CN1327695A - 定向无线通信的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种在第一台与第二台之间定向无线通信的方法包括如下步骤:根据在第一台处接收到的第二台的至少一个信号判断在所述第一与第二台之间出现了多种不同无线环境中的哪一种类型。将信号从第一台发送到第二台,所述发送信号的至少一个参数取决于所判定的无线环境类型。

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一种方法和装置，在这种通信中只以某些方向发送第一台与第二台之间的信号。本发明尤其适用于采用自适应方式天线阵的蜂窝通信网例如空分多址(SDMA)，但并不局限于此。

利用目前实现的蜂窝通信网，提供了这样的基站收发信机(BTS)，它将信号发送给基站收发信机所服务的整个小区或小区扇区中的给定移动台(MS)(可以是移动电话)。然而，这里提出了空分多址(SDMA)系统。在空分多址系统中，基站收发信机不是将信号发送给整个小区或小区扇区中的给定移动台，而只是以接收到移动台的信号的波束方向来发送信号，这样在同一小区中可同时使用同一频率以支持两个不同的用户。SDMA系统也可以使得基站收发信机可确定接收到移动台的信号的方向。

一个问题是，根据基站从移动台接收到的信号来确定基站向移动台发送信号的方向。然而，在频分双工工作方式中，基站发送给基站的信号的频率与基站发送给移动台的信号所用的频率完全不同。上行和下行链路信号中所用的频率的不同意味着上行链路方向上的信道特性可不同于下行链路信道中的信道特性。

在时分双工方式中，上行和下行链路信道中所用的频率可以相同。应当注意，在时分双工方式中，不可能在这种上行和下行链路信道中同时发送信号。如果双工时间比信道的相干时间短得多，则可以假定上行和下行链路信道的特性相同。信道的相干时间是所发送的码元相对不受信道波动干扰的时间间隔。信道波动可能由无线环境的变化所造成，例如由移动台的移动所造成。因此，为了使上行和下行链路信道相同的假定有效，在小于信道的相干时间的接收上行链路信号的时间段内，信号应当以下行链路信道发送。如果移动台在移动，那么，与移动台静止相比，要以下行链路方向发送的信号不大可能在小于相干时间的时间段内发送。即使移动台不在移动，信号的接收与发送之间的时间也可能大于相干时间。

随着无线环境的不同，上行链路或下行链路的空间特性比如其脉冲响应将有很大的不同。

在一种试图解决这一问题的已知系统中，如图1中所示，无线环境分为宏小区A、微小区B和/或微微小区C。宏小区A相对较大，而微小区B和微微小区C小得多。微微小区C小于微小区B。微小区B和/或微微小区C可包含在宏小区A中，如图1中所示。假定，无线信号在宏小区A中的特性与微小区B或微微小区C中的特性相比有很大的不同。因此，这使得在确定以下行链路方向发送的信号的参数时可采用不同类型的策略。然而，利用这种系统，宏小区和微小区或微微小区中信号的特性可能被误解。例如，在宏小区A中靠近基站工作的移动台的信号可被基站以大角度范围接收。这种特性体现了微小区或微微小区的特征。建筑物的存在所造成的街道沟道效应导致信号以小角度范围被接收。如果这种特性出现在微小区或微微小区中，那么基站将以小角度范围接收信号。这种特性更体现了宏小区的特征。因此，这种模型未必反映出宏小区、微小区或微微小区中的实际无线环境。更确切地说，这种模型取决于移动台相对于基站收发信机的位置所确定的预期无线环境。因此，这种模型有时将导致不良的信号质量。

本发明的一些实施方式的目的在于，提供一种避免或至少减轻这一问题的方法和装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种在第一台与第二台之间定向无线通信的方法，该方法包括如下步骤：根据在第一台处接收到的第二台的至少一个信号判断在所述第一与第二台之间出现了多种不同无线环境中的哪一种类型；和将信号从第一台发送到第二台，所述发送信号的至少一个参数取决于所判定的无线环境类型。

由于无线环境类型是根据所接收到的至少一个信号所判定的，因此它反映了实际无线环境而不是预期无线环境。因此，第一台发送的信号可以比根据此前所述的系统能更好地考虑到实际无线环境。

无线环境类型最好根据第一台接收到的第二台的信号的角度范围来判定。这是一个有助于在定向无线系统中判定无线环境类型时所用的接收信号的参数。

最好，当第一台接收到的第二台的至少一个信号具有相对较小的角度范围时判定出现第一无线环境类型，而当第一台接收到的第二台的至少一个信号具有相对较大的角度范围时判定出现第二无线环境类型。在本发明的实施方式中，可以有两种以上的无线环境。然而，为了得到好的结果而不过于复杂，最好只选两种类型。

最好，如果判定出现第一无线环境类型，那么第一台发送的信号以相对较小的波束范围来发送，而如果判定出现第二无线环境类型，那么信号以相对较大的波束范围来发送。因此，所发送的信号考虑到了所判定的无线环境类型的特性。

