專利名稱：用于通信系統(tǒng)的控制技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通信系統(tǒng)的一種控制技術(shù)，更具體說，是涉及用于無線通信系統(tǒng)的一種控制技術(shù)。
無線通信應(yīng)用的持續(xù)增長，對提供無線電信服務(wù)的蜂窩系統(tǒng)容量施加的壓力，也在增長。蜂窩通信可用的有限頻譜，要求蜂窩系統(tǒng)必須增加網(wǎng)絡(luò)容量和增加對各種通信業(yè)務(wù)情景的適應(yīng)性。雖然引進(jìn)了數(shù)字蜂窩系統(tǒng)，增加了潛在的系統(tǒng)容量，但僅有這些增加，不足以滿足對容量增加的要求。其他增加系統(tǒng)容量的措施，諸如減小城區(qū)內(nèi)小區(qū)的大小，是滿足增長的要求所必須的。
眾所周知，在現(xiàn)有技術(shù)中，在宏小區(qū)覆蓋的地區(qū)內(nèi)，為應(yīng)付移動用戶密集度較高的地區(qū)，可以建立局域化的微小區(qū)和皮小區(qū)，這種移動用戶密集度較高的地區(qū)，有時(shí)稱為“熱點(diǎn)”。

圖1畫出一個(gè)宏小區(qū)10的例子，該宏小區(qū)10由包括兩個(gè)熱點(diǎn)30的基站20提供服務(wù)。通常，微小區(qū)可以為諸如交叉道路或大街等大道而建立，也可以為覆蓋諸如公共信道等主要業(yè)務(wù)干線而建立一系列微小區(qū)。微小區(qū)也可以分配給大的建筑物、航空港、和購物大街。皮小區(qū)與微小區(qū)類似，但一般覆蓋更小的區(qū)域，諸如高層建筑的一條辦公室走廊或一樓層。在該應(yīng)用中，“微小區(qū)”一詞用來代表微小區(qū)、皮小區(qū)、以及別種蜂窩結(jié)構(gòu)的任何其他“內(nèi)”層。在該應(yīng)用中，“宏小區(qū)”一詞則用來代表蜂窩結(jié)構(gòu)的最外層?！皞阈托^(qū)”可以是一宏小區(qū)或一微小區(qū)，只要有一小區(qū)被該傘型小區(qū)覆蓋。微小區(qū)能使額外的通信信道局限在實(shí)際需要的鄰域，從而在增加小區(qū)容量的同時(shí)，保持低的維護(hù)等級。
通常，宏小區(qū)傘型場地的覆蓋半徑超過1千米，并能為迅速移動的用戶服務(wù)，例如汽車中的人。每個(gè)微小區(qū)的場地通常由獨(dú)立的低功率的、小的無線電基站提供服務(wù)，該微小區(qū)有自己位于微小區(qū)內(nèi)的天線，主要處理緩慢移動的用戶，諸如行人。每個(gè)微小區(qū)場地通過傳輸媒體，如數(shù)字無線電傳輸或光纖，與一宏小區(qū)場地連接。微小區(qū)受一系列問題困擾，包括隨業(yè)務(wù)量波動而增加靈敏度，微小區(qū)間的干擾，和難于預(yù)測業(yè)務(wù)量強(qiáng)度。
隨著蜂窩系統(tǒng)容量的增加，小區(qū)的大小在減小，某些網(wǎng)絡(luò)已減小至0.5km的半徑，于是，同信道接口的控制便成為主要問題。使用微小區(qū)仍是進(jìn)一步增加容量的方法。在一種微蜂窩布局中，郊區(qū)的基站天線放在建筑物高度以下，并用低功率，使基站與移動臺之間的傳播特性主要由街道格局決定。相鄰小區(qū)的干擾被建筑物阻擋。
微蜂窩技術(shù)能顯著提高業(yè)務(wù)流密度，還能允許使用更小、功率更低的移動臺。微小區(qū)的使用要求改善交接技術(shù)，即越區(qū)切換技術(shù)，該技術(shù)能進(jìn)行快速且可靠的越區(qū)切換，例如在轉(zhuǎn)過街角時(shí)。使越區(qū)切換問題變得容易的一種方法，是采用“傘型小區(qū)”配置，該配置用常規(guī)的小區(qū)覆蓋微小區(qū)，使越區(qū)切換能在該傘型小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，在該小區(qū)內(nèi)不能識別適當(dāng)?shù)南噜彽奈⑿^(qū)。該方法還避免必須在郊區(qū)部署鄰接的微小區(qū)覆蓋區(qū)。
