DE10110256C2 - Antennenkombiniervorrichtung für "intelligente" Antennen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antennenkom­ biniervorrichtung für Mehrfachträger- Basistransceiverstationen (Multicarrier-BTS) in einem digita­ len Mobilfunksystem, und insbesondere auf eine Antennenkombi­ niervorrichtung für Multicarrier-BTS nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige bekannte Antennenkombiniervorrichtungen für Multi­ carrier-BTS sind z. B. aus DAM, H. [et. al.]: "Performance E­ valuation of Adaptive Antenna Base Stations in a Commercial GSM Network". In: Proceedings of VTC 1999-Fall. 50^th IEEE Ve­ hicular Technology Conference. IEEE, 1999, Seiten 47-51 be­ kannt, und werden insbesondere auch in GSM-Mobilfunksystemen eingesetzt.

Bei solchen bekannten Multicarrier-BTS ist jeder Empfangszel­ le in einem digitalen Mobilfunknetz eine Basisstation zuge­ wiesen, welche die gesamte Zelle abdeckt und die Funkverbin­ dung zu sämtlichen sich in der Zelle befindlichen Mobilstati­ onen unterhält.

Bei Multicarrier-BTS sind in einer solchen Basisstation meh­ rere (Signal)-Trägereinheiten für den Verbindungsaufbau zwi­ schen der Basisstation und einer Vielzahl der sich in einer der Basisstation zugeordneten Zelle befindlichen Mobilstatio­ nen vorgesehen. Dadurch kann die effektive Gesamtübertra­ gungskapazität der Basisstation gesteigert werden.

Aus WO 2001/01582 A2 ist eine Antennenanordnung mit einer Sektorantenne und einem Antennenarray mit adaptiver Phasen­ steuerung, um einzelne Strahlungskeulen auszubilden, bekannt. Mittels zweier Schalter können die Sende- und Empfangseinheiten entweder an die Sektorantenne oder an das Antennenar­ ray oder an beide zugewiesen werden.

Die eine Basisstation in einem digitalen Mobilfunknetz umge­ benden Zellen sind meist in sogenannte Sektoren unterteilt, und zwar typischerweise in Sektoren mit einem Öffnungswinkel von 120°. Ein solcher Sektor wird von einer Sektorantenne versorgt, über die sämtliche sich in dem Sektor befindlichen Mobilstationen mit der Basisstation Verbindung aufnehmen kön­ nen.

Der Einfachheit halber wird im folgenden stets der "downlink- Kanal" betrachtet, auf dem die Basisstation zu den Mobilsta­ tionen sendet. Dementsprechend wird stets von basisstations­ seitigen Sendeantennen und (einer) mobilstationsseitigen Emp­ fangsantenne(n) ausgegangen. Für den Fachmann ist es aber oh­ ne weiteres einsichtig, dass die entsprechenden Überlegungen für den "uplink"-Kanal von einer Mobilstation und deren Sen­ deantenne(n) zu der/den Empfangsantennen einer Basisstation gelten.

Sind mehrere (Sendesignal)-Trägereinheiten, nämlich n = 2, 3, 4, . . ., in der Basisstation vorgesehen, so müssen die von den n Trägereinheiten ausgehenden Trägersignale jeweils über eine Schaltungslogik geführt werden, die die zu den einzelnen Trä­ gereinheiten gehörenden Signale auf eine der (Gesamt)- Sektorantenne zugeordneten 1 : n Antennenkombiniervorrichtung (Kombiner) führen, der die von den Trägereinheiten stammenden Signale an die Sektorantenne weitergibt.

Um eine zielgerichtete und effizientere Versorgung von sich an bestimmten Punkten in einem Sektor einer Basisstation be­ findlichen Mobilstationen zu ermöglichen, sind Konzepte mit sogenannten "intelligenten" Antennen ("smart antennas") be­ kannt, wie sie z. B. in "Adapt to survive", in "Mobile Euro­ pe", Ausgabe November 2000, S. 41 ff. beschrieben sind.

