DE102012006362B4 - Method and apparatus for transmitting data at high data rates on coaxial lines - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Übertragung von Daten mit hohen Datenraten auf zumindest einer koaxialen Übertragungsstrecke (X; 7, 7a) mit folgenden Merkmalen: – die Datenübertragung wird auf der zumindest einen koaxialen Übertragungsstrecke (X; 7, 7a) in zumindest einer Übertragungsrichtung oder in zwei gegensinnigen Übertragungsrichtungen mittels eines oder mehrerer modulierter Hoch-Frequenz-Träger durchgeführt, – die zu übertragenden Daten liegen in einem Basisband (BB) oder einem Zwischen-Frequenzband (ZF) vor und werden mittels einer Frequenz-Umsetzungs-Einrichtung (39; 39a, 39b) in ein Übertragungs-Frequenzband (TF) zur Übertragung auf der zumindest einen koaxialen Übertragungsstrecke (X; 7, 7a) in zumindest einer Übertragungsrichtung umgesetzt, – das Übertragungs-Frequenzband auf der zumindest einen koaxialen Übertragungsstrecke befindet sich oberhalb der Grenzfrequenz für diese koaxiale Übertragungsstrecke (X; 7, 7a), wobei die Grenzfrequenz für die koaxiale Übertragungsstrecke (X; 7, 7a) jene Frequenz ist, unterhalb der ausschließlich TEM-Moden auf der koaxialen Übertragungsstrecke (X; 7, 7a) ausbreitungsfähig sind, – das Übertragungsverfahren arbeitet mit einer Nutzbandbreite von mehr als 200 MHz, – die Frequenz-Umsetzungs-Einrichtung (39; 39a, 39b) arbeitet mit einer Modulations-Effizienz größer als 1 Bit/Hz.Method for transmitting data at high data rates on at least one coaxial transmission path (X; 7, 7a) with the following features: - The data transmission is carried out on the at least one coaxial transmission path (X; 7, 7a) in at least one direction of transmission or in two opposite directions of transmission carried out by means of one or more modulated high-frequency carriers, - the data to be transmitted are in a baseband (BB) or an intermediate frequency band (ZF) and are converted into a frequency conversion device (39; 39a, 39b) a transmission frequency band (TF) for transmission on the at least one coaxial transmission path (X; 7, 7a) is implemented in at least one transmission direction, - the transmission frequency band on the at least one coaxial transmission path is above the limit frequency for this coaxial transmission path (X ; 7, 7a), the cutoff frequency for the coaxial transmission distance (X; 7, 7a) is the frequency below which only TEM modes on the coaxial transmission distance (X; 7, 7a) are capable of propagation, - the transmission method works with a useful bandwidth of more than 200 MHz, - the frequency conversion device (39; 39a, 39b) works with a modulation efficiency greater than 1 bit / Hz.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten mit hohen Datenraten auf Koaxialleitungen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 13. Dieses Verfahren ist insbesondere zum Betrieb einer mobilen Funkstation bestimmt.The invention relates to a method and a device for transmitting data at high data rates on coaxial lines according to the preamble of
Für moderne Mobilfunkstandorte werden heute in der Regel abgesetzte, d. h. nicht in der Basisstation selbst integrierte oder zugeordnete, sondern antennennah montierte Sende-Empfangsmodule (z. B. sogenannte Remote-Radio-Heads – RRH) verwendet, welche über eine optische Schnittstelle betrieben werden. Diese Schnittstellen können proprietär sein oder einem Standard folgen. Weltweit werden hierfür z. B. die Standards CPRI, OBSAI und ORI genutzt. (CPRI-Common Public Radio Interface, OBSAI Open Base Station Arcitecture Interface, ORI-Open Radio Interface).For modern mobile radio stations today usually remote, d. H. not in the base station itself integrated or assigned, but antenna near mounted transmit-receive modules (eg., So-called remote radio heads - RRH) used, which are operated via an optical interface. These interfaces can be proprietary or follow a standard. For this purpose, z. For example, the standards CPRI, OBSAI and ORI are used. (Common Public Radio Interface (CPRI), OBSAI Open Base Station Arcitecture Interface, ORI-Open Radio Interface).
Diese Schnittstellen erfordern Datenraten zwischen 3 und 10 Gbit/s, welche sich derzeit nur mit Lichwellenleitern realisieren lassen.These interfaces require data rates between 3 and 10 Gbit / s, which can currently only be achieved with fiber optic cables.
Die erwähnten RRH's werden am oberen Mastende montiert. Somit müssen in aufwendigen Installationen Lichtwellenleiter für die Datenübertragung (Sende- und/oder Empfangssignale) und Kabel zur Stromversorgung installiert werden.The mentioned RRH's are mounted at the top of the mast. Thus, in complex installations, optical fibers for data transmission (transmit and / or receive signals) and cables for the power supply must be installed.
Die an diesen Standorten oftmals bereits vorhandenen relativ dicken Koaxialkabel zum Betrieb von herkömmlichen Mobilfunkantennen in anderen Frequenzbereichen können zur Signalversorgung der RRH's nicht genutzt werden, da einerseits der verfügbare Frequenzbereich der Kabel bereits für die Mobilfunkdienste genutzt wird, andererseits aber bei dem genutzten Durchmesser der Koaxialkabel bedingt durch die Grenzfrequenz der Kabel der noch nutzbare Frequenzbereich zu klein ist. Es existieren derzeit keine geeigneten Anordnungen, mit denen eine Signalübertragung mit den geforderten Datenraten über diese Feederkabel (Speisekabel) – zumindest nicht parallel zu bereits existierenden Mobilfunkdiensten – möglich wäre.The existing at these sites often relatively thick coaxial cable for the operation of conventional mobile antennas in other frequency ranges can not be used to signal the RRH's, since on the one hand the available frequency range of the cable is already used for mobile services, but on the other hand, due to the diameter used coaxial cable Due to the cutoff frequency of the cable, the still usable frequency range is too small. There are currently no suitable arrangements with which a signal transmission at the required data rates on these feeder cables (feeder cable) - at least not parallel to existing mobile services - would be possible.
