專利名稱：定向無線通信的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及定向無線通信的一種方法和裝置，在這種通信中只以某些方向發(fā)送第一臺與第二臺之間的信號。本發(fā)明尤其適用于采用自適應方式天線陣的蜂窩通信網例如空分多址(SDMA)，但并不局限于此。
利用目前實現(xiàn)的蜂窩通信網，提供了這樣的基站收發(fā)信機(BTS)，它將信號發(fā)送給基站收發(fā)信機所服務的整個小區(qū)或小區(qū)扇區(qū)中的給定移動臺(MS)(可以是移動電話)。然而，這里提出了空分多址(SDMA)系統(tǒng)。在空分多址系統(tǒng)中，基站收發(fā)信機不是將信號發(fā)送給整個小區(qū)或小區(qū)扇區(qū)中的給定移動臺，而只是以接收到移動臺的信號的波束方向來發(fā)送信號，這樣在同一小區(qū)中可同時使用同一頻率以支持兩個不同的用戶。SDMA系統(tǒng)也可以使得基站收發(fā)信機可確定接收到移動臺的信號的方向。
一個問題是，根據基站從移動臺接收到的信號來確定基站向移動臺發(fā)送信號的方向。然而，在頻分雙工工作方式中，基站發(fā)送給基站的信號的頻率與基站發(fā)送給移動臺的信號所用的頻率完全不同。上行和下行鏈路信號中所用的頻率的不同意味著上行鏈路方向上的信道特性可不同于下行鏈路信道中的信道特性。
在時分雙工方式中，上行和下行鏈路信道中所用的頻率可以相同。應當注意，在時分雙工方式中，不可能在這種上行和下行鏈路信道中同時發(fā)送信號。如果雙工時間比信道的相干時間短得多，則可以假定上行和下行鏈路信道的特性相同。信道的相干時間是所發(fā)送的碼元相對不受信道波動干擾的時間間隔。信道波動可能由無線環(huán)境的變化所造成，例如由移動臺的移動所造成。因此，為了使上行和下行鏈路信道相同的假定有效，在小于信道的相干時間的接收上行鏈路信號的時間段內，信號應當以下行鏈路信道發(fā)送。如果移動臺在移動，那么，與移動臺靜止相比，要以下行鏈路方向發(fā)送的信號不大可能在小于相干時間的時間段內發(fā)送。即使移動臺不在移動，信號的接收與發(fā)送之間的時間也可能大于相干時間。
隨著無線環(huán)境的不同，上行鏈路或下行鏈路的空間特性比如其脈沖響應將有很大的不同。
在一種試圖解決這一問題的已知系統(tǒng)中，如

圖1中所示，無線環(huán)境分為宏小區(qū)A、微小區(qū)B和/或微微小區(qū)C。宏小區(qū)A相對較大，而微小區(qū)B和微微小區(qū)C小得多。微微小區(qū)C小于微小區(qū)B。微小區(qū)B和/或微微小區(qū)C可包含在宏小區(qū)A中，如圖1中所示。假定，無線信號在宏小區(qū)A中的特性與微小區(qū)B或微微小區(qū)C中的特性相比有很大的不同。因此，這使得在確定以下行鏈路方向發(fā)送的信號的參數(shù)時可采用不同類型的策略。然而，利用這種系統(tǒng)，宏小區(qū)和微小區(qū)或微微小區(qū)中信號的特性可能被誤解。例如，在宏小區(qū)A中靠近基站工作的移動臺的信號可被基站以大角度范圍接收。這種特性體現(xiàn)了微小區(qū)或微微小區(qū)的特征。建筑物的存在所造成的街道溝道效應導致信號以小角度范圍被接收。如果這種特性出現(xiàn)在微小區(qū)或微微小區(qū)中，那么基站將以小角度范圍接收信號。這種特性更體現(xiàn)了宏小區(qū)的特征。因此，這種模型未必反映出宏小區(qū)、微小區(qū)或微微小區(qū)中的實際無線環(huán)境。更確切地說，這種模型取決于移動臺相對于基站收發(fā)信機的位置所確定的預期無線環(huán)境。因此，這種模型有時將導致不良的信號質量。
本發(fā)明的一些實施方式的目的在于，提供一種避免或至少減輕這一問題的方法和裝置。
根據本發(fā)明的一個方面，提供了一種在第一臺與第二臺之間定向無線通信的方法，該方法包括如下步驟根據在第一臺處接收到的第二臺的至少一個信號判斷在所述第一與第二臺之間出現(xiàn)了多種不同無線環(huán)境中的哪一種類型；和將信號從第一臺發(fā)送到第二臺，所述發(fā)送信號的至少一個參數(shù)取決于所判定的無線環(huán)境類型。
由于無線環(huán)境類型是根據所接收到的至少一個信號所判定的，因此它反映了實際無線環(huán)境而不是預期無線環(huán)境。因此，第一臺發(fā)送的信號可以比根據此前所述的系統(tǒng)能更好地考慮到實際無線環(huán)境。
無線環(huán)境類型最好根據第一臺接收到的第二臺的信號的角度范圍來判定。這是一個有助于在定向無線系統(tǒng)中判定無線環(huán)境類型時所用的接收信號的參數(shù)。
最好，當?shù)谝慌_接收到的第二臺的至少一個信號具有相對較小的角度范圍時判定出現(xiàn)第一無線環(huán)境類型，而當?shù)谝慌_接收到的第二臺的至少一個信號具有相對較大的角度范圍時判定出現(xiàn)第二無線環(huán)境類型。在本發(fā)明的實施方式中，可以有兩種以上的無線環(huán)境。然而，為了得到好的結果而不過于復雜，最好只選兩種類型。
