无线系统的组合设备及其方法 本发明涉及无线通信领域。
无线网络通常依赖于有较短距离的发射机/接收机(“收发机”)的基站，每个基站与交换中心连接，在一较大服务地区中的小区域(“小区”)内，为各移动用户终端服务。把服务区分成小的用有限距离收发机的小区，同一频率能够在服务地区的不同区域再使用，从而能够用功率消耗较小的移动终端与服务基站通信。这类无线网络的服务供应商为确保满意的服务，需要建立密集的基站模式，遇到巨额地费用问题，包括购置/租赁安置基站和交换中心的地产的费用、获得空中接口信道的频率带宽使用许可的费用、和与每个基站及每个交换中心有关的硬件/软件、以及连接各交换中心与基站的地面线路的费用。
单个基站费用的很大百分比是用在向/从无线用户终端发送/接收射频(RF)信号的天线结构上。特定的天线结构依赖于各种因素，诸如小区半径(如，要求高增益的天线结构)，小区是否分扇区(如，分成扇区的小区可能用若干个定向天线，而不分扇区的小区可能用一个全向辐射天线)，和是否实现分集接收。
对许多地理上的区域、特定城市区域，用户对无线服务的需求，能够支持许多共存的无线系统，每个系统分配不同的频谱段。这些共存的无线系统通常有独立的网络基础设施，并用分开的提供相互隔离的天线。因为每个基站必须滤去不在它们分配的发送/接收频段的频率，还因为发射放大器的规格要在可接受的寄生噪声电平上设置限制，例如遵从FCC(Federal Communications Commission)规则，第一和第二无线系统的基站/移动用户终端的通信，在用分开的天线时，通常不会互相干扰。
在乡村区域，且对边际竞争的服务供应商，由于用户数目有限，基础设施的费用可能阻止在给定的地理地区建立或扩展无线网络服务。针对建立无线网络的巨大费用，并改进服务供应商在建立/扩展他们的网络服务地区能力，在认识到不同无线系统的基站可以在不同的RF频率上发送/接收后，已经建议在多个服务供应商的基站之间共享天线结构。
虽然发射放大器在分配频段以外的频率上的寄生噪声，要限制在可接受的电平上，但不论各个基站的滤波电路(如，使用有第一带通滤波器和第二带通滤波器的双工器装置，第一带通滤波器通过发射频带的频率，第二带通滤波器通过接收频带的频率)和发射放大器的规格如何，分配给不同无线系统的频带，有可能非常接近，使每个基站用常规方法实现的滤波，不足以阻止共享天线结构内各个无线系统的通信信号之间的干扰。此外，从多个基站到各个连接点的传输线的物理连接，一般会带来可观的功率损耗(“插入损耗”)，损耗可高达50％，这种损耗归因于一个系统发送/接收的信号馈进第二个系统的传输线。这种插入损耗要求增加功率和/或要求高增益的天线结构，以获得可接受的信噪特性。
本发明是有效地组合同一天线结构上多个无线系统基站的通信的一种系统和方法。在一个实施例中，本发明是一种无线系统组合器，可用作第一及第二无线系统的基站(“第一基站”及“第二基站”)与一共享天线之间的接口，它基本上消除来自第一基站的、在分配给第二基站的频率上的寄生噪声，还进一步阻止来自第一基站的发射功率在共享天线配置中馈进第二基站的接收电路。
按照本发明一种实施方案的组合器，包括连接在第一基站的双工器与公共连接点之间的第一组合器滤波器，以及连接在第二基站的双工器与公共连接点之间的第二组合器滤波器。在此实施方案中的第一组合器滤波器，例如用高Q值带通或带阻滤波器，滤去第一基站发射机在分配给第一基站频带以外频率上产生的寄生噪声。在此实施方案中的第二组合器滤波器，滤去第二基站接收频带以外的频率上的信号功率，阻止第一基站发射的信号功率馈进第二基站的接收电路，从而阻止互调。
第一和第二组合器滤波器，可以作为从属于每个基站电路的独立单元而实施，因而允许每个无线系统的服务提供商设计他们的基站，尤其是基站的发射放大器及滤波电路，不必顾及此基站是否用在共享天线的环境。或者，也可以分别把第一和第二组合器滤波器插入第一和第二基站的滤波电路中。
还有，按照本发明各个实施例的第一和第二组合器滤波器，由于在共享天线配置的第一基站一侧，在第二基站的频率上，建立非常高的阻抗，从而显著地减小插入损耗(即当各个基站的传输线，在天线结构与各个基站之间的一个公共点上连接时产生的功率损耗)，反过来也一样。分别对第一/第二组合器滤波器与公共连接点之间的传输线的电长度，调谐至分配给第一/第二基站的频率，插入损耗还可以进一步降低。这样，第一基站和第二基站中每一个的发射/接收的信号功率，基本上不会在共享天线配置的另一个基站一侧发生损耗。
