CN1190508A - 使用天线阵在基站极化分集的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

基站包括接收第一和第二旋转极化的第一和第二天线阵,以及连接到第一和第二天线阵分别处理来自移动站的第一和第二接收信号的极化分集接收机,以在极化分集接收的基础上产生增强质量的输出接收信号。发射和接收天线元之间的极化隔离也可以通过将第一组多个发射天线元按第二极化安装在第一接收天线元的底座上来提供。第二天线阵包括第二接收天线元底座上的第二组多个第二极化天线元。为了在移动站获得极化分集增益,基站还优选地包括交替极化发射机,分别在交替的第一和第二旋转极化上交替发射信号。本发明的方法方面也作了揭示。

Description

使用天线阵在基站极化分集的方法和装置
发明的领域
本发明一般涉及通信系统，并且更具体涉及蜂窝无线通信系统。
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。模拟蜂窝系统，如AMPS、ETACS、NMT-450和NMT-900，已经在世界范围内成功地开发出来。近来，数字蜂窝系统，如北美的IS-54B和泛欧的GSM系统已经引入。这些以及其它系统都在Balston等著Artech House，Norwood，MA.，1993出版的“Cellular Radio System”一书中有所描述。
频率复用在蜂窝技术中普遍使用，其中频率组被分配在称为服务小区的有限地理覆盖区域内使用。包括同样频率组的蜂窝在地理上是分离的，以便允许不同服务小区中的移动单元同时使用相同频率而不彼此干扰。这样，只有几百个频率的系统就可以服务成千上万用户。例如，在美国，联邦政府已经为蜂窝通信分配了一块UHF频谱，该频谱又被进一步细分为称为信道的窄频段对。成对的信道来自频率双工方案，其中每对中的发射和接收频率相差45MHz。当前在美国，有832个30KHz宽的无线信道分配给蜂窝移动通信。为了克服这种模拟系统的容量限制，已经提出了一种命名为IS-54B的数字传输标准，在那里这些频道又被细分为3个时隙。
如图1所说明的，现有技术的蜂窝通信系统20包括一个或多个移动站或单元21，一个或多个基站23和移动电话交换局(MSTO)25。虽然在图1中只画出了3个服务小区36，一个典型的蜂窝网络可以包括几百个基站，几千个移动站和对于一个MTSO。每个服务小区将有分配给它的一个或多个专用控制信道和一个或多个语音信道。一个典型服务小区可以具有，例如，一个控制信道和21个语音/数据或业务信道。控制信道是专用信道，用于传输服务小区标识和寻呼信息。业务信道携带语音和数据信息。
MTSO25是整个蜂窝网络20的中心协调单元。它典型地包括蜂窝处理器28、蜂窝交换机29并且还提供到公用电话交换网(PSTN)的接口30。通过蜂窝网络20，可以在两个移动站21或一个移动站21和地面线路电话用户33之间完成双工无线通信链路32。基站32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23对数据和语音信号主要行使如中继站的职责。基站23还监管链路32的质量并且监视从移动站21接收的信号强度。
图2概要地说明了现有技术的典型基站23，它作为一个例子表示了Ericsson Telecom AB，Stockholm，Sweden为CMS8800蜂窝移动电话系统制造的型号为RBS882的功能性组件。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 101908 R2B的出版物中提供。
现在沿着很多高速公路总能看到，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放置在塔的基座中或附近的一个坚固盒子中。在这个盒子中的是无线控制组(ORG)37、交换无线接口(ERI)38和转换AC电网来的电能以为基站23中的每个独立组件供电的主电源41，和备用电源42。
ERI38在MTSO25和基站23之间提供信号。ERI38从RCG37接收数据并且在专用MTSO-BS链路45上将它传输到MTSO25。在反向，ERI38从MTSO25接收数据并且将它发送到RCG37以便随后传输到移动站21。
无线控制组37包括完成无线通信所必须的电子设备。图3中示出了现有技术RCG37的功能性框图。所示的配置图示说明了一个控制信道发射/接收模块(TRM)51、多个语音信道TRMs52和一个信号强度接收机53，这是服务一个服务小区或一个服务小区的扇区所要求的典型配置。每个TRM51、52包括各自的发射机54、接收机55和控制单元57。TRMs51、52一般不是频率可变的，而是只在一个预定的信道上工作。来自ERI38的控制信号是由各个控制单元57接收的。语音和数据业务信号通过分开的接口传送到ERI38。
每个单独的控制和语音发射机54连接到发射合路器58。发射合路器将所有输入信号合路为一个输出，通过同轴电缆62送到发射天线63。通过使用合路器58，典型地可以将16个发射机54连接到一个公共发射天线63。使用合路器58是因为用来支撑天线的杆子或塔上的空间常常需要额外的费用。在一种极端的情况下，可能要求一根杆子支持多于100个无线信道。
