CN1340929A - 无线数据应用的基于定位自适应天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于适应和定制反向和前向链接波束的系统,将特定移动单元同基站耦合起来以发送/接收数据。可动态定制前向和反向链接,用于改变数据速率请求,改变移动单元相对于基站的位置和改变SNR。前向和反向链接的多个自适应天线单元位于基站内。每个天线的波束形成电路都被耦合到移动位置探测器上,用来探测正通信的移动单元的位置。一旦确定了位置,波束形成器就将窄的高增益波束导向该移动单元,以形成所需的链接。

Description

无线数据应用的基于定位自适应天线系统

技术领域

本发明涉及通信领域。尤其是，它涉及通过自适应天线系统与移动定位技术相结合改进无线数据传输的系统和方法。

背景技术

移动用户的无线数据通信是由固定基站或单元站点(cell site)典型提供。可被传送的无线数据包括发向和来自移动单元的电子邮件传输，从远端的因特网服务器上下载站点等。每个单元站点包括一个或多个天线，这些天线用于传输发向和来自单元站点附近的移动用户设备的信号。接收来自移动用户设备的信号可具有相对较低的功率。

为了提供所需的天线覆盖范围，可以将单元站点周围的区域划分成几个扇区。以90度为一个方位角范围划分为四个扇区，或以120度划分为三个扇区，因此提供了单元站点周围的360度的方位角范围。在一些应用中，可扩展一个单一扇区，以提供360度的方位角范围。站点配置反映了提供邻近单元模式的必要性，每个站点具有自己的单元站点天线装置，以提供比单个所述装置覆盖的有限面积大的地域范围或区域中的移动通信覆盖范围。

设计提供120度扇区覆盖的天线系统相对来说简单一些。该系统可被用于向所需扇区覆盖区域中的任何用户传输信号。通常，用于固定发射功率的接收信号的功率反比于所用波束宽度。例如，如果信号太弱而不能可靠到达位于覆盖区域边缘的某客户，发射器的功率可增大到较高程度。但是，支持较高发射功率的功率放大器价格昂贵。如果用户的发射功率不够大，以至于不能在扇区覆盖区域的外侧完成可靠的接收，那么单元站点的总体大小和在固定单元站点处接收天线的增益变成了限制因素。

在确定每个单元站点覆盖区域的最佳大小时，包括预期用户数量和可利用的信道带宽的许多相关因素也可被包含进来。然而，很显然，由于每个单元站点只能提供较小的覆盖区域，为提供一个地理区域的连续覆盖，附加的单元站点安装将是必需的。附加的单元站点安装可能需要购买，安装和维护更多的设备，而且需要站点获得、相互联络设备和系统支持的增加需求和可能的开支。为提高性能而采用的聚束技术是周知的缓和(mitigating)技术。

Diekelman的美国专利No.5,612,701(“701专利”)公开了一种自适应波束指位方法，其中应移动单元通信的要求，卫星提供两种类型的波束。第一种类型的波束是覆盖很大区域的访问波束，并被用于将第一组移动单元同卫星耦合起来，用于开始通信。第二种类型的波束是服务波束，该波束通过中心围绕在称作“质心”的波束，将第一组移动单元耦合到卫星上，然后一旦访问被访问波束所认可，就在距离第一组移动单元遥远的区域中，通过中心围绕其质心的波束将卫星耦合到第二组移动单元上。据称卫星能够探测到正在请求通信链接的移动单元的位置。

“701专利”未涉及与地上系统相关的某些问题。地上通信系统显著不同于基于卫星的通信系统。例如，同地上通信有关的近/远效应比基于卫星的系统具有大得多的意义。也就是说，对于距地球大约26000英里的卫星，在特定地理区域中的所有移动单元都被认为是与卫星基本等距的。对于地上系统，这些效应有很大的不同，其中移动单元基地的各自距离可变化很大。701专利未涉及另一个出现在地上系统中的现象，即由于在诸如阴影效应和快速衰落的两个频率中的传播环境，对于前向链接和反向链接，它们的路径损耗损失可能不同。最后，不象卫星系统那样，地上系统可以为多路径。

