DE69826557T2

DE69826557T2 - Strahlformungsarchitektur für die Abwärtsstrecke bei einer Anordnung mit stark überlappenden Keulen

Info

Publication number: DE69826557T2
Application number: DE69826557T
Authority: DE
Inventors: Andrew William Widdington Jeffries; Christopher Robert Ward; Martin Stevens Smith
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: BlackBerry Ltd
Priority date: 1997-05-05
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2018-05-01
Also published as: EP0877444A1; DE69826557D1; EP0877444B1; CA2230313A1; BR9801539A; CA2230313C; US6104935A

Description

Gebiet der Erfindung
Die Offenbarung bezieht sich auf eine Antennenkonfiguration zur Bildung einer Anzahl von sich überlappenden Strahlen an einer Basisstation zur Verwendung in einem Zellularfunk-Kommunikationssystem, sowie auf ein Verfahren zur Bildung einer Anzahl von überlappenden Strahlen.
Hintergrund der Erfindung
Zellulare Funksysteme sind in der gesamten Welt zur Bereitstellung von Telekommunikationen für mobile Benutzer in weitverbreitetem Gebrauch. Um den Bedarf an Übertragungskapazität in einer verfügbaren Frequenzband-Zuteilung zu erfüllen, unterteilen Zellularfunksysteme einen zu überdeckenden geografischen Bereich in eine Anzahl von Zellenbereichen. Innerhalb jeder Zelle ist eine Basisstation angeordnet, mit der eine Vielzahl von Mobilstationen innerhalb der Zelle kommunizieren.
Allgemein besteht ein Ziel der Konstruktion eines Zellularfunk-Kommunikationssystems darin, so wenig Basisstationen wie möglich zu haben, weil Basisstationen aufwändig sind und umfangreiche Bemühungen erfordern, um eine Planungserlaubnis zu erhalten, und in manchen Bereichen stehen geeignete Basisstations-Standorte nicht zur Verfügung. Um so wenig Basisstationen wie möglich zu haben, sollte jede Basisstation in idealer Weise eine Kapazität haben, die so groß wie möglich ist, um eine größtmögliche Anzahl von Mobilstationen mit Diensten zu versorgen. Es gibt jedoch grundlegende Grenzen hinsichtlich der maximalen Benutzerkapazität einer Basisstation zur Versorgung von Mobilstationen mit Diensten, weil die Anzahl der Mobilstationen, die von einer Basisstation mit Diensten versorgt werden kann, von der verfügbaren Anzahl von Trägerfrequenzen abhängt, und diese Trägerfrequenzen stellen eine begrenzte Ressource in dem Frequenzspektrum dar. Um Strahlungen auf der gleichen oder eng aneinander angepassten Frequenzen physikalisch zu trennen, ist es bekannt, Richtantennen zu verwenden, die gerichtete Strahlungen oder Strahlenbündel erzeugen. Die Verwendung von gerichteten Strahlungsbündeln ermöglicht eine stärkere Wiederbenutzung von Trägerfrequenzen und vergrößert die Systemkapazität verglichen mit Rundstrahlantennen oder üblichen Sektorantennten. Wenn Trägerfrequenzen zwischen Zellen erneut verwendet werden, wird der Abstand zwischen den Zellen, in denen die gleiche Trägerfrequenz erneut verwendet wird, so geplant, dass Gleichkanal-Störungen auf einem tolerierbaren Pegel gehalten werden.
Der Typ der an dem Basisstations-Standort verwendeten Antenne kann möglicherweise erhebliche Verbesserungen hinsichtlich der Reichweite und Kapazität eines Zellularfunksystems bedeuten. Die übliche Lösung besteht in der Verwendung von Rundsendeantennen, Drei-Sektor-Antennen oder Sechs-Sektor-Antennen. Bei einer anderen bekannten Lösung umfasst ein Basisstations-Antennendiagramm einen Strahl mit schmaler Winkelbreite, wie dies in den beigefügten 1 und 2 gezeigt ist. Ein schmaler Strahl 1 wird von einer intelligenten Antenne 2 einer Basisstation auf eine gewünschte Mobilstation 3 gerichtet. Der Strahl ist sowohl in Azimut- als auch Elevationsebenen schmal und folgt den Bewegungen der Mobilstation. Verglichen mit einer Rundstrahlantenne hat ein derartiger schmaler Strahl den doppelten Vorteil eines hohen Gewinns, was zu einer vergrößerten Reichweite in einer durch thermisches Rauschen begrenzten Umgebung führt, und der Unterdrückung von Störungen von Gleichkanal-Wiederbenutzungszellen aufgrund der räumlichen Trennung der Strahlen, wodurch eine höhere Kapazität in einer Zelle ohne Zellenaufteilung ermöglicht wird. Ein schmaler Strahl hat einen Vorteil der Verringerung von Störungen in ausgeglichener Weise auf einem Aufwärts- und Abwärtsstrecken-Pfad. Auf der Abwärtsstrecke ist es unwahrscheinlich, dass die Mobilstation in die Strahlen anderer Basisstations-Sender fällt, die eine Gleichfrequenz-Wiederbenutzung verwenden.
Wenn jede Zelle eine Anzahl von Antennen hat, die schmale Strahlen liefern, die einzelnen Mobilstationen folgen, ergibt sich eine Gesamtverbesserung des Träger-/Stör-(C/I-)Verhältnisses aufgrund der statistischen Wahrscheinlichkeit, dass unterschiedliche Strahlen, die die gleiche Trägerfrequenz erneut benutzen, in unterschiedliche Richtungen zeigen, die unterschiedliche Azimut-Winkel haben. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei oder mehr Strahlen mit der gleichen Trägerfrequenz einander schneiden, wird verringert. Je schmaler die Strahlen, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Mobilstation den gleichen Frequenzstrahl einer anderen Zelle empfängt, in der die Trägerfrequenz erneut verwendet wird.
Das Ausmaß des Vorteils einer Antenne mit schmalem Strahl gegenüber einer Rundsendeantennen ist eine Funktion der Strahlbreite der einen schmalen Strahl liefernden Antenne. Je schmaler die Strahlbreite ist, desto größer ist der Vorteil. Antennen mit schmalem Strahl weisen jedoch vergrößerte Abmessungen auf und sind kompliziert, verglichen mit Rundstrahl- oder Drei-Sektor-Antennen. Für die Zwecke dieses Dokumentes soll das Wort „Rundsenden" die Bedeutung haben, dass sich eine Strahlungsüberdeckung über einen Bereich ergibt, der im Wesentlichen dem gesamten geografischen Bereich einer Zelle entspricht. Obwohl ein schmaler Strahl bei Funkfrequenzen typischerweise in den 900 MHz-, 1800 MHz- oder 1900 MHz-Bändern gebildet wird, kann ein schmaler Strahl in brauchbarer Weise so verdeutlicht werden, als ob er analog zu Suchlichtstrahlen sein würde, die von der Basisstation ausgehen und den Mobilstationen folgen. Im Gegensatz zu einer Rundsendeantenne ergibt dies einen Übertragungspfad mit hoher Qualität und minimalen Störungen.
Die bekannte Literatur erkennt viele der möglichen Vorteile von einen schmalen Strahl liefernden Antennen [siehe „A Spectrum Efficient Cellular Base Station Antenna Architecture", S. C. Swales und M. A. Beach, Personal and Mobile Radio Communications Conference, Warwick, Großbritannien, 1991 und „Proposed Advanced Base Station Antennas for Future Cellular Mobile Radio Systems", W. S. Davies, R. J. Long und E. Vinnal, Australien Telecoms Research, Band 22, Nr. 1, Seiten 53–60]. Die Verwendung von Richtantennen in heutigen Zellularfunksystemen beruht auf dem Prinzip der Sektorbildung, wie dies in 3 gezeigt ist, die schematisch ein Gebiet zeigt, das von einem Zellenmuster bedeckt ist, in dem eine Vielzahl von nominell sechseckigen Zellen in einem N = 7-Gruppengrößen-Sechseckmuster jeweils in drei Sektoren unterteilt sind, die jeweils einen Bereich eines Azimut- Winkels von 120° überspannen. Die Hauptquelle von Störungen in einem Zellularsystem ergibt sich aus den sogenannten Wiederbenutzungszellen erster Ordnung 300–305, die in dem Beispiel nach 3 einen Abstand von der in der Mitte liegenden Zelle 3 von zumindest zwei dazwischenliegenden Zellen haben, beispielsweise die Zellen 307, 308. Unter Verwendung von Rundsendeantennen empfängt die Basisstationsantenne in der mittleren Zelle 306 Störungen von Mobilstationen in allen Zellen bis zu und unter Einschluss der Zellen 300–305. Wenn eine Antenne jedoch eine nominelle Strahlbreite von 120° entsprechend einer in drei Sektoren unterteilten Zelle hat (eine Drei-Sektor-Konfiguration) so werden Störungen von Mobilstationen in lediglich zwei Wiederbenutzungszellen erster Ordnung, nämlich 303, 304 empfangen. Die Situation kann durch die Verwendung einer Antenne mit einer Strahlbreite von 60° verbessert werden, was einer Konfiguration mit sechs Sektoren entspricht, wobei in diesem Fall die Störung von Mobilstationen in lediglich einer der Zellen erster Ordnung empfangen wird. In in Sektoren unterteilten Zellen sind Zellularfunk-Sendeempfänger an der Basisstation lediglich mit einem Sektor oder einer Antenne verbunden und können nicht in anderen Sektoren innerhalb der gleichen Zelle verwendet werden.
