CN100521579C - 在交换波束中用于最小化重叠归零的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

无线系统(30)最小化无线系统内的零信号同时提供分集。该系统对输入到天线(40，50，60，100)的信号使用时间或频率偏移，从而最小化在波束重叠区域内的干扰。此外，可结合阵列元件(102-128)使用巴特勒矩阵(69，70)来引入极化分集，从而增强对干扰的降低。结果，该无线系统由于在波束重叠区域(O1-O3)内增强的信噪比而具有改进的性能和覆盖范围。

Description

在交换波束中用于最小化重叠归零的方法和系统
技术领域
本发明通常涉及包括降低在前向链路上传输的干扰量以及降低在上行链路所观察到的干扰量的无线通信系统。更具体地，本发明涉及降低无线通信系统中由于重叠波束之间的破坏性干扰产生的归零(nulling)效应。
背景技术
希望降低无线系统内的干扰，因此设计并在无线通信领域中实施了若干波束结构。自适应天线实施方式对各个移动站使用独立的窄跟踪波束，从而降低在前向链路上传输的干扰量，并且还降低在上行链路上观察到的干扰量。在扇区内用独立波束跟踪各个用户。自适应天线系统通常是昂贵的，因为需要基带处理器和阵列之间信号路径的校准以及需要先进的信号处理。
交换波束方法使用起来比全自适应方法简单。在交换波束实施方式中，使用一组波束覆盖扇区，满足该扇区内的所有位置由至少一个波束覆盖的要求。如果每个波束使用一条电缆，对于交换波束结构无需校准。为了最大化和固定数目的波束相关的性能以及增大覆盖，波束应当精确覆盖扇区的区域，并且最小化和相邻的与扇区全覆盖一致的波束的重叠。在重叠区域，由于不受控制的相位关系，波束会严重干扰，导致扇区覆盖内的零信号或“漏洞”，在这些地方，如果不大大增加传输信号给该用户的功率，则很难和一个用户通信。
本发明提出了一种在重叠波束区域内最小化零信号形成的方法，与此同时提供分集，由此提供一种具有改进性能和覆盖的无线系统。
发明内容
本发明通过解决上述现有技术中的缺点而对无线系统做出贡献，从而推进了现有技术。
本发明的一种形式是一种系统，该系统包括多条馈线，其中一些承载信号；多个偏移电路，在时间或频率上偏移信号；以及天线，发射具有时间或频率偏移以及具有部分重叠的波束。该天线包括共同操作的巴特勒矩阵(Butler matrix)以及元件阵列，从而除了发射波束的时间或频率偏移之外，还提供某些相邻发射波束的极化分集。
本发明提供了一种系统，包括：天线；第一电路，操作连接到第一馈线，并且操作用于提供第一信号到所述天线；第二电路，操作连接到第二馈线，并且操作用于提供第二信号到所述天线，所述第二电路包括频率偏移电路，以及该第二信号在频率上从第一信号偏移；以及其中，所述天线操作用于用第一极化发射对应第一信号的第一波束，所述天线进一步操作用于用第二极化发射对应第二信号的第二波束，所述第二极化与所述第一极化正交，以及其中，所述第二波束部分地与第一波束重叠，并且在频率上和第一波束偏移，从而最小化第一波束和第二波束内零信号的形成。
本发明提供了一种系统，进一步包括：第三电路，操作用于提供第三信号给所述天线，该第三信号在频率上从第二信号偏移；以及其中，所述天线操作用于发射对应该第三信号并部分和第二波束重叠的第三波束，该第三波束在频率上和第二波束偏移，并且在极化上与所述第二波束正交，从而最小化第二波束和第三波束内零信号的形成。
本发明提供了一种系统，还包括：第四电路，操作用于提供第四信号给所述天线，该第四信号在频率上从第三信号偏移；以及其中，所述天线操作用于发射对应该第四信号并部分和第三波束重叠的第四波束，该第四波束在频率上和第三波束偏移，并且在极化上与所述第三波束正交，从而最小化第三波束和第四波束内零信号的形成。
本发明提供了一种系统，其中的天线进一步包括：第一巴特勒矩阵和第一元件阵列，共同操作用于发射具有第一极化的第一波束和第三波束；第二巴特勒矩阵和第二元件阵列，共同操作用于发射具有第二极化的第二波束和第四波束；以及其中，第二极化和第一极化正交，从而进一步最小化在第一波束、第二波束、第三波束以及第四波束内零信号的形成。
