CN1065402C - 一种蜂窝系统和传输蜂窝电话给小区的方法 - Google Patents
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Abstract
一种包括多个基站单元和相应天线单元的微蜂窝通信系统,所有基站单元放置于同一区域内,每个基站单元包含传统的发射机和接收机或者全数字发射机和接收机设备,和与移动通信交换局的接口电路,微小区通讯输出供给一个帧发生器/复接器,帧发生器/复接器的输出供给一个数字调制激光器,激光器的输出通过光纤传送给远端天线单元。远端天线单元分接微小区通讯信号,然后提供给数模转换器,数模转换器的输出供给一个功率放大器,功率放大器连接到主天线。
来自移动单元的RF信号被主天线和分集天线接收。接收信号经滤波,数字化,复用后通过光纤回传给基站,最强的信号被基站选用。
安装一个全数字微蜂窝通信系统分两个步骤。第一步实现的数字系统有利于升级,在升级的第二步中无须花费来改变微小区天线单元。
同时也提供了数字化RF信号的数字滤波,因而只有那些与小区相关的信道才被提取出来以与天线单元间相互进行传输,并且一种数字式被动越区切换系统对小区中所有通讯进行FFT分析,据此实现被动切换。
Description
发明领域
本发明一般涉及高容量移动通信系统,具体涉及数字微型蜂窝通信系统。
背景
图1A示出了一个传统的蜂窝电话系统。这种系统在美国得到了广泛的应用。正如图1A所表明的一样,系统5有固定数目的信道组,分布在基站12,13之间,而基站12,13又服务多个以预定的,可重复使用的模式布置的小区11,16。典型的小区地域范围是1至300平方英里。一般情况下,较大的小区覆盖乡村区域,较小的小区覆盖城市区域。使用相同信道组的小区天线以足够远的距离间隔放置,从而确保同信道干扰被抑制在一个可以接受的水平。
小区11中的移动单元10备有无线电话收发信机,当它从一个小区移动到另一个小区时,这种设备可用来与具有同样设备的基站进行通信。每个基站12,13通过通信线路18在移动单元10和移动通信交换局(MTSO)17之间传送电话信号。小区和MTSO17之间的线路18,典型为T1线路,含有为小区每一个无线信道所单独提供的语音级线路,以及为交换和其它控制功率所提供的数据线路。MTSO17还经由通道19连接到一个包含固定用户电话站及各种电话交换局的电话交换网络15上。
图1A中的MTSO17包含一个交换网络,它用于在公共交换电话网络15和小区11,16中的移动单元10之间建立通话连接,并将通话连接从一个小区到另一个小区进行切换。另外,MTSO使用两条接入线,将一个小区的通话连接换到另一个小区。先有技术中已有多种越区切换标准。如有的运用相位变化得出移动单元距接收小区的距离,有的用三角测量法和接收信号的强度等方法得出可能的越区切换。在MTSO17中同时还包含一个中央处理单元,处理从小区收到的数据,并处理从网络15获得监控信号,以控制通话连接的建立和拆除。
图1B表明了一个传统的基站12。MTSO出来的T1线路和基站无线设备之间的接口由无线控制单元22提供。发射机23一基站的每一信道配备一台-由电路22驱动,它提供给每个发射机一个模拟的语音信号。接下来,信号分别被送到为每一信道所配备的非线性功率放大器上,或者如图1B所示的一样,信号被组合然后送到一个线性功率放大器24。功率放大器24的输出通过双工器25送到天线26,然后再广播到由基站服务的蜂窝区域中。
天线26接收到的信号通过双工器送给滤波器27。滤波器27将整个蜂窝频段的信号从相邻频段中分离出来并送给接收机28,每一信道都配备一台这样的接收机。再将接收机28输出的模拟语音信号送给电路22。基站20可能包含一个分集天线26'以及相应的分集滤波器27'和多个分集接收机28',这些分集接收机每一个都对应于一个主接收机28。在实际应用中,分集接收机28'的输出送给电路22,因此电路22应包含一个使用已知技术用于从相应的接收机28和28'之间选出最强信号的电路。
在人口密集的城区,由于小区11,16中的信道数量相对较少,传统系统5的容量受到了极大的限制。此外,城市蜂窝电话系统还受到阻塞。损耗以及RF信号被高层建筑和其它物体遮蔽的限制。对于郊区的办公建筑及其它综合建筑物也存在这一问题。
为了增大容量和覆盖范围,可对一个小区地域进行细分,以更密集的频率安排并以较低的功率在较小区域内进行分配频率的再用。细分可以通过按地理区域划分一个小区来实现,例如把小区按建筑物或按建筑物内的楼层来划分。虽然对于容量和覆盖区域来讲,这样的“微小区”系统是一个可行的解决方案,但是要以一个合理的费用找到地方在每个微小区内安装传统的基站设备,尤其是在人口密集的城区,却可能是十分困难的。更重要的是,在一个人口密集的城区,维护遍及各处的大量基站可能是费时而且是不经济的。
AT&T提出了一种系统,它不必使用大量的传统基站就可解决城区的覆盖范围问题。图1中示出了这种系统,AT&T的欧洲专利申请号为NO.0391597,于1990年10月10日颁布。在这一系统中,整个微小区系统布置了一个天线位置40的网格。一个光纤网络42将天线与基站44连接起来。为了将信号经由光纤网络26传送到天线22,使用RF移动无线信道对光载波进行模拟调制。每个天线22配备一个检测电路27,以接收调制的载波并重建RF信号,然后再把RF信号送到天线22以传送到微小区地域21。天线22接收到的从移动单元来的RF信号同样被调制到光纤上,并经由光纤网络26传回到基站25。从基站25发送的所有信道被分配给各个天线22。同时,从基站25发送的所有信道也可以被任一微小区21中的移动单元接收到,并可经由光纤传送到基站25。
上面描述的AT&T系统具有某种局限性。模拟调制和解调光的能力,线路反射所带来的局限性,以及光纤线路损耗都给模拟调制信号引入了显著的畸变和误差,从而限制了可以经由模拟系统,尤其是在上行方向上有效传输的信号的动态范围。这些因素限制了从基站到天线的距离。
此外,在AM系统中,需要天线发送一个或从天线接收一个频带之外的信号,来传送控制和告警信息,这又增加了调制解调设备的费用。此外,诸如寻呼系统,个人通信网络及移动数据业务等其它的业务需求很难加入到象AT&T的欧洲应用中所描述的类似的模拟AM系统中。
AT&T系统要求我们为每个远端天线使用安装的专用光纤线路。而我们想要的是利用现有的传输线路或光纤通路,以避免安装新的光纤线路。
Lee的U.S.专利NO.4,932,049号公开了另外一种增加覆盖范围的方案。Lee的专利描述了一种“被动越区切换”系统,其中一个小区被细分为几个区域,使用定向天线来覆盖每个区域。小区中的所有天线共用同一组发射机和接收机。使用一个区域开关来有选择性地将接收机和发射机与天线单元相连接。在实际操作中,MTSO将最好地服务于某给定信道上移动单元的天线连接到分配给该移动单元的发射机接收机对上,其它天线与发射机/接收机对脱离。为了控制发射机和接收机与天线间的切换,一个扫描接收机不断轮询小区中所有占线信道上天线单元所接收到的信号的强度。具有最佳接收信号强度的区域被选作相关信道的激活区域。因此,Lee专利中所揭示的这一系统改善了与移动单元之间的通信性能,同时通过定向技术及限制一个小区中总的信号强度减小了它与其它小区之间的相互干扰。
发明概述
本发明不需要在每个微小区地域内使用独立的传统基站,而通过在整个微小区系统内分配可重复使用的信道组来扩大覆盖范围和提高容量。与上面描述的如,AT&T系统那样的模拟系统相比,它还具有很好的动态范围,可以覆盖更远的距离。
本发明提供了一种蜂窝通信系统,包含一个小区,其中多个电话信号在基站单元和相应多个使用RF传输的移动单元间发送和接收,包括:
基站单元,经传输装置连至相应天线单元,天线单元配置一个天线,完成小区地域内信号的发射和接收,基站单元包括:
模拟RF信号发生装置,在不同信道上产生多个RF信号,传送电话信号给小区地域内移动单元,并组合各RF信号形成复合模拟信号;
模数转换器装置,将复合信号转换为采样的数字化流;
数字滤波器装置,将复合信号滤波,产生多个单独数字化流,每个流对应至少一个信道,采样的单独数据流传输到相应天线单元;
其中,每个天线单元进一步包括:
数模转换装置,用于从基站单元接收采样的数字化流,重建相应的模拟RF信号,并将放大后的该信号供给天线,以发射到小区地域;
模数转换装置,用于接收在天线收到的RF信号,将其转换为采样的数字化流;
数字滤波器装置,将来自收到的RF信号的采样的流进行滤波,并产生多个独立的采样的数字化流,每个流对应至少一个信道,独立数据流供给传输装置,以传输给基站单元,并且
其中每个基站单元进一步包括:
数模转换器装置,从天线单元接收采样的数字化流,并重建对应于每个流的模拟RF信号,然后将该信号送接收机。
本发明还提供了使用信号组传输蜂窝电话给小区的方法,包括以下步骤:
(a)在基站,为每个信道产生RF信号的数字化表示,并基本上只传输那些正在小区中使用的信道组中的每一信道的表示给远离基站的小区,因此传输上述信道所需带宽小于传输蜂窝频段中所有信道的带宽;
(b)在小区接收数字化表示,经数模转换产生相应RF信号,并在小区内发射该RF信号;
(c)在小区中接收信道级珠RF信号,将其转换为相应数字化表示,且只将那些正在小区中使用的信道回传给基站,因此传输这些信道所需带宽小于传输蜂窝频段中所有信道的带宽;
(d)在基站接收来自小区的数字化表示,并得到相应于每个信道的RF信号。
根据本发明的一个示例性实施例,提出了一种微小区系统:其中多个公共设置的基站与多个相应的微小区内的微小区天线单元之间进行通信。每个基站单元包含传统的FR基站发射机和接收机对,给微小区的每一信道都配备一对这样的发射机和接收机对。此外还配备另外的接收机以接收分集信道。从发射机输出的RF信号被组合,然后送给一个宽带的模-数转换器。数字信号通过光纤传送到微小区单元。每个微小区单元接收数字化的RF信号,并使用一个数一模转换器来重建模拟的RF信号。重建的RF信号被送给功率放大器,它的输出送到天线,以广播到微小区地域。
天线单元包括一个主天线和一个分集天线。这两个天线分别独立地接收来自移动单元的RF信号。来自主天线的RF信号经过第一组滤波器进行滤波,给微小区的每一个信道都配备一套这样的滤波器,然后把经过滤波组合之后的主信号送给一个模数转换器。第二组滤波器接收来自分集天线分集信号。分集信号也被送给一个模数转换器。数字化的主信号和分集信号被复接并通过光纤传回给微小区基站。基站本身又包括一套数一模转换器,它重建提供给接收机的主模拟RF信号和分集模拟RF信号。与传统的分集技术一样,我们选用最强的信号。使用传统电路将发射机与接收机接口于MTSO上。
因此,以上描述的示例性实施例设想通过设置微小区基站/天线单元对,来在微小区内提供一种可重复使用型的信道(如同传统蜂窝技术中的一样)。微小区基站单元通常不包含天线,并且可以放置在方便的,低费用的地方,如果需要,甚至可以放置在微小区系统区域之外。
根据另一个示例性实施例,本发明可用来扩展传统小区的覆盖范围。在这一实施例中,基站可能包括一个用于发射和接收直接从发射机和接收机过来的模拟RF信号的天线,如第一个示例性实施例中所描述的一样,这一天线同时还使用经由光纤的数字载波发射和接收从微小区天线单元过来的信号。
