CN1352830A - 无线电信系统及其基站和波束形成电信方法 - Google Patents

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Abstract

能有效地将需要信息发送给多个移动站的无线电信系统适用于通过形成同时覆盖这些移动站的信号波束来将此信息发送给这多个移动站。因为能如此将信息同时发送给多个移动站,所以有可能以极高的效率发送信息。另外,因为能降低发送功率,所以能抑制对其他移动站的干扰。

Description

无线电信系统及其基站和波束形成电信方法
技术领域
本发明涉及无线电信系统，在此无线电信系统中有可能以有效方式将需要信息发送给多个移动站。
背景技术
近年来无线电信技术发展迅速，这伴随着各种无线通信系统的实施与实际使用。移动无线电话系统或所谓的蜂窝电话系统最佳地代表这样的无线电信系统。
已建议各种无线电信方案用于这样的移动无线电话系统。例如，当前在模拟移动无线电话系统中采用FDMA(频分多址)。根据FDMA方案，将单个通信信道分配到单个射频并将多个用户之中相应的用户使用的通信信道根据每个用户设置为不同的射频。
在近年来已迅速投入广泛使用的数字移动无线电话系统中正采用TDMA(时分多址)。利用TDMA，将单个射频划分为多个时隙并且在已分配给本地站的时隙的定时上发送信号，从而例如在一个射频上形成三个或六个通信信道。根据此方案，能在单个射频上形成多个通信信道，其结果是能在该模拟方案的系统容量上来扩展此系统的容量。
近来已建议CDMA(码分多址)作为用于下一代移动无线电话系统的通信方案。利用CDMA，同时由多个用户共享同一射频频带。在发送时，将发送数据乘以对于每个用户是不同的扩展码，从而在同一频率上形成多个信道。因为此方案使同一频带有可能由蜂窝系统的所有小区使用，所以能在TDMA方案上进一步增加系统容量。因此，对于CDMA应用于下一代移动通信在当前是感兴趣的焦点。
因为使用CDMA的移动无线电话系统共同使用同一频率，所以出现其中由某一用户发送的信号作为干扰影响另一用户的情况。这是在构造通信系统时遇到的一个重要问题。因此，已设计出用于减少CDMA通信系统中干扰波的各种权宜措施。一种措施是使用自适应阵列天线。自适应阵列天线通过减少其他用户承受的干扰波来增加系统容量。
自适应阵列天线由多个天线振子组成。在调整将发送的信号的幅度与相位并随后将这些信号提供给相应的天线振子时，将从这些天线振子发送的信号组合，结果在规定方向中形成射频信号的信号波束，如图7所示。因为如此，几乎能只在移动站M1的方向中发送信号S1，所以有可能防止发送信号S1作为干扰影响移动站M2。
根据信号波束集中在特定用户上的程度、信号隔离的程度和减少用户之间相互干扰的程度来决定自适应阵列天线中振子的数量。这种类型的自适应阵列天线具体公开在1988年4月IEEE ASSP杂志第4-24页上Barry D.van Veen与Keven Buckley的文章“Beamforming：A versatile approach to spatial filtering”中。
在下一代移动无线电话系统中需要除话音功能之外的各种功能并且特别强烈需要多播功能。多播功能是用于将同一信息从基站同时发送给多个移动站的功能。依赖于多播功能的业务的一个特定示例是将诸如业务信息、天气信息和股市信息的信息(下面称为“多播数据”)同时发送给多个契约用户。
如果试图利用CDMA移动无线电话系统实现这样的多播功能，可想到的一种解决方案是以类似于普通单独通信的方式利用自适应阵列天线单独在契约移动站M1与M2的方向中形成信号波束S1与S2，并分别利用这些信号波束S1、S2单独发送多播数据，如图8所示。
然而，利用此方法，在单独为契约方的移动站M1、M2形成信号波束S1、S2之后发送此多播数据，这在多播方面效率低下。还有，将此多播数据单独发送给移动站M1、M2，这在发送功率方面也是效率低下的。因而，在多播数据的发送方面仍然效率低下并且看来具有改善的空间。
