DE69833130T2

DE69833130T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Empfang von Funksignalen

Info

Publication number: DE69833130T2
Application number: DE69833130T
Authority: DE
Inventors: Sara Mazur; Bo Hagerman; Ulf Forss N; Sören ANDERSSON; Fredrik OVESJÖ
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2018-10-31
Also published as: DE69833130D1; SE9704282L; JP2001524773A; CN1150688C; US6650910B1; EP1032983A1; SE9704282D0; WO1999027659A1; TW407384B; AU1181899A; CN1279845A; BR9814233A; EP1032983B1; KR20010032335A; AU748180B2; SE513656C2; CA2311338A1; JP4280414B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Funksysteme und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Empfangen von Funksignalen mit Hilfe von Antennenstrahlen.
BESCHREIBUNG DER HINTERGRUND-TECHNOLOGIE
Die Qualität eines empfangenen Funksignals wird durch viele natürliche Phänomene beeinträchtigt.
Eines dieser Phänomene ist eine Zeitdispersion, die dadurch verursacht wird, dass ein Signal auf seinem Weg von einem Sender durch Hindernisse an unterschiedlichen Stellen in dem Ausbreitungsweg reflektiert wird, bevor es den Empfänger erreicht. Das Signal wird an dem Empfänger zu unterschiedlichen Zeitverzögerungen ankommen, als Folge der unterschiedlichen Ausbreitungspfade, entlang derer sich die Signale bewegen. Mit der Einführung von digitalen codierten Daten in Funksystemen können die zeitlich verteilten (dispergierten) Signale erfolgreich wieder hergestellt werden. Für Durchschnittsfachleute in diesem technischen Gebiet ist es altbekannt einen RAKE-Empfänger oder einen Equalizer zu verwenden, um ein zeitlich verteiltes Signal wieder herzustellen.
Ein anderes Phänomen, welches als schneller Schwund (fast fading) oder Raleigh Schwund bekannt ist, wird dadurch verursacht, dass das Signal auf seinem Weg von dem Sender zu dem Empfänger durch Objekte in einer nahen Entfernung zu dem Sender oder Empfänger gestreut wird. Somit werden unterschiedliche Signalversionen, die in der Phase zueinander geringfügig verschoben sind, empfangen. In Gebieten, wo die Phasendifferenzen ungünstig sind, ist die Summe der empfangenen Versionen des Signals sehr gering, sogar nahe zu Null. Dies führt zu einem Schwundsenken, in denen das empfangene Signal im Grunde genommen verschwindet. Schwundsenken treten häufig mit einem Abstand in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge auf. Für das 900 Megahertz Funkband kann der Abstand zwischen zwei Schwundsenken in der Größenordnung von 15–20cm sein. Für den Fall eines sich bewegenden Senders oder Empfängers hängt die Zeit, die zwischen zwei sukzessiven Schwundsenken als Folge eines schnellen Schwunds abläuft, von sowohl der Trägerfrequenz des Signals als auch der Geschwindigkeit der Senders in Bezug auf den Empfänger ab.
Ein alt bekanntes Verfahren zur Bekämpfung von Schwund besteht darin die Funkempfangsstation mit einem Antennen-Diversitysystem zu versehen. Das System umfasst zwei oder mehr Empfangsantennen, die entweder räumlich oder durch orthogonale Polarisationsrichtungen oder durch eine Kombination davon getrennt sind. Als Folge davon ist der Schwund der Signale, die von jeder Antenne empfangen werden, weniger korreliert, so dass die Möglichkeit, dass beide Antennen einer Schwundsenke zur gleichen Zeit ausgesetzt sind, abnimmt. Um einen Funkempfang von beiden Signalen, die durch die Antennen-Diversityanordnung empfangen werden, zu ermöglichen, ist der Funkempfänger mit getrennten Empfängerzweigen für jede Empfangsantenne versehen.
Ein drittes Phänomen, welches die Funkübertragung beeinträchtigt, ist das von Störungen bzw. Interferenzen. Ein störendes Signal kann als irgendein ungewolltes Signal charakterisiert werden, welches auf dem gleichen Kanal wie das gewünschte Signal empfangen wird. Für militärische Funksysteme ist die wichtigste Störung für eine Bekämpfung das Jamming (d.h. die absichtliche Störung durch den Feind). Für Zellularfunksysteme steht das Störungsproblem in engem Zusammenhang mit den Kapazitätsanforderungen für eine Kommunikation. Da das Funkspektrum eine seltene Ressource ist, muss ein Frequenzband, welches einem Zellularbetreiber zur Verfügung gestellt wird, effizient verwendet werden. Deshalb wird das Betreiberdienstgebiet in Zellen unterteilt und Funkkanäle, die in einer Zelle verwendet werden, werden in Zellen wieder verwendet, die eine minimale Anzahl von Zellen dazwischen haben. Wegen der Popularität von Mobiltelefonen ist der Bedarf an Verkehrskapazität schnell angewachsen. Eine Gangart zur Behandlung des Kapazitätsbedarfs besteht darin die Größe der Zellen zu verkleinern, so dass eine nähere Wiederverwendung von Kanälen pro Einheitsfläche erlaubt wird und dadurch die Kommunikationskapazität eines gegebenen Gebiets angehoben wird, während noch der Frequenz-Wiederverwendungs-Faktor beibehalten wird.
In Gebieten, in denen der Kapazitätsbedarf hoch ist, wie beispielsweise in Stadtzentren und Bahnhöfen, ist es oft schwierig Stellen für Basisstationen zu finden. Ein verfügbarer Platz für eine Basisstation kann die Form einer Wand haben, an der sie aufgehängt werden kann. Für den Fall von Stellen dieser Art ist es wichtig, dass die Funkbasisstation klein ist und wenig Leistung verbraucht. Die Stelle des Funkbasisstation bezieht sich auf den Energieverbrauch, da Leistung bzw. Energie eine Kühlung erfordert und eine Kühlung Platz benötigt. Das Erscheinungsbild der Installation ist auch wichtig, zum Beispiel hinsichtlich der Erteilung einer Erlaubnis von den Behörden eine neue Funkbasisstationsstelle zu verwenden.
