DE60020693T2 - Robuste schätzung der empfangsrichtung für gruppenantennen - Google Patents

Robuste schätzung der empfangsrichtung für gruppenantennen Download PDF

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DE60020693T2
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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf phasengesteuerte Array-Antennen und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur robusten Abschätzung von Empfangsrichtungen für zu Array-Antennen gehörigen Strahlen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Satellitenkommunikationssysteme benutzen phasengesteuerte Array-Antennen, um über eine Mehrzahl von Antennenstrahlen mit einer Mehrzahl von Benutzern zu kommunizieren. Typischerweise werden effiziente Bandbreitenmodulationstechniken mit mehreren Zugriffstechniken kombiniert und Frequenztrennungsverfahren werden eingesetzt, um die Anzahl von Benutzern zu erhöhen. Weil elektronische Ausrüstung immer dichter wird, ist eine für drahtlose Kommunikationssysteme größere Ausgefeiltheit erforderlich. Wenn beispiels weise alle Benutzer um ein begrenztes Frequenzspektrum kämpfen, ist die Abschwächung von Störungen zwischen verschiedenen Systemen ein Schlüssel bei der Zuweisung des Spektrums an die verschiedenen Systeme.
  • DBF- (Digital Beam Forming: digitale Strahlformung) Systeme wurden zur Verwendung in Kommunikationssystemen und Radarsystemen entwickelt. DBF-Systeme erfordern genaue Information über die Empfangsrichtung (DOA: direction of arrival), um Strahlen und Nullen in ihren Antennenabstrahlungs-/Empfangsmustern effizient zu positionieren. In DBF-Systemen, in denen Sender und Empfänger sich relativ zueinander bewegen, wird die DOA-Information kontinuierlich aktualisiert, um die Genauigkeit aufrechtzuerhalten. Durch Verwendung genauer und aktueller DOA-Information kann ein DBF-System seine Ressourcenzuweisung verbessern, indem Strahlen auf aktive Gebiete und solche mit hohem Verkehr gerichtet werden, während unnötige Abdeckung großer inaktiver Regionen vermieden wird. Dies ist insbesondere wichtig, wenn Satelliten verwendet werden, weil die effiziente Bestimmung der Empfangsrichtung die erforderliche Rechenbelastung reduziert und die an Bord erforderliche Leistungsmenge reduziert.
  • US 4,720,712 offenbart eine Strahlformungsvorrichtung mit einer Mehrzahl von Strahlenports, die eine entsprechende Mehrzahl unterschiedlich gerichteter Strahlen erzeugen, wobei jeder dieser Strahlen einem entsprechenden der Strahlenports zugeordnet ist, wobei einer dieser Strahlen auf eine erwünschte Signalquelle gerichtet ist und wenigstens einer dieser Strahlen auf eine interferierende Signalquelle gerichtet ist. Ein Prozessor ist mit den Strahlenports gekoppelt, um an dem einen der Signalports, der dem auf die erwünschte Signalquelle gerichteten Strahl zugeordnet ist Signale an solchen Strahlenports zu einem Kompositsignal zu zusammenzusetzen, bei dem das Verhältnis der Leistung der erwünschten Signalkomponente dieses zusammengesetzten Signals zu der Leistung der interferierenden Signalkomponente dieses zusammengesetzten Signals erhöht wird im Vergleich zu dem Verhältnis der Leistung in solchen erwünschten und interferierenden Signalkomponenten an einem derjenigen Strahlenports, die dem auf die erwünschte Signalquelle gerichteten Strahl zugeordnet sind. Die Strahlenformungsvorrichtung richtet einen der Strahlen auf die erwünschte Signalquelle und einen zusätzlichen Strahl auf jede einer Anzahl von interferierenden Signalquellen. Die Signale in den zusätzlichen Strahlen werden gewichtet und dann von den Signalen in dem auf das erwünschte Signal gerichteten Strahl subtrahiert, um die interferierenden Signale im Wesentlichen aus dem erwünschten Signal zu entfernen.
  • Es besteht ein Bedarf nach einem Verfahren und einer Vorrichtung, um in den DBF-Systemen einen DOA-Schätzwert einfallender Signale, die von phasengesteuerten Array-Antennen empfangen werden, genau und effizient zu bestimmen. Es besteht auch ein Bedarf nach einem Verfahren und einer Vorrichtung, um in DBF-Systemen einen DOA-Schätzwert von Signalen, die von phasengesteuerten Array-Antennen ausgesendet werden, genau und effizient zu bestimmen. Außerdem sind diese Bedürfnisse insbesondere signifikant für Satellitenkommunikationssysteme, die nicht-geostationäre Satelliten und/oder geostationäre Satelliten verwenden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines empfangsrichtungsunterstützten digitalen Strahlformungs-Subsystems, wie in Anspruch 1 beansprucht, zur Verfügung.
  • In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein empfangsrichtungsunterstütztes digitales Strahlformungs-Subsystem, wie in Anspruch 14 beansprucht, zur Verfügung.
  • Weitere Aspekte sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann unter Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung und die Ansprüche abgeleitet werden, wenn sie in Verbindung mit den Figuren betrachtet werden, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf ähnliche Elemente in den Figuren beziehen und:
  • 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Satellitenkommunikationssystems zeigt, in dem das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung umgesetzt werden können;
  • 2 eine perspektivische Zeichnung eines planaren Arrays von Antennenelementen und ein von einer verallgemeinerten Punktquelle einfallendes Signal illustriert;
  • 3 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines DOA-(Empfangsrichtungs-) unterstützen DBS-Subsystems zeigt, welches einen digitalen Strahlformer und einen Empfangsrichtungsabschätzer (DOAE: direction of arrival-estimator) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält;
  • 4 ein Flussdiagramm einer Prozedur zum Bestimmen von Empfangsrichtungen in einem DOA-unterstützten DBF-Subsystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung illustriert und
  • 5 einen Graphen zeigt, der die von dem DOA-Algorithmus abgeschätzte Richtungssignalaktivität illustriert.
  • Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und einer Vorrichtung zur Verfügung, die den Frequenz- und Code-Wiederverwendungsfaktor in Kommunikationssystemen durch genaues und effizientes Bestimmen von Eingangsrichtungen erhöhen, wodurch es ermöglicht wird, Strahlen genauer zu richten und kürzer zu beabstanden. Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung stellen auch eine effiziente Berechnung von Antennenstrahlmustern in Kommunikationssystemen zur Verfügung. Außerdem sind das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung insbesondere wesentlich zur Verwendung bei nicht-geostationären Satelliten in Satellitenkommunikationssystemen.
  • Digitale Strahlformung ist im Wesentlichen ein Open-Loop-Konzept. Eine notwendige Eingabe in den digitalen Strahlformer ist die DOA-Information, die notwendig ist, um die Strahlen und Nullen in die erwünschten Richtungen zu richten. Wenn die DOA-Information nicht präzise ist, sind diese Richtungen nicht exakt korrekt und die Strahlpunkte liegen abseits der entsprechenden, tatsächlichen Quellen.
  • Außerdem werden die dazwischen liegenden Nullen von ihren idealen Positionen verschoben, wodurch sich die Gesamtleistung verschlechtert.
  • Die Erfindung kombiniert einen verbesserten DOA-Abschätzungsalgorithmus mit einem DBF-basierten System, um die Kapazität derzeitiger und zukünftiger Kommunikationssysteme wesentlich zu verbessern, während sie mit bestehenden Modulationstechniken kompatibel bleibt. Bei der Erfindung werden digitale Strahlformungstechniken unter anderem durch Bestimmen von Empfangsrichtungen für erwünschte und unerwünschte, einfallende Signale verbessert.
