DE19707057A1 - Basisstation für ein Funk-Kommunikationssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Basisstation für ein Funk-Kom­ munikationssystem, beispielsweise ein GSM-Mobilfunksystem.

In einem Funk-Kommunikationssystem werden von einer sendenden Funkstation zu einer empfangenen Funkstation auf einen hoch­ frequenten Träger modulierte Informationen übertragen. Diese Informationen erreichen die empfangene Funkstation in Form von Empfangssignalen. Eine Basisstation eines Funk-Kommuni­ kationssystems empfängt zudem die Signale mehrerer Mobil­ stationen in ihrem Versorgungsbereich.

Durch diverse externe Einflüsse erreichen die Empfangssignale die empfangende Funkstation über mehrere Laufwege. Die den verschiedenen Laufwegen entsprechenden Signalkomponenten treffen bei der empfangenden Funkstation zu aufeinander­ folgenden Zeitpunkten ein. In der empfangenden Funkstation, beispielsweise einer Basisstation eines Mobilfunksystems, besteht nun das Problem, diese Signalkomponenten, die zudem durch weitere Störkomponenten beeinflußt sein können, zu entzerren, die Fehler zu korrigieren und die übertragene Information zu dekodieren.

Zum inneren Aufbau einer Basisstation wird auf "AirXpress- D900/D1800 Mobile Network Base Station equipment", Siemens Aktiengesellschaft vom Februar 1996 verwiesen. Eine - nicht dargestellte - Antenneneinrichtung ist über eine Antennenkopp­ lungseinheit (Antenna Combiner ACOM) mit einer Hochfrequenz­ einheit verbunden. Die Hochfrequenzeinheit besteht aus Lei­ stungsverstärkern (Power Amplifier PA) für die Senderichtung und Sende- und Empfangseinheiten (Transceiver and Processor Units TPU) zur Auswertung und Erzeugung von hochfrequenten Signalen. Mit den Hochfrequenzeinheiten ist eine Signalver­ arbeitungseinheit (Base Band and Signaling BBSIG) über ein Bussystem verbunden, die u. a. empfangsseitig kanalorientierte Funktionen nach der Schicht 1, 2 und 3 des OSI Schichten­ modells, wie Dekodierung, Entschlüsselung, Entschachtelung und Detektion, umsetzt.

Auf diese Weise werden die Empfangssignale einer Antenne aus­ gewertet und in detektierte digitale Symbole überführt.

Aus R. Roy, T. Kailath, "Esprit-Estimation of Signal Para­ meters Via Rotational Invariance Techniques", IEEE Trans­ actions on acoustics, speech and signal processing, Vol. 37, No. 7, Juli 1989, S. 984-995, ist es weiterhin bekannt, eine aus mehreren Antennenelementen bestehende Antenneneinrichtung zu verwenden, so daß sich eine räumliche Auswertung der Empfangssignale anschließen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Basisstation anzugeben, die auf einfache Weise eine Nachrüstung zu einer Basisstation mit räumlicher Auflösung ermöglicht. Die Aufgabe wird durch die Basisstation nach den Merkmalen des Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der erfindungsgemäßen Basisstation ist zumindest eine aus mehreren Antennen bestehende Antenneneinheit zum Empfangen hochfrequenter Empfangssignale zugeordnet, die durch eine Antennenkopplungseinheit mit zumindest einer trägerorien­ tierten Hochfrequenzeinheit der Basisstation verbunden ist. Weiterhin enthält die Basisstation zumindest eine Signalver­ arbeitungseinheit, welche wiederum durch zumindest eine Kopplungseinheit mit der Hochfrequenzeinheit verbunden ist. Zumindest eine Steuer- und Überwachungseinheit der Basis­ station überwacht deren Funktionen und erzeugt Status- und Fehlermeldungen für weitere Einheiten des Funk-Kommunika­ tionsystems. Die Hochfrequenzeinheit enthält erfindungsgemäß eine Anzahl von Sende- und Empfangseinheiten zum Verarbeiten der Empfangssignale jeweils einzelner Antennen oder Anten­ nengruppen und eine digitale Signalauswerteeinheit zum räum­ lichen Auflösen der Empfangssignale.

