DE69731978T2

DE69731978T2 - Verfahren und vorrichtung zur gerichteten funkübertragung

Info

Publication number: DE69731978T2
Application number: DE69731978T
Authority: DE
Inventors: Marcos Katz
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: US6393303B1; EP0960544B1; EP0960544A1; DE69731978D1; JP2001511969A; WO1998036596A1; ATE285158T1; AU736743B2; AU1724797A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine gerichtete Funkübertragung, bei der Signale zwischen einer ersten Station und einer zweiten Station lediglich in bestimmten Richtungen gesendet werden dürfen. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf zellulare, Raummultiplex, bzw. Raumvielfachzugriff ("space division multiple access") verwendende Übertragungsnetze anwendbar.
Bei den aktuell implementierten zellularen Übertragungsnetzen ist eine Basis-Sende-/Empfangsstation ("Base Transceiver Station", BTS) bereitgestellt, die für eine gegebene Mobilstation(MS), die ein Mobiltelefon sein kann, bestimmte Signale durch eine von der Basis-Sende-/Empfangsstation bediente Zelle oder einen Zellenabschnitt überträgt. Nun wurden jedoch Raumvielfachzugriff-(SDMA)Systeme vorgeschlagen. Bei einem Raumvielfachzugriff-System überträgt die Basis-Sende-/Empfangsstation keine für eine gegebene Mobil-Station bestimmten Signale durch eine Zelle oder einen Zellenabschnitt, sondern überträgt das Signal lediglich in die Strahlrichtung, aus der ein Signal von der Mobilstation empfangen wird. SDMA-Systeme können der Basis-Sende-/Empfangsstation ebenso erlauben, die Richtung zu bestimmen, aus der Signale von der Mobilstation empfangen werden.
SDMA-Systeme ermöglichen es, eine Anzahl an Vorteilen gegenüber bestehenden System zu erreichen. Da insbesondere der durch die BTS gesendete Strahl nur in einer bestimmten Richtung gesendet werden kann und dementsprechend relativ schmal sein kann, kann die Leistung des Sende-Empfängers auf diesen schmalen Strahl konzentriert werden. Es wird davon ausgegangen, dass dies zu einem besseren Signal-Rauschverhältnis sowohl der von der Basis-Sende-Empfangsstation gesendeten Signale, als auch der durch die Basis-Sende-Empfangsstation empfangenen Signale führt. Außerdem kann als Ergebnis der Richtwirkung der Basis-Sende-Empfangsstation eine Verbesserung des Signal-Störungsverhältnisses des durch die Basis-Sende-Empfangsstation empfangenen Signals erreicht werden. Die Richtwirkung der BTS ermöglicht außerdem, die Leistung in der Übertragungsrichtung in einen schmale Strahl zu konzentrieren, so dass das durch die BTS gesendete Signal weit entfernte Mobilstationen mit einem niedrigeren Leistungspegel erreichen kann, als es für herkömmliche BTS erforderlich ist. Das kann Mobilstationen ermöglichen, bei größeren Abständen von der Basis-Sende-Empfangsstation erfolgreich zu funktionieren, was wiederum bedeutet, dass die Größe jeder Zelle oder jedes Zellenabschnitts des zellularen Netzes vergrößert werden kann. Als Folge der größeren Zellengröße kann auch die Anzahl erforderlicher Basisstationen verringert werden, was zu niedrigeren Netzkosten führt. SDMA-Systeme erfordern im Allgemeinen eine Vielzahl von Antennenelementen, um die erforderliche Vielzahl unterschiedlicher Strahlrichtungen zu erreichen, in die Signale gesendet und empfangen werden können. Die Bereitstellung einer Vielzahl Antennenelemente erhöht die Empfindlichkeit der BTS gegenüber empfangenen Signalen.
Das bedeutet, dass größere Zellengrößen den Empfang von Signalen durch die BTS von Mobilstationen nicht nachteilig beeinflussen.
SDMA-Systeme können auch die Kapazität des Systems erhöhen, das heißt, dass die Anzahl an Mobilstationen erhöht wird, die gleichzeitig unterstützt werden können. Dies liegt an der Richtwirkung der Kommunikation und bedeutet, dass die BTS weniger Störungen von Mobilstationen in anderen, die gleiche Frequenz verwendenden Zellen aufnimmt. Das BTS wird weniger Störungen zu anderen Mobilstationen in anderen die gleiche Frequenz verwendenden Zellen erzeugen, wenn sie mit einer gegebenen MS in der verbundenen Zelle kommuniziert.
Schließlich wird davon ausgegangen, dass SDMA-Systeme es ermöglichen, die gleiche Frequenz gleichzeitig zum Senden zu zwei oder sogar mehreren verschiedenen an verschiedenen Orten innerhalb der gleichen Zelle angeordneten Mobilstationen zu verwenden. Das kann zu einem signifikanten Anstieg in der Verkehrsmenge führen, die durch zellulare Netze übertragen werden kann.
SDMA-Systeme können in analogen und digitalen zellularen Netzen implementiert werden und in die verschiedenen bestehenden Standards wie GSM, DCS 1800, TACS, AMPS und NMT eingebaut werden. SDMA-Systme können auch in Verbindung mit anderen bestehenden Vielfachzugriffsverfahren wie beispielsweise Zeit-Vielfachzugriffs-(Time Division Multiple Access, TDMA), Code-Vielfachzugriffs-(Code Division Multiple Access, CDMA) und Frequenz-Vielfachzugriffs-(Frequency Division Multiple Access, FDMA)-Verfahren verwendet werden.
Ein Problem mit SDMA-Systemen liegt darin, dass die Richtung bestimmt werden muss, in die Signale zu einer Mobilstation gesendet werden sollen. Unter bestimmten Umständen wird ein relativ schmaler Strahl zum Senden eines Signals von einer Basis-Sende-/Empfangsstation zu einer Mobilstation verwendet. Die Richtung dieser Mobilstation muss daher einigermaßen genau abgeschätzt werden. Ein Signal von einer Mobilstation wird bekanntermaßen im Allgemeinen mehreren Wegen zu einer BTS folgen. Diese Vielzahl von Wegen wird in Allgemeinen als Multipath, bzw. Mehrwege bezeichnet. Ein gegebenes, durch die Mobilstation gesendetes Signal kann von der Basis-Sende-/Empfangsstation aufgrund dieser Mehrwegeeffekte aus mehr als einer Richtung empfangen werden.
Beispiele von Patenten, die Verfahren und Vorrichtungen zur gerichteten Funkübertragung betreffen, schließen die WO-A-96/37969, EP-A-0647978 und EP-A-0729285 ein. Insbesondere die WO-A-96/37969 offenbart Basisstationseinrichtungen zum Empfangen eines Signals mittels einer Antennengruppe und enthält einen Empfänger, der jederzeit die Richtungen überwacht, aus denen die besten Signalkomponenten von Mobilstationen empfangen werden. Diese Informationen können auch in den Basisstationseinrichtungen in der Downlink-Richtung verwendet werden. Eine Übertragungseinheit stimmt das Signal mit der Phase derart ab, dass die Winkel der größten Verstärkung von dem oder jedem Antennenstrahlpunkt in die gewünschten Richtungen zeigen.
Die WO-A-96/37969 beschreibt außerdem eine Basisstation, die die Anzahl, Form oder Richtung der Antennenstrahlen, variieren kann, die sie zum Übertragen des für die Mobilstation bestimmten Signals verwendet. Die Basisstation kann auch von der Mobilstation empfangene Verbindungsqualitätsinformationen zum Einstellen der Übertragungsleistung aller Antennenstrahlen verwenden, wenn die Messungsergebnisse keine Verbesserung in der Signalqualität zeigen. Die WO-A-96/37969 beschreibt an sich ein Versuch-und-Irrtum-Verfahren zur Verbesserung einer Signalqualität bei einer Kommunikation zwischen einer BTS und einer Mobilstation.
Ein Problem bei den Übertragungsverfahren gemäß dem Stand der Technik besteht darin, dass sie sich mit der Frage, wie viel Leistung in zumindest eine bestimmte Richtung zu einer bestimmten Mobilstation zu senden ist, auf einer Signalqualität beruhend befassen. Ein derartiger Ansatz erfordert eine relativ komplexe Berechnung zur Verbesserung der Signalqualität. Ein einfaches Verfahren wäre wünschenswert.
