CN1146281C - 用于提高功率效率的相控阵蜂窝基站和与之关联的方法 - Google Patents

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Abstract

一个基站包括一个用于在彼此不同的频率上产生多个独立无线信道信号的无线信道产生电路，和多个连接于无线信道产生电路的独立相控阵天线，因此每个独立的相控阵天线在同一时间只发射一个独立的无线信道信号。每个相控阵天线优选地包括一个基座和多个放置在预定的图样上的辐射单元。每个辐射单元很容易地由一条带状线形成，而基座优选地是一块电路板。因此，根据本发明的基站的另一个特性是每个相控阵天线发射的功率可以有选择地控制以减少同时保持与距基站远和近的移动单元通信时可能的干扰。可以在无线信道产生电路和相控阵天线之间提供一个开关以促进蜂窝拆分。对操作基站的方法方面也作了揭示。

Description

用于提高功率效率的相控阵蜂窝基站和与之关联的方法
                        发明的领域
本发明一般涉及通信系统并且特别是一个蜂窝无线通信系统。
                        本发明的背景
蜂窝通信系统一般用于为多个移动单元或用户提供语音和数据通信。象称为AMPS，ETACE，NMT-450，和NMT-900这样的模拟蜂窝系统已经在全世界成功地使用。近来，象北美的IS-54B和泛欧GSM系统这样的数字蜂窝系统已经引入。这些以及其它的系统在例如1993年Artech House，Norwood，MA.出版的，Balston等著的题为Cellular RadioSystems的书中有描述。
在蜂窝技术中通常使用频率复用，其中频率组被分配在称为蜂窝这样的有限地理覆盖区域中使用。包含同样的频率组的蜂窝在地理上被隔离以允许移动单元在不同的蜂窝中同时使用同样的频率而不彼此干扰。这样，只有几百个频率的系统可以服务数千个用户。
在美国，例如，联邦当局将分配给蜂窝通信的一个UHF频谱块细分为称为信道的窄频带对。成对的信道来自每对中发射和接收频率偏移45MHz的频率双工方案。当前在美国分配给蜂窝移动通信的是832，30-kHz宽的无线信道。为了寻址这个模拟系统的容限，已经规定了一个称为IS-54B的数字传输标准，其中这些频道被细分为3个时隙。
如图1中说明的，一个在现有技术中的蜂窝通信系统20包括一个或多个移动站或单元21，一个或多个基站23和一个移动电话交换局(MTSO)25。虽然在图1中只示出了3个蜂窝36，但是一个典型的蜂窝网络可以包括数百个基站，数千个移动站和多于一个的MTSO。每个蜂窝将被分配一个或多个专用控制信道和一个或多个语音信道。一个典型的蜂窝可以具有，例如，一个控制信道，和21语音/数据信道，或业务信道。控制信道是一个用于发射蜂窝认证和寻呼信息的专用信道。业务信道传送语音和数据信息。
MTSO 25是整个蜂窝网络20的中心协调单元。典型情况下，它包括一个蜂窝处理器28，一个蜂窝交换机29并且还具有到公用交换电话网(PSTN)30的接口。通过蜂窝网络20，一个双工无线通信链路32可以在两个移动站21之间或，一个移动站21和一个地面线路电话用户33之间生效。
基站23的功能一般是处理和移动站21的无线通信。在这个能力上，基站主要作为一个数据和语音信号的中继站。基站23还监督链路32的质量并监视从移动站21接收的信号的强度。
一个典型的现有技术的基站23，例如用于CMS 8800蜂窝移动电话系统的瑞典Stockholm，Ericsson Telecom AB制造的模型号为RBS 882的功能性组件在图2中作了原理性的说明。这个模拟蜂窝网络的完整描述在Ericsson Telecom AB出版的出版号为EN/LZT 101 908 R2B的出版物中提供。
现在，按照有关信息通路的一般观点，基站23包括一个控制单元34和一个天线塔35。控制单元34包括基站电子设备并且通常位于塔基上或靠近塔基的坚固围墙内。在这个揭示中是无线控制组37，或RCG，一个交换无线接口(ERI)38和一个将来自AC电网的电能变成基站23中独立器件供电的主电源41，以及一个备用电源42。
ERI 38在MTSO 25和基站23之间提供信号。ERI 38从RCG 37接收数据并在一条专用MTSO-BS链路45上将它发射到MTSO 25。在反方向上，ERI 38从MTSO 25接收数据并将它发射到RCG 37用于随后传输到移动站21。
无线控制组37包括完成无线通信所必须的电子设备。一个现有技术的RCG 37的功能性框图如图3所示。所示的配置说明了一个控制信道发射/接收模块(TRM)51，几个语音信道TRMs 52，和一个信号强度接收机53是服务一个蜂窝或一个蜂窝的扇形所要求的典型配置。每个TRM 51、52包括各自的发射机54、接收机55和控制单元57。TRMs51、52不是典型的灵活频率并且用于替代一个并且仅仅一个预定的信道。来自ERI 38的控制信号被独立的控制单元57接收。语音和数据业务信号在一个单独的接口上被路由选择到ERI 38。
每个用于控制和语音的独立的发射机54连接到一个发射合路器58。发射合路器将所有的输入信号合路到一个单一输出，通过一条同轴电缆62耦合到发射天线63。通过使用合路器58，典型情况下，多至16个发射机54可以连接到一个普通的发射天线63。使用合路器58是因为支撑天线的杆子和塔上的空间常常需要额外的费用。在一种极端的情况下，一只杆子可能要支持超过100个无线信道。
