CN100353801C - 填隙扇区系统 - Google Patents

Abstract

公布了一种用于在基站站址(8)处改善对低功率便携式电话单元接收特性的方法及装置。正常的三扇区天线站址(8)划分为多个扇区，每个扇区具有一条焦点中心线。在这些扇区之间划分所指配给该基站站址(8)的频率信道，以及在每个扇区之内的天线(10)沿着对每个扇区的焦点中心线辐射所指配的频率。

Description

填隙扇区系统

本申请是申请日为1997年10月7日、申请号为97180542.3、发明名称为“填隙扇区系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于蜂窝通信系统的扇区化天线，更具体而言是涉及扇区化天线配置，该配置利用了使其波束宽度聚焦于基站站址周围多个等间隔空间扇区之内的多个频率。

背景技术

个人通信业务(PCS)系统经由低功率便携式电话单元给用户提供各种无线电话业务。PCS的普及预期在最近几年之内成指数地增长以及在U.S.之内的PCS面临提供全国覆盖以便吸引用户的问题。对于提供者，要求较大小区的应用以便给其用户经济地提供全国覆盖。

然而，PCS电话必须更小以及具有更长的通话时间。这要求电话单元具有较低的功耗。为了保持现存的或者更大的小区规模与具有更低功率输出的单元相结合，这要求改进基站的接收能力。由于噪声系数大概已经尽可能地低，所以一个用于得到更好基站接收机能力的解决方法可以是减少与激励天线相连的馈线损耗。改进的天线装置及更多分集接收的应用是另一个用于改进基站接收机特性的解决方法。

发明内容

根据本发明用于改进基站接收机特性的方法及装置克服了前述的及其它问题。一个具有多个所指配信道频率的正常三扇区基站站址可以划分成为多个120度的扇区，其中每个扇区有一个产生一个对于该扇区的方向性天线波束的天线。

给每个扇区这样来指配多个信道频率，即使基站通过每个扇区天线只发送及接收指配给该扇区的频率。对于诸如DAMPS这样的蜂窝电话系统，在每个上述扇区之间均等地划分频率信道，这样无特定的频率用于一个以上的扇区内。然而，在GSM类型的系统内，可以采用跳频技术与邻近的扇区共享特定扇区的频率。

通过增加在特定基站周围的扇区数量以及给每个扇区唯一地指配一组信道频率，将大大增加位于波束峰值之内的便携式移动单元的似然性。此外，波束峰值的角距离以及据此导致的增益损失必定更小。这些因素相结合改进了用于低功率电话单元的基站接收机特性。使用从在邻近扇区之内同一个移动单元所收到信号之间的分集组合，该系统还可以进一步改进接收机特性。

附图说明

参照下面的详述并且同时结合附图可以对本发明的方法及装置得到更加全面的理解，其中

图1a及1b说明了普遍使用的三扇区站址装置；

图2说明了在现行扇区化天线配置之内所固有路径损耗的几何关系；

图3说明了填隙扇区方法，该方法用于改进在现存小区规模之内的基站接收或者能够在对于DAMPS系统的更大小区规模之内进行接收；

图4是一个表，该表说明了多扇区配置及分集合并对于离波束峰值的各种角度处增益损失的影响；

图5说明了填隙扇区方法，该方法用于改进在现存小区规模之内的基站接收或者能够在用于GSM系统的更大小区规模之内进行接收；

图6是一个表，该表说明了用于24个移动台与单个站址通信的正交跳频组；以及

图7是一个方框图，该方框图说明了一个使用填隙扇区方法用于处理在基站站址处所收到信号的系统。

具体实施方式

现在参照各个图，更具体而言是参照图1a及1b，此处说明了用于提供蜂窝空间覆盖的每个站址装置的两个普遍使用的三扇区。图1a的配置这样安排每个站址，即在每个站址8处的三个扇区化天线10的一个天线直接地指向邻近站址8。在图1b的配置之内，在每个站址8处的三扇区化天线10指向邻近站址之间。

