CN1289466A

CN1289466A - 从带有天线阵的通信站顺序地发送下行链路广播

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Publication number: CN1289466A
Application number: CN99802611A
Authority: CN
Inventors: 克雷格H·巴勒特; 戴维M·帕里什; 克里斯托弗R·乌里克; 斯蒂芬·博伊德; 路易斯C·扬; 马克H·戈德伯格
Original assignee: Arraycomm LLC
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 1998-02-09
Filing date: 1999-02-03
Publication date: 2001-03-28
Anticipated expiration: 2019-02-03
Also published as: ES2538246T3; AU2571999A; EP1055267B1; EP1055267A1; EP2325944A1; WO1999040648A1; US6185440B1; CN100401829C; EP2325944B1; ES2448566T3; JP2002503048A

Abstract

本发明涉及一种在期望的扇区内(如,任何区域)从一个通信站向一个或多个用户单元发射下行链路信号(103)以获得预期的辐射电平的方法和装置,该通信站包括一个天线单元阵列(109.1—109.M)和一个或多个被编程(在可编程信号处理器的情况下)以用来根据一个复数值权矢量序列对下行链路信号进行加权的信号处理器(105)。该方法包括顺序地重复发送下行链路信号,每次重复都利用序列中的一个不同的权矢量直到序列中的所有权矢量都已被发送过。该序列被设计成在至少一次重复期间能获得期望的发射电平。这样,在这段期间可以向所期望的区域内的每一用户发射。

Description

从带有天线阵的通信站顺序地发送下行链路广播

本申请是序列号为08／988，519的美国专利申请的部分内容的延续，该美国专利申请的申请日为1997年12月10日，题目为“从一个带天线阵的通信站进行无线电发射以提供预期的幅射图”(称为“母案专利”)。该母案专利在此被引用。

本发明涉及无线通信系统领域，尤其涉及通过采用多元发射天线阵以获得其覆盖区内近似全向幅射图的通信站，在无线通信系统中进行公共的下行链路通信信道信号的有效广播。

众所周知，蜂窝无线通信系统中将一物理区域划分成若干蜂窝区，每一蜂窝区包括一个与用户单元(也称作远程终端、移动单元、移动站、用户站或远端用户)通信的基站(BS，BTS)。在这样一个系统中，需要在蜂窝区从基站向用户单元广播信息，例如为了与一特定用户建立起一个呼叫而寻呼该用户，或者向所有的用户单元发送控制信息，如：如何与基站通信的信息，该控制信息包括如基站识别、定时、同步数据等。这些寻呼和控制信息在公共控制信道上广播。因为没有关于需要接收这些寻呼或控制信息的远端用户的位置的先前信息，或者这些信息只是针对某些用户，所以全向或近似全向地发射这些信号是更可取的，在这里全向的意思是指在覆盖区内基站的幅射功率图与方位角和高度无关。本发明的方法和装置就是要完成这样一种全向发射。

本发明可应用的蜂窝系统的例子是：采用AMPS标准的模拟系统；采用个人便携电话系统(PHS)协议的变型的数字系统，该PHS协议于1995年12月由无线电工商业协会ARIB(Association of RadioIndustries and Businesses)的初步标准RCRSTD-28(第二版)所制订；和采用GSM协议的数字系统，该GSM协议包括原始形式、称为DCS-1800的1．8GHz形式、和称为PCS-1900的北美1．9GHz个人通信系统(PCS)形式，这三者称为GSM的“变型”。PHS和GSM标准原则上定义了两组功能信道(也称逻辑信道)：一种是控制信道(CCH)组，一种是业务信道(TCH)组。TCH组包括在用户单元和基站之间发送用户数据的双向信道。CCH组包括一个广播控制信道(BCCH)，一个寻呼信道(PCH)，和此处不关注的几个其它控制信道。BCCH是一个从基站向用户单元广播控制信息的单向下行链路信道，该控制信息包括系统和信道结构信息。PCH是一个从基站向某一选定用户单元组或多个用户单元的区域(寻呼区域)广播信息的单向下行链路信道，它典型地用于提示某个特定移动站有一个呼入。本发明可适用于所有的下行链路广播和发射，特别适用于当基站同时向不止一个用户发射公共信息(也就是广播)时所用的BCCH和PCH。本发明也适用于其它的需要全向发射RF能量或至少在期望的区域内不存在盲区的情形。

用于射频(RF)能量幅射的天线阵的使用已经在各种无线电规范中建立。为了在下行链路中从包括一个天线阵的基站向一个远程接收机(用户单元)发射信号，该信号作为输入被提供到天线阵的各个发射单元，单元与单元之间的区别仅在于增益和相位因数，其结果通常被设计为集中于该用户单元的定向幅射图。这种发射方法的益处在于：比使用单个发射单元提高增益，并且与使用单个发射单元相比，能减少对本系统内其它的同信道用户的干扰。采用这样一种天线阵，使得在空分多址(SDMA)技术中，指定相同的“常规信道”给不止一个用户单元成为可能。(所谓“常规信道”也就是，在频分多址(FDMA)系统中的相同频率信道，在时分多址(TDMA)系统中的时隙，在码分多址(CDMA)系统中的码字，或在TDMA／FDMA系统中的时隙和频率)。

任何发送的下行链路信号被用户单元接收，并由用户单元处理所接收的信号，这在现有技术中已熟知。

当从移动单元向基站发送一信号(也就是上行链路通信)，基站典型地(但不是必须)采用一接收天线阵(通常与发射天线阵相同，但不是必须)。对在接收天线阵的每个单元所接收的基站信号在其幅度和相位上用一接收权数(也称为空间多路分解权数)进行加权，这一过程被称为空间多路分解，所有的接收权数确定一个复数值接收权矢量，该矢量依赖于由远端用户向基站发射的接收空间特征标记。接收空间特征标记表征了基站阵列如何无干扰地从一特定用户单元接收信号。在下行链路中(从基站到用户单元的通信)，对要发送的信号进行加权以完成发射，其加权是通过在天线阵的每一单元对信号幅度和相位利用一组各自发射权数(也称为空间多路复用权数)进行，所有的对一特定用户的发射权数确定一个复数值发射权矢量，该矢量也依赖于远端用户的“下行链路空间特征标记”或“发射空间特征标记”，该“下行链路空间特征标记”或“发射空间特征标记”表征了远端用户如何无干扰地从基站接收信号。当在相同的常规信道上向若干移动用户发送信号时，加权信号和由天线阵发射。当用户单元采用天线阵以进行发射并期望这样一个用户单元的全向发射时，虽然这一技术也可以应用于上行链路通信，然而本发明主要还是涉及下行链路通信。

在采用天线阵的系统中，无论是在从每个天线单元的上行链路进行的信号加权，还是到每个天线单元的下行链路进行的信号加权，在此都被称作“空间处理”。即使当不多于一个用户单元被指定到任何常规信道上时，空间处理也是有用的。因此，在此采用的SDMA这个术语，既包括每个常规信道具有不止一个用户的空间多路复用的情况，又包括每个常规信道仅有一个用户的空间处理的使用。“信道”这个术语，是指基站和单个移动用户之间的通信链路，因此，术语“SDMA”既包含了每个常规信道只有单个信道的情形，又包含了每个常规信道不止一个信道的情形。在一个常规信道内的多个信道，被称作空间信道。为描述SDMA系统，可参见如：名称为“空分多址无线通信系统”、由Roy三世等人共同拥有的美国专利US5，515，378(1996年5月7日出版)和US5，642，353(1997年6月24日出版)，在此，两者结合起来作为参考；名称为“有效频谱高容量无线通信系统”、由Barratt等人共同拥有的美国专利US5，592，490(1997年1月7日出版)，在此作为参考；名称为“具有时空处理的有效频谱高容量无线通信系统”、由Ottersten等人共同拥有的美国专利申请08／735，520(申请日为1996年10月10日)，在此作为参考；以及名称为“采用天线阵和空间处理的由判决指导的解调方法和装置”、由Barratt等人共同拥有的美国专利申请08／729，390(申请日为1996年10月11日)，在此作为参考。采用天线阵以提高通信效率和／或提供SDMA的系统有时被称作“智能天线系统”。上述专利和专利申请在此合称为“我们的智能天线专利”。