独立的发射信号在合路前放大，因此TRMs 51、52具有相对高的输出功率以克服通过发射合路器58和互连电缆62的损耗。典型TRMs的平均输出功率电平在10到50瓦之间。
在接收端，两个接收天线65中的每一个连接到各自的接收合路器66A、66B，在那里接收的信号根据频率分离并传送到每个TRMs 51、52中独立的接收机55。两个接收天线65在塔上典型地分开3到5米使得它们接收具有互不相关的衰落图样的信号籍此提供空间分集接收。对于预检测和后检测分集有许多常规技术，如1992年McGraw-Hill出版的，William C.Y.Lee的题为“Mobile Communications Engineering”的书中第10章所描述。
通常，通过HVAC装置控制基站电子设备围墙内的环境—即热度、通风和空气调节—是必需的。一般，典型的基站围墙大约是一辆大卡车的大小。
典型的基站23的一个可视的特性是天线塔35。为了获得一个合理的覆盖区域，天线63、65期望安装在地面的一定高度之上。现在再参考图4A说明的现有技术的原理平面视图，在乡村地区塔35一般位于蜂窝36的中心以提供全方向的覆盖。在一个全方向蜂窝中，控制信道和激活的语音信道在蜂窝的全区域广播——通常来自一个单一的天线。在基站23分布更加密集的地方，在现有技术中可以使用如原理图4B所示的扇状天线系统。扇状划分要求方向性天线70具有诸如图4B所示的120度的辐射图样。每个扇区71本身是一个具有它自己的控制信道和业务信道的蜂窝。请注意，“信道”可以是指在一个模拟系统中的一个特定的载频或指在如IS-54和GSM这样的TDMA/FDMA混合系统中的一个特定的载波/时隙组合。
图5A说明了一个如上所述的现有技术的典型的天线系统。图5B说明了迄今已经描述的现有技术的两种类型——全方向天线，如双极子66，和诸如包括一个反射器64的扇形方向性天线70。可以理解对于给定的基站，发射和接收天线在典型情况下是同样的类型。
数千个这样的蜂窝基站23已经在世界范围的蜂窝站点使用。当前，蜂窝站点的全部占地面积相当大。通常，被一个链状围墙环绕，安排一个典型的基站23所需的地产的数量还是相当大的。在多数都市地区，放置站点的不动产的成本常常可以比得上装置本身的成本。除去地面添加物品的成本，不动产税也是重要的运作成本。因此减小一个典型的蜂窝站点占地面积将是有益的。
能量消耗对于一个蜂窝基站的运作成本也是重要的。除去用于环境控制的HVAC装置，用于产生RF能量的DC能量需求可能是相当高的。位于每个TRM 51、52中的典型的固态功率放大器根据它们是线性的或是饱和的，工作在25％到65％的DC-RF效率之间。除去发射合路器58典型地损耗3到4dB，从RCG 37通过同轴电缆62上到塔35并且到发射天线63的传输损耗是重要的。承受通过这些路径造成的10dB或更高的总损耗，结果实际上只有10％的RF功率被天线辐射出去不是罕见的。
已经提出在蜂窝通信系统中使用扫描相控阵天线。例如，Stapleton，etal.，A Cellular Base Phased Array Antenna System，Proceedings of the 93rdIEEE VTC，93-96页描述了一个提供360度扫描能力的单极辐射单元的圆周阵列。为了提供空间分集，Stapleton的天线设计成每个辐射单元具有在分配给蜂窝的每一个信道上发射的能力。
在窄带雷达上使用相控阵天线已经是很普及的。为了强调短脉冲周期的高度集中的传输，这就是所谓的固态的、或有源的，相控阵通常在每个辐射单元后面使用C类功率放大器。为了开发高度方向性的波束，一个用于搜索雷达的典型阵列即使没有数千个也有数百个独立的辐射单元。这样的天线在Skolnik，Radar Handbook，McGraw Hill，1990，的第5和7章中详细地讨论。
应该注意，无源微带阵列当前在蜂窝基站中也是可用的。例如，瑞士，Herisau的Huber+Suhner AG制造的类型号1309.41.0009是一个具有定形的仰角波束的在蜂窝基站中使用的七单元线性极化平板无源天线。这个阵列可以代替典型的双极子天线并且更加适合于放在建筑物或其它平面的旁边。在Huber+Shuner出版的申请注解20.3中，它展示通过使用功率拆分将信号的一部分转移到几个独立的组可以获得广域覆盖。
不幸的是，上面描述的两个相控阵天线都要求多载波功率放大器，或MCPA，以同时辐照一个在蜂窝系统中普通的具有两个或更多频率的特定扇区。在一个多载波系统中，互调的必要条件要求三次方项要有大于-65dB的伪噪声抑制。为了减少互调失真，MCPA必须运作于非常高的功率无效线性模式以减少全部的功率效率。
公开的Arraycomm公司的题为“Spatial Division Multiple AccessWireless Communication Systems”的PCT专利申请，讨论了一种提高多个远程用户和一个基站之间的无线通信的容量和质量的方法和装置。WO-A-93/12590，24 June 1993。
