专利名称：基站射频拉远的定时和定时校准的方法及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种解决无线通信基站/收发信机系统的基站射频拉远后的时延校准方法，以及该方法的用途。
背景技术：
随着包括WCDMA和TD-SCDMA等第三代移动通信系统的发展，受其2GHz工作频段电波传播特性的限制，必然要大大增加基站的数量，并要求其实现三维覆盖，因此其无线基站设备无法沿用由分立元件及集成度很小芯片设计的射频收发信机，和用低损耗射频电缆连接收、发天线与射频收发信机等传统的设计方法。随着收发信机数量的增加，分立元件间的特性差异及使用又粗又长的射频电缆将造成人工调测时的难度与低效率，其结果将导致可生产性、成本及工程安装上的问题。而且，连接天线和室内射频收发信机之间的射频电缆在2GHz以上频段的损耗比较大，射频电缆的损耗已经不能容忍，特别对使用智能天线的移动通信系统来说，因为天线数量大大增加，其馈线损耗、电缆成本及安装等方面的问题都将是难以克服的。
为此，ZL 01201473.7的中国专利中公开了一种名为“用于无线通信系统的塔放式智能天线阵”的第三代移动通信无线基站设计方案，将收、发信机中接收通道的低噪声放大器和发射通道中的大功率放大器置于室外单元中，并位于收、发天线附近与天线短距离连接，将射频收、发信机除低噪声放大器和大功率放大器之外的部分安装在室内单元中，用较长的射频电缆将室外单元中的低噪声放大器与室内单元中的射频收信机连接，和用较长的射频电缆将室外单元中的大功率放大器与室内单元中的射频发信机连接。在室内单元中，将接收的射频转换为中频信号，再经模/数转换为数字信号和经数字中频电路处理后，送至数字基带处理单元(DSP)；由DSP输出的待发射数字信号经数字中频处理电路处理和数/模转换为中频模拟信号后送射频模拟发射机，再转换为射频信号送室外单元发射。该方案通过用射频电缆连接室内单元与室外单元，以避免电缆损耗导致的接收机噪声系数增加及牺牲发射功率的问题。
由于该方案没有从根本上解决射频电缆损耗较大及射频电缆成本较高的问题，使基站设备设计成本居高不下。而且天线及其室外单元距离室内单元也不允许太远，通常在60米之内，难以完成第三代移动通信系统必须实现的三维覆盖。例如在大楼内，因为射频电缆比较粗，将室外单元连接到室内单元上的工程会很困难。
此外，目前在3G FDD系统(如WCDMA)中已有使用的是一种使用光纤传输的基站设备方案。该方案虽然可以解决上述射频电缆传输距离及灵活布线上的困难，但由于增加了一套光传输电路，导致成本增加，特别在多天线的系统，例如使用智能天线的系统中，此成本增加会是相当明显的。
而且，上述技术中的每一套室外单元必须使用一对如射频电缆或者光纤等双向传输媒质与室内单元连接。此一对传输媒质对TDD系统(如TD-SCDMA)来说可以理解为一根射频电缆并加上多条控制线；对FDD系统来说，则上下行必须分别使用一根光纤或电缆，如果使用一根光纤传输，则需占用两个光波波长。上述两种方案中多个室外单元与一个室内单元间都只能采用星形连接，即多套收、发天线及其室外单元必须通过各自的电缆或者光纤直接连接到室内单元，工程安装不方便。
由于第三代移动通信2GHz工作频段的电波传播特性，其通信网中每个宏小区基站(一套天线)的覆盖半径只能有1-3公里，在城市内高楼大厦林立的地区、树木遮挡的区域、楼房内等，此覆盖半径还要小得多。而且在此覆盖区域内可能还会存在很多无法通信的阴影区域。由于每个无线基站的覆盖区域太小，因此要在一个城市内实现完好的覆盖，就必须架设大量的基站，其中站址的选择和建设成本都是非常困难的问题。
使用目前的基站设备设计方案，每个小区都必须有自身完整的基站设备配置，包括从数字基带信号处理到模拟射频收发的全部部件，导致基站成本太高，而且，很多基站设备无法使用Iub接口方便地接入系统，使每小区承担的无线基站设备的成本太高。
第二代移动通信(GSM及IS-95CDMA)系统中，是通过使用直放站来解决覆盖盲区问题的。但在第三代移动通信系统内，由于必须保证系统服务质量(QoS)，而引入直放站必然导致服务质量下降，故第三代移动通信系统在原则上不能简单地使用直放站。而且，当室内单元和室外单元之间无法架设射频电缆或者光纤时(例如在城市内需要跨越街道)，将无法实现射频拉远，即无法实现射频或者中频信号之间的无线连接。