  • 1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Satellitenkommunikationssystems in dem das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung umgesetzt werden können. 1 illustriert einen einzelnen Satelliten 110 mit digitalen Strahlformern in einem typischen spektrumteilenden Szenario. Wie illustriert, gibt es mehrere Kommunikationspfade zwischen dem Satelliten 110 und den terrestrisch basierten Kommunikationsgeräten 120, 130 und 140. Ein erster Strahl 125 kann verwendet werden, um eine Verbindung zwischen dem Satelliten 110 und dem terrestrisch basierten Kommunikationsgerät 120 zu etablieren. Ein zweiter Strahl 135 kann verwendet werden, um eine Verbindung zwischen dem Satelliten 110 und dem terrestrisch basierten Kommunikationsgerät 130 zu etablieren. Ein dritter Strahl 145 kann verwendet werden, um eine Verbindung zwischen dem Satelliten 110 und dem terrestrisch basierten Kommunikationsgerät 140 zu etablieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden DOA-Schätzwerte am Satelliten 110 für den ersten Strahl 125, den zweiten Strahl 135 und den dritten Strahl 145 bestimmt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind eine Anzahl von Kommunikationssatelliten, wie etwa illustriert durch Satellit 110, in nicht-geostationären Orbits beheimatet und untereinander unter Verwendung von Querverbindungen (nicht dargestellt) verbunden. Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Kommunikationssatelliten nicht alle untereinander verbunden. Beispielsweise können sich einige Kommunikationssatelliten in geostationären Orbits befinden.
  • Bei nicht-geostationären Orbits können sich die Satelliten mit hoher Geschwindigkeit relativ zu jedem gegebenen Punkt auf der Erdoberfläche bewegen. Das bedeutet, dass diese Satelliten zu verschiedenen Zeiten in den Blick eines Punktes auf der Erdoberfläche kommen.
  • In aktuellen Systemen kann man eine geringe spektrale Effizienz feststellen, weil unter anderem eine große Trennung zwischen den Strahlen erforderlich ist, wie etwa durch die Strahlen 125, 135 und 145 illustriert, um eine ausreichende Isolierung sicherzustellen. Wenn zwei oder mehr Kommunikationsstrahlen ein gemeinsames Segment des Frequenzspektrums besetzen, kann eine Interferenz zwischen zwei oder mehr Kommunikationskanälen innerhalb dieser Strahlen auftreten. Bei der Erfindung benutzte DOA-Abschätzungstechniken sind effektiv beim Vergrößern der Isolierung zwischen den Strahlen, weil die Strahlen und Nullen genauer positioniert werden können.
  • In 1 sind auch einer erste Störungsquelle 170 und eine zweite Störungsquelle 180 illustriert. Ein erster Störsignalpfad 175 besteht zwischen dem Satelliten 110 und der ersten Störungsquelle 170. Ein zweiter Störsignalpfad 185 besteht zwischen dem Satelliten 110 und der zweiten Störungsquelle 180. Außerdem werden DOA-Schätzwerte am Satelliten 110 für die Störsignalpfade 175 und 185 bestimmt.
  • Digitale Strahlformungsverfahren erfordern es, dass Benutzer, illustriert durch 120, 130 und 140, erkannt werden und dass DOA-Information für sie ermittelt oder abgeschätzt werden kann. In einigen Fällen können Strahlformungsberechnungen durch Fehler in den DOA-Daten signifikant verschlechtert werden. Dem Fachmann sind mehrere Algorithmen zur Empfangsrichtungsabschätzung bekannt, einschließlich entkoppelte maximale Wahrscheinlichkeit (DML: decoupled maximum likelihood) und mehrfache Signalklassifikation (MUSIC: multiple signal classification); diese Algorithmen weisen jedoch Limitierungen auf, die ihre Leistung in einer sich dynamisch verändernden Umgebung begrenzen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform setzt der Satellit 110 einen digitalen Strahlformer (nicht gezeigt) und einen DOAE (nicht gezeigt), wie unten beschrieben, ein. Der Satellit 110 und die terrestrisch basierten Kommunikationsgeräte 120, 130 und 140 können als Knoten in dem Satellitenkommunikationssystem 100 betrachtet werden. Der Fachmann wird erkennen, dass die unten diskutierten Merkmale einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei jedem Knoten eines Satellitenkommunikationssystems 100 oder jedem Knoten eines anderen Funkfrequenz- (RF: radio frequency) Kommunikationssystems umgesetzt werden können.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Empfangsrichtungen für erwünschte Signale und unerwünschte Signale im Empfangsmodus und Sendemodus abgeschätzt. DOA-Information wird verwendet, um die Strahlen und Nullen sowohl im Empfangsmodus als auch im Sendemodus zu positionieren. Um dies zu erreichen, werden die DOA-Schätzwerte peri odisch aktualisiert und Steuermatrizen für die digitalen Strahlformer werden periodisch angepasst, um die Positionen der Strahlen und Nullen beizubehalten.
  • Außerdem können DOA-Abschätzungsalgorithmen auch verwendet werden, um Kombinationen von schmalen und breiten Nullen oder, allgemeiner, Nullen mit erwünschten Breiten zu erzeugen. Diese Flexibilität erlaubt auch konkurrierende Strahlen mit unterschiedlichen Strahlbreiten und unterschiedlichen Nullbreiten.
  • In einem Empfangsmodus richtet ein Satellit zu einem bestimmten Zeitpunkt einen Empfangsstrahl auf ein spezielles terrestrisch basiertes Kommunikationsgerät während er vorzugsweise Nullen in dem Empfangsmuster der Antenne in die Richtung jeglicher Störsignalsender liefert. Entsprechend wird jegliche Interferenz auf einem unerwünschten Signalpfad wesentlich reduziert. Beispielsweise können Störsignalsender andere Benutzer in diesem Kommunikationssystem, Signalquellen in anderen Systemen oder Stausignale sein. Wünschenswerterweise wird wenigstens eine Null in dem Empfangsantennenmuster eines Satelliten auf jedes unerwünschte Signal, das innerhalb des Blickfeldes des Satelliten gesendet wird, gerichtet und verfolgt dieses. Beispielsweise kann das Blickfeld durch ein aktuelles operatives Blickfeld oder durch das gesamte Blickfeld des Satelliten definiert sein.
  • In einem Sendemodus richtet der Satellit wünschenswerterweise wenigstens einen Kommunikationsstrahl auf ein spezielles terrestrisch basiertes Kommunikationsgerät während er vorzugsweise Nullen in dem Sendemuster der Antenne in Richtung jedes bekannten erwünschten und unerwünschten Signalempfängers liefert. Wieder wird die Empfangsrichtung benutzt, um die Winkelposition für die Strahlen und Nullen zu bestimmen. Die DOA kann mittels eines DOAE bestimmt werden, der unter anderem Information verwenden kann, die die Position des Gerätes betrifft. Beispielsweise kann GPS-Information benutzt werden, um die Position eines Knotens in dem Systems zu bestimmen.
  • Ein digitaler Strahlformer passt, wenn bei terrestrisch basieren Kommunikationsgeräten 120, 130 und 140 eingesetzt, seine Sende- und Empfangsantennen-Strahlcharakteristiken an, um wenigstens einen Strahl auf den erwünschten Satelliten zu richten, während wenigstens eine Null in Richtung eines Stör- (unerwünschten) Signals gerichtet wird. Beispielsweise kann ein Störsignal zu einem anderen Satelliten in diesem Kommunikationssystem oder in einem anderen Kommunikationssystem gehören.
