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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Ausrichten
einer Antenne mit einstellbarer Richtcharakteristik in einer Mobilstation
eines Mobilfunksystems.
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Mobiltelefone
strahlen über
die Sendeantenne je nach erforderlicher eingestellter Leistungsklasse
Sendeleistungen von bis zu 2 W ab. Insbesondere im Versorgungsrandbereich
einer Funkzelle oder bei gestörter Übertragung
aufgrund von Mehrwegeausbreitung wird von der Netzsystemverwaltung
für das Mobiltelefon
zur Herstellung und Aufrechterhaltung der Verbindung oftmals die
höchste
Leistungsklasse gewählt.
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Ist
die Antenne als am Telefon außen
angebrachter (verkürzter)
Monopol ausgeführt
und befindet sich keine störende
Umgebung im unmittelbaren Nahfeld der Antenne, wird eine omnidirektionale,
d.h. in alle Richtungen weisende Abstrahlung vom Mobiltelefon erzielt.
Aufgrund der üblichen
Nutzung des Mobiltelefons am Ohr und am Kopf wird bei Herstellung
und Aufrechterhaltung der Kommunikationsverbindung gleichermaßen eine
unerwünschte
hochfrequente Bestrahlung des Kopfes mit den darin befindlichen
Organen wie z.B. Gehirn und Augen verursacht. Als Bewertungsgrundlage
für die
Bestrahlung dient hierbei die Umwandlung der hochfrequenten Energie
des elektromagnetischen Feldes in Körperwärme, die in der sogenannten
spezifischen Absorptionsrate (SAR) angegeben wird. Je nach Intensität der Bestrahlung
führt dies
zu einer lokalen Temperaturerhöhung
im Kopf, verbunden mit einer möglichen Schädigung des
Gewebes (Mikrowelleneffekt). Darüber
hinaus werden derzeit auch sogenannte nicht thermische Effekte diskutiert,
deren mögliche
Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit allerdings bisher wissenschaftlich
noch nicht abschließend nachgewiesen
werden konnten.
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Bisherige
Methoden zur Reduzierung der Strahlenbelastung basieren größtenteils
auf einer speziellen Ausgestaltung der Antenne und ihrer Umgebung
derart, dass eine gemeinsame Optimierung der Antennenstruktur und
der Trägerplatine
im Hinblick auf eine Reduktion der den Nutzer durchdringenden Strahlung
vorgenommen wird. Üblicherweise verwendet
man hierzu ein integriertes planares Antennenelement, welches auf
der rückseitigen
Masseseite der Trägerplatine
angebracht ist und somit durch die abschirmende Wirkung der Platine
vorzugsweise vom Kopf weg abstrahlt. Bei sorgfältiger gemeinsamer Dimensionierung
und Optimierung von Antenne und Platine mit den übrigen Teilen eines Mobiltelefons
wie Gehäuseschale,
Display und Tastatur kann eine Reduzierung der Abstrahlleistung
in Richtung des Kopfes erreicht werden. Die Hauptstrahlrichtung
bleibt hierbei fest eingestellt.
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Größtes Problem
bei dieser Methode stellt oftmals die unmittelbare Umgebung der
Antenne dar: So besteht aufgrund der für den im Gigahertz-Bereich
liegenden Frequenzbereich üblicherweise
zu kleinen und somit ungünstigen
Masseausgestaltung in Form der Trägerplatine im Mobilgerät eine starke Wechselwirkung
zwischen Antenne und Umgebung der Antenne bzw. dem Mobilgerät. Diese
Wechselwirkung hat zur Folge, dass eine Veränderung in der Umgebung des
Mobilgeräts,
zu der auch die Art und Weise des Festhaltens des Mobilgerätes zählt, unter Umständen sogar
zu einer Erhöhung
der Strahlungsbelastung führen
kann, da dann das gesamte Telefon als Antenne wirkt und zur Abstrahlung
in jeglicher Richtung, d.h. insbesondere auch zu einer verstärkten Abstrahlung
in Richtung des Nutzers, beitragen kann. Üblicherweise verändert sich
die Rundstrahlcharakteristik eines Mobilgerätes deutlich, sobald dieses
an das Ohr angelegt wird. Die Optimierung der Antennenstruktur in
Verbindung mit der Ausgestaltung des Mobilgerätes ge schieht somit lediglich
für einen
einzigen statischen Fall, im Allgemeinen bei idealer Haltung des
Mobilgerätes.
