CN101237630B - 射频单元及其信号幅度调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种射频单元及其信号幅度调整方法，包括自动增益控制和模数转换模块和控制维护模块，其特征在于，还包括：幅度调整模块，连接到控制维护模块，用于根据控制维护模块计算得到移位参数m或幅度调整系数A，按照预定方法对来自自动增益控制和模数转换模块的射频单元信号进行幅度调整。其中，参数包括以下一种：移位参数m或幅度调整系数A。采用本发明，可以一定程度上消除了各个射频单元AGC不一致性，从而减轻了由此带来的不良影响，各个射频单元的覆盖区的极限容量得到了较大提高。

Description

射频单元及其信号幅度调整方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体的，涉及一种码分多址(CDMA)无线通信系统中的射频单元以及射频单元信号的信号幅度调整方法。

背景技术

在码分多址无线通信系统中，为了扩大小区的覆盖区域，特别是扩大室内复杂环境的覆盖区域，需要把射频单元(Radio Unit，以下简写为RU)放置到不同的地方，射频单元对接收到的射频信号进行射频解调，转化为数字信号，然后把这些射频单元的数字信号通过线缆(网线或光纤等)送到一个集线器，在集线器中把多个射频单元的数字信号进行叠加。叠加后的信号送给基站的基带处理单元。如图1所示，多个射频单元101可以放置在不同的地方，覆盖不同的区域，比如大楼里的不同楼层。这些与基带处理单元分离放置的射频单元的基本功能单元如图2所示，射频单元完成上行信号的接收、射频解调、自动增益控制(Automatic Gain Control，以下简写为AGC)和模数转换(Anolog to Digital，以下简写为AD)。在具体系统中，这里的AGC可能包括模拟AGC(也称为VGA：Variable-Gain Amplifier，可变增益放大器)和数字AGC。

可以看出，信号的处理流程是：射频解调后的模拟信号先通过模拟AGC进行第一级幅度调整，然后进行AD采样量化，量化后的数字信号再经过数字AGC进行第二级幅度调整。其中，可以把AGC和AD处理看作一个模块即AGC_AD模块204的功能，提到的AGC增益因子为模拟AGC和数字AGC总的增益因子。AGC_AD输出的数字信号通过线缆送往集线器，同时需要测量接收宽带信号总功率(简写为RTWP：Received Total Wideband Power或RSSI：Receive Signal Strength Indication)，RTWP通过控制维护模块206上报给基站和无线网络控制器(RNC：Radio Net Control)，RNC根据RTWP的大小进行接纳控制和拥塞控制，如果RTWP升高很大，就不允许新用户接入，甚至转移或挂掉一些正在通话的用户。当然下行的射频调制和控制维护模块也是射频单元所必须的。通过AGC_AD模块204，接收的信号乘了一个动态的AGC增益因子Gi，不管接收的射频信号强弱，AD量化后的数字信号平均幅度是恒定的，这是常规AGC_AD模块204的基本功能。

从图2的结构可知，业界公开文献中经常提到的远程无线单元(Remote Radio Unit，简写为RRU)，数字直放站，无线设备(RadioEquipment，简写为RE)等都属于本文讲的射频单元。常规的集线器结构如图3所示，多个射频单元送过来的上行信号在合路器302中进行叠加，叠加后的信号送给基站或BU(基带单元)103。

通常，基站指的是包括射频和基带处理在内的具备标准空中接口和传输接口的设备，但目前行业中有把一部分射频单元甚至所有射频单元从基站中分离出来的趋势，如果所有射频单元被分离出去，则基站被分成两部分，射频单元RU和包括基带处理传输处理等功能在内的基带单元(Baseband Unit，简写为BU)，BU也有许多其它叫法，比如基带资源池，REC(Radio Equipment Control)等。从基站或BU 103来的下行信号通过分路器303分成多路，分别送给各个射频单元。对数字信号来讲，这里的分路其实就是把单路信号复制成多路。同时，集线器还有一个控制维护模块，处理控制信息。

