CN1123261C - 定向无线通信的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在一个第一站点(6)和一个第二站点之间进行定向无线通信的一个方法，其中包括的步骤有，在第一站点(6)定义多个向上述第二站点发送信号的射束方向(b₁-b₈)，各个上述射束方向是可选的。在上述第一站点选择多个从上述第一站点向上述第二站点发送信号的射束方向。在上述多个射束方向上发送上述信号i，其中可以单独选择在各个上述选定的射束方向上发送信号的功率电平。

Description

定向无线通信的方法和装置

技术领域

本发明涉及定向无线通信的方法和装置，其中第一基站和第二基站间的信号只可以在确定的方向上发送。特别地，但不仅于此，本发明可用于使用空分多址的蜂窝通信网。

背景技术

在当前实现的蜂窝通信网中，一个基收发器站(BTS)为了给指定移动站(MS)例如一个移动电话发送信号，该基收发器站(BTS)一般在该基收发器站服务的整个小区或小区扇区发送信号。而现在提出了空分多址(SDMA)系统。在一个空分多址系统中，基收发器站不会在整个小区或小区扇区内向一个指定的移动站发送信号，而只会沿着从移动站接收信号的射束方向发送信号。SDMA系统还可以允许基收发器站确定从移动站接收信号的方向。

SDMA系统可以得到一些超过现有系统的优点。具体地，由于BTS发送的射束只可以在一个特定的方向上发送，并且方向相对较窄，收发器的功率可以被集中到窄射束上。类似地，BTS只会在有限数量的射束方向上接收到MS发送到BTS的信号。可以确定这种方法对于基收发器站发送的信号和基收发器站接收的信号均可得到较好的信噪比。另外，作为基收发器站定向特性的结果，可以改进基收发器站接收的信号的信噪比。并且，在发送方向上，BTS的定向特性允许把能量集中到一个窄射束上，使得BTS发送的信号可以到达距离较远的移动站，并且功率电平低于常规BTS的要求。这允许移动站在距离基收发器站很远的地方正常工作，因而意味着可以增加蜂窝网的小区或小区扇区的面积。作为增大小区面积的结果，可以减少所需的基站数量，从而降低了网络费用。SDMA系统一般需要若干天线单元以便得到所需的发送和接收信号的多个不同射束方向。提供多个天线单元增加了BTS接收信号的灵敏度。这意味着较大的小区面积不会对BTS从移动站接收信号产生不利的影响。

SDMA系统也可以增加系统的容量，即增加了系统可同时支持的移动站的数量。其原因是通信的定向特性，该特性意味着BTS会从使用相同频率的其它小区中的移动站拾取较少的干扰。当与相关小区内一个指定的MS通信时，BTS会对使用相同频率的其它小区中的移动站产生较少的干扰。

最后，SDMA系统允许同时使用相同的频率向定位在同一个小区不同位置上的两个或更多不同的移动站发送信号。这大大增加了蜂窝网可以承担的传输量。

可通过模拟和数字蜂窝网实现SDMA，并且可以引入多种现有的，诸如GSM，DCS1800，TACS，AMPS和NMT的标准，以及所建议的诸如UMTS(全球移动电信系统)的下一代标准。SDMA系统也可以和诸如时分多址(TDMA)，码分多址(CDMA)，频分多址(FDMA)技术的其它现有多址技术配合使用。

SDMA系统的一个问题是需要确定应当向移动站发送信号的方向。在某些情况下，会使用一个相对较窄的射束从一个基收发器站向一个移动站发送信号。因此，需要相当精确地估定该移动站的方向。众所周知，来自移动站的信号通常沿着几个路径到达BTS。这些路径通常被称作多路径。由于这种多路径效应，基收发器站会从不止一个方向上接收移动站发送的指定信号。

通常，根据对应于BTS前面从指定MS接收的数据脉冲串的信息判定BTS用来向一个移动站发送信号的射束方向。由于判定是以只对应于一个数据脉冲串的接收信息为依据的，所以在移动站发送的数据脉冲串受到强干扰的情况下会出现问题。

另一个问题是根据BTS从移动站接收的上行链路信号确定BTS向移动站发送信号的方向。但从移动站向BTS发送信号的频率不同于BTS向移动站发送信号的频率。上行链路和下行链路信号中使用的频率的不同意味着上行链路方向中信道的行为不同于下行链路方向中的信道的行为。这样，针对上行链路信号确定的最优方向不总是下行链路信号的最优方向。换言之，上行链路和下行链路中信道的统计特性是不同的。这还意味着由于通常不能从MS得到快速(逐个脉冲串)反馈，所以不能快速有效地(逐个脉冲串的方式)进行功率控制。

本发明人建议在两个相邻射束方向上从一个基收发器站向一个移动站发送信号。这意味着基站产生两或更多的单独射束。当这些射束彼此相邻时，它们会重叠。通过允许射束重叠，可以覆盖全部小区或小区扇区。但由于信号到达基收发器站的一个射束生成器的有效路径长度的差别，相邻射束之间会具有一个有效相位差。根据这个相位差的值，在两个相邻射束的重叠区域中会出现一个空区域。该空区域中的任何移动站将无法从基收发器站接收信号。当选择多于一个的射束方向时会出现另一个问题。如果设置射束的功率相等，则会增加干扰。

发明内容

因而本发明某些实施例的一个目标是克服这些上述提及的问题。

根据本发明的第一个方面，其中提供了一个在第一站点和第二站点之间进行定向无线通信的方法，该方法包括的步骤有，在第一站点定义多个向上述第二站点发送信号的射束方向，各个上述射束方向是可选的；在上述第一站点选择多个从上述第一站点向上述第二站点发送信号的射束方向；在上述多个射束方向上连续发送上述信号，其中可以单独选择在各个上述选定的射束方向上发送信号的功率电平。

为了本文的目的，应当更广泛地解释“信号”这个术语。例如，GSM系统中的一个数据脉冲串可以构成“一个信号”。可选地，GSM系统中的多个数据脉冲串可以构成“一个信号”。

已经认识到，在选择两个或更多射束时如果各个选定射束的功率可以单独选择，则可以得到较好的结果。

通过调整各个射束的功率，可以得到一个更加灵活的射束模式整形，从而减少对不期望站点的可能干扰。这意味着可以提高系统容量。如果各个射束的功率可以单独选择，则可以灵活调整射束模式的形状。

