DE4335345A1 - Mobile base station and antenna arrangement to provide radio coverage for a tunnel - Google Patents

Mobile base station and antenna arrangement to provide radio coverage for a tunnel

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Abstract

The provision of radio coverage for a tunnel poses particular problems if the radio field range within the tunnel is intended to be integrated within a cellular mobile radio network. A mobile base station (BTS) and an antenna arrangement to provide radio coverage for the tunnel are provided in such a way that a tunnel radio cell (TC) is formed which covers the entrance areas of the tunnel as well as the inside of the tunnel. For this purpose, the antenna arrangement comprises a plurality of antennas (AS, AL, AO) which feed the mobile base station in co-channel mode. For each of the antennas, the mobile base station contains an RF/IF stage and an AF stage common to all antennas. The transmit signals are generated there as digital broadband signals and the receive signals are superimposed. The mobile base station operates accordingly on the basis of the macrodiversity principle. The invention can be particularly advantageously used for the provision of radio coverage for railways within a radio link network. <IMAGE>

Description

Aus EP 0 465 457 A2 ist eine Vorrichtung zur Funkversorgung eines Tunnels bekannt. Diese enthält ein als Sende- und Empfangsantenne dienendes Strahlerkabel und damit verbundene Sender und Empfänger, die drahtlos mit einer Funkfeststation (Basisstation) verbunden sind. Die dort beschriebene Vorrichtung ist zur drahtlosen Ankopplung des Strahlerkabels an eine Funkfeststation innerhalb eines Mobilfunknetzes vorgesehen. Der Tunnel wird sowohl in Abwärtsrichtung (downlink) als auch in Aufwärtsrichtung (uplink) mit freien Frequenzkanälen der Funkfeststation versorgt. Dadurch jedoch wird der Funkfeststation Kanalkapazität entzogen. Weiterhin muß bei der Einfahrt einer Mobilstation in den Tunnel, d. h. beim Wechsel der Funkverbindung von der Antenne der Funkfeststation zum Strahlerkabel, ein Frequenzkanalwechsel (Handover) erfolgen. Bei der Ausfahrt der Mobilstation aus dem Tunnel muß entsprechend ein weiterer Frequenzwechsel erfolgen. Während des Handovers einer sich schnell bewegenden Mobilstation kann die Funkverbindung abreißen.From EP 0 465 457 A2 is a device for radio coverage of a Known tunnels. This contains a as a transmitting and receiving antenna serving radiator cable and associated transmitter and receiver, which are connected wirelessly to a base station are. The device described there is for wireless Coupling of the radiator cable to a radio base station within a cellular network provided. The tunnel is both in Downward direction (downlink) as well as upward direction (uplink) supplied with free frequency channels of the base station. Thereby however, channel capacity is removed from the base station. Farther must enter a mobile station into the tunnel, i.e. H. at the Change of radio connection from the antenna of the base station to Radiator cable, a frequency channel change (handover). At the mobile station must exit the tunnel accordingly further frequency changes take place. During the handover one yourself fast moving mobile station can break the radio link.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Funkfeststation und eine Antennenanordnung zur sicheren Funkversorgung eines Tunnels mit ausreichender Kanalkapazität bereitzustellen. The object of the invention is a radio base station and Antenna arrangement for secure radio coverage of a tunnel with to provide sufficient channel capacity.  

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Funkfeststation mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und durch eine Antennenanordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 7.The task is solved by a radio base station with the Features according to claim 1 and by an antenna arrangement with the Features according to claim 7.

Danach wird durch den Gleichkanalbetrieb einer Antennenvorrichtung und von Antennen eine Tunnel-Funkzelle gebildet, die das Innere sowie Eingangsbereiche des Tunnels umfaßt. Die Kanalkapazität der Tunnel-Funkzelle kann an Anforderungen für die Funkversorgung des Tunnels angepaßt werden. Weiterhin ist ein Handover während der Ein- oder Ausfahrt einer Mobilstation nicht erforderlich.Thereafter, the co-channel operation of an antenna device and a tunnel radio cell formed by antennas, which the interior as well as entrance areas of the tunnel. The channel capacity of the Tunnel radio cell can meet requirements for the radio supply of the Tunnels to be adjusted. There is also a handover during the No entry or exit of a mobile station required.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the invention are the subclaims refer to.

Im weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Zuhilfenahme folgender Zeichnungen beschrieben:Furthermore, the invention is based on an exemplary embodiment and described with the help of the following drawings:

Fig. 1 die schematisch die Funkversorgung eines Tunnels innerhalb eines Mobilfunknetzes zeigt; Fig. 1 shows schematically the radio coverage of a tunnel within a cellular network;

Fig. 2 die eine erfindungsgemäße ausgeführte Funkfeststation zeigt. Fig. 2 shows a radio base station designed according to the invention.