信号功率、范围、以及传播的原因决定了哪一个特定的站址将控制蜂窝呼叫。最佳接收移动单元信号的站址最好控制呼叫。图2说明了用于图1a之内所示站址配置的路径损耗几何关系。计算到达在等强度处全部小区边缘的相对天线增益作为离扇区化天线10的焦点方向的角度函数。沿着天线10的焦点线记录无增益损失。在离天线10的焦点线30度角度处，天线方向图显示离峰值波束方向下降了-2.45dB的增益。在60度处，下降值是离峰值波束方向的-12dB。增益/角度的这些值基本确保了沿着小区边界往来于移动台的恒定信号强度。

例如，从在具有全天线增益的距离2X处的站址“A”或者从具有12dB天线增益损失的距离X处的站址“B”能够以相等的功率达到在位置“C”势处的移动台。从在具有离峰值增益的2.45dB天线增益减少的距离

X处的站址“A”或者“B”能够达到在点“D”处的移动台。图1b的站址配置具有类似的损耗特性。

作为离焦点线的角度函数的天线增益损失众所周知地是天线方向图或者辐射图。因此，通常有意地选择天线增益是离峰值增益方向或者焦点线偏移角度的函数以便达到在六边形小区边界的任何点处往来于移动台的等增益接收或者发射。然而，传统三扇区系统的不利之处是移动单元必须使用高于天线波束已经提供的以及准确地聚焦于移动台方向之内12dB的发射机功率，此时该移动台位于离焦点线60度的偏移。提供此种附加波束是本发明的一个目的，上述附加波束称作填隙波束。

现在参照图3，此处说明了一种用于改进基站接收特性的填隙扇区方法。图3的讨论将是就先进的移动电话系统(AMPS)而言的。在AMPS系统之内，给业务提供者指配了：近似420个30KHz的信道。通常，采用每个扇区具有20个频率或者每个站址60个频率构造了包含7个三扇区站址的21小区模式。在图1所示的系统内，在某个扇区之内的全部20个频率辐射于同一个方向上。

在图3中所示的可选扇区方法之内，小区站址划分成为分别指向0度、60度、120度、180度、240度、以及360度的六个扇区.给每个扇区指配了10个频率以及它们沿着扇区的中心线辐射。为了讨论的目的，0度、120度以及240度天线扇区标明为“蓝”扇区，而60度、180度以及300度天线扇区标明为“红”扇区。给在0度的“蓝”扇区指配了F1-F10，给在60度的“红”扇区指配了F11-F20，以及按照图3所示如此等等。

移动交换中心(未示出)依然配置为三扇区系统，但是把“蓝”扇区处理作为在每个扇区之内具有10个频率的一个基站以及把“红”扇区作为在另一个扇区之内具有10个频率的另一个基站。这两个处于同位置基站的事实不影响交换中心的功能。

通过在该站址周围的六个扇区而不是三个扇区之间指配天线频率，对于移动单元具有较大的几率处于波束峰值区域。在波束峰值区域之间的距离只有60度而不是120度，以及对于六个扇区站址最大增益损失角度将是30度。因此，在小区的大区域之内最小化了潜在损耗。例如，由蓝基站“A”的0度扇区天线以及蓝基站“B”的120度扇区天线相等地收到在“C”处的移动台。在前面的配置之中，没有任何一个站址都优于另一个站址的优势。然而，由移动台收到了比红基站“B”的180度扇区天线强12dB，因为移动台位于在只有一半最大范围处“红”基站的峰值之内。该移动台连接到“红”基站直到它移出到点“E”为止，此点处由A-蓝基站或者B-红基站提供平等的服务。

在六个站址之间的频率配置有效地增大了由站址“B”所提供服务的覆盖大小到由虚线所示的六边形30表示的六边形。没有覆盖较大区域站址“B”也能够接收来自在同样大小小区覆盖区域之内低功率移动单元的信号。

尽管就在六个扇区的每者之内使用10个频率而言讨论了本实施方案，但是六个扇区能够进一步地划分成为五个频率指配给每个扇区的12个扇区。另两个具有偏移前面讨论的“蓝”及“红”模式30度天线的三扇区基站将进一步改进在现存小区之内的覆盖或者延伸了站址“B”的范围。不使用12个天线能够得到在±60度处的12个扇区系统的增益。通过有效地合并邻近天线能够形成具有在原六个扇区之间辐射模式的虚拟天线。在低接收机功率处的此种合并能够产生在任何方向上的虚拟波束，这依赖于加权。

