Устройство беспроводной дуплексной связи с частотным разделением с использованием интеллектуальной антенны
Изобретение предназначено для использования в системах сотовой мобильной связи многостанционного доступа с частотным разделением. Беспроводная базовая станция содержит передающую и приемные антенные решетки и связанные с ними соответственно передатчики радиочастотных каналов и приемники радиочастотных сигналов, а также общий блок обработки групповых сигналов. Входящие в общий блок обработки блоки обработки групповых сигналов соответственно восходящей и нисходящей линии связи, соединенные соответственно с приемниками и передатчиками посредством шины данных, используют общий блок синхронизации и генерации частоты и обеспечивают получение значения оценки направления прихода сигнала (НПС) по сигналу, принятому по восходящей линии связи, определение направления основного пути сигнала, принятого по восходящей линии на основе указанных значений оценки НПС, и формирование луча для нисходящей линии связи с использованием направления основного пути сигнала. Технический результат - создание устройства беспроводной дуплексной связи с частотным разделением с использованием интеллектуальной антенны, позволяющего преодолеть ограничения, вызванные несимметричностью характеристик нисходящей и восходящей линий связи. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области сотовой мобильной связи многостанционного доступа с кодовым разделением (CDMA) и, более конкретно, к технологии интеллектуальной антенны, применяемой в системе сотовой мобильной дуплексной связи с частотным разделением (ДЧР) CDMA.
Технология интеллектуальной антенны является одной из очень важных технологий в современных системах беспроводной связи. Существует ряд достоинств технологии интеллектуальной антенны, особенно когда данная технология используется в системе сотовой мобильной связи CDMA. Достоинствами данной технологии являются: значительное увеличение пропускной способности системы, увеличение зоны покрытия беспроводной базовой станции, уменьшение цены системы, улучшение эффективности системы и т.д. Таким образом, технология интеллектуальной антенны стала достаточно важной технологией, в которой заинтересован весь мир.
В настоящее время интеллектуальная антенна в основном используется в системе беспроводной дуплексной связи с временным разделением (ДВР) CDMA, включающей в себя систему сотовой мобильной связи, беспроводные абонентские линии, беспроводную местную сеть и т.д. Основной причиной использования технологии интеллектуальной антенны в системе ДВР является то, что в этой системе передающий и приемный каналы используют одну и ту же частоту, характеристики передачи электромагнитной волны для восходящей линии связи (принимающей) и нисходящей линии (передающей) совпадают. Таким образом, параметры формирования пучка принимаемого сигнала, получаемые от восходящей линии, могут быть использованы для формирования нисходящего пучка, следовательно, преимущества интеллектуальной антенны используются в полной мере.
Тем не менее, в настоящее время среди систем сотовой мобильной связи наиболее популярной является система беспроводной ДЧР связи. В системе беспроводной ДЧР связи нисходящая и восходящая линии связи используют различные несущие частоты, в связи с чем характеристики передачи электромагнитной волны для восходящей и нисходящей линий различны. В результате этого параметры формирования пучка принимаемого сигнала, получаемые от восходящей линии, не могут быть использованы для формирования нисходящего пучка, следовательно, преимущества интеллектуальной антенны не могут быть использованы в полной мере.
В базовой станции беспроводной системы ДЧР связи с использованием интеллектуальной антенны из-за того, что приемная и передающая линии работают одновременно с разными диапазонами частот, для приема и передачи могут быть использованы соответственно или одно устройство, или несколько устройств решетки интеллектуальной антенны. Способ работы и принцип действия приемного устройства интеллектуальной антенны относятся к технологии интеллектуальной антенны, используемой в системе беспроводной ДВР связи, и с ними можно ознакомиться, например, в описании к китайскому патенту ZL 97104039.7 «Беспроводная система дуплексной синхронной CDMA связи с временным разделением, использующая интеллектуальную антенну». Тем не менее, при формировании пучка передающей нисходящей линии нельзя просто использовать параметры, полученные от формирователя пучка приемной восходящей линии, который связан с каждым антенным блоком. Это вызвано несимметричностью характеристик передачи электромагнитной волны в беспроводной системе ДЧР связи.
