无线本地环路天线的制作方法

专利名称：无线本地环路天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及电信系统，更具体的是涉及用于无线本地环路系统的可操纵的用户站天线。
背景技术：
已知有各种形式的无线通信系统。例如，在工业化国家蜂窝无线语音服务现在得到了广泛的发展，人们期待有技术进步增强并扩展蜂窝无线服务和容量并产生进一步的发展。
相对于由遍布北美和其它地方的现有本地电话公司提供的有线本地环路电话服务而言，无线本地环路系统(WLL)系统也是被期望变得可行的选择。WLL系统通常包括无线基站网络，每个基站为多个用户提供服务。而每个用户具有一个用户站，该用户站利用与一个或多个基站的无线通信支持语音服务(例如电话)和/或数据服务(例如互联网)。
已经对WLL系统的实施作了尝试。通常，这些系统或是失败或是没有得到主要的突破。一种失败的系统是在英国实施的IONICA系统。该IONICA系统(在Smith的美国专利第5952966号中的背景技术部分有详细解释)需要安装在用户端设备外部并通过电缆连接到用户端设备内的用户站的天线。这些外部天线需要由专业的安装人员安装，通常费用很高，这是因为IONICA系统要求用户天线外部安装并朝着最适合于服务用户的基站定向。
这种定向的外部天线有额外的问题，当新用户和基站被添加到网络时，现有的用户需经常要让专业的安装人员重新调整其天线，以便将用户的天线指向新的基站，这就使得系统的费用增加了，并由于用户要等待专业的安装人员来进行调整而导致用户感到沮丧。已经提出IONICA至少部分的失败了，这是由于与不广泛的外部天线相关的问题。一般而言，更现代的WLL系统仍依赖于外部天线。例如，由AT&T公司公布的所谓的“投影角度”(Project Angel)系统就利用了外部天线。虽然这些最近的系统已经克服了IONICA的一些其它局限性，对外部天线的细致的安装的需求对想有权使用WLL服务的那些用户而言仍是一个障碍。
可操纵的天线也是已知的。例如，Milne的美国专利4700197教导了一种自适应阵天线，该天线适于用在与卫星通信系统通信的移动终端中。Milne的专利的一个问题是它直接预料卫星系统，这样，Milne教导的不是在基于陆地的WLL系统中使用该自适应阵天线。无论如何，Milne教导了使用需要复杂的控制来操纵天线的超过一打的寄生元件，在总体上对移动终端增加了额外的费用和/或复杂性，这样使得其通常不适于用在WLL系统中。
Koscica的美国专利6037905教导了一种具有多个辐射元件的可操纵天线，该发射元件由与具有设计频率的波长的一小部分的长度的导体串连连接的一组二极管构成。在Koscica背后的基本的假设是辐射元件(主动或被动)被分成远远小于波长的长度的长度，以便使其是电透过的。然而，如果这种设计被用于普通蜂窝电话应用中或WLL系统中，会由于多个二极管产生的损耗导致该天线的性能很差。
Thiel的美国专利6034638教导了一种用于移动电话的可操纵天线。Thiel教导了一种具有安装在固体圆柱构件的外表面上的对称阵中的四个间距相等的单极元件的天线。该圆柱具有高电绝缘常数，并从导电的地平面延伸。该单极元件可被开关元件开关以便一个或多个单极元件是有效的，而其它的则作为寄生的控制器/反射器连接到地面，或是被留在可有效透过的开放的电路中。Thiel的专利的一个问题是它具体的应用于移动蜂窝电信系统中，这样没有教导可操纵天线在WLL用户站中应用。另外，在固体圆柱构件内安装单极元件产生的天线可能在移动电话可受到的违反规程操作上是物理上坚固的，但是当用于WLL用户站时是不必要的和/或非常昂贵的。此外，Thiel教导了元件的开关，以便当蜂窝电话被置于用户的头部附近时减少用户暴露在电磁辐射，这在WLL系统中是无关紧要的限制。而且，Thiel教导了驱动元件的开关，但据信在WLL系统中以这种方式进行的开关会导致不可接受的性能损耗。总之，Thiel专利中的天线的配置以及开关的方法是用于移动应用目的的，因此不适用于固定的无线应用。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于WLL系统的新颖的天线，该天线消除或减轻现有技术的上述缺点中的至少一个。
在本发明的第一方面中，提供了一种通过无线链路在一个网络和一个用户终端之间传输至少一种用户服务的无线本地环路系统。所述系统包括至少一个互连所述网络和所述无线链路的基站。该基站可操作用于在所述链路上收发所述服务。该用户站互连所述用户终端和所述无线链路。该用户站包括一个可操纵天线，该天线可操作以具有所述链路上的所述服务的所需收发质量的方向定向。
该用户服务通常是语音服务(例如电话呼叫)和/或数据服务(例如网站浏览或电子邮件)，但其它类型的服务也在本发明的范围之内。同样，该网络是对应于服务类型的网络，例如公共交换电话网络、专用交换电话网络和/或包交换网络。
该用户终端可以是任何可操作传输该用户服务的终端，例如电话、计算机、智能装置、个人数字助理或类似的装置。
该天线通常是电可操纵的并包括至少一个驱动元件和多个寄生元件，该多个寄生元件可转换以影响有关该驱动元件的该无线电链路，以使该天线以该方向收发该无线电链路。。
收发质量可利用任何合适的度量来测定，例如无线链路的信噪比、位错误率、帧错误率、位速率、功率水平以及帧速率。
所需收发质量可基于需要来自该用户站的最小发射功率水平的定向。
