CN1246260A - 定向无线通信的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在一个第一站点和一个第二站点之间进行定向无线通信的方法包括下述步骤。在第一站点接收第二站点发送的第一信号。可以从多个不同方向接收第一信号。确定第一站点接收第一信号的主要射束方向。在第一站点定义多个发送发射射束的射束方向。各个射束方向是可选的。在第一站点选择确定主要射束方向和至少一个其它的辅助射束方向。至少一个辅助射束方向与确定主要射束方向相邻。在选定射束方向上从第一站点向第二站点发送一个第二信号。

Description

定向无线通信的方法和装置

本发明涉及定向无线通信的方法和装置，其中第一基站和第二基站间的信号只可以在确定的方向上发送。特别地，但不仅于此，本发明可用于使用空分多址的蜂窝通信网。

在当前实现的蜂窝通信网中，一个基收发器站(BTS)为了给指定移动站(MS)发送信号，该基收发器站(BTS)一般在该基收发器站服务的整小区或小区扇区发送信号。而现在提出了空分多址(SDMA)系统。在一个空分多址系统中，基收发器站不会在整个小区或小区扇区内的一个指定的移动站发送信号，而只会沿着从移动站接收信号的射束方向发送信号。SDMA系统还可以允许基收发器站确定从移动站接收信号的方向。

SDMA系统可以得到一些超过现有系统的优点。具体地，由于BTS发送的射束只可以在一个特定的方向上发送，并且方向相对较窄，收发器的功率可以被集中到窄射束上。可以确定这种方法对于基收发器站发送的信号和基收发器站接收的信号均可得到较好的信噪比。另外，作为基收发器站定向特性的结果，可以改进基收发器站接收的信号的信噪比。并且，在发送方向上，BTS的定向特性允许把能量集中到一个窄射束上，使得BTS发送的信号可以到达距离较远的移动站，并且功率电平低于常规BTS的要求。这允许移动站在距离基收发器站很远的地方正常工作，因而意味着可以增加蜂窝网的小区或小区扇区的面积。作为增大小区面积的结果，可以减少所需的基站数量，从而降低了网络费用。SDMA系统一般需要若干天线单元以便得到所需的发送和接收信号的多个不同射束方向。提供多个天线单元增加了BTS接收信号的灵敏度。这意味着较大的小区面积不会对BTS从移动站接收信号产生不利的影响。

SDMA系统也可以增加系统的容量，即增加了系统可同时支持的移动站的数量。其原因是通信的定向特性，该特性意味着BTS会从使用相同频率的其它小区中的移动站拾取较少的干扰。当与相关小区内一个指定的MS通信时，BTS会对使用相同频率的其它小区中的移动站产生较少的干扰。

最后，SDMA系统允许同时使用相同的频率向定位在同一个小区不同位置上的两个或更多不同的移动站发送信号。这大大增加了蜂窝网可以承担的传输量。

可通过模拟和数字蜂窝网实现SDMA，并且可以引入多种现有的，诸如GSM，DCS1800，TACS，AMPS和NMT的标准。SDMA系统也可以和诸如时分多址(TDMA)，码分多址(CDMA)，频分多址(FDMA)技术的其它现有多址技术配合使用。

SDMA系统的一个问题是需要确定应当向移动站发送信号的方向。在某些情况下，会使用一个相对较窄的射束从一个基收发器站向一个移动站发送信号。因此，需要相当精确地估定该移动站的方向。众所周知，来自移动站的信号通常沿着几个路径到达BTS。这些路径通常被称作多路径。由于这种多路径效应，基收发器站会从不止一个方向上接收移动站发送的指定信号。

另一个问题是根据BTS从移动站接收的上行链路信号确定BTS向移动站发送信号的方向。但从移动站向BTS发送下行链路信号的频率不同于BTS向移动站发送信号的频率。上行链路和下行链路信号中使用的频率的不同意味着上行链路方向中信道的行为不同于下行链路方向中的信道的行为。这样，针对上行链路信号确定的最优方向不总是下行链路信号的最优方向。

因而本发明某些实施例的一个目标是克服这些困难。

根据本发明的第一个方面，其中提供了一个在第一站点和第二站点之间进行定向无线通信的方法，该方法包括的步骤有：

在上述第一站点接收上述第二站点发送的第一信号，其中可以从多个不同方向接收上述第一信号；

确定上述第一站点接收上述第一信号的主要射束方向；

在第一站点定义多个发送发射射束的射束方向，其中上述各个射束方向是可选的；

在上述第一站点选择上述确定主要射束方向和至少一个其它的辅助射束方向，上述至少一个辅助射束方向与上述确定主要射束方向相邻，并且在上述选定射束方向上从上述第一站点向上述第二站点发送一个第二信号。

通过使用这个方法，增加了第二站点接收到第一站点发送的信号的概率。由于第二站点在辅助方向上发送的第二信号的强度取决于在该方向上接收的第一信号的一个参数，如果第二站点在至少一个辅助方向上接收到一个相对较强的信号，那么可以在至少一个辅助方向上向第一站点发送一个相对较强的信号。

