Устройство и способ для передачи и приема сигналов с использованием адаптивной системы

 

Изобретение обеспечивает прием и передачу сигналов в системе связи, например в сотовой системе связи. Антенна имеет диаграмму направленности, которая адаптивно реагирует на характеристики распространения канала между станциями связи в системе связи. Диаграмма направленности антенны адаптивно выбирается в соответствии с характеристиками распространения. Когда характеристики распространения указывают на наличие канала, обладающего лишь незначительными сигнальными составляющими многолучевого распространения, то выбирается высоконаправленная диаграмма направленности антенны, а когда характеристика распространения указывают на наличие значительных сигнальных составляющих многолучевого распространения, то диаграмма направленности антенны изменяется на менее направленную. Технический результат - повышение эффективности системных систем, уменьшение влияния шумов и помех на принимаемый сигнал и снижение помех другим элементам сети при передаче сигнала. 3 с. и 21 з.п. ф-лы, 7 ил.

Настоящее изобретение относится к системе радиосвязи, такой как сотовая система связи. Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройству и связанному с ним способу для обеспечения передачи и приема сигналов, передаваемых в системе связи, с помощью антенны, имеющей адаптивные характеристики диаграммы направленности. Характеристики диаграммы направленности антенны являются адаптивными, реагирующими, по меньшей мере, частично на характеристики каналов радиосвязи, по которым сигналы системы радиосвязи передаются в процессе функционирования системы.

Система связи содержит, как минимум, передатчик и приемник, связанные посредством канала связи. Формируемые передатчиком сигналы связи, содержащие информацию, передаются по каналу связи для приема их приемником. Приемник восстанавливает информационное содержание сигнала связи.

Беспроводная система связи или система радиосвязи представляет собой такую систему, в которой канал связи является радиочастотным каналом, определяемым используемым частотным спектром электромагнитных волн. Сотовая система связи является примером беспроводной системы связи. Сигнал связи, передаваемый по радиоканалу, формируется путем комбинирования сигналов, т.е. модуляции несущей волны информацией, которая должна быть передана. Приемник восстанавливает информацию путем выполнения обратной процедуры, т.е. демодуляции сигнала связи для восстановления информации. Хотя в последующем описании в целях пояснения рассматривается работа приемника при приеме сигналов связи, однако более точно, приемник обеспечивает восстановление информационного содержания сигнала, передаваемого передатчиком.

Сигнал связи, передаваемый передатчиком приемнику, при приеме его приемником, должен иметь, как минимум, уровень энергии и уровень качества сигнала, обеспечивающие восстановление в приемнике переданного сигнала.

Сигнал, передаваемый приемнику, испытывает рассеяние, дифракцию, отражение и затухание в процессе его распространения по каналу передачи. В результате отражений передаваемого сигнала приемник зачастую принимает сигнал, реально представляющий собой сумму сигнальных составляющих, передаваемых по различным трассам распространения, в дополнение к прямой трассе по линии визирования. Иногда трасса прямого распространения сигнала по линии визирования оказывается блокированной, и сигнал, действительно принимаемый приемником, формируется только из отраженных сигнальных составляющих.

Поскольку сигнал, реально принимаемый приемником, может представлять собой сумму сигнальных составляющих, передаваемых по множеству трасс распространения, канал связи иногда определяют как канал многолучевого распространения, а сигнал, реально принимаемый приемником, соответственно определяют как сигнал многолучевого распространения. То есть канал связи иногда представляет собой множество сигнальных трасс, проходящих между передатчиком и приемником.

Уровни энергии сигнальных составляющих многолучевого сигнала зависят от трасс, по которым распространяются указанные составляющие. Мощность, т.е. величина, связанная с уровнем энергии, сигнальной составляющей прямой трассы распространения определяется уравнением электромагнитного поля Максвелла. Мощность отраженной сигнальной составляющей определяется уравнением радиолокации. Поэтому в то время как мощность сигнальной составляющей прямого распространения или дифрагированной сигнальной составляющей снижается согласно функции второй (или более высокой) степени расстояния от передатчика, мощность отраженной сигнальной составляющей снижается согласно функции четвертой (или более высокой) степени расстояния от передатчика.

В результате по мере увеличения расстояния от передатчика до приемника отраженные сигнальные составляющие, которые значительно протяженнее, чем сигнальная составляющая прямого распространения, прогрессивно ослабляются в большей степени, чем сигнальная составляющая прямого распространения. Когда расстояние, отделяющее передатчик от приемника, велико, отраженные сигнальные составляющие образуют лишь незначительную долю мощности сигнала, принимаемого приемником, и передатчик может рассматриваться как "точечный источник".

Ненаправленная (или "всенаправленная") антенна в типовом случае обеспечивает наилучшее восстановление информации, содержащейся в сигнале, передаваемом передатчиком, когда отраженные сигнальные составляющие (также называемые составляющими многолучевого распространения) образуют существенные доли сигнала, принимаемого приемником. И наоборот, направленная антенна может быть использована, когда сигналы, принимаемые приемником, не содержат значительных уровней сигнальных составляющих многолучевого распространения.

Как упоминалось выше, сотовая система связи представляет собой беспроводную систему связи. Сотовая система связи содержит множество пространственно разнесенных стационарных приемопередатчиков, называемых базовыми станциями, распределенными по определенной территории. Каждая базовая станция обслуживает часть данной территории, определяемую как ячейка. Перемещаемый или мобильный приемопередатчик, называемый мобильным устройством, может находиться в любом положении в пределах любой ячейки на упомянутой территории, обслуживаемой сотовой системой связи. Мобильное устройство при таком его расположении может передавать сигналы связи, по меньшей мере, к одной базовой станции.

