Способ передачи и приема сигналов на базовой станции с антенной решеткой в сотовой системе связи и сотовая система связи

 

Изобретение относится к сотовой системе связи. Технический результат состоит в повышении качества передачи при переключении с одной базовой станции на другую. Имеющиеся каналы связи делятся на несколько классов. Базовая станция передает сигналы на мобильную станцию в первом классе каналов с широко направленным антенным лепестком. Затем определяется положение мобильной станции по сигналам, принимаемым на базовой станции от мобильной станции, базовая станция может передавать сигналы и получать сигналы от мобильной станции во втором классе каналов с узконаправленным антенным лепестком. 2 с. и 18 з. п. ф-лы, 8 ил.

Настоящее изобретение относится к сотовым системам связи с адаптивными антенными решетками и, в частности, касается сотовой системы связи, в которой используются как широко направленные, так и узко направленные адаптивные антенные лепестки для связи между базовыми станциями и мобильными станциями.

Предшествующий уровень техники Сотовая связь получила широкое распространение в коммерческой сфере как в Соединенных Штатах, так и в остальном мире. Спрос на указанные системы в крупных городах опережает рост пропускной способности таких систем. Если подобная тенденция сохранится, то данная проблема может в ближайшем будущем коснуться и малых регионов. Требуются новые решения, отвечающие возрастающим требованиям к пропускной способности и позволяющие, с одной стороны, поддерживать высокое качество обслуживания, а с другой - избежать роста цен. Кроме того, поскольку количество пользователей сотовой связи растет, все большее значение приобретают проблемы, связанные с помехами совмещенных каналов.

В современных цифровых сотовых системах используются базовые станции, которые выделяют сигналы мобильных объектов, используя временную или частотную ортогональность. Сигналы от мобильного объекта поступают на базовую станцию и принимаются единичной или иногда двойной антенной. Приемник обрабатывает сигнал, используя временную и частотную ортогональность для разделения сигналов, поступивших от различных пользователей. Затем можно выровнять AUX сигнала и детектировать сигнал. Хотя такие методы, как скачкообразное переключение частоты и упреждающее кодирование, и обеспечивают снижение помех совмещенных каналов, они изначально ограничены имеющимся в наличии частотным спектром. Однако использование свойства направленной чувствительности адаптивных антенн открывает новые возможности уменьшения помех совмещенных каналов. Адаптивная антенна представляет собой решетку из пространственно распределенных антенн. На решетке встречаются сигналы от нескольких передатчиков. Путем соответствующего комбинирования антенных выходов можно выделить отдельные сигналы из полученной суперпозиции, даже если они занимают одну и ту же частотную полосу. Затем можно отличить пространственно разнесенных пользователей посредством использования узко направленных адаптивных антенных лепестков. Такую процедуру можно рассматривать как способ использования ортогональности в пространственной области.

В современных цифровых сотовых системах используются также базовые станции, в которых применяются базовые антенны с широко направленными антенными лепестками, например порядка 60, 120 или 360^o. Базовая станция принимает сигналы от всех мобильных станций в зоне действия лепестка. Следовательно, нет необходимости знать положение мобильной станции. Однако при этом нет возможности подавить мобильные объекты, ведущие передачу под другими углами. Использование узко направленных адаптивных антенных лепестков требует знания положения мобильной станции, или точнее хороших фильтров пространственных частот для приема/передачи к и от мобильной станции. Это предполагает, что пространственные фильтры мобильного объекта должны определяться для каждого нового вызова и после каждого переключения между базовыми станциями.

Эта проблема может быть легко решена во многих системах. Однако она особенно важна в мобильных сотовых системах, где изменяется положение подвижных станций и где каналы связи быстро замирают. Кроме того, существующие стандарты, такие как стандарт GSM, часто предполагают, что широко направленный антенный лепесток используется таким образом, что ценная информация может быть послана непосредственно на мобильную станцию с заранее неизвестных направлений. Это означает, что необходимо принять дополнительные меры, чтобы эта информация не потерялась во время процесса обучения адаптивных антенн. Другой вариант решения - это привязка к каналам, то есть, когда мобильный объект привязывается к одному из нескольких временных и/или частотных ортогональных каналов. Новый мобильный объект может не подходить для конкретного канала, поскольку, например, он близко расположен к старому мобильному объекту на том же самом канале. Следовательно, желательно сначала, не разделяя трафик, оценить а затем привязать мобильный объект к соответствующему каналу. Другими словами, следует максимизировать пространственную ортогональность.