Wegen der zunehmenden Popularität von zellularen Systemen gibt es eine Notwendigkeit neue Vergehensweisen zu finden, um Störungen zu bekämpfen und dadurch auch eine höhere Verkehrskapazität zu ermöglichen. Deshalb ist die Verwendung von adaptiven Antennen in Funkbasisstationen in zellularen Systemen mit großem Interesse aufgenommen worden, obwohl sie bislang nicht in irgendwelchen kommerziellen Systemen implementiert worden sind. Eine adaptive Antenne besteht gewöhnlicher Weise aus einem Antennenfeld (Antennenarray), welches mit einer Strahlformungsanordnung verbunden ist. Die adaptive Antenne bildet einen Satz von Antennenstrahlen, die jeweils ein schmales vordefiniertes Raumgebiet abdecken und die zusammen ein breites vordefiniertes Gebiet omnidirektional oder innerhalb eines Sektors abdecken. Ein Signal, welches von einem mobilen Sender gesendet wird, wird von jedem der Antennenstrahlen empfangen. wobei jede Version der Signals getrennt empfangen wird und dadurch die Winkelinformation beibehalten wird. Die Winkelinformation ist inhärent in der Phasendifferenz zwischen den unterschiedlichen Versionen des Signals. Eine Abschätzung der Richtung zu der Signalquelle wird auf Grundlage der demodulierten Versionen der empfangenen Signals durchgeführt. Dieser abgeschätzte Parameter wird als DOA, Empfangsrichtung (Direction of Arrival) bezeichnet.
Um die Abschätzung der DOA zu ermöglichen, müssen Signale, die durch jeden Strahl empfangen werden, getrennt durch entsprechende Funkempfängerzweige empfangen werden.
Die DOA-Abschätzung wird für die Auswahl von einem oder mehreren Antennenstrahlen oder zum Richten eines schmalen lenkbaren Strahls für eine Übertragung in dem Downlink (abwärts gerichtete Strecke) zur Mobilstation von Interesse verwendet. Eine Übertragung in dem gewählten Strahl wird an die Mobilstation gerichtet, wobei Mobilstationen, die den gleichen Kanal in anderen Richtungen verwenden, einer Störung weniger ausgesetzt werden. Eine Downlink-Störung wird somit mit Hilfe einer adaptiven Antennentechnik bekämpft.
Ein Verfahren zur Bekämpfung des Schwunds und der Ergebnisse einer Störung besteht darin einen Funkkanal zu veranlassen häufig seine Trägerfrequenz zu ändern. Diese Verfahren wird als Frequenzsprung bezeichnet und wird mit einem gewissenem Erfolg in dem GSM-System verwendet. Die Veröffentlichung des Patents US 08/768 319 bezieht sich im Hinblick auf Frequenzsprungssysteme auf ein Problem, welches daran liegt, dass die Kohärenzbandbreite breiter als die Frequenzbandbreite ist, die für einen Betrieb verfügbar ist. Dies impliziert, dass Trägerfrequenzen, die für einen Frequenzsprung verwendet werden, einen korrelierten Schwund aufweisen. Die in der US 08/768 319 vorgeschlagene Lösung beinhaltet das Erzeugen einer kleineren Kohärenz-Bandbreite durch Einführen einer künstlichen Verzögerungsspreizung. Eine Vorgehensweise zum Erzeugen der künstlichen Verzögerungsspreizung besteht darin, dass ein Signal auf zwei Antennen empfangen wird, das von der ersten Antenne empfangene Signal verzögert wird und dann das verzögerte Signal mit dem Signal von der zweiten Antenne kombiniert wird. Die zwei kombinierten Signale werden dann an einen Empfänger geführt.
Die WO 96 233 29 bezieht sich auf das Problem, wie eine hohe Antennenverstärkung für Mobilstationen in großer Entfernung erreicht werden kann und wie gleichzeitig die Probleme von Strahlüberquerungen in einer Antennenanordnung mit mehreren schmalen Strahlen begrenzt werden kann. Das letztere Problem tritt auf, wenn sich die Mobilstation aus der Richtung eines Strahls herausbewegt und in die Richtung eines nächsten Strahls hinein. Das Problem wird gelöst, indem zwei getrennte Sätze von Antennenstrahlen bereitgestellt werden. Die Strahlen in den beiden Sätzen überlappen sich teilweise, ein Strahl, wenn einer der Sätze teilweise zwei Strahlen des anderen Satzes überlappt und die Spitzenrichtung des Strahls des ersten Satzes in der Überschneidung zwischen den zwei Strahlen des anderen Satzes der Strahlen ist.
Die US Patentbeschreibung US 5563610 betrifft die Verwendung einer Mehrstrahl-formenden Antenne, für den Zweck einer Erreichung einer Antennendiversity auf Grundlage davon, dass die verschiedenen Strahlen sehr schmal sind und verschiedene Gebiete abdecken. Dies wird mit Winkeldiversity bezeichnet und führt dazu, dass die in getrennten Strahlen empfangenen Signale unkorreliert sind. Für diesen Zweck lehrt die US 5563610 ein Empfangssystem, bei dem Verzweigungen von jedem Antennenstrahl in zwei Gruppen verteilt werden. In einer Gruppe werden die Signale im Bezug zueinander verzögert und dann kombiniert. Zwei kombinierte Signale, jeweils abgeleitet von einer entsprechenden der zwei Gruppen, werden so erhalten und werden an einen herkömmlichen CDMA-Empfänger geführt.
