CN1608332A - 非静止分区天线 - Google Patents

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Abstract

一种小区边界移动的基站。通过移动小区边界，静止或缓慢移动的用户站相对于它能够接收的服务不是不利的。在第一典型实施例中，通过旋转天线结构或振荡天线结构的角度，将分区天线结构配置成运动的。在第二实施例中，提供具有不同覆盖区域划分的两个分离天线结构，并且这两个天线结构中的每一个交替地提供通信。又一优点是通过使用利用扇区运动或多结构获得的附加信息，可以改进用户站的定位位置。

Description

非静止分区天线
                          发明背景
I.发明领域
本发明涉及无线通信。尤其，本发明涉及使用非静止无线天线发射无线通信信号的新颖和改进的方法和装置。
II.相关技术的描述
图1说明了传统的三扇区无线基站100，以及分别服务于地理扇区106A、106B和106C的发射天线108A、108B和108C。用户站102接近于天线108B覆盖区域的中心。用户站104接近于扇区106B和106C之间的边界。由于当前天线发出的天线波束方向图，使得接近于扇区边缘的信号强度减小，并且由于在边界处两个扇区之间的干扰最大，所以对于接收天线108B或天线108C的服务，用户站102的位置相对于用户站104是有利的。
确保用户站104获得适当服务的一种方法是使用户站104处于扇区108C和108B的更软越区切换。更软越区切换的过程是使用户站与基站中多个扇区同时通信的过程。美国专利号5,625,876题为“METHOD AND APPARATUS FOR PERFORMINGHAND-OFF BETWEEN SECTORS OF A COMMON BASE STATION”的申请中详细描述了更软越区切换，该申请转让给了本发明的受让人，并通过引用结合于此。更软越区切换是普通软越区切换的特殊形式，软越区切换是指与多个基站的冗余通信，美国专利号5,101,501题为“METHOD AND SYSTEM FOR PROVIDING A SOFT HANDOFF INA WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM”的申请中描述了它，该申请转让给了本发明的受让人，并通过引用结合于此。
随着越来越期望系统大容量，以及期望向客户提供更多服务种类，如高速无线数字数据，软越区切换和更软越区切换变得越来越不理想。软越区切换要求冗余地发射相同信息，这样降低了系统容量。在高速数据的传输中该情况恶化，其中需要大量资源传输高速数据的每个版本。
已经引入了两种方法，用于在保持目标最大系统吞吐量时解决软越区切换的影响。第一种方法是根据用户站的位置，选择性地将可用的速率组分配给用户站，不管用户站处于软越区切换还是更软越区切换。例如，由于与用户站102通信所需的资源少于与用户站104通信，所以允许用户站102以高于用户站102的速率通信。1997年4月8日提交的美国专利申请序号08/835,632题为“METHOD ANDAPPARATUS FOR REVERSE LINK DATA RATE SCHEDULING”的申请中描述了这种形式速率分配的实例，该申请转让给了本发明的受让人，并通过引用结合于此。
另一方法是阻止软越区切换，并强制选择与给定用户站通信的发射机。1997年11月3日提交的共同待批美国专利申请序号08/963,386(’386申请)题为“METHOD AND APPARATUS FOR HIGHER RATE RACKET DATA TRANSMISSION”的申请中详细描述了这种系统，该申请转让给了本发明的受让人，并通过引用结合于此。在’386申请中，用户站测量来自其附近基站和基站扇区的信号强度，并发射表示用户站接收到的发射最强信号的基站标识符的消息和速率指示，该速率指示表明根据用户站接收到的最强信号强度选择的通信速率。
这些方法的缺点是在静止或缓慢移动用户站的情况下，缺点是时间长，如果不是永久的话，并且这对那些小区边界附近静止或缓慢移动的用户不公平。
                          发明内容
