NO177030B - Radioforsterkerstasjon - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen angår en radioforsterkerstasjon (cell repeater, cell enhancer) for et digitalt mobilradiosystem med tidsdelt multippel adgang (TDMA-system).

I et mobilradiosystem finnes det ofte områder med dårlig dekning innenfor en basestasjons tjenesteområde, hvor dårlig signalforbindelse mellom basestasjonen og en mobilstasjon resulterer i uakseptabel talekvalitet, og til og med full-stendig tap av en samtale. En løsning på dette problem er anordning av en bredbåndsforsterker eller gjenutstråler. Denne løsningen lider imidlertid under visse ulemper, nemlig (I) den ville gjenutstråle alle signaler innenfor det dekkede frekvensområde, inklusiv uønskede signaler, f.eks. fra andre radiosystemer som kan bruke det samme bånd; (II) inter-modulasjon- og bredbåndsstøy; (III) effektnivået for hver kanal inne i båndet ville bli forsterket like meget, uansett den virkelige signalstyrke.

En radioforsterkerstasjon er kjent fra EP 210,811,

hvilken publikasjon beskriver en radioforsterker for å videre-befordre tidsluker i TDMA-radiokommunikasjon hvor TDMA-sendingene mottas, analyseres, hvor kode-informasjon uttrekkes, og hvor TDMA-signalet rekonstrueres og så utsendes. Radioforsterkeren benytter analyse og uttrekking av startkoder for å bestemme hvilke tidsluker som forventes å inneholde data. Systemet vil forsterke disse tidslukene, selv om det ikke foreligger noen data. Dette betyr at forsterkerenheter vil bli tilordnet til kanaler selv når de ikke fører noen data. Dette kan bevirke at data-bærende kanaler mistes dersom det ikke finnes noen fri forsterkerenhet for disse. Dersom ytterligere forsterkerenheter tilveiebringes for å ta vare på dette, økes forsterkerstasjonens kompleksitet.

Fra WO 87/02538 er kjent en radioforsterker for en celle

i et mobilradio-system som avsøker radiofrekvensene tilknyttet cellen for å identifisere frekvenser hvor "opp-forbindelser"

(dvs. i retning fra mobilenhet til base) er i funksjon, og for å bevirke at forsterkere selektivt forsterker de signaler som bæres på disse frekvensene. Prosessen detekterer de frekvenser hvor det foregår trafikk, og forsterker all trafikk

på disse frekvensene. Egentlig angår ikke denne publikasjonen tidsdelte multiplekssystemer, og det foreligger ingen mulighet for å identifisere individuelle tidsluker på de frekvenser hvor det foregår trafikk.

Det er en kjent radioforsterker (se beskrivelse og krav i søkerens samtidige EP patent søknad nr. 0274857) som benytter et flertall frekvensfølsomme enkeltkanal-forsterkerenheter for forsterkning av bare trafikkbærende kanaler. Denne forsterkeren, som ligner en del på forsterkeren ifølge WO 87/02538, inngår i et analogt, frekvensdelt multippel adgang (FDMA) system, og er derfor ikke egnet for digitale systemer såsom det foreslåtte pan-europeiske GSM (Groupe Speciale Mobile) mobilradiosystem.

Den foreliggende oppfinnelse frembringer en radioforsterkerstasjon for et frekvensbånd med et flertall RF-kanaler for å bære et flertall digitale TDMA-kanaler som hver har en sekvens av tidsluker, omfattende: et flertall av enkle RF-kanalforsterkerenheter, og en styringsanordning for å avsøke RF-kanalene for å identifisere en aktiv RF-kanal og for å tildele en av forsterkerenhetene til en identifisert aktiv kanal, og radioforsterkerstasjonen kjennetegnes ved at hver av forsterkerenhetene har en anordning for å detektere nærvær av aktivitet i en tidsluke i en TDMA-kanal, innenfor en aktiv RF-kanal, og for å forsterke digitale signaler i den tidsluken, slik det forøvrig angis i det vedføyde patentkrav 1. Fordel-aktige utførelser av oppfinnelsen fremgår videre av de uselv-stendige patentkravene.