公开的美国电话电报公司的题为“Terrestrial Radio CommunicationsSystem”的欧洲专利申请，讨论了一个利用点波束、时分多址和频率复用为系统业务地区之内的基站到远程用户提供通信业务的地面无线系统。EP-A-0201254，12 November 1986。
公开的Ahl等的题为“Method and System in a Wide Area RadioCommunication Network”的PCT专利申请，讨论了一个包括至少两个中心站，每个中心站被分配给至少一个外围站的网络。WO-A-90/03071，22 March 1990。
本发明的内容
考虑到前述的背景，本发明的一个目的是提供一个蜂窝通信系统基站和与之关联的方法，处理提高功率效率和减小蜂窝站点大小的实际问题。
本发明的另一个目的是提供一个基站和与之关联的方法用于促进有源相控阵天线的使用，同时减小诸如互调项这样的伪信号的辐射。
本发明的这些和其它的目的、优点和特性是通过一个基站提供的，该基站包括在彼此不同的频率上产生多个独立无线信道信号的无线信道产生装置，特点是多个独立相控阵天线连接于无线信道产生装置，因此每个独立的相控阵天线在同一时间只发射一个独立的无线信道信号。据此，互调项相比较同一时间在不同频率上发射的多无线信道降低得非常多。此外，本发明允许将独立的放大器合并到相控阵天线中藉此很大程度地减小了诸如与RF功率传送到常规天线有关的电缆传输损耗。全部DC-RF效率的提高减小了所要求的设备电源的大小并且减轻了热度管理问题，籍此也减低了运作成本并提高了系统可靠性。
每个相控阵天线优选地包括一个基座和多个按预定图样安装在其上的辐射单元。每个辐射单元优选地由一个带状线提供，并且基座优选地是一个电路板。相应地，根据本发明的基站的另一个特性是每个相控阵天线辐射的功率可以有选择地控制以减小与分另距基站近和远的移动站通信有关的困难。更特殊地，基站优选地包括信号质量接收装置用于接收来自移动单元的关于在移动单元接收的信号质量的信号，并且还包括天线功率控制装置用于根据移动单元接收的信号质量，有选择地操作各个相控阵天线的辐射单元中预定的一个。另外，信号强度可以在基站侦测。因此，辐射功率和或来自天线的波束宽度可以选择地控制以维持在移动站接收对于好的通信来说足够的功率电平，并且特别是对近的移动站，不发送这么多功率，以免产生不必要的可能干扰。
无线信道产生装置可以优选地放置在接近基站天线塔底部的地方，并且可以用如同轴电缆这样的连接装置将无线信道信号传送到相控阵天线。另外，无线信道产生装置可以放置在塔上或与相控阵天线制造成一个整体以更多地降低RF功率损耗。
基站还优选地包括一个位于邻近发射相控阵天线位置的接收天线。该接收天线也优选地是一个具有接收来自多个移动单元的多个独立的无线信道信号能力的相控阵天线，该多个独立的无线信道信号每个都在不同的频率上并来自多个移动单元。相应地，接收天线也可以优选地包括一个安装在其上并连接到接收天线单元的组合网络用于将接收的信号相干耦合，和一个安装在其上并连接到组合网络的低噪音放大器用于在那里放大信号。
基站还优选地包括调制器装置用于将多个无线载频与各自的输入或信息信号调制以产生多个独立的无线信道信号。在一个实施例中，输入信号可能是在各自的复用帧的时隙中时分复用的。
而本发明的另一个特性是可以在无线信道产生装置和相控阵天线之间提供一个开关，以促进蜂窝拆分。更特殊地，该开关在第一和第二位置之间是可以移动的，使得在第一位置该开关连接两个或更多的用于各自的无线信道信号的预定相控阵天线。在第二位置，该开关切断该两个或更多的预定的相控阵天线并促进提高用于基站的无线信道容量，即拆分蜂窝。
本发明的方法方面涉及上述的基站操作。一个方法涉及操作基站提高功率效率并包括以下步骤：在彼此不同的频率上产生多个独立的无线信道信号。这个方法的特点是操作每个独立的相控阵天线以在同一时间只发射一个独立的无线信道信号。相应地，可以使用有源相控阵天线以降低典型的与常规的蜂窝通信系统中RF能量从地面传送到安装在塔顶的天线有关的损耗。
另一个方法涉及控制相控阵天线的辐射输出功率并包括以下步骤：产生多个无线信道信号并且通过至少一个相控阵天线发射它们，从移动单元接收一个与在移动单元接收的信号质量有关的信号，并且根据在移动单元侦测的信号强度有选择地操作辐射单元中预定的一个。相应地，可以在降低不必要的干扰的可能性的同时产生期望的功率总量或期望的波束形状以保证通信。
另一个方法涉及促进蜂窝拆分，这是一个给定的蜂窝中移动单元的数目增加时的典型要求。该方法包括以下步骤：产生一个无线信道信号并将它们发送到两个或更多预定的连接在一起的相控阵天线以提高该无线信道信号的辐射天线功率；并且随后切断该两个或更多预定的相控阵天线的连接并在各自不同的无线频道上操纵该两个或更多预定的相控阵天线以提高基站的无线信道容量。
                          附图的简要描述
本发明的这些和其它特性和优点通过下面的文字描述并结合附图阅读对于本领域的一般技术人员是非常显而易见的，其中：
图1是一个原理框图，说明了一个现有技术中的蜂窝通信系统的基本组件；
图2是一个原理框图，说明了一个现有技术中的蜂窝通信系统的功能组件；
图3是一个原理框图，说明了一个现有技术中的基站的无线控制组的功能单元；
图4A是一个原理平面视图，说明了一个现有技术中的全方向性蜂窝图样；
图4B是一个原理平面视图，说明了一个现有技术中的扇区化蜂窝图样；