结合附随附图，从以下对目前是优选实施例的详细说明中会更加清楚上述系统和其它系统以及本发明的特点和优点。该详细说明和附图仅仅是对本发明的举例说明，而非限制本发明，本发明的范围仅由附随权利要求及其等效物确定。
附图说明
本发明由附随附图举例说明而非由其限制，在附图中，相同参考标记表示相同元件，其中：
图1总体示意显示三扇区小区布局的布局。
图2总体示意显示覆盖小区扇区的四个波束。
图3总体示意显示在图2所示四个波束之间的干扰区域。
图4示意显示提供图2所示四个波束内时间偏移的电路。
图5示意显示提供图2所示四个波束内的频率偏移的电路。
图6示意显示和图4以及图5所示电路组合提供极化分集的电路。
图7示意显示4.77dB 90度相位落后的耦合器。
图8示意显示3dB 90度相位落后的耦合器。
图9示意显示具有图7和8所示的耦合器提供的渐弱的极化分集电路的实施方式和输出波束。
图10显示了表1，其中略述了图9所示的四个部分的相位变化和波束方向。
具体实施方式
图1显示了无线小区布局20，包含15个小区，其中小区30用粗体画出轮廓。每个小区都用虚线在120°被分为三个相等的扇区。为了促进对本发明原理的简化说明，本发明的进一步的说明指向小区30。本领域普通技术人员会意识到可将对小区30的说明应用到小区布局20的其他小区。
图2说明具有三个扇区31-33的小区30以及包括位于扇区31-33共享的点的天线34。从天线34发射的四个波束B1-B4覆盖扇区31的全部区域，正如为了有效传输到扇区31内的所有接收机(未示出)所要求的。为了促进对本发明原理的简化说明，本发明的进一步说明指向扇区31。本领域普通技术人员会理解可将对扇区31的说明应用到小区30的其他扇区。
图3显示了要求完全覆盖扇区31的波束B1-B4之间的重叠。波束B1和波束B2之间的交互区域是交叉阴影重叠O1。波束B2和波束B3之间的交互区域是交叉阴影重叠O2。波束B3和波束B4之间的交互区域是交叉阴影重叠O3。重叠区域O1-O3是会形成零信号的区域，因为天线馈送给不同的波束B1-B4的不受控制的和未知的增益以及相位关系。需要基带处理和天线之间的射频接收和发射链路的端到端校准，从而控制在波束重叠O1-O3区域的天线模式，从而最小化零信号。可选地可通过添加非常弱的校准导频信号到各个波束B1-B4的基带发射信号并将射频发射信号耦合回天线34的接收链路之一来实现校准。虽然在理论上没有天线阵列校准实施的障碍，由于成本或修改本领域已有基站来支持校准的难度，有时校准是不实际的。
对于交换波束结构，对于每个扇区仅有一个解调导频，该导频不同于上述的校准导频，但通常每个扇区存在多个业务信号。因为移动接收机(未示出)使用该解调导频(未示出)来解调业务信号，在波束B1-B4的重叠区域O1-O3，如果移动接收机受波束B1照射，而业务信道不在波束B1上传输，在交换波束系统中解调导频和业务信道会失配。根据本实施，在波束重叠区域O1-O4，交换波束系统分集可用或不可用。如果使用单个阵列产生所有波束并且阵列的元件都是半波长间隔并共享共同的极化，在波束重叠区域分集不可用。然而，如果相邻波束使用正交极化，则分集可用，正交极化通过使用双极化阵列来实现。
总的来说，交换波束系统对于仅使用分区但具有可和交换波束系统中的波束数目相比较的扇区的数目的系统是优选的。该优选理由是，在具有六个或更多扇区的高度分区的系统中，移动接收机基于来自各个扇区的导频测量发起软和更软切换。移动接收机会查看大量导频信号，会向这些扇区发出过多的发起或终止软和更软切换关系的请求。和软以及更软切换相关的大量消息会给基站控制器增加过多负担，还会降低系统性能。
本发明以增强波束重叠区域信噪比的方式说明。本发明说明了一种实现交换波束结构以最小化波束重叠区域零信号的系统，而无需射频发射接收以及基带发射和接收处理以及天线电路之间的端到端校准。为了讨论目的，焦点主要集中于CDMA应用，包括CDMA2000和WCDMA，虽然下述的技术并不限于此应用。