Mittels Koaxialleitungen können Hochfrequenzsignale bekanntermaßen nur bis zu einer oberen Grenzfrequenz übertragen werden, welche sich aus den Querabmessungen des Kabels, also aus den Durchmesser-Werten des Kabels ergibt. Diese Grenzfrequenz erscheint genau dann, wenn der mittlere Umfang der Koaxialkabel in der Größenordnung einer Wellenlänge der zu übertragenen elektromagnetischen Wellenliege liegt. (vgl. Mainke Gundlach, ”Taschenbuch der Hochfrequenztechnik”, 4. Auflage, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York-Tokio 1986, S. K 34 bis K 35). Danach ergibt sich folgende Beziehung:
Oberhalb dieser Grenz-Frequenz breiten sich weitere nicht-transversale Moden aus, zuerst die H11-Mode (bzw. TE11). Da diese Moden im Vergleich zum gewünschten transversal elektromagnetischen Übertragungsmode (TEM-Mode) andere Ausbreitungsgeschwindigkeiten bzw. Phasengeschwindigkeiten aufweisen, kommt es zu ungewollten Verzerrungen, Dämpfungen und Resonanzen, und damit zu Umwandlungen der eigentlich für die Übertragung des gewünschten TEM-Modes in andere für die Übertragung nicht geeignete Moden.Above this limit frequency, further non-transverse modes propagate, first the H11 mode (or TE11). Since these modes have different propagation velocities or phase velocities compared to the desired transversal electromagnetic transmission mode (TEM mode), unwanted distortions, attenuations and resonances occur, and thus transformations which are actually responsible for the transmission of the desired TEM mode into others Transmission not suitable modes.
Bei relativ großen Kabeldurchmessern, wie sie beispielsweise im Rundfunk oder im Mobilfunk verwendet werden, liegen diese Grenzfrequenzen bereits bei ca. 2 GHz bis 5 GHz. In einem Datenblatt für ein für diese Anwendungen häufig genutztes Kabel eines Herstellers (RFS) wird beispielsweise eine Nutzgrenzfrequenz von 5 GHz angegeben (7/8" CELLFLEX LCF78-50JA).For relatively large cable diameters, as used for example in broadcasting or mobile communications, these cut-off frequencies are already at about 2 GHz to 5 GHz. For example, a datasheet for a manufacturer's (RFS) cable widely used for these applications specifies a useful cut-off frequency of 5 GHz (7/8 "CELLFLEX LCF78-50JA).
Bei doppeladrigen bzw. mehradrigen Kabeln ist bekannt, dass man auch bei höheren Frequenzen noch Übertragungswege finden kann, allerdings mit relativ hohen Übertragungsdämpfungen und sehr hohem Aufwand auf der Sender- und Empfängerseite. Dieser Aufwand ist erforderlich, um die Dämpfung und die Laufzeitspreizung sowie Störpegel zu eliminieren. Außerdem sind diese Übertragungsverfahren wie beispielsweise DSL oder ADSL in der Bandbreite und der Datenrate auf Werte von unter ca. 400 Mbit/s begrenzt.In the case of double-core or multi-core cables, it is known that transmission paths can still be found even at higher frequencies, but with relatively high transmission losses and very high outlay on the transmitter and receiver sides. This effort is required to eliminate the attenuation and the propagation delay and noise levels. In addition, these transmission methods such as DSL or ADSL in the bandwidth and the data rate to values below about 400 Mbit / s are limited.
Auf Koaxialkabeln mit geringem Durchmesser können durchaus hohe Datenraten im TEM – Mode übertragen werden, jedoch sind keine Lösungen für Koaxialkabel mit großen Durchmessern im Bereich oberhalb der Grenzfrequenz bekannt. So werden TV-Satellitensignale für das analoge und digitale Fernsehen auf Koaxialkabeln in dem Frequenzbereich bis ca. 2 GHz übertragen. Hierfür ist aber das Einhalten der oberen Grenzfrequenz wichtig. Die rein digitale Übertragung hierfür wurde standardisiert. So bietet der Standard DOC-SIS (Data over Cable System Interface) eine 256 QAM Modulation bei Trägerbandbreiten von 8 MHZ mit je 50 Mbit/s. Mit 16 verfügbaren Kanälen erhält man damit eine verfügbare Gesamtdatenrate von ca. 800 Mbit/s (Quelle: http:// www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/1510081.htm). Die hierbei genutzten Frequenzen können in der diskutierten Anwendung für den Mobilfunk jedoch nicht genutzt werden, da diese bereits durch die Mobilfunkanwendungen selbst belegt sind.Very high data rates can be transmitted in TEM mode on coaxial cables with a small diameter, but no solutions for coaxial cables with large diameters in the range above the cutoff frequency are known. Thus, TV satellite signals for analogue and digital television are transmitted on coaxial cables in the frequency range up to about 2 GHz. For this, however, keeping the upper limit frequency is important. The purely digital transmission for this has been standardized. The DOC-SIS (Data over Cable System Interface) standard offers 256 QAM modulation with carrier bandwidths of 8 MHZ with 50 Mbit / s each. With 16 channels available, this gives you an available total data rate of about 800 Mbps (source: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/1510081.htm). However, the frequencies used in this case can not be used in the application discussed for mobile communications, since they are already occupied by the mobile radio applications themselves.
Weitere Anforderungen speziell im Mobilfunkbereich sind die geringen geforderten Laufzeitschwankungen der übertragenen Signale (Jitter), um die Synchronität der angekoppelten RRH's und Basistationen zu gewährleisten. Diese Anforderungen sind sehr hoch und bewegen sich bezüglich der Konstanz der Laufzeiten unterhalb 1 μs. Further requirements, especially in the field of mobile communications, are the low required propagation time fluctuations of the transmitted signals (jitter) in order to ensure the synchronicity of the coupled RRHs and base stations. These requirements are very high and are below 1 μs in terms of the constancy of the transit times.
Eine Vorrichtung zum Empfangen und Senden von Mobilfunksignalen mit mehreren Sende-Empfangs-Zweigen ist beispielsweise aus der
Allerdings muss dann durch andere geeignete Maßnahmen eine entsprechende Datenübertragung sichergestellt werden.However, it must then be ensured by other suitable measures a corresponding data transfer.
