CN1742500B - 采用定向天线的移动通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种无线通信系统包括多个无线通信装置。在所述系统内，广播包含标识一个或多个装置的位置的位置数据的定位信号。一种在系统中工作并收到所述定位信号中包含的位置数据的移动终端能够使用所述位置数据来确定让移动终端的定向天线指向的装置的位置。

Description

采用定向天线的移动通信系统
本发明涉及无线移动通信网络。 
无线接入网(WAN)是众所周知的。在许多类型的WAN中，网络所覆盖的区域内的移动终端通过无线电与网络的接入点通信，这些接入点分布在无线电覆盖区上。每个接入点硬接线到网络的其它部分，并提供网络的有线部分与无线部分之间的接口。所谓的“自组”WAN在没有任何基站或接入点的情况下工作，在这种网络中，无线电信号可直接从一个移动终端路由到另一个移动终端。 
下一代WAN中的一部分在比目前网络所用的频率更高的射频上工作。例如，规划的日本高速无线区域网b(HiSWANb)系统将在25GHz的射频上工作。这种无线电系统的波长将大约是1cm，这小到足以使系统中工作的终端与接入点必需在彼此的视距中以便成功通信。 
预计波束调向技术将广泛用于诸如HiSWANb之类的系统中。从接入点到终端(即下行链路信道)的射束调向是已知的，但是，预计在诸如HiSWANb之类的系统中，各终端将配备相控天线阵列或智能天线或某种其它类型的定向天线，使得终端到接入点(即上行链路信道)通信也可采用窄通信波束来实现。 
这是必要的，因为信号频率将会如此高，使得仅定向天线能够递送足够功率到达远处的接入点。有利的是，上行链路信道上的波束形成还会增加可在各个小区中或者由各个接入点支持的用户数量，因为用户间干扰将会最小化。 
预计定向天线和高频通信波束将有利地用于许多其它类型的无线通信系统中，包括自组无线网络。 
与采用定向天线的移动终端到接入点的通信(或者在自组网中终端到终端的通信)相关的问题在于，为了与适当接入点通信，终端必 需知道使其定向天线指向何处。 
因此，每当终端设法在网络中发起通信时，或者每当终端在网络中从一个接入点切换到另一个接入点时，该终端必须首先定位一个接入点以便将其定向天线或通信波束锁定在该接入点上。 
波束搜索或扫描是终端定位与之通信的适当接入点的一种方法，但是如果不知道接入点的位置，则获得锁定所用的时间可能太长而难以满足业务要求的质量，而且特别是难以维持无缝切换。 
D1描述了在移动的交通工具中的导航系统，包括在从发射机接收信号并确定交通工具和发射机位置之后，将天线波束调向该发射机。 
本发明设法减轻上面提到的问题。 
根据本发明的第一方面，一种系统包括多个装置，在该系统内，以低得足以使移动终端不在所述装置的视距中的频率广播一种定位信号；所述定位信号包含标识所述装置中一个或多个的位置的位置数据；以及在系统中工作并收到定位信号中包含的位置数据的移动终端能够使用该位置数据来确定一个装置的位置，从而让该移动终端的定向天线指向该位置；其中所述系统包括无线通信系统并且所述装置是无线通信装置；以及其中所述移动终端使用标识所述移动终端的位置的数据以及所述定位信号中包含的位置数据来确定一个方向，沿着该方向，让定向天线指向所述装置，以便接收处于高信号频率的窄通信波束。 
根据本发明的第二方面，一种在包括一个或多个装置的网络中工作的移动终端包括：接收机装置，用于接收网络中以低得足以使移动终端不在所述装置的视距中的频率广播的定位信号；所述定位信号包含标识网络中的装置中的一个或多个的位置的信息；定向天线；以及处理装置，用于从所述信号中确定无线装置的位置，该移动终端要让定向天线指向所述位置；其中所述网络是无线通信网络；其中所述终端还包括位置确定装置，用于确定网络中终端的位置； 以及其中所述处理装置用来从多个装置中选择信号中标识其位置的被选装置，以便终端将定向天线指向该装置以接收处于高信号频率的窄通信波束。 
根据本发明的第三方面，一种在包括一个或多个装置的网络中操作移动终端的方法包括：在移动终端中接收网络内以低得足以使移动终端不在所述装置的视距中的频率广播的定位信号；该信号包含标识网络中的装置中一个或多个的位置的信息；以及处理所接收的信号以确定装置的位置，该移动终端能够让定向天线指向上述位置；其中所述网络是无线通信网络而且所述装置是无线通信装置；以及其中所述方法还包括确定移动终端的位置；以及让定向天线从移动终端指向接收信号中标识其位置的无线装置，以便接收处于高信号频率的窄通信波束。 
定位信号不一定是从网络内的无线装置发送的；它可以是外部的。 
现在将参照附图来描述本发明的实施例，其中： 
