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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf drahtlose Telekommunikationssysteme
und insbesondere auf die Verwendung von Antennenanordnungen in drahtlosen
Telekommunikationssystemen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
einem drahtlosen Telekommunikationssystem, das mehrere mobile Teilnehmereinheiten und
eine Basisstation, die mit einer Antennenanordnung verbunden ist,
die mehrere Antennen einschließt,
umfasst, kann ein Senden der Basisstation an eine aktive Teilnehmereinheit
mit einem Senden an eine andere aktive Teilnehmereinheit interferieren. Die
Interferenz kann eine nicht akzeptable Verschlechterung des Funkfrequenzsignals
(RF), das von der Teilnehmereinheit empfangen wird, verursachen,
was zu einer verminderten Leistung und möglicherweise einer Verbindungsunterbrechung
führt. Um
die Interferenz zu minimieren, wurden Verfahren für das adaptive
Formen eines Strahlmusters einer Antennenanordnung entwickelt, die
zu einem gebündelteren
Senden eines Signals zur vorgesehenen Teilnehmereinheit und einer
reduzierten Interferenz mit anderen aktiven Teilnehmereinheiten,
die dieselbe Basisstation und dieselbe Antennenanordnung verwenden,
führt.
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Es
sind viele Techniken für
das adaptive Formen eines Strahlmusters einer Antennenanordnung vorgeschlagen
worden. Eine Anzahl dieser Techniken liefert eine Fokussierung eines
Strahls einer Antennenanordnung in die Richtung der maximal empfangenen
Signalstärke
(durch die Basisstation von der Teilnehmereinheit). Das heißt, die
Techniken bestimmen eine getrennte Amplituden- und Phaseneinstellung
für jeden
Teil eines Signals, das von einer Teilnehmereinheit über jede
der vielen Antennen empfangen wurde, bevor die Signalteile kombiniert werden,
um es der Basisstation somit zu ermöglichen, das empfangende Signal
und die interferierenden Signale aufzulösen, die interferierende Signale auszulöschen und
das empfangene Signal zu optimieren. Wenn die Basisstation ein Signal
an die Teilnehmereinheit sendet, werden die Amplituden- und Phaseneinstellungen,
die auf der Basis des empfangenen Signals bestimmt wurden, auf jeden
Teil des Signals, das von jeder der vielen Antennen gesendet wird,
angewandt.
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Es
kann jedoch Situationen geben, bei denen es unvorteilhaft ist, einen
Antennenstrahl für
den Zweck des Sendens eines Signals an eine Teilnehmereinheit zu
formen. Beispielsweise kann es sein, dass sich eine Teilnehmereinheit
hinter einem Hindernis befindet, mit dem Ergebnis, dass ein Signal, das
in der Richtung der maximal empfangenen Signalstärke, was die wahrgenommene
Richtung der Teilnehmereinheit darstellt, fokussiert ist, stattdessen bloß auf eine
Kante des Hindernisses fokussiert wird. Ein breit gesendetes Signal
wird leichter um das Hindernis herum diffundieren als ein Signal
mit einem schmalen Strahl und wird eine bessere Chance haben, die
Teilnehmereinheit zu erreichen als das strahlförmige Signal. Eine andere Situation,
bei der ein fokussierter Strahl unvorteilhaft ist, besteht dann, wenn
die Teilnehmereinheit sich in einer Umgebung befindet, bei der Schwunderscheinungen
es sehr schwer machen, den Ort der Teilnehmereinheit auf der Basis
der empfangenen Signalstärke
zu bestimmen. Es kann dazu führen,
dass ein gerichtetes Signal in die falsche Richtung gerichtet wird.
Oder es kann sein, dass eine Teilnehmereinheit wegen Problemen mit
der Energiequelle der Einheit mit einem verminderten Leistungspegel
arbeitet und somit nicht fähig
sein wird, ein leicht falsch ausgerichtetes Signal akzeptabel zu
empfangen. Es existiert somit ein Bedürfnis nach einem Verfahren
und einer Vorrichtung, die eine Bestimmung liefern, wann eine Situation
für das
Verwenden einer Technik der Strahlformung einer Antennenanordnung
passend ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
einer Kommunikationsvorrichtung, die eine Antennenanordnung umfasst,
die mehrere Antennen einschließt,
liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
für das
Optimieren einer Verwendung einer Technik der Strahlformung einer
Antennenanordnung. Gemäß der Erfindung
bestimmt die Kommunikationsvorrichtung eine Richtung von der Kommunikationsvorrichtung
zu einer Kommunikationseinheit und bestimmt eine Richtung der Ankunft
eines Signals, das von der Kommunikationseinheit durch die Kommunikationsvorrichtung über jede
der mehreren Antennen empfangen wird. Die Kommunikationsvorrichtung
vergleicht die Richtung der Ankunft, bestimmt eine Differenz zwischen
den beiden und vergleicht die bestimmte Differenz mit einem vorbestimmten
Differenzschwellwert. Die Kommunikationsvorrichtung bestimmt dann
auf der Basis des Vergleichs der bestimmten Differenz mit dem vorbestimmten
Differenzschwellwert, ob eine Technik der Strahlformung der Antennenanordnung
zu verwenden ist.
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In
einer Ausführungsform
bestimmt die Kommunikationsvorrichtung eine Distanz zwischen dem Basisort
und der Kommunikationseinheit und vergleicht die bestimmte Distanz
mit einem vorbestimmten Distanzschwellwert. Die Kommunikationsvorrichtung
bestimmt dann zusätzlich
auf der Basis des Vergleichs der bestimmten Distanz mit dem vorbestimmten
Distanzschwellwert, ob eine Technik der Strahlformung der Antennenanordnung
zu verwenden ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
bestimmt die Kommunikationsvorrichtung mehrere Signalqualitätsmaße auf der
Basis mehrerer Signale, die von der Kommunikationseinheit empfangen
werden, vergleicht die mehreren Signalqualitätsmaße miteinander und bestimmt
zusätzlich
auf der Basis des Vergleichs der mehreren Signalqualitätsmaße, ob eine Technik
der Strahlformung der Antennenanordnung zu verwenden ist.
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Durch
die Bestimmung, ob eine Technik zur Strahlformung der Antennenanordnung
zu verwenden ist, auf der Basis eines Vergleichs der bestimmten
Differenz mit dem vorbestimmten Differenzschwellwert, möglicherweise
zusätzlich
auf der Basis eines Vergleichs der bestimmten Distanz mit dem vorbestimmten
Distanzschwellwert und/oder möglicherweise
zusätzlich
auf der Basis des Vergleichs der mehreren Signalqualitätsmaße miteinander,
optimiert die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Technik
zur Strahlformung einer Antennenanordnung, indem sie bestimmt, ein
Senden mit einer maximalen Strahlbreite in einer Umgebung zu verwenden,
bei der ein falsch ausgerichtetes gerichtetes Signal durch die Kommunikationseinheit
nicht akzeptabel empfangen werden kann, und indem sie bestimmt,
eine Technik zur Strahlformung einer Antennenanordnung in einer
Umgebung zu verwenden, bei der ein gerichtetes Signal in akzeptabler
Weise auf die Kommunikationseinheit gerichtet werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm eines drahtlosen Telekommunikationssystems gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Blockdiagramm der Basisstation der 1 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
ein Blockdiagramm einer Kommunikationseinheit der 1 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
eine Illustration der Verwendung von Vektoren, um zu bestimmen,
ob eine Technik zur Strahlformung einer Antennenanordnung verwendet werden
soll, gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5a ist
ein logisches Flussdiagramm der Schritte, die von einer Kommunikationsvorrichtung ausgeführt werden,
um zu bestimmen, ob eine Technik zur Strahlformung einer Antennenanordnung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden soll.