如图4所示，天线系统40具有四条馈线41-44。这些馈线41-44上的信号都在被馈入波束源49之前由相应的时间延迟电路45-48修正。时间延迟电路45-48共同确保从波束源49发射的四个波束B5-B8相互之间在时间上偏移一个或多个码片。没有偏移的波束B5设定为时刻t0。波束B6，B7和B8分别具有从波束B5的时刻t0的时间偏移δt、δt2和δt3。在替换实施例中，波束B5和波束B7的定时实际上相同，因为波束B5和波束B7在图4所示扇区内不重叠。在替换实施例中，波束B8具有和波束B6相同的定时，因为波束B6和B8在该扇区内不重叠。波束时间偏移上的基本限制是相邻波束不共享相同时间偏移。
如果可能，期望选择相邻波束之间的时间偏移，从而该时间偏移不等于在移动接收机接收到的来自相邻波束的任意两条多径延迟的时间偏移的负值。但满足该约束时，仅有随机意义上的波束干扰，不会有零信号或峰值导致由于两个波束重叠产生的和模式。如果相邻波束之间的时间延迟大于信道的最大延迟扩展，波束不会干扰。然而，通常，相邻波束之间使用的时间延迟δt仅仅是几个码片，从而不超过分配给伪随机(PN)序列相位的跟踪窗口的搜索，该伪随机序列被分配给该扇区。
在图5中显示第二种最小化了在波束B5-B8重叠区域O1-O3内的零信号而无需射频发射和接收电路校准的实施交换波束结构的技术。如图5所示，天线系统50具有四条馈线51-54。这些馈线51-54在被馈入波束源59之前每一个都由馈线上的相应频率延迟电路55-58修正。频率延迟电路55-58共同确保从波束源59发射的四个波束B9-B12在频率上分配偏移δv1、δv2和δv3赫兹。波束B9没有偏移，设定在频率v0。波束B10具有从波束B9的频率v0的偏移δv1。波束B11从v0频率偏移另外的频率偏移δv2。在替换实施例中，波束B9和B11的频率实际上相同，因为波束B9和波束B11如图5所示不会显著重叠。波束B12被显示为具有从v0的频率偏移δv3。在替换实施例中，波束B12和波束B10频率相同，因为波束B10和B12不会显著重叠。对波束频率偏移的基本限制是相邻波束不共享相同的频率偏移。
对相邻波束使用频率偏移而非时间延迟偏移的技术具有在确切意义上保持相邻波束正交的优点。所有波束零互相关，但相邻波束上有期望信号的符号。然而该方案会引入在波束重叠区域O1-O3内的期望信号的快速衰落，这对于使用来自移动站的信噪比反馈和快速调度从而在信道良好时的时间间隔期间传送到移动站的诸如3GPP2标准、CDMA20001X增强语音-数据和语音(1xEVDV)，以及3GPP标准、高速数据分组访问的标准CDMA系统是不期望的。
已经配置了商用CDMA系统，这些系统运行在800MHz和1GHz以及1.8GHz和2GHz之间。对于图5所示系统，通常频率偏移在10Hz到100Hz范围之间。对于图4所示系统的通常的频率偏移，在1到10码片范围。对于诸如IS-95和CDMA2000 1X的CDMA系统，系统码片速率是每秒1.2288兆码片，因此1码片对应81.38微秒。上述技术用3个扇区和每个扇区4个波束进行说明，3个扇区和4个波束是比较典型的。本领域普通技术人员应当理解，该技术可应用于较少或较多扇区以及每个扇区较少或较多个波束。例如，相同技术还可以应用于每个扇区2，3，5，6或更多波束，以及具有1，2，4或更多扇区的小区。
使用频率偏移或时间延迟偏移最小化相邻波束之间干扰的技术可通过补充相邻波束之间的极化分集来增强。图6显示了包含分别和一对正交极化(例如水平和垂直或双重倾斜)四元件阵列极化器71和72一同运行的一对巴特勒矩阵69和70的系统60，阵列元件之间的间隔是半波长。四阵列元件极化器71和72可物理位于各自顶点，虽然它们在图6中被显示为分离。同样，修改该显示以显示从哪个四元件阵列极化器上发射哪个波束，实际上，波束B15和波束B13和B14相邻并在二者之间，波束B14在波束B15和B16之间并与二者相邻。如图6所示，天线馈线61-64上的数据分别由电路65-68修正，以为各条馈线上的数据提供频率偏移或时间延迟偏移。馈线61和62分别被馈入第一巴特勒矩阵69的波束1和波束3，该矩阵和四元件阵列71共同运行以发射波束B13和B14。馈线63和64被分别馈入第二巴特勒矩阵70的波束2和波束4，该矩阵和四元件阵列72共同运行以发射波束B15和B16。第一四元件阵列71用相同的第一极化发射第一波束B13和第三波束B14，而第二四元件阵列72用相同的第二极化发射第二波束B15和第四波束B16，它们和波束B13和B14的第一极化正交。