Другой важный момент - это проведение измерений, необходимых для переключения (между базовыми станциями). Желательно иметь несколько каналов, которые передаются в широко направленных антенных лепестках, так чтобы мобильная станция могла оценивать уровень сигналов, идущих от базовых станций.

Формулировка изобретения Целью настоящего изобретения является обеспечение системы, в которой мобильные станции с известными и неизвестными координатами могут использоваться в одной и той же системе, а информация о расположении мобильных объектов в один и тот же момент времени может использоваться для уменьшения взаимных помех и повышения пропускной способности системы. Эта цель настоящего изобретения достигается посредством использования антенных решеток и разделения имеющихся каналов трафика на несколько классов.

В одном варианте реализации настоящего изобретения раскрывается способ передачи и приема сигналов на базовой станции с помощью антенной решетки в сотовой системе связи. Сначала имеющиеся каналы связи делятся на несколько классов. Затем базовая станция передает сигналы на мобильные станции через каналы первого класса с помощью широко направленного антенного лепестка. Затем может быть определено положение мобильной станции по сигналам, получаемым базовой станцией от мобильной станции. После того как определено местоположение мобильной станции, базовая станция может передавать на и получать сигналы от мобильной станции через каналы второго класса с помощью узко направленного антенного лепестка.

Краткое описание чертежей В дальнейшем приводится описание вариантов выполнения настоящего изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых: фиг. 1 изображает блок-схему взаимосвязей между передатчиком и приемником; фиг. 2(а)-(b) - расположение антенн согласно первому варианту реализации настоящего изобретения; фиг. 3 - блок-схему подпрограммы установки вызова согласно первому варианту реализации настоящего изобретения; фиг. 4 - пример формирования диаграммы направленности согласно первому варианту реализации настоящего изобретения; фиг. 5 - блок-схему детектирования и демодуляции сигнала согласно первому варианту реализации настоящего изобретения; фиг. 6 - блок-схему первого варианта реализации части настоящего изобретения;
фиг. 7 (а)-(b) - другие варианты расположения антенн согласно первому варианту реализации настоящего изобретения и
фиг. 8 - блок-схему подпрограммы переключения между базовыми станциями согласно первому варианту реализации настоящего изобретения.

Лучший вариант осуществления изобретения
Хотя последующее описание проводится в контексте сотовых систем связи, включающих портативные либо передвижные радиотелефоны и/или персональные сети связи и несколько базовых станций, для специалиста в данной области техники представляется очевидным, что данное изобретение может быть использовано и в других системах связи.

На фиг. 1 показана общая картина связей между передатчиком 10 и приемником 14. Как передатчик, так и приемник размещаются на мобильной станции и на базовых станциях, однако в данном примере передатчик 10 находится на мобильной станции, а приемник 14 - на базовой станции. Передатчик 10 посылает сигнал на приемник 14 по каналу 12. Предположим, что канал 12 осуществляет линейное преобразование с импульсной характеристикой h(t), в результате чего изменяется как фаза, так и уровень сигнала между передатчиком и приемником. Передаваемый сигнал s(t) под воздействием импульсной характеристики h(t) преобразуется в принимаемый сигнал r(t). Сигнал r(t) принимается приемником 14 с помощью адаптивной антенной решетки 20, которая подает полученный сигнал в блок оценки 16, который осуществляет дискретную аппроксимацию h(t), обозначаемую как h(n). Дискретная аппроксимация h(n) подается затем в блок оценки частоты замирания 18, который производит опенку доплеровской частоты для мобильной станции. Полученный сигнал подается также в демодулятор/детектор 22, который использует полученные оценку канала и оценку доплеровской частоты для демодуляции и детектирования сигналов.

Согласно первому варианту реализации настоящего изобретения множество имеющихся каналов трафика разделяется на несколько групп или классов, например на два. Согласно первому варианту реализации настоящего изобретения первый класс каналов имеет такой уровень помех, что базовая станция может принимать сигналы, используя широко направленные антенные лепестки, и передавать сигналы на мобильную станцию, используя широко направленный антенный лепесток. Каналы второго класса имеют такой уровень помех, что базовая станция может передавать сигналы, используя узко направленные антенные лепестки, для того чтобы получать приемлемое качество. Различие между классами каналов состоит в том, что канал узко направленного лепестка, когда базовая станция передает сигналы через узко направленный антенный лепесток, имеет значительно более высокую эффективность использования спектра. Более высокая спектральная эффективность используется обычно для уменьшения многократного использования частоты либо для того, чтобы дать возможность множеству пространственно разделенных пользователей осуществлять связь через один и тот же канал. Обычно каналами первого класса должны быть управляющий канал и некоторые каналы трафика, в то время как большинство каналов трафика должны быть каналами второго класса. Кроме того, каналы первого класса должны использовать одну и ту же дальность многократного использования и имеющиеся на сегодняшний день алгоритмы приема, в то время как каналы второго класса могут иметь меньшую дальность, чем каналы первого класса.