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5b ist
eine Fortsetzung der 5a und stellt ein logisches
Flussdiagramm der Schritte dar, die von einer Kommunikationsvorrichtung
ausgeführt werden,
um zu bestimmen, ob eine Technik zur Strahlformung einer Antennenanordnung
verwendet werden soll, gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
vorliegende Erfindung kann unter Bezug auf die 1 bis 5b vollständiger beschrieben werden. 1 ist
ein Blockdiagramm eines drahtlosen Telekommunikationssystems 100 gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das drahtlose Telekommunikationssystem 100 umfasst
mehrere geographisch verteilte Kommunikationsvorrichtungen 101 bis 103 (drei
sind gezeigt), vorzugsweise Basisstationen, die miteinander und
mit einer Systemsteuerung 122 über ein Netz 120 gekoppelt
sind, wie dedizierte T1 Telefonleitungen oder Mikrowellenverbindungen.
Die drei Basisstationen 101 bis 103, die Systemsteuerung 122 und das
Netz 120 werden gemeinsam als eine feste Infrastruktur
bezeichnet. Da sie fest an ihrem Ort ist, ist der präzise Ort
jeder Basisstation 101 bis 103 mit hoher Genauigkeit
bekannt, wie er durch eine Vermessung oder andere Verfahren der
geographischen Ortsbestimmung bestimmt wird. Die Systemsteuerung 122 umfasst
einen Prozessor 124, vorzugsweise einen Mikroprozessor,
einen digitalen Signalprozessor (DSP) oder eine Mikrosteuerung und
einen zugehörigen
Speicher 126, der es der Steuerung 122 erlaubt,
Daten zu speichern, Programme ablaufen zu lassen und Berechnungen
auszuführen.
Vorzugsweise umfasst der Speicher 126 weiter eine Standortdatenbank 128,
die die Standorte aller Basisstationen 101 bis 103 im
System 100 einschließt.
Alternativ kann eine Standortdatenbank 128 irgendwo im
System 100 angeordnet sein, wie beispielsweise in einer der
Basisstationen 101 bis 103 und mit den anderen Komponenten
des Systems 100 über
das Netz 120 gekoppelt sein.
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Jede
Basisstation 101 bis 103 liefert einen Kommunikationsdienst
an ein jeweiliges Dienstabdeckungsgebiet 111 bis 113.
Jedes Abdeckungsgebiet 111 bis 113 ist in drei
Sektoren unterteilt, das heißt das
Abdeckungsgebiet 111 ist in die Sektoren 131 bis 133 unterteilt,
das Abdeckungsgebiet 112 ist in die Sektoren 134 bis 136 unterteilt,
und das Abdeckungsgebiet 113 ist in die Sektoren 137 bis 139 unterteilt.
Jeder Sektor 131 bis 139 überspannt ungefähr einen
Sektor von 120° eines
360° Winkels
des jeweiligen Abdeckungsgebiet 111 bis 113. Jede
Basisstation 101 bis 103 umfasst vorzugsweise
mehrere Antennenanordnungen 141 bis 143 (drei
sind gezeigt), wobei jede Antennenanordnung mit einem der Sektoren
des Abdeckungsgebiets, in dem sich die Basisstation befindet, verknüpft ist.
Jede Antennenanordnung 141 bis 143 umfasst wiederum
mehrere Richtantennen (das heißt,
die Antennenanordnung 141 umfasst die Antennen 144, 145 (zwei
sind gezeigt), die Antennenanordnung 142 umfasst die Antennen 146, 147 (zwei
sind gezeigt), und die Antennenanordnung 143 umfasst die
Antennen 147, 148 (zwei sind gezeigt), was zu
mehreren Richtantennen führt,
die mit jedem Sektor eines Abdeckungsgebiets verknüpft sind.
Fachleute werden erkennen, dass je mehr Antennen in einer Antennenanordnung
enthalten sind, desto enger fokussiert ein Strahl durch die Anordnung
gesendet werden kann.
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2 ist
ein Blockdiagramm einer Basisstation 101 bis 103 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Jede Basisstation 101 bis 103 umfasst
vorzugsweise mehrere Antennenanordnungen 141 bis 143 und
ihre zugehörigen
Antennen 144 bis 149. Jede Antenne 144 bis 149 ist
mit einer jeweiligen Empfängereinheit 204 bis 209 gekoppelt,
die einen Demodulator 224, der jeweils mit einem Funkfrequenzfilter
(RF-Filter) 220 gekoppelt ist, einen lokalen Oszillator 222 und
einen Analog-Digital-Wandler 226 umfasst. Jede Empfängereinheit 204 bis 209 ist
weiter mit einem Prozessor 210, vorzugsweise einem Mikroprozessor
oder einem digitalen Signalprozessor (DSP) gekoppelt. Der Prozessor 210 und
ein zugehöriger
Speicher 212, vorzugsweise ein Speicher mit wahlfreiem
Zugriff (RAM), erlauben es der Basisstation, Information zu speichern,
Berechnungen auszuführen
und Softwareprogramme ablaufen zu lassen. Jede Basisstation 101 bis 103 umfasst
weiter eine Zeitreferenzeinheit 214, die mit einem Prozessor 210 gekoppelt
ist, die eine Zeitreferenz für
die Basisstation liefert, und einen GPS-Empfänger (Global Positioning Satellite) 216,
der mit der Zeitreferenzeinheit 214 gekoppelt ist.
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Jede
Basisstation 101 bis 103 hat Zugang zu einer gemeinsamen
Zeitbasis, die die Basisstation verwendet, um seine Zeitreferenzeinheit 210 zu
synchronisieren. In der bevorzugten Ausführungsform wird die gemeinsame
Zeitbasis durch den GPS-Empfänger 212 an
jede Basisstation 101 bis 103 geliefert, wobei
der GPS-Empfänger 212 einen
Zugang zu einem GPS-Satellitensignal hat; Fachleute werden jedoch
erkennen, dass es andere Verfahren für das Liefern einer hoch genauen
gemeinsamen Zeitbasis an jede der Basisstationen 101 bis 103 gibt,
wie beispielsweise eine Synchronisationseinheit, die mit der Basisstation über eine
dedizierte T1 Verbindung verbunden ist, die einen Teil des Netzes 120 darstellt und
die für
eine Zeitsynchronisation dediziert ist, wobei diese Synchronisationseinheit
eine gemeinsame Zeitbasis erzeugt und die gemeinsame Zeitbasis an jede
der Basisstationen 101 bis 103 über die
T1-Verbindung liefert, oder eine Mobileinheit, die sich an einem
bekannten Ort befindet, die ein Signal sendet, das von jeder der
Basisstationen 101 bis 103 empfangen wird, und
wobei das Signal als eine Synchronisationszeitbasis für die Basisstationen
dient, wobei andere Verfahren verwendet werden können, ohne von der Idee und
dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Das
Telekommunikationssystem 100 umfasst auch mehrere Kommunikationseinheiten 110, von
denen nur eine in 1 gezeigt ist. Die Kommunikationseinheit 110 ist
vorzugsweise ein zellulares Telefon oder ein Funktelefon und, wie
das in 3 gezeigt ist, umfasst vorzugsweise eine Antenne 308, einen
Sender 300 und einen Empfänger 302, die jeweils
mit der Antenne 308 und einem Mikroprozessor 304 verbunden
sind, und einen Speicher 306, der mit dem Mikroprozessor 304 verbunden
ist.
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Wenn
sich die Kommunikationseinheit 110 durch das System 100 bewegt,
weist eine Systemsteuerung 122 eine Basisstation (beispielsweise
die Basisstation 101) an, als eine die Kommunikationseinheit 110 bedienende
Basisstation zu dienen. Die bedienende Basisstation 101 verwaltet
und liefert Funkkommunikationsdienste für die Kommunikationseinheit 110,
während
sich die Kommunikationseinheit in einem Sektor (beispielsweise Sektor 131) des
Dienstabdeckungsgebiets 111 der bedienenden Basisstation
befindet.
