用於提高功率效率的相控陣蜂窩基站和與之關聯的方法

2023-05-20 05:14:16 1

專利名稱：用於提高功率效率的相控陣蜂窩基站和與之關聯的方法
發明的領域本發明一般涉及通信系統並且特別是一個蜂窩無線通信系統。
本發明的背景蜂窩通信系統一般用於為多個移動單元或用戶提供語音和數據通信。象稱為AMPS，ETACE，NMT-450，和NMT-900這樣的模擬蜂窩系統已經在全世界成功地使用。近來，象北美的IS-54B和泛歐GSM系統這樣的數字蜂窩系統已經引入。這些以及其它的系統在例如1993年Artech House，Norwood，MA.出版的，Balston等著的題為Cellular RadioSystems的書中有描述。
在蜂窩技術中通常使用頻率復用，其中頻率組被分配在稱為蜂窩這樣的有限地理覆蓋區域中使用。包含同樣的頻率組的蜂窩在地理上被隔離以允許移動單元在不同的蜂窩中同時使用同樣的頻率而不彼此幹擾。這樣，只有幾百個頻率的系統可以服務數千個用戶。
在美國，例如，聯邦當局將分配給蜂窩通信的一個UHF頻譜塊細分為稱為信道的窄頻帶對。成對的信道來自每對中發射和接收頻率偏移45MHz的頻率雙工方案。當前在美國分配給蜂窩移動通信的是832,30-kHz寬的無線信道。為了尋址這個模擬系統的容限，已經規定了一個稱為IS-54B的數字傳輸標準，其中這些頻道被細分為3個時隙。
如

圖1中說明的，一個在現有技術中的蜂窩通信系統20包括一個或多個移動站或單元21，一個或多個基站23和一個行動電話交換局(MTSO)25。雖然在圖1中只示出了3個蜂窩36，但是一個典型的蜂窩網絡可以包括數百個基站，數千個移動站和多於一個的MTSO。每個蜂窩將被分配一個或多個專用控制信道和一個或多個語音信道。一個典型的蜂窩可以具有，例如，一個控制信道，和21語音/數據信道，或業務信道。控制信道是一個用於發射蜂窩認證和尋呼信息的專用信道。業務信道傳送語音和數據信息。
MTSO25是整個蜂窩網絡20的中心協調單元。典型情況下，它包括一個蜂窩處理器28，一個蜂窩交換機29並且還具有到公用交換電話網(PSTN)30的接口。通過蜂窩網絡20，一個雙工無線通信鏈路32可以在兩個移動站21之間或，一個移動站21和一個地面線路電話用戶33之間生效。
基站23的功能一般是處理和移動站21的無線通信。在這個能力上，基站主要作為一個數據和語音信號的中繼站。基站23還監督鏈路32的質量並監視從移動站21接收的信號的強度。
一個典型的現有技術的基站23，例如用於CMS8800蜂窩行動電話系統的瑞典Stockholm，Ericsson Telecom AB製造的模型號為RBS882的功能性組件在圖2中作了原理性的說明。這個模擬蜂窩網絡的完整描述在Ericsson Telecom AB出版的出版號為EN/LZT101 908 R2B的出版物中提供。
現在，按照有關信息通路的一般觀點，基站23包括一個控制單元34和一個天線塔35。控制單元34包括基站電子設備並且通常位於塔基上或靠近塔基的堅固圍牆內。在這個揭示中是無線控制組37，或RCG，一個交換無線接口(ERI)38和一個將來自AC電網的電能變成基站23中獨立器件供電的主電源41，以及一個備用電源42。
ERI38在MTSO25和基站23之間提供信號。ERI38從RCG37接收數據並在一條專用MTSO-BS鏈路45上將它發射到MTSO25。在反方向上，ERI38從MTSO25接收數據並將它發射到RCG37用於隨後傳輸到移動站21。
無線控制組37包括完成無線通信所必須的電子設備。一個現有技術的RCG37的功能性框圖如圖3所示。所示的配置說明了一個控制信道發射/接收模塊(TRM)51，幾個語音信道TRMs52，和一個信號強度接收機53是服務一個蜂窩或一個蜂窩的扇形所要求的典型配置。每個TRM51、52包括各自的發射機54、接收機55和控制單元57。TRMs51、52不是典型的靈活頻率並且用於替代一個並且僅僅一個預定的信道。來自ERI38的控制信號被獨立的控制單元57接收。語音和數據業務信號在一個單獨的接口上被路由選擇到ERI38。
每個用於控制和語音的獨立的發射機54連接到一個發射合路器58。發射合路器將所有的輸入信號合路到一個單一輸出，通過一條同軸電纜62耦合到發射天線63。通過使用合路器58，典型情況下，多至16個發射機54可以連接到一個普通的發射天線63。使用合路器58是因為支撐天線的杆子和塔上的空間常常需要額外的費用。在一種極端的情況下，一隻杆子可能要支持超過100個無線信道。
獨立的發射信號在合路前放大，因此TRMs51、52具有相對高的輸出功率以克服通過發射合路器58和互連電纜62的損耗。典型TRMs的平均輸出功率電平在10到50瓦之間。
在接收端，兩個接收天線65中的每一個連接到各自的接收合路器66A、66B，在那裡接收的信號根據頻率分離並傳送到每個TRMs51、52中獨立的接收機55。兩個接收天線65在塔上典型地分開3到5米使得它們接收具有互不相關的衰落圖樣的信號籍此提供空間分集接收。對於預檢測和後檢測分集有許多常規技術，如1992年McGraw-Hill出版的，William C.Y.Lee的題為「Mobile Communications Engineering」的書中第10章所描述。