为有效又相对方便地解决小区覆盖半径小和覆盖盲区，解决大量室内覆盖提供无线数据服务的问题并降低无线基站成本的问题，本申请人曾在申请号为200510001653.2中提出了一种将远端的模拟射频收发信机前端设备与无线基站的基带数字信号处理部分室内设备在模拟中频部分分开，并经各种有线和无线的双向传输手段与无线基站相连接的中频传输方法及相应的中频接口。对多只远端射频模拟收发信机单元可以使用一对传输媒质，并实现星形和/或串行连接(其中更具有实际工程应用价值的是依次串行的链形连接方式)。远端的射频前端设备中包括模拟射频收发单元和中频接口，室内单元中包括中频接口和基带数字信号处理单元，室内单元的中频接口与远端射频前端设备的中频接口间通过中频传输媒介连接。其中频接口可将多个业务中频信号、多个实时控制与非实时监测控制信号和参考时钟合路成一个宽带中频信号发送到所述的中频传输媒介上传输；同时还可将来自中频传输媒介上的一个宽带中频信号分路成多个业务中频信号、多个实时控制与多个非实时监测控制信号和参考时钟。其中在基站设备的室内单元与远端射频前端设备间的该中频传输媒介，可以是采用有线连接方式的中频电缆或光纤，也可以是采用无线连接方式的微波接力设备。由于在中频传输媒介上传输的是包括模拟中频传输技术和数字中频传输技术在内的中频信号，有利于降低基站设备成本和实现多个远端射频前端设备与一个室内单元间的连接。
其对多个远端射频前端设备子系统进行链型连接的结构方式可如图1所示。图中的无线基站100实现了基站所有基带部分的功能，其地理位置可以用经纬度及海拔高度来表示。图中将此位置作为参考，表示为参考原点(0，0，0)。通过接口电路110和多(n)只远端射频收发信机连接以实现拉远。图中仅标出了其中的一只远端射频收发信机120，其地理位置相对与参考原点为(x，y，z)。此远端射频收发信机通过长度为L的传输线路130和室内基站100连接，此传输线路可以是中频电缆、光纤、也可以是无线方式，如微波。此外，在远端射频收发信机120支持的小区内还有m只用户终端150至15m，其中，终端150与15m与此远端射频收发信机的直线距离分别为d0及dm。此相对地理位置(x，y，z)是已知或者可以测量出来的。
在第三代移动通信系统中，都有一个用户定位的要求。其中比较准确的定位，是为获得激活的用户终端的具体位置(对地面系统，只考虑在水平面的位置)。传统使用的获得用户位置的技术可如图2所示。图中的2A是在有多个小区的系统中，通过测量终端与多个基站之间的距离来获得终端位置的方法，此距离是在基站内通过数字信号处理了获得的，使用两个或者3个基站，可以在等距离园的交点上确定用户终端的具体位置，其误差是距离的测量精度。这一方法在FDD系统或者TDD系统中都能使用。图中的2B是在使用了智能天线的TD-SCDMA系统中用单个基站对用户进行定位的方法，基站可以通过智能天线获得用户终端所处的方位角(DOA)及距离的测量值来获得用户的位置，其精度取决于距离测量精度及角度的分辨率。
在目前的无线通信系统中，只需知道对信号在基站及射频收发信机中的转换时延(此转换时延可由常规方法测量得到)即可获得信号从基站(基带数字信号处理部分)到天线的传播和转换时延。此时延通常很小，并不影响系统的定时及距离测量，故一般均忽略不计。在TDD(TD-SCDMA)系统中，是通过求相关的方法，获得基站发射和终端接收的时延差，再根据系统同步的方法，用这一方式所获得的时延对与该天线连接的射频收发信机的接收和发射定时进行校准，以获得全网络的同步。在进行用户终端定位时，同样也采用此方式测量获得的时延对前述用传统的用户终端定位方法获得的用户终端位置进行校准，以获得准确的用户终端位置。
由于目前已经在工程中使用的通信系统中，其基站设备的室内单元与远端射频前端设备间所能实现的拉远距离很短，一般仅仅几十米，故其相对地理位置差及电波传播过程中时延造成的距离测量误差等问题并不明显而可被忽略，也尚未引起重视。
