CN102469469A

CN102469469A - 一种车载双通道纠偏直放站

Info

Publication number: CN102469469A
Application number: CN2010105482411A
Authority: CN
Inventors: 覃喜传; 曾祥坚; 卢丰华
Original assignee: Shenzhen Guoren Communication Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Guoren Communication Co Ltd
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2012-05-23

Abstract

一种车载双通道纠偏直放站，包括：连接第一施主天线的第一双工器，连接第二施主天线的第二双工器以及重发端双工器，含有下行PA和AFC模块的双通道下行链路，包括上行LNA、上行选频单元、功分器以及两个上行功放的双通道上行链路；具有AFC纠偏和AGC功能，通过AFC模块适时选择双通道中的至少一个通道的主用下行信号进行频率补偿，避免了高速运动中多普勒频移对小区信号切换的影响，保证高速移动的终端能正常解调基站的信号，解决了因频偏导致终端掉话、通话质量差和数据下载慢问题，配合双施主天线广泛适用于移动体如高铁车厢内的通信信号高质量覆盖。

Description

一种车载双通道纠偏直放站

技术领域

本发明涉及一种用于高铁车厢的双通道纠偏直放站，本发明方案适用于高速铁路火车车厢内移动通信信号覆盖，能够理想地解决移动通信的小区切换的问题。

背景技术

在高速场景下，如高铁车厢用户的移动速度最快可以达到430Km/h，移动速度对于移动通信网络将产生如下影响：1.速度的提高带来较大的多普勒频移和一定程度上的多普勒频率弥散，从而使下行信号信噪比下降；2.高速运动在单位时间内增加小区切换的次数；3.高速运动将恶化对小区切换的成功率；4.高速运动环境下信号将产生快衰落现象，导致终端掉话；5.由于高速火车车厢密闭，因此车厢的穿透损耗将影响到信号覆盖的质量。

当终端在高速环境中，当火车达到400Km/h，根据高铁专网覆盖的方案，GSM的最大频偏达到450Hz，TD-SCDMA达到750Hz。参照终端运行环境图5，当射频拉远单元RRU1和RRU2为同一个小区时，终端接收到RRU1和RRU2的信号是同一个频段的信号，但由于终端在高速运动中，接收到RRU1为负偏和RRU2为正偏的同一小区的信号，对于终端，由于多普勒频偏，当频偏很大，超过手机接收频偏的范围时，手机将掉话；同时，RRU1和RRU2之间，终端主用的一路信号将另外一路信号视为同频干扰信号，此时在RRU1和RRU2中的切换带，主用信号和干扰信号的强度相当，此时终端极有可能掉话。

当RRU1和RRU2为不同小区的信号，而高铁专网为异频组网，所以RRU1和RRU2为两个不同频段的信号。当终端由RRU1往RRU2高速运送时，主用信号将由RRU1切换到RRU2。当终端在切换带中，RRU1的频偏越来越大，信号越来越弱，RRU2的频偏将越来越小，信号越来越强。若RRU1的频偏超出了手机接收频偏的范围，同时由于快衰落，场强迅速变弱，若此时RRU2的频偏没有达到手机接收频偏的范围，同时场强也没有达到切换门限，既有可能切换不成功而掉话。

发明内容

为解决高速环境下，如上述高速铁路火车车厢内，对移动通信信号覆盖质量所产生的影响，本发明提供一种车载双通道纠偏直放站，以解决高速铁路火车车厢内移动通信信号覆盖，特别是移动通信的小区切换问题。

本发明车载双通道纠偏直放站，包括：连接第一施主天线的第一双工器，连接第二施主天线的第二双工器以及重发端双工器，第一、二双工器和重发端双工器之间分别设有双通道下行链路和双通道上行链路；其中，双通道下行链路包括：下行PA(功放)和AFC(自动频率控制)模块，AFC模块的两输入端分别连接第一双工器下行信号输出端和第二双工器下行信号输出端，AFC模块输出端通过下行PA接重发端双工器的下行信号输入端；AFC模块用于选择双通道中的至少一个通道的主用下行信号进行频率补偿，将补偿后的下行信号向后传输，并且为上行提供下行ALC起控深度数控衰减信号；双通道上行链路包括：依次连接的上行LNA(上行低噪放大器)、上行选频单元和功分器，功分器的一路输出通过第一上行功放接第一双工器的上行信号输入端，功分器的另一路输出通过第二上行功放接第二双工器的上行信号输入端，第一、二上行功放的控制端连接AFC模块输出的下行ALC起控深度数控衰减信号。