实际上，第一站点可以在多个方向上接收第一信号。这些方向中只有一个被选作确定主要方向。可以通过若干不同的方式选择确定主要方向。例如，确定主要方向可以被选作第一站点以最大能量或强度接收第一信号的方向。可选地，确定主要方向可以被选作第一站点首先接收到第一信号的方向。该方向对应于沿着最短路径到达的信号，而该路径可以是直射路径的线路。

在本发明的一个实施例中，第一信号包含一个已知的数据序列，并且该方法还包括把接收数据信号与已知的数据序列进行相关处理以便得到信道脉冲响应的步骤。在一个最优实施例中，把接收数据信号与一个已知数据序列的本地产生的复本进行相关处理。信道脉冲响应被用来确定那个方向是主要方向。例如，可以针对与应当接收到第一信号的不同方向对应的各个信道确定信道脉冲响应。这样，所接收的信道脉冲响应是对第一站点接收的期望信号的已有数量的测量。可以把各个信道的信道脉冲响应的某些参数彼此比较以便确定那个方向为第一信号提供最大能量或最小延迟。具有最小延迟的信号是第一站点首先接收到的信号。

至少一个辅助方向可以包括在确定主要方向两边的方向。

上述至少一个辅助方向上的上述第二信号的强度最好低于或等于在确定主要方向上的第二信号的强度。

上述方法最好包括在第一站点定义多个发送一个发射射束的射束方向的步骤，其中各个上述射束方向均是单独可选的。各个射束方向的发送功率可以是单独可确定的，其中那个或各个辅助方向上的射束的发送功率低于主要射束的方向上的发送功率。

在本发明的一个实施例中，上述至少一个辅助方向上第二信号的强度与上述确定主要方向上第二信号的强度的比率，同第一站点从上述至少一个辅助方向接收的第一信号的强度与第一站点在上述确定主要方向上接收的第一信号的强度的比率成正比。这两个比率最好相等。

如果在上述至少一个辅助方向上接收的第一信号的强度大大小于在确定主要方向上接收的第一信号的强度，最好只在上述确定主要方向上从第一站点向第二站点发送上述第二信号。但如果在上述确定主要方向和上述至少一个辅助方向上接收的第一信号的强度基本相同，则规定第一站点在确定主要方向上发送第二信号，并且以基本相同的信号强度在上述至少一个辅助方向上发送该信号。这样，当确定多数是从确定主要方向接收第一信号时，只在该方向上发送第二信号。但如果确定以基本相同的强度从两个或更多的方向上接收到第一信号，则以基本相同的强度在这两个或更多的方向上发送第二信号。在这两个限定情况之间当然还会有其它的情况，其中在上述至少一个辅助方向上的第二信号的强度会小于在确定主要方向上的第二信号的强度。

第一站点在至少一个上述确定主要方向和至少一个辅助方向上发送的第二信号的强度最好取决于第一站点在相应方向上接收的第一信号的强度。至少一个确定主要方向和上述至少一个辅助方向上的第二信号的强度可以取决于在第一站点上从第二站点接收的多个前导信号的平均强度。在一个最优实施例中，在一个上述确定主要方向和上述至少一个辅助方向上的第二信号的强度取决于相应方向上接收的上述第一信号的强度，并且在其它上述确定主要方向和上述至少一个辅助方向上的第二信号的强度取决于上述第一站点在相应方向上从上述第二站点接收的多个前导信号的平均强度。在确定主要方向上的第二信号的强度最好基于第一信号的强度，而最好根据从第二站点接收的多个前导信号的平均强度确定在至少一个辅助方向上的第二信号的强度。这样，每当接收到信号时，可以修正主要方向上的功率，快速试图跟上影响第一和第二站点之间的路径的信道变化。相反，在至少一个辅助方向上的功率可以较慢地对变化作出响应，试图增加第二站点接收的信号的电平。这样会增加第二站点接收到来自第一站点的信号的概率。

在上述或另一个至少一个辅助方向上的一个射束可以和确定主要射束方向上定义的一个射束重叠。在另一个建议中，上述或另一个至少一个辅助射束会与确定主要射束的一半扩展角度重叠。

该方法最好包括确定在第二站点与第一站点的距离是否小于一个预定值的步骤，并且在小于的情况下以相对较宽的扩展角度从上述第一站点向上述第二站点发送第二信号。具体地，所得到的总扩展角度最好大于当第一站点和第二站点之间的距离高于预定值时所得到的扩展角度，并且主要方向和至少一个其它的辅助方向被用于发送上述信号。

根据本发明的第二个方面，与一个第二移动站进行定向无线通信的一个第一站点，上述装置包括：

接收上述第二站点发送的第一信号的接收器装置，可以从多个不同方向上接收上述第一信号；

确定接收上述第一信号的主要方向的确定装置；

从第一站点向第二站点发送一个第二信号的发送器装置，上述发送器装置在多个射束方向上发送一个发射射束，其中各个上述射束方向是可选的；

控制上述发送器装置的控制装置，其中上述控制装置控制上述发送器装置在确定主要射束方向和至少一个辅助射束方向上向上述站点发送上述第二信号，上述至少一个辅助方向与确定主要方向相邻。

