正交频分复用数据通信的装置和方法 【相关申请的交叉引用】
本申请要求2000年12月29日提交的美国临时申请NO.60/258558的利益。
【发明领域】
本发明一般地涉及无线数据通信，具体地说，涉及用于正交频分复用(OFDM)数据通信的装置和方法。
【发明背景】
在OFDM系统中，由基站收发信台(BTS)向一个或多个移动终端发送的射频(RF)信道(或承载者)被划分为分布在整个RF信道上的多个具有重叠频谱的数据业务载波以及各种导引和公共信令载波。RF信道内的导引载波一般称为导引信道，用于从基站收发信台(BTS)向一个或多个移动终端广播导引信息，这种导引信道由移动终端用于基准频率、载波恢复和信道估计。RF信道内的信令载波一般称为信令信道，用于从BTS向移动终端传送信令信息(例如控制信息)。RF信道内的数据业务载波一般称为数据业务信道，用于从BTS向移动终端传送数据业务信息。
OFDM系统中需要将导引信息和信令信息一致地发送给特定覆盖区域内的所有移动终端。在一种众所周知的实现方案中，给定RF信道的导引、信令和数据业务信息共享同一由BTS向整个覆盖区域发送的天线波束，覆盖区域一般是扇区化无线网络中的单个扇区。在这种实现方案中，扇区全向天线用于使导引信令和数据业务信道能够同时到达覆盖区域内每个移动终端。覆盖区域可以是BTS周围整整360度小区区域或者覆盖区域可以是360度的扇区。通常小区分成三扇区，其中每个扇区为120度。扇区全向天线因此设计成可在整个扇区内提供覆盖，而且配置多个扇区天线用于完全覆盖所述小区。导引和信令信道为覆盖区域内的所有移动终端利用，而数据业务信道仅由作为数据通信目标的移动终端处理，下文中将这些移动终端称为目标移动终端。
这种实现存在的一个问题是，扇区全向广播能够同时到达覆盖区域内的所有移动终端的有限功率(或链路增益)。在数据业务一般用以发送地高比特率条件下，利用扇区全向广播向目标移动终端发送RF信道的功率将会相对较为昂贵，因而可能不切实际。这在诸如墙和建筑物这类物理障碍物位于BTS和目标移动终端之间的情况下，尤其正确。使用扇区全向广播还可能在相邻小区或扇区中引入干扰。
所以，需要改进的传输技术，所述传输技术考虑到足够的信号功率、以便BTS可以到达其覆盖范围内的任何移动终端。这种改进的传输技术最好还会减少引入相邻小区或扇区的干扰。
发明概述
本发明针对用于OFDM数据通信的装置和方法。在本发明中，BTS利用定向波束向目标移动终端发送数据业务信道。在一个实施例中，定向波束包含整个RF信道，并在整个覆盖区域内旋转、使得覆盖区域内的每个移动终端可以访问导引和信令信道，而目标终端可以访问整个RF信道。在本发明的其它实施例中，RF信道被划分成至少两个波束，至少一个波束发送数据业务信道(下文中称为数据业务信息)，至少一个波束发送导引和信令信道(下文中称为业务信息)。这种业务信息还可以包括旨在向覆盖区域内所有移动终端广播的其它种类的信息。发送数据业务信息的信道波束是确保足够的功率射向目标移动终端的定向波束，而发送业务信息的信道波束要么是扇区全向波束要么是旋转定向波束。
数据业务信息还可以包括用于信道估计；同步和/或基准频率目的的导引载波。应当指出，下文中提到数据业务信息时，意味着数据业务信息可以包括导引信道。如果多个波束正使用相同频率载波传送导引信道且覆盖相同目标移动终端，那么诸如编码的技术就可以用于区分属于不同波束的导引载波。
定向波束可以通过在固定终端情况下已知位置的移动终端射向移动终端。或者，各目标移动终端可以具有定位设备，使它可以将其位置报告给BTS，或者，可以利用由每一个目标移动终端向BTS发送的供BTS用于引导定向波束的反馈信息信令来确定每一个目标移动终端的位置。
根据第一广义方面，本发明是配置成与覆盖区域内包括至少一个目标移动终端的多个移动终端通信的OFDM BTS。在本方面中，BTS包括处理装置和发射装置。处理装置用于接收及处理业务和数据业务信息。发射装置用于接收经处理的业务和数据业务信息，以利用第一发射波束通过第一组载波将经处理的业务信息发送给覆盖区域内的移动终端，以及利用第二发射波束通过第二组载波将经处理的数据业务信息发送给目标移动终端。在本方面中，第二发射波束是定向发射波束。
在一个实施例中，第一发射波束足够宽，以致覆盖区域内的每个移动终端可以接收经处理的业务信息。在另一实施例中，第一发射波束是定向发射波束。在这种情况下，BTS可用于修改定向第一发射波束的聚焦方向，以便覆盖区域内的每个移动终端接收经处理的业务信息。
在使用定向波束的情况下，有多种可能的发射装置。在一种实现方案中，发射装置包括多条输出路径，每条输出路径由与处理装置相连并且还与发射机和天线串联的相位调整器构成。在这种情况下，所述各输出路径各自从处理装置接收所请求的经过处理的信息，并通过有选择地调整它们各自的相位调整器而一起产生定向波束。在另一实施例中，发射装置包括与处理装置相连的切换器和与切换器相连的多条输出路径，每条输出路径由与切换器相连的发射机和与其相应发射机相连的定向天线构成。在这种情况下，切换器从处理装置接收经过处理的信息并有选择地将所述经过处理的信息发送给一组输出路径，以产生定向波束。在另一实施例中，发射装置包括与处理装置相连的单个发射机、与发射机相连的切换器和多个与切换器相连的定向天线。在这种情况下，发射机从处理装置接收经处理的信息并处理所述信息以便使之作好发送准备。然后，切换器有选择地将发射机的输出转发至一组天线以产生定向波束。
在第二广义方面，本发明是类似于第一广义方面的OFDM BTS，但具有改进的发射装置。在本方面中，发射装置用于接收经处理的业务和数据业务信息，以利用定向发射波束通过第一组载波发送经处理的业务信息以及通过第二组载波发送经处理的数据业务信息。在这种情况下，BTS可修改定向发射波束的聚焦方向，以便覆盖区域内的每个移动终端可以接收经处理的业务信息。
