CN1267411A - 自适应无线电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括一组移动站和至少一个基站的自适应无线电系统。在无线电系统中,至少基站包括一组独立的发射和接收支路以传送在基站和移动站之间的信号。根据本发明的无线电系统其特征在于它附加地包括用于连接所述的并行发射支路和接收支路并用于数字的动态地分配其到一个单个信号传送的装置(401,402)。本发明进一步涉及用于在无线电系统中分配发射和接收支路的一种方法。

Description

自适应无线电系统

本发明涉及一种自适应无线电系统和用于在一个无线电系统中分配发射和接收支路的一种方法。无线电系统包括一组移动站和至少一个基站。在无线电系统中，至少基站包括一组独立的发射和接收支路以在基站和移动站之间传送信号。

附图中的图1表示了一个简化的UMTS(通用移动通信系统)的框图。一个移动站(MS)通过无线电路径与一个收发基站(BTS)通信，在图1中是和BTS1通信。基站子系统(BSS)由基站控制器(BSC)和在它的控制下的基站(BTS)组成。一个移动业务交换中心(MSC)通常控制一组基站控制器BSC。MSC和其它MSC通信，并经由一个网关移动业务交换中心(GMSC)，UMTS网被连接到其它网络例如公共交换电话网PSTN，另一个移动通信网PLMN或一个ISDN网ISDN。由图所示的移动通信系统是比如泛欧洲GSM系统或者UMTS系统(通用移动通信系统)。GSM系统通过TDMA技术(时分多址联接)实现而UMTS系统推荐通过时分多址联接技术(TDMA)或码分多址联接技术(CDMA)或者二者的组合，即所谓的混合系统来实现。

在装备TDMA技术的数字无线电系统，例如GSM或者UMTS系统中，一群移动站MS可以根据时分原理，使用相同的载频即无线电信道用于与基站BTS通信。载波被分成连接时帧，它们被进一步分成时隙，例如8，16或64时隙。这些时隙如所需要的被分配给用户。从网络的观点，一个载波因此可以被用于建立比如8，16或64个业务信道。例如在GSM系统中，信道宽度是200kHz而在UMTS系统中根据一个建议是1.6MHz。

码分多址联接CDMA无线电系统是以扩展频谱通信为基础。要被发射的数据信号由分配给用户的一个特殊的散列码倍增，由此传输扩展在宽带无线电信道上，例如是1.25，6.4或20MHz。这意味着同样的宽带无线电信道可以由几个用户使用用于以不同散列码处理的CDMA信号的同时传输。因此，在CDMA系统中，每个用户的专用散列码和在TDMA系统中的时隙在同样意义上产生了系统的业务信道。在接收结束时CDMA信号由用户的散列码去扩展，由此，获得一个窄带数字信号。在接收机上，其它用户的宽带信号对于所希望的信号表现为噪声。

在无线电系统中，现有技术要使用利用自适应天线的所谓SDMA技术(空分多址联接)，其中，例如当在基站上的天线波瓣根据移动站的位置被调节到所希望的方向时，用户可以根据它们被从基站所看到的地理位置被区别。利用SDMA技术由此改善在基站BTS和移动站MS之间的无线电连接的信号干扰比C/I或信噪比S/N，因此系统的整体容量增加。由于发射被定向发出到一个窄的地理区域，SDMA技术进一步改善了网络的频率效率，它意味着同样的频率可以被重新用于在另一个方向，甚至可能在相同基站的另一个连接。由于天线波瓣对准用户，在无线电链路上的多路传播的干扰效应被减小。

SDMA技术以在例如用于一个基站的发射和接收的相同的无线电连接上使用一些并行的接收机和发射机为基础，并且信号处理通常被数字地完成。在信号干扰比和/或信噪比上的改进通常是并行发射和接收支路数量越大则越好。所谓的自适应天线，即具有可变方向图并处理接收的信号的天线被用于监视经由无线电连接和基站通信的移动站，例如通过用某些现有技术方法，如关于CDMA系统，将基站天线波瓣定向发出到一个窄的地理区域，天线波瓣可以被定向发出到某个方向或几个方向，从中上述连接的最佳信号分量被接收。

