TW200824180A - A tilt-dependent beam-shape system - Google Patents

Description

200824180 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於在一無線通信網路中調適一天線 之波束形狀的系統。 【先前技術】 可k波束傾斜係一用於針對蜂巢式電話與資料通信來最 佳化無線電接取網路的重要工具。藉由改變該基地台天線 之主波束指向方向，可控制干擾環境與小區覆蓋區域。 傳統上，藉由某種相移裝置來藉由將一可變線性相移添 加至該等天線元件或元件之群組的激發來執行可變電波束 傾斜。出於成本原因，此相移裝置應盡可能簡單與包含盡 可能少的組件。因此，常使用某種可變延遲線來實現。在 該說明中，應明白術語，，線性”與"非線性"指一多埠相移網 路之夕個人要埠上的相對相位，而並非一埠本身的時間或 相位性能。 具有一主要埠與數目為N(N> 1)的次要埠的傳統多埠相移 器係使用該等次要埠上之線性漸進可變相位錐度來實施。 除該線性漸進相位錐度以外，還常將固定振幅與相位錐度 用作構件用於產生一漸縮的標稱次要埠分佈。 圖la與ib解說一傳統相移器1〇，其具有一主要埠u，且 該相移器在下行鏈路中產生四個次要埠12〗至124上之線性 漸進相移。一可變角"延遲板，，13具有多個可調ϋ形導波管 線 母一次要埠121至124有一個。該等可調υ形導波管 線14係以線性漸進半徑來配置。藉由適當選擇接面組態、 124682.doc 200824180 線長及線阻抗值，可控制該相移器之標稱相位與振幅錐 度，例如以實現該等次要埠上之均勻相位，如圖“中之 所示4由改㈣延遲線長（即料可調u形導波管線 14之長度），在此情況中係藉由相對於一固定板15來旋轉 該延遲板13，該等次要埠1經歷線性漸進相移，如 圖1b中所示。在上行鏈路中，該等次要埠121至124從一天 線（未顯示）接收信號，其在該相移器内於該主要埠“組合 成一共同接收信號。 已預期將非線性相移裝置用於控制電降傾斜，例如

Drach 的 US 5,798,675 與 Butland 等人的 US 5,801，600 中所提 及。 JP 2004 229220中揭示一種用於使用傳統線性相移器來 使與傾斜相依的波束成形的系統。該系統根據該傾斜角而 具有不同的波束寬度，但此係藉由基地台控制器（4)中之一 傾斜角控制區段（41)組合一垂直波束寬度控制區段（42)來 實現’參見JP 2004 229220中的圖6。 傳統上，基地台天線已具有大致一波束寬度之一可變波 束傾斜範圍。此連同如今大多數行動裝置之連接係對位元 率具有一固定要求的電路交換語音之事實一起尚未觸發任 何對改良天線附近的信號對干擾與雜訊比^爪幻的關注。 通常，其係足夠好的。 對於特定小區組態，例如較高放置之天線與較小小區組 合’對於使用具有較大波束傾斜之天線的需要更大。對於 具有傳統窄仰角波束輻射場型之天線，該較大波束傾斜引 124682.doc 200824180 起接近基地台的使用者比接近小區邊界的使用者經歷一更 低的路徑增益，因為近與遠的使用者之路徑損失的差異小 於疋向天線增益的差異。對於基於封包之資料通信，此並 非可用功率之最佳使用。因此，對於具有較大波束傾斜之 天線，需要該主波束之下的一定程度的輻射場型空值填充 或甚至某種餘割狀波束成形。

