專利名稱：用來確定信號到達(dá)方向的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用來確定信號到達(dá)方向的方法和設(shè)備。本發(fā)明適用于但不限于尋找諸如無線電信號之類的電磁信號的到達(dá)方向。
在多種用途中，有興趣的是確定信號到達(dá)的方向。一個(gè)例子是在無線電通信系統(tǒng)中，其中來自一個(gè)通信單元的接收信號的到達(dá)方向的確定能用來使在該方向由一個(gè)第二通信單元發(fā)射的功率最大。當(dāng)由第一通信單元接收時(shí)，這允許從第二通信單元發(fā)射的無線電通信信號的信號電平的優(yōu)化。
其中能應(yīng)用該方法的無線電通信系統(tǒng)的例子是諸如用于移動通信的全球系統(tǒng)之類的蜂窩移動通信系統(tǒng)。在蜂窩移動通信系統(tǒng)中，移動站的每一個(gè)典型地與一個(gè)固定基站通信。從移動站到基站的通信稱作上行鏈路，而從基站至移動站的通信稱作下行鏈路。把系統(tǒng)的總覆蓋區(qū)域劃分成每個(gè)由單個(gè)基站覆蓋的多個(gè)分立單元。諸單元一般在地理上借助于重疊覆蓋區(qū)域區(qū)分。當(dāng)移動站從一個(gè)單元的覆蓋區(qū)域向另一個(gè)單元的覆蓋區(qū)域運(yùn)動時(shí)，通信鏈路從在移動站與第一單元的基站之間向在移動站與第二單元的基站之間變化。這稱作轉(zhuǎn)移。
特別是，一些單元可能完全位于其他較大單元的覆蓋內(nèi)。這些稱作分級單元，并且一個(gè)例子是用來提供在大業(yè)務(wù)量區(qū)域的大業(yè)務(wù)容量的所謂微單元。一般地微單元較小，并且在有限區(qū)域能實(shí)現(xiàn)大量單元。運(yùn)動到微單元中的移動站從稱作宏單元的重疊單元轉(zhuǎn)移。這從宏單元解放資源，并且分級單元因而提供與大業(yè)務(wù)容量組合的大覆蓋區(qū)域的可能性。
所有基站由網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。該網(wǎng)絡(luò)包括通信線、交換器、至其他通信網(wǎng)絡(luò)的接口及操作網(wǎng)絡(luò)所需的各種控制器。移動站的呼叫路經(jīng)該網(wǎng)絡(luò)到呼叫的具體目的地。如果呼叫在同一通信系統(tǒng)的兩個(gè)移動站之間，則它當(dāng)前路經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到當(dāng)前服務(wù)于其他移動站的基站。連接因而通過網(wǎng)絡(luò)建立在兩個(gè)服務(wù)單元之間。另外，如果呼叫在移動站與連接到公共交換電話網(wǎng)(PSTN)的電話之間，則呼叫路線從服務(wù)基站到在蜂窩移動通信系統(tǒng)與PSTN之間的接口。它的路線然后是從接口通過PSTN到電話。
對于在移動站與基站之間的無線電通信，分配給峰窩移動通信系統(tǒng)一個(gè)頻譜。該頻譜必須在同時(shí)使用該系統(tǒng)的所有移動站之間共享。在GSM和類似的系統(tǒng)中，這通過把頻譜劃分成多個(gè)頻道實(shí)現(xiàn)。在GSM中，頻道的每一個(gè)進(jìn)一步劃分成八個(gè)分開的時(shí)隙。通過把時(shí)隙分配到每個(gè)有源移動站，由每個(gè)頻道因而能服務(wù)八個(gè)移動站。這種方法稱作時(shí)分多址聯(lián)接(TDMA)。每個(gè)單元分配給多個(gè)頻道。由于頻道數(shù)量是有限的，一般把相同的頻道分配給多于一個(gè)的單元。這稱作頻率重復(fù)使用，并且頻率復(fù)用越密，即能使用的相同頻道越靠近在一起，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)量就越大。