本发明是在无线通信系统中发射数据的新颖和改进的方法和装置，它不会由于其位置接近小区边界而对静止或缓慢移动的用户站不利。本发明描述了其中小区边界移动的基站。通过移动小区边界，相对于能够接收的服务，静止或缓慢移动的用户站不会不利。
在第一典型实施例中，通过旋转天线结构，或者通过振荡天线结构的角度使扇区化天线结构处于运动状态。在第二实施例中，提供具有不同覆盖区域划分的两个分离天线结构，并且这两个天线结构交替地提供通信。
本发明的又一优点是通过使用利用扇区的运动或多个配置获得的附加信息，可以改进用户站的定位位置。
                          附图说明
通过以下详细描述，并结合附图，本发明的特征、目标和优点将更加明显，附图中类似的标号在全文中标识相应的部分，其中：
图1是说明三扇区基站的通信系统的图示；
图2是描述本发明工作的典型实施例的流程图；
图3是说明本发明基站中发射子系统第一实施例的单元的框图；
图4是说明本发明基站中发射子系统第二实施例的单元的框图；
图5是说明根据本发明第二实施例构造的六扇区基站的通信系统的图示；
图6是说明本发明中典型用户站的框图；
图7是说明使用旋转接收天线结构的本发明基站中接收子系统的单元的框图；
图8是说明使用另一接收天线结构的本发明基站中接收子系统的单元的框图。
                 较佳实施例的详细描述
图1是说明本发明执行的工作的框图。在框200中，产生发射信号。在典型实施例中，产生的信号是码分多址通信信号。美国专利号5,103,459题为“SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING SIGNAL WAVEFORMS IN CELLULARTELEPHONE SYSTEM”的申请中详细描述了码分多址通信信号的产生，该申请转让给了本发明的受让人，并通过引用结合于此。
在本发明的典型实施例中，产生的波形用于上述美国专利申请序号08/963,386中所述的高速无线数据。本发明可应用于其它类型的码分多址，如电信工业协会IS-95标准族中所述的，和提议的第三代标准，如WCDMA和cdma2000。然而，本发明能等效地应用于其它调制格式，如GSM或TDMA，其中由于用户在基站覆盖区域中的位置对缓慢移动或静止的用户不利。
在框202中，波形被提供给非静止天线。在典型实施例中，天线是分区天线。允许扇区的边界移动，以去除缓慢移动和静止用户站的地理不利因素。在本发明的较佳实施例中，扇区以相对于通信系统的功率控制和数据速率请求反馈回路速率较慢的速率移动。然而，扇区边界的移动相对于服务于用户站的持续时间较快。
在框204中，从非静止天线发射信号。在第一实施例中，通过将天线结构耦合到马达转动平台，或者使用相控阵天线结构，旋转分区天线结构。旋转可以是连续的，或者可以通过约束的旋转角振荡。在第二实施例中，通过提供多组分区天线并切换各组分区天线之间的信号发射，影响非静止天线。
在框206中，基站覆盖区域中的用户站接收通过非静止天线发射的信号。解调该信号，并将它提供给用户站的用户。
在框208中，在用户站处测量从发射基站接收到信号的信号强度。
在框210中，用户站将其通信信号发射到基站，在典型实施例中，其中包括表示测得信号强度的消息。
在框212中，在非静止天线结构处接收用户站发射的信号。
本发明的另一优点是定位位置可受益于前向链路信号发射中的非静止天线结构。在扫描前向链路信号的第一典型实施例中，当扇区以可预测方式扫描用户站时，信号强度表示用户站与扫描天线覆盖射束首要边缘的邻近度。报告信号强度中的这些变化可用于估计用户站的位置。或者，定位位置可受益于多组静止天线的另一前向链路信号发射。用户站报告的信号强度可以基于发射前向链路信号的天线结构变化。报告信号强度中的这些变化可用于估计用户站的位置。在典型实施例中，控制处理器可以对两个分离的分区使用三角测量技术，此外，可以观看报告能量的不同，以确定用户站与任一分区中扇区边界的邻近度。
可以期望在某些情况下允许用于发射前向链路信号的天线移动，而用于接收的天线保持静止。相反，可以期望在某些情况下允许用于接收反向链路信号的天线移动，而用于发射的天线保持静止。在一个链路上而非另一链路上提供移动射束结构可能的原因是一个链路而非另一链路可以支持更软越区切换。不脱离本发明的范围，本领域熟练的技术人员可以简单地想像这些和其它改变。
