CN1571551A - 一种基站设备结构及备份方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基站设备结构，应用于时分双工码分多址通信系统中，包括室内设备和室外设备，所述室外设备包括有：塔顶放大器，滤波、低噪及功放电路模块，天线阵列模块；所述塔顶放大器包括数字硬件部分和射频部分；所述室内设备包括有：公共和时钟模块、基带处理和交换模块、射频处理模块，所述公共和时钟模块通过所述基带处理和交换模块连接所述射频处理模块，所述射频处理模块通过一个雷电保护模块连接所述塔顶放大器子系统。同时，还公开了一种备份方法，对于只有一块的单板采用1+1主备方式，而数量比较多的单板则采用N+1或不备份的方式。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信系统基站设备的结构及备份方法，特别是涉及时分双工码分多址通信系统(TDD CDMA)中基站设备结构，以及设备内部各个单板、通信网以及为提高基站设备的可靠性而在各种单板中采用的备份方法。
背景技术
第三代移动通信系统(3G)无线接口规范包括码分多址(CDMA)和时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)两大类共5种技术。其中，CDMA为目前所公认的主流技术，它包括两种频分双工(Frequency DivisionDuplex，FDD)技术和一种时分双工(Time Division Duplex，TDD)技术。TDD CDMA包括了低码片速率(Low Chip Rate，LCR)TDD的TD-SCDMA(TimeDivision Synchronous CDMA)和高码片速率的UMTS陆地无线接入(Universalmobile telecommunications system Terrestrial Radio Access，UTRA)TDD两种选项。TDD CDMA(Time Division Duplex Code Division MultipleAccess)系统采用的是一种时分双工扩频通信技术，系统在周期性重复的时间帧里传输基本TDMA突发脉冲，通过周期性地转换传输方向，在同一载波上交替地进行上、下行链路的传输。处在同一载频、同一时隙内的不同用户通过不同地址码来进行区分，每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里。在接收端，信号采用相关器加以分离，它只接收选定的二进制序列并压缩其频谱，这样，有用信号的信息便被正确地识别和提取。
在TDD CDMA系统中，射频系统和基带数字信号处理单元为基站设备的两个重要组成部件。TDD CDMA基站射频系统由收发单元(TRX)、收发前端(包括功率放大器PA(Power Amplifier)及低噪声放大器LNA(Low NoiseAmplifier)、天线等组成。TRX单元中的TX部分完成数字调制、数字上变频、射频混频、放大、功率控制、检测等功能，RX部分完成数字解调、数字下变频、射频混频、放大、自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)、检测等功能。前端单元完成下行信号放大、上行信号放大、滤波等功能。天线系统完成空间波束形成、接收发射射频信号等功能。在上行方向，射频收发单元在对从天线接收到的射频信号进行下变频和模数转换处理后，转化为数字信号并输出到基带信号处理单元，在基带处理单元中进行解调、解交织和信道解调等操作。在下行方向，基带处理单元在进行信道编码、交织和调制后，将数字信号输出到射频收发单元再进行数模转换和上变频等处理，然后通过天线发射出去。射频收发单元与基带数字处理单元存在上行和下行两个方向的数字信号接口。IQ信号的调制传统上采用模拟调制技术，就是利用无源IQ调制器将IQ信号调制到中频或射频上，该方法简单，但不适用于多载频信号调制，且对IQ滤波的要求很高，很难适应宽带信号的要求。目前的宽带通讯系统中，基本上都已采用数字中频的方案。
基站的射频收发单元和基带处理单元通常由多个模块组成，多个基带处理模块共同完成一个或多个射频收发模块的基带处理功能。在码分多址通信系统中，实际上是每个基带处理模块完成若干个CDMA码道的处理。这时，在上行方向需要将一个或多个射频收发模块输出的信号送给每个基带处理模块。在下行方向则需要将每个基带处理模块输出的数字信号相加，送到对应的一个或多个射频收发模块。
在基站设备中，为了防止由于软硬件发生故障，导致通讯中断，对于系统提出了备份需求，要求能够确保系统在部分模块发生故障的情况下不影响正常通信。
目前，根据基站设备中各个软硬件模块的功能、重要性，为保证系统的可靠运行，通常采用的是备份的实现方法。对于系统的硬件模块一般有三种备份方案：
(1)冷备份。当某个模块发生故障时，可能会丢失部分或者全部的用户话路。根据是否需要向现场派遣工程人员，系统又可分为两类，一类是需要向现场派遣工程技术人员进行维修；另一类则是由系统自动恢复通信，不必向现场派遣工作人员。
