專利名稱：基于波束切換式智能天線的移動通信基站及波束切換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及時分復(fù)用(TDMA)、時分雙工(TDD)的PHS移動通訊系統(tǒng)，具體地說，是一種基于波束切換式智能天線的移動通訊基站及波束切換方法。
背景技術(shù)：
在無線通訊系統(tǒng)中，基站和終端移動通過無線信道傳播信號。由于無線信道存在衰落、多徑效應(yīng)及其它干擾的影響，所以，無線信號的收發(fā)、處理方法直接影響著通訊系統(tǒng)的性能。
圖13是傳統(tǒng)全向天線基站的簡單示意圖，由于這種基站在覆蓋范圍內(nèi)采用全向接收、全向發(fā)射，不具有識別用戶方位的能力。從而，使其抵抗非用產(chǎn)方位上的干擾能力較差，且不具有抗多徑衰落的能力。
隨著通信技術(shù)的發(fā)展以及實際應(yīng)用的需求對于無線信號的收發(fā)提出了更高的要求。智能天線技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以抵抗多徑衰落，還可以自動規(guī)避干擾。另外，由于智能天線陣列可以檢測到移動用戶的方位，它可以做到只在移動用戶方向上收發(fā)信號，不僅提高了接收增益，還提高了頻率利用率。特別是在PHS移動通訊系統(tǒng)中，采用智能天線的分集收發(fā)技術(shù)，可以有效遏制無線通訊中由于多徑傳播引起的信號衰落，提高通訊質(zhì)量。
傳統(tǒng)PHS基站設(shè)備中的智能天線采用多通道接收機(jī)，通過調(diào)整不同通道的加權(quán)值來控制天線陣列的接收、發(fā)射方向。一般包括信號接收單元、信號發(fā)射單元、波束形成單元、加權(quán)值計算更新單元等。這種系統(tǒng)主要缺點主要有三點一是硬件、軟件都很復(fù)雜；二是需要在線或離線校準(zhǔn)；三是成本高。
另一種智能天線是波束切換式智能天線，這種天線雖說方法簡單、易于實現(xiàn)，在實際中得到廣泛應(yīng)用，但是，這種天線在PHS基站領(lǐng)域還沒有得到實際應(yīng)用。事實上，現(xiàn)有的波束切換智能天線技術(shù)，由于使用領(lǐng)域不同、波束切換實現(xiàn)方式不同等原因，都無法直接用到PHS基站系統(tǒng)中。例如，專利申請?zhí)枮?7191756.6的帶有聚束控制信道的通訊系統(tǒng)與系統(tǒng)控制方法，所公開的一種波束控制方法，就是用以選擇為移動用戶提供服務(wù)的基站，是一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制方法，主要在控制信道上完成，而不能在TCH信道上完成。又如，專利申請?zhí)枮?2136730.2的一種用于切換波束型智能天線系統(tǒng)的波束判決方法和裝置，所公開的是一種用于切換波束型智能天線系統(tǒng)的波束判決方法，這種方法主要用信號判決依據(jù)接收信號的場強(qiáng)，一般適用于CDMA系統(tǒng)。再如，專利申請?zhí)枮?1138507.3的移動通訊基站設(shè)備，公開了一種移動通訊基站設(shè)備，其中的波束切換部分用到兩套接收系統(tǒng)，包括天線陣列及射頻通道。兩套接收系統(tǒng)種的一套具有不同窄波束的接收通道用于通訊；而另外一套專門用來檢測波達(dá)方向(DOA)。這種基站設(shè)備的波束切換控制方法復(fù)雜、不易實現(xiàn)，且成本高。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了滿足PHS移動通訊系統(tǒng)對無線信號收發(fā)提出的更高要，提供一種基于波束切換式智能天線的移動通訊基站系統(tǒng)和波束切換方法，以克服已有智能天線不能在PHS移動通訊中應(yīng)用，和已有移動通訊基站設(shè)備復(fù)雜，不易實現(xiàn)波束切換控制的不足。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的技術(shù)思路是根據(jù)PHS系統(tǒng)IDMA/TDD每個移動用戶占用一個時隙，且上行鏈路和下行鏈路使用相同通訊頻率的特點，針對不同移動用戶，對其對應(yīng)的通訊時隙進(jìn)行波束控制；并通過移動用戶的上行鏈路信號估計出移動用戶的方位，且在下行鏈路階段使用相同的方位發(fā)射信號。
