專利名稱：蜂窩無線通信系統(tǒng)中用于干擾抑制組合和下行鏈路波束成形的方法和設(shè)備的制作方法
背景本發(fā)明總的涉及蜂窩無線通信，更具體地，涉及到用于減小在信號組合基站中的接收天線之間的間隔和使用自適應(yīng)波束成形以改進(jìn)下行鏈路性能的方法和設(shè)備。
在數(shù)字蜂窩無線通信系統(tǒng)中，數(shù)字調(diào)制的射頻信號被用來在無線基站與移動臺之間傳送信息。無線基站發(fā)送下行鏈路信號到移動臺，以及接收由移動臺發(fā)送的上行鏈路信號。在數(shù)字蜂窩無線通信系統(tǒng)中出現(xiàn)的常見問題是，由于無線傳輸信道中可能存在的多徑衰落和干擾造成的在上行鏈路和下行鏈路信號中信息的損失。
對于前者，即多徑衰落，基本上有兩個多徑效應(yīng)衰落和時延分散。當(dāng)移動站和基站之間的路徑長度相對較短時，發(fā)射信號(或主射線)與它的幾乎同時到達(dá)接收機(jī)的反射信號(或回波)的相互作用會引起衰落。當(dāng)這種情況發(fā)生時，主射線和回波或者破壞性地疊加或者相長性地疊加。如果有許多回波，則破壞性和相長性疊加的圖形以Rayleigh(瑞利)分布出現(xiàn)，這就是為什么把這個效應(yīng)稱為“瑞利衰落”的原因。衰落圖形中(其中破壞性疊加導(dǎo)致衰落“凹坑”，)的某些點導(dǎo)致了接收信號的相對較低的載噪比(C/N)特性。
衰落“凹坑”的影響可通過具有多個接收天線和采用某種形式的分集組合，例如，選擇性組合、等增益組合、或最大比值組合而被減弱，其中來自各個接收天線的信號被組合來產(chǎn)生單個接收信號。分集技術(shù)利用了這一事實，即在不同天線上的衰落是不相同的，這樣當(dāng)一個接收天線接收衰落凹坑時，其它天線有可能不是這樣。參閱由William C.Y.Lee著的書，“Mobile Communication DesignFundamentals(移動通信設(shè)計原理)”，Howard W,Sams & Co.,Indiana,USA。在該書的3.5.1節(jié)，給出了幾個例子，描述來自兩個帶有分開的天線的接收機(jī)放大器的信號可如何組合以抵消衰落。
對于更長的路徑長度，當(dāng)回波相對于主射線被延遲時，出現(xiàn)時延分散。如果足夠大幅度的回波到達(dá)接收機(jī)比主射線被延遲的時間量為符號周期的量級，則時延分散會引起符號間干擾(ISI)。時延分散可通過使用均衡器被有利地校正。在數(shù)字信號調(diào)制的情況下，可使用最大似然序列估值(MLSE)均衡器，例如在“Digital Communication(數(shù)字通信)”(由John G.Proakis著，第二版，Mc-Graw Hill BookCompany,New York,New York,USA,1989)書中所描述的。在該書的6.7節(jié)，描述了通過使用MLSE均衡來檢測因時延分散、或符號間干擾(ISI)而受損的信號的各種不同方法。
無線環(huán)境中也可能存在這樣的信號源，它們與想要的信號是非正交的。非正交的信號，或干擾，常常來自于工作在相同頻率的無線裝置(即，同信道干擾)，或工作在相鄰頻帶的無線裝置(即相鄰信道干擾)。當(dāng)信道的載噪比(C/I)太低時，在移動臺處輸出的話音質(zhì)量很差。已經(jīng)發(fā)展了許多技術(shù)，以便使干擾最小化到可容忍的水平，這包括頻率復(fù)用方案和自適應(yīng)波束成形，它可被用來操縱天線的圖形使其在干擾源的方向上增益為零。
最近，提出了一些部分解決多徑衰落和干擾問題的方法。例如，在授予Backstrom等的美國專利5,191,598中，在存在衰落和時延分散時精確檢測信號的問題通過使用能為每個天線進(jìn)行其傳輸函數(shù)估計的Viterbi算法而被克服。美國專利5,191,598在此整體引用，以供參考。在IEEE Transaction on Vehicular Technology,Vol.42,No.4,Nov.1993,J.H.Winters:“Signal Acquisition and Trackingwith Adaptive Arrays in the Digital Mobile Radio System IS-54with Flat Fading(在具有平坦衰落的數(shù)字移動無線系統(tǒng)IS-54中用自適應(yīng)陣列的信號獲取與跟蹤)”中，提出了在存在衰落和干擾時精確檢測信號的另一種方法。
雖然以上所描述的傳統(tǒng)的技術(shù)可被用來改進(jìn)信號質(zhì)量，但仍有改進(jìn)的余地。因此，在本專利申請中，描述了干擾抑制組合(IRC)技術(shù)，例如，它通過使用有害分量相關(guān)(impairment correlations)來改進(jìn)最大似然序列估值而對抗干擾。
