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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Basisstations-Antennenanordnung zur
Verwendung in einem Zellularfunk-Kommunikationssystem.
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Zellularfunk-Systeme werden derzeit zunehmend in der gesamten Welt verwendet
und ergeben eine Telekommunikation zu mobilen oder ortsbeweglichen Benutzern.
Um die Kapazitätsanforderungen innerhalb der verfügbaren Frequenzbandzuteilung
zu erfüllen, teilen Zellularfunk-Systeme einen zu überdeckenen geografischen
Bereich in Zellen ein. Am Mittelpunkt jeder Zelle befindet sich eine Basisstation,
über die die Mobilstationen in Kommunikation treten. Die verfügbaren
Kommunikationskanäle sind auf die Zellen derart aufgeteilt, daß die gleiche Gruppe
von Kanälen von bestimmten Zellen erneut verwendet wird. Der Abstand zwischen
erneut verwendeten Zellen wird so geplant, daß die Gleichkanal-Störung auf einen
tolerierbaren Pegel gehalten wird.
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Wenn ein neues Zellularfunk-System anfänglich eingesetzt wird, so sind die
Betreiber in vielen Fällen daran interessiert, die Aufwärtsstrecken-(Mobilstation zur
Basisstation) und Abwärtsstrecken-(Basisstation zur Mobilstation) Reichweite zu
einem Maximum zu machen. Die Reichweiten in vielen Systemen sind aufgrund der
relativ niedrigen Sendeleistungspegel der tragbaren mobilen Handstationen in
Aufwärtsstreckenrichtung beschränkt. Jede Vergrößerung der Reichweite bedeutet,
daß weniger Zellen erforderlich sind, um einen vorgegebenen geografischen
Bereich abzudecken, wodurch die Anzahl von Basisstationen und die zugehörigen
Infrastruktur-Kosten verringert wird.
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Wenn ein Zellularfunk-System ausgereift ist, so kann die Kapazitätsanforderung in
vielen Fällen, insbesondere in Städten, bis zu einem Punkt ansteigen, an dem eine
größere Anzahl von eine kleinere Größe aufweisenden Zellen erforderlich ist, um
die erforderliche Kapazität pro Einheitsfläche zu erreichen. Der zur Schaffung dieser
kleineren Zellen bekannte Prozeß ist als Zellenaufteilung bekannt. Irgendeine
Technik, die eine zusätzliche Kapazität ohne die Notwendigkeit einer
Zellenaufteilung ergibt, verringert wiederum die Anzahl von Basisstations-Positionen
und die zugehörigen Infrastruktur-Kosten.
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Die an der Stelle der Basisstation verwendete Antenne kann möglicherweise
beträchtliche Verbesserungen hinsichtlich der Reichweite und Kapazität eines
Zellularfunk-Systems ergeben. Das ideale Basisstations-Antennendiagramm ist ein
Strahl mit schmaler Winkelbreite, wie dies in Fig. 1a gezeigt ist. Der schmale
Strahl ist auf die gewünschte Mobilstation gerichtet, er ist sowohl in der Azimuth- als
auf der Elevationsebene schmal, und er verfolgt die Bewegungen der Mobilstation.
Verglichen mit einer Rundstrahlantenne hat ein derartiger Strahl den doppelten
Vorteil dahingehend, daß er einen hohen Gewinn aufweist, was zu einer
vergrößerten Reichweite bei durch thermisches Rauschen begrenzten anfänglichen
Installationen führt, und daß er Störungen von Gleichkanal-Wiederbelegungszellen
unterdrückt, was eine höhere Kapazität ohne eine Zellenaufteilung in ausgereiften
Installationen ermöglicht. Der schmale Strahl verringert Störungen in einer
symetrischen Weise in der Aufwärts- und Abwärtsstreckenrichtung. Auf der
Aufwärtsstrecke ist der Basisstationsempfänger gegenüber Störungen geschützt,
die von Mobilstations-Sendern in Gleichkanal-Wiederbelegungszellen erzeugt
werden, Fig. 1b. Auf der Abwärtsstrecke ist es unwahrscheinlich, daß sich die
Mobilstation in den Strahlen der Basisstationssender in Gleichkanal-
Wiederbelegungszellen befindet. Das Ausmaß des Vorteils einer einen schmalen
Strahl ergebenden Antenne gegenüber einer Rundstrahlantenne ist eine Funktion
der Strahlbreite. Je schmaler die Strahlbreite, desto größer ist der Vorteil, doch muß
dies gegenüber der vergrößerten Größe und der Kompliziertheit der Antenne
abgewogen werden.
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Obwohl der schmale Strahl bei Funkfrequenzen (typischerweise in den 900 oder
1800 MHz-Bändern) gebildet wird, kann er in zweckmäßigerweise als analog zu
einem Laserstrahl betrachtet werden, der von der Basisstation ausgeht und die
Mobilstationen verfolgt. Verglichen mit einer Rundstrahlantenne ergibt dies
eindeutig einen eine hohe Qualität aufweisenden Übertragungspfad mit minimalen
Störungen. Für die Zwecke dieses Dokumentes ist die Verwendung des Wortes
"Rundstrahl" so gedacht, daß sie die Bedeutung einer Strahlungsüberdeckung über
den Bereich hat, die der erforderlichen geografischen Fläche der Zelle entspricht.
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Einige der möglichen Vorteile von Schmalstrahl-Antennen für Zellularfunk wurden in
der Literatur erkannt, siehe beispielsweise "A Spectrum Efficient Cellular Base
Station Antenna Architecture", von S. C. Swales und M. A. Beach, Personal &
Mobile Radio Communications Conference, Warwick, 1991 und "Proposed
Advanced Base Station Antennas for Future Cellular Mobile Radio Systems" von W.
A. Davies, R. J. Long und E. Vinnal, Australian Telecomms Research, Band 22, Nr.
1, Seiten 53-60. Innerhalb derzeitiger Systeme ermöglicht die Art und Weise, in der
Richtantennen verwendet werden, nur die Erzielung relativ kleiner Vorteile. Die
Verwendung von Richtantennen in derzeitigen Zellularfunk-Systemen beruht auf
dem Prinzip der Sektorisierung, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die Hauptquellen von
Störungen in einem Zellularsystem kommen von Wiederbelegungszellen der
sogenannten ersten Netzebene. Ein Rundstrahl-Basisstationsempfänger empfängt
Störungen von allen sechs Wiederbelegungszellen der ersten Netzebene, Fig. 2a.
Wenn eine Antenne mit einer Strahlbreite von nominell 120 Grad verwendet wird,
was einer 3-Sektor-Konfiguration entspricht, so werden Störungen lediglich von zwei
Wiederbelegungszellen der ersten Netzebene empfangen, Fig. 2b. Wenn eine
Antenne mit einer 60 Grad-Strahlbreite verwendet wird, was einer sechs Sektoren
aufweisenden Konfiguration entspricht, so werden Störungen lediglich von einer der
Zellen der ersten Netzebene empfangen, Fig. 2c. In in Sektoren unterteilten Zellen
sind die Zellularfunk-Sendeempfänger an der Basisstation lediglich mit einem
Sektor (oder einer Antenne) verbunden, und sie können nicht in anderen Sektoren
innerhalb der gleichen Zelle verwendet werden.
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Die sektorisierte Lösung für die Verwendung von Richtantennen hat ihre nutzbare
Grenze bei einer Strahlbreite von 60 Grad erreicht und kann nicht weitergehen. Es
ergeben sich zwei Hauptnachteile dieser Lösung:
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a) die Zellularfunk-Sendeempfänger sind bestimmten Sektoren ausschließlich
zugeordnet, was zu erheblichen Werten einer Bündelungs-Ineffizienz führt. In der
Praxis bedeutet dies, daß wesentlich mehr Sendeempfänger an der Stelle der
Basisstation erforderlich sind, als für eine Rundstrahl-Zelle mit der gleichen
Kapazität.
