自适应个人中继器 【技术领域】
本发明涉及无线接入网络，尤其是涉及一种自适应的个人中继器，使无线用户可以在个人无线空间内使无线业务得到改善。
背景技术
在现代通信领域内，无需连接到固定的有线通信设备上，无线接入网络即可以使用户获取通信业务，因此无线接入网络日益得到普及。典型情况下，常规的无线接入网络基础设施(即基站)是由网络服务提供商利用到网络中心的通路扩建而成。因此，扩建通常起始于主要的城市业务区域(MSA)，通过位于重叠覆盖范围或“小区”的中心位置的基站实现。随后，扩建以及对应的无线通信业务从MSA向低人口/业务密度的地区扩张(例如从城市到郊区再到农村)。在一些地点，通常取决于经济因素，扩展速度变慢，并/或形成一些空点，使许多个人无线用户不能获得可靠的服务，或无法获得服务。
正如本技术领域所公知的一样。频率中继器用于改善在无线网络中的指定区域(即在一个建筑内或一片建筑范围内)内中继器的无线服务。典型情况下，由无线网络提供商提供这样的频率中继器，从而在高噪声或大衰减的环境中改善信号的质量，这样地环境中信号的电平太低，以至于无法满足业务所需的质量。在某些情况下，无线网络提供商会安装一个中继器，用来改善基站提供服务的覆盖范围的边缘地带内的业务，从而可以有效地扩展基站可以作用的范围。
现有技术中的中继器是无线网络空间内以网络为中心的视图的一部分，在这里，它们是由网络提供商提供的相对较大的系统，目的是改善在指定区域内的多个用户的无线业务。这样，它们构成了网络提供商的网络“扩建计划”的一部分。这些系统具有一个缺点，除非个人用户恰好位于中继器的覆盖范围之内，否则无法从中继器提供的业务改善中受益。然而，在很多情况下，无线用户可能在无线网络的覆盖范围不可靠的区域内居留或工作。典型的实例包括移动用户，以及位于郊区或农村的用户。即使在MSA内，由于建筑物的规模、位置以及结构与/或其他障碍，建筑物内的区域也可能是不可靠的。在这些情况下，对于网络提供商，通过扩建网络来提供足够的覆盖范围可能是不经济的，因此会使这些用户不能获得足够的无线服务。
因此，存在对这样的方法和装置的高度需求，它使得个人用户可以经济的花费获取高质量的无线通信业务，这种服务与用户所处的位置无关。
【发明内容】
本发明的一个目标是提供一种装置，使个人用户可以经济的花费获取高质量的无线通信业务，这种服务与用户所处的位置无关。
因此，本发明的一个方面是提供一种中继器，用于在一个无线通信装置与一个无线通信网络之间透明地传递信令。中继器包括一个施主单元(DDU)以及一个用户覆盖范围单元(SCU)。DDU的作用是维持与无线通信网络中的收发器(基站)的网络链路。SCU的作用是，在中继器的个人无线空间内维持与无线通信装置的本地链路。SCU一般包括：分别用于检测无线通信装置的上行链路和下行链路信道频率的装置(means)，以及在检测到的上行链路和下行链路信道频率内，至少能控制SCU以有选择地接收和发送信号的控制装置。
DDU与SCU最好用高度集成的天线/放大器单元实现，该单元用一个双向信号通路(例如同轴电缆)耦合在一起。在这样的配置中，总APR增益可以在DDU与SCU间分配，因此无需单独的增益与系统控制单元。此外，在DDU与SCU间分配系统增益，还可以获得高性能的频率中继器，而无须使用高成本部件，与此同时，还便于系统天线间的隔离。
本发明的另一个方面是提供了一种方法，利用该方法，网络服务提供商可以通过无线通信网络向业务不足的区域内的用户或用户群提供无线通信服务。根据本发明，无需用高成本的设备扩建网络，网络服务提供商向用户(一个或多个)提供一种个人中继器，用于在用户的无线通信装置与无线通信网络的基站之间透明地传递信号。这就在网络扩建不经济的地区内，为网络服务提供商提供了一种节约成本的方法，可以在个人用户的基础上致力于提高服务的质量。
本发明的另一个方面是提供了一种方法，利用该方法，第三方销售商可以使无线通信网络业务不足的区域内的用户访问无线通信网络的无线通信业务。因此，第三方销售商可以向用户(一个或多个)提供一种个人中继器，用于在用户的无线通信装置与无线通信网络的基站之间透明地传递信号。对于无线通信网络以及用户无线通信装置而言，由于个人中继器都是透明的，不必依靠网络服务提供商，个人用户就能安装和操作个人中继器，不会对基站的工作产生任何不利的影响。
本发明中的APR表示一种以用户为中心的技术(SCT)，通过向那些无法获得足够的或没有无线覆盖范围的用户提供一种低成本的产品解决方案，实现了现有的无线通信网络功能(例如蜂窝网络及PCS网络)。通过从外部可靠的网络的回馈，本发明的自适应个人中继器(APR)允许无线用户或用户群访问无线通信网络，而无须任何进一步的以网络为中心的扩建。因此，APR向用户提供了一种方法，在需要的时刻及场合内，可以解决在业务不足或不存在的范围，因此，使得个人用户能够管理他们自己的“个人无线空间”。
【附图说明】
通过下面的详细说明以及附图，本发明的其它特点和优点可以更为明显，其中：
图1表示根据本发明的一个实施例的自适应个人中继器的示意框图；
图2表示如图1所示的自适应个人中继器的部件的原理示意框图；
图3表示能够用于如图2所示的实施例中的施主单元(DDU)的示例的部件的原理示意框图；
图4表示能够用于如图2所示的实施例中的用户覆盖范围单元(SCU)的示例的部件的原理示意框图；
图5表示能够用于如图4所示的SCU的下行链路AGC的示例的的原理示意框图；
图6表示能够用于如图4所示的SCU的上行链路AGC的示例的部件的原理示意框图；
图7为一个状态图，表示如图1所示的自适应个人中继器的工作过程中经历的状态以及状态转移的示例。
图8为一个流程图，表示如图1所示的自适应个人中继器的初始化以及工作工程中的自适应控制算法的示例的工作原理。
需要说明的是，在全部附图中，相同的部件用相同的参考符号进行标识。
【具体实施方式】
