一种实时天线选择发射分集方法及装置 【技术领域】
本发明涉及在时分复用、时分双工的数字移动通信系统，以及该系统中的无线电基站和无线电移动终端。尤其涉及一种实时天线选择发射分集方法和装置。
背景技术
利用发射分集技术和接收分集技术，可以有效遏制无线通讯中由于多径传播引起的信号衰落，提高通讯质量。选择式分集技术简单、实用，尤其是实现成本及对系统复杂程度的要求都不高，所以在无线电通讯中得到广泛应用
接收选择分集，利用相距足够远的两个天线进行接收，由于天线距离远，接收信号的相关性减弱，在同一时刻两个天线接收信号同时衰落的概率降低；同样，利用相距足够远的两个天线或多个天线进行选择发射，多条可选择发射路径信号同时衰落的概率同样很小。利用这样的特性，基站就可以依据一定的判决准则，选择相应的发射天线，从而，为移动终端提供最佳的发射路径。
目前已知的选择发射分集方法以及所存在地缺陷：
A.需要移动终端反馈信息的天线选择分集方式
例如已检索到的专利中名称为“传输天线分集”(专利申请号：99805390.2公开号：CN12985576A)、“天线转换分集”(专利申请号：99802344.2公开号：CN1288616A)等专利就采用了这种方法。该方法需要移动终端对基站的多根天线发射的信号逐一进行接收、比较、判决，然后选择出最佳天线发射路径并将选择信息反馈给基站，基站按照使用被选择的天线进行信号发射。它要求移动终端具有判决和反馈信息的功能，而事实上，并非所有无线终端都有这种功能。如果给移动终端增加这种功能，必使移动终端的成本增加，其局限性是明显的。
B.多天线，单发、单收系统
在这种系统中，由于发射和接收都是单通道的，所以，使用开关切换，实现不同天线的接收或发射。
在上、下行同频的系统中，常用的方法之一是：基站先设定一个天线用于接收，根据接收的信号强度，然后决定下行链路发射时是否选用该天线发射
图1是传统的单接收单发射的选择分集系统的示意图。系统由控制处理单元101、接收单元102、发射单元103、收发转换开关104、天线选择开关105、天线106、天线107组成。控制处理单元101可以按照一定的控制时序控制收发转换开关104，使基站进入发射或接收状态；另外，控制处理单元101还控制天线选择开关105，使得基站用天线106或者天线107接收或发射信号。上行链路工作时段，基站处于接收状。基站将接收到的接收信号强度指示(RSSI)作为下一个工作周期发射天线选择的依据，即如果接收信号强度指示在连续几个周期内超过一定门限，就选择该天线作为下行链路工作时段的发射天线，否则，要进行天线切换。
这种方法，由于不能同时接收多路天线上的信号，也就不能比较出那个天线是最佳的。也就是说：这种发射选择方式可以保证当前用于接收的天线可以用于发射，但并不能保证为终端提供最佳的传输路径。
该系统中常用的另一种方法是：基站在不同工作周期内，通过比较不同天线接收回来的接收信号强度指示(RSSI)，选择信号比较好的天线作为下行链路发射时的天线。这种方法同样存在缺陷：首先，接收机切换到另一个天线进行接收时，本身就存在一定风险，因为，另一天线的传输路径可能还不如当前天线的传输路径。其次，由于对两个周期或多个工作周期的接收数据的比较，存在一定的时延，基站选择的最佳传输路径，对于移动终端来说，已经不是当前时刻的最佳传输路径了。也就是说，其实时性不足。
c.根据接收信号强度指示(RSSI)判决发射天线
例如专利“无线电通信装置和发射天线改变方法”(专利申请号：9912544.9公开号：CN 1258138A)描述的就是这种方法：基站仅根据接收信号强度指示(RSSI)作为天线选择的依据。该方法同样存在一定缺陷：因为接收信号强度(RSSI)并不能完全代表接收信号的质量，任何干扰都可能影响接收信号强度指示(RSSI)，从而使系统做出错误的判决。
【发明内容】
本发明的目的是针对上述移动通讯系统中天线发射分集方法及装置存在的缺点，提供一种实时天线选择发射分集方法及装置，它既能为移动终端提供最佳的发射信号，又不需要移动终端反馈接收的基站信号的信息，同时还要克服仅仅根据接收信号强度指示作为选择天线的依据所带来的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，
一种实时天线选择发射分集方法，该方法基于包含多通道接收、单通道发射的基站中，该方法包括以下步骤：
