专利名称：定向无线电通信的方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于定向无线电通信的方法与设备，其中在第一站与第二站之间的信号只能在某些方向中传送。特别是，而且是毫无例外地，本发明可用于采用空分多址的蜂窝通信网络。
利用当前已实施的蜂窝通信网络，提供了一种基本的发送接收机站(BTS)，发送指定给于一个给定的移动站(MS)的信号，这种移动站可以是由该基本的发送接收机站提供服务的一个移动电话，整个一个蜂窝或蜂窝的一部分。然而，空分多址(SDMA)系统现在已经提出来了。在一个空分多址系统中，基本发送接收机站并不将指定给于一个给定的移动站的信号发送到整个蜂窝，而只将信号发送在来自移动站的信号被接收的波束方向。SDMA系统也可以允许基本发送接收机站确定来自移动站的信号被接收的方向。
SDMA系统对于现有系统来说有许多优点可以获得。尤其是，因为由BTS发送的波束可以只在特定的方向中发射，因此可以是相当窄，发送接收机的功率可被集中在窄的波束中。可以相信，这将导致良好的信号噪声比，无论是从基本发送接收机站发送信号还是由基本发送接收机站接收信号。另外，作为基本发送接收机站定向性的结果，由基本发送接收机站接收到的信号的信号干扰比的改善可被实现。而且，在发射方向中，BTS的定向性允许能量集中在一个窄波束中，以致由BTS发送的信号可以用比通常的BTS需要的低的功率水平达到位于远处的移动站。这将允许移动站成功地工作在离基本发送接收机站远距离的地方，这就意味着，蜂窝网络的每个蜂窝或蜂窝扇面的尺寸可以增加。作为较大蜂窝尺寸的结果，所需要的基站的数目也可以减少，这将导致较低的网络成本。SDMA系统通常需要许多天线单元，以便可在所需要的许多不同的波束方向发送与接收信号。提供许多天线单元增加了BTS对接收到的信号的灵敏度。这就意味着较大的蜂窝尺寸并没有对BTS从移动站接收信号带来不利的影响。
SDMA系统也可以增加系统的容量，也就是，可以由系统同时支持的移动站的数目被增加。这是由于通信的定向性质，这意味着BTS将挑出来自采用相同频率的其它蜂窝中的移动站的干扰。当BTS与有关的蜂窝中给定的MS通信时，将对在其它蜂窝中采用相同频率的其它移动站产生较少的干扰。
最后，可以相信，SDMA系统将允许相同的频率同时用于发送两个或甚至更多的不同的移动站，这些移动站被安排在相同蜂窝中的不同位置上。这可导致蜂窝网络可传送的通信量的明显增加。
SDMA系统可在模拟与数字蜂窝网络中实施，可以并入各种已有的标准，例如GSM,DCS1800,TACS,AMPS和NMT。SDMA系统也可以与其它已有的多址技术一道使用，例如时分多址(TDMA)码分多址(CDMA)和频分多址(FDMA)技术。
利用SDMA系统的一个问题是信号发送到移动站的方向需要被确定。在某种环境中，一种相当窄的波束将被用来发送信号从一个基本发送接收机站到一个移动站。因此，移动站的方向需要被适当精确地确定。利用SDMA系统的一个问题是，虽然来自位于BTS一定距离以外的移动站的信号一般只从一个或仅少数不同的波束方向被接收，来自相当靠近基本发送接收机站的移动站的信号看上去是从许多波束方向来。这是由于来自移动站的信号被从，例如，靠近的建筑物反射，相当大量的这些反射信号将被基本发送接收机站从大量的不同的波束方向接收到。
另外一个问题是，由BTS发送到移动站的信号的方向是以BTS从移动站接收到的上行信号为基础确定的。然而，从移动站发送到BTS的下行信号的频率是与由BTS发送到移动站的信号所用的频率不同的。在上行与下行信号中所用频率的差别意味着在上行方向中通道的性能可以与在下行方向中通道的性能不同。因此，对于上行信号确定的最佳方向并不始终是对于下行信号的最佳方向。
因此，本发明的某些实施方案的目的是解决由这些问题引起的困难。
依照本发明的第一方面，提供一种在移动通信网络中，在第一站与第二站之间的定向无线电通信方法，所述的方法包括以下步骤在所述的第一站接收由所述的第二站发送的信号；监测代表在第二站与第一站之间的距离的参数；和从所述的第一站发送信号波束到所述的第二站，其中由第一站发送的信号波束的角展度取决于由所述的参数代表的距离。
依据在第一与第二站之间的距离参数改变由第一站发送的信号波束的角展度，由于第二站靠近或者远离第一站引起的性能的差别可得到补偿。