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b) Jeder Sektor wird in dem Zellularfunk-Netz (d. h. dem Basisstations-
Steuergerät und den Funkvermittlungen) als getrennte Zelle behandelt. Dies
bedeutet, daß wenn sich die Mobilstation zwischen Sektoren bewegt, eine
erhebliche Wechselwirkung zwischen der Basisstation und dem Netz erforderlich ist,
um die Verbindung zwischen Sektoren der gleichen Basisstation zu übergeben.
Diese Wechselwirkung, die die Signalisierung und Verarbeitung an der
Basisstations-Steuerung und -vermittlung umfaßt, stellt eine hohe Zusatzbelastung
des Netzes dar und verringert die Kapazität.
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Ein übliches Zellularfunk-System umfaßt mehrere Ebenen, wie dies in Fig. 3
gezeigt ist. Eine Funkvermittlungsstelle (MSC) ist die Schnittstelle zwischen dem
Zeüularsystem und anderen Netzen, beispielsweise PSTN, öffentliches Wählnetz,
oder ISDN, diensteintegrierendes digitales Nachrichtennetz. Jede MSC steuert
mehrere Basisstationssysteme (BSS), die in manchen Systemen, wie z. B. GSM
oder PCS, weiter in eine Basisstationssteuerung (BSC), die mehrere Basisstations-
Sendeempfänger (BTS) steuert. Jedes BSS steht mit mehreren Mobilstationen (MS)
in Kommunikation. Auf der MSC-Ebene gibt es weiterhin weitere Einrichtungen, wie
z. B. Betrieb und Wartung (OMC) und Netzverwaltung (NMC).
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In diesem System werden die Verbindungen an Sendeempfänger in Basisband in
dem Zellularfunk-Netz zugeteilt, entweder an der BSC, falls verfügbar, oder an der
MSC, wie dies in Fig. 4a gezeigt ist. Irgendeine Änderung, die während der
Verbindung hinsichtlich der Sendeempfänger-Zuteilung erforderlich ist, muß über
das Netz signalisiert werden, beispielsweise bis zur MSC und wieder zurück. Dies
stellt eine starke Belastung des Signalisierungsnetzes und eine Zeitverzögerung
dar, während dies erfolgt.
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Das grundlegende Konzept einer intelligenten Antenne ist in der europäischen
Veröffentlichung EP 0 593 822 offenbart. Eine intelligente Antenne, wie sie
nachfolgend bezeichnet wird, umfaßt eine Vielzahl von Antennengruppen oder
Antennenfeldern, die jeweils in der Lage sind, eine Vielzahl von getrennten, sich
überlappenden schmalen Strahlen in Azimuthrichtung zu bilden, wobei die Gruppen
derart angeordnet sind, daß die Gesamtheit der Strahlen, die durch die Gruppen
gebildet werden, eine im wesentlichen Rundstrahl-Überdeckung in Azimuthrichtung
ergeben, Azimuth- und Elevations-Strahlformungseinrichtungen für jede Gruppe,
eine Vielzahl von Hochfrequenzempfängem, jeweils zum Senden und Empfang von
Hochfrequenzsignalen für eine oder mehrere Verbindungen,
Koppelfeld-Einrichtungen zum Verbinden jedes Sendeempfängers mit der einen oder der anderen
der Gruppen über die Strahlformungseinrichtungen, und Steuereinrichtungen zur
Steuerung der Koppelfeld-Einrichtungen, wodurch ein bestimmter Sendeempfänger
mit einer bestimmten Gruppe über die Strahlformungseinrichtungen verbunden wird,
um Hochfrequenzsignale mit einer entfernten Station auszutauschen, die sich in
dem Bereich befindet, der durch einen der schmalen Strahlen überdeckt ist.
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Die Veröffentlichung IEEE antennas and propagation, Band 36, Nr. 3, März 1988,
New York, US, Seiten 349-356, ECDUFORT "Low side lobe electronically scanned
antenna using identical transmit/received modules" erläutert eine Gruppe von
Antennenelementen, die so betrieben werden, daß sie die Erzeugung von
Nebenkeulen verringern. Zusätzliche Teilgruppen werden eingeführt, die
entsprechend zusätzliche Strahlungsdiagramme einführen, die in Kombination mit
den ursprünglichen Feld-Strahlungsdiagrammen die Verteilung des Gesamt-
Antennen-Strahlungsdiagramms verbessern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Antennenanordnung geschaffen, die
eine Vielzahl von in Ebenen angeordneten Antennengruppen (40; Fig. 6a)
umfassen, die jeweils in der Lage sind, eine Vielzahl von getrennten, sich
überlappenden Strahlen in Azimuthrichtung zu bilden, wobei die Gruppen derart
angeordnet sind, daß die Strahlen eine Überdeckung in Azimuthrichtung ergeben,
die breiter als jede Gruppe ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne
Einrichtungen zum Aufteilen (58; Fig. 14b, 14c) des Sendeausganges eines
vorgegebenen Sendeempfängers in zwei Signale vor der Sende-
Leistungsverstärkung und zur Aussendung der Signale in zwei benachbarten
schmalen überlappenden Strahlen einschließt.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein
Verfahren zum Betrieb einer Antennenanordnung geschaffen, die eine Vielzahl von
in Ebenen angeordneten Antennengruppen (40; Fig. 6a) umfaßt, die jeweils in der
Lage sind, eine Vielzahl von getrennten, sich überlappenden schmalen Strahlen in
Azimuthrichtung zu bilden, wobei die Gruppen derart angeordnet sind, daß die
Strahlen eine Überdeckung in Azimuthrichtung ergeben, die breiter als jede Gruppe
ist, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:
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Aufteilen des Sendeausganges eines vorgegebenen Sendeempfängers in zwei
Signale vor der Sende-Leistungsverstärkung und Übertragen der Signale in
benachbarten schmalen, sich überlappenden Strahlen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1a und 1b schematisch die Verwendung einer einen schmalen
Strahl bildenden Antenne zur Kommunikation zwischen einer Basisstation und einer
Mobilstation zeigen,
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Fig. 2a-2c schematisch das Prinzip der Sektorisierung einer Basisstation
zeigen,
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Fig. 3 ein Blockschaltbild der Hauptelemente eines Zellularsystemes ist,
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Fig. 4a und 4b die Unterschiede der Verbindungsabwicklung zwischen
einem üblichen Zellularsystem und einem System zeigen, das eine intelligente
Antenne verwendet,
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Fig. 5 ein Blockschaltbild der Hauptelemente einer Basisstation ist,
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Fig. 6a und 6b Schaltbilder der Bestandteile einer mit mehrfachen
schmalen Strahlen arbeitenden Basisstation sind,
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Fig. 7 das Grundprinzip einer Koppelfeldes zeigt,
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Fig. 8 schematisch die Verwendung eines Stördetektors zeigt,
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Fig. 9 schematisch die Verwendung einer unterstützen
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Übergabeverwaltung zeigt,
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Fig. 10 ein Blockschaltbild einer Kommunikationsstrecke zwischen der
intelligenten Antenne und dem Rest eines Zellularsystems ist,
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Fig. 11 bildlich das Interfacetten-Strahlungsdiagramm eines Multifacetten-
Systems mit und ohne die Verwendung von Phasensprüngen zeigt,
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Fig. 12a-12c Diagramme von unterschiedlichen Ausführungsformen von
Phasensprüngen sind,
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Fig. 13a und 13b schematisch die Prinzipien einer Winkeldiversity
zeigen,
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Fig. 14a-14c schematische Darstellungen von unterschiedlichen
Ausführungsformen des Dual-Sendestrahl-Systems mit einer Darstellung der
relativen Strahlungsdiagramm-Verbesserungen sind, die gefunden wurden,
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Fig. 15a-15c die Betriebsweise einer mit einer Vielzahl von schmalen
Strahlen arbeitenden Basisstation zeigen,
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Fig. 16a und 16b schematisch die verringerte Überlappung an
unterschiedlichen Zellenradienbegrenzungen unter Verwendung einer
Zellendimensionierung zeigen,
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Fig. 17a und 17b schematisch die Flexibilität der Basisstationsposition
durch die Verwendung der Zellendimensionierung zeigen,
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Fig. 18 schematisch die Verwendung der Zellendimensionierung zur
Verringerung von Störproblemen zeigt, und
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Fig. 19 schematisch die Verwendung einer Zellendimensionierung zur
Vermeidung einer Überlastung zeigt.