Ein zusätzliches Problem liegt darin, dass die Richtung, in der ein Signal durch die BTS zu der Mobilstation zu senden ist, auf der Grundlage der von der BTS von der Mobilstation empfangenen Uplink-Signale bestimmt wird. Die Frequenzen der von der Mobilstation zu der BTS gesendeten Downlink-Signale unterscheiden sich jedoch von den Frequenzen, die für die von der BTS an die Mobilstation gesendeten Signale verwendet werden. Der Unterschied in den in den Uplink- und Downlink-Signalen verwendeten Frequenzen bedeutet, dass sich das Verhalten des Kanals in der Uplink-Richtung von dem Verhalten des Kanals in der Downlink-Richtung unterscheiden kann. Somit wird die beste Richtung für die Uplink-Signale nicht immer die beste Richtung für die Downlink-Signale sein.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollen ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung für eine gerichtete Funkübertragung bereitstellen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur gerichteten Funkübertragung zwischen einer ersten Station und einer zweiten Station bereitgestellt, mit den Schritten:
Empfangen eines von der zweiten Station übertragenen ersten Signals an der ersten Station, wobei das erste Signal aus einer Vielzahl unterschiedlicher Richtungen empfangbar ist,
Bestimmen einer Hauptstrahlrichtung, aus der das erste Signal durch die erste Station empfangen wird;
Definieren einer Vielzahl an Strahlrichtungen zum Senden eines Ausstrahlungsstrahls an der ersten Station, wobei jede der Strahlrichtungen auswählbar ist, gekennzeichnet durch den Schritt
Auswählen der bestimmten Hauptstrahlrichtung und zumindest einer anderen Hilfstrahlrichtung an der ersten Station, wobei die zumindest eine Hilfsstrahlrichtung zu der bestimmten Hauptstrahlrichtung benachbart ist, und Senden eines zweiten Signals von der ersten Station zu der zweiten Station in den gewählten Strahlrichtungen, wobei die Sendeleistung in jeder der Strahlrichtungen individuell bestimmbar ist, und wobei die Stärke des zweiten Signals, das in der zumindest einen Hilfsrichtung gesendet wird, kleiner als die Stärke des zweiten Signals ist, das in der bestimmten Hauptstrahlrichtung gesendet wird.
Durch die Verwendung dieses Verfahrens wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass das durch die erste Station gesendete Signal von der zweiten Station empfangen wird. Da die Stärke des zweiten von der zweiten Station in der Hilfsrichtung gesendeten Signals von einem Parameter des ersten in dieser Richtung empfangenen Signals abhängig ist, kann, wenn beispielsweise ein relativ starkes Signal durch die zweite Station in der zumindest einen Hilfsrichtung empfangen wird, ein relativ starkes Signal zu der ersten Station in der zumindest einen Hilfsrichtung gesendet werden.
In der Praxis kann das erste Signal durch die erste Station aus einer Vielzahl von Richtungen empfangen werden. Nur eine dieser Richtungen wird als die bestimmte Hauptrichtung ausgewählt. Die bestimmte Hauptrichtung kann auf eine Anzahl verschiedener Arten ausgewählt werden. Die bestimmte Hauptrichtung kann beispielsweise als die Richtung ausgewählt werden, aus der das erste Signal durch die erste Station mit der größten Leistung oder Stärke empfangen wird. Ersatzweise kann die bestimmte Hauptrichtung als die Richtung gewählt werden, aus der das erste Signal als erstes durch die erste Station empfangen wird. Dies entspricht dem Signal, das dem kürzesten Weg gefolgt ist, der der Weg der Sichtlinie sein kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält das erste Signal eine bekannte Datenfolge und das Verfahren umfasst ferner den Schritt Korrelieren des empfangenen Datensignals mit der bekannten Datenfolge zum Erhalten der Kanalimpulsantwort. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die empfangenen Datensignale mit einer lokal erzeugten Kopie der bekannten Datenfolge korreliert. Die Kanalimpulsantwort wird zum Bestimmen verwendet, welche Richtung die Hauptrichtung sein soll. Die Kanalimpulsantwort kann beispielsweise für alle Kanäle gemäß den verschiedenen Richtung bestimmt werden, aus denen das erste Signal empfangen wird. Die derart empfangene Kanalimpulsantwort ist ein Maß für den verfügbaren Umfang des gewünschten von der ersten Station empfangenen Signals. Einige Parameter der Kanalimpulsantwort jedes Kanals können zum Ermitteln miteinander verglichen werden, welche der Richtungen das erste Signal mit maximaler Energie oder minimaler Verzögerung liefert. Das Signal mit der minimalen Verzögerung ist das erste durch die erste Station empfangene Signal.
Die zumindest eine Hilfsrichtung kann die Richtungen auf beiden Seiten der bestimmten Hauptrichtung umfassen.
Die Stärke des zweiten Signals in der zumindest einen Hilfsrichtung ist vorzugsweise kleiner oder gleich der Stärke des zweiten Signals in der bestimmten Hauptrichtung.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise den Schritt Definieren an der ersten Station einer Vielzahl an Strahlrichtungen zum Senden eines Ausstrahlungsstrahls, wobei jede der Strahlrichtungen individuell auswählbar ist. Die Sendeleistung für jede Strahlrichtung kann individuell bestimmbar sein, wobei die Sendeleistung des Strahls in der oder jeder Hilfsrichtung kleiner als die Sendeleistung in der Richtung des Hauptstrahls ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, ist das Verhältnis der Stärke des zweiten Signals in der zumindest einen Hilfsrichtung zur Stärke des zweiten Signals in der bestimmten Hauptstrahlrichtung proportional zum Verhältnis der Stärke des ersten durch die erste Station empfangenen Signals aus der zumindest einen Hilfsrichtung zur Stärke des ersten durch die erste Station in der bestimmten Hauptrichtung empfangenen Signals. Diese zwei Verhältnisse sind vorzugsweise gleich.
Wenn die Stärke des ersten in der zumindest einen Hilfsrichtung empfangenen Signals sehr viel kleiner als die Stärke des ersten in der Richtung der bestimmten Hauptrichtungen empfangenen Signals ist, wird das zweite Signal vorzugsweise nur in der bestimmten Hauptrichtung von der ersten Station zu der zweiten Station gesendet. Wenn die Stärke des ersten in der bestimmten Hauptrichtung und des ersten in der zumindest eine Hilfsrichtung empfangenen Signals im wesentlichen gleich ist, ist die zweite Station jedoch zum Senden dieses Signals in der bestimmten Hauptrichtung und in der zumindest einen Hilfsrichtung mit der im wesentlichen gleichen Signalstärke eingerichtet. Wenn bestimmt wird, dass das erste Signal hauptsächlich aus der Hauptrichtung empfangen wird, wird das zweite Signal daher nur in dieser Richtung gesendet. Wenn jedoch bestimmt wird, dass das erste Signal mit ungefähr derselben Stärke aus zwei oder mehr Richtungen empfangen wird, wird das zweite Signal mit der im wesentlichen gleichen Stärke in diese zwei oder mehr Richtungen gesendet. Zwischen diesen beiden Grenzfällen wird es natürlich Situationen geben, bei denen die Stärke des zweiten Signals in der zumindest einen Hilfsrichtung kleiner als die Stärke des zweiten Signals in der bestimmten Hauptrichtung ist.
Die Stärke des zweiten durch die erste Station in der zumindest einen der bestimmten Hauptrichtungen und in der zumindest einen Hilfsrichtung übertragenen Signals ist vorzugsweise von der Stärke des ersten durch die erste Station aus den entsprechenden Richtungen empfangenen Signals abhängig. Die Stärke des zweiten Signals in zumindest einer der bestimmten Hauptrichtungen und der zumindest einen Hilfsrichtung kann von der Durchschnittsstärke einer Vielzahl vorhergehender, an der ersten Station von der zweiten Station empfangener Signale abhängig sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Stärke des zweiten Signals in einer der bestimmten Hauptrichtung und der zumindest einen Hilfsrichtung von der Stärke des ersten in der entsprechenden Richtung empfangenen Signals abhängig, und die Stärke des zweiten Signals in der anderen bestimmten Hauptrichtung und der zumindest einen Hilfsrichtung ist von der Durchschnittsstärke einer Vielzahl vorhergehender an der ersten Station von der zweiten Station in der entsprechenden Richtung empfangener Signale abhängig. Es wird bevorzugt, dass die Stärke des zweiten Signals in der bestimmten Hauptrichtung auf der Stärke des ersten Signals beruht, während die Stärke des zweiten Signals in der zumindest einen Hilfsrichtung auf der Grundlage der Durchschnittsstärke einer Vielzahl vorhergehender von der zweiten Station empfangener Signale bestimmt wird. Die Leistung in der Hauptrichtung kann daher bei jedem empfangenen Signal für den Versuch aktualisiert werden, den Weg der zwischen der ersten und zweiten Station wirkenden Kanalveränderungen schnell zu verfolgen. Im Gegensatz dazu kann die Leistung in der zumindest einen Hilfsrichtung langsam auf Veränderungen reagieren, um zu versuchen den durch die zweite Station empfangenen Signalpegel zu erhöhen. Das kann zu einer erhöhen Wahrscheinlichkeit führen, dass ein Signal von der ersten Station durch die zweite Station empfangen wird.
