用於桅杆振動補償的系統和方法

2023-06-13 03:23:51

專利名稱：用於桅杆振動補償的系統和方法
技術領域：
本發明涉及通過適配天線波束方向和/或波束方向圖進行的桅杆振動補償的系 統和方法，特別是用於補償外力例如風所引起的桅杆振動。
背景技術：
在微波無線電鏈路中，通常使用高增益拋物面天線。這是很常見的解決方案。分 離的室外單元常常安裝到作為現場安裝的一部分的桅杆上。各桅杆必須具有非常嚴格的機 械穩定性，以便允許高增益天線的窄波束保持對齊。這一般導致桅杆和安裝的更高成本以 及現場的更高複雜度。
當微波無線電傳輸用作移動回程的技術時，其中安裝微波無線電的桅杆的成本和 複雜度成為總現場成本的限制因素。對其中固定微波無線電的桅杆的機械穩定性的要求非 常嚴格，並且這主要是由於用於這種類型的應用的窄波束拋物面天線。因此，各桅杆必須是 穩定和剛硬的，這使它笨重且昂貴。
因此，需要提供一種用於回程無線電鏈路的系統，它要求現場安裝的較小複雜度， 以便降低成本。發明內容
本發明的一個目的是提供一種用於提供回程無線電鏈路的系統，該系統適合補償 桅杆振動，同時保持可接受的通信要求。
這個目的在配備有具有電子束形狀的自適應天線的系統中實現，自適應天線經過 閉環控制，以便補償桅杆的機械振動。
本發明的一個優點在於，與現有技術系統相比，對桅杆穩定性的要求極大降低。
本發明的另一個優點在於，儘管如所指的那樣自適應天線的成本增加，但現場的 總成本和複雜度被降低。
本領域的技術人員通過具體實施方式
可發現其它目的和優點。


結合作為非限制性示例提供的下列附圖來描述本發明，附圖包括
圖1是示出使用拋物面天線的現有技術系統中的衰減與天線未對齊的圖表。
圖2示出根據本發明的系統的第一實施例。
圖3示出根據本發明的系統的第二實施例。
圖4示出與本發明一起使用的自適應天線。
圖5示出圖4的自適應天線的接收矩陣和發射矩陣的圖形表示。
圖6示出本發明的流程圖。
縮寫詞
ATPC 自動發射功率控制
Bff 波束寬度
FTP 點對點
RSSI接收信號強度指示具體實施方式
所提出的解決方案是使用自適應天線代替傳統拋物面窄波束天線，並且使用自適 應天線的電子控制來補償例如使用微波無線電鏈路的回程網絡中的機械桅杆振動，從而降 低對桅杆穩定性的要求。
具有電子束形狀控制的自適應天線通常在基站中實現，以便提供基站與用戶終 端之間的適當通信鏈路，如授予Iida等人的US 6917337中所述。此外，自適應天線還用 於點對點(PTP)通信系統，以便實現幹擾抑制方法，如授予Barak等人的已公布申請US 2008/0049672 中所述。
傳統高性能拋物面天線的典型半功率波束寬度角在範圍1°至3°之內，取決於 天線的頻帶和尺寸(dimension)。這得出一個結論天線對齊要求精確機械設置、健壯固定 設置和健壯桅杆。對於1°至3°的天線波束寬度，對機械固定健壯性的要求變得非常嚴 格，大約為穩定性的0.5°。需要這種嚴格的機械穩定性來處理因環境(風力)引起的機械 振動。
圖1示出(作為一個示例)直徑D = 0. 6m且頻率f = 23GHz的拋物面天線的圖表。
3dB Bff = 0. 92° IOdB Bff = 1. 68°
作為波束寬度(天線角)的函數的所示衰減非常陡。通常允許高達IOdB的鏈路 預算(在每個方向)，以便降低桅杆結構的機械限制。因天線穩定性和形狀引起的鏈路預算 的6至20dB的衰減非常高，並且對應於用於維護PTP通信鏈路的極高成本。
大家知道，自適應天線是空間處理系統，允許使有效無線電方向圖適合無線電環 境的天線陣列和複雜信號處理的組合。通常使用自適應天線來使無線電方向圖適合不同用 戶，以便降低幹擾，降低因散射和多徑引起的影響，以及提供空間選擇性的發射和接收方向 圖。因此，自適應天線的現有技術用途是匹配無線電鏈路無線電方向圖和降低幹擾。現有 技術中自適應天線的使用降低小區對小區幹擾，並且提高譜效率再使用。
本發明使用自適應天線的有益效果來降低機械安裝限制，並且降低對桅杆穩定性 的要求。
根據本發明的系統包括
1.自適應天線；
2.收發器；
3.業務和調製系統
4.空間和時間處理系統
空間和時間處理系統包括下列子功能