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Aus
der Patentschrift
US
6 484 015 B1 ist eine Vorrichtung bekannt, die den Einsatz
einer Richtantenne mit einer Hauptstrahlrichtung parallel zum Erdboden
oder mehrerer räumlich
getrennter Richtantennen mit unterschiedlichen Hauptstrahlrichtungen
parallel zum Erdboden in einem Mobilfunkgerät vorsieht. Der Zweck dieser
Antennenvorrichtung liegt im Fall einer vom Nutzer abgewandten Richtantenne
in der Verbesserung der Effizienz als Verhältnis zwischen genutzter zu
abgestrahlter Leistung und in der Reduktion der Strahlungsbelastung
für den
Nutzer der Mobilstation. In der Schrift handelt es sich um statische
Richtantennen, die nicht in ihrer Richtcharakteristik veränderbar
sind.
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In
der Patentschrift
US
6 490 465 B1 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem
der Nutzer eines Mobiltelefons aufgefordert wird, seine Position zu ändern, sofern
die Antenne ungünstig
positioniert ist. Die Antenne des Mobiltelefons weist keine Richtcharakteristik
auf.
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In
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 23 107 A1 wird ein Mobiltelefon beschrieben,
welches eine Richtantenne verwendet, deren Hauptstrahlrichtung durch
eine Messung der empfangenen Leistung in Richtung der Feststation
ausgerichtet werden kann. Durch die gerichtete Abstrahlung kann die
Gesamt-Strahlungsleistung reduziert werden. Infolge der gerichteten
Leistungsmessung zur Ortung der Feststation können Störeinflüsse bei diesem Verfahren die
optimale Antennenausrichtung jedoch beeinträchtigen.
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In
der Druckschrift US 2001/0029173 A1 wird ein Verfahren bzw. eine
Vorrichtung beschrieben, welches bzw. welche die Richtcharakteristik
einer Antenne mit zwei möglichen
Hauptstrahlrichtungen in einem Mobiltelefon einstellt. Dabei wird
für eine
eingestellte Hauptstrahlrichtung die Signalstärke und die Signalqualität gemessen
und die Einstellung beibehalten, falls die Werte für die Signalstärke und
Signalqualität über einem
bestimmten Schwellwert liegen. Falls einer der Werte darunter liegt,
wird die jeweils andere Hauptstrahlrichtung eingestellt.
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In
der Druckschrift
US
6,512,481 B1 ist ein Verfahren zur Ausrichtung einer Antenne
mit einstellbarer Richtcharakteristik in einer Mobilstation beschrieben,
wobei die Positionsinformation der Mobilstation, die Positionsinformation
der Feststation und die geographische Ausrichtung der Mobilstation
ermittelt wird. In Abhängigkeit
dieser Größen wird
die Hauptstrahlrichtung der Antenne in der Mobilstation eingestellt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit
dem die Leistungsabstrahlung einer Mobilstation eines Mobilfunksystems bei
Einhaltung einer geforderten Übertragungsqualität weiter
reduziert werden kann. Insbesondere soll das Verfahren robust gegenüber Störungen sein. Ferner
zielt die Erfindung darauf ab, eine entsprechende Anordnung mit
den obigen Eigenschaften bereitzustellen.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die
Merkmale des unabhängigen
Verfahrensanspruchs 1 sowie durch die Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs
10 gelöst.
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Demnach
geht das erfindungsgemäße Verfahren
von einer Antenne mit einer Richtcharakteristik in einer Mobilstation
eines Mobilfunksystems aus, die richtungsabhängig, insbesondere in horizontaler Richtung,
eingestellt werden kann. Nach einem ersten Aspekt der Erfindung
werden in einem ersten Schritt bei verschiedenen Ausrichtungen der
Hauptstrahlrichtung der Antenne unterschiedliche Größen ermittelt:
eine erste Größe, die
für die
Signalstärke charakteristisch
ist und eine zweite Größe, die
für die Signalqualität charakteristisch
ist. In einem weiteren Schritt wird die Hauptstrahlrichtung so eingestellt, dass
ein auf der ersten und zweiten Größe basierendes Optimalitätskriterium
für die
eingestellte Hauptstrahlrichtung erfüllt ist. Diese Ausrichtung
ermöglicht in
Bezug auf die zugeordnete Feststation einen optimalen Empfang und
im Allgemeinen auch ein optimales Sendeverhalten. Dies beruht auf
der Tatsache, dass die Antennenrichtcharakteristik für das Empfangen
und das Senden im Allgemeinen gleich oder zumindest sehr ähnlich ist.
