DE19617140A1 - Funkstation zum Senden und Empfangen digitaler Informationen in einem Mobil-Kommunikationssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Funkstation zum Senden und Emp­ fangen digitaler Informationen in einem Mobil-Kommunikations­ system entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Funkstationen dienen der Übertragung von Informationen mit Hilfe elektromagnetischer Wellen. Das Frequenzspektrum der in Frage kommenden elektromagnetischen Wellen reicht von wenigen KHz bis zu mehreren hundert GHz, wobei insbesondere das Fre­ quenzspektrum im unteren Gigaherzbereich durch die Entwick­ lung der Mobilfunktechnik an Bedeutung gewonnen hat. So wer­ den Funkstationen für die Mobilfunktechnik bei ca. 0,9 und 1,8 GHz eingesetzt. Ein Mobil-Kommunikationssystem ist bei­ spielsweise das GSM-Mobilfunknetz (Global System for Mobile Communications), aber auch bekannte Drahtlos-Kommunikations­ netze, z. B. nach dem DECT-Standart, realisieren ein solches Mobil-Kommunikationssystem.

Sind diese Funkstationen dafür vorgesehen, Informationen so­ wohl zu senden als auch zu empfangen, umfassen sie zumindest eine Empfangseinheit und zumindest eine Sendeeinheit. In der Sendeeinheit werden die zu sendenden Informationen auf eine Trägerfrequenz moduliert und die generierten Sendesignale verstärkt. Die Empfangseinheit dient zur Auswertung der In­ formation der Empfangssignale und deren Trennung vom Träger und von Rauschstörungen.

Eine solche Funkstation ist beispielsweise als Basisstation aus der deutschen Patentanmeldung 19 54 72 88.8 bekannt. Diese Funkstation umfaßt weiterhin eine Antenne zum Senden und Emp­ fangen. So werden über diese Antenne sowohl die Sendesignale gesendet, als auch die Empfangssignale empfangen. Diese Funk­ station weist jedoch den Nachteil auf, daß damit kein Diver­ sityempfang möglich ist.

Aus der Druckschrift "Fernschreib- und Datenübertragung über Kurzwelle", L. Wiesner, Siemens Aktiengesellschaft, dritte Auflage, 1980, Seiten 94 bis 104, sind verschiedene Möglich­ keiten der Realisierung eines Diversityempfangs bekannt. Un­ ter anderem wird die Möglichkeit des Polarisationsdiversity vorgestellt, bei der zum Diversityempfang zwei Antennen ver­ wendet werden, von denen die eine z. B. vertikal und die an­ dere horizontal polarisiert ist. Ein solches Antennensystem ist auch aus der deutschen Patentschrift DE 20 32 002 B2 bekannt. Diese Schriften stellen Realisierungen des Diver­ sityempfangs vor, die jedoch auf räumlich getrennten Antennen basieren und zudem die Problematik des Sendebetriebes nicht berücksichtigen.

Herkömmliche Mobil-Kommunikationssysteme, siehe Siemens Func­ tion Specification, A30862-X1001-A314-03-7659, MOBNET, vom 25.08.1995, S.5-2, realisieren eine Funkstation mit Diver­ sitybetrieb auch dadurch, daß getrennte Antennen zum Senden und für jeden einzelnen Diversityzweig vorliegen. Die beiden Antennen für den Diversityempfang müssen jedoch eine gewisse räumliche Trennung aufweisen, um eine Dekorrelation der Emp­ fangssignale zu gewährleisten. Eine andere Realisierungsmög­ lichkeit sieht das Duplex von Sendesignalen auf die Antennen zum Diversityempfang vor. Jedoch muß auch hier eine räumliche Trennung der Antennen zum Diversityempfang vorliegen.