本发明提供了一种自适应个人中继器(APR)2，其允许向处于现有无线通信网络4可靠的覆盖范围之外的用户传输低成本的高质量无线通信服务。通常，APR 2产生包括用户的无线通信装置(一个或多个)的个人无线空间6，并可以向无线通信网络4中的可靠作用区域内进行回馈，以访问无线通信服务。图1表示根据本发明的自适应APR 2的示意框图。
如图1所示，常规的无线通信网络4包括多个基站8，每一个都在各自的覆盖范围或小区10内提供无线通信服务。采用现有技术中已知的方式，通过与各自在小区10内的基站协商无线连接，小区10内的移动通信设备(未画出)访问网络4的无线通信服务。每个小区10的规模和形状是不规则的，取决于许多因素，例如，包括距离各自基站8的距离，以及存在的对射频信号造成衰减的障碍物(例如建筑物，以及例如山、峡谷的地理特征，等等)。在例如图1所示的多小区网络4内，小区之间的边界12被确定为：那些在一个基站8与相邻小区10的基站8之间进行交换或“切换”的点。典型情况下，基于信号的功率来进行确定。在无线通信网络4的边缘，小区边界与网络覆盖范围的边界14对应，主要被确定为那些信噪比(S/N)变得太低，以至于不允许在最近的基站8与移动通信设备之间的连接中进行令人满意的协商的点。
在每个小区10内，访问的无线服务的质量变化很大。例如，在一个高楼林立的区域内，从建筑物表面进行的多次反射能够产生很大的噪声或衰减环境，降低了访问无线通信网络的可靠性。在建筑物内，信号的散射与衰减可以阻碍对无线通信网络的可靠访问。
本发明中的自适应个人中继器(APR)2为用户(一个或多个)定义了一个个人无线空间6，并向基站8a进行回馈，使得用户(一个或多个)可以可靠地访问网络4中的无线通信服务。个人无线空间6可以在无线通信网络4中的服务不足的区域内(例如，在一个建筑物内，或其它高噪声/衰减区域)进行定义，或者如图1所示，在网络覆盖范围边界14之外的区域内定义。在每一种情况下，就其功能，APR 2被布置在基站8a与用户无线通信装置(WCD)16之间。用户的WCD(一个或多个)16的形式可以是任何常规的无线通信装置，例如个人数字助理(PDA)、无线电话手机、寻呼机，以及单路与双路消息装置。
在APR 2与基站8a之间建立了一个网络链路，分别检测并调整其中的上行链路和下行链路的功率电平，以优化链路的性能。类似地，在APR 2与用户的移动通信设备16之间，建立一个本地无线链路20，分别检测并调整其中的上行链路和下行链路的功率电平，在下文中对此更详细地介绍。然而，APR 2不会终止基站8a与用户的移动通信设备16之间的任何连接，而且不会对任何信号格式或通信协议进行转换。因此，APR 2在功能上对于网络及常规移动通信设备都是透明的，因此使得协议及信号格式可以在基站8a与用户的通信设备16之间独立地进行交互。一旦在APR 2与基站8a之间，以及在APR 2与WCD16之间分别建立起链路18、20，而且协调好各自的上行链路和下行链路信道的功率，则APR 2便于在WCD 16与基站8a之间进行透明的信号发送。因此，WCD 16按照常规的方式与基站86对通信链路(例如协议、信号格式时隙等)进行协商，从而，使用WCD 16的用户可以无缝地访问网络4中的无线通信服务。然而，如下面更详细的叙述，APR 2的发送和接收性能超越了常规移动通信设备的能力，因此可以在WCD 16与基站8a之间建立起距离更远的连接，和/或在具有比WCD16与基站8a直接进行通信的情况中更高噪声/衰减的环境中建立连接。此外，APR在WCD与基站之间自适应地维持可靠的链路。
本发明的APR 2是一种“频率”中继器，其中上行链路与下行链路的射频信号通过APR 2进行转送，而不会改变各自的信道频率。在工作中，APR 2检测从用户的WCD 16(一个或多个)的发送，通过捕获适当的上行链路与下行链路信道的频率，将其调整至用户的WCD(一个或多个)16的频率特性。此后，APR 2进行选择性地接收、放大、和重发射在这些上行链路和下行链路信道频率内的RF信号。
图2-6表示根据本发明的一个实施例的APR 2的部件的原理示意图。如图2所示，APR 2通常包括一个施主单元(DDU)22与一个用户覆盖范围单元(SCU)24。DDU 22与SCU 24可以集成在一个单独设备中，也可以用适当进行彼此连接(例如，通过一个同轴电缆等)的分离部件形成。为了描述方便，下述的每个DDU 22与SCU 24都用分离装置进行介绍，它们通过适当的连接通路26(例如同轴电缆连接)连接在一起。
在上面的实施例中，每个DDU 22与SCU 24都作为高度集成的单元，它们共同实现了APR 2的所有功能。如下所述，这种配置改善了性能，降低了成本，并消除了从天线中分离出电气单元来容纳中继器的功能构造部件的需要。
常规的频率中继器(OFR)一般包括一个或多个功率放大及控制单元，通过各自长度的同轴电缆连接到两个无源天线上。这些电气单元通常位于距离无源天线的某个距离之外，需要选用昂贵的同轴电缆以使衰减最小，并保持每个单独的单元与天线之间的隔离。同样，由于即使采用昂贵的同轴电缆仍会带来一定的衰减，因此需要采用昂贵的高性能的构造部件例如高线性功率放大器来克服衰减，并满足系统的性能指标。选用高性能的功能部件及高等级电缆，不仅仅是为了满足发射功率的需要，也是为了保持接收信号的质量的需要。由于OFR不会改变频率，而且单元内的系统增益可达100dB，存在较大的内部系统不稳定的可能性。因此，经常需要对所有内部构造部件进行单独的屏蔽，通常在每个电气单元内都使用昂贵的多层铝屏蔽层。
在如图示的实施例中，APR 2的功能由两个高度集成的单元提供，每一个都提供部分系统增益，以满足中继器整体的性能需求。在下文中将更详细地介绍，这种对系统增益的分解，充分地降低了对高性能(因而是高成本的)部件的需求以及在每个单元内对高度屏蔽的要求。