Durch die räumliche Auswertung der Empfangssignale ist es möglich, die Kapazität der Basisstation zu erhöhen, da unter Ausnutzung der Richtcharakteristik der Antenneneinrichtung eine Unterdrückung von Störsignalen und eine Mehrfachnutzung von Frequenzen im Funkbereich der Basisstation erreicht werden kann. Eine Kombination der einzelnen Empfangssignale unterschiedlicher Antennen der Antenneneinrichtung ist erst im digitalen Basisband vorgesehen, so daß gegenüber der Basisstation ohne räumliche Auflösung ein höherer Bedarf an Sende- und Empfangseinrichtungen vorliegt, der ggf. um einen der Anzahl der Antennen entsprechenden Faktor größer ist.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Zusammenfassung mehrerer Sende- und Empfangseinrichtungen zu einer trägerorientierten Hoch­ frequenzeinheit, die sofort die räumliche Filterung vorsieht, so daß eine Datenreduktion erreicht wird. Damit kann der Schnittstellenaufwand für die Kopplungseinheit zum Verbinden mit der Signalverarbeitungseinheit verringert werden. Über diese Kopplungseinheit sind so Hochfrequenzeinheiten mit oder ohne räumliche Auflösung anschließbar. Bisherige Basissta­ tionseinrichtungen sind somit auch nach einer Nachrüstung zur Basisstation mit räumlicher Auflösung nutzbar, wodurch ein schrittweiser Netzausbau für einen Betreiber möglich wird. Der Betreiber braucht also für eine spätere Nachrüstung keine überhöhte Verbindungs- und Verknüpfungskapazität in der Ba­ sisstation bereithalten. Ein flexibler Ausbau einer Basissta­ tion wird erfindungsgemäß wesentlich vereinfacht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in der digitalen Signalauswerteeinheit zusätzlich das Ent­ zerren der Empfangssignale durchgeführt. Dadurch können lei­ stungsfähige Algorithmen zur räumlichen Filterung eingesetzt werden, die die entzerrten Empfangssignale für die räumliche Auflösung mitbenutzen. Durch die damit realisierte räumliche Auflösung und Entzerrung in einer Baugruppe kann für an­ schließende Baugruppen eine weitere Datenreduktion erreicht werden.

Vorteilhafterweise ist eine Antenne mit jeweils einer Sende- und Empfangseinheit für jedes durch die Basisstation ver­ sorgte schmalbandige Frequenzband gleichzeitig verbindbar, d. h. die Empfangssignale jeder Antenne werden für jeden Träger in einer individuellen Sende- und Empfangseinheit schmalbandig ausgewertet. Bisher verwendete Sende- und Emp­ fangseinheiten können somit in ihrer schaltungstechnischen Struktur übernommen werden. Durch die individuelle Auswertung aller Empfangssignale wird der gesamte Informationsgehalt der Empfangssignale der Antennen genutzt.

Alternativ dazu kann jede Antenne mit nur einer Sende- und Empfangseinheit für jeweils ein breitbandiges Frequenzband verbunden sein. Damit ist eine Verringerung des für die Hochfrequenzeinheit benötigten Volumens durch eine breit­ bandige Hochfrequenzauswertung möglich. Die anschließende räumliche Auflösung erfolgt kanalbezogen, d. h. entweder schmalbandig (siehe GSM-System) oder breitbandig (falls CDMA Code Division Multiple Access-Teilnehmerseparierungsver­ fahren eingesetzt werden).

