自适应波束一时间编码方法和装置的制作方法

专利名称：自适应波束一时间编码方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及从蜂窝无线电系统的基站到远端站的下行链路信号传输。本发明尤其涉及自适应控制多个下行链路波束、波束功率以及波束宽度。
背景技术：
蜂窝电话系统工作于引起其信号多路径或反射的环境中，特别是工作于城市环境中。在图1中，基站发射机1沿着直接路径3广播其信号到远端站2(通常为移动台)。然而，由于存在高大建筑物4，发射机1还沿间接路径5广播其信号到远端站2，由此在远端站2的直接路径3的到达方向和在远端站2的间接路径5的到达方向之间产生角展度(angular spread)AS。直接路径3和间接路径5在远端站2重新组合，在此，积极的和消极的叠加信号引起随机或看起来象是随机的衰落和消隐区。
为降低多路径效应，已知系统应用时空发射分集技术。在图2中，已知的发射机包括时空发射分集编码器10，复数乘法器12和14，以及天线16和18。时空发射分集编码器10处理输入信号SIN为两个信道信号和CH1和CH2。乘法器12和14可给予这两个信道信号和CH1和CH2相同正交化码OC以识别包含有关输入信号SIN信息的这两个信道；然而，应对不同天线信号应用不同正交标识符(例如，导引序列或训练序列)以便远端站能独立识别来自这两个天线的信号。做乘法后的信道信号在基本上间隔一个距离(例如，20个波长)的相应天线16和18上发送。这种空间分隔的天线称为分集天线。在多路径环境中，当不同传播路径在接收天线的相加产生破坏作用时将导致严重的衰落。利用分集天线，信号CH1和CH2将处于深度衰落的概率很低，因为这两个信号可能通过诸如多路径3和5的不同路径传播。分集天线可以是全向天线或对准具有重叠扇区的天线扇区的天线。当分集天线间隔足够大时，由于它们在非相关信道(即，路径)上传播信号，因此可以认为它们是正交的。
输入信号SIN以时间顺序传输两个符号S1和S2，第一符号位于0-T之间的符号隙，而第二符号位于T-2T之间的符号隙。在图3中，示例的编码器10使用QPSK调制技术，而且包括时间对准寄存器20和保持寄存器22以保持这两个符号。基带载波信号SBBC在反相器24反相以生成负的基带载波-SBBC。QPSK调制器26编码符号S1到基带载波信号SBBC上以生成经调制的第一符号，而QPSK调制器28编码符号S1到负基带载波信号-SBBC上以生成经调制的第一符号共轭。QPSK调制器30编码符号S2到基带载波信号SBBC上以生成经调制的第二符号，而QPSK调制器32编码符号S2到负基带载波信号-SBBC上以生成经调制的第二符号共轭。经调制的第二符号共轭在反相器34反相以生成负的经调制的第二符号共轭。模拟多路复用器36在第一符号隙期间(即，图2中的0-T)将经调制的第一符号转换为第一信道信号，而在第二符号隙期间(即，图2中的T-2T)将负的经调制的第二符号共轭转换为第一信道信号，以便在CH1上的信号为[S1，-S2*]。模拟多路复用器38在第一符号隙期间(即，图2中的0-T)将经调制的第二符号转换为第二信道信号，而在第二符号隙期间(即，图2中的T-2T)将经调制的第一符号共轭转换为第二信道信号，以便在CH2上的信号为[S2，S1*]。
在图2中，码OC由施加于乘法器12和14的一个码构成，它用作CDMA扩频函数，用以分离从天线16和18发射的两个信号与可能生成共信道干扰的其它信号。乘法器12和14在通过天线16和18发射之前乘第一和第二信道信号。为简化起见图中并未示出RF上变频器。
在远端站2，接收机在单个天线上从天线16和18接收信号，下变频信号，利用码OC解扩信号，以及分别恢复从天线16和18发射的复合信道CH1和CH2。在0-T之间的第一符号隙中，接收复合QPSK调制信号R1(R1＝k11S1+k12S2)，而在T-2T之间的第二符号隙中，接收复合QPSK调制信号R2(R2＝-k21S2*+k22S1*，*称为复数共轭)。常数k11为第一时隙期间从第一天线16到远端站2的传输路径常数，常数k12为第一时隙期间从第二天线18到远端站2的传输路径常数，常数k21为第二时隙期间从第一天线16到远端站2的传输路径常数，而常数k22为第二时隙期间从第二天线18到远端站2的传输路径常数。接收机反旋(derotate)信道以恢复软符号S1’及S2’，其中S1’＝k11R1+k12R2，及S2’＝k21R2*+k22R1*在这种时空编码器技术中，第一和第二符号从独立天线冗余发射。第一符号被编码为在第一和第二符号时隙中发送，而第二符号也被编码为在第一和第二符号时隙中发送。这种符号恢复技术的效果为，当还采用交织时，在一个符号时隙期间可能出现的衰落或失落(dropout)区域不太可能在两个符号时隙期间出现。交织用在时空编码之前以使相邻比特在时间上相关程度较小。由于接收的符号是在时隙R1和R2期间从接收信号中恢复的，因此衰落效应减弱。
然而，现有技术并没有利用由不同分集型天线发射的单独波束的独立功率管理所提供的优点来在基站实现更高的频谱效率，同时最小化共信道干扰。现有技术没有利用独立定向波束的空间功率或波束宽度管理所提供的优点来在基站实现更高频谱效率，同时最小化共信道干扰。现有技术并没有利用到达角分集所提供的优点来在基站实现更高频谱效率，同时最小化共信道干扰。

发明内容
本发明的目的是提高从基站发射的频谱效率。本发明的另一目的是最小化共信道干扰。本发明的再一目的是最小化不希望出现的衰落和失落效应。
本发明的这些和其它目的是在包括基站和远端站的系统中实现的。基站包括时空编码器、天线系统、发射机、基站接收机、以及功率管理控制器。时空编码器编码符号流为第一和第二时空编码信号，而发射机分别以第一和第二初始发射功率从天线系统发射第一和第二时空编码信号以形成相应的第一和第二辐射图。基站接收机从远端站接收功率系数指示信息，而功率管理控制器基于相应的第一和第二初始发射功率以及功率系数指示信息确定第一和第二经调整的发射功率。
在一个可选实施例中，无线电系统的发射站包括用以确定角功率谱的电路、时空编码器以及发射机。时空编码器编码第一和第二符号为第一和第二时空编码信号，而发射机分别在第一和第二波束发射第一和第二时空编码信号，以便第一和第二波束包含于该角功率谱的角展度内。


在下面对照附图对优选实施例的描述中详细描述本发明，其中图1是可应用本发明的无线电环境的简图；图2是已知基站的框图；图3是已知时空编码器的框图；图4是根据本发明一个实施例的基站装置的框图；图5是根据本发明另一实施例的基站装置的框图；图6是已知的六角形角反射器天线系统的简图；图7是已知的相控阵天线的简图；图8是示例的三扇区天线系统的平面简图；图9是已知的“巴特勒矩阵”天线的简图；图10是双波束相控阵天线的简图；图11是根据本发明另一实施例的基站装置的框图；图12是根据本发明另一实施例的TDMA基站装置的框图；图13是根据本发明的闭环波束功率管理系统的框图；图14是根据本发明的无线电系统的框图；图15-17是根据本发明用于确定角功率谱的方法流程图；以及图18是由本发明接收和/或计算的角功率谱图。
具体实现方式为实现从基站发射的频谱效率更高同时最小化共信道干扰，已经研究出对分集天线的不同天线发射的单独波束进行独立功率管理，而且已经研究出波束时空编码器技术以利用到达角分集以及利用独立定向天线的空间功率管理。波束时空技术与已知时空编码器技术的区别在于，其采用两个或多个独立定向的正交波束来利用功率和波束宽度管理以及到达角分集。通过使用垂直极化(双波束情形)，通过在CDMA系统中对每个波束使用除所有波束通用的CDMA扩频码外的不同导引码，通过在没有导引码的CDMA系统中对每个波束使用不同扩频码，以及通过在TDMA系统中使用不同训练序列(例如，导引码)复用到每个波束，接收机能独立识别出正交波束。本领域的技术人员理解，还有其它上面没有列出的正交波束技术或使用上述技术的不同组合的技术，它们等效于为远端站的接收机提供独立识别单独波束和恢复它们携带信号的手段。
用以在不同正交波束发射不同功率的功率管理技术通过最小化共信道干扰基于系统范围提高了基站的频谱效率，即使在这种功率管理控制是应用于分集天线的重叠扇区定向波束或全向波束时。然而，利用不同定向的正交编码波束，独立定向波束的空间功率管理能提供更进一步的改进。具有大角展度的无线电环境的相对差的下行链路性能通过应用在此描述的波束时空编码器技术得以显著提高。
在图4中，改进的发射机100的第一个实施例(称之为分集天线的功率管理)包括已知的时空发射分集编码器10以及复数乘法器12和14。改进的发射机100还包括比例放大器102和104以及分集天线16和18。在CDMA系统中，乘法器12、14给予不同波束不同扩频码以便在远端站2的接收机能独立辨别这些波束。
