CN1116024A - 使用两类具有不同容量的信道 - Google Patents

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Abstract

蜂窝通信系统中具有天线阵列的基站用于发送和接收信号的方法和装置。可供使用的通信信道被划分成多种类别。基站以具有宽天线波瓣的第一类信道发送信号到移动站。然后可根据在基站处所接收的来自移动站的信号确定移动站的位置。在所述移动站位置被确定后，基站以具有窄天线波瓣宽度的第二类信道发送信号到移动站并接收来自移动站的信号。

Description

使用两类具有不同容量的信道
本发明技术领域
本发明涉及带自适应天线阵列的蜂窝通信系统，更具体地涉及对于基站和移动站间的通信既使用宽的自适应天线波瓣也使用窄的自适应天线波瓣的蜂窝通信系统。本发明的背景技术
蜂窝工业在美国和世界各地的通信运作中已取得了非凡的进步。在大城市地区的增长已远远超过了预期，并将超过系统的容量。如果这种趋势持续下去，快速增长的结果将很快在最小的市场中反映出来。这就要求革新的解决方法来满足增加容量的需要和保持高质量的服务以及避免价格上扬。而且，当蜂窝用户数增多时，有关共用信道的干扰问题就变得更加重要。
当前的数字蜂窝系统使用了藉利用时间和频率的正交性方法来区分开移动信号的基站。移动站发出的信号传播到基站并由单天线或有时由双天线接收。接收机藉利用时间和频率的正交性方法处理信号，把来自不同用户的信号区分开。然后有可能均衡和检波这些信号。尽管诸如频率跳跃和高级编码这样的技术提供了降低共用信道干扰的方法，然而它们受可供使用的频谱固有的限制。尽管如此，使用自适应天线的定向灵敏性，提供了一种减小共用信道干扰的新方法。自适应天线由空间分布的天线阵列所组成。来自几个发射机的信号投射在阵列上。藉助于正确地组合天线的输出，即使这些信号占有相同的频带，仍有可能从所接收到的叠加信号中提取出各单个信号。这样，就有可能藉使用窄的自适应天线波瓣的方法，把在空间分离的用户区分出来。这可被看作为是一种利用空间域正交性的方法。
当前的数字蜂窝系统也使用了利用具有宽天线波瓣，也就是波瓣宽度约为60°、120°或360°的基站天线的基站。基站接收波瓣范围内所有移动站的信号。因此没有必要知道移动站的位置。然而，不可能抑制从其它角度发射的移动站。窄的自适应天线波瓣的使用要求知道位置，或更精确地说，是要求知道用于接收/发送到移动站的最佳的空间滤波器。这就意味着，对于每次新呼叫以及每次在基站间切换后，移动站的空间滤波器必须被测量。
这种测量问题可很容易地在许多应用中被解决。然而，在蜂窝移动应用中，其中移动站改变位置以及通信信道快速衰落的情况下，此问题就重要得多。此外，现有的标准，诸如GSM标准，常常假定采用宽天线波瓣以便有价值的信号可被直接送到不明位置的移动站。这意味着，必须特别留心，确保在训练自适应天线时，不丢失信息。另一个考虑是信道的链接，也就是移动站可被指派多个时间正交信道和/或多个频率正交信道中的一个信道。新的移动站可能不适合于特定信道，因为，例如，新移动站接近于使用同一信道的旧移动站。因此，就想要进行不干扰任何业务的第一测量，然后把移动站链接到合适的信道。换言之，应当使空间正交性最大化。
另一个重要考虑是切换测量。希望能有一些以宽波瓣发送的信道，以便使移动站可以测量发自基站的信号的信号强度。本发明的公开
本发明的一个目的是提供一个系统，其中已知位置和未知位置的移动站可在同一个系统中被使用，而有关移动站当时位置的信息可被用来减少干扰和增加系统容量。本发明的这个目的可藉使用天线阵列和把可供使用的业务信道划分多类的方法来完成。
本发明的一个实施例揭示了在蜂窝通信系统中带天线阵列的基站发送和接收信号的方法。首先，把可供使用的通信信道划分成多种类别。然后，基站用具有宽天线波瓣的第一类信道发送信号给移动站。这样，移动站位置就可根据基站接收到的移动站的信号来确定。移动站的位置被确定后，基站就可用具有窄天线波瓣的第二类信道发送信号给移动站，以及接收发自移动站的信号。附图的简要描述
