Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к мобильной связи и, в частности, к системе интеллектуальных антенн системы сотовой мобильной связи.
Уровень техники
Техника интеллектуальных антенн является наиболее важным разделом техники в современной мобильной связи, особенно в системах сотовой мобильной связи. Преимуществами техники интеллектуальных антенн являются: сильное увеличение пропускной способности системы, увеличение зоны уверенного приема беспроводной базовой станции, уменьшение стоимости системы и улучшение характеристик системы и т.д. Поэтому техника интеллектуальных антенн превратилась в важный объект исследований в области высоких технологий во всем мире.
Система интеллектуальных антенн содержит: антенную решетку, состоящую из N антенных элементов, N радиочастотных приемопередатчиков и N фидеров, соединяющих N антенных элементов и N радиочастотных приемопередатчиков соответственно. Среди них, N антенных элементов и N фидеров, составляют антенно-фидерный блок. Антенная решетка и N радиочастотных приемопередатчиков составляют радиочастотный блок. В беспроводной базовой станции аналоговые сигналы, передаваемые и принимаемые радиочастотными блоками, преобразуются с помощью высокоскоростных ADC/PAC (аналого-цифровых/ цифроаналоговых преобразователей) и затем преобразованные сигналы подаются на шину данных, которая соединена с процессором обработки цифровых (DSP) сигналов основной полосы частот. Функции интеллектуальных антенн, такие как формирование луча к центру и формирование луча от центра, осуществляются в процессоре обработки цифровых (DSP) сигналов основной полосы частот.
На фиг.1 показана структура беспроводной базовой станции с интеллектуальной антенной, с помощью которой иллюстрируется основная структура и принципы работы современной интеллектуальной антенны. Базовая станция работает в режиме CDMA TDD (множественный доступ с кодовым разделением каналов - дуплексная связь с временным разделением). Антенно-фидерный блок состоит из N антенных элементов 11, 12, 13, ..., 1N, которые составляют антенную решетку и соответствующие фидеры. Каждый антенно-фидерный блок соединен с радиочастотным приемопередатчиком TRX 21, 22, 23, ..., 2N. N радиочастотных приемопередатчиков обычно используют один частотный и синхронизационный блок 30 (локальный осцилятор), так что радиочастотные приемопередатчики 21, 22, 23, ..., 2N работают когерентно. Сигналы, принимаемые каждым радиочастотным приемопередатчиком, преобразуются в цифровые дискретные сигналы с помощью внутреннего аналого-цифрового преобразователя (ADC) радиочастотного приемопередатчика и затем направляются в процессор 33 обработки цифровых сигналов (DSP) основной полосы частот через шину 31 высокоскоростной передачи данных. Цифровые сигналы, подлежащие передачи в шину 31 данных, преобразуются в аналоговый сигнал с помощью внутреннего цифроаналогового преобразователя (DAC) радиочастотного приемопередатчика передается антенными элементами 11, 12, 13, ..., 1N.
Вся цифровая обработка цифровых сигналов основной полосы частот выполняется в процессоре 33 обработки цифровых сигналов основной полосы частот. Способ обработки описан в патенте Китая №CN 97104039. В аппаратной платформе процессора основной полосы частот с усовершенствованной обработкой цифровых сигналов могут осуществляться функции обработки, такие как модуляция и демодуляция, прием и передача (в центр и от центра), формирование лучей и т.д. С помощью этой обработки можно исключить помехи множественного доступа и многолучевую интерференцию, увеличить отношение сигнал/шум и чувствительность приема и EIRP (эквивалентная изотропно-излучаемая мощность).
Заявителем было замечено, что во всех современных интеллектуальных антеннах используется кольцевая антенная решетка или линейная антенная решетка, и кольцевая или линейная антенная решетка концентрируется в одном месте с целью обеспечения изотропного уверенного приема или секторного уверенного приема в соответствии с технической схемой, описанной в патенте Китая №CN 97104039.
