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CN102571166A - 使用智能天线建立回程网络的方法和系统及无线通信节点 - Google Patents

使用智能天线建立回程网络的方法和系统及无线通信节点 Download PDF

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CN102571166A CN2011104129516A CN201110412951A CN102571166A CN 102571166 A CN102571166 A CN 102571166A CN 2011104129516 A CN2011104129516 A CN 2011104129516A CN 201110412951 A CN201110412951 A CN 201110412951A CN 102571166 A CN102571166 A CN 102571166A
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Abstract

公开了一种用于使用至少一个智能天线以建立回程网络的无线通信系统、一种用于在无线通信系统中使用的无线通信节点、以及一种用于在包括多个节点的无线通信系统中使用智能天线的方法。一种无线通信系统包含多个节点，且每一节点能互相连结，至少一部份节点提供一智能天线，其被配置以产生多个指向波束，每一节点维护一列表，其包含其它节点及用以传输消息至其它节点的波束组态信息。当一源节点需要传输至一目标节点时，该源节点获取波束组态信息并以指向该目标节点的指向波束传输。

Description

使用智能天线建立回程网络的方法和系统及无线通信节点
本申请是申请号为200580018987.9、申请日为2005年6月7日、名称为“使用智能天线以建立回程网络的方法及系统”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明是关于一种无线通信，本发明尤其是涉及使用智能天线建立回程网络的方法和系统及无线通信节点。
背景技术
在无线通信系统中最重要的一个议题便是通过降低干扰来增加系统容量，阵列天线(也称作智能天线)已经被发展出来以改善容量并且降低干扰。智能天线使用多个天线组件以产生指向性的波束，其仅向一特定方位发送信号。通过智能天线，因为信号在涵盖区域内发送至一狭窄区域，无线通信系统便可增加容量并减少干扰。由于传输器可增加指向波束的传输功率等级，而不会造成对其他传输器或接收器的过份干扰，例如无线传输/接收单元(WTRU)及基地台，因此增加了整体系统容量。
一无线通信系统通常包含多个节点，例如基地台及无线网络控制器等等，节点典型地互相以有线方式连接，例如网状网络或是蜂窝式网络，节点间互相通信并传输消息，例如回程消息。
然而，有线连接在建立回程网络上的缺点便是太过昂贵、时间消耗、以及网络的变型或修改没有弹性。尤其是网状网络必须要求节点互相连结，当新节点加入至网状网络时，为回程建立新连接至该新节点就是很大的负荷(在成本和时间方面)。
因此需要一种有效利用成本、较少时间消耗以及有弹性的方法及系统来建立回程网络。
发明内容
本发明是一种利用智能天线以建立一回程网络的装置和系统。本发明是直接使用智能天线以改善信元内通信、增加生产量、以及形成至少一部份具弹性的回程网络以传送回程数据。本发明是用于包含多个节点无线通信系统中，其中每一节点在一网状网络中是连接在一起，至少一部份的节点提供一个或多个智能天线，其是配置以产生多个指向波束，具有一个或多个智能天线的每一节点会维护一个列表，其包含其它具有智能天线的节点、波束方向、以及用以传输消息至其它节点的组态信息。当源节点需要传输回程数据至目标节点时，该源节点撷取该目标节点的波束方向及组态信息，并以指向该目标节点的指向波束传输该消息。
本发明提供了一种使用至少一个智能天线以建立回程网络的系统，该系统包括：多个节点，每个节点连接至至少一个邻近节点，每个节点包括：智能天线，被配置成产生多个指向波束；存储器，被配置成储存邻近节点列表，所述邻近节点列表具有用于传输消息至所述邻近节点的连结及波束组态信息；以及控制器，被配置成：通过监控从所述邻近节点接收的信号和确定用于传输数据至所述邻近节点的组态来更新储存在所述存储器中的列表；和使用在所述存储器中储存的更新的列表来选择用于传输特定消息至另一个节点的特定指向波束，所述多个节点中的至少一个节点为混合节点，该混合节点还包括连接至核心网络的有线回程连结。