现在参照在图4中所示的表，此处说明了对于位于离基站±15及±30度的移动台单元的六个扇区、十二个扇区以及无限个扇区配置对增益损失的影响。图4表的第二部分说明了使用在邻近不相关扇区之间分集合并可达到的增益。

如果在邻近天线之间的衰落完全地相关，那么增益损失在±60度位置只有3dB。如果衰落不相关，那么邻近天线能够用于增加正如表内所示的接收分集的次数。通过使用对于蓝及红扇区相反的圆极化能够保证在邻近天线之间的不相关信号。通过使用六个扇区之中最接邻近扇区接收每个移动台信号能够进一步增加分集的次数。因此，对于离-60度的10度天线信号处的移动台，0度及+60度用于测度合并器以便产生最佳信号。藉此方式可达到的增益示于图4之内“6个分集中的3个分集合并”的列。由于消除了两个主要干扰者的可能性导致了对于此种选择的C/I增益将较大，上述干扰者正如U.S.专利申请08/286,775所描述的，据此引用作为参照。

由于六个接收天线均等地分布于360度周围，所以它们不再提供在-12dB处的±60度波束宽度。然而，对于最佳六扇区系统的模式表明在这些三扇区系统之内较小的改进，以及当使用分集时甚至更小。通过增加接收天线的数量超过六个能够只达到较高的增益。提高分集的次数随后赢得了更多的增益增加，因为模式重叠更大以及能够合并更多的邻近天线以便增强波束成形的影响或者干扰抑制的影响。

现在参照图5，此处说明了在GSM系统之内的本发明。看来FCC将指配一个用于PCS系统的从1850到1865MHz的A频带范围以及一个从1865到1890MHz的B频带范围。指配将进一步地包括一个比对应A或者B频带高80MHz的双工镜象。GSM系统工作于具有每个扇区至少八个频率的九小区(三扇区，三站址)模式。在某个站址之内的三个扇区之每者能够不同步到基站而在八个频率之间跳频，就象八个频率对该扇区是唯一的。

正如图5中所示，基站站址划分为交替具有聚焦于沿着60度、180度和300度的“红”扇区以及具有聚焦于沿着0度、120度和240度的“蓝”扇区的“红”扇区及“蓝”扇区。按照两个叠加三扇区系统的形式提供了六个天线16。在不同站址之间没有同步，六个扇区之每者将只能够在四个频率之中跳频。为了避免当使用填隙扇区时减少跳频组以及据此得到的频率分集的次数，已经修改了一种与GSM跳频算法相兼容的方法，该方法使得能够共享在邻近填隙扇区之间的频率组。

给每个扇区指配了24个频率的八个频率。在0度与120度之间的移动台使用频率ABCDEFGH，在120度与240度之间的移动台使用频率IJKLMNOP，以及在240度与0度之间的移动台使用频率QSTUVWX。允许上面的频率原来辐射于蓝扇区之内的任何地方。在红扇区之内的移动台使用在“红”扇区60度到180度之内的频率EFGHIJKL、在“红”扇区180度到300度之内的频率MNOPQRST、在“红”扇区300度到60度之内的频率UVWXABCD。在图6中的表说明了24个移动台如何在允许移动台在它们所位于的扇区之内的八个频率之间正交地跳频。该方案使用24个频率信道使得每六个填隙扇区站址的24个对话能够出现。该对话对于每个扇区按照正交的方式在24个频率的八个频率之间跳频。没有任何频率用于不同于正常三扇区化配置情况的位置或者辐射于不同于正常三扇区化配置情况的方向上。

上面的方案不要求在站址之间的同步，只要在同一个站址的扇区之间的同步。在同一个站址处既有“蓝”又有“红”扇区必须使用同样的序列、密匙键以及编程产生在八个指配频率之间的选择，由GSM跳频定义上述同样的序列。这些要求的每者处于现存的GSM跳频技术的范畴之内。