Demzufolge ist vorgesehen, dass eine Basisstation mit mindes­ tens einer Subsektor-Richtantenne ausgestattet ist, die nur einen Subsektor, also einen Teil eines Gesamtsektors, mit ei­ ner gerichteten Antennenkeule abdeckt. Durch sukzessive Um­ schaltung von einer Antennenkeule einer ersten Subsektorenan­ tennne zu der Antennenkeule einer benachbarten Subsektorenan­ tennne ergibt sich eine "intelligente" Antennenvorrichtung, welche z. B. einer Mobilstation auf ihrem Weg von Subsektor zu Subsektor folgen kann. Durch eine solche "intelligente" An­ ordnung kann die mittels einer einzelnen Subsektor- Richtantenne abgestrahlte Leistung im Vergleich zu einer An­ tenne, die den gesamten Sektor abdecken muss, sehr wirkungs­ voll zu dieser Mobilstation ausgerichtet werden. Somit werden Interferenzeffekte sowohl zu anderen sich in dieser Zelle be­ findenden Mobilstationen, wie auch zu benachbarten Zellen mi­ nimiert. Bei feststehenden Antennenkeulen ist es jedoch not­ wendig, den Gesamtsektor mit mehreren, in Kombination den Ge­ samtsektor abdeckenden Subsektor-Richtantennen abzudecken. Diese werden typischerweise in Kombination zu einer den Ge­ samtsektor versorgenden Sektorantenne betrieben.

Eine mit Antennenkeulen-Umschaltung arbeitende Basisstation BTS mit sogenannter "intelligenter Antenne" basiert also auf einem Antennensystem mit mehreren Richtantennen. Die Richtan­ tennen dienen dazu, die sich in der der Basistransceiversta­ tion (BTS) zugeordneten Zelle befindlichen Mobilstationen je­ weils mit einer schmalen Antennenkeule selektiv anzusprechen. Jede dieser Subsektor-Richtantennen ist mittels einer Anten­ nenkombiniervorrichtung und eines Schaltelements in Form ei­ ner Schaltmatrixvorrichtung mit sämtlichen (Signal)-Trä­ gereinheiten (Carrier Units) im Inneren der Basistranscei­ verstation zusammenschaltbar.

Bei dem Stand der Technik sind die Antennenkombiniervorich­ tungen dabei so dimensioniert, dass alle Trägereinheiten gleichzeitig an je eine der Subsektor-Richtantennen ange­ schlossen werden können. Dadurch ergeben sich in der Praxis recht hohe Kombiningverluste. Zum Beispiel entstehen für eine 8 : 1 Kombiniervorrichtung, d. h. einer Kombiniervorrichtung, bei der die Signale von sechs Trägerbaugruppen auf eine aus­ gesuchte Subsektor-Richtantenne geleitet werden können, Sig­ nalverluste von etwa 10 dB.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine solche an sich bekannte Antennenkombiniervorrichtung für die verschiedenen in einem Sektor einer Basisstation wirksamen Antennen, und zwar exemplarisch nur für die Sendeantennen einer Basistransceiversta­ tion.

Bei der in Fig. 2 vorgesehenen Anordnung sind n = 8 (Sende­ signal)-Trägereinheiten T1 bis T8 vorgesehen. Diese stehen jeweils mit einer schematisch gezeigten zentralen Steuerein­ heit 1 (den sogenannten "Kernbaugruppen") in Verbindung, de­ ren detaillierter Aufbau im weiteren nicht von Interesse ist.

Die zentrale Steuereinheit 1 koordiniert die Aussendung von Sendesignalen von den Trägereinheiten T1 bis T8 sowie die Funktionsweise einer Schaltmatrixvorrichtung 2, welche die von den einzelnen Trägereinheiten T1 bis T8 einkommenden Sig­ nale in koordinierter Weise auf fünf Antennenkombiniervor­ richtungen A1 bis A5 weiterführt.

Dazu benutzt die Schaltmatrixvorrichtung 2 in einer Antennen­ kombiniervorrichtung nach dem Stand der Technik Algorithmen, mit denen die momentane Verkehrslast an die Subsektor- Richtantennen verteilt wird, ohne dass die Lastverteilung da­ bei berücksichtigt würde. Dadurch müssen alle Antennenkombi­ niervorrichtungen, also im vorliegenden Beispiel sowohl die Antennenkombiniervorrichtung A1 für die Gesamtsektorantenne, als auch die Antennenkombiniervorrichtungen A2 bis A5 für die vier Subsektor-Richtantennen A, B, C und D, jeweils für Maxi­ mallast dimensioniert sein, um im Grenzfall maximaler Bean­ spruchung die Signale aller n Trägerbaugruppen durch eine zu­ geordnete Antenne führen zu können.

Mit anderen Worten: Bei den in Fig. 2 gezeigten fünf Anten­ nenkombiniervorrichtungen A1 bis A5 handelt es sich jeweils um sogenannte 1 : n Antennenkombiniervorrichtungen, wobei n die Gesamtzahl aller sich in der Basistransceiverstation be­ findlichen Trägerbaugruppen ist, vorliegend also n = 8.