解決示于圖1的熱點(diǎn)問題的當(dāng)前方案，是在宏小區(qū)內(nèi)創(chuàng)立微小區(qū)，即在小區(qū)中引入分層體系。如圖2所示，在兩個(gè)熱點(diǎn)30處建立兩個(gè)微小區(qū)40。宏小區(qū)10則作為傘型小區(qū)。該方案要求在每個(gè)熱點(diǎn)覆蓋區(qū)內(nèi)安裝基站20’，這是昂貴的。此外，該方案假定熱點(diǎn)30是不隨時(shí)間移動的。
本發(fā)明對包含微小區(qū)的系統(tǒng)，提供一種新奇的通信管理技術(shù)，減小了包含微小區(qū)的常規(guī)通信系統(tǒng)的前述問題。特別是，本發(fā)明原理通過把微小區(qū)天線與宏小區(qū)天線并置，解決了前述的識別問題。
為了做到這一點(diǎn)，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，微小區(qū)基站使用了與宏小區(qū)天線并置的兩維(2D)天線陣列。該兩維天線陣列在水平方向和垂直方向兩個(gè)方向上都是可操縱的。微小區(qū)覆蓋區(qū)域的大小，依賴于到該小區(qū)基站天線的距離以及決定波束角擴(kuò)展的陣列的維數(shù)。
通過并置和可能共用其他公共的宏小區(qū)及微小區(qū)基站部件，還可以節(jié)省其他費(fèi)用。
在本發(fā)明中，“并置”可以規(guī)定為30英尺之內(nèi)，15英尺之內(nèi)較好，5英尺之內(nèi)更好，而2英尺之內(nèi)甚至更好。“并置”還可以規(guī)定為在同一天線塔上，而不管其分開的距離。
可以調(diào)整各濾波器分接頭的加權(quán)，把微小區(qū)的波束對準(zhǔn)宏小區(qū)內(nèi)任何需要的地點(diǎn)。宏小區(qū)與微小區(qū)之間的正交性，可以或者在頻域，或者在碼域獲得。對TDMA系統(tǒng)，可以在頻域獲得分離，而對CDMA系統(tǒng)，可以在頻域，也可以在碼域獲得分離。
圖1畫出包含移動用戶密集度較高地區(qū)的一個(gè)常規(guī)宏小區(qū)，移動用戶密集度較高的地區(qū)被稱為“熱點(diǎn)”。
圖2畫出采用常規(guī)辦法來解決熱點(diǎn)問題的一個(gè)宏小區(qū)。
圖3畫出本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施例中的通信管理技術(shù)。
圖4畫出本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施例中的基站。
圖5(a)和5(b)分別畫出按發(fā)射模式和接收模式，加于圖3兩維陣列的濾波器分接頭的加權(quán)。
圖6畫出用作接收機(jī)時(shí)圖4的基站。
圖7畫出用作發(fā)射機(jī)時(shí)圖4的基站。
圖8-15畫出不同數(shù)目濾波器分接頭及不同投射方向(look-diretion)時(shí)的波束圖和陣列響應(yīng)。
圖16-17畫出用于計(jì)算示例性濾波器分接頭的配置。
圖3按一個(gè)示例性實(shí)施例畫出本發(fā)明。如圖3所示，宏小區(qū)10由基站200提供服務(wù)。為了處理移動用戶密集度較高的兩個(gè)熱點(diǎn)30，本發(fā)明能識別每個(gè)熱點(diǎn)30所在地點(diǎn)上的微小區(qū)40。在與基站200相同的位置上設(shè)置兩維陣列50，用于每個(gè)被識別的熱點(diǎn)30/微小區(qū)40。為簡明起見，圖3只畫出一個(gè)兩維陣列50。每個(gè)兩維陣列50執(zhí)行三維波束成形功能，操縱微小區(qū)40對準(zhǔn)需要的地點(diǎn)，即熱點(diǎn)30。每個(gè)兩維陣列50在水平方向和垂直方向兩個(gè)方向上都是可操縱的。
