按移动电台方位形成基站天线 辐射图形方向性的天线设备 本发明涉及用于诸如无线寻呼系统、蜂窝电话系统等移动通信系统的基站和移动电台中的一种方向性控制天线设备。
在现有技术中，作为与在已划归给移动通信系统的各个基站的区域中的多个移动电台通信地方法，已经使用了诸如时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)等方法。在采用时分多址的情形中，把具有单一频率的一个信道沿时间轴划分为等距的间隔以提供通信时隙，从而在多个移动电台与一个基站之间能进行通信，而在采用频分多址的的情形中，这是通过采用多个不同频率的信道来完成的。另一方面，在采用码分多址的情形中，多个移动电台通过使用经过编码的数据来实行频谱分散调制(spectrum dispersion modulation)，以保证基站从各个移动电台获得的各个接收到的信号之间没有互相关，由此保证多个移动电台和一个基站在相同的频带内通信。
通常，采用这样一种现有技术的系统，只能在一个基站和那些位于该基站的服务区域(即，一个标称地预定大小的区域)之内的移动电台之间进行通信。实际上，通常把基站从一个移动电台接收到的信号强度的电平用作移动电台是否在该基站的服务区域之内的指示。一般，一个基站和在该基站的服务区域之内的移动电台所使用的无线电发射频率也是预定的，从而不会干扰任何一个相邻的基站和在该相邻基站的服务区域内的那些移动电台之间的通信。
当采用这种现有技术时，在时分多路复用的情形中，单个基站的服务区域所能提供的移动电台的数目被限于分配给移动电台的通信时隙的总数；在频分多路复用的情形中，移动电台的数目被限于频率信道的总数；而在码分多路复用的情形中，移动电台的数目被限于干扰防止的有效程度(它由数据传递率对频谱分散畴元率之比确定)。由于频率资源是有限度的，所以能分派给移动通信系统的信道频率的数目和频宽也有限度，这就为移动通信系统能够提供的移动电台的数目设置了一个上限。此外，由于基站的服务区域和基站能用来与移动电台通信的频率或TDMA时隙的数目是固定的，因而会发生这样的情形，即，一个基站具有可用的通信信道，而相邻基站的时隙或通信信道已完全填满。在现有技术中，在这种情形(即，在整个系统中有可用的通信信道容量)中，由于在一个或多个基站中缺少通信信道容量，在某些情形下可能无法通信。
本发明的目的在于通过提供能够高效率利用通信信道资源的移动通信系统来克服上述问题。
为达到上述目的，本发明提供一种移动通信系统，由此每个基站包括到来方向估计装置，用于估计从一个移动电台接收到的无线电波的到来方向，由此估计移动电台相对于基站天线的方向。根据这个估计结果，由天线方向性控制装置形成基站天线的辐射图形，该辐射图形的方向性峰值沿该移动电台的方向取向。为做到这一点，天线方向性控制装置适当地控制各个发射/接收信号的相位和幅度，这些信号是提供给/接收自构成阵列天线的天线元件的。
由此能够抑制从基站向除了正在与之通信的移动电台以外的移动电台发射无线电波，在能够减少整个移动通信系统中所需的话通信信道频率的数目的同时，于是能够消除与其他基站和移动电台的干扰，并且每个基站只要用低电平的发射功率就能够与在该基站服务区域内的各个移动电台通信。那就是说，采用例如使用FDM的现有技术的移动通信系统，虽然对于相隔足够远的基站能够分派相同的频率信道组，但对于在系统内靠得很近的基站，必需分别分派不同的频率信道组，以消除相互干扰的危险。
此外，适应地进行天线方向性的成形。那就是说，当基站与一个特定的移动电台通信时，在由基站从该移动电台接收信号的相继时间间隔的每个间隔内，能够估计移动电台的方向，从而在进行与一个移动电台的通信时，能够根据该基站的相继估计的方向，相适应地改变天线峰值的取向。
对于本发明，可以在每个基站处使用一个简单的直线阵列天线(或者能提供360°方位角覆盖的阵列天线组)，以得出从一个移动电台接收到的无线电波的到来方向，并且假设，相对于天线的移动电台的(方位角)方向与无线电波的到来方向相同。用如此得到的方向信息来使相应的天线方向性的峰值取向。由于这样的操作，对天线方向性成形，而不管移动电台与基站之间的距离如何。如果移动电台相对于基站的仰角较小，例如，移动电台离开基站足够大的距离，则这种操作提供大体上准确的方向信息。
换句话说，为了得到基站辐射图形成形的较大的准确度，由此在减小与相邻的基站实行的通信的干扰方面获得更大的有效性，可以采用本发明来估计移动电台相对于基站的实际位置，例如，将位置表示为一个方位角和视线距离，并形成根据该位置成形的天线方向性的峰值。在那种情形下，在减小与由其他的基站实行的通信的干扰的同时，能够得到移动电台方向的更准确的估计，并且能对天线方向性作出更准确的成形，以保证与特定的移动电台通信时，方向性峰值具有适当的大小。这种位置估计也提供了能够准确确定每个服务区域的范围的好处，即，当移动电台从一个基站的服务区域移入另一个基站的服务区域时，能够正确地实行移动电台从一个基站到一个相邻基站的切换。
本发明为移动通信系统的基站提供了一种方向性控制天线设备，移动通信系统包括至少一个基站和多个移动电台，方向性控制天线设备包括：
阵列天线，它具有天线元件的一个阵列，用于向在基站的预定服务区内的一个移动电台发射和从该移动电台接收无线电波；
频率变换装置，在基站操作的接收模式时，用于把从各个天线元件接收到的信号变换成相应的中频信号或基带信号，而在基站操作的发射模式时，用于分别相应于天线元件把在中频或基带频率下的发射信号变换成发射频率下的发射信号，并将发射信号提供给天线元件；
到来方向估计装置，用于在接收模式时对来自频率变换器装置的中频信号或基带信号进行操作，以估计来自移动电台的无线电波的到来方向，由此得出移动电台相对于基站的估计的方向，还用于产生表示估计的方向的方向数据；
天线方向性控制装置，用于在接收模式时，相应于天线元件控制接收到的信号的相位和幅度，并且在发射模式时，分别相应于天线元件控制发射信号的相位和幅度，从而确定阵列天线的方向性；以及
响应于方向数据的峰值产生装置，用于在发射模式时和在接收模式时产生控制信号来控制天线方向性控制装置，从而形成方向性的峰值，它沿移动电台的估计的方向取向。
天线方向性控制装置最好包括响应于来自峰值产生装置的控制信号的装置，用于当各个天线元件的接收到的信号和发射信号是在中频或基带频率下时，控制这些信号的相位和幅度。
然而，也可以采用周期地控制天线方向性控制装置的装置来构造设备，为天线建立大体上均匀的方向性，并且这样来安排，只有当建立起均匀方向性条件时，到来方向估计装置才得出每个估计的方向。自那种情形中，天线方向性控制装置能够包括响应于来自峰值产生装置的控制信号的装置，用于直接控制各个信号的相位和幅度，这些信号是在发射和接收操作时，向天线元件提供或从天线元件接收的，即，这些信号是发射频率下的信号。
除了到来方向估计装置能够用各个无线电波的到来方向来估计位于基站的服务区域内的移动电台相对于基站的各个方向之外，由此得到的方向的总数代表了在该服务区域内工作的移动电台的数目，从而到来方向估计装置也能够得出此信息。这一设备还可设有：
用于判断在服务区域内的移动电台的估计数是否等于或大于阵列天线的元件总数的装置；以及
当判断出作为估计值得到的移动电台数等于或大于天线元件的总数时起作用的装置，用于在基站的接收模式时控制峰值产生装置以产生控制信号，从而天线方向性控制装置控制天线元件的各个接收到的信号的相位和幅度，以产生方向性的单个峰值，并且将峰值扫过阵列天线的方向性变化的整个范围。
用那种方法，由到来方向估计装置获得在服务范围内的移动电台的各个方向为与检测到接收信号相应的方向。基站相继地(即，在将峰值扫至这些移动电台的各个方向的相继的间隔内)实行与每个移动电台的通信，由此检测得这些电台的方向。
本发明还可用于这样一种移动通信系统，该系统包括多个基站，这些基站具有各自的互相相邻的局部区域，将这些基站互连，以交换表示移动电台估计方向的数据，其中，每个基站的阵列天线是一个具有沿阵列轴隔开的元件的直线阵列天线，并且每个基站还包括：
移动电台位置估计装置，用于从基站的到来方向估计装置接收指出从一个移动电台接收到的无线电波的估计的到来方向的第一方向数据，用于对方向数据连同表示阵列天线高出地平面的高度的已知数据进行处理，以得出代表移动电台第一可能位置范围的第一基线数据，并且用于从至少两个其他基站的各个到来方向估计装置接收指出来自一个移动电台的无线电波相对于其他基站的各个到来方向的第二和第三方向数据，用于处理第二和第三方向数据以得出分别指出移动电台第二和第三可能位置范围的第二和第三基线数据，用于从第一、第二和第三基线数据导出移动电台的估计位置并产生指出该估计位置的位置数据，并将此位置数据提供给峰值产生装置；
并且其中峰值产生装置响应于位置数据，根据估计的位置，用于产生提供给天线方向性控制装置的控制信号，用此信号来控制天线方向性控制装置，从而确定方向性的峰值取向和峰值的形状。
最好这样构造这种基站的直线阵列天线，以在180°的范围内提供方位角方向性，移动电台的可能位置的范围作为地面和一半圆锥面的估计的交线而导出，此圆锥以天线的阵列轴线作为其中心轴，圆锥表面具有一个顶角，这个顶角的值是来自移动电台的到来无线电波的方向和阵列轴线之间的夹角之值的两倍。
按照另一方面，本发明提供了一种方向性控制天线设备，其中，基站的阵列天线是具有沿阵列轴线隔开的天线元件的直线阵列天线，该设备还包括：
电场强度测量装置，用于测量从一个移动电台接收到的无线电波的电场强度的值；以及
位置估计装置，用于将组合的信号强度值变换为从阵列天线至移动电台的估计的视线距离的值，用于对估计的距离值连同阵列天线高出地面的高度的已知值进行操作，以得出表示移动电台的可能位置的范围的基线数据，用于对基线数据连同由到来方向估计装置提供的移动电台估计的方向数据进行操作，以得出表示移动电台相对于阵列天线的估计的位置的位置数据，并且将位置数据提供给峰值产生装置；
其中，峰值产生装置用于响应于位置数据，根据估计的位置产生提供给天线方向性控制装置的控制信号，用此信号来控制天线方向性控制装置，从而确定方向性的峰值取向和峰值的形状。
另外，每个移动电台包括：
