蜂窝CDMA系统的扇区化 【发明领域】
本发明涉及蜂窝扇区化的CDMA系统以及所述蜂窝扇区化CDMA系统中的方法。更具体地，本发明涉及一种蜂窝CDMA系统以及所述系统中的方法，其中每个服务小区由多个天线扇区所覆盖而且每个服务小区使用多个不同的导频信道。
【发明背景】
在CDMA系统中，所有用户通过同时使用相同频带来发射信号。系统中主站和从站之间的每条连接使用信道通信，这些信道是通过独立的扩频码来定义的。主站可以是基站，从站可以是移动站。某些信息必须到达服务小区中地所有移动站。在根据IS-95标准的CDMA系统中，特殊的控制信道--导频信道--被服务小区内的所有移动站侦听。导频信道具有特殊的扩频码而且使用与业务信道相同的频带。系统中的每个服务小区发射导频信道，所有服务小区中的导频信道使用带有不同的扩频码相位偏移的相同的码，从而使它们能够被区分。
导频信道用于赋予移动站初始的系统同步。同步之后，导频信道被移动站用于在解调来自本基站的其它信号时作为相干载波相位参考。在移动站进行的功率测量中也使用它，表明越区切换的需要。接收信号的相干解调由移动站在下行链路中执行。这通过用基站发射的导频信道去估计信道特性而完成。信道估计则被认为对应于服务小区业务信道的信道特性。因此业务信道和导频信道具有相同的信道特性是基本要素。
为了增加容量并减少CDMA系统中的干扰，每个服务小区可以被扇区化。这样，每个服务小区被多个方向性天线波束所覆盖。一个天线波束覆盖的区域此后称为一个天线扇区。扇区化可以通过使用产生多个固定或非固定天线波束的天线阵列或扇区天线来实现。
一个服务小区中的天线扇区具有重叠区。移动站使用一个或多个窄天线波束--即天线扇区--与基站通信。系统中的干扰因此得以减少，因为每个移动站只在一部分服务小区中发生干扰。
另一方面，大量天线扇区导致天线扇区之间的越区切换(所谓更软越区切换)次数的增加。在更软的越区切换情况下，移动站同时连接到它将离开的天线扇区以及它未来将使用的天线扇区。大量的更软的越区切换则导致容量的减少，因为当进行更软越区切换时两个天线扇区是同时使用的。
业务信道可以在窄天线扇区中发射。导频信道应该最好在与业务信道相同的天线扇区中发射，以便对移动站中接收的信号进行相干解调。但是不可能在重叠的天线扇区中发射相同的导频信道，因为导频信道和业务信道的信道特性在重叠区域会显著地不同。这样会降低移动站中相干解调的性能。
根据IS95标准，服务小区的扇区化是可能的。所有天线扇区使用不同的导频信道，即用于导频信道的PN序列的相位偏移不同。如果系统是高度扇区化的而且不同的导频信道用于所有的天线扇区中，每个服务小区中所需的导频信道数会增加。由于所有导频信道使用相同的码和不同的偏移，那么不同导频信道数是有限的。
每个天线扇区使用自己的导频信道的高度扇区化CDMA系统的缺点在于：导频信道不得不在无线通信系统的不同服务小区中更频繁地复用。降低复用距离则会影响信道估计。
在公开出版的专利申请WO 96/37969中，描述了一种在CDMA系统中发射导频信道的方法。基站使用时变辐射图样向移动站发射导频信道，即，使用随时间改变方向的相当窄的天线波束。变化的天线波束是受控的，从而可使它到达服务小区的所有部分。导频信道也可以同时在多个方向彼此不重叠的变化天线波束中发射。基站通知每一个移动站：导频信道何时处于服务小区的各个部分。
这种方法的缺点是导频信道不会连续在整个服务小区覆盖区中发射。移动站必须得到导频信道何时在不同区域中发射的通知，这导致信令的增加。另一个缺点是该方法不可能在IS95系统中实现。
在公开发表的专利申请WO 96/37969中，描述了在CDMA系统中发射导频信道的另一种方法。包含不同信息在内的两个不同导频信道被发射。第一导频信道用预定的辐射图样(例如全向辐射图样)发射，它决定了服务小区的覆盖。或者第一导频信道在随时间改变方向的窄天线瓣中发射，从而使其能够扫过整个服务小区。第二导频信道以与业务信道相同的方式在面向一个移动站的窄天线瓣中发射。第一导频信道用于检测两个基站之间越区切换的需要。第二导频信道在与业务信号相同的天线瓣中发射，因此可以用在移动站中作为信号相干检测的相位参考。