(2)热备份。当某个模块发生故障时，系统自动倒换到另外一块板卡上，不损失正在通信的话路。根据是否可以在倒换过程中接受新的呼叫，又可分为可接受新呼叫和不可接受新呼叫两种板卡。
(3)降质使用。当某个模块发生故障时，该故障不做立即恢复，从而降低了整个系统支持的用户数，需要向现场派遣工程人员才能修复。
对于基站设备中不同的硬件板卡可靠性方案中，根据其实际功能、重要性以及可实现的角度，可以采用上述备份方案中的不同方法。然而，当前在第三代移动通信系统的实际开发过程中，由于各个方面的原因，对于时分双工码分多址通信系统的开发成熟度要远落后于频分双工码分多址通信系统的开发，因而还没有太多的经验可以遵循。对于时分双工码分多址通信系统设备的开发，特别是时分双工码分多址通信系统中基站设备的组成结构，各个软硬件模块的可靠性设计等方面，目前都还没有形成一个很好的解决方法与设计原则。
中国专利CN1418023公开了“无线接入网中基站控制器的备份实现方法及装置”。该专利提出了一种基站控制器的备份实现方法，它可在无线接入网基站控制器出现故障的情况下，控制由其它基站控制器来接管故障基站控制器所控制的基站。其基本原理是，切换控制服务器检测是否有基站控制器出现故障，如有则进行故障处理，并决定是否需要进行基站控制器的切换；如需切换，则选择备份基站控制器；切换控制服务器向备份基站控制器下发被接管基站的静态数据配置，向被接管的基站下发与新的备份基站控制器建立通信的信息；被接管的基站与新的备份基站控制器建立连接并恢复工作。
该专利相对于人工操作，可以大大缩短故障处理时间，减少人工操作错误的可能性。然而，本专利也具有以下主要缺点：①只考虑了整个系统设备的冗余备份，并没有针对系统设备中各个软硬件模块的备份；②系统出现故障，往往不是整个系统所有部件完全不可用，而是某些模块出现问题。如果在系统不正常时，不加区分地将整个系统旁路，则不仅会增加整个系统的故障率，而且也会降低无线接入网的整体可靠性和服务质量；③只是针对基站控制器的备份方案，它的主要工作是如何接管故障基站控制器所辖的基站设备，而没有对基站设备故障的考虑。
中国专利CN1394021“一种灵活实现码分多址基站基带处理模块级连的方法”。该专利主要提出了基带处理模块与射频收发模块之间的一种级连方法，基带处理模块中除了包含基带处理部分外还包含两输入项的数据累加模块，方法中还增加了一个数据交叉模块。通过引入数据交叉模块，基站前向的数据叠加变得更加灵活和可靠。
该专利虽然可以实现基带处理模块的N+1备份功能，但具有如下缺点：①通过基带处理模块与射频收发模块之间的级连，只能实现基带处理模块的数据累加和冗余备份，并没有给出一个系统内各种单板备份的原则和解决方案；②数据交叉单元是主备冗余的，两块单板所起作用相同，当其中一块出现故障时，各个基带处理模块可以通过备份的交叉单板来完成数据的交叉工作。但是主备数据交叉模块之间并没有建立联系，因而在具体实施过程中会带来主备倒换的诸多不便，难于有效地控制。
通过上面的分析，可以看到时分码分多址通信系统基站设备中各个单板、内部通信网的设计将直接影响到系统的工作可靠性。如何合理的布局基站设备中的各个单板，给出系统内不同类型单板的冗余策略是提升系统性能的重要因素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基站设备结构，解决现有技术在时分双工码分多址通信系统基站的结构设计上，对于内部模块的划分和相互之间的连接，还没有一个通用的、既考虑通信效率又考虑系统安全的优选方案的问题。
本发明所要解决的另一技术问题是提供一种基站设备结构的备份方法，解决现有技术没有能给出一个基站内各种单板的备份原则和解决方案的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种基站设备结构，应用于时分双工码分多址通信系统中，包括室内设备和室外设备，其特点在于，所述室外设备包括：塔顶放大器子系统和与其连接的天线阵列，所述塔顶放大器子系统又包括塔顶放大器，滤波、低噪及功放电路；所述塔顶放大器又包括数字硬件部分和射频部分，所述数字硬件部分用于与所述室内设备进行塔顶放大器的告警信号、实时检测信号、基站控制塔顶放大器上下行切换的开关信号、基站实时控制塔顶放大器的控制信号以及塔顶放大器正常工作所需要的电源信号的传送，所述射频部分用于实现上下行射频信号的放大，并同时与所述室内设备同步完成上下行信号的时分切换；所述室内设备包括：公共和时钟模块、基带处理和交换模块以及射频处理模块；所述公共和时钟模块通过所述基带处理和交换模块连接所述射频处理模块，所述射频处理模块通过一个雷电保护模块连接所述塔顶放大器子系统。
上述的基站设备结构，其特点在于，所述射频部分包括有功放单板、低噪放单板和前端腔体滤波器，所述功放单板实现下行信号的功率放大，所述低噪放单板实现上行信号的功率放大，所述前端腔体滤波器滤除下行信号中所附带的各种谐波杂散信号以及天线所接收到的频带外干扰信号。