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Um
die Stärke
eine RF-Signals, das durch die Kommunikationseinheit 110 von
der Basisstation 101 empfangen wurde, zu optimieren, und
um die Interferenz des RF-Signals mit Kommunikationen zwischen der
Basisstation 101 und anderen aktiven Kommunikationseinheiten
im Sektor 131 zu minimieren, verwendet die Basisstation 101 eine
Technik zur Strahlformung einer Antennenanordnung für das Senden
des RF-Signals. Die Technik zur Strahlformung der Antennenanordnung
erlaubt es der Basisstation 101 ein schmal fokussiertes
Signal an die Kommunikationseinheit 110 zu senden. In gewissen Signalausbreitungssituationen,
wo beispielsweise ein Schwund einen signifikanten Einfluss auf den Empfang
des RF-Signals hat, oder wo ein Hindernis die Sichtlinienkommunikationen
zwischen der Kommunikationseinheit 110 und der Basisstation 101 blockiert,
kann das Verwenden einer Technik zur Strahlformung einer Antenne
zu einem Signal führen,
das in eine Richtung gerichtet ist, die sich von der tatsächlichen
Richtung zur Kommunikationseinheit 110 unterscheidet. In
Abhängigkeit
von einer Diskrepanz zwischen einer Richtung des gerichteten Signals,
wie es durch die Technik zur Strahlformung der Antenne bestimmt
ist, und einer Richtung zur Kommunikationsvorrichtung kann es für die Basisstation 101 stattdessen
vorteilhaft sein, eine maximale Bandbreite zu senden. Somit liefert
die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Optimieren der
Verwendung einer Technik zur Strahlformung einer Antennenanordnung
durch die Bestimmung, ob die Technik zur Strahlformung der Antenne
verwendet werden soll, oder ob stattdessen mit einer maximalen Strahlbreite
gesendet werden soll.
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Die
Funktion des Systems 100 bei der Bestimmung, ob ein Verfahren
zur Strahlformung einer Antenne verwendet werden soll, gestaltet
sich folgendermaßen.
Das System 100 bestimmt einen geographischen Ort einer
Kommunikationseinheit 110. In der bevorzugten Ausführungsform
sendet die Kommunikationseinheit 110, die in Bezug auf
die gemeinsame Zeitbasis synchronisiert ist, ein Signal an jede der
Basisstationen 101 bis 103. Das Signal umfasst eine
Kennung, wie eine identifizierende Sequenz von Symbolen, die eindeutig
zu einer Kommunikationseinheit 110 gehört, und es umfasst weiter Synchronisationssymbole,
Pilotsymbole und eine Anzeige der Sendezeit relativ zur gemeinsamen
Zeitbasis. Nach dem Empfang des Signals von der Kommunikationseinheit 110 bestimmt
jede der Basisstationen 101 bis 103 eine Ankunftszeit
des Signals und sendet die bestimmte Ankunftszeit an die bedienende
Basisstation 101. Der Prozessor 210 der Basisstation 101 fragt
die Standortdatenbank 128 ab, um die Standorte der Basisstationen 101 bis 103 zu
erhalten und bestimmt den Ort der Kommunikationseinheit 110 auf
der Basis der Standorte der Basisstationen, der Information über die
Ankunftszeit von jeder der Basisstationen 101 bis 103 und
unter Verwendung von Triangulationstechniken oder anderen geographischen
Schnitttechniken, die als Programme im Speicher 212 gespeichert
sind. Der Prozessor 210 speichert dann den bestimmten Ort
im Speicher 212.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sendet jede der Basisstationen 101 bis 103 ihre
jeweils bestimmten Ankunftszeiten an die Steuerung 122.
Der Prozessor 124 der Steuerung 122 fragt die
Standortdatenbank 128 ab, um die Orte der Basisstationen 101 bis 103 zu
erhalten, und bestimmt den Ort der Kommunikationseinheit 110 auf
der Basis der Standorte der Basisstationen, der Information über die
Ankunftszeit, die von jeder Basisstation 101 bis 103 empfangen
wird, und unter Verwendung von Triangulationstechniken oder anderen
geographischen Schnitttechniken, die als Programme im Speicher 126 gespeichert
sind. Die Steuerung 122 befördert dann den Ort der Kommunikationseinheit 110 an
die Basisstation 101, wo der Ort im Speicher 212 gespeichert
wird.
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In
einer anderen alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sendet jede Basisstation 101 bis 103 ein
Signal an die Kommunikationseinheit 110, um einen geographischen
Ort der Kommunikationseinheit 110 zu bestimmen. Jedes Signal
umfasst eine Kennung, wie eine identifizierende Sequenz von Symbolen,
die eindeutig der Basisstation 101 bis 103 entspricht,
die das entsprechende Signal sendet. Jedes Signal umfasst auch eine
Sendezeitanzeige relativ zur gemeinsamen Zeitbasis. Beim Empfangen
der Signale von den Basisstationen 101 bis 103 bestimmt
die Kommunikationseinheit 110 eine Zeitdifferenz der Ankunft
jedes Signals in Bezug auf jedes der anderen Signale und sendet
die bestimmten Zeitdifferenzen der Ankunft über eine der Basisstationen 101 bis 103 an
die Steuerung 122. Der Prozessor 124 in der Steuerung 122 fragt
die Standortdatenbank 128 ab, um die Orte der Basisstationen 101 bis 103 zu
erhalten, und bestimmt den geographischen Ort der Kommunikationseinheit 110 auf der
Basis der Orte der Basisstationen, der Zeitdifferenz der Ankunftsinformation,
die von der Kommunikationseinheit 110 empfangen wird, und
unter Verwendung von Triangulationstechniken oder anderen geographischen
Schnitttechniken, die als Programme im Speicher 126 gespeichert
sind. Die Steuerung 122 befördert dann den Ort der Kommunikationseinheit 110 an
die Basisstation 101, wo der Ort im Speicher 212 gespeichert
wird.
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In
einer nochmals anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung umfasst die Kommunikationseinheit 110 weiter
einen GPS-Empfänger,
der mit dem Mikroprozessor 304 und der Antenne 308 verbunden
ist, und bestimmt selbst ihren geographischen Ort durch das Verwenden
des GPS-Empfängers,
um Signale von mindestens drei Satelliten aus einer Konstellation
von GPS-Satelliten zu empfangen. Die Kommunikationseinheit 110,
vorzugsweise ein Mikroprozessor 304, bestimmt dann ihren
eigenen Ort auf der Basis der Satellitensignale und gemäß bekannten
Techniken der Triangulation, wie sie in GPS-Systemen angewandt werden,
wobei diese Techniken als Programme im Speicher 306 gespeichert
sind. Die Kommunikationseinheit 110 befördert dann den bestimmten Ort
an die Basisstation 101, wo der Ort im Speicher 212 gespeichert
wird.
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Der
Prozessor 210 in der Basisstation 101 oder alternativ
der Prozessor 124 in der Steuerung 122 bestimmt
dann eine Distanz zwischen der Basisstation 101 und der
Kommunikationseinheit 110. Der Prozessor 210 führt einen
Distanzbestimmungsalgorithmus aus, der im Speicher 212 oder
alternativ im Speicher 126 gespeichert ist, wobei der Algorithmus den
Ort der Basisstation 101, der in der Standortdatenbank 128 gespeichert
ist, und den bestimmten Ort der Kommunikationseinheit 110,
der im Speicher 212 oder alternativ im Speicher 126 gespeichert
ist, verwendet. Der Prozessor 210 bestimmt auch eine Richtung
von der Basisstation 101 zur Kommunikationseinheit 110 auf
der Basis der zwei gespeicherten Orte. Der Prozessor 210 vergleicht
die bestimmte Distanz mit einem vorbestimmten Distanzschwellwert, beispielsweise
150 Meter, der im Speicher 212 gespeichert ist. Unter den
Faktoren, die bei der Bestimmung eines vorbestimmten Distanzschwellwerts
berücksichtigt
werden, sind die mittlere Geschwindigkeit der Kommunikationseinheiten
im Sektor (beispielsweise dem Sektor 131) und die Hindernisse, die
im Sektor existieren, so dass wenn sich eine Kommunikationseinheit
so dicht an der bedienenden Basisstation befindet, dass ein Strahl
maximaler Strahlbreite reichlich Energie besitzt, um die Kommunikationseinheit
zu erreichen, oder wenn sie ihren Ort so schnell ändert, dass
ein fokussierter Strahl häufig neu
justiert werden müsste,
wird ein Strahl mit maximaler Strahlbreite bevorzugt. Fachleute
werden erkennen, dass eine Vielzahl von Distanzen für einen vorbestimmten
Distanzschwellwert verwendet werden können, und dass der speziell
verwendete Schwellwert beim Konstrukteur des Systems liegt.
