专利名称：用于在多址通信系统中使用交换多波束天线的方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线电信系统，更具体地，涉及在无线电信系统中使用交换多波束天线。
背景技术：
设计无线通信系统中的一个重要目标是最大化系统容量，即最大化通信系统可同时服务的用户数。一种增加系统容量的方法是使用智能天线系统。智能天线系统使用天线组件阵列来向目标移动站(MS)无线地发送信息。智能组件阵列的使用允许对发送的信号进行波束形成，使得向MS发送更窄、更集中的波束。换言之，通过调节传送给每一天线组件的信号的幅度与相位，可形成想要的波束。通过对发送的信号进行波束形成，减小了发送的信号的多径衰减以及对非目标用户的干扰，这是因为波束更窄地集中。
存在两种主要类型的智能天线系统，交换(switched)波束天线系统与自适应天线系统。在蜂窝式通信系统中，交换波束天线系统包括在小区的扇区中使用多个预先确定的、固定的波束。交换波束天线系统的多个天线组件的输出以这样的方式合并，以形成窄的、定向的波束，其在空间上是选择性的。当目标MS穿过扇区时，交换波束系统将要送给MS的信息从一个波束交换到另一个。换言之，当MS处于多个波束中的第一波束中时，将扇区中可获得的所有发送功率分配给第一波束。当MS处于多个波束中的第二波束中时，将扇区中可获得的所有发送功率分配给第二波束。
通过将发送给特定MS的信号限制到包含该MS的波束，改进了系统性能，这是因为将发送的信号限制到正确波束减小了不在该波束中的其它移动站观察到的干扰。另外，将发送给特定MS的信号限制到包含该MS的波束允许削减发送功率，随之(削减)其它移动站观察到的干扰。结果，改善了系统容量，这是因为干扰的削减允许在时分多址(TDMA)通信系统中增加频率重用，或者在码分多址(CDMA)通信系统中正交码重用。
然而，利用交换波束天线系统来将波束信号集中到穿越扇区的目标MS仅仅是开始解决增加系统容量的问题，该问题是对无线通信系统的操作的持续约束。因此，存在对用于通过在无线通信系统中利用交换波束天线系统，获取额外的容量改进的方法与设备的需要。
图1是通信系统的框图，其遵照本发明的实施例。
图2是发送通信设备的框图，其遵照本发明的实施例。
图3是发送通信设备的多个发送信号路径的框图，其遵照本发明的实施例。
图4是通信系统的扇区的框图，其遵照本发明的另一实施例。
图5是通信系统的扇区的框图，其遵照本发明的另一实施例。
图6是通信系统的扇区的框图，其遵照本发明的另一实施例。
图7是通信系统在经由交换波束天线系统向多个移动站中的每一移动站传送信息时执行的步骤的逻辑流程图，其遵照本发明的实施例。
具体实施例方式
为通过在无线通信系统中利用交换波束天线系统获取额外的容量改善，提供一种通信系统，其在与覆盖域(特别是扇区)相关联的多个预先确定的、固定的波束中的每一波束调度不同的MS，或用户。通过在多个波束中的每一波束中同时地调度用户，相对现有技术而言，通信系统的性能与吞吐量得到显著增加。在本发明的一个实施例中，将为每一MS分配的一部分共享通信信道经由与MS相关联的波束并发地发送给每一MS。在本发明的其它实施例中，可将与波束中调度的每一MS相关联的话音信道、数据信道、与控制信道经由与MS相关联的波束并发地发送给每一MS。
一般地，本发明的实施例包括这样的方法，其用于向通信系统中的多个移动站中的每一移动站传送用户信息，该通信系统包括多个移动站与交换波束天线系统，其中交换波束天线系统包括基础架构与多个波束，其用于将用户信息从基础架构传送给多个移动站。该方法包括调度多个移动站中的不同移动站，以基本上同时地使用多个波束中的每一波束。
本发明的另一实施例包括基站子系统，其能够在包括交换波束天线系统的通信系统中操作，其生成多个预先确定的、固定的波束。基站子系统包括天线阵列，其包括多个阵列组件，还包括多个加权器，其中多个加权器中的每一加权器连接到多个组件中的一个组件，还包括处理器，其连接到多个加权器中的每一加权器。处理器将第一组加权系数传送给加权器，以将信息传送给多个移动站中的第一移动站，并进一步将第二组加权系数传送给加权器，以将信息传送给多个移动站中的第二移动站，其中加权器利用第一组加权系数来向第一移动站发送多个波束中的第一波束，并且其中加权器利用第二组加权系数来向第二移动站发送多个波束中的第二波束。
可参照图1-7更充分地描述本发明。图1是无线通信系统100的框图，其遵照本发明的实施例。通信系统100包括固定无线基础架构，其包括基站子系统(BSS)102。BSS 102向位于由该BSS服务的服务覆盖域(或小区)150内的多个移动站(MS)110-112中的每一个提供通信服务。小区150划分为多个地理扇区151-153(显示了三个)。BSS 102包括多个基站收发信站(BTS)104、105(显示了两个)，每一BTS经由双工器连接到天线114。每一BTS 104、105经由各空中接口116-118向位于由BTS服务的小区150中的扇区151-153中的MS110-112提供通信服务。每一空中接口116-118包括多个通信信道，其包括至少一个分组数据信道、共享分组数据信道、导频信道、寻呼信道、与同步信道。
天线114是定向天线，其划分为多个天线扇区120、130、140(显示了三个)，其中多个天线扇区中的每一扇区对应于多个地理扇区151-153中的一个地理扇区，并向其提供通信服务。每一天线扇区120、130、140包括天线阵列，其包括多个天线组件(每一阵列显示了两个)。例如，天线扇区120包括天线组件121-122，天线扇区130包括天线组件131-132，而天线扇区140包括天线组件141-142。通过利用天线阵列来向位于由该天线阵列服务的扇区内的MS发送信号，BSS 102能够利用交换波束的波束形成技术来发送信号。例如，如图1所示，每一扇区151-153与多个固定的、预先确定的波束160-165相关联，即，扇区151与波束160和161相关联，扇区152与波束162和163相关联，而扇区153与波束164和165相关联；然而，本领域普通技术人员意识到，与每一扇区相关联的波束数目是任意的，取决于通信系统100的设计者的判断力。每一波束160-165是预先确定的、固定的，而非自适应成形的、定向的，并由BSS 102用来向该波束中包括的MS发送信号。