这种方法最好还包括以下步骤：如果判定出现了第一无线环境类型，那么判断是否要增加第一台所要发送的信号的波束范围。因此，该方法保证了适当时都采用窄波束。然而，如果有任何其他的指示表明应当用较宽的波束范围来避免通信损耗或不良通信质量，那么可增加波束范围。

判断是否要增加波束范围的步骤可包括：考虑表示第一与第二台之间距离的参数，如果第一与第二台之间距离相对较小，则增加要发送到第二台的信号的波束范围。例如在GSM系统中，表示第一与第二台之间距离的参数可以是定时超前信息。当出现第一无线环境类型时，如果第一与第二台之间距离小于预定阈值，则可增加所要发送的信号的波束范围。

或者(或除此之外)，判断是否要增加波束范围的步骤包括：考虑表示第二台相对于第一台的移动速度的参数，如果相对速度相对较高，则增加要发送到第二台的信号的波束范围。此外，还可以采用一种阈值，使得，如果相对速度大于预定阈值，则增加所要发送的信号的波束范围。

在一种可选择的实施方式中，判断是否要增加波束范围的步骤包括：考虑表示第二台相对于第一台的相对移动性的参数，如果相对移动性相对较大，则增加要发送到第二台的信号的波束范围。相对移动性涉及第二台相对于第一台的速度和第一与第二台之间的距离。可以采用一种阈值，使得，如果相对移动性大于预定阈值，则增加所要发送的信号的波束范围。

所述判断是否要增加波束范围的步骤最好包括：考虑第一台的天线阵超出周围环境的高度，如果天线阵相对于周围环境相对较低，则增加波束范围。当然也可以采用一种阈值。

或者(或除此之外)，判断是否要增加波束范围的步骤包括：确定第一台接收到的第二台的N个以前的信号的平均角度范围。例如在GSM系统中，N个以前的信号可以是N个数据脉冲串，或是CDMA系统情况下的时隙。第一台最好以类似于或等同于已确定的平均角度范围的波束范围来发送信号。可以有一个使用于大角度范围环境中的最小波束范围。确定平均值的时间段最好考虑到一个或多个以下参数：第一与第二台之间的距离，第二台相对于第一台的速度，和第二台相对于第一台的相对移动性。如果第二台在移动，那么确定平均值的时间段最好减小。

如果出现第一无线环境，则所要发送的信号的波束范围最好不被减小，而只在适当时被增加。

这种方法最好还包括以下步骤：如果判定出现第二无线环境类型，那么判断是否要减小第一台所要发送的信号的波束范围。通常，如果判定出现第二无线环境类型，那么第一台发送的信号一般具有宽波束范围。利用这种方法，判断是否可减小波束范围，这样使得可改善容量。

判断是否要减小信号的波束范围的步骤可包括：针对第一台接收到的第二台的最近N个以前的信号(例如最近N个数据脉冲串)，确定第一台处来自第二台的信号的两个极端到达方向，和以这两个极端到达方向所确定的波束范围向第二台发送信号。这些到达方向可以是主到达方向。

或者，判断是否要减小信号的波束范围的步骤可包括：确定第一台接收到的第二台的以前N个信号的角度范围的方差，和以与所计算的方差有关的波束范围向第二台发送信号。可以确定N个以前的信号的主到达方向的变化。

在判断是否要减小信号的波束范围的这两种方法中，N个以前的信号可以是N个以前的脉冲串(如果这种方法应用于GSM系统)，或是时隙(如果这种方法应用于CDMA系统)。

如果判定出现大角度无线环境，则波束范围最好只在适当时被减小，而不被增加。

接收和发送的信号的波束范围最好由一个或多个波束方向来确定。该波束或各波束的宽度最好是可变的。

第一台最好是蜂窝电信网中的基站收发信机。第二台可以是移动台。

根据本发明的第二方面，提供了一种与第二台定向无线通信的第一台，它包括：用于接收第二台的信号的装置；用于根据第一台接收到的第二台的至少一个信号判断工作时在所述第一与第二台之间出现了多种不同无线环境中的哪一种类型的装置；和用于将信号发送到第二台的发射装置，该发送信号的至少一个参数取决于所判定的无线环境类型。

无线环境类型可以根据接收装置接收到的信号的角度范围来判定。最好，当所述接收装置以相对较小的角度范围接收到第二台的信号时，所述判断装置判定无线环境属于第一类型，而如果接收装置以相对较大的角度范围接收到第二台的信号时，判定无线环境属于第二类型。