По мере того как мобильное устройство перемещается, переходя из одной ячейки в другую, осуществляется переключение канала связи этого мобильного устройства с одной базовой станции на другую. Это означает, что когда мобильное устройство, осуществляющее связь с первой базовой станцией, выходит из ячейки, обслуживаемой первой базовой станцией, и входит в ячейку, обслуживаемую второй базовой станцией, мобильное устройство начинает осуществлять связь с второй базовой станцией. Переключение с первой базовой станции на вторую базовую станцию происходит автоматически и без видимого перерыва в осуществлении связи абонентом сотовой системы связи.

В типовом случае каждая из базовых станций сотовой системы связи содержит антенное устройство для передачи сигналов к мобильным станциям, расположенным в пределах ячейки, и приема сигналов от этих мобильных станций. Сигналы, реально принимаемые базовой станцией, имеют иногда комплексную интерференционную диаграмму, формируемую многочисленными отражениями сигнала, переданного от мобильного устройства по множеству различных трасс распространения многолучевого канала. Таким образом, источник переданного сигнала, т. е. мобильное устройство в таких случаях представляется для базовой станции как "протяженный" источник сигнала, а не "точечный" источник.

Из вышеизложенного следует, что по мере того как расстояние, отделяющее мобильное устройство от базовой станции, возрастает, мощность многолучевых сигнальных составляющих становится все слабее относительно сигнала, передаваемого по прямой трассе распространения от мобильного устройства к базовой станции. В таких случаях мобильное устройство представляется в базовой станции как источник сигнала, имеющий относительно малую протяженность. А по мере того как расстояние, отделяющее мобильное устройство от базовой станции, продолжает возрастать, мобильное устройство будет представляться для базовой станции как "точечный" источник.

Базовая станция, имеющая направленную антенну, в которой конфигурация диаграммы направленности, формируемой такой направленной антенной, включает в себя удлиненный основной луч, обеспечит лучший прием сигналов, передаваемых удаленным мобильным устройством. Однако, когда мобильное устройство находится вблизи от базовой станции, базовая станция, имеющая ненаправленную антенну, конфигурация которой характеризуется более широким основным лучом, в типовом случае будет обеспечивать более эффективный прием сигнала, генерируемого мобильным устройством, так как сигнальные составляющие многолучевого распространения при таких условиях зачастую составляют значительную часть принимаемого сигнала.

Хотя некоторые существующие базовые станции содержат направленные антенны, такие направленные антенны имеют неизменные характеристики. То есть конфигурации антенного луча обычно имеют номинально постоянную форму.

Хотя управляемые или адаптивные антенные устройства известны, однако такие антенные устройства в принципе используются в радиолокации и в астрономии.

В радиолокационных системах сигнальный импульс, т.е. переданный импульс, в типовом случае передается из известного местоположения в известный момент времени и в известном направлении. Радиолокационная система обнаруживает сигнальный импульс, отраженный от цели, т.е. отраженный импульс. Цель в типовом случае располагается на значительном расстоянии от местоположения, из которого передается передаваемый импульс, и поэтому цель может рассматриваться как точечный источник. Информация, связанная с исходной позицией, временем передачи передаваемого импульса и направлением передачи передаваемого импульса, используется при обработке отраженного импульса. Скорость цели, определяемая по доплеровскому сдвигу, может определяться, например, таким способом. Поскольку цель образует точечный источник, то в типовом случае используется направленная антенна, имеющая чрезвычайно узкий главный луч, обеспечивающий точное определение местоположения цели.

В астрономических применениях также в типовом случае используются направленные антенны. Направленные антенны используются для обнаружения сигналов, генерируемых удаленными источниками сигналов, которые также могут рассматриваться как точечные источники.

В обоих из указанных областей применения, в которых используются адаптивные направленные антенны, сигнальные компоненты многолучевого распространения являются нежелательными, так как такие составляющие могут обусловить формирование ложной цели в радиолокационной системе. Целью для такой системы является повышение разрешения, с которым определяется местоположение удаленного источника сигнала.

Управляемые антенные системы также предлагались для сотовых систем. В таких системах усиление антенны в удлиненном луче диаграммы направленности антенны может обеспечить приемлемый уровень мощности в направлении удаленных мобильных устройств и при этом режектировать взаимные помехи другим мобильным устройствам, использующим ту же частоту в другой ячейке (которые могут находиться в различных направлениях относительно базовой станции). При этом используется луч с эффективно постоянными характеристиками диаграммы направленности, иными, чем возможность ориентировать этот луч в различных направлениях с использованием механических, электронных и иных средств. Из уровня техники известно адаптивное суммирование составляющих в каждом из множества элементов фазированной антенной решетки после преобразования указанных составляющих с фазовой и/или амплитудной модуляцией для адаптивного формирования произвольных характеристик диаграммы направленности, при котором антенная система обеспечивает нулевое усиление в направлении одного или более источников помех, смещенных относительно оси антенны. Этот метод иногда определяют как адаптивное формирование нулей в диаграмме направленности антенны. Это означает, что характеристики диаграммы направленности формируются так, чтобы режектировать множество других источников сигналов.

По мере все более широкого распространения сотовых коммуникационных сетей, а также других беспроводных систем связи, все возрастающие масштабы применения таких систем требуют эффективного использования радиочастотных каналов, выделенных для осуществления связи в этих системах. В случае сотовой системы связи базовая станция сотовой системы связи с антенной, характеристики которой зависят от характеристик распространения сигналов связи, передаваемых между мобильным устройством и базовой станцией, обеспечит эффективное использование выделенных частотных каналов. Другие типы беспроводных систем связи также могут получить выгоды от использования таких антенн.

В свете изложенного выше предшествующего уровня техники для беспроводных систем связи, таких как сотовая система связи, следует рассматривать существенные усовершенствования, обеспечиваемые настоящим изобретением.

