ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МНОГОКАНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ
TRANSMITTING-RECEIVING ANTENNA DEVICE FOR MULTICHANNEL SYSTEM OF CELLULAR COMMUNICATION

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для осуществления приема и передачи информации в многоканальных системах сотовой связи.
Для организации многоканальной (Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) системы сотовой связи (ССС) и для повышения ее эффективности необходимо выполнение, как минимум, двух условий: наличие многоканальной (многолучевой) радиотрассы и многоканальных радиопередающих и радиоприемных антенн.
Известна [1] схема антенного устройства (АУ) MIMO ССС (фиг.1), состоящая из N передающих и М приемных излучателей, разделенных многоканальным (многолучевым) пространством и соединенных с выходом передающего устройства и входом приемного устройства соответствующими делителями мощности. Многоканальный режим обеспечивается или с помощью кодового или частотного разделения каналов. При этом каждый из каналов образуется любой из пар передающих и приемных излучателей.
Известна также схема АУ ССС, в которой делитель мощности передающей антенной решетки (АР) имеет N' входов, а делитель мощности приемной АР - М' выходов (фиг.2), т.е. делителями мощности являются диаграммообразующие схемы (ДОС) [3, 4].
В схеме на фиг.3, кроме кодового и частотного, возможно также пространственное разделение сигналов за счет формирования различных диаграмм направленности (ДН) для каждого из 1…N' и 1…М' входов.
В известных устройствах ДОС в приемных и передающих АР выбираются из условия достаточной развязки между диаграммами направленности различных лучей в свободном пространстве, и не учитывают особенностей радиотрассы ([4], стр.217, [5], стр.474, 482). Поэтому такие многолучевые АР малоэффективны для MIMO ССС и применяются для повышения отношения сигнал/помеха на входе одноканальных ССС, а также для организации и оптимизации многосекторного режима базовых станций в одноканальных системах связи.
Известные устройства не обеспечивают возможность достижения максимальной спектральной эффективности по ряду причин, главными из которых являются невозможность увеличения количества независимых каналов М', максимальное значение которых определяется свойством радиотрассы, и невозможность обеспечения равного канального усиления в различных каналах.
Технической задачей изобретения является создание приемопередающего антенного устройства, обеспечивающего эффективную работу в многоканальных системах связи при максимальной спектральной эффективности, а также обеспечение равного усиления в каналах многоканальной системы связи.
1
1
1
1
1
1
Поставленная задача достигается в приемопередающем антенном устройстве для многоканальной системы сотовой связи, содержащем передающую антенную решетку из N излучателей, N - канальный делитель мощности, вход которого является входом устройства, приемную антенную решетку из М излучателей и делитель мощности, М входов которого подсоединены соответственно к М излучателям приемной антенной решетки, а М выходов делителя мощности являются соответственно выходами устройства, в которое согласно изобретению введена первая диаграммообразующая схема, формирующая на выходе N распределений, являющихся собственными векторами канальной энергетической матрицы, N входов которой соединены соответственно с выходами N - канального делителя мощности, который выполнен с регулируемым коэффициентом деления, N выходов первой диаграммообразующей схемы подсоединены соответственно к N излучателям передающей антенной решетки, делитель мощности с М входами и М выходами выполнен в виде второй диаграммообразующей схемы, преобразующей систему М' собственных векторов канальной энергетической матрицы на входе из М излучателей в систему М независимых выходов.
При этом между передающей и приемной антенными решетками размещены выравниватели канального усиления, состоящие из приемной и передающей антенн с управляемыми диаграммами направленности, между которыми включен управляемый усилитель мощности.
Кроме того, в каждом радиоканале установлены канальные отражатели, каждый из которых состоит из переотражающей антенной решетки, нагруженной на управляемый реактивный многополюсник, при этом переотражающие антенные решетки отражателей выполнены многолучевыми с переключаемыми диаграммами направленности, а управляемый реактивный многополюсник выполнен в виде регулируемого усилителя мощности.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1, 2 и 3 приведены структурные электрические схемы аналогов; на фиг.4 показаны зависимости спектральной эффективности от количества каналов системы связи; на фиг.5 - структурная электрическая схема приемопередающего антенного устройства для многоканальной системы сотовой связи; на фиг.6 - вариант реализации делителя 2 с регулируемым коэффициентом деления; на фиг.7 представлен вид диаграммы направленности передающих излучателей 1; на фиг.8 - структурная электрическая схема устройства с переотражателями на трассе; на фиг.9 - антенная решетка с переключаемыми диаграммами направленности; на фиг.10 - структурная электрическая схема устройства с выравнивателями каналов.
