CN1242565C - 基站中用于功率放大的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括至少第一基站(BS1)的地面蜂窝无线通信网(101)，其中一个公共组的多载波功率放大器(409-412)被使用来放大由第一基站(BS1)在不同的小区中发送的无线信号。本发明在下行链路功率控制功能(诸如，功率控制或间断发射，和/或自适应信道分配)被施加到由第一基站(BS1)提供服务的小区时，使能减小需要由第一基站(BS1)支持的总的最大输出功率。

Description

基站中用于功率放大的方法和设备
                     发明技术领域
本发明涉及与无线通信系统有关的方法和设备。更具体地，本发明涉及在地面蜂窝无线通信网中通过使用基站的功率放大资源以高度灵活的和有效的方式发射无线信号的方法。本发明包括地面无线通信网，该通信网包括为实施本方法所必要的装置。本发明也包括用于计算基站的功率放大资源的大小的方法。
                    相关技术描述
在地面无线通信系统中，有关基站成本的主要部件是涉及到由基站发射的无线信号的功率放大。
传统上，基站配备有所谓的单载波功率放大器(SCPA)，每个SCPA放大单个射频载波，以及被设计成使得它能够传递足够的功率来支持与位于小区边界的移动台的通信，
设计基站的功率放大部件的另一个方法正变得越来越普通，这就是给基站装备所谓的多载波功率放大器(MCPA)，其中每个MCPA能够放大包括多个射频载波的无线信号。典型地，服务于单个小区的基站配备有一个MCPA或并行地工作的一组MCPA，而服务于多个(扇区)小区的基站为每个小区配备有一个MCPA或并行地工作的一组MCPA。在基站使用MCPA而不是使用SCPA的情况下具有几个优点。使用MCPA时所得到的一个优点是，有可能从诸如下行链路功率控制(DPC)和非连续发送(DTX)那样的功能中得到好处，它们给出在对于支持一定数目的射频载波所需要的总输出功率方面统计的减小。DPC功能的使用被估计为所需要的输出功率的统计减小约4-6dB，而DTX功能的使用被估计为造成约3-4dB的减小，总起来约有10倍的减小。这意味着，被设计来支持一定数目的射频载波的MCPA可被设计为传递比起如果是多个SCPA支持相同的数目的载波时所需要的总的输出功率来说小得多的输出功率。
然而，为了达到由DPC和DTX功能给出的全部统计的减小，射频载波的数目必须是很大的。
美国专利5,854,611揭示了一种服务于单个小区的基站，例如高级移动电话业务(AMPS)基站，其中有多个窄的天线波束(例如10个波束)被使用来提供小区中的无线覆盖。基站包括第一功率共享网络，它被耦合到多个线性功率放大器，后者又被耦合到第二功率共享网络。第一功率共享网络把来自它的输入端口之一的接收的输入信号相等地分配到多个线性功率放大器，这些功率放大器以基本上相等的功率电平耦合到该共享网络，以及在相位上相互参差排列。线性放大器独立地放大来自第一功率网络的每个相应的输出信号。第二功率共享网络接收在相位上参差排列的放大的信号，以及提供出具有相对于输入到第二功率共享网络的、在相位上参差排列的放大的输入信号的组合的功率电平的平均功率电平的输出信号。来自第二功率共享网络的输出信号然后以窄的天线波束之一辐射。在美国专利5,854,611中揭示的基站和天线系统提供与窄的天线波束的使用有关的优点，同时能避免需要用于每个单独的窄天线波束的、利用率很低的专用功率放大器。
美国专利4,618,813揭示了一种功率放大设备，其中要被单独地提供到多个输出端并供给多个输入端的信号将共享多个放大器的输出功率容量的总和。该专利说明概略地讨论了功率放大设备在多波束卫星天线系统中的应用。
                     发明概要
本发明处理的问题是如何提供在地面无线通信网的基站中实现无线信号功率放大的低成本和灵活的方法。
该问题基本上是通过这样一个方法和设备解决的，其中一个公共组的多载波功率放大器被使用来放大由基站在不同的小区中发射的无线信号。
更具体地，该问题是按以下的方式解决的。产生包括至少第一和第二无线信号的第一组低功率无线信号。产生第一无线信号，使得该信号包含着具有可被分配给蜂窝无线通信网的第一小区使用的频率的无线载波分量。产生第二无线信号，使得该信号包含着具有可被分配给蜂窝无线通信网的第二小区使用的频率的无线载波分量。对应于第一组无线信号的第二组放大的无线信号是通过使用所述公共组的多载波功率放大器去放大第一组无线信号而产生的。第二组放大的无线信号以一些相关的天线波束的形式被辐射，其中对应于第一无线信号的、放大的无线信号是以与第一小区有关的天线波束的形式被辐射，以及对应于第二无线信号的、放大的无线信号是以与第二小区有关的天线波束的形式被辐射。
本发明的一个总的目的是提供在地面无线通信网的基站中进行无线信号功率放大的低成本的和灵活的方法。
本发明的另一个目的是减小基站为了服务于一定的数目的无线载波所需要传递的最大的总的输出功率，或在给定的最大的总的输出功率的情况下服务于更多的无线载波。
又一个目的是使得输出功率能够在由一个基站提供服务的不同的小区之间重新分配。
再一个目的是使得小区中可供使用的输出功率、和射频载波频率的数目能够按小区中容量改变的要求来调整。
由本发明给出的总的优点是，它提供了在地面无线通信网的基站中进行无线信号功率放大的、低成本的和灵活的方法。
由本发明给出的更具体的优点是，基站为了服务于一定的数目的无线载波所需要的、总的最大输出功率可被减小。这意味着，基站的设备成本、功率消耗、体积和重量可被减小。
由本发明给出的又一个优点是，输出功率可以在由一个基站提供服务的不同的小区之间重新分配。