位移矢量产生装置，用于导出表示移动电台在第一时刻(t1)的位置与移动电台在第一时刻后的第二时刻(t2)的位置之差的位移矢量；以及
用于通过无线电发射表示位移矢量的数据至基站的装置；
基站的阵列天线是具有沿阵列轴线隔开排列的天线元件的直线阵列天线，而基站还包括：移动电台位置估计装置，它在第一时刻(t1)工作，以对由的到来方向估计装置和距离检测装置提供的移动电台的估计的方向数据以及阵列天线高出地平面的已知的高度值进行操作，以导出表示移动电台的可能位置的第一范围的第一基线数据，该移动电台位置估计装置又在第二时刻(t2)工作，以对移动电台的估计的方向数据和高度值进行操作，以导出表示移动电台的可能位置的第二范围的第二基线数据，用于对位移矢量值连同第一基线数据和第二基线数据进行操作，以估计移动电台在第二时刻(t2)的位置，用于产生表示估计的位置的位置数据，并将该位置数据提供给峰值产生装置；并且
峰值产生装置用于根据估计的位置，响应于位置数据产生提供给天线方向性控制装置的控制信号来控制天线方向性控制装置，从而决定方向性的峰值的取向以及峰值的形状。
作为又一方面，这种方向性控制天线设备(其中，基站的阵列天线是具有沿阵列轴线隔开排列的天线元件的直线阵列天线)包括：
天线旋转装置，用于以阵列轴线在水平面内旋转的方式旋转阵列天线；以及
位置估计装置，用于接收方向信息，并且至少对来自到来方向估计装置的第一方向数据和第二方向数据(前者是当阵列轴线处于第一角位置时导出的，表示第一估计的方向，后者是当阵列轴线已旋转至第二角位置时导出的，表示第二估计方向)进行操作，以估计移动电台的位置并产生表示估计的位置的位置数据；
峰值产生装置用于响应于位置数据，根据估计的位置产生提供给天线方向性控制装置的控制信号，用此信号来控制天线方向性控制装置，从而确定方向性的峰值取向和峰值的形状。
按照另一方面，本发明提供基站用的方向性控制天线设备，还包括：
传播延迟时间估计装置，用于估计从移动电台接收到的无线电波的传播延迟时间；
电场强度测量装置，用于测量来自移动电台的作为直接波接收的无线电波和作为间接波接收的各个无线电波的电场强度；以及
传播路径均衡装置，用于从到来方向估计装置接收到来方向数据，并从传播延迟时间估计装置接收传播延迟时间的估计的值，并且当到来方向估计装置获得的无线电波到来方向的估计结果指出该移动电台是在基站的服务区域内的唯一的移动电台时，根据估计的无线电波传播延迟时间以及直接波与反射波的电场强度的比值，该装置对于多路径传播信号的影响补偿从移动电台接收到的信号。
采用这样一种设备，传播路径均衡装置可以包括多个级联的延迟元件和按比例地组合延迟元件的输出信号的装置，延迟元件对接收到的信号施加相继的延迟增量，而后一装置是根据估计的无线电波延迟时间以及直接波与反射波的电场强度的比值来确定比例的。
按照另一方面，基站的方向性控制天线设备还可以包括：
零点产生装置，当由到来方向估计装置对N个移动电台估计了各自的到来无线电波方向时，该装置建立阵列天线的辐射图形的零点，它们分别沿(N-1)个移动电台的方向而取向，这里N是大于1的整数。
这样一种设备能够进一步减小由基站发射的信号与系统的其他基站与移动电台正在进行的通信之间的干扰。
按照另一方面，本发明提供一种移动通信系统(该系统具有至少一个基站和多个移动电台)的基站用的方向性控制天线设备，它包括：
直线阵列天线，它具有沿阵列轴线隔开排列的天线元件；
至少一个偏置天线元件，它具有沿这样一个方向的方向性，该方向从阵列天线的阵列轴线偏置一个固定的角度；
到来方向估计装置，用于接收偏置天线元件和阵列天线的一组天线元件的接收到的信号作为第一天线元件组的接收到的信号，并且接收阵列天线的其余元件的接收到的信号作为第二天线元件组的接收到的信号，用于将第一天线组的各个元件的接收到的信号加以组合，将第二天线元件组的各个元件的接收到的信号加以组合，由此获得两个组合的接收到的信号，用于获得这些组合的接收到的信号之间的幅度的差值，以及用于根据幅度的差值来估计移动电台所处的方向。
按照再一个方面，本发明为具有多个移动电台的移动通信系统的基站提供一种方向性控制天线设备，其中，基站还设有第一阵列天线和第二阵列天线，前者用于到来方向估计的目的，而后者只用作数据发射和接收天线。
对于分别使用第一和第二阵列天线(前者用于方向估计，后者用于数据发射/接收)的这样一种结构，基站能够设置这样一个装置，使得如有需要可以把这两个天线用于方向估计。具体些说，按照该方面，基站的方向性控制天线设备还包括：
用于判断由到来方向估计装置导出的移动电台的估计数目是否大于第一阵列天线的元件数目；
当判断出作为估计值得出的移动电台的数目大于第一天线阵列的元件数目时工作的一个装置，用于实行控制，由此到来方向估计装置为估计来自移动电台的无线电波的到来方向，把从第一阵列天线的所有元件和第二阵列天线接收天线的所有元件获得的各个接收到的信号组合起来使用，该装置还用于校正位于局部区域内的移动电台数目的估计值。
对于这样一种设备，如果首次作为到来方向估计装置的估计结果(即，只使用第一阵列天线)而获得的移动电台的数目大于第一阵列天线的元件的数目，则指出获得的估计结果可能不准确。在那个情形中，也能使用第二(即，数据发射和接收)阵列天线的元件，从而增加了用于估计移动电台的数目和它们的方向的天线元件的总数。由此能够增加其方向可以由到来方向估计装置同时估计的移动电台的最大数目。
对于本发明，基站天线的天线方向性的成形不必限于形成沿一个特定的移动电台的方向取向的单个峰值。同样可以同时形成沿多个移动电台的各自的估计方向取向的多个峰值。
此外，如果由设备导出各个移动电台的估计位置，则可以形成如此成形的单个峰值，从而能够与互相靠得足够近的多个移动电台中的每个移动电台进行通信，同时把干扰在系统的其他基站和移动电台之间的通信的危险减至最小。
图1是按照本发明的方向性控制天线设备的第一实施例的简略的系统方框图；
图2是说明基站天线的方向性的峰值的概念图，该峰值是根据移动电台的估计的方向形成的；
图3是示出使用微带天线提供360°方位角方向性控制的阵列天线的一个例子的图；
图4是图1的实施例中的变频器部分的电路简图；
图5是图1的实施例中的天线方向性控制部分的电路简图，该部分通过相应于阵列天线的各个元件控制基带信号的相位和幅度来进行天线方向性控制；
图6是用于说明图1的实施例中的到来方向估计部分的操作的流程图；
图7是用于说明图1的实施例中的峰值产生部分的操作的流程图；
图8是第一实施例的第一种替代结构的系统方框简图，该结构通过相应于阵列天线的各个元件直接控制发射频率信号的相位和幅度来进行天线方向性控制；
图9是图8的实施例中的变频部分的电路简图，该变频部分只用于所述天线元件的接收到的信号；
图10是图8的实施例中的变频器部分的电路简图，该变频部分只用于发射信号；
图11是图8的实施例中的天线方向性控制部分的电路简图；
图12是说明图8的实施例中的峰值产生部分的工作情形用的流程图；
图13是第一实施例的第二种替代结构的系统方框简图，该结构通过相应于阵列天线的各个元件直接控制发射频率信号的相位和幅度来进行天线方向性控制；
图14是图13的实施例中的变频器部分的电路简图；
图15是图13的实施例中的天线方向性控制部分的电路简图；
图16是说明图3的实施例中的峰值产生部分工作情形用的流程图；
图17是按照本发明的方向性控制天线设备的第二实施例的系统方框简图，它分别具有用于方向估计和数据通信的分开的阵列天线；
图18是图17的实施例中的变频器部分的电路简图；
图19是按照本发明的方向性控制天线设备的第三实施例的系统方框简图；
图20是图19的实施例中的变频器部分的电路简图；
图21是图20的实施例中的天线方向性控制部分的电路简图；
图22A、22B、22C构成了图20的实施例中的到来方向估计部分的工作的流程图，从而当判断出估计移动电台的数目等于或大于阵列天线元件的总数时，该到来方向估计部分在检测来自移动电台的接收到的信号时，根据相继地扫描阵列天线的方向性峰值来进行方向估计；
图23、24、25、26、27A、27B和28A、28B是用于说明估计一个移动电台的可能位置的范围的原理的概念图，该范围为地面和一个圆锥面的交线，该圆锥的半顶角等于来自移动电台的到来无线电波的方向与接收无线电波的直线阵列天线的轴线之间的夹角；
图29是本发明的第四实施例的系统方框简图，它能够由基站来估计移动电台的各自的位置；
图30、31是说明第四实施例的基本原理用的概念图；
图32是图29的第四实施例中的移动电台位置估计部分的工作的流程图；
图33是本发明的第五实施例的系统方框简图，它能够由基站来估计移动电台的各自的位置；
图34是图33的第五实施例中的移动电台位置估计部分的工作的流程图；
图35是第五实施例中的场强测量部分的电路图；
图36是本发明的第六实施例的系统方框简图，它能够由基站来估计移动电台的各自的位置；
图37是说明第六实施例的基本原理用的概念图；
图38A、38B构成了图36的第六实施例中的移动电台位置估计部分的工作的流程图；
图39是第六实施例中的移动电台的位移矢量产生部分的基本系统方框图；
图40是本发明的第七实施例的系统方框简图，它能够根据直线阵列天线的旋转由基站来估计移动电台的各自的位置；
图41是说明第七实施例的基本原理用的概念图；
图42是第七实施例中的移动电台位置估计部分的工作的流程图；
图43是本发明的第八实施例的系统方框简图，它能够对多路径传播影响补偿基站的接收到的信号和发射信号；
图44是图43的实施例中的传播路径均衡器部分的一个例子的电路图；
图45是本发明的第八实施例的系统方框简图，它能在各个基站之间均衡通信信道的使用，在此移动通信系统中，对多个基站中的每个基站都分派了固定数目的通信信道；
图46A、46B构成了图45的第八实施例中的基站的区域转换控制部分的工作的流程图；
图47是说明第八实施例的基本原理用的概念图；
图48是本发明的第九实施例的系统方框简图，其中，每个移动电台在随机确定的时隙内发射用于方向估计的控制信号；
图49是图48的实施例中的基站使用的一段可变带通滤波器的一个例子的电路图；