Somit kann die abgegebene Strahlungsleistung der Mobilstation immer
auf den minimal erforderlichen Wert eingestellt werden, so dass
die Strahlungsbelastung reduziert wird.
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Dabei
ist die zeitliche Reihenfolge der einzelnen Schritte des Verfahrens
variabel. Es können
insbesondere zunächst
alle Messungen beider Größen für alle Richtungen
und erst dann die Auswertung der Werte durchgeführt werden. Weiterhin denkbar wäre auch
die Einstellung der Antenne mit entsprechender Messung und Auswertung
zunächst
für eine
Größe und dann
in einem nachfolgenden Schritt eine genauere Einstellung der Antenne
mit Hilfe der Messung und Auswertung der Werte der zweiten Größe für verschiedene
Ausrichtungen der Hauptstrahlrichtung. Aber auch ein iteratives
Vorgehen mit einer zunächst
groben Schätzung
der bevorzugten Richtung über
beide Größen und
dann immer feiner werdenden Schätzungen
dieser Richtung wäre
denkbar.
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Hinsichtlich
der im Verfahren erwähnten
ersten Größe, die
für die
Signalstärke
charakteristisch ist, kommen u. a. in Betracht: eine die Feldeigenschaft
des elektromagnetischen Feldes beschreibende Größe, insbesondere elektrische
oder magnetische Feldstärke
sowie Verknüpfungen
untereinander, also auch Energien, sowie dementsprechende Feld-
oder Energiedichten. Bezüglich
der im Verfahren ermittelten zweiten Größe (Signalqualität) handelt
es sich um eine Größe, die
im Gegensatz zu einer Amplitudeninformation der ersten Größe die Qualität des detektierten
Signals hinsichtlich seines ursprünglichen Informationsgehaltes
widerspiegelt. Als geeignete Größen sind
in diesem Zusammenhang die Bitfehlerrate oder die Rahmenfehlerrate
zu nennen.
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Der
Vorteil bei diesem Verfahren ist, dass durch die Berücksichtigung
der Information der zweiten Größe die Richtantenne
optimal auf die für
die Telekommunikationsverbindung letztendlich entscheidende Größe (Signalqualität) eingestellt
werden kann. Im Gegensatz zu Verfahren, die nur auf der Auswertung
der Signalstärke
beruhen, ist dieses Verfahren robust gegen Störungen. Generell kann nicht aus
einer hohen Signalstärke
auf eine hohe Signalqualität
geschlossenen werden. So kann das Signal trotz hoher Signalstärke u.a.
durch Signale aus benachbarten Kanälen, durch Reflexionen und
damit verbundener Mehrwegeausbreitung oder durch starke Störsignale
gestört
bzw. verzerrt sein, während
bei einer anderen eingestellten Empfangsrichtung mit geringerer
Signalstärke
diese Probleme nicht auftreten. Der Einfluss von Störsignalen
und Signalverzerrung bei der Bestimmung der optimalen Ausrichtung kann
durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung der
zweiten Größe deutlich
verringert werden. Dies ermöglicht
eine optimale Reduktion der Strahlungsleistung bei den unterschiedlichsten
Szenarien.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich neben dem Einsatz in digitalen Mobiltelefonen auch für andere
Arten von Endgeräten
oder Terminals, so z. B. für
Notebooks oder Personal-Digital-Assistants
(PDA) und auch für
andere Kommunikationssysteme wie z.B. Wireless-Local-Area-Network
Systeme (WLAN).
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Nach
einer ersten bevorzugten Verfahrensvariante ist die zweite Größe die Bitfehlerrate.