BSS 102进一步包括调度器106与基站控制器(BSC)108，其分别连接到BSS 102中的每一BTS 104、105。在本发明的另一实施例中，调度器106可包括在BSC 108内。调度器106确定由BSS 102(即，由BSS 102的BTS 104)利用的多个波束160-165中的优化波束，以向由该BTS服务的MS发送信号。
优选地，通信系统100是码分多址(CDMA)通信系统，其包括多个正交的通信信道，尽管本领域普通技术人员意识到本发明可用在任何无线通信系统中，例如时分多址(TDMA)通信系统或正交频分复用(OFDM)通信系统。优选地，多个通信信道中的每一通信信道包括多个正交扩频码中的一个或多个，例如Walsh码。扩频码的使用允许多个通信信道共存于同一频带。
图2是BTS 104、105的框图，其遵照本发明的实施例。每一BTS104、105连接到与BSS 102相关联的至少一个天线阵列120、130、140，例如阵列120，并包括发送器部分202与接收器部分204，其分别经由双工器(未显示)连接到阵列。发送器部分202与接收器部分204中的每一个进一步连接到处理器206，例如一或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、其组合或本领域普通技术人员所知的其它这样的设备。处理器206进一步连接到，和/或包括，一或多个相关联的存储设备208，例如随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、和/或只读存储器(ROM)或其等价物，其存储可由处理器执行的数据与程序。处理器206和相关联的存储设备208允许BTS 104保存信息，进行计算，以及运行软件程序。
图3是每一BTS 104、105的多个发送信号路径300、301的框图，其遵照本发明的实施例。每一发送信号路径300、301对应于与该BTS相关联的天线阵列(例如天线阵列120)的多个阵列组件(例如阵列组件121与122)之一。数据由数据源210(例如与诸如公共交换电话网(PSTN)或因特网等外部网络的接口)或者运行在BTS的处理器206上的应用提供给BTS 104。
数据源210连接到处理器206。如图3所示，处理器206包括编码器302，多个扩频器306、308，以及多个符号映射器310、312。编码器302从数据源210接收数据并利用预先确定的编码方案(例如分组编码方案或卷积编码方案)编码数据。编码器302其后将编码的数据传送给多个扩频器306、308中的每一个。在本发明的另一实施例中，处理器206可进一步包括交织器，在将编码的数据传送给多个扩频器306、308之前，该交织器交织编码的数据。
多个扩频器306、308中的每一扩频器连接到扩频码发生器304，并依照扩频码发生器提供的扩频码(优选地为Walsh码)扩频编码的数据。扩频码发生器304生成的扩频码取决于数据要送往的MS，这是因为BSS 102向位于多个扇区151-153中的同一扇区中的每一MS分配不同的扩频码。每一扩频 306、308其后将扩频数据传送给多个符号映射器310、312中的各个符号映射器。每一符号映射器310、312将数据映射到符号星座图中包括的多个符号之一，以产生与调制的数据相对应的符号流。在本发明的一个实施例中，符号映射器310、312利用正交幅度调制(QAM)映射方案来映射数据。然而，使用的映射方案对于本发明不是关键性的，本领域普通技术人员意识到，可在这里使用许多种映射方案，例如二相移键控(BPSK)或四相移键控(QPSK)，而不偏离本发明的实质与范围。在符号映射器310、312调制数据后，处理器206将调制的数据传送给发送器部分202以供发送。
发送器部分202包括多个调制器314、316，其分别连接到多个放大器318、320之一。发送器部分202进一步包括多个加权器322、324，其分别连接在多个放大器318、320之一与多个天线121、122之一之间，并进一步连接到处理器206。多个调制器314、316中的每一调制器从各符号映射器310、312接收调制的数据，并将调制的数据调制到射频(RF)载波。其后，将每一调制的载波传送给连接到各调制器314、316的放大器318、320，其放大调制的载波，产生放大的信号，并将放大的信号传送给各加权器322、324。每一加权器322、324基于由处理器206提供给加权器的加权系数调制放大的信号，并经由各天线121、122发送放大的信号。在本发明的其它实施例中，可将各加权器322、324置于调制器314、316与放大器318、320之间，或者可置于调制器314、316之前，以及置于处理器206之内。
为优化由目标MS(例如MS 110)从服务该MS的BTS 104、105接收的RF信号的强度，并最小化RF信号与BTS同该BTS服务的扇区中的其它活动的MS之间的通信的干扰，每一BTS 104、105采用交换波束的波束成形技术来发送RF信号。交换波束波束成形技术允许BTS基于由该BTS分配给与该BTS相关联的天线阵列的每一组件121、122的加权系数，向目标MS 110发送狭窄地集中的信号。