在第三广义方面，本发明是配置成与覆盖区域内的多个移动终端通信的基站收发信台(BTS)。在本方面中，BTS包括用于接收业务和数据业务信息的装置、用于通过第一组载波向覆盖区域内移动终端发送业务信息的装置以及用于通过第二组载波以高链路增益向目标移动终端发送数据业务信息的装置。
本发明的其它方面是向覆盖区域内移动终端发送业务和数据业务信息的方法，其中至少一个所述移动终端是目标移动终端。在一个方面，所述方法包括：接收业务和数据业务信息；利用第一发射波束通过第一组载波向覆盖区域内的移动终端发送业务信息；以及利用第二发射波束通过第二组载波向目标移动终端发送数据业务信息，所述第二发射波束是定向发射波束。在另一方面，所述方法包括：接收业务和数据业务信息；利用定向发射波束通过第一组载波向覆盖区域内的移动终端发送业务信息；以及利用定向发射波束通过第二组载波向目标移动终端发送数据业务信息。在这个方面中，所述方法还包括修改定向发射波束的聚焦方向，以便覆盖区域内的每个移动终端接收经处理的业务信息。
在另一方面，本发明是包括根据第一和第二方面之一的基站收发信台(BTS)和BTS覆盖区域内多个移动终端的系统。在这种情况下，所述移动终端中至少一个是目标移动终端。
在又一方面，本发明是配置成与BTS通信的移动终端。在这个方面，所述移动终端包括无线接收装置和与无线接收装置相连的监视装置。无线接收装置用于通过第一组载波从至少一个第一发射波束接收并处理业务信息以及通过第二组载波从至少一个第二发射波束接收并处理数据业务信息。监视装置用于确定无线接收装置是否已接收到一个或多个业务信息和数据业务信息。如果仅接收到业务信息，则监视装置用来指示BTS应当指出，接收的业务信息。如果仅接收到数据业务信息，则监视装置用来指示BTS应当指出，接收的数据业务信息。并且如果已接收到业务和数据业务信息，则监视装置用来指示BTS应当指出，接收到的业务和数据业务信息。
在结合附图审阅如下本发明具体实施例的说明之后，本领域的普通技术人员就可清楚本发明的其它方面和特征。
附图简要说明
参照如下附图描述本方面的各实施例，附图中：
图1是说明具有旋转定向波束利用OFDM的无线系统的框图；
图2A和2B是说明图1所示BTS的第一和第二实现的框图；
图3是说明RF信道内随时间改变频率的导引和信令信道的图表；
图4A、4B和4C是分别说明抽样OFDM信号、删除了数据业务信道的抽样OFDM信号以及删除了导引和信令信道的抽样OFDM信号的图表。
图5是说明具有定向数据业务波束和扇区全向业务波束的利用OFDM的无线系统的框图；
图6A、6B和6C是说明图5所示BTS的第一、第二和第三实现的框图；
图7是说明具有定向数据业务波束和旋转定向业务波束的利用OFDM的无线系统的框图；
图8A、8B和8C是说明图7所示BTS的第一、第二和第三实现的框图；
图9是说明利用OFDM、且其中两个相邻扇区各自具有旋转定向波束的无线系统的框图；以及
图10是用于图1、5或8所示OFDM无线系统中的移动终端的框图。
最佳实施例的详细描述
本发明的实施例针对用于正交频分复用(OFDM)无线数据通信的装置和方法。在本发明的这些实施例中，利用将于如下说明中描述的至少一个定向波束，以确保指向目标移动终端的数据业务信道具有足够的功率。如下所述，将至少一个定向波束用于数据业务信道的OFDM无线系统，存在许多可能的实现方案。
在如下所述的本发明的实施例中，特定BTS的覆盖区域包括单个扇区，然而这不应限制本发明的范围。为了高频率复用，无线小区可以分成n个扇区，n在目前的许多无线实现方案中一般为3。在扇区化的系统中，每个扇区操作上可作为不同的小区处理。显然，在备选实施例中，本发明可以在不同于单个扇区的覆盖区域中、例如整个小区或另一空间区域中实现。
使用有时称为灵巧天线的多个天线的定向无线波束以前就已在无线系统中获得应用。灵巧天线技术包括智能天线、相控阵列、空分复用多址(SPMA)阵列、数字波束成形阵列、自适应天线系统和切换波束天线。一般说来，灵巧天线技术可以分成两种主要类别：切换波束技术和自适应阵列技术。切换波束天线系统形成在特定方向具有增强的灵敏度的多个固定波束。工作时这种通信系统按照需要从一个波束切换到另一个波束以从定向波束移到当前所需方向。另一方面，自适应天线技术使用信号处理能力定位并跟踪各种类型的信号，以便动态地将波束指向移动终端，以使干扰最小而使预期的信号接收最大。
在如图1所示的本发明的第一实施例中，BTS 50利用定向无线波束52向目标移动终端54发送数据业务信道。如上所述的数据业务信息(位于数据业务信道内)可以包括可用于信道估计的导引信号信息。使用定向波束系统通过使能量转向终端54，从而允许用足够的链路增益向目标移动终端54发送RF信道内的数据业务信道，这样就改善了链路性能。使用这种定向无线波束实现到达目标移动终端54的所需功率增益，并且还减少了因在相邻小区内(或甚至在同一小区内)复用同样的RF信道而引起的干扰。以这种方式控制能量导致波束52外的其它移动终端56接收不到或只接收到非常有限的RF信道内的传输信号。这样，波束52外的移动终端56就不能接收导引和信令信道内的任何广播导引信息或信令消息。
