DE19820460C2 - Mobilfunk-Basisstation mit adaptiver Antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mobilfunk-Basisstation mit einem Sender je Sendefrequenz, sowie mit mehreren Empfän­ gern, wobei die Ausgangssignale von Einzelantennen direkt oder über ein Matrixnetzwerk, sowie zumindest einer Omnidi­ rektionalantenne den Empfängern zugeführt sind, und zur Ver­ arbeitung der Ausgangssignale der Empfänger ein gemeinsamer Detektor vorgesehen ist.

Basisstationen dieser Art sind bekannt geworden, um die Kapa­ zität eines Mobilfunksystems zu erhöhen und in Anwendung auf ein GSM-Mobilfunksystem, beispielsweise in IEE-Proc. Commun., Vol. 143, No. 5, October 1996, p. 304-310, M. C. Wells, "Increasing the Capacity of GSM Cellular Radio Using Adaptive Antennas", beschrieben. Dabei wird durch Anwendung geeigneter Algorithmen in einem Gewichtungs- und Peilwertrechner die Richtung ermittelt, in welcher sich ein bestimmtes Mobilteil des Systems befindet. Eine Erweiterung für die Senderseite ist in diesem Artikel am Rande angedeutet, doch ist jeden­ falls der Aufwand für die erwähnte Lösung groß, da sie mehre­ re Sendeantennen erfordert und den Mobilitätsanforderungen nicht gerecht wird, weil zunächst die Richtung einer Mobil­ station unbekannt ist.

Eine andere bekannte Sende-/Empfangsanordnung einer Basissta­ tion sieht vor, daß die Sende- und Empfangsantenne aus mehre­ ren Elementen besteht, die jeweils mit einem eigenen Sende- und Empfangspfad verbunden werden. Durch phasenrichtige Zu­ ordnung der Signale an den Elementen wird die Richtungsselek­ tivität erreicht. Eine solche Basisstation ist allerdings sehr kostspielig, da viele Empfangs- und Sendepfade benötigt werden und die Phasenbeziehungen vieler Signale über große Teile der Basisstation korrekt aufrechterhalten werden müs­ sen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Mobilfunk-Basissta­ tion zu schaffen, welche eine Einstellung der Richtungsselek­ tivität während des Betriebes in kostengünstiger Weise ermög­ licht, um den Mobilitätsanforderungen gerecht zu werden, sodaß tatsächlich eine Erhöhung der Teilnehmerdichte im Netz gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Mobilfunk-Basisstation der ein­ gangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäß die Antennen bzw. Ausgänge des Matrixnetzwerkes mit Sende/- Empfangsweichen verbunden sind, wobei die Empfangszweige der Weichen zu den einzelnen Empfängern geführt und die Sende­ zweige der Weichen selektiv über eine gesteuerte Schaltein­ richtung mit dem Ausgang des Senders verbunden sind, und der Detektor dazu eingerichtet ist, über eine Antennensteuerung ein solches Steuersignal an die Schalteinrichtung zu liefern, daß der Sender mit einer in dem Detektor bestimmten Antenne verbunden wird.

Dank der Erfindung kann eine sehr gute Richtungsselektivität erreicht werden, ohne daß der Aufwand über Gebühr ansteigt, wobei insbesondere lediglich ein einziger Sendekanal benötigt wird. Die Erfindung ermöglicht es auch, mit einer insgesamt geringeren Antennenanzahl und gleichzeitig geringeren Hard­ ware-Aufwand eine schnelle Peilung durch gleichzeitigen Emp­ fang sämtlicher Antennensignale, eine hohe Empfindlichkeit durch gleichzeitigen Empfang aller Antennensignale, eine Reduktion des Raleigh-Fadings wegen der räumlich getrennt aufgestellten Omnidirektionalantenne ebenso zu erreichen, wie eine Leistungsreduktion des Senders durch gezieltes Aufschal­ ten auf eine ausgewählte Antenne.