圖4畫出兩維陣列50與基站200的關(guān)系。具體說，圖4畫出至少兩個(gè)天線單元22，至少兩個(gè)射頻(RF)模塊24，至少兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器/數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC)26，用于三維波束成形的兩維數(shù)字乘法器/濾波器27，常規(guī)的數(shù)字信號處理28，和濾波器分接頭加權(quán)52、54。
如上所述，可以調(diào)整每個(gè)天線單元22的濾波器分接頭加權(quán)52、54，以操縱波束60對準(zhǔn)宏小區(qū)10中任何需要的地點(diǎn)。波束操縱的例子示于圖5(a)和5(b)。如圖5(a)所示，在發(fā)射模式，可以改變分接頭加權(quán)Wij，使波束從基站200對準(zhǔn)宏小區(qū)10中給定的熱點(diǎn)30。具體說，加權(quán)W11，W12，W13等等，在xy平面內(nèi)水平地操縱波束的方向，而加權(quán)W11，W21，W31等等，在z平面內(nèi)垂直地操縱波束的方向，如圖5(a)所示。如圖5(b)所示，在接收模式，也可以改變分接頭加權(quán)Wil，使波束從宏小區(qū)10中給定熱點(diǎn)30對準(zhǔn)基站200。如上面結(jié)合圖5(a)所指出，加權(quán)W11，W12，W13等等，在xy平面內(nèi)水平地操縱波束的方向，而加權(quán)W11，W21，W31等等，在z平面內(nèi)垂直地操縱波束的方向，如圖5(b)所示。
圖6畫出用作接收機(jī)時(shí)的基站200，并舉例表明，當(dāng)按兩維接收局域化的波束圖時(shí)的空間濾波作用。如在圖6中所示，加權(quán)系數(shù)W1…N被用來對至少兩個(gè)天線單元的每一個(gè)的輸入，進(jìn)行加權(quán)，這些輸入然后輸入加法器62，產(chǎn)生接收信號，作為該陣列的響應(yīng)。類似地，圖7畫出用作發(fā)射機(jī)時(shí)的基站200。在圖6和7兩個(gè)圖中，波束除了在方位角(xy)方向，還要在垂直(z)方向局域化，為此需要另一套分接頭，供N個(gè)方位角分支中每一個(gè)使用。為簡明起見，該另一套分接頭從圖6和7中省去。
三維波束60的角擴(kuò)展，可以通過改變兩維陣列50中分接頭52、54的數(shù)目而改變。較多分接頭可產(chǎn)生較窄的波束；較少分接頭產(chǎn)生較寬的波束。此外，波束的“投射方向”也能夠通過分接頭加權(quán)而改變。分接頭數(shù)目一旦固定，該波束能夠在三維方向上操縱。圖8-9畫出0°投射方向的16個(gè)分接頭的波束。圖10-11畫出30°投射方向的16個(gè)分接頭的波束。圖12-13畫出50°投射方向的16個(gè)分接頭的波束。最后，圖14-15畫出0°投射方向的4個(gè)分接頭的波束。
如上所述，兩維陣列50可使波束60對準(zhǔn)宏小區(qū)10中任何地方，在該處，波束60的腳印還能夠改變。該靈活性為宏小區(qū)內(nèi)容量需求的變化提供巨大的適應(yīng)能力。
再有，天線的實(shí)際兩維陣列可以或者在兩維平面內(nèi)，或者在柱形表面或任何其他需要形狀的表面上。三維波束成形的基本原理不受陣列中各天線單元的實(shí)際位置影響。
