專利名稱：高頻譜效用的高容量無線通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)，特別是涉及利用天線矩陣和信號處理以顯著地增加無線通信系統(tǒng)的容量和性能。
無線用戶利用諸如蜂窩電話和設(shè)置在無線收發(fā)射機上的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器的遠(yuǎn)程終端訪問無線通信系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)(特別是遠(yuǎn)程終端)具有用于初始呼叫，接收呼叫和總的信息傳遞的協(xié)議。信息傳遞可以時實方式實現(xiàn)，諸如以電路交換話音通話和傳真的情況，或者以存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式實現(xiàn)，諸如經(jīng)常為電子郵件，尋呼和其他類似的消息傳遞系統(tǒng)。
為了工作，無線通信系統(tǒng)通常要被分配有一部分射頻頻譜。被分配的這部分頻譜被分成多個通信信道。這些信道可通過頻率、時間、編碼、或上述的組合來區(qū)別。這些信道中的每一個在這里將被稱作″常規(guī)信道″。取決于可用的頻率分配，無線系統(tǒng)可能具有從一個到幾百個通信信道。為了提供全雙工通信鏈路，典型地是，這些通信信道中的一些被用作從基站到用戶遠(yuǎn)程終端的通信(下行鏈路)，而還有一些被用作從用戶遠(yuǎn)程終端到基站的通信(上行鏈路)。
無線通信系統(tǒng)通常具有一個或多個無線基站，其中每一個都覆蓋一個稱為網(wǎng)孔的地理區(qū)域，并經(jīng)常作為一個提供與諸如公共電話交換網(wǎng)(PSTN)的廣域網(wǎng)連接的存在點(POP)。在使系統(tǒng)的用戶所受干擾量最小化的每次嘗試中，經(jīng)常將可用信道的一個預(yù)定子集分配給每個無線基站。在其網(wǎng)孔內(nèi)，一個無線基站能通過使用用于每個遠(yuǎn)程終端的不同的通常的通信信道同時與多個遠(yuǎn)程終端通信。
如上所述，基站能夠起著提供與一個或多個有線通信系統(tǒng)連接的POP的作用。所述系統(tǒng)包括局域數(shù)據(jù)網(wǎng)，廣域數(shù)據(jù)網(wǎng)和PSTN。這樣，向用戶提供對局域和/或廣域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和局域公共電話系統(tǒng)的訪問。基站還可被用于提供局域連接，而無需直接訪問有線網(wǎng)，例如在局域區(qū)域中的急救和移動戰(zhàn)地通信系統(tǒng)?；具€能提供各種各樣的連接。在上述的例子中，假設(shè)為點對點通信，其中兩用戶間雙向流動的信息量基本相等。在其他諸如交互性電視的應(yīng)用中，信息被同時向所有用戶廣播，在基站中將對來自多個遠(yuǎn)端單元的響應(yīng)進行處理。
因此，本發(fā)明的一個目的是利用天線矩陣和信號處理將接收的(上行鏈路)信號的組合分開。本發(fā)明的另一個目的是發(fā)送空間復(fù)用的下行信號。其結(jié)果是顯著地提高了無線通信系統(tǒng)的頻譜效率、容量、信號質(zhì)量和覆蓋區(qū)域。通過允許多個用戶同時共享一個網(wǎng)孔內(nèi)的同一通常信道而彼此互不干擾，以及通過允許在覆蓋多個網(wǎng)孔的地理區(qū)域內(nèi)的同一通常信道的多次頻率重用使容量增加。信號質(zhì)量和覆蓋區(qū)域是通過對從多個天線部件接收和發(fā)射的信號的智能處理來改進。此外，本發(fā)明的又一個目的是通過動態(tài)地分配在基站和遠(yuǎn)端單元中的通常信道提供容量增益。
簡單地說，本發(fā)明包括天線矩陣和信號處理裝置，用于對無線通信系統(tǒng)中的接收機和發(fā)射機的空間特征進行測量，計算，存儲和使用，以提高系統(tǒng)容量、信號質(zhì)量、和覆蓋范圍，降低整個系統(tǒng)的成本。天線矩陣和信號處理裝置可使用在基站(POP)和遠(yuǎn)程終端中。通常，在基站中有著與遠(yuǎn)程終端不同的處理要求，在基站中多個信號要被集中，而在遠(yuǎn)程終端中通常僅有有限數(shù)量的通信鏈路要進行按排。
作為一個例子，在無線局域環(huán)路應(yīng)用中，一個特定的基站可能作為多個遠(yuǎn)程終端的POP，并使用了這里所述的天線矩陣和信號處理。此外，遠(yuǎn)程終端能夠使用天線矩陣和信號處理以進一步改進其容量和信號質(zhì)量超過處理很少通信鏈路的較簡單的遠(yuǎn)程終端。在這里，基站與遠(yuǎn)程終端的區(qū)別在于基站一般起著集中器的作用，同時連接多個遠(yuǎn)端單元，可能地提供與廣域網(wǎng)高容量的連接。雖然為了簡化的緣故后面的許多討論以不使用天線矩陣的簡單遠(yuǎn)程終端的術(shù)語表示，但這將不會防礙它的應(yīng)用。這樣，雖然當(dāng)天線矩陣被使用在遠(yuǎn)程終端中時上面所述的空間結(jié)構(gòu)將與遠(yuǎn)程終端首先相關(guān)，但基站也具有相關(guān)的空間特征。
簡單地說，在一個特定的頻道上存在著兩個與每個遠(yuǎn)程終端/基站對相關(guān)的空間特征。這里，為了討論的目的，假設(shè)只有基站具有天線矩陣?；臼蛊渚W(wǎng)孔內(nèi)的每個遠(yuǎn)程終端相關(guān)聯(lián)，一個空間特征涉及遠(yuǎn)程終端如何接收通過該基站的天線矩陣發(fā)送給它的信號，另一個空間特征涉及基站的天線矩陣如何接收由該遠(yuǎn)程終端發(fā)送的信號。在一個具有多個通常信道的系統(tǒng)中，每個遠(yuǎn)程終端/基站對都具有用于每個通常信道的發(fā)送和接收空間特征。
接收空間特征的特征在于基站天線矩陣如何在一個特定的通常信道接收來自該特定遠(yuǎn)程終端的信號。在一個實施例中，它是一個復(fù)合矢量，包括每個天線部件接收器的響應(yīng)(相對于一個基準(zhǔn)的幅度和相位)，即為一個M個元素矩陣abr＝[abr(1)，abr(2)，……abr(m)]T(1)其中abr(i)是第i個接收器對從遠(yuǎn)程終端發(fā)送的單位功率信號的響應(yīng)。假設(shè)由遠(yuǎn)程終端發(fā)送的是一個窄帶信號sr(t)，則基站接收機在時間t的輸出由下式給定zb(t)＝abrsr(t-τ)+nb(t) (2)其中τ是考慮了遠(yuǎn)程終端與基站天線矩陣之間的平均傳播延遲，而nb(t)表示存在于環(huán)境和接收機中的噪聲。
發(fā)送空間特征的特征在于遠(yuǎn)程終端如何在一特定的通常信道接收來自基站中每個天線矩陣部件的信號。在一個實施例中，它是一個復(fù)合矢量，包括每個天線矩陣部件發(fā)射機輸出(被包含在遠(yuǎn)程終端輸出中)的相對量值(相對于一個基準(zhǔn)的幅度和相位)，即為一個M個元素矩陣arb＝[arb(1)，arb(2)，……arb(m)] (3)其中arb(i)是相對于從基站矩陣的第i個部件發(fā)送的單位功率信號該遠(yuǎn)程終端接收機輸出的幅度和幅度位(相對于某個固定基準(zhǔn))。假設(shè)復(fù)合信號的矢量sb＝[sb(1)，…，sb(m)]T從天線矩陣發(fā)送，則遠(yuǎn)程終端接收機的輸出將由下式給定zr(t)＝arbsb(t-τ)+nr(t) (4)其中nr(t)表示存在于環(huán)境和接收機中的噪聲。在每個基站為其網(wǎng)孔中的每個遠(yuǎn)程終端和為每個通常信道計算(估計)這兩個空間特征，并將其存儲在基站中。對于在穩(wěn)定環(huán)境中的固定遠(yuǎn)程終端和基站，空間特征可以不經(jīng)常更新。然而，一般的說，射頻傳播環(huán)境中基站和遠(yuǎn)程終端之間的變化能夠改變所述特征并要求使它們更新。今后請注意，括號內(nèi)的時間變量將被去掉括號內(nèi)的整數(shù)將僅被用來對矢量和矩陣進行標(biāo)記。
