CN100514876C

CN100514876C - 一种实现射频收发链路冗余设计的系统及方法

Info

Publication number: CN100514876C
Application number: CNB2006100081220A
Authority: CN
Inventors: 屠东兴; 赵天忠
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: CN1852033A

Abstract

本发明是一种实现射频收发链路冗余设计的系统及方法，在基站射频子系统的收发链路中增加基带信号切换矩阵模块、射频信号切换矩阵模块和智能化软件平台，由智能化软件平台控制矩阵模块的切换，配合收发链路各实体，控制收发链路的备份方式并实现收发链路的备份。本发明可以实施收发链路的同时备份或者分别备份，使收发链路的备份没有相关性，便于满足不同的客户需求和系统配置；实施本发明，可以有效的提高多载波预失真基站射频子系统的可靠性。

Description

一种实现射频收发链路冗余设计的系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是涉及一种实现基站射频子系统收发链路冗余设计的系统及方法。

背景技术

基于IS-95标准的CDMA系统网络中包含基站子系统(BSS)，BSS是网络的无线接入部分，连接到移动通信交换中心；BSS中又包括基站BTS(Base Transceiver Station)，其功能是完成无线信号的接收和发送，无线信号是以射频方式传递的，基站无线信号的接收和发送的射频子系统包括发送器、频率合成器、功率放大器、接收器4大部分。

射频子系统的收发链路是指建立在发送器、频率合成器、功率放大器、接收器之间的通信链路，收发链路的可靠性决定了系统通信的容量与质量。目前还没有专门的方法来提高射频子系统的可靠性，这在以前单载波基站中是可以容忍的，一个扇区中收发链路出现了问题，也只影响一个载波上的用户，对于系统容量的影响是不大的，但是在现在的多载波MC(Multi-carrier)基站中，如果收发链路出现了问题，通常会影响两到三个或更多载波上的用户，对于系统容量的影响很大，所以在多载波系统中，加强射频子系统收发链路的冗余设计就显得尤为重要。

在冗余设计中常采用三种方法，采用共享池方案的方法、采用负荷分担方案的方法和采用备份方案的方法，以下将采用前两种方案的现有技术给以简单介绍；本发明中提出的采用备份方案的方法将在具体实施方式中详细说明。

第一种是采用共享池方案的方法，即功率共享方案，该方法的提出是基于系统的容量受到了前向功率容量的限制，共享的同时也实现了备份功能，该方案适用于单载波基站中。

此方法实现的原理框图如图1所示：

扇区1的信号经过4X4混合矩阵，分发到4个功率放大器共同对扇区1的信号进行放大，然后再经过4X4混合矩阵，将4个功率放大器放大的信号进行合并再输出，扇区2和扇区3的信号也同理经过类似的处理，这样就起到了负荷分担、功率共享的作用。

该方法的缺点是：

1.3dB电桥耦合器的耦合度有误差，功率放大器之间具有特性分散性，会导致扇区隔离度下降，一般工艺条件下，扇区隔离度很难做到25dB；

2.当只要有一个功率放大器不工作时，在理论上，所有三个扇区隔离度立即下降至9.5dB；

3.更换其中一个功率放大器时，需要一个增益和相位与原功率放大器完全一致的功率放大器；或者，四个功率放大器都要同时更换成经过挑选配对的功率放大器。

4.对于采用数字预失真DPD(Digital Pre-Distortion)算法的多载波系统，由于功率放大器放大了不同扇区的信号，因此，反馈采样信号和基带基准信号要做一些特殊处理；

5.故障前后系统容量和覆盖都有较大的下降。

第二种是采用负荷分担方案的方法，该方法和上述方法有相同之处，但是多应用在多载波基站中，其具体实现的原理框图如图2所示：

当系统配置一个载波时，配置一个功率放大器满功率输出；当系统配置两个载波时，配置两个功率放大器满功率输出，这样在增加载波数时，每个载波的功率不变，起到负荷分担的作用；系统最大配置三个载波，即最多配置3个功率放大器；在多载波配置时，三个功率放大器互为备份；