参考图3，说明了分区基站320的发射系统第一实施例的简化框图。三个数据流318A、318B和318C中提供了要发射的数据。相应的波形发生器300A、300B和300C处理数据流318A、318B和318C中的每一个，用于发射。然后，将处理过的数据流提供给天线结构312中相应的天线314A、314B和314C。在第一典型实施例中，天线结构312工作耦合到旋转器机构316，旋转机构316改变天线300A、300B和300C的发射所指的角度。在另一实施例中，不脱离本发明的范围，通过使用相控阵天线或波束反射器，或者其它装置，可以影响机械机构提供的运动效果。
在典型的实施例中，旋转器316是以大致恒定的角速度完全围绕轴旋转天线结构312的电动机。在另一实施例中，旋转器316在一组受限制的角度中改变天线结构312的角度，使得天线结构312的运动交替地以顺时针和逆时针方式旋转一组角度。
在典型实施例中，与基站320通信的用户站将消息发送到基站320，表示用户站接收到最强信号的基站扇区，并请求基于接收信号的强度向它发射数据。在较佳实施例中，选择足够慢的角运动速率，使得基站320发射时，速率请求信息仍然适用，该基站依赖于速率请求反馈回路的等待时间。移动站测量接收信号，产生它的速率请求消息并发射该消息。基站接收该消息，以根据该消息确定的速率处理用于发射的数据，并发射数据。重要的是在基站发射数据时，角度从用户站测量信号强度时其位置的变化不超过可接受的阈值，其请求就基于该信号强度。这种情况可等效地适用于其它系统中的其它相关反馈回路，如功率控制反馈回路。
波形发生器300A中提供了波形发生器300的典型框图。将发射数据提供给帧格式器302。在典型实施例中，帧格式器302产生一组循环冗余校验位，并这些位与尾部位和附加位一起加入发射信息中。将该信息提供给编码器304。编码器304可以是任何形式的前向纠错编码器，如卷积编码器或特搏(turbo)编码器。将编码码元提供给交织器306，交织器306将码元重新排列，并提供发射数据中较大的时间分集。
然后，将数据提供给调制器308。在典型实施例中，调制器308是如’386申请中所述的高数据速率CDMA调制器。本发明在不提供前向链路更软越区切换的系统中具有附加的优点，但是本发明在提供前向链路更软越区切换的系统中也有用，这些系统如提议的第三代CDMA系统和基于CDMA系统的IS-95。
在典型实施例中，使用对于基站320中每个扇区不同的伪噪声序列扩展每个信号，使得使用不同的PN序列扩展通过天线314A、314B和314C发射的信号。将已调系统提供给发射机310，在其中滤波、上变频并放大，用于通过天线结构312发射。
图4说明了本发明的另一实施例。在该第二实施例中，发射天线的物理运动被两个或多个静止天线结构之间的切换所代替，这些天线结构指向不同的方向。将发射数据提供给波形发生器400A、400B和400C，这些波形发生器如上述波形发生器300A一样处理信号。
将已处理信号提供给开关402。起初，开关402将已处理信号导向第一天线结构404A，在其中通过天线406A、406B和406C分别发射波形发生器400A、400B和400C处理的信号。在预定的时间间隔后，开关402将已处理信号导向天线结构404B，在其中通过天线408A、408B和408C分别发射波形发生器400A、400B和400C处理的信号。本领域熟练的技术人员应该理解不脱离本发明的范围，可以使用任何数量的静止天线结构。
参考图5，说明了使用两个静止天线结构小区覆盖区域的交替分区。图形408A、408B和408C提供的实线502A、502B和502C描述了第一分区图形。天线406A、406B和406C提供的虚线500A、500B和500C描述了第二分区图形。
在本发明的典型实施例中，用保护时间执行开关切换，其中基站410确定速率请求信息基于不同天线结构发射的信号测量值。在另一实施例中，开关402以超过系统反馈回路的速率工作，使得用户站测量接收信号的强度，并发射其消息。在向用户站发射之前，基站切换到另一天线结构，并回到最初的。在这种情况下，速率请求信息仍然和发射数据的天线结构相关。不脱离本发明的范围，对于本领域熟练的技术人员存在使发射速率选择和测量反馈同步的很多方法。
