CN1373951A - 受控天线分集 - Google Patents

Abstract

一种具有一个接收机的移动站,所述接收机包括天线分集,由基带处理电路控制分集处理,仅当性能增益占优于额外功耗时才启用该天线分集。在估计系统中的小区负载之后,可以由网络指示基带处理电路它可以停止分集接收。

Description

受控天线分集

背景

1)发明领域

本发明涉及在无线电通信系统中所涉及的方法和系统，尤其涉及用于控制天线分集的系统和方法。

2)现有技术讨论

在美国及世界的其他国家，蜂窝电话产业在商业运营方面已经取得显著的进步。在大市区的发展已经远远超过了预期，并迅速地超过系统容量。如果这种趋势继续，这种产业增长的影响将迅速抵达最小的市场。需要革新性的解决方案以满足这些容量增长的要求，并维持高质量的业务和避免价格升高。

图1图示常规蜂窝无线电通信系统100的一个例子。无线电通信系统100包括与多个相应天线130a-n相连的多个无线电基站170a-n。连接有天线130a-n的无线电基站170a-n与多个小区110a-n中的多个移动终端(例如终端120a、120b和120m)通信。从基站到移动终端的通信被称作下行链路，而从移动终端到基站的通信被称作上行链路。

基站被连接到移动电话交换局(MSC)150。除了其它的工作之外，MSC150协助基站的工作，例如在移动终端从一个小区越区切换到另一个小区时。MSC150又可以被连接到公共交换电话网160，所述电话网向各种通信设备180a、180b和180c提供服务。

在蜂窝无线电通信系统中出现的一个共同问题是因为多径衰落导致的上行链路和下行链路信号中的信息损失。当发射信号沿着基站和预定接收机之间的多条路径传播时，出现多径衰落。当基站和移动站之间的路径长度差较小时，多个信号镜像几乎同时到达。镜像建设性或破坏性地相加，导致可能具有瑞利分布的衰落。当路径长度较长时，传输介质被视为在时间上是扩散的，相加的镜像可以被视为发射信号的回波，导致码间干扰(ISI)。

通过使用多个接收天线和使用一些形式的分集组合，例如选择组合、等增益组合或最大比组合，可以降低衰落。分集利用了在不同天线上的衰减不同的事实，所以当一个天线具有衰减信号时，另一天线所接收的信号可能没有衰减。可以利用一些形式的均衡，例如线性均衡、判决反馈均衡或最大似然序列估计(MLSE)来降低ISI多径时间扩散。

干扰可能会降低在基站和移动终端之间传输的信号的质量。例如，给定小区中的基站和移动站之间的一条指定通信信道可能因给定小区或邻近小区中的其它移动终端的传输而被降低质量。在相同频带内工作的其它基站或射频传播实体也可能产生干扰(例如，通过系统中的“同信道”或“相邻信道”干扰)。

除了别的用途以外，频率再用还可以用于通过尽可能远地放置相互干扰的小区来降低干扰。通过确保发射机在最低的有效功率电平上通信，功率控制也可以被用于降低干扰。由于在每个基站上在单个频率信道中接收信息，这种功率控制技术在码分多址(CDMA)系统中尤其普遍。

各个无线电链路和整个系统的性能通过移动站和/或基站接收机中的天线分集被改善。具有多个天线，并相应地处理信息，有助于克服衰落并使通信链路更加健壮。引入天线分集的代价在于因为有多个信号需要被解调所导致的额外的无线电和基带处理。在移动站中的这种代价通常被认为由于需要额外的部件导致在增加的体积、制造成本和功耗方面过大。

当前，一种蜂窝系统在移动站中使用天线分集。具体地说，在日本系统PDC中，这种形式的分集通常被限制于一种称作“选择”分集的方案。在这种情况下，如图2所示，在一个时间上使用一个天线。在图2中，第一天线210和第二天线212分别接收无线电信号，包括来自相同信源但路径可能不同的无线电信号。通过选择开关220选择所接收的两个无线电信号中的一个以输入给射频(RF)处理器230。射频处理器230下变频所接收的信号，并在被处理的信号到达基带处理器240之前执行其它处理。基带处理器240控制射频处理器230的操作。基站处理器240还向选择开关220提供一个控制信号以根据诸如测量信号强度的标准来控制哪一个天线信号被处理。这个有关使用哪个天线的选择根据这样的标准，例如在TDMA系统中接收时隙之前的接收信号强度的测量。