Eine Trennung von Hochfrequenzeinheit und der räumlichen Auflösung nachgelagerter digitaler Signalverarbeitung bringt den Vorteil mit sich, daß jeweils für die Hochfrequenz- und die digitale Signalverarbeitungstechnologie angepaßte, unter­ schiedliche Gestell- und Leiterplattentechnologien eingesetzt werden können. So erfordert die Hochfrequenzeinheit eine spe­ zielle Kühlung und Abschirmung, die für die digitale Signal­ verarbeitung überdimensioniert ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfin­ dungsgemäßen Basisstation ist die Signalverarbeitungseinheit in eine der Anzahl der Sende- und Empfangseinheiten ent­ sprechenden Zahl von Unterverarbeitungseinheiten aufgeteilt, die jeweils eine trägerbezogene Signalauswertung vornehmen. Durch die Verlagerung von Funktionen, wie räumliche Auflösung und evtl. Entzerrung, in die Hochfrequenzeinheiten wird die gemeinsame Signalverarbeitungseinheit entlastet und ist ggf. für einen Einschub überdimensioniert. Dadurch wird eine wei­ tere trägerbezogene Modularisierung der Signalverarbeitungs­ einheit in Unterverarbeitungseinheiten erleichtert. Diese Unterverarbeitungseinheiten können mit den Hochfrequenzein­ heiten in gemeinsamen Einschüben realisiert werden.

Es ist weiterhin vorteilhaft, die Signalverarbeitung der Emp­ fangssignale trägerbezogen zu separieren und Einheiten zum trägerbezogene Testen und Abgleichen vorzusehen. Durch einen Einsatz von trägerbezogenen Steuereinrichtungen für die digi­ tale Signalverarbeitung und die Funktionen der Hochfrequenz­ verarbeitung ist das Testen und Abgleichen durch diese Anord­ nung wesentlich vereinfacht, da die Steuereinrichtung und die Hochfrequenzeinheit miteinander verbunden sind. Ein kompli­ ziertes Berücksichtigen von verschiedenen Versionen von programmtechnischen Komponenten der Einheiten kann entfallen.

Die Kopplungseinheit ist als Umschalter, Bussystem oder als feststehende Verbindungen ausgeprägt. Die Ausprägung als Umschalter oder Bussystem ermöglicht eine flexible Zuordnung von Signalverarbeitungskomponenten zu Hochfrequenzeinheiten. Damit ist eine flexible Zuordnung von logischen Kanälen zu Trägern möglich (Voraussetzung für ein Base Band Hopping). Bei Wartungsarbeiten, beim Abschalten oder bei Ausfällen eines Trägers oder einer Signalverarbeitungseinheit ist der Weiterbetrieb gewährleistet. Der Umschalter gestattet höhere Bitraten und längere Entfernungen zwischen den Baugruppen, währenddessen das Bussystem mit einem geringen schaltungs­ technischen Aufwand (Hardware Overhead) in Bezug auf die Zahl angeschlossener Baugruppen auskommt.

Die flexible Nachrüstbarkeit wird besonders dann unterstützt, wenn die Hochfrequenzeinheit für einen Träger als eigen­ ständige Einheit mit eigenem Einschub innerhalb der Basis­ station ausgebildet ist. Durch Austausch einer bisherigen Hochfrequenzeinheit oder zum zusätzlichen Einsatz kann damit eine Basisstation für eine räumliche Auflösung ohne weitere Änderung der bisherigen Struktur unter Nutzung der bisherigen Schnittstellen weiterbetrieben werden.

Die Antenneneinheit ist als adaptive Antenneneinrichtung oder mit sektorisierten Antennen ausgebildet.

Eine Basisstation gemäß der Erfindung wird im folgenden an­ hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Basisstation mit gemeinsamer Signalverarbeitung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Hochfrequenzeinheit,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Basisstation mit trägerbezogener Signalverarbeitung, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Basisstation mit trägerbezogener Signalverarbeitung und Kopplung.