Dies ist vorteilhaft, da diese Größe typischerweise vom Basisbandprozessor
der Mobilstation ohnehin bestimmt wird und somit ohne Zusatzaufwand
für das
erfindungsgemäße Verfahren
genutzt werden kann.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahren
kann die optimale Hauptstrahlrichtung dadurch ermittelt werden,
dass zunächst
eine Bewertung der Ausrichtungen über die erste Größe vorgenommen
werden. Aus der so gewonnenen Menge der möglicherweise geeigneten Ausrichtungen
wird dann in einem zweiten Schritt die optimale Ausrichtung über eine
Maximierung der zweiten Größe bestimmt.
Dadurch wird gewährleistet,
dass die gefundene Ausrichtung der Antenne mit einer optimalen Signalqualität bei hoher Signalstärke korrespondiert.
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Bei
einer bevorzugten Verfahrensvariante werden darüber hinaus folgende Positions-
und Ausrichtungsinformationen ermittelt: die Positionsinformation
der Mobilstation, die Positionsinformation der Feststation und die
geographische Ausrichtung der Mobilstation. Diese zusätzlichen
Informationen werden dann in einem weiteren Schritt ausgewertet.
Die Positionsinformation der Feststation wird hierbei für gewöhnlich seitens
der Feststation über
Funk an die Mobilstation übermittelt.
Die Ermittelung der Positionsinformation der Mobilstation kann über ein
satellitengestütztes
Navigationssystem, insbesondere GPS (Global Positioning System),
erfolgen. Unter der geographischen Ausrichtung der Mobilstation
wird die Orientierung der Mobilstation zur Erdoberfläche verstanden,
die vorzugsweise über
einen Kompass bestimmt wird.
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Die
Ermittelung und Auswertung der Positions- und Ausrichtungsinformationen
kann einerseits dazu genutzt werden, den Einstellalgorithmus hinsichtlich
Präzision,
Störanfälligkeit
und Geschwindigkeit zu verbessern. Andererseits können die
zusätzlichen
Informationen dazu genutzt werden, die Leistungsabstrahlung der
Mobilstation, insbesondere in Richtung des Nutzers, weiter zu reduzieren.
Dazu muss die Position des Nutzers, insbesondere seines Kopfes,
in Relation zur Hauptstrahlrichtung zwischen Mobilstation und Feststation
gesetzt werden. Befindet sich die Feststation auf der der Mobilstation
abgewandten Seite des Kopfes, also in einer Richtung, in der die
Antenne bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zwangsweise durch den Kopf hindurch strahlen müsste, kann einerseits der Sendepegel
durch die Dämpfung
des Kopfes nicht auf einen minimal möglichen Pegel ohne Dämpfung eingestellt
werden und andererseits ist die Strahlungsbelastung für den Benutzer
höher,
als wenn sich die Feststation auf der der Mobilstation zugewandten
Seite des Kopfes befände.
Durch Ermittelung der Positions- und Ausrichtungsinformationen kann
die Richtung zur Feststation in Bezug auf die Ausrichtung des Telefons
und damit – über die
für gewöhnlich bekannte
Platzierung der Mobilstation am Ohr – auf die Ausrichtung des Kopfes
bestimmt werden, so dass entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen werden können.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens werden als Ergebnis der Auswertung der Positions-
und Ausrichtungsinformationen Richtungsänderungssignale an den Benutzer der
Mobilstation ausgegeben. Diese sind vorzugsweise in akustischer
Form, können
aber auch z.B. visuell über
eine Darstellungseinheit des Mobilgerätes ausgegeben werden. Mit
Hilfe der Richtungsänderungssignale
kann nun der Benutzer aufgefordert werden, sich so lange zu drehen,
auszurichten und/oder seine Position zu ändern bis eine nahezu optimale
Richtung und/oder Position mit entsprechend geringer erforderlicher
Sendeleistung – ohne Signaldämpfung durch
den Körper
des Benutzers – zur
Feststation gefunden wird.
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Allgemein
können
Richtungsänderungssignale
auch aus der ersten Größe oder
zweiten Größe allein
ohne Kenntnis der Positions- und Ausrichtungsinformationen bestimmt
werden. Es ist daher auch möglich,
aus der Auswertung der Werte der ersten Größe, der zweiten Größe oder
der Positions- und Ausrichtungsinformationen allein sowie aus einer
beliebigen Kombination dieser Größen und
Informationen eine Bestimmung der Richtungsänderungssignale vorzunehmen.
