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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Kommunikationssystem,
und insbesondere auf ein Kommunikationssystem, das eine Vorrichtung
in großer
Höhe und
eine Gateway-Station verwendet, die eine Strahlsteuerung durchführt.
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Genauer
gesagt, bezieht sich die Erfindung insbesondere auf ein Kommunikationssystem
mit:
einer Vorrichtung in großer Höhe mit einer adaptiven Antenne
mit einer Vielzahl von Hauptgruppenantennenelementen zum Erzeugen
einer Vielzahl von dynamischen Kommunikationsstrahlen, und
einer
Gateway-Station, die mit der Vorrichtung in großer Höhe gekoppelt ist,
wobei
die Gateway-Station dazu ausgebildet ist, die dynamischen Kommunikationsstrahlen
auszubilden, indem sie eine Vielzahl von Steuersignalen an die Vorrichtung
in großer
Höhe überträgt.
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Außerdem betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Kommunikationssystems
mit einer Vorrichtung in großer
Höhe mit
einer phasengesteuerten Gruppenantenne mit einer Vielzahl von Hauptgruppenantennenelementen,
und mit einer Gateway-Station, wobei das Verfahren die folgenden Schritte
aufweist:
in der Gateway-Station, Ausbilden einer Vielzahl
von Steuersignalen zum Erzeugen von mehreren dynamischen Kommunikationsstrahlen
der phasengesteuerten Gruppenantenne,
Übertragen der Steuersignale
an die Vorrichtung in großer
Höhe, und
Erzeugen der mehreren dynamischen Kommunikationsstrahlen in Abhängigkeit
von den Steuersignalen.
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Ein
solches Kommunikationssystem und ein solches Verfahren sind aus
US 6,016,124 bekannt.
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In
diesem Kommunikationszeitalter sind Informationsanbieter (content
providers) mehr und mehr dabei, Möglichkeiten zu untersuchen,
mit denen sie mehr Informationen (content) an die Nutzer liefern
können
und Schnittstellen zu den Nutzern aufbauen können.
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Das
Internet hat die Nachfrage an Verbraucherinformationen bei hohen
Geschwindigkeiten erhöht.
DSL- und Kabelmodems haben in der Beliebtheit zugelegt, weil sie
höhere
Byte-Raten bereitstellen, als Telefon- und Modem-basierte Systeme.
Die Bereitstellung eines Breitbandzugangs durch einen Kabel- oder
DSL-Dienst erfordert eine erweiterte Infrastruktur. Das heißt, es müssen Kabel
gelegt werden, über
die der Dienst bereitgestellt wird. Kabel benötigen hinsichtlich ihrer Bereitstellung
viel Zeit, sind teuer und sind auch teuer im Unterhalt.
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Aufgrund
des großen
Wettbewerbs sind die Kosten bei der Bereitstellung von Diensten
ein wichtiger Aspekt. Zudem ist das Bereitstellen von hohen Datenraten
auch ein wichtiger Aspekt.
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Begrenzungen
bezüglich
der Anzahl von Benutzern können
durch Interferenzen in einem System auferlegt sein. Zum Beispiel
existiert bei jedem Strahl, der eine Hauptkeule (main lobe) hat,
eine parasitäre
Anzahl von Seitenkeulen (side lobes), die Interferenzen mit Strahlen
hervorrufen können,
die dieselbe Systemressource verwenden, wie beispielsweise die Frequenz.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
ein mobiles Kommunikationssystem bereitzustellen, das sich schnell
aufbauen lässt,
das leicht geändert
werden kann, falls sich Technologie unvermeidbar ändert und das
das Ausmaß von
Interferenzen mit angrenzenden Strahlen reduziert, um einen hohen
Durchsatz zu ermöglichen.
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Die
oben genannte
US 6,016,124 offenbart ein
Satelliten-basiertes Kommunikationssystem, das eine Boden-basierte
Strahlformung verwendet. Eine Bodenstation weist ein Boden-basierendes
Strahlformungsnetzwerk auf, wo die Strahlensignale in HF-Signale
verändert
werden, die an einen Multiplexer geleitet werden. Der Multiplexer
kombiniert die mehreren Zuführeingänge in einen
einzelnen Informationsstrom. Der Informationsstrom wird in eine
geeignete HF-(Hochfrequenz-)Frequenz gewandelt, um durch die Boden-basierte
Antenne an den Satelliten übertragen
zu werden. Die Satellitenantenne empfängt das gemultiplexte Signal,
und ein Demultiplexer gewinnt die einzelnen Zuführsignale zurück. Jedes
Zuführsignal
wird mit einem gemeinsamen Signal eines lokalen Oszillators an Bord
des Satelliten gewandelt und auf eine Satellitengruppenantenne zur Übertragung
in Richtung Erde gegeben. Wie man schnell erkennt, benötigt ein
solches System die Fähigkeiten des
Multiplexens und des Demultiplexens, um die Vorteile einer Boden-basierenden
Strahlformung zu erzielen.
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US 6,020,845 offenbart eine
neue Verwendung des existierenden Satellitensystems zum Nachverfolgen
und zur Datenübertragung
(Tracking and Data Relay Satellite System, TDRSS), das von der NASA
betrieben wird. Bei seiner normalen Verwendung wird TDRSS verwendet,
um mit einer wissenschaftlichen Nutzlast im All in einem niedrigen
Erdorbit zu kommunizieren, d.h. nicht mit einem Bodenbasierenden
Nutzer.
US 6,020,845 schlägt vor,
dieses existierende Satellitensystem für eine Kommunikation mit Boden-basierenden
Nutzern zu verwenden, wobei das Strahlformen auf dem Boden stattfinden sollte.
Wie es bereits bei der
US 6,016,124 der
Fall ist, benötigt
dieser Ansatz Strahlformer am Boden, und die Kommunikations signale
werden von dem Satelliten an den Boden in einem zusammengesetzten, Frequenz-gemultiplextem
Signal übertragen.
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Berücksichtigt
man diesen Hintergrund, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein mobiles Kommunikationssystem bereitzustellen, das leicht an
sich verändernde
Kommunikationserfordernisse in einer kosteneffizienten Art und Weise
angepasst werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Steuern eines solchen
Kommunikationssystems bereitzustellen.
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Diese
Aufgaben werden durch ein Kommunikationssystem und ein Verfahren
erzielt, wie sie eingangs beschrieben wurden, wobei die adaptive
Antenne eine Vielzahl von Feldern (panels) aufweist, die die Vielzahl
der Hauptgruppenelemente beinhalten, und wobei die Vorrichtung in
großer
Höhe eine
digitale Schaltung zur Strahlformung besitzt, die durch die Gateway-Station
so konfiguriert wird, dass jedem einzelnen Nutzer ein eindeutiger
Strahl zugeordnet wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt damit ein Kommunikationssystem bereit,
das einen schnellen Aufbau ermöglicht
und Interferenzen entgegenwirkt. Die Erfindung ist sowohl für ortsfeste
Nutzer, wie beispielsweise solche, die sich in einem Gebäude oder zu
Hause befinden, wie auch für
mobile Nutzer geeignet.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Durchsatz des Systems,
verglichen mit konventionellen Systemen, auf Grund der Erkennung
von Interferenzen erhöht.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass der größte Teil
der Verarbeitung entfernt von den Basisstationen angeordnet ist,
wodurch die Gesamtkosten des Systems weiter reduziert werden können.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung unter Verwendung
von einem entfernten (remote) digitalen Strahlformen ergeben sich unmittelbar
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Art
und Weise zum Ausführen der
Erfindung, wenn man sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
betrachtet.
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1 ist
ein Systemdiagramm eines Kommunikationssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2A ist
eine Draufsicht auf eine Antenne einer Basisstation gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2B ist
eine seitliche Ansicht der Antenne der Basisstation gemäß der 2A.
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2C ist
eine seitliche Ansicht eines Felds der Basisstation gemäß der 2A,
die die darauf befindlichen Elemente zeigt.
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2D ist
eine alternative seitliche Ansicht, die die Elemente eines Felds
einer Basisstation zeigt.
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2E ist
eine dritte alternative Ausgestaltung der Elemente eines Felds einer
Antenne gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2F ist
eine alternative Feldanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine zeichnerische Darstellung der wichtigsten Funktionsblöcke von
Elementmodulen, die an einen Datenbus angekoppelt sind.
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4 ist
ein Strahlenmuster für
das Feld, das in der 3 gezeigt ist.
