CN1148834C

CN1148834C - N付天线的基站与移动站之间的通信过程和能实现该过程的基站

Info

Publication number: CN1148834C
Application number: CNB988056151A
Authority: CN
Inventors: A・莱维; A·莱维
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1998-05-25
Publication date: 2004-05-05
Anticipated expiration: 2018-05-25
Also published as: FR2764140A1; FR2764140B1; DE69810133D1; WO1998054786A1; JP2002500838A; DE69810133T2; EP1016162A1; CN1258386A; ES2189178T3; US6580926B1; EP1016162B1

Abstract

在具有N个分开天线网络的基站(N为大于1的整数)和至少一个移动站之间处理通信业务的过程包括下列步骤：估计到达基站的方向和路径功率；在这些到达基站的路径中确定主到达方向；选定M付天线(M为大于1小于N的整数)，使收发通信的各波瓣方向处于主到达方向的角扇形区内；只处理来自移动站的由选定的M付天线接收的信号。

Description

N付天线的基站与移动站之间的通信过程和能实现该过程的基站

技术领域

本发明涉及装有N付天线的基站与移动站之间的高频无线电通信过程，以及能实现该过程的基站。

背景技术

本发明可用于数字蜂窝电话系统，其中同一基站配备一天线阵列，能连接一蜂窝小区中的多个移动站。

在这样的基站上，发射时，把加在每一发射天线上的信号与用以发往移动站的信号相合成(调制)。

为此，在每付天线的发射系统中，数字处理一般产生表示信号的样本。此后，通过数-模转换和载频调制，合成出每一信号，经放大后，加在天线阵列的合适天线上。

合成这些取样所需的计算的复杂性以及数一模变换电路和调制电路的费用，随着天线阵列数的增加而增加。

以下将产生加到每一单元天线的信号(以便向移动站发射)的一套电路，称为多路发射装置。

类似地，接收时，每一天线的接收系统输出由该天线收到的中频或基带信号。其后，这些信号被取样，并经模-数变换。然后，样本经数字处理，以提取移动站发来的信息。

接收电路的费用和复杂性随着天线阵列数的增加而增加。

以下将处理来自移动站的接收信号，以取得发来的信息的电路称为多路接收装置。

天线阵列可为任何合适的几何形状。特别是，这些天线可以排成一行，有规律地相隔一段距离。在这种情况下，天线阵列最好是定向的，它们的波瓣指向天线所对准的直线的垂直方向。

各天线也可以排列成圆，有规律地相隔一段距离。在这种情况下，各天线同样最好是定向的，它们的波瓣指向径向方向，指向它们配置成的圆的外面。

本发明同样适用于呈规则多边几何图形的天线阵列，如等边三角形，正方形，五角形，八角形等等。在每一边上图形按一定规律的间隔排列。

本发明旨在降低计算的复杂性和处理费用，两者都受基站所配备的天线阵列的影响。

发明内容

为了达到这一目的，本发明提出一拥有N付天线的阵列(N大于1)的一个基站与至少一个移动站之间的通信方法，该基站具有下列特征：

(1)基站估算射频无线电功率到达基站的方向和其在到达路径上的功率；

(2)基站判断射频无线电从移动站到达基站的路径的主到达方向；

(3)基站选择M付天线，M是小于N的整数，它们的各接收波瓣的方向处于围绕主到达方向的角扇形区内；

(4)基站只处理来自移动站的由选定的M付天线接收的信号。

对于发射来说，遵循下列过程：

(5)基站选定M付天线，它们的各发射波瓣的方向处于围绕主到达方向的角扇形区内；

(6)只合成由选定的M付天线发射的信号。

本发明还提出与许多移动站进行无线电通信的基站，该基站装有N付独立天线的阵列(N为大于1的整数)和K个接收或发射系统数，K为小于N*L的整数，其中L是同时通信的路数。其特征包括：