图50是说明图48的实施例中的随机确定的时隙与可变带通滤波器的控制之间的关系的时序图；
图51是图48的实施例的移动电台中的控制信号发射部分的一个例子的基本系统方框图；
图52是本发明的第十实施例的系统方框简图，它能够产生基站天线的天线方向性的零点，这些零点沿基站当前没有与之通信的各个移动电台的方向取向；
图53是图52的实施例中的到来方向估计部分的工作的流程图；
图54是图52的实施例中的零点产生部分的工作的流程图；
图55是本发明的第十一实施例的系统方框简图，其中，为获得一个移动电台的方向，一个基站使用一个直线阵列天线的定向特性与从阵列天线的轴线偏移的一个天线元件的定向特性之差；
图56是图55的实施例中的到来方向估计部分的工作的流程图；
图57是说明图55的实施例中使用的第一组和第二组天线元件的各自的方向性特性的曲线图；以及
图58是说明无线电波的到来方向与图57的特性差值之间的关系用的曲线图。
下面将参照附图描述本发明的实施例。图1是按照本发明的一种方向性控制天线设备的第一实施例的系统方框图。在图1中，11是移动通信系统的一个基站的阵列天线。阵列天线11由多个天线元件构成，这里用11a、11b、11c来表示，此阵列天线例如可以是微带天线，或者是具有后反射器元件的隔开的偶极天线的阵列。12是到来方向估计部分，它对由阵列天线11的元件获得的接收到的信号进行操作，以估计从移动电台发射的无线电波的各个到来方向。15是峰值产生部分，它对由到来方向估计部分提供的方向数据进行操作，以产生用于控制天线方向性控制部分13的控制信号，从而产生阵列天线11的方向性的峰值，该峰值沿由峰值产生部分15确定的各个方向取向。
在此实施例中，天线方向性控制部分13还用来当基站进行发射操作时将发射基带信号变换成天线元件的各个I.F.发射信号，并且当基站进行接收操作时将天线元件的接收到的I.F.信号变换为接收到的基带信号。
14是变频部分，在此实施例中，当发射时，它把已调制的中频信号上变频至发射频率(即，射频)的频带，而当接收时，把接收到的射频信号下变频至I.F.。
图4和图5分别示出图1的实施例的变频器部分14和天线方向性控制部分13的内部结构的细节。如图5中的开关13g所指出的，系统可在操作的接收模式(RX)和发射模式(TX)之间切换。在发射模式中，由各对增益受控的放大器13d、13e把基带信号放大，而把经放大的每对信号连同来自频率源13f的固定频率信号提供给一对乘法器(即，混频器)13a、13c，由此变换为相应的一对已调制的中频(I.F.)信号。由一个90度相移器13b把提供给这些乘法器之一的固定频率信号的相位移动90°，并且把得到的一对已调制的I.F.信号相加，从而得出单个的已调制的I.F.信号，该信号的相位和幅度由放大器13d、13e的放大率的组合确定。(为描述简单起见，在图中未示出I.F.滤波器。)
这些放大率由各个放大率控制信号确定，如后面所描述的，这些放大率控制信号由峰值产生部分15提供。把这样得到的每个相位和幅度受控的I.F.信号提供给变频部分14。
如图4所示，把从天线方向性控制部分13如此提供的每个相位和幅度受控的I.F.信号输入至相应的乘法器14a，还向该乘法器提供来自频率源14b的固定的高频信号，由此得到一个相应的已调制的射频发射信号。把这些发射信号的每个信号提供给阵列天线11的一个相应的元件。
当把系统设定为操作的接收模式时，于是把来自阵列天线11的一个天线元件的每个接收到的RF信号输入至相应的一个乘法器14a，从而下变频至相应的I.F.信号，把该信号提供给到来方向估计部分12以及天线方向性控制部分13。在天线方向性控制部分13中，可以认为每个乘法器13a、13c和放大器13d、13e与反方向的输入/输出信号流起作用，该信号流来自描述发射模式操作时的装置(即，使用为便于描述而在图中省略的那些装置)。在那种情形下，把从一个天线元件接收到的每个I.F.信号输入至两个乘法器13a、13c，以获得两个相应的有90°相位差的基带信号，而由一对相应的放大器13d、13e分别放大这两个信号。然后把得到的一对基带信号加以组合，以得到一个基带信号，该信号的相位和幅度由对于放大器13d、13e设定的各个放大率决定，而放大率是由到来方向估计部分12提供的控制信号决定的。然后把从各个天线元件获得的各个相位和幅度受控的基带信号加以组合，以获得最终的接收到的基带信号。
在发射操作和接收操作时，用那种方法确定施加至阵列天线11的天线元件的每个接收到的信号或发射信号的各个放大率和相移的值，从而产生天线的特殊的辐射图形，于是基站能够和一个或几个特定的(即，在基站的服务区域内的)移动电台通信。
为寻找从这些移动电台发射的无线电波的各个到来方向，在系统工作于接收模式时，到来方向估计部分12通过使用诸如多信号分类(Multiple SignalClassification，MUSIC)方法或借助于旋转不变性技术估计信号参数(Estimation ofSignal Parameters via Rotational Invariance techniques，ESPRIT)方法，周期地进行一个过程，以对各个从天线元件接收到的信号进行处理。能够用这样一种方法来估计从一个或数个移动电台发射的无线电波的各个到来方向，并由此估计这些移动电台相对于天线11的各个方向。
各种类型的阵列天线可以用作阵列天线11。特别，由于不需要非常清晰地规定的方向性，因此可以使用一个简单的直线阵列天线。那就是说，如果天线11和与每个移动电台的高度差不过分大，或者每个移动电台与天线11之间的距离足够大，则由直线阵列天线的元件接收到的无线电波的到来方向与无线电波源的方位角方向近似相同。
例如，MUSIC方法由Schmidt在《IEEE Transactions on Antennas andPropagation》，Vol.AP-34，No.3，March 1986中描述，而ESPRIT方法由Roy和Kailath在《IEEE Transactions on Acoustics，Speech and Signal Processing》，Vol.37，No.7，July 1989中描述。
此外，例如，根据从各个移动电台接收到的信号强度的电平，基站确定这些移动电台中的哪些移动电台当前位于该基站的服务区域内。因为移动通信系统的基站的服务区域的技术是公知的，因此不再赘述。
如上所述，为了控制施加于由阵列天线11的元件接收或发射的各个信号的相移角和放大率，峰值产生部分15使用对于在基站的服务区域内的移动电台估计的方向，来确定要提供给天线方向性控制部分13的控制信号的适当的值。当基站与一个移动电台通信时，由峰值产生部分15确定由此对每个天线元件信号建立的相移和放大率值的组合，以产生天线方向性的峰值，该峰值沿已对该移动电台估计的方向取向。这保证了：
(a)为了与移动电台进行通信，在基站中需要的发射机功率和接收机灵敏度的值最小，以及
(b)在与一个基站的服务区域内的移动电台的通信以及与移动通信系统的其他基站的相邻服务区域正在进行的通信之间发生干扰的可能性最小。
图2是用来对一个基站和在该基站的服务区域内的移动电台的关系作概念性说明的简图。在图2中，21是基站；23是天线定向波束，它是由基站的天线方向性控制部分形成的；24和25是各个移动电台。假设两个移动电台24、25都在基站21的服务区域内，能够如图2所示的那样形成基站21的阵列天线11的辐射图形23，其天线方向性的各个峰值沿移动电台24和25的方向取向。
在图2所示的情形中，可以假设有两个移动电台，它们的发射正由阵列天线11同时接收。如果分别用不同的数据来调制发射，即使这两个发射使用同一频带，从移动电台接收到的各个信号也将没有互相关，从而到来方向估计部分12可以检测两个移动电台各自的方向。作为可以判断多个移动电台的各自的方向的最大值，它不得超过基站天线的天线元件的总数。
这样，根据由移动电台发射的无线电波的到来方向能够得出在一个基站的服务区域内工作的移动电台的数目以及这些移动电台各自的方向。
除非另作说明，对于下面描述的每个实施例，假设每个基站使用一个阵列轴线沿水平方向设置的线性阵列天线，因而只能有方位角方向性。在那种情形中，“移动电台相对于基站天线的方向”的概念意味着方位角的值。
虽然在图5的例中假设，把上述相位和幅度的改变施加于基带电平的发射或接收到的信号，但同样可以在中频电平施加这种改变。在那种情形中，例如，图4中的每个乘法器14a将用一对乘法器来代替，即，第一乘法器用于从中频进行直接上变频或下变频至中频，而第二乘法器用于进行具有90°相移的上变频或下变频。采用与图5的乘法器13a、13c相同的方法，把每个这种乘法器的中频信号提供给/获得自一个增益受控制的放大器。
为描述方便起见，把图1的阵列天线11作为只有三个天线元件的阵列天线示出，然而，元件的实际数目当然要多得多。此外，对于基站的阵列天线一般需要能够接收来自整个360°方位角范围内的各个方向的无线电波。通过构造一个把天线元件排列成圆形的阵列天线，能够做到这一点。然而，同样可以使用多个直线阵列天线，每个阵列天线的阵列轴线沿水平方向设置，并且只在其一侧具有方向性。能够把这样一种直线阵列天线做成直线微带天线，或垂直偶极天线的直线阵列，每个偶极天线由一个后反射器。为获得所需的360°的方位角覆盖，可以背对背设置一对这样的阵列天线，即，由每个阵列天线提供180°的方位角覆盖。另外，如图3所示，可以构造三个阵列天线800、801、802(在此例子中，它们是微带天线)的一个组，每个天线提供120°的方位角覆盖。
图6是由到来方向估计部分12用于导出表示移动电台的各个方向所进行的处理的基本流程图。在步骤S1中，由于在本实施例中假设采用接收到的I.F.信号来进行方向估计处理，所以“N个相继的数据位”是指用N个相继的数据位调制的I.F.信号。采用MUSIC或ESPRIT技术，得到的估计的准确度受被处理的接收到的数据量的影响，即，为获得所需的准确度，在每个方向估计操作中必需使用最小数目的相继接收到的位。
