非智能天线基站升级为智能天线基站方法及基带处理系统 本发明涉及移动通信技术，具体涉及移动通信技术的码分多址(CDMA)系统，更具体地说，涉及一种可将移动通信系统中，码分多址多扇区非智能天线基站升级为智能天线基站的方法，本发明还涉及用于将移动通信系统中码分多址多扇区非智能天线基站升级为智能天线基站的基带处理系统。
CDMA移动通信系统已开始得到应用，已经商用的典型例子为美国的IS-95系统，正在标准化的第三代移动通信系统也普遍采用CDMA技术。与其它体制移动通信系统如时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)系统相比，CDMA具有容量和业务质量上的优势，但CDMA内在频谱统计复用和无线信道恶劣等特点还是限制了CDMA的容量，移动通信的迅猛发展迫切要求CDMA系统在现有基础上进一步提升其系统性能。在CDMA移动通信系统中，通过采用空间分集或极化分集可以提高信号的接收功率，但不能降低干扰的功率，为此，在现有的CDMA实施方法中普遍采用小区扇区化的技术，典型的为将一个小区分为三个或六个扇区，每个扇区采用两副覆盖120度或60度角区域的定向天线，这样依靠空间分集提高了信号接收功率，依靠天线的方向性增益降低了CDMA系统中的用户之间的多址干扰，最终提高了系统的性能。但若将小区化分为过多的扇区将带来许多问题，包括过多的扇区将导致更多的扇区之间的更软切换，导致基站和基站控制器之间很大的信令负担，更软切换需要两个扇区为用户同时分配无线资源，有可能完全抵消扇区化带来的容量增益。
随着网络地运行，原来的移动通信系统需要扩容，一种方法是增加新的载频，这种方法需要新的频谱资源，但无线频谱资源并不是无限的，另一种方法是小区分裂，这种方法需要构建新的基站，而过度的小区分裂导致中继效率的下降。
本发明的目的在于，提供一种非智能天线基站升级为智能天线基站的方法，可克服现有技术的上述缺点，利用这种方法无需重新选址也无需新的频谱资源，即可将非智能天线基站升级为智能天线基站，从而提高移动通讯系统的容量和通讯质量。
本发明的另一个目的是提供一种非智能天线基站升级为智能天线基站的基带处理系统，用于实现在多用户通讯的情况下，对上、下行发射波束的选择和叠加，完成多用户信号的合成，从而快捷地达到基站的升级。
本发明的第一个目的是这样实现的：构造一种非智能天线基站升级为智能天线基站的方法，包括如下步骤：
更换或增加基站中需升级扇区的部份硬件，所述部分硬件包括天线、馈线、部分射频硬件和放大器；
使用数字波束(DBF)或射频波束形成方法预先形成一组上下行波束覆盖基站所需升级的区域；
在上行方向基站根据移动台处于更软切换或不处于更软切换两种情况，通过基带的多分支合并技术将阵列天线波束多径信号和其它非升级扇区天线多径信号合并；
在下行方向基站根据移动台处于更软切换或不处于更软切换两种情况和上行多径分布，选择升级扇区下行波束或其它非升级扇区天线发射下行信号。
在按照本发明提供的非智能天线基站升级为智能天线基站的方法中，所述更换或增加基站的硬件步骤中，包括以下步骤：将常规天线，如分集天线更换为具有N个单元的阵列天线；增加馈线到N个；增加射频前端、射频通道到N个；将原来的大功率放大器改换为N个小功率放大器；增加相应的通道校正部分；增加波束形成网络以形成接收和发射波束，其中N为自然数。
在按照本发明提供的非智能天线基站升级为智能天线基站的方法中，所述更换或增加基站硬件的步骤中，还包括更改基带电路的步骤，以完成信号处理的功能。
在按照本发明提供的非智能天线基站升级为智能天线基站的方法中，所述使用数字波束(DBF)或射频波束形成上下行波束的步骤，包括天线信号的接收和发射以及信号的加权和移相处理步骤；其中信号的加权处理与移相处理过程使得各阵元接收或发射的基带信号互相干涉，在确定的需要升级区域形成特定波束。
