CN1091560A - 控制切换式天线分集系统的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用以在无线通信系统(100)使用的通信单元 (200)从至少两副天线(202、204)选择一副天线的方 法和设备，其中，射频接收机在接收周期内天线开关 (206)在至少两副天线中选定的一副天线接收多个 比特信号，并能够通过确定输入比特突变是否落在预 定时间窗口内来确定接收信号的质量，如果确定接收 信号质量低于预定阈值，则切换当前选用的天线。

Description

本发明涉及无线通信系统，特别涉及在无线通信接收机中执行天线分集的方法和设备。

在先有技术中，支持天线分集以在移动环境中克服某些多径衰落征兆的射频通信接收机是众所周知的。这样的接收机的一些例子可以在蜂窝移动电话系统中找到。这样的接收机的另一些例子可以在那些采用以第二代数字无绳电话（CT2）技术为基础的系统中找到。

支持天线分集的一些常规的无线电通信接收机根据接收信号强度的要求、决定应该使用哪付天线来接收输入信号。例如，每当输入信号的接收信号强度低于预定的电平时，接收机就切换到另一付天线上去以力图获得更好的接收。支持天线分集的、常规的CT2数字通信收发信机根据已接收信号的强度或已检测的“检查和”（Check-sum）误差决定使用哪一付天线。

遗憾的是，利用接收信号强度作为切换天线的触发信号有缺点，缺点是因信号的有选择性的多径反射引起的时延弥散（delay    dispersion）效应和干扰信号造成的。时延弥散和干扰信号可以具有接收信号强度的基本数量，这样就使那些依据接收信号强度切换天线的分集触发机构误操作。这使分集系统切换到一付当前本想为了获得更好接收结果而选择的天线上。

利用已检测“检查和”误差作为切换天线的触发信号能够克服与接收信号强度有关的上述缺点，但又产生了新的问题。新的问题是因检测误差的时间引起的。例如，在CT2系统的用户通信期间，在实现用户通信的相当慢的信号数据流中检测“检查和”误差需要40到80毫秒。在切换到较好的天线之前，相应于40到80毫秒的用户通信可能的丢失对系统用户而言是非常不愿意的。

为此，需要一种控制天线分集的方法，即使存在时延弥散和干扰也能够很好地执行控制，并且可快速地执行控制，足以在劣化信号能够造成用户通信中不希望丢失之前切换天线。

图1示出本发明的通信系统的方框图。

图2示出本发明的通信设备的方框图。

图3示出说明本发明的切换天线方法的流程图。

图4示出表示本发明的接收时钟、信号质量窗口和接收信号的比突变过程的定时图。

图5示出本发明的检测窗口、信号质量的计算和作出天线切换决定的时刻的定时图。

现在参看附图，特别是图1，该图示出本发明的无线通信系统诸如第二代无绳电话系统（CT2）100的方框图。系统100包括多个固定式通信单元（也称为“呼叫点站”）102，该单元与电话系统104（例如专用小交换机（PBX）或公共交换电话网（PSTN））相连接。固定式通信单元102为便携式通信单元120提供了在复盖区108、110、112内的无线通信复盖。电话线116完成固定式通信单元102与电话系统104之间的连接，以在便携式通信单元120和电话系统104之间传输用户通信。

呼叫点台102称为“远程点”（telepoint）或无绳固定式部件（CFP）。CFP允许使用便携式电话手机120（也称为“无绳便携式部件”CPP）的人们接入PSTN104。当一个CPP120进入一个远程点（CFP）102的范围内并在CPP（手机）120已与CFP（基站）102建立一条同步链路之后就能够接入PSTN。

在CT2系统中，开始一个对基站呼叫的手机在该手机的收发信机的一条可用频道上异步地发送，该频道对应于基站（每个基站能够支持高达40个频道）中的一条射频（RF）频道。

在一个典型的CT2系统中，通信协议标准包括四种主脉冲串结构，称为复用3（MUX3）、复用2（MUX2）和复用1（MUX1），复用1被再划分为复用1.4或1.2（MUX1.4或MUX1.2）。MUX3主要用于从CPP到CFP的通信链路的产生（链路建立和重建）。MUX2主要用于通信链路的建立和从基站（CFP）产生链路。MUX1脉冲串结构（MUX1.2和MUX1.4）主要用于语音/数据通信、信令信息和来自CPP（便携的）和CFP（基站）的控制消息。