本發(fā)明的基站系統(tǒng)包括多單元天線陣列、數(shù)字相移器陣列、功分器、接收單元、接收信號場強(qiáng)指示(RSSI)采樣單元、調(diào)制單元、發(fā)射單元、基帶處理單元、波束控制轉(zhuǎn)換單元、接收發(fā)射轉(zhuǎn)換開關(guān)K等主要部件。其中多單元天線和數(shù)字相移器陣列，用于根據(jù)移動用戶的上行信號場強(qiáng)和信號質(zhì)量，估計移動用戶的方位，對準(zhǔn)移動用戶進(jìn)行收發(fā)，即各路天線的收發(fā)相位是可控的。即各個預(yù)先設(shè)定好的固定波束可按照需要通過基帶處理單元進(jìn)行控制；功分器，用于在上行鏈路階段，將多路接收信號合成為一路信號，在下行鏈路階段將經(jīng)過發(fā)射單元的發(fā)射信號分配到多路天線上；接收單元，用于完成對天線陣列接收的射頻信號進(jìn)行處理，即在上行鏈路階段對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行接收、放大、濾波；解調(diào)單元，用于完成對高中頻信號進(jìn)行解調(diào)，并將已解調(diào)的比特流數(shù)據(jù)傳遞給基帶處理控制單元；RSSI采樣單元，用于完成對各個通道接收信號強(qiáng)度指示的數(shù)據(jù)采集，并送往基帶處理控制單元供后續(xù)處理；調(diào)制單元，用于完成在下行鏈路階段，把從基帶處理單元接收待解調(diào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，然后將調(diào)制數(shù)據(jù)送給發(fā)射單元；發(fā)射單元，用于將對已調(diào)制的中頻信號進(jìn)行上變頻，使其成為射頻信號并經(jīng)過天線陣列發(fā)射出去；基帶處理控制單元，用于控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作時序，完成信號處理，控制收發(fā)射開關(guān)轉(zhuǎn)換及波束切換控制過程；波束控制轉(zhuǎn)換單元，存有多種固定窄波束，用于將基帶處理單元送來的波束號進(jìn)行譯碼，然后將該波束號對應(yīng)的波束加載到數(shù)字相移器的控制端，實現(xiàn)對所需收發(fā)波束的控制。
上述基帶處理控制單元為本發(fā)明核心單元，是以信號處理機(jī)為中心，結(jié)合相應(yīng)的時序，邏輯控制部件等實現(xiàn)的。該基帶控制處理單元包括協(xié)議處理單元和波束切換式智能天線處理中心單元智能天線處理中心單元，該協(xié)議處理單元由可編程邏輯器件1和主處理器組成，主要完成基站時序控制、實現(xiàn)完整的協(xié)議棧處理；該波束切換式智能天線處理中心單元由協(xié)處理器、可編程邏輯器件2和波束切換控制輸出軟件組成，主要完成搜索、跟蹤和實現(xiàn)波束切換控制。
上述波束控制轉(zhuǎn)換單元主要由輸入接口、譯碼單元、驅(qū)動單元、輸出接口構(gòu)成，輸入接口接收來自基帶處理單元的波束號，譯碼器對波束號進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生出控制信號總線，這些控制信號總線經(jīng)驅(qū)動后轉(zhuǎn)換為數(shù)字相移器陣列的控制信號，加載到數(shù)字相移器上實現(xiàn)對不同波束的切換。
本發(fā)明基帶處理單元實現(xiàn)波束切換的步驟如下步驟1，控制時隙上由于承載公共信息，使用覆蓋范圍內(nèi)的全向波束覆蓋，當(dāng)移動用戶在業(yè)務(wù)時隙的語音階段時，開始啟用波束切換；步驟2，針對一個移動用戶，每個工作周期接收通道上經(jīng)過解調(diào)后的接收信號數(shù)據(jù)，N幀為一個統(tǒng)計單元時段，接收信號為FRAME1、FRAME2、……FRAMEN；步驟3，針對一個移動用戶，每個工作周期對接收通道上的接收信號強(qiáng)度指示進(jìn)行采樣，N幀為一個統(tǒng)計單元時段。接收信號強(qiáng)度指示分別為RSSI1、RSS2、……RSSIN；步驟4，針對一個移動用戶，在一個統(tǒng)計單元時段內(nèi)，對采集到的RSSI1、RSS2、……RSSIN進(jìn)行統(tǒng)計平均得到RSSI；
步驟5，針對一個移動用戶，對統(tǒng)計單元時段的每一幀接收數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行判決，并統(tǒng)計誤幀率；步驟6將得到的RSSI值以及誤幀率與預(yù)設(shè)定門限進(jìn)行比較，估計移動用戶是否在目前所在波束方位上；步驟7如果移動用戶在目前信號方位內(nèi)，則下一個統(tǒng)計單元時段內(nèi)，依然使用與本統(tǒng)計單元時段相同的波束方位進(jìn)行收發(fā)，并重復(fù)步驟2～步驟6。