在按照本发明提供的非智能天线基站升级为智能天线基站的方法中，所述上行方向基站根据移动台状态，将基带多分支进行合并包括如下步骤：
当移动台不处于更软切换时，对于传统天线服务的扇区仍旧采用常规工作方式，不进行修改，对于阵列天线服务的扇区上行链路处理方法是选择有用户多径信号分布的某个或某几个波束作为接收工作波束，然后通过多分支合并技术将各个波束的多径能量较强的多径信号合并；
当移动台处于更软切换时，处理上行链路的方法是选择所有的输入信号，包括多波束空间滤波后的多径信号和传统天线接收的多径信号进行处理，将有用信号能量较强的多径合并，完成更软切换操作。
在按照本发明所述非智能天线基站升级为智能天线基站的方法中，所述下行方向基站根据移动台状态进行选择包括如下步骤：
所述移动台不处于更软切换时，这样发射下行信号：将不升级扇区天线信号按常规方式发射，对升级扇区阵列波束信号，基站检测上行链路的用户信息如到达角度或上行波束接收用户幅度，在此基础上形成下行波束实现下行链路定向发射；
移动台处于更软切换时，这样发射下行方向的波束：将下行链路信号在两个扇区的天线同时发射，对升级为阵列天线的扇区可选择某个或几个波束进行波束定向发射，对传统天线扇区采用常规的下行链路工作方式。
在按照本发明所述非智能天线基站升级为智能天线基站的方法中，所述下行波束定向发射步骤中还包括下述两种选择步骤：
当多径分布集中时，在预先形成的多个波束中选择一个信号强度最高的波束作为发射波束；
当多径分布分散时，在预先形成的多个波束中选择若干个信号强度高的波束作为发射波束。
本发明的另一目的是这样实现的，构造一种非智能天线基站升级为智能天线基站的基带处理系统，包括数据采样总线、空时二维接收模块和下行波束选择处理模块，所述数据采样总线的接口上连接有上行波束网络和分集天线，所述空时二维接收模块分别与所述数据采样总线和波束选择处理模块相连接，所述空时二维接收模块的接口上连接有译码电路，波束选择处理模块的接口上连接有扩频加扰用户信号流电路。
在按照本发明所述非智能天线基站升级为智能天线基站的基带处理系统中，所述空时二维接收模块中设置有搜索模块、与所述搜索模块相连接的多个跟踪分支模块，与所述多个跟踪分支模块相连接的多径合并模块，所述搜索模块、跟踪分支模块，与数据总线相连接，所述多径合并模块与译码电路相连接。
在按照本发明所述非智能天线基站升级为智能天线基站的基带处理系统中，所述波束选择处理开关中设置有下行波束发射网络，与所述网络相连接用于选择网络中波束个数的模拟软件开关模块，所述软件开关模块分别与扩频加扰用户信号流电路和空时二维接收模块中的搜索模块连接。
利用本发明提供的非智能天线基站升级为智能天线基站的方法，将一个CDMA非智能天线系统部分升级为CDMA智能天线系统时，基站控制器部分仅做少量的软件修改以便进行相应的切换、功率控制等无线资源管理算法修改，基站部分需要改动或增加的部分包括阵列天线、馈线、射频通道、射频前端、功率放大器、基带处理，而基站内部数据总线、基站内部交换、基站与基站控制器的接口单元和传输部分通过在设计基站时通过预留资源不做修改，从而可最大限度地节约投资。同时，通过本发明，可将智能天线系统中阵列信号处理技术应用在码分多址的移动通信系统中，智能天线跟踪每个建立通信连接的移动用户，以较窄的波束定向发射和接收信号，与全方向天线和扇区天线相比，具有如下优点：通过依靠窄的波束带来的天线增益，改善了信号的接收质量，或者说在保持同样信号接收质量的条件下增加了基站的覆盖范围，提高系统能够支持的业务量。与采用分集天线，定向天线的非智能天线系统相比，智能天线带来的好处是不需要太多的基站内部更软切换(扇区之间的切换)，可以灵活地适应不断变化的移动环境，带来更大的容量或其它性能增益。
下面结合附图，用优选的实施例对本发明进一步详细说明，附图中：
图1为一种采用非智能天线系统的基带信号接收发射方法的系统结构示意图；
图2为采用本发明所述方法构成的一种蜂窝通信系统的小区蜂窝结构示意图；
