專利名稱：數字蜂窩系統中靈巧天線的反向兼容性的制作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及無線通信系統，更具體地說，涉及蜂窩電話和個人通信系統。


圖1表示一種從蜂窩網或系統的基站發射的普通全向輻射傳播的圖形。相反，圖2表示所謂靈巧天線陣(SAA)的一種典型的定向輻射傳播的圖形。可以看出，信號僅僅在該預定移動臺相對于發射基站所在的方向上出現。因此這種所謂的SAA天線集中了從基站向預定移動臺的一個窄波束。這就減小了在系統信道再用方案中一個呼叫對使用同頻信道的其它呼叫的干擾。
在時分多址(TDMA)系統中，當信道的各用戶很可能工作于該基站的不同方向時，波束方向性需要基于時隙執行。
在這種TDMA系統中產生的例如由IS-136和IS-54B確定的問題是移動臺可以使用圍繞用于同步目的的指定時隙周圍的未指定時隙。因此在靈巧天線系統中使用的波束方向性可消除臨近時隙的利用，作為這些移動臺的同步參考，結果降低了性能。
使用靈巧天線方法可能產生的進一步的問題涉及例如使用信道測量處理作為進行移動性判決的輔助手段的IS-136和IS-54B兼容的移動臺。這些處理包括對于IS-136和IS-54B移動臺的移動輔助過區切換(MAHO)，以及對于IS-136兼容移動臺的移動輔助信道分配(MACA)和數字控制信道(DCCH)重選。移動性判決在這些系統中通過該移動臺周期地或按需要執行對于MAHO、MACA，或網孔重選識別的信道的測量而變得方便。除非這些信道呈現出一致傳播圖形，否則有關網孔拓撲中的移動臺位置的預定判決是不可能的，而沒有另外的機制去識別正向信道功率和可能的方向性。這些類型的機制可能需要移動臺去同步并解碼正向信道信息，而不是簡單地調諧信道和進行功率測量，因此它們不是所希望的實現。
本發明的第一個目的是要提供在一個基站和一個移動臺之間使用定向波束的一種改進的蜂窩通信系統。
本發明的第二個目的是要提供使用靈巧天線，并且與現存的空中接口標準方法及信道測量過程相兼容的一種改進的蜂窩系統基礎結構。
按照本發明實施例的方法和裝置將克服上述的和其它的問題，并實現本發明的目的。
本發明教導了一種方法，用于基站在它的服務區中安裝靈巧天線，而保持與早期移動臺的反向兼容。本發明教導了一種方法，它允許一個基站、移動交換中心(MSC)和網間功能(BMI)去管理支持當前信道/時隙假定、以及存在于一個靈巧天線方案下信道/時隙假定的移動臺用戶。
本發明的優點在于，它允許舊的移動臺通過使用鄰近的同步時隙與基站交互作用，并且不受與該靈巧天線一起工作的新移動臺請求的不同信道/時隙假定的影響。
按照本發明，靈巧天線移動臺根據系統訪問識別這種能力(這可以在登記，始發，尋呼響應，能力報告，用戶外形(HLR/VLR/IS-41)或其它消息中傳送)。BMI根據這一方面它們的能力去分配移動臺請求呼叫處理的資源為組或組合。
通過把這些呼叫分成為靈巧天線Savvy(SAS)移動臺和非SAS移動臺，BMI只提供兼容移動臺共享相同的信道。這就保證了非SAS移動臺性能不因使用不符合于非SAS移動臺中固有的信道/時隙假設的相鄰時隙而被損害。
因此一個方面本發明教導一種操作蜂窩通信系統的方法，包括下述步驟(a)按照它們支持從一個基站的靈巧天線傳輸的能力的函數把移動臺分成為組；然后根據固定分配和動態信道分配之一把頻率信道分配給移動臺的組。
本發明上述的及其它的特征將在結合附圖閱讀時，在隨后的本發明詳細描述中變得更加清楚，其中圖1說明普通全向天線的典形的傳輸圖形該信號在相對于發送基站的所有方向上同等地出現。
圖2說明一個靈巧天線陣(SAA)的典型的傳播圖形。該信號僅在預定移動臺相對于該發射基站所處的方向上出現。
圖3說明具有SAS和非SAS交替的N-7同頻信道再用的情況。以F1表示的信道代表使用非SAS信道假設的相反方案中的一組頻率信道，而F1表示使用SAS信道假設的一組信道。
