基于波束切换式智能天线的移动通信基站及波束切换方法

摘要

本发明公开了一种基于波束切换式智能天线的移动通讯基站及波束切换方法。在上行链路时段，基带处理控制单元控制收发转换开关为接收位置，天线阵列上的接收数据通过数字相移器阵列、功分/合成器进入接收单元放大、滤波后进入解调，将解调后的数据送到基带处理控制单元；在下行链路时段，基带处理控制单元控制收发转换开关为发射位置，并将要发射的信号帧送给调制单元调制后，送给发射单元放大，并经过功分/合成器、数字相移器阵发送到天线阵列上；在上、下行链路时段，基带处理控制单元均要将波束号发送到波束控制转换单元，对波束号进行实时译码，产生真正的控制位，再发送到数字相移器阵上实现波束切换。本发明适用于TDMA、TDD的PHS移动通讯系统。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及时分复用(TDMA)、时分双工(TDD)的PHS移动通讯系统，具体地说，是一种基于波束切换式智能天线的移动通讯基站及波束切换方法。

背景技术

在无线通讯系统中，基站和终端移动通过无线信道传播信号。由于无线信道存在衰落、多径效应及其它干扰的影响，所以，无线信号的收发、处理方法直接影响着通讯系统的性能。

图13是传统全向天线基站的简单示意图，由于这种基站在覆盖范围内采用全向接收、全向发射，不具有识别用户方位的能力。从而，使其抵抗非用产方位上的干扰能力较差，且不具有抗多径衰落的能力。

随着通信技术的发展以及实际应用的需求对于无线信号的收发提出了更高的要求。智能天线技术的应用，不仅可以抵抗多径衰落，还可以自动规避干扰。另外，由于智能天线阵列可以检测到移动用户的方位，它可以做到只在移动用户方向上收发信号，不仅提高了接收增益，还提高了频率利用率。特别是在PHS移动通讯系统中，采用智能天线的分集收发技术，可以有效遏制无线通讯中由于多径传播引起的信号衰落，提高通讯质量。

传统PHS基站设备中的智能天线采用多通道接收机，通过调整不同通道的加权值来控制天线阵列的接收、发射方向。一般包括信号接收单元、信号发射单元、波束形成单元、加权值计算更新单元等。这种系统主要缺点主要有三点：一是硬件、软件都很复杂；二是需要在线或离线校准；三是成本高。

另一种智能天线是波束切换式智能天线，这种天线虽说方法简单、易于实现，在实际中得到广泛应用，但是，这种天线在PHS基站领域还没有得到实际应用。事实上，现有的波束切换智能天线技术，由于使用领域不同、波束切换实现方式不同等原因，都无法直接用到PHS基站系统中。例如，专利申请号为：97191756.6的带有聚束控制信道的通讯系统与系统控制方法，所公开的一种波束控制方法，就是用以选择为移动用户提供服务的基站，是一种网络系统控制方法，主要在控制信道上完成，而不能在TCH信道上完成。又如，专利申请号为：02136730.2的一种用于切换波束型智能天线系统的波束判决方法和装置，所公开的是一种用于切换波束型智能天线系统的波束判决方法，这种方法主要用信号判决依据接收信号的场强，一般适用于CDMA系统。再如，专利申请号为：01138507.3的移动通讯基站设备，公开了一种移动通讯基站设备，其中的波束切换部分用到两套接收系统，包括天线阵列及射频通道。两套接收系统种的一套具有不同窄波束的接收通道用于通讯；而另外一套专门用来检测波达方向(DOA)。这种基站设备的波束切换控制方法复杂、不易实现，且成本高。

发明的内容

本发明的目的是为了满足PHS移动通讯系统对无线信号收发提出的更高要，提供一种基于波束切换式智能天线的移动通讯基站系统和波束切换方法，以克服已有智能天线不能在PHS移动通讯中应用，和已有移动通讯基站设备复杂，不易实现波束切换控制的不足。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的技术思路是根据PHS系统IDMA/TDD每个移动用户占用一个时隙，且上行链路和下行链路使用相同通讯频率的特点，针对不同移动用户，对其对应的通讯时隙进行波束控制；并通过移动用户的上行链路信号估计出移动用户的方位，且在下行链路阶段使用相同的方位发射信号。

