專利名稱：使用地理位置數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)的制作方法
相關(guān)申請這份申請是美國專利申請第08/729,289號(1996年10月10日申請)的部分繼續(xù)申請，該申請的教導(dǎo)通過在此引述而全部并入本文。本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)在，通信頻譜是非常寶貴的，而個(gè)人通信系統(tǒng)(PCS)突出的大容量需求使問題更復(fù)雜。雖然所有無線通信的調(diào)制技術(shù)都容忍因同信道干擾引起的容量限制，但是擴(kuò)頻即碼分多址(CDMA)是一種特別適合利用空間處理擴(kuò)大用戶容量的調(diào)制技術(shù)。擴(kuò)頻將信號帶寬從R(bits/sec)增大到W(Hz)，其中W＞＞R，所以多重信號可以共享同一頻譜。因?yàn)樗鼈児蚕硗活l譜，所以所有的用戶都被當(dāng)成同信道干擾。容量與干擾功率成反比，所以減小干擾則增大容量。
一些諸如使用扇形天線之類初級的空間處理可以用于減少干擾?？梢杂萌齻€(gè)天線(每個(gè)120°扇區(qū))代替單一的全相天線，以便有效地將干擾降低3倍，因?yàn)槊總€(gè)天線平均只盯著1/3用戶。借助每個(gè)天線的轉(zhuǎn)發(fā)通信硬件，容量增大3倍。
理想的是，自適應(yīng)天線陣列可以用于有效地消除來自其它用戶的干擾。假設(shè)有無限小的波束寬度和理想的跟蹤，于是自適應(yīng)陣列處理(AAP)能夠?yàn)槊總€(gè)用戶提供一個(gè)獨(dú)特的無干擾信道。這種空分多址(SDMA)的實(shí)例允許系統(tǒng)中每個(gè)用戶同時(shí)利用同一頻率的信道進(jìn)行通信。但是，這種AAP SDMA系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樗枰奶炀€數(shù)量無限大而且需要復(fù)雜的信號處理硬件。可是就實(shí)現(xiàn)SDMA的實(shí)際優(yōu)點(diǎn)而言，大量的天線和無限小的波束寬度并非是必須的。
SDMA允許較多的用戶同時(shí)用同一頻率進(jìn)行通信，因?yàn)檫@些用戶在空間上是分開的。SDMA可以在CDMA系統(tǒng)中直接應(yīng)用。SDMA也可以在時(shí)分多址(TDMA)系統(tǒng)中直接應(yīng)用，但是為了充分利用SDMA，要求監(jiān)測并重新分配時(shí)隙以便允許在空間上分開的用戶同時(shí)共享同一時(shí)隙。SDMA還可以直接應(yīng)用在頻分多址(FDMA)系統(tǒng)中，但是，類似地，為了充分利用SDMA，要求監(jiān)測并重新分配頻隙以便允許在空間上分開的用戶同時(shí)共享同一頻帶。
在蜂窩應(yīng)用中，SDMA借助降低相鄰蜂房之間的同信道干擾在三個(gè)調(diào)制電路中都直接改進(jìn)了頻率重復(fù)使用(在相鄰蜂房中使用同一頻譜的能力)。SDMA可以直接應(yīng)用于TDMA和FDMA調(diào)制電路，甚至對來自相鄰蜂房的無效同信道干擾不重新分配時(shí)隙或頻隙，但是容量擴(kuò)充效果不象為了充分利用SDMA而重新分配時(shí)隙和頻隙那樣令人矚目。本發(fā)明的概述代替使用全自適SDMA裝備的是，利用用戶的位置信息將天線波束形成從自適性問題變成確定性問題，借此簡化處理的復(fù)雜性。優(yōu)選的是，波束形成器基于位置數(shù)據(jù)采用簡單的波束控制計(jì)算。采用全球定位的智能型天線波束形成顯著增加同時(shí)使用的容量，而且沒有自適應(yīng)裝備的費(fèi)用和硬件復(fù)雜性問題。在本發(fā)明的蜂窩應(yīng)用中，利用基站的天線陣列(例如波束寬度30°)借助降低與其它移動(dòng)單元往來的干擾使蜂房容量提高一個(gè)數(shù)量級。利用移動(dòng)單元的天線陣列可以借助降低與其它移動(dòng)單元往來的干擾(即改進(jìn)頻率的重復(fù)使用)來提高容量。對于波束形成，每個(gè)移動(dòng)用戶位置的估算精度和跟蹤每個(gè)移動(dòng)用戶所必需的更新速度都將很好地落在不昂貴的小型全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器的能力范圍內(nèi)。
一般的說，本發(fā)明是一個(gè)眾多用戶借助無線連接的通信系統(tǒng)。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案是蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)。每個(gè)用戶都有發(fā)射器、接收器、被空間隔開的天線陣列、確定其當(dāng)前位置的設(shè)備和方法、解碼并儲存其他用戶位置的硬件、以及波束形成硬件。波束形成器使用儲存的位置信息以獲得天線上往來信號的最佳組合，致使最終的波束圖案瞄準(zhǔn)所需用戶，避開非所需用戶。
本發(fā)明的一個(gè)方面使用定向?qū)さ南到y(tǒng)。該系統(tǒng)使用地理定位數(shù)據(jù)計(jì)算無線電信號的到達(dá)角。此外，地理定位數(shù)據(jù)被用于計(jì)算無線電信號的距離。利用獲得的到達(dá)角和距離，依據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)能最后修改收發(fā)設(shè)備之間的無線電信號束。附圖的簡要說明從下面關(guān)于采用地理位置的通信系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案的描述、更為具體的附圖和更具體的介紹，本發(fā)明的上述目的和其它目的、特征以及優(yōu)點(diǎn)，包括各種新穎的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和各部分的組合，都將是清楚明了的，在這些附圖中相同的參考文字始終表示同一零部件。應(yīng)當(dāng)理解，現(xiàn)在展示的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體裝置和方法僅僅是以說明性的方式進(jìn)行的，為了在闡述本發(fā)明的原理時(shí)強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)，而不作為本發(fā)明的限制。本發(fā)明的原理和特點(diǎn)都能在不脫離本發(fā)明范圍的條件下應(yīng)用于大批的各種各樣的實(shí)施方案中。


圖1是蜂窩通信系統(tǒng)的示意圖。
圖2是在圖1的基站和移動(dòng)單元中各個(gè)部分的示意方框圖。
圖3是通用的自適應(yīng)天線陣列的示意圖。
圖4是在采用AAP SDMA進(jìn)行蜂窩通信時(shí)移動(dòng)單元至基站的通信鏈路示意圖。
圖5是在采用AAP SDMA進(jìn)行蜂窩通信時(shí)基站至移動(dòng)單元的通信鏈路示意圖。
圖6是使用全球定位技術(shù)的通用的SDMA通信系統(tǒng)的示意圖。
圖7是圖6中的兩個(gè)通信用戶的示意方框圖。
圖8是采用全球定位數(shù)據(jù)的蜂窩電話系統(tǒng)操作方法的流程圖。
圖9是采用全球定位數(shù)據(jù)的蜂窩電話系統(tǒng)的示意圖。
圖10是控制電路的示意方框圖。
圖11是調(diào)零電路的示意方框圖。
圖12是用于移動(dòng)單元波束形成器的接收模塊的示意方框圖。
圖13是用于移動(dòng)單元波束形成器的發(fā)射模塊的示意方框圖。