最好，如果判定出現(xiàn)第一無線環(huán)境類型，那么第一臺發(fā)送的信號以相對較小的波束范圍來發(fā)送，而如果判定出現(xiàn)第二無線環(huán)境類型，那么信號以相對較大的波束范圍來發(fā)送。因此，所發(fā)送的信號考慮到了所判定的無線環(huán)境類型的特性。
這種方法最好還包括以下步驟如果判定出現(xiàn)了第一無線環(huán)境類型，那么判斷是否要增加第一臺所要發(fā)送的信號的波束范圍。因此，該方法保證了適當時都采用窄波束。然而，如果有任何其他的指示表明應當用較寬的波束范圍來避免通信損耗或不良通信質量，那么可增加波束范圍。
判斷是否要增加波束范圍的步驟可包括考慮表示第一與第二臺之間距離的參數(shù)，如果第一與第二臺之間距離相對較小，則增加要發(fā)送到第二臺的信號的波束范圍。例如在GSM系統(tǒng)中，表示第一與第二臺之間距離的參數(shù)可以是定時超前信息。當出現(xiàn)第一無線環(huán)境類型時，如果第一與第二臺之間距離小于預定閾值，則可增加所要發(fā)送的信號的波束范圍。
或者(或除此之外)，判斷是否要增加波束范圍的步驟包括考慮表示第二臺相對于第一臺的移動速度的參數(shù)，如果相對速度相對較高，則增加要發(fā)送到第二臺的信號的波束范圍。此外，還可以采用一種閾值，使得，如果相對速度大于預定閾值，則增加所要發(fā)送的信號的波束范圍。
在一種可選擇的實施方式中，判斷是否要增加波束范圍的步驟包括考慮表示第二臺相對于第一臺的相對移動性的參數(shù)，如果相對移動性相對較大，則增加要發(fā)送到第二臺的信號的波束范圍。相對移動性涉及第二臺相對于第一臺的速度和第一與第二臺之間的距離?？梢圆捎靡环N閾值，使得，如果相對移動性大于預定閾值，則增加所要發(fā)送的信號的波束范圍。
所述判斷是否要增加波束范圍的步驟最好包括考慮第一臺的天線陣超出周圍環(huán)境的高度，如果天線陣相對于周圍環(huán)境相對較低，則增加波束范圍。當然也可以采用一種閾值。
或者(或除此之外)，判斷是否要增加波束范圍的步驟包括確定第一臺接收到的第二臺的N個以前的信號的平均角度范圍。例如在GSM系統(tǒng)中，N個以前的信號可以是N個數(shù)據脈沖串，或是CDMA系統(tǒng)情況下的時隙。第一臺最好以類似于或等同于已確定的平均角度范圍的波束范圍來發(fā)送信號。可以有一個使用于大角度范圍環(huán)境中的最小波束范圍。確定平均值的時間段最好考慮到一個或多個以下參數(shù)第一與第二臺之間的距離，第二臺相對于第一臺的速度，和第二臺相對于第一臺的相對移動性。如果第二臺在移動，那么確定平均值的時間段最好減小。
如果出現(xiàn)第一無線環(huán)境，則所要發(fā)送的信號的波束范圍最好不被減小，而只在適當時被增加。
這種方法最好還包括以下步驟如果判定出現(xiàn)第二無線環(huán)境類型，那么判斷是否要減小第一臺所要發(fā)送的信號的波束范圍。通常，如果判定出現(xiàn)第二無線環(huán)境類型，那么第一臺發(fā)送的信號一般具有寬波束范圍。利用這種方法，判斷是否可減小波束范圍，這樣使得可改善容量。
判斷是否要減小信號的波束范圍的步驟可包括針對第一臺接收到的第二臺的最近N個以前的信號(例如最近N個數(shù)據脈沖串)，確定第一臺處來自第二臺的信號的兩個極端到達方向，和以這兩個極端到達方向所確定的波束范圍向第二臺發(fā)送信號。這些到達方向可以是主到達方向。
或者，判斷是否要減小信號的波束范圍的步驟可包括確定第一臺接收到的第二臺的以前N個信號的角度范圍的方差，和以與所計算的方差有關的波束范圍向第二臺發(fā)送信號。可以確定N個以前的信號的主到達方向的變化。
在判斷是否要減小信號的波束范圍的這兩種方法中，N個以前的信號可以是N個以前的脈沖串(如果這種方法應用于GSM系統(tǒng))，或是時隙(如果這種方法應用于CDMA系統(tǒng))。
如果判定出現(xiàn)大角度無線環(huán)境，則波束范圍最好只在適當時被減小，而不被增加。
接收和發(fā)送的信號的波束范圍最好由一個或多個波束方向來確定。該波束或各波束的寬度最好是可變的。
第一臺最好是蜂窩電信網中的基站收發(fā)信機。第二臺可以是移動臺。
根據本發(fā)明的第二方面，提供了一種與第二臺定向無線通信的第一臺，它包括用于接收第二臺的信號的裝置；用于根據第一臺接收到的第二臺的至少一個信號判斷工作時在所述第一與第二臺之間出現(xiàn)了多種不同無線環(huán)境中的哪一種類型的裝置；和用于將信號發(fā)送到第二臺的發(fā)射裝置，該發(fā)送信號的至少一個參數(shù)取決于所判定的無線環(huán)境類型。
無線環(huán)境類型可以根據接收裝置接收到的信號的角度范圍來判定。最好，當所述接收裝置以相對較小的角度范圍接收到第二臺的信號時，所述判斷裝置判定無線環(huán)境屬于第一類型，而如果接收裝置以相對較大的角度范圍接收到第二臺的信號時，判定無線環(huán)境屬于第二類型。
該判斷裝置最好可用來如果判定無線環(huán)境屬于第一類型，則判斷發(fā)射裝置所發(fā)送的信號的角度范圍是否可被增加，而如果無線環(huán)境屬于第二類型，則判斷是否可被減小。