图5A是一个原理侧视图，说明了一个现有技术中的典型蜂窝天线系统；
图5B是一个原理侧视图，说明了一个现有技术中的全方向性天线和扇区天线；
图6是一个原理框图，说明了一个根据本发明的蜂窝通信系统基站；
图7是一个用于根据本发明的基站中的发射机/接收机模块的原理框图；
图8是一个原理平面视图，说明了一个根据本发明的具有三个扇面，每个扇面具有一、二和三个载频的典型的天线方案；
图9是一个如图8所示的方案产生的理论上的下行链路覆盖图样的原理平面视图；
图10是原理框图，说明了现有技术的GSM中的时隙、帧和复帧传输之间的关系；
图11是一个根据本发明的基站的一个实施例的原理框图，说明了如何对换容量和辐射功率以促进蜂窝拆分；
图12是一个根据本发明的基站的一个实施例的原理框图，说明了一种完成辐射功率控制的方法；和
图13是一个根据本发明的基站的一个实施例的原理框图，说明了一种通过改变相控阵天线的波束形状完成功率耦合的方法。
                  优选实施例的详细描述
本发明将要参考附图在下文中做更加全面的描述，图中示出了本发明的优选实施例。本发明可以用多种不同的形式实施但不应该解释为限制在这里提出的实施例中。而且，通过提供的这些实施例，本揭示对于本领域的技术人员是完全的和彻底的并且充分地表达了本发明的范围。自始至终，同样的数字代表同样的单元。
虽然所建议的本发明可以用于任何已知的蜂窝或陆地移动无线传输标准，但可以想到它可能特别适合用于泛欧GSM系统。因此，恰当的，在这里出现的具体例子将直接面向GSM。当那些本领域的技术人员称赞本发明能够容易并且迅速地适用于不同的传输标准时，可以确保这些优选实施例的描述将被那些本领域的技术人员轻松地理解。
首先，将要描述一个根据本发明的建议的基站。随后，用一个详细的描述说明如何在一个蜂窝通信系统中方便地使用该建议的基站。
首先参考图6，它展示了一个根据本发明配置的用三个载频覆盖一个扇区的示范方案的基站80的实施例。选择这个特殊的方案是由于它的单一性而不是为了限制。可以想象，例如，一个典型的基站可以有8个或更多的载波并因此每扇区/蜂窝有8个或更多的发射天线。从这个例子的下面的描述中，那些本领域的技术人员将可以轻易的扩展这个具有多个载波和/或多个扇区/蜂窝的示范配置。
基站80包括一个天线系统81，一个内部设备链路(IFL)82，和无线控制组(RCG)。RCG 83优选地是一个装在架上的配置，它在一个实施例中是被IFL 82与天线系统81物理隔开的。RCG提供一个在不同的频率上产生多个独立的无线信道的无线信道产生装置。IFL 82提供一个链接装置并且优选地包括一束同轴电缆、电源电缆、和控制线，并且典型的长度是数十米。可以想象，在这个实施例中基站80使RCG 83位于地面上并且置于一个在周围起保护作用的围墙中。
天线系统81将典型地位于塔86或其它离开地面的物体上。RCG 83也可能放置在塔的中间或它本身就合并在天线系统81中。如果RCG83是这样放置的，请谨慎地考虑提供足够的雷击保护，这对于那些本领域的技术人员是很容易理解的。
在任何一个方案中，RCG的输出端85都和一个常规交换无线接口(ERI)90接口并且随后到MTSO 91，并通过能够被那些本领域的技术人员理解的常规装置到其余的网络。事实上，可以想象所建议的基站80可以用于通过用这里描述的组件替换现存的天线系统、常规的IFL和RCG来升级现存的蜂窝系统。新的RCG 81因此可以直接插入到现存的ERI中。
根据本发明的基站80每个有源的阵列使用一个单一的载波。如图6中的图解实施例所示的，基站80包括三个分开的有源阵列天线或板95A、95B和95C，用于发射分配给该扇区/蜂窝的三个频率中的每一个。基站80还包括一个有能力接收全部的发射频率的单一接收天线96。
每个有源阵列板包括多个RF功率放大器101，每个放大器通过一个滤波器102连接到一个独立的辐射单元103。功率通过一个功率分配网络分发到每个功率放大器101，这只在被点线框105标出的有源阵列A95A上做原理性说明。在这个实施例中，上面提到的组件优选地使用带状线或微带技术制造在一个衬托基座上，如环氧树脂类的印刷电路板，这对于那些本领域的技术人员是很容易理解的。
功分器105是一个用于将RF功率从一个单一输入分发到几个输出的网络并且优选的可以是一个Wilkinson功分器、分支波导或边缘耦合功分器，或其它众所周知的功率分配装置，如在Bahl，et al.，Microwave SolidState Circuit Design，Wiley & Sons，1988，的第五章中描述的。功分器105优选地设计为给每个功率放大器101提供相位相干输出。该输入功率可以被等分并且在全部的功率放大器101输入端的相位中；这就是已知的统一辐照并产生对称的辐射图样。另外，如果根据基本的阵列理论需要塑造辐射图样，也可以提供小的功率不平衡和/或相位偏移。有关相位偏移和功率不平衡的讨论可以在Brookner，Practical Phased-Array AntennaSystems，Artech House，1991中的第2部分找到。另一个有关阵列理论基础的参考可以在Skolnik，Radar Handbook 2nd Ed.，McGraw Hill，1990的第七章中找到。