由本发明给出的再一个优点是，小区中可供使用的输出功率和射频载波频率的数目可以按小区中容量改变的要求来调整。
现在参照本发明示例性实施例和参照附图，更详细地描述本发明。
                     附图简述
图1是地面无线通信网的部件的示意图。
图2是显示用于频率复用的“4/12”的小区图案的图。
图3是显示在下行链路中由于使用功率减小功能而在需要的总的最大输出功率上统计地减小的图。
图4是显示按照本发明的第一实施例的、图1的第一基站和移动业务交换中心的细节的方框图。
图5A-5C是显示应用于图1的网络的、按照本发明的第一实施例的万法的流程图。
图6是显示180度3dB混合耦合器的方框图。
图7是显示第一基站中的功率放大装置的方框图。
图8是显示在第一基站中用于为功率放大单元定出规模(dimensioning)的方法的流程图。
图9是显示所需要的输出功率的累积分布功能的图。
                 实施例的详细描述
图1显示无线通信系统100的部件，该系统包括地面蜂窝无线通信网101(以下称为蜂窝网101)和一组移动台MS1-MS4。在图1所示的无线通信系统100中，在蜂窝网101与移动台MS1-MS4之间的通信是基于TIA/EIA IS-136空中接口技术规范的。蜂窝网101包括移动业务交换中心MSC1和被连接到移动业务交换中心MSC1的基站BS1-BS3。基站BS1-BS3提供在由移动业务交换中心MSC1提供服务的地理区域中的无线覆盖。移动业务交换中心MSC1负责对往返于位于由移动业务交换中心MSC1提供服务的地理区域中的移动台MS1-MS4之间的呼叫进行交换。应当指出，图1只包括被认为是对于说明本发明所必须的单元，以及典型的蜂窝网包括几个移动业务交换中心、大量的基站、以及其它类型的节点，诸如原籍位置寄存器。
频率复用是蜂窝网中一个关键的概念。这是一种用来对频率组进行分配以供有限的地理覆盖的区域(被称为小区)使用的技术。包含相同的频率组的各小区在地理上是分隔开的，以便允许在不同的小区中的呼叫者同时使用同一个频率而不互相干扰。图1显示由移动业务交换中心MSC1提供服务的地理区域如何被划分为五个小区C1-C5。在每个小区C1-C5中，无线覆盖分别由基站BS1-BS3之一提供。基站BS2和BS3分别提供在小区C4和C5中的无线覆盖，即，基站BS2和BS3分别提供在一个小区中的无线覆盖，而基站BS1(在下面被称为第一基站BS1)提供在三个小区C1-C3中的无线覆盖，即，基站BS1提供在多个小区中的无线覆盖。从基站BS1-BS3中的任一个基站向移动台MS1-MS4的无线信号发送被称为是在下行链路方向上发生的，而从移动台MS1-MS4中的任一个移动台向基站BS1-BS3中的任一个基站的无线信号发送被称为是在上行链路方向上发生的。
频率规划是用以把各个射频分配给蜂窝网内的小区的一种处理过程。当前的大多数频率规划是事先完成的，即，固定的频率计划是由每个蜂窝网运营者以“硬连线”固定的。这被称为固定信道分配(FCA)。图2显示FCA方案的一个例子：它具有用于频率复用的所谓的“4/12”小区图案的形式。“4/12”小区图案被应用于图1的蜂窝网101在这个复用方案中，被分配给蜂窝网101的总的频带被划分成12个频率组FA1-FA3，FB1-FB3，FC1-FC3和FD1-FD3。每个小区按照图2所示的图案被分配以一个频率组，例如，小区C1-C5被分配以频率组FA1-FA3，FB2和FD1，如图1所示。
自适应信道分配(ACA)是一种通过蜂窝网动态分配频率以使得网络容量最大化的方法。在ACA方案下，更多的频率从更轻的负载的小区被分配给繁忙的小区。另外，信道可被这样分配以使得所有的链路具有满意的质量。提出了多种不同的ACA方案，诸如在国际专利申请WO 97/32444和美国专利5,491,837中提出的方案。可以指出，在分配一个频率供小区中使用(即，使得频率在小区中可供使用)和实际上通过使用分配的频率进行射频载波的发送这二者之间，是有区别的。分配频率和实际上使该频率用于无线发送这两个步骤，无论如何，实质上是可同时发生的。
蜂窝网101中每个基站BS1-BS3的成本中的主要部分是与由基站发送的无线信号的功率放大有关的。涉及到功率放大设备的成本实际上正比于基站被设计要传递的总的最大输出功率。所以，重要的是尽可能有效地利用基站中可提供的输出功率，以及极力减小所需要的总的最大输出功率。由于基站被设计成传递更小的总的最大输出功率，因此不仅能减小设备成本而且也减小了功率消耗、体积和重量。
有多种已知的功率减小功能，诸如功率控制和间断的发送(可替换地，称为受话音操纵的发送)，它在被应用于射频载波时，可导致平均射频载波信号功率的减小。这些功率减小功能已被使用来减小蜂窝网中的干扰电平，以及通过节省电池功率而延长移动台的运行时间。当这样的功率减小功能被应用于在下行链路方向上由基站发送的射频载波时，它们使得基站所需要传递的总输出功率达到统计上的减小以便能够支持一定的数目的射频载波。所需要的总的输出功率的统计减小依赖于：如果输出功率对于每个载波在每个时隙上被单独地设置，则在如果具有足够数目的射频载波的情况下，极不可能出现这种最坏的情形，即所有的射频载波同时需要最大输出功率。由于最坏情形具有非常低的概率，基站不需要被设计成提供足够的输出功率来应付最坏的情形。相反地，基站可被设计成提供足够的输出功率来确保对于其中基站不能提供足够输出功率的情形出现时有可接受的概率，即足够低、但不是零的概率。
图3是显示当功率控制被单独地应用于下行链路方向上每个射频载波的每个时隙时，作为射频载波的数目N的函数的、所需要的总的输出功率PRED1(以dB计)的统计上的减小的估值的图。