图3为采用本发明构成的一种将三扇区非智能天线基站部分升级为智能天线基站时的系统结构示意图；
图4为本发明方法所用智能天线基站基带处理系统结构框图；
图5为本发明所述升级方法中预多波束智能天线工作模式中上行方向接收、下行方向发射波束配置示意图；
图6为表示采用本发明升级方法将非智能天线系统部分升级为智能天线系统的一个实施例的流程框图；
图7为图6实施例中基站升级时上行链路的处理流程框图；
图8为图6实施例中基站升级时下行链路的处理流程框图。
智能天线分为自适应智能天线和预多波束智能天线两类。自适应智能天线依据某种准则形成用户信号发射、接收模式。预多波束智能天线需要预先形成一组波束以满足上下行链路工作的需要，该方法具有鲁棒性强、同时改善上下行链路性能、兼容CDMA功率控制、切换等周边技术的特点，因此实现比较容易，在本发明中，采用预多波束智能天线为升级天线。在实际进行CDMA系统组网时，可依据业务密度、覆盖和经济性等要求在某些基站采用智能天线系统，而在另一些基站采用非智能天线系统。其中非智能天线基站更换为智能天线基站又有两种方法，一种方法是用智能天线基站完全取代非智能天线基站，一般投资比较大。另一种方法是在非智能天线基站基础上通过更换部分软件和硬件升级为智能天线基站。本发明所述智能天线基站是部分或全部扇区采用阵列天线的基站，非智能天线系统是指全部扇区采用常规天线的基站系统，
图1示出了一种采用非智能天线系统的基带信号接收发射方法的系统结构图；非智能天线系统基站的前端由分集接收天线1、2、3和分集发射天线4、5、6，基带变换与数模、模数转换单元7、8、9、10、11、12，和基带处理模块(13、14、15、16)等构成。这种基站用分集天线分别接收不同衰落的空间多径信号，多径信号经过模数转换后，在RAKE接收机里进行多径的搜索、跟踪与合并。传统基站的这种结构的缺点是分集所能取得的增益随分集天线的增多趋于不变，而天线的空间特性没有得到利用。
在图2示出的采用本发明组成的蜂窝通信系统中，由于频谱资源的有限性，蜂窝结构的移动通信系统是公认的最好的组网方式。在网络建造的初期用户数据流量不大时移动网络的基站通常会选取图中所示的全向型或三扇区型天线配置，这一点在经济上是合理的。如图中C1、C4、C5、C7、C8、C10等小区采用全向性天线覆盖小区，C2、C4、C9等小区采用三扇区天线覆盖小区，而C6小区则采用智能天线覆盖小区。随着移动用户的增加，基站的负荷增大，用户分布的区域性将越来越明显，并导致用户负荷在空间上分布的极度不均匀性。出于经济性的考虑，可以选择本发明方法将部分扇区升级为智能天线工作模式。
图3示出了采用本发明所提供的方法，将三扇区非智能天线基站升级为智能天线基站系统结构的一个实施例；按照这个实施例，通过适当地改动将一个三扇区配置，每扇区采用空间发射、接收分集的非智能天线基站升级为使用智能天线的三扇区基站，该智能天线基站保留原来两个扇区的非智能天线分集模式，即仍然采用空间发射和接收分集，第三个扇区的分集天线用阵列天线代替，上行方向形成4个波束覆盖整个扇区，以提高这一扇区的容量、改善这个扇区的覆盖或提高这个扇区的信号接收质量。如图所示，在需要形成4个波束的扇区增设4副天线17用于对空间信号进行接收，4副天线19用于下行信号的发射，接收和发射信号可用同一副天线以双工方式工作。天线接收的射频信号在射频接收模块21进行下变频处理，将射频信号变成基带信号，基带信号送到模数转换模块22进行抽样和采样的数字化。在上行链路多波束形成模块23对数字化的基带信号进行空间滤波。不采用智能天线的扇区仍旧用原分集天线进行接收，如图中所示的天线模块18；模块18接收的射频信号在射频模数转换模块25进行下变频、抽样和采样等处理，处理后的信号与空间滤波后的多波束信号一起送到内部总线24上(非智能天线总线设计时留有余量)。总线24上连接着空时二维接收模块28，空时二维接收模块完成用户多径在空间域或时域的分离和合并以及用户的更软切换，其输出送到译码模块30，其中译码模块及其以后工作过程，按图1所示的原有方法进行处理，完成上行信号接收。同时空时二维接收模块还要为下行判断下行需要发射的波束，用窄波束发射可以降低下行总的干扰水平，这一过程的一个实施例可以参照图4进行。