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5 ist
eine zeichnerische Darstellung der Blöcke eines Schaltkreises zur
digitalen Strahlformung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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6 ist
eine zeichnerische Darstellung der Blöcke einer Schaltung zum Strahlformen
unter Verwendung eines Hinzufügens
von Rauschen gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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7 ist
eine zeichnerische Darstellung der Blöcke einer Verarbeitungsschaltung
der Basisstation gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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8 ist
eine zeichnerische Darstellung der Blöcke einer Gateway-Bearbeitungsstation
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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9 ist
eine detailliertere schematische Darstellung einer Schaltung zum
Demultiplexen beim Strahlformen (demultiplexing beam forming) und Auslöschen (nulling)
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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10 ist
eine Alternative für
den Remote-Prozessor (entfernter Prozessor); ein Prozessor zum adaptiven
digitalen Strahlformen (adaptive digital beam forming) und Auslöschen gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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11 ist
eine alternative Schaltung zum Auslöschen mit einem Begrenzer im
Rückkopplungspfad
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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12A ist ein Ausgangssignal einer Schaltung zum
digitalen Strahlformen, die nicht den in der 10 gezeigten
Begrenzer hat.
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12B ist ein Ausgangssignal der Schaltung gemäß der 10 mit
Begrenzern in allen Durchleitungspfaden (feed-through paths).
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12C ist ein Ausgangssignal der Schaltung, die
in 11 gezeigt ist, mit einem Begrenzer im Rückkopplungspfad,
wobei die Pegel der Energiedichte sowohl von der schwachen als auch
von der starken Interferenz erfolgreich unter einen Schwellwert
reduziert wird.
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13 ist
ein alternativer Prozessor zum digitalen Strahlformen und Auslöschen unter
Verwendung von Hilfselementen.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden dieselben Bezugszeichen verwendet,
um die gleichen Bestandteile in den verschiedenen Ansichten zu bezeichnen.
Diejenigen, die sich auf dem technischen Gebiet auskennen, werden
erkennen, dass verschiedene andere Ausgestaltungen, andere Aufbaumöglichkeiten
und Änderungen
bei den einzelnen Maßnahmen
gemacht werden können,
ohne dabei den Bereich der Erfindung zu verlassen. Die Lehren der
vorliegenden Erfindung können
sowohl für
ortsgebundene Benutzer als auch für mobile Nutzer verwendet werden.
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In
der 1 ist ein Kommunikationssystem 10 gezeigt,
das eine Vielzahl von Strahlen 12 hat, die als eine Vielzahl
von Kreisen 14 auf der Erdoberfläche dargestellt sind. Die Kreise 14 stellen
den Bereich (footprint) eines gesendeten Strahls auf der Erdoberfläche dar.
Eine Vielzahl von Nutzer-Terminals 16M und 16F werden
verwendet, um mobile Benutzer und ortsgebundene Nutzer jeweils entsprechend
darzustellen. Zu den mobilen Benutzern 16M zählen, ohne
darauf beschränkt
zu sein, Anwendungen im Automobilbereich, Anwendungen eines persönlichen
digitalen Begleiters (personal digital assistant, PDA) und Anwendungen
eines Mobiltelefons. Zu den ortsgebundenen Nutzer-Terminals 16F zählen zum
Beispiel Geschäfts-basierende
oder Verbraucher-basierende Kommunikationssysteme. Jedes Nutzer-Terminal 16F und 16M kann
ein Signal mit der vorgegebenen Signalstärke von einem Kommunikationsstrahl
oder Kommunikationsstrahlen durch mehrere Verbindungen von einer
oder mehreren Basisstationen 18 oder stratosphärischen
Plattformen 19 empfangen. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere
bei der Verwendung mit mobilen Terminals 16M vorteilhaft.
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Das
Kommunikationssystem 10 weist des Weiteren eine Gateway-Station 20 auf,
die mit terrestrischen Netzwerken 22 verbunden ist. Die
Gateway-Station 20 kann mit einem Verwaltungszentrum 24 der
Basisstation verbunden sein. Die Gateway-Station 20 stellt
Verbindungen zwischen den Nutzer-Terminals 16F, 16M und
den terrestrischen Netzwerken 22 über die Basisstationen 18 und
die stratosphärische
Plattform 19 bereit. Die Gateway-Station 20 kann
mit terrestrischen Netzwerken 22 verbunden sein, wie zum
Beispiel einem öffentlichen
Telefonnetzwerk, dem Internet oder einem Intranet. Auch wenn die
Gateway-Station 20 und das Bearbeitungszentrum 24 als
separate Einheiten dargestellt sind, können sie auch am gleichen physikalischen
Ort kombiniert sein.
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Die
Kommunikationssignale zwischen der Basisstation 18 und
den Nutzer-Terminals 16M und 16F können als
Nutzer-Verbindungen 26 bezeichnet werden. Die Nutzer-Verbindungen 26 stellen
die Sende- und Empfangsstrahlen für beide Kategorien der Nutzer-Terminals 16F, 16M und
der Basisstation 18. Eine Zuführverbindung 28 wird
zwischen der Basisstation 18 und der stratosphärischen
Plattform 19 und der Gateway-Station 20 definiert.
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Die
Basisstation 18 und die stratosphärischen Plattformen 19 werden
als Kommunikationsknoten (communication nodes) für die Gateway-Station 20 und
die Nutzer-Terminals 16F und 16M verwendet. Um
mit dem Nutzer-Terminal 16M und 16F zu kommunizieren,
haben die Basisstation 18 und die stratosphärischen
Plattform 19 eine entsprechende adaptive Antenne 30, 31,
die aus Feldern von rekonfigurierbaren Elementen gebildet sind,
wie nachfolgend noch weiter erläutert
wird. Jede Basisstation 18 hat auch eine gerichtete Antenne 32 für eine Verbindung
mit der Antenne 34 der Basisstation. Jede stratosphärische Plattform
hat eine gerichtete Antenne für
eine Verbindung zur Antenne 34 der Basisstationen. Die
Verbindung der Antennen 32 und 34 ermöglicht es,
dass die Basisstation 18 kabellos ausgeführt ist
und daher in vorteilhafter Weise leicht aufgebaut werden kann. Wie
nachfolgend beschrieben wird, kann das Ausrichten (pointing) von
beiden mobilen Terminals 16M und der Basisstation 18 und
der stratosphärischen
Plattform 19 elektronisch durchgeführt werden. Obwohl nur eine
Gateway-Station 20 in der Figur gezeigt ist, werden diejenigen,
die sich auf dem technischen Gebiet auskennen, bemerken, dass verschiedene
Anzahlen von Gateway-Stationen verwendet werden können. Die
Gateway-Station 20 hat eine Gateway-Steuerschaltung 23,
die den Inhalt und die Kommunikation mit der Basisstation 18 steuert.
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Die
Basisstation 18 hat eine Steuerung 36, und die
stratosphärische
Plattform 19 hat eine Steuerung 37, die die Benutzer-Terminals 16M, 16F über die
entsprechenden Antennen 30, 31 mit der Gateway-Station 20 verbindet.
Bei dem vorliegenden Beispiel werden die Steuerungen 36 und 37 in
der Richtung der Rückverbindung
(return link) verwendet, um empfangene Signale von allen Gruppenelementen
in die Zuführverbindungssignale 28 zu
multiplexen, wie es von der Gateway-Station 20 vorgegeben
wird. In gleicher Weise werden die Steuerungen 36 und 37 in der
Richtung der Vorwärtsverbindung
(forward link) verwendet, um die Zuführverbindungssignale in verschiedene
Ströme
von Signalen für
eine Übertragung durch
die Gruppenelemente zu demultiplexen.
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An
die Gateway-Steuerungsschaltung 23 können verschiedene Schaltkreise
angeschlossen sein. Zum Beispiel analoges oder digitales Fernsehen 38,
ein Aufwärtswandler 40 und
ein CMTS (cable modem terminal shelf) 42. CMTS 42 kann
verwendet werden, um eine Verbindung zu terrestrischen Netzwerken,
wie zum Beispiel dem Internet 22, herzustellen. CMTS 42 kann
mit einem Hub (Verteiler) 44 verbunden sein, an dem verschiedene
Ressourcen angeschlossen sind. Das Hub 44 kann zum Beispiel
einen Management-Server 46, ein weltweites Netzwerk (world
wide web), E-Mail
oder einen Nachrichten-Server (news server) 48 oder einen
Proxy-Server 50 haben.
