CN1808918A - 低成本防辐射移动通信终端 - Google Patents

Abstract

一种低成本防辐射移动通信终端，包括：多波束天线、多路信号选择开关、接收模块、发送模块、波束管理模块、基带高层处理模块、用户辐射提醒模块。多波束天线将无线路径进行空分多址，终端在下行射频帧传输间隔分时估计各波束收到的下行信号质量，找最好质量波束，自动将其作为收发波束。用户根据手持终端的方位，在用户辐射提醒模块中预设背离人体方向的波束。当终端没有使用该波束进行收发时，提醒用户改变终端方位，直到在该波束上发射和接收信号，从而避免人体电磁辐射。

Description

低成本防辐射移动通信终端

技术领域

本发明涉及一种低成本防辐射移动通信终端，尤其是能大幅降低电磁波人体辐射的移动通信终端。

背景技术

现在移动通信终端(以下简称为终端)的最大射频发射功率一般在0.125-2W之间。尽管终端发射功率不大，但因为离人体比较近，在通话状态时紧贴头部，造成的电磁波辐射远比通信基站大。降低移动通信系统电磁波辐射的主要任务就是：降低终端对人体辐射的电磁波剂量。

为了降低终端的电磁辐射，已经申请专利的技术有：手机防辐射贴膜和手机屏蔽套等，声称可以降低终端的电磁辐射。其实，这种贴膜或者屏蔽套在阻碍电磁波向人体辐射时，很可能同时阻碍了终端发射的电磁波向基站的传播，或者基站发射的电磁波向终端的传播，因为移动通信系统有功率控制功能，当无线信号通路衰减变大时，移动通信系统会让终端和基站都提高射频发射功率来补偿通路衰减。这样不仅不能降低终端辐射，而且终端会因为提高发射功率而浪费宝贵的电池能量。如果这样的手机防辐射贴膜和手机屏蔽套屏蔽效能太高，导致无线通路衰减过大，终端或基站使用最高发射功率也不能抵抗无线通路衰减，则会引起通信被阻断。

我们知道基站向终端发射的下行射频信号(也称前向信号)在空中传播，可以通过直射、反射、折射、多次反射等方式到达终端，能够到达终端的射频信号经过的途径被称为无线路径。终端向基站发射的上行射频信号(也称反向信号)经过同样的无线路径到达基站。对于移动通信系统来说，上下行信道为对称频段或者是同频时分双工，上下行无线路径是一样的。根据无线环境，终端和基站可以保持多条无线路径进行通信，这多条无线路径达到终端的各个方向也可能不同。如果一条无线路径的下行通路衰减比较小，信号质量比较好，那么在这条无线路径的上行通路衰减也比较小，到达基站的上行信号质量也比较好。

现在终端的天线一般是水平面全向发射和接收的，其实只有往基站的无线路径上的电磁波能量用于通信，其他方向上的电磁波能量被白白浪费，给周围环境造成电磁波辐射污染。如果终端能够配置多波束天线，通过接收模块估计各个方向的下行信号质量，识别最好质量的无线路径的方向，在这个方向上进行发射和接收，而不用全向天线发射，则给用户远离电磁辐射提供了可能。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种低成本防辐射移动通信终端，能大幅降低终端发射的电磁波对人体的辐射。

为了实现上述目的，通过配置多波束天线形成无线路径空分多址。用户根据手持终端的相对位置，标记出多波束天线中背离人体方向的波束，作为期望的射频发射波束。本发明终端只有一个接收模块，通过在下行射频帧传输间隔分时处理，依次估计出多波束天线上所有波束接收的基站信号的质量，找到接收质量最好的波束，终端自动用该波束进行发射和接收。终端用于发射和接收的波束称为收发波束，其他波束称为空闲波束。当终端发现没有使用期望的射频发射波束进行发射时，向用户发出辐射提醒。由用户改变终端方位，终端选择新的接收最好质量波束为收发波束，当切换到期望的射频发射波束收发射频信号时，人体就可以避免终端的电磁辐射。