圖4說明具有涂層格的同頻信道再用，和N＝7非SAS，N＝4 SAS的情況。
圖5表示通過交替SAS和非SAS相鄰信道干擾減輕的情況。
圖6表示具有恒定正向功率到非SAS移動合的全向傳播圖形。
圖7表示具有正向功率控制到SAS移動臺的靈巧天線傳播圖形。
圖8是適于實施本發明的移動臺的簡化方框圖。
圖9表示圖8中的移動臺與一個基站雙向無線通信。
圖10是按照本發明方法的邏輯流程圖。
參照圖8和圖9說明無線用戶終端或移動臺10，諸如但并不限于適用于實施本發明的一個蜂窩無線電話機或一個個人通信機。移動臺10包括用于發送信號到一個基地臺或基站30并接收來自基地臺或基站30的信號的天線12。該基站30是由含有移動交換中心(MSC)34的基站/移動交換中心/交互工作功能(BMI)32的蜂窩網的一部分。MSC 34在該移動臺10參與呼叫時提供到陸線中繼線的連接。為此描述假定基站30包括有一個靈巧天線陣(SAA)30a，它可以在各時隙基礎上傳播一個定向發送到前面已識別它們是靈巧天線兼容或Savvy(SAS)的那些移動臺10。總之這些SAS移動臺10以對于出現鄰近的、未指定時隙的不同的假設組工作，非SAS移動臺10也這樣。
移動臺分別包括一個調制器(MOD)14A，一個發射機14，一個接收機16，一個解調器(DEMOD)16A，和一個控制器18，提供發射機14和接收機16收發信號。這些信號包括按照可應用的蜂窩系統的空中接口標準的信令信息，以及用戶的語音和/或用戶產生的數據。本發明假定該空中接口標準含有上述類型的時隙TDMA幀結構，但本發明的教導并不僅限定于這種指定的結構，或僅使用IS-136兼容移動臺，或僅用于TDMA型的系統。
當然，控制器18還包括需要實現移動臺音頻和邏輯功能的電路。例如，控制器18可以包括一個數字信號處理器裝置，一個微處理器裝置，和各種模數變換器，數模變換器以及其它支持電路。移動臺的控制和信號處理功能是按照它們各自能力在這些裝置間分配。
用戶接口電路包括一個普通的耳機或揚聲器17，一個普通的送話器19，一個顯示器20及一個用戶輸入設備，典型地為一個鍵盤22，它們都被耦合到控制器18。鍵盤22包括傳統的數字(0-9)和相關的鍵(#，*)22a，以及用于操作移動臺10的其它鍵22b。這些其它鍵22b例如可包括一個發送(SEND)鍵，各種菜單卷動及軟鍵，和一個電源(PWR)鍵。移動臺10還包括用于向需要操作移動臺的各電路供電的電池26。
移動臺10還包括各種存儲器，集合地表示為存儲器24，其中存儲了在該移動臺期間控制器18使用的多個常數和變量。例如，存儲器24存儲了各蜂窩系統的參數值和數字分配模塊(NAM)。控制控制器18操作的操作程序也被存儲在該存儲器24中(典型地在一個ROM裝置中)存儲器24還可以存儲數據，包括用戶消息，它是在向該用戶顯示消息之前從BMI 32收到的。
按照本發明的一個方面，存儲器24包括用于指示該移動臺10是SAA兼容的一個信息單元24a。如果移動臺10不是SAA兼容的，那么信息單元24a不存在，或存在用于特定地指示該移動臺10不是SAS(非SAS)。SAS信息單元24a被發送給BMI 32作為例如登記，始發，尋呼響應，能力報告，用戶外形(HLR/VLR/IS-41)，或經基站30從移動臺10向BMI 32發送的其它適用消息的一部分。
當然，移動臺10可以是車載或手持裝置。還應懂得，該移動臺10可以工作于一個或多個空中接口標準，調制類型，和訪問類型。例如移動臺可以工作于除IS-136和IS-54B之外的任意的一些其它標準，例如GSM和IS-95(CDMA)。窄帶AMPS(NAMPS)，以及TACS，移動臺也可以受益于本發明的，如雙重的或較高型號的電話機(如，數字/模擬(IS-41)或TDMA/CDMA/模擬電話機)。顯然，本發明的教導不限制于任何一個特定類型的移動臺或空中接口標準。
靈巧天線陣30a的好處接近于從靈巧天線陣發射的無線電波定向特性中產生無線通信。這種結構允許BMI 32僅限制信號傳播在朝向該接收移動臺的窄角度內，如圖2所示。
