专利名称：用于在移动无线系统中通过在两个节点之间的无线传送数据或话音的方法和设备的制作方法
发明技本领域用于本发明涉及一种方法和一种设备，用于在移动无线系统中的两个节点之间通过无线传送数据或话音。
在公共陆上移动网(PLMN)中，由网络对其提供诸如话音和数据业务之类的业务的地理区域被分成小区。在上下文中，一个小区是由属于该网络的某一个基站收发信台对其提供这些服务的一个有限的地理区域。
通常根据正被讨论的区域中的业务密度来设置小区的大小。在大多数的系统中，在一个较大小区内提供一个小小区是可能的，意思是说，驻留在较小小区中的一个用户站既可以与相关于较小小区的BTS通信又可以与相关于较大小区的BTS通信。这允许系统向业务密度高的所谓的“热点”提供额外的系统容量。然后这些BTS应该利用不同频带。
移动电话系统中的一个明显趋势是小小区和微小小区数目的增加，有时称为“微小区”甚至“皮小区”。结果造成具有总体增加的系统容量的更灵活的系统。
当引入一个新BTS时，它必须被连接到PLMN的下一分级，其在GSM情况下是一个基站控制器(一个BSC)。一般说来，这通过一个有线连接，即一条电缆来安排。然而，当小小区的数目增加时，这种方法变得昂贵并且麻烦。
克服这个问题的一种可行方法是使用一个无线链路来在主节点、BSC以及从节点、BTS之间提供连接。应当指出，每个主节点可以与若干从节点相关。可是，这需要相对大功率的无线发射机以及精确的频率分配。它同时还需要能够补偿多径衰落的复杂的接收机。这可以依靠瑞克接收机或者均衡器来实现。此种设备的成本通常基本上比一个有线连接的成本更高。
用于把BSC连接到BTS的另外一个方法是在两个节点之间提供一条常规的微波链路。然后这可以利用在两节点处在它们之间以窄射束实现上下行链路的定向天线来执行。这可以利用相对小功率的发射机和简单的接收机来完成并且通常不要求任何复杂的频率分配。可是，对于这种方法，可能它需要在各自的天线之间有一视线。这在人口稠密的区域常常是难以实现的。此外，如果视线被一个临时阴影物体妨碍的话，节点之间的通信被关闭。
发明概述在移动系统中，特别是在为无线链路性能高要求的传输所设计的所谓的点到多点(P-MP)系统中，对于这样的性能多径传播是完全毁灭性的。这在由于障碍而在发射机和接收机之间没有视线存在的情况时尤为突出。作为链路性能的测量，可以使用比特差错率(BER)，在此BER≈1/2*square(S/T)，在此S是有效值延迟，T是所发射的码元持续时间。
解决这个问题的一种通常办法是在TDMA系统和所谓的瑞克接收机CDMA系统中引入均衡器以及利用不同类型的编码来合并这些特征。在高比特率系统中，均衡器和瑞克接收机实现起来既昂贵又麻烦。而且由于基带处理，它们还把延迟引入到系统中。
因此，本发明的一个目的是提供一种方法，用于在移动电话系统中的两个(最好是固定的)节点之间实现灵活又便宜的连接，在此由于多径传播和/或衰落，该连接传送对延迟灵敏的数据或话音业务。
这个目的通过一种在移动无线系统中用于在第一和第二固定节点之间传送数据或话音业务的方法来达到，在此每个节点包括一自适应相位控制天线单元。建立第一链路，其中在第一节点以窄射束有目的地通过一反射主体把无线信号发射给第二节点。建立第二链路，其中在第二节点以窄射束有目的地通过一反射主体把无线信号发射给第一节点。那么第二链路的发射方向是从第一链路收到的信号的接收方向。这种方法结果造成节点之间的一条灵活的通信链路，即使在该两个节点之间没有视线时它也正常地运行。发射机可以是相对低功率的而接收机不需要补偿多径衰落。由于改变电环境，该连接既灵活又可调整。
在本发明的一个实施例中，在一公共射频频带中建立第一和第二链路。然后通过使用时分双工(TDD)共享此频带。这允许使用更有限的频带建立链路，在双工频带之间不需要防护频带。