在接收端，两个接收天线65中的每一个都连接到各自的接收合路器66A、66B，在那里根据频率将接收的信号分离并且传到每个TRMs51、52中的独立接收机55。两个接收天线65典型地在塔上间隔3到5米，以便它们接收到具有不相关衰落图样的信号，藉此提供空间分集接收。在预检测和后检测方面都有很多常规技术，例如McGraw-Hill1992年出版的William C.Y.Lee所著的“Mobile Communications engineering”一书的第10章中所描述的。
典型基站23的一个明显特征就是天线塔35。为了获得合理的覆盖区域，希望将天线63、65安装在距地面相同的高度上。现在再参考图4A的现有技术原理方案视图说明，在乡村地区，塔35通常位于服务小区36的中心藉此提供全向覆盖。在一个全向服务小区中，控制信道和活动语音信道在服务小区的全部区域中广播—通常通过单一天线。图4B的原理图表示的是现有技术中使用的扇区天线系统，这样可以更密集地分布基站23。扇区化要求使用诸如图4B中所说明具有120度辐射图的方向性天线70。每个扇区71本身就是具有它自己的控制信道和业务信道的服务小区。注意“信道”可以指模拟系统中的特定载频或如IS-54和GSM这样的混合TDM/FDMA系统中的特定载波/时隙组合。
图5A说明如上所述的现有技术的典型天线系统。图5B说明迄今所讨论的两种类型的现有技术天线—全向天线，如双极子66，和例如还包括反射器64的方向性扇区天线70。应该理解对于给定的基站，发射和接收天线典型地是相同的类型。
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，pp.93-96描述了一个提供360度扫描能力的单极辐射子圆形阵。为了提供空间分集，Stapleton的天线是这样指定的，每个辐射子具有在分配给服务小区的每个信道上发射的潜力。
应该注意，当前无源微带阵也可以用于蜂窝基站。例如，Herisau，Switzerland的Huber+Suhner AG制造的类型1390.41.0009就是一个用于蜂窝基站的具有尖锐角波束的7元线性极化平板无源天线。这个阵可以代替典型双极子天线并且更适合于建筑物或其它平面旁边的位置。在Huber+Shuner出版的应用备忘录20.3中显示可以通过使用将信号的一部分分配到几个独立面上的功分器来获得宽广的区域覆盖。
尽管蜂窝系统基站接收天线中的空间分集具有理论优点，但是并不是总能获得足够的分离。换句话说，天线塔可能不允许接收天线的足够物理分离以获得接收信号的不相关衰落。另外，线性极化移动天线的方向也不可能总对准典型的基站垂直极化接收天线。此外，在移动站的接收也会受到衰落的影响。
本发明的内容
考虑到前面的背景，因此本发明的一个目的是提供一种蜂窝通信系统基站，该基站能够提供与移动站的增强通信，特别是考虑到衰落和/或移动天线不定向的情况。
本发明的这个和其它目的、优点以及特性是由包括接收第一和第二极化的第一和第二天线阵，连接到第一和第二天线阵分别处理来自移动站的第一和第二接收信号以在极化分集接收的基础上产生增强质量输出接收信号的极化分集接收机的基站提供的。更具体的，第一天线阵包括第一多个接收天线元，优选地接收具有第一极化的信号并且按预定的图样排列以定义第一接收覆盖区域。类似地，第二天线阵优选地包括第二多个接收天线元，接收具有不同于第一极化的第二极化信号并且按预定的图样排列以定义第二接收覆盖区域。优选地为第一和第二天线阵的安装提供天线安装装置，使得第一和第二接收覆盖区域是重叠的。该安装装置优选地包括一个天线柱。或者，该安装装置可以包括另一个支撑结构，举例而言，如建筑物的一面墙。
极化可以是旋转极化。例如，第一极化可以是右旋圆极化，而第二极化可以是左旋圆极化。移动站天线典型地具有线性极化，但是可能面向水平和垂直之间的一个角度。因此，极化分集提供了一个增强的接收信号，衰落对它具有较小的影响。
极化分集接收机优选地包括确定第一和第二接收信号信噪比的信号质量确定装置和基于各自的信噪比对第一和第二接收信号加权的加权装置，藉此产生增强质量输出接收信号。极化分集接收机优选地还包括基于频率或时隙将第一和第二接收信号分离为多个各自独立的信道并且在极化分集接收的基础上处理每个独立信道以分别产生增强质量输出接收信号的装置。
发射和接收天线元之间的极化隔离也是根据本发明提供的。因此，第一天线阵还优选地包括按预定图样排列，发射第二旋转极化，藉此提供与第一多个接收天线元极化隔离的第一多个发射天线元。类似地，第二天线阵优选地包括按预定图样排列，发射第一旋转极化，藉此提供与第二接收天线元极化隔离的第二多个发射天线元。另外，第一天线阵的相应的一个接收天线元和第一天线阵的相应的一个发射天线元可以在一个公共的补片天线上提供。公共补片天线能够接收具有一种极化的信号同时发射具有另一种极化的信号。