发明概述
因此，本发明的一个目的是提供能有效地将需要信息发送给多个移动站的一种无线电信系统和方法。
根据本发明，通过提供其中利用预定的无线通信技术在基站与移动站之间建立无线电链路的无线电信系统来实现上述目的，其中在发送同一信息给多个移动站时，该基站通过形成同时覆盖这多个移动站的信号波束来发送此信息。通过如此形成同时覆盖多个移动站的信号波束来发送信息，能比通过单独形成信号波束发送信息的情况更有效地将此信息发送给多个移动站。另外，能降低发送功率以减轻干扰波对其他移动站的影响。
从下面结合附图进行的描述中将明白本发明的其他特性与优点，其中相同的标号在其全部附图中表示相同或类似的部分。
附图简述
图1是表示应用本发明的CDMA移动无线电话系统的结构的方框图；
图2是表示根据本发明的基站的结构的方框图；
图3是描述覆盖多个移动站的信号波束时有用的波束波形图；
图4是描述希望接收多播数据的移动站在后一时间出现的情况时有用的波束波形图；
图5是表示自适应阵列天线的结构的方框图；
图6A-6C是表示利用自适应阵列天线在规定方向中形成信号波束所依据的原理的示意图；
图7是描述自适应阵列天线时有用的波束波形图；和
图8是描述利用自适应阵列天线单独发送多播数据的情况时有用的波束波形图。
实现本发明的最佳实施方案
图1表示应用本发明的CDMA移动无线电话系统1.此移动无线电话系统1包括移动业务交换中心(MSC)2、无线电网络控制器(RNC)3和多个基站4A-4C。通过规定的传输线路连接到无线电网络控制器3的移动业务交换中心2通过无线电网络控制器3执行移动站5A-5C的呼叫控制与登记管理等，并对此系统进行整体控制。还有，移动业务交换中心2通过规定的传输线路连接到公用交换电话网络(PSTN)6，以便在PSTN 6与移动站5A-5C之中希望的移动站之间转发呼叫。
是用于控制无线电网络的设备的无线电网络控制器3连接与断开基站4A-4C和移动站5A-5C、切换这些移动站、控制发送功率等。
基站4A-4C是根据无线电网络控制器3执行的控制实际与移动站5A-5C建立CDMA无线电链路的收发信机，这使得这些基站4A-4C能与此系统中的其他移动站通信或与通过基站4A-4C连接到PSTN 6的其他移动站通信。
虽然在此为了简明起见讨论三个基站4A-4C和三个移动站5A-5C，但这些站的数量不限于此实施例的数量。还有，移动站5A-5C可以是其基本功能为话音功能的便携式电话机或可移动的通用计算机，例如这些设备均具有用于与移动站5A-5C接口的无线电接口。
移动无线电话系统1除了上述的话音功能之外还具有多播功能。更具体地，移动业务交换中心2适用于周期性地通过PSTN 6从规定的信息源中获取诸如业务信息、天气信息与股市信息的信息，通过无线电网络控制器3将此信息作为多播数据发送给基站4A-4C，并通过基站4A-4C将此信息发送给需要的移动站5A-5C。在这样的情况中，不将多播数据发送给所有的移动站而只发送给已与移动无线电话系统1的提供者签定信息-业务协议的移动站。
在移动无线电话系统1的移动业务交换中心2中与此移动站的识别号码相关存储有关是否签定协议的信息，这使之有可能根据存储的数据将多播数据只发送给契约用户。
现在将更具体地描述多播功能。
移动业务交换中心2通过无线电网络控制器3将通过PSTN 6周期性获取的多播数据发送给基站4A-4C。
希望接收多播数据的用户通过执行规定操作将数据接收命令输入到移动站5A(或5B或5C)。在接收到此命令之后，移动站5A(或5B或5C)发送用于请求此多播数据的请求命令。例如，此请求命令包括移动站ID信息和希望接收的内容类型。由基站4A(或4B或4C)接收此请求命令，通过无线电网络控制器3将此命令从基站4A(或4B或4C)发送给移动业务交换中心2。
