CN1241438C - 一种非智能天线基站升级为智能天线基站的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种将多扇区非智能天线基站升级为完全采用阵列天线智能天线基站的方法和装置，通过更换或增加基站的部分软硬件，首先形成一组上下行波束覆盖基站覆盖区域，其次通过基带的多分支合并技术将阵列天线中有较强能量的多径分布的多个波束的多径信号合并，最后在下行方向基站选择下行波束发射。该方法和装置不需要重新选址也不需要新的频谱资源，最大限度地保护了已有的投资，带来更大的容量或其它性能增益。

Description

一种非智能天线基站升级为智能天线基站的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种从非智能天线基站升级为智能天线基站的方法和装置，属于移动通信领域，更确切地说涉及一种从码分多址(CDMA)移动通信系统多扇区非智能天线基站升级为全部扇区都采用阵列天线智能天线基站的方法和装置。

背景技术

CDMA移动通信系统已经取得了很大的进展，已经商用的典型例子为美国的IS-95系统，正在标准化的第三代移动通信系统也普遍采用CDMA技术。与其它体制的移动通信系统如时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)系统相比，CDMA具有容量和业务质量上的优势，但CDMA系统内在的频谱统计复用和无线信道恶劣等特点限制了CDMA的容量，移动通信的迅猛发展迫切要求CDMA系统在现有基础上进一步提升系统的性能。在CDMA移动通信系统中，通过采用空间分集或极化分集可以提高信号的接收功率，但不能降低干扰的功率，为此在现有的CDMA实施方法中普遍采用小区扇区化的技术，典型的是将一个小区分为三个或六个扇区，每个扇区采用两副覆盖120度或60度角区域的扇区天线，这样依靠空间分集增益提高信号接收功率，依靠天线的方向性增益降低CDMA系统的用户之间的多址干扰，最终提高了系统的性能。但若将小区划分为过多的扇区将带来许多问题，包括过多的扇区将导致更多的扇区之间的更软切换，导致基站和基站控制器之间很大的信令负担，更软切换需要两个扇区为用户同时分配无线资源，有可能完全抵消扇区化带来的容量增益。

智能天线是一项提高CDMA系统性能的技术。智能天线技术将普遍应用于军事通信干扰抑制、雷达和水声等领域的阵列信号处理技术应用于移动通信，在码分多址的移动通信系统中，智能天线跟踪每个建立通信连接的移动用户，以较窄的波束定向发射和接收信号，与全方向天线和扇区天线相比，带来的好处包括通过依靠窄的波束带来的天线增益，改善了信号的接收质量，或者说在保持同样信号接收质量的条件下增加了基站的覆盖范围，提高系统能够支持的业务量。与采用分集天线，定向天线的非智能天线系统相比智能天线带来的好处是不需要太多的基站内部更软切换(扇区之间的切换)，可以灵活地适应不断变化的移动环境，带来更大的容量或其它性能增益。

智能天线分为自适应智能天线和预多波束智能天线两类。自适应智能天线依据某种准则形成用户信号发射、接收模式。预多波束智能天线需要预先形成一组波束以满足上下行链路工作的需要，该方法具有鲁棒性强、同时改善上下行链路性能、兼容CDMA功率控制、切换等周边技术的特点，因此实现比较容易。

实际CDMA系统组网时，可依据业务密度、覆盖和经济性等要求在某些基站采用智能天线系统，而在另一些基站采用非智能天线系统。

随着网络的运行，原来的移动通信系统需要扩容，一种方法是增加新的载频，这种方法需要新的频谱资源，但无线频谱资源并不是无限的，另一种方法是小区分裂，这种方法需要构建新的基站，过度的小区分裂导致中继效率的下降，第三种方法是利用非智能天线基站更换为智能天线基站，这种方法不需要重新选址也不需要新的频谱资源。

其中非智能天线基站更换为智能天线基站又有两种方法，一种方法是用智能天线基站完全取代非智能天线基站，一般投资比较大。另一种方法是在非智能天线基站基础上通过更换部分软件和硬件升级为智能天线基站。