a，由控制处理单元读取、存储一个工作周期内经过解调后的N路接收通道上的接收信号数据帧；
b，再读取、存储本周期内N路接收通道上的接收信号强度指示的采样数据；
c，根据各个接收通道上所接收的信号强度指示值，选取具有最大接收信号强度指示所对应的天线，作为预选发射天线；
d，对预选天线接收信号的质量进行判决，再次发射天线选择，确定最终的选择发射天线，作为下个工作周期下行链路时段的发射天线。
所述的步骤b进一步包括以下步骤：
b1，控制处理单元对一个周期中对每个通道的信号强度指示值进行多次采样；
b2，对每个接收通道的多个采样值进行平均，得到一组信号强度指示值RSSI1、RSSI2…RSSIN。
所述的步骤c预选发射天线时，先对各个通道的平均接收信号强度指示值RSSI1、RSSI2…RSSIN从大到小进行排序，再选取最大的信号强度指示值所对应通道上的天线作为预发射天线。
所述的步骤d进一步包括以下步骤：
d1，首先设置一个通道计数器I，其值对应接收通道数，设置I的初始值为1；
d2，读取预选发射天线上的接收信号数据帧；
d3，提取该数据帧中对应的唯一识别字；
d4，判断该帧信号中的唯一识别字和校验码的正确性。
所述的步骤d4中，在对唯一识别字和校验码进行判断时，如果唯一识别字正确，进行第二步判决，即提取该帧信号中的校验码，对该帧信号进行校验；将校验结果与接收的检验码比较，判断结果是否正确，如果结果正确，说明该信号质量通过了第二步判决，确定该通道所对应的天线为最终发射天线；如果校验结果不正确，校验比较校验结果，跳转到对下一个具有次强信号强度指示通道上的数据帧进行质量判决。
当信号质量的判决不通过时，依次再进行如下步骤：
将放弃对此通道的选择，使通道计数器加1；
改变预选天线为下一个较强的信号强度指示的接收通道所对应的天线；
然后再对该预选天线上的数据进行质量判决，重复权利要求4中的步骤d2、d3、d4以上的流程，如此重复，直到确定出最终发射天线。
一种实时天线选择发射分集装置，该装置包括多路接收通道、多个接收发射转换开关、单路发射通道、控制处理单元，每一路接收通道含有一个用于空间分集的天线、一个接收单元、一个解调单元、一个接收信号场强指示采样单元、发射通道含有一个发射单元、一个调制单元、一个发射天线选择开关，
每一个接收单元接收相对应的天线接收的上行链路的数据帧，并对数据帧进行相应的放大、滤波；
每一个解调单元在上行链路时段，完成对相应一路接收单元输出的接收信号的解调，在下行链路时段，完成对发射通道发射的数据进行调制；
信号强度指示采样单元完成对相应接收通道的接收信号强度指示的数据采集，并送到控制处理单元；
控制处理单元完成收发信号的处理、天线选取，并控制接收发射转换开关、天线转换开关转换；
发射单元在下行链路时段通过调制单元将调制好的数据帧通过相对应的天线发射出去。
所述的多路接收通道的数量至少包括二路或二路以上。
所述的接收通道中两相邻通道的天线之间的安装距离大于7λ。
在本发明上述的技术方案中，其方法结合了无线电基站中选择接收分集技术，采用至少两个接收通道接收信号，对上行链路的多个通道的接收信号强度指示和信号质量进行评判，选择出最佳通道上的接收信号，作为上行链路接收信号；同时，将该通道所对应的天线作为下行链路的发射天线，也就是最佳发射天线，排除了由于干扰的原因，造成某天线上的接收信号强度高于其它天线的接收信号强度，使基站做出该天线所对应的路径即是最佳收发路径的错误判决。其装置中的控制处理单元控制整个系统的工作时序，控制接收信号强度指示采样、数据采样，还控制收发转换开关、天线切换开关的执行动作，并通过该单元内固化的软件对多路天线上的接收信号进行比较、判决，选择最佳接收天线，并控制天线转换开关在下行链路工作时段切换到相应最佳的发射天线上，在几乎不增加硬件成本的前提下，使基站信号的收、发均采用分集技术，从而实现基站的上、下链路信号增益平衡，提高了通信质量。
【附图说明】
图1为传统典型的双天线，单接收、单发射系统的选择分集原理示意图。
图2为本发明所涉及的基站与移动终端在实际通讯中的多径效应示意图。
图3a为本发明发射分集装置的一个实施实例(二路接收通道)原理框图。
图3b为本发明发射分集装置包含N路接收通道的原理框图。
图4为本发明所涉及的时分多址、时分双工系统的工作时序图。