尽管独立的可辨别扩频码在CDMA系统中应用于在此描述的乘法器12、14以生成正交波束，但应理解的是，任何用以生成正交波束的装置都能实现从分集天线(即，重叠覆盖)或为此原由从可控定向天线发射的独立功率管理。例如，在为乘法器12和14提供相同扩频码的CDMA系统中，另一组乘法器12’和14’(未示出)可用于提供导引码给信道信号。接着提供乘法器12’和14’正交导引码，这样在远端站2的接收机就能独立辨别波束。在另一种变型中，天线16和18由具有两个激励器元件的单个天线构成，这两个激励器元件布置用于生成两个正交极化的波束(例如，在与垂直或某一其它基准倾斜成+/-45°时极化)，然而在别的方面却覆盖同一扇区。这些波束是正交的，而且通过相应信号路径的传输经历的衰落不相关。
缩放控制信号SA1和SA2分别独立控制由独立的比例放大器102和104实现的放大或衰减。缩放控制信号SA1和SA2可以是用以缩放幅度的实数，或用以移相的虚数，或用以缩放幅度和移相的具有实数和虚数分量的复数。应理解的是，这种放大可应用于编码器10的输出端、乘法器12和14之前、乘法器12和14之后或天线16和18之中。
天线16和18为覆盖重叠扇区的分集天线或全向天线。第一个实施例与已知时空编码系统的区别在于，在每个波束发射的功率受SA1和SA2的独立控制。
在图5中，改进的发射机100的第二个实施例(称之为角频谱功率管理)包括已知的时空发射分集编码器10以及复数乘法器12和14。改进的发射机100还包括比例放大器102和104以及受控定向天线106和108。与图2的天线16和18不同的是，定向天线106和108指向直接路径3和间接路径5(图1)，或用以覆盖角展度AS的某一其它方向，或超过在此描述门限的那部分角功率频谱。在CDMA系统中，乘法器12、14给予不同波束不同扩频码或利用其它手段，以便在远端站2的接收机能如同为利用分集天线的第一个实施例描述的那样独立辨别波束。缩放控制信号SA1和SA2分别独立控制由独立的比例放大器102和104所实现的放大或衰减。缩放控制信号SA1和SA2可以是用以缩放幅度的实数，或用以移相的虚数，或用以缩放幅度和移相的具有实数和虚数分量的复数。应理解的是，这种放大可应用于编码器10的输出端、乘法器12和14之前、乘法器12和14之后或天线106和108之中。尽管独立扩频码在CDMA系统中是应用于在此描述的乘法器12、14以生成正交波束，但应理解的是，用以生成正交波束的任何装置都能实现从受控定向天线发射(即，在此描述的选择方向)的独立功率管理。
在第三个实施例(称之为定向分集，但没有单独示出)中，从发射机100中去掉图5中的放大器102和104，使得差分放大无法实现，信道CH1和CH2具有平衡和相同放大程度，但它们的信号通过受控定向天线106和108定向发射。
实现受控定向天线有多种方式。在图6中，已知的六角形受控定向天线系统6包括6个共站角反射器天线，如以圆形布置的角反射器天线8，而且所有这些天线都绘在平面图上。每个角反射器天线8包括作为激励器元件的单个半波偶极子12以及角反射器14。每个角反射器天线8在平面图上照射60°波束宽度。所示的六角形分集天线系统6能提供角位置信息，它基于在820MHz的接收信号强度提供从基站到远端站的方位角(Rhee，Sang-Bin，“Vehicle Location In AngularSectors Based On Signal Strength”，IEEE Trans.Veh.Technol.，vol.VT-27，pp 244-258，Nov.1978)。这种共站角反射器天线能将360°覆盖划分为三个扇区(120°天线)，四个扇区(90°天线)，五个扇区(72°天线)，八个扇区(45°天线)，或可以实现的任何适当数量的扇区。
在本发明的第二和第三个实施例中，受控定向天线系统用于蜂窝无线电发射机1(图1)。受控定向天线系统被定义为能提供两个或多个可辨别和独立控制的波束。它可以是具有两个或多个激励器元件布置用于生成两个或多个波束(例如，用于生成分别在与垂直面倾斜成+/-45度时极化的两个可辨别波束，但在其它方面却覆盖同一扇区)的单个天线。它可以是用以生成覆盖不同扇区的波束的多天线系统。例如，受控定向天线系统成为六角形角反射器系统更佳，如图6所示的天线系统。受控定向天线系统在接收模式用于基于从远端站2发射的信号确定远端站2的角位置。具有最强接收信号的两个扇区被确定为直接路径3和间接路径5的很可能到达方向(见图1)。照射这两个扇区的天线被选择为本发明第二和第三个实施例的定向天线106和108(图4和图5)。或者，可基于下面要讨论的角功率谱的计算确定相应的到达方向。
在图7中，已知的可控波束相控阵天线20包括激励器元件22(例如半波偶极子)阵列，它布置在间隔地面或反射器面24一定距离。图7描绘了8个辐射单元，但也可使用更多或更少元件。每个激励器元件22被馈给一个来自对应相移器26的信号。每个相移器26根据控制信号C的对应独立控制部分改变相位和衰减(或放大)信号S的幅度。例如，控制信号C包括8个相移参数和8个衰减参数。每个相位和幅度参数独立控制从天线20的8个激励器元件的对应单元辐射的相位和幅度。这种天线的角波束宽度受辐射的信号波长除以口径尺寸D的比值的限制；然而，通过利用所称的加权函数控制跨越天线分布的激励器元件22的信号幅度，可整形波束用以加宽波束，使波束中心变平和/或抑制旁瓣。通过控制跨越天线的激励器元件上的相位梯度，可电控波束指向受控方向。
在第二和第三个实施例的变型中，用于发射机1(图1)的天线系统包括在多天线系统中组织的多个相控阵天线20。在图8中，示例的多天线系统可包括3个天线(假定为相控阵天线20)，它们布置用于以相同间隔的角度方向指向外方向，以便这3个相控阵天线20在基站形成天线系统。每个天线20设计为覆盖120°扇区。基站通过电扫描天线20定位远端站。每个辐射单元的幅度加权最好设为最大值而且均相同，以便天线提供其最窄波束(定向性能最强的波束)。通过首先为控制信号C计算表示穿过天线的相位梯度的相位参数以实现期望的波束点，接着控制天线20指向所期望的方向来逐步扫描接收波束。之后，在发射机1的接收机(图1)检测任何接收的信号强度。指向接收波束和检测信号强度的步骤在每个波束位置重复直到已经扫描完毕由天线20覆盖的整个扇区。通过这种方式，远端站2的角位置被确定为仅受天线20的最窄可实现波束宽度限制的精度。一旦直接路径3和间接路径5的位置确定为在不同扇区(例如，120°扇区)，就从该天线系统的多个天线20中选择最接近直接路径3和间接路径5的天线106和108(图5)，而且在每个所选天线20覆盖的扇区内，确定为直接路径3以及为间接路径5定义指向角位置的波束的相位梯度。或者，当路径3和5位于同一个扇区时，如果天线系统能在单个扇区内形成两个波束，则在该单个扇区内可形成两个发射波束以便沿路径3和5传送(参见下面对图10的讨论)。
在图9中，天线系统30包括4个辐射单元32，它们布置在距地面或反射器面34一定距离。每个辐射或激励器元件32被馈给一个来自已知巴特勒(Butler)矩阵36的信号。巴特勒矩阵提供相移和组合功能，这些功能工作于信号S1、S2、S3和S4，以便来自4个激励器元件32的辐射组合而生成4个固定角定向和正交波束B1、B2、B3和B4。一般来说，巴特勒矩阵执行傅立叶处理功能以馈给M个辐射单元以便形成M个固定和正交的波束(“角形接收器”(angular bins))。例如，在天线系统30，信号S1仅在第一波束B1发射，信号S2仅在第二波束B2发射，信号S3仅在第三波束B3发射，而信号S4在第四波束B4发射。转换矩阵可用于引导所希望的信号(例如，图5的信号CH1和CH2)到任何一根信号线S1、S2、S3和S4上，而且由此到达相应的波束B1、B2、B3和B4。
在第二和第三实施例的变型中，发射机1(图1)的天线系统包括在多天线系统中组织的多个“巴特勒矩阵”天线30。在图8中，示例的多天线系统可包括3个天线(在此假定为“巴特勒矩阵”30)，它们布置用于以相同间隔的角方向指向外方向，以便这3个“巴特勒矩阵”30在基站形成天线系统。每个天线30设计为利用例如4个波束覆盖120°扇区。基站通过每个天线30的4个波束(每个波束30°)之间的电转换以及检测接收信号强度定位远端站。通过这种方式，远端站2的角位置被确定为天线30的一个波束宽度的精度。如果直接路径3和间接路径5位于不同扇区，则一旦直接路径3和间接路径5的位置被确定，就从构成发射机1(图1)的天线系统的两个不同“巴特勒矩阵”天线30中选择天线106和108(图5)。这两个特殊的“巴特勒矩阵”天线30被选择用来覆盖最接近直接路径3和间接路径5的扇区，而且由此在每个所选天线30内选择与该路径最为对准的特定扇区。或者，可选择天线106和108为同一“巴特勒矩阵”天线30的不同波束。在每个天线30覆盖的扇区内，对每个直接路径3和间接路径5指向角位置的波束由转换矩阵(未示出)选择。