在一个示例性的实施方案中，一个CDMA(码分多址)系统的基站，例如按IS-95 A/B CDMA标准工作，和一个GSM(全球移动通信系统)系统的收发机基站，通过组合器与同一个天线结构连接。CDMA无线系统的基站通常分配825MHz-835MHz的接收频带和870MHz-880MHz的发射频带(对“A-频带”)，而GSM无线系统的基站通常分配890MHz-915MHz的接收频带和935MHz-960MHz的发射频带。即使每个基站滤去不在它们各自发射和接收频带的频率之后，由于CDMA基站发射放大器的性能和CDMA基站通常使用的滤波器的滚降特征，在GSM基站的接收频率(如在890MHz上)上仍然有来自CDMA基站发射机的寄生噪声。此外，CDMA基站在870MHz-880MHz段的发射功率，如不加以引导，会在共享天线配置中直接馈进GSM基站的接收机，从而使GSM接收性能降质。按照本发明的第一和第二组合器滤波器，针对这些缺点，基本上消除来自CDMA基站的、在分配给GSM基站的频率上的寄生噪声，并阻止来自CDMA基站的发射功率在共享天线配置内馈进GSM基站的接收电路。
在阅读下面的详细说明并参考各图之后，本发明的其他方面和优点将变得十分明显，其中：
图1按照本发明的一个实施例，画出共享天线配置的一般方框图；
图2是方框图，它按照本发明的实施例，画出第一及第二基站的选择单元和用于图1共享天线配置的组合器；
图3A画出适合本发明原理使用的一种示例性双工器配置；
图3B画出不同无线系统使用的示例性的基站发射和接收频带；和
图4画出图2所示实施例的另一种装置的方框图。
下面的详细说明，涉及有效地组合同一天线结构上多个无线系统基站的通信的一种系统和方法。在一个实施例中，本发明是一种无线系统组合器，它基本上消除来自第一基站的、在分配给第二基站的频率上的寄生噪声，并阻止来自第一基站的发射功率在共享天线配置中馈进第二基站的接收电路，从而隔离每个无线系统的通信。本发明的示例性实施例将参照各图加以说明。
图1按照本发明的一个实施例，画出共享天线配置100的一般方框图。如图1所示，共享天线配置100包括第一无线系统110的基站(“第一基站110”)和第二无线系统130的基站(“第二基站130”)，两个基站通过组合器150与天线180连接。如下面的详细论述所指出，组合器隔离第一基站110与第二基站130的RF通信。
图2按照本发明的一个实施例，画出第一基站110、第二基站130、和组合器150的选择部件。如图2所示，第一基站110包括发射电路112、发射放大器113、接收电路114、和双工器116。发射放大器113和接收电路114各自与双工器116连接。发射电路112接收多个通信输入Input1,…,InputM，比如，从公共交换电话网络接收的语音业务和/或从帧中继网络通过移动交换中心(未画出)接收的数据业务，而且，例如用熟知的基带和RF处理技术，产生调制的RF信号，再通过发射放大器113放大，建立放大的RF传输信号TX。发射放大器113把TX输出至双工器116。
发射放大器通常必须遵从某些性能规格，如FCC规定的规格，以限制基站放大器在非分配频率的某个范围，如在30kHz的非分配频带上的寄生噪声量。例如，若第一基站的发射功率是20w(即43dBm)，则发射放大器的性能规格要求，频率恰好在基站分配的发射频带外的寄生噪声发射，最大为-60dB(在30kHz带宽上测量)。
接收电路114从双工器116接收RF接收信号RX，并且，例如用熟知的技术，从RX恢复业务/控制信息，然后输出多个业务信号Output1,…,OutputN至移动交换中心(未画出)。类似地，第二基站130包括发射电路132、发射放大器133、接收电路134、和双工器136，且按上面关于第一基站110论述的方式工作。
组合器150包括第一组合器滤波器154，它连接在第一基站双工器116和公共连接点156之间，以及第二组合器滤波器152，它连接在第二基站130的双工器136和公共连接点156之间。公共连接点156与天线180连接。第一组合器滤波器和第二组合器滤波器的工作原理将在下面详细论述。
图3A画出一种典型的双工器配置，它适合用作第一基站110的双工器116和第二基站130的双工器136。如图3A所示，双工器116包括基站发射带通滤波器(BPF BT)116a，它从发射放大器113接收TX，滤去TX中基站发射频带边界以上和以下的频率，并把结果输出至组合器150的第一组合器滤波器154。双工器116还包括基站接收带通滤波器(BPF BR)116b，它从组合器150的第一组合器滤波器154接收RF信号，滤去基站接收频带边界以上和以下的频率，并把得到的信号RX输出至接收电路114。第二基站130的双工器136可以有与图3A相同的配置，但其BPF BT和BPF BR有不同的通带。