因为广播意味着通过一个公共信道向分散的用户单元组同时发送数据，所以需要找到一种方法和相关的发射设备，该方法和设备采用多个天线单元阵列，既能广播公共下行链路信道信息，又能广播用于一个或多个特定用户的业务信息。预期的特性

一个成功的方法将具有以下特性：

●在没有预先给出远程接收机可能的位置信息时，一个远程接收机在一定期间内任何方位上至少一次接收到的信号，与在该期间任何其它位置上接收的信号电平近似相同。在这里被称作“近似全向”(NOR)广播；

●天线阵中每个单元在发射功率上的低变化，从而可以利用天线阵中每个单元，并且引起的定标问题在实际操作中被最小化；

●相对于采用天线阵中单个单元以与在该期间天线阵单元的单个发射功率的可比功率进行发射来说，可得到显著的模式增益；

●低的幅射能量总和，因此所有的单元都被有效地利用。

在这里“相对低的幅射功率”意思是：在一段时间内，与采用增益(例如，可用dBi来测量)相同的单个天线单元作为天线阵中的各个单元来得到可比的最大幅射电平(在范围、方位和高度上比较)所需要的功率相比，天线阵中每个单元的幅射功率低。由于幅射功率的不同需要不同的功率放大器，而且高倍数的功放相对昂贵，某些情况下，即使是1dB也使得幅射功率有很大区别。通常情况下，认为3dB会使得幅射功率有很大区别。

采用天线阵的分区系统在现有技术中所熟知。在一个分区系统中，需要在天线阵和相关电子设备所期望覆盖的区域内(即，扇区)有效地广播，而不是真正的全向广播(360°的覆盖方向)。因此，在本文件中，“全向”这个术语将包括以下的含义：1)“全向”意思是近似或接近全向(“NOR”)；2)在一个未分区蜂窝系统中，全向的意思是覆盖方向360°的NOR，3)在一个分区系统中，全向的意思是在期望的扇区宽度内接近全向(例如，120°的扇区其覆盖方向为120°)。

现有技术

用这种方式广播数据的方法将采用全向天线，因此RF载波在各个方向上被均匀地发射。对于其用户单元可在蜂窝区内任一位置的移动蜂窝系统来说，这种全向幅射图成为一个合理的选择。在一个智能天线系统中，或者采用一个独立的全向天线(如垂直偶极子)或者采用天线阵的一个单元(假设具有m个单元)，都能获得这样一种全向图。然而，与所有的天线单元都工作的普通TCH通信使用的功率电平相比，为得到业务和控制信道的相似的范围，这就要求在天线单元(或独立的天线)增加总发射功率。通常这种功率的增加将不被允许，即使允许，在实用中也不可行，因为，例如随着功率的增加功率放大器的成本也迅速提高。

作为方向和其它描述远端接收机位置的量的函数，现有技术关于仅从单个天线单元发射信号的方法满足增益近似恒定的标准，而且具有低的总幅射能量，但是却不能提供低变化，该低变化是天线阵中各单元在发射功率上的低变化，从而利用天线阵中的每个单元，并使引起的定标问题在实际操作中被最小化，也不能提供显著的模式增益，该增益是相对于采用天线阵中单个单元以与天线阵单元的单独发射功率的可比功率进行发射来说可得到的显著的增益。另外，仅从一个天线发射无法在相同的常规信道同时与几个用户进行通信。

除此之外，还可以通过多波束发送和在成束前将预处理应用于任何信号的组合来控制天线阵幅射图。名称为“用于零填充天线幅射图的正交化方法”、发明人为Forssen等的美国专利US5，649，287(1997年7月15日出版)，公开了一种在蜂窝通信系统中发送信息的方法，该系统至少包括一个具有天线阵的基站和多个移动站。对公共信息预处理以形成正交信号。这些正交信号被成束以传送到天线阵中的不同波束。然后正交信号被发射并被一个或多个移动站所接收。这些信号在移动站被处理以便从正交信号中解译公共信息。上述发射到移动站的正交信号被形成以防止天线幅射图中的盲区。

Forssen等提出的方法要求预处理(正交化)控制信号以形成m个正交信号然后馈送到射束形成装置。也就是，任何将要广播的信号首先转换成一组不相关的信号，然后将这些信号中的每一个在不同的波束上发送。这就要求附加的硬件或处理步骤。另外，Forssen等描述的特定实施例中还要求在用户单元有一个高性能的均衡器以分解来自其它不同波瓣的正交信号。期望采用这样一种系统，在该系统中任何要发送的信号只需要对其相位和幅度加权而不要求其它附加的步骤(如：正交化)。

因此，需要这样一种用于全向下行链路发射的方法，该方法采用现有的包括天线阵中天线单元的通信系统装置，以获得可接受的全向性能和相对低幅射功率。还需要一种实现该方法的装置。

本发明的一个目的是在包括一个天线阵的通信站上实现一种用于下行链路发射的方法以获得可接受的全向性能和相对低幅射功率，全向的意思是一个时段内处于通信站范围内的任意方位上的远端用户都能接收到消息。本发明的另一个目的是获得该特性的装置。

这些以及其它的目的将在本发明所公开的不同方面被具体描述。

本发明所公开的一个方面是一种用于从通信站向用户单元发射下行链路信号的方法，该信号具有预期的幅射图且该通信站包括一个天线阵。在通信站中，对一个或多个信号处理器编程(在可编程信号处理器的情况下)以用来对所有下行链路信号的相位和幅度进行加权，加权可用一个复数值权矢量来描述。加权信号被馈送到发射装置的输入端，其输出端与天线单元耦合。该方法包括多次重复发射下行链路信号，每次发射包括：(a)在一组信号处理过程中采用一个信号处理过程以形成已处理的下行链路天线信号，该处理过程包括根据一个权矢量对下行链路信号的相位和幅度进行加权；(b)把每个已处理的下行链路天线信号传送到指定的天线单元，并通过指定的天线单元的相关发射装置将下行链路信号发射出去。对上述一组处理过程进行设计以便在期望的扇区内任何一个位置上在至少一次重复中能获得预期的幅射电平。通常，期望的扇区是指一个方位范围，例如，天线阵扇区的整个方位范围，而预期的幅射电平是指非零(non-null)电平。我们认为非零电平是一个有效的能量电平，它使得接收成为可能。也就是，在一段时间内每一次重复过程中信号都可以发射到任何位置上的每一用户。典型地，通过运行信号处理器之一中的程序将顺次地执行各个信号处理过程。

在本方法的一个实施例中，该组信号处理过程的每一个都包括按照不同权矢量的序列进行加权。该方法包括对于权矢量序列中的每一权矢量执行以下步骤：从矢量序列中选择下一个权矢量，根据选择的权矢量对下行链路信号在相位和幅度上进行加权以形成一组加权的下行链路天线信号，并把每一加权的下行链路天线信号传送到指定的天线单元，通过指定的天线单元的相关发射装置将下行链路信号发射。该矢量序列被设计成能够在期望的扇区内任何一个位置上在至少一次采用权矢量序列的顺序发射过程中获得预期的幅射电平。通常，期望的扇区是指整个方位范围，预期的幅射电平是一个有效(也就是非零)电平。也就是，在要求的一段时间内使用序列中的所有权矢量来顺序地向每一用户发送信号。典型地，通过运行信号处理器之一中的程序来执行程序控制逻辑。一种实现方式是，序列中的权数预先存储在存储器中，而另一种实现方式是，通过不工作从存储在存储器中的一个或多个原型权数进行计算来得到权数。