Von daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Übertragung von Daten mit hohen Datenraten auf Koaxialleitungen zu schaffen, insbesondere auf Koaxialleitungen mit vergleichsweise dickem, also großem Durchmesser (bezüglich des Innen- und/oder Außenleiters), d. h. auf Koaxialkabeln, deren Innenleiter beispielsweise einen Durchmesser von über 9 mm und/oder dessen Außenleiterdurchmesser ein Maß von mehr als 25 mm aufweist (Cellflex 7/8).It is therefore an object of the present invention to provide an improved method and an improved apparatus for transmitting data at high data rates on coaxial lines, in particular on coaxial lines with a comparatively thick, ie large diameter (with respect to the inner and / or outer conductor), d. H. on coaxial cables whose inner conductor has, for example, a diameter of more than 9 mm and / or whose outer conductor diameter has a dimension of more than 25 mm (Cellflex 7/8).
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens entsprechend den im Anspruch 1 und bezüglich der Vorrichtung entsprechend den im Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved with respect to the method according to the in
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich Datenströme mit hohen Datenraten von beispielsweise mehr als 2 Gbit/s über Koaxialkabel zu übertragen, welche zudem einen vergleichsweise großen Durchmesser aufweisen können und von daher eine relativ niedrige Grenzfrequenz besitzen.In the context of the invention, it is possible to transmit data streams with high data rates of, for example, more than 2 Gbit / s via coaxial cables, which moreover can have a comparatively large diameter and therefore have a relatively low cutoff frequency.
Die entwickelte Lösung bietet vor allem Vorteile dann, wenn die Erfindung im Rahmen einer bestehenden, d. h. herkömmlichen Mobilfunkanlage umgesetzt und realisiert wird, welche ein oder mehrere Hochfrequenz-Speisekabel umfasst (also koaxiale HF-Speisekabel). Mit anderen Worten kann also im Rahmen der Erfindung sichergestellt werden, dass diese bereits bestehenden Koaxialkabel-Einrichtungen auch für die Übertragung der hohen Datenraten im Rahmen der Erfindung genutzt werden können. Somit müssen abweichend zur bisherigen Lösung keine zusätzlichen optischen Übertragungswege unter Verwendung von beispielsweise Glasfaserkabeln installiert werden.Above all, the solution developed offers advantages when the invention is part of an existing, i. H. conventional mobile radio system is implemented and implemented, which includes one or more high-frequency supply cable (ie coaxial RF feed cable). In other words, it can be ensured within the scope of the invention that these already existing coaxial cable devices can also be used for the transmission of the high data rates within the scope of the invention. Thus, deviating from the previous solution, no additional optical transmission paths using, for example, fiber optic cables have to be installed.
Dabei bietet die Erfindung auch dann ebenso Vorteile, wenn beispielsweise an einer Mobilfunkstation eine herkömmliche Antennenanlage und eine herkömmliche Basisstation durch eine neue Generation ersetzt werden sollen. Dies würde nach dem gegenwärtigen Standard die Verlegung von Glasfaserkabeln zwischen der in der Regel am Boden befindlichen Basisstation und der am oberen Mastende befindlichen Antennenstation erforderlich machen. Auch hier bietet die Erfindung den Vorteil, dass beim Umrüsten einer derartigen Mobilfunkanlage die bereits vorhandenen koaxialen Leitungen zur Übertragung der hohen Datenströme im Rahmen der Erfindung weiter genutzt werden können.In this case, the invention also offers advantages, for example, if a conventional antenna system and a conventional base station are to be replaced by a new generation at a mobile radio station. This would require the laying of fiber optic cables between the base station usually located at the bottom and the antenna station located at the top end of the mast according to the current standard. Again, the invention offers the advantage that when converting such a mobile communication system, the existing coaxial lines for the transmission of high data streams can be used in the invention.
Dass die Übertragung derartiger erwähnter hoher Datenströme von beispielsweise mehr als 2 Gbit/s über Koaxialkabel möglich ist, überrascht um so mehr, da derartige üblicherweise zwischen einer Basisstation und der Antennenanlage verlegte Koaxialkabel aufgrund der zu übertragenden Leistungen und niedrigen Dämpfungen vergleichsweise große Durchmesser aufweisen müssen, wodurch in unerwünschter Weise die Grenzfrequenz zur Übertragung hochfrequenter Signale entsprechend niedrig ist (wie in Mainke Gundlach in der Vorveröffentlichung ”Taschenbuch der Hochfrequenz-Technik”, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg Tokio 1986, S. 34 u. 35 ausgeführt und eingangs bereits beschrieben wurde).The fact that the transmission of such mentioned high data streams of, for example, more than 2 Gbit / s via coaxial cable is possible is all the more surprising since such coaxial cables usually routed between a base station and the antenna system must have comparatively large diameters due to the powers to be transmitted and low attenuation, which is undesirably the cutoff frequency for transmitting high-frequency signals is correspondingly low (as in Mainke Gundlach in the prior publication "Taschenbuch the high-frequency technology", Springer-Verlag, Berlin Heidelberg Tokyo 1986, p 34 and 35 executed and initially described ).
Völlig überraschend ist also, dass die gewünschten hohen Datenübertragungsraten über ein Koaxialkabel übertragen werden können, und dies in einem Frequenzbereich oberhalb der Grenzfrequenz des betreffenden koaxialen Kabels.It is therefore completely surprising that the desired high data transmission rates can be transmitted via a coaxial cable, and this in a frequency range above the cutoff frequency of the relevant coaxial cable.