圖14是用于基站波束形成器的接收模塊的示意方框圖。
圖15是用于基站波束形成器的發(fā)射模塊的示意方框圖。
圖16是在中頻使用實(shí)數(shù)值FIR濾波的優(yōu)選的基站示意方框圖。
圖17是在基帶使用復(fù)數(shù)值FIR濾波的優(yōu)選的基站示意方框圖。
圖18是基于處理自適應(yīng)陣列的算法的波束整形電路的示意方框圖。本發(fā)明的詳細(xì)描述圖1是通用的地面蜂窩無線通信系統(tǒng)的示意圖。這種通信系統(tǒng)提供服務(wù)的地理范圍從地理上被分成許多蜂房10，每個(gè)蜂房10有一個(gè)地理位置固定的基站20。每個(gè)蜂房10可以有任意數(shù)量的蜂窩移動(dòng)單元30，這些移動(dòng)單元可以在各個(gè)蜂房10之中或之間移動(dòng)。
圖2是在基站20中的各部分和移動(dòng)單元30的示意方框圖。如圖所示，每個(gè)基站20包括具有發(fā)射器212、接收器214和控制硬件220的收發(fā)設(shè)備210以及一套與眾多移動(dòng)單元30通信的天線25。移動(dòng)單元30在整個(gè)提供服務(wù)的地理服務(wù)區(qū)域內(nèi)自由漫游。每個(gè)移動(dòng)單元30包括具有發(fā)射器312、接收器314和控制硬件320的收發(fā)設(shè)備310，手機(jī)8以及允許對基站20同時(shí)發(fā)送和接收聲音信息的天線35?；?0與移動(dòng)通信的交換站(MTSO)5通信，將這些呼叫接通到正確的目的地。
擴(kuò)頻的蜂窩通信系統(tǒng)的容量可以被表示成N=(W/R)(N0/Eb)(1/D)FG其中W是帶寬(通常是1.25MHz)；R是數(shù)據(jù)速率(通常是9600bps)；Eb/N0是能噪比(通常是6dB)；D是話音工作比(假定為0.5)；F是頻率重復(fù)使用(假定為0.6)；G是每個(gè)蜂房的扇區(qū)數(shù)(假定為1，或者是全向的)；以及N是同時(shí)通話的用戶數(shù)。
這樣，一個(gè)典型蜂房只能支持大約25至30門同時(shí)呼叫?？辗侄嘀?SDMA)可以用來增大容量。
在移動(dòng)單元-基站鏈路中借助在基站使用自適天線提高容量可以由下面的表Ⅰ扼要地說明。這些結(jié)果是在固定預(yù)留容量概率為10-3的條件下對各種各樣的天線波束寬度有效的。
表Ⅰ在移動(dòng)單元至基站的鏈路上基站天線波束寬度與呼叫能力的關(guān)系
圖3是M單元自適天線陣列和波束形成器的示意圖。每個(gè)單元有N個(gè)自適線形濾波器(ALF)55，其中N是每個(gè)蜂房的用戶數(shù)。每個(gè)自適線形濾波器55實(shí)時(shí)適應(yīng)形成來自和去往每個(gè)移動(dòng)單元30的波束。每個(gè)自適線形濾波器55采用各種技術(shù)以形成最佳波束，例如使用訓(xùn)練序列(training sequences)、動(dòng)態(tài)反饋和性能恢復(fù)算法(property restoral algorithms)。優(yōu)選的自適線形濾波器是在授權(quán)給Chiang的美國專利第5,535,150號中介紹的那種單芯片的自適濾波器，該篇文獻(xiàn)的教導(dǎo)都通過在此引述而合并于本文。
M個(gè)單元的陣列能夠?qū)?M-1)個(gè)同信道干擾源調(diào)整到零。但是，所有在碼分多址的蜂房中的用戶共享同一頻帶，因此它們都是在移動(dòng)單元至基站的鏈路中的同信道干擾。由于用戶數(shù)N遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過天線數(shù)M，所以不能應(yīng)用估算到達(dá)方向的子空間法。而采用恒模算法(CMA)的自適波束形成方法是更適用的。
對于基站至移動(dòng)單元的鏈路，同信道干擾源是附近的基站?？梢韵胂?，在移動(dòng)單元的自適陣列中天線數(shù)可能大體上與附近的基站數(shù)相同，所以估算到達(dá)方向的子空間法能夠用于為干擾基站清零。兩種類型的AAP算法的計(jì)算復(fù)雜性大致相等。
在蜂窩系統(tǒng)中采用AAP引起的計(jì)算復(fù)雜性的主體是由于協(xié)方差公式化和相似度處理。協(xié)方差是矩陣序列的和，其中每個(gè)都是復(fù)數(shù)陣列子樣的外積。這個(gè)外積的每一項(xiàng)都是一個(gè)復(fù)數(shù)乘積。該計(jì)算要求進(jìn)行大約K2次運(yùn)算，其中K是天線數(shù)。AAP算法利用這個(gè)協(xié)方差計(jì)算天線的加權(quán)矢量，然后將這個(gè)矢量施加給收到的信號矢量。這是一個(gè)需要復(fù)制所需信號的矩陣求逆。協(xié)方差定期更新，而且實(shí)時(shí)地復(fù)制每個(gè)所需信號。
總之，在蜂窩系統(tǒng)中采用AAP SDMA引起的計(jì)算復(fù)雜性中大約有1/2至2/3都?xì)w因于協(xié)方差公式化，而復(fù)雜性的其余部分屬于矩陣求逆，用于復(fù)制權(quán)的生成。因此，裝備AAP SDMA的復(fù)雜性、尺寸、功率耗損和成本大大妨礙了人們對它的認(rèn)可。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明基本獲得與SDMA的全自適裝備相同的結(jié)果，但是硬件的復(fù)雜性顯著減少、尺寸較小、功耗較低、成本也比較低。
圖4是在采用AAP SDMA的蜂窩通信系統(tǒng)中移動(dòng)單元至基站通信鏈路的示意圖。該圖說明天線陣列從移動(dòng)單元30沿著中心方向155向基站20空分多址發(fā)射的束方向特性150。它還說明不用空分多址時(shí)存在的干擾170。
假設(shè)基站20使用多天線自適陣列，而移動(dòng)單元使用單一的全向天線，在反向信道(上行鏈路，即移動(dòng)單元至基站)中，基站的天線陣列如圖4所示把它的接收射束僅僅指向所需的移動(dòng)單元30，借此減少來自蜂房內(nèi)和蜂房外的其它用戶的干擾。
對于120°的波束寬度，蜂房10內(nèi)大約1/3的移動(dòng)單元30是陣列可見的，所以容量大約增大3倍。類似地，對于30°的波束寬度，蜂房10內(nèi)大約1/12的移動(dòng)單元30是陣列可見的，所以容量大約增大12倍。
假設(shè)基站20和移動(dòng)單元30兩者都使用多單元天線陣列，就反向信道而言，這個(gè)系統(tǒng)顯著減少來自蜂窩外的移動(dòng)發(fā)射器的干擾，因?yàn)樗鼈冋鼈冏约旱幕拘纬刹ㄊ＠硐氲?，這將提高頻率重復(fù)使用F，從0.6提高到接近1.0，借此將容量增大大約2/3。模擬這種系統(tǒng)的結(jié)果表明在來自移動(dòng)單元的波束寬度為60°的條件下頻率重復(fù)使用因子F=0.8826將使容量比全向情況(F=0.6)提高47％。
由于在移動(dòng)單元30上采用自適陣列獲得的改進(jìn)不象在基站20上采用自適陣列獲得的改進(jìn)那樣引人矚目。此外，復(fù)雜性、尺寸功率和成本都可能在大多數(shù)情況下使在移動(dòng)單元中應(yīng)用天線陣列變得的不實(shí)際。但是，由移動(dòng)單元30中的自適陣列實(shí)現(xiàn)的減少蜂房間干擾在頻繁通信的環(huán)境中和對于在蜂房邊界附近(這里干擾最大)的移動(dòng)單元30可能是關(guān)鍵的。
