N付天線的基站與移動站之間的通信過程和能實現該過程的基站的製作方法

2023-05-28 02:33:36 3

專利名稱：N付天線的基站與移動站之間的通信過程和能實現該過程的基站的製作方法
技術領域：
本發明涉及裝有N付天線的基站與移動站之間的高頻無線電通信過程，以及能實現該過程的基站。
本發明可用於數字蜂窩電話系統，其中同一基站配備一天線陣列，能連接一蜂窩小區中的多個移動站。
在這樣的基站上，發射時，把加在每一發射天線上的信號與用以發往移動站的信號相合成(調製)。
為此，在每付天線的發射系統中，數字處理一般產生表示信號的樣本。此後，通過數-模轉換和載頻調製，合成出每一信號，經放大後，加在天線陣列的合適天線上。
合成這些取樣所需的計算的複雜性以及數-模變換電路和調製電路的費用，隨著天線陣列數的增加而增加。
以下將產生加到每一單元天線的信號(以便向移動站發射)的一套電路，稱為多路發射裝置。
類似地，接收時，每一天線的接收系統輸出由該天線收到的中頻或基帶信號。其後，這些信號被取樣，並經模-數變換。然後，樣本經數字處理，以提取移動站發來的信息。
接收電路的費用和複雜性隨著天線陣列數的增加而增加。
以下將處理來自移動站的接收信號，以取得發來的信息的電路稱為多路接收裝置。
天線陣列可為任何合適的幾何形狀。特別是，這些天線可以排成一行，有規律地相隔一段距離。在這種情況下，天線陣列最好是定向的，它們的波瓣指向天線所對準的直線的垂直方向。
各天線也可以排列成圓，有規律地相隔一段距離。在這種情況下，各天線同樣最好是定向的，它們的波瓣指向徑向方向，指向它們配置成的圓的外面。
本發明同樣適用於呈規則多邊幾何圖形的天線陣列，如等邊三角形，正方形，五角形，八角形等等。在每一邊上圖形按一定規律的間隔排列。
本發明旨在降低計算的複雜性和處理費用，兩者都受基站所配備的天線陣列的影響。
為了達到這一目的，本發明提出一擁有N付天線的陣列(N大於1)的一個基站與至少一個移動站之間的通信過程，該基站具有下列特徵(1)基站能估算射頻無線電到達基站的方向和到達基站的路徑功率；(2)基站能判斷射頻無線電從移動站到達基站的上述主到達方向；(3)基站選用M付天線，M為小於N的整數。各接收波瓣的方向位於圍繞主到達方向的角扇形區內；(4)基站只處理來自移動站的由選定的M付天線所收到的信號。
對於發射來說，遵循下列過程(5)基站選定M付天線，它們的各發射波瓣的方向處於圍繞主到達方向的角扇形區內；(6)只合成由選定的M付天線發射的信號。
本發明還提出與許多移動站進行無線電通信的基站，該基站裝有N付獨立天線的陣列(N為大於1的整數)和K個接收或發射系統數，K為小於N*L的整數，其中L是同時通信的路數。其特徵包括(1)射頻無線電到達基站的方向和到達基站的路徑功率的估算法；(2)用以確定對一給定的移動站來說，射頻無線電到達基站路徑的主到達方向的方法；(3)選定M付通信的方法，M為小於N的整數。這些收發通信的各波瓣的方向處於圍繞主到達方向的角扇形區內；(4)轉換法。對每一通信來說，轉換法會影響在先前選定的M付天線上進行收發的系統數M。
在一特殊實現方式下，上述主方向是指接收射頻無線電功率的到達方向或發射併到達移動站的方向(根據它處於接收或發射狀態而定)為最大的方向。
在實現移動通信的另一種特殊方式下，上述主方向是不同射頻無線電傳播路徑的到達方向的質心，它以下式定義r=(i=1Jpiai)/(i=1Jpi)]]>式中i為一整數，J為所識別的射頻無線電傳播路徑數；ai為第i射頻無線電傳播路徑與最大射頻無線電功率的傳播路徑方向形成的夾角，而pi為第i路徑的射頻無線電功率本發明的其它特點和好處從下面詳細說明的特殊實現方式中，可以十分明顯地看出。說明請參閱附圖，其中