一般，如图6的S3所示的步骤将只导致对于一个特定的移动电台(即，基站当前正与之通信或开始与之通信的移动电台)的，每次要提供给峰值产生部分15的方向数据。虽然在上面没有具体描述，到来方向估计部分或峰值产生部分还包括一个存储器，用于在到来方向估计部分相继进行方向估计操作的时间间隔内暂时存储估计的方向数据，例如，用于当基站在发射时将数据提供给峰值产生部分。
此外，到来方向估计部分可以利用估计的方向信息来估计当前在基站的服务区域内的移动电台的总数。
图7是由峰值产生部分15实行的处理的基本流程图，用于对由到来方向估计部分12提供的方向数据进行操作。对于本实施例，如上所述，要施加至接收到的或发射的信号的相移角度和放大率由为天线方向性控制部分13的放大器设置的各个放大率确定，从而在图7的步骤S2中对这些放大率确定适当的值，用于在已由到来方向估计部分12找到的每个方向产生天线方向性的各个峰值。一般，如上所述，每次只产生一个峰值，它沿一个特定的移动电台的方向取向。然而，如上所述，本发明不限于这种安排，可以同时形成多个峰值，它们指向多个移动电台中的有关的一些移动电台。
为描述简便起见，不再描述将每个估计的方向与特定的移动电台相联系的方法，因为识别移动通信系统的移动电台的方法是公知的。
图8是本发明第一实施例的第一种替代结构的系统方框图。在图8中，33是天线方向性控制部分。图8的设备与图1的设备的不同之处在于，为确定阵列天线11的方向性，天线方向性控制部分33直接控制施加至阵列天线的元件的每个(R.F.)发射信号或接收到的信号的各个相移和放大率的值。如对于图1的设备那样，采用此设备，当从移动电台接收数据时，即正常接收操作期间，到来方向估计部分12能够估计移动电台的方向。然而，只有当进行发射操作时才在阵列天线11的方向性中形成峰值。因为其他的操作与图1中的设备的操作相同，因此将只描述不同点。图9示出变频器部分34的内部结构。如图所示，当进行接收操作时，由乘法器216进行由天线元件接收到的信号至I.F.的下变频，由乘法器213进行从I.F.至基带的变换，而基带信号由放大器214放大，并将它们组合起来得到最终的接收到的信号。如图10所示构造第二变频器部分35，用于向天线方向性控制部分33提供R.F.发射信号。天线方向性控制部分的结构如图11所示。这里，按照由峰值产生部分32提供给天线方向性控制部分33的到来方向数据，用相移器33b使每个天线元件的发射信号经受一定量的相移，并且用放大器33a使每个天线元件的发射信号得到一定量的放大，而这些量分别由峰值产生部分32提供的控制信号来确定。图12示出由本实施例的峰值产生部分32响应于由到来方向估计部分提供的一组方向数据进行的处理序列。这与图7所示的处理的不同之处仅在于，为了直接控制要施加至天线元件的信号的各个相移量产生控制信号，而不是产生放大率控制信号。
第一实施例的第二种替代结构如图13所示。图13的到来方向估计部分12的功能与上述图1的到来方向估计部分12的功能相同。这里，如同对于图1的设备那样，在发射和接收操作时产生沿移动电台方向取向的方向性峰值。然而，在使用得到的I.F.或基带信号估计到来无线电波的方向之前，必需把施加至天线元件的接收信号的相移量和放大率设定至分别相同的值。在图13中，通过天线方向性控制部分把天线11的元件的各个发射和接收信号传送至变频器部分259。当进行接收操作，在要实行到来方向估计操作时，在下述条件下把来自天线元件的I.F.信号提供给到来方向估计部分12，即，由天线方向性控制部分257向来自天线元件的每个接收到的(R.F.)信号施加相等的相移量和放大率。在这样获得方向信息后，峰值产生部分产生控制信号用于把各个相移量和放大率施加至天线元件的发射/接收信号，从而在每个已对移动电台确定的方向产生方向性峰值。
图14示出变频器部分259的内部结构，图15示出天线方向性控制部分257的内部结构，而图16示出当由到来方向估计部分12进行方向估计操作时，由峰值产生部分258进行的处理序列。如图16所示，在由到来方向估计部分12实际开始方向估计操作之前，峰值产生部分258产生控制信号，用于确保把相等的相移量(例如，零)和放大率施加至来自阵列天线11的天线元件的每个接收到的信号。此后，峰值产生部分的操作与上述图12所述的操作相同。
图17是本发明第二实施例的系统方框图。在图17中，41是第一阵列天线，只有在接收用于到来方向估计的信号时才使用它；而42是第二阵列天线，它只用作数据发射和接收天线。把到来方向估计部分12、天线方向性控制部分13和峰值产生部分15互相连接，并且以与图1所示的第一实施例相应标出的部分相同的方式工作。
本实施例的变频器部分45的内部结构如图18所示。如图所示，把从第二阵列天线41的元件接收到的各个信号在变换至I.F.后提供给到来方向估计部分12。于是能够明白，本实施例与图1的第一实施例的不同之处仅在于设置了一个阵列天线，用于获得到来方向估计用的接收到的信号，还能够明白，操作的其他方面与对图1的第一实施例所描述的相同。
如上所述，到来方向估计部分只可能对能接收到从它们发射的无线电波的每个移动电台获得准确的方向信息，并且如果移动电台的总数不大于阵列天线的元件(它们的信号用于方向估计)总数，则能准确估计这些移动电台的总数。图19是能够克服那个限制的本发明第三实施例的系统方框图。在图19中，51是第一阵列天线，通常使用它来获得估计到来方向用的接收到的信号；而52是第二阵列天线，通常使用它作为数据发射和接收天线。53是到来方向估计部分；54是天线方向性控制部分；55是变频部分；56是接收到的信号强度判断部分；而57是峰值产生部分。
此实施例的工作如下所述。到来方向估计部分53使用由阵列天线51的各个元件接收到的信号来估计在基站服务区域内的移动电台的数目和方向。如果发现估计的移动电台的数目小于阵列天线51的元件的数目，则表明由到来方向估计部分53获得的到来方向数据是可靠的，而此后的操作与对于先前的实施例所描述的相同，即，峰值产生部分57产生控制信号，从而天线方向性控制部分54形成方向性，其峰值沿在该基站的服务区域内的移动电台的各个方向取向，于是能够进行与移动电台的通信。
然而，如果发现估计的移动电台的数目与阵列天线51的元件数目相等，则表明或者是移动电台的数目实际上大于阵列天线51的元件的数目，或者是移动电台的数目实际上等于阵列天线51的元件的数目。于是，在从到来方向估计部分53获得的估计结果中可能有错误。由于那个缘故，在这样一种情形中，于是在估计来自移动电台的无线电波的到来方向时，到来方向估计部分53使用数据发射和接收天线52的所有元件的接收到的信号以及第一阵列天线51的那些接收到的信号。
如果从这样获得的估计结果发现，在基站服务区域内的移动电台的数目小于阵列天线51以及数据发射和接收天线52的元件总数，于是这表明能够认为估计结果是正确的。在那种情形下，来自峰值产生部分57的控制信号使天线方向性控制部分54将天线方向性峰值沿该基站的服务区域内的移动电台的方向取向，于是能进行与移动电台的通信。
如果发现，到来方向估计部分通过使用第一阵列天线51以及数据发射和接收天线52的元件作为估计结果获得的移动电台的数目等于阵列天线51以及数据发射和接收天线52的元件的总和，于是这表明或者移动电台的数目大于阵列天线51以及数据发射和接收天线52的元件的总数，或者移动电台的数目实际上等于阵列天线51以及实际发射和接收天线52的元件的数目。这样，由到来方向估计部分获得的估计结果可能是错误的。由于那个原因，在此情形中，在设备工作于接收模式时，峰值产生部分57产生控制信号，从而天线方向性控制部分54改变提供给或接收自第一阵列天线51以及数据发射和接收天线52的各个元件的各个信号(即，作为发射信号或接收到的信号)的相位和幅度，从而在整个扫描范围(即，一般，经过360°方位角)进行天线方向性单个峰值的扫描。当进行该扫描操作时，对于从一个移动电台获得的任何接收到的信号的强度进行判断(例如，由接收到的信号强度判断部分56根据得到的基带信号的电平)。当进行这种扫描时，每当从一个移动电台接收一个信号(该信号具有足够的强度，表明该移动电台位于基站的服务区域内)，就暂时停止扫描，而在基站与这移动电台之间进行通信(例如，在一个预定的时间间隔内，或者对于一个必要的时间间隔)。然后再继续扫描，直至检测到来自位于服务区域内的下一个移动电台的接收到的信号，然后与该移动电台进行通信，等等，对于在服务区域内的每个移动电台接连地进行。以那种方式，用时分操作，能够实行与位于服务区域内的每个移动电台的通信。
图20示出变频器部分55的内部结构，而图21示出本实施例的无线方向性控制部分54的结构。如图所示，来自天线51、52的每个元件的接收到的I.F.信号是到来方向估计部分53可以利用的。此外，如图21所示，利用由峰值产生部分57提供给放大器54d、54e的放大率控制信号能够控制第一和第二阵列天线的每个天线元件的发射信号和接收到的信号的相位和幅度。这使得峰值产生部分57能够形成单个方向性波束(即，方向性的单个峰值)并且在如上所述的整个控制范围内相继地扫描该峰值。特别，在提供360°方位角覆盖的阵列天线的情形中，可以作为峰值的相继的整圈进行这种扫描。
图22A、22B和22C组成由本实施例的到来方向估计部分53实行的处理的流程图。如图22A所示，进行决定步骤(S2)来判断通过只使用由天线51的元件接收到的信号而获得的估计结果是否可能不正确。如果有这种可能性，于是就进行图22B所示的处理。这里，再次进行决定步骤(S7)，以判断通过使用由天线51和天线52接收到的信号获得的估计结果是否可能不正确。如果有这种可能性，于是就进行图22C所示的处理，通过产生表示相继改变的峰值方向的数据，并将这些数据提供给峰值产生部分，来进行上述的波束扫描操作。在图22C的例子中假设，只在一段预定的持续时间(称为扫描操作时间间隔)内进行这一操作，随后操作返回至图22A的步骤S1。如图22C中的步骤所指出的，假设每当从位于基站的服务区域内的一个移动电台检测到无线电波时，就停止扫描，即，在基站与该移动电台进行通信的时间间隔内，提供给峰值产生部分的方向数据保持不变。这可以是一个固定的时间间隔，或者是一个具有特定的通信所需的持续时间的时间间隔。然后再继续扫描，直至检测到服务区域内的另一个移动电台发射的无线电波为止，等等，直至检测到扫描操作时间间隔的末尾。
