CN1141804C - 提高无线基站可靠性的结构体系 - Google Patents

Abstract

一种基站和用于基站的接收机系统，它通过在逻辑上将分集接收路径分离为不同的故障路径提高了可靠性。在一个实施例中，接收机系统包括用于接收第一无线信号的第一分集接收路径和用于接收第二无线信号的第二分集接收路径。第一和第二无线信号可以是经过调幅和移相的按照分集接收众所周知原理的同样的信息信号。每条路径包括分集天线和RF前端电路，用于信号处理和放大。第一和第二分集接收机产生同相和正交分量或IF信号样本，它们分别与第一和第二分集天线的输出耦合。每个接收机的输出与分配总线耦合并且随后与至少一个解调器耦合以分集组合所述第一和第二无线信号并用于解调所述分集组合第一和第二无线信号。

Description

提高无线基站可靠性的结构体系

发明领域

本发明涉及基站内的无线接收机和接收路径。特别是，本发明涉及用于通过分离分集接收路径提高无线基站可靠性的改进接收机系统的结构体系。

背景技术

在诸如各种蜂窝、个人通信服务(PCS)和无线本地环路(WLL)通信系统之类的无线电信领域内，存在许多不同的通信标准。例如，码分多址(CDMA)数字通信可以由电信工业协会(TIA)/电子工业协会(EIA)对蜂窝系统的暂行标准IS-95(系列)或者ANSI对PCS系统的J-STD-008管理。此外，时分多址(TDMA)数字通信可以由TIA/EIA IS-54或对移动通信的欧洲标准全球系统(GSM)管理。而且模拟的基于FM的通信系统可以由高级移动电话系统(AMPS)标准或诸如N-AMPS之类相关标准管理。对于数字和模拟调制还存在其他的无线通信标准。

按照上述标准的其中任何一种，无线基站向诸如蜂窝电话、PCS电话或WLL电话之类的一个或多个无线移动站传送信号。无线基站主要用作对电话系统的无线“网关”。通常，无线基站一次与许多移动站通信。

基站在发生内部软件、硬件或其他故障时继续运行是基站结构体系中内禀的能力。如何设计好基站结构体系的途径是通过“切入”附加备份或适当的工作单元或者通过以“缩容”模式运行使基站继续运行。

对于无线通信系统，系统设计者试图设计出性价比和可靠性兼备的基站结构体系。其中的一个方面是当基站发生故障时，不会导致丢失与所服务的多个基站的通信。因此，系统设计者试图将各种基站单元(前端、接收机、解调器等)连接为在保证良好性能、低成本、小体积、低复杂度、高度模块化等的基础上提供最佳的系统可靠性。

购买和运行基站的无线服务提供商通常规定故障之间平均时间(MTBF)，它表示可以容忍的平均“停机”时间。MTBF通常表示为总计可允许停机时间/年。“停机”经常定义为基站根本无法与任何移动站进行通信。由于停机期间基站没有丝毫收益，所以大多数的服务提供商对停机是非常敏感的。因此，服务提供商通常倾向于在基站子系统或单元出现故障时最小程度地影响基站的运行。因此与整个服务受损失相比，缩容模式运行或者服务性能局部变差就是迫切的选择了。

图1示出了不具备优化冗余的普通基站结构体系100。在图1中，一对天线102A、102B捕捉RF信号并且提供给RF前端104。天线102A、102B可以用作分集接收，这种众所周知的技术利用两种可以对接收的信号进行比较和/组合的天线接收信号，更好地接收和处理感兴趣的信号。RF前端104一般包含各种带通滤波器和低噪声放大器，完成一些初始频率选择和信号放大。RF前端104输出分别对应天线102A、102B、的两个放大信号106A、106B。接收机108接收、下变频和中频(IF)处理放大的信号106A、106B并且产生分别对应天线102A和102B的接收信号110A和110B。解调器112A-112N解调和完成对信号110A、110B的IF和/或基带处理，从而从天线102A、102B接收的RF信号中恢复感兴趣的信号。图1的结构体系推广至多条接收路径，每条路径对应基站服务的一个扇区。

在图1的结构体系中，RF前端104和接收机108是单点故障。即，不是RF前端104就是接收机108出于任何原因发生故障，它使天线102A、102B至解调器112A-112N的接收路径断开。因此，RF前端104或接收机108的任何故障将导致采用图1体系结构的基站完全丧失服务能力。由于存在RF前端104和接收机108定义的单个故障路径，所以故障路径上任何单元的故障将导致整个接收路径的故障。即，RF前端104和接收机108出于同一分集接收路径内并且还处于同一故障路径内。