本发明上文或以后所指智能天线基站是部分或全部扇区采用阵列天线的基站，非智能天线系统是指全部扇区采用常规天线的基站系统，

发明内容

本发明的目的提出了一种将多扇区非智能天线基站升级为全部扇区采用阵列天线的智能天线基站的方法，以最大限度保护投资。

本发明同时也提出了一种采用上述方法实现从多扇区非智能天线基站升级为全部扇区采用阵列天线智能天线基站的装置。

为了实现上述目的，本发明所述的方法包括以下步骤：

步骤1、更换或增加基站的硬件，通过数字波束或射频波束形成的方法预先形成一组上下行波束覆盖基站全部所属区域；

步骤2、在上行方向基站根据移动台处于更软切换或不处于更软切换两种情况，通过基带的多分支合并技术将阵列天线中具有较强能量的多径分布的多个波束信号合并；

步骤3、在下行方向基站根据移动台处于更软切换或不处于更软切换两种情况以及上行方向多径能量的分布，选择下行波束发射；

所述步骤1中，更换或增加基站的硬件涉及到所有的扇区，包括：将常规天线如扇区天线更换为具有N个单元的阵列天线；增加馈线到N个；增加射频前端、射频通道到N个；将原来的大功率放大器改换为N个小功率放大器；增加相应的通道校正部分；增加波束形成网络以形成接收和发射波束。

波束形成包括天线信号的接收和发射，信号的加权和移相处理等过程。其中加权处理与移相过程在基带或射频上进行。信号的加权和移相处理过程使各阵元接收或发射的基带信号相互干涉，在确定的需要升级区域空间形成特定的波束。

所述步骤1更换或增加基站的硬件还包括基带电路，基带电路完成信号处理的功能，信号处理的过程见步骤2和步骤3。

所述步骤2中，基带多分支合并技术根据移动台是否处于更软切换状态考虑两种情况：

情况1，移动台不处于更软切换时；

情况2，移动台处于更软切换时；

所述情况1中，用户处于某一个扇区，阵列天线上行链路处理方法是选择该扇区所有输入波束信号，进行跟踪和搜索，然后通过多分支合并技术将各个波束的信号结合起来。

所述情况2中，处理上行链路的方法是选择所有参与软切换扇区的输入波束信号，进行输入信号的跟踪和搜索，根据适当的策略将有用信号能量合并，完成更软切换操作。

所述步骤3中，基站下行信号发射方法根据移动台是否处于更软切换状态，也考虑两种情况：

第1种情况，移动台不处于更软切换时；

第2种情况，移动台处于更软切换时；

所述情况1中，下行信号发射方法是对升级后的扇区阵列波束上行链路输出信号，检测波束的用户信息即上行波束接收用户强度，在此基础上形成下行波束实现下行链路定向发射；

前文所叙的下行波束实现定向发射考虑两种情况：

情况a，多径分布集中时，在预先形成的多个波束中选择一个信号强度最高的波束作为发射波束；

情况b，多径分布分散时，在预先形成的多个波束中选择若干个信号强度高的波束作为发射波束；

所述情况2中，下行信号的波束发射方法是对升级后的扇区阵列波束上行链路输出信号，检测波束的用户信息，在此基础上根据多径分布在软切换扇区选择某个或几个波束同时发射。

本发明提出的从多扇区非智能天线基站升级为全部扇区采用阵列天线智能天线基站后的装置，包括：

接收天线阵列310：完成无线电波信号的接收，可以在每个扇区采用一副线阵，也可在整个小区采用圆阵，但逻辑上划分为三个扇区；

接收射频模块模块330：完成射频到基带信号的转换；

模数转换A/D模块340：完成模拟信号到数字信号的转换；

接收多波束合成模块350：形成接收波束，三个扇区的波束一起覆盖整个区域；

数据采样总线模块250：汇集了各个波束的接收信号；

空时2维接收机模块370：完成信号能量的积累和干扰抑制；

发射波束形成模块380：形成发射波束；

发射射频模块和数模转换D/A模块360；

发射天线阵列320：可与接收天线阵列合一；

上行链路信号处理的流程是依次通过模块310、330、340、350实现无线电波接收、射频到基带变换、模数转换和空间滤波，数据采样总线模块250汇集了各个波束信号，在空时2维接收机模块370中进行了用户信号的处理，同时空时2维接收机模块370还对下行发射进行指示在发射波束形成模块380中形成定向发射波束，依次通过发射射频模块和数模转换D/A模块360和发射天线阵列320将发射到移动台。