Наряду с увеличением плотности застройки и высоты зданий, рабочая частота системы мобильной связи в здании или в ячейке относительно высока (1-3 ГГц). В этом случае вследствие экранирующего действия зданий и потерь в перекрытиях и в стенах появляется множество затененных зон и дальность действия системы мобильной связи ограничивается. Для решения проблемы уверенного приема при конструировании сотовой системы мобильной связи в застроенной части города необходимо увеличивать число базовых станций. Это решение приводит к увеличению инвестиций в систему и затрудняет обслуживание. Хотя теоретически можно увеличить дальность уверенного приема базовой станции с помощью интеллектуальных антенн, однако если несколько антенных блоков антенной решетки расположены концентрированно, то это не решает полностью проблему уверенного приема.
Сущность изобретения
Для использования преимуществ интеллектуальных антенн для улучшения уверенного приема сотовой ячейки, для большого увеличения пропускной способности системы и для уменьшения стоимости системы предлагается распределенная система интеллектуальных антенн. Принцип распределения состоит в следующем: во-первых, группирование антенно-фидерных блоков и радиочастотных приемопередатчиков системы интеллектуальных антенн, затем установка различных групп антенно-фидерных блоков и радиочастотных приемопередатчиков в различных местах в соответствии с требованиями уверенного приема, но с использованием одного процессора обработки цифровых сигналов основной полосы частот для всех групп.
Техническая схема, согласно изобретению, состоит в следующем.
Распределенная система интеллектуальных антенн содержит N антенных элементов, N радиочастотных приемопередатчиков и фидеры, соединяющие N антенных элементов с N радиочастотными приемопередатчиками соответственно, N радиочастотных приемопередатчиков соединены с процессором обработки цифровых сигналов основной полосы частот в базовой станции системы беспроводной связи через шину данных. N антенных элементов и N радиочастотных приемопередатчиков соответственно группируются для создания множества групп антенных элементов и соответствующего множества групп радиочастотных приемопередатчиков. Различные группы антенных элементов распределяются в различных местах зоны уверенного приема базовой станции беспроводной системы связи. Каждая группа антенных элементов соединена с соответствующей группой радиочастотных приемопередатчиков. Каждая группа радиочастотных приемопередатчиков соединена с процессором обработки цифровых сигналов основной полосы частот через шину данных.
Согласно технической схеме изобретения группирование основано на дальности уверенного приема сотовой ячейки базовой станции системы беспроводной связи и объеме обмена на дальности уверенного приема сотовой ячейки или на количестве зон уверенного приема базовой станции системы беспроводной связи и объема обмена в зоне уверенного приема.
В соответствии с технической схемой изобретения каждая группа антенных элементов имеет 1-М антенных элементов, соединенных соответственно с 1-М радиочастотными приемопередатчиками соответствующей группы радиочастотных приемопередатчиков; и выбор М основан на количестве мобильных абонентов и условиях распространения. Среди них 1-М антенных элементов одной группы антенных элементов и 1-М радиочастотных приемопередатчиков соответствующей группы радиочастотных приемопередатчиков распределены в одном месте, или 1-М антенных элементов одной группы антенных элементов распределены в одном и том же месте, а радиочастотные приемопередатчики соответствующей или несоответствующей группы радиочастотных приемопередатчиков распределены концентрированным образом.
В соответствии с технической схемой изобретения различные места содержат различные здания в сотовой ячейке, перекрываемой базовой станцией системы беспроводной связи, или разные этажи в здании, перекрываемые базовой станцией системы беспроводной связи.
При этом для разных этажей в здании распределение может быть основано на расположении на каждом этаже группы антенных элементов или же расположении группы антенных элементов на каждом втором этаже, и каждая группа антенных элементов применяет с чередованием одинаковые частоту, временное окно и кодовый канал.
При этом для разных этажей в здании распределение может быть также основано на расположении на каждом этаже группы антенных элементов, и каждая группа антенных элементов применяет одинаковые частоту, временное окно и кодовый канал, но разные коды интерференции и последовательности обучения.
Техническая схема изобретения может также состоять в следующем.