這種凈結果是在預定給于給定移動臺10的無線信號傳播中全面的減少。這又減少了在該無線通信系統的頻率再用格中出現的干擾量。靈巧天線陣技術的這個基本概念提供了幾種顯著的好處(例如見圖3、4、5)。
靈巧天線陣能夠引導窄波束信號指向預定的移動臺10的事實允許無線通信系統工程有更大的活動范圍。靈巧天線陣的這種概念能夠被RF/系統工程師用于更好地管理無線通信網絡中的干擾。這些優化將在下面討論，并且是本發明的組成部分。
從圖2可以看到，靈巧天線陣的高方向的特性有效地減少或消除了傳播到移動臺10實際上不在的網孔部分的無線信號量。這種信號能量的減少也在使用與所討論的移動臺10所用的同樣頻率的頻率再用格中的其它網孔中實現。
本發明的這種概念可以用于在格中交替SAS和非SAS信道類型的使用在頻率方案中使用。它在圖3中說明，其中SAS頻率信道(如、F1)在具有非SAS頻率信道(如F1)的格中交替。盡管這種情況不是理想的(不可能僅用兩個交替實現全部分離)，它不能提供干擾的整個減少，但因此增加了系統中的通話質量。總之，如果給定的頻率fx被用于F1中的SAS，那么所有相鄰網孔的fx被分配由非SAS移動臺使用。
當調度信道使用SAA 30a時，第二種方法可以被采用。這種方法能增加系統的通話能力，而不增加系統的干擾電平。該第二種方法也是基于減少由SAS信道產生的干擾。干擾減少使系統的策劃者能制定這些信道較密的頻率再用格，而維持非SAS信道的現存的頻率再用格。SAS信道減少的干擾允許這些頻率的距離分離再用被減少，而維持了與非SAS信道的相同的C/I。
例如，現代無線通信系統可以以非SAS信道N＝7的頻率再用配置其網孔(即，一個給定的頻率每逢第七個網孔被再用一次)。這在圖4中由共用相同陰影的七個網孔組表示。RF方案考慮了該系統所需的C/I，和現有網孔中的傳播環境，以便確定必須分開頻率F1再用的距離。
對于SAS信道，傳輸到覆蓋區的信號總能量被大大地減少了。這對干擾或系統C/I目標的“I”部分有直接的影響。通過減少干擾量，實現在再用頻率F1間需要的距離的減少，而保持了相同的C/I比。這在圖4中由重疊在N＝7格(即，七個相鄰網孔的組)上的數字表示。從1到4的這些數字表示為SAS信道配置的N＝4的頻率再用。這種實際的應用是系統能在該地理覆蓋區內容納更多的網孔。
使用本發明提供的另一種能力是相鄰信道干擾的減輕。低成本接收機設計的應用事實是一個信道上的輻射的能量典型地泄漏到鄰近的信道。鄰近信道的干擾量必須在頻率方案內分配頻率時考慮。
如上所述，SAS信道信號傳播的整體減少可以被開發用于處理這種工程和通話質量問題。RF方案可以交替信道的使用，使得非SAS信道在各側有SAS信道，如圖5所示。
在圖5中，信道F1是一個SAS信道，以及信道F2是一個非SAS信道。信道F1和F2是直接相鄰的頻率。由于SAS信道F1的方向特性，信道F2知道鄰近信道干擾平均量的減少。這不是一種理想的情況，由于信道F1經歷了普通天線配置所經受的鄰近信道干擾的相同電平。因此，系統中的凈影響是一些信道知道通話質量增加，而沒有降低其它信道。
無線系統操作者已經使用適應增長用戶需求的傳統機制之一是劃分網孔成為更小尺寸的網孔。雖然這種方法在一方面是成功的，而經常的情況是劃分扇區被用于提供附加的容量需求。扇區使用固定方向天線再劃分網孔為離散的覆蓋區(有效地建立共享一個公共網孔臺的楔形網孔)。
盡管存在一系列的缺點，但這種技術已經在減少干擾中起到了作用，更具體地說，扇區網孔的中繼群效率被大大地降低了，這是由于在該網孔中可利用的信道數據被分給了所有扇區。
例如，考慮使用全向網孔的N＝7再用方案。在當前的U.S.800MHz操作許可的情況下，有總共416條信道可利用。其中，21條信道被保留為控制信道使用。剩下的395條信道可給用戶使用，或大約每個網孔56條信道。如果這個系統用120°天線分為扇區(每個網孔三個扇區)，則56條可用信道被分配給三個扇區。這樣每個扇區剩下約18條信道。在IS-136系統中，這些信道或者可以被用于模擬呼叫(每信道一個呼叫)或者可以被用于TDMA呼叫(每信道二個呼叫)。