随着基站设备室内单元与远端射频前端设备间拉远距离的增大，这种因相对地理位置差及电波传播过程中时延造成的距离测量误差的影响等问题就突显出来而不能再被忽略。例如，TDD系统(如TD-SCDMA)的工作要求全网同步，即在网内每个小区的发射时间，例如发射下行导引时隙的时间是相同的。当图1中的射频拉远距离比较长(例如L为几百米至几公里)时，由于电波在传输线路上的传输时延加上远端射频收发信机中的转换时延(此转换时延可由常规方法测量得到)将达到数或者数十微秒，全网同步将被破坏，系统内干扰将比较严重，以至不能正常工作。另一方面，系统对用户和基站距离的测量是在基站(如图1中的100)内进行的，即是通过测量用户的发射提前量来完成的。也就是说，此时所测到的时延(即距离)除电波在空间的传播距离(图1中的d)所造成的时延(所需要的数值)外，还包括了电波在传输线路上的传输时延加上远端射频收发信机中的转换时延，将是错误的结果。在使用了智能天线的系统中，如再以用户方位的估计来进行用户定位的话，则将导致完全不可接受的错误。
对于FDD系统(如WCDMA)，为实现用户定位，必须测量用户与基站的相对距离。由于系统对用户与基站间的距离测量是在基站(如图1中的100)内进行的，因此随着射频拉远距离的增大，会因出现与上述TDD系统中同样的情况而得到错误的距离数据。
发明内容
针对第三代移动通信系统(如WCDMA和TD-SCDMA等)即将大规模商用及所面临的问题，在上述以中频传输方式实现“射频拉远”技术的基础上，本发明将提出一种解决基站及远端射频前端设备子系统之间的定时和定时校准的方法。在此基础上，即可获得全网络同步；和/或实现对用户终端位置进行校准而获得准确的用户终端位置，从而使射频拉远技术更加完善。
如上述，本发明的基站射频拉远的定时和定时校准的方法是以在此之前的以中频传输方式实现“射频拉远”技术为基础，即将无线基站中的射频收发信机与无线基站的基带数字信号处理部分分开，将远端射频收发信机拉远至天线附近，通过模拟和/或数字中频传输技术，用各种有线和无线传输手段与无线基站相连接。所说的连接传输媒质可以是双向传输的中频电缆、微波接力设备，以及光纤等。本发明的基站射频拉远的定时和定时校准的方法，是此种形式的通信系统中，在基站的基带数字信号处理部分和远端模拟射频收发信机前端设备的天线接口间分别设置有对应配合的接口单元，在使其处于工作状态时，由基站的基带数字信号处理部分向远端模拟射频收发信机前端设备发出一个测试信号，并接收经远端模拟射频收发信机前端设备发射的返回信号，通过对所发射和接收的信号的比较而得到在整个收发环路上的传输总时延值，与模拟射频收发信机前端设备和无线基站设备的转换时延共同作为基站与模拟射频收发信机前端设备间的定时和定时校准的提前量。
上述所说的基站的基带数字信号处理部分发射和接收的为频率相同的短脉冲信号，也可以是不同频率的短脉冲信号。例如，对于TDD系统，接收和发射可以使用相同频率的短脉冲信号，因而无需再配置如耦合电路等特殊附加电路结构，只需控制适当的发射电平即可。基站的基带数字信号处理部分在发射脉冲信号时同时将接收机开启，就可以接收到从天线端口反射回来的时延校准信号，经基站的接收基带数字信号处理电路就可以检测到此接收信号相对于发射信号之间的时延，完成此时延测量。对于FDD系统，则由于接收和发射的频率不相同，且接收和发射通常使用不同的天线，因而就需配置或使用一个相应的耦合电路，将发射信号耦合一部分出来，经过变频后将发射载波频率改变为接收载波频率。在进行时延校准时也开启此耦合电路，然后以与上述TDD系统相同的方法进行时延校准。
本发明的上述的时延校准方法，可以用于实现TDD系统全网的同步。采用本发明的上述方式对基站基带数字信号处理器与和收发天线相连接的远端模拟射频收发信机前端设备之间的接收和发射进行定时校准后，无论远端模拟射频收发信机前端设备的拉远距离有多大，均可以方便地实现全网络的同步。例如，定时校准提前量可由整个收发环路传输总时延值1/2的时延校准测量确定，与基站中的相应设备及远端模拟器件开关的转换时延之和共同作为系统定时校准的提前量，并使基站在发射数据时比信号空间同步所需要的时间提前一个提前量，同时使基站接收数据则比空间同步所需要的时间延迟一个时间提前量，即远端射频收发信机的时序和基站基带数字信号处理具有不同的时序，则不论在使用射频拉远技术时用何种传输技术及拉远距离，都能实现严格地保证全网同步。
本发明上述的时延校准方法同样也可以用于实现对用户终端位置进行校准，以获得准确的用户终端位置定位。例如，在实现了全网同步后，TD-SCDMA系统用常规方法获得的用户终端位置就应理解为相对与此远端射频收发信机的位置，适当的地理位置转换，计可以获得用户终端的准确定位。