Распределенная система интеллектуальных антенн содержит N групп антенных элементов, N групп радиочастотных приемопередатчиков и процессор обработки цифровых сигналов основной полосы частот. Каждая группа антенных элементов содержит 1-m антенных элементов, и каждая группа радиочастотных приемопередатчиков содержит 1-m радиочастотных приемопередатчиков. 1-m антенных элементов одной группы антенных элементов соединены соответственно с 1-m радиочастотными приемопередатчиками одной группы радиочастотных приемопередатчиков для образования N групп. Антенные элементы разных групп распределены на разных зданиях зоны уверенного приема базовой станции системы беспроводной связи и используют одинаковые частоту, временное окно и кодовый канал. Радиочастотные приемопередатчики разных групп соединены с процессором обработки цифровых сигналов основной полосы частот через шину данных.
При этом 1-m радиочастотных приемопередатчиков и соответствующие 1-m антенных элементов одной группы устанавливаются на одном здании или на разных зданиях.
Техническая схема изобретения может быть также следующей.
Распределенная система интеллектуальных антенн содержит N групп антенных элементов, N групп радиочастотных приемопередатчиков и процессор обработки цифровых сигналов основной полосы частот. Каждая группа антенных элементов содержит 1-m антенных элементов, и каждая группа радиочастотных приемопередатчиков содержит 1-m радиочастотных приемопередатчиков. 1-m антенных элементов одной группы антенных элементов соединены соответственно с 1-m радиочастотными приемопередатчиками одной группы радиочастотных приемопередатчиков для образования N групп. Антенные элементы разных групп распределены на разных этажах здания зоны уверенного приема базовой станции системы беспроводной связи и используют с чередованием одинаковые частоту, временное окно и кодовый канал или же одинаковые частоту, временное окно и кодовый канал, но разные коды интерференции и последовательности обучения. Радиочастотные приемопередатчики разных групп соединены с процессором обработки цифровых сигналов основной полосы частот через шину данных.
При этом 1-m радиочастотных приемопередатчиков и соответствующие 1-m антенных элементов одной группы устанавливаются на одном этаже здании или на разных этажах здания.
В соответствии с требованиями дальности уверенного приема в сотовой ячейке и объема обмена, в распределенной системе интеллектуальных антенн, согласно изобретению, антенные элементы, составляющие интеллектуальную антенную решетку соответственно, радиочастотные приемопередатчики и фидеры разделяются на группы. Затем, в соответствии с требованиями уверенного приема, каждый интеллектуальный антенный элемент распределяется в группах на разных зданиях одной ячейки или на разных этажах одного здания, однако все антенные элементы каждой группы интеллектуальных антенн концентрируются в одном месте. Все группы интеллектуальных антенн и группы радиочастотных приемопередатчиков используют один процессор обработки цифровых сигналов основной полосы частот.
Беспроводная базовая станция с распределенной системой интеллектуальных антенн обрабатывает множество групп антенных элементов, и множество групп антенных элементов устанавливаются во множестве мест в соответствии с требованиями. Таким образом, лучше обеспечивается эффект уверенного приема. Помимо этого, в соответствии с местом установки каждой группы антенных элементов и условий взаимной изоляции на рабочей дальности той же беспроводной базовой станции, может осуществляться уплотнение частоты для увеличения коэффициента использования спектра. В частности, в мобильной системе связи с множественным доступом с кодовым разделением каналов, наряду с использованием одинаковой (или разной) несущей частоты, могут также использоваться одинаковое (или разное) временное окно и одинаковый (или разный) кодовый канал, т.е. могут более эффективно уплотняться ресурсы беспроводной связи, такие как частота, временное окно и кодовый канал. Это означает, что при улучшении уверенного приема в ячейке может быть увеличена пропускная способность системы связи и одновременно уменьшена стоимость системы связи. Естественно, что при установке антенных элементов каждой группы в разных местах различается длина фидера, так что необходимо использовать технологию калибровки антенн. Специальный способ калибровки предложен заявителем данного изобретения под названием "Способ и устройство калибровки решетки интеллектуальных антенн" в заявке на патент Китая №99111350.0.