当前的与提议的码分多址(CDMA)通信系统，例如1XEV-DV(数据与话音)系统与HSDPA(高速下行分组接入)系统，分别在MS与BSS之间的空中接口中包括多个通信信道。在多个信道之间有共享通信信道，即，共享分组数据信道，其可在由同一BSS服务的多个MS之间共享。遵照1XEV-DV与HSDPA标准，通信系统100，特别是调度器106，优选地使用来自MS的载波干扰比(C/I)反馈，以调度MS 110-112对共享分组数据信道的使用。在对共享分组数据信道的调度操作中，调度器106考虑(1)选择多个MS中的哪一MS进行调度，以用于共享分组数据信道；(2)为MS选择编码器分组大小；和(3)选择要分配给MS的若干Walsh码。1xEV-DV中的共享分组数据信道可在两个用户之间进行码分复用(2用户CDM)，而HSDPA的共享分组数据信道可在四个用户之间进行码分复用(4用户CDM)。尽管下面的讨论将仅针对1xEV-DV支持的2用户CDM，本领域普通技术人员意识到，所讨论的概念同样适用于4用户CDM的情形。
可如下确定C/I反馈。多个MS 110-112中的每一MS通过将从组件接收的信号与该信号的已知版本进行相关，测量MS与BSS 102的阵列组件之间的传播信道。例如，BSS 102可经由组件发送导频码，例如预先确定的导频Walsh码，或者MS已知的分配给组件的导频符号序列。当MS接收发送的信号时，MS将接收的信号与已知的导频码或符号进行相关。其后，基于该比较，MS确定归因于信道的符号失真。
测量背景干扰的自相关更困难一些。在本发明的一个实施例中，每一MS 110-112通过解调从BSS 102接收的信号，并从到达的信号减去解调的信号，来测量背景干扰的自相关。产生的信号仅包括背景干扰，而该信号的自相关可通过将该信号与其自身进行相关来容易地获得。在本发明的另一实施例中，通过BSS 102周期性地将其发送的信号堵塞一小段时间，MS可测量自相关。在发送的信号被关闭的一小段时间期间，接收的信号仅包括背景干扰。此外，可通过将该信号与其自身进行相关，测量干扰的自相关。
在本发明的又一实施例中，每一MS 110-112可通过测量接收的由BSS 102发送的信号的相关(通过将该信号与其自身进行相关)来测量背景干扰的自相关。该相关是信号相关函数与干扰相关函数之和。MS将信道传播信息与接收的信号相关函数发送给BSS 102，即，服务该MS的BTS。BSS 102，优选地服务该MS的BTS的处理器206，基于传播信道与发送的信号(例如，导频信号)的知识，为MS处所观察到的发送的信号计算信号相关。其后，通过从接收的信号的相关函数减去发送的信号的计算出的相关，获得干扰相关。
使用BSS 102的多个阵列组件中的每一个与由该BSS服务的多个MS 110-112中的每一个之间的传播信道的知识，以及每一MS处的干扰环境，BSS 102为功率分配确定由该BSS服务的每一MS处的信噪比(SNR)，并进一步从多组加权系数中确定一组加权系数，多组加权系数分别对应于与MS所处的扇区相关联的多个固定波束。例如，服务MS的BTS的存储设备208可存储多组加权系数，其中多组加权系数中的每组加权系数对应于与该BTS服务的扇区相关联的多个波束中的一个波束。BTS的处理器206其后选择产生最大SNR的一组加权系数，尽管用于选择一组加权系数的其它标准为本领域普通技术人员所知，并可用于此处，而不偏离本发明的实质与范围。当BTS，例如BTS 104，其后向由该BTS服务的MS发送信号时，BTS的处理器206将适宜的加权系数传送给BTS的加权器322、324。每一加权器322、324其后使用由处理器206传送给加权器的加权系数来调制通过相应的天线阵列组件发送的信号，该信号其后经由对应的阵列组件在多个固定的、预先确定的波束中发送。
现在参照图4，阐释了通信系统100的扇区400(例如扇区151-153)的框图，其遵照本发明的实施例。扇区400包括多个波束401、402(显示了两个)，其由天线阵列(例如天线阵列120、130、与140)以及与该扇区相关联的BTS 104发送。与1xEV-DV中类似，服务扇区的BTS与位于该扇区中的MS(即MS 110与111)中的每一个之间的空中接口包括共享分组数据信道，其支持两用户码分复用(CDM)并在两用户或MS之间共享。
为增大通信系统100的容量，或增大同时参与通信会话的用户数目，该通信系统，特别是调度器106，在扇区400中的多个波束401、402中的每一波束调度不同的MS或用户。通过在多个波束401、402中的每一波束同时地调度用户，相对现有技术而言，通信系统100的性能与吞吐量得到显著增加。在本发明的第一实施例中，仅使用共享通信信道(例如共享分组数据信道)来将用户信息传送给位于扇区400中的MS 110、111，且在相关联的载波上没有1X话音或数据。令γ1，p表示第一MS(例如MS 110)的导频C/I，其位于第一波束(例如波束401)中，且令γ2，p表示第二MS(例如MS 111)的导频C/I，其位于第二波束(例如波束402)中。令NPDCH表示分配给共享通信信道的Walsh码的数目，令P表示分配给扇区400的总发送功率，且令fo表示分配给开销信道(例如导频、寻呼与同步信道)的总功率的系数(fraction)。
为保持C/I反馈的完整性，假定在每一波束401与402中发送的功率是相等的而且是恒定的。这样，分配给每一波束401与402的功率是P/2。以这种方式，每一相关联的MS 110与MS 111处的C/I信息仅作为衰减的函数，而不会因为发送功率中的波动而变化。