Obwohl die Bereitstellung einer relativ großen Anzahl von schmalen Strahlen dazu beitragen kann, die Systemkapazität zu vergrößern, beruhen die durch schmale Strahlen erzielten Vorteile teilweise auf der Verwendung von intelligenten Antennen, die ein Lenken der Strahlen ermöglichen. Die Anmelder haben jedoch festgestellt, dass im Fall des nordamerikanischen digitalen AMPS-Zellularfunksystems die Strahlen räumlich festbleiben müssen. Der Grund hierfür ist wie folgt:
Das übliche nordamerikanische digitale AMPS-Zellularfunksystem umfasst eine Analog-Mobilnorm, die weiterhin Maßnahmen für eine Zeitvielfachzugriff-(TDMA-) Mobiltelefonie-Normen bereitstellt, die mit der Analog-Mobilnorm kompatibel sind. Das nordamerikanische digitale AMPS-System wird auch als internationale Norm IS-54 bezeichnet, was eine Analog-/Digital-Dualbetriebsart-Norm ist, die im 850 MHz-Band arbeitet und in letzerer Zeit durch die internationale Norm IS-136 in Form einer Dualbetriebsart-Analog-/Digital-Mobilnorm abgelöst wird, die einen Betrieb in 850 MHz-Band und im 1900 MHz-Band umfasst. Die D-AMPS-Norm schließt eine Zwangsbedingung auf der Abwärtsstrecke ein, die die Verwendung von einzeln gelenkten Strahlen für jede Teilnehmer-Mobilstation ausschließt.
In der D-AMPS-Norm wird ein Satz von Frequenzschlitzen jeweils mit einer Breite von 30 kHz bereitgestellt, von denen jeder als ein Analog-Kanal oder als ein Zeitvielfachzugriffs-Digitalkanal verwendet werden kann. In dem Teil der D-AMPS-Norm, die sich auf den Digitalbetrieb bezieht, wird jede Trägerfrequenz an der Mitte eines jeweiligen 30 kHz-Frequenzbandes zur Übertragung einer Vielzahl von Zeitvielfachzugriffs-Digitalkanälen verwendet. Derzeit unterteilen Betreiber jede Trägerfrequenz in drei digitale Kanäle auf einer TDMA-Basis. Dies ergibt drei Zeitschlitze pro digitalen Rahmen, der eine Dauer von ungefähr 20 ns hat, wie es in der 4 gezeigt ist. Die D-AMPS-Norm legt fest, dass immer dann, wenn irgendein Träger einen verwendeten Zeitschlitz hat, das heißt einen einzelnen Kanal zu einer einzigen Teilnehmer-Mobilstation, der Strahl, der diese Trägerfrequenz umfasst, auf die Teilnehmer-Mobilstation nicht nur während des Zeitschlitzes gerichtet gehalten werden muss, der den mit diesem Mobilteilnehmer kommunizierenden Kanal überträgt, sondern auch für die Dauer der anderen Zeitschlitze in dem gleichen Rahmen. Sobald eine Trägerfrequenz einer digitalen Teilnehmer-Mobilstation zugeteilt wird, kann der Strahl nicht von dieser Mobilstation für andere Zeitschlitze innerhalb des gleichen Rahmens fortbewegt werden. Dies schließt die Verwendung einer Strahlverschiebung zwischen Mobilstationen auf einer Grundlage von Zeitschlitz zu Zeitschlitz aus, weil die Teilnehmer-Mobileinrichtung, die in D-AMPS arbeitet, eine 20-Bit-Synchronisationsfolge während ihres eigenen Zeitschlitzes in dem Rahmen empfängt und weiterhin auch die 20-Bit-Synchronisationsfolge von vorhergehenden und nachfolgenden Zeitschlitzen betrachten kann. In 5 ist die Betriebsweise des D-AMPS-Handapparates unter Bezugnahme auf drei Zeitschlitze gezeigt, die drei unterschiedliche Kanäle in einer D-AMPS-Aussendung darstellen. Ein mobiler Teilnehmer-Handapparat, der einen zweiten Zeitschlitz 500 innerhalb eines digitalen Rahmens 501 zugeteilt ist, untersucht eine Synchronisations-Trainingsfolge 502 innerhalb seines eigenen Zeitschlitzes 500 und empfängt außerdem Synchronisationsfolgen 503, 504 von jeweiligen entsprechenden Zeitschlitzen 505, 506, die anderen Kanälen in dem digitalen Rahmen entsprechen. Wenn daher die anderen Zeitschlitze 505, 506 in dem digitalen Rahmen 501 effektiv von der Teilnehmer-Mobilstation dadurch entfernt werden, dass der Strahl während dieser anderen Zeitschlitze von der Teilnehmer-Mobilstation fortbewegt wird, kann die Mobilstation die Synchronisationsfolgen in diesen anderen Zeitschlitzen nicht lesen und würde ein beeinträchtigtes Betriebsverhalten aufweisen.
Daher steht in dem D-AMPS-System der statistische Vorteil, der sich aus der Technik der Strahllenkung einer großen Anzahl von schmalen Strahlen unter Verwendung von intelligenten Antennen ergibt, nicht zur Verfügung, und es ist nicht möglich, ein Schema zu entwickeln, das es ermöglicht, dass Strahlen dynamisch von einer Mobilrichtung zu einer anderen von einem Zeitschlitz zum nächsten bewegt werden. Daher muss ein Abwärtsstrecken-Strahlformer für D-AMPS eine Lösung mit festem Strahl lösen, wobei der optimale Strahl durch Aufwärtsstrecken-Messungen der Signalqualität ausgewählt wird.
Als eine Lösung zur Vergrößerung der Kapazität des D-AMPS-Zellularfunksystems haben die Erfinder die Verwendung eines Sektors vorgeschlagen, der durch eine Anzahl von nicht orthogonalen überlappenden Strahlen abgedeckt ist, die räumlich festgelegt sind. Dieser Vorschlag hat den Vorteil der Vergrößerung der Anzahl von Richtstrahlen in einem Sektor, wodurch eine Vergrößerung der Frequenz-Wiederbenutzung und eine entsprechende Vergrößerung der Kapazität ermöglicht wird, während gleichzeitig die Notwendigkeit einer Übergabe zwischen Strahlen zu einem Minimum gemacht wird, die anderenfalls bei einer äquivalenten Anzahl von orthogonalen schmalen überlappenden Strahlen hervorgerufen wurde [siehe „Introduction to Antennas", Martin S. Smith, veröffentlicht von MacMillan, 1988, Kapitel 6]. Die Aufgabe der Erzeugung eines Satzes von nicht orthogonalen überlappenden Strahlen führt jedoch eigene Probleme hinsichtlich der Frage ein, wie ein derartiger Satz von Strahlen von einer relativ kleinen Antennenapertur gewonnen werden kann, und wie die Strahlen in einer leistungseffizienten Weise erzeugt werden können, wie dies aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsform ersichtlich wird.