為了更好地理解本發(fā)明以及本發(fā)明如何實現(xiàn)，下面將參照附圖舉例說明，其中圖1示出了蜂窩網的小區(qū)的已知模型；圖2示出了基站收發(fā)信機(BTS)及其相應的小區(qū)扇區(qū)的示意圖；圖3示出了實施本發(fā)明的天線陣和基站收發(fā)信機的示意圖；圖4示出了圖3中的數(shù)字信號處理器的示意圖；和圖5示出了8個可能的信道中的4個信道的信道脈沖響應。
首先，參照圖2，圖中示出了限定蜂窩移動電話網的小區(qū)3的三個小區(qū)扇區(qū)2。這三個小區(qū)扇區(qū)2由各自的基站收發(fā)信機(BTS)4所服務。三個單獨的基站收發(fā)信機4設置在同一位置。各基站4均具有一個單獨的收發(fā)信機，并針對三個小區(qū)扇區(qū)2中各自的一個扇區(qū)收發(fā)信號。因此，為每個小區(qū)扇區(qū)2都提供了一個專用基站收發(fā)信機。于是BTS 4可以與位于各自小區(qū)扇區(qū)2中的移動臺(MS)如移動電話通信。
下面針對GSM(全球移動通信系統(tǒng))網描述本實施方式。不過，應當注意，本發(fā)明的實施方式也可結合其他系統(tǒng)如其他頻分多址系統(tǒng)、其他時分多址系統(tǒng)、擴頻系統(tǒng)如碼分多址系統(tǒng)或一個以上上述系統(tǒng)的混合系統(tǒng)來使用。在GSM系統(tǒng)中，采用頻/時分多址(F/TDMA)系統(tǒng)。數(shù)據在基站4與移動臺之間以脈沖串方式發(fā)送。數(shù)據脈沖串包括訓練序列，它是已知的數(shù)據序列。訓練序列的用途將在后面描述。各數(shù)據脈沖串以給定頻帶以該頻帶中的預定時隙發(fā)送。采用定向天線陣使得還可以實現(xiàn)空分多址。因此，在本發(fā)明的實施方式中，各數(shù)據脈沖串將以給定頻帶、以給定時隙和以給定方向發(fā)送。針對以給定頻帶、以給定時隙和以給定方向發(fā)送的給定數(shù)據脈沖串，可以確定相應的信道。
圖3示出了起收發(fā)信機作用的一個基站收發(fā)信機4的模擬波束形成裝置所控制的一個天線陣的示意圖。應當理解，圖3中所示的陣列6只服務于圖1中所示的三個小區(qū)扇區(qū)2之一。可提供另兩個天線陣6來服務于其他兩個小區(qū)扇區(qū)2。天線陣6有8個天線單元a1...a8。單元a1...a8的配置通常在各天線單元之間有半個波長的間隔，并且在一條直線上水平排列。各天線單元用來發(fā)送和接收信號并且可具有任意合適的結構。各天線單元a1...a8可以是偶極子天線、接插天線或任何其他適合的天線。
正如以下所詳述，這些天線單元由模擬波束形成裝置8所控制，該形成裝置控制所產生的波束的數(shù)量以及各波束的寬度。模擬波束形成裝置8可以是巴特勒矩陣。
要發(fā)送到移動臺MS的同一信號被輸入到天線陣6的各天線單元a1...a8。然而輸入到各天線單元a1...a8的信號的相位彼此之間相對有相移。輸入到各天線單元的信號之間的相位關系的差別可得到定向輻射圖。因此，來自基站4的信號只能在與陣列6有關的小區(qū)扇區(qū)2中以某些方向發(fā)送。陣列6所實現(xiàn)的定向輻射圖是由于各天線單元a1...a8所發(fā)送的彼此之間相對有相移的信號之間的相長干涉和相消干涉的結果。天線陣6可以被控制以提供許多方向中的任意一個或多個方向的波束。在所示的實施方式中，可提供8個波束的最大值。各波束的寬度也可以控制。
各天線單元a1...a8所提供的信號的相對相位由波束形成裝置8來控制，以便信號可以以所要求的一個波束方向或一些波束方向發(fā)送。因此，波束形成裝置8提供了相移功能。波束形成裝置8具有由BTS 4輸入的8個輸入端10a-h和與各天線單元a1...a8一一對應的8個輸出端。各輸入端10a-h接收到的信號包括所要發(fā)送的數(shù)據脈沖串和關于波束寬度的信息。8個輸入端10a-h中每個都表示發(fā)送給定數(shù)據脈沖串的8個不同的波束方向之一。例如，當波束形成裝置8在第一輸入端10a接收到信號時，波束形成裝置8將輸入端10a所提供的信號以所需的相位差施加到各天線單元a1...a8，使得可以按所要求的波束寬度產生給定方向的波束，以便數(shù)據脈沖串以該波束方向發(fā)送。同樣，輸入端10b所提供的信號使得可以按所要求的波束寬度產生不同波束方向的波束，依次類推。
如前面所討論，天線陣6的天線單元a1...a8接收來自MS的信號以及向MS發(fā)送信號。MS發(fā)送的信號通常被8個天線單元a1...a8中的每一個所接收。然而，各天線單元a1...a8所接收的各信號之間將有相位差。借助波束形成裝置8，根據各天線單元a1...a8所接收的信號的相對相位可以確定接收到信號的方向以及角度范圍。
可造選擇一個或多個寬度為W的波束用于傳輸。選擇一個或多個信號(10a-10h)等價于產生更寬的波束。
因此，對于各天線單元所接收的信號，波束形成裝置8具有與各天線單元a1...a8一一對應的8個輸入端。波束形成裝置8還具有8個輸出端14a-h。各輸出端14a-14h對應于可接收到給定數(shù)據脈沖串的特定方向。例如，如果天線陣6從第一方向接收到MS的信號，那么波束形成裝置8將以輸出端14a輸出接收到的信號。從第二方向接收到的信號將使接收信號從波束形成裝置8的輸出端14b輸出，依次類推?？傊?，波束形成裝置8將以天線單元a1...a8接收同一信號的彼此之間相對有相移的8種形式。根據這些相對相移，借助波束形成裝置8可以確定接收到接收信號的方向，并且根據接收到信號的方向以某一輸出端14a-h輸出信號。或者，還可以在數(shù)字信號處理器中以數(shù)字形式完成相移功能和角度范圍的確定。
