CN101069446B - 控制天线方向图的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于控制天线方向图的通信系统及方法。该通信系统可以设置于移动站、基站、或它们的组合。上述通信系统包括智能天线模块，速度传感器、和波束控制模块。该智能天线模块可以设置于移动站、基站、或它们的组合。智能天线模块生成至少一种初始天线方向图。上述速度传感器被配置用于判断移动站的速度。上述波束控制模块生成与初始天线方向图不同的操作天线方向图。该操作天线方向图受移动站速度变化的影响。

Description

控制天线方向图的系统和方法

技术领域

本发明涉及控制天线方向图的装置和方法。更特别地，本发明涉及作为移动站的速度的函数而对天线方向图进行的控制。

背景技术

在移动通信系统中，容量和性能经常受到多径和同信道的干扰的限制。多径是当发送的信号从传播环境中的各种障碍物反射时产生的一种现象。当多径信号到达接收器时，它们的路径和相位都不同。由于相位的不匹配，当在接收器组合多径信号时，信号质量下降。

智能天线通过有效减少多径和同信道的干扰而在无线网中实现更高的容量。智能天线以优选的方向对辐射进行聚焦，并且根据通信量条件或信号环境的改变而自我调整。来自这些部件的信号组合在一起，形成可移动的或可切换的波束方向图(pattern)。组合信号并以特殊方向聚焦辐射的处理经常被称为波束形成(beam forming)。

通过非限制性的方式例举，具有两种能够为减少干扰和多径效果、并且同时增加覆盖范围，从而动态地变化天线方向图的智能天线，即切换波束和自适应的阵列。切换波束的智能天线系统通过能够生成覆盖特定范围的波束的天线阵列来提升网络容量。作为说明性的基站，该基站确定在感兴趣的信号方向上最佳对准的波束，然后切换到该波束与移动站通信。

通过非限制性的示例，自适应阵列的智能天线系统通过控制主波束使其朝向移动站，并同时在干扰信号的方向形成空(null)，而不断地追踪移动用户。在示出的示例中，从每个空间分布的天线元件中接收到的信号都乘以权重。权重本身是复数并且用于调整信号的振幅和相位。组合这些信号得到阵列的输出。这些复数权重通过自适应运算计算。

使用智能天线具有多种好处，例如减少了同信道干扰、提高了范围、增加了容量、减少了传输的能量、缓解了多径效果，以及与TDMA、FDMA和CDMA系统都兼容。

但是，智能天线也有一定的局限性，包括当移动站运动时系统性能会降低。更特别地，当以驾驶和步行的速度移动时，不充分的波束控制会导致性能下降。波束控制改变辐射方向图的主波瓣方向。在无线电系统中，波束控制可通过切换天线元件或改变RF信号的相对相位来实现。

性能的下降是由智能天线的局限性引起的。智能天线的波束控制过度聚焦，也不容易适应移动站的运动。因此，移动站可能丢失呼叫(drop call)。例如增加运算速度的解决方案并不能解决智能天线存在的上述不足，这是因为问题出现在用于控制波束所需要收集的测量上。用于控制波束所需要收集的测量包括功率级、信噪比、功率控制、和在执行波束控制过程中其它测量。为达到足够的准确度，都必须在一段时间上执行每次测量。但是，当移动站为移动时，并不能够获得足够的时间来进行所需精确的测量。因此得到的测量数据并不十分精确或完整，从而使得智能天线的性能下降。所以，当移动站的移动速度比智能天线完成测量的速度更快时，性能下降。

发明内容

一种用于控制天线方向图的通信系统及方法。该系统可以设置于移动站、基站或它们的组合。在一种实施方式中，通信系统包括智能天线模块、速度传感器、和波束控制模块。在另一实施方式中，使用确定移动站速度的装置。智能天线模块可以设置于移动站、基站或它们的组合。该智能天线模块生成至少一个初始天线方向图。速度传感器被配置为用于确定移动站的速度。波束控制模块与速度传感器通信地耦合，并且根据移动站的速度生成操作天线方向图。该操作天线方向图与上述初始天线方向图不同。所以，移动站速度的变化影响上述操作天线方向图。