Сущность изобретения Настоящее изобретение относится к устройству и способу для обеспечения связи в беспроводной системе связи, такой как сотовая система связи. В изобретении используется направленная антенна с адаптивными характеристиками диаграммы направленности. Ввиду того, что характеристики антенны являются адаптивными, указанные характеристики антенны могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечивать наилучшую передачу и прием информации, передаваемой в процессе функционирования системы связи.

В соответствии с одним из аспектов изобретения заявлены устройство и связанный с ним способ, предназначенные для использования в системе связи, имеющей первую станцию связи и, по меньшей мере, одну вторую станцию связи. Устройство связано с первым приемопередатчиком для обеспечения передачи сигналов связи по радиоканалу между первой и второй станциями связи. Блок определения характеристик распространения определяет характеристики распространения канала радиосвязи, по которому передаются сигналы между станциями связи. Антенна имеет характеристику, адаптивно реагирующую на характеристики распространения, определенные блоком определения характеристик распространения.

Согласно другому аспекту изобретения, базовая станция радиосвязи передает сигналы прямой линии связи, по меньшей мере, к одному мобильному устройству и принимает от него сигналы обратной линии связи. Схемы приемопередатчика формируют сигналы прямой линии связи и обрабатывают сигналы обратной линии связи после их приема. Блок определения расстояния реагирует на выбранные сигналы обратной линии связи, обрабатываемые схемами приемопередатчика. Блок определения расстояния определяет значение, представляющее расстояние, отделяющее мобильное устройство от приемопередатчика. Со схемами приемопередатчика связана антенна, которая имеет характеристику, адаптивно реагирующую на значение расстояния, полученное блоком определения расстояния.

Если, например, расстояние, отделяющее мобильное устройство от приемопередатчика, определено как значительное расстояние, луч диаграммы направленности антенны удлиняется, чтобы обеспечить выделение сигнала обратной линии связи и режектировать шумы и сигналы помех, приходящие с внеосевых направлений. Если расстояние, отделяющее мобильное устройство от базовой станции, определено как относительно малое расстояние, то конфигурация луча диаграммы направленности антенны выбирается как менее удлиненная, и антенна по своим характеристикам приближается к ненаправленной антенне. Антенна в таком случае обеспечивает более эффективный прием сигналов, приходящих с внеосевых направлений по трассам многолучевого распространения, сформированным между мобильным устройством и базовой станцией.

Таким образом, поскольку характеристики антенны адаптивно реагируют на характеристики распространения канала связи, проходящего между первой и второй станциями связи, то по мере изменения характеристик распространения характеристика антенны адаптивно изменяется таким образом, чтобы наилучшим образом обеспечить адекватный прием сигналов, передаваемых между приемопередатчиками. Если характеристики распространения в канале связи показывают, что имеет место значительная степень многолучевого распространения, то характеристика антенны выбирается так, чтобы облегчить прием большей части энергии сигнала, передаваемого в таком канале. Если же характеристики распространения канала связи показывают, что рассеяние незначительно, то характеристика антенны выбирается таким образом, чтобы режектировать сигналы, приходящие с внеосевых направлений, и выделить сигнал прямой трассы распространения, передаваемый в канале связи.

Изобретение поясняется в последующем детальном описании предпочтительных вариантов осуществления изобретения, иллюстрируемом чертежами, и в прилагаемых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей, где фиг. 1 - функциональная блок-схема системы связи, в которой использовано настоящее изобретение; фиг. 2A, 2B и 2C - графические представления различных конфигураций луча диаграммы направленности антенны, которые может формировать адаптивная антенна, соответствующая возможному варианту осуществления изобретения; фиг. 3 - представление антенной решетки, частично в виде функциональных блоков, частично в схематичном виде согласно возможному варианту осуществления изобретения; фиг. 4 - представление антенной решетки, частично в виде функциональных блоков, частично в схематичном виде, подобное фиг. 3, но с увеличенным числом антенных элементов; фиг. 5 - представление антенной решетки, частично в виде функциональных блоков, частично в схематичном виде, подобное показанному на фиг. 3, согласно которому сигналы, подаваемые в антенные элементы антенной решетки, сдвинуты по фазе один относительно другого, для формирования плоского волнового фронта под углом к антенной решетке.

фиг. 6 - схематичная иллюстрация сотовой системы связи; фиг. 7 - функциональная блок-схема базовой станции радиосвязи, соответствующей возможному варианту осуществления изобретения, которая может быть использована в сотовой системе связи, представленной на фиг. 7.

Детальное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения На фиг. 1 представлена система связи 10, в которой использовано настоящее изобретение. Система связи 10 представляет собой беспроводную систему связи или систему радиосвязи, обеспечивающую информационный обмен между передающей позицией, которая представлена здесь в виде перемещаемого или подвижного удаленного приемопередатчика 12, и приемником, представленным в виде стационарно расположенного приемопередатчика 14. Хотя в показанном варианте осуществления показаны два приемопередатчика 12 и 14, однако в других вариантах осуществления передающая станция может представлять собой только передатчик, а приемная станция - только приемник.

Сигналы связи, формируемые в передающем блоке приемопередатчика 12, передаются по одному из множества радиочастотных каналов связи. Стационарно расположенный приемопередатчик 14 содержит приемопередающее средство 16, включающее в себя передающий блок и приемный блок. Приемный блок приемопередающего средства 16 настроен на радиочастотный канал или каналы, по которым передаются сигналы связи, сформированные приемопередатчиком 12.

Сигналы связи, сформированные приемопередатчиком 12, образуют радиочастотные сигналы электромагнитной волны, которые могут передаваться по радиочастотному каналу.

