传输速率更加具有意义，而更高的覆盖范围可以通过部署多个低空平台实现。低空平台通信系统的的制造以及维护成本往往较低。
[0016](四)【专利附图】
【附图说明】
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0017]附图1为本发明的工作原理框图；
(五)【具体实施方式】
附图为本发明的一种具体实施例。该实施例包括低空平台，所述低空平台上搭载有大规模主动天线阵列系统，大规模主动天线阵列系统同时同频率向多个用户终端收发信号，低空平台系留在一个地面单元，地面单元通过空地链路和低空平台进行通信，地面单元通过高速微波链路或者卫星链路和远端节点或者网络进行数据回传。大规模主动天线阵列系统利用空分多址技术同时同频和多个用户终端进行上行和下行通信。大规模主动天线阵列系统在空分多址不够有效的情况下，可以结合传统的时分多址、频分多址或者码分多址的方式和多个用户终端通信。大规模主动天线阵列系统在和用户终端通信的同时，可利用相同的时间和频率资源和其他非用户终端节点以空分多址的方式进行通信。大规模主动天线阵列系统可以利用时分双工、频分双工的方式和用户终端或者其他节点进行上行和下行的通信。地面单元与低空平台之间连接有系留绳。系留绳上绑定有光纤或线缆。低空平台上设有增稳结构。大规模主动天线阵列至少具有4根天线。低空平台工作于低于海拔7千米的平流层。
[0018]采用本发明的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，设计了一个搭载大规模主动天线阵列的低空平台，其至少具有4根天线。低空平台工作于低于海拔7千米的平流层。大规模主动天线系统可以同时同频率向多个用户终端收发信号。低空平台系留在一个地面单元，两者之间通过某种空地链路(例如光纤)进行通信。大规模天线阵列，低空平台和地面单元这三者是大规模天线低空基站系统的关键组成部分。大规模天线低空基站系统可以通过高速微波或者卫星链路和远端节点或者网络进行数据回传。
[0019]在这样的低空基站系统上采用大规模主动天线系统，可以通过MU-MMO，MassiveMIMO和多波速赋形(mult1-beamforming)以及空分多址(SDMA)等技术，为多个用户终端基于同一频率资源同时提供很高的单位用户数据速率。该基站系统也可以通过传统的时分多址(TDMA)，频分多址(FDMA)或者码分多址(CDMA)方式，对特殊情况下(如两个用户物理位置过于接近)空分多址无效时对多个用户进行接入。
[0020]由于天线数量的急剧增加，用于对下行信道进行多址预编码的信道反馈信息将变得巨大。在以往有关大规模天线系统用于无线通信的研究中，时分双工(TDD)往往作为首选的双工方式。其优点在于，由于TDD中只用同一频段进行上下行发送，用户终端无须将大量的信道信息(channel state information, CSI)反馈到基站端；而基站只需要根据终端发射的上行信号就可以完整的估计出信道信息。时分双工的缺陷在于，它要求相邻的基站系统严格同步，否则将形成巨大的小区间干扰。这对于快速部署的系统确难于实现的。在本专利提案中，由于空中基站系统具有较闻的闻度(几百到数千米)，和终端具有很闻的直射传输概率和角度分辨率。因此基站端可以通过估计用户的来波角度(angle of arrival,AoA),构造频分双工(FDD)模式下，异频下行空分多址的预编码参数。因此对于空中基站，无需信道信息反馈的频分双工也是可行的。
[0021]大规模主动天线系统不光可以和多个终端同时同频以空分多址的方式进行无线通信，还可以同时同频与其他非终端节点(例如其他的基站系统)通信。这对于实现基站间接口(例如LTE中的X2接口)是很有意义的。
[0022]采用本发明的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，大规模主动天线阵列系统对于实现未来5G无线通信系统具有很大吸引力，已经被定为5G通信的关键技术之一。对于无线通信，工作于5公里高度以下的对流层低空平台正在具有更大的吸引力。特别是基于系留气球的低空平台受到了特别关注，相对于高空平台，它具有很大优势。
[0023]采用本发明的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，基于结合低空平台和大规模天线阵列系统这两种技术。由于低空平台基站比普通地面基站具有更高的高度，它到用户设备间会具有非常高概率直射传输并且用户间也会有较高的角度分离。因此，当增加低空平台上的天线数量时，用户间无线信道的相关度的减少速度甚至会高于地面基站极限情况下的统计独立同分布信道。因此，用于大规模主动天线阵列的信号处理技术(例如多MU-MMO，Massive MMO和空分多址)在低空平台条件下将会凸显出更加优秀的性能从而达到更高的频谱效率和单位用户的比特传输速率。
[0024]采用本发明的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，应用领域有:
1、应急通信
目前主流的应急通信系统(如TETRA，P25)只支持低速的语音和数据业务。而用户(如消防、救援、医疗和警察等部门)迫切需要高速可靠的系统提供高清视频和高速数据业务。同时系留的低空平台被认为是一种理想的可快速部署的应急通信系统载具。
[0025]2、支持大型临时活动
移动互联网正在迅速普及，人们对数据速率需求在快速增加。大规模主动天线基站平台可用于支持在大型活动(例如大型体育赛事、文艺活动)中突然聚集的大量人群的快带通需求。
【权利要求】
1.一种基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，其特征是:包括低空平台，所述低空平台上搭载有大规模主动天线阵列系统，大规模主动天线阵列系统同时同频率向多个用户终端收发信号，低空平台系留在一个地面单元，地面单元通过空地链路和低空平台进行通信，地面单元通过高速微波链路或者卫星链路和远端节点或者网络进行数据回传。
2.根据权利要求1所述的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，其特征是:所述大规模主动天线阵列系统利用空分多址技术同时同频和多个用户终端进行上行和下行通信。
3.根据权利要求1所述的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，其特征是:所述大规模主动天线阵列系统在空分多址不够有效的情况下，可以结合传统的时分多址、频分多址或者码分多址的方式和多个用户终端通信。
4.根据权利要求1所述的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，其特征是:所述大规模主动天线阵列系统在和用户终端通信的同时，可利用相同的时间和频率资源和其他非用户终端节点以空分多址的方式进行通信。
5.根据权利要求1所述的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，其特征是:所述大规模主动天线阵列系统可以利用时分双工、频分双工的方式和用户终端或者其他节点进行上行和下行的通信。
6.根据权利要求1所述的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，其特征是:所述地面单元与低空平台之间连接有系留绳。
7.根据权利要求6所述的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，其特征是:所述系留绳上绑定有光纤或线缆。
8.根据权利要求1所述的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，其特征是:所述低空平台上设有增稳结构。
9.根据权利要求1所述的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，其特征是:所述大规模主动天线阵列系统至少具有4根天线。
10.根据权利要求1所述的基于对流层低空平台和大规模主动天线阵列无线通信架构，其特征是:所述低空平台工作于低于海拔7千米的平流层。
【文档编号】H04B7/04GK103825639SQ201410105198
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】曹瀚文, 温庆超, 陈容, 吴汉光, 高原 申请人:山东闻远通信技术有限公司