圖5是在采用AAP SDMA的蜂窩通信系統(tǒng)中基站至移動(dòng)單元通信鏈路的示意圖。假設(shè)基站20使用多天線陣列而移動(dòng)單元30使用單一的全相天線，在基站至移動(dòng)單元的鏈路中，基站20的天線陣列象用圖4說明的那樣將減少對蜂房內(nèi)的其它用戶180和蜂房外的其它用戶175的干擾。對于不同的波束寬度，這種信道的結(jié)果扼要地列于表Ⅱ。
表Ⅱ在基站至移動(dòng)單元的信道中基站天線波束寬度與蜂房容量的關(guān)系
假設(shè)基站20和移動(dòng)單元30兩者都使用多單元自適天線陣列，就正向信道而言，這個(gè)系統(tǒng)顯著減少來自蜂房外基站的干擾，因?yàn)橐苿?dòng)單元30正朝它們自己的基站形成波束。理想地，在反向信道中，這將提高頻率重復(fù)使用因子F，從0.6提高到接近1.0，借此將容量增大大約2/3。
圖6是使用地理定位技術(shù)的通用SDMA通信系統(tǒng)的示意圖。如圖所示，第一用戶301和第二用戶302正在通信。第一用戶301計(jì)算所需用戶302的方向，而且沿著所需方向316形成波束方向特性圖314。除了所需用戶302之外，用戶要避免按不需要的用戶303的方向317發(fā)射波束。此外，第一用戶301還要避免接收來自除所需方向316之外其它任何方向的波束。這些目標(biāo)是通過利用狹窄的定向無線電波束來實(shí)現(xiàn)的。
無線電波束從發(fā)射單元以波束寬度角BO向外擴(kuò)展。用rm表示發(fā)射單元至接收單元的距離。在接收單元處波束寬度為Bm。在蜂窩系統(tǒng)中，基本單元定位在半徑為R的地域蜂房的中心，而接收單元通常是移動(dòng)的并且以速度V運(yùn)動(dòng)。
圖7是圖6所示用戶通信的示意方框圖。如圖所示，第一用戶301和第二用戶302從衛(wèi)星系統(tǒng)90接收地理定位數(shù)據(jù)。用戶301、302利用受各自的波束形成電路34控制的各自的天線陣列52進(jìn)行通信。除了標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)設(shè)備310和控制硬件320之外，全球定位系統(tǒng)(GPS)電路350與全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)90通信，以便將指令提供給波束形成器314。雖然圖示說明的是衛(wèi)星系統(tǒng)90，但是地理定位數(shù)據(jù)也可以由地面定位系統(tǒng)提供或推演。此外，采用基于地面和衛(wèi)星兩者的發(fā)射器的微分型全球定位系統(tǒng)也可以使用，以便提供高分辨率的定位。
圖8是采用地理定位數(shù)據(jù)的蜂窩電話系統(tǒng)的操作方法流程圖。作為在移動(dòng)單元30和基站20之間最初建立無線鏈路的一部分(步驟500)，移動(dòng)單元30必須確定其當(dāng)前位置。GPS接收器可能并非在跟蹤衛(wèi)星并且可能需要幾分鐘才能得到精確的位置估算值(冷啟動(dòng))。如果GPS接收器正在冷啟動(dòng)(步驟510)，基站20提供近似的定位估算值，以便確定的GPS接收器的取向并顯著加速位置搜索(步驟512)。它能借助對毗鄰基站的三角形化發(fā)送移動(dòng)單元位置的估算值。這個(gè)信息可以與信道分配信息(該信息通知通信信道的移動(dòng)單元在該信道上發(fā)送聲音和數(shù)據(jù))一起經(jīng)尋呼信道發(fā)送。用戶共享尋呼信道以便交換接通呼叫所需要的信息。
然后，基站20將它的位置經(jīng)尋呼信道發(fā)送給移動(dòng)單元30(步驟520)。如果移動(dòng)單元30正在使用定向天線陣列35’，它利用基站位置、它的當(dāng)前位置和航向信息如上所述形成朝向基站20的波束方向特性(步驟530)。移動(dòng)單元將頻率調(diào)到通信信道頻率并開始將通信信道導(dǎo)言和移動(dòng)單元的當(dāng)前位置信息經(jīng)反向通信信道發(fā)送給基站(步驟540)。GPS定位數(shù)據(jù)每兩秒更新一次并經(jīng)反向通信信道發(fā)送給基站。
如果移動(dòng)單元30正在使用定向天線陣列35’，它每兩秒利用當(dāng)前航向信息并且將更新后它的位置信息與儲存的當(dāng)前基站的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，來更新朝向基站20的波束特征?；?0還接收更新后的移動(dòng)單元的定位信息并且更新它朝向移動(dòng)單元的波束方向特性(步驟550)。在基站之間移交期間(步驟560)，如果使用移動(dòng)天線陣列，該天線陣列將失去方向性(步驟570)，以便允許用戶與其它基站通信。
圖9是采用地理定位數(shù)據(jù)的蜂窩電話系統(tǒng)的示意圖。優(yōu)選的實(shí)施方案是在蜂窩擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中利用用戶位置知識的SDMA配置。固定基站20與在規(guī)定的地理蜂房10內(nèi)漫游的移動(dòng)單元30通信。每個(gè)基站20由收發(fā)設(shè)備210、定向天線陣列25’和相關(guān)的波束形成硬件24、控制硬件220、以及用于確定呼叫線路的帶移動(dòng)的遠(yuǎn)程通信交換站(MTSO)5的發(fā)射鏈路組成。移動(dòng)單元30由帶送話器和耳機(jī)的手機(jī)8、收發(fā)設(shè)備310、GPS接收器350(或其它確定移動(dòng)單元位置的硬件)、以及全相天線35或非必選的定向天線陣列35’和相關(guān)的波束形成硬件34。
本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案使用常規(guī)的CDMA基站20，但是補(bǔ)充能形成36°波束寬度的天線方向特性的10單元定向天線陣列25’、波束形成硬件24、以及附加的調(diào)制解調(diào)器，以適應(yīng)呼叫容量成數(shù)量級地增長。波束形成硬件24將每個(gè)移動(dòng)單元當(dāng)前的經(jīng)度和緯度作為輸入，將該輸入與基站20的已知定位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以確定每個(gè)移動(dòng)單元的信號的到達(dá)角(AOA)，并且生成一組復(fù)數(shù)的天線權(quán)施加給送往每個(gè)移動(dòng)單元的每個(gè)天線輸出，以致綜合信號代表將發(fā)射與接收信號控制在所需移動(dòng)單元的方向上的波束方向特性。復(fù)數(shù)的天線權(quán)是為了單簡單地操縱波束而進(jìn)行計(jì)算的。
可以將一組針對有限的一組到達(dá)角的權(quán)儲存在可編程的只讀存儲器(PROM)中并且可以調(diào)用和輸出，以此代替實(shí)時(shí)計(jì)算權(quán)。波束方向特性優(yōu)選隨著移動(dòng)單元30接近基站20增寬(如下所述)，因?yàn)殡S著移動(dòng)單元30接近基站20，波束的覆蓋面減小。此外，在移動(dòng)單元30接近基站時(shí)，傳播來自幾乎與移動(dòng)單元30具有相同位置的多路分量的假設(shè)變得不那么有效。波束形成硬件24可以非必選地同時(shí)跟蹤多個(gè)移動(dòng)單元并將起干擾作用的移動(dòng)單元置零，但是這在計(jì)算方面是更復(fù)雜的(盡管不如全自適陣列復(fù)雜)。