根据本发明的另一示例性实施例,数字化的微小区业务以帧的形式发送到天线或从天线进行接收。每一帧包含许多用于运载数字化微小区信号的比特,其它比特用于控制和设备监控,错误检测和纠错以及在基站和天线单元之间传送端到端,点到点的语音信号。一些其它的可选业务,例如个人通信网络业务,寻呼业务以及移动数据业务也可使用帧的形式进行传送。
根据本发明的另一不同的示例性实施例,光纤载体可以用电缆或其它传输媒质来代替。
根据又一示例性实施例,本发明可以用来将一组信道分配给多个微小区地域。在这一实施例中,一个基站单元给多个微小区天线单元发送同一组数字化的信道,这些天线单元也将同一组信道信号返回给微小区基站。
因此,本发明通过使用数字传输,获得了更好的信号质量,并且增大了基站和微小区天线之间的距离,从而解决了一些如前面AT&T应用中所提到的与模拟AM(或FM)系统相关的问题。正如在一个示例性实施例中所应用的那样,本发明无需在每一个微小区地域内使用传统基站,与现有移动电话系统相比,它极大地提高了系统的容量,并且可以满足一些可选业务,例如寻呼系统,移动数据业务或个人通信网络等的需求。本发明还改善了信号的动态范围,并且增加了信号从基站到天线单元之间有效传输的距离。在另一示例性实施例中,本发明很容易地实现了将控制和监测信息传送到微小区天线单元及从微小区天线单元接收控制和监视信息。
为了提供更多的益处,我们还提出了一种微蜂窝系统的全数字式示例性实施例,其中,用多个公共设置的基站与多个相应的微小区天线单元进行通信,这些微小区天线单元应用于各自的微小区地域。根据这种全数字的实施例,基站为全数字式的,并且它合成直接从MTSO接收的T1载波来的数字信号。数字信号经由光纤送到微小区单元。微小区单元接收数字信号,并使用一数模转换器重建模拟的RF信号。然后将RF信号送给功率放大器,它的输出送到天线,以发射到微小区地域。天线单元接收从移动单元来的RF信号。RF信号通过一组滤波器进行滤波,给微小区的每一信道都装有一套这样的滤波器,然后将滤波后的信号传送给模一数转换器。数字信号再经由光纤传回给数字微小区基站。基站接着直接将数字信号合成到回到MTSO的T1载波上。使用传统电路将发射机和接收机接口于MTSO上。因此,这一实施例设想微小区基站单元为全数字式的,并且不再需要基站中的RF设备,也不再需要模一数和数一模转换器,从而为降低费用,减少基站设备所占体积以及减少对于低可靠性模拟系统的维护需要创造了条件。数字微小区基站可以设置在方便的,费用低的地方,如果需要,甚至可以在微小区系统区域之外。
一种方法可快速安装使用模拟基站的系统,而且模拟基站也可容易地升级为全数字基站。这一方法的第一步要求使用多个我们上面描述的那种微小区基站单元,每一基站包括传统的RF基站发射机和接收机,给微小区的每一信道都配有一套这样的发射机和接收机。
在应用的第二个阶段中,用全数字基站来替换模拟基站,这种基站是全数字式的,并且合成直接从MTSO接收到的从T1载波上来的数字信号。数字信号经由光纤传送到在应用的第一阶段中所安装的微小区天线单元。微小区天线单元接收数字信号,并使用数一模转换器重建模拟RF信号。然后将RF信号送给功率放大器,它的输出送到天线,以广播到微小区地域。天线单元也接收从移动单元来的RF信号。将RF信号通过一组滤波器进行滤波,给微小区的每个信道都配备一套这样的滤波器,然后将滤波后的信号传送给模-数转换器。数字信号经由光纤再传回给数字微小区基站。基站又直接将数字信号合成到返回MTSO的T1载波上。
因此,以上描述的示例性实施例设想当用全数字微小区基站取代模拟微小区基站单元时,第一阶段中安装的天线单元无需变动或替换。因此,这一方法不用支出用于改变现有已安装的微小区天线单元的费用,就可以获得全数字基站的所有优点。
根据另一种可行的示例性实施例,运载微小区或PCN业务的数字化RF信号被组成帧,以在电话交换网络上传送。在这一实施例中,有限数量的数字微小区或PCN信道被组合在一起,使用标准DS-3,OC-1或其它协议以标准的帧形式进行传输。
在另一个可行的示例性实施例中,数字微小区或PCNRF信号经由已安装的电缆系统的光纤基础设施以幅度调制方式(AM)从前端到光结点进行传输。
另一个更进一步的示例性实施例设想,将微小区或PCN业务使用QAM调制或其它数字调制方式以数字的形式在电缆系统的馈线上进行传输。
因此,根据这些实施例,微小区或PCN信道可以在已建立的交换网络上或使用已建立的电缆系统基础设施来进行传输。
根据本发明的另一实施例,它提出了一种被动越区切换系统,这种系统使用数字信号分析,来实现在小区的不同微小区内不同的天线单元之间快速切换发射机和接收机。
根据本发明的又一实施例,提供了一种带阻滤波器,这种滤波器可以由从模数转换器来的数字流中滤出选定的一组信道,并把选定的信道复用到一个或更多个低速载波上,例如T1线路或SONET载波。
根据本发明的又一实施例,它描述了一种被动切换方法,这一方法用于具有多个宏小区(其中包括一级宏小区)的蜂窝电路系统中,每一宏小区分享同一组信道,这一方法包含几个步骤:提供多个基本和辅助微小区天线单元;把一级宏小区划分为多个基本微小区,其中划分步骤包括,放置基本微小区天线单元,以覆盖一级宏小区;提供多个辅助微小区天线单元;放置辅助微小区天线单元,提供和基本微小区重叠的宏小区覆盖范围,于基站处将从移动电话交换局接收到的电话信号生成相应的数字化表示,从以上提到的许多基本和辅助微小区中选择一个微小区,并且将电话信号的数字形式传送给选定微小区的微小区天线单元;在选定的微小区接收数字信号,并通过数一模转换器产生相应的RF信号,然后在选定的微小区发射这一RF信号;在每一个基本和辅助微小区接收这组信道的RF信号,并把接收到的RF信号转换为相应的RF信号的数字化表示,返回传输给基站;在基站接收来基本和辅助微小区的RF信号的数字化表示;监视来自基本和辅助微小区的RF信号的数字化表示,并以每一区域中的各信道的能量级别为基础,有选择地控制广播到每个基本和辅助微小区的信道,并从多个收到接收信道的基本和辅助微小区中选择一个微小区,从而实现被动式切换。
根据本发明的另一实施例,它描述了一种扇形覆盖某一特定蜂窝通信区域的方法,这一方法包括以下几个步骤:提供一个具有许多微小区天线单元的远端单元,这些微小区天线包括一个基本和一个辅助微小区天线单元,其中每个微小区天线单元包含一个用于覆盖某一特定扇区的天线,并且使用一信道滤波器单元来滤出分配给特定扇区的信道;将远端单元与按扇区划分的基站单元相连,其中连接步骤包括,为每一个天线单元扇区提供一个单元的扇区频率;把按扇区划分的基站单元连接到移动通信交换局;在按扇区划分的基站单元那里,将从移动电话交换局接收到的电话信号转换为相应的数字化表示;将数字信号传送给某一特定扇区的微小区天线单元;在一级微小区天线单元处,接收一级RF信号,将一级RF信号数字化,并且数字化的一级RF信号转变为扇区频率;在二级微小区天线单元接收二级RF信号,将二级RF信号数字化,并把数字化的二级RF信号转换为二级扇区频率;然后复用一级扇区频率上的一级数字RF信号和二级扇区频率上的二级数字RF信号,并将复用后的信号传送到按扇区划分的基站。
附图的简述
通过参考以下的详尽描述,补充说明和附图,可以获得有关本发明各类特点,目的和优点的更加完全的理解。
图1A是先有技术中移动通信系统的功能框图。
图1B是先有技术中基站的功能框图。
图1C是先有技术中微小区移动通信系统的功能框图。
图2是本发明微小区通信系统示例性实施例的简要功能框图。
图3是图2实施例中基站的详细框图。
图4是图3基站的更详尽的说明。
图5是图4帧发生/复用器134的详细框图。
图6是一典型数据帧结构的简图。
图7是另一典型数据帧结构的示意图。
图8为据图2中典型实施例中微小区天线单元的功能框图。
图9是图4中解复用器142和相关接口的功能框图。
图10是本发明全数字典型实施例的功能框图。
图11A是图10中系统的详细框图。
图11B是图11A中系统的可选实施例。
图11C是图11A中系统的另一可选实施例。
图11D是图11A中系统的又一可选实施例。
图12是根据本发明的微小区通信系统的可选实施例的简要说明。
图13是图12系统的可选实施例106'的功能块设计图。
图14是本发明微小区通信系统另一个可选示例性实施例。
图15是表明本发明的另一可选示例性实施例中的可选业务,如个人通信网(PCN)通信业务和寻呼通信业务,可复用到蜂窝系统的通信系统中。
图16是有线电视系统基础设施这一先有技术的简要说明。
图17是本发明的可选示例性实施例的简要框图,其中有线电视系统基础设施用于与微小区间双向传送数字化RF信号。
图18是图17典型实施例的基站单元的框图。
图19描述了图17典型实施例中处于有线电视系统前端的前端单元。
图20是图17典型实施例中处于有线电视系统前端的AM调制器/解调器的较详细框图。
图21A是模数转换器132的更详细的框图,模数转换器132用于本发明的多个实施例中。
图21B是用于本发明的不同实施例中的数模转换器144的更详细的框图。
图22是用于图2中本发明实施例的一种可选的优选帧结构。
图23是用于图2中本发明实施例的另一种可选的优选帧结构。
图24是图17实施例中,处于电缆系统光节点处的微小区远端单元的更详尽的框图。
图25是用于图17实施例中的幅度调制器的说明。
图26是用于图17实施例中的幅度解调器的更详尽的说明。
图27A是图17所示系统的可选示例性实施例的基站的说明,其中RF微小区信号或PCN信号是数字调制的。
图27B是图17所示系统的可选实施例的说明,其中RF微小区信号或PCN信号是数字调制的。
图28是使用数字调制的可选实施例的进一步说明。
图29进一步描述了使用数字调制的实施例中的光节点的结构。
图30另一个典型实施例的全景图,该实施例中数字化微小区通信或PCN RF通信被组成帧,并通过电话交换网传送。
图31A是图30实施例中基站单元的更详尽的框图。
图31B是图30实施例中基站单元的一个可选典型实施例。
图32A是图31A所示基站单元中模数转换器和成帧电路的更详细的框图。
图32B是图31B所示基站单元的一个可选典型实施例中模数转换器和成帧电路的更详细的框图。
图33A是图30所示系统的远端天线单元的更详细的框图。
图33B是图30所示系统中远端天线单元的一个可选典型实施例的更详细的框图。
图34是本发明的另一典型实施例,其中数字化RF信号通过电话交换网和电缆系统传送。
图35A是一种微小区通信系统典型实施例的全景式的功能框图,根据本发明该系统具有被动越区切换能力。
图35B是根据本发明的系统35A的典型基站单元114'的更详细的框图。
图35C是一个移动单元从一个区域运动到另一个区域的图示化说明。
图36是图35A中系统的数字发射/接收单元130″的一个示例性实施例。
图37描述了图35A系统中控制器810的一个示例性实施例。
图38是图35A系统中控制器810的工作过程的简要框图。
图39A、39B、39C、39D是带全数字基站单元的被动越区切换系统的另一个可选示例性实施例。
图40是图35B系统的一个可选实施例。
图41A、41B、41C是冗余微小区覆盖的示例性实施例。
图42是根据本发明的扇区化微小区通信系统示例性实施例的简要框图。
图43是图42中所示基站的实施例的更详细的框图。
图44是图42中所示远端单元实施例的更详细的框图。
图45是图44中所示远端单元中的信道滤波器单元的一实施例的更详细的框图。
图46是图42中所示基站单元实施例的一个可选实施例。
图47是图42中所示远端单元实施例的一个可选实施例。