距离参数可在第一站监测。最好的做法是，距离参数的确定是基于由第一站接收到的来自第二站的信号。在一种实施方案中，距离参数是由第一站接收到的来自第二站的信号的角展度。当第一站离第二站相当远时，由第一站接收到的信号将具有相当小的角展度，而如果第二站相当靠近第一站，信号将以相当大的角展度被接收到。应该理解，这种技术并不给出一个距离的绝对指示，但仍然提供充分的信息，使得由第一站要发送的信号波束的角展度能够被确定。
在一种替代的实施方案中，距离参数的确定是基于信号从第二站到达第一站所需的时间长度，所述的距离参数可以是定时提前信息，通常用来控制移动站与第一站之间的数据通信。例如，如果随同蜂窝通信网络被使用的本发明的实施方案采用时分多址系统，来自第二站的信号被分配一个预先规定的时隙。定时提前信息保证由第二站发送的信号在它被分配的时隙内。这不可能是一种绝对的距离测量，但将表示在第一与第二站之间的近似距离。
应该理解，在某些实施方案中，距离参数可被独立地确定，该信息可被第一站用来确定信号的角展度。
最好的做法是，辐射波束的角展度可从第一较宽波束与第二较窄波束中选取，如果在第一站与第二站之间的距离小于预先确定的距离，则选取第一宽波束，如果在第一站与第二站之间的距离大于预先确定的距离，则第二波束被选取。预先确定的距离可依据第一与第二站之间的环境来设置。在一种实施方案中，可以只有两个可能的角展度值可被使用。替代的做法是，角展度取决于距离参数可以有一个不同值的范围。在这种情况下，可以有许多不同的角展度值可被选择。可选的角展度值可以是离散值或者可以有任何所要的值，例如，如第一站能够在N个可能的不同方向中发送一个信号波束，当第一站与第二站分开大于预先规定的距离时，角展度可以相应于一个方向或可能是二个，然而，当第一站与第二站之间的距离小于预先规定的距离时，角展度可相应于至少方向总数的一半和甚至全部方向。在两种情况下所用的波束可由一种算法来确定。
最好的做法是，由第一站发送的信号波束的功率取决于距离参数，如果第二站靠近第一站，由第一站发送的信号波束的功率可以是相当低，如果第二站离第一站相当远，则由第一站发送的信号波束的功率可以是相当高。宁愿第一宽波束的发送功率小于第二窄波束的发送功率。在本发明的某些实施方案中，波束的功率可以只有两个值，相对低的值和较高的值。另一种做法是，信号波束的功率取决于距离参数，可以在不同值的范围内变化。由第一站发送的信号波束的功率可被计算，使其与发送波束的角展度成比例。如果波束相对窄，那末功率可以是相对高。而如果波束是相对宽，则功率可以是相对低。某些闭环或开环的功率控制可用来控制功率。在GSM中采用的是闭环控制。
如果第二站离第一站相当远，例如，位于大于预先规定的距离处，许多不同的可用来控制许多波束方向的方法被采用。例如，第一站可以在一个主要的波束方向与至少一个其它的辅助波束方向中发送信号到第二站。在至少一个辅助波束的功率与主要波束功率之比可以与由第一站在至少一个辅助方向中接收到的信号强度与所述的由第一站在主要波束方向中接收到的信号强度之比成比例。另一种做法是，由第一站从两个不同的方向接收到来自第二站的信号，第一方向相应于信号首先接收到的波束方向，第二方向相应于具有最大信号强度的信号接收到的波束方向，然后，第一站既可以在所述的第一也可以在第二波束方向中发送信号。
在另一种修改方案中，第一站被安排为检测由第二站发送的第一与第二信号，第二信号是在第一信号以后发送，接收到的第一和第二信号中每一个的方向被确定，第一站发送一个信号到第二站，然而，当确定来自第二站的第一与第二信号由第一站从两个不同波束方向接收到时，由第一站在两个所述的不同波束方向发信号到第二站。
按照本发明的第二方面，提供第一站在一个移动通信网络中与第二移动站进行定向无线电通信，所述的第一站包括接收机装置，用于接收由所述的第二站发送的信号；发射机装置，用于从第一站发送信号波束到第二站；和控制装置，用于选择性地确定发送信号的信号波束的角展度，所述的控制装置被安排来控制所述的发射机装置，使得由第一站发送的信号波束的角展度与代表第一与第二站之间的距离的参数有关。
最好是，第一站包括确定距离参数的确定装置，距离参数可以由确定装置根据由第一站从第二站接收到的信号来确定。确定装置可以确定由第一站从第二站接收到的信号的角展度并用此来确定距离参数。另一种做法是，确定装置可以根据信号从第二站到达第一站所需的时间的长度来确定距离参数。
在另一种实施方案中，第一站可以独立地接收距离参数信息。