Ein Strahl in der oder einer der zumindest einen Hilfsrichtungen kann einen in der bestimmten Hauptstrahlrichtung definierten Strahl überlappen. Bei einem Vorschlag überlappt der oder einer der zumindest einen Hilfsstrahlen die Winkelspreizung des bestimmten Hauptstrahls bis zur Hälfte.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise den Schritt Bestimmen, ob der Abstand der zweiten Station von ersten Station unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, und wenn das der Fall ist, wird das zweite von der ersten Station zu der zweiten Station gesendete Signal mit einer relativ weiten Winkelspreizung gesendet. Die gesamte erreichte Winkelspreizung ist insbesondere vorzugsweise größer als die die erreicht wird, wenn der Abstand zwischen den ersten und zweiten Stationen oberhalb eines bestimmten Wertes liegt und die Hauptrichtung und zumindest eine andere Hilfsrichtung zum Senden des Signals verwendet werden.
Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine erste Station für gerichtete Funkübertragung mit einer zweiten Mobilstation bereitgestellt, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Empfangseinrichtung zum Empfangen eines ersten durch die zweite Station gesendeten Signals, wobei das erste Signal aus einer Vielzahl an unterschiedlichen Richtungen empfangbar ist,
eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Hauptrichtung, aus der das erste Signal empfangen wird, eine Sendeeinrichtung zum Senden eines zweiten Signals von der ersten Station zu der zweiten Station, wobei die Sendeeinrichtung eingerichtet ist, einen Ausstrahlungsstrahl in einer Vielzahl an Strahlrichtungen zu senden, wobei jede der Strahlrichtungen auswählbar ist, wobei die erste Station dadurch gekennzeichnet ist, dass sie weiter aufweist:
eine Steuereinrichtung zum Steuern der Sendeeinrichtung,
wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, die Sendeeinrichtung zum Senden des zweiten Signals zu der zweiten Station in der bestimmten Hauptstrahlrichtung zu steuern, wobei die wenigstens eine Hilfsrichtung der bestimmten Hauptrichtung benachbart ist, wobei die Sendeleistung in jeder der Strahlrichtungen individuell bestimmbar ist und wobei die Stärke des zweiten in der wenigstens einen Hilfsrichtung gesendeten Signals kleiner als die Stärke des zweiten in der bestimmten Hauptrichtung gesendeten Signals ist.
Die Empfangseinrichtung und die Sendeeinrichtung können ein Antennen-Array umfassen, das zum Bereitstellen einer Vielzahl von Signalstrahlen in einer Vielzahl an unterschiedlichen Richtungen eingerichtet ist. Das Antennen-Array kann ein phasengesteuertes Antennen-Array (phased antenna array) oder eine Vielzahl separater Antennenelemente umfassen, von denen jedes zum Bereitstellen eines Strahls in einer definierten Richtung eingerichtet ist. Zwei separate Arrays, eines zum Empfangen von Signalen und das andere zum Senden von Signalen, können bereitgestellt sein. Alternativ kann ein einzelnes Array sowohl zum Empfangen als auch zum Senden von Signalen bereitgestellt sein.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise zum Bestimmen des Leistungspegels für das Signal in der bestimmten Strahlrichtung und der zumindest einen anderen Strahlrichtung beruhend auf den relativen Energiepegeln des erstens in der bestimmten Strahlrichtung und der zumindest einen Hilfsrichtung empfangenen Signals eingerichtet. Die relativen Energiepegel können durch die Steuereinrichtung bestimmt werden, die zumindest einen Abschnitt des empfangenen ersten Signals mit einer bekannten Version dieses Signals oder eines Abschnitts dessen korreliert. Es versteht sich, dass das erste Signal eine Trainingsfolge umfassen oder enthalten kann, die eine bekannte Folge mit einer Referenz-Version dieser nicht verzerrten Trainingsfolge korrelierter Daten zum Bestimmen der Kanalimpulsantwort ist. Diese Informationen können zum Bestimmen der relativen Leistungspegel und zum Bestimmen der Hauptrichtung verwendet werden.
Die Sendeeinrichtung kann zum Bereitstellen eines Ausstrahlungsstrahls in eine Vielzahl von Strahlrichtungen eingerichtet sein, wobei jede der Strahlrichtungen individuell auswählbar ist.
Eine Sendeleistung ist vorzugsweise für jede der Strahlrichtungen individuell bestimmbar, wobei die Sendeleistung des Strahls in der oder in jeder Hilfsrichtung geringer als die Sendeleistung in der Hauptstrahlrichtung ist.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf zellulare Übertragungsnetze anwendbar. Bei derartigen Netzen kann die erste Station eine Basis-Sende-/Empfangsstation sein, während die zweite Station eine Mobilstation ist. Es versteht sich jedoch, dass Ausführungsbeispiele der Erfindung auf andere Arten von Funkübertragungsnetzen wie beispielsweise PCN (Private Communication Networks, private Übertragungsnetze) oder dergleichen angewendet werden können.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Basis-Sende-/Empfangsstation (BTS) und der zugehörigen Zellenabschnitte;
2 eine vereinfachte Darstellung eines Antennen-Arrays und der Basis-Sende-/Empfangsstation,
3 ein fixiertes von dem Antennen-Array von 2 bereitgestelltes Strahlmuster,
4 eine schematische Ansicht der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung von 2, und
5 die Kanalimpulsantwort für vier Kanäle aus den acht Kanälen.
Zuerst wird auf 1 Bezug genommen, die drei eine Zelle 3 eines zellularen Mobiltelefonnetzes definierende Zellenabschnitte 2 zeigt. Die drei Zellenabschnitte 2 werden durch entsprechende Basis-Sende/-Empfangsstationen (BTS) 4 bedient. Drei separate Basis-Sende-Empfangsstationen 4 sind an dem gleichen Ort vorgesehen. Jede BTS besitzt eine Sende-/Empfangseinrichtung, die Signale zu und von einem entsprechenden der drei Zellenabschnitte 2 sendet und empfängt. Somit ist für jeden Zellenabschnitt 2 eine dedizierte Basis-Sende-/Empfangsstation bereitgestellt. Jede BTS 4 kann daher mit Mobilstationen (MS) wie beispielsweise Mobiltelefonen kommunizieren, die sich in entsprechenden Zellenabschnitten 2 befinden.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel wird im Kontext eines GSM-(Global System for Mobil Communications, globales System für Mobilkommunikation)Netzes, beschrieben. Beim GSM-System wird ein Frequenz-/Zeitvielfachzugriff-F/TDMA-System verwendet. Zwischen dem BTS 4 und der MS werden Daten in Bündeln gesendet. Die Datenbündel umfassen eine Trainingsfolge, die eine bekannte Datenfolge ist. Der Zweck der Trainingsfolge wird nachstehend beschrieben. Jedes Datenbündel wird in einem gegebenen Frequenzband in einem vorbestimmten Zeitschlitz in diesem Frequenzband gesendet. Die Verwendung eines gerichteten Antennen-Arrays ermöglicht auch einen Raumvielfachzugriff zu erreichen. In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird somit jedes Datenbündel in einem gegebenen Frequenzband, in einem gegebenen Zeitschlitz und in einer gegebenen Richtung gesendet. Ein zugeordneter Kanal kann für ein gegebenes, in der gegebenen Frequenz, in dem gegebenen Zeitschlitz, und in der gegebenen Richtung gesendetes Datenbündel definiert werden. Wie nachstehend näher ausgeführt wird, wird bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung das gleiche Datenbündel in dem gleichen Frequenzband, in dem gleichen Zeitschlitz, aber in zwei unterschiedlichen Richtungen gesendet.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Antennen-Arrays 6 einer BTS 4, die als Sende-/Empfangsstation handelt. Es versteht sich, dass das in 2 gezeigte Array 6 nur einen der drei in 1 gezeigten Zellenabschnitte bedient. Zwei weitere Antennen-Arrays 6 werden zum Bedienen der anderen Zellenabschnitte 2 bereitgestellt. Das Antennen-Array 6 besitzt acht Antennen-Elemente a₁ ... a₈. Die Elemente a₁ ... a₈ sind angeordnet, einen Abstand einer halben Wellenlänge zwischen jedem Antennen-Element a₁ ... a₈ aufzuweisen, und sind in einer horizontalen Reihe in gerader Linie angeordnet. Jedes Antennen-Element a₁ ... a₈ ist zum Senden und Empfangen von Signalen eingerichtet und kann jede geeignete Konstruktion haben. Jedes Antennen-Element a₁ ... a₈ kann eine Dipol-Antenne, eine Patch-Antenne oder jede andere geeignete Antenne sein. Die acht Antennen-Elemente a₁ ... a₈ definieren zusammen eine Phased-Array-Antenne 6.