该可操纵天线可只用于该链路的上行链路部分，并且该用户站可包括用于该链路的下行链路部分的第二可操纵天线。在这种情况下，该天线中的每一个都根据该上行链路的所需发射质量和该下行链路的所需接收质量而独立地在不同的方向中可操纵的。
在本发明的另一实施例中，可包括可在水平和垂直平面两者内定向的其它类型的天线。
预期本发明适用于用户站和基站之间的下行链路受到多路径干扰影响的情况，该干扰产生多个链路的例子，每个都从不同的方向到达天线并提供不同的接收质量，由此该天线在出现具有所需接收质量的链路的例子的方向中可操纵。同样，本发明适用于上行链路的发射受到多路径干扰的并且一个方向的发射提供更需要的发射质量的情况。
在本发明的另一方面，提供了一种定向无线本地环路用户站中的可操纵天线的方法，包括以下步骤a.确定定向所述天线的适当时间；
b.以给定的定向照射所述可操纵的天线并在该定向中测量一个无线链路的收发质量；c.重复所述照射步骤，直到已经照射了所需数量的定向；以及，d.朝着一个具有所需收发质量的一个定向来定向所述天线。
根据本发明的另一方面，提供了用于无线本地环路系统的用户站，该无线本地环路系统传输在一个网络和一个用户终端之间的至少一种用户服务。该无线本地环路系统包括至少一个互连所述网络和所述无线链路的基站，该基站可操作在所述链路上收发该服务。该用户站包括一个互连所述用户终端和一个调制解调器的微处理器组件。该微处理器组件用于处理该用户服务，而该调制解调器用于调制和解调该服务。一个无线电设备也连接到该调制解调器并且用于转换用于在该无线链路上收发的该服务。一个可操纵的天线连接到该无线电设备并可操纵被以在该链路上获得该服务的所需收发质量的方向被定向。
在本发明的另一方面，提供了用于无线本地环路用户站的天线，该天线包括连接装置，用于将该天线连接到该用户站的一个无线电设备。该天线具有至少一个驱动元件，用于收发通过无线链路与基站通信的用户服务。该天线还包括操纵装置，用于以在所述链路上获得所述服务的所需收发质量的方向定向该驱动元件。
在一个特定的方面，该操纵装置是电气的。
在一个更特定的方面，该可操纵天线还包括多个寄生元件，该操纵装置包括至少一个转换装置，例如一个PIN二极管，连接到每个寄生元件以允许该寄生元件被转换，以便影响与该驱动元件相关的该链路，从而使该天线以选择的方向收发该链路。
在一个更特定的方面，该寄生元件可通过作为该链路的反射器和/或引向器来影响该链路，这取决于该天线被如何配置以及该转换装置被如何激活。
提供了一种无线本地环路系统，该系统包括一个无线基站，通过一个无线链路与用户站通信。该无线链路可传输语音服务，例如电话呼叫，或数据服务，例如互联网浏览。该用户站包括一个可操纵天线。一个目前优选的用于该用户站的可操纵天线包括一个安装在底平面上的驱动元件，被多个也安装在该底平面上的寄生元件包围。该寄生元件可以选择接地或者浮动，以便朝着该驱动元件反射该无线链路。该天线可以以用于语音或数据服务的收发的所需方向被定向。通过允许该天线动态地可操纵，在用户站和基站之间的链路的变化的收发质量(例如由移动多路径目标而导致的)可被动态补偿。据信本发明在某些情况下可以消除对连接到用户站的方向性外部天线的安装需求，如可以在现有技术的无线本地环路系统中发现的那样。


现在只以实例的方式结合附图对本发明的优选实施例进行说明，其中图1显示了无线本地环路系统的示意图；图2显示了图1中的系统中的基站的示意图；图3显示了图1中的系统中的一个用户站的示意图；图4显示了图3的用户站中的天线的俯视图；图5显示了图4中的天线的透视图；
图6显示了在图1的基站和一个多路径物体之间的图4中的天线的俯视图；图7显示了操作图4的天线的方法的流程图；图8显示了图6的天线，其中天线的四个扇区中的第一个扇区被照射；图9显示了图6的天线，其中天线的四个扇区中的第二个扇区被照射；图10显示了图6的天线，其中天线的四个扇区中的第三个扇区被照射；图11显示了图6的天线，其中天线的四个扇区中的第四个扇区被照射；以及图12显示了根据本发明的另一实施例的天线的俯视图。
具体实施例方式
参照图1，无线本地环路系统被指示为20。系统20包括一个无线基站24，该基站通过合适的网关(未示出)经由一个回程32连接到通信网络28。网络28的通常是公共交换电话网络(PSTN)，结合有包交换数据网络，例如互联网。回程32可以是在无线基站24和网络28之间的任何已知类型的回程链路，例如T1、T3、OC1或无线微波链路。
如下面将详细描述的那样，系统20可根据需要具有另外的基站24，并且多个基站24和用户站36之间的通信可利用已知的切换技术被管理。另外，基站24可以是多扇区的，每个扇区由方向性的天线确定，每个扇区包括一个不同的接收覆盖区域。
由各种通信信道构成的无线链路40可以在基站24和一个或多个用户站36之间被建立。利用一个或多个通信信道，无线链路40允许信息在基站24和各自的用户站36之间根据所需来传输。在本实施例中，在无线链路40上采用的无线电通信多路访问协议是CDMA，然而，其它类型的协议，例如GSM、FDMA、OFDM、或TDMA也在本发明的范围之内。所采用的包通信的实施/类型并没有特定的局限，可包括IP(和TCP或UDP一起)和/或其中的修改或任何其它本领域的技术人员容易想到的包的实施。虽然本实施例是用于基于数字的无线电通信，但可以理解的是本发明可以被修改以适应基于模拟的无线电通信，例如在模拟蜂窝电话网络中发现的通信。