在接收到此请求命令之后，移动业务交换中心2根据此移动站ID信息确定发送此请求命令的移动站5A(或5B或5C)是否是契约用户的移动站。如果此移动站是契约用户，则此移动业务交换中心2指示接收到此请求命令的基站4A(或4B或4C)将此多播数据发送给移动站5A(或5B或5C)。基站4A-4C均具有自适应阵列天线。指示发送此多播数据的基站4A(或4B或4C)利用其自适应阵列天线来形成将只指向需要此多播数据的移动站5A(或5B或5C)并将此多播信息只发送给此移动站5A(或5B或5C)。
应注意：单个小区可以包含需要多播数据的一个或多个移动站。在需要多播数据的多个移动站驻留在一个小区的情况中，利用此自适应阵列天线形成将同时覆盖这多个移动站的信号波束，以便将此多播数据一次发送给这些移动站。还有，基站4A(或4B或4C)适用于将此多播数据重复发送规定次数，以便在移动站5A(或5B或5C)上能肯定接收到此多播数据。
在本发明的移动无线电话系统1中如此生成接收多播数据的请求时，将此多播数据发送给此移动站。虽然连续发送多播数据的方法可设想为与本发明相反的解决方案，但这将表示甚至在需要这样的接收的移动站未在小区中时也发送多播数据。结果，此信号将作为干扰起作用并且可能对参与普通单独通信的移动站或除契约方之外的移动站具有有害的影响。因此，为了避免此，本发明只在具有接收多播数据的请求时才发送此多播数据。
现在将描述在规定方向中发送多播数据的信号波束的基站4A(或4B或4C)的结构。因为基站4A(或4B或4C)在结构上基本上是相同的，所以将只描述基站4A。
图2表示基站4A的结构。然而，应注意：在此不描述基带信号处理电路和用于接口无线电网络控制器3的接口电路。
如图2所示，基站4A具有多个发射机7A-7N和多个接收机8A-8N并且适用于能利用这些发射机7A-7N和接收机8A-8N同时与多个移动站通信。诸如从无线电网络控制器3发送的话音数据的单独发送数据通过接口电路(未示出)输入到信号交换单元9。
信号交换单元9包括多路分用器电路，例如，用于分配输入的单独传输数据给相应的发射机7A-7N。如果假定第一至第n发射机7A-7N分别对应于第1至第n通信信道，则信号交换单元9以以下方式发送单独的传输数据给相应的发射机7A-7N：将在第一通信信道上发送的单独传输数据发送给第一发射机7A，将在第二通信信道上发送的单独传输数据发送给第二发射机7B，等等。
从无线电网络控制器3中发送的控制数据通过未示出的接口电路进入控制器10。此控制器10从无线电网络控制器3接收控制数据，根据此控制数据控制信号交换单元9的操作并控制以后描述的自适应阵列天线14的操作。
同样地构造第1至第n发射机7A-7N。第一发射机7A具有输入的单独传输数据首先输入至的扩展电路11。此扩展电路11将此单独的传输数据乘以已分配给第一通信信道的预定扩展码，从而对此单独的传输数据进行扩频调制。
在CDMA通信中，通过分配不同的扩展码给每个信道来相互区分通信信道。在接收端上，将接收的数据乘以与发送端上相同的扩展码并随后执行解扩处理来恢复此数据。
扩展电路11输出的传输信号进入射频单元(RF)12。在此单元中此信号进行频率变换处理以变换为规定频带的传输信号。射频单元12输出的传输信号进入滤波器13，此滤波器从此信号中除去不想要的信号成分，并随后将结果信号输入到自适应阵列天线14。
同样地，第2至第n发射机7B-7N也将输入的单独传输信号乘以分配给之的相应扩展码，进行扩频调制，随后对这些传输信号进行频率变换处理和滤波处理，并将结果信号输出到自适应阵列天线14。
根据控制器10的控制，具有多个天线振子的自适应阵列天线14控制提供给这多个天线振子之中相应天线振子的每个传输信号的幅度与相位，从而在规定方向中形成信号波束并发送每个信号。更具体地，自适应阵列天线14控制第一发射机7A输出的传输信号的幅度与相位，从而在将接收此传输信号的移动站的方向中形成和发送信号波束。同样地，自适应阵列天线14控制第2至第n发射机7B-7N输出的传输信号的幅度与相位，从而在将接收这些传输信号的相应移动站的方向中形成和发送信号波束。