基站天線陣列形成波束寬度為B0=30°的天線方向特性。假設(shè)蜂房半徑R是6公里，移動(dòng)單元在半徑rm(m)處，移動(dòng)單元的最大速度V是100公里/小時(shí)，而且以每秒2次的速度U更新定位估計(jì)值，對天線方向特性的幾何切割(the pie-slice geometry)的研究揭示出，在移動(dòng)單元的該位置上的天線波束寬度為Bm=2πrm(B0/360)，該數(shù)值隨著移動(dòng)單元30接近基站20而減小。一旦將移動(dòng)單元30的位置估計(jì)值確定下來并將它發(fā)射給基站20，基站20將形成主波瓣中心在移動(dòng)單元30上的天線方向特性。
在最壞的情況下，這個(gè)估算值的偏差T=30m。在更新周期中，移動(dòng)單元行進(jìn)V/U(m)，而且只要這個(gè)距離小于Bm/2(在移動(dòng)單元位置上波束寬度(m)的一半)減去定位估算值誤差T，移動(dòng)單元就將保持在天線主波瓣之內(nèi)，即V/U≤(Bm/2)-T。用典型的數(shù)值計(jì)算這個(gè)等式并求解移動(dòng)單元的位置得出速度V=100km/h時(shí)rm≥167.6m。所以只要移動(dòng)單元至基站20的距離大于167.6m，該移動(dòng)單元就保持在波束覆蓋區(qū)內(nèi)。
基站20使用在移動(dòng)單元30比167.6m近時(shí)感受到的定位信息將波束方向特性加寬到全向(或非必選的加寬到120°)。這種加寬不顯著增大對其它用戶的干擾，因?yàn)閷τ诮缘囊苿?dòng)單元30使用小功率。用于加寬波束的復(fù)數(shù)天線權(quán)優(yōu)選針對有限的一組到達(dá)角計(jì)算的結(jié)果儲存在存儲器中，以備調(diào)用和直接輸出。
移動(dòng)單元30包括常規(guī)手機(jī)8，該手機(jī)優(yōu)選增添集成的GPS接收器350并修改控制邏輯320，以便將GPS定位數(shù)據(jù)并入傳送給基站20。在汽車中實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)單元30除使用上述包括內(nèi)裝GPS接收器的手機(jī)之外，優(yōu)選使用安裝在汽車上的3單元的定向天線陣列35’和波束形成硬件34。波束形成硬件34儲存當(dāng)前的基站經(jīng)度和緯度，將該數(shù)據(jù)與其自己當(dāng)前的經(jīng)度和緯度進(jìn)行比較，并且借助GPS的多普勒信息計(jì)算它當(dāng)前的航向，以便確定基站信號的到達(dá)角。查表(例如在ROM中)提供控制朝向基站發(fā)射和接收波束的方向特性的天線的權(quán)。波束形成硬件非必選地能夠同時(shí)跟蹤多個(gè)基站并且將有干擾的基站置零。
移動(dòng)單元必要的定位精度取決于天線波束的寬度。假設(shè)定位允差T=30m的范圍內(nèi)(即確定的位置以相當(dāng)高的概率落在半徑T=30m的圓內(nèi))，那么當(dāng)移動(dòng)單元移動(dòng)時(shí)天線波束必須覆蓋在再次檢測位置并更新天線方向特性之前的兩秒鐘內(nèi)移動(dòng)單元可能在其中移動(dòng)的整個(gè)區(qū)域。由于波束方向特性的切割濾波輪廓，在移動(dòng)單元30接近基站20時(shí)波束覆蓋區(qū)域減小而且必須加寬，以便覆蓋移動(dòng)單元30在兩秒鐘的更新周期內(nèi)區(qū)可能在其中行進(jìn)的區(qū)域。
使用天線陣列35’的移動(dòng)單元可以形成波束寬度B1=120°的天線方向特性。假設(shè)蜂房半徑R=6km、移動(dòng)半徑為rm(m)、移動(dòng)單元最大的旋轉(zhuǎn)速度Ω=45°/sec.(即該移動(dòng)單元在2秒鐘內(nèi)可以轉(zhuǎn)90°角)，而且定位估算值以每秒鐘2次的速度(U)更新，那么對天線方向特性的切割濾波輪廓的研究得到在基站的定位允差Tb=360T/2πrm(度)，在移動(dòng)單元30接近基站20時(shí)該允差增大。
除了定位之外，移動(dòng)單元30需要知道它的行進(jìn)方向，所以它能確定其天線陣列的取向。這個(gè)方向矢量可以從GPS多普勒數(shù)據(jù)或從羅經(jīng)(compass)推演。
定位估算值一經(jīng)確定，移動(dòng)單元30形成天線方向特性，其主波瓣的中心在基站20上。在最壞的情況下，這個(gè)估算值的偏差為Tb(°)，并且移動(dòng)單元30以最大的旋轉(zhuǎn)速度Ω=45°/sec.轉(zhuǎn)彎。在更新周期內(nèi)，移動(dòng)單元的主波瓣旋轉(zhuǎn)Ω/U(°)，而且只要這個(gè)角度小于B1/2(移動(dòng)波瓣(°)的一半)減定位估算值的誤差(Tb(°))，基站就將保持在移動(dòng)天線的主波瓣內(nèi)，即Ω/U≤B1/2-Tb。用上述數(shù)值計(jì)算這個(gè)等式并求解移動(dòng)位置得出rm≥45m。所以，只要基站20距移動(dòng)單元30在45m以上，基站就保持在波束覆蓋區(qū)內(nèi)。
移動(dòng)單元30使用在它至基站20的距離比45m近時(shí)感受到的定位信息將波束方向特性加寬到全向。這種加寬再一次因?yàn)榘l(fā)射的功率低而不顯著地增大對其它用戶的干擾。查在ROM中的表提供天線的權(quán)，以便在移動(dòng)單元30在波束站的45m之內(nèi)時(shí)或在移動(dòng)單元30與一個(gè)以上基站20通信時(shí)的呼叫移交期間將波束的方向特性變成全向。
只要傳播來自幾乎與視線分量相同的方向的多路分量，本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案就將包括降低干擾和提高容量的那個(gè)方面，這是一個(gè)適當(dāng)?shù)募僭O(shè)。通常，多路信號相對接收器被限制在5至10弧度的范圍內(nèi)。這樣一來，可以使用各種各樣的技術(shù)來識別和消除收到信號中的多路分量。
本發(fā)明的某些方面即使一些用戶不具備SDMA能力也能實(shí)踐。在個(gè)別用戶不使用天線陣列的情況下，該用戶將不使用定位信息并且將履行常規(guī)的發(fā)射和/或接收。類似地，在用戶不提供定位信息的情況下，其它用戶將履行與該用戶往來的常規(guī)發(fā)射和/或接收。隨著普通用戶逐步淘汰、配備SDMA的用戶逐步納入，該系統(tǒng)的容量將隨著配備SDMA的用戶的比例增加而增加。
圖10是控制電路的示意方框圖。這個(gè)控制電路52包括與接收來自衛(wèi)星的GPS信號的GPS天線520相連的GPS接收器522。該GPS接收器522計(jì)算單元的緯度和經(jīng)度。定向搜尋器524利用第一備查表處理移動(dòng)單元的緯度LATM和經(jīng)度LNGM數(shù)據(jù)以及基站的緯度LATB和經(jīng)度LNGB數(shù)據(jù)，以便基于下式計(jì)算到達(dá)角(AOA)和距離(RNG)AOA=tan-1[LNGM-LNGBLATM-LATB]]]>RNG=(LATM-LATB)2+(LNGM-LNGB)2]]>然后，借助在天線控制單元526中的第二備查表處理AOA和RNG的值，將這些數(shù)值轉(zhuǎn)換成天線的權(quán)。計(jì)算天線的權(quán)是為了按到達(dá)角的方向控制波束。這就是說在距離低于規(guī)定的門限值時(shí)(即移動(dòng)單元非常接近基站)以及對于在移交期間的移動(dòng)單元，天線的權(quán)變成1(即全向)。天線的權(quán)提供給波束形成器。