На фигуре 2(а) показан канал широко направленного лепестка. Как видно из рисунка, канал f₁ передается в широкой зоне, так что множество мобильных станций независимо от их расположения могут принимать транслируемые от базовой станции сообщения. Фигура 2(b) показывает канал узко направленного лепестка согласно первому варианту реализации настоящего изобретения. Как показано на фигуре, канал f₁ транслируется в ограниченную зону посредством использования пространственных фильтров адаптивной антенной решетки для ограничения направления канала f₁. В результате канал f₁ может быть использован несколькими мобильными станциями для передачи и приема конкретных сообщений, коль скоро эти мобильные станции расположены поблизости друг от друга.

Согласно первому варианту реализации настоящего изобретения базовая станция передает информационные сообщения, управляющие сообщения и сообщения для пейджеров по каналу широко направленного лепестка нисходящей (от базовой станции) линии связи. Базовая станция прослушивает также все мобильные станции в закрепленном за ней географическом районе на канале широко направленного лепестка восходящей (к базовой станции) линии связи, где мобильные линии связи могут, например, посылать запросы на доступ к базовой станции. Базовая станция собирает сигналы из окружающей ее зоны на антенную решетку. Затем принятые сигналы вводятся в сигнальный процессор, который оценивает каждый конкретный сигнал на предмет обнаружения мобильной станции и определения ее положения. Затем базовая станция может использовать эти данные о положении для уменьшения ширины антенного лепестка, используемого для посылки сигналов на конкретные мобильные станции, то есть закрепить за мобильной станцией канал второго класса, после того как с заданным уровнем достоверности определено положение мобильной станции.

Каналы первого класса используются также для установки новых вызовов и переключения между базовыми станциями. Подпрограмма установки типового вызова показана на фиг. 3.

Сначала, на этапе 300, мобильная станция посылает сообщение доступа на базовую станцию по управляющему каналу произвольного доступа, являющемуся каналом первого класса. На этапе 302 сообщение обнаруживается и используется в качестве обучающей последовательности для антенного алгоритма путем уменьшения векторного сигнала от антенной решетки в момент K в виде X(К)=[X₁(K).. .X(K)_L], где L - количество элементов в решетке. Как будет рассмотрено ниже, последовательность сообщений {d(K)}₁^N может, например, быть использована в качестве эталонного сигнала в методе наименьших квадратов. Сначала определяется линейная комбинация X(K), ближайшая к d(K), другими словами, вектор W определяется таким образом, чтобы (d_k- WHX_k)² было минимальным. Определенный таким образом вектор W₀, где W₀ = [W ... W₂]^T, может затем быть использован для фильтрации сигнала от мобильной станции. Затем на этапе 304 базовая станция закрепляет за мобильной станцией имеющийся канал первого класса для запрашиваемого вызова. Далее может быть определено положение мобильной станции, пока мобильная станция использует канал первого класса для передачи данных.

Положение мобильной станции может быть охарактеризовано, например, ранее определенным вектором W₀. Направление прихода сигнала от мобильной станции можно также определить, используя известные алгоритмы, такие как алгоритмы формирования диаграммы направленности MUSIC, ESPRIT и WSP. Пример формирования диаграммы направленности показан на фигуре 4. Сигнал от мобильной станции принимается несколькими лепестками, например четырьмя. Формирование диаграммы направленности может быть выполнено, например, четырьмя отдельными направленными антеннами 402 с формирователем диаграммы направленности Батлера 404 на радиочастоте либо на базе широкополосных цифровых фильтров. На фигуре 5 показан пример процесса обнаружения и демодуляции сигнала от мобильной станции. На шаге 500 сигнал от мобильной станции принимается антенной решеткой 402. Затем на этапе 502 формируются лепестки и на этапе 504 измеряется выходная мощность каждого лепестка. Далее на этапе 506 в качестве эталонного выбирается лепесток с наибольшей замеренной мощностью. Тогда номер этого лепестка, то есть 1, 2, 3 или 4, является характеристикой положения мобильной станции. Затем на этапе 508 отфильтровывается требуемый сигнал, а на этапе 510 детектируется и демодулируется. Затем на этапе 512 результирующий сигнал проверяется на предмет возможности его использования; например, имеет ли он достаточный уровень. Если сигнал использовать нельзя, отобранный лепесток на этапе 514 помечается как использованный, и подпрограмма возвращается к этапу 502.