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In
den 2A, 2B, 2C und 2D ist
die Antenne 30 mit mehr Details gezeigt. Bei der gezeigten
Ausführungsform
hat die Antenne 30 fünf Felder 52,
die dafür
verwendet werden, Kommunikationssignale in eine gewünschte Richtung
zu richten. Wie es am besten in der 2A zu
erkennen ist, hat jedes Feld 52 ein Sichtfeld und einen
Abtastbereich, der geringfügig
kleiner ist als das Sichtfeld. Jedes Feld ist bevorzugt ein Flachfeld
(flat panel), das eine kostengünstige
Mehrfach-Konnektivität (multiple connectivity)
von der Basisstation 18 an die verschiedenen Nutzer ermöglicht.
Jedes Feld 52 wird verwendet, um mehrere dynamische Verbindungen
herzustellen. In der Gesamtheit werden die verschiedenen Basisstationen
zusammen verwendet, um das Kommunikationssignal für die Nutzer
zu bilden. Daher werden mehre Basisstationen über mehrere Felder 52 von
Antennen 30 bei jeder Kommunikation verwendet. Die auf
Abruf verfügbare
Bandbreite (bandwidth an demand) wird nicht durch eine Vielzahl
von Datenraten über
eine einzelne HF-Verbindung, sondern mittels verschiedener Datenraten,
die sich aus verschiedenen Kombinationen von mehreren dynamischen
HF-Verbindungen ergeben. Wie nachfolgend noch weiter beschrieben
wird, werden einige Verbindungen weggehen, während sich der Nutzer bewegt,
wohingegen neue Verbindungen verfügbar werden können. Daher
werden immer mehrere Verbindungen mit einem Nutzer verbunden sein.
Auch wenn in der Darstellung fünf
Felder verwendet sind, werden diejenigen, die sich auf dem technischen
Gebiet auskennen, bemerken, dass verschiedene Anzahlen von Feldern
verwendet werden können.
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In
der 2F ist die Antenne 31 mit mehr Details
gezeigt. Bei der dargestellten Ausführungsform hat die Antenne 31 sechs
Segmente 53, die verwendet werden, um Kommunikationssignale
an einen gewünschten
Ort in einer gewünschten
Richtung zu richten. Jedes Segment ist bevorzugt ein Flachfeld,
das eine kosteneffiziente Mehrfach-Konnektivität von der stratosphärischen
Plattform 19 zu den verschiedenen Nutzern ermöglicht.
Jedes Segment 53 wird verwendet, um mehrere dynamische
Verbindungen herzustellen. In der Gesamtheit werden die verschiedenen
stratosphärischen
Plattformen 19 zusammen verwendet, um das Kommunikationssignal für die Nutzer
zu bilden. Daher werden mehrere Basisstationen über mehrere Elemente 55 von
Antennen 31 bei jeder Kommunikation verwendet. Die auf Abruf
verfügbare
Bandbreite wird nicht über
eine Vielzahl von Datenraten über
eine einzelne HF-Verbindung
hergestellt, sondern durch verschiedene Datenraten, die sich aus
verschiedenen Kombinationen der mehreren dynamischen HF-Verbindungen
ergeben. Wie nachfolgend noch weiter erläutert wird, werden einige Verbindungen
weggehen, während
sich der Nutzer bewegt, wohingegen neue Verbindungen verfügbar werden
können.
Daher werden immer mehrere Verbindungen mit einem Nutzer verbunden sein.
Zwar werden in der Darstellung sechs Segmente verwendet, doch werden
diejenigen, die sich auf dem technischem Gebiet auskennen, bemerken, dass
verschiedene Anzahlen von Segmenten verwendet werden können. Die
Segmente können
auch in verschiedenen Winkeln relativ zu der Bodenebene (ground
plane) angeordnet sein, ähnlich
zu dem, was in der 2B oben gezeigt ist.
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Wie
es am besten in der 2B zu erkennen ist, haben die
Felder 52 relativ zu der Horizontalen einen Winkel 54.
Der Winkel 54 ermöglicht
es, dass die Kommunikationssignale, die an den Feldern 52 erzeugt
werden, geringfügig
nach unten in Richtung der Erdoberfläche gerichtet werden können. Natürlich hängt der
Winkel 54 von der Höhe
der Basisstation 18 über
der Erdoberfläche
ab. Das heißt,
so wie sich die Höhe
des Masts erhöht,
nimmt der Winkel 54 ab. Der Winkel wird so gewählt, um
ein gewünschtes Dienstgebiet
(service area) bei jedem Feld 52 zu erreichen.
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Beim
Betrieb wird die Kombination der Fähigkeit zu gleichzeitigen mehreren
Strahlen sowohl bei den mobilen Terminals als auch bei den Basisstationen
das mobile System als Ganzes betrachtet noch kosteneffizienter machen.
Ein Nutzer wird sich über
das ihm zugewiesene Nutzergerät
oder -vorrichtung mit mehreren Strahlen mit einem IP-Netzwerk verbinden,
in dem mehrere dynamische Verbindungen über verschiedene Basisstationen
zu dem Kommunikationsknoten des Internet hergestellt werden. Dies
bedeutet im Ergebnis, dass wertvolles mobiles Spektrum mehrere Male
wiederverwendet werden kann, wenn mobile Nutzer gerichtete Antennen
verwenden. Der Anteil an Spektrum kann wieder und wieder verwendet
werden, um die Bandbreitendichte zu erhöhen (d.h., die gesamte Bandbreite,
die ein mobiles System in ein Einheitsgebiet projizieren kann).
Daher wird das System den Nutzern mehr Durchsatz und den Betreibern
eine größere Kapazität und für Regulierer
eine effizientere Nutzung bereitstellen. Das Bereitstellen einer
großen
Verstärkung
sowohl bei den Nutzer-Terminals als auch bei den Basisstationen
ermöglicht
es, die Zellengröße erheblich
zu erweitern, ohne die Dichte der Bandbreite zu beeinflussen. Die
auf Abruf verfügbare
Bandbreite wird durch mehrere dynamische Verbindungen realisiert,
so dass einem Nutzer immer mehrere Verbindungen zur Verfügung stehen.
Es können
sich viele Basisstationen im Sichtfeld (field of view) eines mobilen
Nutzers befinden.
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So
können
sich zum Beispiel bis zu zwischen fünf und zehn Basisstationen
im Sichtfeld eines Nutzers befinden. Ein Nutzer mit einem ungerichteten Terminal
(omnidirectional terminal) kann sich mit einer nächstliegenden Basisstation über einen
HF-Kanal (spezifiziert über die
Frequenz, die Zeit und/oder den Code) verbinden. Dieser Kanal wird
anderen Nutzern, wie bei einem herkömmlichen Mobiltelefon-System,
nicht zugewiesen. Adaptive Antennen an den Basisstationen ermöglichen
es Betreibern, den gleichen Kanal innerhalb derselben „Zelle" wieder zu verwenden,
allerdings über
verschiedene Basisstationen, unter der Annahme, dass die Basisstationen
die Möglichkeit
haben, eine Unterscheidung hinsichtlich der Richtung gegen Interferenzen
in dem gleichen Kanal zu unterscheiden, wie den für den Vielnutzer
aber in verschiedenen Richtungen. Wie nachfolgend weiter beschrieben
wird, müssen
der Nutzer und die Interferenzquellen möglichst entfernt angeordnet
sein, um die adaptive Technik effektiv zu machen. Die Basisstationen
können
Schaltungen aufweisen, um Interferenzen zwischen den Kommunikationssignalen
auszulöschen
(to null) oder zu versetzen (to Offset). Während einer Erkennungsphase, z.B.
nach einem initialen Start, werden alle empfangenen Strahlen „an" sein, um das gesamte
Sichtfeld eines Fächerstrahls
abzudecken. Daher werden die verschiedenen Strahlen verschiedene
Höhenwinkel und
Azimut-Winkel haben, um den zu durchsuchenden Raum abzudecken. Sobald
eine Nutzer-Verbindung besteht, können bei Bedarf lediglich nahe Strahlen
von einem spezifischen Feld 52 aktiviert werden.
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Sobald
eine Nutzer-Verbindung besteht, verwendet das Vorgehen bei der Nachverfolgung
eine Art des Schritt-Abtastprinzips (step scan principle). Die Signalstärke von
benachbarten empfangenen Strahlen wird überwacht und mit der des Hauptstrahls
verglichen. Der Strahl mit dem stärksten Signal wird als ein „Einrast"-Strahl („locked” beam) oder Hauptstrahl identifiziert.
Wenn sich der Nutzer bewegt, kann die nachverfolgende Basisstation
einen empfangenen Strahl von einer Position an eine angrenzende
mit dem stärksten
Signal umschalten (d.h. schrittweise) und den Sendestrahl entsprechend
zuweisen.