Fig. 1 zeigt einen Schienenweg der durch einen Tunnel verläuft. Die Funkversorgung für Mobilstationen MS, die sich auf diesem Schienenweg bewegen wird bis auf den Bereich des Tunnels durch ein Mobilfunknetz mit sich überlappenden Funkzellen C bereitgestellt. In diesem Beispiel ist das Mobilfunknetz ein nach GSM (Global System for Mobile Communications) ausgeführtes digitales zellulares Funknetz. Zur Funkversorgung des Tunnels ist eine Funkfeststation BTS vorgesehen mit einer Antennenvorrichtung AL, die das Innere des Tunnels ausleuchtet, und mit Antennen AO und AS, die die Eingangsbereiche des Tunnels ausleuchten. Die Antennenvorrichtung im Innern des Tunnels ist ein als Leckkabel AL ausgeführter offener Wellenleiter, der parallel zum Schienenweg installiert ist. Eine der Antennen ist eine Sektorantenne AS, die an einem der Portale des Tunnels angebracht ist und eine nach außen gerichtete Antennenkeule ausleuchtet. Im Bereich des anderen Tunnelportals ist eine Rundstrahlantenne AO so angebracht, daß sie weiträumig den Bereich des Tunnelportals ausleuchtet und auch in das Innere des Tunnels strahlt. Fig. 1 shows a rail track that runs through a tunnel. The radio coverage for mobile stations MS that move along this rail path is provided up to the area of the tunnel by a mobile radio network with overlapping radio cells C. In this example, the mobile radio network is a digital cellular radio network designed according to GSM (Global System for Mobile Communications). A radio base station BTS is provided for radio coverage of the tunnel with an antenna device AL, which illuminates the inside of the tunnel, and with antennas AO and AS, which illuminate the entrance areas of the tunnel. The antenna device inside the tunnel is an open waveguide designed as an AL leak cable, which is installed parallel to the rail path. One of the antennas is a sector antenna AS, which is attached to one of the portals of the tunnel and illuminates an antenna lobe facing outwards. In the area of the other tunnel portal, an omnidirectional antenna AO is attached in such a way that it illuminates the area of the tunnel portal over a large area and also radiates into the interior of the tunnel.

Das Leckkabel AL, die Sektorantenne AS und die Rundstrahlantenne AO sind an eine Funkfeststation BTS angeschlossen, die alle diese Antennen im Gleichkanalbetrieb speist. Dadurch bilden die von den Antennen AL, AS und AO ausgeleuchteten Bereiche eine Tunnel-Funkzelle TC, die sich über das Innere des Tunnels hinaus auf die Eingangsbereiche des Tunnels erstreckt. Eine Eingliederung dieser Tunnel-Funkzelle in das Mobilfunknetz wird dadurch erreicht, daß die Sektorantenne AS und die Rundstrahlantenne AO so installiert und so gespeist werden, daß die Tunnelfunkzelle TC in den Eingangsbereich des Tunnels sich hinreichend weit mit den Funkzellen C des Mobilfunknetzes überlappt. Bei Ein- oder Ausfahrt in bzw. aus dem Tunnel wird somit ein sicheres Handover zwischen den Funkzellen C und der Tunnel-Funkzelle TC erreicht. Weiterhin steht die volle Kanalkapazität der Funkfeststation BTS für den Tunnel zur Verfügung. Darüberhinaus können die Sende- und Empfangsparameter, wie z. B. Trägerfrequenzen, Sendeleistung, Hopping-Distanzen aufgrund der Ausbreitungsbedingungen der Funkwellen im Innern des Tunnels eingestellt werden.The leakage cable AL, the sector antenna AS and the omnidirectional antenna AO are connected to a base station BTS, all of them Feeds antennas in co-channel operation. As a result, those of the Antennas AL, AS and AO are illuminated areas Tunnel radio cell TC, which extends beyond the inside of the tunnel extends to the entrance areas of the tunnel. An inclusion this tunnel radio cell in the cellular network is achieved that the sector antenna AS and the omnidirectional antenna AO so installed and fed so that the tunnel radio cell TC in the entrance area of the tunnel is sufficiently far with the Radio cells C of the mobile network overlap. At entrance or exit in or out of the tunnel a safe handover between the radio cells C and the tunnel radio cell TC reached. Farther stands for the full channel capacity of the radio base station BTS Tunnel available. In addition, the broadcast and Reception parameters, such as B. carrier frequencies, transmission power, Hopping distances due to the propagation conditions of the Radio waves can be set inside the tunnel.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Funkversorgung des Tunnels innerhalb des Mobilfunknetzes ist hier beispielhaft für die Funkversorgung von Schienenfahrzeugen innerhalb des GSM-Mobilfunknetzes beschrieben. Die in Fig. 1 gezeigte und aus den Antennen AS und AO und der Antennenvorrichtung AL bestehende Antennenanordnung ist auch geeignet zur Funkversorgung von anderen Funkbereichen, die mit einem Tunnel vergleichbar sind, wie z. B. enge Talabschnitte in Gebirgen, Straßenschluchten in Großstädten oder Autobahnunterführungen an einem Verkehrsknotenpunkt. Die gezeigte Antennenanordnung stellt eine stetige Sichtfunkverbindung zwischen der Mobilstation MS und mindestens einer Antenne der Antennenanordnung sicher. Durch den Gleichkanalbetrieb der Antennenanordnung wird der Funkfeldbereich im Innern des Tunnels auf den Eingangsbereich ausgedehnt. Die Tunnelfunkzelle TC besteht aus mehreren Teilbereichen zwischen denen kein Handover erforderlich ist. Die Überlappensbereiche dieser Teilbereiche müssen nicht sehr groß sein.The radio coverage of the tunnel shown schematically in FIG. 1 within the mobile radio network is described here by way of example for the radio supply of rail vehicles within the GSM mobile radio network. The antenna arrangement shown in FIG. 1 and consisting of the antennas AS and AO and the antenna device AL is also suitable for the radio coverage of other radio areas that are comparable to a tunnel, such as e.g. B. narrow valley sections in mountains, street canyons in big cities or motorway underpasses at a traffic junction. The antenna arrangement shown ensures a constant visual radio connection between the mobile station MS and at least one antenna of the antenna arrangement. Due to the co-channel operation of the antenna arrangement, the radio field area inside the tunnel is extended to the entrance area. The tunnel radio cell TC consists of several sections between which no handover is required. The overlapping areas of these partial areas do not have to be very large.