图3B示例性地画出第一基站110的双工器116与第二基站130的双工器136的带通滤波作用。为说明起见，图3B所示例子假设第一基站110属于CDMA无线系统，分配825MHz-835MHz的接收频带和870MHz-880MHz的发射频带(“A-频带”)，而第二基站130属于GSM无线系统，分配890MHz-915MHz的接收频带和935MHz-960MHz的发射频带。应该明白，本发明原理不单能用于CDMA和GSM基站的共享天线配置，这里只不过为说明而具体论述而已。
在图3B，CDMA基站接收频带的下边界和上边界，分别记以BRLCDMA和BRHCDMA,CDMA基站发射频带的下边界和上边界，分别记以BTLCDMA和BTHCDMA,GSM基站接收频带的下边界和上边界，分别记以BRLGSM和BRHGSM，以及GSM基站发射频带的下边界和上边界，分别记以BTLGSM和BTHGSM。从图3B的例子可见，基站内双工器装置的滤波器，频率恰好在频带的上边界以上和恰好在下边界以下时，呈现滚降效应。虽然在CDMA接收频带边界和GSM发射频带边界，这种滚降效应在本例中是无害的，但因为第一基站发射放大器113的性能将在GSM基站的较低接收频率上产生寄生噪声，还因为第一基站110双工器116和第二基站130双工器136的相对缓慢滚降的滤波特性，在BTHCDMA和BRLGSM邻近将在第一基站与第二基站之间产生干扰。
当用在第一基站110是CDMA基站，第二基站130是GSM基站这样一种配置时，组合器150要为以下两个目的服务：(1)消除来自第一基站110的、在GSM接收频率上(即，在890MHz至915MHz之间)的寄生噪声；和(2)阻止来自第一基站110的CDMA发射功率(即，在870MHz至880MHz之间)馈进第二基站130的GSM接收机，从而阻止GSM的接收信号与CDMA的发射信号之间的互调。
为说明的目的，可以假设第一基站的发射功率是20W(即43dBm)，则第一基站发射放大器113的性能规格，要求在890MHz的频率上为-60dB/30kMz(即，在30kHz带宽上测量的寄生噪声)，且第一基站110的双工器116在890MHz上的抑制要达到76dB。因此，按照这些示例性特征，基站110在890MHz上的寄生噪声是-93dBm/30kHz(即43dBm-60dB-76dB)。假如第一基站和第二基站使用分开的天线，这样的寄生噪声电平是毫无意义的，因为分开的天线会提供约50dB的额外隔离。但是，本申请的发明者发现，来自第一基站110的寄生噪声会与第二基站130在CDMA/GSM共享天线配置中发生干扰，除非另有解决办法。
在上述CDMA/GSM组合环境下，按本发明的一个示例性实施方案，第一组合器滤波器154是带通滤波器，其特征是通带为825MHz-880MHz，且有很陡的滚降特性，比如Q值近似2000的多段谐振滤波器，在890MHz上给出近似40dB外加衰减，从而有效地阻止来自第一基站110双工器116的寄生噪声，避免与第二无线系统130的接收频率(即890MHz至915MHz)发生干扰。第一组合器滤波器154还可以是一个带阻滤波器(或“陷波”滤波器)，它抑制诸如在890MHz-915MHz范围内可能的干扰频率。
本申请的发明者还发现，在CDMA/GSM共享天线配置中，来自CDMA基站的发射功率很可能从公共连接点馈进GSM基站的接收电路，因而引起与GSM接收信号的互调，它将影响接收机的性能，除非另有办法。更具体说，为说明的目的，假设在870MHz-880MHz之间的频率上，CDMA的发射功率在第二基站130接收电路134的输入端上低于-50dBm，第一基站110发射放大器113在输出端的标称CDMA发射功率(在870MHz至880MHz)是43dBm，且第二基站130的双工器136在880MHz上的抑制达到20dB，那么，在880MHz上需要额外的73dB抑制，以阻止互调。在上述CDMA/GSM组合环境下，按本发明的一个示例性实施方案，第二组合器滤波器152是作为带通滤波器使用的，其特征是通带为890MHz-960MHz，且有很陡的滚降特性，比如Q值近似2000的多段谐振滤波器，在880MHz上给出约73dB衰减。和第一组合器滤波器154一样，第二组合器滤波器152也可以按带阻滤波器实施，它抑制诸如在频带870MHz-880MHz上可能的干扰频率。