因为本发明不是简单阻碍终端的射频信号发射，而是通过估计基站下行信号的质量，在最好质量波束上进行收发，保证了无线信号空中连接。在用户配合调整下，因为波束天线的方向性，本发明终端理论上能100％避免人体接受来自终端的电磁辐射。实际上，人体接受的电磁波剂量取决于各个波束间的隔离度以及波束的旁瓣，一般至少能将人体电磁波辐射剂量降低15-35dB。

本发明低成本防辐射移动通信终端的主要工作步骤如下：

a，用户根据手持移动通信终端的相对位置，在用户辐射提醒模块中标记出多波束天线中背离人体方向的波束，作为期望的终端射频发射波束；

b，终端开始射频发射前，通过接收模块估计所有波束接收的基站信号的质量，选择质量最好的一个波束，作为终端收发波束；

c，在下行射频帧传输间隔，接收模块轮流估计出所有波束接收的基站信号；

d，波束管理模块根据步骤c估计的质量，判断出最好质量波束，如果当前收发波束不是该最好质量波束，则将该最好质量波束切换作为收发波束；

e，用户辐射提醒模块检查收发波束是否为期望的终端射频发射波束，不是则发出辐射提醒，本次通信没有终止则返回步骤c。

附图说明

图1-1，是PHS的射频帧结构图；

图1-2，是GSM/GPRS/EDGE的射频帧结构图；

图1-3，是TD-SCDMA的射频帧结构图；

图1-4，是WCDMA和CDMA2000/CDMA IS95的压缩模式示意图；

图2，是第一实施例终端的结构图；

图3，是第一实施例终端的多波束天线方向图和通信中用户头部存在射频辐射的示意图；

图4，是第一实施例终端切换收发波束后头部避免辐射的示意图；

图5，是第一实施例终端小区切换同时需要切换收发波束的示意图；

图6，是本发明终端提醒用户注意电磁辐射和自动用最好质量波束收发的总体流图；

图7，是第二实施例终端的结构图；

图8，是第三实施例终端的结构图；

图9，是第四实施例终端的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明所提供的低成本防辐射移动通信终端装置和方法，可以用于PHS(Personal Handphone System：个人便携电话系统)、GSM(Global Systemfor Mobile communications：全球移动通信系统)、GPRS(General PacketRadio Service：通用分组无线业务)、EDGE(Enhanced Data rate for GSMEvolution：改进数据率GSM服务)、WCDMA(Wideband Code DivisionMultiple Access：宽带码分多址)、CDMA IS95、CDMA2000、TD-SCDMA等蜂窝移动通信系统中。下面介绍在各种移动通信系统中如何产生下行射频帧传输间隔？

如图1-1，PHS空中接口是TDD(Time Division Duplex：时分双工)双工模式，TDMA(Time Division Multiple Access：时分多址)的多址方式。空中接口的物理信道以射频帧为单位，一帧的长度为5ms，下行信道占用其中连续的4个时隙，其余的4个时隙保留给上行信道。上行和下行的4个时隙的编号相同，都是1、2、3、4。图中左边的4个时隙为下行时隙，右边的4个时隙为上行时隙。终端使用其中相同编号的一对时隙进行收发。在其余下行时隙就是下行射频帧传输间隔，终端的接收模块处于空闲状态。

如图1-2，GSM空中接口是FDD(Frequency Division Duplex：频分双工)双工模式，TDMA多址方式。空中接口的物理信道以射频帧为单位，一帧的长度为4.615ms，分为8个时隙(每个时隙576.9us)，从0到7编号，从MS(移动台)到BS(基站)的上行射频帧比下行射频帧固定落后3个时隙。GSM通讯系统将其中一个时隙分配给一个终端，GPRS/EDGE数据服务时将多个时隙分配给一个终端。但因为考虑其他用户的接入，不可能将8个时隙全部分配给同一个终端。所以在GSM/GPRS/EDGE移动通信系统中，一般终端至少有一个时隙的下行射频帧传输间隔。