Bei gegenwärtigen Mobil-Kommunikationssystemen besteht jedoch ein erheblicher Druck auf die Netzbetreiber, mit wenigen An­ tennenstandorten auszukommen. Hierbei bedeutet das Bereit­ stellen von zwei getrennte Antennen für den Diversityempfang einen erheblichen Nachteil.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Funk­ station zum Senden und Empfangen digitaler Informationen in einem Mobil-Kommunikationssystem anzugeben, die zum Senden und zum Diversityempfang einen geringen Platzbedarf für den Antennenstandort hat. Diese Aufgabe wird jeweils durch die erfindungsgemäße Funkstation des Patentanspruchs 1 bzw. 4 ausgehend von den Merkmalen des Oberbegriffs durch die Merk­ male des kennzeichnenden Teils gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß besteht die Antenne aus einem ersten und zweiten Erregersystem mit unterschiedlicher Polarisation. Zur gemeinsamen Nutzung der Antenne zum Senden und Empfangen verbindet ein erster Duplexer zumindest eine erste Sende­ einheit und eine erste Empfangseinheit mit einer gemeinsamen ersten Antennenleitung. Das erste Erregersystem ist über die erste Antennenleitung mit dem ersten Duplexer verbunden. Das zweite Erregersystem weist eine Verbindung mit zumindest der ersten Empfangseinheit über eine zweite Antennenleitung auf. Damit wird zumindest über die erste Empfangseinheit und beide Erregersysteme ein Diversityempfang gewährleistet. Weiterhin wird zumindest über das erste Erregersystem das Senden von digitalen Informationen realisiert.

Alternativ sind zumindest drei Erregersysteme, zwei zum Emp­ fangen und eines zum Senden, in der Antenne vorgesehen, wobei sich die Erregersysteme durch ihre Polarisationsebenen unter­ scheiden. Durch diese Lösung kann der Duplexer eingespart werden, es ergibt sich jedoch ein erhöhter Aufwand bei der Realisierung der Antenne.

Die erfindungsgemäße Funkstation erfüllt vorteilhafterweise gleichzeitig die Forderung nach einer Reduzierung der Anzahl von Antennen und die Anforderungen eines Mobil-Kommunika­ tionssystem mit Diversityempfang. Damit ist es Netzbetreibern möglich, vor allem in Ballungszentren strenge Auflagen, z. B. an optische und ästhetische Wirkungen des Antennensystems zu erfüllen.

Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen haben das erste und das zweiter Erregersystem einen gemeinsamen geometrischen Mittel­ punkt. Durch eine solche Anordnung der Erregersysteme kann der Platzbedarf der Antenne weiter verringert werden. Für einen hohen Antennengewinn werden für die Erregersysteme vor­ teilhafterweise Elementegruppen eingesetzt. Durch entspre­ chende Anordnungen der Elemente der Erregersysteme lassen sich ohne großen zusätzlichen Aufwand die Erzeugung von Strahlungsdiagrammen unterschiedlicher Polarisation reali­ sieren.

Es ist dabei weiterhin möglich, weitere Erregersysteme in diese Antenne zu integrieren, wobei nach vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Funkstation diese zusätzlichen Erregersysteme entweder zum Diversityempfang oder zum Senden genutzt werden.

Soll die Abstrahlung der Sendesignale nicht nur über ein Erregersystem erfolgen, so sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Funkstation die Ver­ bindung des zweiten Erregersystems mit der ersten Empfangs­ einheit über einen zweiten Duplexer vor, wobei der zweite Duplexer eine zweite Sendeeinheit und die erste Empfangsein­ heit mit der gemeinsamen zweiten Antennenleitung verbindet. Nach verschiedenen Realisierungsmöglichkeiten kann damit die Sendeenergie einer Sendeeinheit auf zwei Erregersysteme ver­ teilt werden oder verschiedene Sendeeinheiten sind jeweils an ein Erregersystem angeschlossen.

Werden mehrere Empfangseinheiten in der Funkstation verwen­ det, dann ist es vorteilhaft, sie jeweils mit einem ersten und zweiten Trennverstärker (bei zwei Erregersystemen) zu verbinden und durch die Trennverstärker die Leistung der von den zwei Erregersystemen empfangenen Empfangssignale ent­ sprechend auf die Empfangseinheiten zu verteilen. Durch den Einsatz von Trennverstärkern kann eine größere Anzahl von Empfangseinheiten eingesetzt werden.

Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungs­ gemäßen Funkstation und insbesondere der Antenne sind die Erregersysteme derart angeordnet, daß die Kreuzpolarisations­ entkopplung der Erregersysteme mindestens 30 dB beträgt. Diese Entkopplung entspricht der Entkopplung von zwei Anten­ nen mit einem Meter Abstand bei 900 MHz. Durch diese Maßnahme soll gewährleistet werden, daß die Wechselwirkungen zwischen den sendenden und empfangenden Erregersystemen gering sind. Eine hohe Kreuzpolarisationskopplung wird z. B. erreicht, indem die Polarisationsebene des ersten und zweiten Erreger­ systems zueinander ca. 90 Grad geneigt sind. Die Neigung der Polarisationsebenen beider Erregersysteme im Vergleich zur Horizontalen kann auf verschiedene Art und Weise festgelegt sein. Besonders vorteilhaft ist es, beide Polarisationsebenen ca. 45 Grad zur Horizontalen zu neigen, damit sind sie nach diversen Reflexionen auf der Funkstrecke oder auch durch den direkten Ausbreitungspfad gleichberechtigt bei der empfangen­ den Funkstation. Eine weitere vorteilhafte Realisierungs­ variante sieht vor, daß die Polarisationsebene eines die Sendesignale abstrahlenden Erregersystems etwa senkrecht zur Horizontalen ist. Diese Neigung korrespondiert zu den bisher üblichen Anordnungen von Sendeantennen.

Zum Anschluß einer großen Anzahl von Sendeeinheiten werden vorteilhafterweise Leistungskombiner eingesetzt, die jeweils mehrere Sendeeinheiten mit einem Duplexer oder direkt mit einem Erregersystem verbinden. Sollen mehrere Sendeeinheiten eingesetzt und die Verluste der Übertragung der Sendeenergie der Sendesignale zu den Erregersystemen gering gehalten werden, dann wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auf Leistungskombiner verzichtet, indem eine wei­ tere Antenne hinzugefügt wird, deren Erregersysteme zum Sen­ den oder auch zur Verbesserung des Diversity-Empfangs genutzt werden.

Die erfindungsgemäße Funkstation soll im folgenden unter Zu­ hilfenahme von zeichnerischen Darstellungen näher erläutert werden.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine Funkstation mit zwei jeweils um 45 Grad zur Hori­ zontalen geneigten Erregersystemen und jeweils vier Sende- und Empfangseinheiten,

Fig. 2 eine Funkstation mit zwei zueinander um 90 Grad geneig­ ten Erregersystemen und senkrechter Polarisationsebene für die abgestrahlten Sendesignale,

Fig. 3 eine Funkstation mit einer vier Erregersysteme aufwei­ senden Antenne, und

Fig. 4 eine Funkstation mit zwei Antennen und vier jeweils mit einer Sendeeinheit verbundenen Erregersystemen.

Die Funkstation FS nach Fig. 1 besteht aus einer Antenne A, vier Empfangseinheiten RX1 . . . 4 und vier Sendeeinheiten TX1 . . . 4. Die Sendesignale tx der ersten und zweiten Sendeeinheit TX1, TX2 werden durch einen ersten Leistungskombiner H1 zusammen­ gefaßt und einem ersten Duplexer DX1 zugeführt. Entsprechend werden die Sendesignale tx der dritten und vierten Sende­ einheit TX3, TX4 durch einen zweiten Leistungskombiner H2 zusammengefaßt und einem zweiten Duplexer DX2 zugeführt. Die Leistungskombiner H1, H2 realisieren die angepaßte Übertra­ gung der Sendeenergie zu den Duplexern DX1, DX2.

