CN1679257A - 用于射束形成和分集的无线发射机、收发信机以及方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种适于在规定覆盖范围的多个固定射束的至少两个相邻射束上发送第一信道的设备，其中所述多个固定射束的每对相邻固定射束部分地重叠并具有基本上正交的极化。该设备还包括各自的适于在所述多个固定射束的每条射束上发送各自唯一的复合信号的发射机，每个复合信号包括所述第一信道和各自唯一的业务信道。

Description

用于射束形成和分集的无线发射机、收发信机以及方法

发明领域

本发明通常涉及蜂窝通信系统，并具体涉及无线发射机、收发信机以及方法。

发明背景

为了满足在可用频带分配范围内的传输容量的需求，数字蜂窝系统将一要被覆盖的特定地理区域分割为若干的小区区域。蜂窝由基站组成，该小区内的移动单元通过基站来接入蜂窝系统。基站的容量典型地定义最佳的小区覆盖范围。理想情况下基站的容量尽可能的大，以便每个小区都能够作为蜂窝系统的接入点以服务位于大范围内尽可能多的移动单元。

一种实现容量增加的方法是利用天线阵列来代替宽射束宽度天线，该天线阵列提供了大量的覆盖原来射束范围的较窄射束宽度的射束。参考图1，图中所示的传统无线通信小区100包括三个相邻的扇区，即阿尔法102、贝它104和伽马106。每个小区包括一个位于三个扇区交集中的天线塔平台120。天线塔平台120具有形成等边三角形的三个侧面。每个扇区具有三根天线(在图中只示出了在扇区阿尔法102中的天线)，即安装于天线塔平台120一侧的第一天线114、第二天线116和第三天线112。每个扇区的三根天线产生一组相应的包括第一射束108、第二射束110和第三射束112的三条射束(只示出了扇区阿尔法102中的射束)。三条射束108、110、112有些重叠地相邻。三个扇区阿尔法102、贝它104和伽马106关于天线和射束的结构相同。然后，只在该射束上或在对特定用户有用的射束上发送和接收用于该特定用户的信号。如果在每个扇区内每条射束上的导频信道是唯一的(例如，具有不同的PN(伪随机噪声)偏移量)，那么限制容量增加的原因将是由于在不同小区中重用导频信道之间的干扰。

一种改进是为业务信道使用多条窄射束并在整个扇区上发送开销信道(导频、同步和寻呼信道)，以便对于该扇区中业务信道所使用的所有窄射束来说，开销信道都是公共的。这将导致容量的实际增加。所以，希望在原始宽射束的覆盖范围上广播该开销信道。

通过使用原始的宽射束天线或通过使用用于发送和接收业务信道的相同的多条窄射束来同步地发送开销信道能够实现在整个扇区上广播开销信道。但是，对于这些安排所存在的一个公共问题是都要求花费额外的硬件，复杂的校准设备和将开销信道的相位与业务信道的相位进行匹配的算法。

当前，一种极化的多条射束用于提供单个扇区的覆盖，而第二极化则用于分集目的。当需要全部覆盖的扇区发送时，对于开销信道，假设没有仔细地校准设备(因此未控制相对相位)，那么全部射束上发送的相同信号能够在射束交叉点上同时产生空间干扰零。在共同转让的McGowan等人于2000年12月11日提交的题为“Antenna Systems With CommonOverhead For CDMA Base Stations(用于CDMA基站的具有公共开销的天线系统)”的美国专利申请09/733059中建议了一种解决途径，它提供了一种射束的相位循环的方法，以保证空间零只持续短的持续时间。

因此，希望提供一种将固定窄射束用于在多条射束上发送和接收业务信道的天线阵列，可以使用该相同的天线阵列来在所有扇区上广播公共导频信道。而且，提供一种不需要复杂的校准和调整来随着时间和温度保持性能的天线系统将会是有利的。

发明概述

本发明的实施例有利地通过使用正交极化而允许避免在重叠射束上发送相同信号时所产生的独特干扰，

根据一个广泛的方面，本发明提供了一种适于在规定一覆盖范围的第一组多个固定射束中的至少两个相邻固定射束上发送第一信道的设备，其中所述多个固定射束的每对相邻的固定射束部分重叠并且具有基本上正交的极化。