其中，所述双通道下行链路中的AFC模块包括：依次连接的第一下行LNA(低噪放大器)和第一下变频器，用于对一个通道中的下行信号放大和下变频处理；依次连接的第二下行LNA和第二下变频器，用于对另一个通道中的下行信号放大和下变频处理；两个A/D变换器，两者的输入端分别连接第一、第二下变频器输出，用于分别将第一、第二下变频器输出的中频信号变换成数字中频信号；FPGA，FPGA分别连接两个A/D变换器，对两个A/D变换器输出的数字中频信号进行频率检测，并与基准频率进行比较，获得多普勒频偏值并进行补偿；及，D/A变换器和上变频器，D/A变换器连接于FPGA与上变频器之间，它将FPGA补偿后的数字中频信号变换成模拟中频信号，由上变频器上变频处理后传输给下行PA。

所述AFC模块还包括第一下行滤波器和第二下行滤波器，前者连接于第一下行LNA和第一下变频器1之间，后者连接于第二下行LNA和第二下变频器2之间。

用于车载双通道纠偏直放站的一种AFC模块，包括：依次连接的第一下行LNA和第一下变频器，用于对一个通道中的下行信号放大和下变频处理；依次连接的第二下行LNA和第二下变频器，用于对另一个通道中的下行信号放大和下变频处理；两个A/D变换器，两者的输入端分别连接第一、第二下变频器输出，用于分别将第一、第二下变频器输出的中频信号变换成数字中频信号；FPGA，FPGA分别连接两个A/D变换器输出，对两个A/D变换器输出的数字中频信号进行频率检测，并与基准频率进行比较，获得多普勒频偏值并进行补偿；及，D/A变换器和上变频器，D/A变换器连接于FPGA与上变频器之间，它将FPGA补偿后的数字中频信号变换成模拟中频信号，由上变频器上变频处理后传输给下行PA。

本发明车载双通道纠偏直放站具有AFC纠偏功能，通过AFC模块适时选择双通道中的至少一个通道的主用下行信号进行频率补偿，避免了高速运动中多普勒频移对小区信号切换的影响，保证高速移动的终端能正常解调基站的信号，解决了因为频偏导致终端掉话、通话质量差和数据下载慢问题。

同时具有AGC功能，保证高速运动车厢室内信号相对稳定，上下行增益保持平衡。

本发明直放站和双施主天线配合，使高速运动的火车车厢室内移动通信网络的覆盖质量明显得到改善。经过实验室对比测试表明：1.加入本发明直放站后，GSM语音误码率、TD-SCDMA语音误块率明显下降；2.加入本发明直放站后，EGDE的数据误块率、TD-SCDMA的数据误块率明显下降；3.加入本发明直放站后，EGDE的数据吞吐量、TD-SCDMA的数据吞吐量明显上升。

为适应车载要求，本发明直放站采用19英寸标准机箱，功耗低，电压适应范围宽，能够在-25℃～+70℃环境温度下工作，能够抵抗振动、吹尘、盐雾、霉菌较恶劣的环境。

使用本发明直放站能够降低运营商成本：以全程为1318km京沪高铁为例，终端满足条件：GSM，-75dBm；TD-SCDMA，-80dBm。车厢数为：1600～4000节车厢。根据COST-HATA模型理论计算，不使用本发明车载纠偏直放站和使用本发明车载纠偏直放站所需的设备对比如下表：

	无车载纠偏直放站(台)	有车载纠偏直放站(台)
			GSM BTS	1830	439
TD-SCDMA RRU	2745	878
			车载纠偏直放站	0	200～500
车载干放	0	400～1000
			总和	4575	1917～2817