如果第一与第二站之间的距离小于预先规定的距离，控制装置可以控制被发射的波束的角展度为第一相对宽波束，如果第一与第二站之间的距离大于预先规定的距离，被发射的波束的角展度为第二相对窄波束。优选的做法是，第一相对宽波束的发射功率小于第二，窄波束的发射功率。因此，控制装置可以控制发射机装置，当第一站相当靠近第二站时，发射相对宽，相对低的功率的波束，如果第二站离第一站相当远，发射相对较高的功率，窄的波束。
至少一个接收机装置和发送接收机装置被提供一种定向天线阵。接收机装置与发射机装置可被提供一种单一的天线阵。这种天线阵可以是一种相控天线阵或可包括许多分开的定向天线部件。
应该明了，本发明的实施方案可用于蜂窝通信网络，第一站可以包括一个基本发送接收机站而第二站可以是移动站。然而，将会理解，本发明的实施方案可应用到其它定向无线电系统，其中第一与第二站可以都是移动的或可以都是固定的。
也应该理解，角展度被定义为波束的角展度。在本发明的实施方案中，所需要的角展度可以提供许多波束来达到。例如，一个窄的角展度可仅由一个或两个单独的波束来达到，而宽的角展度可由四个或更多邻近的波束来实现。
依据本发明的第三方面，提供在一个蜂窝移动通信网络中，一个基站与一个移动站之间定向无线电通信的一种方法，所述的方法包括在所述的基站接收由所述的移动站发送的信号；监测代表所述的信号在移动站与基站之间传播的距离的参数；和根据由所述的参数代表的距离，选择性地确定从所述的基站发送信号到所述的移动站的辐射波束的角展度，其中发送所述的信号的波束的角展度随距离的增加而减小。
为了更好地理解本发明和如何实现，现通过参考以下的附图来举例，其中
图1示出一个基本发送接收机站(BTS)与其有关的蜂窝扇面的概貌；图2示出了一个天线阵与基本发送接收机站的简图；图3示出了由图2的天线阵提供的固定的波束型式；图4示出了图2的数字信号处理器的概貌；图5示出了八个通道中取出的四个通道的通道脉冲响应；图6a示出了当移动站与基本发送接收机站之间的距离大于给定的距离时，在基本发送接收机站看由移动站发送的信号所对的角度；和图6b示出了当移动站与基本发送接收机站之间的距离小于给定的距离时，在基本发送接收机站看由移动站发送的信号所对的角度。
首先参考图1，其中示出了确定一个蜂窝移动电话网络中一个蜂窝3的三个蜂窝扇面2。三个蜂窝扇面2由各自的基本发送接收机站(BTS)4提供服务。在同一位置上提供三个分开的基本发送接收机站4。每个BTS4有一个分开的发送接收机，发送到与接收来自三个蜂窝扇面2中各自的一个，因此，为每个蜂窝扇面2提供一个专用的基本发送接收机站。因此，BTS4能够与移动站(MS)，例如位于各自的蜂窝扇面2中的移动电话通信。
本发明被描述在GSM(全球移动通信系统)网络的范围内，在GSM系统中，采用频/时分多址F/TDMA系统，数据在BTS4和MS之间以脉冲群的形式发送，数据脉冲群包括一个培训序列，它是一个已知的数据序列。培训序列的目的将在本文以下描述。每个数据脉冲群在一个给定的频段，一个在该频段中的预先规定的时隙中发送。采用定向天线阵使得空分多址也可实现。因此，在本发明的实施方案中，每个数据脉冲群将在一个给定的频段，给定的时隙，和给定的方向中发送，一个有关的通道可由一个在给定的频率，给定的时隙，和给定的方向中发送的给定的数据脉冲群规定。正如以下将作更详细的讨论的那样，在本发明的某些实施方案中，同样的数据脉冲群在同样的频段，同样的时隙，但是在两个不同的方向中发送。
图2示出了一个作为发送接收机的BTS4的一个天线阵6的概貌，应该理解，在图2中示出的阵6只为示于图1中的三个蜂窝扇面2中的一个服务。另外两个天线阵6被提供来为其它两个蜂窝扇面2服务。天线阵6有八个天线部件a1…a8，部件a1…a8被安排成在每个天线部件a1…a8之间有一个半波长的间隙，被安排成水平一长行成一直线。每个天线部件a1…a8被安排能发送与接收信号，可以有任何合适的结构，通常，每个天线部件a1…a8将是一个定向天线，例如，每个天线部件可以是一个偶极子天线或Patch天线或任何其它合适的天线，八个天线部件a1…a8在一起确定了一个相控天线阵6。
正如已知的那样，相控阵天线6的每个天线部件a1…a8由要发送到移动站MS的相同的信号馈电。然而，给各个天线部件a1…a8馈电的信号的相位是互相移开的，馈电到各自的天线部件a1…a8的信号之间相位关系中的差别造成了定向辐射的型式。因此，来自BTS4的信号可以只在与阵6有关的蜂窝扇面2中的某些方向中发送。由阵6实现的定向辐射的型式是由互相相移并由每个天线部件a1…a8发送的信号之间引起的相长与相消干扰的结果在这方面，参考图3，其中示出了用天线阵6实现的定向辐射的型式，天线阵6可被控制用来提供在图3中示出的八个方向中任何一个中的波束b1…b8，例如，天线阵6可被控制用来只在波束b5的方向或只在波束b6的方向中发送信号到MS。正如将在以下作更详尽的讨论的那样，也可以控制天线阵6同时在多于一个波束的方向中发送信号。例如，一个信号可在由波束b5与波束b6规定的两个方向中发送，图3只是用天线阵6可以实现的八个可能的波束方向的简图。然而，实际上，在相邻波束之间有重迭，以保证整个蜂窝扇面2由天线阵6提供服务。