Wie bekannt, wird jedem Antennen-Element a₁ ... a₈ der Phased-Array-Antenne 6 das gleiche zu einer Mobilstation zu sendende Signal zugeführt. Die Phasen der Signale, die den entsprechenden Antennen-Elementen a₁ ... a₈ zugeführt werden, sind jedoch zu einander verschoben. Die Unterschiede in der Phasenbeziehung zwischen den den entsprechenden Antennen-Elementen a₁ ... a₈ zugeführten Signalen führt zu einem gerichteten Abstrahlungsmuster. Somit kann ein Signal von der BTS 4 nur in bestimmte Richtungen in dem mit dem Array 6 verbundenen Zellenabschnitt 2 gesendet werden. Das durch das Array 6 erreichte, gerichtete Strahlungsmuster ist eine Folge konstruktiver und destruktiver Störungen, die zwischen zu einander phasenverschobenen und durch jedes Antennen-Element a₁ ... a₈ gesendeten Signalen entstehen. In dieser Hinsicht wird auf 3 Bezug genommen, die das mit dem Antennen-Array 6 erreichte gerichtete Ausstrahlungsmuster darstellt. Dieses Antennen-Array 6 kann zum Bereitstellen eines Strahls b₁ ... b₈ in einer der in 3 dargestellten acht Richtungen gesteuert werden. Das Antennen-Array 6 kann beispielsweise zum Senden eines Signals zu einer MS nur in der Richtung des Strahls b₅ oder nur in der Richtung des Strahls b₆ gesteuert werden. Wie nachstehend näher ausgeführt wird, kann das Antennen-Array 6 zum Senden eines Signals in mehr als eine Strahlrichtung zur gleichen Zeit gesteuert werden. Ein Signal kann beispielsweise in zwei durch Strahl b₅ und Strahl b₆ definierte Richtungen gesendet werden.
3 ist lediglich eine schematische Darstellung der acht möglichen, mit dem Antennen-Array 6 erreichbaren Strahlrichtungen. In der Praxis wird zwischen benachbarten Strahlen jedoch tatsächlich eine Überlappung vorliegen, um sicherzustellen, dass der gesamte Zellabschnitt 2 durch das Antennen-Array 6 bedient wird.
Die relative Phase des an jedem Antennen-Element a₁ ... a₈ bereitgestellten Signals wird durch eine Butler-Matrix-Schaltung 8 gesteuert, so dass ein Signal in der gewünschten Strahlrichtung oder in den gewünschten Strahlrichtungen gesendet werden kann. Die Butler-Matrix-Schaltung 8 liefert somit eine Phasenverschiebungsfunktion. Die Butler-Matrix-Schaltung 8 besitzt acht Eingänge 10a–h des BTS 4 und acht Ausgänge, einen zu jedem Antennen-Element a₁ ... a₈. Die durch die entsprechenden Eingänge 10a–h empfangenen Signale umfassen die zu sendenden Datenbündel. Jeder der acht Eingänge 10a–h stellt die Strahlrichtung dar, in der ein gegebenes Datenbündel gesendet werden kann. Wenn die Butler-Matrix-Schaltung 8 beispielsweise ein Signal auf dem ersten Eingang 10a empfängt, legt die Butler-Matrix-Schaltung 8 das an Eingang 10a bereitgestellte Signal an jedes der Antennen-Elemente a₁ ... a₈ mit den erforderlichen Phasendifferenzen an, um die Erzeugung eines Strahls b₁ zu verursachen, so dass das Datenbündel in der Richtung des Strahls b₁ gesendet wird. Ein an Eingang 10b bereitgestelltes Signal verursacht in gleicher Weise die Erzeugung eines Strahls in der Richtung von Strahl b₂, und so weiter.
Wie bereits ausgeführt, empfangen die Antennen-Elemente a₁ ... a₈ des Antennen-Arrays 6 Signale von einer MS und senden auch Signale zu einer MS. Ein durch eine MS gesendetes Signal wird im Allgemeinen durch jedes der acht Antennen-Elemente a₁ ... a₈ empfangen. Es wird jedoch einen Phasenunterschied zwischen jedem der durch die entsprechenden Antennen-Elemente a₁ ... a₈ empfangenen Signale geben. Die Butler-Matrix-Schaltung 8 kann deshalb aus den relativen Phasen der von den Antennen-Elementen a₁ ... a₈ empfangenen Signale die Strahlrichtung bestimmen, aus der das Signal empfangen wurde. Die Butler-Matrix-Schaltung 8 hat somit acht Eingänge, einen von jedem der Antennen-Elemente a₁ ... a₈ für das von jedem Antennen-Element empfangene Signal. Die Butler-Matrix-Schaltung 8 besitzt auch acht Ausgänge 14a–h. Jeder der Ausgänge 14a bis 14h entspricht einer bestimmten Strahlrichtung, aus der ein gegebenes Datenbündel empfangen werden kann. Wenn das Antennen-Array 6 beispielsweise ein Signal von einer MS aus der Richtung des Strahls b₁ empfängt, wird die Butler-Matrix-Schaltung 8 das empfangene Signal auf Ausgang 14a ausgeben. Ein empfangenes Signal aus der Richtung des Strahls b₂ wird die Ausgabe des empfangenen Signals der Butler-Matrix-Schaltung 8 auf Ausgang 14b verursachen, und so weiter. Zusammengefasst ist es so, dass die Butler-Matrix-Schaltung 8 auf den Antennen-Elementen a₁ ... a₈ acht Versionen des gleichen Signals empfängt, die zueinander phasenverschoben sind. Aus den relativen Phasenverschiebungen bestimmt die Butler-Matrix-Schaltung 8 die Richtung, aus der das empfangene Signal empfangen wurde, und gibt ein Signal auf einem gegebenen Ausgang 14a–h in Abhängigkeit von der Richtung aus, aus der das Signal empfangen wurde.
Es versteht sich, dass es bei einigen Umgebungen aufgrund einer Reflektion des Signals, während es zwischen der MS und der BTS 4 unterwegs ist, unter der Voraussetzung, dass die Reflektionen eine relative breite Winkelspreizung haben, scheinen kann, ein einzelnes Signal oder Datenbündel von einer MS käme aus mehr als einer Strahlrichtung. Die Butler-Matrix-Schaltung 8 wird ein Signal an jedem Ausgang 14a–h bereitstellen, der den Strahlrichtungen entspricht, aus denen ein gegebenes Signal oder Datenbündel zu kommen scheint. Somit kann das gleiche Datenbündel an mehr als einem Ausgang 14a–h der Butler-Matrix-Schaltung 8 bereitgestellt werden. Die Signale der entsprechenden Ausgänge 14a–h können jedoch zueinander zeitverzögert sein.
Jeder Ausgang 14a–h der Butler-Matrix-Schaltung 8 ist mit dem Eingang eines entsprechenden Verstärkers 16 verbunden, der das empfangene Signal verstärkt. Für jeden Ausgang 14a–h der Butler-Matrix-Schaltung 8 ist ein Verstärker 16 bereitgestellt. Das verstärkte Signal wird dann durch eine entsprechende Signalverarbeitungseinrichtung 18 verarbeitet, die das verstärkte Signal zum Herabsetzen der Frequenz des empfangenen Signals auf die Basisbandfrequenz behandelt, so dass das Signal durch die BTS 4 verarbeitet werden kann. Um das zu erreichen, entfernt die Verarbeitungseinrichtung 18 die Trägerfrequenzkomponente von dem Eingangssignal. Wiederrum ist eine Verarbeitungseinrichtung 18 für jeden Ausgang 14a–h der Butler-Matrix-Schaltung 8 bereitgestellt. Das empfangene, in analoger Form vorliegende Signal wird anschließend durch einen Analog-/Digital-(A/D)-Wandler 20 in ein digitales Signal umgewandelt. Acht A/D-Wandler 20 sind bereitgestellt, einer für jeden Ausgang 14a–h der Butler-Matrix-Schaltung 8. Das digitales Signal wird dann über einen entsprechenden Eingang 19a–h zur weiteren Verarbeitung in eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung 21 eingegeben.
Die digitale Signalverarbeitungseinrichtung 21 umfasst auch acht Ausgänge 22a–h, von denen jeder ein digitales Signal ausgibt, das das zu einer gegebenen MS zu sendende Signal darstellt. Der ausgewählte Ausgang 22a–h stellt die Strahlrichtung dar, in die das Signal zu senden ist. Das digitales Signal wird durch einen Digital-/Analog-(D/A) Wandler 23 in ein analoges Signal gewandelt. Für jeden Ausgang 22a–h der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung 21 ist ein Digital- /Analog-Wandler 23 bereitgestellt. Das analoge Signal wird durch die Verarbeitungseinrichtung 24 verarbeitet, die ein das analoge Signal auf die zu sendende Trägerfrequenz modulierender Modulator ist. Vor der Verarbeitung des Signals durch die Verarbeitungseinrichtung 24 befindet sich das Signal auf der Basisband-Frequenz. Das sich ergebende Signal wird anschließend durch den Verstärker 26 verstärkt und an den entsprechenden Eingang 10a–h der Butler-Matrix-Schaltung 8 weitergegeben. Für jeden Ausgang 22a–h der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung ist eine Verarbeitungseinrichtung 24 und ein Verstärker 26 bereitgestellt.
