CN101335931A

CN101335931A - 皮基站的设计方法和装置

Info

Publication number: CN101335931A
Application number: CNA2007100494139A
Authority: CN
Inventors: 李睿; 罗先俊
Original assignee: NTS Technology Chengdu Co Ltd
Current assignee: Chengdu core software Co., Ltd.
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2008-12-31
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: CN101335931B

Abstract

本发明公开了超微型基站(皮基站(Pico－NB))的设计方法，它是使用用户终端的设计思想，用终端芯片组(340)作为硬件平台，用城域宽带网用户数据线实现至移动通信网络的接口(350)；同时，也公开了一种皮基站的装置，本发明的目的是让3G系统设备的基站进入一般家庭，实现家庭内的室内覆盖。本发明的特点一是应用城域网承载基站至移动通信网络的接口信号，并引入动态带宽分配的概念，解决了大量负载变化的皮基站接入移动通信网络的问题；另一特点是用用户终端的设计思想，用终端芯片组作硬件平台，大大降低了设备成本，使之能够进入家庭。

Description

皮基站的设计方法和装置

技术领域

本发明涉及第三代及三代后(包括4G)移动通信室内家庭使用的超微型基站，简称皮基站(Pico-NB)的一种新的设计方法和装置。本发明其特点是使用用户终端的设计思想，用终端芯片组作为硬件平台，用城域宽带网用户数据线实现至移动通信网络的接口，以极低的成本实现此皮基站，解决了3G及3G后系统的家庭室内覆盖问题。

背景技术

在第三代(3G)及3G后移动通信系统中，主要的业务是数字业务，此业务的绝大部分是在室内，故室内覆盖是今后建设3G网络的重要部分。目前，业界已为提供微小区覆盖，特别是室内覆盖开发出所谓“微基站”，和普通的移动通信网中使用的无线基站(宏基站)比较，微基站的特点是尽可能简化设计，以降低成本：

1.结构比较简单，设备尺寸较小，通常不考虑冗余设计；

2.容量比较小，不考虑多小区；

3.不使用如空间分集、智能天线等技术。

目前，对TD-SCDMA系统，已经有微基站产品供应，其实现方案详见图1，其外形为一只机箱，内部由功率和低噪声放大器102、射频收发信机103、调制解调器104、信令、控制和接口单元105及时钟单元106等主要部件构成。其中，功率和低噪声放大器102和射频收发信机103之间用射频电缆110连接，其它单元之间都用数字电路连接。功率和低噪声放大器102对外提供射频输入输出接口112，可连接至天线或者室内分布系统；信令、控制和接口单元105提供数字接口113至无线网络管理器(RNC)。当要求输出功率比较大时，考虑到机箱的散热，可能将上述功率和低噪声放大器102独立安装在另外一个机箱中，和主机箱之间用射频电缆连接。

现有微基站的使用环境是以大型办公或者商业大楼为主，例如将此微基站作为向至少数千平方米面积的办公或者商业大楼提供室内覆盖的信号源，然后通过室内覆盖网络(包括电缆、干线放大器、分路合路器及小型天线等)完成室内覆盖。但是，在更多的室内环境：家庭，使用上述微基站就很困难了。我国绝大多数的家庭是公寓大楼中的一个单元，面积在数十到二百平方米，又用多面墙壁分隔成多个房间。一坐公寓大楼中，公共面积比例都比较低，要在此公共面积(楼梯、走廊等)安装室内覆盖天线并希望通过此天线来覆盖每个家庭是非常困难的：因为信号必须多次穿过墙壁，损耗非常严重(通常，室内覆盖系统的设计都只考虑穿过一层墙壁。即使这样，覆盖半径也只有20至30米)。因为在移动通信系统中基站属于系统设备，对用户来说是相当昂贵的，迄今还没有人考虑将基站安装在家庭中的可能性。