現(xiàn)在，一個(gè)示例性濾波器分接頭的計(jì)算，結(jié)合圖16-17加以說明。具體說，圖16畫出天線陣列單元22的幾何條件；特別是圖16畫出有N個(gè)單元的天線陣列，間隔是d，投射方向?yàn)棣取＿M(jìn)入的RF信號波長為λ。圖17畫出到達(dá)波束成形器的各天線陣列輸入。如圖17所示，每天線單元0,1,…,N-1,N從進(jìn)入的RF信號接收一同相(I)和一正交(Q)分量。每個(gè)天線單元(0,1,…,N-1,N)還包含加權(quán)(W0，W1，…WN-1，WN)。第K個(gè)濾波器分接頭的復(fù)系數(shù)由wj=cos[2πKdλsinθ]-i·sin[2πKdλsinθ]]]>給出。
例如，如果N=16,d=0.25*λ，和θ=50°，對K=0至15，該16個(gè)濾波器分接頭的系數(shù)是1.00000.3593+0.9332i-0.7418+0.6706i-0.8923+0.4514i0.1006-0.9949i0.9646-0.2635i0.5925+0.8056i-0.5389+0.8424i-0.9797-0.2003i-0.1651-0.9863i0.8611-0.5084i0.7839+0.6209i-0.2798+0.9546i-0.9979+0.0650i
-0.4192-0.9079i0.6967-0.7174i這十六個(gè)數(shù)值代表施加在圖17的天線單元上的加權(quán)W0，W1，…WN-1，WN。這些加權(quán)乘以每個(gè)天線單元22接收的同相(I)和正交(Q)單元，產(chǎn)生天線單元的輸出。這些輸出在波束成形器中相加，產(chǎn)生波束成形器的輸出I和Q。
如前所述，對TDMA系統(tǒng)，通過在微小區(qū)與傘形小區(qū)之間執(zhí)行動態(tài)的頻率分配，可以使宏小區(qū)與微小區(qū)在頻率上分離。對CDMA系統(tǒng)，既可以在頻域，也可以在碼域上分離。
雖然已經(jīng)結(jié)合上述優(yōu)選實(shí)施例說明了本發(fā)明，但正如本領(lǐng)域一般人員所熟知，這些實(shí)施例仍可以有許多變化。尤其是，如上所述，宏小區(qū)10的天線是一全向天線。但是，宏小區(qū)10也可以用一n-維陣列(n≥1)實(shí)現(xiàn)。
正如在圖5(a)、5(b)、6、和7及上述說明所表明，兩維乘法器/濾波器27包括多個(gè)乘法器。但是，該兩維乘法器/濾波器27還可以包括空間時(shí)間濾波器，從而還能進(jìn)行濾波和卷積。
如上所述，本發(fā)明既可以用于TDMA系統(tǒng)，也可以用于CDMA系統(tǒng)。但是，本發(fā)明還可以用于任何數(shù)量的通信系統(tǒng)。
本發(fā)明已如上說明，但顯而易見，本發(fā)明可以有許多不同的變化。這些變化不能認(rèn)為偏離本發(fā)明的精神和范圍，從而，正如本領(lǐng)域熟練人員顯而易見的，所有這些變化都應(yīng)認(rèn)為包括在下述權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種服務(wù)于宏小區(qū)的基站，該基站包括至少一個(gè)方向可操縱的N維(N≥2)陣列，與所述基站的天線并置，以便向該宏小區(qū)內(nèi)的微小區(qū)提供服務(wù)。
2．按照權(quán)利要求1的基站，其中所述至少一個(gè)方向可操縱的服務(wù)于微小區(qū)的N維陣列，與服務(wù)于宏小區(qū)的天線，并置在一天線塔上。
3．按照權(quán)利要求1的基站，其中的微小區(qū)包括一熱點(diǎn)。
4．按照權(quán)利要求1的基站，其中所述基站包括用于該宏小區(qū)內(nèi)每個(gè)微小區(qū)的一個(gè)方向可操縱的N維(N≥2)陣列。
5．按照權(quán)利要求1的基站，所述至少一個(gè)方向可操縱的N維陣列還包括，至少兩個(gè)天線單元，和一N維數(shù)字濾波器，用于從所述至少兩個(gè)天線單元接收輸入，并處理該輸入，以產(chǎn)生波束成形的輸出。