一个自适应天线由数个天线振子构成的天线阵所组成，天线阵的方向图通过使天线振子的信号定相被动态地改变。这样的天线阵可以由无定向的或定向的天线振子组成，它们可以以直线或者平面的方式被排列。从自适应定向天线主波瓣的外侧到达的信号以由天线方向图相对于由主波瓣接收的信号所确定的比例被衰减。当自适应天线被应用时，由于更好的天线增益机接收信号的处理，选择的移动站MS可以在比普通低的发射功率上发射信号。发射和接收天线可以被分开，或者发射和接收可以被安排经由一个公共天线通过用一个双工滤波器使接收和发射电路相互隔离被进行。

由于窄的天线波瓣自适应天线提供了较低的干扰水平，因此来自其它用户的干扰被减少且对其它用户的干扰更低。同时，基站的覆盖向天线的主波瓣方向增加。由一个单个移动站MS所发射的天线信号也可以经由多于一个的天线波瓣被接收，在这种情况下，由比如多路传播产生的信号分量可以被组合或者在不同的天线从移动站接收的信号可以用其它的方式，例如通过对接收信号不同地加权，来处理，以便该信号与已接收的其它信号相比较而被放大。一个自适应天线的方向图由此可以通过经由多于一个的固定定向的天线波瓣接收信号和通过适当地加权由此接收的信号而被改变。

图2a和2b说明了用于采用SDMA技术的基站的接收和发射部分的框图。在图中的例子里，四个并行的接收和发射支路被调谐到同样的信道CH1和频率f1。在SDMA实现中，有可能建立如特殊系统所需要的很多并行的发射和接收支路。通过增加建立的并行发射和接收支路的数量，天线波瓣可以指向更窄的地理区域并且在同时更进一步从基站延伸覆盖区域。图2a说明了由四个并行接收支路组成的基站的结构。在图2a接收部分的框图中，所有的四个接收支路具有一个公共的信号处理单元201，其中信号如所希望的被处理以便刚好使一个处理信号CH1从信号处理单元201被输送到基站的其它部分。图2a接收支路中一个支路的结构随后将更彻底地被叙述。接收支路在频率f1上借助于天线202从所希望的方向接收无线电信号。接收的信号被输送到带通滤波器206和放大器210。接着，信号通过用本机振荡器218的输出频率倍增它，在混频器214中被转变为一个更低的频率。转换的信号经由带通滤波器222被输送到A/D转换器226用于从模拟转换为数字形式。由此修正的信号被输送到接收支路的公共信号处理单元201，其中它能如所希望被处理。基站其它接收支路的结构与上面已经叙述的是相似的。

图2b对应地说明了由四个发射支路组成的基站的结构。图2b的所有四个发射支路共享一个公共信号处理单元235。发射的信号CH1从基站的其它部分被输送给它。信号在信号处理单元235中如所希望的被处理并且发射的信号被输送到四个发射支路，其中之一的结构随后将被更详细地叙述。发射支路包括D/A转换器239，其中信号被转换成模拟形式。模拟信号被输送到混频器243，其中它由本机振荡器247的输出频率所倍增并由此转换到发射的无线电频率，在图2b的情况是频率f1。转换的信号经由放大器251和带通滤波器255被传输到天线259。信号被从无线发射至无线电路径。基站其它发射支路的结构与上文已经叙述的类似。

图3表示在上方的图2a和2b中公开的基站单元天线的方向图。图3表示用于由图2a的四个天线振子202-205组成的天线阵的接收的方向图。或者表示用于从由图2b的四个天线振子259-262组成的天线阵发射的方向图，以便水平轴表示方位θ和垂直轴表示振幅A。方向图的振幅和射束宽度取决于比如天线中天线振子的数量，由此在天线中的天线振子越多，射束越窄和天线对着主波瓣方向有可能获得的振幅越高。因此，图3的方向图表示了朝着主辐射方向比单独的天线振子的方向图有更窄的射束宽度和更高的振幅。

伴随着应用自适应天线的现有技术系统的问题是用于它们最大性能所需要的一组并行发射机和接收机的组合实现是昂贵的因而是不值得的。此外，在网络上普通负载期间有效的信号处理不总是必需的，它只是提供更好的连接给有限的移动站组。由SDMA应用所需要设备很大，这意味着它们在安装地点占用大量的空间。

