专利名称：使用地理位置数据的通信系统的制作方法
相关申请这份申请是美国专利申请第08/729,289号(1996年10月10日申请)的部分继续申请，该申请的教导通过在此引述而全部并入本文。本发明的技术领域现在，通信频谱是非常宝贵的，而个人通信系统(PCS)突出的大容量需求使问题更复杂。虽然所有无线通信的调制技术都容忍因同信道干扰引起的容量限制，但是扩频即码分多址(CDMA)是一种特别适合利用空间处理扩大用户容量的调制技术。扩频将信号带宽从R(bits/sec)增大到W(Hz)，其中W＞＞R，所以多重信号可以共享同一频谱。因为它们共享同一频谱，所以所有的用户都被当成同信道干扰。容量与干扰功率成反比，所以减小干扰则增大容量。
一些诸如使用扇形天线之类初级的空间处理可以用于减少干扰。可以用三个天线(每个120°扇区)代替单一的全相天线，以便有效地将干扰降低3倍，因为每个天线平均只盯着1/3用户。借助每个天线的转发通信硬件，容量增大3倍。
理想的是，自适应天线阵列可以用于有效地消除来自其它用户的干扰。假设有无限小的波束宽度和理想的跟踪，于是自适应阵列处理(AAP)能够为每个用户提供一个独特的无干扰信道。这种空分多址(SDMA)的实例允许系统中每个用户同时利用同一频率的信道进行通信。但是，这种AAP SDMA系统是不现实的，因为它需要的天线数量无限大而且需要复杂的信号处理硬件。可是就实现SDMA的实际优点而言，大量的天线和无限小的波束宽度并非是必须的。
SDMA允许较多的用户同时用同一频率进行通信，因为这些用户在空间上是分开的。SDMA可以在CDMA系统中直接应用。SDMA也可以在时分多址(TDMA)系统中直接应用，但是为了充分利用SDMA，要求监测并重新分配时隙以便允许在空间上分开的用户同时共享同一时隙。SDMA还可以直接应用在频分多址(FDMA)系统中，但是，类似地，为了充分利用SDMA，要求监测并重新分配频隙以便允许在空间上分开的用户同时共享同一频带。
在蜂窝应用中，SDMA借助降低相邻蜂房之间的同信道干扰在三个调制电路中都直接改进了频率重复使用(在相邻蜂房中使用同一频谱的能力)。SDMA可以直接应用于TDMA和FDMA调制电路，甚至对来自相邻蜂房的无效同信道干扰不重新分配时隙或频隙，但是容量扩充效果不象为了充分利用SDMA而重新分配时隙和频隙那样令人瞩目。本发明的概述代替使用全自适SDMA装备的是，利用用户的位置信息将天线波束形成从自适性问题变成确定性问题，借此简化处理的复杂性。优选的是，波束形成器基于位置数据采用简单的波束控制计算。采用全球定位的智能型天线波束形成显著增加同时使用的容量，而且没有自适应装备的费用和硬件复杂性问题。在本发明的蜂窝应用中，利用基站的天线阵列(例如波束宽度30°)借助降低与其它移动单元往来的干扰使蜂房容量提高一个数量级。利用移动单元的天线阵列可以借助降低与其它移动单元往来的干扰(即改进频率的重复使用)来提高容量。对于波束形成，每个移动用户位置的估算精度和跟踪每个移动用户所必需的更新速度都将很好地落在不昂贵的小型全球定位系统(GPS)接收器的能力范围内。
一般的说，本发明是一个众多用户借助无线连接的通信系统。本发明的一个优选的实施方案是蜂窝移动电话系统。每个用户都有发射器、接收器、被空间隔开的天线阵列、确定其当前位置的设备和方法、解码并储存其他用户位置的硬件、以及波束形成硬件。波束形成器使用储存的位置信息以获得天线上往来信号的最佳组合，致使最终的波束图案瞄准所需用户，避开非所需用户。
本发明的一个方面使用定向寻的系统。该系统使用地理定位数据计算无线电信号的到达角。此外，地理定位数据被用于计算无线电信号的距离。利用获得的到达角和距离，依据本发明的系统能最后修改收发设备之间的无线电信号束。附图的简要说明从下面关于采用地理位置的通信系统的优选实施方案的描述、更为具体的附图和更具体的介绍，本发明的上述目的和其它目的、特征以及优点，包括各种新颖的结构细节和各部分的组合，都将是清楚明了的，在这些附图中相同的参考文字始终表示同一零部件。应当理解，现在展示的实现本发明的具体装置和方法仅仅是以说明性的方式进行的，为了在阐述本发明的原理时强调重点，而不作为本发明的限制。本发明的原理和特点都能在不脱离本发明范围的条件下应用于大批的各种各样的实施方案中。
图1是蜂窝通信系统的示意图。
图2是在图1的基站和移动单元中各个部分的示意方框图。
图3是通用的自适应天线阵列的示意图。
图4是在采用AAP SDMA进行蜂窝通信时移动单元至基站的通信链路示意图。
图5是在采用AAP SDMA进行蜂窝通信时基站至移动单元的通信链路示意图。
图6是使用全球定位技术的通用的SDMA通信系统的示意图。
图7是图6中的两个通信用户的示意方框图。
图8是采用全球定位数据的蜂窝电话系统操作方法的流程图。
图9是采用全球定位数据的蜂窝电话系统的示意图。
图10是控制电路的示意方框图。
图11是调零电路的示意方框图。
图12是用于移动单元波束形成器的接收模块的示意方框图。
图13是用于移动单元波束形成器的发射模块的示意方框图。
图14是用于基站波束形成器的接收模块的示意方框图。
图15是用于基站波束形成器的发射模块的示意方框图。
