CN1741416A

CN1741416A - 正交频分复用系统中支持时分双工工作方式的直放站

Info

Publication number: CN1741416A
Application number: CN 200410041835
Authority: CN
Inventors: 王雪松; 吴岩巍
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2024-08-23
Also published as: CN100373814C

Abstract

一种正交频分复用系统中支持时分双工工作方式的直放站，包括：下行放大链路部分，用于接收从基站来的下行信号，并放大后再送到终端；上行放大链路部分，用于接收从终端来的上行信号，并放大后再送到基站；上下行放大切换射频开关电路和上下行信号转换时刻和时长判断部分，用来使直放站能够分时放大上行和下行信号，并使得对信号的放大严格与基站的发送和接收信号时刻同步。本发明提供的装置，既可以应用在室内覆盖系统中，又可以应用于郊区、乡村、高速公路、铁路等人口密度低的地区，应用范围较广；可以与基站混合组网，从而提高网络的覆盖范围，减少运营商的建网成本。

Description

正交频分复用系统中支持时分双工工作方式的直放站

技术领域

本发明涉及一种数据转发装置，特别是涉及采用OFDM或OFDMA技术的无线通讯系统中，尤其是工作在TDD(time division duplex，时分双工)方式下的数据包的转发装置。

背景技术

正交频分复用技术在上世纪60年代开始应用于军事领域，在70年代后逐渐应用于民用领域。这种调制方式有很高的频谱利用率，适合应用于无线数据传输领域。

采用一种数字调制技术的传统OFDM(orthogonal frequency divisionmultiplexing)系统收发信机结构见图1，这其中采用了数字调制，如QPSK(四相绝对移相键控-quadrature phase-shift keying)、QAM(正交幅度调制-quadrature amplitude modulation)、PAM(脉冲振幅调制)等，当然也可以采用模拟调制技术。编码方式可以采用多种形式，如RS(Reed-Solomon)码、卷积码、TCM(trellis coded modulation)码、Turbo码等。其中10为发射机的结构，11为接收机的结构。发射的信号经过编码、交织后，进行数字调制后，插入导频，经串并转换后执行逆快速傅立叶变换(IFFT运算)，再经过并串转换，送到射频单元处理，送到发射天线。这里插入循环前缀和加窗的目的是为了克服多径的干扰，并且有利于接收机侧执行快速傅立叶变换(FFT运算)，减少发射信号的杂散。接收处理过程是，将从接收天线来的信号经过RF变换后，经A/D处理，转换成数字信息，再串并转换，执行FFT运算和并串转换，执行信道估计和信道校正，进行数字解调，经解交织和解码，完成处理。

OFDM系统一般多采用多载波技术，将高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散随带来的ISI(InterSymbol Interference)，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以避免采用均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响。OFDM系统的各个子载波之间存在正交性，容许自信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。图2是一种采用循环插入前缀的OFDM符号时域波形图。

在图2中，Tb代表了OFDM信号中有效的符号周期，Tg是插入的循环前缀，与Tb时间段内的一部分内容相同，Ts为整个时间。通过周期性的插入循环前缀Tg就可以克服多径的干扰。

在一般的无线通信蜂窝网中，每个基站覆盖一定的距离范围，覆盖距离的远近与基站发射机输出功率、使用频段、采用的调制解调方式等因素有关，并且接收机的灵敏度也会影响覆盖范围。在最新的802.16和802.20标准体系中，采用了OFDM和OFDMA(orthogonal frequency division multiple access)等调制方式，获得了比802.11标准体系即WLAN(无线局域网)更大的覆盖范围。若采用发射分集技术和接收分集技术则可以获得更好的覆盖效果。