在本优选实施例中，每个用户站36都被安装在用户端设备中。然而，还预期本发明在经过适当的修改后也可以用于移动和/或动态的用户站中。每个用户站36可操作连接到语音终端44(例如一部电话)用于进行语音服务，以及连接到数据终端48(例如一台计算机)以进行数据服务。因此显然的是语音终端44和其对应的数据终端48可以组合成一个单一的智能装置，例如带有内置网络浏览器的电话或者任何其它可操作用于处理语音和数据的智能装置。通常，每个语音终端44可操作处理通过网络28的PSTN部分传送的语音电话呼叫，而数据终端48可操作来处理通过网络28的包交换数据网络部分传送的数据应用。可以理解的是在本发明的其它实施例中，用户站36和系统20可以被修改用来提供不同类型的服务，或者只提供语音或数据服务。
图2更详细地显示了基站24。基站24包括一个用于通过无线链路40接收和发射无线电通信的天线100。而天线100通过任何合适的连接装置连接到无线电设备104和调制解调器108。调制解调器108被连接到微处理器-路由器组件112。一种合适的微处理器是Sun微系统公司(Sun Microsystem)生产的SPARC处理器系统。可以理解，组件112可依需要包括多个微处理器。微处理器-路由器组件112内的路由器以任何合适的方式连接到回程32，该回程通过适当的网关(未示出)依次将基站24连接到网络28。基站24的其它配置是本领域的技术人员容易想到的。
参照图3，更详细的显示了用户站36。用户站36包括一个可操纵天线200用于通过无线链路40接收和发射无线电通信。而天线200被连接到一个无线电设备204和一个调制解调器208，而其又连接到微处理器组件212。通常，天线200被收容在底盘的壳体内，该壳体也收容用户站36的其它元件，从而使天线200与用户站36集成。出于安全的原因，这种壳体可被配置成限制用户访问用户站36的元件。
可以包括例如英特尔公司生产的StrongARM微处理器的微处理器组件212执行多种功能，包括实施A/D-D/A转换，语音编码译码器、滤波器、编码器用于包汇编/反汇编的数据压缩器和/或解压缩器。如图3所示，微处理器组件212互连调制解调器208和一对端口214，216。因此，微处理器组件212可操作来为语音终端44(连接到端口214)处理语音服务，为数据终端48(连接到端口216)处理数据服务。
用于有关用户站36的可操纵天线200的类型不受特别的限制。然而，本实施例的用于用户站36的天线200在图4和图5中被示出。天线200包括一个支撑中心元件254和多个周边元件258a，258b，258c，和258d的底座250。在本优选实施例中，天线200用于从大约1850兆赫兹(“MHz”)到大约1990MHz的频谱范围内。更具体的是，从大约1850MHz到大约1910MHz的频率范围被预留用于在链路40上从用户站36发射到基站24(即，“上行链路”或“前向链路”)。同样，从大约1930MHz到大约1990MHz的频率范围被预留作为通过链路40接收从基站24到用户站36(即，“下行链路”或“反相链路”)的发射，而剩余的从大约1910MHz到大约1930MHz的频率范围作为上行链路和下行链路之间的防护频带。
在本实施例中，底座250基本上是圆形的，直径约为八厘米，并由任何标准的印刷电路板材料制成，例如FR4、G10或GTEK。虽然目前优选的底座250的直径是八厘米，但底座250的直径可根据需要变化并适合于天线200的操作。中心元件254基本上从底座250的中心垂直下垂。
中心元件254特征在于一个基本上是圆柱形的外套筒262和一个与套筒262同轴的内柱268。套筒262作为寄生元件，因此不是连接到无线电设备204，而是被接地。套筒262由任何适于天线应用的导电材料制成，例如黄铜和紫铜。在本实施例中，套筒262长度约290毫米以补充上述的从大约1850MHz到大约1990MHz的频率范围。内柱268作为天线200的驱动元件，相应的被连接到无线电设备204。内柱268是实心的并且也由任何适于天线应用的导电材料制成。内柱268长度约为425毫米。内柱268和套筒262相对于无线链路40是电气的，都表现为在上述频率范围中心的自由空间传播波长的四分之一波长。
发明者确定，虽然套筒262对于天线200的操作而言不是必需的，但套筒262的出现通常改善了天线200的性能，这是因为由此而通常被改善的频率范围边缘处的阻抗匹配。这样，当套筒262被排除在中心元件254之外时，则内柱268优选的是长度为400毫米，以便相对于无线链路40是电气的，表现为约四分之一波长，并由此在从大约1850MHz到大约1990MHz的频率范围操作。
多个周边元件258基本上从底座250垂直下垂，并与中心元件254平行。在本实施例中，有四个周边元件258a，258b，258c，以及258d。每个元件258以与临近的元件248成约90度的角被放置，并相对于中心元件254，由此将天线200分成四个扇区。可以理解可以提供任何数量的周边元件258以提供所需数量的扇区。在本实施例中，每个元件258从内柱262安装大约254毫米。每个元件258的大小相对于无线链路40而言都是电气的，长度约为四分之一波长。周边元件258利用任何转换装置被独立的转换，但通常是使用在地和每个元件258之间的PIN二极管。这种二极管通常安装在与图4中所示的方向相反的底座250的侧面，因此没有在附图中示出。这样，元件258的确切长度可被选择来说明每个二极管的出现，以便保持每个元件258长度在电气上约为四分之一波长。相应的，每个元件258可以在接地状态和浮动状态之间转换。当接地时，元件258被假定接通，因此通过电反射与中心元件254相关的无线链路40来影响链路40。当浮动时，元件258从天线200电气的消失，因此不会相对于无线链路40电气的出现。