图16是在中频使用实数值FIR滤波的优选的基站示意方框图。
图17是在基带使用复数值FIR滤波的优选的基站示意方框图。
图18是基于处理自适应阵列的算法的波束整形电路的示意方框图。本发明的详细描述图1是通用的地面蜂窝无线通信系统的示意图。这种通信系统提供服务的地理范围从地理上被分成许多蜂房10，每个蜂房10有一个地理位置固定的基站20。每个蜂房10可以有任意数量的蜂窝移动单元30，这些移动单元可以在各个蜂房10之中或之间移动。
图2是在基站20中的各部分和移动单元30的示意方框图。如图所示，每个基站20包括具有发射器212、接收器214和控制硬件220的收发设备210以及一套与众多移动单元30通信的天线25。移动单元30在整个提供服务的地理服务区域内自由漫游。每个移动单元30包括具有发射器312、接收器314和控制硬件320的收发设备310，手机8以及允许对基站20同时发送和接收声音信息的天线35。基站20与移动通信的交换站(MTSO)5通信，将这些呼叫接通到正确的目的地。
扩频的蜂窝通信系统的容量可以被表示成N=(W/R)(N0/Eb)(1/D)FG其中W是带宽(通常是1.25MHz)；R是数据速率(通常是9600bps)；Eb/N0是能噪比(通常是6dB)；D是话音工作比(假定为0.5)；F是频率重复使用(假定为0.6)；G是每个蜂房的扇区数(假定为1，或者是全向的)；以及N是同时通话的用户数。
这样，一个典型蜂房只能支持大约25至30门同时呼叫。空分多址(SDMA)可以用来增大容量。
在移动单元-基站链路中借助在基站使用自适天线提高容量可以由下面的表Ⅰ扼要地说明。这些结果是在固定预留容量概率为10-3的条件下对各种各样的天线波束宽度有效的。
表Ⅰ在移动单元至基站的链路上基站天线波束宽度与呼叫能力的关系
图3是M单元自适天线阵列和波束形成器的示意图。每个单元有N个自适线形滤波器(ALF)55，其中N是每个蜂房的用户数。每个自适线形滤波器55实时适应形成来自和去往每个移动单元30的波束。每个自适线形滤波器55采用各种技术以形成最佳波束，例如使用训练序列(training sequences)、动态反馈和性能恢复算法(property restoral algorithms)。优选的自适线形滤波器是在授权给Chiang的美国专利第5,535,150号中介绍的那种单芯片的自适滤波器，该篇文献的教导都通过在此引述而合并于本文。
M个单元的阵列能够将(M-1)个同信道干扰源调整到零。但是，所有在码分多址的蜂房中的用户共享同一频带，因此它们都是在移动单元至基站的链路中的同信道干扰。由于用户数N远远超过天线数M，所以不能应用估算到达方向的子空间法。而采用恒模算法(CMA)的自适波束形成方法是更适用的。
对于基站至移动单元的链路，同信道干扰源是附近的基站。可以想象，在移动单元的自适阵列中天线数可能大体上与附近的基站数相同，所以估算到达方向的子空间法能够用于为干扰基站清零。两种类型的AAP算法的计算复杂性大致相等。
在蜂窝系统中采用AAP引起的计算复杂性的主体是由于协方差公式化和相似度处理。协方差是矩阵序列的和，其中每个都是复数阵列子样的外积。这个外积的每一项都是一个复数乘积。该计算要求进行大约K2次运算，其中K是天线数。AAP算法利用这个协方差计算天线的加权矢量，然后将这个矢量施加给收到的信号矢量。这是一个需要复制所需信号的矩阵求逆。协方差定期更新，而且实时地复制每个所需信号。
总之，在蜂窝系统中采用AAP SDMA引起的计算复杂性中大约有1/2至2/3都归因于协方差公式化，而复杂性的其余部分属于矩阵求逆，用于复制权的生成。因此，装备AAP SDMA的复杂性、尺寸、功率耗损和成本大大妨碍了人们对它的认可。在优选的实施方案中，本发明基本获得与SDMA的全自适装备相同的结果，但是硬件的复杂性显著减少、尺寸较小、功耗较低、成本也比较低。
图4是在采用AAP SDMA的蜂窝通信系统中移动单元至基站通信链路的示意图。该图说明天线阵列从移动单元30沿着中心方向155向基站20空分多址发射的束方向特性150。它还说明不用空分多址时存在的干扰170。
假设基站20使用多天线自适阵列，而移动单元使用单一的全向天线，在反向信道(上行链路，即移动单元至基站)中，基站的天线阵列如图4所示把它的接收射束仅仅指向所需的移动单元30，借此减少来自蜂房内和蜂房外的其它用户的干扰。
对于120°的波束宽度，蜂房10内大约1/3的移动单元30是阵列可见的，所以容量大约增大3倍。类似地，对于30°的波束宽度，蜂房10内大约1/12的移动单元30是阵列可见的，所以容量大约增大12倍。
假设基站20和移动单元30两者都使用多单元天线阵列，就反向信道而言，这个系统显著减少来自蜂窝外的移动发射器的干扰，因为它们正朝它们自己的基站形成波束。理想地，这将提高频率重复使用F，从0.6提高到接近1.0，借此将容量增大大约2/3。模拟这种系统的结果表明在来自移动单元的波束宽度为60°的条件下频率重复使用因子F=0.8826将使容量比全向情况(F=0.6)提高47％。