但在实际布网过程中，尤其是在城区高楼密集处，很多建筑物内部如地下室、会堂、电梯间等，由于被多种混凝土墙阻挡，造成建筑物外面的无线电信号到达目标区时衰减很大，信号已经很弱使得终端的接收机不能正确解调出来。同样在地铁等场合也会出现这种情况。并且基站和终端的发射机功率不可能做得无限大，这也限制了这些信号的覆盖。在这种情况下无线通信系统一般采用室内分布系统来进行覆盖，而不是通过在建筑物近处增加基站的办法解决，否则将破坏整个网络的优化。这种布网情况如图3所示。

在图3中，20为基站，21为直放站的施主天线，22为室内型直放站，23为建筑物，24为室内用户的覆盖天线，25为功分器，可以采用有源方式的也可以采用无源方式的功分器。

而在一些郊外，如公路、铁路、水道等场合，这些地方路线较长，但用户密度相对较低，采用基站覆盖则相对成本很高，一般要采用直放站进行覆盖，这样可以显著降低布网成本。这种布网情况如图4所示。

在图4中，30代表基站，31、32、33代表室外型直放站，34代表道路或铁路或水道等。

一般情况下的直放站都工作在FDD(Frequency Division Duplex)方式，在这种直放站中，下行放大链路和上行放大链路一般都是分开的。在直放站的施主天线和覆盖天线处，上下行信号采用双工器进行分开。

但在采用OFDM或OFDMA系统中特别是802.16和802.20标准体系中，除了FDD工作方式外，还采用了TDD(Time Division Duplex)工作方式的模式。在TDD工作方式下，OFDM或OFDMA发射信号的时隙结构如图5所示。

在图5中，采用了TDD双工工作方式，DL(Down Link)代表下行链路，UL(UpLink)代表上行链路，横坐标代表时间。TTG(transmit/receive transition gap)代表了收发机工作从下行链路工作状态到上行工作状态的转换时间，RTG(receive/transmit transition gap)代表了收发机工作从上下链路工作状态到上行工作状态的转换时间。FCH(Frame Control Header)为帧控制头，Preamble为前缀。DL-MAP/UL-MAP(downlink map/uplink map)分别为下行链路和上下链路单元分配的映射信息。

由于上下行采用相同的频率，如果采用信号直接放大的话，为了不让直放站产生内环自激，上下行两个方向不可以同时放大，上行放大器和下行放大器就必须分时段工作，分时放大必须与系统时隙同步(如图5所示)，因此OFDM或OFDMA直放站必须具有同步提取机制。

再进一步考虑，直放站接收基站的信号要转发给手机，反之亦然，由于空中频率是一样的，外环自激消除主要靠上行和下行信号要不在同一时刻发送，这就要求直放站严格保持与基站的发射和接收同步。

以上所述，根据网络技术特点，OFDM或OFDMA直放站不能像GSM和CDMA那样对信号直接放大，为避免自激，须具备时隙同步提取机制；为避免对周边基站和自身基站造成频率和时隙干扰，须根据网络指配的频率和时隙，进行选频率及选时隙放大。

宽带直放站是直接放大的，接收到基站的信号后直接放大后转发给手机，因收发频率相同，发给手机的信号又可能被直放站接收再一次放大，如此往复形成信号外环自激，因此工程上必须考虑如何上行和下行的隔离收发，如果同一区域有多个分支直放站时还必须将它们之间的天线隔离开来。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种能解决内环自激并对周边基站和自身基站干扰较少的正交频分复用系统中支持TDD工作方式的直放站。

本发明的直放站，包括：

下行放大链路部分，用于接收从基站来的下行信号，并放大后再送到终端；上行放大链路部分，用于接收从终端来的上行信号，并放大后再送到基站；上下行放大切换射频开关电路，用于切换上行放大链路和下行放大链路，使得直放站能够分时放大上行和下行信号，并使得对信号的放大严格与基站的发送和接收信号时刻同步；上下行信号转换时刻和时长判断部分，判断基站的上下行信号转换时刻，得出转换时长，并产生控制指令给上下行放大切换射频开关电路，保持与基站的发送和接收信号时刻同步。