Сигналы связи, переданные по радиочастотному каналу приемопередатчиком 12, обнаруживаются антенным устройством 18, связанным со стационарно расположенным приемопередатчиком 14. Антенное устройство 18 преобразует радиочастотные сигналы электромагнитной волны в электрические сигналы, которые формируются в линии 22 и подаются в приемный блок приемопередающего средства 16.

Устройство управления 24 связано с приемопередающим средством 16 линией 26 и с антенным устройством 18 линией 28. В показанном варианте осуществления устройство управления 24 обеспечивает не только управление приемопередающим средством 16, но и функционирует как устройство определения характеристик распространения, обеспечивая определение характеристик распространения в канале связи между приемопередатчиками 12 и 14. С учетом характеристик распространения в канале связи, определенных устройством определения характеристик распространения, образованным устройством управления 24, устройство управления обеспечивает выбор конфигурации луча диаграммы направленности антенного устройства 18.

В одном из вариантов осуществления изобретения, если расстояние между приемопередатчиками 12 и 14 относительно мало, то выбирается основной луч диаграммы направленности антенны, который по своей форме приближается к ненаправленному. По мере того как расстояние между приемопередатчиками 12 и 14 увеличивается, выбирается геометрическая конфигурация основного луча с возрастающим удлинением.

Устройство управления 24 обеспечивает адаптивное изменение геометрии луча диаграммы направленности антенного устройства 18. При этом по мере изменения характеристик канала связи между приемопередатчиками конфигурация луча диаграммы направленности антенного устройства может быть изменена для обеспечения наилучшей связи между приемопередатчиками 12 и 14.

Система связи 10 является примером беспроводных систем связи различных типов, в которых передающая станция передает сигналы связи к приемной станции. Система связи 10 может представлять собой, например, сотовую систему связи, в которой приемопередатчик 12 является мобильным устройством, а приемопередатчик 14 - базовой станцией радиосвязи, связанной с телефонной сетью общего пользования обычным образом.

Во многих областях, где устанавливается сотовая система связи, сигналы, передаваемые между мобильным устройством и базовой станцией радиосвязи по одному или более радиочастотным каналам, подвергаются искажениям, обусловленным многолучевым распространением и имеющим значительные уровни. Как упомянуто выше, сигнал связи, переданный, например, мобильным устройством к базовой станции, при приеме его базовой станцией представляет в действительности сложную интерференционную картину, образованную совокупностью сигнальных составляющих многолучевого распространения, передаваемых в базовую станцию по множеству трасс распространения сигналов. Как показано на фиг. 1, помимо сигнальной составляющей, передаваемой по трассе прямого прохождения 32 по линии визирования, сигнальные составляющие также передаются по трассе с отражением, например, по трассе 24, где сигнальная составляющая переданного сигнала испытывает отражение от объекта 36. Трасса 34 включает участок приходящего сигнала и участок отраженного сигнала. Трасса 34 приведена только для примера. Канал связи, имеющий значительное количество составляющих многолучевого распространения, содержит множество трасс, подобных показанной трассе 34.

В некоторых случаях трасса прямого прохождения сигнала между мобильным устройством и базовой станцией отсутствует. Если имеются значительные уровни искажений, обусловленных трассами многолучевого распространения, то источник передаваемого сигнала, т.е. мобильное устройство, уже не представляется точечным источником. Напротив, мобильное устройство представляется для базовой станции как протяженный источник. В некоторых случаях мобильное устройство может представляться базовой станции как занимающее угловой сектор до десятка градусов. В таких случаях геометрия основного луча диаграммы направленности антенны, в данном случае антенного устройства 18 приемопередатчика 14, выбирается менее направленной по своей конфигурации, чтобы обеспечить восстановление большей части энергии передаваемого сигнала.

Радиосигнал прямого прохождения, такой как сигнальная составляющая, передаваемая по трассе 32, определяется уравнением электромагнитного поля Максвелла. Следовательно, напряженность поля сигнала снижается в соответствии со степенной функцией, представляющей первую степень расстояния, а уровень мощности снижается как вторая степень расстояния, измеренного в свободном пространстве. Дифрагированный сигнал обнаруживает аналогичные характеристики, однако напряженность поля дифрагированного сигнала дополнительно снижается, так как энергия, проходящая через "зазор", распространяется по пространству в более значительной степени, и такой зазор можно рассматривать как определяющий новый источник энергии.

И наоборот, сигнал многолучевого распространения или отраженный сигнал определяется согласно уравнению радиолокации, так как трасса многолучевого распространения состоит из двух или более сегментов трассы. В случае трассы 34, показанной для примера на фиг. 1, она образована сегментом трассы приходящего сигнала и сегментом трассы отраженного сигнала. Каждый из этих сегментов трассы оказывает влияние на мощность сигнальной составляющей, передаваемой по каналу многолучевого распространения, согласно степенной функции второй степени расстояния, умноженной на коэффициент отражения поверхности, от которой отражается сигнальная составляющая. Мощность отраженной сигнальной составляющей падает согласно четвертой степени расстояния, как это определяется уравнением радиолокации.

Поэтому уровни мощности сигнала прямого распространения и сигнала многолучевого распространения снижаются в функции расстояния в различной степени при увеличении расстояния между мобильным устройством и базовой станцией. При этом отраженные сигналы становятся все более слабыми и менее значимыми относительно составляющей прямого распространения. Таким образом, видимая протяженность мобильного устройства для базовой станции уменьшается по мере увеличения расстояния между мобильным устройством и базовой станцией.

На фиг. 2A, 2B и 2C показано распределение по угловой координате энергии сигналов, передаваемых по каналу связи передатчиком, например передатчиком 12, показанным на фиг. 1, и принимаемых приемником, например приемником 14, показанным на фиг. 1.