На фигуре 6 показан способ измерения мощности сигналов, получаемых от мобильной станции MS1. Антенная решетка 602 принимает несколько сигналов, некоторые из которых поступают от MS1. Затем множество сигналов фильтруется в пространственном фильтре 604. Пространственная фильтрация может уменьшить помехи от других направлений по направлению восходящей линии связи (к базовой станции). Такая фильтрация может также уменьшить помехи по нисходящей линии связи от базовой станции к мобильной станции. В восходящем направлении веса пространственных фильтров W₁, W₂, W₃ и W₄ выбираются таким образом, чтобы отфильтрованный сигнал Y (K) содержал только сигналы, полученные мобильной станции MS1. В нисходящем направлении веса пространственного фильтра выбираются таким образом, чтобы все сигналы для MS1 достигли MS1 без помех для MS2. Затем отфильтрованный сигнал Y (K) возводится в квадрат в устройстве квадратирования 606 для получения мгновенной мощности мобильной станции. Затем в интеграторе 608 мгновенная мощность усредняется по времени, в результате чего получается усредненная по времени мощность мобильной станции MS1. Вернемся теперь к фигуре 3. Поскольку на этапе 306 определились положение и уровень мощности новой мобильной станции, в дальнейшем на этапе 308 за данной мобильной станцией можно закрепить канал второго класса.

Трафик к и от мобильных станций с известным местоположением может быть направлен в определенных направлениях путем использования узко направленных антенных лепестков. В результате этого уменьшаются взаимные помехи, и мобильные станции могут использовать один и тот же частотный канал. Согласно первому варианту реализации настоящего изобретения у одного частотного канала одновременно может быть до пяти пользователей, хотя это число не является ограничением. Мобильная станция, которая хочет получить доступ в систему FDMA (многостанционный доступ с частотным разделением каналов) типа AMPS (перспективная служба радиотелефонной связи с подвижными объектами), обычно посылает свой запрос доступа либо запрос установки вызова на базовую станцию, используя канал с широко направленными лепестками, как показано на фигуре 2(а). Сигнал обрабатывается базовой станцией, после чего может быть определено положение мобильной станции. Затем мобильной станции дается команда передавать и принимать по каналу с узко направленным лепестком, как показано на фигуре 2(b).

В действующей мобильной станции, находящейся в системе TDMA (многостанционный доступ с временным разделением каналов) типа ADC (аналого-цифровое преобразование), обычно используется, как показано на фигурах 7 (а)-(b), один временной интервал для передачи на базовую станцию и другой временной интервал для приема от базовой станции. При такой передаче обычно используются каналы с узко направленными лепестками с высокой эффективностью использования спектра, как показано на фигуре 7(а). Затем мобильная станция освобождается на остальных интервалах времени для прослушивания информации, транслируемой от базовых станций, находящихся в общей окрестности, на каналах c широко направленными лепестками, как показано на фигуре 7(b).

Типовая подпрограмма переключения вызова согласно первому варианту реализации настоящего изобретения показана на фигуре 8. Когда первая базовая станция установит с использованием известного метода необходимость переключения (этап 800), первая базовая станция переключит мобильную станцию на вторую базовую станцию (шаг 802). Затем вторая базовая станция на этапе 804 закрепит за мобильной станцией имеющийся канал первого класса, так что мобильная станция сможет продолжать выполнять вызов. Затем на этапе 806 поэтапно определяется положение мобильной станции либо базовой станцией, либо самой мобильной станцией. Кроме того, согласно первому варианту реализации настоящего изобретения в процессе передачи по каналу второго класса мобильная станция может выполнять измерения, необходимые для переключения, непрерывно контролируя каналы первого класса, поскольку сигналы во времени разделены.

Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения каналы второго класса имеют антенные лепестки с переменной шириной, причем любое значение ширины антенных лепестков каналов второго класса меньше любого значения ширины антенных лепестков каналов первого класса. В результате этого, поскольку положение мобильной станции определяется поэтапно, базовая станция может поэтапно уменьшать ширину антенного лепестка канала второго класса, закрепленного за мобильной станцией. В результате качество сигнала мобильной станции может поэтапно возрастать.