Funk-Kommunikationssysteme, beispielsweise das GSM (Global System for Mobile Communications) Mobilfunksystem, ermög­ lichen den Aufbau von Kommunikationsverbindungen zu mobilen Teilnehmern, indem auf hochfrequente Träger modulierte Infor­ mationen über eine Funkschnittstelle übertragen werden. Die Informationen verschiedener Teilnehmer können bei GSM-Mobil­ funksystem anhand des Trägers (FDMA) und einer Zeitlage (TDMA) separiert werden. Alternativ ist eine Separierung mit Hilfe eines Teilnehmerkodes (CDMA) durchführbar. Es ist eben­ so möglich mehrere dieser Separierungsverfahren zu kombi­ nieren. Im weiteren wird lediglich der Empfangsfall disku­ tiert, die Vorteile der räumlichen Auflösung sind jedoch ebenso auf die Senderichtung übertragbar.

In einer typischen Einsetzumgebung eines Mobil-Kommunika­ tionssystems unterliegen die übertragenen Informationen auf der Funkschnittstelle unterschiedlichen Störungen. Die von einer Sendestation gesendeten Informationen erreichen eine Empfangsstation über verschiedene Ausbreitungswege, so daß sich bei der Empfangsstation die Signalkomponenten verschie­ dener Ausbreitungswege überlagern. Zudem können Abschattungen die Übertragung von Informationen von der Sendestation zur Empfangsstation erheblich behindern. Auch Störer besonders im Frequenzband der Funkschnittstelle führen zu einer Beein­ trächtigung der Qualität der empfangenen Signale.

Die Komponenten dieser Empfangssignale treffen bei einer erfindungsgemäßen Basisstation BS nach Fig. 1 aus ver­ schiedenen Richtungen ein und werden durch eine aus mehreren Antennen A bestehenden Antenneneinrichtung AE empfangen. Die Antennen A bilden einen Gruppenstrahler, der kontinuierlich und breitbandig die Empfangssignale aufnimmt. Die der Basisstation BS zugeordnete Antenneneinrichtung AE ist über eine Antennenkopplungseinheit B mit Hochfrequenzeinheiten C verbunden. Die Verbindung von Antennenkopplungseinheit B und Hochfrequenzeinheiten C wird durch eine analoge Signal­ schnittstelle E gebildet.

In der Antennenkopplungseinheit B erfolgt ein Filtern des breitbandigen Frequenzbandes und ein Verteilen auf die schmalbandig ausgeprägten Hochfrequenzeinheiten C. Die Anzahl der Hochfrequenzeinheiten C entspricht der Anzahl der Träger. In jeder Hochfrequenzeinheit C werden die Empfangssignale aller Antennen A verarbeitet. Alternativ können auch mehrere Antennen A zu Gruppen zusammengefaßt werden, bevor eine weitere Auswertung der Empfangssignale erfolgt.

In den Hochfrequenzeinheiten C erfolgt, wie anhand Fig. 2 näher gezeigt, neben der Verarbeitung der hochfrequenten Empfangssignale und der Verarbeitung in digitale Basisband­ signale eine räumliche Auflösung durch digitale Signalver­ arbeitung im Basisband, so daß über eine digitale Signal­ schnittstelle F eine bereits reduzierte Datenmenge übertragen wird.

Eine als Bussystem ausgebildete Kopplungseinheit D1 verbindet die Hochfrequenzeinheiten C mit einer gemeinsamen Signalver­ arbeitungseinheit D2. In der Signalverarbeitungseinheit D2 erfolgt ein digitales Filtern der Empfangssignale, eine Formatierung von Funkblöcken, eine Entschachtelung, eine Dekodierung/Datendetektion und eine Entschlüsselung. Des­ weiteren werden kanalorientierte Kontrollfunktionen wahr­ genommen. Diese Kontrollfunktionen werden durch eine mit der Signalverarbeitungseinheit D2 verbundene Steuer- und Über­ wachungseinheit D3 unterstützt, die über eine Schnittstelle H Kontrolldaten an ein Operations- und Wartungszentrum abgibt und über eine Schnittstelle G die Funktionen der Baugruppen B, C, D1, D2 der Basisstation BS überwacht und steuert. Zusätzlich zu den Steuer- und Überwachungsfunktionen sind gemeinsame Takt- und Stromversorgungsanschlüsse über die Schnittstelle G vorgesehen.