图6是说明本发明用户站616的简化框图。天线600接收信号，并且通过双工器602将信号提供给接收机(RCVR)604。接收机604将接收信号下变频、放大并滤波，并将接收信号提供给解调器606和搜索器608。
在典型实施例中，解调器606根据CDMA解调器结构，尤其根据’386申请中所述的CDMA波形结构，将接收信号解调。在典型实施例中，解调器根据本领域所熟知的瑞克结构工作。瑞克解调器分别解调通过不同传播路径到达用户站的信号。这提供了附加的路径分集，它将导致更可靠的解调。美国专利号5,109,390题为“DIVERSITY RECEIVER IN A CDMA CELLULAR TELEPHONESYSTEM”的申请中描述了典型的瑞克解调器结构，该申请转让给了本发明的受让人，并通过引用结合于此。
还将接收信号提供给搜索器608。搜索器608搜索用户站附近的基站和扇区发射的其它信号，并测量这些信号的能量。在典型实施例中，消息发生器(MSGGEN)610产生消息，指示具有最强接收信号的基站，和根据接收信号强度确定的基站请求的速率指示。在另一实施例中，该消息表示多个基站和扇区的信号强度测量值。
将消息提供给调制器612，并结合入用于发射的反向链路话务信号中。然后，将反向链路信号提供给发射机(TMTR)614。发射机614将用于发射的信号上变频、滤波并放大。通过双工器602提供信号，通过天线600发射。
在典型实施例中，接收天线类似地旋转或切换，使得扇区边界附近用户站子集的反向链路发射在地理上不是不利的。
图7说明了本发明基站的接收子系统。在接收子系统712的天线结构700处接收反向链路信号。在第一典型实施例中，天线结构70耦合到旋转器740。在典型实施例中，旋转器740是以恒定的角速度完全围绕轴旋转天线结构700的电动机。在另一实施例中，旋转器740在一组受限制的角度中改变天线结构700的角度，使得天线结构700的运动交替地以顺时针和逆时针方式旋转一组角度。
天线702A、702B和702C接收反向链路信号，并将信号分别提供给接收机706A、706B和706C。接收机706A、706B和706C将接收信号下变频、滤波和放大，并将接收信号分别提供给解调器708A、708B和708C。在典型实施例中，解调器708A、708B和708C是码分多址通信系统。此外，本领域熟练的技术人员应该理解，本发明不限于任一链路上所用的调制格式。然后将解调码元提供给控制处理器710。
在典型实施例中，解调信号包括来自用户站的消息，表示用户站接收到的信号强度。基站可以使用消息中的信息确定基站从哪个天线向其覆盖区域内的每个用户站发射。因为天线边界是移动的，所以结果与使静止或缓慢移动的用户站运动一样，当基站提供时可能导致更软越区切换。上述美国专利号5,625,876中详细描述了更软越区切换。
本发明的另一优点是定位位置可受益于前向链路信号的扫描。当扇区以可预测方式扫描用户站时，信号强度将表示用户站与扫描天线覆盖射束的首要边界的邻近度。控制处理器710可以使用报告信号强度中的这些变化，以估计用户站的位置。
图8说明了本发明中接收机子系统另一实施例。在该第二实施例中，接收天线的物理运动被两个或多个静止天线结构之间的切换所代替，这些天线结构指向不同的方向。
起初，开关406接收来自第一天线结构的信号800A，其中通过天线802A、802B和802C接收信号，并将信号提供给接收子系统808A、808B和808C。接收子系统808将接收信号下变频、滤波、放大并解调。在预定的时间间隔之后，开关806切换，使得由天线结构800B提供接收信号，其中通过天线804A、804B和804C接收信号，并将信号提供给接收子系统808A、808B和808C。接收子系统808将接收信号下变频、滤波、放大并解调。
参考图5，说明了小区覆盖区域的分区。实线502A、502B和502C描述了第一分区图形，它们将被天线802A、802B和802C接收。虚线500A、500B和500C描述了第二分区图形，它们将被天线804A、804B和804C接收。