通常，通過HVAC裝置控制基站電子設備圍牆內的環境—即熱度、通風和空氣調節—是必需的。一般，典型的基站圍牆大約是一輛大卡車的大小。
典型的基站23的一個可視的特性是天線塔35。為了獲得一個合理的覆蓋區域，天線63、65期望安裝在地面的一定高度之上。現在再參考圖4A說明的現有技術的原理平面視圖，在鄉村地區塔35一般位於蜂窩36的中心以提供全方向的覆蓋。在一個全方向蜂窩中，控制信道和激活的語音信道在蜂窩的全區域廣播——通常來自一個單一的天線。在基站23分布更加密集的地方，在現有技術中可以使用如原理圖4B所示的扇狀天線系統。扇狀劃分要求方向性天線70具有諸如圖4B所示的120度的輻射圖樣。每個扇區71本身是一個具有它自己的控制信道和業務信道的蜂窩。請注意，「信道」可以是指在一個模擬系統中的一個特定的載頻或指在如IS-54和GSM這樣的TDMA/FDMA混合系統中的一個特定的載波/時隙組合。
圖5A說明了一個如上所述的現有技術的典型的天線系統。圖5B說明了迄今已經描述的現有技術的兩種類型——全方向天線，如雙極子66，和諸如包括一個反射器64的扇形方向性天線70。可以理解對於給定的基站，發射和接收天線在典型情況下是同樣的類型。
數千個這樣的蜂窩基站23已經在世界範圍的蜂窩站點使用。當前，蜂窩站點的全部佔地面積相當大。通常，被一個鏈狀圍牆環繞，安排一個典型的基站23所需的地產的數量還是相當大的。在多數都市地區，放置站點的不動產的成本常常可以比得上裝置本身的成本。除去地面添加物品的成本，不動產稅也是重要的運作成本。因此減小一個典型的蜂窩站點佔地面積將是有益的。
能量消耗對於一個蜂窩基站的運作成本也是重要的。除去用於環境控制的HVAC裝置，用於產生RF能量的DC能量需求可能是相當高的。位於每個TRM51、52中的典型的固態功率放大器根據它們是線性的或是飽和的，工作在25％到65％的DC-RF效率之間。除去發射合路器58典型地損耗3到4dB，從RCG37通過同軸電纜62上到塔35並且到發射天線63的傳輸損耗是重要的。承受通過這些路徑造成的10dB或更高的總損耗，結果實際上只有10％的RF功率被天線輻射出去不是罕見的。
已經提出在蜂窩通信系統中使用掃描相控陣天線。例如，Stapleton，etal.，A Cellular Base Phased Array Antenna System，Proceedings of the 93rdIEEE VTC，93-96頁描述了一個提供360度掃描能力的單極輻射單元的圓周陣列。為了提供空間分集，Stapleton的天線設計成每個輻射單元具有在分配給蜂窩的每一個信道上發射的能力。
在窄帶雷達上使用相控陣天線已經是很普及的。為了強調短脈衝周期的高度集中的傳輸，這就是所謂的固態的、或有源的，相控陣通常在每個輻射單元後面使用C類功率放大器。為了開發高度方向性的波束，一個用於搜索雷達的典型陣列即使沒有數千個也有數百個獨立的輻射單元。這樣的天線在Skolnik，Radar Handbook，McGraw Hill，1990，的第5和7章中詳細地討論。
應該注意，無源微帶陣列當前在蜂窩基站中也是可用的。例如，瑞士，Herisau的Huber＋Suhner AG製造的類型號1309.41.0009是一個具有定形的仰角波束的在蜂窩基站中使用的七單元線性極化平板無源天線。這個陣列可以代替典型的雙極子天線並且更加適合於放在建築物或其它平面的旁邊。在Huber＋Shuner出版的申請註解20.3中，它展示通過使用功率拆分將信號的一部分轉移到幾個獨立的組可以獲得廣域覆蓋。
不幸的是，上面描述的兩個相控陣天線都要求多載波功率放大器，或MCPA，以同時輻照一個在蜂窩系統中普通的具有兩個或更多頻率的特定扇區。在一個多載波系統中，互調的必要條件要求三次方項要有大於-65dB的偽噪聲抑制。為了減少互調失真，MCPA必須運作於非常高的功率無效線性模式以減少全部的功率效率。
本發明的內容考慮到前述的背景，本發明的一個目的是提供一個蜂窩通信系統基站和與之關聯的方法，處理提高功率效率和減小蜂窩站點大小的實際問題。
本發明的另一個目的是提供一個基站和與之關聯的方法用於促進有源相控陣天線的使用，同時減小諸如互調項這樣的偽信號的輻射。
本發明的這些和其它的目的、優點和特性是通過一個基站提供的，該基站包括在彼此不同的頻率上產生多個獨立無線信道信號的無線信道產生裝置，和多個連接於無線信道產生裝置的獨立相控陣天線，因此每個獨立的相控陣天線在同一時間只發射一個獨立的無線信道信號。據此，互調項相比較同一時間在不同頻率上發射的多個無線信道降低得非常多。此外，本發明允許將獨立的放大器合併到相控陣天線中藉此很大程度地減小了諸如與RF功率傳送到常規天線有關的電纜傳輸損耗。全部DC-RF效率的提高減小了所要求的設備電源的大小並且減輕了熱度管理問題，籍此也減低了運作成本並提高了系統可靠性。
每個相控陣天線優選地包括一個基座和多個按預定圖樣安裝在其上的輻射單元。每個輻射單元優選地由一個帶狀線提供，並且基座優選地是一個電路板。相應地，根據本發明的基站的另一個特性是每個相控陣天線輻射的功率可以有選擇地控制以減小與分別距基站近和遠的移動站通信有關的困難。更特殊地，基站優選地包括信號質量接收裝置用於接收來自移動單元的關於在移動單元接收的信號質量的信號，並且還包括天線功率控制裝置用於根據移動單元接收的信號質量，有選擇地操作各個相控陣天線的輻射單元中預定的一個。另外，信號強度可以在基站偵測。因此，輻射功率和或來自天線的波束寬度可以選擇地控制以維持在移動站接收對於好的通信來說足夠的功率電平，並且特別是對近的移動站，不發送這麼多功率，以免產生不必要的可能干擾。