圖11是調(diào)零電路的示意方框圖。來自每個(gè)用戶的位置數(shù)據(jù)由GPS電路521a、…、521k處理。接收所需特定用戶“a”的緯度LATMa和經(jīng)度LNGMa數(shù)據(jù)，也接收不需要的其它用戶的緯度LATMb、…、LATMk和經(jīng)度LNGMb、…、LNGMk數(shù)據(jù)。在定向搜尋單元523中第一備查表基于基站的緯度LATB和經(jīng)度LNGB數(shù)據(jù)將來自移動(dòng)單元的緯度和經(jīng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成需要的到達(dá)角AOAa和不需要的到達(dá)角AOAb、…、AOAk。每個(gè)用戶的這種信息都在調(diào)零單元525中被送往第二備查表，算出天線的權(quán)，以便將射束控制在所需到達(dá)角AOAa的方向上，避開不需要的到達(dá)角AOAb、…、AOAk(即電路將不需要的用戶置零)。天線的權(quán)可能變成1。來自調(diào)零單元525的天線的權(quán)提供給波束形成器。
圖12是移動(dòng)單元波束形成器的接收模塊的示意方框圖。該電路接收在定向天線陣列35’中各自的天線35’a、35’b、35’c上的許多射頻信號INa、INb、INc。這些射頻信號經(jīng)3信道接收器處理后進(jìn)入3個(gè)基帶信號的信道。每個(gè)基帶信號借助可編程濾波器342a、342b、342c進(jìn)行處理。象前面介紹的那樣工作的控制/調(diào)零電路344接收來自GPS接收器(未示出)的GPS信號。這個(gè)控制/調(diào)零電路344控制可編程濾波器342a、342b、342c。射頻混合器346將來自可編程濾波器的輸出合并，生成輸出信號OUT。
圖13是移動(dòng)單元波束形成器的發(fā)射模塊的示意方框圖。輸入信號IN被分成3路并且由各自的可編程濾波器341a、341b、341c進(jìn)行處理。如上所述，控制/調(diào)零電路343基于來自GPS接收器(未示出)的輸入控制可編程濾波器341?；鶐盘柕?個(gè)信道來源于可編程濾波器并且饋電到3信道發(fā)射器314，該發(fā)射器將射頻信號OUTa、OUTb、OUTc送到各自在天線陣列35’中的天線35’a、35’b、35’c。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，該系統(tǒng)借助包括一個(gè)如授權(quán)給Chiang的美國專利第5,089,983號所介紹的矢量-矩陣乘積處理系統(tǒng)完成可編程濾波，該專利的教導(dǎo)都通過在此引述而合并于本文。
圖14是基站波束形成器的接收模塊的示意方框圖。如圖所示，基站的天線陣列25’包括10個(gè)天線25’1、…、25’10。10信道接收器212接收輸入信號IN1、…、IN10并且得到10條基帶信號的信道。每條信道的基帶信號借助可編程濾波器陣列242進(jìn)行處理，其中每個(gè)包括各自的可編程濾波器，用于N個(gè)潛在用戶中的每一個(gè)。如上所述，適合每個(gè)用戶的控制/調(diào)零電路244基于從每個(gè)用戶接收的GPS數(shù)據(jù)控制可編程濾波器242。射頻混合器246將來自可編程濾波器242的輸出合并成N個(gè)輸出信號OUT。
圖15是基站波束形成器的發(fā)射模塊的示意方框圖。發(fā)射器部分接收被被分成10路送進(jìn)10條信道的輸入信號IN。每個(gè)信道都由可編程濾波器陣列241進(jìn)行處理，陣列中每個(gè)可編程濾波器適合N個(gè)潛在用戶。如上所述，適合每個(gè)用戶的控制/調(diào)零電路243基于來自每個(gè)移動(dòng)用戶的GPS數(shù)據(jù)控制這些可編程濾波器。這些可編程濾波器得到N個(gè)被分成10條信道的基帶信號，這些基帶信號借助10信道發(fā)射器214被傳送到天線陣列25’。每個(gè)天線25’1、…、25’10接收來自發(fā)射器214的各自的射頻輸出信號OUT1、…、OUT10。
在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，蜂窩基站包括足夠的信號處理硬件支持運(yùn)用收自移動(dòng)發(fā)射器的全球定位信息，以使接收天線陣列的方向特性的形狀最佳。這種方法是一種替代方法，它代替使用全自適的天線陣列，這種天線陣列就其硬件和軟件而論需要非常非常高的成本。
為了實(shí)現(xiàn)全自適基站接收器，天線輸入數(shù)組必須經(jīng)過處理，得到一組復(fù)數(shù)值的權(quán)，然后將這個(gè)權(quán)反饋以調(diào)整輸入信號的增益和相位。需要給一個(gè)輸入信號施加多個(gè)權(quán)意味著與頻率無關(guān)。權(quán)既可以作為實(shí)數(shù)值的有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器在選定的中頻(IF)施加給每個(gè)輸入信號(如下面圖16所示)，又可以作為復(fù)數(shù)值的FIR濾波器在基帶施加給每個(gè)輸入信號(如下面圖17所示)。在施加適當(dāng)?shù)臋?quán)之后，來自每個(gè)天線信道的輸出被加和起來，以便從數(shù)組得到經(jīng)波束形成處理的輸出。
圖16是優(yōu)選的在中頻使用實(shí)數(shù)值FIR濾波的基站的示意方框圖。具體地說，基站1020使用一種用于經(jīng)過降頻且頻帶受到限制的信號的抽樣射束成形系統(tǒng)。移動(dòng)單元30通過許多N個(gè)接收器的單元10101、10102、…、1010N與基站1020通信。每個(gè)接收器包括各自的天線10221、10222、…、1022N。收到的信號通過帶通濾波器10241、10242、…、1024N；增益可控制的放大器10261、10262、…、1026N；乘法器10281、10282、…、1028N；以及第二帶通濾波器10301、10302、…、1030N以形成N個(gè)接收器的輸出信號從天線10221、10222、…、1022N發(fā)射。
這些接收器的輸出信號被輸入到處理芯片1040，該芯片包括用于每個(gè)輸入信號的抽樣電路10421、10422、…、1042N和可編程FIR濾波器10441、10442、…、1044N。FIR濾波器的輸出由加和電路1046加和起來。后處理器1048與芯片外的自動(dòng)增益控制(AGC)電路通信，以便將控制信號提供給放大器10261、10262、…、1026N，改變放大器送到增益。
后處理器1048還與芯片外的全球定位控制器1038通信，該控制器將全球定位數(shù)據(jù)提供給加權(quán)電路1046。加權(quán)電路1036將權(quán)提供給芯片內(nèi)的可編程濾波器10441、10442、…、1044N。
圖17是優(yōu)選的在基帶使用復(fù)數(shù)值FIR濾波的基站的示意方框圖。與圖16相同，基站1020’包括許多接收器，這些接收器將輸入信號提供給處理芯片1050。處理芯片1050給出兩條通向芯片外后處理器1034的輸出信道，該后處理器為這兩條信道提供解碼、編碼并使之均衡。后處理器1034將信號傳送給AGC電路1032，以控制接收放大器10261、…、1026N，并且與全球定位控制器1038通信。來自全球定位控制器1038的全球定位數(shù)據(jù)經(jīng)過權(quán)更新電路1036’處理，算出適合2N M級FIR濾波器陣列的權(quán)。
基站包括采用雙信道降頻系統(tǒng)的波束成形電路。處理芯片1050包括抽樣電路10521、…、1052N和乘法器10541、…、1054N。每個(gè)乘法器10541、…、1054N都提供同相信道10561-I、…、1056N-I和正交信道10561-Q、…、1056N-Q。各個(gè)信道都通向各自的低通濾波器10581-I、…、1058N-Q。然后，每個(gè)信道借助降頻電路10601-I、…、1060N-Q降頻。經(jīng)過降頻的信道饋電給各自的可編程FIR濾波器10621-I、…、1062N-Q。這些濾波器基于來自加權(quán)電路1038的權(quán)輸入進(jìn)行編程。I和Q信道在加和電路1064-I、1064-Q單獨(dú)求和，以便輸出給后處理系統(tǒng)1034。