-測量。測量指示無線電鏈路對齊因桅杆的機械振動(例如因風力引起)而降級 的適當參數；
-處理。處理與無線電鏈路的環路中測量的參數有關的信息。
-校正。使用自適應天線信號處理來校正天線的對齊
本發明算法可優選地使用關於接收信號強度指示(RSSI)的信息以完整無線電鏈 路跳中的閉環配置以及以本地環路配置來實現。
圖2示出用於桅杆振動補償的系統10的框圖，其中描述具有遠端終端中的檢錯的 自適應補償算法，並且使用空中接口送回適當的糾錯信號用於校正。系統10包括第一節點 和第二節點，它們通過無線電鏈路使用RF信號相互通信。第一節點包括具有安裝在桅杆 (未示出)中的相位控制電路14的第一自適應天線11、第一收發器塊12以及第一業務處 理和調製塊13。第二節點包括具有安裝在桅杆(未示出)中的相位控制電路19的第二自 適應天線16、第二收發器塊17以及第二業務處理和調製塊18。空間和時間處理塊15通過 經由與通過無線電鏈路的普通RF信號相同的通信路徑所傳遞的無線連接來互連第一節點 和第二節點。
下面是各塊執行的功能的描述
自適應天線(11，16)使用RF信號與屬於另一個節點的自適應天線進行通信，並 且配備有用於電氣地通過從波束控制裝置所接收的控制信號來控制波束形成的部件。天線 波束寬度控制從形成天線方向性的多個天線元件以及用於在接收特性改進的方向上校正 天線方向性的機構來獲得。自適應天線包括可變移相器，它控制天線的基本元件；相位控 制電路14、19 ；以及組合電路，組合電路改變基本元件的相位，結合圖4更詳細地進行描述。
因低成本而特別是在微波頻率用於自適應天線的普及技術使用微帶貼片天線。對 於這種技術，基本元件由懸掛在地平面上方的金屬貼片組成。簡單元件可以是長度為半波 長的貼片，其中電場是在電流的方向上。電流饋送的變化引起輻射電場的相同變化。
通過在電磁場中以適當相位組合多個基本元件，可能實現高增益和方向性，並且 根據需要調整波束寬度。基本元件的數量取決於必須覆蓋的總增益和帶寬，並且是空間/ 成本與性能的折衷。作為一個示例，在23GHz，介電常數為2. 4、介電高度為3mm以及大小大 約為4mm的基本元件提供大約150歐姆的輻射電阻和3_4dB的增益(還取決於材料損耗)。 對於基本相移元件，不同的選項和技術是現有技術可用的。微波天線的一種可能性通過微 帶有源移相器來提供，其中包括小型分支線耦合器和反射波變容二極體。
收發器(12 ；17)使用現有技術的射頻技術來執行發射和接收功能，以便將信號 信息變換成適合傳遞到空中的射頻信號。這通過使用與執行將電磁場從輻射變換到傳導以 及從傳導變換到輻射的功能的天線有效匹配的射頻放大器、變頻器和RF濾波器來實現，這 對技術人員而言是顯而易見的。
業務處理和調製(13 ；18)執行將信息信號變換成在所使用帶寬的每Hz信息位方 面具有高效率的調製信號的功能。這個塊還添加所需信號處理和編碼，以便改進空中的傳 輸以及處理空中信道。
空間和時間處理(15):使方向性為最大，以便自適應地改進接收信號。當檢測到 因天線未對齊引起的接收信號的減小時，處理塊通過經由相位控制電路14、19調整基本元 件的相位，相應地校正天線波束。自適應天線系統的完整狀態可描述為NXN元素的方矩陣 A，各元素將元件本身中的電流表示為模塊和相位(它是複數矩陣)。不要求控制波束方向 圖以調整NXN元素，因為系統的自由度由具有維N的矩陣A的本徵值來提供。如果考慮由 N空間所描述的系統，則系統的狀態可由那個空間中的向量來表示，如圖5所示。6
圖5示出在3維(N = 3)空間的情況下的圖形示例，其中I表示天線相位矩陣的 接收狀態，以及J表示天線相位矩陣的發射狀態。天線波束的所有可能的傳遞的性質通過 矩陣A的特徵多項式來描述
P (x) = det(A-A I)
可通過求解下式找出矩陣A的本徵值(λ I-A) Xx = O
矩陣A的特徵多項式是N次多項式，它具有由矩陣的本徵值所給出的係數。波束 方向的未對齊可由表示Tx側(Etx)和Rx側(Ekx)的矩陣A的本徵值的兩個向量的距離的變 化來描述。
處理塊15計算節點之一、如第一節點的接收器天線相位矩陣的本徵值，並且從無 線電鏈路的另一側、如第二節點接收發射天線相位矩陣的信息。然後，空間和時間處理塊15 計算兩個本徵值向量之間的向量距離，並且調整接收波束的方向，以便使接收信號指示值 (RSSI)為最大。因此，RX自適應天線的N相位控制調整成使下列量為最大