对于图1基站结构体系所作的一般改进是提供分立的冗余接收路径，当主接收路径故障时可以切入该路径。为此提供了诸如备用接收机109之类通过旁路开关107、111耦合的备用单元，当主要接收机108失效时，旁路开关将RF前端104和解调器112A-112N连接至备用接收机109。这经常称为提供“N+1冗余”，这里有N个主运行单元和1个当任意一个主运行单元发生故障时切入的待命备用单元。而且旁路开关107可以放置在RF前端104之前，并且还可以切入冗余RF前端(未画出)。

对于N+1冗余，提供备用单元除了增加成本、体积和复杂度以外，在接收路径内引入旁路开关107、111可能引起进一步的信号损失，从而使接收路径性能变差。例如，当开关矩阵被引入接收路径时，信号损失一般达0.2dB～0.5dB左右。当接收路径噪声在3dB～6dB范围内时这可能是非常严重的。此外，检测故障和控制切换所需的控制电路硬件和软件(未画出)也增加了复杂度、成本、体积和基站的功耗。另一个问题是切换本身的可靠性。

基站结构体系需要在不明显增加复杂度或成本的前提下改进基站整体可靠性。

发明内容

本发明是一种新型改进的基站和用于基站内的接收机系统，他通过在逻辑上将不同的故障路径分离为分集接收路径，提高了可靠性。在一个实施例中，接收机系统包括用于接收第一无线信号的第一分集接收路径和用于接收第二无线信号的第二分集接收路径。第一和第二无线信号按照众所周知的分集接收原理可以是同一信号的幅度和相位偏移。至少一个解调器以分集接收方式比较和/或组合第一和第二无线信号。但是第一和第二分集路径在逻辑上分离为不同的故障路径。接收机系统可以进一步包含向解调器提供接收到的第一无线信号和第二无线信号的分布总线。

在该实施例中，第二和第二分集接收路径可以每个都包括第一与第二分集天线和第一与第二分集接收机。第一分集接收机与第一分集天线的输出耦合而第二分集接收机与第二分集天线的输出耦合。而且，第一RF前端电路可以与第一分集天线的输出耦合，并且第二RF前端电路可以与第二分集天线的输出耦合。第一和第二RF前端电路对第一和第二分集天线接收的信号进行滤波和放大。

在示例性的实施例中，第一和第二接收机产生由第一和第二分集天线接收的信号的同相和正交样本。其他实施例产生其他的接收信号格式。

上述接收机系统对于无线基站内的应用是有用的。特别是，上述包含第一和第二分集天线的接收机系统可以用于包含一个或多个扇区的基站，每个扇区支持单个或多个频率分配。基站还可以包含多个第一和第二分集接收机，第一分集接收机与第一分集天线的每个输出耦合并且第二分集接收机与第二分集天线的每个输出耦合，即多个分集接收机共享一根或多根共用分集专用天线。第一和第二分集接收机在逻辑上分离为不同的故障路径。此外，每个第一和第二分集接收机处理多个频率分配。

附图简述

通过以下结合附图对本发明的详细描述可以进一步理解本发明的特征、目标和优点，附图中相同的标号表示相同的部分，其中：

图1为现有技术基站的功能框图，其中分集接收路径在逻辑上组合为同一故障路径；以及

图2为本发明基站第一实施例的功能框图，其中分集接收路径被逻辑上分离为不同的故障路径。

图3为本发明基站第二实施例的功能框图，其中分集接收路径被逻辑上分离为不同的故障路径。

实施发明的较佳方式

本发明的各个实施例都可以应用于利用分集接收技术的无线基站。为清楚和简化起见，本发明的实施例将参照示意性的码分多址(CDMA)无线通信系统揭示。但是本发明同样可应用于利用其他不管是数字还是模拟调制技术的无线通信系统。本发明涉及对采用接收分集天线的基站结构体系作优化设计，从而在不增加硬件成本和对普通接收路径运行性能无直接影响的前提下提高接收路径的冗余。

术语“软冗余”的含义是当基站结构体系内发生故障时，导致容量减少或者覆盖度减小，但是不会完全丢失与受影响区域内移动站的通信。本发明在接收路径上实现软冗余而不对接收机路径增益和噪声有不利影响并且无需增加为实现N+1冗余所需的备用硬件、软件和控制电路。

本发明将不同物理单元上的每个基站扇区的分集接收路径在物理上分离。通过使分集接收路径在物理上的分离，本发明无需增加硬件、软件、体积或功耗就获得了软冗余。分集接收路径的物理分离可以包括将硬件、软件、时序信号和其他控制信号在物理上分立为不同的故障路径。它可以进一步包括将遍布基站内的一些硬件单元、软件模块和控制信号以保持软冗余结构体系的方式分布。