在图10中，天线40为相控阵天线20的改型用以提供两个独立控制和成形的波束。天线40包括激励器元件42(例如半波偶极子)阵列，它布置成距地面或反射器面44一定距离。图10描绘了8个辐射单元，但可以使用更多或更少单元。然而，与天线20不同的是，天线40中的每个激励器元件由来自对应的加法器48的信号馈给。每个加法器48叠加(例如相加)来自两个对应相移器46-1和46-2的信号。所有相移器46-1构成第一排相移器，而所有相移器46-2构成第二排相移器。第一排中的每个相移器46-1根据控制信号C1的对应独立控制部分修正相位和衰减(或放大)信号S1的幅度。例如，控制信号C1包括8个相移参数和8个衰减参数以独立控制来自对应的相移器46-1的相位和幅度输出。相应地，第二排中的每个相移器46-2根据控制信号C2的对应独立控制部分修正相位和衰减(或放大)信号S2的幅度。例如，控制信号C2包括8个相移参数和8个衰减参数以独立控制来自对应的相移器46-2的相位和幅度输出。加法器48组合相应的相移器46-1和46-2的输出并提供组合信号给辐射单元42。通过这种方式，控制信号C1控制辐射信号S1的第一波束，而控制信号C2同时控制辐射信号S2的第二波束。
在第二和第三实施例的变型中，发射机1(图1)的天线系统包括在多天线系统中组织的多个相控阵天线40。在图8中，示例的多天线系统可包括3个天线(在此假定为相控阵40)，它们布置用于以相同间隔的角度方向指向外方向，以便这3个相控阵天线40在基站形成该天线系统。每个天线40设计为利用两个独立成形和控制的波束覆盖120°扇区。基站通过如同上面对天线20(图7)讨论的那样电扫描天线40的波束定位远端站。一旦确定了直接路径3和间接路径5的位置，就从该天线系统的多个天线40中选择最靠近直接路径3和间接路径5的天线106和108(图5)，而且在每个所选天线40覆盖的扇区内，确定为直接路径3以及为间接路径5定义指向角位置的相位梯度。
或者，天线106和108可选择为同一双波束天线40的不同波束。在图11中，天线106和108(图5)在双波束天线40的不同波束(即波束1和2)中实现，而且由于缩放函数可通过缩放控制信号C1和C2(图10)的幅度系数实现，因此无需(图5的)比例放大器102和104。
在第四个实施例中，基站使用时分多址(TDMA)发射机而不是扩频CDMA发射机。在图12中，训练序列TS1在QPSK调制器101调制，而且由此馈给到多路复用器105的第一输入端，而训练序列TS2在QPSK调制器103调制，而且由此馈给到多路复用器107的第一输入端。训练序列TS1和TS2正交，而且以导引码在CDMA系统中辅助鉴别波束的极为类似的方式提供远端站2鉴别波束的手段。在TDMA系统中，省略了(图4、5和11的)乘法器12和14，而且信道信号CH1和CH2分别馈给给多路复用器105和107的第二输入端。在该第四个实施例中，放大器102和104独立放大或衰减相应的多路复用器105和107的输出。放大器102和104的输出馈给给天线系统(通过上变频器等等，未示出)。天线系统可提供如同在第一个实施例的分集天线16和18(图4)的重叠覆盖，或可提供如同在第二和第三个实施例的定向天线106、108(图5和11)的受控定向覆盖。此外，在受控定向覆盖的情况下，通过控制来自定向天线106、108的波束，本发明的变型可以放弃功率管理、省略放大器102和104、以及依赖角(波束)分集。时分系统中的数据隙可以包括，例如在GSM系统中，58个数据位加上26位训练序列再加上58个数据位。训练序列确定信号SIN的信号源以及专用于远端站2的波束以便远端站能独立鉴别波束。通过这种方式，远端站2能利用训练序列而不是利用CDMA系统中的正交扩频码独立接收这两个波束。
尽管讨论了两个波束的情形，但扩展到具有更多波束的更高级别的编码技术是直截了当的。例如，四个符号(S1、S2、S3、S4)在四个符号时隙编码为四个信道信号(CH1、CH2、CH3、CH4)，这样就能从编码的信道信号中恢复原始信号。这四个信道信号接着从基站在四个波束中发送，每个波束对应信道信号CH1、CH2、CH3和CH4中的一个信道信号。尽管在此讨论的QPSK调制技术，但扩展到其它PSK调制技术是直截了当的，而且扩展到其它调制技术(例如，QAM)同样也是可以的。
在图13中，用于管理发射功率的闭环控制系统描绘为过程S10。在步骤S102，基站选择要从每个天线发射的功率电平。例如，在双天线系统中，基站基于由常规功率控制环路(例如，CDMA系统典型的控制环路)确定的总功率(即，P1+P2)，以及由在远端站2测量的功率控制系数确定的相对功率(即，P1/P2)选择功率P1和P2。在步骤S104，表示所选的发射功率电平的值在信令信道中发送到远端站。在步骤S106，测量在远端站从每个天线辐射图接收的功率电平，而且确定对应的功率控制系数。每个天线辐射图的功率控制系数在远端站确定为正比于在远端站2的接收功率除以发射功率，该发射功率由在信令信道中发送给远端站的功率电平值指示。在步骤S106，功率控制系数在信令信道中从远端站发送到基站。在步骤S108，对每个天线比较来自步骤S106的功率控制系数。在步骤S110，根据步骤S108的比较确定对发射信号功率的调整。该调整用于增大在传输质量良好的信道中发送的发射功率，以及降低在传输质量差的信道的发射功率。接着，在周期开始时的步骤S102，基站选择经调整的发射功率以构成在下一个闭环波束功率管理周期期间从天线发射的功率的基础。如同在第三代TDMA系统那样，环路周期延迟可以为一个时隙。
或者，远端站可比较(在步骤S108)来自步骤S106的每个天线的功率控制系数，接着计算在上行链路信令信道将从远端站发送到基站的功率系数指示信息。例如，功率控制系数的比值(例如，在双天线情况下为P1/P2)最好计算作为功率系数指示信息并在上行链路方向上发送。或功率系数指示信息可以是该比值的量化值(例如，指示是否P1＞P2的单个比特)。
或者，在步骤S104，保存所选的发射功率该闭环控制系统的一个周期时间。例如，在双天线系统中，基站基于由常规功率控制环路(例如，CDMA系统典型的控制环路)确定的总功率(即，P1+P2)，以及由在远端站2测量的功率控制系数确定的相对功率(即，P1/P2)选择功率P1和P2。在步骤S106，在远端站从每个天线辐射图接收的功率电平在远端站2得以测量，并作为功率控制系数在上行链路信令信道从远端站2发送到基站1。功率控制系数被归一化为它们的相应发射功率，保存在步骤S104。在步骤S108，在基站对每个天线进行比较来自步骤S106的归一化功率控制系数。在步骤S110，根据步骤S108的比较确定对发射信号功率的调整。接着，在周期开始时的步骤S102，基站选择经调整的发射功率以构成在下一个闭环波束功率管理周期期间从天线发射的功率的基础。
在图14，具有闭环波束功率管理控制的蜂窝无线电系统包括基站210和远端站230。基站210包括用以编码符号流为第一和第二时空编码信号的时空编码器212，天线系统216，用于以相应的第一和第二初始发射功率从天线系统发射第一和第二时空编码信号以便形成相应的第一和第二辐射图的发射机214，用以从远端站接收功率系数指示信息的基站接收机220，以及用以基于相应的第一和第二初始发射功率和功率系数指示信息确定第一和第二经调整的发射功率的功率管理控制器222。
天线系统216可包括多个天线，在此每个天线为生成基本上全向的辐射图或定向到扇区的辐射图的天线。全向天线最好空间分隔。天线系统216可构成第一和第二辐射图为能在远端站独立接收的正交辐射图。或者，发射机214包括用以处理第一和第二时空编码信号的电路以便从天线系统发射的信号正交，而且能在远端站独立接收。
天线系统216能生成多个波束(即，多波束天线)，而且基站包括用以控制该多波束天线形成多个波束的天线控制218。在一个实施例中，多波束天线可以是多端口巴特勒矩阵天线，而且在这种情况下，发射机214将包括用以缩放第一和第二时空编码信号的放大器，以便基于相应的第一和第二经调整的发射功率形成相应的第一和第二经缩放的时空编码信号，而天线控制218将包括用以连接第一和第二经缩放的时空编码信号到巴特勒矩阵天线的相应第一和第二输入端口的开关，以形成相应的第一和第二波束。
或者，多波束天线包括一个相控阵天线系统，而且天线控制218包括一个用以形成第一和第二加权函数的波束调向(steering)控制器。波束调向控制器包括用以输入第一和第二加权函数到相控阵天线系统的逻辑，以基于相应的第一和第二经调整的发射功率缩放相应的第一和第二波束的天线增益，而在发射机214中无需比例放大器。相控阵天线系统可包括一个多波束相控阵天线(例如，图10的40)或多个相控阵天线(例如，图7的20)。