为了在允许将定向波束52用于向目标移动终端发送数据业务信道的同时，仍旧允许将导引和信令信道发送给覆盖区域内的所有其它移动终端，可用一种于图1所示第一实现方案中实现的时分方法。在所述实现方案中，BTS 50以旋转方式发送RF信道的定向无线波束52，下文中称之为旋转波束。在这种实现方案中，对各移动终端54、56进行调度，使它们在各自的时间间隔内处在定向波束52范围内。在定向波束52指向目标移动终端54的时间间隔期内，终端54可以接收导引和信令信道以及数据业务信道。在所述波束指向其它移动终端56的时间间隔期内，相应的终端可以接收导引和信令信道。这些传输时间间隔的确定依赖于目标移动终端54所要求的数据传输率和其它移动终端56可接受的接收导引和信令信道信息之间的时延。所以，时间间隔设置是可根据具体情况调整的实现细节。在一种备选实现方案中，不是为移动终端分配各自的时间间隔，旋转波束只是简单地以使各移动终端能够在波束通过特定移动终端的时段内接收信令和导引信道突发的速率扫描BTS 50的覆盖区域。在另一备选实现方案中，若干这种波束在扇区内有效。在这种情况下，如果数据业务信息还包括导引信号且导引信号占据与另一波束的导引信号相同的频率组，那么可以在发送端采用诸如编码的技术而在接收端采用匹配滤波，以区分属于这两个波束的两个导引信号。
图2A和2B说明以上参照图1描述的本发明第一实施例的BTS 50的两种可能的实现方案。在图2A和2B的两种实现方案中，BTS 50包括数据信息处理器60、信令信息处理器62、导引信息处理器64、与处理器60、62、64中每一个相连的快速傅立叶变换逆变换(IFFT)模块和与IFFT模块66相连的输出模块。这些模块一起用来处理并向合适的移动终端54、56发送数据、信令和导引信道。这些实现方案的不同之处在于输出模块的设计以及因此而来的定向波束产生的方式。应当指出，存在其它用于产生类似的定向波束的可能设计。
图2A和图2B中都将数据信息输入数据信息处理器60并对接收数据信息执行各种众所周知的处理功能；这些众所周知的处理功能包括前向纠错(FEC)编码、速率适配、交织和调制映射。尽管所有这些功能以特定顺序显示于图2A和2B中，本领域的技术人员会理解这些功能可以不同的顺序执行而得到类似的输出。而且，在备选实施例中，并非所有所述功能，例如FEC编码都由处理器60执行，和/或还执行未述及的其它功能。应当指出，输入数据信息处理器60的数据信息可以采用多种不同的格式，例如因特网协议(IP)分组格式、运动图像专家组(MPEG)编码图像、视频或其它标准数据单元格式。
信令信息处理器62的输入是信令信息，信令信息需要发送给覆盖区域内的一个或多个移动终端。所述处理器62执行类似于数据信息处理器60的众所周知的处理功能。图2A和图2B中的那些众所周知的处理功能包括FEC编码、速率适配、交织和调制映射。显然，与以上针对数据信息处理器60所描述的类似，信令信息处理器62可以以不同于图2A和2B所述的顺序执行那些功能，有可能不执行所有这些功能和/或执行其它未述及的功能。
图2A和2B所示的导引信息处理器64主要用于对输入处理器64的导引信号执行调制映射。尽管未示出，显然，导引信息处理器64可执行未述及的其它功能。
显然，尽管作为三个独立且明显不同的处理器60、62、64加以图示和描述，但这些处理器中执行的公共算法可以共享。而且，这些处理器60、62、64可以在单个模块或多个独立模块中实现。
图2A和2B中所示的IFFT模块66可将从数据信息处理器60、信令信息处理器62和导引处理器64接收的基于频率的数据、信令和导引信号分别变换成时基输出。这种时基输出把转发至输出模块的数据数据副载波时间序列、信令副载波时间序列和导引副载波时间序列组合起来。
对于图2A中描述的实现方案，BTS 50包括输出模块70，输出模块70包括峰值均值功率比(PAPR)模块71，PAPR模块71不仅与IFFT模块66相连，而且还与多条并行输出路径相连；PAPR模块71减少转发至输出路径的信号的峰值均值功率比。所述输出路径中每一条包括相应的相位调整器72a、72b、72c、72d和相应的输出装置76a、76b、76c、76d，相位调整器72a、72b、72c、72d与PAPR模块71相连并且分别与相应的输出装置74a、74b、74c、74d串联；各天线提供扇区覆盖。在所述实现方案中，各相位调整器用于调整各副载波时间序列的相位控制天线阵列发送最强能量的特定方向。所以，为了产生如上针对图1所示第一实现所述的旋转定向波束，系统调整相位调整器72a、72b、72c、72d，以便在正确的时段内将发送能量射向覆盖区域内的各个移动终端。
为了控制相位调整器72a、72b、72c、72d，输出模块70还包括与各相位调整器相连的波束方向控制模块78，控制模块78最好在BTS50的现有处理器中实现。或者，波束方向控制模块78可以在独立的处理器或硬件逻辑装置中实现。波束方向控制模块78计算控制波束所需的必要相位调整。在BTS 50产生如图2A所示的旋转定向波束的情况下，模块78连续调整不同输出路径的相位，以便所得定向波束以合适的速率扫描扇区。为了正确地控制定向波束，波束方向控制模块78最好知道覆盖区域内移动终端的位置；模块78通过多种可能的技术确定其覆盖区域内移动终端的位置。其一，在固定终端的情况下，模块78可以在其覆盖区域内预先确定终端的位置。而且，移动终端可以利用附带的全球移动定位卫星(GPS)装置(或类似的定位装置)将它们的位置报告给BTS 50。另外，在BTS处理从移动终端接收的信号允许模块78识别移动终端的位置(或方向)；例如，利用移动终端信号的输入角分析。在这些情况中的任意情况下，覆盖区域内移动终端位置的确定允许相位调整器72a、72b、72c、72d使波束指向预期方向。
如图2A所示，输出装置74a、74b、74c、74d分别包括串联于它们各自的相位调整器72a、72b、72c、72d和它们各自的天线76a、76b、76c、76d之间的数模(D/A)变换器和发射机。输出装置内这些模块的实现和操作会是本领域技术人员所公知的。
