专利名称：用于群集多点通信目标的系统和相关方法
技术领域：
本发明一般涉及无线通信系统领域，并且更具体地涉及用于群集(cluster)多点通信目标的系统和相关方法。
背景技术：
无线通信系统并不是新的。实际上，双向无线电技术回溯到20世纪初期，而其后裔蜂窝电话系统于七十年代早期首次出现。在传统的无线通信系统中，无线通信站通过无线通信链路与远程通信设备(例如无线用户单元和移动计算设备等)进行无线通信。随着技术的发展和拥有与使用这种无线通信设备的相关成本的降低，无线电话系统迅速普及。为了在用户方面适应这种增长，研发和标准化数字蜂窝技术以提高蜂窝系统的用户容量，并且不相应地增加系统内生成的射频(RF)功率。
一开始，将各个通信信道定义为载波频率，即所谓的频分多址(FDMA)无线系统。最近，出现了许多不同的数字无线通信技术，并且这些数字无线通信技术提供了大量无线通信系统结构的基础。数字无线技术的两个主要的例子是时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)技术。
在TDMA系统中，将载波频率语法分析(parse)成独立的递增时间单元，称作时隙，其中载波频率上的每个时隙支持用户单元(或手持机)和通信站(或基站)之间的独立通信对话。即，虽然常规模拟(FDMA)通信系统内的通信信道通常由其载波频率定义，但是TDMA系统内的通信信道由特定载波频率上的时隙定义。将给定载波频率分割成N个独立时隙，产生与传统FDMA系统相比系统容量上N倍的增加，而发射功率仅增加很小。实际上，已经实现了两倍至八倍的容量增加。
在CDMA系统中，通信信道由用户单元和通信站之间传送的数字通信分组的标题内包含的伪噪声(PN)码来定义。为了进一步提高系统容量，CDMA系统是一种扩频系统，其中通信信道(由PN码定义)在指定的射频(或更高的)频谱上在多个载波频率上的任意载频间跳跃(hop)。
本领域的技术人员将意识到任意两个通信实体之间的无线通信链路通常是通信链路中最弱的部分，尤其在一个或多个实体的位置不受控制并移动时。在这种情况下，随着实体间距离的增加，或者在信号传播物理路径内出现障碍，则无线电链路可能变得很微弱。此外，在上面讨论的多址通信系统内(例如FDMA、TDMA、CDMA、等等)，使用载波频率再用来支持多个地理分散用户之间的通信对话。这些共信道用户被假定在地理上以足够远的距离散开，所以它们各自的通信对话并不彼此干扰。地理分散对频率再用的这种约束限制了系统的容量，并且通常不能很好地抵抗干扰。
自适应阵列技术通过将多个天线用于从一个或多个实体的无线电传输来控制自该阵列内每个天线发送的信号的一个或多个相对相位和幅度，以便将射频能量在空间上指向所希望的接收者，并远离共信道用户，从而提高了这种射频(RF)网络内的性能。
当通信链路是点对点链路即专用于单个用户终端和基站之间通信的无线通信信道时，例如在常规的双向通信系统内，这种技术非常有效。然而，在数量不断增加的大量无线通信的实现方式中，存在多个通信链路的预期接收者，每个接收者都应当能够接收此信号。这种实现方式的一个例子就是通用分组无线电业务或GPRS。
本领域的技术人员将意识到正如原先所构想的，GPRS在基于TDMA的无线通信系统上实现，其中多达八个不同用户可以选择性地共享一条通信信道。从终端用户的观点来看，由支持GPRS的通信站管理的GPRS业务使用TDMA系统的电路交换通信资源提供虚拟的分组交换网络。本领域的技术人员将意识到诸如GPRS的基于分组的通信系统通过通信链路实现所谓的到业务的“始终在线(always on)”连接。由于常规的自适应阵列技术源于点对点通信链路环境，所以已经认为双向、多点或“广播”系统不能修改以实现自适应阵列技术。
因此，需要一种能够在广播无线通信系统内实现自适应阵列技术的系统及相关方法，并且不受通常与现有技术广播系统有关的约束的限制。下面就描述这样一种系统和相关方法。
发明内容
提出了一种用于群集多点通信目标的系统和相关方法。根据本发明的一个方面，一种方法包括测量无线通信系统内的多个目标的至少一个子集内的每个目标相关的一个或多个性能特性，并且至少部分地以性能特性为基础选择性地建立一个或多个群集，每个群集包括一个或多个目标并且共享一条无线通信信道。
通过例子并且非限制性地说明本发明，在附图之中的各幅附图中相同的标号是指类似的单元，在附图中图1是一个示例性无线通信系统的方框图；图2是一个示例性收发信机的方框图，结合本发明的教导，它包括一种新的多点通信代理，适合于在用户终端和/或通信站内使用；图3图示适合于在多点通信环境下使用的示例性数据报；图4是适合于多点通信代理使用的示例性数据结构的方框图；图5是根据本发明的一个方面在多点通信环境下波束形成的一种示例性方法的流程图；图6是根据本发明的一个方面为了波束形成目的而动态地群集目标的示例性方法的流程图；图7是根据本发明的另一种示例性实施方式为了波束形成目的而动态地群集目标的示例性方法的流程图；图8是根据本发明的一个方面的双波束形成的示例性方法的流程图；图9图示代表根据本发明一个方面的从收发信机到构成一个群集的动态选择目标组的无线通信链路的波束；图10图示根据本发明一个方面的代表从收发信机到至少两个群集的无线通信链路的双波束；和图11是根据本发明可选实施例的一个示例性存储媒体的方框图，它包括多个可执行指令，当执行时，这些指令使访问机器执行本发明的新型通信代理的一个或多个方面。
具体实施例方式