本发明的一个目的是实现一种自适应无线电系统，其中尽可能小的设备配置能同时给尽可能多的用户提供足够好的服务质量。

这个目的用前文所述类型的无线电系统来实现，根据本发明其特征在于无线电系统附加地包括装置(401，402，405，406)用于连接所述的并行发射支路和接收支路和用于数字地动态地分配它们以传送单个信号。

本发明进一步涉及用于在无线电系统中分配发射和接收支路的方法，根据本发明其特点在于数字地动态地分配一些所述的发射和接收支路以在一个基站和一个移动站之间传送信号。

本发明按照独立的发射和接收支路在无线电系统中被动态地分配的想法在基站和移动站之间传送信号，以便在每个业务信道和控制信道上对于尽可能多的用户获得足够好的信号质量。发射和接收支路的动态分配由此可能被用于局部地增加网络容量。随后，当在无线电系统中最大效能不被需要时，为无线电系统的最大性能所设计的设备配置可以被尽可能有效地利用。根据本发明的无线电系统，信号传送不需要太有放的设备配置，但在上述的信号传送中不需要的发射和接收支路可以被用于系统中其它信号的传送。对于在发明的自适应无线电系统中每个信号的传送，至少信号所需要数量的并行发射和接收支路被连接。发射和接收支路的动态分配产生天线波瓣，它由于每个连接或者在比如TDMA系统中每个时隙或信号类型而改变。

本发明最大的优点是在移动通信系统按照时分原理时和在调制发射带宽可以变化的用户和/或信道时，例如在所谓的变化频带多速率系统中，在可能是GSM/UMTS组合中时。

这样一个自适应无线电系统提供了基站的容量可以被增加而不增加接收机和发射机到设备中的优点。在这种情况下，基站能够同时服务更多的移动用户。

此外，如果需要，发明的无线电系统提供的优点是，带有比普通更好的质量的信道可以特定连接地提供给某些用户。

此外，发明的无线电系统提供在设备出故障的情况下设备能被灵活地重新配置。

在下面，本发明结合最佳实施例，参照根据在附图中图4a-10的实例，将被详细叙述，其中：

图1表示移动通信系统的基本部分，

图2a和2b说明一个现有技术SDMA基站的接收和发射部分的框图，

图3表示根据图2a和2b的基站配置的辐射图，

图4a和4b表示在根据本发明最佳实施例的一个自适应无线电系统内基站的接收和发射部分的框图，

图5a和5b表示在TDMA系统时隙中根据本发明最佳实施例的一个无线电系统的发射和接收配置的示例实现；

图6表示根据图5a和5b的一个基站设置配置的辐射图，

图7表示根据图5a和5b作为基站覆盖区域的基站设备的天线波瓣，

图8a和8b表示在TDMA系统时隙中根据本发明最佳实施例的无线电系统的发射和接收配置的第二示例实现，

图9表示根据图8a和8b基站设备配置的辐射图，以及

图10表示，作为一种蜂窝结构在发明的无线电系统中一个小区的容量改进。

本发明可以应用到使用SDMA技术的任何移动通信系统。下面，本发明主要通过举例的方式，结合TDMA系统，泛欧洲数字GSM移动通信系统被说明。图1，如上文所述，表示移动通信系统的简要结构。为了这些GSM系统的相近说明，参考GSM建议和“用于移动通信的GSM系统”，M.Mouly & M.Pautet，Palaiseau，France，1992，ISBN：2-9507190-0-7。

在下面，根据最佳实施例和参照图4a和4b本发明被更详细地说明。

图4a表示当接收部分包括四个独立接收支路时，在发明的自适应无线电系统中用于基站接收部分的一个示例框图。在图4a中，在现有技术说明中所述的对应于图2a的框的接收支路框如图2a一样用同样的参考数字表示。本发明接收部分的框图就信号处理部分和它的控制而论不同于在现有技术说明中所述的框图。信号用天线202-205从无线电路径被接收，其后用上述的这种方式结合现有技术说明在每个接收支路的框206-226中信号被修正。被修正的信号被输送到根据本发明用于处理的信号处理块401。根据本发明，控制单元402控制包括已知的信号处理单元的信号处理块401，它能动态地连接到接收支路。对控制单元402控制起反应，信号处理块401动态地将信号处理单元连接到接收支路例如业务信道和专用于例如接收的控制信道。因此，在图4a中信号处理块401包括一些以合适的方式被连接到A/D转换器226-229的输出端的信号处理单元。信息处理块401便利地包括像在基站配置中接收支路那样多的信号处理单元，在图4a的情况最好是四个。处理的信号从信号处理块401的信号处理单元沿着线403被输送到基站的其它部分。