本发明的另一个方面是可以从基站的传输上完成极化分集，因此在移动站获得极化分集增益。传输上的极化分集可以独立或者结合接收上的极化分集使用。为了在移动站获得极化分集增益，基站优选地还包括连接到第一和第二多个发射机天线元的交替极化发射机装置，在交替的第一和第二旋转极化上交替发射信号。基站还优选地包括连接到交替极化发射机装置的发射机编码装置，产生从第一和第二天线阵发射到移动站的编码并且交织的时分多址信号。因此，与分别在交替的第一和第二旋转极化上发射交织的编码信号的蜂窝基站通信的移动站包接收蜂窝基站发射的信号的天线和连接到该天线解交织并且解码蜂窝基站发射的信号以获得极化分集增益的接收机装置。蜂窝基站发射的交织的编码信号优选地是时分多址(TDMA)信号，并且接收机装置包接收TDMA信号的装置。
第一天线阵优选地包括一个支持在垂直方向延伸的第一多个接收天线元和第一多个发射天线元的细长的基座。第二天线阵是类似的，并且毗邻第一天线阵安装。每个第一和第二天线阵还优选地包括多个在细长的基座上并且连接到各自的发射天线元的发射放大器，藉此定义一个有源相控阵天线。为了保护环境，每个第一和第二天线阵还优选地包括一个环绕该细长的基座，对无线电波透明的外壳。
本发明的一个方法方面是操作蜂窝基站与至少一个移动站通信。该方法优选地包括这些步骤：在第一极化接收来自移动站的第一信号；在与第一极化不同的极化上接收来自移动站的第二信号；以及处理该第一和第二接收信号产生基于极化分集接收的增强质量输出接收信号。
本发明的另一个方法方面是在移动站获得极化隔离同时还获得分集增益。该方法优选地包括这些步骤：从第一多个接收天线元毗邻发射第二极化以提供极化隔离，以及从第二多个接收天线元毗邻发射第一极化以提供极化隔离。该方法还优选地包括分别在交替的第一和第二极化上交替发射信号以在移动站提供增强的接收信号质量的步骤。
附图的简要描述
结合附图阅读下面所写的描述，本发明的这些和其它特性和优点对于一个本领域的一般技术人员将是显而易见的，其中：
图1是说明现有技术中的蜂窝通信系统的基本组件的原理框图；
图2是说明现有技术中的蜂窝通信基站的功能性组件的原理框图；
图3是说明现有技术中的基站的无线控制组的功能性组件的原理框图；
图4A是说明现有技术中的全向蜂窝图样的原理平面图；
图4B是说明现有技术中的扇区化蜂窝图样的原理平面图；
图5A是说明现有技术中的典型蜂窝天线系统的原理侧视图；
图5B是说明现有技术中的全向天线和扇区天线的原理侧视图；
图6是根据本发明包括多个天线元的基站的平面图；
图7是根据图6，包括细长的基座上的多个补片天线的天线阵的剖面图；
图8是根据图7的天线阵的原理图；
图9是根据图7，一个细长的基座(固定的)上的单个补片天线元的前透视图；
图10是根据图7，一个延伸的基座上的单个片状天线元的后透视图；
图11是根据图6，定义各自的接收覆盖区域的一对天线元阵列的顶视图；
图12是根据图6，定义各自的发射覆盖区域的一对天线元阵列的顶视图；
优选实施例的详细描述
现在将在下文中参考附图更完整地描述本发明，其中给出了本发明的优选实施例。但是，这个发明可以用很多不同的形式实施并且不应该被解释为限制在这里提出的实施例中。诚然，所提供的这些实施例将使得这个公开成为彻底的和完整的，并且将向那些本领域的技术人员全面地表达本发明的范围。自始至终，相同的号码代表相同的组件。
首先参考图6，描述了包括多个天线阵的基站200。该天线阵按照圆柱形排列以提供在任意方向上发射和接收的可能性。交替的第一210a-d和第二212a-d天线阵用于接收具有第一和第二极化的信号。极化分集接收机214连接到每个第一210和第二212天线阵，处理从移动站接收的相应第一和第二接收信号以在极化分集接收的基础上产生增强质量输出接收信号。此外，来自每个天线阵210a-d和212a-d的信号在送到各自的极化分集接收机214之前能够被各自的放大器216放大。如图所示，每个极化分集接收机接收来自两个相邻天线阵的信号。那些本领域的技术人员将理解，可以通过将来自多于两个相邻天线阵的信号提供给每个极化分集接收机来获得较高的极化分集接收度。
更具体地，每个第一天线阵210a-d优选地包括接收具有第一旋转极化的信号并且按一个预定图样排列以定义第一接收覆盖区域的第一多个接收天线元。该天线元可以是圆补片天线元(如图7和8中所说明的)或者是交叉偶极子，这些对于那些本领域的技术人员是很容易理解的。另外，这些天线可以同时作为发射天线元使用。
类似地，每个第二天线阵212a-d优选地包括接收具有不同于第一旋转极化的第二旋转极化并且按一个预定图样排列以定义第二接收覆盖区域的第二多个接收天线元(如图7和8中所说明的)。此外，这些天线元可以同时作为发射天线元使用。天线安装装置，如所说明的天线柱218，优选地用于提供第一和第二天线阵的安装，以使毗邻天线元定义的毗邻接收覆盖区域重叠。
图7中说明了单个天线阵223的抛面图。在一个优选实施例中，该天线阵包括多个印刷电路板天线元224，如补片天线。这些天线元224，如补片天线元，是在一块如印刷电路板这样的细长的基座上提供的，并且这些补片天线可以同时用做发射和接收天线元。该细长的基座也可以与其它组件一起提供，如输入放大器228、输入230b或发射230a滤波器、输出或接收低噪声放大器(“LNA”)231和输出232b或接收232a滤波器，如图8中所做的原理性说明。再如图7中所说明的，带有补片天线224的细长的基座226优选地封装在对射频透明的管状外壳234中。安装支架236可以用于将天线阵连接到基站柱，而电缆220可以用于将天线阵223连接到各自的极化分集接收机。