另一方面，在較大小區中，當不採用或採用較小的波束 傾斜時，應針對最大峰值增益來最佳化該天線場型。處於 j區邊界的使用者之路徑增益將無論如何都小於更接近基 地台的使用者之路徑增益，因為在較大小區與接近水平線 之觀察角的情況下該路徑損失隨垂直觀察角迅速改變。 【發明内容】 本發明之一目的係提供一系統，其允許一天線之一輻射 場型針對於小傾斜角之高最大增益與於大傾斜角之主波束 之下的高度空值填充兩者而最佳化。 該目的之-解決方式係藉由提供一系統用於根據一傾杂 角來改變-天線（較佳的係具有配置成—陣列的多個天勒 70件）之波束形狀來實現。電傾斜係藉由包括-相移裝s 來實現，該相移裝置將提供來自該相移裝置的次要璋上之 相移。—相位錐度裝置提供隨傾斜角改變的天線元件上之 相位錐度。 本發明之一優點係可將一一 ^ ^ _ 早天線用於一適應性系統聋 滿足^加一通信鏈路之 負的而要並因而错由保持一最程 天線場型來增加鱼一 ^ . ，、次夕個同時使用者相關聯的位元率， 124682.doc 200824180 其取決於與基地台的距離。 熟習此項技術者將由詳細說明而明白進一步的目的與優 點0 【實施方式】

包括具有多個天線元件之一天線的基地台係配置於一小 區内，其中該天線之特徵決定該小區之大小以及該小區覆 蓋區域係相等。為在整個小區中實現相同的信號強度而不 論與該基地台的距離，在該小區中該天線增益G(0)除以該 路徑損失L(e)應係恆定的，其為觀察角θ之函數·· 然而’常數C隨小區組態（即天線安裝高度與小區大小） 改變，其進而意味著該最佳天線輻射場型隨波束傾斜角改 變，如圖7b至7d中線71所解說。與傾斜相依的該輻射場型 可藉由隨傾斜角改變該天線上之相位錐度來完成，例如藉 由提供如結合圖2a、2b、扑及4所說明之一非線性相移 =。亥非線〖生相移器促進針對不同波束傾斜角之不同相位 錐度’並因而將提供該天線之與傾斜相依的波束形狀。 、下兒月中可父換使用術語"相移"與"時間延遲"並且』 明白在本背景下此等術語指等效的特性，除非另外指明: 本發明之-基本部分係提供一相移器網路的次要淳上《 :線性相位錐度。實現此點之一方法係使用一多 』 打延遲網路，其中該等相 ^ 的。-真時延遲網路產生=長度一般係非線性㈣ 產生一頻率相依的相移，其係使其犬 124682.doc 200824180 其適合於天線應用（例如波束操控（beam_steerin之一特 性。

圖2讀2b使用一真時延遲網路解說一非線性相移器咐 下行鏈路中的一第-具體實施例的原理，其類似於圖la與 W中所解說之相移器。該延遲網路（及其方法）之關鍵特性 係藉由在延遲板23上以一非週期性方式配置可調以形導 波管線24(在此特定具體實施例中）來提供該等次要璋上之 非線性相對時間延遲。藉由適當選擇接面組態、線長及線 阻抗值’可控制具有非線性延遲相依的真時延遲網路之標 稱相位與振幅錐度，例如以實現該等次要埠上之均勻相 位，如圖2a中於該等次要璋⑶至％之”〇"所示。與圖艸 之真時延遲網路相反，藉由該延遲板相對於—固定板以 旋轉的該等延遲線長之改變產生該等次要埠121至Η*上之 非線性漸進時間延遲（並因此產生相移），如圖沘中之 ”Φ’、"Φ2”、”φ3"及”φ4”所示。在上行鍵路中，該相移器2〇 之次要埠％至124從一天線（未顯示）接收㈣，其係非線 性時間延遲並在該相移器内於該主要埠i i組合成一共同接 收信號。 如-非限制性範例，圖3a與圖3b中分別針對該延遲板Μ 與2 3之不同旋轉（參見圖例）比較下行鏈路中一線性與一非 線性真時延遲網路之相移。在圖3&巾，該等:欠要璋％至 124上之相位前進（相對相位）隨延遲扣之旋轉係線性的， 其針對一給定板旋轉顯示其本身為直線3〇、Η、”及^。 此意味著針對任一給定延遲板旋轉 該等相對相位值（次 124682.doc -10- 200824180 要埠η與埠1之間）係 ^(Pn==(n-l)A9=(n-l)ka ^ 其中η係該次要埠數字，a係該板旋轉角度，而k係取決於 實施方案態樣之一常數，例如傳輸線之波數與該等可調U 形導波管14之徑向分離。

