CN1596487A - 两个固定波束发射分集 - Google Patents

Abstract

公开了一种技术方案，用于使硬件数量和硬件准确性要求最小化以便同步地给出小区和窄波束发射的特征，同时能启用用于增加容量/覆盖的方法。当在两个同步波束上辐射信息时，本发明用于维持小区覆盖图控制所利用的主要特性就是对两个波束使用正交极化状态。这两种正交极化状态可以例如构成分别倾斜了+45°和－45°的线性极化。需要传送专用广播发射来限定全部小区覆盖区域。全部小区覆盖区域通过两个固定窄波束的覆盖来匹配。广播信号发射被划分成两个信号流/路径，其中一个对应两个固定窄波束的每一个(在两个并行信号流/路径之间不存在任何相干性要求)。这两个广播信号流/路径被利用组合器单元与在两个分支每一个上的、专用组合信号组合起来，所述专用组合信号来自所有固定窄波束选定的用户。到两个天线的、具有正交极化的信号然后被发射。

Description

两个固定波束发射分集

技术领域

本发明涉及一种利用非相干信号路径同步地把分集信号发射到具有窄波束的蜂窝系统小区的方法和设备。

背景技术

迄今蜂窝系统都具有使用全向辐射天线或扇区辐射天线(典型的每扇区120°覆盖)的基站。天线覆盖该整个小区，并且不使用任何有关移动台的位置知识。

为了增加未来系统的覆盖和容量，大量的努力工作已经投入到使用多重天线单元的发射分集(TX-div)方案/系统的开发中。TX-div利用多重信号源产生以便经由或多或少独立的(非相关)传播信道被发射到接收机。目的是要改善接收的总体信号质量的接收。这通常通过多个源信号的相干合并来实现。

不同TX-div方法/方案通常把不同硬件(HW)要求用到辐射信号及其相关行为。这些要求通常可能与辐射信号的相对时间，相位和/或幅度有关。

另一种在传统蜂窝系统中引起容量/覆盖增加的方法就是在无线基站(RBS)上使用自适应天线阵列。

在自适应天线系统中通过波束形成产生的窄波束能被用来按照方向性增加覆盖，以及在上行链路和下行链路上减少干扰。因而，该思想是来避免没有人能充分利用的分布的能量，也就是说，使系统中的干扰最小化。在蜂窝系统中，从RBS同时发射广播信息(即，寻址到覆盖区内所有用户的信息)和专用信息(即，到特定移动终端的信息)。

在多个波束上的同时发射需要从信号产生到天线的相干信号路径，包括馈电电缆的相干性或者通过附加信号和天线硬件。信号相干性可以在实现的系统硬件上设置一些要求，而不必要求与对于TX-div一样的硬件要求。

现有技术

通过TX-div方案增加覆盖和容量原则上涉及经非相干传播信号发射到接收机的多重信号源产生。为了实现这一点，使用多重天线单元。提出的最常见配置是一种具有相互之间分开距离足够大的两个同样天线的设置。两个天线照射一个覆盖区，对于两个天线原则上是相同的，参见图1所示的例子。

可以使用不同的方法来支持源信号的识别和/或组合，例如，延迟分集、频率分集、极化分集、用于信号捕获和组合的不同标识符(代码)、反馈校正(即，把接收机测量向会传送到收发信机以便纠正所发射的信号)。

在所有通用蜂窝系统中(GSM，全球移动通信系统；PDC Pacific数字蜂窝系统；TDMA-IS 136时分多址；EDGE增强数据速率的GSM演进；UMTS通用移动电信系统)，所述TX-div被建议/使用在下行链路中，即，来自基站的多重源信号朝着移动接收机发射。

例如在频分双向通用移动通信系统(UMTS-FDD)(WCDMA，宽带码分多址)中，有多种与开环空间时间发射分集(STTD)、闭环模式1和模式2一样的标准[1]中所限定的TX-div模式。上述所提到的WCDMA发射分集模式是关于利用两个TX-div分支的配置和方案的。将来，它可能标准化用于更高阶数TX-div分支的成对方案。

在这些方案中，关于TX-div发射分支上信号路径之间的相对相位，幅度和/或时间准确性的要求相当严格。

要解决的问题

为了利用多波束的潜在性能(容量/覆盖)优势，尤其对于作为TX-div技术方案的两个固定波束，就要求对于小区和窄波束覆盖进行同步发射。对于一种有成本效益的系统必须实施的许多问题已经被确定：