在移動站與基站之間的無線電通信質(zhì)量由信號的信噪級確定。其他基站和移動站產(chǎn)生增大噪聲級并因而降低質(zhì)量的干擾。為了得到可接收的質(zhì)量級，干擾必須保持得足夠低。從相同頻道上的發(fā)射能產(chǎn)生干擾，這稱作共道干擾。另外，它能從相鄰頻道上的發(fā)射產(chǎn)生，因?yàn)椴豢赡芊乐狗峙漕l道外的多余發(fā)射。這種干擾稱作相鄰頻道干擾。由于干擾級隨至干擾源的距離增大而減小，所以對于較密集的頻率復(fù)用干擾級將增大。當(dāng)今的蜂窩通信系統(tǒng)包括使干擾級最小的其他措施，如把發(fā)射的功率減小到提供適當(dāng)鏈路質(zhì)量的最低級的功率控制。
用來減小干擾的另一種重要方法是通過使用定向天線，由此主要在使希望接收機(jī)處的信號質(zhì)量最佳的方向上發(fā)射功率。當(dāng)接收時(shí)，定向天線將衰減從其他方向接收的干擾，由此允許發(fā)射機(jī)以較低功率發(fā)射。
定向天線常常實(shí)際較大且昂貴，并因此在移動站處是不實(shí)際的，并且大多數(shù)定向天線在基站處采用。最適當(dāng)?shù)亩ㄏ蛱炀€是包括多個(gè)天線元件的天線陣列。通過單獨(dú)調(diào)節(jié)用于每個(gè)元件的相對相位校正，天線陣列將具有定向波束圖案。天線陣列的操作在Monzingo和Miller,1980,Wiley Publishing的‘對于自適應(yīng)陣列的介紹’中描述。
用來減小在蜂窩通信系統(tǒng)中的干擾的已知方法是確定由天線陣列接收的上行鏈路信號的到達(dá)方向，并且在確定方向發(fā)射下行鏈路信號。然而，該方法的益處非常依賴于得到的到達(dá)方向估計(jì)的精度和可靠性。用來估計(jì)到達(dá)方向的已知方法具有高度的不確定性，并且一種用來改進(jìn)可靠性和提供一種確定估計(jì)可靠性的途徑的系統(tǒng)是希望的。
本發(fā)明設(shè)法提供一種用來提高到達(dá)方向估計(jì)的可靠性和精度及確定得到估計(jì)的可靠性的方法和設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，這里提供一種確定接收信號到達(dá)方向的方法，該方法包括步驟從一個(gè)第一傳感器得到接收信號的到達(dá)方向的第一估計(jì)；從至少一個(gè)第二傳感器得到接收信號到達(dá)方向的至少第二估計(jì)，并且該方法的特征在于包括步驟把接收信號的到達(dá)方向估計(jì)確定為所述第一和至少第二估計(jì)的函數(shù)。
最好，當(dāng)在第一與至少第二估計(jì)之間的差在一個(gè)閾值以下時(shí)，第一和至少第二估計(jì)代表到達(dá)方向估計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，下行鏈路信號在蜂窩通信系統(tǒng)中在到達(dá)方向估計(jì)的方向上發(fā)射。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，這里提供有一種用來確定接收信號的到達(dá)方向的設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)第一估計(jì)器，產(chǎn)生來自第一傳感器的接收信號的方向的第一估計(jì)；至少一個(gè)第二估計(jì)器，產(chǎn)生來自第二傳感器的接收無線電信號的方向的第二估計(jì)，并且該設(shè)備的特征在于包括一個(gè)控制器，把接收無線電信號的到達(dá)方向估計(jì)確定為所述第一和至少第二估計(jì)的函數(shù)。
下面僅通過例子，參照附圖描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在附圖中


圖1是按照本發(fā)明用來確定到達(dá)方向和發(fā)射下行鏈路信號的設(shè)備的最佳實(shí)施例的方塊示意圖。
參照圖1，表示用來確定到達(dá)方向和發(fā)射下行鏈路信號的設(shè)備的圖1表示常規(guī)形式的兩個(gè)天線陣列10、12。兩個(gè)天線陣列10、12最好通過彼此在遠(yuǎn)離一個(gè)適當(dāng)分集空隙或通過使用極化分集布置成一般基本上是無關(guān)的，如在先有技術(shù)中熟知的那樣。
每個(gè)天線陣列10、12聯(lián)接到相應(yīng)處理器14、16上，處理器14、16抽取來到的上行鏈路信號，并且由此從接收的反射確定主要信號分量。這些信號處理器能是常規(guī)類型的。