在前面的討論中，假設(shè)為暫態(tài)匹配接收機和發(fā)射機。如果在各暫態(tài)響應(yīng)之間存在不同，則可使用如眾所周知的暫態(tài)濾波技術(shù)使其均衡。此外，假使信道帶寬比工作的中心頻率小。大帶寬信道可能需要一個以上的復(fù)合矢量以精確地描述輸出，如眾所周知的。
當(dāng)一個以上的遠(yuǎn)程終端想要在同一時刻通信時，在基站處的信號處理裝置利用遠(yuǎn)程終端的空間特征確定它們的子集是否能通過共享一個通常信道與基站通信。在一個具有M個接收和M個發(fā)送天線部件的系統(tǒng)中，多至M個遠(yuǎn)程終端可以在同一時刻共享同一個通常信道。
當(dāng)多個遠(yuǎn)程終端正共享一個單一的通常的上行鏈路信道時，在基站處的多個天線部件每一個都對到達(dá)的上行鏈路信號和噪聲的組合進行測量。這種組合是由于天線的相對位置、遠(yuǎn)程終端的位置和RF傳播環(huán)境造成的。信號處理裝置對空間去復(fù)用加權(quán)值進行計算以使得上行鏈路信號能夠從由多個天線部件測量的上行鏈路信號的組合中分離開來。
當(dāng)在不同的下行鏈路信號將要從基站發(fā)送到遠(yuǎn)程終端的應(yīng)用中，信號處理裝置計算被用來產(chǎn)生復(fù)用下行鏈路信號的空間復(fù)用加權(quán)值，當(dāng)從在基站處的天線部件發(fā)送時，該加權(quán)值導(dǎo)致產(chǎn)生將在每個遠(yuǎn)程終端接收的具有合適信號質(zhì)量的正確的下行鏈路信號。
當(dāng)在相同的信號將要由基站發(fā)送到大量的(大于天線部件數(shù))遠(yuǎn)程終端的應(yīng)用中，信號處理裝置計算用于廣播信號，覆蓋必要區(qū)域的合適加權(quán)值，以到達(dá)所有的遠(yuǎn)程終端。
因此，信號處理裝置使得一個基站與多個遠(yuǎn)程終端之間在同一通常信道上同時通信變得方便。通常信道可以是頻率信道，時分復(fù)用系統(tǒng)中的時隙，碼分多址系統(tǒng)中的碼子，或上述的任何組合。
在一個實施例中，一個單一天線矩陣的所有部件發(fā)送和接收射頻信號，而在另一實施例中，該天線矩陣包括分開的發(fā)送天線部件和接收天線部件。發(fā)送和接收部件的數(shù)量不必相同。如果它們不同，則在一個通常信道中能被同時建立的點對點鏈路的最大數(shù)量由兩個數(shù)字中較小者給定。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個基站的功能框圖。
圖2是在所述基站中的多信道接收機的功能框圖。
圖3是在所述基站中的一個空間去復(fù)用器的功能框圖。
圖4示出了用于一特定通常信道上的一個遠(yuǎn)程終端的空間復(fù)用器的功能框圖。
圖5是在所述基站中的一個多信道發(fā)射機的功能框圖。
圖6是在所述基站中的一個空間處理器的功能框圖。
圖7是一個具有發(fā)送-應(yīng)答器開關(guān)的遠(yuǎn)程終端的功能框圖。
圖8是一個遠(yuǎn)程終端的功能框圖。
圖9是一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的示意圖，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由三個基站和一個多基站控制器組成。
標(biāo)號表1.基站2.基站通信鏈路3.基站控制器4.解調(diào)的接收信號5.空間分離的上行鏈路信號6.接收信號測量值7.去復(fù)用加權(quán)值8.要被定向發(fā)送的數(shù)據(jù)9.將被多路復(fù)用發(fā)送的已調(diào)信號10.已調(diào)的、將被發(fā)送的空間多路復(fù)用信號11.將被發(fā)送的校準(zhǔn)信號12.復(fù)用加權(quán)值13.空間處理器14.多信道發(fā)射機15.多信道接收機16a.多信道接收機16m.多信道接收機17a.多信道發(fā)射機17m.多信道發(fā)射機18a.發(fā)射天線18m.發(fā)射天線19a.接收天線19m.接收天線20.空間去復(fù)用器21.加法器22a.多路復(fù)用器22m.多路復(fù)用器23.空間多路復(fù)用器24.信號調(diào)制器25.信號解調(diào)器26a.多路復(fù)用器26m.多路復(fù)用器27.空間控制數(shù)據(jù)28.空間參數(shù)數(shù)據(jù)
29.公共接收機振蕩器30.接收機控制數(shù)據(jù)31.發(fā)射機控制數(shù)據(jù)32.公共發(fā)射機振蕩器33.空間處理器控制器34.有效遠(yuǎn)程終端表35.信道選擇器36.遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)庫37.空間加權(quán)處理器38.空間特征處理器39.遠(yuǎn)程終端天線40.遠(yuǎn)程終端雙工器41.遠(yuǎn)程終端雙工器輸出42.遠(yuǎn)程終端接收機43.遠(yuǎn)程終端接收的信號44.遠(yuǎn)程終端接收的校準(zhǔn)信號45.遠(yuǎn)程終端解調(diào)器46.遠(yuǎn)程終端解調(diào)的數(shù)據(jù)47.遠(yuǎn)程終端鍵盤和鍵盤控制器48.遠(yuǎn)程終端鍵盤數(shù)據(jù)49.遠(yuǎn)程終端顯示器數(shù)據(jù)50.遠(yuǎn)程終端顯示器和顯示器控制器51.遠(yuǎn)程終端調(diào)制器52.要被發(fā)送的遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)53.要被發(fā)送的遠(yuǎn)程終端已調(diào)數(shù)據(jù)54.遠(yuǎn)程終端發(fā)射機55.遠(yuǎn)程終端發(fā)射機輸出56.遠(yuǎn)程終端發(fā)射機控制數(shù)據(jù)57.遠(yuǎn)程終端接收機控制數(shù)據(jù)58.遠(yuǎn)程終端麥克風(fēng)59.遠(yuǎn)程終端麥克風(fēng)信號60.遠(yuǎn)程終端揚聲器61.遠(yuǎn)程終端揚聲器信號62.遠(yuǎn)程終端中央處理單元63.遠(yuǎn)程終端發(fā)送-應(yīng)答器開關(guān)64.遠(yuǎn)程終端發(fā)送-應(yīng)答器開關(guān)控制
65.廣域網(wǎng)66.多基站控制器67a.網(wǎng)孔邊界67b.網(wǎng)孔邊界67c.網(wǎng)孔邊界68.高速消息鏈路69.遠(yuǎn)程終端輸入或上行鏈路無線傳輸射落到一個天線矩陣上，該天線矩陣由m個接收天線部件19(a，…，m)組成，其中每一個的輸出連接到一個相位相干接收機組15中的m個多信道接收機之一。多信道接收機15在整個所考慮的頻帶內(nèi)具有匹配良好的幅度和相位響應(yīng)，或如眾所周知，設(shè)置校正濾波器以考慮任何差異。
所示實施例描述了一個通常的頻分多址系統(tǒng)。
每個多信道接收機能夠處理多個頻道。符號Ncc被用來標(biāo)注能夠由接收機處理的通常頻道的最大數(shù)值。取決于分配用于無線通信系統(tǒng)工作的頻率和為特定通信鏈路所選的帶寬，Ncc可以小至一(一個單一頻道)，或大到上千。在替換實施例中，多信道接收機15可以是處理多個時隙，多個碼，或者這些公知多址技術(shù)的一些組合。
在每個通常信道中，接收天線部件19(a，…，m)每一個都對來自共享該通常信道的遠(yuǎn)程終端的到達(dá)上行鏈路信號組合進行測量。這些組合是由于天線部件的位置，遠(yuǎn)程終端的位置，和RF傳播環(huán)境導(dǎo)致的，而窄帶信號由等式(2)給出。