上述的基站设备结构，其特点在于，所述公共和时钟模块包括Iub接口板、系统控制板和本地管理维护端口，所述基带处理和交换模块包括交叉和时钟分配板和基带处理板，所述射频处理模块包括收发信机；所述系统控制板分别连接所述Iub接口板、本地管理维护端口和交叉和时钟分配板，所述交叉和时钟分配板分别连接所述基带处理板和收发信机。
上述的基站设备结构，其特点在于，所述Iub接口板包括有线路接口单元、异步传输模式交换单元和网络处理单元，所述系统控制板包括有主控单元、时钟产生单元和以太网交换单元，所述交叉和时钟分配板包括有时钟分配单元、基带数据交叉单元、控制面以太网交换单元和媒体以太网交换单元；所述线路接口单元通过所述异步传输模式交换单元连接所述网络处理单元，所述系统控制板的以太网交换单元分别连接所述网络处理单元、本地管理维护端口、控制面以太网交换单元和媒体以太网交换单元，所述时钟产生单元连接所述时钟分配单元，所述收发信机分别连接所述时钟分配单元和所述基带数据交叉单元，所述基带处理板分别连接所述时钟分配单元、基带数据交叉单元、控制面以太网交换单元和媒体以太网交换单元。
上述的基站设备结构，其特点在于，所述系统控制板为两个，之间通过用来选择主、备板的主备控制线连接；所述交叉和时钟分配板为两个，之间通过用来选择主、备板的主备控制线连接；所述两个系统控制板的相对应的输出复连到一起，所述两个交叉和时钟分配板各自连接到所述两个系统控制板的输出；所述两个交叉和时钟分配板的相对应的输出复连到一起，所述基带处理板和收发信机各自连接到所述两个交叉和时钟分配板的输出。
上述的基站设备结构，其特点在于，所述系统控制板为两个，之间通过用来选择主、备板的主备控制线连接；所述交叉和时钟分配板为两个，之间通过用来选择主、备板的主备控制线连接；所述两个系统控制板的相对应的输出和输入分别复连到一起，所述两个交叉和时钟分配板的相对应的输出和输入分别复连到一起；所述两个系统控制板的输出连接所述两个交叉和时钟分配板的输入。
上述的基站设备结构，其特点在于，所述天线阵列是n天线阵列的智能天线系统，所述射频处理模块中对应每个天线都设置一路射频收发通道，而且还包括一路设置有开关组的射频收发通道用于校准天线的收发工作。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种对上述基站设备结构进行备份的方法，其特点在于，对于在基站设备中只有单独一块的单独单板采用1+1主备方式即增加一块备用的单独单板；对于在基站设备中有多块的重复单板采用N+1或N+0的备份方式即增加一块或零块备用的重复单板。
上述的方法，其特点在于，主用单板和备用单板的输出复联在一起的，并通过主备控制线选择主用或备用单板输出。
上述的方法，其特点在于，主用单板和备用单板通过以太网而对等的接收外部输入。
上述的方法，其特点在于，对于基站设备的同层的射频与基带通过业务数据交换单元来保持连接；对于不同层的射频与基带通过业务数据交换单元来选择接通。
本发明的技术效果在于：
在时分双工码分多址通信系统中，基站设备因为更多地涉及空中无线接口技术的具体实现，在第三代移动通信技术规范中是区别于频分双工系统的最为关键的部分，基站设备的结构设计将直接关系到整个系统的性能。
本发明的关键在于提出一种新型的适合于时分双工码分多址系统的基站结构模型。它由室内和室外两个部分组成，其中室内部分主要包括公共和时钟、基带处理和交换、射频处理等模块。
采用本发明所述的时分双工码分多址通信系统基站结构，具有如下优点：
①在基站设计体系上考虑到射频、基带、控制的分离，射频子系统、基带子系统和控制子系统为松耦合结构，提高了系统的可靠性。
②根据基站设备各个单板模块的数量和重要性分别执行不同的冗余备份策略，并不需要对整个系统的所有部件进行备份，降低了系统成本，而且可靠性也得到有效保证。系统在任何一块单板出现损坏的情况下，只是影响到基站的降质使用，而不会造成基站完全不能提供用户的服务。
③对于射频和基带处理模块，采用了机架同层框的射频和基带交换来完成连接，不同层之间通过交换来保证互通。这样可以适应传输信元的变化、基带处理单板能力的变化，以及适应射频拉远的需求。对于基站成本的降低也有一定的益处。
④在简单配置下，系统允许不配置交叉和时钟分配板，而是将基带处理板直接放在交叉和时钟分配板的板位上，从而可以有效地降低简单配置下的基站成本，为基站的配置提供了灵活性。
⑤系统在每个收发模块中设定在一路射频通道上设计一个开关组，利用它的收发通道完成校准天线的收发工作，从而节约了一路射频通道的成本。
⑥在系统的单板通信管理中，凡是具有主备的单板与另一个单板进行通信时，主备单板通过以太网交换单元相互连接，所以任何一个外来以太网线都可以直接通过以太网交换单元与主备板CPU进行通信，而无需在对等实体CPU通信时通过主用板将信息转发给备用板，从而减少了时延。
下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例。
附图说明
图1是本发明时分双工码分多址通信系统基站室内部分结构图；
图2是本发明时分双工码分多址通信系统基站通信示意图；
图3是本发明时分双工码分多址通信系统基站时钟备份关系图；