在本发明的另外一个实施例中，使用频分双工(FDD)在不同的射频频带中建立第一和第二链路。那么在链路之间的双工距离应该不足百分之二。这允许沿着同一路径(虽然是在不同的方向上)建立上行和下行链路并且导致比较低廉的发射机和接收机。
本发明的另外一个目的是提供一种设备，在移动电话系统中用于在两个(最好是固定的)节点之间实现一灵活又便宜的连接。
这个目的通过一种在移动无线系统中用于在第一和第二节点之间传送数据或话音的设备来达到，在此每个节点包括一相位控制天线单元。而且该设备包括一种装置，用于建立第一链路，其中在第一节点以窄射束有目的地通过一反射主体把无线信号发射给第二节点。此外它包括一种装置，用于建立第二链路，其中在第二节点以窄射束有目的地通过一反射主体把无线信号发射给第一节点。那么第二链路的发射方向是第一链路的接收方向。这结果造成节点之间的一条灵活的通信链路，即使在该两个节点之间没有视线时它也正常地运行。发射机可以是相对低功率的而接收机不需要补偿多径衰落。
在优选实施例中，第一节点连接到基站控制器而第二节点连接到基站收发信台。这允许使用本发明以便简化小区规划。
附图简述
图1概要表示一种按照GSM标准的移动系统。
图2表示按照本发明，与多个基站收发信台无线地相互连接的基站控制器的方框图。
图3a阐明了在两个节点之间的无干扰传输情形。
图3b阐明了在被一插入障碍所扰乱的视线的两个节点之间的一种如本发明所述的传输情形。
图3c示出了在这样的传输情形中自适应天线的可能的天线辐射图。
图4a和4b表示如本发明所述的一种设备的射束控制的系统。
图5阐明了在如本发明所述的系统中的连接建立过程的信令图。
优选实施方案描述图1概要表示了一种按照GSM标准的移动系统。移动台101通过空中接口Um 103与基站收发信台BTS 102通信。BTS提供对一个预确定地理区域(一个小区)的覆盖。很多的移动台可以与该BTS同时通信。每个BTS通过第二接口(所谓的Abis接口105)连接到基站控制器BSC 104。通常通过一个固定连接来提供此连接，但是正如在下面将描述的，通过一个无线连接也是可能的。本发明主要处理BSC和BTS之间的连接。可是，应当指出，本发明原则上也可作用于BTS102和移动台101之间的接口。然而，这要求移动台装备有用于实现一个窄的可操纵天线射束的装置。
BSC执行多个BTS的信道配置和切换操作并且是在它的连接到移动业务交换中心MSC 106的顺次中。MSC执行若干附属的BSC的切换功能。一个拜访位置寄存器VLR与MSC集成。VLR是记录驻留在附属小区中用户的行踪的一个数据库。移动系统的MSC相互连接以便形成一个网络。在此网络中的一些MSC被称作网关移动业务交换中心G-MSC 107并且起作用作为到诸如PSTN和ISDN网之类的外部电路交换网络108的网关。
图2表示按照本发明，与多个基站收发信台BTS 2021、2022、2023无线地相互连接的基站控制器BSC 201。这类连接可以被称作一个点到多点连接或者P-MP连接。在这种情况下，在BSC/BTS接口205上只使用无线连接。可是，根据本发明，在固定和无线连接之间的一种混合可以被使用。
BSC连接到装备有自适应无线天线205的无线节点204上。无线节点204被提供用于保持与多个无线终端2061、2062、2063的连接，无线终端每个装备有自适应天线2071、2072、2073并且连接到BTS 2021、2022、2023。每一BTS依次装备有用于与移动台通信的天线2081、2082、2083。在图2中，说明了无线节点204单独于BSC 201，可是它也可以被集成到BSC中。同样地，如果合适的话，任何无线终端2061都可以被集成到BTS 2021中。
图3a和3b阐明了如本发明所述的设备的两种可能的传输情形。图3c示出了在这样的传输情形中自适应天线的可能的天线辐射图。
