CN1326646A - 在三分区无线系统中使用全向覆盖的冗余宽带多载波基站 - Google Patents

Abstract

一种用于无线通信的宽带多载波基站,如蜂窝电话或个人通信系统,其具有形成标准三分区或三小区覆盖区的三组宽带收发机和天线。第四收发机连接到基本上为全向的第四天线,该第四天线与三分区或三小区覆盖区相重叠的覆盖区域。由此,该第四宽带收发机和第四天线在一个其它宽带收发机出现故障的情况下,提供冗余通信。

Description

在三分区无线系统中使用全向覆盖 的冗余宽带多载波基站

本发明涉及具有使用宽带、多载波数字收发机的基站的无线通信系统，尤其涉及当主收发机或放大器出现故障时提供冗余的设备。

在传统的无线通信业务中，如蜂窝移动电话和个人通信系统中，使用窄带射频信道来建立移动台和基站间的通信链路。为更好地利用所分配的频谱，将一地理区域分成多个更小的称为小区(cell)的区域，然后将所述窄带射频信道分配给这些小区，使得干扰量为最小而容量为最大。每个小区都有一个三分区(tri-sectored)基站。该三分区基站的名称来自于由三个天线阵列所产生的传输码型，这三个天线阵列位于构成一三角的各个面上，且每个天线阵列与两邻近的阵列分别相差120°放置。每个天线阵列都能在所有分配给该基站的射频信道上通信。

以前，基站为在每个天线阵列中的每个射频信道提供一个单独的收发机，例如，需要有6个收发机来支持在三个分区的每一个分区的两个载波。通常在一个主收发机出现操作故障时提供备用收发机。该冗余使所需要的收发机的数量增加一倍。

另一结构为从给定基站沿差距为1200的不同方向投影形成三个独立的小区，在这种情况下，每个天线阵列与用于相关小区的唯一一套射频信道有关。该结构也要求对各收发机进行备份以用于全冗余。

最近，采用了宽带基站。这样，三个天线阵列的每一个都连接到能够通过部分射频频谱收发多个信号的收发机，该射频频谱包含所有分配给该基站的信道。在接收端，宽带收发机使用高速模数转换器和有效数字滤波算法如快速傅立叶变换的设备，分离接收到的信号能量进入所期望的信道。在发射端，该宽带基站执行包括快速傅立叶变换的操作以组合各单个的信道信号。这样，就可使用相对小型的较便宜且可靠的数字集成电路来覆盖由该宽带基站所提供的整个信道容量。

在主宽带收发机或放大器出现故障时，可使用两种技术来提供冗余。第一种技术为利用三个工作在备用模式的备用收发机/放大器，每个备用收发机或放大器与一不同的主收发机/放大器相关联且固定地连接到三个天线阵列中的一个。采用这一技术相对昂贵，因为需要两份收发机和放大器。为降低费用，引出仅使用一个备用收发机/放大器的第二种技术，该单个备用收发机/放大器可切换到与故障主收发机或放大器相关的天线阵列。尽管目前仅需要四个收发机/放大器，即三个主收发机/放大器和一个备用收发机/放大器，但所使用的开关设备看来是非常笨重且很昂贵的。而且，使用这种技术，在主收发机/放大器正常操作时，备用收发机/放大器没有任何作用。

本发明针对用于对无线通信基站中的发射设备提供冗余的可节约成本的技术。

所述基站包括用于发射和接收射频信号的多个宽带收发机。多个天线的每一个与该多个宽带收发机和放大器中不同的一个相连接且具有自该基站向不同方向延伸的覆盖区。例如，可将该多个天线配置为标准的三分区型或三小分区型。

由连接于覆盖天线(overlay antenna)的覆盖宽带收发机/放大器来提供冗余，所述覆盖天线用于发射和接收射频信号。该覆盖天线所具有的覆盖区域自该基站基本上以全向模式延伸，由此，覆盖了所有多个天线阵列的覆盖区。该覆盖收发机/放大器和天线在多个宽带收发机/放大器中的任一个出现故障时，提供冗余通信。