图5为本发明所涉及的具有固定比特位的接收、发射信号的帧格式示意图
图6为本发明中发射分集方法的流程图(描述了一个工作周期的总体流程)。
图7为本发明根据RSSI进行发射天线预选择的子流程图。
图8本发明软件流程根据信号质量进行再次选择发射天线的子流程图。
【具体实施方式】
图2为本发明所涉及的基站与移动终端在实际通讯中的多径效应示意图。基站201是一个包含多通道接收、单通道发射的系统，根据本发明的方法和装置，基站201可为不同的移动终端(如204、205)分别提供最佳的收、发天线，以有效遏制无线通讯中由于多径传播引起的信号衰落，提高通讯质量。当某一移动终端204或205位置发生移动时，基站201可对不同天线上行链路的接收信号强度指示以及信号质量进行处理、判决，调整选择天线，始终确保能实时为移动终端提供最佳的收、发路径。
该图中为了简化示意说明，只示意了两个天线，也就是说，示意图中只包含两个接收通道，实际上本发明适用于多路接收通道、单发射通道的通讯系统。
为了便于说明，下面先对本发明的装置进行描述，
请先参阅图3a，该图示出本发明装置的一个实施实例的原理框图(为了说明本发明的核心内容，图中画出了最能说明问题的关键部件)。同样，为了简化示意、说明，图中的示意图中都只画出了两路接收通道、单发射通道系统。
在上行链路工作时段，基站处于接收状态。控制处理单元309控制收、发转换开关313掷向接收位置。天线301上的接收数据通过开关313进入第一接收单元303。第一接收单元303对接收进来的信号进行放大、滤波，然后送到后面的第一解调单元305；同时，第一接收单元还将接收信号强度指示送往第一接收信号强度指示(RSSI)采样单元307。控制处理单元309控制第一RSSI采样单元307的数据采集工作，并读取、存储本周期内RSSI的采样数据，以供后续处理。另外，控制处理单元还读取、存储经第一解调单元(305)解调的接收数据帧FRAME1。
第二接收通道的工作原理与第一接收通道相同。控制处理器单元309控制收发转换开关314掷向接收位置。天线302上的接收数据通过开关314进入第二接收单元304，第二接收单元304对接收进来的信号进行放大、滤波，然后送到后面的第二解调单元306；同时，第二接收单元还将接收信号强度指示送往第二RSSI采样单元308。控制处理单元309控制第二RSSI采样单元308的数据采集工作，并读取、存储本周期内RSSI的采样相采样数据，以供后续处理。另外，控制处理单元还读取、存储经第二解调单元(306)解调的接收数据帧(FRAME2)。
在下行链路工作时段，控制处理单元309，控制收、发转换开关313、314掷向发射位置；并控制天线选择开关312，将其掷向已经选择的发射天线上(发射天线的选择是由控制处理单元完成，详见后面的软件处理方法及流程)。另外，控制处理单元309将要发射的信号帧送给调制单元310进行调制，调制单元310将经调制后的信号送给发射单元311，发射单元311对要发射信号进行放大，并发送到相应的天线上。
上述的原理可以延伸到有n路收信机(接收通道)300、一路发信机(发射通道)300’的系统(见图3b)
图4示出本发明所涉及的典型的时分多址(TDMA)、时分双工(TDD)工作时序图。一个完整的工作周期由相邻的一个下行链路和一个上行链路组成。下行链路时段，基站发射，移动终端接收；上行链路时段，基站接收，移动终端发射。图中401、402、403、404四个时隙(slot)为下行链路，405、406、407、408四个时隙(slot)为上行链路。
另外，图4中401和405分别是一个通讯通道的下行链路、上行链路。同样402和406分别是一个通讯通道的下行链路、上行链路；403、407分别是一个通讯通道的下行链路、上行链路；404、409分别是一个通讯通道的下行链路、上行链路。一个通讯通道上的上行链路和下行链路使用相同的接收、发射频率。
图4中409～412是下一个工作周期的下行链路。
图5为本发明所涉及的具有固定比特位的典型接收、发射信号帧格式。本发明的信号帧格式必须具有固定比特位。当然，不同系统的数据帧，其固定比特位数是可以不同的，所以本发明适用于具有固定比特位数据帧的不同系统。
本发明所使用的天线选择方法中，根据接收信号质量确定发射天线时，要求信号帧中除了必要的信息码503、上升、前导位501、保护位505等部分外，还必须包含校验码504，唯一识别字502是可选信息位。