一方面，这种天线分集的方案并未完全利用从组合来自这两个天线的信号的性能可以获得的所有优点。另一方面，它避免了在完全处理两个天线信号所产生的额外部件和功耗方面的成本。

在国际专利申请WO95/11552中，说明了具有两个接收机支路的一个分集接收机。生成一个基于所接收信号的信号强度之间比较的控制信号。切换装置被安排以根据该控制信号将来自任一个接收机支路的信号切换到接收机输出。因此，这是一个“选择”分集系统的例子。

在欧洲专利申请EP 0 454 585中，分集选择系统根据一种预测算法为TDMA系统中的每个指定时隙在分集天线之间切换以提供更好的信号质量。因此，该专利是选择分集系统的另一个例子。

诸如IMT2000的新系统以一种分集或多或少必需符合一些特定性能要求的方式被定义。整个标准将符合一些用于通信链路的性能标准。这可以以多种方式中的任一种方式来监视。例如，一种方式可以测量接收信号的信噪比(SNR)，一种方式可以测量或估计误比特率(BER)或误帧率(FER)，或者一种可以保持跟踪在无线电链路协议使用重新传输的情况下所需要的重新传输的数量。在大多数情况下，这将需要比当前提供的选择分集更完整的分集设备。具体地说，两个天线信号将需要被完整地处理，并以最有效地方式组合这两个处理信号。

图3是这种系统的一个例子。在图3中，第一天线310接收无线电信号，并将它所接收的信号提供给第一射频处理器330。第二天线312接收无线电信号，并将它所接收的信号提供给第二射频处理器332。第一射频处理器330将所接收的射频信号处理，例如下变频接收的RP信号到中频信号以输入给基带处理器340。第一射频处理器330还处理将被发射的信号，包括将信号上变频到射频以在第一天线330上发射。

在第一射频处理器330中第一射频信号处理的同时，第二天线312接收来自同一信源但可能在一条不同无线电路径上的相同信号。这个第二信号在第二射频处理器332中被处理(例如下变频)。在被转发给基带处理器340之前，第二信号在第二信号处理器332中被处理。第二射频处理器332仅以接收模式来操作。

当使用分集时大量额外处理的需要对于基于CDMA的系统来说更是如此，因为在这种情况下，在可以判断信号质量之前，天线信号必需通过大部分基带处理。诸如信号强度的简单测量并不能给出足够的关于一个用户信号的信息。

尽管在一些情况下可能需要天线分集，但是也存在在没有分集时无线电环境允许足够好的性能的情况。如果以图3所示的方式来实现分集，不管是否需要，移动站都在分集处理上消耗功率。对于使用电池的设备来说，这导致工作时间变短，如果没有分集链路中的功耗，则可以获得更长的工作时间。

发明概述和目的

本发明人通过仅在需要时使用分集支路，降低了在移动站中引入分集所导致的功率损失。图4图示分集支路可以由基带处理电路控制(即开或关)的一种解决方案。以这种方式，可以确定何时据使用分集所获得的性能占优于额外的功耗，并在占优时切换成分集处理。

何时使用分集支路的标准可以是在整个系统意义上的全局性的，也可以是本地性的。在全局性的情况下，网络估计在不同小区上的负载，并且网络通知移动站何时允许移动站关闭分集处理。在本发明的一种实施例中，随后，通过增加在下行链路上到移动站的发射功率来补偿一些性能上的损失。更具体地说，在一个循环中，功率将可能增加达到一个目标信噪比(SIR)，并且将可以在一个外循环中根据检测到的质量来调整目标SIR。

在本地性的情况下，移动站自身确定它希望何时使用分集。这一判决可以根据当前的无线电性能、当前使用的服务类型和/或剩余的电池能量等。

当不使用分集时，移动站通常需要一个所要达到的更高的SIR(信噪比)。这一请求被批准与否取决于系统中的当前负载。将存在这些情况，当功率不能被增加，移动站可以被强制重新协商当前使用的业务(数据速率、分组长度等)，以便在关闭分集处理时解决被降低的SIR。