根据本发明，DDU 22与SCU 24使用了自适应干扰缓和的技术，在用户的个人无线空间6内的射频干扰得以减轻，它是用如下的一种或几种方法的组合实现的：物理天线隔离；交叉极化；射频功率管理；以及APR 2与基站8a之间使用窄波束网络链路18。在多数无线服务网络中都存在干扰的问题。不同网络的干扰类型和程度不同。为克服这些网络中的干扰，在很多应用领域内采用了被称为“智能”天线的技术。在基站内使用这种智能天线技术，可以有效地减少下行链路(从其它基站干扰手机)和上行链路(从其它手机干扰基站)通信信道内的干扰问题。然而，智能天线技术没有用于缓解发生在链路的手持设备上的干扰。这在很大程度上是由于手机的尺寸和功率限制，以及为了在大范围的网络内与基站进行成功的连接及通信，手机天线必须是全向的需求而造成的。
本发明的APR 2提供了一种装置，对于处于网络末端的手机，可以缓解下行链路和上行链路通信通路的干扰。利用指定方向上的强环境信号遮盖微弱的手机信号，APR 2将WCD16中手机的全向天线模式(对于本地无线链路20，将其限制在小范围内的有效覆盖范围)改变为方向天线模式(网络链路18上)。此外，通过将个人无线空间6的规模限制在只有用户的位置，在用户的个人无线空间6内，APR 2自适应地提供了连续的干扰缓解，并使产生的任何可能的干扰最小。
方向天线在一个方向上的RF辐射能量超过在其它方向上的。APR2利用一个外部方向天线回馈到网络中，并从用户的个人无线空间6向基站8a辐射RF功率。利用天线方向性的作用，用户的个人无线空间6不但可以区分出来自天线波束带宽之外的干扰，还可以阻止产生对其它方向上其它基站8可能的干扰。这就被动地缓解了其自身的下行链路和上行链路通路内的干扰。天线的区分能力提供了这样的方法，从可能来自其它基站的干扰源中空间地分离出期望信号。利用这种区分能力，APR 2对期望的信号进行放大和调整，并自适应地对其进行发射，确保在个人无线空间6内，无论用户的位置如何，也无论用户如何移动，WCD16中的期望信号保持相对恒定的电平。常规的缓解方案中，干扰的降低是相对于期望信号或自身实现的，与之不同，APR 2在用户的个人无线空间6内，提高了相对于干扰的期望信号的电平。
DDU 22建立并保持APR 2与无线通信网络中的基站8a之间的网络链路18。如现有技术中所知的，在无线链路18内的信号衰减是基站8a与DDU 22之间的距离的函数。因此，DDU 22最好能在较大的接收和发送功率电平范围内保证APR 2维持与基站8a的连接。例如，对DDU进行优化设计，使它可以接收低至-120dBm的下行链路的信号功率电平。此外，还可以对DDU 22进行设计，使它可以向基站发送高达+37dBm的上行链路信号，典型情况下，这比常规的蜂窝手机高出10dB。即使在DDU 22被放置在常规单元(以及网络覆盖范围)边界14外相当远的位置，DDU 22中的发射与接收性能确保维持了与基站8a的网络链路18。
在如图2所示的实施例中，用一个单端有效天线单元形成施主单元(DDU)22，其包括一个与收发双工器(TRD)30集成在一起的方向施主天线(DDA)20。通过同轴电缆连接26，双向端口32将DDU 22与SCU24连接在一起。
在图示的实施例中，用一个高性能的、垂直极化的方向天线形成DDA 28。DDU 22是可以定向的(即可以在水平面内旋转)，在安装过程中，允许将DDA 28对准基站8a。DDA 28的方向性有助于精细调整方向。垂直的极化与(常规的)基站8a的典型的垂直电磁(EM)场实现最大的耦合。
DDU 22可以被优化设计为用于户外使用。在这些情况下，该单元内可以使用较少的高温度等级部件，在使成本降低的同时，实现了DDU 22要求的功能性能。例如，DDU 22的部件占APR的全部部件数目的不到20％，其中全部被设计为工作在户外环境中。DDU 22还可以包括一个塑料外壳，在户外自然环境中保护功能部件。这个外壳容纳了集成在一个普通印刷线路板(PWB)上的高增益天线与收发双工器(TRD)。作为TRD的一部分，用一个低噪声放大器保持下行链路接收信号的质量，而一个功率放大器输出上行链路通路中必须的功率。由于设备都通过一个双工器直接连接到集成天线上，系统的性能达到最大化，并保持部件的成本相对较低。与常规OFR相比，这种需要低噪声放大器与功率放大器的方法放宽了3到5dB，因此成本显著降低。利用在天线和双工器间小的衰减或没有衰减的特点，性能得到提高。通过使用更低功率的设备，系统的可靠性也得到改善。对于上行链路和下行链路通路，DDU增益可以低于40dB，单元内对隔离的要求也适当保持在较低的水平。因此，各个部件或构造部件无需单独的铝屏蔽层进行屏蔽，但通过简单的板级屏蔽来提高隔离度，上行链路与下行链路可以是分离的，构造部件可以作为功能部分一起进行屏蔽，并防止电路与不希望的高电平信号进行耦合。由于DDU 22在下行链路通路中设置了APR 2的系统噪声系数(NF)，并为给定的输入提供了必要的增益以在上行链路通路中产生+37dBm EIRP的输出，同轴电缆26的衰减可以相对较高，而不会产生对系统性能不利的影响。由于这个原因，与常规的OFR系统相比，可以使用等级低得多的电缆(例如RG58verses 1/2inch heliax)，因此，相比之下(例如，对给定的长度可以用因数10来比)，电缆成本可以非常低。低价格的电缆通常意味着小得多的电缆直径，由于允许更小的弯曲半径，安装的简便性得到很大改善。同样地，由于对隔离度的要求更低，对电缆屏蔽的要求也不是那么严格了。
在运行中，DDA 28通过网络链路18同时发射上行链路RF信号和接收下行链路RF信号。例如，可以设计DDA 28来发射在从824到849MHz频率波段内的上行链路RF信号，并且接收在869到894MHz频率波段内的下行链路RF信号。对于+25dBm TRD输出，要求12dBi的天线增益来发射在上行链路通路中具有+37dBm的最大EIRP。
双向端口32通过同轴连接26同时接收和发射上行链路和下行链路频率波段。例如，可以将端口32设计成从SCU 24接收在824到849MHz频率波段内的上行链路RF信号，并且发射在869到894MHz下行链路频率波段内的下行链路RF信号到SCU 24。