通过与先前的每个实施例作比较，从以上的描述可以明白，本实施例的基本优点是，一个基站能够管理的移动电台的数目不限于阵列天线元件的总数，从这些天线元件能够获得用于到来方向估计的接收到的信号。那就是说，即使在一个基站的服务区域内的移动电台的数目大于阵列天线元件的总数，也能进行天线方向性峰值的扫描，以相继检测并且与服务区域内的每一个移动电台通信。
当然，同样可以把这样一个扫描/检测特性与方向性控制天线设备的第一和第二实施例相组合，以获得上述好处。
在描述本发明的第四实施例之前，首先参见图23，总结作为该实施例的主要特征的直线阵列天线的某些基本原理。它示出了无线电波Sm(t)之间的关系，这些无线电波入射在具有元件E(将它们按间距d排列)的直线阵列天线上。这里用到来方向与天线的阵列方向的法线之间的夹角θm来表示无线电波的到来方向。如图所示，由于波前在到达这些天线元件所经过的距离之间有路径差d·sinθm，因此在从天线的相邻的元件获得的信号之间将有相位差。然而，当例如用MUSIC方法对于这样一个天线估计无线电波的到来方向时，并且如果天线能从绕其阵列轴线在360°范围内延伸的方向接收无线电波，则由此估计的角度表示圆锥的半顶角(half-apexangle)，该圆锥的表面确定了无线电波实际到达的所有可能的方向。这在图24中示出，其中，直线阵列天线310的阵列轴线沿直线313。如果天线310只能接收来自一侧的无线电波(即，能够在180°的方位角范围内具有方向性，而在仰角方向基本上没有方向性)，如沿水平方向延伸的微带天线或者具有各自的后反射器的偶极天线阵列的情形那样，则无线电波的可能的到来方向的范围将构成半圆锥311，如图所示。下面，将把它称为到来方向半圆锥。
图25概念性地表示基站300的直线阵列天线301和移动电台302之间的关系，移动电台302正发射沿着由直线304表示的方向到达无线301的无线电波。将采用示于图25的xyz坐标系统来描述这个关系，即，把天线301的中心取作原点。
将天线301在地平面以上的高度用h来表示(即，地平面为-h)，而来自一个移动电台的到来无线电波的角度为θ(从x轴量起)，于是到来方向半圆锥与地面的交线可以表示为
y2＝x2tan2θ-h2
在设计图中看到的位置关系如图26所示，其中，移动电台302相对于天线301的方位角用θA来表示(从x轴量起)。如果移动电台302相对于阵列天线301的仰角很小(即，移动电台302与天线301基本上处于同一高度，或者相对于任何高度差而言，移动电台302离天线301足够远)，如图27A的沿x轴的视图所示，则从移动电台302来的无线电波的到来方向将表示移动电台302相对于天线301的方位角。从图27B可以明白这一点，其中，当沿x方向观看是时，305表示上述的到来方向半圆锥。先前的实施例都根据这一假设，即，每个移动电台的仰角度足够小。
然而，如果仰角较大，如图28A所示，则从图28B可以明白，用来自移动电台302的接收到的无线电波的到来方向表示移动电台的方位角方向可能不准确。如果能估计移动电台302的位置，则(例如，用极坐标来表示位置)能够准确地获得移动电台的方位角方向。此外，如果位置已知，则能够相对于移动电台离开基站的距离，把当基站与移动电台通信时从基站到移动电台的发射功率的电平设定为一个适当的值，即，能够准确地建立天线的方向性，从而能更有效地消除与移动通信系统的其他基站和移动电台的干扰。为了这些原因，本发明的第四实施例能够由基站在与一个移动电台通信之前估计该移动电台的位置。
图29是方向性控制天线设备的第四实施例的系统方框图。在图29中，基站67具有直线阵列天线61、到来方向估计部分12、天线方向性控制部分13和变频器部分14，每一个部分如在先前的实施例中所描述的那样。在此实施例中，用于天线方向性控制部分13的控制信号由峰值产生部分65产生。峰值产生部分65的功能与先前的实施例的峰值产生部分15的功能相似，但不同之处在于，由峰值产生部分65产生的放大率控制信号使得天线方向性控制部分13形成一个峰值，根据正在与之通信的移动电台的位置对该峰值成形，即，峰值沿方位角方向取向，而峰值的幅度根据移动电台的视线距离决定。把到来方向估计部分12产生的到来方向数据提供给移动电台位置估计部分402。用通信电缆406、407将基站67连至系统的其他邻近的基站，诸如基站68、69。把由这些其他的基站的每个基站的到来方向估计部分获得的估计的到来方向数据提供给基站67的移动电台位置估计部分402，并且根据这样提供的数据，移动电台位置估计部分402计算各个移动电台的估计的位置。当基站67与已获得其估计位置的一个移动电台进行通信时，由移动电台位置估计部分402把规定该移动电台的方位角方向和视线距离的数据403提供给峰值产生部分65，由此实现对直线阵列天线61的方向性的成形，而那样的成形是适合该移动电台的位置的。
图30是用于说明由移动电台位置估计部分402进行的位置估计的基本原理的图。在图30中，61、73和75分别表示图29的基站67、68、69的直线阵列天线。根据一个特定的移动电台的到来方向信息(它由该移动电台自身的到来方向估计部分12和基站68、69的每个到来方向估计部分获得)，如上所述，基站67的移动电台位置估计部分402计算该移动电台的到来方向半圆锥之间的交线。下面将假设，此计算假设每个基站的各自的高度值h为常数，即，假设地平面是平坦的。由此得出交线72、74、76，而所需的移动电台的为位置为交点77。
如果地面实际上是平坦的，则只需获得两条这样的交线来估计移动电台的位置。然而，一般说来情形并非如此(即，h的值不是常数)，为了使位置估计更加准确，使用三条交线。参见图31能够明白这一点，在该图中，假设所考虑的移动电台实际上位于比在计算交线72、74、76时假设的高度更高的地方。在那种情形下，这些交线将不相交于一点，而将具有三个分开的交点，如图所示。然而，在此情形中的移动电台的位置(即，点77)由移动电台位置估计部分402作为这三个交点之间的重心获得。
通过上述的通信电缆406、407，系统的其他的基站可以利用由此获得的位置信息。在对一个移动电台的位置作出估计后，于是最靠近该移动电台的基站，或者当前正在与个数最少的移动电台通信的基站(它是与该移动电台靠得足够近的那些基站中的一个)实行与该移动电台的通信。
图32是由移动电台位置估计部分402为估计移动电台的位置而进行的处理的流程图。虽然在该流程图中把步骤S3规定为寻找到来方向半圆锥与地之间的三条交线之交点，但如上所述由于这三条线可能实际上不相交于一点，因此步骤S3一般将包括寻找上述的重心(即，与三条交线的每一条交线等距的点)，作为移动电台的估计位置。
假设已在直角坐标中获得位置信息，然后在步骤S4将该信息变换为极坐标形式，从而相对于将与该移动电台通信的基站的天线获得移动电台的方位角方向和视线距离。然后把这些数据提供给该基站的峰值产生部分，以根据移动电台的位置对由该基站产生的天线方向性进行准确成形，即，产生一个辐射图形的峰值，它沿移动电台的方位角方向取向，并且它提供适合于该移动电台的距离的发射功率电平。
虽然上述实施例描写了采用三个相邻的基站来获得用于估计移动电台的位置的数据，但为此目的可以采用数目更多的基站，即，获得到来方向半圆锥与地之间的更多条交线，以达到位置估计的更高的准确度。
此外，可以对上述实施例设想各种的变更，例如，为了能够获得到来方向半圆锥与地之间的实际交线(即，作为三维的交线)，向每个基站提供存储显示周围区域高度变化的地形数据的源。
这样，由本实施例，通过使用直线阵列天线以及使用由三个或更多个基站获得的估计结果，可以确定一个移动电台的位置，由此设定基站的方向性图形，从而可在该移动电台与基站之间进行通信，而干扰其他移动电台和基站之间的通信的可能性最小。
图33是按照本发明的方向性控制天线设备的第五实施例的系统方框图。在图33中，直线阵列天线61、到来方向估计部分12、天线方向性控制部分13、变频器部分14和峰值产生部分65的各自的功能与在先前的实施例中所描述的那些相同，因而不再赘述。84是电场强度测量部分，它根据从移动电台接收的接收到的信号强度，测量从一个移动电台接收到的电场强度；而86是移动电台位置估计部分，它接收分别来自场强测量部分84和到来方向估计部分12的输入值87、88。移动电台位置估计部分84将输出值86提供给峰值产生部分65，该输出值表示对于每个估计其位置的移动电台的方位角和视线距离的组合。
如图35所示，可以将电场强度测量部分84简单地作成一组接收到的信号强度检测器84a，它们对阵列天线61的元件的各个接收到的信号进行操作，并且把它们的输出信号在加法器84b中相加。可以用未在图中示出的装置将得到的和信号作模-数变换，并作为数字信号值提供给移动电台位置估计部分81。
本实施例的工作情形如下。由于接收到的无线电波的场强随发射距离的减小率是已知的，因而可以把从一个移动电台接收到的电场强度的值用作移动电台与基站的天线的视线距离的量度。又，假设基站周围的地面基本上是平坦的，因而能够从基站的天线的已知高度(h)和测得的移动电台的视线距离(r)计算移动电台的仰角。换言之，可以考虑由移动电台的估计的距离确定一个围绕基站天线的半径为r的球。此球面与地面(地面相对于天线的高度为-h)的交线(即，离天线61的视线距离r处的地面位置的轨迹)构成，了移动电台的可能位置的范围。如对于先前的实施例所描述的，天线61是直线阵列天线。移动电台位置估计部分81从到来方向估计部分12接收估计的方向数据(即，规定从一个移动电台接收到的到来无线电波相对于天线61的阵列轴线的角度的数据)，在直角坐标(xy)中计算构成上述到来方向半圆锥之间交线的一组位置，然后找出该交线与上述具有半径r的球面和地面的交线的交点，由此得出移动电台的估计位置。
然后把如此找到的位置信息变换至极坐标，从而获得移动电台相对于阵列天线61的所需的方位角。然后把方位角和视线距离值r作为数据86提供给峰值产生部分65，由此峰值产生部分65产生用于使天线方向性控制部分13产生天线方向性，该方向性是经适当成形的，以与已估计位置的移动电台通信。