本发明的基站系统包括：多单元天线阵列、数字相移器阵列、功分器、接收单元、接收信号场强指示(RSSI)采样单元、调制单元、发射单元、基带处理单元、波束控制转换单元、接收发射转换开关K等主要部件。其中：

多单元天线和数字相移器阵列，用于根据移动用户的上行信号场强和信号质量，估计移动用户的方位，对准移动用户进行收发，即各路天线的收发相位是可控的。即各个预先设定好的固定波束可按照需要通过基带处理单元进行控制；

功分器，用于在上行链路阶段，将多路接收信号合成为一路信号，在下行链路阶段将经过发射单元的发射信号分配到多路天线上；

接收单元，用于完成对天线阵列接收的射频信号进行处理，即在上行链路阶段对数据帧进行接收、放大、滤波；

解调单元，用于完成对高中频信号进行解调，并将已解调的比特流数据传递给基带处理控制单元；

RSSI采样单元，用于完成对各个通道接收信号强度指示的数据采集，并送往基带处理控制单元供后续处理；

调制单元，用于完成在下行链路阶段，把从基带处理单元接收待解调的数据进行调制，然后将调制数据送给发射单元；

发射单元，用于将对已调制的中频信号进行上变频，使其成为射频信号并经过天线阵列发射出去；

基带处理控制单元，用于控制、协调整个系统的工作时序，完成信号处理，控制收发射开关转换及波束切换控制过程；

波束控制转换单元，存有多种固定窄波束，用于将基带处理单元送来的波束号进行译码，然后将该波束号对应的波束加载到数字相移器的控制端，实现对所需收发波束的控制。

上述基带处理控制单元为本发明核心单元，是以信号处理机为中心，结合相应的时序，逻辑控制部件等实现的。该基带控制处理单元包括协议处理单元和波束切换式智能天线处理中心单元智能天线处理中心单元，该协议处理单元由可编程逻辑器件1和主处理器组成，主要完成基站时序控制、实现完整的协议栈处理；该波束切换式智能天线处理中心单元由协处理器、可编程逻辑器件2和波束切换控制输出软件组成，主要完成搜索、跟踪和实现波束切换控制。

上述波束控制转换单元主要由输入接口、译码单元、驱动单元、输出接口构成，输入接口接收来自基带处理单元的波束号，译码器对波束号进行译码，产生出控制信号总线，这些控制信号总线经驱动后转换为数字相移器阵列的控制信号，加载到数字相移器上实现对不同波束的切换。

本发明基带处理单元实现波束切换的步骤如下：

步骤1，控制时隙上由于承载公共信息，使用覆盖范围内的全向波束覆盖，当移动用户在业务时隙的语音阶段时，开始启用波束切换；

步骤2，针对一个移动用户，每个工作周期接收通道上经过解调后的接收信号数据，N帧为一个统计单元时段，接收信号为FRAME₁、FRAME₂、……FRAME_N；

步骤3，针对一个移动用户，每个工作周期对接收通道上的接收信号强度指示进行采样，N帧为一个统计单元时段。接收信号强度指示分别为RSSI₁、RSS₂、……RSSI_N；

