CN1096719C - 蜂窝式通信系统及其广播信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在包括至少一个具有天线的基站和多个移动站的蜂窝式通信系统中用于广播信息的方法。预处理公用信息，以产生正交信号。然后，正交信号进行聚束，以致于正交信号被传送到在阵列天线中的不同振子。然后，在至少一个移动站发送和接收正交信号。再在移动站处理该信号，以从正交信号中解密公用信息。

Description

宽天线波瓣

发明领域

本发明涉及蜂窝式通信系统中的发送信息，并特别涉及由用于在宽覆盖区域上广播公用信息的定向天线产生的宽天线波瓣。

背景技术

图1表示典型的蜂窝式移动无线通信系统的十个小区C1-C10。通常，蜂窝式移动通信系统可用多于十个小区来实现。然而，为了简便起见，使用图1所示的简单表示法对本发明予以说明。对于每个小区C1-C10，有与相应小区的标号相同的基站B1-B10。图1表示如位于小区中心附近的并具有多个全向天线的多个基站。图1也表示可在一个小区内和从一个小区到另一个小区移动的九个移动站M1-M9。在典型的蜂窝式无线通信系统中，一般应多于九个蜂窝式移动站。实际上，具有移动站的数目是基站的许多倍。因而，为了说明本发明起见，减少了移动站的数目。

图1也表示移动交换中心MSC。图1所示的移动交换中心MSC与所有十个基站B1-B10是用缆线连接的。移动交换中心MSC与固定交换电话网络或类似固定网络也是用缆线连接的。从移动交换中心MSC到基站B1-B10的所有缆线和到固定网络的多个缆线都未示出。

除了图示的移动交换中心MSC以外，也可具有附加移动交换中心，用缆线连接到与图1所示的这些不同的多个基站。代替缆线的另一种方法，也可采用其它装置例如，固定无线链路用于把多个基站连接到多个移动交换中心。移动交换中心MSC、基站和移动站都是受计算机控制。

当前数字蜂窝式系统采用使用时间和频率正交性分离多个移动站的多个基站。信号从移动站传播到基站，其中，在单个或有时多个天线振子接收信号，以提高分集作用。接收机信号处理使用时间和频率正交性来分离来自不同用户的信号。有时，最好是使用多个定向天线或天线阵与移动站进行通信。使用定向天线可以减小干扰和增加覆盖范围以及用户的数量。使用多个天线阵需要某种类型的聚束。该聚束能够以各种方法，例如数字聚束、模拟聚束、或用诸如Butler矩阵之类的聚束矩阵来实现。模拟聚束通过引入非频变时间延迟控制波束，而数字聚束通常包括在工作频率上与时间延迟等效的相位延迟。

图2和图3示出几种聚束系统。数字聚束系统通常具有用于每个振子的接收机，将频率下变频成用于A/D变换器的I和Q(同相或正交)信道。实时聚束通过在乘法/累加集成电路中适当加权倍增这些抽样的复值对发生。使用按照第n信道(Vn)、加权系数(Wn)、控制相移(e)、和校正因子(Cn)的复值信号形成阵列输出。由于某些原因有必要进行校正。这些原因包括：振子位置的误差、温度效应和在嵌入该阵列的这些振子和靠近边缘的那些振子之间性能差别。

因此，通过成形和定向窄天线波束，能够使用多个窄波束同时覆盖使用相同天线阵的大扇区。本发明能够使用自适应算法，用于选择天线的最可行函数。

然而，有时会使定向天线的使用复杂化。例如，基站必须能对小区中任意位置的移动站发送广播信息。因而，该小区不能做得太窄，由于这会产生过度交接和低中继效率。而且，希望在单个小区中具有高定向天线和宽波瓣天线。一种方案应是在小区中使用多个天线。然而，使用带有相关硬件的若干单个天线其安装和编制是昂贵的。对于本专业领域的普通技术人员来说，另一种明显的解决方法应是发送在图4所示的小区中使用的所有窄天线波瓣的公用或相同信息。这个解决方法的缺点在于，来自不同天线波瓣的信息其总和可等于0，在组合天线方向图22中产生不希望的零或接近于零。如图4所示，要广播的数据以3个定向波瓣20进行发送。信号在某些方向上消除，这样深度零位出现在组合天线方向图22。例如，具有相等幅度的两个波瓣在某个方向上总和等于0。因此，如图5所示，在那个方向上具有所有它的散射点的移动站可遭受信号功率的深度衰落。图5表示由于移动站2 4位于组合天线方向图22的零位移动站24的接收功率将很小。其时，即使移动站也位于组合天线方向图22的零位，由移动站26接收的信号将具有可接受的接收功率。此时，该信号正被建筑物反射开，以致于接收的信号强度处于允许的电平。