本发明还提供了一种在无线通信系统中使用的无线通信节点，该无线通信节点包括：智能天线，被配置成产生多个指向波束；存储器，被配置成储存邻近节点列表和用于传输消息至所述邻近节点的波束组态信息；以及控制器，被配置成：通过监控从所述邻近节点接收的信号和确定用于传输数据至所述邻近节点的最佳组态来更新储存在所述存储器中的列表；和使用存储在所述存储器中的更新的列表来选择用于传输特定消息至另一个节点的特定指向波束以建立回程网络。
本发明还提供了一种在包括多个节点的无线通信系统中使用智能天线的方法，其中所述多个节点的至少两个节点中的每个节点具有产生至少一个用于连接到至少一个邻近节点的指向波束的智能天线，该方法包括：每个节点传输携带信标消息的信标信号至邻近节点，其中所述信标消息包括组态信息；测量和储存具有用于传输消息至所述邻近节点的连结和波束方向以及组态信息的邻近节点的列表；产生指向波束，以用于根据所述波束方向和组态信息来传输特定消息至目标节点；以及使用所产生的指向波束来传输所述消息至所述目标节点。
附图说明
图1所示为根据本发明的多个节点的网络方块图；
图2所示为根据本发明制造节点的方块图；
图3所示为根据本发明，使用智能天线在节点间传输消息的程序流程图；以及
图4所示为根据本发明由一节点产生的波束模式示范图。
具体实施方式
本发明适用于任何无线通信系统，其包含但不限制于时分双工(TDD)、频分双工(FDD)及时分同步码分多重存取(TD-SCDMA)，同样地也适用于全球移动通信系统(UMTS)、CDMA 2000、一般的CDMA、全球移动通信系统(GSM)、整合封包无线系统(GPRS)以及增强数据率GSM演进(EDGE)。
此后，专用术语「WTRU」包含但并未限制于一用户设备(UE)、一移动台、一固定或移动用户单元、一呼叫器或可在一无线环境下操作的任何形式的装置。当本文此后提到专用术语「节点B」，其包含但并未限制于一基地台、一站台控制器、一存取点或是在无线环境下任何连结的接口装置。
图1所示为根据本发明的多个节点102a-n的网络100方块图。至少一该节点，图上所示为102n，连接至一核心网络110。无线通信系统的核心网络的运作是熟悉本技术人士所熟知的，而且其并非本发明的重点，因此在这里并不会详细解释核心网络110。
每一节点102a-n服务一个或多个WTRUs(图上未示)，其是位于该节点102a-n的涵盖区域之内，该网络110可为网状网络或是蜂窝式网络。在本发明的说明中，网状网络和蜂窝式网络都传输回程信息，但在基础上有所不同，蜂窝式网络一般具有固定网络基础建设及回程连接，这些连接一般是点对点连接且不会有所改变，一节点传输回程数据至网络中另一位置的另一节点，且只传送至那个位置。
而在网状网络方面，节点间的连结会改变，且因此该回程数据可在不同时间以另一路线传输至不同的节点，特别是在网状网络中，由于该回程连结可以随时间改变，能调整智能天线使得可连接至不同节点而不会对其他节点产生过度的干扰便很重要。
至少一部份的节点102a-n系提供至少一智能天线(的后将详细说明)，且除了一般下载传输至WTRUs以及由WTRUs上载接收之外，尚利用该智能天线传输回程数据至其它节点102a-n，这些节点102a-n有能力产生多个指向波束，并且引导该波束至方位方向。
网络100被预期将包含有线连结的节点，以及使用智能天线的无线回程连接的节点，由于使用智能天线建立的连结可重新配置且指向不同的节点，因此增加系统的弹性。然而，至少一节点将具备有线连结至该核心网络110及无线连结至其它节点，以便提供无线节点群组与实质上是有线的核心网络之间的连结，至少一部份的节点102a-n还提供通过有线或专用连结传输回程信息的能力，具有有线和无线回程连结的节点(图上所示为102n，此后称为混合节点)将连接到有线核心网络110。换句话说，当节点经由智能天线的帮助无线传输回程信息时，此回程信息终将通过该混合节点102n按路线至该核心网络，因此混合节点102n能通过无线回程连结接收和送出回程信息至节点，同时还能接收和送出回程信息至该核心网络110，借此形成桥接。
