CN1205137A - 给一扇形覆盖区域提供无线通信的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一个发射机(300)是用来提供扇形覆盖区域中的无线通信。发射机(300)结合一个混合矩阵(303)和一个逆混合矩阵(306)来组成输入控制信号(315)和业务信号(316)。混合矩阵(303)将控制信号(315)和业务信号(316)变换为多个输出信号,而每个输出信号都包含控制信号(315)和业务信号(316)的一部分。来自混合矩阵(303)的输出信号由放大器(319)进行放大,而来自放大器(319)的输出信号由逆混合矩阵(306)进行逆变换。逆变换矩阵(306)将控制信号(315)和起始输入给混合矩阵(303)的业务信号(316)的部分重新组合,然后使用扇形天线(320)将合成的信号发射到扇形覆盖区域(S1A和S1B)中的移动台(203—205和208)。

Description

说    明    书 给一扇形覆盖区域提供 无线通信的设备和方法
本发明一般地涉及通信系统，更具体地涉及给无线通信系统的扇形覆盖区域提供无线通信的一种设备和方法。
目前，在无线通信系统中，例如在码分多址(CDMA)通信系统中，使用了如图1所示的那种设计。图1示出了现有技术的发射部分101用来支持三个扇形区S1-S3结构。发射部分101(图示用于扇形区S1)包含一个无线信道单元102，它连接到放大器104，而后者又连接到天线105。从公共交换电话网(PSTN)传送一个语音／数据信号100到无线信道单元102。如技术上已熟知的那样，无线信道单元102处理该语音／数据信号100以产生一个CDMA信号103。CDMA信号103被输入到放大器104，放大器将CDMA信号103放大并将已放大的CDMA信号发射到移动台(图1中未示出)。这个发射部分101被复制给图1所示的扇形区S2-S3中的每个区。
现有技术的扇形覆盖区域示于图2。可以看到，应用一个与扇形区S1-S3中发射部分101相结合的基站200来提供正向链路(基站200到移动台)覆盖到扇形区S1-S3。同样，在基站200中应用一个接收机(未示出)来接收扇形区S1-S3内的反向链路(移动台到基站200)传输。在此情况下，三个扇形区S1-S3都有它们自己专用的控制信道CCH1-CCH3。在CDMA通信系统中，特别是与1993年7月发表的双模式宽带扩频蜂窝系统的移动台-基站兼容标准TIA／EIA／IS-95A(它的拷贝可从电信工业协会(TIA)，2001 Pennsylvania Ave，Washington，D．C．，20006处获得)相兼容的那些系统中，控制信道采取一个信号的形式，该信号包括导频／寻呼同步信息。
由图2可见，三个移动台203-205位于扇形区S1的一半，而另一移动台208位于扇形区S1的另一半。由于CDMA通信系统是干扰受限系统，那就是说扇形区内的用户容量是受限于该扇形区内所呈现的总干扰，由基站200和移动台203-205以及208之间通信所产生的总干扰影响到扇形区S1的用户容量，尽管多个移动台实际上是分开的。有趣的是，由移动台203-205和208通过传输所产生的干扰量与基站200通过传输所产生的干扰量是完全不同的。由于正向链路的干扰量不同于反向链路的干扰量，因而正向链路的容量也不同于反向链路容量。这个现象称为正向／反向链路容量的不平衡性。
在正向／反向链路容量不平衡的问题中的限定链路是正向链路。换句话说，如果在基站200内从功率放大器可得到更多的功率，则通常更多的移动台可得到反向链路的支持(反向链路内的干扰通常表示为“噪声上升”)。可是，功率放大器的功率增加会引起功率放大器的成本，复杂性和维修量的增加。因此，需要一种改进的设备和方法来提供无线通信给一扇形覆盖区以减轻正向／反向链路容量不平衡的影响。
图1用于无线通信的现有技术发射部分的方框图。
图2一般性地示出了现有技术的扇形覆盖区域。
图3以方框图的形式一般性地说明为实现本发明而设计的一个基站的发射机。