Hver forsterkerenhet har med fordel, for dupleksdrift, forover-og revers-forsterkningsbaner, og antallet forsterkerenheter er mindre enn antallet RF-kanaler, forsterkerenhetene har velgbar frekvens, og styringsenheten er anordnet til i bruk å velge frekvensen for hver enhet som skal tildeles trafikkbærende talekanal.

Hver forsterkerenhet kan, i hver forsterkningsbane, ha en første frekvensskifter for å omforme engangssignalene ned til en mellomfrekvens, et båndpassfilter, og en annen frekvensskifter for å omforme de filtrerte signalene opp til den opprinnelige frekvens, hvor filterfrekvensen er fast, og kanaltildelingen for enheten kan styres ved å styre frekvensskifterens lokaloscillatorfrekvens. Mellomfrekvensene for forover-og revers-banene i en forsterket enhet er forskjellige med den mengde som tilsvarer sender/mottaker-frekvens-forskjellen for talekanalene, slik at en enkelt lokaloscillator kan brukes for enheten. Styringsanordningen er fortrinnsvis felles for alle forsterkerenhetene.

I en annen utførelse har hver forsterkerenhet, i hver forsterkningsbane, en frekvensskifter for å omforme signalene til en mellomfrekvens, et båndpassfilter, en frekvens-diskriminator for å demodulere de digitale signalene, en regenerator for de gjenvunne digitale signalene, en modulator som drives av de regenererte signalene og virker ved den opprinnelige frekvens, hvor kanaltildelingen for enheten kan styres ved å styre lokaloscillator-frekvensene som leveres av frekvensskifteren og modulatoren. Utgangssignalet fra modulatoren blir forsterket for å frembringe utgangssignalet for forsterkerenheten.

Alternativt kan frekvensskifteren omfatte to blandere som begge blir forsynt med inngangssignalet, hvor lokaloscillatoren på hver blander er ved samme frekvens men med en relativ faseforskyvning på 90 grader, mens lokaloscillator-frekvensen er nominelt den samme som signalfrekvensen. De resulterende to signaler fra blanderne blir behandlet ved et basebånd for å utlede en regenerert kopi av den digitale modulasjon, fortrinnsvis ved digital signalbehandlingsteknikk. Behandlingen omfatter lavpassfiltrering. Regenererings-prosessen frembringer to signaler som blir påtrykt to modulatorer drevet av samme lokaloscillator som frekvensskifteren, og med en relativ faseforskyvning på 90 grader. Utgangssignalene fra de to modulatorene blir kombinert og forsterket for å generere utgangssignalet fra forsterkerenheten.

Det er en fordel at tidsluke-identifiseringsanordningen omfatter en tidsluke-aktivitetsdetektor for å detektere hvilken tidsluke i en kanal som er aktiv, en styringsenhet som mottar utgangssignalet fra tidsluke-aktivitetsdetektoren, og en tidsluke-port og effekt-styringsenhet som blir styrt av styringsenheten for å forsterke bare en aktiv tidsluke. I dette tilfellet kan hver forsterkerenhet videre omfatte en klokkegjenvinnings-, synkroniserings- og tidslukedetektorenhet for å utlede en systemklokke, synkroniseringspulser og tidsluke- avtastningspulser, og å kople disse til styringsenheten.

Styringsenheten for hver forsterkerenhet omfatter fortrinnsvis en anordning for å styre driftsfrekvensen for den forsterkerenhet som er på, til å følge en forutbestemt frekvenshopp-sekvens, slik at forsterkeren kan brukes i et radiosystem som benytter frekvenshopping. Frekvens-styringsenheten for en gitt forsterker kan beleilig brukes til å styre den første og andre frekvensskifter eller modulator i den forsterkerenheten.