圖2描述了各個多信道接收機16(a，…，m)它們具有天線部件連接器，公共本地接收機振蕩器29(用于每個通常頻道的振蕩器將在基站中使用)，和被接收信號測量值6。公共本地接收機振蕩器29確保來自接收天線部件19(a，…，m)的信號被相干下變化到基帶對其Ncc頻率進行設(shè)置，以便多信道接收機16(a，…，m)提取出所有所考慮的Ncc頻道。公共本地接收機振蕩器29由空間處理器13(圖1)經(jīng)接收機控制數(shù)據(jù)30控制。在一個替換實施例中，其中多個頻道都被包含在一個鄰接頻帶中，公共本地振蕩器被用來對整個頻帶進行下變化，該整個頻帶隨后被數(shù)字化，而數(shù)字濾波器和十中抽一器利用公知的技術(shù)提取所需信道的子集。
所示實施例描述了一個頻分多址系統(tǒng)。在一個時分多址或碼分多址系統(tǒng)中，公共振蕩器29將被增大以便通過接收機控制數(shù)據(jù)30分別延遲自空間處理器13到多信道接收機16(a，…，m)的公共時隙或公共碼信號。在這些實施例中，多信道接收機16(a，…，m)除了執(zhí)行下變化到基帶外，它還執(zhí)行通常時分信道或通常碼分信道的選擇。
再參考圖1，多信道接收機15產(chǎn)生被接收信號測量值6，該測量值被施加到空間處理器13和一組空間去復(fù)用器20。在該實施例中，被接收信號測量值6含有用于每個Ncc頻道的m個復(fù)合基帶信號。
圖6示出了空間處理器13的一個更詳細(xì)的框圖。空間處理器13為每個通常頻道產(chǎn)生和維持用于每個遠(yuǎn)程終端的空間特征，和計算由空間去復(fù)用器20和空間復(fù)用器23使用的空間復(fù)用和去復(fù)用加權(quán)值。在該優(yōu)選實施例中，空間處理器13是利用一個通常的中央處理單元來實現(xiàn)。被接收信號測量值6進入一個空間特征處理器38，該處理器用于對空間特征進行估計和更新?？臻g特征被存儲在遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)庫36中的一個空間特征表中，由信道選擇器35和空間加權(quán)處理器37使用，空間加權(quán)處理器37還產(chǎn)生去復(fù)用加權(quán)值7和多路復(fù)用加權(quán)值12。一個空間處理器控制器33與空間加權(quán)處理器37連接，其還產(chǎn)生接收機控制數(shù)據(jù)30，發(fā)射機控制數(shù)據(jù)31和空間控制數(shù)據(jù)27。
再參考圖1，空間去復(fù)用器20根據(jù)空間去復(fù)用加權(quán)值7組合被接收信號測量值。圖3示出了用于一個單一通常信道的空間去復(fù)用器20。在本實施例中，空間去復(fù)用器20中的算術(shù)運算是利用一般目的的算術(shù)芯片執(zhí)行。在圖3中，zb(i)表示一單一通常信道的被接收信號測量值的第i分量，而W*rx(i)表示一個使用該通常信道的遠(yuǎn)程終端的空間去復(fù)用加權(quán)值7的第i分量的復(fù)數(shù)共軛。
對于每個通常信道上的每個遠(yuǎn)程終端，空間去復(fù)用器20利用被接收信號測量值6為該通常信道計算空間去復(fù)用加權(quán)值7的內(nèi)積
W*rxzb＝W*rx(1)zb(1)+…+W*rx(m)zb(m)(5)其中(·)*表示復(fù)數(shù)共軛，括號內(nèi)的數(shù)表示元素號數(shù)(例如，Wrx(i)是矢量Wrx的第i個分量)，由乘法器22(a，…，m)執(zhí)行乘法運算，由加法器21執(zhí)行相加運算。對于每個通常信道上的每個遠(yuǎn)程終端，由等式(5)給定的加法器21的輸出包括空間分離的上行鏈路信號5。
再參考圖1，空間去復(fù)用器20的輸出是每個遠(yuǎn)程終端與基站通信的空間分離的上行鏈路信號5?？臻g分離的上行鏈路信號5。被信號解調(diào)器25解調(diào)，產(chǎn)生用于每個遠(yuǎn)程終端與基站通信的已解調(diào)的接收信號4。已解調(diào)的接收信號4和相應(yīng)的空間控制數(shù)據(jù)27可由基站控制器3得到。
在要對由遠(yuǎn)程終端發(fā)送的信號執(zhí)行信道編碼的實施例中，基站控制器3把已解調(diào)的接收信號4傳送到空間處理器13，該空間處理器13利用公知的解碼技術(shù)對比特差錯率(BERs)進行估計并對照存儲在遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)庫36中的可接受閾值比較該BERs。如果BERs是不能接受的，則空間處理器13對資源重新分配，以便使問題得到緩和。在一個實施例中，除了當(dāng)前信道是不能接受的之外，利用與添加一個新用戶同樣的戰(zhàn)略，具有不可接受BERs的鏈路被分配給新的信道，除非該特定信道的當(dāng)前一組用戶發(fā)生變化。此外，當(dāng)該通常信道可用時執(zhí)行用于該遠(yuǎn)程終端/基站對的接收特征的校準(zhǔn)。
為了傳輸，信號調(diào)制器24為基站正向其發(fā)送的每個遠(yuǎn)程終端產(chǎn)生已調(diào)信號9，用于每個遠(yuǎn)程終端的一組空間多路復(fù)用加權(quán)值12被加到空間復(fù)用器23中的各個已調(diào)信號上。以產(chǎn)生用于m個發(fā)射天線18(a，…，m)的每一個和每個Ncc通常信道將要發(fā)送的空間復(fù)用信號10。
在該所示的實施例中，下行鏈路通常信道數(shù)Ncc與上行鏈路通常信道數(shù)Ncc一樣。在其它實施例中，可能具有不同的上行鏈路和下行鏈路通常信道數(shù)。此外，所述信道可以具有不同的類型和帶寬，如同交互式電視應(yīng)用的情況，其中下行鏈路由寬帶視頻信道組成且上行鏈路使用窄帶聲頻/數(shù)據(jù)信道。
此外，該所示實施例示出了相同數(shù)量m的天線部件，用于發(fā)送和接收。在其它實施例中，發(fā)送天線部件數(shù)與接收天線部件數(shù)可以不同，直至和包括發(fā)送僅使用一個發(fā)送天線部件以一個全方位指向的情況，諸如交互式電視應(yīng)用中的情況一樣。
圖4示出了用于一特定通常信道上的一個遠(yuǎn)程終端的空間復(fù)用器。空間復(fù)用器23中的算術(shù)運算是利用通常目的運算芯片實現(xiàn)。為在該特定通常信道上的遠(yuǎn)程終端指定的已調(diào)信號9的分量用sb表示，Wtx(i)表示用于該特定通常信道上的遠(yuǎn)程終端的空間復(fù)用加權(quán)矢量12的第i個分量。
對于每個通常信道上的每個遠(yuǎn)程終端，空間復(fù)用器23利用其已調(diào)信號sb計算其空間復(fù)用加權(quán)矢量的積(根據(jù)空間復(fù)用加權(quán)值12)W*txsb=wtx*(1)sb···wtx*(m)sb......(6)]]>其中(·)*表示復(fù)數(shù)共軛(轉(zhuǎn)置)和由乘法器26(a，…，m)執(zhí)行乘法運算。對于每個通常信道，等式(6)由用于將被發(fā)送到所述通常信道上的每個遠(yuǎn)程終端的空間復(fù)用器23估計。相對每個遠(yuǎn)程終端是一個不同的復(fù)用加權(quán)矢量和已調(diào)信號。對于每個通常信道，空間復(fù)用器23使要被發(fā)送到該通常信道上的每個遠(yuǎn)程終端的空間復(fù)用信號相加，產(chǎn)生已調(diào)和空間復(fù)用的信號10，它們是每個通常下行鏈路信道從每個天線發(fā)送的信號。
已調(diào)和空間復(fù)用的信號10被輸入到一組m個相位相干多信道發(fā)射機14。多信道發(fā)射機14既可在整個所考慮頻帶上具有匹配良好的幅度和相位響應(yīng)，也可如眾所周知為考慮任何的差異而使用校正濾波器。圖5描述了具有天線連接器，公共本地發(fā)射機振蕩器32和數(shù)字輸入10的多信道發(fā)射機17(a，…，m)。公共本地發(fā)射機振蕩器32確保在發(fā)送天線18(a，…，m)的發(fā)送期間空間復(fù)用信號10的相對相位不變。公共本地發(fā)射機振蕩器32的頻率通過發(fā)射機控制數(shù)據(jù)31由空間處理器13(見圖1)控制。