權(quán)的作用是給天線陣列響應(yīng)整形。確實(shí)，在感性趣的發(fā)射器已給定至少是單位增益時(shí)，干擾所需用戶的移動(dòng)發(fā)射器將受到遏制或被置零。采用全自適天線陣列，在移動(dòng)單元移動(dòng)時(shí)或在傳播條件變化時(shí)將隨時(shí)更新權(quán)。但是，權(quán)的更新在計(jì)算技術(shù)上強(qiáng)烈要求計(jì)算陣列響應(yīng)的協(xié)方差矩陣。
在進(jìn)行比較時(shí)，優(yōu)選的基站采用從移動(dòng)發(fā)射器(或從基站網(wǎng)絡(luò))獲得的定位信息自動(dòng)計(jì)算將施加給天線輸入信號的權(quán)。與用全自適系統(tǒng)一樣，在移動(dòng)發(fā)射器運(yùn)動(dòng)時(shí)更新權(quán)。采用這種方法潛在的困難是它不能明確地說明移動(dòng)發(fā)射器與基站之間傳播條件的變化。
在努力說明移動(dòng)發(fā)射器與基站之間傳播條件特征時(shí)，采用全數(shù)字運(yùn)算的TDMA蜂窩系統(tǒng)完成了一系列運(yùn)算。基站包括6個(gè)可以按任意間隔定位的接收天線。用一個(gè)移動(dòng)發(fā)射器描述傳播條件特征?；谠诨臼盏降男盘枺脭?shù)學(xué)方法計(jì)算出信號傳播延遲對時(shí)間的曲線。利用這些結(jié)果算出最壞情況下的到達(dá)角。對于這種情況，假設(shè)延遲的信號是沿著垂直于連接基站與移動(dòng)單元的直線的直線從反射物得到的。
對于基于全球定位的陣列處理，發(fā)射器的真實(shí)位置優(yōu)選非常接近來自移動(dòng)單元的主要傳播路徑的到達(dá)角(AOA)。
當(dāng)真實(shí)位置與主要傳播路徑的AOA不同時(shí)，由全球定位信息產(chǎn)生的波束方向特性將不能正確地生成所需的增益和置零。但是，當(dāng)時(shí)移動(dòng)單元的真實(shí)位置與主要傳播路徑的AOA變化小于幾度時(shí)，在理想的(全自適)陣列波束方向特性與僅僅采用全球定位信息構(gòu)成的陣列波束方向特性之間的差別不太大。
實(shí)際上，當(dāng)移動(dòng)單元與基站之間的主要傳播路徑不是視線時(shí)發(fā)生前面的情況。這往往發(fā)生在城市的峽谷中，在那里高大的建筑物擋住了從移動(dòng)單元至基站(或反之)的視線傳送；因此將移動(dòng)單元的發(fā)射置于“深度衰落”之中。為了逆轉(zhuǎn)這種作用，優(yōu)選的基站包括部分自適陣列處理，以便逐步改進(jìn)最初僅僅采用全球定位信息獲得的的波束方向特性。適合部分自適陣列處理的候選方法在關(guān)于全自適陣列處理的文獻(xiàn)中很容易找到，例如通過引述而并入本文的Paul Petrus的“Novel Adaptive Array Algorithms andTheir Impact on Cellular System Capacity(新穎的自適陣列算法及其對蜂窩系統(tǒng)容量的影響)”。
計(jì)算移動(dòng)單元真實(shí)位置的方法針對CDMA信號通信已做過詳細(xì)的研究(見通過引述而并入本文的George A.Mizusawa的“Performance of Hyperbolic Position Location Techniques forCode-Division Multiple Access(適合碼分多址的雙曲型定位技術(shù)的性能)”)。將GPS接收器配置在電話機(jī)中是一種適合向基站提供精確的全球定位信息的備選方案。另外，至少使用3個(gè)基站，以便利用各種算法使移動(dòng)位置組成三角形。
圖18是基于自適陣列算法的波束形成電路的示意方框圖。如圖所示，電路系統(tǒng)1080與圖17所示系統(tǒng)基本上是一致的。但是，后處理電路與自適陣列模塊1039通信，而不是互通來自移動(dòng)單元的全球定位數(shù)據(jù)。在模塊1039中的自適陣列處理算法將加權(quán)信號提供給芯片內(nèi)的可編程FIR濾波器10621-I、…、1062N-Q。同樣可以使用處理芯片1050，以適應(yīng)其它蜂窩通信技術(shù)。
雖然已經(jīng)從蜂窩通信系統(tǒng)的角度對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案做了介紹，但是本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于任何通信系統(tǒng)。例如，全球定位數(shù)據(jù)和相關(guān)的波束形成可以體現(xiàn)在任何射頻通信系統(tǒng)(諸如衛(wèi)星通信系統(tǒng))中。此外，本發(fā)明還可以體現(xiàn)在聲音或光學(xué)通信系統(tǒng)中。等同物盡管已經(jīng)參照優(yōu)選的實(shí)施方案對本發(fā)明進(jìn)行過具體的描述是說明，但是，熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人應(yīng)當(dāng)理解不脫離權(quán)利要求書為本發(fā)明規(guī)定的精神和范圍可以在形式和細(xì)節(jié)上作出各種各樣的變化。具體地說，本發(fā)明可以體現(xiàn)在硬件、軟件或固件之中。
這些與其它等價(jià)物傾向于被權(quán)利要求書所包容。
權(quán)利要求
1．一種通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第一收發(fā)設(shè)備，該設(shè)備具有第一處理機(jī)和第一定向天線；第二收發(fā)設(shè)備，該設(shè)備具有第二處理機(jī)和第二定向天線；定位器，該定位器與第二收發(fā)設(shè)備耦合以確定第二收發(fā)設(shè)備相對第一收發(fā)設(shè)備的實(shí)際位置；在第一和第二收發(fā)設(shè)備之間形成的通信鏈路，該鏈路包括從第一天線發(fā)往第二天線的第一無線電波束；以及在第一收發(fā)設(shè)備中的第一波束形成器，用于給待發(fā)往第二收發(fā)設(shè)備的第一無線電波束整形。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中第一和第二收發(fā)設(shè)備可以彼此相對移動(dòng)并且波束形成器定期地更新無線電波束的方向。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中無線電波束是射頻波束。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中第一收發(fā)設(shè)備在蜂窩電話基站內(nèi)，而第二收發(fā)設(shè)備在蜂窩電話的移動(dòng)單元內(nèi)。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中定位器包括來自衛(wèi)星定位系統(tǒng)的輸入。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中定位器包括來自地面定位系統(tǒng)的輸入。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中波束形成器包括零位電路，以便抑制在第二收發(fā)設(shè)備方向之外的信號