在一实施方式中，节点102a-n具有多个如同图4所示的预设波束109a-h，且在多个波束109a-h间选择一个以便指向一传输或接收。图4所示八个方为波束，其皆可由每一节点102a-n产生，值得注意的是图4所示的波束只是一个范例，任何数量的波束、波束模式或是任何形式的模式皆可执行。
在另一个实施方式中，每一波束109a-h可实时产生和指向，而不需要从预设的位置集合中挑出。
节点102a-n可动态地或从多个有效位置中选择波束109a-h方向，这在系统容量、数据生产量、干扰等等方面提供了最佳的性能。节点102a-n通常固定于一特定位置，因此一旦两节点102a-n设定好一波束109a-h及组态，指向和组态便会储存且之后不需修改变可使用。因为无线环境及流量负载长期下可能会有所改变，每一节点102a-n需有能力提供超过一个波束109a-h以连结至其它节点102a-n，因此每一节点102a-n监控接收自其它节点102a-n的信号，以便判定无线环境，并动态地调整该波束指向及信号组态以达到系统效能最佳化。
该系统运作的一实施方式如下：一第一选择节点，例如节点102a，产生一波束并引导其朝向其它选择节点，例如102b，此可通过调整用于该天线阵列组件的复合权值达成，如同典型地由波束形成天线阵列完成一般。在此同时，节点102a测量连结A至节点102b的质量，连结A的质量可通过信号噪声比、位或帧错误率、或其它测量质量指示来测量。该传输节点102a找到最佳天线波束指向、最佳权值组合以最大化该连结质量，并储存该连结质量测量和对应的波束指向(权值)。该传输节点102a替所有邻近节点做这些事且储存对应的质量和波束信息。
任何节点102a-n能弹性地且无线地与其它节点102a-n连接或断线，其是通过选择指向其它节点102a-n的一个或多个波束。在图1中，该第一节点102a使用指向波束A传输消息至该第二节点102b，且使用指向波束B传输消息至第四节点102d，指向波束A及指向波束B是独立控制且能同时传输，由于每一指向波束A及指向波束B仅朝一特定方位发送，因此并不会对其他节点102a-n或WTRUs造成过度的干扰。
图2所示为根据本发明的节点202方块图。该节点202包含一智能天线204、一控制器206、一存储器208以及一非必要的有线连结210。该有线连结210可连结至该核心网络110或是其它节点。该节点202执行一信号处理算法以适应用户移动、无线频率环境的改变、以及共同频道干扰的多路径。一无线资源管理(RRM)功能通过该控制器206执行，以决定无线资源在该节点202中该如何配置。
智能天线204包含多个天线组件(图上未示)，以在控制器206的控制下产生多个指向波束，每一波束作为介于该节点202及其它节点之间的无线连结，如同上文所述，因为节点202典型地为固定在一特定位置，因此两节点间的波束指向和组态便可预先设定并储存于存储器208中。存储器208维护一个包含其它节点、波束指向及每一其它节点的组态信息的表，当该节点202需要传输消息至其它节点，例如回程数据，该控制器206便会由该存储器208中撷取对应的波束指向和组态信息，并产生一指向波束引导至一特定方向，且使用该波束传输该消息。
在混合节点102n方面，此程序是在该智能天线204帮助下建立与其它节点的无线连结之后。当混合节点102n建立回程连结至该核心网络110或其它节点时，并不需要组态信息或是波束选择，因为有线连结210实体上是固定的，且总是提供两节点之间的连结。
根据本发明，智能天线204较佳地具有多波束性能，其中每一波束可独立使用，一节点202产生超过一个的指向波束以同时传输回程数据至多个其它节点。因为超过一个指向波束可能在相同的涵盖区域使用相同的频率，因此系统容量实质上也有所增加。
具有数个波束的数个节点可耦合在一起，这使得改变连结及动态适应在无线环境中的改变变得很方便。举例来说，两节点之间可能提供两波束以供连结，如果一波束受到过度的干扰，则该节点可切换到另一个波束以传输消息。
智能天线的使用使得节点间的回程连结具备弹性，因为每一节点是配置以产生多个指向波束，且能引导该指向波束至任何方位方向，因此当新的节点加至该网络100时，已经存在的节点可通过简单的设定新波束方向，及针对该新节点的配置以建立至新节点的连结，除此之外，当现存节点由该网络100移除时，节点也可轻易地由存储器208删除移除节点的波束指向及组态信息。本发明使得不需要额外设置或删除设备便能建立或移除节点间的连结，值得注意的是本发明可于网状网络或蜂窝式网络中执行。
