CN1115742C - 无线电通信设备的天线装置和相关的方法 - Google Patents

Abstract

一种呈现选择天线波束构形(44)的天线装置(18)和相关的方法。主瓣(46)和零位(48)的方向被选择来改进在两个通信站之间发送的通信信号的信号-噪声和信号-干扰比。当形成蜂窝式通信系统(10)的基站(14)的一部分实现时，通信系统(10)的业务容量可增加和系统的基础结构成本可减小。

Description

无线电通信设备的天线装置和 相关的方法

发明技术领域

本发明一般涉及一种包括无线电通信站的无线通信系统，例如一种蜂窝式通信系统。特别是，本发明涉及一种便于在无线电通信系统工作期间产生的无线电通信信号的通信的天线装置，和相关的方法。由天线装置形成的天线波束图被选择来使天线装置呈现高载波-噪声和载波-干扰比。

发明背景

一种通信系统至少由通过通信信道连接的一个发射机和一个接收机构成。包含由发射机产生的通信信号的信息在通信信道上发射，被接收机接收。该接收机恢复通信信号的信息的内容。

无线，或无线电通信系统是一种通信系统，其中通信信道是在电磁频谱上规定的一个射频信道。蜂窝式通信系统是无线通信系统的典型例子。

在射频信道上发送的通信信号是通过组合，即调制形成的，载波与该信号一起被发送。接收机通过执行反向处理，即解调恢复该信息。

当由发射机发送的通信信号在接收机接收时，通信信号必须有至少最小能量级和信号质量电平，以使接收机恢复发送的信号的信息内容。

几种其他因素会影响发送信号的信息内容的恢复。

在通信信道上发送到接收机的信号容易受到，例如反射。发送信号的信号反射使由接收机实际接收的信号为由发射机通过，在某些例子中，许多不同路径，或直达、视线路径发送的信号分量的总和。然而当发射机和接收机相隔的距离增加时，反射的信号分量比在直达、或接近直达路径发送的信号分量变成越来越不重要。当发射机和接收机相隔的距离增加时，高定向天线最好能检测由发射机发送的信号。因为反射的信号分量在这种增加的间隔距离上形成由接收机接收的信号的较不重要部分，朝向发射机的定向天线检测该信号的重要部分，同时也使接收机的复盖区域达最大。所以，能检测较大范围的反射信号分量的非定向天线是不要求的。

在同一，或相同的通信信道上，由另一个发射机同时发送的信号将受到被发送到接收机所需的信号干扰。发送到接收机的信号也易受到由这种同时发送的信号产生的干扰。同信道和相邻信道干扰是发送到接收机的信号容易受到的典型类型的干扰。

如前面所述的，当发射机和接收机相隔的距离比较显著时，视线信号分量相对于反射的信号分量会变得越来越强，并且在增加的间隔距离上，反射的信号分量仅形成由接收机接收的信号的功率的很小量。

在接收机接收的信号不包括多路径信号的有效电平时，定向天线最能恢复发送信号的信息内容。因此，当定向天线包括围绕从其发送干扰信号的位置的零位时，由这种干扰信号引起的干扰可被减到最小。

如前面所述的，蜂窝通信系统是一种无线通信系统。蜂窝通信系统包括多个间隔的、固定位置的收发信机，称为基站，被设置在整个地理区域。每个基站提供一部分地理区域，称为一个网孔。一种可移位置的，或移动的收发信机，称为移动装置，可设置在由蜂窝式通信系统包围的地理区域内的任一位置内(即在任一网孔内)。当如此设置时，移动装置可对至少一个基站发送通信信号。

当移动装置在网孔之间移动时，移动装置从一个基站到另一个基站“越区切换”。也就是说，当与第一基站通信的移动单元移动出由第一基站规定的网孔并移动到由第二基站规定的网孔时，该移动装置开始与第二基站通信。从第一基站到第二基站的越区切换是自动产生的，而不出现用蜂窝式通信系统进行一次连通的通信中断。