接收器装置和发送器装置可以包括一个天线阵列，该阵列被用来在多个不同方向上提供多个信号射束。天线阵列可以包括一个定相天线阵列，或者可以包括多个单独的，分别的在一个定义的方向上提供一个射束的天线单元。可以提供两个单独的阵列，一个接收信号而另一个发送信号。可选地，可以提供一个单独的阵列用来发送和接收信号。

控制装置最好被用来根据在确定射束方向和至少一个其它射束方向上接收的第一信号的相对能量电平确定在上述确定射束方向和上述至少一个辅助方向上的上述信号的功率电平。上述控制装置通过把接收第一信号的一部分与该信号的已知版本或其中的一部分进行相关处理，可以确定出相对能量电平。可以理解，第一信号可以包括或包含一个训练序列，该序列是一个与训练序列的一个参考版本进行相关处理的已知数据序列，而训练序列未被畸变以便确定信道脉冲响应。这个信息可以被用来确定相对功率电平并且可以被用来确定主要方向。

发送器装置可以被用来在多个射束方向上提供一个发射射束，其中各个射束方向是单独可选的。

各个射束方向的发送功率最好是单独可确定的，其中在那个或各个辅助方向上的射束的发送功率小于主要射束方向上的发送功率。

本发明特别适用于蜂窝通信网。在这样的网络中，第一站点可以是一个基收发器站，第二站点则是一个移动站。但可以理解，本发明的实施例可以适用于任意类型的，诸如PCN(专用通信网络)或类似网络的无线通信网络。

为了更好地理解本发明以及实现本发明，现在会参照附图以举例的方式加以描述，其中：

图1示出了一个基收发器站(BTS)及其相关的小区扇区的结构图；

图2示出了一个天线阵列和基收发器站的简图；

图3示出了图2的天线阵列提供的固定射束模式；

图4示出了图2的数字信号处理器的结构图；

图5图解了八个信道中四个信道的信道脉冲响应。

首先参照图1，其中示出了定义蜂窝移动电话网的一个小区3的三个小区扇区2。三个小区扇区2由相应的基收发器站(BTS)4提供服务。在相同位置提供了三个分别的基收发器站4。各个BTS4具有一个针对三个小区扇区2中相应的一个发送和接收信号的收发器。这样，为各个小区扇区2分别提供了一个专用的基收发器站。因而各个BTS4能够与诸如位于相应小区扇区2中的移动电话的移动站(MS)通信。

在一个GSM(全球移动通信系统)网络的环境中描述了本实施例。在GSM系统中，使用频/时分多址F/TDMA系统。以脉冲串的方式在BTS4和MS之间发送数据。数据脉冲串包含一个是已知数据序列的训练序列。下面将描述训练序列的目的。通过指定频段内的一个预定时隙在该频段中发送各个数据脉冲串。使用一个定向天线阵列允许实现空分多址。这样，在本发明的实施例中，将通过指定频段，指定时隙和指定方向发送各个数据脉冲串。可以针对通过指定频段，指定时隙和指定方向发送的指定数据脉冲串定义一个相关的信道。如下所述，在本发明的某些实施例中，通过相同频段，相同时隙但两个不同的方向发送相同的数据脉冲串。

图2示出了一个用作收发器的BTS4的一个天线阵列6的结构图。应当理解图2所示的阵列6只服务于图1所示的三个小区扇区2中的一个。另两个天线阵列6为其它两个小区扇区2服务。天线阵列6具有8个天线单元a₁...a₈。各个天线单元a₁...a₈之间的间隔为半个波长，并且沿着一个垂直线排列成一行。各个天线单元a₁...a₈被用来发送和接收信号，并且可以具有任意合适的结构。各个天线单元a₁...a₈可以是一个偶极子天线，补片天线(patch antenna)或任意其它合适的天线。8个天线单元a₁...a₈共同定义了一个相阵控天线6。

众所周知，相阵控天线6的各个天线单元a₁...a₈被提供了要发送到一个移动站MS的相同信号。但被提供给相应天线单元a₁...a₈的信号的相位被彼此偏移开。被提供给相应天线单元a₁...a₈的信号之间的相位差产生了一个定向发射模式。这样，来自BTS4的信号只可以沿着某些方向在与阵列6相关的小区扇区2中发送。阵列6实现的定向发射模式是彼此相位偏移并且由各个天线单元a₁...a₈发送的信号之间出现的相长干扰和相消干扰的结果。在这点上，参照图3，该图图解了通过天线阵列6实现的定向发射模式。可以控制天线阵列6在图3图解的8个方向中任意一个方向上提供一个射束b₁...b₈。例如，可以控制天线阵列6只在射束b₅或b₆的方向上向一个MS发送信号。如下所述，也可以控制天线阵列6同时在多于一个的射束方向上发送信号。例如，可以在射束b₅和b₆定义的两个方向上发送信号。

