CN1759545A - 用于在收发信机选择和重选天线方向的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于天线的选择和重选天线方向的方法和系统，所述天线能够在至少两个可选方向之一发送信号。用平均接收的信干比来初步选择天线方向。然后，监测平均接收的信干比，当平均接收的信干比常时间地或频繁地远远低于用来初步选择天线方向的平均接收的信干比时，并且如果当时天线未被要求用于不中断的发送，重选天线方向。如果平均接收的信干比明显低于用来初步选择天线方向的水平，向下重新设置该水平。如果开始重选，则周期地重复重选直至天线被要求用于发送信号。

Description

用于在收发信机选择和重选天线方向的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于减少无线网络中无线收发信机之间的不良通信的系统和方法，具体地说，本发明涉及一种通过在收发信机选择和重选天线的方向来减少不良接收和发送的系统和方法。
背景技术
在美国专利申请No.09/775,510和No.09/899,927中，其分别于2003年1月16日和2002年11月21日公开，并且两项专利都转让给了申请人，申请人提出：将能在选择的方向优先接收和发送的天线用于无线本地环路系统的用户站，这是很有优势的。这些申请提出：应根据测量本地环路系统的基站和用户站之间的无线频率链接质量的度量值，在起动时选择天线方向，并随时重选天线方向。其还提出了许多用于选择重选天线方向的次数的标准。
在共同待决的申请号为No.2,361,186,于2001年11月2日提交的加拿大专利申请中，申请人提供了一种用于迅速重选天线方向的方法，其设计用于处理迅速变化的链接质量。尽管该公开的方法相对于要求特殊操作模式(如3GPP内的压缩模式)的方法提供了优势，但由于在进行数据通信的同时改变天线方向，因此该方法会导致数据速率降低。如果新的天线方向提供一个不良的链接，这样做会造成更多的错误。而且，加拿大专利申请No.2,361,186并非是专门用于处理宏观传播环境中的相对低速的变化。
需要一种方法和系统来确保当一旦选择好天线方向时，在宏观传播环境中的相对低速的变化(如传播环境中对象的物理位置的变化、用户站天线的重定向或重定位等)不会降低链接质量。此种方法和系统优选地应不需要特殊的操作模式，应使用现有请求和连接状态简单直接的实现，应对业务上下文敏感，并保证重选天线方向不会导致数据业务的中断或无法满足保证的带宽请求。
发明内容
发明人相信：对于用户站，包括一种具有可选的、接收或发送或同时接收和发送的优先方向的天线装置，并选择此方向，使得用户站从基站接收的信号质量最高，这样是很有优势的。尽管也用其他合适的度量值，并且这些度量值的使用也在本发明的范围之内，但他们认为目前用于测量信号质量的最佳度量值是由用户站从基站接收的信号的平均信干比。
根据本发明的一个方面，提供一种用于选择和重选天线方向的方法，该天线能够优先在至少两个可选方向中的一个方向接收或发送信号。该方法包括：确定合适的度量值，如每个可选的天线方向的平均接收信干比；选择天线方向为具有最佳度量值的天线方向；监测选择的天线方向的度量值，并当选择的天线方向的度量值降至低于最小值时，重选天线方向。
优选地，当选择的天线方向的度量值低于最后用来选择天线方向的度量值达到第一触发时段(time-to-trigger period)的滞后容限的下限时，且在触发后暂挂时段(pending-time-after-triger period)内，该条件出现未超过一次，重选天线方向。
优选地，一旦开始，天线方向的重选就周期性持续进行，直到天线被要求用于专用信道。
优选地，当选择的天线方向的度量值高于最后用来选择天线方向的度量值达到第二触发时段的滞后容限的上限时，将最后用来选择天线方向的度量值设定为选择的天线方向的度量值。
优选地，如果天线用于保证带宽的专用信道，或如果改变天线方向其他的处理就不能继续，则不重选天线方向。
如果可用独立的天线用于接收和发送信号，根据本发明用于选择和重选天线方向的方法可独立应用于每个天线，这样每个天线方向的选择和重选就与其他的天线方向无关。