在某些实施例中，该设备还包括各自的适于在所述第一组多个固定射束的每条射束上发送一个各自唯一的复合信号的发射机，每个复合信号包括所述第一信道和各自的至少一个唯一的业务信道。

在某些实施例中，该设备还包括适于发送CDMA信号的设备。

在某些实施例中，该设备还包括一个各自的耦合用于在所述第一组多个固定射束的每条射束上接收各自的接收信号的接收机。

在某些实施例中，该设备还包括适于产生第一和第二组多个射束中所有射束的双极化阵列。

在某些实施例中，该设备进一步适于在第二组多个固定射束上接收，其中第二组多个固定射束包括用于所述第一组多个固定射束的每条固定射束的相应固定射束，该相应的固定射束基本上与第一组多个固定射束的固定射束共存，并且具有各自的基本上与第一组多个固定射束的固定射束的极化相正交的极化。

在某些实施例中，第一和第二组多个固定射束中每条射束各自的极化是两种基本正交极化中的一种。

在某些实施例中，第一和第二组多个固定射束中每条射束各自的极化是两种基本正交极化中的一种，以及来自第一和第二组多个固定射束的每条射束优选从能够同时提供两种基本上正交极化的单个双极化天线阵列发送。

在某些实施例中，该设备还包括第一天线阵列和第二天线阵列，第一天线阵列适于产生所述第一和第二组多个固定射束中具有所述两种基本正交极化中第一种的每条固定射束，，第二天线阵列适于产生所述第一和第二组多个固定射束中具有所述两种基本正交极化中第二种的每条固定射束。

在某些实施例中，该设备还包括与第一天线阵列相连接的第一多固定射束形成器和与第二天线阵列相连接的第二多固定射束形成器。

在某些实施例中，该设备还包括与第一天线阵列和第二天线阵列相连接的固定射束形成矩阵。

在某些实施例中，该设备还包括耦合用于为所述第一和第二组多个固定射束的每条射束在固定射束上接收各自接收信号的各自的接收机。

在某些实施例中，该设备还包括耦合用于为所述第一和第二组多个固定射束的每条射束在固定射束上接收各自接收信号的各自的接收机。

在某些实施例中，对于每对固定射束，该射束包括第二组多个天线的所述第一组多个相应的固定射束的固定射束，该设备还包括适于对在该对固定射束上接收的接收信号执行分集组合的各自的组合器。

在某些实施例中，对于每对固定射束，该射束包括第二组多个天线的所述第一组多个相应的固定射束的固定射束，该设备还包括适于对在该对固定射束上接收的接收信号执行分集组合的各自的组合器。

根据另一个广泛的方面，本发明提供了一种方法，该方法包括在规定覆盖范围的第一组多个固定射束的至少两个相邻固定射束上发送第一信道，其中所述多个固定射束的每对相邻的固定射束部分重叠并具有基本上正交的极化。

在某些实施例中，该方法还包括在所述第一组多个固定射束的每条射束上发送各自唯一的复合信号，每个复合信号包括所述第一信道和各自的至少一个唯一的业务信道。

在某些实施例中，第一信道是CDMA信号。

在某些实施例中，该方法还包括在所述第一组多个固定射束的每条射束上接收各自的接收信号。

在某些实施例中，该方法还包括在第二组多个固定射束的每条射束上接收各自的接收信号，这些射束包括用于所述第一组多个固定射束的每条固定射束的相应固定射束，该相应固定射束基本上与第一组多个固定射束共存，并且具有各自的，与第一组多个固定射束的固定射束的极化基本上正交的极化。