本发明涉及在多点通信环境中波束形成的系统和相关方法，即其中多个目标动态地共享物理通信资源。根据一种示例性的实施方式，在TDMA无线通信系统上实现的GPRS系统的环境下推导(develop)本发明的教导。在这一方面，根据在下文中将要更完整推导的本发明的一个方面，介绍了一种多点通信代理，它包括一个或多个群集引擎和/或波束形成引擎。根据在下文中将要更完整推导的一种示例性的实施方式，选择性地调用群集引擎来分析通信链路所预期连接的一个或多个目标的空间特征(signature)属性。给定空间特征属性，将目标组合成群集，并推导群集空间特征。
一旦推导了群集空间特征，则选择性地调用波束形成引擎以生成应用于所发射信号的加权值，从而在发送通信实体和群集目标之间建立通信链路波束。根据本发明的另一个方面，波束形成引擎选择性地生成到目标的多节点无线通信链路，其中存在一些与它们的空间特征有关的信息，并希望对这些目标同时发送相同的信号。根据一种示例性的实施方式，波束形成引擎识别出可从无线通信链路的同时接收中获益的多个目标，并推导加权值(与阵列内的每个天线相关)以生成多节点波束，从而建立到每个所识别目标的通信链路。本领域的技术人员将理解本发明的教导便于实现无线数据业务环境内的自适应天线技术，并且在这一方面上非常适合于在GPRS数据业务系统内实现。
在本说明书中所提到的“一种实施例”或“一个实施例”是指结合本实施例所描述的特定特性、结构或特征包括在本发明的至少一种实施例内。因而，在本说明书中各个地方出现的术语“在一种实施例中”或“在一个实施例中”并非全部都指同一实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以以任意合适的方式组合在一种或多种实施例中。
示例性无线通信系统图1提供根据本发明一种示例性实施方式的示例性通信系统100的方框图，其中能够很好地实现本发明的教导。根据图1所图示的示例性实施方式，通信系统100包括至少一个无线通信系统组件102，它包括分别通过一个或多个无线通信链路110和112耦合到无线通信站114的一个或多个用户终端106和108。根据一种示例性的实施方式，无线通信系统组件102耦合到一个或多个有线网络104，从而实现与有线用户单元116和120的通信。此外，无线通信系统102可以很好地耦合到一个或多个数据网络122，以便从诸如数据业务提供者124发送增强型数据业务。
根据一种示例性的实施方式，无线通信系统102在无线通信业务的发送中使用时分多址(TDMA)通信协议，其中将通信信道定义为载波频率内的时隙。为了实现通信实体106、108和114之间的无线通信，每个这样的实体包括可能组合在收发信机内的至少一个发射机和一个接收机。如图所示，某些通信实体可能也包括多个收发信机，以实现多条同时通信链路，例如具有收发信机116A，……，N的通信站114。除了无线语音通信业务的发送之外，无线通信系统102能够发送增强型数据业务，例如根据TDMA范例的通用分组无线电业务(GPRS)。本领域的技术人员将意识到虽然在提供GPRS的基于TDMA的无线通信系统的环境下描述了本发明的特征，但是在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本发明的教导可以更广泛地应用于使用多种多址无线技术(例如FDMA、CDMA、等等)将任何信息(数据、语音、等等)发送给多个目标。
如在此所使用的，用户终端106和108预期代表配置用于无线通信的各种电子设备的任意一种电子设备，例如包括无线电话用户单元、能够进行无线计算的设备等等。根据一种示例性的实施方式，一个或多个用户终端106和108具有在下文中将更详细地论述的多点通信代理，从而与多个目标(即与之建立双向通信的实体)建立双向无线通信链路。
类似地，通信站114(也称作基站)预期代表至少支持TDMA无线通信的各种通信站中的任一种通信站。如图所示，通信站114包括一个或多个无线收发信机(发射机/接收机组合)以使用无线通信链路实现与其它通信实体(例如用户单元、无线电子设备、其它基站、等等)的无线通信。根据所图示的示例性实施方式，至少一个这样的收发信机116A、……、N是TDMA收发信机。根据一种示例性的实施方式，至少一个TDMA收发信机包括GPRS设备以支持到一个或多个请求用户终端106和108的通用分组无线电业务。
除了图1所示的常规点到点通信链路110和112之外，无线通信系统102的某些通信实体(例如通信站、用户终端、等等)包括多点通信资源以建立到一个或多个群集的通信链路波束，每个群集包括一个或多个目标。即，如在下文中将更完整地描述和图示的，包含无线用户终端106和108和/或通信站114的一个或多个收发信机包括多点通信代理，从而使用根据每个群集的空间特征生成的通信链路波束来实现到一个或多个群集内一个或多个目标的同时传输。根据一种示例性的实施方式，下面所描述的多点通信代理实现了例如分别通过数据网络122和通信站144从数据业务提供者124到用户终端106和108的通用分组无线电业务(GPRS)数据业务。