图4是本发明时分双工码分多址通信系统基站不同单板间的总备份机制；
图5是本发明时分双工码分多址通信系统基站主备单板的通信机制；
图6是时分双工码分多址通信系统基站基带数据交换的备份机制；
图7是时分双工码分多址通信系统基站基带数据交换示意图。
具体实施方式
本发明实施例的具体基站结构如下：
在本发明TDD CDMA系统基站中，其硬件系统从所处位置上看可以分为室内和室外两个部分。其中，室外部分主要包括：塔顶放大器接口和滤波、低噪及功放电路；天线阵列等模块。塔顶放大器的物理位置是放置在户外的，它分为数字硬件和射频两个部分。数字硬件部分主要功能是与TDD基站室内部分进行数据传送，其传送的信息主要包括塔顶放大器的各种告警信号、实时检测信号、基站控制塔顶放大器上下行切换的开关信号、基站实时控制塔顶放大器的其它控制信号以及塔顶放大器正常工作所需要的电源信号。射频部分主要功能是实现上下行射频信号的放大，同时与TDD基站室内部分同步完成上下行信号的时分切换。射频部分主要由功放单板、低噪放单板和前端腔体滤波器组成，功放单板实现下行信号的功率放大，低噪放单板实现上行信号的功率放大，前端腔体滤波器可以滤除下行信号中所附带的各种谐波杂散信号以及天线所接收到的系统不需要的频带外干扰信号。天线阵列完成与终端设备之间的无线信号传输，在TDD系统中智能天线的使用，将有助于降低功放发射功率、提高覆盖距离。
本发明TDD CDMA系统基站室内部分主要由以下几个模块组成：公共和时钟模块、基带处理和交换、射频处理模块。
在公共和时钟模块中，主要的功能单元有：Iub接口单元、异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)交换单元、网络处理单元、时钟产生单元、主控单元、以太网交换单元等。
在基带处理和交换模块中，主要的功能单元有：时钟分配单元、通讯以太网交换单元、基带数据交叉单元、信号转换单元、光纤接口单元和基带处理单元等。
射频处理模块主要涉及的有：射频控制单元、收发接口、射频处理和中频处理、开关矩阵；机顶连接和校准选择；雷电保护模块等。
一般地，对于射频处理模块当采用n天线阵列的智能天线系统，每个天线均需要一路射频收发通道，如果加上校准天线则需要n+1路收发通道。校准天线的采用，主要是因为阵列通道间因器件特性的差异等因素而造成的阵列误差，即通道间存在幅相特性(收/发)的不一致。为了在基带处理过程中准确地形成上行接收波束和下行发射波束，就必须预先知道阵列通道的性能差异，或者知道射频信号经阵列通道响应后的幅度相位变化误差。本发明在每个收发模块中设定在一路(例如，第一路)射频通道上设计一个开关组，利用它的收发通道完成校准天线的收发工作，这样做虽然增加了收发通路间的隔离度要求，但可以节约一路射频通道，节约了成本。
上述TDD CDMA系统基站设备的构成中，各个模块所涉及的内容包含但不局限于上述功能，而且各个模块的功能划分也可进行调整。
TDD CDMA系统基站子系统室内各模块之间的通讯包含如下几部分：
①通讯消息：子系统之间的操作维护控制流；
②业务(IQ)：子系统之间的业务数据流(IQ)数据；
③业务(FP)：子系统之间的业务数据流(FP)数据；
④时钟流。
(1)内部通信网
内部的网络包含几个方面，第一是以太网(Ethernet)交换和通讯，指的是管理、维护、信令、FP数据等消息的网络；第二是IQ交换网络；第三是时钟的分配情况。
系统的以太网交换包括业务层的交换和控制层的交换，主要是通过系统控制板来完成内部通信归口和对外的维护接口的。各基带处理板通过以太网交换单元与系统控制板相连；系统控制板提供到Iub接口板、交叉和时钟分配板以及本地管理维护终端的以太网交换接口。对于多层标准插箱机架，在每一层，收发信机的通信消息通过交叉和时钟分配集中在一起。
交叉和时钟分配单板的IQ数据交换系统利用可编程逻辑阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)实现TRX(包括机架中本层和邻层的)和基带处理板(包括机架中本层和邻层的)之间的IQ数据交换。此交换可以理解为半固定的接续，主要是在系统上电配置时完成不同业务单板之间IQ数据通路的接续，当正常工作后一般不再更改，目的是使得系统根据需要进行灵活的配置。
上行交换
包括：
把本层TRX发送的上行数据交换到本层基带处理板。
把邻层TRX发送的上行数据交换到本层基带处理板。
把本层TRX发送的上行数据交换到邻层基带处理板。
下行交换
包括：
把本层基带处理板发送的下行数据交换到本层TRX。
把邻层基带处理板发送的下行数据交换到本层TRX。
把本层基带处理板发送的下行数据交换到邻层TRX。
在时钟系统中，包含两个方面：一个是地面网络的同步，一个是空中接口的同步体系。
本发明实施例的具体系统备份方法如下：
为了提高系统的可靠性，需要对系统中的单板提供一定的冗余。在决定基带IQ数据的实现方式时，有射频单板和基带处理板直连和基带IQ数据经过交换后互连。目前，在WCDMA基站系统中，普遍采用了同层全直接互连的方式，标准插箱中同层所有射频板和基带板都相连，总体n+1备份，这样接口设计具有比较大的冗余；而现有的TDD CDMA基站系统方案中，普遍采用的是一个射频单元(例如，3载波8天线)和基带板直接连接方法，无备份。