图3只是可以通过天线阵列6实现的8个可能的射束方向的结构表示。但实际上，在相邻射束之间会有重叠以保证天线阵列6为所有的小区扇区2提供服务。

由一个Butler矩阵电路8控制各个天线单元a₁...a₈上提供的信号的相对相位，使得能够沿着期望的射束方向发送信号。这样Butler矩阵电路8提供了一个相位偏移功能。Butler矩阵电路8具有8个来自BTS4的输入10a-h和8个输出，其中每个输出均被输出到各个天线单元a₁...a₈。各个输入10a-h接收的信号包括要发送的数据脉冲串。8个输入10a-h均表示可以发送指定数据脉冲串的射束方向。例如，当Butler矩阵电路8在第一输入10a上接收一个信号时，Butler矩阵电路8以要求的相位差把输入10a上的信号提供给各个天线单元a₁...a₈以产生射束b₁，从而在射束b₁的方向上发送数据脉冲串。类似地，在输入10b上提供的信号导致在射束b₂的方向上产生一个射束，等等。

如上所述，天线阵列6的天线单元a₁...a₈从一个MS接收信号并且向一个MS发送信号。一个MS发送的信号通常会被8个天线单元a₁...a₈接收到。但在各个天线单元a₁...a₈接收的各个信号之间会有一个相位差。因而Butler矩阵电路8能够根据各个天线单元a₁...a₈接收的信号的相对相位确定已经接收信号的射束方向。因而Butler矩阵电路8具有8个输入，对于各个天线单元接收的信号，均有一个来自天线单元a₁...a₈的输入。Butler矩阵电路8也具有8个输出14a-h。各个输出14a-14h均对应于一个可以接收指定数据脉冲串的特定射束方向。例如，如果天线阵列6在射束b₁的方向上从一个MS接收到一个信号，则Butler矩阵电路8会在输出14a上输出接收信号。在射束b₂的方向上接收的信号会导致在输出14b上从Butler矩阵电路8输出接收信号，等等。总之，Butler矩阵电路8会在天线单元a₁...a₈上接收相同信号的8个彼此偏移的版本。根据相对相位偏移，Butler矩阵电路8确定已经接收上述接收信号的方向并且根据已经接收信号的方向在一个指定输出14a-h上输出一个信号。

应当理解在某些环境下，由于信号反射来自一个MS的单独信号或数据脉冲串看起来可以来自多于一个的射束方向，同时在MS和BTS4之间传递，假定反射具有相对较宽的扩展角度。Butler矩阵电路8会在各个输出14a-h上提供一个信号，而各个输出对应于出现指定信号或数据脉冲串的各个射束方向。这样，可以在Butler矩阵电路8的多于一个的输出14a-h上提供相同的数据脉冲串。但各个输出14a-h上的信号彼此之间可以有时间延迟。

Butler矩阵电路8的各个输出14a-h被连接到一个相应的放大接收信号的放大器16的输入上。为Butler矩阵电路8的每个输出14a-h提供一个放大器16。接着由一个相应的处理器18处理放大信号，该处理器处理放大信号以便把接收信号的频率减少到基带频率，使得BTS4能够处理该信号。为此，处理器18从输入信号中清除载波频率分量。并且，为Butler矩阵电路8的每个输出14a-h提供一个处理器18。接着通过一个模数(A/D)转换器20把具有模拟形式的接收信号转换成数字信号。提供8个A/D转换器20，Butler矩阵电路8的每个输出14a-h均有一个。接着通过相应的输入19a-h把数字信号输入到一个数字信号处理器21进行后续的处理。

数字信号处理器21也有8个输出22a-h，每个输出均输出一个表示要被发送到一个指定MS的信号的数字信号。所选择的输出22a-h表示要发送信号的射束方向。该数字信号被一个数模(D/A)转换器23转换成模拟信号。为数字信号处理器21的每个输出22a-h均提供一个数模转换器23。接着处理器24处理模拟信号，该处理器是一个把要发送的模拟信号调制到载波频率上的调制器。在处理器24处理信号之前，信号处于基带频率上。接着一个放大器26对所产生的信号进行放大并且传递到Butler矩阵电路8的相应输入10a-h上。为数字信号处理器21的每个输出22a-h均提供一个处理器24和一个放大器26。

现在参照图解数字信号处理器21的图4。应当理解，图4中图解的各个模块不必对应于体现本发明的一个实际数字信号处理器21的各个单元。具体地，图4中图解的各个模块对应于数字信号处理器21所执行的各种功能。在本发明的一个实施例中，通过集成电路至少部分实现了数字信号处理器21，并且相同单元可以执行几个功能。