该判断装置最好可用来：如果判定无线环境属于第一类型，则判断发射装置所发送的信号的角度范围是否可被增加，而如果无线环境属于第二类型，则判断是否可被减小。

为了更好地理解本发明以及本发明如何实现，下面将参照附图举例说明，其中：

图1示出了蜂窝网的小区的已知模型；

图2示出了基站收发信机(BTS)及其相应的小区扇区的示意图；

图3示出了实施本发明的天线阵和基站收发信机的示意图；

图4示出了图3中的数字信号处理器的示意图；和

图5示出了8个可能的信道中的4个信道的信道脉冲响应。

首先，参照图2，图中示出了限定蜂窝移动电话网的小区3的三个小区扇区2。这三个小区扇区2由各自的基站收发信机(BTS)4所服务。三个单独的基站收发信机4设置在同一位置。各基站4均具有一个单独的收发信机，并针对三个小区扇区2中各自的一个扇区收发信号。因此，为每个小区扇区2都提供了一个专用基站收发信机。于是BTS 4可以与位于各自小区扇区2中的移动台(MS)如移动电话通信。

下面针对GSM(全球移动通信系统)网描述本实施方式。不过，应当注意，本发明的实施方式也可结合其他系统如其他频分多址系统、其他时分多址系统、扩频系统如码分多址系统或一个以上上述系统的混合系统来使用。在GSM系统中，采用频/时分多址(F/TDMA)系统。数据在基站4与移动台之间以脉冲串方式发送。数据脉冲串包括训练序列，它是已知的数据序列。训练序列的用途将在后面描述。各数据脉冲串以给定频带以该频带中的预定时隙发送。采用定向天线阵使得还可以实现空分多址。因此，在本发明的实施方式中，各数据脉冲串将以给定频带、以给定时隙和以给定方向发送。针对以给定频带、以给定时隙和以给定方向发送的给定数据脉冲串，可以确定相应的信道。

图3示出了起收发信机作用的一个基站收发信机4的模拟波束形成装置所控制的一个天线阵的示意图。应当理解，图3中所示的阵列6只服务于图1中所示的三个小区扇区2之一。可提供另两个天线阵6来服务于其他两个小区扇区2。天线阵6有8个天线单元a1...a8。单元a1...a8的配置通常在各天线单元之间有半个波长的间隔，并且在一条直线上水平排列。各天线单元用来发送和接收信号并且可具有任意合适的结构。各天线单元a1...a8可以是偶极子天线、接插天线或任何其他适合的天线。

正如以下所详述，这些天线单元由模拟波束形成装置8所控制，该形成装置控制所产生的波束的数量以及各波束的宽度。模拟波束形成装置8可以是巴特勒矩阵。

要发送到移动台MS的同一信号被输入到天线阵6的各天线单元a1...a8。然而输入到各天线单元a1...a8的信号的相位彼此之间相对有相移。输入到各天线单元的信号之间的相位关系的差别可得到定向辐射图。因此，来自基站4的信号只能在与阵列6有关的小区扇区2中以某些方向发送。阵列6所实现的定向辐射图是由于各天线单元a1...a8所发送的彼此之间相对有相移的信号之间的相长干涉和相消干涉的结果。天线阵6可以被控制以提供许多方向中的任意一个或多个方向的波束。在所示的实施方式中，可提供8个波束的最大值。各波束的宽度也可以控制。

各天线单元a1...a8所提供的信号的相对相位由波束形成装置8来控制，以便信号可以以所要求的一个波束方向或一些波束方向发送。因此，波束形成装置8提供了相移功能。波束形成装置8具有由BTS 4输入的8个输入端10a-h和与各天线单元a1...a8一一对应的8个输出端。各输入端10a-h接收到的信号包括所要发送的数据脉冲串和关于波束宽度的信息。8个输入端10a-h中每个都表示发送给定数据脉冲串的8个不同的波束方向之一。例如，当波束形成装置8在第一输入端10a接收到信号时，波束形成装置8将输入端10a所提供的信号以所需的相位差施加到各天线单元a1...a8，使得可以按所要求的波束宽度产生给定方向的波束，以便数据脉冲串以该波束方向发送。同样，输入端10b所提供的信号使得可以按所要求的波束宽度产生不同波束方向的波束，依次类推。

如前面所讨论，天线阵6的天线单元a1...a8接收来自MS的信号以及向MS发送信号。MS发送的信号通常被8个天线单元a1...a8中的每一个所接收。然而，各天线单元a1...a8所接收的各信号之间将有相位差。借助波束形成装置8，根据各天线单元a1...a8所接收的信号的相对相位可以确定接收到信号的方向以及角度范围。

可造选择一个或多个宽度为W的波束用于传输。选择一个或多个信号(10a-10h)等价于产生更宽的波束。

因此，对于各天线单元所接收的信号，波束形成装置8具有与各天线单元a1...a8一一对应的8个输入端。波束形成装置8还具有8个输出端14a-h。各输出端14a-14h对应于可接收到给定数据脉冲串的特定方向。例如，如果天线阵6从第一方向接收到MS的信号，那么波束形成装置8将以输出端14a输出接收到的信号。从第二方向接收到的信号将使接收信号从波束形成装置8的输出端14b输出，依次类推。总之，波束形成装置8将以天线单元a1...a8接收同一信号的彼此之间相对有相移的8种形式。根据这些相对相移，借助波束形成装置8可以确定接收到接收信号的方向，并且根据接收到信号的方向以某一输出端14a-h输出信号。或者，还可以在数字信号处理器中以数字形式完成相移功能和角度范围的确定。