實際上，由于旁瓣和/或多徑效應，不大可能只從單波束方向接收到信號。具體地說，在某些環(huán)境中，當信號在MS與BTS 4之間傳播時，由于信號的反射，MS的單個信號或數(shù)據脈沖串可能好象是來自一個以上的方向。波束形成裝置8將以與給定的信號或數(shù)據脈沖串好象所來自的各方向相應的各輸出端14a-h提供信號。因此，同一數(shù)據脈沖串可以以波束形成裝置8的一個以上的輸出端14a-h提供。然而，各輸出端14a-h上的信號可能彼此之間相對有延時。應當理解，在一些方向上接收到的信號的電平或幅度常常很低，因此在本發(fā)明的某些實施方式中它們本身可以忽視。
波束形成裝置8的各輸出端14a-h連接到放大接收信號的各放大器16的輸入端。為波束形成裝置8的每個輸出端14a-h都提供了一個放大器16。然后由各處理器18處理放大的接收信號，處理器對放大信號進行處理從而將接收信號的頻率降至基帶頻率，以便信號可由BTS 4來處理。為此，處理器18去除輸入信號中的載頻分量。同樣，也為波束形成裝置8的每個輸出端14a-h都提供了一個處理器18。然后，由模/數(shù)(A/D)轉換器20將模擬方式的接收信號轉換為數(shù)字信號。提供了8個A/D轉換器20，這些轉換器與波束形成裝置8的每個輸出端14a-h一一對應。然后將數(shù)字信號通過各自的輸入端19a-h輸入到數(shù)字信號處理器21，以便進一步處理。
數(shù)字信號處理器21也具有8個輸出端22a-h，每個輸出端都輸出一個表示要發(fā)送到給定MS的信號的數(shù)字信號。所選定的輸出端22a-h表示要發(fā)送信號的波束方向。數(shù)/模(D/A)轉換器23將該數(shù)字信號信息轉換為模擬信號。為數(shù)字信號處理器21的每個輸出端22a-h都提供了一個數(shù)/模轉換器23。然后由處理器24對模擬信號進行處理，該處理器是一個調制器，它將所要發(fā)送的模擬信號調制到載頻。在由處理器24對模擬信號進行處理之前，該信號處于基帶頻率。然后，將得到的信號輸出到各自的調相器25。
為每個處理器24都提供了一個調相器25，各調相器25的輸出被輸入到放大各自信號的各功率放大器26。同樣，也為每個調相器25都提供了一個功率放大器。各功率放大器26的輸出被輸入到波束形成裝置8的各輸入端10a-h。因此，為數(shù)字信號處理器21的每個輸出端22a-h都提供了處理器24、放大器26和調相器25。
下面將參照圖4，該圖詳細示出了數(shù)字信號處理器21。應當理解，圖4中所示的各個塊未必與實施本發(fā)明的實際數(shù)字信號處理器21的各個單元相應。具體地說，圖4中所示的各個塊對應于數(shù)字信號處理器21所執(zhí)行的各種功能。在本發(fā)明的一種實施方式中，數(shù)字信號處理器21至少部分地用集成電路實現(xiàn)，并且可由同一單元來執(zhí)行若干個功能。
數(shù)字信號處理器在各輸入端19a-h上接收到的各信號都被分離單元(未示出)分離成與波束寬度有關的信息和接收信號部分。與波束寬度有關的信息輸入到分析塊34，該分析塊將在后面詳述。數(shù)字信號處理器21在各輸入端19a-h上接收到的各信號輸入到各自的信道脈沖響應(CIR)估算器塊30。CIR估算器塊30包括存儲估算信道脈沖響應的存儲容量。CIR估算器塊30還包括暫存接收信號部分的存儲容量。信道脈沖響應估算器塊30用來估算各輸入端19a-h的信道的信道脈沖響應。如前面所討論，針對以選定的頻帶、所分配的時隙和接收到信號的方向發(fā)送的給定數(shù)據脈沖串，可以確定相應的信道。接收到信號的方向及其寬度可借助波束形成裝置8來確定，這樣，在數(shù)字信號處理器的輸入端19a上接收到的信號主要表示從具有所確定寬度的第一方向接收到的信號，依次類推。應當理解，給定輸入端接收到的信號還可以包括例如相鄰輸入端接收到的信號的旁瓣。
從移動臺MS發(fā)送到BTS 4的各數(shù)據脈沖串均包括訓練序列TS。然而，BTS 4接收到的訓練序列TSRx受噪聲的影響也受多徑效應的影響，這導致了訓練序列的相鄰比特之間的干擾。TSRX還受其他移動臺(例如，位于其他小區(qū)或小區(qū)扇區(qū)中的使用可造成同信道干擾的同一頻率的移動臺)的干擾的影響。正如所知，來自MS的給定信號可能沿著一條以上的路徑到達BTS，因此天線陣6可從給定波束方向檢測到給定信號的一個以上的形式。CIR估算器塊將從輸入端19a接收到的訓練序列TSRX與存儲在數(shù)據存儲器32中的參考訓練序列TSREF互相關。參考訓練序列TSREF與移動臺最初發(fā)送的訓練序列相同。實際上，接收到的訓練序列TSRX是調制到載頻的信號，而參考訓練序列TSREF作為比特序列存儲在數(shù)據存儲器32中。相應地，在執(zhí)行互相關之間，所存儲的參考訓練序列同樣被調制。換言之，將BTS 4接收到的失真訓練序列與訓練序列的不失真形式相關。在本發(fā)明的另一種實施方式中，接收到的訓練序列在解調之后再與參考訓練序列相關。在這種情況下，參考訓練序列可能又具有與接收到的訓練序列相同的形式。換言之，參考訓練序列未被調制。