Распределение 38 по угловой координате, показанное на фиг. 2A, характеризует энергетический спектр сигнала, передаваемого по каналу связи, характеризуемому незначительным рассеянием вследствие многолучевого распространения. Основная часть энергии сигнала имеет энергетический спектр, подобный распределению 38. Удаленный источник сигнала, следовательно, имеет аналогичное распределение.

Распределения по угловой координате 40 и 42, показанные на фиг. 2B и 2C, характеризуют энергетические спектры сигналов, передаваемых по каналам связи, обладающим значительным рассеянием за счет многолучевого распространения. Энергия сигналов содержится в более широких угловых секторах. Близко расположенный источник сигнала проявляет, следовательно, аналогичные распределения.

Сигнал, передаваемый базовой станцией радиосвязи к мобильному устройству по каналу многолучевого распространения, обладает аналогичными характеристиками. То есть, по мере увеличения расстояния между мобильным устройством и базовой станцией сигнальные компоненты многолучевого распространения, передаваемые от базовой станции к мобильному устройству, в типовом случае становятся все более несущественными относительно сигнальной составляющей прямого распространения.

Антенное устройство базовой станции, такое как антенное устройство 18, показанное на фиг. 1, обеспечивает наилучшим образом обнаружение сигналов, передаваемых по каналу с узким угловым распределением, и наилучшим образом обеспечивает передачу сигналов к мобильному устройству, когда геометрия основного луча диаграммы направленности антенного устройства является высоконаправленной и включает удлиненный основной луч, ориентированный в направлении удаленного мобильного устройства. И наоборот, когда распределение энергии по угловой координате является протяженным, сигнальные составляющие многолучевого распространения сигналов, передаваемых между базовой станцией и мобильным устройством, образуют существенные доли передаваемого сигнала. Конфигурация антенного луча антенного устройства базовой станции, такого как антенное устройство 18, наилучшим образом обеспечивает обнаружение сигналов, передаваемых близко расположенным мобильным устройством, и наилучшим образом обеспечивает передачу сигналов к близко расположенному мобильному устройству, когда геометрия луча диаграммы направленности антенного устройства является ненаправленной, т.е. когда конфигурация основного луча характеризуется меньшим удлинением.

Как показывает предшествующее описание, конфигурация антенного луча антенного устройства 18, наилучшим образом обеспечивающая связь между приемопередатчиками 12 и 14, зависит от характеристик распространения канала связи между приемопередатчиками. Когда характеристики распространения канала связи таковы, что составляющие многолучевого распространения образуют значительные доли сигналов, передаваемых между приемопередатчиками, то диаграмма направленности антенны, обеспечивающая ненаправленный, т.е. неудлиненный главный луч, наилучшим образом обеспечивает связь между передатчиками. Когда, напротив, характеристики распространения канала связи таковы, что составляющие многолучевого распространения образуют относительно незначительные доли сигналов, передаваемых между приемопередатчиками, то диаграмма направленности антенны, обеспечивающая направленный, т.е. удлиненный главный луч, наилучшим образом обеспечивает связь между передатчиками.

Ввиду наличия корреляции между расстоянием и спадом уровней мощности сигнальных составляющих прямого распространения относительно сигнальных составляющих многолучевого распространения, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения используется определение расстояний между приемопередатчиками для определения характеристик распространения канала связи. В другом варианте осуществления настоящего изобретения распределение по угловой координате сигналов, принимаемых в приемопередатчиках, используется для определения характеристик распространения канала связи. В других вариантах осуществления для определения характеристик распространения канала связи используются уровень сигнала или показатели качества сигнала.

На фиг. 3 показан вариант осуществления, в котором антенное устройство 18 образует антенную решетку и выполнено из двух антенных элементов 62 и 64. Фазированная антенная решетка, образованная антенными элементами 62 и 64, определяет диаграмму направленности 66 антенны. Антенные элементы 62 и 64 образуют излучающие элементы и приемники обратной линии связи и совместно образуют антенну либо с переключаемым лучом, либо с управляемым лучом, что может быть осуществлено известным образом. В конфигурации с переключаемым лучом диаграмма направленности антенны выбирается с использованием, например, физической задержки, что может быть реализовано путем изменения физических длин питающих линий до антенных элементов 62 и 64.

На фиг. 4 показано антенное устройство в виде антенной решетки, соответствующее другому варианту осуществления настоящего изобретения. В данном варианте антенная решетка образована семью антенными элементами 68, 72, 74, 76, 78, 82 и 84. Антенная решетка, образованная антенными элементами 68- 84, синтезирует направленную диаграмму направленности 86 антенны, образованную главным лучом, вытянутым относительно продольной оси 88. И в данном случае антенная решетка может быть выполнена либо в виде антенны с переключаемым лучом, либо в виде антенны с управляемым лучом. Число элементов решетки может быть выбрано в соответствии с конкретными потребностями.

Например, конфигурация 66 антенного луча, показанная на фиг. 3, может быть сформирована антенной решеткой, представленной на фиг. 4, если только два из антенных элементов 68-84 выбраны для формирования активных элементов решетки. То есть амплитуды сигналов, прикладываемых к остальным антенным элементам, равны нулю. Фиг. 3 и 4 приведены только в качестве примеров множества различных средств, с помощью которых можно адаптивно изменять геометрию луча диаграммы направленности антенны.

Конфигурация антенного луча может также изменяться путем введения фазовых сдвигов в сигнал, подаваемый на различные антенные элементы.