图1示意说明实施本发明的移动通信系统。 
图2以框图形式说明移动终端的通信子系统。 
图3示意说明实施本发明的移动通信系统。 
现在参照附图中的图1，实施本发明的示范无线通信系统1包括多个无线接入点，其中举例说明分别在位置A和位置B的第一2和第二3接入点。系统1所覆盖的区域被分成多个假想的小区，每个接入点服务于一个具体小区。系统1可以例如是无线局域网，或者还可以是蜂窝移动电话系统。 
移动台4、例如膝上型计算机或移动电话位于系统1内。意图是，移动台4发送上行链路数据到接入点以及从接入点接收下行链路数据，所述各个接入点是最好的或者最佳地位于移动台4附近以便与移动台4通信。 
移动台4包括与处理器耦合的智能天线、相控阵或任何其它类型的波束形成系统，处理器能够在得到关于接入点位置的信息时，将与天线相关的发射波束聚焦到该接入点上。波束形成技术对本领域的技术人员来说是非常熟悉的，因此这里不再详述。 
系统1还包括发射源、在此例中是天线杆5、6和7，它们分布在系统1中，并且发射全向定位信号(OS)，以便在移动台4上接收。信号(OS)包含或编码了标识网络中接入点的地理位置的信息，从而使移动终端4附近的一个或多个接入点的位置可以在移动终端4中确定。 
信号(OS)是较小带宽的信号并且在足够低的频率上发送，以确保移动台4不需要在发射机的视距中才能接收此信号。 
最好是，信号(OS)还包含关于各种接入点的附加资源信息。在一个优选实施例中，资源信息可包括： 
i)接入点发射的信号的信号强度的指示。 
ii)通过接入点的网络连接的带宽。 
iii)到接入点的连接的费率。 
iv)通过接入点可用的业务(例如基于IP的多媒体业务(IMS)、因特网、多媒体广播/多播业务(MBMS))。 
v)终端是否能够根据与终端归属网络的漫游协定连接到接入点的指示。 
在本发明的一些实施例中，接入点将在固定位置。在本发明的另一些实施例中，接入点本身是移动的，移动接入点的位置将在信号(OS)内不断地更新。 
将参照附图中的图2来描述移动台4发起与所选接入点的通信的过程，图中以框图形式说明移动台4的通信子系统10。 
通信子系统10包括耦合到接收电路12的全向天线11，接收电路12用来接收发射机5到7发射的信号(OS)。子系统10还包括接入点位置确定处理器13，它耦合到接收电路12并用来从信号(OS)中提取标识系统1中接入点位置的数据。 
子系统10还配备移动台位置确定器14，用于确定系统1中的移动台4的位置。 
当移动台4需要发起到接入点的连接时，处理器13从所接收的信号(OS)中确定相邻接入点的位置，位置确定器14确定移动台的当前位置。 
移动台4的位置可利用多个标准技术中的任一个来确定。例如，位置确定器14可耦合到接收电路12，并且用来从信号(OS)本身中的一些附加编码中确定移动台4的位置(例如，如果发射机5到7是卫星，则GPS卫星确定，信号强度定时信息等)。或者，如果移动台4从三个或三个以上已知位置的发射机接收信号(OS)，则位置确定器14可利用三角测量法来确定移动台4的位置。或者，位置确定器14可包括内部导航装置，用于利用航位推测技术确定移动台4的位置。移动台可用来确定其位置的其它技术是掌握适当技术的人们已知的。 
移动台4的位置、从信号(OS)提取的接入点位置、以及从信号(OS)提取的关于接入点的任何附加信号强度信息被馈送到处理器15。在缺少关于接入点的包含在信号(OS)中的任何附加资源信息时，处理器 15会简单地选择到移动台4最近的接入点，作为形成与其连接的接入点。如果资源信息提供给处理器15，则处理器15可能利用资源信息来确定最佳连接将是与一个不同于最接近移动台4的接入点的接入点之间的。例如，处理器15可从资源信息中确定，到移动终端4第一近和第二近的接入点中没有一个具有足够可用带宽来支持与终端4的连接，但是第三近的接入点具有足够可用带宽。处理器15则会选择这个接入点作为要与之形成连接的最佳接入点。处理器15可使用各种标准来选择最佳接入点，并且在应用这些标准时使用资源信息。 
确定要与之形成连接的最佳接入点之后，处理器15控制波束调向装置16从天线17将窄高带宽通信波束调向或定向到最佳接入点(在图1所示的实例中为接入点2)。因此，移动终端4能够快速定位最适合的接入点以发起、然后继续与其的连接。 
可以理解，实施本发明的系统将受益于从旧接入点切换到新接入点所用时间的减少。这是因为移动终端在从旧接入点进行切换之前可使用信号(OS)来识别新接入点的位置。知道新接入点位置以及可能的附加资源信息，使终端可以将其波束从旧接入点切换到新接入点，而不用进行任何波束搜索，从而使切换时间最小化。 