Задача изобретения заключается в создании такого устройства беспроводной ДЧР связи с использованием интеллектуальной антенны, с помощью которого можно было бы преодолеть препятствие в использовании интеллектуальной антенны в системе мобильной связи ДЧР CDMA. Упомянутое препятствие вызвано несимметричностью характеристик нисходящей и восходящей линий передачи электромагнитной волны. Исходя из этого, может быть реализована система сотовой мобильной ДЧР CDMA связи с интеллектуальной антенной.
Для решения этой задачи предложено устройство беспроводной дуплексной связи с частотным разделением (ДЧР) с использованием интеллектуальной антенны, содержащее систему антенны, включающую приемную антенную решетку антенны и передающую антенную решетку; приемники радиочастотных сигналов, каждый из которых соединен с соответствующим антенным элементом приемной антенной решетки; передатчики радиочастотных сигналов, каждый из которых соединен с соответствующим антенным элементом передающей антенной решетки; общий блок обработки группового сигнала. При этом блок обработки группового сигнала содержит блок обработки групповых сигналов восходящей линии связи и блок обработки групповых сигналов нисходящей линии связи, обеспечивающие получение значений оценки направления прихода сигнала (НПС) по сигналу, принятому по восходящей линии связи, определение направления основного пути сигнала, принятого по восходящей линии, на основе указанных значений оценки НПС и формирование луча для нисходящей линии связи с использованием направления основного пути сигнала, принятого по восходящей линии связи, при этом приемники и передатчики соединены соответственно с блоком обработки групповых сигналов восходящей линии связи и с блоком обработки групповых сигналов нисходящей линии связи посредством шины данных и используют общий блок синхронизации и генерации частоты.
Приемная антенная решетка включает N приемных антенных блоков, соединенных соответственно с N приемниками радиочастотных сигналов с помощью кабелей, передающая антенная решетка включает М передающих антенных блоков, которые соответственно соединены с М передатчиками радиочастотных сигналов с помощью кабелей, где N и М являются положительными целыми числами.
Блок обработки групповых сигналов восходящей линии содержит N блоков предварительной обработки принимаемых сигналов, способных обеспечить демодуляцию и сужение спектра N цифровых сигналов, полученных от приемной решетки антенны и приемников; формирователь диаграммы направленности, способный сформировать оценку НПС для N цифровых сигналов, приходящих от N блоков предварительной обработки сигналов, и объединить N цифровых сигналов; и блок последующей обработки, способный восстанавливать N исходных принимаемых цифровых сигналов из объединенного цифрового сигнала.
Блок обработки групповых сигналов нисходящей линии содержит блок базовой обработки группового цифрового сигнала, выполненный с возможностью базовой обработки каждого цифрового сигнала, ожидающего своей передачи; формирователь диаграммы направленности, выполненный с возможностью формирования луча передающей антенны для каждого сигнала, пришедшего из блока базовой обработки с учетом направления основного пути, полученного по оценке НПС, полученной, в свою очередь, от блока обработки группового сигнала восходящей линии; и цифровое устройство объединения, способное производить цифровое объединение для каждой передающей линии и формирования М цифровых сигналов, предназначенных для пересылки на М передающих устройств и передающую решетку антенны.
Согласно изобретению в базовой станции системы мобильной ДЧР CDMA связи при приеме радиочастоты и передаче радиочастоты индивидуально используется решетка интеллектуальной антенны. Блоки антенны, которые составляют решетку интеллектуальной антенны, и связанные с ними кабели соединены с соответствующими передающими устройствами радиочастоты или принимающими устройствами радиочастоты, и затем соединены с общим блоком обработки группового сигнала посредством преобразователей аналог/цифра и цифра/аналог (ПАЦ и ПЦА), соответственно.
