CN1078435C - 天线阵小区内切换 - Google Patents

Abstract

本文公开了一个在利用来自天线阵的空间信息的蜂窝通信系统中小区内切换的方法。用天线阵测量空间信息。随后根据所述测量的空间信息判定移动站是否需要小区内切换。需要时，移动站从第一信道切换到第二信道。

Description

天线阵小区内切换

本发明的领域

本发明涉及一种在蜂窝通信系统中使用的小区内切换的方法并且更具体地是一种使用来自天线阵的空间信息进行小区内切换的方法。

本公开的背景

当今的数字蜂窝系统使用基站通过时间和频率正交性区分不同移动站。从移动站而来的信号传播到基站。该信号被单一天线接收，或有时使用两个天线接收以获得分集效果。接收机使用时间和频率正交性处理信号以分离来自不同用户的信号。基站中信道间切换、小区内切换是基于来自移动站和基站的质量测量进行的。小区内切换用于，例如，避免带有强干扰的信道。信道分配，即新信道的选择，在多数情况下根据一个频率方案进行。自适应信道分配一即根据测量的质量信息将移动站分配给信道，已经计划用于完善的TDMA系统并且已经用于数字无绳DECT系统。

空间滤波器在技术上是已知的并且用于建立空间选择性，即，拒收来自特定方向的干扰并且放大来自其它方向的期望信号。空间滤波器可以使用，例如，具有无线频率的无源电路、一组模拟信号的相移器或基带信号处理实现。术语空间信息用于代表有关空间滤波器如何处理信号的信息。空间信息可以，例如，由空间滤波器组成，该空间滤波器在处理来自移动站的信号的意义上是最佳的。空间信息也可以由移动站的功率所来自的方向组成。

期望提高这样的系统的频谱效率。提高系统频谱效率的一种方法是使用天线阵，例如，使用多个空间分离的天线单元。然后就可能使用窄的自适应天线瓣区分空间上分离的用户。这可以当做一种使用空间域正交的方法。当今的数字蜂窝系统所使用的基站使用具有大约120或360度宽天线瓣的天线。基站在该瓣内接收/发射所有移动站的信号。因此不需要知道移动站的位置。在另一方面，也不可能抑制来自其它角度的移动站的发射。因此不考虑空间信息并且切换也必须在没用空间信息的情况下进行。

使用自适应天线阵的系统能够使用窄天线瓣接收/发射期望的信号并且抑制不想要的信号。这为切换策略添加了新的自由度(dimension)，因为空间信息可以用于将移动站置于恰当的信道。

当分配信道以增加频谱效率并且避免太多切换时，需要考虑空间干扰情况。在这种意义上，移动站应该“适应”信道，不要受到已经存在于自己或同信道小区中的信道中的移动站太大的干扰。同时，选择一个新移动站不干扰已经使用该信道的移动站的信道是重要的。当一个新移动站被分配到信道中时，在它们自己小区中的移动站的收发机特性有时也应修改，这一点也是重要的。否则新移动站将严重地干扰其它移动站并且导致丢失呼叫或低的质量。因此，必须考虑新信息以进行正确的切换。

另外，系统中的功率电平也必须调整使得基站功率电平(接收/发射)对于所有移动站近似相等。在实践中，太大的功率差将破坏空间正交性并且产生非常类似于CDMA系统中的“近-远”问题的问题。

在使用自适应天线阵的系统中，发射和接收对于阵列基站都是自适应的，这意味着添加一个新移动站可以修改周围基站的发射和接收天线图样(pattern)。另一个不同是使用自适应阵列的基站中的一个信道上的多个用户并不是自动正交的。空间正交性必须通过自适应空间滤波和正确的信道分配才能获得。

发明概述

本发明公开一种小区内切换方法，它使用来自天线阵的空间信息扩展了已知的切换算法。另外，本发明提供一种分散的自适应信道分配解决方案，基站考虑干扰情况为移动站分配合适的信道。另外，本发明公开了一种修改收发机阵列的方法，即，引入一个新移动站时，将移动站链接到已经使用的信道中的方法。

本发明与现有技术相比至少有三个主要优点。首先，由于移动站在信道中用正确的方法分布，蜂窝系统的容量得到提高。第二，由于发明的解决方案对每个基站是分散的，网络信令被最少化。最后，使用信道的所有收发机被直接调整以考虑新的分布情况。结果是，在引入新移动站时，旧移动站的质量不会下降。