图1-3，是TD-SCDMA的射频帧结构，空中接口是TDD双工模式，TDMA+CDMA(码分多址)多址方式。空中接口的物理信道以射频帧为单位，一帧的长度为10ms，分为两个长度为5ms的子帧。每个子帧包括7个话务时隙和三个特定时隙：DwPTS(下行导频时隙)、GP(保护间隔)、UpPTS(上行导频时隙)。7个话务时隙编号为TS0、TS1、TS2、TS3、TS4、TS5、TS6，其中TS0、TS4、TS5、TS6用于下行，TS1、TS2、TS3用于上行。TS0一般用于传输下行公共信道，TS0和DwPTS没有用于传送专用信道，就是终端的下行射频帧传输间隔。

WCDMA和CDMA2000/CDMA IS95均采用FDD双工模式，CDMA多址方式。上行和下行射频信号是连续传送的，根本不存在下行射频帧传输间隔。当终端需要进行异频小区信号的测量时，启动射频帧的压缩模式。如图1-4，WCDMA和CDMA2000/CDMA IS95中，在正常射频帧中插入压缩帧，产生射频帧传输间隔。WCDMA和CDMA2000/CDMA IS95的射频帧也是由时隙组成。压缩帧采用更小的扩频因子或者增加编码速率，并提高射频发射功率，使在少于正常帧的时隙个数内传送同样多的信息。如果启动了下行射频帧压缩模式，在下行射频帧传输间隔内可以用来接收异频小区的信号。因此，在WCDMA和CDMA2000/CDMA IS95移动通信标准中，可以通过压缩模式使终端得到下行射频帧传输间隔。

当然对于WCDMA和CDMA2000/CDMA IS95的移动通信系统，尽管无线射频帧传送是连续的，终端可以主动选择丢弃部分下行时隙。如丢弃射频帧的1-2个时隙，因为传输信道的容错编码方式，终端在缺少部分数据情况下也能译码出下行传输数据。从而使终端得到下行射频帧传输间隔。

从以上分析，TDMA多址方式的移动通讯系统都具有天然的下行射频帧传输间隔。WCDMA和CDMA2000/CDMA IS95的移动通信系统可以通过压缩模式或者终端直接丢弃时隙产生下行射频帧传输间隔。

本发明的第一实施例中，如图2所示，本实施例终端使用有三个波束201、202、203的多波束天线208。三个波束的方向图301、302、303(如图3所示)组合在一起形成360度的水平面方向全向覆盖。这些波束都可以接收和发射，各个波束的宽度可以不同。接收模块209包含：RF收信机、ADC、下行基带物理层处理和质量估计模块。发送模块210包含：RF发信机、DAC、上行基带物理层处理模块。在通信时，接收模块209和发送模块210在一个波束上接收和发射。接收模块209利用下行射频帧传输间隔分时估计所有波束接收的基站信号质量和接收邻区信息。多路信号选择开关204工作于射频环节，受波束管理模块205控制，负责不同波束和接收模块209、发送模块210的信号连接。基带高层处理模块207在小区切换时，控制波束管理模块205将收到切换邻区信息的波束作为收发波束。用户辐射提醒模块206，由用户根据手持终端的方位，预设可以避开终端上行射频辐射的波束，并检查当前收发波束是否是该波束，不是则发出辐射提醒。

通信中，接收模块209在下行射频帧传输时间，处理基站下行专用信道。在下行射频帧传输间隔，轮流估计所有波束收到的基站公共信道的信号质量。波束管理模块205处理接收模块209送来的各波束下行信号质量估计信息，判断最好质量无线路径。当一个空闲波束的下行信号质量更好时，发送指令给多路信号选择开关204，将这个波束作为终端的收发波束，用它发送和接收射频信号。接收模块209通过分时处理，可以分析终端上所有方向来的基站下行信号，确定当前最好质量的无线路径。通过这个过程的循环，不管终端如何移动，总可以保持和基站的空中连接。