Согласно изобретению вектор основного направления определяется с использованием значения оценки НПС, получаемой по принимаемому сигналу. Затем, в соответствии с этим вектором основного направления получают расчетную форму (например, узкий луч) передаваемого пучка. Способ формирования пучка для нисходящей линии определяется геометрической формой передающей антенны и этот способ хорошо известен специалистам в теории антенных решеток.
В соответствии с изобретением в системе беспроводной ДЧР связи базовая станция может полностью получить функции и характеристики интеллектуальной антенны для нисходящей линии связи и восходящей линии связи; она также выполняет основные функции интеллектуальной антенны, включая снижение помех и увеличение эквивалентной передающей мощности.
Согласно изобретению для восходящей линии может быть использован любой способ объединения сигнала интеллектуальной антенны для того, чтобы полностью использовать преимущества интеллектуальной антенны. Для нисходящей линии связи, особенно для мобильной, могут использоваться основные достоинства интеллектуальной антенны. К тому же, не существует строгой взаимосвязи между формированием пучка для нисходящей линии связи и положением терминала абонента, что создает большие преимущества в работе терминала абонента во время движения с высокой скоростью.
Устройство базовой станции в соответствии с настоящим изобретением позволяет преодолеть ограничения и препятствия в применении технологии интеллектуальной антенны в системах мобильной ДЧР CDMA связи, вызванные несимметричностью передачи электромагнитных волн в восходящей и нисходящей линиях связи. В то же время увеличивается зона охвата сот, значительно увеличивается эффективность системы, а также уменьшаются затраты.
Сравнивая технологию интеллектуальной антенны в соответствии с настоящим изобретением для системы беспроводной ДЧР связи с существующей технологией интеллектуальной антенны для системы беспроводной ДВР связи, можно отметить, что хотя для системы беспроводной ДЧР связи невозможно соединить многолучевые сигналы во время формирования пучка для нисходящей линии связи и теряется достоинство соединения многолучевых сигналов в пределах длительности кодового импульса с использованием задержки по времени, но так как при формировании пучка для нисходящей линии не рассматривается комбинация многолучевых сигналов, то формирование пучка для нисходящей линии не чувствительно к фазе (времени), и это очень выгодно в случае, когда терминал абонента двигается с большой скоростью. Таким образом, решена проблема применения технологии интеллектуальной антенны для абонента, движущегося с большой скоростью.
Эксперименты показывают, что при применении технологии интеллектуальной антенны совместно с устройством, предложенным в настоящем изобретении, в базовой станции системы мобильной ДЧР связи CDMA для данной системы увеличивается зона охвата сот, увеличивается эффективность системы, уменьшаются затраты и поддерживается работа системы в условиях быстродвижущихся абонентов.
На фиг.1 изображена блок-схема базовой станции системы беспроводной ДВР связи с интеллектуальной антенной;
на фиг.2 - блок-схема базовой станции системы беспроводной ДЧР связи с интеллектуальной антенной;
на фиг.3 - блок-схема блока обработки группового сигнала и сигнала в базовой станции для системы беспроводной ДЧР связи с интеллектуальной антенной;.
на фиг.4, 5 и 6 - схемы формирования пучка для интеллектуальной антенны системы ДЧР связи согласно настоящему изобретению.
Изобретением является устройство беспроводной дуплексной связи с частотным разделением (ДЧР) с использованием интеллектуальной антенны. Ниже детально описаны техническая схема и технические достоинства изобретения на примере конкретной системы беспроводной ДЧР CDMA связи, такой как система ДЧР CDMA IMT-2000.
На фиг.1 изображена блок-схема беспроводной станции 10 для системы беспроводной ДВР CDMA связи с интеллектуальной антенной. Базовая станция работает в режиме ДВР CDMA. Антенная система базовой станции включает антенную решетку, содержащую, в свою очередь, N антенных блоков 11, 12, 13,..., 1N и связанных с ними кабелей сети связи, то есть N антенных кабелей сети связи. N антенных кабелей сети связи соответственно присоединены к радиочастотным N приемникам-передатчикам, соответственно, ППх 21, 22, 23,..., 2N. Радиочастотные приемопередатчики совместно используют локальный источник сигналов 30 (блок синхронизации и генерации частоты), то есть N приемопередатчиков ППх работают когерентно.