根据本发明的另一方面，提供一种收发信机，该收发信机包括：天线装置，其能够优先在至少两个可选方向中的一个方向接收或发送信号；控制器，其连接至天线装置，用于设置天线装置发送信号的方向；处理器，其连接至控制器，用于确定指示控制器将天线装置发送信号的方向设置到的方向；以及无线电装置，其连接至天线装置和处理器，用于从天线装置接收信号，并向处理器提供接收的信号质量的测量值。在起动时，将处理器配置为指示控制器将天线装置接收或发送信号的方向依次设置到每个可选的天线方向，并根据由无线电装置提供的所接收的信号质量的测量值确定每个可选的天线方向的合适的度量值。然后，处理器根据确定的度量值选择最佳的天线方向，并指示控制器将天线方向设置在此最佳方向。然后，处理器监测选择的天线方向的度量值，并当选择的天线方向的度量值降至低于最小值时，重选天线方向。优选地，度量值是平均接收的信干比。上面与本发明的第一方面相关，说明了处理器监测选择的天线方向的度量值，并当选择的天线方向的度量值低于最小值时重选天线方向的方式。
根据本发明的收发信机可包括用于接收和发送信号的独立的天线，在此情况下，每个天线方向的选择和重选与其他的天线方向无关。
附图说明
下面将通过示例，参照附图来说明本发明的优选实施例，其中：
图1是根据本发明的实施例的通信系统的示意图；
图2是根据本发明的实施例的用户站收发信机的示意图；以及
图3-7是示出图2中的收发信机的天线装置的方向设置的选择和重选过程的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例，通过无线信号与基站12进行通信的用户站14作为通信系统10的一部分。假设在通信系统10内，用户站14与多个其他的收发信机15(图1中只示出了其中两个)一样，通过广播信道从基站12接收数据。而且，用户站14可与基站12通过专用信道进行双向通信，并且必要时，通过随机访问信道向基站12发送消息，用户站14和通信系统10内的其他收发信机15共享该随机访问信道。专用信道可用于要求保证带宽的业务，如IP电话，以及无需保证带宽或等待时间就能成功操作的数据业务。本领域的技术人员会认识到，要说明的一定特征并不是没有所述特征的系统所必需的，如保证带宽的专用信道、随机访问信道以及通用广播信道。但是，本领域的技术人员会认识到本发明是如何应用至此类其他的系统。
用户站14能优先在至少两个可选方向的一个方向接收由基站12发送的信号，并向基站12发送信号。通常，用户站14位于建筑物(未示出)的房间内(未示出)，但不必位于窗前以提供与基站12的视距通信。本领域的技术人员会认识到，由基站12发送的信号在通过窗户或穿墙进入用户站14所在的房间之前，通常会在一个或多个建筑物或其他的对象上反弹。信号还会在房间的墙上反弹。通常，由基站12发送的信号从所有方向到达用户站14，各个方向的信号强度和相位不同，由于不同信号通道之间的干扰，导致本地的射频环境可能有紧密间隔的零和峰值。而且，如果由于用户站14、房间内对象和人以及室外对象的移动，用户站14的周围宏观环境改变，则在用户站14的信号会急剧变化。类似地，此类变化会影响由用户站14发送的和由基站12接收的信号。
虽然全向天线可用于用户站14，但发明人发现，如果用户站14使用定向天线，在起动时选择天线的方向，并当用户站14的接收质量变化时，重新选择天线的方向，则用户站14和基站12之间的数据吞吐量通常比用户站14使用全向天线时大。
更具体地说，发明人发现，将用户站14从基站12接收的信号质量最高的方向选为用户站14从基站12接收和向基站12发送信号的方向，通常是有优势的，该方向不必是在用户站14上的射频辐射场最强的方向。尽管也用其他合适的度量值，并且这些度量值的使用也在本发明的范围之内，但他们认为目前用于测量信号质量的最佳度量值是平均信干比(SIR)。他们也发现，由于信号可能会迅速衰减，使用SIR的平均测量值是重要的。
例如，本发明的实施例中使用的合适的天线装置可与美国专利申请No.09/775,510内所描述的类似。合适的天线装置16的另一个例子可与美国专利申请No.09/899,927所描述的类似。这些申请内所描述的两种天线都允许在天线配置之间选择，这样可选择用于接收或发送或同时用于接收和发送的优先的方向。本领域的技术人员会想到其他合适的天线装置的例子，如多方向天线。实际上，可使用任何具有可选择的优先接收和发送方向的天线装置。
如图2详细示出的，用户站14包括定向天线28，其接收和发送的优先方向能响应宏观环境的变化而改变。用户站14还包括控制器30，以在可用的天线方向之间进行选择，以及无线电装置32和调制解调器34。无线电装置32和调制解调器34接收来自天线28的信号，并将信号转换成数据。处理器36，如Intel StrongArm处理器，处理接收的数据，并将其提供给连接至用户站14的数据装置38或电话装置40。无线电装置32包含接收质量评估功能，该功能测量信干比的值，并向处理器36提供信干比的测量值。处理器36可操作地响应这些测量值，以确定平均的信干比，选择天线方向，并指示控制器30设置或重新设置天线28的天线方向。