数字信号处理器21在相应输入19a-h上接收的各个信号被输入到相应的信道脉冲响应(CIR)估测器模块30。CIR估测器模块30包含存储估测的信道脉冲响应的存储容量。CIR估测器模块也包含临时存储接收信号的存储容量。信道脉冲响应估测器模块30被用来估测相应输入19a-h的信道的信道脉冲响应。如上所述，针对通过选定的频段，分配的时隙和接收信号的射束方向发送的指定数据脉冲串可以定义一个相关的信道。Butler矩阵电路8确定接收信号的射束方向，使得在数字信号处理器的输入19a上接收的信号主要表示已经从射束b1的方向接收的信号，等等。应当理解，在指定输入上接收的信号也可以包含在相邻输入上接收的信号的边瓣。

从移动站MS发送到BTS4的各个数据脉冲串包含一个训练序列TS。但BTS4接收的训练序列TS_RX受到噪声和多路径效应的影响，其中多路径效应在训练序列的相邻位之间产生干扰。后一种干扰被称作符号间干扰。TS_RX也受到其它移动站的干扰的影响，例如位于其它小区或小区扇区，使用会导致联合信道干扰的相同频率的移动站。可以理解，来自MS的指定信号会沿着多于一个的路径到达BTS，并且天线阵列6会从一个指定方向上检测到指定信号的多于一个的版本。CIR估测器模块30把从输入19a接收训练序列TS_RX与存储在一个数据存储器32中的参考训练序列TS_REF进行交叉相关处理。参考训练序列TS_REF与移动站最初发送的训练序列相同。实际上接收训练序列TS_RX是一个被调制到载波频率的信号，而参考训练序列TS_REF在数据存储器32中被存储成一个位序列。相应地，在进行交叉相关之前，对存储的参考训练序列进行类似的调制。换言之，把BTS4接收畸变训练序列与训练序列的未畸变版本进行相关处理。在本发明的一个可选实施例中，在用参考训练序列对其进行相关处理之前对接收训练序列进行解调。在这种情况下，参考训练序列会再次与正接收训练序列具有相同的形式。换言之，参考训练序列未被调制。

参考训练序列TS_REF和接收训练序列TS_RX均具有对应于L个数据位的长度L，并且可以是26个位。接收训练序列TS_RX在已分配时隙中的确切位置可以是不确定的。这是由于移动站MS与BTS4之间的距离会影响到MS发送的数据脉冲串在已分配时隙中的位置。例如，如果一个移动站MS距离BTS4相对较远，那么与移动站MS距离BTS4较近的情况相比，训练序列会出现在已分配时隙中较后的位置上。

考虑到接收训练序列TS_RX在已分配的时隙中的位置的不确定性，使用参考训练序列TS_REF对接收训练序列TS_RX进行n次相关处理。通常，n可以是7或9。n最好是一个奇数。n次相关通常会在最大获取相关的两边上进行。接收训练序列TS_RX针对参考训练序列TS_REF的相对位置被偏移了各个连续相关之间的一个位置。各个位置等价于训练序列中的一位并且表示一个延迟段。接收训练序列TS_RX与参考训练序列TS_REF各个单独的相关产生一个表示该相关的信道脉冲响应的抽头。n个单独的相关产生一个具有n个值的抽头序列。

现在参照图5，该图示出了对应于8个空间方向的8个可能的信道中4个信道的信道脉冲响应。换言之，图5示出了对应于在8个射束方向中4个方向上从移动站接收的一个指定数据脉冲串的4个信道的信道脉冲响应，数据脉冲串处于指定的频段和时隙上。各个图例的x轴是对时间延迟的测量，而y轴是对相对功率的测量。图中标出的各个连线(或抽头)表示所接收的，对应于指定相关延迟的多路径信号。各个图例具有n个连线或抽头，其中一个抽头对应于各个相关。

根据估测的信道脉冲响应，可以确定训练序列在已分配时隙中的位置。当得到接收训练序列TS_RX和参考训练序列TS_REF之间的最优相关时会得到最大抽头值。

针对各个信道，CIR估测器模块30还确定出5个(或任意其它的合适数量)给出最大能量的连续抽头。按照下面的方式计算一个指定信道的最大能量： $E=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\left(h_j\right)}^2---\left(I\right)$

其中h表示通过接收训练序列TS_RX和参考训练序列TS_REF的交叉相关得到的抽头振幅。CIR估测器模块30通过使用一种滑窗技术估测指定信道的最大能量。换言之，CIR估测器模块30每次考虑5个相邻的值并且根据这5个值计算出能量。选择给定最大能量的5个相邻值表示该信道的脉冲响应。

能量可以被看作是对BTS4在一个指定方向上接收的来自一个指定MS的期望信号的强度的测量。针对所有8个信道执行该过程，这些信道表示可以接收相同数据脉冲串的8个不同方向。以最大能量接收的信号所经过的路径对该信号的衰减最小。

提供一个分析模块34，该模块存储CIR估测器模块30根据5个相邻值针对相应信道计算出的最大能量，而CIR估测器模块30选择这5个相邻值表示信道脉冲响应。分析模块34也可以分析CIR估测器模块30确定的信道脉冲响应以便确定出最小延迟。该延迟是对接收训练序列TS_RX在已分配时隙中的位置的测量，因而是对信号在移动站和BTS4之间传播距离的相对测量。具有最小延迟的信道具有穿过最短距离的信号。在某些情况下这个最短距离可以表示移动站MS和BTS4之间的直射路径的线路。