Im Rahmen der Erfindung wird dabei ein geeignetes Modulationsverfahren sowie eine geeignete Auswahl der Übertragungs-Frequenzen derart durchgeführt, dass die erwähnte Übertragung der hohen Datenraten mit mehr als 2 Gbit/s bei einem sehr guten Signal-/Rausch-Verhältnis mit einer Modulationsart mit hoher spektraler Effizienz sichergestellt werden kann. Dabei erlaubt die Ausgestaltung des Verfahrens beispielsweise eine automatische Frequenzwahl je nach Kabeltyp und/oder Übertragungsstrecke.In the context of the invention, a suitable modulation method and a suitable selection of the transmission frequencies are carried out such that the mentioned transmission of the high data rates of more than 2 Gbit / s with a very good signal-to-noise ratio with a modulation type with high spectral Efficiency can be ensured. The embodiment of the method allows, for example, an automatic frequency selection depending on the cable type and / or transmission path.
In der Literatur sind nur sehr wenig Quellen zu finden, die sich mit der Frage befassen, ob und warum über Koaxialkabel Datenströme nur bis zu einer Grenzfrequenz übertragen werden können. Diese wenigen Quellen weisen eher auf die in diesem Zusammenhang bestehenden Probleme hin und bieten keinerlei Anhaltspunkt dafür, dass Frequenzbereiche auch oberhalb der erwähnten Grenzfrequenz nutzbar sind. Die Fachwelt geht deshalb davon aus, dass sich oberhalb der Grenzfrequenz ohne zusätzlich Maßnahmen auch die nicht transversalen TEM-Moden ausbreiten werden. Eine Anregung dieser ungewollten H- oder E-Moden (auch Hohleitermoden genannt) geschieht bereits durch geringe Abweichungen der Symmetrie des Kabels bzw. durch Unsymmetrien in der Ankopplung an den Leiter.There are very few sources in the literature that address the question of whether and why data streams can only be transmitted up to a cutoff frequency via coaxial cable. These few sources are more indicative of the problems that exist in this regard and provide no indication that frequency ranges are above the cutoff frequency mentioned above are usable. The experts therefore assume that above the cut-off frequency the non-transversal TEM modes will spread without additional measures. An excitation of these unwanted H- or E-modes (also called Hohleitermoden) already happens by small deviations of the symmetry of the cable or by asymmetries in the coupling to the conductor.
So wird beispielsweise in ”A comparison of the attenuation of high-order mode in Coaxial Waveguide due to Inner and outer conducter losses” der Verlust für koaxiale Gyrotrons betrachtet. Hieraus können keine Anregungen für den Betrieb von Kablen oberhalb der Grenzfrequenz entnommen werden. Eine weitere Quelle [Tower Talk] ”Coax Beyond Cutoff” (waveguide region) auf ”http://lists.contesting.com/pipermail/towertalk/1997-December/011734.html” von Hialy, Rus verweist auf die mögliche Nutzung von Koaxialkabeln oberhalb der vom Hersteller spezifizierten Grenzfrequenz. Allerdings wird angeführt, dass man ein Kabel LDF4-50 Heliax, welches für 10,2 GHz spezifiziert ist, auch noch bei 10,4 GHz (also in einem Bereich, der lediglich 2% über dem angegebenen Grenzwert liegt) nutzen kann. Allerdings kalkulieren die Hersteller hier stets Reserven für die im Datenblatt angegebene Grenzfrequenz ein, so dass davon auszugehen ist, dass der Hersteller die vorhandene Grenzfrequenz aus Sicherheitsgründen nur um 2% niedriger angegeben hat. Aus dem erwähnten Beitrag geht ferner in keiner Weise hervor, welche Eigenschaften bei Frequenzen zu erwarten sind, welche deutlich, d. h. mehr als 10% über der Grenzfrequenz liegen.For example, in "A comparison of the attenuation of high-order mode in Coaxial Waveguide due to Inner and Outer Conductor Losses" the loss for coaxial gyrotrons is considered. From this no suggestions for the operation of cables above the cutoff frequency can be taken. Another source [Tower Talk] "Coax Beyond Cutoff" (waveguide region) on "http://lists.contesting.com/pipermail/towertalk/1997-December/011734.html" by Hialy, Rus refers to the possible use of Coaxial cables above the cutoff frequency specified by the manufacturer. However, it is stated that one cable LDF4-50 Heliax, which is specified for 10.2 GHz, even at 10.4 GHz (ie in an area that is only 2% above the specified limit) can use. However, the manufacturers always calculate reserves for the cut-off frequency specified in the data sheet, so it can be assumed that the manufacturer has specified the existing cut-off frequency only 2% lower for safety reasons. From the above-mentioned article, it can not be said in any way which properties are to be expected at frequencies which are clearly, i. H. more than 10% above the cutoff frequency.
Umso erstaunlicher ist es, dass die im Rahmen der Erfindung betrachteten Koaxialkabel einen sehr großen Frequenzbereich oberhalb der Grenzfrequenz aufweisen, in dem ein Betrieb mit dem TEM-Mode bei akzeptablen Übertragungseigenschaften möglich ist. Eine Erklärung, warum die anderen Moden sich nicht oder nicht so stark – wie erwartet – anregen bzw. ausbreiten, mag in der Symmetrie der Ankopplung oder auch in der gewellten Ausführung des Außenleiters liegen, weitere Untersuchungen hierzu sind noch offen.It is therefore all the more astonishing that the coaxial cables considered within the scope of the invention have a very large frequency range above the cutoff frequency, in which operation with the TEM mode with acceptable transmission properties is possible. An explanation of why the other modes are not or not as strong as expected stimulate or propagate, may lie in the symmetry of the coupling or in the wavy execution of the outer conductor, further investigation is still open.