所述空时2维接收机模块模块370中，又包括搜索模块371、跟踪模块372、合并模块373，搜索模块371对于各个波束的信号进行搜索，搜索的结果如多径的位置送给跟踪模块372进行多径的跟踪，各个多径跟踪的结果在合并模块373中进行合并以便得到用户能量的积累，搜索模块371的另外功能是对于下行链路发射进行指示。

按照本发明给出的上述方法和装置，当将一个CDMA非智能天线基站升级为CDMA智能天线基站时，需要改动或增加的部分包括阵列天线、馈线、射频通道、射频前端、功率放大器、基带处理，而基站内部数据总线、基站内部交换、基站与基站控制器的接口单元和传输部分通过在设计基站时通过预留资源不做修改，最大限度地保护了已有的投资。

附图说明

图1是一种可能的蜂窝通信系统的小区蜂窝结构图；

图2是一种可能的三扇区非智能天线系统的基带信号接收和发射装置图；

图3是一种可能的将三扇区非智能天线基站升级为智能天线基站后的接收和发射装置图。

图4是按照本发明实施的一种智能天线基站基带处理(空时2维接收机)实现装置图；

图5是一种可能的固定多波束智能天线工作模式中上行方向接收、下行方向发射波束配置图；

图6是非智能天线基站部分升级为智能天线基站的方法流程图；

图7是非智能天线基站升级为智能天线基站后上行链路的处理流程图；

图8是非智能天线基站升级为智能天线基站后下行链路的处理流程图；

具体实施方式

下面结合附图所举的实施例详细说明本发明，这些实施例仅以实例方式给出并示于附图中。

图1显示了一种可能的蜂窝通信系统的组成。由于频谱资源的有限性，蜂窝结构的移动通信系统是公认的最好的组网方式。在网络建造的初期用户数据流量不大时移动网络的基站通常会选取图中所示的全向型或三扇区型天线配置，这一点在经济上是合理的。如图1中C1、C4、C5、C7、C8、C10等小区采用全向型天线覆盖小区，C2、C3、C9等小区采用三扇区天线覆盖小区，而C6小区则采用智能天线覆盖小区。随着移动用户的增加，基站的负荷增大，用户分布的区域性将越来越明显，并导致用户负荷在空间上分布的极度不均匀性。出于经济性的考虑，网络经营者可以选择本发明方法在业务负荷比较大的小区将全部扇区采用扇区天线的基站升级为全部或部分扇区采用阵列天线的智能天线基站。

图2是一种可能的三扇区非智能天线系统的基带信号接收发射方法的装置图；非智能天线系统基站由三个扇区的分集接收天线211、212、213和分集发射天线221、222、223，射频接收与模数转换231、232、233，射频发射与数模转换241、242、243，和基带处理模块260、270、280等构成。在具体实施中分集天线211与221，212与222，213与223可能是同样的天线。这种基站用扇区分集天线接收具有不同衰落特性的空间多径信号，多径信号经过射频变换和模数转换后，与其他扇区的信号一起通过数据采样总线模块250送到RAKE接收机模块260里进行多径的搜索、跟踪与合并，其输出通过译码单元模块270处理得到用户的信息，在发射方向用户信息经过扩频加扰单元模块280处理后经过射频变换发射给该用户。传统基站这种结构的缺点是分集所能取得的增益随分集天线的增多趋于不变，而天线的空间特性没有得到利用。