实际上，由于旁瓣和/或多径效应，不大可能只从单波束方向接收到信号。具体地说，在某些环境中，当信号在MS与BTS 4之间传播时，由于信号的反射，MS的单个信号或数据脉冲串可能好象是来自一个以上的方向。波束形成装置8将以与给定的信号或数据脉冲串好象所来自的各方向相应的各输出端14a-h提供信号。因此，同一数据脉冲串可以以波束形成装置8的一个以上的输出端14a-h提供。然而，各输出端14a-h上的信号可能彼此之间相对有延时。应当理解，在一些方向上接收到的信号的电平或幅度常常很低，因此在本发明的某些实施方式中它们本身可以忽视。

波束形成装置8的各输出端14a-h连接到放大接收信号的各放大器16的输入端。为波束形成装置8的每个输出端14a-h都提供了一个放大器16。然后由各处理器18处理放大的接收信号，处理器对放大信号进行处理从而将接收信号的频率降至基带频率，以便信号可由BTS 4来处理。为此，处理器18去除输入信号中的载频分量。同样，也为波束形成装置8的每个输出端14a-h都提供了一个处理器18。然后，由模/数(A/D)转换器20将模拟方式的接收信号转换为数字信号。提供了8个A/D转换器20，这些转换器与波束形成装置8的每个输出端14a-h一一对应。然后将数字信号通过各自的输入端19a-h输入到数字信号处理器21，以便进一步处理。

数字信号处理器21也具有8个输出端22a-h，每个输出端都输出一个表示要发送到给定MS的信号的数字信号。所选定的输出端22a-h表示要发送信号的波束方向。数/模(D/A)转换器23将该数字信号信息转换为模拟信号。为数字信号处理器21的每个输出端22a-h都提供了一个数/模转换器23。然后由处理器24对模拟信号进行处理，该处理器是一个调制器，它将所要发送的模拟信号调制到载频。在由处理器24对模拟信号进行处理之前，该信号处于基带频率。然后，将得到的信号输出到各自的调相器25。

为每个处理器24都提供了一个调相器25，各调相器25的输出被输入到放大各自信号的各功率放大器26。同样，也为每个调相器25都提供了一个功率放大器。各功率放大器26的输出被输入到波束形成装置8的各输入端10a-h。因此，为数字信号处理器21的每个输出端22a-h都提供了处理器24、放大器26和调相器25。

下面将参照图4，该图详细示出了数字信号处理器21。应当理解，图4中所示的各个块未必与实施本发明的实际数字信号处理器21的各个单元相应。具体地说，图4中所示的各个块对应于数字信号处理器21所执行的各种功能。在本发明的一种实施方式中，数字信号处理器21至少部分地用集成电路实现，并且可由同一单元来执行若干个功能。

数字信号处理器在各输入端19a-h上接收到的各信号都被分离单元(未示出)分离成与波束宽度有关的信息和接收信号部分。与波束宽度有关的信息输入到分析块34，该分析块将在后面详述。数字信号处理器21在各输入端19a-h上接收到的各信号输入到各自的信道脉冲响应(CIR)估算器块30。CIR估算器块30包括存储估算信道脉冲响应的存储容量。CIR估算器块30还包括暂存接收信号部分的存储容量。信道脉冲响应估算器块30用来估算各输入端19a-h的信道的信道脉冲响应。如前面所讨论，针对以选定的频带、所分配的时隙和接收到信号的方向发送的给定数据脉冲串，可以确定相应的信道。接收到信号的方向及其宽度可借助波束形成装置8来确定，这样，在数字信号处理器的输入端19a上接收到的信号主要表示从具有所确定宽度的第一方向接收到的信号，依次类推。应当理解，给定输入端接收到的信号还可以包括例如相邻输入端接收到的信号的旁瓣。

从移动台MS发送到BTS 4的各数据脉冲串均包括训练序列TS。然而，BTS 4接收到的训练序列TS_Rx受噪声的影响也受多径效应的影响，这导致了训练序列的相邻比特之间的干扰。TS_RX还受其他移动台(例如，位于其他小区或小区扇区中的使用可造成同信道干扰的同一频率的移动台)的干扰的影响。正如所知，来自MS的给定信号可能沿着一条以上的路径到达BTS，因此天线阵6可从给定波束方向检测到给定信号的一个以上的形式。CIR估算器块将从输入端19a接收到的训练序列TS_RX与存储在数据存储器32中的参考训练序列TS_REF互相关。参考训练序列TS_REF与移动台最初发送的训练序列相同。实际上，接收到的训练序列TS_RX是调制到载频的信号，而参考训练序列TS_REF作为比特序列存储在数据存储器32中。相应地，在执行互相关之间，所存储的参考训练序列同样被调制。换言之，将BTS 4接收到的失真训练序列与训练序列的不失真形式相关。在本发明的另一种实施方式中，接收到的训练序列在解调之后再与参考训练序列相关。在这种情况下，参考训练序列可能又具有与接收到的训练序列相同的形式。换言之，参考训练序列未被调制。

