DE69618394T2

DE69618394T2 - Anordnung zur Antennenstrahlsteuerung der Abwärtsrichtung

Info

Publication number: DE69618394T2
Application number: DE69618394T
Authority: DE
Inventors: Martin Stevens Smith
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1996-06-13
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2016-06-14
Also published as: GB9514659D0; EP0755090B1; MX9602585A; EP0755090A1; US5778324A; DE69618394D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Zellularfunk-Kommunikationssysteme und insbesondere auf eine Antennen-Abwärtsstrecken-Strahlsteueranordnung.
Zellularfunksysteme werden derzeit in der gesamten Welt in weitem Umfang verwendet und stellen eine Telekommunikation für ortsbewegliche Benutzer bereit. Um die Kapazitätsanforderungen innerhalb der verfügbaren Frequenzbereichszuteilung zu erfüllen, unterteilen Zellularfunksysteme einen zu überdeckenden geografischen Bereich in Zellen. An der Mitte jeder Zelle befindet sich eine Basisstation, über die die ortsbeweglichen oder Mobilstationen in Kommunikation treten, wobei jede Basisstation typischerweise mit Antennengruppen oder Strahlerfeldern ausgerüstet sind, die in Sektoren angeordnet sind. Konfigurationen von drei oder sechs Sektoren (Teilzellen) werden in vielen Fällen verwendet, wobei der höhere Gewinn von eine entsprechend schmalere Strahlbreite aufweisenden Antennen die Aufwärtsstrecke von den eine geringere Leistung aufweisenden Mobilstationen verbessert. Der Abstand zwischen den Zellen ist so bestimmt, daß eine Gleichkanal-Störung auf einem tolerierbaren Pegel gehalten wird.
Hindernisse auf einem Signalpfad, wie z. B. Gebäude in bebauten Bereichen und Hügel in ländlichen Bereichen wirken als Streuelemente für die Signale und können Signalisierungsprobleme hervorrufen. Diese gestreuten Signale treten in Wechselwirkung miteinander, und ihr resultierendes Signal an einer Empfangsantenne ist einem tiefen und schnellen Schwund unterworfen, und die Signalhüllkurve folgt in vielen Fällen einer Rayleigh-Verteilung über kurze Strecken, besonders in stark verdichteten Bereichen. Ein Empfänger, der sich durch dieses räumlich ändernde Feld bewegt, erfährt eine Schwundrate, die proportional zu seiner Geschwindigkeit und der Frequenz der Aussendung ist. Weil die verschiedenen Komponenten aus unterschiedlichen Richtungen ankommen, ergibt sich auch eine Doppler-Spreizung in dem empfangenen Spektrum.
Wenn ein neues Zellularfunksystem zu Anfang installiert wird, sind Betreiber in vielen Fällen interessiert, die Aufwärtsstrecken- (Mobilstation zur Basisstation) und Abwärtsstrecken- (Basisstation zur Mobilstation) Reichweite zu einem Maximum zu machen. In vielen Systemen sind die Reichweiten aufgrund der relativ geringen Sendeleistungspegel der handgehaltenen Mobilstationen in Aufwärtsrichtung beschränkt. Jede Vergrößerung der Reichweite bedeutet, daß weniger Zellen erforderlich sind, um einen vorgegebenen geografischen Bereich zu überdecken, wodurch die Anzahl von Basisstationen und die zugehörigen Infrastruktur-Kosten verringert werden.
Die Reichweite einer Verbinungsstrecke, entweder der Aufwärtsstrecke oder der Abwärtsstrecke, kann grundsätzlich auf zwei verschiedenen Wegen kontrolliert werden: entweder durch Einstellen der Leistung des Senders oder des Gewinns oder der Verstärkung am Empfänger. Auf der Abwärtsstrecke ist der naheliegendste Weg zur Vergrößerung der Reichweite die Vergrößerung der Leistung des Basisstations- Senders. Um die Strecke symmetrisch zu machen, muß auch die Reichweite der Aufwärtsstrecke um einen äquivalenten Betrag vergrößert werden. Die Ausgangsleistung eines Senders einer Mobilstation ist jedoch auf einen ziemlich niedrigen Pegel begrenzt, um nationale Vorschriften zu erfüllen, die sich von Land zu Land ändern. Entsprechend muß die Empfangsverstärkung oder der Gewinn an der Basisstation vergrößert werden.