图34是示出在那种情形中由移动电台位置估计部分81实行的处理序列的流程图。
如对先前的实施例所作的描述那样，对于本实施例，也可以使用已存储的基站周围区域的地形数据，以更准确地确定到来方向半圆锥与地面之间的交线，即，作为三维空间中的一条曲线。
同样可以只使用极坐标来进行上述位置估计过程。即，使用基站天线的高度值，能够计算沿到来方向半圆锥和地面的交线的一些点的仰角值，可以从移动电台的估计的视线距离和地平面之上的天线高度估计移动电台的仰角，然后可以将该仰角值与对于到来方向半圆锥交线得到的每个仰角值作比较，以找出所需的移动电台位置，即，找出在半圆锥与地面的交线上的位置，该位置的仰角与使用估计的移动电台位置的仰角相等。
从上所述可以明白，对于本发明的此实施例，当一个移动电台出现于基站的服务区域之内时，基站通过测量它从移动电台接收到的无线电波的电场强度能够估计移动电台的位置，从而移动电台与基站的天线相隔的距离。然后，设备使用此估计的距离连同估计的来自该移动电台的无线电波的到来方向估计移动电台的位置，并且再使用位置信息来使基站的方向性适当地成形，从而能够与移动电台进行通信，而在通信时把与其他移动电台和其他基站之间的干扰减至最小。
图36是按照本发明的方向性控制天线设备的第六实施例的系统方框图。在图36中，90是一个基站，它具有直线阵列天线61、到来方向估计部分12、天线方向性控制部分13以及峰值产生部分65，它们之中的每一个与先前的实施例中的相应标号的部分具有类似的功能，因此不再赘述。
基站90还包括移动电台位置估计部分91，它从到来方向估计部分12接收到来方向数据94，它还接收接收到的基带信号作为输入96，用于如下所述的估计接收到的信号强度。如对先前的实施例所描述的那样，移动电台位置估计部分91对于每个移动电台产生估计的位置数据(即，方位角和视线距离数据)，把这些数据提供给峰值产生部分65。
450表示一个移动电台，假设它在基站90的服务区域内。移动电台450设有位移矢量产生部分452，它周期地工作以确定第一时刻(t1)，并且在经过固定时间间隔的第二时刻(t2)，导出代表位移矢量的数据，该数据表示在第一时刻(t1)后所发生的移动电台450的位移的大小和方向。把位移矢量数据提供给数据发射部分453，将由无线电把该数据发送给基站90。
在基站90的移动电台位置估计部分91和移动电台450中确定各个时刻t1、t2的出现。通过把这些时刻预定为沿时间轴在正常的固定时刻处出现的时刻，或者通过从移动电台450由无线电发射同步信息至基站90，能够保证做到这一点。
参照图37描述此实施例的基本原理，图37是直线阵列天线61的平面图，天线的阵列轴线用422表示。在第一时刻t1，基站90从移动电台450接收到来无线电波，到来方向估计部分12导出到来方向(即，到来无线电波相对于阵列轴线422的角度)，并将估计的方向数据提供给移动电台位置估计部分91。然后，移动电台位置估计部分91产生表示如对先前的实施例所描述的到来方向半圆锥的数据，以获得表示该到来方向半圆锥和地面的交线423的数据，并将数据存储在存储器中。当到达时刻t2时，移动电台450将表示位移矢量420的数据(即，表示在第一时刻(t1)后所发生的移动电台450的移动的大小和方向的数据)发射至基站90。此时，基站90的移动电台位置估计部分91从到来方向估计部分12接收一个到来无线电波方向的新的估计值，并导出表示到来方向半圆锥和地面的新的交线的数据，在图37中，该交线用标号424表示。
然后移动电台位置估计部分91对于表示位移矢量420的数据、表示交线423的数据和表示交线424的数据进行操作，以找出分别位于交线423和424的一对点，这一对点隔开一个与位移矢量420相同的矢量距离。在图37中，把这些点表示为425和426，并且可以看出，点426表示例如在直角坐标(xy)中移动电台450当前的(即，在时刻t2)估计的位置。
如对于先前的实施例所描述的那样，用如此得到的估计的地面位置和天线61高于地平面的已知高度，把这样得到的位置数据变换为极坐标形式，然后把移动电台450相对于天线61的方位角和视线距离的值提供给峰值产生部分65，它再控制天线方向性控制部分13以进行相位和幅度控制，为与移动电台450通信而产生一合适地成形的天线方向。
图38A、38B构成了一个如上所述的由移动电台位置估计部分91实行移动电台位置估计的过程的例子的流程图。在此例中，假设在时刻t1存储表示到来方向半圆锥与地表面的交线的数据，而在时刻t2接着读出并使用它。然而，当然也可以在时刻t1只存储由到来方向估计部分12提供的到来方向角度值，并在时刻t2进行所有必需的计算处理。图38B示出图38A中的步骤S8的内容，从而进行图37所说明的操作，以通过利用接收到的位移矢量420获得点426。
为实现移动电台450的位移矢量产生部分452，可以设想各种的结构。在本实施例中假设，移动电台450是一辆机动车。这样，可以基本上把位移矢量产生部分452做成如图39所示的方框图的形式。这里，用速度脉冲检测器461获得由车轮460运动导出的脉冲，并把这些脉冲连同由移动方向检测器463提供的方向数据(它表示移动电台当前的移动方向)提供给计数器部分462。例如，移动方向检测器463可以基于一个回转罗盘。例如，计数器部分462可以用一对可逆计数器构成，即，第一计数器根据车辆的当前移动状态的东-西分量的幅度和方向向上和向下计数，而第二计数器类似地根据南-北分量向上和向下计数，而把每个计数器在上述时刻t1复位至零。
图40是按照本发明的方向性控制天线设备的第七实施例的系统方框图。在图40中，直线阵列天线61、到来方向估计部分12、天线方向性控制部分13、变频器部分14和65的功能与对于先前的实施例的相应标号的部分所描述的功能相同，因而不再赘述。487表示天线旋转器，用于物理地旋转直线阵列天线，而天线的阵列轴线在水平面内旋转。天线旋转器487由天线旋转控制部分486控制。下面将假设，天线旋转控制部分486这样工作，周期地使旋转器487旋转直线阵列天线61至少一整圈。当在作这样的旋转时，天线旋转控制部分486把通知数据489送至移动电台位置估计部分482，规定天线的阵列轴线要旋转的相继的方位角。在天线旋转时，移动电台位置估计部分482使用由到来方向估计部分12所提供的到来方向信息来估计在基站的服务区域内的一个或多个移动电台的各自的位置。如已对先前的实施例所描述的那样，把如此估计的位置信息提供给峰值产生部分65，用于控制天线方向性控制部分13，以对天线元件的发射和接收到的信号进行相位和幅度控制，从而产生合适的天线方向性。
首先参见图41，具有上述结构的方向性控制天线设备的工作情形如下。图41是示出沿箭头所指的方向旋转的天线61的平面图，天线61的阵列轴线从位置471旋转至位置472，如图所示。假设在第一时刻t1天线轴线在位置471处，并在第二时刻t2到达位置472。在时刻t1，移动电台位置估计部分482接收来自天线旋转控制部分486的表示天线轴线在方位角位置471的数据，并接收来自到来方向估计部分12的到来方向数据(该数据表示天线阵列轴线与从一个特定的移动电台接收到的无线电波的到来方向之间的角度)，并且计算表示相应的到来方向半圆锥与地平面之间的交线的数据。在图41中，该第一条交线用标号473表示。在时刻t2，当天线61已旋转至位置472时，重复上述步骤，以获得到来方向半圆锥与地平面之间的第二条交线474。然后计算这两条交线473、474的交点，从而得出移动电台相对于xy平面的当前位置。然后使用天线61的已知的高度，以用极坐标获得该位置，从而获得移动电台相对于天线61的方位角方向和视线距离。然后把该信息提供给峰值产生部分65。
为了在位置估计时获得更高的准确度，最好使用在天线的三个或更多个相继的角位置处获得的方向信息来估计移动电台的位置，而不是如在图41中那样只使用两个角位置。
图42是由移动电台位置估计部分482进行的得出上述位置信息的处理序列的流程图，在该情形中，使用了在阵列天线61的三个相继的角位置处的方向信息来估计一个移动电台的位置。虽然在图42中假设在步骤S3和S6的每个步骤中存储表示到来方向半圆锥与地面的交线的数据，并在计算步骤S9中使用，但当然也可以在步骤S3和S6(即，在时刻t1和t2)只存储各个到来方向信息，并在步骤S8(即，在时刻t3)进行所有必需的计算处理以获得各个到来方向半圆锥之间的三条交线。
这样，如上所述，在本实施例中，通过在水平面内旋转直线阵列天线，能够把移动电台的位置估计为从对于天线的各个旋转角获得的估计结果得到的交点。然后，如对先前的实施例所描述的那样，可以把位置信息用于对天线的方向性适当地成形。
图43是按照本发明的方向性控制天线设备的第八实施例的系统方框图。在图43中，阵列天线11、到来方向估计部分12、天线方向性控制部分13、变频部分14和峰值产生部分15分别如图所示的第一实施例的相应部分那样，因此不再赘述。115是传播延迟时间估计部分而116是传播路径均衡部分。117是电场强度测量部分，它例如可以具有上述图35所示的结构。
本实施例的工作情形如下。到来方向估计部分12估计来自一个移动电台的无线电波的到来方向，而传播延迟时间估计部分115估计从该移动电台接收到的无线电波的传播延迟时间。即，如果由于从移动电台发射的无线电波被建筑物、小山等反射，而有反射的无线电波到达基站的天线11，则在直接接收到的无线电波和这些反射的无线电波之间可能发生干扰，导致接收到的信号的多路径失真。如果在基站服务区域内只有一个移动电台，则由天线11接收到的信号只包括来自该移动电台的直接的无线电波和反射的无线电波。在那种情形下，传播延迟时间估计部分115使用MUSIC方法来估计直接波的到达和反射波的到达之间的时间延迟。(为此目的，同样可以使用上述的ESPRIT方法)。