优选实施例的详细说明
在以下本发明典型实施例的详细说明中,可以参考前一部分的附图,在所有附图中相同的数字代表相同的部件。附图仅作为一种说明方式,可以用于本发明的具体实施例。可以理解,不偏离本发明范围,可实现其它一些实施例,并进行一些结构上的变动。
本发明一典型实施例的一般结构示于图2中。微小区系统包括许多微小区地域100。在每个微小区地域100中使用的是微小区远端天线单元102。这样的单元可以架设在楼房顶部或楼房内,或者其它建筑物之上或之内。例如,微小区天线单元可以架设在邻近或座落于天线塔上楼房内的每一层中,或者架设在高速公路边上。
远端天线单元102通过光纤104(或其它宽频带载波)与相应的基站单元106相连接。基站单元106经由T1线路112接口于MTSO110。如同传统蜂窝电话系统中的一样,MTSO与一个电话交换网络120相连。微小区基站单元106最好放置在单个地点114,这一地点可以在微小区系统服务区域之内或之外,但是,在任何情况下都应该设置得有利于维护。
现在参看图3,它示出了本发明一典型实施例中微小区基站106的简单框图。基站106分别包括传统的发射机23和接收机28,以及传统的无线控制器或与MTSO110的接口电路22。一个数字发射机/接收机单元130接收由发射机23来的组合后的RF信号,然后将组合的信号数字化,并以数字形式经由连接到远端天线单元102的光纤进行传输。单元130也接收经由光纤104B从远端天线单元102来的数字化RF信号,并重建相应的模拟RF信号,然后将其送到接收机28。因此,在数字发射/接收单元130的下行方向一侧可以使用传统设备。
现在参看图4,它详尽地描述了发射/接收单元130。单元130包括一个宽带的数字转换器132,用它来接收从发射机23来的组合的RF信号。数字转换器132提供数字化的微小区信号流,这一数据流由一系列送到的模拟RF信号的采样组成。帧发生器/复用器134将数字化的微小区信号数据与控制,语音和检错数据一起组装成帧,并送给数字调制激光器136。语音数据信道,也被称作公务信道,产生于公务接口135,它为手机137或二线的电话线提供一个输入。公务接口135用于双向点到点的语音级通信。典型情况是一个在远端使用的手机与一个在基站的手机相连。控制信号产生于控制/告警电路131,电路131为远端天线单元102产生控制信息,以监测错误和告警信息。
从数字调制激器136出来的光信号被送到光纤104A,然后传送到相应的远端天线单元102。根据一个可行的实施例,数字转换器132可以提供30.72兆采样/秒(MSamples/s)速率传输的24比特宽的字(并行结构采样)。帧发生器/复用器134把30.72M采样/S的字转换为以819.2兆比特(Mb/s)速率传输的单一串行比特流。
数字转换器132通过使用带通滤波器抑制带外信号来实现对宽带RF信号的调整,同时它还调整增益以防止模数转换器过载。模数转换器通过直接对RF信号进行采样或者先将RF信号下变换到基带或中频,然后再采样的方法来将调整后的宽带RF信号转换为一并行比特流。在优选实施例中,数字变换器从Massachusetts的steibrechercorporation of woburn公司获得,它以30.72M采样/S的速率对下变换到第一或第二奈奎斯特区的12.5MHZ带宽的信号进行12比特抽样。
单元130还包括一个数字光接收机140。接收机140输出一个送给解复用器142的电数字信号,正如我们以下将进一步讨论的一样,解复用器142提取由远端天线单元102产生的数字化微小区信号数据。解复用器142还提取与微小区信号数据同帧传输的告警(监视)和语音信息。数字化的微小区信号数据被送到数模转换器144,它重建模拟RF信号,并将它传送给接收机28。
数模转换器对解复用器142提取的并行比特流进行操作,并重建由数字转换器132数字化的宽带RF信号的一个基带拷贝。这一基带拷贝然后通过与一本地振荡器混频,并滤除镜像频率的方法向上变频到其最初的无线频率。在优选实施例中,数模转换器也从Massachusetts的steibrecher corporation of woburn公司获得,并以30.72M采样/S的抽样速率运行。
现在参看图21A,它更加详尽地描述了图4中的宽带数字转换器或模数转换器电路132和图8中的170。模数转换器电路包含一本地振荡器132A,它将其输出送给混频器132B,132B接收从发射机23来的组合后的输出信号。在送给模数转换器132C之前,132B将高频微小区信号(在传统蜂窝电话业务中红为850MHZ,在PCN通信中约为1.8GHZ)降到约1~15HZ的(例如这两频率之间的12.5MHZ)中频(或基带)。
图21B描述的分别是图4和图8中的数模转换器144和164,它执行与模数转换器132和170相反的操作。数模转换器144包含一数模转换器144A,它输出一中频信号,然后将这一中频信号与本地振荡器144C进行混频实现向上变频。向上变频将RF的操作频率恢复为蜂窝或PCN系统的广播频率。
现在参看5,它详细描述了图4所示本发明典型实施例中的帧发生器/复用器电路134。电路134包括一个循环冗余校验码(CRC)发生器155,它接收从数字变换器来的微小区信号数据并输出CRC码。
根据本发明的一个典型实施例,成帧器/复用器154将CRC信道,微小区信号数据,公务(语音)信道和控制(告警)信道复用进如图6所示的帧结构。每一帧包含12比特的微小区信号数据码,一比特CRC信道,一比特控制/告警公务信道和6比特成帧码。控制-告警和公务数据一起被复用进一个信道。
图7示出了一种可行的帧结构,其中12比特用于主天线信道,12比特用于12.5MHZ范围的其它可选业务或分集信道,1到2比特CRC信道,1比特控制信道和6比特的帧字。其它可能的帧结构可以包含48个信息比特,将它们用于全频道范围和分集容量,或用于运载其它附加业务。可以理解,本发明不限于这些提到的或其它特定的帧结构,可用的任何其它形式都没有脱离本发明的范围。
为了实现与并行传输字的同步,图6和图7中示出的帧信号以819.2Mb/S(例如32×25.6×106bit/s=819.2×106比特/S)的速率传输。(对于40MHZ/48bit或其它的帧结构,比特率和抽样速率应作相应改变)。通过在接收解复用器142(下面描述的图8中的162)处搜寻帧面来实现同步。32个独立帧组成一个超级帧。因此32帧中的一帧有一比特与其余31帧不同。每个帧比特为具有相同个数的“0”,“1”的对称码。解复用始发帧搜寻以找到连续的帧面,接下来搜索32帧中某一帧内的特定比特序列。当解复用器142(或162)找到超级帧和帧之后,就可以据此获得正确的信号数据样本和数据样本。这种类型的成帧方法在通信技术中已为人们所熟悉,并且那些熟练的技术人员也将认识到还有其它各种各样的成帧方法可以应用。帧发生器/复用器134包括用于对输出数据进行扰码的电路,以提供适于光纤传输的对称线性码。
现在参看图22和23,它们示出了图2典型实施例中另一种优选帧结构。正如图22所示出的,这种帧结构包括用于PCN/微小区业务的12比特,一个成帧比特,用于CRC与告警-控制公务信道的1比特,4个保留比特。图23中的帧结构除了把13比特分配给PCN/微小区信号数据外,其余与图22帧结构一样。这些帧结构都没有为容纳分集信号数据而分配比特,但是,它们都可以加以扩充。图22和23中的帧结构假定都是以30.72Mb/S的速率进行12比特抽样。而基本的帧结构为18比特,它在以30.72Mb/S运行时,将产生522.96Mb/S的串行速率。正如图22所示出的,一比特被用于成帧。另一比特在CRC,告警-控制和公务功能之间进行复用。这两个比特通过如下序列形式来实现成帧和复用。
成帧码 CRC.EtC
00 帧1
01 帧2
10 帧3
10 帧4
1C 帧5
1D 帧6
如上所述,这一典型实施例的成帧结构设想以六个帧组成一“超级帧”。每一超级帧的头四帧包含00,01,10,10序列。在第五帧中,成帧比特为1,另外的比特代表一比特CRC码。在第六帧中,成帧比特为1,其余比特为告警-控制/公务信道比特。
CRC码最好为32比特宽,所以为了获取整个CRC码,必须接收32帧。因此,每32数据码查一错。在以前描述的成帧结构中提供了对称的线性码。
现在参看图8,根据本发明的第一个典型实施例,它示出了远端天线单元102的功能框图。数字光接收机160接收从微小区基站传送过来的光纤104A上的光数字业务数据。接收机160将光通讯数据转换为相应的电脉冲序列,并将它送给解复用器162,解复用器162提取出微小区信号数据并将12比特(或13比特)抽样送给数模转换器164。转换器164重建RF信号,并将其送给线性功率放大器24。转换器164最好与上面描述的图4中的数模转换器相同。放大器24通过双功器25与主天线26相连接。相应地,微小区基站内发射机23所产生的无线频率信号从主天线26上发射出去。解复用器162也提取供给控制/告警电路161的控制信号。同时它也提取公务数据并将其送到公务接口163以提供双向点到点的语音级通信。
主天线26接收到的RF信号通过双工器25送到滤波器27。正如参考图1B所描述的一样,功率放大器24,双工器25,主天线26和滤波器27都是传统基站的组件。滤波器27的输出被组合,然后送到一宽带模数转换器170(与上面图4中描述的144是同一类型),它将模拟RF信号数字化并送到帧发生器/复用器电路172。电路172的输出被送到数字调制激光器174,激光器174提供相应的光数字流给光纤104B。帧发生器/复用器172与帧发生器/复用器34实质上是相同的设计。它从电路161接收一个告警(或监示)信号数据流和从公务接口163上接收公务数据流。
远端天线单元102可以有选择地包含一个分集天线系统180。系统180包含一个分集天线26',该天线将输出馈给滤波器27',然后送给宽带的模数转换器170',这与主天线26到滤波器27,再到宽带的模数转换器170的工作方式相同。模数转换器170'的输出供给电路172,在那里将从分集天线收到的数字化射频信号复用成数据流,送给光纤104B。在这样一种情况下,成帧结构包含了分集业务的容量。
现在参看图9,图4和图8详细说明了解复用器142(和相应的162)。电路142(162)包括一个解复用器190,该解复用器从数字光接收机140接收数字数据流。解复用器190从数字数据流中提取控制/告警信道、公务信道、CRC信道和微小区业务信道。另一方面,在提供分集功能之处,相应地,分集的CRC信道和分集的微小区信道也被提取出来。主CRC信道和主微小区业务信道供给CRC校验电路192,它提供一个差错信号给控制/告警电路131。电路131监测发生在远端天线单元102的数据和告警的差错率。公务信道供给公务接口163,提供双向的点对点通信。
当选择有分集功能时,一个第二CRC校验电路192'接收分集的CRC信道和分集的微小区信道,并提供一个差错信号给控制/告警电路131。
全数字式实施例
现在参照图10,图示的是本发明的一个可选的典型实施例200。可选的实施例200包含了一个图8所示的远端天线单元102。远端天线单元102通过光纤104A和104B与全数字式微小区基站210相连。微小区基站210与MTSO相连。