本发明的另一优点是定位位置可受益于交替前向链路信号发射。用户站报告的信号强度将根据发射前向链路信号的天线结构变化。控制处理器810可以使用报告信号强度中的这些变化，以估计用户站的位置。在典型实施例中，控制处理器可以对两个分离的分区使用三角测量技术，此外，可以观看报告能量中的不同，以确定用户站与任一分区中扇区边界的邻近度。
提供了较佳实施例的以上描述，使本领域熟练的技术人员能够制造或使用本发明。这些实施例的各种变化对本领域熟练的技术人员是显而易见的，无需创造性的才能，这里定义的一般原理就可应用于其它实施例。因此，本发明不限于这里所示的实施例，而是符合与这里所揭示原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (20)

1.一种基站，其特征在于，它包括：
波形发生器，用于产生无线通信信号；和
多向天线结构，用于沿变化的传播路径传播所述无线通信信号。
2.如权利要求1所述的基站，其特征在于，所述多向天线结构包括：
至少一个天线，它工作耦合到旋转器；和
旋转器，用于改变所述至少一个天线的方向。
3.如权利要求2所述的基站，其特征在于，所述旋转器以大致恒定的角速度围绕中心轴旋转所述至少一个天线。
4.如权利要求2所述的基站，其特征在于，所述旋转器在一组受限制的角度内以顺时针和逆时针旋转交替地旋转所述至少一个天线。
5.如权利要求2所述的基站，其特征在于，所述至少一个天线包括工作耦合到移动平台的三个天线。
6.如权利要求1所述的基站，其特征在于，所述基站是CDMA基站。
7.如权利要求1所述的基站，其特征在于，所述多向天线结构包括：
多个天线；和
开关，用于在所述多个天线中所述天线的第一子集和所述多个天线中所述天线的至少一个附加子集之间，交替地提供所述通信信号。
8.如权利要求7所述的基站，其特征在于，所述天线的所述至少一个附加子集是天线的第二子集，并且所述第二组天线所指的方向将所述第一子集天线的覆盖区域二等分。
9.如权利要求7所述的基站，其特征在于，所述基站是CDMA基站。
10.如权利要求8所述的基站，其特征在于，天线的所述第一子集包括三个天线，天线的所述第二子集包括三个天线，其中所述天线第一子集和所述天线第二子集中的每个天线彼此的指向相隔120°，并且所述天线第二子集包括三个天线，其中所述天线第一子集和所述天线第二子集中的每个天线彼此指向相隔120°，所述第二子集天线的指向偏移所述第一子集天线的方向60°。
11.如权利要求1所述的基站，其特征在于，还包括：
多向天线结构，用于沿变化的传播路径接收所述反向链路无线通信信号；和
接收机子系统，用于解调所述反向链路无线通信信号。
12.如权利要求11所述的基站，其特征在于，所述多向天线结构包括：
至少一个天线，它工作耦合到旋转器；和
旋转器，用于改变所述至少一个天线的方向。
13.如权利要求12所述的基站，其特征在于，所述旋转器以大致恒定的角速度围绕中心轴旋转所述至少一个天线。
14.如权利要求12所述的基站，其特征在于，所述旋转器在一组受限制的角度内以顺时针和逆时针旋转交替地旋转所述至少一个天线。
15.如权利要求12所述的基站，其特征在于，所述至少一个天线包括工作耦合到移动平台的三个天线。
16.如权利要求11所述的基站，其特征在于，所述基站是CDMA基站。
17.如权利要求11所述的基站，其特征在于，所述多向天线结构包括：
多个天线；和
开关，用于在所述多个天线中所述天线的第一子集和所述多个天线中所述天线的至少一个附加子集之间，交替地提供所述通信信号。
18.如权利要求17所述的基站，其特征在于，所述天线的所述至少一个附加子集是天线的第二子集，并且所述第二组天线所指的方向将所述第一子集天线的覆盖区域二等分。
19.如权利要求17所述的基站，其特征在于，所述基站是CDMA基站。
20.如权利要求18所述的基站，其特征在于，天线的所述第一子集包括三个天线，天线的所述第二子集包括三个天线，其中所述天线第一子集和所述天线第二子集中的每个天线彼此的指向相隔120°，并且所述天线第二子集包括三个天线，其中所述天线第一子集和所述天线第二子集中的每个天线彼此指向相隔120°，所述第二子集天线的指向偏移所述第一子集天线的方向60°。
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