在公开的特定实施例中，通信站在一个蜂窝系统中采用PHS空中接口协议工作。该系统的一个变型是用于低移动性应用，而另一个是用于无线本地环路(WLL)系统。然而本发明并不局限于任何多路传输方案或空中接口标准。在其它的实施例中可以采用任何模拟或数字多路传输方案(如FDMA，TDMA／FDMA，CDMA，等等)和／或任何空中接口标准(如AMPS，GSM，PHS等等)。

在一个公开的实施例中，权矢量序列中的所有元素都具有相同幅度和随机相位。一种实现方式是随机相位通过随机装置来产生(如一个随机相位发生器)，该随机装置包括在发射装置中。在另一个实现方式中，该序列是预先设计并预先存储在一个存储器中。

在另外一个实施例中，该序列由正交的权矢量组成。这些正交的权矢量最好(但不是必须)具有相同幅度的元素。该实施例的描述中公开了三种可被采用的正交序列：一种序列是其元素是复数值沃尔什-Hadamard矩阵的行(或：列)，另一种序列是其元素是实数Hadamard矩阵的行(或：列)，还有一种序列是其元素是离散傅里叶变换(DFT或FFT)的基矢量。

在另一个实施例中，权矢量序列由能提供预期幅射图(例如，近似全向(NOR)图)的权矢量组成，该幅射图在一个总的期望的扇区(典型地为整个方位范围)内的子扇区中，所有子扇区覆盖总的期望扇区，从而具有序列中每个权数的顺序广播可以覆盖整个期望的范围。采用母案专利(美国专利申请序列号为08／988，519)中所描述的方法对序列中的每个权矢量进行设计。例如在一个实施例中，序列中的每个权矢量是使可能的权矢量的成本函数最小化的权矢量，该成本函数包括一预期的幅射图的变化的表达式，其中该预期的幅射图是在特定的子扇区内采用该权矢量进行发射而得到的幅射图。在一个可用于具有均匀分布单元的天线阵的特定方案中，对于一个子扇区设计一个权矢量原型，序列中的其它的权矢量是通过对权矢量原型进行移位得到，该移位量由子扇区的角度移位所决定。具体细节可参见母案专利。

本发明的另一方面，权矢量序列包括代表了为发射到通信站的已知用户单元而设计的权矢量。典型地，为发射到已知用户单元而设计的权矢量由已知用户单元的发射空间特征标记来确定。在一个实施例中，该代表性的权矢量是为发射到已知用户单元而设计的权矢量。在另一个实施例中，该代表性的权矢量在数量上比为发射到已知用户单元而设计的权矢量少，并且由采用矢量量化聚类方法的用户单元权矢量来确定。现有技术中许多聚类方法是已知的，其中的任何一个方法都可以应用于本发明的这一部分。最佳实施例中的聚类方法以一组权矢量(如，为发射到已知用户单元而设计的权矢量)开始，并迭代地从一组权矢量中确定代表性的权矢量的一个更小的组。首先，指定代表性的权矢量的初始组。在每一次迭代过程中，各权矢量根据某些相关的标准与最邻近的代表性的权矢量合并。在各代表性的权矢量和所有的与代表性权矢量合并的权矢量之间确定一个距离的平均测量值，该平均值最好是距离的均方。直到本次迭代过程中的平均值与前次迭代过程中的平均值之间的差值幅度小于某一阈值，在该次迭代过程中各代表性的权矢量才被一个核心权矢量所代替，该核心权矢量是相对于所有的与代表性权矢量合并的权矢量而言的，然后重复合并和阈值检测的步骤。该核心权矢量最好是该次迭代过程中所有的与代表性权矢量合并的权矢量的几何重心。当各代表性的权矢量和所有的与代表性权矢量合并的权矢量之间的平均量度小于某一阈值时，完成了这一结果的代表性的权矢量将成为用于顺序发射下行链路信号的最终的代表性权矢量。

在该聚类方法的一个实施例中，用于“邻近”的相关标准是最接近的欧几里德距离，并且核心权矢量是该次迭代过程中所有的与代表性权矢量合并的权矢量的几何重心，在另一个实施例中，用于“邻近”的相关标准是最大余弦角，在这种情况下，取代代表性的权矢量的核心权矢量是从在所有的权矢量上执行奇异值分解而获得的主要奇异矢量，其中该所有权矢量是在该次迭代过程中同代表性权矢量合并的权矢量。另外，在该聚类方法的一个实施例中，初始的代表性权矢量是在希望的角度范围内(360度的方位角)对应于不同的均匀分布的各个角度的单位幅度权矢量。也可以采用其它的初始值。例如，在另一个可用于代表性权矢量的数目等于天线单元的数目的实施例中，可采用沃尔什-Hadamard正交权数作为代表性权矢量的初始组。除此之外，还可以采用DFT正交权数作为代表性权矢量的初始组。

在一个替代的改进实施例中，权矢量序列包括两个子序列，第一子序列包括代表现有用户单元的发射权矢量的权矢量，第二子序列包括一个为近似全向广播而设计的权矢量。为近似全向广播而设计的权矢量可以根据母案专利所实施的方法来设计。除此之外，第二子序列还可以是一组正交权矢量。

从本发明的最佳实施例的详述中能更加全面地理解本发明，但是，任何特定的实施例仅仅是为了解释和更好地理解，本发明不受这些实施例的限制。借助于以下附图依次解释各实施例：

图1示出了体现本发明的一个基站的发射处理部分和发射RF部分；

图2示出了在用于每个天线单元的发射路径上带有后处理装置的一个基站的发射处理部分和发射RF部分；

图3(a)和3(b)示出了在一简化方式中，在两个不同阶段(迭代)的最佳实施例聚类方法，其中的两个阶段是从一组权矢量中选择矢量量化代码矢量的一种方法的两个不同阶段；

图4示出了没有任何权数定序的模拟结果。图4(a)、4(b)和4(c)示出了γ值为0(完全随机)、0．5和1．O(完全几何)时的PNLTY测量柱状图，试验次数分别为10000次；

图5(a)、5(b)和5(c)示出了根据本发明的一个方面采用DFT权数定序的模拟结果，其γ值分别为0、0．5和1．0，试验次数分别为10000次；

图6(a)、6(b)和6(c)示出了根据本发明的另一个方面采用矢量量化权矢量定序的模拟结果，其γ值分别为0、0．5和1．0，试验次数分别为10000次。

本发明最好在SDMA无线通信系统的基站部分实现，特别是蜂窝SDMA系统。在一种实现方式中，系统采用适合于低移动性应用的PHS通信协议。用户单元可以是移动的。上面提到并在此被引用的共有的美国专利申请08／729，390具体描述了这样一种系统的基站的硬件，该基站最好具有四个天线单元。在第二种实现方式中，用户单元具有固定位置。再次采用PHS通信协议。具有固定位置的无线系统有时称作“无线本地环路(WLL)系统”。在此被引用(以下称为“我们的功率控制专利”)的、名称为“用于智能天线通信系统的利用信号质量评价的功率控制”、发明人为Yun的美国专利申请09／xxx．xxx(申请日为1998年2月6日)中描述了一种在本发明的某些方面被涉及的WLL基站。这样一种WLL基站可以有任意数目的天线单元，在此假定的许多模拟一个12个单元的天线阵。对于本领域技术人员来说，对于任意一种在每个常规信道上具有一个或多个空间信道、并且具有或者移动或者固定或者移动和固定组合的用户单元的SDMA系统来说，都可以实现本发明。这样一种系统可以是模拟或者数字，可以采用频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)或时分多址(TDMA)技术，后者通常与FDMA组合(TDMA／FDMA)。