第一输出波束B13和相邻第二输出波束B15频率或时间偏移。第一输出波束B13同样相对于相邻第二输出波束B15的极化极化正交。波束B13和B15沿着将两者相邻并轻微重叠的方向传播。从第一四元件阵列71发射的第三输出波束B14和第一输出波束B13空间分离，并具有和波束B13相同的极化。第三输出波束B14和波束B15以及B16相邻，并与二者轻微重叠，它在频率或时间上和波束B15以及B16偏移，并且波束B14的极化正交于波束B15和B16共同极化。
如上所述，仅要求相邻波束的时间或频率偏移，从而引入时间或频率偏移的电路元件65和66可以是相同的元件，或分别从馈线61和62上删除，因为第一输出波束B13和第三输出波束B14没有显著的空间重叠。以类似方式，分别引入用于第二输出波束B15和第四输出波束B16的时间或频率偏移的电路元件67和68可以是相同的。如果从馈线61和62上分别省略了电路元件65和66，则需要分别在信号路径63和64上的元件67和68，以确保相邻波束的时间或频率偏移。相反，如果从信号路径63和64上分别省略了电路元件67和68，则分别需要信号路径61和62上的元件65和66，以确保相邻波束的时间或频率偏移。
图7显示了4.77dB 90°相位落后耦合器的示意图80，其中该耦合器输入线上1/3的电场没有任何相位改变地沿相同线传输。耦合器输入线上剩余的2/3电场被传送到耦合器内另一条线上，相位落后90°。这样就提供了具有3比1输出功率比的输出线之间的90°相移。图8显示了3dB 90°相位落后耦合器的示意图90，其中耦合器输入线上的一半电场沿相同线没有相位改变的传输。耦合器输入线上剩余的一半电场被传送到耦合器内的另一条线，相位落后90°。这样就提供了具有2比1输出功率比的输出线之间的90°相移。
图9显示图7和8所示的相位落后耦合器用于系统100。该系统是图6系统60的更详细的等同物。馈线101由电路105修正以偏移时间或频率，如系统所期望的，得到的信号被输入到第一3dB 90°相位落后耦合器109的左端口。馈线102由电路106修正以偏移时间或频率，如系统所期望的，得到的信号被输入到第一3dB 90°相位落后耦合器109的右端口。第一3dB 90°相位落后耦合器109的左端口输入负45°移相器111。移相器111的输出被输入到第一4.77dB 90°相位落后耦合器113的左输入端口。第一3dB 90°相位落后耦合器109的右输出端口被输入到第二4.77dB 90°相位落后耦合器114的右端口。第一4.77dB90°相位落后耦合器113的右输入端口和第二4.77dB 90°相位落后耦合器114的左输入端口用50欧姆电阻端接。第一4.77dB 90°相位落后耦合器113的左输出端口输入负180°移相器117。负180°移相器117的输出被输入到第一四元件阵列119的第一元件120。第一4.77dB 90°相位落后耦合器113的右输出端口被输入到第一四元件阵列119的第三元件122。第二4.77dB 90°相位落后耦合器114的右输出端口被输入到第一四元件阵列119的第四元件123。第二4.77dB 90°相位落后耦合器114的左输出端口被输入到第一四元件阵列119的第二元件121。
馈线103由电路107修正以偏移时间或频率，如系统所期望的，得到的信号被输入到第二3dB 90°相位落后耦合器110的左端口。馈线104由电路108修正以偏移时间或频率，如系统所期望的，得到的信号被输入到第二3dB 90°相位落后耦合器110的右端口。第二3dB 90°相位落后耦合器110的右端口输入负45°移相器112。移相器112的输出被输入到第三4.77dB 90°相位落后耦合器116的右输入端口。第二3dB90°相位落后耦合器110的左输出端口被输入到第四4.77dB 90°相位落后耦合器115的左端口。第三4.77dB 90°相位落后耦合器116的左输入端口和第四4.77dB 90°相位落后耦合器115的右输入端口用50欧姆电阻端接。第三4.77dB 90°相位落后耦合器116的右输出端口输入负180°移相器118。负180°移相器118的输出被输入到第二四元件阵列124的第四元件128。第三4.77dB 90°相位落后耦合器116的左输出端口被输入到第二四元件阵列124的第二元件126。第四4.77dB 90°相位落后耦合器115的右输出端口被输入到第二四元件阵列124的第三元件127。第四4.77dB 90°相位落后耦合器115的左输出端口被输入到第二四元件阵列124的第一元件125。