本发明对于系统中单板的冗余的基本思想是任一块单板的损坏，不能造成基站完全不能提供用户的服务，可以降质。所以本发明针对时分双工码分多址通信系统的结构，在基站设备中考虑将只有一块的单板采用1+1主备方式，而数量比较多的单板(如基带处理板)采用N+1或不备份的方式。之所以考虑不备份方案，是因为系统中一块单板的突然停止工作本身就要影响部分业务，但其他部分均能正常工作，基站作为一个设备，它仍能提供稍微降低容量的服务，对整个系统的影响并不大。
对于射频与基带之间的连接，本发明采用了同层的射频和基带通过交换来完成连接。不同层之间也可以通过交换保证互通。这样做虽然在数据传输环节中增加了一道关口，系统的速度和可靠性可能在一定程度上会受到一些影响，但其优点也是突出的。它适应传输信元的变化，基带处理单板能力的变化，并且可以适应射频拉远的需求，同时成本还可以得到有效的降低。
当单板(例如，基带处理板)采用N+1备份的方式工作时，若其中任何一块单板出现故障，则冗余的基带处理模块将替代故障模块。这时需要系统下发命令更改交叉模块中的交叉设置。
另外，考虑到一些简单应用场合，本发明为了节约成本，也可以不配置交叉和时钟分配板，而是将基带处理板直接放在交叉和时钟分配板的板位上。收发信机的时钟来源是基带处理板根据系统控制板引入的时钟线，驱动送出时钟信号给收发信机；基带处理板具有与交叉和时钟分配板一样的主备选择功能，并送出主备指示线和板在位的识别。在IQ数据线连接方面，收发信机直接分别连到每个基带处理板上，这样单板间的IQ数据线形成交叉互连的形式。
图1是时分双工码分多址通信系统基站室内部分结构图。图中，TDD基站系统室内部分包括Iub接口板11(Tdd node B Iub Interface board，TBII)、系统控制板12(Tdd node b Operation Maintenance & clocK board，TOMK)、交叉和时钟分配板13(Tdd node b Crosspoint & Clock distributor Board，TCCB)、收发信机14(Tdd node b Transceiver，TTRX)、基带处理板15(Tddnode b Baseband Modem Process board，TBMP)、本地管理维护终端(LocalManagement Terminal，LMT)端口16。图中各个模块及单板的功能划分包含但并不局限于上述范围，在实际的产品开发过程中，有些功能模块可以合并到同一实体中实现，同时也可以分拆到不同实体中予以实现。
TBII为Node B(基站)和无线网络控制器(Radio Network Controller，RNC)之间的Iub接口板11，它将从RNC接到的用户数据转发给TBMP，或者从TBMP接收到用户数据后发送给RNC。
TOMK接受RNC的管理和控制，其主要功能是提供本Node B的操作维护以及部分NBAP(Node B Application Part)的处理。LMT端口负责TOMK与LMT系统间的连接，TDD Node B的LMT系统作为Node B后台的网管系统，完成电信网管要求的基本功能，即配置管理、故障管理、安全管理、以及其他一些辅助功能，如系统管理、辅助管理等功能。TOMK通过内置的以太网交换分别完成控制面和媒体面的交换功能，并提供地面电路和无线射频的时钟的功能。
TCCB主要实现TTRX和TBMP的时钟分配，以及基带IQ数据和信令的交换。TCCB发送高精度时钟信息给TBMP CPU，使其获得高频高精度的时钟信息。对于以太网交换，若在TOMK上集中实现以太网交换，受空间的限制，其难度较大。为了避免这种情况，本发明将以太网交换采用负荷分担的分布式方式来实现。载频框每一层的TCCB负责将本层TCCB和TTRX单板的控制数据汇聚到TOMK上的以太网交换。TCCB的IQ交换能够实现同一层TTRX和TBMP之间I/Q数据及信令的交换。IQ_Link是基站内的一条通信链路，可以有上行和下行两个方向之分，所传输的内容则包括I/Q数据和信令两个部分。上行I/Q是由TTRX发出的I/Q数据和信令，它经由TCCB交换后发送到TBMP；下行I/Q则是由TBMP发送的下行I/Q数据和信令，它经由TCCB交换后发送到TTRX。下行I/Q可以由任意一块TBMP发送到任意一个TTRX模块，上行I/Q也可以由任意一个TTRX模块发送到任意一块TBMP，但系统的配置确定后，TBMP和TTRX模块传送I/Q数据的关系也就相对固定。为了实现系统的灵活配置，TCCB可以实现任一输入IQ_Link上IQ时隙到任一输入IQ_Link IQ时隙的交换。其中，IQ时隙是IQ交换的最小单位，IQ时隙也包括了信令。多个IQ时隙组成了一个IQ帧，它为一个chip所对应的I/Q数据。
TTRX为TDD基站射频系统中的核心部件，它主要完成基带IQ信号的调制解调，上下行信号的发射接收、上下变频、单元电路告警等功能。