  • Die Genauigkeit der DOA-Schätzwerte wird im Wesentlichen von dem DOA-Abschätzungsalgorithmus und seiner Implementierung gesteuert. Die erforderliche Genauigkeit wird von der Winkeltrennung zwischen erwünschten Benutzern, der Winkeltrennung zwischen Störstellen und der Winkeltrennung zwischen erwünschten Benutzern und Störstellen regiert.
  • 2 illustriert eine perspektivische Zeichnung eines planaren Arrays von Antennenelementen und ein von einer verallgemeinerten Punktquelle einfallendes Signal. Ein dreidimensionales Koordinatensystem ist mit einer x-Achse, einer y-Achse und einer z-Achse illustriert. Das planare Array 200 umfasst eine Anzahl von Elementen mit Trennung dx und dy in den x- bzw. y-Richtungen dazwischen. In einem Empfangsmodus wird ein erster Satz von Elementen benutzt und in einem Sendemodus wird ein zweiter Satz von Elementen benutzt. Der Fachmann wird erkennen, dass der erste Satz und der zweite Satz derselbe oder voneinander verschieden sein können. Der Einfachheit der Illustration halber ist das Zentrum des Koordinatensystems im geometrischen Zentrum des Arrays positioniert.
  • Die Punktquelle 210 (P(r, θj, ϕj)) entspricht dem j-ten Gleichkanalsignal, wobei r den Abstand vom Ursprung des Koordinatensystems repräsentiert und θj und ϕj den Elevations- bzw. Azimutalwinkeln entsprechen. wünschenswerterweise werden (θj und ϕj) verwendet, um einen DOA-Schätzwert für die Punktquelle 210 zu bezeichnen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform gibt es wenigstens einen Signalpfad 215 zwischen der Punktquelle 210 und dem planaren Array 200. Wünschenswerterweise weist der Signalpfad 215 ihm zugeordnete Elevations- und Azimutalwinkel (θj, ϕj) auf. Empfangsrichtungen können relativ zu dem planaren Array 200 und der Punktquelle 210 bestimmt werden. Die Punktquelle 210 kann in einem Fall einen Empfänger, in einem zweiten Falle einen Sender oder in einem weiteren Fall einen kombinierten Sendeempfänger repräsentieren. Sendeempfänger und Sender können erwünschte Signalquellen und/oder unerwünschte Signalquellen sein.
  • Ein Subarray 220 umfasst einen ersten Teilsatz von Elementen in dem planaren Array 200. Das Subarray 220 umfasst eine große Anzahl von Antennenelementen mit individuellen komplexen wichtungen, üblicherweise im Basisband, die durch den Vektor w repräsentiert werden. Eine Referenzantenne 230 umfasst einen zweiten Teilsatz von Elementen in dem planaren Array 200. Der Einfachheit der Illustration halber wird eine einzelne Betriebsfrequenz f und eine einheitliche Elementenbeabstandung angenommen, obgleich diese Beschränkungen für die Erfindung nicht erforderlich sind.
  • Die Referenzantenne 230 weist eine im Wesentlichen einheitliche Verstärkung über das erwünschte Blickfeld innerhalb einer vorgeschriebenen konischen Region auf.
  • Die Größe des Subarrays 220 und die Größe der Referenzantenne 230 werden von Softwareprozessen innerhalb bestimmter Hardwarelimitierungen gesteuert und dies erlaubt ein anpassbares DOA-DBF-Subsystem.
  • Das Blickfeld (FOV: field of view) 235 ist das der Referenzantenne 230 zugeordnete operative FOV. Obgleich das FOV mit einer Blickrichtung, die in eine spezielle Richtung weist, illustriert ist, kann die Blickrichtung bis zu einem begrenzten Ausmaß verändert werden. Beispielsweise kann die Blickrichtung zum Erreichen und Beibehalten einer verbesserten Abdeckung eines bestehenden Kommunikationsverkehrs verändert werden, wenn sich der Satellit bewegt, oder um Verluste oder starke Dienstanforderungen benachbarter Satelliten in einer Konstellation zu kompensieren.
  • Die Ausleuchtzone 240 ist, wie in 2 illustriert, dem FOV der Referenzantenne 230 zugeordnet. Die Ausleuchtzone 250 illustriert das mögliche Abdeckungsgebiet eines dem planaren Array 200 zugeordneten Referenzstrahls.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das empfangene Basisbandsignal von der Referenzantenne 230 mit einer gewichteten Summe der individuellen Basisbandsignale von den Antennen in dem Subarray 220 kombiniert. Minimieren der zusammengesetzten Empfangsleistung durch Anpassen der Subarray-Gewichte führt zu einem zusammengesetzten Antennenleistungsmuster, welches Nullen und Regionen niedriger Verstärkung entsprechend direktionaler Eingangssignalaktivität zeigt.
  • Standardmäßiges digitales Strahlformen ist effektiv beim Erhöhen der Isolierung zwischen den Strahlen und darüber hinaus der Seitenkeulenstruktur, weil Strahlen mit zwischen ihnen liegenden schmalen Nullen gebildet werden. Typischerweise kann jeder gebildete Strahl eine einzelne Null in einer vorgeschriebenen Richtung eines Störstrahls zeigen. Standardmäßige digitale Strahlformung ist jedoch eliminiert, wenn sie im Hinblick auf ihre Sensitivität bezüglich Richtungsfehlern, Bandbreite und Orbitdynamik insbesondere im Zusammenhang mit klebrigen Strahlen, betrachtet wird. Klebrige Strahlen sind Strahlen, die einen Endpunkt aufweisen, der im Wesentlichen fest auf der Erdoberfläche bleibt, wenn sich der Satellit oberhalb davon bewegt. Wenn die zugewiesenen Strahlrichtungen von den tatsächlichen Strahlrichtungen abweichen, stimmen scharfe Nullen nicht mit den tatsächlichen Richtungen überein. Dies tritt auf, weil die zugewiesenen Strahlrichtungen nicht länger über den Benutzerpositionen zentriert sind. Folglich liefert standardmäßige digitale Strahlformung nur marginalen Vorteil.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die limitierte Effektivität der schmalen Nullen der standardmäßigen digitalen Strahlformung im Wesentlichen eliminiert, indem die DOA-Abschätzungsalogrithmen verbessert werden, um die Strahlen und Nullen genauer zu positionieren. Weiter tragen breite zwischenliegende Nullen zu einer Isolierung zwischen den geformten Strahlen bei, selbst bei Bewegung der Satelliten relativ zu den Quellen auf dem Boden.
  • 3 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Empfangsrichtungs- (DOA-) unterstützten DBF-Subsystems, welches einen digitalen Strahlformer und einen Empfangs richtungsabschätzer (DOAE) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält. Das DOAE-unterstützte DBF-Subsystem 300 enthält eine Array-Antenne 310, die eine Mehrzahl von Empfangs- (Rx-) Elementen 312, eine Mehrzahl von Sende- (Tx-) Elementen 314, eine Mehrzahl von Sendeempfänger- (Rx/Tx-) Modulen 320, einen digitalen Strahlformer 330, einen DOAE 340 und einen Controller 350 umfasst.
  • Die Array-Antenne 310 enthält Elemente, die vorzugsweise in einem linearen oder planaren, zweidimensionalen Array angeordnet sind; andere Array-Konfigurationen sind jedoch auch geeignet. Empfangene Funkfrequenz- (Rf-) Signale werden auf der Elementenebene bearbeitet.
