CN1299469A - 用来确定信号到达方向的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用来确定信号—象例如在蜂窝移动通信系统中的接收无线电信号—的方向的方法和设备。至少两个天线阵列(10、12)连接到有关的处理器(14、16)上以便抽取希望信号,并且联系方向估计器(18、20)确定两个独立的到达方向估计。一个相似性测试单元(22)由两个估计之差确定到达方向和该估计的精度。本发明的一个特征在于响应方向估计和确定的精度来控制下行链路信号的束形式。

Description

用来确定信号到达方向的方法和设备
本发明涉及用来确定信号到达方向的方法和设备。本发明适用于但不限于寻找诸如无线电信号之类的电磁信号的到达方向。
在多种用途中，有兴趣的是确定信号到达的方向。一个例子是在无线电通信系统中，其中来自一个通信单元的接收信号的到达方向的确定能用来使在该方向由一个第二通信单元发射的功率最大。当由第一通信单元接收时，这允许从第二通信单元发射的无线电通信信号的信号电平的优化。
其中能应用该方法的无线电通信系统的例子是诸如用于移动通信的全球系统之类的蜂窝移动通信系统。在蜂窝移动通信系统中，移动站的每一个典型地与一个固定基站通信。从移动站到基站的通信称作上行链路，而从基站至移动站的通信称作下行链路。把系统的总覆盖区域划分成每个由单个基站覆盖的多个分立单元。诸单元一般在地理上借助于重叠覆盖区域区分。当移动站从一个单元的覆盖区域向另一个单元的覆盖区域运动时，通信链路从在移动站与第一单元的基站之间向在移动站与第二单元的基站之间变化。这称作转移。
特别是，一些单元可能完全位于其他较大单元的覆盖内。这些称作分级单元，并且一个例子是用来提供在大业务量区域的大业务容量的所谓微单元。一般地微单元较小，并且在有限区域能实现大量单元。运动到微单元中的移动站从称作宏单元的重叠单元转移。这从宏单元解放资源，并且分级单元因而提供与大业务容量组合的大覆盖区域的可能性。
所有基站由网络互联。该网络包括通信线、交换器、至其他通信网络的接口及操作网络所需的各种控制器。移动站的呼叫路经该网络到呼叫的具体目的地。如果呼叫在同一通信系统的两个移动站之间，则它当前路经网络到当前服务于其他移动站的基站。连接因而通过网络建立在两个服务单元之间。另外，如果呼叫在移动站与连接到公共交换电话网(PSTN)的电话之间，则呼叫路线从服务基站到在蜂窝移动通信系统与PSTN之间的接口。它的路线然后是从接口通过PSTN到电话。
对于在移动站与基站之间的无线电通信，分配给峰窝移动通信系统一个频谱。该频谱必须在同时使用该系统的所有移动站之间共享。在GSM和类似的系统中，这通过把频谱划分成多个频道实现。在GSM中，频道的每一个进一步划分成八个分开的时隙。通过把时隙分配到每个有源移动站，由每个频道因而能服务八个移动站。这种方法称作时分多址联接(TDMA)。每个单元分配给多个频道。由于频道数量是有限的，一般把相同的频道分配给多于一个的单元。这称作频率重复使用，并且频率复用越密，即能使用的相同频道越靠近在一起，系统可实现的业务量就越大。
在移动站与基站之间的无线电通信质量由信号的信噪级确定。其他基站和移动站产生增大噪声级并因而降低质量的干扰。为了得到可接收的质量级，干扰必须保持得足够低。从相同频道上的发射能产生干扰，这称作共道干扰。另外，它能从相邻频道上的发射产生，因为不可能防止分配频道外的多余发射。这种干扰称作相邻频道干扰。由于干扰级随至干扰源的距离增大而减小，所以对于较密集的频率复用干扰级将增大。当今的蜂窝通信系统包括使干扰级最小的其他措施，如把发射的功率减小到提供适当链路质量的最低级的功率控制。
用来减小干扰的另一种重要方法是通过使用定向天线，由此主要在使希望接收机处的信号质量最佳的方向上发射功率。当接收时，定向天线将衰减从其他方向接收的干扰，由此允许发射机以较低功率发射。
定向天线常常实际较大且昂贵，并因此在移动站处是不实际的，并且大多数定向天线在基站处采用。最适当的定向天线是包括多个天线元件的天线阵列。通过单独调节用于每个元件的相对相位校正，天线阵列将具有定向波束图案。天线阵列的操作在Monzingo和Miller,1980,Wiley Publishing的‘对于自适应阵列的介绍’中描述。
用来减小在蜂窝通信系统中的干扰的已知方法是确定由天线阵列接收的上行链路信号的到达方向，并且在确定方向发射下行链路信号。然而，该方法的益处非常依赖于得到的到达方向估计的精度和可靠性。用来估计到达方向的已知方法具有高度的不确定性，并且一种用来改进可靠性和提供一种确定估计可靠性的途径的系统是希望的。
本发明设法提供一种用来提高到达方向估计的可靠性和精度及确定得到估计的可靠性的方法和设备。