第一和第二顺序信号最好被发送到上述第二站点，上述方法还包括的步骤有：

调整第一和第二信号的相位以便在至少一个上述选定的射束方向上发送上述信号；

其中在至少两个射束方向上发送的第一信号的相位互不相同，在上述至少两个射束方向上发送的第二信号的相位互不相同，并且在上述至少两个射束方向上发送的第一信号的相位差不同于在上述至少两个射束方向上发送的第二信号的相位差。

通过保证在上述两个射束方向上发送的第一信号的相位差不同于在两个射束方向上发送的第二信号的相位差，可以大大减少空区域造成的问题。具体地，即使在一个信号出现一个空区域的情况下，由于在下一个信号中改变了相邻射束的相位差，所以第二个信号不会出现空区域。应当理解可以不用调整在一个射束方向上发送的信号的相位，但可以调整另一个射束方向上的信号的相位。可选地，可以调整所有选定射束方向上的信号相位。

最好至少有两个射束方向相邻。第一站点最好被用来向第二站点发送多个连续信号，并且调整各个信号的相位使得在至少两个射束方向上发送的各个连续信号之间的相位差不同。这样，当第一站点的响应在时间上比较平均时，可以减少出现空区域的概率。

最好随机调整连续信号的相位。相位的随机调整能够对产生的射束模式进行空分调制，尤其是在调整相对大量的连续信号时。但也可以根据一个预定模式调整连续信号的相位。这个预定模式最好允许对射束模式进行期望的空分调制。

该方法最好包括下面的步骤，在上述第一站点从上述第二站点接收多个信号，其中可以从多个射束方向接收上述信号；针对至少一个上述射束方向确定在上述至少一个射束方向上从上述第二站点接收的至少一个信号的一个参数的值；在一个查询表中查询一个对应于确定值的功率值；在上述至少一个射束方向上向第二站点发送一个信号，通过在查询表中查到的功率值确定在上述至少一个射束方向上发送的信号的功率。

根据本发明的第二个方面，其中提供了一个在一个第一和第二站点之间进行定向无线通信的方法，上述方法包括的步骤有，在上述第一站点从上述第二站点接收多个信号，其中可以从多个射束方向接收上述信号；针对至少一个上述射束方向确定在上述至少一个射束方向上从上述第二站点接收的至少一个信号的一个参数的值；在一个查询表中查询一个对应于确定值的功率值；在上述至少一个射束方向上向第二站点发送一个第二信号，通过在查询表中查到的功率值确定在上述至少一个射束方向上发送的信号的功率。

使用查询表的优点在于提供了一种确定发送到第二站点的信号的功率电平的简单方式。

最好确定多个信号的参数的平均值，并且在一个查询表中查出对应于所确定的平均值的功率值。这个参数可以是信号的能量。可选地，该参数可以是一或多个下列参数：一个信号的瞬时能量；无线环境的类型；或第一和第二站点之间的距离。

存在的优点是能够根据从第二站点接收的若干个前导信号的平均值确定要发送到第二站点的信号的功率。这是因为，对于一个单独的信号，尽管第一站点和第二站点之间的一个信道的行为不同于第二站点和第一站点之间的一个信道，但平均而言两个方向的信道的行为是类似的。通过考虑在一个时间段上接收的信号，可以假定第一站点和第二站点之间的信道平均类似于第二站点和第一站点之间的信道。应当注意这种确定功率的方法通常是平均有效的，并且不必对每个单独的信号都是有效的。

可以对在上述确定步骤确定的平均能量进行量化，并且可以通过查询表把对应的功率值和量化平均能量联系起来。这使得查询表更加易于实现。

功率值表示在射束方向上发送的信号的功率，或者可以表示一个控制在指定射束方向上的信号功率电平设置的控制值。例如，如果提供一个放大器，则控制值可以被用来控制放大器提供所需的信号放大。

可以根据第一站点和/或第二站点的一个参数调整查询表中的值。可选地，查询表的值可以是固定并且不可调的。在调整查询表的值的情况下，可以根据从第二站点接收的功率测量报告进行调整。最好根据一或多个下列参数确定查询表的值：

上述第二站点使用的发送功率；

上述第一和第二站点之间的距离；

在一个指定射束方向上从第二站点接收的信号的平均功率；

第一和第二站点之间的距离；

无线环境；

在第一和第二站点之间定义的一个信道上一个已知衰减规律的有效性。

根据第一第二站点之间的信道与第二第一站点之间的信道之间的相关度可以改变用于计算平均值的信号数量。用于计算平均值的信号数量可以取决于从第二站点接收的信号质量报告。

最好根据信道脉冲响应确定在指定射束方向上接收的信号的能量。多数通信网络通常都进行这种计算，因而本发明的实施例可以使用这种计算。

第一站点最好是一个蜂窝网络中的基收发器站。第二站点最好是上述蜂窝网络中的一个移动站。信号最好是脉冲串，并且最好以逐个脉冲串的方式调整相位。

可以理解，第一发明的方面可以和第二发明的方面配合使用，反之亦然。

根据本发明的第三方面，其中提供了与第二站点进行定向无线通信的一个第一站点，上述装置包括，在多个射束方向上发送一个信号的发送器装置，其中各个上述射束方向是可选的；选择从第一站点向第二站点发送信号的多个射束方向的选择装置；控制上述发送器装置的控制装置，其中上述控制装置被用来单独控制在各个上述选定的射束方向上发送的信号的功率电平。

上述站点最好被用来向上述第二站点发送第一和第二信号，上述第一站点包括调整在至少一个选定的射束方向上发送第一和第二信号的相位的相位调整装置；上述控制装置被用来控制发送器装置在上述多个射束方向上发送第一和第二信号，其中在至少两个射束方向上发送的第一信号的相位互不相同，在上述至少两个射束方向上发送的第二信号的相位互不相同，并且在上述至少两个射束方向上发送的第一信号的相位差不同于在上述至少两个射束方向上发送的第二信号的相位差。