示例性无线通信系统收发信机上面已经介绍了操作环境，图2图示根据本发明一种示例性实施方式的包含新型多点通信代理的示例性通信系统收发信机200的方框图。根据图2所示的示例性实施方式，收发信机图示为包括控制逻辑202、存储器204、至少一个发射机206、至少一个接收机208、包括群集引擎212和波束形成引擎214的多点通信代理210、一个或多个天线216A、……、N，和可选择地包括一个或多个应用209，分别如图所示地耦合。除了引入了多点通信代理210及其组成单元之外，收发信机200预期代表本技术领域中已知的各种收发信机系统的任意一种。在这一方面，收发信机200也可以适当地集成在用户终端(例如106和108)和/或通信站(例如114)内。根据上面介绍的所图示的示例性实施方式，收发信机200是TDMA收发信机，并且也可以适当地包括GPRS设备。在可选的实施方式中，收发信机200是FDMA和/或CDMA收发信机。
如在此所使用的，控制逻辑202控制收发信机200的总体操作。在一种实施方式中，例如在通信站114中，控制逻辑202也可以响应于更高层应用或控制逻辑。在可选的实施方式中，例如在用户终端内，控制逻辑202可以响应于更高层的应用、控制逻辑或者直接响应于用户输入。在任一种情况下，控制逻辑202控制收发信机的通信资源以建立与一个或多个目标和/或一个或多个目标群集的无线通信链路。在这一方面，控制逻辑202预期代表本技术领域中已知的各种控制逻辑中的任一种控制逻辑，例如微处理器、微控制器、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)等等。可选择地，当由计算设备执行时，控制逻辑202也可以是实现在此所描述的控制特性的内容。
应用209预期代表可由控制逻辑202执行以执行某个功能的多个内容中的任一个内容。在这一方面，应用209也可代表一系列的可执行指令，当被执行时，这些指令赋予收发信机200无线通信功能，或者定义收发信机的多址联接模式(例如TDMA、CDMA等等)。在可选的实施方式中，将多点通信代理210，例如群集引擎212或波束形成引擎214的各个方面实施为一系列的可执行指令，并因此通常表示为应用209。在没有这些应用209的情况下显然也可以很好地实施本发明的教导。
存储器204还预期代表本技术领域中公知的多种存储器和/或存储设备中的任一种。根据一种实施方式，存储器204预期代表包括存储器控制器和一个或多个易失性和非易失性存储设备(未具体图示)的存储器系统。根据在下文中将更全面地阐述的一种实现方式，存储器204保存数据结构，此数据结构包含使多点通信代理210的多点通信设备能够运行的信息。存储器204还将用于支持其它的通信资源和/或收发信机200的应用209。
但是对于其与多点通信代理210的互操作，每个发射机206和接收机208预期代表在本技术领域中公知的那些设备或系统。在这一方面，发射机206通过控制逻辑202从输入/输出设备(未具体图示)接收将要发射的信息，根据所使用的通信模式处理该信息，并通过一个或多个天线216将该信息发送给远程目标。接收机208通过天线216接收所发射的信息，并处理所接收的信号以生成基带信号，将此信号通过控制逻辑202提供给输入/输出设备(未图示)。根据上面介绍的所图示的示例性实施方式，发射机206和接收机208将分别表示TDMA发射机和接收机。
如上面所介绍的，多点通信代理210使收发信机能够在单条通信信道(例如下行链路信道(时隙/频率))上与多个目标通信(即多点通信)。根据所图示的示例性实施方式，表示多点通信代理210包括一个或多个群集引擎212和/或波束形成引擎214。为了实现上述的多点通信，多点通信代理210识别一组目标(例如用户终端、通信站、等等)，将这些目标组合成一个群集，并为该群集推导空间特征。一旦确定空间特征，多点代理210形成无线通信链路波束方向图，以便将公用信号发送给目标群集内的每个目标。根据在下文中将要更完整地描述的本发明的一个方面，生成多波瓣波束方向图，一个(或多个)波瓣专用于通信信道上当前信号的预期接收者，而另外的(一个或多个)波瓣专用于在通信信道的下一个示例上信号的接收者。根据上面介绍的所图示的示例性实施方式，多点通信代理210能够改善多个目标的数据业务。因此，为了便于解释和不受限制，将在使用无线通信信道将GPRS业务发送给目标的情况下更加完整地描述本发明的教导。在这样一种示例性的实施方式中，多达八个(8)目标可以共享TDMA实施方式内大量载波频率的八个(8)时隙之中的同一时隙/频率分配。本领域的技术人员将理解，根据下述描述，本发明的教导可轻易地应用于其它的无线通信方案，例如FDMA和/或CDMA结构。
根据本发明的一种示例性的实施方式，群集引擎212识别出信号的预期目标，并且至少部分地根据预期目标的某个或某些空间特征属性将它们组合成一个或多个群集。根据一种实施方式，空间特征属性包括来自给定目标的信号的抵达角度。在其它的可能更先进的实施方式中，在天线216上测量目标的性能特性，并通过群集引擎212将其用作空间特征属性。如果给定空间特征属性，群集引擎212确定哪些目标彼此最接近，并将这些目标组合成靠近(close)空间特征的群集。在每个目标群集内，群集引擎212总体上推导群集的空间特征，并推导由波束形成引擎214应用的信号“加权”以生成到群集内目标的波束方向图。也就是说，群集引擎为几个用户/目标推导空间特征。随后，群集引擎212将群集内的目标分配和重新分配到同一物理信道，并将不同群集内的目标分配给不同的物理信道。根据一种实施方式，群集引擎212继续监视各个群集内目标的空间特征属性，并且在其空间特征属性变得比共享其原始物理信道的目标明显更接近于其占据目标的群集时将它们重新分配给不同的物理信道。根据一种实施方式，群集引擎212也可以修改应用于增强数据业务(例如GPRS业务)发送的物理信道的数量，并相应地修改群集组合。已经简单介绍了群集引擎212的特征，本领域的技术人员将理解存在很多种也可以实现该通用发明处理的方式，在下文中将参考图6和图7更完整地描述一对这样的处理。