無線信道產生裝置可以優選地放置在接近基站天線塔底部的地方，並且可以用如同軸電纜這樣的連接裝置將無線信道信號傳送到相控陣天線。另外，無線信道產生裝置可以放置在塔上或與相控陣天線製造成一個整體以更多地降低RF功率損耗。
基站還優選地包括一個位於鄰近發射相控陣天線位置的接收天線。該接收天線也優選地是一個具有接收來自多個移動單元的多個獨立的無線信道信號能力的相控陣天線，該多個獨立的無線信道信號每個都在不同的頻率上並來自多個移動單元。相應地，接收天線也可以優選地包括一個安裝在其上並連接到接收天線單元的組合網絡用於將接收的信號相干耦合，和一個安裝在其上並連接到組合網絡的低噪音放大器用於在那裡放大信號。
基站還優選地包括調製器裝置用於將多個無線載頻與各自的輸入或信息信號調製以產生多個獨立的無線信道信號。在一個實施例中，輸入信號可能是在各自的復用幀的時隙中時分復用的。
而本發明的另一個特性是可以在無線信道產生裝置和相控陣天線之間提供一個開關，以促進蜂窩拆分。更特殊地，該開關在第一和第二位置之間是可以移動的，使得在第一位置該開關連接兩個或更多的用於各自的無線信道信號的預定相控陣天線。在第二位置，該開關切斷該兩個或更多的預定的相控陣天線並促進提高用於基站的無線信道容量，即拆分蜂窩。
本發明的方法方面涉及上述的基站操作。一個方法涉及操作基站提高功率效率並包括以下步驟在彼此不同的頻率上產生多個獨立的無線信道信號；並操作每個獨立的相控陣天線以在同一時間只發射一個獨立的無線信道信號。相應地，可以使用有源相控陣天線以降低典型的與常規的蜂窩通信系統中RF能量從地面傳送到安裝在塔頂的天線有關的損耗。
另一個方法涉及控制相控陣天線的輻射輸出功率並包括以下步驟產生多個無線信道信號並且通過至少一個相控陣天線發射它們，從移動單元接收一個與在移動單元接收的信號質量有關的信號，並且根據在移動單元偵測的信號強度有選擇地操作輻射單元中預定的一個。相應地，可以在降低不必要的幹擾的可能性的同時產生期望的功率總量或期望的波束形狀以保證通信。
另一個方法涉及促進蜂窩拆分，這是一個給定的蜂窩中移動單元的數目增加時的典型要求。該方法包括以下步驟產生一個無線信道信號並將它們發送到兩個或更多預定的連接在一起的相控陣天線以提高該無線信道信號的輻射天線功率；並且隨後切斷該兩個或更多預定的相控陣天線的連接並在各自不同的無線頻道上操縱該兩個或更多預定的相控陣天線以提高基站的無線信道容量。
附圖的簡要描述本發明的這些和其它特性和優點通過下面的文字描述並結合附圖閱讀對於本領域的一般技術人員是非常顯而易見的，其中圖1是一個原理框圖，說明了一個現有技術中的蜂窩通信系統的基本組件；圖2是一個原理框圖，說明了一個現有技術中的蜂窩通信系統的功能組件；圖3是一個原理框圖，說明了一個現有技術中的基站的無線控制組的功能單元；圖4A是一個原理平面視圖，說明了一個現有技術中的全方向性蜂窩圖樣；圖4B是一個原理平面視圖，說明了一個現有技術中的扇區化蜂窩圖樣；圖5A是一個原理側視圖，說明了一個現有技術中的典型蜂窩天線系統；圖5B是一個原理側視圖，說明了一個現有技術中的全方向性天線和扇區天線；圖6是一個原理框圖，說明了一個根據本發明的蜂窩通信系統基站；圖7是一個用於根據本發明的基站中的發射機/接收機模塊的原理框圖；圖8是一個原理平面視圖，說明了一個根據本發明的具有三個扇面，每個扇面具有一、二和三個載頻的典型的天線方案；圖9是一個如圖8所示的方案產生的理論上的下行鏈路覆蓋圖樣的原理平面視圖；圖10是原理框圖，說明了現有技術的GSM中的時隙、幀和復幀傳輸之間的關係；圖11是一個根據本發明的基站的一個實施例的原理框圖，說明了如何對換容量和輻射功率以促進蜂窩拆分；
圖12是一個根據本發明的基站的一個實施例的原理框圖，說明了一種完成輻射功率控制的方法；和圖13是一個根據本發明的基站的一個實施例的原理框圖，說明了一種通過改變相控陣天線的波束形狀完成功率耦合的方法。
優選實施例的詳細描述本發明將要參考附圖在下文中做更加全面的描述，圖中示出了本發明的優選實施例。本發明可以用多種不同的形式實施但不應該解釋為限制在這裡提出的實施例中。而且，通過提供的這些實施例，本揭示對於本領域的技術人員是完全的和徹底的並且充分地表達了本發明的範圍。自始至終，同樣的數字代表同樣的單元。
雖然所建議的本發明可以用於任何已知的蜂窩或陸地移動無線傳輸標準，但可以想到它可能特別適合用於泛歐GSM系統。因此，恰當的，在這裡出現的具體例子將直接面向GSM。當那些本領域的技術人員稱讚本發明能夠容易並且迅速地適用於不同的傳輸標準時，可以確保這些優選實施例的描述將被那些本領域的技術人員輕鬆地理解。
首先，將要描述一個根據本發明的建議的基站。隨後，用一個詳細的描述說明如何在一個蜂窩通信系統中方便地使用該建議的基站。