图4一般性地说明用图3的发射机供给扇形覆盖区域用的无线通信。
一般说，发射机是用来在一扇形覆盖区域内提供无线通信。该发射机结合一混合矩阵和一逆混合矩阵来组合输入控制信号和业务信号。该混合矩阵将控制信号和业务信号变换为多个输出信号，而每个输出信号都包含控制信号和业务信号的部分。来自混合矩阵的输出信号由放大器给以放大，而来自放大器的输出信号经过逆混合矩阵的逆变换。逆变换矩阵将起始输入到混合矩阵的控制信号和业务信号的部分重新组合，运用扇形天线将合成的信号发射到扇形覆盖区域内的移动台。
明确地说，在无线通信系统中，给一扇形覆盖区域提供无线通信的设备包含一个产生控制信号的装置，这些控制信号专用于扇形覆盖区域的每个扇形区；以及一个变换装置，它具有控制信号和至少一个业务信号作为输入，该装置将控制信号和至少一个业务信号变换为至少一个第一和一个第二已变换的信号。该设备还包含多个放大装置，用于放大第一和第二已变换的信号，以及一个逆变换装置，它将从多个放大装置接收到的第一和第二已变换的信号变换为控制信号和至少一个业务信号，用来传输到扇形覆盖区域内的接收站。
在优选的实施例中，无线通信系统包含一个码分多址(CDMA)蜂窝通信系统。该接收站可能是一移动台或是一固定站，而变换装置可能是一个傅立叶变换矩阵或是一个Butler变换矩阵。该业务信号包含一个已处理得与CDMA蜂窝通信系统相兼容的语音／数据信号。在优选的实施例中，许多放大装置中每个放大装置包含一个单音宽带线性功率放大器。还是在该优选实施例内，至少一个控制信号提供控制给扇形覆盖区域的至少两个扇形区。
按照本发明的设备还配置一个装置用于产生控制信号给扇形覆盖区域的每个扇形区；和一个信号路由选择装置，它具有许多业务信号和一个路由选择信号作为输入，该装置用于根据路由选择信号安排业务信号给适当的无线信道单元。一个变换装置，它具有来自无线信道单元的控制信号和业务信号输出作为输入，它将控制信号和业务信号变换为至少一个第一和一个第二已变换的信号，而多个放大装置放大第一和第二已变换的信号。一个逆变换装置将从多个放大装置接收到的第一和第二已变换的信号变换为控制信号和业务信号，用来传输到扇形覆盖区域内的接收站。
在这个实施例中，接收站可能是一个移动台或是一个固定站，该路由选择信号包括关于扇形区的信息，要用于移动台或固定站的一个业务信号应被送到该扇形区。在接收站是一移动台的情况下，要用于移动台的一个业务信号应被送到扇形区，关于该扇形区的信息是从移动台的定位预测中得出的。在接收站是一固定站的情况下，要用于固定站的一个业务信号应被送到扇形区，关于该扇形区的信息是从固定站定位的先验知识得出的。
图3是按照本发明一个改进的设备的方框图，该设备用于给一扇形覆盖区域提供无线通信。如图3所示，在此优选实施例中，应用一个混合矩阵303和一个逆混合矩阵306。关于混合矩阵更多的信息，可参考Davidson的美国专利4，213，132，他被转让给为本发明的受让人，并在此作为参考。
参考图3，图1的无线信道单元102要他们的输出进入一个8×8的混合矩阵303。在优选实施例中，混合矩阵303和逆混合矩阵306是傅立叶变换型，本领域的一个普通技术人员将会理解其它的混合矩阵类型，例如Butler矩阵，也可有利地加以使用。在图3所描绘的配置中，该8×8傅立叶变换矩阵是用来提供无线通信给三个扇形区S1-S3，并把每个区还再分段为两个子扇形区A／B。所得的扇形区S1A，S1B，S2A，S2B，S3A，S3B示于图4。因为仅只使用了矩阵303和逆矩阵306的6个端口，矩阵303和矩阵306的未使用的端口接在负载309上。
由于图3的还有控制信道(CCH)发生器312-314，它们分别提供一个产生控制信道CCH1-CCH3(315)的装置。为了便于说明，虽然从逻辑上看，CCH发生器312-314中的每一个与它们相应的RCU102是分开的，但实际上每一个都存在于它们相应的RCU 102之内。CCH发生器312-314产生所需的控制信道信息，该信息用一个信号的形式，它包括导频／寻呼／同步信息，用于它们相应的扇形区(例如CCH1用于扇形区S1，依此类推)。这个导频／寻呼／同步信息由扇形区内的移动台使用来建立／维护扇形区内的无线通信，越区切换至其它扇形区／单元，等等。