En radioforsterkerstasjon konstruert ifølge den foreliggende oppfinnelse skal i det følgende beskrives gjennom eksempler, og under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 viser skjematisk et mobilradio område; Figur 2 er et blokkdiagram av forsterkerstasjonen; Figur 3 er et blokkdiagram av en forsterkerenhet i forsterkerstasjonen på figur 2; Figur 4 er et blokkdiagram av radiofrekvens-modulen i forsterkerstasjonen på figur 2; Figur 5 er et blokkdiagram av en alternativ utførelse av en forsterkerenhet i forsterkerstasjonen på figur 2; og Figur 6 er et blokkdiagramm av en annen alternativ utførelse av en forsterkerenhet i forsterkerstasjonen på figur 2.

Det henvises nå til tegningene, hvor figur 1 illustrer skjematisk et mobilradiosystem, i hvilket en basestasjon 1 betjener et område 2, kanskje en "celle" i et celle-radiosysem for toveis talesamband med et antall mobilenheter 3. Det antas at det innen et gitt frekvensbånd er allokert dupleks-radio-kanaler, nemlig en styrings-eller signaleringskanal og et antall talekanaler, for samband mellom basestasjon 1 og mobilenhetene 3 innenfor område 2. På grunn av (f.eks.) terrengforholdene, finnes det innenfor området 2 et område 4 med dårlig dekning. Kvaliteten av sambandet mellom basestasjon en og mobilenhetene 3 innenfor dette området 4 er utilfreds-stillende, og en fast forsterkerstasjon 5 er anordnet på et slik sted at den kan oppnå tilfredsstillende radiosamband både med basestasjonen og med mobilenhetene innenfor området med dårlig dekning.

Figur 2 illustrerer forsterkeren 5, som i hovedtrekk har en antenne 10 for samband med basestasjonen 1, og en antenne 11 med samband med mobilenhetene 3 innenfor området 4 med dårlig dekning. Mellom de to antennene 10 og 11 er forbundet, via en radiofrekvensmodul 12, et antall (bare tre er vist) av dupleks, en kanals forsterkermoduler 13. Antallet moduler 13 er mindre enn antallet av kanaler som er tildelt radioområdet 2, og en styringsenhet 14 er anordnet for kanal-tildeling. Styringsenheten 14 avsøker de tildelte kanaler for å identifisere de som er i bruk, og svitsje forsterkerenhetene 13 til kanalene etter behov. Avsøkingsfunksjonen kan utføres av en eller flere av forsterkerenhetene under styring av styringsenheten 14.

En forsterkermodul 13 er vist på figur 3. For å oppnå den nødvendige selektivitet for kanal-utvelging, blir innkommende signal omformet ned til en mellomfrekvens, filtrert og omformet opp igjen. Skjønt det i prinsippet ikke er vesentlig, er den gjenutstrålte frekvensen den samme som de mottatte signaler, for å unngå behovet for at mobilenhetene 3 (eller basestasjon 1) endrer frekvens.

På figur 3 blir signalene som mottas ved en inngang 2 0 fra basestasjonen 1 ned-omformet i en blanderkrets 21 til en mellomfrekvens på (f.eks.) 45 MHz, og den ønskede kanal blir filtrert i et båndpassfilter 23 og forsterket med forsterkeren 24. Det blir så opp-omformet til den opprinnelige frekvens (ved en blanderkrets 25), forsterker i en effektforsterker 26, og sendt til en utgang 27 for gjenutsending til området 4 med dårlig dekning. Denne transmisjonsretningen fra base til mobilenhet er kjent som en ned-forbindelse. Transmisjonsretningen fra mobilenheten til base (opp-forbindelsen) blir behandlet på lignende måte med enhetene 20' til 27', unntatt at (forutsatt en sender/mottaker-frekvens-adskillelse på 4 5 MHz) en mellomfrekvens på 90MHz er valgt, slik at en enkelt utgang fra en lokaloscillator 28 kan brukes til å forsyne alle fire blandingskretsene 21, 25, 21', 25'. Mellomfrekvensfilterene 23, 23' har fast frekvens, og kanal-utvelgingen blir utført ved å styre frekvensen for lokaloscillatoren 28. Oscillatoren 28 er en konvensjonell frekvens-syntetisator som kan svitsjes, via en styringsbuss 15 (se figur 2) fra styringsenheten 14, til slike frekvenser at mellomfrekvensfilterene 23, 23' velger hvilke som helst av de tildelte kanaler. På lignende måte kan styringsenheten 14, via bussen 15, styre forsterkerne 13, slå de individuelle tidsluker på eller av, og stille utgangssignal-nivået til en verdi som blir utledet av styringsenheten 14 fra det innkomne signal.