如图3所示，假如射频载波的数目足够高，则下行链路控制功能的使用被估计为使得所需要的输出功率的统计减小约为4dB。因此，与被设计成支持5个射频载波的功率放大器相比，被设计来支持15个射频载波的功率放大器可以设计成使得每个射频载波传递小得多的输出功率。
本发明提供在小区中有几个射频载波的情形下进一步减小需要基站传递的总的最大输出功率的方法，以便从下行链路方向上功率减小功能的利用中充分获益。
在像图1的蜂窝网101那样的地面蜂窝无线通信网中通常出现的情形是：容量需求在给定的时间间隔期间是随着不同的小区而起伏变化的。如果在一个举例的情形下，小区C1基本上覆盖一个体育中心，小区C2覆盖一个购物区域，以及小区C3覆盖一个办公区域，在小区C1-C3中的容量需求可以预期呈现重大的起伏。而且，在给定的时间点，容量需求在所有三个小区中将不会同时处在它的峰值。在小区C1中容量需求只在体育中心有某个重大的事件时(典型地，一星期的几个晚上)才是高的。在小区C2中容量需求只在购物时间(例如午餐时间和工作日晚上的较早期间)才是高的。在小区C3中容量需求只在办公时间期间才是高的。通过应用某种自适应小的分配方案，蜂窝网101能够根据小区中容量需求的改变来调整被分配给每个小区C1-C3的频率组。然而，如果小区C1由于在足球比赛时的额外的容量需求而被分配以一个或几个附加的频率，则第一基站BS1必须能够在小区C1中传递足够的输出功率来支持在附加的频率上的下行链路发送。因此，为了从由ACA方案提供的、在小区C1中分配附加的频率来支持额外的容量需求的可能性中获益，则第一基站BS1需要被设计成在小区C1中有空闲的输出功率容量，这种空闲容量是很少被利用的。
本发明提供对于下述问题的解决方案，该问题是：使得第一基站BS1能够在小区C1中提供足够的输出功率来支持分配附加的频率给小区C1而不需要第一基站BS1被设计成在小区C1中具有利用率不足的空闲输出功率容量。
本发明的基本原理是使用一个公共组的多载波放大器来放大由一个基站在地面蜂窝网的不同的小区中发送的无线信号。
本发明的基本原理可被应用于本发明的不同的实施例，以便在下行链路功率减小功能被使用时，达到基站的所需要的总的最大输出功率的进一步的统计的减小，和/或避免需要在小区中设计具有空闲输出功率容量的基站来支持使用自适应信道分配方案的附加频率的分配。
使用一个服务于一个以上的小区的公共组的多载波功率放大器以代替服务于每个单个小区的单个组的多载波功率放大器，意味着该公共组的多载波功率放大器比起每个单个组的多载波功率放大器处理的射频载波的数目来说，可处理增加的数目的射频载波。所以，正如结合图3讨论的，公共组的多载波功率放大器的使用，与下行链路功率减小功能(诸如下行链路功率控制或间断地发送)的使用相组合，可以造成基站的所需要的总的最大输出功率的减小。
使用一个公共组的多载波功率放大器来服务于一个以上的小区，也使得基站能够在不同的小区之间分配由公共组的多载波功率放大器产生的总输出功率的改变的量。所以，只要在所有的小区中的总的功率要求不超过由公共组的多载波功率放大器能够产生的最大输出功率，就有可能把输出功率分配给一个小区来支持分配给该小区的附加频率。
现在参照图4到图7描述正如应用于图1所示的地面蜂窝无线通信网101的本发明的示例的第一实施例。
图4显示按照本发明的第一实施例的第一基站BS1和移动业务交换中心MSC1的更多的细节。
第一基站BS1包括无线信号产生装置401、功率放大单元402和天线系统403。
无线信号产生装置包括数字基带单元404，后者被连接到三个多载波收发信机405-407。
功率放大单元402包括功率共享网络408，该网络具有多个输入端口420-423和输出端口424-427、一个公共组的多载波功率放大器409-412(每个功率放大器具有输入端和输出端)；以及还包括反向功率共享网络413，该网络具有多个输入端口428-431和输出端口432-435。每个放大器409-412通过它的输入端口被连接到功率共享网络408的输出端口424-427之一，以及通过它的输出端口被连接到反向功率共享网络413的输入端口428-431之一。
天线系统403包括第一天线414、第二天线415和第三天线416。天线414-416的每一个与三个小区C1-C3中的不同的小区相联系，以及提供用于覆盖相关的小区的天线波束417-419。
第一基站BS 1也包括一个或几个控制处理器(图4上未示出)，用于控制第一基站BS1的总的运行，以及处理与移动业务交换中心MSC1之间的通信。
移动业务交换中心MSC1包括一个或几个控制处理器440，用于执行被存储在一个或几个存储器单元441中的程序指令。
第一基站BS1和移动业务交换中心MSC1通过使用光纤或无线链路互相通信。
图5A显示按照本发明的示例性第一实施例的、在蜂窝网101中用于发送无线信号的方法的一部分。
在步骤501，第一组低功率的无线信号S11-S13由无线信号产生装置401产生。第一组低功率的无线信号S11-S13包括第一无线信号S11、第二无线信号S12、和第三无线信号S13。产生与第一小区C1相联系的第一信号S11，使得它包含具有被分配用于第一小区C1的射频载波分量。同样地，产生与第二小区C2相联系的第二信号S12，使得它包含具有被分配用于第二小区C2的射频载波分量，以及产生与第三小区C3相联系的第三信号S13，使得它包含具有被分配用于第三小区C3的射频载波分量。
基带单元404接收来自移动业务交换中心MSC1的、关于哪些射频载波分量应当被包括在三个信号S11-S13中的每个信号中的指令，以及产生对应于所述信号S11-S13的三个数字基带信号。数字信号被传送到三个多载波收发信机405-407，后者通过执行相应的数字基带信号的数字到模拟变换和射频变换从而产生三个信号S11-S13。