另外，“701专利”未涉及数据通信。数据传输与语音传输(如“701专利涉及的)在好几个方面有很大不同。首先，请求可来自基站单元(反向链接)或移动单元(前向链接)，而“701专利”只讲到反向链接。第二，在本质上，数据传输的前向和反向链接是非对称的。也就是说，在任何时候，在前向链接中发送的数据(例如，分组化的数据)可能比在反向链接中发送的数据要密集一些，并且在另一时刻可能相反。第三，分组数据是固有突发的(即不连续的)，对于一特定波束而言数据速率可以瞬间改变。对于诸如“701专利”所描述的语音应用就不是这种情况了。

因此，需要允许反向链接和前向链接波束的独立控制和定制化，该反向链接和前向链接波束把特定移动单元同基站耦合起来以发送/接收数据。理想化的情况是，前向和反向链接波束应为随时间变化的数据速率要求，随时间变化的相对于基站移动单元的位置，并且随时间变化的SNR的动态定制，其中定制的波束可被直接导向正在同基站进行通信的移动单元。

发明内容

本发明提供了一种适应和定制反向链接波束和前向链接波束的系统和方法，该反向链接和前向链接波束将特定移动单元同基站耦合起来以发送/接收数据。前向和反向链接波束可为变化的数据速率要求，移动单元相对于基站的变化位置和变化的SNR而动态定制。

根据本发明的实施方案，用于前向和反向链接的多个自适应天线单元位于无线通信系统的基站内。除了常规的波束形成硬件之外，每个天线的波束形成电路被偶合到移动位置探测系统上，用于探测正同基站通信的移动单元的位置(在要求的精度内)。一旦确定到移动单元的位置，波束形成装置就将定制的窄的高增益波束导向那个移动单元，从而形成或者是前向链接，或者是反向链接的波束，或者是单独导向的前向和反向链接波束(依赖于正执行下载数据还是上载数据)。结果，该系统和空气界面能力被只用在需要有效方式的时候和地点。此外，用户之间的干扰减至最小。

附图说明

联系附图，从以下的详细描述中，本发明的这些和其他特征和优点将变得更加明显，其中：

图1示出了根据本发明优选实施方案而构造的通信系统。

图2示出了图1中通信系统的前向链接硬件。

图3示出了图1中通信系统的反向链接硬件。

图4示出了图1中基站系统的前/反向链接的结合。

图5示出了根据本发明优选方案而构造的移动通信单元；以及

图6示出了用在本发明优选方案中的收发器硬件。

具体实施方式

参照图1-6，现在将描述本发明的优选实施方案和应用。在不偏离本发明精神或范围的基础上，其它实施方案可以实现，并且可以对公开实施方案进行结构或逻辑的改变。

图1示出了根据本发明实施方案而构造的无线通信系统。基站100包括前向链接部分102(即下载到移动单元)和反向链接部分104(即从移动单元上载)。前向链接部分102包含多个自适应阵列天线单元110，112，114。反向链接部分104包含另外的自适应阵列天线单元116，118，120。应用在链接部分102和104中的天线单元110-120的数量取决于应用系统的参数(例如，服务的地理区域，所需的零波束数目等)。

图1的系统还具有多个无线移动通信设备122，124，126，它们能够与特定的无线通信系统中的基站进行无线通信。例如，这里描述了无线电话126，膝上型电脑124和掌上个人数字助理(PDA)122。例如，膝上型电脑124与前向链接部分102的天线单元110，112和114的耦合是将在下面详细讨论的前向链接硬件106形成的窄无线波束128。例如，掌上个人数字助理(PDA)122与反向链接天线单元116，118和120的耦合是将在下面详细讨论的反向链接硬件108形成的窄无线波束130。注意到，无线波束，意味着或者常规RF波束，或可能是数字波束形成方法。