通常，当移动站的速度超过特定的速度时，操作天线方向图宽于比初始天线方向图。通过非限制性的示例，当移动站速度的提升时，操作天线方向图的覆盖增加，而移动站的速度降低时，操作天线方向图的覆盖也随之减少。例如，当移动站以驾驶速度运动时，操作天线方向图可能是全方位的。上述通信系统可以设置于移动站、基站或它们的组合。此外，该通信系统可以集成电路、处理器、或上述类似设备的组合来实现。

附图说明

通过参考以下非限制性的、用于说明的附图，将会更加理解本发明，其中，

图1是具有与移动站通信的智能天线的基站的示意图；

图2是具有与基站通信的智能天线的移动站的示意图；

图3显示了具有智能天线和波束控制模块的示意性移动站；

图4示出了具有智能天线和波束控制模块、并与移动站通信的示意性的基站；

图5示意性地示出了移动站以不同速度移动并由此生成的天线波束宽度；以及

图6示意性地示出了由于移动站速度的改变而控制天线波束宽度的流程图。

具体实施方式

本领域技术人员可以理解，下面的描述是示意性而非限制性的。根据本发明的公开，本领域技术人员能够获得所要求主题的其它实施方式。本领域技术人员应当理解，本文所描述的系统的设置与细节都可以改变。另外，本发明方法的细节和动作顺序可以改变、并在未背离本文公开的示意性方法的情况下进行变化。

参考图1，图1示意性地显示了具有生成初始天线方向图的智能天线模块的基站。示意性的基站10具有能生成示意性的初始天线方向图12的智能天线模块(未显示)。示意性的初始天线方向图12涉及基站传送、基站接收、或者它们的组合。示意性的基站10分为三个区：阿尔法(α)、贝它(β)和伽马(γ)。通过非限制性的示例，每个基站区包括可以发送和接收120o的波束宽度的天线。基站10的边界通过圆14表示。圆14用于显示示意性辐射方向图。

示意性的基站10包括智能天线模块。通过非限制性的示例，用于基站10操作的智能天线模块可以从加州圣何塞市的Arraycomm有限公司得到。在示意性示例中，设置于基站10的智能天线模块使用不用定制的(off the shelf)天线小阵列与高级信号处理技术相结合，来动态控制基站和示意性的移动站16之间的无线电信号。基站的信号处理选择性地放大每个移动站想要的信号，而拒绝全部不需要的信号，从而使得更多的移动站共享频谱。其结果是容量和覆盖显著提升。应该注意，常规的基站(没有智能天线模块)以所有的方向输送能量，因此只有一小部分信号到达目的移动站，而其余的RF能量都浪费，并产生干扰系统中其他用户的噪音。

参考图2，在图2中示意性地显示了具有用于与基站10通信的智能天线的示意性移动站16。该示意性的智能天线模块(未显示)设置于移动移动站16，并与上述智能天线模块的工作方式一致。通过非限制性的示例，移动站16生成初始天线方向图18。该初始天线方向图18涉及移动站的传送、接收和它们的组合。

参考图3，图3中显示了示意性的移动站100，移动站100具有智能天线模块和波束控制模块。另外，在图中还显示出定位模块和/或定位传感器116。示意性的第一天线元件102与双工器103可操作地耦合，双工器103可操作地耦合于发射器104和接收器108。示意性的第二天线元件106与接收器108可操作地耦合。示意性的智能天线模块110和逻辑元件112通过波束形成模块114与发射器104和接收器108通信地耦合。在图中还显示了示意性的、用于确定移动站速度的装置，并称之为定位模块和/定位传感器116。进一步，具有计时元件的定位模块和定位传感器的组合可以起到速度传感器(speed sensor)的功能。又进一步，示意性的传感器可以发现多普勒频移，并根据多普勒频移而计算速度。另外，本领域技术人员可以理解，也可以使用速率传感器(velocity sensor)，或还可使用用于检测速度的装置来确定移动站的速度。

