DE10122696C2 - Sendeverfahren zur Übertragung eines nicht-kontunuierlich gesendeten Mobilfunkkanals sowie Mobilfunk-Basisstation und Mobilfunknetz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sendeverfahren nach dem Oberbeg­ riff des Anspruchs 1 sowie eine zur Durchführung dieses Sen­ deverfahrens ausgebildete Mobilfunk-Basisstation und ein Mo­ bilfunknetz.

Das nachrichtentechnische Kernstück der mobilen Telekommuni­ kation ist der bidirektionale Funkbetrieb zwischen fest in­ stallierten Basisstationen und den auch als Mobilstationen bezeichneten Endgeräten der Nutzer. Der Grundgedanke der Flä­ chenabdeckung durch eine variable zellulare Struktur der Net­ ze erfordert ausgefeilte Synchronisationsprozeduren für einen störungsfreien Sende-/Empfangsbetrieb zwischen den verschie­ denen Basisstationen und Mobilstationen, insbesondere im Zu­ sammenhang mit dem sogenannten Handover, d. h. dem "Weiter­ reichen" einer sich bewegenden Mobilstation zwischen ver­ schiedenen Basisstationen.

Zur Synchronisation des Betriebes einer mit einer Basisstati­ on des Mobilfunknetzes kommunizierenden Mobilstation - genau­ er gesagt: zur Frequenz-, Slot-, Rahmen- bzw. Frame- und Co­ desynchronisation - dient ein speziell zu diesem Zweck von der Basisstation gesendeter Synchronisationskanal. Über die­ sen Kanal werden keine Nutzdaten übertragen. Die in diesem Kanal abgestrahlte Sendeleistung stellt daher bezüglich der Datenkanäle grundsätzlich Störleistung dar. Diese Sendeleis­ tung sollte daher möglichst gering sein.

Zudem sollten über den Synchronisationskanal möglichst wenig zeitverzögerte Signale am Ort der Mobilstation ankommen, denn diese Signale können zur Intersymbolinterferenz führen.

Speziell bei reinen TDMA-Systemen mit synchronisierten Basis­ stationen wird der Synchronisationskanal üblicherweise in un­ terschiedlichen Slots (Zeitschlitzen des Zeitdiversity-Sche­ mas) gesendet, wobei die erwähnten Störungen grundsätzlich nicht auftreten können.

Bei nicht ausschließlich nach dem TDMA-Prinzip arbeitenden Mobilfunksystemen können die oben erwähnten Probleme jedoch in der Praxis eine erhebliche Rolle spielen.

Ohne unmittelbaren Bezug zum Aussenden eines gesonderten Syn­ chronisationskanals ist im Stand der Technik ein Verfahren zur Teilnehmerseparierung bekannt, das mit "SDMA" (Space Di­ vision Multiple Excess) bezeichnet wird. Insofern wird auf die Druckschriften DE 197 54 783 A1, DE 32 24 183 A1 und DE 44 27 755 A1 verwiesen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe der Bereitstellung ei­ nes Sendeverfahrens, welches die zeitliche Verteilung der in eine Zelle des Netzes einfallenden Leistungsdichte im Syn­ chronisationskanal möglichst gering hält und eine gute zeit­ liche Trennung der Synchronisationssignale verschiedener Ba­ sisstationen ermöglicht, sowie einer zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Basisstation und ein entsprechendes Mobilfunknetz zugrunde.

Diese Aufgabe wird in ihrem Verfahrensaspekt durch ein Sende­ verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, in ihrem Vor­ richtungsaspekt durch eine Mobilfunk-Basisstation mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und in ihrem Mobilfunknetz­ aspekt durch die im Anspruch 17 angegebenen Merkmale gelöst.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Die Erfindung sieht vor, den Synchronisationskanal nicht - wie bisher üblich - mit einer ungerichteten Sendeantenne (om­ nidirektional) auszustrahlen, sondern gerichtet, wobei die Senderichtung eine Zeitabhängigkeit aufweist. Hierdurch wird die Anzahl der gleichzeitig aktiven Ausbreitungspfade verrin­ gert. Wurden bei den bekannten Systemen bei Aussendung über einen Rundstrahler seitens der Mobilstation Empfangssignale über mehrere Pfade gleichzeitig empfangen, so wird beim er­ findungsgemäßen Verfahren ein zeitlich gestaffelter Empfang dieser Mehrwegesignale realisiert.