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In
einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante kann das Auswerteergebnis
der Positions- und Ausrichtungsinformationen zusätzlich zum Auswerteergebnis
der ersten und zweiten Größe zur Einstellung
der Hauptstrahlrichtung herangezogen werden, wodurch eine schnellere,
präzisere
und gegenüber Störsignalen
robustere Einstellung der Hauptstrahlrichtung möglich ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
kann dieser Einstellprozess in zwei Schritten durchgeführt werden. Zunächst wird
die Hauptstrahlrichtung in Abhängigkeit
von dem Auswerteergebnis der Positions- und Ausrichtungsinformationen
voreingestellt und danach wird die Hauptstrahlrichtung über die
Auswertung der ersten und zweiten Größe genau eingestellt. Durch
das Voreinstellen der Hauptstrahlrichtung wird der Einstellvorgang,
der auf der Auswertung der ersten und zweiten Größen basiert, entlastet, was
zu einer deutlichen Verbesserung von Einstellgeschwindigkeit und
Einstellgenauigkeit führt.
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Nach
einer bevorzugten Verfahrensvariante kann die Abstrahlungsleistung
nach Einstellung der Hauptstrahlrichtung reduziert werden. Die Reduktion der
Abstrahlungsleistung wird dann beispielsweise durch eine geforderte
maximal zulässige
Bitfehlerrate beschränkt.
Dies bieten den Vorteil, dass nach Beendigung des Einstellalgorithmus – angepasst
an das Einstellergebnis – ein
minimaler Wert der Abstrahlungsleistung erreicht werden kann.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann die die Auswertung der ersten und zweiten Größe ausführende Auswerteeinheit
in dem Basisbandchip der Mobilstation integriert sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert;
in diesen zeigen:
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1 das
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen ersten Ausführungsbeispieles;
und
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2 das
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsbeispieles.
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Gemäß dem in 1 dargestellten
Blockschaltbild weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
den folgenden Aufbau auf: Eine in der Richtcharakteristik steuerbare
Antenne 1 ist bidirektional elektrisch mit einem Verstärkerblock 2 verbunden.
Der Verstärkerblock 2 ist
wiederum bidirektional mit einer Hochfrequenz-Sender-/Empfänger-Schaltung 3,
auch HF-Transceiver genannt (RF-TRX), verbunden. Der HF-Transceiver 3 ist
außerdem
bidirektional mit einem Basisband-Prozessor 4 (BB Prozessor)
verbunden. Dieser liefert die Ausgangsgrößen Bitfehlerrate 5 (BER)
und Feldstärke 6 (RF-Signal)
des empfangenen Signals und führt
diese Größen einer
Auswerteeinheit 7 als Eingangsgrößen zu. Der Ausgang der Auswerteeinheit 7 ist
mit einer Antennenstelleinrichtung 8 verbunden, die wiederum
ein Steuersignal 9 an den Steuereingang der steuerbaren
Antenne 1 liefert.
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Bei
der Antenne 1 mit einstellbarer Richtcharakteristik handelt
sich um ein Einzelantennenelement, deren Richtcharakteristik bei
Verwendung einer sog. Inverted-F Antenne über eine unterschiedliche Impedanzbeschaltung
eingestellt wird, oder um eine Gruppenantenne, welche mindestens
zwei Einzelstrahler aufweist, deren Amplituden und/oder Phasen zur
Einstellung der Richtcharakteristik variiert werden. Das Ausgangssignal
der einstellbaren Antenne 1 wird mit Hilfe eines im Verstärkerblock 2 befindlichen äußerst empfindlichen
und rauscharmen Vorverstärkers
(low noise amplifier – LNA)
bezüglich seines
Signalhubes auf einen für
die weitere Verarbeitung notwendigen Wert verstärkt. Umgekehrt wird im Sendefall
die Sendeleistung auf den erforderlichen Wert durch einen im Verstärkerblock 2 befindlichen
Leistungsverstärker
(power amplifier – PA)
eingestellt. Hinsichtlich des Empfangsbetriebs wird nach Anpassung
des Signalhubes in dem HF-Transceiver 3 eine Demodulation
des verstärkten
Empfangssignals durchgeführt,
bei der der Informationsanteil des Signals in das Basisband gemischt
wird. Der sich zur weiteren Verarbeitung dieser Basisbandinformation anschließende Basisbandprozessor 4 liefert
ausgangsseitig durch Verarbeitung seines Eingangssignals zwei Signale
als Maß für die Bitfehlerrate 5 und für die Feldstärke 6.