Im Weiteren wird anhand von Fig. 2 die Funkfeststation mit der Antennenanordnung näher beschrieben. In Fig. 2 ist eine Funkfeststation BTS mit einer Antennenanordnung dargestellt, die aus einem Leckkabel AO, einer Sektorantenne AS und einer Rundstrahlantenne AO besteht. Die Funkfeststation enthält einen Sendeempfänger TRC, der eine NF-Stufe BSB zur digitalen Signalverarbeitung von Basisbandsignalen enthält und der drei HF-/ZF-Stufen RF enthält, an die jeweils eine der Antennen angeschlossen ist. Der Sendeempfänger TRC ist diesem Beispiel ein nach GSM arbeitender TDMA-Zweiwege-Sendeempfänger. Die drei Antennen AS, AL und AO werden nicht von einer gemeinsamen HF-/ZF-Stufe gespeist, sondern von drei separat aufgebauten HF-/ZF-Stufen, die gemeinsam mit der NF-Stufe verbunden sind.The base station with the antenna arrangement is described in more detail below with reference to FIG. 2. In FIG. 2, a base station BTS is shown with an antenna array consisting of a leaky cable AO, a sector antenna and an omnidirectional antenna AS AO. The base station contains a transceiver TRC, which contains an LF stage BSB for digital signal processing of baseband signals and which contains three HF / IF stages RF, to which one of the antennas is connected. In this example, the transceiver TRC is a TDMA two-way transceiver operating according to GSM. The three antennas AS, AL and AO are not fed by a common HF / IF stage, but by three separately constructed HF / IF stages, which are connected to the NF stage.

Die von der NF-Stufe BSB im Basisband erzeugten digitalen Sendesignale werden auf die Modulatoren MOD der HF-/ZF-Stufen gegeben, dort GMSK moduliert und als ZF-Signal auf die Aufwärtsmischer UP der HF-/ZF-Stufe gegeben und anschließend über einen Duplexer DUP in die jeweilige Antenne eingespeist. In Abwärtsrichtung wird das von der jeweiligen Antenne empfangende HF-Empfangssignal über den Duplexer auf den Abwärtsmischer DWN der entsprechenden HF-/ZF-Stufe geleitet und anschließend im Demodulator DEM zu digitalen Empfangssignalen demoduliert. Die digitalen Empfangssignale werden bitweise in einem Addierer addiert und anschließend in die NF-Stufe BSB zur digitalen Signalverarbeitung eingespeist. Durch diese bitweise Addierung der digitalen Empfangssignale wird der jeweils optimale Empfangsweg selektiert. Demnach arbeitet die Funkfeststation nach dem Macrodiversity-Prinzip.The digital baseband generated by the NF level BSB Transmit signals are sent to the modulators MOD of the HF / IF stages given, there modulated GMSK and as IF signal on the Upward mixer UP given the HF / IF stage and then over fed a duplexer DUP into the respective antenna. In Downward direction becomes that which is received by the respective antenna RF receive signal via the duplexer to the down mixer DWN corresponding HF / IF stage and then in Demodulator DEM demodulated to digital reception signals. The  digital received signals are added bit by bit in an adder and then in the NF level BSB for digital Signal processing fed. Through this bitwise addition of the digital reception signals will be the optimal reception path selected. Accordingly, the base station works according to the Macrodiversity principle.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel ist nur eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Es sind zahlreiche weitere Ausführungsformen der Erfindung denkbar, wie etwa die Funkversorgung von Teilabschnitten innerhalb eines Schnellstraßennetzes, die mit herkömmlichen Funkfeststationen und Antennenanordnungen nicht ausgeleuchtet werden können.The embodiment described above is only one special advantageous embodiment of the invention. There are numerous further embodiments of the invention conceivable, such as the Radio coverage of sections within one Expressway network with conventional radio base stations and Antenna arrangements can not be illuminated.