Da sich die Senderichtungen der einzelnen einen bestimmten räumlichen Bereich des Mobilfunknetzes bedienenden Bassista­ tionen so abstimmen lassen, dass die Senderichtungen im Synchronisationskanal nicht gleichzeitig auf einen Raumbereich gerichtet sind, ist eine erhebliche Verringerung der Inter­ zellen- und Intrazelleninterferenz möglich. Bei konstanter Sendeleistung erhöht sich hiermit die Reichweite der Basis­ stationen und die (unter dem Aspekt der Basisstation- Mobilstation-Synchronisation) maximal mögliche Zellengröße. Nimmt man die Zellengröße als gegeben an, kann andererseits die Sendeleistung des Synchronisationskanals reduziert wer­ den.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Sende­ richtung zur Ausstrahlung des Synchronisationskanals auf e­ lektrischem oder mechanischem Wege gedreht. Die Winkelge­ schwindigkeit dieser Drehung ist hierbei insbesondere kon­ stant. Die vorrichtungsseitige Realisierung dieser bevorzug­ ten Ausführung erfolgt mittels einer entsprechend drehbaren Sendeantenne, die insbesondere eine elektrische oder mechani­ sche Drehvorrichtung aufweist, welche mit konstanter Winkel­ geschwindigkeit arbeitet.

In einer hierzu alternativen Ausführung des Verfahrens wird die Senderichtung nach einem vorbestimmten Ablaufschema zwi­ schen mehreren diskreten Winkelstellungen (relativ zu einer festen Bezugsrichtung) umgeschaltet. Eine entsprechende Ba­ sisstation hat eine Schalteinrichtung zur Umschaltung zwi­ schen den verschiedenen Senderichtungen sowie eine dieser zu­ geordnete Speichereinrichtung zur Speicherung eines entspre­ chenden Umschaltprogramms.

In einer weiter bevorzugten Ausführung erfolgt die Aussendung des Synchronisationskanals jeweils gleichzeitig in verschie­ dene Richtungen ("Richtkeulen"), wobei diese Senderichtungen in starrer Zuordnung zueinander eine zeitliche Abhängigkeit haben. Eine zweckmäßige vorrichtungsseitige Realisierung be­ steht im Aufbau einer Sendeantenne mit mehreren Richtkeulen, der eine Drehvorrichtung oder Umschalteinrichtung - wie oben erwähnt - zugeordnet ist.

Räumlich asymmetrische Zellen des Mobilfunknetzes können durch eine Aussendung des Synchronisationskanals mit speziell gewählter azimut- und elevationswinkelabhängiger Strahlungs­ dichteverteilung optimal "ausgeleuchtet" werden. Die ver­ schiedenen Richtkeulen des Sendesignals werden hier also mit unterschiedlicher effektiver Sendeleistung ausgestrahlt. Der­ artige Antennenkonstruktionen sind in der Nachrichtentechnik als Richtantennen mit spezieller Haupt- und Nebenkeulenkonfi­ guration an sich bekannt und relativ leicht realisierbar.

Neben den oben erwähnten Aspekten, die allein den Sendebe­ trieb für einen Mobilfunkkanal (speziell seitens einer Basis­ station) betreffen, sind auch systemseitige Ausgestaltungen des Verfahrens möglich. So kann der Synchronisationskanal insbesondere zusätzlich zur Initiierung eines Zufallskanal­ zugriffs (Random Access Transmission) in Uplink-Richtung, al­ so von einer Mobilstation zur Basisstation hin, dienen. Hier­ bei geht die Mobilstation speziell zu einem Zeitpunkt in den Sendebetrieb, zu dem sie in einer mit gleicher Winkelge­ schwindigkeit wie die Senderichtung (Sendekeule) der Basis­ station rotierenden Empfangsrichtung (Empfangskeule) liegt.

Eine entsprechende vorrichtungsseitige Ausgestaltung des Mo­ bilfunksystems sieht dementsprechend eine Empfangs-Sende- Synchronisationseinrichtung in der Mobilstation sowie seitens der Basisstation eine Empfangsantenne mit starr an die Sende­ richtung der Sendeantenne gekoppelter, zeitlich variabler Empfangsrichtung vor.