如果在某扇区中某时刻仅调度单个MS，且送往该MS的信号在扇区的全部两个波束上发送(或者仅在所调度的用户的波束上发送，而在另一波束上发送相等功率的CDMA噪声)，可获得的最大扇区容量由下面的公式给出Capacity=NPDCHlog2(1+P(1-fo)NPDCH1fpmax(γ1,p,γ2,p)),]]>其中fp是分配给导频信道的发送功率的系数。为简化表示，令ζ=P(1-fo)NPDCH1fp]]>这样，当在某时刻仅调度单个MS，且要送往MS的信号通过全部两个波束发送时，扇区的容量由下面的公式给出Capacity＝NPDCHlog2(1+ζmax(γ1，p，γ2，p))在通信系统100中，在与扇区相关联的多个波束中的每一个(即，扇区400的波束401与402)中并发地调度分立的MS或用户。当要送往分别与扇区波束401、402相关联的MS 110、111的信号仅在与MS相关联的波束上发送时，扇区400的容量由下面的公式给出Capacity=NPDCH(αlog2(1+ζαγ1,p)+(1-α)log2(1+ζ(1-α)γ2,p))]]>其中α表示分配给第一MS 110的Walsh码空间的系数，而1-α表示分配给第二MS 111的系数。注意，在此公式中，在两个波束401与402中分配给每一Walsh码的功率是不同的。
扇区400的最大可获得容量由下面的公式给出Capacity＝NPDCHlog2(1+ζ(γ1，p+γ2，p))，且该容量当α=γ1.pγ1,p+γ2,p]]>时获得。
使用2用户CDM与交换波束而产生的容量增加由下面的公式给出Capacity Increase＝NPDCH(log2(1+ζ(γ1，p+γ2，p))-log2(1+ζmax(γ1，p，γ2，p)))=NPDCHlog2(1+ζ(γ1,p+γ2,p)1+ζmax(γ1,p,γ2,p)).]]>如果γ1，p＝γ2，p，容量增加由(下面的公式)给出Capacity Increase=NPDCHlog2(1+2ζγ1,p1+ζγ1,p),]]>且这对应于对于共享通信信道，在信扰比(SIR)中每Walsh码3dB的增加。
需要注意的是，这不是容量的翻番。为在SIR增加3dB时容量翻番，还需要翻番Walsh码数目(更一般地，带宽)。这可通过允许为分组数据信道使用准正交函数(QOF，已在CDMA 2000 1X标准中)来做到，其中给每一波束401、402分配一组QOF。
结果，通过在每一波束401与402中调度分立的MS或用户110、111，其中要送往与给定波束相关联的MS的信号仅在该波束上发送，扇区400容量变为与并发调度的MS(即MS 110与111)中的每一个的SIR的和的函数，而非两SIR的最大值的函数。进一步地，在每一波束401与402中调度分立的MS或用户提供了通信系统的额外好处，即与C/I反馈、自适应调制与编码(AMC)、以及调度器106兼容，而不在相邻扇区或小区中引入干扰变动。
在本发明的另一实施例中，系统100可以是CDMA 1XEV-DV系统，其中BSS 102将用户信息经由分组数据信道以及话音与数据信道发送给由该BSS服务的MS 110-112中的每一个。1X话音与数据不在分组数据信道上传输，并在波束401与402中的每一个中要求总发送功率的一些系数，以及总带宽的一个系数。而且，在两个波束中提供1X话音与数据服务所要求的功率是不同。令f1与f2表示分别在波束401与402中分配给CDMA 2000 1X话音与数据(包括导频、寻呼、与同步开销)的功率的系数。例如，令f1＝1/3且f2＝2/3。如上面那样，令NPDCH表示分组数据信道可获得的Walsh码数目。注意，该数目不包括用于开销信道(例如导频、寻呼、与同步信道)的Walsh码以及为1X话音和/或数据分配的Walsh码。
没有CDM时，当仅调度单个MS或用户接收信息信号，且该信号在全部两个波束上发送(或者仅在所调度的MS的波束上发送，而在另一波束上发送相等功率的CDMA噪声)时，该扇区可获得的最大容量由下面的公式给出Capacity＝NPDCHlog2(1+ζmax((1-f1)γ1，p，(1-f2)γ2，p))，其中ζ如上面那样定义。
再次参照图4，在通信系统100中，在与扇区相关联的多个波束中的每一个(即，扇区400的波束401与402)中并发地调度分立的MS或用户。即，调度第一MS(例如MS 110)经由第一波束(例如波束401)接收信息信号，而调度第二MS(例如MS 111)经由第二波束(例如波束402)接收信息信号。进一步地，要送往特定MS的信息信号仅在相关联的波束上发送给MS。扇区400的容量由下面的公式给出Capacity=NPDCH(αlog2(1+ζ(1-f1)αγ1,p)+(1-α)log2(1+ζ(1-f2)(1-α)γ2,p))]]>其中α表示在第一波束401中分配给第一MS 110的NPDCHWalsh码字的系数，而1-α表示在第二波束402中分配给第二MS 111的码字的系数。最大可获得容量由下面的公式给出Capacity＝NPDCHlog2(1+ζ((1-f1)γ1，p+(1-f2)γ2，p))，且该容量当α=(1-f1)γ1,p(1-f1)γ1,p+(1-f2)γ2,p]]>时获得。
这样，交换波束在具有1X话音与数据两者以及共享通信信道的混合系统中提供与仅使用共享通信信道类似的优点。如上面那样，多个交换波束中的每一波束的分立用户的调度导致的扇区容量为MS 110与MS 111中的每一个的SIR的和的函数，与共享通信信道可获得的波束功率的系数成正比，而非两SIR的最大值的函数。而且，在每一波束401与402中调度分立的MS或用户提供了通信系统的额外好处，即与C/I反馈、自适应调制与编码(AMC)、以及调度器106兼容，而不在相邻扇区或小区中引入干扰变动。
多个交换波束中的每一波束的分立用户的调度的结果可直接扩展到在每扇区支持多个波束和/或在每扇区支持多于两个CDM用户的系统。如上面所注明的那样，HSDPA支持4用户CDM，且这里表达的想法可直接施行于HSDPA。例如，伴随着扇区中四个交换波束以及由HSDPA支持的4用户CDM，每Walsh码的SIR增加可达6dB。