In diesem Empfänger geht die Winkeldiversity verloren nachdem die Signale kombiniert worden sind. Es ist somit unmöglich eine DOA Abschätzung durchzuführen und mit Hilfe einer Strahlformung eine Downlink-Störung zu bekämpfen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Problem, welches sich ergibt, wenn sowohl eine Ermöglichung einer genauen DOA-Abschätzung als auch einer Antennendiversity in einem Funkempfänger bereitgestellt werden soll, der eine begrenzte Anzahl von Empfängerzweigen umfasst. Die begrenzte Anzahl von Funkempfängerzweigen führt zu einem Kompromiss zwischen der Genauigkeit der DOA Abschätzung und dem Betriebsverhalten des Antennendiversityempfangs. Wenn alle Empfängerzweige bei dem DOA Abschätzungsprozess verwendet werden, wird der fehlende Schutz gegenüber einem Schwund des Leistungsverhaltens der DOA Abschatzung verkleinern. Wenn andererseits die Diversityverstärkung durch einen getrennten Empfang von weniger korrelierten Signalen aufrecht erhalten werden soll, dann wird die Anzahl von Strahlen, die getrennt empfangen werden können, verringert und somit auch die Genauigkeit der DOA Abschätzung.
Ein anderes Problem besteht darin eine Funkbasisstation zu erzeugen, die ein Funkempfängersystem, welches klein ist, einen niedrigen Energieverbrauch aufweist und eine Antennendiversity aufweist, sowie Mittel zum Abschätzen einer DOA umfasst. Es sei daran erinnert, dass Empfängerzweige Platz benötigen und Energie verbrauchen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin einen Empfang sowohl mit einer Antennendiversity als auch mit Antennenstrahlen möglich zu machen zur genauen Abschätzung der DOA und einen Schwund in einem Empfänger zu bekämpfen, der nur eine moderate Anzahl von Empfängerzweigen einschließt und, und somit das Ziel zu erreichen eine Funkstation zu erhalten, die sowohl kompakt ist als auch wenig Energie benötigt.
Die Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die Einführung einer künstlichen Zeitdispersion in einem Satz von Signalen, die durch eine Antennendiversity und durch unterschiedliche Antennenstrahlen empfangen werden. Sätze von Signalen, die durch unterschiedliche Antennenaufbauten empfangen werden, werden relativ zueinander verzögert und Signale, die sich von Strahlen ableiten, die den gleichen Raum abdecken, werden kombiniert. Für jeden der Strahlen in dem ersten Antennenaufbau gibt es einen Strahl in jedem der anderen Antennenaufbauten, der das gleiche Raumgebiet abdeckt. In dieser Weise wird die Winkelinformation aufrechterhalten. Jedes kombinierte Signal wird dann per Funk in einem gemeinsamen Funkempfänger empfangen. Eine DOA Abschätzung kann auf Grundlage von über Funk empfangenen Signalen, die aus allen Strahlen abgeleitet werden, berechnet werden. Sowohl die natürliche, als auch die künstliche Zeitdispersion der über Funk empfangenen Signale können in einem Equalizer oder einem RAKE-Empfänger wiederhergestellt werden. Mit der erfindungsgemäßen Kombination von Signalen wird die Energie von jedem der kombinierten Signale aufrechterhalten, bis die Signale den Equalizer oder den Rake-Empfänger erreichen. Die Energien von den unterschiedlichen zeitdispergierten Signalen wird in dem Equalizer oder dem Rake-Empfänger zusammengebracht. Wenn die Energie von einem der kombinierten Signale als Folge einer Schwundsenke an der entsprechenden Empfangsantenne vorübergehend niedrig ist, wird die Energie des von einer anderen Antenne empfangenen Signals eine Kompensation für die Schwundsenke vornehmen.
Genauer löst die vorliegende Erfindung die voranstehend erwähnten Probleme mit Hilfe eines Verfahrens, bei dem Signale von wenigstens zwei Antennenaufbauten empfangen werden, die getrennt sind, um eine Antennendiversity zu erreichen, d.h. die Antennenaufbauten sind räumlich oder durch verschiedene Polarisationsrichtungen getrennt. Jeder der Antennenaufbauten erzeugt einen Satz von Antennenstrahlen. Die Antennenaufbauten sind konstruiert, um so zueinander entsprechende Sätze von Antennenstrahlen zu erzeugen, d.h. die Strahlen weisen entsprechende Winkelabdeckungen auf und ein bestimmtes Gebiet wird mit zwei Strahlen abgedeckt, jeweils einer von jedem der Antennenaufbauten. Signale, die durch getrennte Antennenaufbauten in entsprechenden Antennenstrahlen empfangen werden, werden dann miteinander kombiniert, nachdem sie zueinander verzögert worden sind. Eine künstliche Mehrwege-Ausbreitung wird somit in Bezug zu dem kombinierten Signal geschaffen. Das kombinierte Signal wird dann an einen Funkempfängerzweig für eine Frequenztransformation von HF auf eine niedrigere Frequenz und Demodulation geführt, woraufhin die künstliche Zeitdispersion durch eine digitale Signalverarbeitung, beispielsweise in einem Equalizer oder einem RAKE-Empfänger wiederhergestellt werden kann. Eine DOA Abschätzung kann auf Grundlage der Ausgänge von mehreren Funkempfängerzweigen, an die Signale von getrennten Strahlen geführt werden, berechnet werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Funkempfängersystem, das die voranstehend erwähnten Probleme löst. Das Funkempfängersystem umfasst wenigstens zwei Antennenaufbauten, die voneinander getrennt sind, um eine Antennendiversity zu erreichen. Jeder Antennenaufbau erzeugt einen Satz von Antennenstrahlen, wobei jeder Strahl ein schmales Raumgebiet abdeckt und die Strahlen zusammen ein spezifisches Gebiet omnidirektional oder innerhalb eines Sektors abdecken. Die unterschiedlichen Sätze von Strahlen entsprechen einander und ein Raumgebiet wird durch einen Strahl von jedem der Antennenaufbauten abgedeckt. Verzögerungselemente sind mit allen außer einem Antennenaufbau verbunden. Die Verzögerungselemente verzögern Signale, die von einem entsprechenden Antennenaufbau empfangen werden. Der Verzögerung wird ein getrennter Wert für jeden Antennenaufbau gegeben. Einen Anzahl von Kombinierer sind mit den Verzögerungselementen und auch mit demjenigen Antennenaufbau verbunden, der ohne einem Verzögerungselement ist. Jeder der Kombinierer empfängt von jedem der Antennenaufbauten Signale von entsprechenden Strahlen. Jeder Kombinierer-Ausgang ist mit einem entsprechenden Empfängerzweig verbunden.