步骤4，针对一个移动用户，在一个统计单元时段内，对采集到的RSSI₁、RSS₂、……RSSI_N进行统计平均得到RSSI；

步骤5，针对一个移动用户，对统计单元时段的每一帧接收数据质量进行判决，并统计误帧率；

步骤6：将得到的RSSI值以及误帧率与预设定门限进行比较，估计移动用户是否在目前所在波束方位上；

步骤7：如果移动用户在目前信号方位内，则下一个统计单元时段内，依然使用与本统计单元时段相同的波束方位进行收发，并重复步骤2～步骤6。

步骤8：如果移动用户不在当前波束方位上，则下一个统计单元时段内，波束方位自动切换到另外一个波束方位上，并重复步骤2～步骤6。

上述步骤中的对信号的质量判决包括两个方面：一是接收信号数据帧FRAME中“唯一识别字”是否正确；二是该接收信号数据帧FRAME的校验结果是否正确。

上述步骤中“针对一个移动用户”，就是针对一个时隙，“每个工作周期”，就是每帧。

上述波束方位估计的包括轮询估计和精确估计两种方法。

本发明具有如下优点：

本发明系统中由于采用固定窄波束进行收发，与全向天线比较，这种窄波束可以有效增加系统的覆盖范围距离，减少来自非移动用户方位的干扰；同时也提高了频率的利用率，可以有效提高上行的接收灵敏度，有效增加了无线通讯距离，还能降低移动用户通话时的切换次数。

本发明在判决最佳波束方位时，由于除了对接收信号强度指示RSSI进行统计判决以外，还对接收信号本身的质量进行判决，增加了对所接收的信号是否误帧的统计判决。因而排除了由于干扰的原因，造成某波束上的接收信号强度高于其它波束的接收信号强度，使系统做出该波束为移动用户所在的波束的错误判决。这种方法比单纯使用信号接收强度(RSSI)为判据的方法更可信、更可靠。

本发明由于采用波束切换式智能天线，因而使基站系统可以自动搜索、跟踪移动用户，规避非移动用户方位的于扰，提高了频率利用率。

本发明由于只需要一套接收系统就可以完成通信和移动用户方位的检测，可以极大的降低系统的硬件成本。同时由于本发明的装置不需要进行在线或离先校准，系统简单、易于实现。

附图说明

图1为本发明的基站系统框图

图2为本发明基站系统中的基带处理控制单元结构图

图3a为本发明波束控制转换单元中储存的一组固定窄波束图

图3b为本发明波束控制转换单元中储存的另一组固定窄波束图

图4为本发明的波束控制转换单元工作原理图。

图5为本发明的时分多址TDMA、时分双工TDD工作时序图。

图6为本发明的波束切换控制软件流程图。

图7为本发明软件流程中对一个固定时隙、一个统计单元时段内的RSSI统计平均子流程图。

图8为本发明软件流程中对一个固定时隙、一个统计单元时段内信号质量的概率统计子流程图。

图9为本发明估计控制波束号软件流程的一个实例图。

图10为本发明估计控制波束号软件流程的另一个实例图。

图11为本发明的基站与移动用户之间的通信示意图。

图12为本发明的基站在两个移动用户通话时的控制信号波形图。

图13为传统全向天线基站系统图。

具体实施方式

参照图1，本发明系统主要由多单元天线、数字相移器阵列、功分器波束切换式天线阵列、接收单元、波束控制转换单元、解调单元、接收信号场强指示RSSI采样单元、发射单元、调制单元、基带处理控制单元、接收发射转换开关K等部件组成。其中：多单元天线、数字相移器阵列、功分器、波束波控制转换单元四部分组成波束切换式天线阵列。

功分器在上行链路阶段，将多路接收信号合成为一路信号，在下行链路阶段将经过发射单元的发射信号分配到多路天线上；

接收单元对天线阵列接收的射频信号进行处理，主要包括低噪声放大处理、把射频信号下变频为243.95MHz的高中频信号。另外，接收单元还对高中频信号进行包络检测，得到接收信号的场强信号，并送给RSSI采样单元。