然而，本專利申請描述了可被用來改善信號接收的技術(shù)。例如，如果在無線基站中被使用，則這些技術(shù)將使得系統(tǒng)不平衡，即，上行鏈路的質(zhì)量將超過下行鏈路。如果系統(tǒng)不平衡，則系統(tǒng)設(shè)計將根據(jù)最弱的鏈路即下行鏈路來進(jìn)行，并且不能充分利用由在上行鏈路使用的IRC技術(shù)提供的所提高的質(zhì)量。例如，如果系統(tǒng)設(shè)計者想要通過減少頻率復(fù)用而以容量作為改進(jìn)質(zhì)量的代價，則他或她會由于下行鏈路質(zhì)量未得以改進(jìn)而被阻礙。
發(fā)明概要按照本發(fā)明的一個方面，申請人認(rèn)識到，雖然IRC技術(shù)提供了上行鏈路上的改進(jìn)，但對于下行鏈路不能得到同樣的改進(jìn)，因為移動單元典型地只包括一個單個天線。然而，在上行鏈路與下行鏈路之間具有不平衡的性能是不希望的，因為這不允許系統(tǒng)設(shè)計者充分開發(fā)因性能改進(jìn)而帶來的優(yōu)點，例如，增加的頻率復(fù)用。因此，按照本發(fā)明的一個示例性實施例，申請人通過使用波束成形技術(shù)來“操縱”基站傳輸使其朝向所需的移動臺，從而提高下行鏈路的性能。這樣，下行鏈路的性能通過使用波束成形技術(shù)而被改進(jìn)到類似于上行鏈路通過使用IRC技術(shù)而被改進(jìn)的程度。這允許系統(tǒng)設(shè)計者更充分地利用因改進(jìn)上行鏈路性能而帶來的系統(tǒng)設(shè)計中的變化。
按照本發(fā)明的另一個方面，包括IRC接收機(jī)的基站可配備一個天線系統(tǒng)，它包括兩個或多個間距很近的天線。例如，雖然傳統(tǒng)的分集基站可以有一對相隔10-20個波長的天線，但按照本發(fā)明的基站，在接收天線之間可以具有小得多的間隔，例如，在一個波長的量級或更小。這產(chǎn)生了更小型和審美上令人喜愛的基站，同時還允許基站接收機(jī)向基站發(fā)射機(jī)提供到達(dá)方向的信息，該信息被用于前面所描述的波束成形技術(shù)。
附圖簡述現(xiàn)在將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實施例，其中相同的說明標(biāo)號用來表示相同的元件

圖1顯示示例性蜂窩無線通信系統(tǒng)；圖2顯示傳統(tǒng)的基站和分集天線布置；圖3描繪了按照本發(fā)明的示例性基站；圖4以不同程度的細(xì)節(jié)顯示了圖3的示例性基站；圖5是按照本發(fā)明的示例性實施例的IRC接收機(jī)的方框圖；圖6顯示了按照本發(fā)明的示例性實施例的IRC接收機(jī)所確定的入射角θ；圖7顯示了按照本發(fā)明的示例性實施例的波束控制；
圖8是按照第一示例性實施例的IRB發(fā)射機(jī)的方框圖；以及圖9是按照第二示例性實施例的IRB發(fā)射機(jī)的方框圖。
詳細(xì)描述在以下說明中，為了解釋而不是限制，描述了具體細(xì)節(jié)，例如特定的電路、電路元件、技術(shù)等，以便提供對本發(fā)明的透徹了解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會看到，本發(fā)明可以在不同于這些特定細(xì)節(jié)的其它實施例中實施。在其它情況下，省略了對熟知的方法、器件、和電路的詳細(xì)說明，以免用不必要的細(xì)節(jié)妨礙對本發(fā)明的描述。
圖1中總的顯示了示例性蜂窩無線通信系統(tǒng)100。由系統(tǒng)100服務(wù)的地理區(qū)域可被再劃分為n個更小的無線覆蓋區(qū)域，稱為蜂窩小區(qū)110a-n，每個小區(qū)110a-n具有與它有關(guān)的各自的無線基站170a-n。每個基站170a-n具有與它有關(guān)的一個天線系統(tǒng)130a-n，其中特別是裝有發(fā)射和接收天線。使用六角形的小區(qū)110a-n是在圖形上說明分別與基站170a-n有關(guān)的無線覆蓋區(qū)域的一種方便的方式。實際上，小區(qū)110a-n可以是不規(guī)則形狀的、重疊的，且不一定是連續(xù)的。在小區(qū)110a-n內(nèi)的扇區(qū)分割也是可能的，并且是本發(fā)明打算要做的。
多個移動臺120a-m分布在小區(qū)110a-n內(nèi)?；?70a-n向分別位于相應(yīng)的小區(qū)110a-n的移動臺120a-m提供雙向無線通信。通常，移動臺的數(shù)目m大大多于無線基站數(shù)n。無線基站170a-n被耦合到移動電話交換中心(MTSO)150，而它本身則連接到公共交換電話網(wǎng)(PSTN)160，并由此連接到通信裝置180a-c。這個基本的蜂窩無線通信概念在技術(shù)上是熟知的，這里不再進(jìn)一步描述。