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Die Hauptelemente einer intelligenten Antenne, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist,
umfassen einen Mast, einen Turm oder ein Gebäude 10, das die Antennengruppe
oder die Antennengruppen 12 und die zugehörige Antennen-Elektronikeinheit 14
trägt, die Strahlformer, Diplexer und Verstärker einschließt. Die Antennen-
Elektronikeinheit 14 ist über eine Kabinen-Elektronikeinheit 16 mit der Basisstation
18 verbunden, die durch eine Basisstationssteuerung 20 gesteuert wird. Das
intelligente Antennensystem ersetzt die übliche passive Antenne, die normalerweise
an der Basisstation angebracht ist. Die Verwendung von Elektroniken in dem
Mastkopf ermöglicht die Ausführung der Verbindungsvermittlung zwischen den
Sendeempfängern und den Antennen innerhalb der intelligenten Antenne, wie dies
in Fig. 4b gezeigt ist. Die Vermittlung erfolgt nunmehr an den
Hochfrequenzsignalen und erfordert lediglich eine örtliche Steuerung von der daran
angebrachten Basisstation. Dies erfordert es, daß eine neue
Schnittstellenverbindung 17 zwischen der Basisstation und dem intelligenten
Antennensystem hergestellt wird. Die bisherige Basisbandinformation ist nicht mehr
erforderlich, wodurch die Belastung der Signalisierung durch das Zellularfunk-Netz
verringert wird. Sie wird durch die Hochfrequenz-Zuordnungsinformation auf der
neuen Schnittstellenverbindung zwischen der Basisstation und der intelligenten
Antenne ersetzt. Diese Schnittstelle wird weiterhin dazu verwendet,
Steuerinformationen von den MSC-, OMC- und NMC-Teilen des zellularen Systems
zu übertragen.
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Für die Zwecke dieser Beschreibung wird der Ausdruck "Basistationsnetz" dazu
verwendet, alle Teile des Zellularsystems vor der intelligenten Antenne und ihrer
Schnittstellenverbindung zu beschreiben, d. h. die Funkeinrichtung, die
Basisstationssteuerung, die Funkvermittlungsstelle, die Betriebs- und Wartungs-
und Netzverwaltung.
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Die ausführlichen Bestandteile der intelligenten Antenne sind in Fig. 6 gezeigt. Die
Mastkopf-Antennenelektronik ist in Fig. 6a gezeigt, während die Kabinenelektronik
in Fig. 6b gezeigt ist. Es ist lediglich eine der Antennengruppen gezeigt. Jede
Antennengruppe 40 umfaßt eine übliche Gruppe oder eine Anordnung von
einzelnen Antennenelementen 42, die in Reihen und Spalten angeordnet sind. Jede
Spalte von Elementen wird über ein Elevations-Strahlformungsnetzwerk 44
gespeist. Jedes Elevations-Strahlformungsnetzwerk kombiniert die Elemente einer
Spalte zu einem einzigen Speisepunkt. Die Amplituden- und Phasenbeziehungen
der Hochfrequenzsignale, die an den Elevations-Strahlformer angekoppelt werden,
bestimmen das Elevations-Strahlungsdiagramm der Antenne sowohl beim Senden
als auch beim Empfangen. Jeder Elevations-Strahlformer ist mit dem Azimuth-
Strahlformer 46 gekoppelt. Der Azimuth-Strahlformer hat mehrfache Anschlüsse
sowohl zum Senden als auch Empfangen, einen für jeden Elevations-Strahlformer.
Die Phasen- und Amplitudenbeziehungen der Funksignale, die an die Elevations-
Strahlformer angekoppelt werden, steuern das Azimuth-Strahlungsdiagramm
sowohl für das Senden als auch das Empfangen. Weil sich der Azimuth-
Strahlformer vor den rauscharmen Verstärkern des Empfangspfades befindet, muß
er für geringe Verluste auf diesem Pfad optimiert werden. Eine gut bekannte Art von
Strahlformer ist die Butler-Matrix.
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Die Sende- und Empfangssignale für den Azimuth-Strahlformer werden an den
Strahlformer über einzelne Diplexer 48 angekoppelt. Filter, die gerade die Sende-
bzw. Empfangs-Frequenzbänder überdecken, können für diesen Zweck verwendet
werden. In dem Sendepfad werden die Diplexer 48 über einen Kombinierer 50 aus
getrennten Einzelträger-Leistungsverstärkern 52 gespeist. Diese verstärken die
Hochfrequenzsignale bis zu den Leistungspegeln, die für die Aussendung
erforderlich sind. In dem Empfangspfad speisen die Diplexer 48 getrennte, im
wesentlichen identische rauscharme Verstärker 62, einen für jeden Azimuth-Strahl.
Die rauscharmen Verstärker sind erforderlich, um die schwachen empfangenen
Hochfrequenzsignale vor irgendwelchen Systemverlusten zu verstärken, um eine
niedrige Rauschzahl (hohe Empfindlichkeit) in dem nachfolgenden Empfangspfad
zu erreichen.
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In dem Empfangspfad werden Signale von den rauscharmen Verstärkern 62 zu dem
Empfangsteiler 74 weitergeleitet. Auf der Sendeseite werden Signale an die
Einzelträger-Sendeverstärker von Zellenformungs-Dämpfungsgliedern 54
weitergeleitet. Es ist ein Zellenformungs-Dämpfungsglied pro Sendeverstärker
vorgesehen. Alle Dämpfungsglieder in irgendeinem Strahl sind auf den gleichen
Wert eingestellt, um eine neue Strahlschablone über alle Frequenzen zu erzielen.
Hierdurch wird die maximale Reichweite in einer bestimmten Richtung eingestellt,
doch kann die zum Erreichen einer bestimmten Mobilstation erforderliche Leistung
in dem Strahl hiervon abweichend verringert werden, wenn dies erforderlich ist. Die
Dämpfungsglieder werden von dem Betreiber über die Mastkopf-Steuerelektronik
gesteuert. Die Zellenformungs-Dämpfungsglieder liegen vor den Verstärkern, so
daß übliche Dämpfungsglieder niedriger Leistung verwendet werden können. Durch
Anordnen der Dämpfungsglieder vor der Kombinationseinrichtung wird das
Intermodulationsverhalten verbessert, weil sie jeweils bei einer einzigen Frequenz
arbeiten.