在一個替換實施例中，空間復(fù)用器23使用了公知的基帶復(fù)用技術(shù)，以把將要被發(fā)送的所有已計算的通常信道信號多路復(fù)用成一個將由每個多信道發(fā)射機17(a，…，m)上變換和發(fā)送的單一寬帶信號。根據(jù)需要，所述多路復(fù)用可以用數(shù)字或模擬手段來實現(xiàn)。
所示實施例示出了一個具有多個頻道的系統(tǒng)。在一個時分多址或碼分多址系統(tǒng)中，公共振蕩器32將被增大，以便通過接收機控制數(shù)據(jù)31分別延遲自空間處理器13到多信道接收機17(a，…，m)的公共時隙或公共碼信號。
再參考圖1，在需要發(fā)送空間特征的應(yīng)用中，空間處理器13也能夠發(fā)送用于特定通常下行鏈路信道上的每個天線的預(yù)定校準(zhǔn)信號11。空間處理器13通過發(fā)射機控制數(shù)據(jù)31指示多信道接收機17(a，…，m)發(fā)送預(yù)定校準(zhǔn)信號11，以取代用于一特定通常下行鏈路信道的空間復(fù)用信號10。這是一種用于確定在所述通常下行鏈路信道上的遠(yuǎn)程終端的發(fā)送空間特征的過程。
在使用公知的信道編碼技術(shù)對將被發(fā)送到遠(yuǎn)程終端的信號進行編碼的替換實施例中，遠(yuǎn)程終端利用公知解碼技術(shù)對BERs進行估計，該BERs然后被報告回該遠(yuǎn)程終端的上行鏈路信道上的基站。如果該BERs超過可接受的極限，則采取校正行動。在一個實施例中，該校正行動包括利用與添加一個新用戶同樣的戰(zhàn)略重新對資源進行分配(除了當(dāng)前信道是不能接受的之外)，除非該特定信道的當(dāng)前一組用戶發(fā)生變化。此外，當(dāng)該通常信道可用時執(zhí)行用于該遠(yuǎn)程終端/基站對的發(fā)送特征的校準(zhǔn)。
圖7描述了一個提供話音通信的遠(yuǎn)程終端中的組成按排。遠(yuǎn)程終端的天線39被連接到一個雙工器40以允許天線39供發(fā)送和接收使用。在一個替換實施例中，使用了分開的接收和發(fā)送天線，取消了所需的雙工器40。在另一替換實施例中，其中接收和發(fā)送發(fā)生在同一頻道但處于不同的時刻，正如所知，使用了一個發(fā)送/接收(RT)開關(guān)取代了雙工器40。雙工器輸出41作為到達(dá)一接收機42的輸入。接收機42產(chǎn)生一個下變化信號43，它作為到達(dá)解調(diào)器45的輸入。一個解調(diào)的接收話音信號61被輸入到揚聲器60。
解調(diào)的接收控制數(shù)據(jù)46被施加給遠(yuǎn)程終端中央處理單元62(CPU)。解調(diào)的接收控制數(shù)據(jù)46被用來在呼叫建立和終止期間接收來自基站的數(shù)據(jù)，和在另一實施例中用于確定將由該遠(yuǎn)程終端接收、如上所述發(fā)送回基站的信號的質(zhì)量(BER)。
遠(yuǎn)程終端CPU62是用一個標(biāo)準(zhǔn)微處理器來實現(xiàn)。遠(yuǎn)程終端CPU62還產(chǎn)生用于選擇遠(yuǎn)程終端的接收信道的接收機控制數(shù)據(jù)57、用于設(shè)置遠(yuǎn)程終端的發(fā)送信道和功率電平的發(fā)射機控制數(shù)據(jù)56、將被發(fā)送的控制數(shù)據(jù)52、和用于遠(yuǎn)程終端顯示器50的顯示數(shù)據(jù)49。遠(yuǎn)程終端CPU62還從遠(yuǎn)程終端鍵盤47接收鍵盤數(shù)據(jù)48。
將被發(fā)送的來自麥克風(fēng)58的遠(yuǎn)程終端的話音信號被輸入到調(diào)制器51。將被發(fā)送的控制數(shù)據(jù)52由遠(yuǎn)程終端CPU62提供。將被發(fā)送的控制數(shù)據(jù)52被用于在呼叫建立和終止期間向基站發(fā)送數(shù)據(jù)，以及用于在呼叫期間發(fā)送諸如呼叫質(zhì)量的測量值(例如，比特差錯率(BERs))的信息。由調(diào)制器51輸出的將被發(fā)送的已調(diào)信號53被一發(fā)射機54上變換和放大，產(chǎn)生一個發(fā)射機輸出信號55。發(fā)射機輸出55然后被輸入到雙工器40由天線39發(fā)送。
在一替換實施例中，遠(yuǎn)程終端提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信。解調(diào)的接收話音信號61、揚聲器60、麥克風(fēng)58，和將被發(fā)送的話音信號59被公知的數(shù)字接口所取代，該技術(shù)可允許發(fā)送到達(dá)/來自一外部數(shù)據(jù)處理裝置(例如一個計算機)的數(shù)據(jù)。
再參考圖7，遠(yuǎn)程終端通過由遠(yuǎn)程終端CPU62經(jīng)由開關(guān)控制信號64控制的開關(guān)63允許接收的信號43被發(fā)送回到基站1。在正常的工作中，開關(guān)53利用調(diào)制器51的已調(diào)信號53驅(qū)動發(fā)射機54。當(dāng)該遠(yuǎn)程終端被基站1命令進入校準(zhǔn)方式時，遠(yuǎn)程終端CPU62觸發(fā)開關(guān)控制信號64，它指示開關(guān)63利用接收的數(shù)據(jù)43驅(qū)動發(fā)射機54。
圖8示出了遠(yuǎn)程終端校準(zhǔn)功能的一個替換實施例。圖7的開關(guān)63將不再使用。而是通過數(shù)據(jù)連接44將接收機42的輸出施加到遠(yuǎn)程終端CPU62。在通常的操作中，遠(yuǎn)程終端CPU62不去考慮數(shù)據(jù)連接44，在校準(zhǔn)方式中，遠(yuǎn)程終端CPU62使用數(shù)據(jù)連接44計算該遠(yuǎn)程終端的發(fā)送空間特征，該發(fā)送空間特征通過調(diào)制器51和發(fā)射機54被作為要被發(fā)送的控制數(shù)據(jù)52被發(fā)送回基站1。
在一個替換實施例中，遠(yuǎn)程終端中的特定校準(zhǔn)程序并不需要。在許多通常的無線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，遠(yuǎn)程終端定期地向基站返回被接收信號的強度或接收信號的質(zhì)量。如上所述，在本實施例中，被接收信號強度記錄將足以計算遠(yuǎn)程終端的發(fā)送空間特征。
本發(fā)明的運行一般原理---基站在許多方面，圖1中所示頻譜效率高的基站其表現(xiàn)非常象一個標(biāo)準(zhǔn)的無線通信系統(tǒng)基站?；镜膮^(qū)別在于頻譜效率高的基站支持比其具有的通常通信信道多得多的同時發(fā)生的通話。通常通信信道可以是頻率信道，時間信道，編碼信道，或上述信道的任何組合?？臻g復(fù)用器/去復(fù)用器通過減少這些通常信道中每一個上的多空間信道增加該系統(tǒng)容量。此外，通過對來自多個接收天線的信號進行組合，空間去復(fù)用器20產(chǎn)生空間分離的上行鏈路信號5，與標(biāo)準(zhǔn)的基站相比該信號5已顯著的地改進了信噪比，減少了干擾，且改進了在多徑環(huán)境中的質(zhì)量。