这种方法的缺点是要使用了两个不同的导频信道检测越区切换的需求以及移动站中的相干检测。这意味着该方法不可能在遵循IS95标准以及其它使用单个导频信道的标准的系统中实现。
发明概要
本发明处理如何对CDMA系统中服务小区进行扇区化的问题，使导频信道能够既用于估计业务信道的信道特性又用于决定何时进行越区切换，同时不需要在每个天线扇区中使用不同的导频信道。
另一个问题是，如何与一个以上天线扇区内的移动站通信而不必进行多次更软越区切换的问题。
本发明的一个目的是使用扇区化蜂窝CDMA系统中的导频信道来估计业务信道的信道特性并决定何时进行越区切换，同时不需要在每个天线扇区中使用多个导频信道。
发明是通过在具有公共重叠区的天线扇区中使用不同导频信道、但是在一个以上天线扇区中使用至少一个所述导频信道来解决这些问题的。因此，一个服务小区中的不同导频信道数少于服务小区中的天线扇区数。主站和从站之间的通信在一个或多个天线扇区内完成。
更具体地，通过对扇区化服务小区分配至少两个不同的导频信道来解决这些问题。不同导频信道则在具有公共重叠区的天线扇区中发射。至少一个导频信道用于实际上没有公共重叠区的至少两个天线扇区中。具有相同导频信道的各天线扇区构成一个逻辑扇区。
在服务小区中至少一个激活的逻辑扇区内，从站或移动站在上行链路和下行链路上与主站或基站通信。确定逻辑扇区激活与否将取决于所测量的上行链路及下行链路信号质量参数。
在上行链路通信中，来自移动站的信号从每个激活逻辑扇区的天线扇区中被接收。对每个接收信号测量信号质量参数，并为通信选择每个激活逻辑扇区内的至少一个天线扇区。如果选择了每个逻辑扇区内一个以上的天线扇区，来自这些所选天线扇区的信号就被组合起来。
如果一个以上的逻辑扇区是激活的，来自每个激活逻辑扇区的组合信号是更软越区切换组合的。所产生的信号被解码。
在下行链路通信中，产生一个信号。如果一个以上逻辑扇区是激活的，所产生的信号是更软越区切换地分配给每个激活逻辑扇区的。每个激活逻辑扇区内的至少一个天线扇区根据在上行链路中测量的信号质量参数而被选择用于通信。信号在每个激活逻辑扇区的所选天线扇区中同时发射。
本发明的优点是不使用与天线扇区数同样多的不同导频信道也能将服务小区扇区化。
另一个优点是移动站可以在属于相同逻辑扇区的一个以上天线扇区内与基站通信而不需要更软越区切换的信令。因此，CDMA系统中的服务小区可以被扇区化，并且不增加更软越区切换带来的基站复杂性。
附图的简要描述
图1根据表明要解决的问题的一个例子来说明一个服务小区被分成使用相同导频信道的八个天线扇区。
图2说明根据现有技术在每个天线扇区中使用不同导频信道将服务小区分成八个天线扇区。
图3说明根据本发明使用两个不同导频信道将服务小区分成八个天线扇区。
在图4中表示了根据有关服务小区上行链路情况的本发明实施例的上行链路装置。
在图5中，表示了根据有关服务小区下行链路情况的本发明实施例的下行链路装置。
在图6中，是本发明在上行链路中通信方法的实施例的流程图。
在图7中，是本发明在下行链路中通信方法的实施例的流程图。
揭示的简要描述
在图1中，表示了具有重叠区域的扇区化服务小区。服务小区包括基站BS，后者包括用于产生八个固定天线瓣(其中每个覆盖一个天线扇区AS1-AS8)的天线装置。相邻天线扇区具有重叠区域R。图1中所示的系统是说明本发明所解决的问题的例子。相同的导频信道P在所有天线扇区的下行链路中发射。如果导频信道将只用于越区切换指示，那么这会是希望实现扇区化系统的一种自然方式。