分析模块34被用来确定窗口的开始位置，该窗口确定五个提供最大能量的值。接着根据一个参考点和窗口开始之间的时间确定时间延迟。该参考点可以是各个分支中的所有接收训练序列开始被相关的公共时间，该时间对应于所有分支的最早窗口边缘或一个类似的公共点。为了精确比较不同信道的各种延迟，采用一个公共的定时比例，该比例取决于BTS4为了控制操作的TDMA模式而提供的同步信号。换言之，接收训练序列TS_RX在已分配时隙中的位置是对时间延迟的测量。应当理解，在已知的GSM系统中，为了提供定时超前信息计算出一个指定信道的延迟。定时超前信息被用来保证移动站发送到BTS的信号落在为其分配的时隙内。可以根据计算的相对延迟和当前定时超前信息确定出定时超前信息。如果移动站远离基站，则BTS会指示MS在某个时间发送其数据脉冲串，该时间比在移动站MS更接近BTS的情况下发送数据脉冲串的时间更早。

各个分析模块34得出的分析结果被输入到一个比较模块36。比较模块36比较针对各个信道确定的最大能量并且也可以比较针对各个信道确定的延迟。比较模块36针对指定的数据脉冲串，指定的频段和指定的时隙确定具有最大能量的信道。这意味着可以确定接收到指定数据脉冲串最强版本的射束方向。该方向是将被BTS用来向MS发送信号的主要射束方向。比较模块36也可以确定具有最小延迟的信道。换言之，也可以确定具有经过最短路径的数据脉冲串的信道。该射束方向可以被比较模块36选作确定主要射束方向。

这样，比较模块34选择出从移动站接收到指定数据脉冲串最强版本的射束方向，该射束是主要射束。接着比较模块选择主要射束两边的射束，这两个射束是辅助射束。例如，如果射束b₄被选作主要射束，则两个辅助射束是射束b₃和b₅。

比较模块36也确定主要射束的功率电平。可以通过若干种不同的方式选择主要射束的功率电平。例如，在延迟相对较小的情况下，选择一个相对较低的功率，如果延迟相对较长，可以选择相对较大的功率。确定主要射束的功率电平也可以考虑MS用来向BTS发送信号的当前定时超前信息。可选的，根据从主要射束方向接收的信号的信道脉冲响应确定出的能量可以被用于确定主要射束方向上的信号的功率电平。这些是开环方法。但是，任何其它适用的方法也可以被用来确定主要射束的功率电平。例如，可以根据BTS接收到的针对相应MS的功率测量报告确定主要射束方向上的信号的功率电平。这是一个闭环方法。

比较模块36还计算出被用于辅助射束的功率电平，该射束被用于向MS发送信号。如果主要射束是i射束，则第i个射束会具有一个已经被选作上述功率的功率P_i。辅助射束会是i+1和i-1射束，即主要射束两边的两个射束。i-1射束的功率被定义成P_i/a，而i+1射束的功率被定义成P_i/b，其中a和b均大于或等于1。

有若干种不同的，可以选择a和b的值的方式。在一个实施例中，a和E_i/E_i-1成正比，其中E_i是根据在i射束方向上从MS接收的信号的信道脉冲响应计算出的能量，E_i-1是根据在i-1射束方向上从移动站接收的信号的信道脉冲响应计算出的能量。类似地，b和E_i/E_i+1成正比，其中E_i+1是根据在i+1射束方向上从移动站接收的信号的信道脉冲响应计算出的能量。

应当理解，可以按照上述方式计算各个射束的E值。

如果E_i-1和E_i+1大大小于E_i，BTS4则只在主要射束的方向上向移动站MS发送信号。如果E_i-1和E_i+1类似于E_i，则主要射束和两个辅助射束具有相同的功率。但在多数情况下主要射束的功率会大于辅助射束的功率。

因而比较模块36向产生模块38提供一个输出，该输出指示哪个射束被用来从BTS4向MS发送信号，并且还指示被用于各个射束的适当功率。功率电平可以是绝对功率电平，或者可以只提供关于在主要和辅助射束方向上的信号的相对功率电平的信息。

在某些实施例中，主要射束可以是第一个或第八个射束，及射束b₁或b₈。在这些情况下，只提供一个单独的辅助射束。

在本发明的一个实施例中，根据在指定射束方向上从MS接收的一个单独的数据脉冲串的计算能量计算出a和b。可选地，可以根据N个前导脉冲串的平均计算能量计算出a和b。例如N可以是5。对于i-1射束，应该根据相应的信道脉冲响应计算出在i-1射束方向上接收的所有5个前导数据脉冲串的能量。接着计算出会被用来确定a的一个平均能量值。类似地，可以根据从i+1射束方向接收的N个前导脉冲串计算出b。在一个实施例中，可以按照逐个脉冲串的方式修正主要射束i的功率。换言之，根据在主要射束方向上从移动站接收的前导信号确定主要射束上的功率。这样，可以针对每个脉冲串修正主要射束的功率，从而快速试图跟上影响BTS和MS之间的路径的变化，但是利用通过N个前导脉冲串接收的信息可以控制辅助射束功率。这样，辅助射束可以尝试增加移动站接收的信号的电平，并且被用作分集路径，该路径慢速响应BTS和MS之间的路径变化。