解调单元对243.95MHz的高中频信号进行解调，并将已解调的比特流数据传递给基带处理控制单元。

RSSI采样单元对接收信号的场强进行采样，并送往基带处理控制单元以供后续处理

调制单元是解调单元的逆过程，它将基带处理控制单元送来的下行数据比特流调制成10.8MHz的模拟中频信号。

发射单元对已调制的10.8MHz中频信号进行上变频，使其成为射频信号；最后，对射频射频信号进行功率放大，并经过天线阵列发射出去。

波束控制转换单元主要由输入接口、译码单元、驱动单元、输出接口几部分构成，如图4所示。该波束波控制转换单元中储存有多个固定窄波束，如图3a和3b所示。图3a的固定波束主要包括：波束300a、301a、302a、303a、304a。该波束300a的波束宽度为120度，覆盖范围内的全向波束，用于公共控制信道和业务信道；该波束301a、302a、303a、304a均用于业务信道，其宽度均为30度，波束方向分别为47度、17度、-17度、-47度。移动用户在建链阶段使用300a号波束进行收发，当移动用户进入通话状态时，系统启动波束切换系统开始工作，在不影响通话的情况下，开始对移动用户进行方位搜索并跟踪。即波束切换系统工作时，输入接口接收来自基带处理控制单元的所有波束号300a、301 a、302a、303a、304a，译码器对这些波束号进行译码，产生出控制信号总线5031、5032、5033……503M，这些控制信号总线经驱动后经过驱动线5051、5052、5053……505M加载到数字相移器1、数字相移器2、数字相移器3、数字相移器4……数字相移器M上，从而实现了不同波束的切换。图3b的固定波束包括：300b、310b、3202b、330b、311b、312b、313b、321b、322b、323b、331b、332b、333b。该波束300b的宽度为180度，覆盖范围内的全向波束，用于公共控制信道和业务信道；该波束310b、320b、330b其波束宽度均为60度，波束方向分别为60度、0度、-60度，这些波束均用于业务信道；该波束311b、313b、321b、322b、323b、331b、332b、333b的波束宽度均为20度，波束方向分别为80度、60度、40度、20度、0度、-20度、-40度、-60度、-80度，这些波束均用于业务信道。移动用户在建链阶段使用300b号波束进行收发；当移动用户进入通话状态时，系统启动波束切换系统开始工作，在不影响通话的情况下，开始对移动用户进行方位搜索并跟踪。即波束切换系统工作时，输入接口接收来自基带处理控制单元的所有波束号300b、310b、3202b、330b、311b、312b、313b、321b、322b、323b、331b、332b、333b，译码器对这些波束号进行译码，产生出控制信号总线5031、5032、5033……503M，这些控制信号总线经驱动后经过驱动线5051、5052、5053……505M加载到数字相移器1、数字相移器2、数字相移器3、数字相移器4……数字相移器M上，从而实现了不同波束的切换。

基带处理控制单元是整个装置的核心，主要由协议处理部分、波束控制式智能天线处理中心两部分功能构成，如图2所示。其中，协议处理部分主要由主处理器和可编程逻辑器件构成，用于完成基站时序控制、实现完整的协议栈处理。波束切换式智能天线处理中心主要由协处理器、可编程逻辑器件、波束切换控制输出构成，用于实现搜索、跟踪、智能天线的算法等。

本发明的工作过程如下：

在上行链路工作时段，基站处于接收状态。基带处理控制单元控制收发转换开关K掷向接收位置。天线阵列上的接收数据通过数字相移器阵列、功分/合成器进入接收单元。接收单元对接收进来的信号进行放、大滤波，然后送到后面的解调单元；解调单元对接收数据进一步进行处理，然后将解调后的数据送到基带处理控制单元。同时，解调单元还计算本时隙内接收信号强度指示RSSI进行采样计算，并送到基带处理控制单元。基带处理控制单元读取、存储本周期内RSSI的采样数据，以及经解调单元405解调的接收数据帧FRAME，以供后续处理。

在下行链路工作时段，基带处理控制单元控制收发转换开关K掷向发射位置；另外，基带处理控制单元将要发射的信号帧送给调制单元进行调制，调制单元将经调制后的信号送给发射单元，发射单元对要发射信号进行放大，并经过功分/合成器、数字相移器阵发送到天线阵列上。