以下通过由附图所示实施例的具体实施方式
，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。
图1是使用射频拉远技术的无线基站与远端射频收发信机间连接关系的示意图。
图2是在目前无线通信系统中对用户终端的定位方法示意图。
图3是本发明中基站射频拉远时的定时和定时校准方法的示意4是本发明的定时和定时校准方法在TDD系统中实现同步定时的示意图。
具体实施例方式
图1和图2所示的分别是如前所述的使用射频拉远技术的无线基站与远端射频收发信机间连接关系，以及在目前无线通信系统中对用户终端的定位方法。
图3所示的是本发明基站射频拉远的定时和定时校准的方法示意。图中的含有基带数字信号处理部分的无线基站主体设备300，与位于收发天线附近的远端模拟射频收发信机前端设备380在模拟中频部分分开。基站主体设备300具有接口电路310，提供与远端射频收发信机380的连接、发射基带数字信号处理电路320及接收基带数字信号处理电路330。远端的射频收发信机380中包括有相应的接口电路368，射频发射机362、射频接收机365及连接至天线端口370的双工器363。远端射频收发信机380和室内基站300之间则通过一对双向传输线路343及345连接，其传输线路可以是中频电缆、光纤、也可以是无线方式，如微波，信号的传输方向如图中箭头所示一条线路将基站发射信号传输向远端射频收发信机；另一条线路则将远端射频收发信机所接收到的信号传输向基站。
在使基站主体设备300具有接口电路310和远端的射频收发信机380中包括有相应的接口电路368被开启而处于接收与发射同时工作状态时，由基站的基带数字信号处理部分发射一个短脉冲信号或者一段已知的短码信号，同时开启射频发射机和射频接收机，在接收基带数字信号处理部分接收到上述发射的短脉冲信号，通过比较处理而获得信号在整个收发环路上的传输总时延，并可以认为接收和发射的时延相等，都为上述总时延的一半，供基站射频拉远后的时延校准使用。
对于TDD系统，上述的双工器363可以是一只射频开关，也可以是一只环形器。由于接收和发射的频率相同，故无需要特殊的耦合电路而只需要控制适当的发射电平，在发射时将接收机开启，接收机就可以接收到时延校准的发射信号，在基站的接收基带数字信号处理电路330就可以检测到此接收信号相对于发射信号之间的时延，完成此时延测量。对于FDD系统，则由于接收和发射的频率不相同，且通常不使用双工器，而是接收和发射使用不同的天线。这样，就必须使用一个耦合电路，将发射信号耦合一部分出来，经过变频，将发射载波频率改变为接收载波频率。在进行时延校准时开启此耦合电路，然后用与上述TDD系统的相同方式进行时延校准。
图4所示的是在上述TDD(TD-SCDMA)系统中，用本发明测量获得的时延校准值对与天线连接的远端射频收发信机的接收和发射定时进行校准，以获得全网络同步工作的定时关系原理。图中的Tf为TDD周期，Txa为基站发射期间，Td为定时提前量，就是由前述时延校准方法测试得到的射频拉远后信号在传输途径及变换所产生的时延；图中，401表示基站对远端射频收发信机收发转换的时序，402表示全网在空间实现TDD收发同步的时序，403为基站基带发射数字信号处理的时序，而404为基站基带接收数字信号处理的时序。按传统的方法，以上时序应当是基本相同的，在射频拉远距离较大时，系统无法实现同步。本发明则是根据时延校准测量得到的定时提前量Td，并根据此提前量由基站发出控制时序401，它必须比完全同步所需要的时间(时序402)提前一个定时提前量Tad。以保证全网在空间实现TDD收发转换的同步(时序402)。此外，基站发射数据(403)要比空间同步所需要的时间提前一个提前量Td，而基站接收数据(404)要比空间同步所需要的时间延迟一个时间Td。这样，远端射频收发信机的时序和基站基带数字信号处理的时序是不同的，因而不管在使用射频拉远技术时用何种传输技术及拉远的距离，都严格地保证了全网的同步。