如图2所示，三个前向链接天线单元110，112，114被耦合到波束形成器200上。硬件106可被配置得使得天线单元110-114配置成自适应天线系统。随着条件的改变，自适应天线系统通过波束形成器200随变化条件连续调节前向链接波束(例如128)，也就是说，改变关于波束方向，形状，增益，波束数量等。或者，硬件106可被配置得使得天线单元110-114配置成波束开关(转换)系统。在波束开关系统中，天线单元110-114的子设备被波束形成器200打开和关闭，以在不同条件下产生波束。图6描述了一种波束开关系统。除了它以其波束形成器600配置为波束开关天线系统外，图6的系统同图2的系统相似。返。回去参考图2，波束形成器200通过无线电源控制器(RRC)211处理从三个单元接收到的数据，以形成前向链接(例如图1的128)的定制的窄波束。将数据馈送给波束形成器200的探测器是移动位置定位器206。

移动位置定位器206可能是许多种类的位置探测器件和/或系统中的任何一种，这些器件和/或系统包括但不局限于基于全球定位系统(GPS)的探测器，诸如在美国专利申请序列号No.08/927,432或美国专利申请序列号No.08/927,434中所公开的系统，这两种专利同本发明具有相同的受让人。申请序列号No.08/927,432和08/927,434的完全公开内容在此作为参考。

移动单元(例如124)的位置由终端(例如124)或移动位置定位器206来确定。基于GPS的终端数据在移动终端上(例如图1的124)并由该终端测量；然而，定位数据也可由被称作“网络衍生”系统中的基站(例如图1中的100)所确定。虽然这二者的结合可能产生准确的结果，但是其中任何一种技术都能用来实现本发明。定位数据通过RRC211被供应给波束形成器200，用于保证波束形成器200发出窄的波束(例如自适应阵列波束)，以射向需要时打算接收或发射数据的特定移动单元(例如图1的124)。

而且信噪比(SNR)探测器208被耦合到RRC211上，用于探测基站100和移动单元之间的信号强度。如果存在相对较弱的信号，SNR探测器208将会发送该信息给RRC211，其反过来可发送合适的信号给波束形成器200，使其通过发出具有较高增益的波束来补偿该低SNR。例如，当移动单元位于扇区边缘附近的时候，信号可能会弱一些。通常，波束越窄，该波束的增益就越高。因此，可定制波束128，以补偿扇区内移动单元的运动。也可在移动单元位置的基础上，定制波束128，以补偿诸如在某些位置中由于距离或由于阴影衰落而造成的低SNR。

仍参考图2，数据速率探测器210通过RRC211也被耦合到波束形成器200上。数据速率探测器210探测从基站100到移动单元124的下载特定数据所需的数据速率。数据速率可随着许多因素而变化，这些因素包括但不局限于正下载的数据包的数量和大小(例如，一个大的数据文件对一个小的数据文件)，来自因特网服务器(未示出)可被基站100重现的数据的速度以及应用的类型。

例如，从远端因特网服务器传送的数据可能不被单一连续传输中的基站接收。这些数据可被接收在几个分组流中，导致一定间隙，在其中数据没有发送或接收。这些间隙阻止前向链接部分102不能在单一的传输中传输所有的要求数据。基站100可发送一部分数据，然后停止传输一段时间，随后再传另外一部分数据等等，直到所有数据被传送到移动单元中。