為說明的目的，假設一半呼叫為模擬的和一半呼叫是TDMA。這意味著一個全向網孔能支持112個呼叫，該網孔覆蓋區內的任何地方(即使所有移動臺都置于該網孔內的同一地方(所謂的“熱點”))。另一方面，扇區化網孔還能支持112個呼叫，假定移動臺均勻地分布在所有三個扇區中。在所有需要服務的移動臺都置于網孔中相同位置的非常可能的情況下，只有36個呼叫可以實現，剩下的將得不到服務(由于在該扇區中只有18條信道可利用)。
按照本發明的SAS信道配置克服了這一問題，它通過減少干擾(扇區的目標)同時保持了全向網孔拓撲。這用于在中繼群中維持較高數量的信道，對熱點維持全部服務能力，同時類似于通過扇區化那樣允許較高的密度。
雖然前述的說明已涉及到信道分配策略，接著的說明針對劃分SAS和非SAS信道成為按照本發明的分配組或組合(Pool)。
如上所述，為了所述的靈巧天線技術被引入IS-136系統，存在著信道類型的劃分，以適于服務于安裝的非SAS移動臺的基站和SAS移動臺。實現這一需求的一種有效方法是把這些信道分為兩個分配組合。當移動臺10需要要求業務信道的服務時，來自適當組合的一條信道被分配給該移動臺10。
參見圖10。在方框A，移動臺經基站30發送一個消息給BMI 32。例如該消息可以是登記、始發、尋呼響應、能力報告、用戶外形(IILR/VLR/IS-41)，或其它消息。如果該移動臺10能以SAA工作，該消息就包括存儲于存儲器24中的SAS信息單元24a。在方框B，BMI 32接收該消息，并在方框C，BMI 32確定是否該移動臺10是SAA兼容，例如通過測試SAS信息單元的存在。如果在方框C的判決為是，則控制到達方框D。在那里BMI 32把該移動臺10分配給SAA兼容移動臺組。如果在方框C判決為否，控制到達方框E，在那里BMI 32把該移動臺10分配給非SAA兼容移動臺。然后處理繼續以SAA模式(定向發送)或非SAA(全向發送)模式接著管理由移動臺10產生的呼叫。
通過把移動臺10分組為SAA移動臺和非SAA移動臺，BMI 32確保只有相互兼容的(SAS或非SAS)移動臺10共享同頻信道。這進一步確保非SAS移動臺10的性能不會使用不符合非SAS移動臺10中固有的信道/時隙假設的鄰近時隙進行折衷。
BMI 32至少可用兩種方法實現這些功能。第一種方法包括固定分配頻率信道為非SAA和SAA分配組合。雖然這是最容易實現的方法，但它不是非常靈活的，并且不能適應按使用需要的變動。例如，如果一個非SAS移動臺10需要服務，而只有SAS信道是可利用的，則該通話不能實現。
第二種更靈活的方法是根據當前使用率動態地分配信道到這些組合。這意味著基站設備能工作于SAS和非SAS兩種模式。這種方法明顯的優點是系統可以響應改變使用率需求，而沒有任何妨礙重建。因此這種系統適于業務需要。
目前使用的方法之一保持在靈巧天線所有時隙的恒定輸出功率。正向信道的方向和輸出功率被控制。按照在這方面對于特定信道使用(DCCH重選，MAHO和MACA)的前面列舉的要求，系統中剩余的信道可以是SAS信道。這些信道的系統配置可以通過利用正向信道功率控制進一步提高全部呼叫的質量。
假定SAS信道不依賴于在該信道中的鄰近時隙，以及基站30每時隙對發送信號執行操作，這使得進一步增強隨著在每個時隙基礎上輸出功率變化的方法變為可能。
這種操作方法在圖6和7中說明。圖6表示在正向功率保持恒定時遇到的信號傳播。如前所述，存在一些情況，這是系統正確操作的基礎。因此，對于SAS信道，這是不必要的，甚至是希望的。對于干擾減少的上述所有實施例也能應用于正向信道功率控制。通過減小頻率信道組F1的正向功率僅為該移動臺10使用該時隙需要的功率，在該格中再用F1上相同時隙所見到的干擾量因此有利地進一步減少。