由于在移动单元30上采用自适阵列获得的改进不象在基站20上采用自适阵列获得的改进那样引人瞩目。此外，复杂性、尺寸功率和成本都可能在大多数情况下使在移动单元中应用天线阵列变得的不实际。但是，由移动单元30中的自适阵列实现的减少蜂房间干扰在频繁通信的环境中和对于在蜂房边界附近(这里干扰最大)的移动单元30可能是关键的。
图5是在采用AAP SDMA的蜂窝通信系统中基站至移动单元通信链路的示意图。假设基站20使用多天线阵列而移动单元30使用单一的全相天线，在基站至移动单元的链路中，基站20的天线阵列象用图4说明的那样将减少对蜂房内的其它用户180和蜂房外的其它用户175的干扰。对于不同的波束宽度，这种信道的结果扼要地列于表Ⅱ。
表Ⅱ在基站至移动单元的信道中基站天线波束宽度与蜂房容量的关系
假设基站20和移动单元30两者都使用多单元自适天线阵列，就正向信道而言，这个系统显著减少来自蜂房外基站的干扰，因为移动单元30正朝它们自己的基站形成波束。理想地，在反向信道中，这将提高频率重复使用因子F，从0.6提高到接近1.0，借此将容量增大大约2/3。
图6是使用地理定位技术的通用SDMA通信系统的示意图。如图所示，第一用户301和第二用户302正在通信。第一用户301计算所需用户302的方向，而且沿着所需方向316形成波束方向特性图314。除了所需用户302之外，用户要避免按不需要的用户303的方向317发射波束。此外，第一用户301还要避免接收来自除所需方向316之外其它任何方向的波束。这些目标是通过利用狭窄的定向无线电波束来实现的。
无线电波束从发射单元以波束宽度角BO向外扩展。用rm表示发射单元至接收单元的距离。在接收单元处波束宽度为Bm。在蜂窝系统中，基本单元定位在半径为R的地域蜂房的中心，而接收单元通常是移动的并且以速度V运动。
图7是图6所示用户通信的示意方框图。如图所示，第一用户301和第二用户302从卫星系统90接收地理定位数据。用户301、302利用受各自的波束形成电路34控制的各自的天线阵列52进行通信。除了标准的收发设备310和控制硬件320之外，全球定位系统(GPS)电路350与全球定位卫星系统90通信，以便将指令提供给波束形成器314。虽然图示说明的是卫星系统90，但是地理定位数据也可以由地面定位系统提供或推演。此外，采用基于地面和卫星两者的发射器的微分型全球定位系统也可以使用，以便提供高分辨率的定位。
图8是采用地理定位数据的蜂窝电话系统的操作方法流程图。作为在移动单元30和基站20之间最初建立无线链路的一部分(步骤500)，移动单元30必须确定其当前位置。GPS接收器可能并非在跟踪卫星并且可能需要几分钟才能得到精确的位置估算值(冷启动)。如果GPS接收器正在冷启动(步骤510)，基站20提供近似的定位估算值，以便确定的GPS接收器的取向并显著加速位置搜索(步骤512)。它能借助对毗邻基站的三角形化发送移动单元位置的估算值。这个信息可以与信道分配信息(该信息通知通信信道的移动单元在该信道上发送声音和数据)一起经寻呼信道发送。用户共享寻呼信道以便交换接通呼叫所需要的信息。
然后，基站20将它的位置经寻呼信道发送给移动单元30(步骤520)。如果移动单元30正在使用定向天线阵列35’，它利用基站位置、它的当前位置和航向信息如上所述形成朝向基站20的波束方向特性(步骤530)。移动单元将频率调到通信信道频率并开始将通信信道导言和移动单元的当前位置信息经反向通信信道发送给基站(步骤540)。GPS定位数据每两秒更新一次并经反向通信信道发送给基站。
如果移动单元30正在使用定向天线阵列35’，它每两秒利用当前航向信息并且将更新后它的位置信息与储存的当前基站的定位数据进行比较，来更新朝向基站20的波束特征。基站20还接收更新后的移动单元的定位信息并且更新它朝向移动单元的波束方向特性(步骤550)。在基站之间移交期间(步骤560)，如果使用移动天线阵列，该天线阵列将失去方向性(步骤570)，以便允许用户与其它基站通信。
图9是采用地理定位数据的蜂窝电话系统的示意图。优选的实施方案是在蜂窝扩频通信系统中利用用户位置知识的SDMA配置。固定基站20与在规定的地理蜂房10内漫游的移动单元30通信。每个基站20由收发设备210、定向天线阵列25’和相关的波束形成硬件24、控制硬件220、以及用于确定呼叫线路的带移动的远程通信交换站(MTSO)5的发射链路组成。移动单元30由带送话器和耳机的手机8、收发设备310、GPS接收器350(或其它确定移动单元位置的硬件)、以及全相天线35或非必选的定向天线阵列35’和相关的波束形成硬件34。
本发明优选的实施方案使用常规的CDMA基站20，但是补充能形成36°波束宽度的天线方向特性的10单元定向天线阵列25’、波束形成硬件24、以及附加的调制解调器，以适应呼叫容量成数量级地增长。波束形成硬件24将每个移动单元当前的经度和纬度作为输入，将该输入与基站20的已知定位数据进行比较以确定每个移动单元的信号的到达角(AOA)，并且生成一组复数的天线权施加给送往每个移动单元的每个天线输出，以致综合信号代表将发射与接收信号控制在所需移动单元的方向上的波束方向特性。复数的天线权是为了单简单地操纵波束而进行计算的。