Принятый сигнал каждого приемопередатчика преобразуется в цифровой дискретизированный сигнал посредством внутреннего преобразователя аналог/цифра (ПАЦ). Цифровой дискретизированный сигнал посылается в высокоскоростную шину 31 для передачи данных. Цифровой сигнал, который ждет передачи и находится в высокоскоростной шине 31 данных, посылается в соответствующий приемопередатчик ППх и преобразуется в аналоговый сигнал с помощью внутреннего преобразователя цифра/аналог (ПЦА). Аналоговый сигнал затем передается посредством соответствующего антенного блока.
Вся обработка группового цифрового сигнала производится в блоке 33 обработки группового цифрового сигнала. Способы обработки группового цифрового сигнала можно найти в соответствующих патентах, таких как китайский патент ZL 97104039.7.
Используя имеющуюся в настоящее время технологию усовершенствованной обработки цифрового сигнала (УОЦС), блок 33 обработки группового цифрового сигнала может выполнять такие функции, как модуляция и демодуляция сигнала, формирование передаваемого и принимаемого пучка и т.д., преодолевать многоадресные и многолучевые помехи, «поднимать» принимаемый сигнал с точки зрения отношения сигнала к шуму и «поднимать» чувствительность и увеличивать эквивалентную однородную радиальную мощность (ЭОРМ). В базовой станции с интеллектуальной антенной системы беспроводной ДВР CDMA связи для приема и передачи ППх сигналов может одновременно использоваться одна и та же часть антенной системы.
Вышеприведенное описание фиг.1 является также описанием принципа действия и концепции современной интеллектуальной антенны.
На фиг.2 показана блок-схема базовой станции 60 системы беспроводной ДЧР связи с интеллектуальной антенной, соответствующая данному изобретению. Базовая станция работает в режиме ДЧР CDMA. Антенная система базовой станции содержит две антенные решетки: приемную антенную решетку и передающую антенную решетку. Приемная антенная решетка (восходящая линия связи) включает N антенных блоков 71, 72, 73,..., 7N и связанных с ними кабелей сети связи, то есть содержит N приемных антенных блоков с линиями передачи. N приемных антенных блоков с линиями передачи соединены с N радиочастотными приемниками Прх 41, 42, 43,..., 4N соответственно. Передающая антенная решетка (нисходящая линия связи) состоит из М антенных блоков 81, 82, 83,..., 8N и связанных с ними кабелей сети связи, т.е. состоит из М передающих антенных блоков с линиями передачи. М передающих антенных блоков с линиями передачи соединены с М радиочастотными передатчиками Перх 51, 52, 53,..., 5М соответственно. Приемники и передатчики совместно используют локальный источник сигналов 90 (блок синхронизации и генерации частоты), т.е. N приемников радиочастотного сигнала и М передатчиков работают когерентно.
Для восходящей линии связи принятый сигнал каждого приемника Прх преобразуется в цифровой дискретизированный сигнал посредством внутреннего ПАЦ, и затем цифровой дискретизированный сигнал посылается в высокоскоростную шину 91 для передачи данных. В беспроводной базовой станции 60 обработка группового цифрового сигнала, пришедшего от соответствующей линии приема радиочастоты, происходит в блоке 93 обработки группового цифрового сигнала. Обработка группового цифрового сигнала включает в себя демодуляцию, сужение спектра, подавление различного рода помех, получение оценки НПС и формирование принятого пучка и т.д. Способ обработки цифрового сигнала соответствует способу формирования пучка для системы беспроводной ДВР связи с интеллектуальной антенной. Описание способа обработки цифрового сигнала можно найти в китайском патенте ZL 97104039.7 «Беспроводная система дуплексной синхронной связи CDMA с временным разделением, использующая интеллектуальную антенну» и других соответствующих патентах.