全数字式微小区基站210的详细情况见图11A。电路210包含一个T1接口202,该接口提取由一根T1线传送或从MTSO而来的数字化话音信道,并把这些信道以数字式的形式提供给数字合成器212。数字合成器212代替了图4中的发射机23和模数转换器132。通过数字逻辑或软件,数字合成器212功能上等同于宽带数字转换器132,均提供数字化输出给帧发生器/复用器214。合成可以由如硬件的或软件的仿真完成,仿真模拟的话音信号的产生和以此相关的传输信号。被仿真的信号发射机的输出信号可以直接表示为数字形式,以便于处理,这样就仿真了A/D转换器的输出。
图11B说明了另一种图11A所示的可选的实施例。图11B的系统中,合成器212'从控制器22接收模拟信号输入,并将其(即相应的模拟语音信号)转换为相应的数字式业务流。在这个过程中,合成器212'可以先数字化输入的各单路模拟信号,然后进行数字处理,产生数字化的信号传给单元106。在反向通路,数字解调器224'解调出一系列的模拟语音信号输入到无线控制器22。复用器241与前面图4、图5所示的帧发生器/复用器134功能一样。复用器214的输出提供给数字调制激光器216,该激光器输出光数据流到光纤104A。数字光接收机220从光纤104B接收光数据流,并提供给解复用器222,该解复用器与图4所示的解复用器142功能一样。解复用器222的输出提供给数字解调器或接收机电路224,从那儿提取微小区信道并输出到T1接口电路202,然后送到MTSO。
图11C说明了另一种可选择的全数字化基站的实施例。图11C中,帧发生器/复用器211'被调整以直接输出给电话交换网,以一种与电话交换网协议兼容的格式诸如DS1、DS3或SONET方式。因此,交换网被用于通过各个天线单元106连接各基站。根据这个实施例,调整后的合成器212″为每个正在使用的信道(不同于所有信道都在同一个蜂窝频段内)产生一个单独的数字输出(比如下图32B所示),因此,只有用于天线单元106的数字化信道才实际被发送,这样就极大地减少了为此目的所需的带宽。类似地,解复用器222'被配置为从交换网接收独立地打包的数字化信道,解调器224″被调整以便接收和提取这些独立信道。图11B的实施例也可以被修改成为这种工作方式,如图11D所示。
这样,全数字化基站210综合了以下的功能,数字化发射数字流、和提供从电路202到传给光纤104A的数据流的全数字化转换。综合后的信号被远端天线单元102接收,该单元通过使用字模拟转换器建立射频信号164,因此不须使用发射机23。类似地,数字解调器或接收机电路224的应用,直接将分接的数字化RF数据流转换成数字语音信道给电路202,再传给MTSO,从而省去了接收机28。
图12说明了本发明的另一个典型可选的实施例。图12所示的可选实施例包括一个基站106',其中有一个天线250用于一个蜂窝地域的发射和接收射频信号。另外,106'还包括了一个或多个远端天线单元102以能达到阴影地域。这个实施例不是为了扩大容量的目的,而是为了能提高覆盖率。
参照图13,这里说明了基站106'的详细情况。图13的构置与图3的基本一样,唯一不同的是射频收发信号是通过一个双工器和功率放大器一起接到主区位置的天线上。
参考图14说明了一个参考的基站单元106和天线单元102的实施例。据此实施例,基站106和远端天线单元102有波分复接器270。波分复接器270提供一根单根光纤271来替代一对光纤104A和104B,这与图4示的典型实施例一样。波分复接器270的相应的各作波长为1310nm(±20nm)和1550nm(±20nm)。
图15说明了本发明的另一个典型可选实施例。图15中,可选的通信业务(如个人通信网业务(PCN)和/或寻呼业务)复接到数字载波上,并传给远端天线单元102,作为由数模转换器重建的宽带信号中的一部分。为此种可选服务,远端天线单元被修改为包括独立的模数转换器、数模转换器、滤波器、双工器、线性功率放大器和可选业务的天线。至于光接收机、发射机则共享微小区域的业务。PCN发射信号被远端天线单元102接收,并被在数字载波上返回给基站106。增值服务可以通过简单地在每一个帧后增加比特数而达到。因此,图15所示的实施例可以在蜂窝通信基础上以最小代价,加入一些不同的可选业务。可以预料,本实施例还可以完成其它的业务,本发明的应用决不仅限于微蜂窝、寻呼、PCN或移动数据业务。
安装和升级微小区系统的方法
为便于全数字化实施例的实现,两个阶段的部署是必要的。第一阶段,使用微小区基站单元106(图3所示设计中)。在基站单元里,这些单元可能已经有传统的发射机和接收机技术及传统的到MTSO的接口电路在使用。第二阶段,单元106被替换或升级为全数字微小区基站单元210,淘汰模拟发射机和接收机。这种升级可以不改变远端天线单元102而实现,因此可以迅速而且方便地升级。这种安装方法,允许建有原来的造价相对较低的单元106,并且提供快速的使用,同时还允许不用改变远端天线单元102而升级到更可靠的全数字式基站设备。
由上所述,本发明不仅提高了覆盖率,且通过对整个微小区系统分配复用信道组,从而不必在每个微小区地域使用独立的、传统的基站,而扩大了容量。同时,由于数字传输的优点,它与模拟系统相比有好的动态范围,可覆盖更广的区域。
所述的典型配置,基站106和远端天线单元102提供控制/告警/监示和双向点对点话音信道,这些信道可以直接复接到数字载波上,这比诸如AT&T提供的模拟系统更具优越性。再者,一个分集信道也可以被复接到数据流中,提供分集功能而不需附加光纤通路。
本发明也提供有与微小区蜂窝业务同时进行的可选业务,诸如PCN、移动数据和寻呼业务的现成的适应性。
本发明的另一项优越性是它的对所有全数字化基站技术现成的适应性。以数字形式从一个MTSO接收到的微小区信号数据可以被数字化为一个综合的数据采样流,提供给远端天线单元102的数模转换器。
可以理解,基站与天线单元之间其它种类的控制或监示信道也是可行的,并且本发明并不限于典型实施例中的特指的某个信道。
在电缆系统光纤馈线上的微小区和PCN业务的传输。
图16表示了一个传统的电缆系统。系统300包括一个或多个卫星蝶形天线304,从卫星302接收卫星电视信号。另外前端可以从本地或其它媒介如光纤、同轴电缆或视距微波链路线接收视频信号。视频单元308进行视频信号分离,然后供给AM发射机310一个视频信号,在310中,典型地是向下变频后传输给光纤馈线一个幅度调制信号。光纤馈送器传输视频信号给光节点312,在那儿处理收到的信号,典型地是通过铜芯同轴电缆或光纤链路分送到一系列住宅区314。一个典型的效区的这样安装方式最适合使用本实施例,一个光节点312一般可供约250个住宅,覆盖约1~2平方英里的范围。
图17将阐述本发明的一个典型实施例。其中电缆系统300被用于传送微小区或PCN业务给微小区地域。图17的系统提供了使用已安装的电缆电视系统传输微小区和PCN业务的优越性。如图17所示,电缆系统的前端包括一个前端微小区/PCN单元332。视频复接器308和一个普通老式电话业务(POTS)及数据源336。虽然在本实施例中提供了POTS和数据服务,但它们对于传输蜂窝/PCN业务并不是必须的,因此可以在系统中忽略。一般地,POTS/data被放在一个特定带宽中的一系列副载波中,一个单独的副载波分配给一个系统用户。类似地,视频信道同样被包含在一个特定带宽的许多副载波上。另外,微小区/DCN信道也被放在一个规定带宽的许多副载波中。前端单元332,通过一对光纤331A和331B,与基站单元330接口。基站单元330通过一个移动电话交换局(MTSO)332与电话交换网接口。
此外,前端还包括一系列AM调制器/解调器338,通过光纤340A和340B与微小区光节点342相连。每个光节点342包括一个接收和发送给微小区或PCN业务的天线单元,并与许多用户住宅342接口。POTS/数据源336、复用器308和前端332都与AM调制器/解调器338相连,详见下述的图20。
基站单元330的详细情况见图180。单元330与前述图3所示的单元106功能一样。如图2实施例所示,基站单元330可以放置在一个方便的位置,远离前端。另一方面,基站330可以放在前端,从而省去了光纤连线及其它不必要的部件。这样发射机的输出RF信号可以被滤波并直接供给AM调制器/解调器338,反过来由AM调制器/解调器338传来的信号被滤波并直接给接收机28。基站330的数字发送机/接收机130的结构见图4。
如图19示,前端单元332,实际上与图2的实施例中的单元102结构一样。前端单元332与基站330通信的RF信号,其数字化和成帧与前述单元102与106之间通信一样。然而,数模转换器164的输出供给滤波器335,它将RF信号滤成许多带宽信号,每个带宽与一一个光节点342所连的特定的微小区相连。这里所述的典型实施例中,微小区或PCN系统的信道被分成一系列1MHz的带宽,每个带宽包含了许多微小区或PCN业务的信道(如10个100KHz的信道或可能30个30KHz的标准信道)。每个AM调制器/解调器338(详见图20)接收一个1MHz带宽的信道,并通过光纤340A和340B以AM调制供给微小区光节点342。在反向通路上,1MHz带宽从微小区光节点342(通过光纤340B)被接收,然后由AM调制器/解调器338解调,经滤波器337滤波与组合,传给宽带模数转换器170,最后经回送通路供给基站单元330。
参考图20,这里详述了调制器/解调器338。每个单元338包括一个AM调制器338A,它接收一个POTS/data输入信号、一个视频输入信号和一个PCN/微小区业务输入信号。AM调制器338A组合这些信号,并产生一个AM调制信号给AM光发射机338B,在那里转换成光波长输出给光纤348。在反向通路中,AM解调器338C,从AM光接收机338D接收输入信号,产生PCN/微小区和分集业务,同时还有POTS/data输出信号。
参考图24详示了光节点单元342。单元342包括一个AM接收机400,它从AM调制器/解调器338接收AM调制信号。光接收机400的输出供给AM解调器402,输出一个POTS/data信号和一个视频信号。POTS/data信号通过光节点送到用户的数据传输媒介传给各家庭用户。视频信号也传给家庭用户(通过同轴电缆或光纤)。PCN/微小区业务从AM解调器402分离输出,供给上变频器变频到它的操作频率,该上变频器中有混频器404和本地振荡器406。信号经放大器408放大,通过双I器410和一个主天线412发射到微小区地域。根据这里公开的典型实施例,在光节点的天线单元发射的1MHz的带宽里包含许多信道。天线412接收到的RF信号通过双工器410馈给滤波器420。可以选择分集天线424提供输出,通过滤波器426送给混频器428。本地振荡器提供混频器422和428的一个输入,对收到的PCN或微小区业务和回送的POTS/data业务进行下变频,然后传给AM调制器432。AM调制器432合并主信道、分集信道和POTS/数据信号,并将它们进行AM调制,通过AM光发射机送到光纤340B。
图25和26更详细说明了AM调制器(338A,432)和解调器(338C,402)。参考图25,这里详述了AM调制器338A。POTS/data、视频信道和微小区/PCN信道信号源供给相应的混频器350、352和354,经频率变换到适合组合电路356组合的频率。组合后的信号供给传统的AM调制器358。
图26,在反向通路中,AM信号供给传统的AM解调器360,其输出给滤波器362和364滤波,然后供给相应的混频器366和368,在那里复原为它们相应的载波频率。