8．一種蜂窩通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有第一定向天線的基站收發(fā)設(shè)備，該基站收發(fā)設(shè)備具有固定的地理位置；具有第二天線的移動(dòng)收發(fā)設(shè)備，相對基站收發(fā)設(shè)備移動(dòng)收發(fā)設(shè)備是活動(dòng)的；無線電通信鏈路，該通信鏈路是借助天線之間的信號在基站和移動(dòng)收發(fā)設(shè)備之間形成的；探測移動(dòng)收發(fā)設(shè)備的地理位置的定位系統(tǒng)，該移動(dòng)收發(fā)設(shè)備的位置正在通信鏈路上與基站收發(fā)設(shè)備通信；以及在基站收發(fā)設(shè)備中的波束形成器，它依據(jù)收發(fā)設(shè)備的相對運(yùn)動(dòng)修正信號。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中波束形成器定期地更新無線電波束的方向。
10．根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中信號是射頻波束。
11．根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中定位系統(tǒng)包括來自衛(wèi)星定位系統(tǒng)的輸入。
12．根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中定位系統(tǒng)包括來自地面定位系統(tǒng)的輸入。
13．根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中波束形成器包括許多可編程的濾波器陣列。
14．根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中波束形成器包括一個(gè)儲存在存儲器中的表，用于提供天線的權(quán)，以便修正信號。
15．根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中第二天線是定向天線。
16．一種操作通信系統(tǒng)的方法，該方法包括提供第一收發(fā)設(shè)備，該設(shè)備具有第一處理機(jī)和第一定向天線；提供第二收發(fā)設(shè)備，該設(shè)備具有第二處理機(jī)和第二定向天線；在第一和第二收發(fā)設(shè)備之間形成通信鏈路，該鏈路包括從第一天線發(fā)往第二天線的第一無線電波束；以及在第一收發(fā)設(shè)備中的第一波束形成器中，對第二收發(fā)設(shè)備的實(shí)際位置作出響應(yīng)并且給待發(fā)往第二收發(fā)設(shè)備的第一無線電波束整形。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中第一和第二收發(fā)設(shè)備可以彼此相對移動(dòng)并且波束形成器定期地更新無線電波束的方向。
18．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中無線電波束是射頻波束。
19．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中第一收發(fā)設(shè)備在蜂窩電話基站內(nèi)，而第二收發(fā)設(shè)備在蜂窩電話的移動(dòng)單元內(nèi)。
20．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中定位器包括來自衛(wèi)星定位系統(tǒng)的輸入。
21．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中定位器包括來自地面定位系統(tǒng)的輸入。
22．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中波束形成器包括零位電路，以便抑制在第二收發(fā)設(shè)備方向之外的信號。
23．一種操作蜂窩通信系統(tǒng)的方法，該方法包括提供具有第一定向天線的基站收發(fā)設(shè)備，該基站收發(fā)設(shè)備具有固定的地理位置；提供具有第二天線的移動(dòng)收發(fā)設(shè)備，相對于基站收發(fā)設(shè)備該移動(dòng)收發(fā)設(shè)備是活動(dòng)的；借助天線之間的信號在基站和移動(dòng)收發(fā)設(shè)備之間形成無線電通信鏈路；用定位系統(tǒng)探測移動(dòng)收發(fā)設(shè)備的地理位置，該移動(dòng)收發(fā)設(shè)備的位置正在通信鏈路上與基站收發(fā)設(shè)備通信；以及在基站收發(fā)設(shè)備的波束形成器中依據(jù)收發(fā)設(shè)備的相對運(yùn)動(dòng)修正信號。
24．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中修正信號步驟包括定期地更新信號的方向。
25．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中信號是射頻波束。
26．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中探測步驟包括接收來自衛(wèi)星定位系統(tǒng)的輸入。
27．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中探測步驟包括接收來自地面定位系統(tǒng)的輸入。
28．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中波束形成器包括許多可編程的濾波器陣列。
29．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中修正信號步驟包括由儲存在存儲器中的表提供天線的權(quán)。
30．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中第二天線是定向天線。
31．一種蜂窩通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有第一定向天線的基站收發(fā)設(shè)備，該基站收發(fā)設(shè)備具有固定的地理位置；具有第二天線的移動(dòng)收發(fā)設(shè)備，相對基站收發(fā)設(shè)備移動(dòng)收發(fā)設(shè)備是活動(dòng)的；無線電通信鏈路，該通信鏈路是借助天線之間的信號在基站和移動(dòng)收發(fā)設(shè)備之間形成的；探測移動(dòng)收發(fā)設(shè)備地理位置的定位系統(tǒng)，該移動(dòng)收發(fā)設(shè)備的位置正在通信鏈路上與基站收發(fā)設(shè)備通信；以及在基站收發(fā)設(shè)備中的第一波束形成器和在移動(dòng)收發(fā)設(shè)備中的第二波束形成器，它們依據(jù)收發(fā)設(shè)備的相對運(yùn)動(dòng)修正信號。
32．根據(jù)權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其中波束形成器定期地更新無線電波束的方向。
33．根據(jù)權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其中波束形成器在基站收發(fā)設(shè)備與移動(dòng)收發(fā)設(shè)備被隔開的距離小于特定距離時(shí)將信號修正成全方位的。