可以将一组针对有限的一组到达角的权储存在可编程的只读存储器(PROM)中并且可以调用和输出，以此代替实时计算权。波束方向特性优选随着移动单元30接近基站20增宽(如下所述)，因为随着移动单元30接近基站20，波束的覆盖面减小。此外，在移动单元30接近基站时，传播来自几乎与移动单元30具有相同位置的多路分量的假设变得不那么有效。波束形成硬件24可以非必选地同时跟踪多个移动单元并将起干扰作用的移动单元置零，但是这在计算方面是更复杂的(尽管不如全自适阵列复杂)。
基站天线阵列形成波束宽度为B0=30°的天线方向特性。假设蜂房半径R是6公里，移动单元在半径rm(m)处，移动单元的最大速度V是100公里/小时，而且以每秒2次的速度U更新定位估计值，对天线方向特性的几何切割(the pie-slice geometry)的研究揭示出，在移动单元的该位置上的天线波束宽度为Bm=2πrm(B0/360)，该数值随着移动单元30接近基站20而减小。一旦将移动单元30的位置估计值确定下来并将它发射给基站20，基站20将形成主波瓣中心在移动单元30上的天线方向特性。
在最坏的情况下，这个估算值的偏差T=30m。在更新周期中，移动单元行进V/U(m)，而且只要这个距离小于Bm/2(在移动单元位置上波束宽度(m)的一半)减去定位估算值误差T，移动单元就将保持在天线主波瓣之内，即V/U≤(Bm/2)-T。用典型的数值计算这个等式并求解移动单元的位置得出速度V=100km/h时rm≥167.6m。所以只要移动单元至基站20的距离大于167.6m，该移动单元就保持在波束覆盖区内。
基站20使用在移动单元30比167.6m近时感受到的定位信息将波束方向特性加宽到全向(或非必选的加宽到120°)。这种加宽不显著增大对其它用户的干扰，因为对于近旁的移动单元30使用小功率。用于加宽波束的复数天线权优选针对有限的一组到达角计算的结果储存在存储器中，以备调用和直接输出。
移动单元30包括常规手机8，该手机优选增添集成的GPS接收器350并修改控制逻辑320，以便将GPS定位数据并入传送给基站20。在汽车中实现的移动单元30除使用上述包括内装GPS接收器的手机之外，优选使用安装在汽车上的3单元的定向天线阵列35’和波束形成硬件34。波束形成硬件34储存当前的基站经度和纬度，将该数据与其自己当前的经度和纬度进行比较，并且借助GPS的多普勒信息计算它当前的航向，以便确定基站信号的到达角。查表(例如在ROM中)提供控制朝向基站发射和接收波束的方向特性的天线的权。波束形成硬件非必选地能够同时跟踪多个基站并且将有干扰的基站置零。
移动单元必要的定位精度取决于天线波束的宽度。假设定位允差T=30m的范围内(即确定的位置以相当高的概率落在半径T=30m的圆内)，那么当移动单元移动时天线波束必须覆盖在再次检测位置并更新天线方向特性之前的两秒钟内移动单元可能在其中移动的整个区域。由于波束方向特性的切割滤波轮廓，在移动单元30接近基站20时波束覆盖区域减小而且必须加宽，以便覆盖移动单元30在两秒钟的更新周期内区可能在其中行进的区域。
使用天线阵列35’的移动单元可以形成波束宽度B1=120°的天线方向特性。假设蜂房半径R=6km、移动半径为rm(m)、移动单元最大的旋转速度Ω=45°/sec.(即该移动单元在2秒钟内可以转90°角)，而且定位估算值以每秒钟2次的速度(U)更新，那么对天线方向特性的切割滤波轮廓的研究得到在基站的定位允差Tb=360T/2πrm(度)，在移动单元30接近基站20时该允差增大。
除了定位之外，移动单元30需要知道它的行进方向，所以它能确定其天线阵列的取向。这个方向矢量可以从GPS多普勒数据或从罗经(compass)推演。
定位估算值一经确定，移动单元30形成天线方向特性，其主波瓣的中心在基站20上。在最坏的情况下，这个估算值的偏差为Tb(°)，并且移动单元30以最大的旋转速度Ω=45°/sec.转弯。在更新周期内，移动单元的主波瓣旋转Ω/U(°)，而且只要这个角度小于B1/2(移动波瓣(°)的一半)减定位估算值的误差(Tb(°))，基站就将保持在移动天线的主波瓣内，即Ω/U≤B1/2-Tb。用上述数值计算这个等式并求解移动位置得出rm≥45m。所以，只要基站20距移动单元30在45m以上，基站就保持在波束覆盖区内。
移动单元30使用在它至基站20的距离比45m近时感受到的定位信息将波束方向特性加宽到全向。这种加宽再一次因为发射的功率低而不显著地增大对其它用户的干扰。查在ROM中的表提供天线的权，以便在移动单元30在波束站的45m之内时或在移动单元30与一个以上基站20通信时的呼叫移交期间将波束的方向特性变成全向。
只要传播来自几乎与视线分量相同的方向的多路分量，本发明优选的实施方案就将包括降低干扰和提高容量的那个方面，这是一个适当的假设。通常，多路信号相对接收器被限制在5至10弧度的范围内。这样一来，可以使用各种各样的技术来识别和消除收到信号中的多路分量。
本发明的某些方面即使一些用户不具备SDMA能力也能实践。在个别用户不使用天线阵列的情况下，该用户将不使用定位信息并且将履行常规的发射和/或接收。类似地，在用户不提供定位信息的情况下，其它用户将履行与该用户往来的常规发射和/或接收。随着普通用户逐步淘汰、配备SDMA的用户逐步纳入，该系统的容量将随着配备SDMA的用户的比例增加而增加。