Nun wird auf 4 Bezug genommen, die die digitale Signalverarbeitungseinrichtung 21 schematisch darstellt. Es versteht sich, dass die verschiedenen, in 4 dargestellten Blöcke nicht unbedingt separaten Elementen einer wirklichen, die vorliegende Erfindung verkörpernden digitalen Signalverarbeitungseinrichtung 21 entsprechen. Die verschiedenen, in 4 dargestellten Blöcke entsprechen insbesondere den verschiedenen durch die digitalen Signalverarbeitungseinrichtung 21 ausgeführten Funktionen. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, ist die digitale Signalverarbeitungseinrichtung 21 zumindest teilweise als integrierter Schaltkreis implementiert und mehrere Funktionen können durch das gleiche Element ausgeführt werden.
Jedes durch die digitale Signalverarbeitungseinrichtung 21 an den entsprechenden Eingängen 19a–h empfangene Signal wird an einen entsprechenden Kanalimpulsantwort-(CIR)-Schätzfunktionsblock 30 eingegeben. Der CIR- Schätzfunktionsblock 30 enthält eine Speicherkapazität, in der die geschätzte Kanalimpulsantwort gespeichert ist. Der CIR-Schätzfunktionsblock hat auch eine Speicherkapazität zum vorübergehenden Speichern des empfangenen Signals. Der Kanalimpulsantwort-Schätzfunktionsblock 30 ist zum Schätzen der Kanalimpulsantwort des Kanals des entsprechenden Eingangs 19a–h eingerichtet. Wie bereits ausgeführt, kann für ein gegebenes, in dem ausgewählten Frequenzband, dem zugeteilten Zeitschlitz und in der Strahlrichtung, aus der das Signal empfangen wird, gesendetes Datenbündel ein zugeordneter Kanal definiert werden. Die Strahlrichtung, aus der das Signal empfangen wird, wird durch die Butler-Matrix-Schaltung 8 ermittelt, so dass ein an Eingang 19a der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung empfangenes Signal hauptsächlich das aus der Richtung von Strahl b₁ und so weiter empfangene Signal darstellt. Es versteht sich, dass das an dem gegebenen Eingang empfangene Signal auch die Seitenkeulen des Signals enthalten kann, die beispielsweise an benachbarten Eingängen empfangen wurden.
Jedes von einer Mobilstation MS an die BTS 4 gesendete Datenbündel enthält eine Trainingfolge TS. Die durch die BTS 4 empfangene Trainingsfolge TS_RX wird jedoch aufgrund von Rauschen und auch aufgrund von Mehrwegeeffekten beeinflusst, was zu Störungen zwischen benachbarten Bits der Trainingsfolge führt. Diese letztere Störung ist als Intersymbolinterferenz bekannt. TS_RX wird auch durch Interferenzen von anderen Mobilstationen beeinflusst, beispielsweise durch sich in anderen Zellen oder Zellabschnitten befindende, die gleiche Frequenz verwendende Mobilstationen, die eine Gleichkanalinterferenz verursachen. Es versteht sich, dass ein gegebenes Signal von der MS mehr als einem Weg zum Erreichen der BTS folgen kann, und dass mehr als eine Version des gegebenen Signals von dem Antennen-Array 6 aus einer gegebenen Richtung erfasst werden kann. Die von Eingang 19a empfangene Trainingsfolge TS_RX wird durch den CIR-Schätzfunktionsblock 30 mit einer im Datenspeicher 32 gespeicherten Referenz-Trainingsfolge kreuzkorreliert. Die Referenz-Trainingsfolge TS_REF ist die anfangs durch die Mobilstation übertragene Trainingsfolge. In der Praxis ist die empfangene Trainingsfolge TS_RX ein auf eine Trägerfrequenz moduliertes Signal, während die Referenz-Trainingsfolge TS_REF als Bit-Folge in dem Datenspeicher 32 gespeichert ist. Dementsprechend wird die gespeicherte Trainingsfolge ähnlich moduliert, bevor die Kreuz-Korrelation ausgeführt wird. Anders gesagt, die verzerrte, durch die BTS 4 empfangene Trainingsfolge wird mit der unverzerrten Version der Trainingsfolge korreliert. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die empfangene Trainingsfolge vor ihrer Korrelation mit der Referenz-Trainingsfolge demoduliert. In diesem Fall hat die Referenz-Trainingsfolge wieder die gleiche Form wie die empfangene Trainingsfolge. Anders gesagt, die Referenz-Trainingsfolge ist nicht moduliert.
Die Referenz-Trainingsfolge TS_REF und die empfangene Trainingsfolge TS_RX haben jeweils eine Länge L entsprechend L Bits an Daten, und das können beispielsweise 26 Bit sein. Der genaue Ort der empfangenen Trainingsfolge TS_RX innerhalb des zugeteilten Zeitschlitzes kann unbestimmt sein. Aus dem Grund, weil der Abstand der Mobilstation MS von der BTS 4 die Position des von der MS in dem zugeteilten Zeitschlitz gesendeten Datenbündels beeinflusst. Wenn eine Mobilstation MS beispielsweise relativ weit von der BTS 4 entfernt ist, kann die Trainingsfolge später in dem zugeteilten Zeitschlitz auftreten als vergleichsweise in der Situation, wenn die Mobilstation MS nahe an der BTS4 ist.
Zur Berücksichtigung der Unsicherheit der Position der empfangenen Trainingsfolge TS_RX innerhalb des zugeteilten Zeitschlitzes wird die empfangene Trainingsfolge TS_RX n-mal mit der Referenz-Trainingsfolge TS_REF korreliert. n ist typischerweise 7 oder 9. n soll vorzugsweise eine ungerade Zahl sein. Die n Korrelationen werden normalerweise auf beiden Seiten der maximal erhaltenen Korrelation liegen. Die relative Position der empfangenen Trainingsfolge TS_RX hinsichtlich der Referenz-Trainingsfolge TS_REF wird zwischen jeder aufeinanderfolgenden Korrelation um eine Position verschoben. Jede Position ist einem Bit in der Trainingsfolge äquivalent und stellt ein Verzögerungs-Segment dar. Jede einzelne Korrelation der empfangenen Trainingsfolge TS_RX mit der Referenz-Trainingsfolge TS_REF führt zu einer Anzapfung (tap), die für die Kanalimpulsantwort für diese Korrelation repräsentativ ist. Die n separaten Korrelationen führen zu einer Anzapfungsfolge mit n Werten.
Nun wird auf 5 Bezug genommen, die die Kanalimpulsantwort für vier der acht möglichen den acht räumlichen Richtungen entsprechenden Kanälen zeigt. Anders gesagt, 5 zeigt die Kanalimpulsantwort für vier Kanäle, die einem gegebenen in vier der acht Strahlrichtungen von der Mobilstation empfangenen Datenbündel entspricht, wobei das Datenbündel in einem gegebenen Frequenzband und in einem gegebenen Zeitschlitz liegt. Die x-Achse aller Graphen ist ein Maß für die Zeitverzögerung, während die y-Achse ein Maß für die relative Leistung ist. Jede der auf dem Graph markierten Linien (oder Anzapfungen) stellt das entsprechend einer gegebenen Korrelationsverzögerung empfangene Mehrwegesignal dar. Jeder Graph weist n Linien oder Anzapfungen auf, wobei eine Anzapfung je einer Korrelation entspricht.
Aus der geschätzten Kanalimpulsantwort kann der Ort der Trainingsfolge innerhalb des zugeteilten Zeitschlitzes bestimmt werden. Die größten Anzapfungswerte werden erhalten, wenn die beste Korrelation zwischen der empfangenen Trainingsfolge TS_RX und der Referenz-Trainingsfolge TS_REF erreicht wird.
Der CIR-Schätzfunktionsblock 30 bestimmt für jeden Kanal auch die fünf (oder irgendeine andere geeignete Anzahl) aufeinanderfolgenden Anzapfungen, die die maximale Energie liefern. Die maximale Energie für einen gegebenen Kanal wird wie folgt berechnet:
wobei h eine sich aus einer Kreuzkorrelation der Referenz-Trainingsfolge TS_REF mit der empfangenen Trainingsfolge TS_RX ergebende Anzapfungsamplitude darstellt. Der CIR-Schätzfunktionsblock 30 schätzt die maximale Energie für einen gegebenen Kanal unter Verwendung eines gleitenden Fensterverfahrens. Anders gesagt, der CIR-Schätzfunktionsblock 30 berücksichtigt jeden Satz von fünf benachbarten Werten und berechnet aus diesen fünf Werten die Energie. Die fünf benachbarten, die maximale Energie liefernde Werte werden als Repräsentanten für die Impulsantwort dieses Kanals ausgewählt.