现在参照本发明的优选实施例更详尽地阐述本发明，此实施例只是以例子给出，并藉附图予以阐明：
图1显示了发射机与接收机之间关系的方框图；
图2(a)-(b)显示了按照本发明的一个实施例的天线配置；
图3是按照本发明的一个实施例的呼叫建立程序的流程图；
图4显示了按照本发明的一个实施例的波束形成的实例；
图5显示了按照本发明的一个实施例用于检波和解调信号的流程图；
图6显示了本发明的一部分的一个实施例的方框图；
图7(a)-(b)显示了按照本发明的一个实施例的另一个天线配置；以及
图8是按照本发明的一个实施例的基站间切换程序的流程图。详细说明
在以下的对包括手持的或移动的无线电话和/或个人通信网与多个基站的蜂窝通信系统进行描述的同时，本领域的技术人员将会看到，本发明可应用到其它的通信应用中去。
图1显示了发射机10和接收机14间链路的总图。移动站和基站都装有发射机和接收机，然而在本讨论中发射机10位于移动站内，接收机14位于基站内。发射机10通过信道12发送信号到接收机14，信道12被看作为具有冲击向应的线性传输函数，它产生了发射机和接收机之间相位和信号强度的全部变化。所发送的信号S(t)受信道冲击响应的作用，形成接收信号r(t)。信号r(t)由接收机14通过自适应天线阵20接收，并把接收信号馈送到信道估值器16计算h(t)的离散近似值，称作为h(n)。然而把离散近似值h(n)送到衰落频率估值器18，它产生对移动站多普勒频率的估算值。接收信号也被馈送到解调器/检波器22，它们利用信道估算值和多普勒频率估算值来解调和检波信号。
按照本发明的一个实施例，可供使用的业务信道数被划分成多组或多类，例如两类。按照本发明的一个实施例，第一类信道具有干扰环境(disturbance situation)以便基站可利用宽天线波瓣接收信号和利用宽天线波瓣把信号发送到移动站。第二类信道具有干扰环境以便基站必须利用窄天线波瓣发送信号以便得到能接受的质量。两类信道的差别在于基站以窄天线波瓣在其中发送信号所使用的窄波瓣信道具有相对高的空间谱效率。较高的空间谱效率一般地可用于减少频率再用或使多个空间分离的用户能在相同的信道上通信。一般地，控制信道和某些业务信道应当是第一类信道，而大多数业务信道应当是第二类信道。而且第一类信道应当使用的再用距离与接收机算法和当今不久可供使用的相同，而第二类信道所使用的再用距离比第一类信道小。
图2(a)显示了宽波瓣信道。如图所示，信道f1在宽广地区内广播，这样多个移动站可接收基站的广播信息，而与其位置无关。图2(b)显示了按照本发明的一个实施例的窄波瓣信道。如图所示，信道f2藉使用自适应天线阵列的空间滤波器的方法，在有限区域内广播，以限制信道f2的方向。因此信道f2可被多个移动站使用，以发送和接收各自的信息，只要这些移动站不是位于相同的邻近区内。
按照本发明的一个实施例，基站以宽波瓣的下行链路信道发送广播消息、控制消息和寻呼消息。基站也在宽波瓣的上行链路信道上侦听在其指定的地理区域内的所有移动站，其中例如，移动站可向基站发送访问请求信号。基站用天线阵列搜集周围地区的信号。然后，被搜集的信号进入信号处理器，处理器对各个信号进行估值，以检测移动站是否存在，并测量移动站的位置。接着基站使用这些位置测量值，用来减小向特定移动站发送信号的天线波瓣宽度，也就是在移动站位置被确定为大于某预定值后，就给移动站指派一个第二类信道。
第一类信道也被用来建立新的通话以及在基站之间的切换。按照本发明的一个实施例的典型的通话建立程序示于图3。首先，在步骤300，移动站用属于第一类信道的随机访问控制信道发出访问消息给基站。在步骤302，藉助于把来自天线阵列的在时间K的矢量信号表示为X(K)＝[X1(K)…XL(K)]T(其中L是阵列单元数)的方法，使消息被检测并被用作为用于天线算法的训练序列。消息序列{d(K)}1 N例如，可被用作为如下的最小平方问题中所想要的信号。首先，确定最接近于d(K)的用X(K)构成的线性组合，换句话说，确定这样的矢量W以使(dk-WHXk)2为最小。然后，所确定的矢量W0，其中W0＝[W1…W2]T，可被用来滤波输出来自移动站的信号。接着，在步骤304中，基站给移动站指派一个可用的第一类信道用于请求呼叫。然后，当移动站使用第一类信道发送数据时，移动站的位置可被测量。