首先參考圖6，它展示了一個根據本發明配置的用三個載頻覆蓋一個扇區的示範方案的基站80的實施例。選擇這個特殊的方案是由於它的單一性而不是為了限制。可以想像，例如，一個典型的基站可以有8個或更多的載波並因此每扇區/蜂窩有8個或更多的發射天線。從這個例子的下面的描述中，那些本領域的技術人員將可以輕易的擴展這個具有多個載波和/或多個扇區/蜂窩的示範配置。
基站80包括一個天線系統81，一個內部設備鏈路(IFL)82，和無線控制組(RCG)。RCG83優選地是一個裝在架上的配置，它在一個實施例中是被IFL82與天線系統81物理隔開的。RCG提供一個在不同的頻率上產生多個獨立的無線信道的無線信道產生裝置。IFL82提供一個連結裝置並且優選地包括一束同軸電纜、電源電纜、和控制線，並且典型的長度是數十米。可以想像，在這個實施例中基站80使RCG83位於地面上並且置於一個在周圍起保護作用的圍牆中。
天線系統81將典型地位於塔86或其它離開地面的物體上。RCG83也可能放置在塔的中間或它本身就合併在天線系統81中。如果RCG83是這樣放置的，請謹慎地考慮提供足夠的雷擊保護，這對於那些本領域的技術人員是很容易理解的。
在任何一個方案中，RCG的輸出端85都和一個常規交換無線接口(ERI)90接口並且隨後到MTSO91，並通過能夠被那些本領域的技術人員理解的常規裝置到其餘的網絡。事實上，可以想像所建議的基站80可以用於通過用這裡描述的組件替換現存的天線系統、常規的IFL和RCG來升級現存的蜂窩系統。新的RCG81因此可以直接插入到現存的ERI中。
根據本發明的基站80每個有源的陣列使用一個單一的載波。如圖6中的圖解實施例所示的，基站80包括三個分開的有源陣列天線或板95A、95B和95C，用於發射分配給該扇區/蜂窩的三個頻率中的每一個。基站80還包括一個有能力接收全部的發射頻率的單一接收天線96。
每個有源陣列板包括多個RF功率放大器101，每個放大器通過一個濾波器102連接到一個獨立的輻射單元103。功率通過一個功率分配網絡分發到每個功率放大器101，這只在被點線框105標出的有源陣列A95A上做原理性說明。在這個實施例中，上面提到的組件優選地使用帶狀線或微帶技術製造在一個襯託基座上，如環氧樹脂類的印刷電路板，這對於那些本領域的技術人員是很容易理解的。
功分器105是一個用於將RF功率從一個單一輸入分發到幾個輸出的網絡並且優選的可以是一個Wilkinson功分器、分支波導或邊緣耦合功分器，或其它眾所周知的功率分配裝置，如在Bahl，et al.，Microwave SolidState Circuit Design，Wiley Sons，1988，的第五章中描述的。功分器105優選地設計為給每個功率放大器101提供相位相干輸出。該輸入功率可以被等分並且在全部的功率放大器101輸入端的相位中；這就是已知的統一輻照並產生對稱的輻射圖樣。另外，如果根據基本的陣列理論需要塑造輻射圖樣，也可以提供小的功率不平衡和/或相位偏移。有關相位偏移和功率不平衡的討論可以在Brookner，Practical Phased-Array AntennaSystems，Artech House，1991中的第2部分找到。另一個有關陣列理論基礎的參考可以在Skolnik，Radar Handbook 2nd Ed.，McGraw Hill，1990的第七章中找到。
在舉例說明的實施例中，功率放大器101可以優選地是一個1-2瓦的設備，如日本942-1 Shimosatomi Haruna-machi Gunma-gun Gunma-ken的GigaTec公司製造的零件號為GT-1867的設備。期望功率放大器101適合於集成在微帶電路中並且依賴於RF信號的調製分別是恆定還是非恆定包絡能夠工作在飽和或線性模式。對於一個使用調頻的模擬系統，放大器可以作為一個具有高DC-RF效率的飽和C類設備工作。對於特定的數字調製，例如π/4相移DQPSK，放大器101優選地是作為一個具有低DC-RF效率的線性A類設備工作，但是產生輸入信號包絡變化的放大的複製。
功率放大器101可以在與接收頻帶重疊的頻率上產生寬帶噪聲輸出。這可以是在退化的接收放大器110的噪聲圖形的水平上。為了提高發射的信號的譜純度，每個功率放大器101的輸出各自優選地連接到一個濾波器102。濾波器102優選地是一個微帶陷波濾波器，如Bahl，et al.，Microwave Solid State Circuit Design，Wiley Sons，1988的第六章中所描述的。濾波器102優選地減弱覆蓋接收頻段的信號。依賴於系統帶寬和頻率分配，濾波器102也可以優選地是一個通帶在發射頻率中心附近的帶通濾波器。另外，一個低通或高通濾波器也是合適的。
每個濾波器102的輸出按圖解連接到各自的輻射單元103，該輻射單元可以優選地是一個如Johnson，et al.，Antenna Engineering Handbook-2nd Edition，MuGraw-Hill，1984的7-1到7-14頁上所描述的線性極化微帶片狀天線。另外，一個如前述參考書中的7-14到7-16頁上描述的圓形極化片狀天線也可以等價地使用。
在舉例說明的基站80的實施例中，發射有源陣列板95A、95B和95C優選地是完全相同的。接收陣列板96優選地是一個由微帶片單元97形成的天線陣列。與發射有源陣列板一樣，該接收板96優選地是由使用帶狀線或微帶技術的環氧樹脂類的電路板構成的，這對於那些本領域的技術人員是很容易理解的。天線單元97也優選地是上述的微帶片狀輻射體。片狀天線單元97優選地是線性極化片狀天線單元。優選的，發射和接收板都展現同樣的極化——一般垂直線性極化。