图3、图4、图5都是顶视图。如图3，第一实施例终端304的三个波束方向图301、302、303分别对应波束201、202、203。波束201、202、203的位置已经在终端上固化。一般，终端使用时相对于人体的方位比较固定(如通话时，正面即键盘和显示屏面对着头部)。从图3中，终端相对于人体的位置可以看出方向图303的发射方向是背离头部305的，终端在它的波束203上发射信号时对头部没有辐射。用户根据这样终端和人体的相对方位，预设波束203是期望的射频发射波束，方向图303用实线表示。而在方向图301或者302上发射会使头部受到电磁辐射，方向图301和302用点划线表示。这个时候终端判断出最好下行路径在方向图301的位置。终端选择的收发波束是方向图301的波束201。用户的头部305部分受到辐射。用户辐射提醒模块206通过和用户预设参数比较，发现这个波束并非期望的射频发射波束，则向用户发出辐射提醒。由用户主动调整终端的方位。

如图4，当用户调整终端304到如图所示的方位时，终端会自动切换方向图303的波束203作为收发波束。用户辐射提醒模块206和用户预设参数比较后，不会发出辐射提醒。这时用户通过辐射提醒消失，知道当前终端的位置没有射频辐射，则保持这样的方位进行通信，从而避免了用户头部被辐射。

假设图3中使用普通终端，用全向天线发射上行信号。为了保证上行信号的质量，移动通信系统的功率控制功能会使该普通终端向基站306方向的射频信号强度和本实施例终端的一样。因为普通终端天线全向发射，整个头部都受到这样强度的辐射，而本实施例终端只是头部部分受到辐射。所以当本发明终端不在用户期望的波束进行上行发射时，它对人体的电磁波辐射剂量肯定不大于普通终端。在本实施例中，只有约一半的头部受到辐射，头部受到的射频辐射能量约降低一半。当本实施例终端位置变化到图4中的位置时，在波束方向图303方向发射信号，理论上人体完全不受电磁辐射，但实际天线的旁瓣很难压得很低，其辐射剂量一般比普通终端低15-35dB。

如图5，当本第一实施例终端在通信状态下走近另一个基站507时(基站507和306不在同一个站址)，当前通信小区还在基站306，收发波束为方向图303的波束203，这个波束无法接受到基站507的下行信号。通过在下行无线传输间隔处理方向图302的波束202，可以接收到基站507的公共信道和广播消息。基带高层处理模块207收到来自波束202的邻区信息。在满足小区切换条件时，基带高层处理模块207根据切换邻区信息来源于波束202，则在小区切换的同时将波束202作为终端的收发波束。这时，在小区切换同时终端调整到新小区的无线路径，以保证新小区的上下行无线通信正常。因为波束202不是用户期望的射频发射波束，用户辐射提醒模块206会向用户发出辐射提醒。

WCDMA、CDMA2000/CDMA IS95标准的移动通信系统有同频的软切换和更软切换技术。因为本发明终端多波束天线增益高于软切换或者更软切换的增益，因此不使用软切换和更软切换也能保证上下行通信质量。如图5所示，如果进行不同站址基站306和507的软切换或者更软切换时，则必须在方向图303、302两个方向上同时发射上行信号，这样会导致用户头部受到电磁辐射。因此在这种情况下，最好使用具有瞬间软(或者更软)合并功能的硬切换。本实施例终端在瞬间启动方向图303和302两个方向同时发射上行信号，终端切换到基站507后，立即只在方向图302上发射上行信号。这样既保证了小区切换通信质量，又将电磁辐射降到最低。

终端在待机状态下，需要接收当前小区的寻呼信息、搜索邻区信息，就需要收发波束一直能保持在基站的无线路径方向。终端可以通过跟踪基站的下行公共信道的质量，调整收发波束向着基站的无线路径方向，但这样不停地跟踪会消耗额外的电能和其他资源。本发明终端在待机状态下，将所有波束全部连接到接收模块209，形成全向接收，以不错过接收基站下行信号，而不循环搜索最好无线路径。也可以专门配置一个全向天线用于待机状态的全向接收。当终端需要发射上行信号时，接收模块209先搜索最好质量波束，找到最好质量波束作为收发波束。

图6表示了本发明终端提醒用户注意电磁辐射和自动用最好质量波束收发的总体流图。步骤601，用户从固化在终端中的所有波束中标识出期望的上行发射波束。根据多波束天线的波束个数和波束方向分布，以及使用终端时相对于人体的方位，确定背离人体方向的波束，这个期望的上行发射波束可以是一个或几个。