步驟8如果移動用戶不在當(dāng)前波束方位上，則下一個統(tǒng)計單元時段內(nèi)，波束方位自動切換到另外一個波束方位上，并重復(fù)步驟2～步驟6。
上述步驟中的對信號的質(zhì)量判決包括兩個方面一是接收信號數(shù)據(jù)幀F(xiàn)RAME中“唯一識別字”是否正確；二是該接收信號數(shù)據(jù)幀F(xiàn)RAME的校驗結(jié)果是否正確。
上述步驟中“針對一個移動用戶”，就是針對一個時隙，“每個工作周期”，就是每幀。
上述波束方位估計的包括輪詢估計和精確估計兩種方法。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點本發(fā)明系統(tǒng)中由于采用固定窄波束進(jìn)行收發(fā)，與全向天線比較，這種窄波束可以有效增加系統(tǒng)的覆蓋范圍距離，減少來自非移動用戶方位的干擾；同時也提高了頻率的利用率，可以有效提高上行的接收靈敏度，有效增加了無線通訊距離，還能降低移動用戶通話時的切換次數(shù)。
本發(fā)明在判決最佳波束方位時，由于除了對接收信號強(qiáng)度指示RSSI進(jìn)行統(tǒng)計判決以外，還對接收信號本身的質(zhì)量進(jìn)行判決，增加了對所接收的信號是否誤幀的統(tǒng)計判決。因而排除了由于干擾的原因，造成某波束上的接收信號強(qiáng)度高于其它波束的接收信號強(qiáng)度，使系統(tǒng)做出該波束為移動用戶所在的波束的錯誤判決。這種方法比單純使用信號接收強(qiáng)度(RSSI)為判據(jù)的方法更可信、更可靠。
本發(fā)明由于采用波束切換式智能天線，因而使基站系統(tǒng)可以自動搜索、跟蹤移動用戶，規(guī)避非移動用戶方位的于擾，提高了頻率利用率。
本發(fā)明由于只需要一套接收系統(tǒng)就可以完成通信和移動用戶方位的檢測，可以極大的降低系統(tǒng)的硬件成本。同時由于本發(fā)明的裝置不需要進(jìn)行在線或離先校準(zhǔn)，系統(tǒng)簡單、易于實現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明的基站系統(tǒng)框2為本發(fā)明基站系統(tǒng)中的基帶處理控制單元結(jié)構(gòu)3a為本發(fā)明波束控制轉(zhuǎn)換單元中儲存的一組固定窄波束3b為本發(fā)明波束控制轉(zhuǎn)換單元中儲存的另一組固定窄波束4為本發(fā)明的波束控制轉(zhuǎn)換單元工作原理圖。
圖5為本發(fā)明的時分多址TDMA、時分雙工TDD工作時序圖。
圖6為本發(fā)明的波束切換控制軟件流程圖。
圖7為本發(fā)明軟件流程中對一個固定時隙、一個統(tǒng)計單元時段內(nèi)的RSSI統(tǒng)計平均子流程圖。
圖8為本發(fā)明軟件流程中對一個固定時隙、一個統(tǒng)計單元時段內(nèi)信號質(zhì)量的概率統(tǒng)計子流程圖。
圖9為本發(fā)明估計控制波束號軟件流程的一個實例圖。
圖10為本發(fā)明估計控制波束號軟件流程的另一個實例圖。
圖11為本發(fā)明的基站與移動用戶之間的通信示意圖。
圖12為本發(fā)明的基站在兩個移動用戶通話時的控制信號波形圖。
圖13為傳統(tǒng)全向天線基站系統(tǒng)圖。
具體實施例方式
參照圖1，本發(fā)明系統(tǒng)主要由多單元天線、數(shù)字相移器陣列、功分器波束切換式天線陣列、接收單元、波束控制轉(zhuǎn)換單元、解調(diào)單元、接收信號場強(qiáng)指示RSSI采樣單元、發(fā)射單元、調(diào)制單元、基帶處理控制單元、接收發(fā)射轉(zhuǎn)換開關(guān)K等部件組成。其中多單元天線、數(shù)字相移器陣列、功分器、波束波控制轉(zhuǎn)換單元四部分組成波束切換式天線陣列。
功分器在上行鏈路階段，將多路接收信號合成為一路信號，在下行鏈路階段將經(jīng)過發(fā)射單元的發(fā)射信號分配到多路天線上；接收單元對天線陣列接收的射頻信號進(jìn)行處理，主要包括低噪聲放大處理、把射頻信號下變頻為243.95MHz的高中頻信號。另外，接收單元還對高中頻信號進(jìn)行包絡(luò)檢測，得到接收信號的場強(qiáng)信號，并送給RSSI采樣單元。
解調(diào)單元對243.95MHz的高中頻信號進(jìn)行解調(diào)，并將已解調(diào)的比特流數(shù)據(jù)傳遞給基帶處理控制單元。