Краткое описание чертежей
На чертежах изображено:
фиг.1 - блок-схема базовой станции системы беспроводной связи с интеллектуальной антенной;
фиг.2 - блок-схема базовой станции системы беспроводной связи с распределенной интеллектуальной антенной;
фиг.3 - схема распределенной структуры базовой станции системы беспроводной связи с распределенной интеллектуальной антенной, используемой в населенной зоне города;
фиг.4 - схема распределенной структуры базовой станции системы беспроводной связи с распределенной интеллектуальной антенной, используемой в высотном здании.
Варианты выполнения изобретения
Ниже приводится более подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны предпочтительные варианты выполнения изобретения. Однако данное изобретение может быть реализовано в различных формах и не ограничивается указанными вариантами выполнения; эти варианты выполнения приведены для полноты и тщательности раскрытия и доведения полного смысла изобретения для специалистов в данной области техники. При этом на чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.
Описание фиг.1 было приведено выше и повторно не приводится.
Различие фиг.2 и 1 состоит в том, что на фиг.1 антенные элементы 11-1N создают антенную решетку, которая является кольцевой решеткой или линейной решеткой, сконцентрированной в одном месте, а на фиг.2 антенно-фидерные блоки и соответствующие радиочастотные приемопередатчики установлены распределенно в соответствии с группами, на фиг.2 показаны группы 41, 42, ..., 4N антенно-фидерных блоков и соответствующие группы 51, 52, ..., 5N радиочастотных приемопередатчиков. Определенное число антенных элементов в каждой группе антенно-фидерных блоков и определенное число радиочастотных приемопередатчиков в каждой группе блоков радиочастотных приемопередатчиков, соединенных соответствующим образом, может быть установлено в соответствии с требованиями практики, однако имеется по меньшей мере один антенный элемент 4N и один радиочастотный приемопередатчик 5N, как показано на фиг.2. В группе 42 антенно-фидерных блоков и в группе 52 радиочастотных приемопередатчиков имеются соответственно четыре антенных элемента и четыре радиочастотных приемопередатчика. Каждая группа антенно-фидерных блоков и каждая группа радиочастотных приемопередатчиков перекрывает зону, необходимую для обеспечения уверенного приема, для чего используется обычно одна базовая станция системы беспроводной связи. Очевидно, что длина фидеров, соединяющих каждую группу антенно-фидерных блоков с соответствующей группой радиочастотных приемопередатчиков, является разной. В базовой станции системы беспроводной связи с распределенной интеллектуальной антенной каждая группа антенно-фидерных блоков и соответствующая группа радиочастотных приемопередатчиков может работать на разных или одинаковой несущей частоте, в разных или одинаковом временном окне и в разных или одинаковом кодовом канале. Когда каждая группа антенно-фидерных блоков и соответствующая группа радиочастотных приемопередатчиков работают на одинаковой частоте, в одинаковом временном окне и одинаковом кодовом канале, то можно значительно повысить пропускную способность системы беспроводной связи.
Базовая станция системы беспроводной связи с распределенной интеллектуальной антенной, упомянутая выше, может практически использоваться в микросотовой и микро микросотовой системе мобильной связи. Микросотовая и микро микросотовая система мобильной связи будет в будущем системой мобильной связи в условиях плотно заселенной части города и в зоне высотных зданий.
На фиг.3 показан распределенный вариант выполнения базовых станций системы беспроводной связи с распределенной интеллектуальной антенной, используемых в плотно заселенной части города. Поскольку рабочая частота системы мобильной связи является высокой, например 2ГГц, то плотно стоящие здания, как показано на фиг.3 с помощью двенадцати прямоугольников 101, сильно разрушают передаваемый сигнал. Для обеспечения большой пропускной способности в системе связи используется обычно микросотовая структура; и высота антенн не превышает среднюю высоту крыш в сотовой микроячейке. Если базовая станция системы беспроводной связи использует концентрированную структуру интеллектуальной антенны, как показано на фиг.1, дальность уверенного приема антенной системы очень ограничена (смотри предложение ITU-R М. 1225).