参考训练序列TS_REF和接收到的训练序列TS_RX都具有与L比特的数据相应的长度L，例如可以是26比特。接收到的训练序列TS_RX在所分配时隙中的确切位置可能是不确定的。这是因为，移动台MS与BTS 4的距离会影响MS发送的数据脉冲串在所分配时隙中的位置。例如，如果移动台MS离BTS 4相对较远，那么与移动台MS靠近BTS 4的情况相比，训练序列在所分配时隙中出现较迟。

考虑到接收到的训练序列TS_RX在所分配时隙中的位置的不确定性，因此，将接收到的训练序列TS_RX与参考训练序列TS_REF进行n次相关。通常，n可以是例如7或9。n最好为奇数。n个相关通常在得到的最大相关值的两边。接收到的训练序列TS_RX相对于参考训练序列TS_REF的相对位置移位了各连续相关之间的某个位置。各个位置等价于训练序列中的一个比特并表示一个延时段。接收到的训练序列TS_RX与参考训练序列TS_REF的各个单独相关得到一个表示该相关的信道脉冲响应的分量。n个单独相关得到具有n个值的分量序列。应当理解，某些分量可以为0或很小。这可能出现在分量序列的一端或另一端或两端，而最大值在分量序列的中间位置。

下面参考图5，图中示出了与8个空间方向相应的8个可能的信道中的4个信道的信道脉冲响应。换言之，图5示出了与可被波束形成装置8检测到的移动台的8个可能的波束方向中的4个方向上接收到的给定数据脉冲串相应的4个信道的信道脉冲响应，该数据脉冲串处在给定频带和给定时隙中。各图的x轴表示延时的度量，而y轴表示相对功率的度量。图中所标记的各线段(或分量)表示与给定相关延时相应的接收到的多径信号。各图均有n个线段或分量，一个分量对应一个相关。

根据估算信道脉冲响应，可以确定训练序列在所分配时隙中的位置。当获得接收到的训练序列TS_RX与参考训练序列TS_REF之间的最佳相关时，可得到最大分量值。

CIR估算器块30还为各信道确定给出最大能量的5个(或任何其他适当个数)连续分量。给定信道的最大能量按下式计算： $E=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\left(h_j\right)}^2----\left(I\right)$

其中，h表示参考训练序列TS_REF与接收到的训练序列TS_RX的互相关所得到的分量幅度。CIR估算器块30采用活动窗技术来估算给定信道的最大能量。换言之，CIR估算器块30考虑到5个相邻值中的各值并根据那5个值计算出能量。给出最大能量的5个相邻值被选为表示该信道的脉冲响应。

该能量可认为是BTS 4从给定方向接收到的来自给定MS的所需信号的强度的度量。针对表示可接收到同一数据脉冲串的8个不同波束方向的8个信道中的每个信道，都可执行这一过程。所接收到的具有最大能量的信号是沿着具有最小信号衰减的路径传输的。这一路径是主到达方向的路径。

分析块34与CIR估算器块30的输出端连接。分析块34对接收信号(它可以来自一个以上波束方向)的总角度范围作出评定。可以以任意适当的方式作出这种评定。在一种确定角度范围的方法中，分析块34考查哪个信道具有超过给定阈值的最大能量。通过将具有超过阈值的最大能量的那些信道的相应波束宽度信息相加来确定总角度范围。然后，将计算出的角度范围与进一步的阈值进行比较。如果计算出的总角度范围小于给定阈值，那么分析块34判定移动台与基站工作在小角度范围无线环境中。如果总角度范围大于给定阈值，那么分析块34判定移动台与基站工作在大角度范围无线环境中。因此，基站收发信机可以判断它与移动台是工作在小角度范围无线环境中还是工作在大角度范围无线环境中。

应当理解，以下，信号的角度范围是指认为接收到信号的各波束方向的宽度的总和。波束范围是指发送信号的各波束方向的宽度的总和。

在小角度范围环境中，基站收发信机以小角度范围接收来自移动台的信号。换言之，接收信号是窄的或容易确定。应当理解，一般而言，角度范围同移动台与基站收发信机之间的距离成反比。因此，移动台越靠近基站收发信机，角度范围一般将增加。通常(但未必)，当移动台离基站比较远和/或基站天线完全高于周围环境时，将过到小角度范围。这是因为，来自移动台的信号沿无反射的直达路径传输的可能性将增大。

基站发送的信号的总波束范围按如下方式控制。当分析块34已判定基站与移动台工作在小角度范围环境中时，主要策略是就象以尽可能小的波束范围的情况一样发送到移动台。然而，存在某些希望加宽信号的波束范围的情形。例如，如果在信道中出现衰落，那么基站可以接收具有小角度范围的信号。如果没有信道衰落，那么基站可以接收具有较宽角度范围的信号。如果此时基站当向移动台发送时采用那种窄波束范围，那么移动台所接收信号的质量可能下降。例如可能加重噪声造成的问题。如果移动台在移动，那么还可能出现别的问题。如果自从移动台将其信号发送给基站后该移动台移动了一段很长的距离，那么，基站以窄波束范围所发送的信号可能不能被该移动台很好的接收。如果基站采用较宽的波束范围，则可以避免这一问题。