每個(gè)信號處理器聯(lián)接到可操作確定上行鏈路信號或其主要分量的到達(dá)方向估計(jì)θu的相應(yīng)方向估計(jì)器18、20上。一種適當(dāng)?shù)募夹g(shù)是在先有技術(shù)中熟知的“波束形成算法’。
該系統(tǒng)包括一個(gè)聯(lián)接到每個(gè)方向估計(jì)器18、20上并且最好也聯(lián)接到一個(gè)可操作指示每個(gè)天線陣列10、12的有源天線元件數(shù)量的相似性測試單元22。
相似性測試單元22的一個(gè)輸出是上行鏈路信號到達(dá)方向的估計(jì)，并且選擇地是該估計(jì)的可靠性估計(jì)。
在下行鏈路發(fā)射機(jī)側(cè)，提供有一個(gè)能經(jīng)其發(fā)射下鏈信號28的自適應(yīng)天線陣列26。由下行鏈路波束形成器32控制的加權(quán)單元30為用于波束引導(dǎo)目的的天線元件的每一個(gè)而提供，如在先有技術(shù)已知的那樣。因而，對于本發(fā)明響應(yīng)上行鏈路信號的到達(dá)方向估計(jì)的方向和或質(zhì)量，設(shè)置方向、最好還有束寬。
在使用中，每組天線陣列10(12)、處理器14(16)及方向估計(jì)器18(20)抽取上行鏈路信號或其主要分量，并且由此確定信號或主要信號分量的到達(dá)方向估計(jì)。一般地，來自兩組天線陣列的方向估計(jì)不同。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，通過根據(jù)分別如在兩個(gè)天線陣列每一個(gè)中接收的上行鏈路信號的功率級或信噪比加權(quán)來自天線陣列每一個(gè)的方向估計(jì)，確定到達(dá)角度。特別是，能估計(jì)在每個(gè)支路中的功率級或信噪比，并且把到達(dá)方向確定為與最高級相對應(yīng)的方向估計(jì)。這在其中無線電信號常常在天線陣列之一中處于深衰落而在兩個(gè)陣列中幾乎沒有的衰落環(huán)境中，將提供到達(dá)方向確定的顯著改進(jìn)。
上行鏈路信號的抽取能基于已知特性。最好，上行鏈路信號包含已知的數(shù)據(jù)圖案，并且通過使接收信號與該已知數(shù)據(jù)圖案相關(guān)能估計(jì)功率或信噪級。這由GSM接收機(jī)是熟知的，其中在已知midamble數(shù)據(jù)圖案與接收信號之間的相關(guān)用來估計(jì)用于想要移動裝置的頻道特性，這類似于抽取從想要移動裝置接收的能量。
根據(jù)本發(fā)明的不同方面，到達(dá)方向確定是基于直接比較方向估計(jì)，而不是基于比較在兩個(gè)支路中接收的信號級。
最好相似性測試單元22布置成比較來自兩個(gè)天線陣列10、12的兩個(gè)方向估計(jì)。如果發(fā)現(xiàn)估計(jì)基本上類似，則認(rèn)為任一個(gè)估計(jì)是上行鏈路信號到達(dá)方向的有效估計(jì)。相似性測試單元22因此能提供兩個(gè)估計(jì)的任一個(gè)，或最好提供對于下行鏈路波束形成器32的平均級。比較能以簡單形式得到在兩個(gè)方向估計(jì)之間的差，并且把該差值與一個(gè)閾值相比較。當(dāng)差值在閾值以下時(shí)，估計(jì)基本上類似，并因此認(rèn)為提供可靠的到達(dá)方向。
最好，相似性測試單元22不僅產(chǎn)生到達(dá)方向估計(jì)，而且也產(chǎn)生第一和第二估計(jì)如何相關(guān)的指示，例如作為估計(jì)之差?；谶@種相關(guān)，下行鏈路波束形成器將調(diào)節(jié)下行鏈路信號的束寬。例如，當(dāng)相關(guān)減小時(shí)，這是到達(dá)方向估計(jì)的可靠性降低的指示。波束形成器因此形成保證移動站在延伸角度內(nèi)的較寬波束。特別是，當(dāng)在估計(jì)之間的相關(guān)高于一個(gè)給定閾值時(shí)，波束形成器可以形成非定向波束圖案。