Das hauptsächliche Verfahren zur Verbesserung des Gewinns des Empfangssystems und zur Verringerung des Schwundeffektes besteht darin, irgendeine Form eines Diversity-Gewinns zusätzlich zum Empfangsantennen-Gewinn einzufügen. Das Ziel eines Diversity-Systems besteht darin, den Empfänger mit mehr als einem Pfad zu versehen, wobei die Pfade voneinander durch irgendwelche Maßnahmen unterschieden sind, beispielsweise Raum, Winkel, Frequenz oder Polarisation. Die Verwendung dieser zusätzlichen Pfade durch den Empfänger ergibt den Diversity- Gewinn. Das Ausmaß des erzielten Gewinns hängt von der Art der Diversity, der Anzahl von Pfaden und dem Kombinationsverfahren ab.
Diese Erfindung befaßt sich mit Raumdiversity-Systemen und ist insbesondere auf die Schaffung einer Anordnung gerichtet, bei der die Abwärtsstrecken-Betriebsleistung verbessert ist.
Zellularfunk-Basisstationen verwenden häufig zwei Antennen für den Diversity- Empfang auf der Aufwärtsstrecke, die einen Abstand von vielen (beispielsweise 20) Wellenlängen haben. Dieser große Abstand ist erforderlich, weil die Winkelspreizung der ankommenden Signale schmal ist. Dies kann als ein Modell dargestellt werden, das einen Ring von Streuelementen S um einen mobilen Benutzer M herum umfaßt, der zu einer Basisstation B sendet, was im übrigen als die Aufwärtsstrecke bekannt ist, und eine derartige Anordnung ist in Fig. 1 gezeigt. Beispielsweise kann der Radius von Streuelementen 50-100 Meter betragen, und die Entfernung zur Basisstation kann bis zu 10 Kilometer betragen, was zu einer schmalen Winkelaufspreizung führt. Ein von der Mobilstation ausgesandtes Signal erreicht die Basisstation nach dem Durchlaufen einer Anzahl von Pfaden W, die als Ergebnis der Streuung an Hindernissen vorhanden sind, die in zufälliger Weise auf einem die Mobilstation umgebenden Kreis verteilt sind. Ein großer Antennenabstand ist an der Basisstation erforderlich, um einen dekorrelierten Schwund zu schaffen, der aus der Fourier-Transformationsbeziehung zwischen der Antennengruppen-Apertur und der Winkelbreite berechnet werden kann (eine große Apertur in Wellenlängen ergibt einen schmalen Strahl).
Um die Nutzsignale zu verbessern und eine Unterscheidung gegenüber Störsignalen zu schaffen, werden Antennen entwickelt, die eine Gruppe von Antennenelementen an der Basisstation verwenden, die mit einem "intelligenten" Strahlformer vereinigt sind. Eine derartige Technik besteht in der Verwendung eines Mehrkanal- Maximalverhältnis-Kombinierers beim Empfang an der Basisstations-Gruppe. Dieser arbeitet durch Bewerten der Gruppensignale si (i = 1 bis N, worin N = die Anzahl von Elementen der Gruppe ist), mit deren komplex konjugierten si* (unter der Annahme gleicher Rauschleistungen auf jeden Kanal) und durch eine Summierung, so daß sich folgendes ergibt:
S = si* = si ²
Für eine N-Elementen-Gruppe ergibt dies sowohl einen Gruppengewinn (ungefähr um einen Faktor N hinsichtlich der Leistung) als auch einen Diversity-Gewinn, wobei der letztere nur dann erzielt wird, wenn zumindest einige der Gruppenelemente einen großen Abstand aufweisen. Somit kann eine Verbesserung um den Faktor N hinsichtlich des mittleren Signalpegels erzielt werden, was eine vergrößerte Reichweite oder eine niedrigere Mobilstations-Sendeleistung zuläßt. Die Gruppe ergibt schmalere Strahlen als ein einziges Antennenelement und ergibt damit auch einen besseren Schutz gegen Störungen, wodurch die Träger-/Störverhältnisse verbessert werden und eine höhere Kapazität aufweisende Systeme durch eine Verringerung von Wiederbenutzungsfaktoren ermöglicht werden.
