用于降低重用系数的多天线结构

本发明涉及通信系统，特别是涉及集群通信系统。

已经熟知了集群蜂窝通信系统。这种系统按地理区域典型地分为基本上连续的服务覆盖区域，而 每一个覆盖区域由一个基地站来服务通过由一个基地站服务的一个服务覆盖区域的移动通信单元典型地发送服务请求至该基地站，由该请求的通信单元使用的基地站用一个专用的资源分配来回答该请求。这样的一种系统典型地称为频分多址系统（FDMN）。

由基地站使用并分配给该通信系统的通信资源可由供该系统使用的划分为许多通信资源的频谱组成。每一个通信资源可由一对频率组成。该对频率可由一个通信单元用于发送和接收信息。

在一些系统中，由基地站使用的通信资源根据功能至少还可划分为一个资源，留作在基地站和通过该基地站服务覆盖区域的通信单元之间控制信息的双向传送。其它资源可保留给通信单元用于资源分配后面的通信事务处理，这种应用在基地站进行请求和分配之后。

因为在一个频谱内可有有限量的通信资源，在由通信系统服务的地理区域内，重用通信资源是必要的。另一方面，重用经常受到在同一系统以相同频率工作的各通信单元和基地站之间相互干扰的限制。

在一个通信系统内重用通信资源受到许多因素的限制。特别是在具有全天线的结构的通信系统内，其中主要的因素是重用的发射机之间的距离和发送的信号功率。在一个通信单元内，根据设计发送的功率是固定的，那么，确定重用的其余的因素就是距离。重用的通信单元之间的距离经常是根据最近的邻近共信道网孔中心之间的距离（D）与网孔的半径（R）的比率确定的。重用比（D/R）规定了最接近重用基地站的接近度。

影响重用的另一个因素是通信信号的发送功率。因为发送信号功率降低，使重用基地站之间的接近度变得越来越小。在Gunningham等人的美国专利（NO.4144496）中给出了这种方法的一种专利教导。该专利公开了一种细划分一个大的网孔为许多较小的网孔的方法。指配给大网孔的通信资源在各较小网孔之间划分。在该专利中还使用了定向天线，来隔离各重用的基地站，以便降低共信道的干扰。

在Graziano的美国专利NO.4128740中也公开了一种使用定向天线来降低重用系数的方法。在该专利中使用了定向天线与资源指配算法相结合，产生共信道重用比为4。

Graziano和Cunningham根据固定的指配方法和定向天线降低干扰的影响。另一方面，干扰的影响不是一种恒定现象。正如所知，通信单元的重用可能在干扰影响低于相对于根据测量信号参数所希望信号的门限值时出现。

确定一个系统重用系数的测试参数可以根据在出现干扰时所希望发射机的信号/干扰（S/I）来确定，而且该干扰是热噪声和共信道干扰信号的组合。（另一个术语C/I，或载波/干扰比在确定重用系数中是比较经常使用的）。正如模拟无线电通信所知的，当对所希望的发射机（C/I比）的测量信号高于测量干扰17dB时，就可得到最小的重用系数。

在过去，在起始网孔服务覆盖区域的边缘放置一个希望的发射机并测量在网孔直径内获得干扰与信号强度差17dB时的距离，就能够确定重用系数。但是在过去技术的发展水平下，根据计算机模拟来计算重用系数。

在Cunningham的专利中所描述的进步已经开发了定向天线和选择频率分配，使得降低了重用系数。如在Graziano的专利中，过去的发展已经包括把网孔分为多至6个扇区，每个扇区用60角扇形天线在每个扇区内提供覆盖。选择资源分配就排除了在邻近扇区内邻近信道资源的再分配。如上所述，由于使用60度扇区天线和使用选择频率分配，已使得重用系数降低为4。

像码分多址（CDMA）这样的数字通信系统也已熟知了。这种系统可以跳频方式工作，在跳频方式工作时，发送和接收单元在给定的通信资源上在检索到分配资源表中的一个新资源之前，仅发送接收一个短的周期。如所周知，CDMA通信系统比频分多址（FDMA）或时分多址（TDMA）通信单元具有更强的抗干扰能力。CDMA系统的更强的抗干扰能力可归因于在任何给定资源上的有限传输时间和干扰源有限范围的频谱。在CDMA系统中抗干扰的另一个原因是来自对CDMA信号宽范围的编码技术和编码话音的可变信号内容。如所周知，数字通信系统能够在至少90%的时间为9dB的C/I环境或至少50%的时间为17dB的C/I环境下合适的工作。

由于增加了对有限频谱的竞争，需要允许竞争 的通信系统在相同频率上以无相互干扰和以最小重用系数进行工作。这样的一种通信系统必须具有增加希望信号的灵敏度或降低对干扰的敏感性。

在本发明的一个实施例中，提出了一种改进在一个通信系统中处在通信系统内多个基地站的一个基地站服务区域内的通信单元与该基地站之间在一个通信资源上传送信号的信号质量的方法。该方法包括划分每个服务覆盖区域为至少两个俯区，服务覆盖区域包括在内，由一个定向天线基本上覆盖每一个扇区。该方法进一步包括通过覆盖该区域的定向天线，在从通信系统内的多个通信资源中随机地选择的通信资源上提供扇区内的通信单元的通信入口。