在一些实施例中，功率系数指示信息包括第一和第二功率控制系数，而基站接收机220接收上行链路信令信息并检测在上行链路信令信息中的第一和第二功率控制系数的值。
当指示的第一路径衰减特性(或第一功率控制系数)小于指示的第二路径衰减特性(或第二功率控制系数)时，功率管理控制器222包括用以确定第一经调整的发射功率大于第二经调整的发射功率的电路(例如，逻辑或处理器)。
远端站230包括远端站接收机234、检测器236、功率测量电路238以及处理器240。接收机234、检测器236、功率测量电路238以及处理器240构成了一个电路，通过这个电路远端站230能基于从第一辐射图接收并在电路238测量的功率以及在检测器236在信令信息中检测到的初始发射功率确定指示的路径衰减特性。利用这个电路，远端站230能为天线系统216的第一辐射图确定指示的第一路径衰减特性，以及为天线系统216的第二辐射图确定指示的第二路径衰减特性，因为这两个辐射图是可独立接收的。接收机234接收下行链路信令信息，检测器236检测在下行链路信令信息中的初始发射功率值，功率测量电路238测量从辐射图接收的功率，而处理器240确定功率控制系数正比于接收功率除以初始发射功率值。功率测量电路238测量接收的瞬时功率，或者在一个可选实施例中，测量平均接收功率，或者在一个可选实施例中，测量这两个功率并构成接收的瞬时功率和接收的平均功率的组合。远端站230还包括用以发送功率系数指示信息的值或指示的第一和第二路径衰减特性的值到基站的发射机242。
在一种变型中，处理器240构成功率系数指示信息为指示的第一路径衰减特性与指示的第二路径衰减特性的比值。在一种可选变型中，当指示的第一路径衰减特性小于指示的第二路径衰减特性时，处理器240利用第一值构成功率系数指示信息，而当指示的第一路径衰减特性大于指示的第二路径衰减特性时，处理器240利用第二值构成功率系数指示信息。
在示例的实施例中，基站以第一预定信号功率P1从第一天线发射第一信号，而在远端站2的接收机确定第一功率控制系数PCC1为在远端站从第一天线接收的功率。基站还以第二预定信号功率P2从第二天线发射第二信号，而在远端站2的接收机确定第二功率控制系数PCC2为在远端站从第二天线接收的功率。
第一和第二信号以它们各自的预定功率电平按正常操作方式同时从相应的第一和第二天线发射。通过在乘法器12和14(图4、5和11)使用不同正交码OC或通过使用在TDMA基站(图12)可使用的正交训练序列，发射功率在远端站2是可区别的。在远端站2的接收机确定从每个天线接收的信号功率，并在一部分上行链路信令数据中发送表示这些接收信号功率的值到基站，作为独立的功率控制系数PCC1和PCC2或作为相对功率控制系数PCC1/PCC2。
在一个优选实施例中，基站首先按正常操作方式以可能不相同的所选功率从多个天线发射信号(S102)。在一种变型中，基站在下行链路信道发送选择用以从每个天线发射的功率电平。远端站(1)接收基站的所选功率电平(S104)，(2)确定从天线接收的信号功率(S106)，以及(3)比较从基站从每个天线发射的功率与在远端站接收的功率，以确定在下行链路路径的相对衰减(S108)为接收功率与对应的发射功率之比。远端站在上行链路信令数据中发送为每个天线确定的这个比值作为功率控制系数返回到基站。接着，基站根据为所有另外的下行链路传输所确定的相对衰减调整允许从基站从每个天线发射的功率(S110)。
在另一变型中，(1)远端站确定功率控制系数为从天线接收的信号功率(S106)，以及(2)远端站在上行链路信令数据中发送功率控制系数返回到基站。接着，基站(1)在从远端站2接收的功率控制系数中调整闭环时延(S104)，(2)比较从基站从每个天线发射的功率与在远端站接收的功率控制系数以确定在下行链路路径的相对衰减(S108)，以及(3)根据为所有另外的下行链路传输确定的相对衰减调整允许从基站从每个天线发射的功率(S110)。
在任何一种变型中，对与确定为具有较低路径衰减的路径相关的天线来说，允许从天线发射的功率将较高。例如，指示的路径衰减特性最好确定为在远端站2接收的功率与从基站1发射的功率之比。通过这种方式，在远端站2接收不佳的路径几乎或不发射功率，而在远端站2接收良好的路径发射功率较大。在许多多路径环境中，增大衰减太大的路径的发射功率对促进远端站2的接收没有作用，但这种功率增大将促使其它远端站遭遇共信道干扰。为改进整个蜂窝无线电系统，衰减最低的路径允许有最大发射波束功率。基站通过控制缩放信号SA1和SA2(图4和5)，或通过调整控制信号C(图6)或信号C1和C2(图9)中的幅度参数控制每个波束的总天线增益来调整从每个天线发射的功率。
在这种闭环功率控制方法的一个实施例中，远端站确定哪个天线(或波束)与最小衰减路径相关。远端站在上行链路信令路径发送哪个天线(或波束)更有利(即，最小衰减)的指示返回到基站。为保存在这个上行链路信令路径中发送的比特数，远端站最好确定优选的天线并通过单个比特指示这个信息(即，“0”指优选天线16，而“1”指优选天线18，见图14)。基站接收这个单比特指示并用它来确定预定的相对功率平衡。例如，已经确定施加80％的最大功率到天线16(例如，当天线16为优选天线时)和20％的最大功率到天线18，相比施加100％的最大功率到天线16和不施加功率到天线18的情形，能始终如一地提供更佳性能。因此，基站接收单比特相对功率指示，并对指示比特“1”选择天线16和18的相对功率P1/P2为80％/20％，而对指示比特“0”则选择为20％/80％。
在缓慢变化的无线电环境中，系数(或任何相关信道信息)可解析为段，而这些段(包含的比特数比完整系数要少)可利用更多上行链路时隙在上行链路信令数据中发送到基站。在一个段内(可能有多个TDMA时隙)，最高有效位最好首先传送，而且利用连续比特这些过程值被逐渐修正得更为精确。相反，在快速变化的无线电环境中，特别保留的信令符号可指示对系数的上行链路传输使用一种或多种可选压缩格式，在此，所有系数的平均指数在上行链路发送(或根据该信令符号假设)，接着只发送系数的最高有效位(即，截断最低有效位)。在极端情况下，在上行链路方向只发送一个比特，当下行链路信道良好时指示功率控制系数为“1”(例如，最大发射功率的80％)，而当相关信道不适合时指示功率控制系数为0(例如，只有最大发射功率的20％)。
这种对波束功率管理的闭环控制是自适应的。如果功率控制系数在上行链路传送到基站以至于引起波束功率的过度补偿，这种闭环控制系统在下一闭环控制周期期间将校正这种情况。本领域的技术人员认识到，其它数据压缩技术也可应用于上行链路信令以适应快速变化的无线电环境。类似地，本领域的技术人员将认识到远端站，而不是基站，可计算对基站的命令，用以增大或降低特定波束的功率。
在一种适合于缓慢变化的无线电环境的可选变型中，第一和第二波束可通过校准模式以它们各自的预定功率电平顺序发送。在这种变型中，每次只发送一个波束以便远端站无需应用正交码OC或正交导引信号来确定接收信号强度(即，功率控制系数)是从哪个波束接收的。一旦确定了信道衰减，就利用波束时空编码技术发送信号SIN。
除了依赖放大器102和104或相控阵天线的波束增益来控制闭环功率管理的实施例，其它实施例也可依赖角分集管理和/或波束宽度管理，而无需功率管理。然而，其它实施例也可依赖功率管理以及角分集管理或波束宽度管理或二者。
波束时空编码技术的性能至少部分取决于表征无线电环境的角展度AS以及基站如何调整波束以匹配该角展度。当下行链路波束指向到达角时下行链路性能通常得以提高，在该到达角，尖峰出现在来自远端站的信号的角功率频谱。尖峰暗示沿所指示路径(例如可能的路径3和5方向)的传输良好。然而，尖峰不总是能找到。当角功率频谱扩散而且无法找到尖峰时，对角展度AS进行估计，而且用于下行链路传输的多个波束被分配用以接近覆盖该角展度。通过这种方式，下行链路传输在空间上匹配由角展度确定的整个信道。
用以测量角功率谱的电路包括接收机220(图14)以及用以确定角功率谱和下面将讨论的其上峰值所需的信号和数据处理电路。当检测到角功率谱中的峰值时，角位置由该峰值确定。接着，为导引波束朝向所检测到的角位置，天线控制器218计算要输入到天线系统216(图14)的阵列控制向量。当在角功率谱中检测到太多峰值时，功率管理控制器222(图14)选择将用以形成波束的角方向。功率管理控制器222可选择朝向特定到达角路径(即，峰值)的波束方向，或功率管理控制器222可选择波束方向以及可能的波束宽度，以便覆盖检测到的角展度。所选择的方向提供给天线控制器218以形成对天线系统的波束指令。