Die Beschränkung des Vorstehenden besteht darin, daß sich die Verbesserungen lediglich für die Aufwärtsstrecke und nicht für die Abwärtsstrecke (Basisstations- Aussendung zur Mobilstation) ergeben. Die vorliegende Erfindung ist auf die Schaffung eines verbesserten Abwärtsstrecken-Signals gerichtet.
Ein übliches Merkmal einer Anzahl von Zellularfunksystemen besteht darin, daß die Sätze von Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstrecken-Frequenzen auf zwei unterschiedliche Bänder verteilt sind, die durch einen Schutzfrequenzbereich getrennt sind, beispielsweise 1800-1850 MHz (Aufwärtsstrecke) und 1900-1950 MHz (Abwärtsstrecke). Aufwärts- und Abwärtsstreckenfrequenzen werden dann gepaart, beispielsweise 1800 mit 1900, 1850 mit 1950. Damit besteht eine erhebliche Änderung der Frequenz (beispielsweise 5%) zwischen den Aufwärts- und Abwärtsstrecken. Entsprechend besteht keine Korrelation für den schnellen Schwund (wenn sich die Mobilstation bewegt) zwischen den Aufwärts- und Abwärtsstrecken.
Die US-A-5260968 (Gardner et al) beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Multiplexierung von Kommunikationssignalen durch eine Blindadapter-Raumfilterung; die WO 94/09568 beschreibt ein adaptives Gleichkanal-Störverringerungssystem für Zellular-Telefon-Zentralbasisstationen; die EP-A-0595247 beschreibt eine Vorrichtung zur Steuerung einer Gruppenantenne, die eine Vielzahl von Antennenelementen umfaßt, sowie ein Verfahren hierfür; die GB-A-2266998 beschreibt ein Strahldiagramm- Entzerrungsverfahren für eine adaptive Gruppe; die Veröffentlichung Personal and mobile radio communications conference, 1991, Warwick, Seiten 270-279 "A spectrum efficient cellular base station antenna architecture" wurde von F. C. Swales and M. A. Beach an der Universität von Bristol, UK, diskutiert. Diese Dokumente ergeben keine verbesserten Abwärtsstrecken-Signale in nicht-TDD- und ähnlichen Systemen.
Die vorliegende Erfindung ergibt eine Zellularfunk-Basisstationsanordnung, wie sie im Anspruch 1 beansprucht ist.
Gemeinsame Gruppenelemente können für die Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstrecken-Signale verwendet werden. Alternativ werden lediglich einige der Antennenelemente sowohl für die Aufwärtsstrecken- als auch die Abwärtsstrecken- Signale verwendet. Getrennte Gruppen können für die Aufwärtsstrecken und die Abwärtsstrecken verwendet werden, und es kann insbesondere vorzuziehen sein, eine mit engem Abstand angeordnete Gruppe für die Abwärtsstrecke vorzusehen, wobei eine mit weniger engem Abstand angeordnete Gruppe für die Aufwärtsstrecke vorgesehen ist.
In der Basisstationsanordnung können die Antennen in zwei Gruppen pro Facette angeordnet sein, wobei eine erste Gruppe eine Vielzahl von Antennengruppen umfaßt, während eine zweite Gruppe eine einzelne Antennengruppe umfaßt. Alternativ könnten beide Gruppen eine Vielzahl von Antennengruppen umfassen.
In einem weiteren Beispiel wird ein Verfahren zum Betrieb der Basissationsanordnung geschaffen, wie es im Anspruch 2 beansprucht ist.
Das Verfahren der Bewertung oder Gewichtung des Aufwärtsstreckensignals kann durch die Verwendung einer Maximalverhältnis-Kombination ausgeführt werden, wobei das Verfahren der Lenkung des Abwärtsstreckensignals Standard-Strahlwertigkeiten verwendet. Ungleichförmige Gruppenabstände können verwendet werden.