圖3b解說一非線性真時延遲網路的次要埠121至i24上之 相位前進（相對相位）。在圖3b中，當旋轉該延遲板23時該 等次要埠12!至124上之相位前進（相對相位）係非線性的， 其針對0。旋轉顯示其本身為一直線35而針對。之一給定 板旋轉顯示其本身為三個非直線3 6、3 7及3 8。因而，該等 相對相位值不相同，即 矣φη+1-φη，針對至少一 n，n e{2，N-l } 其中N係延遲分支之數目。在圖扑中，當該板角改變時延 遲分支3之相位比分支2之相位快兩倍以上地改變。 圖4顯示一非線性相移器4〇之一第二具體實施例。此延 遲線網路係基於該延遲板43相對於一固定板45的平移（而 非旋轉）。該等延遲網路可調u形導波管線44係以相等長度 顯示，但其亦可具有不同長度（該延遲板43上之線與該固 定板45上之線兩者）。 圖5顯示一 15元件線性天線陣列之一元件激發，其係針 對最大增益與將該等上部旁瓣抑制至·2〇 元件激發產生圖一射場型，即。。波解在先： 技術令，將線性漸進相位添加至圖5所示之相位錐度以實 現不同的傾斜角〇 124682.doc -11 - 200824180 圖6顯不依據本發明針對9。波束傾斜之元件激發，其中 該振f田錐度與針對0。波束傾斜之振幅錐度相同，但已針對 空值填充最佳化該相位錐度。此激發產生圖”中具有9。波 束傾斜之輻射場型。 • 對於〇與9。之間的波束傾斜角，藉由0。與9。之相位激發 之一線性内插來發現相位激發。圖7b與7c顯示此等輻射場 型70之一些輻射場型，其中該波束傾斜針對每一子曲線圖 φ 改變3。。為進行比較，在該等相同曲線圖中顯示該相對路 祆損失71，其係於波束峰值正規化。該相對路徑損失隨波 束傾斜角改變。 本發明並不限於上述具有恆定小區照度的範例，而係適 用於出於某種原因而需要具有一隨波束傾斜角改變之輻射 %型的所有情況。此外，本發明並不限於線性天線陣列， 而還可以係實施於具有一非線性天線陣列之一基地台。 本發明允許針對於小傾斜角之高最大增益並針對於大傾 Φ 斜角民m之接近該天線的良好覆蓋（高度空值填充）來最佳化 天線場型。 圖8顯不包括一第一基地台BSi之一無線電信系統8〇，其 . 係使用GSM標準來例示。該第一基地台BSHf、經由一第一 . 基地台控制器BSCi來連接至一該電信系統8〇之一核心網路 81。在此具體實施例中，一均勻線性天線陣列83包含六個 天線元件84。一非線性相移器之次要埠丨2係連接至該均勻 線性天線陣列83之各天線元件84，而該相移器85之一主要 埠Π係連接至該第一基地台BSi。該第一基地台控制器 124682.doc -12- 200824180 B S C1措由改變一非線性延遲板之位置來控制該可變波束傾 斜，如先前結合圖2a、2b及4所說明，並從而更改來自該 均勻線性天線陣列83之一波束的波束形狀。 該電信系統80還包括一第二基地台BS2。該第二基地台 BS2係經由一第二基地台控制器BSC2連接至該核心網路 81。在此具體實施例中，一非均勻線性天線陣列88包含四 個天線元件84，其不必如所解說交叉極化。一線性相移器 1〇(先前技術）之次要埠12係經由隨傾斜角民m改變該等天線 元件上之相位錐度的一相位錐度裝置87而連接至該非線性 天線陣列88之各天線元件84。