图3中所示的各个模块功能如下：控制维护模块301负责控制维护信息的处理和收发；合路器302负责接收同一小区各个射频单元的信号Si(k)(i＝1，2，...，n)，并把这些信号叠加得到S(k)送给基站；以及分路器303负责接收基站过来的下行信号并分发到各个射频单元。当然，一个集线器中可以有多个合路器和分路器分别处理多个小区信号。

图2是现有技术的射频单元的功能框图，如图2所示用201表示天线，本文所述的天线可以是一根天线，也可以是分布式多天线。天线201连接到双工器202。双工器202把上行信号送入射频解调模块203进行放大、滤波和频谱搬移等处理，然后把信号送入AGC_AD模块204，进行自动增益控制和模数转换，转换后的数字信号Si(k)可以是基带信号也可以是数字中频信号。然后把Si(k)通过线缆送给集线器或基站中的基带处理模块。

对于一个小区只有一个射频单元的情况，一个小区的某种业务的极限容量计算如下：假设该单一业务正常维持时所需信干比为Ec/I0，理想功控，该业务的各个用户发射每chip能量都为S。射频引入的底噪功率谱密度为N0，同时通信的用户数为M，则有(不考虑激活因子，其他用户信号干扰近似为随机噪声，常规基站中的AGC因子对小区中所有用户信号和噪声来说是同一个值)：

$\frac{E_c}{I_0}=\frac{S}{(M-1)S+N_0}---\left(1\right)$

所谓极限容量，是当用户数很多，所有用户进行功率攀升时，Ue信号能量相对于底噪能量“无限”大时的用户数，此时的干扰主要来源于其它Ue信号的干扰，N0可以忽略。处于极限满容量状态时的用户数为Mcell0，每个用户发射能量为S，则根据(1)式，有：

$\frac{E_c}{I_0}=\frac{S}{(M_{\mathrm{cell}0}-1)S}---\left(2\right)$

由上面可以推算出该业务的单小区极限容量(用户数)：

$M_{\mathrm{cell}0}=1+\frac{1}{E_c/I_0}---\left(3\right)$

如果采用一个小区n个射频单元的形式，那么射频单元接收到的信号会先在各个射频单元里面进行AGC调整，然后转换为数字信号在集线器进行叠加，叠加后送给Nodeb或BBU。现在考察一个射频单元覆盖范围内的极限用户数MsectorRU的情况。假设该射频单元中AGC后每个用户的chip能量为S，则射频单元中AGC输出能量为MsectorRUS(极限容量不考虑噪底N0)，由于目前每个射频单元的AGC调整目标值相同，所以相当于每个射频单元输出的数字信号能量相同，都为MsectorRUS，而且，每个射频单元的信号对其他射频单元中的用户来说都相当于噪声干扰。于是有：

$\frac{E_c}{I_0}=\frac{S}{(M_{\sec \mathrm{torRU}}-1)S+(n-1)M_{\sec \mathrm{torRU}}S}=\frac{S}{(n{M}_{\sec \mathrm{torRU}}-1)S}---\left(4\right)$

对比(2)式和(3)式，马上可以得出：

$M_{\sec \mathrm{torRU}}=\frac{1}{n}{M}_{\mathrm{cell}0}=\frac{1}{n}(1+\frac{1}{E_c/I_0})---\left(5\right)$

式(5)说明，在多射频单元方案中，每个射频单元覆盖范围内的用户数为常规单小区用户数的n分之一。这样，虽然整个小区的用户数不变，但这些容量资源并不是在所有射频单元覆盖范围内共享。比如一个小区用户数为50个，分成10个射频单元覆盖不同区域，则每个射频单元区域最多支持用户数只有5个。这样单个射频单元覆盖范围内的接入用户数就受到很大限制。

发明内容

为了解决上述一个小区用多个射频单元覆盖时，各个射频单元覆盖区容量受限的问题提出了本发明。

射频单元容量无法共享的根源是各个射频单元的接收信号强度不一样，却要保持AGC输出能量都相同，所以各个射频单元的AGC增益因子不一样。如果打破这个条件，使各个射频单元的增益因子保持一定的一致性(从而AGC的输出能量和天线口接收能量相匹配)，这样多个射频单元的情况就近似等效为一个射频单元，容量上可以共享了。