圖2顯示了傳統(tǒng)的基站天線系統(tǒng)130。兩個接收天線270A和270B相隔10-20個波長的距離，以便接收具有不相關(guān)的衰落圖案的信號。為接收具有不相關(guān)的衰落的上行鏈路信號所需要的間距隨不同地點而變化，但典型的經(jīng)驗法則是對半徑3-5千米的中等尺度的宏小區(qū)其接收天線之間采用10-20個波長的水平間隔距離。例如，在900MHz時所需距離在3和6米之間，這導(dǎo)致了很大的和不美觀的天線裝置，并會引起臺址選取與安裝的問題，特別是在城市小區(qū)中。分開的發(fā)射天線280可被安裝在兩個接收天線之間。天線可被做成為振子天線、微帶貼片陣列、或任何適當(dāng)?shù)妮椛浣Y(jié)構(gòu)。
圖3顯示了按照本發(fā)明的第一示例性實施例的改進(jìn)的天線系統(tǒng)130’。在那里，兩個接收天線270A’和270B’被放置成相對較為靠近。由于使用了IRC接收機(jī)，這樣做是可能的。如上所述，圖2的傳統(tǒng)的系統(tǒng)依賴于相隔足夠遠(yuǎn)的天線，以便提供具有不相關(guān)的衰落的信號，使該信號可被組合來提供具有改進(jìn)的C/N特性的復(fù)合信號(例如，比在衰落凹坑接收的信號好3.5-5.5dB的量級)。作為對比，IRC技術(shù)依賴于這一事實在特定的時間點，在由兩個相對較接近放置的天線接收的來自同一個源(例如移動臺)的信號之間的有害分量(干擾+噪聲)可以進(jìn)行相關(guān)。對有害分量的估值被用來改善對檢測到的符號的假設(shè)，而后者則抵消了干擾的有害影響。通過這樣地去除干擾，衰落凹坑的影響不是太大，特別是在受干擾所限的系統(tǒng)。
因此，雖然在結(jié)合IRC接收機(jī)使用的接收天線之間的間距可以是10-20個波長，但是也可使用更小的天線間距，因為IRC接收機(jī)所依賴的特性，即有害分量的相關(guān)性，對較小的間距仍保持有效。例如，按照本發(fā)明，天線270A’和270B’可被放置成間距小于10個波長，優(yōu)選地小于5個波長，例如，1-5個波長。也可預(yù)期，其間甚至可使用更小的間距，例如，0.5個波長，它在以下描述的示例性實施例中將是有用的，其中得出到達(dá)的方向的信息，被提供用于下行鏈路的波束操縱。天線可以，例如通過使用雙工濾波器而做成一個兩列的天線陣列。每列可以是垂直極化的，并具有65-75度的單元方向圖，例如有10-20個單元。天線寬度例如在1500MHz時可以大約是30cm。
圖3中顯示了簡化的改進(jìn)的基站170’，其中，為簡明起見，只顯示了一個單個發(fā)射機(jī)600和接收機(jī)500，雖然基站典型地將具有多個這樣的收發(fā)信機(jī)?；?70’本身包括雙工器300A-B，它們分別耦合到天線270A’和270B’。由接收天線270A’和270B’接收的上行鏈路信號分別通過雙工器300A-B被耦合到干擾抑制組合(IRC)接收機(jī)500，其中接收的上行鏈路信號如隨后的下文與圖中所描述的那樣被組合，在發(fā)射機(jī)端，來自波束成形發(fā)射機(jī)600的下行鏈路信號通過雙工器300A-B被耦合到天線270A’和270B’。
圖4示意地顯示了改進(jìn)的無線基站170’的方框圖，該基站170’具有多個接收機(jī)和發(fā)射機(jī)、改進(jìn)的天線系統(tǒng)130’、和基站控制器(BSC)400。雖然BSC400可以與無線基站170’位于同一地點，但天線130’一般和基站170’及BSC400有一定距離。按照本發(fā)明的第一實施例，天線系統(tǒng)130’包括至少兩個天線270A’和270B’，它們可以雙工方式既用于接收來自移動臺的上行鏈路信號又用于發(fā)射下行鏈路信號到移動臺。
位于蜂窩小區(qū)內(nèi)的移動臺使用由上行鏈路信息所數(shù)字調(diào)制的無線信號將上行鏈路信號發(fā)射到基站。如圖4所示，由天線270A’和270B’接收的上行鏈路信號被分別耦合到雙工器300A-B，隨后再分別到低噪聲放大器430A-B，在其中接收的上行鏈路信號被充分放大，以克服由基站的接收機(jī)電路引入的噪聲。放大的所接收的無線信號然后可被分別耦合到功率分配器410A-B，在其中放大的所接收的無線信號被分成多個輸出的接收信號。如果只需要單個無線信道，則不需要功率分配器410A-B。輸出的接收信號被耦合到干擾抑制組合(IRC)接收機(jī)500a-N，其中例如對于每個被分配給一個基站170’的信道有一個接收機(jī)。數(shù)目N代表被分配給小區(qū)或扇區(qū)的無線信道數(shù)。雖然接收機(jī)500a-N被顯示為分開的設(shè)備，但它可被做成一個組合件。每個IRC接收機(jī)500a-N接收起源于每個天線270A’和270B’的信號。每個IRC接收機(jī)500a-N的輸出是估值的上行鏈路信息的比特流，它代表由移動臺原先發(fā)送的上行鏈路信息。估值的上行鏈路信息被耦合到基站控制器400，它控制基站170’的運行，并提供到MTSO 150的接口。
