用於在收發信機選擇和重選天線方向的系統和方法
2023-05-22 12:17:31
專利名稱：用於在收發信機選擇和重選天線方向的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於減少無線網絡中無線收發信機之間的不良通信的系統和方法，具體地說，本發明涉及一種通過在收發信機選擇和重選天線的方向來減少不良接收和發送的系統和方法。
背景技術：
在美國專利申請No.09/775,510和No.09/899,927中，其分別於2003年1月16日和2002年11月21日公開，並且兩項專利都轉讓給了申請人，申請人提出將能在選擇的方向優先接收和發送的天線用於無線本地環路系統的用戶站，這是很有優勢的。這些申請提出應根據測量本地環路系統的基站和用戶站之間的無線頻率連結質量的度量值，在起動時選擇天線方向，並隨時重選天線方向。其還提出了許多用於選擇重選天線方向的次數的標準。
在共同待決的申請號為No.2,361,186,於2001年11月2日提交的加拿大專利申請中，申請人提供了一種用於迅速重選天線方向的方法，其設計用於處理迅速變化的連結質量。儘管該公開的方法相對於要求特殊操作模式(如3GPP內的壓縮模式)的方法提供了優勢，但由於在進行數據通信的同時改變天線方向，因此該方法會導致數據速率降低。如果新的天線方向提供一個不良的連結，這樣做會造成更多的錯誤。而且，加拿大專利申請No.2,361,186並非是專門用於處理宏觀傳播環境中的相對低速的變化。
需要一種方法和系統來確保當一旦選擇好天線方向時，在宏觀傳播環境中的相對低速的變化(如傳播環境中對象的物理位置的變化、用戶站天線的重定向或重定位等)不會降低連結質量。此種方法和系統優選地應不需要特殊的操作模式，應使用現有請求和連接狀態簡單直接的實現，應對業務上下文敏感，並保證重選天線方向不會導致數據業務的中斷或無法滿足保證的帶寬請求。
發明內容
發明人相信對於用戶站，包括一種具有可選的、接收或發送或同時接收和發送的優先方向的天線裝置，並選擇此方向，使得用戶站從基站接收的信號質量最高，這樣是很有優勢的。儘管也用其他合適的度量值，並且這些度量值的使用也在本發明的範圍之內，但他們認為目前用於測量信號質量的最佳度量值是由用戶站從基站接收的信號的平均信幹比。
根據本發明的一個方面，提供一種用於選擇和重選天線方向的方法，該天線能夠優先在至少兩個可選方向中的一個方向接收或發送信號。該方法包括確定合適的度量值，如每個可選的天線方向的平均接收信幹比；選擇天線方向為具有最佳度量值的天線方向；監測選擇的天線方向的度量值，並當選擇的天線方向的度量值降至低於最小值時，重選天線方向。
優選地，當選擇的天線方向的度量值低於最後用來選擇天線方向的度量值達到第一觸發時段(time-to-trigger period)的滯後容限的下限時，且在觸發後暫掛時段(pending-time-after-triger period)內，該條件出現未超過一次，重選天線方向。
優選地，一旦開始，天線方向的重選就周期性持續進行，直到天線被要求用於專用信道。
優選地，當選擇的天線方向的度量值高於最後用來選擇天線方向的度量值達到第二觸發時段的滯後容限的上限時，將最後用來選擇天線方向的度量值設定為選擇的天線方向的度量值。
優選地，如果天線用於保證帶寬的專用信道，或如果改變天線方向其他的處理就不能繼續，則不重選天線方向。
如果可用獨立的天線用於接收和發送信號，根據本發明用於選擇和重選天線方向的方法可獨立應用於每個天線，這樣每個天線方向的選擇和重選就與其他的天線方向無關。
