本发明公开了一种3D空间多天线无线通信系统,通信双方分为管理端和用户端,分别采用单一的射频发射接收模块,每个单一射频发射接收模块可以连接多个天线,多个天线置放在3D空间中的不同位置,应对于不同位置、不同极化的发射接收。通过使用最优天线对选择算法,在基带模块中选择出通信双方各自最佳的天线,在不增加成本和功耗的前提下,实现了多天线技术空间分集,提高了无线传输可靠性和减轻信道衰落。本发明尤其适用于超低功耗超低成本高性能的无线通信应用。
1.一种3D空间多天线无线通信系统,其特征是,通信双方分为管理端和用户端,分别采用单一的射频发射接收模块,每个单一射频发射接收模块连接多个天线,多个天线置放在3D空间中的不同位置,应对于不同位置、不同极化的发射接收;所述多个天线分别设置在相互收发数据的所述用户端和管理端,所述用户端还包括采集数据的传感器、第一无线收发系统、用于天线选择的第一开关、第一开关控制模块;xa0所述管理端还包括用于转发收到数据的网络接口、第二无线收发系统、用于天线选择的第二开关、第二开关控制模块;天线的选择遵循天线对选择协议,即一个管理端和一个用户端的天线,指定规定的时间点,用每个天线对事先已知的信号实现发射接收,在管理端评估每个天线对发射接收的性能,从中选出发射接收性能最好的天线对,分别通知管理端和用户端,分别用选定的天线进行发射接收。
2.根据权利要求1所述的3D空间多天线无线通信系统,其特征是,每个单一的射频发射接收模块连接的天线数量为2-8根。
3.根据权利要求1所述的3D空间多天线无线通信系统,其特征是,所述天线间的距离大于0.25倍天线发射的无线电波的波长。
4.根据权利要求1所述的3D空间多天线无线通信系统,其特征是,所述传感器将需要的数据采集进入所述第一无线收发系统,所述第一开关控制模块接收来自所述第一无线收发系统的指令,控制所述第一开关,指定选择的天线,xa0所述第一开关用于连接选择的用户端天线,断开未选择的用户端天线连接,用选择的指定天线实现用户端数据的发射接收。
5.根据权利要求1所述的3D空间多天线无线通信系统,其特征是,所述网络用于转发来自用户端所述传感器的数据到指定的网络地址;所述第二开关控制模块接收来自所述第二无线收发系统的指令,控制所述第二开关,选择指定的天线,所述第二开关用于连接选择的管理端的天线,断开未选择的管理端的天线连接,用指定的天线实现管理端数据的发射接收。
6.根据权利要求1所述的3D空间多天线无线通信系统,其特征是,所述天线对选择协议步骤为:1)天线搜索请求:管理端向用户端发送信令,申请用户端开始天线选择,信令包括管理端的配置信息,包括天线数、发射数据选择;2)天线搜索回复:用户端回复管理端,向管理端发送信令,信令包括用户端的配置信息,包括天线数、发射数据选择;3)天线对评估信号传输:用户端分别在每个天线上发射指定的评估信号,用于管理端分别在每个天线上接收,开展性能评估;4)天线对选择:管理端分别用每个天线,接收用户端在每个天线上发射出来的指定的评估信号,计算出所有可能天线对的组合的性能,从中选择最优的天线对,通知用户端;5)天线对选择确认:用户端确认收到管理端最优天线对的选择;6)数据发射:管理端和用户端分别使用指定的最优天线开始发射接收数据。
7.根据权利要求6所述的3D空间多天线无线通信系统,其特征是,所述管理端天线对选择算法步骤为:所述管理端用第M个接收天线,接收到来自第N个用户端天线发射的信号,并计算出接收信号的信噪比SNR(M,N);当所有N个用户端天线全部发射完评估信号,所有M个管理端天线完成接收评估信号,选择具有最大信噪比的天线对,即为最优天线对。技术领域
本发明涉及一种无线通信系统,尤其涉及一种3D空间多天线无线通信系统,属于无线通信技术领域。
背景技术