RF-modulen 12 er vist på figur 4. "Base" - antennen 10 er forbundet via en duplekser 30 til (a) en mottakerforfor-sterker 31 og en effekt-deler 32 som mater modulinngangene 20 (og om nødvendig styringsenheten 14), og (b) en passiv effekt-kombineringskrets 33 som mottar modulutgangene 27'. Lignende komponenter 30' til 33' danner grensesnitt mellom "mobil"-antennen 11 og modulinngangene 20' og utgangene 27. I en alternativ utførelse (ikke vist), kunne separate antenner 10 og 11 bli brukt for hver forsterkermodul 13.

Konstruksjonen av styringsenheten 14 kan være konvensjonell, og skal derfor ikke beskrives i detalj.

I den foreliggende utførelse av oppfinnelsen, er funksjonen for styringsenheten 14 å bestemme hvilke frekvenser kanalmodulene 13 skal svitsjes til. Styringsenheten er programmert med et sett kanalfrekvenser som forsterkeren kan operere på. Når et signal i en tidsluke på hvilken som helst av disse kanalene møter visse forutbestemte betingelser, ansees kanalen for å være i bruk. Hvis en kanalmodul er tilgjengelig, vil den bli svitsjet på for å forsterke denne tidsluken i denne kanalen. Betingelsene for å bestemme i bruk- status kan omfatte signalstyrken, signal/støy-forholdet, og kvaliteten av digital modulasjon.

Programmering av styringsenheten kan finne sted ved en manuell anordning, f.eks. brytere eller et tastatur tilkoplet enheten, eller fjernstyres via et passende kommunikasjons-grensesnitt, eller ved et iboende internprogram.

Hvor forsterkeren er utstyrt med færre kanalmoduler enn antallet frekvenskanaler på hvilke den er programmert til å operere, kan en eller flere kanaler som ikke er i bruk, under perioder når de ikke brukes til forsterkning, brukes til å avsøke de øvrige kanaler for aktivitet. Alternativt kan en dedisert avsøknings-mottakermodul brukes for dette formål.

I celle-systemet vil kanalene som skal avsøkes bestå av en styrings-og signaleringskanal og et antall tallkanaler (styrings-og signaleringskanalen brukes for å registrere mobile sendere inn på cellesystemet, for å sette opp telefonsamtaler, og for andre styringsformål såsom starting av f rekvenshopp ing-

sekvenser).

For et TDMA mobilradiosystem, er hver mobilenhet 3 tildelt en gitt tidsluke i tidsdomenet fra basestasjonen 1. Denne tidsluke-tildelingen blir utført under oppsetting av samtalen. Det typiske tidsdomene har 8 tidsluker, som effektivt betyr at forsterkeren 5 kan håndtere 8 ganger så mange mobilenheter 3 som det er kanaler.

Som vist på figur 3 er antennene 10 og 11 forbundet med hver av dupleksforsterkerenhetene 13 via duplekserne 30 og 30'. Duplekserne 30 og 30' er felles for alle forsterkerenhetene 13, pg danner en del av RF-modulen 12. I en alternativ utførelse som benytter separate antenner 10 og 11 for hver forsterker 13, kunne tids-svitsjer brukes i steden for duplekserne 3 0 og 30'.

Når en forsterkerenhet er tildelt en operativ kanal, blir de motsatte signalene på ned-forbindelsen mottatt og forsterket av forsterkeren 34 og videresendt til demodulatoren og nivådetektoren 3 5 som også utleder taktinformasjon for tidsluken. En lignende funksjon på opp-forbindelsen blir utført av forsterkeren 34' og demodulatoren og nivådetektoren 35' .