根據本發明的另一方面，提供一種收發信機，該收發信機包括天線裝置，其能夠優先在至少兩個可選方向中的一個方向接收或發送信號；控制器，其連接至天線裝置，用於設置天線裝置發送信號的方向；處理器，其連接至控制器，用於確定指示控制器將天線裝置發送信號的方向設置到的方向；以及無線電裝置，其連接至天線裝置和處理器，用於從天線裝置接收信號，並向處理器提供接收的信號質量的測量值。在起動時，將處理器配置為指示控制器將天線裝置接收或發送信號的方向依次設置到每個可選的天線方向，並根據由無線電裝置提供的所接收的信號質量的測量值確定每個可選的天線方向的合適的度量值。然後，處理器根據確定的度量值選擇最佳的天線方向，並指示控制器將天線方向設置在此最佳方向。然後，處理器監測選擇的天線方向的度量值，並當選擇的天線方向的度量值降至低於最小值時，重選天線方向。優選地，度量值是平均接收的信幹比。上面與本發明的第一方面相關，說明了處理器監測選擇的天線方向的度量值，並當選擇的天線方向的度量值低於最小值時重選天線方向的方式。
根據本發明的收發信機可包括用於接收和發送信號的獨立的天線，在此情況下，每個天線方向的選擇和重選與其他的天線方向無關。
下面將通過示例，參照附圖來說明本發明的優選實施例，其中圖1是根據本發明的實施例的通信系統的示意圖；
圖2是根據本發明的實施例的用戶站收發信機的示意圖；以及圖3-7是示出圖2中的收發信機的天線裝置的方向設置的選擇和重選過程的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出了根據本發明的實施例，通過無線信號與基站12進行通信的用戶站14作為通信系統10的一部分。假設在通信系統10內，用戶站14與多個其他的收發信機15(圖1中只示出了其中兩個)一樣，通過廣播信道從基站12接收數據。而且，用戶站14可與基站12通過專用信道進行雙向通信，並且必要時，通過隨機訪問信道向基站12發送消息，用戶站14和通信系統10內的其他收發信機15共享該隨機訪問信道。專用信道可用於要求保證帶寬的業務，如IP電話，以及無需保證帶寬或等待時間就能成功操作的數據業務。本領域的技術人員會認識到，要說明的一定特徵並不是沒有所述特徵的系統所必需的，如保證帶寬的專用信道、隨機訪問信道以及通用廣播信道。但是，本領域的技術人員會認識到本發明是如何應用至此類其他的系統。
用戶站14能優先在至少兩個可選方向的一個方向接收由基站12發送的信號，並向基站12發送信號。通常，用戶站14位於建築物(未示出)的房間內(未示出)，但不必位於窗前以提供與基站12的視距通信。本領域的技術人員會認識到，由基站12發送的信號在通過窗戶或穿牆進入用戶站14所在的房間之前，通常會在一個或多個建築物或其他的對象上反彈。信號還會在房間的牆上反彈。通常，由基站12發送的信號從所有方向到達用戶站14，各個方向的信號強度和相位不同，由於不同信號通道之間的幹擾，導致本地的射頻環境可能有緊密間隔的零和峰值。而且，如果由於用戶站14、房間內對象和人以及室外對象的移動，用戶站14的周圍宏觀環境改變，則在用戶站14的信號會急劇變化。類似地，此類變化會影響由用戶站14發送的和由基站12接收的信號。
雖然全向天線可用於用戶站14，但發明人發現，如果用戶站14使用定向天線，在起動時選擇天線的方向，並當用戶站14的接收質量變化時，重新選擇天線的方向，則用戶站14和基站12之間的數據吞吐量通常比用戶站14使用全向天線時大。
更具體地說，發明人發現，將用戶站14從基站12接收的信號質量最高的方向選為用戶站14從基站12接收和向基站12發送信號的方向，通常是有優勢的，該方向不必是在用戶站14上的射頻輻射場最強的方向。儘管也用其他合適的度量值，並且這些度量值的使用也在本發明的範圍之內，但他們認為目前用於測量信號質量的最佳度量值是平均信幹比(SIR)。他們也發現，由於信號可能會迅速衰減，使用SIR的平均測量值是重要的。