与对具有两个扇区覆盖天线的传统TX-div系统一样应该要求少于或等量的硬件资源。特别对于UMTS-FDD(WCDMA)而言，除了天线硬件和安装之外，用于TX-div的RBS(节点B)硬件配置将没有任何改变。不必增加有关部件和/或子系统的要求。

为了不引入额外的复杂性，要求在系统中不引入额外相干性要求。一般而言，由于所发射信号的矢量和，在两个波束上的同步发射需要从信号产生直到天线的相干信号路径，包括馈电电缆相干性。否则，辐射图将不受控制，并且可能具有显著的变化，包括在辐射图中可能出现没有的方向。在具有多年期望寿命的安装的产品中获得这种相干信号路径是非常棘手的。这种技术方案将包括校准环路和控制功能，在这种系统中引入这些是很昂贵的。此问题将在不要求信号相干性的情况下产生相干天线系统行为。

容量/覆盖：这种技术方案一定不会限制利用两个固定波束发射分集系统的全部潜能的可能性。这种系统的潜能就是期望能获得比一种传统发射分集系统更好的性能。

没有标准改变是我们所期望的：一个主要的需求就是在标准协议之外不允许与移动台/终端之间有任何交互。这种技术方案对于所述系统应该是透明的。

发明内容

提出了一种使硬件数量和硬件准确性要求最小化的新颖性的技术方案，该方案同时给出小区和窄波束发射的特性，同时能启用用于容量/覆盖增加的方法。

当在两个同步波束上辐射信息时，本发明用于维持小区覆盖图控制所利用的主要特性就是对两个波束使用正交极化状态。这两个正交极化状态例如可以构成分别倾斜了+45°和-45°的线性极化。

需要传送专用波束发射、广播发射来限定全部小区覆盖区域。该全部小区覆盖区域通过两个固定窄波束的覆盖加以匹配。广播信号发射被划分成两个信号流/路径，其中一个对应两个固定窄波束(在两个并行信号流/路径之间不存在任何相干性要求)的每一个。利用组合器单元把两个广播信号流/路径与在两个分支的每一个上的、专用的组合信号组合起来，所述专用的组合信号来自所有固定窄波束选定的用户。到两个天线的、具有正交极化的信号然后就被发射。一种可选择的技术方案是在相同组合器单元中把要在特定固定窄波束上进行发射而选择的专用用户信号与相关联的广播信号流组合在一起。

根据本发明技术方案的一种方法由独立权利要求1和从属权利要求2到5提出，并且根据本发明的设备由独立权利要求6和从属权利要求7到10提出。

附图说明

将参照所附附图进一步描述本发明，其中：

图1是其中两个天线以充分大的间距加以分开并主要覆盖相同区域的发射分集天线配置的框图；

图2是具有切换波束部分的多波束阵列的框图；

图3图解了一种来自传统波束形成阵列的波束配置；

图4是具有分离广播天线系统的多波束阵列的框图；

图5是根据本发明具有包括产生覆盖波束图的两个固定波束发射分集的技术方案框图；

图6图解了所述具有两个固定波束发射分集的技术方案的两个固定窄波束图的一种示意图；

图7是根据本发明的小区覆盖波束图的一种示意图，其中两个时间同步的信号馈送到天线方案，其在两个窄波束之间的区域中给出一个未限定的极化状态；

图8是生成覆盖波束图、根据本发明一个替换实施例具有两个固定波束发射分集技术方案的框图，

图9是利用双向滤波器，根据本发明另一替换实施例具有两个固定波束发射和接收分集的技术方案的框图；

图10是没有双向滤波器，根据本发明又一替换实施例具有两个固定波束发射和接收分集的技术方案的框图；

图11图解了本发明方法的一种说明性流程图。

具体实施方式

由于不需要分离的广播发射信号路径，如这里所描述的关于发射分集的硬件要求限于两个发射信号路径/分支。

利用自适应天线的所述容量/覆盖的改善在下面参考的许多文献[2]，[3]，[4]中在先描述了。如果不改变蜂窝基站架构(grid)，包括其扇区覆盖布置在内，则在系统中的干扰电平可以根据移动台的实际位置的知识通过利用波束形成方法用窄波束来降低。