调整相位的装置最好包括一个相位调制器。相位调制器可以被放在上述发送装置的一个射束生成器的输入和第一站点的一个信号处理器之间。

根据本发明的第四方面，其中提供了与第二移动站进行定向无线通信的一个第一站点，上述装置包括接收上述第二站点发送的多个连续信号的接收装置，可以从多个不同的射束方向接收上述信号；针对至少一个射束方向确定在上述至少一个射束方向上从第二站点接收的至少一个信号的一个参数的值的确定装置；一个提供对应于确定值的功率值的查询表；和在上述至少一个射束方向上向第二站点发送一个第二信号的发送装置，根据查询表中查到的功率值确定信号的功率电平。

确定装置可以被用来确定多个信号的参数的平均值。参数可以是信号的能量值。

第三或第四方面的发送器装置最好包括一个被用来在多个不同方向上提供多个信号射束的天线阵列。

附图说明

为了更好地理解本发明以及实现本发明，现在会参照附图以举例的方式加以描述，其中：

图1示出了一个基收发器站(BTS)及其相关的小区扇区的结构图；

图2示出了一个天线阵列和基收发器站的简图；

图3示出了图2的天线阵列提供的固定射束模式；

图4示出了图2的数字信号处理器的结构图；

图5图解了八个信道中四个信道的信道脉冲响应。

图6图解了当选择两个相邻射束并且使用随机相位差时所得到的阵列模式；

图7示出了一个与图6类似的模式，但示出了当相对相位以三度步长从100°到130°变化时产生的模式；

图8a-8f示出了在以各种阈值选择三个射束时的模拟平均阵列响应。

具体实施方式

首先参照图1，其中示出了定义蜂窝移动电话网的一个小区3的三个小区扇区2。三个小区扇区2由相应的基收发器站(BTS)4提供服务。在相同位置提供了三个分别的基收发器站4。各个BTS4具有一个针对三个小区扇区2中相应的一个发送和接收信号的收发器。这样，为各个小区扇区2分别提供了一个专用的基收发器站。因而各个BTS 4能够与诸如位于相应小区扇区2中的移动电话的移动站(MS)通信。

在一个GSM(全球移动通信系统)网络的环境中描述了本实施例。在GSM系统中，使用频/时分多址F/TDMA系统。以脉冲串的方式在BTS4和MS之间发送数据。数据脉冲串包含一个是已知数据序列的训练序列。下面将描述训练序列的目的。通过指定频段内的一个预定时隙在该频段中发送各个数据脉冲串。使用一个定向天线阵列允许实现空分多址。这样，在本发明的实施例中，将通过指定频段，指定时隙和指定方向发送各个数据脉冲串。可以针对通过指定频段，指定时隙和指定方向发送的指定数据脉冲串定义一个相关的信道。如下所述，在本发明的某些实施例中，通过相同频段，相同时隙但两个不同的方向发送相同的数据脉冲串。

图2示出了一个用作收发器的BTS4的一个天线阵列6的结构图。应当理解图2所示的阵列6只服务于图1所示的三个小区扇区2中的一个。另两个天线阵列6为其它两个小区扇区2服务。天线阵列6具有8个天线单元a₁...a₈。各个天线单元a₁...a₈之间的间隔为半个波长，并且沿着一个垂直线排列成一行。各个天线单元a₁...a₈被用来发送和接收信号，并且可以具有任意合适的结构。各个天线单元a₁...a₈可以是一个偶极子天线，补片天线(patch antenna)或任意其它合适的天线。8个天线单元a₁...a₈共同定义了一个相阵控天线6。

众所周知，相阵控天线6的各个天线单元a₁...a₈被提供了要发送到一个移动站MS的相同信号。但被提供给相应天线单元a₁...a₈的信号的相位被彼此偏移开。被提供给相应天线单元a₁...a₈的信号之间的相位差产生了一个定向发射模式。这样，来自BTS4的信号只可以沿着某些方向在与阵列6相关的小区扇区2中发送。阵列6实现的定向发射模式是彼此相位偏移并且由各个天线单元a₁...a₈发送的信号之间出现的相长干扰和相消干扰的结果。在这点上，参照图3，该图从结构上图解了通过天线阵列6实现的定向发射模式。可以控制天线阵列6在图3图解的8个方向中任意一个方向上提供一个射束b₁...b₈。例如，可以控制天线阵列6只在射束b₅或b₆的方向上向一个MS发送信号。如下所述，也可以控制天线阵列6同时在多于一个的射束方向上发送信号。例如，可以在射束b₅和b₆定义的两个方向上发送信号。

由一个Butler矩阵电路8控制各个天线单元a₁...a₈上提供的信号的相对相位，使得能够沿着期望的射束方向发送信号。这样Butler矩阵电路8提供了一个相位偏移功能。Butler矩阵电路8具有8个来自BTS4的输入10a-h和8个输出，其中每个输出均被输出到各个天线单元a₁...a₈。各个输入10a-h接收的信号包括要发送的数据脉冲串。8个输入10a-h均表示可以发送指定数据脉冲串的射束方向。例如，当Butler矩阵电路8在第一输入10a上接收一个信号时，Butler矩阵电路8以要求的相位差把输入10a上的信号提供给各个天线单元a₁...a₈以产生射束b₁，从而在射束b₁的方向上发送数据脉冲串。类似地，在输入10b上提供的信号导致在射束b₂的方向上产生一个射束，等等。

如上所述，天线阵列6的天线单元a₁...a₈从一个MS接收信号并且向一个MS发送信号。一个MS发送的信号通常会被8个天线单元a₁...a₈接收到。但在各个天线单元a₁...a₈接收的各个信号之间会有一个相位差。在Butler矩阵电路8的支持下，能够根据各个天线单元a₁...a₈接收的信号的相对相位确定已经接收信号的射束方向。因而Butler矩阵电路8具有8个输入，对于各个天线单元接收的信号，均有一个来自天线单元a₁...a₈的输入。Butler矩阵电路8也具有8个输出14a-h。各个输出14a-14h均对应于一个可以接收指定数据脉冲串的特定射束方向。例如，如果天线阵列6在射束b₁的方向上从一个MS接收到一个信号，则Butler矩阵电路8会在输出14a上输出接收信号。在射束b₂的方向上接收的信号会导致在输出14b上从Butler矩阵电路8输出接收信号，等等。实际上，由于边瓣和/多路径效应，不会只从一个单独的射束方向上接收到一个信号。但在一些射束方向上接收的信号的电平或振幅通常相当低并且在本发明的某些实施例中可以忽略。总之，Butler矩阵电路8会在天线单元a₁...a₈上接收相同信号的8个彼此偏移的版本。根据相对相位偏移，Butler矩阵电路8确定已经接收上述接收信号的方向并且根据已经接收信号的方向在一个指定输出14a-h上输出一个信号。