在描述了本发明的上述装置后，下面再对本发明的方法再进行描述：
请继续参阅图6所示，
工作周期开始(步骤601)，
读取、并存储经过解调后的N路接收信号数据帧(步骤602)；
读取、并存储本周期N路接收信号强度指示的采样数据(步骤603)。
根据各个接收通道RSSI的大小进行发射天线预选择(步骤604)。
根据接收信号的质量，进行再次天线选择(步骤605)，以确定最终的选择天线，并确定作为下个工作周期下行链路的发射天线(步骤607)。
上面的各步骤均由图3中的控制处理单元309完成。
图7更详细地描述了图6中根据RSSI进行发射天线预选择部分(步骤604)的过程。
控制处理单元309在一个周期中对每个通道的RSSI进行多次采样，以保证采样数据的可靠性。图7的过程中，首先对每个接收通道的多个采样值进行平均(步骤701)，得到RSSI1、RSSI2…RSSIN；然后对各个通道的平均接收信号强度指示RSSI从大到小进行排序(步骤702)；选取最大的RSSI所对应通道上的天线作为预发射天线(步骤703)。
图8更详细地描述了图6中根据信号质量进行再次选择发射天线部分(605)的流程。
首先设置一个通道计数器I，其值对应接收通道数。设置I的初始值为1(步骤801)；
读取预选天线上的接收信号数据帧(步骤802)；
提取该数据帧中对应的唯一识别字(步骤803)，参见图5中的唯一识别字502；
判断该帧信号中的唯一识别字是否正确(步骤804)，如果正确，说明该信号质量通过了第一步判决，可以进行后面进一步的质量判决。
通过了第一步判决后，就可以进行第二步判决。即提取该帧信号中的校验码(步骤805)，可参见图5中的校验码504；对该帧信号进行校验；将校验结果与接收的检验码比较，判断结果是否正确(步骤806)。如果结果正确，说明该信号质量通过了第二步判决，确定该通道所对应的天线为最终发射天线(811)；如果校验结果不正确，校验比较校验结果，跳转到对下一个具有次强RSSI通道上的数据帧进行质量判决。
信号质量的判决不通过，即使RSSI值很高，说明该通道上由于干扰、多径衰落等原因，造成该通道上的接收数据错误。此时将放弃对此通道的选择，流程给通道计数器加1(步骤807)；改变预选天线为下一个较强的RSSI接收通道对应的天线(步骤809)；然后再对该预选天线上的数据进行质量判决，重复以上的各步骤802、803、804、805、806等。如此重复，直到确定出最终发射天线(步骤811)。
如果N个接收通道上的信号质量都不好，即步骤808中的I＞N，此时过程选择最终发射天线为RSSI最大的通道对应的天线，同时系统会采取其它措施，进行相应的误帧处理，如切换频点、切换时隙等方法。
以上对信号质量进行的第一步判决，即对唯一识别字的判决是可选项。根据具体通讯系统可以对其进行取舍；而第二步的判决，即对校验结果的判决是必须的，当然，校验码的类型可根据不同的系统而不同，如循环冗余校验等。
本发明的方法以及装置还具有以下优点：
第一：传统技术中是采用移动终端反馈信息，本发明不需要移动终端反馈天线选择信息，可以降低移动终端的硬件成本。
第二：本发明采用多路接收，并对其中的每一通道都进行信号质量判决。与前面所述的传统的单路选择式接收相比，本发明所用方法和装置不会丢失有效信息，不会产生“切换到可能还不如当前通道信号质量”的风险，选出的一定是“最佳”天线路径。以此作为下行链路选择发射天线比起传统单路接收、单路发射选择分集系统可靠。
第三：本发明在进行最佳天线判决时，除了对传统的RSSI进行判决外，还增加了对接收信号的质量判断，可以有效克服一些干扰引起的误判决、误选择。与前述所专利中单纯使用信号接收强度(RSSI)为判据的方法，天线选择更可信、更可靠。
第四：本发明采用的发射分集技术和接收分集技术的结合，在几乎不增加硬件成本的前提下，使基站的收、发均采用分集技术，从而实现基站的上、下链路信号增益平衡，有效增加了无线通讯距离。
第五：本发明方法和装置可同时为不同的移动终端提供最佳收发天线，使得由多径传播引起的衰落大大降低；并且随着某移动终端位置的变化，基站可以自动对收发天线进行判决，实时地为该移动终端选择最佳收发天线，大大减少了终端在通讯时，由于多径衰落而“切换到其它基站”的次，提高了通讯质量。