对于图2B中所示的实现方案方案，BTS 50包括输出模块80和多条数据路径，其中输出模块80包括与IFFT模块66相连并且还与切换器82相连的PAPR模块81，所述多条输出路径与切换器82相连。PAPR模块71的工作方式类似于如上所述的PAPR模块61。所述输出路径中每一条包括相应的输出装置84a、84b、84c、84d，相应的输出装置84a、84b、84c、84d与切换器82相连并且还与定向天线86a、86b、86c、86d相连。在所述实现方案中，各定向天线86a、86b、86c、86d具有不同的发送最强能量的主方向。所以，为了如上针对本发明第一实施例所述那样产生旋转定向波束，切换器82系统地将导引、信令和数据副载波时间序列切换到不同的输出路径，以便在适当时期内发送到覆盖区域内的各移动终端。如图2B所示，输出装置84a、84b、84c、84d与图2A内输出模块70所示的相同。
类似于图2A，图2B的BTS 50的实现方案还包括与切换器82相连的波束方向控制模块88。在这种情况下，波束方向控制模块可用于控制切换器82，以便选择合适的定向天线86a、86b、86c、86d。尽管在如下所述的显示BTS 50实现的所有附图中未示出，显然，至少一个类似于模块78或模块88的波束方向控制模块将会实现于每个如下所述的要求一个或多个定向波束的实现方案中。
图2B的实现方案存在各种备选方案。例如，切换器82可以移动，以减少对多个输出装置84a、84b、84c、84d的需要。在这种备选方案中，PAPR模块81可以实现为与单个输出装置和切换器82串联，切换器82与定向天线86a、86b、86c、86d的每一个相连。这种配置以与图2B所示实现方案类似的方式工作，但可通过减少对额外的D/A切换器和发射机的需要降低成本。这种备选方案的问题是切换器82必须能够处理RF功率，因为它位于发射机的放大级之后。
尽管图2A中输出模块70以及图2B中输出模块80内都存在具有四天线阵列的四条并行输出路径，但是，应当认识到，其它备选方案也是可能的。具体地说，显然，额外的天线可以包括在阵列中，每个额外的天线还有另一条并行输出路径。如果图2A的输出模块实现具有四条带相应天线的输出路径，那么，更为集中的定向波束就是可能的。如果图2B的输出模块实现具有四条带相应天线的输出路径，那么，每个天线可以设计成对总覆盖区域的更小部分聚焦，所以允许更高的链路增益。类似地，应当认识到，用少于四条的具有相应天线的输出路径实施第一种实现方案也是可能的。
图3是说明RF信道内数据、导引和信令副载波频率在时间上分配的图表。OFDM系统的这种实现方案称为“漂移”频率分配。在其它实现方案中，频率分配可以是固定的。例如，漂移和固定的导引和信令载波用于DVB-T(数字视频广播传输)传输标准(参见ETSI标准EN 300744 V1.1.2(1997-08)欧洲标准(电信序列)数字视频广播(DVB)；数字陆地电视的成帧结构、信道编码和调制)。在任一种情况下，在任意时刻，各载波仅由数据、信令和导引信道之一使用。所以，通过分隔载波，有可能将数据、信令和导引信道分成多个独立的传输。这是如下参照图4至9描述的本发明实施例的一个重要方面。如果使用漂移频率分配，显然，在以下描述中，可允许装置改变数据、信令和导引的载波频率。这些变化根据图案进行，所述图案同时为无线系统发送发射机和计算机所知。
所述附图说明这些载波如何结合起来，以便如果信令和导引信道、数据信道由BTS 50通过具有不同覆盖区域的天线发送，则移动终端计算机可以接收信令和导引信道、数据信道、或以上两者。
在本发明的一些实施例中，将与以上就图1实现方案所作描述不同的天线用于确保用足够强的功率向目标移动终端发送数据信道，同时仍旧保持向覆盖区域内任何其它移动终端发送导引和信令信道。在本发明的这些实施例中，将RF信道分成至少两个独立的传输，至少一个用于数据信道，至少一个用于导引和信令信道。RF信道的一种可能的划分如图4A和4B所示。图4A是说明抽样OFDM信号的图表，其中共同显示导引、信令和数据信道。这里，使用与图3所示类似的图例表示导引、信令和数据载波。如图中所示，所显示的这些载波具有不同的振幅。一般说来，会根据无线传播条件和所用的调制和编码选择各载波的振幅。如果使用漂移的导引和信令方案，信道的频率位置就会随时间变化。以增长的振幅显示数据载波之一，以表示(如前所述)数据信道可包括导引载波以使计算机能够估计无线信道传播条件。
图4B是说明图4A的相同的抽样OFDM的图表，其中删除了数据信道，所以剩下信令和导引信道。图4C是说明图4A的相同的抽样OFDM的图表，其中删除了信令和导引信道，所以剩下数据信道。
将参照图5至9描述这样的实施例，即向目标移动终端发送图4C所示的信号，同时向覆盖区域内的所有移动终端发送图4B所示信号。在这些实施例中，只有两个传输，虽然这不应限制本发明的范围。应该认识到，可以设计这些实施例的扩展，将OFDM信号划分成多于两个传输。例如，在一个备选实施例中，数据、导引和信令信道可以分别具有独立的传输。
图5是说明使用OFDM的无线系统的框图，所述无线系统根据本发明第二实施例，类似于图1所述的无线系统，但其中BTS 50具有用于数据信道的定向发射波束(下文中称之为数据业务定向波束)和分开的用于导引和信令信道的扇区全向发射波束(下文中称之为业务扇区全向波束)。在图5中，定向波束88用作数据业务波束，以便BTS50可以以足够的链路增益向目标移动终端54发送数据业务，同时扇区全向波束89用作业务波束，以便BTS 50向其覆盖区域内的所有移动终端连续发送导引和信令信道。扇区全向波束一般足以向移动终端发送导引和信令信道，因为这些传输比特率一般比数据业务信道的低。