如图8中的原理性示意，每个天线元224被包括第一连接线239的第一连接电路238连接到公共接收滤波器232a和低噪声接收放大器231。包括连接线241的第二连接电路将发射信号分配到发射功率放大器228。正如那些本领域的技术人员很容易理解的，该发射放大器既可以是放大时分多址(TDMA)信号的单载波功率放大器(SCPA’s)，也可以是放大多个不同载频信号的混合的多载波功率放大器(MCPA’s)。在使用SCPA’s的情况下，信号在单一频率上被指向一个单一的主方向，而在使用MCPA’s时，不同频率上的多个信号能够指向每个方向。但是，在接收方向上，接收低噪声放大器231优选地总能够接收并且放大多频率上的信号。除连接线240以外，第二连接电路可以包括动态划分发射阵列的交换装置，以提供在同一时隙的不同频率上操作的发射子阵。
发射放大器228可能在覆盖接收频带的频率上产生宽带噪声输出，并且有足够的电平降低接收低噪声放大器231的噪声系数。因此，可以如图说明的使用发射230a和接收232a滤波器。接收滤波器232a可以是一个带通滤波器调谐到允许接收频带通过并且衰减发射频率信号，同时发射滤波器230a或输入滤波器230b可以是陷波滤波器以衰减接收频带和通过发射频带中的传输。
那些本领域的技术人员很容易理解，选择性接收是提高接收信号质量的一种方法。提高接收信号质量的另一种方法是使用两个或更多优选地独立信道分集接收，例如相隔很远的天线(空间分集)，不同频率(频率分集)，或在不同的时间(时间分集或交织的重复编码)。当在一个联合信号处理器中将来自具有不相关衰落的源的信号结合起来，与仅仅结合来自不同天线阵元的信号以获得定向增益不同，能够获得相当的分集增益。
来自两个具有相同信号衰落的不同天线的典型合并信号将得到大约3dB的增益，而如果衰落是不相关的瑞利，可能获得7dB量级的增益。在移动电话上，仅相隔几英寸的两个天线上的衰落就可能是不相关的，但不幸的是，由于几何放大效应，在基站要求的间隔可能要大几百倍。在移动站可以使用相对近的间隔是因为导致衰落的多径趋向于出现，这是由于移动站附近地区的邻域变得杂乱，比如由于来自几十或几百码内物体的反射。但是在反向，这些反射可能传播了几英里才到基站，这就导致了在基站要求的天线间隔的几何放大。
因此，在基站毗邻天线之间几英尺的间隔可能不足以通过空间分集获得不相关的衰落。
另一方面，已经观察到当和正交极化天线比较时，衰落是极大不相关的。因此，根据本发明的交替天线阵优选地是正交极化的。例如，每个第一天线阵210可以使用正交旋转极化，如右旋圆极化(RHCP)发射而左旋圆极化(LHCP)接收，同时每个第二毗邻天线阵212可以使用相反的极化发射和接收。因此，可以在优选的实施例中使用极化隔离来隔离发射和接收信号。接收路径优选地具有多载波能力即使发射路径只有单载波能力。因此，接收的信号是使用表现出不相关衰落的RHCP和LHCP这二者来接收的。通过处理来自两个或更多天线阵的信号，可以获得分集增益，这个分集增益大于假设所有天线阵具有类似的接收极化而获得的定向增益。
参考图7，那些本领域的技术人员将会理解，每个天线阵优选地是独立安装在如细长基片或印刷电路板这样的细长的基座226上的。就如本领域的技术人员所理解的，印刷电路板天线元，如补片天线，可以很容易地作为模块的一部分安装上。如图9和10中所示，圆形补片天线元224可以在两个馈电点270和272馈电，而那两个馈电点连接到印刷分支线正交耦合器274以为两个馈电点270和272提供相反的圆形或旋转极化。地连接276可以用于将天线元224连接到所示的夹在两个细长的基座226的两层中间的地平面278。那些本领域的技术人员将会理解，放大器这样的有源组件和滤波器这样的无源组件也可以安装或建造在该细长的基座上。
如图7中说明的，每个天线阵优选地包括环绕该细长基座226的射频透明的管状外壳234。对于寒冷的气候，该外壳中可以包括温度传感器和加热器。
几个直排天线阵可以安装在单一天线架上。每个天线阵藉此提供方位角平面中的方向性和垂直平面中的窄波束，并且该阵列可以被导向以覆盖不同方位的扇区。这可以通过将不同直排阵围绕在天线柱的相同高度但是指向不同的方位扇区，或者安装两个或多个彼此指向相同或不同方位扇区的阵列来实现。事实上，一个阵列的方位指向可以独立于它所安装的位置来设置，但是优选地阵列被定向为不受其它天线阵或柱的干扰。
如图6所示，基站200优选地包括多个按圆形图样排列的天线阵210a-d和212a-d。从每个天线阵接收的信号在提供给各自的极化分集接收机214之前通过各自的电缆220传输到各自的放大器216。在一个优选实施例中，电缆损耗是通过将杆顶预放大器集成在图7的天线装配中降低的。该杆顶预放大器提供相应电缆220之前的增益。那些本领域的技术人员将会理解，放大器211的分配功能也可以由无源分配器来完成。从两个毗邻天线阵接收的信号被送到每个极化分集接收机，如图所示。因此，被毗邻天线阵接收的信号能够被相应的极化分集接收机增强藉此降低信号衰落的影响。