通过非限制性的示例，定位模块和/或定位传感器116是GPS接收器、传感器、或其他任何设置于移动站100以提供用来确定该移动站100的速度的数据的设备。在一种实施方式中，GPS接收器设置于移动站，并被配置用以识别该移动站的位置。移动站的逻辑元件112与GPS接收器通信，并且被配置为确定移动站的速度。

本领域技术人员根据本文的公开应该理解，智能天线模块110的逻辑控制器(未显示)可能执行与移动站的逻辑控制器112不同的独立工作。通过非限制性的示例，移动站的逻辑控制器112可以配置为执行速度计算的工作，而该计算结果可供给到智能天线模块110。在可替换的示例中，移动站的逻辑控制器112为智能天线控制器(未显示)供应位置数据，然后由智能天线模块的逻辑控制器计算移动站的速度。根据本发明的公开，本领域技术人员还应该能够很容易地获得其它的实施方式。

在另一实施方式中，确定速度的装置是定位传感器116，例如速度传感器、速率传感器、探测多普勒频移的传感器、加速计、或可以用于确定移动站速度的任意类似的传感器。通过非限制性的示例，速率传感器可以是旋转传感器、角度传感器、或线性速率传感器。

作为一种选择，用于确定速度的设备可能包括一个或更多与移动站通信的、联网的设备。例如，在一些时分双工(TDD)技术中，联网的设备可以提供足够的信息来确定移动站的速度。联网的设备可以是基站、其它移动站、或被配置以确定速度的其它网络设备、或者它们的组合。联网的设备可以使用公知的三角测量方法确定特殊的移动站100的速度。

接收器108被配置为接收由一个或多个基站发射器传送的多个RF信号。RF信号通过服务基站10传送到移动站100。示意性的智能天线模块100就像是从一个天线配置到另一个地控制或形成波束。与智能天线模块110有关联的数字信号处理允许智能天线同时处理多个不同的天线配置。逻辑元件12包括一个或更多数字信号处理器(DSP)。

示意性的智能天线模块110向来自和去往生成至少一种初始天线方向图(其还可以是有效的辐射方向图)的天线元件的信号施加复数权重值。在示意性的实施方式中，智能天线模块110生成初始天线方向图。通过非限制性的示例，智能天线模块110被配置以生成至少一个初始天线方向图。波束控制模块114被配置为作为移动站速度的函数而改变初始天线方向图(其还被称为操作天线方向图)。因此，除了操作天线方向图受移动站速度影响外，操作天线方向图类似于上面描述的初始天线方向图。

只是用于说明的目的，图3中波束控制模块114显示为单独的元件或模块。对于图3中的示意性示例，本领域技术人员可以理解，波束控制模块14可包括查寻表，用于把特殊的速度或速率映射为特殊的操作天线方向图。作为一种选择，本领域技术人员可以理解，由于期望能够使用数字信号处理来对天线波束进行控制，因此可以使波束控制模块位于逻辑元件112。

波束模块114被配置用于生成不同于智能天线模块110所生成的初始天线方向图的操作天线方向图。操作天线方向图受移动站速度变化的影响。通过非限制性示例，用来开发波束控制模块114、智能天线模块110、逻辑元件112的软件和硬件工具可以由例如木兰宽带有限公司(Magnolia Broadband)、总部在新泽西州Bedminster的数字交互通信公司(Interdigial Commuication，Corp)、总部在宾夕法尼亚州波斯王(King of Prussia)的质通有限公司(Qualcomm Inc.)、加州圣何塞市的Arraycomm等公司提供。

在操作中，当移动站的移动超过特定的速度时，操作天线方向图比初始天线方向图更宽(broader)。例如，操作天线方向图的覆盖范围会由于移动站速度的提高而扩大。另外，操作天线方向图的覆盖范围会由于移动站速度的降低而缩小。进一步，可能存在其中操作天线方向图由于操作的限制而不能被扩大或缩小的移动站。

通过非限制性的示例，当移动站以高于高速阀值的速度移动时，操作天线方向图可以是全方位天线方向图360°。本领域技术人员应该理解，高速阀值尤其取决于网络设计、通信的协议和标准、以及特殊的移动站设计。在相对较宽的示意性示例中，高速阀值高于20mph。在相对较窄的实施方式中，高速阀值高于30mph。在相对更窄的实施方式中，高速阀值高于40mph。在相对更窄的实施方式中，高速阀值高于50mph。