可以通过任何处理装置来控制每个转换装置，例如通过可操作连接到每个转换装置的微处理器组件212。此外，处理装置可以用可用于确定天线200因该如何被定向的一组操作指令来编程。一组示例性的编程指令将在以下详细讨论。
参照图6，天线200被示出在基站24和一个多路径对象300之间。如图6所示，基站24正在收发无线链路40。(此处所使用的术语收发的意思是发射和/或接收。)然而，与图1相比，由于多路径对象300的原因，无线链路40实际上以两个无线链路40LOS和40MP而存在。因此，无线链路40LOS是基站24和天线200之间的无线链路40的一个站点的线(line-of-site)的例子，而无线链路40MP是基站24和天线200之间的无线链路40的一个多路径的例子。多路径对象300可以是使多路径干扰信号存在于基站24和天线200之间的任何对象，例如树、岩石、建筑物、墙壁和/或可以是移动的对象，例如卡车或其它交通工具。在多路径对象300可以移动的情况下，可以理解的是无线链路40MP可以根据对象300的位置而改变。另外，可以理解的是图6是链路40LOS和40MP的简化的例子，基站24和可操纵的天线200之间可以存在更复杂的、多个多路径链路40LOS。此外，还可以理解的是用户站36可以相对于基站24而定位，以便没有站点的线(line-of-site)链路40LOS的例子是用户站36可用的，在这种情况下，只有一个或多个多路径链路40LOS是用户站36可用的。如以下将详细描述的那样，天线200可操作以具有如图6所示的例如两种链路40LOS和40MP这样的链路40上的服务所需收发质量的方向而被定向。
根据本发明的另一实施例，现在将参照图7中所示的流程图讨论用于操作WLL系统中的可操纵的天线的方法。为了有助于解释该方法，还将参照前述的图1-6和对天线200的讨论。开始于步骤400，用户站36被正常操作。正常操作可包括任何数量的状态。例如，正常操作可以是用户站36被开机，进行安装操作系统软件的初始化序列和执行自诊断，准备尝试利用从基站24发射到用户站36的导频信道或其它信号信道通过无线链路40与基站24建立通信。
正常操作的另一个例子是用户站36已经通过无线链路40与基站24建立了通信，用户站36可能正传输语音终端44和基站24之间的一个或多个语音电话呼叫。同样，用户站36可能传输数据终端48和基站24之间的一种或多种数据服务(即，网络浏览、电子邮件)。
正常操作的另一个例子是用户站36通过无线链路40已经建立了与基站24的通信，但处于没有传送任何服务的空闲状态。
在后三种正常操作的例子中，可以理解的是天线200是已经朝着用户站24以一个特定的方向被定向。虽然目前没有被优选，但还预期在特定的情况下可需要通过浮动所有周边元件258来使天线200具有全向功能。本领域的技术人员容易想到用户站36的其它正常操作的例子。
然后该方法前进到步骤410，其中它确定是否到了该定向(或者重新定向)天线200的适当的时间。可基于任何数量的标准作出这种确定，这些标准通常会反映在该方法前进到步骤410之前用户站36在步骤400的正常操作的状态。例如，在步骤400，用户站36正试图建立与基站24的初始通信，接着在该初始化期间的预定点，步骤410的确定通常会确定‘是’，现在是定向天线200的适当的时间，以便允许用户站36从基站24采集所需信号。
相反，当在步骤400用户站36正利用语音终端44忙于语音电话呼叫时，通常认为这是从现有的定向重新定向天线的不适当的时间，这是因为有丢失语音呼叫的危险。(虽然目前不优选，但可以理解的是在语音呼叫期间可能会需要重新定向天线200。)在步骤400，当用户站36正传输数据终端48和基站24之间的数据服务时，如果位速率(或其它收发质量的度量)已经下降到了某个阈值之下，则在步骤410可能需要重新定向天线200。例如，当传输前面的数据终端48和基站24之间的数据服务时，用户站36已经能获得较高的位速率，然而在该方法到达步骤410时该位速率已经下降到明显的位于该较高的位速率之下的量时，则可需要重新定向天线200以试图增加位速率。据信在处理数据服务的过程中可以有重新定向天线200的适当的时间，这是因为许多数据服务是可以容许等待时间的，例如网络浏览和电子邮件传输，因此，服务可以被安全简短的中断，以便尝试通过天线的重新定向获得更高的位速率。
同样，在步骤400，当用户站36处于空闲状态时(即，与基站24的通信已经被建立但没有服务是有效的)，那么用户站36可以以预定的时间间隔尝试相对于无线链路40重新定向其自身，以试图保证与基站24通信更想要的信号，尤其是在用户站36注意到相对于无线链路40而言在上行或下行链路中位速率、信噪比、或其它收发质量度量的下降时。
在步骤410，用于确定是否到达用于重新定向天线200的适当时间的其它标准是本领域技术人员容易想到的并在本发明的范围之内。
再次参照图6，在步骤410，当确定不是定向(或者重新定向)天线200的适当的时间时，则该方法返回到其中用户站36的正常操作继续进行的步骤400。然而，如果确定到达定向天线200的适当时间，则该方法前进到步骤415。