为了允许足够的链路预算，业务扇区全向波束可以具有不同于数据定向波束的调制或符号速率，以便补偿较宽的业务波束。在一种实现方案中，将前述的DVB-T标准所用的分级调制技术用于业务波束。在这种情况下，数据定向波束可在全调制星座中工作，而业务扇区全向波束可在较小的调制星座中工作。这种技术的优点之一是相同的接收机可用于接收OFDM信号的两个部分。
图6A、6B和6C是说明本发明第二实施例的BTS 50的第一、第二和第三种可能的实现方案的框图。BTS 50的这些可能的实现方案包括如以上图2A和2B所示的相同的数据信息处理器60、信令信息处理器62、导引信息处理器64和IFFT模块66。类似于图2A和2B的BTS，图6A、6B、6C所示模块60、62、64、66可以以上述各种备选版本的形式实现。图2A、2B、6A、6B、6C所示的各BTS设计之间的差异在于，它们各自输出模块的实现方案不同。图6A、6B和6C说明输出模块的三种可能的实现方案，输出模块的这三种可能的实现方案允许产生图5所示的根据本发明第二实施例的发射波束88、89。这三种实现方案的以下说明不应限制本发明的范围，因为显然，这些抽样实现方案的目的不是为了包括所有可能的实现方案的集合。
对于图6A中所示的实现方案，BTS 50包括输出模块90，输出模块90包括数据业务波束PAPR模块91和业务波束PAPR模块97，数据业务波束PAPR模块91不但与IFFT模块66相连还与多条并行数据业务波束输出路径相连，而业务波束PAPR模块97连接到IFFT模块66以及单独的业务波束输出路径。PAPR模块91、97的工作机制与以上参照图2A对模块71所描述的类似。而且，与以上针对图2A所描述的类似，各条数据业务输出路径包括相应的相位调整器92a、92b、92c、92d，各相位调整器92a、92b、92c、92d不但与PAPR模块91相连，还与相应的输出装置94a、94b、94c、94d和相应的天线96a、96b、96c、96d串联。在这种实现方案中，天线96a、96b、96c、96d是扇区全向天线，其中通过使用相位调整器形成定向波束88。相位调整器92a、92b、92c、92d各自从PAPR模块91接收数据业务副载波时间序列并对所述副载波时间序列的相位进行调整，以便规定发送最强能量的天线阵列的特定方向。所以，为了输出以上针对本发明第二实施例所述的数据业务波束88，对相位调整器92a、92b、92c、92d进行调整，以便将发送能量射向目标移动终端。如上所述，还将实现类似于如上关于模块78所述的波束方向控制模块，以控制相位调整器92a、92b、92c、92d。
业务波束输出路径包括输出装置98，输出装置98连接在PAPR模块97和业务波束天线99之间。在这种实现方案中，输出装置98从PAPR模块97接收导引和信令数据载波时间序列，并在对这些时间序列进行处理之后，将它们转发至天线99。天线99是扇区全向天线，允许以相对均匀的链路增益在BTS 50的整个覆盖区域内发送业务波束89。
类似于如上所述图2A中的输出模块，图6A中的输出装置94a、94b、94c、94d各自包括D/A切换器和与它们各自的天线96a、96b、96c、96d相连的发射机。这些模块在输出装置中的实现方案和工作机制是本领域技术人员所公知的。
在图6A所示的实现方案以及这里所述的其它实现方案中，IFFT模块66提供两个输出时间序列，一个用于业务副载波(导引和信令)，而另一个用于数据业务副载波。这两个时间序列可以通过由IFFT模块66对两组副载波执行两次IFFT运算而容易地实现。或者，可以只执行一次IFFT运算，但采用改进的使用两个输出累加器的输出计算，每个累加器配置成只包括相应的副载波分量。
对于图6B所示的实现方案，BTS 50包括输出模块100，输出模块100几乎与以上参照图6A所述的相同。图6B所示的备选实现方案是业务波束天线与数据业务波束天线之一共用的。如图6B中所示，输出装置102与PAPR模块97相连，以便接收导引和信令副载波时间序列，同时装置102还与第一数据业务相位调整器92a相连，以便接收经相位调整的数据业务副载波时间序列。如图6B所示，输出装置102还与天线104相连。类似于图6A的输出装置，输出装置102包括D/A切换器和发射机。
共用天线104是可能的，因为如上所述，导引和信令副载波以及数据业务副载波可用不同的载波工作。在这种实现方案的情况下，由扇区全向天线104发送的经相位调整的数据载波与由其它数据业务扇区全向天线96a、96b、96c、96d发送的经相位调整的数据载波协调工作，以产生定向数据业务波束。因为导引和信令副载波在共用天线104上发送，共用天线104还产生扇区全向业务波束。在这种实现方案以及以下所述的其它实现方案(其中输出装置接收两个输入时间序列)中，输出装置可以通过将时间一致的时间序列对加在一起，从而容易地将两个时间序列组合成单个流。在这种情况下，相关的PAPR模块必须在确定其峰值功率限制补偿过程中包括额外的求和运算。