如图3所示，TRD 30包括在连接到DDA 28的DDA双工器38和连接到端口32的TRD端口双工器40之间连接的上行链路和下行链路信号通路34、36。DDA双工器38在DDA 28处将信号通路34和36分开。类似地，TRD端口双工器40在端口32处将DDA双工器38，40分开。各个TRD端口和DDA双工器38，40也定义和限制在其上系统必须维持稳定的频率波段(一个或多个)。
在上面的实施例中，上行链路通路34包括：两级驱动器42，其包括一对串联连接的驱动放大器44a和44b；和与两级驱动器42串行连接的功率放大器(PA)46。这种通过DDA双工器38直接地连接到DDA的级联驱动器和功率放大器电路的配置降低了PA 46的输出功率要求。例如，在DDA 28处的PA 46的输出功率，其可以由简单的检测电路48自动地控制(即，允许或禁止)，可以比常规的蜂窝手持设备的等价输出功率低大约3dB。这种配置使PA 46和DDA 28之间的损失最小；提高了性能、功耗和可靠性；同时降低了成本。
上行链路通路34内的两级驱动器42和功率放大器46便于自动的RF功率管理，也允许DDU 22可靠地维持与基站8a的网络链路18。由于基站8a和DDU 22是固定位置，网络链路18的传播环境比较而言是静态的，因此简化了这种操作。因此，可以通过测量从基站8a接收到的下行链路RF信号的功率，并且利用测量到的功率来控制发射到基站8a的上行链路RF信号的信号功率，获得对网络链路18的可靠维持。例如，如果接收到的下行链路RF信号的测量功率大于预定的最小阈值，可以减少上行链路RF信号发射功率，提高频谱效率、节约能量、增加可靠性且降低系统增益。相反，如果接收到的下行链路RF信号的测量功率小于预定的最小阈值，可以增加上行链路RF信号发射功率，改善信噪比。在上面的实施例中，正如将在下面详细地介绍一样，在SCU 24内完成以这种方式对上行链路RF信号发射功率的控制。然而，可以理解，利用合适的跨接电路(为示出)，可以在TRD30内影响上行链路RF信号发射功率控制，在跨接电路中，(例如)PA46可以作为可变增益放大器，其由连接到下行链路通路36的控制器单元控制，以检测接收到的下行链路RF信号功率。
为了进一步提高PA 46的可靠性，可以在PA 46和DDA双工器38之间串行地放置一个隔离器50，以防止来自出现在PA 46的输出端的反射功率(例如，由于任何在DDA 28和DDA双工器38之间的不匹配)。此外，当PA 46被允许和禁止时，隔离器50可以为DDA双工器38提供恒定的阻抗匹配。可以理解，频率交叉噪声可污染上行链路通路34内的上行链路RF信号。由DDA和端口双工器36，38衰减这种频率交叉噪声。对在上行链路通路34内的频率交叉噪声的进一步衰减可以使用在两个驱动器级44a和44b之间串行连接的上行链路带通滤波器(BPF)52来完成。DDA双工器38的隔离防止了PA 46使下行链路通路放大器饱和(下面将介绍)。这种隔离是关键的，因为从PA 46到DDA双工器38的发射功率可以高达+28dBm。
通常，下行链路通路36包括低噪声放大器(LNA)54、下行链路带通滤波器(BPF)56、和在DDA双工器38和端口双工器40之间串行连接的下行链路信号驱动器58。LNA 54最好是高性能放大器，提供(例如)15dB的增益，带有大约1.5dB的噪声指数。LAN增益和噪声指数，以及结合DDA 28增益与在DDA双工器38中的损失，确定了接收的下行链路RF信号的最小信号强度以及质量(即，信噪比(S/N))。例如，在上面的实施例中，在25kHz噪声带宽中具有-120dBm的接收到的下行链路RF信号在双向端口32的输出端产生+17dB的S/N比率，不包括任何的环境噪声。
下行链路BPF 56(例如，其可以是SAW BPF)滤去图像和频率交叉噪声，并且进一步衰减在下行链路通路36内的任何上行链路RF信号。下行链路信号驱动器58被便利地作为放大器，其作为缓冲器和增益级工作以补偿在DDU 22和SCU 24之间的(同轴电缆)连线26中的损失。由于在低成本同轴电缆中的电缆损失相对较高，最好是将在连线26上行方向中的接收的下行链路RF信号放大，因此，在引起损失前，保护由DDA 28、LAN 54、和DDA双工器38建立的S/N比率。
总的APR增益是DDU 22和SCU 24增益之和减去同轴电缆连线26中的损失，并且可以由在安装期间获得的单元之间的隔离所限定。DDA 28最好具有大于25dB的前后端比率，以有助于使两个单元之间的隔离最大，因此，获得足够的APR增益来维持可靠的网络链路18。
回过来看图2，用户覆盖单元(SCU)24通过维持在APR 2和用户WCD(一个或多个)16之间的本地无线链路20，生成用户个人无线空间6。与用常规的无线通信网络4的小区10一样，用户个人无线空间6可以是不规则形状。然而，不仅将覆盖区域确定为RF信号功率和/或SCU 24接收到的上行链路RF信号的信噪比的函数，也确定为相对SCU 24的用户WCD16的位置的函数。在各种情况下，可以预见，用户个人无线空间6的覆盖区域将比无线通信网络4的常规小区10小得多。例如，在一些实施例中，希望用户个人无线空间6将从SCU 24伸出25米(或较少)。这种实施例尤其适于使用户能够从(例如)在他们的居所或者办公地点或附近的任何位置来访问网络4的无线通信服务。如果需要，其它的实施例可以提供较大的或较小的个人无线空间6。
在任何情况下，最好是用户WCD 16以最小信号发射功率进行工作。因此，SCU 24实现了一种自适应覆盖间歇缓变(ACB)技术，使得自动地调整用户个人无线空间的覆盖区域，以确保在本地链路20的上行和下行通路上的信噪比可接受，同时使在WCD 16中的发射(也就是，上行链路RF信号)功率最小。