在另一个示意性的示例中，用于以高于每小时20英里的速度行进的移动站的操作天线方向图比静止移动站的初始天线方向图更宽。在另一个示意性的示例中，用于以超过每小时40英里的速度行进的移动站的操作天线方向图，比用于以超过每小时20英里的速度行进的移动站的操作天线方向图更宽。在另一个示意性的示例中，用于超过每小时50英里的速度行进的移动站的操作天线方向图可能是全方位天线方向图。本领域技术人员根据本文公开的内容可以理解，上述示意性的示例和实施方式的目的在于说明以不同速度行进时的操作天线方向图。

图4示出了具有智能天线和波束控制模块、并与移动站通信的示意性的基站。在该示意性的实施方式中，移动站120被简化并包括与双工器123耦合的第一天线元件122，双工器123可操作地与传送器124和接收器128进行通信。传送器124和接收器128与逻辑元件129操作地耦合。在该示意性的实施方式中，智能天线模块设置于示意性的基站130。

示意性的基站130被配置以与移动站120通信。示意性的基站130包括与传送器134操作地耦合的多个第一智能天线元件132。多个第二智能天线元件136与接收器138操作地耦合。示意性的智能天线模块140和逻辑元件142通过波束控制模块144与传送器134和接收器138通信地耦合。在图中还示出了用于确定移动站速度的装置，并将其称为速度传感器146。本领域技术人员应该理解上述示意性的基站130所描述的是数字信号处理实施方式。本领域技术人员应该理解，在可选的、实际实现的波束控制实施方式中，智能天线模块140与多个智能天线元件132和136之间需要连接。

在示意性的基站130的实施方式中，用于确定移动站速度的装置设置于基站。在该实施方式中，基站130通过跟踪示意性的移动站120的速度从而确定移动站的速度。例如，如果使用GPS，基站130可发起位置判断会话(session)，由此使得移动站120将向基站反馈伪范围(pseudo-range)数据或者经/纬度数据。在另一个示意性的示例中，基站130和其他基站(未显示)一起可测量与移动站120的多普勒频移。在又一个示意性的示例中，可以使用三角测量法来识别移动站的位置，并将位置中的任何变化与速度变化关联起来。在又一示例中，在空间分割多址存取(SDMA)通信时收集的空间信道信息可用来识别示意性的移动站120的位置。通过根据时间分析空间信道信息，计算出速度。

对于其它的一组基站实施方式来说，用于确定移动站速度的装置设置于基站130和移动站120。例如，定位模块和/或定位传感器148是GPS接收器、传感器或其它设置于移动站的任意类似设备。定位模块和/或定位传感器提供的数据被传送到基站，然后由基站用来判断移动站100的速度。在另一示例中，用于判断速度的装置是定位传感器116，例如速率传感器、加速表、或任何其它可以判断移动站速度的速度传感器。在本实施方式中，通过移动站120收集的速度信息被传送到基站。在另一个示例中，位置判断装置是位于网络中、但不是位于基站130的设备。根据本发明的公开，对于本领域技术人员来说，多种其它判断移动站速度的实施方式是显而易见的。

基站确定移动站120的速度后，继续使用该信息确定操作天线方向图。该操作天线方向图是基站在发射模式、接收模式或它们的组合时使用的天线方向图。通过示例，位于基站130的智能天线模块140被配置为用于生成至少一个初始天线方向图，波束控制模块144被配置为用于将初始天线方向图改变为操作天线方向图。操作天线方向图受移动站速度变化的影响。

如上所述，当移动站在运动时，操作天线方向图比初始天线方向图要宽。在操作中，当移动站速度提升时，操作天线方向图扩大。另外，当移动站减速时，操作天线方向图减少。当移动站以高速移动，如以驾驶速度移动时，由基站130生成的操作天线方向图可能是全方位的。例如，当高于移动站的特殊高速阀值时，位于基站130的波束控制模块144会以全方位模式发送。