图3a表示在无线节点301和终端节点302之间存在视线的最简单的情况。因此设置无线节点301的自适应天线以便形成直接面向无线终端302的射束305。类似地，设置终端节点302的自适应天线以便形成直接面向无线节点301的射束306。这种传输情形可以通过使用一种具有定向天线的传统微波链路来处理。可是，应当指出，只要视线未受干扰这样一个设备将正常地起作用，而如本发明所述的方法和设备更灵活并且可以处理视线被扰乱的情形，如下所示。
图3b表示传输情形更复杂的另外一个情况。障碍303妨碍在无线节点301和无线终端302之间的视线。这可能已经是在与无线终端302关联的BTS建立时的情况，其中，障碍303最可能是一建筑物。然而它也可能是这个情况即如图3a所示的发射情形突然地被出现在视线中的障碍所妨碍，在这种情况下障碍可能是一辆交通工具。
如果在节点之间要发射高比特率的数据，则如图3a所述的传输环境将不意味任何显著的困难。来自任意周围的阻挡物的可能衰落和/或反射将只导致削弱的反射，其或者没有有害的影响或者可以依靠一个均衡器被消除。
可是，在如图3b所示的此种情况下，即使要保持图3a中的同一天线方向，主波束严重的延迟和衰减将出现并且在该发射中的数据比特将被严重地恶化。因此根据本发明，天线方向有目的地改变到如图3b所示一个新的方向。用这种方式，发射的任意反射都在它本身使用中并且可以减小不必要的多径传播射束以便改善比特差错率BER的性能。同时还可以克服视线要求，并且可以消除对均衡器和瑞克接收机的需要。
因为根据本发明，无线节点301和终端节点302都装备有自适应天线，所以在这种情况下通过反射主体304可以建立上行和下行链路。然后无线节点和终端节点各自的天线形成相对窄的射束305，306。最好象本领域已知的那样来对自适应天线进行相位控制。节点发射信号的方向与从其他节点收到该信号的方向相同并且它们可以被认为是互易的。在优选实施例中，通过使用时分双工(TDD)上行和下行链路可以使用公共频带。作为选择，只要上行和下行链路之间的双工距离不足百分比二，还可以使用频分双工。原则上，如果对于上行和下行链路可以使用不同的路径的话，则较大的双工距离是可能的。可是，这需要一个更复杂的协议用于建立一个连接和一个更复杂的无线设备，因为对于发射和接收需要不同的天线辐射图。
图3c图示出在如图3b所示的这样一种传输情形中的自适应天线的一种可能的天线辐射图。无线节点的天线307经受来自三个不同信号源的呼入信号。来自诸如无线终端之类的两个信号源308、309的信号，被认为是期望信号，但是来自第三信号源310的信号被认为是一干扰信号。对于三个信号源建立三个不同的到达方向311、312、313。象本领域已知的那样来从这三个角度调整天线，以便形成在期望信号的方向上的高天线增益的射束314、315和干扰源方向上的零射束316。在一个无线终端的天线辐射图的情况下，只可能有一个主波束被使用。
图4a和4b表示如本发明所述的一种设备的射束控制的系统。这样的射束控制的基本概念在例如John Litva和Titus Kwok-YeungLO的“Digital beamforming in wireless communications(无线通信中的数字聚束)”(Artech House ISBN 0-89006-712-0，1996)和Staffan Lundgren的“Direction finding，beamformingand mutual coupling in base station antenna arrays(基站天线阵中的方向定位、聚束和相互耦合)”(Chalmers University ofTechnology，January 1998)中被描述，在此将它们并入作为参考。