在本发明的另一个实施例中，a和b具有预定的固定值，这些值把辅助射束的功率电平固定到主要射束的功率电平的预定百分比上。

上述实施例尤其适用于移动站距离BTS相对较远，并且其间的距离大于一个临界距离的情况。这个临界半径取决于各个分立小区的环境，通常大约有0.5至1km。当BTS和MS之间的距离大于临界距离时，从MS接收的大部分能量被相对较少的射束方向上。具体地，能量主要集中在一个，两个或三个射束方向上。但在移动站和BTS之间的距离小于临界距离时，接收的期望能量通常会分布在数量较大的射束上。相应地，在本发明的实施例中，只可以在MS和BTS4之间的距离大于临界距离的情况下使用主要和辅助射束。当MS和BTS之间的距离小于临界距离时，BTS4会通过数量相对较多的射束，例如4个或更多的射束向MS发送信号。当通过一个相对较宽的扩展角度进行发送时所使用的功率电平通常会低于当MS和BTS4之间的距离大于临界距离时用于主要射束的功率。

可以使用任何适当的方法确定MS和BTS之间的距离是否大于临界距离。在一个实施例中，比较模块36比较在各个可能的方向上得到的信道脉冲响应。如果多数接收能量分布在三个或更少的射束方向上，则假定BTS和MS之间的距离大于临界距离。可选地，如果多数接收能量分布在4个或更多的方向上，则假定MS和BTS之间的距离小于临界距离。

比较模块也可以使用定时超前信息确定MS和BTS之间的距离是否大于或小于临界距离。由于提供出比前面提出的方法更精确的结果，该方法在本发明的某些实施例中是最优的。

上述实施例使用了一个单独的，具有Butler矩阵形式的模拟射束生成器。但在上述实施例的一个修改实施例中，可以使用两个射束生成器，例如一个Butler矩阵及其空间互补矩阵。在产生几乎覆盖相同区域的空间交错射束的情况下两个射束生成器是互补的。接着可以通过一个射束生成器产生主要射束，并且通过互补射束生成器生成辅助射束。这样，辅助射束基本上与主要射束重叠。重叠范围远远大于通过单独射束生成产生的两个相邻射束所得到的范围。

应当理解，在本发明的实施例中，三个射束可以都具有不同的功率电平。但在某些实施例中，可以选择两个辅助射束的功率总是具有相同的值。

产生模块38负责产生要从数字信号处理器21输出的信号。产生模块38具有一个表示要发送到移动站MS的话音和/或信息的输入40。产生模块38负责对发送到移动站MS的话音或信息进行编码，并且在信号中包含一个训练序列和一个同步序列。模块38还负责产生调制信号。根据产生的信号和确定出的射束方向，产生模块38在数字信号处理器21的相应输出22a-h上提供信号。产生模块38还提供一个输出50，该输出被用来控制放大器24所提供的放大，从而保证主要和辅助射束方向上的信号具有要求的功率电平。

信道脉冲响应模块30的输出也被用来均衡和匹配从移动站MS接收的信号。具体地，匹配滤波器(MF)和均衡器模块42可以消除或减轻接收信号中由多路径传播产生的符号间干扰的效应。应当理解，匹配滤波器(MF)和均衡器模块具有一个接收来自MS的接收信号的输入(未示出)。负责恢复MS发送的话音和/或信息的恢复模块44接收各个模块42的输出。恢复模块完成的步骤包含对信号进行解调和解码。恢复出的话音或信息被输出到输出48上。

应当理解，虽然已经在GSM蜂窝通信网络中实现了上述实施例，但本发明还可以被用于其它的数字蜂窝通信网络和模拟蜂窝网络。上述实施例使用了具有8个单元的定相阵列。阵列当然可以具有任意数量的单元。可选地，定相阵列可以被离散定向天线取代，每个天线均在一个指定方向上发射射束。在需要的情况下，Butler矩阵电路可以被任意其它合适的移相电路取代。Butler矩阵电路是一个模拟射束生成器。当然可以使用一个数字射束生成器DBF或任何其它合适类型的模拟射束生成器。根据提供给各个单元的信号，即使在只有8个单元的情况下，也可以控制阵列产生多于8个的射束。

也可以提供多个定相阵列。定相阵列可以提供不同数量的射束。当需要一个较宽的扩展角度时，使用具有较少数量的单元的阵列，当需要一个相对较窄的射束时，使用具有较大数量的单元的阵列。