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Signale werden von den Sendeempfängern 84 an die Zellenformungs-
Dämpfungsglieder über ein Koppelsystem über eine wahlweise Phasensprung-
Moduleinheit 66 geleitet. Dies stellt sicher, daß alle Sender mit irgendeinem
Strahlformer-Eingang verbunden werden können, doch wird lediglich ein Verstärker
mit irgendeinem der Einzelträger-Leistungsverstärker zu irgendeiner Zeit
verbunden. Das Koppelsystem umfaßt mehrere Ebenen der Kopplung oder Teilung,
was hauptsächlich eine maximale Redundanz auf den Rundstrahlpfad und sekundär
eine gewisse Redundanz in den Verkehrspfaden sicherstellt. Die Sendeempfänger
84 können, falls erforderlich, mit dem Eingang einem n·n-Sende-Koppelfeld
verbunden sein, wobei n gleich der Anzahl von Sendeempfängern ist. Das Sende-
Koppelfeld ermöglicht es, daß irgendein Eingang mit irgendeinem Ausgang
verbunden wird, wobei jedoch nicht mehr als ein Eingang mit irgendeinem Ausgang
gleichzeitig verbunden wird. Dies ermöglicht eine Redundanz, wenn irgendein Kabel
in dem Mast ausfällt, doch kann die gleiche Funktion von der Funkbasisstation BTS
ausgeführt werden, wenn eine geeignete Befehlsschnittstelle vorhanden ist. Eine
Kombination von Koppelfeldern und Teilern 56, 58, 68 wird dazu verwendet,
sicherzustellen, daß der Rundstrahlpfad zu jedem Strahl geführt wird, während ein
Einzel-Verkehrskanal lediglich zu einem Strahl geführt wird. Diese Kopplungs- und
Teilerfunktion kann entweder am oberen Ende oder am unteren Ende des Mastes
angeordnet werden, oder es kann eine Kombination von beiden verwendet werden,
wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Das bevorzugte Verfahren besteht darin, die Haupt-
Facetten-Koppelfelder 68 am unteren Ende des Mastes anzuordnen, wobei dann
jeder Sendeempfänger-Pfad auf jeden Strahl über den Strahlteiler 58 aufgeteilt wird,
wobei das Verstärkerauswahl-Koppelfeld 56 die nicht erforderlichen Strahlen
abschaltet. Dies macht die gerätemäßige Ausgestaltung des Dual-Sendestrahl-
Konzeptes wesentlich einfacher und stellt sicher, daß sich die eine geringere
Zuverlässigkeit aufweisenden Bauteile in der Kabine befinden, wo der Zugang
einfacher ist.
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Die Sende-, Empfangs- und Verstärkerauswahl-Koppelfelder umfassen einen
Kreuzschienenverteiler, der es ermöglicht, daß irgendeiner seiner Eingänge mit
irgendeinem seiner Ausgänge verbunden wird. Die Koppelfeldkonstruktion ist derart,
daß irgendeine Anzahl von Sendern oder Empfängern gleichzeitig mit irgendeinem
Strahlformer-Port verbunden werden kann, so daß, falls erforderlich, alle die Sender
mit einem Strahlport zu einer vorgegebenen Zeit verbunden werden können. In
gleicher Weise können alle Empfänger erforderlichenfalls mit dem gleichen
Strahlport gleichzeitig verbunden werden. In der Praxis, ist, wenn mehr
Sendeempfänger vorhanden sind, als ein einzelner Strahl verarbeiten kann, die
Anzahl der Sender, die mit dem Strahlport verbunden werden können, durch die
Anzahl von Sendeleistungsverstärkern 52 beschränkt. Die Koppelfelder werden
unter der Steuerung eines Steuerprozessors 80 betrieben. Eine typische
Koppelfeld-Struktur ist in Fig. 7 gezeigt.
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Der Empfangsteiler 74 stellt sicher, daß alle ankommenden Signale von jedem
Strahl dem Stördiskriminator 70, den parallelen Empfängern 72 und sowohl dem
Haupt- als auch Diversity-Empfangs-Koppelfeldern 82 zugeführt werden.
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Der Stördiskriminator 70 wird zur Identifikation verwendet, ob das ankommende
Signal von einer Mobilstation in der eigenen Zelle ist, oder nicht, oder ob es ein
Signal einer nahegelegenen Zelle oder von irgendeiner Störquelle ist. Die parallelen
Empfänger schätzen lediglich die Signalfeldstärke ab, eines der stärksten Signale
muß jedoch nicht notwendigerweise von einer Mobilstation innerhalb der Zelle sein,
wie dies durch das direkte Pfadsignal von MS 2 in Fig. 8 gezeigt ist. Wenn diese
fehlerhaften Signale nicht identifiziert werden, so kann dies zu Fehlern bei der
Verarbeitung innerhalb der Basisstation führen. Alle Übertragungen zwischen einer
Mobilstation und einer Basisstation enthalten ein festes Muster, das als
Trainingsfolge bekannt ist, und jede Basisstation innerhalb eines vorgegebenen
Bereiches hat ihre eigene eindeutige Trainingsfolge. Der Stördiskriminator wählt
einen der Strahlen in jedem Zeitschlitz aus und sucht nach der Trainingsfolge
innerhalb des empfangenen Signals, wobei üblicherweise Korrelationstechniken für
digitale Signale verwendet werden. Der Strahl, der ausgewählt wird, wird von dem
Steuerprozessor auf der Grundlage der Information festgelegt, die von den
Empfangs-Koppelfeldern und dem Stördiskriminator empfangen wird. Er betrachtet
nicht notwendigerweise jeden Strahl, sondern lediglich die, die die
wahrscheinlichsten Wettbewerber sind. Die Verwendung eines Stördiskriminators ist
eines der Merkmale des intelligenten Antennensystems, das eine Verringerung der
Frequenz-Wiederbelegungszahl ermöglicht.
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Eine Bank von parallelen Empfängern 72, einer für jeden Strahl, ermöglicht es, daß
jeder Empfangskanal an jedem Strahl gleichzeitig überwacht wird. Für jeden Kanal
messen die Empfänger die Qualität des Signals von der gewünschten Mobilstation,
das an jedem Strahl vorhanden ist. Die Information darüber, welches der "beste"
Strahl ist, wird an den Steuerprozessor weitergeleitet. Das Qualitätsmaß, das von
den Empfängern verwendet wird, ändert sich in Abhängigkeit von dem speziellen
betreffenden Zellularsystem. In einfachen Fällen ist das Maß der höchste
Leistungspegel, während in anderen Fällen das Träger-/Störverhältnis verwendet wird.
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Die grundlegende Funktionen des Steuerprozessors 80 besteht in der Steuerung
der Sende- und Empfangs-Koppelfelder derart, daß der beste Strahl (normalerweise
derjenige, der auf die geografische Position der Mobilstationen zeigt) für einen
vorgegebenen Kanal ausgewählt wird. Die Eingänge an den Steuerprozessor sind
die Strahlamplitudendaten von den parallelen Empfängern und Daten von den
Steuer-Busleitungen an die Basisstation. Die letzteren ermöglichen es dem
Steuerprozessor, die Zuordnung einer vorgegebenen Mobilstation zu verschiedenen
Steuer- und Verkehrskanälen in dem System während des Verlaufs einer
Verbindung zu überwachen. Eine Kenntnis darüber, zu welchem Kanal die
Mobilstation bewegt wird, ermöglicht eine prompte und unterbrechungsfreie
Zuordnung zu dem besten Strahl. Die verwendeten Steueralgorithmen fallen in zwei
grundlegende Klassen, nämlich eine für die anfängliche Erfassung des besten
Strahls für eine neue Verbindung, und eine zum Verfolgen des besten Strahls, wenn
eine Verbindung läuft. Es wird erwartet, daß aufgrund von unterschiedlichen
Mehrpfad-Bedingungen die Parameter innerhalb der Steueralgorithmen sich für
ländliche und städtische Zellen ändern. Die Bestimmung der Strahlauswahl auf der
Aufwärtsstrecke wird dazu verwendet, den entsprechenden Strahl für die
Abwärtsstrecke auszuwählen. Die Information über die Winkelposition der
Mobilstation, d. h. dem derzeit verwendeten Strahl, zusammen mit Echtzeit-
Verfolgungsdaten von dem Verfolgungsalgorithmus unter Einschluß von Entfernung
und Winkelgeschwindigkeit wird zurück an den Sendeempfänger-Steuerbus über
die BTS an die BSC oder MSC gesandt, wie dies erforderlich ist.