到達(dá)估計(jì)角度的平均持續(xù)時(shí)間對于系統(tǒng)的性能非常重要。持續(xù)時(shí)間越短，越不可靠，并且估計(jì)變得有噪聲。持續(xù)時(shí)間越長，對于到來信號的到達(dá)方向變化的響應(yīng)時(shí)間越慢。到達(dá)方向變化的速率和信噪級在移動通信系統(tǒng)中顯著地變化，主要因?yàn)橐苿诱究赡苷圆煌俣冗\(yùn)動。根據(jù)通信系統(tǒng)的特征，平均持續(xù)時(shí)間響應(yīng)到達(dá)方向估計(jì)的確定可靠性，即響應(yīng)在第一與第二估計(jì)之間的相關(guān)而改變。最好，對于減小的相關(guān)增大平均持續(xù)時(shí)間，而對于增大的相關(guān)減小平均持續(xù)時(shí)間。
在一般方法中，用于定向到達(dá)的連續(xù)值與估計(jì)的可靠性指示一起提供給下行鏈路波束形成器32。下行鏈路波束形成器32將借助于響應(yīng)當(dāng)前值的可靠性確定的束寬形成到達(dá)方向的波束。
在一個(gè)具體例子中，參照圖1系統(tǒng)的操作如下1．確定天線陣列10、12的有源元件的數(shù)量，并且由此確定用于N維線性天線陣列的誤差閾值。例如，對于4元件天線陣列，3dB帶寬是約22°，因而+10°的對于在下行鏈路信號中的實(shí)際接收最大能量指向誤差是可接收的。因而把誤差閾值設(shè)置為+10°。
2．在第一實(shí)例中，對于每個(gè)接收器天線支路獨(dú)立地確定到達(dá)方向估計(jì)。(這些表示為空間分集板但同樣能是雙極化分集板。)在一個(gè)短時(shí)間段上，例如在一幀上平均在到達(dá)方向過程中使用的協(xié)方差矩陣估計(jì)。因而，兩種估計(jì)可能十分不同。
3．借助于較長的協(xié)方差矩陣，例如在連續(xù)幀1至K上，計(jì)算上行鏈路和下行鏈路波峰方向估計(jì)。然后檢查看在上行鏈路與下行鏈路方向之間的差是否小于由N維天線陣列的孔徑強(qiáng)加的收斂邊界。如果情況不是這樣，則借助于較長平均重新計(jì)算協(xié)方差矩陣。然而，如果達(dá)到收斂，則分集板的一個(gè)或兩個(gè)的方向估計(jì)用來公式化下行鏈路波束。然后把把平均時(shí)間段復(fù)位到零，并且該過程再次開始。
在該實(shí)施例中，因而動態(tài)調(diào)節(jié)在確定到達(dá)角度時(shí)進(jìn)行的平均，以保證足夠可靠的到達(dá)方向。
在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)可以使用收斂的運(yùn)動平均來運(yùn)動波束。類似地，誤差閾值可以是變化的，例如考慮到具體的上行鏈路特性或在天線陣列中使用的天線元件的數(shù)量。
在一些實(shí)施例中，可以提供多于兩個(gè)的天線陣列，以產(chǎn)生多于兩個(gè)的方向估計(jì)。
本發(fā)明可適用于其中能提供更好的信噪性能和減小干擾的蜂窩通信系統(tǒng)。從上行鏈路測量方向?qū)С龅南滦墟溌凡ㄊ刂圃谡_方向。況且，在方向估計(jì)的收斂時(shí)間段期間，能有更好的干擾性能，因?yàn)橄滦墟溌凡ㄊ恢赶蝈e誤方向而引起對相鄰單元的較多干擾。此外，當(dāng)使用改變的收斂時(shí)間段時(shí)，信噪性能獨(dú)立于移動速度。
對于熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員顯然，本發(fā)明不限于蜂窩通信系統(tǒng)，但適用于其中要確定信號到達(dá)方向的任何場合。這些用途包括確定使用紅外或聲信號的到達(dá)方向。
權(quán)利要求
1．一種確定接收信號到達(dá)方向的方法，包括步驟從一個(gè)第一傳感器(10)得到接收信號的到達(dá)方向的第一估計(jì)；從至少一個(gè)第二傳感器(12)得到接收信號到達(dá)方向的至少第二估計(jì)，并且其特征在于包括步驟把接收信號的到達(dá)方向估計(jì)確定為所述第一和至少第二估計(jì)的函數(shù)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定接收信號的到達(dá)方向估計(jì)的步驟的特征在于，根據(jù)分別由第一和第二傳感器(11、12)接收的接收無線電信號的功率級加權(quán)第一和至少第二估計(jì)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定接收信號的到達(dá)方向估計(jì)的步驟的特征在于，根據(jù)分別由第一和至少第二傳感器(11、12)接收的接收信號的信噪比加權(quán)第一和至少第二估計(jì)。