应当理解在某些环境下，由于信号反射来自一个MS的单独信号或数据脉冲串看起来可以来自多于一个的射束方向，同时在MS和BTS4之间传递，假定反射具有相对较宽的扩展角度。Butler矩阵电路8会在各个输出14a-h上提供一个信号，而各个输出对应于出现指定信号或数据脉冲串的各个射束方向。这样，可以在Butler矩阵电路8的多于一个的输出14a-h上提供相同的数据脉冲串。但各个输出14a-h上的信号彼此之间可以有时间延迟。

Butler矩阵电路8的各个输出14a-h被连接到一个相应的放大接收信号的放大器16的输入上。为Butler矩阵电路8的每个输出14a-h提供一个放大器16。接着由一个相应的处理器18处理放大信号，该处理器处理放大信号以便把接收信号的频率减少到基带频率，使得BTS 4能够处理该信号。为此，处理器18从输入信号中清除载波频率分量。并且，为Butler矩阵电路8的每个输出14a-h提供一个处理器18。接着通过一个模数(A/D)转换器20把具有模拟形式的接收信号转换成数字信号。提供8个A/D转换器20，Butler矩阵电路8的每个输出14a-h均有一个。接着通过相应的输入19a-h把数字信号输入到一个数字信号处理器21进行后续的处理。

数字信号处理器21也有8个输出22a-h，每个输出均输出一个表示要被发送到一个指定MS的信号的数字信号。所选择的输出22a-h表示要发送信号的射束方向。该数字信号被一个数模(D/A)转换器23转换成模拟信号。为数字信号处理器21的每个输出22a-h均提供一个数模转换器23。接着处理器24处理模拟信号，该处理器是一个把要发送的模拟信号调制到载波频率上的调制器。在处理器24处理信号之前，信号处于基带频率上。接着产生的信号被输出到一个相应的相位调制器25。为每个处理器24提供一个相位调制器25，并且相应相位调制器25的输出被传递到放大相应信号的功率放大器26。为各个相位调制器25提供一个功率放大器。相应功率放大器26的输出被提供给Butler矩阵电路8的相应输入10a-h。这样，为数字信号处理器21的每个输出22a-h均提供一个处理器24，一个放大器26和一个相位调制器25。

各个相位调制器25被用来以逐个脉冲串的方式改变被提供给Butler矩阵电路8的相应输入10a-h的相应信号的相位。换言之，对于连续的脉冲串，被提供给Butler矩阵电路8的一个指定输入10a-h的信号相位互不相同。在本发明的最优实施例中，相位调制器25以逐个脉冲串的方式随机调整信号的相位。但在一个修改的实施例中，不是随机调整相位，而是以一种预定方式进行调整。下面会更详细地描述相位调制器25的功能。如上所述，Butler矩阵电路8的一或多个输入10a-h可以被提供相同的信号。在最优实施例中，在不同输入上针对指定脉冲串被提供给不同输入的信号的相位会互不相同。下面会更详细地描述这一点。

现在参照从结构上更详细地图解数字信号处理器21的图4。应当理解，图4中图解的各个模块不必对应于体现本发明的一个实际数字信号处理器21的各个单元。具体地，图4中图解的各个模块对应于数字信号处理器21所执行的各种功能。在本发明的一个实施例中，通过集成电路至少部分实现了数字信号处理器21，并且相同单元可以执行几个功能。

数字信号处理器21在相应输入19a-h上接收的各个信号被输入到相应的信道脉冲响应(CIR)估测器模块30。CIR估测器模块30包含存储估测的信道脉冲响应的存储容量。CIR估测器模块也包含临时存储部分接收信号的存储容量。信道脉冲响应估测器模块30被用来估测相应输入19a-h的信道的信道脉冲响应。如上所述，针对通过选定的频段，分配的时隙和接收信号的射束方向发送的指定数据脉冲串可以定义一个相关的信道。Butler矩阵电路8确定接收信号的射束方向，使得在数字信号处理器的输入19a上接收的信号主要表示已经从射束b₁的方向接收的信号，等等。应当理解，在指定输入上接收的信号也可以包含在相邻输入上接收的信号的边瓣。

从移动站MS发送到BTS 4的各个数据脉冲串包含一个训练序列TS。但BTS 4接收的训练序列TS_RX受到噪声和多路径效应的影响，其中多路径效应在训练序列的相邻位之间产生干扰。后一种干扰被称作符号间干扰。TS_RX也受到其它移动站的干扰的影响，例如位于其它小区或小区扇区，使用会导致联合信道干扰的相同频率的移动站。可以理解，来自MS的指定信号会沿着多于一个的路径到达BTS，并且天线阵列6会从一个指定方向上检测到指定信号的多于一个的版本。CIR估测器模块30把从输入19a接收训练序列TS_RX与存储在一个数据存储器32中的参考训练序列TS_REF进行交叉相关处理。参考训练序列TS_REF与移动站最初发送的训练序列相同。实际上接收训练序列TS_RX是一个被调制到载波频率的信号，而参考训练序列TS_REF在数据存储器32中被存储成一个位序列。相应地，在进行交叉相关之前，对存储的参考训练序列进行类似的调制。换言之，把BTS4接收畸变训练序列与训练序列的未畸变版本进行相关处理。在本发明的一个可选实施例中，在用参考训练序列对其进行相关处理之前对接收训练序列进行解调。在这种情况下，参考训练序列会再次与正接收训练序列具有相同的形式。换言之，参考训练序列未被调制。

参考训练序列TS_REF和接收训练序列TS_RX均具有对应于L个数据位的长度L，并且可以是26个位。接收训练序列TS_RX在已分配时隙中的确切位置可以是不确定的。这是由于移动站MS与BTS4之间的距离会影响到MS发送的数据脉冲串在已分配时隙中的位置。例如，如果一个移动站MS距离BTS4相对较远，那么与移动站MS距离BTS4较近的情况相比，训练序列会出现在已分配时隙中较后的位置上。