该方法的缺点是：

1.需要三个功率放大器的相位特性一致，功率放大器需要经过挑选，另当一个功率放大器损坏时，其他两个功率放大器的合路功率会下降，而且预失真信号需要从双工滤波单元DUP(Duplex FilterUnit)提取；

2.收发信机TRX(Transceiver)输出端需要增加分路器(Splitter)，TRX需要对系统链路的增益和动态进行补偿；

3.功率放大器输出端需要增加合路器(Combine)，功率放大器需要对系统链路的增益和动态进行补偿。

4.故障前后系统容量和覆盖都有较大的下降。

发明内容

针对现有技术中射频收发链路冗余设计的方法是建立在牺牲系统性能的基础上的不足，本发明的目的在于提供一种系统及方法，能够利用备份的方法实现基站射频子系统收发链路的冗余设计，结构简单、配置灵活，有效地提高射频子系统的可靠性。

为实现本目的，本发明提供了一种实现射频收发链路冗余设计的系统，用于实现基站射频子系统收发链路的冗余设计，该系统包括：

基带信号切换矩阵模块，其将输入的基带I/Q数字信号进行4X4切换；

射频信号切换矩阵模块，其将输入的射频信号进行4X4切换；

智能化软件平台，其控制基带信号切换矩阵模块和射频信号切换矩阵模块的切换；

当用于射频发射链路的冗余设计时，所述基带信号切换矩阵模块连接4个第一收发信机，每个第一收发信机对应一个功率放大器，切换后的基带I/Q数字信号分发到3个第一收发信机，利用剩余的1个第一收发信机及所述剩余的1个第一收发信机对应的功率放大器作为冗余使用，当所述3个第一收发信机中的一个出现故障时，利用所述剩余的1个第一收发信机替换出现故障的第一收发信机；

所述第一收发信机，其将所述的基带信号切换矩阵模块输出的基带I/Q数字信号转换成小功率射频信号；

所述功率放大器，其将所述的第一收发信机输出的小功率射频信号放大成大功率射频信号，并将所述大功率射频信号发送到所述的射频信号切换矩阵模块；

当用于射频接收链路的冗余设计时，所述射频信号切换矩阵模块连接4个第二收发信机，切换后的3组小功率射频信号进入3个第二收发信机中进行基带I/Q数字信号转换及主分集的并串转换，利用剩余的1个第二收发信机作为冗余使用；

低噪声放大器，其接收并放大所述的射频信号切换矩阵模块输出的小功率射频信号；

第二收发信机，其将所述的低噪声放大器输出的射频信号转换为基带I/Q数字信号，并将该基带I/Q数字信号发送到所述的基带信号切换矩阵模块。

所述的低噪声放大器内置于所述的第二收发信机中。

本发明提供的一种实现射频发射链路冗余设计的方法，包括步骤：

(A)基带I/Q数字信号进入基带信号切换矩阵模块进行4X4切换；

(B)基带信号切换矩阵模块连接4个收发信机，切换后的基带I/Q数字信号分发到3个收发信机，利用剩余的1个收发信机作为冗余使用；

(C)收发信机将基带I/Q数字信号转换为射频信号，该射频信号由功率放大器放大后，进入射频信号切换矩阵模块进行4X4切换；

(D)在切换后的射频信号中选择3个射频信号，通过双工滤波单元发送到天线。

所述的射频发射链路的配置包括3扇区或6扇区。

所述的方法是通过备份方式实现的，该备份方式包括3+1备份方式、两组3+1备份方式或6+1备份方式。

所述的6+1备份方式是所述的3+1备份方式通过更改配线方式进行平滑升级实现的。

本发明提供的一种实现射频接收链路冗余设计的方法，包括步骤：

(A1)由天线接收3组小功率射频信号，该3组射频信号以主分集的形式分别进入两个射频信号切换矩阵模块进行4X4切换；

(B1)射频信号切换矩阵模块连接4个收发信机，切换后的3组小功率射频信号进入3个收发信机中进行基带I/Q数字信号转换及主分集的并串转换，利用剩余的1个收发信机作为冗余使用；