根据本发明的一个实施例，是否应该进行小区内切换的判决是基于常规信息和/或增加的空间干扰的预测做出的。如果确定功率电平与标称值偏离太多，就进行蜂窝内切换，其中移动站被切换到一个不太干扰其它连接的信道。然而，对于所有质量高于预定水平的信道，新移动站的相对上行链路干扰从测量中计算。然后，使用测量计算新移动站对已经存在于该信道上的移动站的相对上行链路干扰。然后计算来自辅助切换测量的移动站的下行链路干扰以检查存在的下行链路。然后，将常规小区内切换信息和上面计算的信息一起考虑，选择最佳信道。最后，根据新的干扰情况调整使用选择的信道和旧信道的所有收发机。

附图的详细描述

本发明将参考仅做为例子给出的、结合附图说明的优选实施例更详细地描述，其中：

图1说明根据本发明的一个实施例的谨慎切换判决；

图2说明根据本发明的一个实施例的信道分配；

图3说明根据本发明的一个实施例的信道链接。

公开的详细描述

本发明公开一种小区内切换方法，该方法可以分为三个主要步骤：ICHO-判决；信道分配；和信道链接。简而言之，ICHO-步骤确定是否需要小区内切换。当需要小区内切换时，信道分配步骤确定用于移动站的适当信道。移动站已经切换到新信道之后，正在使用该信道的移动站的收发机在信道链接步骤中被调整以考虑新干扰情况。本发明可以结合，例如，常规的固定频率方案、慢自适应信道分配或随机跳频。下面将更详细地描述每个独立步骤。

本发明描述了几种增加容量的方法。较常规的第一种方法是使用天线阵降低簇的大小，即，频率复用距离。这意味着在小区中，每个信道只有一个移动站并且干扰来自其它小区中的用户。第二种方法是在一个信道中允许有多个用户，使用天线阵正交这些用户。干扰将来自小区中的同信道移动站和其它小区。本发明也包括使用这些技术结合情况下的ICHO。

ICHO-判决可以，例如，使用基于移动站和基站的分级质量测量的已知技术做出。在ETSI/GSM规范05.08中描述了一个已知技术的例子。另外，该算法可以使用谨慎策略，空间信息用于预测传输质量的恶化。例如，如图1所说明，可以检测两个移动站MS1和MS2在彼此靠近。该移动站可以连接到相同小区或者它们可以连接到不同小区。这个检测直接给出空间特性，即，移动站的接近方向、空间滤波器、…。例如，该算法可以跟踪信号到达的角度并且检测出移动站之间的角度差太小。结果是，可以做出ICHO-判决将移动站MS1和MS2中任意一个移动到另一个信道中。也可以做出ICHO判决以释放可以在窄瓣信道中处理的用户占用的宽瓣信道。在GSM类型系统中，例如，BCHH载波必须分布在宽天线瓣中的整个小区上，因此BCHH载波是一个宽瓣信道。使用BCCH载波的业务时隙的移动站可以被移动到一个普通载波上，该载波的下行链路可以在一个窄天线瓣中发射，因此称为窄瓣信道。因此，ICHO判决可以减少系统中的干扰级别。ICHO判决因此意味着移动站与其它移动站一起被链接到一个信道。正在该信道上工作的移动站，即，旧移动站的功率电平一定不能淹没来自新移动站的信号并且该移动站需要将它的上行链路功率调整到标称值。基站下行链路功率也类似地设置为标称值。

信道分配，即，正确的新信道选择，可以如下做出。首先，检查移动站的上行链路功率电平。如果移动站的功率电平与标称值偏离至少一个预定量，移动站就被标为“带有极端功率电平的MS”并且暂时被保持在宽瓣信道上。信道分配应该考虑空间信息的稳定性。测量的空间信息随时间变化的移动站可以保持在一个宽瓣信道中或普遍小心对待以降低干扰电平。

上行链路特性可以由基站测量。对于每个信道，可以测量由信道中存在的干扰引起的，将要影响用于新移动站的基站接收机的干扰功率。这个干扰功率与新移动站的功率和路径损耗比较形成信噪比。这个质量由α_j表示，其中j是信道号。连接到其它基站的移动站表现为上行干扰并且将影响α_j。

对于每个信道，测量由新移动站干扰引起的，将影响用于旧移动站的基站接收机的干扰功率。这个干扰功率与旧移动站的功率和路径损耗相比形成每个旧移动站的信噪比。这个质量由β_ij表示，其中j是信道号而i是移动站号。

下行链路的特性不能在基站测量。因此该算法应该使用来自移动站的测量，如移动站辅助切换测量。然而，干扰情况在这种意义上是相互的，即一个上行链路传输在基站中不干扰的信道是一个从那个基站到一个移动站的下行链路传输不会明显地干扰其它移动站的信道。换句话说，基站将看到该移动站，它作为干扰者正在干扰。这个事实被用于信道分配和链接以优化性能和质量。

移动站也将看到第一基站不能考虑的其它基站。在另一方面，来自这些其它基站的信号与来自第一基站的信号相比通常将是较弱的。这意味着参数α_j和β_ij可以用于选择适当信道。它们应该也与常规信道分配信息(如移动站干扰测量)结合。参数α_j和β_ij将在下面计算。

