CN1336044A - 多发射机*** - Google Patents

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Abstract

一种无线收发信台避免了或者不使用多波束天线或者使用多载波功率放大器的现有设备的问题,它允许将来自几个收发信机的信号选择性地导向一个有低损耗的天线。该无线收发信台包括一个天线***,该***有多个波束,多个无线发射机,每个无线发射机包括一个基带部分和一个有单载波射频功率放大器的射频部分,还有多个滤波器,它们分别连接到多个无线发射机并可调谐到由各自的无线发射机产生的各个载波信号,以及一个开关矩阵,用来将滤波器中被选择的那些连接到天线***,以使得由发射机产生和由单载波射频功率放大器放大的载波信号可以通过被选择的波束发射。每个发射机可以独立于其它发射机而连接到每个天线波束。

Description

多发射机***
                    背景
本发明一般涉及电信，具体涉及蜂窝无线通信。
象蜂窝和卫星无线电话***这样的现代通信***，采用各种运行模式(模拟、数字以及混合)和接入技术，如频分多址接入(FDMA)、时分多址接入(TDMA)、码分多址接入(CDMA)以及这三种技术的混合。
在北美，将使用TDMA的数字蜂窝无线电话***称作数字高级移动电话业务(D-AMPS)，其某些特征在电信行业协会和电子行业协会(TIA/EIA)出版的TIA/EIA/IS-136标准中被详细说明。TIA/EIA/IS-95标准中详细说明了另一个使用直接序列CDMA的数字通信***，EIASP3389标准(PCS1900)中详细说明了跳频CDMA通信***。PCS1900标准是一种在北美之外通用的全球移动通信***(GSM)的实现，并且该***被引入北美用于个人通信业务(PCS)***。
在这些通信***中，通过频率在800兆赫兹(MHz)、900MHz、1800MHz和/或1900MHz附近的频率调制的无线载波信号来实现。在TDMA***甚至不同程度地在CDMA***中，每个无线信道被划分为一系列时隙，其中的每一个时隙含有一个用户的信息块。这些时隙被分组成连续的帧，每个帧有一个预定时长，这些连续的帧被分组成连续的通常被称作超帧的帧。通信***使用的接入技术的种类(如TDMA或CDMA)影响用户信息在时隙和帧上如何表达，但目前的接入技术都使用一种时隙/帧结构。
为这些蜂窝无线通信***建立更好的天线***的努力正在得到越来越多的注意。特别是，多波瓣天线频繁地被提及作为小区规划的下一次  革命，使用这种天线的***的例子正在针对GSM***和宽带CDMA***开发。使用多波瓣天线的一些原因将从下面的讨论中变得明显。
图1表示传统的蜂窝无线通信***100的一个例子，它包括连接到多个相应的天线130a-130n的多个无线基站(RBS)170a-170n。RBS/天线组合的无线覆盖范围由相应的小区110a-110n表示，仅为方便起见，用六边形表示这些小区。RBS 170a-170n，连同天线130a-130n与多个位于小区110a-110n中的远程终端(RT)120a-120m(例如，移动台)通信。用于从一个RBS发送信号到一个RT的通信链路通常被称作下行链路，而用于从一个RT发送信号到一个RBS的通信链路通常称作上行链路。
RBS 170a-170n连接到移动电话交换局(MTSO)150，它的其中一种任务是协调RBS的活动，如在通信链路从一个RBS或小区切换到另一个的过程中。MTSO可以连接到另一个通信网络，如公用交换电话网160，它通过类似电话180a、计算机180b和传真机180c的各种通信设备为用户服务。