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Wenn
die bestimmte Distanz kleiner oder gleich dem vorbestimmten Distanzschwellwert
ist, dann bestimmt die Basisstation 101, keine Technik zur
Strahlformung der Antennenanordnung zu verwenden, sondern stattdessen
mit einer maximalen Strahlbreite zu senden. Wenn die bestimmte Distanz größer als
der vorbestimmte Distanzschwellwert ist, dann bestimmt der Prozessor 210 auf
der Basis des bestimmten Orts der Kommunikationsvorrichtung 110 und
einer Ankunftsrichtung (direction of arrival, DOA) eines Signals,
das durch die Basisstation 101 von der Kommunikationseinheit 110 empfangen
wird, ob eine Technik zur Strahlformung der Antennenanordnung zu
verwenden ist, wobei die DOA in der unten beschriebenen Weise bestimmt
wird.
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Das
System 100 bestimmt eine DOA eines Signals, das durch eine
Basisstation von einer Kommunikationseinheit, die durch die Basisstation
bedient wird, empfangen wird, in folgender Weise. Einer Kommunikationseinheit
(beispielsweise die Kommunikationseinheit 110), die sich
in einem Sektor (beispielsweise dem Sektor 131) befindet,
der von einer bedienenden Basisstation (beispielsweise der Basisstation 101)
bedient wird, wird ein Kommunikationskanal, der vorzugsweise eine
Frequenzbandbreite einschließt,
für Funkfrequenzkommunikationen
(RF) zwischen der Kommunikationseinheit 110 und der Basisstation 101 zugewiesen.
Die Kommunikationseinheit 110 sendet ein RF-Signal 150 im
zugewiesenen Kommunikationskanal an die Basisstation 101, wobei
das RF-Signal 150 für
einen Empfang an jeder der mehreren Antennen 144, 145 der
Antennenanordnung 141 verfügbar ist.
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Das
Signal 150 wird von einer ersten Antenne 144 der
mehreren Antennen 144, 145 der Antennenanordnung
empfangen, um ein erstes empfangenes Signal zu erzeugen, und durch
eine zweite Antenne 145 der mehreren Antennen 144, 145,
um ein zweites empfangenes Signal zu erzeugen. Die Antenne 144 befördert das
erste empfangene Signal an eine erste Empfängereinheit 204 der
mehreren Empfängereinheiten 204 bis 209,
und die Antenne 145 befördert
das zweite empfangene Signal an eine zweite Empfängereinheit 205 der
mehreren Empfängereinheiten 204 bis 209.
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In
der Empfängereinheit 204 wird
das erste empfangene Signal an ein RF-Filter 220 gegeben,
wo Außerbandrauschen
aus dem Signal entfernt wird, um ein erstes gefiltertes Signal zu
erzeugen. Das erste gefilterte Signal wird an einen Demodulator 224 befördert, zusammen
mit einem Referenzsignal, das von einem lokalen Oszillator 222 erzeugt
wird. Vorzugsweise ist die Frequenz des Referenzsignals ungefähr die Frequenz
des Signals 150. Der Demodulator 245 mischt das
erste gefilterte Signal mit dem Referenzsignal, um ein erstes Basisbandsignal
zu erzeugen. Das erste Basisbandsignal wird an einen A/D-Wandler 224 gegeben,
der das erste Basisbandsignal digitalisiert, um ein erstes digitalisiertes
Basisbandsignal zu erzeugen. Die Empfängereinheit 204 befördert dann
das erste digitalisierte Basisbandsignal an den Prozessor 210.
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Ähnlich der
Verarbeitung des ersten empfangenen Signals wird in der Empfängereinheit 205 das zweite
empfangene Signal an den RF-Filter 220 gegeben, wo Außerbandrauschen
vom Signal entfernt wird, um ein zweites gefiltertes Signal zu erzeugen. Das
zweite gefilterte Signal wird an einen Demodulator 224 befördert, zusammen
mit einem Referenzsignal, das von einem lokalen Oszillator 222 erzeugt wird.
Vorzugsweise ist die Frequenz des Referenzsignals ungefähr die Frequenz
des Signals 150. Der Demodulator 224 mischt das
zweite gefilterte Signal mit dem Referenzsignal, um ein zweites
Basisbandsignal zu erzeugen. Das zweite Basisbandsignal wird an
einen A/D-Wandler 226 befördert, der
das zweite Basisbandsignal digitalisiert, um ein zweites digitalisiertes
Basisbandsignal zu erzeugen. Die Empfängereinheit 206 befördert dann
das zweite digitalisierte Basisbandsignal an den Prozessor 210.
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Nach
dem Empfangen des ersten digitalisierten Basisbandsignals und des
zweiten digitalisierten Basisbandsignals bestimmt der Prozessor 210 eine Ankunftszeit
(TOA) oder alternativ eine Phase der Ankunft für das erste empfangende Signal
und das zweite empfangene Signal. Jede Bestimmung der TOA oder Ankunftsphase
erfolgt unter Bezug auf die gemeinsame Zeitbasis und basiert auf
bekannten Verzögerungen
im Pfad der ersten und zweiten empfangenden Signale von den jeweiligen
Empfangsantennen 144, 145 zum Prozessor 210,
wobei diese Verzögerungen
im Speicher 212 gespeichert sind.
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Der
Prozessor 210 bestimmt dann eine Ankunftsrichtung (DOA)
für das
Signal 150 durch das Ausführungen eines DOA-Algorithmus, der
im Speicher 212 gespeichert ist. Der DOA-Algorithmus bestimmt
eine DOA für
das Signal 150 auf der Basis von TOA-Bestimmungen für jedes
der ersten und zweiten empfangenen Signale und weiter basierend
auf einer vorbestimmten räumlichen
Trennung und Richtungsausrichtung jeder der mehreren Antennen 144, 145 in der
Anordnung 141 in Bezug auf die anderen Antennen in der
Anordnung. Vorzugsweise werden die räumliche Trennung, vorzugsweise
eine halbe Wellenlänge,
und die Richtungsausrichtung jeder der mehreren Antennen 144, 145 im
Speicher 212 gespeichert. Alternativ kann der DOA-Algorithmus
eine DOA für
das Signal 150 auf der Basis einer Phase des Signals, das
an jedem der mehreren Antennen 144, 145 empfangen
wird, und der vorbestimmten räumliche
Trennung und Ausrichtung jeder der mehreren Antennen bestimmen.
Es gibt viele Algorithmen, die für
eine Bestimmung der DOA verfügbar sind.
Ein solcher Algorithmus, der in der bevorzugten Ausführungsform
verwendet wird, ist ein Algorithmus der Schätzung von Signalparametern über rotationsinvariante
Techniken (ESPRIT), wobei dieser Algorithmus beschrieben ist im
Papier "ESPRIT – Estimation
of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques", IEEE Transactions
an Accoustics, Speech and Signal Processing, Band 37, Nr. 7, Juli 1989.