图1描述了在地理范围方面的蜂窝通信系统。

图2包括服务于一个服务覆盖区域的分扇区的通信设备的方框图。

图3描述了一个服务覆盖区域的分扇区。

图4描述了以基本上相同的，方位特定格式分扇区的通信系统的服务覆盖区域。

图5描述了在一个扇区内由很窄波束天线（VNBA）服务的四个分扇区。

图6描述了在本发明中具有1个网孔重复格式的通信系统工作的计算机模拟结果。

图7描述了本发明的另一个实施例具有1个网孔重复格式的通信系统工作的计算机模拟结果。

图8描述了本发明中具有3个网孔重复格式的通信系统工作的计算机模拟结果。

图9描述了本发明的另一个实施例具有3个网孔重复格式的通信系统工作的计算机模拟结果。

图10描述了本发明中具有4个网孔重复格式的通信系统工作的计算机模拟结果。

图11包括该计算机模拟结果表。

图12包括一个用于天线系统的矩阵开关的方框图。

根据本发明的一个实施例，一个通信系统（图1）被分为许多服务覆盖区域（10至14），在每一个服务覆盖区域内，在其中心位置设有基地站（100至104）。在通信系统（图1）内的服务覆盖区域被细分或分扇区，围绕基地站（100至104）被分为120度的弧（图3，扇区1，扇区2和扇区3）。邻近的服务覆盖区域用分开线被分成扇区，邻近服务覆盖区域的相应的扇区的分开线基本上是平行的，因此，形成了每个服务覆盖区域（图4）至少有基本上相同的方位特定格式的三个扇区。

在该通信系统中，一组通信资源F是可用的，该通信系统F被细分为三个分组，F1，F2和F3。这些资源分组（F1，F2和F3）被分配给每一个服务覆盖区域基本上相同的，方位特定格式的三个扇区，其中，分组F1分配给扇区1，分组F2分配给扇区F2，和分组F3分配给扇区3。

每个服务覆盖区域的每个扇区至少有四个很窄波束天线（VNBA），设置在该基地站，这些天线径向地把每个扇区至少分为四个部分重叠的分扇区（图5，500，501，502和503）。这四个分扇区（500，501，502和503）包括了扇区（2图3）。根据设计，服务于分扇区（500，501，502和503）的VNBA放大在所服务分扇区（500，501，502和503）内产生的信号，并且衰减外部分扇区产生的信号。

图2是一个基地站的扇区（100，101，102，103或104）的方框图。在基地站设置了许多发送接收机（301，303，305和307），许多控制发送接收机（302，304，306和308）和一个基地站控制器（300）。通过表示所服务分扇区（500，501，502和503）的天线指定来描述每个发送接收机（301，303，305和307）和每个控制发送接收机（302，304，306和308）。

所描述的扇区（图2）是扇区3。通过对扇区1和2的每个分扇区附加一个发送接收机（301，303，305和307）和控制发送接收机（302，304，306和308），描述（图2）可以扩展到覆盖扇区1和2。

在请求通信服务中，设置在服务覆盖区域11，扇区3，分扇区500中的一个通信单元（图1，200）首先向一个控制发送接收机（302）发送一个资源请求（400）。因为分扇区500是由设置在基地站101的VNBA覆盖，所以资源请求仅仅由控制发送接收机302接收。

资源请求（400）可包括一个通信单元（200）的识别码（ID）和许多目标（未画出）。基地站控制器（300）根据接收的资源请求（400），通过控制发送接收机（302）解码该请求，并通过控制发送接收机（302），以发送至通信单元（200）的资源分配（401）进行响应。发送的资源 分配（401），除了有关请求的通信单元（200）的信息之外，可包括在通信事务处理中由通信单元（200）使用的识别资源的信息。

连同资源分配（401）的传输一起，基地站控制器（300）还可分配一个发送接收机（301）服务于通信事务处理。根据接收的资源分配（401），通信单元（200）调谐到分配的资源，并开始发送一个事务处理信号（402）。发送接收机（302）接收该事务处理信号（402）并传送该信号（402）至该目标（未画出）。

在上述例子中，在扇区3中分配的资源包括一个来自分组F3内的资源。自F3到在服务覆盖区域11，扇区3，分扇区500内的通信单元（200）的资源分配排除了在扇区3的其余分扇区（501，502或503）中的资源重用。另一方面，资源指配给在一个扇区内的一个分扇区是在随机的基础上（在该扇区内）实现的，或是根据合适的算法送入到扇区内控制资源分配的基地站资源控制器（300）。

使用VNBA使资源信号的发送和接收限制在一个扇区的约25%的区域。使用VNBA限制从基地站到径向配置区域的相互干扰的可能。因为在一个扇区内的指配是在随机基础上重用在另一个服务覆盖区域中的相同资源，因此所提供的相互干扰的信号显著地被降低。

