CN1183784C - 蜂窝通信网的独立塔顶单元 - Google Patents

Abstract

描述了用于蜂窝通信网的一种改进了的模块化塔顶单元。该塔顶单元包括一个功率放大器、一个双工器以及为功率放大器供电的一个本地电源。这一功率放大器用于放大从基站收到的输出通信信号。在一个优选实施方案里，这一塔顶单元还包括一个低噪声放大器，用来放大进来的通信信号，并将放大了的进来的通信信号传送给基站。这样，这一塔顶单元构成了独立于基站的一个模块化单元，从而可以独立于基站更换模块化塔顶单元。这样，可以通过简单地将使用的塔顶单元换成具有不同电源的第二个塔顶单元，并改变系统里的软件，来改变蜂窝网中小区的覆盖范围。因此，可以改变蜂窝网基站的覆盖范围，而不改变基站的硬件。

Description

蜂窝通信网的独立塔顶单元

发明背景

笼统而言，本发明涉及用于蜂窝通信网基站的塔顶(masthead)单元。具体而言，涉及用于通过更换塔顶单元改变小区大小的独立的模块化塔顶单元和方法。

近些年来，蜂窝电话正在变得越来越普及。随着对蜂窝业务的需求不断增长，用来支持这些蜂窝业务的基础设施发生了爆炸式的增长。多数蜂窝网基本上都是按照图1所示的方式构成。如图所示，移动交换中心(MSC)10跟多个基站控制器12通信，而基站控制器12又跟一个或者多个基站14通信。基站14跟一个或者多付天线(收发信机)16直接连接，负责发射和接收用于蜂窝通信的无线电信号。移动交换中心10相当于整个网络的神经中枢，它们用现成的协议跟基站控制器(BSC)12通信。为蜂窝业务制订了各种不同的协议，例如，GSM(全球移动通信系统)协议、CDMA(码分多址)和TDMA(时分多址)协议。这些不同的协议决定了MSC、BSC和BTS之间的通信性质，这在本领域里众所周知。

常规基站控制器主要负责划定小区的大小。也就是某一基站的覆盖区面积。对于小区的大小没有一成不变的规定，但目前，它们常常被叫做宏小区、迷你小区(mini cells)和微小区。各种小区的大小互不相同，例如，宏小区的天线一般都输出20～50瓦量级的功率，覆盖范围大约为5～40公里。迷你小区一般都输出10瓦量级的功率，覆盖范围为2～5公里。微小区一般都输出2～8瓦量级的功率，覆盖范围大约小于1公里。当然，随着天线信号处理能力的提高，这些不同小区的界限逐渐模糊，但从概念上来说，小区的大小总是有差别的。

较大小区的系统经常碰到的一个问题是必须将天线放在塔上面才能获得所需要的覆盖范围。下面参考图2介绍一个普通塔。如图所示，天线16安装在塔20上面，基站14则在塔20基旁的建筑物里。如果塔20很高，在基站14和天线16之间就必须有一根很长的馈线22。通常，馈线22包括一对同轴电缆，其中一根同轴电缆(发射线)用于传输发射信号，另一根同轴电缆(接收线)用于传输接收信号。

相对较长的馈线22带来了许多问题，例如信号强度的损失以及给接收信号带来噪声。缓解长馈线问题的一个方法是采用一个塔顶单元24，安装在塔20上，离天线16很近。塔顶单元通常都有一个双工器，用于将发射信号送给天线，并将接收信号分离到接收线上去。然后让分离出来的接收信号经过一个低噪声放大器，低噪声放大器放大接收信号，使它们对馈线22的噪声不再那么敏感。

当馈线特别长时，发射线上传输的发射信号能量损耗也非常大。因此，有些塔顶单元还有线性功率放大器。这些功率放大器由基站里的电源供电。

随着蜂窝技术的发展和普及，改变小区大小和/或形状的需求越来越迫切。在某些情形下，需要扩大小区的覆盖范围。与此同时，在其它的情形下，需要缩小小区的尺寸，从而能够增加额外的小区，以提高通信容量。虽然现在的小区能够很好地工作，但是它们并不是模块化的，因为如果由于某种原因要改变小区的大小，就需要更换整个基站14。由于基站是相对较贵的单元，因此需要一种基站结构，它支持基站硬件的再利用，即使小区的大小或者小区的形状需要改变。