图4b表示当发射部分包括四个独立的发射支路时，在发明的自适应无线电系统中用于基站的发射部分的示例框图。在图4b中，对应于图2b中的块用同样的参考数字表示。根据本发明的发射部分的框图，就信号处理部分和它的控制而论不同于现有技术结构。发射的信号从基站的其它部分沿着线407被输送到包括已知的信号处理单元的发明的信号处理块405。信号处理块405用控制单元406控制以形成在信号处理单元和D/A转换器239-242之间的所希望的连接。所需要数量的发射支路被连接到例如业务信道和控制信道。发射的信号如上面所述结合现有技术在发射支路的块239-255中被修正，并经由天线259-262被发射到无线电路径。信号处理块405便利地包括像在基站配置中发射支路那样多的信号处理单元，在图4b中是四个。

在本发明的其它实施例中，借助于，比如在发射和接收部分组合的发射和接收天线振子和/或组合的信号处理块及相关控制，根据本发明的功能可以被进行。

图5a和5b说明了在基站具有八个发射和接收支路时在TDMA系统的一个时隙内本发明最佳实施例中的一个示例实施例。在这种示例的情况下，由图4a和4b的信号处理块401和405所包含的信号处理单元在控制单元402和406的控制下被连接到基站的发射和接收支路，以便两个支路的每个分别被连接到它自己的信号处理单元501，502和510，511，二个并行支路被连接到一个信号处理单元503和512，而四个并行支路被连接到信号处理单元504和513。信号发射和接收支路被调谐到频率f1和f2，二个并行支路调到频率f3，而四个并行支路调到频率f4。根据图5a和5b的配置，基站能在一个时隙对四个移动用户提供业务，至少达到每个用户要求的服务质量。因此，发明的功能性已增加了用户的数量，与刚好某个用户能被提供良好的服务质量的现有技术相比，其服务得到保证。

图6表示在图5a和5b的示例情况下说明的天线的方向图，用水平轴表示方位角θ而用垂直轴表示振幅A。在图6中用频率f1和f2表示的单个元件天线振子的方向图以低的幅度扩展到宽的方位。由二个并行接收支路的二个天线振子组成的天线阵的方向图在图中用频率f3表示，而由四个并行接收支路的四个天线振子组成的无线阵的方向图用频率f4表示。该图表示当天线振子的数量增加时，天线波瓣变得更窄而主辐射方向的幅度增加。

图7表示作为基站BTS的覆盖区域的图6的方向图。频率f1和f2的宽而短范围的覆盖区域适合于对位置接近基站的移动站MS1和MS2提供业务。频率f3的天线波瓣可以被用于为离得稍远的移动站MS3提供业务，而频率f4的波瓣定向发出到狭窄的地理区域。可以被用于为远离基站BTS的移动站MS4提供业务。

图8a和8b表示当基站具有四个独立发射和接收支路时在TDMA系统中的一个时隙中本发明最佳实施例的第二个示例实施例。在图8a的示例的情况下，二个并行接收支路被连接到一个信号处理单元801。这些接收支路被连接到第二信号处理单元802并且调到无线电频率f2。对应地在图8b的示例情况下，二个并行发射支路被连接到一个信号处理单元803。这些发射支路被调到无线电频率f1。其它二个并行发射支路被连接到第二信号处理单元804并调到无线电频率f2。

图9表示在图5a和5b的示例情况下说明的天线方向图，还用水平同表示方向角θ并用垂直轴表示幅度A。由频率f1和f2二个天线振子组成的天线阵的方向图是相似的。

同样地示例的情况上文已经叙述，根据本发明的自适应无线电系统的配置被动态地连接，比如时隙或特殊的散列码，以便在并行连接中发射和接收支路产生所希望的天线波瓣图和小区覆盖。在基站的四个并行接收和发射支路每个均可以，例如被调到以频率f1-f4的它自己的信道CH1-CH4，因此，配置由此建立四个独立的发射和接收支路，同时控制比如在基站BT和移动站MS之间四个不同的连接。