Dieser Frequenzbereich oberhalb der Grenzfrequenz weist neben den Frequenzfenstern mit akzeptablen bzw. guten Übertragungseigenschaften natürlich auch Resonanzen oder Bereiche mit einem verstärkten Auftreten von unerwünschten Moden auf, diese können aber für die Übertragung ausgeblendet werden. Naturgemäß hängen diese Frequenzen von der Kabelgeometrie ab.Of course, this frequency range above the cutoff frequency has, in addition to the frequency windows with acceptable or good transmission characteristics, also resonances or ranges with an increased occurrence of undesired modes, but these can be masked out for transmission. Naturally, these frequencies depend on the cable geometry.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments. In detail:
Anhand von
Sie umfasst eine Basisstation (BTS)
Üblicherweise werden von Seiten der Basisstation
Über die beiden HF-Übertragungsstrecken, d. h. über die Kabel
Bei einer weiteren nach dem Stand der Technik bekannten Lösung kann z. B. eine zweite Antenneneinrichtung ANT2 von einem Remote-Radio-Head aus betrieben werden, d. h. im vorliegenden Falle wird der RRH von einem sogenannten Radioserver RS
Zwischen der Basisstation, d. h. der vorliegenden Fall dem Radioserver
Bei dem vorstehend erwähnten Remote-Radio-Head RRH handelt es sich bei dem vorliegenden Gebiet der Mobilfunktechnik um eine in der Regel außerhalb des Antennengehäuses montierte Geräteeinheit (die bei Bedarf auch innerhalb des Antennengehäuses untergebracht sein kann), die üblicherweise zumindest eine Sende- und eine Empfangsbaugruppe umfasst. Daneben können auch Endverstärker und Duplexfilter etc. vorgesehen sein. Wie erwähnt erfolgt die Kommunikation mit der Basisstation, d. h. mit einem Radioserver üblicherweise über eine Glasfaserverbindung, über die die digitalen Daten übertragen werden. In dem Remote-Radio-Head werden dann diese Daten in (analoge) HF-Signale umgesetzt bzw. die empfangenen HF-Empfangssignale werden in dem Remote-Radio-Head in digitale Signale umgesetzt und über die Glasfaser-Übertragungsstrecke zum basisstationsseitigen Radio-Server übermittelt. In diesem Falle werden also lediglich kürzere HF-Leitungen zwischen dem Remote-Radio-Head und der eigentlichen Antenneneinrichtung, d. h. den Strahlern benötigt, wodurch niedrigere Sendeleistungen unter Erhöhung des Wirkungsgrades möglich werden. Zudem kann auf diese Art und Weise die Basisstation bzw. der Radio-Server durchaus auch in größerem Abstand zum Remote-Radio-Head positioniert sein.In the above-mentioned remote radio head RRH, the present field of mobile radio technology is a device unit which is usually mounted outside the antenna housing (which can also be accommodated within the antenna housing if required), which usually has at least one transmission unit and one transmission unit Receiving module includes. In addition, power amplifiers and duplex filters, etc. may be provided. As mentioned, the communication with the base station, i. H. with a radio server usually via a fiber optic link over which the digital data is transmitted. In the remote radio head, these data are then converted into (analog) RF signals or the received RF receive signals are converted into digital signals in the remote radio head and transmitted via the glass fiber transmission link to the base station-side radio server , In this case, therefore, only shorter RF lines between the remote radio head and the actual antenna device, d. H. the radiators needed, whereby lower transmission power with increased efficiency are possible. In addition, the base station or the radio server can certainly be positioned at a greater distance from the remote radio head in this way.
Im Rahmen der Erfindung wird nunmehr eine kostengünstigere Lösung vorgeschlagen, bei der beispielsweise die beim Stand der Technik über die Glasfaserkabel übertragenen Signale ebenfalls über die bereits vorhandenen Koaxialkabel
Die erfindungsgemäße Lösung ist dabei vom Grundprinzip her anhand von
In diesem Falle ist die Basisstation
Im Rahmen der Anmeldung wird teilweise von Daten, Signalen oder Daten-Signalen gesprochen. Dabei handelt es sich bei Daten stets auch um Signale, so dass diese Begriffe im Wesentlichen mit gleichem Bedeutungsinhalt verwendet werden.In the context of the application is partially spoken of data, signals or data signals. Data is always also a signal, so that these terms are used essentially with the same meaning.
Ebenso ist antennenseitig ein weiterer Adapter A vorgesehen, worüber die entsprechenden vom Radioserver RS
Umgekehrt werden aber auch die entsprechenden HF-Empfangssignale, die über die Antenneneinrichtung ANT2 empfangen werden, für die beiden senkrecht zueinander stehenden Polarisationsebenen bevorzugt getrennt über die beiden elektrischen Leitungen (Kabel)
Die Trennung zwischen den Übertragungsrichtungen für Uplink und Downlink erfolgt auf dem Koaxialkabel bevorzugt im FDD (Frequenz Duplex) aber auch ein Zeit Duplex (TDD) ist denkbar.The separation between the transmission directions for uplink and downlink takes place on the coaxial cable preferably in the FDD (frequency duplex) but also a time duplex (TDD) is conceivable.
Nachfolgend wird hier insoweit häufig von einer koaxialen Übertragungsstrecke X gesprochen, die in der Regel nur einen Teil der gesamten koaxialen Leitung
Ebenso ist eine weitere Gleichstrom-Speiseleitung
Anhand von
Diese nachfolgend im größeren Detail erläuterte basisstationsseitige Adapter-Einrichtung oder basisstationsseitige Adapter-Schaltung A umfasst vom Prinzip her eine Bias Tee-Schaltung zur Einspeisung in oder zur Abzweigung eines Gleichstroms bzw. einer Gleichspannung aus der koaxialen Übertragungsstrecke X sowie eine Konvertereinrichtung, um ein optisches in ein analoges Signal zu konvertieren bzw. umgekehrt.This explained in more detail below base station-side adapter device or base station-side adapter circuit A comprises in principle a bias tee circuit for feeding into or branching of a direct current or a DC voltage from the coaxial transmission path X and a converter device to an optical in to convert an analog signal or vice versa.