发明内容

本发明提供的超微型基站(皮基站)的设计方法和装置的目的是解决上述问题，让3G及3G后系统设备中的基站进入一般家庭，实现家庭内的室内覆盖。

为了达到上述目的，本发明一种移动通信室内系统使用的皮基站的设计方法：使用用户终端的设计思想，用终端芯片组作为硬件平台，用城域宽带网用户数据线实现至网络的接口。

用本发明的设计方法实现的皮基站的硬件平台可以由终端基带芯片(基带处理、高层信令、操作维护单元)、终端射频芯片(射频接收机、射频发射机、收发开关、频率合成器)、存储器、高稳定晶体参考源等构成，其中天线通过皮基站内的收发开关分别连接射频接收机和射频发射机，高稳定晶体参考源和高质量频率合成器构成的本地振荡器来实现射频接收机和射频发射机的接收和发射，终端基带芯片加上存储器来完成皮基站的基带信号处理、高层信令及操作维护，皮基站同时还具有连接至网络的数据传输接口以及直流供电入口。

皮基站中的终端基带芯片(基带处理、高层信令、操作维护单元)可以由主MCU(主处理器)、协处理器、时钟电路、存储器、数字信号处理器、双向存储器、加速器、数字滤波器、ADC、DAC构成，其中主MCU和协处理器完成高层信令和操作维护，以及至网络接口的数字信号处理；数字信号处理器及加速器完成码片级的物理层处理，例如完成Viterbi和Turbo编译码；数字信号处理器及加速器完成符号级的物理层处理；此两个数字信号处理器(420、422)之间用双向存储器(418)连接；模拟基带信号接口在模拟基带接收接口(470)和模拟基带发射接口(472)，此模拟信号分别连接至ADC(456)和DAC(458)，再通过数字滤波器(454)连接到数字信号处理器(422)，终端基带芯片(340)内还有时钟电路(410)、存储器(416)、测试接口(464)及显示接口(466)；终端基带芯片(340)实现皮基站所有的数字基带信号处理功能。

皮基站的机箱和天线可以为一体化设计或通过电缆连接。皮基站内的射频接收机和射频发射机可以为终端射频芯片。

根据本发明的皮基站设计方法构成皮基站装置，它可以连接到3G及3G后移动通信网络中。大量安装在各个家庭的皮基站和移动通信网络均通过各自的网络接口连接在城域宽带数据网上。皮基站使用城域宽带数据网来传输至移动通信网络的数字接口，根据不同的系统标准，每个皮基站将此接口信号再按此数据网的要求打包，并加上传输目标的地址等报头，实现皮基站和移动通信网络之间的传输。进入家庭的皮基站可以同时接纳1-4个用户，提供高速数字业务(例如HSDPA)，或按未来LTE的要求提供更高的数据速率。

目前第三代移动通信网络拓扑的典型结构(如3GPP的R’4，R’5，R’6标准)是由无线基站(Node_B)与无线网络控制器(RNC)组成无线接入网，它们之间有标准的lub接口。此接口为一条专用的数字链路，通常为光纤或者电缆，基于PCM或者SDH标准传输，在移动通信网络中称之为传输网。对每一个基站来说，lub接口的传输能力基本上由此基站的最大数据流量确定。根据本发明，用皮基站安装在每个家庭中，此传输网的概念就必须改变：首先，不用专用数字链路而用公用的宽带数据网来传输此lub接口信号；其次，不用固定带宽而采取动态分配带宽的方法来传输此lub接口信号。对上述带宽的考虑，如果用上述传统概念，每皮基站在支持HSDPA条件下，其下行传输峰值速率将达到2.8Mbps，加上信令和操作维护开销，至少需要3Mbps。当每个家庭都安装皮基站时，此传输网就要求极高的容量，是难以实现的。但考虑到家庭基站的负荷平均是比较低的，它不可能总处于高负荷的工作状态下。这样，本发明提出对皮基站，使用城域宽带数据网(例如，以太网)来传输lub接口。皮基站和RNC分别连接在一个城域宽带数据网上，每个皮基站的lub信号再按此数据网的要求打包，并加上传输目标的地址等报头，实现皮基站和RNC之间的传输。这样，对每个皮基站，lub接口的传输速率将按需要向城域宽带数据网申请，网络对每一链路的带宽按需分配，大大降低了传输网的建设成本，加快了网络的建设。