In Fig. 2 ist der Aufbau einer Hochfrequenzeinheit C verdeut­ licht. Eine erfindungsgemäße Hochfrequenzeinheit C besteht aus mehreren Sende- und Empfangseinrichtungen TRX, wobei über die analoge Schnittstelle E jede Sende- und Empfangseinrich­ tung TRX mit einer Antenne A verbunden ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel entspricht also die Anzahl der Sende- und Empfangseinrichtungen TRX pro Hochfrequenzeinheit C der Anzahl der Antennen A der Antenneneinrichtung AE.

Die Sende- und Empfangseinrichtungen TRX nehmen eine Lei­ stungsverstärkung, eine Abwärtsmischung, eine Demodulation, eine Filterung und eine Analog/Digitalwandlung der Empfangs­ signale vor. Zusätzlich kann ein digitales Filtern mit Datenreduzierung vorgesehen sein.

Ausgangssignale der Sende- und Empfangseinrichtungen TRX werden einer Einrichtung C2 zur räumlichen Auflösung und Entzerrung der Empfangssignale zugeführt. In dieser Ein­ richtung C2 sind spezifische Algorithmen zur räumlichen Auflösung, siehe dazu die DE 195 11 751 A1 oder DE 196 04 772, implementiert.

Zur räumlichen Auflösung werden innerhalb der Empfangs­ einrichtung Parameter bestimmt. Diese Parameter sind z. B. Antennengewichtfaktoren, die die einzelnen Empfangssignale der Antennenelemente der Antenneneinrichtung bewerten. Die Antennengewichtfaktoren können ggf. mit einer Anpassung für die entsprechende Sendefrequenz auch in Senderichtung ein­ gesetzt werden. Durch die unterschiedliche Bewertung der einzelenen Empfangssignale sowie ihre geeignete Kombination zu kanalbezogen Signalen können die Signalkomponenten ver­ schiedener Ausbreitungspfade zusammengefaßt und Störsignale ausgeblendet werden. Damit ergibt sich ein verbesserte Empfangsqualität. Zudem ist es möglich durch eine zusätzliche räumliche Separierung von Teilnehmern die Kapazität der Basisstation BS zu erhöhen.

Eine Hochfrequenzeinheit C bildet dabei einen separaten Ein­ schub, der über die digitale Schnittstelle F, wie aus "AirXpress-D900/D1800 Mobile Network Base Station equipment", Siemens Aktiengesellschaft vom Februar 1996, bekannt, mit der Signalverarbeitungseinheit D2 (siehe dort BBSIG) verbunden werden kann. Hochfrequenzeinheiten C mit und ohne räumliche Auflösung können damit in einer Basisstation parallel einge­ setzt werden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Alternativen zur Basisstations­ struktur nach Fig. 1. Die Unterschiede liegen in der Ausge­ staltung der Kopplungseinheit D1 und der Signalverarbeitungs­ einheit D2.

Nach Fig. 3 sind ist die Signalverarbeitungseinheit D2 in eine Anzahl von Unterverarbeitungseinheiten D21, D22, D2n untergliedert, die trägerbezogen die Empfangssignale von jeweils einer durch die Kopplungseinheit D1 flexibel zu­ ordenbaren Hochfrequenzeinheit C verarbeiten. Damit kann die Signalverarbeitung nach der räumlichen Auflösung in der Hochfrequenzeinheit C entsprechend individuell ausgelegt sein. Ein räumliches Teilnehmerseparieren (SDMA) kann folglich anfangst nur auf einem einem einzigen Träger eingeführt werden.