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Diese Information kann dann zur nächsten Zelle gelenkt werden, in die sich die
Mobilstation bewegt. Die Wahl dieser nächsten Zelle wird auf der Grundlage einer
Abfrage der umgebenden Zellen entschieden, entweder von der Mobilstation oder
durch die Basisstations-Steuerung. Wenn die Auswahl durch die Basisstations-
Steuerung erfolgt, so kann die Information von der intelligenten Antenne verwendet
werden, um Prioritäten bei der Abfragefolge zu setzen. Dies ermöglicht es der
Steuerung, die richtige Entscheidung schneller zu erreichen, wodurch die Belastung
der Basisstations-Steuerung verringert wird. Nachdem die richtige Zelle gewählt
wurde, besteht bei einem üblichen Rundstrahlempfänger kein Vorteil darin, daß die
angenäherte Azimuthposition der Mobilstation in dieser Zelle bekannt ist; bei einer
Mehrstrahl-Antenne muß jedoch jeder Strahl überwacht werden, um denjenigen zu
finden, der die Mobilstation enthält. Es ist daher von großem Vorteil, den
angenäherten Strahl zu kennen, in dem eine Mobilstation erscheint, so daß die
Reihenfolge, in der die Strahlen analysiert werden, bewertet werden kann, um der
bekannten Richtung Priorität zu geben. Fig. 9 zeigt eine Mobilstation, die durch die
Zelle 1 hindurch und in die Zelle 2 läuft. Der Verfolgungsalgorithmus der
intelligenten Antenne in der Zelle 1 überwacht die fortschreitende Bewegung der
Mobilstation durch die Strahlen 12, 11, 10 und 9 und kann dann eine ziemlich
genaue Vorhersage an die Zelle 2 liefern, daß die Mobilstation in einem der
Strahlen 18, 19 oder 20 erscheint.
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Die Haupt- und Diversity-Empfangs-Koppelfelder arbeiten unter der Steuerung des
Steuerprozessors auf der Grundlage von Informationen, die von den parallelen
Empfängern abgeleitet sind, und sie wählen das stärkste bzw. zweitstärkste Signal
aus. Diese Signale werden dann über Hochfrequenz-Bus-Pfade zu den Haupt- und
Diversity-Ports der Bank von Sendeempfängern 84 gekoppelt, einen für jeden
Kanal, der von der Basisstation bereitgestellt werden soll, wo sie als Eingangssignal
einem Maximalverhältnis-Kombinierer des Typs zugeführt werden, der in der
Veröffentlichung Mobile Communications Systems by J. D. Parsons et al., Blackie
1989 beschrieben ist. Die Sendeempfänger werden unter der Steuerung der
Basisstations-Steuerung 88 betrieben, die weiterhin eine Gesamtsteuerung für den
Koppelfeld-Steuerprozessor 80 ergibt.
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Der Sendeempfänger-Steuerbus 86 ergibt die Kommunikationsstrecke zwischen der
Basisstation und der intelligenten Antenne. Die Kommunikationsverbindungsstrecke
besteht aus mehreren Busleitungen, deren Format sich entsprechend der Art von
Basisstation ändert, an der die intelligente Antenne angebracht ist. Soweit möglich,
verwendet die Busstruktur in der intelligenten Antenne das Busprotokoll der
Basisstation. Bei der derzeitigen gerätemäßigen Ausgestaltung gibt es fünf
Bustypen, die die nachfolgend angegebene Information führen:
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1. Betrieb und Wartung, der Konfigurations-Überwachungs- und
Alarmverwaltungsinformationen für allgemeine Betriebszwecke führt.
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2. Vom Betreiber gesteuerte Konfigurationsinformationen, die von entweder
der BSC oder der MSC ausgehen.
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3. Frequenzwerte, Zeitsteuerinformation zur Identifikation innerhalb der GSM-
Rahmenstruktur, Steuerinformationen, Strahlleistungspegel und Entfernung der
Mobilstation. Diese gehen von der BTS zu der intelligenten Antenne mit einem Bus
pro Sendeempfänger.
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4. Informationen über die Mobilstation, beispielsweise Signalfeldstärke,
Richtung, Strahlnummer. Diese laufen von der intelligenten Antenne zu der BTS.
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5. Signalauftastimpulse.
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Die tatsächliche physikalische Verbindungsstrecke, die für die Kommunikation
zwischen der intelligenten Antenne und der BSC und/oder der MSC verwendet wird,
ist vorzugsweise die vorhandene Signalisierungs-Verbindungsstrecke, doch kann
auch eine getrennte Verbindungsstrecke gemäß Fig. 10 verwendet werden.
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Die Schlüsselmerkmale der Erfindung können nunmehr in weiteren Einzelheiten
betrachtet werden, und sie werden im Vergleich zu der üblichen mit Sektorisierung
arbeitenden Basisstation betrachtet. Es ist nicht ein einzelnes Merkmal der
Erfindung, sondern vielmehr die Gesamtarchitektur (die Funktionen und ihre präzise
Anordnung), die eine praktische und wirtschaftliche Verwirklichung des
Schmalbandkonzeptes ergibt.
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Bei Betrachtung von dem Netzstandpunkt erscheint die intelligente Antenne als eine
Rundstrahl-Zellenposition. Weil irgendein Sendeempfänger auf irgendeinen Strahl
geschaltet werden kann und damit in irgendeine Richtung blicken kann, gibt es
keine Sektoren. Somit sind innerhalb des Netzes alle Signalisierungs- und
Verarbeitungsfunktionen, die mit der Übergabe von Sektor zu Sektor verbunden
sind, beseitigt. Weiterhin beseitigt die Tatsache, daß Sendeempfänger in
irgendeiner Richtung verwendet werden können, die Bündelungsineffizienz von in
Sektoren unterteilten Positionen. Diese Faktoren beseitigen nicht nur eine
erhebliche Last auf das Netz, sondern ermöglichen es auch dem Antennensystem,
effektiv schmalere Bandbreiten zu verwenden, als dies anderenfalls möglich wäre.
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Ein Rundstrahldiagramm ist immer noch erforderlich, weil eine Zellularfunk-
Basisstation den BCCh-Kanal über den gesamten Überdeckungsbogen mit
maximaler Leistung in allen Zeitschlitzen abstrahlen muß. Es kann weiterhin
erforderlich sein, andere Träger zu gewissen Zeiten mit dem vollen
Überdeckungsbogen abzustrahlen. In üblichen Basisstations-Konfigurationen wird
dies durch die Verwendung eines einzelnen Rundstrahl- oder 3-Sektor-
Antennensystems erzielt, wobei alle Träger das gleiche Überdeckungsdiagramm
haben. Für eine intelligente Antennenanordnung liegt jedoch eine andere Situation
vor, weil Verkehrskanäle unter Verwendung ausgewählter schmaler Strahlen
abgestrahlt werden, während die Basisstation für das Zellularsystem als
Rundstrahlsystem erscheint. Um dies zu erzielen, muß die Antennenanordnung
sowohl gerichtete als auch Rundstrahldiagramme gleichzeitig erzeugen. Die
intelligente Antenne besteht aus einer Anzahl von Facetten, die jeweils einen
vorgegebenen Sektor überdecken, so daß die Gesamtüberdeckung 360 Grad ist.