为了解决第一个问题，计算出从移动台接收到的N个以前的脉冲串的角度范围，并计算出平均角度范围。在比出现短期衰落的时间段更长的时间段上进行平均。进行平均的时间段的长度还受移动台的移动性的限制。具体地说，进行平均的时间段不应太长，以免移动台相对于基站收发信机有很大的移动。在本发明的一种实施方式中，进行平均的时间段与定时超前信息成正比。

在GSM系统中，利用定时超前信息来确保移动台发送给BTS 4的信号落在其所分配的时隙中。如果移动台离基站相对较远，那么移动台的信号将需要较长时间才到达基站。为了确保基站接收到的移动台的信号落在其所分配的时隙中，与移动台更靠近基站时情况相比，定时超前信息可使移动台更早地将其信息发送给基站。该定时超前信息可根据所计算出的相对延时和当前定时超前信息计算出来。

分析块34可用来确定各个信道的各个窗的起始位置，这样就可确定提供最大能量的5个值。然后根据参考点与窗的起始点之间的时间确定各个窗的延时。这个参考点可以是当各分支中所有接收到的训练序列开始被相关的共同时刻，因此定时与所有分支的最早窗沿或等效共同时刻相应。接收到的训练序列TS_RX在所分配时隙中的位置是一个相对延时的度量。可以计算出平均相对延时或者可以将最强信号的相对延时选为用于计算所需定时超前信息的相对延时。

为了解决第二个问题，根据基站收发信机与移动台之间的距离来设定基站收发信机所发送的信号的波束范围。定时超前信息可以作为移动台与基站收发信机之间的距离的度量。当基站收发信机与移动台之间的距离增加时，可以采用较小的角度范围，反之亦然。或者说，移动台离基站越远，基站想要增加发送信号的角度范围越小。

可以用移动台的速度来控制所发送的波束范围。移动台的速度可以以适当的方式例如采用包络算法来计算。这可以作为采用距离测量的一种替代或者作为一种补充。具体地说，移动台移动越快，所应采用的下行链路波束宽度越宽。在上述这两种情况下，可以采用一种阈值。如果速度小于给定阈值或移动台与基站收发信机之间的距离大于给定值，那么将控制基站以与基站所接收的信号的角度范围或小角度范围无线环境的预定值的角度范围相同或相似的波束范围进行发送。如果速度大于阈值或距离小于阈值，那么波束范围可以与速度或距离成比例地增加或根据速度或距离来确定。在本发明的实施方式中，可以不用阈值，而可以使波束范围同基站与移动台之间的距离或移动台的速度成比例。不过，最好是采用阈值。

也可以根据移动台相对于基站的相对移动性来判断是否要增加波束范围。移动台的相对移动性m由下式确定：

m＝v/d

其中v为移动台的速度而d为移动台与基站收发信机之间的距离。于是，波束范围应与该移动性成比例或根据该移动性来确定。所要发送的信号的波束范围可以与接收信号的角度范围×相对移动性成比例。可以采用一种阈值。因此，当移动性值超过阈值时，可以根据计算出的移动性增加信号的波束范围。或者，使波束范围与相对移动性成比例，而与从基站收发信机接收到的信号的角度范围无关。然而，在小角度范围环境中，所发送的信号的波束范围最好具有预定的最小值。

在小角度范围环境中，基站收发信机所发送的信号的波束范围可以与基站接收到的信号的角度范围大小相同或相似，或者是预定的最小值，除非以前N个脉冲串的平均角度范围、基站与移动台之间的距离、移动台的速度或移动台的相对移动性表明应增加基站发送的信号的波束范围。在小角度范围环境中，波束范围在小于最小值时，最好从不被减小。只要接收的角度范围小于最小值，就采用最小的波束范围。应当注意，当判断基站所要发送的信号的波束范围时，可考虑到一个或多个上述因素。

在所有上述方法中，分析块34可以考虑环境是否是小角度范围环境、移动台与基站之间的距离、移动台的速度、基站天线阵超出周围环境的高度和/或移动台的相对移动性，并选择一种算法根据距离、速度和/或相对移动性的值来确定波束范围。

如果分析块34判定波束范围大于给定阈值，那么如前面所讨论，判定移动台与基站工作在大角度范围无线环境中。

在大角度范围环境中，将以大角度范围来接收来自移动台的信号。通常(但又未必)，当移动台靠近基站和/或基站的天线阵相对周围环境而言较低时，将出现大角度范围。大角度范围可以覆盖整个小区扇区2。基站收发信机可以以与它接收时相同或相似的大角度范围向移动台发送，因此可以发送到整个小区扇区2。显然，按照容量要求这是所不希望的。或者，如果判定无线环境是大角度范围无线环境，那么基站可以采用预定的宽波束范围将信号发送给移动台。在某些情形下，该预定的波束范围可以小于接收信号的角度范围。