In dieser Beschreibung soll der Ausdruck „orthogonal", wenn er in Verbindung mit Strahlen verwendet wird, so ausgelegt werden, als ob er eine Bedeutung hat, wie sie im Stand der Technik angegeben ist, beispielsweise in „Introduction to Antennas" von Martin S. Smith, Kapitel 6, und der Ausdruck „nicht-orthogonal" sollte entsprechend ausgelegt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in einer Vergrößerung der Systemkapazität in einem Zellularfunksystem hinsichtlich der Anzahl der Mobilstations-Benutzer pro Basisstation, während ein annehmbares Träger-/Störverhältnis aufrecht erhalten wird, in einem Zellular-Mobilfunk-Kommunikationssystem.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Überwindung eines Problemes der Aufrechterhaltung niedriger Einfügungsverluste bei der Einführung der Möglichkeit von mehrfachen überlappenden Strahlen in einer Antennenanordnung.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Antennenanordnung für ein zellulares drahtloses Kommunikationssystem geschaffen, wobei die Anordnung Folgendes umfasst:
eine Antennengruppe (900);
eine Strahlformungseinrichtung (913), die ein strahlgeformtes Ausgangssignal erzeugt; und
eine Anzahl von Leistungsverstärkern (909–912), die zwischen der Strahlformungseinrichtung und der Antennengruppe angeordnet sind, wobei jeder Leistungsverstärker ein Eingangssignal von der Strahlformungseinrichtung empfängt;
dadurch gekennzeichnet, dass die Antennengruppe zur Bildung einer Vielzahl von Funkfrequenz-Strahlen (602–608) dient, die einander überlappen und zueinander nicht orthogonal sind.
Daher kann irgendein Einfügungsverlust, der durch die Strahlformungseinrichtung hervorgerufen wird, bei der Übertragung von Signalen vor ihrer Leistungsverstärkung hervorgerufen werden. Derartige Strahlen können eine willkürliche Überlappung aufweisen, und weisen typischerweise Strahlbreiten von zumindest 20°–30° auf (gemessen an den üblichen –3 dB-Punkten auf dem Gewinn-Diagramm).
Vorzugsweise umfasst die Antennengruppe eine Anzahl von einzelnen strahlenden Antennenelementen. Die Antennenelemente werden hinsichtlich der Phase und der Amplitude so angesteuert, dass sie eine Anzahl von nicht orthogonalen Strahlen erzeugen. Die Verwendung einer Mehrelement-Gruppe kann eine relativ kleine Apertur-Größe zur Erzeugung der Strahlen ergeben. Eine kleine Apertur-Größe ist vom Gesichtspunkt eines verbesserten optischen Aussehens und geringerer Windbelastungseffekte vorteilhaft.
Ein Grund, warum die vorliegende Ausführungsform und die Verfahren der besten Ausführungsform gegenüber üblichen in Sektoren unterteilten Antennen bevorzugt werden, besteht darin, dass der Raum, der für eine einzige Mehrelement-Antenne an dem Mastkopf benötigt wird, kleiner als der für eine Anzahl von Sektorantennen ist.
Vorzugsweise ist ein getrennter der Leistungsverstärker pro Antennenelement der Antennengruppe vorgesehen. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass lediglich ein Leistungsverstärker pro Antennenelement erforderlich ist, statt ein Leistungsverstärker pro Strahl. Dies ermöglicht es bei der Verwendung von mehrfachen überlappenden Strahlen, die Probleme von Übergangsverlusten zu vermeiden, ohne dass eine entsprechende Vergrößerung der Anzahl von Leistungsverstärkern erforderlich wird.
Vorzugsweise umfassen die Leistungsverstärker Mehrkanal-Leistungsverstärker.
Vorzugsweise umfasst die Antennenanordnung weiterhin eine Anzahl von Phasen-Kalibriereinrichtungen, die zur Phasenkalibrierung von Signalen an einer Position zwischen der Strahlformungseinrichtung und der Antennengruppe angeordnet sind.
Die Antennenanordnung kann automatische Abgleicheinrichtungen zur automatischen Steuerung der Phasen-Kalibriereinrichtungen umfassen, um es von jedem Antennenelement ausgesandten Signalen zu ermöglichen, abgetastet zu werden.
Vorzugsweise umfasst die Antennenanordnung weiterhin eine Anzahl von Amplituden-Kalibriereinrichtungen, die für eine Amplitudenkalibrierung von Signalen an einer Position zwischen der Strahlformungseinrichtung und der Antennengruppe angeordnet sind.
Die Antennenanordnung kann automatisierte Abgleicheinrichtungen zur automatischen Steuerung der Amplituden-Kalibriereinrichtungen umfassen. Eine derartige automatisierte Abgleicheinrichtung kann eine oder mehrere Nahfeld-Sonden einschließen, um es von jedem Antennenelement ausgesandten Signalen zu ermöglichen, abgetastet zu werden. Vorzugsweise überlappen sich die überlappenden Strahlen mit einem Leistungspegel zwischen 4 dB und 0 dB unterhalb eines Spitzenleistungspegels.
Vorzugsweise umfasst die Strahlformungseinrichtung eine Matrix mit einer ersten Anzahl von Signaleingangsports und einer zweiten Anzahl von Signalausgangsports, wobei eine Anzahl der Ausgangsports, die Signale an die Leistungsverstärker liefern, kleiner als eine Anzahl der Eingangsports ist.
Die Strahlformungseinrichtung, die Antennengruppe, die Anzahl von Funkfrequenz-Sendeempfänger, die Strahlformungseinrichtung und die Anzahl von Leistungsverstärkern können so ausgewählt werden, dass sich ein quadratischer Mittelwert des Phasenfehlers über die Antennengruppe hinweg von innerhalb von 20° um in geeigneter Weise innerhalb von 10° (bei irgendeiner Hochfrequenz-Trägerfrequenz und Betriebstemperatur) ergibt.
Die Strahlformungseinrichtung, die Antennengruppe, die Anzahl von Funkfrequenz-Sendeempfängern, die Strahlformungsmatrix und die Anzahl von Leistungsverstärkern kann so ausgewählt werden, dass sich ein quadratischer Mittelwert des Amplitudenfehlers von Signalen über die Antennengruppe von innerhalb von 3 dB und zweckmäßigerweise innerhalb von 1,5 dB ergibt (bei irgendeiner vorgegebenen Hochfrequenz-Trägerfrequenz und Betriebstemperatur).
Die Weitwinkel-Überdeckung kann einen 120°-Sektor einer Zelle überdecken und jeder derartige Strahl kann sich über einen Bereich von zumindest 17° bei seiner nominellen –1 dB-Kontur erstrecken.
Das Eingangssignal kann eine Anzahl von Kanälen in einer TDMA-Zeitschlitz-Konfiguration umfassen.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung einer Vielzahl von Strahlen unter Verwendung einer Mehrelement-Antennengruppe geschaffen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Eingabe einer ersten Anzahl von Sendesignalen in eine Strahlformungseinrichtung;
Abgabe einer zweiten Anzahl von Sendesignalen von der Strahlformungseinrichtung;
Eingabe der zweiten Anzahl von Sendesignalen in eine Anzahl von Leistungsverstärkern; und
Verstärken der zweiten Anzahl von Sendesignalen zur Erzeugung einer Anzahl von leistungsverstärkten Sendesignalen;
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Verfahren zur Bildung einer Vielzahl von Strahlen ist, die einander überlappen und nicht orthogonal bezüglich einander sind, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt der:
Ansteuerung der Antennengruppe mit den leistungsverstärkten Sendesignalen zur Erzeugung der Vielzahl von Strahlen umfasst, die überlappend und nicht orthogonal sind.
Die Strahlen sind in geeigneter Weise stark überlappt und nicht orthogonal. In geeigneter Weise sind die Strahlen eng genug miteinander überlappt, um einen Übergangsverlust (cusping loss) von ungefähr 1 dB oder weniger zu erzielen, doch ist das Verfahren auch auf die Bildung von Strahlen anwendbar, die einen Übergangsverlust in dem Bereich von 4 dB bis im Wesentlichen 0 dB haben.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt der Steuerung einer jeweiligen Phase jedes der zweiten Anzahl von Sendesignalen vor dem Schritt der Verstärkung.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt der Steuerung einer jeweiligen Amplitude jedes der zweiten Anzahl von Sendesignalen vor dem Schritt der Verstärkung.
Vorzugsweise sind die Strahlen räumlich festgelegte Strahlen.
Vorzugsweise empfängt jedes Antennenelement ein leistungsverstärktes Sendesignal eines entsprechenden jeweiligen der Leistungsverstärker.
Vorzugsweise umfasst jedes der zweiten Anzahl von Sendesignalen eine Anzahl von einzelnen Kommunikationskanälen.
Vorzugsweise überlappt sich die Vielzahl von nicht orthogonalen überlappenden Strahlen mit einem Leistungspegel zwischen 4 dB und 0 dB unterhalb eines Spitzenleistungspegels.