附图简要说明

在结合附图阅读下述详细说明之后，本发明的上述目的、特性和优点以及其它特性将被更清楚地理解。在附图中：

图1图示包括多个基站和一个移动电话交换局的一个常规无线电通信系统；

图2图示使用诸如所测量的信号强度的标准来确定将处理哪一天线信号的一个常规选择分集通信系统；

图3图示具有对所接收的两个信号完整处理的分集的一个常规移动站；

图4是本发明的具有一个天线分集的一个接收机的例子，其中根据基带处理来控制分集处理，并且当性能增加占有于额外功耗时打开分集处理；

图5是一个流程图，表示图4所示的基带处理器的控制部分的操作；和

图6是一个流程图，表示基带处理器的控制部分的一个不同实施例的操作。

详细说明

在下述说明中，为了解释而非限制性的目的，将阐述诸如具体电路组件、技术等的细节，以提供对本发明的完整理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说，显然也可以在脱离具体细节的情况下以其它的实施例来实现本发明。在其它的例子中，省略对已知方法、设备和电路的详细说明以使本发明的描述更清楚。

图4是包括第一天线410和第二天线412的蜂窝电话移动站或基站的一部分的方框图。第一天线410接收无线电信号以输入给第一射频(RF)处理器420。射频处理器420处理所接收的射频信号，例如将射频信号下变频成一个基带接收无线电信号。虽然只图示了两个天线和处理器，利用在此所述的本发明人的技术可以使用多个天线。由射频处理器420处理后的变频后的基带无线电信号被输入给一个基带处理器430，以便根据CDMA、TDMA、FDMA等其它接入系统进行进一步的处理。

而且，射频处理器420从基带处理器430接收基带信号用于上变频到射频以在第一天线410上被发射。

射频信号也在第二天线412上被接收。该第二天线可以接收来自相同信源但可能经过一条不同路径的相同信号。

来自第二天线412的接收信号被输入给第二射频处理器422用于诸如下变频成基带信号的射频处理。由射频处理器422处理后的被下变频的基带信号随后被输入给基带处理电路430。在发射模式中不使用第二射频处理器422。

基带处理器430还可以是用于处理基带射频的合适的任意电路，并显然可以是专用集成电路(ASIC)。自然可以使用任意形式的基带处理，例如FDMA、TDMA或CDMA。本发明对于CDMA应用尤其有用，但并不仅限于此。

基带处理430还执行确定天线分集何时占优于附加功耗的附加功能。

图5图示基带处理的控制部分的一般流程图。该控制部分向第二射频处理器422提供控制信号。图5被用作一个示例性的流程图。自然在不脱离本发明精神和范围的情况下，也可以实现其它流程图。

第一步骤510，射频信号在第一天线410中被接收。它被输入以在第二步骤512中在第一射频处理器420中被处理，除了其它处理之外，还将射频信号转换成基带信号。在步骤514，基带处理器430检查以确定分集是否被开启，如果分集被开启，则在步骤516在第二处理器422中处理在第二天线上接收的射频信号。随后，在步骤518，在基带处理器430中解调在第二处理器422中处理的信号，并组合两个处理后的信号。如果在步骤514，确定分集被关闭，则在步骤517解调来自第一处理器420的信号以在诸如数字信号处理器(DSP)的其它电路单元中进行进一步的处理。在情况合适时，进一步的处理对于诸如CDMA、TDMA和FDMA系统的设备的实施来说是必要的，以便将基带信号转换成话音信号或数据信号。随后，组合处理的两个分支，并且在步骤520，基带处理器430确定分集是否应当被开启。

确定将要予定的分集的性能增益是否占优于额外功耗可以使用多种不同的方法。该确定可以在移动站上进行，或移动站可以向基站发送有关链路质量的信息。如果基站确定链路质量足够好并具有剩余容量，则允许在移动站中关闭分集。

有两个普通类型的检测后选择分集接收机可以使用。在第一类型中，一个接收信号的选择取决于信号的接收信号强度(RSS)。这种分集接收机被称作电平比较分集技术。第二类型的选择取决于相位差估计。这种检测后选择分集接收机被称作相位似然比较技术，如在此引用作为参考的WO93/06668中被更完整地解释的。随后根据这一确定打开或关闭分集，该处理返回初始步骤510。

在电平比较分集技术中，检测每个接收信号的RSS，并与其它的信号相比较。具有RSS的接收的信号由无线电话选择或使用。这种简单的系统在信号衰落环境中比较有效，并比具有单个天线接收机的系统高级。然而，电平比较分集技术在静态环境中对于单天线系统并没有任何优势。相位似然比较技术将相位差估计用于每个接收信号，选择具有最小估计相位差的信号。