处理器38应用如图3所示的天线控制过程来选择和重选天线方向。图3所示的过程从方框44开始，并经过其他三个过程：初始选择过程；接收质量监测过程；以及重选过程，下面将详细说明这些过程，并且图4、图5和图6分别更详细地示出这些过程。图7示出了当要求使用天线28在随机访问信道上发送消息时，与天线控制过程交互的过程的片断。
如图3所示，天线控制过程由下列步骤组成：在方框46，当用户站14发起与基站12的通信时，运行如图4所示的初始选择过程以进行天线方向的初始选择，然后，只要用户站14保持与基站12的通信，就重复包括方框48和50的循环。
如图4所示，初始选择过程从方框51开始并继续，在方框52确定每个选择的天线方向的平均信干比的值。然后，在方框54，将天线28的方向设置选为具有最高平均信干比的方向，并在方框55，指示控制器将天线方向设置在该方向。初始选择过程在方框56终止。
天线控制过程运行如图5所示的接收质量监测过程，该监测过程运行直到下列事件中较早的一个出现：
(1)平均信干比变得不合要求(如下面详细定义的)，并且曾被保证带宽的某个其他过程不需要使用天线28，或
(2)某个其他过程确定应重选天线方向。
如果这些事件当中任一事件发生，则在方框50进行重选过程，直至天线28被要求提供专用的数据信道，经瞬时中断来处理随机访问信道上的消息传输。在任何情况下，在控制返回到接收质量监测过程之前，重选过程运行足够长的时间以重新设置天线方向至少一次。
如图5所示，接收质量监测过程通过监测天线28当前设置的天线方向的平均信干比，决定何时重选天线方向。该决定取决于几个可根据经验进行调整的预定量。这些量为最后的触发后暂挂时段、第一触发时段、第二触发时段、滞后容限的下限以及滞后容限的上限。
接收质量监测过程从方框57开始并继续进行至方框58，在方框58，重新确定监测天线28当前设置的天线方向的平均信干比。在重新确定平均信干比之后，在方框60进行检查，以确定在最后的触发后暂挂时段，如果平均信干比已经：
(1)低于天线方向最后设置或重新设置时测量的平均信干比；
(2)达到滞后容限的下限；以及
(3)超过第一触发时段，
并且被保证带宽的用户站14没有提供专用信道，则接收质量监测过程在方框62终止。如果没有出现上述情况，在方框64作进一步检查以确定平均信干比是否已经：
(1)高于天线方向最后设置或重新设置时测量的平均信干比；
(2)达到滞后容限的上限；以及
(3)超过第二触发时段。
如果是，在方框66将在天线方向最后设置或重新设置时测量的平均信干比设置成等于目前的平均信干比，过程循环返回至方框58并继续上述过程。否则，过程循环返回至方框58而不改变在天线方向最后设置或重新设置时测量的平均信干比。由以上论述可见，接收质量监测过程将持续进行直至平均信干比变得不合要求且没有保证带宽的专用信道，在此情况下，该过程在方框62终止。此外，如上所述，如果某个其他过程要求立即重选天线方向，图3所示的整个过程会终止接收质量监测过程。
如图6所示，重选过程从方框67开始，并循环进行，该循环从方框68开始，重新确定每个选择的天线方向的平均信干比。然后，在方框70，将天线28的方向设置选为具有最高平均信干比的天线方向，并指示控制器32相应地设置天线方向。然后在方框72，在方框68继续循环之前，重选过程延迟。该延迟是可选的。
图7示出了另一个过程的一部分，该过程从方框79开始，并与重选过程同时在用户站14上进行，该过程要求使用天线28在随机访问信道上向基站发送消息。如果该过程在重选过程进行的同时发生，则重选过程中断，从而可使用天线28发送消息，然后重新起动。方框80、方框82和方框84说明了这种情况，方框80表示过程中的零或更多的步骤；方框82表示以下步骤：中断重选过程、发送消息以及重启重选过程，方框84表示过程中的剩余步骤。
本领域的技术人员会认识到上述过程中的特定步骤的顺序可与其他步骤互换或组合，不会影响结果。例如，在图5中，方框64和66可在方框60之前进行。改变方框64和66以及方框60的顺序在一定条件下会影响接收质量监测过程每隔多久重新确定平均信干比。