  • In 3 sind Antennenelemente a1 bis aK als Empfangselemente 312 für einfallende, gerichtete Signale b1 bis bJ illustriert. Wünschenswerterweise fallen J gerichtete Signale auf ein Empfangs-Array mit K-Elementen. Außerdem sind Antennenelemente a1' bis aK,' illustriert als Sendeelemente 314 für gerichtete Sendesignale b1' bis bJ''. Wünschenswerterweise werden die J' gerichteten Signale von einem Sende-Array mit K'-Elementen gesendet.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird wenigstens eine separate Sende- (Tx-) Array-Antenne verwendet und es wird wenigstens eine Empfangs- (Rx-) Array-Antenne verwendet. Außerdem umfassen Rx/Tx-Module 320 einige separate Empfangsfunktionen und einige separate Sendefunktionen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Mehrzahl von Empfangselementen 312 und die Mehrzahl von Sendeelementen 314 unter Verwendung digitaler Strahlformungstechniken gesteuert. Wünschenswerterweise kann das Antennenmuster von einem Array von Empfangselementen 312 oder einem Array von Sendeelementen 314 gesteuert werden, indem eine lineare Phasenwichtung über das Array angewendet wird. Beispielsweise kann ein Array-Muster durch die Amplituden- und Phasenwichtung der Ausgaben der individuellen Empfangselemente 312 geformt werden und ein weiteres Antennenmuster kann durch die Amplituden- und Phasenwichtung der Eingaben mit den individuellen Sendelemente 314 geformt werden. Mit breiten zwischenliegenden Nullen verschlechtert diese Option die Gesamtleistung nicht, wie sie dies im Fall schmaler zwischenliegender Nullen tun würde.
  • Die Rx/Tx Module 320 sind mit Rx-Elementen und Tx-Elementen 314 gekoppelt. Vorzugsweise ist wenigstens ein Antennenelement mit einem Rx/Tx-Modul gekoppelt. Bei Betrieb im Empfangsmodus führen die Tx/Tx-Module 320 unter anderem die Rx-Funktionen der Frequenz-Abwärtswandlung, Filterung, Verstärkung und A/D-Wandlung durch. Als Antwort auf empfangene Signale erzeugen die Rx/Tx-Module 320 digitale Daten unter Verwendung von In-Phase- (I-) und Quadratur- (Q-) A/D-Wandlern. I- bzw. Q-Digitaldaten präsentieren Real- und Imaginärteile der komplexen analogen Signaleinhüllenden und werden von dem DBF 330 verarbeitet. Wünschenswerterweise liefern die Rx/Tx-Module K digitale Empfangsdaten (r1 bis rK) an den DBF 330.
  • Außerdem führen bei Betrieb im Sendemodus die Rx/Tx-Module 320 unter anderem die Tx-Funktionen der Frequenzaufwärtswandlung, Filterung, Verstärkung und D/A-Wandlung durch. Die D/A-Wandler wandeln digitale Daten in entsprechende analoge Signale für jedes Tx-Array-Element. Die Rx/Tx-Module 320 erzeugen aus von dem DBF 330 empfangenen, digitalen Daten Signale, die zur Versendung durch die Tx-Array-Elemente geeignet sind. Wünschenswerterweise werden Rx/Tx-Module von dem DBF 330 mit K' digitalen Sendesignalen (r1' bis rK'') beliefert.
  • Der digitale Strahlformer 330 ist mit den Rx/Tx-Modulen 320 gekoppelt. Die digitalen Daten werden zwischen dem DBF 330 und den Rx/Tx-Modulen 320 ausgetauscht. Der DBF 330 implementiert Strahlformungs- und Strahlsteuerungsfunktionen, die erforderlich sind, um ein Antennenstrahlmuster mit der erwünschten Charakteristik zu bilden. Der DBF 330 bildet Empfangs- und Sendestrahlen für den Empfang und die Versendung gerichteter Signale mit minimaler Interferenz zwischen den Strahlen.
  • Außerdem ist der DBF 330 über 335 mit dem Controller 350 gekoppelt. Digitale Daten werden zwischen dem DBF 330 und dem Controller 350 ausgetauscht. Die digitalen Daten enthalten Daten zum Betrieb im Sendemodus und im Empfangsmodus sowie andere Daten zur Steuerung.
  • Wie in 3 illustriert, liefert der DBF 330 Strahlenport-Empfangssignale (b1 bis bj) an den Controller 350. Diese Signale sind optimale Schätzwerte für die einfallenden Signale (b1 bis bJ).
  • Der DBF 330 erhält die Strahlenport-Sendesignale (b1' bis bJ') von dem Controller 350. Die tatsächlich gesendeten Signale (b'1 bis b'J) sind optimale Repräsentationen der Originalversion (b1' bis bJ'). Eine der Funktionen der digitalen Strahlformer ist es, Transformationsmatrizen T und T' abzuleiten, die, wenn sie auf Empfangs- bzw. Sendesignalen arbeiten, optimale Schätzwerte einfallender und tatsächlich gesendeter Signale erzeugen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet der DBF 330 einen besten linearen, objektiven Schätzwert (BLUE: best linear unbiased estimator). Dieser Algorithmus passt die Wichtungskoeffizienten des Arrays an, um einen Signalschätzwert mit minimaler Varianz zu erhalten. Der BLUE-Algorithums zwingt tiefe Nullen in die Richtung von Störsignalen für jeden Strahl und ist daher anfällig für Richtungsfehler. Genaue DOA-Abschätzungstechniken werden beim BLUE-Algorithmus zur Erhöhung seiner Effektivität verwendet. Außerdem verbessern Nullen variabler Breite die Isolierung zwischen den Strahlen, was weitere Robustheit gegen Rauschen und Bewegung erzeugt.
  • Der DOAE 340 ist über 345 mit dem DBF 330 gekoppelt und ist über 355 mit dem Controller 350 gekoppelt. Digitale Daten werden zwischen dem DORE 340, dem DBF 330 und dem Controller 350 ausgetauscht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erhält der DOAE 340 Antennenkonfigurationsdaten vom Controller 350. Außerdem kann der Controller 350 Anfangswerte für Empfangsrichtungen, berechnete Werte für Empfangsrichtungen und gespeicherte Werte für Empfangsrichtungen bereitstellen.
  • Der DOAE 340 stellt unter anderem Referenzantennengewichte und Subarray-Gewichte an den DBF 330 zur Verfügung. Der DOAE 340 verwendet Kenntnis bestehender Strahlen, um seine Suchstrategie für neue gerichtete Eingangssignalaktivität zu verbessern. Wünschenswerterweise erhält der DOAE 340 Information über bestehende Strahlen vom DBF 330 und vom Controller 350. Auch verwendet der DOAE 340 unter anderem Information über Strahlbreiten und Nullbreiten, um seine Strahlzuweisungsstrategie zu bestimmen.
  • Der DOAE 340 wird verwendet, um unter anderem Kovarianzmatrizen und Kreuzkorrelationvektoren, wie unten diskutiert, zu berechnen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform setzt der DOAE 340 einen Relaxationsalgorithmus ein, der numerisch stabil ist und nicht das Erfordernis verlangt, dass die zugrundeliegende Kovarianzmatrix eine Inverse besitzt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der DOAE 340 einen oder mehrere parallele Prozessoren. Der DOAE 340 speichert Daten, die als seine Anweisungen dienen und die, wenn sie ausgeführt werden, den DOAE 340 veranlassen, Prozeduren auszuführen, die unten diskutiert werden. Bei alternativen Ausführungsformen kann der DOAE 340 unter Verwendung digitaler Signalprozessoren implementiert sein. Bei anderen Ausführungsformen kann der DOAE 340 unter Verwendung spezieller Prozessoren, die Logarithmuswandler, inverse Logarithmuswandler und parallele Prozessoren beinhalten, implementiert sein.