为了更好地理解整个CT2系统的通信协认，请参看Euro-pean    Telecommunications    Standards    Institute    1991年6月30日的1.1版本的题为“Common    air    interface    specification    to    be    nsed    for    the    interworking    be-tween    cordless    telephone    apparatus    in    the    frequen-cy    band    864.1MHz    to    868.1MHz，including    public    ac-cess    services”的出版物，该出版物在此作为参考文献。

在现有的CT2系统中，虽然CFP也能启动对单个CPP的呼叫，所以通信都发生在CPP120和CFP102之间。利用CT2协议标准（CAI），开始呼叫的无绳手机（CPP）在可用的射频频道上利用MUX3异步地向基站（CFP）发送，而基站按照MUX3扫描，等待系统中的一个CPP的查询。

参看图2，该图示出本发明最佳实施例的固定式通信单元102的电路方框图，该实施例包括与天线开关206连接的第一和第二天线202、204。第一天线202与第二天线204在空间上相隔开足够的空间以便提供分集接收，天线开关206按下文所述的那样进行控制，在特定的时刻选择第一或第二天线202、204截获较好的信号。天线天关206由来自例如微计算机212之类的控制装置并经线208传送的控制信号控制以在天线202和天线204之间选择。天线开关206还连接到射频（RF）收发信机210上，收发信机210发送/接收去往/来自开关206的通信信号。RF收发信机210还连接到微计算机212，微计算机212内含存储的控制程序用于控制RF收发信机210。

RF收发信机210连接到时分双工（time-division-duplex缩为“TDD”）电路214上以在RF收发信机210的TDD信号和代码转换器216的空分双工（space-division-duplex）信号之间转换。TDD电路214与第二代无绳电话（CT2）相兼容地执行TDD发送和接收，间隔各为1毫秒，然而其它的TDD发送和接收间隔也能容易地采用。代码转换器216与TDD电路214相连接，以在TDD电路214的自适应差分脉码调制（ADPCM）信令与编码器/译码器（CODEC）218的脉码调制（PCM）信令之间转换，CODEC218与代码转换器216相连接，用以在代码转换器216的数字PCM信令与电话公司（TELCO）接口电路220的模拟信令之间转换。TELCO接口电路220与CODEC218相连接，用以提供公知的电话接口功能，例如线路监视、入局呼叫检测、电话地址信令等。通信站200还包括一个基站控制器230，负责控制与网络控制器118（图1）的通信。基站控制器230内含合适的存储器，例如EEPROM、ROM和RAM，用以存储信息和控制软件。基站控制器230控制交叉点接线器222、调制解调器224和CODEC226，以在通信站200与网路控制器118之间交换信息。

参照图3，图3示出本发明的控制天线分集的方法，在步骤302，初始化与天线选择程序有关的所有变量。在最佳实施例中使用六个控制变量包括如下标记的变量：切换阈值、最新的天线阈值、最新的天线阈值年龄、最新的天线阈值年龄预置值、切换滞后值和切换滞后预置值。这些变量存储在控制器212的存储区内。切换阈值是相位误差量，高于该值时可切换当前已选定的天线。切换阈值存储在微计算机212的EEPROM空间中并能修改。最新的天线阈值是最新的阈值电平，在当前已选定的天线被切换之前就存在。最新的阈值年龄是在最新的阈值电平的各帧（frame）中的年龄。如果该年龄超过一个预定值，则预置最新的天线阈值。

在步骤304中，确定通信设备200是否正在接收输入信息包。这在CT2系统中将要求通信链路已建立好并且通信设备正工作于MUX1.2或MUX1..4。如果信息包正被接收，就从收发信机210经过总线228向微计算机212发送一个接收允许信号。在步骤308，在当前接收周期的结束（接收允许信号的下降沿）时控制器读最新天线阈值年龄寄存器的值。最新天线阈值年龄寄存器是位于微计算机212的存储单元中的一个寄存器，它记着用同一天线接收了多少个信息包。例如，在最佳实施例中，如果天线202已接收了10个信息包，假如最新天线阈值年龄预置值仍大于零则最新天线阈值年龄寄存器的值等于最新天线年龄预置值减去10。如果该寄存器的值等于零，则在步骤306设置最新的天线阈值为等于零。但是，如果在步骤308中该寄存器的值大于零，则在步骤310中最新天线阈值年龄寄存器就减1。这个动作控制最新的天线阈值信息有效的时间间隔。