Представляется очевидным, что настоящее изобретение может быть воплощено и в других конкретных вариантах, не выходящих за рамки его сущности и характерных особенностей. Следовательно, описанные выше варианты реализации во всех отношениях рассматриваются только как примеры, а не как ограничения. Объем охраны определяется в формуле изобретения, и предполагается, что все концептуальные должны охватываться формулой изобретения.

Формула изобретения

1. Способ передачи и приема сигналов на базовой станции с антенной решеткой в сотовой системе связи, содержащий следующие этапы: разбиение имеющихся каналов связи на множество классов, передачу сигналов на множество мобильных станций в первом классе каналов с широким лепестком диаграммы направленности антенны, отличающийся тем, что используют первый класс каналов для установки вызовов и переключения между базовыми станциями, определяют положение первой мобильной станции по сигналам, принимаемым от первой мобильной станции, передают сигналы на первую мобильную станцию во втором классе каналов с узким лепестком диаграммы направленности антенны, создаваемым антенной решеткой, после определения положения мобильной станции принимают сигналы от первой мобильной станции с регулируемой шириной диаграммы направленности по каналам обоих классов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что положение первой мобильной станции определяют посредством измерения уровня мощности сигналов, принимаемых от первой мобильной станции, и определения надлежащего лепестка диаграммы направленности антенны для вновь подсоединенной мобильной станции.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что базовая станция закрепляет за мобильной станцией канал во втором классе каналов после определения положения мобильной станции с достоверностью, превышающей заранее заданный уровень.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно передают и принимают сигналы на мобильной станции по каналу во втором классе каналов, и выполняют необходимые для переключения измерения сигналов, принимаемых на мобильной станции по каналам первого класса.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один управляющий канал и меньшая часть каналов трафика относятся к первому классу каналов.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй класс каналов имеет меньшую дальность многократного использования, чем первый класс каналов.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй класс каналов имеет больше одного пользователя для каждого канала.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй класс каналов имеет переменную ширину лепестка диаграммы направленности антенны.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что базовая станция поэтапно уменьшает ширину лепестка диаграммы направленности антенны канала второго класса, закрепленного за мобильной станцией, по мере того, как базовая станция постепенно определяет положение мобильной станции.

10. Сотовая система связи, по меньшей мере, с одной базовой станцией, имеющей антенную решетку, содержащая средство для передачи сигналов от базовой станции на множество мобильных станций по множеству классов каналов, средство для приема сигналов от множества мобильных станций на базовой станции по множеству классов каналов, средство для определения положения мобильной станции по принимаемым сигналам, отличающаяся тем, что базовая станция передает сигналы в первом классе каналов с широким лепестком диаграммы направленности, создаваемым антенной решеткой, и базовая станция передает сигналы во втором классе каналов с узким лепестком диаграммы направленности антенны, создаваемым антенной решеткой, после определения положения мобильной станции.

11. Сотовая система связи по п.10, отличающаяся тем, что первый класс каналов используется для переключения между базовыми станциями.

12. Сотовая система связи по п.11, отличающаяся тем, что мобильная станция содержит средство для передачи и приема сигналов по каналу во втором классе каналов и средство для проведения измерений, необходимых для переключения, по каналу в первом классе каналов.

13. Сотовая система связи по п. 12, отличающаяся тем, что мобильная станция дополнительно содержит средство для передачи и приема сигналов по каналу в первом классе каналов.

14. Сотовая система связи по п.10, отличающаяся тем, что средство определения положения содержит средство для определения уровня мощности сигналов от мобильной станции и средство для определения лепестка диаграммы направленности антенны для мобильной станции.

15. Сотовая система связи по п.10, отличающаяся тем, что базовая станция назначает мобильной станции канал во втором классе каналов после определения положения мобильной станции с достоверностью, превышающей заранее заданный уровень.

16. Сотовая система связи по п.10, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один управляющий канал и меньшая часть каналов трафика относятся к первому классу каналов.

17. Сотовая система связи по п.10, отличающаяся тем, что второй класс каналов имеет меньшую дальность многократного использования, чем первый класс каналов.

18. Сотовая система связи по п.10, отличающаяся тем, что второй класс каналов имеет более одного пользователя для каждого канала.

19. Сотовая система связи по п.10, отличающаяся тем, что второй класс каналов имеет переменную ширину лепестка диаграммы направленности антенны.

20. Сотовая система связи по п.19, отличающаяся тем, что базовая станция постепенно уменьшает ширину лепестка диаграммы направленности антенны канала второго класса, закрепленного за мобильной станцией, по мере того, как базовая станция поэтапно определяет положение мобильной станции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8