明显看到使用车载纠偏直放站后，GSM基站和TD-SCDMA RRU数量明显下降，所有设备总数也明显下降，大大降低运营商建站的成本和减少各种物业问题。

附图说明

图1为本发明的车载双通道纠偏直放站原理框图；

图2为图1中AFC模块放大图；

图3为在高铁车厢内安装图1直放站实现车厢内移动通信信号稳定覆盖方案示意图；

图4为图1直放站与两个施主天线配合实现双通道信号接收示意图；

图5为现有终端在高速运行环境的接收示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明。

参照图1、2，车载双通道纠偏直放站包括：第一双工器1、第二双工器2以及重发端双工器5，第一、二双工器和重发端双工器之间分别设有双通道下行链路和双通道上行链路。双通道下行链路包括：下行PA 4和AFC(自动频率控制)模块3；AFC模块3的两输入端分别连接第一双工器1下行信号输出端和第二双工器2下行信号输出端，AFC模块输出端通过下行PA4接重发端双工器5的下行信号输入端；AFC模块用于选择双通道中的至少一个通道的主用下行信号进行频率补偿，并且为上行提供下行ALC起控深度数控衰减信号。双通道上行链路包括依次连接的上行LNA6、上行选频单元7和功分器8，功分器8的一路输出通过第一上行功放10接第一双工器1的上行信号输入端，功分器8的另一路输出通过第二上行功放9接第二双工器2的上行信号输入端，AFC模块3输出的下行ALC起控深度数控衰减信号接到第一、二上行功放10、9的控制端，以便根据下行链路增益调节上行链路增益，保证上行电平的相对稳定。

上述双通道下行链路中的AFC模块3包括：依次连接的第一下行LNA30、第一下行滤波器31和第一下变频器32，用于对一个通道中的下行信号放大和下变频处理；依次连接的第二下行LNA33、第二下行滤波器34和第二下变频器35，用于对另一个通道中的下行信号放大和下变频处理；A/D变换器36和37，两者的输入端分别连接第一、二下变频器32、35输出，用于将第一、二下变频器输出的中频转信号变换成数字中频信号；FPGA38，FPGA连接A/D变换器36和37，对两个A/D变换器输出的数字中频信号进行频率检测，并与基准频率进行比较，获得多普勒频偏值并进行补偿；及，D/A变换器39和上变频器3A，D/A变换器39连接于FPGA38与上变频器3A之间，它将FPGA 38补偿后的数字中频信号变换成模拟中频信号，由上变频器3A上变频处理传输给下行PA 4。

根据实际测试情况，侧向穿透损耗大约为20dB。终端在高速运动状态下，信号处于快衰落状态，加上车厢穿透损耗，终端在车厢内接收的信号时有时无，无法正常通信。因此解决车厢室内的信号覆盖，必须采取以下技术措施：

措施1，如下图3、图4所示，在车厢内部增加如图1所示车载双通道纠偏直放站，保证信号强度能满足终端的通信需求，并且保持信号稳定。并在车厢顶设置第一、二施主天线，将第一、二施主天线分别连接该直放站的第一、二双工器，第一施主天线接收的相邻两个RRU的下行信号输入双通道下行链路的通道1，第二施主天线接收相邻两个RRU的下行信号输入双通道下行链路的通道2；经过该直放站处理、放大之后，可通过一外接功分器将信号分别接入一对漏缆，通过漏缆使泄漏部分信号覆盖车厢。

如图5所示，高速运行的终端同时接收到RRU1和RRU2的信号，如果直放站只用一根施主天线，那么直放站无法同时对RRU1和RRU2进行频率纠正。因此本方案提出双通道设计方案，如图4所示，两个施主天线分别朝向相邻两个RRU1和RRU2，第一施主天线接收的相邻两个RRU的下行信号输入双通道下行链路的通道1，第二施主天线接收相邻两个RRU的下行信号输入双通道下行链路的通道2；直放站根据每个通道检测到RRU1和RRU2的不同强度，通过AFC模块3判断选择每一个通道的主用下行信号，并选择双通道中的一个或两个通道的主用下行信号进行频率补偿，补偿后通过下行PA、外接功分器及漏缆向终端传输。