在利用频分双工的系统中，上行链路和下行链路传输发生在不同频率。因此无法确保在上行链路功率谱中测量的峰值将出现在对应于下行链路方向传输性能良好角度的角度上。然而，通过应用角分集管理或波束宽度管理或二者，产生良好的下行链路传输的可能性变大。
角分集和波束宽度管理都需要测量处于一种或另一种形式的角功率谱。远端站以其正常操作模式(例如，信令操作)广播上行链路信号，在基站的天线系统接收该信号，而且基站确定角功率谱(即，作为平面图中的方位角函数的接收功率)。图18是从远端站2接收的信号功率的角位置图。在图18中，在12个角位置的每个位置的离散功率测量基于例如，在基站1的天线系统以30°间隔指向的12个固定位置天线波束。示例的12波束天线系统可包括三个巴特勒矩阵天线，它们以三角形布置，以形成12波束天线系统，其中每个巴特勒矩阵天线形成4个波束。虽然在本例中考虑的是12波束天线系统，但应理解的是，在天线系统中任何数量的波束都可应用于本发明(例如，24个波束，等等)。
或者，天线系统可包括三个相控阵天线，它们以三角形布置，以形成能构成12波束的天线系统，其中每个相控阵天线构成一个波束宽度为30°的可控波束，以便允许扫描4个波束位置。该12波束天线系统也可包括具有30°波束宽度，而且以30°增量环绕360°扇区角形布置的任何类型的12个天线。虽然，在本例考虑的是12波束天线系统，但应理解的是，在天线系统中任何数量的波束都可应用于本发明(例如，24个波束，等等)。
基于相控阵天线的天线系统通过控制天线波束对准如所希望的那样多的角位置以生成角功率谱，提供了生成更多内插角功率谱(例如，图18的G1)的机会。功率管理控制器222(图14)通过在步骤S20A和S20B从θ角循环以及在步骤S21确定角功率，在过程S20(图15)生成角功率谱。给定角θ，功率管理控制器使天线控制器218(图14)计算阵列控制向量并指向该天线(图16的步骤S211)。相控阵天线接着在接收机220(图14)从远端站2在相控阵天线的每个辐射单元接收信号，以在图16的步骤S212形成信号向量。每个辐射单元最好间隔相邻单元半个波长。例如，如果相控阵天线要包括12个辐射单元(在图7的天线20只示出了8个辐射单元)，在每个辐射单元接收的信号将被抽样以构成被测量的信号向量。抽样的信号最好为具有幅度和相位信息的复数值。来自每个辐射单元的信号构成一个12元接收信号向量，其为列向量 。接着，接收信号向量 的复共轭转置构成行向量 ，而且在步骤S213(图16)计算接收信号的空间协方差矩阵R=x^x^H]]>当接收信号向量 长12元时，那么接收信号的空间协方差矩阵R=x^x^H]]>将为12×12矩阵。
阵列控制向量(θ)为列向量，其中对相控阵天线的每个辐射单元有一个向量元。例如，如果相控阵天线要包括12个辐射单元(例如，半个偶极子)，那么阵列控制向量(θ)将包括12个向量元。阵列控制向量(θ)为图7中的常数C，而且用于将相控阵天线的波束指向方位角θ。每个向量元由下式给出m(θ)＝exp(-j×k×m×d×sinθ)式中k为2π/波长，m为从0到M的指数(例如，对12元天线，从0～11)，用以定义与相控阵天线的辐射单元相关联的编号，d为相控阵天线的辐射单元之间的间隔(最好为1/2波长)，而θ为形成的天线波束的方位角。
阵列控制向量(θ)的每个向量元为图7所描绘的常数C的对应向量元，以便所有向量组合起来确定在接收波束中接收信号的到达角θ，其中θ为相对于相控阵天线的适当基准方向的角度。阵列控制向量(θ)的复共轭转置为行向量(θ)H。
乘积 仍是一个列向量，其中对该相控阵天线的每个辐射单元有一个向量元。乘积 为在步骤S214(图16)确定的单个点，标量，用以给出在到达角θ角功率谱P(θ)的值。因此，角功率谱P(θ)在图18的G1描绘，而且计算为P(θ)=∂-(θ)Hx^x^H∂-(θ)]]>式中，(θ)为阵列控制向量， 为接收信号向量， 为接收信号的空间协方差矩阵，而H表示复共轭转置。
上述用于计算阵列控制向量的公式假设间隔半波长的辐射单元是线性排列的。然而，本领域的技术人员理解，如何对沿曲线路径排列的辐射单元计算阵列控制向量。在图8所描绘的天线系统中最好采用3个稍微“外弯(bowed out)”的天线阵。实际上，天线阵可以“外弯”得很厉害，以便形成一个圆(例如，图6)。本领域的技术人员会理解，为这种弯曲厉害的辐射单元阵列计算阵列控制向量最好在阵列控制向量中应用幅度控制以及相位控制。
为提供高性能，角功率谱可通过对重复测量求平均来确定。在图17中，准备阵列控制向量而且在步骤S211对准天线波束。通过在步骤S215A和S215B中的循环可进行多个测量。在这个环路内，接收信号向量 在步骤S216重复测量，而且协方差矩阵R在步骤S217被重复确定和保存。接着，在步骤S218确定平均协方差矩阵，而且在步骤S214确定角功率谱P(θ)。这种平均确定过程在一个时间间隔内对每个预定方向θ重复多次。通过这种方式，快速衰落现象最终达到平衡。该时间周期必须足够短以便移动远端站2将不会充分改变位置来改变在求平均周期期间其所处的波束。这个时间周期最好大于信道相干时间以最终平衡快速衰落效应。虽然，信道相干时间不能严格和普遍确定，但可以认为它正比于而且近似等于多普勒扩展的倒数。
多普勒扩展的确定更为严格。由于基站和移动远端站之间的相对速率，接收频率相对于发射频率有物理偏移。多普勒扩展是这个频移的两倍。例如，多普勒频移为相对速率与波长之比(类似单位有，米/秒除以米，或英尺/秒除以英尺，等等。)。如果移动远端站以13.9米/秒(约50公里/小时)的速度移动，而波长约为0.15米(例如，2,000MHz信号，光速等于300,000,000米/秒)，那么多普勒频移为92.7Hz，多普勒扩展为185Hz，而信道相干时间约为5.4ms。因此很容易验证在40m/s(约144km/h)的相对速度下，信道相干时间约为1.9ms，而在在相对速率为1m/s(约3.6km/h)信道相干时间约为75ms。
平均时间间隔最好设置为大于多普勒扩展的倒数，而小于移动台以期望的角速度移动基站天线系统的1/2波束宽度的时间。基站了解远端站的距离或能从信号强度推断出距离。基站设计用于与能以高达预定速度的速度移动的移动台通信。如果移动台在基站周围径向移动，这个速度除以距离可以认为是角速度。设置平均间隔为半波束宽度除以角速度提供了一种时间估计，在该时间内，移动远端站2将不足以改变位置来改变在该平均周期期间其所处的波束。
对功率P(θ)求平均的时间周期通常比信道相干时间长得多。例如，在多路径反射发生率高的环境中(例如，城市环境)工作的宽带CDMA系统中，平均周期能为几十个时隙。对于多路径反射发生率的室内环境，移动台速率低得多而且求平均周期可长得多。
基站计算角功率谱，并确定在功率谱中是否指示有尖峰。当指示有尖峰时，每个峰的角位置得以确定。当功率谱扩散而且没有尖峰指示时，基站通过首先确定接收角功率谱超过预定门限(图18的G2)的角度确定角展度AS。也可基于基站1检测到的无线电环境(例如，信号密度)调整该门限。
角功率谱中的尖峰可以通过例如，利用双门限测试来检测。例如，确定功率谱超过第一门限G3的第一连续角范围(其单位为度或幅度)。接着，确定功率谱超过第二门限G2(小于第一门限G3)的第二连续角范围。当第一角范围除以第二角范围的比值小于预定值时，指示有峰值。
当指示有峰值时，调用角分集管理(即，波束到达方向管理)，而且有可能的话调用波束宽度管理。频谱峰值的锐度可以通过对照两个门限比较角功率谱来确定。例如，在图18中，3个峰值超过门限G2，但只有两个峰值超过门限G3。根据门限G2确定的单峰的角展度比根据G3确定的角展度要宽。由G3确定的单峰的角展度与由G2确定的展度之比为峰值锐度的测量值。或者，对照测量角功率谱的门限可以自适应地移动，直到在角功率谱中该门限之上有最多两个峰，以揭示路径3和5的方向。例如，当在角功率谱中出现两个尖峰而且基站发射两个波束时，基站确定这些尖峰的方向(即，功率谱超过门限G3的两个不同角方向)为路径3和5(图1)的角方向。这就称为到达角分集。基站沿相应的路径3和5对准可控波束，或选择要对准的固定波束。本领域的技术人员将理解，如何扩展角分集管理到两个以上波束。
在一些情况下，角功率谱包括3个或多个角位置，它们对应角功率谱中的相应峰值。当基站有两个波束时，基站基于回避共信道用户所处角度从3个或多个角位置中选择第一和第二角位置，(1)以便基于系统范围最小化共信道干扰，或(2)以便平衡发射站的放大器的功率分配。
相控阵天线中的波束宽度通常通过控制波束控制向量(例如，图7的向量C)中各向量元的幅度来选择。当天线系统包括具有可控波束宽度的相控阵天线而且频谱峰值尖锐时，基站设置或选择波束与实际给定的天线系统一样窄，以便集中发射功率到沿相应的路径3和5方向。由于频谱功率峰值尖锐，因此能预期路径3和5具有良好的传输特性。