目前3G网络正朝着新的发展方向(3GPP R’7及LTE)进展，网络正在扁平化，即不再使用RNC而是将无线基站直接用IP方式连接到核心网络。本发明的皮基站在网络连接方面完全满足此发展方向，只要进行软件升级，本发明的皮基站就可以随着网络的基站而满足长时期用户的要求。

为了实现极低成本的皮基站，必须研究第三代移动通信用户终端的设计思路。通常，一只第三代移动通信的终端硬件平台由以下3个主要部分构成：射频收发信机芯片、模拟基带芯片和数字基带处理芯片加上必要的存储器构成。在有的设计中，模拟基带和数字基带处理是集成在一只芯片中。下面考察基于此芯片组设计皮基站的可能性。首先，考察射频收发信机芯片：射频收发信机在增加发射功率回退(因为皮基站的发射功率将远小于终端的最大发射功率)的条件下，线性特性是满足基站的要求的，但本振的质量(频率稳定度和相位噪声)是不够的。因而，在皮基站设计时必须另外加高质量的频率源和本振电路。终端基带芯片中的模拟基带(包括下行数字至模拟转换器(DAC)及上行模拟至数字转换器(ADC))的取样位数必须注意。对FDD的系统，通常终端的取样位数是不够的，必须增加；而对TDD系统，只要降低对接收阻塞的要求(对皮基站，此要求应当不存在)，终端基带芯片的取样位数是足够的，故不需要更改。高层信令处理功能、整机监控及网络接口均由基带芯片内的一只高性能的MCU完成。物理层信号处理也由基带芯片中的数字信号处理器(DSP)矩阵加上必须的加速器和存储器作为硬件平台。由于对数据业务，下行业务量远远超过上行业务量，此终端基带芯片的处理能力和运算速度都可以达到要求。

本发明的特点一是应用城域网承载lub接口信号，并引入动态带宽分配的概念，解决了大量负载变化的皮基站接入无线网络控制器(RNC)的问题；另一特点是用用户终端的设计思想，用终端基带芯片组作硬件平台，大大降低了设备成本，使之能够进入家庭。此皮基站可以同时接纳多(不超过4)个用户，可以提供HSDPA的高速数字业务，也可以按未来LTE(新的无线接口和无线接入网架构)的要求，提供更高的数据速率。

附图说明

图1目前微基站构成示意方框图

图2皮基站网络拓扑示意图

图3本发明皮基站构成示意图

图4终端数字基带处理器芯片构成示意图

具体实施方式

下面，以TD-SCDMA系统中的皮基站为例，说明本发明皮基站的具体实施方式。

本发明皮基站的网络拓扑如图2所示，大量安装在各个家庭的皮基站201、202、...、20N和RNC 210均通过各自的网络接口连接在城域宽带数据网(例如，以太网)220上。皮基站使用城域宽带数据网来传输lub接口，皮基站和RNC分别连接在一个城域宽带数据网上，各个皮基站和RNC之间的lub接口信号按此数据网的数据传输要求打包并加上报头等必须的开销在此城域宽带数据网(例如，以太网)上相互传输，每条lub链路(一个皮基站至RNC之间的lub链路)的带宽按需要申请，动态按需分配。为了不增加过大的时延，必须保证此城域宽带数据网(例如，以太网)有足够的带宽。，应用城域网承载lub接口信号，并引入动态带宽分配的概念，解决了大量负载变化的皮基站接入无线网络控制器(RNC)的问题。进入家庭的皮基站可以同时接纳1-4个用户，或提供HSDPA的高速数字业务，或按未来LTE的要求提供更高的数据速率。无线网络控制器(RNC)为已有设备。