(C1)并串转换后的基带I/Q数字信号进入基带信号切换矩阵模块进行4X4切换；

(D1)在切换后的基带I/Q数字信号中，选择3个信号发送到扇区基带处理部分。

步骤(B1)还包括步骤：低噪声放大器对所述的3组小功率射频信号进行低噪声放大。

所述的射频接收链路的配置包括3扇区或6扇区。

在现有的无线通信系统中，对于射频收发链路的保护一直是一个弱项，故障率也较高，尤其在多载波基站中，如果出现问题，对系统的影响是极大的，运营商对设备提供商的要求也越来越高，实施本发明，可以有效的提高多载波预失真基站射频子系统的可靠性，可靠性可提高27倍。

附图说明

图1是单载波共享池方案原理框图；

图2是多载波负荷分担方案原理框图；

图3是本发明的实现射频收发链路冗余设计的方法的原理图；

图4是本发明的发射链路3+1备份方式原理框图；

图5是本发明的发射链路两组3+1备份方式原理框图；

图6是本发明的发射链路6+1备份方式原理框图；

图7是本发明的发射链路6+1备份方式的射频信号切换矩阵的互连原理框图；

图8是本发明的接收链路3+1备份方式原理框图；

图9是本发明的接收链路两组3+1备份方式原理框图；

图10是本发明的接收链路6+1备份方式原理框图；

图11是本发明的接收链路6+1备份方式的射频信号切换矩阵的互连原理框图。

具体实施方式

本发明从系统设备的角度考虑，利用备份的方法解决多载波预失真基站射频子系统冗余设计的问题，有效地提高其收发链路的可靠性。图3是本发明的实现射频收发链路冗余设计的方法的原理图，如图3所示，本发明的方法包括步骤：

(A)第一切换矩阵模块对输入的信号进行4X4切换；

(B)从切换后的信号中选择满足射频收发链路冗余设计的信号分发到相应设备；

(C)由相应设备处理后的信号进入第二切换矩阵模块进行4X4切换；

(D)从切换后的信号中选择满足射频收发链路冗余设计的信号发送到相应设备。

下面分别对射频子系统的发射链路及接收链路的备份方法进行详细说明：

一、射频子系统的发射链路的备份：

目前，在采用DPD算法的多载波系统中，TRX和功率放大器之间的射频连线是以往系统的一倍，另外TRX也是多载波模块，因此链路的备份就显得尤为重要。现在的TRX的输入端为基带I/Q数字信号，只需在原有接口数字板上增加相应电路，即可在输入端增加基带信号切换矩阵模块，可由现场可编程门阵列(FPGA)逻辑实现基带I/Q数字信号切换功能，成本增加很少；而在功率放大器输出端增加射频信号切换矩阵模块，对放大器输出的大功率射频信号进行切换，并可由开关组合实现，进行到天线的信号切换。

本方案中根据射频子系统的不同配置提供了不同的备份方式，备份方式选择的控制策略由智能化软件平台实施：

(1.1)当系统是S333配置时，即3个扇区，每个扇区3载波时，采用3+1备份方式，其原理框图如图4所示：

从左到右，系统包括实体有扇区1、2、3；基带信号切换矩阵模块；TRX1、2、3、以及用于冗余的TRXB；功率放大器1、2、3、以及用于冗余的功率放大器B；射频信号切换矩阵模块；智能化软件平台；DUP1、2、3以及连接在末端的天线。