在該所示實施例中，描述了一個由多個遠(yuǎn)程終端和基站組成的無線通信系統(tǒng)，所述基站設(shè)置有天線矩陣和空間信號處理。該系統(tǒng)具有例如提供無線訪問本地PSTN(公共電話交換網(wǎng))的應(yīng)用。信息傳遞(或呼叫)既可由遠(yuǎn)程終端也可通過通信鏈路2經(jīng)基站控制器3初始建立。正如本技術(shù)領(lǐng)域所公知的，初始呼叫發(fā)生在下行鏈路和上行鏈路控制信道上。在本實施例中，利用發(fā)送天線18(a，…，m)發(fā)送下行鏈路控制信道。在另一實施例中，該下行鏈路控制信道由一個單一的定向天線廣播。基站控制器3把將包含在呼叫中的該遠(yuǎn)程終端的標(biāo)識傳到空間處理器13，該空間處理器13利用所存儲的該遠(yuǎn)程終端的空間特征確定該遠(yuǎn)程終端應(yīng)該使用哪個通常通信信道。所選信道可能已經(jīng)由幾個遠(yuǎn)程終端占據(jù)，然而空間處理器13利用該信道上的所有遠(yuǎn)程終端的空間特征確定它們能共享該信道而無干擾。在一個具有m個接收和m個發(fā)送天線部件的系統(tǒng)中，多至m個遠(yuǎn)程終端可以共享同一通常信道。更一般地說，在同一時刻能夠占據(jù)同一通常信道的點對點全雙工通信鏈路的數(shù)量由較小的接收和發(fā)送部件的數(shù)量給定。
空間處理---基站圖6示出了空間處理器13的框圖。它由空間處理器控制器33控制，該空間處理器控制器33經(jīng)鏈路27與基站控制器3接口?？臻g處理器控制器33通過控制線31和31控制多信道發(fā)射機14和多信道接收機15的增益和頻率設(shè)置。
空間處理器13維持有一個有效遠(yuǎn)程終端表34，該表將哪個遠(yuǎn)程終端目前正使用每個通常通信信道以及它們的當(dāng)前發(fā)送功率電平編入目錄。該遠(yuǎn)程終端的其他參數(shù)諸如當(dāng)前使用的調(diào)制格式，當(dāng)前頻道中的接收機噪聲電平，和當(dāng)前信號質(zhì)量要求也被存儲。空間處理器13還在該遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)庫36中維持有一個空間特征表，在另一實施例中它包括遠(yuǎn)程終端的功率控制電平，用于接收和發(fā)送的所允許的通常頻率信道，和所知的調(diào)制格式表。
在該遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)庫36中的空間特征表包含用于每個遠(yuǎn)程終端的每個工作頻率的發(fā)送空間特征arb，接收空間特征abr。在另一實施例中，該空間特征的質(zhì)量估計(例如，估計誤差協(xié)方差)也被存儲。如上所述，用于一特定遠(yuǎn)程終端和一特定頻率信道的發(fā)送空間特征arb被定義為相對復(fù)合信號幅度的矢量，該相對復(fù)合信號幅度將會被看到作為以特定的頻率，通過多信道發(fā)射機14和發(fā)送天線18(a，…，m)發(fā)送的理想的(相等的幅度和相位)單位功率窄帶信號的結(jié)果到達(dá)該遠(yuǎn)程終端。該發(fā)送空間特征包括基站和遠(yuǎn)程終端之間的傳播環(huán)境的影響，以及在多信道發(fā)射機14，天線電纜，和發(fā)送天線18(a，…，m)中的任何幅度和相位差。用于一特定遠(yuǎn)程終端和一特定頻率信道的接收空間特征abr被定義為在給定將由所述特定遠(yuǎn)程終端以該特定頻率發(fā)送的一個單一單位功率窄帶信號的多信道接收機16的輸出端測量的復(fù)合信號幅度的矢量。
當(dāng)基站控制器1經(jīng)鏈路27轉(zhuǎn)送一特定遠(yuǎn)程終端的初始呼叫請求時，信道選擇器35檢索有效遠(yuǎn)程終端表34以找出一個能適應(yīng)該遠(yuǎn)程終端的通常通信信道。在本優(yōu)選實施例中，存在有一個接收有效遠(yuǎn)程終端表和一個發(fā)送有效遠(yuǎn)程終端表供信道選擇器35使用，以形成用于每個通常信道的一個多路復(fù)用和一個去復(fù)出空間矩陣。對于每個通常信道，去復(fù)用空間特征矩陣的列和復(fù)用空間特征矩陣的行是在該信道上(使用)當(dāng)前有效的每個遠(yuǎn)程終端的存儲的接收和發(fā)送空間特征加上另一包含請求一通信信道的遠(yuǎn)程終端的合適空間特征的列。
每個信道的復(fù)用空間特征矩陣Arb，p(其中p表示該通常信道號)利用如下式(7)所示的發(fā)送空間特征構(gòu)成Arb,p=arb,pi···arb,pn,......(7)]]>其中airb，p是分配給信道p的第i個遠(yuǎn)程終端的發(fā)送空間特征，np是通常信道p上的遠(yuǎn)程終端的總數(shù)量。
復(fù)用空間特征矩陣Abr，p利用如下式(8)所示的發(fā)送空間特征構(gòu)成Abr,p=[a1br,p,a2br,p,…,anpbr,p]......(8)]]>其中aibr，p是分配給信道p的第i個遠(yuǎn)程終端的發(fā)送空間特征信道選擇器35計算這些特征矩陣的函數(shù)以評估基站與該新遠(yuǎn)程終端之間的通信是否能在所選通常信道上成功地進行。在本優(yōu)選實施例中，信道選擇器35首先計算用于該遠(yuǎn)程終端的空間多路復(fù)用和去復(fù)用加權(quán)值，然后利用這些加權(quán)值對鏈路性能進行估計。
在該所示實施例中，空間多路復(fù)用加權(quán)值是等式(9)給定的矩陣Wtx的行Wtx＝Sb(ArbA*rb)-1Arb(9)其中(·)-1是一矩陣的逆，(·)*是一矩陣的復(fù)數(shù)共軛轉(zhuǎn)置，Arb是與該相關(guān)通常信道相關(guān)聯(lián)的復(fù)用空間特征矩陣Arb，p，而Sb是一個包含要被發(fā)送的信號的幅度的(對角)矩陣。在本實施例中，利用遠(yuǎn)程終端接收機均方噪聲電壓的(對角)矩陣(N)和最小所需信號質(zhì)量的對角矩陣(SNRdes)計算要被發(fā)送的幅度Sb，如下面等式(10)所給出Sb＝(SNRdes×N)1/2(10)此時信道選擇器35根據(jù)作為Wtx每行中各元素的平方和的每個元素計算將要被發(fā)送的平均均方電壓(功率)Pb，即Pb＝diag{WtxW*tx} (11)和根據(jù)作為Wtx每行中各元素大小之和的平方的每個元素計算峰值平方電壓(功率)Pbpeak即Pbpeak＝diag{abx(Wtx)I abs(W*tx)} (12)其中I是所有合適大小的元素的一個矩陣，abs(·)是元素式的(e1ementwise)絕對值。信道選擇器35把這些值與用于每個元素的每個發(fā)射機的限制進行比較。如果該任何平均或峰值超過了可接受的限制，則所考慮的遠(yuǎn)程終端將不被分配給該候選信道。否則對從該遠(yuǎn)程終端成功接收的能力進行檢查。在一個替換實施例中，所述發(fā)射機限制被用作計算滿足給定技術(shù)要求的發(fā)送加權(quán)值的優(yōu)化算法中的不均衡限制。該發(fā)送加權(quán)值還用來產(chǎn)生可能的最大量的被發(fā)送功率。如果沒有找到滿足所述限制的發(fā)送加權(quán)值，則該候選信道將不分配給該所考慮的遠(yuǎn)程終端。上述優(yōu)化算法是眾所周知的。
為了測試上行鏈路，信道選擇器35利用Abr，與該相應(yīng)通常信道相關(guān)的去復(fù)用空間特征矩陣Abr，p計算空間去復(fù)用加權(quán)值Wrx，如該優(yōu)選實施例等式(13)中所給定的Wrx＝(AbrPrA*br+Rnn)-1AbrPr(13)其中Pr是由遠(yuǎn)程終端發(fā)送的均方幅度(功率)的(對角)矩陣，Rnn是基站接收機噪聲協(xié)方差。然后，在一個實施例中，如下式計算規(guī)一化的均方誤差協(xié)方差的所要求值MSE＝Pr-1/2((I-W*rxAbr)Pr(I-W*rxAbr)*+W*rxRnnWrx)Pr-*/2(14)符號(·)*/2表示該矩陣平方根的復(fù)數(shù)共軛轉(zhuǎn)置。MSE的逆是在該空間去復(fù)用器的輸出端的所希望信號與干擾加噪聲之比的估計SINR＝MSE1(15)如果SINR的所有對角元素都超過以從每個遠(yuǎn)程終端接收的所需信號質(zhì)量為基礎(chǔ)的所需閾值，則該遠(yuǎn)程終端被允許進入該信道。如果該候選遠(yuǎn)程終端低于其閾值并具有增加其輸出功率的能力，則再次執(zhí)行相同的計算，以增加遠(yuǎn)程終端功率輸出直到或者達(dá)到該遠(yuǎn)程終端的最大輸出功率而SINR仍不滿足，另一遠(yuǎn)程終端SINR在其功率可能增加的情況下低于其閾值，或者超過所有閾值。如果找到可接受的遠(yuǎn)程終端發(fā)送功率，該遠(yuǎn)程終端被授權(quán)進入該特定通常信道，否則其被拒絕進入，并檢查另一個通常信道。