皮基站的设计方法是使用用户终端的设计思想，用终端基带芯片组340作为硬件平台，用用户数据线实现lub接口350。

本发明中的用户终端的设计思想是：为了实现极低成本的皮基站，必须研究第三代移动通信用户终端的设计思路。通常，一只第三代移动通信的终端电路由3个主要部分构成：射频收发信机芯片、模拟基带芯片和数字基带处理芯片加上必要的存储器构成。在有的设计中，模拟基带和数字基带处理是集成在一只芯片中。下面考察基于此芯片组设计皮基站的可能性。首先，考察射频收发信机芯片：射频收发信机在增加发射功率回退(因为皮基站的发射功率将远小于终端的最大发射功率)的条件下，线性特性是满足基站的要求的，但本振的质量(频率稳定度和相位噪声)是不够的。因而，在皮基站设计时必须另外加高质量的频率源和本振电路。终端基带芯片中的模拟基带(包括下行数字至模拟转换器(DAC)及上行模拟至数字转换器(ADC))的取样位数必须注意。对FDD的系统，通常终端的取样位数是不够的，必须增加；而对TDD系统，只要降低对接收阻塞的要求(对皮基站，此要求应当不存在)，终端基带芯片的取样位数是足够的，故不需要更改。高层信令处理功能、整机监控及lub接口均由基带芯片内的一只高性能的MCU完成。物理层信号处理也由基带芯片中的数字信号处理器(DSP)矩阵加上必须的加速器和存储器作为硬件平台。由于对数据业务，下行业务量远远超过上行业务量，此终端基带芯片的处理能力和运算速度都可以达到要求。

本发明皮基站的方框图见图3所示，此实施例是以第三代移动通信TD-SCDMA系统的要求来设计的，皮基站可以由终端基带芯片340(基带处理、高层信令、操作维护单元)、射频接收机310、射频发射机330、收发开关320、存储器342、频率合成器324、高稳定晶体参考源322构成，其机箱300和天线301可以是一体化设计，也可以通过电缆连接。天线310连接至收发开关320，再分别连接至射频接收机310和射频发射机330。此射频接收机310和射频发射机330可以使用终端射频芯片，其接收和发射的本地振荡器是由高稳定晶体参考源322和高质量频率合成器324构成，基带信号处理、高层信令及操作维护均由终端基带芯片340加上必要的存储器342完成，整机还提供数据接口350以传输lub信号以及直流供电入口360。如果为WCDMA系统设计，则上图中收发开关320改为收发双工器；在接收机310和基带芯片340之间增加一只位数较高的模拟至数字变换器(ADC)；在发射机320和基带芯片340之间增加一只位数较高的数字至模拟变换器(DAC)即可。组成皮基站的所有构成部件均可采用市场已有的元器件来实现，特别是皮基站内的射频接收机和射频发射机还可以采用现有手机的射频芯片。终端射频芯片也为现有芯片。

图3中终端基带芯片340的详细方框图见图4所示。这是目前广泛应用的TD-SCDMA系统终端基带专用芯片，终端基带芯片(基带处理、高层信令、操作维护单元)可以由主MCU(主处理器)412、协处理器414、时钟电路410、存储器416、数字信号处理器420、数字信号处理器422、双向存储器418、加速器424、加速器444、加速器452、数字滤波器454、ADC456、DAC458构成，它由主MCU412和协处理器414及两只数字信号处理器(DSP)420和422为核心。在本发明应用时，主MCU412和协处理器414完成高层信令和操作维护，以及lub和网络接口(460、462)的相关处理；DSP 420及加速器424、444完成码片级的物理层处理，此两个加速器是完成Viterbi和Turbo编译码；DSP422及加速器452完成符号级的物理层处理，此加速器452是联合检测(JD)加速器；此两个DSP之间用双向存储器418连接。模拟基带信号接口在470(接收)和472(发射)，此模拟信号分别连接至ADC456和DAC458，再通过数字滤波454连接到DSP422。此芯片内还有时钟电路410、存储器416、测试接口464及显示接口466。使用此芯片就可以实现皮基站所有的基带信号处理功能。对WCDMA系统，同样可以使用相应的终端基带芯片来实现。组成终端基带芯片的所有构成部件均可采用市场已有的元器件来实现。