Die Energie kann als Maß für die Stärke des gewünschten, durch die BTS 4 aus einer gegebenen Richtung empfangenen Signals von einer gegebenen MS betrachtet werden. Dieser Prozess wird für jeden der acht die acht unterschiedlichen Richtungen darstellenden Kanäle ausgeführt, aus denen das gleiche Datenbündel empfangen werden kann. Das mit der maximalen Energie empfangene Signal ist einem die minimale Dämpfung dieses Signals bereitstellenden Weg gefolgt.
Ein Analyseblock 34 ist bereitgestellt, der die maximale Energie speichert, die durch den CIR-Schätzfunktionsblock 30 für den entsprechenden Kanal für fünf benachbarte, durch den CIR-Schätzfunktionsblock 30 aus der Kanalimpulsantwort als repräsentativ ausgewählte Werte berechnet wird. Der Analyseblock 34 kann auch die von dem CIR-Schätzfunktionsblock 30 bestimmten Kanalimpulsantworten zur Ermittlung der minimalen Verzögerung analysieren. Die Verzögerung ist ein Maß für die Position der empfangenen Trainingsfolge TS_RX in dem zugeteilten Zeitschlitz und damit ein relatives Maß für die von einem Signal zwischen der Mobilstation und der BTS 4 zurückgelegte Strecke. Der Kanal mit der minimalen Verzögerung weist das Signal auf, das den kürzesten Abstand zurückgelegt hat. Diese kürzeste Strecke kann in bestimmen Fällen die Linie des Sichtwegs zwischen der Mobilstation und der BTS 4 darstellen.
Der Analyseblock 34 ist zum Bestimmen der Position des Anfangs des Fensters durch das Bestimmen der die maximale Energie liefernden fünf Werte eingerichtet. Anschließend wird die Zeitverzögerung auf der Grundlage der Zeit zwischen einem Referenzpunkt und dem Anfang des Fensters bestimmt. Dieser Referenzpunkt kann die gemeinsame Zeit sein, bei der die Korrelierung aller empfangenen Trainingsfolgen in jedem Zweig beginnt, wobei die Zeit der frühesten Fensterkante aller Zweige oder einem ähnlichen gemeinsamen Punkt entspricht. Zum genauen Vergleichen der vielfältigen Verzögerungen der unterschiedlichen Kanäle wird ein gemeinsamer, auf das durch die BTS 4 bereitgestellte Synchronisationssignal gestützter Zeitmaßstab zur Steuerung des TDMA-Betriebsmodus übernommen. Anders gesagt, die Position der empfangenen Trainingsfolge TS_RX in dem zugeteilten Zeitschlitz ist ein Maß für die Zeitverzögerung. Es versteht sich, dass in bekannten GSM-Systemen die Verzögerung für einen gegebenen Kanal zum Bereitstellen von Zeitfortschrittinformationen berechnet wird. Zeitfortschrittinformationen werden zum Sicherstellen verwendet, dass ein durch die Mobilstation an die BTS gesendetes Signal in seinen zugeteilten Zeitschlitz fällt. Die Zeitfortschrittinformationen können auf der berechneten relativen Verzögerung und den gegenwärtigen Zeitfortschrittinformationen beruhend bestimmt werden. Wenn die Mobilstation MS weit von der Basisstation entfernt ist, wird die MS durch die BTS angewiesen, ihr Datenbündel früher zu senden, als wenn die Mobilstation MS nahe an der BTS ist.
Die Ergebnisse der durch die Analyseblöcke 34 ausgeführten Analyse werden in einen Vergleichsblock 36 eingegeben. Der Vergleichsblock 36 vergleicht die maximale für jeden Kanal bestimmte Energie und kann auch die bestimmte Verzögerung für jeden Kanal vergleichen. Der Vergleichsblock 36 ermittelt, welcher Kanal für ein gegebenes Datenbündel in einem gegebenen Frequenzband in einem gegebenen Zeitschlitz die maximale Energie aufweist. Das bedeutet, dass die Strahlrichtung ermittelt werden kann, aus der die stärkste Version eines gegebenen Datenbündels empfangen wird. Diese Richtung ist die Hauptstrahlrichtung, die von der BTS zum Senden eines Signals an die MS verwendet wird. Der Vergleichsblock 36 kann auch ermitteln, welcher der Kanäle eine minimale Verzögerung aufweist. Anders gesagt, auch der Kanal mit dem Datenbündel, das dem kürzesten Weg gefolgt ist, kann ermittelt werden. Diese Strahlrichtung kann alternativ als die bestimmte Hauptstrahlrichtung durch den Vergleichsblock 36 ausgewählt werden.
Der Vergleichsblock 36 wählt also die Strahlrichtung aus, aus der die stärkste Version eines gegebenen Datenbündels von der Mobilstation empfangen wird, wobei dies der Hauptstrahl ist. Der Vergleichsblock wählt anschließend die beiden Strahlen auf den Seiten des Hauptstrahls aus, wobei diese zwei weiteren Strahlen die Hilfsstrahlen sind. Wenn beispielsweise der Strahl b₄ als Hauptstrahl ausgewählt wird, sind die Strahlen b₃ und b₅ die beiden Hilfsstrahlen.
Der Vergleichsblock 36 bestimmt auch den Leistungspegel für den Hauptstrahl. Der Leistungspegel des Hauptstrahls kann auf viele unterschiedliche Arten ausgewählt werden. Ist die Verzögerung beispielsweise relativ klein, wird eine relativ geringe Leistung ausgewählt, wohingegen wenn die Verzögerung relativ groß ist, eine relativ große Leistung ausgewählt werden kann. Das Bestimmen des Leistungspegels des Hauptstrahls kann auch die aktuellen, zum Senden eines Signals an die BTS verwendeten Zeitfortschrittsinformationen berücksichtigen. Alternativ kann die aus der Kanalimpulsantwort für das aus der Hauptstrahlrichtung empfangene Signal bestimmte Energie zum Bestimmen des Leistungspegels für das Signal in der Hauptstrahlrichtung verwendet werden. Das sind Verfahren mit offenem Regelkreis. Es können jedoch auch andere geeignete Verfahren zum Bestimmen des Leistungspegels des Hauptstrahls verwendet werden. Der Leistungspegel für das Signal in der Hauptstrahlrichtung kann beispielsweise auf einem von der BTS für die entsprechende MS empfangen Leistungsmessungsbericht beruhend bestimmt werden. Das ist ein Verfahren mit geschlossenem Regelkreis.
Der Vergleichsblock 36 berechnet auch den für die Hilfsstrahlen zum Senden eines Signals an die MS zu verwendenden Leistungspegel. Wenn der Hauptstrahl der Strahl i ist, hat dieser i-te Strahl eine wie vorstehend dargestellte ausgewählte Leistung P_i. Die Hilfsstrahlen sind der i + 1-te und der i – 1-te Strahl, d. h. die zwei Strahlen auf den beiden Seiten des Hauptstrahles. Die Leistung des Strahls i – 1 ist als P_i/a definiert, wohingegen die Leistung des Strahls i – 1 als P_i/b definiert ist, wobei sowohl a als auch b größer oder gleich 1 sind.
Es gibt viele unterschiedliche Arten, auf die die Werte von a und b ausgewählt werden können. Bei einem Ausführungsbeispiel ist a proportional zu E₁/E_i–1, wobei E_i die aus der Kanalimpulsantwort für das von der MS in der Strahlrichtung i empfangene Signal berechnete Energie ist, während E_i–1 die aus der Kanalimpulsantwort für das von der Mobilstation in dem Strahl i – 1 empfangene Signal berechnete Energie ist. Ebenso ist b proportional zu E₁/E_i+1 wobei E_i+1 die aus der Kanalimpulsantwort für das von der Mobilstation in der Strahlrichtung i + 1 empfangene Signal berechnete Energie ist.
Es versteht sich, dass der Wert von E für jeden Strahl wie vorstehend beschrieben berechnet werden kann.
Wenn E_i–1 und E_i+1 sehr viel kleiner als E_i sind, wird nur in der Richtung des Hauptstrahls ein Signal durch die BTS 4 an die Mobilstation MS gesendet. Wenn E_i+1 und E_i–1 gleich E_i sind, haben der Hauptstrahl und die beiden Hilfsstrahlen die gleiche Leistung. In den meisten Fällen ist die Leistung des Hauptstrahls jedoch größer als die der Hilfsstrahlen.