RSSI采樣單元對接收信號的場強(qiáng)進(jìn)行采樣，并送往基帶處理控制單元以供后續(xù)處理調(diào)制單元是解調(diào)單元的逆過程，它將基帶處理控制單元送來的下行數(shù)據(jù)比特流調(diào)制成10.8MHz的模擬中頻信號。
發(fā)射單元對已調(diào)制的10.8MHz中頻信號進(jìn)行上變頻，使其成為射頻信號；最后，對射頻射頻信號進(jìn)行功率放大，并經(jīng)過天線陣列發(fā)射出去。
波束控制轉(zhuǎn)換單元主要由輸入接口、譯碼單元、驅(qū)動單元、輸出接口幾部分構(gòu)成，如圖4所示。該波束波控制轉(zhuǎn)換單元中儲存有多個固定窄波束，如圖3a和3b所示。圖3a的固定波束主要包括波束300a、301a、302a、303a、304a。該波束300a的波束寬度為120度，覆蓋范圍內(nèi)的全向波束，用于公共控制信道和業(yè)務(wù)信道；該波束301a、302a、303a、304a均用于業(yè)務(wù)信道，其寬度均為30度，波束方向分別為47度、17度、-17度、-47度。移動用戶在建鏈階段使用300a號波束進(jìn)行收發(fā)，當(dāng)移動用戶進(jìn)入通話狀態(tài)時，系統(tǒng)啟動波束切換系統(tǒng)開始工作，在不影響通話的情況下，開始對移動用戶進(jìn)行方位搜索并跟蹤。即波束切換系統(tǒng)工作時，輸入接口接收來自基帶處理控制單元的所有波束號300a、301 a、302a、303a、304a，譯碼器對這些波束號進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生出控制信號總線5031、5032、5033……503M，這些控制信號總線經(jīng)驅(qū)動后經(jīng)過驅(qū)動線5051、5052、5053……505M加載到數(shù)字相移器1、數(shù)字相移器2、數(shù)字相移器3、數(shù)字相移器4……數(shù)字相移器M上，從而實現(xiàn)了不同波束的切換。圖3b的固定波束包括300b、310b、3202b、330b、311b、312b、313b、321b、322b、323b、331b、332b、333b。該波束300b的寬度為180度，覆蓋范圍內(nèi)的全向波束，用于公共控制信道和業(yè)務(wù)信道；該波束310b、320b、330b其波束寬度均為60度，波束方向分別為60度、0度、-60度，這些波束均用于業(yè)務(wù)信道；該波束311b、313b、321b、322b、323b、331b、332b、333b的波束寬度均為20度，波束方向分別為80度、60度、40度、20度、0度、-20度、-40度、-60度、-80度，這些波束均用于業(yè)務(wù)信道。移動用戶在建鏈階段使用300b號波束進(jìn)行收發(fā)；當(dāng)移動用戶進(jìn)入通話狀態(tài)時，系統(tǒng)啟動波束切換系統(tǒng)開始工作，在不影響通話的情況下，開始對移動用戶進(jìn)行方位搜索并跟蹤。即波束切換系統(tǒng)工作時，輸入接口接收來自基帶處理控制單元的所有波束號300b、310b、3202b、330b、311b、312b、313b、321b、322b、323b、331b、332b、333b，譯碼器對這些波束號進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生出控制信號總線5031、5032、5033……503M，這些控制信號總線經(jīng)驅(qū)動后經(jīng)過驅(qū)動線5051、5052、5053……505M加載到數(shù)字相移器1、數(shù)字相移器2、數(shù)字相移器3、數(shù)字相移器4……數(shù)字相移器M上，從而實現(xiàn)了不同波束的切換。
基帶處理控制單元是整個裝置的核心，主要由協(xié)議處理部分、波束控制式智能天線處理中心兩部分功能構(gòu)成，如圖2所示。其中，協(xié)議處理部分主要由主處理器和可編程邏輯器件構(gòu)成，用于完成基站時序控制、實現(xiàn)完整的協(xié)議棧處理。波束切換式智能天線處理中心主要由協(xié)處理器、可編程邏輯器件、波束切換控制輸出構(gòu)成，用于實現(xiàn)搜索、跟蹤、智能天線的算法等。