在本发明的又一实施例中，多个交换波束中的每一波束的分立用户的调度可扩展到支持超过两个用户的码分复用的共享通信信道，例如HSDPA共享分组数据信道。图5是通信系统100的扇区500的框图，其遵照本发明的另一实施例。如图5所示，扇区500包括三个波束501-503。令γ1，p表示第一MS(例如MS 110)的导频C/I，其位于第一波束501中，γ2，p表示第二MS(例如MS 111)的导频C/I，其位于第二波束502中，且γ3，p表示第三MS(例如MS 112)的导频C/I，该MS现在位于第三波束503中，其与MS 110与111处于同一小区中。
如上面那样，令NPDCH表示分配给共享通信信道(优选地为在每一空中接口116-118上发送的共享分组数据信道)的Walsh码的数目。令P表示分配给扇区的总发送功率。令fo表示分配给开销信道(例如导频、寻呼、与同步信道)的总功率的系数。分配给每一波束的功率是恒定的，等于P/3。以这种方式，位于各波束501-503内的每一MS110-112处的C/I信息仅作为衰减的函数，而不会因为发送功率中的波动而变化。
如果为扇区在某时刻仅调度单个MS，且信号在全部三个波束上发送(或者仅在所调度的用户的波束上发送，而在其它波束上发送相等功率的CDMA噪声)，该扇区可获得的最大容量由下面的公式给出Capacity=NPDCHlog2(1+P(1-fo)NPDCH1fpmax(γ1,p,γ2,p,γ3,p))]]>＝NPDCHlog2(1+ζmax(γ1，p，γ2，p，γ3，p))，其中fp和ζ如上面那样定义。
在图5所示的通信系统100的实施例中，在扇区500中的每一波束501-503中分别调度分立的MS 110-112。进一步地，要送往分别位于波束501-503中的MS 110-112的信息信号仅在该波束上发送。此时，扇区500的容量由下面的公式给出Capacity=NPDCH(αlog2(1+ζαγ1,p)+βlog2(1+ζβγ2,p)+(1-α-β)log2(1+ζ1-α-βγ2,p))]]>其中α为分配给波束501的Walsh码的系数，β为分配给波束502的Walsh码的系数，而1-α-β为分配给波束503的Walsh码的系数。扇区500的最大可获得容量由下面的公式给出Capacity＝NPDCHlog2(1+ζ(γ1，p+γ2，p+γ3，p))，且该容量当α=γ1,pγ1,p+γ2,p+γ3,p]]>且β=γ2,pγ1,p+γ2,p+γ3,p]]>时获得。
尽管上面参照扇区500中的三个波束501-503进行描述，本领域普通技术人员意识到，上面通过将分立的波束并发分配给多个MS中的每一个所获得的系统容量的改善可容易地扩展到小区500中任意数目的波束。
在本发明的另一实施例中，共享通信信道可支持超过两个MS或用户的码分复用，并操作在具有CDMA 2000 1X话音与数据的系统中。特别地，假设共享通信信道支持三个MS或用户110-112的码分复用，尽管本领域普通技术人员意识到，该结果可容易地扩展到任意数目的MS或CDM用户。
1X话音与数据不在共享通信信道上发送，并需要每一波束中的总发送功率的一些系数以及总带宽的一个系数。再次参照图5，令f1、f2、与f3表示分别在波束501、502、与503中分配给CDMA 2000 1X话音与数据(包括导频、寻呼、与同步信道开销)的功率的系数。如先前那样，令NPDCH表示分配给共享通信信道的Walsh码的数目。注意，该数目不包括用于开销信道(例如导频、寻呼、同步信道)的Walsh码，以及为1X话音和/或数据分配的Walsh码。
没有CDM时，当仅在扇区中调度单个用户接收用户信息信号，且该信号在全部三个波束上发送(或者仅在所调度的用户的波束上发送，而在其它波束上发送相等功率的CDMA噪声)时，该扇区可获得的最大容量由下面的公式给出Capacity＝NPDCHlog2(1+ζmax((1-f1)γ1，p，(1-f2)γ2，p，(1-f3)γ3，p))，其中ζ如上面那样定义。
有CDM时，如图5所示，可在扇区500中的三个波束501-503中的每一个中调度分立的MS或用户110-112。另外，要送往每一MS110-112的信息信号仅在与该MS相关联的波束上发送。此时，扇区500的容量由下面的公式给出Capacity=NPDCHαlog2(1+ζ(1-f1)αγ1,p)+βlog2(1+ζ(1-f2)βγ2,p)+(1-α-β)log2(1+ζ(1-f2)(1-α-β)γ2,p)]]>其中，如先前那样，α为分配给波束501的Walsh码的系数，β为分配给波束502的Walsh码的系数，而1-α-β为分配给波束503的Walsh码的系数。扇区500的最大可获得容量由下面的公式给出
Capacity＝NPDCHlog2(1+ζ((1-f1)γ1，p+(1-f2)γ2，p+(1-f3)γ3，p))，且该容量当α=(1-f1)γ1,p(1-f1)γ1,p+(1-f2)γ2,p+(1-f3)γ3,p,]]>且β=(1-f2)γ2,p(1-f1)γ1,p+(1-f2)γ2,p+(1-f3)γ3,p]]>时获得。
这样，交换波束在具有1X话音与数据两者以及共享通信信道的混合系统中提供与仅使用共享通信信道类似的优点。
现在参照图6，描述了本发明的另一实施例，其中通信系统100的扇区600被分为K个波束601-603，其中K大于2。标注同上。令γi，p表示与波束i相关联的MS或用户(在波束中具有最高C/I的用户，或者由某其它标准选择的用户)的C/I，例如波束601中的MS或用户110的C/I。令ζ如上面那样定义，使得ζ=P(1-fo)NPDCH1fp]]>其中P是分配给扇区的总功率，fp是该功率中分配给导频(信道)的系数，NPDCH是分配给共享通信信道的Walsh码的数目，且fo表示分配给开销信道(例如导频、寻呼与同步信道)的功率。
令fi表示分配给波束i的总功率中目前分配给波束中的话音与1X数据的系数。假定发送功率始终在K个波束601-603上相等地划分，使得每波束的功率为P/K。