考虑到接收训练序列TS_RX在已分配的时隙中的位置的不确定性，使用参考训练序列TS_REF对接收训练序列TS_RX进行n次相关处理。通常，n可以是7或9。n最好是一个奇数。n次相关通常会在最大获取相关的两边上进行。接收训练序列TS_RX针对参考训练序列TS_REF的相对位置被偏移了各个连续相关之间的一个位置。各个位置等价于训练序列中的一位并且表示一个延迟段。接收训练序列TS_RX与参考训练序列TS_REF各个单独的相关产生一个表示该相关的信道脉冲响应的抽头。n个单独的相关产生一个具有n个值的抽头序列。应当理解某些抽头可以为0或非常小。通常会在抽头序列的一边，另一边或两边出现这种情况，最大值通常出现在抽头序列的中间区域。

现在参照图5，该图示出了对应于8个空间方向的8个可能的信道中4个信道的信道脉冲响应。换言之，图5示出了对应于在8个射束方向中4个方向上从移动站接收的一个指定数据脉冲串的4个信道的信道脉冲响应，数据脉冲串处于指定的频段和时隙上。各个图例的x轴是对时间延迟的测量，而y轴是对相对功率的测量。图中标出的各个连线(或抽头)表示所接收的，对应于指定相关延迟的多路径信号。各个图例具有n个连线或抽头，其中一个抽头对应于各个相关。

根据估测的信道脉冲响应，可以确定训练序列在已分配时隙中的位置。当得到接收训练序列TS_RX和参考训练序列TS_REF之间的最优相关时会得到最大抽头值。

针对各个信道，CIR估测器模块30还确定出5个(或任意其它的合适数量)给出最大能量的连续抽头。按照下面的方式计算一个指定信道的最大能量： $E=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\left(h_j\right)}^2---\left(I\right)$

其中h表示通过接收训练序列TS_RX和参考训练序列TS_REF的交叉相关得到的抽头振幅。CIR估测器模块30通过使用一种滑窗技术估测指定信道的最大能量。换言之，CIR估测器模块30每次考虑5个相邻的值并且根据这5个值计算出能量。选择给定最大能量的5个相邻值表示该信道的脉冲响应。

能量可以被看作是对BTS4在一个指定方向上接收的来自一个指定MS的期望信号的强度的测量。针对所有8个信道执行该过程，这些信道表示可以接收相同数据脉冲串的8个不同方向。以最大能量接收的信号所经过的路径对该信号的衰减最小。

一个相应的分析模块34被连接到各个CIR估测器模块30。各个分析模块34被用来存储CIR估测器模块30根据5个相邻值，所计算出的最大能量，而针对相应信道的相应分析模块34连接到CIR估测器模块30，指定CIR估测器模块30选择这5个相邻值表示信道脉冲响应。分析模块34也被用来存储N-1个前导数据脉冲串的计算最大能量和当前数据脉冲串的能量。分析模块34被用来根据下面公式通过N个脉冲串计算出一个特定信道的平均能量E_i： ${\stackrel{-}{E}}_i=\frac{1}{N}\·\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k---\left(\mathrm{II}\right)$

其中：N＝计算平均值的脉冲串的数量；

i是射束数量；

E_k是使用公式(I)针对第i个数据脉冲串计算出的最大能量。

N可以具有任意合适的值并且可以处于1-100的范围内。应当理解在本发明的某些实施例中N可以大于100。

第i个射束的平均能量是对沿着上行链路方向传输期望信息的第i个信道的振幅的平均测量。尽管根据统计上行链路和下行链路上的信道不相同，但平均起来E_i可以被认为提供了下行链路传输的某些有用信息。

这样，一个超过指定阈值的E_i值表示在N个最近接收的脉冲串期间第i个信道的衰减平均低于通常的信道衰减，因而可以减少下一个脉冲串的下行链路传输的功率。应当理解由于通过计算最近N个接收脉冲串的平均能量来进行这种控制，系统是平均有效的，并且不必在每个脉冲串中有效。

针对相应射束计算出的平均能量值被相应的分析模块34输出到一个查询表模块101。查询表模块101首先对从8个射束方向接收的平均能量值进行量化。查询表模块101具有一个包含与各个可能的量化能量值相关的功率电平的查询表。这个功率电平是被用在一个特定的射束方向上向指定MS发送信号的功率电平。应当理解查询表可以包含量化能量电平和相关的功率电平。因而通过计算出的平均能量值可以访问查询表。查询表的输入是计算出的平均能量并且输出是相应输出功率放大器26的输出功率或设置期望功率的相关控制信号。

产生查询表使得可以建立平均接收能量和输出功率之间的可靠关系。根据移动站使用的输出发送功率和对从指定移动站接收的平均接收能量的估测，可以估测各个信道的等价平均路径损耗和下行链路传输的功率电平。通过这种方式可以产生查询表的值。估测功率电平值使得指定射束方向上的下行链路发送功率平均达到信号的某个电平。查询表的内容可以是固定的，也可以根据从有关移动站MS接收的功率测量报告动态改变。附加信息可以被用来计算查询表。例如可以考虑移动站MS和BTS之间的距离。可以根据定时超前信息计算这个距离。也可以考虑无线信道中已知衰减规律的有效性。不同的无线环境可以具有不同的衰减规律。通过确定适用的衰减规律，可以考虑一个特定无线环境的条件。

应当注意，随着上行链路和下行链路信道之间的相关的增加，信道变得更加互逆并且可以减少判定功率电平所需的超前信息量。换言之，可以减少N。根据小区或小区扇区的位置和性质，上行链路和下行链路信道之间的相关度可以改变。应当理解，指定位置的小区或小区扇区的相关度可以随时间改变。因而对于不同的基收发器站N的值可以不同。另外，一个小区的无线环境可以随着时间和/或小区内移动站的位置而改变。在极限情况下，当上行链路和下行链路信道完全互逆时，N＝1并且在这种情况下可以根据在前面接收的上行链路脉冲串的能量总量直接估测在下行链路传输期间使用的功率电平。但这种极限情况通常不会出现。应当理解在本发明的实施例中，N可以是固定的，也可以是可变的。在后一种情况中，可以根据诸如来自有关移动站MS的信号质量报告改变N的值，以便达到最大性能。

在本发明的一个修改中，不用计算相应射束的平均能量值并使用查询表得到平均值和功率电平之间的联系，查询表可以建立基站和移动站之间的距离与功率电平的联系。可选地，可以建立无线环境类型和功率电平之间的联系。不用使用平均值，可以使用瞬时值，具体是瞬时能量值。但最好使用平均能量并且建立平均能量和功率电平之间的联系。在所有上述可选实施例中，再次提供一个查询表以便建立必须的联系。