該相移器1〇之一主要埠1^係 連接至該第二基地台BS2。該第二基地台控制器bsc2藉由 改變一線性延遲板之位置來控制該可變波束傾斜，如先前 結合圖1 a與lb所說明，並從而更改來自該非均勻線性天線 陣列8 8之一波束的波束形狀。 應注意，該天線陣列可具有均勻或非均勻配置的天線元 件84，且父叉極化天線元件僅作為一非限制性範例顯示而 自然可使用其他類型之天線元件而不脫離本發明之範轉。 此外，可交錯以不同頻帶操作的天線元件而不脫離申請專 利範圍之範疇。 所解說電彳s系統（GSM)應係視為一非限制性範例，且其 他無線電標準（例如WCDMA、WiMAX、WiBro、 CDMA2000)可實施所說明發明而不脫離本發明之範疇。熟 白此項技術者應明白，在特定電信標準中可省略該GSM系 統的某些所說明部分（例如基地台控制器BSCi與Bsc^。 124682.doc -13- 200824180 圖9解說配置於一升高的位置（例如__天線桿9())之—天 線陣列83。-非線性相移器85係連接至該天線陣列83(如 結合圖8所忒明）並藉由一基地台控制器bSCim以控制。圖 9解說-未傾斜的波束91(對餘圖7&之〇。曲線圖）以及一傾 斜的波束92(對應於圖7d之9。曲線圖）。 儘官已使用下行鏈路說明本發明，熟f此項技術者可容 • 易地針對上行鏈路調適本教導，如上所述。 ^ 【圖式簡單說明】 圖1 a與1 b顯示一線性相移器。 圖2a與2b顯示一非線性相移器之一第一具體實施例。 圖3a與3b顯不解說來自該等線性與非線性相移器之相移 的圖式。 圖4顯示一非線性相移器之一第二具體實施例。 圖5顯示於〇。波束傾斜之天線元件激發。 圖6顯示於9。波束傾斜之天線元件激發。 _ 圖7a至7d顯示利用本發明之仰角輻射場型。 圖8顯示具有包括本發明之基地台的無線電信網路。 圖9示思性地解說依據本發明與傾斜相依的波束形狀。 β 【主要元件符號說明】 10 相移裝置/相移器 11 主要埠 12 次要埠 12! 次要埠 122 次要埠 124682.doc -14- 200824180 123 次要埠 124 次要埠 13 延遲板 14 可調U行導波管線 15 固定板 20 線性相移裝置/相位錐度裝置/非線性相移器 23 延遲板/可移動部件 • 24 可調U行導波管線 25 固定板 30 直線 31 直線 32 直線 33 直線 35 直線 36 非直線 • 37 非直線 38 非直線 40 線性相移裝置/相位錐度裝置/非線性相移器 * 43 延遲板/可移動部件 • 44 可調U行導波管線 45 固定板 70 輻射場型 71 相對路徑損失 80 無線電信系統 124682.doc -15- 200824180 81 核心網路 83 均句線性天線陣列 84 天線元件 85 線性相移裝置/相位錐度裝置/非線性相移器 87 相位錐度裝置 88 非均勻線性天線陣列 90 天線桿 91 未傾斜的波束 92 傾斜的波束 BS! 第一基地台 BS2 第二基地台 BSCi 第一基地台控制器 bsc2 第二基地台控制器