图3显示了将三扇区非智能天线基站升级为智能天线基站后的装置图。按照给出的这个实施例，通过适当地改动将一个三扇区配置，每扇区采用空间发射、接收分集的非智能天线基站升级为使用智能天线的三扇区基站。该智能天线基站将三个扇区的分集天线用线性阵列天线模块310和320代替，其中310是接收阵列，320是发射阵列，即在每个扇区的上行方向用4个波束覆盖整个扇区，以提高这一扇区的容量、改善这个扇区的覆盖或提高这个扇区的信号接收质量。如图3在需要形成波束的扇区用天线阵310用于对空间信号进行接收，天线阵320用于下行信号的发射，接收和发射信号可用同一副天线以双工方式工作。天线接收的射频信号在接收射频模块330进行射频处理，将射频信号变成基带信号，基带信号送到模数转换A/D模块340进行抽样和采样的数字化。在上行链路接收多波束合成模块350对数字化的基带信号进行空间滤波。数据采样总线模块250上连接着空时2维接收机模块370，空时2维接收机模块370完成用户多径在空间域或时域的分离和合并以及用户的更软切换，其输出送到译码模块270，其中译码模块270及其以后按图2的原有方法进行处理，完成上行信号接收。同时空时2维接收机模块370还要为下行判断下行需要发射的波束，用窄波束发射可以降低下行总的干扰水平，这一过程的一个实施例可以参照图4进行。

在下行方向用户数据流经过扩频加扰模块280后送向发射波束形成模块380，发射波束形成模块360根据上行链路判断的用户所在区域决定下行发射所用波束，上行接收波束和下行发射波束设计可以不一致，上下行方向的波束配置参照图5。

图4显示了按照本发明的一种智能天线基站基带处理单元空时2维接收机模块370的实现装置。图中数据采样总线模块250上由来自3个扇区所有波束的采样数据构成，其中每个扇区的波束数可以相等或不等，第一扇区波束形成单元351形成了4个波束，第二扇区和第三扇区波束形成单元352与351类似。图中搜索模块371、跟踪模块372、合并模块373构成图3中的空时2维接收机模块370。搜索模块371根据用户处于和不处于软切换两种情况对数据采样总线250上接收的波束输出信号在空域和时域进行多径搜索并对跟踪模块372的参数进行配置，跟踪模块372对数据总线信号模块250上接收的波束输出信号进行跟踪。合并模块373对跟踪的多径进行合并处理。同时搜索比较过程必须完成另外一个功能，即需要对各个波束内的用户多径信号进行分析，判断用户多径信号集中在哪几个波束内，为下行波束发射提供控制信号。这一功能可以通过如下方法来完成，判断用户多径信号的发散程度，并据此选择若干个波束做下行发射波束，图中用模块381模拟这种软件开关，选择下行发射波束。发射波束形成模块380根据系统允许的复杂程度、抗干扰能力可以设置远多于上行波束个数的波束，图中选择设置7个下行波束382。在实际多用户情况中，输入到发射波束形成模块380的信号需要和其它用户信号在各自需要发射的波束上相叠加，完成多用户信号的合成。图中383代表其他扇区的发射波束形成。

图5是一种可能的固定多波束智能天线工作模式中上行方向接收、下行方向发射波束配置图。图中波束没有考虑副瓣电平的影响，但并不影响波束设计的方法。如图中波束510、530、550、570用于接收波束，实际上就是图4中351的上行波束1～4。下行发射波束不是上行接收波束的简单翻版，而是一组经过精心设计的波束，本发明给出的实施例是下行波束除含有具有与上行波束相同指向特性的波束510、530、550、570外，还含有下行发射波束520、540、560，一起形成下行链路交织波束，这7个波束可以代替图4中382的7个下行发射波束。在空时2维接收机模块370中若搜索比较后的多径在相邻两波束都有较大的能量时，下行发射波束即可以选择这两个波束用于下行发射，也可以根据情况选择单个波束进行下行发射。

图6是非智能天线系统基站为智能天线基站的方法流程图。升级流程图按照技术方案的三个步骤进行。流程610是升级步骤1，升级时将拟升级区域用图5所示的上下行波束进行覆盖，实现用户的空间滤波。图3是这一覆盖过程地具体实现原理图；流程620是升级步骤2，完成上行链路的升级和处理。图7将步骤2具体化；流程630是升级步骤3，完成下行链路的升级。图8将步骤3具体化。