6．按照權(quán)利要求5的基站，其中所述至少兩個(gè)天線單元的輸入和輸出中至少一個(gè)，是被加權(quán)的，以操縱所述至少一個(gè)方向可操縱N維陣列的合成輸出波束。
7．按照權(quán)利要求6的基站，其中所述至少兩個(gè)天線單元的輸入和輸出中至少一個(gè)，是用可變?yōu)V波器分接頭加權(quán)進(jìn)行加權(quán)的。
8．按照權(quán)利要求1的基站，其中所述至少一個(gè)方向可操縱的N維(N≥2)陣列，是向一熱點(diǎn)提供服務(wù)的。
9．按照權(quán)利要求6的基站，其中所述至少一個(gè)方向可操縱N維陣列的合成輸出波束的角擴(kuò)展和投射方向，是用改變?yōu)V波器分接頭的數(shù)目來改變的。
10．按照權(quán)利要求5的基站，其中把所述至少兩個(gè)天線單元，布置在兩維平面內(nèi)或布置在柱面上。
11．按照權(quán)利要求9的基站，其中各濾波器分接頭的復(fù)系數(shù)由wj=cos[2πKdλsinθ]-i·sin[2πKdλsinθ]]]>給出，這里K=濾波器分接頭，d=天線單元間隔，θ=合成輸出波束的投射方向，和λ=入射信號波長。
12．按照權(quán)利要求1的基站，其中所述基站是TDMA系統(tǒng)的一部分，而且宏小區(qū)和微小區(qū)是在頻域上分離的。
13．按照權(quán)利要求1的基站，其中所述基站是CDMA系統(tǒng)的一部分，而且宏小區(qū)和微小區(qū)是在頻域和碼域之一上分離的。
14．一種向宏小區(qū)中至少一個(gè)微小區(qū)提供服務(wù)的方法，該方法包括把至少一個(gè)方向可操縱的N維(N≥2)陣列與所述基站的天線并置；操縱該至少一個(gè)方向可操縱的N維(N≥2)陣列的合成波束，指向該至少一個(gè)微小區(qū)。
15．按照權(quán)利要求14的方法，其中所述至少一個(gè)方向可操縱的服務(wù)于微小區(qū)的N維陣列，與服務(wù)于宏小區(qū)的天線，并置在一天線塔上。
16．按照權(quán)利要求14的方法，其中的微小區(qū)包括一熱點(diǎn)。
17．按照權(quán)利要求14的方法，其中所述并置步驟，包括把宏小區(qū)內(nèi)每個(gè)微小區(qū)使用的方向可操縱N維(N≥2)陣列，與基站并置。
18．按照權(quán)利要求14的方法，其中該至少一個(gè)方向可操縱的N維陣列，包括至少兩個(gè)天線單元和一N維數(shù)字濾波器，用于從該至少兩個(gè)天線單元接收輸入，并處理該輸入，以產(chǎn)生波束成形的輸出。
19．按照權(quán)利要求18的方法，還包括對所述至少兩個(gè)天線單元的輸入和輸出中至少一個(gè)進(jìn)行加權(quán)，以操縱所述至少一個(gè)方向可操縱N維陣列的合成輸出波束。
20．按照權(quán)利要求19的方法，其中所述加權(quán)步驟，包括對該至少兩個(gè)天線單元的輸入和輸出中至少一個(gè)，用可變?yōu)V波器分接頭加權(quán)進(jìn)行加權(quán)。
21．按照權(quán)利要求14的方法，其中該至少一個(gè)方向可操縱的N維陣列，是向一熱點(diǎn)提供服務(wù)的。
22．按照權(quán)利要求19的方法，還包括改變該至少一個(gè)方向可操縱N維陣列的合成輸出波束的濾波器分接頭數(shù)目，以改變該合成輸出波束的角擴(kuò)展和投射方向。
23．按照權(quán)利要求18的方法，還包括把該至少兩個(gè)天線單元，布置在兩維平面內(nèi)或布置在柱面上。
24．按照權(quán)利要求22的方法，其中該多個(gè)濾波器分接頭的復(fù)系數(shù)，由wj=cos[2πKdλsinθ]-i·sin[2πKdλsinθ]]]>給出，這里K=濾波器分接頭，d=天線單元間隔，θ=合成輸出波束的投射方向，和λ=入射信號波長。