Die Erfindung bildet eine Verbesserung in dem bekannten Stand der Technik mittels der Tatsache, dass ein Funkempfängerzweig mit Signalen von mehreren Antennenaufbauten gespeist werden kann wonach die Signale wiederhergestellt werden können. Somit ist die erforderliche Anzahl von Funkempfängerzweigen, um sowohl eine Antennendiversity-Verstärkung zu erreichen als auch die Berechnung einer genauen DOA Abschätzung zu ermöglichen, begrenzt, um der Anzahl von Strahlen in dem Satz von Antennenstrahlen zu entsprechen. Dies erlaubt, dass sowohl die Größe des Funkempfängers als auch dessen Energieverbrauch verringert wird.
Eine weitere Verbesserung findet sich im Hinblick auf Stellen, an denen eine Basisstation, die einen erfindungsgemäßen Funkempfänger umfasst, auf dem Boden platziert wird und die Antennenaufbauten auf einem Mast platziert werden. Das Gewicht der Kabel, die die Basisstation mit Antennenaufbauten verbinden, ist ein wichtiger Faktor im Hinblick auf Mastdimensionen. Die Anzahl von Kabeln, die die Basisstation mit den Antennenaufbauten verbinden, kann durch Koppeln der Kombinierer nahe zu den Antennenaufbauten verringert werden. Dadurch wird das Gewicht der Kabel verringert, was einem Mast erlauben wird kleinere Dimensionen aufzuweisen und dadurch die Kosten des Mastes sowie der Kabel herabzusetzen.
Die Erfindung wird nun mit näheren Einzelheiten unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen davon und auch unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 zwei Mobilstationen und eine Funkbasisstation, umfassend zwei Antennenaufbauten;
2 ein Blockdiagramm, das einen Funkempfänger gemäß der Erfindung darstellt;
3 ein Blockdiagramm, das einen anderen Funkempfänger gemäß der Erfindung darstellt; und
4 ein Flussdiagramm, das ein Funkempfangsverfahren zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 sind zwei Mobilstationen MS1 und MS2 und eine Basisstation BS, die einen erfindungsgemäßen Funkempfänger einschließt, gezeigt. Ein Funkkanal CH wird zur Kommunikation zwischen der ersten Mobilstation MS1 und der Funkbasisstation BS verwendet. Der Funkkanal CH wird auch von der zweiten Mobilstation MS2 zur Kommunikation mit einer anderen Basisstation, die nicht in 1 gezeigt ist, verwendet.
Die Funkbasisstation BS ist mit zwei Antennenaufbauten AA1, AA2 ausgerüstet. Die Antennenaufbauten AA1, AA2 sind getrennt, um eine Antennendiversity zu erzielen. Beide decken einen 120° Sektor mit einer Anzahl von Strahlen ab. Der erste Antennenaufbau AA1 erzeugt einen ersten Satz von Antennenstrahlen SAB1 und der zweite Antennenaufbau AA2 erzeugt einen zweiten Satz von Antennenstrahlen SAB2. Für jeden der Strahlen in dem ersten Satz SAB1 gibt es einen entsprechenden Strahl in dem zweiten Satz von Strahlen SAB2, der das gleiche Raumgebiet abdeckt, d.h. die zwei Strahlen sind überlagert. Das Raumgebiet, in dem die erste Mobilstation MS1 platziert ist, wird durch einen Strahl in jedem der Sätze von Strahlen SAB1, SAB2 abgedeckt und die Richtung zu der zweiten Mobilstation MS2 wird durch einen anderen Strahl abgedeckt.
Signale, die von unterschiedlichen Strahlen abgeleitet werden, werden getrennt in dem Empfänger empfangen, wodurch die Winkelinformation beibehalten wird. Eine DOA Abschätzung, die die Richtung zu der ersten Mobilstation abschätzt, kann mit Hilfe dieser Signale gemacht werden.
Eine Downlink-Störung wird verkleinert durch eine Übertragung in einem Strahl, der an die erste Mobilstation MS1 gerichtet ist, wodurch die Downlink-Qualität für die zweite Mobilstation MS2 verbessert wird. Der Downlink-Strahl wird auf Grundlage der DOA Abschätzung der ersten Mobilstation MS1 gewählt.
Die Antennendiversity-Anordnung verbessert die Uplink-Qualität (Qualität auf der Aufwärts-Strecke) durch Verringern des Risikos, dass beide Antennenaufbauten einer tiefen Schwundsenke gleichzeitig ausgesetzt werden.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkempfängers für ein TDMA System wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben werden. Der Funkempfänger RRC umfasst zwei Antennenaufbauten AA1, AA2. Jeder Antennenaufbau AA1, AA2 umfasst ein Antennenarray (Antennenfeld) AAR, welches durch eine Anzahl von Antennenelementen AEL, mit den Antennenelementen verbundene Verstärker LNA mit niedrigem Rauschen, und Strahlformungsmittel BM mit Verbindungen von den Verstärkern LNA mit niedrigem Rauschen gebildet ist. Den Antennenelementen AEL des ersten Antennenaufbaus AA1 wird eine orthogonale Polarisationsrichtung relativ zu der Polarisationsrichtung des Antennenelementen AEI des zweiten Antennenaufbaus AA2 gegeben.