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Wie
es am besten in der 2C zu erkennen ist, kann sich
ein Feld 52 aus einer Vielzahl von Strahlungselementen
oder Teilbereichen 56 zusammensetzen. Abstrahlelemente 56 können beispielsweise
als „Gruppe
von Teilelementen" („patch
array") beschrieben
werden. Wie gezeigt ist, sind 90 Elemente in der 2C dargestellt.
Jedes Element 56 hat einen Durchmesser von 0,3 Wellenlängen. Die Elementmodule
sind mit etwas weniger als 0,7 Wellenlängen voneinander in einem im
Wesentlichen rechtwinkligen Gitter beabstandet. Ein Feld 52 kann auch
als eine „Apertur" bezeichnet werden.
Ein Feld 52 hat einen Abstrahlbereich in der Größe von ungefähr 25 Quadrat-Wellenlängen. Die
maximale zu erwartende Verstärkung
des Strahls beträgt
ungefähr 24
dB in Richtung der Mittelachse und 22 dB bei 45 Grad zur Richtung
der Mittelachse. Die Strahlbreiten für einen elliptischen Strahl
in Richtung der Mittelachse betragen ungefähr 10 Grad bezüglich des
Azimuts und 15 Grad bezüglich
der Höhe,
jeweils entsprechend. Die Strahlen sind dynamisch und werden daher
dafür verwendet
einzelne Nutzer entsprechend nachzuverfolgen.
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In
der 2D ist ein Feld 52 mit 45 Elementen
dargestellt. Ein solches Feld has ungefähr 3 dB weniger Verstärkung als
das Feld, das in der 2C dargestellt ist, behält dabei
aber ungefähr
die gleiche Unterscheidbarkeit bzgl. der Richtung.
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In
der 2E ist eine weitere Elementanordnung eines flachen
Felds 52 für
Applikationen bei hoher Frequenz dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
hat das Feld 52 ungefähr 36 Elemente.
Bei dieser Ausführungsform
hat jedes Element einen Durchmesser von ungefähr 0,6 Wellenlängen, bei
einem Elementabstand von etwas weniger als 0,7 Wellenlängen in
einem im Wesentlichen rechtwinkligen Gitter. Die gesamte Apertur
hat einen Bewertungsbereich (rating area) in der Größe von ungefähr 10 Quadrat-Wellenlängen. Die
maximale zu erwartende Verstärkung
des Strahls beträgt
ungefähr
20 dB in Richtung der Mittelachse und 18 dB bei 45 Grad zur Richtung
der Mittelachse. Die Strahlbreiten für einen elliptischen Strahl
in Richtung der Mittelachse betragen ungefähr 5 Grad bezüglich des
Azimuts und 15 Grad bezüglich
der Höhe,
jeweils entsprechend. Daher beträgt
die Bandbreite und die Azimut-Richtung
ungefähr
200 Meter bei einer Entfernung von der Basisstation von 2 Kilometern.
Natürlich
können
weniger Elemente verwendet werden, und zwar in Abhän gigkeit von
den beteiligten Frequenzen. Das heißt, dass bei höheren Frequenzen
weniger Elemente benötigt werden
können,
um sich an die Verarbeitungsleistung des Schaltkreises anzupassen,
weil mehr Daten übertragen
werden.
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In
den 2A, 2B, 2C und 2D ist
die Antenne 30 mit mehr Details gezeigt. Bei der gezeigten
Ausführungsform
hat die Antenne 30 fünf Felder 52,
die dafür
verwendet werden, Kommunikationssignale in eine gewünschte Richtung
zu richten. Wie es am besten in der 2A zu
erkennen ist, hat jedes Feld 52 ein Sichtfeld und einen
Abtastbereich, der geringfügig
kleiner ist als das Sichtfeld. Jedes Feld ist bevorzugt ein Flachfeld
(flat panel), das eine kostengünstige
Mehrfach-Konnektivität
(multiple connectivity) von der Basisstation 18 an die
verschiedenen Nutzer ermöglicht.
Jedes Feld 52 wird verwendet, um mehrere dynamische Verbindungen
herzustellen. In der Gesamtheit werden die verschiedenen Basisstationen
zusammen verwendet, um das Kommunikationssignal für die Nutzer
zu bilden. Daher werden mehre Basisstationen über mehrere Felder 52 von
Antennen 30 bei jeder Kommunikation verwendet. Die auf
Abruf verfügbare
Bandbreite (bandwidth an demand) wird nicht durch eine Vielzahl
von Datenraten über
eine einzelne HF-Verbindung, sondern mittels verschiedener Datenraten,
die sich aus verschiedenen Kombinationen von mehreren dynamischen
HF-Verbindungen ergeben. Wie nachfolgend noch weiter beschrieben
wird, werden einige Verbindungen weggehen, während sich der Nutzer bewegt,
wohingegen neue Verbindungen verfügbar werden können. Daher
werden immer mehrere Verbindungen mit einem Nutzer verbunden sein.
Auch wenn in der Darstellung fünf
Felder verwendet sind, werden diejenigen, die sich auf dem technischen
Gebiet auskennen, bemerken, dass verschiedene Anzahlen von Feldern
verwendet werden können.
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Für jede der
oben genannten Ausführungsformen
stellen lange Grundlinien, nicht vollständige Aperturen, gute Fähigkeiten
bei der Unterscheidung bezüglich
der Richtung (directional discrimination) über eine große Bandbreite
zur Verfügung.
Das dünne
Array wird bei einer einzelnen Frequenz hohe Seitenkeulen oder halbgestaffelte
Keulen (semi-grading lobes) zeigen. Seitenkeulen entstehen über eine
große
Bandbreite bei verschiedenen Richtungen bei verschiedenen Frequenzkompo nenten.
Dies führt
im Ergebnis dazu, dass der integrierte Interferenzbeitrag von den
Seitenkeulen über
eine große
Bandbreite dazu neigt, zu verwischen oder sich auszulöschen, wohingegen
der Beitrag zur Hauptkeule über
die gleiche Bandbreite sich konstruktiv addieren kann. Wie nachfolgend
noch weiter erläutert
wird, können
zusätzliche
Auslöschverfahren
angewendet werden, um Interferenzen bei allen Strahlen zu unterdrücken, die
verschiedene Nutzer nachverfolgen, falls notwendig.
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In
der 3 ist zusätzlich
gezeigt, dass die Abstrahlelemente 56 Module 58 bilden,
die in die Felder 52 eingesteckt sind. Die Felder 52 dienen
als rückwärtige Platten
(back plates), die durch einen Bus 60 miteinander verbunden
sind. Der Bus 60 kann zum Beispiel eine DC-Energieleitung 62,
eine eingehende Datenleitung 63, eine ausgehende Datenleitung 64,
eine Adressleitung 65 und eine Steuerleitung 66 aufweisen.
Die Felder 52 können
modular ausgeführt
sein und Sockel für
eine leichte Verbindung und Trennung der Module 58 aufweisen.
Jedes Feld oder rückwärtige Platte 52 kann
einen Prozessor 68 aufweisen, um die Strahlkonfiguration
vorzunehmen. Der Prozessor 68 kann ein Teil der Steuerung 36 sein,
die oben in der 1 beschrieben wurde. Die Segmente
gemäß der 2F können in
einer ähnlichen
Art und Weise aufgebaut sein, d.h. modular sein.
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In
der 4 ist ein Strahlenmuster 69 des Felds
gemäß der 2F dargestellt.
Das Muster 69 hat Kreise 70 oder Ellipsen, die
Muster der Strahlpositionierung von einem Vorgehen zur dynamischen Strahlzuweisung
und -positionierung darstellen, wohingegen die Hexagons 71 feste
Strahlpositionen eines herkömmlichen
Systems mit statischen Zellen darstellt. Die Antenne 31 wandelt
die empfangene Mikrowellenleistung in einen digitalen Strom in der Empfangsrichtung
und konvertiert den digitalen Strom in abgestrahlte Mikrowellenleistung
in der Senderichtung. Das Zusammenführen (phasing) der verschiedenen
Elemente wird mittels digitaler Multiplikation in einem getrennten
digitalen Strahlenformer realisiert. Der Ansatz des digitalen Strahlformens
beseitigt die Notwendigkeit von konventionellen Phasenversetzern
(phase shifters) und minimiert die benötigten HF-Bauteile, wodurch
es möglich
wird, eine Implementierung bei geringen Kosten durchzuführen, die
für den
Verbrauchermarkt geeignet ist.