25．按照權(quán)利要求14的方法，其中的基站是TDMA系統(tǒng)的一部分，而且宏小區(qū)和微小區(qū)是在頻域上分離的。
26．按照權(quán)利要求14的方法，其中的基站是CDMA系統(tǒng)的一部分，而且宏小區(qū)和微小區(qū)是在頻域和碼域之一上分離的。
27．一種服務(wù)于宏小區(qū)的基站，該基站包括方向可操縱的N維(N≥2)陣列裝置，與所述基站的天線并置，以便向該宏小區(qū)內(nèi)的微小區(qū)提供服務(wù)。
28．按照權(quán)利要求27的基站，其中所述方向可操縱的服務(wù)于微小區(qū)的N維陣列裝置，與服務(wù)于宏小區(qū)的天線，并置在一天線塔上。
29．按照權(quán)利要求27的基站，其中的微小區(qū)包括一熱點(diǎn)。
30．按照權(quán)利要求27的基站，其中所述基站包括用于該宏小區(qū)內(nèi)每個(gè)微小區(qū)的一個(gè)方向可操縱的N維(N≥2)陣列裝置。
31．按照權(quán)利要求27的基站，所述方向可操縱的N維(N≥2)陣列裝置還包括，至少兩個(gè)天線單元，和N維數(shù)字濾波器裝置，用于從所述至少兩個(gè)天線單元接收輸入，并處理該輸入，以產(chǎn)生波束成形的輸出。
32．按照權(quán)利要求31的基站，其中所述至少兩個(gè)天線單元的輸入和輸出中至少一個(gè)，是被加權(quán)的，以操縱所述方向可操縱N維陣列裝置的合成輸出波束。
33．按照權(quán)利要求32的基站，其中所述至少兩個(gè)天線單元的輸入和輸出中至少一個(gè)，是用可變?yōu)V波器分接頭加權(quán)進(jìn)行加權(quán)的。
34．按照權(quán)利要求27的基站，其中所述方向可操縱的N維(N≥2)陣列裝置，是向一熱點(diǎn)提供服務(wù)的。
35．按照權(quán)利要求32的基站，其中所述方向可操縱N維陣列裝置的合成輸出波束的角擴(kuò)展和投射方向，是用改變?yōu)V波器分接頭的數(shù)目來改變的。
36．按照權(quán)利要求31的基站，其中把所述至少兩個(gè)天線單元，布置在兩維平面內(nèi)或布置在柱面上。
37．按照權(quán)利要求35的基站，其中各濾波器分接頭的復(fù)系數(shù)由wj=cos[2πKdλsinθ]-i·sin[2πKdλsinθ]]]>給出，這里K=濾波器分接頭，d=天線單元間隔，θ=合成輸出波束的投射方向，和λ=入射信號波長。
38．按照權(quán)利要求27的基站，其中所述基站是TDMA系統(tǒng)的一部分，而且宏小區(qū)和微小區(qū)是在頻域上分離的。
39．按照權(quán)利要求27的基站，其中所述基站是CDMA系統(tǒng)的一部分，而且宏小區(qū)和微小區(qū)是在頻域和碼域之一上分離的。
全文摘要
一種用于通信系統(tǒng)的控制技術(shù),其中把微小區(qū)基站與宏小區(qū)基站并置。該微小區(qū)基站隨各個(gè)熱點(diǎn)在宏小區(qū)內(nèi)的移動而跟蹤各個(gè)熱點(diǎn)。該微小區(qū)基站可以使用與宏小區(qū)天線并置的兩維(2－D)天線陣列。該兩維天線在水平和垂直方向兩個(gè)方向上是可操縱的。微小區(qū)覆蓋區(qū)域的大小,依賴于離小區(qū)基站天線的距離以及陣列的維數(shù),后者決定波束的角擴(kuò)展?？梢哉{(diào)整濾波器分接頭的加權(quán),使波束對準(zhǔn)宏小區(qū)內(nèi)任何需要的地點(diǎn)。
文檔編號H01Q3/26GK1325241SQ0111918
公開日2001年12月5日 申請日期2001年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月24日
發(fā)明者撒迪厄斯·約翰·加巴拉, 賽德·昂·穆塔巴 申請人:朗迅科技公司