Der Vergleichsblock stellt deshalb einen Ausgang zu einem Generatorblock 38 bereit, der anzeigt, welche Strahlen zum Senden von Signalen von der BTS 4 an die MS zu verwenden sind und der auch die angemessenen bei jedem der Strahlen zu verwendenden Leistungspegel anzeigt. Die Leistungspegel können absolute Leistungspegel sein oder nur Informationen über die relativen Leistungspegel für das Signal in den Haupt- und den Hilfsstrahlrichtungen bereitstellen.
Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann der Hauptstrahl der erste oder der achte Strahl sein, d. h. b₁ oder b₈. Unter diesen Umständen wird nur ein einziger Hilfsstrahl bereitgestellt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden a und b auf der Grundlage der berechneten Energie für ein einzelnes von der MS in der gegebenen Strahlrichtung empfangenes Datenbündel berechnet. Alternativ können a und b auf der Grundlage der berechneten Durchschnittsenergie für N vorhergehende Bündel berechnet werden, wobei N jede geeignete Zahl sein kann. N kann beispielsweise fünf sein. Für den Strahl i – 1, wird die Energie für jedes der fünf vorhergehenden in der Strahlrichtung i – 1 empfangenen Datenbündel aus der entsprechenden Kanalimpulsantwort berechnet. Daraufhin wird ein Durchschnittsenergiewert berechnet, der zum Bestimmen von a verwendet wird. Auf die gleich Weise kann b auf der Grundlage der N vorhergehenden aus der Strahlrichtung i + 1 empfangenen Bündel berechnet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Leistung des Hauptstrahls i Bündel für Bündel aktualisiert werden. Anders gesagt, die Leistung in dem Hauptstrahl wird auf der Grundlage des vorhergehenden, von der Mobilstation in der Richtung des Hauptstrahls empfangenen Signals bestimmt. Die Leistung des Hauptstrahls kann daher bei jedem Bündel für den Versuch aktualisiert werden, den den Weg zwischen der BTS und der MS beeinflussenden Änderungen schnell zu folgen. Die Hilfsstrahlleistung kann jedoch unter Verwendung von über N vorhergehende Bündel empfangene Informationen gesteuert werden. Die Hilfsstrahlen können dadurch versuchen, den durch die Mobilstation empfangenen Signalpegel zu erhöhen und fungieren als langsam auf Veränderungen in den Wegen zwischen der BTS und der MS antwortender Diversity-Pfad.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, weisen a und b vorbestimmte feste Werte auf, die die Leistungspegel der Hilfsstrahlen bei einem bestimmten Prozentsatz des Leistungspegels des Hauptstrahls festlegen.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel ist insbesondere für die Situationen geeignet, bei denen die Mobilstation relativ weit von der BTS entfernt ist, d. h. weiter als einen kritischen Abstand. Dieser kritische Radius ist von der Umgebung der jeweiligen individuellen Zelle abhängig und typischerweise etwa 0,5 bis 1 km. Wenn der Abstand zwischen der BTS und der MS größer als der kritische Abstand ist, wird der Grossteil der von der MS empfangenen Energie unter relativ wenigen Strahlrichtungen verteilt. Die Energie wird insbesondere hauptsächlich in einem oder zwei Strahlen oder möglicherweise drei Strahlrichtungen konzentriert. Wenn der Abstand zwischen der Mobilstation und der BTS jedoch kleiner als der kritische Abstand ist, wird die empfangene gewünschte Energie im Allgemeinen unter einer viel größeren Anzahl an Strahlen verteilt auftreten. Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung kann dementsprechend die Verwendung der Haupt- und Hilfsstrahlen nur in den Situationen verwendet werden, bei denen der Abstand zwischen der MS und der BTS 4 größer als der kritische Abstand ist. Wenn der Abstand zwischen der MS und der BTS geringer als der kritische Abstand ist, sendet die BTS 4 Signale über eine relativ große Anzahl an Strahlrichtungen, beispielsweise 4 oder mehr, an die MS. Der beim Senden mit einer relativ breiten Winkelspreizung verwendete Leistungspegel ist im Allgemeinen geringer als die für den Hauptstrahl verwendete Leistung, wenn der Abstand zwischen der MS und der BTS 4 größer als der kritische Abstand ist.
Jedes geeignete Verfahren kann zum Bestimmen verwendet werden, ob der Abstand zwischen der MS und der BTS größer als der kritische Abstand ist oder nicht. Bei einem Ausführungsbeispiel vergleicht der Vergleichsblock 36 die für jede der möglichen Richtungen erhaltenen Kanalimpulsantworten. Wenn sich die empfangene Energie hauptsächlich auf drei oder weniger Strahlrichtungen verteilt, wird angenommen, dass der Abstand zwischen der BTS und der MS größer als der kritische Abstand ist. Alternativ wird, wenn die empfangene Energie hauptsächlich aus 4 oder mehr Strahlrichtungen empfangen wird, angenommen, dass die Entfernung zwischen der MS und der BTS geringer als der kritische Abstand S ist.
Der Vergleichsblock kann auch die Zeitfortschrittsinformationen zum Bestimmen verwenden, ob der Abstand zwischen der MS und der BTS größer oder kleiner als der kritische Abstand ist oder nicht. Dieses Verfahren wird bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung bevorzugt, da es genauere Ergebnisse als das vorstehend skizzierte Verfahren liefert.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet einen einzelnen analogen Strahlformer in der Form einer Butler-Matrix. In einer Abwandlung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels können jedoch zwei Strahlformer verwendet werden, beispielsweise eine Butler-Matrix und ihre räumlich komplementäre Matrix. Zwei Strahlformer sind komplementär, wenn sie räumlich verschachtelte Strahlen erzeugen, die näherungsweise die gleiche räumliche Region abdecken. Der Hauptstrahl kann dann durch einen Strahlformer erzeugt werden, während die Hilfsstrahlen durch den komplementären Strahlformer erzeugt werden. Somit würden die Hilfsstrahlen den Hauptstrahl im wesentlichen überlappen. Der Umfang der Überlappung ist daher viel größer, als der durch zwei benachbarte durch einen einzelnen Strahlformer erzeugte Strahlen erreichte.
Es versteht sich, dass bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung die drei Strahlen alle unterschiedliche Leistungspegel aufweisen können. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann jedoch die Leistung der zwei Hilfsstrahlen ausgewählt sein, stets den gleichen Wert zu haben.
Der Generatorblock 38 ist für das Erzeugen der von der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung 21 auszugebenden Signale verantwortlich. Der Generatorblock 38 hat einen die zu der Mobilstation MS zu sendende Sprache und/oder Informationen darstellenden Eingang 40. Der Generatorblock 38 ist für das Codieren der zu der Mobilstation MS zu sendenden Sprache oder Informationen verantwortlich und umfasst eine Trainingsfolge und eine Synchronisationsfolge innerhalb des Signals. Block 38 ist auch für die Erzeugung der modulierenden Signale verantwortlich. Auf der Grundlage des erzeugten Signals und der bestimmten Strahlrichtung stellt der Generatorblock 38 Signale an den entsprechenden Ausgängen 22a–h der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung 21 bereit. Der Generatorblock 38 stellt auch einen Ausgang 50 bereit, der zum Steuern der durch den Verstärker 24 gelieferten Verstärkung verwendet wird, um sicherzustellen, dass die Signale in den Haupt- und Hilfsstrahlrichtungen die erforderlichen Leistungspegel aufweisen.
Der Ausgang des Kanalimpulsantwortblocks 30 wird auch zum Entzerren und Anpassen der von der Mobilstation MS empfangenen Signale verwendet. Die Effekte der aus Mehrwegeausbreitung resultierenden Symbolinterferenz des empfangenen Signals können insbesondere durch das angepasste Filter (MF) und einen Entzerreinrichtungsblock 42 beseitigt oder vermindert werden. Es versteht sich, dass das angepasste Filter (MF) und der Entzerreinrichtungsblock einen (nicht gezeigten) Eingang zum Empfangen des von der Mobilstation empfangene Signals aufweist. Die Ausgabe jedes Blocks 42 wird durch einen Wiederherstellungsblock 44 empfangen, der für das Wiederherstellen der von der MS gesendeten Sprache und/oder Informationen verantwortlich ist. Die von dem Wiederherstellungsblock ausgeführten Schritte enthalten ein Demodulieren und Decodieren des Signals. Die wiederhergestellte Sprache oder Informationen werden an einem Ausgang 46 ausgegeben.