Claims (8)

1. Funkfeststation (BTS) mit einer Antennenvorrichtung (AL) zur Funkversorgung eines Tunnels, mit Antennen (AO, AS) zur Funkversorgung von Eingangsbereichen des Tunnels und mit einem Sendeempfänger (TRC), der die Antennenvorrichtung und die Antennen im Gleichkanalbetrieb betreibt, wodurch eine Tunnel-Funkzelle (TC) gebildet wird, die das Innere und die Eingangsbereiche des Tunnels umfaßt.1. base station (BTS) with an antenna device (AL) for Radio coverage of a tunnel, with antennas (AO, AS) for Radio coverage of entrance areas of the tunnel and with one Transceiver (TRC), the antenna device and the antennas operates in co-channel operation, which means that a tunnel radio cell (TC) is formed, the interior and the entrance areas of the tunnel includes. 2. Funkfeststation (BTS) nach Anspruch 1, bei der die Antennenvorrichtung ein offener Wellenleiter (AL) ist und bei der die Antennen Rundstrahlantennen (AO) und/oder Sektorantennen (AS) sind.2. base station (BTS) according to claim 1, in which the antenna device is an open waveguide (AL) and in which the antennas omnidirectional antennas (AO) and / or Sector antennas (AS) are. 3. Funkfeststation (BTS) nach Anspruch 2, bei der der offene Wellenleiter ein Leckkabel (AL) ist, das die Funkfeststation (BTS) von der Mitte des Tunnels aus speist. 3. base station (BTS) according to claim 2, where the open waveguide is a leakage cable (AL) that the Radio base station (BTS) feeds from the center of the tunnel.   4. Funkfeststation nach Anspruch 2, bei der die Antennen an die Enden des offenen Wellenleiters mittels Gleichkanalverstärker angeschlossen sind.4. base station according to claim 2, where the antennas are attached to the ends of the open waveguide Co-channel amplifiers are connected. 5. Funkfeststation (BTS) nach Anspruch 1, bei der der Sendeempfänger (TRC) für die Antennenvorrichtung (AL) und für die Antennen (AO, AS) jeweils eine HF-/ZF-Stufe (RF) enthält und bei der der Sendeempfänger (TRC) eine NF-Stufe (BSB) enthält, die mit den HF-/ZF-Stufen (RF) verbunden ist.5. base station (BTS) according to claim 1, where the transceiver (TRC) for the antenna device (AL) and for the antennas (AO, AS) one HF / IF stage (RF) contains and at which the transceiver (TRC) an NF level (BSB) contains, which is connected to the RF / IF stages (RF). 6. Funkfeststation (BTS) nach Anspruch 5, bei der der Sendeempfänger (TRC) Sendesignale und Empfangssignale nach Art des Makrodiversity verarbeitet.6. base station (BTS) according to claim 5, at which the transceiver (TRC) transmit signals and receive signals processed according to the type of macrodiversity. 7. Antennenanordnung zum Anschluß an einen Sendeempfänger (TRC) einer Funkfeststation (BTS) mit einer Antennenvorrichtung (AL) zur Funkversorgung eines Tunnels und mit Antennen (AO, AS) zur Funkversorgung von Eingangsbereichen des Tunnels.7. Antenna arrangement for connection to a transceiver (TRC) a base station (BTS) with an antenna device (AL) for Radio coverage of a tunnel and with antennas (AO, AS) for Radio coverage of entrance areas of the tunnel. 8. Antennenanordnung nach Anspruch 7, bei der die Antennenvorrichtung ein offener Wellenleiter, insbesondere ein Leckkabel (AL), ist und bei der die Antennen Rundstrahlantennen (AO) und/oder Sektorantennen (AS) sind.8. Antenna arrangement according to claim 7, in which the antenna device is an open waveguide, especially a leakage cable (AL), and in which the antennas Omnidirectional antennas (AO) and / or sector antennas (AS) are.
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