根据本发明的发射和接收支路的动态并行连接可用于使用不同种类的控制标准。这样的标准包括比如信号质量，信道宽度，网络容量和/或信道类型。控制标准可以被每个单独输送或者适当的组合。下一个更详细的检验是上文提到的示例的标准如何应用于本发明功能性上。

信号的质量借助于比如接收的信号强度，比特误码率BER或者信噪比可以被测量。因此，由移动站发射的信号质量在基站可以被测量，而且对于信号要求的质量可以被确定，如根据正被使用的业务。然后，发明的自适应无线电系统被用于分配一个相应数量的并行发射和接收支路给上述的移动站连接，以至少获得在连接上所需的信号质量。在这种情况下，本发明的自适应无线电系统被使用以适应连接质量。

在信道宽度的基础上发射和接收支路的动态分配以由于比宽信道的平均比特值高而具有每比特较低能量的发射为基础，其结果是宽信道发射的范围比平均的小。要补偿这点，在发明的自适应无线电系统中有可能要分配几个发射和接收支路给这样的宽信道发射比如一个UMTS发射，由此由于更窄的天线波瓣和更高的天线增益，信号强度被增加而干扰超出了天线波瓣被减小。换言之，几个发射和接收线路的使用借助于不同的接收处理能提供一种优点。用同样的方式，窄带信号传送，比如刚好一个或很少几个发射和接收支路，可以被分配。

图10表示一种蜂窝结构，其中发明的自适应无线电系统已局部地增加了网络容量。图中每个六边形代表基站的一个小区，每个具有八个发射和接收支路并由此具有八个天线振子。在大部分小区中，现有技术的SDMA技术已被用于连接作为了一个天线阵的所有八个天线振子，它的窄的天线波瓣被引导以覆盖小区的业务区域。天线波瓣被定向发向用任何现有技术方式正被服务的移动站。小区使用某个频率A1，A2，A3，B1，B2，B3，C1，C2或C3并且由此一个有限数量的信道用于通信。如果在网络内的某一点上比能够提供的一个频率大的容量被需要，有可能在发明的自适应无线电系统内在上述的小区中动态地分配每个频率较少的发射和接收支路，由此有可能使用小区中更多的频率，如在图10某个小区a中所做的。在这个小区a中。例如三个频率A1，A2和A3可以被使用并在合适时分配可得到的八个发射和接收支路。因此小区a的信道容量被增至三倍并且更可靠和更广泛的网络服务可以提供给用户。如图表示的，小区a中的天线波瓣由于这个局部布置变得更宽，但因为八个天线振子的天线阵还使用在其它小区中，这个布置不会在网络导致任何附加干扰。当小区a中容量需求又减小到原先的水平时，发射和接收支路比如又可以调到同样的频率并且所有的八个天线振子可以被用于构成天线阵的窄扫描天线波瓣。因此，根据本发明的自适应无线电系统可以被用于局部地增加系统容量而不增加发射机和接收机进入基站的设备配置。

在发射和接收支路的动态分配中，信道类型起着重要作用，其中它助于在下行线路方向只分配一个发射支路给控制信道，因为控制信道在上行线路方向没有后向的信道并且因此移动站的位置不能被确定，结果是天线波瓣不能准确地被引导向移动站。在这种情况下，基站天线振子中的一个在控制信道频率和时隙被分配控制信道传输。因此，发射和接收支路在发明的自适应无线电系统中，在例如上文一个标准的基础上，可以动态地被分配到业务信道，并且只有一个发射支路单向控制信道并因此只有一个天线无件。

根据本发明的自适应无线电系统提供了需要时分配发射和接收支路以传送信号和由此增加网络容量的一种柔性方式。在一个自适应无线电系统中，基站的设备配置还是根据网络要求的最大能力并根据基站必须同时能提供多少窄带信道来设计。因此根据本发明设计的设备配置的动态分配，例如针对不同的服务和不同的用户，在网络中没有最大负荷状态出现时将改善设备的性能。