Die Weitwinkel-Überdeckung kann einen 120°-Sektor einer Zelle überdecken, und jeder der Strahlen erstreckt sich über einen Bogen von zumindest 17° bei seiner nominellen –1 dB-Kontur.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine zellulare drahtlose Kommunikationsvorrichtung, ein Verfahren zur Kommunikation mit einer Mobilstation geschaffen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst:
Bilden einer Anzahl von gerichteten Aufwärtsstrecken-Strahlen, wobei die Aufwärtsstrecken-Strahlen voneinander in Azimutrichtung unterscheidbar sind;
Bilden einer Anzahl von gerichteten Abwärtsstrecken-Strahlen, die einander überlappen und bezüglich einander nicht orthogonal sind, wobei die Abwärtsstrecken-Strahlen voneinander in Azimutrichtung unterscheidbar sind, wobei ein Abwärtsstrecken-Strahl einen Einfüllbereich in Azimutrichtung zwischen benachbarten ersten und zweiten Aufwärtsstrecken-Strahlen belegt;
Empfangen erster und zweiter Mobilsignale von der Mobilstation auf den jeweiligen ersten und zweiten Aufwärtsstrecken-Strahlen;
Analysieren der ersten und zweiten Mobilsignale, die auf den ersten und zweiten Aufwärtsstrecken-Strahlen empfangen werden; und
in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Analyse, Kommunizieren mit der Mobilstation auf dem Abwärtsstrecken-Strahl, der den Einfüllbereich belegt.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Analysierens den Vergleich einer Stärke des ersten Mobilsignals mit einer Stärke des zweiten Mobilsignals.
Die Anzahl von Aufwärtsstrecken-Strahlen kann orthogonale Strahlen umfassen. Vorzugsweise belegen einzelne der Anzahl von Abwärtsstrecken-Strahlen Einfüllbereiche zwischen benachbarten der Anzahl von Aufwärtsstrecken-Strahlen. Vorzugsweise überlappen einzelne der Anzahl von Abwärtsstrecken-Strahlen räumlich Bereiche, die durch einzelne der Aufwärtsstrecken-Strahlen belegt sind.
Die Weitwinkel-Überdeckung kann einen 120°-Sektor einer Zelle überdecken, und jeder derartige Strahl erstreckt sich über einen Bogen von zumindest 17° an seiner nominellen –1 dB-Kontur.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der Erfindung, und um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, werden nunmehr lediglich in Form eines Beispiels spezielle Ausführungsformen, Verfahren und Prozesse gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
6 schematisch eine Anzahl von Abwärtsstrecken-Strahlen zeigt, die von einer Basisstations-Antenne abgestrahlt werden, in einer Draufsicht, wobei die Strahlen von einer Strahlformungseinrichtung gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet werden;
7 zeigt eine Azimut-Kurve der gemessenen Strahlen nach 6;
8 zeigt ein Beispiel von vier breiten verschachtelten Strahlen, die einen Sektor von 120° belegen;
9 zeigt eine spezielle Ausführungsform einer Strahlformungseinrichtung zur Durchführung der Erfindung;
10 zeigt eine bekannte Strahlformungsmatrix, die verlustlos eine Anzahl von leistungsverstärkten Sendesignalen mit einer entsprechenden Anzahl von Antennen verbindet;
11 zeigt ein bekanntes Strahlungsdiagramm, das von der Anordnung nach 10 erzeugt wird;
12 zeigt eine weitere Konfiguration einer Strahlformungsmatrix gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Bildung einer Anzahl von breiten miteinander verschachtelten Strahlen, wobei die Strahlformungsmatrix einen hohen Einfügungsverlust hervorruft;
13 ein Beispiel eines Strahlungsdiagramms von 7 nicht orthogonalen überlappenden Strahlen und vier orthogonalen Aufwärtsstrecken-Strahlen zeigt, die mit abwechselnden Abwärtsstrecken-Strahlen zusammenfallen;
14 schematisch einzelne Komponenten eines einzigen Sendesignalpfades der Ausführungsform nach 9 zeigt;
15 eine Azimut-Kurve eines gemessenen Ausganges einer Konstruktion der speziellen Ausführungsform nach 9 zeigt; und
16 eine Modifikation der Ausführungsform nach 9 zur automatischen Steuerung der Integrität des Ausgangs-Strahlungsdiagramms zeigt.
Ausführliche Beschreibung der besten Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung
Es wird nunmehr in Form eines Beispiels die beste Ausführungsform beschrieben, die von den Erfindern zur Durchführung der Erfindung in Betracht gezogen wird. In der folgenden Beschreibung sind vielfältige spezielle Einzelheiten angegeben, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu liefern. Es ist jedoch für den Fachmann ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung ohne diese speziellen Einzelheiten ausgeführt werden kann. In anderen Fällen werden bekannte Verfahren und Strukturen nicht ausführlich beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verdecken.
Die hier beschriebene beste Ausführungsform kann eine spezielle Anwendung bei der Berücksichtigung von Betriebsgesichtspunkten haben, die speziell für das übliche nordamerikanische digitale AMPS-(D-AMPS-) Zellularfunksystem sind, obwohl die Erfindung nicht auf digitale AMPS-Systeme beschränkt ist sondern auch auf GSM, PCS 1900, Codemultiplex-Vielfachzugriffssysteme (CDMA) und andere Zellularfunksysteme anwendbar ist und lediglich durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale beschränkt ist.
Bei der hier beschriebenen besten Ausführungsform wird eine Anzahl von breit überlappenden nicht orthogonalen Abwärtsstrecken-Strahlen gebildet, die über einen Sektor eines Zellenbereiches abstrahlen. Die Anzahl der Strahlen pro Sektor, beispielsweise über einen 120°-Sektor, ist veränderlich, und es wird in Betracht gezogen, dass die optimale Anzahl von Strahlen pro 120°-Sektor in dem Bereich von 3–7 Strahlen pro 120°-Sektor liegt. Die folgenden Beispiele beschreiben eine Ausführungsform, die eine Ausführungsform mit sieben Abwärtsstrecken-Strahlen und vier Aufwärtsstrecken-Strahlen bildet.
In 6 ist ein Beispiel eines Abwärtsstrecken-Strahlformungsdiagramms gemäß einem speziellen Verfahren der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Strahlungsdiagramm wird durch eine Gruppe von Antennenelementen erzeugt. Ein 120°-Sektor 600 um eine Basisstations-Antenne 601 herum wird durch erste bis siebte Strahlen 602–608 belegt, wobei die Trägerfrequenzen ausreichend voneinander entfernt sind, so dass sie einander nicht stören. Im Fall von D-AMPS arbeiten die Strahlen jeweils mit einer unterschiedlichen Frequenz, doch müssen sie im allgemeinen Fall nicht voneinander verschieden sein. Jeder Strahl erstreckt sich über einen Bogen von zumindest 17° bei seiner nominellen –1 dB-Kontur, und die sieben Strahlen überlappen einander erheblich in dem 120°-Sektor. Benachbarte Strahlen überlappen einander und weisen Übergangspunkte an ihren nominellen –1 dB-Konturen auf, und übernächste Strahlen überlappen und schneiden einander an ihren nominellen –4 dB-Konturen. Das Ausmaß der Überlappung ist zweckmäßigerweise dadurch zu erkennen, dass die Strahlen als eine Kurve des Azimut-Winkels gegenüber der Leistung dargestellt werden, wie dies in 7 gezeigt ist. Um ein ausreichendes Träger-/Stör-Betriebsverhalten zu erzielen, müssen Seitenkeulen der Strahlen unterhalb von –10 dB der Hauptstrahl-Spitzenleistung gehalten werden. Es sind weiterhin Seitenkeulen für jeden jeweiligen Strahl 602–608 gezeigt, die auf einem Pegel von –10 dB oder weniger verglichen mit der Hauptstrahl-Spitzenleistung gehalten werden. Für IS-54/IS-136-Anwendungen liegen die Normen fest, das auf der Abwärtsstrecke die Basisstation eine Aussendung mit konstantem Pegel während der vollen Dauer des Rahmens auf irgendeinem bestimmten Trägerkanal aufrecht erhalten muss, wenn zumindest eine Mobilstation diesem Träger zugeordnet wurde. Dies bedeutet, dass es nicht möglich ist, ein Schema zu entwickeln, das es Strahlen ermöglicht, dynamisch von einer Mobilstations-Richtung zur anderen von einem Zeitschlitz zum nächsten bewegt zu werden. Somit muss ein Abwärtsstrecken-Strahlformat für D-AMPS eine Lösung mit festem Strahl verwenden. Der optimale Strahl kann durch Aufwärtsstrecken-Messungen der Signalqualität ausgewählt werden. In 6 ist die Richtung der Abwärtsstrecken-Hauptstrahlen festgelegt, und eine intelligente Verarbeitung wird verwendet, um einen passenden Strahl auszuwählen, der in Richtung auf eine Teilnehmer-Mobilstation gerichtet ist. Die Verkehrskapazität und das Träger-/Störverhältnis-Betriebsverhalten eines D-AMPS-Systems wird durch die Verwendung des breiten verschachtelten Strahldiagramms nach den 6 und 7 wie folgt verbessert.