图1示出了体现本发明的一个基站(BS)的发射处理部分和发射RF部分。数字下行链路信号103将由基站广播，并且典型地由基站产生。信号103由一个处理下行链路信号103的信号处理器105处理，该处理过程包括对下行链路信号103在相位和幅度上进行加权以形成一组加权的下行链路天线信号的空间处理过程，该加权可由一复数值权矢量来描述。信号处理器105可以包括一个可编程处理器，该可编程处理器的形式可以是具有为进行操作所需的存贮器和逻辑的一个或多个数字信号处理器装置(DSP)，或者一个或多个通用微处理器(MPU)，或者一个或多个MPU和DSP组合。其具体细节读者可以参照上面提到的美国专利申请08／729．390和09／xxx．xxx。在最佳实施例中，空间处理(空间多路复用)及其在本发明中的方法以信号处理器105中的程序指令的形式来实现，当程序加载到DSP(s)或MPU(s)或两者的组合中并被执行时，图1中所示的装置执行该方法。因此信号处理器105具有与基站发射天线阵的天线单元数目相同的输出，该数目在此以m表示。这些输出在图1中以106．1、106．2、…106．m示出。在最佳实施例中，具有由一发射／接收开关产生的时域双工(TDD)效果的发射和接收采用相同的天线阵。由于本发明主要涉及发射，双工功能在图1中没有示出。因此图1也应用于仅用来发射的基站、具有用于发射和接收的不同天线的基站、和具有相同的发射和接收天线的采用频域双工(TDD)的基站。信号处理器105在基带(典型但不必须)上的m个输出被上变换到所要求的RF频率，然后RF放大并馈送到m个天线单元109．1、109．2、…109．m。在实现本发明的WLL和移动系统中，某些上变换以数字上变换实现，某些以模拟上变换实现。由于上变换和RF放大在现有技术中是已知的，在图1中两者以RF单元107．1、107．2、…107．m表示。方法的一般描述

本发明的方法和装置的共同点是多次(即n次)发射下行链路信号，每一次信号处理不同，该信号处理包括以发射权矢量进行加权和进行选择，使得在具有全部n个不同信号处理过程的发射中，在期望的扇区内的任何一个位置在至少一次发射期间获得预期的幅射电平。通常，期望的扇区是一个方位角范围，例如，天线阵扇区的整个方位角范围，而预期的幅射电平是一有效电平(即，非零电平)。而且，在没有给出其它信息的情况下，在具有全部n个不同信号处理过程的发射中，当与发射机的距离相同时，期望的扇区内任意方位角的一个远端用户能获得相同的最大幅射电平。通常，对于非分区系统来说期望的扇区是360°，对于分区系统来说期望的扇区是天线阵扇区。

按照本发明的方法的一个实施例中，n个信号处理过程中的每一个都包括由n个发射权矢量的序列中的一个相应权矢量进行加权。因此，在该实施例中，下行链路信号被发射n次，每一次都具有在n个不同权矢量的序列中的一个不同的权矢量，该n个权矢量被选择，使得在具有全部n个权矢量的发射中，在期望的扇区内(如，天线阵扇区)的任何一个位置在至少一次发射中获得预期的幅射电平。通常，期望的扇区是一个方位角范围，例如，天线阵扇区的整个方位角范围，而预期的幅射电平是一有效电平(即，非零电平)。而且，在没有给出其它信息的情况下，在具有全部n个权矢量的发射中，当与发射机的距离相同时，期望的扇区内任意方位角的一个远端用户能获得相同的最大幅射电平。通常，对于非分区系统来说期望的扇区是360°，对于分区系统来说期望的扇区是天线阵扇区。一个不同的权矢量在每一重复过程中被有效地采用，为获得这样一种不同，例如，或者选择一不同的权矢量或者使用一附加装置产生的单个权矢量来改变权矢量以产生一个不同的有效权矢量。

在另一实现方式中，信号处理过程包括在空间处理之后的后处理，例如，在基带采用模拟或数字滤波，或者在RF域采用模拟滤波，在每一重复过程中空间处理典型但非必须地采用相同的发射权矢量。在n次下行链路信号发射中的每一次，下行链路信号被空间处理为多个信号，每个信号用于一个天线单元。每一天线信号以不同方式进行后处理。注意每一天线信号上变换到RF，带有一级或多级中频(IF)放大，并且该处理可以在这种上变换之前进行，采用数字或模拟装置，或者在数字上变换(当有数字上变换时)之后采用数字或模拟装置，或者在模拟上变换之后采用模拟装置。在模拟方式中，不同的模拟滤波被引入到m个天线信号的每一个，并且n次在RF单元107．1，107．2，…107．m中馈送给m个天线单元109．1，109．2，…，109．m。可以这样做，例如，在m个天线信号的每一个中n次引入不同数量的延时。如图2所示的后处理装置203．1，203．1，…203．m例如是产生m个不同延时的各延时装置。对于各RF单元，后处理装置在输入处。然而，后处理不仅可以在基带，也可以在RF单元进行，这对于本领域技术人员是显然的。当引入这种延时后，用户接收单元可能需要适当的均衡器，这对于本领域技术人员是明显的。后处理还可以例如，通过n次引入不同数量的频率偏移到m个天线信号的每一个中。在这种情况下，图2所示的后处理装置203．1，203．1，…203．m是产生m个不同频率偏移的各频率偏移装置。引入到m个天线信号的每一个中的不同频率偏移或不同延时的数量在用户单元不会带来解调的问题，但是却足以使m个天线信号正交化。频率偏移引入后处理的一个特定实施例可以被一个在RF发射装置中使用可编程上变换器／滤波器的系统所采用。在“我们的功率控制专利”(上面提到的美国专利申请09／xxx．xxx)所描述的WLL系统的基站中，用于实现RF系统107．1，107．2，…107．m的设备是Graychip公司(加利福尼亚的Palo Alto)的GC4114四线数字上变换器／滤波器。GC4114具有可以用于将频率偏移引入到信号的相位偏移(和增益)寄存器。

频率偏移后处理方法可被认为是使用在每次重复的发射过程中相位变化的发射权矢量进行发射。例如，最佳实施例中所采用的数字调制，引入一个小的频率偏移使构象空间产生缓慢旋转。该构象空间是由复数值(同相分量I，正交分量Q)基带信号所扫出的复数构象。因此，采用频率偏移后处理将导致下行链路信号短脉冲串的不同码元以一个不同的幅射图被发射。因此，在每一次重复过程中出现幅射图的一些平均，并且可能使用更少的重复。

引入后处理以产生一组顺序发射的正交化处理下行链路信号的另一种方式是只采用一个权矢量，并使用包括用于随机化相位的装置的RF系统107．1，107．2，…107．m。每一发射过程中m个相位相互是随机的。在这种情况下，图2所示的后处理装置203．1，203．1，…203．m是包括在RF系统107．1，107．2，…107．m中的各个相位随机化装置。对于各RF单元，相位随机化装置在输入处。然而，随机化不仅可以在基带，也可以在RF单元进行，这对本领域技术人员是明显的。在一个实施例中，随机化装置203包括以随机初始索引顺序寻址正弦和余弦查询表。另一个实施例可用于在RF发射装置中采用可编程上变换器／滤波器的系统中。例如，上面提到的采用了Graychip公司GC4114的实施例，GC4114具有相位偏移(和增益)寄存器，这些寄存器可以用于改变信号的相位(和幅度)。相位变化发生在数字IF。

体现本发明的一个第一装置包括用于对n个不同权矢量的序列进行定序的定序逻辑。在最佳实施例中，该定序逻辑是在信号处理器105

(可以包括一个或多个DSP装置)中的一组程序指令。该定序装置在一个实施例中还包括用于贮权矢量序列的存贮器，而在另一个实施例中还包括用于在不工作时产生权矢量序列中的权矢量的发生装置，和用于存贮一个或多个权矢量原型的存贮装置，发生装置从这些原型产生该序列。如何采用DSP和／或微处理器实现该定序逻辑对于本领域技术人员是熟知的。