Damit die Erfindung besser verständlich wird, wird nunmehr auf die Figuren Bezug genommen, wie sie in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind, und in denen:
Fig. 1 ein Abwärtsstrecken-Signalstreumodell zeigt;
Fig. 2 eine graphische Darstellung ist, die den Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstrecken-Gewinn gegenüber dem Antennenelement-Abstand für eine 4- Elementen-Antennengruppe zeigt, wobei sich eine Mobilstation an der Breitseite befindet, und
Fig. 3 eine graphische Darstellung ist, die den Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstrecken-Gewinn gegenüber dem Antennenelement-Abstand für eine 4- Element-Antennengruppe zeigt, wobei sich eine Mobilstation unter 30º gegenüber der Breitseite befindet.
Fig. 2 zeigt den Gruppengewinn für eine 4-Elementen-Gruppe, bei der Maximalverhältnis-Kombinationswertigkeiten für die Aufwärtsstrecke verwendet werden, während ein Standardstrahl (beispielsweise gleichförmige Amplitudengruppen- Wertigkeiten) für die Abwärtsstrecke verwendet werden. Der Gewinn ist als eine Funktion des Gruppen-Zwischenelement-Abstandes gezeigt. Diese Figur zeigt den über den schnellen Schwund gemittelten Gewinn und für den Fall einer Mobilstation, die "breitseits" zur Gruppe angeordnet ist. Der Aufwärtsstrecken-Gewinn steigt über 6 dB (N = 4) aufgrund des Diversity-Gewinns an (dieser Teil hängt von der Fehlerrate ab). Es tritt kein Diversity-Gewinn auf der Abwärtsstrecke ein, weil Standardstrahlwertigkeiten verwendet werden. Ein erheblicher Gruppengewinn steht auf der Abwärtsstrecke zur Verfügung, vorausgesetzt, daß der Gruppenabstand nicht zu groß ist. Es ist dann möglich, einen Gruppenabstand derart auszuwählen, daß ein Gruppengewinn und ein erheblicher Diversity-Gewinn auf der Aufwärtsstrecke zur Verfügung steht, und daß sich immer noch ein erheblicher Gruppengewinn für die Abwärtsstrecke ergibt, beispielsweise mit einem Gruppenabstand von 10 Wellenlängen für dies Szenarium.
Fig. 3 zeigt die entsprechenden Ergebnisse für den Fall, in dem die Mobilstation um 30º gegenüber der Breitseite bewegt wurde, und wobei eine Richtungssuche (d.f.) unter Verwendung der Aufwärtsstreckensignale verwendet wurde, um den Abwärtsstrecken-Strahl in Richtung auf die Mobilstation und dessen Ring von Streuquellen zu lenken. Die resultierende Kurve ist ähnlich zu der für den Breitseiten- Fall, abgesehen von einem Faktor, um die projizierte Apertur der Gruppe zu berücksichtigen.
Zwei mögliche Aufwärts-/Abwärtsstrecken-Szenarien ergeben sich aus diesen Ergebnissen: gemeinsame Gruppenelemente können mit komplexen Wertigkeiten (beispielsweise Maximalverhältnis-Kombinationswertigkeiten) für die Aufwärtsstrecke und mit Standardstrahl-Wertigkeiten (gleichförmige oder sich verringernde Amplitude, Phasenneigung zur Steuerung des Strahls) für die Abwärtsstrecke verwendet werden. Alternativ können getrennte Gruppen für die Aufwärts- und Abwärtsstrecken verwendet werden, beispielsweise kann eine mit engem Abstand angeordnete Gruppe für die Abwärtsstrecke verwendet werden, um den maximalen Abwärtsstrecken-Gewinn zu erzielen (der linke Teil der graphischen Darstellung in den Fig. 2 und 3), während eine Gruppe mit weniger engem Abstand für die Aufwärtsstrecke verwendet wird, um eine maximale Raumdiversity zu schaffen (die mittleren bis rechten Abschnitte der graphischen Darstellungen in den Fig. 2 und 3). Eine Kombination dieser beiden Konzepte ist ebenfalls möglich, beispielsweise wenn einige Elemente gemeinsam genutzt werden und ungleichförmige Gruppenabstände verwendet werden. So werden komplexe Gruppenwertigkeiten für die Aufwärtsstrecke verwendet, die Abwärtsstrecke wird gelenkt, wobei eine Richtungsinformation von den Aufwärtsstrecken-Signalen abgeleitet wird.