Aufgrund der Zwangsbedingungen von IS-54 und IS-136 wird der Verwaltungs-Zusatzaufwand bei der Aufrechterhaltung eines Kanals mit einer sich bewegenden Mobilstation um so größer, je stärker die Strahlen in Sektoren unterteilt werden. Als Beispiel können, wenn T Bündel K Trägerfrequenzen zuzuordnen sind (jede Trägerfrequenz umfasst einen anderen Strahl) T/K Bündel pro Träger zugeordnet werden. Bei einer vorgegebenen Blockierrate pro Träger kann berechnet werden, wieviele Erlang dieser Träger unterstützt. Die Gesamtzahl von Erlang pro 120°-Sektor ist:
K × die Anzahl pro Erlang pro Träger.
Diese berechnete Zahl erweist sich als wesentlich kleiner für ein System, bei dem irgendeines der T Bündel über den 120°-Sektor an irgendeine Stelle schwimmen kann. Typischerweise gibt es bei TDMA 32 Träger pro 120°-Sektor, wobei jeder Träger drei Kanäle (drei Teilnehmer-Mobilstationen) unterstützt. Somit ergeben sich 96 Zeitschlitze, die pro 120°-Sektor verfügbar sind. Einige dieser Zeitschlitze müssen für eine Rundsende-Steuerung zugeteilt werden. Wenn alle Zeitschlitze irgendwo schwimmend über den 120°-Sektor verteilt werden könnten, so könnten 84 Erlang an Kapazität in diesem Sektor bereitgestellt werden.
Wenn jedoch ein Beispiel von vier „schmalen" Strahlen pro 120°-Sektor verwendet wird, bei denen sich die Strahlen bei einem Übergangspunkt von –4 dB überlappen, so könnte, wenn die Zeitschlitze auf eine Sektorierung über vier Strahlen in dem 120°-Sektor beschränkt sein würden, die Bündel-Ineffizienz für eine Vier-Strahl-Lösung zu einer 120°-Sektor Kapazität führen, die nur 63 Erlang beträgt.
Wenn andererseits gemäß 8 für die gleiche vier-Strahl-Lösung die Strahlen verbreitert werden, so dass sie sich an einem Übergangspunkt von –1 dB überlappen, so kann eine Sektor-Kapazität von 75 Erlang erzielt werden, wenn die Strahlen Teilnehmer-Mobilstationen unter Verwendung von intelligenten Antennentechniken zugeteilt werden. Im Fall von vier überlappenden Strahlen pro 120°-Sektor überlappen sich die Strahlen idealerweise an ihren –1 dB-Konturen und sie weisen eine –4 dB-Strahlbreite auf, die sich über einen Bogenwinkel von ungefähr 50° zentriert an ihren Strahlungsquellen erstreckt. Die Strahlen werden so breit wie möglich in Übereinstimmung mit der Erzielung eines annehmbaren Träger-/Störverhältnisses bei dem reduzierten Wiederbenutzungsfaktor gemacht. Weil das Ziel in der Vergrößerung der Kapazität besteht, muss das Träger-/Stör-Betriebsverhalten nicht größer als das übliche Träger-/Stör-Betriebsverhalten eines üblichen drei Sektoren aufweisenden Antennensystems sein, das mit einem üblichen Wiederbenutzungs-Muster arbeitet.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Verwendung von breiten, nicht orthogonalen überlappenden, festen gerichteten Strahlen erhebliche Vorteile hinsichtlich der Kosten pro Erlang und hinsichtlich der Kapazitätsverbesserung verglichen mit bekannten Systemen ergibt.
Eine spezielle Ausführungsform einer Antennenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nunmehr beschrieben. Die gezeigte Anordnung ist für eine D-AMPS-Anwendung konfiguriert und liefert sieben Abwärtsstrecken-Strahlen, obwohl die gezeigte allgemeine Architektur in der Lage ist, eine Vielzahl von Strahlen zu erzeugen und nicht auf den D-AMPS-Betrieb und die Anwendung beschränkt ist. In 9 ist schematisch eine Architektur für eine Strahlformungseinrichtung für eine Zellularfunkanwendung gezeigt. Die Strahlformungseinrichtung umfasst eine Antennengruppe 900, die eine Anzahl von einzeln abstrahlenden Antennenelementen umfasst, in diesem Fall eine Anordnung von vier Antennenelementen 901–904, wobei die Elemente physikalisch festgelegt sind und jeweils eine breite Winkelüberdeckung von beispielsweise 120° aufweisen, wobei die Antennengruppe mit einer Anzahl von Diplexern oder Trennfiltern 905–908 verbunden ist, wobei jeder Diplexer ein Ausgangssignal von einem jeweiligen Mehrkanal-Leistungsverstärker 909–912 empfängt und den Leistungsverstärkern Sendesignale von einer Strahlformungsmatrix 913 zugeführt werden, wobei die Strahlformungsmatrix mit Signalen zur Aussendung von einer Anzahl von Sendesignalquellen 914 gespeist wird. Die Strahlformungseinrichtung umfasst weiterhin eine Empfangsmatrix 915 zum Empfang ankommender Signale von den Diplexern 905–908, eine Anzahl von Hochfrequenz-Speisekabeln 916–919, die zwischen den Diplexern und der Antennengruppe angeordnet sind, um leistungsverstärkte Signale an die Antennenelemente zuzuführen, eine Anzahl von Vorverstärkern 920–926 zur Vorverstärkung von Sendesignalen vor ihrer Eingabe an die Strahlformungsmatrix 913, eine Anzahl von Phaseneinstelleinrichtungen 927–930, die zwischen der Strahlformungsmatrix und den Leistungsverstärkern angeordnet sind, um die Phase der Sendesignale vor ihrer Eingabe in die Leistungsverstärker 909–912 einzustellen, eine Anzahl von veränderbaren Dämpfungsgliedern 931–934, die zwischen der Strahlformungsmatrix und den Leistungsverstärkern angeordnet sind, um die Amplituden der Sendesignale vor der Eingabe in die Leistungsverstärker einzustellen, und eine zweite Anzahl von Phaseneinstelleinrichtungen 935–938, die die empfangenen und von den Diplexern 905–908 getrennten Empfangssignale vor der Eingabe dieser Signale an die Empfangsmatrix 915 empfangen.
Die in 9 gezeigte Strahlformungseinrichtung erzeugt an der Antennengruppe 900 ein Strahlungsdiagramm, das eine Anzahl von relativ breiten, nicht orthogonalen überlappenden Strahlen umfasst, wie dies unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben wurde.
In dem Beispiel nach 9 werden sieben von Sendesignalquellen 920–926 erzeugte Sendesignale in sieben Eingangsanschlüsse oder Eingangsports der Strahlformungsmatrix 913 eingespeist, die vier Ausgangs-Sendesignale an jedem der vier Ausgangsports erzeugt. Jeder Ausgangsport liefert ein entsprechendes jeweiliges Sendesignal an eine der genannten Phaseneinstelleinrichtungen und eine jeweilige der Amplitudeneinstelleinrichtungen 931–934 vor der Zuführung des hinsichtlich der Phase und Amplitude eingestellten Sendesignals an einen entsprechenden jeweiligen der Sendeverstärker 909–912. Jeder der vier Leistungsverstärker speist ein entsprechendes jeweiliges strahlendes Antennenelement 901–904 zur Erzeugung der Anzahl von Abwärtsstrecken-Strahlen von den vier Antennenelementen.
Bei dieser Ausführungsform sind die Sendeempfänger effektiv mit den entsprechenden Strahlen „fest verdrahtet", und eine Verbindung wird zwischen den Strahlen (und damit den Frequenzträgern) übergeben, während sich eine Mobilstation umher bewegt.