典型地，蜂窝式通信系统的每个基站包括一个天线装置，用于发送信号到位于网孔内任何地方的移动站，和从其接收信号。由基站实际接收的信号有时是一个通过多路径信道的许多不同的途径从移动装置发送的发送信号的和由其它移动单元产生的干扰信号分量的各种反射形成的复合干扰图。其它的移动单元可以在相邻通信信道上，例如与另一个基站通信或发送信号。

由于与上述相对于通用发射机和接收机相同的原因，当移动单元和基站的间隔距离增加时，多路径分量的功率相对于在移动装置和基站之间直达路径上发送的信号势必逐渐变得较弱。定向天线最能接收这种信号并也能够使基站发送和接收信号的可操作性范围最大。为了使由其它移动单元产生的信号传输引起的干扰的影响最小，在其它移动单元的位置上设置的天线波束图的一部分形成的零位能够使这种干扰信号的不利影响最小。

随着蜂窝式通信网络以及其它类型的无线通信系统的应用变得日益普及，它已变得愈加需要有效地利用对于这种通信分配的射频信道。在蜂窝式通信系统的例子中，具有呈现增加的载波-噪声和载波-干扰比的天线装置的基站应便于分配的频率信道的有效利用。其它类型的无线通信系统由于应用这种天线也得到同样的好处。

根据与无线通信系统，例如蜂窝式通信系统有关的背景信息，已经得出了本发明的重要改型。

发明概要

本发明有利地提出一种便于在无线电通信系统的工作期间产生的无线电通信信号的通信的天线装置，和相关的方法。天线装置形成一个呈现高增益和限制干扰信号的影响的天线波束图。因为天线波束图呈现高增益，则通信系统的范围被改进。并且，因为干扰信号的影响受到限制，通信系统的容量就增加了。

当本发明的一个实施例的天线装置构成蜂窝通信系统的基站的一部分时，基站的复盖区域被增加，和基站的业务容量也被增加。由天线装置形成的天线波束图的选择使天线波束图呈现一个伸长的瓣，以便与远距离设置的移动装置通信。而且，通过在与用所需的移动装置发送信号时相同或相似的信道上发送信号的另一个移动装置产生的干扰，例如同信道干扰，是通过引入在干扰移动装置的方向上延伸的零位减至最小的。因为基站的复盖范围和基站允许的业务容量被增加，在蜂窝式通信网络中可利用较少量的基站，同时也增加了网络的传输容量。由此可得到限制分配给蜂窝式通信的频谱的更有效利用。

因此，根据这些和其它方面，天线装置呈现一个选择的天线波束图，该图有第一方向上延伸的一个瓣。天线阵是由第一选择数目的天线单元构成。聚束矩阵装置耦合到天线阵的天线单元。聚束矩阵装置产生由天线阵形成的所选择的天线波束图。聚束矩阵装置具有一个第二选择数目的输出端口，其中第一选择数目的值至少与第二选择数目的值一样大。