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In
der 5 ist eine digitale Schaltung 72 zur Strahlformung
für eine
Basisstation oder eine stratosphärische
Plattform (gemäß der 1)
gezeigt. Eine ähnliche
Schaltung zur Strahlformung kann jedoch auch für ein Nutzergerät verwendet
werden. Zudem ist ein Strahlformungsnetzwerk für den Empfang gezeigt, jedoch
werden diejenigen, die sich auf dem technischen Gebiet auskennen,
bemerken, dass eine entsprechende Strahlformungsschaltung zum Senden
in umgekehrter Richtung gebildet werden kann.
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Die
digitale Schaltung 72 zur Strahlformung hat eine Vielzahl
von Elementen 74. Verschiedene Gruppierungen von Elementen 74 werden
verwendet, um gleichzeitig mehrere Verbindungen gemäß der vorliegenden
Erfindung zu erzeugen. Jedes Element 74 ist mit einem entsprechenden
Analog-Digital-Wandler verbunden. Wie diejenigen, die sich auf dem
technischen Gebiet auskennen, bemerken werden, kann ein Bandpassfilter
(nicht gezeigt) auch zwischen dem Element 74 und dem Analog-Digital-Wandler 76 angeschlossen
sein. Die digitalen Ausgangssignale von allen Analog-Digital-Wandlern 76 werden
gewichtet und summiert, und dann zusammengruppiert, um, wie gezeigt,
die Strahlen 1 bis M zu bilden. Die Strahlen werden gebildet
durch numerische Multiplikationen unter Verwendung des Richtungsvektorstrahls 1,
wie er durch das Bezugszeichen 78 bezeichnet ist, und durch
den Richtungsvektorstrahl M, wie er mit dem Bezugszeichen 80 bezeichnet
ist, durch die Formungsschaltung 82. Die Formungsschaltung 82 kann
eine Vielzahl von Multiplikationsblöcken 84 und Summierblöcken 86 haben, die
entweder physikalisch oder als Software implementiert sind, um die
verschiedenen Strahlen zu formen. Die Funktionen des Strahlformens,
der Frequenzeinstellung und der Zeitsynchronisation sind ineinander
verwoben, um den darüber
liegenden Arbeitsvorgang zu minimieren, anstatt diese sequentiell durchzuführen. Dieser
Ansatz macht konventionelle Phasenschieber (phase shifters) überflüssig und
minimiert die benötigten
HF-Komponenten, wodurch die Implementierung für Verbraucheranwendungen geeignet
ist. Die Schaltung 72 zur digitalen Strahlformung wird
verwendet, um mehrere gleichzeitige Verbindungen zur Basisstation 18 zu
erzeugen. Die Schaltung 72 zur digitalen Strahlformung
ist so ausgebildet, dass ein einziger Strahl jedem individuellen Nutzer
zugewiesen wird. Die Basisstationen verfolgen die Nutzer mit eindeutigen
Kanälen und
Strahlpositionen. Jeder Nutzer wird einen Bereich (bubble) haben,
bei dem es sich um die Strahlgröße handelt, die
dem zugewiesenen Strahl zugeordnet ist. Der Bereich bildet ein Ausschlussgebiet,
das jedem Nutzer für
einen spezifischen Kanal zugewiesen ist. Nutzer, denen derselbe
Kanal zugewiesen ist, können
in einem Netzwerk gleichzeitig existieren, sofern sich ihre zugewiesenen
Bereiche nicht gegenseitig abfangen. Wenn die Bereiche bei einem
spezifischen Kanal zusammentreffen, wird einem der Benutzer ein
neuer Kanal zugewiesen.
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Direkte
Abtastungen (direct samplings) werden verwendet, um die Architektur
zu vereinfachen. Niedrige Kosten werden durch die Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers 76 erzielt,
der eine Wandlung von analog nach digital der empfangenen Signale
bei HF erlaubt, was es direkt ermöglicht, dass weitere Verarbeitungen
digital durchgeführt
werden können.
Die Wandlung von analog nach digital mit hoher Geschwindigkeit und
mit niedriger Geschwindigkeit wird die empfangenen Signale überabtasten
(over sample). Bei einer realisierten Ausführungsform wird angenommen,
dass ein Nutzersignal ungefähr
5 MHz ist, aber es könnte
auch bis zu 30 MHz betragen. Als Abtastrate wurde ungefähr 20 MBps
je Sekunde mit einer Auflösung
von ungefähr
4 Bit gewählt.
Die Aperturzeit des Analog-Digital-Wandlers muss weniger als ein
Achtel der Periode der Trägerfrequenz
betragen. Daher ist bei einer Trägerfrequenz
von 2 GHz die Aperturzeit von ungefähr 50 Picosekunden angemessen.
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In
der
6 ist eine Alternative zu dem Aufbau der Schaltung
gemäß der
5 dargestellt.
Bei dieser Ausgestaltung ist die Anzahl der Analog-Digital-Wandler
reduziert worden, und der dynamische Bereich, der für die einzelnen
Analog-Digital-Wandler benötigt wird,
ist auch verringert worden. Bei der Schaltung gemäß der
6 kann
das Element
74 in dem Block
88 vor einem Summierer
90 gewichtet werden.
Der Summierer
90 wird verwendet, um eine Anzahl von Elementen
zusammenzugruppieren. Jeder Summierblock
90 hat einen ihm
zugeordneten Analog-Digital-Wandler
92.
Daher wird durch das Gruppieren von einer Anzahl von Elementen gemeinsam
mit einem Summierblock
90 die Anzahl der Analog-Digital-Wandler
reduziert. Jeder Summierblock kann auch mit einer Schaltung
94 zum
Hinzufügen von
Rauschen verbunden sein. Geordnetes Rauschen (structured noise)
kann dem Summierblock
90 hinzugefügt werden. Das geordnete Rauschen
kann aus orthogonalen Codes bestehen. Eine ähnliche Technik ist im
US-Patent 5,077,562 beschrieben, welches
hiermit mittels Referenz eingeschlossen wird.
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Jeder
Analog-Digital-Wandler 92 ist mit einem Demultiplexer 96 verbunden.
Der Demultiplexer 96 ist mit einem Netzwerk 98 zur
digitalen Strahlformung und zur Interferenzunterdrückung verbunden. Der
Demultiplexer 96 demultiplext die Ausgangssignale der Analog-Digital-Wandler 92 und
stellt sie dem Netzwerk 98 zur digitalen Strahlformung
und zur Interferenzunterdrückung
bereit. Das Netzwerk zur digitalen Strahlformung und Interferenzunterdrückung stellt
ein empfangenes Signal bereit, das von dem Verarbeitungszentrum
verarbeitet wird.
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In
der 7 ist eine ähnliche
Ausführungsform
dargestellt, wie die, die in der oben genannten 6 gezeigt
ist. Bei dieser Ausgestaltung kann ein Teil der Schaltung in der
Basisstation angeordnet sein, wohingegen der verbleibende Teil der
Schaltung in einem Verarbeitungszentrum angeordnet ist. Indem man
einen Teil der Schaltung aus der Basisstation herausnimmt, kann
ein System erzielt werden, das weniger kostet und flexibler ist.
Die gleichen Bezugszeichen werden für die gleichen Elemente der 7 verwendet,
wie in der 6. Die Elemente 74 sind
mit einem gewichteten Block 88 verbunden, der wiederum
mit Summierern 98 verbunden ist. Ein gewichteter Block 100 wird
nach dem Summierer verwendet, um den Summierer 90 mit einem
zentralen Summierblock 102 zu verbinden. Das Signal des Summierblocks 102 wird
dabei an die Gateway-Station zur weiteren Verarbeitung übertragen
oder gesendet.
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In
der 8 wird ein Gateway-Teil 104 aus der Schaltung
gezeigt, die in der 7 dargestellt ist. Es wird ein
Demultiplexer 96 verwendet, der ähnlich zu dem oben beschriebenen
ist. Der Demultiplexer 96 demultiplext das übertragene
Signal des Summierers 102 und stellt es einem Analog-Digital-Wandler 106 bereit.