于是，为了增加容量和改进覆盖区域，需要高定向的天线。也需要低方向性天线，以致于能在整个小区上广播信息。

发明概述

本发明的目的是提供用于在使用具有阵列天线的基站的整个小区中提供公共通信信号的方法和装置。

根据本发明的一个实施例，公开了一种在包括至少一个具有天线阵的基站和多个移动站的蜂窝式通信系统中用于广播信息的方法。在本实施例中，预处理公用信息，以产生正交信号。该正交信号由波束形成，以致于正交信号传送到阵列天线的不同振子。在至少一个移动站发送和接收该正交信号。然后，在移动站处理该信号，以便从正交信号中解密公用信息。

根据本发明的另一个实施例，公开了一种包括至少一个具有天线阵的基站和多个移动站用于广播信息的蜂窝式通信系统。每个基站包括预处理装置，用于预处理公用信息以产生正交信号。然后，聚束装置聚束正交信号以致于正交信号能够传送到阵列天线的各振子。然后，由发送装置发送正交信号。在至少一个移动站，接收装置接收正交信号和处理装置处理该信号，以从正交信号中解密信息。

附图说明

通过下面的结合附图所进行的描述，本发明的这些和其它特征和优点对本专业领域的普通技术人员来说将变得显而易见，其中：

图1表示一种蜂窝式通信系统的基本布置；

图2表示数字聚束来产生定向波束的例子；

图3表示在无线电频率上建立定向波束的聚束；

图4表示在天线方向图上的零位；

图5表示一个聚束装置；

图6表示根据本发明的一个实施例用于用数字聚束进行预处理的聚束装置；

图7表示根据本发明的一个实施例用于在无线电频率上聚束的聚束装置；

图8表示根据本发明的一个实施例伪全向位置的一个装置；

图9表示根据本发明的一个实施例的伪全向位置的可能覆盖区域形状；

图10表示根据本发明的一个实施例来自伪全向位置的天线方向图；和

图11表示根据本发明的一个实施例来自伪全向位置的20个天线方向图。

发明的具体实施方式

虽然本专业领域的普通技术人员可理解为，本发明也可用于其它各种通信应用中，但是本发明主要是用于基站和蜂窝式通信系统。

根据本发明的一个实施例，遍及小区要广播的公用信息划分成多个并行数据流，对于每个窄瓣一个并行数据流。本实施例表示在图6。广播数据d(k)划分成多个并行路径，其中并行路径的数目等于所使用的并行路径的数目。应当注意，本实施例把广播数据划分成三个并行路径，但并不受其限制。然后，例如使用数字滤波器H1(Z)、H2(Z)、H3(Z)预处理每个路径。这些滤波器用于产生足够的正交信号。来自数字滤波器40的信号然后送到聚束装置42，产生3个定向天线波束。这些信号用窄天线波瓣发送和该信号在空中组合。在该实施例中，选择滤波器，以致于信号的总和不为0，这就保证了组合的天线方向图46不包括零位。换言之，来自不同窄瓣的信号到达的时间瞬时不同。因此，移动站不能把这个情况与由于在移动站接收多路径引起符号间干扰的情况区分开。于是，按照均衡器应用于校正符号间干扰的接收信号的相同方法，在移动站中的均衡器可用于分析到达的信息。

根据本发明的另一个实施例，也能使用如图7所示的模拟滤波器。在该实施例中，广播数据被调制和上变频到射频并然后划分成三个并行路径。在无线电频率上通过使用，例如延迟预处理广播数据。如图7所示，该信号可由延迟装置52延迟，其中，例如延迟1等于0秒，延迟2等于Ts秒，和延迟3等于0秒，这里Ts是一个符号时间。然后，延迟的信号可输入到Butler矩阵54，以已知的方法形成三个天线波瓣。由于延迟信号不能相互抵消掉，所以，所得的组合天线方向图56也没有深度零位。