在每个天线部件a1…a8上提供的信号的相对相位由Butler矩阵电路8控制，使信号可在所希望的波束方向或所希望的方向中发送，因此Butler矩阵电路8提供了相移功能。Butler矩阵电路8有八个来自BTS4的输入10a-h和八个输出，每个输出到每个天线部件a1…a8由各自的输入10a-h接收到的信号包括要发送的数据脉冲群。八个输入10a-h中每一个代表给定的数据脉冲群可能发送的波束方向，例如，当butler矩阵电路8在第一输入10a上接收到一个信号时，Bulter矩阵电路8将在输入10a上提供的信号以产生波束b1所需要的相位差加到天线部件a1…a8中每一个上，使得数据脉冲群能够在波束b1的方向中发送。同样，在输入10b上提供的信号使能在波束b2的方向中产生一个波束，依次类推。
如已讨论过的那样，天线阵b的天线部件a1…a8从MS接收信号以及发送信号到MS，由MS发送的信号通常将由八个天线部件a1…a8中每一个接收，然而，由各个天线部件a1…a8接收到的每个信号之间将有相位差，Butler矩阵电路8能够从由各个天线部件a1…a8接收到的信号的相对相位确定信号被接收的波束方向，因此，Butler矩阵电路8有八个输入，每个天线部件a1…a8用于由每个天线部件接收到的信号。Butler矩阵电路8也有八个输出14a-h，每个输出14a至14h相应于一个给定的数据脉冲群可被接收的特定的波束方向。例如，如天线阵6从波束b1方向接收到来自MS的信号，那末Butler矩阵电路8将在输出14a上输出接收到的信号。从波束b2的方向接收到的信号将使接收到的信号在输出14b上从Butler矩阵电路8输出，依此类推。概括地说，Butler矩阵电路8将在天线部件a1…a8上接收互相移相的同一信号的八种变型，从相对相移，Butler矩阵电路8确定接收到的信号接收的方向，并取决于信号被接收的方向输出信号到给定的输出14a-h。
应该理解，在某些环境下，来自MS的单个信号或数据脉冲群可能看上去来自多于一个波束方向，这是由于信号在MS与BTS4之间传播时的反射且该反射具有相当宽的角展度所致。Butler矩阵电路8将在每个输出14a-h上提供一个信号，相应于给定的信号或数据脉冲群看上去到来的每一个波束方向，因此，同样的数据脉冲群可在Butler矩阵电路8的多于一个输出14a-h上被提供，但是，在各个输出14a-h上的信号可以是互相有时间延时的。
Butler矩阵电路8的每一个输出14a-h被连接到各个放大接收到的信号的放大器16的输入，为Butler矩阵电路8的每个输出14a-h提供一个放大器16。然后，放大后的信号由各自的处理器18处理，在其中处理放大后的信号，将接收到的信号的频率降低到基带频率，以便可由BTS4处理此信号，为了实现这点，处理器18从输入信号中除去载频成分，并且，为Butler矩阵电路8的每个输出14a-h提供一个处理器18。接收到的模拟形式的信号然后由模拟至数字(A/D)变换器20变换成数字信号。提供了八个A/D变换器20,Butler矩阵电路8的每个输出14a-h一个。然后，数字信号通过各自的输入19a-h输入到数字信号处理器21作进一步的处理。
数字信号处理器21也有八个输出22a-h，每个输出端输出一个数字信号，代表将要发送到一个给定的MS的信号，所选的输出22a-h代表信号将要发送的波束方向，数字信号由一个数字至模拟(D/A)变换器23变换成模拟信号，为数字信号处理器21的每个输出22a-h提供一个数字至模拟变换器23。然后，模拟信号被处理器24处理，该处理器是一个调制器，将要发送的模拟信号调制到载频上，在信号被处理器24处理以前，信号是在基带频率上，然后合成信号被放大器26放大，送到Butler矩阵电路8的各个输入10a-h。为数字信号处理器21的每个输出22a-h提供一个处理器24与一个放大器26。