这样,如上述,图17描述了一个可选的实施例,可以通过已安装的现有的电缆电视系统的光纤分布系统,提供微小区或PCN业务。另外,还描述了用同样的系统提供POTS/data业务。然而,对本发明而言,POTS/data业务是完全不必须的。
可选的数字调制/解调
前述系统中,数字化RF信号在传输给远端光节点单元342之前被变换为模拟形式。根据下述的可选的典型实施例,运用如QAM调制的数字调制,数字形式的RF信号可以保持直到远端光节点单元342。图27A的可选的典型实施例中,发射机组453输出组合信号给相应的模数转换器456(包含下变频到中频或基带频率),帧发生器/复用器458将这些信号组成帧结构,这样,在链路的另一端就可以从这个帧结构中提取信号组。类似地,解复用器459,将收到的信号解复用,并提供相应的数字输出信号给各模数转换器457(包含上变频),再到相应的接收机组455。也可以有选择地加以提供分集输出。发射机组可以有如多达10个的发射机,这样组合的数字化的带宽是1MHz左右,加上成帧和控制比特,组成约300KHz的频谱,以(2+X)倍的速率被数字化。图27B阐述了可选数字调制实施例的前端单元332'。尽管本实施例所述的是QAM调制,可以理解,其它形式的数字调制技术也是可以纳入本发明中的。根据本实施例,前端单元332'收到的数字化RF信号,在解复用器450中解复用,成组地输出信号,以数字形式提供给一系列图28所示的QAM调制器/解调器338'。从QAM解调器464得到的反向信号供给帧发生器/复用器单元452,由它通过数字式的调制激光器174把数字信号返送到光纤331B。
如图28所示,QAM调制器460接收一个数字的POTS/数据输入信号、一个数字视频信号和一个数字PCN/微小区业务信号。QAM调制器460将输入信号复用并产生一个QAM调制的输出信号给AM光发射机462,然后送到光纤340A。在反向通路中,AM光接收机466从光纤340B接收一个QAM调制信号,然后供后QAM解调器464。解调器464将收到的信号解复用,然后产生一个数字微小区/PCN信号和一个数字POTS/数据信号。
参考图29说明了微小区光节点342'的另一QAM实施例。可选的光节点342'包括一个AM光接收机500,从光纤340A接收输入信号。QAM解调器502接收AM光接收机的输出信号,将信号解复用,解调给数模转换器504。经混频器506和本地振荡器508的上变频作用,转换器504输出中频或基带信号。这信号给放大器510,经滤波器512滤波,再经双工器514,由主天线单元516发射出去。在反向通路中,RF信号由主天线单元516接收,经双工器514,再经滤波器518滤波提供给由混频器528和本地振荡器530组成的下变频器。分集天线520选择性地与滤波器522和由一个本地振荡器526和混频器524组成的下变频器一起被提供。主天线信号和分集天线信号经组合电路532组合,供给模数转换器534。模数转换器534的输出供给QAM调制器536,再输出给AM光发射机538,发送到光纤340B传输给前端。
由此,如上述,可选典型实施例提供了到光节点单元342始终保持RF或PCN信号为数字形式的一个系统。它比AM调制机制具有更高的信号质量。
在电话交换网上传输数字化RF信号
本发明的另一个可选的典型实施例示于图30。图30中,基站单元600通过一个电话交换网120与远端天线单元602相连,详见图31A、32A、33A和34。如图31A,每个基站单元600包括无线控制器和T1接口电路22,从MTSO接收一系列PCN或微小区信道。多个610中的各发射机23的输出信号在组合电路612先被组合,然后再传给模数和数模转换器/成帧/解复用电路614。组620中的接收机28从电路614的输出接收一个模拟信号。每个614也产生一个模拟分集信号,供给组622中的分集接收机28'。
每个电路614的功能是将模拟RF信号(经合适的下变频后)转换为一个成帧的数字信号供给电话交换网从电话交换网接收信号,解复用并还原为相应模拟RF信号。另外,电路614供给相应的接收机组620或分集接收机组622。
在所示的典型实施例,下述情况是可以实现的。大约10个30KHz、PCN或AMPS蜂窝信道(给定当前7信道间隔的要求)可以被数字化成相应的1.05或1.25MHz带宽,该带宽被格式化成一个44.736Mb/s DS-3或OC-1的带控制和差错检测比特的信号,通过T1线或光纤链路给电话交换网。AMPS或先进的移动电话业务,是蜂窝业务的最早的和标准的制式,使用30KHz宽的调频(FM)信道。然而,该系统可以接入15到18个时分复用(TDMA)信号,或也可使用AMPS和TDMA的组合信号。正如一般技术人员所周知的,在蜂窝中,TDMA是用3个时分复用数字信号来代替一个AMPS信道的一种可选的调制技术。因此,5到6个AMPS信道对应15到18个TDMA信道。
参考图32A,详细说明了电路614。电路614与图4所示的电路130基本上一样,但它包括了一个网络接口电路630和632,替代了相应的数字调制激光器136和数字光接收机140。接口电路630和632提供一个必要的T1接口或到一个光通路的接口。
远端天线单元602详见于图33A。天线单元602与图8示的远端天线单元102结构基本一样。然而,它用与交换网络120接口的网络接口640和642,代替光接收机160和数字调制激光器174。
前述图6、7、22、23所用的帧结构同样能用于本发明的这个实施例中,不过速率必须低一些。当提供分集功能时,反向通路中将包括附加的DS-3或DC-1信号,这要求在反向通路中有附加的T1或SONET线容量。
参考图31B,32B,33B说明了图30所述的基站600的一个可选的典型实施例600'。可选的典型实施例600',规定基站的所有发射机23输出给图32B示的单元614'。类似地,单元614'服务于基站中的所有接收机28和28'。因此,图31B的实施例与图31A的实施例不同在于,只给基站提供一个单元614',并且发射机和接收机未组成组。
参考图32B说明了模数和数模转换器/成帧/解复用单元614'。单元614'接收基站600'的所有发射机23的输出的组合信号。一个宽带数字转换装置132将组合信号数字化。宽带数字转换装置132的输出供给一系列数字滤波器802。每个滤波器802一般包括一个带通滤波器和一个有限脉冲响应(FIR)滤波器。带通滤波器802A接收30.72M采样/秒(12bit宽)的数据流,并产生一个与发射机23输出相应的一个数字化数据流(即一个信道),该数据流由约80K采样/秒,12bit宽的数据流组成。80K采样/秒速率对应的是以2.4倍速率采样30KHz信号(信道带宽)。但是,任何大于2倍符合奈奎斯特标准的采样速率都是可以的。
带通滤波器802一般是一个带通数字滤波器,例如:Melbourne Florida的Harris Semiconductor公司的集成电路Hsp 43200。这种滤波器的另外一个销售商是Esl,一个TRW公司的子公司。再来参考图32B,每个数字滤波器802被编程为从数字转换装置132的宽带输出中滤出与发射23相对应的一个信道。因此,一个有20个发射机的基站要有20个数字滤波器802,来提取数字数据流给每一个发射机。宽带数字转换装置132将整个微小区业务的频谱数字化,例如AMPS系统,即为12.5MHz的带宽。在有20个信道的情况下,传输带宽就可以由12.5MHz大大地减少成为600KHz。因此,数字滤波器802极大地减少了要发送到交换网络的数据量。
一个帧发生器/复用器一般与帧发生器/复用器134'设计相同,被规定为用来将数字滤波器802的输出复接到一个或多个T1,SONET或其它载体上。举例来说,一个72K采样/秒,12bit采样的单信道,组成一个864Kb/s的串行数据流。加入成帧和控制比特数,如图22或23所示(如有一个1 bit CRC信道,一个1 bit告警/控制/底层公务信道,和一个6 bit的帧字符),生成一个约1.54Mb/s(20bits×72KHz)的串行数据流。
帧发生器/复用器134'可以将一个数字滤波器802的输出成帧为一个DS1格式,以1.55Mb/s送到T1载体,或者可以将数字滤波器802的多个输出复用成44.736Mb/s的DS-3或DC-1信号给电话交换网。
单元614'也提供了一个滤波器控制电路803,输出给每个数字滤波器802。滤波器控制器803允许数字滤波器802被编程,这样它们的滤波器参数(和信道选择)就可以被选择地任意地改变。滤波控制器803还包括一个从无线控制器22来的输入,它给出控制输入来规定从数据流中提取的信道。一个网络接口电路630'与帧发生器/复用器134'接口,接到电话交换网上。
参考图33B说明了可选的实施例602',该实施例与可选的实施例614'相结合工作。一个网络接口电路640'从电话交换网接收一个或多个T1、SONET或其它的载波,它们携带着帧发生器/复用器134'产生的数字化微小区业务。这个数字化数据流供给解复用器162',162'与解复用器162设计相同,它逐信道地从每个载波中提取数字流,每个单独提取的信道供给一个独立的数模转换器164'。数模转换器164'的输出被组合提供给放大器24,通过天线26广播出去。每个数模转换器164'与图21B示的数模转换器164设计相同。然而它不同于数模转换器164之处,164'仅需处理一个单信道,这样就可能简化信道提取的设计。
远端单元602'的另一个实施例还包括一系列数字滤波器802,该滤波器与基站单元614'中的数字滤波器802工作方式一样,都是从宽带模数转换器170输出的数字化信号中提取被选的微小区数字化信道。帧发生器/复用器172'与172设计相同,它与帧发生器/复用器134'工作方式类似,都是将提取的信道复接到一个或多个T1、SONET或其它载波上,通过网络接口642'供给电话交换网。
再来参考图32B,解复用器142'与142设计一样,它通过网络接口632'从远端单元602'接收复接后的信号。单元142'将信号解复用成各单个的信道,并提供给各数模转换器144'一个相应的信道,144'与164'的设计相类似。数模转换器144'的输出可以供给接收机28。
如图33B所示,远端单元602'也可包括一个带数字滤波器805的分集通路,来提供从数字化分集信号中提取分集信道。分集信道可以通过帧复用器172'复用到电话交换网上。在基站单元614'中,分接器142'提供一个分集通路,在那儿提取的分集信道可以供给分集接收机28'。这样,如前所述,图31B、32B和33B所示的另一实施例提供数字滤波器,来从宽带数字化信号中提取所选的微小区信道,其中宽带数字化信号被传到远端单元602'并从602'传回。从发射机23到远端单元传送信号和从远端单元返回被接收信道到基站的过程中,提取得到的所选信道被规定了严格限制的信道容量。
在另一个可选实施例中,图11的系统被修改为在电话交换网上传输数字化信号,就如以上所述一样。
与电缆系统的网络接口
图34阐述了本发明的另一个替换典型实施例,在这里,在电话交换网上发送数字化RF与在电缆系统上发送RF结合在一起。更特别地,如图34所示,一个网络接口702在前端单元接收电话交换网的数字PCN/微小区信号。这个信号被送到QAM调制器460和AM光发送机462(见图28)。类似地,网络接口电路704从QAM解调器464接收数字PCN或微小区信号,并提供给交换网络。这样,从基站600产生的信号可以通过交换网送到电缆系统,并且再回来。