本發(fā)明的工作過程如下在上行鏈路工作時段，基站處于接收狀態(tài)?；鶐幚砜刂茊卧刂剖瞻l(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)K擲向接收位置。天線陣列上的接收數(shù)據(jù)通過數(shù)字相移器陣列、功分/合成器進(jìn)入接收單元。接收單元對接收進(jìn)來的信號進(jìn)行放、大濾波，然后送到后面的解調(diào)單元；解調(diào)單元對接收數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行處理，然后將解調(diào)后的數(shù)據(jù)送到基帶處理控制單元。同時，解調(diào)單元還計算本時隙內(nèi)接收信號強(qiáng)度指示RSSI進(jìn)行采樣計算，并送到基帶處理控制單元。基帶處理控制單元讀取、存儲本周期內(nèi)RSSI的采樣數(shù)據(jù)，以及經(jīng)解調(diào)單元405解調(diào)的接收數(shù)據(jù)幀F(xiàn)RAME，以供后續(xù)處理。
在下行鏈路工作時段，基帶處理控制單元控制收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)K擲向發(fā)射位置；另外，基帶處理控制單元將要發(fā)射的信號幀送給調(diào)制單元進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制單元將經(jīng)調(diào)制后的信號送給發(fā)射單元，發(fā)射單元對要發(fā)射信號進(jìn)行放大，并經(jīng)過功分/合成器、數(shù)字相移器陣發(fā)送到天線陣列上。
無論是上行、下行鏈路工作時段，基帶處理控制單元都會將波束號發(fā)送到波束控制轉(zhuǎn)換單元。波束控制轉(zhuǎn)換單元對波束號進(jìn)行實時譯碼，產(chǎn)生真正的控制位，并將這些控制位發(fā)送到數(shù)字相移器陣上，從實現(xiàn)了所需要的波束方位。
圖5示出本發(fā)明所涉及的典型的時分多址TDMA、時分雙工TDD工作時序圖。一個完整的工作周期由相鄰的一個上行鏈路和一個下行行鏈路組成。下行鏈路時段，基站發(fā)射，移動用戶接收；上行鏈路時段，基站接收，移動用戶發(fā)射。圖中505、506、507、508四個時隙slot為上行鏈路，509、510、511、512四個時隙slot為下行鏈路。
另外，圖5中505和509分別是一個通訊通道的上行鏈路、下行鏈路。同樣506和510分別是一個通訊通道的上行鏈路、下行鏈路；507、511分別是一個通訊通道的上行鏈路、下行鏈路；508、512分別是一個通訊通道的上行鏈路、下行鏈路。一個通訊通道上的上行鏈路和下行鏈路使用相同的接收、發(fā)射頻率。
參照圖6，本流程中設(shè)置有一個幀統(tǒng)計計數(shù)器J，N幀為一個統(tǒng)計單元時段。該流程是根據(jù)RSSI及誤幀率判決波束號的方法，它由圖2中的基帶處理控制單元完成。為了說明本方法的核心內(nèi)容，圖中只畫出了一個工作周期、針對一個時隙的工作流程，其控制波束切換的具體過程如下1.判斷本時隙是否在通話狀態(tài)，如果不在通話狀態(tài)，則將幀統(tǒng)計計數(shù)器清零，從下周期開始統(tǒng)計工作重新進(jìn)行；如果在通話狀態(tài)，則判斷幀計數(shù)器統(tǒng)計時間是否為一個統(tǒng)計單元時段，即J＝N；如果不滿一個統(tǒng)計單元時段，則結(jié)束本周期工作；2.分別設(shè)定誤幀率的門限THR_erfram為50％，接收信號強(qiáng)度指示RSSI門限THR_rssi為35dBμV，在規(guī)定的統(tǒng)計單元時段，即J＝N，則按照如圖8所示的如下步驟比較誤幀率是否超過預(yù)設(shè)定門限首先，統(tǒng)計幀計數(shù)器清零，誤幀計數(shù)器清零；其次，由每個工作周期對接收信號的質(zhì)量進(jìn)行判斷，如果為誤幀，則誤幀計數(shù)器加一；然后，在統(tǒng)計單元時段結(jié)束后，得到統(tǒng)計時段內(nèi)的總誤幀數(shù)ErrFrame，再用總誤幀數(shù)除以統(tǒng)計單元時段的幀數(shù)N，得到誤幀率，如果誤幀率沒有超過預(yù)設(shè)定門限THR_erfram，說明信號質(zhì)量良好，下個周期的波束號可以不變；如果誤幀率超過預(yù)設(shè)定門限FHR_erfram，說明信號質(zhì)量不好，這時再判決信號接收強(qiáng)度指示RSSI是否低于預(yù)設(shè)定門限THR_rssi；3.