34．根據(jù)權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其中信號是射頻波束。
35．根據(jù)權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其中定位系統(tǒng)包括來自衛(wèi)星定位系統(tǒng)的輸入。
36．根據(jù)權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其中定位系統(tǒng)包括來自地面定位系統(tǒng)的輸入。
37．根據(jù)權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其中波束形成器包括許多可編程的濾波器陣列。
38．根據(jù)權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其中波束形成器包括一個(gè)儲存在存儲器中的表，用于提供天線的權(quán)，以便修正信號。
39．一種操作蜂窩通信系統(tǒng)的方法，該方法包括提供具有第一定向天線的基站收發(fā)設(shè)備，該基站收發(fā)設(shè)備具有固定的地理位置；提供具有第二天線的移動(dòng)收發(fā)設(shè)備，相對于基站收發(fā)設(shè)備該移動(dòng)收發(fā)設(shè)備是活動(dòng)的；借助天線之間的信號在基站和移動(dòng)收發(fā)設(shè)備之間形成無線電通信鏈路；用定位系統(tǒng)探測移動(dòng)收發(fā)設(shè)備的地理位置，該移動(dòng)收發(fā)設(shè)備的位置正在通信鏈路上與基站收發(fā)設(shè)備通信；以及在基站收發(fā)設(shè)備的第一波束形成器和移動(dòng)收發(fā)設(shè)備的第二波束形成器中依據(jù)收發(fā)設(shè)備的相對運(yùn)動(dòng)修正信號。
40．根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中修正信號步驟包括定期地更新信號的方向。
41．根據(jù)權(quán)利要求40的方法，其中修正步驟包括確定基站收發(fā)設(shè)備與移動(dòng)收發(fā)設(shè)備之間的距離，然后在該距離小于特定距離時(shí)將信號修正成全方位的。
42．根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中信號是射頻波束。
43．根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中探測步驟包括接收來自衛(wèi)星定位系統(tǒng)的輸入。
44．根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中探測步驟包括接收來自地面定位系統(tǒng)的輸入。
45．根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中波束形成器包括許多可編程的濾波器陣列。
46．根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中修正信號步驟包括由儲存在存儲器中的表提供天線的權(quán)。
47．一種在收發(fā)設(shè)備中的定向設(shè)備，該設(shè)備包括探測第一收發(fā)設(shè)備地理位置的敏感元件；儲存第二收發(fā)設(shè)備地理位置的存儲器；以及相對第一收發(fā)設(shè)備計(jì)算第二收發(fā)設(shè)備方位的定向單元。
48．根據(jù)權(quán)利要求47的定向設(shè)備，其中敏感元件包括全球定位系統(tǒng)接收器。
49．根據(jù)權(quán)利要求47的定向設(shè)備，其中第一收發(fā)設(shè)備可以在許多地理位置之間移動(dòng)。
50．根據(jù)權(quán)利要求49的定向設(shè)備，其中第二收發(fā)設(shè)備可以在許多地理位置之間移動(dòng)。
51．根據(jù)權(quán)利要求47的定向設(shè)備，該設(shè)備進(jìn)一步包括對定向單元敏感的定向天線，用于接收來自第二收發(fā)設(shè)備的無線電信號。
52．一種操作收發(fā)設(shè)備中的定向設(shè)備的方法，該方法包括下述步驟使用敏感元件探測第一收發(fā)設(shè)備地理位置；將第二收發(fā)設(shè)備地理位置儲存在存儲器中；以及確定性計(jì)算第二收發(fā)設(shè)備相對第一收發(fā)設(shè)備的方位。
53．根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其中使用敏感元件的步驟包括接收來自全球定位系統(tǒng)的全球定位數(shù)據(jù)。
54．根據(jù)權(quán)利要求52的方法，該方法進(jìn)一步包括在許多地理位置之間移動(dòng)第一收發(fā)設(shè)備。
55．根據(jù)權(quán)利要求54的方法，該方法進(jìn)一步包括在許多地理位置之間移動(dòng)第二收發(fā)設(shè)備。
56．根據(jù)權(quán)利要求52的方法，該方法進(jìn)一步包括依據(jù)計(jì)算出的接收來自第二收發(fā)設(shè)備的無線電信號的方向操作定向天線。
57．一種用于通信系統(tǒng)的波束形成電路，該電路包括大量的采樣電路，用于接收通信信號；大量的有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器，每個(gè)FIR濾波器與一個(gè)采樣電路相連；以及加和電路，該電路將來自大量的FIR濾波器的經(jīng)過濾波的信號加和起來。
58．根據(jù)權(quán)利要求57的電路，其中采樣電路、大量的可編程FIR濾波器以及加和電路都是在一片集成電路上形成的。
59．根據(jù)權(quán)利要求57的電路，該電路進(jìn)一步包括一個(gè)與每個(gè)采樣電路相連的乘法器，以便生成同相信道和正交信道。
60．根據(jù)權(quán)利要求57的電路，其中通信系統(tǒng)包括一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)基站，前者包括許多借助無線鏈路與移動(dòng)收發(fā)設(shè)備單元通信的收發(fā)設(shè)備，而后者包括具有將加權(quán)信號提供給FIR濾波器的自適陣列處理器。
全文摘要
無線通信系統(tǒng)使用定向天線系統(tǒng)和有關(guān)用戶位置的知識,形成狹窄的天線波束接通所需用戶,而避開不需要的用戶,從而減少同信道干擾。借助減少來自不同方向的同信道干擾,以天線陣列的空間濾波提高了系統(tǒng)的呼叫容量?？辗侄嘀?SDMA)系統(tǒng)將狹窄的天線波束方向特性分配給系統(tǒng)中的每個(gè)用戶,以致每個(gè)用戶都有其自己的擺脫同信道干擾的通信信道。用戶的位置是采用地理定位技術(shù)確定的。地理定位可以借助蜂窩基站之間的三角測量或借助全球定位系統(tǒng)(GPS)的接收器來推演。
文檔編號G01S19/48GK1233376SQ97198670
公開日1999年10月27日 申請日期1997年10月10日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月10日
發(fā)明者斯考特·R·維拉斯克斯, 史蒂文·R·布羅德斯通, 艾利斯·M·羌 申請人:垓技術(shù)公司