為了把下行鏈路信息從基站發(fā)送到移動臺，從MTSO 150接收的下行鏈路信息信號被耦合到BSC400，它把下行鏈路信息信號引導(dǎo)到按照本發(fā)明的第二實施例的多個干擾抑制波束成形(IRB)無線發(fā)射機(jī)600a-M中的一個。雖然分集接收機(jī)數(shù)N和發(fā)射機(jī)數(shù)M可以是相等的，但這并不是必須的。每個IRB發(fā)射機(jī)600a-M接收來自相應(yīng)的IRC接收機(jī)500a-M的到達(dá)方向(DOA)信息，正如在隨后的下文和圖中所描述的。DOA信息在IRB發(fā)射機(jī)中用來產(chǎn)生在多個輸出信號之間的相位和幅度關(guān)系，這些信號隨后被加到天線270A’和270B’，用于操縱最終所得的輻射波束，以改進(jìn)在特定移動臺處接收的下行鏈路載波噪聲比。如圖4所示，每個IRB發(fā)射機(jī)600a-M用下行鏈路信息信號來數(shù)字化調(diào)制射頻信號，以產(chǎn)生兩個相應(yīng)的輸出的下行鏈路射頻信號。來自射頻發(fā)射機(jī)600a-M的下行鏈路射頻信號被耦合到功率合成器420A-B，在功率放大器440A-B中被放大，通過雙工器300A-B被耦合到270A’和270B’，并且作為下行鏈路信號被發(fā)射。
在圖5中，更詳細(xì)地顯示了IRC接收機(jī)。為了簡明起見，圖5只顯示了一個單個接收信道；這樣，圖5上未顯示雙工器310A-B、放大器430A-B、和功分器410A-B，它們在圖4上被顯示為位于天線270A’和270B’和IRC接收機(jī)500a-N之間。應(yīng)當(dāng)指出，圖4中所示的IRC接收機(jī)500a-N在功能上等效于圖5中所示的IRC接收機(jī)500；下標(biāo)號a-N是指不同的無線信道。
現(xiàn)在參照圖5，它顯示了干擾抑制組合分集接收機(jī)500的示意性方框圖。天線270A’上的接收的射頻信號包括由移動臺原先發(fā)送而被天線270A’和移動臺之間的信道效應(yīng)污損的信號，也包括在天線270A’處接收的有害分量。同樣地，天線270B’上的接收的射頻信號包括由移動臺原先發(fā)送而被天線270B’和移動臺之間的信道效應(yīng)污損的信號，也包括在天線270B’處接收的有害分量。
分別從天線270A’和270B’接收的上行鏈路射頻信號(在圖4所示的可選的放大和功率分配以后)被分別耦合到射頻單元510A-B。射頻單元510A-B按照已知的方法對接收的射頻信號進(jìn)行濾波和下變頻。下變頻的接收的射頻信號然后被分別耦合到模擬-數(shù)字(A-D)轉(zhuǎn)換器520A-B，在其中下變頻的射頻信號被采樣和被轉(zhuǎn)換成接收的信號樣本流。接收的信號樣本流被分別耦合到信號預(yù)處理器或同步塊530A-B，在其中，接收的信號樣本流和嵌在接收的射頻信號中的已知的定時/同步序列按照已知技術(shù)進(jìn)行相關(guān)。
接收的信號樣本流也被耦合到信道抽頭估值器540AB，以產(chǎn)生信道抽頭估值，它們用來對與每個天線270A’和270B’相聯(lián)系的無線傳輸信道建模。初始的信道抽頭估值可從同步相關(guān)值或按照已知技術(shù)的最小均方估值得出。隨后，已知的信道跟蹤技術(shù)可被用來更新信道估值，例如通過使用接收的數(shù)據(jù)和在序列估值處理器570中產(chǎn)生的初步的符號估計值。信道抽頭估值被輸入到分支度量處理器550。分支度量處理器550形成分支度量，它們被序列估值處理器570用來求出發(fā)送的信息符號序列的初步的和最后的估值。具體地，假定的符號值被來自方塊540A和540B的信道抽頭估值濾波以產(chǎn)生對于每個天線的假定的接收樣本。在假定的接收信息與來自方塊530A和530B的實際接收信息之間的差值被稱為假定誤差，它給出了具體假定的良好度的指示。該假定的誤差的平方值被用作為評估某個特定假定的度量。該度量對于不同的假定被累加，以便使用序列估值算法、例如維特比(Viterbi)算來確定哪個假定更好。
從有害分量相關(guān)估值器560得出的有害分量相關(guān)特性的估值也被耦合到分支度量處理器550。有害分量相關(guān)特性的估值包括在天線270A’和270B’之間的有關(guān)瞬時有害分量相關(guān)特性的信息。有害分量相關(guān)估值器使用有害分量處理估值來更新和跟蹤有害分量相關(guān)特性的估值。與傳統(tǒng)的技術(shù)不同，由處理器550構(gòu)成的分支度量因考慮到兩個天線接收的信號有關(guān)的有害分量之間的相關(guān)性而得到改進(jìn)。這個改進(jìn)的分支度量公式被總結(jié)如下，它在原先的專利申請中有更詳細(xì)的描述。
IRC技術(shù)擴(kuò)展傳統(tǒng)的分集組合技術(shù)利用了上面所描述的相關(guān)，從而實現(xiàn)了接收信號的質(zhì)量上的重大的增益。按照IRC技術(shù)構(gòu)成的分支度量Mh Mh(n)可由以下公式來描述。Mh(n)=[r(n)-c(n)sh(n)]HA(n)[r(n)-c(n)sh(n)]=ehH(n)A(n)eh(n)其中n是時間指數(shù)；r(n)=[ra(n),rb(n)]，是在每個天線上接收的信號樣本；C(n)=Ca(0)...Ca(n)Cb(0)...Cb(n)]]>是形式Cx(τ)的信道抽頭估值，其中τ是延時，即τ=0是主射線，τ=1是第一回波，等等；sh(n)=[sh(n),sh(n-1)...]T，是假定的信號樣本；z(n)=[za(n),zb(n)]T，是在每個天線上接收的信號有害分量；A(n)=Rzz(n)-1，或相關(guān)量，其中Rzz是有害分量相關(guān)矩陣，它等于預(yù)期值E(z(n)zH(n))；eh(n)=r(n)-C(n)sh(n)，是給定假設(shè)的有害分量的估值。