从下面简要概括的附图中能够得到更完整地理解本发明和其范围，下面详细描述本发明的目前最佳实施例和附加权利要求。

图1是蜂窝式通信系统的一部分的部分功能块、部分示意图。

图2是与图1所示相同的图，进一步表示由构成蜂窝式通信系统的一部分的基站的天线装置呈现的天线图。

图3是与图2所示的相同的图，表示由根据本发明的一个实施例允许增加通信范围和允许减小干扰信号的干扰的影响的基站呈现的天线波束图。

图4是一个收发信机的功能方框图，例如在前面图中表示的形成蜂窝式通信系统的一部分的基站，包括本发明一个实施例的天线装置，作为其一部分。

图5是与图4所示相同的功能方框图，表示包括本发明的另一实施例的天线装置的收发信机。

图6是在本发明的一个实施例的工作期间形成的典型天线波束图的图形表示法。

图7是形成图1-3所示的蜂窝式通信系统的一部分的本发明一个实施例的基站的功能块图。

图8是形成图6所示的基站的一部分的对照表的功能、方框图。

图9是表示本发明的一个实施例的操作方法的流程图。

参照图1，示出了通常用10表示的通信系统流通的一部分。通信系统10是一种无线、或无线电通信系统并允许在处远距并位置可移动的发射位置的收发信机12和位置固定的收发信机接收机14之间通信。在该图中所示的实施例，通信系统10构成一个蜂窝式通信系统，收发信机12构成一个移动单元，和收发信机14构成一个基站。术语收发信机12和移动单元12下面可互换使用，和术语收发信机14和基站14下面同样可互换使用。图1的典型示图表示一个蜂窝通信系统，能够同样表示具有发射机和接收机的其它类型的无线通信系统。

由移动单元12产生的通信信号，即“上行链路”信号在一个或多个射频通信信道上发送。基站14包括具有一个发射机部分和一个接收机部分的收发信机电路。基站14的接收机部分调谐到射频信道或多个信道，在其上发送由移动单元产生的通信信号。

由移动单元12发送的通信信号通过耦合到基站14和形成其一部分的天线装置18进行检测。天线装置18将射频电磁信号变换成由基站14的接收机电路部分进行处理的电信号。

基站14规定一个“网孔”22。当移动单元12被设置在该网孔内任一位置上时，在移动单元和基站14之间，当在基站产生的通信信号，“下行链路”信号发送到移动单元12时允许双向通信。

在该图中所示的通信系统的部分包括单个基站14和除了与所示基站14有关的网孔22以外的几个网孔22的部分。当然，一个实际蜂窝式通信系统一般包括多个基站和形成在整个地理区域的相应多的网孔。一旦蜂窝式网络设置在整个地理区域，大量移动装置，与移动单元12一样以传统的方式与蜂窝式通信网络的基站同时进行通信。

基站14，以及通信系统10的其它基站用线26连接到移动转换中心24。移动转换中心24依次连接到公共服务电话网络(PSTN)28。由此在移动单元，例如移动单元12，和连接到PSTN28的任一寻呼站之间允许都以传统的方式进行通信。

图2再表示通信系统10。移动单元12再设置成允许与基站14双向通信。由移动单元12产生和发送的上行链路信号由基站14的天线装置18检测和变换成由基站14的接收电路处理的电信号。并且，在基站14产生的下行链路信号通过天线装置18发送到移动单元12。基站14通过线26再表示为连接到移动转换中心24，和移动转换中心24再表示为连接到PSTN28。

图2进一步表示一个第二移动单元32，为了说明起见，被设置在一个网孔内，而不是设置移动单元12的网孔内。第二移动装置32是在基站14的通信范围内，如用由天线装置18呈现的天线波束图34所表示的。在工作时，移动单元32与基站，而不是所示的基站14通信。

然而如果移动单元32在与移动单元12发送信号时的信道相同的信道上发送信号，通过第二移动单元12的这种传输，当在基站14接收时，可受到由移动单元12发送的信号干扰。如果这种干扰是显著的，在移动装置12和基站14之间的通信可被中断或甚至消除。

虽然蜂窝式网络通常是这样构成：设置在相邻网孔22的移动单元不能同时在相同通信信道上发送信号，由此减小了这种同信道干扰的可能性，如果天线波束图34的特征是，允许在非相邻网孔中检测由通信设备产生的干扰信号，干扰就会妨碍所需的通信。

图3再表示通信系统10。该通信系统又被表示为包括：移动单元12、基站14、和天线装置18，当移动单元设置在由基站规定的网孔22内时，检查由移动单元发送的上行链路信号和把下行链路信号发送到移动单元。并且，基站14又表示为通过线26连接到移动转换中心24。第二移动单元32也被设置在一网孔22中，而不是设置在移动单元12的网孔中。