在步骤312，读切换滞后寄存器。如果该寄存器等于零，则在步骤316读出相位误差寄存器和切换阈值寄存器。若在步骤312该寄存器大于零，则在步骤314将切换滞后寄存器减1。这就保证了系统在由切换滞后所确定的极短的一段时间内将该系统锁定到一个新的天线上。借此，防止在天线202与天线204之间的回跳。若在步骤316相位误差值小于切换阈值电平，则例行程序返回到步骤304。但是，如果相位误差大于或等于切换阈值，则例行程序进到步骤318。在步骤318将相位误差寄存器与最新天线阈值寄存器相比较，如果相位误差值小于或等于最新天线阈值，则例行程序返回到步骤304。若步骤318中相位误差值大于最新阈值，则例行程序进到步骤320。最后，在步骤320最新天线阈值被设置为等于相位误差值，最新天线阈值年龄被设置为等于最新天线阈值年龄预置值，切换滞后值被设置为等于切换滞后预置值，微计算机212向无线开关206传送天线切换信号使天线切换。

上述的切换分集方法使用了位于TDD214内的相位误差寄存器（PHERR寄存器），以在每帧结束时产生信号质量估计值。存储在PHERR中的值为一个分数值，表示劣质的比特突变（transi-tion）数除以发生在最新的接收帧中的比特突变总数。劣质的比特突变是落在由恢复时钟确定的以比特取样值为中心的规定窗口内的突变。落在劣质窗口内的多个突变将使劣质突变寄存器和突变总数寄存器都加1。落在好的窗口内的多个突变也使劣质突变寄存器和突变总数寄存器都加1。

在CT2系统中最新的B字段（field）数据已被接收之后约1-2个比特，PHERR寄存器是有效的。因最新天线触发切换（toggle）发生，故只在一些可编程的帧已经消逝时微计算机212才读PHERR的值。PHERR的值与存储在作为微计算机212的一部分的EEPROM空间中的第一切换阈值比较，如果需要的话，还与存储在最新阈值中的先前的天线值比较（如果不晚于存储在EEPROM空间内的最新天线阈值年龄预置寄存器中的规定帧数的话）。如果PHERR的值大于这两个值，天线控制就被触发。天线控制信号与接收允许信号（Rx允许）同步以保证天线与对准接收帧的正确相位同步地转换。这个操作在MUX1的每个接收周期结束时发生并且执行时间不应大于800μs。

本发明将第一分集阈值设置得低于一个单独的静噪阈值，以在到达静噪状态之前命令天线切换。附加的寄存器允许TDD结构得使自动地静噪与分集阈值无关。

图4示出本发明的接收（Rx）时钟、信号质量窗口和Rx信号的比特突变过程的关系的定时图。基准时钟信号（Rx时钟）是由TDD214产生的。Rx时钟信号为到达基站102的输入传送提供同步。Rx时钟是由锁相环电路产生的，它是TDD214的一部分。本发明提出了通过产生一组有效的（好的）时间窗口406和无效的（劣质的）时间窗口404来预测输入的接收信号的质量的方法。“好的”信号时间窗口406以接收时钟的负沿（指电压电平的改变）为中心。落在“好的”信号时间窗口406和“劣质的”信号时间窗口404之内的输入比特突变（408）数帮助基站102为谋求较好接收确定切换天线的时间（通过计算落在预定的时间窗口之外的比特数也能很容易地得到上述结果）。

最佳实施例中的基站确定在劣质窗口404期间发生的比特突变（408）数，并除以在预定的时段（例如一个接收周期，在CT2系统中，一个接收周期包括66个比特总数，其中含有64个“B”字段比特和2个“D”字段比特）内已发生的比特突变总数。在最佳实施例中，基站对每帧的64个“B”字段比特计算百分数。随着接收信号相位误差开始增大，在劣质窗口404内发生的比特突变数也增加，这使劣质突变与突变总数的百分数增大。

一旦劣质突变与突变总数的百分比增大到一个预定值（PHERR大于切换阈值和最新的阈值），控制器212就产生天线切换信号，并经线208传送给开关206。天线切换信号通知开关206切换天线。虽然最佳实施例只示出了两付天线202和204，但通信设备200可以含有两付以上的天线。

TDD214（图2）能够根据具体条件调整劣质窗口404和好窗口406的相对尺寸。例如，可以根据系统所需的天线切换特性的类型增大或减小好窗口与劣质窗口的相对尺寸。

图5示出本发明的检测窗口、计算信号质量和作出天线切换决定的时间的定时图。在基站200开始接收信息包时，TDD214中的接收数据允许（RXD允许）线就变为高电平。在接收64比特的“B”频道数据时，检测窗口504变为高电平。在检测窗口结束时，TDD214确定在标号为506的时刻在信息包中已发生的劣质突变的百分数。最后，在时刻506之后，在计算完了之后，微计算机212将存储在寄存器PHERR中的计算值与存储在存储器中的值比较，并且在需要时就发出必需的天线切换信号。