A(n)矩陣(即A-矩陣)是Rzz(n)矩陣的逆矩陣，或相關(guān)量，例如伴隨的或偽求逆的。正如對于閱讀本申請的本領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯而易見的，Rzz(n)和A(n)是有害分量相關(guān)特性的具體的例子，該相關(guān)特性的其它形式是熟知的。在下文中，術(shù)語A-矩陣從屬性來說是用來指有害分量相關(guān)特性的任何估值。
對本發(fā)明中所使用的A-矩陣的確定可以以多種方式來完成，這取決于具體應(yīng)用和所需要的性能。最簡單的方法是對A矩陣使用存儲在存儲器中的固定的數(shù)值組，它們是永不更新的。這些值主要取決于接收天線的結(jié)構(gòu)和所采用的載波頻率。一個可替代的方法是從同步信息確定A-矩陣以及在同步區(qū)之間或其它已知區(qū)之間保持A-矩陣數(shù)值不變。每當(dāng)出現(xiàn)新同步區(qū)時，可在使用或不使用先前的A-矩陣數(shù)值的情況下，重新計算A-矩陣。另一個替換的方法是使用同步區(qū)來初始化或改進(jìn)A-矩陣數(shù)值，然后使用根據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)符號作出的決定來跟蹤A-矩陣數(shù)值。
對于用來跟蹤A-矩陣數(shù)值的方法也給予了考慮。由于A-矩陣包括有關(guān)在天線270A’和270B’之間的有害分量相關(guān)特性的信息，所以可以應(yīng)用用于估值相關(guān)度量或反相關(guān)度量的標(biāo)準(zhǔn)估值方法。通過使用已知的或檢測到的符號值，有害分量數(shù)值可通過求取在接收信號樣本流和假定的接收信號樣本流之間的差值而得到。在時間n，這給出了有害分量值矢量，以z(n)表示；每個天線一個數(shù)值。構(gòu)成A-矩陣的直接方法被給出為Rxx(n)=λRxx(n-1)+Kz(n)zH(n)A(n)=Rzz-1(n)K是比例常數(shù)，典型地是1或(1-λ)]]>。因為Rzz(n)是厄米特矩陣，所以只需要計算一部分的矩陣元素。
這樣的直接方法的復(fù)雜性是相當(dāng)高的。減少復(fù)雜性的一個方法是應(yīng)用矩陣求逆法則，并把A-矩陣直接更新為A(n)=1λ[A(n-1)-(1λ-z(n)HP(n))P(n)PH(n)]]]>其中p(n)=A(n-1)z(n)因為A-矩陣是厄米特矩陣，所以只需要計算在對角線上的那些元素，以及在對角線上面的或下面的那些元素。
這些用于估值和跟蹤A-矩陣的技術(shù)只是為了說明的目的而給出的。通常，A-矩陣可以以各種方式被表示或被估值，這對于閱讀本申請的本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見的。本發(fā)明也可被應(yīng)用于盲均衡問題，在其中沒有已知的同步序列。在這種情況下，以類似于估值信道的方式來估值A(chǔ)-矩陣。
從上述的內(nèi)容可看到，在天線270A’上接收的信號有害分量與在天線270B’上接收的信號有害分量之間的相關(guān)被監(jiān)測和被用來改進(jìn)對在那些天線上接收的信息承載信號的處理。這種對有害分量相關(guān)的使用補(bǔ)償了干擾的影響。這樣，天線270A’和270B’不需要放置成相隔足夠遠(yuǎn)以便產(chǎn)生具有非相關(guān)的衰落的接收信號，因為即使在衰落凹坑期間，由于干擾的減小，想要的信號一般也能被識別。這允許本發(fā)明的實施例把接收天線之間的間距減小到對于使用傳統(tǒng)的空間分集技術(shù)是不可能的一個數(shù)量。
下行鏈路波束成形IRC算法因而可改進(jìn)基站接收機(jī)性能。然而，下行鏈路沒有被改進(jìn)，這樣系統(tǒng)的性能將是不平衡的，上行鏈路比下行鏈路好得多。本發(fā)明的第二實施例給出一種把這里在前面所描述的IRC技術(shù)與到達(dá)方向(DOA)的估值和下行鏈路波束成形相結(jié)合的方式，這樣有可能實現(xiàn)對下行鏈路的改善。
如上所述，傳統(tǒng)的空間分集要求接收天線間距在10-20個波長。由于天線放置的間隔距離大于一個波長，天線的響應(yīng)方向性圖中不同的波瓣(即非相關(guān)衰落)阻止基站從接收信號確定移動臺信號的DOA。然而，由于按照本發(fā)明的在接收天線270A’和270B’之間的間距可被做得相對較小，例如在0.5和1個波長之間，所以到達(dá)方向(DOA)的信息可如下面所描述地從接收信號中被提取。