d I Eex-Etx I -MAXessi
Rx控制向量與遠處TX控制向量之間的距離表示必須最小化的誤差向量信號。
除了以上所述之外，還能夠在無線電鏈路的接收器側使用RSSI的可用指示來實 現本地檢錯。確保適當檢錯和糾錯的可能性通過影響微波無線電鏈路中的主要傳播效應的 不同衰落率來保證。
-雨致衰減典型衰落率是在大約20_50dB/秒；
-空中的大氣變化衰落率很慢，主要隨溫度而變化。
-桅杆振動效應典型機械振動效應提供大約數百Hz的衰落率。
結合圖6所述的一種適當方法用於檢測上述傳播效應的哪一個降低性能並且增 加誤差。此後，可實現適當的糾錯。對於雨致衰減和空中的大氣變化，糾錯通常由對節點的 輸出功率起作用的自動發射功率控制(ATPC)功能來提供。對於桅杆的機械變化，糾錯可以 是根據本發明的自適應天線波束寬度的形狀的調整。對RSSI信號的變化率的正確濾波指 示哪些傳播效應必須由系統來補償(雨、大氣變化、桅杆振動效應)。
圖3示出用於桅杆振動補償的系統20的框圖的一個備選實施例，其中描述沒有遠 端終端中的檢錯的自適應補償算法，而使用空中接口本地生成適當的糾錯信號用於校正。 系統20包括通過無線電鏈路使用RF信號與另一個節點進行通信的節點。該節點包括具有 安裝在桅杆(未示出)中的相位控制電路M的自適應天線21、收發器塊22、業務處理和調 制塊23以及空間和時間處理塊25。
計算接收相位矩陣的本徵值，並且空間和時間處理塊調整RX波束的天線元件 (Ekx)，以便使接收信號為最大。
EEX - MAXESSI
本發明將前面所述的自適應天線的所有有益效果與下列新有益效果進行組合
·由於自適應天線信號處理以及測量無線電鏈路中由於天線未對齊引起的性能的 降低的閉環算法，自動電子消除因桅杆中的機械振動引起的效應。
-降低了桅杆機械穩定性的要求。
-降低對所有安裝機械的機械精確度的靈敏度的可能性。
-降低在將天線固定到桅杆時在傳統拋物面天線的情況下使用的機械精確設置的成本的可能性。
圖4示出自適應天線30，其中包括N個單獨天線元件31i_31N，各由移相器32^3 來控制。組合器33經由由相位控制電路34所控制的移相器32與相位控制電路34和各天 線元件31連接。相位控制電路連接到處理和控制塊，如結合圖2和圖3所述。
根據本發明、描述系統的操作的方法如圖6所示。
在自適應天線40中接收信號，其中在41中測量接收相位矩陣，並且所得矩陣Akx 被傳遞給42以便計算接收相位矩陣的本徵值Ekx。將接收信號傳遞給接收器和解調器03)， 以便生成信號的RSSI。
如果發射相位矩陣的本徵值是可用的，44，則通過在45中從Etx減去Ekx來計算 誤差信號ε，g卩，計算兩個本徵值向量之間的向量距離。將誤差信號轉發給46，其中使接收 信號指示值(RSSI)為最大，以便使誤差函數為最小。在47中根據46中執行的計算來生成 用於調整自適應天線40的移相器的指令，並且自適應天線此後被調整。
接收信號的RSSI在RSSI處理單元48中計算，其中對所計算的RSSI 50進行濾波 51，並且在52中根據下列各項來識別傳播效應
-降雨(53):測量衰落率，以及如果它在大約20_50dB/秒，則確定衰減由降雨引 起；
-大氣變化(54):測量衰落率，以及如果它很低，則確定RSSI的變化由大氣變化引 起，因為它主要隨溫度而變化。
-桅杆振動效應(55):測量衰落率，以及如果減小是在大約數百Hz，則確定RSSI 的減小由機械振動引起。
如果確定降雨或大氣變化是起因，則激活對節點的輸出功率起作用的自動發射功 率控制(ATPC)功能49。
另一方面，如果確定桅杆振動，則調整接收相位矩陣的本徵值Ekx，以便在46中使 接收信號強度指示符(RSSI)為最大。
權利要求
1.一種在通信系統中實現的用於桅杆振動補償的系統(10 ;20)，所述系統包括第一節 點和第二節點，其特徵在於，所述第一節點包括第一自適應天線(11;21)；連接到所述天 線(11 ；21)的接收器(12 ；22)；以及空間和時間處理系統(15 ；25)，通過由所述空間和時間 處理系統(15;25)中生成的第一校正信號來控制所述第一自適應天線(11 ；21)，所述第一 校正信號基於指示與所述第二節點的無線電鏈路對齊降級的參數。