步骤502-504通过在功率放大单元402中放大第一组无线信号S11-S13而产生相应于第一组无线信号S11-S13的第二组放大的无线信号S21-S23，即，第二组无线信号S21-S23包含着在第一组无线信号S11-S13中的每个信号的放大的形式。
在步骤502，第三组无线信号S31-S34由功率共享网络408在它的输出端口424-427处提供。功率共享网络408在它的输入端口420-422处接收第一组无线信号S11-S13，以及把第一组无线信号S11-S13中的每个信号的一部分分配到它的每个输出端口424-427。第一组无线信号S11-S13中的每个信号按照具有几乎相等的功率电平和在相位上参差排列的份额被分配到每个输出端口424-427。因此，在第三组无线信号中的每个信号S31-S34将包含第一无线信号S11的相等的部分。然而，在信号S31和S32中的第一无线信号S11的部分在相位上是互相偏移的。
在步骤503，通过在公共组的多载波功率放大器409-412的一个放大器中放大第三组无线信号S31-S34的每个信号而提供第四组无线信号S41-S44。
在步骤504，第二组无线信号S21-S23由反向功率共享网络413在它的输出端口432-434处提供。反向功率共享网络413对第四组无线信号S41-S44执行功率共享网络408的反向操作。因此，反向功率共享网络413通过重新组合在来源于第一无线信号S11的第三组S31-S34中的每个信号的内容而提供信号S21，它是在第二组无线信号中对应于第一信号S11的信号。
在步骤505，相应于第一组无线信号S11-S13的第二组无线信号S21-S23以各个相关的天线波束417-419的形式被辐射，即，信号S21(它是相应于第一无线信号S11的放大的无线信号)由第一天线414以它的天线波束417的形式被辐射，信号S22(它是相应于第二无线信号S12的放大的无线信号)由第二天线415以它的天线波束418的形式被辐射，以及信号S23(它是相应于第三无线信号S13的放大的无线信号)由第三天线416以它的天线波束419的形式被辐射。
图6和图7给出关于图4的功率放大单元402可如何被实施的详细的例子。
图6显示180度3dB混合耦合器601。如果加到混合耦合器601的输入信号是S61和S62，则输出信号S63和S64是：
S63＝(1/√2)*(S61-S62)                  (1)
S64＝(1/√2)*(S61+S62)                  (2)
图7显示功率共享网络408和反向功率共享网络413可如何被设计为使用180度3dB混合耦合器的所谓的Bulter矩阵。
正如从图4和图7看到的，功率共享网络408具有四个输入端口420-423，而只有三个这些输入端口420-422被使用来接收第一组无线信号S11-S13中的信号。
把功率共享网络408和反向功率共享网络413设计为具有四个输入端口和四个输出端口的Bulter矩阵的主要理由是：具有2n个输入端口和输出端口(例如，2，4，8，或16个端口)的Bulter矩阵，比起具有任何其它数目的端口的Bulter矩阵受到更少的损耗。
在图4和图7中，功率共享网络输入端口423被连接到地，而反向功率共享网络输出端口435被连接到监视器436。监视器436检验：在输出端口435处没有接收到信号，即，输出端口435处在地电平。如果实际上由监视器在输出端口435处接收到不同于地的信号，这是表示在功率放大单元402的某个地方有故障，以及监视器可以向运行和维护人员提供一个错误指示。
蜂窝网101对所有小区C1-C5的下行链路方向上的传输施加功率控制。在下行链路方向上施加功率控制意味着：在下行链路方向上一个射频载波上的一个时隙内的发射功率被调整到使得无线信号能以足够的信号强度到达移动台所需要的实际的功率。在TIA/EIA-136-131-A“数字业务信道层1”中，规定了一个快速功率控制(FPC)比特被使用于上行链路和下行链路方向。移动台测量接收信号质量，以及通过在上行链路方向上的相应的时隙里它的发送中将FPC比特设置为1或0，从而请求第一基站增加或减小发射功率。第一基站BS1综合若干个接连的FPC比特中的已接收的增加/减少请求，以便确定下行链路发射功率是否应该调节，因此移动台可以请求第一基站BS1通过发送交替的FPC比特图形来维持当前的输出功率。
第一基站BS1被设计成从先前讨论的由于在下行链路方向上施加功率控制而造成的、所需要的输出功率的统计减小中获益。第一基站BS1例如可以被设计成支持在每个小区C1-C3中的五个射频载波同时发送，即，功率放大单元402被设计成传递支持15个射频载波同时发射的总的最大输出功率。天线馈电器典型地需要馈送11瓦以用于单个射频载波的下行链路发射。这样，在没有任何功率减小功能(例如下行链路功率控制)的情况下，功率放大单元必须被设计成传递约165瓦的总的最大输出功率。然而，由于使用下行链路功率控制(它对于15个射频载波可以使得所需要的输出功率达到约3.9dB或约2.5倍的统计减小)，功率放大单元402被设计成传递66瓦就足够了。
作为比较，一个被设计成支持在三个小区中有五个射频载波同时发射、并具有用于每个小区的分开的功率放大单元的基站，如果不使用下行链路功率减小功能的话，也必须被设计成传递约165瓦的总的最大输出功率。使用在每个小区中的下行链路功率控制，意味着每个分开的功率放大单元所需要的输出功率仅仅有约2dB或约1.6倍的统计减小，以及所需要的总的最大输出功率是约103瓦。
图8以更一般的方式显示用于定出功率放大单元402的规模的方法，即，选择它的最大输出功率的方法。