RRC211接收来自数据速率探测器210的信号，通知RRC211传送数据到移动单元124所要求的即时和动态的数据速率。此外，RRC211接收来自移动位置定位器(MPL)206的定位信息和来自SNR探测器(SNRD)208的SNR。RRC211接收所有的这些信息(数据速率，SNR，定位)连同诸如来自每个用户的服务需求质量(延迟，误差等)的其他信息。RRC211计算出最好的方式以定位无线电源。无线电源定位可包括每个波束的波束指位，功率的大小，波束宽度，持续时间等。然后这些信息被传达给波束形成器200。波束形成器200反过来即时调节窄波束128，使之适应从RRC211(固有无线数据传输)接收到的总是随时间变化的无线电源定位指令。发射器202的输出被耦合到波束形成器200的输入以产生发射波束128(图1)。

图3描述了图1系统中的反向链接硬件106。三个天线单元116，118，120中的每一个都被耦合到波束形成器300上。波束形成器300接收来自RRC311的指令，形成反向链接130的定制的窄波束。RRC311处理从至少三个单元306，308，310接收来的数据，以确定每个波束的波束结构和持续时间。同图2中的波束形成器200的单元相似的方法，这三个单元通过RRC311被耦合到波束形成器300上。图3中的移动位置探测器306，SNR探测器308和数据速率探测器310的操作与图2中的探测器206，208，210的操作相似。

被耦合到波束形成器300上的还有在反向链接上接收和处理来自移动单元122的数据接收器和处理器302。接收器和处理器302可以是自适应阵列处理器，转换波束阵列处理器或另一合适的无线信号处理器。耦合到接收器和处理器302输出的可为如特定系统所需的另外的接收器处理电路。所述电路的特定配置可随不同系统和服务供应者而变化。

图4描述了本发明另一实施方案，其中图2和图3的无线通信系统被结合在单一单元中。也就是说，前向链接硬件106和反向链接硬件108可被结合在图4的前/反向链接硬件400中。除了图4的系统包括一个能发射和接收耦合基站100同移动单元(例如图1的122)的窄高增益波束的收发器402之外，图4系统中的元件同图3中的相似。

图5描述了本发明的第三实施方案，其中收发系统位于移动单元500中。移动单元500可为通信单元122，124，126中的任何一个，或者是能够同基站进行无线通信的其他移动单元。移动单元500包含天线单元502，504，506，通过该元件可以发射或接收窄的高增益自适应或开关波束。除了移动位置探测器306被基站位置定位器514取代用于确定基站100的位置外，天线单元502,504,506被耦合到类似于上述的同图4相关的元件上。

本发明提供一种可用于前向链接和反向链接的改进的数据通信系统。通常，对于数据通信应用，期望下载(即前向链接)比上载(即反向链接)更强一些。这是因为反向链接通常携带数据请求，而前向链接通常包含数据自身。其它应用可能会不同，例如，在反向链接(例如文件上载)中强或者是对称。在此描述的程序和发明同时致力于满足所有的这些要求。本发明提供一种波束形成器200，响应接收来自至少三个探测器件206，208，210中的一个的波束形成器200的输入，其能够在增益级，波束宽度和波束方向等几个方面适应和定制窄波束。

因此，通常，应用于前向链接的波束不同于用于反向链接的波束(例如在形状，方位和增益上)。本发明也提供了在SNR，不同数据速率和移动单元的移动中的损失的立即补偿方法，使得前向链接和反向链接的波束都可以通过波束形成器所定制和操纵。在优选实施方案中，波束形成器持续地接收特定移动单元的位置信息。然而，本发明不应被局限于在这里详细示出和描述的优选实施方案。

显然，在不离开本发明精神和范围的基础上，可对其进行许多修改。例如，尽管天线单元(110-120)被描述为只位于基站中，但是移动单元也可被配置成包含有所述天线，用于发射朝向特定基站扇区的窄的高增益波束。另外，在不离开本发明精神和范围的基础上，可用许多其它的硬件配置和/或硬件/软件配置来实现本发明。因此，本发明不受先前描述和附图的限制，而只被权利要求所限定。

Claims (29)