2.如權利要求1所述的系統，其中，從所述第一節點中的所述接收器(11；21)得到所 述參數，並且所述系統還包括用於確定主要傳播效應的衰落率的部件，以便確保所述參數 指示所述無線電鏈路對齊因機械振動而降級。
3.如權利要求2所述的系統，其中，所述所確定衰落率是大約數百Hz，以便指示機械振動。
4.如權利要求1-3中的任一項所述的系統，其中，所述第一自適應天線(11)配備有用 於計算接收相位矩陣的本徵值ERX的部件以及適合根據所述所計算的本徵值Ekx來調整天 線波束以便使所述參數為最大的相位控制電路(14 ；24)。
5.如權利要求1所述的系統，其中，所述第二節點包括第二自適應天線(16)，所述第 二自適應天線連接到適合發射由所述第一節點中的所述接收器(1 接收的信號的發射器 (17)；通過所述第一節點和第二節點所共享的空間和時間處理系統(1 中生成的第二校 正信號來控制所述第二自適應天線(16)。
6.如權利要求5所述的系統，其中，所述第一自適應天線(11)配備有用於計算接收相 位矩陣的本徵值Ekx的部件，並且所述第一節點配備有用於檢索所述第二自適應天線(16) 的發射相位矩陣的本徵值Etx的部件，所述第一自適應天線還包括相位控制電路(14)，所述 相位控制電路適合根據所述接收相位矩陣的所述所計算本徵值Ekx以及發射相位矩陣的所 檢索本徵值來調整所述天線波束，以便使所述參數為最大。
7.如權利要求5-6中的任一項所述的系統，其中，所述發射器在收發器電路中實現。
8.如權利要求1-7中的任一項所述的系統，其中，所述參數是接收信號強度指示RSSI。
9.如權利要求1-8中的任一項所述的系統，其中，所述接收器在收發器電路中實現。
10.一種在包括第一節點和第二節點的通信系統中用於補償桅杆振動的方法，所述第 一節點包括第一自適應天線(11 ；21)、連接到所述天線(11 ；21)的接收器(12 ；22)以及空 間和時間處理系統(15 ；25)，所述方法包括-在所述第一節點中測量由所述第一自適應天線所接收的指示與所述第二節點的無線 電鏈路對齊降級的參數，-在所述空間和時間處理系統中根據所述測量的參數來生成校正信號，以及-通過所述校正信號來控制所述第一自適應天線(11 ；21)。
11.如權利要求10所述的方法，還包括-在生成所述校正信號之前，確定所述主要傳播效應的衰落率，以便確保所述測量的參 數指示所述無線電鏈路對齊因機械振動而降級。
12.如權利要求11所述的方法，還包括-計算接收相位矩陣的本徵值Ekx，以及-根據所述所計算的本徵值Ekx來調整所述天線波束，以便使所述參數為最大。
13.如權利要求10所述的方法，還包括-從所述第二節點發射由所述接收器接收的信號，以及-選擇要由所述第一節點和第二節點共享的所述空間和時間處理系統(15)，其中所述 所生成的校正信號還基於所述發射信號。
14.如權利要求13所述的方法，還包括 -計算接收相位矩陣的本徵值Ekx，以及-在所述第一節點中檢索所述第二自適應天線(16)的發射相位矩陣的本徵值，以及 -根據所述接收相位矩陣的所述所計算本徵值Ekx和發射相位矩陣的所檢索本徵值 來調整所述天線波束，以便使所述參數為最大。
15.如權利要求10-14中的任一項所述的方法，還包括將所述參數選擇為接收信號強 度指示RSSI。
全文摘要
本發明涉及在通信系統中實現的用於桅杆振動補償的系統10、20，其中包括第一節點和第二節點。第一節點包括安裝在桅杆中的第一自適應天線11、2；連接到所述天線11、21的接收器12、22；空間和時間處理系統15、25。通過在空間和時間處理系統15、25中生成的第一校正信號來控制第一自適應天線11、21。校正信號基於指示與第二節點的無線電鏈路對齊因桅杆中的機械振動而降級的參數。本發明還涉及一種用於桅杆振動補償的方法。
文檔編號H01Q3/26GK102037606SQ200880129412
公開日2011年4月27日 申請日期2008年5月23日 優先權日2008年5月23日
發明者M·馬裡奧蒂 申請人:愛立信電話股份有限公司