图2给出了一个典型的GSM类型的通信***。每个RBS170典型地处理多个控制和业务信道，它们通过由控制器174监视的多个收发信机(TRX)172来承载话音、传真、视频和其它信息。每个TRX 172可以看作有一个基带部分176，它用来对于下行链路从基站控制器(BSC)140接收信息信号帧，以及一个射频(RF)部分178，它恰当地用部分信息信号帧(如一个时隙或多个时隙)来调制RF载波信号。另外在图2的示范蜂窝***中示出的是一个RT120，它包括用来在业务和控制信道上与RBS通信的一个收发信机122，以及一个用来控制该RT的操作的处理器124。
TRX通过天线130发送和接收信号，只是为了解释方便起见，该天线被示为独立地连接到单独的TRX。由于GSM***可以为导向一个特定RT的每个信息信号帧中的不同部分(例如时隙或脉冲串)使用不同载波，所以每个TRX的RF部分实现载波频率跳跃。典型地控制多个RBS的BSC“知道”每个RBS中有多少个TRX并分配多个载波(例如8个)给每个TRX。这样，由BSC从MTSO150接收到的信息信号帧或脉冲串可以基于包含在信号帧中的信息单元被导向特定的RBS 170中的特定TRX172上；余下则由RBS处理这些帧以及载波跳频时隙到合适的TRX的分布。每个基带部分176包括检查从BSC接收到的信息的处理器，并且基于每个时隙期望的载波指示，恰当的基带部分将时隙信息传送到其相关的RF部分178以传输到特定的RT。
处理控制信道的TRX将控制消息(例如由RBS和RT交换的呼叫-或会话-建立消息和由RT用来同步它们的收发信机到RBS的帧/时隙/比特结构的同步消息)广播到锁定于该控制信道的RT。应当理解，TRX172可以作为用于共享相同载波信号的控制和业务信道的单一设备来实现。
给定小区中的下行链路会因运行在相同频带的其它RBS或发射机所发送的信号而降低质量。一个频率重用方案通过将潜在干扰小区彼此尽可能远地定位，来减轻这种干扰。传输功率控制通过保证发射机使用正常通信所需的最小能量也能减小这种干扰。
通过使用多个窄波束天线来与小区中的终端通信，也可以进一步减小这种干扰。一个窄波束天线与小区中的一个相应的有限地理区域交换信号，从而减小该区域以外的终端所遭受的干扰。当今的通信***典型地被分成三个120°扇区，其中的每一个扇区由三个扇区天线中相应的一个天线服务，或者被分成六个60°扇区，其中的每一个扇区由六个扇区天线中相应的一个服务。应当理解，可以用有多个固定或独立操纵的窄波束的相控阵天线来实现甚至更小的“扇区”。
例如，图3表示通信***200中的一个小区，该***有使用一个具有多个窄波束(B1，B2，B3，B4等)的天线(未示出)的RBS 220，这些窄波束呈放射状从RBS 220延伸出来。优选地，波束重叠以完全覆盖该小区。尽管未示出，但天线包括三个独立的相控阵扇区天线，其中的每一个与从RBS 220延伸出来的120°地带通信。图3还表示位于波束B1内的RT210，并且使用该波束B1或者可能还使用一个或多个邻近波束在RBS 220和终端210之间继续进行通信。
在这种通信***中，可以由窄波束(高增益)天线在特定方向上选择性地发送和接收信号，降低终端所遭受的干扰。这导致了一条通信链路中的载噪(C/I)比的提高和***容量的增加。例如，如Garg等人的Applications of CDMA in Wireless/Personal Communications(无线/个人通信中的CDMA的应用)，Prentice Hall(1997)中第332-334页上所描述的，对于某些小区分扇区方案，一个理想化八波束天线可以提供容量上的三倍提高。