在举例说明的实施例中，功率放大器101可以优选地是一个1-2瓦的设备，如日本942-1 Shimosatomi Haruna-machi Gunma-gun Gunma-ken的GigaTec公司制造的零件号为GT-1867的设备。期望功率放大器101适合于集成在微带电路中并且依赖于RF信号的调制分别是恒定还是非恒定包络能够工作在饱和或线性模式。对于一个使用调频的模拟系统，放大器可以作为一个具有高DC-RF效率的饱和C类设备工作。对于特定的数字调制，例如π/4相移DQPSK，放大器101优选地是作为一个具有低DC-RF效率的线性A类设备工作，但是产生输入信号包络变化的放大的复制。
功率放大器101可以在与接收频带重叠的频率上产生宽带噪声输出。这可以是在退化的接收放大器110的噪声图形的水平上。为了提高发射的信号的谱纯度，每个功率放大器101的输出各自优选地连接到一个滤波器102。滤波器102优选地是一个微带陷波滤波器，如Bahl，et al.，Microwave Solid State Circuit Design，Wiley & Sons，1988的第六章中所描述的。滤波器102优选地减弱覆盖接收频段的信号。依赖于系统带宽和频率分配，滤波器102也可以优选地是一个通带在发射频率中心附近的带通滤波器。另外，一个低通或高通滤波器也是合适的。
每个滤波器102的输出按图解连接到各自的辐射单元103，该辐射单元可以优选地是一个如Johnson，et al.，Antenna Engineering Handbook-2nd Edition，MuGraw-Hill，1984的7-1到7-1 4页上所描述的线性极化微带片状天线。另外，一个如前述参考书中的7-14到7-16页上描述的圆形极化片状天线也可以等价地使用。
在举例说明的基站80的实施例中，发射有源阵列板95A、95B和95C优选地是完全相同的。接收阵列板96优选地是一个由微带片单元97形成的天线阵列。与发射有源阵列板一样，该接收板96优选地是由使用带状线或微带技术的环氧树脂类的电路板构成的，这对于那些本领域的技术人员是很容易理解的。天线单元97也优选地是上述的微带片状辐射体。片状天线单元97优选地是线性极化片状天线单元。优选的，发射和接收板都展现同样的极化——一般垂直线性极化。
接收天线单元97通过一个组合网络99连接到一个普通的发射线98。基本上与功率分配网络105相反，组合网络99与从阵列单元97接收的信号相干耦合为一个公共输出。如前述的，组合网络99可以产生相位偏移或减小耦合以影响波束的形状或减小旁瓣。
组合网络99的输出连接到一个低噪声放大器(LNA)110。传统上，一个类似的LNA放在常规的基站的RCG中，并且，相应地，接收的信号在通过IFL电缆时要有2-4dB的传输损耗。通过根据本发明的另一个优点，将LNA 110放置在接收天线板96上，放大之前的损耗被减小因此有益于整个系统的噪声图形并且可以降低接收天线的增益。
来自LNA 110的放大的接收信号也优选地被滤波以除去不需要的信号成分，如那些在功率放大器101产生的信号。因此LNA 110的输出优选地连接到带通滤波器112。带通滤波器112可以优选地是一个微带边缘耦合滤波器，如Bahl，et al.，Microwave Solid State Circuit Design，Wiley& Sons，1988的第六章中所描述的。依赖于系统的带宽和信道间隔，一个低通、或高通滤波器也是合适的，这对于那些本领域的技术人员是很容易理解的。
发射信号和接收信号二者都通过一个内部设备链路(IFL)82耦合到/从天线系统81。在说明的实施例中，IFL优选地包括一束同轴电缆115，和为功率放大器101和LNA 110提供电源的电源电缆(没有示出)。
无线控制组83优选地包括多个发射/接收模块(TRMs)120。现在再参考解释了TRM 120的图7。TRM 120优选地包括RF硬件和完成信息信号到RF输出的变换所必须的电子设备，对于接收信号反之亦然。信息信号优选地是一个包括一系列数字相位和/或相位和幅度信息的数字化的比特流，并且是被常规装置从ERI接收的。对于GSM蜂窝系统，该信息信号代表一个GMSK波形。对于IS-54系统，该信息信号代表一个π/4相移DQPSK波形。这两种类型的信号的产生和其它的调制技术一样，对于那些本领域的技术人员是很容易理解的。
该信息信号耦合到一个调制器121，在那里相位、幅度和或相位和幅度信息被加在一个参考频率上以产生一个耦合到混频器123的基带信号，在混频器中该信号与一个由参考振荡器127和信道合成器128产生的预定RF载频混频。该参考振荡器也通过在实施例中说明的乘法器129连接到调制器121。RF载频根据从ERI获得的命令选择。混频器123的输出连接到发射滤波器124以除去不需要的混频器产物。在滤波之后，调制的RF载波通过示意性地定义为IFL 82的同轴电缆115耦合到在有源阵列板95A上的传输线116，在那里它被如上(图6)所述地发射。一个同样的过程在每一个TRMs中分立的载频上发生。
仍然参考图7，从接收阵列板96接收的信号耦合到一个接收电路130，在那里调制的RF载波通过示意方案的第一混频器132下变频到基带信号并通过示意方案的第二混频器134解调，其中第一混频器132被一个本振和相关联的本振滤波器135驱动，第二混频器134被第二本振综合器137驱动。三个IF滤波器141-142也在说明的实施例中示出用于将接收的信号下变频到基带并解调下变频的信号。于是，产生了两个信号：一个IF信号和一个所说明的接收信号强度指示器(RSSI)信号。