一旦形成了目标群集，控制逻辑202选择性地调用一个波束形成引擎214，以便将所推导的加权应用于发送信号，并为到群集内目标的无线通信链路生成信号波束方向图。根据一种示例性的实施方式，波束形成引擎214包括线性滤波器，它接受加权值并调整应用于从一个或多个天线216发射的信号的衰减和相位，从而实现所希望的波束方向图。在可选的实施方式中，数字信号处理器也可用于修改空间波束方向图。在任一种情况下，波束形成引擎214选择性地修改所发送的特征，以便有效地建立到同一信号的多个目标的无线通信链路。
在阅读上文之后，本领域的技术人员将理解多点通信代理210特别有用，因为它允许通信实体使用单个优化波束方向图向共享一条物理信道的一组目标发送。这样一个优化的波束方向图有效地提高了目标所接收的能量，同时降低了总发射能量，或者由不希望的目标所接收的能量。
示例性数据结构图3图示根据本发明教导的适合于使用的数据报。如上面所介绍的，本发明的一种示例性的实施方式支持诸如GPRS系统的无线数据网络。为了识别出无线通信信道的预期目标，群集引擎212分析将要发射的信号的至少一个子集以识别出这些目标。根据上面介绍的GPRS实施方式，群集引擎212分析接收的分组内容的至少一个子集，以便发送，从而在识别目标时识别这些分组的目标和用于群集推导。结合图3描述适合于根据群集引擎212使用的分组或数据报的一个例子。
根据图3图示的示例性实施方式，数据报300至少包括目标识别信息302和有效负载数据304。根据一种示例性的实施方式，目标识别信息302包括至少一个目的地标识符306。如在此使用的，目的地标识符306也可以包括至群集引擎212的唯一地识别目标和/或目标群集的任意数量的信息。根据一种示例性的实施方式，例如，目的地标识符包括一个或多个目的地地址、电子序列号、电话号码、媒体访问控制(MAC)地址等等。本领域的技术人员将理解这些标识符也可以包括字母数字字符和/或非字母数字字符。
根据在下文中将更完整地描述的一种示例性的实施方式，目标标识信息还包括随后的目的地标识符字段308。根据本发明的这一方面，群集引擎212根据在随后的目的地标识符字段308内提供的信息识别出特定信道的下一个目标/群集，并且也推导用于此(些)目标/群集的空间特征。然后，波束形成引擎214发送一个波束方向图(这当然可以包括多个波瓣)，它包括由随后的目的地字段308内的信息标记的目标/群集。
图4图示根据本发明的一种示例性实施方式用于保存群集信息的示例性数据结构。根据图4图示的示例性实施方式，数据结构400包括目标标识符字段402、群集标识符字段404、衰减字段406、相位字段408和空间特征属性字段410。根据一种示例性的实施方式，保存此信息以用于多个天线412中的每个天线。目标标识符字段402包括表示特定目标的信息，并且如上所述还包括电子序列号、电话号码、MAC地址、网际协议(IP)地址、等等。群集信息字段404表示此目标所分配的群集。根据所图示的示例性的实施例，衰减和相位字段406和408包括由群集代理212至少部分地根据所识别出的与目标和天线相关的空间特征属性而推导的加权值的元素。在可选的实施方式中，将单个数值用于加权值，由波束形成引擎214解释该加权值以修改一个或多个发送信号属性(例如衰减和相位)。空间特征属性字段410包括在天线216上识别每个目标的信息。根据一种实施方式，属性信息也可以包括信号属性信息(例如抵达角度等)，而在可选的实施方式中，属性信息也可以包括目标性能信息(例如，SINR、BER、FER、RSSI、等等)。
如在此所使用的，用于实现通信代理314的上述移动性管理特性的数据结构的大小和复杂性取决于其中部署此代理的网络单元。如在此所使用的，数据结构400也可以保存在多点通信代理210的存储器单元(未图示)或者收发信机200自身的存储器204内。
示例性实施方式和操作在上文中已经介绍了本发明的操作和结构单元，接着将参考图5至图10，其中更详细地图示了本发明的某些方面。
在多点通信环境下实现通信图5图示在多点通信环境下建立和使用通信资源的一种示例性方法的流程图。也就是，图5图示根据本发明的一个方面在发射机和多个目标之间建立双向通信链路的方法，从而诸如实现在GPRS的虚拟分组交换网络环境下发送增强数据业务。如上所述，为了实现支持虚拟分组交换网络的物理通信资源的共享，通信代理210群集具有类似空间特征的(诸如GPRS)业务的目标，并使用自适应天线技术来选择性地与每个群集建立通信链路。
根据图5图示的示例性实施方式，该方法始于方框502，其中收发信机200识别出用于无线通信链路的一个或多个目标。如上面所介绍的，根据一种示例性的实施方式，群集引擎212通过分析诸如数据报300内的目标识别信息来识别出这些目标。
在方框504，已经为此通信链路识别出一个或多个目标，收发信机200的多点通信代理210识别出用于此收发信机所服务的目标的至少一个子集的空间特征。更具体地说，根据一种示例性的实施方式，群集引擎212识别在一个或多个天线216中的每个天线上的一个或多个空间特征属性，例如信号属性(例如抵达角度)和/或目标性能属性(例如RSSI、SINR、SNR、BER、FER等等)。