另一方面，当角功率谱扩散如此扩散以至于峰很弱或不明显时，基于功率谱超过门限(例如，图18的G2)的角范围或至少覆盖角功率谱超过该门限的峰值所需的连续角范围确定通用角窗口。在这种情况下，本发明的优选实施例选择波束以便对用于下行链路传输的所有波束，波束宽度之和近似等于角展度AS。
当天线系统包括具有可控波束宽度的相控阵天线，但频谱峰值不那么尖锐时，基站首先确定角展度为大于门限的功率谱的角范围，或至少覆盖角功率谱超过该门限的峰值所需的连续角范围。接着，基站设置或选择这些波束的波束宽度近似覆盖角展度。这就称为角功率分集或波束宽度管理。例如，试图覆盖角展度的双波束基站将为这两个波束选择波束宽度约为半个角范围，而且基站对准这两个波束以便基本上覆盖角展度。
本领域的技术人员知道扩展到多个波束是直截了当的。例如，当基站有能力在4波束基站进行波束时空编码时，对每个波束选择的波束宽度约为1/4角展度。通过这种方式，下行链路传输将空间匹配信道。最好使正交波束的覆盖匹配信道的角展度以便获得最大角分集增益。然而，通常有2个到4个波束就足够了。
当基站的天线系统有多个固定波束(如同六角形角反射器天线)，而且当角功率谱扩散并且角展度AS超过单个波束的波束宽度时，本发明的一种理想变型将两个相邻波束组合为单个较宽波束(例如，组合两个60°波束为单个120°波束)以更好地匹配无线电信道。在这种情况下，这两个相邻波束用作采用相同导引码或正交化码的单个较宽波束。在固定波束基站中，最好能生成的波束数M很大(例如，M＞4，而且最好至少为8)以便能实现高波束分辨率。当需要较宽波束来更好地匹配信道时，可组合两个相邻波束。
本发明特别适合于天线系统在相控阵天线(例如，图7的天线20和图10的天线40)应用数字波束赋形技术的基站。利用数字波束赋形技术，根据可用的角展度通过在一些单元中利用0加权可电调整天线阵中的视在数量(apparent number)单元(即，视在口径尺寸)。通过这种方式，波束宽度可很容易由基站调整以匹配角展度。这种波束宽度控制用作开环控制系统。
在可选实施例中，当角功率谱在一个大的角范围内超过门限时应用波束跳跃(hopping)技术。波束跳跃技术是顺序覆盖角展度的技术。例如，当发射波束在任何一个时隙不覆盖角展度时，在后续时隙期间可覆盖角展度。考虑具有双波束基站能形成30°波束的示例系统，在此角展度覆盖120°(即，4个波束的宽度)。在波束跳跃系统中，基站形成两个30°波束用以在第一时隙期间传输，以便覆盖该120°角展度的第一个60°扇区，以及形成另外两个30°波束用以在第二时隙期间传输，以便覆盖该120°角展度的剩余60°扇区。
波束跳跃大大提高了在大角展度的无线电环境中的性能。众所周知，当角展度变大时，至少部分由于在传输方向的优化选择上角度不确定性的增大，导致在频分双工蜂窝无线电系统中下行链路性能降级。在频分双工系统中，被确定为具有高功率传输容量(低衰减)的上行链路方向，由于载频不同可能对下行链路传输处于深衰落。
利用无线电环境中的大角展度，下行链路传输的可能方向数将很大。不是选择两个最佳方向，而是通过顺序形成下行链路波束以覆盖角功率谱能超过门限的所有可能的好方向来实现空间分集。这在角展度能覆盖整个扇区或整个小区的微小区或微微小区尤为重要。
在远端站2固定或移动性低的方案中，波束跳跃对选择两个最强方向具有额外优势。当选择最佳的两个方向作为用于大量连续突发的波束发射方向时，如果所选择的方向为错误选择(例如，即使下行链路很好，但下行链路处于深衰落)，那么损失相当大(在数据损耗方面)。然而，通过在一组可能方向上对波束实施跳跃，来自结果为深衰落的任何一个方向上的数据损耗将只持续一段有限时间(例如，只有一个时隙)。这种角分集将能“消除”由于选择了错误的传输方向而导致的误差。
此外，在波束跳跃传输期间生成的对其它远端站的共信道干扰将趋于由发射信号的空间扩展消除。当由于高比特率连接是利用高波束功率实现而需要高数据比特率连接时，共信道干扰尤为麻烦。当基站对波束选择不采用跳频方案时，在高比特率连接中涉及的大量波束功率将生成高度有色干扰(非均匀分布)。
上面已经描述了用于下行链路性能加强的新型自适应波束-时间编码方法和装置的优选实施例(仅用于示意而非限制)，应指出，本领域的技术人员根据上述描述能对其进行修正和更改。因此能理解，对所公开的本发明的特定实施例能进行更改，而且这种更改是在所附权利要求书定义的本发明的范围和精神之内。
上面已经按专利法的特定需要详细描述了本发明，专利许可证要求和希望保护的内容在所附权利要求书中陈述。
权利要求
[闭环波束功率管理]1.一种方法，包括步骤编码第一和第二符号为第一和第二时空编码信号；以相应的第一和第二初始发射功率，在相应的第一和第二辐射图发射第一和第二时空编码信号；确定功率系数指示信息；以及基于相应的第一和第二初始发射功率以及功率系数指示信息，确定第一和第二经调整的发射功率。[全向或扇区天线]
2.权利要求1的方法，其中发射步骤包括在第一辐射图发射第一时空编码信号，其中第一辐射图为基本上全向的辐射图和指向扇区的辐射图中的一种；以及在第二辐射图发射第二时空编码信号，其中第二辐射图为基本上全向的辐射图和指向扇区的辐射图中的一种。[空间分隔或分集极化天线]
3.权利要求1的方法，其中发射步骤包括从第一天线发射第一时空编码信号；以及从第二天线发射第二时空编码信号，第二天线为与第一天线基本上空间分离和与第一天线分集极化中的一种。[正交波束]
4.权利要求1的方法，其中发射步骤包括处理第一和第二时空编码信号以便这些发射信号为能在远端站独立接收的正交信号。[CDMA]
5.权利要求4的方法，其中发射步骤是在码分多址发射站实施的；以及处理步骤包括利用正交的第一和第二扩频码调制第一和第二时空编码信号以及利用正交的第一和第二导引码调制第一和第二时空编码信号中的一种。[TDMA]
6.权利要求4的方法，其中发射步骤是在时分多址发射站实施的；用以处理第一和第二时空编码信号的步骤包括编码正交的第一和第二训练序列为第一和第二训练序列信号；用以处理第一和第二时空编码信号的步骤还包括复用第一训练序列信号与第一时空编码信号以形成第一多路复用信号，以及发送该第一多路复用信号；以及用以处理第一和第二时空编码信号的步骤还包括复用第二训练序列信号与第二时空编码信号以形成第二多路复用信号，以及发送该第二多路复用信号。[多波束天线]
7.权利要求1的方法，其中发射步骤包括控制多波束天线以形成第一和第二波束；第一辐射图包括第一波束；以及第二辐射图包括第二波束。[巴特勒矩阵]
8.权利要求7的方法，其中多波束天线包括多端口巴特勒矩阵天线；发射步骤还包括基于相应的第一和第二经调整的发射功率，缩放第一和第二时空编码信号以形成相应的第一和第二经缩放的时空编码信号；以及用以控制多波束天线的步骤包括转换第一和第二经缩放的时空编码信号到巴特勒矩阵天线的相应第一和第二输入端口，以形成相应的第一和第二波束。[相控阵]
9.权利要求7的方法，其中多波束天线包括相控阵天线系统；用以控制多波束天线的步骤包括在波束调向控制器中形成第一和第二加权函数；以及用以控制多波束天线的步骤还包括输入第一和第二加权函数到该相控阵天线系统，以基于相应的第一和第二经调整的发射功率缩放相应的第一和第二波束的天线增益，该相控阵天线系统包括多波束相控阵天线和多个相控阵天线组中的一种。
10.权利要求1的方法，其中用以确定功率系数指示信息的步骤包括基于从第一辐射图接收的第一功率和第一初始发射功率，确定指示的第一路径衰减特性；用以确定功率系数指示信息的步骤还包括基于从第二辐射图接收的第二功率和第二初始发射功率，确定指示的第二路径衰减特性；以及用以确定第一和第二经调整的发射功率的步骤包括当指示的第一路径衰减特性小于指示的第二路径衰减特性时，确定第一经调整的发射功率大于第二经调整的发射功率。[功率控制系数——基站]
11.权利要求1的方法，其中功率系数指示信息包括第一和第二功率控制系数；用以确定功率系数指示信息的步骤包括在基站接收上行链路信令信息；以及用以确定功率系数指示信息的步骤还包括检测在上行链路信令信息中第一和第二功率控制系数的值。[确定第一功率控制系数——远端站]
12.权利要求1的方法，其中用以确定功率系数指示信息的步骤包括步骤在远端站接收下行链路信令信息；检测在下行链路信令信息中第一初始发射功率的值；在远端站测量从第一辐射图接收的第一功率；以及计算正比于第一功率除以第一初始发射功率值的第一功率控制系数。[测量瞬时或平均功率]
13.权利要求12的方法，其中测量第一接收功率的步骤包括基于接收的瞬时功率和接收的平均功率或接收的瞬时功率和接收的平均功率的组合，测量从第一辐射图接收的功率。[发送第一功率控制系数]
14.权利要求12的方法，其中用以确定功率系数指示信息的步骤还包括用以从远端站发送第一功率控制系数到基站的步骤。[测量第二功率控制系数]