网状网络的一个强项是在于其产生新连结及删除节点间其它连结的能力，其依靠多个因素，包含流量负载、干扰及个别节点效能。如同图1所示，多个节点102a-n是使用智能天线互相耦合，图1中介于节点102a-n之间的线表示可能的连结A-F，控制可集中，借此至少一节点作为控制节点以控制节点间的连结，控制也可分散，借此控制可分布于数个节点或所有的节点。如果指定一节点为控制节点，则该控制节点收集关于流量状况及每一节点效能的信息，并决定由一节点至另一节点消息最佳传输的流量路线。
每一节点102a-n较佳地在其一个或多个波束中传输一个或多个信标信号，其提供对网络运作有益的信息。举例来说，该信标信号可传输现行功率等级、流量等级、干扰等级及其它参数。信标信号也可包含存取、优先权、安全、识别及其它形式的存取控制和安全控制信息。信标信号是周期或非周期性的测量，且该参数是用以作为调整节点间连结的基础，以便找出最有效率的流量路线。根据本发明使用智能天线形成至少一部份无线回程连结，使得建立和调整节点间的连结有弹性并减少非必要的成本。
举例来说，如图1所示，如果第二节点102b和第四节点102s之间的流量负载太重，其它节点通过读取节点102b、102d的信号信号得知两节点102b、102d之间的流量状况，其将在下文描述。如果该第一节点102a想要将流量排至该第五节点102e，如果可行的话，则将避免第二和第四节点102b、102d，且将通过第N个节点102n排定路线。
本发明不仅是具有提供弹性、无线网状网络的优点，现在也可使回程信息(典型地经由一有线线路发送)经由同一个通过智能天线的弹性连结发送。根据本发明执行此双使用智能天线机制的形式，也是显著胜过现行无线通信系统的优点。
图3所示为根据本发明，利用智能天线进行节点间消息传输的程序300流程图。至少一部份节点提供至少一智能天线，其是配置以产生多个指向波束，且接着独立地引导方位(步骤302)。每一波束除了一般下载至WTRUs的流量及由WTRUs上载的流量之外，尚用以作为至其它节点的无线连结。每一节点维护一列表，其包含其它节点及波束指向及用以传输至其它节点的组态信息(步骤304)。必须注意的是，步骤320和304典型地系根据设定好的系统或是重新配置系统，以执行接受或删除节点的动作，且典型地将不需要在正常运作下形成。当一源节点需要传输至目标节点时，该源节点由存储器中撷取目标节点的波束指向和组态信息，并使用该波束指向及组态信息产生一指向波束(步骤306)。一旦一节点被选择用来传输回程数据，基于连结质量及其它例如流量密度的考虑，该传输节点由该表中选择该波束指向(权值)，且将用于该天线上。
因为环境可能改变，用以测量连结质量及储存相关信息的程序可能需要周期性的执行，且波束指向调整也是必须的。该源节点接着以产生的指向波束传输至该目标节点(步骤308)。
在一个非必要的步骤中，网络的改变可能发生，借此一新的节点可能加入至该网络中，一个现存节点可能由网络中移除，或是无线频号或其它状态可能有所改变。为了适应这些改变，其它节点会更新反应这些改变的波束指向和组态信息表(步骤310)。
尽管本发明的特征和组件皆于实施例中以特定组合方式所描述，但实施例中每一特征或组件能独自使用，而不需与其它特征或组件组合，也能与/不与本发明的其它特征和组件做不同的组合。

Claims (27)

1.一种用于使用至少一个智能天线以建立回程网络的无线通信系统，该系统包括：
多个节点，每个节点连接到至少一个邻近节点，每个节点包括：
智能天线，被配置成产生多个指向波束；
存储器，被配置成储存邻近节点列表，所述邻近节点列表具有用于传输消息至所述邻近节点的连结及波束组态信息；以及
控制器，被配置成：
通过监控从所述邻近节点接收的信号和确定用于传输数据至所述邻近节点的组态来更新储存在所述存储器中的列表；和
使用在所述存储器中储存的更新的列表来选择用于传输特定消息至另一个节点的特定指向波束，