  • Beispielsweise können die in DBF 300, DOAE 340 und Controller 350 verwendeten Prozessoren eine logarithmische Zahlensystem- (LNS-: logarithmic number system) Arithmetik verwenden. LNS-basierte Arithmetik bietet einen Vorteil, weil Multiplikations-Operationen mit Addierern anstelle von Multiplizierern durchgeführt werden können. Ein LNS-basierter Prozessor kann log-Wandler, Summiererschaltungen, Wichtungsschaltungen und Invers-log-Wandler 1 enthalten. Bei alternativen Ausführungsformen können der DBF 330 und der DOAE 340 Rechnerressourcen gemeinsam nutzen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet der DOAE 340 ein Empfangs-Subarray mit N Elementen, um die Verteilung der Empfangsrichtungen über das erwünschte Blickfeld zu bestimmen. Wünschenswerterweise ist N eine positive ganze Zahl, die kleiner ist als die Gesamtzahl von Elementen in dem Empfangsantennen-Array. Weil ein robuster Rela xationsalgorithmus verwendet wird, ist der DOAE 340 nicht darauf beschränkt, ein N-dimensionales Subarray zu verwenden, sondern kann tatsächlich das gesamte Array einsetzen, um zu einer feineren Definition der Richtungsverteilung der einfallenden Signalleistung zu gelangen.
  • Wie in 3 illustriert, empfängt der DOAE 340 gesampelte Signale s0, s1,... sN, wobei so das Referenzportsignal und s ([s1,...sN]T) der N-komponentige Subarray-Signalvektor ist.
  • Durch Aufnehmen von M aufeinanderfolgenden Zeit-Samples für jedes dieser Signale können die folgenden Größen definiert werden:
    Figure 00190001
    wobei s 0 den komplexen M-komponentigen Referenzportsignalvektor mit Komponenten repräsentiert, die Samples von s0(t) bei Sample-Zeiten t=1,...,M sind, und S die Komplexe M × N Subarray-Signalmatrix repräsentiert, die M Zeit-Samples von s T(t) umfasst.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Referenzportsignal-Samples mit einer gewichteten Summe der N Subarray-Portsignal-Samples kombiniert, um die zusammenge setzten Signal-Samples Sw + s 0, zu bilden, wobei w ein N-dimensionaler komplexer Wichtungsvektor ist. Die entsprechende zusammengesetzte Empfangsleistung ist dann proportional
    Figure 00200001
    was eine quadratische Funktion von w ist, und was einen minimalen Wert annimmt, wenn w das lineare System Cw + d = 0 in einem geeigneten Sinn erfüllt (z. B. im Sinn eines kleinsten Fehlerquadrates etc.).
  • In diesem Fall ist C die N × N komplexe Subarray-Signal-Kovarianzmatrix und d ist der N-komponentige Subarray-/Referenzsignal-Kreuzkorrelationsvektor, jeweils gegeben durch C = S*T S und d = S*T s 0
  • Die Lösung des linearen Systems (Cw + d = 0) ist im Wesentlichen die Umkehrung von w = -C–1 d,obgleich es sein kann, dass dies im Allgemeinen nicht numerisch zuverlässig ist. Wenn beispielsweise C ungünstig ist, ist die direkte Matrizeninvertierung numerisch unzuverlässig. Dies trifft insbesondere zu, wenn das lineare System überbestimmt ist, d.h. wenn N größer ist als die Anzahl einfallender Signale. Eigenraumtechniken, einschließlich Singularwertdekomposition (SVD: Singular Value Decomposition), Pseudoinverse und Batch-Kovarianzrelation (BACR: Batch Kovariance Relation) sind numerisch stabile und robuste Alternativen zur Bestimmung eines optimalen Schätzwertes von w. Folglich sind diese Techniken geeigneter zur Lösung ungünstiger Systeme und besser geeignet zur Verwendung in dem DOAE.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der BCR-Ansatz verwendet. Der Vorteil der BCR-Technik ist, dass sie selbst bei limitierter arithmetischer Lösung numerisch stabil ist und die BCR-Technik kann iterativ angewendet werden, um einen aktuellen Schätzwert für w zu verbessern, wodurch wachsende Verfeinerungen in einer sich ändernden Umgebung erlaubt werden.
  • Es sei eine Wichtungsvektorlösung, w, gegeben und ein planares Antennen-Array, wie in 3 angenommen; das zusammengesetzte Antennenstrahlungsmuster als eine Funktion von (ϕ, θ) ist gegeben durch:
    Figure 00210001
    wobei (xn, yn) die normalisierte xy-Halbwellenlängenposition des n-ten Antennenelementes ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist Ec(ϕ,θ) ein zusammengesetztes Muster, E0(ϕ,θ) ist ein Referenzmuster und En(ϕ,θ) ist ein eingebettetes Elementenmuster.
  • Das zusammengesetzte Antennenempfangsleistungsmuster ist dann gegeben durch
  • Figure 00210002
  • Berechnung dieses Musters über einen Bereich von (ϕ,θ) enthüllt Nullen und Gebiete niedriger Verstärkung, die auf gerichtete Eingangssignalaktivität hinweisen. Eine andere Sicht dieses gerichteten Signalprofils erhält man durch Normalisieren der zusammengesetzten Leistung im Hinblick auf das Referenzantennenleistungsmuster und dieses ergibt ein zusammengesetztes Leistungsmuster im Vergleich zu der Referenz
    Figure 00220001
    in Form des Reziproken des normalisierten, zusammengesetzten Leistungsmusters
  • Figure 00220002
  • Dieses reziproke, normalisierte, zusammengesetzte Leistungsmuster zeigt ein gerichtetes Eingangssignalprofil in Form von Spitzen und hohen Regionen im Vergleich zu dem Referenzantennenleistungsmuster als eine Funktion der Richtungswinkel ϕ und θ. In diesem Sinn ist P(ϕ,θ) ein Schätzwert der auf die Einheit bezogenen gerichteten Eingangsleistung.
  • Kenntnis des normalisierten, zusammengesetzten Leistungsmusters erlaubt es Spitzenfindungstechniken anzuwenden, um die Richtungen der Eingangssignalaktivität innerhalb des Blickfeldes des DOA-Abschätzungssubsystems zu identifizieren. Unter Verwendung der Kenntnis verfügbarer Bandbreiten für DBF-Strahlen ist es dann möglich, Strahlrichtungen zu spezifizieren, die in praktischem Sinn optimale Abdeckung liefern. Außerdem muss das DOA-Abschätzungssubsystem mit der Kenntnis der aktuellen Strahlrichtungen nur nach neuen Strahlrichtungen suchen und diese Technik eliminiert unnötige Berechnungen.
  • Die enthaltene rechnerische Komplexität dieser Suchtechnik hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, einschließlich der für ϕ und θ verwendeten Schrittgrößen. Beispielsweise ist die Komplexität auch abhängig von der erforderlichen Genauigkeit für die Empfangsrichtungen und die Größe des Suchbereichs in dem gewünschten FOV.
  • Zusätzlich kann einfallende Signalenergie mit bestimmten spektralen Eigenschaften verwendet werden, um zu bestimmen, wo Nullen in das zusammengesetzte Leistungsmuster einzuführen sind, oder einen gerichteten Spitzenleistungsschätzwert. Wenn ein einfallendes Signal als ein unerwünschtes Signal (Interferenz) identifiziert wird, ist diese DOA-Information für das DBF-System wichtig. Wünschenswerterweise verwendet das DBF-System diese Kenntnis, um in jedem der Strahlen, die das DBF-System bildet, eine Null an diesen Punkt zu setzten. Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein DBF-System beim Versuch die unerwünschte Interferenz weiter zu identifizieren, einen Strahl in dieser Richtung ausbilden. Beim intelligenten Positionieren von Nullen werden unerwünschte Signale oder. Stausignale unter Verwendung der DOA-Information unterdrückt.