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Claims (1)

1. 200824180 十、申請專利範圍： 1 ·種用於在電傾斜期間改變下行鏈路中—天線陣列⑻； 88)之輻射場型形狀的系統’該天線陣列⑻；μ)具有多 個天線元件（84)，該系統包含一相移裝置（1〇 ; 2〇 ; ; 85) ’該相移裝置（1〇 ; 2〇 ; 4〇 ; 85)具有經組態用以接收 一發射信號之-主要埠(11)與經組態用以向每一天線元 件（84)提供相移的輸出信號之多個次要璋（l2l至124 ; 12)，其特徵為該系統進一步包含一相位錐度裝置（2(); 40 ’ 85 ’ 87) ’其隨傾斜角（久山）改變該等天線元件上之 相位錐度並因而改變波束形狀。 2·種用於在電傾斜期間改變上行鏈路中一天線陣列（83 ; 88)之該輻射場型形狀的系統，該天線陣列（83 ; 88)具有 多個天線元件（84)，該系統包含一相移裝置（1〇 ; 2〇 ; 40^5)，該相移裝置（1〇; 2〇; 4〇 ;叫具有經組態用以 從每一天線元件（84)接收相移的輸入信號之多個次要埠 (121至124 ; 12)與經組態用以將該等輸入信號組合成一 接收信號之一主要埠（11)，其特徵為該系統進一步包含 士相位錐度裝置（2〇 ; 4〇 ; 8S ; 87)，其隨傾斜角（“）改 變該等次要埠上之相位錐度並因而改變該波束形狀。 3.如凊求項1與2之系統，其中該相同相移裝置〇〇 ; ; 40 ’ 8 5)係用於下行鏈路與上行鏈路。 4·如喷求項丨至3中任一項之系統，其中該相位錐度裝置 (87)係配置於該相移裝置〇 〇)與該等天線元件（84)之間。 月求項1至3中任一項之系統，其中該相位錐度裝置與 124682.doc 200824180 該相移褒置整合以形成一非線性相移裝置（20 ; 40 ; 85)。 6·如睛求項5之系統，其中當改變傾斜角（心/,)時該非線性 相移裝置（20 ; 40 ; 85)產生該等次要埠（121至124)上之非 線性漸進相移。 7·如明求項5或6中任一項之系統，其中該相移裝置包含一 具有可調U形導波管線（24 ; 44)之延遲線網路。 8·如凊求項7之系統，其中該相移裝置包含一可移動部件 (23 ; 43)，其提供該等非線性漸進相移。 9·如印求項8之系統，其中該可移動部件（23)具有一旋轉運 動。 1〇·如明求項8之系統，其中該可移動部件（43)具有一平移運 動。 11·如明求項1至1G中任—項之系統，其中該系統係經組態 用以向/從配置於一均勻天線陣列（83)中之天線元件傳達 相移的信號。 12.如請求項1至10中任-項之系統，其中該系統係經組態 用以向/從配置於一非均勻天線陣列(88)中之天線元件傳 達相移的信號。 13·-種用於在電傾斜期間改變下行鏈路中—天線陣列阶 88)之該輻射場型形狀的方法，該天線陣列⑻；叫呈有 多個天線元件(84)，該方法包含以下步驟： •從一相移裝置（1〇;20;4〇;85)之多個次要蜂（A至 4 ’ 12)向每&線兀件(84)提供相移的輸出信號，該 124682.doc -2- 200824180 相移裝置具有經組態用以接收一發射信號之一主要埠 (11)， 其特徵為 •使用一相位錐度裝置（20 ; 40 ; 85 ; 87)提供隨傾斜角 d/i)改變的該等天線元件上之相位錐度。