现在参考图4，图上简要地示出了数字信号处理器21。应该理解，示出图4中的各种方框并不一定相应于体现本发明的一个实际的数字信号处理器21的各个部件。特别是，在图4中所示的各个方框相应于由数字信号处理器21实现的各种功能。在本发明的一种实施方案中，数字信号处理器21至少部分地用集成电路实现，几种功能可由相同的部件实现。
由数字信号处理器21在各个输入19a-h上接收到的每个信号被输入到各个通道的脉冲响应(CIR)评估器方框30。CIR评估器方框30包括存贮器，被评估的通道脉冲响应存贮在其中，CIR评估器方框也包括临时存贮接收到的信号所需的存贮器容量。通道脉冲响应方框30被安排来评估各个输入19a-h的通道的通道脉冲响应。正如已经讨论过的那样，一个有关的通道可被规定为在选定的频段，所分配的时隙和对于单个数据脉冲群信号被接收到的波束方向中发送给定数据脉冲群，信号被接收的波束方向由Butler矩阵电路8查明，使得在数字信号处理器的输入19a上接收到的信号大体上代表从波束b1的方向已接收到的信号，依次类推。应该理解，在一个给定的输入上接收到的信号也可以包括，例如，在邻近输入上接收到的信号的旁瓣。
从移动站MS发送到BTS4的每个数据脉冲群包括一个培训序列TS。然而，由BTS4接收到的培训序列TSRX由于噪声与也由于多径效应而被畸变，导致培训序列的邻近位之间产生干扰。后一种干扰称为符号间干扰。TSRX也受到来自其它移动站的干扰的影响，例如，位于采用同样频率的其它蜂窝或蜂窝扇面中的移动站可引起通道间的干扰。将会理解，来自MS的一个给定的信号可以沿着多于一条路径到达BTS并有多于一个给定信号的变型与可由天线阵6从一个给定的方向检测到，从输入19a接收到的培训序列TSRX被CIR评估方框30用存贮在数据存贮器32中的参考培训序列TSREF作互相关，参考培训序列TSREF与起先由移动站发送的培训序列是相同的。实际上，接收到的培训序列TSRX是在载频上调制的信号，而参考培训序列TSREF是在载频上调制的，而参考培训序列TSREF是作为一个位序列被存贮在数据存贮器32中的。因此，在互相关被执行以前，要对存贮的参考培训序列作类似的调制，换句话说，由BTS4接收到的畸变的培训序列与未畸变的培训序列的原型相关。在本发明的另一种实施方案中，接收到的培训序列在它与参考培训序列相关以前先解调。在这种情况下，参考培训序列再次与接收到的培训序列具有相同的形式，换句话说，参考培训序列不调制。
参考培训序列TSREF与接收到的培训序列TSRX每个是L长，相应于数据L位，例如可以是26位。接收到的培训序列TSRX是分配的时隙中的精确位置可以是不确定的，这是因为从BTS4到移动站MS的距离将影响由MS发送的数据脉冲群在分配的时隙中的位置。例如，如一个移动站MS离BTS4相当远，培训序列可以出现在与移动站MS是靠近BTS4的情况下相比在分配的时隙中较后的位置上。
考虑到接收到的培训序列TSRX在分配的时隙中的位置的不确定性，接收到的培训序列TSRX与参考培训序列TSREF相关几次，典型的情况下，n可以是7或9，优选的做法是n为奇数，n次相关典型的情况下是在最大可得到的相关的任一侧。然而，接收到的培训序列TSRX相对于参考培训序列RSREF的位置移动到每次相继的相关之间的一个位置。每个位置等效于培训序列中一位并代表一个延时段，每次接收到的培训序列TSRX与参考培训序列TSREF的相关产生了一个分支，代表与对该相关的通道脉冲响应，几次分开的相关产生了一个有n个值的分支序列。
现在参看图5，图上示出了相应于八个太空方向的八个可能的通道中的四个通道的通道脉冲响应。换句话说，图5示出了相应于从移动站在八个波束方向中的四个波束方向中接收到的一个给定的数据脉冲群的四个通道的通道脉冲响应，该数据脉冲群是在一个给定的频段与一个给定的时隙中，每个图上的X轴是时间延时量而Y轴是相对功率量，在图上标出的每根线(或分支)代表接收到的与给定的相关延时相对应的多径信号。每个图将有n条线或分支，一个分支相应于每次相关。
从评估的通道脉冲中可以确定培训序列在分配的时隙中的位置，当在接收到的培训序列TSRX与参考培训序列TSREF之间达到最佳相关时，将得到最大的分支值。
CIR评估器方框30也为每个通道确定五个(或任何其它合适的数目)连贯的给出最大能量的分支，对于一个给定通道的最大能量计算如下E=Σj=15(hj)2]]>其中h代表从参考培训序列TSREF与接收到的培训序列TSRX的互相关得到的分支幅度。CIR评估器方框30采用滑动窗技术为一个给定的通道计算最大能量。换句话说，CIR评估器方框30考虑了每组的五个相邻的值，从这五个值中计算能量，给出最大能量的五个相邻的值被选作该通道的脉冲响应的代表。该能量可被考虑为由BTS4从一个给定的方向接收到的来自一个给定的移动站的所希望信号的相对强度的量度。这个方法对于八个通道中每一个都执行，这八个通道代表同样的数据脉冲群可被接收的八个不同的方向。以最大能量被接收到的信号是沿着一条提供该信号最小衰减的通路传播的。
