CN1218507C - 无线发射通信信号到远程收发机的系统、方法和通信系统 - Google Patents

Abstract

用于保持与远程收发机的无线连接的一个无线传输系统，该远程收发机包括一个射束形成传输天线结构和一个用于控制发射功率水平的功率控制单元。该系统确定远程收发机的方向并且在该方向上产生一个传输天线束。功率控制单元然后确定产生射束的天线增益并且使用天线增益信息调整该系统的传输功率水平，以便不超出政府规定的限制。在一个实施例中，该系统的平均发射工作周期也用于调整发射功率。该系统能够获得一个最大化的发射功率不超过可用的功率限制。

Description

无线发射通信信号到远程收发机的系统、方法和通信系统

技术领域

本发明通常涉及无线电通信系统尤其涉及一种用于其中的功率控制方法。

背景技术

可以从家庭和小型办公室接入的广域网(WANs)变得日益普及。上述的系统可以给用户提供例如包括一个比较高的速度连接到Internet的种种数据业务。典型地，在用户位置需要一个无线电收发机和天线设备的专门装置给用户提供对WAN的访问。在装置处理过程期间，技术人员必须首先决定在用户建筑外部的天线装置的恰当的安装位置然后执行一个相对复杂的天线对准程序以保证天线适当地指向WAN基站天线。然后安装无线电收发机设备并且将电缆从室外天线位置一直铺设到这建筑物内部的用户通讯设备的位置。颇复杂的装配程序增加了提供广域网服务的总成本和复杂性并且其效率相对低。

发明内容

因此，需要一种方法和装置允许简化的安装和启动一个供WAN或者类似通信网络使用的无线用户终端。更可取地，该方法和装置无需一种专门的安装程序就允许用户执行终端启动。

本发明提供了一种用于无线发射一个通信信号到一个远程无线电收发机的系统，所述系统包括：

以预定模式排列的发射天线振子阵列；

决定远程无线电收发机的方向的一个方向判定单元；

与所述天线阵子阵列耦合在一起的一个发射波束生成器，它在远程无线电收发机方向上产生一个发射波束；以及和

一个功率控制部件，该功率控制部件判定与所述发射波束相联系的天线增益关联参数，并且基于所述天线增益关联参数调整所述系统的发射功率水平，所述波束由所述发射波束生成器产生。

本发明还提供了一种用于无线发射一个通信信号到一个远程位置的方法，所述方法包括：

决定所述远程位置的方向；

使用相控天线阵原则在远程位置的方向产生一个发射天线波束；

决定一个与天线增益相关的参数，其中所述天线增益与所述发射天线波束相联系；以及

使用所述天线增益关联参数来调整通过所述发射天线波束被传输到所述远程位置的发射信号的功率电平。

本发明还提供了供和一个远距离通信机构通讯使用的一个通信系统，该通信系统包括：

以预定结构安排的一系列天线振子；

一个与所述天线阵振子联系在一起的可调整的波束生成器，它响应于一个控制信号以预定方向方式产生一个发射波束，所述可调整的波束生成器能够以任何多个不同的方向产生一个波束；并且

基于与所述发射波束相联系的至少一个参数，调整发射的发射信号的功率电平的一个功率控制部件，所述发射波束由所述可调整的波束生成器产生。

附图说明

图1是一个说明按照本发明一个实施例的一种通信系统的方框图；以及

图2是一个说明按照本发明一个实施例的用于与远程无线电收发机保持无线电联系之用的方法的流程图。

具体实施方式

本发明涉及一种可被用户使用获得一个对远距离通信系统或者网络访问的无线发射机/天线系统。该系统仅通过用户而不需要专门的安装程序的辅助来相对简单的安装并且典型地启动。另外，因为该系统容易安装和启动，它可被用于与一个可移植的数据处理装置一起向移动用户提供对远程系统的无线访问。该系统可用于支架一个与任何多种的不同的网络类型的无线连接，包括：广域网(WANs)，无线局域网(LANs)，城域网(MANs)，公用接入网(PAN)，使用无线本地回路的公用交换电话网等等。该系统使用一个波束形成或者自适应天线排列也就是说能够在外部通信系统基站等等方向上自动地产生一个发射波束。该系统也能够执行功率控制程序以确保该系统中的发射功率充分满足穿透，例如，该用户建筑的外墙并且到达基站外部而不超出任何政府要求的功率限制。在一种方法中，其中该系统计算使用发射波束生成器参数产生的天线方向图主瓣的天线增益。天线增益信息用于调整天线的发射功率以便不超出政府规定的限制。其他的参数例如平均发射占空因数还可以被考虑到发射功率调整中。