Ein anderer Algorithmus, der hier verwendet werden kann, ist die
Multiple Signalidentifikation und Klassifikation (MUSIC). Der Prozessor 210 befördert dann
die bestimmt DOA zum Speicher 212, wo die bestimmte DOA
in einer Datenanordnung gespeichert wird.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
werden die obigen Prozeduren, mit denen der Prozessor 210 ein
Signal von der Kommunikationseinheit 110 über jede
der mehreren Antennen 144, 145 der Anordnung 141 empfängt, eine
DOA für
das empfangene Signal bestimmt, und die DOA im Speicher 212 speichert,
alle 1,25 Millisekunden (ms) wiederholt. Nach dem Ansammeln von
320 DOA-Bestimmungen in der Datenanordnung im Speicher 212,
was ungefähr
0,4 Sekunden dauert, bestimmt der Prozessor 210 ein DOA-Mittelwert
und eine DOA-Varianz auf der Basis der angesammelten DOA-Bestimmungen
durch das Ausführen
eines statistischen Analyseprogramms, das im Speicher 212 gespeichert
ist. Der DOA-Mittelwert bildet eine geschätzte geographische Richtung von
der Basisstation 101 zur Kommunikationseinheit 110 auf
der Basis einer ankommenden Richtung der Signale, die durch die
Basisstation 101 von der Kommunikationseinheit 110 empfangen
werden.
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Das
System 100 vergleicht dann die geschätzte geographische Richtung
zur Kommunikationseinheit 110 von der Basisstation 101 mit
der bestimmten Richtung von der Basisstation 101 zur Kommunikationseinheit 110,
bestimmt eine Differenz zwischen der geschätzten geographischen Richtung und
der bestimmten Richtung und vergleicht die bestimmte Differenz mit
einem Differenzschwellwert. 4 zeigt
die Verwendung von Vektoren, um den Vergleich auszuführen und
die Differenz zu bestimmen, und wird hier präsentiert, damit der Leser die Prinzipien
der Erfindung besser versteht. Der Prozessor 210 bestimmt
einen ersten Vektor 404, der sich von der Basisstation 101 zum
bestimmten geographischen Ort einer Kommunikationseinheit 110 erstreckt
(das ist die bestimmte Richtung von der Basisstation 101 zur
Kommunikationseinheit 110) und einen zweiten Vektor 406,
der sich von der Basisstation 101 in der Richtung der geschätzten geographischen
Richtung zur Kommunikationseinheit 110 erstreckt. Der Prozessor 210 bestimmt
dann eine Winkeldifferenz 408 (das ist ein Kreuzungswinkel)
zwischen dem ersten Vektor 404 und dem zweiten Vektor 406.
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Der
Prozessor 210 vergleicht den Kreuzungswinkel 408 mit
einem vorbestimmten Winkelschwellwert. Ein Wert für den vorbestimmten
Winkelschwellwert basiert auf dem Wunsch, die Wahrscheinlichkeit
des Erreichens einer Kommunikationseinheit mit einem gesendeten
Signal zu maximieren und einem Wunsch die Wahrscheinlichkeit der
Interferenz mit anderen Sendungen in einem Sektor (das ist Sektor 131)
zu minimieren. Faktoren, wie das Verkehrsniveau im Sektor 131,
geographische Merkmale (wie Hügel
und Gebäude)
des Sektors, ein Signalausbreitungsmodell, das verwendet wird, um
eine Ausbreitung eines Signals im Sektor 131 zu kennzeichnen,
und die Anzahl der Antennen in einer Antennenanordnung können bei der
Auswahl eines vorbestimmten Winkelschwellwerts berücksichtigt
werden. Wenn beispielsweise die Antennenanordnung 141 zwei
Antennen einschließt,
kann ein Kreuzungswinkel von ungefähr 80° passend sein, während wenn
die Antennenanordnung 141 vier Antennen einschließt, ein
Kreuzungswinkel von ungefähr
50° passend
sein kann, da die Antennenanordnung einen schmaler fokussierten
Strahl senden kann, wenn die Anordnung eine größere Zahl von Antennen einschließt.
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Wenn
der Kreuzungswinkel 408 größer als der vorbestimmte Winkelschwellwert
ist, dann bestimmt die Basisstation 101, keine Technik
zur Strahlformung einer Antenneanordnung zu verwenden und stattdessen
mit einer maximalen Strahlbreite zu senden. Wenn jedoch der Kreuzungswinkel 408 kleiner oder
gleich dem vorbestimmten Winkelschwellwert ist, und, wie das oben
detailliert angegeben ist, die bestimmte Distanz zwischen der Basisstation 101 und
dem bestimmten geographischen Ort der Kommunikationseinheit 110,
die in 4 als bestimmte Distanz 402 gezeigt ist,
größer als
der vorbestimmte Distanzschwellwert ist, dann bestimmt der Prozessor 210,
ob eine Technik zur Strahlformung der Antennenanordnung zu verwenden
ist, auf der Basis einer Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes, wie
das unten beschrieben wird.
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Die Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes basiert
auf mehreren Bestimmungen eines Signalqualitätsmaßes, wobei das Signalqualitätsmaß in folgender
Weise bestimmt wird. Wie in 2 gezeigt ist,
umfasst jede Basisstation 101 bis 103 weiter einen
Signalsummierer 230, der mit Mitteln für das Analysieren eines Spektrums
eines RF-Eingangssignals 232 versehen ist, vorzugsweise
einem Spektrum-Analysator für
das Analysieren des Spektrums des empfangenen RF-Signals 150,
wobei der Summierer 230 und der Spektrum-Analysator 232 vorzugsweise
im Prozessor 210 eingeschlossen sind. Das erste digitalisierte
Basisbandsignal, das vom ersten empfangenen Signal abgeleitet wird,
und das zweite digitalisierte Basisbandsignal, das vom zweiten empfangenen
Signal abgeleitet wird, werden im Summierer 230 kombiniert,
um ein kombiniertes Basisbandsignal zu erzeugen. Das kombinierte
Basisbandsignal wird dann an den Spektrum-Analysator 232 gegeben,
und ein Signalqualitätsmaß, vorzugsweise
ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR),
wird bestimmt. Fachleute werden erkennen, dass es eine Vielzahl
von Signalqualitätsmaßen gibt,
wie die Signalleistung oder die Bitfehlerraten (für digitale
Kommunikationssysteme), die hier verwendet werden können, ohne
vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das SNR soll
hier dem Leser als ein Beispiel eines Signalqualitätsmaßes präsentiert werden,
um die Prinzipien der vorliegenden Erfindung besser zu illustrieren.
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Das
SNR wird durch spektrale Analysetechniken bestimmt. Das Spektrum
des kombinierten Basisbandsignals wird im Spektrum-Analysator 232 analysiert.