发明简述

为了达到这些目的和其它目的，本发明提供了一种用于蜂窝通信网的改进型模块化塔顶单元。其包括移动交换中心、基站控制器、基站和天线的蜂窝通信网，其中的移动交换中心跟基站控制器通信，基站控制器跟基站通信，基站将通信信号传送给天线用于发射，这一模块化塔顶单元是一个独立于基站的单元，用于插入基站和天线之间的通信路径，其中的模块化塔顶单元用于通过天线馈线跟天线通信，并通过不同的发射线和接收机线跟基站通信，模块化塔顶单元构成为与基站分开的模块化单元，使得可以独立于基站更换该模块化塔顶单元，这一模块化塔顶单元包括：

一个功率放大器，用于放大通过发射线从基站收到的输出通信信号的功率，并输出功率放大了的发射信号；

一个双工器，配置得用于通过天线馈线跟天线进行电连接，该双工器用于，

从功率放大器接收放大了功率的发射信号并输出这一放大了功率的发射信号给天线馈线，和

从天线馈线接收进来的通信信号，并将这一收到的进来的通信信号输出到接收机线上，这条接收机线跟发射线是不同的两根线；和

一个电源，用于给功率放大器供电。采用此种结构，这一塔顶单元就构成了一个模块化单元，它独立于基站，这样，这一模块化的塔顶单元可以单独更换，而不依赖于基站。在一个优选实施方案里，这一塔顶单元还有一个低噪声放大器，用于放大收到的通信信号，并传送给基站。

这一塔顶单元可以用于蜂窝通信网，该通信网包括一个移动交换中心、跟移动交换中心通信的一个基站控制器以及跟基站控制器通信并按照现成蜂窝通信协议如GSM协议工作的一个基站。

一方面，本发明提供了一种方法，用于改变蜂窝网中一个小区的覆盖范围，这一蜂窝网有一个移动交换中心、跟移动交换中心通信的一个基站控制器、跟基站控制器通信的一个基站、通过不同的发射线和接收机线跟基站通信的第一个塔顶单元，和通过天线馈线跟第一个塔顶单元通信的天线，该方法包括：

用第二个塔顶单元更换第一个塔顶单元，第二个塔顶单元的小区覆盖范围不同于第一个塔顶单元的小区覆盖范围；和

在移动交换中心的一个操作注册记录里改变至少一个无线电距离参数，

其中，第一和第二塔顶单元的每一个都包括功率放大器和电源，该功率放大器用于放大通过发射线从基站收到的输出通信信号的功率并输出功率放大了的发射信号，该电源用于给功率放大器供电，和

这里可以改变蜂窝网内小区的覆盖范围而不需要更换基站内的任何硬件。。一开始，与特定基站相关的基站的塔顶单元被换成具有不同电源和功率放大器输出的一个塔顶单元，以此来改变小区的覆盖范围。另外，至少还要改变与控制基站的移动交换中心相关联的操作注册记录里的一个无线电作用距离参数。这样就可以改变蜂窝网内这一个小区的覆盖范围而不必更换基站内的任何硬件。

附图简述

本发明，以及其它的目的和优点，可以通过参考以下说明和以下附图来更好地理解。在这些附图中：

图1是简化蜂窝网的一个示意图；

图2是使用普通塔顶单元的普通基站的一个示意图；

图3是本发明一个实施方案里一个模块化微型塔顶单元的一个框图；

图4是本发明第二个实施方案里一个模块化微型塔顶单元的一个框图；和

图5是采用了本发明一个实施方案中的微型塔顶单元的简化蜂窝网的一个示意图。

发明详述

如同本申请书的背景部分所描述的那样，蜂窝网里的一些普通基站已经采用了塔顶单元来放大通信信号，还可能用塔顶单元来过滤基站和它的天线之间传输的通信信号。塔顶单元一般都用于基站和它的天线之间馈线相对较长的场合，因为长馈线会带来较大的信号强度损失，给接收信号带来有害的噪声。在本申请中，在基站和它的天线之间的通信通道上插入一个放大器单元110。在许多应用中，放大器单元的形式可以跟普通塔顶单元中的相似。因此，在这一描述中放大器单元110将被笼统地叫做塔顶单元。然而，从以下说明可知，这里的放大器单元110跟标准的塔顶单元相比有显著的差别，它们用于完全不同的情形。

一方面，本发明提供一种标准化的基站(BTS)。例如，美国专利第5734699号介绍了一种合适的基站，这里将这一专利引入作为参考。每一个基站还有一个模块化的放大器单元110，它适合于插入特定基站和它的天线之间的通信路径里，对发射信号进行功率放大。跟普通系统相比这一结构有许多优点。首先，标准化的基站能够服务于各种尺寸的小区。这省去了相当高的初始成本，因为不再需要为每一个小区尺寸定制基站硬件。相反，只有放大器单元硬件需要重新设计。此外，需要扩大或者缩小某一小区的尺寸时，需要做的事情只有更换或者改变放大器单元，并按照系统协议适当地更改软件。跟传统方法相比，这种方法又一次地降低了成本，因为传统方法需要更换整个基站。