1.一种无线数据通信系统，包括：

相对于移动单元发射和/或接收窄的高增益波束的天线单元阵列；

用于形成所述窄的高增益波束的波束形成器；

耦合到所述波束形成器上用于确定和分配无线电源的无线电源控制器；以及

用于探测同所述移动单位相联系的数据特征的探测器单元，所述探测器单元被有效地耦合到所述无线电源控制器上。

2.如权利要求1的系统，其中所述探测器单元中包含用于探测所述天线单元和所述移动单元间的连接的信噪比的信噪比探测器。

3.如权利要求1的系统，其中所述探测器单元中包含用于确定所述移动单元位置的移动位置定位器。

4.如权利要求1的系统，还包含用于向所述移动单元发送前向链接数据通信的发射器。

5.如权利要求1的系统，还包含用于接收来自所述移动单元的反向链接数据通信的接收器。

6.如权利要求1中系统，其中所述天线单元的阵列是自适应天线阵列。

7.如权利要求1的系统，其中所述天线单元的阵列是转换波束天线阵列。

8.如权利要求1的系统，还包含用于处理从所述移动单元接收的信号的处理器。

9.用于与多个移动单元无线通信的地面基站，所述基站包括：

用于向所述移动单元发送数据的前向链接部分；以及

用于接收来自所述移动单元数据的反向链接部分，其中至少一个所述前向和反向链接部分形成窄的高增益波束。

10.如权利要求9的基站，还包括用于确定和分配无线电源的无线电源控制器。

11.如权利要求10的基站，还包括耦合到所述无线电源控制器上用于定位同基站进行通信的移动单元的移动位置定位器，其中所述基站能够操纵所述波束，使得在所述移动单元变化其位置时波束能耦合到所述移动单元上。

12.如权利要求10的基站，还包括耦合到所述无线电源控制器上用来探测同所述移动单元进行通信所需的数据速率的数据速率探测器，其中所述基站能够在所述探测到的数据速率的基础上调整所述波束。

13.如权利要求10的基站，还包括偶合到所述无线电源控制器上用来探测信噪比的信噪比探测器，其中所述基站能够在所述探测到的信噪比的基础上调整所述波束。

14.一种无线通信单元，包括：

用来接收从地面基站发送来的数据的前向链接部分；以及

用来发送数据到所述地面基站的反向链接部分，其中至少所述前向和反向链接部分中的一个形成窄的高增益波束。

15.如权利要求14的通信单元，还包括用于所述波束的天线单元。

16.如权利要求14的通信单元，还包括用于形成所述波束的波束形成器。

17.如权利要求16的通信单元，还包括耦合到所述波束形成器上用于确定和分配无线电源的无线电源控制器。

18.如权利要求17的通信单元，还包括耦合到所述无线电源控制器上用于确定所述通信单元位置的移动位置定位器。

19.如权利要求17的通信单元，还包括耦合到所述无线电源控制器上用于探测接收数据的数据速率的数据速率探测器。

20.如权利要求17的通信单元，还包括耦合到所述无线电源控制器上用于探测所述单元和所述基站间的连接的信噪比的信噪比探测器。

21.如权利要求17的通信单元，还包括用来传输所述单元的反向链接数据通信到所述基站的发射器。

22.一种地面基站和移动单元间的无线数据通信的方法，包括

在探测到的与移动单元相联系的数据特征的基础上，在所述基站处形成波束；以及

向所述移动单元发射所述波束。

23.如权利要求22的方法，还包括调整所述波束的特性，以响应所述探测到的数据特性。

24.如权利要求23的方法，还包括探测所述移动单元相对所述基站的定位。

25.如权利要求24的方法，其中在所述移动单元处探测所述定位。

26.如权利要求24的方法，其中所述探测到的数据特性包括数据速率。

27.如权利要求24的方法，还包括在信噪比数据的基础上变化所述波束的特性。

28.如权利要求24的方法，还包括从因特网服务器上下载数据文件。

29.如权利要求24的方法，还包括从所述移动单元向因特网服务器上上载数据文件。

Images