总之，自适应覆盖间歇缓变(ACB)包括一种RF功率管理技术，其允许通过自适应地扩展和接触到相对SCU 24的用户WCD 16的位置来使用户个人无线空间6的覆盖区域“间歇缓变”。这允许用户WCD16和SCU 24都仅仅辐射需要用于在本地链路20上维持可靠的信令的必要功率。当用户WCD 16相对SCU 24移动时，个人无线空间6的覆盖区域连续地改变以适应运动。当WCD 16向APR 2运动时，覆盖区域自动地收缩，使得个人无线空间6被限制到刚好包括WCD16。这可以通过测量从WCD 16接收到的上行RF信号的的信号功率，然后相应地调整下行链路RF信号的传输功率来完成。如果同时地使用两个或多个无线通信装置16，则SCU 24可以扩展覆盖区域以容纳位于离SCU 24最远的WCD 16(或者发射最弱的上行链路RF信号)。这是通过测量从每一个无线通信装置16接收到的上行链路RF信号的功率，并且将下行链路发射功率调整到解决测量到的信号功率电平之间的差别来达到的。
从ACB原理(concept)得到的对用户的两个主要优点是包括减少RF辐射，和在用户WCD 16内增加电池寿命。对于用户来说减少RF辐射是主要的优点，尤其考虑到对大电平RF辐射靠近用户身体(通常是头部)可能有害于人身健康用户的不断增长的关心时。本发明实现的ACB原理允许通过维持在上行链路和下行链路通路中的可靠平衡功率电平，可以显著地减少用户WCD 16的RF功率辐射(与要求用于在常规的无线通信网络4内的辐射相比)。通常，无线通信装置中单个最消耗功率的部分是上行链路信道RF放大器。这种放大器通常是AB类或C类放大器，其消耗的电池功率正比于RF输入信号电平。即，大的RF输入信号将导致上行链路信道RF放大器消耗大量的电池功率，已通过天线产生必要的上行链路RF信号功率。正如本发明允许的降低WCD 16的上行链路RF信号功率要求一样，显著地延长了电池寿命，因此延长了WCD 16的“通话时间”。
在上面的实施例中，在开始通信会话时，协商WCD 16的最小可接受的上行链路信道RF信号功率。然后，维持这个上行链路信道RF信号功率恒定(在通信会话期间)，且通过接受来自WCD 16的大范围变化的上行链路信号RF信号功率，SCU 24适应在WCD 16的位置中的改变。利用这种配置，主要根据WCD 16到SCU 24的接近程度，在接收到的上行链路信道RF信号功率中的变化可高达50至60dB。因此，优选地设计SCU 24来接收在(例如)0dBm到-60dBm之间的上行链路信道RF信号功率。
SCU 24可以测量接收到的上行链路信道RF信号功率电平，并且该功率电平被用来控制下行链路信道RF信号功率。例如，如果接收到的上行链路RF信号的功率大于预定的最小阈值，则可减少下行链路RF信号发射功率(即，减少用户个人无线空间6的覆盖区域)，以改善频谱效率、节约能量、增加可靠性和降低系统增益。相反，如果已接收的上行链路RF信号的测量功率降低到低于预定的最小阈值，则可以增加上行链路RF信号发射功率(也就是，扩展用户个人无线空间6的覆盖区域)，以提高信噪比。
在上面的实施例中，提供了用户覆盖单元(SCU)24作为单端有源天线，其包括与双向处理器(DDP)62集成在一起的用户覆盖天线(SCA)60。一个双向端口64经过同轴电缆26将DDP 62连接到TRD30。如图4所示，DDP 62包括在连接到SCA 60的SCA双工器70和连接到双向端口64的端口双工器72之间的上行链路和下行链路信号通路66和68。SCA双工器70在SCA 60处将信号通路66和68分开。类似地，端口双工器72在双向端口P2 64处将信号通路66和68分开。各个SCA和端口双工器70和72也定义了在其上系统必须维持稳定的频率带宽(一个或多个)。
在上面的实施例中，将SCA 60提供作为宽的射束宽度、水平极化的方向天线。SCU 24的垂直位置(因此，SCA 60)提供了一种机制，其改善了DDA 28和SCA 60之间的绝缘，也优化了总的APR增益。SCA 60的宽的射束宽度确保了足够的前项覆盖，以生成用于个人无线空间6的“气泡效应”。水平极化产生了对DDA 28极化的正交关系，进而改善了SCA 60和DDA 28之间的绝缘，同时增加了在SCA60和WCD 16之间连接的场。利用SCA 60的前后端比率，进一步改善了系统绝缘，该比率(例如)可以是大于10dB。
有利地，可以将SCU 24设计为室内单元，该室内单元包括与双向处理器(DDP)62集成在一起的SCA 60。在一些实施例中，可以将天线的辐射元件物理连接到印刷线路板(PWB)屏蔽罩，其可以作为天线的反射部分。DDP 62包括两个智能增益控制器(IGC)92和94，每一个共用一个公共的IF下变频器和窄带检测器，并且被单个数字控制器根据自适应控制算法来控制。在一些实施例中，SCU 24中的部件数目可以占80％的APR的总元件数目(element count)，所有的元件数目可以是带有满足室内要求的商业温度比率的低功率器件，这又有助于降低成本。
对于上行链路和下行链路通路，SCU 24中的增益可以低于60dB。这个增益是可以在单个PWB中控制的，不需要分别地封装各自的组成部件。与DDU 22一样，可以分开上行链路和下行链路通路，并且可以屏蔽组成部件作为功能部分，使用简单的、常规的、插件板级屏蔽罩来增加绝缘，且防止电路连接不想要的大电平信号。可以将数字控制器相对RF和模拟部分(也是在常规的插件板级屏蔽罩上的装置)进行屏蔽，防止数字噪声辐射到RF和模拟部分。这种简单的屏蔽要求有助于降低产品成本，同时通过维持单元可靠性来提高稳定性。
SCA 60将下行链路RF信号发射到用户WCD 16，且从用户WCD16接收上行链路RF信号。要求天线增益是6dBi，但是不限制在下信链路信道中辐射最大的-20dBm EIRP。最大的EIRP减去天线增益，确定了DDP 62的输出，其可以是(例如)大约-26dBm。