图10是控制电路的示意方框图。这个控制电路52包括与接收来自卫星的GPS信号的GPS天线520相连的GPS接收器522。该GPS接收器522计算单元的纬度和经度。定向搜寻器524利用第一备查表处理移动单元的纬度LATM和经度LNGM数据以及基站的纬度LATB和经度LNGB数据，以便基于下式计算到达角(AOA)和距离(RNG)AOA=tan-1[LNGM-LNGBLATM-LATB]]]>RNG=(LATM-LATB)2+(LNGM-LNGB)2]]>然后，借助在天线控制单元526中的第二备查表处理AOA和RNG的值，将这些数值转换成天线的权。计算天线的权是为了按到达角的方向控制波束。这就是说在距离低于规定的门限值时(即移动单元非常接近基站)以及对于在移交期间的移动单元，天线的权变成1(即全向)。天线的权提供给波束形成器。
图11是调零电路的示意方框图。来自每个用户的位置数据由GPS电路521a、…、521k处理。接收所需特定用户“a”的纬度LATMa和经度LNGMa数据，也接收不需要的其它用户的纬度LATMb、…、LATMk和经度LNGMb、…、LNGMk数据。在定向搜寻单元523中第一备查表基于基站的纬度LATB和经度LNGB数据将来自移动单元的纬度和经度数据转换成需要的到达角AOAa和不需要的到达角AOAb、…、AOAk。每个用户的这种信息都在调零单元525中被送往第二备查表，算出天线的权，以便将射束控制在所需到达角AOAa的方向上，避开不需要的到达角AOAb、…、AOAk(即电路将不需要的用户置零)。天线的权可能变成1。来自调零单元525的天线的权提供给波束形成器。
图12是移动单元波束形成器的接收模块的示意方框图。该电路接收在定向天线阵列35’中各自的天线35’a、35’b、35’c上的许多射频信号INa、INb、INc。这些射频信号经3信道接收器处理后进入3个基带信号的信道。每个基带信号借助可编程滤波器342a、342b、342c进行处理。象前面介绍的那样工作的控制/调零电路344接收来自GPS接收器(未示出)的GPS信号。这个控制/调零电路344控制可编程滤波器342a、342b、342c。射频混合器346将来自可编程滤波器的输出合并，生成输出信号OUT。
图13是移动单元波束形成器的发射模块的示意方框图。输入信号IN被分成3路并且由各自的可编程滤波器341a、341b、341c进行处理。如上所述，控制/调零电路343基于来自GPS接收器(未示出)的输入控制可编程滤波器341。基带信号的3个信道来源于可编程滤波器并且馈电到3信道发射器314，该发射器将射频信号OUTa、OUTb、OUTc送到各自在天线阵列35’中的天线35’a、35’b、35’c。在本发明优选的实施方案中，该系统借助包括一个如授权给Chiang的美国专利第5,089,983号所介绍的矢量-矩阵乘积处理系统完成可编程滤波，该专利的教导都通过在此引述而合并于本文。
图14是基站波束形成器的接收模块的示意方框图。如图所示，基站的天线阵列25’包括10个天线25’1、…、25’10。10信道接收器212接收输入信号IN1、…、IN10并且得到10条基带信号的信道。每条信道的基带信号借助可编程滤波器阵列242进行处理，其中每个包括各自的可编程滤波器，用于N个潜在用户中的每一个。如上所述，适合每个用户的控制/调零电路244基于从每个用户接收的GPS数据控制可编程滤波器242。射频混合器246将来自可编程滤波器242的输出合并成N个输出信号OUT。
图15是基站波束形成器的发射模块的示意方框图。发射器部分接收被被分成10路送进10条信道的输入信号IN。每个信道都由可编程滤波器阵列241进行处理，阵列中每个可编程滤波器适合N个潜在用户。如上所述，适合每个用户的控制/调零电路243基于来自每个移动用户的GPS数据控制这些可编程滤波器。这些可编程滤波器得到N个被分成10条信道的基带信号，这些基带信号借助10信道发射器214被传送到天线阵列25’。每个天线25’1、…、25’10接收来自发射器214的各自的射频输出信号OUT1、…、OUT10。
在本发明优选的实施方案中，蜂窝基站包括足够的信号处理硬件支持运用收自移动发射器的全球定位信息，以使接收天线阵列的方向特性的形状最佳。这种方法是一种替代方法，它代替使用全自适的天线阵列，这种天线阵列就其硬件和软件而论需要非常非常高的成本。
为了实现全自适基站接收器，天线输入数组必须经过处理，得到一组复数值的权，然后将这个权反馈以调整输入信号的增益和相位。需要给一个输入信号施加多个权意味着与频率无关。权既可以作为实数值的有限脉冲响应(FIR)滤波器在选定的中频(IF)施加给每个输入信号(如下面图16所示)，又可以作为复数值的FIR滤波器在基带施加给每个输入信号(如下面图17所示)。在施加适当的权之后，来自每个天线信道的输出被加和起来，以便从数组得到经波束形成处理的输出。