总之，本发明提供了一种在C/I（载波/干扰）或C/N（载波/噪声）的频道劣化条件下有效地控制切换天线系统的最佳方法和设备。本发明在比特误差检测之前由基于信号质量的切换阈值切换天线，以减少在现有的分集实施中存在的链路中断。通过提供与最佳的切换控制方法相结合在以帧为基础的信号质量检测改善了当前的切换分集系统。

Claims (12)

1、一种用以在通信单元中从至少两付天线中选择一付天线的方法，该方法其特征在于包括以下步骤：

在接收周期内从在至少两付天线中当前选定的一付天线接收信号，该信号是以一种通信格式发送的，其中包括多个比特，并具有比特突变；

根据接收的信号，产生基准时钟信号；

确定一些比特突变是否落在与每个突变相对应的预定时间窗口内，该预定时间窗口是由基准时钟信号确定的；

根据落在预定窗口之外的比特突变数，确定输入信号的质量；

根据输入信号的质量，为随后的接收周期在至少两付天线中选择一付天线。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于，确定输入信号质量的步骤包括以下步骤：

确定在接收周期内已发生的比特突变的总数;

确定在接收周期内已落在预定窗口之外的比特突变数;以及

计算落在预定窗口之外的比特突变占比特突变总数的百分数。

3、根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

如果当前选定的天线在预定的时段内已选定，则保持当前选定的天线。

4、根据权利要求2的方法，其特征在于，根据输入信号质量为随后的接收周期在至少两付天线中选择一付天线的步骤还包括以下步骤：

将落在预定窗口之外的比特突变的百分数与一个预定值比较，以确定天线从至少两付天线中是否切换到当前未被选用的天线上。

5、根据权利要求2的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

确定在任一个预定窗口内是否发生大于一次的比特突变;以及

将在预定窗口内大于一次的比特突变发生看作是在预定窗口之外发生的比特突变。

6、根据权利要求4的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在决定是否切换天线之前确定在预定的接收周期数内落在预定窗口之外的比特突变的百分数。

7、一种用以在通信系统中从至少两付天线中选择一付天线的方法，该方法其特征在于包括以下步骤：

在接收周期内从至少两付天线中的当前选定的一付天线接收信号，该信号按数字通信格式发送的，包括至少一个比特且具有一个比特突变;

根据接收的信号，产生基准时钟信号，该基准时钟信号具有至少一种电平变化;

确定在接收周期内是否至少一个比特突变落在一个预定的时间窗口内，该窗口是由最少一种基准时钟电平变化确定的;

根据至少一个比特突变是否落在预定时间窗口之内，确定输入信号的质量;以及

如果至少一个比特突变已经落在预定窗口之外，就为随后的接收周期从至少两付天线中选择一付天线。

8、根据权利要求7的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

确定当前选择的天线已被选定的持续时间;以及

如果当前被选的天线在一个预定的时段内已选定，则保持当前选定的天线。

9、根据权利要求7的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

如果两个或多个比特突变已落在预定窗口之内，则为随后的接收周期从至少两付天线中选择一付天线。

10、根据权利要求8的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

使用当前选定天线接收的信号质量与使用先前选定天线在先前确定的接收信号质量相比较，如果使用当前选定天线在先前确定的接收信号质量差些，则为随后的接收周期选择当前未选定的那付天线。

11、一种用以在无线通信系统使用的通信单元中从至少两付天线是选择一付天线的设备，该设备其特征在于包括：

接收机装置，用以在接收周期内从至少两付天线中当前已选定的一付天线接收信号，该信号包括一种通信格式，该格式包含多个数据比特且具有比特突变;

开关装置，与该接收机装置相连接并与至少两付天线相连接，用以将至少两付天线中已选定的一付天线耦联给该接收机装置上;

基准时钟发生器，与该接收机相连接，根据接收信号，产生一个基准信号;

确定装置，与该基准时钟发生器相连接，用以确定一些比特突变是否落在与每个比特突变相对应的预定时间窗口之内;

控制器，与该接收机装置相连接，用以根据落在预定窗口之内的比特突变数来确定输入信号的质量;

天线天关响应控制器，根据控制器执行的质量确定，为随后的接收周期从至少两付天线选择一付天线。

12、根据权利要求12的设备，其特征在于，该设备是第二代无绳电话（CT2）站。

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