现在参考图3来介绍本发明一个实施方案中的一个塔顶(放大器)单元110。这一塔顶单元110有一个双工器132、一个低噪多放大器134和一个功率控制器135。功率控制器135包括一个功率放大器136和一个电源138。这一塔顶单元还可以包括一个耦合器144和/或一个功率监视器147。耦合器144放在功率控制器135和双工器132之间，用于提供反馈信号给基站，用于表明发射信号功率的大小。功率监视器147从天线馈线151上耦合能量，提供一个反馈信号给基站，表明正向发射功率和天线反射功率的大小。到塔顶单元的输入线包括一根天线馈线151、一根发射线152、一根接收线153、一根电源线155和一根反馈线157。天线馈线151一般都是一根同轴电缆，将塔顶单元110跟天线连接。发射和接收线152、153将塔顶单元110跟它们的基站180连接，分别用于传输发射信号和接收信号。发射线和接收线152、153可以是任何合适的馈线，例如同轴电缆。电源线155给塔顶单元提供电源。反馈线157提供一个反馈信号给基站180，表明耦合器144检测到的放大后的功率大小，和/或功率监视器147检测到的正向和反射功率。

双工器132用于将发射信号传送给天线馈线151，并将接收到的信号分离到接收机线上去。双工器132是一个蜂窝系统里的标准部件，可以是任何适当的形式，这对于本领域里的技术人员来说不言自明。例如，Airtech的双工器就工作得很好。低噪声放大器134对从双工器132输出的接收到的信号放大并滤波。然后将放大以后的接收信号传送给基站180。低噪声放大器134可以采用任何合适的形式，目前有许多低噪声放大器可以用于塔顶单元和其它装置。

功率控制器135用于将来自基站180的发射信号放大到适合广播的程度。这样，从发射线152收到的信号被放大并输出给双工器132，在那里它们被输送给天线馈线151。功率控制器135包括一个放大发射信号的功率放大器136以及给功率放大器136和塔顶单元110中其它部件供电的一个电源138。功率放大器136可以是任意合适的形式，市场上有许多合适的功率放大器出售。放大器单元110跟普通塔顶单元之间的一个差别是有一个本地电源138。在放大器单元110中有一个电源使得放大器单元110成为一个相对独立的单元，更换起来非常方便。电源138也可以是普通电源。电源线155为塔顶单元提供电力，特别是给电源138供电。虽然可以将塔顶单元设计成能够在很宽的电压范围工作，但最好采用标准基站电源电压和/或标准线路电压例如110伏或者-48伏等等。

图中的塔顶单元还有一个耦合器144，安装在功率放大器136和双工器132之间。耦合器144检测放大后发射信号的强度，并输出一个反馈信号，表示发射功率的大小。将反馈信号提供给反馈线157传送回基站180，用于监测和控制发射信号。耦合器144也可以是普通耦合器。

下面参考图4介绍塔顶(放大器)单元的第二个实施方案。在这一个实施方案里，塔顶单元210的结构跟图3所示结构非常相似。但其中去掉了电源，电是通过发射线152供给塔顶单元的。更具体地说，功率控制器135有一个功率放大器136和一个电源分配器238。电源分配器238用于为低噪声放大器134和功率放大器136供电。在图示实施方案中，发射线152上有一对直流电电源插件(a pair of D.C.powerinserters)241、243，用于将电馈入发射线152并从发射线152上分离出来。更具体地说，直流电源插件241在远离塔顶单元210的地方接收直流电并输入发射线。然后直流电插件243将直流电跟发射信号分离，让发射信号到达功率放大器136，而直流电则到达电源分配器238。然后电源分配器238(它可能简单到就是一个连接器)为功率放大器136和低噪声放大器134供电，也为需要电力的所有其它部件供电。另外，这一塔顶单元210可以按照前一个实施方案完全相似的方式工作。