在本发明的一个实施例中，提供一种可以部分由使用集成室内天线完全台式系统构成的室内的发射机/天线系统。室内系统的使用简化了作为复杂室外天线布局的终端装置处理过程并且避免了布缆作业。然而，一个室内系统毫无疑问是能产生足够的发射功率以穿透用户建筑的外墙使之能与远程基站无线电收发机通信。另外，室内系统必须遵守用于人体照射对电磁的辐射的FCC标准，并且FCC规定了独立光谱频道上的功率限制。其它政府规定的功率限制也可以适用。为了遵守这些不同要求，本发明的系统使用功率调节方法也就是说设计成能最优化发射功率而不超出现有的功率限制。FCC人体照射指标设置一个对平均发射功率的限制，该平均发射功率可以通过一个预定时间时期上的系统产生(例如，当前为六分钟)。因此，仅在每个时间间隔的一部分发射的系统可以应用一个瞬时的发射功率级也就是说大于连续发射的系统的发射功率级。在此时期提高的功率电平将要与本发射机的占空因数成反比。例如，一个具有在6分钟期间有20％平均占空因数的发射机可以产生一个最大输出功率也就是说它是按照本标准在同样时期发射连续信号的系统的5倍。

图1是一个说明按照本发明的一个实施例的室内通信系统10的方框图。该系统10一般位于用户住宅或者办公室内部用于向远程无线电收发机，例如一个WAN基站等等提供一个无线电联系。系统10包括一个用于接收来自一个处于用户位置的数据处理单元(例如，一个个人电脑)发送到该远程无线电收发机的数据(也就是，发射数据)的输入端100。系统10也包括一个用于输出从远程无线电收发机接收到本地数据处理装置的数据(也就是，接收数据)的一个输出端102。通信系统10最好安放在一两个单独房舍内部，这样可以使用标准接口方法容易地与个人电脑等等连接在一起。例如，可以使用并联或者串联的电缆、通用的串行总线(USB)结构、同轴电缆、红外线电偶、PCMCIA电缆或者其它的偶联技术。换句话说，通信系统10的全部或者部分可以位于一个扩充插件卡上，该扩充插件卡可以被插入该数据处理装置的一个可用的槽中。接口件还可以包括即插即用性能。在一个典型装配程序里，用户使用恰当的偶联技术将系统10耦合到该数据处理装置，给该数据处理装置安装任何必要的软件，给该系统10通电，并且在数据处理装置里运行一个安装程序。

在图1里所示，通信系统10包括：一个发射阵列12，一个发射波束生成器单元14，一个可变增益放大器16，一个发射信号发生器18，一个功率控制部件20，一个占空因数测定单元22，一个接收天线阵矩阵组合24，一个接收波束生成器25，一个方向判定单元26，以及一个接收器28。接收天线阵24起作用用于接收来自系统10与之通信的远程无线电收发机(未示出)的一个无线电频率(RF)信号36。接收天线阵24包括多个以固定构型方式安装的天线振子而且每个接收输入信号36的一部分。接收的信号部分的每一个被传送给接收波束生成器25，该接收波束生成器25将该信号部分合并到单一的射频接收信号中用于运送给该接收器28。接收器28处理射频接收信号以便产生通过输出端102传送给本地数据处理装置的接收数据。其中，接收器28可以包括向下变频器功能、解码器功能、以及错误检测/纠正功能。