在方框506，已经为目标的至少一个子集识别出空间特征属性，群集引擎212至少部分地根据一个或多个识别出的空间特征属性将一个或多个目标组合成目标群集。根据一种示例性的实施方式，将具有类似空间特征属性的目标组合在单个群集内。一个群集内的每个目标将通过同一物理信道(时隙/频率组合)接收相同的信息。
在方框508，群集引擎212为一个或多个群集中的每个群集推导一个空间特征，至少部分地根据组成目标的空间特征属性，每个群集包括一个或多个目标。也就是，群集引擎212至少部分地根据包含群集的至少一个目标子集的空间特征属性来推导一个“群集”空间特征。根据群集空间特征，群集引擎212根据常规的波束形成技术形成加权值来使用，从而在空间上将通信链路的传输引导至群集内的目标。
在方框510，群集引擎212将加权值提供给波束形成引擎214，它将加权值应用于发射信号，以便在空间上将传输引向群集，降低至不希望的目标的传输及其干扰。根据上述的一种示例性的实施方式，波束形成引擎214包括线性滤波器，它以公知的方式接收加权值并修改发送信号特性(例如相位/衰减)以生成所希望的到群集的波束方向图。
在方框512，群集引擎212继续监视目标的空间特征属性以及上述的系统性能，以改善多点通信系统的性能特性。
简单地参考图9，图示了根据本发明一种示例性实施方式的到一个或多个群集内多个目标的通信链路波束的建立。根据图9所图示的示例性实施方式，通信站114内包含多点通信代理(未图示)的收发信机116至少部分地根据群集空间特征在公用通信信道上与一群集目标106、108和904建立通信链路波束902。如图所示，这些目标也可以包括无线用户单元106、空间分集无线用户单元108、支持无线的电子设备904等等。应当理解，尽管图示为用户终端的群集，但是一个用户终端(例如108)也可以利用本发明的教导向其它目标(例如无线终端和/或基站)的群集发送。也就是，如上面所介绍的，多点通信代理210也可以与位于用户单元和/或通信站内的无线收发信机集成并由其使用。
建立一个或多个目标的群集参见图6，图示根据本发明一种示例性实施方式的为一个群集识别和选择目标的示例性方法。根据图6所图示的示例性实施方式，此方法开始于方框602，其中群集引擎212以一初始集合的K个波束形成加权开始。根据一种示例性的实施方式，在多点通信代理210内预先确定和保存K个波束形成加权。在可选的实施方式中，该初始集合的K个波束形成加权至少部分地基于在数据结构400内保存的先前的群集组合。在数学上，可以将这些加权表示为wi，n＝1，....，K(1)其中i索引加权组，而n索引处理迭代。
在方框604，群集引擎212为每个目标识别出空间特征属性。根据所图示的示例性实施方式，群集引擎212在每个天线216上测量每个目标的一个或多个性能特性。如上面所介绍的，也可以使用多种性能特性中的任一种性能特性，例如一个或多个RSSI、SINR、SNR、BER和FER等。根据所图示的示例性实施方式，群集引擎212为每个目标对于每K个加权测量信号与干扰和噪声比(SINR)(等式2)，以找出生成最大SINR的加权，并将该目标分配给那个群集组。
SINRi，k＝f(wi，targetk)(2)在这一方面，一开始将K个目标组合成K个群集。
在方框606，对于K个群集中的每个群集，群集引擎212根据该组内目标的性能特性分配新的加权。根据一种示例性的实施方式，例如，群集引擎212找出此群集内具有最小SINR的目标，并将根据该用户生成的新加权分配给此群集。根据一种示例性的实施方式，群集引擎212根据与所识别出的用户相关的信号生成最小平方加权值(等式3)。本领域的技术人员将意识到最小平方的生成是通过组合一个信号与根据参考信号的最小平方误差来计算的。虽然这个加权对于该组内的所有目标可能不是最佳的，但是它确保具有最小SINR的目标最低限度地利用所形成的波束方向图来容纳。
wi，n-1＝Rzz-1Rzai，min(3)其中imin＝min(SINRk∈G1)在方框608，一旦推导K个新的加权，则根据为目标提供最佳SINR性能属性的加权重新组合这些目标，如在下面的等式4中所表示的。
G1＝{targetk·SINRi，k·SINRj，k，j＝1，...，K}(4)在方框609，如果每组的最低SINR小于或等于前一组的最低SINR，则该处理进入监视模式方框610。反之，该处理以迭代方式继续，直到无法再实现目标性能特性上的显著改进。
在图7中，图示根据本发明一个方面的确定目标群集占用的另一种示例性方法的流程图。根据图7所图示的示例性实施方式，此方法始于方框702，其中群集引擎212为每个剩余的未群集的目标计算复合空间特征差值差分(difference differential)。根据一种示例性的实施方式，复合空间特征差值差分是目标和所有剩余的未群集目标之间归一化空间特征距离差分之和。根据这种示例性的实施方式，群集引擎212计算其归一化空间特征(ai)与每个其它目标的归一化空间特征(aj)的距离差分(di，j)，其中根据等式5将此距离计算为所述空间特征之间的内积。
di，j＝|ai-(ai*aj)aj| (5)其中ai是归一化空间特征的复共扼。
根据每个单独的归一化距离差分(5)，群集引擎212根据下式将复合空间特征距离差分计算为到所有其它剩余的未群集目标(j)的总和或总距离。
d∑(dij)，针对所有的目标j。