(1)射频无线电到达基站的方向和在到达基站的路径上的功率的估算装置；

(2)用以为一给定的移动站确定射频无线电到达基站路径的主到达方向的装置；

(3)选定M付通信的装置，M为小于N的整数。这些收发通信的各波瓣的方向处于围绕主到达方向的角扇形区内；

(4)转换装置。对每一通信来说，转换装置会影响在先前选定的M付天线上进行收发的M个系统。

在一特殊实现方式下，上述主方向是指接收射频无线电功率的到达方向或发射并到达移动站的方向(根据它处于接收或发射状态而定)为最大的方向。

在实现移动通信的另一种特殊方式下，上述主方向是不同射频无线电传播路径的到达方向的质心，它以下式定义：

r = (Σ_{i = 1}^{J} p_{i} a_{i}) / (Σ_{i = 1}^{J} p_{i})

式中i为一整数，

J为所识别的射频无线电传播路径数；

a_i为第i射频无线电传播路径与最大射频无线电功率的传播路径方向形成的夹角，而

p_i为第i路径的射频无线电功率

附图说明

本发明的其它特点和好处从下面详细说明的特殊实现方式中，可以十分明显地看出。说明请参阅附图，其中：

图1简略示出典型多路收发装置在我们所考虑的这一情况下，基站与移动站之间只有一路通信；

图2简略示出根据本发明的特殊实现方式工作的基站中所包含的收发装置。在我们所考虑的情况下，在基站和移动站之间只有一路通信；

图3是在特殊实现方式中根据本发明工作的流程图；

图4是在本发明的特殊实现方式中从N付天线中选M付天线的方式，其中天线阵列以几何图形--圆来表示。

图5简略地示出典型的多路收发装置。在这一情况下，基站同时进行L路通信：

图6简略地示出在根据本发明的特殊实现方式工作的一基站所包含的收发装置。在这一情况下，基站同时进行L路通信。

具体实施方式

首先讲述本发明在基站和给定的移动站之间只有一路通信的情况。

在图1所示的典型情况下(图1左边部分用于接收，而图1右边部分用于发射)，基站的天线数N(图中收发各为10付天线)对应于(接收时)能处理的信号数或(发射时)能合成的信号数。基站包括一个多路接收装置12和一个多路发射装置14。

这些装置通常包括的收发系统数与天线阵列中包括的单元天线数相同，在图示的本例中为N。

应当指出，每一接收系统主要包括一前置放大模块，一供中频或基带通过的变频模块，和一模-数变换模块。每一发射系统主要包括一数-模变换模块，一供发射载频通过的变频模块和一放大模块。

图2左边部分表示在根据本发明的实现方式中，拥有N付天线的基站接收装置。

当一移动站向基站方向发射一信号时，基站000内的估算模块就开始估算射频无线电到达基站的方向和到达基站的路径功率(图2中没有示出)。通常的无线电源定位过程也开始工作。定位过程，例如可按下列文献中所讲的任一种类型实现：ANDERSON S.，MILLNERT M.，VIBERG M.，WAHLBERG B.，“用于移动通信系统的自适应阵列(An adaptive array for mobile communicationsystems)”，IEEE Transactions on Vehicular Technology，Vol.40，No.1，1991年2月，第230-236页；VIBERG M.，OTTERSTEN B.，“基于子空间固定的传感器阵列处理(Sensor array processing based on subspace fitting)”，IEEE Transactions on Signal Processing，Vol.39，No.5，1991年5月，第1110-1121页；SCHMIT R.O.，“一种用于多个发射机定位和频谱估算的信号子空间方法(a signal subspace approach to multiple emitter locationand spectral estimation)”，Ph.D.论文，美国加州斯坦福大学，1981年11月；ROY R.H.，PAULRAJ A.，KAILATH T.，“(ESPRIT-一种估算噪声中的顺型参数的子空间旋转方法(A subspace rotation approach to estimation ofparameters of cisoids in noise)”，IEEE Trans.Acoust.，Speech，signalProcessing，Vol.ASSP-34，No.4，第1340-1342页，1986年10月。

接着，作出主到达方向(对该移动站来说)的判断。由该移动站向基站发射的信号实际上会在各种障碍物上产生反射，从而造成多路径。主到达方向是基站收到的射频无线电功率最大的方向。

在另一方案中，主到达方向可以是所识别的不同的无线电路径的到达方向的质心r，乘上以这些路径的无线电功率为函数的加权项。

主到达方向的判断模块在图2上没有示出。

设所识别的无线电路径为J，a_i为第i无线电路径与最大无线电功率的路径方向形成夹角，i为一整数，p_i为第i路径的无线电功率。质心r由下式定义：

r = (Σ_{i = 1}^{J} p_{i} a_{i}) / (Σ_{i = 1}^{J} p_{i})