На фиг. 5 представлена антенная решетка, показанная на фиг. 4 и образованная антенными элементами 68, 72, 74, 76, 78, 82 и 84. В данном случае антенные элементы расположены со смещением один относительно другого от исходной линии расположения для иллюстрации фазовых задержек, вводимых для синтезирования плоского волнового фронта под углом к широкой стороне антенной решетки. Величины фазовых сдвигов сигнала, подаваемого на элементы 68-84, обозначены линейными сегментами 68-1, 72-1, 74-1, 76-1, 78-1, 82-1, 84-1 соответственно. Как показано на чертеже, фазовые сдвиги сигнала, прикладываемого к верхним трем антенным элементам, 68-74 положительны, в то время как фазовые сдвиги сигнала, прикладываемого к нижним трем антенным элементам 78, 82 и 84, отрицательны. Диаграмма направленности антенны, образованная решеткой антенных элементов 68-84, вновь определяет удлиненный луч.

На фиг. 6 показана сотовая система связи 110, в которой может быть использовано настоящее изобретение. Сотовая система связи 110 содержит множество ячеек 112, определенных на географической территории. Каждая из ячеек 112 определяется базовой станцией радиосвязи 114. Базовые станции 114 в целях иллюстрации показаны как расположенные с одинаковым разнесением на всей территориальной области, занимаемой системой 110.

Базовые станции 114 связаны посредством линий 116 с центром коммутации 118 мобильных устройств (ЦКМУ). Центр коммутации 118 связан с телефонной сетью общего пользования (ТСОП) 119 с помощью линий 121.

Обеспечивается телефонная связь между абонентом, размещенным в вызывающей станции, и выбранным мобильным устройством 122, расположенным в любом месте в пределах географической области, перекрываемой сотовой системой связи 110. Вызов выбранного мобильного устройства 122 маршрутизируется к базовой станции 114 системы 110 обычным способом.

Как только вызов маршрутизирован к соответствующей одной из базовых станций 114, базовая станция формирует модулированные сигналы, которые передаются к выбранному мобильному устройству 122. После того как мобильное устройство 122 ответит на модулированные сигналы, переданные к нему, осуществляется телефонная связь между вызывающей станцией и вызываемым мобильным устройством.

На фиг. 7 показана базовая станция 114 радиосвязи, выполненная согласно возможному варианту осуществления изобретения. Если базовые станции 114 размещены, как показано для примера на фиг.7, базовые станции 114 вместе образуют сотовую систему связи.

Антенная решетка, состоящая из антенных элементов 128, связана с базовой станцией 114 через диаграммообразующую схему 130. Антенная решетка принимает радиочастотные сигналы электромагнитной волны, переданные мобильным устройством по одному или нескольким радиочастотным каналам связи. Антенная решетка выполнена, например как антенна с переключаемым лучом или с управляемым лучом, как описано выше со ссылками на фиг. 3-4 и 5-6 соответственно. Диаграммообразующая схема 130 определяет характеристики антенной решетки, формируемой антенными элементами 128. Диаграммообразующая схема 130 может быть выполнена, например, в виде матрицы Батлера или Бласса. Каждый выход матрицы соответствует лучу, коммутируемому обычным путем в заданном направлении луча. Сигналы, принимаемые антенными элементами 128, преобразуются в электрические сигналы в линиях 131, которые связаны с диаграммобразующей схемой 130, связанной, в свою очередь, с понижающим преобразователем 134.

Понижающий преобразователь 134 преобразует обычным образом с понижением частоты сигналы, поступающие на него, и формирует преобразованные сигналы в линии 136. Линия 136 связана с демодулятором 138. Демодулятор 138 обычным образом демодулирует сигналы, поступающие на него, и формирует демодулированный сигнал в линии 142, который подается на корректор 144.

Корректор 144 обеспечивает коррекцию сигнала, подаваемого на него, и формирует скорректированный сигнал в линии 145, подаваемый на обнаружитель ошибок по битам 148.

Обнаружитель ошибок по битам 148 также получает демодулированный сигнал, сформированный демодулятором в линии 142. Обнаружитель ошибок по битам 148 обнаруживает ошибки в битах в принимаемом сигнале путем сравнения входного и выходного сигналов корректора 144. Сигналы, характеризующие число ошибок в битах, обнаруженных обнаружителем ошибок по битам 148, формируются в линии 152.

Линия 146, в которую выдается скорректированный сигнал, сформированный корректором 144, также связана с декодером 154. Декодер 154 декодирует полученный сигнал и формирует в линии 156 декодированный сигнал, который подается, например, в ТСОП.

Устройство управления 162 связано с линией 152 и с линией 146 для получения как указаний ошибок по битам, обнаруженных обнаружителем ошибок по битам 148, так и скорректированного сигнала, сформированного корректором 144. Устройство управления также связано с линией 142 для приема сигнала, формируемого демодулятором в линии 142.

Устройство управления обеспечивает, по меньшей мере, определение характеристик распространения канала связи, по которому передаются сигналы к базовой станции.

В одной сотовой системе связи, например, сигнал обратной линии связи, формируемый мобильным устройством, синхронизируется с ранее переданным сигналом прямой линии связи. Например, в сотовой системе связи GSM сигнал упреждения синхронизации (ТА), передаваемый в процессе работы системы GSM, может быть использован для определения расстояния между мобильным устройством и базовой станцией. Задержка, обусловленная скоростью распространения сигнала обратной или прямой линии связи, передаваемого между мобильным устройством и базовой станцией, используется для получения индикации расстояния между мобильным устройством и базовой станцией. В соответствии с полученным расстоянием может быть выбрана диаграмма направленности антенны, формируемая антенными элементами 128.