在一個替換實施例中，利用公知的優(yōu)化程序執(zhí)行去復(fù)用加權(quán)值的計算，而使遠(yuǎn)程終端發(fā)送功率最小化的目的將以在基站的被估計信號滿足或超過它們的最小所需SINR為條件。
而且，在一個替換實施例中，在通常信道沒能被找到以接納該遠(yuǎn)程終端時，信道選擇器35計算在通常信道中的現(xiàn)存遠(yuǎn)程終端的某種再安排是否會允許在某個通常信道上支持該遠(yuǎn)程終端。在這種情況中，如果沒有現(xiàn)存用戶的再安排來使得該遠(yuǎn)程終端能被接納，則該遠(yuǎn)程終端在此時的通信將被拒絕。
在一個使用頻分雙工(FDD)方式的替換實施例中，遠(yuǎn)程終端并不被限制僅分配到一個用于發(fā)送和接收的固定通常信道對上。它使用了一種非常靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中信道選擇器35可以選擇以把一個特定的遠(yuǎn)程終端分配給通過不同頻率雙向偏置分開的發(fā)送和接收通常信道，以便使整個系統(tǒng)干擾電平最小化。
已使用了一通常信道的遠(yuǎn)程終端的空間復(fù)用和去復(fù)用加權(quán)值必須被重新計算，因為在該通常信道上增加一個新的遠(yuǎn)程終端可能會使它們大大地改變。在本優(yōu)選實施例中，已做了必要計算的信道選擇器35送出新的空間復(fù)用和去復(fù)用加權(quán)值給空間加權(quán)處理器37，以便在設(shè)置多路復(fù)用器23和去復(fù)用器20中使用。在一個替換實施例中，空間加權(quán)處理器37使用由信道選擇器35發(fā)送給其的空間特征矩陣為該通常信道上的所有遠(yuǎn)程終端計算不同的空間復(fù)用和去復(fù)用加權(quán)值組。
空間加權(quán)處理器37隨后將新的空間去復(fù)用加權(quán)值傳送到該通常信道的去復(fù)用器20，和將新的空間復(fù)用加權(quán)值傳送到該通常信道的多路復(fù)用器23，并更新有效遠(yuǎn)程終端表34，和把所選信道通知給空間處理器控制器33，空間處理器控制器33依次通知基站控制器3。通知基站控制器3隨后利用下行鏈路控制信道發(fā)送一個消息給該遠(yuǎn)程終端，指示該遠(yuǎn)程終端轉(zhuǎn)換到該所需的通常信道。
從等式(9)可以看到，多路復(fù)用加權(quán)矩陣Wtx具有如下性質(zhì)ArbW*tx＝Sb(16)這意味著在第i個遠(yuǎn)程終端，打算要發(fā)送到該遠(yuǎn)程終端的信號被接收具有充足的(正實數(shù))幅度Sb(i，i)。Sb具有零非對角元素的事實意味著在第i個遠(yuǎn)程終端，其他要被發(fā)送的信號中沒有一個被該遠(yuǎn)程終端接收。以這種方式，每個遠(yuǎn)程終端以必要的功率電平僅接收為其所準(zhǔn)備的信號，以確保合適的通信。在替換實施例中，在設(shè)定基站發(fā)送功率和計算加權(quán)值的過程中在Arb的估計中添加了不定度，以便使Arb中的差錯和/或變化的影響最小化。
類似地，在基站處，等式(13)中所給特定去復(fù)用加權(quán)矩陣具有由接收空間特征和來自遠(yuǎn)程終端的被發(fā)送電壓的知識而定的性質(zhì)，該被估計信號S由下式給出S＝W*rxzb(17)它們是在最小均方誤差意義下的最精確值。具體地說，它們與由在基站通過多個天線部件所做的測量給定的遠(yuǎn)程終端發(fā)送的信號非常匹配。
等式(9)和(13)僅給出了計算空間復(fù)用和去復(fù)用加權(quán)值的一種方法。還有著其他類似的方法，它們都示出了與等式(16)中所示和上述段落中描述的那些特性。其他用于計算加權(quán)矩陣Wtx和Wrx的技術(shù)考慮了空間特征矩陣Arb和Abr中的不定度，以用于寬帶通常信道，和能夠加入更復(fù)雜功率和動態(tài)范圍限制。
確定空間特征正如圖6中所示，空間處理器13還包括一個空間特征處理器38，用于查找遠(yuǎn)程終端的空間特征。在該所示實施例中，空間特征處理器38使用了在未批準(zhǔn)美國專利申請08/234,747中描述的校準(zhǔn)技術(shù)。
在該所示實施例中，每個遠(yuǎn)程終端都具有進入校準(zhǔn)方式的能力，在該校準(zhǔn)方式中由遠(yuǎn)程終端43接收的信號被發(fā)送回基站1。參考圖7，該功能由遠(yuǎn)程終端CPU62通過開關(guān)控制信號64控制開關(guān)63實現(xiàn)。
為了確定一遠(yuǎn)程終端的發(fā)送和接收空間特征，空間特征處理器38通過在下行鏈路上向該遠(yuǎn)程終端發(fā)送一個指令，命令其進入校準(zhǔn)方式。該指令是由基站控制器3根據(jù)來自空間處理控制器3的請求產(chǎn)生的，并由信號調(diào)制器24調(diào)制?？臻g特征處理器38隨后通過經(jīng)發(fā)射機控制數(shù)據(jù)31指示多信道發(fā)射機17(a，…，m)和指示空間處理器控制器33在由該遠(yuǎn)程終端占據(jù)的通常信道上發(fā)送預(yù)定校準(zhǔn)信號11。在本實施例中，預(yù)定校準(zhǔn)信號11中的m個信號(每個天線的)是不同的頻率復(fù)合正弦波。在另一實施例中，該預(yù)定校準(zhǔn)信號11是任何公知的，性質(zhì)不同的信號。
圖7中所示遠(yuǎn)程終端發(fā)送回在該遠(yuǎn)程終端接收的信號。該被轉(zhuǎn)發(fā)的信號由在圖1中所示基站1中的多信道接收機15接收并被提供給圖6中所示的空間特征處理器38。在專利申請08/234,747中描述的一個實施例中，如下所述，空間特征處理器38根據(jù)接收的信號測量值6和預(yù)定校準(zhǔn)信號11計算該遠(yuǎn)程終端的接收和發(fā)送空間特征。
被接收數(shù)據(jù)的時間取樣按一個m×n數(shù)據(jù)矩陣Z存儲，該數(shù)據(jù)矩陣Z沒有噪聲，參數(shù)補償由下式給出Z＝kabrarbS (18)其中S是預(yù)定校準(zhǔn)信號的m×n數(shù)據(jù)矩陣，k是在發(fā)送回基站前在遠(yuǎn)程終端中信號被放大的一個已知量。接收空間特征與同最大奇異值(數(shù)據(jù)矩陣Z的σmax)相對應(yīng)的奇異矢量(u1)成比例。自該遠(yuǎn)程終端的單位功率信號的發(fā)送和由基站1在天線部件1的接收為接收空間特征提供了必要的比例gbrabr＝gbru1/u1(1) (19)其中u1(1)是u1的第一個元素。一旦abr已知，則arb由下式計算arb＝k-1(gbru1/u1(1))ZS(20)其中B是矩陣B的公知Moore-Penrose偽逆，對于列比行多的全階矩陣B，其滿足BB＝I(單位矩陣)。對于行比列多的全階矩陣B，BB＝I。在未批準(zhǔn)申請08/234,747中還描述了替換實施例，使用了公知的技術(shù)來考慮系統(tǒng)中存在的噪聲和諸如振蕩器頻率偏置的參數(shù)變量。
空間特征處理器38在遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)庫36中存儲新的空間特征。一旦完成，空間特征處理器38通過在下行鏈路上向該遠(yuǎn)程終端發(fā)送一個命令，命令其退出校準(zhǔn)方式。