In dieser Ausführungsform bestehen die Strahlformungsmittel BM aus einer Butler Matrix. Die Butler Matrix BM weist eine Anzahl von Ausgängen auf, die jeweils einem Antennenstrahl entsprechen.
Der Funkempfänger RRC umfasst auch eine Anzahl von Verzögerungselementen DLM, eine Anzahl von Kombinierern CMB, eine Anzahl von Funkempfängerzweigen RX, einen DOA Abschätzer DP und eine Ausgleichungs- (Equalizer-) und Signalabschätzungseinheit EqSE.
Jeder Ausgang der Butler Matrix BM des zweiten Antennenaufbaus AA2 ist mit einem entsprechenden Verzögerungselement DLM verbunden. Jeder Ausgang der Verzögerungselemente DLM ist mit einem entsprechenden Kombinierer CMB verbunden. Jeder Kombinierer CMB weist auch einen andere Verbindung von der Butler Matrix BM des ersten Antennenaufbaus AA1 auf. Die zwei Eingänge zu einem Kombinierer entsprechen den Strahlen, die das entsprechende Raumgebiet abdecken.
Der Ausgang von jedem Kombinierer CMB ist mit einem entsprechenden Funkempfängerzweig RX verbunden. Der Funkempfängerzweig RX umfasst eine Kanalauswahl, und eine Frequenztransformation von RF zum Basisband.
Ausgänge von allen Funkempfängerzweigen RX sind mit der Ausgleichungs- und Signalabschätzungs-Einheit EqSE verbunden. In dieser Ausführungsform umfasst die Ausgleichungseinheit eine MLSE, Maximum Likelihood Sequence Estimation (Sequenzabschätzung größter Wahrscheinlichkeit), und Mittel zur Kombination von empfangenen Signalen, die aus verschiedenen Strahlen abgeleitet werden.
Die Ausgänge der Funkempfängerzweige RX sind auch mit dem DOA-Abschätzer DP verbunden. Ein DOA-Abschätzer ist für Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet alt bekannt, siehe z.B. „Direction-of-arrival estimation and...", der Autoren Viberg, Ottersten und Kailat, in Proc. 23rd Asilomar Conf. Signal, Syst., Comp., Nov 1989.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkempfängers RRC zur Verwendung in einem Direkt-Sequenz CDMA System wird nun unter Bezugnahme auf die 3 beschrieben. Der erfindungsgemäße Funkempfänger RRC umfasst zwei Antennenaufbauten AA1, AA2. Die Antennenaufbauten AA1, AA2 umfassen die gleichen Teile wie die Antennenaufbauten AA1, AA2 in der vorher beschriebenen Ausführungsform unter Bezugnahme auf 2. Ein Unterschied ist jedoch, dass den zwei Antennenarrays AAR nicht orthogonale Polarisationsrichtungen gegeben werden, sondern dass sie räumlich um ungefähr 10–20 Wellenlängen getrennt sind.
Der Funkempfänger RRC umfasst auch eine Anzahl von Verzögerungselementen DLM, eine Anzahl von Kombinierern CMB, eine Anzahl von Funkempfängerzweigen RX, einen Rake-Empfänger RAKE, und einen DOA Abschätzer DP.
Die Antennenaufbauten AA1, AA2 weisen eine Anzahl von Ausgängen auf, die jeweils einem Strahl entsprechen. Jeder Ausgang der zweiten Antennenaufbauten ist mit einem entsprechenden Verzögerungselement DLM verbunden. Jeder der Ausgänge der Verzögerungselemente DLM ist mit einem entsprechenden Kombinierer CMB verbunden. Mit jedem dieser Kombinierer CMB ist auch ein Ausgang von dem ersten Antennenaufbau AA1 verbunden. Die Strahlen, die den zwei Eingängen an dem Kombinierer entsprechen, decken das gleiche Raumgebiet ab.
Die Ausgänge von den Kombinierern CMB sind mit den entsprechenden Funkempfängerzweigen RX verbunden. Die Funkempfängerzweige RX sind unter Bezugnahme auf die Ausführungsform der 2 beschrieben worden.
Die Ausgänge von den Funkempfängerzweigen RX sind mit dem Rake-Empfänger RAKE verbunden. Der Rake-Empfänger RAKE umfasst Mittel zum Kombinieren von Funksignalen, die von unterschiedlichen Funkempfängerzweigen RX empfangen werden, z.B. durch eine Maximum-Verhältnis-Kombination (Maximum Ratio Combining), MRC. Der Rake-Empfänger RAKE führt Rake-Kombinierung von verzögerten Signalen aus. Sowohl Rake-Kombinierung als auch MRC sind Techniken sind die für Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet alt bekannt sind.
Die Ausgänge der Funkempfängerzweige RX sind auch mit einem DOA Abschätzer DP verbunden. Für eine weitere Beschreibung der DOA-Abschätzung in einem Rake-Empfänger, siehe das Dokument Aymar F. Naguit, Adaptive Antennas for CDMA Wireless Networks, PhD thesis, Dep. of EE, Stanford University.
Die beschriebenen Ausführungsformen haben zwei Verfahren zum Erhalten einer Antennendiversity dargestellt, durch eine räumliche Trennung und durch eine orthogonale Polarisationsrichtung jeweils der Antennenelemente AEL. Die Mehrfachzugriffs-Verfahren, TDMA oder CDMA, können beide Verfahren oder eine Kombination der zwei Verfahren, um einen Antennendiversity zu erhalten, verwenden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben werden, wobei in diesem Verfahren zwei Sätze von Signalsequenzen durch zwei Sätze von Antennenstrahlen empfangen werden. Die zwei Sätze von Antennenstrahlen werden von zwei Antennenaufbauten gespeist, die getrennt sind, um einen Antennendiversity zu erhalten. Jeder der Strahlen in dem ersten Satz von Antennenstrahlen deckt das gleiche Raumgebiet wie ein entsprechender Strahl in dem zweiten Satz ab, und die zwei Strahlen sind somit überlappt. Jede Signalsequenz in einem Satz von Signalsequenzen entspricht einem Antennenstrahl. Diese Stufe ist mit dem Block B1 in dem Flussdiagramm der 4 dargestellt.