Dies führt zu relativ hohen Signalverlusten beim Kombinieren der über die Kombiner A1 bis A5 laufenden Signale.

Durch ihre Funktionsweise bedingt zeigen solche bekannten nicht-selektiven Antennenkombiniervorrichtung für Multicar­ rier-BTS recht hohe Verluste der hochfrequenten Sendesignale.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Sig­ nalverluste in einer Antennenkombiniervorrichtung für eine Mehrfach-Baugruppen-Basisstation mit einer Gesamtsektoranten­ ne und mehreren Subsektor-Richtantennen zu reduzieren.

Dies geschieht erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des An­ spruchs 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen in Ver­ bindung mit den Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 das Schema für eine erfindungsgemäße Antennenkombi­ niervorrichtung für ein sogenanntes intelligentes BTS- Antennensystem eines digitalen Mobilfunksystems, wobei bei­ spielhaft vier Subsektorantennen und eine Gesamtsektorantenne in einer Mehrfachträger-Basisstation vorgesehen sind;

Fig. 2 das der Fig. 1 entsprechende Schema für eine Anten­ nenkombiniervorrichtung für eine Anordnung von vier Subsek­ torantennen und einer Gesamtsektorantenne nach dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Antennenkombiniervorrichtung für eine intelli­ gente BTS-Antenne mit vier Richtantennen und einer (Gesamt)- Sektorsendeantenne. Diese intelligente Antenne bedient einen kompletten Sektor von beispielsweise 120°. Dieser Sektor ist dabei in vier Subsektoren von je 30° aufgeteilt. Die vier Subsektoren werden von vier Richtantennen A bis D ausgeleuch­ tet.

Die in Fig. 1 gezeigten Baugruppen entsprechen im wesentli­ chen den in Fig. 2 gezeigten Baugruppen.

Eine Kernbaugruppe 1 ist dabei mit n = 8 einzelnen (Signal)- Trägereinheiten T1 bis T8 verschaltet. Sowohl die Kernbau­ gruppe 1 als auch jede der Trägereinheiten T1 bis T8 sind wiederum mit einer Schaltmatrixvorrichtung 2 verbunden. Diese Schaltmatrixvorrichtung 2 kann von jeder der Trägereinheiten und/oder der Kernbaugruppe angesteuert werden. Die Schaltmat­ rixvorrichtung 2 selektiert sodann ihrerseits eine der fünf Antennenkombiniervorrichtungen A1 bis A5.

Dabei ist die erste Antennenkombiniervorrichtung A1 eine 1 : n (d. h. vorliegend also 1 : 8) Antennenkombiniervorrichtung, wel­ che mit der Gesamtsektorsendeantenne in Verbindung steht. Die Gesamtsektorsendeantenne kann also im Bedarfsfall Signale von allen n = 8 Trägereinheiten T1 bis T8 gleichzeitig aussenden.

Die weiteren Antennenkombiniervorrichtungen A2 bis A5 sind hier beispielhaft jeweils 1 : m Antennenkombiniervorrichtungen, wobei m eine ganze Zahl ist, die kleiner ist als die Gesamt­ zahl n aller Trägereinheiten; d. h. es gilt m < n. Die 1 : m An­ tennenkombiniervorrichtungen A2 bis A5 sind jeweils einer Subsektor-Richtantenne A bis D zugeordnet.

Die Gesamtsektor-Sendeantenne deckt einen der Empfangszelle entsprechenden Gesamtsektor von 120° ab. Jede der Richtanten­ nen A bis D deckt ihrerseits einen Teilsektor von einem Vier­ tel des Gesamtsektors, also jeweils 30°, ab.

Der erfindungswesentliche Unterschied zu der in Fig. 2 ge­ zeigten Anordnung einer bekannten Antennenkombiniervorrich­ tung besteht also darin, das nunmehr die den einzelnen Subsektorantennen zugeordneten Antennenkombiniervorrichtungen nicht mehr zur Kombination der Vollast aller n = 8 Trägerein­ heiten ausgelegt sind. Vielmehr ist jede Antennenkombinier­ vorrichtung so ausgelegt, dass sie bei diesem Ausführungsbei­ spiel nur die Signale von m < n Trägereinheiten bündelt und auf eine zugeordnete Subsektor-Richtantenne gibt.