根据本发明的另一个实施例，正交化可实施为用稍不同的载频调制每个路径。该频率差值应大到足以产生如此慢的衰落，以致于不产生解调的问题。

根据本发明的另一个实施例，描述伪全向位置。用伪全向位置的优点是，它们的每个位置覆盖区域大，导致在郊区实施成本低。在本发明的这个实施例中，多路接收机无线基站用于建立伪全向位置，然而，本发明并不限于此。图8表示根据本发明的一个实施例的伪全向位置的硬件构形。如图8所示，至少一个收发信机80是通过耦合器82连接到接收天线装置84和发送天线装置86。根据本发明的一个实施例，接收天线装置包括围绕天线杆以等间隔位置安装的四个双极化扇形天线。发送天线装置包括四个有源扇形天线，其中每个扇形天线加有相同的低输入功率。

现在将描述上行链路载波/噪声性能。多路接收机均衡器可使用分集组合，以从所有四个扇形天线中区分和组合正确接收的信号。附加分集增益可用在多于一个扇形天线，即在多于两个分集支路中接收的移动站的现有空间分集配置。该分集增益一般依赖于在扇形天线之间的间隔与小区范围之间的比值。根据本发明的一个实施例，扇形天线被安装在相当小的天线杆上，以致于间隔很小，一般1到2米，而小区就相当大，一般10到20公里。相对于各向同性天线，在伪全向位置的天线增益可以是19-20分贝，这比具有相对于各向同性的天线的增益为11-12分贝的现有全向天线增加很大。图9表示伪全向位置的可能覆盖区形状的一个例子，并假设路径损耗为T^2.5和Cos⁴(α)扇形天线。在这个实施例中，扇形天线以±45、±135度方向定向，但是本发明并不限于此。该假设的扇形天线给出与宽边成45度的天线增益的6分贝损耗。然而，在这些点上，由于通过均衡器中3分贝噪声分集增益部分补偿，因此，导致在C/N性能上总和为3分贝损耗。最后，使用图9线90表示的路径损耗假设，性能的3分贝损耗映射成覆盖区域的减小。在扇形之间的附加分集的假设使覆盖区域的形状更圆。

现在描述下行链路载波/噪声性能。根据本发明的一个实施例，四个发送天线用于在具有目标的伪全向方向图中配置下行链路，以覆盖图9所示的区域。用于供给扇形天线的简单方法将会产生如图10虚线所示的天线图深度零位，图10表示用Cos⁴(α)扇形天线、1900MHz和1米天线间隔计算零位的例子。两个扇形天线将在它们的指定方向之间的中间相互干扰。此外，如图11所示，仅通过引入在天线之间的相对时间改变相位误差或通过不相干地供给天线是不可能解决零位问题的。在图11中，表示了用围绕天线杆的四个扇形天线产生的伪全向位置的20天线方向图，该图表示当运动时零位仍然存在。

使用前面所述的频率或时间正交化的任一种方法能避免在总的天线方向图中的零位。根据本发明的一个实施例，在组合信号中零位问题可通过使用具有不同极化的发送天线解决，以产生正交信号。通过使用正交极化以致于使来自指定45°和-135°方向的天线的E场与来自指定在-45°和135°方向的天线的E场正交，该零位从总E场天线方向图，即|Ev+Eh|²＞0中除去。本发明的性能与环境有关。例如，假设正交极化鉴别在垂直和水平极化具有大致相同特性的意义上是接近于1和对称的。然后，遵循宽边特性不变，即接近图10的实线。在两个扇形天线中间的移动站将看到具有由于正交极化引起的不相关衰落的两个天线，并且来自天线的信号总和等于新的利瑞衰落信道。于是，在两个扇形天线的中间也将逼近图10所示的实线。

显而易见，本领域的普通技术人员可以以其它特定的形式实施本发明，也不违背本发明的精神和总的特征。因此，认为目前公开的实施例是作为各种例证而并不受其限制。本发明的范围是由附加权利要求而不是前面的说明表述的，并且在其等效的意义和范围内的各种改变都企图包含在其中。

Claims (28)