下面参考图5介绍采用本发明一个实施方案中的放大器单元的蜂窝网。如图所示，移动交换中心(MSC)10跟多个基站控制器12通信，而后者每一个又跟一个或者多个基站14通信。每一个基站14都有至少一个放大器单元110，跟一付天线(收发信机)16直接相连。移动交换中心、基站控制器12和基站14都按照现成的协议互相通信。在这一实施方案里，该协议是GSM(全球移动通信系统)协议，虽然在其它的实施方案里可以采用其它的协议。移动交换中心和基站控制器可以采用任何普通的形式。基站可以基本上是普通的，除了它们不需要很大的功率放大器用于直接驱动收发信机16以外，因为有了塔顶单元110。

可以认识到，这里描述的结构相当简单，但跟传统基站比起来它们的优点非常明显。这种结构的一个优点是，既然放大器单元110是用于放大发射信号的，基站就可以实现标准化。这样，也许是因为需要扩大小区、缩小小区或者调整小区几何结构，从而需要改变小区的大小时，从硬件观点来看，需要做的所有事情就是用一个新的放大器单元110更换正在使用的放大器单元。更换了放大器单元以后，可以升级软件来反映小区大小和/或几何形状的变化。

对于本领域里的技术人员来说显而易见，在GSM系统里，操作员要对软件进行的变更仅仅是改变移动交换中心(MSC)10操作注册记录里(an operations registry)的某些无线电作用距离参数。对操作注册记录进行这些修改会使有关的基站控制器14和基站16自己重新配置，以支持新的小区。

在上述实施方案里，为了简单起见，介绍本发明时只涉及到了一个塔顶单元，工作于一个无线电信道，跟一付天线相连。因此，塔顶单元发射通道只用一个双工器、一个功率放大器，在接收通道只用一个低噪声放大器。然而，对于本领域里的技术人员来说很显然，在许多情况下都需要多个无线电频道和接收分集(也就是接收多个不同的频道)。在某些情况下，会用一付天线来支持多个频道，而在另一些情况下，可以用多付天线，每一付天线支持一个或者多个频道。一些情况下，需要为每一个频道提供一个专用塔顶单元。而在其它情况下，需要用一个塔顶单元支持多个频道。为了用一个塔顶单元支持多个发射频道，塔顶单元中一般都需要多个功率放大器和双工器(或者用一个多工器)。为了支持接收分集，可能需要多个低噪声放大器134。通常，在双工器以前的接收通道上还可能需要为每一个频道准备一个通过式/抑制式滤波器。如果有多个塔顶单元支持一付天线的多个频道，那么天线馈线151上通常都需要一个耦合器。所以，可以变换塔顶单元的结构以适应具体的应用。

虽然只介绍了本发明的一些实施方案，但是应当明白，本发明可以用其它具体的形式来实现，而不会偏离本发明的实质和范围。尤其是，塔顶单元被描述成一个单独的单元，但是，它的物理结构可以完全不同。可以将塔顶单元安装在一个单独的盒子里构成一个独立的单元。或者，在对功率有要求的情况下，可以将它做在一个或者两个插板上，可以将这些插板插入一个模块化的机箱里，这些机箱有一条总线，用于连接机箱这样的部件，就象标题为蜂窝用户小交换机的美国专利第5734699号所描述的一样，这里将这一专利引入作为参考。在其它的实施方案里，还可以将它放在其它的位置上。

在需要高塔从而在基站和塔顶单元之间需要很长的电缆的系统(特别是宏小区)里，有可能需要一个中继器来放大在基站跟天线之间传输的发射信号和接收信号。本发明是在收发都是用一付天线的系统环境下介绍的。但对于本领域里的技术人员而言显而易见，可以有多付天线，和/或接收和发射用不同的天线。因此，这里的实例只是说明性的，而不是限制性的，本发明并不局限于这里给出的细节，而是可以在下面的权利要求给出的范围里进行改进。

Claims (16)

1.一种模块化塔顶单元，用于包括移动交换中心、基站控制器、基站和天线的蜂窝通信网，其中的移动交换中心跟基站控制器通信，基站控制器跟基站通信，基站将通信信号传送给天线用于发射，这一模块化塔顶单元是一个独立于基站的单元，用于插入基站和天线之间的通信路径，其中的模块化塔顶单元用于通过天线馈线跟天线通信，并通过不同的发射线和接收机线跟基站通信，模块化塔顶单元构成为与基站分开的模块化单元，使得独立于基站更换该模块化塔顶单元，这一模块化塔顶单元包括：