例如，本發明的實施例中使用的合適的天線裝置可與美國專利申請No.09/775,510內所描述的類似。合適的天線裝置16的另一個例子可與美國專利申請No.09/899,927所描述的類似。這些申請內所描述的兩種天線都允許在天線配置之間選擇，這樣可選擇用於接收或發送或同時用於接收和發送的優先的方向。本領域的技術人員會想到其他合適的天線裝置的例子，如多方向天線。實際上，可使用任何具有可選擇的優先接收和發送方向的天線裝置。
如圖2詳細示出的，用戶站14包括定向天線28，其接收和發送的優先方向能響應宏觀環境的變化而改變。用戶站14還包括控制器30，以在可用的天線方向之間進行選擇，以及無線電裝置32和數據機34。無線電裝置32和數據機34接收來自天線28的信號，並將信號轉換成數據。處理器36，如Intel StrongArm處理器，處理接收的數據，並將其提供給連接至用戶站14的數據裝置38或電話裝置40。無線電裝置32包含接收質量評估功能，該功能測量信幹比的值，並向處理器36提供信幹比的測量值。處理器36可操作地響應這些測量值，以確定平均的信幹比，選擇天線方向，並指示控制器30設置或重新設置天線28的天線方向。
處理器38應用如圖3所示的天線控制過程來選擇和重選天線方向。圖3所示的過程從方框44開始，並經過其他三個過程初始選擇過程；接收質量監測過程；以及重選過程，下面將詳細說明這些過程，並且圖4、圖5和圖6分別更詳細地示出這些過程。圖7示出了當要求使用天線28在隨機訪問信道上發送消息時，與天線控制過程交互的過程的片斷。
如圖3所示，天線控制過程由下列步驟組成在方框46，當用戶站14發起與基站12的通信時，運行如圖4所示的初始選擇過程以進行天線方向的初始選擇，然後，只要用戶站14保持與基站12的通信，就重複包括方框48和50的循環。
如圖4所示，初始選擇過程從方框51開始並繼續，在方框52確定每個選擇的天線方向的平均信幹比的值。然後，在方框54，將天線28的方向設置選為具有最高平均信幹比的方向，並在方框55，指示控制器將天線方向設置在該方向。初始選擇過程在方框56終止。
天線控制過程運行如圖5所示的接收質量監測過程，該監測過程運行直到下列事件中較早的一個出現(1)平均信幹比變得不合要求(如下面詳細定義的)，並且曾被保證帶寬的某個其他過程不需要使用天線28，或(2)某個其他過程確定應重選天線方向。
如果這些事件當中任一事件發生，則在方框50進行重選過程，直至天線28被要求提供專用的數據信道，經瞬時中斷來處理隨機訪問信道上的消息傳輸。在任何情況下，在控制返回到接收質量監測過程之前，重選過程運行足夠長的時間以重新設置天線方向至少一次。
如圖5所示，接收質量監測過程通過監測天線28當前設置的天線方向的平均信幹比，決定何時重選天線方向。該決定取決於幾個可根據經驗進行調整的預定量。這些量為最後的觸發後暫掛時段、第一觸發時段、第二觸發時段、滯後容限的下限以及滯後容限的上限。
接收質量監測過程從方框57開始並繼續進行至方框58，在方框58，重新確定監測天線28當前設置的天線方向的平均信幹比。在重新確定平均信幹比之後，在方框60進行檢查，以確定在最後的觸發後暫掛時段，如果平均信幹比已經(1)低於天線方向最後設置或重新設置時測量的平均信幹比；(2)達到滯後容限的下限；以及(3)超過第一觸發時段，並且被保證帶寬的用戶站14沒有提供專用信道，則接收質量監測過程在方框62終止。如果沒有出現上述情況，在方框64作進一步檢查以確定平均信幹比是否已經(1)高於天線方向最後設置或重新設置時測量的平均信幹比；(2)達到滯後容限的上限；以及(3)超過第二觸發時段。