如上所述,本发明的这个替换典型实施例提供了方便地在电话交换网上传输PCN或微小区信号的方法。这种方法有明显的优越性,允许附加容量的快速安装,而不需要安装附加的传输线。
这样,这些实施例提供了一种能力,能通过一个交换网和已安装的电缆系统提供传输射频的微小区或PCN信号。
图17到图34的实施例中的各种修改和另外的配置是可以的。图17或图27A的实施例的一个全数字式的配置(与图10的实施例类似)去掉了基站330中的发射机、接收机和模数与数模转换设备。图30的实施例的一个全数字式配置省去了基站600中的这些模拟部件。按如上所述图2~15的实施例,从模拟实施例到全数字化实施例的安装和升级的方法是切实可行的。另外,对图17到35的实施例的修改包括波分复用,这样光纤对就可以被一根光纤所替代。
被动越区切换系统
现参见图35A中的一个被动越区切换微蜂窝通信系统800的典型实施例,此系统除了基站单元114'有所差别外,其余部分类似于图2所示的系统的结构,因为要提供有关被动越区切换的交换,其结构如图35B所示。
为了描述系统800,我们称微小区覆盖范围100为“微小区区域”。各区域按一典型实施例被具体标为A1-A6,B1-B6和C1-C6。每一个区域均包括一个独立的天线,用于从移动站接收或向其发射。区域A1-A6一起构成“小区A”,区域B1-B6构成“小区B”,而区域C1-C6则构成“小区C”。按照传统的蜂窝系统设计,A、B、C每一个小区都拥有一组可在小区内重复使用的频率。
被动越区切换系统800假设分配给在一个给定单元中的移动单元的传输频率或信道,在单元114'的控制下,无需MTSO 110的干与或控制,能从任何一个微小区100内的远端单元182发射。因此这个信道可以追随移动电话单元,在给定小区内从一个微小区域移动到另一个区域。多个微小区区域可使用同组信道(即发射频率),于是使每个区域中的信号发射功率电平最小化,从而避免了邻近微小区区域或小区的不想要的干扰。该系统也减小了MTSO 110的交换负载。然而,当移动单元从一个小区移动到另一个时,MTSO 110还是以传统的方式将此单元切换到新进入的小区的一个新信道(相应的一对发射/接收频率)上。
现在参照图35B,根据本发明给出了基站单元114'更为详细的框图。单元114'包括一个无线控制器22,用以提供来自MTSO 110的T1线与基站无线设备之间的接口。发射机23-1至23-N(N为正整数)与开关矩阵802相连换,开关矩阵的输出端接着连接到组合电路804-1至804-X(X为正整数),组合电路804-1到804-X又分别连接到多个数字发射/接收单元130″-1到130″-X之一。如图35A所示,在对应传输通道上单元130″-1至130″-X与微小区域102相连接。
载有模拟微小区信号的发射/接收机数字化单元130″的相应输出送入开关矩阵808。开关矩阵808通过相应输出端806-1至806-X,及组合电路807-1到870-X,将任何输入连接到接收器28-1至28-N之一。控制器810通过相应的控制线812和814去控制开关矩阵802和808。控制器810通过采样线816,从每一个数字化单元130'接收数字化微小区信号的样值。
下面将更详细地描述,控制器18连续地处理收自单元130″的数字化采样,根据处理结果控制开关矩阵802和808,从而实现将每一个发射机单元23切换到一个(或多或无)单元130″去,且同时连接接收机28与单元130″之一(或多或无)。例如,在一种典型交换结构中,开关矩阵802可通过输出803-1将三个发射机23-1,23-2和23-N与组合器电路804-1连接起来,由此,这三个发射机频率F1,F2,和Fn被组合送入单元130″-1,用于数字化和向微小区区域的传送。在另一种结构中,发射机23-1可能通过输出端803-1之一同组合器804-X相连,而发射机23-2则通过输出端803-2之一同组合器804-2相连,发射机23-X通过输出端803-1之一同组合器804-1相连。开关矩阵允许任意的组合,即任意一个发射机23可同任意一个组合器804相连接。
于是交换802允许发射频率“追随”移动单元从一个微小区域移到另一个。例如图35C所示的一个在T1时刻发起呼叫A1区域的移动单元820。在此例中,移动单元820被安置在车上。然而,它也能被携带,从一个区域进入另一个区域。为了建立呼叫和实施控制,小区A、B或C的控制信道几乎同时被所有对应小区域发射和接收,这一工作完全由开关802和808完成。当以传统的方式来完成呼叫的建立时,例如“Mobile CellularTelecommunications Systems,by William C.Y.Lee”一书中所述的,由MTSO 110分配给移动单元820一个当前可用信道,而频率由发射机23-1和接收机28-1来决定(假定有一对发射/接收机当前可供分配的话)。于是,通过对MTSO 110编程来获得确认,即发射机23-1至23-N和接收机28-1至28-N相关联的信道已被集中分配给了小区A。在此例中,小区A包括了A1至A6区域。初始建立时,分配的收发信道就应能在小区内各区域发射或接收,直到区域能完全处理通话。
因此,初始化建立时,移动单元820独立地工作在发射/接收频率F1和F1'上。控制器810不间断地监测发自小区A中移动单元820的各个信号强度,而这些信号是从定位于各区域的远端天线单元102接收到的。各区域的信号强度是通过对从选端单元102返回到单元130"的数字化RF微小区信号进行取样而被检测出来。当移动单元处于微小区域A1内时,由于A1区域的远端天线单元102-1最接近移动单元820,因此接收到的信号F1'的强度很可能是最大的。然而同样频率F1'也能被区域A2内的远端天线单元102接收到,甚至更远的区域A3也一样。控制单元810监测从小区A中所有远端单元102接收到的数字化微小区信号中得到的接收信号F1'的强度,并根据至少一种典型的方法,识别出在频率F1'收到最强信号的远端单元102。假设这么一个例子,在区域A1中的远端单元102上接收到的信号是各区域中最强的,控制器810便发一个指令去控制矩阵开关802,以连接发射机23-1到组合器804-1,组合器804-1随后将输出送入数字化单元130″-1。单元130″-1再将包含频率F1的数字化微小区信号传送给区域A1的远端单元,其接着便在区域A1内发射频率F1(同切换进入组合器804-1的任何其它频率一起)。在反向通路上,控制器810控制开关矩阵808使数字化单元130″-1的输出端,当在线806-1上接收时,与接收机28-1相连。发射机23-1最好不同任何另外的数字化单元130″相连,这样除了单元102-1外,没有别的远端单元102以频率F1发射。类似地,最好没有别的数字化单元130″通过开关矩阵808与接收机28-1相连。由此可以避免由同频发射引起的邻近微小区域的干扰和由于接收机28接收超过一个区域的多个同频(不同相位和变化的失真)信号导致的干扰。
现在,将此例进一步延伸,考虑在t2时刻移动单元820从区域A1移动到微小区区域A2,控制器810对从小区A中接收到的发射频率F1'的信号强度连续地进行采样和检测。在从微小区域A1向A2的运动过程中,控制器810应当在微小区域A2内检测到一个不断增强的频率为F1'信号,而且在小区域A1内应检测到该频率信号强度在减弱。当满足确定的交换准则时,控制器810就会实施一个“被动越区切换”,即通过交换将发射机23-1从与组合器804-1的连接改为与组合器804-2相连,相应地通过交换使接收机28-1改变为接收来自130″-2的输出。从而区域A1内的远端单元102停止以频率F1发射,从远端单元102接收到的信号也将不再通过交换808送入接收机28中。于是系统800便能够在小区内追随移动单元,被动地从一个微小区域的信道切换到另一个区域的信道上去。
下例示范了当移动单元从一个小区移动到另一个时,系统800的运行过程。例如,如果移动单元820在t3时刻从微小区域A3移动到区域B1,控制器810会再一次检测到从区域A3接收的远端单元102的信号强度有相应的减弱。然而,并非是通过检测出小区A中其它区域相应信号的增强来触发一个被动越区切换。正相反,当MTSO 110察觉到移动单元820在小区A和B之间运动时,MTSO 110将实施从小区A向B的越区切换。在离开小区前,由于信号强度减弱,收发可能要通过小区内的所有区域来完成。当单元820移动到B小区内时,MTSO 110从分配给小区B的频率当中分配一个新的信道给移动单元。服务于小区B的基站单元114',同样按上面所述的方式识别出初始的收发区域,并执行小区B内的被动越区切换。所以,小区A、B或C之间交换的实现是独立于小区内不同区域之间分配频率的被动越区切换的。当然小区B可采纳传统的,只设一个单独的天线服务于整个小区的设计方案。
如上所述,本发明提出了一个被动越区切换系统,其中一发射频率被分配给移动单元,而且该频率在控制器810的控制下可跟踪或追随移动单元从一个微小区域到另一个,而无需MTSO 110进行发射频率的切换或干预。这种运行模式在某些微小区应用中有着显著的优点,比如那些需要多个远端单元102以覆盖一个区域,但又没有足够的通讯密度来支持设立一个传统小区的地方。例如地面上的一个狭窄衰落带,具体可能为一条峡谷或一条邻近河床的公路,那里可能都需要安装多个天线来获得充足的信号覆盖。另一种例子可能是地下停车场或大型办公楼内,那里信号衰减常常超过正常的范围,导致信号电平无法令人接受。更糟糕的是,在一些蜂窝系统中,小区的位置往往不够接近,因此使得在小区之间会存在一个不良的覆盖区。另外还有一例是沿都市中心的交通走廊。对于这种情况和其它情况,采用被动越区切换系统将会带来一定好处,因为它能扩展覆盖的地域范围而又不需分配独立的频率集和相应各区域的发射机与接收机。
每一个交换机802和808最好至少支持20个发射机和20个接收机。另外,每一个交换802机和808最好允许发射机和接收机与多达6个数字转换单元130″相连接。相应地,开关矩阵802可能用于,比如去连接多达20个发射机(N=20)以通向任一个数字化单元130″。类似地,数字转换装置130″的输出端可能会选择地连接到任一接收机28,这样一单独的数字化单元130″可能会连接所有的接收机28,或所有的数字化单元连接一单独的接收机28。然而,应当清楚,开关矩阵802和808或许适宜处理或多于或少于20个接收机和发射机,或者或多于或少于6个单元114'。
交换机802和808最好是矩阵开关,其在矩阵节点上以Wilkinson组合器的形式集成了组合功能,而该Wilkinson组合器中使用了无反射PIN二极管衰减器。这类器件可从Salisbury Engineering,Inc.,of Salisbury,Maryland获得。交换机尽管采用衰减器类型的,可允许线性地控制上升和下降时间。交换最好在中断前就能完成。
现参见图36,这里给出了单元130″的第一个典型示范例。单元130″在设计和运行上与单元130几乎相同,除了多包括一个数据总线830,此数据总线830与将从解复用器142来的解复用的数字化微小区信号传送到数模转换器144的总线相连。总线830通向并入并出FIFO缓冲器832,其输出允许受控于来自控制器810的使能线834。在允许情况下,缓冲器832将数据总线836上的数字化微小区信号复制一份输出。