Jeder Sektor enthält eine Anzahl von Strahlen, die ein Sektordiagramm erzeugen.
Dies kann unter Verwendung eines Strahlsatzes erzielt werden, der beispielsweise
eine Butler-Matrix verwendet. Ein derartiger Satz von Strahlen erzeugt bei
gleichzelliger Erregung durch einen Hochfrequenzträger ein Sektordiagramm mit
minimaler Welligkeit.
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Um ein Rundstrahldiagramm mit minimaler Welligkeit zu erzielen, ist es erforderlich,
jede Facette so anzuordnen, daß ihre Phasenmittelpunkte zusammenfallen. Dies ist
eindeutig nicht möglich. Die Praxis diktiert, daß ein minimaler
Phasenmittelpunktsabstand von typischerweise fünf oder mehr Wellenlängenabständen erforderlich ist.
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Wenn die Phasenmittelpunkte getrennt sind, so werden Nullstellen in dem
Diagramm erzeugt, deren Position und Tiefe von der Phasenmittelpunkts-Trennung,
der Rate des Abfalls der einzelnen Sektordiagramme, von elektrischen
Phasensteuerfehlem und von mechanischen Positionierungstoleranzen abhängt.
Eine bildliche Darstellung eines typischen Nulldiagramms an dem
Interfacettenbereich für eine 4-Facetten-Montage ist in Fig. 11 gezeigt. Für den
Abstand von fünf Wellenlängen, der in einer praktisch zu verwirklichenden
intelligenten Antenne erforderlich ist, tritt diese erste Nullstelle unter der Annahme
einer perfekten Phasensteuerung und einer perfekten mechanischen Ausrichtung
etwa 5,6 Grad von dem Facetten-Schnittpunkt auf und hat eine Tiefe von etwa 6-7
dB, was mehr ist, als das was toleriert werden kann. In vielen Installationen,
beispielsweise denjenigen um Gebäude herum, kann ein Abstand von 100 oder
mehr Wellenlängen erforderlich sein, was tatsächlich zu sehr tiefen Nullstellen führt.
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Dieser Effekt ermöglicht es nicht, daß eine gute Rundstrahl-Überdeckung erzielt
wird. Zwei mögliche Lösungen bieten sich an. Zunächst sollte die Zelle in Sektoren
unterteilt werden, wodurch die Forderung für eine Rundstrahl-Überdeckung beseitigt
wird. Dies könnte auf der Grundlage entweder einer Unterteilung in vier Sektoren
unter Verwendung von vier BCCh-Kanälen oder auf der Grundlage von zwei
Sektoren unter Verwendung von zwei BCCh-Kanälen erfolgen, die in
entgegengesetzte Richtungen zeigen. Die zweite Lösung, die ausführlich zu
erläutern ist, ist als Phasensprung bekannt und es ist diese Lösung, die für die
Erzeugung des Rundstrahldiagramms vorgeschlagen wird, das dann eine effektive
(zeitlich gemittelte) Amplitudenwelligkeit von etwa 2 dB hat. Fig. 11 zeigt weiterhin
in Überlagerung des Nulldiagramms eine dicke gestrichelte Linie, die die
Verbesserung zeigt, die erzielt wird, wenn Phasensprünge oder eine
Phasenumtastung verwendet wird.
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Bei der Phasenumtastung wird die Anordnung von Facetten in Form von zwei oder
mehr Gruppen gespeist, wobei keine zwei benachbarten Facetten von dem gleichen
Ausgang des Phasenumtastmoduls gespeist werden. Ein Beispiel eines derartigen
Phasenumtastmoduls ist in Fig. 12a gezeigt. In diesem Fall besteht das Feld aus
vier Facetten, die jeweils einen Sektor von 90 Grad überdecken. Die diametral
gegenüberliegenden Facetten sind über einen Leistungsteiler mit der gleichen
Speisung verbunden. Jedes dieser Paare von Speisungen wird in der Phase relativ
zueinander durch die Verwendung eines Phasenschiebers bewegt. Dies kann durch
einen einzigen 360 Grad-Phasenschieber in einem Arm erzielt werden. Alternativ
könnten zwei einen geringeren Wert aufweisende Phasenschieber, die die
vollständige relative 360 Grad-Phasenverschiebung liefern können und von denen
jeweils einer in jedem Arm angeordnet ist, verwendet werden. Dieses letztere
System ergibt in der Praxis eine bessere Amplitudensymmetrie.
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Die Phasenschieber werden in einer derartigen Weises gesteuert, daß die relative
Phase der Facetten über 360 Grad in einem geeigneten Zeitmaßstab geändert wird,
damit das fragliche System die empfangene Energie integriert und die beste mittlere
Verbindungsstrecke aufrechterhält. Im Fall der Schwingungsformen vom GSM/DCS
1800-Typ wird dies wahrscheinlich am besten dadurch erzielt, daß die Phase auf
einer Zeitschlitz-für-Zeitschlitz-Basis unter Verwendung von beispielsweise 16
Schritten schrittweise verändert wird, wobei dies in einer pseudo-zufälligen Weise
gesteuert wird. Die Verwendung einer schrittweisen Schwingungsform verhindert in
diesem Fall eine Beeinträchtigung des Phasenkurven-Ansprechverhaltens, das bei
einer linearen Phasenverschiebung auftreten würde. Die zufällige Ausgestaltung der
Phasensteuerung dient zur Verhinderung irgendeiner zyklischen Störung mit
verschiedenen GSM-Meldungsformaten, die auf einer Multi-Rahmen-Grundlage
auftreten.
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Der effektive Verlust eines derartigen Systems liegt bei einem Maximum von
ungefähr 2 dB bezogen auf die optimal kombinierten Signale, wenn beide Signale
die gleiche Amplitude aufweisen, wobei sich ein niedrigerer Wert für ungleiche
Amplituden aufweisende Signale ergibt. Bei einem derartigen System ergibt sich,
wenn der Überkreuzungspegel zwischen Facetten auf -4 dB liegt, ein praktisch
gleichförmig gemitteltes Rundstrahldiagramm.
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Ein alternatives Verfahren, das in bestimmten Situationen brauchbar ist, ist in Fig.
12 gezeigt. Dieses Verfahren beinhaltet die Phasenumtastung zwischen
benachbarten Facetten auf einer der Diagonalen, d. h. den Interfacettenbereich
zwischen 1 + 2 und zwischen 3 + 0, jedoch nicht zwischen 0 + 1 oder 2 + 3. Dies
kann nur dann erzielt werden, wenn die Facetten-Phasenmittelpunkte der letzteren
zwei Paare (0+1, 2+3) ausreichend nahe beieinander liegen, um die Erzielung eines
guten Strahlungsdiagramms an diesem nicht umgetasteten Interfacettenbereich zu
erzielen.
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Ein Verfahren, das im Ergebnis einen Phasenzyklus des Interfacettenbereiches
ergibt, ist in Fig. 12c gezeigt. Dieses Verfahren beinhaltet die Verwendung von
Sende-Diversity, wobei die Haupt- und Diversity-Ports der Sender mit benachbarten
Facetten verbunden sind. Der Diversity-Port enthält das gleiche Signal wie der
Hauptport, jedoch zeitverzögert. Bei der GMSK-Modulation, wie sie bei GSM und
DCS1800 verwendet wird, haben abwechselnde Bits eine Versetzung gegenüber
dem vorhergehenden Bit, die gleich einem Vielfachen von 90 Grad ist. Dies ergibt
für die Facetten zufällige 90 Grad-Phasenänderungen, eine Form der
Phasenumtastung.