Для нисходящей линии связи цифровой сигнал, который ждет передачи, сначала подвергается базовой обработке. Обработка включает в себя выделение канала, кодирование канала, уплотнение импульсных сигналов, Ф/С (фазовое/сдвиг по фазе на 90°) разделение, модуляция и расширение спектра и так далее. Обработка происходит в блоке 93 базовой обработки группового цифрового сигнала. Затем формируется пучок для нисходящей линии связи. Формирование пучка для нисходящей линии производится на основе оценки НПС, которая получается при обработке группового цифрового сигнала, принятого по восходящей линии связи. Средства для формирования пучка для нисходящей линии могут использовать хорошо известные алгоритмы из теории антенных решеток. Во время формирования пучка для нисходящей линии связи к сигналу, ожидающему посылки на передающую линию, добавляются значения амплитуды и фазы, которые нужны для формирования пучка; затем посредством объединения сигналов многократного кода каналов для каждой передающей линии формируется цифровой сигнал, ожидающий передачи. Цифровой сигнал, ожидающий отправки, посылается в соответствующий передатчик Перх через высокоскоростную шину 91 данных, и после преобразования посредством внутреннего ПАЦ получается аналоговый сигнал, который передается с помощью соответствующего передающего блока антенны.
На фиг.3 подробно представлен блок обработки группового цифрового сигнала и процедура обработки сигнала на примере системы беспроводной ДЧР CDMA связи.
В блоке обработки группового цифрового сигнала для восходящей линии связи N линейных цифровых сигналов 101, 102, 103,..., 10N, приходящие от приемной решетки антенны и приемника, сначала подаются на соответствующие N блоков предварительной обработки принимаемого сигнала 111, 112, 113,..., 11N, где производится соответственно демодуляция и сужение спектра. Затем сигналы подаются на формирователь 150 принятого пучка для того, чтобы получить оценки НПС для каждого цифрового сигнала, пришедшего от терминала абонента, и для объединения сигналов, пришедших от каждой приемной антенны. Объединение производится по определенному алгоритму. Таким образом, производится формирование принимаемого пучка. В блоке 155 последующей обработки из объединенного сигнала восстанавливаются исходные принятые цифровые сигналы.
В блоке обработки группового цифрового сигнала для нисходящей линии связи каждый сигнал, ожидающий передачи, проходит базовую обработку в блоке 145 обработки цифрового сигнала, затем сигнал посылается на формирователь 140 передаваемого сигнала. Формирователь 140 передаваемого сигнала производит формирование пучка передаваемого сигнала для каждого цифрового сигнала с учетом сигнала 160 оценки НПС, передаваемого от формирователя 150 принимаемого пучка. Это означает добавление необходимых значений амплитуды и фазы ко всем данным передающей антенны, которые будут переданы на передающие блоки антенны. После этого для каждой передающей линии сигнал собирается с помощью цифровых сборщиков 131, 132, 133,..., 13М для того, чтобы сформировать М линейных цифровых сигналов 121, 122, 123,..., 12М, которые необходимо послать во все соответствующие передающие линии.
Изображенные на фиг.3, формирователь 150 приемного сигнала, блок 155 последующей обработки, формирователь 140 передаваемого пучка и блок 145 обработки цифрового сигнала физически в конкретной реализации могут представлять собой несколько устройств (число устройств зависит от сложности каждого устройства). На фиг.3 эти блоки условно изображены в виде трех перекрывающихся блоков, представляющих несколько устройств.
Фигуры 4-6 показывают реализацию беспроводной базовой станции с интеллектуальной антенной. Данная станция предназначена для системы мобильной ДЧР CDMA связи.