根据本发明的一个方面，这里提供一种确定接收信号到达方向的方法，该方法包括步骤：从一个第一传感器得到接收信号的到达方向的第一估计；从至少一个第二传感器得到接收信号到达方向的至少第二估计，并且该方法的特征在于包括步骤：把接收信号的到达方向估计确定为所述第一和至少第二估计的函数。
最好，当在第一与至少第二估计之间的差在一个阈值以下时，第一和至少第二估计代表到达方向估计。
根据本发明的一个特征，下行链路信号在蜂窝通信系统中在到达方向估计的方向上发射。
根据本发明的另一个方面，这里提供有一种用来确定接收信号的到达方向的设备，该设备包括：一个第一估计器，产生来自第一传感器的接收信号的方向的第一估计；至少一个第二估计器，产生来自第二传感器的接收无线电信号的方向的第二估计，并且该设备的特征在于包括：一个控制器，把接收无线电信号的到达方向估计确定为所述第一和至少第二估计的函数。
下面仅通过例子，参照附图描述本发明的一个实施例，在附图中：
图1是按照本发明用来确定到达方向和发射下行链路信号的设备的最佳实施例的方块示意图。
参照图1，表示用来确定到达方向和发射下行链路信号的设备的
实施例。
图1表示常规形式的两个天线阵列10、12。两个天线阵列10、12最好通过彼此在远离一个适当分集空隙或通过使用极化分集布置成一般基本上是无关的，如在先有技术中熟知的那样。
每个天线阵列10、12联接到相应处理器14、16上，处理器14、16抽取来到的上行链路信号，并且由此从接收的反射确定主要信号分量。这些信号处理器能是常规类型的。
每个信号处理器联接到可操作确定上行链路信号或其主要分量的到达方向估计θu的相应方向估计器18、20上。一种适当的技术是在先有技术中熟知的“波束形成算法’。
该系统包括一个联接到每个方向估计器18、20上并且最好也联接到一个可操作指示每个天线阵列10、12的有源天线元件数量的相似性测试单元22。
相似性测试单元22的一个输出是上行链路信号到达方向的估计，并且选择地是该估计的可靠性估计。
在下行链路发射机侧，提供有一个能经其发射下链信号28的自适应天线阵列26。由下行链路波束形成器32控制的加权单元30为用于波束引导目的的天线元件的每一个而提供，如在先有技术已知的那样。因而，对于本发明响应上行链路信号的到达方向估计的方向和或质量，设置方向、最好还有束宽。
在使用中，每组天线阵列10(12)、处理器14(16)及方向估计器18(20)抽取上行链路信号或其主要分量，并且由此确定信号或主要信号分量的到达方向估计。一般地，来自两组天线阵列的方向估计不同。
根据本发明的一个特征，通过根据分别如在两个天线阵列每一个中接收的上行链路信号的功率级或信噪比加权来自天线阵列每一个的方向估计，确定到达角度。特别是，能估计在每个支路中的功率级或信噪比，并且把到达方向确定为与最高级相对应的方向估计。这在其中无线电信号常常在天线阵列之一中处于深衰落而在两个阵列中几乎没有的衰落环境中，将提供到达方向确定的显著改进。
上行链路信号的抽取能基于已知特性。最好，上行链路信号包含已知的数据图案，并且通过使接收信号与该已知数据图案相关能估计功率或信噪级。这由GSM接收机是熟知的，其中在已知midamble数据图案与接收信号之间的相关用来估计用于想要移动装置的频道特性，这类似于抽取从想要移动装置接收的能量。
根据本发明的不同方面，到达方向确定是基于直接比较方向估计，而不是基于比较在两个支路中接收的信号级。
最好相似性测试单元22布置成比较来自两个天线阵列10、12的两个方向估计。如果发现估计基本上类似，则认为任一个估计是上行链路信号到达方向的有效估计。相似性测试单元22因此能提供两个估计的任一个，或最好提供对于下行链路波束形成器32的平均级。比较能以简单形式得到在两个方向估计之间的差，并且把该差值与一个阈值相比较。当差值在阈值以下时，估计基本上类似，并因此认为提供可靠的到达方向。
最好，相似性测试单元22不仅产生到达方向估计，而且也产生第一和第二估计如何相关的指示，例如作为估计之差。基于这种相关，下行链路波束形成器将调节下行链路信号的束宽。例如，当相关减小时，这是到达方向估计的可靠性降低的指示。波束形成器因此形成保证移动站在延伸角度内的较宽波束。特别是，当在估计之间的相关高于一个给定阈值时，波束形成器可以形成非定向波束图案。
到达估计角度的平均持续时间对于系统的性能非常重要。持续时间越短，越不可靠，并且估计变得有噪声。持续时间越长，对于到来信号的到达方向变化的响应时间越慢。到达方向变化的速率和信噪级在移动通信系统中显著地变化，主要因为移动站可能正以不同速度运动。根据通信系统的特征，平均持续时间响应到达方向估计的确定可靠性，即响应在第一与第二估计之间的相关而改变。最好，对于减小的相关增大平均持续时间，而对于增大的相关减小平均持续时间。