在该图示中，天线装置18呈现一个天线波束图44，该波束图44具有在用线46表示的第一轴向上延伸的伸长瓣和在用线48表示的第二轴向上延伸的零位。

因为天线波束图44的定向性，由第二移动单元32产生的干扰信号产生的干扰减小，与在图2表示的由天线装置18呈现的天线波束图34相反。而且，因为形成天线波束图44的天线瓣被伸长，在基站14移动单元之间允许的通信范围被增加。

这种增加使允许增加由基站14规定的网孔22，这里用网孔22′表示，在图中用虚线表示。这种允许一个基站，例如基站14使通信范围的增加使得有可能要求更少量的基站被设置在整个地理区域以形成蜂窝通信系统的固定网络。在其它类型的通信系统中，伸长波瓣构形允许的增加通信范围使得类似型式的改进，或实现节约成本成为可能。

图4极详细地表示一个收发信机，这里基站14包括本发明的一个实施例的天线装置18。基站14是典型的通信装置，它包括作为其一部分的天线装置。其它类型的通信装置可同样地包括类似这种天线装置。

天线装置包括一起构成天线阵的多个、m个天线单元58。每个天线单元58连接到一个聚束装置62，该装置62优选地包括一个低噪声放大器。该聚束装置，例如可由Butler矩阵构成或其它类型的射频聚束装置。该装置62连接到多个，r个收发信机单元66的端口64。如该图所示的，天线单元58的数目至少与端口64的数目一样多，并且收发信机单元并联连接到聚束装置62。也就是说，利用刚才注释的术语，以代数形式：m≥r。

每个收发信机单元66连接到基带处理装置68。被天线单元58接收的信号经收发信机单元66的接收机部分下变频并送到处理装置68。类似地，通过输入和输出接口设备72加到处理装置68的信号，一旦经处理装置处理后，提供到收发信机单元66的发射机部分。此后，该信号上变频到射频并提供到聚束装置62。此后，该信号由天线单元58发送。

在图3表示的天线波束图44是通过聚束装置62和也通过基带处理装置68形成的，便于传输信号的最好传输和接收。

例如，对于图3表示的通信系统10，在本发明的一个实施例中，聚束装置62选择由天线装置呈现的初始天线波束构形。这种天线波束构形是以最佳接收由移动单元，例如移动单元12产生的上行链路信号的方式最初选择的。当上行链路信号被天线单元58接收时，送到收发信机单元66的接收机部分并进行下变频，该信号提供到基带处理装置68。

因为利用聚束去初始地接收上行链路信号，接收信号的质量得以改进。并且，因为改进了接收信号的质量，基带处理装置能以传统的方法更好估算各信道的信道特性，在信道上信号被传送在移动装置和基站之间。

此后，当下行链路信号传送到移动单元时，聚束操作可在基带处理装置上进行，以进一步改进由天线装置呈现的天线波束构形的选择。天线波瓣的特性可以调节，能形成零位，以使干扰减至最小，以改进信号-噪声和信号-干扰比。

图5表示本发明另一个实施例的天线装置18。在该实施例中，二套天线单元58构成两个单独的天线阵。两个天线阵相互空间隔开。在所示的实施例中，每个天线阵由相同数目m的天线单元58组成。

天线单元的第一阵列连接到第一聚束装置62，天线单元58的第二阵列连接到第二聚束装置62。聚束装置62又优选地包括低噪声放大器。聚束装置62以与形成图4所示的实施例的天线装置18的一部分的单个聚束装置的工作相同的方法工作。

第一聚束装置62连接到第一套收发信机单元66的端口64，第二聚束装置连接到第二套收发信机单元66的端口64。两套收发信机单元66连接到基带处理装置68，基带处理装置68连接到输入和输出接口72。

图5所示的天线装置18的实施例允许由第一和第二天线阵形成单独的波束图。通过适当地选择波束图并然后交叉波束图，能够形成零位。例如，零位可以通过形成交叉在一起的正交极化波束图来形成。