天线元件对120和125可位于同一位置，正如天线元件对121和126，122和127以及123和128一样，从而最小化阵列的尺寸和可见轮廓。
来自系统100的输出波束B13、B15、B14和B16的形状和方向被显示为关于包含元件120，121，122，123的第一四元件阵列119和包含元件125，126，127，128的第二四元件阵列124而发射。波束B17和B18都是从四元件阵列119发射的输出模式129的一部分，并且具有相同的第一极化。波束B19和B20都是从四元件阵列124发射的输出模式130的一部分，并且具有相同的和波束B17以及B18的第一极化正交的第二极化。通常，第一和第二极化或者是垂直的或者是水平的，或+45°和-45°(双重倾斜)，其中在和信号传播方向垂直的平面上定义极化。
图10显示了表1，表1描绘出输入到馈线101(端口1)和102(端口2)的信号在通过波束形成网络到阵列119的元件1-4(即元件120-123)、以及输入到馈线103(端口3)和104(端口4)的信号经过波束形成网络到阵列124的元件1-4(即元件125-128)的相位变化。端口1指的是图9的馈线101，其输出作为具有和四元件阵列119平面75.7°角的波束B18发射。端口2指的是图9的馈线102，其输出作为具有和四元件阵列119平面138.6°角的波束B17发射。端口3指的是图9的馈线103，其输出作为具有和四元件阵列124平面41.4°角的波束B20发射。端口4指的是图9的馈线104，其输出作为具有和四元件阵列124平面104.5°角的波束B19发射。
很清楚，图1-10所示的实施例仅仅是显示最小化无线系统内的零信号，同时提供分集的无线系统。通过使用在此所述和显示的，现在的无线系统将由于在波束重叠区域内增强的信噪比而具有改进的性能和覆盖范围。本领域普通技术人员因此会理解对于用于CDMA或其他应用的多种和不同的无线交换波束系统采用系统结构40或50(图4和5)的实施例或系统结构60或100(图6和9)的实施例的好处。

Claims (4)

1.一种在交换波束中用于最小化重叠归零的系统，包括：
天线；
第一电路，操作连接到第一馈线，并且操作用于提供第一信号到所述天线；
第二电路，操作连接到第二馈线，并且操作用于提供第二信号到所述天线，所述第二电路包括频率偏移电路，以及该第二信号在频率上从第一信号偏移；以及
其中，所述天线操作用于用第一极化发射对应第一信号的第一波束，所述天线进一步操作用于用第二极化发射对应第二信号的第二波束，所述第二极化与所述第一极化正交，以及其中，所述第二波束部分地与第一波束重叠，并且在频率上和第一波束偏移，从而最小化第一波束和第二波束内零信号的形成。
2.权利要求1的系统，进一步包括：
第三电路，操作用于提供第三信号给所述天线，该第三信号在频率上从第二信号偏移；以及
其中，所述天线操作用于发射对应该第三信号并部分和第二波束重叠的第三波束，该第三波束在频率上和第二波束偏移，并且在极化上与所述第二波束正交，从而最小化第二波束和第三波束内零信号的形成。
3.权利要求2的系统，包括：
第四电路，操作用于提供第四信号给所述天线，该第四信号在频率上从第三信号偏移；以及
其中，所述天线操作用于发射对应该第四信号并部分和第三波束重叠的第四波束，该第四波束在频率上和第三波束偏移，并且在极化上与所述第三波束正交，从而最小化第三波束和第四波束内零信号的形成。
4.权利要求3的系统，其中所述天线进一步包括：
第一巴特勒矩阵和第一元件阵列，共同操作用于发射具有第一极化的第一波束和第三波束；
第二巴特勒矩阵和第二元件阵列，共同操作用于发射具有第二极化的第二波束和第四波束；以及
其中，第二极化和第一极化正交，从而进一步最小化在第一波束、第二波束、第三波束以及第四波束内零信号的形成。
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