无论是上行、下行链路工作时段，基带处理控制单元都会将波束号发送到波束控制转换单元。波束控制转换单元对波束号进行实时译码，产生真正的控制位，并将这些控制位发送到数字相移器阵上，从实现了所需要的波束方位。

图5示出本发明所涉及的典型的时分多址TDMA、时分双工TDD工作时序图。一个完整的工作周期由相邻的一个上行链路和一个下行行链路组成。下行链路时段，基站发射，移动用户接收；上行链路时段，基站接收，移动用户发射。图中505、506、507、508四个时隙slot为上行链路，509、510、511、512四个时隙slot为下行链路。

另外，图5中505和509分别是一个通讯通道的上行链路、下行链路。同样506和510分别是一个通讯通道的上行链路、下行链路；507、511分别是一个通讯通道的上行链路、下行链路；508、512分别是一个通讯通道的上行链路、下行链路。一个通讯通道上的上行链路和下行链路使用相同的接收、发射频率。

参照图6，本流程中设置有一个帧统计计数器J，N帧为一个统计单元时段。该流程是根据RSSI及误帧率判决波束号的方法，它由图2中的基带处理控制单元完成。为了说明本方法的核心内容，图中只画出了一个工作周期、针对一个时隙的工作流程，其控制波束切换的具体过程如下：

1.判断本时隙是否在通话状态，如果不在通话状态，则将帧统计计数器清零，从下周期开始统计工作重新进行；如果在通话状态，则判断帧计数器统计时间是否为一个统计单元时段，即J＝N；如果不满一个统计单元时段，则结束本周期工作；

2.分别设定误帧率的门限THR_erfram为50％，接收信号强度指示RSSI门限THR_rssi为35dBμV，在规定的统计单元时段，即J＝N，则按照如图8所示的如下步骤比较误帧率是否超过预设定门限：

首先，统计帧计数器清零，误帧计数器清零；

其次，由每个工作周期对接收信号的质量进行判断，如果为误帧，则误帧计数器加一；

然后，在统计单元时段结束后，得到统计时段内的总误帧数ErrFrame，再用总误帧数除以统计单元时段的帧数N，得到误帧率，如果误帧率没有超过预设定门限THR_erfram，说明信号质量良好，下个周期的波束号可以不变；如果误帧率超过预设定门限FHR_erfram，说明信号质量不好，这时再判决信号接收强度指示RSSI是否低于预设定门限THR_rssi；

3.统计RSSI的平均值是否小于预设定门限THR_rssi，对于误帧率超过预设定门限THR_erfram的情况，则由基带处理控制单元按图7所示的如下步骤，在每个周期对每个时隙的RSSI进行采样存取：

首先，统计帧计数器清零，接收信号强度指示累加器RSSI_ACC清零；

其次，对一个统计单元时段即J＝N时段内，对各帧的采样值RSSI₁RSSI₂……RSSI_N求和；

然后，求平均值RSSI＝RSSI_ACC/N；

4.计算下一个工作周期的控制波束号，如果信号接收强度指示RSSI低于预设定门限，则判定移动用户已经不在波束号上了，需要重现估计下个工作周期的控制波束号，否则波束号不变；

5.将估计的波束控制号发送到波束控制转换单元，工作周期结束。

图9描述了图6中所涉及的估计控制波束号的一个实例。在该实例中由于预设计波束数量少，只有5个，则控制波束采用了简单的轮询方式。工作时分别用这5个波束进行扫描，并对信号场强及信号质量进行判断，最终找到一个适合移动用户的最佳波束方位。具体地说：当用户移出当前的波束覆盖范围时，需要重新估算新的控制波束号，其方法如下：