如图11中所说明的，毗邻天线阵对210和212的每一个定义了相应的接收覆盖区域242和244。天线阵是安装在柱218上的，因此接收覆盖区域242和244定义一个重叠区域246。因此，位于该重叠区域246中的一个移动站248，如汽车中的蜂窝无线电话250，可以发射被天线阵210和212共同接收的信号。
重叠区域包括来自两个天线阵的接收覆盖区域，这两个天线阵都接收来自覆盖区域中的移动站的具有正交极化的信号，这就是所指的双极化分集。那些本领域的技术人员将会理解，在本发明的上下文中也可以获得更高级的极化分集。例如，可以使用三极化分集，其中重叠区域包括来自三个天线阵的覆盖区域，并且使用三极化分集接收机来合并三个天线阵接收的信号。另外，也可以使用更高级的极化分集来发射。
如前面讨论的，第一天线阵210优选地接收具有第一旋转极化的信号，而第二天线阵212接收具有第二旋转极化的信号。因此，第一天线阵210响应蜂窝无线电话发射的具有第一旋转极化的部分信号产生接收信号。与此对比，第二天线阵210响应蜂窝无线电话发射的具有第二旋转极化的部分信号产生接收信号。这种天线阵210和212接收的信号之间的极化分集允许了极化分集接收机214的操作。
另外，两个极化都可以在每个天线阵上接收，无论是构造只接收的阵列还是使用双工滤波器而非发射滤波器230a。在这种情况下，与以前一样，具有相对发射信号正交极化的第一接收信号被馈电到放大器231。另外，第二接收信号被从发射路径中隔离出来，其中该第二接收信号与发射信号具有相同的极化。可以在这个额外接收路径中添加一个类似于放大器231的隔离滤波器，并且从一个或更多天线阵接收的信号的两个极化可以馈电到多个分集接收机214。
极化分集接收机214优选地包括信道隔离器252这样的装置，将第一和第二接收信号基于频率和/或时隙分离为多个各自独立的信道并且处理每个独立信道以在极化分集接收的基础上产生相应增强质量输出接收信号。
极化分集接收机还优选地包括信道增强器254，处理信道隔离器252产生的每个信道的相关信号对。如果多个天线阵只接收到一个信道，则可以去掉信道隔离器252，并且使用单一信道增强器254。
信道增强器254优选地包括确定第一和第二接收信号的信噪比的信号质量确定装置，和基于各自的信噪比加权第一和第二接收信号藉此产生增强质量输出接收信号的加权装置。分集接收信号的信噪比的确定和加权处理在授予Bckstrm等的U.S.专利第5,191,598号中揭示，该完整揭示结合在这里作为参考。另外，授予Bottomley并且在1994年5月21日提交的专利申请序列号08/251,202，题为“Diversity Receiver for Signals WithMultipath Time Dispersion”(具有多径时间扩散的信号分集接收机)中揭示了另一种分集接收机技术。这个申请结合在这里作为参考。
如图8所示，每个有源天线阵223包括多个RF功率发射放大器228，每个放大器通过发射滤波器230a连接到独立的辐射发射天线元224。天线元224优选地同时用于发射和接收。功率通过如耦合电路240这样的功率分配网络分配到每个功率放大器228。在这个实施例中，上面提到的组件优选地是使用带状线或微带技术制造在如玻璃-环氧基树脂印刷电路板这样的安装基座上的，这对那些本领域的技术人员是很容易理解的。分配装置，如耦合电路240，可以包括多个输入和交换装置以选择将哪个输入信号分配到哪个放大器228。交换装置可以由预编程的控制装置激活，为每个时隙确定在一个发射频率是否使用整个阵列，或者在同时发射多个频率时是否形成发射子阵。
耦合电路240是将RF功率从单一输入分配到几个输出的网络，并且优选地是一个Wilkinson功分器、分支波导或边缘耦合分配器、或其它周知的功率分配装置，如Bahl，et al.，Microwave Solid State Circuit Design，Wiley & Sons，1988的第五章中描述的。耦合电路240优选地设计成为每个功率发射放大器228提供相位相干输出。输入功率可以被等分并且在所有功率放大器228的输入上同相；这就是所知的均匀辐射并且产生对称的发射图样。另外，根据基本阵列理论，如果希望塑造辐射图样，也可以提供小的不平衡功率和/或相差。有关相差和不平衡功率的讨论可以在Brookner，Practical Phased-Array Antenna Systems，Artech House，1991的第二部分中找到。另一个有关阵列理论基础的参考资料可以在Skolnik，RadarHandbook 2nd Ed.，McGraw Hill，1990的第七章中发现。另外，耦合电路240的交换选择分配方案可以使用有源集成电路微波交换芯片。
每个滤波器230a的输出说明性地连接到各自的辐射发射天线元224，224也可以同时用做接收天线元。这个天线元可以优选地是线形极化微带补片天线，如Johnson，et al.，Antenna Engineering Handbook-2nd Edition，McGraw-Hill，1984的7-1页到7-14页上描述的。另外，如前述参考资料的7-14到7-16页上所描述的圆形极化补片天线也可以等同使用。