但是基于导频信道测量的重叠区中的信道特性会与那个扇区中发射的业务信道的信道特性显著地不同。因为波瓣重叠，导频信道上发射的信号会在重叠区中叠加，导致其天线图样与业务信道的天线图样不同。当使用导频信道上的信道估计进行下行链路的相干检测时，信能损失会很严重。因此不可能在具有重叠区的天线扇区中发射相同的导频信道。
在图2中，表示了根据现有技术的扇区化服务小区。服务小区包括基站BS，后者包括用于产生八个固定天线瓣(其中每个覆盖一个天线扇区AS1-AS8)的天线装置。相邻天线扇区具有重叠区域。每个天线扇区具有自己的导频信道P1-P8。这意味着扇区被分配了八个不同的导频信道。没有一个具有重叠区的扇区使用相同的导频信道，这意味着信道估计在服务小区中是正确的。但是，服务小区内的导频信道数与天线扇区数相同。因此高度扇区化的服务小区使用很多的不同导频信道。具有相同导频信道的两个服务小区之间的复用距离则缩短了，导致这种系统中的干扰增加。
根据本发明，蜂窝CDMA系统中的每个服务小区被分成至少四个天线扇区。每个服务小区包括一个基站和多个移动站。基站包括天线装置，例如天线阵列或扇区天线，它们产生各覆盖服务小区一个天线扇区的固定窄天线波束。系统中的每个基站被分配了多个(至少两个)导频信道。
具有公共重叠区的两个天线扇区不允许使用相同的导频信道。至少一个导频信道在一个服务小区内的一个或多个天线扇区中复用。导频信道则可以从与业务信道相同的天线装置中发射，因此具有相同的天线图样和相同的信道特性。因此可以在移动站中进行正确的相干检测。使用相同导频信道的天线扇区的联合被称为一个逻辑扇区。
在图3中，表示了根据本发明一个实施例使用两个不同导频信道P1和P2的扇区化服务小区CELL。在本例中，服务小区被扇区化成八个天线扇区AS1-AS8。两个相邻天线扇区具有重叠区域。在本例中，可以在服务小区中只使用两个不同的导频信道，因此在四个非重叠天线扇区中使用各个导频信道。第一导频信道P1和第二导频信道P2因此被分配到服务小区CELL中。
因此相邻天线扇区使用不同导频信道。导频信道P1和P2可以用于一个以上的天线扇区中，而且在本例中每个间隔的天线扇区使用相同的导频信道。第一导频信道P1被用于天线扇区AS1、AS3、AS5、AS7中，第二导频信道被用于天线扇区AS2、AS4、AS6、AS8中。因此在本例中服务小区包括两个逻辑扇区LS1、LS2。
在本发明的一个实施例中，移动站可以只使用一个天线扇区与基站通信。这个实施例保证无线通信系统下行链路中的干扰保持很低，因为与一个移动站的无线通信只在服务小区的一个窄天线扇区中进行。可以在一个天线扇区内进行分集组合，但是不同天线扇区内信号的分集组合不能在这种实施例中进行。
在本发明的另一个实施例中，移动站可以使用一个以上的天线扇区与基站通信。如果从移动站发射的信号被反射或散射，包括从不同天线扇区到达的那些在内的几个多径信号就被基站所检测。在这样的实施例中，从不同天线扇区到达的、来自一个移动站的多径信号可以在基站中分集组合。用同样方式，基站可以同时在一个以上天线扇区中发射相同信号，而且由于(例如)散射，信号可以被一个移动站接收并分集组合。
信号质量测量目前可由移动站在下行链路的导频信道上进行。信号质量测量例如可以是信号强度及/或干扰测量。基于这些测量，可以将一个或多个逻辑扇区选为激活的。于是激活逻辑扇区内的天线扇区则应该用于与特定移动站的通信。如果只有一个逻辑扇区被选为激活，则来自这个逻辑扇区内几个天线扇区的信号可以被组合，而不必进行更软越区切换组合。在这种情况下，移动站将不会注意到它与一个以上天线扇区通信。移动站和基站之间就会比更软越区切换情况需要较少的信令。