В данном варианте выполнения, базовая станция 102 системы беспроводной связи использует три группы 103, 105 и 107 антенно-фидерных блоков. Три группы антенно-фидерных блоков распределены в трех местах. В результате одна базовая станция системы беспроводной связи обеспечивает зоны уверенного приема, эквивалентные трем базовым станциям 104, 106 и 108 системы беспроводной связи. Внутри зон 104, 106 и 108, в которых обеспечивается уверенный прием с помощью трех различных групп антенно-фидерных блоков соответственно, могут использоваться одинаковая несущая частота, одинаковое временное окно и одинаковый кодовый канал. Соответственно, умножается пропускная способность мобильной системы связи. Поскольку в системе беспроводной связи используется один общий процессор обработки цифровых сигналов основной полосы частот базовой станции, то увеличивается зона уверенного приема базовой станции и одновременно значительно понижается средняя абонентская плата.
На фиг.4 показан распределенный вариант выполнения базовой станции системы беспроводной связи с распределенной интеллектуальной антенной, используемой в высотном здании. Известно, что при большой несущей частоте, например в диапазоне 2 ГГц, радиоволны испытывают большие потери в перекрытиях и стенках зданий. Как правило, радиоволны могут проходить через 3-4 перекрытия или стены. Если структура интеллектуальной антенны базовой станции системы беспроводной связи является сконцентрированной, как показано на фиг.1, то невозможно обеспечить уверенный прием во всех зданиях 110.
В показанном на фиг.4 варианте выполнения в базовой станции 112 используются четыре группы 115, 117, 113 и 119 антенно-фидерных блоков, которые распределены на четырех этажах 11, 8, 5 и 2. В результате использование одной базовой станции системы беспроводной связи обеспечивает зоны 116, 118, 114 и 120 уверенного приема, эквивалентные четырем базовым станциям системы беспроводной связи. В этих четырех зонах 116, 118, 114 и 120, перекрываемых соответственно четырьмя группами 115, 117, 113 и 119 антенно-фидерных блоков, каждая чередующаяся группа антенно-фидерных блоков (перекрывающие одну зону уверенного приема) может использовать одинаковую несущую частоту, одинаковое временное окно и одинаковый кодовый канал. Например, группы 115 и 113 антенно-фидерных блоков могут работать с одинаковыми несущей частотой, временным окном и кодовым каналом, а группы 117 и 119 антенно-фидерных блоков могут работать с другой несущей частотой, временным окном и кодовым каналом. Таким образом, значительно повышается пропускная способность мобильной системы связи. Поскольку одна базовая станция системы беспроводной связи обычно использует один процессор обработки цифровых сигналов основной полосы частот, то значительно снижается средняя абонентская плата при улучшении уверенного приема.
В базовой станции системы беспроводной связи с распределенной интеллектуальной антенной число групп антенно-фидерных блоков выбирается в зависимости от географической зоны или высоты здания (или числа этажей) перекрываемой сотовой ячейки, а число антенных элементов и их пропускная способность в каждой группе выбирается в зависимости от числа абонентов мобильной системы связи в зоне уверенного приема каждой группы антенно-фидерных блоков. На фиг.4 показано, что на каждом втором этаже установлена одна группа антенно-фидерных блоков и каждая чередующаяся группа может использовать одинаковые несущую частоту, временное окно и кодовый канал.
В распределенной системе интеллектуальных антенн, в соответствии с требованиями, пользователь может гибко выбирать число групп интеллектуальных антенн, выбирать число антенных элементов в каждой группе и выбирать место установки каждой группы. Затем с помощью программного обеспечения в процессоре обработки цифровых сигналов (DSP) основной полосы частот обеспечивается оптимальный режим работы всей системы связи.
Например, имеется множество возможных требований к мобильной системе связи в здании.