  • Kapazitätsgewinne, reduzierte Interferenz und verbesserte Leistung können unter Verwendung eines DOA-unterstützten DBF-Subsystems erreicht werden. Typischerweise bezieht sich die digitale Strahlformung auf die Erzeugung von mehreren simultanen, unabhängig gesteuerten Strahlen im Basisband, die mittels digitaler Signalverarbeitung gesteuert werden.
  • Ein DOA-unterstütztes DBF-Subsystem mit verbesserter DOA-Abschätzungsfähigkeit erlaubt es einem Kommunikationssystem eine Ressourcenzuweisungspolitik zu verwenden, die Strahlen zu Quellen und Nullen zu Störern zuweist, um die Gesamtkapazität und Qualität des Dienstes zu optimieren. Beispielsweise können unter Verwendung einer verbesserten DOA-Abschätzungsfähigkeit Antennenmuster so etabliert werden, dass sie Strahlen- und Nullpositionen aufweisen, die gemäß der Verkehrsdichte variieren.
  • Das DOA-unterstützte DBF-Subsystem 300, das in 3 gezeigt ist, hat Vorteile gegenüber herkömmlichen Systemen mit festen Strahlenantennen, weil es unter anderem Antennenmuster adaptiv anpasst und genau positionierte Strahlen und Nullen als Antwort auf die empfangenen Daten erzeugt. Wünschenswerter Weise werden die empfangenen Daten verwendet, um die DOA für erwünschte und unerwünschte einfallende Signale genau abzuschätzen. Mit anderen Worten liefert das DOA-unterstützte DBF-Subsystem genaue Antennenstrahlausrichtungen als Antwort auf die Anforderung nach Kommunikationsdiensten und es liefert eine verbesserte Nullausrichtung, um den Einfluss unerwünschter RF-Signale zu verringern. Diese Merkmale werden durch geeignete Software implementiert, die im DFB 330, DOAE 340 und Controller 350 eingebettet ist.
  • Damit digitale Strahlformungsverfahren in einem Satellitenkommunikationssystem in dem die Benutzer und Satelliten ihre Position relativ zueinander verändern, effektiv ist, muss die DOA-Information aktualisiert werden, wenn sich die Satelliten und Benutzer relativ zueinander bewegen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die DOA für die auf wenigstens ein Antennen-Array auf einem Satelliten einfallenden Signale abgeschätzt. Diese Information kann beispielsweise benutzt werden, um die Zuweisung von Ressourcen zu verbessern, indem Strahlen auf aktive Gebiete und solche hohen Verkehrs gerichtet werden und indem Strahlen nicht auf inaktive Gebiete gerichtet werden. Diese Verbesserung bei der Ressourcenzuordnung kann die Gesamtleistung verbessern und den Energieverbrauch an Bord reduzieren.
  • 4 illustriert ein Flussdiagramm einer Prozedur zum Bestimmen von Empfangsrichtungen in einem DOA-unterstützten DBF-Subsystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Prozedur 400 startet in Schritt 402.
  • In Schritt 404 wird eine Referenzantenne definiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Referenzantenne einen Referenzstrahl, der ein erwünschtes Blickfeld abdeckt, während sie den verbleibenden Raum mit einer hinreichend niedrigen Seitenkeulenstruktur abweist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elemente, die benutzt werden, um die Referenzantenne zu definieren, nicht hardwareabhängig. Die Referenzantenne wird dynamisch von dem DOAE gesteuert. Wünschenswerterweise variiert die Referenzantenne, wenn sich die Blickfeldgröße ändert und wenn sich die Richtung des Blickfeldes ändert. Bei einem nicht-geostationären Satellitensystem ändert sich beispielsweise das Blickfeld, wenn sich der Satellit in Bezug auf die Erdoberfläche bewegt. Zusätzlich können sich Blickfelder ändern, wenn Strahlen von Gebieten geringen Verkehrs zu Gebieten hohen Verkehrs bewegt werden.
  • In Schritt 406 wird ein N-elementiges Subarray ausgewählt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das N-elementige Array ein Subarray des Empfangsantennen-Arrays. Bei anderen Ausführungsformen ist das N-elementige Array das gesamte Empfangs-Array. Wünschenswerterweise ändert sich N wenn sich die Erfordernisse ändern.
  • Ein großes, digital gesteuertes Antennen-Array gegeben, verwendet die Erfindung ein gewichtetes Subarray in Kombination mit einer Referenzantenne, um die Verteilung von Empfangsrichtungen über ein erwünschtes Blickfeld zu bestimmen. Der verwendete Relaxationsalgorithmus ist numerisch stabil und robust, da er nicht das Erfordernis aufweist, dass die zugrundeliegende Kovarianzmatrix eine Inverse habe. Folglich ist das System nicht darauf beschränkt, ein kleines Subarray zu verwenden, sondern kann tatsächlich das gesamte Array verwenden, um eine feinere Definition der Richtungsverteilung der Einfallsleistung zu erreichen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Matrix S bestimmt, wobei S die komplexe M × N Subarray-Signalmatrix mit Komponenten ist, die M Zeit-Samples zu Sample-Zeiten t = 1,..., M und N Subarray-Elementen, die von 1 bis N nummeriert sind, entspricht.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird So bestimmt, wobei S 0 den komplexen M-komponentigen Referenzportsignalvektor mit Komponenten, die Samples von s0(t) zu Sample-Zeiten t = 1,..., M sind, repräsentiert.
  • Zusätzlich kann das Blickfeld in einem gewissen Maß verändert werden, wenn DOA-Schätzwerte für ein spezielles Gebiet erforderlich sind.
  • In Schritt 408 wird die zusammengesetzte Empfangsleistung gegeben durch
    Figure 00260001
    was eine quadratische Funktion von w ist und was einen Minimalwert annimmt, wenn w das lineare System Cw + d = 0 erfüllt, wobei C die Kovarianzmatrix ist und d der Kreuzkorrelationsvektor wie unten beschrieben.
  • In Schritt 410, wird die Kovarianzmatrix berechnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die komplexe Basisbandsignal Kovarianzmatrix berechnet mittels: C = S*TS.
  • Außerdem wird ein Kreuzkorrelationsvektor berechnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kreuzkorrelationsvektor zwischen dem Referenz-Array und dem N-elementigen Array berechnet mittels d = S*T s 0,wobei S M Zeit-Samples des Subarray-Signalvektors s(t) umfasst.
  • In Schritt 412 wird das lineare System von Schritt 408 für w gelöst, welcher ein N-dimensionaler, komplexer Wichtungsvektor über das N-elementige Subarray ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden BCR oder verwandte Eigenraumtechniken verwendet.
  • In Schritt 414 wird ein zusammengesetztes Antennenmuster unter Verwendung des zuvor erlangten Wertes für w berechnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das zusammengesetzte Antennenmuster Ec(ϕ,θ) berechnet.
  • In Schritt 416 wird das reziproke, normalisierte, zusammengesetzte Leistungsmuster P(ϕ,θ) für eine Mehrzahl von Punkten (ϕ,θ) innerhalb des erwünschten Blickfeldes berechnet. In Schritt 418 werden DOA-Schätzwerte für die Mehrzahl einfallender Signale aus dem reziproken, normalisierten, zusammengesetzten Leistungsmuster P(ϕ,θ) bei der Mehrzahl von Punkten (ϕ,θ) berechnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Spitzenfindungstechniken verwendet, um eine Spitze von P(ϕ,θ) im (ϕ,θ)-Raum entsprechend den DOA-Schätzwerten zu lokalisieren.