在某些实施例中，第一和第二组多个固定射束的每条射束的各自极化是两种基本上正交极化中的一种。

在某些实施例中，该方法还包括在所述第一组多个固定射束的每条射束上接收各自的接收信号。

在某些实施例中，该方法还包括：对于每对固定射束，该射束包括第二组多个天线的所述第一组多个相应的固定射束的固定射束，分集组合在该对固定射束上接收的接收信号。

结合附图阅读以下对本发明具体实施例的描述，对于本领域的普通技术人员而言本发明的其他方面和特征将变得显而易见。

附图简述

现在将参考附图更详细地描述本发明，其中：

图1是传统无线通信小区的图；

图2是本发明实施例所提供的无线发送系统的示意图；

图3是本发明实施例所提供的无线收发信机系统的示意图；以及

图4是图2中无线收发信机的示意天线功率辐射图案的绘图。

优选实施例具体描述

为了在覆盖范围的每条射束上发送唯一的业务信道并同时在覆盖范围的所有射束上发送公共开销或开销信道(例如，导频、同步和寻呼信道)，提供了一种使用固定射束的、不需要复杂校准设备和算法的无线发送系统。图2示例了本发明的实施例所提供的可配置在覆盖范围60内的无线发送系统400。

无线发送系统400具有第一发送信号链路401和第二发送信号链路402。第一发送信号链路401包含串联的发送信号组合器A410、发射机A412和天线500。同理，第二发送信号链路402包含发送信号组合器B420、发射机B422和天线510。本领域的普通技术人员将会明白，需要硬件、软件和固件的其他组合来支持无线发送系统400以使其可以进行工作。图2中所示例的仅仅是讨论本发明诸方面所必须的那些组件。

无线发送系统400利用分别源自发送信号链路401和402的两个固定射束50和51工作以覆盖该覆盖范围60。通过每个发送信号链路401和402发送至少一个唯一的业务信道。同时，发送信号链路401和402都发送一个公共开销信道，以便在覆盖范围60中的任何地方都能够接收该开销信道。在每个发送信号链路401和402中，在通过固定射束50和51发送之前，分别在各自的发送信号组合器410和420中组合至少一个唯一的业务信道与公共开销信道。

参考图2所示例的实例，发送信号链路401用于发送第一唯一的业务信道业务A(TRAFFIC A)404和公共开销信道广播(BROADCAST)408以及发送信号链路402用于发送第二唯一的业务信道业务B(TRAFFIC B)406和公共开销信道广播(BROADCAST)408。分别从天线500和510发射固定射束50和51。应该强调指出的是，在覆盖范围60中分别由固定射束50和51所覆盖的区域内，只能够接收通过每个发送信号链路401和402发送的至少一个唯一业务信道。即，在固定射束50所覆盖的覆盖范围的区域内只能够接收业务信道业务A，对于业务信道业务B和固定射束51也是同理。但是，由于固定射束50和51的组合提供了对全部覆盖范围60的覆盖，因此在覆盖范围60内的任何地方能够接收公共开销信道广播408。

为了在两个固定射束50和51重叠的范围65中避免包含公共开销信道的同时发送的任何破坏性组合，利用与固定射束51正交的发送极化发射固定射束50。例如，可能利用45度极化来发送射束50，而利用-45度极化来发送射束51。来自它们重叠区域65中的两个射束50、51的接收信号组合将具有可变的极化，但是将会几乎永远看不到幅度的破坏性干扰，这种干扰将会实质上导致消除重叠区域65中接收信号的功率。可能会发生与移动天线的极化失配，但是这并不会不同于带有在传播路径上极化混合的全部扇区单极化发送系统。换言之，单个宽射束所覆盖的扇区还将会受到基站天线和移动天线之间的极化失配的影响。

图2提供了本发明的一个示意性实施例。更一般而言，本发明的实施例提供了其中采用任意数量的固定射束的覆盖范围，每条固定射束具有与相邻固定射束基本上正交的发射(发送)极化。在每条射束上发送个别业务信道，在所有射束上发送公共开销信道，或更一般而言在至少两个射束上发送公共开销信道。结果将会是，在相邻固定射束重叠的区域内，由于从相邻射束接收的公共信号信道的破坏性组合，所以对于在相邻射束上发送的公共信号信道来说只有最小的信号恶化。

图3示例了根据本发明的实施例，在覆盖范围内可配置的无线收发信机系统200的更详细实例，该系统工作以在下行链路上为开销信道提供扇区范围的覆盖以及在上行链路上提供接收分集。