參照圖6，假設(shè)θ是移動臺120的信號(相對于參考面705)的入射角，該信號的DOA信息是對于接收基站170所想要的。由于信號射線710和715的傳播時間將作為角度θ的函數(shù)而變化，所以角度θ可通過使用在天線270A’和270B’上接收的信號之間的相移和接收信號的協(xié)方差矩陣而被確定。有用信號從特定角度到達(dá)的概率P(θ)可被計算為P(θ)=[a(θ)]HRxxa(θ)其中a(θ)是包含每個天線對接收信號的響應(yīng)的矩陣；Rxx是有用信號的協(xié)方差矩陣，被定義為Rxx=Rrr-Rzz其中Rrr是接收信號的連續(xù)平均，它可被計算為
Rrr=E{r(n)[r(n)]H}；以及Rzz是如上面所規(guī)定的有害分量相關(guān)矩陣。
與特定的移動臺的接收信號有關(guān)的入射角然后被選擇為使得函數(shù)P(θ)最大化的宗量θ。為了使例如由衰落凹坑造成的瞬時的時間離散平滑化，到達(dá)方向θ可按大量上行鏈路突發(fā)脈沖(例如，5-10個或10-20個突發(fā)脈沖)作平均，以確定平均的(θavg)DOA信息(也可使用中值)。
到達(dá)方向信息被提供給干擾抑制波束成形(IRB)發(fā)射機(jī)600，其中θavg被用來計算在發(fā)射機(jī)輸出信號之間的相位偏置。所計算的相位偏置又被用來操縱從發(fā)射天線朝向預(yù)期的移動臺的最終下行鏈路輻射方向圖。典型地，在下行鏈路中被用于波束操縱的相位偏置由于在基站接收和發(fā)射天線結(jié)構(gòu)之間的差別將不同于在上行鏈路中所接收的信號之間測量到的相位偏置。為了確定用來達(dá)到想要的波束操縱角θ的發(fā)射相位偏置，系統(tǒng)使用在想要的角度θ和每個發(fā)射天線的響應(yīng)之間的已知關(guān)系。這些關(guān)系可被預(yù)先確定。作為一個說明性實例，考慮圖7所示的多個理想的線性發(fā)射天線ANT1-ANTN。在圖上，陣列中的每個天線以間距d被間隔開。假定，在天線之間沒有交叉耦合，則來自發(fā)射機(jī)660的要被耦合到每個發(fā)射天線的信號可在相應(yīng)的方塊中通過使用相對的天線響應(yīng)被互相相對地進(jìn)行移相，如以下的關(guān)系式所表示
其中t是天線號碼。
當(dāng)然，實際的天線陣列將不一定是理想的、線性的或沒有交叉耦合效應(yīng)的。因此，確定相對響應(yīng)的更實際的方法是測量對于多個波束操縱角度的響應(yīng)θ，并把那些響應(yīng)存儲在查找表中。然后可訪問查找表以便根據(jù)從IRC接收機(jī)接收的DOA信息提供合適的相移給每條傳輸路徑。
因此，對于上面描述的具有兩個發(fā)射天線的示例性系統(tǒng)，操縱是通過由波束成形發(fā)射機(jī)600所產(chǎn)生的兩個輸出信號之間提供所計算的發(fā)射相位偏置(并且可能是幅度非平衡的)而完成的。這可以在射頻(RF)上完成，如圖8所示，或在基帶上完成，如圖9所示。
參照圖8，來自IRC接收機(jī)500的DOA信息被耦合到波束操縱控制器630，在其中進(jìn)行計算相位偏置。在射頻發(fā)射機(jī)660中產(chǎn)生的下行鏈路信號在功分器中被分成多個輸出。雖然為了說明的簡明性起見，圖8中只顯示了兩個輸出端，但本發(fā)明可以預(yù)期，能夠有兩個以上的輸出端。在最簡單的實施例中，由波束成形發(fā)射機(jī)600產(chǎn)生的兩個輸出信號具有相等的幅度，但這不是必須的，并且更好的性能可以通過改變在由波束成形發(fā)射機(jī)600產(chǎn)生的兩個(或多個)輸出信號之間的相對幅度和相位而達(dá)到，不過這要以增加復(fù)雜性為代價。幅度偏移是在功分器650中提供的，它可選地被耦合到波束操縱控制器630。相位偏移是通過引入移相器640而被提供的，該移相器被波束操縱控制器630控制。兩個(或多個)輸出信號被耦合到天線270A’和270B’，并被輻射。由于兩個(或多個)輸出信號之間的相位(和可選的幅度不平衡)，天線270A’和270B’的最終輻射方向圖被指向根據(jù)其上行鏈路信號計算DOA信息的那個移動臺。
替換地，波束成形可發(fā)生在基帶，如圖9所示。來自IRC接收機(jī)500的DOA信息被耦合到波束操縱控制器630，在其中，DOA信息被用來計算所需要的相位(以及可能是幅度)偏置，以便操縱下行鏈路波束朝向移動臺的方向。相位(以及可能是幅度)信息被耦合到產(chǎn)生基帶信號的基帶處理器620。如前面提到的，雖然為簡明起見只顯示了兩個輸出，但具有兩個以上的輸出也完全屬于本發(fā)明的范圍。來自基帶處理器620的輸出被耦合到射頻發(fā)射機(jī)660A-B，其中基帶信號按照已知的技術(shù)被調(diào)制和被上變頻。最終的RF下行鏈路信號在可選的放大和組合(未示出)以后被耦合到天線270A’和270B’，并被輻射。由于在兩個(或多個)輸出信號之間的相位(和可選的幅度不平衡)，天線270A’和270B’的最終的輻射方向圖被指向根據(jù)其上行鏈路信號計算DOA信息的移動臺。