Das vorgeschlagene Verfahren kann, neben dem erwähnten Syn­ chronisationskanal, auch für andere nicht-kontinuierlich ge­ sendete Kanäle in einem Mobilfunksystem (z. B. CCPCH) oder zur Synchronisation zwischen den Basisstationen in einem UMTS-System vorteilhaft angewendet werden.

Ein Mobilfunknetz, bei dem die Erfindung realisiert wird, hat eine Synchronisiereinrichtung zur Synchronisierung des zeit­ abhängig ausgerichteten Sendebetriebs der ein und denselben Raumbereich versorgenden Basisstationen, insbesondere des Synchronisationskanals. Die Synchronisation erfolgt derart, dass in keinem räumlichen Bereich des Netzes, der im Sendege­ biet mehrerer Basisstationen liegt, der Synchronisationskanal durch diese Basisstationen gleichzeitig in den Raumbereich hinein ausgesandt wird.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Mobilfunksystems sind außerdem Mittel zur Realisierung des oben erwähnten zeitlich gesteuerten Kanalzugriffs durch die Mobilstationen im Anspre­ chen auf den Empfang der "Richtkeule" des Synchronisationska­ nals der Basisstation vorgesehen.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, skizzenartigen Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele und -aspekte anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Funktionsweise einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Sendefunktion einer Basisstation in einer weiteren bevorzugten Ausführung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Sendefunktion einer Basisstation in einer weiteren bevorzugten Ausführung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des mit der zeitlichen Änderung der Senderichtung synchronisierten Kanalzugriffs und

Fig. 5a und 5b schematische Darstellungen der für die Erläu­ terung der Erfindung wesentlichen Teile einer Mobilfunk- Basisstation gemäß zwei Ausführungsformen der Erfindung.

In Fig. 1 sind symbolisch zwei Basisstationen BS1, BS2 eines Mobilfunknetzes mit jeweils einer Sende-Richtkeule sowie eine in der Sendereichweite beider Basisstationen liegende Mobil­ station MS gezeigt. Der gekrümmte Pfeil über den Richtkeulen der Basisstationen BS1, BS2 symbolisiert, dass die Senderich­ tung bei der Aussendung des Synchronisationskanals gedreht wird. Es ist leicht einzusehen, dass bei der angegebenen Lage der Richtkeulen die Mobilstation MS nicht gleichzeitig im Sendebereich des Synchronisationskanals beider Basisstationen liegt. Dies wird durch eine geeignete Synchronisationsein­ richtung sichergestellt.

Fig. 2 zeigt eine gegenüber den Basisstationen BS1, BS2 in Fig. 1 insoweit modifizierte Basisstation BS1', als diese drei Richtkeulen mit gleicher effektiver Sendeleistung hat, welche in starrer Winkellage relativ zueinander gemeinsam ge­ dreht werden.

Fig. 3 zeigt das Richtdiagramm einer weiter modifizierten Ba­ sisstation BS1", deren Sendeantenne in drei Richtkeulen je­ weils unterschiedliche Leistungen aussendet, womit eine azi­ mutabhängige Strahlungsdichtefunktion S(ϕ) realisiert wird. Eine solche Richtcharakteristik der Basisstation BS1" ist durch eine (als solche bekannte) speziell angepasste Reflek­ torgeometrie, gegebenenfalls im Zusammenwirken mit richtungs­ bezogen wirkenden Dämpfungsmitteln, realisierbar.

Fig. 4 schließlich zeigt eine weitere Basisstation BS1''' und eine in ihrer Sendereichweite liegende Mobilstation MS, bei denen ein durch Nutzung der Erfindung möglicher spezieller Kanalzugriffsmodus realisiert wird. Die Basisstation BS1''' hat im Grunde die gleiche Richtcharakteristik wie die Basis­ stationen BS1, BS2 der in Fig. 1 dargestellten und oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Sie unterscheidet sich von dieser aber dadurch, dass der Drehung der Sendekeule SCH TX Keule eine Empfangskeule RACH RX Keule mit einem konstan­ ten Winkelversatz nachgeführt wird.