除了服务于上述目的，即(1)消除来自第一基站110的、在第二基站130接收频率上的寄生噪声，和(2)阻止来自第一基站的发射功率馈进第二基站130的接收电路134，本发明的组合器150还有一种优点，就是当组合器作为从属于第一基站110和第二基站130电路的独立单元而实施时，且当基站在共享天线环境中实施时，服务供应商不必改变基站的电路设计，尤其是发射放大器及滤波电路。但是，应当指出，通过改变第一基站110和第二基站130的滤波电路而获得前述功能，也可以实现第一和第二组合器滤波器。
作为一个额外的优点，按照本发明实施例的组合器设施，极大地降低插入损耗(即当每个基站的传输线，与各个基站及天线结构间的公共点连接时，所产生的功率损耗)。更具体说，按图2所示示例性实施方案，第一组合器滤波器154与第一基站110的双工器116连接，同时第二组合器滤波器152与第二基站130的双工器136连接，于是，从公共连接点156向共享天线配置的第二基站一侧看进去，由于存在第二组合器滤波器152，对第一基站110的发射(和接收)频率来说，阻抗是非常高的。如果第一基站110的发射信号(和接收信号)遇到从公共连接点156向共享天线配置的第二基站130一侧看进去的如此高的阻抗，那么，第一基站110的发射信号(和接收信号)将以极低的损耗进入天线180/从天线180接收。
同样，从公共连接点156向共享天线配置的第一基站110一侧看进去，由于存在第一组合器滤波器154，对第二基站130的接收(和发射)频率来说，阻抗是非常高的。如果第二基站130的接收信号(和发射信号)遇到从公共连接点156向共享天线配置的第一基站110一侧看进去的如此高的阻抗，那么，第二基站130的接收信号(和发射信号)将以极低的损耗从天线180接收/进入天线180。
插入损耗还可以通过下面论述的、实现调谐的传输线配置而进一步缩减。如图2所示，第一组合器滤波器154通过传输线l1，比如一同轴电缆，与公共连接点156连接，同时，第二组合器滤波器152通过传输线l2与公共连接点156连接。从公共连接点156向路径l1看进去的阻抗Zin(l1)，可表达为：
Zin(l1)=-jZ0cot(BL1) (1)
这里Z0是传输线的特征阻抗，比如对同轴电缆，近似为50Ω,L1是传输线l1的长度，而B是波数(即2π/λ，因此与频率有关)。公认Zin(l1)能够表达为：Zin(l1)=Z0·(Zloadcos(BL1)+jZ0sin(BL1))(Z0cos(BL1)+jZloadsin(BL1))-----(2)]]>由此可以导出方程式(1)。在方程式(2)中，Zload可用第一组合器滤波器154的阻抗表示。因为在分配给第二基站的频率上，Zload比Z0高出许多，在方程式(2)的分母和分子中的Z0项可以忽略，余下：Zin(l1)≈Z0·Zloadcos(BL1)jZloadsin(BL1)-----(3)]]>
方程式(3)仅仅是方程式(1)的不同表达，并表明当BL1，即“电长度”，近似等于180°时，Zin(l1)达到最大。对l1，λ可以表示为第一组合器滤波器154的通带上接近中心频率的波长(如对上述CDMA/GSM例子，是850MHz)。因此，可以选择传输线l1的长度L1，以获得在标称频率850MHz下近似为180°的电长度，进一步降低插入损耗(即获得调谐的传输线配置)。
把相同原理用于l2，于是，当电长度近似等于180°时，Zin(l2)在分配给第一基站110的频率上达到最大。对l2，λ可以表示为第二组合器滤波器152的通带上接近中心频率的波长(如对上述CDMA/GSM例子，是935MHz)。
图4画出图2所示实施例的另一种装置。如图4所示，此另一个实施例的基站110包括一对单工器：发射单工器118和接收单工器119，分别代替滤去不在基站发射频带上和接收频带上的频率的双工器。因此，在这另一个实施例的第一组合器滤波器154，包括发射组合器滤波器154a，它除去第一基站110的传输路径产生的寄生噪声。对上述组合的CDMA/GSM例子，发射组合器滤波器154a可以是具有870MHz-880MHz通带的带通滤波器，在890MHz上提供近似40dB的额外衰减。此发射组合器滤波器154a，也可以作为带阻滤波器实现，对上述的组合CDMA/GSM例子，它抑制890MHz与915MHz之间的频率。虽然图4所示另一个实施例中，第二基站130和第二组合器滤波器152，与图2相同，但第二基站130同样可以用配对的单工器实现，以取代双工器136。此外还有，虽然图4画出的发射组合器滤波器154a和第二组合器滤波器152，是作为与第一基站110和第二基站130的滤波电路分开的单元画出的，但是，应该明白，也可以改变第一基站110的发射单工器118和第二基站130的双工器136，以获得上面论述的结果。
本领域熟练人员应当清楚，本发明的各种变化和应用是意料之中的，可以认为它们并未偏离本发明的精神和范围。