圖1簡略示出典型多路收發裝置在我們所考慮的這一情況下，基站與移動站之間只有一路通信；圖2簡略示出根據本發明的特殊實現方式工作的基站中所包含的收發裝置。在我們所考慮的情況下，在基站和移動站之間只有一路通信；圖3是在特殊實現方式中根據本發明工作的流程圖；圖4是在本發明的特殊實現方式中從N付天線中選M付天線的方式，其中天線陣列以幾何圖形--圓來表示。
圖5簡略地示出典型的多路收發裝置。在這一情況下，基站同時進行L路通信圖6簡略地示出在根據本發明的特殊實現方式工作的一基站所包含的收發裝置。在這一情況下，基站同時進行L路通信。
首先講述本發明在基站和給定的移動站之間只有一路通信的情況。
在圖1所示的典型情況下(圖1左邊部分用於接收，而圖1右邊部分用於發射)，基站的天線數N(圖中收發各為10付天線)對應於(接收時)能處理的信號數或(發射時)能合成的信號數。基站包括一個多路接收裝置12和一個多路發射裝置14。
這些裝置通常包括的收發系統數與天線陣列中包括的單元天線數相同，在圖示的本例中為N。
應當指出，每一接收系統主要包括一前置放大模塊，一供中頻或基帶通過的變頻模塊，和一模-數變換模塊。每一發射系統主要包括一數-模變換模塊，一供發射載頻通過的變頻模塊和一放大模塊。
圖2左邊部分表示在根據本發明的實現方式中，擁有N付天線的基站接收裝置。
當一移動站向基站方向發射一信號時，基站000內的估算模塊就開始估算射頻無線電到達基站的方向和到達基站的路徑功率(圖2中沒有示出)。通常的無線電源定位過程也開始工作。定位過程，例如可按下列文獻中所講的任一種類型實現ANDERSON S.，MILLNERT M.，VIBERG M.，WAHLBERG B.，「用於移動通信系統的自適應陣列(An adaptive array for mobilecommunication systems)」，IEEE Transactions on Vehicular Technology，Vol.40，No.1，1991年2月，第230-236頁；VIBERG M.，OTTERSTEN B.，「基於子空間固定的傳感器陣列處理(Sensor array processing based on subspacefitting)」，IEEE Transactions on Signal Processing，Vol.39，No.5，1991年5月，第1110-1121頁；SCHMIT R.O.，「一種用於多個發射機定位和頻譜估算的信號子空間方法(a signal subspace approach to multiple emitterlocation and spectral estimation)」，Ph.D.論文，美國加州史丹福大學，1981年11月；ROY R.H.，PAULRAJ A.，KAILATH T.，「(ESPRIT-一種估算噪聲中的順型參數的子空間旋轉方法(A subspace rotation approach toestimation of parameters of cisoids in noise)」，IEEE Trans.Acoust.，Speech，signal Processing，Vol.ASSP-34，No.4，第1340-1342頁，1986年10月。
接著，作出主到達方向(對該移動站來說)的判斷。由該移動站向基站發射的信號實際上會在各種障礙物上產生反射，從而造成多路徑。主到達方向是基站收到的射頻無線電功率最大的方向。
在另一方案中，主到達方向可以是所識別的不同的無線電路徑的到達方向的質心r，乘上以這些路徑的無線電功率為函數的加權項。
主到達方向的判斷模塊在圖2上沒有示出。
設所識別的無線電路徑為J，ai為第i無線電路徑與最大無線電功率的路徑方向形成夾角，i為一整數，pi為第i路徑的無線電功率。質心r由下式定義r=(i=1Jpiai)/(i=1Jpi)]]>
一旦主到達方向被判定，基站就使搜索或選擇模塊(圖中沒有示出)開始工作，以便決定在N付天線陣列中選擇一付天線用於所考慮的通信方向。根據本發明的較佳實現方式，用於接收的天線包括M付天線，各付天線的接收波瓣方向均處於圍繞主到達方向的幅度事先規定的角扇形區內。