图6表示正交极化的波束图。以实线表示的波束图是以+45°方向极化的和以虚线表示的波束图是以-45°方向极化的。例如，在基带信号被基带处理器68处理期间，正交极化方向能够用作两个r分集支路，用于信号的上行链路和下行链路的传输。当六个天线单元构成天线单元的每个阵列和四个收发信机单元连接到天线单元的每个阵列时形成图6所示的波束图。该图的检验表示分集支路部分地复盖分离区域。

为了减少与硬件误差有关的问题，当零位指向一个形成天线瓣的旁瓣的角度，传输方向可以适当改变，以致于对于极化方向的波束图包括“自然”零位。由其它极化的天线波束构形形成的其它波束图也同样地被表示。

图7表示本发明一个实施例的基站14。天线装置18，例如图4和5所示的天线装置18之一形成基站的一部分。

多个天线单元58被设置来接收发送到基站的信号和发送在基站产生的信号。天线单元连接到聚束装置62。如果天线装置由图5所示的实施例构成，天线单元由两个空间相互分开的单独阵列构成，如前面所述的，其中两个不同阵列的天线单元连接到第一和第二聚束装置62。聚束装置或多个装置62连接到收发信机单元66。为了说明起见，仅画了一个收发信机单元并表示为由接收机部分和发射机部分构成。与所示的收发信机单元并联设置的附加收发信机单元同样地被表示。

所示的收发信机单元66的接收部分包括下变频器76和解调器78。所示的收发信机单元66的发射机部分表示为包括调制器82和上变频器84。

收发信机单元66连接到基带处理装置68，这里它表示为包括均衡器86和解码器88，以传统的方法操作以分别均衡和解码以传统形式在基站接收的上行链路信号。

基带处理器又表示为连接到输入和输出接口72。

基带处理器68也表示成包括一个被连接去接收由解调器78产生的解调信号的到达确定器92的方向，该到达确定器92的方向也被连接去接收由其它收发信机单元(未示出)的接收机部分的解调器产生的解调信号。操作到达确定器的方向以确定该方向，由此方向发送在天线单元58接收的上行链路信号。到达确定器的方向还用来确定由天线单元58形成的天线波束构形的一个零位的方向。

到达确定器92的方向连接到波束构形确定器94。波束构形确定器94也连接到形成对照表96的存储器单元。波束构形确定器94用来存取存储在对照表中的数据，以确定由天线装置58形成的天线图构形的波瓣的方向。由波束构形确定器94存取的对照表的位置是响应于由到达确定器92的方向确定的值来确定的。

如由到达确定器92的方向确定的，指向零位的方向和如由波束构形确定器94所确定的，延伸伸长瓣的方向用线98提供到在上变频器84之前的位置上的收发信机单元66。在其它实施例中，这种信息可提供到其它位置。在这种方法中，选择由天线单元58形成的天线波束构形。如前面所述的，附加聚束能用射频、无源聚束装置62产生。

图8表示典型对照表96的内容。相对于以+45°方向或-45°方向延伸天线波束构形的伸长瓣的方向引示零位的方向。

图9表示本发明的一个实施例的以102表示的一种方法。该方法便于在两个通信设备，例如蜂窝式通信系统的移动单元和基站之间通信信号的传递。首先，如方框104所示的，初始天线波束图构形是由形成基站的天线装置的一部分的天线单元的一个阵列形成的。然后，如由方框106表示的，发送到基站的上行链路信号是被天线阵的天线单元所接收。

接收信号被送到基站的收发信机电路的接收机部分，经下变频并加到基带处理装置，如用方框108所示的。

基带处理器响应于接收信号的特性确定由天线阵形成的最佳天线波束图构形。此后，如由方框112所示的，由该阵的天线单元呈现的天线波束图构形响应于这种确定进行改变。

因为天线波束构形被选择来增加信号-噪声和信号-干扰比，通信范围和基站14的容量能够被增加。通过本发明的各种实施例的操作能够得到在减小基础结构成本时增加容量。其它类型的通信装置或系统同样能通过本发明各实施例的实施得到改进。