Da eine Auswertung der Bitfehlerrate und der Feldstärke des
von der Feststation kommenden Signals zur Leistungseinstellung notwendig
ist, liegen diese Größen standardmäßig im Basisbandprozessor 4 vor.
Die Auswerteeinheit 7 wertet diese Größen über einen geeigneten Algorithmus
aus. Gemäß dem Algorithmus
wird die Strahlungsrichtung der steuerbaren Antenne solange verändert, bis
ein auf den Einflussgrößen Bitfehlerrate 5 und
Feldstärke 6 basierendes
Optimalitätskriterium erfüllt ist.
Die Auswertung unter Berücksichtigung
der Bitfehlerrate 5 und Feldstärke 6 kann dabei auf
unterschiedliche Weise erfolgen: z.B. kann vorgesehen sein, dass
beide Größen getrennt
ausgewertet werden, eine Vorauswahl bezüglich der Antenneneinstellung
auf Basis der Feldstärke
bzw. Signalleistung erfolgt und anschließend eine Feineinstellung durch Optimierung
der Bitfehlerrate vorgenommen wird. Möglich ist auch, dass aus Bitfehlerrate
und Feldstärke
eine Kombinationsgröße gebildet
und die Hauptstrahlrichtung durch Suche des Maximums dieser Kombinationsgröße ermittelt
wird. Der Algorithmus muss so beschaffen sein, dass infolge der
Berücksichtigung
der Bitfehlerrate (oder einer anderen für die Signalqualität charakteristischen
Größe) eine durch
signalstarke Störquellen
verursachte Störung als
solche identifiziert werden kann und eine suboptimale Ausrichtung
der Antenne dadurch verhindert werden kann. Das Verfahren als solches
kann durch das Abrufen der Werte der Bitfehlerrate 5 und
Feldstärke 6 aller
einstellbaren Richtungen und die anschließende Auswahl der optimalen
Richtung anhand dieser Werte bestimmt sein. Aber auch iterative Einstellverfahren
oder Einstellverfahren mit einer getrennten Einstellung der Antenne
zunächst über die Bitfehlerrate 5 und
anschließend über die
Feldstärke 6 oder
umgekehrt sind in dem Einstellalgorithmus implementierbar.
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Wie
in diesem Ausführungsbeispiel
dargestellt, genügt
es im allgemeinen, die Hauptempfangsrichtung, d.h. die Richtung
mit maximaler Übertragungsqualität bezüglich des
Empfanges, über
den Empfangspfad für
den Empfangskanal auszumachen, da diese in den meisten Fällen auch
mit der analog definierten Hauptsenderichtung zur Feststation übereinstimmt.
Dies beruht auf der Tatsache, dass die Antennenrichtcharakteristik
für das
Empfangen und das Senden im Allgemeinen gleich oder zumindest sehr ähnlich ist.
Die Ausrichtung der Antenne kann entweder im sog. Stand-by-Empfangsbetrieb, d.h.
ohne Vorliegen einer Gesprächsverbindung,
permanent aktualisiert werden oder auch erst bei der Gesprächsaufnahme
erfolgen, so dass die Antenne bei Aufnahme des Gesprächsbetriebs
stets optimal eingestellt ist. Aber auch ein Abgleich der Ausrichtung
der Antenne während
der Gesprächsverbindung ist
möglich.
Dieses Vorgehen gewährleistet,
dass auch während
des Gesprächs
die Antenne stets optimal eingestellt ist.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel
wird, wie oben erläutert,
die Hauptstrahlrichtung der Antenne so eingestellt, dass unter dem
Gesichtspunkt der Signalqualität
ein optimaler Empfang und umgekehrt aufgrund der Gleichartigkeit
von Empfangs- und Sendecharakteristik beim Senden eine Optimierung
der Sendeleistung der Mobilstation möglich ist. So sollte als Richtwert
die Sendeleistung so gewählt
werden, dass die Leistungsdichte in Richtung der Hauptstrahlrichtung
gleich der Leistungsdichte ohne Verwendung einer Richtantenne ist.