在图4中，表示了根据本发明接收一个扇区化服务小区内上行链路信号的上行链路装置的一个实施例。在本实施例中，上行链路装置被认为已包括在服务小区的基站中。但是所述上行链路装置的一些部件可以被包括在(例如)基站控制器中也是很好理解的。服务小区被认为用与图3所示相同的方式实行扇区化，其中将八个天线扇区构成两个逻辑扇区。一个移动站被认为处于服务小区内并正与基站通信。本上行链路装置包括用于每个逻辑扇区的上行链路通信单元301a、301b。该装置还包括控制单元302，它用于决定哪个逻辑扇区将是激活的。在本例中，认为两个逻辑扇区都是激活的。
每个上行链路通信单元包括四个接收机R1、R3、R5、R7以及R2、R4、R6、R8，其每一个连接到为每个接收机产生一个天线瓣的天线装置。每个天线瓣覆盖一个天线扇区。天线装置可以是(例如)天线阵列或扇区天线。接收机R1、R3、R5、R7的天线扇区覆盖第一逻辑扇区，其余接收机R2、R4、R6、R8的天线扇区覆盖第二逻辑扇区。接收机根据图3中的号码来进行编号。
每个接收机R1-R8侦听移动站的通信信道并接收那条信道上的信号。上行链路装置还包括每个接收机的一个信号处理单元S1-S8。例如，这些单元包括用于将每个接收信号下变频到基带的装置、用于估计每个信号时延的装置、用于对信号解扩的装置、以及用于估计每个信号的SNIR值(信号对噪声及干扰的比值)的装置。
估计的SNIR值被传递到判决单元303a、303b。判决单元根据估计的SNIR值确定哪个天线扇区或那些天线扇区将被认为是激活的。判决单元向从所选天线扇区中选择信号的选择单元304a、304b给出它的判决。如果选择了一个以上的信号，就在组合单元C1、C2中对所选信号进行组合。
如果系统可以在上行链路信号上进行信道估计和信道补偿，那么上行链路信号的相干组合就是可能的。
在本实施例中，两个逻辑扇区是激活的。上行链路通信单元301a、301b中每一个的输出是组合的信号。上行链路装置还包括更软越区切换组合器单元305。当一个以上逻辑扇区激活时，这个单元被控制单元302激活。更软越区切换组合单元305根据更软越区切换组合的已知方法来将来自不同逻辑扇区的信号组合起来。例如，信号的更软越区切换组合可以只对具有可接受信号强度的信号而进行。更软越区切换组合单元305则可以检查信号的信号强度。
如果只有一个逻辑扇区被确定是激活的，那么就不必执行更软越区切换。一个逻辑扇区内一个以上的天线扇区则可用于与移动站的通信，而不必执行更软越区切换。那么就没有任何更软越区切换信令必须与移动站交换。上行链路装置还包括用于对所得的组合信号解码的解码单元306。
在图5中，表示了根据本发明在一个服务小区内发射下行链路信号的下行链路装置的一个实施例。该服务小区配置被认为与图3所示的类似。
下行链路装置包括信号发生器401、用于将信号分配到不同的激活逻辑扇区的更软越区切换分配单元402、以及用于控制更软越区切换分配单元的控制单元302。该控制单元被认为是与图4所示相同的控制单元。下行链路单元还包括每个逻辑扇区中的一个下行链路通信单元403a、403b，在本情况中是两个下行链路通信单元。
每个下行链路通信单元包括四个发射机T1、T3、T5、T7以及T2、T4、T6、T8，其中的每一个连接到用于为每个发射机产生一个天线瓣的天线装置。每个天线瓣覆盖一个天线扇区。发射机根据图3的号码进行编号。
信号发生器401产生一个将被发射到移动站的信号。控制单元302用与图4结合起来描述的相同方式决定哪些逻辑扇区是激活的。在本例中假设两个逻辑扇区都是激活的。
控制单元302还控制更软越区切换分配单元以便它将产生的信号分配到每个激活逻辑扇区的下行链路通信单元403a和403b。在本例中更软越区切换分配单元402将信号分配到下行链路通信单元403a和403b。
每个下行链路通信单元403a和403b都包括判决单元303a和303b，在本实施例中则是与图4所示相同的物理判决单元。每个判决单元303a、303b决定哪个逻辑扇区或哪些逻辑扇区将用于下行链路通信。根据例如结合图4提出的不同原则，该判决基于估计的上行链路SNIR值。