(6)在方框704，群集引擎212至少部分地根据所计算的目标的复合空间特征距离差分来识别出一个群集的锚点(anchor)目标。根据一种示例性的实施方式，群集引擎212识别出具有最小复合差值差分(di，j)的目标，并将其指定为推导目标群集的锚点。
在方框706，群集引擎212通过识别出另外的N-1个目标来完成群集，其中一个群集具有共享通信信道的大小为N的目标。根据一种示例性的实施方式，将随后的N-1个目标选择为具有并不超过最小距离差分(dmin)的随后的最小复合距离差分的那些目标。也就是，为了群集具有类似空间特征的目标，相互距离过大的目标，即使它们代表随后的最小复合距离差分，也不将其群集在一起。在这种情况下，超过这个距离或者内聚(cohesion)差分阈值(dmin)的目标可以分配给具有类似空间特征的一个或多个目标的一个不同群集，如通过上面定义的总距离数字量化的。
根据一种示例性的实施方式，如果N+M个目标共享基本上类似的空间特征属性，则群集引擎212分配给该群集内的其它M个目标提供服务所必需的附加通信信道资源。在这一方面，群集引擎212也可以推导需要多条共享通信信道的群集以有效地服务于该群集内的所有目标。可选择地，群集代理212也可以选择在群集内包括外围(outlier)目标，并使用独立的通信信道来服务于所述目标。也就是说，如果与目标相关的空间特征超过内聚距离差分(dmin)，则群集引擎212也可以在给定群集内包括所述目标，并使用附加的共享通信信道资源服务于所述目标。
根据本发明的这一方面，群集引擎212继续监视群集组合，并且在可能的时候，如果群集内有效目标的数量低于信道阈值N，或者如果随后发现其归一化空间特征超过内聚差分阈值(dmin)的那些群集低于所述阈值，或者所述目标结束通信对话，则减少用于与一个群集内的目标通信的物理信道数量。
根据一种实施方式，群集引擎212根据群集内目标的复合空间特征距离差分推导群集空间特征。根据一种实施方式，将锚点目标的复合空间特征距离差分用作群集空间特征。根据上面所介绍的一种示例性的实施方式，群集引擎212向波束形成引擎214提供与所生成的每个群集有关的空间特征，从而允许波束形成引擎选择性地修改传输的一个或多个属性，进而选择性地将传输波束指向一个或多个群集内的目标。
在方框708，群集引擎212确定是否存在任何剩余的未群集目标。如果是，则该处理继之以方框702，其中群集引擎为每个剩余的目标重新计算相对于其它的剩余(即尚未群集的)目标的复合空间特征距离差分，并推导附加的群集。
根据另一种实施方式，群集引擎212仅分析归一化空间特征差分(di，j)以确定是否应当群集多个目标(在这个例子中是两个目标)。即，根据另一种示例性的实施方式，群集引擎212推导目标的总体(population)，其中归一化空间特征距离差分(di，j)低于某个距离阈值(Dthresh_i)(dij)＜DThresh_i(7)此外，群集引擎212还保证该群集内的任意一个目标到任意其它目标的平均归一化空间特征距离差分(例如使用共享物理信道的每个目标到每个其它目标的距离的平方来计算)低于特定的距离阈值(Dthresh2)。在这一方面，群集引擎212保证群集内的目标享有共同的空间特征特性。
在方框708，如果已经将所有的目标分配给群集，则该处理继之以方框710，其中群集引擎212选择性地监视到目标的空间特征属性的改变，并在必要时执行群集的重新组合。根据一种示例性的实施方式，如果任何群集具有空位(例如低于N个目标)，则群集引擎212为分配给其它群集的每个目标计算到目标数量少的群集的每个目标成员的平均距离。比较这个数值与到具有空位的所有其它群集的平均距离，并将具有最小平均距离的目标分配给该群集。为不同群集内的每对目标，比较到它们自己群集内每个目标的平均距离和到其它群集内目标的平均距离。如果转换目标降低了每个群集的复合空间特征差值差分，则转换该目标的群集。
根据另一种示例性的实施方式，使用矢量量化技术为每个目标推导空间特征属性。在Barrat等人的标题为“Method for SequentiallyTransmitting a Downlink Signal from a Communication Stationthat has an Antenna Array to achieve an OmnidirectionalRadiation”的美国专利US6,185,440中描述了这种群集方法的例子，该专利同样被转让给本发明的受让人，并为了所有的目的在此引用作为参考。
多节点波束形成参见图8，图示了根据本发明另一个方面的多点通信环境下多节点波束形成的示例性方法的流程图。根据一种示例性的实施方式，多点通信代理210建立支持诸如GPRS数据业务的无线数据业务的多节点通信链路，其中希望向多个目标或群集发送相同的信号。在所图示的GPRS实施方式中，例如，可能不仅希望将信号仅发送给信号的预期接收者，而且也发送给标识为传输信道的下一个用户的目标(例如在数据报300内所标识的)。下面就描述这样一种方法。
因此，图8的方法始于方框802，其中群集引擎212识别特定信道相关的信号所预期的目标子集。如上文中介绍的，群集引擎212可以使用所接收的传输信号内包含的信息或者群集(数据报)信息内包含的信息(例如目标标识信息)来识别出预期目标。
在方框804，群集引擎212识别可能同样受益于信号接收的目标。如上面所描述的，根据示例性的GPRS实施方式，对于与下一示例信道(即时隙/频率组合)有关的目标，接收它们是下一示例信道的预期接收者的指示可能是有益的。根据上面所介绍的一种示例性的实施方式，群集引擎212根据接收用于传输的数据报的目标标识信息302来识别出后续的目标。