图16是优选的在中频使用实数值FIR滤波的基站的示意方框图。具体地说，基站1020使用一种用于经过降频且频带受到限制的信号的抽样射束成形系统。移动单元30通过许多N个接收器的单元10101、10102、…、1010N与基站1020通信。每个接收器包括各自的天线10221、10222、…、1022N。收到的信号通过带通滤波器10241、10242、…、1024N；增益可控制的放大器10261、10262、…、1026N；乘法器10281、10282、…、1028N；以及第二带通滤波器10301、10302、…、1030N以形成N个接收器的输出信号从天线10221、10222、…、1022N发射。
这些接收器的输出信号被输入到处理芯片1040，该芯片包括用于每个输入信号的抽样电路10421、10422、…、1042N和可编程FIR滤波器10441、10442、…、1044N。FIR滤波器的输出由加和电路1046加和起来。后处理器1048与芯片外的自动增益控制(AGC)电路通信，以便将控制信号提供给放大器10261、10262、…、1026N，改变放大器送到增益。
后处理器1048还与芯片外的全球定位控制器1038通信，该控制器将全球定位数据提供给加权电路1046。加权电路1036将权提供给芯片内的可编程滤波器10441、10442、…、1044N。
图17是优选的在基带使用复数值FIR滤波的基站的示意方框图。与图16相同，基站1020’包括许多接收器，这些接收器将输入信号提供给处理芯片1050。处理芯片1050给出两条通向芯片外后处理器1034的输出信道，该后处理器为这两条信道提供解码、编码并使之均衡。后处理器1034将信号传送给AGC电路1032，以控制接收放大器10261、…、1026N，并且与全球定位控制器1038通信。来自全球定位控制器1038的全球定位数据经过权更新电路1036’处理，算出适合2N M级FIR滤波器阵列的权。
基站包括采用双信道降频系统的波束成形电路。处理芯片1050包括抽样电路10521、…、1052N和乘法器10541、…、1054N。每个乘法器10541、…、1054N都提供同相信道10561-I、…、1056N-I和正交信道10561-Q、…、1056N-Q。各个信道都通向各自的低通滤波器10581-I、…、1058N-Q。然后，每个信道借助降频电路10601-I、…、1060N-Q降频。经过降频的信道馈电给各自的可编程FIR滤波器10621-I、…、1062N-Q。这些滤波器基于来自加权电路1038的权输入进行编程。I和Q信道在加和电路1064-I、1064-Q单独求和，以便输出给后处理系统1034。
权的作用是给天线阵列响应整形。确实，在感性趣的发射器已给定至少是单位增益时，干扰所需用户的移动发射器将受到遏制或被置零。采用全自适天线阵列，在移动单元移动时或在传播条件变化时将随时更新权。但是，权的更新在计算技术上强烈要求计算阵列响应的协方差矩阵。
在进行比较时，优选的基站采用从移动发射器(或从基站网络)获得的定位信息自动计算将施加给天线输入信号的权。与用全自适系统一样，在移动发射器运动时更新权。采用这种方法潜在的困难是它不能明确地说明移动发射器与基站之间传播条件的变化。
在努力说明移动发射器与基站之间传播条件特征时，采用全数字运算的TDMA蜂窝系统完成了一系列运算。基站包括6个可以按任意间隔定位的接收天线。用一个移动发射器描述传播条件特征。基于在基站收到的信号，用数学方法计算出信号传播延迟对时间的曲线。利用这些结果算出最坏情况下的到达角。对于这种情况，假设延迟的信号是沿着垂直于连接基站与移动单元的直线的直线从反射物得到的。
对于基于全球定位的阵列处理，发射器的真实位置优选非常接近来自移动单元的主要传播路径的到达角(AOA)。
当真实位置与主要传播路径的AOA不同时，由全球定位信息产生的波束方向特性将不能正确地生成所需的增益和置零。但是，当时移动单元的真实位置与主要传播路径的AOA变化小于几度时，在理想的(全自适)阵列波束方向特性与仅仅采用全球定位信息构成的阵列波束方向特性之间的差别不太大。
实际上，当移动单元与基站之间的主要传播路径不是视线时发生前面的情况。这往往发生在城市的峡谷中，在那里高大的建筑物挡住了从移动单元至基站(或反之)的视线传送；因此将移动单元的发射置于“深度衰落”之中。为了逆转这种作用，优选的基站包括部分自适阵列处理，以便逐步改进最初仅仅采用全球定位信息获得的的波束方向特性。适合部分自适阵列处理的候选方法在关于全自适阵列处理的文献中很容易找到，例如通过引述而并入本文的Paul Petrus的“Novel Adaptive Array Algorithms andTheir Impact on Cellular System Capacity(新颖的自适阵列算法及其对蜂窝系统容量的影响)”。
计算移动单元真实位置的方法针对CDMA信号通信已做过详细的研究(见通过引述而并入本文的George A.Mizusawa的“Performance of Hyperbolic Position Location Techniques forCode-Division Multiple Access(适合码分多址的双曲型定位技术的性能)”)。将GPS接收器配置在电话机中是一种适合向基站提供精确的全球定位信息的备选方案。另外，至少使用3个基站，以便利用各种算法使移动位置组成三角形。