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Die Position der Verstärker 50, 52 an der Spitze des Mastes oder des Gebäudes ist
das Schlüsselmerkmal für die gesamte Architektur. Zunächst ist das Konzept der
Umschaltung der Sender auf irgendeinen Strahl unpraktisch, sofern es nicht ohne
die Erzeugung von Intermodulationsprodukten erzielt werden kann, oder wenn diese
zumindest auf einem sehr niedrigen Pegel gehalten werden. Dies ist nicht möglich,
wenn man versuchen würde, die Leistungspegel, die bis zu 50 Watt betragen
können, an den Sendeempfänger-Ausgängen zu schalten. Es ist erforderlich, vor
der Leistungsverstärkung zu schalten. Zweitens müssen, wenn die
Leistungsverstärkung am Fuß des Mastes oder des Gebäude erfolgt, die
Hochfrequenz-Speisekabel einen sehr niedrigen Verlust aufweisen, so daß sie groß
und aufwendig werden. Dies würde eine erhebliche praktische Beschränkung
hinsichtlich der Anzahl von Strahlen darstellen, die man in einem System haben
könnte.
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Durch Anordnen der Verstärker an der Spitze des Mastes oder des Gebäudes
werden die vorstehenden Probleme gelöst. Die präzise Position in der Architektur
innerhalb der Antennenelektronik ist jedoch immer noch kritisch. Weiterhin müssen
die Verstärker, weil sie sich an der Spitze des Mastes befinden, extrem zuverlässig
sein, und Ausfälle sollten keine katastrophale Beeinträchtigung der
Systembetriebsleistung hervorrufen.
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Die Anordnung der einzelnen Träger-Leistungsverstärker 52 vor den Diplexern 48,
die vor dem Azimuth-Strahlformer liegen, ergibt einen ausgezeichneten Kompromiß
zwischen den vorstehenden Faktoren und den Kosten. Wenn ein vollständiger
Einzelträger-Leistungsverstärker ausfallen würde (was aufgrund ihrer einfachen
Hybrid-Konstruktion, die zu einer hohen Zuverlässigkeit führt, unwahrscheinlich ist),
so würde der Haupteffekt eine Verringerung der Verkehrskapazität in lediglich
einem Strahl sein. Das Rundstrahldiagramm würde unbeeinflußt bleiben, weil dies
Vorrang in der Verstärkerzuteilung über die Koppelfelder hat. Die Verwendung von
Einzelträger-Verstärkern verringert die Probleme mit Intermodulationsprodukten. Die
Anordnung der Diplexer vor dem Azimuth-Strahlformer erfordert weniger Diplexer,
was sich als eine kosteneffektivere Lösung erweist. Dies vereinfacht weiterhin die
Steuerung der Amplitudenwelligkeit über die Strahlen hinweg, die für das
Rundstrahldiagramm erforderlich sind.
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Ein möglicher Nachteil der Erfindung wird besteht darin, daß eine relativ große
Antennenapertur in Ausdrücken der Wellenlängen erforderlich ist, um die schmalen
Strahlen zu erzeugen. Wenn die Antennenapertur sehr groß sein würde, so könnte
dies ästhetische und strukturelle Probleme aufgrund der Windbelastung usw. an
manchen Standorten hervorrufen. Dieser mögliche Nachteil wird dadurch
überwunden, daß das gleiche Antennenfeld 40 für das Senden und Empfangen
verwendet wird. Auf diese Weise ist der Umriß der Antenne für eine annehmbare
Strahlbreite kleiner als der für viele übliche Zellenstandorte. Somit ist das
Diplexieren des Sendens und Empfangens durch die gemeinsame Apertur ein
Schlüsselmerkmal der Architektur.
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Diese Art von Antenne weist weiterhin den möglichen Nachteil auf, daß sie sich
nicht ohne weiteres als solche für die Verdopplung der Antennenelemente eignet,
die zur Erzielung einer Raumdiversity in dem Empfangspfad erforderlich ist. Eine
räumliche Diversity ist das üblichste Verfahren, das derzeit verwendet wird, um die
Multipfad-Probleme zu überwinden. Die intelligente Antenne kann dieses Problem
durch Verwendung einer Winkeldiversity überwinden, und zwar aufgrund der
Tatsache, daß sie ein getrenntes ankommendes Signal in jedem einen ihrer Vielzahl
von Strahlen hat. Diese Signale können mit den zwei größten Signalen verglichen
werden, die in den Empfangs-Koppelfeldern ausgewählt werden, so daß die
Diversity beibehalten werden kann.
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Die mit dieser Erfindung erzielten Vorteile sind zweifach, in Abhängigkeit davon, ob
die Zellular-Basis-Sendeempfängerstation sich in einem Bereich mit großen oder
kleinen Mehrpfad-Problemen befindet. In einer Umgebung mit starken Mehrpfad-
Problemen empfängt die Antenne starke gestreute Signale unter stark getrennten
Winkeln, wie dies in Fig. 13a gezeigt ist. Die Antenne wählt die zwei stärksten
Signale unabhängig davon aus, in welchem Strahl sie auftreten, wobei dies
beispielsweise die Strahlen B8 und B17 oder irgendeine Kombination der gezeigten
Strahlen sein könnte. Diese zwei Signale können dann zu den Haupt- und Diversity-
Ports irgendeines Maximalverhältnis-Kombinierers gelenkt werden, um die
empfangene Leistung zu einem Maximum zu machen, und um dem System einen
Diversity-Gewinn zu erteilen.
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In einer Umgebung mit geringen Mehrpfad-Problemen, in der starke gestreute
Signale nicht so üblich sind, befinden sich die zwei stärksten Signale normalerweise
in benachbarten Strahlen, wie dies für die Mobilstation in Fig. 13b gezeigt ist. Die
zwei stärksten Signale ergeben wiederum die Eingänge an einen
Maximalverhältnis-Kombinierer, wie für den Fall bei starken Mehrpfad-Störungen.
Aufgrund der Tatsache, daß die Strahlen orthogonal sind, "füllt" das resultierende
Signal im Ergebnis den größten Teü des Scheitelpunktes zwischen den zwei
Strahlen auf. Entsprechend wird bei einer Umgebung mit geringen Mehrpfad-
Problemen die Welligkeit in dem Rundstrahldiagramm von ungefähr 3,9 dB auf etwa
0,9 dB verringert, wie dies durch den schattierten Bereich in Fig. 13b gezeigt ist,
was zu einem möglichen Gewinn von 3 dB in der empfangenen Signalleistung führt.