图3的系统200具有连接用于接收公共开销信号280的全扇区分裂器290，该信号例如可能是导频和控制信息的某种组合。该公共开销信号被输入到三射束前端模块220中的每一个中，即射束A前端模块210、射束B前端模块220、和射束C前端模块230。以下详细说明射束前端模块。

每个射束前端模块还被连接用于接收各自的发送业务信号。因此，射束A前端模块在输入端口202接收Tx业务A，射束B前端模块在输入端口204接收Tx业务B，以及射束C前端模块230在输入端口208接收Tx业务C。每个射束前端模块还输出各自的接收业务信号。因此，射束A前端模块在输出端口203输出Rx业务A，射束B前端模块在输出端口206输出Rx业务B，以及射束C前端模块230在输出端口209输出Rx业务C。

每个射束前端模块双向连接到两个多射束形成器240、250中每一个各自的输入射束端口。更具体而言，射束A前端模块210输出215双向连接到第一多射束形成器240的射束端口241，以及射束A前端模块210输出214双向连接到第二多射束形成器240的射束端口251。同理，射束B前端模块220输出225双向连接到第一多射束形成器240的射束端口242，以及射束B前端模块220输出224双向连接到第二多射束形成器240的射束端口252。最后，射束C前端模块230输出235双向连接到第一多射束形成器240的射束端口243，以及射束C前端模块230输出234双向连接到第二多射束形成器240的射束端口253。

每个多射束形成器240、250通过各自组的天线端口组249和259连接到各自的天线阵列260、270。第一天线阵列260工作以利用第一组三条固定射束108a、110a、112a以+45度极化提供覆盖范围115。同理，第二天线阵列270工作以利用第二组三条固定射束108b、110b、112a以-45度极化提供相同的覆盖范围115，这三条射束的每条射束都基本上与第一组三条固定射束的相应射束共存。更一般而言，可以应用任何的正交极化。

现在将通过实例的方式来描述射束A前端模块210的细节，其他两个射束前端模块与此相同。射束A前端模块210包含一个Tx组合器291，它用于组合公共开销信号和Tx业务A信号并输出组合信号给收发信机模块199的输入端211，该输入端与收发信机模块199内的发射机组件30相连接。该发射机组件30通过前向的双工器32连接到第一多射束形成器240的射束端口241。在反方向中，第一多射束形成器240的射束端口241通过双工器32连接到收发信机模块199中的接收机组件30，该接收机组件30的输出212与Rx组合器292连接。双工器32工作以选择一个通过收发信机模块199用于Tx和Rx信号的适当路由的发送信号频带或接收信号频带。收发信机模块199还具有一个分集接收机组件33，该组件将第二多射束形成器的第一射束端口251连接到Rx组合器292。

射束B前端模块220以相同的方式连接，除了将会从第一和第二多射束形成器240的射束端口242和252接收它的分集接收信号以外，它的发送信号将输出到第二多射束形成器的射束端口252。同理，射束C前端模块230也以相同的方式连接，除了将会从第一和第二多射束形成器240、250的射束端口243和253接收它的分集接收信号以外，以及它的发送信号将输出到第一多射束形成器的射束端口242。从图3的静态结构能够看出，实际上，射束端口251、242和253不需要是双向的，因为它们只用于接收信号。

尽管已经描述了本实施例具有两个天线阵列，它们提供了两组共存的固定射束，以便每组固定射束与另外一组组固定射束具有基本上正交的极化，但是在另一实施例中，通过单个双极化天线阵列来提供两组固定射束，该双极化天线阵列能够提供两组共存的，就各自的极化而言基本上正交的固定射束。

在工作中，在前向方向，将公共开销信号280发送给三个射束前端模块210、220、230中的每一个，并在射束108a、110b和112a上进行发送。该组的相邻射束具有正交的极化，以便避免破坏性的干扰。仅在射束108a上发送Tx业务A。仅在射束110b上发送Tx业务B，以及仅在射束112a上发送Tx业务C。