   14·種用於在電傾斜期間改變上行鏈路中一天線陣列（83 ; 88)之該輻射場型形狀的方法，該天線陣列（83 ; 88)具有 多個天線元件（84)，該方法包含以下步驟： •從每一天線元件（84)向一相移裝置（1〇 ; 2〇 ; 4〇 ;叫 之多個次要埠（12ι至12“ 12)提供相移的輸入信號，該 相移裝置具有經组態用以將該等輸入信號組合成接收信 號之一主要埠（11)， 其特徵為 •使用一相位錐度裝置（20; 40; 85; 87)提供隨傾斜角 (仏m)改變的該等次要埠上之相位錐度。 15·如請求項13與14之方法，其包含將該相同相移裝置; 20 , 40，85)用於下行鏈路與上行鏈路之步驟。 16·如請求項13至15中任一項之方法，其中該方法進—步包 含在該相移裝置（1〇)與該f天線元件（8 4)之間配置該相 位錐度裝置（87)之步驟。 17.如請求項16之方法’其中該方法進一步包含整合該相位 錐度裝置與該相移裝置以形成-非線性相移裝置（2〇; 40 ; 85)之步驟。 18·如請求項17之方法 其中該方法進一步包含隨傾斜角 124682.doc 200824180 (“)產生該非線性相移裝置（20 ; 40 ; 85)的該等次要埠 (121至124)上之非線性漸進相移之步驟。 19.如請求項17或18中任一項 、方去’其中產生非線性漸進 相移之該步驟係實施為具有可調U形導波管線（24;44)之 一延遲線網路。 2〇.如請求項19之方法，其中藉由移動—可移動部件（23; 43)來執行產生非線性漸進相移之該步驟。 21·如請求項2G之方法’其中移動該可移動部件（23)包括- 旋轉運動。 如喷求項2G之方法’其中移動該可移動部件⑷）包括一 平移運動。 23. 如請求項13至22中任一項之方法，其中該方法包含組態 該系統以向/從配置於一均勻天線陣列（83)中之天線元件 傳達相移的信號之額外步驟。 24. 如請求項13至22中任一項之方法，其中該方法包含組態 該系統以向/從配置於一非均勻天線陣列（88)中之天線元 件傳達相移的信號之該額外步驟。 25 一種調適成將下行鏈路巾之—通信網路的基地台，該 基地台包含：一天線陣列（83; 88)，其具有多個天線元 件㈣；-相移裝置（10;20;4〇;85)’其具有經組態 用以接收一發射信號之一主要璋⑴）與經組態用以向每 一天線元件（84)提供相移的輸出信號之多個次要埠 至124 ; 12)，該相移裝置係經組態用以藉由一控制器來 控制以執行-波束（91 ; 92)之電傾斜，其特徵為該基地 124682.doc 200824180 台進一步包含一相位錐度裝置（2〇 ; 4〇 ; 85 ; 87)，其隨 傾斜角改變該等天線元件上之相位錐度並因而改變 該波束形狀。 26. —種調適成用於上行鏈路中之一通信網路的基地台，該 基地台包含：一天線陣列（83 ; 88)，其具有多個天線元 件㈣；一相移裝置（1〇 ; 2〇 ; 4〇 ; 8S)，其具有經組態 用以從每一天線元件（84)接收相移的輸出信號之多個次 要埠（12!至124 ; 12)與經組態用以將該等接收的輸入信 號組合成一接收信號之一主要埠（11)，該相移裝置係經 組態用以藉由一控制器來控制以執行一波束（91 ; 92)之 電傾斜，其特彳政為該基地台進一步包含一相位錐度裝置 (20 ; 40 ; 85 ; 87)，其隨傾斜角（υ改變該等次要埠 (12〗至124 ; 12)上之相位錐度並因而改變該波束形狀。 27·如請求項25與26之基地台，其中該相同相移裝置（1(); 20 ; 40 ; 85)係用於下行鏈路與上行鏈路。 28.如請求項25至27中任一項之基地台，其中該相位錐度裝 置（87)係配置於該相移裝置（1〇)與該等天線元件（84)之 間。 29·如請求項25至27中任一項之基地台，其中該相位錐度裝 置與該相移裝置整合以形成一非線性相移裝置（2〇 ; 4〇 ; 85)。 30.如請求項28之基地台，其包含如請求項4至18中任一項 之非線性相移裝置。 3 1 ·如請求項25至30中任一項之基地台，其中該基地台包含 124682.doc 200824180 一均勻天線陣列（83)。 32·如請求項25至30中任一項之基地台，其中該基地台包含 一非均勻天線陣列（88)。 33. —種通信網路（80)，其包含至少一如請求項25至32中任 一項之基地台。

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