图7是基站升级时上行链路的处理流程图，是流程620的具体化。在上行链路处理中，流程621将判断用户是否处于软切换状态，然后分别根据流程622、623按照图4所示的原理图对用户信号进行空时2维接收形成上行链路数据，同时空时2维接收机模块370将输出下行需要发射的波束，这是流程620需要完成的功能，具体由流程624来实现。

图8是基站升级时下行链路的处理流程图。下行链路处理时，将根据上行判断的下行需要发射的波束来选择下行需要发射的波束，图4的原理图描述了这一下行发射过程。这一过程和上行过程相类似，需要区分用户所处的(软切换)状态，并根据区分结果使用若干个波束在一个或多个扇区内完成下行链路数据的传输，流程631、632、633反映这一过程。

Claims (14)

1、一种非智能天线基站升级为智能天线基站的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、更换或增加基站的硬件，通过数字波束或射频波束形成的方法预先形成一组上下行波束覆盖基站全部所属区域，其中更换或增加基站的硬件包括：将常规天线更换为具有N个单元的阵列天线，将原来的大功率放大器改换为N个小功率放大器，并增加N个馈线、增加波束合成模块和基带电路；

步骤2、在上行方向基站根据移动台处于更软切换或不处于更软切换两种情况，通过基带的多分支合并技术将阵列天线中具有较强能量多径分布的多个波束信号进行合并；

当移动台不处于更软切换时，阵列天线上行链路处理方法是选择该扇区所有输入波束信号，进行跟踪和搜索，然后通过多分支合并技术将各个波束的信号结合起来；

当移动台处于更软切换时，处理上行链路的方法是选择所有参与软切换扇区的输入波束信号，进行输入信号的跟踪和搜索，根据适当的策略将有用信号能量合并，完成更软切换操作；

步骤3、在下行方向基站根据移动台处于更软切换或不处于更软切换两种情况以及上行方向多径能量的分布，选择下行波束发射；

当移动台不处于更软切换时，下行信号发射方法是对升级后的扇区阵列波束上行链路输出信号，检测波束的用户信息，在此基础上形成下行波束实现下行链路定向发射；

当移动台处于更软切换时，下行方向的波束发射方法是对升级后的扇区阵列波束上行链路输出信号，检测波束的用户信息，在此基础上根据多径分布在软切换扇区选择某个或几个波束同时进行发射。

2、如权利要求1所述的一种将非智能天线基站升级为智能天线基站的方法，其中所述的波束的用户信息是指上行波束接收用户强度。

3、如权利要求1所述的一种将非智能天线基站升级为智能天线基站的方法，其中所述的下行波束实现定向发射是指当多径分布集中时，在预先形成的多个波束中选择一个信号强度最高的波束作为发射波束；或者是指当多径分布分散时，在预先形成的多个波束中选择若干个信号强度高的波束作为发射波束。

4、一种应用如权利要求1所述方法的将多扇区非智能天线基站升级为完全采用阵列天线智能天线基站的装置，所述装置包含：

接收天线阵列(310)：完成无线电波信号的接收；

接收射频模块(330)：完成射频到基带信号的转换；

模数转换模块A/D(340)：完成模拟信号到数字信号的转换；

数据采样总线模块(250)：汇集了各个波束的接收信号；

发射射频模块和数模转换D/A模块(360)；

发射天线阵列(320)；

其特征在于，该装置还包含：

接收多波束合成模块(350)，用以接收多波束合成，形成接收波束，实现空间滤波；

空时2维接收机模块(370)，即空时2维接收机，用以完成信号能量的积累和干扰抑制；包括搜索模块(371)、跟踪模块(372)、合并模块(373)，搜索模块(371)对于各个波束的信号进行搜索，搜索的结果送给跟踪模块(372)进行多径的跟踪，各个多径跟踪的结果在合并模块(373)中进行合并以便得到用户能量的积累，搜索模块(371)的另外功能是对于下行链路发射进行指示；

发射波束形成模块(380)，用以发射波束形成，形成发射波束；

其中，天线阵列(310、320)为智能天线，具有N个单元，替代原来的常规天线；增加馈线到N个；增加射频前端、射频通道到N个；将原来的大功率放大器改换为N个小功率放大器；增加相应的通道校正部分；增加波束形成网络以形成接收和发射波束；更改基带电路；波束形成包括天线信号的接收或发射、信号的加权和移相处理等过程，所述信号的加权处理与移相过程在基带或射频上进行，信号的加权处理和移相处理过程使各阵元接收或发射的基带信号相互干涉，在确定的需要升级区域空间形成特定的波束；