现在转到图6C中所示的备选实现方案，BTS 50包括输出模块110，输出模块110包括PAPR模块91、切换器112和类似于图2B所示的多条数据业务波束输出路径、同时还包括类似于图6A所示的PAPR模块97和业务波束输出路径。所述数据业务波束输出路径中每一条包括各自的输出装置114a、114b、114c、114d，它们不仅与切换器112相连还分别与相应的定向天线116a、116b、116c、116d相连。类似于以上针对图2B所述的天线，各定向天线116a、116b、116c、116d分别具有发送最强能量的主方向。所以，为了输出数据业务定向波束，切换器112将副载波时间序列切换到不同的数据业务波束输出路径，以便以足够的链路增益向目标移动终端发送。类似于参照图6A所描述的，业务波束输出路径包括输出装置98，输出装置98连接在PAPR模块97和扇区全向天线99之间。如上所述，输出装置98从PAPR模块97接收导引和信令副载波时间序列，并在处理所述时间序列之后，将其转发至天线99。天线99是扇区全向天线，它允许以相对均匀的功率在BTS 50的整个覆盖区域内发送业务波束。如图6C所示，输出装置114a、114b、114c、114d、98与以上参照图2A、2B、6A和6B所述的那些相同。
如参照图2B所讨论的，通过在单数据业务波束输出装置和多个定向天线116a、116b、116c、116d之间设置切换器112，一种单数据业务波束输出装置的备选实现方案是可能的。在这种情况下，如前所述，在这种实现方案中切换器必须足以处理功率相对较高的信号。
类似于以上针对第一实施例所描述的，本发明的第二实施例不应受限于在输出模块中具有四条并行的数据业务波束输出路径及四天线阵列。具体地说，显然，可以在所述阵列中包括额外的天线，每个额外的天线还具有另一并行数据业务波束输出路径。如果图6A或6B的输出模块实现具有多于四条的带相应天线的数据业务波束输出路径，就可能得到聚焦更好的定向波束。如果图6C的输出模块实现具有多于四条的带相应天线的数据业务波束输出路径，各天线就可以设计成对总覆盖区域的较小部分聚焦，从而允许较大的链路增益。类似地，应该认识到，本发明可以用少于四条的带相应天线的输出路径实现。
在本发明第二实施例的另一备选实现方案中，扇区全向波束89可用多个部分扇区全向波束替代，每个所述部分扇区全向波束覆盖总覆盖区域的一个部分。在这种情况下，为了覆盖整个覆盖区域，要求额外的天线。这种备选实现方案的优点之一是，如果将扇区全向波束划分成多个更窄的聚焦波束，就可能增加发送导引和信令信道的功率。
图7是说明根据本发明第三实施例的使用OFDM的无线系统的框图，其与图5中所示的类似，但其中BTS 50具有数据定向波束118和独立的业务定向波束119。在图7中，数据业务定向波束118允许BTS 50以足够的链路增益向类似于图6A所示目标移动终端的目标移动终端54发送数据业务，同时业务定向波束119允许BTS 50向其覆盖区域内的所有移动终端发送导引和信令信道。在扇区全向波束的链路增益不足以向移动终端发送导引和/或信令信道的情况下，这种备选方案尤其有利。定向业务波束可以扫描覆盖区域，以便及时到达所有移动终端。此外，多条业务波束118可用于同时到达多个移动终端。业务波束还可以指向目标移动终端，以便发送规定的信令消息。
图8A、8B和8C是说明本发明第三实施例的BTS 50的第一、第二和第三种可能的实现方案的框图。BTS 50的这些可能的实现方案包括与以上针对图2A、2B、6A、6B和6C所描述的相同的数据信息处理器60、信令信息处理器62、导引处理器64和IFFT模块66。类似于前面图示的BTS，图8A、8B、8C的模块60、62、64、66可以用如上所述的各种备选方案实现。
图2A、2B、6A、6B、6C、8A、8B和8C所示的各种BTS设计之间的差异在于，它们各自的输出模块的实现方案不同。图8A、8B和8C说明输出模块的三种可能的实现方案，这些实现方案允许产生根据本发明第三实施例的图7所示的发射波束118、119。以下对这三种实现方案的描述不应限制本发明的范围，显然，这些抽样实现方案的目的不是为了包括所有可能的实现方案集合。
对于图8A所示的实现方案，BTS 50包括输出模块120，输出模块120包括如上所述的数据业务波束PAPR模块91、业务波束PAPR模块121以及多条并行输出路径，这些并行输出路径为数据业务定向波束传输和旋转业务定向波束传输所共用。如图8A所示，所述输出路径中的每一条包括：各自的输出装置124a、124b、124c、124d；各自的连接在数据业务波束PAPR 91和各自的输出装置124a、124b、124c、124d之间的数据业务波束相位调整器92a、92b、92c、92d；各自的连接在业务波束PAPR模块121和各自的输出装置124a、124b、124c、124d之间的业务波束相位调整器122a、122b、122c、122d；以及各自的扇区全向天线126a、126b、126c、126d。借助相位调整器控制这些扇区全向天线的指向以便形成所述波束，而各相位调整器由类似于之前参照图2A所述的模块78的波束方向控制模块(未示出)控制。
在这种实现方案中，数据业务波束相位调整器92a、92b、92c、92d各自从PAPR模块91接收数据业务副载波时间序列，并对所述副载波时间序列的相位进行调整，以便规定天线阵列以最大链路增益发送数据信道的特定方向。所以，为了产生如上针对本发明第三实施例所述的数据业务波束118，对相位调整器92a、92b、92c、92d进行调节，以便将发送能量射向目标移动终端。另一方面，业务波束相位调整器122a、122b、122c、122d分别从PAPR模块121接收业务副载波时间序列，并对业务波束副载波时间序列的相位进行调整，以规定天线阵列以最大链路增益发送导引和信令信道的特定方向。所以，为了产生如上针对本发明第三实施例所述的业务定向波束119，对相位调整器122a、122b、122c、122d进行系统地调节，以便在适当的时段将发送能量射向覆盖区域内的所有区域。