一般地，在蜂窝电话***中为象RBS这样的应用使用一个多波瓣天线意味着要使用至少一个多载波功率放大器(MCPA)，该放大器是用来放大一个由多个不同的载波信号构成的RF信号的设备。从图4A和4B中可以理解针对使用MCPA的RBS的两种方法。
图4A表示反映被称作MCR/MCPA方法的RBS。由多个基带单元产生的预定给相同天线波束的数字信号(即数字到模拟(D/A)转换之前的信号)，被公共的宽动态范围D/A开关相加和处理。如图4A所示，由基带部分1、2、3产生的数字信号在多载波无线设备(MCR)1和MCR2中相加。名称“多载波无线设备”或MCR来自于这样一个事实，即：诸如调制器、滤波器和RF放大器这样的模拟部件对于被合并的信号来说是公共的。然后通常由图4A中的MCPA对由每个MCR产生的结果信号进行放大。每个基带单元选择在其上发送的天线波束，并发送其数字信号到相应的MCR。由于多个基带单元可以同时在相同的天线波束上发送，所以无线设备和功率放大器必须是多载波的，对于图4A所示的每个天线有一个MCR和一个MCPA。
图4B表示反映被称作SCR/MCPA方法的RBS。不是象在MCR/MCPA方法中在基带数字地合并信号，而是每个基带单元由一个单独的无线设备(从而得名“单载波无线设备“或SCR)处理，并且以低RF功率合并和切换单独的被调制的载波信号。最终放大到适合传输的功率电平需要对于每个天线波束有一个MCPA。在该方法中，通常使用混合合并器来进行切换和合并，因为它们的损耗是可接受的，因为它们出现在最终放大之前。
不过，随着天线波束数量和要被合并的信号数量的增加，切换和合并网络的复杂度和物理尺寸也会增加。实际上，有八个基带单元和八个天线波瓣的***可能有64个RF开关和56个混合合并器。Searle等人的欧洲专利公开文献EP 0593822描述了有多个天线阵的基站天线设备、波束形成设备和收发信机的基站天线设备，该基站天线设备有一个通过波束形成设备将每个收发信机与天线阵中的一个或另一个相连接的开关矩阵。该***使用多个混合合并器和一个多载波功率放大器。Schaeffer的美国专利No.5,048,116中描述了另一个***，其中描述了一种与八个发射机和多个频率响应设备一起使用的信号路由***。Schaeffer的设备需要大量的、64个这种频率响应设备，从而使得***在物理上巨大并不易于扩大。Davis的欧洲专利公开文献EP 0439939描述了一个在多个收发信机之间划分/合并天线的信号划分器/合并器。该划分器/合并器阵列包括多个可控制的开关。
希望RBS与目前典型的蜂窝通信***的其它部件相兼容，并且不需要对那些部件做修改或只做最小的修改。这种兼容的一个方面是RBS不应当要求***的任何修改来确定使用哪个收发信机与一个远程终端通信。这样从BSC或MTSO的观点来看，RBS应当基本上是相似的。如果BSC将不知道RBS的内部结构，则RBS中的每个收发信机必须能够与小区中的每个远程终端通信。同样，小区中的所有远程终端可能在相同区域中，即在同一个天线波瓣中，从而每个收发信机必须能在每个天线波瓣中发送。
尽管图4A、4B中描述的***和上面引用的文件中描述的***能够将不同的收发信机连接到不同的天线波瓣，但这些***还是有许多缺点。一个重要的典型缺点是容纳大量开关和混合合并器所需要的物理体积。另一个重要缺点是相比较于单载波功率放大器的多载波功率放大器的相对低效率。事实上，多载波RF功率放大器的典型电效率可能大约只有百分之三(例如，输入一百瓦电功率只能得到三瓦的RF功率输出)，这显著地低于单载波功率放大器的大约百分之三十的典型电效率。