如果是，在方框66將在天線方向最後設置或重新設置時測量的平均信幹比設置成等於目前的平均信幹比，過程循環返回至方框58並繼續上述過程。否則，過程循環返回至方框58而不改變在天線方向最後設置或重新設置時測量的平均信幹比。由以上論述可見，接收質量監測過程將持續進行直至平均信幹比變得不合要求且沒有保證帶寬的專用信道，在此情況下，該過程在方框62終止。此外，如上所述，如果某個其他過程要求立即重選天線方向，圖3所示的整個過程會終止接收質量監測過程。
如圖6所示，重選過程從方框67開始，並循環進行，該循環從方框68開始，重新確定每個選擇的天線方向的平均信幹比。然後，在方框70，將天線28的方向設置選為具有最高平均信幹比的天線方向，並指示控制器32相應地設置天線方向。然後在方框72，在方框68繼續循環之前，重選過程延遲。該延遲是可選的。
圖7示出了另一個過程的一部分，該過程從方框79開始，並與重選過程同時在用戶站14上進行，該過程要求使用天線28在隨機訪問信道上向基站發送消息。如果該過程在重選過程進行的同時發生，則重選過程中斷，從而可使用天線28發送消息，然後重新起動。方框80、方框82和方框84說明了這種情況，方框80表示過程中的零或更多的步驟；方框82表示以下步驟中斷重選過程、發送消息以及重啟重選過程，方框84表示過程中的剩餘步驟。
本領域的技術人員會認識到上述過程中的特定步驟的順序可與其他步驟互換或組合，不會影響結果。例如，在圖5中，方框64和66可在方框60之前進行。改變方框64和66以及方框60的順序在一定條件下會影響接收質量監測過程每隔多久重新確定平均信幹比。
本領域的技術人員也會認識到收發信機14可包括獨立的接收和發送天線(未示出)。在此情況下，上述方法可單獨應用於每個天線，這樣可根據各個天線的接收質量，選擇並重選每個天線的方向。發明人發現通常短距離內接收質量變化很大，因此每個天線的方向最好是獨立於其他的天線方向設置。可以想到，在一些條件下，也許不是這種情況，在此情況下，使用第三天線來監測所有方向的接收質量，並使用其數據來選擇和重選接收和發送天線的方向。根據被接收和發送的數據的自然屬性，可異步地改變接收和發送天線的方向。
本發明的上述實施例僅作為本發明的示例。本領域的技術人員在不超出本發明權利要求書所限定的範圍的情況下，可對其進行替換和修改。
權利要求
1.一種用於選擇和重選第一天線的天線方向的方法，所述第一天線能夠優先在至少兩個可選方向中的一個方向上向第二天線發送信號，所述方法包括(1)為可選天線方向中的每一個確定合適的度量值；(2)選擇天線方向為具有最佳度量值的天線方向；然後(3)監測選擇的天線方向的度量值，並當選擇的天線方向的度量值降至低於最小值時，按步驟(1)和(2)重選天線方向。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，當選擇的天線方向的度量值低於最後用來選擇天線方向的度量值達到第一觸發時段的滯後容限的下限時，重選天線方向。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，當出現下列情況時重選天線方向(a)選擇的天線方向的度量值低於最後用來選擇天線方向的度量值達到第一觸發時段的滯後容限的下限；以及(b)在觸發後暫掛時段內，條件(a)出現未超過一次。
4.根據權利要求1-3任意一項所述的方法，其中，在天線方向每次重選之後，重複步驟(1)和步驟(2)直至第一天線被要求用於提供專用信道。