Диаграмма направленности антенны, формируемая антенными элементами 128, может быть выбрана также в зависимости от уровня энергии сигнала обратной линии связи, принимаемого в базовой станции, показывающего степень распределения принимаемого сигнала по угловой координате. Уровень сигнала изменяется в функции расстояния и характеристик распространения радиочастотного канала. Если уровень мощности, с которым мобильное устройство передает сигнал обратной линии связи, известен, то уровень сигнала, принимаемого в базовой станции, может интерпретироваться как мера характеристик распространения радиочастотного канала связи, по которому передается сигнал. Мощный сигнал или сигнал, испытывающий незначительное расширение по угловой координате, указывает на хорошие условия для распространения сигнальной составляющей прямого прохождения, для которой предпочтительной является диаграмма направленности антенны, характеризуемая существенной направленностью. Более низкие уровни сигнала или большие уровни дисперсии энергии указывают на то, что предпочтительнее использовать более широкую диаграмму направленности антенны. Уровень принимаемого сигнала может также определяться устройством управления 162, причем в этом случае устройство управления 162 выполняет функцию блока определения уровня принимаемого сигнала.

Диаграмма направленности антенны, формируемая антенными элементами 128, может быть также сделана зависящей от искажений, обнаруживаемых в сигнале, принимаемом базовой станцией, и измеряемых корректором 144 канала. Аналогичным образом, конфигурация диаграммы направленности антенны может быть сделана зависящей от числа ошибок в битах, обнаруживаемых обнаружителем ошибок по битам 148.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения диаграмма направленности, формируемая антенными элементами 128, может быть сделана зависящей от комбинации расстояния между мобильным устройством и базовой станцией, дисперсии энергии принимаемого сигнала по угловой координате, уровня принимаемого сигнала и/или числа ошибок в битах, указывающего на качество декодированного сигнала.

Устройство управления 162 формирует сигналы в линии 166, которые подаются на диаграммообразующую схему 130. Диаграммообразующая схема 130 выполнена в виде единого элемента или в виде распределенного элемента в каждом из антенных элементов 128. Устройство 130 включает или выключает выбранные антенные элементы 128 или изменяет фазы и/или амплитуды сигналов, подаваемых на антенные элементы 128, тем самым обеспечивая получение желательных характеристик диаграммы направленности антенны.

Базовая станция также содержит передающую схему для передачи сигналов прямой линии связи к мобильному устройству, в частности, как показано на чертеже, содержит повышающий преобразователь 168 для преобразования с повышением частоты подаваемых на него сигналов, например сигналов из ТСОП, и модулятор 172 для модуляции преобразованных с повышением частоты сигналов. Сигналы, модулированные модулятором 172, подаются на антенну, образованную антенными элементами 128, для обеспечения передачи модулированных сигналов к удаленному мобильному устройству.

Хотя сигналы обратной линии связи не обязательно должны передаваться по тому же самому радиочастотному каналу, однако выбор диаграммы направленности антенны при передаче базовой станцией сигнала прямой линии связи к мобильному устройству может осуществляться согласно методу, описанному выше. В общем случае, если антенна, выбранная при приеме сигнала обратной линии связи, является узконаправленной, то диаграмма направленности антенны, обеспечивающая наилучшую передачу сигнала прямой линии связи, в типовом случае будет также узконаправленной. И наоборот, диаграмма направленности антенны, выбранная для приема сигнала обратной линии связи со значительной дисперсией по угловой координате, т.е. сигнала обратной линии связи, для которого очевидны значительные уровни искажений, связанных с многолучевым распространением, не обеспечивает индикацию точного направления узконаправленной диаграммы направленности антенны для передачи после этого сигнала прямой линии связи к мобильному устройству.

Поскольку конфигурация антенного луча адаптивно изменяется в соответствии с измерениями характеристик распространения канала связи между мобильным устройством и базовой станцией, конфигурацию антенного луча можно изменять во время последовательных временных интервалов (слотов) одного кадра в системе множественного доступа с временным разделением каналов (МДВР) для обеспечения наилучшей конфигурации диаграммы направленности антенны для передачи и приема сигналов, передаваемых при последовательных процедурах информационного обмена с множеством мобильных устройств.

В более общем аспекте, возможный вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает возможность адаптивного изменения диаграммы направленности антенны для повышения эффективности антенных систем с фазированными решетками и иных антенных систем. Необходимость принятия компромиссного решения, заключающегося в выборе ненаправленной диаграммы направленности антенны или высоконаправленной диаграммы направленности антенны, может быть теперь исключена, поскольку появилась возможность адаптивного изменения диаграммы направленности антенны. В варианте, согласно которому базовая станция сотовой системы связи содержит устройство для адаптивного изменения геометрии диаграммы направленности антенны, связь с выбранным мобильным устройством оптимизируется в отношении влияния шумов и источников помех на сигнал, принимаемый базовой станцией, при снижении помех другим элементам сети, обусловленных сигналами, передаваемыми данной базовой станцией.