不使用CDM时，如果在扇区中仅调度单个用户接收用户信息信号，且该信号在全部三个波束上发送(或者仅在所调度的用户的波束上发送，而在其它波束上发送相等功率的CDMA噪声)，该扇区可获得的最大容量由下面的公式给出Capacity＝NPDCHlog2(1+ζmax((1-f1)γ1，p，(1-f2)γ2，p，...，(1-fK)γK，p))且该最大容量在如下条件下取得，即我们调度用户i*对共享分组数据信道的使用，使乘积(1-fi)γi，p最大，并向相关联的波束i*中的用户分配所有Walsh码NPDCH和可获得的功率(1-fi*)P/K。
使用2用户CDM时，该扇区可获得的最大容量由下面的公式给出Capacity=NPDCHlog2(1+ζ((1-fi*)γi*,p+(1-fj*)γj*,p)),]]>其中i*与j*为两MS或用户(同波束i*与j*相关联)，例如位于扇区600中的相关联的波束601与602中的MS 110与111，其使得乘积(1-fi)γi，p最大，且当分配给MS(波束)i*的NPDCHWalsh码的系数α由下面的公式给出时获得该容量α*=(1-f1)γi*,p(1-f1)γi*,p+(1-f2)γj*,p,]]>且分配给MS(波束)j*的Walsh码的系数为(1-α)。
如果MS或用户k与l被调度(不一定是MS或用户i*与j*)，可获得的最大容量由下面的公式给出Capacity＝NPDCHlog2(1+ζ((1-fk)γk，p+(1-fl)γl，p))，且该容量仅在这样的条件下获得，即NPDCH被分配给MS k，而剩余系数(1-α)被分配给MS l，其中α由(下面的公式)给出α=(1-fk)γk,p(1-fk)γk,p+(1-fl)γl,p]]>在本发明的其它实施例中，通信系统100可向不包括MS或用户的波束分配其它使用，其当前被分配给共享通信信道，以最优化系统容量。在一个这样的实施例中，分配给这样的波束的邻居波束之一的共享通信信道部分可在此波束中发送，其使用的功率等于此波束中分组数据信道可获得的功率。在另一这样的实施例中，整个共享控制信道，即，共享分组数据控制信道，(两CDM用户的和信号)可在这样的波束上发送，其使用的功率等于此波束中分组数据信道可获得的功率。在又一这样的实施例中，可使用未使用的Walsh码在这样的波束中发送随机调制的比特流，其使用的功率等于此波束中分组数据信道可获得的功率。
在本发明的另一实施例中，当通信系统100为包括多个控制信道，例如第一分组数据控制信道(PDCCH)与第二分组数据控制信道(PDCCH)的CDMA 2000 1xEV-DV通信系统时，第一PDCCH可发送给所有这样的波束(且仅发送这些波束)，其中MS目前被分配给共享分组数据信道(PDCH)。第二PDCCH其后仅发送这样的波束，其目标用户针对此第二PDCCH。
在本发明的又一实施例中，通信系统100可在共享通信信道上发送CDMA噪声(随机调制的未使用的Walsh码)，以保持每一波束中的发送功率相等并且恒定，并保持C/I反馈的完整性。噪声的发送可能是合意的，只要在某些时间间隔期间在共享通信信道上没有数据要发送，或者有两个波束用于共享分组数据信道，但有四个波束用于1X话音和数据。在此情形中，仅可为共享通信信道调制四个波束中的两个，另两个波束必须以噪声填充。
在本发明的另一实施例中，可能想要向波束分配扇区总发送功率的不同系数(而非相等的功率)。当平均流量在各波束中不平均地分布时，此方法可能是有用的。基于同样的原因，即，服务具有不均匀角度分布的流量需求，还可能想要使用不同宽度的波束。两种技术也可组合，即，波束的功率水平可以是不相等的，且波束的宽度可以是不相等的。在所有情形中，不同波束中的用户之间的Walsh码的分配可以这样分配，以便以与上面所给相类似的方式最大化理论容量。更具体地，可以将每波束的功率维持在大致固定的水平，同时分配共享分组数据信道的Walsh码，以便最大化容量。优选地，尽管波束之间的功率分布可以不相等，波束的功率水平应该保持大致恒定，以便不破坏来自移动(站)的C/I反馈。如果波束的功率水平改变，它们应不频繁地、或者以低速率改变，这是因为改变这些功率水平破坏了C/I反馈。
总之，为增加容量，即可参与并发的通信会话的MS或用户的数目，通信系统100调度与覆盖域(特别是扇区)相关联的多个波束中的每一波束中的不同的MS或用户。通过在多个波束中的每一波束中同时地调度用户，相对现有技术而言，通信系统100的性能与吞吐量得到显著增加。在本发明的一个实施例中，在位于扇区中的多个MS之间共享的通信信道(例如共享分组数据信道)的一部分被分配给在波束中调度的每一MS。分配给每一MS的共享通信信道的部分其后经由与MS相关联的波束并发地发送给MS。在本发明的其它实施例中，其中位于扇区内的一或多个MS共享所述共享通信信道，而位于扇区内的其它MS不利用共享通信信道，可在发送给后一种MS的共享通信信道的一部分中发送噪声。在本发明的其它实施例中，与波束中调度的每一MS相关联的话音信道、数据信道与控制信道可经由与MS相关联的波束并发地发送给每一MS。在本发明的其它实施例中，通信系统100可将分配给扇区的总发送功率在与扇区相关联的多个波束之间大致相等地分布，或者在多个波束之间以不相等的方式分布。通过个别地调节在每一波束中发送的信号的功率，可优化接收的信号的质量，并且可最小化同一扇区中的多个波束中的信号的传输导致的干扰。