4．根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中接收信號的已知特征用來辨別接收信號。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定到達(dá)方向估計(jì)的步驟的特征在于，比較第一和至少第二估計(jì)，并且當(dāng)?shù)谝缓椭辽俚诙烙?jì)基本類似時(shí)，確定第一和至少第二估計(jì)代表到達(dá)方向。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中通過確定第一與至少第二估計(jì)之差進(jìn)行比較，并且當(dāng)?shù)谝慌c至少第二估計(jì)之差低于一個(gè)閾值時(shí)，確定第一和至少第二估計(jì)代表到達(dá)方向。
7．根據(jù)任何以上權(quán)利要求所述的方法，其中接收信號是電磁信號。
8．一種在無線電通信系統(tǒng)中發(fā)射下行鏈路信號的方法，包括步驟根據(jù)權(quán)利要求1確定接收無線電信號的方向；和在確定的到達(dá)方向上發(fā)射下行鏈路信號。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述在無線電通信系統(tǒng)中發(fā)射下行鏈路信號的方法，其中響應(yīng)在第一與至少第二估計(jì)之間的相關(guān)確定下行鏈路信號的束寬。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中響應(yīng)在第一與第二估計(jì)之間的相關(guān)，確定第一和至少第二估計(jì)的平均持續(xù)時(shí)間。
11．根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，用在蜂窩通信系統(tǒng)中。
12．一種用來確定接收信號的到達(dá)方向的設(shè)備，包括一個(gè)第一估計(jì)器(18)，產(chǎn)生來自第一傳感器(10)的接收信號的方向的第一估計(jì)；至少一個(gè)第二估計(jì)器(20)，產(chǎn)生來自第二傳感器(12)的接收信號的方向的第二估計(jì)，并且其特征在于包括，一個(gè)控制器，把接收無線電信號的到達(dá)方向估計(jì)確定為所述第一和至少第二估計(jì)的函數(shù)。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中接收信號是電磁信號。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括一個(gè)用來在確定的到達(dá)方向上發(fā)射下行鏈路無線電信號的發(fā)射機(jī)(32)。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，響應(yīng)在所述第一與至少所述第二估計(jì)之間的相關(guān)確定下行鏈路信號的束寬。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用來確定信號—象例如在蜂窩移動通信系統(tǒng)中的接收無線電信號—的方向的方法和設(shè)備。至少兩個(gè)天線陣列(10、12)連接到有關(guān)的處理器(14、16)上以便抽取希望信號,并且聯(lián)系方向估計(jì)器(18、20)確定兩個(gè)獨(dú)立的到達(dá)方向估計(jì)。一個(gè)相似性測試單元(22)由兩個(gè)估計(jì)之差確定到達(dá)方向和該估計(jì)的精度。本發(fā)明的一個(gè)特征在于響應(yīng)方向估計(jì)和確定的精度來控制下行鏈路信號的束形式。
文檔編號G01S3/14GK1299469SQ99805859
公開日2001年6月13日 申請日期1999年5月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月6日
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