天線數M隨每次通信而不同，它取決於可用的處理電路數目。
圖4示出一種配置，其中圍繞主到達方向的角扇區由從N付通信中選出的M付天線構成，使天線陣列呈圓周的幾何圖形。圖示的N付單元天線在圓周上等距布置。
正如圖2左邊部分所指出的，基站包括一接收交換矩陣，它把來自移動站的由選定的M付天線收到的信號送往多路接收裝置18。未經多路接收裝置處理的信號被送往負載20，它相當於未選中的N-M付天線的阻抗。
圖2右邊部分表示根據本發明的特殊實現方式工作的具有N付天線的基站中的發射裝置。發射時，與剛才對接收所述的相類似，基站有一搜索M付天線的模塊(未示出)，各發射波瓣的方向均處於圍繞主到達方向的，幅度事先確定的角扇形區內。
基站還包括多路發射裝置22，它只合成通過M付天線發射的M個信號。發射交換矩陣24把合成後的信號加到M付天線。沒有選中的N-M付天線連接一負載26，它相當於它們的阻抗。
這裡假定同一天線陣列既用作發射，又用作接收。我們可能設想接收和發射交換矩陣是同一雙向矩陣，接收和發射信號在同一根電纜上是反向傳送的。在另一方案中，我們可能設想一雙工濾波器，它把每一單元天線的接收信號和發射信號按電平分開，而兩個不同的交換矩陣以獨立方式工作。
我們將注意到接收和發射交換矩陣，根據實現的方式可以是實物裝置，也可以以邏輯方式實現。
此外，在本發明應用於時分多路接入方式(AMRT)的一個系統的特殊情況下，前述推論對給定的時隙來說是有效的。實際上，選定的一組M付天線可能從一時隙變到下一時隙，換句話說變成另一通信。
圖3以總結的方式重述根據本發明以特殊實現方式工作的不同步驟。
在第一步過程中，基站估算射頻無線電到達基站的方向和到達基站的路徑功率。其後，基站判定從移動站來的主到達方向。然後，我們在N付天線陣列中選定M付天線，它們的各接收和發射波瓣的方向是處於圍繞主到達方向的角扇形區內。最後，基站只處理(接收時)或只合成(發射時)由選定的M付天線所接收或發射的信號。
剛才對圖1和圖2所做的說明涉及矩陣和一個移動站之間的通信。實際上，一個基站與幾個移動站同時進行眾多的通信。在時分多路接入方式下，各路通信信號佔用不同的時隙，並且在後隨的周期中是同系的。我們來考慮L個同時通信的情況。數字L表示真正同時通信的數，也就是說，例如參與時分多路接入方式的同一時隙周期。
接收時，在如圖5左邊部分所示的典型裝置中，由N付天線接收的信號由N個接收系統28來處理，接收系統按每一天線將相應於L路通信的每一路信號分開。然後，多路接收裝置30接收所得到的N*L個信號，並按每一路通信來處理N個收到的信號。
發射時(圖5右邊部分)，在一典型的裝置中，即多路發射裝置32，對每路通信來說，合成N個信號，供N付天線的陣列發射。所得的N*L信號送往N個發射系統34，它把每一天線發射的每路通信合在一起。無論接收時，還是發射時，所有各路通信都使用所有的天線。
當本發明用於接收(圖6中的左邊部分)時，對於L路同時通信的每一路來說，所用的M付天線以前述單路通信時的方式選定。其後，M個接收系統36，對選定的M付天線的每付天線，把已選用這付天線的各路通信信號分開。多路接收裝置38處理M個收到的信號，分到每路通信去。
當本發明用於發射(圖6中的右邊部分)時，對於L路同時通信的每一路來說，由L路通信中的其中一路所用的M付天線，按前述單路通信時的方式選定。多路發射裝置40合成M個信號，供M付選定的天線發射，用於每路通信。所得的信號送往發射系統42，它把已選定該天線的各路信號相加，供每付天線使用。每路通信只利用這些天線的一部分，這樣就大大降低處理的複雜性接收時，處理每路通信只使用收到的M個信號，而不是N個信號；而發射時，對每路通信來說，合成M個信號，而不是N個信號。
如果基站的發射接收系統的總數為K，K為小於N*L的一整數，則接收系統36的輸出信號的最大數或多路發射裝置40的輸出信號的最大數等於K。