Über eine derartige Bias Tee-Schaltung kann zum einen die vom Radioserver RS zur Verfügung gestellte Gleichspannung in die koaxiale Übertragungsstrecke X, also in das Koaxialkabel
Aus
Der dritte Anschluss ist ein basisstationsseitiger HF-Anschluss
An dem optischen Eingang
Darauf folgend ist eine Modulations- und Steuerungseinrichtung
Die entsprechenden beispielsweise über ein Glasfaserkabel
Dazu ist der Anschluss
Umgekehrt werden die von der Antenne über den Remote-Radio-Head empfangenen und über einen antennenseitigen Adapter in die koaxiale Übertragungsstrecke X eingespeisten modulierten (analogen) HF-Empfangssignale über den Band-Split-Filter
Die Bandsplit-Filter-Einrichtung
Über den weiteren Anschluss
Schließlich kann über die koaxiale Übertragungsstrecke
Aufgrund dieser Schilderung ergibt sich, dass sowohl für den Uplink (beispielsweise in einem Frequenzband von 6.500 MHz bis 6.800 MHz) wie für den Downlink (beispielsweise in einem Frequenzband von 6.000 MHz bis 6.300 MHz) im geschilderten Ausführungsbeispiel eine Nutzbandbreite von 300 MHz vorgesehen ist. Allgemein sollte im Rahmen der Erfindung eine Nutzbandbreite von mehr als 200 MHz realisiert sein, insbesondere von mehr als 240 MHz oder 280 MHz. 300 MHz und mehr stellen in der Regel eine ausreichende Nutzbandbreite dar.On the basis of this description, it is clear that a useful bandwidth of 300 MHz is provided both for the uplink (for example in a frequency band from 6,500 MHz to 6,800 MHz) and for the downlink (for example in a frequency band from 6,000 MHz to 6,300 MHz) in the exemplary embodiment described. In general, within the scope of the invention, a useful bandwidth of more than 200 MHz should be realized, in particular of more than 240 MHz or 280 MHz. 300 MHz and more usually provide sufficient useful bandwidth.
Das entsprechende Sende- oder Empfangsmodul mit der Frequenz-Umsetzungseinrichtung
Bereits an dieser Stelle wird angemerkt, dass die erwähnte Frequenz-Umsetzungseinrichtung
Es wird auch darauf hingewiesen, dass gegebenenfalls die auf der jeweiligen optischen Übertragungsstrecke
Wie aus der Darstellung gemäß
Sofern, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel angedeutet ist, an der Antennenstation auch noch eine herkömmliche Basisstation BTS betrieben wird, können die entsprechenden Sendesignale zum gleichzeitigen Betrieb dieser Mobilfunkstation vom Anschluss
Der erwähnte in
Die umgekehrt über die Antenneneinrichtung ANT2 empfangenen Signale (für eine oder beispielsweise bei dualpolarisierten Antennen für beide Polarisationen) werden ebenfalls in bekannter Weise dem Remote-Radio-Head zugeführt (über die Kabel
Das erläuterte Ausführungsbeispiel betrifft also allgemein die Übertragung von Daten/Signalen mit hohen Datenraten über Koaxialkabel oberhalb der eigentlich vorgesehenen und eine Übertragung nicht ermöglichenden Grenzfrequenz.The illustrated embodiment thus generally relates to the transmission of data / signals at high data rates via coaxial cable above the actually provided and a transmission not enabling cut-off frequency.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei anhand einer Mobilfunkstation erläutert worden, bei der gegebenenfalls noch von einer früheren Installation koaxiale Übertragungskabel (koaxiale Speisekabel
Wie erläutert benötigt der Remote-Radio-Head dazu einen Datenstrom an der Schnittstelle mit einer In-Phase und Quadratur-Phase-Daten (die im HF-Band enthalten sind und nachfolgend teilweise auch kurz als IQ-Datenstrom bezeichnet werden). Diese digitalisierten Daten können direkt über die erwähnten D/A- bzw. A/D-Wandler und die erwähnten und beschriebenen Verstärker in den entsprechenden Frequenzbereich umgesetzt und gesendet oder empfangen werden. Es sind dafür keine umfangreichen Signalaufbereitungen mehr erforderlich, weswegen man die betreffenden Schnittstellen auch als transparente Schnittstellen bezeichnen kann. Zur Ansteuerung sind allerdings Datenraten von beispielsweise 3 Gbit/s bis 10 Gbit/s erforderlich.As explained, the remote radio head requires a data stream at the interface with an in-phase and quadrature-phase data (which are contained in the HF band and are also sometimes referred to below as an IQ data stream). This digitized data can be converted directly into the corresponding frequency range via the mentioned D / A or A / D converters and the mentioned and described amplifiers and transmitted or received. There are no longer extensive signal processing required, which is why you can call the interfaces concerned as transparent interfaces. However, data rates of, for example, 3 Gbit / s to 10 Gbit / s are required for driving.
Wie erläutert können diese mittels einer am Fußpunkt des Standortes befindlichen erfindungsgemäßen Anordnung in das Koaxialkabel
Diese Anordnungen am Fuß und am Mastkopf bestehen jeweils aus dem erwähnten Wandler
Es wird allerdings schon hier angemerkt, dass auch alternative Verfahren mit einer Direkt-Umsetzung möglich sind.However, it is already noted here that alternative methods with a direct conversion are possible.
Der antennenseitige Adapter A wird das entsprechende freqenzumgesetzte Signal in Senderichtung (im Uplink) empfangen, diese wiederum in eine geeignete Frequenz umsetzten und schließlich demodulieren.The antenna-side adapter A receives the corresponding frequency-converted signal in the transmission direction (in the uplink), converting it into a suitable frequency and finally demodulating it.
Im HF- wie im ZF-Bereich (jeweils nach der Mischstufe) sind dafür entsprechende Filter zur Trennung des Sende- und Empfangsweges notwendig, wozu im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Duplexfilter
Wichtig ist, dass die eigentlichen Nutzfrequenzen des Koaxialkabels bzw. die Mobilfunksignale durch ein geeignetes weiteres Filter ungestört übertragen werden können und gleichzeitig die Störemissionen in dem für die zusätzliche erfindungsgemäße Übertragung genutzten Frequenzbereich (sofern dieser wie im erläuterten Ausführungsbeispiel für den Betrieb einer herkömmlichen Antennenanlage auch genutzt wird) herausgefiltert werden. Nur dadurch kann die koaxiale Übertragungsstrecke auch zum Betrieb einer herkömmlichen Mobilfunkstation weiterhin benutzt werden, die beispielsweise in einem Frequenzbereich von 0,7 GHz bis 3 GHz und damit deutlich unterhalb der Grenzfrequenz eines koaxialen Kabels, also der koaxialen Übertragungsstrecke X betrieben wird. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau wird sichergestellt, dass in dem in Rede stehenden Frequenzbereich, der für die Übertragung von hohen Datenraten über das Koaxialkabel vorgesehen ist, Störquellen weitgehend unterdrückt werden, um ein sehr hohes und damit gutes Signal-Stör-Verhältnis zu erzielen.It is important that the actual useful frequencies of the coaxial cable or the mobile radio signals can be transmitted undisturbed by a suitable additional filter and at the same time the interference emissions in the frequency range used for the additional inventive transmission (if used as in the illustrated embodiment for the operation of a conventional antenna system will be filtered out). Only in this way can the coaxial transmission path also be used for the operation of a conventional mobile radio station, which is operated, for example, in a frequency range from 0.7 GHz to 3 GHz and thus well below the cutoff frequency of a coaxial cable, ie the coaxial transmission path X. The inventive construction ensures that in the frequency range in question, which is provided for the transmission of high data rates over the coaxial cable, sources of interference are largely suppressed in order to achieve a very high and thus good signal-to-noise ratio.