图4a表示如本发明所述的具有射束控制功能的无线设备的第一部分。该第一部分包括一个数字无线设备。图4b阐明了包括一宽带无线设备和一天线系统的第二部分。现在参考图4a和4b更详细地描述该设备。
在图4b中以天线振子401a-401d接收无线信号为开始。在此实施例中使用了四个振子，但是振子的数目可以更大。通常，使用的天线振子越多，则可以产生的天线增益模式就越复杂。呼入信号通过双工滤波器402a-402d被耦合到接收机电路403a-403d。双工滤波器允许每个天线振子既用于发射又用于接收。
接收机电路403a-403d对呼入信号进行滤波并将它们向下混频到一个中频。接下来的，现在将对图4a进行讨论，通过A/D转换器404a-404d把信号从模拟转换为数字。然后依靠数字下变频器405a-405d把各个数字信号移到低频。
在这一级，呼入信号被用于执行如本发明所述的设备的射束形成功能。信号被引导到协方差模块406。
协方差模块406缓存来自它的每一个呼入分支的若干信号抽样。这些抽样一起形成一个矩阵然后从这个矩阵计算出一个协方差矩阵。这个协方差矩阵被连续地输出到到达模块407的一个方向，它计算来自呼入协方差矩阵外部的期望和干扰信号源的信号的到达方向。一个控制单元(未表示)判决哪些信号是期望的以及哪些是干扰。
来自期望信号源和干扰信号的呼入信号方向被输出到加权计算模块408。这个模块计算适当的加权w1、w2、w3、w4，它确保天线增益模式具有期望信号源方向上的射束而在干扰信号方向上有零射束。来自数字下变频器的呼入数字信号的幅度和相位由加权模块410a-410d来调整。然后这些信号在一相加模块411中相加。这结果得到这样一个信号即，干扰信号已经刚好被删去而来源于期望信号的信号被放大。为了清楚的缘故，用于计算呼入信号406、407、408的加权的模块被描写为不连续的功能模块。可是，应当指出，这些模块的步骤，幸好如图4a所示的大部分其他的数字操作可以通过单个数字信号处理机DSP来完成。
然后信号可以在一个TX/Rx功能模块412中进一步处理，随后依靠信号发射的信息在一个脉冲编码调制链路PCM 413上被发送给在GSM情况下的一个BSC。
设备的发射侧以与接收侧类似的方式进行操作。在一个脉冲编码调制链路413上接收来自GSM情况下的一个BSC的信息。在Tx/Rx功能模块412中该信息被转变成适合于无线发射的信号。然后在分解模块415中此信号被数字分解为四个信号。这些信号的幅度和相位通过加权模块416a-416d来调整。加权与信号复相乘。由于根据本发明的发射方向应该与来自其他节点的信号的接收方向相同，即，天线是互易的，在发射侧的加权应该与接收侧的加权相同。
依靠数字上变频器417a-417d把信号转换为一中频。然后通过D/A-转换器418a-418d把它们转换为模拟信号。通过发射机电路419a-419d把该模拟信号转换为无线频率然后通过双工滤波器402a-402d将其引导到天线振子401a-401d。
图5阐明了在如本发明所述的系统中的连接建立过程的信令图。当连接被建立时，BSC 501把一个连接请求505发射到无线节点502。然后无线节点502在一个相关扇区中广播506一标识号码广播消息而不使用有效的聚束(active beamforming)。通过一个无线终端503来获取此消息。如果该无线终端识别该所发射的标识并因此是正确的接收机时，它通过向无线节点502发送一个物理信道请求消息507来进行响应。这是在由无线终端所估计的优选方向上利用有效的聚束来处理。
然后无线节点502在接收前述的消息507的同一方向上向无线终端503发射一个物理信道确认消息508。从而现在也已在无线节点502的位置处启动有效聚束。然后由无线节点502发送一个签证请求509给无线终端503，这结果造成在相反方向上的签证确认510。以相同的方式，对连接请求511和连接确认512互换。当这完成时，无线节点502和无线终端503准备发射。一个建立确认消息513从无线节点502被发送到BSC 501并且在BSC 501和BTS 504之间的数据514传输可以开始。