各个分析模块34也可以分析CIR模块30确定的信道脉冲响应以便确定最小延迟τ。该延迟是对接收训练序列TSRX在已分配时隙中的位置的测量，并且是对信号在移动站和BTS 4之间经过的距离的相对测量。具有最小延迟的信道具有经过最短距离的信号。在某些情况下这个最短距离可以表示移动站MS和BTS4之间的直射路径的路线。

分析模块34被用来确定窗口的开始位置，该窗口确定五个提供最大能量的值。接着根据一个参考点和窗口开始之间的时间确定时间延迟。该参考点可以是各个分支中的所有接收训练序列开始被相关的公共时间，该时间对应于所有分支的最早窗口边缘或一个类似的公共点。为了精确比较不同信道的各种延迟，采用一个公共的定时比例，该比例取决于BTS4为了控制操作的TDMA模式而提供的同步信号。换言之，接收训练序列TS_RX在已分配时隙中的位置是对时间延迟的测量。应当理解，在已知的GSM系统中，为了提供定时超前信息计算出一个指定信道的延迟。定时超前信息被用来保证移动站发送到BTS的信号落在为其分配的时隙内。可以根据计算的相对延迟和当前定时超前信息确定出定时超前信息。如果移动站远离基站，则BTS会指示MS在某个时间发送其数据脉冲串，该时间比在移动站MS更接近BTS的情况下发送数据脉冲串的时间更早。这个分析的结果可以被输入到查询表模块101。

查询表模块101也可以确定实际选择的射束和所选择射束的功率。有若干种不同的方式可以做到这点。如果查询表模块101针对一个指定的脉冲串确定一个单独的射束方向，则查询表模块101可以确定信道和针对指定频段，指定时隙上的指定数据脉冲串具有期望最大能量的射束方向。这意味着可以确定接收到指定数据脉冲串最强版本的射束方向。该方向可被用作选定的射束方向。射束的功率是针对相应射束方向的确定平均能量根据查询表模块101中查询表确定的功率。可选地，查询表模块101可以确定具有最小延迟的信道。换言之，可以确定具有经过最短路径的数据脉冲串的信道和射束方向，并且可以被用作指定数据脉冲串的选定射束方向。也可以使用计算出的平均能量通过查询表模块101的查询表确定功率。

在本发明的最优实施例中，查询表模块101可以针对指定的数据脉冲串选择一或多个射束方向。例如，可以把接收到指定数据信号的最强版本的两个方向选作指定射束方向。类似地，可以把提供具有最小延迟的信号的两个射束方向选作指定射束方向。查询表模块101当然可以确定接收到最强信号的方向和具有最小延迟的方向，并且可以把这两个方向确定成选定方向。在这些实施例中，根据从查询表模块101的查询表确定的值设置至少一个但最好是全部选定射束的功率。在本发明的一个实施例中，选择三个射束。在另一个可选实施例中，一个射束方向被选作上述方向，而选定的另一个射束或多个射束可以和首先选择的射束方向直接相邻。在所有这些变化中，如上所述，最好使用查询表得到功率电平。通过单独控制射束的功率，可以减少所产生的干扰量。

查询表模块101向产生模块38提供一个输出，该输出指示哪个射束被用来从BTS4向MS发送信号，并且还指示被用于各个射束的适当功率电平。

产生模块38负责产生要从数字信号处理器21输出的信号。产生模块38具有一个表示要发送到移动站MS的话音和/或信息的输入40。产生模块38负责对发送到移动站MS的话音或信息进行编码，并且在信号中包含一个训练序列和一个同步序列。产生模块38还负责产生调制信号。根据产生的信号和确定出的射束方向，产生模块38在数字信号处理器21的相应输出22a-h上提供信号。产生模块38还提供一个输出50，该输出被用来控制放大器24所提供的放大，从而保证主要和辅助射束方向上的信号具有要求的功率电平。这个输出50包括根据查询表模块101的查询表确定的功率电平或功率电平的控制信号。

信道脉冲响应模块30的输出也被用来均衡和匹配从移动站MS接收的信号。具体地，匹配滤波器(MF)和均衡器模块42可以消除或减轻接收信号中由多路径传播产生的符号间干扰的效应。应当理解，匹配滤波器(MF)和均衡器模块具有一个接收来自MS的接收信号的输入(未示出)。负责恢复MS发送的话音和/或信息的恢复模块44接收各个模块42的输出。恢复模块完成的步骤包含对信号进行解调和解码。恢复出的话音或信息被输出到输出46上。

现在参照图6-9解释调制器25的目的。首先考虑不提供相位调制器25的情况。如果选择多于一个的射束并且射束相邻，则相邻射束会在射束间重叠的区域中相互影响。重叠区域中相互影响的程度主要取决于被提供给针对已经选择的相应射束方向的Butler矩阵电路8的输入10的信号之间的相位差。

在理论上，在Butler矩阵电路8的输入10上提供的信号的相位应当是相同的。但各个信号通过其本身的功率放大器26和线路27到达Butler矩阵电路8的相应输入10。尽管功率放大器26和线路27类似，但它们是不同的。这意味着这些单元产生的相位偏移不同。这样，数字信号处理器21的相邻输出22上同时输出的相同信号会以不同的相位到达Butler矩阵电路8的相应输入10。因而信号的相位不同并且信号之间的相位差未知。这导致了选定射束尤其在重叠区域中定义的射束模式的不确定性。两个相邻射束的相位差会在重叠区域中产生一个空区域。这意味着在一个移动站MS处于空区域的情况下，移动站MS不会得到基站BTS的服务。

为了解决这个问题，在本发明的实施例中建议在从数字信号处理器21到Butler矩阵电路8的各个路径中提供一个相位调制器25。相位调制器25被用来随机调整通过的各个信号的相位。以逐个脉冲串的方式改变相位偏移。通过随机改变提供到Butler矩阵电路8的相应输入10上的信号的相位，在没有两个相邻射束之间的空区域的情况下可以平均得到一个平滑模式。在这点上，参照示出了在使用相位调制器时得到的射束模式的图6。在图解的例子中，选择射束b₅和b₆。具体地，图6图解了在调制器25随机调整射束b₅和b₆的信号的相位时得到的不同射束模式响应。如图所示，平均起来在两个射束之间没有空区域。