5.根據權利要求1-4任意一項所述的方法，其中，當選擇的天線方向的度量值高於最後用來選擇天線方向的度量值達到第二觸發時段的滯後容限的上限時，將最後用來選擇天線方向的度量值設定為選擇的天線方向的度量值。
6.根據權利要求1-5任意一項所述的方法，其中，天線方向的重選會被中斷以在隨機訪問信道上發送信號。
7.根據權利要求1-6任意一項所述的方法，其中，當第一天線用於提供受保證帶寬約束的信道時，不重選天線方向。
8.根據權利要求1-7任意一項所述的方法，其中，所述度量值是由第一天線接收、由第二天線發送的信號的平均接收信幹比的函數。
9.一種用於選擇和重選第一天線的天線方向的方法，所述第一天線能夠優先在至少兩個可選方向中的一個方向接收由第二天線發送的信號，所述方法包括(1)為可選天線方向中的每一個確定合適的度量值；(2)選擇天線方向為具有最佳度量值的天線方向；然後(3)監測選擇的天線方向的度量值，並當選擇的天線方向的度量值降至低於最小值時，按步驟(1)和(2)重選天線方向。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，當選擇的天線方向的度量值低於最後用來選擇天線方向的度量值達到第一觸發時段的滯後容限的下限時，重選天線方向。
11.根據權利要求9所述的方法，其中，當出現下列情況時，重選天線方向(a)選擇的天線方向的度量值低於最後用來選擇天線方向的度量值達到第一觸發時段的滯後容限的下限；以及(b)在觸發後暫掛時段內，條件(a)出現未超過一次。
12.根據權利要求9-11任意一項所述的方法，其中，在天線方向每次重選之後，重複步驟(1)和步驟(2)直至第一天線被要求用於提供專用信道。
13.根據權利要求9-11任意一項所述的方法，其中，當選擇的天線方向的度量值高於最後用來選擇天線方向的度量值達到第二觸發時段的滯後容限的上限時，將最後用來選擇天線方向的度量值設定為選擇的天線方向的度量值。
14.根據權利要求9-13任意一項所述的方法，其中，天線方向的重選會被中斷以在隨機訪問信道上發送信號。
15.根據權利要求9-14任意一項所述的方法，當第一天線用於提供受保證帶寬約束的信道時，不重選天線方向。
16.根據權利要求9-15任意一項所述的方法，其中，所述度量值是由第一天線接收、由第二天線發送的信號的平均接收信幹比的函數。
17.一種收發信機，包括第一天線，其能夠優先在至少兩個可選方向中的一個方向上向第二天線發送信號；控制器，其用於設置第一天線發送信號的方向；處理器，其用於確定指示控制器將第一天線發送信號的方向設置到的方向；以及無線電裝置，其用於從第一天線接收信號，並向處理器提供接收的信號質量的測量值，其中，處理器指示控制器將第一天線發送信號的方向依次設置為每個可選的天線方向，並根據由無線電裝置提供的所接收的信號質量的測量值確定每個可選的天線方向的合適的度量值，根據確定的度量值選擇最佳天線方向，指示控制器將天線方向設置在此最佳方向，然後監測選擇的天線方向的度量值，並當選擇的天線方向的度量值降至低於最小值時，重選天線方向。
18.根據權利要求17所述的收發信機，其中，當選擇的天線方向的度量值低於最後用來選擇天線方向的度量值達到第一觸發時段的滯後容限的下限時，重選天線方向。
19.根據權利要求17所述的收發信機，其中，當出現下列情況時，重選天線方向(a)選擇的天線方向的度量值低於最後用來選擇天線方向的度量值達到第一觸發時段的滯後容限的下限；以及(b)在觸發後暫掛時段內，該條件(a)出現未超過一次。
20.根據權利要求17-19任意一項所述的收發信機，其中，在天線方向每次重選之後，重複重選步驟直至第一天線被要求用於提供專用信道。