措施2，由于信号的快衰落，导致用户终端接收到的信号不稳定，因此当车厢内增加信号覆盖时，直放站必须实现下行ALC功能，满足下行ALC控制20dB的范围，下行链路根据输出功率自动调节增益，使车厢内电平保持相对稳定，且保证满足终端的接收电平需求。

措施3，由于信号的快衰落，下行输入功率变化幅度大，而直放站的输出功率保持恒定，所以下行的增益时刻在变化，而要保持上下行增益平衡，必须实现上下行增益联动功能，即上行AGC功能。直放站根据下行链路增益调节上行链路增益，保证上行电平的相对稳定，具体设计以下行起控深度来实现上行数控衰减，即当下行ALC起控Δx dB时，上行的增益将衰减Δx dB。

措施4，由于终端在高速运送中，将产生多普勒频偏，GSM和TD-SCDMA在高速四百公里时的频偏最大分别达到450Hz和750Hz，手机接受多普勒频偏是在200Hz以内，超过200Hz通话质量将受到影响。而多普勒频移对数据下载也存在很大的影响，当多普勒频移越大，数据下载越慢。因此，车载双通道纠偏直放站增加了AFC(自动频率控制)纠偏的功能，把偏离频点的频率补偿回来，保证手机能正常解调基站的信号。

措施5，由于高速运动，单位时间内小区切换的次数将增加，因此，引入车载双通道纠偏直放站，扩大小区的覆盖范围，从而在单位时间内降低小区切换的次数。

车载直放站接收的RRU1和RRU2的信号，由AFC模块检测，两者为同频时，即RRU1和RRU2的频率相差不超过2KHz(当前开发的制式为GSM900和TD-SCDMA B频段设备，GSM900在400Km/h时最大频偏为450Hz，TD-SCDMA在400Km/h时最大频偏为750Hz，频率差值可以在软件程序中更改)，此时RRU1和RRU2为同一小区，反之为不同小区。

其中，通信信号的同频小区切换方法包括如下步骤：

a.车载直放站从前一个RRU1向后一个RRU2运动，开始进入双通道下行链路的通道1的RRU1的下行信号很强(由第一施主天线正面接收)，进入通道1的的RRU2的信号很弱(由第一施主天线正面接收)，通道1主用RRU1的信号；进入通道2的RRU2下行信号(由第二施主天线正面接收)比进入通道2(由第二施主天线背面接收)的RRU1的下行信号远小于6dB(该门限值可以设置，如设置为8dB或3dB)，通道2主用RRU1的信号；并且进入通道1的RRU1的下行信号远大于进入通道2的RRU1的下行信号，所以AFC模块以通道1中的RRU1下行信号的频率为基准进行频率补偿，使纠偏后下行信号向重发端传输，并检测通道2的信号；同时终端上行信号通过双通道上行链路上传；

b.火车往前运动，当进入通道2的RRU2的下行信号(由第二施主天线正面接收)超过进入通道2的RRU1的下行信号(由第二施主天线背面接收)时，通道2主用RRU2下行信号，此时通道1主用的RRU1下行信号仍比通道2主用的RRU2的下行信号强6dB(或8dB或3dB)，所以AFC模块以通道1中的RRU1下行信号的频率为基准进行频率补偿，使纠偏后下行信号向重发端传输，并检测通道2的信号；同时终端上行信号通过双通道上行链路上传；

c.火车继续往前运动，当通道2主用的RRU2下行信号(由第二施主天线正面接收)比通道1主用的RRU1下行信号(由第一施主天线正面接收)大6dB(或8dB或3dB)时，此时，通道1的RRU2下行信号(由第一施主天背面接收)、通道2的RRU1下行信号(由第二施主天背面接收)远小于通道2主用的的RRU2下行信号(由第二施主天线正面接收)，所以AFC模块以通道2中的RRU2下行信号的频率为基准进行频率补偿，使纠偏后下行信号向重发端传输，并检测通道1的信号；同时终端上行信号通过双通道上行链路上传，直至该直放站垂直于RRU2。