如图3所示，混合矩阵303有控制信号315和要用于三个扇形区S1-S3中移动台的业务信号316作为输入。在优选的实施例中，业务信号316是与上述TIA／EIA／IS95A中定义的无线界面兼容的CDMA信号。混合矩阵303将控制信号315和业务信号316变换成多个输出信号，而每个输出信号都包含控制信号315和业务信号316的一部分。来自混合矩阵303的输出信号得到放大器319的放大。在优选的实施例中，放大器319是单音宽带线性功率放大器，本领域内普通的技术人员会意识到：在不偏离本发明的精神和范围的条件下，多音宽带线性功率放大器也可有益地使用。
来自放大器319的输出信号由逆混合矩阵306进行逆变换。逆变换矩阵将控制信号315和起始输入到混合矩阵303的业务信号316的部分重新组合。使用扇形天线320将所得的信号发射到它们相应的扇形区S1A，S1B，S2A，S2B，S3A，或S3B。
由图4可见并参考图3所描述的特殊实施例，两个发射扇形区S1A和S1B实质上覆盖着和反向链路扇形区S1同样的范围。换句话说，在这个实施例中，正向链路是6扇形区结构，而反向链路是3扇形区结构。在此实施例中，如图4所描述的那样，由移动台203-205引起的对发射扇形区S1B的干扰量是可以忽略的，因为到移动台203-205的正向链路通信没有被发射到扇形区S1B。为了实现这个目的，首先必须实行对移动台203-205和208的定位预测。
对移动台203-205和208定位预测的要求是根据这样的事实：当正向链路是一个6(或N)扇形区结构时，而反向链路维持在一个3扇形区结构。在基站400没有实行定位预测时，如果移动台203-205和208对基站400发出一个信息，基站400有可能得到的最佳定位预测可能是：移动台203-205和208是在S1(它包括两个正向链路扇形区S1A和S1B)定义的扇形区内。因此，为了建立与移动台203-205和208的通信，基站可能要求对于移动台203-205和208的每个站的正向链路通信被发射到相应于正向链路扇形区S1A和S1B的若干扇形天线320的每个天线上。结果，对于扇形区S1A的正向链路通信无需包括对于移动台208的正向链路通信，而对于扇形区S1B的正向链路通信无需包括对于移动台203-205的正向链路通信。
为了得到移动台203-205和208的定位预测，使用一种位于移动台203-205和208内的全球定位系统(GPS)接收机。移动台203-205和208内的GPS接收机监测GPS卫星发射的定位信息，并将它的位置报告给基站400。然而，在建筑物内，地下停车场等处，GPS的有效性是有限的。为了克服GPS的局限性，同样可以使用Ghosh等人的在美国专利5，508，709上所公布的定位方法，该专利转让给本申请的受让人，并在此作为参考。本领域的技术人员可以理解：两个熟知的技术的结合也可使用在又一另外的实施例中。在不偏离本发明的精神和范围的条件下，又一其它的定位预测方法也可有利地使用。
对于移动台203-205和208现在位置的定位预测，基站接收机(未示出)发送一个路由选择信号307给信号路由选择器308。路由选择信号307包括信息，它指令路由选择器308如何安排要用于移动台203-205或移动台208的输入信号给适宜的无线信道单元102，它服务于对应的正向链路扇形区S1A和S1B。在此情况下，要用于扇形区S1A中的移动台203-205和扇形区S1B中的移动台208的语音／数据信号被合理地安排到适宜的无线信道单元102。结果，正向链路通信通过服务于正向链路扇形区S1A的扇形天线320只被发射到移动台203-205，而正向链路通信通过服务于正向链路扇形区S1B的扇形天线320只被发射到移动台208。在此情况下，没有不需要的干扰呈现在正向链路扇形区S1A或S1B。由于每个扇形区的干扰量减少了，所以正向链路容量增加来适应反向链路容量。在此情况下，正向／反向链路容量和平衡的问题按照本发明就得到了缓解。