Typischerweise umfasst die Strahlformungsmatrix eine übliche 8-Weg-Butler-Matrix. Die Butler-Matrix hat den Vorteil, dass sie ein im Handel erhältliches Produkt mit einer hohen Effizienz bei niedrigen Kosten ist. Die im Handel erhältliche Anaren-560014 × 8-Butler-Matrix wurde erfolgreich in einer speziellen Ausführungsform des bevorzugten Ausführungsbeispiels mit einer Betriebsbandbreite von 750 MHz bis 950 MHz verwendet. Um das überlappende Strahldiagramm zu erzeugen, werden lediglich abwechselnde der acht Ausgangsports der Butler-Matrix zur Ansteuerung der jeweiligen entsprechenden vier Antennenelemente der Antennengruppe 900 verwendet. Die verbleibenden Ausgänge sind jeweils mit Lastelementen 939–942 abgeschlossen. Diese Anordnung der Butler-Matrix führt ein Einfügungsverlustproblem wie folgt ein:
Gemäß 10 erzeugt die 8-Weg-Butler-Matrix bei üblicher Anschaltung zur Lieferung von acht Ausgängen an acht Antennenelemente 1000–1007 von acht Eingängen, die durch acht Leistungsverstärker 1008–1015 gespeist werden, das übliche orthogonale Sin X/X-Strahldiagramm, wie dies in 11 gezeigt ist, bei dem sich benachbarte Strahlen ungefähr an ihren –4 dB-Punkten überlappen. Bei dieser bekannten Konfiguration hat die Butler-Matrix den Vorteil, dass sie theoretisch verlustlos ist und dass sich eine erhebliche Seitenkeulen-Kompensation zwischen Strahlen ergibt. Die Verwendung einer Butler-Matrix in dieser Konfiguration ist in der WO 95/34102 A und der WO 95/34103 A, die am 14. Dezember 1995 veröffentlicht wurden, sowie in der EP-A-0 639 035 beschrieben, die am 15. Februar 1995 veröffentlicht wurde. Der Nachteil der Verbindung der Butler-Matrix 913 mit acht Eingangsports, die vier Ausgangsports speisen, um die überlappende Strahlkonfiguration in der besten Ausführungsform gemäß 9 zu erzeugen, besteht jedoch darin, dass die auf diese Weise beschaltete Butler-Matrix einen Leistungsverlust von 3 dB hervorruft. Wenn die Eingänge der Butler-Matrix mit den Leistungsverstärkern so verbunden würden, wie dies durch die übliche Praxis vorgeschlagen wird, würde dies zu einer Anordnung gemäß 12 führen, die eine 8-Weg-Butler-Matrix mit acht Eingangsports und acht Ausgangsports und acht Mehrkanal-Leistungsverstärker zeigt, die jeweils ein verstärktes Drei-Kanal-Sendesignal an einen jeweiligen der Eingangsports liefern. Weil die Antennengruppe vier Antennenelemente aufweist, wobei jedes Antennenelement ein Ausgangs-Sendesignal von einem jeweiligen der Ausgangsports der Butler-Matrix empfangen werden die verbleibenden vier Ausgangsports der Butler-Matrix jeweils mit einer entsprechenden jeweiligen angepassten Last abgeschlossen, und die Butler-Matrix ist nicht mehr verlustlos und ruft einen 3 dB-Einfügungsverlust hervor. Dies stellt ein Problem dar, weil in einer Zellularfunk-Basisstation die Leistungsverstärker die wichtigsten und aufwändigsten Bauteile darstellen. Das Einführen eines 3 dB-Verlustes in einer Strahlformungsmatrix, die Eingangssignale von einer Anzahl von Leistungsverstärkern gemäß 12 empfängt, würde daher einen unannehmbaren Leistungsverlust darstellen, weil zur Aufrechterhaltung ausreichender Leistungspegel an den Strahlen die Leistungsverstärker eine höhere Leistungs aufweisen müssten, was zusätzliche Kosten und einen zusätzlichen Leistungsverbrauch und Raumbedarf an der Basisstation hervorruft. Weiterhin erfordert die Anordnung nach 12 einen Mehrkanal-Leistungsverstärker pro Eingangsport, wobei es mehr Leistungsverstärker als Antennenelemente gibt. Obwohl die Konfiguration nach 12 arbeiten würde, um stark überlappte Strahlen zu erzeugen, ist dies keine optimale Lösung für die Strahlformung.
In der besten hier beschriebenen Ausführungsform wird dieses Problem dadurch überwunden, dass die Vorverstärker 920–926 vorgesehen werden, die die Sendesignale in die Eingangsports der Strahlformungs-Butler-Matrix 913 eingeben, und dadurch, dass Mehrkanal-Leistungsverstärker zur Verstärkung des Signal-Ausganges von der Strahlformungs-Butler-Matrix verwendet werden. Die Vorverstärker kompensieren den 3 dB-Einfügungsverlust der 8-Weg-Butler-Matrix. Durch Anordnen der Mehrkanal-Leistungsverstärker am Ausgang der Strahlformungsmatrix ist es möglich, Verstärker mit geringerer Leistung zu verwenden, als dies anderenfalls erforderlich sein würde, wodurch die Verlustleistung auf annehmbaren Pegeln gehalten wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf 9 verstärken bei der besten hier beschriebenen Ausführungsform die Vorverstärker 920–926 die Sendesignale vor dem Eintritt in die Strahlformungsmatrix, um den 3 dB-Verlust zu berücksichtigen, der in der Strahlformungsmatrix 913 hervorgerufen wird. In dem speziellen gezeigten Beispiel, das für eine D-AMPS-Anwendung gezeigt ist, umfasst jedes Vorverstärkte eine niedrige Leistung aufweisende Sendesignal, das in die Strahlformungsmatrix eingegeben wird, 3 Kanäle in einer TDMA-3-drei-Zeitschlitz-Konfiguration. Eine Anzahl von Sendekanälen wird in vier Ausgangssignale von der Strahlformungsmatrix gebildet, die in die Mehrkanal-Leistungsverstärker 909–912 eingespeist werden. Die Ausgangssignale von dem Mehrkanal-Leistungsverstärker werden den vier einzelnen Elementen der Antennengruppe 900 zugeführt, um einen Mehrstrahl-Strahlungsdiagramm-Ausgang zu erzeugen, wie er in den 6, 7 oder 8 gezeigt ist, wobei jeder der Anzahl von Strahlen mit einer jeweiligen unterschiedlichen Trägerfrequenz arbeitet und jede Trägerfrequenz drei getrennte Kanäle überträgt. Im Fall eines Strahlungsdiagramms mit sieben Strahlen ergibt sich ein 21-Kanal-Ausgang von der vier Elementen-Antennengruppe 900 und der 8-Weg-Strahlformungs-Butler-Matrix 913.
Unter erneuter Bezugnahme auf 7 ist jedoch zu erkennen, dass zur Aufrechterhaltung eines Abwärtsstrecken-Kontaktes mit einer Mobilstation bei deren Bewegung zwischen den Strahlen die Mobilstation in Kontakt mit drei oder in einigen Fällen vier der sieben Strahlen sein kann. Ein Beispiel derartiger Fälle ist in 7 gezeigt, in der sich die Mobilstation an der Position Y befindet, so dass die Mobilstation in die Hauptstrahlen von drei der sieben Strahlenbündel fallen kann.
In 13 ist ein Beispiel eines Strahlungsdiagramms gezeigt, bei dem es sieben nicht orthogonale überlappende Abwärtsstrecken-Strahlenbündel und vier orthogonale Aufwärtsstrecken-Strahlenbündel gibt. Die Aufwärtsstrecken-Strahlenbündel befinden sich in Bereichen, in denen die Antenne eine hohe Empfindlichkeit für empfangene Signale hat, im Gegensatz zu den abgestrahlten Strahlenbündeln. Abwechselnde in Abwärtsrichtung abgestrahlte Strahlenbündel fallen räumlich ungefähr mit den Aufwärtsstrecken-Strahlenbündeln zusammen, die für Signale empfindlich sind, die von Mobilstationen empfangen werden. Abwärtsstrecken-Strahlenbündel füllen die Bereiche zwischen benachbarten orthogonalen Aufwärtsstrecken-Strahlenbündeln auf. Ein Signal von einer Mobilstation, die räumlich bei Z angeordnet ist, ungefähr in der Mitte zwischen benachbarten Aufwärtsstrecken-Strahlenbündeln 1300–1301 führt zu empfangenen Signalen auf Aufwärtsstrecken-Strahlen 1300–1301, die jeweils angenähert die gleiche Stärke haben. Aus den eine gleiche Stärke aufweisenden Signalen kann bestimmt werden, dass sich die Mobilstation in einem räumlichen Azimutbereich in der Mitte zwischen den Aufwärtsstrecken-Strahlenbündeln 1300, 1301 befindet. Abwärtsstrecken-Kommunikationen zur Mobilstation können dann so zugeordnet werden, dass sie auf dem Abwärtsstrecken-Strahlenbündel 1302 in der Mitte zwischen den Abwärtsstrecken-Strahlenbündeln 1303, 1304 als ein optimales Sende-Strahlungsbündel übertragen werden. Zwei der vier orthogonalen Strahlenbündel auf der Aufwärtsstrecke können daher zur Feststellung eines optimalen nicht orthogonalen Auffüll-Strahlenbündels zum Senden auf der Abwärtsstrecke verwendet werden. Ob auf der Abwärtsstrecke mit der Mobilstation in dem Auffüllbereich zu kommunizieren ist oder nicht, wird aus den relativen Stärken der Signale bestimmt, die von der Mobilstation auf den zwei benachbarten Aufwärtsstrecken- Strahlenbündeln 1300, 1301 empfangen werden. Wenn die Signalstärken von der Mobilstation, die auf jedem der benachbarten zwei Aufwärtsstrecken-Strahlenbündel 1300, 1301 empfangen wird, innerhalb vorgegebener Grenzen zueinander liegen, so erfolgt eine Kommunikation mit der Mobilstation auf dem entsprechenden Abwärtsstrecken-Strahlenbündel, das den Auffüllbereich zwischen benachbarten Aufwärtsstrecken-Strahlenbündeln 1300, 1301 belegt.