TBMP主要实现TDD系统中各个载波符号(symbol)和码片(chip)级的基带处理。从信号流程来说，基带处理有两个主要的接口，一个是与Iub方向的接口，负责接收发送FP数据帧，NBAP命令和响应等；另一个是天线方向的接口，这个接口负责IQ数据的接收与发送。为便于实现，本发明基带处理器部分采用传统的DSP方案。为了尽量减少DSP的处理任务，每个DSP都有Iub方向和天线方向的接口，尽量避免DSP之间的消息传输。DSP之间只是在多时隙处理和波束赋形时有消息传输。TDD系统中，每个上/下行时隙的处理分为符号与码片级，符号级主要处理传输信道的编码与解码，码片级主要对物理信道进行调制解调、扩频加扰等操作。基带处理界定为从数字中频到传输信道处理完毕，包括信道上下行处理以及基带测量等。具体来说，就是下行从媒介接入控制层(Medium Access Control，MAC)层接受数据后，根据被配置的信道属性，进行传输信道的编码、调制、扩频、加扰，加入同步功控信息形成突发，最后输出IQ基带数字信号，进行下行波束赋形后给TX进行处理；上行方向，就是从天馈设备接受到IQ基带数据后进行信号到达方向(Direction Of Arrival，DOA)估计和信道估计、匹配滤波、联合检测，最后解调、解码，形成MAC层所需要的数据，送给MAC层。
TBMP基带处理部分所需要完成的功能主要有：
宏分集发射/合并，软切换；
传输信道错误检测并上报；
传输信道前向纠错(Forward Error Correction，FEC)编/译码；
传输信道复用/解复用；
速率匹配；
编码传输信道到物理信道的映射；
物理信道的功率加权与合并；
物理信道的调制扩频与解调解扩；
频率与时钟同步(码片、比特、时隙、帧)；
无线参数测量(误帧率、信噪比、干扰电平等)及其上报；
内环功控；
射频(Radio Frequency，RF)处理；
同步偏移控制；
波束赋形；
下行的IQ数字基带数据输出。
除此之外，TBMP还要进行NBAP命令的处理、帧协议(Frame Protocol，FP)控制帧的处理以及天线的校准等。此部分功能由TBMP软件子系统(位于CPU上)来完成，它受TOMK控制，接受TOMK软件的配置。TBMP软件子系统接收NBAP的配置消息、O&M消息、FP数据信息，并将NBAP消息和O&M消息分发到数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)上，将FP数据信息经过处理后发送到DSP上处理。DSP接收TBMP CPU发送下来的用户数据，或者从物理层收到用户数据后发送给TBMP软件子系统，同时也接收TBMPCPU转发的配置信息。FPGA处理DSP下发的符号信息，将其处理成码片级信息后发送给基带数据交叉单元，同时也接收TBMP CPU转发的配置信息。
DSP与CPU之间的接口，其通信的主要内容就是处理NBAP消息，FP帧以及控制命令。DSP消息和命令的发放是由CPU来负责的。NBAP消息由CPU从Iub口提取，然后以合适的形式发送给DSP，如果是有响应的消息，则必须在消息处理完毕之后，向CPU发出消息成功或者失败的响应。为保证消息准确，DSP在执行前必须检查消息是否合法有效，对无效的消息不予执行直接删除，并给出响应指示。FP帧分为数据帧和控制帧，本发明将控制帧的处理放在CPU进行处理，而DSP只负责对数据帧进行处理。控制命令主要包括一些自定义的O&M参数和告警消息。
DSP与FPGA间的接口，其通信的主要内容是IQ数据。天线数据先存储在DSP内部，然后由FPGA来触发数据的接收与发送。
图2是时分双工码分多址通信系统基站通信示意图。图中，表述了TDDCDMA基站系统中各个子系统之间的通讯流。
①通讯消息21。子系统之间的操作维护控制流，包含如下子系统之间的通讯：
基站控制和时钟子系统RF子系统；
基站控制和时钟子系统基带子系统；
基站控制和时钟子系统Iub口传输子系统；
基站控制和时钟子系统环境监控子系统。
②业务(IQ)22：子系统之间的业务数据流(IQ)数据；
RF子系统基带子系统。
③业务(FP)23：子系统之间的业务数据流(FP)数据；
基带子系统Iub口传输子系统。
④时钟流24。
基站控制和时钟子系统RF子系统；
基站控制和时钟子系统基带子系统；
基站控制和时钟子系统Iub口传输子系统；
基站控制和时钟子系统环境监控子系统。
为了扩充性和成本经济性，本发明在通讯和业务数据(FP)上，采取以太网技术。通讯接口基于Ethernet技术和Ethernet交换技术，并采取控制面与媒体面分离，对于媒体面(IQ)，采取内部协议，物理层采取低压差分信号(Low Voltage Differential Signaling，LVDS)，RF子系统与基带子系统之间不采取点对多点的互连技术，而采取交换技术。
对于时钟控制流，本发明采取时钟分配技术，基站控制和时钟子系统只产生系统所必须的时钟信号，由时钟分配网络产生并分配给各个需要时钟的单板。
图3至图6是本发明时分双工码分多址通信系统基站的时钟、单板、基带数据交换的备份及通信机制说明。