Die im Rahmen der Erfindung erläuterte hohe Datenraten in dem Sende- und Empfangszweig
Nur der Vollständigkeit halber wird erwähnt, dass anstelle der Duplex-Filter
Zusätzlich kann das Koaxialkabel
Das verwendete Modulationsverfahren kann beliebig sein, jedoch hat sich ein OFDM-Verfahren als vorteilhaft erwiesen. Es wurde ein System mit einer Anzahl von 8000 Subträgern mit eine 64 QAM-Modulation realisiert. Dies kann man noch erhöhen auf beispielsweise 1024 QAM oder noch höherwertige Modulationsverfahren. In Diskussion sind Modulationsverfahren mit bis zu 214 bis 216 Zuständen. Da es sich um ein vollständig geschirmtes Koaxialkabel handelt, lassen sich bei sorgfältiger Auslegung der Filterung Signal-Rauschabstände von 70 dB bis 90 dB realisieren. Die Sendeleistung bewegt sich üblicherweise im Bereich von wenigen Milliwatt bis zu etwa einem Watt.The modulation method used may be arbitrary, but an OFDM method has proved to be advantageous. A system was realized with a number of 8000 subcarriers with a 64 QAM modulation. This can be further increased to, for example, 1024 QAM or even higher-order modulation methods. In discussion are modulation methods with up to 2 14 to 2 16 states. As this is a completely shielded coaxial cable, signal-to-noise ratios of 70 dB to 90 dB can be achieved with careful design of the filtering. The transmit power typically ranges from a few milliwatts to about one watt.
Die entsprechenden zu übertragenen Datenströme können an den erwähnten Schnittstellen auch als parallele Datenströme zur Verfügung stehen, die dann in serielle Datenströme gewandelt werden. Dies ist beispielsweise bei Übertragung mittels 4-Bit oder 8-Bit-Datenströmen möglich.The corresponding data streams to be transmitted can also be available at the interfaces mentioned as parallel data streams, which are then converted into serial data streams. This is possible, for example, in the case of transmission by means of 4-bit or 8-bit data streams.
Im Rahmen der Erfindung hat sich also gezeigt, dass ein relativ großer Frequenzbereich mit brauchbaren Übertragungseigenschaften aufgefunden wurde. Erfindungsgemäß wird nun in diesem Frequenzbereich ein Duplex-Übertragungsverfahren implementiert, welches ein relativ breites Frequenzspektrum (beispielsweise 300 MHz bis 1.000 MHz) nutzt und gleichzeitig durch ein sehr gutes Signal-Rausch- Verhältnis ein Modulationsverfahren genutzt werden kann, welches eine Modulationseffizienz von größer 1 Bit/Hz aufweist. Bevorzugt soll diese Modulationseffizienz größer als 2 Bit/Hz, insbesondere größer als 3 Bit/Hz sein. Bei 300 MHz können somit Datenraten von 300 Mbit/s, 600 Mbit/s bis zu 10 Gbit/s implementiert werden.In the context of the invention has thus been shown that a relatively large frequency range with useful transmission properties was found. According to the invention, a duplex transmission method is now implemented in this frequency range, which utilizes a relatively broad frequency spectrum (for example 300 MHz to 1000 MHz) and at the same time a modulation method which has a modulation efficiency of greater than 1 bit can be used by a very good signal-to-noise ratio / Hz. Preferably, this modulation efficiency should be greater than 2 bits / Hz, in particular greater than 3 bits / Hz. At 300 MHz, data rates of 300 Mbit / s, 600 Mbit / s up to 10 Gbit / s can be implemented.
Mit anderen Worten soll die Frequenz-Umsetzungs-Einrichtung
In dem skizzierten Anwendungsgebiet wird eine sehr laufzeitstabile Realisierung dadurch erzielt, dass eine transparente Übertragung des Datenstromes ohne weitere Fehlerkorrekturmechanismen auf der Layer 2 bis 7 (nach dem ISO-Schichtenmodell) erfolgt. Sofern eine Fehlerkorrektur eingefügt wird, erfolgt dies auf der Layer 1, beispielsweise mittels Faltungs- oder Turbo- Codes auf der untersten Schicht (Layer 1) des ISO-Schichtenmodelles und einem Viterbi-Algorithmus zum Empfangen. Dadurch kann die Nettodatenrate weiter erhöht werden. Zusätzlich werden noch Kontroll- und Steuerdaten eingefügt, dies kann beispielsweise bei einer OFDM-Modulation durch die Nutzung von Sub-Trägern für diese Zwecke erfolgen.In the field of application outlined, a realization which is very stable in terms of runtime is achieved by a transparent transmission of the data stream without further error correction mechanisms on the
Anhand der erläuterten Ausführungsbeispiele ergibt sich also, dass die Erfindung vor allem auch im Rahmen bestehender Mobilfunkanlagen realisiert und umgesetzt werden kann. Denn die erfindungsgemäße hohe Datenübertragung kann auf bestehende Koaxialleitungen zwischen einer Basisstation und antennenseitigen Einrichtungen, wie beispielsweise einem Remote-Radio-Head (RRH) durchgeführt werden, während gleichzeitig über die gleichen koaxialen Übertragungsstrecken eine HF-Speisung der Antenneneinrichtung zum Betrieb in herkömmlichen Diensten angewendet wird. So können beispielsweise über bestehende HF-Koaxialkabel Antenneneinrichtung betrieben werden, die in einem 900 MHz-Band, in einem 1.800 MHz-Band oder beispielsweise in einem 1.900 MHz-Band oder auch in einem UMTS-Band betrieben werden, also beispielsweise in einem Bereich von ca. 1.920 MHz bis 2.170 MHz. Beschränkungen auf diese und andere Frequenzbereiche bestehen insoweit nicht.Based on the illustrated embodiments, it follows that the invention can be implemented and implemented above all in the context of existing mobile radio systems. Because the high data transmission according to the invention can be carried out on existing coaxial lines between a base station and antenna-side devices, such as a remote radio head (RRH), while at the same time over the same coaxial transmission links, an RF feed of the antenna device is used for operation in conventional services , For example, over existing RF coaxial cable antenna device can be operated, which are operated in a 900 MHz band, in a 1800 MHz band or for example in a 1,900 MHz band or in a UMTS band, so for example in a range of about 1,920 MHz to 2,170 MHz. Restrictions on these and other frequency ranges do not exist in this respect.