在步骤801，对于在依靠功率放大单元402来执行功率放大的小区组C1-C3中多达规定的最大数目NMAX的射频载波的同时传输，确定功率放大单元402所需要的总的输出功率PREQ的统计分布。在这个特定的事例中，功率放大单元402执行对于在由第一基站BS1提供服务的三个小区C1-C3中的第一基站BS1发送的所有的射频载波的功率放大，即，功率放大单元402需要能够支持最大15个射频载波。
作为例子，图9显示当第一基站BS1使用多达15个射频载波运行在造成1％的阻塞概率的业务条件下时，功率放大单元402所需要的总的最大输出功率PREQ的累积分布函数901。沿着水平轴，所需要的总的输出功率PREQ是依据总输出功率比起相应于15个载波的最大发射功率的总输出功率(即165瓦)而言减小了多少来表示的。应当指出，只是在繁忙时间期间，第一基站BS1才以高达1％的阻塞概率运行的。
在步骤802，根据在步骤801确定的统计分布来定出功率放大单元420的规模。这样来定出功率放大单元402的规模以便使其能传递总的最大输出功率，该总的最大输出功率提供功率放大单元402不能足够地提供的、用于同时发射规定的最大数目的射频载波的输出功率的可接受的非零的概率。在本特定的事例中，当第一基站BS1运行在造成1％的阻塞概率的业务条件下时，功率放大单元402不能提供足够的输出功率的5％的概率被认为是可接受的，所以，根据图9上的累积分布函数901，功率放大单元402被设计成传递66瓦的总的最大输出功率，即，比165瓦小3.9dB。
而且，蜂窝网101利用这样一种自适应信道分配方案，它允许被分配用于每个单独的小区C1-C3的频率组将会被加以调整，以便去适应容量要求的变化。图1上蜂窝网101中使用的信道分配方案是基于按照图2的固定的信道分配方案，对于该分配方案，补充地临时分配一个外借的频道，以供一个需要附加的频率来服务于当前的容量需求的小区使用。因此，在任何给定的时刻，被分配给一个小区的频率组包括按照基本地固定信道分配方案分配的基本频率组(不包括供其它小区使用的外借的频率)，以及也可包括从其它小区外借的附加频率组。
图5B和5C显示在按照本发明的第一示例性实施例的蜂窝网101中使用的自适应信道分配方案。
在图5B的步骤510，由移动业务交换中心MSC1接收在小区C1-C3中被选择的一个小区中对于通信的请求，并且该移动业务交换中心MSC1包括接收装置440，441，用于接收在所述至少一个小区C1，C2中所选择的小区C1中对于通信的请求。所选择的小区例如可以是小区C1。
在步骤511，移动业务交换中心MSC1确定在选择的小区C1中被分配使用的频率组是否足以服务于对于通信的请求。
如果确定频率组是足够的(二者选一的“是”)，则在步骤512检验在已在使用的频率上是否有空闲的容量，即，是否有可供使用的时隙。如果在已在使用的频率上有可供使用的时隙(二者选一的“是”)，则在步骤513，把可供使用的时隙分配来服务于通信请求。如果有几个分配的频率其上有可供使用的时隙，则移动业务交换中心MSC1在分配附加频率组中的一个频率上的时隙之前，尝试分配在基本频率组中的一个频率上的时隙。
如果在步骤512确定在已在使用的频率上没有可供使用的时隙(二者选一的“否”)，则把新的频率投入使用。因此，在步骤514，选择被分配给小区C1、但没有在使用的一个频率，在步骤515，选择的频率被登记为正在使用的，以及在步骤516，在选择的频率上的一个时隙被分配来服务于通信请求。
如果在步骤511确定当前被分配给小区C1的频率组是不足以服务于通信请求的(二者选一的“否”)，则移动业务交换中心MSC1进入到步骤517，以便确定被分配用于蜂窝网101的、但当前没有在小区C1的附近区域中被使用于通信的候选的频率组。在本发明的第一实施例中，在候选的频率组中包括一个候选频率是足够的。在步骤517，移动业务交换中心MSC1使用被存储在存储器单元441中的配置数据来确定哪些小区是小区C1的附近的区域，以及检查频率的登记状态，即，它们是作为在所述小区中正在使用于通信的、还是不在使用于通信的频率而被登记在存储器单元441中的。寻找候选频率的过程是以两个步骤来执行的。首先，在属于被分配给与小区C1紧接相邻的小区的、以及优选地被分配给由第一基站(BS1)提供服务的其它的小区C2-C3之一的基本频率组的频率中间识别潜在的候选频率。然后，检验潜在的候选频率在离小区C1的、相应于复用距离的一个距离(即，在按照所采用的“4/12”小区复用图案而被分配了同一个基本频率组的两个小区之间的距离)内的任何小区中没有在使用。这样，可确保在候选频率被临时分配在小区C1中使用时，在蜂窝网101中不会引入重大的附加的同信道干扰。
在步骤518，移动业务交换中心MSC1借用(即，临时分配)候选频率作为附加频率，以供在小区C1中使用。为了完成这种临时分配候选频率给小区C1，候选频率在小区C1的附近的小区中被临时解除分配，即，被标记为不可供使用的。这样，只要候选频率被分配给小区C1，它就不再被使用于在小区C1的附近的小区中进行通信。
在步骤519，在附近频率上的时隙被分配来服务于通信请求。
图5C显示当通信会话完成时执行的一系列步骤。
在图5C的步骤530，时隙被释放，在步骤531，检验释放的时隙是否为在射频载波上使用的最后的时隙。如果该时隙不是最后的时隙(二者选一的“否”)，即，该射频载波仍旧在有效地使用于通信，则在步骤532，把时隙标记为可供使用的。如果在步骤531，时隙确实被确定为最后的时隙(二者选一的“是”)，则在步骤533检验该射频载波是否为一个附加频率，从而仅仅临时分配给小区C1。如果该射频载波不是附加频率(二者选一的“否”)，则在步骤534，把射频载波登记为不工作的。如果射频载波频率实际上是附加频率，则在步骤535，将该载波频率从小区C1被解除分配，即，该频率重新被做成在小区C1附近的那些小区中可供使用的，其中该频率是被分配给所述那些小区的基本频率组中的一部分。