Styringslogikk-modulen 36 bruker signalnivået og tidsluke-taktinformasjonen fra 35 og 35' til å styre nivået av utsendt effekt i de relevante tidsluker i ned-forbindelsen og opp-forbindelsen, via tidsluke-port og effekt-styringsenhetene 38 og 38', slik at bare signaler i de relevante tidsluker blir forsterket.

Det skal bemerkes at tidsluken for en gitt mobilstasjon har en relativ tidsforskyvning på flere tidsluker mellom opp-forbindelsen og ned-forbindelsen. Figur 5 illustrerer skjematisk en alternativ utførelse av en forsterket modul 13, hvor det motsatte signal ved inngangen 2 0 blir ned-omformet i en blanderkrets 21 til en mellomfrekvens på f.eks. 45 MHz, og den ønskede kanal blir filtrert av et båndpassfilter 23 og forsterket av forsterkeren 24. Signalet blir så demodulert av demodulatoren 40, og det digitale moduleringssignal blir regenerert i en regenerator41, som også utleder signalnivå-og tidsluke-taktinformasjon for styringsslogikk-modulen 36. Det gjenvunne digitalsignal blir påtrykt modulatoren 25 for å generere en kopi av det opprinnelige signal, som blir forsterket i forsterkeren 26 og sendt til en utgang 27 for gjenutsendelse. Den andre transmisjonsretningen blir behandlet på lignende måte i enhetene 21' til 24', 40', 41', 25' og 26'. Figur 6 illustrerer enda en alternativ utførelse av en forsterkermodul 13, hvor det mottatte signal på inngangen20blir påtrykt to blanderkretser 50 og 51, hvor lokaloscillatoren for hver blanderkrets er på den nominelle senterfrekvens for kanalen som skal forsterkes. Lokaloscillatorens forsyning til de to blanderkretsene er forskjøvet i fase ved 90 grader for å operere blanderne i fase-kvadratur. De resulterende blander-utgangene representerer kvadraturmodulasjons-komponenter av det mottatte signal, og blir påtrykt lavpass-filteret 53 og 54 som demper eventuelle uønskede høyfrekvenssignaler. Utgangene fra filterne 53 og 54 blir påtrykt en signal-behandlingsenhet 55 som gjenvinner den digitale modulasjon og utleder tidsluke-taktinformasjon, og som også detekterer nivået av det mottatte signal. Enheten 55 kan også omfatte en anordning for utjevning, feildeteksjon og feilretting. Blanderkretsene 56 og 57 er forsynt med en lokaloscillator på kanalfrekvensen, via en 90 graders faseskiftenhet 58, og blir også forsynt med de rette utgangssignaler fra signalbehandlingsenheten 55, for å gjenskape en kopi av det mottatte signal. Den andre transmisjonsretningen blir behandlet på en lignende måte ved enhetene 50' til 57' og 26'.

Siden GSM mobilradiosysemet har et behov for frekvenshopping, er hver forsterkerenhet 13 utstyrt med en anordning for å implementere en hoppesekvens. Anordningen er slik at systemoperatøren kan bestemme hvorvidt frekvenshopping skal brukes eller ikke. Når den skal brukes, blir styringsenheten 14 instruert om dette av styrings-og signaleringskanalen, og denne enheten sender de rette styringsinstruksjoner til styringslogikk-modulene 36 i forsterkerenhetene 13. Modulene 36 styrer så syntetisatorene 28, som driver blanderkretsene 21, 21', 25 og 25' for å implementere den forutbestemte hoppesekvens.

Denne hoppesekvensen blir styrt av programvare i forbindelse med basestasjonen 1. Hver av mobilenhetene 3 er utstyrt med en anordning for å styre frekvenshoppe-mønsteret for den mobilenheten, etter at instruksen er mottatt over styringskanalen fra basestasjonen 1.