In der bevorzugten Ausführungsform
werden die Funktionen des Spektrum-Analysators 232 durch
den Prozessor 210 ausgeführt, der eine schnelle Fourier-Transformation (FFT)
auf dem kombinierten Basisbandsignal ausführt, um die Frequenzkomponenten
des kombinierten Basisbandsignals und ihre Größen zu bestimmen. Die Größen der Frequenzkomponenten
werden dann verwendet, um die gesamte Leistung, vorzugsweise in
Dezibel, die sich auf Milliwatt beziehen (dBm), im Kommunikationskanal
und in den oberen und unteren Frequenzbändern neben dem Kommunikationskanal
zu berechnen. Der Prozessor 210 berechnet dann ein Verhältnis der
Gesamtleistungspegel im Band und im benachbarten Band, um ein SNR
zu erzeugen und speichert das SNR im Speicher 212. Fachleute
werden erkennen, dass es andere wohl bekannte Spektralanalysetechniken
gibt, wie eine diskrete Transformation, um das Frequenzspektrum
des kombinierten Basisbandsignals zu erhalten und um Leistungsberechnungen
zu mitteln für
den Vergleich von Leistungspegeln im Band und im benachbarten Band,
die hier verwendet werden können,
ohne von der Idee und dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die Verwendung der FFT und der Gesamtleistung soll dem Leser hier
ein Beispiel einer Spektralanalysetechnik liefern, um die Prinzipien
der vorliegenden Erfindung besser zu illustrieren.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
bestimmt die Basisstation 101 periodisch, vorzugsweise
einmal alle 0,4 Sekunden, das Signalqualitätsmaß, wie es oben beschrieben
ist, für
Signale, die von der Kommunikationseinheit 110 empfangen
werden, und speichert es. Unter Bezug auf den Speicher 212 vergleicht
der Prozessor 210 jedes neu bestimmte Signalqualitätsmaß (das ist
das SNR) mit einer direkt vorhergehenden Signalqualitätsmaßbestimmung
und bestimmt eine Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes (das
ist die Änderungsrate
der SNRs) auf der Basis einer Differenz zwischen den zwei Signalqualitätsmaßen. Der
Prozessor 210 vergleicht dann die bestimmte Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes mit
einem vorbestimmten Schwellwert der Änderungsrate des Signalqualitätsmaßes. Der
Schwellwert der Änderungsrate
wird vom Konstrukteur des Systems 100 bestimmt, vorzugsweise
auf der Basis von Faktoren, wie dem Muster und dem Niveau des Verkehrs
im Sektor (das ist der Sektor 131) und der Anzahl der Hindernisse
im Sektor. Fachleute erkennen, dass eine Vielzahl von Werten für den vorbestimmten
Schwellwert der Änderungsrate
verwendet werden können,
ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist der vorbestimmte Schwellwert der Änderungsrate die maximale Rate
der Signalqualitätsverschlechterung, die
vom System 100 toleriert wird, verursacht durch einen Schwund
oder Hindernisse oder eine Vielzahl anderer Faktoren, jenseits dessen
das System 100, vorzugsweise die Basisstation 101,
keine Technik der Strahlformung der Antennenanordnung verwenden wird.
Der Prozessor 210 subtrahiert ein neu bestimmtes Signalqualitätsmaß von einer
vorherigen Bestimmung eines Signalqualitätsmaßes, um eine Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes zu bestimmen. Wenn
die Differenz größer als
der vorbestimmte Schwellwert der Änderungsrate ist, verwendet
dann der Prozessor 210 eine maximale Strahlbreite für Sendungen
zur Kommunikationseinheit 110. Beispielsweise und nur für den Zweck
der Illustration der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist,
wenn das neu bestimmte SNR –10
dBm ist, und das direkt vorhergehende SNR 0 dBm ist, die Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes 0 dBm – (–10 dBm)
= 10 dBm pro Sekunde. Die bestimmte Änderungsrate (10 dBm pro Sekunde)
wird mit einem vorbestimmten Schwellwert der Änderungsrate, beispielsweise
8 dBm pro Sekunde verglichen. Wenn die bestimmte Änderungsrate
größer als
der Schwellwert der Änderungsrate
ist, verwendet der Prozessor eine maximale Strahlbreite für Sendungen
an die Kommunikationseinheit 110. Wenn jedoch die bestimmte Änderungsrate
kleiner oder gleich dem Schwellwert der Änderungsrate ist, und wenn,
wie das oben beschrieben ist, der Kreuzungswinkel 408 kleiner
oder gleich einem vorbestimmten Winkelschwellwert ist, und wenn die
bestimmte Distanz 402 größer als der vorbestimmte Distanzschwellwert
ist, bestimmt dann der Prozessor 210, eine Technik zur
Strahlformung der Antennenanordnung zu verwenden.
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Techniken
zur Strahlformung einer Antenne sind wohl bekannt. Viele basieren
auf dem Fokussieren eines Antennenstrahls in der Richtung der maximal
empfangenen Signalstärke
(durch die Basisstation
101 von der Kommunikationseinheit
110).
In der bevorzugten Ausführungsform
verwendet die Basisstation
101 eine Technik zur Strahlformung
einer Antenne, wie sie im
US-Patent 5,936,569 "Method and Arrangement
for Adjusting Antenna Pattern" beschrieben
ist, wobei dieses Patent auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen
wurde und hiermit eingeschlossen wird. Die Technik, die verwendet
wird, um ein Muster eines Antennenstrahls zu bestimmen, ist für die vorliegende
Erfindung nicht kritisch, und Fachleute werden erkennen, dass irgend ein
Verfahren aus einer Zahl von Strahlformungsverfahren hier verwendet
werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Die
obige Beschreibung als auch die folgende betrachtet drei bestimmte
Differenzen zwischen Faktoren, die vom System 100 bestimmt
werden, und jeden der drei vorbestimmten Schwellwerte, bevor sie
bestimmt, eine Technik zur Strahlformung einer Antennenanordnung
zu verwenden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung bestimmt jedoch das System 100, vorzugsweise
die Basisstation 101, ob eine Technik zur Strahlformung
der Antennenanordnung zu verwenden ist, zumindest auf der Basis
einer Richtungsdifferenz, wenn der Kreuzungswinkel 408 kleiner
oder gleich dem vorbestimmten Winkelschwellwert ist, und ein Senden
mit einer maximalen Strahlweite zu verwenden, wenn der Kreuzungswinkel 408 größer als
der vorbestimmte Winkelschwellwert ist. Die Basisstation 101 kann
bestimmten, eine Technik zur Strahlformung der Antennenanordnung zu
verwenden, zusätzlich
basierend darauf, wenn die bestimmte Distanz 402 größer als
der vorbestimmte Distanzschwellwert ist, und ein Senden mit einer
maximalen Strahlbreite zu verwenden, wenn die bestimmte Distanz 402 kleiner
oder gleich dem vorbestimmten Distanzschwellwert ist. Weiter kann
die Basisstation 101 bestimmen, eine Technik zur Strahlformung
der Antennenanordnung zu verwenden, zusätzlich basierend darauf, wenn
die bestimmte Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes kleiner
oder gleich dem vorbestimmten Schwellwert der Änderungsrate des Signalqualitätsmaßes ist,
und ein Senden mit einer maximalen Strahlbreite zu verwenden, wenn
die bestimmte Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes größer als
der vorbestimmte Schwellwert der Änderungsrate des Signalqualitätsmaßes ist.
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Durch
die Bestimmung, eine Technik zur Strahlformung einer Antennenanordnung
in einigen Situationen zu verwenden und ein Senden mit maximaler
Strahlbreite in anderen Situationen, sucht die vorliegende Erfindung
eine Wahrscheinlichkeit zu optimieren, dass ein Signal, das von
der Basisstation 101 gesandt wird, durch die Kommunikationseinheit 110 empfangen
wird, während
sie das Potential für eine
Interferenz der Sendung zur Kommunikationseinheit 110 mit
Sendungen zu anderen Kommunikationseinheiten im Sektor 131 minimiert,
um somit die Verwendung der Technik zur Strahlformung einer Antennenanordnung
zu optimieren. Eine Differenz zwischen der Richtung von der Basisstation 101 zur Kommunikationseinheit 110 und
der Ankunftsrichtung der Signale, die von der Kommunikationseinheit 110 empfangen
werden, die einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, zeigt, dass eine
Technik zur Strahlformung einer Antennenanordnung, die einen Strahl
einer Antennenanordnung in der Richtung der maximal empfangenen
Signalstärke
fokussiert, zu einem fehlausgerichteten Antennenstrahl führen würde. In
einem solchen Fall würde
die Verwendung einer maximalen Antennenstrahlbreite den Empfang eines
Signals, das von der Basisstation 101 gesendet wurde, durch
die Kommunikationseinheit 110 besser gewährleisten.