在小区C1中对临时分配的附加频率实行解除分配的另一种方式中，在每次释放时隙时检验在小区中的基本频率组内是否有足够的容量来处理正在进行的通信会话，如果是的话，把通信会话从附加频率移到基本频率组中的频率，然后解除分配该附加频率。
除了上述的本发明的示例性第一实施例之外，还可以提供几种对第一实施例的重新安排、修改和替换的方式，从而导致产生本发明的另外的实施例。
有几种不同于图4和图7所揭示的特定实施例的、用于实施第一基站BS1的功率放大单元的替换的方式。安排功率放大单元的其它方式的例子可以在例如美国专利5,854,611和美国专利4,618,813中找到。
代替由第一基站BS1使用单个天线波束服务于每个各个小区，如图4所示，可以使用几个窄的天线波束来服务于每个各个小区。在本发明的这个实施例中，第一和第二组无线信号包括不单单一个而是几个与每个相应的小区有关的无线信号。对于每个窄的天线波束，有第一组无线信号中的一个低功率的无线信号和第二组无线信号中相应的放大的无线信号。
代替服务于三个小区C1-C3，第一基站BS1被调整为只服务于两个小区或服务于三个以上的小区。而且，第一基站BS1可被调整为服务于被安排在分级小区结构中的小区，例如，通过服务于附加的伞状小区从而提供在重叠小区C1-C3中至少一个小区的区域中的无线覆盖。
在本发明的第一实施例中，移动业务交换中心MSC1以及特别是控制处理器440和存储器单元441可以执行大量不同的任务，以及具体地可以被用作为：
-控制装置，用于控制在第一组无线信号S11-S13中的每个信号中由无线信号产生装置401所包括的射频载波分量组；其中控制装置440，441用来指示无线信号产生装置401产生第一无线信号S11，以便包含具有被分配在蜂窝无线通信网101的第一小区C1中使用的频率的射频载波分量，以及所述天线系统403用来以与第一小区C1有关的天线波束417的形式辐射与第一无线信号S11对应的放大的无线信号S21，
其特征在于，控制装置440，441用来指示无线信号产生装置401产生第二无线信号S12，以便包含具有被分配在蜂窝无线通信网101的第二小区C2中使用的频率的射频载波分量，以及所述天线系统403用来以与第二小区C2有关的天线波束418的形式辐射与第二无线信号S12对应的放大的无线信号S22。
-自适应装置440，441，用于响应于在所述至少一个小区中容量要求的预测的或实际的改变而调整被分配在所述第一和第二小区C1，C2的至少一个小区中使用的频率组；
所述自适应装置440，441用来确定被分配在所选择的小区C1中使用的当前的频率组是否足以服务于对于通信的请求，以及如果当前的频率组是不足够的，则分配至少一个附加频率在选择的小区C1中使用；
所述自适应装置440，441用来确定被分配在地面蜂窝无线通信网101中使用的、但当前在选择的小区C1附近却没有被用于通信的其中包括至少一个频率的候选的频率组，以及从候选的频率组中选择至少一个附加频率；
所述自适应装置440，441用于选择至少一个附加频率来作为由测量装置BS1所测量的、和被确定为经受低于预定的电平的干扰的频率。
-登记装置，用于登记当前正在有效地使用于通信的那些频率。
当然，作为替代，这些任务中的某些任务有可以在基站控制器(BSC)或在地面蜂窝网中某些其它种类的无线网控制器(RNC)中被执行。
就本发明而言，有可能在下行链路方向上施加任何功率减小功能，以达到对基站发射的所需要的总输出功率的统计减小。当然，有可能组合地施加几种不同的功率减小功能，从而达到甚至更大的统计减小。因此，当在GSM地面蜂窝网中实施本发明时，按照GSM技术规范的下行链路功率控制和间断发射可以、并优选地应当被加以使用。当然，也可以设想把某种下行链路间断发射方案添加到TIA/EIA IS-136技术规范的将来的修订版本中，这些修订版本例如是基于当前在TIA/EIA IS-136中规定的上行链路间断发射方案，以及还可设想修正前面描述的本发明的第一实施例，以便应用下行链路功率控制与间断发射的组合使用并从这种组合使用中获益。
在本发明的第一实施例中，无论何时在一个时隙中来自功率放大单元402的需要的输出功率超过功率放大单元402的功率放大容量时，功率放大单元402将不能提供足够的输出功率以用于在时隙上所有的工作的射频载波上的突发的发送。
一种处理发生功率放大单元402不能传递足够的输出功率情形的方法是：制止在一个或几个工作的射频载波上发送突发，以便确保功率放大单元402的功率放大能力不被超过。不在其上发射突发的载波可以随机地进行选择。
处理这些情形的另一个方式是在所有的工作的射频载波上发射突发，但只在一个或几个射频载波上以较小的功率发射，以便确保功率放大单元402的功率放大能力不被超过。例如，可以使在所有的工作的射频载波上的发射功率均等地减小。如果通过减小在所有的工作的射频载波上的发射功率可以使在某些射频载波上的发射功率增加，则具有最低的发射功率的载波的发射功率首先被增加。或者，替代减小在所有的工作的射频载波上的发射功率，可以首先减小最强的射频载波的发射功率。
在本发明的第一实施例中使用的自适应信道分配方案仅仅是在本发明中可被使用的许多不同的ACA方案的一个例子。
替代根据移动业务交换中心的关于在被选择的小区附近的小区中哪些频率实际上正在被使用于通信的知识来选择在被选择的小区中供分配用的附加频率，该选择可以根据在被选择的小区中对于在当前未分配给被选择的小区的频率上的干扰电平的测量结果来进行。在这个方案中，被选择来分配给小区的附加频率是被确定为经受低于预定的电平的干扰的一个被测量的频率，并且在使用本发明的地面蜂窝无线通信网(101)中包括测量装置，用于在选择的小区C1中测量在当前没有被分配给选择的小区C1的一个频率组上的干扰电平。测量可以在被选择的小区中接收到对于通信的请求后，当检测到在被选择的小区中被分配使用的频率组不足以服务于对于通信的请求时被发起。然而，为了在处理对于通信的请求时不引入不必要的延时，最好是不断地执行干扰电平测量。该测量可以由在服务于选择的小区的基站中的扫描接收机执行，正如在公布的国际专利申请WO 97/32444中提出的那样。