在图7中示出了一种适合于解调π/4频移DQPSK信号的方案。一个这样的解调技术的例子在诸如题为“Log-Polar Signal Processing”的授予Dent并转让给本受让人的美国专利5,048,059中描述，该揭示合并在这里作为参考。一个本领域的技术人员可以轻易地注意到也可以使用一个GMSK解调器，或其它。
接收电路130的输出是一个信息信号，它可以在TRM 120中处理或传递到ERI用于随后根据常规技术处理。一个类似的过程，在与各自的发射频率一致的接收频率上，发生在所有的TRMs 120中。
图8是一个原理平面视图，说明了一个用于前面描述的建议的基站80的示范方案。这个方案通过将蜂窝分为三个具有不同的频率分配数的扇区提供全方向性覆盖。发射相控阵有源天线151，152，153，155，156和157位于一个三角形的装配装置160上并且面向提供扇区覆盖的方向。扇区1近似地定义为直线165和直线166之间的区域并且被相控阵天线151辐照。扇区2近似地定义为直线166和直线167之间的区域。扇区2被三个相控阵天线：155、156和157辐照。扇区3近似地定义为直线167和直线165之间的区域并且被两个相控阵天线152和153辐照。
在一个单路单载波系统中，如US AMPS系统，也就是，IS-553，根据本发明一个频率优选地分配给每个相控阵天线。对于这个例子，第一频率被分配给天线151，第二、第三、和第四频率分别分配给天线155、156、和157，并且第五和第六频率分别分配给天线152和153。频率分配是由MTSO决定的，它通过ERI将控制信号分别提供给前述的关联于每个天线的TRM。虽然有可能使独立的频率分配动态改变，但是每个天线在同一时间不能发射多于一个的频率。
在图9中示出了一个由图8的天线系统产生的理论覆盖图样，其中每个发射机各自覆盖的区域用各自的天线号加上一个“A”后缀标出。根据本发明，移动站171可以接收在第一频率上由天线151发射的下行链路信号。由移动站171发射的上行链路信号将被相控阵天线150接收。请注意接收天线150、154、和158的图样(没有示出)优选地具有足够的带宽以覆盖它们各自的全部扇区。在扇区2中，移动站172可以接收来自这个扇区中全部三个天线的下行链路信号。因此，移动站172可以调谐为接收来自天线155的第二频率，或来自天线156的第三频率，或来自天线157的第四频率上的下行链路信号。移动站173显示在天线157的覆盖区域之外，所以它必须调谐到接收来自天线155的第二频率，或来自天线156的第三频率上的下行链路信号。移动站172和173发射的上行链路信号被接收天线158接收。接收的信号耦合到RCG中的TRMs并按上面所详述的方法处理。
在一个TDMA系统中，如泛欧GSM系统，每个载波被分成几个时隙179。一种现有技术的GSM系统帧结构的说明在图10中示出并且包括一个分为一系列TDMA帧180的复帧181，依次分为一系列时隙179，这对那些本领域的技术人员是很容易理解的。如所示，TDMA帧180中有8个标号为0到7的时隙。因此，多至8个移动站可以拥有一个给定的载频。在图9中，例如，天线151可以服务移动站171和其它7个移动站(没有示出)。类似的，在扇区中三个移动站174和175可以拥有天线152或天线153发射的相同频率的不同时隙。同样可以注意到移动站174可以拥有，例如，天线152在第一频率上发射的一个时隙，并且移动站175可以拥有天线153在第二频率上发射的一个同样的时隙。
在图11中显示了根据本发明的另一个方面或特性。在那里说明了一个通过一个单刀双掷，或SPDT开关190连接两个发射相控阵有源天线95A和95B的方案。上面的天线95A和下面的天线95B可以与上面给出的描述完全相同。为了清楚起见，IFL 82和RCG 83没有在图11中示出。两个TRMs 120也如上所述并连接到ERI。
那些本领域的技术人员显然会推崇用于相控阵天线的有效发射的各向同性功率是每个辐射单元103发射的功率、单元的数目、和天线增益的函数。例如，如果每个辐射单元103具有连接于其上的600毫瓦的功率放大器101，并且辐射单元具有11dBi的增益，那么每个上面和下面的天线95A、95B分别具有近似100瓦的EIRP。当开关190闭合将它们连接在一起时，它们形成的一个有效的单一天线具有近似400瓦的EIRP。
在最初的新蜂窝覆盖展开时，常常只有相对少的蜂窝站点，每个蜂窝站点具有很广的覆盖区域，即大的蜂窝直径。当用户的数目增加时，就期望蜂窝切分。蜂窝切分是一个蜂窝大小减小并且频率复用增加的过程。一般的途径在诸如W.C.Y.Lee，Mobile Cellular TelecommunicationsSystems，McGraw Hill Book Company，1989的301-306页上描述。
在最初展开一个蜂窝通信系统时，可能竖立一个包括一个如图11中所示的天线配置的基站80。该系统将首先用相对大的蜂窝大小设计。在这种情况下，例如，要求一个带有高EIRP的单一频率并且开关190优选地将上面的和下面的天线一95A、95B用一个TRM连接在一起，如点线所示的开关位置，籍此实际上形成一个具有较高ERIP的天线。