同样重要的是通过切换和合并网络的损耗，损耗可能会大于10dB。通过使用有比通常用于蜂窝***中的天线高一些增益的天线，可以恢复该损耗的一部分，但通常对于这种***还是仍只有可怜的链路预算。在某些环境中，如地理上小小区的高密度网络，这可以接受，但一般地，期望使用一个多波瓣天线***来允许有大一些的小区。
概述
本申请人的发明满足对于RBS与典型的蜂窝通信***的其它部件兼容的期望，并可以在当前的RBS中容易地实现，如爱立信无线***AB中可获得的设备的RBS 2000家族。此外，本申请人的发明还提供了一种RBS，它避免了不使用多波束天线或使用多载波功率放大器的现有设备的问题。在本申请人的发明的一个有用的实施方案中，来自六个收发信机的信号可以被选择性地导向一个只有大约3.5-dB损耗的天线波瓣。
根据本申请人的发明的一个方面，一个无线收发信台包括一个有多个波束的天线***，多个无线收发信机，每个无线收发信机包括一个基带部分和一个有单载波射频功率放大器的射频部分，多个滤波器，它们分别连接到该多个无线发射机并可调谐到由各自的无线发射机产生的各个载波信号上，以及一个开关矩阵，用来将滤波器中被选择的那些连接到天线***，从而由发射机产生并由单载波射频功率放大器放大的载波信号可以通过被选择的波束发射。每个发射机可以独立于每个其它发射机而连接到每个天线波束。
在本发明的其它方面中，根据基于要被发送的信息信号帧中的信息单元的切换控制信号，将被选择的滤波器连接到天线***，可调谐的滤波器包括至少一个可调谐振腔而开关矩阵包括多个p-i-n二极管。无线收发信台还包括连接在无线发射机的基带部分之间的信号总线，以选择性地将信息信号帧分布到无线发射机的射频部分。
附图简述
图1表示一个传统的蜂窝无线通信***；
图2表示一个无线基站和一个远程终端；
图3表示有多波瓣天线的无线基站；
图4A、4B表示在无线基站中切换和合并信号的两种方法；
图5A、5B表示根据本申请人的发明的无线基站；以及
图6A、6B表示根据本申请人的发明的无线基站的开关矩阵。
详细描述
虽然是在一个蜂窝无线通信***的环境中来描述本申请，但应当理解这只是一个例子，本发明可以应用于其它的许多环境。
如所知道的，可以使用混合合并器或可调谐振腔来实现合并多个RF载波信号并将该被合并的信号提供给一个天线或天线波束。根据本申请人的发明的一个方面，是使用可调谐振腔而不是混合合并器来实现信号合并的，因为期望最小化损耗以最大化范围。根据本发明的另一方面，天线波瓣被在可调谐振腔之后选择，根据另一个方面，可以将单载波功率放大器用于收发信机中。可以从图5A所示的概览和图5B所示的详细***描述中看到这些方面。
讨论图5A，多个基带部分1，2，…，N馈给各自的SCR1，2，…，N和SCPA1，2，…，N。SCPA的高RF功率输出被提供给开关和合并矩阵以将恰当的信号导向给合适的天线或天线波束，在图5A中只给出了其中的两个。由于切换和合并是利用高功率RF信号进行的，所以可以使用SCPA而不是效率低的MCPA。本申请人的发明的一个重要方面是最小化损耗的切换和合并矩阵。
图5B表示耦合到各自的可调谐振腔TC11-TC14的四个收发信机的RF部分11-14。该RF部分对应于图5A所示的SCR。另外的收发信机也可以被提供，但为清楚起见，在图5B中未示出。由可调谐振腔传送的信号被提供给开关矩阵SM，为清楚起见，图5B中只给出了两个部分A、B。开关矩阵将来自可调谐振腔中被选择的那些的信号连接到几个天线或天线波瓣中相应的那些。在图5B中，为清楚起见，只给出了两个天线ANT11、ANT12。应当理解，本申请人的发明可以在有多一些或少一些收发信机和/或天线的***中实现。