統(tǒng)計RSSI的平均值是否小于預(yù)設(shè)定門限THR_rssi，對于誤幀率超過預(yù)設(shè)定門限THR_erfram的情況，則由基帶處理控制單元按圖7所示的如下步驟，在每個周期對每個時隙的RSSI進(jìn)行采樣存取首先，統(tǒng)計幀計數(shù)器清零，接收信號強(qiáng)度指示累加器RSSI_ACC清零；其次，對一個統(tǒng)計單元時段即J＝N時段內(nèi)，對各幀的采樣值RSSI1RSSI2……RSSIN求和；然后，求平均值RSSI＝RSSI_ACC/N；4.計算下一個工作周期的控制波束號，如果信號接收強(qiáng)度指示RSSI低于預(yù)設(shè)定門限，則判定移動用戶已經(jīng)不在波束號上了，需要重現(xiàn)估計下個工作周期的控制波束號，否則波束號不變；5.將估計的波束控制號發(fā)送到波束控制轉(zhuǎn)換單元，工作周期結(jié)束。
圖9描述了圖6中所涉及的估計控制波束號的一個實例。在該實例中由于預(yù)設(shè)計波束數(shù)量少，只有5個，則控制波束采用了簡單的輪詢方式。工作時分別用這5個波束進(jìn)行掃描，并對信號場強(qiáng)及信號質(zhì)量進(jìn)行判斷，最終找到一個適合移動用戶的最佳波束方位。具體地說當(dāng)用戶移出當(dāng)前的波束覆蓋范圍時，需要重新估算新的控制波束號，其方法如下首先，先判斷當(dāng)前控制波束號BFC_num是否等于最大控制波束波束號BFC_max，當(dāng)采用5個波束時，最大波束號為4；如果當(dāng)前控制波束號BFC_num不等于最大控制波束波束號BFC_max，則新的控制波束號等于當(dāng)前控制波束號加1，即BFC_num+1；如果當(dāng)前控制波束號BFC_num等于最大控制波束波束號BFC_max，則將新的控制波束號置為最小值BFC_min，通常為0；如此，系統(tǒng)會在所有的波束范圍內(nèi)進(jìn)行輪詢掃描。
圖10更詳細(xì)地描述了圖6中所涉及的控制波束號估計的另一個實例，該系統(tǒng)使用精確估計法對移動用戶進(jìn)行精確估計，適用于對方位要求更精確的系統(tǒng)。其精確估計由兩個階段的輪詢估計組成，過程如下(1)進(jìn)行控制波束號的預(yù)估計，該步驟使用了圖3b中300b、310b、320b、330b所示的4個波束號，對移動用戶方位進(jìn)行預(yù)估計，其估計流程與圖9描述的流程相同，仍采用輪詢的方法，不同的僅僅是使用了不同波束號。
(2)在預(yù)估計的基礎(chǔ)上開始進(jìn)行控制波束的精確估計1002b，如果預(yù)估計的控制波束號位為310b，則選用如圖3b所示的311b、312b、313b三個波束進(jìn)行方位精確估計；如果預(yù)估計的控制波束號位320b，則選用如圖3b所示的321b、322b、323b三個波束進(jìn)行方位精確估計；依此類推，如果預(yù)估計的控制波束號位330b，則選用如圖3b所示的331b、332b、333b三個波束進(jìn)行方位精確估計；(3)使用不同的波束號按圖10流程精確估計控制波束方位，即依然采用輪詢的方法找到一個適合移動用戶的最佳波束方位。
本發(fā)明的基站與移動用戶進(jìn)行通信的系統(tǒng)，如圖11所示。該系統(tǒng)由基站、天線陣列兩部分構(gòu)成。該基站對不同方位的移動用戶用不同的波束進(jìn)行收發(fā)，例如對不同的移動用戶1105、1106，可分別提供具有不同收發(fā)方向的波束1103、1104。不但提高了基站與手機(jī)的通信距離、抵消了非波束方向上的干擾，而且提高了通訊質(zhì)量。當(dāng)移動用戶位置發(fā)生移動時，基站可調(diào)整波束方向，以實現(xiàn)對移動用戶的自動搜索和跟蹤。本發(fā)明基站裝置進(jìn)行波束估計時，不僅對接收信號強(qiáng)度指示進(jìn)行統(tǒng)計判決外，還對接收信號質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計判決，從而波束估計值更加準(zhǔn)確可信，同時，本發(fā)明使用輪詢和波束精確估計相結(jié)合的方法，使得波束估計更精確、速度更快。圖13本發(fā)明的基站在兩個移動用戶通話時，用示波器抓取的控制信號波形的一個實時快照示意圖。撥通一對手機(jī)，它們分別占用了時隙Slot2和時隙Slot4，然后分別移動兩個手機(jī)。當(dāng)占據(jù)Slot2時隙的手機(jī)移到1號波束方位，即與圖3a中的301a對應(yīng)，而占據(jù)Slot4的手機(jī)移動到3號波束方位，即與圖3a中的303a對應(yīng)時，用示波器抓到快照。