在现有多波束基站天线配置的若干波束进行同步发射就要求从信号产生直到天线的相干信号路径，包括馈电电缆的相干性。当发射被定向到不止一个波束时，就需要这种相干性来控制天线图特征。这也可以通过包含校准网络来解决，这种网络关注信号路径和算法，它们用来补偿误差和变化。用于广播发射的另一种选择是通过一种分离天线系统。

在所有现有技术方案中，为了便于广播信息的发射(小区覆盖波束)，都已经增加了硬件数量和/或硬件要求。

在图2中示出了用于典型多波束配置的框图，相对应的波束图在图3中示出。在这种配置中，通过信号的相干组合辐射来发送广播信息。在图4中示出了通过分离天线系统使用分离馈线来进行广播发射的另一种选择。

本发明技术方案

本技术方案是在不用信号相干性的情况下在两个窄波束上同步地发射广播信息，如同在分离的窄波束上发送专用信息一样。

当在两个波束上同步辐射时，为维持小区覆盖图控制，针对本发明提出的技术方案而使用的主要特性是对两个波束使用正交极化取向。这两个正交极化取向可以例如是倾斜了±45°的线性极化。在图5中示出了主要描述本发明技术方案的框图实例，而在图6中示出了用于两个窄波束的相应波束图的实例。

对于两个时间同步的信号，在两个波束之间重叠区域中可能有信号极化方向的偏移，但信号电平将保持在如图7中示意性示出的期望电平上。因此，在不同极化平面上不存在任何相干性要求。

对于两个非同步的信号，将保留每组波束的极化，并且来自两个波束的信号将在两个初始波束图上是独立的。

因而，在重叠波束区域中，在两个波束上的发射信号将在生成小区覆盖图的接收机中被独立于时间和相的关系地求和。

参照图5，发往特定用户#k的信号被选择，以便在两个专用窄波束(#1或#2)上经由专用信道来发射。波束的选择是基于方向/角度/空间信息的，这些信息可以从与特定用户#k有关的联合上行链路发射来获得。基于在某一时间瞬时为特定用户#k的这种窄波束选择(被自适应地更新的决策)，把要加以发射的信号导向/切换到组合单元。在该单元中，组合所有被选择来要在特定窄波束(也就是#1或#2)上加以发射的活动的专用用户。发射来自所有窄波束#1选定的用户的组合信号与发射来自所有窄波束#2选定的用户的组合信号是同步的，即，每次两个窄波束在使用不同用户信号的情况下都是活动的。

需要与所述专用波束发射并行地传送广播发射来限定全部小区覆盖区域。全部小区覆盖区域将通过两个固定窄波束的覆盖加以匹配。广播信号发射被划分成两个信号流/路径，其中一个对应这两个窄波束的每一个(在两个并行信号流/路径之间不存在相干性要求)。两个广播信号流/路径在组合单元中与在两个分支的每一个上的、专用的组合信号相组合，所述专用的组合信号来自所有窄波束选定的用户。然后主要以正交极化来发射到两个天线的信号。一种可选择的技术方案是在相同组合器单元中把要在特定窄波束(#1或#2)进行发射而选择的专用用户信号与相关联的广播信号流组合在一起，参见图8。

广播和所有专用信号的上述切换和组合优选在基带处理中来实施。当然这可以在模拟或数字域或者它们的组合中来进行。然而，切换和组合优选在数字域中来处理。可选择地，所述信号的所有或部分切换和组合可以在IF(中频)或RF(射频)来进行。

当且仅当引入RF组件时，许多不同功率的放大器(PA)位置都是可能的。当组合多个信号之后，关于功率放大器的线性要求增加，并由所谓的多载波功率放大器(MCPA)对其进行处理。在组合之前，由于线性要求并不十分苛刻，所谓的单载波功率放大器(SCPA)就足够了。对于信号组合的每个电平减少所需要的放大器数量。但是，对于信号组合的每个电平，每个放大器当然增加了输出功率的总体要求。

由于在切换和组合元件中的损耗，尽可能晚些在发射链中定位PA是有益的并是优选的。作为实例，在图5和图8中指出了可能的MCPA位置。

即使所提出的本发明具有的主要目的是处理下行链路发射，但实际上该系统可以根据方向/角度/空间信息来作出发射波束选择。一种选择是根据来自用户的相关联的上行链路发射获得这种信息。