1.一种在包括至少一个具有阵列天线的基站和多个移动站的蜂窝式通信系统中用于广播信息的方法，包括步骤为：

预处理信息，以产生正交信号；

聚束所述的正交信号，以致于所述的正交信号传送到阵列天线的振子；

发送所述的正交信号；

在至少一个所述的移动站接收所述的正交信号；和

处理所述的信号，以从所述的正交信号中解密所述的信号。

2.根据权利要求1的一种用于广播信息的方法，其中对于每个波束单独地预处理所述信息，以致于可避免组合天线中的深度零位。

3.根据权利要求1的一种用于广播信息的方法，其中所述的预处理步骤在基带使用数字滤波。

4.根据权利要求1的一种用于广播信息的方法，其中所述的预处理步骤在射频或中频上使用模拟滤波。

5.根据权利要求1的一种用于广播信息的方法，其中预处理步骤使用移频，以产生正交信号。

6.根据权利要求1的一种用于广播信息的方法，其中所述的预处理步骤使用双极化天线，以产生正交信号。

7.一种包括至少一个具有阵列天线的基站和多个移动站用于广播信息的蜂窝式通信系统，包括：

预处理装置，用于预处理信息，以产生正交信号；

聚束装置，用于聚束所述的正交信号；

发送装置，用于在阵列天线上发送所述的正交信号；

接收装置，在移动站用于接收所述的正交信号；和

处理装置，用于处理所述的信号，从所述的正交信号中解密所述的信号。

8.根据权利要求7的一种蜂窝式通信系统，其中对于每个基站单独处理所述的信息，以致于可避免在组合天线方向图中的深度零位。

9.根据权利要求7的一种蜂窝式通信系统，其中所述的预处理装置在基带使用数字滤波。

10.根据权利要求7的一种蜂窝式通信系统，其中所述的预处理装置在射频或任一中频上使用模拟滤波。

11.根据权利要求7的一种蜂窝式通信系统，其中所述的预处理装置使用双极化天线，以产生正交信号。

12.根据权利要求7的一种蜂窝式通信系统，其中所述的预处理装置使用移频，以产生正交信号。

13.一种包括至少一个基站和多个移动站用于广播信息的蜂窝式通信系统，包括：

用于复制和处理信息成多个识别并行信号的装置；

用于正交所述的识别并行信息的装置；

发送装置，用于使用定向天线发送每个信号；

接收装置，在所述的移动站用于从所述的定向天线接收信号；

用于组合来自每个接收信号的能量以恢复该信息的装置。

14.根据权利要求13的一种蜂窝式通信系统，其中所述的相同并行信号的数目等于所述定向天线的数目。

15.根据权利要求13的一种蜂窝式通信系统，其中数字滤波器用于正交所述的并行信号。

16.根据权利要求15的一种蜂窝式通信系统，其中所述的数字滤波器被选择，以致于当组合时发送信号的总和不等于0。

17.根据权利要求13的一种蜂窝式通信系统，其中所述的并行信号是通过用稍不同的载频调制并行信号来正交的。

18.根据权利要求13的一种蜂窝式通信系统，其中双极化的天线用于产生正交信号。

19.根据权利要求13的一种蜂窝式通信系统，其中所述的正交装置在射频或任一中频上使用模拟滤波。

20.一种用于广播信息的蜂窝式通信系统，包括：

至少一个基站，其中每个基站使用多个天线以覆盖指配的区域；

在每个基站中的处理装置，用于处理要广播的信息，以致于由基站使用的多个天线的信号在发送时相互不抵消；

在每个基站中的发送装置，用于发送所述的信号；和

多个移动站，其中每个移动站使用接收机/解调器，以处理由所述的基站接收的处理信号来提取正交的信号。

21.在用于发送信号到多个移动站和从多个移动站接收信号的蜂窝式通信系统中使用的伪全向位置装置，包括：

多个收发信机，用于处理信息；

接收天线装置，用于接收信号；

发送天线装置，用于发送在伪全向天线方向图中的信号；

耦合装置，用于把所述的多个收发信机连接到所述的接收和发送天线装置；

用于分集组合由所述接收天线装置接收的信号的装置；

用于把要发送到所述移动站的信号正交以防止在天线方向图中产生零位的装置。

22.根据权利要求21的一种伪全向位置装置，其中数字滤波器用于正交要发送的信号。

23.根据权利要求22的一种伪全向位置装置，其中所述的数字滤波器被选择，以致于当组合时发送信的总合不等于0。

24.根据权利要求21的一种伪全向位置装置，其中所述的要发送的信号通过用稍不同的载频调制并行信号来正交。

25.根据权利要求21的一种伪全向位置装置，其中所述的接收天线装置包括围绕天线杆安装的四个双极化扇形天线。

26.根据权利要求25的一种伪全向位置装置，其中所述的双极化天线是等间隔围绕天线杆。

27.根据权利要求21的一种伪全向位置装置，其中所述的发送天线装置包括四个有源扇形天线。

28.根据权利要求21的一种伪全向位置装置，其中所述的正交装置在射频或任一中频上使用模拟滤波。

Images