通过从阵列天线11的元件获得组合的接收到的信号，并使用这些信号来计算电场强度，电场强度测量部分117测量直接的无线电波和反射的无线电波的电场强度。传播路径均衡部分116使用直接接收到的无线电波与反射的无线电波之间的延迟时间的值(它是由传播延迟时间估计部分115估计的)以及直接接收到的无线电波和反射的无线电波的电场强度的值(它们是由电场强度测量部分117估计的)，通过施加阵列天线11的接收到的信号的延迟和幅度补偿，在这已由变频部分14(或由变频部分14与天线方向性控制部分13的组合，如图43所示)变换至基带后，来抵销直接波和反射波的延迟时间。应该注意，在由变频器部分14变换至I.F.频率后，通过对接收到的信号施加作用，同样可以实现这一功能。具体说来，通过经一系列的延迟元件传递接收到的信号，并把来自延迟元件的各个输出信号按比例地加以组合从而抵销延迟，可以获得延迟补偿。此外，在把这些信号组合起来获得最终的接收到的信号之前，可以根据直接波和反射波的各自的电场强度的比来改变这些延迟信号的各自的比例。从而可以得到最终的接收到的信号，它不受多路径失真的影响。
此外，在发射操作中，可以相继地使用在接收操作时获得的传输延迟时间和电场强度比的值，以将一预计的反射波信号加至基带发射信号，然后将得到的信号变频至发射频率并由阵列天线11发射。
图44是传播路径均衡部分116的一个结构例的电路方框图。这里，把由天线方向性控制部分13输出的基带接收到的信号提供给级联的延迟元件500的第一个元件，并把每个延迟元件的输出信号输入至相应的放大器501。每个放大器501设有一对增益控制输入端子501a、501b，并且把由控制信号电平的组合确定的放大器增益施加至这些端子。图中示出，把表示传播延迟时间的估计值的一个信号以及表示直接波和反射波的电场强度的上述比值的一个信号分别施加至每个放大器501的控制端子501a、501b。用加法器502把从放大器501得到的输出信号加以组合，以获得最终的基带接收到的信号，它不受多路径失真的影响。
类似地，把基带发射信号输入至一组放大器501的每个放大器，用上述相同的方式对每个放大器进行控制，并把从放大器501得出的输出信号施加至一组级联的延迟元件500的各个输入端。从这些级联的延迟元件500的最后一个元件输出加有上述预计的反射波信号的基带发射信号，并将它提供给天线方向性控制部分13，因而变频器部分14，用于上变频至R.F.发射频率。
这样，由本发明的上述实施例，能够对基站从移动电台接收到的无线电信号的多路径失真施加补偿，也可以在用无线电实际发射之前，将补偿施加至由基站产生的发射信号。从而虽然由于在基站的服务区域内存在大的建筑物或其他障碍物而发生对于无线电通信的多路径干扰，仍能保证在基站和移动电台之间进行可靠的通信。
图45是按照本发明的方向性控制天线设备的第九实施例的系统方框图。在下面的描述中，假设将实施例应用于一个蜂窝电话系统，例如，如图47所示，对于基站127、128、129指派各自的六角形服务区域，形成通信系统的各自的小区。在图45中，每个基站127设有阵列天线11、电路方向估计部分12、天线方向性控制部分13和变频器部分14。这些部分具有先前的实施例中的相应标号的部分所具有的功能，因此不再赘述。每个基站设有移动电台位置估计部分125和区域切换控制部分126。如图所示，为进行下述的数据的互相传送，用通信电缆123把一个基站的每个区域切换控制部分126连至其他基站的区域切换控制部分。
例如可以这样构成移动电台位置估计部分125，使之如在包括一个移动电台位置估计部分的任何一个先前的实施例中所描述的那样，因此不再赘述。在那种情形中，阵列天线11将是固定的或旋转的直线阵列天线。
再参见图47，除基站127、128和129之外，标为134、135、136、137、138和139的一组移动电台位于基站129的小区内，两个移动电台141、142位于基站127的小区内，而单个移动电台13位于基站128的小区内。140基站128的一个天线定向波束，即，在基站128的区域切换控制部分126的控制下，由基站128的天线方向性控制部分13对该基站的天线的方向性作如标号140所示的成形。即，每个区域转换控制部分126除了其他的功能之外，还包括对于第五实施例所描述和图33所示的峰值产生部分的功能。
对每个基站的区域转换控制部分126提供每个移动电台的识别信息，正在从它接收(即，从接收到的基带信号获得)信号。因为发射和接收这种识别信息的装置在本领域中是公知的，因此这里不再描述。
在每个基站中，到来方向估计部分1使用从在小区(即，服务区域)中的移动电台获得的接收到的信号来估计在该区域内的移动电台的数目，以及来自这些移动电台的每个电台的无线电波的到来方向。把那个信息提供给移动电台位置估计部分125，它估计在小区中的这些移动电台的各自的位置，并把位置信息提供给区域切换控制部分126。此外，基站的区域切换控制部分126从一组相邻的小区的每个小区的基站接收：
(a)指出对于那个其他的基站当前可以获得的多余通信信道的数目，或者指出通信信道的数目是否不够的信息；
(b)对于在那个其他的基站的服务区域内的一个或多个选出的移动电台中的每个移动电台(即，那个其他的基站没有足够的通信信道容量来加以处理，并且还没有切换至任何别的基站的那些移动电台)的识别信息。
例如，可以假设示于图47的每个基站具有最多与三个移动电台通信的信道容量。在那种情形下，如果每个基站限于只与在其小区内的那些移动电台通信，则基站127具有一个通信信道的多余容量，基站128具有两个通信信道的多余容量，而由于在基站129的小区中当前有六个移动电台，因此基站129具有三个通信信道的缺额。
每个基站的区域转换控制部分126的功能是均衡由基站处理的移动电台的数目。如果在一个小区中通信信道的容量不足，则(尽可能)把与在该小区内的多余数目的移动电台的通信切换至相邻的小区的基站。在图47的例子中，基站128具有可用的通信容量，即，还可以与两个移动电台通信。在此情形中，基站129(在送出上述移动电台识别信息后)通知移动电台138、139切换至基站128的各个可用的通信信道。当此后基站128从这些移动电台接收无线电波时，该基站的到来方向估计部分估计这些移动电台的各自的方向，而移动电台位置估计部分125估计移动电台138、139的各自的位置。此后，当要与这些移动电台中的一个移动电台进行通信时，区域切换控制部分126使天线方向性控制部分13形成峰值天线方向性的适当的大小和方向，而以相同的方式进行通信，好比这些移动电台138、139位于基站128的服务区域(小区)中。用类似的方式，把移动电台137切换至基站127。
这样，在图47的例子中(其中，有九个移动电台在三个基站的区域中)，为了均衡由各个基站处理的移动电台的数目，通过每个基站与三个移动电台通信的安排而进行均衡。
最好这样来安排，当用这种方式来将移动电台从第一小区切换至第二小区时，选择最接近该第二小区的“多余的”移动电台进行切换。这样，在图47的例子中，基站129保持与移动电台134、135、136通信，比起移动电台137、138、139来，移动电台134、135、136离开基站127、129的小区较远。
虽然在上面假设基站的天线方向性控制部分是受控的，从而对于为一个移动电台估计的每个不同的方向或位置分别形成不同的天线方向性峰值，但同样可以这样来形成天线方向性，即，一个峰值同时覆盖多个移动电台的位置(即，已估计各自位置的移动电台)。这在图47中说明，其中，基站128控制其天线方向性，从而形成单个定向峰值140，它如此成形，使得基站128不仅可以与其自身的区域内的单个移动电台143通信，还能够与最靠近它的在基站129的服务区域内的两个移动电台138、139通信。
图46A、46B组成了由按照本实施例的每个基站的区域切换控制部分126实行的处理的流程图。在此流程图中，基站可用的通信信道的数目用参数nB来表示，根据该基站是否有多余的通信容量、多余容量为零或者容量不足，该参数可以取正值、零或负值。如果通信信道容量不足，则如步骤S9所示，基站的区域切换控制部分126送出信息至相邻基站的每个区域切换控制部分126，以将信道容量不足的信息通知这些基站，并且对一些选出的移动电台进行识别，这些移动电台虽然位于自己的小区内，但将被切换至这些其他的基站。例如，在图47的例子中，基站129将它的通信信道不足的数目(即，3)以及识别三个移动电台137、138、139的信息通知基站127、128。
这样，对于本发明的本实施例，能够这样来确定天线方向性，从而均衡与多个基站中的每个基站通信的移动电台的数目，从而保证能够充分地利用整个通信系统的可用的通信信道容量。
对于本发明的先前的实施例(进行天线旋转除外)，基站最多只可以定出比基站的阵列天线元件总数少的移动电台的各自的方向。下面将描述本发明的第十实施例，从而克服这一限制。对于此实施例，每个移动电台间歇地发射控制信号，基站只用这些信号来确定移动电台的方向，而不是用于在移动电台与基站之间进行数据通信。
图48是第十实施例的系统方框图。下面将假设阵列天线11总共具有三个天线元件。在图48中，150是基站，它具有阵列天线11、到来方向估计部分12、天线方向性控制部分13、变频器部分14和峰值产生部分15，它们分别地如先前的实施例中所描述的那样工作。此外，基站150设有可变频率滤波器144，在阵列天线11的元件的接收到的信号被变频器部分14变为中频之后(即，在对这些信号施加任何中频滤波处理之前)，可变频率滤波器144接收这些信号，是这些信号中的每个信号通过一组可变带通滤波器部分144中的相应的一个，并将得到的信号提供给到来方向估计部分12。146是一个移动电台，它具有控制信号发射部分，该部分如下所述产生控制信号，并将这些信号用无线电发射至基站150。
图50是示出一个时序例的图，多个移动电台的控制信号发射部分按照该时序发射控制信号，由六个移动电台发射的控制信号的序列分别用#1、#2、#3、#4、#5和#6来表示。501、502、503、504、505、506表示各自的时隙。在每个移动电台中，例如，在图48的移动电台146中，控制信号发射部分147从示于图50的时隙中随机地选择时隙，并在这样一个随机选择的时隙，从要作为控制信号发射至基站的四个频率f1、f2、f3、f4中随机地选择一个频率。当基站的阵列天线11从一个移动电台接收到控制信号时，把从阵列天线的每个天线单元接收到的各个信号，在由变频部分14变频至中频后，输入至可变频率滤波器145的可变带通滤波器部分144。把由变频部分14对接收到的信号的频率f1、f2、f3和f4变频的各个频率表示为F1、F2、F3和F4。可变带通滤波器部分144的每一个的工作是受控的，从而在一个时隙内，当在该时隙的四个子间隔时，设置滤波器通带使之相继地通过频率F1、F2、F3和F4。在图50中，例如在时隙501的情形下，把这些子间隔表示为501a、501b、501c、501d。当频率F1至F4之一正在通过时，滤波器相对于其他三个频率处于截止状态。把可变频率滤波器145的输出信号(它相应于天线11的元件各个接收到的信号)提供给到来方向估计部分142，然后该到来方向估计部分估计来自移动电台的无线电波的到来方向。