对本发明微基站的应用，我们可以想像两三年后的场景：当第三代移动通信典型的覆盖一座城市的网络已经建成，绝大多数商业及办公大楼已经覆盖，用户回到家就会难以通信而感到非常不便，此时，家庭覆盖将迫切需要使用本发明的皮基站来实现。

本发明的皮基站设计方法仅是以TD-SCDMA系统为例来说明的，也提及了WCDMA系统，本领域技术人员只要简单修改，同样可以实现cdma2000系统和WCDMA系统。因此，采用本发明皮基站的设计方法和皮基站来实现WCDMA系统和cdma2000系统包括今后的3G后系统也应属于本发明保护范围之内。

Claims

1、一种第三代移动通信室内系统使用的皮基站的设计方法，其特征是：使用用户终端的设计思想，用终端基带芯片(340)作为硬件平台，用城域宽带网用户数据线实现至移动通信网络的接口(350)。

2、一种用如权利要求1所述设计方法实现的皮基站，其特征是：天线(310)通过皮基站内的收发开关(320)分别连接皮基站内的射频接收机(310)和射频发射机(330)，高稳定晶体参考源(322)和高质量频率合成器(324)构成的本地振荡器来实现射频接收机(310)和射频发射机(330)的接收和发射，皮基站内的终端基带芯片(340)加上存储器(342)来完成皮基站的基带信号处理、高层信令及操作维护；皮基站同时还具有以传输lub信号的数据接口(350)以及直流供电入口(360)。

3、如权利要求2所述的皮基站，其特征是：所述终端基带芯片(340)中的主MCU(412)和协处理器(414)完成高层信令和操作维护，以及lub和网络接口(460、462)的数字信号处理；数字信号处理器(420)及加速器(424、444)完成码片级的物理层处理，此两个加速器是完成Viterbi和Turbo编译码；数字信号处理器(422)及加速器(452)完成符号级的物理层处理，此加速器(452)是联合检测加速器；此两个数字信号处理器(420、422)之间用双向存储器(418)连接；模拟基带信号接口在模拟基带接收接口(470)和模拟基带发射接口(472)，此模拟信号分别连接至ADC(456)和DAC(458)，再通过数字滤波器(454)连接到数字信号处理器(422)，终端基带芯片(340)内还有时钟电路(410)、存储器(416)、测试接口(464)及显示接口(466)；终端基带芯片(340)实现皮基站所有的基带信号处理功能。

4、如权利要求2所述的皮基站，其特征是：天线(301)和皮基站的机箱(300)为一体化设计或通过电缆连接。

5、一种用如权利要求2所述皮基站构成的皮基站装置，其特征是：皮基站装置由大量安装在各个家庭的皮基站(201、202、...、20N)和无线网络管理器(210)均通过各自的网络接口连接在城域宽带数据网上构成。

6、如权利要求5所述的皮基站装置，其特征是：皮基站使用城域宽带数据网来传输lub接口，皮基站和RNC分别连接在一个城域宽带数据网上，每个皮基站的lub信号再按此数据网的要求打包，并加上传输目标的地址等报头，实现皮基站和RNC之间的传输。

7、如权利要求5所述的皮基站装置，其特征是：进入家庭的皮基站同时接纳1-4个用户，或提供HSDPA的高速数字业务，或按未来LTE的要求提供更高的数据速率。