图3描述的实现方案还提供了其它优点。首先，通过使用混合矩阵303和逆矩阵306，在S1A，S1B，S2A，S2B，S3A，S3B中任何一个扇形区的任何一个波道中，一个组成部分严重损坏的情况得以避免，这是因为混合矩阵303和逆混合矩阵306对扇形天线320同等地分配功率的缘故。再参考图2和图4，由于移动台203-205和移动台208对基站300的通信是在分离的子扇形区进行的，即是移动台203-205在子扇形区S1A W／CCH1内通信，而移动台208是在子扇形区S1B W／CCH1内通信，所以上述的干扰影响也就消失了。此外，与6扇形区发射设备相比，图3的结构需要CCH发生器312-314的一半。
注意到图3和图4的结构可被用于无线本地回路的应用是很重要的。在无线本地回路应用中，移动台203-205和208是不移动的，而实际上都是连接到固定建筑物(例如房屋，综合公寓等等)的固定站。在传输他们要用的业务信号316之前这些固定站的位置是已知的，因而基站400包括一个表格，它将固定站的已知位置与适当的正向链路扇形区相对应。当固定站被加到覆盖区域对应于适宜的正向链路扇形区时，该表格被相应地更新。
本领域的普通技术人员可以理解：按照本发明可以有利地实行图3的许多不同的修改方案来提供无线通信给一个扇形覆盖区域。例如，可以使用一个16×16混合矩阵给12或16扇形区正向链路运用，以替代使用8×8混合矩阵303和逆混合矩阵306给6扇形区运用。事实上，按照本发明可有利地使用任何N×N混合矩阵来实现N扇形区(或更少)的无线通信。
虽然上述是在参考一个特殊实施例的情况下特别示出并说明了本发明，但本领域的技术人员可以理解：在不偏离本发明的精神和范围的条件下，在形式上和细节上都可能对本发明进行各种修改。与所有装置或方法相应的结构、材料、作用和等效加上下面权利要求中的功能元件都是要用来包容与明确申请的其它要求的元件相结合来实现许多功能用的任何结构，材料或作用。

Claims (10)

1．一种给无线通信系统中扇形覆盖区域提供无线通信的设备，该设备包括：
为扇形覆盖区域的每个扇形区产生控制信号的装置；
具有控制信号和至少一个业务信号作为输入的变换装置，它用于将控制信号以及至少一个业务信号变换为至少一个第一和一个第二的已变换的信号；
多个放大装置，用于放大第一和第二已变换的信号；以及
逆变换装置，用于将从多个放大装置接收到的上述第一和第二已变换的信号变换为控制信号和至少一个业务信号，用来传输给扇形覆盖区域内的接收站。
2．权利要求1的设备，其中接收站还包括一个移动台或一个固定站。
3．权利要求1的设备，其中变换装置还包括一个傅立叶变换矩阵或一个Butler变换矩阵。
4．权利要求1的设备，其中无线通信系统还包括一个码分多址(CDMA)蜂窝通信系统。
5．权利要求4的设备，其中业务信号还包含一个已处理得与CDMA蜂窝通信系统兼容的语音／数据信号。
6．权利要求1的设备，其中多个放大装置的每一个装置还包括一个单音宽带线性功率放大器。
7．权利要求1的设备，其中至少一个控制信号提供对扇形覆盖区域中的至少两个扇形区的控制。
8．一个给无线通信系统中的扇形覆盖区域提供无线通信的方法，该方法包含以下步骤：
对扇形覆盖区域的每个扇形区产生特定的控制信号；
将控制信号和至少一个业务信号变换为至少一个第一和一个第二已变换的信号；
放大第一和第二已变换的信号；以及
将从多个放大装置接收到的上述第一和第二已变换的信号变换为控制信号和至少一个业务信号，用来传输给扇形覆盖区域内的接收站。
9．权利要求8的方法，其中无线通信系统还包含一个码分多址蜂窝通信系统。
10．权利要求8的方法，其中至少一个业务信号是一个已处理得与CDMA蜂窝通信系统相兼容的语音／数据信号。
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