现参见图37,按照本发明给出了控制器810的典型示施例。图38A中的控制器适合与图36所示的单元130″一起使用。控制器810包括一个多路复用器884,其通过一个12bit数据总线、一个时钟线同单元130″-1至130″-X中的每一个缓冲器832相连接。多路复用器884(最好为三态)选择来自总线836的一个输入,并将其提供给快速傅里叶变换(FFT)处理器856。选择是通过控制线862在微处理器系统860的控制下实现的。FFT处理器记录下由12bit字构成的数字化微小区信号的取样值。数字FFT处理器856最好采用一个Raytheon部件NO.3310,其可从Raytheon,Inc得到。
FFT处理器856的输出是位于存储器里的多个16bit字,每一存储器都代表了一个30KHZ信道(或者PCS及其它业务的信道)的强度或幅度。使用控制线861通过数据总线859将FFT处理器856的输出送入系统860。选择电路886从系统860接收控制信号863,从而在使能线834上选择性地产生信号。使能线834用于有选择选通缓冲器832输出,这样FFT处理器856便能够从待选源有选择地处理数字化微小区样信号采样。微处理器系统860连接着开关矩阵驱动器875,驱动器875驱动开关矩阵802和808。图37所示的控制器810的工作过程将在下面详细地加以描述。
图38为一个简化的程序微处理器系统860的工作过程和对系统800工作过程实施相应控制的流程图。图39示出了微处理器系统860执行的程序900和系统800。程序900包括一个初始化/配置例行程序910。系统配置提供了对服务于基站114'的信道的识别。微处理器系统860应该包括磁介质存储媒体,例如硬盘驱动器或等效的能存贮配置信息、其它数据及计算机程序的存储媒体。一旦配置好了,就可以激活轮询和交换操作了。在这种运行方式中,微处理器系统860首先选择(例行程序912)小区内的“第一”区域的数字化信号。在图37的实施例中,选择是通过使能线834实现的。选中的使能线被启动,以允许采集和输出来自相应缓冲器832的微小区信号数据。使能缓冲器832将来自单元130″中解复用器142的数字化微小区信号的复制本送给复用器884,复用器又将此数字化信号流送到FFT处理器856中。
例行程序914通过控制线861在微处理器系统860控制下启动FFT处理器856来写入数字化微小区信号流。缓冲器832可能会写入,比方说1024个数字化微小区信号采样。当FFT处理器856从缓冲器832接收到微小区信号数据时,便记录下数字化的12bit微小区信号采样或字。FFT处理器856的输出由一系列的16bit字组成,而这些字表示了在数字化微小区信号流中传送的相应信道的信号强度。
微处理器系统860推荐采用“Intel 486”型微处理器或至少工作在33MHZ主频。以这样的速率,选择数字化微小区信号流和接收FFT处理器856的频谱分析数据之间所花的时间将能够少于5毫秒。一旦微处理器系统860收到(916)来自于FFT电路856,包括了区域中各频率的信号幅度的频谱数据,就记录下这些数据,以便供即时或以后的分析之用(例行程序918)。另外,也可以选择将信号测量的日期、时间和其它任何感兴趣的参数一起记录下来。如果在本轮询周期当中还有某个区域没有被测量过,轮询处理将持续进行。如果继续轮询,那将按如上所述的数据采集、分析的处理过程挑选(1例行程序924)小区中下一区域的数字化微小区信号流,存储过程也会重复进行。
一旦当前周期内所有区域都被测量过了,微处理器系统860就将根据本周期内记录的信号电平来决定区域的信道(即发射机/接收机)分配。虽然决定过程的特殊的方式不是本发明的重点,但是仍尽量抽出一部分来在下面加以描述。
可以估计到用于单元114'收发通路上的交换算法将会有所不同。在发信通路上,交换方法将使用给定区域内,在1/2秒到3秒的时间内接收的信号的强度,信号强度最大的小区被选为激活小区,另一算法中,当前一个不处于衰落状态的区域,即使其信号强度较弱也可能被选中。如果哪一个区域被使用无关紧要的话,比如若信号强度差不多时,则在小区内信道分配的分布范围之外的区域也可能被选中。当无法决定最佳区域时,比如当移动单元处于小区边缘时,几个或者所有区域都能被选中或激活。
对于交换接收机,通过跟踪瞬时和平均电平及其衰落情况,能够预测出大致的趋势并估计到接收端从一个区域向另一个的切换。如果接收到的信号强度低于一门限电平,比如移动单元处于小区边缘时,那么为了更好地接收,接收机可能连接所有区域,接收端的切换是以比发射端快得多的转换速率完成的,这是由于更大的难题在于接收和移动单元发射机功率相对较低带来的衰落。
当然,也可能有其它适于收发信道的切换算法,无疑对于那些应用于传统蜂窝切换的算法仍然不失为一种好的选择。
一旦确定了要分配新的信道(发射/接收),系统860就会通过矩阵交换驱动器875,用交换机802和808完成发射机和接收机的切换。
作为上面业已描述的程序900所规定的另一种运行方式,当获得了每一个新频谱的测量结果后,将连续地决定信道(发射/接收机)的区域分配。例如图38中的程序900通过在步骤920和924之间插入步骤930和932及删除判决步骤922可以得到改进。如上所述,系统810可能在不到2ms的时间内完成给定区域内对所有信道的分析。在具有6个区域的越区切换系统中,所有的分析工作能够在12ms内完成。这类快速的信道分析带来的一个好处便是使基站的分集接收成为可能,这会改善小区边缘地区或者信号暂时阻塞区域的信号质量。既然在偏远区域衰落成为了主要难题,在接收源之间快速切换的能力会允许一种分集接收形式,即用其它区域的天线作为每一区域天线的“分集”天线。
快速分析的一个可能的优越方面是可以积累衰落状态下的统计数据,以便帮助业务提供者寻找最佳的天线/小区位置。
上面曾提到过,微处理器系统860可能会记录了每一次对数字化微小区信号流进行频谱测量的日期和时间。相应地,很容量得到一份包括了任意给定信道的信道使用和信号测量的历史记录,并将其用于重新配置系统这一目的,例如移动一下天线单元,相应地,本发明进一步示范了一个记录区域内信道使用状况和信号强度,并随后利用这一信息重新配置系统的方法。
作为另一种典型实施例,修改图35A(和图39下边)中的系统,使数字化RF信号通过电话交换网被传送到各区域,如图30所示的例子,或者如此所示的例子,通过调整以便在电缆系统上传送数字化RF。
在图39A的另一个实施例中,基站144'改为合数字基站114″。全数字基站象图11A中系统那样采用数字合成器(212')和数字解调器224来代替基站的模拟RF无线设备。T1接口202与MTSO 110接口,并负责将数字形式的每一个电话信号和所有控制信号从MTSO送到每一个数字合成器212'。每一个合成器在线812'上接收来自控制器810'的控制信号,并响应这一信号从而产生合成的数字数据流,以用于帧的形成和传输给区域内相关联的单元106,于是分配给小区的信道不管如何组合都能在小区内广播。
在反向通路上,数字转换采样来自于从单元106返回的经多路分解的数字数据流,随后此采样被送给控制器810'。从解复用器221'获得数字采样采用了如上所述的同样方式,可详见图36。控制器810'随后使用这些采样数据,按照上面所述的控制器810的方式,控制切换的进行。选择器被用于从任一个解调器224选择需要信道的接收信号,并送入T1接口202。另外,选择器/处理器880被设置成能处理每一个信道的两个或多个输入流,以便产生一个降噪复合流。
图39B示出了图39A系统的另一实施例。图39B系统在某些地方类似于图11B系统,例如数字合成器212"接收来自无线控制器22的模拟电话信号输入,并象图11B中的合成器212'那样工作。类似的,数字解调器224'象图11B中的解调器224'那样将模拟信号传送给无线控制器22。
另外,还有两个可替换图35系统的实施例,如图39C和图39D所示,经以类似于图11C和11D系统的方法修改后,于是不但可在交换网络上传输,而且合成器能产生将传送给网络的单个数字化信道。
图40示出了另一个可替换图35A系统的典型实施例,在此例中依靠以图32B中电路614'的改进型614″(被改进可得到数字化通信流的取样值)替代单元130″,以改进通过电话交换网络的通信状况。在这个实施例中,只有那些确定要在天线单元106中使用的信道才被传送给单元,如同系统614'一样节省带宽。
图41A-C示出了可替换本发明的被动越区切换系统的其它几个典型实施例。图41A-C中的系统是依靠安置多个微小区单元102,由此使每一小区或“宏小区”的覆盖区域至少由两个微小区单元来覆盖以获得冗余度。相应地,在某一个单元发生故障时,冗余的微小区103将能提供对故障区域的覆盖。
图41A中,三个基本微小区102和三个辅助微小区105覆盖了一个宏小区103。在此例中,辅助微小区105分布在类似于基本微小区102,但又围绕宏小区中心旋转了45度角的地点。显然,其它的分布形式也能优越地提供类似的冗余覆盖。
正常工作时,基本微小区对宏小区提供完全的覆盖。万一其中一个微小区102出现故障,两个邻近微小区105能够覆盖由出现故障的基本微小区102所服务的区域。在另一个实施例中,基本微小区102对宏小区103的一类区域提供基本覆盖,对宏小区103的二类区域提供辅助覆盖,同时,辅助微小区105对宏小区103的二类区域提供基本覆盖,对一类区域提供辅助覆盖。
第二种提供冗余覆盖的方法如图41B和41C所示的两个实施例,图中的每一个微小区102提供两种功率电平。正常工作时,各微小区102以维持覆盖微小区102所必需的功率电平运行。当某一种微小区102发生故障,邻近的微小区102将被提高到更高的功率电平上(如图中所示的102')。由图41B和41C可看出功率电平的提高维持了对故障微小区102的覆盖。虽然示于图41A和41B中的微小区域102被分裂为三个扇区,但是显然其它划分扇区的方式或干脆不分扇区,两者都能够在上面描述的冗余度方案中使用。
扇区划分
下面讨论划分扇区的问题。
根据本发明的另一方面,本发明中的微小区系统能被用于替代如图1A所示传统小区中的传统基站发射/接收机12。而且,由图41A和41B可见,每一微小区能够被分割成几个扇区,每一扇区由一个定向的微小区天线单元负责。按照图42所示的实施例,一个拥有多对收发天线902的扇形天线单元900将一个微小区或宏小区分割成几个扇形区。每一对天线902将采用不同的信道集以实现发和收。例如根据一优选实施例,微小区16被划分成三个120度的扇区,一个扇区对应一对天线902。每对天线902利用10个收发信道服务于所属扇区,且保证扇区内的信道间隔应有21个信道宽度。此外据一优选示施例,在扇区、信道间提供了7个信道的信道间隔。
每个宏小区的天线对902由远端单元904提供支持,其接收用于所有三扇区内信道的数字化RF信号,再将之转换成模拟RF信号后,通过天线对902发射到扇区覆盖的区域中去。远端单元904还包括了用于对各扇区接收到的RF信号进行数字化变换和将数字化RF信号传送到扇区基站单元906的模数转换器。每一个扇区基站单元906与MTSO 17相连,而MTSO又接着连接电话交换网15。
每一个扇区基站单元906包括供宏小区中各扇区信道集使用的射频发射/接收机和用于向远端单元传送数字化RF信号的数模转换单元,以及接收数字化RF信号并送入接收机单元的模数转换单元。扇区基站单元906与远端单元904的连接最好使用上面所述的采用波分复用的单个光纤链路905,虽然如果需要使用分离的收发链路也未尝不可。