Aktive Mobilstationen, die sich in der der Basisstation zuge­ ordneten Zelle aufhalten, werden in der Regel zunächst über die sich an der Basisstation befindliche Gesamtsektorsendean­ tenne angesprochen. Das Antwortsignal der Mobilstation wird sodann über eine Subsektor-Empfangs-Richtantenne (in Fig. 2 nicht gezeigt), die einer bestimmten Subsektor- Senderichtantenne zugeordnet ist, empfangen. Diejenige der vier Subsektor-Empfangsrichtantennen, welche das beste Emp­ fangssignal liefert, determiniert eine ihr zugeordnete Sub­ sektor-Sendeantenne, welche im nächsten Schritt zum Senden von der Basisstation hin zur Mobilstation verwendet wird.

Die Schaltmatrixvorrichtung 2 besteht bei dem in Fig. 2 ge­ zeigten Ausführungsbeispiel für die vier Richtantennen A bis D aus einer Anordnung von (n × (4 × m + 1) Schaltelementen für die n Trägereinheiten, die alle n Ausgänge der Trägereinhei­ ten mit allen zu Verfügung stehenden Richtantennenkombine­ reingängen und einem dezidierten Kombinereingang der Sendean­ tenne verschaltet.

Dadurch, dass die Anzahl der Kombinereingänge der Gesamtsek­ torsendeantenne dieselbe ist wie die Zahl der Trägereinhei­ ten, nämlich n, wird sichergestellt, dass alle Mobilstatio­ nen, die sich in einem der Basisstation zugeordneten Sektor befinden, gleichzeitig über die Gesamtsektor-Sendeantenne be­ dient werden können. In diesem Modus wird also keine Redukti­ on der Kombinerverluste erreicht.

Sobald die Richtung einer Mobilstation ermittelt worden ist, wird statt der Gesamtsektor-Sendeantenne eine der vier Subsektor-Richtantennnen A, B, C, D verwendet. Dadurch, dass sich die Gesamtlast der Sendeantenne nun über mehrere Richt­ antennen verteilen läßt, können entsprechend auch die Richt­ antennen-Kombiner A2 bis A5 so dimensioniert sein, dass sie nicht mehr jeweils alle zur Verfügung stehenden Trägereinhei­ ten abdecken müssen, d. h. es kann sich bei den Richtantennen- Kombinern nun jeweils um sogenannte 1 : m Kombiner handeln, wo­ bei jeweils m < n. Dadurch werden die Verluste in den einzel­ nen Richtantennen-Kombinern reduziert.

Die Ansteuerung der Schaltmatrixanodnung 2 erfolgt alternativ entweder über die Auswertung von den Trägereinheiten zugeord­ neten Antennenschaltsignalen oder mittels dezidierter Algo­ rithmen durch die Kernbaugruppe bzw. eine der Trägereinhei­ ten.

Die Erfindung reduziert die Signalverluste in den Antennen­ kombiniervorrichtungen A2 bis A5 erheblich, je nach Dimensio­ nierung beispielsweise um die Hälfte, d. h. um 3 dB.

Der Erfindung nutzt die Tatsache aus, dass die Mobilstationen in der Zelle räumlich verteilt sind. Dadurch verteilt sich die Last über die zur Verfügung stehenden Richtantennen. Zu­ sätzlich wird ein Teil der Mobilstationen gar nicht über die Richtantennen angesprochen, sondern über eine den Gesamtsek­ tor ausleuchtenden Gesamtsektor-Sendeantenne. Durch diese statistische Lastverteilung können die Antennenkombiner nur für eine statistisch gemittelte Last (z. B. 50% der Vollast) ausgelegt sein.

Dies führt bei unserem Beispiel zu folgenden Vorteilen:
Das "downlink"-Budget (also die Signalbilanz auf der Funkstrecke von der Basisstation zur Mobilstation) wird deut­ lich verbessert.

Durch die verbesserte Signalbilanz kann die Reichweite dieser Basisstation erhöht werden, die maximal nutzbare Geschwindigkeit einer Datenübertragung kann durch günstigere Kodierung erhöht werden, oder die Sprachqualität wird verbessert.

Weiterhin wird die thermische Verlustleistung in der Basis­ station BTS deutlich reduziert. Dadurch kann ein breiterer Betriebstemperaturbereich verwendet werden und es ergibt sich eine niedrigere Ausfallrate. Weiterhin wird die Wechselstrom- Leistungsaufnahme der Basisstation BTS reduziert, was zu niedrigeren Betriebskosten führt.