本發(fā)明的上述的示例性實施例是通過基站和具有兩個天線的天線系統(tǒng)來被描述的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會看到，本發(fā)明也可在具有兩個以上的天線的基站中實施。例如，不同的天線可被用于上行鏈路和下行鏈路。例如，兩個接收天線足以給出精確的DOA信息，而兩個以上的天線可被用于下行鏈路，以便進(jìn)一步增強(qiáng)下行鏈路的C/I。
因而按照本發(fā)明的示例性實施例，上行鏈路和下行鏈路信號質(zhì)量可同時被改善，例如3dB的C/I的量級。這種改善可被用于，例如在現(xiàn)有系統(tǒng)中提高頻率復(fù)用，并借此增加系統(tǒng)容量。例如，D-AMPS和PDC網(wǎng)絡(luò)可通過使用4/12頻率復(fù)用方式來代替今天典型地使用的7/21方式而運行。
雖然本發(fā)明是對于特定的實施例來描述的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會看到，本發(fā)明并不限制于在這里所描述和說明的具體實施例。除所顯示和描述的那些以外的不同的實施例和適應(yīng)例，以及許多改變、修正、和等價的裝置現(xiàn)在可通過上述的說明和附圖合理地被提出，而不背離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。雖然本發(fā)明是對于其優(yōu)選的實施例詳細(xì)地描述的，但應(yīng)當(dāng)明白，揭示的內(nèi)容對本發(fā)明只是說明性的和示例性的，僅僅是為了提供對本發(fā)明的充分和全能的公開揭示。因此，本發(fā)明打算只是由這里所附的權(quán)利要求的精神和范圍來限制。
權(quán)利要求
1．一個在用于傳輸信息符號的通信系統(tǒng)中的基站，包括天線陣列，用于接收上行鏈路射頻信號，所述天線陣列包括至少兩個天線，其中每個天線從所述射頻信號產(chǎn)生接收的樣本流；以及接收機(jī)，用于組合由來自所述至少兩個天線的所述至少兩個所接收樣本流提供的信息，以產(chǎn)生檢測的信息符號，所述接收機(jī)包括有害分量相關(guān)單元，它估計在有關(guān)所述至少兩個天線中的一個天線的有害分量和有關(guān)所述至少兩個天線中的另一個天線的有害分量之間的相關(guān)，并使用所述相關(guān)估值來組合所述至少兩個接收樣本流。
2．權(quán)利要求1的基站，其特征在于，其中所述至少兩個天線包括第一天線和第二天線，它們以小于10個所述射頻信號的波長相互隔開。
3．權(quán)利要求1的基站，其特征在于，其中所述至少兩個天線包括第一天線和第二天線，它們以小于5個所述射頻信號的波長相互隔開。
4．權(quán)利要求1的基站，其特征在于，其中所述至少兩個天線包括第一天線和第二天線，它們以小于1個所述射頻信號的波長相互隔開。
5．權(quán)利要求1的基站，其特征在于，還包括射頻發(fā)射機(jī)，用于產(chǎn)生下行鏈路射頻信號；功率分配器，用于把所述產(chǎn)生的下行鏈路射頻信號分成至少兩個輸出信號，所述至少兩個輸出信號的每一個被耦合到所述至少兩個天線中的一個；以及波束操縱控制器，用于從所述接收機(jī)接收到達(dá)方向的信息并使用所述到達(dá)方向的信息來產(chǎn)生至少一個相位偏置，所述至少一個相位偏置被用來調(diào)節(jié)所述至少兩個輸出信號中的至少一個輸出信號的至少一個相位。
6．權(quán)利要求1的基站，其特征在于，還包括基帶處理器，用于接收要被發(fā)射的信息信號和調(diào)制所述信息信號以產(chǎn)生至少兩個基帶信號；波束操縱控制器，用于從所述接收機(jī)接收到達(dá)方向的信息和使用所述到達(dá)方向的信息來產(chǎn)生至少一個相位偏置，所述至少一個相位偏置被所述基帶處理器用來產(chǎn)生所述至少兩個基帶信號中的至少一個基帶信號；以及至少兩個射頻發(fā)射機(jī)，用于接收所述至少兩個基帶信號，把所述至少兩個基帶信號處理成至少兩個射頻信號，以及把所述射頻信號耦合到所述至少兩個天線。
7．權(quán)利要求2的基站，其特征在于，其中所述基站為具有3-5千米的半徑的小區(qū)提供無線通信覆蓋。
8．一種為具有大于3千米的半徑的地理區(qū)域提供無線通信覆蓋的基站，包括天線陣列，用于接收上行鏈路射頻信號，所述天線陣列包括至少兩個天線，其中每個天線從所述射頻信號產(chǎn)生接收的樣本流，其中各個天線之間的間距小于10個所述射頻信號的波長；以及接收機(jī)，用于組合由來自所述至少兩個天線的所述至少兩個接收到的樣本流所提供的信息，以產(chǎn)生檢測的信息符號。
9．權(quán)利要求8的基站，其特征在于，其中所述間距小于5個所述射頻信號的波長。
10．權(quán)利要求8的基站，其特征在于，其中所述間距小于1個所述射頻信號的波長。