參考訓練序列TSREF和接收到的訓練序列TSRX都具有與L比特的數(shù)據相應的長度L，例如可以是26比特。接收到的訓練序列TSRX在所分配時隙中的確切位置可能是不確定的。這是因為，移動臺MS與BTS 4的距離會影響MS發(fā)送的數(shù)據脈沖串在所分配時隙中的位置。例如，如果移動臺MS離BTS 4相對較遠，那么與移動臺MS靠近BTS 4的情況相比，訓練序列在所分配時隙中出現(xiàn)較遲。
考慮到接收到的訓練序列TSRX在所分配時隙中的位置的不確定性，因此，將接收到的訓練序列TSRX與參考訓練序列TSREF進行n次相關。通常，n可以是例如7或9。n最好為奇數(shù)。n個相關通常在得到的最大相關值的兩邊。接收到的訓練序列TSRX相對于參考訓練序列TSREF的相對位置移位了各連續(xù)相關之間的某個位置。各個位置等價于訓練序列中的一個比特并表示一個延時段。接收到的訓練序列TSRX與參考訓練序列TSREF的各個單獨相關得到一個表示該相關的信道脈沖響應的分量。n個單獨相關得到具有n個值的分量序列。應當理解，某些分量可以為0或很小。這可能出現(xiàn)在分量序列的一端或另一端或兩端，而最大值在分量序列的中間位置。
下面參考圖5，圖中示出了與8個空間方向相應的8個可能的信道中的4個信道的信道脈沖響應。換言之，圖5示出了與可被波束形成裝置8檢測到的移動臺的8個可能的波束方向中的4個方向上接收到的給定數(shù)據脈沖串相應的4個信道的信道脈沖響應，該數(shù)據脈沖串處在給定頻帶和給定時隙中。各圖的x軸表示延時的度量，而y軸表示相對功率的度量。圖中所標記的各線段(或分量)表示與給定相關延時相應的接收到的多徑信號。各圖均有n個線段或分量，一個分量對應一個相關。
根據估算信道脈沖響應，可以確定訓練序列在所分配時隙中的位置。當獲得接收到的訓練序列TSRX與參考訓練序列TSREF之間的最佳相關時，可得到最大分量值。
CIR估算器塊30還為各信道確定給出最大能量的5個(或任何其他適當個數(shù))連續(xù)分量。給定信道的最大能量按下式計算E=Σj=15(hj)2----(I)]]>其中，h表示參考訓練序列TSREF與接收到的訓練序列TSRX的互相關所得到的分量幅度。CIR估算器塊30采用活動窗技術來估算給定信道的最大能量。換言之，CIR估算器塊30考慮到5個相鄰值中的各值并根據那5個值計算出能量。給出最大能量的5個相鄰值被選為表示該信道的脈沖響應。
該能量可認為是BTS 4從給定方向接收到的來自給定MS的所需信號的強度的度量。針對表示可接收到同一數(shù)據脈沖串的8個不同波束方向的8個信道中的每個信道，都可執(zhí)行這一過程。所接收到的具有最大能量的信號是沿著具有最小信號衰減的路徑傳輸?shù)?。這一路徑是主到達方向的路徑。
分析塊34與CIR估算器塊30的輸出端連接。分析塊34對接收信號(它可以來自一個以上波束方向)的總角度范圍作出評定?？梢砸匀我膺m當?shù)姆绞阶鞒鲞@種評定。在一種確定角度范圍的方法中，分析塊34考查哪個信道具有超過給定閾值的最大能量。通過將具有超過閾值的最大能量的那些信道的相應波束寬度信息相加來確定總角度范圍。然后，將計算出的角度范圍與進一步的閾值進行比較。如果計算出的總角度范圍小于給定閾值，那么分析塊34判定移動臺與基站工作在小角度范圍無線環(huán)境中。如果總角度范圍大于給定閾值，那么分析塊34判定移動臺與基站工作在大角度范圍無線環(huán)境中。因此，基站收發(fā)信機可以判斷它與移動臺是工作在小角度范圍無線環(huán)境中還是工作在大角度范圍無線環(huán)境中。
應當理解，以下，信號的角度范圍是指認為接收到信號的各波束方向的寬度的總和。波束范圍是指發(fā)送信號的各波束方向的寬度的總和。
在小角度范圍環(huán)境中，基站收發(fā)信機以小角度范圍接收來自移動臺的信號。換言之，接收信號是窄的或容易確定。應當理解，一般而言，角度范圍同移動臺與基站收發(fā)信機之間的距離成反比。因此，移動臺越靠近基站收發(fā)信機，角度范圍一般將增加。通常(但未必)，當移動臺離基站比較遠和/或基站天線完全高于周圍環(huán)境時，將過到小角度范圍。這是因為，來自移動臺的信號沿無反射的直達路徑傳輸?shù)目赡苄詫⒃龃蟆?br> 基站發(fā)送的信號的總波束范圍按如下方式控制。當分析塊34已判定基站與移動臺工作在小角度范圍環(huán)境中時，主要策略是就象以盡可能小的波束范圍的情況一樣發(fā)送到移動臺。然而，存在某些希望加寬信號的波束范圍的情形。例如，如果在信道中出現(xiàn)衰落，那么基站可以接收具有小角度范圍的信號。如果沒有信道衰落，那么基站可以接收具有較寬角度范圍的信號。如果此時基站當向移動臺發(fā)送時采用那種窄波束范圍，那么移動臺所接收信號的質量可能下降。例如可能加重噪聲造成的問題。如果移動臺在移動，那么還可能出現(xiàn)別的問題。如果自從移動臺將其信號發(fā)送給基站后該移動臺移動了一段很長的距離，那么，基站以窄波束范圍所發(fā)送的信號可能不能被該移動臺很好的接收。如果基站采用較寬的波束范圍，則可以避免這一問題。