在下行方向用户数据流经过扩频加扰模块31后一路送向发射波束形成模块29，发射波束形成模块29根据上行链路判断的用户所在区域决定下行发射所用波束，上行接收波束和下行发射波束设计可以不一致，上下行方向的波束配置参照图5。在更软切换情况下，信号还同时送到扇区分集天线的发射射频模块27，按图1所示的下行链路原有方法进行处理。
在图4示出的智能天线基站基带处理系统组成结构中，设有空时二维接收模块28，接收模块由搜索模块32、多个跟踪分支模块33、多径合并模块34，多径合并模块与译码电路35相连接，模块32、模块33对接收的波束输出数据采样总线24信号在空域和时域进行多径搜索和比较、跟踪。模块34对跟踪的多径进行RAKE合并处理，同时搜索比较过程必须完成另外一个功能，即需要对各个波束内的用户多径信号进行分析，判断用户多径信号集中在哪几个波束内，为下行波束发射提供控制信号。这一功能可以通过如下方法来完成，判断用户多径信号的发散程度，并据此选择若干个波束做下行发射波束，图中用模块35模拟这种软件开关，选择下行发射波束。下行波束选择模块29根据系统允许的复杂程度、抗干扰能力可以设置远多于上行波束个数的波束，图中选择设置7个下行波束。在实际多用户情况中，输入到模块29的信号需要和其它用户信号在各自需要发射的波束上相叠加，完成多用户信号的合成。
图5示出了由本发明提供的预多波束智能天线工作模式中上行方向接收、下行方向发射波束配置和使用方法。图中波束没有考虑副瓣电平的影响，但并不影响波束设计的方法。如图中波束36、38、40、42用于上行接收，可以代替图4中的上行波束1~4。下行发射波束不是上行接收波束的简单翻版，而是一组经过设计的波束，本发明给出的实施例是下行波束除含有具有与上行波束相同指向特性的波束36、38、40、42外，还含有下行发射波束37、39、41等，形成下行链路交织波束，这7个波束可以代替图4所示的7个下行发射波束。在空时二维接收模块中若搜索比较后的多径在相邻两波束都有较大的能量时，下行发射波束即可以选择这两个波束用于下行发射，也可以根据情况选择波束22、24或26进行下行发射。
在图6示出的非智能天线系统部分升级为智能天线系统的升级过程流程图中，包括升级流程需要的三个步骤，方框43表示在升级时将拟升级区域用图5所示的上下行波束进行覆盖，实现用户的空间滤波，图3是这一覆盖过程的具体实现的原理性示意图；方框44表示对上行升级扇区波束信号和非升级信号扇区进行处理以完成上行链路的升级。图7进一步给出该方框44的进一步细化表示。方框45表示对下行升级扇区波束信号和非升级扇区信号进行处理以完成下行链路的升级。图8给出了该方框45的具体实现细节。
图7所示是基站升级时上行链路的处理流程图，对应于图6中方框44的具体细节。在上行链路处理中，方框47、48根据图4所示的原理框图对用户信号进行空时二维接收形成上行链路数据，具体处理时将根据用户所处的(更软切换)状态，进行不同的空时二维处理。同时空时二维接收模块28(图4)将输出下行需要发射的波束，这是方框49需要完成的功能。
图8所示为基站升级时下行链路的处理过程，对下行链路处理时，将根据上行判断的下行需要发射的波束或分集天线进行下行发射波束用，图4所示的原理框图同样描述了下行发射过程。这一过程和上行过程相类似，需要区分用户所处的(更软切换)状态，并根据区分结果使用若干个波束或分集天线完成下行链路数据的传输，图中的方框50、51、52给出了这一升级过程。
对于本领域的技术人员将会注意到，本发明还可以其他具体形式被体现而不背离本发明的基本思想。因此本发明的实施例只是示例性的而非限制性的。