Die sich ergebende gesamte Abstrahlleistung ist bei Verwendung der Richtantenne
ungefähr
um den reziproken Faktor des Antennengewinns, welcher als Verhältnis der maximalen
Leistungsdichte Srmax in radialer Richtung zu
der entsprechenden Leistungsdichte eines isotropen Kugelstrahlers
Sri definiert ist, geringer als bei einer nicht steuerbaren Antenne.
Dies erhöht
einerseits die maximale Betriebsdauer der Mobilstation und reduziert
darüber
hinaus im Durchschnitt die im Benutzer absorbierte Leistung ungefähr um den
Faktor der oben dargestellten Leistungsreduktion. In diesem Zusammenhang
wird dar auf hingewiesen, dass die im erfindungsgemäßen Verfahren
verwendeten Richtantennen hinsichtlich ihres Antennengewinns in der
praktischen Realisierung im allgemeinen nicht mit entsprechenden
Richtantennen in Feststationen digitaler zellularer Mobilfunksysteme
vergleichbar sind, welche üblicherweise
stark bündelnd
wirken und typische Gewinne größer 10 dB
aufweisen. Die im erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzten Antenne der Mobilstation erlauben bei einfachsten Ausführungsformen
einen Antennengewinn von 3 bis 6 dB, was mit einer Reduzierung der
Sendeleistung um den Faktor ein Halb bis ein Viertel einhergeht.
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Um
zu gewährleisten,
dass die Hauptstrahlrichtung der Antenne nicht durch den Kopf des
Benutzers läuft,
kann darüber
hinaus die Antenne so beschaffen sein, dass die Hauptstrahlrichtung
nur innerhalb der Halbebene einstellbar ist, die der dem Kopf abgewandten
Seite des Mobiltelefons entspricht.
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2 zeigt
die Struktur des erfindungsgemäßen zweiten
Ausführungsbeispieles.
Eine in der Richtcharakteristik steuerbare Antenne 11 ist
bidirektional elektrisch mit einem Verstärkerblock 12 verbunden.
Der Verstärkerblock 12 ist
wiederum bidirektional mit einer Hochfrequenz-Sender-/Empfänger-Schaltung 13,
auch HF-Transceiver genannt (RF-TRX), verbunden. Der HF-Transceiver 13 ist
außerdem
bidirektional mit einem Basisband-Prozessor 14 (BB Prozessor)
verbunden. Dieser liefert die Ausgangsgrößen Bitfehlerrate 15 (BER),
Feldstärke 16 (RF-Signal)
des empfangenen Signals und Positionsinformation der Feststation
((x, z, y)BS) 18. Die Bitfehlerrate 15 und die
Feldstärkeinformation 16 bilden die
Eingangsgrößen einer
ersten Auswerteeinheit 17, deren Ausgang mit einer Antennenstell-
und Nachführeinheit 25 verbunden
ist, die wiederum ein Steuersignal 10 an den Steuereingang
der steuerbaren Antenne 1 liefert. Die Positionsinformation
der Feststation 18 in Verbindung mit den weiteren Größen Positionsinformation
der Mobilstation ((x, z, y)MS) 23 und geographische Ausrichtung
der Mobilstation ((0..359°)MS) 24 bilden
die Eingangsgrößen einer Richtungsauswerteeinheit 19.
Die Positionsinformation der Mobilstation 23 ergibt sich
als Ausgangsgröße einer
Empfangseinheit (GPS RX) 21 für das satellitengestützte Navigationssystem
Global Positioning System (GPS). Die geographische Ausrichtung 24 bestimmt
sich als Ausgangsgröße eines
elektronischen Kompasses 22. Die Richtungsauswerteeinheit 19 liefert
ein akustisches Hilfssignal 20 und steuert darüber hinaus
parallel zur ersten Auswerteeinheit 17 die Antennenstell-
und Nachführeinheit 25 an.