Claims (12)

1. Radioforsterkerstasjon for et frekvensbånd med et flertall RF-kanaler for å bære et flertall digitale TDMA-kanaler som hver har en sekvens av tidsluker, omfattende: et flertall av enkle RF-kanalforsterkerenheter (13), og en styringsanordning (14) for å avsøke RF-kanalene for å identifisere en aktiv RF-kanal og for å tildele en av forsterkerenhetene til en identifisert aktiv kanal,karakterisert vedat hver av forsterkerenhetene har en anordning (35, 36, 38; 36, 38, 40, 41; 36, 38, 55) for å detektere nærvær av aktivitet i en tidsluke i en TDMA-kanal, innenfor en aktiv RF-kanal, og for å forsterke digitale signaler i den tidsluken.

2. Forsterkerstasjon ifølge krav 1,karakterisert vedat hver forsterkerenhet (13) har, for dupleksdrift, fremover- og revers-forsterkningsbaner.

3. Forsterkerstasjon ifølge krav 1 eller krav 2,karakterisert vedat antallet forsterkerenheter (13) er mindre enn antallet av de nevnte RF-kanaler, ved at forsterkerenhetene har valgbar frekvens, og ved at styringsanordningen er slik at den i bruk kan velge frekvensen for hver enhet som skal tildeles en trafikkbærende talekanal.

4. Forsterkerstasjon ifølge krav 3,karakterisert vedat hver forsterkningsenhet har, i hver forsterkningsbane, en første frekvensskifter (21) for å omforme inngangssignaler ned til en mellomfrekvens, et båndpassfilter (23), og en annen frekvensskifter (25) for å omforme de filtrerte signaler opp til den opprinnelige frekvens, ved at filterfrekvensene er faste, og at enhetens kanaltildeling kan styres ved å styre frekvensskifterens lokale oscillatorfrekvens.

5. Forsterkerstasjon ifølge krav 3 eller 4,karakterisert vedat hver f orsterkerenhet har, i hver forsterkningsbane, en anordning (40) for å demodulere og regenerere det digitale moduleringssignal, og en modulator (41) for å gjenskape et modulert signal på den mottatte frekvens ved bruk av det nevnte digitale signal.

6. Forsterkerstasjon ifølge krav 5,karakterisert vedat digital signalbehandlingsteknikk blir brukt for alle funksjonene med filtrering, demodulering og regenerering, og om ønsket for utjevning av forvrengning i det mottatte signal.

7. Forsterkerstasjon ifølge krav 4,karakterisert vedat mellomfrekvensen for forover-og revers-banene i en forsterkerenhet (13) er forskjellige i en grad som tilsvarer adskillelsen av sender- og mottakerfrekvensene i talekanalene, slik at en enkelt lokaloscillator kan brukes for enheten.

8. Forsterkerstasjon ifølge et etter flere av kravene 1 til 7, karakterisert vedat styringsenheten (14) er felles for alle forsterkerenhetene.

9. Forsterkerstasjon ifølge et eller flere av kravene 1 til 8, karakterisert vedat tidslukeidentifi-seringsanordningen omfatter en tidsluke-aktivitetsdetektor (35) for å detektere hvilken tidsluke i en kanal er aktiv, en styringsenhet (3 6) som mottar utgangen fra tidsluke-aktivitetsdetektoren (35), og en tidsluke-port og effekt-styringsenhet (38) som blir styrt av styringsenheten slik at den bare forsterker en aktiv tidsluke.

10. Forsterkerstasjon ifølge krav 9,karakterisert vedat hver forsterkerenhet (13) videre omfatter en klokkegjenvinnings-, synkroniserings-og tidsluke- detektorenehet (35) for å utlede system-klokkesynkroniseringspulser og tidsluke-avtastningspulser og å overføre disse til styringsenheten (36).

11. Forsterkerstasjon ifølge krav 9 eller 10,karakterisert vedat styringsenheten for hver forsterkerenhet (13) omfatter en anordning for å styre frekvensen til en forsterkerenhet som er på til å føle en forutbestemt frekvens-hoppingssekvens, slik at forsterkeren kan brukes i et radiosystem som benytter frekvenshopping.

12. Forsterkerstasjon ifølge krav 11 som et tillegg til krav 4, karakterisert vedat frekvensstyringsan-ordningen for en gitt forsterkerenhet (13) brukes til å styre den første og andre frekvensskifter i den forsterkerenheten.