能够将上面计论的原理用于12个或者24个扇区之间划分24个频率，同时依然允许每个对话对全部24个频率的三分之一中的其它者正交地跳频。图5的系统按照就图3所讨论的系统而言的同样方式改进了GSM基站的接收机特性。由于移动台更可能处于波束峰值之内，在现存大小的小区之内更好地收到较低功率的移动台。

现在参照图7，此处说明了一个对于PCS系统的低功率手持便携台在基站处所建立的提供在6.5与11dB的增加接收机灵敏度的多扇区天线的方框图。该天线40产生覆盖高达360度方位角的重叠方向性天线波束。使用印制微带片阵列天线按照低成本方式构造了天线40。每个片阵列也能够是一个用于圆极化的激励发射阵列及一个用于相反圆极化的接收阵列。天线的极化将在邻近扇区之间进行交替。

由A/D变换器44各自数字化十二个收到信号42以及由数字信号处理器(DSP)处理上述十二个收到信号42。DSP 46采用分集合并均衡器以便合并来自三个邻近扇区的信号来达到在接收性能上的6.5与11dB的增益。该信号随后传送到基站48的发送及接收装置以便进一步地处理。

由移动交换中心50指配用于多个扇区天线40的每者之频率。移动交换中心50进一步地负责控制便携式无线电话单元分配到最强的可用频率。由于位于基站处扇区的增加数量，极大地增加了位于之内或者邻近于波束峰值的便携式单元的概率，藉此改进了低功率单元的接收特性。

尽管在附图之中已经说明了以及在前面的详述中描述了本发明的方法及装置的实施方案，将可以理解的是本发明不是限制于所公布的实施方案，而是能够有多种重新配置、修改以及替换，它们都没有脱离正如下面权利要求所提出及定义的本发明的精神。

Claims (7)

1.一种基站系统，该基站系统具有一组所指配的天线频率，它提供与多个无线电话单元的改进通信，该基站系统包括：

多个扇区天线，该多个扇区天线用于产生多个具有角度交错方向的实质上重叠的方向性天线波束，多个方向性天线波束覆盖了高达360度方位角的区域，多个扇区天线，每个具有指配给上述多个扇区天线的已指配天线频率组的唯一部分以便多个扇区天线的其中两个不同时地发送同一个天线频率；

用于沿着使用所指配天线频率的唯一部分的多个扇区天线中的每个扇区天线发送及接收的装置；

用于动态地将邻近天线合并在一起、以便形成实际天线的发送及接收装置，该实际天线在所述多个扇区天线之间具有天线辐射图；以及

控制发送及接收装置的控制装置，因此基站可用的频率组在所述多个扇区天线之间被相等地指配。

2.根据权利要求1的系统，其特征在于，其中用于发送及接收的装置合并在实质上重叠的方向性天线波束和实际天线辐射图所收到信号，以便产生增强的信号接收。

3.根据权利要求1的系统，其特征在于，进一步地包括一个用于数字化由每个扇区天线所收到信号的模数转换器。

4.根据权利要求1的系统，其特征在于，进一步地包括用于在邻近扇区之间交替圆极化的装置。

5.一种用于改进便携式无线电话单元的基站站址处的接收的方法，上述基站站址具有一组所指配的天线频率，该方法包括以下步骤：

定向至少六个扇区天线的方向以便该天线产生至少六个覆盖高达360度方位角的重叠方向性天线波束以及已经对于天线波束均等地间隔波束峰值；

动态地将邻近天线合并在一起以便形成实际天线，该实际天线在至少六个扇区天线之间具有天线辐射图；

给至少六个扇区天线的每个天线指配一个指配的天线频率的唯一部分，以便没有任何两个扇区天线同时地发送同样的天线频率；以及

给便携式无线电话单元指配一个具有天线波束的波束峰值最接近于便携式无线电话单元的扇区天线。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，进一步地包括合并来自由邻近扇区天线和实际天线所收到的便携式无线电话单元信号以便增强信号接收的步骤。

7.根据权利要求5的方法，其特征在于，进一步地包括在邻近扇区之间交替圆极化以便改进合并来自同一个便携式无线电话单元的邻近扇区信号的影响的步骤。

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