  • In Schritt 420 endet die Prozedur 400. Die Prozedur 400 wird verwendet, um ein zusammengesetztes Leistungsmuster für eine Mehrzahl von Punkten innerhalb eines erwünsch ten Blickfeldes zu berechnen und um DOA-Schätzwerte für wenigstens ein einfallendes Signal durch Anwendung wenigstens einer Spitzenfindungstechnik auf das zusammengesetzte Leistungsmuster abzuleiten. Als nächstes etabliert das DOA-unterstützte BDF Subsystem einen Strahl in einer Richtung, die im Wesentlichen gleich dem DOA-Schätzwert ist, wenn das einfallende Signal ein erwünschtes Signal ist; und das DOA-unterstützte DBF-System richtet eine Null in einer Richtung, die im Wesentlichen gleich dem DOA-Schätzwert ist, aus, wenn das einfallende Signal von einer unerwünschten Quelle stammt.
  • 5 zeigt einen Graphen, der die mittels des DOA-Algorithmus abgeschätzte gerichtete Signalaktivität illustriert. In diesem Beispiel wurden unter Verwendung von DOA-Abschätzungstechniken drei Spitzen 510 produziert, die auf eine Signalaktivität bei drei verschiedenen Empfangsrichtungen hinweisen. Es wurden Berechnungen unter Verwendung von BCR und pseudo-inversen Techniken angestellt, um eine Lösung für w für ein mehrelementiges, lineares Array zu finden. Bei diesem Beispiel traten die Empfangsrichtungen für einfallende Signale bei 49, 50 und 51 Grad auf.
  • Weil ein DOA-unterstütztes DBF-Subsystem sowohl Strahlsteuerung als auch Nullsteuerung enthält, wächst die Rechenlast und wird komplexer. Geeignete Techniken werden verwendet, um dem Rechnung zu tragen. Beispielsweise liefert die Verwendung des BLUE DBF-Algorithmus in Kombination mit DOA-Abschätzungstechniken eine gute Abwägung zwischen Leistung und Komplexität. Diese Kombination erlaubt die simultane Steuerung von Strahlen in den Richtungen erwünschter Benutzer und die Steuerung von Nullen in der Richtung von Störsignalen.
  • Berechnungskomplexität wird auch durch Steuerung verwaltet, wenn Berechnungen durchgeführt werden. Wünschenswerterweise werden die DOA-Abschätzungsberechnungen nach Erfordernis durchgeführt. Beispielsweise ist die Aktualisierungsrate abhängig von einer Anzahl von Faktoren, unter anderem einschließlich Änderungen der Satellitenposition relativ zu den erwünschten und unerwünschten Sendern und Empfängern. Wenn die Änderungsrate des Elevationswinkels 0,0569°/Sekunde ist, entspricht dies 0,0005°/Rahmen, wenn eine Rahmenlänge von 90 Millisekunden angenommen wird. Wenn eine Korrektur des Strahlformers alle 0,5° erforderlich ist, muss die DOA-Information jeden einhundertsten Rahmen aktualisiert werden. Dies kann unter Verwendung geeigneter digitaler Signalprozessoren erfolgen.
  • Bei einem DOA-unterstützten DBF-System kann die rechnerische Komplexität reduziert werden, indem iterative Aktualisierungen der DOA-Schätzwerte durchgeführt werden. Die BCR-Technik erlaubt es, dass iterative w-Aktualisierungen durchgeführt werden, wodurch eine im Wesentlichen kontinuierliche Verfeinerung von DOA-Schätzwerten erreicht wird. Beispielsweise können DOA-Berechnungen mit DBF-Berechnungen verteilt und im Time-Sharing erfolgen. Wünschenswerterweise erlauben diese Optionen die ökonomische Verwendung verfügbarer Rechenressourcen. Weiter kann eine Spitzendetektion rechnerisch effizient durchgeführt werden, indem iteratives Aktualisieren und Suchen in der Nähe zuvor identifizierter Spitzen verwendet wird.
  • Außerdem wird, wenn breite zwischenliegende Nullen zwischen den Strahlen verwendet werden, die Aktualisierungsrate für die DOA-Schätzwerte reduziert werden. Wün schenswerterweise machen breite zwischenliegende Nullen das Gesamtsystem robuster.
  • Bei einem DOA-unterstützten DBF-System kann die rechnerische Komplexität auch durch Verwendung ungefährer Schätzwerte der DOA für wenigstens einige der einfallenden Signal reduziert werden. Wünschenswerterweise werden die ungefähren Schätzwerte für Empfangsrichtungen für Benutzer während einer Akquisitionsphase erlangt. Beispielsweise können während der Akquisitionsphase breitere FOVs und breitere Strahlen verwendet werden.
  • Weiter kann die rechnerische Komplexität durch Verwendung von Schmalbandtechniken reduziert werden. Beispielsweise können DOA-Abschätzungstechniken für eine einzelne Betriebsfrequenz, mutmaßlich der Zentralfrequenz einer Betriebsbandbreite eines Kommunikationssignals, formuliert werden. Für Schmalbandsysteme, bei denen die Bandbreite B ein kleiner Bruchteil der Trägerfrequenz fc ist, könnten DOA-Abschätzungstechniken bei fc sicher angewendet werden, was zu sehr kleinen Leistungsverschlechterungen an den Bandrändern führen würde. Wenn die Bruchteilsbandbreite B/fc jedoch ansteigt, manifestiert sich die Verschlechterung in ansteigenden Abschätzungsfehlern. In diesem Fall können die DOA-Schätzwerte für individuelle Subbänder in einer Time-Sharing-Weise abgeleitet werden.
  • Bei alternativen Ausführungsformen kann ein GPS-unterstütztes Lokalisierungssystem verwendet werden, um die Empfangsrichtungen zu erhalten. Bei diesen Ausführungsformen können die Lokalisierungssystemdaten verwendet werden, um Grenzen und Anfangsbedingungen für BCR zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise könnte ein DOA-Abschätzungsalgorithmus verwendet werden, um unbekannte Störquellen zu identifizieren. Bei anderen Ausführungsbeispielen können grobe Lokalisierungsdaten terrestrisch basierten Geräten mittels Satelliten in einem Kommunikationssystem zur Verfügung gestellt werden.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglichen es, die Fähigkeiten eines Satellitenkommunikationssystem stark zu verbessern, indem Antennenmuster mit genau positionierten Strahlen und Nullen verwendet werden. Die Verwendung genau positionierter Nullen zum Minimieren des Effektes von Störsignalen kann für verschiedene Aufgaben optimiert werden und zusätzliche Kostenvorteile können von dem System durch Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung erreicht werden. weiter trägt die Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit breiten Nullen zur Robustheit des Gesamtsystems bei.