接收天線單元97通過一個組合網絡99連接到一個普通的發射線98。基本上與功率分配網絡105相反，組合網絡99與從陣列單元97接收的信號相干耦合為一個公共輸出。如前述的，組合網絡99可以產生相位偏移或減小耦合以影響波束的形狀或減小旁瓣。
組合網絡99的輸出連接到一個低噪聲放大器(LNA)110。傳統上，一個類似的LNA放在常規的基站的RCG中，並且，相應地，接收的信號在通過IFL電纜時要有2-4dB的傳輸損耗。通過根據本發明的另一個優點，將LNA110放置在接收天線板96上，放大之前的損耗被減小因此有益於整個系統的噪聲圖形並且可以降低接收天線的增益。
來自LNA110的放大的接收信號也優選地被濾波以除去不需要的信號成分，如那些在功率放大器101產生的信號。因此LNA110的輸出優選地連接到帶通濾波器112。帶通濾波器112可以優選地是一個微帶邊緣耦合濾波器，如Bahl，et al.，Microwave Solid State Circuit Design，Wiley Sons，1988的第六章中所描述的。依賴於系統的帶寬和信道間隔，一個低通、或高通濾波器也是合適的，這對於那些本領域的技術人員是很容易理解的。
發射信號和接收信號二者都通過一個內部設備鏈路(IFL)82耦合到/從天線系統81。在說明的實施例中，IFL優選地包括一束同軸電纜115，和為功率放大器101和LNA110提供電源的電源電纜(沒有示出)。
無線控制組83優選地包括多個發射/接收模塊(TRMs)120。現在再參考解釋了TRM120的圖7。TRM120優選地包括RF硬體和完成信息信號到RF輸出的變換所必須的電子設備，對於接收信號反之亦然。信息信號優選地是一個包括一系列數字相位和/或相位和幅度信息的數位化的比特流，並且是被常規裝置從ERI接收的。對於GSM蜂窩系統，該信息信號代表一個GMSK波形。對於IS-54系統，該信息信號代表一個π/4相移DQPSK波形。這兩種類型的信號的產生和其它的調製技術一樣，對於那些本領域的技術人員是很容易理解的。
該信息信號耦合到一個調製器121，在那裡相位、幅度和或相位和幅度信息被加在一個參考頻率上以產生一個耦合到混頻器123的基帶信號，在混頻器中該信號與一個由參考振蕩器127和信道合成器128產生的預定RF載頻混頻。該參考振蕩器也通過在實施例中說明的乘法器129連接到調製器121。RF載頻根據從ERI獲得的命令選擇。混頻器123的輸出連接到發射濾波器124以除去不需要的混頻器產物。在濾波之後，調製的RF載波通過示意性地定義為IFL82的同軸電纜115耦合到在有源陣列板95A上的傳輸線116，在那裡它被如上(圖6)所述地發射。一個同樣的過程在每一個TRMs中分立的載頻上發生。
仍然參考圖7，從接收陣列板96接收的信號耦合到一個接收電路130，在那裡調製的RF載波通過示意方案的第一混頻器132下變頻到基帶信號並通過示意方案的第二混頻器134解調，其中第一混頻器132被一個本振和相關聯的本振濾波器135驅動，第二混頻器134被第二本振綜合器137驅動。三個IF濾波器141-142也在說明的實施例中示出用於將接收的信號下變頻到基帶並解調下變頻的信號。於是，產生了兩個信號一個IF信號和一個所說明的接收信號強度指示器(RSSI)信號。
在圖7中示出了一種適合於解調π/4頻移DQPSK信號的方案。一個這樣的解調技術的例子在諸如題為「Log-Polar Signal Processing」的授予Dent並轉讓給本受讓人的美國專利5,048,059中描述，該揭示合併在這裡作為參考。一個本領域的技術人員可以輕易地注意到也可以使用一個GMSK解調器，或其它。
接收電路130的輸出是一個信息信號，它可以在TRM120中處理或傳遞到ERI用於隨後根據常規技術處理。一個類似的過程，在與各自的發射頻率一致的接收頻率上，發生在所有的TRMs120中。
圖8是一個原理平面視圖，說明了一個用於前面描述的建議的基站80的示範方案。這個方案通過將蜂窩分為三個具有不同的頻率分配數的扇區提供全方向性覆蓋。發射相控陣有源天線151，152，153，155，156和157位於一個三角形的裝配裝置160上並且面向提供扇區覆蓋的方向。扇區1近似地定義為直線165和直線166之間的區域並且被相控陣天線151輻照。扇區2近似地定義為直線166和直線167之間的區域。扇區2被三個相控陣天線155、156和157輻照。扇區3近似地定義為直線167和直線165之間的區域並且被兩個相控陣天線152和153輻照。
在一個單路單載波系統中，如US AMPS系統，也就是，IS-553，根據本發明一個頻率優選地分配給每個相控陣天線。對於這個例子，第一頻率被分配給天線151，第二、第三、和第四頻率分別分配給天線155、156、和157，並且第五和第六頻率分別分配給天線152和153。頻率分配是由MTSO決定的，它通過ERI將控制信號分別提供給前述的關聯於每個天線的TRM。雖然有可能使獨立的頻率分配動態改變，但是每個天線在同一時間不能發射多於一個的頻率。