因此，提出按如下方式控制基站发送的信号的波束范围。当分析块34得知基站收发信机与正在通信的移动台工作在大角度范围环境中时，基站收发信机以宽波束范围(该波束范围由接收信号的角度范围确定或者是预定的角度范围)进行发送，除非它判定波束范围可被减小。

判断是否可减小所要发送的信号的波束范围的一种方法如下所述。考查基站收发信机处来自移动台的最近N个脉冲串的主到达方向。主到达方向是基站从移动台接收到信号的最强形式的波束方向。计算出最近N个脉冲串的主到达方向的方差，并在适当时与计算出的方差成比例地减小基站收发信机所要发送的信号的波束范围。

判断是否可减小波束范围的第二种方法如下所述。确定移动台从移动台接收到的N个以前的脉冲串的两个极端主到达方向。换言之，针对以前N个脉冲串，识别基站处具有最低和最高入射角的主到达方向。因此，基站发送的信号将具有两个极端主到达方向的入射角之间的差所确定的波束范围。信号传输的方向将是基站处信号的两个极端主到达方向的波束方向和这两者之间的波束方向。因此，基站发送的信号将具有基站处信号的极端主到达方向之间的范围。

应当注意，在本发明的实施方式中，当判定出现大角度范围无线环境时，可以只减小而不是增加波束范围。判断是否要减小波束范围的两种方法可以一起使用或者可以二者选一。

产生块38负责产生要从数字信号处理器21输出的信号。产生块38有一个输入40，表示要发送到移动台MS的语音和/或信息。产生块38负责将所要发送到移动台MS的语音或信息编码，并且包括信号中的训练序列和同步序列。产生块38还负责产生调制信号。根据所产生的信号和分析块34的输出端提供的所确定波束方向，产生块38在数字信号处理器212的各输出端22a-h提供信号。

产生块38还提供用于控制放大倍数的输出50，以确保以一个或多个波束方向发送的信号具有所需的功率电平。功率电平可以由分析块34采用任何适当的方法来确定。应当注意，各放大器26的功率电平可以单独设定。信道脉冲响应块30的输出也可以用来均衡从移动台接收到的信号并使它们相称。具体地说，通过匹配滤波器MF和均衡器块42可以消除或减轻接收信号中因多径传播所造成的码元间干扰的影响。应当理解，匹配滤波器MF和均衡器块42有一个输入端(未示出)，以接收来自MS的接收信号。各块42的输出都被恢复块44所接收，该恢复块负责恢复MS发送的语音和/或信息。恢复块所执行的步骤包括将信号解调和解码。所恢复的语音或信息从输出端46输出。

在一种对上述实施方式的修改中，用数字波束形成装置来取代模拟波束形成装置。一般而言，模拟波束形成装置不如数字波束形成装置灵活。这是因为，模拟波束形成装置通常提供固定数量的波束，各波束具有固定的角度范围。在数字波束形成装置中，波束的数量及其波束宽度可以根据需要而改变。因此，可以选择波束的适当数量。使用模拟波束形成装置可对发送波束宽度以及发送波束的方向进行粗控制。应当理解，如果采用数字波束形成装置，由于波束宽度可以根据需要而改变，因此，可以发送有效覆盖两个或两个以上不同波束方向的单个宽波束。这样就消除了因相邻波束重叠和干扰所引起的问题。因此，数字波束形成装置为基站收发信机的操作提供了更强的灵活性，并且与例如巴特勒矩阵电路相比可以提供更大的容量。

如上所述，以上实施方式描述了提供模拟波束形成装置的8个输出的情况。应当理解，实际上，在数字波束形成装置的各输出端可以同时输出若干个不同的信道。这些输出可以处在不同的频带。

尽管示出了单独的放大器、处理器、调相器、模/数转换器和数/模转换器，然而，实际上这些器件可以配置在具有多个输入和输出的单个单元中。

上述实施方式是针对SDMA系统所描述的。然而，本发明的实施方式可应用于提供可按自适应方式被控制的天线阵的地方。

应当理解，本发明的实施方式可应用于传送语音或数据的任何类型的蜂窝通信网中。本发明的实施方式也可应用于发送和接收分组数据的蜂窝通信网中。本发明的实施方式也可应用于分组无线业务。

尽管上述本发明的实施方式是基站收发信机，然而，应当理解，本发明的实施方式可应用于移动台等中。

本发明的实施方式除了应用于蜂窝电信网之外，还可以有其他应用。例如，本发明的实施方式可应用于需要定向无线通信的任何环境中。例如，上述实施方式可应用于专用无线网等中。

Claims (28)