当该方法第一次前进到步骤415时，天线200可被引导到初始(可能是任意选择的)扇区被扫描并进行收发质量的测量。为了解释该步骤和后续步骤，结合图8-11中显示的例子解释该方法是很有益的。如图8所示，假设被扫描的第一扇区是位于周边元件258c和258d之间的扇区310a。根据前述天线200的配置，通过将周边元件258a和258b(即，与被照射的扇区310a相对的元件)置于接地状态，使得扇区310a被扫描，由此使元件258a和258b作为反射器，朝着中心元件254反射任何进入扇区310a的下行链路信号，反射任何来自中心元件254的上行链路信号，该信号从扇区310a向外朝着元件258a和258b辐射。同样，周边元件258c和258d被置于浮动状态，以使它们电气上是不可见的。
照射了扇区310a后，测量扇区310a中的无线链路40的收发质量并且该测量结果被存储以便以后使用。继续图8所示的例子，在扇区310a中的收发质量的测量将会非常差，因为无线链路40LOS或者无线链路40MP都没出现在扇区310a中。
可以使用收发质量的任何度量。例如，可以使用无线链路40的上行链路和/或下行链路中的信噪比、发射功率水平、位错误率、帧错误率或者其组合。
接着该方法前进到步骤420，在该步骤中确定是否所有的扇区都被扫描了。继续本例子，并非天线200的所有扇区都被扫描了，该方法前进到步骤425并且天线200前进到下一扇区。该前进在图9中表现出来，其中显示的是扇区310b正在被照射。对扇区310b扫描以现在对本领域的技术人员显然的方式完成，即周边元件258b和258d被置于接地状态，使其作为反射器，并且元件258a和258c被置于浮动状态，使其表现为电气上是不可见的。
接着该方法返回到步骤415，在其中扇区310b的收发质量被测量并储存以便以后使用。继续图9所示的例子，在扇区310b中的收发质量的测量将会非常差，因为无线链路40LOS或者无线链路40MP都没出现在扇区310b中。
接着该方法再次前进到步骤420，确定是否所有的扇区都已经被扫描了。继续本例子，天线200的两个扇区还未被扫描，所以该方法前进到步骤425并且天线200前进到下一扇区。该前进在图10中示出，其中扇区310c被显示为正在被照射。对扇区310c的扫描以现在对本领域的技术人员显然的方式完成，即周边元件258c和258d被置于接地状态，使其作为反射器，并且元件258a和258b被置于浮动状态，使其表现为电气上是不可见的。
接着该方法返回到步骤415，在该点扇区310c的收发质量被测量并储存以便以后使用。以显示在图10中的例子继续，在扇区310c中对收发质量的测量将检测无线链路40MP在扇区310c中的出现。可以理解的是当无线链路40MP是无线链路40的多路径的例子时，对用户站36而言这个事实是未知的，该用户站只利用适当的度量对链路40MP进行测量。
接着该方法再次返回到步骤420，确定是否所有的扇区都已经被扫描了。继续本例子，天线200的一个扇区还未被扫描，所以该方法前进到步骤425并且天线200前进到下一扇区。该前进表现在图11中，其中扇区310d被显示为正在被照射。对扇区310d的照射以现在对本领域的技术人员显而易见的方式完成，即周边元件258a和258c被置于接地状态，使其作为反射器，并且元件258b和258d被置于浮动状态，使其表现为电气上是不可见的。
该方法现在再一次返回到步骤415，在该点扇区310d的收发质量被测量并储存以便以后使用。以显示在图11中的例子继续，在扇区310c中对收发质量的测量将检测无线链路40LOS在扇区310d中的出现。可以理解的是当无线链路40LOS是无线链路40的视线(line-of-sight)的例子，对用户站36而言这个事实是未知的，该用户站只利用适当的度量对链路40MP进行测量。
接着该方法再次返回到步骤420，确定是否所有的扇区都已经被扫描了。这次，确定所有扇区310a，310b，310c以及310d都被扫描了，相应的，该方法前进到步骤430。
在步骤430，天线200以所需方向被定向。定向是利用考虑到在步骤415进行的收发质量测量的标准而进行的。最简单的选择标准仅仅选择具有最佳收发质量的扇区310，例如，当收发质量是根据信噪比(SNR)测量的，则选择具有最高SNR的扇区。根据在图8-11所示的例子，由于扇区310d捕获了无线链路40的视线(line-of-sight)例子(即，无线链路40LOS)，所以通常认为图11所示的扇区310d会具有最高的SNR。
然而，可以使用任何选择标准，并且当有另外的多路径对象300、没有视线(line-of-sight)链路存在时，和/或有多个基站24和额外的用户站36都试图传输语音和/或数据服务时，这种标准会变得更复杂。现在本领域的技术人员可以认识到，在更复杂的情况下，链路40的上行链路和下行链路之间的收发质量会变化。例如，在CDMA系统中，用于上行链路的一种选择标准可以是选择任何一个允许用户站36以最低可能的发射功率操作的扇区310(或者，换句话说，定向)，由此减少与临近用户站36的干扰。例如在用户站36通过链路40只上载数据到基站24，并且不利用链路40的下行链路时，这种标准是有效的，然而，当链路40的下行链路和上行链路都被利用时，可以选择更复杂的选择标准来获得系统20的所需操作功能。
在为天线200选择了所需扇区310后，适当的周边元件258被置于接地状态，以便照射该特定扇区，由此以所需方向定向天线200。(即，在图11所示的本例子中为扇区310d)在这点上，该方法返回到步骤400，其中用户站36的正常操作继续进行。步骤400-430被不断循环，以便将天线200重新定位到提供最优和/或用户站36所需的操作的方向，或者直到链路40被中断，由用户站36、基站24或一些其它导致链路40中断的多路径对象300来终止。