图2说明根据本发明的一个实施例的信道分配的一个例子。在图2中，小区边界50分割两个小区52和54。每个小区分别有一个具有天线阵的基站BS1和BS2。在这个例子中，第一移动站MS1由基站BS1服务并且被分配一个任意的信道C1。另外，第二移动站MS2由基站BS1服务并且可以被分配一个相同的信道C1，因为天线阵可以使移动站在上行链路和下行链路上都正交。如所说明的，从第二基站BS2看，第三移动站MS3使第二移动站MS2具有相同的角度。结果是，第二基站BS2将把第二移动站MS2当做信道C1中的干扰，并且因此为第三移动站MS3分配一个不同的信道，如C2。在这个例子中，第四移动站MS4在到第一基站BS1的上行链路中，将表现为对第一移动站MS1的干扰。当第四移动站MS4进行下行链路测量时，该移动站将确定信道C1被第一基站BS1干扰。第四移动站向第二基站BS2报告该测量，该基站将为第四移动站分配一个不同于C1的信道。然而，如果第四移动站MS4不能进行有效地MABO测量，第二基站可以只基于上行链路测量为第四移动站MS4分配信道。结果是，移动站MS4可能被分配到信道C1。第一基站BS1将在信道C1上检测到第一移动站的一个新干扰者。结果是，如果第四移动站引起的干扰太高，第一移动站MS1应该被第一基站BS1重分配到另一个信道。

本发明也可以使用一个指示信道是否重负荷的停止标准，因为如果信道上的任何用户太接近指示可能切换的质量限度，就不应该再添加移动站。

信道链接，将新移动站链接到信道可以如下进行。需要调整使用选择的信道的旧移动站的收发机以及将要在选择的信道上引入的新移动站的收发机。在阵列基站中的接收机和发射机中使用的空间滤波器用导引矢量计算，该矢量包括有关期望的信号的信息并且使用有关信道上的干扰情况的信息。当新移动站进入信道时，干扰情况被改变，所有空间滤波器必须重计算以考虑新的信息。旧信道上的移动站的收发机也应该被调整，因为有一个干扰者被移去。

图3说明根据本发明的一个实施例的信道链接的例子。在这个例子中，当移动站MS2被分配到信道C1时移动站MS1正使用信道C1。移动站MS1和MS2的收发机中的空间滤波器必须被调整使得它们空间正交。换句话说，移动站MS1的空间滤波器应该对移动站MS2零输出，反之亦然。本发明在一个不进行测量的瞬间步骤中完成这个清零。当移动站MS3开始使用信道时，移动站MS3将被基站BS1测量到并且被当做一个新干扰者。然而，移动站MS3的清零可以基于空间干扰测量进行。

根据本发明的一个实施例，可以使用简单信道分配方法。在这个方法中，移动站可以被分类到功率类别中并且使用空间扇区。例如，具有近似相等功率级别和良好隔离的空间滤波器的移动站可以共享相同信道。

根据本发明的另一个实施例，可以在信道分配中使用运用固定滤波器的简单算法。在这个例子中，假设已经预计算并存储了多个具有笔波束的滤波器。例如，滤波器α(θ₁)，α(θ₂)，…，α(θ₂₅)可以在-60°，-55°，…，60°方向上与笔波束一起使用。该滤波器可以，例如，是一个与所期望方向的阵列导引矢量相乘的汉明窗。每个滤波器被它的笔波束的方向一它的到达方向(DOA)标识。

一个适当的信道可以如下建立。如果DOA本身或它的两个最近邻居中的一个已经在前十个脉冲(突发)期间被成功的使用，DOA就被认为是由移动站使用的。扫描所有质量足够好的信道以寻找一个信道，该信道的被新移动站使用的DOA既不被其它小区中的移动站干扰又不被自己小区中的移动站使用。典型地，如果滤波器的输出功率高于标称功率电平的尾数(fraction)，DOA就被判为被干扰。然后，用于选定信道的DOA被新移动站占用并且将该移动站链接到该信道。用于新移动站的空间收发机简单地就是它所使用的滤波器集。因此，不必修改信道上的旧移动站的收发机。

根据本发明的一个实施例，可以使用一种改进的算法进行信道分配。将被重分配的移动站的特点可以用一个空间滤波器矩阵W，一个协方差矩阵R和功率P表示。J个可接入信道的特点用它们的空间滤波器矩阵W_i，j，i＝1，…，M_j，其中M_j是信道j上的移动站数，它们的协方差矩阵R_i和移动站的功率P_i，j表示。