来自许多基地站（如上所述）中的任何一个基地站的通信系统内的通信单元的工作取决于足够的C/I比。在扇区内VNBA的使用通过衰减由VNBA的分扇区确定的弧外部和在其它靠近服务覆盖区域产生的信号增加平均的C/I。增加C/I比，根据规定，允许降低重用系数，因为增加C/I允许工作于相同资源的基地站更接近地工作。

如图所示（图6）是本发明中用于慢跳的CDNA通信系统的蜂窝通信系统的计算机模拟。该模拟假定一个网孔重复格式（重用系数），每个服务覆盖区域三个扇区，每个扇区四个VNBA和18个干扰通信单元。上述图6曲线，左边是表示干扰的概率分布因数。右边的及下面的曲线表示在上述条件下根据工作的通信单元经济设计的C/I。图11中的第一行表示图6中所示信息的总和。如图所示（图11），C/I比（图6）95%的时间超过5.6dB，90%的时间超过10dB和50%的时间超过17.6dB。

图7表示了本发明的另一个实施例，在图7中，表示对于一个网孔重复格式，在每一个服务覆盖区内的3个扇区被分为6个分扇区，由一个20度的VNBA服务于每一个分扇区。图11的第二条线表示该实施例（图7）95%的时间C/I比超过7.5dB，90%的时间超过10.9dB和50%的时间超过18.8dB。

图8表示对于3个网孔重复格式，每个网孔3个扇区和每个扇区四个分扇区的本发明的结果。如图所示（图11，第3行），95%的时间C/I超过12.9dB，90%的时间超过15.7dB和50%的时间超过25.5dB。

图9表示每个扇区具有6个分扇区的3个网孔重复格式。图11的第4行表示95%的时间C/I超过14dB，90%的时间超过17.25dB和95%的时间超过26.5dB。

图10表示每个扇区具有4个分扇区的四个网孔重复格式。图11的第5行，表示95%的时间C/I超过15.6dB，90%的时间超过19dB和50%的时间大于30dB。

在本发明的另一个实施例中，VNBA可包括具有转向功能的可调天线，并且通过对接收信号的相位处理来实现定向信号的检测。可调的天线功能还可通过具有可调零的多个天线而获得。

在本发明的另一个实施例中，一组相同的系统通信资源被指配给服务覆盖区域，而不像在三个扇区中使用那样受限制。在覆盖服务覆盖区域的12个VNBA中任何一个VNBA上可能接收到服务请求，这样的请求与接收该请求的VNBA识别一起转送到基地站控制器（300）。随机地或通过一个适合的用于分配给请求的通信单元的算法识别通信资源。通过服务于设置通信单元区域的VNBA，把服务提供给请求的通信单元。

如图所示（图12）是一个矩阵开关的方框图，用于把服务提供给由VNBA而且仅仅通过VNBA所服务区域内的通信单元。包括在矩阵开关部件内若干天线（1A至NA），若干线性功率放大器（PA）（1至N），若干分配放大器（1至N），一个发送矩阵开关（Tx矩阵），一个接收矩阵开关（Rx矩阵），在存储器（300b）内的发送 缓冲器（600）和在存储器（300b）内的接收缓冲器（601）。

如图所示（图12），来自请求通信单元（200）的服务请求（400）由天线1A接收。该服务请求（400）通过分配放大器1被接收，与在接收矩阵开关（Rx矩阵）内初始VNBA（1A）一起进行编码，并且存储在基地站控制器（300）的存储器（300b）内的缓冲器（601）中。基地站控制器（300）用一个资源分配（401）响应，该资源响应被存储在基地站控制器（300）的存储器（300b）内的缓冲器（600）中。该资源分配（401）通过矩阵开关（Tx矩阵）被转移并通过线性PA（1）和天线1传送到请求的通信单元（200）。

当分配一个资源去服务通信单元（200）和目标单元（未画出）之间的服务通信事务处理时，基地站控制器可分配一个发送缓冲器单元Tx1（600）和一个接收缓冲器单元Rx1（601）用于服务该事务处理。发送单元（Tx1）和接收（Rx1）缓冲器单元允许通信信息流过VNBA（1A），服务于请求通信单元（200）所在区域在上述实施例中，通过VNBA（1A）在随机的基础上，在整个服务覆盖区域把通信资源分配给通信单元（200），来自环绕服务覆盖区域的相互干扰的统计的机会是很低的。

在本发明的另一个实施例中，通过至少两个定向天线中的一个天线，包括覆盖通信单元（200）所在的服务覆盖区域，通信存取对于在服务覆盖区域内的通信单元（200）是可用的。资源指配给请求的通信单元（200）是在随机的基础上，从系统内可用的多个通信资源分配给请求的通信单元。利用资源分配的随机特性和通信天线的方向特性抑制相互干扰。通过合适的编码技术，如CDMA，可进一步地抑制相互干扰，以便产生一个服务覆盖区域中一个区域的重用系数。使用CDMA编码技术和至少两个定向天线还允许邻近的分扇区以及邻近的服务覆盖区域重用通信资源。