也可以使用其它的系统，例如TDMA系统，其中根据两个天线的接收信号电平和恰在TDMA系统中给定时隙之前的来自每个天线的这些信号的斜率来执行预测或信号质量。

另一种方法是在基带处理器430中在天线上测量信噪比(SIR)、估计误比特率(BER)或误帧率(FER)、或者在无线电链路协议使用重新传输的情况下跟踪重新传输次数来确定哪个合适。

如上所述，如果使用分集，则组合在第一和第二射频处理器420和422中处理的来自第一和第二天线410和412的信号。如在此引用作为参考的WO95/11552中所公开的，利用中频增益组合技术组合不同天线的信号，其中用于射频部件的检测频率信号彼此调整相位并求和。通过调整本地振荡器到第二接收机支路的输出信号的频率相位进行相位调整。在实际的应用中，通常通过分别处理两个信号并为它们各自形成信道估计来进行。此后，使用这两个信号各自的信道估计，一个将为另一个调整信道中的差别(例如相位)，然后相加该数据。根据两个信号的质量，通常使用不同的加权值将数据相加在一起。

因为信号被相干地求和，噪声被非相干地组合，分集接收机中的信噪比被改善。组合信号随后被输出给其它电路以进一步处理成最终结果-话音或数据信号。

如果不需要分集，则不使用第二射频处理器422。当不使用分集时，移动站在天线上通常需要一个更高的信噪比以获得与使用分集时相同的性能。当前大多数的蜂窝系统在前向链路中包括功率控制。移动系统将请求基站增加其发射功率直到达到所需要的SIR。该请求是否被批准取决于当前的系统负载。当功率不能被增加时，而移动站可以被强制重新协商当前所用的业务，例如数据速率、信道编码等，以便在关闭分集处理时处理被降低的SIR。另外，移动站可以被强制继续以增加的功耗进行分集处理。

除了本地控制之外，作为一种替换实施例，何时使用一条分集支路的标准可以是全局性的。在全局控制标准中，网络估计不同小区中的负载，并在允许移动站关闭分集处理时通知该移动站。如图6所示，在步骤610，网络确定蜂窝系统中不同小区上的负载。如果在步骤620确定小区负载较轻，存在剩余容量。这意味着可以利用这些容量使一些移动站在不使用分集的情况下很好地工作，例如通过在步骤630提高用于这些链路的基站输出功率。然后，在步骤630，网络通知移动站它们被允许关闭在一些较不拥挤的小区中的分集处理。虽然当关闭分集时损失了一些性能，可以通过增加到移动站的前向链路中的发射功率以在一个循环中达到一个目标SIR，并可以在一个外部循环中根据预期质量调整目标SIR来进行补偿。这可以通过使移动站通知基站它已经关闭分集，从而触发基站输出功率的增加来实现。另外，在指示移动站关闭分集之后，基站功率可以被急剧提高或降低，直到输出再次满足发射的性能要求。更具体地说，相对于以一个天线操作的移动站，使用分集操作的移动站一般需要较低的信噪比(SIR)以解码接收信号并具有好的结果。移动站通常具有一个内部目标SIR，它的目标在于以该目标SIR进行操作。该目标SIR反映足以解码输入信号所需要的信号质量。在移动站和基站之间存在功率控制环，如果移动站的SIR低于目标值，它将请求基站增加基站输出功率；如果SIR高于目标SIR，它将请求基站降低其输出功率。还存在一个较慢的外部循环，它检查解码信号的最终质量，并且如果解码信号的最终质量太低/太坏，将据此更新目标SIR。基站可以或不可以把限制强加哪个移动站可能需要的目标SIR(以防止移动站请求过大的基站输出功率，因而使用太多的容量)。

因此，两种模式(带有和不带有分集)将对应于两种不同的目标SIR。如果在移动站中确定关闭分集，则它将通过增加其内部目标SIR开始。这一动作将导致给基站的功率控制命令，强制它增加其输出功率，以便在移动站上的SIR达到新的(更高的)目标值。这导致解调信号中更好的质量(测量BER、FER、SIR、重新传输率等)。如果解调信号足够好，移动站关闭第二天线。当分集被启用时将发生相反的情况。首先，第二天线被开启，监视结果解码信号的质量，然后降低目标SIR，相应地，基站将降低其输出功率。