但是下行链路中的情况相比上行链路有些不同。在上行链路通信中，最好是组合最佳的信号，即具有最高瞬时SNIR值的信号。而在下行链路中，将该判决建立在一段时间上的几个估计SNIR值的基础之上则更可靠一些。判决单元303a、303b则存储一段时间上的SNIR值。
判决单元303a、303b控制用于将信号分配到一个或多个发射机T1-T8的分配单元404a、404b。每个发射机T1-T8例如包括用于将信号从基带上变频到射频频段的上变频器以及功率放大器。信号则从覆盖所选天线扇区的发射机T1-T8发射。
在图6中，表示了在上行链路通信的发明方法实施例的流程图。正如前面所提到的，基站根据下行链路导频信道上进行的信号质量测量来选择一个或一组激活的逻辑扇区。
当移动站在业务信道上发射信息时，在激活逻辑扇区中的所有天线装置将侦听这条信道并接收(501)每个天线扇区的信号。RAKE组合可以被用来组合一个天线扇区内该信道上的几个信号。为每个接收信号估计(502)SNIR值。信号根据已知方法被进一步处理。对每个接收信号进行时延估计和解扩。信道估计和信道补偿也可以在系统中可以进行这种操作的地方进行。
每个激活逻辑扇区内的多个N天线扇区被选择(503)用于与移动站的上行链路通信。在本实施例中以如下方式之一基于估计的SNIR值来进行选择。
根据本发明第一实施例，其基站可以用于与特定移动站通信的天线扇区数N可以是固定的。在这种实施例中，对属于相同逻辑扇区的一个逻辑扇区内的N个天线扇区，选择其中SNIR值最高的用于通信。从这些天线扇区接收的信号将被组合。
根据本发明的第二实施例，选择SNIR值超过预定门限值的、属于相同逻辑扇区的天线扇区来用于通信。从这些天线扇区接收的信号将被组合。
根据本发明的第三实施例，其SNIR值按固定的百分比P超过最大估计SNIR百分比P的激活逻辑扇区内的天线扇区将被选择用于通信。从这些天线扇区接收的信号将被组合。
在所选天线扇区中接收的信号被组合(504)。如果已经进行信道估计和信道组合，信号就可以相干地组合。如果一个以上逻辑扇区是激活的(505中的Y)，则每个逻辑扇区内组合之后所得的信号可根据已知方法被更软越区切换组合(506)。
此后所得的信号被解码(507)并根据已知方法进一步处理。如果只有一个逻辑扇区是激活的(505中的N)，这个逻辑扇区内组合之后所得的信号被解码(507)并根据已知方法进一步处理。
导频信道上的信号质量测量被连续进行，而且关于逻辑扇区激活与否的判决则可以在呼叫过程中改变。
在图7中，表示了在一个服务小区内下行链路中通信的本发明方法的一个实施例的流程图。假设已经确定了哪个逻辑扇区或哪些逻辑扇区是激活的。
首先产生(601)信号。如果一个以上逻辑扇区是激活的(602中的Y)，就根据已知方法进行信号至各个激活逻辑扇区的更软越区切换分配(603)。一个以上的天线扇区被选择(604)用于在下行链路上与移动站通信。该选择是基于根据结合图6中步骤502的描述对所接收上行链路信号估计的SNIR值而进行的。
选择可以基于根据结合图6描述的一些替代方法的SNIR值来进行。在下行链路中考虑一段时间内的SNIR值更为可靠，从而使得能够在移动站已经在一段时间内接收了满意质量信号的天线扇区中发射信号。
信号将进一步地被处理，其中包括根据已知方法上变频到RF频段以及功率放大。被处理的信号在每个所选的天线扇区中发射(605)。
本发明使得在使用导频信道进行越区切换测量并在下行链路中对信号进行相干解调而不在每个天线扇区中使用不同导频信道的CDMA系统中的服务小区的扇区化成为可能。在此，导频信道数低于服务小区内的天线扇区数。
来自一个以上天线扇区的信号可以被组合，而且如果只组合了来自一个逻辑扇区的信号，则不必进行更软越区切换。
根据发明的CDMA系统已经在优选实施例中描述为包括有基站和移动站。更一般地，基站可以被认为是主站，移动站可以被认为是从站。