在方框806，群集引擎212识别出用于等待传输的预期目标的第一空间特征和用于其它识别出的目标的第二空间特征。根据本发明的教导，所述目标也可以是单个收发信机或目标群集，在这种情况下，如上面所描述的，推导第一群集空间特征和第二群集空间特征。
在方框808，群集引擎212计算加权值以便为第一和第二目标之中的每个目标生成多波瓣波束方向图。例如，如果存在具有空间特征a1和a2的两个希望目标，则群集引擎212形成分别如下计算的两个加权w1和w2的线性叠加
w1＝[a2′a2|a1w2＝[a1′a1]a2 (8)其中a1和a2是N×1矢量N代表与收发信机相关的天线216的数量；[a2’a2]是a2与自身的外积，即，N×N矩阵；和[a1’a1]是a1与自身的外积，即，N×N矩阵。
因而，用于传输的加权则是(alphal*w1)+(alpha2*w2) (9)其中alphal和alpha2是控制将由目标接收的预期功率的标量。
在方框810，波束形成引擎214使用群集引擎212生成的加权生成多波瓣波束方向图，从而根据至少第一空间特征和第二空间特征来引导能量。
参见图10，图示根据本发明这一方面的一种示例性实施方式的多节点通信链路波束。更具体地说，图10图示一个通信实体，在这个示例性实施方式中即基站114，在通信链路的预期接收机106和后续通信链路的接收机904之间建立多节点通信链路波束。也就是，两个目标106和904之中的每个目标通过两个独立的通信链路波束(例如波束1002和波束1004)来接收公用信号。
根据一种示例性的实施方式，将多节点波束(例如节点1002和1004)分别分配给公用通信信道，并传送公用信息到每个目标106和904。根据一种示例性实施方式，第二接收机即接收机904接收此信号作为接收机904将接收紧跟在其后的通信信号的指示。也就是，接收机904接收此信号以便向接收机提供一个指示，此指示表明它们是后续的信号(例如紧跟其后的信号)的目标。
可选实施例图11是根据本发明可选实施例的示例性存储媒体的方框图，它包括多个可执行的指令，当被执行时，这些指令使访问机器执行本发明的新型多点通信代理210的一个或多个方面。
根据上述描述，为了便于解释，阐述了多个具体细节以提供本发明的完整理解。然而，对于本领域的技术人员来说，在没有这些具体细节的某些细节的情况下显然也可以实施本发明。在其它的例子中，以方框图的形式图示了公知的结构和设备。
本发明包括各个步骤。本发明的步骤可以由硬件组件来执行，例如图1或图2所图示的，或者可以以机器可执行的指令来实施，这些指令可以用于使利用这些指令编程的通用或专用处理器或逻辑电路执行所述步骤。可选择地，可以通过硬件和软件之组合来执行所述步骤。这些步骤已经被描述为由基站或用户终端来执行。然而，所描述的由基站执行的任何步骤都可以由用户终端来执行，或反之。本发明同样可应用于收发信机和/或系统，其中终端相互通信，而没有将任何一个指定为基站、用户终端、远程终端或用户站。本发明还可以应用于对等网络。
可将本发明提供为计算机程序产品，它可以包括机器可读媒体，其上存储有可用于编程计算机(或其它电子设备)以执行根据本发明的处理的指令。机器可读媒体可以包括(但并不仅限于)软盘、光盘、CD-ROM、磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、闪存或者其它类型的适合于存储电子指令的媒体/机器可读媒体。而且，本发明还可以被下载为计算机程序产品，其中可以通过通信链路(例如调制解调器或网络连接)利用在载波或其它传播媒体内实施的数据信号的方式将程序从远程计算机传送给请求计算机。
重要的是，虽然已经在用于便携式手持机的无线通信系统的环境下描述了本发明，但是它也可以应用于其中交换数据的各种不同的无线系统。这样的系统包括语音、视频、音乐、广播和没有外部连接的其它类型的系统。本发明可以应用于固定远程终端以及低和高移动性终端。许多方法以它们最基本的形式来描述，但是在不脱离本发明基本范围的情况下，可以向任一种方法添加或删除步骤，可以向上述的任一条消息添加或删除信息。对于本领域的普通技术人员来说，显然可以进行许多其它的修改和变化。具体的实施例并不用于限制本发明，而是用于说明本发明。本发明的保护范围不由所描述的具体例子来确定，而仅由权利要求书来确定。
权利要求
1.一种方法，包括测量无线通信系统中多个目标的至少一个子集之中每个目标相关的一个或多个性能特性；和至少部分地根据所述性能特性，选择性地建立一个或多个群集，每个群集包括一个或多个目标并共享无线通信信道。
2.根据权利要求1的方法，其中所述性能特性包括信号与干扰和噪声比(SINR)、信号与噪声比(SNR)、接收信号强度指示(RSSI)、误码率(BER)和/或帧误差率(FER)中的一个或多个。
3.根据权利要求1的方法，其中每个群集由多达M个目标构成，并且每个通信信道容纳多达N个目标，建立一个或多个群集的方法还包括将多达N个目标的至少一个子集分配给第一通信信道资源；和选择性地分配其余(M-N)个目标的子集，以便在该群集内共享附加的通信信道资源。
4.根据权利要求1的方法，其中测量性能特性包括初始化K个集合加权；对于K个加权中的每个加权，为每个目标估计信号与干扰和噪声比(SINR)；和为每个目标选择使每个目标SINR最大的K个加权之一，以便至少部分地根据每个目标的SINR生成K个群集目标。