在本发明举例中，系统控制单板提供主备。属于这种类型的单板还包括：时钟交叉和分配单板的控制部分以及基带数据交换的主备工作方式。
为保证基站系统在任一块单板损坏的情况下，不至于使得整个基站完全不能提供用户服务，确保基站可以降质使用。
本发明所确定的冗余备份原则是，对于系统中只有一块单板的情形，采用1+1主备方式；而数量比较多的单板则采用N+1或不备份的方式。例如，对于各个单板模块可以有如下冗余方式：
射频处理模块：一个小区N个RF通道，任何RF通道的故障或者失效，不影响系统功能，只允许有部分的性能损失。一个小区，只要有一个RF通道正常工作，该小区必须能够正常的对外提供业务，但是可能覆盖范围，支持的用户数量有损失。
基带处理板：N+1。
系统控制板：1+1。
控制和通讯交换网：1+1。
Iub接口板：支持多样化的冗余策略。
对于基站时钟系统，备份方式如图3所示。每一级在源头上都是主备两块单板，但输出是复联在一起的，主备控制线决定哪一块单板输出。图3中，时钟产生单元包括在TOMK单板中，它提供主备选择31、32，具体是由TOMK的主备控制线来确定的。TCCB包括了主板33和备板34，它们的时钟线在源头上都与主TOMK 31和备TOMK 32相连，这两个TOMK的输出分别复联到主TCCB 31和备TCCB 32单板上。TCCB上的时钟分配单元将时钟分配给TBMP 35和TTRX 36，差分时钟线B是由33和34所复联的，其输出由TCCB的主备控制线控制，同样，差分时钟线C也是由33和34所复联，输出也由TCCB的主备控制线控制。
图4是时分双工码分多址通信系统基站不同单板间的总备份机制。图中，包括本地管理维护终端41、系统控制板(主42、备43)、交叉和时钟分配板(主44、备45)、其它单板46、47、48，(例如基带处理板)。
系统控制板与交叉和时钟分配板通过以太网交换单元进行信息交换，主备板工作与否分别由主备控制线进行控制，在源头上各主备设备相互连接，而在输出端则分别连至下一级主备设备，交叉和时钟分配板上的信息分别发送至不同的单板。
图5是主备单板的通信机制。图中单板51和单板54分别通过以太网交换器53、56相互交换信息，它们互为主备，外来以太网线57与主备板CPU52、55间的对等通信无需由主单板向备单板的转发，从而减少了单板间数据转发所带来的时延，主备单板可同时接收对等通信实体的数据。图中单板1与单板2可以是系统控制板或交叉和时钟分配板。
图6是基站基带数据交换的备份机制。在基带IQ数据的备份方面，它采用的是全交叉方式。主备控制线决定采用的是主交叉和时钟分配板61，还是备交叉和时钟分配板62来对基带数据进行交叉。基带处理/射频收发信组63、64分别与主交叉和时钟分配板61以及备交叉和时钟分配板62相连。
以太网的备份方式从本质上来说与时钟系统的备份方式是一致的，各端口在主备TCCB是通过电子开关复联在一起。
在通信管理时，凡是具有主备的以太网只有一个主用的物理上连到以太网交换芯片上面，备用的CPU通过以太网接口转接，所以任何一个以太网交换工作都可以直接主备CPU通信。
图7是基站基带数据IQ交换的示意图。TTRX701~706连接射频电缆，TTRX通过IQ数据交换单元与TBMP进行IQ数据的交换。在基带IQ数据传送的地方，TTRX与IQ数据交换单元之间的每一个线条表示了n对上行传送数据和m对下行传送数据，它们分别送到主备IQ数据交换单元。IQ数据交换单元与TBMP之间的IQ数据线情况也相类似。图中#0L、#0R、#1L、#1R分别表示第0层机框的左、右单板(互为主、备份)以及第1层机框的左、右单板(互为主、备份)。基带处理单板TBMP#00~TBMP#05即附图标记711~716，分别连至第0层框的IQ数据交换单元#0L 707和IQ数据交换单元#0R 708；基带处理单板TBMP#10~TBMP#15即附图标记717~722分别连至第1层框的IQ数据交换单元#1L 709和IQ数据交换单元#1R 710；射频收发信单板TTRX#00~TTRX#01分别连至IQ数据交换单元#0L 707和#0R 708；射频收发信单板TTRX#10~TTRX#13分别连至IQ数据交换单元#1L 709和#1R 710。本示例说明中，机框层数以及同一层机框中各个单板模块的个数仅为示意，在具体应用中，可根据实际情况配备不同数目的各种单板，相应地它们之间的连接关系仍与上面所述相同。
本发明总结如下：
在时分双工码分多址通信系统中，基站设备是其区别于其它码分多址通信系统的最为关键设备。本发明主要介绍了一种时分双工码分多址通信系统中基站设备的结构及实现。特别介绍了基站设备中各个单板、通信网以及为提高基站设备的可靠性，在各种单板中所采用的一种备份策略。