Der zweite Satz von Signalsequenzen wird erzögert, was in 4 mit dem Block B2 dargestellt wird.
Jede Signalsequenz des ersten Satzes von Signalsequenzen wird dann mit einer entsprechenden Signalsequenz von dem verzögerten zweiten Satz von Signalsequenzen kombiniert. Die zwei kombinierten Signalsequenzen leiten sich beide von Strahlen ab, die das gleiche Raumgebiet abdecken. Diese Stufe ist mit dem Block B3 in dem Flussdiagramm der 4 dargestellt. Eine künstliche Zeitdispersion wird somit in die kombinierte Signalsequenz eingeführt.
Jede kombinierte Signalsequenz wird getrennt per Funk empfangen, was eine Kanalauswahl und eine Frequenztransformation von RF zum Basisbandpegel einschließt. Diese Stufe wird mit dem Block B4 in dem Flussdiagramm der 4 dargestellt.
Eine DOA-Abschätzung wird auf Grundlage der empfangenen Signalsequenzen, die von einer Anzahl von Antennenstrahlen abgeleitet werden, ausgeführt. Diese Stufe wird mit dem Block B5 in dem Flussdiagramm der 4 dargestellt.
Die Energie von jedem kombinierten Signal, welches in der Zeit durch die Zeitdispersion gespreizt worden ist, wird in einem Equalizer oder in einem Rake-Empfänger zusammengefasst und eine Abschätzung des Signals, welches von der ersten Mobilstation MS1 gesendet worden ist, wird dann durchgeführt. Durch Verwendung eines bekannten Kombinierverfahrens, zum Beispiel MRC, wird die Signalabschätzung auf die Funkempfangssignalsequenzen gestützt werden, die von einer Anzahl von Antennenstrahlen abgeleitet sind. Diese Stufe wird mit dem Block B6 in dem Flussdiagramm der 4 dargestellt.
Zwei Antennenaufbauten sind in den beschriebenen Ausführungsformen verwendet worden. Dies ist eine minimale Anzahl, wenn einen Antennendiversity erreicht werden soll. Mehr als zwei Antennenaufbauten können verwendet werden, wenn gewünscht wird zum Beispiel einen höheren Grad einer Antennendiversity zu erreichen. Mehr als zwei Antennenaufbauten können auch verwendet werden, wenn eine Kombination von Diversitymethoden erreicht werden soll. Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Satz von Signalsequenzen, die von noch einem anderen Antennenaufbau abgeleitet sind, in Bezug zu den Sätzen von Signalen, die von anderen Antennenaufbauten abgeleitet werden, verzögert. Die Signalsequenzen, die von Strahlen abgeleitet werden, die das gleiche Raumgebiet abdecken, werden gemäß des voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens relativ zu einander verzögert und dann kombiniert und per Funk empfangen.
Wenn ein dritter oder weiterer Antennenaufbau AA1, AA2 zu dem erfindungsgemäßen Funkempfänger RRC hinzugefügt wird, dann werden Verzögerungselemente DLM mit dem Ausgang von diesen Antennenelementen verbunden und der Ausgang von jedem Verzögerungselement DLM wird mit einem Kombinierer in der gleichen Weise wie das zweite Antennenelement verbunden. Somit sind alle Eingänge zu einem Kombinierer assoziierte Strahlen, die das gleiche Raumgebiet abdecken. Für jeden Antennenaufbau AA1, AA2, mit denen Verzögerungselemente DLM verbunden sind, erzeugen diese Verzögerungselemente DLM eine Verzögerung, die signifikant für den Antennenaufbau AA1, AA2 ist. Signalsequenzen, die an den Kombinierer geführt werden, werden somit relativ zueinander verzögert.
Die relative Verzögerung zwischen zwei kombinierten Signalsequenzen muss lang genug sein, damit der Equalizer oder der Rake-Empfänger in der Lage sein kann aufzulösen. Für einen Equalizer in dem GSM System sollte diese Verzögerung in der Größenordnung von 2,5 Symbolzeiten sein und für einen Equalizer in einem Funksystem gemäß des IS 136 Standards sollte die Verzögerung in der Größenordnung einer 0,5–1 Symbolzeit sein. Für einen Rake-Empfänger sollte die Verzögerung ungefähr einige wenige Chipzeiten für die Spreizungssequenz sein. Wenn mehr Signale kombiniert werden sollen, sollte diese Differenz in der Verzögerung zwischen zwei nacheinander verzögerten Signalen eingeführt werden.
In diesem Kontext wird auf die Antennenaufbauten so Bezug genommen, dass sie getrennt sind, um eine Antennendiversity zu erreichen. Mit Antennendiversity ist gemeint, dass Signale unabhängig über wenigstens zwei Antennenarrays empfangen werden, die räumlich oder über hauptsächlich orthogonale Polarisationsrichtungen oder durch eine Kombination davon getrennt sind. Zum Empfang durch orthogonale Polarisationsrichtungen ist es nicht erforderlich die Antennenelemente räumlich zu trennen. In der Tat gibt es Antennen, die in einer Einheit konstruiert sind, die einen gleichzeitigen Empfang in zwei getrennten Polarisationsrichtungen ermöglichen.