射束b₅和b₆之间的相位差在-π和+π之间变化。图6图解的模式说明了针对100个脉冲串得到的模式。

现在参照图7，该图示出一个与图6的射束模式类似的模式，并且示出当射束b₅和b₆的相对相位(即相位差)以三度步长从100°到130°变化时产生的射束模式。当相对相位为100°时，可以发现在射束b₅和b₆之间有一个空区域120。但在相对相位增加到的120°情况下，在射束b₅和b₆的整个角扇区上得到一个基本平滑的响应。最后，在射束b₅和b₆之间相对相位为130°时得到一个峰值响应。通过使用相位调制器25随机改变相对相位，由于以逐个脉冲串的方式随机改变信号的相位，可以保证在射束间相对相位为100°时产生的空区域不会持续一个单独的脉冲串时间。

现在参照图解在选择三个射束时产生的模式的图8。在图8中，假定选择三个相邻射束，例如射束b₅，b₆和b₇。相位调制器25以逐个脉冲串的方式改变输入到通过输入10e，10f和10h输入到Butler矩阵电路8的三个信号的相位，从而针对在选择多于一个射束的情况下得到的结果射束模式产生一个中等空分调制。可以按照上述方式或其它方式选择射束的功率。在下面假定针对射束b₅发送的信号x(t)的振幅为a，针对射束b₆的为1，针对射束b₇的为a，其中a≤1。

在模拟中确定在选择多于一个的射束的情况下得到的阵列响应超过一个指定的阈值的概率。针对对应于射束b₅，b₆和b₇的一个角扇区计算概率。图8的图例表示在脉冲串相对较多的情况下对阵列的平均响应进行的测量。所使用的阈值表示在选择一个单独的射束时得到的最大响应的具体百分比。图8a-8d说明了在上限阈值为80％，70％，50％和30％的情况下得到的模拟结果。参数a以0.1的步长在0.1-1之间变化。y轴表示阵列响应超过选定阈值的概率，x轴表示对应于三个射束b₅，b₆和b₇的角度。由于表示了大量连续脉冲串的统计特性，可以认为这些图解示出了一个平均阵列响应。

考虑具有70％上限阈值的图8b。这意味着考虑超过只在一个射束上得到的最大信号的70％阈值的信号。对于a＝0，响应只取决于中央射束b₆，并且从图8b可以发现107°和117°之间的响应为100％，在其余的扩展角度内为0％。当a的值增加时，中央响应两边的信号变得更加重要。换言之，射束b₅和b₇的影响变得更加重要。当a接近1时，在中央射束两边已经存在信号的“峰值”。换言之，当a接近1时，射束b₅和b₇的振幅和功率接近射束b₆的振幅和功率，并且相应角扇区中的概率图增加到接近在射束b₆的角扇区中得到的水平。射束b₅覆盖90°-105°的角扇区，射束b₆覆盖105°-120°的角扇区，射束b₇覆盖120°-135°的角扇区。

从图8a-8d辊任何一个可以发现，平均响应(或超过指定阈值的概率)随着a改变。当a＝0时，得到一个具有中央“矩形”的响应。当a增加时，信号开始超过矩形两边的阈值。

图8e-8f示出了与图8a-8d类似但图解了不超过一个指定阈值的概率的图例。具体地，图8e表示不超过10％阈值的概率，图8f表示不超过20％阈值的概率。对于一个上限阈值，射束信号振幅显然对概率有影响。阈值越低，信号低于阈值的概率也越低，反之亦然。当参数a增加时，发送信号的振幅会增加并且信号不超过阈值的概率会减少。通过使用结合射束功率控制的随机相位调制可以控制对应于要求无干扰的射束的区域或角扇区。

应当理解各个射束可以具有其自身的参数，例如a用于射束b₅，b用于射束b₆，c用于射束b₇。在上述特定的例子中，a＝c并且b＝1。但a，b和c均可以不同。可以根据针对功率电平在查询表模块101中得到的结果确定a，b和c。但在本发明的其它实施例中，可以使用其它方式计算射束的相对振幅。例如，可以根据在对应上行链路射束中接收的期望信号的数量确定a，b和c的值。应当指出功率与振幅的关系很密切。具体地，功率＝(振幅)²。

根据图8所示的结果可以发现，在可以自由选择三个选定射束的振幅的情况下，可以相当灵活地修改概率曲线的形状。由于平均起来信号包络会跟随着概率曲线，所以可以对阵列响应的形状进行动态控制。相位调制器25允许对阵列响应的形状进行这种控制。

在上述实施例中，相位调制器25被用来随机调整经过的信号的相位。但在可选实施例中，可以使用一个非随机模式调整信号的相位。可以修改预定模式以便考虑下列因素：无线环境信号电平，移动站和BTS之间的距离，等等。最好以逐个脉冲串的方式调整各个信号的相位。在所述的这个修改中，最好提供一个计算期望相位值的校准系统。

在所述的实施例中，就象提供给相邻输入的连续信号的相位那样，随机改变被提供给指定输入的连续信号的相位。在这个实施例的一个修改中，不会改变被提供给一个指定输入的信号的相位，其中以逐个脉冲串的方式改变被提供给相邻输入的信号的相位。

应当理解，虽然已经在GSM蜂窝通信网络中实现了上述实施例，但本发明还可以被用于其它的数字蜂窝通信网络和模拟蜂窝网络。上述实施例使用了具有8个单元的定相阵列。阵列当然可以具有任意数量的单元。可选地，定相阵列可以被离散定向天线取代，每个天线均在一个指定方向上发射射束。在需要的情况下，Butler矩阵电路可以被任意其它合适的移相电路取代。Butler矩阵电路是一个模拟射束生成器。当然可以使用一个数字射束生成器DBF或任何其它合适类型的模拟射束生成器。根据提供给各个单元的信号，即使在只有8个单元的情况下，也可以控制阵列产生多于8个的射束。

被用来向移动站发送信号的射束数量和/或方向可以和BTS从MS接收信号的射束的数量和/或方向互不相同或相同。

在查询表模块已经选择一个电平后可以修改射束的功率电平以便考虑诸如接收信号质量等等的外部因素。

也可以提供多个定相阵列。定相阵列可以提供不同数量的射束。当需要一个较宽的扩展角度时，使用具有较少数量的单元的阵列，当需要一个相对较窄的射束时，使用具有较大数量的单元的阵列。