提供一个分析方框34，用于存贮CIR评估器方框30为各个通道计算的最大能量，是从由CIR评估器方框选出作为通道脉冲响应的代表五个相邻的值中计算得到的。
分析方框34也分析由CIR评估器方框30确定的通道脉冲响应，查出最小延时，该延时是接收到的培训序列TSRX在分配的时隙中的位置的一种量度，因而是信号在移动站与BTS4之间传播的距离的一种相对量度。有最小延时的通道具有传播最短距离的信号。此最短距离在某些情况下可以代表移动站MS与BTS4之间的视线路径。
分析方框34被安排来确定提供最大能量的五个值的窗的起始位置。然后根据参考点与窗的起始之间的时间确定时延。当在每个分支中的培训序列开始被相关时，参考点可以是公共时间，相应于所有这些分支的最早的窗的边缘的时间或一个类似的公共点。为了精确地比较不同通道的各种延时，采用一种公共的定时标尺，这种标尺是以由BTS4提供的同步信号为依据，以便控制TDMA的工作模式，换句话说，接收到的培训序列TSRX在分配的时隙中的位置是一种时间延时的量度。应该理解，在已知的GSM系统中，计算了对一个给定通道的延时，以便提供定时提前信息，定时提前信息用来保证由移动站发送到BTS的信号落在分配给它的时隙中。定时提前信息可根据计算出的相对延时与当前的定时提前信息来确定。如果移动站MS远离基站，那末BTS将命令MS发送它的数据脉冲群比如果移动站MS靠近BTS的情况要早一些。
由分析方框34中每一个执行的分析结果被输入到一个处理器方框36，确定是否在移动站MS与基本发送接收机站4之间的距离是大于或小于预先规定的临界值，应该理解，这临界值取决于特定的蜂窝的特性，可以逐个蜂窝变化，典型情况下，临界值可约为0.5至1Km。以下两种方法可由处理器方框36用来确定移动站与基本发送接收机站之间的距离。首先，可以使用定时提前信息。
确定移动站与BTS4之间的距离的另外一种方法是根据在BTS接收到的信号所对的角度来决定的。从为八个通道中每一个计算的通道脉冲响应，可以估计在BTS接收到的信号所对的角度。如果移动站位于离BTS4的临界距离以外，那末在BTS接收到的信号所对的角度将相对地窄，如图6a中所示，如果在BTS所对的角度相对地窄，那末来自MS的信号将只在有限数量的方向中能较强地接收到，例如一个，二个或可能三个，相反，如果在BTS4与MS之间的距离低于临界距离，在BTS所对的角度将相对地宽，如图6b中所示，从MS接收到的信号将在比较多的通道上接收到，例如四个或更多并且将以类似的强度在四个或更多的通道中的每一个通道上接收到信号。
处理器方框36通过查看每个通道的能量，查出信号接收到的通道的数目，如果在给定的通道上的信号是微弱的，那末在该通道上接收到的信号可被略去。从信号被接收到的通道的数目，可以确定是否由接收到的信号所对的角度具有宽的或窄的角展度并由此可确定是否MS与BTS之间的距离是大于或小于临界值。
如果移动站与BTS4之间的距离大于临界值Rc，那末只有一个或两个波束方向将被用来发送信号到移动站。相反，如果在移动站与BTS4之间的距离小于临界值Rc，那末要发送到MS的信号将在较多的波束上发送。
在本发明的一种修改方案中，当BTS4与MS之间的距离被确定为大于临界距离时，那末处理器方框36比较为每个通道确定的最大能量，也比较为每个通道确定的延时，处理器方框36查出对于一个给定的时隙，给定的频段中的一个给定的数据脉冲群具有最大能量的通道。这就意味着一个给定的数据脉冲群的最强信号被接收到的波束方向可被查出，处理器方框36也查出具有最小延时的通道，换句话说，可以查出沿着最短路径传播的数据脉冲群信号。然后处理器方框36检查看看是否具有最大能量的通道就是具有最小延时的通道。如果这些通道是相同的，处理器方框36输出一个信号到产生方框38，指明下一个到所谈论的移动站的信号应该在具有最大强度与最短路径的信号被接收到的单独的波束方向中发送。