本发明的第一方面提供了一种射频单元，包括自动增益控制和模数转换模块和控制维护模块，其特征在于，还包括：幅度调整模块，连接到控制维护模块，用于根据控制维护模块计算得到移位参数m或幅度调整系数A，按照预定方法对来自自动增益控制和模数转换模块的射频单元信号进行幅度调整。其中，参数包括以下一种：移位参数m或幅度调整系数A。

移位参数m是通过以下方法确定的：当N0+6*(n+1)＞RTWP＞＝N0+6*n时，m＝b-n；以及当RTWP＞＝N0+b*6时，m＝0，其中，n为整数，RTWP是射频单元的接收宽带信号总功率，N0是已知常数，以及b是预留比特数，且0＜＝n＜b。

根据本发明的第一方面，当参数为移位参数m时，预定方法为：Si(k)＝Sdi(k)＞＞m，其中，Si(k)是经过射频单元调整的信号，以及Sdi(k)是射频单元信号。其中，

另外，幅度调整系数A是通过以下方法计算的： $A=\frac{{10}^{\mathrm{RTWP}/20}}{{10}^{N0/20}\·2^b},$ 其中，RTWP是射频单元的接收宽带信号总功率，N0是已知常数，以及b是预留比特数。

根据本发明的第一方面，当参数为幅度调整系统A时，预定方法为：Si(k)＝Sdi(k)*A，其中，Si(k)是经过射频单元调整的信号，以及Sdi(k)是射频单元信号。

本发明的第二方面提供了一种信号幅度调整方法，用于码分多址系统中射频单元信号的幅度调整，其特征在于，包括以下步骤：步骤S602，通过射频单元进行上行射频解调、自动增益控制和模数转换，得到射频单元信号，并且进行接收宽带信号总功率的测量；步骤S604，根据接收宽带信号总功率的测量值，确定幅度移位的移位比特数m或幅度调整系数A；以及步骤S606，根据移位比特数，移位射频单元信号，并将经过移位或幅度调整的信号输出到集线器或基站。

根据本发明的第二方面，移位参数m是通过以下方法确定的：当N0+6*(n+1)＞RTWP＞＝N0+6*n时，m＝b-n；以及当RTWP＞＝N0+b*6时，m＝0，其中，n为整数，RTWP是射频单元的接收宽带信号总功率，N0是已知常数，以及b是预留比特数，且0＜＝n＜b。另外，移位比特数m小于射频单元信号的量化比特数。其中，通过射频单元调整并输出的信号Si(k)是通过以下方法计算的：Si(k)＝Sdi(k)＞＞m，其中，Sdi(k)是射频单元信号。

根据本发明的第二方面，幅度调整系数A是通过以下公式计算的： $A=\frac{{10}^{\mathrm{RTWP}/20}}{{10}^{N0/20}\·2^b},$ 其中，RTWP是射频单元的接收宽带信号总功率，N0是已知常数，以及b是预留比特数。幅度调整系数A被配置给射频单元的幅度调整模块。而经过射频单元调整而输出的信号Si(k)是通过以下方法计算的：Si(k)＝Sdi(k)*A，其中，Sdi(k)是射频单元信号。

从上可知，采用本发明，可以一定程度上消除了各个射频单元AGC不一致性，从而减轻了由此带来的不良影响，各个射频单元的覆盖区的极限容量得到了较大提高。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是多射频单元系统的框图；

图2是现有技术的射频单元的功能框图；

图3是集线器的功能框图；

图4是根据本发明的射频单元的框图；

图5是根据本发明的实施例的射频单元的功能框图；

图6是根据本发明的第一种信号幅度调整方法的流程图；

图7是根据本发明的第二种信号幅度调整方法的流程图；以及

图8是本发明的方法与现有技术方法的极限容量的对比视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是多射频单元系统的框图。如图1所示，多个射频单元101分布在不同的地方，处理上行射频解调，AGC和AD转换。射频单元通过线缆105(网线或光纤或电缆等)连接到集线器102，集线器102把属于同一小区的上行信号进行叠加，对下行信号进行分发，并处理和收发控制维护信息(包括RTWP等)。集线器102和基站或BU 103通过线缆106相连。基站或BU 103完成上下行信号的基带处理，并处理和收发控制维护信息。基站或BU 103通过线缆107和无线网络控制器(RNC)104相连，在3GPP系统中，这是标准的Iub接口。