当用户数目增加时，基站80具有内置的能力改变蜂窝的大小以扩容。这是通过添加如图11左边所示的另一个TRM到RCG中并将开关190移到实线所指的位置上实现的。在这种配置下，左边的TRM 120连接到上面的天线95A并且右面的TRM 120连接到下面的天线95B。每个TRM被调谐到前述的不同的发射频率。通过这样做，不需要对天线系统做除了复位开关190以外的任何改变，一个具有400瓦EIRP的单一天线就改变为分别具有100瓦EIRP的两个天线。增加频率的数目并减小发射功率就增加了系统用户容量，这对于那些本领域的技术人员是很显然的。
在任何通信系统中都有一个称为“近/远”的问题。例如，回过头参考图4A，在蜂窝36中示出了两个移动站21。一个移动站位于靠近基站的位置，而另一个位于蜂窝的外围远离基站。为了减小干扰，期望发射的下行链路(和上行链路)信号对于各自的接收机的敏感要求有正好足够的功率。因此，期望发射到近的移动站的功率电平比到远的移动站的低许多。
在使用数字通信的蜂窝电话系统中，信号质量可能是一个比接收的信号强度更重要的因素。在如IS-54B和GSM这样TDMA系统中的一个显著优点是移动站可以在其它非激活的时隙中进行信号质量的测量。大多数情况下这些测量用于确定是否需要切换到另一个频率。如移动站协助越区切换，或MAHO这样的方法，对于那些本领域的技术人员是众所周知的，并且在诸如IS-54B规范的3.4.6节中有描述。根据本发明的另一个方面，由移动站做的信号质量测量还可以形成确定基站需要发射的功率的量的基础。的确，既然信号质量而不仅仅是信号强度被典型地测量，如果使用了这些信号质量测量，基站发射的功率就可以优化。信号质量测量用通常的方法进行，并且阵列天线的发射功率将可以按现在将要描述地调整。
已经展示了如何在上面的天线系统的发射功率中完成大的改变。然而，实际上，下行链路功率控制要求较小的功率调整增量。一个在图12中示出的本发明的实施例说明了一个这样做的基站。图12示出了图11的附加结构，一个微处理器控制的电源195。为了便于理解，示出了到每个功率放大器101的独立的电源线196a-196h。有一个公共的总线电源提供独立的可寻址的电源线也是可能的。在每一种情况下，可控制的电源195能够根据从ERI接收的信号，对每个独立的功率放大器103打开或关闭DC电源。
在这个例子中，图4A的近的和远的移动站都在图12所示的天线系统的覆盖区域中；并且都被天线系统在同一频率上发射的不同的时隙所服务。反过来再参考图10，它还假设近的移动站拥有TDMA帧180的第五时隙并且更远的移动站拥有TDMA帧的第三时隙。可以看出，天线的输出功率(即EIRP)与有源单元数目的平方成正比：
                  EIRP∝N2(Gain)(PT)
如果，如前所述，每个功率放大器能够产生PT为600毫瓦的输出功率并且每个单元具有11dBi的增益，那么可以构造在下表1中的辐射功率值。
                          表1
    状态     电源                                 激活？
    1     196a   是     是     是     是     是   是   是     是
    2     196b   否     是     是     是     是   是   是     是
    3     196c   否     否     是     是     是   是   是     是
    4     196d   否     否     否     是     是   是   是     是
    5     196e   否     否     否     否     是   是   是     是
    6     196f   否     否     否     否     否   是   是     是
    7     196g     否     否     否   否   否   否   是   是
    8     196h     否     否     否   否   否   否   否   是
    EIRP(瓦)     7.5     30.2     67.9   120.8   188.8   271.9   370.1   483.4
例如，如果要求发射30瓦到近的移动站，那么在TDMA帧的第五时隙期间，电源线196a和196b被激活并且所有其它的被禁止。如果要求发射全功率480瓦到远的移动站，那么在TDMA帧的第三时隙期间，全部电源线被激活。其它的组合当然也可以按照所期望的使用。如果要求中间的功率级，它们可以通过在任何给定的时隙期间激活不同数目的电源线获得。
当在一个相控阵天线中单元的数目减少时，辐射的波束宽度增加。这具有能够在本发明中开发出来的好处。在图13中示出了一个根据本发明的相控阵天线95A。当发射到如移动站177这样的更远的移动站时，要求激活相对多的可用的有源单元103。通过这样，被虚线178原理性图示的天线95A的垂直波束宽度也减小了，籍此为远处的移动站177提供一个定向的波束。当发射到较近的移动站176时，只要求激活较少的有源单元。既然移动站可能与天线塔非常靠近，它一般将位于具有波束宽度178的天线的很小的覆盖区域中。然而，由于减少在天线中的有源单元103的数目将使得由虚线179指示的垂直波束宽度变宽，移动站176将在一个合适的覆盖区域中发现而不需要通过电子的或机械的手段驱动天线95A。