由于本发明让移动终端可以容易地定位接入点而不需要波束搜索，所以终端使用的定向波束可以特别窄，从而使发射功率最小化。 
在这个实施例中，有专用发射机用于发射信号(OS)，其中每个发射机发射包含标识多个接入点的地理位置的信息的信号。已知的地面无线电导航系统、如TACAN可用来提供信号(OS)。或者，发射机可以是卫星，而且卫星系统、如GPS系统可用来提供信号(OS)。 
一个或多个接入点本身可用来在网络中发射全向定位信号。在这种情况下，各接入点会在其发射的信号中包括标识该接入点位置的信息，并且如果需要，还包括标识相邻接入点位置的信息。 
在本发明的一些实施例中，接入点可以本身是地球轨道上的卫 星，而移动终端位于在地球表面上或上空移动的交通工具上。 
例如，本发明的优选实施例包括同步电视卫星和位于交通工具、例如船上的用于从卫星接收信号的移动终端。移动终端配备了定向天线，例如30°扇形天线，它必须指向卫星以锁定卫星信号。 
在这个实施例中，卫星本身可在指向地球表面的宽角度波束中发射信号(OS)。在船上接收到信号(OS)时，信号中标识卫星位置的信息可与标识船位置的信息结合起来使用，从而正确地定向终端的扇形天线以便锁定到卫星信号上。 
现在参照附图的图3，说明实施本发明的另一个通信系统20。通信系统20是自组网，包括多个移动台，其中举例说明了第一移动台21、第二移动台22和第三移动台23。 
众所周知，自组无线网是在没有任何基站或接入点的情况下工作的网络。在自组无线网中，各移动终端能够用作路由器，使得通信信号可从一个移动台转发到网络中的另一个移动台。 
在自组网20中，各移动台21到23发射低频全向定位信号(OS)，其中编码了标识该相应终端的当前位置的数据。为此，各终端配备了标识其当前位置的装置，例如GPS系统或航位推测导航系统以及用于在定位信号(OS)中编码和发射位置数据的发射机。移动台21至23可例如位于交通工具上。 
各终端21至23配备了通信子系统10，如已参照图2所述。 
接收到一个或多个信号(OS)的任何移动台能够通过处理器13从信号(OS)中确定或提取标识相邻终端的当前位置的数据。这个数据连同位置确定器14产生的标识本身接收OS信号的终端的当前位置的数据被馈送到处理器16用于处理，以便为接收终端选择或识别相邻终端，从而与之形成连接。 
识别要与之形成连接的终端之后，处理器15控制波束调向装置16以使定向天线指向所选终端。如果一个或两个终端都在移动，则处理器15使用信号(OS)中包含的信息以及位置确定器14产生的信息 来控制波束调向装置16，从而让通信波束一直指向所选的终端。 
为了维持自组网的相干性，终端可与多个定向天线同时配置工作，以便允许跟踪网络内的多个通信终端。 

Claims (24)

1.一种包括多个无线通信装置(2，3)的无线通信系统(1)，在所述系统内，以低得足以使移动终端(4)不在所述装置的视距中的频率在所述无线通信装置外部广播定位信号(OS)；所述定位信号(OS)包含标识所述装置中一个或多个的位置的位置数据；以及在所述系统中工作并收到所述定位信号中包含的所述位置数据的移动终端能够使用所述位置数据来确定一个装置的位置，从而让所述移动终端的定向天线指向所确定的一个装置的位置；其中所述移动终端使用标识所述移动终端(4)的位置的数据以及所述定位信号中包含的所述位置数据来确定一个方向，沿着该方向，让所述定向天线(17)指向所述装置(2，3)，以便接收处于高频的窄通信波束。
2.如权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述无线通信系统中的通信波束的波长小得足以使所述终端与所述无线通信装置必须在彼此的视距中。
3.如权利要求1或2所述的无线通信系统，其特征在于，所述移动终端(4)使用所述信号中包含的数据和标识所述移动终端的位置的数据来识别和选择最接近所述移动终端的装置(2，3)，作为所述定向天线要指向的装置。
4.如权利要求1或2所述的无线通信系统，其特征在于，所述信号还包含关于所述一个或多个装置(2，3)的资源信息，以及收到所述信息的所述移动终端(4)能够使用所述资源信息来选择所述定向天线(17)要指向的装置。
5.如权利要求1或2所述的无线通信系统，其特征在于，所述一个或多个装置(2，3)包括分布在所述系统覆盖的区域中的接入点或基站，用于为在所述系统中工作的一个或多个移动终端(4)提供对所述系统(1)的无线接入。
6.如权利要求5所述的无线通信系统，其特征在于，所述系统(1)是蜂窝通信系统，以及所述接入点或基站中的每一个服务于所述系统中的一个小区。