在所说明的基站200的实施例中，天线阵210a-d和212a-d优选地是完全相同的。每个天线阵优选地是由微带补片元224形成的，并且以使用带状线或微带技术的玻璃-环氧基树脂建造，这对那些本领域的技术人员是很容易理解的。天线元224也优选地是上述的微带补片辐射子。补片天线元224优选地是旋转极化补片天线元。优选地，毗邻天线阵具有相反的旋转极化—左旋圆极化和右旋圆极化。
接收天线元214通过如耦合电路238这样的合并网络连接到公共输出。基本上与功率分配网络相反，合并网络将从阵列元214接收的信号相干耦合为一个公共输出。与前面一样，合并网络也可以引入相差或锥形耦合以完成波束成型或减弱垂直旁瓣，并且减弱在距天线柱很近的移动站处不希望的深空。
合并网络的输出说明性的连接到接收滤波器232a和低噪声放大器(LNA)231。传统地，类似的LNA位于传统基站的RCG中，并且，因此，接收的信号要承受通过IFL电缆造成的2-4dB的传输损耗。通过根据本发明的另一个优点将LNA231放置在接收天线阵223上，可以减弱到放大前的损耗，藉此有益于全系统的噪声系数，并且允许提高站点/服务小区的半径或降低移动站的功率输出提高电池寿命。
来自LNA231的放大的接收信号也优选地被滤波以除去不想要的信号成分，如那些功率发射放大器228产生又不能总被接收滤波器232a移去的。因此，LNA231的输出优选地连接到如输出滤波器232b的带通滤波器。该带通滤波器可以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，一个高k值陶瓷共振滤波器，或一个SAW滤波器。根据系统带宽和发射/接收双工间隔，低通或高通滤波器也是可以接受的，这对本领域的技术人员是很容易理解的。
发射信号和接收信号都通过如设备连接链路(IFL)这样的电缆220耦合到/自天线阵223。在所说明的实施例中，IFL优选地包括一捆同轴电缆，和为功率发射放大器228和LNA231供电的供电电缆。
本发明还包括操作蜂窝基站的方法，该基站如图11中所示与至少一个移动站通信。基站在第一极化上接收来自移动站250的第一信号，并且在不同于第一极化的极化上接收来自移动站250的第二信号。优选地，基站包括两个天线阵210和212，接收来自重叠区域246的信号。因此一个天线阵接收具有第一极化的信号，而另一个天线阵接收具有第二极化的信号。然后，基站处理第一和第二接收信号在极化分集接收的基础上产生增强质量输出接收信号。
可以使用类似于传统120°扇区图样的天线方位辐射图样，这样有意安排毗邻天线阵的毗邻覆盖区域具有相当的重叠。极化分集接收机处理也可以被看成自适应阵处理，并且可以被设计成增加所需信号接收、降低干扰，或如授予Bottomley的题为“Interference Rejection Combining”的美国专利申请序列号08/284,775中所描述的提高信干比。这个专利申请是在1994年8月2日提交的，并且结合在这里作为参考。
第一和第二接收信号优选地被分集接收机214处理。该处理步骤优选地包括确定第一和第二接收信号的信噪比，和基于各自的信噪比加权第一和第二接收信号，藉此产生增强质量输出接收信号。另外，第一和第二接收信号可以根据频率分割为多个彼此独立的信道，并且每个独立信道可以在极化分集接收的基础上被处理以产生各个增强质量输出接收信号。接收第一信号的步骤可以包括通过形成天线阵210并且安排在预定图样上的第一多个接收天线元接收。接收第二信号的步骤可以包括通过形成天线阵212并且安排在预定图样上的第二多个接收天线元接收。
这个方法也可以包括从毗邻第一接收天线210阵发射第二极化，并且从毗邻第二接收天线阵212发射第一极化的步骤，藉此提供极化隔离。事实上，第一天线阵210可以接收具有第一极化的信号，同时发射第二极化，而第二天线阵212能够接收具有第二旋转极化的信号，同时发射具有第一极化的信号。因此，图11的分集接收机214和图12的发射信号编码器282可以在单一基站中实现。
信号也可以从基站在分别交替的第一和第二极化上交替发射，以在移动站提供增强的接收信号质量。从基站发射到移动站的信号可以是经编码和交织的时分多址信号。另外，接收第一旋转极化的步骤可以包括接收右旋圆极化，而接收第二旋转极化的步骤可以包括接收左旋圆极化。
如图12中所示，两个天线阵210和212覆盖相同的区域或者被导向为给出有效的重叠，在重叠区域246中，每个天线阵210和212可以同时覆盖如蜂窝无线电话这样的移动站280。通过交替地使用一个然后另一个具有不同极化的天线阵发射连续信号段(如TDMA帧)，在移动站接收的信号的衰落在连续段中可以是大体上不相关的。因此，当从基站向移动站发射时就能够获得分集增益。
因此，到移动站的传输可以在连续段上使用编码数据的交织，这样解码的信号包括可能在相对高和低质量上接收的交替来自连续段的比特。用这种方法，进入解码器的平均比特质量不都是高质量或低质量，但是足够确定无误解码的高可能性。这种技术在受到慢信号衰落的静止或步行速度手执电话通信时特别有用。极化交替有效地将慢衰落变化为更有效地被编码和交织平均的快衰落。