下面分别对系统各实体的功能做出介绍：

无线信号的发射与接收是以基站为中心，实现360度的覆盖，当系统配置3个扇区时，每个扇区大小为120度，每个扇区中配置3个载波；

基带信号切换矩阵模块的功能是将扇区的基带I/Q数字信号进行4X4切换；

TRX的功能是将基带I/Q数字信号转换成小功率载波信号，即射频信号；

功率放大器的功能是将小功率射频信号放大成大功率射频信号；

射频信号切换矩阵模块的功能是将功率放大器放大的大功率射频信号进行4X4切换，并可由开关组合实现，进行到天线的信号切换；

智能化软件平台用于控制基带信号切换矩阵模块与射频信号切换矩阵模块的切换；

DUP的功能是完成收发信号的隔离和滤波；

天线的作用是用于射频信号的接收和发送。

该发射链路冗余设计的实现步骤为：

(1.1.1)3个扇区的基带I/Q数字信号进入基带信号切换矩阵模块进行4X4切换；

(1.1.2)基带信号切换矩阵模块连接4个TRX，切换后的基带I/Q数字信号分发到3个TRX，即利用剩余的1个TRX以及相应的功率放大器做为冗余使用，当其中某一个TRX出现故障时，利用剩余的TRX替换使用；

(1.1.3)TRX将基带I/Q数字信号转换为射频信号，该射频信号由相应的功率放大器放大后，进入射频信号切换矩阵模块进行4X4切换；

(1.1.4)在切换后的射频信号中选择3个射频信号，通过相应的DUP发送到天线。

这样就实现了发射链路的备份；在射频信号切换矩阵模块的输出端空置一个端口，供备份方式的升级使用。采用上述的发射链路的3+1备份方式实现了发射链路TRX和功放模块的备份，即为整个发射链路的备份，其兼容了单独功放模块的备份。

(1.2)当系统是S333333配置时，即6个扇区，每个扇区3载波时，在3+1备份方式的基础上，可采用两组3+1备份方式，其方法是对上述3+1备份方式的叠加，其原理框图如图5所示：

从左到右，系统包括的实体有扇区1、2、3、4、5、6；基带信号切换矩阵模块；TRX1、2、3、4、5、6以及用于冗余的TRXB1、B2；功率放大器1、2、3、4、5、6、以及用于冗余的功率放大器B1、B2；两个射频信号切换矩阵模块；智能化软件平台；DUP1、2、3、4、5、6以及连接在末端的天线。

下面分别对系统各实体的功能做出介绍：

无线信号的发射与接收是以基站为中心，实现360度的覆盖，当系统配置6个扇区时，每个扇区大小为60度，每个扇区中配置3个载波；

DUP的功能是完成收发信号的隔离和滤波；

天线的作用是用于射频信号的接收和发送。

该发射链路冗余设计的实现步骤为：

(1.2.1)6个扇区的基带I/Q数字信号进入基带信号切换矩阵模块进行4X4切换；

(1.2.2)切换后的基带I/Q数字信号分成两组，分发到如图5中所示的2组TRX，每组包括4个TRX，其中3个TRX获得信号，即剩余的1个TRX以及相应的功率放大器做为冗余使用；

(1.2.3)TRX将数字信号转换为射频信号，射频信号由相应的功率放大器放大后，进入相应射频信号切换矩阵模块进行4X4切换；

(1.2.4)在两组切换后的射频信号分别选择3个射频信号，通过相应的DUP发送到天线。

这样就实现了发射链路的备份；在每个射频信号切换矩阵模块的输出端空置一个端口，供备份方式的升级使用。可以看出，S333333配置时的备份方式是上述3+1备份方式的叠加，实现两组3+1备份方式实现了整个发射链路的备份，其兼容了单独功放模块的备份。

(1.3)为了降低初期建网的投入成本及降低发射链路的插损，可以通过更改配线的方式，由两组3+1备份方式平滑升级到6+1备份方式，其原理框图如图6所示：

图6中，通过配线方式的更改，将上一个射频信号切换矩阵模块输出端的空置端口与下一个射频信号切换矩阵模块的输入端连接。

发射链路6+1备份方式的射频信号切换矩阵部分的互连原理框图如图7所示：图中，在射频信号切换矩阵模块中，每个3+1切换矩阵为4X4的矩阵，升级到6+1时将两个3+1切换矩阵通过配线更改互连成7X7的矩阵，即可实现射频信号的发射输出端的备份。