在更詳細的描述中，圖7說明了基站利用頻率f1的時隙發送到三個移動臺10的功率腳印。應當注意信號傳播的距離直接涉及移動臺10距基站收發機的距離，因為各信號的功率是根據從基站30接收移動臺10的距離的函數以時隙為基礎進行調整。這個距離例如可以根據時間校準信息和/或從移動臺接收的信號強度確定。
本發明還防止了在移動輔助切換(MAHO)過程中BMI 32利用業務信道時發生問題。為了要進行一致性MAHO測量，所測信道需要在所有方向提供恒定的功率輸出。當定向波束在每個時隙基礎上發送時，這一般不會發生。MAHO工作的益處是BMI 32僅識別由發送到移動臺10的MAHO信道表中非SAS移動臺10使用的信道。也就是說，相鄰信道表包括已分配給非SAS移動臺使用的頻率信道。
對移動輔助信道分配(MACA)的使用進行同樣的考慮。再一次使用本發明，BMI 32保證僅僅是使用非SAS信道/時隙假設的那些信道出現在MACA信道表中。
MAHO和MACA的組合依賴非SAS移動臺的信道/時隙假設。這些功能依賴于信道上的恒定功率輸出。
對DCCH重選進行同樣考慮。為了通過該系統正確地引導，移動臺10依靠對鄰接DCCH的信道測量。通過BMI 32確保在非SAS工作信道上唯一地配置，這種重要的系統功能不被損害。
雖然本發明已特別地示出和說明了優選實施例，但是本領域的普通技術人員應該明白，在此可以進行形式和細節的改變，而不脫離本發明的范圍和精神。
權利要求
1.一種操作蜂窩通信系統的方法，包括以下步驟根據它們支持從一個基站的定向天線發送能力的函數，分配移動臺為組；和根據固定分配和動態信道分配之一分配頻率信道成為移動臺組。
2.一種操作TDMA蜂窩通信系統的方法，包括以下步驟從一個移動臺向一個基站發送一條消息；確定是否該消息包含了識別該移動臺能工作于從該基站用定向天線發送一個信息；和如果該消息包含了該信息，則分配該移動臺到與全都能用定向天線發送工作的第一組移動臺有關的第一頻率信道組中的一個信道；而且如果該消息不包含該信息，則分配該移動臺到與全都僅能用定向天線發送工作的第二組移動臺有關的第二頻率信道組中的一個信道。
3.如權利要求2的方法，其特征在于對于分配給第一組的移動臺，包括進一步在每個時隙基礎上用到移動臺距離的函數的功率電平發送到每個移動臺的步驟。
4.如權利要求2的方法，其特征在于對于分配給第二組的移動臺，包括以同樣的功率電平發送給各移動臺的進一步步驟。
5.如權利要求2的方法，其特征在于第一頻率信道組用N的第一頻率再用方案間隔地分布，其中第二頻率信道組用M的第二頻率再用方案間隔地分布，并且N＜M。
6.如權利要求2的方法，其特征在于分配步驟是基于頻率信道的固定分配。
7.如權利要求2的方法，其特征在于分配步驟是基于按照要求的函數動態分配頻率信道。
8.如權利要求2的方法，其特征在于進一步包括至少分配一個數字控制信道給第二頻率信道之一的初始步驟。
9.如權利要求2的方法，其特征在于進一步包括發送鄰接頻率信道測量表給第二移動臺組的步驟，其中在該表中的所有頻率信道是第二頻率信道之一。
10.一種能夠由一個基站操作的移動臺，包括一個發射機；一個接收機；連接到所述發射機與接收機的一個控制器；和連接到所述控制器的一個存儲器，所述的存儲器存儲用于說明所述移動臺可用從基站的定向天線發送進行接收和操作的信息，其中所述的控制器在引向基站的消息中發送所述的信息。
11.如權利要求10的移動臺，其特征在于所述的消息包括登記、始發、尋呼響應、能力報告、或用戶外形消息中的至少一個。
全文摘要
本發明教導一種操作蜂窩通信系統的方法,它包括以下步驟:根據它們支持從一個基站的靈巧天線發送能力的函數分配移動臺為組;和接著根據固定分配和動態信道分配之一分配頻率信道成為移動臺組。
文檔編號H04W72/08GK1171710SQ97111208
公開日1998年1月28日 申請日期1997年4月18日 優先權日1996年4月19日
發明者S·J·威爾霍夫 申請人:諾基亞流動電話有限公司