一个功率放大器，用于放大通过发射线从基站收到的输出通信信号的功率，并输出功率放大了的发射信号；

一个双工器，配置得用于通过天线馈线跟天线进行电连接，该双工器用于，

从功率放大器接收放大了功率的发射信号并输出这一放大了功率的发射信号给天线馈线，和

从天线馈线接收进来的通信信号，并将这一收到的进来的通信信号输出到接收机线上，这条接收机线跟发射线是不同的两根线；和

一个电源，用于给功率放大器供电。

2.权利要求1的模块化塔顶单元，还包括一个低噪声放大器，用于放大从接收机线收到的进来的通信信号，其中的电源还用于给低噪声放大器供电。

3.权利要求2的模块化塔预单元，还包括一个耦合器，用于监视放大了功率的信号，并提供一个反馈信号给基站，说明放大了功率的信号的大小，该反馈信号从一条独立于发射线和接收机线的反馈线输出。

4.权利要求3的模块化塔顶单元，其中的模块化塔顶单元有5条外部线跟外部部件连接，这些外部线包括发射线、接收机线、天线馈线、反馈线和用于为电源提供电源输入的电源线。

5.权利要求2的模块化塔顶单元，还包括一个机箱，用于安装功率放大器、双工器、电源和低噪声放大器，构成一个独立于基站的塔顶单元。

6.权利要求2的模块化塔顶单元，还包括雷电抑制电路。

7.权利要求1的模块化塔顶单元，还包括多个所述功率放大器，这一模块化塔顶单元用于支持发射多个频道的信号，每一个功率放大器都有一个特定的发射频道。

8.权利要求1的模块化塔顶单元，还包括多个所述低噪声放大器，这一模块化塔顶单元用于接收多个频道的信号，每一个低噪声放大器都与一个特定的接收频道相关。

9.权利要求1的模块化塔顶单元，其中的电源包括一个跟发射线相连的电源插件，用于将直流电从发射线分离出来，还包括一个分配单元，跟电源插件连接，为功率放大器供电。

10.一种蜂窝通信网，包括

一个移动交换中心；

一个跟移动交换中心通信的基站控制器；

跟基站控制器通信的一个基站；

独立于基站的一个塔顶单元，通过不同的发射线和接收机线跟基站通信；和

通过天线馈线跟塔顶单元通信的天线；和

其中的塔顶单元包括，

一个功率放大器，用于放大通过发射线从基站收到的输出通信信号的功率，并输出放大了功率的发射信号，

一个双工器，用于从功率放大器接收放大了功率的发射信号，并输出放大了功率的发射信号给天线馈线，以及从天线馈线接收进来的通信信号，并将收到的进来的通信信号输出到接收机线上，

一个低噪声放大器，用于放大在接收机线上收到的进来的通信信号，

一个电源，用于给功率放大器和低噪声放大器供电，和

一个机箱，用于安装功率放大器、双工器、电源和低噪声放大器，构成一个独立于基站的模块单元，这样就独立于基站来更换模块化塔顶单元。

11.权利要求10的蜂窝通信网，其中的塔顶单元还包括：

一个耦合器，用于监视放大了功率的信号，并提供一个反馈信号给基站，说明放大了功率的信号的大小，将这一反馈信号输出给独立于发射线和接收机线的一条反馈线；和

其中的机箱还用于安装耦合器。

12.权利要求10的蜂窝通信网，其中的移动交换中心包括具有保存的多个无线电距离参数的操作注册记录，并且通过改变在操作注册记录里保存的至少一个无线电距离参数和用第二个不同的塔顶单元更换该塔顶单元，来改变该塔顶单元所服务的蜂窝通信网中的一个小区范围。

13.权利要求12的蜂窝通信网，其中蜂窝通信网按照GSM标准工作，采用的基站和基站控制器根据至少一个无线电距离参数的变化可以自动重新配置。

14.权利要求12的蜂窝通信网，用第二个不同的基站更换该基站来使得该小区升级，所述第二个不同的基站可以通过塔顶单元与天线通信。

15.一种方法，用于改变蜂窝网中一个小区的覆盖范围，这一蜂窝网有一个移动交换中心、跟移动交换中心通信的一个基站控制器、跟基站控制器通信的一个基站、通过不同的发射线和接收机线跟基站通信的第一个塔顶单元，和通过天线馈线跟第一个塔顶单元通信的天线，塔顶单元包括功率放大器和电源，该功率放大器用于放大通过发射线从基站收到的输出通信信号的功率并输出功率放大了的发射信号，该电源用于给功率放大器供电，该方法包括：

用具有不同小区覆盖范围的另一个塔顶单元更换所述塔预单元；和

在移动交换中心的一个操作注册记录里改变至少一个无线电距离参数。

16.权利要求15的方法，其中的蜂窝网按照GSM标准工作，该方法包括：

根据无线电距离参数的变化远程重新配置基站和基站控制器。

Images