参考图5，在图5中示出了由不同速度移动的移动站所生成的操作天线方向图。在示意性的实施方式中，操作天线方向图通过移动站控制。虽然没有显示在图5中，但是本领域技术人员应该理解基站也可被配置为与上述示意性的移动站类似的方式从而控制其操作天线方向图。

在该示意性的实施方式中，在第一位置152的移动站是静止的，并且操作天线方向图等于与图3中智能天线模块110关联的初始天线方向图。初始天线方向图由从位置152的移动站发散出的虚线表示。当移动站在第二位置154时，该移动站以步行的速度移动。在位置154，操作天线方向图随移动站的速度变化而扩大。在该非限制性的示例中，步行速度约为每小时3英里。

如上所述，示意性的智能天线的初始天线方向图被过聚焦(focused)。例如增加处理速度的解决方案未能解决智能天线的这些局限，因为问题集中于用于控制波束的测量。这些测量包括功率等级、信号噪音比、功率控制和在波束控制期间执行的其他类似测量。必须在一段时间上对每个测量数据进行收集，并且每个测量数据必须达到足够的精确度，从而克服智能天线的局限。在移动站移动时，如果不具有为获得期望的测量精度而所需的时间，则会导致性能下降，并不能及时或根据需要修改模式。

移动站增加了操作天线方向图，并克服了与智能天线的初始天线方向图有关的局限。通过在位置154增加操作天线方向图，不仅需要收集更少的信息，还可以降低通信所需的测量精确度。另外，波束控制操作并不需要那么精确，因为操作天线方向图较宽。所以，通过增加操作天线方向图，示意性的移动站克服了聚焦的智能天线的波束模式的局限。

在第三位置156，移动站具有相对较高的速度。在非限制性的示例中，较高的速度大于高速阀值每小时50英里。在此示意性的高速时，示意性的操作天线方向图是全方位的。通过提供全方位的天线方向图，移动站不再具有智能天线的波束控制的上述局限。具有波束控制模块的移动站可以克服与智能天线方案(当移动站在移动时其生成能够降低性能的聚焦天线方向图)相关的局限。

参考图6，在图6中示出了由于移动站速度改变而控制天线方向图的示意流程图。流程图200可以施加于具有智能天线的移动站、具有智能天线的基站、以及它们的组合。如上所述，设置于基站或移动站的智能天线模块都具有预设的初始天线方向图。

示意性的流程图初始于步骤202，在步骤202中识别移动站的位置。本领域技术人员可以理解，如果可以利用速度传感器(例如，加速计)测量速度，则该步骤并非是必需的。因此，如果移动站或基站被配置为只收集速度数据，那么这个步骤可以跳过。但是，如果移动站在其中具有GPS接收器，则GPS接收器可以作为时间的函数识别移动站的位置。

在判定步骤204中，示意性地对移动站是否是运动的进行二元判定。在非限制性的示例中，判断移动站是否是运动的是通过以下处理来实现的，即，作为时间的函数识别位置的变化、识别速度、识别速率、或识别移动站的加速度、或者它们的组合。如果移动站不运动，那么执行步骤206，在步骤206中使用如上所述的与智能天线模块相关的初始天线方向图。初始天线方向图由图3中移动站的智能天线模块110和/或图4中基站的智能天线模块生成。在非限制性的示例中，通过使用交换的波束系统(switched beam systems)或自适应阵列系统、或其他类似的智能天线系统生成初始天线方向图。

如果在判定步骤204中判定的结果是移动站在运动中，则执行步骤208。在步骤208，通过上述的示意性速度传感器确定移动站的速度。该速度信息被用来确定操作天线方向图。一般来说，当移动站运动时，操作天线方向图比智能天线模块的初始天线方向图要宽。此结果在步骤210和212中体现。

在步骤210中，在移动站速度提升时，扩大操作天线方向图。在步骤212，在移动站速度减缓时，缩小操作天线方向图。作为移动站速度的函数改变操作天线方向图的方法一直重复，直到通信结束，如同判断步骤214所述。

通过作为移动站速度的函数增加操作天线方向图，克服了智能天线的聚焦的波束控制的局限。上面描述的实施方式和示例适用于移动站、基站或它们的组合。多个用于确定移动站的速度的装置已被描述。