為了解決第一個問題，計算出從移動臺接收到的N個以前的脈沖串的角度范圍，并計算出平均角度范圍。在比出現(xiàn)短期衰落的時間段更長的時間段上進行平均。進行平均的時間段的長度還受移動臺的移動性的限制。具體地說，進行平均的時間段不應太長，以免移動臺相對于基站收發(fā)信機有很大的移動。在本發(fā)明的一種實施方式中，進行平均的時間段與定時超前信息成正比。
在GSM系統(tǒng)中，利用定時超前信息來確保移動臺發(fā)送給BTS 4的信號落在其所分配的時隙中。如果移動臺離基站相對較遠，那么移動臺的信號將需要較長時間才到達基站。為了確?；窘邮盏降囊苿优_的信號落在其所分配的時隙中，與移動臺更靠近基站時情況相比，定時超前信息可使移動臺更早地將其信息發(fā)送給基站。該定時超前信息可根據所計算出的相對延時和當前定時超前信息計算出來。
分析塊34可用來確定各個信道的各個窗的起始位置，這樣就可確定提供最大能量的5個值。然后根據參考點與窗的起始點之間的時間確定各個窗的延時。這個參考點可以是當各分支中所有接收到的訓練序列開始被相關的共同時刻，因此定時與所有分支的最早窗沿或等效共同時刻相應。接收到的訓練序列TSRX在所分配時隙中的位置是一個相對延時的度量?？梢杂嬎愠銎骄鄬ρ訒r或者可以將最強信號的相對延時選為用于計算所需定時超前信息的相對延時。
為了解決第二個問題，根據基站收發(fā)信機與移動臺之間的距離來設定基站收發(fā)信機所發(fā)送的信號的波束范圍。定時超前信息可以作為移動臺與基站收發(fā)信機之間的距離的度量。當基站收發(fā)信機與移動臺之間的距離增加時，可以采用較小的角度范圍，反之亦然?；蛘哒f，移動臺離基站越遠，基站想要增加發(fā)送信號的角度范圍越小。
可以用移動臺的速度來控制所發(fā)送的波束范圍。移動臺的速度可以以適當?shù)姆绞嚼绮捎冒j算法來計算。這可以作為采用距離測量的一種替代或者作為一種補充。具體地說，移動臺移動越快，所應采用的下行鏈路波束寬度越寬。在上述這兩種情況下，可以采用一種閾值。如果速度小于給定閾值或移動臺與基站收發(fā)信機之間的距離大于給定值，那么將控制基站以與基站所接收的信號的角度范圍或小角度范圍無線環(huán)境的預定值的角度范圍相同或相似的波束范圍進行發(fā)送。如果速度大于閾值或距離小于閾值，那么波束范圍可以與速度或距離成比例地增加或根據速度或距離來確定。在本發(fā)明的實施方式中，可以不用閾值，而可以使波束范圍同基站與移動臺之間的距離或移動臺的速度成比例。不過，最好是采用閾值。
也可以根據移動臺相對于基站的相對移動性來判斷是否要增加波束范圍。移動臺的相對移動性m由下式確定m＝v/d其中v為移動臺的速度而d為移動臺與基站收發(fā)信機之間的距離。于是，波束范圍應與該移動性成比例或根據該移動性來確定。所要發(fā)送的信號的波束范圍可以與接收信號的角度范圍×相對移動性成比例?？梢圆捎靡环N閾值。因此，當移動性值超過閾值時，可以根據計算出的移動性增加信號的波束范圍?；蛘撸共ㄊ秶c相對移動性成比例，而與從基站收發(fā)信機接收到的信號的角度范圍無關。然而，在小角度范圍環(huán)境中，所發(fā)送的信號的波束范圍最好具有預定的最小值。
在小角度范圍環(huán)境中，基站收發(fā)信機所發(fā)送的信號的波束范圍可以與基站接收到的信號的角度范圍大小相同或相似，或者是預定的最小值，除非以前N個脈沖串的平均角度范圍、基站與移動臺之間的距離、移動臺的速度或移動臺的相對移動性表明應增加基站發(fā)送的信號的波束范圍。在小角度范圍環(huán)境中，波束范圍在小于最小值時，最好從不被減小。只要接收的角度范圍小于最小值，就采用最小的波束范圍。應當注意，當判斷基站所要發(fā)送的信號的波束范圍時，可考慮到一個或多個上述因素。
在所有上述方法中，分析塊34可以考慮環(huán)境是否是小角度范圍環(huán)境、移動臺與基站之間的距離、移動臺的速度、基站天線陣超出周圍環(huán)境的高度和/或移動臺的相對移動性，并選擇一種算法根據距離、速度和/或相對移動性的值來確定波束范圍。
如果分析塊34判定波束范圍大于給定閾值，那么如前面所討論，判定移動臺與基站工作在大角度范圍無線環(huán)境中。
在大角度范圍環(huán)境中，將以大角度范圍來接收來自移動臺的信號。通常(但又未必)，當移動臺靠近基站和/或基站的天線陣相對周圍環(huán)境而言較低時，將出現(xiàn)大角度范圍。大角度范圍可以覆蓋整個小區(qū)扇區(qū)2?；臼瞻l(fā)信機可以以與它接收時相同或相似的大角度范圍向移動臺發(fā)送，因此可以發(fā)送到整個小區(qū)扇區(qū)2。顯然，按照容量要求這是所不希望的?；蛘?，如果判定無線環(huán)境是大角度范圍無線環(huán)境，那么基站可以采用預定的寬波束范圍將信號發(fā)送給移動臺。在某些情形下，該預定的波束范圍可以小于接收信號的角度范圍。
因此，提出按如下方式控制基站發(fā)送的信號的波束范圍。當分析塊34得知基站收發(fā)信機與正在通信的移動臺工作在大角度范圍環(huán)境中時，基站收發(fā)信機以寬波束范圍(該波束范圍由接收信號的角度范圍確定或者是預定的角度范圍)進行發(fā)送，除非它判定波束范圍可被減小。