移动站位置，例如，可由前面所确定的矢量W0表征。也有可能使用熟知的算法，例如波束成形、MUSIC、ESPRIT和WSF等方法，确定移动站信号的到达方向。波束成形的例子示于图4。移动站信号被多个波瓣(例如4个波瓣)接收。波束形成，例如，可用四个分开的定向天线以及用波束形成器在射频信号上实现或用数字滤波器在基带上实现。图5显示用于检波和解调移动站信号的处理过程。在步骤500，移动站信号在天线阵列402处被接收。然后在步骤502，波瓣被形成并在步骤504测量每个波瓣的输出功率。在步骤506，具有最大测量功率的波瓣被选为最佳波瓣。这样，波瓣号数，即1、2、3、4就表征着移动站的位置。然后，在步骤508，想要的信号被滤波输出，并在步骤510，该信号被检波和解调。在步骤512，获得的信号被检验，看它是否是能使用的，例如，是否有足够的信号强度。如果信号是不能使用的，那么被选定的波瓣在步骤514中，被标作为已用过，且程序返回步骤502。
图6显示测量所接收的移动站MS1信号的功率的一种方法。天线阵列602接收多个信号，其中某些信号来自移动站MS1。然后，多个信号由空间滤波器604滤波。空间滤波器可减小来自其它方向的信号对上行链路方向的信号的干扰。它也可减小由基站发往移动站的下行链路的干扰。在上行链路方向，空间滤波器的加权因子W1、W2、W3和W4被选成这样，即，使被滤波后的信号Y(K)只包含所接收的移动站MS1信号。在下行链路方向，空间滤波器的加权因子被选成这样，即，使给MS1的所有信号只到达MS1而不干扰MS2。然后，滤波后的信号Y(K)在平方装置606中进行平方运算，以产生移动站的瞬时功率。瞬时功率在积分器408中按时间平均，产生移动站MS1的时间平均功率。回到图3，一旦新移动站位置和功率电平在步骤306中被确定，那么就在步骤308把第二类信道指派给移动站。
和已知位置移动站进行的业务通信可藉使用窄天线波瓣对准特定方向。从而，干扰被减小，且多个移动站可使用相同的信道。按照本发明的一个实施例，单个频道可同时提供给多至5个用户，但并不限制于此。要求访问AMPS型FDMA系统的移动站可典型地把它的访问请求或通话建立请求利用如图2(a)所示的宽波瓣信道发送给基站。信号由基站处理，然后可测量出移动站位置。然后通知移动站以如图2(b)所示的窄波瓣信道发送和接收。
在ADC型TDMA系统中工作的移动站，如图7(a)-(b)所示，典型地使用一个时隙，用来发送到基站，而另一个时隙，用来接收基站的信号。这种传输典型地使用如图7所示的具有高空间谱效率的窄波瓣信道。这样，移动站在其它时隙为空闲，以侦听在广泛的邻近地区内基站的在如图7(b)所示宽波瓣信道上的广播。
按照本发明的一个实施例，典型的通话切换程序示于图8。当第一基站在步骤800中使用本领域一般技术人员所熟知的一种方法确定需要进行切换时，第一基站在步骤802中把移动站切换到第二基站。然后，在步骤804中，第二基站给移动站指派一个可用的第一类信道，这样移动站可继续进行通话。接着，在步骤806，移动站位置逐步被基站或者是移动站确定。在步骤808，第二基站给移动站指派一个可用的第二类业务信道。另外，按照本发明的一个实施例，尽管移动站正在以第二类信道发送，但移动站仍可藉监视第一类信道的方法进行切换测量，只要信号在时间上是彼此分开的。
按照本发明的另一个实施例，第二类信道具有可变宽度的天线波瓣，其中第二类信道的所有天线波瓣宽度都小于第一类信道的天线波瓣宽度。因此，当移动站位置被逐渐确定时，基站可逐步减小指派给移动站的第二类信道的天线波瓣宽度。结果，移动站的信号质量不断提高。