图18是基于自适阵列算法的波束形成电路的示意方框图。如图所示，电路系统1080与图17所示系统基本上是一致的。但是，后处理电路与自适阵列模块1039通信，而不是互通来自移动单元的全球定位数据。在模块1039中的自适阵列处理算法将加权信号提供给芯片内的可编程FIR滤波器10621-I、…、1062N-Q。同样可以使用处理芯片1050，以适应其它蜂窝通信技术。
虽然已经从蜂窝通信系统的角度对本发明的优选实施方案做了介绍，但是本发明的原理可以应用于任何通信系统。例如，全球定位数据和相关的波束形成可以体现在任何射频通信系统(诸如卫星通信系统)中。此外，本发明还可以体现在声音或光学通信系统中。等同物尽管已经参照优选的实施方案对本发明进行过具体的描述是说明，但是，熟悉这项技术的人应当理解不脱离权利要求书为本发明规定的精神和范围可以在形式和细节上作出各种各样的变化。具体地说，本发明可以体现在硬件、软件或固件之中。
这些与其它等价物倾向于被权利要求书所包容。
权利要求
1．一种通信系统，该系统包括第一收发设备，该设备具有第一处理机和第一定向天线；第二收发设备，该设备具有第二处理机和第二定向天线；定位器，该定位器与第二收发设备耦合以确定第二收发设备相对第一收发设备的实际位置；在第一和第二收发设备之间形成的通信链路，该链路包括从第一天线发往第二天线的第一无线电波束；以及在第一收发设备中的第一波束形成器，用于给待发往第二收发设备的第一无线电波束整形。
2．根据权利要求1的系统，其中第一和第二收发设备可以彼此相对移动并且波束形成器定期地更新无线电波束的方向。
3．根据权利要求1的系统，其中无线电波束是射频波束。
4．根据权利要求1的系统，其中第一收发设备在蜂窝电话基站内，而第二收发设备在蜂窝电话的移动单元内。
5．根据权利要求1的系统，其中定位器包括来自卫星定位系统的输入。
6．根据权利要求1的系统，其中定位器包括来自地面定位系统的输入。
7．根据权利要求1的系统，其中波束形成器包括零位电路，以便抑制在第二收发设备方向之外的信号
8．一种蜂窝通信系统，该系统包括具有第一定向天线的基站收发设备，该基站收发设备具有固定的地理位置；具有第二天线的移动收发设备，相对基站收发设备移动收发设备是活动的；无线电通信链路，该通信链路是借助天线之间的信号在基站和移动收发设备之间形成的；探测移动收发设备的地理位置的定位系统，该移动收发设备的位置正在通信链路上与基站收发设备通信；以及在基站收发设备中的波束形成器，它依据收发设备的相对运动修正信号。
9．根据权利要求8的系统，其中波束形成器定期地更新无线电波束的方向。
10．根据权利要求8的系统，其中信号是射频波束。
11．根据权利要求8的系统，其中定位系统包括来自卫星定位系统的输入。
12．根据权利要求8的系统，其中定位系统包括来自地面定位系统的输入。
13．根据权利要求8的系统，其中波束形成器包括许多可编程的滤波器阵列。
14．根据权利要求8的系统，其中波束形成器包括一个储存在存储器中的表，用于提供天线的权，以便修正信号。
15．根据权利要求8的系统，其中第二天线是定向天线。
16．一种操作通信系统的方法，该方法包括提供第一收发设备，该设备具有第一处理机和第一定向天线；提供第二收发设备，该设备具有第二处理机和第二定向天线；在第一和第二收发设备之间形成通信链路，该链路包括从第一天线发往第二天线的第一无线电波束；以及在第一收发设备中的第一波束形成器中，对第二收发设备的实际位置作出响应并且给待发往第二收发设备的第一无线电波束整形。
17．根据权利要求16的方法，其中第一和第二收发设备可以彼此相对移动并且波束形成器定期地更新无线电波束的方向。
18．根据权利要求16的方法，其中无线电波束是射频波束。
19．根据权利要求16的方法，其中第一收发设备在蜂窝电话基站内，而第二收发设备在蜂窝电话的移动单元内。
20．根据权利要求16的方法，其中定位器包括来自卫星定位系统的输入。
21．根据权利要求16的方法，其中定位器包括来自地面定位系统的输入。
22．根据权利要求16的方法，其中波束形成器包括零位电路，以便抑制在第二收发设备方向之外的信号。
23．一种操作蜂窝通信系统的方法，该方法包括提供具有第一定向天线的基站收发设备，该基站收发设备具有固定的地理位置；提供具有第二天线的移动收发设备，相对于基站收发设备该移动收发设备是活动的；借助天线之间的信号在基站和移动收发设备之间形成无线电通信链路；用定位系统探测移动收发设备的地理位置，该移动收发设备的位置正在通信链路上与基站收发设备通信；以及在基站收发设备的波束形成器中依据收发设备的相对运动修正信号。
24．根据权利要求23的方法，其中修正信号步骤包括定期地更新信号的方向。
25．根据权利要求23的方法，其中信号是射频波束。
26．根据权利要求23的方法，其中探测步骤包括接收来自卫星定位系统的输入。
27．根据权利要求23的方法，其中探测步骤包括接收来自地面定位系统的输入。
28．根据权利要求23的方法，其中波束形成器包括许多可编程的滤波器阵列。
29．根据权利要求23的方法，其中修正信号步骤包括由储存在存储器中的表提供天线的权。
30．根据权利要求23的方法，其中第二天线是定向天线。