判斷是否可減小所要發(fā)送的信號的波束范圍的一種方法如下所述?？疾榛臼瞻l(fā)信機處來自移動臺的最近N個脈沖串的主到達方向。主到達方向是基站從移動臺接收到信號的最強形式的波束方向。計算出最近N個脈沖串的主到達方向的方差，并在適當時與計算出的方差成比例地減小基站收發(fā)信機所要發(fā)送的信號的波束范圍。
判斷是否可減小波束范圍的第二種方法如下所述。確定移動臺從移動臺接收到的N個以前的脈沖串的兩個極端主到達方向。換言之，針對以前N個脈沖串，識別基站處具有最低和最高入射角的主到達方向。因此，基站發(fā)送的信號將具有兩個極端主到達方向的入射角之間的差所確定的波束范圍。信號傳輸?shù)姆较驅⑹腔咎幮盘柕膬蓚€極端主到達方向的波束方向和這兩者之間的波束方向。因此，基站發(fā)送的信號將具有基站處信號的極端主到達方向之間的范圍。
應當注意，在本發(fā)明的實施方式中，當判定出現(xiàn)大角度范圍無線環(huán)境時，可以只減小而不是增加波束范圍。判斷是否要減小波束范圍的兩種方法可以一起使用或者可以二者選一。
產生塊38負責產生要從數(shù)字信號處理器21輸出的信號。產生塊38有一個輸入40，表示要發(fā)送到移動臺MS的語音和/或信息。產生塊38負責將所要發(fā)送到移動臺MS的語音或信息編碼，并且包括信號中的訓練序列和同步序列。產生塊38還負責產生調制信號。根據所產生的信號和分析塊34的輸出端提供的所確定波束方向，產生塊38在數(shù)字信號處理器212的各輸出端22a-h提供信號。
產生塊38還提供用于控制放大倍數(shù)的輸出50，以確保以一個或多個波束方向發(fā)送的信號具有所需的功率電平。功率電平可以由分析塊34采用任何適當?shù)姆椒▉泶_定。應當注意，各放大器26的功率電平可以單獨設定。信道脈沖響應塊30的輸出也可以用來均衡從移動臺接收到的信號并使它們相稱。具體地說，通過匹配濾波器MF和均衡器塊42可以消除或減輕接收信號中因多徑傳播所造成的碼元間干擾的影響。應當理解，匹配濾波器MF和均衡器塊42有一個輸入端(未示出)，以接收來自MS的接收信號。各塊42的輸出都被恢復塊44所接收，該恢復塊負責恢復MS發(fā)送的語音和/或信息?；謴蛪K所執(zhí)行的步驟包括將信號解調和解碼。所恢復的語音或信息從輸出端46輸出。
在一種對上述實施方式的修改中，用數(shù)字波束形成裝置來取代模擬波束形成裝置。一般而言，模擬波束形成裝置不如數(shù)字波束形成裝置靈活。這是因為，模擬波束形成裝置通常提供固定數(shù)量的波束，各波束具有固定的角度范圍。在數(shù)字波束形成裝置中，波束的數(shù)量及其波束寬度可以根據需要而改變。因此，可以選擇波束的適當數(shù)量。使用模擬波束形成裝置可對發(fā)送波束寬度以及發(fā)送波束的方向進行粗控制。應當理解，如果采用數(shù)字波束形成裝置，由于波束寬度可以根據需要而改變，因此，可以發(fā)送有效覆蓋兩個或兩個以上不同波束方向的單個寬波束。這樣就消除了因相鄰波束重疊和干擾所引起的問題。因此，數(shù)字波束形成裝置為基站收發(fā)信機的操作提供了更強的靈活性，并且與例如巴特勒矩陣電路相比可以提供更大的容量。
如上所述，以上實施方式描述了提供模擬波束形成裝置的8個輸出的情況。應當理解，實際上，在數(shù)字波束形成裝置的各輸出端可以同時輸出若干個不同的信道。這些輸出可以處在不同的頻帶。
盡管示出了單獨的放大器、處理器、調相器、模/數(shù)轉換器和數(shù)/模轉換器，然而，實際上這些器件可以配置在具有多個輸入和輸出的單個單元中。
上述實施方式是針對SDMA系統(tǒng)所描述的。然而，本發(fā)明的實施方式可應用于提供可按自適應方式被控制的天線陣的地方。
應當理解，本發(fā)明的實施方式可應用于傳送語音或數(shù)據的任何類型的蜂窩通信網中。本發(fā)明的實施方式也可應用于發(fā)送和接收分組數(shù)據的蜂窩通信網中。本發(fā)明的實施方式也可應用于分組無線業(yè)務。
盡管上述本發(fā)明的實施方式是基站收發(fā)信機，然而，應當理解，本發(fā)明的實施方式可應用于移動臺等中。
本發(fā)明的實施方式除了應用于蜂窩電信網之外，還可以有其他應用。例如，本發(fā)明的實施方式可應用于需要定向無線通信的任何環(huán)境中。例如，上述實施方式可應用于專用無線網等中。
權利要求
1.一種在第一臺與第二臺之間定向無線通信的方法，該方法包括如下步驟根據在第一臺處接收到的第二臺的至少一個信號判斷在所述第一與第二臺之間出現(xiàn)了多種不同無線環(huán)境中的哪一種類型；和將信號從第一臺發(fā)送到第二臺，所述發(fā)送信號的至少一個參數(shù)取決于所判定的無線環(huán)境類型。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述無線環(huán)境類型根據第一臺接收到的第二臺的至少一個信號的角度范圍來判定。
3.如權利要求2所述的方法，其中，當?shù)谝慌_接收到的第二臺的至少一個信號具有相對較小的角度范圍時判定出現(xiàn)第一無線環(huán)境類型，而當?shù)谝慌_接收到的第二臺的至少一個信號具有相對較大的角度范圍時判定出現(xiàn)第二無線環(huán)境類型。