图1是引入本发明的用于无线通信业务，如蜂窝移动电话或个人通信系统的宽带数字基站的示例性方框图。

图2是连接至该基站的天线组合的俯视图。

图3示出该天线组合的覆盖区。

图1是根据本发明的宽带无线数字基站10的方框图。简言之，基站10包括4个宽带收发机31、32、33和34，每一个都连接到时分多路(TDM)总线16和PCM话音数据总线17上。每个宽带收发机31、32、33和34分别连接到各对(Rx1、Rx2)接收天线11、35、36和37上，且通过大功率、多载波放大器28、38、39和40还分别连接到发射(Tx)天线29、41、42和43上。还有多个数字信号处理器(DSP)连接于TDM和控制总线16上。所述DSP被分为第一组18－1和第二组18－2，第一组被编程为作为解调器18－1－1、18－1－2、…、18－1－P来进行操作，第二组被编程为作为解调器18－2－1、18－2－2、…、18－2－Q来进行操作。第三组数字信号处理器18－U目前还处于空闲状态。该基站中还提供有传输信号(T1)编码器20、T1解码器22、基站控制器30和TDM同步时钟产生器32，所有这些都连接到两总线16和17上。在之前颁发给本发明的受让人Aimet通信公司的专利号为5,940,384的美国专利中对该基站进行了详细地描述，这里参考引用其说明。更具体地，基站10与各个移动用户终端(移动单元)44交换射频(RF)信号。RF载波信号具有与给定无线信道相关的频率，且经话音和/或数据信号所调制，这些话音和/或数据信号要通过基站10被连接到公用交换电话网络(PSTN)上，所使用的特定调制过程可以是多种不同的无线空中接口标准中的任何一种，如大家所熟知的先进移动电话服务(AMPS)，时分多址(TDMA)如IS－54B或IS－136，码分多址(CDMA)如IS－95，跳频TDMA标准如欧洲专家组(GSM)，个人通信网络标准等。事实上，按照下述的方式，甚至可以将基站10配置为同时处理在同一时间按照不止一种这些无线标准进行格式化的RF信号。

在图中详细地示出了第一宽带收发机31的结构，其它宽带收发机32、33、34的结构都与31的相同。第一宽带收发机31的分集接收部分包括一两信道的宽带数字调谐器12，其处理来自接收天线11和29的RF信号并将数字化的中频(IF)信号传送到数字分路器(channelizer)14。具体来说，该数字调谐器12将从天线接收到的RF信号下变频到中频信号，然后进行模数转换以产生数字合成信号13。数字调谐器12为宽带的意思是它基本上覆盖了运行该基站10的无线服务提供商可用的RF带宽。例如，如果基站10所实现的空中接口为IS－54B，则该宽带数字调谐器可在800－900MHz的频段内下变频多达12.5MHz的带宽，这一带宽包含多达416个接收和发射信道信号，其每个具有大约30KHz的带宽。

数字分路器14运行一信道处理单元(channel bank)以将下变频的合成数字信号13分成多个数字信道信号15。然后对该数字采样信号进一步滤波以将其分成多个为30KHz的单独的信道信号。于是，可以认为数字分路器为一组数字滤波器，每个滤波器具有的带宽为30KHz。数字分路器14可采用几种常规滤波器结构的任一种来实现该滤波器组。在一最佳实施例中，数字分路器14由一组卷积数字滤波器和一快速傅立叶变换处理器组成。该卷积数字滤波器采用多速率数字滤波技术如多相或重叠且相加(overlap-and-add)技术，通过以下操作来有效的实现一数字滤波器组：集合对下变频滤波的采样，将该采样集合与一卷积函数相乘，然后将该采样送进一快速傅立叶变换处理器以将其转换为n个单个的信道信号。可以使用由R.E.Crochiere&L.R.Rabiner所著的名称为《多速率数字信号处理》的教科书中第289－399页所述的任何一种技术来实现该滤波器组，该教材在1983年由美国新泽西州的Englewood Cliffs，Prentice-Hall出版。

分路器14提供n路单个数字信道信号15，其中该n路输出的每一个代表由移动用户终端44发起的一路射频信道中的信息。通常，用于发射信号的信道频率偏离于用于接收信号的信道频率。于是，在所述的IS－54B示例中，n为416，且基站10可实现416个接收信道和416个发射信道，收发之间具有45MHz的双工偏离。