在一個替換實施例中，遠(yuǎn)程終端發(fā)送空間特征的計算可由各遠(yuǎn)程終端直接執(zhí)行。該遠(yuǎn)程終端的實施例在圖8中示出。在校準(zhǔn)方式中，如前所述，空間特征處理器38在該通常信道上發(fā)送預(yù)定校準(zhǔn)信號11，以便將由各遠(yuǎn)程終端校準(zhǔn)。遠(yuǎn)程終端CPU62使用接收的校準(zhǔn)信號44和已知的被發(fā)送波形利用在前面實施例中空間特征處理器38使用的相同技術(shù)計算該遠(yuǎn)程終端的發(fā)送空間特征。計算出的發(fā)送空間特征通過調(diào)制器51和發(fā)射機54被發(fā)送回基站1作為將被發(fā)送的控制數(shù)據(jù)52。當(dāng)由基站接收時，空間特征處理器38在遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)庫36中存儲新的發(fā)送空間特征。由于每個遠(yuǎn)程終端獨立地執(zhí)行發(fā)送空間特征計算，所以這種安排允許多個遠(yuǎn)程終端在同一通常信道上同時計算它們自己的發(fā)送空間特征。在本實施例中，遠(yuǎn)程終端接收空間特征由空間特征處理器38以與在前實施例中相同的方式計算。
利用這些技術(shù)，空間特征處理器38能夠?qū)σ惶囟ㄐ诺涝谄淙魏螘r侯空閑時測量一遠(yuǎn)程終端發(fā)送和接收空間特征。這些校準(zhǔn)技術(shù)的效率允許空間特征處理器38能夠更新用于一特定信道的多個遠(yuǎn)程終端的空間特征，而僅占據(jù)該信道一個很短的時間。
許多用于獲取遠(yuǎn)程終端的空間特征的其他技術(shù)也可以使用。在某些RF環(huán)境中，可利用取決于m個接收天線19(a，…，m)的幾何安排的信息和它們的各個定向圖形(對于一個基準(zhǔn)，作為輸入角的函數(shù)的元素增益和相位相)，以及從基站到該遠(yuǎn)程終端的方向的一些公知技術(shù)來確定遠(yuǎn)程終端的空間特征。此外，諸如ESPRIT(美國專利4,750,147和4,965,732)的技術(shù)可在事先不知道方向的應(yīng)用中對方向進行估計。
正如所知，類似地，由遠(yuǎn)程終端發(fā)送的基本信號的任何預(yù)定調(diào)制格式參數(shù)的信息(例如，某些訓(xùn)練或前置序列的信息，或信號為恒定模量的信息)也可被用來確定遠(yuǎn)程終端的接收空間特征。另一個例子是直接判決反饋技術(shù)，如本領(lǐng)域所公知的，其中接收數(shù)據(jù)被解調(diào)并被再次調(diào)制，以產(chǎn)生該原始已調(diào)信號的估計。這些技術(shù)使得能夠?qū)邮湛臻g特征進行估計，即使當(dāng)多個遠(yuǎn)程終端正占據(jù)一單一通常信道時。
在某些RF環(huán)境中，正如所知，可利用該遠(yuǎn)程終端位置和基站發(fā)送天線的位置與定向圖形的信息明確地計算出遠(yuǎn)程終端的發(fā)送空間特征。這不要求在遠(yuǎn)程終端部分上有特殊性能。
如果遠(yuǎn)程終端具有測量和報告其正接收的信號的強度的能力，則該系統(tǒng)能夠使用該信息導(dǎo)出發(fā)送空間特征，即使是以一種比圖7所示實施例或圖8所示實施例效率低的方式，圖7所示實施例中其遠(yuǎn)程終端具有完全轉(zhuǎn)發(fā)器的性能，而圖8所示實施例中其遠(yuǎn)程終端直接計算它的發(fā)送空間特征。如下所述，發(fā)送空間特征僅根據(jù)來自遠(yuǎn)程終端的被接收信號功率報告來確定。首先，空間特征處理器38在某是時刻從m個天線部件中的兩個中發(fā)送兩個相同的單位功率信號。然后空間特征處理器38變化該兩個信號之一的幅度和相位直到該遠(yuǎn)程終端報告其此時收不到信號為止。天線部件2的一組加權(quán)值(由所需m至零位的來自部件1的單位功率信號)其按符號被改變并被顛倒，以產(chǎn)生該遠(yuǎn)程終端的發(fā)送空間特征。
還是在另一實施例中，可將系統(tǒng)設(shè)計成以一種″閉環(huán)″方式連續(xù)地更新遠(yuǎn)程終端的空間特征。這樣做是考慮到由于例如遠(yuǎn)程終端的移動或RF傳播條件的變化導(dǎo)致的空間特征的時間變化。為了這樣做，基站和遠(yuǎn)程終端周期地發(fā)送預(yù)定訓(xùn)練序列。在一特定信道上當(dāng)前有效的每個遠(yuǎn)程終端都被分配一個不同的預(yù)定訓(xùn)練序列，并且還向其提供在該特定信道上當(dāng)前有效的所有其他遠(yuǎn)程終端的訓(xùn)練序列。在一個實施例中，該不同的訓(xùn)練序列在該任何兩個訓(xùn)練序列波形的內(nèi)積為零的意義上是彼此正交的。每次發(fā)送訓(xùn)練序列時，每個遠(yuǎn)程終端利用公知的技術(shù)計算技術(shù)已接收了每個訓(xùn)練序列多少次，并將該信息發(fā)送到基站。
在該所示的實施例中，基站利用接收機輸出和被訓(xùn)練波形的信息計算該遠(yuǎn)程終端接收空間特征。在另一實施例中，基站計算每個被遠(yuǎn)端發(fā)送的訓(xùn)練序列在空間去復(fù)用器的每次輸出上已經(jīng)歷了多少次，其被表示為耦合系數(shù)的復(fù)合矢量。所述耦合系數(shù)的信息允許該當(dāng)前有效的接收和發(fā)送空間特征能被校正，以便利用公知的技術(shù)減小相互的干擾。
最后，如本領(lǐng)域所公知，在使用時分雙工方式(TDD)用于全雙工通信的系統(tǒng)中，發(fā)送和接收頻率是相同的。在這種情況下，利用公知的可逆原理，使發(fā)送和接收空間特征直接聯(lián)系起來。這樣，本實施例只確定所述特征之一，例如接收空間特征，而相反，在發(fā)送空間特征的情況中，根據(jù)最初的(接收)空間特征和多信道接收機15和多信道發(fā)射機14的相對相位和幅度特征的信息計算該發(fā)送空間特征。
網(wǎng)絡(luò)級空間處理在這里所示的實施例中，用于蜂窩狀無線通信系統(tǒng)中的每個基站的空間處理獨立地工作以使在直接網(wǎng)孔中的通信信道數(shù)最大。然而，如果來自每個基站的空間處理器與來自其他臨近網(wǎng)孔的空間處理器通信并調(diào)整其效果，則可以實現(xiàn)重大的系統(tǒng)容量改進。圖9中示出了一個特定的實施例。
一個多基站控制器66在通過鏈路68的廣域網(wǎng)65與經(jīng)基站通信鏈路2(a，b，c)的基站1(a，b，c)之間起著接口的作用。每個基站負(fù)責(zé)向多個遠(yuǎn)程終端提供覆蓋。在一個實施例，每個遠(yuǎn)程終端被分配到唯一的一個限定了網(wǎng)孔邊界67(a，b，c)的基站，所有附屬于該基站的遠(yuǎn)程終端都被定位在該邊界中。在圖中，裝備有遠(yuǎn)程終端69的用戶用″R″標(biāo)識。
包含在基站1(a，b，c)中的每個空間處理器測量和存儲在其網(wǎng)孔中和相鄰網(wǎng)孔中的遠(yuǎn)程終端的空間特征。在相鄰網(wǎng)孔中的遠(yuǎn)程終端的空間特征的確定由多基站控制器66通過基站通信鏈路2(a，b，c)進行調(diào)整。通過基站通信鏈路2(a，b，c)和多基站控制器66，來自相鄰網(wǎng)孔基站1(a，b，c)中的空間處理器相互通知它們正在哪些通常信道上與哪些遠(yuǎn)程終端通信。每個空間處理器包括在相鄰網(wǎng)孔中有效的遠(yuǎn)程終端的空間特征，以形成被送到所有相鄰基站的擴展發(fā)送和接收空間特征矩陣Arb和Abr。每個基站中的信道選擇器利用所述擴展空間特征矩陣，聯(lián)合把遠(yuǎn)程終端分配給每個基站1(a，b，c)中的每個通常信道。