对于这种可选择的方式，一个实例是在上行链路和下行链路上要求重叠波束(相同波束方向)来覆盖同一区域。这里提出的创新可以在每个角度波束方向上对于上行链路和下行链路具有正交取向的极化平面(例如倾斜了±45°的线性极化)，正如在本发明[9]中所描述的，但实际上所提出的发射方案并不影响接收机方法的选择。

本发明的主要目的是对于下行链路发射方向提供/启用增进的容量/覆盖。然而，从系统的角度来看，实际上主要是使两个通信方向之间的容量/覆盖链路平衡。如果不能够支持链路平衡，则一个链路将限制系统容量/覆盖，并且用于非限制链路的可用性能就不能被利用了。实施本发明提出的用于下行链路的技术方案，改善上行链路也是很重要的，这样在下行链路提高的容量就可以被利用了。

一种改善上行链路通信链路的优选配置是在上行链路和下行链路上使用同样的专用波束。根据图9，在附于每个专用波束馈线上的双向滤波器中分离上行链路和下行链路信号。用于每个波束的馈电电缆承载上行链路和下行链路信息。使用这种方案，从两个波束方向接收两个上行链路信号，并且可以做到分集接收。

一种可选择的配置是在上行和下行链路上都使用重叠波束来覆盖相同区域，但具有正交取向的极化平面(例如倾斜了±45°的线性极化)。使用这种方案，专用波束方向#1在上行链路上具有一个极化取向(例如-45°)，并且在下行链路上具有一个正交取向的极化(例如+45°)。根据图10，对于波束方向#2，使用相反的极化方向。在这种技术方案中，分离的馈电电缆承载上行链路和下行链路信息。

在所述的两个配置中，从两个波束方向上接收两个上行链路信号，并可以作出分集接收。在图9和图10中例示的上行链路技术方案可与任何下行链路技术方案一起使用，而不限于附图中所示的一种。

在图11中给出了流程图，该图一般性的图解了根据本发明所提出的方法。从1到5五个步骤用于把信号发射到专用小区，同时引起一次限定蜂窝系统全部小区覆盖的广播信号，并仍旧使用窄波束和非相干信号路径。

假定天线具有相同高度，所建议的上行链路分集配置与传统扇区覆盖系统相比将具有近似3dB的方向性增益。这种附加的方向性增益是由于波束覆盖了近似一半的方位角区域(一半小区)所引起。

在噪声受限的环境中，所提出的上行链路分集配置也将从2个天线分支中给出分集增益。当信道角度扩展足够时，可以指望更高的分集。总体上，所建议的配置的方向性和分集增益被期望超过传统和常规的扇区覆盖空间或极化分集配置。这对于象WCDMA这样的宽带类型系统尤其恰当。

另外，在干扰受限的环境下，所提出的上行链路分集配置在均匀分布用户的环境下也产生大约3dB的附加干扰抑制。附加干扰抑制是由于波束覆盖近似一半方位角区域(天线图抑制来自半个小区的用户)。在基于系统的CDMA中，由于使用同样频率信道/频谱的用户共同位于同一小区中，所以来自干扰抑制的增益就是特别有用的。

在本发明所提出的技术方案中，详述了在不同方位角所定向的下行链路波束。用于生成这些波束的天线的实现可以使用分离天线单元进行或使用给出所有需要的波束的一个天线单元来进行。

用于所述两个波束的分离天线典型地可以是具有适当极化方向的两个传统天线。所述两个天线可以机械定向/导向于设计的专用波束方向。可选择地，两个分离天线单元也可以位于单个外壳内，单个天线单元是预定向或在外壳中机械定向。

在使用一个天线单元的实现中(对于两个天线使用同样的结构)，一个优选技术方案使用具有波束形成装置(馈送网络诸如巴特勒矩阵)的阵列天线。在最简单形式中，阵列具有两列，每列具有两个极化方向。