7.如权利要求1或2所述的无线通信系统，其特征在于，所述一个或多个装置(2，3)是移动装置，以及所述系统是‘自组’系统。
8.如权利要求1或2所述的无线通信系统，其特征在于，所述系统(1)是卫星系统，以及所述一个或多个装置(2，3)包括至少一个卫星。
9.如权利要求1或2所述的无线通信系统，其特征在于，所述信号在所述系统所覆盖的区域中被全向广播。
10.如权利要求1或2所述的无线通信系统，其特征在于，所述一个或多个装置(2，3)中的任一个是移动装置，以及所述信号中包含的标识任何装置的位置的信息被定期更新。
11.一种用于在包括一个或多个无线通信装置的无线通信网络中工作的移动终端(4)，所述移动终端(4)包括接收机部件(12)，用于接收无线通信网络中以低得足以使所述移动终端不在所述装置的视距中的频率在所述无线通信装置外部广播的定位信号(OS)；所述定位信号包含标识所述网络中的所述装置(2，3)中的一个或多个的位置的信息；定向天线(17)；以及处理部件(13)，用于从所述信号中确定所述移动终端要让所述定向天线指向的装置的位置；其中所述移动终端还包括位置确定部件(14)，用于确定所述网络中所述移动终端的位置；以及其中所述处理部件(13)用来从多个装置(2，3)中选择所述信号中标识其位置的被选装置(2)，以便所述移动终端使用标识所述移动终端的位置的数据以及所述定位信号中包含的标识被选装置的位置的信息来确定一个方向，沿着该方向，将所述定向天线指向所述被选装置，从而接收处于高频的窄通信波束。
12.如权利要求11所述的移动终端，其特征在于，所述无线通信系统中的通信波束的波长小得足以使所述移动终端与所述装置必须在彼此的视距中。
13.如权利要求11或12所述的移动终端，其特征在于，所述处理部件(13)对装置的选择至少部分基于所述位置确定部件(14)所确定的所述移动终端(4)的位置以及所述处理部件从所述信号中确定的所述多个装置(2，3)中每个的位置。
14.如权利要求11或12所述的移动终端，其特征在于，所述处理部件(13)用来选择最接近所述移动终端(4)的装置(2，3)作为所述被选装置(2)。
15.如权利要求13所述的移动终端，其特征在于，所述处理部件(13)用来至少部分根据也包含于所述信号中的关于各装置的资源信息来选择装置(2，3)。
16.如权利要求11或12所述的移动终端，其特征在于，所述处理部件(13)用来确定所述移动终端(4)与所述装置之间的方向，所述移动终端要将所述定向天线(17)指向所述装置。
17.如权利要求16所述的移动终端，其特征在于，所述定向天线(17)是波束形成器。
18.如权利要求16所述的移动终端，其特征在于，所述定向天线(17)是扇形天线。
19.一种在包括一个或多个无线通信装置的无线通信网络中操作移动终端(4)的方法，所述方法包括在所述移动终端中接收所述网络内以低得足以使所述移动终端不在所述装置的视距中的频率在所述无线通信装置外部广播的定位信号(OS)；所述信号包含标识所述网络中的所述装置中一个或多个的位置的信息；以及处理所述接收信号以确定一个装置的位置，所述移动终端能够让定向天线指向所确定的一个装置的位置；其中所述方法还包括确定所述移动终端的位置；以及使用标识所述移动终端的位置的数据以及所述定位信号中包含的标识所确定的一个装置的位置的信息来确定一个方向，沿着该方向，让定向天线(17)从所述移动终端指向所述所确定的一个装置，以便接收处于高频的窄通信波束。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述无线通信系统中的通信波束的波长小得足以使所述终端与所述无线通信装置必须在彼此的视距中。
21.如权利要求19或20所述的方法，其特征在于，所述方法包括从多个装置(2，3)中选择在所述信号(OS)中标识其位置的被选装置(2)，以便所述移动终端(4)将所述定向天线(17)指向所述被选装置。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，装置(2，3)的选择至少部分基于所述移动终端(4)的被确定位置以及所述多个装置中每个的被确定位置。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述被选装置(2)是被确定为最接近所述终端(4)的装置。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，至少部分根据所述信号中标识的关于所述装置(2，3)中每个的资源信息来选择所述被选装置(2)。
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