Фиг.4-6 показывают типичную схему мобильной связи пригородного района. На данных фигурах показаны две беспроводные базовые станции 200 и 201 и один абонентский терминал 210, прямоугольные блоки означают здания. Восходящая линия связи между беспроводной базовой станцией 200 и терминалом 210 абонента включает в себя сигнал 220 основного направления и многочисленные многолучевые сигналы 221, 222, 223,... и т.д., вызванные отражениями от зданий и сооружений. Наряду с разным окружением, различны также амплитуда и временная задержка каждого многолучевого сигнала. Предположим, что задержка по времени многолучевых сигналов 221 и 222 находится в рамках длительности одного кодового импульса, а задержка по времени других многолучевых сигналов превосходит длительность одного кодового импульса. При использовании устройства, соответствующего настоящему изобретению, приемная решетка антенны 230 беспроводной базовой станции 200 получает пучок от восходящей линии связи, имеющий форму 232, показанную на фиг.5. Пучок эффективно использует энергию основного направления и короткую задержку по времени многолучевого сигнала. Как показано на фиг.6, пучок 242 (пучок нисходящей линии связи), передаваемый с помощью передающей решетки антенны 240 беспроводной базовой станции 200, формируется с учетом оценок НПС, полученных по принимаемому пучку. Пучок нисходящей линии связи направлен только в сторону основного направления 220. Передаваемый пучок нисходящей линии имеет форму узконаправленного луча.
В общем случае на терминале 210 абонента для приема применяется однородная антенна, и пучок нисходящей линии связи, показанный на фиг.6, имеет многолучевые составляющие, порожденные во время распространения электромагнитной волны и вызванные отражениями и т.п. В связи с этим на терминале абонента при обработке группового цифрового сигнала желательно подавлять помехи от этих многолучевых составляющих.
Очевидно, что устройство согласно данному изобретению после надлежащей доработки может быть использовано в других режимах систем беспроводной связи.
1. Устройство беспроводной дуплексной связи с частотным разделением (ДЧР) с использованием интеллектуальной антенны, содержащее систему антенны, включающую приемную антенную решетку антенны и передающую антенную решетку, приемники радиочастотных сигналов, каждый из которых соединен с соответствующим антенным элементом приемной антенной решетки, передатчики радиочастотных сигналов, каждый из которых соединен с соответствующим антенным элементом передающей антенной решетки, и общий блок обработки группового сигнала, содержащий блок обработки групповых сигналов восходящей линии связи и блок обработки групповых сигналов нисходящей линии связи, обеспечивающие получение значений оценки направления прихода сигнала (НПС) по сигналу, принятому по восходящей линии связи, определение направления основного пути сигнала, принятого по восходящей линии, на основе указанных значений оценки НПС и формирование луча для нисходящей линии связи с использованием направления основного пути сигнала, принятого по восходящей линии связи, при этом приемники и передатчики соединены соответственно с блоком обработки групповых сигналов восходящей линии связи и с блоком обработки групповых сигналов нисходящей линии связи посредством шины данных и используют общий блок синхронизации и генерации частоты.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемная решетка антенны включает N приемных антенных блоков, соединенных соответственно с N приемниками радиочастотных сигналов с помощью кабелей, передающая решетка антенны включает М передающих антенных блоков, которые соответственно соединены с М передатчиками радиочастотных сигналов с помощью кабелей, где N и М являются положительными целыми числами.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок обработки групповых сигналов восходящей линии содержит N блоков предварительной обработки принимаемых сигналов, способных обеспечить демодуляцию и сужение спектра N цифровых сигналов, полученных от приемной решетки антенны и приемников, формирователь диаграммы направленности, способный сформировать оценку НПС для N цифровых сигналов, приходящих от N блоков предварительной обработки сигналов, и объединить N цифровых сигналов, и блок последующей обработки, способный восстанавливать N исходных принимаемых цифровых сигналов из объединенного цифрового сигнала.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок обработки групповых сигналов нисходящей линии содержит блок базовой обработки группового цифрового сигнала, выполненный с возможностью базовой обработки каждого цифрового сигнала, ожидающего своей передачи, формирователь диаграммы направленности, выполненный с возможностью формирования луча передающей антенны для каждого сигнала, пришедшего из блока базовой обработки с учетом значения оценки основного пути, полученного по оценке НПС, полученной, в свою очередь, от блока обработки группового сигнала восходящей линии, и цифровое устройство объединения, способное производить цифровое объединение для каждой передающей линии и формирование М цифровых сигналов, предназначенных для пересылки на М передающих устройств и передающую решетку антенны.