本领域的技术人员将会提出许多具有出现在前述描述和与之关联的附图中概念的益处的本发明的修改和其它实施例。因此，需要理解，本发明不仅限于所揭示的特定的实施例，而且，那些打算做的修改和实施例都包括在附加的权利要求的范围中。

Claims (18)

1.一个用于包括多个覆盖区域的蜂窝通信系统的基站(80)，所述基站包括在彼此不同的频率上产生多个独立的蜂窝无线信道信号的无线信道产生装置(120)，其特征是：
至少四个独立的相控阵天线(95)，配置成使所述至少四个独立的相控阵天线中的至少两个相控陈天线辐照多个覆盖区域中的至少一个公共覆盖区域；和
可操作地连接到上述无线信道产生装置(120)和所述相控阵天线的连接装置，使得每个独立的相控阵天线(95)在同一时间只发射一个独立的蜂窝无线信道信号。
2.根据权利要求1的基站，其中每个所述的相控阵天线(95)包括一个基座和多个按照预定的图样安装在其上的辐射单元(103)。
3.根据权利要求2的基站，还包括接收一个从移动单元(171)发射的涉及在该移动单元(171)接收的信号质量的信号的信号质量接收机装置(96)，并且还包括连接到上述信号质量接收机装置和上述相控阵天线的天线功率控制装置(195)，用来根据在移动单元(171)接收的信号质量有选择地操作在每个相应的相控阵天线(95)中的辐射单元(103)中的预定的一个辐射单元。
4.根据权利要求2的基站，还包括侦测来自移动单元(171)的接收信号强度的信号强度装置，并且还包括连接到上述信号强度装置和上述相控阵天线(95)的天线功率控制装置(195)，根据侦测的信号强度有选择地操作在每个相应的相控阵天线(95)中的辐射单元(103)中的预定的一个辐射单元。
5.根据权利要求2的基站，其中每个辐射单元(103)包括一个带状线，并且所述基座包括一个电路板。
6.根据权利要求2的基站，还包括连接到每个辐射单元(103)并且安装在所述基座上的一个相应的放大器(102)，使得每个相控阵天线(95)定义了一个有源相控阵天线。
7.根据权利要求1的基站，还包括一个邻近于所述相控阵天线(95)的接收天线(96)，用于在彼此不同的频率上接收来自移动单元(171)的多个独立的无线信道信号。
8.根据权利要求7的基站，其中所述的接收天线(96)包括一个接收相控阵天线，该接收相控阵天线包括一个基座和多个按预定图样安装在其上的多个接收天线单元(97)。
9.根据权利要求8的基站，还包括：
安装在所述接收天线(96)的所述基座上并连接到所述多个接收天线单元(97)的合路网络装置(99)，用于在那里将接收的多个独立的无线信道信号相干耦合；以及
安装在所述接收天线(96)的所述基座上并连接到所述合路网络装置(99)的放大器装置(110)，用于放大从那里来的信号。
10.根据权利要求1的基站，其中所述的无线信道产生装置(120)还包括用相应的输入信号调制多个无线频率载波以产生所述的多个独立无线信道信号的调制器装置(121)。
11.根据权利要求1的基站，还包括连接在所述无线信道产生装置(120)和所述相控阵天线(95)之间并可以在第一和第二位置之间变换的开关装置(190)，因此该开关装置(190)在第一位置时将两个或更多的预定的相控阵天线(95)连接在一起以提高各自的无线信道信号的辐射天线功率，并且当开关装置(190)在第二位置时将两个或更多的预定的相控阵天线(95)分离以提高基站(80)的无线信道容量。
12.一种操作包括多个覆盖区域的蜂窝通信系统的基站(80)的方法，这种类型的基站包括多个独立的相控阵天线(95)，所述方法包括以下在彼此不同的频率上产生多个独立的蜂窝无线信道信号的步骤，其特征是：
所述多个独立的相控阵天线包括至少四个独立的相控阵天线，将其安置成所述至少四个独立的相控阵天线中的至少两个辐照多个覆盖区域中的至少一个公共覆盖区域；和
操作每个独立的相控阵天线(95)使得在每个时间只发射一个独立的蜂窝无线信道信号。
13.根据权利要求12的方法，其中每个相控阵天线(95)包括多个辐射单元(103)，并且还包括接收从移动单元(171)发射的涉及在移动单元(171)接收的信号质量的信号，以及根据在移动单元(171)接收的信号质量有选择地操作每个相应的相控阵天线(95)中的辐射单元(103)中预定的一个辐射单元。
14.根据权利要求12的方法，还包括在每个彼此不同的频率上从移动单元(171)接收多个独立的无线信道信号。
15.根据权利要求12的方法，其中产生多个独立的无线信道信号的步骤还包括用各自的输入信号调制多个无线频率载波。
16.根据权利要求12的方法，其中产生多个独立的无线信道的步骤包括将多个输入信号时分复用到相应的复用帧的预定的时隙中。
17.根据权利要求12的方法，还包括将两个或更多的预定的相控阵天线(95)连接在一起以提高各自的无线信道信号的辐射天线功率的步骤。
18.根据权利要求17的方法，还包括随后将两个或更多的预定的相控阵天线(95)分开并且在各自不同的无线频率信道操作该两个或更多的预定的相控阵天线(95)以提高基站(80)的无线信道容量的步骤。
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