可以理解，上述实施例被描述成从Butler矩阵电路提供8个输出。应当理解，实际上在Butler矩阵的各个输出上会同时输出若干个不同的信道。那些信道可以有不同的频段。在相应的输出上还会提供不同时隙的信道。虽然前面描述了单独的放大器，处理器，相位调制器，模数转换器和数模转换器，实际上可以通过一个具有多个输入和输出的单独单元提供上述所有的部件。

应当理解本发明的实施例具有不仅限于蜂窝通信网的应用。例如，本发明的实施例可以被用在任何需要定向无线通信的环境中。例如，可以在PMR(专用无线网络)或类似的网络中使用该技术。

Claims (28)

1.一个在第一站点和第二站点之间进行定向无线通信的方法，该方法包括的步骤有：

在第一站点定义多个向上述第二站点发送信号的射束方向，各个上述射束方向是可选的并且通过一个天线单元阵列产生，上述各个单元接收要发送的信号；

在上述第一站点选择多个从上述第一站点向上述第二站点发送信号的射束方向；

在上述多个射束方向上发送上述信号，可以单独选择在各个上述选定的射束方向上发送信号的功率电平，向上述第二站点发送第一和第二顺序信号，其中上述发送步骤还包括调整第一和第二信号的相位以便在上述天线阵列定义的至少一个上述选定的射束方向上发送上述信号，在至少两个射束方向上发送的第一信号的相位互不相同，在上述至少两个射束方向上发送的第二信号的相位互不相同，并且在上述至少两个射束方向上发送的第一信号的相位差不同于在上述至少两个射束方向上发送的第二信号的相位差。

2.如权利要求1所述的方法，其中上述至少两个射束方向是相邻的。

3.如权利要求1或者2所述的方法，其中第一站点被用来向上述第二站点发送多个连续信号，并且调整各个信号的相位使得在选定射束方向上发送的各个连续信号之间的相位差不同。

4.如权利要求3所述的方法，其中随机调整上述连续信号的相位。

5.如权利要求3所述的方法，其中根据一个预定模式调整上述连续信号的相位。

6.如权利要求1所述的方法，其中包括：

在上述第一站点从上述第二站点接收多个信号，其中可以从多个射束方向接收上述信号；

针对至少一个上述射束方向确定在上述至少一个射束方向上从上述第二站点接收的至少一个信号的一个参数的值；

在一个查询表中查询一个对应于确定值的功率值；

在上述至少一个射束方向上向第二站点发送一个信号，通过在查询表中查到的功率值确定在上述至少一个射束方向上发送的信号的功率。

7.如权利要求6所述的方法，其中确定多个信号的参数的平均值，并且在上述查询表中查出对应于所确定的平均值的功率值。

8.如权利要求6所述的方法，其中参数是信号的能量。

9.如权利要求6所述的方法，其中对在上述确定步骤确定的上述平均能量进行量化，并且通过查询表把对应的功率值和量化平均能量联系起来。

10.如权利要求6所述的方法，其中上述参数是一或多个下列参数：一个信号的瞬时能量；无线环境的类型；或第一和第二站点之间的距离。

11.如权利要求6所述的方法，其中上述功率值表示在上述射束方向上发送的信号的功率，

12.如权利要求6所述的方法，其中上述功率值包括一个控制在指定射束方向上的信号功率电平设置的控制值。

13.如权利要求6所述的方法，其中根据上述第一站点和/或第二站点的一个参数调整查询表中的值。

14.如权利要求6所述的方法，其中根据从上述第二站点接收的功率测量报告调整查询表中的值。

15.如权利要求6所述的方法，其中根据一或多个下列参数确定上述查询表的值：

上述第二站点使用的发送功率；

上述第一和第二站点之间的距离；

在一个指定射束方向上从第二站点接收的信号的平均功率；

第一和第二站点之间的距离；

无线环境；

在第一和第二站点之间定义的一个信道上一个已知衰减规律的有效性。

16.如权利要求6所述的方法，其中用于计算平均值的信号数量是可变的。

17.如权利要求6所述的方法，其中用于计算平均值的信号数量取决于从第二站点接收的信号质量报告。

18.如权利要求6所述的方法，其中根据信道脉冲响应确定在指定射束方向上接收的信号的能量。

19.如权利要求6所述的方法，其中选择两个射束方向向上述第二站点发送信号。

20.如权利要求6所述的方法，其中选择三个射束方向向上述第二站点发送信号。

21.如权利要求6所述的方法，其中上述第一站点是一个蜂窝网络中的基收发器站。

22.如权利要求6所述的方法，其中上述第二站点是蜂窝网络中的一个移动站。

23.如权利要求3所述的方法，其中上述信号是脉冲串，并且以逐个脉冲串的方式调整上述相位。

24.与第二站点进行定向无线通信的一个第一站点，上述装置包括：

包括一个具有多个天线单元的天线阵列，在多个射束方向上发送一个信号的发送器装置，上述射束方向是可选的，上述信号被提供给提供上述多个射束方向的各个上述天线单元；

选择从第一站点向第二站点发送第一和第二信号的多个射束方向的选择装置；

调整在至少一个选定的射束方向上发送第一和第二信号的相位的相位调整装置；

控制上述发送器装置的控制装置，其中上述控制装置被用来单独控制在各个上述选定的射束方向上发送的信号的功率电平，并且控制装置被用来控制发送器装置在上述多个射束方向上发送第一和第二信号，其中在至少两个射束方向上发送的第一信号的相位互不相同，在上述至少两个射束方向上发送的第二信号的相位互不相同，并且在上述至少两个射束方向上发送的第一信号的相位差不同于在上述至少两个射束方向上发送的第二信号的相位差。

25.如权利要求24所述的第一站点，其中上述调整相位的装置包括一个相位调制器。

26.如权利要求25所述的第一站点，其中上述相位调制器被放在上述发送装置的一个射束生成器的输入和第一站点的一个信号处理器之间。

27.如权利要求24所述的第一站点，其中发送器装置包括一个被用来在多个不同方向上提供多个信号射束的天线阵列。

28.如权利要求24所述的第一站点，其中上述第一站点是蜂窝电信网中的一个基收发器站。

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