Die Basisstation BS nach Fig. 4 sieht als Kopplungseinheit D1 feste Verbindungen zwischen Hochfrequenzeinheit C und jeweils einer zugeordneten Untereinheit D21, D22, D2n vor. Damit geht zwar die Umschalt- bzw. flexible Zuordnung mittels Busstruk­ tur verloren, dafür wird jedoch an Verdrahtungsaufwand ge­ spart. Trägerbezogenen Steuereinrichtungen zum trägerbezo­ genen Testen und Abgleichen - nicht dargestellt - für die digitale Signalverarbeitung und die Funktionen der Hochfre­ quenzverarbeitung vereinfachen insbesondere das Einstellen der Hochfrequenzeinheit, da diese fest mit einer Steuerein­ richtung verbunden ist.

Für die Hochfrequenzeinheit C, ggf. zusammen mit Teilen der Kopplungseinheit D1 und der Unterverarbeitungseinheiten D21, D22, D2n kann außerhalb der Basisstation BS ein eigenes Gestell vorgesehen sein, so daß die ursprüngliche Basis­ stationsinfrastruktur weiterbenutzt werden kann und für das vergrößerte Volumen der Hochfrequenzeinheit C mit räumlicher Auflösung erst bei Nachrüstungsbedarf die entsprechenden Vorkehrungen zu treffen sind.

Claims (10)

1. Basisstation (BS) für ein Funk-Kommunikationssystem

• - mit zumindest einer aus mehreren Antennen (A) bestehenden Antenneneinheit (AE) zum Empfangen hochfrequenter Empfangs­ signale,
• - mit zumindest einer trägerorientierten Hochfrequenzeinheit
• - mit zumindest einer Antennenkopplungseinheit (B) zum Ver­ binden der Antenneneinheit (AE) mit der Hochfrequenzeinheit
• - mit zumindest einer Signalverarbeitungseinheit (D2),
• - mit zumindest einer Kopplungseinheit (D1) zum Verbinden der Hochfrequenzeinheit (C) mit der Signalverarbeitungseinheit (D2)
• - mit zumindest einer Steuer- und Überwachungseinheit (D3), wobei die Hochfrequenzeinheit (C) enthält:
• - eine Anzahl von Sende- und Empfangseinheiten (TRX) zum Verarbeiten der Signale der Antennen (A), und
• - eine digitale Signalauswerteeinheit (C2) zum räumlichen Auflösen der Empfangssignale.

2. Basisstation (BS) nach Anspruch 1, bei der in der digitalen Signalauswerteeinheit (C2) zusätz­ lich das Entzerren der Empfangssignale durchgeführt wird.

3. Basisstation (BS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jede Antenne (A) mit jeweils einer Sende- und Emp­ fangseinheit (TRX) für jeweils ein schmalbandiges Frequenz­ band gleichzeitig verbindbar ist.

4. Basisstation (BS) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der jede Antenne (A) mit nur einer Sende- und Empfangs­ einheit (TRX) für jeweils ein breitbandiges Frequenzband verbunden ist.

5. Basisstation (BS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Signalverarbeitungseinheit (D2) in Unterverarbei­ tungseinheiten (D21, D22, D2n) aufgeteilt ist, die jeweils eine trägerbezogene Signalauswertung vornehmen.

6. Basisstation (BS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Signalverarbeitung der Empfangssignale träger­ bezogen separierbar ist und Einheiten zum trägerbezogenen Testen und Abgleichen (D3) vorgesehen sind.

7. Basisstation (BS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kopplungseinheit (D1) als Umschalter ausgeprägt ist.

8. Basisstation (BS) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Kopplungseinheit (D1) als Bussystem ausgeprägt ist.

9. Basisstation (BS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Hochfrequenzeinheit (C) für einen Träger als eigenständige Einheit mit eigenem Einschub innerhalb der Basisstation (BS) ausgebildet ist.

10. Basisstation (BS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Antenneneinheit (AE) als adaptive Antennenein­ richtung oder mit sektorisierten Antennen (A) ausgebildet ist.