对扇区基站单元906更详细的描述可参见图43。每一个扇区基站单元906都包括一个用于其服务的各扇区的无线控制器22,每个控制器22均同MTSO 17相连接。另外还提供了相当数量的发射/接收机组912,其中每一组均具有多个发射/接收机。根据此处所示的典型实施例,最好每一组912包括10个发射/接收机。每一组912中发射机的输出端都被组合在一起,并通向模数转换单元914,这与前面所描述的模数转换单元在设计上有相似之处,例如图4所示的。模数转换单元914完成数字转换和将数字化RF信号组成帧信号并随后将光输出送入波分复用器916,而由波分复用器再连接光纤905。同时从远端单元904收到的光信息通过波分复用器916送入光滤波器918,再根据光波长的差别滤出从远端单元904收到的信号。例如在三扇区系统中能够使用1520、1550和1580nm三个波长。经滤波分离的各波长信号被加在一个或多个数模转换单元920的输入端上,在此从远端单元904收到的数字形式的RF信号被多路分解出来,并被转换成模拟形式的RF信号。数模转换单元920的模拟输出,随后被送给每一组912的相应接收机。
对远端单元904更详细的介绍可参见图44。这里每一个远端单元904均包括一个连接到光纤905上的波分复用器930。波分复用器930从扇区基站单元906接收载有由远端单元904服务的所有扇区信道的数字化光信号,并通过数模转换单元932将数字光信号转换成能够反映出由远端单元904服务的扇区各信道特征的模拟RF信号。转换单元932的模拟输出再被分路器934分成N(N二扇区数)路模拟RF信号,以送给信道滤波器单元936,而这每一路都相当分配给一对天线902的总信道。每一对天线902都有自己的信道滤波器单元936,以滤除来自分路器934的那些将在其它对应扇区传播的信道。信道滤波器单元936的输出被送给放大器938,其输出又连接带通滤波器940,从而只有那些带内信道才能被允许通过。最好带通滤波器940的输出被送往天线对902的发射机天线902a。同时天线对902的接收天线902b主要从相同扇区接收RF信号,并将收到的信号送给带通滤波器942。带通滤波器942只允许那些带内信道通过,并将此滤波后的RF信号送给模数转换单元944,以便使模拟RF信号转换成对应于一个独有波长的数字光信号,比如可以是上文所提供的某一个光波长。每一个模数转换单元944能与图8所示的单元102采用同样的设计。每个单元944的光输出被送入光混合器946,而其输出又被送给波分复用器930。数模转换单元932一般来说最好采用与图4所示的单元130相同的设计。
对信道滤波器单元936更详细的介绍参见图45。每一个单元936最好包括一个线性可编程预放大器950,用于提供分路器和组合器损耗的增益补偿。放大器950的输出经分路器952,将模拟信号分解出M路(M=分配给扇区的传播信道数)模拟信号。每一路随后通过一个已经调谐到各自信道上的窄带滤波器954。每一个窄带滤波器均可编程并被设计为能在温度变化时保持30KHZ的带宽。这是依靠首先将所需信道下变频为70MHZ IF信号,而得以完成的。70MHZ信号再通过一个晶体滤波器,以获得所要求的窄带滤波特性。IF频率再被上变频到所需RF频率。最好使用微处理器来控制频率,通过使用计算机,比如一个便携机可以使RF频率以1HZ的增量逐渐增到所需频率,频率稳定是通过对光纤链路905上的编码信号进行时钟恢复而获得的。理想的话,窄带滤波器954要足够窄,使扇区中的相邻信道比基站单元906产生的主时钟低50dB以上。每一个窄带滤波器954的输出被送入组合器956,而组合器956的输出接着送往放大器938放大。在本发明的典型实施例中,放大器938最好选用一个25W功放。
在优选实施例中,通过对远端单元904与扇区基站单元906进行同步,可以使频率偏移最小。在一个这样的实施例中,扇区基站单元906依靠将RF下变频至IF,来实现RF频谱的搬移和数字化过程(例如,在0-30MHZ范围内)。在被传输到另一端后,IF信号将被重新恢复并上变频回RF。
下变频和上变频均是通过将信号与一个本地振荡器(LO)进行混频来实现的。为了恢复原来频率的信号,信号必须使用一个LO进行上变频,而且要求此LO与下变频时使用的LO具有完全相同的频率。LO频率的任何差别都将会带来一个等量的端到端频率偏移。在上面的实施例中,上下变频的LO相距遥远。因此,在一优选实施例中,本振和远端本振之间的频率相干性将建立在下面所介绍的方法上。在主端有一个552.96MHZ的主时钟以建立光纤上的比特率,这一时钟同时也产生一个30.72MHZ的时钟(30.72=552.96÷18),作为主数字化转换器LO锁定的基准。
在远端,有另外一上522.96MHZ的时钟,它是在锁相环的帮助下从光比特流中恢复出来的。因为这个时钟是从主时钟产生的比特流中恢复出来的,所以它与主时钟的频率之间具有相干性。然后再产生一个30.72MHZ的时钟,以作为远端本地振荡器的基准。因为552.96MHZ的时钟频率相干,所以30.72MHz基准也一样,且任何与它们锁定的LO之间也相干,于是便确保了主端与远端LO的频率锁定。
图45和图46示出了有关本发明的扇区微小区系统的另一个可选用的典型实施例。在该实施例中,扇区基站单元906提供了模数复用器和数模解复用器单元906,以实现接收来自各个信道组912的分立的输入和独立地将每一个来自信道组的RF复合信号转换为相应的数字化RF流。数字化RF流随后被复用成单个的光形式数字化流,以便用于波分复用器916。在反方向上,单个数字化RF流被从波分复用器916接收,随后又被多路分解为N个分离的数字流,每一个都对应N个扇区中的某一个(在图42的示例中,N=3)。每一个数字流都代表着一个从相应扇区天线对902上接收到的去同步的模拟RF信号。多路分解出的数字流随后被从数字形式转换为模拟形式,并送往信道组中的每一个相应接收机。
图47示出了可替换图42中远端单元904的实施例。图47中的远端单元900包括一个多路复用器/解复用器单元970,以接收来自波分复用器930的数字流,并对来自图46中所示的扇区基站单元906中的各个相应组的复用数字流进行转换。每一组多路分解出的数据流被送往对应的数模和模数转换单元972,以实现将数字化信号转换为相应的模拟RF信号。模拟RF信号以同图44相似的方式经放大器938放大,再通过一带通滤波器940最后到达发射机天线902a。类似地,RF接收天线902b与带通滤波器942相连,其输出又作用于单元972,在那里模拟信号又被转换为数字形式,以便用于多路复用器/解复用器970。来自每个单元972的数字化数据流在单元970中被复用且转换成光输出以送入波分复用器932,随后再通过光纤将光信号传送到图46中的扇区基站单元906。数字化数据流被图46扇区基站单元906中的波分复用器916接收,然后再送入单元960。单元960将数字化流多路分解成同各扇区相关的数字流,并将每一扇区的数字流转换为扇区RF信号。最后这些扇区RF信号被送入扇区相应信道组的接收机。
另外本发明还考虑了用扇形微小区系统替代传统小区基站的问题。在上述实施例中,每个扇区使用的天线均为位于相同地点的定向天线。每一个定向天线都负责向所服务扇还定向地收发信号。例如,扇区可能是圆形的,而定向天线恰好位于圆形的中心。另外也可能在小区的不同位置使用无方向性天线。在这样的情况下通过同轴电缆将天线与小区站址连接起来。而且虽然上面描述了使用天线对划分扇区的例子,但是很明显若在此系统中使用一个扇区具有一个或者三个甚至更多个天线的技术可能会带来很大的好处。进一步来说,虽然例子仅提到了对从MTSO来的电话信号所产生的RF信号进行数字化转换,但是很明显这项图10所描述的数字合成技术同样适合于扇形微小区系统。如上所述也可以建立分集信道。
最后,虽然上面所述的每一个例子都是有关通过远端单元收发的“模拟”RF信号的使用,但是显然从众所周知的技术角度看,上述系统和所使用的方法完全可以很好地适用于数字RF蜂窝系统。
如上所述,扇形小区替代系统通过将传统小区甚至微小区划分为多个扇区而得以能提供更多的复用信道。进一步讲,系统提供了微小区系统的所有益处和优点,而且小区内所有信道的发射/接收机均可集中位于方便经济的地点。
由此可见,本发明提供了一个多样的数字系统和在基站与天线单元之间传送蜂窝信号以及被动切换的方法。虽然发明是以推荐的形式被描述的,但是已经考虑到了对那些技术可能会做许多改进和变更,只要不背离所附带权利要求的精神和范畴。
Claims (5)
1.一种蜂窝通信系统,包含一个小区,其中多个电话信号在基站单元(600')和相应多个使用RF传输的移动单元间发送和接收,包括:
基站单元(600'),经传输装置连至相应天线单元(602'),天线单元(602')配置一个天线,完成小区地域内信号的发射和接收,基站单元(600')包括:
模拟RF信号发生装置(23),在不同信道上产生多个RF信号,传送电话信号给小区地域内移动单元,并组合各RF信号形成复合模拟信号;
模数转换器装置(132),将复合信号转换为采样的数字化流;
数字滤波器装置(802,134′),将复合信号滤波,产生多个单独数字化流,每个流对应至少一个信道,采样的单独数据流传输到相应天线单元(602);
其中,每个天线单元(602)进一步包括:
数模转换装置(162',164',24),用于从基站单元(600')接收采样的数字化流,重建相应的模拟RF信号,并将放大后的该信号供给天线,以发射到小区地域;
模数转换装置(27,170),用于接收在天线收到的RF信号,将其转换为采样的数字化流;
数字滤波器装置(802),将来自收到的RF信号的采样的流进行滤波,并产生多个独立的采样的数字化流,每个流对应至少一个信道,独立数据流供给传输装置,以传输给基站单元(600′),并且
其中每个基站单元(600')进一步包括:
数模转换器装置(144'),从天线单元(602')接收采样的数字化流,并重建对应于每个流的模拟RF信号,然后将该信号送接收机(28)。
2.根据权利要求1的系统,其中传输装置包括电话交换网(120)。
3.使用信号组传输蜂窝电话给小区的方法,包括以下步骤:
(a)在基站,为每个信道产生RF信号的数字化表示,并基本上只传输那些正在小区中使用的信道组中的每一信道的表示给远离基站的小区,因此传输上述信道所需带宽小于传输蜂窝频段中所有信道的带宽;
(b)在小区接收数字化表示,经数模转换产生相应RF信号,并在小区内发射该RF信号;
(c)在小区中接收信道级珠RF信号,将其转换为相应数字化表示,且只将那些正在小区中使用的信道回传给基站,因此传输这些信道所需带宽小于传输蜂窝频段中所有信道的带宽;
(d)在基站接收来自小区的数字化表示,并得到相应于每个信道的RF信号。
4.根据权利要求3的方法,进一步包括在小区和基站间通过电话交换网传送数字化表示的步骤。
5.根据权利要求3的方法,其中RF信号的数字化表示的产生包括,从收自移动电话交换局的电话信号中数字地合成每个信道的RF信号的数字化表示,从而不需使用模拟发射机,且步骤(d)包括数字地得到相应于每个信道的相应电话信号,从而不须使用模拟接收机。
Applications Claiming Priority (6)
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