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Die
steuerbare Antenne 11, Verstärkerblock 12, HF-Transceiver 13 und
Basisbandprozessor 14 entsprechen in ihrem Aufbau und ihrer
Funktonalität den
entsprechenden Blöcken 1, 2, 3, 4 des
ersten Ausführungsbeispiels.
Die Auswerteeinheit 17 ermöglicht es, die Hauptstrahlrichtung
der Antenne 11 über
die Antennenstell- und Nachführeinheit 25 so einzustellen,
dass unter dem Gesichtspunkt der Signalqualität ein optimaler Empfang und
beim Senden eine Optimierung der Sendeleistung der Mobilstation möglich ist.
Die daraus sich ergebenden Vorteile sind schon bei der Beschreibung
des ersten Ausführungsbeispiels
dargestellt worden.
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Zusätzlich werden
im zweiten Ausführungsbeispiel
Positions- und Richtungsinformationen
verwendet, die es ermöglichen,
die absorbierte Strahlungsleistung im Benutzer gegenüber dem
ersten Ausführungsbeispiel
weiter zu reduzieren und des Weiteren auch die Gesamtleistung durch
Verhinderung der Strahlungsdämpfung über den
Körper
des Benutzers zu verringern. Die Positionsinformation 18 (x,
z, y)BS der Feststation ergibt sich nach Auswertung der digitalen
Signalinformationen des in der Mobilstation empfangenen Signals
und ist Teil der empfangenen Datensymbole. Diese wird somit vom
Basisbandprozessor 14 zur Verfügung gestellt. Zusammen mit
der über
GPS berechneten Position der Mobilstation (x, z, y, )MS wird in
der Richtungsauswerteeinheit ein Richtungsvektor zwischen Mobil-
und Feststation bestimmt. Die exakte Richtung der vom Kopf abgewandten
Seite des Telefons kann aus der geographischen Ausrichtungs information
des Mobiltelefons (0..359°)MS 24 abgeleitet
werden. Diese beiden Informationen werden in der Richtungsauswerteinheit 19 in
Relation zu einander gestellt. Dabei kann zur Bestimmung der optimalen
Ausrichtung auch auf ausgewertete Positions- und Richtungsinformationen
vor dem aktuellen Zeitpunkt, auch Historie genannt, zurückgegriffen
werden. Bei ungünstiger Ausrichtung
des Benutzers zur Feststation, insbesondere dann, wenn die gedachte
Verbindungslinie Mobilstation zu Feststation den Körper oder
Kopf des Nutzers schneidet, wird am Ausgang der Richtungsauswerteeinheit 19 zum
Schutz des Benutzers ein akustisches Hilfssignal 20 ausgegeben.
Dieses fordert den Benutzer auf – ähnlich der elektronischen Einparkhilfe
in einem Fahrzeug -, seine Richtung so lange zu ändern, bis eine optimale Ausrichtung
zur Feststation erzielt ist. Als Orientierungshilfe kann das akustische
Hilfssignal zu diesem Zweck entweder in der Tonhöhe oder der Tonfolge moduliert
werden.
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Darüber hinaus
lässt sich
mit Hilfe der Positionsinformationen 18 und 23,
ggf. in Verbindung mit der Ausrichtung der Mobilstation 24,
auch die Hauptstrahlrichtung der Antenne voreinstellen. Aus diesem Grund
wird beim zweiten Ausführungsbeispiel
zusätzlich
die Antennen-Stell- und -Nachführeinheit 25 über die
Richtungsauswerteeinheit 19 gesteuert. Die Voreinstellung
der Hauptstrahlrichtung erfolgt allein anhand des von der Richtungsauswerteeinheit 19 abgegebenen
Signals, d.h. auf Basis der geographischen Information. Nach der
Durchführung
der Voreinstellung wird die Feineinstellung der Antenne 11 allein
auf der Basis der von der Auswerteeinheit 17 abgegebenen
Information, d.h. gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
vorgenommen. Dies bietet den Vorteil, dass der abschließende, auf
der Bitfehlerrate 15 und Feldstärke 16 basierende
Einstellalgorithmus entlastet wird, was zu einer deutlichen Verbesserung von
Einstellgeschwindigkeit und Einstellgenauigkeit führt.