本领域的一般技术人员将会看到，本发明也可以体现于其它特定形式，而不会偏离本发明的精神或根本特点。因此，前面所指示的实施例无论从哪方面看都被认为只在于显示而不是为了限制。本发明的范围由附加的权利要求予以指明，而不是藉上面的描述，而且，在本发明等同物的意义和范围内所作的所有改变都被认为包含在本发明的范围之中。

Claims (23)

1.蜂窝通信系统中具有天线阵列的基站用于发送和接收信号的方法，包括步骤：
把可供使用的通信信道划分成多种类别；
以具有宽天线波瓣的第一类信道把信号发送到多个移动站；
根据接收到的来自所述移动站的信号确定移动站位置；
当所述移动站位置被确定时，以具有窄天线波瓣的第二类信道把信号发送至所述移动站；以及
在两类信道上用可调整的波瓣宽度接收来自所述移动站的信号。
2.按照权利要求1的方法，其中所述第一类信道被用于通话的建立。
3.按照权利要求2的方法，其中所述移动站位置藉以下步骤来确定：
测量所接收的来自所述移动站的信号的功率电平；以及
确定对于新连接的移动站的合适的天线波瓣。
4.按照权利要求1的方法，其中所述基站，在移动站位置被确定为大于某预定值后，就给移动站指派所述第二类信道中的一个信道。
5.按照权利要求1的方法，其中所述第一类信道被用于基站间的切换。
6.按照权利要求5的方法，进一步包括以下步骤：
在所述第二类信道中的一个信道上在移动站发送和接收信号；以及
对于在移动站以所述第一类信道接收的信号进行切换测量。
7.按照权利要求1的方法，其中至少一个控制信道和少数业务信道属于第一类信道。
8.按照权利要求1的方法，其中所述第二类信道的再用距离比所述第一类信道的小。
9.按照权利要求1的方法，其中所述第二类信道的每个信道可以有一个以上的用户。
10.按照权利要求1的方法，其中所述第二类信道可以有可变的天线波瓣宽度。
11.按照权利要求10的方法，其中当基站逐步确定所述移动站位置时，基站逐渐减小指派给移动站的第二类信道的天线波瓣宽度。
12.配有至少一个带天线阵列的基站的通信系统，包括：
用于以多类信道把基站信号发送到多个移动站的装置；
用于以多类信道在基站接收多个移动站信号的装置；
用于根据所述接收信号确定移动站位置的装置，其中所述基站以具有宽天线波瓣的第一类信道发送信号，并且当所述移动站位置被确定后所述基站以具有窄天线波瓣的第二类信道发送信号。
13.按照权利要求12的蜂窝通信系统，其中所述第一类信道被用于通话的建立。
14.按照权利要求12的蜂窝通信系统，其中所述第一类信道被用于基站间的切换。
15.按照权利要求13的蜂窝通信系统，其中所述位置确定装置包括：
用于确定来自所述移动站的信号的功率电平的装置；以及
用于为新连接的移动站确定合适的天线波瓣的装置。
16.按照权利要求13的蜂窝通信系统，其中所述基站在移动站位置被确定为大于某预定值后，就给所述移动站指派所述第二类信道中的一个信道。
17.按照权利要求14的蜂窝通信系统，其中移动站包含用于以所述第二类信道中的一个信道发送和接收信号的装置以及用于以所述第一类信道中的一个信道进行切换测量的装置。
18.按照权利要求17的蜂窝通信系统，所述移动站进一步包括用于以所述第一类信道中的一个信道发送和接收信号的装置。
19.按照权利要求12的蜂窝通信系统，其中至少一个控制信道和少数业务信道属于第一类信道。
20.按照权利要求12的蜂窝通信系统，其中所述第二类信道的再用距离比所述第一类信道的小。
21.按照权利要求12的蜂窝通信系统，其中所述第二类信道的每个信道可以有一个以上的用户。
22.按照权利要求12的蜂窝通信系统，其中所述第二类信道可以有可变的天线波瓣宽度。
23.按照权利要求22的蜂窝通信系统，其中当基站逐步确定所述移动站位置时，基站逐渐减小指派给移动站的第二类信道的天线波瓣宽度。
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