波形1301是基站內(nèi)部收發(fā)控制信號波形，該波形信號與圖5所示的一幀信號相對應(yīng)；波形1302是基站內(nèi)時隙控制信號波形，每個時隙為625微秒；波形1303是不同時隙的實時波束控制號，即3比特位。
本發(fā)明的效果測試對兩個移動用戶通過本發(fā)明基站通話的控制信號波形進(jìn)行抓取快照，當(dāng)一對手機(jī)撥通時，它們分別占用了時隙Slot2和時隙Slot4；然后分別移動兩個手機(jī)，當(dāng)占據(jù)Slot2時隙的手機(jī)移到1號波束方位，即與圖3a中的301a對應(yīng)、而占據(jù)Slot4的手機(jī)移動到3號波束方位，即與圖3a中的303a對應(yīng)時，用示波器抓到快照的波形如圖12所示。圖中波形1301是基站內(nèi)部收發(fā)控制信號波形，該波形信號與圖5所示的一幀信號相對應(yīng)；波形1302是基站內(nèi)時隙控制信號波形，每個時隙為625微秒；波形1303是不同時隙的實時波束控制號，即3比特位。從圖12所描述的移動用戶所在波束方位與實際控制波束號之間的對應(yīng)關(guān)系可以看出Slot2對應(yīng)的波束控制號為1，Slot4對應(yīng)的波束控制號為3，它們與手機(jī)所在的方位完全對應(yīng)。事實上，當(dāng)手機(jī)在覆蓋范圍內(nèi)移動時，波形1303可以實時跟蹤并調(diào)整到手機(jī)所在的方位。正是由于基站能夠搜索、跟蹤用戶方位，并且只在用戶方位上進(jìn)行無線信號的收發(fā)。使得本發(fā)明方法及基站的接收靈敏度得到提高，并且具有很好的抗干擾能力、抗多徑衰落能力，從而提高了通訊質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種基于波束切換式智能天線的移動通信基站，包括多單元天線和數(shù)字相移器陣列，用于根據(jù)移動用戶的上行信號場強(qiáng)和信號質(zhì)量，估計移動用戶的方位，對準(zhǔn)移動用戶進(jìn)行收發(fā)；功分器，用于在上行鏈路階段，將多路接收信號合成為一路信號，在下行鏈路階段將經(jīng)過發(fā)射單元的發(fā)射信號分配到多路天線上；接收單元，用于完成在上行鏈路階段對數(shù)據(jù)幀的接收、放大、濾波工作；解調(diào)單元，用于完成對接收信號的解調(diào)，并將已解調(diào)信號送給基帶處理單元進(jìn)行再處理；RSSI采樣單元，用于完成對各個通道接收信號強(qiáng)度指示的數(shù)據(jù)采集；調(diào)制單元，用于完成在下行鏈路階段，從基帶處理單元接收待解調(diào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，然后將調(diào)制數(shù)據(jù)送給發(fā)射單元；發(fā)射單元，用于將調(diào)制好的數(shù)據(jù)幀發(fā)射出去；基帶處理控制單元，用于控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作時序，完成信號處理，控制收發(fā)射開關(guān)轉(zhuǎn)換及進(jìn)行波束切換控制；波束控制轉(zhuǎn)換單元，存有多種固定波束，用于將基帶處理單元送來的波束號進(jìn)行譯碼，然后將該波束加載到數(shù)字相移器的控制端，實現(xiàn)對所需收發(fā)波束的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動通信基站，其中基帶控制處理單元包括協(xié)議處理單元和波束切換式智能天線處理中心單元，該協(xié)議處理單元由可編程邏輯器件1和主處理器組成，主要完成基站時序控制、實現(xiàn)完整的協(xié)議棧處理；該波束切換式智能天線處理中心單元由協(xié)處理器、可編程邏輯器件2和波束切換控制輸出軟件組成，主要完成搜索、跟蹤和實現(xiàn)波束切換控制。
3..根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動通訊基站，其中波束控制轉(zhuǎn)換單元主要由輸入接口、譯碼單元、驅(qū)動單元、輸出接口構(gòu)成，輸入接口接收來自基帶處理單元的波束號，譯碼器對波束號進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生出控制信號總線，這些控制信號總線經(jīng)驅(qū)動后轉(zhuǎn)換為數(shù)字相移器陣列的控制信號，加載到數(shù)字相移器上實現(xiàn)對不同波束的切換。