11．權(quán)利要求8的基站，其特征在于，還包括射頻發(fā)射機(jī)，用于產(chǎn)生下行鏈路射頻信號；功率分配器，用于把所述產(chǎn)生的下行鏈路射頻信號分成至少兩個輸出信號，所述至少兩個輸出信號的每一個被耦合到所述至少兩個天線中的一個；以及波束操縱控制器，用于從所述接收機(jī)接收到達(dá)方向的信息和使用所述到達(dá)方向的信息來產(chǎn)生至少一個相位偏置，所述至少一個相位偏置被用來調(diào)節(jié)所述至少兩個輸出信號的至少一個輸出信號的一個相位。
12．權(quán)利要求8的基站，其特征在于，還包括基帶處理器，用于接收要被發(fā)射的信息信號和調(diào)制所述信息信號以產(chǎn)生至少兩個基帶信號；波束操縱控制器，用于從所述接收機(jī)接收到達(dá)方向的信息和使用所述到達(dá)方向的信息來產(chǎn)生至少一個相位偏置，所述至少一個相位偏置被所述基帶處理器用來產(chǎn)生所述至少兩個基帶信號中的至少一個基帶信號；以及至少兩個射頻發(fā)射機(jī)，用于接收所述至少兩個基帶信號，把所述至少兩個基帶信號處理成至少兩個射頻信號，以及把所述射頻信號耦合到所述至少兩個天線。
13．一個基站，包括天線陣列，用于接收上行鏈路射頻信號，所述天線陣列包括至少兩個天線，其中每個天線從所述射頻信號產(chǎn)生接收的樣本流；以及接收機(jī)，用于組合由來自所述至少兩個天線的所述至少兩個接收樣本流提供的信息，以產(chǎn)生檢測的信息符號，所述接收機(jī)包括有害分量相關(guān)單元，它估計在有關(guān)所述至少兩個天線中的一個天線的有害分量和有關(guān)所述至少兩個天線中的另一個天線的有害分量之間的相關(guān)，并使用所述相關(guān)估值來組合所述至少兩個接收樣本流?；咎幚砥?，用于接收要被發(fā)射的信息信號和調(diào)制所述信息信號以產(chǎn)生至少兩個基帶信號；波束操縱控制器，用于從所述接收機(jī)接收到達(dá)方向的信息和使用所述到達(dá)方向的信息來產(chǎn)生至少一個相位偏置，所述至少一個相位偏置被所述基帶處理器用來產(chǎn)生所述至少兩個基帶信號中的至少一個基帶信號；以及至少兩個射頻發(fā)射機(jī)，用于接收所述至少兩個基帶信號，把所述至少兩個基帶信號處理成至少兩個射頻信號，以及把所述射頻信號耦合到所述至少兩個天線。
14．一個基站，包括天線陣列，用于接收上行鏈路射頻信號，所述天線陣列包括至少兩個天線，其中每個天線從所述射頻信號產(chǎn)生接收的樣本流；以及接收機(jī)，用于組合由來自所述至少兩個天線的所述至少兩個接收樣本流提供的信息，以產(chǎn)生檢測的信息符號，所述接收機(jī)包括有害分量相關(guān)單元，它估計在有關(guān)所述至少兩個天線中的一個天線的有害分量和有關(guān)所述至少兩個天線中的另一個天線的有害分量之間的相關(guān)，并使用所述相關(guān)估值來組合所述至少兩個接收樣本流。射頻發(fā)射機(jī)，用于產(chǎn)生下行鏈路射頻信號；功率分配器，用于把所述產(chǎn)生的下行鏈路射頻信號分成至少兩個輸出信號，所述至少兩個輸出信號的每一個被耦合到所述至少兩個天線中的一個；以及波束操縱控制器，用于從所述接收機(jī)接收到達(dá)方向的信息和使用所述到達(dá)方向的信息來產(chǎn)生至少一個相位偏置，所述至少一個相位偏置被用來調(diào)節(jié)所述至少兩個輸出信號的至少一個輸出信號的至少一個相位。
15．一種在基站和移動臺之間進(jìn)行通信的方法，包括以下步驟在基站上從至少兩個天線上接收來自所述移動臺的上行鏈路射頻信號；使用天線有害分量相關(guān)的估值來處理來自所述至少兩個天線的信號，以輸出檢測的符號；以及使用從所述處理步驟得出的信息來確定所述上行鏈路射頻信號的到達(dá)方向。
16．權(quán)利要求15的方法，其特征在于，還包括以下步驟通過使用所述到達(dá)方向的信息來操縱所述下行鏈路射頻信號使其朝向所述移動臺以便從所述基站發(fā)射下行鏈路射頻信號。
全文摘要
最近,已提出了干擾抑制組合(IRC)技術(shù),它能在有限的C/I的環(huán)境下顯著地提高上行鏈路的性能。IRC技術(shù)的另一個有利的特性在于,當(dāng)接收信號之間的相關(guān)增加時,它們的C/I性能并不惡化。IRC技術(shù)的這個特性在本發(fā)明中被利用來允許天線之間減小間距。按照本發(fā)明的另一個方面,下行鏈路的性能通過使用波束成形技術(shù)來“操縱”基站發(fā)射使其朝向想要的移動臺而被改善。這樣,下行鏈路的性能通過使用波束成形技術(shù)而被改善到類似于上行鏈路通過使用IRC技術(shù)而被改善的程度。這允許系統(tǒng)設(shè)計者更充分地利用有關(guān)改善上行鏈路性能的系統(tǒng)設(shè)計中的變化。
文檔編號H03M13/23GK1220787SQ9719515
公開日1999年6月23日 申請日期1997年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月31日
發(fā)明者U·福爾森, T·厄斯特曼, G·E·波托姆萊 申請人:艾利森電話股份有限公司