Jeder dieser Duplexer DX1, DX2 hat eine Verbindung zu einem ersten Trennverstärker FRX1 bzw. einem zweiten Trennver­ stärker FRX2. Diese Trennverstärker FRX1, FRX2 sind aus­ gangsseitig jeweils mit vier Empfangseinheiten RX1 . . . 4 ver­ bunden. Im Trennverstärker FRX1, FRX2 findet eine breitban­ dige Filterung entsprechend der Systembandbreite statt und es erfolgt eine erneute Verstärkung, bevor die Energie der Empfangssignale rx gleichmäßig auf alle Empfangseinheiten RX1 . . . 4 verteilt wird. In den Empfangseinheiten RX1 . . . 4 erfolgt die Auswertung der Empfangssignale RX nach einem Diversity­ verfahren. Zu bekannten Diversity-Empfangsverfahren sei beispielsweise auf J.G.Proakis, "Digital Communications", McGraw Hill, 1989, verwiesen.

Der erste und zweite Duplexer DX1, DX2 verbindet die Sende­ einheiten DX1 . . . 4 und Empfangseinheiten RX1 . . . 4 mit einer ersten bzw. zweiten Antennenleitung Ltg1, Ltg2. Diese An­ tennenleitungen Ltg1, Ltg2 führen zur Antenne A. Diese Antenne A besteht aus zwei Erregersystemen AE1, AE2. Das erste Erregersystem AE1 ist mit der ersten Antennenleitung Ltg1 und das zweite Erregersystem AE2 ist mit der zweiten Antennenleitung Ltg2 verbunden. Beide Erregersysteme AE1, AE2 sind ca. 45 Grad zur Horizontalen der Erde und zueinander um ca. 90 Grad geneigt. Entsprechend sind auch die Polarisa­ tionsebenen ihrer Abstrahlungsrichtungen geneigt. Bei den Erregersystemen handelt es sich z. B. um Gruppenantennen, die jeweils aus mehreren Einzelelementen bestehen.

Die Funkstation FS nach Fig. 2 besteht wiederum aus einer Antenne A, vier Sendeeinheiten TX1 . . . 4 und vier Empfangs­ einheiten RX . . . 4. Die Kombination der Sendeenergien der Sendesignale tx der vier Sendeeinheiten TX1 . . . 4 erfolgt jedoch im Gegensatz zur Funkstation FS nach Fig. 1 auf andere Art und Weise. Nach der Kombination der Sendesignale tx der ersten und zweiten Sendeeinheit TX1, TX2 in einem ersten Leistungs­ kombiner H1 und der Kombination der Sendesignale tx der dritten und vierten Sendeeinheit TX3, TX4 in einem zweiten Leistungskombiner H2 werden diese Sendesignale tx noch einmal in einem dritten Leistungskombiner H3 zusammengefaßt und lediglich dem ersten Duplexer DX1 zugeführt. Der zweite Duplexer DX2 wird sendeeinheitsseitig angepaßt abgeschlossen. Der Anschluß der Empfangseinheiten RX1 . . . 4 erfolgt entspre­ chend der Anordnung der Empfangseinheiten RX1 . . . 4 nach Fig. 1.

Der Anschluß des ersten und zweiten Erregersystems AE1, AE2 der Antenne A erfolgt wiederum über eine erste und zweite Antennenleitung Ltg1, Ltg2 zu den ersten und zweiten Dup­ lexern DX1, DX2. Das erste Erregersystem AE1 ist senkrecht zur Horizontalen angeordnet und ca. 90 Grad zum zweiten Erregersystem AE2 geneigt. Damit weist das Abstrahlungs­ diagramm der Sendesignale tx eine vertikale Polarisation auf. Wie auch in Fig. 1 werden die Empfangssignale rx in beiden Polarisationsebenen empfangen. Durch diese Anordnung der Erregersysteme AE1, AE2 wird, ebenso wie für die Funkstation FS nach Fig. 1, ein Polarisationsdiversityempfang umgesetzt.