Der Analog-Digital-Wandler 106 kann mit einer Schaltung 108 zum
Hinzufügen
von Rauschen verbunden sein. Die Schaltung 108 zum Hinzufügen von
Rauschen kann ähnlich
zu der oben beschriebenen sein, und zwar in der Hinsicht, dass die
Schaltung 108 zum Hinzufügen von Rauschen orthogonale Codes
verwenden kann. Das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers wird
einem Demultiplexer-Teil 108 bereitgestellt, der wiederum
mit einem Netzwerk 98 zum digitalen Strahlformen und zur
Interferenzunterdrückung
verbunden ist, ähnlich
zu dem in der 6. Damit stellt das Netzwerk
zur digitalen Strahlformung und zur digitalen Interferenzunterdrückung empfangene
Signale aus den verschiedenen Strahlen bereit. Indem man die Analog-nach-Digital-Wandlung
mit Demultiplexen und das Hinzufügen
von Rauschen alles an einer Stelle, wie beispielsweise der Gateway-Station,
bereitstellt kann die Komplexität
der Basisstationen reduziert werden. Des Weiteren kann die Anzahl
der Elemente, die an der Basisstation bereitgestellt werden, aufgrund
der entfernten Verarbeitung (remote processing) des Strahlsignals
erhöht
werden.
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In
der 9 ist mit mehr Details das Vorgehen bei der Verarbeitung
in einem CDMA-System, wie z.B. bei einem mobilen System der dritten
Generation, dargestellt, und zwar aus dem, das in der 8 gezeigt
ist. Bei dieser Ausgestaltung ist ein Diplexer 110 mit
einem Strahler (nicht gezeigt) verbunden, so dass sowohl Sendeals
auch Empfangssignale durch denselben Radiator gehen. Es werden lediglich
die Funktionen beim Empfang dargestellt. Die entsprechenden Funktionen
beim Senden sind identisch, nur in einer umgekehrten Richtung. Die
empfangenen gemultiplexten Signale werden an einen Analog-Digital-Wandler 112 gekoppelt.
Um das Blockdiagramm zu vereinfachen, ist der Abschnitt zum Hinzufügen von
Rauschen hier nicht aufgenommen worden. Dem Analog-Digital-Wandler 112 folgt eine
Schaltung 114 zum Entspreizen von Nutzer-Codes oder mit
einer Vielzahl von Multiplikationsblöcken 116, die die
Funktion des angepassten Filters (matching filter) mittels einer
Multiplikation 116 durchführt, und ein Bandpassfilter 118,
um das empfangene Signal bei einem spezifischen Gruppenelement (array element)
in digitaler Darstellung zurückzugewinnen. Daher
sind an den Ausgängen
des Zusammenführblocks 114 die
empfangenen Signale von allen Gruppenelementen an den entfernten
Basisstationen in digitaler Form regeneriert worden. Die regenerierten Signale
stehen für
eine weitere Verarbeitung zur Verfügung.
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Es
wird nun ein Vorgehen dargestellt, bei dem jeder Nutzer einen zugewiesenen
Strahl haben wird. Die empfangenen Elementsignale gemäß den User-Codes
werden vor der Strahlformung Element für Element sortiert. Es wird
mehr als ein Benutzer je Code verwendet, aber sie kommen aus verschiedenen
Richtungen und treffen zu verschiedenen Zeiten ein.
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Die
Schaltung 114 zum Entspreizen (despreading) von Element-Codes
ist mit einer Schaltung 120 zum Entspreizen von Nutzer-Codes
verbunden. Jeder Nutzer-Code
wird verwendet, um mehrere Nutzer mit demselben Nutzer-Code in der
Schaltung 120 zum Entspreizen von Nutzer-Codes zusammenzugruppieren.
Verschiedene Nutzer können
dabei lediglich über
die Zeitverzögerung
und die Richtung des Eintreffens getrennt sein. Daher muss der Block 120 dem
Strahlformungsnetzwerk digitale Ströme mit mehreren Abgriffen zur
Verfügung
stellen, so dass die Nutzersignale mit demselben Nutzer-Code anhand
eines „Filterprozesses" bezogen auf die
Zeit und die Richtung getrennt werden können. Jeder Nutzer-Code aus
der Schaltung 120 zum Entspreizen von User-Codes ist mit
einem Netzwerk zur digitalen Strahlenformung und zur Nullenbildung
(digital beam and null forming network) verbunden. Es wird für jeden
Nutzer ein Netzwerk zur digitalen Strahlformung und Nullenbildung
bereitgestellt. Nachverfolgungsdateien 124 (track files)
stellen ein Eingangssignal für
das Netzwerk 122 zur digitalen Strahlformung und zur Nullenbildung
bereit. Die Nachverfolgungsdateien beinhalten Informationen, wie
z.B. den Nutzer-Code, den Ort, die zeitliche Positionierung (timing)
und die Ausrichtung der Nutzer. Die Nachverfolgungsdateien ermöglichen
es, dass die Kommunikationssignale in mehreren Verbindungen für eine Kommunikation über eine
Anzahl von Basisstationen aufgeteilt werden können. Die Nutzersignale werden nach
der digitalen Strahlformung ausgegeben und bei Elementen, wie zum
Beispiel dem Internet, eingekoppelt. Eine Rückkopplung wird über einen
Ausgang 126 durch ein erweitertes Kalman-Filter (extented
kalman filter, EKF) bereitgestellt. Das erweiterte Kalman-Filter 128 wird
verwendet, um jeden Nutzer-Positionskanal und die Möglichkeiten
einer Interferenz oder einer Kollision mit Nachbarn zu aktualisieren.
Die Information aus dem erweiterten Kalman-Filter 128 wird
verwendet, um den entsprechenden Nutzer nachzuverfolgen.
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In
der
10 ist eine adaptive Schaltung
130 zum
Auslöschen
(adaptive nulling circuit) gezeigt, die mit irgendeiner der Schaltungen
verwendet werden könnte,
die in den
7 bis
9 gezeigt sind.
Zum Beispiel könnte
die Schaltung
142 gemäß der
10 als
ein Teil des Elements
122 gemäß der
9 implementiert
sein. Die Schaltung
130 hat Elemente
132, die
mit einer Strahlformungsschaltung
134 verbunden sind, und
einen Analog-Digital-Wandler
136. Natürlich kann dieser Teil der
Schaltung, wie oben beschrieben, ähnlich zu dem sein, wie es
in den
7 bis
9 gezeigt ist. Ein Multiplikationsblock
138 und
ein Verstärker
140 können in
der Schaltung auch enthalten sein. Ein Prozessor
142 zum
digitalen Strahlformen und zum Auslöschen (DBFNP) ist mit jedem
Analog-Digital-Wandler verbunden. Jedes Signal wird mittels eines
Gewichts im Multiplikationsblock
144 multipliziert, bevor
es im Summierer
146 summiert wird. Das Ausgangssignal des
Summierers
146 ist das Ausgangssignal Y
(t).
Bei einer typischen digitalen Strahlformung ist der Richtungsvektor
(die Gruppe der Multiplizierer) lediglich durch die Zielrichtung
bestimmt und wird gewöhnlich
ein lineares Fortschreiten der Phase bei den Gruppenaperturen für Punktstrahlen
(spot beams) aufweisen. Jedoch ist es bei dem gezeigten adaptiven
Netzwerk zur Strahlformung und zum Auslöschen so, dass der Richtungsvektor
des Weiteren von einer Signalumgebung moduliert wird, so dass ein
Strahl in die Richtung des gewünschten
Nutzers gerichtet wird, wohingegen Nullen in die Richtung von großen Interferenzen
gesteuert werden. Im Ergebnis führt
dies dazu, dass das Verhältnis
des empfangenen Signals zum Rauschen (einschließlich der Interferenz) „maximiert" wird. Ein Block
147 mit
negativer Rückkopplung
wird von dem Ausgangssignal Y
(t) an einen
Multiplikationsblock
148 für jedes Signal bereitgestellt.
Der Multiplikationsblock
148 multipliziert das Eingangssignal
von jedem Analog-Digital-Wandler
mit dem Ausgangssignal Y
(t). Eine Summe
von dem Summierblock
150 wird an einen Block
152 zum
Aktualisieren der Gewichte bereitgestellt. Der Block
152 zum
Aktualisieren der Gewichte aktualisiert also in Abhängigkeit
vom Multiplikationsblock
148 die Gewichte und stellt diese
dem Multiplikationsblock
144 bereit. Das Ausgangssignal ist
daher
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Unser
Verfahren für
das adaptive Auslöschen
(adaptive nulling) verwendet Kriterien der kleinsten mittleren Quadrate
(least mean square) für die
Lösung
im stabilen Zustand (steady state solution). Zudem kann eine Technik
des steilsten Abstiegs (steepest descent) verwendet werden, um die
Lösung
für den
stabilen Zustand zu erreichen. Es wird eine indirekte Korrelationstechnik
verwendet, anstatt einer Technik mit direkter Perturbation, um die „Gradienten" für jede Aktualisierung
zu messen.