在反方向，在射束A前端模块210的分集组合器292中组合在共存的固定射束108a和108b上接收的信号并作为Rx业务A输出。

同理，在射束B前端模块220的分集组合器(未示出)中组合在共存的固定射束110a和110b上接收的信号并作为Rx业务信道B输出。

最后，在射束C前端模块230的分集组合器(未示出)中组合在共存射束112a和112b上接收的信号并作为Rx业务信道C输出。

应该注意到，Rx业务信道A可以包含来自射束108a、108b范围内的移动单元的信号内容，但是还可以包含来自与射束108a、108b重叠的射束110a、110b范围内或者是来自其中阻挡物产生多径的范围内的移动单元的信号内容，对于其他接收的业务信号存在类似的情况。如果有必要，可以提供上行流处理(未示出)以解析这些信号。

多射束形成器工作以同时将在其射束端口接收到的Tx信号引导到天线阵列所提供的三条固定射束的其中一条。所选的固定射束取决于接收Tx信号的射束端口。例如，多射束形成器240通过幅度和相位整形将射束端口241接收的Tx信号引导到固定射束108a，同时将在射束端口243接收的Tx信号引导到固定射束112a。同理，多射束形成器250将会把在射束端口252接收的Tx信号引导到固定射束110b。射束端口241、252和243还能够在已经分别从固定射束108a、110b和112a耦合这些Rx信号之后，在反方向中发送Rx信号。如上所述，射束端口241、252和243仅仅用于接收信号，因此只用于接收分别从固定射束108b、110a和112b耦合的Rx信号。

另外，如果移动接收机已经移动到不同射束的覆盖范围中，那么原始调度为在Tx业务A上发送的信息能够通过后端电子(未示出)重新路由到Tx业务B上(或Tx业务C上)。对于Tx业务B和Tx业务C能够完成相似的重新路由。

尽管在优选实施例的该实例中使用了每个扇区每种极化形成三条射束的两个天线阵列，但是可以使用每个扇区大于1的任何数量的射束和天线阵列，这都位于本发明的范围之内。

在覆盖范围内任何点上的导频信道(或任何其他开销信道，例如控制信道)的接收信号强度都通过从每个射束接收的所有导频信道信号的向量和来确定。无线发送系统400和无线收发信机系统200都提供了其中相邻射束优选为交替极化的系统。具有交替极化的相邻窄射束所覆盖的覆盖范围，诸如小区的一个扇区，都将在该覆盖范围内产生组合的辐射图案，它幅度基本上是恒定的但具有未确定的极化。换言之，交替极化组合带有正交极化的射束，并具有未知的相对相位，这进而又产生了组合的射束图案，该图案具有在整个扇区上基本上恒定的幅度；但是，组合辐射图案的极化是可变的。由于对校准组件的内部连接没有作任何的努力，因此相对相位是未知的，这些组件包括无线收发信机系统200和无线发送系统400。缺乏校准由具有不受控的相位延迟的内部信号路径而产生。但是，这是本发明打算在其中工作的环境，因为校准是无线系统中冗长和昂贵的安装特征，并且避免校准也是我们所期望的。在进行这种校准努力时本发明当然仍然是有效的。

图4示出了用于三个相邻射束108a、110b和112a图3中所示例的无线收发信机系统200的仿真辐射图案。考虑到第一射束108a和第二射束110b分别具有+45度的极化和-45度的极化，因此改变相对相位的效果将是，产生的极化在低的交叉点320上随地会从完全同相改变为完全反相。因此，在交叉角上总是存在功率，但是极化却不可控。这并不是一个问题，因为重要的是接收信号的功率而不是它的接收极化。对于射束110b和112a，类似的情况存在于低交叉点321上。

尽管已经描述并示例了本发明的优选实施例，但是本领域的普通技术人员将会明白有可能进行大量的修改和变型。

Claims (23)

1、一种适于在规定覆盖范围的第一组多个固定射束中的至少两个相邻射束上发送第一信道的设备，其中，所述第一组多个固定射束的每对相邻的固定射束部分地重叠并具有基本上正交的极化。