21.根據權利要求17-20任意一項所述的收發信機，其中，當選擇的天線方向的度量值高於最後用來選擇天線方向的度量值達到第二觸發時段的滯後容限的上限時，將最後用來選擇天線方向的度量值設定為選擇的天線方向的度量值。
22.根據權利要求17-21任意一項所述收發信機，其中，天線方向的重選會被中斷以在隨機訪問信道上發送信號。
23.根據權利要求17-22任意一項所述的收發信機，其中，當第一天線用於提供受保證帶寬約束的信道時，不重選天線方向。
24.根據權利要求17-23任意一項所述的收發信機，其中，所述度量值是由第一天線接收、由第二天線發送的信號的平均接收信幹比的函數。
25.一種收發信機，包括第一天線，其能夠優先從至少兩個可選方向中的一個方向接收信號；控制器，其用於設置第一天線優先接收信號的方向；處理器，其用於確定指示控制器將第一天線優先接收信號的方向設置到的方向；以及無線電裝置，其用於從第一天線接收信號，並向處理器提供接收的信號質量的測量值，其中，處理器指示控制器將第一天線接收信號的方向依次設置為每個可選的天線方向，並根據由無線電裝置提供的所接收的信號質量的測量值確定每個可選的天線方向的合適的度量值，根據確定的度量值選擇最佳天線方向，指示控制器將天線方向設置在此最佳方向，然後監測選擇的天線方向的度量值，並當選擇的天線方向的度量值降至低於最小值時，重選天線方向。
26.根據權利要求25所述的收發信機，其中，當選擇的天線方向的度量值低於最後用來選擇天線方向的度量值達到第一觸發時段的滯後容限的下限時，重選天線方向。
27.根據權利要求25所述的收發信機，其中，當出現下列情況時，重選天線方向(a)選擇的天線方向的度量值低於最後用來選擇天線方向的度量值達到第一觸發時段的滯後容限的下限；以及(b)在觸發後暫掛時段內，條件(a)出現未超過一次。
28.根據權利要求25-27任意一項所述的收發信機，其中，在天線方向每次重選之後，重複重選步驟直至第一天線被要求用於提供專用信道。
29.根據權利要求25-28任意一項所述的收發信機，其中，當選擇的天線方向的度量值高於最後用來選擇天線方向的度量值達到第二觸發時段的滯後容限的上限時，將最後用來選擇天線方向的度量值設定為選擇的天線方向的度量值。
30.根據權利要求25-29任意一項所述的收發信機，其中，當所述天線用於提供受保證帶寬約束的信道時，不重選天線方向。
31.根據權利要求25-30任意一項所述的收發信機，其中，所述度量值是由第一天線接收、由第二天線發送的信號的平均接收信幹比的函數。
32.一種無線通信系統，包括如權利要求17-23和權利要求25-30任意一項所述的收發信機，以及基站，其包括用於向所述收發信機發送信號和從所述收發信機接收信號的第二天線。
33.根據權利要求32所述的無線通信系統，其中，所述度量值是由第一天線接收、由第二天線發送的信號的平均接收信幹比的函數。
全文摘要
一種用於天線的選擇和重選天線方向的方法和系統，所述天線能夠在至少兩個可選方向之一發送信號。用平均接收的信幹比來初步選擇天線方向。然後，監測平均接收的信幹比，當平均接收的信幹比常時間地或頻繁地遠遠低於用來初步選擇天線方向的平均接收的信幹比時，並且如果當時天線未被要求用於不中斷的發送，重選天線方向。如果平均接收的信幹比明顯低於用來初步選擇天線方向的水平，向下重新設置該水平。如果開始重選，則周期地重複重選直至天線被要求用於發送信號。
文檔編號H04B7/08GK1759545SQ200480006609
公開日2006年4月12日 申請日期2004年3月9日 優先權日2003年3月10日
發明者安東尼·格爾基斯, 本·加姆薩, 拉梅什·曼莎 申請人:索馬網絡公司