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In
der
11 ist gezeigt, dass zum Reduzieren der Kosten
und zum Verbessern der Effizienz des Auslöschens (nulling efficiency)
ein Begrenzer in dem Rückkopplungspfad
angeordnet sein kann, ähnlich
zu den Techniken, die in dem
US-Patent 4,635,063 beschrieben
sind. Die Begrenzerschaltung
160 weist Elemente
162 auf, ähnlich zu
den oben beschriebenen. Jedes Element hat einen ihm zugewiesenen
Hauptkanal
164, einen Durchgangspfad
166 und einen
Rückkopplungspfad
168.
Da die Schaltungen, die den entsprechenden Elementen zugewiesen sind,
im Wesentlichen die Gleichen sind, wird nur die Schaltung im Hinblick
auf einen Sensor im Detail beschrieben. Die funktionalen Blöcke können alle
in digitalem Format implementiert werden. Zum Beispiel entsprechen
Leistungsteiler dem Datenbus, Wichtungsschaltungen den Multiplizierern,
Korrelatoren den Prozessoren, die Multiplizierer und Integrations-&-Ablagen (integration-&-dumps) kombinieren, die
Ausgänge
von festen Begrenzern den Vorzeichenbits, usw.
-
Die
Korrelatoren 170 verarbeiten gemeinsam die Signale in dem
Durchgangspfad 166 und dem Rückkopplungspfad 168;
das Ergebnis wird gemäß einem
Algorithmus durch den Computer 172 transformiert. Die Wichtungsschaltung 174 modifiziert
also fortschreitend das Signal in dem Hauptkanal 164, um
die Interferenz mit einem gewünschten Signal
zu minimieren.
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Ein
Begrenzer 176 ist entlang des Rückkopplungspfads 168 angeordnet.
Wie weiter unten beschrieben wird, vereinfacht diese Anordnung den Aufbau
des Korrelators im Vergleich zu der Schaltung ohne solche Begrenzer
und verbessert die Leistungsfähigkeit
bezogen auf adaptive Antennen mit Begrenzern im Durchgangspfad.
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Jedes
Element 162 ist über
den entsprechenden Hauptkanal 164 mit einem entsprechenden Leistungsteiler 180 des
Eingangssignals oder anderen Mitteln verbunden, um ein Eingangssignal
zwischen einem vorverarbeiteten Signal und einem Diagnose-Signal
aufzuteilen. Ein Diagnose-Signal wird entlang des entsprechenden
Durchgangspfads 166 übertragen;
das vorverarbeitete Signal wird entlang eines zweiten Teils 182 des
entsprechenden Hauptkanals 164 übertragen.
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Die
Amplitude und die Phase der vorverarbeiteten Signale kann durch
die Wichtungsschaltung 174 oder durch Wichtungsmittel verändert werden, die
jedem der Elemente 162 zugeordnet sind. Die resultierenden
gewichteten Signale werden entlang eines dritten Abschnitts 184 des
entsprechenden Hauptkanals 164 geleitet, um durch Mittel,
wie zum Beispiel einem Leistungszusammenführer (power combiner) 186 summiert
zu werden. Mittel, wie zum Beispiel ein Leistungsteiler 188 am
Ausgang, der in einem vereinten Abschnitt 190 des Hauptkanals 164 zwischen
dem Leistungszusammenführer 186 und dem
Antennenausgang 192 angeordnet ist, teilen das summierte
Signal in ein Ausgangssignal und ein Rückkopplungssignal.
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Der
dargestellte Rückkopplungspfad 168 weist
Mittel zum Eliminieren eines gewünschten
Frequenzbands aus dem Rückkopplungssignal
auf, das der primären
Signalquelle zugeordnet ist und von der Schaltung 160 empfangen
werden soll. Die Mittel können
ein Hybrid 194 zum Subtrahieren des gewünschten Bands aus einem Bereich
des summierten Signals aufweisen. Insbesondere weist das Hybrid 194 einen
primären
Eingang 196 und einen sekundären Eingang 198 auf.
Der primäre
Eingang 196 empfängt
einen Teil des summierten Signals von dem Ausgangsleistungsteiler 188.
Der sekundäre
Eingang 198 empfängt
nur den Teil des summierten Eingangssignals mit dem gewünschten
Band. Das gewünschte
Band kann mittels eines Bandpassfilters (BPF) 200 bereitgestellt
werden, wobei dessen Eingang ein Teil des summierten Signals ist,
das dorthin vom Ausgangsleistungsteiler 188 gerichtet wurde. Der
Ausgang des Hybrids ist das aufsummierte Signal abzüglich des
gewünschten
Bands. Das Eliminieren des gewünschten
Bands aus dem Rückkopplungssignal
vermeidet ein mögliches
Auslöschen
gegenüber
der gewünschten
Signalquelle. Der Begrenzer 176 ist in dem Rückkopplungspfad 168 angeordnet,
so dass die Begrenzung vor einer Teilung des Rückkopplungssignals auftritt.
Dadurch wird die Notwendigkeit einer Vielzahl von Begrenzern aufgehoben.
Bevorzugt ist der Begrenzer 176 ein fester Begrenzer (hard
limiter). Idealerweise setzt ein fester Begrenzer einen sinusförmigen Eingang
in einen Ausgang mit einer rechteckigen Wellenform um.
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Das
begrenzte Rückkopplungssignal
wird durch Mittel, wie zum Beispiel einem Leistungsteiler 202,
aufgeteilt, um Rückkopplungssignale
bereitzustellen, um wiederum Rückkopplungseingangssignale 204 der
Korrelatoren 170 bereitzustellen. Das Rückkopplungssignal wird mit
dem Diagnose-Signal korreliert, das am Durchgangseingang 206 von
jedem Korrelator 170 empfangen wird. Bei dem bevorzugten
Korrelator 170 handelt es sich um einen Multiplizierer,
der mit einem Tiefpassfilter gekoppelt ist.
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Jedes
Korrelationsergebnis wird gemäß einem
Algorithmus von einem Computer oder einem Prozessor 172 oder
alternativen Mitteln transformiert. Die Transformierung wird verwendet,
um die Wichtungsfunktion der Wichtungsschaltung 174 oder
anderen Wichtungsmitteln zu bestimmen. Bevorzugt wird ein Algorithmus
eines Gradientenabstiegs (gradient descent algorithm), wie zum Beispiel
als Fehler der kleinsten durchschnittlichen Quadrate (least means
square error), Howell-Applebaum-Leistungsinvertierung,
verwendet.
-
Einige
Vorteile der vorliegenden Erfindung kann man besser im Zusammenhang
mit der nachfolgenden theoretischen Analyse verstehen. Es ist die Funktion
des idealen festen Begrenzers, ein positives Ausgangssignal mit
einem hohen konstanten Pegel, zu erzeugen, wenn das Eingangssignal
positiv ist, und ein negatives Ausgangssignal mit einem niedrigen
konstanten Level auszugeben, wenn das Eingangssignal negativ ist.
Der Übergang
zwischen den konstant positiven und negativen Ausgangswerten (oder
den Schwellwerten) ist abrupt oder unstetig. Daher wäre der Ausgang
bei einem sinusförmigen Eingangssignal
idealerweise eine Rechteckwelle. In einer Umgebung mit mehreren
Signalen, wo die Unterschiede bei der Signalleistung groß sind (zum
Beispiel mehr als 10 dB), wird der Begrenzer schwächere Signale
unterdrücken
und die stärksten
Signale verstärken.
Qualitativ betrachtet wird der Begrenzer nur auf das stärkste Signal
ansprechen.
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Bei
der Geometrie einer phasengesteuerten Gruppe teilt sich jedes Element
das gleiche Sichtfeld mit jedem anderen Element. Daher spielt jedes
Element in etwa die gleiche Rolle beim Formen eines einzelnen Strahls.
Alle störenden
Signale im Sichtfeld werden von jedem einzelnen Element in der phasengesteuerten
Gruppe aufgenommen. Daher ist die Anordnung des Begrenzers entweder
im Durchgangspfad oder im Rückkopplungspfad
entscheidend für
die Unterdrückung
mehrerer Interferenzen in der phasengesteuerten Gruppe.
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Wenn
der Begrenzer in dem Durchgangspfad angeordnet ist, wird sein Ausgangssignal
nur die Information aus der stärksten
Interferenz haben, und das Antennensystem wird entsprechend eine
Auslöschung
in Richtung der stärksten
Interferenz betreiben. Die Korrelatorausgänge werden keine weiteren Informationen
bezüglich
der Interferenz der Signale aufweisen, um es dem Antennensystem
zu ermöglichen,
Auslöschungen
in deren Richtungen zu bilden.