Signale, die durch eine Antennendiversity-Anordnung empfangen werden, werden oft unrichtig als nicht korreliert bezeichnet. Der Grund, warum diese Bezugnahme nicht richtig ist, ist weil die betreffenden Signale von der ersten Mobilstation MS1 gesendet werden und somit vollständig korreliert sind. Jedoch werden Signale durch unterschiedliche Ausbreitungspfade auf ihrem Weg zu der Empfangsantennen- Diversityanordnung beeinträchtigt. Die Aufgabe der Antennendiversityanordnung ist den Grad einer Korrelation der Einflüsse auf den empfangenen Signalen, die durch unterschiedliche Ausbreitungspfade verursacht werden, zu verringern. Anders ausgedrückt, die Aufgabe der Antennendiversityanordnung besteht darin den Korrelationsgrad des Schwunds der verschiedenen Signale zu verringern und dadurch die Möglichkeit zu reduzieren, dass alle Antennenanordnungen einem tiefen Schwund gleichzeitig ausgesetzt werden.
In der Praxis ist es nicht möglich einen vollständig unkorrelierten Schwund der Signale, die durch die Antennendiversityanordnung empfangen werde, zu erreichen. Ein Grund ist, weil die Antennenarrays nicht zu weit voneinander entfernt angeordnet werden können. Jedoch stellt dies kein Problem dar, weil eine moderate Reduzierung der Korrelation des Schwunds ausreichend ist, um eine signifikante Verbesserung in der Uplink-Funkqualität zu machen. In der Praxis ist ein üblicher Korrelationsfaktor des Schwunds, dem die Antennendiversityanordnung ausgesetzt ist, ungefähr 0,7 auf einer Skala von 0–1, wobei 0 überhaupt keine Korrelation bedeutet und 1 eine vollständige Korrelation der empfangenen Signale bedeutet.
Die Verstärker LNA mit niedrigem Rauschen, die mit den Antennenelementen AEL verbunden sind, die in 2 und 3 gezeigt sind, dienen dazu, die Einwirkung von Rauschvorgängen, die durch den Empfänger auf das Signal eingeführt wird, zu verringern. Die Verwendung von Verstärkern mit niedrigem Rauschen, die mit den Antennenelementen AEL für diesen Zweck verbunden sind, ist alt bekannt.
Die Verzögerungselemente DLM, die mit dem zweiten Antennenaufbau AA2 unter Bezugnahme auf 2 und 3 verbunden sind, können aus Sägezahn-Filtern oder Fiber-Kabeln bestehen. In jedem Fall können die Verzögerungselemente DLM eine Dämpfung der empfangenen Signalstärke verursachen. Diese durch die Verzögerungselemente verursachte Dämpfung wird vorzugsweise durch eine entsprechende Erhöhung in der Verstärkung der Verstärker LNA mit niedrigem Rauschen des zweiten Antennenaufbaus AA2 kompensiert, um den Signalen. die an dem Kombinierer kombiniert werden, zu ermöglichen einer äquivalenten Verstärkung innerhalb des Empfängers ausgesetzt zu sein. Wenn die Verzögerungselemente DLM des zweiten Antennenaufbaus AA2 eine Verstärkung von -D dB der Signalstärke des empfangenen Signale ergeben und die Verstärker LNA mit niedrigem Rauschen des ersten Antennenaufbaus AA1 eine Verstärkung A dB für die empfangenen Signale ergibt, dann sollte die Verstärkung von Verstärkern LNA mit niedrigem Rauschen des zweiten Antennenaufbaus AA2 A+D dB sein, um eine Kompensation für die Dämpfung der Verzögerungselemente bereitzustellen.
In einer Basisstation BS, die den erfindungsgemäßen Funkempfänger RRC umfasst, sollten die Kombinierer CMB vorzugsweise nahe zu Antennenaufbauten (AA1, AA2) platziert werden. Besonders für Stellen oder Orte, wo die Basisstation BS weit weg von den Antennenaufbauten (AA1, AA2) platziert werden muss, ist dies eine Verbesserung, da die Anzahl von Verbindungskabeln dadurch reduziert wird. Die Kosten, das Gewicht und der Platz für die Kabel, die benötigt werden, werden dadurch auch reduziert.
In den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen sind der Funkempfänger RRC und das erfindungsgemäße Verfahren für zwei Prinzipien eines Mehrfachzugriffs der Funkspektren, d.h. TDMA und CDMA, verwendet worden. Es sei darauf hingewiesen, das die Erfindung nicht auf diese zwei Prinzipien für einen Mehrfachzugriff beschränkt ist und, dass die Erfindung auch für andere Prinzipien für einen Mehrfachzugriff angewendet werden kann.

Claims

Empfängersystem (RRC), umfassend: wenigstens zwei Antennenaufbauten (AA1, AA2), die angeordnet sind, um eine Antennen-Diversity zu erzielen und die jeweils einen Satz von Antennenstrahlen (SAP1, SAP2) bereitstellen, die derart angeordnet sind, dass ein Raumgebiet, das durch einen Antennenstrahl eines ersten der Antennenaufbauten abgedeckt wird, im wesentlichen auch durch einen Antennenstrahl eines zweiten der Antennenaufbauten abgedeckt wird, wobei die Antennenaufbauten ferner angeordnet sind, um das Signal, das in jeweiligen der Antennenstrahlen empfangen wird, an jeweiligen Ausgängen bereitzustellen, Verzögerungselemente (DLM), die mit den Ausgängen von wenigstens einem der Antennenaufbauten (AA1, AA2) verbunden sind; Kombinierervorrichtungen (CMB), jeweils mit einem Eingang des ersten Antennenaufbaus und einem Eingang des zweiten Antennenaufbaus, wobei wenigstens einer der Eingänge über die Verzögerungselemente (DLM) verbunden ist, wobei jede der Kombinierervorrichtungen dafür ausgelegt ist, um die empfangenen Signale, die von den Strahlen abgeleitet werden, die im wesentlichen das gesamte Raumgebiet abdecken, zu kombinieren; und Funkempfänger-Zweige, (RX), die jeweils mit einem Ausgang einer entsprechenden Kombinierervorrichtung verbunden sind und zu einem Funkempfänger führen.
Empfängersystem nach Anspruch 1, wobei die Antennenaufbauten (AA1, AA2) räumlich getrennt sind, um die Antennen-Diversity zu erreichen.