二、射频子系统的接收链路的备份：

射频子系统的接收链路的备份实现原理和方式类似发射链路，需要实现主分集的备份，所谓主分集是指从两根天线接收的两路射频信号，这两路射频信号互为主分集；低噪声放大器LNA(low-noise amplifier)内置于TRX内，这样可实现接收链路的整体备份，既完成了TRX的备份，也完成了LNA的备份。

(2.1)当系统是S333配置时，即3个扇区，每个扇区3载波时，采用3+1的备份方式，其原理框图如图8所示：

从右到左，系统包括的实体有天线；DUP1、2、3；两个射频信号切换矩阵模块；内置LNA的TRX1、2、3以及用于冗余TRXB；基带信号切换矩阵模块；智能化软件平台；扇区1、2、3。

下面分别对系统各实体的功能做出介绍：

每个DUP连接两个天线，接收两路射频信号，这两路射频信号互为主分集；

DUP的功能是完成收发信号的隔离和滤波；

射频信号切换矩阵模块的功能是将天线接收的小功率射频信号进行4X4切换，输出小功率射频信号到TRX；

TRX中的LNA接收放大射频信号切换矩阵模块输出的小功率射频信号，由TRX转换输出基带I/Q数字信号；

基带信号切换矩阵模块的功能是将TRX转换输出的基带I/Q数字信号进行4X4切换，选出3个基带I/Q数字信号发送到扇区基带处理部分；

无线信号的发射与接收是以基站为中心，实现360度的覆盖，当系统配置3个扇区时，每个扇区大小为120度，每个扇区中配置3个载波。

该接收链路冗余设计的实现步骤为：

(2.1.1)由天线接收3组小功率射频信号，该3组射频信号以主分集的形式分别进入两个射频信号切换矩阵模块进行4X4切换；

(2.1.2)切换后的3组小功率射频信号进入3个的TRX中进行基带I/Q数字信号转换及主分集的并串转换，即剩余的1个TRX做为冗余使用；TRX中内置LNA，LNA对上述3组小功率射频信号进行低噪声放大；

(2.1.3)并串转换后的基带I/Q数字信号进入基带信号切换矩阵模块进行4X4切换；

(2.1.4)在切换后的基带I/Q数字信号中，选择3个信号发送到扇区基带处理部分。

这样就实现了接收链路的备份；在射频信号切换矩阵模块的输入端空置一个端口，供备份方式的升级使用。采用上述的接收链路的3+1备份方式实现了接收链路LNA及TRX的备份，即为整个接收链路的备份。

(2.2)当系统是S333333配置时，即6个扇区，每个扇区3载波时，在3+1备份方式的基础上，可采用两组3+1备份方式，其方法是对上述3+1备份方式的叠加，其原理框图如图9所示：

从右到左，系统包括的实体有天线；DUP1、2、3、4、5、6；四个射频信号切换矩阵模块；内置LNA的TRX1、2、3、4、5、6以及用于冗余的TRXB1、B2；基带信号切换矩阵模块；智能化软件平台；扇区1、2、3、4、5、6。

下面分别对系统各实体的功能做出介绍：

DUP的功能是完成收发信号的隔离和滤波；

射频信号切换矩阵模块的功能是将天线接收的射频信号进行4X4切换，输出小功率射频信号到TRX；

TRX中的LNA接收并放大射频信号切换矩阵模块输出的小功率射频信号，由TRX将射频信号转换至基带I/Q数字信号并输出；

无线信号的发射与接收是以基站为中心，实现360度的覆盖，当系统配置6个扇区时，每个扇区大小为60度，每个扇区中配置3个载波。

该接收链路冗余设计的实现步骤为：

(2.2.1)由天线接收6组射频信号，该6组射频信号以如图9所示的方式，以主分集的形式分别进入4个射频信号切换矩阵模块中进行4X4切换；

(2.2.2)切换后的6组小功率射频信号分别进入6个对应的TRX中进行基带I/Q数字信号转换及主分集的并串转换，即剩余的2个TRX做为冗余使用；TRX中内置LNA，LNA对上述3组小功率射频信号进行低噪声放大；