1
1
1
1
1
1
Приемопередающее антенное устройство для многоканальной системы сотовой связи (фиг.5) содержит передающую антенную решетку 1 из N излучателей, N - канальный делитель мощности 2, вход которого является входом устройства, приемную антенную решетку 3 из М излучателей и делитель мощности 4, М входов которого подсоединены соответственно к М излучателям приемной антенной решетки 1, а М выходов делителя мощности 4 являются соответственно выходами устройства, первую диаграммообразующую схему 5, формирующую на выходе N распределений, являющихся собственными векторами канальной энергетической матрицы, N входов которой соединены соответственно с выходами N - канального делителя мощности 2, который выполнен с регулируемым коэффициентом деления, N выходов первой диаграммообразующей схемы 5 подсоединены соответственно к N излучателям передающей антенной решетки 1, делитель мощности 4 с М входами и М выходами выполнен в виде второй диаграммообразующей схемы, преобразующей систему М' собственных векторов канальной энергетической матрицы на входе из М излучателей в систему М независимых выходов.
Между передающей и приемной антенными решетками 1, 3 (фиг.10) размещены выравниватели канального усиления 6, состоящие из последовательно соединенных приемной и передающей антенн 7 и 8 с управляемыми диаграммами направленности, между которыми включен управляемый усилитель мощности 9.
В радиоканале установлены Q канальных отражателей 10, каждый из которых состоит из переотражающей антенной решетки 11, нагруженной на управляемый реактивный многополюсник 12, при этом переотражающие антенные решетки 11 отражателей выполнены многолучевыми с переключаемыми диаграммами направленности, а управляемый реактивный многополюсник 12 выполнен в виде регулируемого усилителя мощности.
M'
i
i
1
2
2
2
Спектральная эффективность (СЭ) С является важнейшим параметром ССС. При организации М' независимых и одинаковых (по величине канальных усилений |µ| (|µ|=|µ|, i=1…N)) каналов СЭ ССС достигает максимума, равного
где ρ=Рс(А)/Рш(В) - отношение сигнал/помеха на входе m-ой приемной антенны, расположенной в точке В, при мощности излучения передающей антенны Рс(А) (А - точка расположения передающей антенны).
i
i
1
2
2
2
Наибольший потенциальный выигрыш MIMO систем γ при существовании М' равнозначных по величине |µ| (|µ|=|µ|, i=1…N) каналов по сравнению с одноканальной трассой определяется соотношением
макс
1
макс
1
2
2
Зависимость γ от количества каналов М' показана на фиг.4 для различных значений ρ|µ|. Как видно, γ растет как при увеличении количества каналов М', так и при увеличении значений ρ|µ|. Для неравнозначных каналов можно показать, что максимальная СЭ определяется соотношением
и достигается при обеспечении мощности , поступающей от передатчика на вход m канала в соответствии с законом
i
i
2
2
Численное моделирование соотношений (3)-(4) показывает, что, если каналы не равнозначны по величине |µ|, то выигрыш в СЭ γ быстро уменьшается и стремится к единице по мере возрастания различия между величинами |µ|.
Из соотношений (1)-(3) следует, что основными направлениями повышения СЭ ССС являются:
- обеспечение оптимальной многоканальной работы на многолучевой радиотрассе ССС;
- увеличение количества независимых каналов радиотрассы;
- выравнивание канального усиления в многоканальных радиотрассах;
i
2
- повышение энергетики (величины ρ|µ|) каждого i-го канала.
Для реализации перечисленных условий повышения СЭ предлагается следующее.
1
m'
При наличии многоканальной (многолучевой) радиотрассы необходимо создать в N-передающих излучателях N независимых амплитудно-фазовых распределений, каждое из которых соответствует структуре собственного вектора T〉 энергетической канальной матрицы W, определяемого соотношениями
где Т - матрица ортонормированных векторов матрицы W.
t
Соответственно энергетическая канальная матрица W определяется выражением W=Н*Н, где Н - полевая канальная матрица, определяемая с учетом характеристик радиотрассы, типа АР и взаимодействия излучателей в АР.
1
1
Для создания N собственных распределений на входе передающей АР в тракт передающей АР служит управляемый делитель мощности 2 и диаграммообразующая схема (ДОС) 5 (фиг.4), N выходов которой подключены соответственно к N передающим излучателям 1, а на N ее входов от передатчика через управляемый делитель мощности 2 подается сигнал, мощность которого определяется соотношением (4).
i
i
2
2
Управлять мощностью деления в делителе 2 необходимо по следующей причине. Как показывает анализ свойств многоканальных радиотрасс, величины канального усиления |µ| многих каналов существенно зависят от взаимного расположения точек А и В, т.е. координат передатчика и приемника (абонента). Поэтому при работе с различными абонентами и при движении одного из абонентов величина |µ| может быстро меняться, и в соответствии с выражением (4) необходимо менять оптимальное распределение мощности, передаваемой в каждый канал.