Es wird also bei der vorliegenden Erfindung ein Sektor durch mehrere Trägereinheiten (Carrier Units) versorgt, und dieser Sektor ist durch mehrere Antennen mit einer ausgeprägten Richtcharakteristik abgedeckt. Dabei lassen sich diese Richt­ antennen unabhängig voneinander zeitlich variabel mittels ei­ ner Schaltmatrix an die n Trägereinheiten schalten. Die Schaltmatrix erlaubt somit die Verbindung zwischen jeder Trä­ gereinheit und jeder Richtantenne. Zum Parellelbetrieb von mehreren Trägereinheiten an einer dieser Richtantennen wird pro Antenne ein Antennenkombiner verwendet. Dieser Antennen­ kombiner ist dabei nicht jeweils für die volle Last aller n Trägereinheiten ausgelegt, sondern unter Berücksichtigung der statistischen örtlichen Verteilung der Mobilfunknutzer in der Zelle lediglich für eine statistische Last von m Trägerein­ heiten (mit m < n).

Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Antennensignalkombiniervor­ richtungen für die einzelnen Subsektorantennen (A, B, C und D in Fig. 1) jeweils unterschiedliche Kombinerverhältnisse 1 : m_i mit m_i < n aufweisen.

Bei die Zahl der Trägereinheiten z. B. n = 8, so könnte neben einer 1 : 8 Antennensignalkombiniervorrichtung A1 für die Ge­ samtsektorantenne vorgesehen sein, dass die einer ersten Sub­ sektorantenne A zugewiesene Antennenkombiniervorrichtung A2 ein Kombinerverhältnis von 1 : 4 (also m₂ = 4) aufweist, die einer zweiten Subsektorantenne B zugewiesene Antennenkombi­ niervorrichtung A3 ein Kombinierverhältnis von 1 : 3 (also m₃ = 3), die einer dritten Subsektorantenne C zugewiesene Anten­ nenkombiniervorrichtung A4 ein Kombinerverhältnis von 1 : 2 (also m₄ = 2), usw.

Dabei können die einzelnen Subsektoren gleich groß, aber auch unterschiedlich groß sein, und zwar z. B. so, dass die Flächen der von den einzelnen Richtantennen abgedeckten Subsektoren im Verhältnis der einzelnen "Kombinerfaktoren" m₂ : m₃ : m₄ . . . zueinander stehen.

Mit anderen Worten: In einen Subsektor wird eine Anzahl von Trägersignalen gesendet, die proportional zur Sektorgröße ist.

Claims (4)

1. Antennenkombiniervorrichtung für eine Mehrfachträger- Basisstation (Multicarrier BTS) in einem digitalen Mobilfunk­ netz, insbesondere in einem nach der GSM-Norm operierenden Mobilfunknetz, mit n (n = 2, 3, 4, . . .) (Signal)- Trägereinheiten (T1, . . ., Tn) für Sende- oder Empfangssignale; wobei eine Schaltmatrixvorrichtung (2) vorgesehen ist, die die Trägersignale für eine Gesamtsektorantenne über eine 1 : n Antennenkombiniervorrichtung (A1) führt, wobei diese Gesamt­ sektorantenne den gesamten einer Basisstation zugeordneten Sektor abdeckt, und wobei die Schaltmatrixvorrichtung (2) Trägersignale für einzelne Subsektorantennen (A, B, . . .) je­ weils über eine einer einzelnen Subsektorantenne zugeordnete Antennenkombiniervorrichtung (A2, . . ., A5) führt, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Subsektor-Antennenkombiniervorrichtungen (A2, A3, . . ., A5), eine 1 : m_i Antennenkombiniervorrichtung zugeordnet ist, bei der die Trägersignale von m_i Trägerbaugruppen über die 1 : m_i Antennenkombiniervorrichtung geführt werden, wobei m_i jeweils ganze Zahlen kleiner n sind, und die m_i für unter­ schiedliche Subsektor-Antennenkombiniervorrichtungen nicht notwendigerweise identisch gleich sind.

2. Antennenkombiniervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle m_i identisch gleich einer ganzen Zahl m sind, wobei m kleiner als n ist.

3. Antennenkombiniervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der einzelnen von den Subsektor-Antennen ab­ gedeckten Subsektoren sich zueinander verhalten wie die je­ weils den entsprechenden Kombiniervorrichtungen zugeordneten Zahlen ml.

4. Antennenkombiniervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der einzelnen von den Subsektor-Antennen ab­ gedeckten Subsektoren gleich groß sind.