Die Funkstation FS nach Fig. 3 zeigt eine weitere Realisie­ rungsmöglichkeit, wobei die Antenne A aus vier Erreger­ systemen AE1 . . . 4 besteht. Diese sind beispielhaft jeweils zueinander um 45 Grad geneigt, es könnte jedoch auf eine andere Anzahl von Erregersystemen mit andersartiger Neigung eingesetzt werden. Ein erstes Erregersystem AE1 ist mit einem ersten Trennverstärker FRX1 verbunden und ein zweites Er­ regersystem AE2 ist mit einem zweiten Trennverstärker FRX2 verbunden. Beide Trennverstärker FRX1, FRX2 sind jeweils mit einer ersten und zweiten Empfangseinheit RX1, RX2 verbunden und führen beiden jeweils die durch das erste und zweite Erregersystem AE1, AE2 empfangenen Empfangssignale rx zu. Eine erste und eine zweite Sendeeinheit TX1, TX2 sind direkt mit einem dritten bzw. vierten Erregersystem AE3, AE4 ver­ bunden. Bei dieser Ausgestaltung kann auf Duplexer und Leistungskombiner verzichtet werden. Es wäre jedoch auch möglich, die Leistungen der ersten und zweiten Sendeeinheit TX1, TX2 zu kombinieren und nur einem einzigen Erregersystem AE3 zuzuführen und auf das vierte Erregersystem AE4 zu ver­ zichten.

Die Funkstation FS nach Fig. 4 gewährleistet allerdings bei erhöhten Platzbedarf ein deutliche Verringerung der Dämp­ fungen der Sendesignale tx. Es werden durch den Einsatz zweier getrennter Antennen A mit jeweils zwei z. B. kreuz­ polarisierten Erregersystemen AE1, AE2 die Leistungskombiner eingespart und damit bei gleicher Ausgangsleistung der Sende­ einheiten TX1 . . . 4 eine höhere Leistungsabstrahlung der Funk­ station FS ermöglicht. Die Erregersysteme der zusätzlichen Antenne A werden zum Diversity-Empfang, damit ist auch ein dreifach Diversity möglich und zum Senden der Sendesignale tx von zwei Sendeeinheiten TX1, TX2 eingesetzt. Die Verteilung der Nutzung der Erregersysteme AE1, AE2 der beiden Antennen A kann jedoch auch auf andere Weise erfolgen, hier sind gemäß der Erfindung verschiedene Varianten entsprechend der kon­ kreten Anforderungen an den Platzbedarf und die Sendeleistung möglich.

Für die Funkstationen FS nach den Fig. 1 bis 4 können die Antennenleitungen Ltg1, Ltg2 ebenso auf eine einzige oder auf eine Anzahl, die geringer als die der Erregersysteme AE1 . . . 4 ist, durch Duplexen reduziert werden.

Claims (19)

1. Funkstation (FS) zum Senden und Empfangen digitaler Infor­ mationen in einem Mobil-Kommunikationssystem,

• - mit einer Antenne (A) zum Senden und Empfangen,
• - mit zumindest einer ersten Sendeeinheit (TX1, TX2, . . . , TXn),
• - mit zumindest einer ersten Empfangseinheit (RX1, RX2, . . . , Rxn),

dadurch gekennzeichnet,
daß zum Diversity-Empfang:

• - die Antenne (A) ein erstes und zweites Erregersystem (AE1, AE2) mit unterschiedlicher Polarisation aufweist,
• - ein erster Duplexer (DX1, DX2) zumindest die erste Sende­ einheit (TX1) und die erste Empfangseinheit (RX1) mit einer gemeinsamen ersten Antennenleitung (Ltg1) verbindet,
• - das erste Erregersystem (AE1) über die erste Antennenlei­ tung (Ltg1) mit dem ersten Duplexer (DX1) verbunden ist, und
• - das zweite Erregersystem (AE2) über eine zweite An­ tennenleitung (Ltg2) eine Verbindung mit zumindest der ersten Empfangseinheit (RX1) aufweist.

2. Funkstation (FS) nach Anspruch 1, bei der die Verbindung des zweiten Erregersystems (AE2) mit der ersten Empfangseinheit (RX1) über einen zweiten Duplexer (DX2) erfolgt, und
der zweite Duplexer (DX2) eine zweite Sendeeinheit (TX2) und die erste Empfangseinheit (RX1) mit der gemeinsamen zweiten Antennenleitung (Ltg2) verbindet.