然而，如果具有最大能量的通道并不是信号首先到达BTS4的通道，处理器方框36输出一个信号到产生方框38，指明下一个要发送到数据脉冲群已经接收到移动站MS的信号应该在两个波束方向中发送。一个方向将相应于最强的信号被接收到的波束方向，另一个方向将相应于数据脉冲群被首先接收到的波束方向。例如，如果比较方框36查出最强信号已经在输入19b上输入到数字信号处理器21，首先到达BTS4的信号已经通过输入19d输入到数字信号处理器21，从BTS到移动站的信号将在波束b2和b4的方向中发送。在这些情况下，要发送的信号由产生方框38在数字信号处理器21的输出22b和22d上输出。
在本发明的另一种修改方案中，当BTS4与MS之间的距离被确定为大于临界距离时，处理器方框36比较为每个通道确定的通道脉冲响应并选择一个主要的波束方向。主要波束方向可以是具有最大能量的信号被接收到的方向或另外一个可以是具有最小延时的信号被接收到的方向。然后处理器方框36选择两个辅助的波束方向，这些辅助波束方向是紧邻着主要方向。换句话说，如果波束b3是主要波束，那末波束b2和b4将是辅助波束，处理器方框36也选择主要波束的功率水平，主要波束的功率可以按照从移动站在此主要波束方向中接收到的信号的强度来选择或者确定也可采用任何其它合适的方法，每个辅助波束的功率按照为主要波束选择的功率来设置。例如，在主要波束方向中的功率与一个辅助波束方向中的功率之比和在主要波束方向中从移动站接收到的信号电平与在辅助波束方向中从移动站接收到的信号电平之比成比例。通常，辅助波束的功率将小于主要波束的功率。
在本发明的又一种修改方案中，当BTS4与MS之间的距离被确定为大于临界距离时，那末比较方框选择一个来自移动站的信号被认为是接收到的方向，那个方向可以是具有最大能量的信号被接收到的方向，或者可以是具有最小延时的信号被接收到的方向，处理器方框36存贮此波束方向并对下一个从移动站接收到的数据脉冲群执行相同的步骤，两个相继从移动站接收到的信号的方向被比较，如果两个方向是相同的，那末信号将在此确定的波束方向中从BTS发送到移动站，如果，相反，来自移动站的相继的数据脉冲群被认为是来自不同的方向，那末由BTS4发送到MS的下一个信号将在这两个波束方向中。
由BTS4发送到MS的信号的强度取决于BTS与MS之间的距离，当MS与BTS之间的距离被确定为小于临界距离时，在较大数量的波束方向中发送到MS的信号具有第一相对低的功率水平。然而，当确定MS与BTS4之间的距离大于临界距离时，在一个或二个波束方向中发送的信号的功率具有第二，较高的功率水平，代替刚好有两个不同功率水平的情况，由BTS发送的信号的功率可以有取决于MS与BTS之间距离的一个可能值的范围。根据MS与BTS之间确定的距离，处理器方框36确定以MS与BTS之间的距离为基础的适当的信号水平并将与在所选波束方向上的信息一道输出信号水平信息到产生方框38。例如，当距离大于临界距离时，一个闭环系统可用来确定功率水平，这样一种闭环系统被采用在GSM系统中。
产生方框38负责产生从数字信号处理器21输出的信号。产生方框38有一个代表要发送到移动站MS的语音和/或信息的输入40，产生方框38负责对要发送到移动站MS的语音或信息编码，在信号内包括一个培训序列与一个同步序列。产生方框38也负责产生调制信号，根据所产生的信号以及所确定的波束方向，产生方框38在数字信号处理器21的各个输出22a-h上提供信号。产生方框38也提供一个输出50，用来控制由放大器24提供的放大倍数，以保证在所要求的波束方向或方向中的信号具有由处理器方框36选定的所需要的功率水平。
通道脉冲响应方框30的输出也用来均衡与匹配从移动站MS接收到的信号，特别是，由多径传播引起的符号间干扰的影响可由匹配滤波器(MF)与均衡器方框42从接收到的信号中消除或减弱，应该理解，匹配滤波器(MF)与均衡器方框具有一个接收从MS接收到的信号的输入(未示出)。每个方框42的输出由复原方框44接收，复原方框负责将由MS发送的语音和/或信息复原，由复原方框执行的步骤包括对信号的解调与解码，被复原的语音或信息在输出48上输出。
在一种修改方案中，宽的角展度可通过场调制来达到。
在对所描述的实施方案的一种修改方案中，如果移动站与BTS之间的距离大于临界距离，使用正常的波束与功率控制，例如像在GSM系统中那样，然而，如果移动站与BTS之间的距离小于临界距离，则所选的波束是固定的，也采用一种固定的功率水平。