图7是通信系统100在经由交换波束天线系统向多个MS 110、111中的每一MS传送信息时执行的步骤的逻辑流程图700。当通信系统100，优选地为调度器106，调度(702)位于由BSS服务的特定扇区中的多个MS(例如位于由BSS 102服务的扇区151中的MS 110-111(显示了两个)，用于与该扇区相关联的多个波束160、161(显示了两个)中的每一波束)中不同的MS时，逻辑流程图700开始。例如，可调度多个MS 110、111中的第一MS 110，以用于第一波束160，并且可调度多个MS 110、111中的第二MS 111，以用于第二波束161。BSS 102经由各空中接口116、117与多个MS 110、111中的每一MS通信。当每一空中接口116、117包括共享通信信道，例如共享分组数据信道时，通信系统100，优选地为BSS 102，将共享通信信道的第一部分分配(704)给第一MS 110，并将共享通信信道的第二部分分配(706)给第二MS 111。BSS 102，特别是服务每一MS的BTS，其后向第一波束160中的第一MS 110发送(708)共享通信信道的第一部分，并向第二波束161中的第二MS 111发送(710)共享通信信道的第二部分。
当通信系统100为CDMA通信系统时，共享通信信道可包括多个正交码。在这样的情形中，将共享通信信道的第一部分分配(704)给第一MS 110的步骤可包括将多个正交码中的第一组正交码分配给第一MS 110，而将共享通信信道的第二部分分配(706)给第二MS 111的步骤可包括将多个正交码中的第二组正交码分配给第二MS 111。向每一MS各自的波束160、161中的第一与第二MS 110、111发送(708、710)共享通信信道的第一与第二部分的步骤分别包括向第一波束160中的第一MS 110发送第一组正交码以及向第二波束161中的第二MS111发送第一组正交码的步骤。第一组正交码与第一组正交码可分别包括多个正交码的同一部分，或者可分别包括多个正交码的不同部分。
在本发明的另一实施例中，通信系统100，即BSS 102与MS 110和111之间的每一空中接口116、117，可进一步包括控制信道，优选地为分组数据控制信道。在这样的实施例中，逻辑流程700可进一步包括由服务每一MS的BTS 104、105分别向第一波束160中的第一MS 110与第二波束161中的第二MS 111发送(712)控制信道的步骤。在本发明的又一实施例中，通信系统100可进一步包括多个控制信道，优选地为多个分组数据控制信道。在这样的实施例中，由服务每一MS的BTS分别向第一波束160中的第一MS 110与第二波束161中的第二MS 111发送(712)控制信道的步骤可包括分别经由各个波束160与161向第一MS 110与第二MS发送多个分组数据控制信道中的第一控制信道的步骤。逻辑流程700其后可进一步包括由服务每一MS的BTS在第一波束160中，但不在第二波束161中，发送(714)多个控制信道中的第二控制信道的步骤。
在本发明的又一实施例中，通信系统100，即BSS 102与MS 110和111之间的每一空中接口116、117，可进一步包括多个话音信道与多个数据信道。在这样的实施例中，逻辑流程700可进一步包括由服务MS的BTS向第一波束160中的MS 110发送(716)多个话音信道中的第一话音信道以及多个数据信道中的第一数据信道，以及由服务MS的BTS向第二波束161中的第二MS 111发送(718)多个话音信道中的第二话音信道以及多个数据信道中的第二数据信道的步骤。在本发明的又一实施例中，逻辑流程700可进一步(包括)由服务MS的BTS在与扇区151相关联的多个波束中的第三波束中发送(720)多个话音信道中的第三话音信道以及多个数据信道中的第三数据信道，以及在与第三波束相关联的共享通信信道的一部分中发送(722)噪声的步骤。
在本发明的其它实施例中，分配给扇区151的总发送功率的不同比例可分配给与该扇区相关联的多个波束160、161中的每一个。例如，在本发明的一个实施例中，BSS 102或者服务每一MS的BTS可将分配给扇区151的总发送功率的同样比例分配(724)给多个波束160、161中的每一个。当在每一波束中发送的各组正交码大小不同时，向多个波束中的每一个分配总发送功率的同样比例的结果可能是向每一正交码分配不同的发送功率。然而，不必向每一波束分配总功率的同样比例，并且在本发明的另一实施例中，BSS 102或者服务每一MS的BTS可将分配给扇区151的总发送功率的不同比例分配(726)给多个波束160、161中的每一个。
通过在与覆盖域(特别是扇区)相关联的多个波束中的每一波束中调度不同的MS或用户，通信系统100增加了容量，即可参与并发的通信会话的移动站(MS)或用户的数目。调度位于覆盖域(优选地为扇区)中的多个MS中的每一MS，以用于与该扇区相关联的多个波束中的不同波束。通过在多个波束中的每一波束中同时地调度多个MS中的每一MS，相对现有技术而言，通信系统的性能与吞吐量得到显著增加。进一步地，通过在多个波束中的每一波束中同时地调度多个MS中的每一MS，可经由与每一MS相关联的波束向多个MS并发地发送与波束中调度的每一MS相关联的共享通信信道、话音信道、数据信道、与控制信道。另外，可个别地调节在每一波束中发送的信号的功率，以优化接收的信号的质量，并最小化由同一扇区中的多个波束中的信号的发送导致的干扰。
尽管参照其特定实施例显示和描述本发明，本领域技术人员将理解，可进行各种修改和对其组件进行等价替换，而不偏离如所附权利要求书所阐明的本发明的范围。相应地，说明书与附图应被视为阐释性的而非限制性的，并且所有这样的修改与替换均被试图包括在本发明的范围之内。
上面已参照特定实施例描述了好处、其它优点、以及问题的解决方案。然而，好处、优点、问题的解决方案，以及任何可引起任何好处、优点、或解决方案发生或变得更加显著的一种或多种组件不应被解释为任何权利要求的决定性的、必需的或本质性的特性或组件。如这里所使用的那样，术语“包括”或其任何其它变形意欲指代非排它性的包括，使得包括一系列组件的过程、方法、物品或设备不仅包括这些列出的组件，还可包括未特别地列出的或为这样的过程、方法、物品或设备所固有的其它组件。
权利要求