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Wenn
alternativ dazu ein fester Begrenzer in dem Rückkopplungspfad angeordnet
wird, wird das Antennensystem zunächst eine Auslöschung gegen das
stärkste
Interferenzsignal betreiben, bis es vergleichbar mit dem zweitstärksten wird.
Das Antennensystem wird dann gegen beide auslöschen, bis das Antennensystem
einen inhärenten
Schwellwert erreicht, der von dem Quantisierungsfehler oder der Verstärkung in
der Rückkoppelschleife,
dem Begrenzer, etc., erzeugt wird.
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12 zeigt einen Vergleich hinsichtlich
der Leistungsfähigkeit
der Interferenzunterdrückung
und der Konvergiergeschwindigkeit für drei Aufbauten von phasengesteuerten
Gruppen mit vier Elementen: (a) kein Begrenzer, (b) Begrenzer im
Durchgangspfad, und (c) Begrenzer im Rückkopplungspfad. Die Resultate
wurden mittels eines Computer-Simulations-Programms, ADAPT, erzielt
und stellen den dynamischen Spektralausgang aufgetragen gegenüber der
Anzahl von Iterationen des adaptiven Verfahrens dar.
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Während das
adaptive Verfahren von einem Initalzustand bei dem Aufbau ohne einen
Begrenzer voranschreitet, wird die stärkste Interferenz monoton reduziert,
bis sie sich bei Iteration 37 unterhalb des Schwellwerts
befindet, wie es in der 12A gezeigt ist.
Der Schwellwert ist auf 35 dB unterhalb der stärksten Interferenz eingestellt.
Die schwächere
Interferenz war bis zur Iteration 34 nicht die treibende Kraft.
Ab diesem Punkt wird die schwächere
Interferenz langsam aber kontinuierlich unterdrückt. Bei Iteration 126 befindet
sich das Interferenzsignal unterhalb des Schwellwerts. Während der
Anpassung wird die Leistungsdichte des gewünschten Signals am Ausgang
fortlaufend verbessert, bis sie einen stabilen Wert von 10 dB überhalb
des Schwellwerts bei Iteration 134 erreicht. Der Systemaufbau
funktioniert, aber er benötigt
Korrelatoren mit einem großen
dynamischen Bereich. Um die hohen Anforderungen an den dynamischen
Bereich der Korrelatoren zu reduzieren, werden Begrenzer bei den
vielen abgewandelten Optionen verwendet, wie nachfolgend gezeigt ist.
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Bei
dem Aufbau mit dem Begrenzer in dem Durchgangspfad wird der Pegel
der Leistungsdichte der stärkeren
Interferenz nach und nach unter den Schwellwert reduziert, aber
der Pegel der Leistungsdichte der schwachen Interferenz erhöht sich
am Anfang und verbleibt bei einem stabilen Wert, wie es in der 12B gezeigt ist. Das gewünschte Signal erhöht sich
leicht in seinem Wert, aber wird nicht über die schwache Interferenz
hinaus verbessert. Dieses System reagiert nicht adäquat auf
die schwächeren Interferenzsignale.
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Bei
der Konfiguration mit dem Begrenzer im Rückkopplungspfad werden die
Pegel der Leistungsdichten sowohl von der schwachen als auch von
der starken Interferenz erfolgreich unter den Schwellwert reduziert,
wie man in der 12C sehen kann. Im Vergleich
zu dem Aufbau ohne den Begrenzer, wird die schwächere Interferenz etwas schneller
unterdrückt.
Die schwache Interferenz geht mit der Iteration 87 unter
den Schwellwert. Während
dieses Verfahrens wird das gewünschte
Signal kontinuierlich verbessert.
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Gemäß dem oben
Beschriebenen kann man erkennen, dass die vorliegende Erfindung
eine verbesserte Leistungsfähigkeit
gegenüber
den Aufbauten ohne einen Begrenzer und einem Begrenzer im Durchgangspfad
gemäß dem Stand
der Technik ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung verbessert die Variante mit dem Begrenzer
im Durchgangspfad, indem nur ein Begrenzer benötigt wird, und verbessert die
Variante ohne einen Begrenzer, indem die Design-Anforderungen an
die Korrelatoren verringert werden.
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In 13 ist
eine weitere Schaltung 220 zum Bereitstellen eines Auslöschens dargestellt.
Bei dieser Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Hauptgruppenelementen 222 und
Hilfselementen 224 gezeigt. Die Hauptgruppenelemente 222 sind ähnlich zu
den Elementen, die in der vorherigen Schaltung beschrieben wurden.
Die Hilfselemente 224 sind hinzugefügt worden, um ein Auslöschen der
Seitenkeulen von den Hauptelementen zu ermöglichen. Dies bietet die Möglichkeit
es den Nutzern zu erlauben, sich ohne Interferenz näher beieinander
zu befinden. Die Hauptgruppenelemente 222 sind mit einer
Hilfsschaltung 226 zur digitalen Strahlformung (digital
beam forming, DBF) verbunden. Die Hilfselemente 224 sind
mit einer Hilfsschaltung 228 zur digitalen Strahlformung
verbunden. Ein Summierblock 230 summiert die Signale aus
den Hauptgruppenelementen durch die Hauptschaltung 226 zur
digitalen Strahlformung mit gewichteten Anteilen der Hilfselemente,
um Interferenzen auszulöschen.
Eine Rückkopplung wird
durch einen Block 232 zum Aktualisieren der Gewichte bereitgestellt.
Der Block 232 zum Aktualisieren der Gewichte erzeugt ein
Gewicht für
jedes der Nutzersignale und stellt diese einem Multiplikationsblock
zur Verfügung,
wo sie mit dem Ausgang der Hilfsschaltung 228 zur digitalen
Strahlfor mung kombiniert werden. Der Ausgang der Schaltung zur digitalen
Strahlformung kann auch mit dem Block 232 zur Aktualisierung
der Gewichte verbunden werden, um es den Gewichten zu ermöglichen,
als eine Funktion des Hilfsausgangs zur digitalen Strahlformung
gebildet zu werden. Die gewichteten Hilfssignale des digitalen Strahlformens
werden in einem Summierer 234 kombiniert, wo sie mit jeder
der Hilfsschaltungen zur digitalen Strahlformung kombiniert und
dem Summierer 230 zum Bereitstellen einer Interferenzauslöschung zur
Verfügung
gestellt werden. Daher ist es beim Ausgang 236 der Schaltung 220 so,
dass die Hauptinterferenz der Nutzersignale durch die Hilfselemente 224 kompensiert
wird.
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Bei
einem Betrieb gemäß der 13,
werden die Hauptgruppenelemente 222 verwendet, um die Kommunikationsstrahlen
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu erzeugen. Die Hilfselemente 224 werden verwendet,
um eine Interferenz von den Hauptgruppenelementen, soweit benötigt, auszulöschen. Das
heißt,
unter Verwendung der Positionen der Nutzer können Gewichte für die Hilfselemente 224 bestimmt
werden, so dass die Hilfselemente 224 ein Hilfselementausgangssignal
haben, um die Interferenz aus den Kommunikationsstrahlen zu löschen, weil
die Richtung der starken interferierenden Quellen für jeden
Strahl aus der Nutzerposition bestimmt werden kann. Bevorzugt wird
dies in der Gateway-Station durchgeführt, um eine Komplexität in der Basisstation
zu vermeiden. Wie diejenigen, die sich auf diesem technischen Gebiet
auskennen, bemerken werden, sind es die Seitenkeulen des Hauptstrahls,
die ausgelöscht
werden sollen. Indem man die Hilfselemente bereitstellt, können die
Seitenkeulen der Hauptstrahlen reduziert oder selektiv durch die
Hilfselementausgangssignale ausgelöscht werden. Jedes oben beschriebene
Feld kann ein Auslöschen
der Seitenkeulen unter Verwendung der Hilfselemente aufweisen.
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Bevorzugt
werden beim Bereitstellen der digitalen Strahlformung in der Gateway-Station
alle Strahlen in Echtzeit unter Verwendung der Aufzeichnungen bezüglich der
Nutzerposition, die in der Gateway-Station vorhanden sind, gebildet.
So wie das System Änderungen
benötigt,
kann die Gateway-Station das Ausgangssignal der Hilfselemente auf
einer kontinuierlichen Basis adaptiv anpassen.
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Auch
wenn hier die besten Möglichkeiten zum
Ausführen
der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden diejenigen, die
sich auf diesem technischen Gebiet auskennen, verschiedene alternative Aufbauten
und Ausführungsformen
zum Realisieren der Erfindung erkennen, wie sie durch die nachfolgenden
Ansprüche
definiert ist.