1.一种在第一台与第二台之间定向无线通信的方法，该方法包括如下步骤：

根据在第一台处接收到的第二台的至少一个信号判断在所述第一与第二台之间出现了多种不同无线环境中的哪一种类型；和

将信号从第一台发送到第二台，所述发送信号的至少一个参数取决于所判定的无线环境类型。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述无线环境类型根据第一台接收到的第二台的至少一个信号的角度范围来判定。

3.如权利要求2所述的方法，其中，当第一台接收到的第二台的至少一个信号具有相对较小的角度范围时判定出现第一无线环境类型，而当第一台接收到的第二台的至少一个信号具有相对较大的角度范围时判定出现第二无线环境类型。

4.如权利要求3所述的方法，其中，如果判定出现第一无线环境类型，那么第一台发送的信号以相对较小的波束范围来发送，而如果判定出现第二无线环境类型，那么信号以相对较大的波束范围来发送。

5.如权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：如果判定出现了第一无线环境类型，那么判断是否要增加第一台所要发送的信号的波束范围。

6.如权利要求5所述的方法，其中，判断是否要增加波束范围的步骤包括：考虑表示第一与第二台之间距离的参数，如果第一与第二台之间距离相对较小，则增加要发送到第二台的信号的波束范围。

7.如权利要求6所述的方法，其中，如果第一与第二台之间距离小于预定阈值，则增加所要发送的信号的波束范围。

8.如权利要求5、6或7所述的方法，其中，判断是否要增加波束范围的步骤包括：考虑表示第二台相对于第一台的移动速度的参数，如果相对速度相对较高，则增加要发送到第二台的信号的波束范围。

9.如权利要求8所述的方法，其中，如果第二台相对于第一台的速度大于预定阈值，则增加所要发送的信号的波束范围。

10.如权利要求5所述的方法，其中，判断是否要增加波束范围的步骤包括：考虑表示第二台相对于第一台的相对移动性的参数，如果相对移动性相对较大，则增加要发送到第二台的信号的波束范围。

11.如权利要求10所述的方法，如果第二台相对于第一台的相对移动性大于预定阈值，则增加所要发送的信号的波束范围。

12.如权利要求5或其任一附属权利要求所述的方法，其中，所述判断是否要增加波束范围的步骤包括：考虑第一台的天线阵超出周围环境的高度，如果天线阵相对于周围环境相对较低，则增加波束范围。

13.如权利要求5-12任一所述的方法，其中，判断是否要增加波束范围的步骤包括：确定第一台接收到的第二台的N个以前的信号的平均角度范围。

14.如权利要求12所述的方法，其中，第一台以类似于或等同于平均角度范围的波束范围来发送信号。

15.如权利要求13或14所述的方法，其中，确定平均值的时间段考虑到一个或多个以下参数：

第一与第二台之间的距离；第二台相对于第一台的速度；和第二台相对于第一台的相对移动性。

16.如权利要求3或其任一附属权利要求所述的方法，还包括以下步骤：如果判定出现第二无线环境类型，那么判断是否要减小第一台所要发送的信号的波束范围。

17.如权利要求16所述的方法，其中，判断是否要减小信号的波束范围的步骤包括：针对第一台接收到的第二台的最近N个以前的信号，确定第一台处来自第二台的信号的两个极端到达方向，和以这两个极端到达方向所确定的波束范围向第二台发送信号。

18.如权利要求16所述的方法，其中，判断是否要减小信号的波束范围的步骤包括：确定第一台接收到的第二台的以前N个信号的角度范围的方差，和以与所计算的方差有关的波束范围向第二台发送信号。

19.如权利要求18所述的方法，其中，确定N个以前的信号的主到达方向的方差。

20.如上述权利要求任一所述的方法，其中，发送的信号的波束范围由一个或多个波束方向来确定。

21.如权利要求20所述的方法，其中，该波束或各波束的宽度是可变的。

22.如上述权利要求任一所述的方法，其中，第一台是蜂窝电信网中的基站收发信机。

23.如权利要求22所述的方法，其中，第二台是移动台。

24.一种与第二台定向无线通信的第一台，它包括：

用于接收第二台的信号的装置；

用于根据第一台接收到的第二台的至少一个信号判断工作时在所述第一与第二台之间出现了多种不同无线环境中的哪一种类型的装置；和

用于将信号发送到第二台的发射装置，该发送信号的至少一个参数取决于所判定的无线环境类型。

25.如权利要求24所述的第一台，其中，无线环境类型根据所述接收装置接收到的信号的角度范围来判定。

26.如权利要求25所述的第一台，其中，当所述接收装置以相对较小的角度范围接收到第二台的信号时，所述判断装置判定无线环境属于第一类型，而如果所述接收装置以相对较大的角度范围接收到第二台的信号时，判定无线环境属于第二类型。

27.如权利要求26所述的第一台，其中，所述判断装置可用来：如果判定无线环境属于第一类型，则判断发射装置所发送的信号的角度范围是否可被增加，而如果无线环境属于第二类型，则判断是否可被减小。

28.如权利要求24-27任一所述的第一台，其中，第一台是基站收发信机。

Images