首先，先判断当前控制波束号BFC_num是否等于最大控制波束波束号BFC_max，当采用5个波束时，最大波束号为4；

如果当前控制波束号BFC_num不等于最大控制波束波束号BFC_max，则新的控制波束号等于当前控制波束号加1，即：BFC_num+1；

如果当前控制波束号BFC_num等于最大控制波束波束号BFC_max，则将新的控制波束号置为最小值BFC_min，通常为0；

如此，系统会在所有的波束范围内进行轮询扫描。

图10更详细地描述了图6中所涉及的控制波束号估计的另一个实例，该系统使用精确估计法对移动用户进行精确估计，适用于对方位要求更精确的系统。其精确估计由两个阶段的轮询估计组成，过程如下：

(1)进行控制波束号的预估计，该步骤使用了图3b中300b、310b、320b、330b所示的4个波束号，对移动用户方位进行预估计，其估计流程与图9描述的流程相同，仍采用轮询的方法，不同的仅仅是使用了不同波束号。

(2)在预估计的基础上开始进行控制波束的精确估计1002b，如果预估计的控制波束号位为310b，则选用如图3b所示的311b、312b、313b三个波束进行方位精确估计；如果预估计的控制波束号位320b，则选用如图3b所示的321b、322b、323b三个波束进行方位精确估计；依此类推，如果预估计的控制波束号位330b，则选用如图3b所示的331b、332b、333b三个波束进行方位精确估计；

(3)使用不同的波束号按图10流程精确估计控制波束方位，即依然采用轮询的方法找到一个适合移动用户的最佳波束方位。

本发明的基站与移动用户进行通信的系统，如图11所示。该系统由基站、天线阵列两部分构成。该基站对不同方位的移动用户用不同的波束进行收发，例如对不同的移动用户1105、1106，可分别提供具有不同收发方向的波束1103、1104。不但提高了基站与手机的通信距离、抵消了非波束方向上的干扰，而且提高了通讯质量。当移动用户位置发生移动时，基站可调整波束方向，以实现对移动用户的自动搜索和跟踪。本发明基站装置进行波束估计时，不仅对接收信号强度指示进行统计判决外，还对接收信号质量进行统计判决，从而波束估计值更加准确可信，同时，本发明使用轮询和波束精确估计相结合的方法，使得波束估计更精确、速度更快。图13本发明的基站在两个移动用户通话时，用示波器抓取的控制信号波形的一个实时快照示意图。拨通一对手机，它们分别占用了时隙Slot2和时隙Slot4，然后分别移动两个手机。当占据Slot2时隙的手机移到1号波束方位，即与图3a中的301a对应，而占据Slot4的手机移动到3号波束方位，即与图3a中的303a对应时，用示波器抓到快照。

波形1301是基站内部收发控制信号波形，该波形信号与图5所示的一帧信号相对应；波形1302是基站内时隙控制信号波形，每个时隙为625微秒；波形1303是不同时隙的实时波束控制号，即3比特位。

本发明的效果测试：

对两个移动用户通过本发明基站通话的控制信号波形进行抓取快照，当一对手机拨通时，它们分别占用了时隙Slot2和时隙Slot4；然后分别移动两个手机，当占据Slot2时隙的手机移到1号波束方位，即与图3a中的301a对应、而占据Slot4的手机移动到3号波束方位，即与图3a中的303a对应时，用示波器抓到快照的波形如图12所示。图中波形1301是基站内部收发控制信号波形，该波形信号与图5所示的一帧信号相对应；波形1302是基站内时隙控制信号波形，每个时隙为625微秒；波形1303是不同时隙的实时波束控制号，即3比特位。从图12所描述的移动用户所在波束方位与实际控制波束号之间的对应关系可以看出：Slot2对应的波束控制号为1，Slot4对应的波束控制号为3，它们与手机所在的方位完全对应。事实上，当手机在覆盖范围内移动时，波形1303可以实时跟踪并调整到手机所在的方位。正是由于基站能够搜索、跟踪用户方位，并且只在用户方位上进行无线信号的收发。使得本发明方法及基站的接收灵敏度得到提高，并且具有很好的抗干扰能力、抗多径衰落能力，从而提高了通讯质量。