隨后，利用該擴展空間特征矩陣Arb和Abr計算用于每個基站的合成加權(quán)矩陣Wtx和Wrx。就計算各加權(quán)值而言，其目的是使向/從該相鄰網(wǎng)孔的有效遠(yuǎn)程終端發(fā)送/接收的信號最小，由此允許更多的遠(yuǎn)程終端同時通信。
在另一實施例中，多基站控制器66利用有效遠(yuǎn)程終端/基站/通常信道鏈路表，相關(guān)的遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)庫，和要求鏈路分配的特定請求動態(tài)地分配請求進入基站的遠(yuǎn)程終端。此外，遠(yuǎn)程終端可以利用多個(定向的)發(fā)送和接收天線，以便在多基站控制器66做出指令的情況下使到達(dá)多個臨近基站的定向鏈路易于實現(xiàn)，以進一步增加系統(tǒng)的容量。
優(yōu)點根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法，其有著超過現(xiàn)有技術(shù)的顯著優(yōu)點在于其允許多個遠(yuǎn)程終端同時共享同一個通常通信信道。具體地說，對于一個具有m接收和m個發(fā)送天線部件的系統(tǒng)來說，多至m個遠(yuǎn)程終端可以共享一個單一的通常通信信道。此外，與標(biāo)準(zhǔn)的基站比較，從/向遠(yuǎn)程終端接收/發(fā)送的信號顯著的地改進了信噪比，減少了干擾，且改進了在多徑環(huán)境中的質(zhì)量。
替換實施例在一個替換實施例中，基站1處的發(fā)送天線18(a，…，m)和接收天線19(a，…，m)被一個單一的m個天線的矩陣所代替。該矩陣中的每個部分通過一個雙工器被連接到多信道發(fā)射機14的接收部分和多信道接收機15的接收部分。
在另一個替換實施例中，上行鏈路控制信道上的信號可通過利用在未批準(zhǔn)專利申請07/806,695中描述的空間處理對其進行實時的處理。這將允許多個遠(yuǎn)程終端在同一時刻請求某一通信信道。
在另一個涉及到數(shù)據(jù)包或短脈沖的數(shù)據(jù)傳遞的應(yīng)用實施例中，不需要分開的上鏈控制信道，且系統(tǒng)在通信間隔之間的控制時間間隔內(nèi)可以用于請求通信服務(wù)和其它控制功能。
如上所述，公知有許多用于測量遠(yuǎn)程終端無線電設(shè)備的空間特征和使用該空間特征的技術(shù)用以計算多路復(fù)用和去復(fù)用加權(quán)值，該加權(quán)值將允許在同一通常通信信道上存在多個同時的通話和/或數(shù)據(jù)傳送。
雖然以上的描述包括了許多特殊性，但這些不應(yīng)成為對本發(fā)明范圍的限制，而只能是作為一個優(yōu)選實施例的示例?？梢詫ζ渥龀龆喾N改進。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)由所示實施例確定，而應(yīng)由所附權(quán)利要求和它們的法律等同物來限定。
權(quán)利要求
1.在采用天線陣列的通信設(shè)備中，用于從多個上行鏈路信號中分離出一個第一上行鏈路信號的方法，其中由特定的遠(yuǎn)程終端發(fā)送每個上行鏈路信號，所述方法包括在多個天線部件上接收多個上行鏈路信號；為多個上行鏈路信號確定一組空間去復(fù)用加權(quán)值；和通過利用空間處理加權(quán)值獲得第一上行鏈路信號的一個估值，來對多個上行鏈路信號空間去復(fù)用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中多個上行鏈路信號中的兩個或多個同時共享同一個通用信道，以和通信設(shè)備通信。
3.在采用天線陣列的通信設(shè)備中，用于從多個上行鏈路信號中分離出一個第一上行鏈路信號的方法，其中由特定的遠(yuǎn)程終端發(fā)送每個上行鏈路信號，所述方法包括在多個天線部件上接收多個上行鏈路信號；為多個上行鏈路信號中的每一個確定一個相應(yīng)的空間特征值；通過利用空間特征值獲得第一上行鏈路信號的一個估值，對上行鏈路信號組進行空間去復(fù)用。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中多個上行鏈路信號中的兩個或多個同時共享同一個通用信道，以和通信設(shè)備通信。
5.在采用天線陣列的通信設(shè)備中，一種用于為多個遠(yuǎn)程終端發(fā)送多個下行鏈路信號的方法，其中多個下行鏈路信號中的每一個用于一個特定的遠(yuǎn)程終端，所述方法包括確定一組空間多路復(fù)用加權(quán)值；根據(jù)空間多路復(fù)用加權(quán)值，對多個下行鏈路信號進行空間復(fù)用；發(fā)送經(jīng)空間復(fù)用的多個下行鏈路信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中多個被空間多路復(fù)用的下行鏈路信號中的兩個或多個同時共享同一個通用信道，以和通信設(shè)備通信。
7.在采用天線陣列的通信設(shè)備中，一種用于為多個遠(yuǎn)程終端發(fā)送多個下行鏈路信號的方法，其中多個下行鏈路信號中的每一個用于一個特定的遠(yuǎn)程終端，所述方法包括確定一組空間特征值，其中每個空間特征值對應(yīng)于多個遠(yuǎn)程終端中特定的一個；根據(jù)空間特征值組，對多個下行鏈路信號空間進行復(fù)用；和發(fā)送多個被空間多路復(fù)用的下行鏈路信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中多個被空間多路復(fù)用的下行鏈路信號中的兩個或多個同時共享同一個通用信道，以和通信設(shè)備通信。
9.在采用天線陣列的通信設(shè)備中，一種用于確定一個空間特征值的方法，所述方法包括向遠(yuǎn)程終端發(fā)送一個信號；從遠(yuǎn)程終端接收一個信號強度指示，所述信號強度指示與由遠(yuǎn)程終端接收的信號相關(guān)；和根據(jù)所述指示確定與遠(yuǎn)程終端相關(guān)聯(lián)的空間特征值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進一步包括校準(zhǔn)采用空間特征值的通信設(shè)備的天線陣列的步驟。
11.一個遠(yuǎn)程終端包括包括多個天線單元的一個天線陣列；耦合到天線陣列的一個空間處理器，用于空間處理多個信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的遠(yuǎn)程終端，其中多個信號被遠(yuǎn)程終端所接收，并且其中空間處理器包括裝置，用于確定相應(yīng)多個信號的空間去復(fù)用加權(quán)值，以從多個信號中估計一個第一信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的遠(yuǎn)程終端，其中多個信號被遠(yuǎn)程終端所接收，并且其中空間處理器包括裝置，用于根據(jù)多個信號確定空間特征值，以從多個信號中估計一個第一信號。
全文摘要
一種無線通信系統(tǒng)包括一個基站(1)的網(wǎng)絡(luò)，用于接收從多個遠(yuǎn)程終端(69)發(fā)送的上行鏈路信號，和用于向該遠(yuǎn)程終端發(fā)送下行鏈路信號。每個基站(1)包括多個用于發(fā)送下行鏈路信號的發(fā)送天線部件(18)和用于接收上行鏈路信號的接收天線部件(19)，一個與天線部件連接的信號處理器(13)，用于確定空間特征和多路復(fù)用和去復(fù)用功能。一個多基站控制器(66)被用來使用網(wǎng)絡(luò)性能得到優(yōu)化。
文檔編號H04B7/08GK1419383SQ0210696
公開日2003年5月21日 申請日期1995年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月20日
發(fā)明者克雷格H·巴勒特, 戴維M·帕里什, 理查H·羅伊Iii 申請人:埃瑞康姆公司