方向判定单元26分析由接收天线阵24的振子收到的信号以便决定被接收的射频信号来自什么方向。用于决定输入RF信号方向的方法在本领域为大家所熟知。方向判定单元26传递方向信息给发射给使用方向信息的波束生成器14，根据知道的发射天线阵12的组合形式在远程无线电收发机方向上产生一个发射波束。新近产生的发射波束能因此通过通信系统10被使用给远程无线电收发机发射一个射频发射信号38。

发射信号发生器18接收来自本地数据处理装置的发射数据并且使用该数据产生一个运送到该远程无线电收发机的射频发射信号。发射信号发生器18典型地包括一个使用输入数据调整一个射频载波信号调制器。其中，发射信号发生器18还可以包括一个用于在调整载波以前将输入数据编码的数据编码器和/或纠错编码器。可变增益放大器16接收来自发射信号发生器18的射频发射信号并且通过一个预先决定数量放大该信号。该放大的发射信号然后被传达到发射波束生成器14，该发射波束生成器14将信号分裂成若干用于运送给发射天线阵12的独立振子的元素。该独立信号分量的振幅和相位通过发射波束生成器14递送给发射天线阵12的振子决定由此引起的发射波束的形状和方向。

发射天线阵12实际上可以包括按照本发明的许多天线振子。另外，虽然优选低剖面、重量轻、较便宜的振子类型(例如，微波传输带插入码或者偶极天线等等.)，实际上任何类型的天线振子都能使用。此外实际上可以使用任何组合形式。发射波束生成器14典型地包括一个用于发射天线阵12每个振子的分离可变延迟单元和可变放大单元。发射波束生成器14最好也包括一个处理装置，也就是说拟定程序以决定用于可变增益和延迟元件在远程无线电收发机方向上产生一个相对窄的发射波束(使用，例如，熟知的相控天线阵方法)。

通过在远程无线电收发机方向上产生一个相对窄射束，在通信系统10内部的有效的发射功率集中在远程无线电收发机方向上。因此，使用一个全方向发射波束(或者其它的宽束宽波束)可实现一个用于穿透这建筑物外墙的大功率水平。另外，因为浪费的功率较少，一个小功率放大器可被用于减少设备成本的通信系统10。然而，如上所述，通过集中有效能量到一个窄发射波束所获得的提高的功率电平不可超出政府规定的发射功率限制。如下面更详细的描写，功率控制部件20对于调整当前通过该系统10发射的功率电平是有效的，以便确保可应用的功率限制不过度。

功率控制部件20接收来自发射波束生成器14的目前配置的发射波束的射束参数并且使用该参数计算该发射类型的主瓣的天线增益。基于计算的天线增益，功率控制部件20调整可变增益放大器16的增益以便可采用的功率限制不过度。占空因数判定单元22监控发射信号发生器18的发射活动以便在六分钟时间间隔期间保持一个发射占空因数的连续的平均值。接着平均占空因数信息传递给以调整系统发射功率方式使用该信息的功率控制部件20。因此，如果一个相对低的发射占空因数正在使用，在超过FCC人体照射限制以前可以发射一个较高的峰值功率。当存在良好的链接状况时，功率控制部件20还可以执行其它更传统的功率控制程序，该程序减少来自最大允许值的发射功率。

在本发明一个实施例中，单个天线阵振子用来执行发射与接收天线阵12、24的两个功能。可以提供一个天线收发转换开关(未示出)用于分离系统10内部的发射与接收的信号。换句话说，可以使用一个自适应天线排列自动地适应远程无线电收发机的位置。例如，可以在包括移动用户的系统中使用一个自适应排列。

可以理解图1中所示的独立单元实际上是功能性的并且不一定对应于分散的硬件元件。例如，，本功能块的两个或更多块以软件方式在单个数字处理装置内部执行。另外，独立功能块的位置是可以变化的而不脱离本发明的精神和范围。例如，可变增益放大器16可以位于发射波束生成器14和发射天线阵12.之间。换句话说，多级放大阶段可以在系统10.内部的不同位置执行。例如，可变增益放大器16可以以一个低功率可变增益放大器代替，也就是说通过一个线性功率放大器所跟随的功率控制部件20而控制。在一种方法中，功率控制部件20能够控制发射波束生成器14内部的供调整发射功率之用的可变增益单元。