15.权利要求12的方法，其中用以检测值的步骤还检测在下行链路信令信息中第二初始发射功率的值；测量步骤还测量在远端站从第二辐射图接收的第二功率；计算步骤还计算正比于第二功率除以第二初始发射功率值的第二功率控制系数；用以确定功率系数指示信息的步骤包括确定第一功率控制系数除以第二功率控制系数的比值；以及用以确定功率系数指示信息的步骤还包括用以从远端站发送该比值到基站，作为功率系数指示信息的步骤。[开环波束指向管理，以及][开环波束宽度管理——在角展度内适合的波束]
16.一种用以控制发射站的方法，包括步骤确定角功率谱；编码第一和第二符号为第一和第二时空编码信号；在相应的第一和第二波束发射第一和第二时空编码信号，以便第一和第二波束包含于角功率谱的角展度内。[波束指向峰值]
17.权利要求16的方法，其中角展度包括在角功率谱中的第一和第二峰值；用以确定角功率谱的步骤包括确定相应的第一和第二峰值的第一和第二角位置；以及发射步骤包括控制第一和第二波束指向相应的第一和第二角位置的步骤。[波束宽度控制]
18.权利要求17的方法，其中用以控制第一和第二波束的步骤包括控制每个第一和第二波束的波束宽度。[避免共信道干扰]
19.权利要求16的方法，其中角展度包括在角功率谱中的至少3个峰；用以确定角功率谱的步骤包括确定对应于相应的至少3个角峰的至少3个角位置；用以确定角功率谱的步骤还包括基于回避共信道用户所处角度，从该至少3个角位置选择第一和第二角位置；以及发射步骤包括用以控制第一和第二波束指向相应的第一和第二角位置的步骤。[平衡发射机放大器]
20.权利要求16的方法，其中角展度包括在角功率谱中的至少3个角峰；用以确定角功率谱的步骤包括确定对应于相应的至少3个角峰的至少3个角位置；用以确定角功率谱的步骤还包括从该至少3个角位置选择第一和第二角位置，以便平衡发射站的放大器的功率分配；以及发射步骤包括用以控制第一和第二波束指向相应的第一和第二角位置的步骤。[波束也覆盖角展度]
21.权利要求16的方法，其中第一和第二波束覆盖该角展度。[连续角展度和门限]
22.权利要求16的方法，其中用以确定角功率谱的步骤包括确定角展度为一个连续角范围，在此范围内角功率谱的值超过一个门限；以及发射步骤包括用以控制多个波束指向多个相应的角位置以便这多个波束覆盖角展度的步骤。[控制波束宽度]
23.权利要求22的方法，其中用以控制多个波束的步骤包括控制每个波束的波束宽度。[波束跳跃]
24.权利要求16的方法，其中用以发射第一和第二时空编码信号的步骤包括对准第一和第二波束以便在第一时间间隔期间覆盖角展度的第一角部分，该方法还包括步骤编码第三和第四符号为第三和第四时空编码信号；以及在相应的第三和第四波束发射第三和第四时空编码信号，以便第三和第四波束在第二时间间隔期间覆盖角展度的第二角部分。[测量角展度]
25.权利要求16的方法，其中用以确定角功率谱的步骤包括接收上行链路信号；处理接收的上行链路信号以确定角功率谱；以及根据角功率谱确定角展度。
26.权利要求25的方法，其中处理步骤包括确定P(θ)为P(θ)＝(θ)HR(θ)式中(θ)为阵列控制向量，R为接收信号的空间协方差矩阵，而H表示复共轭转置。
27.权利要求26的方法，其中用以确定P(θ)的步骤包括计算R为P=x^x^H]]>式中 为测量的信号向量，而H表示复共轭转置。
28.权利要求25的方法，其中处理步骤包括确定P(θ)为P(θ)＝(θ)HRAVG(θ)式中(θ)为阵列控制向量，RAVG为接收信号的平均空间协方差矩阵，而H表示复共轭转置。
29.权利要求28的方法，其中用以确定P(θ)的步骤包括测量多个信号向量；计算多个矩阵R，每个矩阵R对应相应的信号向量而且计算为R=x^x^H]]>式中 为多个信号向量的经测量的信号向量，而H表示复共轭转置；以及计算RAVG为这多个矩阵R的平均值。
30.权利要求29的方法，其中在一个测量时间间隔内测量多个信号向量 ；该测量时间间隔大于多普勒扩展的倒数；以及该测量时间间隔小于以期望的角速度移动的移动台移动第一波束或第二波束的1/2波束宽度的时间。[多波束天线]
31.权利要求16的方法，其中发射步骤包括控制多波束天线形成多个波束，这多个波束包括第一和第二波束。[巴特勒矩阵]
32.权利要求31的方法，其中多波束天线包括多端口巴特勒矩阵天线；用以控制多波束天线的步骤包括基于角展度选择巴特勒矩阵天线的第一和第二输入端口；以及用以控制多波束天线的步骤还包括转换第一和第二时空编码信号到相应的第一和第二矩阵输入端口，以形成相应的第一和第二波束。[相控阵]
33.权利要求31的方法，其中多波束天线包括相控阵天线系统；用以控制多波束天线的步骤包括形成第一和第二加权函数；以及用以形成第一和第二加权函数的步骤包括输入第一和第二加权函数到该相控阵天线系统以至少对准或形成相应的第一和第二波束，该相控阵天线系统包括多波束相控阵天线和多个相控阵天线中的一种。[利用相控阵天线可控制的波束宽度]
34.权利要求31的方法，其中多波束天线为具有多个单元的相控阵天线；以及用以控制多波束天线形成多个波束的步骤包括将加权应用于馈给相控阵天线中的每个单元的信号，以便对这多个波束的每个波束，相反地控制视在口径宽度与期望的波束宽度。[如同在相控阵天线一样具有不同波束宽度的不同波束]
35.权利要求34的方法，其中用以控制多波束天线以形成多个波束的步骤还包括形成第一波束以具有第一波束宽度；形成第二波束以具有第二波束宽度，第二波束宽度与第一波束宽度不同。[利用不同波束覆盖角展度]
36.权利要求34的方法，其中用以控制多波束天线以形成多个波束的步骤还包括形成多个波束以具有各自的波束宽度，这些波束宽度的总和基本上等于角展度。[系统——闭环波束功率管理]
37.一种系统，包括基站，其中该基站包括用以编码符号流为第一和第二时空编码信号的时空编码器；天线系统；用于以相应的第一和第二初始发射功率从该天线系统发射第一和第二时空编码信号，以便形成相应的第一和第二辐射图的发射机；用以接收功率系数指示信息的基站接收机；以及用以基于相应的第一和第二初始发射功率以及功率系数指示信息，确定第一和第二经调整的发射功率的功率管理控制器。[全向或扇区天线]
38.权利要求37的系统，其中天线系统包括第一和第二天线；以及每种天线为生成基本上全向的辐射图和指向扇区的辐射图其中一种的天线。[空间分隔天线]
39.权利要求37的系统，其中天线系统包括第一和第二天线；以及第一天线为基本上与第二天线空间分离的天线。[正交天线]
40.权利要求37的系统，其中天线系统形成第一和第二辐射图，作为能在远端站独立接收的正交辐射图。[正交信号]
41.权利要求37的系统，其中发射机包括用以处理第一和第二时空编码信号以便从天线系统发射的信号相互正交的电路。[CDMA]
42.权利要求41的系统，其中基站为时分多址发射站，而用以处理第一和第二时空编码信号的电路包括下面的一种用以利用正交的第一和第二扩频码调制第一和第二时空编码信号的电路；和用以利用正交的第一和第二导引码调制第一和第二时空编码信号的电路。[TDMA]
43.权利要求41的系统，其中基站为时分多址发射站；用以处理第一和第二时空编码信号的电路包括用以编码相应的第一和第二训练序列为第一和第二训练序列信号的调制器；用以处理第一和第二时空编码信号的电路还包括用以复用第一训练序列信号与第一时空编码信号以形成第一多路复用信号的多路复用器；以及用以处理第一和第二时空编码信号的电路还包括用以复用第二训练序列信号与第二时空编码信号以形成第二多路复用信号的多路复用器。[多波束天线]
44.权利要求37的系统，其中天线系统包括多波束天线；基站还包括用以控制该多波束天线以形成第一和第二波束的电路；第一辐射图包括第一波束；以及第二辐射图包括第二波束。[巴特勒矩阵]
45.权利要求44的系统，其中多波束天线为多端口巴特勒矩阵天线；发射机还包括用以基于相应的第一和第二经调整的发射功率，缩放第一和第二时空编码信号以形成相应的第一和第二经缩放的时空编码信号的放大器；以及用以控制多波束天线的电路包括，用以连接第一和第二经缩放的时空编码信号到巴特勒矩阵天线的相应第一和第二输入端口，以形成相应的第一和第二波束的开关。[相控阵]
46.权利要求44的系统，其中多波束天线包括相控阵天线系统；用以控制多波束天线的电路包括用以形成第一和第二加权函数的波束调向控制器；以及波束调向控制器包括用以输入第一和第二加权函数到该相控阵天线系统，以基于相应的第一和第二经调整的发射功率缩放相应的第一和第二波束的天线增益的逻辑，该相控阵天线系统包括多波束相控阵天线和多个相控阵天线中的一种。[测量功率控制系数——基站]
47.权利要求37的系统，其中功率系数指示信息包括第一和第二功率控制系数；基站接收机包括用以接收上行链路信令信息的电路；以及基站接收机还包括用以检测上行链路信令信息中第一和第二功率控制系数的值的电路。[相对功率]