步骤602，为终端处于待机状态，下行全向接收。在步骤603中，如果需要上行发射，则步骤604中，启动接收模块209搜索基站下行信号最好质量的波束。步骤605，找到最好质量波束作为终端的收发波束，启动上下行正常通信。步骤606，在下行射频帧传输间隔，依次进行所有波束接收的基站下行信号质量估计和邻区信息接收。

在步骤607中，判断当前终端是否处于小区切换状态？如果是，则由基带高层处理模块207控制是否切换波束；如果不是，则按照本通信小区下行信号的质量估计结果选择收发波束。步骤608，判断发现切换邻区的波束是收发波束吗？如果不是，在步骤609，终端进行小区切换同时，将发现切换邻区的波束作为收发波束；否则不处理。步骤610，判断本通信小区的下行最好质量的波束是收发波束吗？如果不是，在步骤611，将最好质量的波束作为收发波束；否则不处理。步骤612检查当前收发波束是用户期望的波束吗？如果不是，通过步骤613提醒用户调整终端方位；否则不处理。步骤614判断本次通信是否已经终止？如果通信没有终止，返回到步骤606继续所有波束下行质量估计；如果通信已经终止，通过步骤615恢复待机状态下的下行全向接收，并返回待机状态的步骤602。

本发明的第二实施例中，如图7所示，将多路信号选择开关704放在RF收发信机711的后级，负责切换中频信号。因为基站下行信号已经经过了放大、混频成为中频信号，比天线接收的射频信号强度大很多倍。与第一实施例比较多路信号选择开关704引入的损失小，性能更好。每个波束后需要配置一个RF收发信机，负责上下行的中频信号和射频信号转换。这个实施例的控制流程、使用方法和第一实施例原理一致。

本发明的第三实施例中，如图8所示，将多路信号选择开关804放在ADC/DAC 812的后级，负责切换基带数字信号。因为切换的是数字信号，多路信号选择开关804不会引入任何信号损失。与前两个实施例比较性能更好。每个波束后需要配置一个RF收发信机和一个ADC/DAC模块，负责上下行的基带信号和射频信号的转换。这个实施例的控制流程、使用方法和第一实施例原理一致。

本发明的第四实施例中，如图9所示，多波束天线911仅有两个波束901、902，一个波束方向图从终端的正面(键盘和显示屏面)方向发射出去，一个波束方向图从终端的背面方向发射出去，两个波束实现全向360度覆盖。一般终端在通信时都是正面朝向人体，这样只要使用背面方向发射出去的波束进行发射接收时，终端发射的电磁波就不会经过人体了。这是本发明思想最低成本的实现方法，和普通终端相比仅增加了一个多波束天线、多路信号选择开关和波束管理模块，成本增加很少。

通过上述实施例介绍，本发明终端的多波束天线在具有两个或者两个以上的波束时，就具有很好的避免人体辐射的能力。波束数越低成本也越低，易于生产，但波束增益低，射频发射功率要大些。波束数越高，终端结构越复杂，波束宽度更窄，增益更高，需要的射频发射功率越小，而且发射的电磁波波束窄，可以更好地控制电磁波的发射方向。上述实施例中介绍的多波束天线方向图都是水平面方向的，其实本发明也适用于采用空间全向多波束天线，各个波束的空间方向图叠加在一起能覆盖整个自由空间，使终端能接收到更多方向的无线信号，具有更好通信能力，尤其适合城市中无线路径复杂或者小区垂直覆盖等场合。

本发明低成本防辐射移动通信终端通过在下行射频帧传输间隔，分时复用一个接收模块，而无需两个接收模块，节省了成本。估计各个波束接收的信号质量，确定收发波束，无论无线路径为视距或者非视距，终端在移动、方位改变、小区切换时都能保持和基站的通信。对移动通信系统和终端本身都没有任何影响，反而通过多波束天线，提高了天线的发射和接收增益，降低了终端和基站的射频发射功率，保证了无线通信质量，减少了电磁辐射的污染。对于终端用户，理论上可以完全避免终端的电磁辐射，而且终端发射的电磁波不经过人体，消除了电磁波的人体衰减，也提高了3-6dB的增益。