正如本领域技术人员将会看到的，本发明的应用绝不是只限于遵从EIA/TIA IS-136技术规范的地面蜂窝通信网。因此，只要蜂窝网包括服务于几个小区的基站，本发明也可应用于遵从GSM-，PDC，AMPS，TACS，NMT，或IS-95技术规范和这些技术规范的发展(诸如EDGE或GPRS)的蜂窝网。

Claims (25)

1.包括至少第一基站(BS1)的地面蜂窝无线通信网(101)，该第一基站(BS1)包括：
无线信号产生装置(401)，用来产生第一组低功率无线信号(S11-S13)，其中包括至少第一无线信号(S11)和第二无线信号(S12)；
功率放大单元(402)，用来通过使用公共组的多载波功率放大器(409-412)放大第一组无线信号从而产生对应于第一组无线信号(S11-S13)的第二组放大的无线信号(S21-S23)；
天线系统(403)，用来以相关的天线波束(417-419)的形式辐射第二组放大的无线信号(S21-S23)；
蜂窝无线通信网(101)还包括：
控制装置(440，441)，用于控制被包括在第一组无线信号(S11-S13)的每个信号中的、由无线信号产生装置(401)产生的射频载波分量组，
其中控制装置(440，441)用来指示无线信号产生装置(401)产生第一无线信号(S11)，以便包含具有被分配在蜂窝无线通信网(101)的第一小区(C1)中使用的频率的射频载波分量，以及所述天线系统(403)用来以与第一小区(C1)有关的天线波束(417)的形式辐射与第一无线信号(S11)对应的放大的无线信号(S21)，
其特征在于，控制装置(440，441)用来指示无线信号产生装置(401)产生第二无线信号(S12)，以便包含具有被分配在蜂窝无线通信网(101)的第二小区(C2)中使用的频率的射频载波分量，以及所述天线系统(403)用来以与第二小区(C2)有关的天线波束(418)的形式辐射与第二无线信号(S12)对应的放大的无线信号(S22)。
2.按照权利要求1的地面蜂窝无线通信网(101)，其中功率放大单元(402)，除了公共组的多载波功率放大器(409-412)以外，还包括功率共享网络(408)和反向功率共享网络(413)，该功率共享网络(408)和反向功率共享网络(413)都具有多个输入和输出端口(420-435)，在公共组的多载波功率放大器(409-412)中的放大器的每一个具有被连接到功率共享网络(408)的输出端口的输入端口，以及具有被连接到反向功率共享网络(413)的输入端口的输出端口，
功率共享网络(408)用来通过在它的输入端口(420-422)接收第一组无线信号(S11-S13)和把第一组无线信号的每个信号(S11-S13)的一些部分分配到它的每个输出端口(424-427)，从而在它的输出端口(424-427)处提供第三组无线信号(S31-S34)，
公共组的多载波功率放大器(409-412)用来通过在多载波功率放大器的每一个中放大在它的输入端口接收到的第三组无线信号中的信号，从而提供第四组无线信号(S41-S44)，
反向功率共享网络(413)，用来通过在它的输入端口(428-431)接收第四组无线信号(S41-S44)和执行功率共享网络(408)的相反的运行，从而在它的输出端口(432-434)处提供第二组无线信号(S21-S23)。
3.按照权利要求2的地面蜂窝无线通信网(101)，其中功率共享网络(408)用来把第一组无线信号(S11-S13)中的每个信号按几乎相等的功率电平的部分分配到它的每个输出端口(424-427)。
4.按照权利要求2-3的任一项的地面蜂窝无线通信网(101)，其中功率共享网络(408)用来把第一组无线信号(S11-S13)中的相位上参差排列的各个信号的各部分分配到它的每个输出端口(424-427)。
5.按照权利要求1-3的任一项的地面蜂窝无线通信网(101)，其中功率放大单元(402)用来执行在由第一基站(BS1)提供服务的、其中包括至少第一小区(C1)和第二小区(C2)的一组小区(C1-C3)中的下行链路上发射的所有射频载波的功率放大，以及蜂窝无线通信网(101)用来把功率减小功能施加到在小区组(C1-C3)的下行链路方向上的发送。
6.按照权利要求1-3的任一项的地面蜂窝无线通信网(101)，其中蜂窝无线通信网包括：
自适应装置(440，441)，用于响应于在所述至少一个小区中容量要求的预测的或实际的改变而调整被分配在所述第一和第二小区(C1，C2)的至少一个小区中使用的频率组。
7.按照权利要求6的地面蜂窝无线通信网(101)，其中蜂窝无线通信网(101)还包括：
接收装置(440，441)，用于接收在所述至少一个小区(C1，C2)中所选择的小区(C1)中对于通信的请求，
所述自适应装置(440，441)用来确定被分配在所选择的小区(C1)中使用的当前的频率组是否足以服务于对于通信的请求，以及如果当前的频率组是不足够的，则分配至少一个附加频率在选择的小区(C1)中使用。
8.按照权利要求7的地面蜂窝无线通信网(101)，其中蜂窝无线通信网(101)包括：
登记装置(440，441)，用于登记当前在选择的小区(C1)附近正在有效使用于通信的那些频率，
所述自适应装置(440，441)用来确定被分配在地面蜂窝无线通信网(101)中使用的、但当前在选择的小区(C1)附近却没有被用于通信的其中包括至少一个频率的候选的频率组，以及从候选的频率组中选择至少一个附加频率。