目前，对于系统的硬件模块一般有三种备份方案：冷备份、热备份和降质使用。本发明针对时分双工码分多址通信系统的实际情况，对于系统中各种单板的冗余备份提出了一种通用原则：即任何一块单板的损坏，不能造成基站的完全无法提供用户服务，通过有效的冗余机制可以使其降质使用。有鉴于此，本发明所设计的时分双工码分多址通信系统的基站结构中，对于只有一块的单板采用1+1主备方式，而数量比较多的单板(如基带处理板)则采用N+1或不备份的方式。对于射频与基带之间的连接，本发明采用了同层的射频和基带通过交换来完成连接。不同层之间也可以通过交换保证互通。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；凡是依本发明所作的等效变化与修改，都被本发明的专利范围所涵盖。
Claims (11)
1、一种基站设备结构，应用于时分双工码分多址通信系统中，包括室内设备和室外设备，其特征在于，
所述室外设备包括：塔顶放大器子系统和与其连接的天线阵列，所述塔顶放大器子系统又包括塔顶放大器，滤波、低噪及功放电路；所述塔顶放大器又包括数字硬件部分和射频部分，所述数字硬件部分用于与所述室内设备进行塔顶放大器的告警信号、实时检测信号、基站控制塔顶放大器上下行切换的开关信号、基站实时控制塔顶放大器的控制信号以及塔顶放大器正常工作所需要的电源信号的传送，所述射频部分用于实现上下行射频信号的放大，并同时与所述室内设备同步完成上下行信号的时分切换；
所述室内设备包括：公共和时钟模块、基带处理和交换模块以及射频处理模块；所述公共和时钟模块通过所述基带处理和交换模块连接所述射频处理模块，所述射频处理模块通过一个雷电保护模块连接所述塔顶放大器子系统。
2、根据权利要求1所述的基站设备结构，其特征在于，所述射频部分包括有功放单板、低噪放单板和前端腔体滤波器，所述功放单板实现下行信号的功率放大，所述低噪放单板实现上行信号的功率放大，所述前端腔体滤波器滤除下行信号中所附带的各种谐波杂散信号以及天线所接收到的频带外干扰信号。
3、根据权利要求1或2所述的基站设备结构，其特征在于，所述公共和时钟模块包括Iub接口板、系统控制板和本地管理维护端口，所述基带处理和交换模块包括交叉和时钟分配板和基带处理板，所述射频处理模块包括收发信机；所述系统控制板分别连接所述Iub接口板、本地管理维护端口和交叉和时钟分配板，所述交叉和时钟分配板分别连接所述基带处理板和收发信机。
4、根据权利要求3所述的基站设备结构，其特征在于，
所述Iub接口板包括有线路接口单元、异步传输模式交换单元和网络处理单元，所述系统控制板包括有主控单元、时钟产生单元和以太网交换单元，所述交叉和时钟分配板包括有时钟分配单元、基带数据交叉单元、控制面以太网交换单元和媒体以太网交换单元；
所述线路接口单元通过所述异步传输模式交换单元连接所述网络处理单元，所述系统控制板的以太网交换单元分别连接所述网络处理单元、本地管理维护端口、控制面以太网交换单元和媒体以太网交换单元，所述时钟产生单元连接所述时钟分配单元，所述收发信机分别连接所述时钟分配单元和所述基带数据交叉单元，所述基带处理板分别连接所述时钟分配单元、基带数据交叉单元、控制面以太网交换单元和媒体以太网交换单元。
5、根据权利要求3所述的基站设备结构，其特征在于，所述系统控制板为两个，之间通过用来选择主、备板的主备控制线连接；所述交叉和时钟分配板为两个，之间通过用来选择主、备板的主备控制线连接；所述两个系统控制板的相对应的输出复连到一起，所述两个交叉和时钟分配板各自连接到所述两个系统控制板的输出；所述两个交叉和时钟分配板的相对应的输出复连到一起，所述基带处理板和收发信机各自连接到所述两个交叉和时钟分配板的输出。
6、根据权利要求3所述的基站设备结构，其特征在于，所述系统控制板为两个，之间通过用来选择主、备板的主备控制线连接；所述交叉和时钟分配板为两个，之间通过用来选择主、备板的主备控制线连接；所述两个系统控制板的相对应的输出和输入分别复连到一起，所述两个交叉和时钟分配板的相对应的输出和输入分别复连到一起；所述两个系统控制板的输出连接所述两个交叉和时钟分配板的输入。
7、根据权利要求3所述的基站设备结构，其特征在于，所述天线阵列是n天线阵列的智能天线系统，所述射频处理模块中对应每个天线都设置一路射频收发通道，而且还包括一路设置有开关组的射频收发通道用于校准天线的收发工作。
8、一种对权利要求1所述的基站设备结构进行备份的方法，其特征在于，对于在基站设备中只有单独一块的单独单板采用1+1主备方式即增加一块备用的单独单板；对于在基站设备中有多块的重复单板采用N+1或N+0的备份方式即增加一块或零块备用的重复单板。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，主用单板和备用单板的输出复联在一起的，并通过主备控制线选择主用或备用单板输出。
10、根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，主用单板和备用单板通过以太网而对等的接收外部输入。
11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对于基站设备的同层的射频与基带通过业务数据交换单元来保持连接；对于不同层的射频与基带通过业务数据交换单元来选择接通。
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