类似于以上所述的其它输出模块，图8A所示的输出装置124a、124b、124c、124d分别包括D/A切换器和与相应的天线126a、126b、126c、126d相连的发射机。输出装置中各部件的实现和工作机制是本领域技术人员所公知的。
对于图8B所示的实现方案，BTS 50包括输出模块130，输出模块130与参照图8A所述的输出模块几乎相同，但具有用于数据业务波束和业务波束的分开的输出路径。如图8B所示，输出模块130包括PAPR模块91、121和与图6A所示相同的四条并行数据业务波束输出路径以及四条并行业务波束输出路径。各数据业务波束输出路径包括相应的数据业务波束相位调整器92a、92b、92c、92d和相应的扇区全向天线96a、96b、96c、96d，数据业务波束相位调整器92a、92b、92c、92d与数据业务波束PAPR模块91相连，并分别与相应的输出装置94a、94b、94c、94d串联。另一方面，所述业务波束输出路径中的每一条包括各自的业务波束相位调整器122a、122b、122c、122d和各自的扇区全向天线136a、136b、136c、136d，业务波束相位调整器122a、122b、122c、122d与数据业务波束PAPR模块121相连，并分别与相应的输出装置134a、134b、134c、134d串联。在这种实现方案中，数据业务波束相位调整器92a、92b、92c、92d各自从PAPR模块91接收数据业务副载波时间序列，并对所述副载波时间序列的相位进行调整，以便规定天线阵列以最大链路增益发送数据信道的特定方向。另一方面，业务波束相位调整器122a、122b、122c、122d中每一个对业务波束副载波时间序列进行相位调整，这种相位调整量规定了天线阵列以最大链路增益发送导引和信令信道的特定方向。图8B中的8条并行输出路径一起用来产生数据业务波束118和业务波束119，它们与图8A所示输出模块120产生的数据业务波束和业务波束相似。
现在转向图8C所示的备选实现方案，BTS 50包括输出模块140，输出模块140包括：与IFFT模块66相连的数据业务波束PAPR模块91；与数据业务波束PAPR模块91相连的数据业务波束切换器141；与IFFT模块66相连的业务波束切换器142；以及多条输出路径，这多条输出路径连接到切换器141、142两者，类似于图2B所示的那些输出路径。所述输出路径中每一条包括各自的输出装置144a、144b、144c、144d，输出装置144a、144b、144c、144d独立地连接到切换器141、142中的每一个并且与相应的定向天线146a、146b、146c、146d相连。类似于就图2B所述的那些定向天线，定向天线146a、146b、146c、146d中的每一个具有发送最强能量的不同方向。所以，为了输出数据业务定向波束118，切换器142将数据副载波时间序列切换到不同的输出路径，以便以足够的链路增益向目标移动终端发送。为了产生如上针对本发明第三实施例所述的旋转业务定向波束119，切换器142有计划地将导引和信令副载波切换到不同的输出路径，以便在适当的时段内向覆盖区域内的各移动终端发送。如图8C所示，输出装置144a、144b、144c、144d与前述的那些输出装置相同。
以上结合图8C的描述适用于可以利用低功率切换的情况。在将切换器141、142设置于单个输出装置和多条天线之间的情况下，一种与上述实现方案类似的备选实现方案就可应用于本实施例中。在这种情况下，切换器必须是极高功率的，在当前技术情况下，这可能使这种备选实现方案不切实际。
类似于以上有关第一和第二实施例所描述的，本发明的第三实施例不应受限于输出模块内有四条并行数据业务及业务波束输出路径和四天线阵列。显然，类似于上述实施例，根据本发明的第三实施例，实现时可以采用多于或少于四条输出路径。而且，尽管未在附图中说明，可以对图8A、8B和8C所示的实现方案作其它变动。例如，可以利用分开的数据业务波束和业务波束输出路径来实现图8C的实施例。与图8A所示的实现方案相比，这是类似于图8B的实现方案的替代方案。
尽管在图7中以具有类似的聚焦的波束的形式进行描述，但是，应该认识到，旋转业务定向波束可以比数据定向波束较宽。对于接收机必须估计信道传播条件的无线系统，最有利的是：两种波束具有相同的辐射图、使得从业务波束传输的接收导引信号与数据业务波束的那些导引信号极其匹配。
为了允许充分的链路预算，与数据定向波束相比较，旋转业务定向波束可以采用不同的调制或符号速率、以便补偿较宽的波束。在一种特殊实现方案中，将上述DVB-T标准所用的分级调制技术用于旋转定向波束。在这种情况下，数据定向波束可在全调制星座中工作，而旋转业务定向波束可以在较小的调制星座中工作。这种技术的优点之一是同样的接收机可用于接收OFDM信号的两个部分。
图9是说明使用OFDM的无线系统，其中，两个相邻的扇区分别具有旋转定向波束。如图所示，第一和第二小区150、160包括相应的BTS 152、154，BTS 152、154分别在扇区N 154和扇区M 164内发送OFDM信号。在扇区154、164内，BTS 152、162分别发送各自的旋转定向波束156、166。这可能出现在本发明实施例的使用旋转定向波束的任意实现方案中。在这种情况下，有意义的是两个旋转波束可能会在特定的移动终端上重叠，例如在图9中的移动终端158上重叠。如果旋转定向波束156、166内的副载波利用公共载波，则这可能在移动终端引起很大的干扰。为了避免这种问题，可以对旋转定向波束156、166定时，从而不让它们在同一时间聚焦到同一移动终端。而且，为了避免可能的干扰，可以采用编码技术或其它干扰消除技术，使接收机能够区分来自两个或多个波束的传输信号(数据、导引、信令)。这就允许可以接受的频率复用，同时又没有显著增加小区之间的频率干扰。