Es gibt verschiedene mögliche Verfahren zur Ableitung einer Richtungsinformation von den Aufwärtsstrecken-Signalen. ein Beispiel ist die Verwendung einer Gruppe mit einer ersten Gruppe von einen engen Abstand aufweisenden Elementen (< 1 λ) plus einem oder mehreren Antennenelementen, die mit Abstand von der ersten Gruppe von Elementen angeordnet sind und als "außenliegende" Elemente mit einem weiten Abstand zu der einen engen Abstand aufweisenden Gruppe betrachtet werden können, um einen guten Raumdiversity-Gewinn für die Aufwärtsstrecke zu erzielen. Die außenliegenden Elemente können eine einzige lineare Gruppe umfassen, oder sie können eine zweite Gruppe von Elementen umfassen, zweckmäßigerweise vom gleichen Gruppentyp wie die erste Gruppe, wodurch eine Gleichförmigkeit der einzelnen Komponenten beibehalten werden kann und Herstellungskosten verringert werden sowie die Installation vereinfacht wird.
Die erste Gruppe von Elementen (und eine zweite, wenn sie eine ähnliche Konfiguration aufweist) kann mit einem Mehrfachstrahlformer verbunden sein, wie z. B. einer Butler-Matrix, die gleichzeitig mehrfache Strahlen bildet, die den interessierenden Sektor überspannen. Durch Feststellen der relativen Amplituden in den mehrfachen Strahlen kann der Einfallwinkel des Aufwärtsstrecken-Signals abgeleitet werden, und diese Information kann zur Ableitung der erforderlichen Phasensteigung verwendet werden, die auf die mit engem Abstand angeordneten Gruppenelemente für das Abwärtsstrecken-Signal anzuwenden ist. Die Aufwärtsstrecken-Maximalverhältnis- Kombination kann an den komplexen Strahlausgängen plus den Ausgängen des oder der außenliegenden Elemente ausgeführt werden.
Weil die Richtungsfindung durch eine Gruppe erleichtert wird, die sowohl kleine als auch große Abstände enthält, ist diese Gruppenkonfiguration ebenfalls in nützlicher Weise für die Aufwärtsstrecke eingefügt.
Es ergeben sich vier Antennenspalten auf einer typsichen Zellularfunk-Basisstations- Facette: auf der Aufwärtsstrecke werden alle vier Antennenspalten verwendet, und eine Maximalverhältnis-Kombination wird ausgeführt; auf der Abwärtsstrecke werden statt der Kombination der Ausgänge über vier Sender die Signale durch eine Antenne hindurch gespeist. Die Kombinationsvorteile gehen auf der Abwärtsstrecke verloren, weil die Antennen einer gesamten Gruppe für jede Frequenz verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Verteilung der Last der Kombination, wenn eine außenliegende Gruppe vorhanden ist, wodurch die Raumdiversity durch einen Abstand der mit Abstand angeordneten Antennengruppen erzielt wird. Signale müssen nicht durch die Sendeempfänger-Sender von lediglich einer Gruppe von Antennen einer Facette hindurchgeleitet werden: stattdessen können die Signale zwischen den Gruppen von Antennen der Facette aufgeteilt werden. Dies erleichtert die Kombinationslast, die den Antennen und Strahlformern auferlegt ist. Ein weiterer Vorteil liegt in dem verringerten optischen Eindruck einer Basisstation. Obwohl zwei Antennengruppen pro Sektor vorgesehen sind, wodurch die Anzahl von Elementen vergrößert wird, die einen optischen Eindruck hervorrufen, kann die Größe der Antennengruppen verringert werden, wodurch ein kleinerer optischer Eindruck hervorgerufen wird, vorausgesetzt, daß die Antennengruppen einen ausreichend großen Abstand voneinander haben.