作为上述操作的结果，在单独发送时，移动无线电话系统1形成指向移动站M1与M2的信号波束S1与S2，如图8所示，并将单独的传输数据发送给相应的移动站M1与M2。因此，移动无线电话系统1使之在对每个移动站进行单独的数据传输时有可能减少此系统内的干扰。
同时，利用此自适应阵列天线14从这些移动站接收的信号进入相应的第1至第n接收机8A-8N。相同地构造第1至第n接收机8A-8N。每个接收机具有从此接收信号中除去不想要的信号成分的滤波器15、随后提取基带的信号成分的射频(RF)单元16和用于通过利用与发送端上相同的解扩码执行解扩处理来提取接收数据的解扩电路17。将如此提取的接收数据的每项通过信号交换单元9发送给无线电网络控制器3并随后将之发送给通信方的终端。
现在将描述不同于上述的单独数据传输的多播数据传输的情况中的操作。
特别地，从无线电网络控制器3中发送的多播数据以类似于上述的方式通过未示出的接口电路进入信号交换单元9。根据控制器10执行的控制，此信号交换单元9将此多播数据只提供给例如发射机7A。以类似于进行单独传输时的方式，发射机7A对此多播数据进行扩频调制，随后执行频率变换处理以生成传输信号并将此信号输出到自适应阵列天线14。
在只有一个将接收此多播数据的移动站驻留在小区中的情况中，此自适应阵列天线14根据控制器10的控制调整此多播数据传输信号的幅度与相位并将结果信号提供给每个天线振子，从而形成指向此移动站的信号波束并利用此信号波束发送此多播数据传输信号。
在希望接收此多播数据的多个移动站驻留在小区中的情况中，此自适应阵列天线14根据控制器10的控制调整此多播数据传输信号的幅度与相位并将结果信号提供给每个天线振子，从而形成同时覆盖希望接收此多播数据的多个移动站M1、M2的信号波束S3，如图3所述，并发送此多播数据。因而，在发送多播数据给这多个移动站M1、M2时，此移动无线电话系统1一次将此信号发送给这多个移动站M1、M2，这使之有可能减少此小区内的发送功率并且结果是减少对出现在此小区中的其他移动站M3施加的干扰。
在接收此多播数据的移动站M1已经在此小区内并且另一移动站M2随后重新发出多播数据请求的情况中，如图4所示，利用自适应阵列天线14形成覆盖随后请求此多播数据的移动站M2的信号波束S4，从而同时将所述多播数据发送给需要此多播数据的所有移动站M1、M2。
自适应阵列天线14将结合图5具体进行描述。
如图5所示，自适应阵列天线14具有与通信信道的数量一致的多个信号处理单元20A-20N。这些信号处理单元20A-20N处理相应通信信道的信号。
首先，在单独通信时，利用多个天线振子21A-21M接收的信号分别通过天线耦合器22A-22M进入信号处理单元20A-20N。每个信号处理单元20A-20N包括：乘法器23A-23M，将相应的接收信号输入到这些乘法器；系数计算单元24，提供与这些接收信号相乘的系数(γ’1，θ’1)至(γ’M，θ’M)；和矢量加法器25，用于相加从这些乘法器获得的乘积。
在系数计算单元24输出的系数(γ’1，θ’1)至(γ’M，θ’M)之中，系数γ’1-γ’M用于调整相应接收信号的幅度，而系数θ’1-θ’M用于调整相应接收信号的相位。
系数计算单元24接受矢量加法器25输出的组合接收信号并且执行控制，以便通过在监视此组合接收信号的同时调整这些系数(γ’1，θ’1)至(γ’M，θ’M)来使此组合接收信号最大。此组合接收信号的最大化表示天线的方向性图形指向是接收目标的移动站。将利用第1至第n信号处理单元20A-20N中这样的控制如此最大化的组合接收信号分别输出给相应的第1至第n接收机8A-8N。
同时，将已由第1至第n发射机7A-7N输出的传输信号输出给相应的第1至第n信号处理单元20A-20N。每个信号处理单元20A-20N包括乘法器26A-26M，将相应的传输信号输入到这些乘法器。系数计算单元24提供与这些传输信号相乘的系数(γ1，θ1)至(γM，θM)，之后将从这些乘法器中获得的乘积分别提供给加法器27A-27M，将这些加法器的输出分别通过天线耦合器22A-22M提供给天线21A-21M。