体现本发明的一个第二装置包括用于对n个信号处理过程进行定序的定序逻辑。在最佳实施例中，该定序逻辑和该信号处理过程分别是在信号处理器105(可以包括一个或多个DSP装置)中的一组程序指令。信号处理过程可以是任意一组上面所描述的后处理过程，该后处理过程和适当的空间处理过程一起用于对下行链路信号进行空间处理以形成一组正交的下行链路信号中的一个。如何采用DSP和／或微处理器实现该定序逻辑和信号处理，对于本领域技术人员是熟知的。

在最佳实施例中采用的PHS协议允许定义控制信道间隔(以帧表示的控制脉冲串之间的时间)。例如，在许多PHS系统中，每20帧发送控制脉冲串。由于在PHS标准中一帧是5ms，这就意味着每100ms发送BCCH。在最佳实施例中采用PHS的WLL系统中，控制脉冲串每5帧(25ms)被发送。因此，如果权序列有12个权数，那么每300ms重复一个完整的序列。随机相位权数

在采用权矢量序列的一个第一实施例中，该组权矢量包括具有相同幅度和随机变化相位的权矢量。有几种方式可以实现这点。

实现这种随机相位的一种方式是预先选择和预先存贮一组具有相等幅度但随机相位的权矢量，对这组权矢量定序。

实现随机相位的第二种方式是具有一个权矢量原型，并利用在不工作时修改相同权矢量来重复发射以进行相位随机化。在数学上，通过具有元素w₁，…w_m，的矢量w来表示发射权矢量原型，该方法包括用具有元素w₁exp(jφ₁)，…w_mexp(jφ_m)的一个权矢量来重复发射下行链路信号，在每一次重复中，φ₁，…φ_m随机地变化。也就是，φ₁，…φ_m中的每个值在0至2π之间是均匀分布的随机数。

以随机相位方法来进行实验，可以观察到由固定用户所接收的信号的统计值近似于瑞利分布。例如，从以一单个天线进行发射的基站接收信号的一个移动用户可获得这样的一个分布。因此，标准通信协议和空间接口标准特别适用于具有瑞利分布的信号。正交权数

第二实施例中权矢量序列采用了一组正交的权矢量。在最佳实施例中，所要定序的正交矢量的数目与天线阵109的天线单元的数目m相等。由w_i，i=1，…m表示序列中的第i个(复数值)发射权矢量。也就是，在以第i个权矢量进行发射期间，根据相应的权矢量w₁的复数元素的值，对每一个天线单元上的将被广播的已调信号在幅度和相位上进行加权(在基带)。以s(t)表示将被广播的下行链路信号，其中t表示时间(如本领域技术人员所理解的那样，对于数字系统来说t是整数值，而对于模拟系统t是时间值)。以fn表示用于特定发射系统的必要发射调制。对于最佳实施例中所采用的PHS标准，fn是差分四相移相键控调制(DQPSK)。w_i表示成w_i=[w_il…w_im]，利用第i个权数由(总数为m个单元的天线阵的)第j个天线单元发射的信号(例如基带)y_ij(t)可以被数字地描述为y_ij(t)=w^* _ijfn(s(t))，其中()^*表示复共轭。

一种表示序列中全部m个权矢量的方便的方法是把w_i，(i=1，…m)中的每一个矢量加起来以形成一个由W表示的m×m矩阵，使得

指定W表示整个序列。在这里，W有时作为基础矩阵。

在最佳实施例中，由于要求使用所有的天线单元，序列中的每一权矢量的各(复数值)元素被强制具有相同的大小。也就是，所有的天线以相同的功率进行发射(在广播期间)。在数学上，对所有的i和j这可以用｜w_ij｜=1来表示。其实际值由基站的功率控制部分来确定。例如可参见“我们的功率控制专利”(上面提到的美国专利申请09／xxx．xxx)。沃尔什-Hadamard系数

在一个实施例中，权矢量是W的行(或列)，其中W是一个广义的(即复数值)沃尔什-Hadamard矩阵。下面的MATLAB计算机代码(Mathworks公司，Natick，MA)产生当m=2、4和8时的沃尔什-Hadamard矩阵。％％采用复数形式的沃尔什-Hadamard矩阵产生一组正交的权矢量。％该权矢量可以是基础矩阵W的行或列矢量。m=4，％m是天线数目pos=[1+sqrt(-1)1-sqrt(-1)]／sqrt(2)；neg=[-1-sqrt(-1)1-sqrt(-1)]／sqrt(2)；a2=[pos；neg]；a4=[a2a2；a2-a2]；a8=[a4a4；a4-a4]；if(m=2)

basis=a2；elseif(m=4)

basis=a4；elseif(m=8)

basis=a8；end；

在另一个实施例中，权矢量是m维矩阵W的行(或列)，其中W是一个具有+1和-1系数的实数Hadamard矩阵。DFT系数

在另一实施例中，权矢量是m点离散傅里叶变换(DFT)及其快速形式快速傅里叶变换(FFT)的基矢量。以下是W的行(或列)，其中j²=-1

基于具有预期幅射图的权数的方法

母案专利描述了定义一个(权矢量的)成本函数，根据全部的幅射图确定权矢量的预期特性，如在天线单元之间的功率分配等等。同样地，在另一实施例中，定义一个权矢量序列的成本函数，以获得一个预期的完整幅射图和一个在发射天线阵的不同单元之间的预期的功率变化。

一方面是把这个设计问题分成多个权矢量的设计，这些权矢量构成权矢量序列。每一个权矢量(例如使用母案专利中的方法)被设计成在一子扇区具有预期幅射图，所有子扇区的组合定义一个期望的覆盖区域，所有子扇区的重叠定义在覆盖区域内的预期的完整幅射图。当以一特定顺序定序时，这相当于“扫描”一具有子扇区的区域，尽管没有要求以模拟扫描的特定顺序定序。当采用一个近似的均匀天线阵时，为在一单个扇区内(宽度为Δθ)获得一近似全向幅射图设计一单个权矢量“原型”，对该权矢量“移位”由Δθ(即期望的整个区域的大小)和序列中权矢量的数目定义的量。例如，对于一个覆盖角度为180°的具有m次顺序发射的近似均匀线性天线阵，其移位为180°／m并且Δθ最好略大于180°／m。

另一方面是能直接获得预期特性的权矢量序列的更一般的设计，由最小化成本函数来定义。如何设计这种成本函数，对于本领域技术人员可以从本说明书和母案专利中获知。基于远端用户的知识的方法

在一个WLL系统中，用户单元的位置对于基站来说是固定的和已知的(以发射空间特征标记的形式)。一个广播策略是基于通过采用一权矢量向各用户顺序发射广播消息，该权矢量由用户已知的可能具有其它标准的发射空间特征标记来确定。采用仅由用户空间特征标记来确定的发射权矢量可以确保向该用户发出最大功率。增加一个附加的标准可以使向其他用户的能量最小化。

对于有大量用户单元的本地用户环路来说，向所有的用户单元顺序发射每一广播信息可能需要太多时间。所要求的时间可以通过提供一组可定序的分区的幅射图(参见前面)来减少，其中每一被分区的幅射图能够覆盖不止一个用户。另一选择是确定一组更少的广播发射权矢量，该组足以表示用于每一用户单元的权矢量组。象这样的一个例子是矢量量化(VQ)。参见Gray，R．M．，“矢量量化”，IEEE ASSP杂志，Vol．1，No．2，1984年4月(ISSN-0740-7467)中关于VQ的介绍。VQ方法被应用于其它技术领域，如图象压缩，用于语音编码和话音识别的话音特性矢量的线性预测编码，等等。

假定有p个远端用户，其中第k个用户具有一发射空间特征标记a_tk，k=1，…，p。w_k是对应于第k个用户的权矢量。也就是，如果我们以下面这种形式来表示空间特征标记其中α_ki是正的幅度，φ_ki是s角度，那么对应于p用户的“最优”权矢量是