虽然此处所讨论的实施例是本发明的特定实施，但可以理解的是，这些实施的组合、子集以及变化都在本发明的范围之内。例如，虽然图4和图5所示的实施例是用于从大约1850MHz到约1990MHz的带宽中的无线电通信，但可以理解的是此处所讨论的实施例也可以被修改用于其它带宽，并且这种修改在本发明的范围之内。
另外，虽然此处所讨论的实施例中的天线200的每个都具有一个二极管(例如PIN二极管或者其它合适的转换装置)用于将每个周边元件258在接地状态和浮动状态之间转换，由此使每个元件分别处于电气上可见或不可见，但在其它实施例中可能需要提供允许在可见和不可见的中间状态的电路，以便使周边元件258相对于中心元件254作为无线链路40的反射器和/或引向器。在元件258作为反射器和/或引向器情况下，提供一种使每个元件258的电气长度能变化的转换装置。该转换装置可通过将电感转换到寄生元件的路径而使其作为一个反射器而言电气上表现更长或者断开该电感使元件作为一个引向器看起来电气上更短来实现。在这种情况下的适当的转换装置通常涉及每个元件259使用两个PIN二极管。其它适用于给定应用的转换装置是本领域的技术人员容易想到的，例如GaAs FETs。
虽然上述实施例涉及一个优选的用于无线本地环路用户站36的可操纵天线，但可以理解的是其它类型的可操纵天线可结合无线本地环路用户站36被使用，并且这些其它类型也在本发明的范围之内。例如，在本发明的其它实施例中，用户站36使用的天线可以有任何数量和/或配置的反射器和/或驱动元件，以便允许天线被操纵，并因此允许天线以提供所需收发质量的方式被定向。例如，可操纵天线可以实施为带有一个中心元件、两个位于中心元件后的反射器元件、以及两个稍短的位于该中心元件前面的用作引向器元件的固定的、有方向性的天线。这些元件将被连接到地平面，整个组件可以利用伺服电动机(或者其它转动装置)被转动，以使该组件可以在所需方向定向。可选择的是，驱动元件可以围绕一个中心反射元件被放射状的放置。作为另一个例子，引向反射天线类型(yagi-type)的天线可以只安装在地平面上，并利用伺服电动机转动，并且整个组件被包含在用户站36中。
可以理解的是用户站36也可以利用为无线链路40提供空间多样性的其它电气可操纵天线，并且这种电气可操纵天线在本发明的范围之内。例如一个可转换的Cartiod型电气可操纵天线可以实施，涉及到放置在四分之一波长远具有90度相移的两个元件。其它类型的相位调整可以利用单极元件来实现。
另一种类型的用户站36也可以利用的可操纵天线可包括使用多个方向性的天线，每个覆盖一个不同的扇区，由此每个方向性天线可被接通或断开，以便获得用于给定扇区的所需收发质量。
还预期本发明可包括多个包含在用户站36中的可操纵天线。例如，一个可操纵天线可用于在上行链路的发射，而另一天线可用于在下行链路接收，由此每个天线可以根据用于上行链路所需的发射质量和用于下行链路的接收质量以不同方向被定向。
虽然上述实施例描述了主要朝着垂直平面极化的可操纵天线，但对本领域的技术人员显而易见的是主要朝着水平面极化的可操纵天线也在本发明的范围之内。朝着水平面定向的可操纵天线的一个实施例的例子在图12中示出。
与图4和图5中所示的实施例不同，可操纵天线300利用转换成有效的安装在底座308上的元件304。在本实施例中，有四个转换成有效的元件304a，304b，304c，和304d，从而使天线300被分成四个扇区，每个扇区包括一个约90°的圆弧。可以理解可以提供任何数量的转换成有效的元件304以提供任何数量的扇区。每个转换成有效的元件304被相对于无线链路40电气的长度约为四分之一波长的大小。可操纵天线300可在其转换成有效的元件304中的一个之间转换，通常是利用PIN二极管驱动器(未示出)。其它转换装置也在本发明的范围之内。每个转换成有效的元件304连接到一个将天线300连接到用户站36的中心天线馈电312。优选的是，中心天线馈电312被护层316覆盖。护层316也被接地，以便它也相对于转换成有效的元件304作为反射器。
在图12的实施例中，天线300是用于从大约2540兆赫(“MHz”)到大约2660MHz的频谱范围内。有效频谱的一部分专用于从基站24(“下行链路”)接收信息，一部分专用于从用户站36发射信息到基站24(“上行链路”)。优选的是，上行链路频带和下行链路频带之间的一部分频谱被保留作为防护频带。
还预期本发明可以被修改用于向无线本地环路用户站提供一个或多个可操纵天线，该可操纵天线可在不同的平面内可操纵例如，在水平平面和垂直平面两者内、或者其它正交平面内可操纵，以便允许天线在水平平面和垂直平面两者内被定向，以从大量潜在的扇区中获得所需收发质量。例如，可以在四个水平平面和四个垂直平面内搜索的天线可能扫描八个扇区来寻找最优的收发质量。
此外，可以理解的是用户站36在两个或多个基站范围之内的情况下，本发明可用于允许用户站36操纵其天线朝着从这些基站中最可用的需要的信号。本发明的上述方面可利用软切换或者其它类型的切换技术。
可以理解的是，两个(或者多个)可操纵天线可以被包括在用户站36中，其中一个天线专用于上行链路，另一个专用于下行链路。在这种情况下，每个天线可以在不同的方向和/或朝着不同的基站定向，以便选择分别具有最想要的上行链路和下行链路数据速率、信噪比或者其它发射质量和接收质量的测量值的路径。
虽然此处的讨论主要针对无线本地环路系统中的固定的用户站，但可以理解，本发明也可以应用于较传统的无线电话和/或互联网系统中的动态或移动用户站。