天线阵列(310、320)接收的射频信号在射频接收模块(330)进行下射频处理，将射频信号变成基带信号，基带信号送到模数转换A/D模块(340)进行抽样和采样的数字化，在上行链路多波束形成模块(350)对数字化的基带信号进行空间滤波，再通过数据采样总线模块(250)与空时2维接收机模块(370)相连；

该空时2维接收机模块(370)完成用户多径在空间域或时域的分离和合并以及用户的更软切换，其输出送到译码模块(270)，同时空时2维接收机模块(370)为下行链路判断下行需要发射的波束；

在下行方向用户数据流经过扩频加扰模块(280)后送向发射波束形成模块(380)，发射波束形成模块(380)根据上行链路判断的用户所在区域决定下行发射所用波束。

5、如权利要求4所述的一种将多扇区非智能天线基站升级为完全采用阵列天线智能天线基站的装置，其中，所述的天线阵列(310)为在每个扇区采用一副线阵或在整个小区采用圆阵。

6、如权利要求4所述的一种将多扇区非智能天线基站升级为完全采用阵列天线智能天线基站的装置，其中，所述的天线阵列(310)用于对空间信号进行接收，天线阵列(320)用于下行信号的发射。

7、如权利要求4所述的一种将多扇区非智能天线基站升级为完全采用阵列天线智能天线基站的装置，其中，所述的天线阵列(310、320)为同一幅天线以双工方式工作。

8、如权利要求4所述的一种将多扇区非智能天线基站升级为完全采用阵列天线智能天线基站的装置，其中，所述的空时2维接收机模块(370)为下行链路判断下行需要发射的波束为窄波束。

9、如权利要求4所述的一种将多扇区非智能天线基站升级为完全采用阵列天线智能天线基站的装置，其中，

所述的空时2维接收机模块(370)包含搜索模块(371)、跟踪模块(372)、合并模块(373)，搜索模块(371)根据用户处于和不处于软切换两种情况对数据采样总线(250)上接收的波束输出信号在空域和时域进行多径搜索并对跟踪模块(372)的参数进行配置，跟踪模块(372)对数据总线信号模块(250)上接收的波束输出信号进行跟踪，合并模块(373)对跟踪的多径进行合并处理；同时搜索比较过程必须完成对各个波束内的用户多径信号进行分析，判断用户多径信号集中在哪几个波束内，为下行波束发射提供控制信号；

所述的发射波束形成模块(380)包含模块(381)模拟软件开关，判断用户多径信号的发散程度，并据此选择若干个波束做下行发射波束。

10、如权利要求4所述的一种将多扇区非智能天线基站升级为完全采用阵列天线智能天线基站的装置，其中，所述上行链路接收多波束形成模块(350)形成的上行波束个数小于所述下行发射所用波束个数。

11、如权利要求12所述的一种将多扇区非智能天线基站升级为完全采用阵列天线智能天线基站的装置，其中，所述的上行波束个数为4个，所述的下行发射所用波束个数为7个。

12、如权利要求9所述的一种将多扇区非智能天线基站升级为完全采用阵列天线智能天线基站的装置，其中，所述的下行发射所用波束含有具有与所述的上行波束相同指向特性的波束。

13、如权利要求9所述的一种将多扇区非智能天线基站升级为完全采用阵列天线智能天线基站的装置，其中，所述搜索比较过程中，若搜索比较后的多径在相邻两波束都有较大的能量时，下行发射波束即可以选择这两个波束用于下行发射。

14、如权利要求9所述的一种将多扇区非智能天线基站升级为完全采用阵列天线智能天线基站的装置，其中，所述判断用户多径信号的发散程度是指，当多径分布集中时，在预先形成的多个波束中选择一个信号强度最高的波束作为发射波束的；或者是指当多径分布分散时，在预先形成的多个波束中选择若干个信号强度高的波束作为发射波束。

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