Es versteht sich, dass während das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel in einem zellularen GSM-Übertragungsnetz implementiert wurde, die Erfindung auch in anderen digitalen zellularen Übertragungsnetzen sowie analogen zellularen Netzen verwendet werden kann. Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet ein Phased-Array mit acht Elementen. Das Array kann natürlich jede beliebige Anzahl an Elementen aufweisen. Das Phased-Array kann alternativ durch diskrete gerichtete Antennen ersetzt werden, wobei jede dieser einen Strahl in eine gegebene Richtung ausstrahlt. Die Butler-Matrix-Schaltung kann durch jede andere geeignete phasenverschiebende Schaltung ersetzt werden, wo eine derartige Schaltung erforderlich ist. Die Butler-Matrix-Schaltung ist ein analoger Strahlformer. Natürlich kann ein digitaler Strahlformer (Digtial Beam Former, DBF) oder eine andere geeignete Art eines analogen Strahlformers verwendet werden. Das Array kann in Abhängigkeit von den an diesen Elementen zugeführten Signalen zum Erzeugen von mehr als acht Strahlen verwendet werden, selbst wenn nur acht Elemente bereitgestellt sind.
Es können auch eine Vielzahl an Phased-Arrays bereitgestellt sein. Die Phased-Arrays können eine unterschiedliche Anzahl an Strahlen bereitstellen. Wenn ein weite Winkelspreizung erforderlich ist, wird ein Array mit einer klieneren Anzahl an Elementen verwendet, und wenn ein relativ schmaler Strahl erforderlich ist, wird ein Array mit einer größeren Anzahl an Elementen verwendet.
Das vorstehende Ausführungsbeispiel ist mit acht Ausgängen der Butler-Matrix-Schaltung beschrieben. Es versteht sich, dass in der Praxis eine Anzahl unterschiedlicher Kanäle auf jedem Ausgang der Butler-Matrix-Schaltung gleichzeitig ausgegeben werden. Diese Kanäle können unterschiedliche Frequenzbänder sein. Die Kanäle für unterschiedliche Zeitschlitze werden auch an entsprechenden Ausgängen bereitgestellt. Während individuelle Verstärker, Verarbeitungseinrichtungen, Analog/Digital-Wandler und Digital/Analog-Wandler gezeigt wurden, können diese in der Praxis je auf einem einzelnen Element mit einer Vielzahl von Eingängen und Ausgängen bereitgestellt sein.
Es versteht sich, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auch andere Anwendungen als die in zellularen Übertragungsnetzen aufweisen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können beispielsweise bei jeder eine gerichtete Funkübertragung erfordernden Umgebung verwendet werden. Dieses Verfahren kann beispielsweise in PRN (Private Radio Networks, bzw. privaten Funknetzen) oder dergleichen verwendet werden.

Claims

Verfahren zur gerichteten Funkübertragung zwischen einer ersten Station (BTS) und einer zweiten Station (MS), mit den Schritten Empfangen (6) eines von der zweiten Station übertragenen ersten Signals an der ersten Station, wobei das erste Signal aus einer Mehrzahl an unterschiedlichen Richtungen empfangbar ist; Bestimmen (36) einer Hauptstrahlrichtung, aus der das erste Signal durch die erste Station empfangen wird; Definieren einer Mehrzahl an Strahlrichtungen (b₂ ... b₈) zum Senden eines Ausstrahlungsstrahls an der ersten Station, wobei jede der Strahlrichtungen auswählbar ist, gekennzeichnet durch den Schritt Auswählen (21) der bestimmten Hauptstrahlrichtung und wenigstens einer anderen Hilfstrahlrichtung an der ersten Station, wobei die wenigstens eine Hilfsstrahlrichtung benachbart ist zu der bestimmten Hauptstrahlrichtung, und Senden eines zweiten Signals von der ersten Station zu der zweiten Station in den gewählten Strahlrichtungen, wobei die Sendeleistung in jeder der Strahlrichtungen individuell bestimmbar ist, und wobei die Stärke des zweiten Signals, das in der wenigstens einen Hilfsrichtung gesendet wird, kleiner oder gleich der Stärke des zweiten Signals ist, das in der bestimmten Hauptstrahlrichtung gesendet wird, und wobei das Verhältnis der Stärke des zweiten Signals, das in der wenigstens einen Hilfsrichtung gesendet wird, zu der Stärke des zweiten Signals, das in der bestimmten Hauptstrahlrichtung gesendet wird, proportional ist zu dem Verhältnis der Stärke des ersten Signals, das durch die erste Station aus der wenigstens einen Hilfsrichtung empfangen wird, zu der Stärke des ersten Signals, das durch die erste Station in der bestimmten Hauptrichtung empfangen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Verhältnisse im wesentlichen gleich sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des Signals, das in der wenigstens einen Hilfsstrahlrichtung gesendet wird, in Abhängigkeit von einem Parameter des ersten Signals bestimmt wird, das in der wenigstens einen Hilfsrichtung empfangen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Hilfsrichtung die Strahlrichtungen auf jeder Seite der bestimmten Hauptrichtung umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung, aus der die stärkste Version des ersten Signals empfangen wird, als Hauptrichtung bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung, aus der eine Version eines ersten Signals zuerst empfangen wird, als Hauptrichtung bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Stärke des ersten Signals, das in der wenigstens einen anderen Hilfsrichtung empfangen wird, sehr viel kleiner ist als die Stärke des ersten Signals, das in der bestimmten Hauptrichtung empfangen wird, dann das zweite Signal, das von der ersten Station zu der zweiten Station gesendet wird, nur in der bestimmten Hauptrichtung gesendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Stärke des ersten Signals, das in der Hauptrichtung und in der wenigstens einen Hilfsrichtung empfangen wird, im wesentlichen gleich sind, dann die erste Station eingerichtet ist, das zweite Signal in der bestimmten Hauptrichtung und in wenigstens einer anderen Hilfsrichtung mit der im wesentlichen gleichen Signalstärke zu senden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des zweiten Signals, das durch die erste Station in wenigstens einer der bestimmten Hauptrichtungen und der wenigstens einen Hilfsrichtung gesendet wird, abhängig von der Stärke des ersten Signals ist, das durch die erste Station in der entsprechenden Richtung empfangen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des zweiten Signals in wenigstens einer der bestimmten Hauptrichtungen und wenigstens einer der bestimmten Hilfsrichtung von der mittleren Stärke einer Mehrzahl an vorhergehenden Signalen abhängig ist, die durch die erste Station von der zweiten Station in der entsprechenden Richtung empfangen werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt Bestimmen, ob die Distanz zwischen der zweiten Station und der ersten Station unter einem vorbestimmten Wert liegt, wobei wenn das der Fall ist, das zweite Signal, das von der ersten Station zu der zweiten Station (MS) gesendet wird, mit relativ breiter Winkelspreizung gesendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Station eine Basis-Sende-Empfänger-Station in einem zellularen Netzsystem ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Station eine Mobilstation ist.
Erste Station (BTS) zur gerichteten Funkübertragung mit einer zweiten Mobilstation (MS), wobei die erste Station aufweist: eine Empfangseinrichtung (6) zum Empfangen eines ersten Signals, das durch die zweite Station gesendet wird, wobei das erste Signal von einer Mehrzahl an unterschiedliche Richtungen (b₁ ... b₈) empfangbar ist; eine Bestimmungseinrichtung (36) zum Bestimmen der Hauptrichtung, aus der das erste Signal empfangen wird; eine Sendeeinrichtung (6) zum Senden eines zweiten Signals von der ersten Station zu der zweiten Station, wobei die Sendeeinrichtung eingerichtet ist, einen Ausstrahlungsstrahl in einer Mehrzahl an Strahlrichtungen (b₁ ... b₈) zu senden, wobei jede der Strahlrichtungen auswählbar ist, wobei die erste Station dadurch gekennzeichnet ist, dass sie weiter aufweist: eine Steuereinrichtung (21) zum Steuern der Sendeeinrichtung, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, die Sendeeinrichtung zu steuern, um das zweite Signal zu der zweiten Station in der bestimmten Hauptstrahlrichtung zu senden, wobei die wenigstens eine Hilfsrichtung zu der bestimmten Hauptrichtung benachbart ist, wobei die Sende leistung in jeder der Strahlrichtungen individuell bestimmbar ist und wobei die Stärke des zweiten Signals, das in der wenigstens einen Hilfsrichtung gesendet wird, zu der Stärke des zweiten Signals, das in der bestimmten Hauptrichtung gesendet wird, proportional ist zu dem Verhältnis der Stärke des ersten Signals, das durch die erste Station aus der wenigstens einen Hilfsrichtung empfangen wird, zu der Stärke des ersten Signals, das durch die erste Station in der bestimmten Hauptrichtung empfangen wird.
Erste Station gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung und die Sendeeinrichtung ein Antennen-Array aufweisen, das eingerichtet ist, eine Mehrzahl an Signalstrahlen in einer Mehrzahl an unterschiedlichen Richtungen zu liefern.
Erste Station gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, die Stärke des zweiten Signals in der Hilfsrichtung in Abhängigkeit von einem Parameter des ersten Signals auszuwählen, das in der wenigstens einen Hilfsrichtung empfangen wird.