在步骤a、b中，所述AFC模块以通道1中的RRU1下行信号的频率为基准频率补偿方法是：使该RRU1下行信号由第一下行LNA30放大，经第第一下行滤波器31滤波后，输入第一下变频器32进行下变频处理，获得中频信号经过A/D变换器36变换为数字中频信号；FPGA 38检测该数字中频信号的频率，将检测值与基准频率进行比较，得到多普勒频偏值，根据该多普勒频偏值进行频率补偿；将频率补偿后的数字中频信号经过D/A变换器39变换成模拟中频信号，再由上变频器3A上变频处理传输给下行PA 4。

在步骤c中，所述AFC模块以通道2中的RRU2下行信号的频率为基准频率补偿方法是：使该RRU2下行信号由第二下行LNA33放大，经第二下行滤波器34滤波后，输入第二下变频器35进行下变频处理，获得的中频信号经过A/D变换器37变换成数字中频信号；FPGA38检测该数字中频信号的频率，将检测值与基准频率进行比较，得到多普勒频偏值，根据该多普勒频偏值进行频率补偿；将频率补偿后的数字中频信号经过D/A变换器39变换成模拟中频信号，再由上变频器3A上变频处理传输给下行PA4。

其中，通信信号异频小区切换方法如下：

①.车载直放站从前一个RRU1向后一个RRU2运动，开始进入通道1、2的RRU1的下行信号均很强(分别由第一施主天线正面接收、第二施主天线背面接收)，并且进入通道1的RRU1的下行信号远大于进入通道2的RRU1的下行信号，通道1、2均主用RRU1下行信号，AFC模块以通道1中的RRU1下行信号的频率为基准进行频率补偿，使纠偏后下行信号向重发端传输，并检测通道2的信号；同时终端上行信号通过双通道上行链路上传；

②.火车往前运动，当进入通道2的RRU2的下行信号比进入通道2的RRU1的下行信号大于等于6dB(该门限值可以设置，如设置为8dB或3dB)时，通道2主用RRU2下行信号，AFC模块以通道1中的RRU1下行信号的频率为基准和通道2中的RRU2下行信号的频率为基准分别进行频率补偿，将纠偏后的RRU1的下行信号和RRU2的下行信号向重发端传输；同时终端上行信号通过双通道上行链路上传；

③.火车继续往前运动，进入通道1的RRU1的下行信号比进入通道1的RRU2的下行信号小于等于6dB(或8dB或3dB)时，通道1主用RRU2下行信号，此时通道1主用的RRU2的下行信号远小于通道2主用RRU2的下行信号6dB(或8dB或3dB)，AFC模块仅仅以通道2中的RRU2下行信号的频率为基准进行频率补偿，补偿后的RRU2下行信号向重发端传输；同时终端上行信号通过双通道上行链路上传。

其步骤①、②中所述AFC模块以通道1中的RRU1下行信号的频率为基准频率补偿方法同上述步骤a、b中的以通道1中的RRU1下行信号的频率为基准频率补偿方法。

其步骤②、③中所述AFC模块以通道2中的RRU2下行信号的频率为基准频率补偿方法和上述步骤c中的所述AFC模块以通道2中的RRU2下行信号的频率为基准频率补偿方法相同。

实验室测试结果如下：

1、不考虑多径干扰测试结果：

GSM900(下行：936～954MHz，上行：891～909MHz)测试前后数据对比见表1。

表1

由表1测试前后数据对比可得：不考虑多径干扰情况下，GSM900终端的速度越大，当无图1、4直放站时，语音误码率、数据误块率、数据吞吐量恶化越严重，当加图1、4直放站后，语音误码率、数据误块率、数据吞吐量得到明显的改善，速度越大，改善的效果越明显

TD-SCDMA(2010～2015MHz)测试前后数据对比见表2。

表2

由表2测试前后数据对比可得：不考虑多径干扰情况下，TD-SCDMA终端速度越大，当无图1、4直放站时，语音误率、数据误块率、数据吞吐量恶化越严重，当加图1、4直放站后，语音误码率、数据误块率、数据吞吐量得到明显的改善，速度越大，改善的效果越明显