2、根据权利要求1所述的设备，还包括：

各自的适于在所述第一组多个固定射束的每条射束上发送各自唯一的复合信号的发射机，每个复合信号包括所述第一信道和各自的至少一个唯一的业务信道。

3、根据权利要求1所述的设备，该设备适于发送CDMA信号。

4、根据权利要求2所述的设备，还包括一个各自的耦合用于在所述第一组多个固定射束的每条射束上接收各自接收信号的接收机。

5、根据权利要求1所述的设备，该设备还适于在第二组多个固定射束上接收，其中第二组多个固定射束包括用于所述第一组多个固定射束的每条固定射束的相应固定射束，该相应的固定射束基本上与第一组多个固定射束的固定射束共存，并且具有各自的基本上与第一组多个固定射束的固定射束的极化相正交的极化。

6、根据权利要求5所述的设备，其中，第一和第二组多个固定射束的每条射束的各自极化是两种基本上正交极化中的一种。

7、根据权利要求6所述的设备，还包括第一天线阵列和第二天线阵列，第一天线阵列适于产生所述第一和第二组多个固定射束中具有所述两种基本正交极化中第一种的每条固定射束，第二天线阵列适于产生所述第一和第二组多个固定射束中具有所述两种基本正交极化中第二种的每条固定射束。

8、根据权利要求7所述的设备，还包括与第一天线阵列相连接的第一多固定射束形成器和与第二天线阵列相连接的第二多固定射束形成器。

9、根据权利要求7所述的设备，还包括与第一天线阵列和第二天线阵列相连接的固定射束形成矩阵。

10、根据权利要求5所述的设备，还包括：

耦合用于为所述第一和第二组多个固定射束的每条射束在固定射束上接收各自接收信号的各自的接收机。

11、根据权利要求7所述的设备，还包括：

耦合用于为所述第一和第二组多个固定射束的每条射束在固定射束上接收各自接收信号的各自的接收机。

12、根据权利要求10所述的设备，还包括对于每对固定射束，该射束包括第二组多个天线的所述第一组多个相应的固定射束的固定射束，适于对在该对固定射束上接收的接收信号执行分集组合的各自的组合器。

13、根据权利要求11所述的设备，还包括对于每对固定射束，该射束包括第二组多个天线的所述第一组多个相应的固定射束的固定射束，适于对在该对固定射束上接收的接收信号执行分集组合的各自的组合器。

14、根据权利要求1所述的设备，还包括适于提供规定所述覆盖范围的所述第一组多个固定射束的单个双极化天线阵列，其中所述多个固定射束的每对相邻固定射束部分地重叠并具有基本上正交的极化。

15、根据权利要求5所述的设备，包括一个适于产生第一和第二组多个射束的所有射束的双极化阵列。

16、一种方法，包括：

在规定覆盖范围的第一组多个固定射束的至少两个相邻固定射束上发送第一信道，其中所述多个固定射束的每对相邻固定射束部分重叠并具有基本上正交的极化。

17、根据权利要求16所述的方法，还包括：

在所述第一组多个固定射束的每条射束上发送各自唯一的复合信号，每个复合信号包括所述第一信道和各自的至少一个唯一的业务信道。

18、根据权利要求16所述的方法，其中，第一信道是CDMA信号。

19、根据权利要求17所述的方法，还包括：

在所述第一组多个固定射束的每条射束上接收各自的接收信号。

20、根据权利要求17所述的方法，还包括：

在第二组多个固定射束的每条射束上接收各自的接收信号，这些射束包括用于所述第一组多个固定射束的每条固定射束的相应固定射束，该相应固定射束基本上与第一组多个固定射束共存，并且具有各自的与第一组多个固定射束的固定射束的极化基本上正交的极化。

21、根据权利要求20所述的方法，其中，第一和第二组多个固定射束的每条射束的各自极化是两种基本上正交极化中的一种。

22、根据权利要求21所述的方法，还包括：

在所述第一组多个固定射束的每条射束上接收各自的接收信号。

23、根据权利要求22所述的方法，还包括：

对于每对固定射束，该对射束包括第二组多个天线的所述第一组多个相应的固定射束的固定射束，分集组合在该对固定射束上接收的接收信号。

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