在举例的实施例中，方向判定单元26通过分析由接收天线阵24收到的单个信号元素决定远程无线电收发机的方向。可以理解本发明实际上可以应用任何形式的方向判定方法并且不局限于上述的方法。例如，在一个实施例中，全球定位系统(GPS)设备用来决定通信系统10的现在位置以便确定最近的WAN基站(或者其它的远程无线电收发机)的距离和方向。对于本领域一个普通技术人员来说是显而易见的，用于决定远程无线电收发机方向的其它的方法也存在。

在本发明的一个实施例中，实现通信系统10供一个移动或者便携的平台使用。因此，一个用户能够到处移动并且还保持例如与一个通信业务供应者的联络。例如，一个推销员可以携带一个便携计算机，它包括或者与一个按照本发明原理设立的系统10。例如，当访问一个顾客设备时，该推销员能够执行一个如上所述的采集程序，以便将便携式计算机连接到最近的WAN基站用于和推销员的总办事处通讯。通信系统便会产生一个朝向基站的定向光束并且调整发射功率符合可应用的限制。同样地，本发明的原则可以实现用于移动式应用中。在这样一个配置方式中，将要使用一个自适应天线波束，它保持引导在可应用的基站而不管相关用户的移动。以该方法中，主天线波束的增益将要成为连续地轨迹并且功率电平与其一致的连续地调整。

图2是一个说明按照本发明一个实施例，使用一个波束生成器天线用于保持与远程无线电收发机无线电联系的一个方法的流程图。首先，确定一个期望的发射方向(块40)。其次，对波束生成器单元进行组态产生一个发射天线方向图，它包括期望的发射方向(块42)。然后基于波束生成器参数计算产生的天线方向图的主瓣的增益(块44)。决定基于一个预定时间间隔的发射信号的平均占空因数(块46)。天线增益和平均占空因数信息用于调整由天线发射的功率以便不超过可应用的限制(块48)。

虽然本发明和确定的实施例一起描述，可以理解可以采取的改进和变化没有背离本发明的精神和范围，如同本领域的技术人员容易地理解的那样。上述的改进和变化被认为在本发明和所附权利要求的权限和范围之内。

Claims (27)

1、一种用于无线发射一个通信信号到一个远程无线电收发机的系统，所述系统包括：

以预定模式排列的发射天线振子阵列；

决定远程无线电收发机的方向的一个方向判定单元；

与所述天线振子阵列耦合在一起的一个发射波束生成器，它在远程无线电收发机方向上产生一个发射波束；以及和

一个功率控制部件，该功率控制部件判定与所述发射波束相联系的天线增益关联参数，并且基于所述天线增益关联参数调整所述系统的发射功率水平，所述波束由所述发射波束生成器产生。

2.按照权利要求1所述的系统，进一步地包括：

与所述功率控制部件联系在一起的一个占空因数单元，基于一个预定时间期间决定所述系统的平均发射占空因数并且递送所述平均发射占空因数信息给所述功率控制部件，其中所述功率控制部件使用所述平均发射占空因数信息调整所述系统的发射功率水平。

3.按照权利要求1所述的系统，其中：

所述功率控制部件调整所述系统的发射功率水平以便符合所规定的发射功率限制。

4、按照权利要求1所述的系统，其中：

所述发射天线振子阵列、所述方向判定单元以及所述发射波束生成器是自适应天线阵列的每个部分。

5、按照权利要求1所述的系统，进一步包括：

以预定模式排列供接收来自远程无线电收发机的通信信号之用的接收天线振子阵列，其中所述方向判定单元包括用于分析由所述系列接收阵列内部的单个天线振子收到的信号部分以便决定远程无线电收发机的方向。

6、按照权利要求1所述的系统，其中：

所述发射波束生成器包括一个用于所述发射天线振子阵列内部的每个天线振子的可变延迟单元以及一个基于由所述方向判定单元决定的远程无线电收发机方向决定用于每个可变延迟单元的延迟设定的控制器。