根據這種情況，我們可能有興趣選擇-設M為定量，則預計發射接收系統的總數K等於M*L，-設M為變量，並把整個發射-接收系統看成一群。它對每路通信的影響隨每一系統的可用性而變化(即是保證同時通信數的函數)。
在與若干移動站通信的幾個主到達方向相應於處於相互交迭的幾個角扇形區內的幾組天線的情況下，換句話說，一付或幾付天線公用，則可能在這些通信之間存在爭用同一發射-接收系統的情況。我們承認，按照事先確定的判據，只會造成少量通信衝突。作為不受限制的例子，這一判據可包括當接收功率太弱而影響通信時，均衡收到的射頻無線電功率。
一些實驗業已表明用不到一半的單元天線構成天線陣列能得到類似於陣列不減少單元天線時的類似性能。
本發明的另一優點是它能降低成本。它不同於通常的基站，它能進行全面空間處理。它由扇形區天線陣列構成，兼有兩種空間處理，即天線陣列的空間處理和扇形區空間處理。
權利要求
1.一種在擁有由N付天線構成的陣列的基站與至少一個移動站間進行通信的過程，這裡，N為大於1的整數，其特徵在於，基站具有下列特性(a)基站估算射頻無線電功率到達基站的方向和路徑功率；(b)基站判斷射頻無線電從移動站到達基站的路徑的主到達方向；(c)基站選擇M付天線，M是大於1，小於N的整數。它的各接收波瓣的方向處於圍繞主到達方向的角扇形區內；(d)只處理來自移動站的由選定的M付天線接收的信號。
2.如權利要求要求1所述的通信過程，其特徵在於它選擇收到的射頻無線電功率為最大的到達方向為主到達方向。
3.如權利要求要求1所述的通信過程，其特徵在於(e)基站選擇M付天線，它們的發射波瓣的方向處於圍繞主到達方向的角扇形區內；(f)基站只合成由選定的M付天線發射的信號。
4.如權利要求3所述的通信過程，其特徵在於它選擇發射併到達移動站的最大射頻無線電功率的到達方向為主到達方向。
5.如權利要求1或3所述的通信過程，其特徵在於它選擇不同射頻無線電傳播路徑的到達方向的質心r為主到達方向，r按下式定義r=(i=1Jpiai)/(i=1Jpi)]]>式中i為一整數，J為被識別的射頻無線電路徑數，ai為第i射頻無線電傳播路徑方向與最大射頻無線電功率的路徑方向構成的夾角，pi為第i路徑的射頻無線電功率。
6.一種與移動站進行無線電通信的基站，所述具有由N付天線構成的陣列，N為大於1的整數，K為接收或發射系統數，K是小於N*L的整數，其中L是同時通信數，其特徵在於，它包括估算射頻無線電到達基站的方向和到達基站的路徑功率的估算法；對一給定的移動站來說，用以確定射頻無線電到達基站的路徑的主到達方向的方法；選定M付天線的方法，M為大於1，小於N的整數，這些收發通信的各波瓣的方向處於圍繞主到達方向的角扇形區內；交換法，對每一通信來說，交換法會影響在先前選定的M付天線上進行收發的系統數M。
7.如權利要求6所述的基站，其特徵在於主到達方向為收到的射頻無線電功率或發射併到達移動站的射頻無線電功率為最大的到達方向。
8.如權利要求6所述的基站，其特徵在於主到達方向為不同射頻無線電傳播路徑的到達方向的質心r，r由下式定義r=(i=1Jpiai)/(i=1Jpi)]]>式中i為一整數，J為被識別的射頻無線電路徑數，ai為第i射頻無線電路徑的方向與最大射頻無線電功率的路徑方向構成的夾角，pi為第i路徑的射頻無線電功率。
全文摘要
在具有N個分開天線網絡的基站(N為大於1的整數)和至少一個移動站之間處理通信業務的過程包括下列步驟:估計到達基站的方向和路徑功率;在這些到達基站的路徑中確定主到達方向;選定M付天線(M為大於1小於N的整數),使收發通信的各波瓣方向處於主到達方向的角扇形區內;只處理來自移動站的由選定的M付天線接收的信號。
文檔編號H04B7/10GK1258386SQ9880561
公開日2000年6月28日 申請日期1998年5月25日 優先權日1997年5月28日
發明者A·萊維 申請人:法國電信局