2、考虑多径干扰测试结果：

GSM900(下行：936～954MHz，上行：891～909MHz)测试前后数据对比见表3。

表3

由表3测试前后数据对比可得：考虑多径干扰情况下，GSM900终端的速度越大，当无图1、4直放站时，语音误码率、数据误块率、数据吞吐量恶化越严重，当加图1、4直放站后，语音误码率和数据误块率得到明显改善，而数据吞吐量的改善效果差一些。

TD-SCDMA(2010～2015MHz)测试前后数据对比见表4。

表4

由表1、4测试前后数据对比可得：考虑多径干扰情况下，TD-SCDMA终端速度越大，当无图4直放站时，语音误率、数据误块率、数据吞吐量恶化越严重，当加图1、4直放站后，语音误码率、数据误块率、数据吞吐量得到明显的改善，速度越大，改善的效果越明显。

Claims

1.一种车载双通道纠偏直放站，其特征是包括：

连接第一施主天线的第一双工器，连接第二施主天线的第二双工器以及重发端双工器，第一、二双工器和重发端双工器之间分别设有双通道下行链路和双通道上行链路；其中，

双通道下行链路包括：下行PA和AFC模块，AFC模块的两输入端分别连接第一双工器下行信号输出端和第二双工器下行信号输出端，AFC模块输出端通过下行PA接重发端双工器的下行信号输入端，AFC模块用于选择双通道中的至少一个通道的主用下行信号进行频率补偿，并且为上行提供下行ALC起控深度数控衰减信号；

双通道上行链路包括：依次连接的上行LNA、上行选频单元和功分器，功分器的一路输出通过第一上行功放接第一双工器的上行信号输入端，功分器的另一路输出通过第二上行功放接第二双工器的上行信号输入端，第一、二上行功放的控制端连接AFC模块输出的下行ALC起控深度数控衰减信号。

2.根据权利要求1的车载双通道纠偏直放站，其特征是所述AFC模块包括：

依次连接的第一下行LNA和第一下变频器，用于对一个通道中的下行信号放大和下变频处理；

依次连接的第二下行LNA和第二下变频器，用于对另一个通道中的下行信号放大和下变频处理；

两个A/D变换器，两者的输入端分别连接第一、第二下变频器输出，用于分别将第一、第二下变频器输出的中频信号变换成数字中频信号；

FPGA，FPGA分别连接两个A/D变换器输出，对两个A/D变换器输出的数字中频信号进行频率检测，并与基准频率进行比较，获得多普勒频偏值并进行补偿；及，

D/A变换器和上变频器，D/A变换器连接于FPGA与上变频器之间，它将FPGA补偿后的数字中频信号变换成模拟中频信号，由上变频器上变频处理后传输给下行PA。

3.根据权利要求2的车载双通道纠偏直放站，其特征是：所述AFC模块还包括第一下行滤波器和第二下行滤波器，前者连接于第一下行LNA和第一下变频器之间，后者连接于第二下行LNA和第二下变频器之间。

4.用于车载双通道纠偏直放站的一种AFC模块，其特征是包括：依次连接的第一下行LNA和第一下变频器，用于对一个通道中的下行信号放大和下变频处理；依次连接的第二下行LNA和第二下变频器，用于对另一个通道中的下行信号放大和下变频处理；两个A/D变换器，两者的输入端分别连接第一、第二下变频器输出，用于分别将第一、第二下变频器输出的中频信号变换成数字中频信号；FPGA，FPGA分别连接两个A/D变换器输出，对两个A/D变换器输出的数字中频信号进行频率检测，并与基准频率进行比较，获得多普勒频偏值并进行补偿；及，D/A变换器和上变频器，D/A变换器连接于FPGA与上变频器之间，它将FPGA补偿后的数字中频信号变换成模拟中频信号，由上变频器上变频处理后传输给下行PA。

5.根据权利要求4的车载双通道纠偏直放站，其特征是：所述AFC模块还包括第一下行滤波器和第二下行滤波器，前者连接于第一下行LNA和第一下变频器之间，后者连接于第二下行LNA和第二下变频器之间。