图2是现有技术的射频单元200的功能框图，如图2所示，在具体系统中，AGC可能包括模拟AGC(也称VGA：Variable-GainAmplifier，可变增益放大器)和数字AGC。即信号的处理流程可以是：射频解调后的模拟信号先通过模拟AGC进行第一级幅度调整，然后进行AD采样量化，量化后的数字信号再经过数字AGC进行第二级幅度调整。在本文中，把AGC和AD处理看作一个模块即AGC_AD模块的功能，提到的AGC增益因子为模拟AGC和数字AGC总的增益因子。

图3是集线器300的功能框图，如图3所示，控制维护模块301负责控制维护信息的处理和收发。合路器302负责接收同一小区各个射频单元的信号Si(k)，i＝1，2，...，n，并把这些信号叠加得到S(k)送给基站。分路器303负责接收基站过来的下行信号并分发到各个射频单元。当然一个集线器中可以有多个合路器和分路器分别处理多个小区信号。

图4是根据本发明的射频单元的框图，如图4所示，射频单元400包括：自动增益控制和模数转换(AGC-AD)模块402和控制维护模块404，还包括：幅度调整模块406，连接到控制维护模块404，用于根据控制维护模块计算得到的参数，按照预定方法对来自自动增益控制和模数转换模块402的射频单元信号进行幅度调整。其中，参数包括以下一种：移位参数m或幅度调整系数A。

移位参数m是通过以下方法确定的：当N0+6*(n+1)＞RTWP＞＝N0+6*n时，m＝b-n；以及当RTWP＞＝N0+b*6时，m＝0，其中，n为整数，RTWP是射频单元的接收宽带信号总功率，N0是已知常数，以及b是预留比特数，且0＜＝n＜b。

根据本发明，当参数为移位参数m时，预定方法为：Si(k)＝Sdi(k)＞＞m，其中，Si(k)是经过射频单元400调整的信号，以及Sdi(k)是射频单元信号。

另外，幅度调整系数A是通过以下方法计算的： $A=\frac{{10}^{\mathrm{RTWP}/20}}{{10}^{N0/20}\·2^b},$ 其中，RTWP是射频单元400的接收宽带信号总功率，N0是已知常数，以及b是预留比特数。

根据本发明，当参数为幅度调整系统A时，预定方法为：Si(k)＝Sdi(k)*A，其中，Si(k)是经过射频单元400调整的信号，以及Sdi(k)是射频单元信号。

图5是根据本发明的实施例的射频单元500的功能框图，如图5所示，该射频单元500总体结构和图2类似，但在AGC_AD模块后面增加了一个幅度调整模块508，如果需要，这个幅度调整模块508可以省略。另外，控制维护模块506需要利用RTWP测量结果进行移位参数m或幅度调整系数A或AGC_AD幅度目标值AmpT的计算，并把计算参数配置给一个幅度调整模块508或AGC_AD模块504。

图6是根据本发明的第一种信号幅度调整方法的流程图，如图6所示，通过调整移位比特数实现的信号幅度调整方法包括以下步骤：

步骤S602，通过射频单元进行上行射频解调、自动增益控制和模数转换(AGC-AD)，得到射频单元信号Sdi(k)，并且进行接收宽带信号总功率RTWP的测量；

步骤S604，根据RTWP的测量值，确定幅度移位的移位比特数m，注意预留比特位数b一定小于量化比特数，比如L＝8，b＝2，移位比特数m的取值范围为0，1，...，b；以及