9.按照权利要求7的地面蜂窝无线通信网(101)，其中蜂窝无线通信网包括：
测量装置，用于在选择的小区(C1)中测量在当前没有被分配给选择的小区(C1)的一个频率组上的干扰电平，以及
所述自适应装置(440，441)用于选择至少一个附加频率来作为由测量装置(BS1)所测量的、和被确定为经受低于预定的电平的干扰的频率。
10.按照权利要求9的地面蜂窝无线通信网(101)，其中测量装置用来连续地测量在选择的小区(C1)中的干扰电平。
11.按照权利要求1-3的任一项的地面蜂窝无线通信网(101)，其中蜂窝无线通信网(101)包括所述第一基站(BS1)被连接到的移动业务交换中心(MSC1)，该交换中心包括控制装置(440，441)。
12.按照权利要求9的地面蜂窝无线通信网(101)，其中第一基站(BS1)包括测量装置。
13.在包括至少第一基站(BS1)的地面蜂窝无线通信网(101)中发射无线信号(S21-S23)的方法，该方法包括在第一基站(BS1)中执行的以下步骤：
(a)产生(501)第一组低功率无线信号(S11-S13)，其中包括至少第一无线信号(S11)和第二无线信号(S12)；
(b)通过使用公共组的多载波功率放大器(409-412)放大第一组无线信号，从而产生(502-504)相应于第一组无线信号(S11-S13)的第二组放大的无线信号(S21-S23)；
(c)以相关的天线波束(417-419)的形式辐射(505)第二组放大的无线信号(S21-S23)；
其中产生第一无线信号(S11)，以便包含具有被分配在蜂窝无线通信网(101)的第一小区(C1)中使用的频率的射频载波分量，以及以与第一小区(C1)有关的天线波束(417)的形式来辐射与第一无线信号(S11)对应的放大的无线信号(S21)，
其特征在于，产生第二无线信号(S12)，以便包含具有被分配在蜂窝无线通信网(101)的第二小区(C2)中使用的频率的射频载波分量，以及以与第二小区(C2)有关的天线波束(418)的形式来辐射与第二无线信号(S12)对应的放大的无线信号(S22)。
14.按照权利要求13的方法，其中产生步骤(b)包括以下子步骤：
(d)通过把第一组无线信号的每个信号(S11-S13)的一部分分配在第三组无线信号(S31-S34)的每个信号中，从而提供(502)第三组无线信号(S31-S34)；
(e)通过在多载波功率放大器(409-412)之一中放大第三组无线信号(S31-S34)中的每个信号，从而提供(503)第四组无线信号(S41-S44)；
(f)通过对第四组无线信号(S41-S44)执行与步骤(d)相反的操作从而提供(504)第二组无线信号。
15.按照权利要求14的方法，其中第一组无线信号(S11-S13)中的每个信号被分配成具有基本上相等的功率电平的各部分。
16.按照权利要求14或15的任一项的方法，其中第一组无线信号(S11-S13)中的每个信号在相位上参差排列地进行分布。
17.按照权利要求13-15的任一项的方法，其中地面蜂窝无线通信网(101)把功率减小功能施加到由第一基站(BS1)提供服务的、其中至少包括第一小区(C1)和第二小区(C2)的小区组(C1-C3)的下行链路方向上的发送。
18.按照权利要求13-15的任一项的方法，其中方法还包括以下步骤：
(g)响应于在所述至少一个小区中容量要求的预测的或实际的改变，调整(511-518)被分配在所述第一和第二小区(C1，C2)中的至少一个小区中使用的频率组。
19.按照权利要求18的方法，其中步骤(g)包括以下子步骤：
(h)接收(510)在所述至少一个小区(C1，C2)中所选择的小区(C1)中对于通信的请求；
(i)确定(511)被分配在选择的小区(C1)中使用的当前的频率组不足以服务于对于通信的请求；
(j)分配(518)至少一个附加频率在选择的小区(C1)中使用。
20.按照权利要求19的方法，其中步骤(g)包括以下子步骤：
(k)登记(515，532)当前在选择的小区(C1)附近正在被使用于通信的那些频率；
(l)确定(517)被分配在地面蜂窝无线通信网(101)中使用的、但当前在选择的小区(C1)附近却没有被用于通信的其中包括至少一个频率的候选的频率组，
其中在步骤(j)中分配的至少一个附加频率是从候选组中被选择的。
21.按照权利要求19的方法，其中步骤(g)还包括以下步骤：
(m)测量在选择的小区(C1)中在当前没有被分配给选择的小区(C1)的频率组上的干扰电平，
其中在步骤(j)中分配的至少一个附加频率是在步骤(m)中测量的、和被确定为经受低于预定的电平的干扰的频率。
22.按照权利要求21的方法，其中测量步骤(m)被连续地执行。
23.按照权利要求21的方法，其中测量步骤(m)是在步骤(h)接收到对于通信的请求后发起的。
24.在按照权利要求5的地面蜂窝无线通信网(101)的第一基站(BS1)中定出功率放大单元(402)的规模的方法，该方法包括以下步骤：
(a)确定(801)对于在小区组(C1-C2)中同时发射多达规定的最大数目的射频载波所需要的功率放大单元(402)的总的输出功率的统计分配(901)；
(b)根据在步骤(a)确定的统计分配(901)，定出(802)功率放大单元(402)的规模。
25.按照权利要求24的方法，其中功率放大单元(402)在步骤(b)被定出规模，以便使其能传递总的最大输出功率，该总的最大输出功率提供了可接受的非零概率，所述概率是指功率放大单元(402)不能提供足够的输出功率来同时发射规定的最大数目的射频载波的情况。
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