许多用于从一个pm-矢量的大组中选择一组n个代表性的m-矢量的方法是已知的。这些在文献中一般是作为“聚类”方法而被了解的。在我们的应用中，以p个权矢量(如，对应于p个已知远端用户的p个权矢量)开始，并从中确定代表p个权矢量的n个权矢量(代码矢量)。现在描述所采用的特定的聚类方法。注意虽然p最好是远端用户的数目，该方法是通用的；可能有比已知远端用户多的初始权矢量(见后面)。我们所采用的方法按如下步骤反复进行：

1、以p个权矢量(这些矢量以w_i表示，其中i=1，…，p)开始，p最好是远端用户的数目，w_i是对应于p个远端用户的最优权矢量，并且以n个初始代码矢量(以v_k，k=1，…n表示)开始。初始代码矢量最好是对应于希望的角度区域内(最好是360度的方位角)n个均匀分布的角度的单位幅度权矢量。

2、对于各权矢量，(也就是，i=1，…，p)，找到这样的一个k使得当l=1，…n时，‖w_i-v_k‖≤‖w_i-v_l‖。对于各权矢量w_i，这可以找到最邻近的代码矢量v_k(在欧几里德距离‖…‖中是“最邻近”的)。在此采用的标准称为“关联”标准，因此该关联标准最好是最接近的欧几里德距离。

3、将各个权矢量w_i与其最邻近的代码矢量v_k合并(关联)。以n_k表示与代码矢量v_k合并的权矢量的数目并以w_i，k表示已经与代码矢量v_k合并的权矢量w_i。

4、计算被合并的权矢量和代码矢量之间的均方欧几里德距离。也就是，计算

d^{2} = \frac{1}{p} Σ_{k = 1}^{n} Σ_{i = 1}^{nk} {| | w_{i, k} - v_{k} | |}^{2}

并确定本次迭代过程中结果d²与前次重复过程中结果d²之间的差值是否小于某一小阈值δd²。如果是这样，那么停止迭代。在一个实施例中，当所有的权矢量归一化为1时，δd²是10^-12。注意在第一次迭代过程中不需要执行步骤4。

5、如果是第一次迭代或者本次和前次结果d²之间的差值不小于阈值δd²，那么由与代码矢量v_k合并的n_k个权矢量w_i，k的几何重心(在m维复数空间)来取代各代码矢量v_k，k=1，…n。也就是以

V_{k, new} = \frac{1}{n_{k}} Σ_{i = 1}^{nk} w_{i, k}

取代各个v_k。

6、回到步骤2。

因此可以确定代表p个权矢量的n个矢量，该p个矢量对于已知远端用户来说最好是最优权矢量。

在另一实现方式中，在步骤2的确定邻近值和步骤3的合并中的关联标准是将各权矢量w_i与其最大余弦角代码矢量v_k合并而不是与最邻近代码矢量合并。两个矢量间角度的余弦是规一化矢量的点积：

{\cos θ}_{i, k} = \frac{| w_{i} • v_{k} |}{| | w_{i} | | \cdot | | v_{k} | |},

其中·是点积。在这种情况下步骤5的替换各代码矢量就变为：在一个矩阵的列是与代码矢量v_k合并的n_k个权矢量w_i，k的矩阵上执行奇异值分解(SVD)，并由主要奇异矢量替换各代码矢量v_k，k=1，…n，该主要奇异矢量通过在与代码矢量v_k合并的n_k个权矢量w_i，k上执行SVD而得到。

也可以采用其它的初始值。例如，在另一种实现方式中，对于代码矢量的数目n等于天线单元的数目m这种情况，可以采用沃尔什-Hadamard正交权数作为代码矢量的初始组。此外，还可以采用DFT正交权数作为代码矢量的初始组。此外，还可以采用一组随机初始代码矢量。

为简单起见，图3(a)和3(b)示出了在二维平面采用优选方法选择代码矢量的方法的一个例子。当然实际上矢量是复数值并且是在m维空间。在所示的情况中，有12个原始权矢量，并从中产生4个(数目n)代码矢量。图3(a)和3(b)示出了优选代码矢量产生方法的两个不同阶段(迭代)的状态。这四个代码矢量以圆圈表示，并在图3(a)中编号为333、335、337和339，在图3(b)中编号为343、345、347和349。12个原始权矢量在两幅图中都以×来表示。最初指定一代码矢量的初始组，它们是图3(a)中的代码矢量333、335、337和339。在每一次迭代中，各权矢量与其最接近的代码矢量合并，将空间分成四个区域。区域的分界线在图3(a)中以虚线303表示，在图3(b)中以虚线313表示，这些区域在图3(a)和3(b)中分别标号为P1₁-P4₁和P1₂-P4₂。任意阶段的代码矢量，如图3(b)中的343、345、347和349，是前面每个区域权矢量的重心。因此，在图3(b)中代码矢量345是图3(a)中区域P2₁中的四个权矢量的重心。以重心取代代码矢量，则代码矢量和原始权矢量之间的平均欧几里德距离将减小。当在本阶段(迭代)中的平均欧几里德距离与在上次迭代中的平均欧几里德距离之间的差值小于某一预定阈值时，最佳实施例所描述的方法将停止执行。用于定序的n个权矢量是最后一次迭代中的代码矢量。

从一组p个初始权矢量中确定n个代码矢量的另一方法是基于采用奇异值分解(SVD)，其中n个代码矢量用作顺序发射下行链路信号的权矢量序列。应用于代码矢量选择过程的SVD方法按以下步骤循环执行：

1、在矩阵的列是p个权矢量的矩阵[w₁…w_p]上执行奇异值分解。如前面所述，p最好是远端用户的数目，w_i是对应于p个远端用户的最优权矢量。主要奇异矢量以x表示。

2、对于p个权矢量w₁，…w_p，确定权矢量和该主要奇异矢量之间的角度的余弦，也就是，确定

{\cos θ}_{i, x} = \frac{| w_{i} • x |}{| | w_{i} | | \cdot | | x | |}, i = 1, \cdot \cdot \cdot p

。

3、将该组权矢量分成两组。如果权矢量和主要奇异矢量之间角度的余弦小于某一阈值，那么选择该权矢量用于第一组。否则，指定该权矢量到第二组。

4、重复上述步骤1、2和3，将第二组矢量分成两组。循环执行步骤4直到获得n个组，则代码矢量为从循环过程中得到的n个主要奇异矢量。

在不背离此范围的前提下，也可以采用其它的方法确定用作顺序发射下行链路信号的权矢量序列的n个代码矢量。可以参见如上面提到的由R．M．Gray所著的文献，还可以参见，如，Rabiner，L．R．等人提出的二分法，“用于LPC系数的一个矢量量化量的特性说明”，刊载在“贝尔系统技术杂志”，Vo1．62，No．8，1983年10月，第2603-2616页。这个以及其它的在现有技术中已知的“聚类”方法适合于公共信道广播问题，如何采用一聚类方法对本领域技术人员是熟知的。

虽然上面的论述假定p个远端用户和p个初始权矢量，每个远端用户也可以有不止一个权矢量，因此p可能大于已知远端用户的数目。例如，在一个典型的系统中，某些远端用户的空间特征标记可能随时间有较大的变化，而其他用户则没有。因此，在一个VQ方法(对所有的VQ实施都适用)的另选实施例中，原始权矢量包括用户权矢量的一个时间上的记录，其中从该原始权矢量中确定n个权矢量的代表性组。在另一实施例中，使用远端用户权矢量的一个统计记录。

为了在可应用本发明的几个可替代实施例的WLL系统中实现该方法，对于每个远端用户可典型存贮6或7个空间特征标记。另外，还可以存贮空间特征标记的短期(一个通话期间)和长期(几个通话期间)变化。