Представленные варианты осуществления настоящего изобретения описаны в достаточной степени детально. Данное описание предпочтительных вариантов приведено для обеспечения возможности реализации изобретения, при этом объем изобретения ограничивается не вариантами, представленными в описании, а пунктами формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Устройство для передачи сигналов связи по каналу радиосвязи между первой станцией связи и второй станцией связи в системе связи, содержащей, по меньшей мере, одну первую станцию связи, с которой связано упомянутое устройство, и, по меньшей мере, одну вторую станцию связи, отличающееся тем, что содержит блок определения характеристики распространения для определения характеристик распространения канала радиосвязи, по которому передаются сигналы связи между первой станцией связи и второй станцией связи, и антенное устройство, подсоединенное для приема указаний характеристик распространения, определенных упомянутым блоком определения характеристики распространения, причем антенное устройство обеспечивает формирование диаграммы направленности антенны, которая, по меньшей мере, поочередно имеет, по меньшей мере, первую конфигурацию антенного луча и вторую конфигурацию антенного луча, при этом выбор диаграммы направленности, обеспечиваемой указанным антенным устройством, определяется упомянутым блоком определения характеристики распространения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок определения характеристики распространения определяет задержки распространения сигналов связи, передаваемых по каналу радиосвязи между первой и второй станциями связи соответственно.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сигнал связи, передаваемый второй станцией связи к первой станции связи, определяет сигнал обратной линии связи, а сигнал связи, передаваемый первой станцией связи к второй станции связи, определяет сигнал прямой линии связи, при этом задержки распространения, определяемые блоком определения характеристики распространения, определяются путем определения индикации интервала времени между передачей выбранного сигнала прямой линии связи первой станцией связи и приемом в первой станции связи выбранного сигнала обратной линии связи, переданного в ответ на первый сигнал связи.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок определения характеристики распространения определяет значение, характеризующее распределение по угловой координате энергии сигналов связи, передаваемых по каналу радиосвязи между первой и второй станциями связи соответственно.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что сигнал связи, передаваемый второй станцией связи к первой станции связи, определяет сигнал обратной линии связи, при этом значение, определяемое блоком определения характеристик распространения, характеризует распределение по угловой координате энергии сигнала обратной линии связи.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок определения характеристики распространения определяет значение, характеризующее качество сигналов связи, передаваемых по каналу радиосвязи между первой и второй станциями связи соответственно.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что сигнал связи, передаваемый второй станцией связи к первой станции связи, определяет сигнал обратной линии связи, при этом значение, определяемое блоком определения характеристики распространения, характеризует качество сигнала обратной линии связи.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок определения характеристики распространения определяет значение, характеризующее уровень сигналов связи, передаваемых по каналу радиосвязи между первой и второй станциями связи соответственно.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что сигнал связи, передаваемый второй станцией связи к первой станции связи, определяет сигнал обратной линии связи, при этом значение, определяемое блоком определения характеристики распространения, характеризует уровень сигнала обратной линии связи.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что характеристика упомянутой антенны представляет собой конфигурацию луча диаграммы направленности упомянутой антенны.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что конфигурация луча антенного устройства является адаптивно выбираемой в соответствии с характеристиками распространения.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаграмма направленности упомянутого антенного устройства включает множество конфигураций лучей, каждая конфигурация луча определяет основной луч диаграммы направленности антенны, при этом конфигурация основного луча является адаптивно выбираемой в соответствии с характеристиками распространения, определенными упомянутым блоком определения характеристики распространения.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что конфигурация основного луча является адаптивно выбираемой для формирования, по меньшей мере, либо удлиненного основного луча, либо неудлиненного основного луча.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что конфигурация основного луча является адаптивно выбираемой для формирования выбранного основного луча, форма которого соответствует удлиненному основному лучу или неудлиненному основному лучу.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая станция связи образует базовую станцию радиосвязи, вторая станция связи образует приемопередатчик, имеющий возможность изменения местоположения, а упомянутый блок определения характеристики распространения связан с базовой станцией радиосвязи в качестве ее составной части.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что упомянутое антенное устройство связано с базовой станцией радиосвязи.

17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутое антенное устройство содержит антенную решетку, состоящую из множества антенных элементов, причем множество антенных элементов имеют характеристики элементов, которые совместно определяют диаграмму направленности антенного устройства.

18. Устройство по п.16, отличающееся тем, что диаграмма направленности антенной решетки образована суперпозицией полей каждого антенного элемента антенной решетки.

19. Устройство по п.17, отличающееся тем, что диаграмма направленности антенной решетки адаптивно изменяется путем адаптивного изменения количества антенных элементов, образующих антенную решетку.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что диаграмма направленности антенной решетки адаптивно изменяется путем изменения фаз сигналов, подаваемых на выбранные антенные элементы антенной решетки.

21. Устройство по п.19, отличающееся тем, что диаграмма направленности антенной решетки адаптивно изменяется путем изменения амплитуд сигналов, подаваемых на выбранные антенные элементы антенной решетки.

22. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канал радиосвязи содержит обратную линию связи и прямую линию связи, причем блок определения характеристик определяет характеристики распространения обратной линии связи.

23. Способ осуществления связи в системе радиосвязи, содержащей первую станцию связи и, по меньшей мере, одну вторую станцию связи и канал радиосвязи, по которому передаются сигналы радиосвязи между первой и второй станциями связи, причем способ включает, по меньшей мере, прием сигналов связи, формируемых второй станцией связи, отличающийся тем, что определяют характеристики распространения сигнала связи, передаваемого между первой станцией связи и второй станцией связи по каналу радиосвязи, и адаптивно выбирают диаграмму направленности антенного устройства в соответствии с определенными характеристиками распространения, причем в качестве диаграммы направленности антенны выбирают, по меньшей мере, поочередно первую конфигурацию антенного луча или вторую конфигурацию антенного луча.

24. Базовая станция радиосвязи для передачи сигналов прямой линии связи, по меньшей мере, к одному абонентскому устройству и приема сигналов обратной линии связи от упомянутого абонентского устройства, отличающаяся тем, что содержит приемопередатчик для формирования сигналов прямой линии связи и обработки сигналов обратной линии связи, блок определения характеристики распространения, реагирующий на выбранные сигналы обратной линии связи, обработанные приемопередатчиком, причем упомянутый блок определения характеристики распространения предназначен для определения значения, представляющего характеристики распространения канала радиосвязи, по которому передаются сигналы связи между абонентским устройством и упомянутым приемопередатчиком, и антенное устройство связанное с упомянутым приемопередатчиком, причем антенное устройство имеет диаграмму направленности антенны, которая, по меньшей мере, поочередно имеет, по меньшей мере, первую конфигурацию антенного луча и вторую конфигурацию антенного луча, при этом выбор диаграммы направленности указанного антенного устройства осуществляется в соответствии со значением, определенным упомянутым блоком определения характеристики распространения.

РИСУНКИ

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