  • Die Erfindung wurde oben unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Obgleich eine bevorzugte Ausführungsform durch Verwendung eines speziellen Blockdiagramms für ein Sende-/Empfangsgerät beschrieben wurde, können andere Systeme, die andere Blockdiagramme verwenden, angepeilt werden. Auch können, obgleich BCR der bevorzugte Algorithmus für das Aktualisieren des adaptiven Wichtungsvektors ist, andere äquivalente Techniken eingesetzt werden.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betrieb eines empfangsrichtungsunterstützten, digitalen Strahlformungssystems, DBF-Systems, wobei ein Empfangsrichtungsabschätzer, DOAE, Empfangsrichtungsschätzwerte, DOA-Schätzwerte, für einfallende Signale, die von einer Array-Antenne (200, 310) empfangen werden, bestimmt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Berechnen (414) eines zusammengesetzten Leistungsmusters für eine Mehrzahl von Punkten (210) innerhalb eines erwünschten Blickfeldes (235); Ableiten (418) der DOA-Schätzwerte für die einfallende Signale durch Anwenden wenigstens einer Spitzenfindungstechnik auf das zusammengesetzte Leistungsmuster; Etablieren (400) eines Strahls in einer Richtung, die im Wesentlichen gleich einem DOA-Schätzwert für eines der einfallenden Signale ist, wenn das eine der einfallenden Signale ein erwünschtes Signal ist; und Richten (400) von Nullen in Richtungen, die im Wesentlichen gleich DOA-Schätzwerten für andere der einfallenden Signale sind, wenn die anderen unerwünschte Signale sind; dadurch gekennzeichnet dass: der Berechnungsschritt weiter den Schritt des Berechnens (408) von Pc(ϕ,θ) für eine Mehrzahl von Winkelpunkten ϕ,θ innerhalb des erwünschten Blickfeldes umfasst, wobei Pc(ϕ,θ) das zusammengesetzte Leistungsmuster ist und definiert ist als
    Figure 00330001
    wobei E0(ϕ,θ) ein Referenz-Strahlungsmuster eines Referenz-Arrays (230) für die Array-Antenne (200) ist, En(ϕ,θ) ein Strahlungsmuster für ein n-tes Element eines Subarrays (220) der Array-Antenne (200) ist, xn, yn eine normalisierte Halbwellenlängen-Position für das n-te Element in einer Ebene der Array-Antenne ist und wn eine n-te Komponente von w ist, was eine Wichtungsvektorlösung für ein lineares System Cw + d = 0 ist, wobei N eine positive ganze Zahl und kleiner als eine Anzahl von Array-Elementen ist und C eine komplexe N × N Subarray-Signal-Kovarianzmatrix ist und d ein n-komponentiger Subarray-/Referenzsignal-Kreuzkorrelationsvektor ist.
  2. Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei der Berechnungsschritt weiter den Schritt des Lösens (408) des linearen Systems unter Verwendung von Eigenraumtechniken umfasst, wobei C eine komplexe N × N Subarray-Signal-Kovarianzmatrix ist und d ein N-komponentiger Subarray-/Referenzsignal-Kreuzkorrelationsvektor ist.
  3. Verfahren wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei der Berechnungsschritt weiter den Schritt des Berechnens (410) von C unter Verwendung von C = S*TS umfasst, wobei S eine M × N Subarray-Signal-Matrix ist und S*T M Zeit-Samples eines Subarray-Signal-Vektors ist.
  4. Verfahren wie in Anspruch 3 beansprucht, wobei der Berechnungsschritt weiter den Schritt des Berechnens (410) von d unter Verwendung d = S*T S 0 umfasst, wobei S 0 ein komplexer Referenzsignalvektor mit M Zeit-Samples ist.
  5. Verfahren wie in Anspruch 4 beansprucht, wobei der Berechnungsschritt weiter die Schritte umfasst: Berechnen von S unter Verwendung von
    Figure 00340001
    Berechnen von S 0 unter Verwendung von
    Figure 00340002
    wobei S 0 einen komplexen M-komponentigen Referenzsignal-Vektor mit Komponenten repräsentiert, die eine Zusammenstellung von Samples von S 0(t) zu Sample-Zeiten t=1 bis t=M sind, und S eine komplexe M × N Subarray-Signalmatrix mit Komponenten, die einer Zusammenstellung von M Zeit-Samples zu Sample-Zeiten t=1 bis t=M und N von 1 bis N nummerierten Subarray-Elementen entsprechen, repräsentiert.
  6. Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei der Lösungsschritt weiter den Schritt des Bestimmens (412) von w unter Verwendung eines Batch-Kovarianz-Relaxations- (BCR: Batch Kovariance Relaxation) Algorithmus umfasst.
  7. Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei der Lösungsschritt weiter den Schritt des Bestimmens (412) von w unter Verwendung eines Singulärwert-Dekompositions- (SVD: Singular Value Decomposition) Algorithmus umfasst.
  8. Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das Verfahren weiter den Schritt des Auswählens (416) des erwünschten Blickfeldes umfasst, um ein ausgewähltes Gebiet abzudecken.
  9. Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das Verfahren weiter den Schritt des Auswählens (416) des erwünschten Blickfeldes umfasst, um wenigstens eine erwünschte Signalquelle (210) abzudecken.
  10. Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das Verfahren weiter den Schritt des Auswählens (416) des erwünschten Blickfeldes umfasst, um wenigstens eine unerwünschte Signalquelle (210) abzudecken.
  11. Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das Verfahren weiter den Schritt des Auswählens des erwünschten Blickfeldes, basierend auf einer Dienstanfrage, umfasst.
  12. Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das Verfahren weiter den Schritt des Auswählens (416) des erwünschten Blickfeldes, basierend auf einer Betriebsfrequenz der einfallenden Signale, umfasst.
  13. Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das Verfahren weiter den Schritt des Auswählens (416) des erwünschten Blickfeldes, basierend auf einer Ankunftszeit der einfallenden Signale, umfasst.
  14. Empfangsrichtungsunterstütztes digitales Strahlformungs-System, umfassend: wenigstens ein Antennen-Array (200, 310) mit einer Mehrzahl von Elementen (312, 314); eine Mehrzahl von Empfangs-/Sende-Modulen, Rx/Tx-Modulen (320), die mit der Mehrzahl von Elementen gekoppelt sind; einen digitalen Strahlformer (330), DBF, der mit der Mehrzahl von Rx/Tx-Modulen gekoppelt ist, wobei der DBF N Elemente der Mehrzahl von Elementen steuert, um eine Mehrzahl von Strahlen zu etablieren; einen Empfangsrichtungsabschätzer (340), DOAE, der mit dem DBF gekoppelt ist, wobei der DOAE zum Bestimmen von Empfangsrichtungsschätzwerten, DOA-Schätzwerten, für die Mehrzahl von Strahlen dient; und einen Controller (350) der mit dem DBF und dem DOAE gekoppelt ist; gekennzeichnet durch: Mittel zum Bestimmen (340) einer komplexen Basisbandsignal-Kovarianz-Matrix C für ein erstes Empfangs-Subarray (220); Mittel zum Bestimmen (340) eines komplexen Kreuzkorrelationsvektors d unter Verwendung des ersten Empfangs-Subarrays und eines zweiten Empfangs-Subarrays (230); Mittel zum Bestimmen (340) eines komplexen Wichtungsvektors w, der eine empfangene Leistung an dem wenigstens einen Antennen-Array durch Lösen eines linearen Systems Cw + d = 0 minimiert; Mittel zum Bestimmen (340) eines normalisierten Musters für das wenigstens eine Antennen-Array durch Kombinieren der Signale von dem zweiten Empfangs-Subarray mit einer gewichteten Summe von Signalen aus dem ersten Empfangs-Subarray unter Verwendung des komplexen Wichtungsvektors w; und Mittel zum Bestimmen (340) der Empfangsrichtungsschätzwerte unter Verwendung wenigstens eines Maximalpunktes (510) in dem normalisierten Muster;
  15. DOA-unterstütztes DBF-Subsystem wie in Anspruch 14 beansprucht, wobei das DOA-unterstützte DBF-System weiter umfasst: Mittel zum Auswählen (340) eines zweiten Empfangs-Subarrays (230) der Mehrzahl von Elementen als ein Referenzarray; Mittel zum Auswählen (340) eines ersten Empfangs-Subarrays (220) der Mehrzahl von Elementen; und Mittel zum Kombinieren (340) von gewichteten Empfangssignalen von dem ersten Empfangs-Subarray und Referenz-Array-Signalen von dem zweiten Empfangs-Subarray.
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