步骤S606，根据移位比特数，移位射频单元信号，并将经过移位的信号输出到集线器或基站，其中，对射频单元信号Sdi(k)右移m位，相当于除以1/2m后取整。

其中，移位参数m是通过以下方法确定的：当N0+6＞RTWP＞＝N0时，m＝b；当N0+12＞RTWP＞＝N0+6时，m＝b-1；......当RTWP＞＝N0+b*6时，m＝0，可以用以下公式来表示：当N0+6*(n+1)＞RTWP＞＝N0+6*n时，m＝b-n；以及当RTWP＞＝N0+b*6时，m＝0，其中，n为整数，RTWP是射频单元的接收宽带信号总功率，N0是已知常数，以及b是预留比特数，且0＜＝n＜b。

另外，移位比特数m小于射频单元信号的量化比特数。

根据本发明，通过射频单元调整并输出的信号Si(k)是通过以下方法计算的：Si(k)＝Sdi(k)＞＞m，其中，Sdi(k)是射频单元信号。

图7是根据本发明的第二种信号幅度调整方法的流程图，如图7所示，通过调整幅度调整系数实现的信号幅度调整方法包括以下步骤：

步骤S702，通过射频单元进行上行射频解调、自动增益控制和模数转换，得到射频单元信号，并且进行接收宽带信号总功率的测量；

步骤S704，根据接收宽带信号总功率的测量值，确定幅度调整系数A；以及

步骤S706，根据幅度调整系数A，对射频单元信号进行幅度调整，并且将经过幅度调整的信号输出到集线器或基站。其中，步骤S704是在射频单元的控制维护模块中实现的。

根据本发明，幅度调整系数A是通过以下公式计算的： $A=\frac{{10}^{\mathrm{RTWP}/20}}{{10}^{N0/20}\·2^b},$ 其中，RTWP是射频单元的接收宽带信号总功率，N0是已知常数，以及b是预留比特数。

另外，幅度调整系数A被配置给射频单元的幅度调整模块。而经过射频单元调整而输出的信号Si(k)是通过以下方法计算的：Si(k)＝Sdi(k)*A，其中，Sdi(k)是射频单元信号。

以L＝8，b＝2，AmpT0＝32为例，说明各种方法的好处和特点。考虑当所有用户度集中在一个射频覆盖区，其它射频单元覆盖区没有任何用户的情况，即单覆盖区的极限容量。

对于方法一，其它射频单元AGC后的输出能量是集中用户的射频单元输出能量的1/16。则有

$\frac{E_c}{I_0}=\frac{S}{(M_{\sec \mathrm{torRRU}}-1)S+(n-1)M_{\sec \mathrm{torRRU}}S/16}=\frac{S}{((n+15)M_{\sec \mathrm{torRRU}}/16-1)S}---\left(10\right)$

即有： $M_{\sec \mathrm{torRRU}}=\frac{16}{n+15}{M}_{\mathrm{cell}0}=\frac{16}{n+15}(1+\frac{1}{E_c/I_0})---\left(11\right)$