(2.2.3)并串转换后的基带I/Q数字信号进入基带信号切换矩阵模块进行4X4切换；

(2.2.4)在切换后的基带I/Q数字信号中，选择6个信号分别发送到6个扇区基带处理部分。

这样就实现了接收链路的备份；在每个射频信号切换矩阵模块的输入端空置一个端口，供备份方式的升级使用。可以看出，S333333配置时的备份方式是上述3+1备份方式的叠加，实现两组3+1备份方式实现了整个接收链路的备份。

(2.3)为了降低初期建网的投入成本及降低接收链路的插损，可以通过更改配线的方式，由两组3+1备份方式平滑升级到6+1备份方式，其原理框图如图10所示：

图10中，通过配线的更改，对主分集信号分别处理，更改主分集信号对应输出的射频信号切换矩阵模块，分别将主分集对应的上一个射频信号切换矩阵模块输出端与下一个射频信号切换矩阵模块的输入端的空置端口连接。

接收链路6+1备份方式的射频信号切换矩阵的互连原理框图如图11所示：图11中，在射频信号切换矩阵模块中，主分集的3+1切换矩阵均为4X4的矩阵，升级到6+1时将两个3+1切换矩阵通过配线更改互连成7X7的矩阵，即可实现主分集信号的备份。

另外，本发明中智能化软件平台用于矩阵模块的切换控制，如果同时做收发链路的备份，则同时切换收发链路的矩阵模块；如果只做发射链路的备份，只切换发射链路的矩阵模块，接收链路维持不变；如果只做接收链路的备份，只切换接收链路的矩阵模块，发射链路维持不变；这样可以实施收发链路的同时备份或者分别备份，使收发链路的备份没有相关性，便于满足不同的客户需求和系统配置。

智能化软件平台还用于监控矩阵模块中矩阵的切换状态，保证每次切换的有效性；通过矩阵切换的设计和软件的联合作用还能够保证，即使切换有误也不会损坏设备和影响其他扇区的正常工作；对于矩阵切换引入的插损，也可由软件控制补偿，且在切换前后，也不影响系统的容量和覆盖。

本发明除了支持上述的几种配置外，还支持3扇区扩载、发射分集、接收4分集等不同基站的配置需求，其备份原理与方式与上述方法相同。

如果在不需备份的场合，也可以不配置备份模块，不影响原有的系统架构，提供了一种灵活的配置方式，成本得到了控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种实现射频收发链路冗余设计的系统，用于实现基站射频子系统收发链路的冗余设计，其特征在于：该系统包括：

基带信号切换矩阵模块，其将输入的基带I/Q数字信号进行4 X 4切换；

射频信号切换矩阵模块，其将输入的射频信号进行4 X 4切换；

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的低噪声放大器内置于所述的第二收发信机中。

3.一种实现射频发射链路冗余设计的方法，其特征在于：包括步骤：

(A)基带I/Q数字信号进入基带信号切换矩阵模块进行4X4切换；

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的射频发射链路的配置包括3扇区或6扇区。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的方法是通过备份方式实现的，该备份方式包括3+1备份方式、两组3+1备份方式或6+1备份方式。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的6+1备份方式是所述的3+1备份方式通过更改配线方式进行平滑升级实现的。

7.一种实现射频接收链路冗余设计的方法，其特征在于：包括步骤：

(A1)由天线接收3组小功率射频信号，该3组射频信号以主分集的形式分别进入两个射频信号切换矩阵模块进行4 X 4切换；

(C1)并串转换后的基带I/Q数字信号进入基带信号切换矩阵模块进行4 X 4切换；

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(B1)还包括步骤：低噪声放大器对所述的3组小功率射频信号进行低噪声放大。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的射频接收链路的配置包括3扇区或6扇区。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的方法是通过备份方式实现的，该备份方式包括3+1备份方式、两组3+1备份方式或6+1备份方式。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述的6+1备份方式是所述的3+1备份方式通过更改配线方式进行平滑升级实现的。