新移动站上所期望的干扰功率相对于它的有用功率是 ${\mathrm{\α}}_j\stackrel{\mathrm{def}}{=}\frac{\mathrm{trace}\left[W^H{R}_{j}W\right]}{P}$

使用信道j的旧信道i所期望的来自新移动站的干扰功率是 ${\mathrm{\β}}_{i,j}\stackrel{\mathrm{def}}{=}\frac{\mathrm{trace}\left[W_{i,j}^{H}R{W}_{i,j}\right]}{P_{i,j}}$

一个选择是选择信道J₀其中 $J_0=\underset{j}{\arg \min }\{{\mathrm{\α}}_j+\underset{i=1}{\overset{M_j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{i,j}\}$

另一个解决方案是测量将影响任何旧移动站的最大干扰，并且让 $J_0=\underset{j}{\arg \min }\{{\mathrm{\α}}_j+\underset{i}{\max }{\mathrm{\β}}_{i,j}\}$

还应该使用常规分级(scalar)信息。例如，根据前面提到的停止标准，一个重干扰信道不应再有负荷。

根据本发明的一个实施例，可以将一个改进的算法用于信道链接。这个例子显示了如何修改正在使用信道J₀的移动站和新移动站的空间滤波器。使用该信道的M个移动站的空间滤波器矩阵表示为W₁，…，W_M，而新移动站表示为W_M＋1。首先，计算现存移动站的平均互相关，其中将信道J₀的相关矩阵记为R_old。 ${\hat{R}}_{\mathrm{xd}}\left(i\right)={\hat{R}}_{\mathrm{old}}{W}_i------i=1,...,M$

在所关联的相关矩阵表示为R的情况下，新移动站的平均互相关是 ${\hat{R}}_{\mathrm{xd}}(M+1)=\hat{R}{W}_{m+1}$

信道在添加了新移动站后的相关矩阵可以近似为 ${\hat{R}}_{\mathrm{new}}={\hat{R}}_{\mathrm{old}}+\hat{R}$

然后可以计算新空间滤波器 $W_i={\hat{R}}_{\mathrm{new}}^{-1}{\hat{R}}_{\mathrm{xd}}\left(i\right)-----i=1,...,M+1$

前面的处理假设每信道有唯一的R_j，但直接地结合了对抽样相位的依赖。

在本发明的具体实施例已经被描述和说明的同时，应该理解本发明并不受到它们的限制，因为本领域的技术人员可以进行修改。本申请包括在这里公开和声明的发明的精神和范围内的任何以及所有修改。

Claims (14)

1.在具有自适应天线阵的蜂窝通信系统中的小区内切换的方法，包括以下步骤：

用所述天线阵测量与至少一个移动站关联的空间信息；

基于上述测量的空间信息和功率电平确定是否需要对移动站进行小区内切换；

基于测量的功率电平和空间信息为所述移动站分配一个信道。

2.根据权利要求1的小区内切换方法，其中所测量的空间信息用于预测不同信道分配判决将导致的干扰情况。

3.根据权利要求1的小区内切换方法，其中所测量的空间信息用于调整上述移动站和其它工作在第一和第二信道上的移动站的收发机。

4.根据权利要求1的小区内切换方法，其中所测量的空间信息用于调整使用第一信道的移动站的收发机。

5.根据权利要求2的小区内切换方法还包括以下步骤：

计算该移动站上相对上行链路干扰。

6.根据权利要求5的小区内切换方法还包括以下步骤：

计算其它移动站上由所述移动站引起的相对上行链路干扰。

7.根据权利要求2的小区内切换方法还包括以下步骤：

计算下行链路干扰以检查存在的下行链路。

8.根据权利要求6的小区内切换方法还包括以下步骤：

计算下行链路干扰以检查存在的下行链路。

9.根据权利要求2的小区内切换方法，其中所述第二信道是使用所述的计算的信息选择的。

10.在具有自适应天线阵的蜂窝通信系统中的小区内切换的方法，包括以下步骤：

确定是否需要小区内切换；

测量需要切换的移动站的功率电平；

基于上述测量的功率电平为上述移动站分配一个信道；

计算该移动站上的相对上行链路干扰；

计算其它移动站上来自上述移动站的相对上行链路干扰；

计算下行链路干扰以检查存在的下行链路；

使用上述计算的信息选择最佳信道；

根据新干扰情况调整所有使用选择信道和旧信道的收发机的空间滤波器。

11.根据权利要求10的小区内切换方法，其中所述的下行链路干扰是使用从所述移动站的测量计算的。

12.根据权利要求10的小区内切换方法，其中当确定是否需要切换时使用分级质量测量。

13.根据权利要求10的小区内切换方法，其中的切换在使用相同信道的两个移动站彼此移动得太接近时进行。

14.根据权利要求10的小区内切换方法，其中所述的上行链路干扰是在基站测量的。

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