Weiterhin kann die Basisstation durch die Überwachung einer Änderungsrate
eines Signalqualitätsmaßes bestimmen,
ob eine Kommunikationseinheit ein leicht fehlgerichtetes Signal
nicht akzeptabel empfangen kann, beispielsweise weil die Kommunikationseinheit
hinter einem Gebäude
vorbeigeht oder sich durch eine Straßenschlucht bewegt, und eine
Diffraktion oder Diffusion einer Sendung mit maximaler Strahlbreite
kann passender sein. Zusätzlich
sollte, wenn sich die Kommunikationseinheit 110 innerhalb
einer vorbestimmten Distanz zur Basisstation befindet, eine Sendung
mit maximaler Strahlbreite eine ausreichende Energie haben, um die
Kommunikationseinheit 110 zu erreichen, wohingegen es sein
kann, dass ein schmal fokussierter Strahl nicht mit den Bewegungen
der Kommunikationseinheit 110 Schritt halten kann.
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5 ist ein logisches Flussdiagramm 500 der
Schritte, die durch eine Kommunikationseinheit ausgeführt werden,
um zu bestimmen, ob eine Technik zur Strahlformung einer Antennenanordnung
zu verwenden ist, und um somit die Verwendung der Technik zur Strahlformung
der Antennenanordnung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zu optimieren. In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Kommunikationsvorrichtung eine Basisstation, die eine Antennenanordnung einschließt, die
mehrere Antennen umfasst. Die Kommunikationsvorrichtung umfasst
weiter mehrere Empfängereinheiten,
worin jede Antenne der mehreren Antennen mit einer getrennten Empfängereinheit der
mehreren Empfängereinheiten
gekoppelt ist, einen Prozessor, der mit jeder der mehreren Empfängereinheiten
gekoppelt ist, und einen Speicher, der mit dem Prozessor gekoppelt
ist.
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Der
logische Fluss beginnt (501), wenn die Kommunikationsvorrichtung,
vorzugsweise eine Basisstation, einen Ort einer Kommunikationseinheit, vorzugsweise
eines zellularen Telefons oder eines Funktelefons, bestimmt (502).
Vorzugsweise bestimmt die Kommunikationsvorrichtung den Ort der Kommunikationseinheit
auf der Basis der Ankunftszeit eines Signals an jeder der mehreren
Kommunikationsvorrichtungen und durch eine Bezugnahme auf eine Standortdatenbank,
die den geographischen Ort jeder der vielen Kommunikationsvorrichtungen speichert.
Die Kommunikationsvorrichtung bestimmt (503) ihren eigenen
Ort, vorzugsweise durch Bezugnahme auf die Standortdatenbank, und
bestimmt (504) eine Distanz zwischen dem Ort der Kommunikationsvorrichtung
und dem Ort der Kommunikationseinheit. Die Kommunikationsvorrichtung
vergleicht (505) die bestimmte Distanz mit einem vorbestimmten
Distanzschwellwert und bestimmt (506), ob eine Technik
zur Strahlformung der Antennenanordnung verwendet werden soll.
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Wenn
die bestimmte Distanz kleiner oder gleich dem vorbestimmten Distanzschwellwert
ist, so bestimmt (507) die Kommunikationsvorrichtung mit einer
maximalen Strahlbreite zu senden, und der logische Fluss endet (508).
Wenn die bestimmte Distanz größer als
der vorbestimmte Distanzschwellwert ist, dann bestimmt die Kommunikationsvorrichtung auch
eine Ankunftsrichtung (DOA) vor der Bestimmung, eine Technik zur
Strahlformung einer Antennenanordnung zu verwenden.
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Um
eine DOA zu bestimmen, empfängt
(509) die Kommunikationsvorrichtung ein Signal von der Kommunikationseinheit über eine
erste Antenne der mehreren Antennen, um ein erstes empfangenes Signal
zu erzeugen, und empfängt
(510) das Signal von der Kommunikationseinheit über eine
zweite Antenne der mehreren Antennen, um ein zweites empfangenes
Signal zu erzeugen. Die Kommunikationsvorrichtung bestimmt (511)
dann eine DOA des Signals auf der Basis des ersten empfangenen Signals
und des zweiten empfangenen Signals. In der bevorzugten Ausführungsform
bestimmt die Kommunikationsvorrichtung eine Ankunftszeit des ersten
empfangenen Signals und eine Ankunftszeit des zweiten empfangenen
Signals. Alternativ bestimmt die Kommunikationsvorrichtung eine
Phase des ersten empfangenen Signals und eine Phase des zweiten
empfangenen Signals. Die Kommunikationsvorrichtung bestimmt dann
eine DOA des Signals durch das Ausführen eines DOA-Algorithmus,
der im Speicher gespeichert ist, und basierend auf den Ankunftszeiten oder
alternativ den Phasen der ersten und zweiten empfangenen Signale.
Die bestimmte DOA des Signals bildet eine geschätzte geographische Richtung zur
Kommunikationseinheit von der Kommunikationsvorrichtung auf der
Basis des Signals, das durch die Kommunikationsvorrichtung von der
Kommunikationseinheit empfangen wurde.
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Die
Kommunikationsvorrichtung bestimmt (512) eine Richtung
von der Kommunikationsvorrichtung zum bestimmten Ort der Kommunikationseinheit und
vergleicht (513) dann die Richtung mit der DOA des Signals.
In der bevorzugten Ausführungsform bestimmt
die Kommunikationsvorrichtung einen ersten Vektor auf der Basis
der Richtung und bestimmt einen zweiten Vektor auf der Basis der
DOA. Die Kommunikationsvorrichtung vergleicht dann die beiden Vektoren
und bestimmt (514) eine Differenz zwischen der Richtung
und der DOA auf der Basis des Vergleichs der zwei Vektoren, wobei
die Differenz als eine Winkeldifferenz (das ist ein Kreuzungswinkel) zwischen
den zwei Vektoren bestimmt wird.
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Die
Kommunikationsvorrichtung vergleicht (515) die bestimmte
Differenz zwischen den ersten und den zweiten Vektoren, das ist
den Kreuzungswinkel, mit einem vorbestimmten Differenzschwellwert,
vorzugsweise einem vorbestimmen Winkelschwellwert, und bestimmt
(516) auf der Basis des Vergleichs, ob eine Technik zur
Strahlformung der Antennenanordnung zu verwenden ist. Wenn die bestimmte
Differenz größer als
der vorbestimmte Winkelschwellwert ist, so bestimmt (517)
die Kommunikationsvorrichtung, eine Technik zur Strahlformung der
Antennenanordnung nicht zu verwenden und stattdessen ein Senden
mit einer maximalen Strahlbreite zu verwenden, und der logische
Fluss endet (508). Wenn die bestimmte Differenz kleiner
oder gleich dem vorbestimmten Winkelschwellwert ist, bestimmt die
Kommunikationsvorrichtung weiter eine Änderungsrate eines Signalqualitätsmaßes vor
der Bestimmung, die Technik zur Strahlformung der Antennenanordnung
zu verwenden.
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Um
eine Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes zu bestimmen,
empfängt
(518) die Kommunikationsvorrichtung ein erstes Signal der
vielen Signale, die zur Kommunikationsvorrichtung durch die Kommunikationseinheit
gesendet werden, und bestimmt (519) ein erstes Signalqualitätsmaß auf der Basis
des ersten Signals. Die Kommunikationsvorrichtung empfängt (520)
auch ein zweites Signal der vielen Signale und bestimmt (521)
ein zweites Signalqualitätsmaß auf der
Basis des zweiten Signals, wenn das zweite Signal sich vom ersten
Signal unterscheidet. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Signalqualitätsmaße jeweils
ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis
(SNR); Fachleute werden jedoch erkennen, dass andere Signalqualitätsmaße hier
verwendet werden können,
wie die Signalleistung oder die Bitfehlerrate, ohne von der Idee
und dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Kommunikationsvorrichtung
vergleicht (522) das erste Signalqualitätsmaß mit dem zweiten Signalqualitätsmaß und bestimmt
(523) eine Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes auf
der Basis des Vergleichs der ersten und zweiten Signalqualitätsmaße.