4.如權利要求3所述的方法，其中，如果判定出現(xiàn)第一無線環(huán)境類型，那么第一臺發(fā)送的信號以相對較小的波束范圍來發(fā)送，而如果判定出現(xiàn)第二無線環(huán)境類型，那么信號以相對較大的波束范圍來發(fā)送。
5.如權利要求4所述的方法，還包括以下步驟如果判定出現(xiàn)了第一無線環(huán)境類型，那么判斷是否要增加第一臺所要發(fā)送的信號的波束范圍。
6.如權利要求5所述的方法，其中，判斷是否要增加波束范圍的步驟包括考慮表示第一與第二臺之間距離的參數(shù)，如果第一與第二臺之間距離相對較小，則增加要發(fā)送到第二臺的信號的波束范圍。
7.如權利要求6所述的方法，其中，如果第一與第二臺之間距離小于預定閾值，則增加所要發(fā)送的信號的波束范圍。
8.如權利要求5、6或7所述的方法，其中，判斷是否要增加波束范圍的步驟包括考慮表示第二臺相對于第一臺的移動速度的參數(shù)，如果相對速度相對較高，則增加要發(fā)送到第二臺的信號的波束范圍。
9.如權利要求8所述的方法，其中，如果第二臺相對于第一臺的速度大于預定閾值，則增加所要發(fā)送的信號的波束范圍。
10.如權利要求5所述的方法，其中，判斷是否要增加波束范圍的步驟包括考慮表示第二臺相對于第一臺的相對移動性的參數(shù)，如果相對移動性相對較大，則增加要發(fā)送到第二臺的信號的波束范圍。
11.如權利要求10所述的方法，如果第二臺相對于第一臺的相對移動性大于預定閾值，則增加所要發(fā)送的信號的波束范圍。
12.如權利要求5或其任一附屬權利要求所述的方法，其中，所述判斷是否要增加波束范圍的步驟包括考慮第一臺的天線陣超出周圍環(huán)境的高度，如果天線陣相對于周圍環(huán)境相對較低，則增加波束范圍。
13.如權利要求5-12任一所述的方法，其中，判斷是否要增加波束范圍的步驟包括確定第一臺接收到的第二臺的N個以前的信號的平均角度范圍。
14.如權利要求12所述的方法，其中，第一臺以類似于或等同于平均角度范圍的波束范圍來發(fā)送信號。
15.如權利要求13或14所述的方法，其中，確定平均值的時間段考慮到一個或多個以下參數(shù)第一與第二臺之間的距離；第二臺相對于第一臺的速度；和第二臺相對于第一臺的相對移動性。
16.如權利要求3或其任一附屬權利要求所述的方法，還包括以下步驟如果判定出現(xiàn)第二無線環(huán)境類型，那么判斷是否要減小第一臺所要發(fā)送的信號的波束范圍。
17.如權利要求16所述的方法，其中，判斷是否要減小信號的波束范圍的步驟包括針對第一臺接收到的第二臺的最近N個以前的信號，確定第一臺處來自第二臺的信號的兩個極端到達方向，和以這兩個極端到達方向所確定的波束范圍向第二臺發(fā)送信號。
18.如權利要求16所述的方法，其中，判斷是否要減小信號的波束范圍的步驟包括確定第一臺接收到的第二臺的以前N個信號的角度范圍的方差，和以與所計算的方差有關的波束范圍向第二臺發(fā)送信號。
19.如權利要求18所述的方法，其中，確定N個以前的信號的主到達方向的方差。
20.如上述權利要求任一所述的方法，其中，發(fā)送的信號的波束范圍由一個或多個波束方向來確定。
21.如權利要求20所述的方法，其中，該波束或各波束的寬度是可變的。
22.如上述權利要求任一所述的方法，其中，第一臺是蜂窩電信網中的基站收發(fā)信機。
23.如權利要求22所述的方法，其中，第二臺是移動臺。
24.一種與第二臺定向無線通信的第一臺，它包括用于接收第二臺的信號的裝置；用于根據第一臺接收到的第二臺的至少一個信號判斷工作時在所述第一與第二臺之間出現(xiàn)了多種不同無線環(huán)境中的哪一種類型的裝置；和用于將信號發(fā)送到第二臺的發(fā)射裝置，該發(fā)送信號的至少一個參數(shù)取決于所判定的無線環(huán)境類型。
25.如權利要求24所述的第一臺，其中，無線環(huán)境類型根據所述接收裝置接收到的信號的角度范圍來判定。
26.如權利要求25所述的第一臺，其中，當所述接收裝置以相對較小的角度范圍接收到第二臺的信號時，所述判斷裝置判定無線環(huán)境屬于第一類型，而如果所述接收裝置以相對較大的角度范圍接收到第二臺的信號時，判定無線環(huán)境屬于第二類型。
27.如權利要求26所述的第一臺，其中，所述判斷裝置可用來如果判定無線環(huán)境屬于第一類型，則判斷發(fā)射裝置所發(fā)送的信號的角度范圍是否可被增加，而如果無線環(huán)境屬于第二類型，則判斷是否可被減小。
28.如權利要求24-27任一所述的第一臺，其中，第一臺是基站收發(fā)信機。
全文摘要
一種在第一臺與第二臺之間定向無線通信的方法包括如下步驟:根據在第一臺處接收到的第二臺的至少一個信號判斷在所述第一與第二臺之間出現(xiàn)了多種不同無線環(huán)境中的哪一種類型。將信號從第一臺發(fā)送到第二臺,所述發(fā)送信號的至少一個參數(shù)取決于所判定的無線環(huán)境類型。
文檔編號H04B7/26GK1327695SQ98814344
公開日2001年12月19日 申請日期1998年11月4日 優(yōu)先權日1998年11月4日
發(fā)明者馬克思·卡茨, 朱哈·伊利塔勒 申請人:諾基亞網絡有限公司