双向端口64同时地接收和发射上行链路和下行链路频率波段。例如，双向端口64可以从DDU 22接收在869到894MHz的频率波段内的下行链路RF信号，且将在824到869MHz的频率波段内的上行链路RF信号发射到DDU 22。
在上面的实施例中，提供双向处理器(DDP)62作为一个组和的RF和数字处理模块。在上行链路和下行链路通路66和68内的RF信号被单独地放大、制约(conditioned)、和处理(在他们的整个25MHz波段上)。这种处理方案提高了性能，同时降低了复杂性，因此降低了产品成本。DDP 62包括：上行链路通路66，其包括与从属可变增益放大器(VGA)76和输出放大器78串行连接的宽带上行链路自动增益控制器(AGC)74；下行链路通路，其包括前置放大器80、宽带下行链路自动增益控制器(AGC)82、从属可变增益放大器(VGA)84和输出放大器86；开关公共下变频器88；和在软件控制下运行的数字控制器90。
上行链路通路66与下变频器88和数字控制器90连接，定义了上行链路智能增益控制(IGC)。类似地，下行链路通路68连接下变频器88和数字控制器88来定义下行链路IGC 94。
正如现有技术所公知的一样，如果系统增益超过天线绝缘，频率中继器可以发生振荡。由于这种原因以及根据要求的链路性能，频率中继器的安装可能非常困难。根据本发明，IGC结合了自适应覆盖间歇缓变(ACB)和覆盖区域签名(CAS)的原理，以防止和消除由于在安装期间以及随后的APR 2工作期间的系统不稳定性造成的可能的振荡。ACB原理仅仅确保在上行链路和下行链路通路中发射必要的功率以维持可靠的本地链路20，因此，系统增益只是高到两个通路中所需的程度，这最终增加了系统稳定性。CAS原理提供了一种对来自输入的已接收信号的APR输入(DDA 28和SCA 60)中出现的泄漏信号进行解相关。这种解相关允许APR 2从接入的信号中分离出泄漏信号，以自适应地调整APR增益来维持定义的稳定等级。
绝对稳定系统要求总的系统绝缘(包括DDA 28和SCA 60的前后端比率；极化损失；传播通路损失；电缆损失)必须大于DDP 62和TRD 30的的最大组合增益。通过上行链路和下行链路IGC 92和94的工作，可以维持在定义的波段内的系统稳定性，从而使两个方向中的发射功率最小，上行链路和下行链路IGC 92和94的工作经过硬件和软件控制算法来独立自适应地调整在上行链路和下行链路通路66和68中的硬件增益。由于绝缘不充分而导致的增益减少只是减少了个人无线空间6的覆盖区域。对于个人无线空间6的减少的覆盖区域，不限制APR 2维持两个方向上的可靠链接18，20的能力。
作为IGC的部分，下变频器88和数字控制器90实现了一种数字偏移纠正方法，其使得能够为没有捕获到AGC74和82的RF信号设置宽带AGC的输出。正如现有技术所知，宽带AGC将对准捕获已定义带宽内的的AGC的最大信号。如果没有提供信号，AGC可对准给定带宽的热噪声和系统噪声。如果提供了不想要的弱(也就是，上行或下行链路RF)信号，并且AGC带宽比信号带宽大得多(使得噪声淹没了弱的信号)，将由噪声而不是不希望的弱信号捕获AGC。在本发明中，窄带检测被用作一种措施来检测混在噪声中的(弱)希望的信号。然后，数字控制器90使用对希望的上行和下行链路信号的检测来将输出偏移到合适的AGC 74和82电平。也可以使用这种相同的技术来检测出现在大电平不想要的信号中的希望的弱信号，否则，大电平不想要的信号将捕获AGC，并且限制所希望信号的系统增益。
如图4所示，下变频器88包括开关输入96、有源混频器96、Xtal带通滤波器100、运行放大检测器102、和可调谐合成器104，数字控制器90将可调谐合成器104调谐到高于上行链路信道频率45MHz，并且低于下行链路信道频率45MHz。数字控制器90控制开关输入96，以从上行和下行链路AGC 74和82中选定的之一将RF信号提供给有源混频器98。类似地，数字控制器90控制合成器104，以将RF合成的信号提供给混频器98。混频器98的输出被Xtal BPF 100引导，并且提供给检测对数放大器102，放大器102检测在它们各自的信道内的上行和下行链路信号。检测对数放大器102的输出被提供给数字控制器90，并且被用于根据自适应控制算法来进行决策。因此，当开关输入96将RF信号从上行通路66提供给混频器98时，Xtal BPF100和检测对数放大器102检测在上行链路信道内的电平和多个希望的信号，并且数字控制器90可以使用这个信息来设置在上行链路通路68中的合适功率，并且将合成器104调谐到相应的下行链路信道频率。相反，当开关输入96将RF信号从下行链路通路68提供给混频器98时，Xtal BPF 100和检测对数放大器102检测在下信链路信道内的所希望的弱信号，并且数字控制器90可以使用该信息来设置在下行链路通路94中的合适功率。这种布置使数字控制器90能够检测任何数量的所希望的弱上行链路和下行链路信号，这些信号低于想要的大电平信号和/或相邻载波信号，或者低于在各自的25MHz带宽内的-95dBm系统噪声场。数字控制器90对每一个AGC 74和82提供数字纠正，从而将各自的电平输出偏移到所希望的弱信号。
数字控制器90包括在软件控制下运行的微处理器106、允许用户控制微处理器106的运行配置的配置开关108、和一个或多个数字-模拟转换器(DAC)110和模拟-数字转换器(ADC)112，以允许在微处理器106和DDP 662的其它部件之间进行交互作用。数字控制器90根据自适应控制算法(下面更加详细地介绍)来进行工作，其提供了用于APR工作的的必要处理控制，作为单独的单元而无须在安装之后进行干预。也可以在系统启动(set-up)期间控制APR运行，以简化APR 2的安装。