可以理解，前文只是对示意性的实施方式进行了详细的描述。权利要求的范围并不局限于这些具体的实施方式或示例。各种元件、细节、所有方法的执行、以及用途可以与上面所描述的有所不同，或者可以使用当前通过商业途径还不可以得到的技术对它们进行扩充或实现，并仍在本发明的创造性概念范围之内。发明的范围由以下权利要求书或其法律上的等同物确定。

Claims (17)

1.一种通信系统，该系统用于控制移动站的天线的天线方向图，并包括：

智能天线模块，被配置为生成至少一个用于所述移动站的天线的初始天线方向图；

速度传感器，用于测量与所述移动站相关的速度；

波束控制模块，通信地耦合于所述速度传感器，并且被配置为根据所述移动站的速度，为所述移动站生成操作天线方向图，所述操作天线方向图不同于所述初始天线方向图，

其中当所述移动站的速度超出特定的速度时，所述操作天线方向图宽于所述初始天线方向图。

2.如权利要求1所述的通信系统，其中所述操作天线方向图的覆盖随所述移动站的速度的提升而增加，以及所述操作天线方向图的覆盖随所述移动站的速度的减缓而减少。

3.如权利要求2所述的通信系统，其中当所述移动站的速度超过高速阀值时，所述操作天线方向图是全方位的。

4.如权利要求2所述的通信系统，其中所述通信系统设置于移动站。

5.如权利要求2所述的通信系统，其中所述通信系统设置于基站。

6.如权利要求2所述的通信系统，其中所述通信系统以集成电路方式实现。

7.如权利要求2所述的通信系统，其中所述通信系统以处理器方式实现。

8.一种移动站，所述移动站被配置以控制移动站的天线方向图，并包括：

智能天线模块，被设置于所述移动站，并被配置为生成用于所述移动站的至少一个初始天线方向图；

确定所述移动站的速度的装置，所述速度传送到所述移动站；

波束控制模块，被设置于所述移动站，并通信地耦合于所述确定所述移动站的速度的装置，以及被配置为根据所述移动站的速度而为所述移动站生成操作天线方向图，所述操作天线方向图不同于所述初始天线方向图，

其中，当所述移动站的速度超过特定的速度时，所述操作天线方向图比所述初始天线方向图更宽。

9.如权利要求8所述的移动站，其中所述操作天线方向图的覆盖随所述移动站的速度的提升而增加，以及所述操作天线方向图的覆盖随所述移动站的速度的减缓而减少。

10.如权利要求9所述的移动站，其中当所述移动站的速度超过高速阀值时，所述操作天线方向图是全方位的。

11.如权利要求9所述的移动站，其中所述确定速度的装置包括设置于所述移动站的GPS接收器，所述GPS接收器被配置为识别所述移动站的位置。

12.如权利要求11所述的移动站，进一步包括与所述GPS接收器通信的逻辑元件，所述逻辑元件被配置为确定所述移动站的速度。

13.如权利要求9所述的移动站，其中所述确定速度的装置包括一个或多个被联网的设备，所述被联网的设备被配置以提供充足信息以确定所述移动站的所述速度。

14.如权利要求9所述的移动站，其中所述确定速度的装置包括被配置用于确定所述移动站的所述速度的至少一个传感器。

15.一种用于在基站和移动站之间通信的方法，包括：

提供智能天线模块，所述智能天线模块被设置于所述移动站，所述智能天线模块被配置为生成所述移动站的天线的至少一个初始天线方向图；

确定所述移动站的速度的装置；

根据所述移动站的速度而为所述移动站生成操作天线方向图，所述操作天线方向图不同于初始天线方向图，以及

当所述移动站的速度超过特定的速度时，生成比所述初始天线方向图宽的操作天线方向图。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述操作天线方向图的覆盖随所述移动站的速度的提升而增加，以及所述操作天线方向图的覆盖随所述移动站的速度的减缓而减少。

17.如权利要求15所述的方法，其中当所述移动站的速度超过高速阀值时，所述操作天线方向图是全方位的。

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