Empfängersystem nach Anspruch 1, wobei die Antennenaufbauten (AA1, AA2) unterschiedliche Polarisationsrichtungen aufweisen, um die Antennen-Diversity zu erreichen.
Empfängersystem nach Anspruch 1, wobei die Antennenaufbauten (AA1, AA2) durch eine Kombination räumlicher und polarisierender Mittel getrennt sind, um die Antennen-Diversity zu erreichen.
Empfängersystem nach Anspruch 2, wobei die räumliche Trennung zwischen den Antennenaufbauten (AA1, AA2) in der Größenordnung von 10–20 Wellenlängen liegt.
Empfängersystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Verzögerungselemente (DLM) dafür ausgelegt sind, um eine Verzögerung zu erzeugen, die für jeden verbundenen Antennenaufbau (AA1, AA2) spezifisch ist.
Empfängersystem nach Anspruch 6, wobei die Differenz in der Verzögerung entsprechend zu zwei Antennenaufbauten (AA1, AA2) wenigstens eine Hälfte einer Symbolzeit für ein TDMA-System ist.
Empfängersystem nach Anspruch 6, wobei die Differenz in der Verzögerung entsprechend zu zwei Antennenaufbauten (AA1, AA2) wenigstens eine Chipzeit einer CDMA-Spreizsequenz ist.
Empfängersystem nach Anspruch 1, 2, oder 6, wobei eine Anzahl von Ausgängen von jedem der Antennenaufbauten (AA1, AA2) vorhanden ist, wobei jeder Ausgang einem Antennenstrahl entspricht, und wobei jeder der Ausgänge von den Antennenaufbauten (AA1, AA2), mit einer optionalen Ausnahme von einem der Antennenaufbauten, mit einem entsprechenden Verzögerungselement (DLM) verbunden sind.
Empfängersystem nach Anspruch 1, 2 oder 6, wobei das Funkempfängersystem (RRC) zwei Antennenaufbauten (AA1, AA2), Verzögerungselemente (DLM), die mit einem zweiten der Antennenelemente (AA2) verbunden sind, eine Anzahl von Kombinierern (CMB), jeweils mit einem Eingang, der mit dem ersten Antennenaufbau (AA1) verbunden ist, und einem anderen Eingang, der mit einem der Verzögerungselemente verbunden ist, wobei beide Eingänge Antennenstrahlen entsprechen, die hauptsächlich das gleiche Raumgebiet abdecken, einschließt.
Empfängersystem nach Anspruch 1, 2, 3, 6 oder 10, wobei ein Kanalschätzer (EqSE) zum Berechnen einer Kanalabschätzung und einer Signalabschätzung vorgesehen ist, wobei die Vorrichtung einen Eingang mit Verbindungen von den Empfängerzweigen (RX) aufweist.
Empfängersystem nach Anspruch 1, 2, 3, 6 oder 10, umfassend einen DOA-Schätzer (DP) zum Berechnen einer DOA-Abschätzung und mit einem Eingang mit Verbindungen von den Empfängerzweigen (RX).
Empfängersystem nach Anspruch 1, 2, 6, 10 oder 11, wobei die Funkempfängerzweige (RX) ein Kanalwählfilter und einen Frequenzmischer, den den Kanal von RF auf eine niedrigere Frequenz transformiert, umfasst.
Empfängersystem nach Anspruch 1, 2, 6, 10 oder 11, wobei, jeder der Antennenaufbauten (AA1, AA2) ein Feld (AAR) von Antennenelementen (AEL), Verstärkern (LNA), die mit jedem Antennenelement (AEL) verbunden sind, und eine Strahlformungsmittel (BM) umfasst.
Empfängersystem nach Anspruch 14, wobei die Verstärker (LNA) angeordnet sind, um eine Verstärkung zur Kompensation einer durch die Verzögerungselemente (DLM) verursachten Dämpfung bereitzustellen.
Funkempfangsverfahren, umfassend die folgenden Schritte, Bereitstellen eines ersten Satzes von Antennenstrahlen (SAB1), Bereitstellen eines zweiten Satzes von Antennenstrahlen (SAB2), Anordnen des ersten Satzes und des zweiten Satzes von Antennenstrahlen zum Erzielen einer Antennen-Diversity und ferner, Anordnen des Satzes von Antennenstrahlen derart, dass ein Raumgebiet, das durch einen Antennenstrahl des ersten Satzes abgedeckt wird, auch durch einen Antennenstrahl des zweiten Satzes abgedeckt wird, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Schritte: a) Empfangen (B1), durch den ersten Satz von Antennenstrahlen (SAB1), eines ersten Satzes von Signalen und durch den zweiten Satz von Antennenstrahlen (SAB2) eines zweiten Satzes von Signalen, wobei jedes Signal in den Sätzen von einem entsprechenden Antennenstrahl abgeleitet wird, b) Verzögern (B2) des zweiten Satzes von Signalen, c) Kombinieren (B3) des ersten Satzes von Signalen mit dem verzögerten zweiten Satz von Signalen, wobei jede Kombination ein Signal aus dem ersten Satz von Signalen und ein Signal aus dem verzögerten zweiten Satz von Signalen umfasst, wobei die Signale beide durch Strahlen empfangen werden, die im Wesentlichen das gleiche Raumgebiet abdecken, d) Funkempfang (B4) der kombinierten Signale.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: e) Verringern einer Korrelation zwischen dem Schwundmuster des ersten Satzes von Signalen und dem Schwundmuster des zweiten Satzes von Signalen mit Hilfe einer Antennen-Diversity.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei Schritt d) eine Kanalauswahl und eine Transformation des empfangenen Signals von RF auf eine niedrigere Frequenz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, umfassend den folgenden weiteren Schritt: h) Abschätzen (B5) von DOA auf Grundlage von Signalen, die nach einer Ausführung des Schritts d) empfangen werden.