1.在包括多个移动站与一种交换波束天线系统的通信系统中，其中所述交换波束天线系统包括基础架构与多个波束，所述多个波束用于将用户信息从所述基础架构传送给所述多个移动站，一种方法，其用于将用户信息传送给所述多个移动站中的每一移动站，所述方法包括步骤调度所述多个移动站中的不同移动站，以基本上同时使用所述多个波束中的每一波束。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个移动站中的第一移动站包括在所述多个波束中的第一波束中，其中，所述多个移动站中的第二移动站包括在所述多个波束中的第二波束中，其中，所述通信系统进一步包括共享通信信道，并且其中，所述方法进一步包括以下步骤向所述第一移动站分配所述共享通信信道的第一部分；向所述第二移动站分配所述共享通信信道的第二部分；在所述第一波束中发送所述共享通信信道的所述第一部分；和在所述第二波束中发送所述共享通信信道的所述第二部分。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述通信系统进一步包括控制信道，并且其中，所述方法进一步包括步骤在所述第一波束与所述第二波束中的每一个中发送所述控制信道。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述控制信道包括第一控制信道，其中，所述通信系统进一步包括第二控制信道，其与所述第一移动站相关联，而不与所述第二移动站相关联，并且其中，所述方法进一步包括步骤在所述第一波束中但不在所述第二波束中发送所述第二控制信道。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述通信系统进一步包括多个话音信道与多个数据信道，并且其中，所述方法进一步包括以下步骤在所述第一波束中发送所述多个话音信道中的第一话音信道以及所述多个数据信道中的第一数据信道；和在所述第二波束中发送所述多个话音信道中的第二话音信道以及所述多个数据信道中的第二数据信道。
6.如权利要求5所述的方法，其进一步包括以下步骤在所述多个波束中的第三波束中发送所述多个话音信道中的第三话音信道以及所述多个数据信道中的第三数据信道；和在与所述第三波束相关联的共享通信信道的一部分中发送噪声。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述通信系统被划分为多个地理扇区，并且其中，所述多个波束中的每一波束在所述多个扇区中的同一扇区中发送。
8.在包括生成多个预先确定的、固定的波束的交换波束天线系统的通信系统中，一种基站子系统，其包括天线阵列，其包括多个阵列组件；多个加权器，其中，所述多个加权器中的每一加权器连接到所述多个组件中的一个组件；和处理器，其连接到所述多个加权器中的每一加权器，其中，所述处理器将第一组加权系数传送给所述加权器，以将信息传送给多个移动站中的第一移动站，并进一步将第二组加权系数传送给所述加权器，以将信息传送给所述多个移动站中的第二移动站，其中，所述加权器利用所述第一组加权系数来向所述第一移动站发送所述多个波束中的第一波束，并且其中，所述加权器利用所述第二组加权系数来向所述第二移动站发送所述多个波束中的第二波束。
9.如权利要求8所述的基站子系统，其进一步包括调度器，其向所述第一移动站分配所述第一波束，并向所述第二移动站分配所述第二波束。
10.如权利要求8所述的基站子系统，其中，所述处理器包括扩频码生成器，其生成第一组扩频码，以在所述第一波束中将信息发送给所述第一移动站，并且其进一步生成第二组扩频码，以在所述第二波束中将信息发送给所述第二移动站。
11.如权利要求8所述的基站子系统，其中，所述基站子系统在所述第一波束中发送共享通信信道的至少第一部分，并且在所述第二波束中发送所述共享通信信道的至少第二部分。
12.如权利要求11所述的基站子系统，其中，所述基站子系统进一步在所述第一波束与所述第二波束中的每一个中发送控制信道。
13.如权利要求12所述的基站子系统，其中，所述控制信道包括第一控制信道，并且其中，所述基站子系统进一步在所述第一波束但不在所述第二波束中发送第二控制信道。
14.如权利要求11所述的基站子系统，其中，所述基站子系统进一步在所述第一波束中发送多个话音信道中的第一话音信道以及多个数据信道中的第一数据信道，并且在所述第二波束中发送所述多个话音信道中的第二话音信道以及所述多个数据信道中的第二数据信道。
15.如权利要求14所述的基站子系统，其中，所述基站子系统进一步在所述多个波束中的第三波束中发送所述多个话音信道中的第三话音信道以及所述多个数据信道中的第三数据信道，并且在与所述第三波束相关联的所述共享通信信道的一部分中发送噪声。
16.如权利要求8所述的基站子系统，其中，所述基站子系统操作在被划分为多个地理扇区的通信系统中，并且其中，所述多个波束中的每一波束在所述多个扇区中的同一扇区中发送。
全文摘要
为增加容量，或增加可参与并发的通信会话的移动站(MS)或用户的数目，本发明提供一种通信系统(100)，其调度与覆盖域(例如扇区)相关联的多个预先确定的、固定的波束(160－165)中的每一波束中的不同的MS或用户(110－112)。通过在多个波束中的每一波束中同时地调度用户，相对现有技术而言，通信系统的性能与吞吐量得到显著增加。在本发明的一个实施例中，分配给每一MS的共享通信信道的一部分经由与MS相关联的波束并发地发送给每一MS。在本发明的其它实施例中，与波束中调度的每一MS相关联的话音信道、数据信道与控制信道可经由与MS相关联的波束并发地发送给每一MS。
文档编号H04W52/42GK1703919SQ200380100835
公开日2005年11月30日 申请日期2003年10月1日 优先权日2002年10月1日
发明者科林·弗兰克 申请人:摩托罗拉公司