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Bei Betrachtung des verbesserten Überdeckungsdiagramms nach Fig. 13b kann
dies auch auf der Sendeseite durch die Verwendung von dualen Sendestrahlen
erzielt werden. Wenn sich eine Mobilstation durch den Scheitelpunkt bewegt, wie
dies in Fig. 13b gezeigt ist, stellt das Koppelsystem sicher, daß das Signal in die
zwei benachbarten Strahlen eingespeist wird. Eine Dualaussendung tritt lediglich
dann auf, wenn die intelligente Antenne vorhersagt, daß die Mobilstation durch den
Scheitelpunkt hindurchläuft oder daß das empfangene Signal von der Mobilstation
sehr schwach ist. Die Verwendung von Strahlteilern zum Speisen des gleichen
Signals an alle Strahlen verringert die Kompliziertheit der gerätemäßigen
Ausgestaltung. Die zwei Strahlen können entweder gleichphasig oder in Quadratur
zugeführt werden, in Abhängigkeit von den Umständen. Die zwei Strahlen können
mit der vollen Leistung gleichphasig gespeist werden, wie dies in Fig. 14a gezeigt
ist, wenn keine ERP-Begrenzung vorhanden ist oder wenn die intelligente Antenne
zumindest 3 dB unterhalb der Grenzwerte arbeitet. Dies führt zu einer Verbesserung
von 3 dB in der Spitzensignalleistung, wobei der 3 dB-Scheitelpunkt bei dem
vorhergehenden Spitzenpegel liegt, wie dies durch den schraffierten Bereich in
Fig. 14c gezeigt ist. Wenn das System nahe an der ERP-Grenze arbeitet, so kann
dieses Verfahren lediglich verwendet werden, wenn der Leistungspegel, der in die
zwei Strahlen eingespeist wird, verringert wird, wodurch die Scheitelpunktbildung
nicht vollständig beseitigt wird. Eine bevorzugte Lösung in diesem Fall besteht
darin, die beiden Strahlen in Quadratur zu speisen, wie dies in Fig. 14b gezeigt ist.
Dies hat die Wirkung des Füllens des Scheitelpunktes, wie dies durch den massiven
Bereich in Fig. 14c gezeigt ist, ohne daß der abgestrahlte Spitzenleistungspegel
vergrößert wird.
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Fig. 15 zeigt die Systembetriebsweise. Fig. 15a zeigt das Konzept einer Vielzahl
von schmalen, sich überlappenden Strahlen, die den Zellenbereich überdecken, der
die Basisstation umgibt. Die Strahlen sind mit b1-b20 bezeichnet. Fig. 15b zeigt,
wie zu einem Zeitpunkt t1 vier Mobilstationen ms1-ms4 durch die Strahlen b2, b8
und b17 bedient werden. Der Strahl b2 bedient zwei Mobilstationen ms2 und ms3
zu dieser Zeit. Wenn sich die Mobilstationen geografisch bezüglich der Basisstation
bewegen, so bedient zum Zeitpunkt t2 der Strahl b18 nunmehr die Mobilstation ms1,
b4 bedient ms3, und b7 bedient ms4. Die Mobilstation ms2 hat sich zum Zeitpunkt t2
aus der Zellenüberdeckung dieser Basisstation herausbewegt und wird nunmehr
von der angrenzenden (nicht gezeigten) Basisstation bedient.
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Die Verwendung von Zellenformungs-Dämpfungsgliedern ermöglicht es, den Umriß
der idealen, in Fig. 15a gezeigten Zelle zu ändern. Dieses Merkmal hat
verschiedene Vorteile für den Zellenplaner und den Betreiber; beispielsweise die
Verringerung von Übergabevorgängen und niedrigere Störpegel durch Beseitigung
von großen Überlappungsbereichen; eine Flexibilität der Positionierung der
Basisstation; eine Vermeidung von Störquellen und eine Überlastungs-Verwaltung,
wobei jeder dieser Punkte einzeln geschrieben wird.
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Zellenplaner verwenden üblicherweise ein hexagonales Gitter zur Erzielung der
besten Überdeckung und einer Störverringerung. In ländlichen Gebieten ist die
Zellengröße durch die Sendeleistung der Mobilstationen und der Basisstationen
begrenzt, doch sind in städtischen Bereichen die Zellen wahrscheinlich auch durch
Gleichkanalstörungen begrenzt. Zellenplaner müssen daher in der Lage sein, Zellen
mit unterschiedlichen Größen an Zellenaufteilungsbegrenzungen aneinander
anzupassen. Fig. 16a zeigt eine typische Zellenauslegung, bei der drei
Zellengrößen verwendet werden, und die schraffierten Bereiche zeigen die
Überlappungsbereiche an. Es ist naheliegend, daß sich ziemlich große
Überlappungsbereiche entlang der Begrenzungen zwischen Bereichen von
unterschiedlichen Zellengrößen ergeben. Überlappungsbereiche ergeben sich
weiterhin zwischen Zellen der gleichen Größe aufgrund der Abschattungswirkungen
und der Taleinschnitt-Wirkung von Straßen in großen Städten, usw.
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Große Überlappungsbereiche können Probleme hinsichtlich von Störungen und
eine wesentlich höhere Übergaberate für Mobilstationen zwischen Zellen
hervorrufen, was zu einer starken Last des Netzes führt. Fig. 16b zeigt, daß durch
Einstellen der Leistungspegel in jedem der Strahlen für die Zellen A4, B9 und B11
die Überlappungsbereiche stark verringert werden können. Dies verringert den
Konflikt darüber, welche Basisstation eine Mobilstation abwickelt, und die
Störungen, die durch überlappende Überdeckungsbereiche hervorgerufen werden.
Dies führt weiterhin zu einer Verringerung des Leistungsverbrauchs für einzelne
Zellen.
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Bei üblichen Basisstations-Antennen hat, sobald über das Zellengitter entschieden
wurde, der Betreiber nur eine geringe Flexibilität hinsichtlich der Positionierung der
Basisstationen. Fig. 17a zeigt, daß zur Erzielung einer Überdeckung für einen
angenäherten Radius R eine übliche BTS an einem Standort nahe an dem
Mittelpunkt der Zelle angeordnet werden muß. Die vorliegende Erfindung
ermöglicht es jedoch aufgrund ihrer Zellendimensionierungsmöglichkeit, daß der
Betreiber eine wesentlich größere Flexibilität hinsichtlich der Positionierung der
Basisstation hat, wie dies in Fig. 17b gezeigt ist. Dies kann zu finanziellen
Einsparungen für den Betreiber führen, weil es die Wahl von preisgünstigeren
Standorten ermöglicht.
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Diese Erfindung hat weiterhin die Möglichkeit, den Überdeckungsbereich um
mögliche Störquellen herum (oder an den Stellen, an denen die BTS der Störer sein
würde) mit minimalem Verlust an Mobilstations-Überdeckung zu verwalten. Durch
Dämpfen von lediglich einem oder mehreren benachbarter Strahlen ist es möglich,
eine Kerbe in dem Antennen-Diagramm anzuordnen, was effektiv als
Störkompensation in einer bestimmten Richtung wirkt, wie dies in Fig. 18 gezeigt
ist.
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Eine Zellendimensionierung kann weiterhin zur dynamischen Steuerung einer
periodischen Überlastung in Zellen verwendet werden. Wenn Fig. 19 betrachtet
wird, können beispielsweise, wenn die Zelle A immer eine wesentlich höhere
Verkehrsdichte während der Morgenstunden erfährt, die Zellen B und C vergrößert
werden, um die Größe der Zelle A (den schattierten Bereich) zu verringern, wodurch
ein Teil der Überlastung beseitigt wird. Später am Tag kann die Überlastung in der
Zelle C auftreten, und die Zellen A und B können vergrößert werden, um die
Verkehrsdichte in der Zelle C zu verringern. Periodische Einstellungen der
Zellenbegrenzungen können erzielt werden, wenn die Verkehrsdichte in einer
bekannten Weise während einer festen Zeitperiode schwankt. Zellengrößen können
lediglich innerhalb der Grenzen der Sendeleistung der Antenne oder einer
auferlegten ERP-Grenze vergrößert werden.
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Dieses Merkmal kann weiterhin dazu verwendet werden, die Ausführung von
Wartungsarbeiten zu ermöglichen, wenn die Zellennutzung niedrig ist. Eine Zelle
kann abgeschaltet werden, und ihre benachbarten Zellen vergrößern ihre Größe,
um die Zelle ohne jeden Verlust an Überdeckung abzudecken.