在这些实施例中，在已知用户基础变化时周期性地执行n个代码矢量的产生过程，该代码矢量用于本发明的顺序广播方法。该产生过程可以脱机执行，或在基站的信号处理器105中执行。

此外，p可以少于已知远端用户的数目。如，p权矢量中的一个可以充分地覆盖不止一个远端用户。基于部分知识的方法

虽然通常在一个WLL系统中，现有的远端用户的空间特征标记是已知的，在系统中可能有一些其标记是未知的新用户。在一个改进的实施例中，利用代表现有远端用户的第一组n个权矢量中的各权矢量来顺序地发射消息，然后利用一个附加的权矢量再次广播该消息，其中的附加权矢量是第二组n₁个为(近似)全向广播而设计的权矢量中的一个，例如以上所描述的正交或者随机化(如随机相位)的权矢量。具有n个代表性权矢量的顺序发射过程在具有第二组权矢量的下一加权的发射过程之前被重复。这样，下行链路消息将最终被未知远端用户所接收，显然这比被已知远端用户的接收花费更长时间。

在另一改进的实施例中，以代表现有远端用户的第一组n个权矢量中的各权矢量来顺序地发射消息，然后以一个为近似全向广播而设计的附加权矢量来广播该消息，例如采用母案专利中所描述的任何一个实施例。

在服务于移动用户单元的一个蜂窝系统中，不可能指定固定的发射权矢量因为位置随时间而改变。但是，由于用户“聚集”位置，如机场或其它的运输中心可以得到一组首选的位置，这些位置是在任意给定时间的覆盖区域内对于相当大部分的用户移动站来说倾向于成为暂时的位置。

如果一个特定的基站对固定的和移动的用户都提供服务，那么可以采用一种组合的方法对两种类型的用户提供服务，首先通过对一组代表了用于具有已知空间特征标记的用户的权矢量的VQ权矢量进行定序，然后通过对一组为似近全向广播而设计的随机相位的或正交的权矢量进行定序。而且，具有多个远端用户的聚集位置，如运输中心，由于具有已知的关联发射权矢量，而与固定用户单元一起被包括在VQ处理中，或者可以除其它天线幅射图定序之外被访问。具有不同的用户单元密集程度的扇区被不同地处理，如，对不同的扇区分别产生多个用于广播的VQ码本或者与其它的定序方法结合。模拟结果

通过模拟来评价下文中所描述的某些方法。在模拟中，采用的“最优”权矢量是已知的，其中“最优”的含义在下面定义。发射空间特征标记表示一个移动终端如何通过一个特定的常规信道从基站的各天线阵单元接收信号。在一个实施例中，它是一个复数值的列矢量，在此以a_t表示，包括远程终端接收机的输出包含的各天线单元发射机输出的相对值(相对于某一固定基准的幅度和相位)。对于一个m单元天线阵，a_t=[a_t1 a_t2…a_tm]^T，其中()^T是转置操作，a_tj，j=1，…，m，是远程终端接收机输出的从基站第j个天线单元向移动终端发射的单位功率信号的幅度和相位(相对于某一固定基准)。因此，在没有任何干扰和噪声时，当一个信号y_ij(t)=w^* _ijf_n(s(t))以权数序列中的第i个发射权矢量被第j个天线单元(总数为m个单元的天线阵)发送时，在远程终端接收机的输出信号z_i(t)为：

z_{i} (t) = fn (s (t)) Σ_{j = 1}^{m} w_{ij}^{*} a_{tj} = fn (s (t)) w_{i}^{*} a_{t}

。

为了利用发射空间特征标记a_t将一信号最佳地发送到远端用户，选择一个使接收功率在远程终端最大化的权矢量w，也就是使｜w^*a_t｜²或｜w^*a_t｜最大化的w，例如，其受到总的幅射功率的约束。这就是上文所称的“最优”权矢量。以w_opt表示这样一个权矢量，用于评价权矢量序列的一个标准是对所有的远端用户(各具有一个特定的空间特征标记a_t)进行计算，一个penalty figure PNLTY定义为希望获得一更低的PNLTY值。

在测试本发明的某些方面的模拟过程中，假定各空间特征标记(与一远端用户关联的)由一“几何”的部分和一“随机”的部分组成。几何部分考虑从天线阵各单元向远端用户发射的信号之间的相对相位延迟。假定远端用户位于各天线单元的远场。假定几何发射介质是各向同性的和非发散的，这样幅射是以直线传播到远端用户，并假定远端用户远离基站，因此远端用户与各天线单元之间的方向具有相同的角度。此外，假定发射的信号是窄带并具有相同的载频。

任何空间特征标记的随机部分由实数和虚数部分组成，是服从高斯分布的具有0均值和某一方差的随机变量。在模拟过程中，假定任意(复数值的)发射空间特征标记具有以下形式：a_t=γa_tG+(1-γ)a_tR其中a_tG是几何部分，a_tR是随机部分，γ是一参数，在此称为“杂波参量”并具有在0-1之间的值。因此，在用于测试本发明的不同实施例的模拟过程中，当γ=0时表示一个完全的随机空间特征标记，而当γ=1时表示一个完全的几何空间特征标记。

图4示出了没有任何权数定序时的模拟结果。用于模拟的天线阵由在一圆周上均匀分布的12个天线单元组成。示出了PNLTY值的三个柱状图，在图4(a)、4(b)和4(c)中都具有总数为N的空间特征标记值，其中N=10000，γ值分别为0(完全随机)、0．5、1．0(完全几何)。水平轴是Penalty值PNLTY。没有权数定序时，在γ=0、γ=0．5和γ=1．0的情况下PNLTY的均值分别为14．6dB、15．0dB和29．1dB。此外，介于16．0dB和19．8dB之间的、依赖于如何模拟信道空间特征标记的余量，必须达到模拟的用户单元的80％。

在γ=0、γ=0．5和γ=1．0且试验次数分别为10000次的情况下当采用DFT权数定序时的模拟结果示于图5(a)、5(b)和5(c)。采用DFT权数定序时，在γ=0、γ=0．5和γ=1．0的情况下PNLTY的均值分别为5．1dB、5．2dB和7．3dB。此外，必须达到模拟的用户单元80％的、依赖于γ值的余量是6．1dB到8．8dB。与没有权数定序相比这是一个重要的改进。

也可以采用最佳实施例中当代码矢量的数目n等于天线单元的数目m时(也就是n=m=12)的矢量量化方法执行模拟过程。采用均匀方向分布的权矢量作为一组初始代码矢量，并采用欧几里德距离(范数)作为关联标准。在γ=0、γ=0．5和γ=1．0且试验次数分别为10000次的情况下模拟结果示于图6(a)、6(b)和6(c)。采用这样的代码矢量定序，在γ=0、γ=0．5和γ=1．0的情况下PNLTY的均值分别为5．4dB、5．0dB和4．0dB。此外，必须达到模拟的用户单元80％的、依赖于γ值的余量是5．3d到6．4dB。与没有权数定序相比这也是一个重要的改进。

本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，可以对本发明所述的方法和装置作出多种改变。例如，按照本发明的方法实现的通信站可以采用多个协议中的一个，而且，这些基站也可以采用多种结构。可以有更多的改变。本发明实际的范围和精神只由所附的权利要求所限定。

Claims

1．一种用于从一通信站向一个或多个用户单元发射一下行链路信号的方法，该通信站包括一天线单元阵列，各天线单元耦合到一个具有一输入端和一输出端的相关的发射装置，各天线单元耦合到与其相关的发射装置的输出端，该相关的发射装置的输入端耦合到一信号处理器，该方法包括：

(a)对于一组不同信号处理过程中的各个特定信号处理过程来说，每一信号处理过程是用于处理下行链路信号以形成多个已处理的下行链路天线信号，各信号处理过程包括根据相应的权矢量对下行链路信号在相位和幅度上进行加权，各已处理的下行链路天线信号在天线阵中具有一预期的天线单元，重复以下步骤：