所述多个节点中的至少一个节点为混合节点，该混合节点还包括连接至核心网络的有线回程连结。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述混合节点还包括连接到至少邻近节点的有线回程连结。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，从一组预定位置选择所产生的多个指向波束。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所产生的多个指向波束被动态选择和实时指向。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述指向波束被配置成在系统容量、数据生产量和干扰方面提供最佳性能。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，至少部分所述节点被配置成在所述有线回程连结上传输回程信息。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述混合节点被配置成通过无线回程连结接收和传输回程信息至另一个节点，同时所述混合节点接收和传输回程信息至所述核心网络。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个节点包括网状网络。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个节点包括蜂窝式网络。
10.一种用于在无线通信系统中使用的无线通信节点，该无线通信节点包括：
智能天线，被配置成产生多个指向波束；
存储器，被配置成储存邻近节点列表和用于传输消息至所述邻近节点的波束组态信息；以及
控制器，被配置成：
通过监控从所述邻近节点接收的信号和确定用于传输数据至所述邻近节点的最佳组态来更新储存在所述存储器中的所述列表；和
使用储存在所述存储器中的更新的列表来选择用于传输特定消息至另一个节点的特定指向波束以建立回程网络。
11.根据权利要求10所述的无线通信节点，该无线通信节点还包括至核心网络的有线回程连结。
12.根据权利要求11所述的无线通信节点，其中，所述节点被配置成通过无线回程连结接收和传输回程信息至另一个节点，同时所述节点接收和传输回程信息至所述核心网络。
13.根据权利要求10所述的无线通信节点，该无线通信节点还包括连接到至少一个其他节点的有线回程连结。
14.根据权利要求10所述的无线通信节点，其中，从一组预定位置选择所产生的多个指向波束。
15.根据权利要求10所述的无线通信节点，其中，所产生的多个指向波束被动态选择和实时指向。
16.根据权利要求15所述的无线通信节点，其中，所述指向波束被选择以在系统容量、数据生产量和干扰方面提供最佳性能。
17.根据权利要求10所述的无线通信节点，其中，所述节点被配置成在所述有线回程连结上传输回程信息。
18.根据权利要求10所述的无线通信节点被配置成在无线网状网络中使用。
19.根据权利要求10所述的无线通信节点被配置成在蜂窝式网络中使用。
20.一种用于在包括多个节点的无线通信系统中使用智能天线的方法，其中所述多个节点的至少两个节点中的每个节点具有产生至少一个用于连接到至少一个邻近节点的指向波束的智能天线，该方法包括：
每个节点传输携带信标消息的信标信号至邻近节点，其中所述信标消息包括组态信息；
测量和储存具有用于传输消息至所述邻近节点的连结和波束方向以及组态信息的邻近节点的列表；
产生指向波束，以用于根据所述波束方向和组态信息来传输特定消息至目标节点；以及
使用所产生的指向波束来传输所述消息至所述目标节点。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，每个节点利用多个波束被连接，由此波束在为所述连结提供的波束之间适应地切换。
22.根据权利要求20所述的方法，该方法还包括更新反映网络的改变或修改的列表的步骤。
23.根据权利要求20所述的方法，该方法还包括获取关于业务量负荷情况和邻近节点的能力的信息以及基于所述信息选择用于传输所述消息至另一个节点的合适路径的步骤。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，所述多个节点包括网状网络。
25.根据权利要求20所述的方法，其中，所述多个节点包括蜂窝式网络。
26.根据权利要求20所述的方法，其中，所述多个节点中的一个节点被设计成控制节点，且所述控制节点收集关于业务量负荷情况和每个节点的能力的信息并控制每个节点中确定的路径。
27.根据权利要求20所述的方法，其中，每个节点使用所述信标消息来选择用于传输消息至其他节点的合适路径。
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