7、按照权利要求6所述的系统，其中：

所述功率控制部件包括一个控制器以基于所述发射波束生成器的延迟设定计算所述天线增益关联参数。

8、按照权利要求1所述的系统，其中：

由所述发射波束生成器产生的所述发射波束近似地集中于由所述方向判定单元决定的远程无线电收发机的方向上。

9、按照权利要求1所述的系统进一步地包括：

一个输入-输出接口以便将所述系统耦合到一个数据处理装置。

10、按照权利要求9所述的系统，其中：

所述输入-输出接口包括一个串行数据口。

11、按照权利要求9所述的系统，其中：

所述输入-输出接口包括一个通用的串行总线(USB)口。

12、按照权利要求9所述的系统，其中：

所述输入-输出接口包括即插即用性能。

13、按照权利要求1所述的系统，其中：

所述发射天线振子的天线阵、所述方向判定单元、所述发射波束生成器以及所述功率控制部件分别安装在一个通用的支撑结构上。

14、按照权利要求13所述的系统，其中：

所述通用的支撑结构适合于台式布局。

15、按照权利要求1所述的系统，包括

至少一个可变增益放大器，以在发射操作期间在发射信号传达给所述发射天线振子的天线阵以前放大所述发射信号，其中所述功率控制部件控制所述至少一个可变增益放大器的增益以调整所述系统的发射功率水平。

16.一种用于无线发射一个通信信号到一个远程位置的方法，所述方法包括：

决定所述远程位置的方向；

使用相控天线阵原则在远程位置的方向产生一个发射天线波束；

决定一个与天线增益相关的参数，其中所述天线增益与所述发射天线波束相联系；以及

使用所述天线增益关联参数来调整通过所述发射天线波束被传输到所述远程位置的发射信号的功率电平。

17、按照权利要求16中所述的方法，进一步地包括：

决定一个与向所述远程位置的传输相联系的平均发射占空因数；以及

使用所述平均发射占空因数调整所述发射信号的功率电平。

18、按照权利要求16中所述的方法，其中：

使用所述天线增益关联参数包括以符合要求的发射功率限制的方式调整所述发射信号的功率电平。

19、按照权利要求18中所述的方法，其中：

使用所述天线增益关联参数包括调整所述发射信号的功率电平以便最大化所述功率电平而不超过所述要求的发射功率限制。

20、按照权利要求16中所述的方法，其中：

决定所述远程位置方向包括从所述远程位置接收一个射频信号并且分析所述射频信号以决定所述远程位置的方向。

21、按照权利要求16中所述的方法，其中：

决定一个方向，产生一个发射天线射束，决定一个与天线增益相关的参数，并且使用所述天线增益关联参数都是从一个单个的室内安装地点执行的。

22、供和一个远距离通信机构通讯使用的一个通信系统包括：

以预定结构安排的一系列天线振子；

一个与所述天线阵振子联系在一起的可调整的波束生成器，它响应于一个控制信号以预定方向方式产生一个发射波束所述可调整的波束生成器能够以任何多个不同的方向产生一个波束；并且

基于与所述发射波束相联系的至少一个参数，调整发射的发射信号的功率电平的一个功率控制部件，所述发射波束由所述可调整的波束生成器产生。

23、权利要求22中所述的通信系统，其中：

至少一个所述与所述发射波束相联系的参数包括一个天线增益关联参数。

24、权利要求22中所述的通信系统，进一步包括：

一个占空因数判定单元基于一个预定时间期间决定所述系统的一个平均发射占空因数，其中所述功率控制部件基于所述平均发射占空因数调整所述天线阵振子发射的发射信号的功率电平。

25、权利要求22中所述的通信系统，其中：

所述可调整的波束生成器使用传统的相控天线阵方法以预定方向方式产生发射波束。

26、权利要求22中所述的通信系统，其中：

所述可调整的波束生成器是自适应天线排列的一部分。

27、权利要求22中所述的通信系统，其中：

所述功率控制单元调节发射信号的功率电平以便不会超过最大允许功率电平。

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