本领域的技术人员也会认识到收发信机14可包括独立的接收和发送天线(未示出)。在此情况下，上述方法可单独应用于每个天线，这样可根据各个天线的接收质量，选择并重选每个天线的方向。发明人发现通常短距离内接收质量变化很大，因此每个天线的方向最好是独立于其他的天线方向设置。可以想到，在一些条件下，也许不是这种情况，在此情况下，使用第三天线来监测所有方向的接收质量，并使用其数据来选择和重选接收和发送天线的方向。根据被接收和发送的数据的自然属性，可异步地改变接收和发送天线的方向。
本发明的上述实施例仅作为本发明的示例。本领域的技术人员在不超出本发明权利要求书所限定的范围的情况下，可对其进行替换和修改。

Claims (33)

1.一种用于选择和重选第一天线的天线方向的方法，所述第一天线能够优先在至少两个可选方向中的一个方向上向第二天线发送信号，所述方法包括：
(1)为可选天线方向中的每一个确定合适的度量值；
(2)选择天线方向为具有最佳度量值的天线方向；然后
(3)监测选择的天线方向的度量值，并当选择的天线方向的度量值降至低于最小值时，按步骤(1)和(2)重选天线方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当选择的天线方向的度量值低于最后用来选择天线方向的度量值达到第一触发时段的滞后容限的下限时，重选天线方向。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，当出现下列情况时重选天线方向：
(a)选择的天线方向的度量值低于最后用来选择天线方向的度量值达到第一触发时段的滞后容限的下限；以及
(b)在触发后暂挂时段内，条件(a)出现未超过一次。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其中，在天线方向每次重选之后，重复步骤(1)和步骤(2)直至第一天线被要求用于提供专用信道。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其中，当选择的天线方向的度量值高于最后用来选择天线方向的度量值达到第二触发时段的滞后容限的上限时，将最后用来选择天线方向的度量值设定为选择的天线方向的度量值。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的方法，其中，天线方向的重选会被中断以在随机访问信道上发送信号。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的方法，其中，当第一天线用于提供受保证带宽约束的信道时，不重选天线方向。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的方法，其中，所述度量值是由第一天线接收、由第二天线发送的信号的平均接收信干比的函数。
9.一种用于选择和重选第一天线的天线方向的方法，所述第一天线能够优先在至少两个可选方向中的一个方向接收由第二天线发送的信号，所述方法包括：
(1)为可选天线方向中的每一个确定合适的度量值；
(2)选择天线方向为具有最佳度量值的天线方向；然后
(3)监测选择的天线方向的度量值，并当选择的天线方向的度量值降至低于最小值时，按步骤(1)和(2)重选天线方向。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，当选择的天线方向的度量值低于最后用来选择天线方向的度量值达到第一触发时段的滞后容限的下限时，重选天线方向。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，当出现下列情况时，重选天线方向：
(a)选择的天线方向的度量值低于最后用来选择天线方向的度量值达到第一触发时段的滞后容限的下限；以及
(b)在触发后暂挂时段内，条件(a)出现未超过一次。
12.根据权利要求9-11任意一项所述的方法，其中，在天线方向每次重选之后，重复步骤(1)和步骤(2)直至第一天线被要求用于提供专用信道。
13.根据权利要求9-11任意一项所述的方法，其中，当选择的天线方向的度量值高于最后用来选择天线方向的度量值达到第二触发时段的滞后容限的上限时，将最后用来选择天线方向的度量值设定为选择的天线方向的度量值。
14.根据权利要求9-13任意一项所述的方法，其中，天线方向的重选会被中断以在随机访问信道上发送信号。
15.根据权利要求9-14任意一项所述的方法，当第一天线用于提供受保证带宽约束的信道时，不重选天线方向。