在圖9中示出了一個由圖8的天線系統產生的理論覆蓋圖樣，其中每個發射機各自覆蓋的區域用各自的天線號加上一個「A」後綴標出。根據本發明，移動站171可以接收在第一頻率上由天線151發射的下行鏈路信號。由移動站171發射的上行鏈路信號將被相控陣天線150接收。請注意接收天線150、154、和158的圖樣(沒有示出)優選地具有足夠的帶寬以覆蓋它們各自的全部扇區。在扇區2中，移動站172可以接收來自這個扇區中全部三個天線的下行鏈路信號。因此，移動站172可以調諧為接收來自天線155的第二頻率，或來自天線156的第三頻率，或來自天線157的第四頻率上的下行鏈路信號。移動站173顯示在天線157的覆蓋區域之外，所以它必須調諧到接收來自天線155的第二頻率，或來自天線156的第三頻率上的下行鏈路信號。移動站172和173發射的上行鏈路信號被接收天線158接收。接收的信號耦合到RCG中的TRMs並按上面所詳述的方法處理。
在一個TDMA系統中，如泛歐GSM系統，每個載波被分成幾個時隙179。一種現有技術的GSM系統幀結構的說明在圖10中示出並且包括一個分為一系列TDMA幀180的復幀181，依次分為一系列時隙179，這對那些本領域的技術人員是很容易理解的。如所示，TDMA幀180中有8個標號為0到7的時隙。因此，多至8個移動站可以擁有一個給定的載頻。在圖9中，例如，天線151可以服務移動站171和其它7個移動站(沒有示出)。類似的，在扇區中三個移動站174和175可以擁有天線152或天線153發射的相同頻率的不同時隙。同樣可以注意到移動站174可以擁有，例如，天線152在第一頻率上發射的一個時隙，並且移動站175可以擁有天線153在第二頻率上發射的一個同樣的時隙。
在圖11中顯示了根據本發明的另一個方面或特性。在那裡說明了一個通過一個單刀雙擲，或SPDT開關190連接兩個發射相控陣有源天線95A和95B的方案。上面的天線95A和下面的天線95B可以與上面給出的描述完全相同。為了清楚起見，IFL82和RCG83沒有在圖11中示出。兩個TRMs120也如上所述並連接到ERI。
那些本領域的技術人員顯然會推崇用於相控陣天線的有效發射的各向同性功率是每個輻射單元103發射的功率、單元的數目、和天線增益的函數。例如，如果每個輻射單元103具有連接於其上的600毫瓦的功率放大器101，並且輻射單元具有11dBi的增益，那麼每個上面和下面的天線95A、95B分別具有近似100瓦的EIRP。當開關190閉合將它們連接在一起時，它們形成的一個有效的單一天線具有近似400瓦的EIRP。
在最初的新蜂窩覆蓋展開時，常常只有相對少的蜂窩站點，每個蜂窩站點具有很廣的覆蓋區域，即大的蜂窩直徑。當用戶的數目增加時，就期望蜂窩切分。蜂窩切分是一個蜂窩大小減小並且頻率復用增加的過程。一般的途徑在諸如W.C.Y.Lee，Mobile Cellular TelecommunicationsSystems，McGraw Hill Book Company，1989的301-306頁上描述。
在最初展開一個蜂窩通信系統時，可能豎立一個包括一個如圖11中所示的天線配置的基站80。該系統將首先用相對大的蜂窩大小設計。在這種情況下，例如，要求一個帶有高EIRP的單一頻率並且開關190優選地將上面的和下面的天線—95A、95B用一個TRM連接在一起，如點線所示的開關位置，籍此實際上形成一個具有較高ERIP的天線。
當用戶數目增加時，基站80具有內置的能力改變蜂窩的大小以擴容。這是通過添加如圖11左邊所示的另一個TRM到RCG中並將開關190移到實線所指的位置上實現的。在這種配置下，左邊的TRM120連接到上面的天線95A並且右面的TRM120連接到下面的天線95B。每個TRM被調諧到前述的不同的發射頻率。通過這樣做，不需要對天線系統做除了復位開關190以外的任何改變，一個具有400瓦EIRP的單一天線就改變為分別具有100瓦EIRP的兩個天線。增加頻率的數目並減小發射功率就增加了系統用戶容量，這對於那些本領域的技術人員是很顯然的。
在任何通信系統中都有一個稱為「近/遠」的問題。例如，回過頭參考圖4A，在蜂窩36中示出了兩個移動站21。一個移動站位於靠近基站的位置，而另一個位於蜂窩的外圍遠離基站。為了減小幹擾，期望發射的下行鏈路(和上行鏈路)信號對於各自的接收機的敏感要求有正好足夠的功率。因此，期望發射到近的移動站的功率電平比到遠的移動站的低許多。
在使用數字通信的蜂窩電話系統中，信號質量可能是一個比接收的信號強度更重要的因素。在如IS-54B和GSM這樣TDMA系統中的一個顯著優點是移動站可以在其它非激活的時隙中進行信號質量的測量。大多數情況下這些測量用於確定是否需要切換到另一個頻率。如移動站協助越區切換，或MAHO這樣的方法，對於那些本領域的技術人員是眾所周知的，並且在諸如IS-54B規範的3.4.6節中有描述。根據本發明的另一個方面，由移動站做的信號質量測量還可以形成確定基站需要發射的功率的量的基礎。的確，既然信號質量而不僅僅是信號強度被典型地測量，如果使用了這些信號質量測量，基站發射的功率就可以優化。信號質量測量用通常的方法進行，並且陣列天線的發射功率將可以按現在將要描述地調整。