多天线发射和接收(MIMO)技术已成为无线通信的重要发展方向。通过在发射端和接收端分别采用多个射频收发模块,每个模块接收到的数据分别通过模数转换,输进基带处理模块,进行信号处理和解调;发射数据经过调制、分配给不同射频模块,再通过数模转换,用多个射频模块发射出去。多天线技术实现了提升数据传输速率、提高无线传输的可靠性、减轻信道衰落的影响。例如,第三代无线移动通信技术WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000、第四代无线移动通信技术LTE、无线宽带接入技术WiFixa0(802.11n)均采用多天线技术传输。在提升数据传输速率方面,多天线技术利用空间信道正交叠加的无线传输方式,通过在3D空间产生等效的多个独立传输信道,达到增加传输速率的目的。例如,在发射端和接收端分别采用四个射频模块,最高可以提高四倍传输速率。但是,多天线技术也带来了功耗和成本的上升。在提高无线传输可靠性和减轻信道衰落影响方面,多天线技术利用空间分集,利用3D空间多个独立不相关的传输信道,保证了平均传输速率的可靠性,从而减轻信道衰落的影响。同样,多天线技术用于分集发射接收带来功耗和成本的上升。在许多功耗和成本敏感的实际应用中,产品对功耗和成本非常敏感,采用多个射频收发模块是不可接受的。但是,单天线接收模块又达不到系统要求的性能,对低成本、低功耗、高性能多天线收发提出了挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种3D空间多天线无线通信系统,不增加成本和功耗,实现了多天线技术空间的最优分集的无线数据传输。为解决上述技术问题,一种3D空间多天线无线通信系统,其特征是,通信双方分为管理端和用户端,分别采用单一的射频发射接收模块,每个单一射频发射接收模块连接多个天线,多个天线置放在3D空间中的不同位置,应对于不同位置、不同极化的发射接收。每个单一的射频发射接收模块连接的天线数量为2-8根。所述天线间的距离大于0.25倍天线发射的无线电波的波长。所述多个天线分别设置在相互收发数据的所述用户端和管理端,用户端包括N个天线,管理端包括M个天线,所述用户端还包括采集数据的传感器、第一无线收发系统、用于天线选择的第一开关、第一开关控制模块;xa0所述管理端还包括用于转发收到数据的网络接口、第二无线收发系统、用于天线选择的第二开关、第二开关控制模块。所述传感器将需要的数据采集进入所述第一无线收发系统,所述第一开关控制模块接收来自所述第一无线收发系统的指令,控制所述第一开关,指定选择的天线,xa0所述第一开关用于连接选择的用户端天线,断开未选择的用户端天线连接,用选择的指定天线实现用户端数据的发射接收;所述网络用于转发来自用户端所述传感器的数据到指定的网络地址;所述第二开关控制模块接收来自所述第二无线收发系统的指令,控制所述第二开关,选择指定的天线,所述第二开关用于连接选择的管理端的天线,断开未选择的管理端的天线连接,用指定的天线实现管理端数据的发射接收。天线的选择遵循天线对选择协议,即一个管理端和一个用户端的天线,指定规定的时间点,用每个天线对事先已知的信号实现发射接收,在管理端评估每个天线对发射接收的性能,从中选出发射接收性能最好的天线对,分别通知管理端和用户端,分别用选定的天线进行发射接收。所述天线对选择协议步骤为:1)天线搜索请求:管理端向用户端发送信令,申请用户端开始天线选择,信令包括管理端的配置信息,包括天线数、发射数据选择;2)天线搜索回复:用户端回复管理端,向管理端发送信令,信令包括用户端的配置信息,包括天线数、发射数据选择;3)天线对评估信号传输:用户端分别在每个天线上发射指定的评估信号,用于管理端分别在每个天线上接收,开展性能评估;4)天线对选择:管理端分别用每个天线,接收用户端在每个天线上发射出来的指定的评估信号,计算出所有可能天线对的组合的性能,从中选择最优的天线对,通知用户端;5)天线对选择确认:用户端确认收到管理端最优天线对的选择;6)数据发射:管理端和用户端分别使用指定的最优天线开始发射接收数据。所述管理端天线对选择算法步骤为:管理端用第M个接收天线,接收到来自第N个用户端天线发射的信号,并计算出接收信号的信噪比SNR(M,N);当所有N个用户端天线全部发射完评估信号,所有M个管理端天线完成接收评估信号,选择具有最大信噪比的天线对,即为最优天线对。本发明所达到的有益效果:本发明的3D空间多天线无线通信系统采用单一射频发射接收模块,通过使用最优天线对选择算法,在基带模块中选择出通信双方各自最佳的天线,在不增加成本和功耗的前提下,实现了多天线技术空间分集,提高了无线传输可靠性和减轻信道衰落。本发明尤其适用于超低功耗超低成本高性能的无线通信应用。