如图12中所示，基站包括在各自毗邻的覆盖区域242和244上发射的两个毗邻天线阵210和212。天线阵经过排列使得各自覆盖的区域定义一个重叠区域246。因此，如手执蜂窝无线电话这样的移动站280，在覆盖区域246中能够接收到天线阵210和212这二者发射的信号。
基站还包括发射信号编码器282，处理将被发射到重叠区域246中的移动站280的信号。发射信号编码器产生被交织并且在各自交替的第一和第二旋转极化上编码的发射信号。优选地，具有第一旋转极化的信号部分被一致送到天线阵中的一个，而具有第二旋转极化的信号部分被送到其它天线阵。
图2所示的包括无线控制组37和交换机无线接口38的基站控制器，可以确定每个移动基站服务小区是否使用一个或另一个天线阵，或两个天线阵交替向移动站发射。这个判决可以基于在分集接收机214中所测量的两个极化上接收的信号的相对贡献，或基于来自移动站的反馈，来判断是否从一个天线阵或另一个天线阵传输是优选的。为了这个目的，可以将一个标志比特编码在传输中指示每个传输的极化。
移动站280包括接收来自蜂窝基站发射信号的天线284，和连接到该天线解交织并且解码来自蜂窝基站的信号藉此获得极化分集增益的接收机286。另外，从蜂窝基站发射的交织的编码信号可以是一个时分多址(TDMA)信号，并且接收机可以包括接收TDMA信号的装置。上面提到的极化标志如果包括在每个TDMA突发(burst)上，可以被解码以指示接收的每个突发的极化。
图12也说明了包括下面步骤，在蜂窝基站和至少一个移动站280之间通信的方法。信号在各自交替的第一和第二极化上从基站交替发射。发射信号编码器282可以用于将单一发射信号分割为具有交替极化的信号并且将交替极化的信号提供给各自的天线阵210和212。移动站280接收交替的第一和第二极化并且提供极化分集增益。
包括发射信号编码器282和天线阵210和212的基站，优选地产生在交替的第一和第二极化上发射的编码并且交织的时分多址信号。另外，第一极化优选地是右旋圆极化，并且第二极化优选地是左旋圆极化。
本发明的很多修改和其它实施例将会出现在从前面的描述和相关附图所体现的教义中受益的本领域技术人员的思想中。因此，应该理解本发明不受揭示的特殊实施例的限制，并且试图将修改和实施例都包括在所附权利要求的范围中。

Claims (33)

1.在蜂窝通信系统中与至少一个移动站通信的基站，该基站包括：
第一天线阵，包括第一多个接收天线元，接收具有第一极化的信号并且被导向为定义第一接收覆盖区域；
第二天线阵，包括第二多个接收天线元，接收具有不同于上述第一极化的第二极化信号并且被导向为定义第二接收覆盖区域；
安装上述第一和第二天线阵的天线安装装置，使得上述第一和第二接收覆盖区域是重叠的；以及
连接到上述第一和第二多个接收天线元的极化分集接收机装置，处理来自上述覆盖区域的移动站的具有上述第一和第二极化的相应的第一和第二接收信号，以在极化分集接收的基础上产生增强质量输出接收信号。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述极化分集接收机装置包括确定所述第一和第二接收信号的信噪比的信号质量确定装置，以及基于所述各个信噪比对所述第一和第二接收信号加权的加权装置，以产生增强质量输出接收信号。
3.根据权利要求1的基站，其特征在于，所述极化分集接收机装置还包括基于频率将所述第一和第二接收信号分离为多个各自独立的信道并且处理每个所述独立信道以产生各个增强质量输出接收信号的装置。
4.根据权利要求1的基站，其特征在于，所述极化分集接收机装置还包括基于时隙将所述第一和第二接收信号分离为多个各自独立的信道并且处理每个所述独立信道以产生各个增强质量输出接收信号的装置。
5.根据权利要求1的基站，其特征在于，所述第一天线阵还包括按预定图样排列，发射具有所述第二极化的信号，藉此提供与所述第一多个接收天线元极化隔离的第一多个发射天线元；而且其特征在于，所述第二天线阵包括按预定图样排列，发射具有所述第一极化的信号，藉此提供与所述第二多个接收天线元极化隔离的第二多个发射天线元。
6.根据权利要求5的基站，其特征在于，所述第一天线阵的相应的一个所述接收天线元和所述第一天线阵的相应的一个所述发射天线元可以在一个公共的补片天线上提供，能够接收具有所述第一极化的信号同时发射具有所述第二极化的信号。
7.根据权利要求5的基站还包括连接到所述第一和第二多个发射机天线元的交替极化发射机装置，在交替的第一和第二旋转极化上交替发射信号，以在移动站提供增强的接收信号质量。
8.根据权利要求7的基站还包括连接到所述交替极化发射机装置的发射机编码装置，产生从所述第一和第二天线阵发射到移动站的编码并且交织的时分多址信号。
9.根据权利要求5的基站，其特征在于，所述第一天线阵包括一个支持在垂直方向延伸的所述第一多个接收天线元和所述第一多个发射天线元的细长的基座；而且其特征在于，所述第二天线阵包括一个毗邻所述第一细长基座的第二细长基座，并且支持在垂直方向延伸的所述第二多个接收天线元和所述第二多个发射天线元。