16.根据权利要求9-15任意一项所述的方法，其中，所述度量值是由第一天线接收、由第二天线发送的信号的平均接收信干比的函数。
17.一种收发信机，包括：
第一天线，其能够优先在至少两个可选方向中的一个方向上向第二天线发送信号；
控制器，其用于设置第一天线发送信号的方向；
处理器，其用于确定指示控制器将第一天线发送信号的方向设置到的方向；以及
无线电装置，其用于从第一天线接收信号，并向处理器提供接收的信号质量的测量值，
其中，处理器指示控制器将第一天线发送信号的方向依次设置为每个可选的天线方向，并根据由无线电装置提供的所接收的信号质量的测量值确定每个可选的天线方向的合适的度量值，根据确定的度量值选择最佳天线方向，指示控制器将天线方向设置在此最佳方向，然后监测选择的天线方向的度量值，并当选择的天线方向的度量值降至低于最小值时，重选天线方向。
18.根据权利要求17所述的收发信机，其中，当选择的天线方向的度量值低于最后用来选择天线方向的度量值达到第一触发时段的滞后容限的下限时，重选天线方向。
19.根据权利要求17所述的收发信机，其中，当出现下列情况时，重选天线方向：
(a)选择的天线方向的度量值低于最后用来选择天线方向的度量值达到第一触发时段的滞后容限的下限；以及
(b)在触发后暂挂时段内，该条件(a)出现未超过一次。
20.根据权利要求17-19任意一项所述的收发信机，其中，在天线方向每次重选之后，重复重选步骤直至第一天线被要求用于提供专用信道。
21.根据权利要求17-20任意一项所述的收发信机，其中，当选择的天线方向的度量值高于最后用来选择天线方向的度量值达到第二触发时段的滞后容限的上限时，将最后用来选择天线方向的度量值设定为选择的天线方向的度量值。
22.根据权利要求17-21任意一项所述收发信机，其中，天线方向的重选会被中断以在随机访问信道上发送信号。
23.根据权利要求17-22任意一项所述的收发信机，其中，当第一天线用于提供受保证带宽约束的信道时，不重选天线方向。
24.根据权利要求17-23任意一项所述的收发信机，其中，所述度量值是由第一天线接收、由第二天线发送的信号的平均接收信干比的函数。
25.一种收发信机，包括：
第一天线，其能够优先从至少两个可选方向中的一个方向接收信号；
控制器，其用于设置第一天线优先接收信号的方向；
处理器，其用于确定指示控制器将第一天线优先接收信号的方向设置到的方向；以及
无线电装置，其用于从第一天线接收信号，并向处理器提供接收的信号质量的测量值，
其中，处理器指示控制器将第一天线接收信号的方向依次设置为每个可选的天线方向，并根据由无线电装置提供的所接收的信号质量的测量值确定每个可选的天线方向的合适的度量值，根据确定的度量值选择最佳天线方向，指示控制器将天线方向设置在此最佳方向，然后监测选择的天线方向的度量值，并当选择的天线方向的度量值降至低于最小值时，重选天线方向。
26.根据权利要求25所述的收发信机，其中，当选择的天线方向的度量值低于最后用来选择天线方向的度量值达到第一触发时段的滞后容限的下限时，重选天线方向。
27.根据权利要求25所述的收发信机，其中，当出现下列情况时，重选天线方向：
(a)选择的天线方向的度量值低于最后用来选择天线方向的度量值达到第一触发时段的滞后容限的下限；以及
(b)在触发后暂挂时段内，条件(a)出现未超过一次。
28.根据权利要求25-27任意一项所述的收发信机，其中，在天线方向每次重选之后，重复重选步骤直至第一天线被要求用于提供专用信道。
29.根据权利要求25-28任意一项所述的收发信机，其中，当选择的天线方向的度量值高于最后用来选择天线方向的度量值达到第二触发时段的滞后容限的上限时，将最后用来选择天线方向的度量值设定为选择的天线方向的度量值。
30.根据权利要求25-29任意一项所述的收发信机，其中，当所述天线用于提供受保证带宽约束的信道时，不重选天线方向。
31.根据权利要求25-30任意一项所述的收发信机，其中，所述度量值是由第一天线接收、由第二天线发送的信号的平均接收信干比的函数。
32.一种无线通信系统，包括：
如权利要求17-23和权利要求25-30任意一项所述的收发信机，以及
基站，其包括用于向所述收发信机发送信号和从所述收发信机接收信号的第二天线。
33.根据权利要求32所述的无线通信系统，其中，所述度量值是由第一天线接收、由第二天线发送的信号的平均接收信干比的函数。
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