本发明提供了一种用于无线本地环路系统的新颖的天线。本发明提供一种将空间多样性增加到无线本地环路中的基站和用户站之间的无线电链路的结构紧密的、节省成本的、电气可操纵的天线。该天线与用户站集成，因此不会如现有的无线本地环路系统中通常发现的那样需要外部天线，也不需要对该外部天线的专用安装。此外，当新的基站被添加到无线本地环路系统中时，或者当出现产生不可接受的多路径干扰的新结构时，本发明无需对该天线的专业的重新安装。另外，由于天线的方向可动态的改变，本发明允许根据变化的系统要求对天线进行重新定向。例如，当天线的第一方向提供位速率发射高于第二方向，该第二方向提供高于该第一方向的位速率接收时，则天线可在这两个方向之间变化，这要根据用户站主要忙于上行链路发射还是下行链路接收。此外，当全向天线的使用可被置于受到来自多路径的破坏性干扰的地点时，本发明允许天线被重新定向，以便将该破坏性干扰的影响最小化。此外，如本发明的特定实施例中所教导的那样，使用两个可操纵天线，一个用于发射一个用于接收，可允许每个天线以不同的方向被定向，以便分别获得所需的发射质量和接收质量。
本发明的上述实施例只是本发明的例子，在不偏离所附权利要求确定的本发明的范围的情况下，可由本领域的技术人员对其进行改变和修改。
权利要求
1.一种通过无线链路在一个网络和一个用户终端之间传输至少一种用户服务的无线本地环路系统，所述系统包括至少一个基站，互连所述网络和所述无线链路，所述基站可操作用于在所述链路上收发所述服务；以及一个用户站，互连所述用户终端和所述无线链路，所述用户站具有一个可操纵天线，该天线可操作以具有所述链路上的所述服务的所需收发质量的方向被定向。
2.根据权利要求1所述的无线本地环路系统，其中所述用户服务包括语音服务，所述用户终端是语音终端并且所述网络包括公共交换电话网络。
3.根据权利要求1所述的无线本地环路系统，其中所述用户服务包括数据服务，所述用户终端是数据终端并且所述网络包括互联网。
4.根据权利要求1所述的无线本地环路系统，其中所述无线链路是基于CDMA的。
5.根据权利要求1所述的无线本地环路系统，其中所述可操纵天线是电气可操纵的。
6.根据权利要求5所述的无线本地环路系统，其中所述可操纵天线包括至少一个驱动元件和多个寄生元件，该多个寄生元件可转换以影响有关所述驱动元件的所述无线电链路，以使所述天线以所述方向收发所述无线电链路。
7.根据权利要求6所述的无线本地环路系统，其中所述可操纵天线包括一个驱动元件和四个寄生元件，该四个寄生元件在所述驱动元件的周围并以彼此成约90度角间隔。
8.根据权利要求7所述的无线本地环路系统，其中所述寄生元件中的每个在用于反射相对于所述驱动元件的所述链路的接地状态和用于相对于所述无线电链路是不可见的浮动状态之间是可转换的。
9.根据权利要求1所述的无线本地环路系统，其中所述用户服务安装在所述用户的设备内。
10.根据权利要求1所述的无线本地环路系统，其中所述收发质量利用所述链路的信噪比、位错误率、帧错误率、位速率、功率水平以及帧速率中的至少一种度量被测量。
11.根据权利要求1所述的无线本地环路系统，其中所述所需收发质量基于要求来自所述用户站的最低发射功率的所述天线的定向。
12.根据权利要求1所述的无线本地环路系统，其中所述可操纵天线用于所述链路的上行链路部分，并且所述用户站包括一个第二可操纵天线用于所述链路的下行链路部分，所述天线中的每一个都是根据所述上行链路的所需发射质量和所述下行链路的所需接收质量而在不同的方向中独立地可操纵的。
13.根据权利要求1所述的无线本地环路系统，其中所述用户站包括至少一个在水平和垂直平面两者中可定向的可操纵天线。
14.根据权利要求6所述的无线本地环路系统，其中所述可操纵天线还包括一个引向元件，该引向元件是可转换的，以便进一步影响所述有关所述驱动元件的无线电链路，以使所述天线以所述方向收发所述无线电链路。
15.一种定向无线本地环路用户站中的可操纵天线的方法，包括以下步骤a.确定定向所述天线的适当时间；b.以给定的定向照射所述可操纵天线并在所述给定的定向中测量无线链路的收发质量；c.重复所述照射步骤，直到已经照射了所需数量的定向；以及d.朝着一个具有用于在所述链路上发射的用户服务的所需收发质量的所述定向来定向所述天线。
16.根据权利要求15所述方法，其中每个所述定向是一个圆的一个扇区。
17.根据权利要求15所述的方法，其中定向的所述所需数量的是所述可操纵天线可在其中被定向的定向的全部数量。
18.根据权利要求15所述的方法，其中如果所述用户站正在初始化所述用户站和一个基站之间的所述无线链路上的通信，就到达了所述适当的时间。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述适当的时间基于在所述链路上正传输的服务的类型被确定。
20.根据权利要求19所述的方法，其中如果所述服务是可容许时滞的数据服务，就到达了所述适当的时间。
21.根据权利要求18所述的方法，其中如果所述用户站处于空闲状态，就到达了所述适当的时间。
22.根据权利要求15所述的方法，其中所述收发质量利用所述链路的信噪比、位错误率、帧错误率、位速率、功率水平以及帧速率中的至少一种度量而被测量。
23.根据权利要求15所述的方法，其中所述链路是基于CDMA的，并且所述所需收发质量基于要求来自所述用户站的最低发射功率的所述定向中的那个定向的。