Wenn die nicht orthogonalen Strahlen gebildet werden, ist es zur Erzielung des erforderlichen Grades der Seitenkeulen-Unterdrückung erforderlich, dass die von der Strahlformungsmatrix als Ausgangssignal abgegebenen Signale an der Antenne mit einem hohen Ausmaß an Phasenübereinstimmung miteinander ankommen und von dieser ausgesandt werden. Ein genauer Phasenabfall längs der Antennenelemente muss aufrecht erhalten werden. Die Butler-Matrix hat den Vorteil, dass sie einen linearen Phasenabfall längs der Gruppe erzeugt, was zur Bildung der nicht orthogonalen überlappten Strahlen geeignet ist. Die Mehrkanal-Leistungsverstärker, die Diplexer, die Verkabelung und die Antennengruppe führen jedoch alle Phasen- und Amplitudenänderungen ein, die bauteilspezifisch sind und sich aus Unterschieden bei der Herstellung äquivalenter Bauteile ergeben. Die durch derartige Bauteile eingeführten Fehler sind sowohl amplitudenabhängig als auch temperaturabhängig. Insgesamt kann die erforderliche Seitenkeulen-Unterdrückung von –10 dB unterhalb der Hauptkeulen-Leistung mit einer kompakten Antennenanordnung erzielt werden, vorausgesetzt, dass die Amplitudenänderung zwischen dem Ausgang der Strahlformungsmatrix 913 und der Antenne auf einem Pegel gehalten wird, der typischerweise nicht größer als 1,5 dB effektiv ist, und die durch die Bauteile zwischen dem Ausgang der Strahlformungsmatrix 913 und der Antennengruppe 900 eingeführten Phasenfehler zu einer Abweichung von einem linearen Phasenabfall führen, der typischerweise innerhalb von 10° effektiv gehalten wird.
Bei dem speziellen Beispiel der besten hier beschriebenen Ausführungsform kann unter Verwendung der im Handel erhältlichen MC 180-Mehr-Träger-Leistungsverstärker der Firma Spectrian die Phasenintegrität über die Vielzahl von Leistungsverstärkern 909, 912 in ausreichender Weise aufrecht erhalten werden. Die Phasenintegrität dieser Verstärker ist gut, weil zur Steuerung des Nebensignal freien dynamischen Bereiches derartiger Verstärker ein hohes Ausmaß an Phasenintegrität konstruktiv in die Verstärker eingebaut ist. Das hohe Ausmaß der Phasenintegrität ist in den Verstärker aus vollständig anderen Gründen als hinsichtlich des Verfahrens zur Bildung von stark überlappten Strahlen konstruiert, wie es hier beschrieben wird, doch nutzt die beste hier beschriebene Ausführungsform diese Phasenintegrität für ihre Realisierung aus.
Vorherrschende Quellen einer Amplitudenänderung ergeben sich durch die Leistungsverstärker 909–912, die Strahlformungsmatrix 913 und die Antennengruppe 900. Die Phaseneinstelleinrichtungen führen einen erheblichen Amplitudenfehler in Abhängigkeit von der erforderlichen Phaseneinstellung ein, dies kann jedoch möglicherweise durch die Amplitudeneinstelleinrichtungen auskalibriert werden, obwohl diese dann nachfolgend weitere Phasenfehler in Abhängigkeit von ihren Einstellungen einführen könnten, so dass die Kalibrierung unter Verwendung derartiger Bauteile gegebenenfalls iterativ erzielt werden muss.
Phasennachführungsfehler ergeben sich hauptsächlich aufgrund der Antennengruppe, der Strahlformungsmatrix und der Diplexer. Phasenfehler aufgrund der Verkabelung führen einen relativ kleinen Anteil an dem Gesamt-Phasenfehler ein.
Grundlegende Bauteile, die das spezielle Beispiel der besten Ausführungsform bilden, sind in 14 beschrieben. Eine Zusammenfassung der angenäherten Amplituden- oder Phasentoleranzen, den Bauteilen nach 14 zuzuordnen ist, und die die Formung von Strahlen mit annehmbaren Nebenkeulen-Pegeln ermöglichen, ist in der Tabelle 1 wie folgt angegeben:
Tabelle 1
Die vorstehenden Toleranzen sind unter Verwendung einer Merrimac PSM-2C900-B-Phasenabgleicheinrichtung und einer Arra 2-4854-10 Amplitudenabgleich-einrichtung, eines 30 Watt Spectrian MC 180 Mehrkanal-Leistungsverstärkers, eines Celwave PD5188-25 Diplexers, einer Andrew 5M Heliax-Verkabelung und einer eigenen kundenspezifisch gebauten 4 × 1 Antennengruppe erzielbar. Andere Phasen- und Amplitudenänderungen in den Phasenverschiebungseinrichtungen, Amplitudeneinstelleinrichtungen und Kabeln können vernachlässigt werden.
Bei der Konstruktion einer speziellen hier beschriebenen Ausführungsform wurde eine Test-Antennengruppe mit vier horizontal in Abstand voneinander angeordneten Elementen gebaut, mit einem Elementenabstand von 0,175 Metern, was einen Abstand von einer halben Wellenlänge bei einer Frequenz von 859 MHz entspricht, die einen Mittelpunkt zwischen Abwärtsstrecken- und Aufwärtsstrecken-Bändern bildet. Die Antenne wurde zusammen mit der oben erwähnten Butler-Matrix getestet, um resultierende Strahlungsdiagramme zu zeigen. Für diese Tests wurden die Phaseneinstelleinrichtungen so eingestellt, dass der mittlere Strahl auf die Ziellinie gerichtet würde. Dies erfolgte dadurch, dass die Phasen jedes Kanals für einen Butler-Matrix-Eingang auf dem mittleren Strahl auf Null eingestellt wurden und dass entsprechend die Richtungen der anderen Strahlen so verschoben wurden, dass drei Strahlen auf jeder Seite des mittleren Strahls liegen.
Experimentell änderten sich für den Schlimmstfall die Seitenkeulen von –11,1 dB in der Mitte der Strahlgruppe bis herunter auf ungefähr –8 dB für die äußeren Strahlen. Der Hauptkeulen-Strahlgewinn änderte sich über das Strahldiagramm von einem Spitzenwert von 7,2 dBi (Dezibel gegenüber einem isotropischen Strahler) auf dem mittleren Strahl bis herunter zu 6,2 dBi an den äußeren Strahlen, ein Abfall von 1 dB. Ein Beispiel des Strahlungsdiagramms der Antennengruppe, die bei einer mittleren Strahl-Trägerfrequenz von 869 MHz erzeugt wurde, ist in 15 gezeigt.
Die Phasenintegrität an den Antennenelementen kann durch automatisches Einstellen der Phaseneinstelleinrichtungen und der Amplitudeneinstelleinrichtungen 927–934 zur Kompensation von Phasenänderungen aufgrund von Temperatureffekten aufrechterhalten werden.