DAC 110接受由微处理器106产生的各个数字输出信号，并且将这些数字输出信号转换成模拟控制信号，模拟控制信号被用于(例如)设置上行和下行链路通路66和69中的AGC增益。ADC 112将模拟RF信号转换成数字输入信号，该数字输入信号被提供给微处理器106。在运行期间，微处理器106在软件控制之下处理这些输入信号，确定系统参数电平(例如，AGC增益电平)，并且生成合适的数字输出信号。这个过程可包括：比较数字输入信号和一个或多个预定阈值，且根据比较结果确定系统参数电平。
配置开关108，其可以是传统的具有一个或多个设置的DIP开关，允许用户选择微处理器106的一种运行配置。该配置开关的示例性的设置包括：“启动”设置，其可在APR2的安装中使用；“运行”设置，其可在APR2的正常运行中使用；载波A/B波段选择设置，其可用于由用户选择所需的载波。可选择载波A/B中的两个波段或单独一个波段。例如，当配置开关108处于“启动”设置时，微处理器106可以在软件的控制下运行，以减少AGC增益和发射功率电平，使用户能够调整DDU 22和SCU 24的布局和位置。此外，配置开关108可以有一个或多个设置，用产可通过该设置来选择限制用户个为无线空间6的覆盖区域，如使微处理器106限制下行链路通路68内的增益。
优选地，将DDP下行链路通路68设计为接收、处理和发送869-894MHz的全部蜂窝频段。如上所述及如图4所示，DDP下行链路通路68包括：前置放大器80、AGC 82、从属VGA84和输出放大器级86。这些部件可与带通滤波器(BPF)114和级间滤波器116a、116b级联。
前置放大器80保存由TRD LNA54建立的信噪比，并从下行链路通路68的第一个BPF 114缓冲端口双工器72。BPF 114与端口双工器72一起将下行链路的带宽限制在25MHz，滤去包括在上行链路通路66的图象和频率交叉噪声和任何RF信号中的带外信号。
将下行链路AGC82设计为在宽的输入范围内提供基本上不变的输出电平。如图5所示，优选地，下行链路AGC82可以是极快速的、宽动态范围的高度线性化的模块，其包括：一个VGA级118、与一对带通滤波器122a和122b级联的固定增益放大器120、以及方向性的耦合器124。也可包括级间滤波器126a-126c，以降低级联噪声。
优选地，下行链路ACG VGA118具有约60分贝的增益变化，并与固定增益放大器120级联，以在使级联噪声值最小，同时增加系统的线性度。BPF 122a-122b将VGA噪声限制在25MHz的下行链路带宽，从而防止带外信号捕捉下行链路AGC82和使下行链路通路68的输出放大器86饱合。
方向性的耦合器124，其可以是17分贝的方向性耦合器，对VGA118的下行链路的RF信号的下行流中进行采样。采样信号提供到反馈通路127，其包括：级联的RF放大器128和对数放大器130，以及反馈方向性耦合器132，其在反馈通路127中对RF信号采样，并将采样信号提供到下变频器88的开关输入96。优选地，RF对数放大器130是一个由数字控制器90控制的可变的检测对数放大器。RF对数放大器130的输出向下行链路AGC VGA 118和上行链路通路VGA76提供增益控制信号，同样也可将其提供到数字控制器90，以便于监控和确定自适应控制算法的功能。优选地，反馈通路127提供25MHz带宽的通路，其通过提供基本上是瞬时RF AGC反馈来保证系统的稳定性。反馈通路127使AGC环路闭合，当天线28和60之间绝缘不充分时，所述AGC环路通过自动地调整VGA 118的增益来限制系统振荡。反馈通路127也提供一种装置，通过该装置由数字控制器90将下行链路AGC 82的增益强制到低电平，以在系统启动时维护稳定性，从而保证了检测所需的弱信号，而不需使系统的初始绝缘最大。
下行链路从属的VGA 84接受来自上行通路的AGC 74的增益控制输入，以提供一种自适应地使下行链路的输出功率最小的硬件装置，从而部分地实现ACB和CAS的原理。当接收到的上行RF信号功率处于最小值时，输出放大器86将在从属VGA 84的输出处的下行链路的RF信号功率提高到DCA双工器70输出的-26dBm。
现在参照图4，将DDP上行链路通路66设计为接收、处理和发射整个824-849MHz上行链路信道频段。所述通路66包括：上行链路AGC74、从属VGA76和输出放大器级78，其中每个部件与级间滤波器132a和132b级联。上行链路的AGC 74的功能与下行链路的AGC82相同。参照图6，优选地，上行链路的AGC 74可以是极快速的、宽动态范围的高度线性化的模块，其包括：一个VGA级134、与带通滤波器138级联的固定增益放大器136a和136b、以及方向性的耦合器140。也可包括级间滤波器142，以降低级联噪声。
优选地，上行链路AGC VGA 134具有大约60dB的增益变化，并且与固定增益放大器级联以增加系统线性度。这只很重要的，因为接收到的上行链路RF信号比接收到的下行链路信号强得多。在VGA134之后的BPF 138限制VGA噪声到上行链路波段，从而防止带外信号捕获上行链路AGC 74和使上行链路输出放大器78饱和。
方向性的耦合器140，其可以是17分贝的方向性耦合器，其对VGA134的上行链路的RF信号的下行流进行采样。采样信号提供到反馈通路144，其包括：RF对数放大器146和反馈方向性耦合器148，其对在反馈通路144中的RF信号采样，并将采样信号提供到下变频器88的开关输入96。RF对数放大器146是一个由数字控制器90控制的可变的检测对数放大器。RF对数放大器146的输出向上行链路AGCVGA 134和上行链路的从属VGA 84提供增益控制信号，同样也可将其提供到数字控制器90，以便于监控和确定自适应控制算法的功能。反馈通路144提供25MHz带宽的通路，该通路通过提供基本上是瞬时的RF AGC反馈来保证系统的稳定性。反馈通路144使AGC环路闭合，当天线28和60之间绝缘不充分时，所述环路通过自动地调整VGA 134的增益来限制系统振荡。反馈通路144同样提供一种装置，通过该装置由数字控制器90将上行链路AGC 74和下行链路的从属VGA 84的增益强制到低电平，以在系统启动时维护稳定性，从而保证了检测到下行链路68中的所需的弱信号，而不需使系统的初始绝缘最大。