应该明白，虽然以上描述的实施方案已经在GSM蜂窝通信网络中实施了，本发明可能用于其它的数字蜂窝通信网络以及模拟蜂窝网络中。以上描述的实施方案采用一种有八个部件的相控阵，当然，这种阵可以有任何数目的部件，另一种做法是，相控阵可以由若干离散的定向天线代替，每个天线在一个给定的方向中辐射一个波束，Butler矩阵电路可由任何其它合适的相移电路代替，如果这样的电路被需要的话，Butler矩阵电路是一种模拟的波束形成器，当然可以采用一种数字波束形成器DBF或任何其它合适类型的模拟波束形成器，这种阵可被控制用来产生多于八个波束，尽管只提供了八个部件，这取决于馈电给这些部件的信号。
这也可用于所提供的许多相控阵。相控阵可提供各种数目的波束。当需要宽的角展度时，采用有较少数目部件的阵，当需要相对地窄的角展度时，采用有较多数目部件的阵。
将会明白，以上的实施方案已经作为从Butler矩阵电路提供八个输出进行了描述，实际上，同时在Butler矩阵的每个输出上将输出许多不同的通道，这些通道可以是在不同的频段上。在各个输出上也将提供用于不同时隙的通道，虽然单独的放大器，处理器，模拟数字变换器和数字模拟变换器已被示出，实际上，每一种可由许多输入和输出的一个单独部件来提供。
应该理解，本发明的实施方案并不只在蜂窝通信网络中有应用，例如，本发明的实施方案可应用在需要定向无线电通信的任何环境中。例如，这种技术可应用在PMR(私人移动无线电)中等。
权利要求
1．一种在一个第一站与一个第二移动站之间的移动通信网络中的定向无线电通信的方法，所述的方法包括以下步骤在所述的第一站接收由所述的第二站发送的信号；监测代表第二站与第一站之间距离的参数；和从所述的第一站发送信号波束到所述的第二站，其中由第一站发送的信号波束的角展度取决于第一与第二站之间的距离。
2．根据权利要求1的方法，其中参数在第一站被监测。
3．根据权利要求2的方法，其中的参数是由第一站接收到的来自第二站的信号的角展度。
4．根据权利要求2的方法，其中的参数是根据信号从第二站到达第一站所需时间的长度来确定的。
5．根据权利要求1或2的方法，其中所述的参数是定时提前信息，通常用于控制移动站与第一站之间的数据通信。
6．根据以前的权利要求中任一个的方法，其中辐射波束的角展度可从第一相对地宽的波束与第二相对地窄的波束中选择，如第一站与第二站之间的距离小于预先规定的距离，则选取第一宽波束，如第一站与第二站之间的距离大于预先规定的距离，则选取第二波束。
7．根据以前的权利要求中任一个的方法，其中由第一站发送的信号波束的功率取决于距离参数。
8．根据权利要求6与7的方法，其中第一宽波束的传输功率小于第二窄波束的传输功率。
9．根据以前的权利要求任一个的方法，所述的第一站包括蜂窝通信网络的一个基本发送接收机站，第二站是一个移动站。
10．一种在蜂窝移动通信网络中的一个基站与一个移动站之间定向无线电通信的方法，所述的方法包括在所述的基站接收由所述的移动站发送的信号；监测代表所述的信号在移动站与基站之间传播的距离的参数；和依据由所述的参数代表的距离，选择决定从所述的基站发送信号到所述的移动站的辐射波束的角展度，其中发送所述信号的波束的角展度随着距离增加而减小。
11．一个用于在移动通信网络中与一个第二移动站进行定向无线通信的第一站，所述的第一站包括接收机装置，用于接收由所述的第二站发送的信号；发射机装置，用于从第一站发送信号波束到第二站；和控制装置，用于选择确定用于发送信号的一个信号波束的角展度，所述的控制装置被安排来控制所述的发射机装置，使得由第一站发送的信号波束的角展度取决于一个代表第一与第二站之间距离的参数。
12．根据权利要求11的第一站，其中所述的控制装置被安排来控制被发送的波束的角展度，如果第一与第二站之间的距离大于预先规定的距离，则为第一相对宽的波束，如果第一与第二站之间的距离小于预先规定的距离，则为第二相对窄的波束。
13．根据权利要求12的第一站，其中第一相对宽的波束的传输功率是小于第二窄波束的传输功率。
14．根据权利要求11到13中任一项的第一站，其中发射机装置与接收机装置由一个天线阵提供，该阵被安排来提供用于发射辐射波束的许多波束方向，其中至少一个所述的波束方向可被选来用于一个给定的信号。
全文摘要
一种在移动通信网络中的一个第一站与一个第二移动站之间定向无线电通信的方法包括以下步骤:由第二站发送的信号在第一站被接收。监测代表第二站与第一站之间距离的参数。将信号波束从第一站发送到第二站,由第一站发送的信号波束的角展度取决于第一与第二站之间的距离。
文档编号H04W16/28GK1221543SQ97195354
公开日1999年6月30日 申请日期1997年2月13日 优先权日1997年2月13日
发明者M·卡茨, M·基斯基 申请人:诺基亚电信股份公司