前面描述了用于实施本发明的最佳例子和本发明的范围不必受这个描述限制。本发明的范围由下面附加权利要求规定。

Claims (11)

1.一种改进的天线装置呈现选择的有方向性的天线波束图，该波束图具有一个在第一方向延伸的波瓣以及在第二方向延伸的零位，所说天线装置包括：

一个由第一选择数目的天线单元构成的第一天线；

一个由第二选择数目的天线单元构成的第二天线；

一个聚束矩阵装置，它能形成该波瓣，所说聚束矩阵装置包括第一和第二矩阵聚束器，分别连接到第一和第二天线阵列，所说第一和第二矩阵聚束器可操作分别形成第一和第二极化天线波束图，所说第一和第二极化天线波束图彼此基本上垂直并由所说聚束矩阵装置交叉，以形成零位，用于衰减干扰引起的能量；以及

一个处理器，连接到一个无线电收发机的一个收发机单元阵列的每个收发机单元以及所说聚束矩阵装置，所说处理器用于处理由该收发机单元提供的信号，以确定在其中延伸该波瓣的第一方向以及在其中延伸该零位的第二方向，所说处理器进一步分别对所说聚束矩阵装置提供确定的第一和第二方向的指示。

2.根据权利要求1的天线装置，其中第一矩阵聚束器和第二矩阵聚束器至少相隔一个最小间隔距离。

3.根据权利要求2的天线装置，其中无线电收发信机是由一个可操作与至少一个移动站通信的蜂窝式通信网络的无线电基站组成，和其中所述的天线装置可操作发送下行链路信号到所述至少一个移动站，和接收由所述至少一个移动站发送的上行链路信号。

4.根据权利要求1的天线装置，其中所述的处理器还估算响应于由所述组的收发信机单元接收的信号的到达指示的方向。

5.根据权利要求1的天线装置，还包括连接到所述处理器的存储器查找装置，所述的存储器查找装置用于存储与可延伸的选择的天线图的该波瓣的方向有关的数据。

6.根据权利要求5的天线装置，其中所述的处理器存取存储在所述存储器查找装置中的数据，以确定在其中延伸天线图的该波瓣的第一方向。

7.根据权利要求1的天线装置，还包括连接到该处理器的一个输入和输出装置。

8.根据权利要求1的天线装置，其中所说收发机单元阵列包括多个收发机和多个接收机，每个收发机包括一个调制器和上变频器以及每个接收机包括一个解调器和下变频器。

9.根据权利要求1的天线装置，其中所说处理器包括响应接收来自该收发器单元阵列的信号用于更改选择天线波束图的装置。

10.一种用在蜂窝通信系统中呈现选择的天线波束图的方法，该波束图由朝向移动站延伸的瓣和朝向发送干扰信号的场所延伸的零位组成，所说方法包括步骤：

发送一个原始天线波束图；

接收一个信号；

响应该接收信号，确定用于延伸该瓣的第一方向和用于延伸该零位的第二方向；

响应确定该第一和第二方向，形成选择的天线波束图，所说形成步骤还包括步骤：

形成瓣，一第一天线波束图和一第二天线波束图；

垂直极化该第一天线波束图和第二天线波束图；以及

交叉该垂直极化的第一和第二天线波束图，以形成零位，用于衰减干扰信号引起的能量；

发送该选择的天线波束图；以及

响应接收一后续信号，更改形成的选择的天线波束图。

11.根据权利要求10的方法，其中所说更改步骤包括：

响应接收一后续信号，确定更改的第一方向以延伸该瓣，以及更改第二方向以延伸该零位；以及

响应确定更改的第一和第二方向，形成选择天线波束图。

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