10.根据权利要求9的基站，其特征在于，每个所述第一和第二天线阵还包括多个在所述细长的基座上并且连接到各自的发射天线元的发射放大器，藉此定义一个有源相控阵天线。
11.根据权利要求9的基站，其特征在于，每个接收天线元在各个细长基座上包括一个导电部分，而且其特征在于，每个发射天线元在各个细长基座上包括一个导电部分。
12.根据权利要求9的基站，其特征在于，每个所述第一和第二阵列天线还包括在所述细长基座上的接收同相耦合装置，可操作地连接到各个接收天线元，将来自那里的彼此同相信号合成；而且其特征在于，每个所述第一和第二阵列天线还包括在所述细长基座上的发射同相耦合装置，可操作地连接到各个发射天线元，将传递到那里的彼此同相的信号分离。
13.根据权利要求9的基站，其特征在于，每个所述第一和第二天线阵还包括环绕所述细长基座的对无线电波透明的外壳。
14.根据权利要求1的基站，其特征在于，所述第一多个接收天线元包括接收右旋圆极化的装置，而且其特征在于，所述第二多个接收天线元包括接收左旋圆极化的装置。
15.在蜂窝通信系统中与至少一个移动站通信的基站，所述基站包括：
第一天线阵，包括第一多个发射天线元，发射具有第一极化并按预定图样排列的信号，藉此定义第一发射覆盖区；
第二天线阵，包括第二多个发射天线元，发射具有不同于所述第一极化的第二极化并按预定图样排列的信号，具有与所述第一发射覆盖区重叠的第二发射覆盖区；以及
交替极化发射机装置，可操作地连接到所述第一和第二天线阵，交替发射来自所述第一和第二天线阵的信号段，以在移动站提供增强接收信号质量。
16.根据权利要求15的基站还包括连接到所述交替极化发射机装置的发射机编码装置，产生从所述第一和第二天线阵发射到移动站的编码并且交织的时分多址信号。
17.根据权利要求15的基站，其特征在于，所述第一天线阵包括一个支持在垂直方向延伸的所述第一多个发射天线元的细长的基座；而且其特征在于，所述第二天线阵包括一个毗邻所述第一细长基座的第二细长基座，并且支持在垂直方向延伸的所述第二多个发射天线元。
18.根据权利要求17的基站，其特征在于，每个所述第一和第二天线阵还包括多个在所述细长的基座上并且连接到各自的发射天线元的发射放大器，藉此定义一个有源相控阵天线。
19.根据权利要求17的基站，其特征在于，每个所述第一和第二阵列天线还包括在所述细长基座上的发射同相耦合装置，可操作地连接到各个发射天线元，将传递到那里的彼此同相信号合成。
20.根据权利要求17的基站，其特征在于，每个所述第一和第二天线阵还包括环绕所述细长基座的对无线电波透明的外壳。
21.根据权利要求15的基站，其特征在于，所述第一多个发射天线元包括发射左旋圆极化的装置，而且其特征在于，所述第二多个发射天线元包括发射右旋圆极化的装置。
22.操作与至少一个移动站通信的蜂窝基站的方法，该方法包括如下步骤：
在第一极化接收来自移动站的第一信号；
在不同于所述第一极化的极化上接收来自所述移动站的第二信号；以及
处理所述第一和第二接收信号产生基于极化分集接收的增强质量输出接收信号。
23.根据权利要求22的方法，其特征在于，所述处理步骤还包括确定所述第一和第二接收信号的信噪比，以及基于所述的各个信噪比对所述第一和第二接收信号加权，以产生增强质量输出接收信号。
24.根据权利要求22的方法还包括基于频率将所述第一和第二接收信号分离为多个各自独立的信道并且处理每个所述独立信道以产生各个增强质量输出接收信号的步骤。
25.根据权利要求22的方法还包括基于时隙将所述第一和第二接收信号分离为多个各自独立的信道并且处理每个所述独立信道以产生各个增强质量输出接收信号的步骤。
26.根据权利要求22的方法，其特征在于，接收所述第一信号的所述步骤包括通过按预定图样排列的第一多个接收天线元接收它们，而且其特征在于，接收所述第二信号的所述步骤包括通过按预定图样排列的第二多个接收天线元接收。
27.根据权利要求26的方法还包括如下步骤：
从所述第一多个接收天线元毗邻发射具有所述第二极化的信号以提供极化隔离；以及
从所述第二多个接收天线元毗邻发射具有所述第一极化的信号以提供极化隔离。
28.根据权利要求27的方法还包括分别在交替的第一和第二极化上交替发射信号以在移动站提供增强的接收信号质量的步骤。
29.根据权利要求28的方法还包括产生发射到所述移动站的编码并且交织的时分多址信号的步骤。
30.根据权利要求22的方法，其特征在于，所述的接收所述第一极化的步骤包括接收右旋圆极化，而且其特征在于，所述的接收所述第二极化的步骤包括接收左旋圆极化。
31.在蜂窝基站和至少一个移动站之间通信的方法，该方法包括如下步骤：
从所述基站分别在交替的第一和第二极化上交替发射信号；以及
在所述移动站接收所述交替的第一和第二极化以在所述移动站提供极化分集增益。
32.根据权利要求31的方法还包括产生在所述交替的第一和第二极化上发射的编码并且交织的时分多址信号的步骤。
33.根据权利要求31的方法，其特征在于，所述第一极化是右旋圆极化，而且其特征在于，所述第二极化是左旋圆极化。
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