对于方法二，根据RTWPi计算的A值为：

RTWPi(dBm)    A

-105.0000     0.2500

-102.0000     0.3531

-99.0000      0.4988

-96.0000      0.7046

-93.0000      0.9953

-90.0000      1.4059

-87.0000    1.9858

-84.0000    2.8050

-81.0000    3.9622

-78.0000    5.5968

-75.0000    7.9057

从应用情况考虑，如果8比特量化的幅度均值为32，则RTWPi＝-87dBm，A的值取2时，系统的饱和失真是可以接受的。此时单RRU覆盖区的极限容量为：

$M_{\sec \mathrm{torRRU}}=\frac{64}{n+63}{M}_{\mathrm{cell}0}$

在实际系统中，很少有RTWP超过-87dBm的情况，这种方法是符合实际应用的。为了防止饱和失真太大，万一RTWP高于-87dBm时，A值可以都用2进行。

根据式(5)，(11)，(12)，(13)，当n＝4到64时，单射频单元极限用户数与单小区极限用户数的比值MsectorRRU/Mcell0如下：

n    传统方法      方法一        方法二

4    0.2500        0.8421        0.9552

8    0.1250        0.6957        0.9014

12   0.0833        0.5926        0.8533

16   0.0625        0.5161        0.810

20    0.0500    0.4571    0.7711

24    0.0417    0.4103    0.7356

28    0.0357    0.3721    0.7033

32    0.0313    0.3404    0.6737

36    0.0278    0.3137    0.646

40    0.0250    0.2909    0.6214

44    0.0227    0.2712    0.5981

48    0.0208    0.2540    0.5766

52    0.0192    0.2388    0.5565

56    0.0179    0.2254    0.5378

60    0.0167    0.2133    0.5203

64    0.0156    0.2025    0.5039

把上述结果绘制成图，则如附图8所示，图8是本发明的方法与现有技术方法的极限容量的对比视图。

如图8所示，可以明显的看出来，采用本发明方法，单射频模块的极限容量得到了显著提升。即使在一个小区64个射频单元的情况下，单个射频单元的容量可以达到小区容量的一半(方法二)或20％(方法一)，这使一个小区带多个射频单元的系统方案有了实际的应用价值。另外，从图中可以看出，方法一的单射频单元覆盖区容量是传统方法容量的数倍甚至上十倍，而方法二的容量又比方法一的容量高，甚至是方法一容量的2.4倍。

综上所述，根据本发明，较有效的解决了多个射频单元系统中各个射频单元覆盖区容量受限的问题。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种射频单元，包括自动增益控制和模数转换模块及控制维护模块，其特征在于，还包括：

幅度调整模块，连接到所述控制维护模块，用于根据所述控制维护模块计算得到移位参数m或幅度调整系数A，按照预定方法对来自所述自动增益控制和模数转换模块的射频单元信号进行幅度调整，其中，所述移位参数m是通过以下方法确定的：当N0+6*(n+1)＞RTWP＞＝N0+6*n时，m＝b-n；

以及当RTWP＞＝N0+b*6时，m＝0；所述幅度调整系数A是通过以下方法计算的：

其中，n为整数，且0＜＝n＜b，RTWP是所述射频单元的接收宽带信号总功率，N0是底噪功率谱密度，以及b是允许幅度调整的最大比特位宽；

其中，当参数为所述移位参数m时，所述预定方法为：Si(k)＝Sdi(k)＞＞m，Si(k)是经过所述射频单元调整的信号，以及Sdi(k)是射频单元信号；

其中，当参数为所述幅度调整系数A时，所述预定方法为：Si(k)＝Sdi(k)*A，Si(k)是经过所述射频单元调整的信号，以及Sdi(k)是射频单元信号。

2.一种信号幅度调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S602，通过射频单元进行上行射频解调、自动增益控制和模数转换，得到射频单元信号，并且进行接收宽带信号总功率的测量；

步骤S604，根据所述接收宽带信号总功率的测量值，确定幅度移位的移位比特数m或幅度调整系数A，其中，所述移位比特数m是通过以下方法计算的：当N0+6*(n+1)＞RTWP＞＝N0+6*n时，m＝b-n；当RTWP＞＝N0+b*6时，m＝0；所述幅度调整系数A是通过以下方法计算的：

其中，n为整数，且0＜＝n＜b，RTWP是所述射频单元的接收宽带信号总功率，N0是底噪功率谱密度，以及b是允许幅度调整的最大比特位宽；以及

步骤S606，根据所述移位比特数，移位所述射频单元信号，或者根据幅度调整系数对所述射频单元信号进行幅度调整，并将经过移位或幅度调整的信号输出到集线器或基站。

3.根据权利要求2所述的信号幅度调整方法，其特征在于，所述移位比特数m小于所述射频单元信号的量化比特数。

4.根据权利要求2或3所述的信号幅度调整方法，其特征在于，通过所述射频单元调整并输出的信号Si(k)是通过以下方法计算的：

Si(k)＝Sdi(k)＞＞m，

其中，Sdi(k)是所述射频单元信号。

5.根据权利要求2所述的信号幅度调整方法，其特征在于，所述幅度调整系数A被配置给所述射频单元的幅度调整模块。

6.根据权利要求2或5所述的信号幅度调整方法，其特征在于，

经过所述射频单元调整而输出的信号Si(k)是通过以下方法计算的：

Si(k)＝Sdi(k)*A，

其中，Sdi(k)是所述射频单元信号。

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