已經展示了如何在上面的天線系統的發射功率中完成大的改變。然而，實際上，下行鏈路功率控制要求較小的功率調整增量。一個在圖12中示出的本發明的實施例說明了一個這樣做的基站。圖12示出了圖11的附加結構，一個微處理器控制的電源195。為了便於理解，示出了到每個功率放大器101的獨立的電源線196a-196h。有一個公共的總線電源提供獨立的可尋址的電源線也是可能的。在每一種情況下，可控制的電源195能夠根據從ERI接收的信號，對每個獨立的功率放大器103打開或關閉DC電源。
在這個例子中，圖4A的近的和遠的移動站都在圖12所示的天線系統的覆蓋區域中；並且都被天線系統在同一頻率上發射的不同的時隙所服務。反過來再參考圖10，它還假設近的移動站擁有TDMA幀180的第五時隙並且更遠的移動站擁有TDMA幀的第三時隙。可以看出，天線的輸出功率(即EIRP)與有源單元數目的平方成正比EIRP∝N2(Gain)(PT)如果，如前所述，每個功率放大器能夠產生PT為600毫瓦的輸出功率並且每個單元具有11dBi的增益，那麼可以構造在下表1中的輻射功率值。
表1
例如，如果要求發射30瓦到近的移動站，那麼在TDMA幀的第五時隙期間，電源線196a和196b被激活並且所有其它的被禁止。如果要求發射全功率480瓦到遠的移動站，那麼在TDMA幀的第三時隙期間，全部電源線被激活。其它的組合當然也可以按照所期望的使用。如果要求中間的功率級，它們可以通過在任何給定的時隙期間激活不同數目的電源線獲得。
當在一個相控陣天線中單元的數目減少時，輻射的波束寬度增加。這具有能夠在本發明中開發出來的好處。在圖13中示出了一個根據本發明的相控陣天線95A。當發射到如移動站177這樣的更遠的移動站時，要求激活相對多的可用的有源單元103。通過這樣，被虛線178原理性圖示的天線95A的垂直波束寬度也減小了，籍此為遠處的移動站177提供一個定向的波束。當發射到較近的移動站176時，只要求激活較少的有源單元。既然移動站可能與天線塔非常靠近，它一般將位於具有波束寬度178的天線的很小的覆蓋區域中。然而，由於減少在天線中的有源單元103的數目將使得由虛線179指示的垂直波束寬度變寬，移動站176將在一個合適的覆蓋區域中發現而不需要通過電子的或機械的手段驅動天線95A。
本領域的技術人員將會提出許多具有出現在前述描述和與之關聯的附圖中概念的益處的本發明的修改和其它實施例。因此，需要理解，本發明不僅限於所揭示的特定的實施例，而且，那些打算做的修改和實施例都包括在附加的權利要求的範圍中。
權利要求
1.一個用於蜂窩通信系統的基站包括用於在彼此不同的頻率上產生多個獨立的無線信道信號的無線信道產生裝置；和連接到上述無線信道產生裝置的多個獨立的相控陣天線，使得每個獨立的相控陣天線在同一時間只發射一個獨立的無線信道信號。
2.一個根據權利要求1的基站中的每個所述的相控陣天線包括一個基座和多個按照預定的圖樣安裝在其上的輻射單元。
3.一個根據權利要求2的基站還包括接收一個從移動單元發射的涉及在該移動單元接收的信號質量的信號的信號質量接收機裝置，並且還包括連接到上述信號質量接收機裝置和上述相控陣天線、根據在移動單元接收的信號質量有選擇地操作分別在上述每個相控陣天線的輻射單元中的預定的一個的天線功率控制裝置。
4.一個根據權利要求2的基站還包括偵測接收來自移動單元的信號強度的信號強度裝置，並且還包括連接到上述信號強度裝置和上述相控陣天線、根據偵測的信號強度有選擇地操作分別在上述每個相控陣天線的輻射單元中的預定的一個的天線功率控制裝置。
5.一個根據權利要求2的基站中的每個輻射單元包括一個帶狀線，並且其中的所述基座包括一個電路板。
6.一個根據權利要求2的基站還包括一個分別連接到每個輻射單元並且安裝在所述的基座上的放大器，所以每個相控陣天線稱為一個有源相控陣天線。
7.一個根據權利要求1的基站還包括一個鄰近於所述相控陣天線的接收天線用於在彼此不同的頻率上接收來自移動單元的多個獨立的無線信道信號。
8.一個根據權利要求7的基站中所述的接收天線包括一個接收相控陣天線，該相控陣天線包括一個基座和多個按預定圖樣安裝在其上的多個接收天線單元。
9.一個根據權利要求8的基站還包括安裝在所述的接收天線的所述的基座上並連接到所述的多個接收天線單元，用於在那裡將接收的信號相干耦合的組合網絡裝置；以及安裝在所述接收天線的所述基座上並連接到所述組合網絡裝置，用於放大從那裡來的信號的放大器裝置。
10.一個根據權利要求1的基站中所述的無線信道產生裝置還包括將多個無線頻率載波與各自的輸入信號調製以產生所述的多個獨立無線信道信號的調製器裝置。
11.一個根據權利要求1的基站還包括連接在所述無線信道產生裝置和所述相控陣天線之間並可以在第一和第二位置之間變換的開關裝置，因此該開關裝置在第一位置時將兩個或更多的預定的相控陣天線連接在一起以提高各自的無線信道信號的輻射天線功率，並且當開關裝置在第二位置時將兩個或更多的預定的相控陣天線分離以提高基站的無線信道容量。
12.一個用於蜂窩通信系統的基站包括產生多個無線信道信號的無線信道產生裝置；至少一個連接到上述無線信道產生裝置的相控陣天線，該至少一個相控陣天線包括多個輻射單元；接收從移動單元發射的涉及在移動單元接收的信號質量的信號質量接收機裝置；和連接到上述信號質量接收機裝置和上述至少一個相控陣天線，根據在移動單元接收的信號質量有選擇地操作上述輻射單元中預定的一個的天線功率控制裝置。