相关的图和说明只是引申解释本发明的构想。根据本发明的自适应无线电系统在细节上可能的变化包括在权利要求的范围之内。尽管本发明在上文大部分结合基站的自适应天线叙述，它还可以应用其它的自适应天线，例如在一个移动站中。本发明是通过举例的方式结合TDMA时分多址联接系统来叙述上述内容的，而且很明显本发明也可用于带有其它多种联接技术的系统，例如CDMA系统。本发明也可用于WLL系统(无线局部环路)。在这个申请中，移动站和基站总是参照用户和网络单元的终端设备，能够和它构成无线电链路，例如一个无线系统的终端和固定部分。

Claims (18)

1.一种包括一组移动站(MS)和至少一个基站(BTS)的自适应无线电系统，在无线电系统中至少基站(BTS)具有一组用于在基站(BTS)和移动站(MS)之间传送信号的独立发射和接收支路，

其特征在于无线电系统附加地包括装置(401，402，405，406)用于连接所述的并行发射支路和接收支路和用于数字地动态地分配它们以传送单个信号。

2.如在权利要求1的无线电系统，其特征在于用于分配发射支路和接收支路的装置(401，402，405，406)包括一个用于处理发射和接收支路信号的信号处理块(401，405)，并且控制装置(402，406)用于控制信号处理块(401，405)以连接一个或更多并行的发射或接收支路的信号处理。

3.如权利要求2的无线电系统，其特征在于控制装置(402，406)对传送信号的质量敏感。

4.如权利要求2或3的无线电系统，其特征在于控制装置(402，406)对传送信号的信道宽度敏感。

5.如权利要求2，3或4无线电系统，其特征在于控制装置(402，406)对在无线电网络上的负载敏感。

6.如权利要求2，3，4或5的无线电系统，其特征在于控制装置(402，406)对用于信号传送所使用的信道类型敏感。

7.如前面的权利要求中任意一个的无线电系统，其特征在于无线电系统适于连接并行的基站(BTS)的发射和接收支路，并数字地动态地分配一组同时的独立连接用于在基站和移动站之间信号传送。

8.如权利要求7的无线电系统，其特征在于所述的同时连接是在不同的频率上。

9.一种用于在包括一组移动站(MS)和至少一个基站(BTS)的无线电系统中分配发射和接收支路的方法，在无线电系统中的基站(BTS)至少具有一组用于在基站(BTS)和移动站(MS)之间传送信号的独立发射和接收支路，其特征在于

数字地，动态地分配一些所述的发射和接收支路以在一个基站和一个移动站之间传送信号。

10.如权利要求9的方法，其中在基站(BTS)和一个移动站(MS)之间的连接的信号质量被确定并且由连接所需要的信号质量被确定，特征在于至少分配这样一些发射和接收支路给连接，借助于它们在连接上获得所要求的信号质量。

11.如权利要求9或10的方法，特征在于在使用的信道宽度的基础上，分配这样一些发射和接收支路给基站(BTS)和一个移动站(MS)之间的连接，借助于它们在连接上获得一个足够的信号质量。

12.如权利要求9、10或11的方法，特征在于当网络负载超出一个预定的临界水平时减少分配到基站(BTS)和一个移动站(MS)之间的连接的并行发射和接收支路的数量。

13.如在权利要求9-12中任意一个的方法，特征在于发射和接收支路特定于连接地被分配到业务信道，并且单独地分配到控制信道，支路的数量至少是每个业务所需要的数量。

14.如权利要求13的方法，其特征在于特定于时隙地分配发射和接收支路。

15.如权利要求13的方法，其特征在于特定于散列码地分配发射和接收支路特殊的散列码。

16.如权利要求13的方法，其特征在于分配一个发射支路到控制信道。

17.如权利要求9-16中任意一个的方法，其特征在于将基站(BTS)的发射和接收支路数字的动态分配到一组在基站(BTS)和移动站(MS)之间的同时的独立连接。

18.如权利要求17的方法，其特征在于将基站(BTS)的发射和接收支路数字的动态的分配给一组在基站(BTS)和移动站(MS)之间的同时连接，该连接是在不同的频率上。

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