对于本领域技术人员而言，本发明所提供的低成本防辐射移动通信终端装置和方法，应当不仅限于移动电话系统，还可以应用于其他一些无线移动通信终端、无线LAN终端等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，因此，本发明的保护范围应当由权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1，一种低成本防辐射移动通信终端，包括：

一个多波束天线，用于形成无线路径的空分多址；

一个发送模块，用于处理终端上行射频信号；

一个接收模块，用于接收基站下行信号，并在下行射频帧传输间隔估计各个波束接收的基站下行信号的质量和接收邻区信息；

一个多路信号选择开关，用于连接、切换多波束天线的波束到接收模块和发送模块；

一个波束管理模块，用于根据接收模块估计的所有方向波束的下行信号质量，判别无线路径的最好质量波束，控制将最好质量波束作为收发波束；

一个基带高层处理模块，用于在小区切换的同时，将收到切换邻区信息的波束作为收发波束；

一个用户辐射提醒模块，用于用户预设期望的终端射频发射波束，并检查当前的收发波束是否是期望的终端射频发射波束，不是则发出辐射提醒。

2，如权利要求1所述的一种低成本防辐射移动通信终端，其特征在于：多波束天线有两个或者两个以上的波束，每个波束都可发射和接收，所有波束的方向图叠加起来形成水平面全向或者空间全向覆盖。

3，如权利要求1所述的一种低成本防辐射移动通信终端，其特征在于：多路信号选择开关可以在射频环节或者中频环节或者数字基带环节将各个波束和发送模块、接收模块连接。

4，如权利要求1所述的一种低成本防辐射移动通信终端，其特征在于：适用于采用以下一种标准的蜂窝移动通信终端中或其他一些无线移动通信终端、无线LAN终端中：PHS、GSM、GPRS、EDGE、WCDMA、CDMA IS95、CDMA2000、TD-SCDMA。

5，一种用于低成本防辐射移动通信终端中的方法，其中包括步骤：

a，用户根据手持移动通信终端的相对位置，在用户辐射提醒模块中标记出多波束天线中背离人体方向的波束，作为期望的终端射频发射波束；

b，终端开始射频发射前，通过接收模块估计所有波束接收的基站信号的质量，选择质量最好的一个波束，作为终端收发波束；

c，在下行射频帧传输间隔，接收模块轮流估计出所有波束接收的基站信号；

d，波束管理模块根据步骤c估计的质量，判断出最好质量波束，如果当前收发波束不是该最好质量波束，则将该最好质量波束切换作为收发波束；

e，用户辐射提醒模块检查收发波束是否为期望的终端射频发射波束，不是则发出辐射提醒，本次通信没有终止则返回步骤c。

6，如权利要求5所述的一种用于低成本防辐射移动通信终端中的方法，其特征在于：步骤a中，期望的终端射频发射波束数量为一个或者几个。

7，如权利要求5所述的一种用于低成本防辐射移动通信终端中的方法，其特征在于：当终端进行小区切换时，如果通过空闲波束获得邻区信息，在小区切换的同一时刻，基带高层处理模块将获得切换邻区信息的波束作为收发波束。

8，如权利要求5所述的一种用于低成本防辐射移动通信终端中的方法，其特征在于：终端在待机状态时，为下行全向接收模式。

9，如权利要求5所述的一种用于低成本防辐射移动通信终端中的方法，其特征在于：适用于采用以下一种标准的蜂窝移动通信终端中或其他一些无线移动通信终端、无线LAN终端中：PHS、GSM、GPRS、EDGE、WCDMA、CDMA IS95、CDMA2000、TD-SCDMA。

10，如权利要求5所述的一种用于低成本防辐射移动通信终端中的方法，其特征在于：在WCDMA、CDMA IS95、CDMA2000标准的移动通信系统中进行同频、不同站址小区切换时，使用硬切换。

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