所述下行放大链路部分，包括依次连接的下行低噪声放大器、下行带通滤波器、下行功率放大器，依次对下行信号进行放大、滤波和功率放大；所述上行放大链路部分包括依次连接的上行低噪声放大器、上行带通滤波器、上行功率放大器，依次对上行信号进行放大、滤波和功率放大。

所述上下行信号转换时刻和时长判断部分，可以有两种方案，第一种方案包括：下变频和A/D转换单元、基带接收处理单元、TTG/RTG计算单元；所述下变频和A/D转换单元将接收到的基站信号变换到较低的频率转换成数字信号送到基带处理单元，基带接收处理单元对从下变频和A/D转换单元传来的信号进行基带处理，获得基站的发出的DCD/UCD或DL-MAP/UL-MAP消息，送给TTG/RTG计算单元完成从基站来的信号中TTG、RTG转换点的时刻和持续时长的计算，并根据计算结果产生控制命令，控制所述上下行放大切换射频开关电路。

上下行信号转换时刻和时长判断部分的第二种方案包括：分路器、测试终端和控制装置；所述分路器将从基站来的信号分为两路，一路送到射频开关电路中进行放大，另一路送到测试终端中，测试终端获取基站发出的UCD/UCD或DL-MAP/UL-MAP消息送到控制装置中，控制装置通过对信息进行分析，从而能够判断出TTG、RTG的时长和时刻，并根据这些信息产生控制命令到射频开关电路控制开关的动作。

本发明提供的装置，既可以应用在室内覆盖系统中，又可以应用于郊区、乡村、高速公路、铁路等人口密度低的地区，应用范围较广；可以与基站混合组网，从而提高网络的覆盖范围，减少运营商的建网成本。

附图说明

图1为采用OFDM或OFDMA技术的传统发射机和接收机结构示意图；

图2为加入循环前缀的OFDM信号时域波形图；

图3为直放站应用于建筑物楼宇室内覆盖的情况；

图4为直放站应用于户外延长基站有效覆盖区的情况；

图5为OFDMA采用TDD方式情况下一个时隙的示意图；

图6为本发明的第一种实施方式的电路框图；

图7为图6中的下变频和AD变换电路框图；

图8为本发明的第二种实施方式的电路框图。

具体实施方式

为了适应工作在TDD方式的正交频分复用接入系统中基站的发射信号，关键是要知道TTG和RTG的转换点时刻，并且要知道TTG和RTG的持续时间。这样才能使得数据转发装置即直放站中上行和下行链路的放大链路能够按时转换，对下行和上行信号分时放大，并对上行和下行放大链路进行有效隔离，而不造成干扰和自激。

为了解决上诉问题，本发明给出的第一个实施方式如图6所示。在图6中，分下行和上行两条放大链路，其中下行低噪声放大器42、下行带通滤波器43和下行功率放大器44组成下行放大链路；上行低噪声放大器47、上行带通滤波器48和上行功率放大器49组成上行放大链路。其中40为直放站施主天线，46为直放站重发天线，41和45为切换射频开关电路。50为下变频和A/D转换单元，51为OFDM或OFDMA基带处理单元，52为计算TTG/RTG的运算单元。

TTG/RTG计算单元52完成从基站来的信号中TTG、RTG转换点的时刻和持续时长的计算。基带处理单元51将从基站来的信号进行解调、解码等工作，获得基站的发射信息并传送给TTG/RTG计算单元52。TTG/RTG计算单元对基站下行信号中的DCD/UCD(downlink channel descriptor/uplink channel descriptor)或DL-MAP/UL-MAP信息进行解码分析，从而获得TTG、RTG的时长，并知道每帧时长和上、下行时隙转换时刻等，然后转换为控制指令送给切换射频开关电路41和45。

当从基站到终端的下行信号发射时段结束后，直放站要从放大下行信号转换到放大上行信号，并且转换时间必须在TTG时间内完成。该工作是通过控制切换射频开关电路41和45来完成的，它们将开关接通到上行放大链路上。