Claims

1. Zellularfunk-Basisstationsanordnung, mit: einer Antennengruppe, die eine Vielzahl von Antennenelementen umfaßt, wobei die Basisstationsanordnung weiterhin Einrichtungen zur Bewertung empfangener Aufwärtsstrecken-Signale mit komplexen Gruppenwertigkeiten und zur Ableitung von Richtungsinformation und Einrichtungen zur Lenkung von Abwärtsstrecken-Signalen mit der aus den Aufwärtsstrecken-Signalen abgeleiteten Richtungsinformation umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente einen derartigen Abstand voneinander aufweisen, daß sich ein dekorrelierter Schwund ergibt, und daß ein Gruppengewinn derart geschaffen wird, daß die Abwärtsstrecken-Signale verglichen mit der Aussendung unter Verwendung eines einzigen Antennenelementes vergrößert werden.

2. Verfahren zum Betrieb der Zellularfunk-Basisstationsanordnung nach Anspruch 1, um mit einer Mobilfunkstation in Kommunikation zu treten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(i) Empfang von Aufwärtsstrecken-Signalen von der Mobilfunkstation;

(ii) Bewerten der empfangenen Aufwärtsstrecken-Signale mit komplexen Gruppenwertigkeiten;

(iii) Ableiten von Richtungsinformation über die Richtung der Mobilfunkstation bezüglich der Zellularfunk-Basisstation auf der Grundlage der Aufwärtsstrecken- Signale,

(iv) Erzeugung von Abwärtsstrecken-Signalen; und

(v) Lenken der Abwärtsstrecken-Signale in Richtung auf die Mobilfunkstation unter Verwendung der abgeleiteten Richtungsinformation.

3. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anordnung nach Anspruch 1, bei dem bzw. bei der gemeinsame Gruppenelemente für die Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstrecken- Signale verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anordnung gemäß Anspruch 1, bei dem bzw. bei der zumindest einige gemeinsame Antennenelemente sowohl für die Aufwärtsstrecken- als auch die Abwärtsstrecken-Signale verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anordnung nach Anspruch 1, bei dem bzw. bei der getrennte Antennenelemente für die Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstrecken- Signale verwendet werden.

6. Verfahren oder Anordnung nach Anspruch 5, bei dem bzw. bei der die Antennenelemente, die für die Abwärtsstrecken-Signale verwendet werden, einen engeren Abstand als die Antennenelemente haben, die für die Aufwärtsstrecken- Signale verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anordnung nach Anspruch 1, bei dem bzw. bei der die Aufwärtsstrecken-Signale unter Verwendung des Verfahrens einer Maximalverhältnis-Kombination kombiniert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-7 oder Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 3-7, bei dem die Abwärtsstrecken-Signale unter Verwendung eines Verfahrens kombiniert werden, das Standard-Strahlwertigkeiten verwendet.