参见图2，它示出了本发明基站结构体系200的示意性实施例的功能框图。在图2中，示出了三扇区基站结构200。但是本发明同样可应用于具有更多或更少扇区的基站。本发明还同样可应用于分配一个或多个频率的基站。三扇区基站的每个扇区包括相连的分集天线和RF前端单元。天线202A、202B属于第一扇区，天线204A、204B属于第二扇区，而天线206A、206B属于第三扇区。每对天线202A与202B、204A与204B和天线206A与206B被设置在分集接收结构体系内，从而使每对天线中的第一天线接收一种信息信号型式，由于第一与第二天线之间的物理分离，所以它可以相对同一天线对内第二天线接收的信号作幅度和相位偏移。

每根天线与各自的RF前端耦合。因此，对于第一扇区，天线202A与RF前端208A耦合，而天线202B与RF前端208B耦合。对于第二扇区，天线204A与RF前端210A耦合，而天线204B与RF前端210B耦合。最后，对于第三扇区，天线206A与RF前端212A耦合，而天线206B与RF前端212B耦合。与图1的RF前端类似，RF前端208A、208B、210A、210B、212A和212B可以包含现有技术中已知的带通滤波器和低噪声放大器。本发明并不受RF前端208A、208B、210A、210B、212A和212B结构的限制。但是应该理解的是，与图1发生故障的RF前端104的单点相比，图2的RF前端208A、208B、210A、210B、212A和212B仅仅与各自的天线202A、202B、204A、204B、206A和206B相连。特别是，RF前端208A、208B、210A、210B、212A和212B比较好是物理上分立的单元，当出现故障时，每个都可以独立地在现场替换而不会干扰其他RF前端。因此，当RF前端208A、208B、210A、210B、212A和212B的其中一个失效时，对于其余RF前端的持续运行没有影响。虽然图2或3中未画出，但是本发明也考虑到了按分集对RF前端208A-212B进行分组。按照上述原理，这仅仅涉及将所有分集A天线202A、204A、206A传送至一个RF前端和将所有分集B天线202B、204B和206B传送至另一RF前端。

在图2中，天线202A、204A、206A应该称为“分集A”天线，而天线202B、204B和206B应该称为“分集B”天线。每根分集A天线202A、204A、206A的输出经各自的RF前端208A、210A、212A与应该称为“分集A”接收机的第一接收机214A耦合。同样，每根分集B天线202B、204B、206B的输出经各自的RF前端208B、210B、212B与应该称为“分集B”接收机的第二接收机214B耦合。接收机214A和214B与图1内接收机108的类似之处在于下变频和对各种天线202A、202B、204A、204B、206A和206B接收的信号进行IF处理。但是与图1的单点故障接收机108相反，接收机214A、214B每个仅仅处理两组分集信道中的其中一组。特别是，分集A接收机214A和分集B接收机214B比较好的是物理上分立的单元，可以单独地在现场更换而不会干扰其他分集接收机的运行。因此，当分集A接收机214A或分集B接收机214B失效时，它对其余接收机的持续运行没有影响。

在图2的实施例中，接收机214A、214B的输出可以分开与将接收机214A、214B的输出分配给一个或多个解调器18A-218N的分配总线216耦合。分配总线216的结构根据接收机214A、214B的输出性质而不同。在最简单的实施例中，分配总线216仅仅是输入和输出的后盖板风格的布局，每个使接收机214A、214B的一个或两个输出传送至一个或多个解调器218A、218B。在另一实施例中，分配总线216可以将两个接收机214A、214B输出的信号组合或多路复用在传统的多导线总线上以进一步分配给解调器218A-218N。现有技术中已知的许多分配总线结构体系可以用作分配总线216。本发明并不局限于分配总线216的特定构造。

在示意性的实施例中，每个接收机214A、214B产生接收信号同相(I)和正交(Q)数字样本，并且在分配总线216上输出这些I/Q样本。I/Q样本随后由一个或多个解调器218A-218N并行处理。由于多个分立的解调器单元218A-218N可以始终“监听”接收机214A、214B产生的同-I/Q样本数据流，所以这提供了更多的固有冗余。与图1的解调器112A-112N一样，图2的解调器218A-218N解调并完成接收信号的基带处理。在示意性的CDMA基站中，解调器218A-218N根据众所周知的原理解调接收机214A、214B产生的I/Q样本。但是在另一实施例中，接收机214A、214B可以生成没有被分离为I/Q分量的原始IF数字样本或者甚至是随后被解调器218A-218N解调的原始IF模拟波形。

对于本领域内普通技术人员显而易见的是，任何一根天线202A、202B、204A、204B、206A或206B的损失将仅仅导致三个扇区之一的其中一个分集信道损失。其余的天线将继续正常运行并且不受故障影响。同样，任一RF前端208A、208B、210A、210B、212A或212B的故障将仅仅导致三个扇区之一的其中一个分集信道的损失。