4.所述的基帶處理單元進(jìn)行波束切換控制的方法，按如下過程進(jìn)行(1)控制時隙上由于承載公共信息，使用覆蓋范圍內(nèi)的全向波束覆蓋，在移動用戶的業(yè)務(wù)時隙語音階段開始啟用波束切換；(2)針對一個移動用戶，每個工作周期接收通道上經(jīng)過解調(diào)后的接收信號數(shù)據(jù)，N幀為一個統(tǒng)計單元時段，接收信號為FRAME1、FRAME2、......FRAMEN；(3)針對一個移動用戶，每個工作周期對接收通道上的接收信號強(qiáng)度指示進(jìn)行采樣，N幀為一個統(tǒng)計單元時段，接收信號強(qiáng)度指示分別為RSSI1、RSS2、......RSSIN；(4)針對一個移動用戶，在一個統(tǒng)計單元時段內(nèi)，對采集到的RSSI1、RSS2、......RSSIN進(jìn)行統(tǒng)計平均得到RSSI；(5)針對一個移動用戶，對統(tǒng)計單元時段的每一幀接收數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行判決，并統(tǒng)計誤幀率；(6)將得到的RSSI值以及誤幀率與預(yù)設(shè)定門限進(jìn)行比較，估計移動用戶是否在目前所在波束方位上；(7)如果移動用戶在目前信號方位內(nèi)，則下一個統(tǒng)計單元時段內(nèi)，依然使用與本統(tǒng)計單元時段相同的波束方位進(jìn)行收發(fā)，并重復(fù)(2)～(6)；(9)如果移動用戶不在當(dāng)前波束方位上，則下一個統(tǒng)計單元時段內(nèi)，波束方位自動切換到另外一個波束方位上，并重復(fù)(2)～(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的波束切換方法，其中對信號的質(zhì)量判決包括兩個方面一是判決接收信號數(shù)據(jù)幀F(xiàn)RAME中“唯一識別字”是否正確；二是判決接收信號數(shù)據(jù)幀F(xiàn)RAME的校驗結(jié)果是否正確。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的波束切換方法，其中將誤幀率與預(yù)設(shè)定門限進(jìn)行比較的步驟如下首先，統(tǒng)計幀計數(shù)器清零，誤幀計數(shù)器清零；其次，由每個工作周期對接收信號的質(zhì)量進(jìn)行判斷，如果為誤幀，則誤幀計數(shù)器加一；然后，在統(tǒng)計單元時段結(jié)束后，得到統(tǒng)計時段內(nèi)的總誤幀數(shù)ErrFrame，再用總誤幀數(shù)除以統(tǒng)計單元時段的幀數(shù)N，得到誤幀率，如果誤幀率沒有超過門限，則下個周期的波束號不變；如果誤幀率超過門限，再判決信號接收強(qiáng)度指示是否低于規(guī)定的門限。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于波束切換式智能天線的移動通訊基站及波束切換方法。在上行鏈路時段，基帶處理控制單元控制收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)為接收位置，天線陣列上的接收數(shù)據(jù)通過數(shù)字相移器陣列、功分/合成器進(jìn)入接收單元放大、濾波后進(jìn)入解調(diào)，將解調(diào)后的數(shù)據(jù)送到基帶處理控制單元；在下行鏈路時段，基帶處理控制單元控制收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)為發(fā)射位置，并將要發(fā)射的信號幀送給調(diào)制單元調(diào)制后，送給發(fā)射單元放大，并經(jīng)過功分/合成器、數(shù)字相移器陣發(fā)送到天線陣列上；在上、下行鏈路時段，基帶處理控制單元均要將波束號發(fā)送到波束控制轉(zhuǎn)換單元，對波束號進(jìn)行實時譯碼，產(chǎn)生真正的控制位，再發(fā)送到數(shù)字相移器陣上實現(xiàn)波束切換。本發(fā)明適用于TDMA、TDD的PHS移動通訊系統(tǒng)。
文檔編號H01Q3/26GK1688170SQ200510042658
公開日2005年10月26日 申請日期2005年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月11日
發(fā)明者陳華強(qiáng), 宗瑞良, 任衛(wèi)軍, 王博明, 李淑娟 申請人:西安海天天線科技股份有限公司