当从终端来的上行信号发射时段结束后，直放站要从放大上行信号转换到放大下行信号，并且转换时间必须在RTG时间内完成。该工作是通过控制切换射频开关电路41和45来完成的，它们将开关接通到下行放大链路上。

直放站就是通过在TTG/RTG计算单元产生的控制命令作用下，在放大下行链路和上行链路信号间转换工作。这样将严格保持与基站、终端的TDD工作时间同步，从而不会产生干扰并且能够使得扩大基站的覆盖范围。

直放站在上电初始工作时，切换射频开关电路41和45接通到下行放大链路上，直到TTG/RTG计算单元52来了新的控制指令。

在图6中，下变频和ADC变换电路的实现可以参考图7。在图7中，500为射频带通滤波器，可以提高本振反向辐射抑制性能、增强反向链路镜像抑制、削弱反向链路1/2中频(及其它)响应和中频直接提取等。同时，RF SAW抑制了在LNA中产生的二次谐波能量。501为混合器，将射频输入信号和本振信号514混频，得到欲提取的中频信号。502为低通滤波器，主要是用来抑制泄漏到501中频输出端的本振信号，避免过大的本振泄漏信号到达下级射频放大器503，使503进入饱和状态，不能正常工作。503、505、508、511为中频放大器，噪声系数要尽量小，以减小链路的噪声系数，并且IIP3要足够的大。504、510为中频带通滤波器，用来抑制带外信号及干扰。506为温度补偿衰减器，提高链路增益的温度特性，也可以用来调整链路增益。507、509一起用来实现链路增益调整。512为低通滤波器，对511放大器产生的单音阻塞信号的谐波分量做一定的抑制，亦对512通带外的热噪声做一定的抑制。513为ADC变换电路，用来将模拟信号变换成数字信号以便进行基带处理。

本发明的第二种实施方式是一种简化的结构。在这种结构中，采用了测试终端的信息来通知直放站进行上行、下行放大链路的转换，该结构见图8。

在图8中，40为施主天线，46为重发天线，71为分路器，41和45为切换射频开关电路，72为测试终端，73为控制装置。下行链路包括下行低噪声放大器42、下行带通滤波器43和下行功率放大器44；上行链路包括上行低噪声放大器47、下行带通滤波器48和下行功率放大器49。

从基站来的信号经过分路器71后，被分为两路，一路送到切换射频开关电路41中，将会被直放站进行放大，另一路送到测试终端72中。测试终端除实现普通测试的功能外，它增加了一些调试信息的输出，如OFDM或OFDMA中消息等信息，像UCD/UCD或DL-MAP/UL-MAP消息等。测试终端的输出一般可以通过USB或RJ45等其他类型的端口进行输出。测试终端72输出信息送到控制装置73中，控制终端73通过对从测试终端来的信息进行分析，从而能够判断出OFDM或OFDMA信号中TTG、RTG的时长和时刻，从而根据这些信息产生控制命令到切换射频开关电路41和45，控制开关的动作。当从终端来的上行信号发射时段结束后，直放站要从放大上行信号转换到放大下行信号，并且转换时间必须在RTG时间内完成。该工作是通过切换射频开关电路41和45来完成的，它们将开关接通到下行放大链路上。

当从基站到终端的下行信号发射时段结束后，直放站要从放大下行信号转换到放大上行信号，并且转换时间必须在TTG时间内完成。该工作是通过切换射频开关电路41和45来完成的，它们将开关放接通到上行放大链路上。

采用第二种实施方式还能实现直放站的网络管理和设备维护功能。在802.16和802.20标准体系中，支持高速率的无线数据传输，因此可以充分利用该特点，来满足网络管理和设备维护的要求。设备信息可以通过测试终端发送回基站，再从基站到网管中心，从而不需要添加附加设备，从而可以尽可能的降低设备成本。并且网管中心的控制信息也可以通过基站发送到直放站中的测试终端上，测试终端将这些信息告诉控制装置，从而产生直放站内的控制指令，如调节放大器的增益等。这时候网管信息和设备维护信息就是作为OFDM或OFDMA系统中正常的用户数据在基站与直放站之间进行交互传输的。这种情况如图9所示。