Das erläuterte Ausführungsbeispiel ist für den Fall erläutert worden, dass bezüglich der herkömmlichen bereits vorhandenen beiden koaxialen Übertragungsstrecken X in Form der koaxialen Speisekabel
Ferner soll auch angemerkt werden, dass es in manchen Anwendungsfällen genügen mag, wenn nur in Senderichtung oder nur in Empfangsrichtung (allgemein also nur in eine Übertragungsrichtung) die im erörterten Ausführungsbeispiel vorzugsweise entsprechend umgesetzten Daten und Signale mit den hohen Datenraten oberhalb der Grenzfrequenz der Koaxialübertragungsstrecke X übertragen werden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn noch unterhalb der Grenzfrequenz der betreffenden Koaxialkabel Frequenzbereiche zur freien Verfügung stehen, die zur Übertragung entsprechender Daten und Signale, insbesondere analoger Daten und Signale oder aber auch digitaler Daten und Signale genutzt werden können. In diesem Falle würde der Adapter A entweder nur ein Empfangszweig
Würden die bei einer Mobilfunkanlage vorhandenen Koaxialkabel oder zumindest eines dieser Koaxialkabel als koaxiale Übertragungsstrecke X benutzt werden, ohne dass eine herkömmliche Mobilfunk-Antennenanlage in einem Frequenzbereich unterhalb der Grenzfrequenz betrieben wird, so könnte auch auf das zusätzliche Band-Split-Filter verzichtet werden.If the coaxial cable present in a mobile radio system or at least one of these coaxial cables would be used as a coaxial transmission path X, without a conventional mobile radio antenna system being operated in a frequency range below the cutoff frequency, then the additional band split filter could also be dispensed with.
Als Koaxialkabel
Ferner wird noch angemerkt, dass das genutzte Übertragungs-Frequenzband TF oberhalb der Grenzfrequenz in der koaxialen Übertragungsstrecke X derart gewählt wird, dass durch Resonanzen oder höhere Moden entsprechend nicht nutzbare Frequenzbereiche für die Übertragung ausgeblendet werden. Mit anderen Worten soll das genutzte Übertragungs-Frequenzband TF oberhalb der Grenzfrequenz so gewählt werden, dass dieses Frequenzband oder dieser Frequenzbereich frei von Resonanzen und frei von höheren Moden ist. Das gilt gleichermaßen auch dann, wenn unter Anwendung der vorliegenden Erfindung entsprechende zu übertragende Daten in einem entsprechenden Basisband BB oder in einem entsprechenden Zwischen-Frequenzband ZF vorliegen, welches nicht durch eine entsprechende Umsetzung mittels der erläuterten Frequenz-Umsetzungs-Einrichtung erhalten wird.It should also be noted that the used transmission frequency band TF above the cutoff frequency in the coaxial transmission path X is selected such that correspondingly unusable frequency ranges for transmission are faded out by resonances or higher modes. In other words, the used transmission frequency band TF above the cutoff frequency should be chosen so that this frequency band or this frequency range is free from resonances and free from higher modes. The same applies equally if, using the present invention, corresponding data to be transmitted are present in a corresponding baseband BB or in a corresponding intermediate frequency band IF, which is not obtained by a corresponding conversion by means of the described frequency conversion device.
Abschließend wird noch auf
Das eigentliche AISG-Pilot-Signal wird nur mit einer Frequenz fa in der Größenordnung von wenigen MHz übertragen. Von daher sind in dem Diagramm gemäß
Daran schließen sich beispielsweise vier Bandbereiche an, auf denen die Mobilfunk-Kommunikation abgewickelt werden kann.This is followed, for example, by four band ranges on which the mobile radio communication can be handled.
Bei dem TETRA-Netz handelt es sich beispielsweise um den Standard ”Terrestrial Trunked Radio”, welcher beispielsweise in unterschiedlichen Frequenzbereichen in verschiedenen Ländern eingerichtet ist, beispielsweise auch in dem Frequenzbereich fm von ca. 440 MHz bis 470 MHz.The TETRA network is, for example, the "Terrestrial Trunked Radio" standard, which is set up, for example, in different frequency ranges in different countries, for example also in the frequency range f m of approximately 440 MHz to 470 MHz.
In dem darauf folgenden höheren Frequenzbereich fm von beispielsweise 900 MHz findet der Übertragungsmodus im GSM-Netz statt. Neben dem 900 GHz-Übertragungsnetz ist in dem Diagramm gemäß
Für das UMTS-Netz findet die Übertragung beispielsweise in dem 2,1 GHz-Frequenzbereich fm statt, wobei hier üblicherweise eine Breitbandübertragung gemäß dem Standard WCDMA üblich ist.For the UMTS network, for example, the transmission takes place in the 2.1 GHz frequency range f m , in which case a broadband transmission according to the WCDMA standard is customary here.
Schließlich ist in dem Diagramm gemäß
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