一旦主到达方向被判定，基站就使搜索或选择模块(图中没有示出)开始工作，以便决定在N付天线阵列中选择一付天线用于所考虑的通信方向。根据本发明的较佳实现方式，用于接收的天线包括M付天线，各付天线的接收波瓣方向均处于围绕主到达方向的幅度事先规定的角扇形区内。

天线数M随每次通信而不同，它取决于可用的处理电路数目。

图4示出一种配置，其中围绕主到达方向的角扇区由从N付通信中选出的M付天线构成，使天线阵列呈圆周的几何图形。图示的N付单元天线在圆周上等距布置。

正如图2左边部分所指出的，基站包括一接收交换矩阵，它把来自移动站的由选定的M付天线收到的信号送往多路接收装置18。未经多路接收装置处理的信号被送往负载20，它相当于未选中的N-M付天线的阻抗。

图2右边部分表示根据本发明的特殊实现方式工作的具有N付天线的基站中的发射装置。发射时，与刚才对接收所述的相类似，基站有一搜索M付天线的模块(未示出)，各发射波瓣的方向均处于围绕主到达方向的，幅度事先确定的角扇形区内。

基站还包括多路发射装置22，它只合成通过M付天线发射的M个信号。发射交换矩阵24把合成后的信号加到M付天线。没有选中的N-M付天线连接一负载26，它相当于它们的阻抗。

这里假定同一天线阵列既用作发射，又用作接收。我们可能设想接收和发射交换矩阵是同一双向矩阵，接收和发射信号在同一根电缆上是反向传送的。在另一方案中，我们可能设想一双工滤波器，它把每一单元天线的接收信号和发射信号按电平分开，而两个不同的交换矩阵以独立方式工作。

我们将注意到：接收和发射交换矩阵，根据实现的方式可以是实物装置，也可以以逻辑方式实现。

此外，在本发明应用于时分多路接入方式(AMRT)的一个系统的特殊情况下，前述推论对给定的时隙来说是有效的。实际上，选定的一组M付天线可能从一时隙变到下一时隙，换句话说变成另一通信。

图3以总结的方式重述根据本发明以特殊实现方式工作的不同步骤。

在第一步过程中，基站估算射频无线电到达基站的方向和到达基站的路径功率。其后，基站判定从移动站来的主到达方向。然后，我们在N付天线阵列中选定M付天线，它们的各接收和发射波瓣的方向是处于围绕主到达方向的角扇形区内。最后，基站只处理(接收时)或只合成(发射时)由选定的M付天线所接收或发射的信号。

刚才对图1和图2所做的说明涉及矩阵和一个移动站之间的通信。实际上，一个基站与几个移动站同时进行众多的通信。在时分多路接入方式下，各路通信信号占用不同的时隙，并且在后随的周期中是同系的。我们来考虑L个同时通信的情况。数字L表示真正同时通信的数，也就是说，例如参与时分多路接入方式的同一时隙周期。

接收时，在如图5左边部分所示的典型装置中，由N付天线接收的信号由N个接收系统28来处理，接收系统按每一天线将相应于L路通信的每一路信号分开。然后，多路接收装置30接收所得到的N*L个信号，并按每一路通信来处理N个收到的信号。

发射时(图5右边部分)，在一典型的装置中，即多路发射装置32，对每路通信来说，合成N个信号，供N付天线的阵列发射。所得的N*L信号送往N个发射系统34，它把每一天线发射的每路通信合在一起。无论接收时，还是发射时，所有各路通信都使用所有的天线。

当本发明用于接收(图6中的左边部分)时，对于L路同时通信的每一路来说，所用的M付天线以前述单路通信时的方式选定。其后，M个接收系统36，对选定的M付天线的每付天线，把已选用这付天线的各路通信信号分开。多路接收装置38处理M个收到的信号，分到每路通信去。