此外，分集接收机214A或214B中任一个的故障将仅仅导致三个扇区的每一个的其中一条分集路径的损失，三个扇区的每一个的其他分集路径仍然是完整的。因此对于受影响的扇区，失去了分集接收的优点(即提高处理增益)。但是剩余的分集接收机将继续正常运行，使得运行质量有一定程度的下降，但是任一扇区的服务不会完全损失。

因此通过使分集“A”RF前端208A、210A、212A和接收机214A定义的分集接收路径与分集“B”前端208B、210B、212B和214B定义的分集接收路径在物理所分离，本发明获得了软冗余而无需增加硬件、软件、体积、功耗或引起与传统N+1冗余途径相关的问题。这是因为分集“A”和分集“B”接收路径在逻辑上被分离为分立的故障路径。在分集路径(A或B)其中一条发生故障期间，基站200将继续在各个物理扇区内运行，但是只有一根分集天线在工作。在示意性的CDMA系统中，由于在每个扇区内利用两根分集天线中的仅有一根而导致基站呼叫能力下降程度取决于两条分集接收路径最初时的平衡程度。例如，如果每个扇区内两根天线中的每一根都接收该区50％的总信号能量(即等平衡)，则其中一条分集接收路径的损失将导致受影响区总信号能量有大约50％的损失。

图3示出了本发明的另一实施例，其中未采用分配总线216(图2)。在图3的实施例中，接收机214A、214B直接与多个解调器218A-218N耦合。该实施例例如在接收机214A、214B具有专用解调资源或者当解调器218A-218N本身固有总线功能时是有用的。图3的其他单元与图2相应标号部分类似。

因此，通过在逻辑上以分集路径为基础而非以基站或扇区为基础排列接收机可能的单点故障，所以本发明提高了利用分集接收技术基站的冗余。而且由于代之以4个接收机(每个扇区一个，另一个待命作冗余用)，本发明仅仅采用两个接收机214A和214B，因此实际上降低了三扇区分集接收基站的模块复杂度。

本领域的技术人员通过阅读上述较佳实施例描述可以制造或使用本发明。对于实施例所作的各种修改是显而易见，而且无需创造性的劳动即可对本发明作出各种修改。因此本发明的揭示和范围由所附权利要求限定。

Claims (9)

1.一种接收机系统，其特征在于包括：

接收第一无线信号的第一空间分集接收路径，包括第一分集天线和第一分集接收机；

接收第二无线信号的第二空间分集接收路径，包括第二分集天线和第二分集接收机；以及

多个解调器，用于将所述第一和第二无线信号分集组合并且解调所述空间分集组合的第一和第二无线信号；

其中所述第一和第二空间分集路径在逻辑上分离为不同的故障路径，无单个故障点。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于进一步包括分配总线，用于向所述解调器提供所述接收的第一无线信号和第二无线信号。

3.如权利要求2所述的接收机系统，其特征在于所述第一和第二分集接收路径各包括：

第一和第二分集天线；

第一和第二分集接收机，所述第一分集接收机与所述第一分集天线的输出耦合而所述第二分集接收机与所述第二分集天线的输出耦合。

4.如权利要求3所述的接收机系统，其特征在于所述第一和第二分集接收路径的每一个进一步包括与所述第一分集天线的输出耦合的第一RF前端电路和与所述第二分集天线的输出耦合的第二RF前端电路，所述第一和第二RF前端电路用于滤波和放大所述第一和第二分集天线接收的信号。

5.如权利要求3所述的接收机系统，其特征在于所述第一和第二接收机产生所述第一和第二分集天线接收的信号的同相和正交或IF样本。

6.一种基站，其特征在于包括：

多个扇区，一个或多个频率分配，每个扇区包含第一空间分集天线和第二空间分集天线；

第一和第二空间分集接收机，所述第一分集接收机与每个所述第一空间分集天线的输出耦合，而所述第二分集接收机与每个所述第二空间分集天线的输出耦合，所述第一和第二分集接收机在逻辑上分离为不同的故障路径，无单个故障点；以及

多个与所述第一和第二接收机耦合的解调器。

7.如权利要求6所述的基站，其特征在于进一步包括与所述第一和第二接收机耦合以及多个解调器耦合并且位于它们之间的分配总线，用于向所述多个解调器分配接收的信号。

8.如权利要求7所述的基站，其特征在于每个所述扇区进一步包括与所述第一分集天线的输出耦合的第一RF前端电路和与所述第二分集天线的输出耦合的第二RF前端电路，所述第一和第二RF前端电路用于滤波和放大所述第一和第二分集天线接收的信号。

9.如权利要求7所述的基站，其特征在于所述第一和第二接收机产生所述第一和第二分集天线接收的信号的同相和正交或IF样本。

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