利用上述方法的获得的时延校准值，也可以对前述采用传统的用户终端定位方法获得的用户终端位置进行校准，从而能获得准确的用户终端的位置。对于TDD系统，由于已经通过上述为获得全网同步而进行的时延校准，故在距离测量时获得的已经是用户终端距离远端射频收发信机(天线)之间的距离，故只需要以此远端射频收发信机(天线)的已知的地理位置(图1中(x，y，z))为原点，直接使用传统的方法来进行定位。而对于FDD系统，在用户终端定位时，则需对无线基站的基带数字信号处理部分与用户终端间进行所说的时延测量后，在每个小区(远端射频收发信机及天线)中还需以同样的方式也进行时延测量，由这一测量获得的用户终端距离减去上述基带数字信号处理部分与该相应的远端模拟射频收发信机前端设备间时延测量值所相对应的距离，从而即可获得用户终端距离此远端射频收发信机(天线)的准确距离。进行此校准后，就可以获得用户终端相对于这几个邻近远端射频收发信机(天线)的准确位置。
由此可以理解，本发明的上述基站射频拉远的定时和定时校准的方法有效并满意地解决了使用射频拉远时，在拉远传输和转换电路中造成的时延测量问题。并可进一步彻底解决如TDD系统在使用射频拉远技术时的全网同步问题，使拉远距离不再受到限制，以及解决了射频拉远技术中获得准确的用户终端定位的问题。
通过上述的实施例可以对本发明有更清楚的理解，但不应将这些实施例理解为是对本发明主题范围的限制。在不脱离和改变本发明上述技术思想情况下，根据本领域的普通技术知识和/或惯用手段，显然还可以做出多种形式的替换或变更，并均应包括在本发明的范围之内。
权利要求
1.基站射频拉远的定时和定时校准的方法，其特征是在由模拟中频部分分开并经其间设置的有线和/或无线双向传输手段连接的无线基站与位于收发天线附近的远端模拟射频收发信机前端设备的通信系统中，在基站的基带数字信号处理部分和远端模拟射频收发信机前端设备的天线接口间分别设置有对应配合的接口单元，在使其处于工作状态时，由基站的基带数字信号处理部分向远端模拟射频收发信机前端设备发出一个测试信号，并接收经远端模拟射频收发信机前端设备发射的返回信号，通过对所发射和接收的信号的比较而得到在整个收发环路上的传输总时延值，与模拟射频收发信机前端设备和无线基站设备的转换时延共同作为基站与模拟射频收发信机前端设备间的定时和定时校准的提前量。
2.如权利要求1所述的基站射频拉远的定时和定时校准的方法，其特征是所说定时校准的提前量(Tad)是由所说整个收发环路传输总时延值1/2的时延校准测量(Td)与模拟器件开关的转换时延(Tb)之和。
3.如权利要求1所述的基站射频拉远的定时和定时校准的方法，其特征是所说的测试信号为短脉冲信号，或者是一段已知的短码信号。
4.如权利要求3所述的基站射频拉远的定时和定时校准的方法，其特征是所说的基站的基带数字信号处理部分发射和接收的短脉冲信号为频率相同的短脉冲信号。
5.如权利要求3所述的基站射频拉远的定时和定时校准的方法，其特征是所说的基站的基带数字信号处理部分发射和接收的短脉冲信号为不同频率的短脉冲信号，在基站的基带数字信号处理部分中设置有用于对接收与发射的脉冲信号进行比较的耦合电路。
6.以权利要求1的基站射频拉远的定时和定时校准的方法实现全网络同步的用途。
7.以权利要求1的基站射频拉远的定时和定时校准的方法实现对用户终端位置进行校准，以获得准确的用户终端位置的用途。
8.如权利要求7所述的获得准确的用户终端位置的用途，其特征是对无线基站的基带数字信号处理部分与用户终端间进行同样形式的时延测量，并由这一测量获得的用户终端距离减去上述基带数字信号处理部分与该相应的远端模拟射频收发信机前端设备间时延测量值所相对应的距离，获得用户终端与该远端模拟射频收发信机前端设备或天线间的准确定位距离。
全文摘要
基站射频拉远的定时和定时校准的方法及其用途。在由模拟中频部分分开并经其间设置的有线和/或无线双向传输手段连接的无线基站与位于收发天线附近的远端模拟射频收发信机前端设备的通信系统中，在基站的基带数字信号处理部分和射频收发信机前端的天线接口间分别设置有接口单元，在其处于工作状态时由基站向射频收发信机前端发出一测试信号，并接收返回信号，通过对收发信号的比较得到在整个收发环路上的传输总时延值，与射频收发信机前端和无线基站的转换时延共同作为基站与射频收前端设备间的定时和定时校准的提前量，可用于解决包括实现全网络的同步，以及获得准确的用户终端定位等问题。
文档编号H04Q7/30GK1753329SQ20051002195
公开日2006年3月29日 申请日期2005年10月28日 优先权日2005年10月28日
发明者李睿, 李军, 张晓丽, 纪宝 申请人:芯通科技(成都)有限公司