13.一個根據權利要求12的基站中所述的至少一個相控陣天線還包括一個基座，在該基座上安裝著上述多個輻射單元。
14.一個根據權利要求13的基站中的每個輻射單元包括一個帶狀線並且其中所述的基座包括一個電路板。
15.一個根據權利要求13的基站還包括一個分別連接到每個輻射單元並且安裝在所述的基座上的放大器，所以每個相控陣天線稱為一個有源相控陣天線。
16.一個根據權利要求15的基站中的所述天線功率控制裝置包括一個在存儲的程序控制下運作以有選擇地操作放大器中預定的一個的微處理器。
17.一個用於蜂窩通信系統的基站包括產生多個無線信道信號的無線信道產生裝置；連接到上述無線信道產生裝置的多個相控陣天線；和連接在上述無線信道產生裝置和上述相控陣天線之間並可以在第一和第二位置之間變換的開關裝置，因此該開關裝置在第一位置時將兩個或更多的預定的相控陣天線連接在一起以提高各自的無線信道信號的輻射天線功率，並且當開關裝置在第二位置時將兩個或更多的預定的相控陣天線分離以提高基站的無線信道容量。
18.一個根據權利要求17的基站中的每個所述的相控陣天線包括一個基座和按照預定的圖樣安裝在其上的多個輻射單元。
19.一個根據權利要求18的基站中還包括接收從移動單元發射的涉及在移動單元接收的信號質量的信號質量接收機裝置，並且還包括連接到上述信號質量接收機裝置和上述相控陣天線，根據在移動單元接收的信號質量有選擇地操作分別在上述每個相控陣天線的輻射單元中的預定的一個的天線功率控制裝置。
20.一個根據權利要求18的基站還包括偵測接收來自移動單元的信號強度的信號強度裝置，並且還包括連接到上述信號強度裝置和上述相控陣天線，根據偵測的信號強度有選擇地操作分別在上述每個相控陣天線的輻射單元中的預定的一個的天線功率控制裝置。
21.一個根據權利要求18的基站中的每個輻射單元包括一個帶狀線，並且其中的所述基座包括一個電路板。
22.一個根據權利要求21的基站還包括一個分別連接到每個輻射單元並且安裝在所述的基座上的放大器，所以每個相控陣天線稱為一個有源相控陣天線。
23.一個根據權利要求17的基站中所述的無線信道產生裝置還包括將多個無線頻率載波與各自的輸入信號調製以產生所述的多個獨立無線信道信號的調製器裝置。
24.一種操作用於包括多個獨立的相控陣天線類的蜂窩通信系統的基站的方法包括以下步驟在彼此不同的頻率上產生多個獨立的無線信道信號；和操作每個獨立的相控陣天線在每個時間只發射一個獨立的無線信道信號。
25.一種根據權利要求24的方法中的每個相控陣天線包括多個輻射單元，並且還包括接收從移動單元發射的涉及在移動單元接收的信號質量的信號，以及根據在移動單元接收的信號質量有選擇地操作每個各自的相控陣天線中的輻射單元中的預定的一個的步驟。
26.一種根據權利要求24的方法還在每個彼此不同的頻率上從移動單元接收多個獨立的無線信道信號。
27.一種根據權利要求24的方法中的產生多個獨立的無線信道信號的步驟還包括用多個無線頻率載波調製各自的輸入信號。
28.一種根據權利要求24的方法中的產生多個獨立的無線信道的步驟包括將多個輸入信號時分復用到復用幀的預定的時隙中。
29.一種根據權利要求24的方法還包括將兩個或更多的預定的相控陣天線連接在一起以提高各自的無線信道信號的輻射天線功率的步驟。
30.一種根據權利要求29的方法還包括隨後將兩個或更多的預定的相控陣天線分開並且在各自不同的無線頻道操作該兩個或更多的預定的相控陣天線以提高基站的無線信道容量的步驟。
31.一種操作用於包括至少一個包括多個輻射單元的相控陣天線類的無線蜂窩無線通信系統的基站的方法包括以下步驟產生多個無線信道信號並且從該至少一個相控陣天線發射該多個無線信道信號；接收移動單元發射的涉及在移動單元接收的信號質量的信號；以及根據在移動單元接收的信號質量有選擇地操作輻射單元中預定的一個。
32.一種根據權利要求31的方法中的至少一個相控陣天線還包括關聯於每個輻射單元的各自的放大器，並且其中選擇地操作輻射單元中預定的一個的步驟包括有選擇地控制傳送給各自的放大器的功率。
33.一種操作用於包括多個相控陣天線類的蜂窩通信系統的基站的方法包括以下步驟產生一個無線信道信號，並且將同樣的信號傳送到多個連接在一起的預定的相控陣天線以提高無線信道信號的輻射天線功率；以及隨後將多個預定的相控陣天線分開並且在各自不同的無線頻道操作該預定的相控陣天線以提高基站的無線信道容量。
全文摘要
一個基站包括一個用於在彼此不同的頻率上產生多個獨立無線信道信號的無線信道產生電路，和多個連接於無線信道產生電路的獨立相控陣天線，因此每個獨立的相控陣天線在同一時間只發射一個獨立的無線信道信號。每個相控陣天線優選地包括一個基座和多個放置在預定的圖樣上的輻射單元。每個輻射單元很容易地由一條帶狀線形成，而基座優選地是一塊電路板。因此，根據本發明的基站的另一個特性是每個相控陣天線發射的功率可以有選擇地控制以減少同時保持與距基站遠和近的移動單元通信時可能的幹擾。可以在無線信道產生電路和相控陣天線之間提供一個開關以促進蜂窩拆分。對操作基站的方法方面也作了揭示。
文檔編號H04B7/06GK1144592SQ95192249
公開日1997年3月5日 申請日期1995年2月28日 優先權日1994年3月24日
發明者P·M·查拉斯, P·W·登特 申請人:艾利森公司