当本发明用于发射(图6中的右边部分)时，对于L路同时通信的每一路来说，由L路通信中的其中一路所用的M付天线，按前述单路通信时的方式选定。多路发射装置40合成M个信号，供M付选定的天线发射，用于每路通信。所得的信号送往发射系统42，它把已选定该天线的各路信号相加，供每付天线使用。每路通信只利用这些天线的一部分，这样就大大降低处理的复杂性：接收时，处理每路通信只使用收到的M个信号，而不是N个信号；而发射时，对每路通信来说，合成M个信号，而不是N个信号。

如果基站的发射接收系统的总数为K，K为小于N*L的一整数，则接收系统36的输出信号的最大数或多路发射装置40的输出信号的最大数等于K。

根据这种情况，我们可能有兴趣选择：

-设M为定量，则预计发射接收系统的总数K等于M*L，

-设M为变量，并把整个发射-接收系统看成一群。它对每路通信的影响随每一系统的可用性而变化(即是保证同时通信数的函数)。

在与若干移动站通信的几个主到达方向相应于处于相互交迭的几个角扇形区内的几组天线的情况下，换句话说，一付或几付天线公用，则可能在这些通信之间存在争用同一发射-接收系统的情况。我们承认，按照事先确定的判据，只会造成少量通信冲突。作为不受限制的例子，这一判据可包括：当接收功率太弱而影响通信时，均衡收到的射频无线电功率。

一些实验业已表明：用不到一半的单元天线构成天线阵列能得到类似于阵列不减少单元天线时的类似性能。

本发明的另一优点是它能降低成本。它不同于通常的基站，它能进行全面空间处理。它由扇形区天线阵列构成，兼有两种空间处理，即天线阵列的空间处理和扇形区空间处理。

Claims

1.一种在拥有由N付天线构成的阵列的基站与至少一个移动站间进行通信的方法，这里，N为大于1的整数，其特征在于：

(a)基站估算射频无线电的功率到达基站的方向和其在到达路径上的功率；

(b)基站判断射频无线电从移动站到达基站的路径的主到达方向；

(c)基站选择M付天线，M是小于N的整数，它们的各接收波瓣的方向处于围绕主到达方向的角扇形区内；

(d)只处理来自移动站的由选定的M付天线接收的信号。

2.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于：将收到的射频无线电功率为最大的到达方向选择作为主到达方向。

3.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于：

(e)基站选择M付天线，它们的发射波瓣的方向处于围绕主到达方向的角扇形区内；

(f)基站只合成由选定的M付天线发射的信号。

4.如权利要求3所述的通信方法，其特征在于：将发射并到达移动站的最大射频无线电功率的到达方向选择作为主到达方向。

5.如权利要求1或3所述的通信方法，其特征在于：将不同射频无线电传播路径的到达方向的质心r选择作为主到达方向，r按下式定义：

r = (Σ_{i = 1}^{J} p_{i} a_{i}) / (Σ_{i = 1}^{J} p_{i})

式中：i为一整数，

J为被识别的射频无线电路径数，

a_i为第i射频无线电传播路径方向与最大射频无线电功率的路径方向构成的夹角，

p_i为第i路径的射频无线电功率。

6.一种与移动站进行无线电通信的基站，具有由N付天线构成的阵列和K个接收或发射系统，N为大于1的整数，K是小于N*L的整数，其中L是同时通信数，其特征在于，它包括：

估算射频无线电到达基站的方向和在到达基站的路径上的功率的估算装置；

用以为一给定的移动站来确定射频无线电到达基站的路径的主到达方向的装置；

选定M付天线的装置，M为小于N的整数，它们的接收或发射波瓣的方向处于围绕主到达方向的角扇形区内；

切换装置，对每一通信来说，该装置影响在先前选定的M付天线上的M个收发系统。

7. 如权利要求6所述的基站，其特征在于：主到达方向为收到的射频无线电功率或发射并到达移动站的射频无线电功率为最大的到达方向。

8.如权利要求6所述的基站，其特征在于：主到达方向为不同射频无线电传播路径的到达方向的质心r，r由下式定义：

r = (Σ_{i = 1}^{J} p_{i} a_{i}) / (Σ_{i = 1}^{J} p_{i})

式中：i为一整数，

J为被识别的射频无线电路径数，

a_i为第i射频无线电路径的方向与最大射频无线电功率的路径方向构成的夹角，

p_i为第i路径的射频无线电功率。