对于每个极化用分离但等同的波束形成网络馈送这两列，为适于所有本发明实例性建议的技术方案的上行和下行链路给出了共同的专用波束方向。

对于全向辐射站点、3扇区站点、6扇区站点等的小区覆盖，与所选择的天线实现无关地优化总体波束形成(波束宽度，波束方向等)，产生全面的良好性能。

本发明的优点

本发明的优点是通过能够为小区和窄波束覆盖这二者进行同步发射，来实现两个固定波束的潜在性能优点，作为一种发射分集技术方案。这以成本有效的方式进行，避免了在基站信号路径方面的相干性要求。

在所建议的用于WCDMA的技术方案中，HW数量和有关HW的要求等于或少于对现有标准常规发射分集方法的要求。所提出的技术方案非常适于当前发展的技术方案/体系结构。

本发明在具有许多天线的方案中是有效的，以及适用于单封装的天线。

参考书目

[1]3GPP，“Technical Specification 25.214：Physical LayerProcedures”(技术规范25.214：物理层程序)，www.3gpp.Org

[2]Ulf Forssen等人，“Adaptive Antenna Array forGSM900/DCS1800”(GSM900/DCS1800的自适应天线阵列)，第44届车辆技术会议，斯德哥尔摩，1994年6月。

[3]Bo Hagerman和Sara Mazur，“Adaptive Antennas in IS-136Systems”(IS-136系统中的自适应天线)，第44届车辆技术会议，渥太华，1998年5月。

[4]B.Grans son，B.Hagerman，J.Barta，“Adapt ive Antennasin WCDMA Systems-Link Level Simulation Results Based ontypical User Scenarios”(WCDMA系统中的自适应天线-基于典型用户情况的连接的模拟结果)，IEEE VTC 2000 Fall，波士顿，MA，2000年9月。

[5]“Spatial Division Multiple Access WirelessCommunication Systems”(空分多址无线通信系统)，美国专利申请号：5,515,378

[6]“Microstrip Antenna Array”(微波发射带天线阵列)，专利申请WO-95/34102/欧洲专利申请EP 0 763 264。

[7]“Directional-beam generative apparatus and associatedmethod”(方向波束生成装置和相关方法)，美国专利号：6,301,238。

Claims (10)

1.一种用于利用窄波束和非相干信号路径来同步地把信号发射到蜂窝系统小区的方法，其特征在于，包括如下步骤：

选择要通过专用信道发射的、到特定用户#k的信息信号；

同步地使用多个固定波束#n中的两个固定窄波束，对于两个固定窄波束利用正交极化；

把两个固定窄波束专门用作波束#1和波束#2；

根据方向/角度/空间信息来选择要作为专用固定窄波束#1或波束#2的专用信道；和

引起一次限定全部小区覆盖的广播信号发射，该广播信号发射与固定窄波束#n的覆盖匹配。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：把广播信号发射划分成两个广播信号流，一个广播信号流对应所述两个固定窄波束中的每一个。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：在组合单元中把两个广播信号流与在两个分支的每一个上的、专用的组合信号组合起来，其中所述专用的组合信号来自所有固定窄波束选定的用户#n。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括如下可选择步骤：在单个组合器单元中把要在特定固定窄波束#1或#2上进行发射而选择的专用用户信号与相关联的广播信号流组合在一起。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括如下步骤：把分别倾斜了+45°和-45°的线性极化平面用作两个正交极化状态。

6.一种利用非相干信号路径同步地把信号发射到小区和窄波束的设备，其特征在于：

到特定用户#k的、选定信息信号通过专用信道加以发射；

同步多个固定波束#n中的两个固定窄波束，对于两个固定窄波束利用正交极化；

两个固定窄波束专门用于波束#1和波束#2；

基于方向/角度/空间信息，选择的专用信道由专用固定窄波束#1或#2根据方向/角度/空间信息加以形成；

引起的广播信号发射限定了全部小区覆盖，该广播信号发射与固定窄波束#n相匹配。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：把广播信号发射划分成两个广播信号流，一个广播信号流对应所述两个固定窄波束中的每一个。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：两个广播信号流被在组合单元中与在两个分支的每一个上的、专用的组合信号组合起来，其中所述专用组合信号来自所有固定窄波束选定的用户#n。

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：在单个组合器单元中把要在特定固定窄波束#1或#2上进行发射而选择的专用用户信号与相关联的广播信号流组合在一起。

10.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：所使用的两个正交极化状态构成分别倾斜了+45°和-45°的线性极化平面。

Images