24.无线本地环路系统的用户站，该无线本地环路系统传输在一个网络和一个用户终端之间的至少一种用户服务，所述系统包括至少一个互连所述网络和一个无线链路的基站，所述基站可操作在所述链路上收发所述服务，所述用户站包括一个微处理器组件，互连所述用户终端和一个调制解调器，所述微处理器组件用于处理所述用户服务，所述调制解调器用于调制和解调所述服务；一个无线电设备，连接到所述调制解调器并且用于转换用于在所述无线链路上收发的所述服务；以及一个可操纵天线，连接到所述无线电设备并可操作被在所述链路上获得所述服务的所需收发质量的方向被定向。
25.根据权利要求24所述的用户站，其中所述用户服务包括语音服务，所述用户终端是语音终端，所述网络包括公共交换电话网络。
26.根据权利要求24所述的用户站，其中所述用户服务包括数据服务，所述用户终端是数据终端并且所述网络包括互联网。
27.根据权利要求24所述的用户站，其中所述无线链路是基于CDMA的。
28.根据权利要求24所述的用户站，其中所述可操纵天线是电气可操纵的。
29.根据权利要求24所述的用户站，其中所述可操纵天线包括至少一个驱动元件和多个寄生元件，该多个寄生元件可转换以影响有关所述驱动元件的所述无线电链路，以使所述天线以所述方向收发所述无线电链路。
30.根据权利要求24所述的用户站，其中所述可操纵天线包括一个驱动元件和四个寄生元件，该四个寄生元件在所述驱动元件的周围并以彼此成90度角间隔。
31.根据权利要求30所述的用户站，其中所述寄生元件中的每个在用于影响相对于所述驱动元件的所述链路的接地状态和用于相对于所述无线电链路是不可见的浮动状态之间是可转换的。
32.根据权利要求30所述的用户站，其中所述用户服务安装在所述用户的设备内。
33.根据权利要求30所述的用户站，其中所述收发质量利用所述链路的信噪比、位错误率、帧错误率、位速率、功率水平以及帧速率中的至少一种度量而被测量。
34.根据权利要求24所述的用户站，其中所述所需收发质量基于要求来自所述用户站的最低发射功率的所述天线的定向。
35.根据权利要求24所述的用户站，其中所述可操纵天线用于所述链路的上行链路部分，并且用户站包括一个第二可操纵天线用于所述链路的下行链路部分，所述天线中的每一个都是根据所述上行链路的所需发射质量和所述下行链路的所需接收质量而在不同的方向中独立地可操纵的。
36.根据权利要求24所述的用户站，其中所述用户站包括至少一个在水平和垂直平面两者中可定向的可操纵天线。
37.根据权利要求24所述的用户站，其中所述用户站和所述基站之间的所述链路受多路径干扰的影响。
38.用于无线本地环路用户站的天线，包括连接装置，用于将所述天线连接到所述用户站的一个无线电设备；至少一个驱动元件，用于收发通过无线链路与基站通信的用户服务；以及操纵装置，用于以在所述链路上获得所述服务的所需收发质量的方向定向所述驱动元件。
39.根据权利要求38所述的天线，其中所述用户服务包括语音服务，所述用户终端是语音终端。
40.根据权利要求38所述的天线，其中所述用户服务包括数据服务，所述用户终端是数据终端。
41.根据权利要求38所述的天线，其中所述无线链路是基于CDMA的。
42.根据权利要求38所述的天线，其中所述可操纵装置是电气的。
43.根据权利要求38所述的天线，其中所述可操纵天线还包括多个寄生元件，所述操纵装置包括至少一个转换装置，该转换装置连接到所述寄生元件中的每个以允许所述寄生元件相对于所述链路长度可变，以便影响有关所述驱动元件的所述链路，使所述天线以所述方向收发所述链路。
44.根据权利要求43所述的天线，其中所述可操纵天线包括一个驱动元件和四个寄生元件，这些寄生元件在所述驱动元件周围并且以彼此约90度角间隔。
45.根据权利要求44所述的天线，其中所述寄生元件中的每个通过朝着所述驱动元件反射所述链路而在用于影响所述链路的接地状态和相对于所述无线电链路呈现不可见的浮动状态之间是可转换的。
46.根据权利要求38所述的天线，其中所述用户服务安装在所述用户的设备内。
47.根据权利要求38所述的天线，其中所述收发质量利用所述链路的信噪比、位错误率、帧错误率、位速率、功率水平以及帧速率中的至少一种度量而被测量。
48.根据权利要求38所述的天线，其中所述所需收发质量基于要求来自所述用户站的最低发射功率的所述定向。
49.根据权利要求38所述的天线，其中所述可操纵天线用于所述链路的上行链路部分。
50.根据权利要求38所述的天线，其中所述可操纵天线用于所述链路的下行链路部分。
51.根据权利要求38所述的天线，其中所述可操纵天线在水平和垂直平面两者内可定向。
52.根据权利要求44所述的天线，还包括与所述驱动元件同轴的套筒，所述套筒尺寸与所述驱动元件相关并被接地，以便在所述天线的操作频率范围边缘的阻抗匹配得到改善。
全文摘要
本发明提供了一种无线本地环路系统，该系统包括一个通过无线链路与用户站(41，48)通信的无线基站(36)。该无线链路可以传输语音服务，例如电话呼叫，或者数据服务，例如互联网浏览。该用户站包括一个可操纵天线。目前优选的用于用户站的可操纵天线包括安装在底平面的一个驱动元件，该驱动元件被也是安装在该底平面的多个寄生元件包围。为了朝着该驱动元件反射无线链路，这些寄生元件可以选择的是接地的或者是浮动的。该天线在语音或数据服务的收发期间可依据所需的方向被定向。还提供了一种在无线本地环路用户站和无线本地环路基站之间无线电通信的方法。
文档编号C08L63/00GK1502209SQ02807900
公开日2004年6月2日 申请日期2002年2月4日 优先权日2001年2月5日
发明者詹姆士·R·布洛杰特, 詹姆士 R 布洛杰特, J 海因茨曼, 弗雷德·J·海因茨曼 申请人:索马网络公司