48.权利要求37的系统，还包括远端站，该远端站包括用以基于从第一辐射图接收的第一功率和第一初始发射功率，确定指示的第一路径衰减特性，以及基于从第二辐射图接收的第二功率和第二初始发射功率，确定指示的第二路径衰减特性的电路。[1比特反馈]
49.权利要求48的系统，其中该电路包括，当指示的第一路径衰减特性小于指示的第二路径衰减特性时，利用第一值形成功率系数指示信息，以及当指示的第一路径衰减特性大于指示的第二路径衰减特性时，利用第二值形成功率系数指示信息的电路。[返回系数]
50.权利要求48的系统，其中远端站还包括用以发送指示的第一和第二路径衰减特性的值到基站的电路。[调整发射功率]
51.权利要求48的系统，其中功率管理控制器包括，当指示的第一路径衰减特性小于指示的第二路径衰减特性时，用以确定第一经调整的发射功率大于第二经调整的发射功率的电路。[测量第一功率控制系数]
52.权利要求37的系统，还包括远端站，其中远端站包括用以接收下行链路信令信息的电路；用以检测在下行链路信令信息中第一初始发射功率的值的电路；用以测量从第一辐射图接收的第一功率的电路；以及用以确定正比于第一功率除以第一初始发射功率值的第一功率控制系数的电路。
53.权利要求52的系统，其中用以测量接收的第一功率的电路测量接收的瞬时功率和接收的平均功率或接收的瞬时功率与接收的平均功率的组合。[返回第一功率控制系数]
54.权利要求52的系统，其中功率系数指示信息包括第一功率控制系数；以及远端站还包括用以发送功率系数指示信息到基站的电路。[测量第二功率控制系数]
55.权利要求52的系统，其中用以检测的电路还检测在下行链路信令信息中第二初始发射功率的值；用以测量的电路还测量从第二辐射图接收的第二功率；用以确定的电路还确定正比于第二功率除以第二初始发射功率值的第二功率控制系数；该电路还包括用以确定第一功率控制系数除以第二功率控制系数的比值的电路；功率系数指示信息包括该比值；以及远端站还包括用以发送该比值到基站作为功率系数指示信息的电路。[系统——开环波束指向管理以及][系统——开环波束宽度管理——在角展度内适合的波束]
56.一种系统，包括发射站，其中发射站包括用以确定角功率谱的电路；用以编码第一和第二符号为第一和第二时空编码信号的时空编码器；用以在相应的第一和第二波束发射第一和第二时空编码信号，以便第一和第二波束包含于角功率谱的角展度内的发射机。[波束指向峰值]
57.权利要求56的系统，其中角展度包括在角功率谱中的第一和第二峰值；用以确定角功率谱的电路包括用以确定相应的第一和第二峰值的第一和第二角位置的电路；以及发射机包括用以控制第一和第二波束指向相应的第一和第二角位置的电路。[波束宽度控制]
58.权利要求57的系统，其中用以控制第一和第二波束的电路包括波束宽度控制器。[避免共信道干扰]
59.权利要求56的系统，其中角展度包括在该角功率谱中的至少3个峰；用以确定角功率谱的电路包括用以确定对应于相应的至少3个角峰的至少3个角位置的电路；用以确定角功率谱的电路还包括用以基于回避共信道用户所处角度，从这至少3个角位置选择第一和第二角位置的电路；以及发射机包括用以控制第一和第二波束指向相应的第一和第二角位置的电路。[平衡发射机放大器]
60.权利要求56的系统，其中角展度包括在该角功率谱中的至少3个峰；用以确定角功率谱的电路包括用以确定对应于相应的至少3个角峰的至少3个角位置的电路；用以确定角功率谱的电路还包括用以从这至少3个角位置中选择第一和第二角位置，以便平衡发射站放大器中的功率分配的电路；以及发射机包括用以控制第一和第二波束指向相应的第一和第二角位置的电路。[波束也覆盖角展度]
61.权利要求56的系统，其中第一和第二波束覆盖角展度。[连续角展度和门限]
62.权利要求56的系统，其中用以确定角功率谱的电路包括用以确定角展度为一个连续角范围的电路，在此范围内角功率谱的值超过门限；以及发射机包括用以控制多个波束指向多个相应角位置以便这多个波束覆盖角展度的电路。[控制波束宽度]
63.权利要求62的系统，其中用以控制多个波束的电路包括波束宽度控制器。[波束跳跃]
64.权利要求56的系统，其中发射机包括用以对准第一和第二波束以便覆盖角展度的第一角部分的电路；时空编码器还编码第三和第四符号为第三和第四时空编码信号；发射机还包括用以在相应的第三和第四波束发射第三和第四时空编码信号，以及对准该第三和第四波束以便覆盖角展度的第二角部分的电路。[波束跳跃]
65.权利要求64的系统，其中发射机在发射完第一和第二时空编码信号后发射第三和第四时空编码信号。[测量角展度]
66.权利要求56的系统，其中用以确定角功率谱的电路包括用以接收上行链路信号的接收机；以及用以根据接收的上行链路信号确定角功率谱以及根据角功率谱确定角展度的处理器。
67.权利要求66的系统，其中处理器包括用以基于下述公式确定P(θ)的电路P(θ)＝(θ)HR(θ)式中(θ)为阵列控制向量，R为接收信号的空间协方差矩阵，而H表示复共轭转置。
68.权利要求67的系统，其中用以确定P(θ)的电路包括用以计算R为下述公式的逻辑R=x^x^H]]>式中 测量的信号向量，而H表示复共轭转置。
69.权利要求66的系统，其中处理器包括用以确定P(θ)为下述公式的电路P(θ)＝(θ)HRAVG(θ)式中(θ)为阵列控制向量，RAVG为接收信号的平均空间协方差矩阵，而H表示复共轭转置。
70.权利要求69的系统，其中用以确定P(θ)的电路包括用以测量多个信号向量的电路；用以计算多个矩阵R的逻辑，每个矩阵R对应于相应的信号向量而且计算为R=x^x^H]]>式中 为多个信号向量的经测量的信号向量，而H表示复共轭转置；以及用以计算RAVG为这多个矩阵R的平均值的逻辑。
71.权利要求70的系统，其中在一个测量时间间隔内测量这多个信号向量 ；该测量时间间隔大于多普勒扩展的倒数；以及该测量时间间隔小于以期望的角速度移动的移动台移动第一波束或第二波束的1/2波束宽度的时间。[多波束天线]
72.权利要求56的系统，其中发射机包括多波束天线；以及用以控制该多波束天线形成多个波束的电路，这多个波束包括第一和第二波束。[巴特勒矩阵]
73.权利要求72的系统，其中多波束天线包括多端口巴特勒矩阵天线；用以控制多波束天线的电路包括用以基于角展度选择巴特勒矩阵天线的第一和第二输入端口的逻辑；以及用以控制多波束天线的电路还包括用以连接第一和第二时空编码信号到相应的第一和第二输入端口，以形成相应的第一和第二波束的开关。[相控阵]
74.权利要求72的系统，其中多波束天线包括相控阵天线系统；用以控制多波束天线的电路包括用以形成第一和第二加权函数的波束调向控制器；以及波束调向控制器包括用以输入第一和第二加权函数到该相控阵天线系统以至少对准或形成相应的第一和第二波束的逻辑，相控阵天线系统包括多波束相控阵天线和多个相控阵天线中的一种。[利用相控阵天线可控制的波束宽度]
75.权利要求72的系统，其中多波束天线为具有多个单元的相控阵天线；以及用以控制多波束天线的电路包括用以将加权应用于馈给给相控阵天线的每个单元的信号的波束控制器，以便对这多个波束的每个波束控制视在口径宽度与期望的波束宽度相反。[如同在相控阵天线一样具有不同波束宽度的不同波束]
76.权利要求75的系统，其中用以控制多波束天线形成多个波束的电路还包括用以形成第一波束以具有第一波束宽度的逻辑；用以形成第二波束以具有第二波束宽度的逻辑，第二波束宽度与第一波束宽度不同。[波束宽度总和覆盖角展度]
77.权利要求75的系统，其中用以控制多波束天线形成多个波束的电路还包括用以形成多个波束以具有各自的波束宽度的逻辑，这些波束宽度的总和基本上等于角展度。
全文摘要
一种无线电系统,包括基站和远端站。基站包括时空编码器、天线系统、发射机、基站接收机以及功率管理控制器。时空编码器编码符号流为第一和第二时空编码信号,而发射机分别以第一和第二初始发射功率从天线系统发射第一和第二时空编码信号以便形成相应的第一和第二辐射图。基站接收机从远端站接收功率系数指示信息,而功率管理控制器基于相应的第一和第二初始发射功率以及功率系数指示信息确定第一和第二经调整的发射功率。在一个可选实施例中,无线电系统的发射站包括用以确定角功率谱的电路、时空编码器以及发射机。时空编码器编码第一和第二符号为第一和第二时空编码信号,而发射机分别在第一和第二波束发射第一和第二时空编码信号,以便第一和第二波束包含于该角功率谱的角展度内。
文档编号H04B7/06GK1390398SQ00815537
公开日2003年1月8日 申请日期2000年11月10日 优先权日1999年11月12日
发明者尤哈·伊里塔罗, 马科斯·凯茨 申请人:诺基亚公司