应当指出，上面提及的实施例只有想例示出可以如何实现本发明。所寻求保护的范围只能通过附加权利要求来限制。
权利要求
1.一种方法，用于在移动无线系统中的第一固定节点(301)和第二固定节点(302)之间通过无线传送数据或话音，每个所述节点包括至少一个相位控制天线单元，其特征在于下列步骤-建立第一链路，其中在第一节点(301)以窄射束(305)有目的地通过一个反射主体(304)把无线信号发射给第二节点(302)；-建立第二链路，其中在第二节点(302)以窄射束(306)有目的地通过一个反射主体(304)把无线信号发射给第一节点(301)，在此第二链路的发射方向是来自第一链路的信号的接收方向。
2.一种如权利要求1所述的方法，用于在移动无线系统中的第一固定节点和第二固定节点之间通过无线传送数据或话音，其特征在于，在一个公共射频频带中建立所述第一链路和所述第二链路，并且通过使用时分双工(TDD)来共享这个频带。
3.一种如权利要求1所述的方法，用于在移动无线系统中的第一固定节点和第二固定节点之间通过无线传送数据或话音，其特征在于，通过使用频分双工(FDD)在不同的射频频带中建立所述第一链路和所述第二链路，并且这两条链路之间的双工距离不足百分比二。
4.一种设备，用于在移动无线系统中的第一节点(301)和第二节点(302)之间通过无线传送数据或话音，每个所述节点包括至少一个相位控制天线单元，其特征在于-一种装置，用来建立第一链路，其中在第一节点(301)以窄射束(305)有目的地通过一个反射主体(304)把无线信号发射给第二节点(302)；-一种装置，用来建立第二链路，其中在第二节点(302)以窄射束(306)有目的地通过一个反射主体(304)把无线信号发射给第一节点(301)，在此第二链路的发射方向是来自第一链路的信号的接收方向。
5.一种如权利要求4所述的设备，用于在移动无线系统中的第一节点和第二节点之间通过无线传送数据或话音，其特征在于第一节点连接到基站控制器(104)而第二节点连接到基站收发信台(102)。
6.一种如权利要求4所述的设备，用于在移动无线系统中的第一节点和第二固定节点之间通过无线传送数据或话音，其特征在于，在一个公共射频频带中建立所述第一链路和所述第二链接，并且通过使用时分双工(TDD)来共享这个频带。
7.一种如权利要求4所述的设备，用于在移动无线系统中的第一节点和第二固定节点之间通过无线传送数据或话音，其特征在于，通过使用频分双工(FDD)在不同的射频频带中建立所述第一链路和所述第二链路，并且这两条链路之间的双工距离不足百分比二。
8.一种如权利要求4-7的任一个所述的设备，用于在移动无线系统中的第一节点和第二节点之间通过无线传送数据或话音，其特征在于第一和第二节点是固定的。
9.一种如权利要求4-8的任一个所述的设备，用于在移动无线系统中的第一节点和第二节点之间通过无线传送数据或话音，其特征在于第一节点与第二节点类型的多个节点通信。
10.一种如权利要求4-9的任一个所述的设备，用于在移动无线系统中的第一节点和第二节点之间通过无线传送数据或话音，其特征在于对于在第一和第二节点的至少一个中的天线辐射图，用于实现在干扰无线信号源的方向上的一个零射束的装置。
全文摘要
本发明涉及用于在移动无线系统中的两个节点之间传送数据或话音的一种方法和一种设备。自适应天线被应用来实现窄射束。通过一个反射主体来建立连接。
文档编号H04B7/10GK1331895SQ9981498
公开日2002年1月16日 申请日期1999年12月17日 优先权日1998年12月22日
发明者B·约翰松 申请人:艾利森电话股份有限公司