系数γ1-γM同样用于调整相应传输信号的幅度，而系数θ1-θM用于调整相应传输信号的相位。虽然在接收时计算的系数(γ’1，θ’1)至(γ’M，θ’M)可以与系数(γ1，θ1)至(γ M，θM)同样进行使用，但最好通过校正在接收时计算的系数(γ’1，θ’1)至(γ’M，θ’M)来获得系数(γ1，θ1)至(γM，θM)，此原因是：如果发送频率与接收频率不同，则具有特性将稍微不同的可能性。在任何一种情况中，由于天线的发送图形与接收图形一般认为是相同的，所以天线的方向性图形在使用基于系数(γ’1，θ’1)至(γ’M，θ’M)的系数(γ1，θ1)至(γM，θM)时将指向是传输目标的移动站。
另一方面，在进行多播数据传输时，信号处理单元20A-20N从每个移动站接收多播数据请求命令，并且首先计算用于每个移动站的系数(γ’1，θ’1)至(γ’M，θ’M)，以便根据接收的信号进行接收。一旦将每个移动站的系数(γ’1，θ’1)至(γ’M，θ’M)报告给控制器10，通过控制器10将这些系数传送给将负责多播数据传输的信号处理单元。在此假定：此信号处理单元20A对应于此信号处理单元。
根据每个移动站的系数(γ’1，θ’1)至(γ’M，θ’M)，信号处理单元20A的系数计算单元24计算系数(γ1，θ1)至(γM，θM)，以便以需要多播数据的多个移动站将同时被单个信号波束覆盖的方式进行传输。将这些系数(γ1，θ1)至(γM，θM)提供给乘法器26A-26M，这些乘法器将这些多播数据传输信号乘以这些系数。
将如此由于与这些系数(γ1，θ1)至(γM，θM)相乘而进行相位与幅度调整的传输信号通过加法器27A-27M和天线耦合器22A-22M分别提供给天线振子21A-21M，在这些天线振子上组合这些传输信号以形成同时覆盖多个移动站M1、M2的信号波束，如图6A-6C所示。结果，能将多播数据同时发送给需要此多播数据的多个移动站M1、M2。
因而，在单独传输时，自适应阵列天线14计算将此信号波束只指向通信方的移动站的系数(γ1，θ1)至(γM，θM)并且只将信号发送给通信方的此移动站。另一方面，在多播数据传输时，自适应阵列天线14计算将使请求多播数据的多个移动站被一个信号波束覆盖的系数(γ1，θ1)至(γM，θM)并且将此多播数据同时发送给这多个移动站。
上述安排是：如果发送多播数据，则移动无线电话系统1根据在接收到多播数据请求命令时占优势的接收信号计算系数(γ1，θ1)至(γM，θM)，将这些传输信号乘以这些系数(γ1，θ1)至(γM，θM)，并将作为结果获得的相应信号发送给这多个天线21A-21M。在将幅度与相位如此进行调整的传输信号输出给多个天线21A-21M时，组合这些传输信号并形成指向规定方向的信号波束。
在此移动无线电话系统1中发送多播数据时，此系统计算将使请求多播数据的多个移动站被一个信号波束覆盖的系数(γ1，θ1)至(γM，θM)。结果，由自适应阵列天线14输出的多播数据的信号波束覆盖需要此多播数据的多个基站，如图3所示，并且结果是能有效地将此多播数据同时发送给多个移动站。而且，由于能一次将此多播数据发送给多个移动站，所以与单独发送多播数据时需要的发送功率相比减少发送功率。结果是减少小区内的干扰波。而且，由于能减少小区内的干扰，所以有可能增加系统容量。
根据上述安排，通过形成将同时覆盖需要多播数据的多个移动站并且通过此波束发送此多播数据来完成此多播数据的传输。结果，能同时将多播数据发送给多个移动站，能有效地发送此多播数据并且能减少小区内的干扰。
上述实施例涉及通过PSTN 6获得多播数据的情况。然而，本发明不限于此安排。例如，此移动业务交换中心2可以具有输入装置并且可以通过此输入装置输入此多播数据。
还有，上述实施例涉及根据在接收多播数据请求命令时占优势的接收信号计算系数(γ1，θ1)至(γM，θM)的情况。然而，本发明不限于这样的安排，这是因为根据从移动站发送的诸如在单独通信时占优势的接收信号的另一接收信号计算系数(γ1，θ1)至(γM，θM)是可允许的。还一可行安排是给移动站提供在GPS系统中使用的接收装置，传送已利用此接收装置计算的移动站位置信息给基站，根据代表此移动站的此位置信息计算系数，并且形成将覆盖多个移动站的信号波束。