(b)根据特定信号处理过程来处理下行链路信号以形成特定的多个已处理的下行链路天线信号；

通过将该特定的多个已处理的下行链路天线信号中的各已处理的下行链路天线信号通过预期的天线单元的相关发射装置传送到其预期的天线单元来发射下行链路信号

对该组不同信号处理过程进行设计，从而在至少一次重复步骤(b)的发射过程中在期望的扇区内的任何位置上获得一预期的幅射电平。

2．根据权利要求1的方法，其中，预期的幅射电平是一非零电平。

3．根据权利要求1或2的方法，其中，期望的扇区包括一方位角的范围。

4．根据权利要求3的方法，其中，方位角的范围是天线阵的整个方位角的范围。

5．根据权利要求1、2、3或4的方法，其中，信号处理器包括一个可编程处理器，各信号处理过程包括运行可编程处理器内的一组程序指令。

6．根据权利要求1、2、3或4的方法，其中，在各个不同的处理过程中的用于加权的各相应权矢量，是一组不同权矢量的序列中的一个不同的权矢量，根据各相应权矢量进行加权以产生多个已处理的下行链路天线信号，该权矢量序列被设计成在至少一次重复步骤(b)的发射过程中在期望的扇区内的任何位置上获得一预期的幅射电平。

7．根据权利要求6的方法，其中，权矢量序列中的权矢量预先存贮在一存贮器中。

8．根据权利要求6的方法，其中，权矢量序列中的权矢量是通过对一组一个或多个权矢量原型计算而得到，该组权矢量原型预先存贮在一存贮器中。

9．根据权利要求1、2、3或4的方法，其中

该组不同信号处理过程中的各个不同过程还包括不同组的后处理过程的相应序列的一组后处理过程，

对于不同组的信号处理过程的序列的各组过程来说，其相应的权矢量实质上是相同的，

重复步骤(a)，包括

(ⅰ)根据相应的权矢量对下行链路信号进行加权以形成多个下行链路天线信号，和

(ⅱ)把一组后处理过程中的一个不同的后处理过程应用到多个下行链路天线信号中的各下行链路天线信号，以形成该特定的多个已处理的下行链路天线信号中的各已处理的下行链路天线信号。

10．根据权利要求9的方法，其中，不同组的后处理过程的相应序列的各组后处理过程包括应用一不同组的相位移位。

11．根据权利要求10的方法，其中，各个不同组中的相位移位相互间是随机的。

12．根据权利要求9的方法，其中，不同组的后处理过程的相应序列的各组后处理过程包括应用一不同组的时间延迟。

13．根据权利要求9的方法，其中，相应的一组不同后处理过程中的各个后处理过程包括应用一个不同的频率偏移。

14．根据权利要求1至13中任意一个权利要求的方法，其中，通信站是FDMA／TDMA系统的一部分。

15．根据权利要求14的方法，其中，根据GSM通信协议的一个变型进行通信站操作。

16．根据权利要求14的方法，其中，根据PHS通信协议的一个变型进行通信站操作。

17．根据权利要求1至14中任意一个权利要求的方法，其中，通信站是CDMA系统的一部分。

18．根据权利要求6的方法，其中，权矢量序列中的各权矢量所具有的元素有相同幅度和随机相位。

19．根据权利要求6的方法，其中，权矢量序列中的各权矢量的元素具有相等的幅值。

20．根据权利要求6的方法，其中，权矢量序列中的权矢量的数目与天线的数目相同，天线的数目以m表示，并且权矢量序列中的权矢量是正交的。

21．根据权利要求20的方法，其中，权矢量序列中的各权矢量的元素具有相等的幅值。

22．根据权利要求20的方法，其中，权矢量序列中的权矢量由一个复数值的m维沃尔什-Hadamard矩阵的行构成。

23．根据权利要求20的方法，其中，权矢量序列中的权矢量由一个实数值的m维Hadamard矩阵的行构成。

24．根据权利要求20的方法，其中，权矢量序列中的权矢量由一个m维离散傅里叶变换(DFT)的基矢量构成。

25．根据权利要求6的方法，其中，不同权矢量的序列中的各权矢量被设计成在整个期望的扇区内的一个子扇区中提供一特定的预期幅射图，所有的子扇区覆盖整个期望的扇区，各权矢量使可能的权矢量的成本函数最小化，该可能的权矢量包括该特定的预期幅射图的变化的一个表达式，该预期幅射图是在特定的子扇区内采用该权矢量进行发射而得到的幅射图。

26．根据权利要求25的方法，其中，天线阵具有均匀分布的天线单元，为一个子扇区设计一个权矢量原型，序列中的其它权矢量是通过对权矢量原型进行一定数量的移位而得到的该原型的移位形式，该数量由权矢量原型子扇区中的子扇区的角度移位所确定。

27．根据权利要求25的方法，其中，天线阵具有均匀分布的天线单元，为一个子扇区设计一个权矢量原型，序列中的其它权矢量是通过对权矢量原型进行一定数量的移位而得到的该原型的移位形式，该数量由权矢量原型子扇区中的子扇区的角度移位所确定。

28．根据权利要求6的方法，其中，权矢量序列包括为发射到通信站的已知用户单元而设计的权矢量，该被设计的权矢量由通信站的已知用户单元的发射空间特征标记所确定。

29．根据权利要求27的方法，其中，包括在序列中的该组代表性权矢量具有比已知用户单元的数目更少的权矢量。

30．根据权利要求29的方法，其中，代表性权矢量由为发射到已知用户单元而设计的权矢量所确定，为用户单元设计的权矢量中的代表性权矢量的确定采用了一种矢量量化聚类方法。

31．根据权利要求30的方法，其中，该聚类方法包括：

(ⅰ)指定一个权矢量的初始组作为一个代表性权矢量的当前组；

(ⅱ)在当前组中，将各为用户单元设计的权矢量与其最邻近的代表性权矢量合并，根据某一关联标准确定“最邻近”；

(ⅲ)确定一个在当前组中的各代表性权矢量和与该代表性权矢量合并的所有权矢量之间的距离的平均值；

(ⅳ)以一个核心权矢量取代当前组中的各代表性权矢量，该核心权矢量是与代表性权矢量合并的所有权矢量的核心权矢量；

(ⅴ)迭代地重复步骤(ⅱ)、(ⅲ)和(ⅳ)，直到本次重复的平均值与前次重复的平均距离之间的差值小于一阈值，当该差值小于该阈值时，该组代表性权矢量成为当前组。

32．根据权利要求31的方法，其中，用于“邻近”的关联标准是欧几里德距离，核心权矢量是在本次重复期间与代表性权矢量当前组中的代表性权矢量合并的所有权矢量的几何重心。

33．根据权利要求31的方法，其中，平均值是距离的均方。

34．根据权利要求31的方法，其中，用于“邻近”的关联标准是最大余弦角，核心权矢量是在所有权矢量上执行奇异值分解而得到的主要奇异矢量，该所有权矢量是在本次重复期间与代表性权矢量当前组中的代表性权矢量合并的所有权矢量。

35．根据权利要求31的方法，其中，权矢量初始组是在期望的扇区内对应于均匀分布的各个角度的单位幅度权矢量。

36．根据权利要求27的方法，其中，该组代表性权矢量形成权矢量序列的第一子序列，并且权矢量序列还包括权矢量的第二子序列。

37．根据权利要求27的方法，其中，第二子序列包括一个在期望的扇区内提供一特定的预期幅射图的特定权矢量，该特定权矢量使可能的权矢量的成本函数最小化，该可能的权矢量包括该特定的预期幅射图的变化的一个表达式，该预期幅射图是在该扇区内采用该权矢量进行发射而得到的幅射图。

38．根据权利要求37的方法，其中，特定的预期幅射图是一个近似全向的幅射图。

39．根据权利要求37的方法，其中，第二子序列是一组正交的权矢量。