可以理解，上述实施例被描述成从Butler矩阵电路提供8个输出。应当理解，实际上在Butler矩阵的各个输出上会同时输出若干个不同的信道。那些信道可以有不同的频段。在相应的输出上还会提供不同时隙的信道。虽然前面描述了单独的放大器，处理器，模数转换器和数模转换器，实际上可以通过一个具有多个输入和输出的单独单元提供上述所有的部件。

应当理解本发明的实施例具有不仅限于蜂窝通信网的应用。例如，本发明的实施例可以被用在任何需要定向无线通信的环境中。例如，可以在PMR(专用无线网络)或类似的网络中使用该技术。

Claims (19)

1.在一个第一站点和一个第二站点之间进行定向无线通信的方法，该方法包括的步骤有：

在上述第一站点接收上述第二站点发送的第一信号，其中可以从多个不同方向接收上述第一信号；

确定上述第一站点接收上述第一信号的主要射束方向；

在第一站点定义多个发送发射射束的射束方向，其中上述各个射束方向是可选的；

在上述第一站点选择上述确定主要射束方向和至少一个其它的辅助射束方向，上述至少一个辅助射束方向与上述确定主要射束方向相邻，并且在上述选定射束方向上从上述第一站点向上述第二站点发送一个第二信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中根据在上述至少一个辅助方向上接收的第一信号的一个参数确定在上述至少一个辅助方向上发送的上述信号的强度。

3.如权利要求2所述的方法，其中至少一个辅助方向包括确定主要方向两边的射束方向。

4.如权利要求1，2或3所述的方法，其中接收第一信号的最强版本的方向被确定成上述主要方向。

5.如权利要求1，2或3所述的方法，其中首先接收到第一信号的一个版本的方向被确定成主要方向。

6.如前面权利要求中任何一个所述的方法，其中在上述至少一个辅助方向上发送的第二信号的强度小于或等于在上述确定主要方向上发送的第二信号的强度。

7.如前面权利要求中任何一个所述的方法，其中上述至少一个辅助方向上第二信号的强度与上述确定主要方向上第二信号的强度的比率，同第一站点从上述至少一个辅助方向接收的第一信号的强度与第一站点在上述确定主要方向上接收的第一信号的强度的比率成正比。

8.如前面权利要求中任何一个所述的方法，其中如果在上述至少一个辅助方向上接收的第一信号的强度大大小于在确定主要方向上接收的第一信号的强度，那么只在上述确定主要方向上从上述第一站点向上述第二站点发送上述第二信号。

9.如前面权利要求中任何一个所述的方法，其中如果在上述确定主要方向和上述至少一个辅助方向上接收的第一信号的强度基本相同，则规定第一站点在上述确定主要方向上发送第二信号，并且以基本相同的信号强度在上述至少一个辅助方向上发送该信号。

10.如前面任何权利要求所述的方法，其中第一站点在至少一个上述确定主要方向和至少一个辅助方向上发送的第二信号的强度取决于上述第一站点在相应方向上接收的第一信号的强度。

11.如前面任何权利要求所述的方法，其中至少一个上述确定主要方向和上述至少一个辅助方向上的第二信号的强度取决于第一站点在相应方向上从上述第二站点接收的多个前导信号的平均强度。

12.如前面任何权利要求所述的方法，其中包括确定在第二站点与第一站点的距离是否小于一个预定值的步骤，并且在小于的情况下以相对较宽的扩展角度从上述第一站点向上述第二站点发送第二信号。

13.如前面任何权利要求所述的方法，其中上述第一站点是蜂窝网络系统中的一个基收发器站。

14.如前面任何权利要求所述的方法，其中上述第二站点是一个移动站。

15.如前面任何增补到权利要求2上的权利要求所述的方法，其中各个上述射束方向的发送功率可以是单独可确定的，其中那个或各个辅助方向上的射束的发送功率低于主要射束的方向上的发送功率。

16.与一个第二移动站进行定向无线通信的第一站点，上述装置包括：

接收上述第二站点发送的第一信号的接收器装置，可以从多个不同方向上接收上述第一信号；

确定接收上述第一信号的主要方向的确定装置；

从第一站点向第二站点发送一个第二信号的发送器装置，上述发送器装置在多个射束方向上发送一个发射射束，其中各个上述射束方向是可选的；

控制上述发送器装置的控制装置，其中上述控制装置控制上述发送器装置在确定主要射束方向和至少一个辅助射束方向上向上述站点发送上述第二信号，上述至少一个辅助方向与确定主要方向相邻。

17.如权利要求16所述的第一站点，其中上述接收器装置和上述发送器装置包括一个天线阵列，该阵列被用来在多个不同方向上提供多个信号射束。

18.如权利要求16或17所述的第一站点，其中控制装置被用来根据在上述至少一个辅助方向上接收的第一信号的一个参数确定选择在上述辅助方向上的上述第二信号的强度。

19.如权利要求16，17或18所述的第一站点，其中上述控制器控制发送器装置，使得在辅助方向或各个辅助方向上的射束的发送功率小于主要射束方向上的发送功率。

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