可调谐振腔TC可以是传统的，为所使用的信号频率适当选择的。对于某些GSM蜂窝电话***，载波信号被以大约800KHz在大约900MHz处分开。只需要可调谐振腔具有适于足够将一个载波与另一个载波分开的带宽。申请人已发现大约10dB的隔离目前看来就足够了。如果该谐振腔被缓慢调谐，例如大约几秒，则该谐振腔典型地重新调谐到被RBS使用的载波。由于如果RBS能够更快地改变载波，即大约微秒级(一个时隙时长的一段)，则它将是更灵活的，所以期望谐振腔更快地调谐，但这不是必需的。
根据本申请人的发明的一个方面，通过一个双向信号总线Xbus将收发信机互连，该总线在收发信机之间分布信息信号帧或那些帧的部分。在图5B所示的实施方案中，Xbus被放置在收发信机的基带部分(图5B中未示出)和RF部分之间。以这种方式，要求由一个特定载波传输的脉冲串或帧可以被提供给恰当的RF部分和可调谐振腔TC，而不需要动态调谐。由Xbus分布的信息优选地包括来自BSC的信息信号帧并包括其它合适的消息，如标识被用于脉冲串或帧的天线波瓣的一个或多个信息单元。基于众所周知的波束选择技术，基带单元可能还“知道“哪个天线波瓣用于与特定的远程终端通信，这些远程终端中的大多数使用由收发信机的接收部分从远程台接收到的信号所导出的信息。
应当理解，可以用其它方式来进行信息信号帧或脉冲串的分布，且仍在本申请人的发明范围之内。例如，不需要一个RBS使用信号总线Xbus来分布帧。在这种实施方案中，BSC将帧提供给一个控制器，该控制器将帧或一部分帧分布给合适的收发信机(即给合适的基带部分)。
基于信息信号帧和Xbus信息，适当的RF部分使得开关矩阵SM设置其开关，以便信号可以通过所选择的天线波瓣被发送。这一安排使得能够通过在基带恰当地分布信息来进行载波频率跳跃，并且这一安排与当前可用的RBS兼容。
开关矩阵SM被设置，以便恰当的天线或天线波瓣能根据收发信机的RF部分提供的切换控制信号与收发信机的RF部分相连接。应当认识到，由RF部分产生的切换控制信号可以是基于从BSC到达的信息信号帧中的信息和/或基于Xbus信息。这些控制信号的特定形式不是严格的；仅需要它们以适当的方式操作开关矩阵SM。通过Xbus对信号的分布，每条收发信机到天线的连接被独立于另外的这类连接以这种方式建立。应当理解，尽管图5B给出了有八个收发信机和八个天线的安排，但收发信机和天线的数量是可以容易地独立升级的。应当理解，***中的天线或天线波束越多，则每个波束就越窄，而且基站的物理尺寸就越大。
开关矩阵SM优选地包括多个p-i-n二极管开关，它们以这样一种方式连接，即：根据来自RF部分的切换控制信号，允许任何天线波瓣被连接到任何收发信机。通过使用p-i-n二极管作为开关，对于一个发射机的天线端口的选择可以快速改变，甚至在逐个时隙(微秒时标)的基础上。不过，应当理解，除p-i-n二极管以外的设备，如晶体管(如FET)，也可以被用于开关矩阵SM。
图6A给出了开关A1、A2作为开关矩阵SM的A部分的一部分，而开关B1、B2作为开关矩阵SM的B部分的一部分。图6A基于这样一个假设，即：可调谐振腔TC在它们要被调谐到的频率以外的频率上有足够高的RF阻抗。在断开开关的情况下，开关的两端都应当有高阻抗(开电路)。开关被配置成使连接接地(短路)，结果是该开关不处理来自收发信机的高RF功率。天线和可调谐振腔之间的开关和导体优选地在一个单独的基片上实现，如一个印制电路板(PCB)，以最小化导体容限的影响并最大化性能。
通过设置其切换控制信号使得开关A1、A2都被闭合，RF部分11、12可以都连接到同一个天线(图6A中的天线A)，从而使得能够通过相同的天线或天线波瓣对不同载波进行同时传输。由于断开开关B1、B2，以及长度为λ/2的导体(其中λ是导体中RF信号的波长)，通过开关矩阵的其它路径有高阻抗。通过闭合开关A1、B2，收发信机TRX11单独在天线A上发送，且收发信机TRX12单独在天线B上发送。应当指出，开关特性和导体长度的其它组合可以给出相同种类的功能。