上行链路从属的VGA 76接受来自下行链路的AGC 82的增益控制输入，以提供一种自适应地使上行信道的输出功率最小的硬件装置，从而部分地实现ACB和CAS的原理。上行链路输出放大器78在双工器72输出端口将上行链路的RF信号的功率提高到+2dBm。为克服与同轴电缆26有关的损耗，必需这样的输出功率电平。
图7是表示在APR 2运行程中的状态和状态转移的示例状态图。将APR 2接通电源后，该单元进入初始状态150。在初始状态150，数字控制器90使硬件初始化(如上行链路和下行链路IGC 92和94)，并进行开机内置测试(PBIT)。在存储器中存储PBIT测试的结果(未图示)。成功完成PBIT后，APR 2转移到运行状态152。如果PBIT失败，则APR 2保持在初始状态150，处于备用模式。此外，可以产生故障消息，例如在适合的显示装置上显示(未图示)。
进入运行状态152后，选择活动模式(Active mode)作为初始默认模式。在活动模式，数字控制器90在自适应控制算法(ACA)的控制下运行，以动态地调整网络无线链路18来获得最佳性能。可在适合的显示器(未图示)上显示链路的状态。当处于运行状态152时，数字控制器90周期地进行连续内置测试(CBIT)，可在存储器中存储该测试的结果。检测到CBIT失败后154，APR 2进入运行状态152的备用状态。同样，也可产生故障消息，例如为向用户显示。成功完成CBIT 156后，维持APR 2在(或使APR 2返回到)活动模式。当复位情况158(如监示器复位电源中断)出现时，退出运行状态152，并进入初始状态150，以使APR 2复位(即，重新启动)。APR 2可以在任何时间接收到例如来自外部维护系统(未图示)的状态请求消息。当APR 2处于初始状态150时接收到该状态请求可导致APR 2进入检测状态160。当处于检测状态160时，维护系统可以向APR 2发起下载(如更新软件)。根据来自例如维护系统的退出请求，退出检测状态160。当APR 2处于运行状态152时，来自维护系统的状态请求允许维护系统从APR 2中提取状态信息。
如上所述，自适应控制算法(ACA)使APR 2能够控制用户的个人无线空间6和网络无线链路18。根据通过对上行链路和下行链路通路的无线信号的非侵入性测量获得的各种参数，动态地调整用户的个人无线空间6和网络无线链路18。图8是表示在APR 2初始化和运行中示例的自适应控制算法的运行原理的流程图。
如图8所示，启动后，自适应控制算法将APR 2处于初始状态150；将在网络中以及将本地无线链路18和20中将信号功率电平设置为其默认值(在步骤S2)；进行开机内置测试(PBIT)(在步骤S4)。如果成功地完成了PBIT，则自适应控制算法将APR 2转移到运行状态152，并尝试检测基站8a的存在(在步骤S6)。如果未检测到基站，则自适应控制算法在网络以及本地无线链路8和20(在步骤S8)中设置信号功率电平的默认值，然后测量每一个上行链路和下行链路通路中的信号和噪声电平，以检测每一个网络无线链路18和本地链路20的质量(在步骤S10)。可将这些检测结果显示在适当的显示装置上，并且，(例如)可以在APR 2的安装中使用(如，以协助获得DDU 22适当的定位和对准)。
如果检测到基站(在步骤S6)，则自适应控制算法尝试检测在网络无线链路18内的基站控制信道(在步骤S12)。如果在步骤S12检测到控制信道，则自适应控制算法尝试检测本地无线链路20内的用户控制信道(在步骤S14)。如果在步骤S14检测到用户控制信道，则自适应控制算法使用在上行链路和下行链路的通路中测量到的信号功率电平来调整每一个网络无线链路18和本地无线链路20的发射功率电平，使性能最佳(在步骤S16和S18)。
如果在网络无线链路18或本地无线链路20中均未检测到控制信道(在步骤S12和S14)，则自适应控制算法尝试在本地无线链路20中检测话音信道(在步骤S20)。如果在步骤S20检测到用户话音信道，则自适应控制算法尝试在网络无线链路18中检测话音信道(在步骤22)。如果在步骤S22检测到基站话音信道，则自适应控制算法返回到步骤S16和S18，以使上行链路和下行链路通路的性能最佳。否则，如果在网络无线链路18和本地无线链路20中均未检测到话音信道(在步骤S20和S22)，则自适应控制算法返回到步骤S8和S10，以在上行链路和下行链路通路中设置默认功率电平，并测量信号和噪声电平，以检测每一个网络和本地无线链路18和20的质量。
如上所述，根据在基站控制信道和/或话音信道内接收到的下行链路RF信号的信号功率，调整网络无线链路18中发射信号功率(在图8的步骤S16)。类似地，通过根据接收到由用户无线通信装置16发射的上行链路RF信号的信号功率，在控制信道和/或话音信道内调整下行链路RF信号的发射功率，来调整用户的个人无线空间6。网络和本地无线链路18和20的这种连续调整的过程使能够连续地优化每一个这种链路的性能，而且，在用户的个人无线空间6内，实现了本发明的自适应覆盖区间歇缓变和签名功能(signature functionality)。对基站、用户控制和话音信道的周期性检测(在图8的步骤S12、S14、S20和S22)使APR 2能够在用户的个人无线空间6内，自适应地容纳多个用户无线通信装置16。
因此，可以看出本发明提供了一种装置，其能够使各个用户以非常低的成本来访问高质量的无线通信服务，并且提供高质量的无线通信服务，而与用户的位置无关。
上述本发明的实施例仅作为解释。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求书限定。