附图说明
图1是本发明的3D空间多天线无线通信系统用户端示意图;图2是本发明的3D空间多天线无线通信系统管理端示意图;图3是本发明的3D空间多天线无线通信系统天线对选择协议;图4是图3中的管理端天线对选择算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。本发明的3D空间多天线无线通信系统,在管理端和用户端分别采用单一射频发射接收模块,每端分别连接多个极低成本的天线(2-8根),多个天线置放在3D空间中,实现不同位置(距离大于0.25倍发射的无线电波长)、不同极化的发射接收。管理端和用户端在启动无线通信系统前,首先,使用本发明提供的管理端的天线对选择算法,搜索管理端和用户端的每个天线对,选出接收接收性能最优的天线对,用最优的天线对开始发射接收。同时,本发明提供的算法采用最优天线对选择协议控制,在规定的时间点,重新搜索每个发射接收天线对,选出发射接收性能最好的天线对,保证最优发射接收。本发明的3D空间多天线无线通信系统包括用户端和管理端。其中,用户端包括传感器、N个天线、无线收发系统、开关、开关控制,如图1所示,传感器:将需要的数据采集进入无线收发系统;天线:选择其中的一个天线实现数据发射接收;无线收发系统:发射用户端数据;接收管理端的数据;开关:连接选择的天线,断开未选择的天线连接;开关控制:根据接收来自管理端的指令,控制开关,选择连接指定的的天线。管理端包括网络、天线、无线收发系统、开关、开关控制,如图2所示,网络:转发传感器的数据到指定网络地点;天线:选择其中的一个天线实现数据发射接收;无线收发系统:发射管理端数据;接收用户端的数据;开关:连接选择的天线,断开未选择的天线连接;开关控制:根据接收的数据,使用本发明的算法,选出最优天线对,控制开关选择连接的天线;如图3所示,管理端与用户端之间的无线收发遵从天线对选择协议。天线对选择协议:指定规定的时间点,实现搜索每管理端和用户端每个发射接收对,选出发射接收性能最好的天线对。传输管理端的最优天线对信息到用户端,控制用户端天线选择开关;根据最优天线对的选择,控制管理端选择天线进行发射接收。天线对选择协议过程如下:1)天线搜索请求:管理端向用户端发送信令,申请用户端开始天线选择,信令包括管理端的配置信息(天线数、发射数据选择);2)天线搜索回复:用户端回复管理端,向管理端发送信令,信令包括用户端的配置信息(包括天线数、发射数据选择);3)天线对N评估信号传输:用户端分别在每个天线上发射指定的评估信号,用于管理端分别在每个天线上接收,开展性能评估;4)天线对选择:管理端分别用每个天线,接收用户端在每个天线上发射出来的指定的评估信号,计算出所有可能天线对的组合的性能,从中选择最优的天线对,通知用户端;5)天线对选择确认:用户端确认收到管理端最优天线对的选择;6)数据发射:管理端和用户端分别使用指定的最优天线开始发射接收数据。其中,管理端天线对选择算法流程图,如图4所示,管理端天线对选择过程为:管理端用第M个接收天线,接收到来自第N个用户端天线发射的信号,并计算出接收信号的信噪比SNR(M,N);当所有N个用户端天线全部发射完评估信号,所有M个管理端天线完成接收评估信号,选择具有最大信噪比的天线对,即为最优天线对。以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。