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Die
Kommunikationsvorrichtung vergleicht (524) die Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes mit
einem vorbestimmten Schwellwert der Änderungsrate des Signalqualitätsmaßes und
bestimmt (525), ob eine Technik zur Strahlformung der Antennenanordnung
zu verwenden ist. Wie detailliert oben angegeben ist, ist der vorbestimmte
Schwellwert der Änderungsrate
die maximale Rate der Verschlechterung der Signalqualität, die von
der Kommunikationsvorrichtung toleriert wird, durch einen Schwund
oder Hindernisse oder andere Faktoren, bevor die Kommunikationsvorrichtung
bestimmt, die Technik zur Strahlformung der Antennenanordnung nicht
zu verwenden. Wenn die Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes größer als
der vorbestimmte Schwellwert der Änderungsrate ist, verwendet
(526) die Kommunikationsvorrichtung ein Senden mit maximaler Strahlbreite,
und der logische Fluss endet (598). Wenn die bestimmte Änderungsrate
kleiner als oder gleich dem vorbestimmten Schwellwert der Änderungsrate
ist, und die bestimmte Distanz größer als der vorbestimmte Distanzschwellwert
ist, und die Winkeldifferenz kleiner oder gleich dem vorbestimmten
Winkelschwellwert ist, verwendet (527) die Kommunikationsvorrichtung
eine Technik zur Strahlformung einer Antenne, und der logische Fluss
endet (508).
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung vergleicht jede der drei Bestimmungen
(das ist die bestimmte Distanz zur Kommunikationseinheit, die bestimmte
Differenz zwischen der Richtung zur Kommunikationseinheit und der DOA,
und die bestimmte Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes) mit
drei jeweiligen Schwellwerten (das ist der vorbestimmte Distanzschwellwert,
der vorbestimmte Differenzschwellwert und der vorbestimmte Schwellwert
der Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes) vor
der Bestimmung, eine Technik zur Strahlformung der Antennenanordnung
zu verwenden. Fachleute werden jedoch erkennen, dass nicht alle
Schritte (501) bis (527) notwendig sind, damit
die Kommunikationsvorrichtung bestimmen kann, ob eine Technik zur
Strahlformung der Antenneanordnung zu verwenden ist. In einer ersten
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung führt eine
Kommunikationsvorrichtung die Schritte (502) bis (506)
aus. Dann sendet, wenn die bestimmte Distanz kleiner oder gleich
dem vorbestimmten Distanzschwellwert ist (Schritt (506)),
die Antennenanordnung (507) mit maximaler Strahlbreite,
und der logische Fluss endet (508). Wenn die bestimmte
Distanz größer als
der vorbestimmte Distanzschwellwert ist (Schritt (506)),
dann verwendet die Antennenanordnung eine Antennenstrahlformungstechnik (Schritt
(527), und der logische Fluss endet.
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In
einer zweiten alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung führt
eine Kommunikationsvorrichtung die Schritte (502) und (509)
bis (516) aus. Dann sendet (517), wenn die bestimmte Differenz
zwischen dem Ort der Kommunikationsvorrichtung und der DOA größer als
der vorbestimmte Differenzschwellwert ist (Schritt (516)),
die Antennenanordnung mit maximaler Strahlbreite, und der logische
Fluss endet (508). Wenn die bestimmte Distanz kleiner als
oder gleich dem vorbestimmten Differenzschwellwert ist (Schritt
(516)), dann verwendet die Antennenanordnung eine Antennenstrahlformungstechnik
(Schritt (527)), und der logische Fluss endet (508).
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In
einer dritten alternativen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung führt
eine Kommunikationsvorrichtung die Schritte (518) bis (525)
aus. Dann sendet (526), wenn die bestimmte Differenz zwischen
dem Ort der Kommunikationsvorrichtung und der DOA größer als
der vorbestimmte Differenzschwellwert ist (Schritt (525)),
die Antennenanordnung mit maximaler Strahlbreite, und der logische Fluss
endet (508). Wenn die bestimmte Distanz kleiner als oder
gleich dem vorbestimmten Differenzschwellwert ist (Schritt (525)),
verwendet (527) die Antennenanordnung eine Antennenstrahlformungstechnik,
und der logische Fluss endet (508).
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Insgesamt
liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
für das
Optimieren der Verwendung einer Technik zur Strahlformung einer
Antennenanordnung durch das Bestimmen, ob eine Technik zur Strahlformung
einer Antennenanordnung für
das Senden eines RF-Signals durch eine Kommunikationsvorrichtung,
vorzugsweise eine Basisstation, an eine Kommunikationseinheit zu
verwenden ist. Die Basisstation umfasst eine Antennenanordnung,
wobei die Antennenanordnung mehrere Antennen einschließt. Die
Basisstation bestimmt einen geographischen Ort der Kommunikationseinheit, eine
Richtung von der Basisstation zum bestimmten Ort der Kommunikationseinheit,
und eine DOA eines Signals, das durch die Basisstation von der Kommunikationseinheit über jede
der mehreren Antennen empfangen wird. Die Basisstation vergleicht
die Richtung mit der DOA, bestimmt eine Differenz auf der Basis
des Vergleichs, und vergleicht die bestimmte Differenz mit einem
vorbestimmten Differenzschwellwert. Die Basisstation bestimmt auch
eine Distanz zwischen der Basisstation und der Kommunikationseinheit,
und vergleicht die bestimmte Distanz mit einem vorbestimmten Distanzschwellwert.
Die Basisstation bestimmt auch mehrere Signalqualitätsmaße auf der
Basis von Signalen, die von der Kommunikationseinheit empfangen
werden, bestimmt eine Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes auf
der Basis der mehreren Signalqualitätsmaße und vergleicht die bestimmte Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes mit
einem vorbestimmten Schwellwert der Änderungsrate des Signalqualitätsmaßes. Auf
der Basis der Vergleiche der bestimmten Differenz, der bestimmten
Distanz und der bestimmten Änderungsrate
des Signalqualitätsmaßes mit
den jeweiligen Schwellwerten bestimmt die Basisstation, ob eine Technik
zur Strahlformung einer Antennenanordnung zu verwenden ist.
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Durch
die Verwendung der vorliegenden Erfindung optimiert eine Basisstation
eine Wahrscheinlichkeit, dass ein Signal, das von der Basisstation
gesendet wird, von der Kommunikationseinheit empfangen wird, während sie
das Potential für
eine Interferenz des Sendens an die Kommunikationseinheit mit Sendungen
an andere Kommunikationseinheiten minimiert. Die vorliegende Erfindung
optimiert die Verwendung der Technik zur Strahlformung einer Antennenanordnung
durch das Vorsehen der Verwendung eines Sendens mit maximaler Strahlbreite
in einer Umgebung, wo Schwund oder das Vorhandensein von Hindernissen
zwischen der Kommunikationseinheit und der Basisstation in einem
fehlgerichteten Signal mündet,
wenn eine Technik zur Strahlformung der Antennenanordnung verwendet
wird, wobei es sein kann, dass dieses fehlgerichtete Signal von
der Kommunikationseinheit nicht akzeptabel empfangen wird. In einer
Umgebung, wo jedoch der Einfluss des Schwundes und von Hindernissen
nicht so groß ist, optimiert
die vorliegende Erfindung die Verwendung der Technik zur Strahlformung
der Antennenanordnung durch das Verwenden der Technik zur Stahlformung
der Antennenanordnung, was zu einem gerichteten Signal führt, das
minimale Interferenzen mit Sendungen an Kommunikationseinheiten
in der Nähe
erzeugt.
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Während die
vorliegende Erfindung unter Bezug auf spezielle Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass
verschiedene Änderungen
in der Form und den Details hier vorgenommen werden können, ohne vom
Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.