全局控制方案可以被简单描述为系统检查不同小区如何加载和到移动站的信号是否允许使用更高或更低的目标SIR(对应于分集的开启或关闭)。本地模式可以是移动站使用任意方法确定是否试图关闭分集，并(通过不同的质量测量)查看根据新的目标SIR，基站是否具有增加的功率。

这两种控制环(功率控制以达到一个目标SIR，随后外环根据检测质量调整目标SIR)是WGDMA 3GPP标准将要使用的。

如在步骤640中所示，系统随后确定重新估计是否合适，如果是，返回步骤610。

因此，图5图示用于确定何时应当使用分集的移动站中的本地控制，图6图示何时网络确定在移动站中使用分集的流程。显然，可以同时使用本地控制、网络控制和全局控制。

Claims (20)

1.一种移动站，包括：

第一天线；

第一射频处理电路，接收和处理来自所述第一天线的信号；

第二天线；

第二射频处理电路，接收和处理来自第二天线的信号；和

基带处理电路，为分集接收来自所述第一射频处理电路和来自所述第二射频处理电路的处理后的射频信号，并向所述第二射频处理电路提供一个控制信号以根据分集是否合适的确定来选择性地启用和停用所述第二射频处理电路。

2.根据权利要求1的移动站，其中所述第一射频处理电路还发射来自所述移动站的信号。

3.根据权利要求1的移动站，其中由所述基带处理电路生成的所述控制信号由来自所述移动站与之通信的基站的一个控制信号进行控制。

4.根据权利要求3的移动站，其中在发射所述控制信号之后，基站将增加或降低其到所述移动站的输出功率，直到通信链路的足够的信号质量。

5.根据权利要求1的移动站，其中所述移动站将其分集的停用通知基站，以便基站将调整其输出功率直到根据非分集模式实现足够的信号质量。

6.根据权利要求1的移动站，其中所述关于分集是否合适的确定基于一个解调信号的信号质量。

7.根据权利要求1的移动站，其中所述关于分集是否合适的确定基于一种电平比较分集技术。

8.根据权利要求1的移动站，其中所述关于分集是否合适的确定基于一种似然比较技术。

9.根据权利要求1的移动站，其中所述关于分集是否合适的确定基于一个解调信号的误比特率的测量。

10.根据权利要求1的移动站，其中所述关于分集是否合适的确定基于一个解调信号的误帧率的测量。

11.根据权利要求1的移动站，其中所述关于分集是否合适的确定基于一个解调信号的信噪比的测量。

12.根据权利要求1的移动站，其中所述关于分集是否合适的确定基于所需要的重新传输数量的测量。

13.一种在移动站中控制分集的方法，包括：

在第一天线上接收一个无线电信号；

在第一射频处理电路中处理来自所述第一天线的无线电信号；

在第二天线上接收无线电信号；

在第二射频处理电路处理来自第一天线的信号；

在基带处理电路中为分集接收来自所述第一射频处理电路和来自所述第二射频处理电路的处理后的射频信号；

确定分集是否合适；和

向所述第二射频处理电路提供一个控制信号以根据分集是否合适的所述确定来选择性地启用和停用所述第二射频处理电路。

14.根据权利要求13的方法，还包括由来自所述移动站与之通信的基站的一个控制信号控制由所述基带处理电路生成所述控制信号。

15.根据权利要求14的方法，还包括在发射所述控制信号之后，调整基站到所述移动站的输出功率，直到通信链路的足够的信号质量。

16.根据权利要求13的方法，还包括所述移动站将其分集的停用通知基站，以便基站将调整其输出功率直到根据非分集模式实现足够的信号质量。

17.根据权利要求13的方法，其中所述关于分集是否合适的确定包括测量一个解调信号的信号质量。

18.根据权利要求13的方法，其中所述关于分集是否合适的确定包括使用一种电平比较分集技术。

19.根据权利要求13的方法，其中所述关于分集是否合适的确定包括使用一种似然比较技术。

20.根据权利要求1的移动站，其中所述关于分集是否合适的确定基于该组的至少一个的测量，该组由一个解调信号的误比特率、一个解调信号的误帧率、一个解调信号的信噪比和所需要的重新传输数组成。

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