3. Funkstation (FS) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Empfangseinheiten (RX1, RX2, . . . , Rxn) jeweils mit einem ersten und zweiten Trennverstärker (FRX1, 2) verbunden sind und
die Trennverstärker (FRX1, 2) die Leistung der von den zwei Erregersystemen (AE1, 2) empfangenen Empfangssignale (rx) entsprechend auf die Empfangseinheiten (RX1, RX2, . . , Rxn) verteilen.

4. Funkstation (FS) zum Senden und Empfangen digitaler Infor­ mationen in einem Mobil-Kommunikationssystem,

• - mit einer Antenne (A) zum Senden und Empfangen,
• - mit zumindest einer ersten Sendeeinheit (TX1, TX2, . . . , TXn),
• - mit zumindest einer ersten Empfangseinheit (RX1, Rx2, . . . , Rxn),

dadurch gekennzeichnet,
daß zum Diversity-Empfang:

• - die Antenne (A) zumindest ein erstes, zweites und drittes Erregersystem (AE1, AE2, AE3) mit zumindest zwei unter­ schiedlichen Polarisationen aufweist,
• - das erste und zweite Erregersystem (AE1, AE2) eine Verbin­ dung zur ersten Empfangseinheit (RX1) aufweisen, und
• - das dritte Erregersystem (AE3) eine Verbindung mit zumin­ dest der ersten Empfangseinheit (RX1) aufweist.

5. Funkstation (FS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die ersten und zweiten Erregersysteme (AE1, AE2) einen gemeinsamen geometrischen Mittelpunkt haben.

6. Funkstation (FS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Erregersysteme (AE1, AE2) durch Elementegruppen gebildet werden.

7. Funkstation (FS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Antenne (A) zumindest ein weiteres Erregersystem (AE3, AE4) aufweist, das zum Diversity-Empfang genutzt wird.

8. Funkstation (FS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Antenne (A) zumindest ein weiteres Erregersystem (AE3, AE4) aufweist, das zum Senden genutzt wird.

9. Funkstation (FS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Empfangseinheiten (RX1, RX2, . . . , RXn) jeweils mit einem ersten und zweiten Trennverstärker (FRX1, 2) verbunden sind und die Trennverstärker (FRX1, 2) die Leistung der von den zwei Erregersystemen (AE1, 2) empfangenen Empfangssignale (rx) entsprechend auf die Empfangseinheiten (RX1, RX2, . . . , RXn) verteilen.

10. Funkstation (FS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Erregersysteme (AE1, AE2, AE3) derart angeordnet sind, daß die Kreuzpolarisationsentkopplung mindestens 30 dB beträgt.

11. Funkstation (FS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Polarisationsebenen des ersten und zweiten Er­ regersystems (AE1, 2) zueinander 90° oder nahezu 90° geneigt sind.

12. Funkstation (FS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Polarisationsebenen des ersten und zweiten Er­ regersystems (AE1, 2) 45° oder nahezu 45° zur Horizontalen geneigt sind.

13. Funkstation (FS) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Polarisationsebene eines die Sendesignale (tx) abstrahlenden Erregersystems (AE1) 90° oder nahezu 90° zur Horizontalen geneigt ist.

14. Funkstation (FS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest ein Duplexer (DX1, DX2) mit zumindest zwei Sendeeinheiten (TX1, TX2, . . . , TXn) über einen Leistungs­ combiner (H1, H2) verbunden ist.

15. Funkstation (FS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere Antennenleitungen (Ltg1, Ltg2) auf gemein­ samen physikalischen Leitungen realisiert werden.

16. Funkstation (FS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine zweite Antenne (A) vorgesehen ist, bei der zu­ mindest ein Erregersystem (AE1, AE2) zum Senden oder zum Diversity-Empfang genutzt wird.

17. Funkstation (FS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Basisstation eines Mobilfunknetzes bildet.