Bei einer Modifikation der besten Ausführungsform, die in 16 gezeigt ist, können die Phase und Amplitude automatisch durch Einführen eines Nahfeldsonden-Empfängers 1600 oder eines Satzes von Nahfeldempfängern in den Strahlungsbündeln korrigiert werden, die von den Antennen erzeugt werden, um die relative Phase und Amplitude von Signalen zu messen, die von den einzelnen Elementen der Antennengruppe ausgesandt werden. Die Information bezüglich der Phasen- und Amplitudenunterschiede der abgestrahlten Strahlen kann zu einer Steuereinheit 1601 zurückgeliefert werden, die so eingestellt ist, dass sie automatisch die Phase und Amplitude einstellt, um eine Gleichförmigkeit des Phasenabfalls längs der Antennenstrahlen und eine Gleichförmigkeit der Signalstärke der abgestrahlten Strahlen an den Antennen aufrecht zu erhalten.
Obwohl bei der hier beschriebenen besten Ausführungsform eine Antennenanordnung unter der Verwendung einer Butler-Matrix als Strahlformer beschrieben wurde, kann im allgemeinen Fall die Strahlformung an einer Vielzahl von Punkten zwischen den Antennenelementen und den Sendeempfängern realisiert werden. Beispielsweise kann die Strahlformung digital bei niedrigen Frequenzen, beispielsweise im Basisband von 30 kHz, bei einer Zwischenfrequenz oder bei der Funkfrequenz, beispielsweise 850–900 MHz, 1800 MHz oder 1900 MHz realisiert werden.

Claims

Antennenanordnung für ein zellulares drahtloses Kommunikationssystem, wobei die Anordnung Folgendes umfasst: eine Antennengruppe (900); eine Strahlformungseinrichtung (913), die ein strahlgeformtes Ausgangssignal erzeugt; und eine Anzahl von Leistungsverstärkern (909–912), die zwischen der Strahlformungseinrichtung und der Antennengruppe angeordnet sind, wobei jeder der Leistungsverstärker ein Eingangssignal von der Strahlformungseinrichtung empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennengruppe zur Bildung einer Anzahl von Funkfrequenz-Strahlungsbündeln (602–608) dient, die überlappend und nicht orthogonal bezüglich einander sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, bei der die Antennengruppe eine Anzahl von einzelnen strahlenden Antennenelementen (901–904) in einer einzigen Apertur umfasst.
Antennenanordnung nach Anspruch 2, bei der ein getrennter Leistungsverstärker pro Antennenelement der Antennengruppe vorgesehen ist.
Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leistungsverstärker Mehrkanal-Leistungsverstärker umfassen.
Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine Anzahl von Phasenkalibriereinrichtungen (927–930) umfasst, die zur Phasenkalibrierung von Signalen an einer Position zwischen den Strahlformungseinrichtungen und der Antennengruppe angeordnet sind.
Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die automatisierte Einstelleinrichtungen zur automatischen Steuerung der Phasenkalibriereinrichtungen umfasst.
Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine Anzahl von Amplitudenkalibriereinrichtungen umfasst, die für eine Amplitudenkalibrierung von Signalen an einer Position zwischen der Strahlformungseinrichtung und der Antennengruppe angeordnet sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 7, die automatisierte Einstelleinrichtungen zur automatischen Steuerung der Amplitudenkalibriereinrichtungen umfasst.
Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zur Erzeugung einer Anzahl von überlappenden Strahlen betreibbar ist, wobei sich die Strahlen bei einem Leistungspegel zwischen 4 dB und 0 dB unterhalb eines Spitzen-Leistungspegels überlappen.
Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strahlformungseinrichtung eine Matrix umfasst, die eine erste Anzahl von Signaleingangsports und eine zweite Anzahl von Signalausgangsports aufweist, wobei eine Anzahl der Ausgangsports, die Signale an die Leistungsverstärker liefern, kleiner als eine Anzahl der Eingangsports ist.
Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Antennengruppe, die Anzahl von Hochfrequenz-Sendeempfängern, die Strahlformungseinrichtung und die Anzahl von Leistungsverstärkern derart ausgewählt sind, dass sich ein quadratischer Mittelwert des Phasenfehlers über die Antennengruppe innerhalb von 20° ergibt.
Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Antennengruppe, die Anzahl von Hochfrequenz-Sendeempfänger, die Strahlformungsmatrix und die Anzahl von Leistungsverstärkern derart ausgewählt sind, dass ein quadratischer Mittelwert des Amplitudenfehlers von Signalen längs der Antennengruppe von innerhalb von 3 dB erzielt wird.
Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Weitwinkel-Überdeckung einen 120°-Sektor einer Zelle überdeckt und sich jeder Strahl über einen Bereich von zumindest 17° bei seiner nominellen –1 dB-Kontur erstreckt.
Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Eingangssignal eine Anzahl von Kanälen in einer TDMA-Zeitschlitz-Konfiguration umfasst.
Verfahren zur Bildung einer Vielzahl von Strahlen unter Verwendung einer Mehrelement-Antennengruppe, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Eingabe einer ersten Anzahl von Sendesignalen in eine Strahlformungseinrichtung; Ausgabe einer zweiten Anzahl von Sendesignalen von der Strahlformungseinrichtung; Eingabe der zweiten Anzahl von Sendesignalen in eine Anzahl von Leistungsverstärkern; und Verstärken der zweiten Anzahl von Sendesignalen zur Erzeugung einer Anzahl von leistungsverstärkten Sendesignalen; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Verfahren zur Bildung einer Vielzahl von Strahlen ist, die einander überlappen und bezüglich einander nicht orthogonal sind, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt der: Speisung der Antennengruppe mit den leistungsverstärkten Sendesignalen zur Erzeugung der Vielzahl von Strahlen umfasst, die einander überlappen und nicht orthogonal sind.
Verfahren nach Anspruch 15, das den Schritt der Steuerung einer jeweiligen Phase jedes der zweiten Anzahl von Sendesignalen vor dem Schritt der Verstärkung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, das den Schritt der Steuerung einer jeweiligen Amplitude jedes der zweiten Anzahl von Sendesignalen vor dem Schritt der Verstärkung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–17, bei dem die Strahlen räumlich festgelegte Strahlen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–18, bei dem jedes der Antennenelemente ein leistungsverstärktes Sendesignal eines entsprechenden jeweiligen Leistungsverstärkers empfängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–19, bei dem jedes der zweiten Anzahl von Sendesignalen eine Anzahl von individuellen Kommunikationskanälen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–20, bei dem die Vielzahl von Strahlen, die einander überlappen und nicht orthogonal sind, sich bei einem Leistungspegel zwischen 4 dB und 0 dB unterhalb eines Spitzenleistungspegels überlappen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–21, bei dem die Weitwinkel-Überdeckung einen 120°-Sektor einer Zelle überdeckt und jeder Strahl sich über einen Bogen von zumindest 17° bei seiner nominellen –1 dB-Kontur erstreckt.
Verfahren zur Kommunikation mit einer Mobilstation in einer zellularen drahtlosen Kommunikationseinrichtung, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer Anzahl von gerichteten Aufwärtsstrecken-Strahlen, wobei die Aufwärtsstrecken-Strahlen voneinander in Azimutrichtung unterscheidbar sind; Bilden einer Anzahl von gerichteten Abwärtsstrecken-Strahlen, die einander überlappen und bezüglich einander nicht orthogonal sind, wobei die Abwärtsstrecken-Strahlen voneinander in Azimutrichtung unterscheidbar sind, wobei der Abwärtsstrecken-Strahl einen Auffüllbereich in Azimutrichtung zwischen benachbarten ersten und zweiten Aufwärtsstrecken-Strahlen belegt; Empfangen erster und zweiter Mobilsignale auf den jeweiligen ersten und zweiten Aufwärtsstrecken-Strahlen von der Mobilstation; Analysieren der ersten und zweiten Mobilsignale, die auf den ersten und zweiten Aufwärtsstrecken-Strahlen empfangen werden; und in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Analyse, Kommunizieren mit der Mobilstation auf dem Abwärtsstrecken-Strahl, der den Auffüllbereich belegt.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der Schritt des Analysierens Folgendes umfasst: Vergleichen einer Stärke der ersten Mobilsignale mit einer Stärke des zweiten Mobilsignals.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, bei dem die Anzahl von Aufwärtsstrecken-Strahlen orthogonale Strahlen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23–25, bei dem einzelne der Anzahl von Abwärtsstrecken-Strahlen Auffüllbereiche zwischen benachbarten der Anzahl von Aufwärtsstrecken-Strahlen belegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23–26, bei dem einzelne der Anzahl von Abwärtsstrecken-Strahlen räumlich Bereiche überlappen, die von einzelnen der Aufwärtsstrecken-Strahlen belegt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23–27, bei dem die Weitwinkel-Überdeckung einen 120°-Sektor einer Zelle überdeckt und bei dem jeder Strahl sich über einen Bogen von zumindest 17° an seiner nominellen –1 dB-Kontur erstreckt.