Hierbei ist also in der Mobilstation MS bei Empfang des Syn­ chronisationssignals, also wenn die Sendekeule die Position der Mobilstation MS überstreicht, ein Timer für den Versuch eines Kanalzugriffs zu starten, der auf den Winkelabstand zwischen Sende- und Empfangskeule und die Drehgeschwindigkeit der Richtdiagramme abgestimmt ist und einen Kanalzugriff zu dem Zeitpunkt steuert, zu dem die Mobilstation MS von der Empfangskeule der Basisstation BS1''' überstrichen wird.

Fig. 5a und 5b zeigen in Teil-Blockschaltbildern jeweils schematisch einen Sende- und Empfangsantennenabschnitt von Mobilfunk-Basisstationen 10 bzw. 10'. Die Blöcke stellen hierbei in schematischer Weise Funktionskomponenten dar, die für die Ausführung der Erfindung wesentlich sind. Im übrigen entspricht der Aufbau der Basisstationen im wesentlichen dem Stand der Technik und wird daher hier nicht weiter erläutert.

Die Basisstation 10 nach Fig. 5a hat eine Synchronisationska­ nal-Sendeantenne 11 und eine Empfangsantenne 13, die mecha­ nisch starr miteinander sowie mit einer Welle 15a einer e­ lektromotorischen Drehvorrichtung 15 verbunden sind. Die Syn­ chronisationskanal-Sendeantenne 11 ist elektrisch mit dem Ausgang einer Sendestufe 12 verbunden, und die Empfangsanten­ ne 13 ist elektrisch mit dem Eingang einer Empfangsstufe 14 verbunden. Die Drehvorrichtung 15 ist über einen Steuersig­ naleingang 15b und die Sendestufe 12 über einen Steuersignal­ eingang 12a mit einer Synchronisationskanal-Sendesteuerung 16 verbunden. Diese steuert die Aussendung des Synchronisations­ kanals in der Sendestufe 12 synchron zu einer Drehung der Sendeantenne 11 mit konstanter Winkelgeschwindigkeit.

Sowohl die Sendeantenne 11 als auch die Empfangsantenne 13 haben - wie in der Figur mit punktierten Linien symbolisch dargestellt ist, mehrere Sende- bzw. Empfangs-Richtkeulen mit übereinstimmender Ausrichtung, die bei einer gemeinsamen Dre­ hung der Sende- und Empfangsantenne 11, 13 in starrer Winkel­ zuordnung zueinander gemeinsam gedreht werden.

In Fig. 5b ist eine gegenüber der Basisstation 10 nach Fig. 5a geringfügig modifizierte Basisstation 10' gezeigt, bei der mit Fig. 5a übereinstimmende Komponenten mit denselben Be­ zugsziffern wie dort bezeichnet sind und hier nicht nochmals erläutert werden. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Synchronisationskanal-Sendeantenne 11' und die Emp­ fangsantenne 13' der Basisstation 10' fest montiert, aber da­ für mit einer Senderichtungs-Schalteinrichtung 15' zur elekt­ rischen Steuerung der effektiven Sende-(und Empfangs-)Rich­ tung verbunden sind. Die Schalteinrichtung 15' bewirkt eine elektrische Umschaltung der Sende- bzw. Empfangsrichtung zwi­ schen den einzelnen Richtkeulen nach einem vorbestimmten Ab­ laufschema, welches in einem Senderichtungs-Programmspeicher 16a einer modifizierten Synchronisationskanal-Sendesteuerung 16' programmiert ist.

Claims (19)

1. Sendeverfahren zur Übertragung eines nicht-kontinuierlich gesendeten Synchronisationskanals durch eine Basisstation ei­ nes Mobilfunknetzes, gekennzeichnet durch die Aussendung mit auf vorbestimmte Weise zeitlich geänderter Senderichtung.

2. Sendeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Senderichtung mit vorbestimmter Winkelgeschwindigkeit e­ lektrisch oder mechanisch gedreht wird.

3. Sendeverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit konstant ist.

4. Sendeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Senderichtung nach einem vorbestimmten Ablaufschema zwi­ schen mehreren diskreten Winkelstellungen relativ zu einer festen Bezugsrichtung umgeschaltet wird.

5. Sendeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussendung gleichzeitig in mehreren Senderichtungen er­ folgt, welche gemeinsam zeitlich geändert werden.

6. Sendeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussendung in verschiedenen Senderichtungen mit unter­ schiedlicher Sendeleistung erfolgt.

7. Sendeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zugriff auf den Mobilfunkkanal durch eine Mobilstation des Mobilfunknetzes in Abhängigkeit von der momentanen Sende­ richtung der Basisstation initiiert wird, wobei der Zugriff auf Zeitpunkte synchronisiert wird, zu denen die Mobilstation sich im Bereich einer Senderichtung der Basisstation befin­ det.

8. Mobilfunk-Basisstation (BS1, BS2; BS1'; BS1"; BS1'''; 10; 11) mit einer Sendeeinrichtung zur Aussendung eines Synchro­ nisationskanals, gekennzeichnet durch eine mit der Sendeeinrichtung (12) verbundene Sendeantenne (11; 11') mit verstellbarer Senderichtung.

9. Mobilfunk-Basisstation nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantenne (11) elektrisch oder mechanisch drehbar ist.

10. Mobilfunk-Basisstation nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantenne (11) eine elektrisch oder mechanisch wirken­ de Drehvorrichtung (15) aufweist, die die Senderichtung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht.

11. Mobilfunk-Basisstation nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantenne (11') eine Schalteinrichtung (15') zur Um­ schaltung der Senderichtung zwischen mehreren diskreten Win­ kelstellungen relativ zu einer festen Bezugsrichtung und eine mit einem Steuereingang der Schalteinrichtung verbundene Pro­ grammspeichereinrichtung (16a') zur Speicherung eines vorbe­ stimmten Ablaufschemas zur Umschaltung der Senderichtungen aufweist.

12. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantenne (11; 11') mehrere Richtkeulen und eine Drehvorrichtung oder Schalteinrichtung (15; 15') aufweist, die die Lage der Richtkeulen in starrer Zuordnung zueinander ver­ stellt.

13. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch eine Empfangsantenne (13; 13') mit synchron zu einer Änderung der Senderichtung verstellbarer Empfangsrichtung.

14. Mobilfunk-Basisstation nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sende- und Empfangsantenne (11, 13) eine gemeinsame, e­ lektrisch oder mechanisch wirkende Drehvorrichtung (15, 16) zur Drehung der Sende- und Empfangsrichtung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit und konstantem Winkelabstand zugeordnet ist.

15. Mobilfunk-Basisstation nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sende- und Empfangsantenne eine Schalteinrichtung zur Um­ schaltung der Senderichtung zwischen mehreren diskreten Win­ kelstellungen relativ zu einer festen Bezugsrichtung und eine mit einem Steuereingang der Schalteinrichtung verbundene Pro­ grammspeichereinrichtung (16a') zur Speicherung eines vorbe­ stimmten Ablaufschemas zur Umschaltung der Sende- und Emp­ fangsrichtungen zugeordnet ist.

16. Mobilfunk-Basisstation nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantenne (11) zur Abgabe unterschiedlicher Strah­ lungsleistungen in den verschiedenen Richtkeulen ausgebildet ist.

17. Mobilfunknetz mit einer Vielzahl von Basisstationen nach einem der Ansprüche 8 bis 16 und einer Vielzahl von Mobilsta­ tionen, bei dem Raumbereiche in der Sendereichweite jeweils mehrerer Basisstationen liegen, gekennzeichnet durch eine Sende-Synchronisationseinrichtung zur Synchronisierung der jeweiligen Senderichtung der einen bestimmten Raumbereich erfassenden Basisstationen zu jedem Zeitpunkt derart, dass der Raumbereich bei Aussendung eines Synchroni­ sationskanals nicht gleichzeitig in der Senderichtung mehre­ rer Basisstationen liegt.

18. Mobilfunknetz nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-Synchronisationseinrichtung Mittel zur Fernsteue­ rung der elektrisch oder mechanisch wirkenden Drehvorrichtun­ gen oder Schalteinrichtungen der Basisstationen aufweist.

19. Mobilfunknetz nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mobilstationen Kanalzugriffs-Synchronisierungsmittel zur zeitlichen Steuerung eines Kanalzugriffs in vorbestimmter zeitlicher Abhängigkeit vom Empfang eines von einer Basissta­ tion mit zeitveränderlicher Senderichtung ausgesandten Syn­ chronisationskanals aufweisen.