在图9中，90装置为直放站网络管理和设备维护中心，91装置为基站，92装置为直放站，93为基站的覆盖区，94为直放站的覆盖区。这里93和94的覆盖区方向可以不一样，因为直放站的重发天线的朝向有可能与基站的发射天线方向不同。

90装置对直放站设备进行管理和控制，并负责采集维护信息，它与基站可以通过IP网进行联系，这时直放站内的测试终端做为网络中一个普通终端使用，但传输的数据都是与直放站信息相关的，并且能够将网管中心的控制指令传输给直放站。

当然，本发明还可有其他多种实施例，如也同时适用于光纤型直放站、无线选频型直放站和多载波式的直放站，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1、正交频分复用系统中支持时分双工工作方式的直放站，包括：

下行放大链路部分，用于接收从基站来的下行信号，并放大后再送到终端；

上行放大链路部分，用于接收从终端来的上行信号，并放大后再送到基站；

上下行放大切换射频开关电路，用于切换上行放大链路和下行放大链路，使得直放站能够分时放大上行和下行信号，并使得对信号的放大严格与基站的发送和接收信号时刻同步；

上下行信号转换时刻和时长判断部分，判断基站的上下行信号转换时刻，得出转换时长，并产生控制指令给上下行放大切换射频开关电路，保持与基站的发送和接收信号时刻同步。

2、权利要求1所述的正交频分复用系统中支持时分双工工作方式的直放站，其特征在于，所述下行放大链路部分，包括依次连接的下行低噪声放大器(42)、下行带通滤波器(43)、下行功率放大器(44)，依次对下行信号进行放大、滤波和功率放大；所述上行放大链路部分包括依次连接的上行低噪声放大器(47)、上行带通滤波器(48)、上行功率放大器(49)，依次对上行信号进行放大、滤波和功率放大。

3、权利要求1或2所述的正交频分复用系统中支持时分双工工作方式的直放站，其特征在于，所述上下行信号转换时刻和时长判断部分，包括下变频和A/D转换单元(50)、基带接收处理单元(51)、TTG/RTG计算单元(52)；所述下变频和A/D转换单元(50)将接收到的基站信号变换到较低的频率转换成数字信号送到基带处理单元，基带接收处理单元(51)对从下变频和A/D转换单元(50)传来的信号进行基带处理，获得基站的发出的DCD/UCD或DL-MAP/UL-MAP消息，送给TTG/RTG计算单元(52)完成从基站来的信号中TTG、RTG转换点的时刻和持续时长的计算，并根据计算结果产生控制命令，控制所述上下行放大切换射频开关电路。

4、权利要求3所述的正交频分复用系统中支持时分双工工作方式的直放站，其特征在于，所述下变频和A/D转换单元包括依次连接的为射频带通滤波器(500)，混合器(501)、低通滤波器(502)、射频放大器(503)、中频带通滤波器(504)、中频放大器(505)、温度补偿衰减器(506)、链路增益调整器(507)、中频放大器(508)、链路增益调整器(509)、中频带通滤波器(510)、中频放大器(511)、低通滤波器(512)、ADC变换电路(513)。

5、权利要求1或2所述的正交频分复用系统中支持时分双工工作方式的直放站，其特征在于，所述上下行信号转换时刻和时长判断部分，包括分路器(71)、测试终端(72)和控制装置(73)；所述分路器(71)将从基站来的信号分为两路，一路送到射频开关电路(41)中进行放大，另一路送到测试终端(72)中，测试终端(72)获取基站发出的UCD/UCD或DL-MAP/UL-MAP消息送到控制装置(73)中，控制装置(73)通过对信息进行分析，从而能够判断出TTG、RTG的持续时长和转换点时刻，并根据这些信息产生控制命令到射频开关电路(41、45)控制开关的动作。