然后，通过时分多路复用(TDM)总线16将这n路数字信道信号提供给多个数字信号处理器(DSP)18－1－1、18－1－2、…、18－1－P(集体称之为解调器18－1)。TDM总线16用作经时分多路复用的纵横开关(cross-bar switch)，即该n路数字信道信号15的任一路都可通过TDM总线16连接到任一解调器18－1。众所周知，TDM总线16精确的定时特性，即可用于由数字分路器14输出的数据采样的每一帧的时隙数，因而也就是经过TDM总线16传输该n路数字信道信号的方式，依据信道信号数n而改变。基站控制器30使用VME总线和TDM同步时钟产生器32来管理各个单个数字信道信号15进入TDM总线16。PCM话音数据总线17可以是任一较高频率总线，用于连接数字处理器和各元件。在该结构中，使用SCSI(信号计算系统结构)总线。

根据由基站10所支持的空中接口标准的定义，对每个解调器18－1进行编程以解调每个信道信号15。通常，DSP解调器18－1的数目和由在每个收发机31－34中的分路器14提供的信道信号数n并非一一对应关系。例如，DSP的每一个都可以同时处理多路，如24路数字信道信号15。

然后，代表经解调的话音和数据信号的解调器18－1的输出通过VEM总线17被输入到几个编码器20－22中的一个。接着，为将该信号传输到本地移动电话交换局(MTSO)，需要该编码器20－22对该解调的信号重新格式化。可根据大家所熟知的任一时分多路复用电话信号传输协议重新格式化该被解调的信号，这些传输协议例如有所谓的T1间隔(span)(或E1)。然后，由MTSO按已知的方式对T1信号进行处理，最终将发自移动用户终端44的电话呼叫送达到所期望的目的地，如连接到公用交换电话网络(PSTN)的另一电话用户。

因为每个T1间隔的容量都有限，所有可能需要不止一个T1信号来容纳由基站10所服务的所有信道。在所讨论的实施例中，可对每个T1信号进行格式化以携带多达96个IS－54B的压缩带宽信号到MTSO，假定经解调的信号保持为被压缩的话音信号。于是，可仅使用少到5个的T1线路来携载所有的416个发射和接收信道。然而，当并非所有的通道都繁忙时，仅将所需要的T1线路资源按某种方式连接到MTSO，以下会很快理解该连接方式。

换句话说，由DSP18－1－1到18－1－P输出的解调信号每个可能为次速率(sub-rate)信号(如sub-DS0频率信号)，其仍包含未被基站10除去的不同于空中接口标准的如由压缩带宽方案进行压缩的编码。然而，为减少T1信号所需使用的时隙数，可能会在MTSO中除去这种压缩。

在基站10的发射侧的信号流为模拟信号。从MTSO接收到的信号被提供给T1解码器22，在该解码器中除去T1的格式化。然后通过PCM话音数据总线17将该除去格式化的T1信号耦合到解调数字信号处理器18－2。DSP18－2－1、18－2－2、…、18－2－Q调制这些信号并将其送到TDM总线16，从该TDM总线16出来的每个信号又经过用于n路数字信道信号23的一路的输入连接到适当收发机31－34中的合路器(combiner)24。在接收方向，TDM总线16为一纵横开关，允许任一调制器DSP18－2连接到四个收发机31－34中的任一信号输入端23。

尽管典型地每个调制器18－2处理多个信道信号，每个这种由调制器18－2所产生的信道信号通常被分配有在TDM总线16上的一个或多个唯一的时隙，因此，不会有两个信道信号占据同一时隙。类似地，也没有两个自收发机接收部分的信道信号会占据TDM总线16上的相同时隙。

别的DSP18－U在某些特定时候可能不用。然而，如果有新的移动用户终端44请求接入，则这些未使用的DSP仍为基站10的可用资源。以下将会详细说明在建立呼叫时分配DSP的方式。

在第一收发机31中的数字合路器24组合来自TDM总线16的信号以产生对应于n信道的合成中频数字信号25以备发射。该数字合路器24然后将这些组合信号馈送给宽带数字激励器26，在其中产生RF信号27。由宽带多载波大功率放大器28对RF信号27进行放大并将其馈送给发射天线29。

参考图2，天线11、29、35、36、37、41、42及43以基本上相同的高度、以三角形的配置方式置于塔上或其它被提升的结构上。用于第一、第二、第三收发机31、32、和33的每对收发天线分别位于三角形的不同侧面。具体地，第一收发机31的天线11、29位于该三角形的第一面，第二收发机32的天线35、41位于第二面，第三收发机33的天线36、42位于该三角形结构的最后一面。