如上所述，如果分别用不同的数据来调制发射信号，并且如果这些移动电台的数目小于基站的天线元件的数目，则基站的到来方向估计部分12能够估计多个经相同频率信道发射的移动电台的各自的方向。如果天线元件的数目是三，则由于在时隙501、502、503的每一个时隙中，同时使用相同频率信道的移动电台的数目小于三，因而能够正确地估计到来方向信息。在时隙501、502等等的每个子间隔，对最多为两个移动电台(它们在该时隙发射控制信号，其频率是当前被可变频率滤波器144所选择的)的无线电波的到来方向进行估计，在下一个子间隔，对滤波器进行切换，以选择另一个频率，然后到来方向估计部分142类似地估计别的一个或一些移动电台的无线电波的到来方向。
图51示出本实施例的移动电台的控制信号发射部分147的一个结构例子。这里，把从ROM(只读存储器)160读出的数据连同在由频率合成器163产生的信道频率上的载波信号施加至调制器161。在根据由随机数发生器162产生的随机数产生的信号的控制下，频率合成器在随机地确定的时隙中，随机地选择四个可能的信道频率之一。从ROM读得的数据对于系统的每个移动电台是各不相同的。
在对所有的控制信号完成方向估计操作后，峰值产生部分15引起天线方向性控制部分143对阵列天线141的每个元件的发射信号或接收到的信号的相位和幅度实行控制，以使天线方向性峰值朝着正在与之通信的移动电台取向，如对先前的实施例所描述的那样。
在图50的例子的时隙504中，由于有三个同时发射相同的控制信号频率(f4)(即，移动电台的数目大于天线元件的数目)，因此不可能获得正确的估计结果。此外，由于在时隙5没有移动电台发射控制信号，因而该时隙不能用于到来方向估计。在这种情形下，天线方向性控制部分将天线方向性峰值保持在不变的状态下，直至能够获得正确的结果。在时隙506，由移动电台同时发射的频率的数目小于天线元件的数目，所以能够获得正确的估计结果。
例如能够如图49那样来构造可变频率滤波器144的每个可变带通滤波器部分。这里，在每个时隙的四个子间隔，用开关600、601(它们由滤波器选择时序控制部分602控制)相继地选择通过频率F1、F2、F3、F4(如上所述，相应于控制信号频率f1、f2、f3、f4)的一组四个带通滤波器603、604、605、606中的有关的滤波器。
这样，对于上述实施例，随机地选择由移动电台发射的控制信号的频率和时隙，从而基站能够通过改变一个可变频率滤波器的通带中心频率获得来自移动电台的无线电波的到来方向，因此，基站可以对数目大于基站的阵列天线的元件总数的多个移动电台的各自的方向进行检测。
显然，可对此实施例加以改变，以提供移动电台位置估计功能，如对先前的实施例所描述的那样。在那种情形下，能够估计其数目大于基站的阵列天线的元件总数的多个移动电台的各自的位置。
图52是按照本发明的方向性控制装置天线设备的第十一实施例的系统方框图。本实施例与先前的实施例的不同之处在于，能够使基站的天线方向性成形，从而形成沿基站正在与之通信的移动电台取向的单个峰值，与此同时形成一些天线方向性的零点，它们分别沿基站服务区域内的已对其方向进行估计的其他移动电台的方向取向。结果，即使其他相邻的基站与移动电台之间用相同的频率信道通信，也可以把与这些通信的干扰减至最小。
在图52中，阵列天线11、变频器部分14和峰值产生部分15分别以与先前的实施例的相应的部分相同的方式工作。到来方向估计部分701以与先前的实施例的到来方向估计部分12大体上相同的方式工作，即，相对于天线11分别估计移动电台(总数为N)的方向。然而，此外，由接收方向选择部分702提供的数据来控制到来方向估计部分701，以在这些N个方向中选择一个作为天线峰值方向，而把其余的(N-1)个估计的方向作为天线零点方向。此外，天线方向性控制部分700以与先前的实施例的天线方向性控制部分13大体上相同的方式工作，即，对天线11的天线元件的发射信号或接收到的信号进行相位和幅度控制，从而提供方向性的一种特定形状。然而，此外，参见第一实施例的图5，用一对放大率控制信号(即，由零点产生部分703提供的第一信号和由峰值产生部分15提供的第二信号)来控制天线方向性控制部分700中的每个放大器13d、13e。这样，通过组合由峰值产生部分15和零点产生部分703产生的控制信号，确定为天线11建立的方向性。
由到来方向估计部分701把规定上述天线峰值方向的数据提供给峰值产生部分15，与此同时，把来自到来方向估计部分701的规定各个零点方向的数据提供给零点产生部分703。零点产生部分703和峰值产生部分15由此控制天线方向性控制部分，以建立天线方向性，它具有沿估计的峰值方向取向的单个峰值，并具有各个零点，它们在移动电台的每个其他的估计的方向。
接收方向选择部分702例如在每个固定持续时间通信间隔相继地选择由到来方向估计部分估计的有关的方向为天线峰值方向。通过时分复用的工作形式，在基站服务区域内的每个移动电台能够以那种方式相继地与基站通信。
图53是由本实施例的到来方向估计部分701进行的处理的流程图，以完成上述操作，用于把规定峰值方向的数据提供给峰值产生部分15，并把规定各个零点方向的数据提供给零点产生部分703。图54是由零点产生部分703进行的操作的流程图，该操作用于产生控制信号，施加至天线方向性控制部分700，以响应于由到来方向估计部分701提供的方向数据，对于已被选择为零点方向的每个方向建立零点。
图55是按照本发明的方向性控制天线的第十二实施例的系统方框图。在图55中，171是阵列天线，172是到来方向估计部分，15是峰值产生部分，173是天线方向性控制部分，而174是变频部分。175是一个偏移天线元件，而176、177和178是阵列天线171的第一、第二和第三元件。假设天线171是一个直线阵列天线，从而只能估计到来的无线电波的方位角。作为一个实际的例子，阵列天线171可以包括三个偶极天线，它们沿水平方向排成直线，每个偶极天线带有一个后反射器元件，而偏移天线175可以包括具有后反射器的单个偶极天线，把它与天线171的阵列方向偏移一个合适的方位角(例如，90°)。然而，显然，在本实施例中也能够设想使用其他形式的天线结构。
图57、58是用于说明到来方向估计部分172的工作原理的图。在图57中，181是天线方向性特性曲线(它是接收到的信号幅度对正在发射的移动电台的方位角的曲线)，该曲线由第一组天线元件得出，而该组元件只由阵列天线171的元件构成，182是由的第二组天线元件得出的天线方向性特性曲线，第二组元件包括偏移天线元件175。在图58中，183表示正在发射的移动电台的方位角与从第一组天线元件获得的组合的接收到的信号幅度和从第二组天线元件获得的组合的接收到的信号幅度的差值之间的关系，即，表示图57的特性曲线181和182之差的特性曲线。可以明白，特性曲线181只在特性曲线181和182都具有非零的信号幅度值的角度值范围内可靠地准确，即，在图58中的-θ至θ的范围。
本实施例的工作情形如下。当由阵列天线171和偏移天线元件175接收来自移动电台的无线电波时，到来方向估计部分172把各组天线元件的接收到的信号加以组合，并根据从第一和第二组天线元件接收到的信号幅度的差值，估计到来无线电波的方位角(即，正在发射的移动电台的方位角)。天线元件的组例如可以包括第一天线元件组和第二天线元件组，其中，第一天线元件组由阵列天线171的第一元件176和第二元件177构成，第二天线元件组由阵列天线的第三元件178和偏移天线元件175构成。
示于图57的特性曲线183建立了无线电波到来方向与第一天线元件组的组合信号和第二天线元件组的组合信号的差值之间的关系。从而到来方向估计部分能够估计移动电台所处的方位角方向。
然后把方向信息提供给峰值产生部分15，它产生控制信号，用于使天线方向性控制部分173对接收到的信号和发射信号施加幅度和相位控制，从而产生天线方向性的一个峰值，如对先前的实施例所描述的那样。
图56是由本实施例的到来方向估计部分周期地进行的一个简单算法例子的流程图，用于根据来自第一和第二组天线单元的组合的接收到的信号，获得估计的方向值。
这样，对于本发明的上述实施例，通过合适地使用一个阵列天线和一个偏移天线元件的组合，可以通过使用天线方向性来估计一个移动电台的方向。
当然，在阵列天线171和偏移天线175中可以比图55所示的例子使用数目更多的元件。为了能够提供足够的定向覆盖范围，还可以使用如图55所示的多组特天线，而这些阵列天线分别沿不同的角度取向。还可以采用旋转天线结构的另一种做法，如图40的实施例所示，使得能在360°的方位角范围内估计到来的无线电波的方向。
对于如上所述的本发明，可以由移动通信系统的一个基站估计一个或多个移动电台的各自的方向，并且能够根据估计的方向，对基站的阵列天线的方向性作合适的控制，从而能够有效地利用发射频率和发射功率，即，能够减小与移动通信系统的其他基站和移动电台之间的通信干扰的可能性。
如上所述，可以按照本发明这样构造一个设备，使得形成具有一个峰值的天线方向性，它是为与一个特定的移动电台通信而成形的，即，从而根据基站分别与不同的移动电台进行的通信，分别形成不同的峰值，或者换一种做法，使得形成具有一个峰值的天线方向性，它是如此成形的，从而能与多个移动电台中的每个移动电台通信，这些移动电台位于相隔不远的估计的位置处，如图47的例子所示。
显然，上述实施例的各种特性可以与其他实施例的特性组合起来，因此不能将上述特定实施例的描述作为对在所附的权利要求书中提出的发明范围的限制。