还有，上述实施例涉及本发明应用于具有CDMA通信方案的通信系统的情况。然而，本发明不限于这样的应用，而能进行修改以便可应用于诸如TDMA与FDMA系统的任何无线通信系统。
还有，上述实施例涉及本发明应用于移动无线电话系统1的情况。然而，本发明不限于这样的应用，而能进行修改以便可应用于无线LAN系统或其他无线系统。非常重要的是：在将相同的信息发送给无线通信系统中的多个移动站、利用预定的无线通信技术在基站与多个移动站之间建立无线电链路和基站通过在基本上指向基站与之通信的某一个移动站的方向中形成信号波束来通信的情况中，如果形成覆盖这多个移动站的信号波束并且利用此信号波束发送此信息，将获得类似于在这样的情况中实现的效果。
还有，虽然在上述实施例中使用自适应阵列天线，但只要能控制方向性，就可以使用任何其他的装置与方法。
本发明是有益的，这是因为通过将本发明安排为通过形成将同时覆盖多个基站的信号波束将信息发送给这多个基站能将此信息同时发送给多个基站，这使之有可能以极高的效率发送信息。另外，因为能减少发送功率，所以能抑制对其他移动站的干扰。
由于能不脱离本发明的精神与范畴实现本发明的许多显然极不相同的实施例，所以将明白，本发明不限于除了所附的权利要求书中定义之外的其特定实施例。

Claims (10)

1.一种无线电信系统，在此无线电信系统中在具有其方向性能进行控制的天线的基站与移动站之间建立无线电链路，其中在利用这些移动站之一执行通信时，利用所述天线形成基本上只指向所述一个移动站的信号波束来与所述移动站通信；
在将相同信息发送给多个移动站时，所述基站利用所述天线形成指向这多个移动站的广播信号波束并利用所述广播信号波束发送此信息。
2.根据权利要求1的系统，其中从多个天线振子中形成所述天线，而且所述基站计算用于调整根据所述信息生成的传输信号的幅度与相位的系数、将此传输信号乘以这些系数并从所述天线的多个天线振子之中相应的天线振子中发送结果信号，从而形成此广播信号波束。
3.根据权利要求2的系统，其中所述基站根据从这些移动站接收的接收信号计算这些系数。
4.根据权利要求1-3之中任何一个权利要求的系统，其中所述天线是自适应阵列天线。
5.一种基站，用于与移动站建立无线电链路，其中在利用这些移动站之一执行通信时，利用其方向性能进行控制的天线形成只指向所述一个移动站的信号波束来与所述移动站通信；
其中在将相同信息发送给多个移动站时，利用所述天线形成指向这多个移动站的广播信号波束，并且利用所述广播信号波束发送所述信息。
6.根据权利要求5的基站，其中从多个天线振子中形成所述天线，并计算用于调整根据所述信息生成的传输信号的幅度与相位的系数，将此传输信号与这些系数相乘，而且从所述天线的多个天线振子之中相应的天线振子中发送结果信号，从而形成此广播信号波束。
7.根据权利要求6的基站，其中所述基站根据从这些移动站接收的接收信号计算这些系数。
8.在具有自适应阵列天线的基站与移动站之间建立无线电链路的一种电信方法，其中在利用这些移动站之一执行通信时，利用所述自适应阵列天线形成只指向所述一个移动站的信号波束来与所述移动站通信；
在将相同信息发送给多个移动站时，所述基站利用所述自适应阵列天线形成同时覆盖这多个移动站的信号波束，并且利用所述信号波束发送此信息。
9.根据权利要求8的方法，其中所述基站计算用于调整根据所述信息生成的传输信号的幅度与相位的系数、将此传输信号与这些系数相乘并从所述自适应天线阵列的多个天线振子之中相应的天线振子中发送结果信号，从而形成此信号波束。
10.根据权利要求9的方法，其中所述基站根据从这些移动站接收的接收信号计算这些系数。
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