ДОС 5 передающего тракта отличается от широко используемой ДОС в многолучевых АР, т.к. структура векторов возбуждения на входе излучателей в MIMO ССС должна удовлетворять соотношению (4), учитывающему свойства радиотрасс, в то время как для «обычных» многолучевых АР параметры радиотрассы никак не учитываются при формировании многолучевых ДН.
Для разделения каналов в приемном тракте служит диаграммообразующая схема (ДОС) 4 приемной антенны (фиг.4), осуществляющая преобразование каждого m=1…М' собственного вектора падающего поля на один из М выходов этой ДОС. Аналогично, как для ДОС 5 передающей антенны, приемная ДОС 4 отличается от широко используемой ДОС в многолучевых АР, т.к. структура векторов возбуждения на излучателях приемной АР должна удовлетворять соотношению (4), учитывающему свойства радиотрассы.
t
t
Так, например, для MIMO ССС с двухлучевой трассой, образованной из-за дифракции на зданиях, и с двумя передающими (N=2) и двумя приемными (М=2) излучателями собственные возбуждения на входах передающих и приемных излучателей пропорциональны синфазным (1,1) и противофазным (1,-1) векторам. ДОС 4 и 5 приемной и передающей АР имеет вид суммарно-разностного делителя со стороны входов. На фиг.6 изображен один из вариантов такого делителя, состоящего из 3 дБ направленного ответвителя и фиксированного фазовращателя на 90°. Двухлучевая ДН передающей и приемной антенн описывается при этом соотношениями
соответственно для синфазного и противофазного каналов.
1
2
Вид этих ДН представлен на фиг.7. При формировании таких ДН на передачу и прием по СЭ ССС увеличивается в соответствии с соотношениями (1)-(2) почти до 3 дБ при ρ|µ|≥30 дБ по сравнению с однолучевой трассой. Отметим, что вариант двухлучевой АР в свободном пространстве и ее ДН показаны в [5, рис.19.11] и принципиально отличаются от ДОС и ДН, показанных на фиг.5 и фиг.6.
Для однородных (немноголучевых) или малоканальных трасс увеличения СЭ можно добиться с помощью искусственного увеличения многоканальности (многолучевости) путем постановки на трассе Q дополнительных переотражателей 10 (фиг.8). Каждый переотражатель 10 представляет систему излучателей 11, нагруженных на реактивный управляемый многополюсник 12. В частном случае антеннами переотражателей являются многолучевые АР с переключаемыми ДН (фиг.9). Использование управляемых многополюсников позволяет сформировать два луча на прием и передачу с разными направлениями максимумов ДН.
Для выравнивания канального усиления в точках приема в многоканальных трассах на трассе устанавливаются канальные выравниватели, состоящие из приемной и передающей антенн 7, 8, соединенных фидерным трактом и усилителем мощности 9 в этом тракте с регулируемым коэффициентом усиления (фиг.10). Усилители мощности могут располагаться и в реактивных многополюсниках дополнительных переотражателей.
i
2
При использовании М' выравнивателей 6 (по числу независимых каналов) с регулируемыми коэффициентами усиления и управляемыми ДН возможно полное выравнивание канальных коэффициентов усиления и получение выигрыша в СЭ в соответствии с выражением (2). Применение усилителей мощности 9 в канальных выравнивателях позволяет к тому же повысить величину ρ|µ|, что в соответствии с (2) также приводит к увеличению СЭ ССС без увеличения мощности основного передающего устройства. Последнее обстоятельство положительно влияет на экологическую безопасность и уменьшение уровня взаимных помех.
При выборе ДН в канальных переотражателях и выравнивателях из условия максимальной развязки с полем сигнала, передаваемого по другим каналам, достигается максимальная эффективность выравнивателей, а именно при заданной верхней границе коэффициента усиления усилителя, расположенного в выравнивателе, обеспечивается максимально равное канальное усиление на всех каналах, а следовательно, и максимальная СЭ ССС.
Источники информации
1. David Gesbert, Mansoor Shaft; Da-shau Shiu, Peter J.Shith, Ayman Naguib. From Theory to Practice: An Overview of MIMO Space-Time Coded Wireless System, IEEE Journal on selected areas in communications, vol.21, no. 3, April, 2003, p.281-302.
2. Wei Zhang, Xiang-Gen Xia, Khaled Ben Letaief. Space-Time/Frequency Coding for MIMO-OFDM in Next Generation Broadband, IEEE Wireless Communications Magazine, June, 2007.
3. V.Zaharov, F.Casco, O.Amin. Smart antenna base station beamformer for mobile communications, journal of radioelectronics, №11, 2000.
4. Ю.А.Громаков, О.О.Василенко. Цифровые и антенные решетки для систем сотовой подвижной связи. Стр.132-219 в книге «Активные фазированные антенные решетки» под ред. Д.И.Воскресенского, А.И.Канащенкова. М.: Радиотехника, 2004 г., 488 с.
5. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Антенны и устройства СВЧ, М.: МАИ, 1999 г., 527 с.