Первая возможная ситуация может быть следующей. Общее число мобильных абонентов в здании не очень велико, и кодовые каналы общей мобильной системы связи удовлетворяет требованиям. Но абоненты распределены по всем этажам здания. При использовании концентрированной интеллектуальной антенны, как показано на фиг.1, базовая станция может обеспечить уверенный прием максимально в 3-4 этажах. При использовании распределенной системы интеллектуальных антенн, согласно изобретению, одну группу антенно-фидерных блоков можно устанавливать на каждом или каждом втором этаже, при этом каждая группа антенно-фидерных блоков содержит 1-М антенных элементов. Число М зависит от числа абонентов и условий распространения сигналов.
Вторая возможная ситуация сводится к следующему. Общее количество мобильных абонентов в здании велико, и кодовые каналы базовой станции общей мобильной системы связи не удовлетворяют требованиям, и абоненты неблагоприятно распределены между этажами здания с точки зрения установки антенно-фидерных блоков. При использовании концентрированной интеллектуальной антенны, показанной на фиг.1, может оказываться отрицательное воздействие на преимущество пространственного разделения интеллектуальной антенны. При использовании системы интеллектуальных антенн, согласно изобретению, все антенные элементы могут быть разделены на несколько групп, и каждая группа установлена на этаже, при этом каждая группа антенно-фидерных блоков использует одинаковые несущую частоту, временное окно и кодовый канал, но разные интерференционный код и последовательность обучения. Это аналогично установке нескольких независимых базовых станций микро микроячейки. С помощью этого способа максимально используется обрабатывающая способность существующих радиочастотных приемопередатчиков и процессора обработки цифровых сигналов (DSP) основной полосы частот и оптимируется вся система связи.
Во время обработки основной полосы частот сначала обрабатывается соответствующая информация антенно-фидерных блоков каждой группы, затем обрабатывается информация разнесенных антенно-фидерных блоков в каждой группе и получаются данные сигнала к центру для формирования луча к центру. Затем за счет выбора антенно-фидерного блока с максимальной мощностью приема получают информацию блока о направлении прихода сигнала от абонента для получения данных сигнала от абонента для формирования луча к абоненту (при этом способ получения информации о направлении прихода сигнала от абонента раскрыт в патенте Китая №CN 97104039.7 с названием "Дуплексная мобильная система связи с синхронизацией множественного доступа с кодовым разделением каналов с интеллектуальной антенной"). Если имеет место указанная выше ситуация, то использование распределенной системы интеллектуальных антенн обеспечивает преодоление эффекта ослабления электромагнитных волн, так что одна базовая станция может обеспечивать уверенный прием на 7-8 этажах и даже на более чем 10 этажах.
Таким образом, в распределенной системе интеллектуальных антенн, согласно изобретению, антенные элементы, соответствующие фидеры и радиочастотные приемопередатчики, которые составляют систему интеллектуальных антенн, разделяют на группы, в соответствии с зоной уверенного приема ячейки (или здания); выбор числа антенных элементов каждой группы основывается на объеме обмена; и каждую группу антенно-фидерных блоков устанавливают в разных местах (или на разных этажах); однако используют общий процессор обработки цифровых сигналов основной полосы частот базовой станции. Поэтому полностью используется преимущество интеллектуальной антенны; и при улучшении уверенного приема в ячейке значительно увеличивается пропускная способность системы и одновременно уменьшается стоимость системы.
Изобретение относится к мобильной связи. Достигаемый технический результат - улучшение уверенного приема. Распределенная система интеллектуальных антенн содержит N антенных элементов, N радиочастотных приемопередатчиков, процессор обработки цифровых сигналов основной полосы частот в базовой станции системы беспроводной связи, фидеры, шину данных, при этом N антенных элементов и N радиочастотных приемопередатчиков сгруппированы для получения нескольких групп радиочастотных приемопередатчиков, которые расположены в разных местах зоны уверенного приема базовой станции, включая разные здания или разные этажи одного здания. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