5.根据权利要求4的方法，还包括识别每个群集内具有最低SINR的目标；和至少部分地根据群集内所识别目标的SINR为每个群集生成新的加权。
6.根据权利要求5的方法，其中新的加权是与所识别目标相关的最小平方加权。
7.根据权利要求5的方法，还包括使用为每个群集生成的新加权来估计每个群集内每个目标的性能特性；和根据为每个目标提供最佳SINR的加权重新组合目标。
8.根据权利要求7的方法，还包括迭代地重复识别、生成、估计和重新组合的步骤，直到识别目标的估计性能特性上没有显著改进。
9.根据权利要求8的方法，还包括为了改变性能特性而选择性地监视至少一个子集的目标；迭代地重复识别、生成、估计和重新组合的步骤，直到识别目标的估计性能特性上没有显著改进。
10.一种存储媒体，包括当由访问计算设备执行时执行根据权利要求1的方法的内容。
11.一种通信站，包括无线通信资源；和通信代理，与所述无线通信资源相耦合，至少部分地根据与目标相关的一个或多个估计性能特性利用一个或多个目标来填充群集，并为填充群集的至少一个子集推导加权值，以便至少部分地根据所推导的加权值生成到群集内目标的传输波束。
12.根据权利要求11的通信站，其中无线通信资源至少包括发射机子系统。
13.根据权利要求11的通信站，所述通信代理包括群集引擎，测量无线通信系统内多个目标的至少一个子集中的每个目标相关的一个或多个性能特性，并且至少部分地根据性能特性选择性地建立一个或多个群集，每个群集包括一个或多个目标并共享无线通信信道。
14.根据权利要求13的通信站，其中群集引擎初始化K个集合加权，对于K个加权中的每个加权为每个目标估计信号与干扰和噪声比(SINR)，并为每个目标选择使每个目标SINR最大的K个加权之一，从而至少部分地根据每个目标SINR生成K个群集目标。
15.根据权利要求14的通信站，还包括群集引擎识别每个群集内具有最低SINR的目标，和至少部分地根据所识别目标的SINR动态地生成新的加权的集合。
16.根据权利要求15的通信站，其中群集引擎将新的加权计算为与所识别目标相关的最小平方加权。
17.估计权利要求15的通信站，其中群集引擎使用为每个群集生成的新加权来估计每个群集内的每个目标的性能特性，并根据为每个目标提供最佳SINR的加权重新组合群集内的目标。
18.根据权利要求17的通信站，其中群集引擎迭代地重复此处理，直到目标的进一步重新组合不能在目标的估计性能特性上产生显著改善。
19.根据权利要求18的收发信机，所述通信代理还包括波束形成引擎，响应于群集引擎，至少部分地根据所生成的与每个群集相关的加权值修改传输信号的一个或多个属性，以形成指向一个或多个群集内目标的波束。
20.根据权利要求11的通信站，还包括存储器子系统，在其中存储有内容；和控制逻辑，与存储器子系统耦合，以访问和执行所存储内容的至少一个子集来实现通信代理。
21.在实现通用分组无线电业务(GPRS)的无线通信系统内的一种方法，包括至少部分地根据一个或多个目标之中每个目标的所测量的性能特性利用一个或多个目标填充群集；和至少部分地根据群集空间特征，为填充群集的至少一个子集推导加权值，以生成到群集内目标的传输波束。
22.根据权利要求21的方法，还包括至少部分地根据所推导的加权值修改无线通信链路信号的一个或多个参数，以形成到群集内目标的传输波束。
23.根据权利要求22的方法，还包括将所形成的传输波束发送给相关的一个或多个群集。
24.根据权利要求21的方法，其中填充群集包括测量无线通信系统内多个目标的至少一个子集中每个目标相关的一个或多个性能特性；和至少部分地根据性能特性，选择性地建立一个或多个群集，每个群集包括一个或多个目标并共享无线通信信道。
25.根据权利要求24的方法，其中测量性能特性包括初始化K个集合加权；对于K个加权的每个加权，为每个目标估计信号与干扰和噪声比(SINR)；和至少部分地根据每个目标SINR，为每个目标选择使每个目标SINR最大的K个加权之一，以生成K个群集目标。
26.根据权利要求25的方法，还包括识别每个群集内具有最低SINR的目标；和至少部分地根据所识别目标的SINR为每个群集生成新的加权。
27.根据权利要求26的方法，其中新的加权是与所识别目标相关的最小平方加权。
28.根据权利要求26的方法，还包括使用为每个群集生成的新加权来估计每个群集内每个目标的性能特性；和根据为每个目标提供最佳SINR的加权重新组合目标。
29.根据权利要求28的方法，还包括迭代地重复识别、生成、估计和重新组合的步骤，直到识别在所估计的目标的性能特性上没有显著改进。
30.一种存储媒体，包括当由访问计算设备执行时使该设备执行根据权利要求21的方法的内容。
全文摘要
介绍了一种用于群集多点通信目标的系统和相关方法。根据本发明的一个方面，一种方法包括测量无线通信系统内多个目标的至少一个子集之中的每个目标相关的一个或多个性能特性，并且至少部分地根据性能特性选择性地建立一个或多个群集，每个群集包括一个或多个目标并且共享无线通信信道。
文档编号H04L12/28GK1596553SQ02823763
公开日2005年3月16日 申请日期2002年9月26日 优先权日2001年9月28日
发明者S·K·威尔逊, T·H·乔文, A·B·凯尔, C·布伦纳, M·D·特罗特, A·A·卡帕斯, E·D·林斯各 申请人:阿雷伊通讯有限公司