在一般方法中，用于定向到达的连续值与估计的可靠性指示一起提供给下行链路波束形成器32。下行链路波束形成器32将借助于响应当前值的可靠性确定的束宽形成到达方向的波束。
在一个具体例子中，参照图1系统的操作如下：
1．确定天线阵列10、12的有源元件的数量，并且由此确定用于N维线性天线阵列的误差阈值。例如，对于4元件天线阵列，3dB带宽是约22°，因而+10°的对于在下行链路信号中的实际接收最大能量指向误差是可接收的。因而把误差阈值设置为+10°。
2．在第一实例中，对于每个接收器天线支路独立地确定到达方向估计。(这些表示为空间分集板但同样能是双极化分集板。)在一个短时间段上，例如在一帧上平均在到达方向过程中使用的协方差矩阵估计。因而，两种估计可能十分不同。
3．借助于较长的协方差矩阵，例如在连续帧1至K上，计算上行链路和下行链路波峰方向估计。然后检查看在上行链路与下行链路方向之间的差是否小于由N维天线阵列的孔径强加的收敛边界。如果情况不是这样，则借助于较长平均重新计算协方差矩阵。然而，如果达到收敛，则分集板的一个或两个的方向估计用来公式化下行链路波束。然后把把平均时间段复位到零，并且该过程再次开始。
在该实施例中，因而动态调节在确定到达角度时进行的平均，以保证足够可靠的到达方向。
在一个实施例中，系统可以使用收敛的运动平均来运动波束。类似地，误差阈值可以是变化的，例如考虑到具体的上行链路特性或在天线阵列中使用的天线元件的数量。
在一些实施例中，可以提供多于两个的天线阵列，以产生多于两个的方向估计。
本发明可适用于其中能提供更好的信噪性能和减小干扰的蜂窝通信系统。从上行链路测量方向导出的下行链路波束控制在正确方向。况且，在方向估计的收敛时间段期间，能有更好的干扰性能，因为下行链路波束不指向错误方向而引起对相邻单元的较多干扰。此外，当使用改变的收敛时间段时，信噪性能独立于移动速度。
对于熟悉本专业的技术人员显然，本发明不限于蜂窝通信系统，但适用于其中要确定信号到达方向的任何场合。这些用途包括确定使用红外或声信号的到达方向。

Claims (15)

1．一种确定接收信号到达方向的方法，包括步骤：
从一个第一传感器(10)得到接收信号的到达方向的第一估计；
从至少一个第二传感器(12)得到接收信号到达方向的至少第二估计，并且其特征在于包括步骤
把接收信号的到达方向估计确定为所述第一和至少第二估计的函数。
2．根据权利要求1所述的方法，其中确定接收信号的到达方向估计的步骤的特征在于，根据分别由第一和第二传感器(11、12)接收的接收无线电信号的功率级加权第一和至少第二估计。
3．根据权利要求1所述的方法，其中确定接收信号的到达方向估计的步骤的特征在于，根据分别由第一和至少第二传感器(11、12)接收的接收信号的信噪比加权第一和至少第二估计。
4．根据权利要求2或3所述的方法，其中接收信号的已知特征用来辨别接收信号。
5．根据权利要求1所述的方法，其中确定到达方向估计的步骤的特征在于，比较第一和至少第二估计，并且当第一和至少第二估计基本类似时，确定第一和至少第二估计代表到达方向。
6．根据权利要求5所述的方法，其中通过确定第一与至少第二估计之差进行比较，并且当第一与至少第二估计之差低于一个阈值时，确定第一和至少第二估计代表到达方向。
7．根据任何以上权利要求所述的方法，其中接收信号是电磁信号。
8．一种在无线电通信系统中发射下行链路信号的方法，包括步骤：根据权利要求1确定接收无线电信号的方向；和在确定的到达方向上发射下行链路信号。
9．根据权利要求8所述在无线电通信系统中发射下行链路信号的方法，其中响应在第一与至少第二估计之间的相关确定下行链路信号的束宽。
10．根据权利要求1所述的方法，其中响应在第一与第二估计之间的相关，确定第一和至少第二估计的平均持续时间。
11．根据权利要求8所述的方法，用在蜂窝通信系统中。
12．一种用来确定接收信号的到达方向的设备，包括：
一个第一估计器(18)，产生来自第一传感器(10)的接收信号的方向的第一估计；
至少一个第二估计器(20)，产生来自第二传感器(12)的接收信号的方向的第二估计，并且其特征在于包括，
一个控制器，把接收无线电信号的到达方向估计确定为所述第一和至少第二估计的函数。
13．根据权利要求12所述的设备，其中接收信号是电磁信号。
14．根据权利要求13所述的设备，进一步包括一个用来在确定的到达方向上发射下行链路无线电信号的发射机(32)。
15．根据权利要求14所述的设备，响应在所述第一与至少所述第二估计之间的相关确定下行链路信号的束宽。
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