图10是可用于图1、5和7中任一所示OFDM系统中的移动终端的框图。如图所示，移动终端包括与接收机172串联的天线170、频偏校正模块174、导引副载波获取模块176、快速傅立叶变换(FFT)模块178和多路分解器180。在这种实现方案中，多路分解器180还独立地连接到数据信息处理器182和业务信息处理器184。这些部件一起用于接收并处理BTS 50发送的数据、信令和导引信道。在图10中，天线170、接收机172、频偏校正模块174和导引副载波获取模块176用于最初接收为BTS 50发送的信号并使所述信号同步。接着，FFT模块178用于将从导引副载波获取模块176接收的时基数据、信令和导引信号变换成基于频率的输出符号流。这些基于频率的输出符号流包括数据副载波符号流、信令副载波符号流和导引副载波符号流，它们分别被转发至多路分解器180。多路分解器180将符号流分开，以便将数据副载波符号流转发至数据信息处理器182，而将信令和导引副载波符号流转发至业务信息处理器184。
数据信息处理器182对接收的数据副载波符号流执行多种众所周知的功能，以便输出在所述输入信号中包含的数据信息。这些众所周知的处理功能包括符号解调、数据去交织、速率适配和FEC编码。尽管所有这些功能在图10中以特定的顺序显示，但这不应限制本发明的范围。本领域的技术人员会理解，只要所得结果相似，这些功能可以以不同的顺序执行。此外，在备选实施例中，并非所示的所有功能都由处理器182执行，例如FEC编码，而且(或者)，还可以执行未示出的其它功能。应当指出，数据信息处理器182输出的数据信息可以采用多种不同的格式，例如因特网协议(IP)分组格式、MPEG编码图像、视频或其它标准数据单元格式。
业务信息处理器184执行与数据信息处理器182类似的众所周知的处理功能。图10中的这些众所周知的处理功能包括符号解调、信令去交织、速率适配和FEC解码、显然，与以上关于数据信息处理器182所描述的相似，业务信息处理器184可以以不同于图10所示的顺序执行这些功能，可以不执行所有这些功能和/或可以执行未述及的其它功能。另外，显然，业务信息处理器可以划分成至少两个处理器，一个用于处理信令副载波符号流，一个用于处理导引副载波符号流。如果目标移动终端接收到两个或两个以上的使用相同频率载波的导引信号，就可以采用诸如匹配滤波或校正的技术，以选择所期望的信号。
尽管以两个明显不同的分开的处理器182、184的形式来进行图解说明和描述，但是，显然，这两个处理器执行的公共算法可以共享。而且，这两个处理器182、184可以在单个部件或多个独立的部件中实现。
可以对传统的移动终端进行修改，这种修改将在本发明移动终端的最佳实现方案中实施。在本发明移动终端的最佳实现方案中，一种与数据信息处理器182和业务信息处理器184相连的监视装置(未示出)确定移动终端在任何特定时刻接收到什么信息。所述计数器确定：如果只接收到业务信息，就指示特定移动终端在数据业务波束之外，但在业务波束之内；如果只接收到数据业务信息，就指示所述特定移动终端在数据业务波束之内，但在业务波束之外；如果数据业务信息和业务信息都接收到，就指示特定移动终端同时在数据业务和业务波束内。在确定移动终端接收到什么信息之后，所述监视器接着按照要求控制对接收数据业务和业务信息的处理。
应当指出，尽管图10所示的移动终端采用单接收机结构，但应该认识到，实现具有分别针对数据业务波束和业务波束的独立接收机结构的终端，这是可能的。这种技术将具有附加的缺点，即由于增加部件而导致显著的额外成本。
本发明的一些实施例中要求的修改为，如前所述在数据业务波束中引入导引载波。如果要求对数据信道进行精确的信道估计，就要求独立的数据波束导引信号，这是因为通过业务波束传输用于数据业务波束的标准导引信号有可能不精确。在本发明的一个特别优选的实施例中，目标移动终端利用业务波束的标准导引信道中的导引信号来产生宽的估计和同步，而该目标移动终端把数据业务波束中的数据业务导引信号专用于数据业务信道的同步并且用于估计无线传播条件。
尽管以上未明确述及，但应当指出，本发明既可应用于移动终端在OFDM小区中的情形，又可应用于固定终端在OFDM小区中的情形。固定接入系统的用户终端位于相对固定的位置，对于这种系统，可以为各用户固定波束方向。在这种情况下，可以用适用于各用户的导引值表将定向波束导向各用户。
而且，虽然以上未述及，但显然，本发明可以结合干扰消除技术，以抑止小区之间对业务波束的干扰。即，知道区域中所有导引信号传输特性的移动终端可以消除正在干扰主信号的那些信号。还可能使业务波束同步(即对它们在扇区内的使用定时)，以便使小区之间的干扰最小，从而允许有效的频率复用。
另外，尽管以上针对其中BTS向移动终端发送数据业务波束和业务波束的系统、对本发明的实施例作了具体描述，但应该认识到，还可能存在传输波束的备选划分方式。例如，业务波束和数据业务波束中任一波束都可再分为其它波束。例如，数据业务波束可以划分成音频业务和传统的数据业务或可以划分成音频和视频业务。如前所述，对业务波束的一种可能的划分为，将导引信道和信令信道划分成独立的波束。另外，信令信道还可以进一步细分。
尽管以上专门针对OFDM系统对本发明作了描述，但应该认识到，将来可能开发的具有类似特性的直接无线能量(波束)系统也可能从本发明的实施中受益。
本领域的技术人员将会理解，尚有更多可能的备选实现方案和修改方案用于实现本发明，而且上述实现方案仅是本发明一些实施例的说明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。