在每个面上一个天线为Tx/Rx1双工天线而第二个为Rx2天线(非双工)。中央全向天线也为Tx/Rx1和Rx2天线。这种天线布置方式产生如图3所示的传统的基站的分为三个分区的覆盖区，其中每对接收和发射天线的覆盖区形成一个不同的覆盖区域。第一收发机31的覆盖区由从三角塔结构投射的圆51来表示，第二收发机32的覆盖区由圆52来表示，第三收发机33的覆盖区由圆53来表示。这几个覆盖区彼此略有重叠以便于提供与基站位置相邻的连续的覆盖区域。第四收发机34及其相关天线37、43形成以基站位置为中心且与每个分区51－53重叠的全向区54。尽管全向区54示为一圆形，但也可采用其它基本为全向的形状。于是与第四收发机34相关的覆盖区54与传统的三分区/三小区宽带多载波基站的覆盖区51－53重叠。按照需要来分配该全向覆盖区54的射频信道和话音/数字信道以增加三个工作分区中任何一个分区的业务。在与由覆盖区51、52、53所指代的三个分区中的任何一个相关的设备出现故障或停止运行时，通常由移动用户终端设备44来检测具有覆盖区54的全向小区以将其作为次最佳替换小区。因此，由该小区来提供覆盖直到离线分区设备重新恢复在线。

使用该冗余覆盖方法的整个系统的可靠性优于从三个分区RF切换到四个收发机和大功率放大器的替换方法。本方法仅要求4个RF收发机31－34和功放28、38、39、和40用于非切换冗余，否则就要用六套收发机和功率放大器用于该三个分区的并行冗余。为提高基站收发机的厄兰使用量，本发明总是使用第四收发机34和功率放大器40。如果需要全向天线覆盖区54可使用不同的射频频段以允许更有效的频率重用模式。除了收发机和大功率放大器冗余外，全向覆盖还提供其它基站设备的冗余，包括天线、电缆及滤波器。全向覆盖还可被用于提供与远程变换中继器(translating repeater)的回移通信(backhaul communication)。

Claims (4)

1、一种用于无线通信的基站，包括：

用于接收和发射射频信号的多个宽带收发机；

多个天线阵列，其每一个都连接到所述多个宽带收发机中不同的一个，且具有自基站向不同方向延伸的覆盖区；

具有一覆盖区域的覆盖天线，该覆盖区域自基站基本上以全向模式延伸，由此与来自所有该多个天线阵列的覆盖区相重叠；以及

连接于该覆盖天线的覆盖宽带收发机，用于接收和发射射频信号，其中该覆盖天线和覆盖宽带收发机在多个宽带收发机中的一个出现故障时，提供冗余通信。

2、根据权利要求1所述的基站，还包括多个大功率多载波放大器，其每一个将所述多个宽带收发机中的一个连接到所述多个天线阵列中的一个；且其中所述覆盖宽带收发机还在该多个大功率多载波放大器的一个出现故障时提供冗余通信。

3、根据权利要求2所述的基站，还包括将所述覆盖宽带收发机连接到所述覆盖天线阵列的覆盖大功率多载波功率放大器。

4、一种用于无线通信的基站，包括：

以三角形结构布置、由此产生三个覆盖区域的第一、第二和第三天线；

用于接收和发射射频信号的第一、第二和第三宽带收发机；

第一、第二和第三大功率多载波放大器，其中第一大功率多载波放大器将第一宽带收发机连接到第一天线，第二大功率多载波放大器将第二宽带收发机连接到第二天线，第三大功率多载波放大器将第三宽带收发机连接到第三天线；

具有自基站基本上以全向模式延伸的覆盖区域的第四天线，由此该覆盖区与第一、第二和第三天线的覆盖区相重叠；

用于接收和发射射频信号的第四宽带收发机；和

将第四宽带收发机连接到第四天线的第四大功率多载波放大器，其中所述覆盖天线和第四宽带收发机在该第一、第二和第三宽带收发机中的一个出现故障，以及在该第一、第二和第三大功率多载波放大器中的一个出现故障的情况下，提供冗余通信。

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