图6B表示一个实施方案，它使用p-i-n二极管作为对应于图6A所示的更一般结构的开关矩阵SM中的开关。对于每个pin二极管有一个控制信号，图中只给出了其中的四个，一个正的控制信号使得p-i-n二极管进入高RF阻抗状态，一个负的控制信号使得p-i-n二极管进入一个低RF阻抗状态。如图6A所示，可调谐振腔滤波器(图中只给出了其中的两个(TC11，TC12))被假设为在它们被调谐到的频率以外的频率上有高RF阻抗。从可调谐振腔滤波器的输出可以看到，由于四分之一波长变压器而使p-i-n二极管的低RF阻抗状态被看作是高RF阻抗。为了将来自RF部分12的RF信号导向天线B，开关A2应当有一个低RF阻抗，而开关B2应当有一个高RF阻抗。如果多于一个发射机在相同天线上发送，则可调谐振腔滤波器对于它们所调谐到的频率以外的频率上的高RF阻抗使得RF信号在天线中合并。如果RF部分11在天线A上传送而RF部分12在天线B上传送，则开关B1被设置为低RF阻抗，其在天线B的天线端口被看作是高RF阻抗。因此，来自RF部分12的信号进入天线B，反之亦然。
从图5A、5B、6A和6B中可以看到，本申请人的***有一个优点，即在功率放大器和天线之间只有大约3.5dB损耗(对于可调谐振腔和滤波器2.5dB，对于每个p-i-n二极管开关+1dB)。具有由于增加的天线增益(窄一些的波束)引起的5dB提高，本申请人的***因而提供了比普通蜂窝***多大约3dB的、发射的有效各向等射功率(EIRP)。此外，本申请人的发明使得除了有更好的C/I性能(即比传统的***好大约5dB)之外，还允许在大多数的安装中用频率重用系数3，并且可能在某些安装中用频率重用系数1，以及比传统基站的灵敏度好6dB。
本申请人的发明的另一个显著优点是收发信机可以使用单载波RF功率放大器，该放大器比用于其它***的多载波RF功率放大器有大得多的能量和空间效率。如上所述，单载波功率放大器的电效率比多载波功率放大器大十倍，使得RBS能够用高一些功率或少一些的电功耗或者这些的组合来广播。
本领域的普通技术人员应当理解，在不偏离本发明实质特征的情况下，可以用其它特定形式实现本发明。因此，上面描述的实施方案应当在所有方面都被认为是说明性而不是限制性的。本申请人的发明的范围由下面的权利要求确定，且在该范围内的所有修改都被认为包括在其中。

Claims (5)

1.一种无线收发信台，包括：
有多个波束的天线***；
多个无线发射机，每个无线发射机包括一个基带部分和有单载波射频功率放大器的射频部分；
多个滤波器，分别连接到该多个无线发射机，并可调谐到由各自的无线发射机产生的各个载波信号；以及
一个开关矩阵，用来将滤波器中被选择的那些连接到天线***，这样由发射机产生的和由单载波射频功率放大器放大的载波信号可以通过被选择的波束发射；
从而每个收发信机可以被独立于每个其它收发信机而连接到每个天线波束。
2.如权利要求1的无线收发信台，其中响应于基于要发送的信息信号帧中信息单元的切换控制信号，被选择的滤波器被连接到天线***。
3.如权利要求1的无线收发信台，其中可调谐滤波器包括至少一个可调谐振腔。
4.如权利要求1的无线收发信台，还包括连接在无线发射机的基带部分之间的信号总线，以选择性地将信息信号帧分布到无线发射机的射频部分。
5.如权利要求1的无线收发信台，其中开关矩阵包括多个p-i-n二极管。
CN 99816343 1998-12-23 1999-12-14 多发射机*** Pending CN1336044A (zh)

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