31．一种蜂窝通信系统，该系统包括具有第一定向天线的基站收发设备，该基站收发设备具有固定的地理位置；具有第二天线的移动收发设备，相对基站收发设备移动收发设备是活动的；无线电通信链路，该通信链路是借助天线之间的信号在基站和移动收发设备之间形成的；探测移动收发设备地理位置的定位系统，该移动收发设备的位置正在通信链路上与基站收发设备通信；以及在基站收发设备中的第一波束形成器和在移动收发设备中的第二波束形成器，它们依据收发设备的相对运动修正信号。
32．根据权利要求31的系统，其中波束形成器定期地更新无线电波束的方向。
33．根据权利要求31的系统，其中波束形成器在基站收发设备与移动收发设备被隔开的距离小于特定距离时将信号修正成全方位的。
34．根据权利要求31的系统，其中信号是射频波束。
35．根据权利要求31的系统，其中定位系统包括来自卫星定位系统的输入。
36．根据权利要求31的系统，其中定位系统包括来自地面定位系统的输入。
37．根据权利要求31的系统，其中波束形成器包括许多可编程的滤波器阵列。
38．根据权利要求31的系统，其中波束形成器包括一个储存在存储器中的表，用于提供天线的权，以便修正信号。
39．一种操作蜂窝通信系统的方法，该方法包括提供具有第一定向天线的基站收发设备，该基站收发设备具有固定的地理位置；提供具有第二天线的移动收发设备，相对于基站收发设备该移动收发设备是活动的；借助天线之间的信号在基站和移动收发设备之间形成无线电通信链路；用定位系统探测移动收发设备的地理位置，该移动收发设备的位置正在通信链路上与基站收发设备通信；以及在基站收发设备的第一波束形成器和移动收发设备的第二波束形成器中依据收发设备的相对运动修正信号。
40．根据权利要求39的方法，其中修正信号步骤包括定期地更新信号的方向。
41．根据权利要求40的方法，其中修正步骤包括确定基站收发设备与移动收发设备之间的距离，然后在该距离小于特定距离时将信号修正成全方位的。
42．根据权利要求39的方法，其中信号是射频波束。
43．根据权利要求39的方法，其中探测步骤包括接收来自卫星定位系统的输入。
44．根据权利要求39的方法，其中探测步骤包括接收来自地面定位系统的输入。
45．根据权利要求39的方法，其中波束形成器包括许多可编程的滤波器阵列。
46．根据权利要求39的方法，其中修正信号步骤包括由储存在存储器中的表提供天线的权。
47．一种在收发设备中的定向设备，该设备包括探测第一收发设备地理位置的敏感元件；储存第二收发设备地理位置的存储器；以及相对第一收发设备计算第二收发设备方位的定向单元。
48．根据权利要求47的定向设备，其中敏感元件包括全球定位系统接收器。
49．根据权利要求47的定向设备，其中第一收发设备可以在许多地理位置之间移动。
50．根据权利要求49的定向设备，其中第二收发设备可以在许多地理位置之间移动。
51．根据权利要求47的定向设备，该设备进一步包括对定向单元敏感的定向天线，用于接收来自第二收发设备的无线电信号。
52．一种操作收发设备中的定向设备的方法，该方法包括下述步骤使用敏感元件探测第一收发设备地理位置；将第二收发设备地理位置储存在存储器中；以及确定性计算第二收发设备相对第一收发设备的方位。
53．根据权利要求52的方法，其中使用敏感元件的步骤包括接收来自全球定位系统的全球定位数据。
54．根据权利要求52的方法，该方法进一步包括在许多地理位置之间移动第一收发设备。
55．根据权利要求54的方法，该方法进一步包括在许多地理位置之间移动第二收发设备。
56．根据权利要求52的方法，该方法进一步包括依据计算出的接收来自第二收发设备的无线电信号的方向操作定向天线。
57．一种用于通信系统的波束形成电路，该电路包括大量的采样电路，用于接收通信信号；大量的有限冲击响应(FIR)滤波器，每个FIR滤波器与一个采样电路相连；以及加和电路，该电路将来自大量的FIR滤波器的经过滤波的信号加和起来。
58．根据权利要求57的电路，其中采样电路、大量的可编程FIR滤波器以及加和电路都是在一片集成电路上形成的。
59．根据权利要求57的电路，该电路进一步包括一个与每个采样电路相连的乘法器，以便生成同相信道和正交信道。
60．根据权利要求57的电路，其中通信系统包括一个蜂窝网络和一个基站，前者包括许多借助无线链路与移动收发设备单元通信的收发设备，而后者包括具有将加权信号提供给FIR滤波器的自适阵列处理器。
全文摘要
无线通信系统使用定向天线系统和有关用户位置的知识,形成狭窄的天线波束接通所需用户,而避开不需要的用户,从而减少同信道干扰。借助减少来自不同方向的同信道干扰,以天线阵列的空间滤波提高了系统的呼叫容量。空分多址(SDMA)系统将狭窄的天线波束方向特性分配给系统中的每个用户,以致每个用户都有其自己的摆脱同信道干扰的通信信道。用户的位置是采用地理定位技术确定的。地理定位可以借助蜂窝基站之间的三角测量或借助全球定位系统(GPS)的接收器来推演。
文档编号G01S19/48GK1233376SQ97198670
公开日1999年10月27日 申请日期1997年10月10日 优先权日1996年10月10日
发明者斯考特·R·维拉斯克斯, 史蒂文·R·布罗德斯通, 艾利斯·M·羌 申请人:垓技术公司