Bei einer genaue Ergebnisse liefernden, vorteilhaften Weiter­ bildung ist vorgesehen, daß der Detektor einen Gewichtungs- und Peilwertrechner enthält und für sämtliche Mobilstationen bestimmte Nachrichten abgestrahlt werden. Weiters empfiehlt es sich, daß die Antennensteuerung, bzw. der Detektor dazu eingerichtet sind, zur Absendung gemeinsamer Nachrichten ein solches Steuersignal an die Schalteinrichtung zu liefern, daß der Sender mit der Omnidirektionalantenne verbunden wird.

Wenngleich verschiedene Kriterien für die Aussteuerung des gesteuerten Schalters herangezogen werden können, ist es besonders einfach und auch zweckmäßig, wenn der Detektor dazu eingerichtet ist, ein solches Steuersignal für die Schaltein­ richtung zu liefern, daß die Antenne mit dem jeweils höchsten Empfangspegel dem Sender zugeordnet wird.

Ähnliche Vorteile bietet eine Ausführung, bei welcher der Detektor dazu eingerichtet ist, ein solches Steuersignal für die Schalteinrichtung zu liefern, daß jene Antenne dem Sender zugeordnet wird, welche das Ausgangssignal mit dem geringsten Signal/Störabstand liefert.

Zweckmäßig ist es, wenn das Matrix-Netzwerk als Butlermatrix ausgebildet ist, da dieses Matrixnetzwerk neben seinem be­ währten Aufbau durch seine Unitarität gewährleistet, daß für jeden Empfänger die volle Information wie bei unmittelbaren Anschluß an eine Antenne zur Verfügung steht.

Die Auswertung der Signale gestaltet sich vorteilhaft, falls dem Summierer ein Viterbi-Equalizer nachgeschaltet ist, da hierdurch eine gute Störbefreiung, vor allem im Hinblick auf Intersymbolstörungen möglich ist. Prinzipiell gleiches gilt, falls über den Gewichtungs- und Peilwertrechner gewichtete Signale einem Summierer zugeführt sind und diesem ein Rake- Empfänger nachgeschaltet ist.

Bei einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, daß sie eine Basisstation in einem GSM-System ist, doch läßt sich die Erfindung ganz allgemein auf Mobilfunksysteme anwenden, bei welchen die eingangs geschilderte Problematik vorliegt.

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im folgenden anhand einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht ist. Diese zeigt in einem ver­ einfachten Blockschaltbild eine Mobilfunk-Basisstation nach der Erfindung.

Wie der Zeichnung entnommen werden kann, sind an einer Basis­ station mehrere Einzelantennen AN 1, AN 2, AN 3 vorgesehen, die in Abhängigkeit von der tatsächlichen Anzahl der Antennen im Hinblick auf ihre Richtcharakteristika dimensioniert wer­ den. Weiters ist eine omnidirektionale Antenne AN 0 vorgese­ hen, die zwar eine Rundstrahlcharakteristik aufweisen kann, doch ist unter dem Begriff Omnidirektionalantenne im Zusam­ menhang mit der Erfindung eine Antenne zu verstehen, welche eine Funkzelle abdeckt. Da Funkzellen nicht notwendigerweise kreisförmig gestaltet werden, könnte die Antenne AN 0 bei­ spielsweise auch 180° oder 120° abdecken.

Jede der Antennen AN 1, AN 2, AN 3 und AN 0 ist ein eigener Empfangsteil RX 1, RX 2, RX 3 und RX 0 zugeordnet, wobei die Eingänge dieser Empfangsteile oder Empfänger mit den Emp­ fangszweigen von Sende/Empfangsweichen SE 1, SE 2, SE 3 und SE 0 verbunden sind.

Die zu einem Antennenarray angeordneten Einzelantennen AN 1, AN 2, AN 3 sind mit den zugehörigen Sende/Empfangsweichen SE 1, SE 2, SE 3 über ein Matrix-Netzwerk verbunden, im vorlie­ genden Beispiel über eine Butler-Matrix BUM. Eine solche Matrix ermöglicht es, jedem Eingang eine bestimmte lineare Phasenbelegung der Einzelantennen zuzuordnen. Näheres über Matrix-Netzwerke und die Butler-Matrix ist der einschlägigen Literatur zu entnehmen, wobei beispielsweise verwiesen wird auf: Meinke-Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 5. Auflage Abschnitt 15.4, "Speisenetzwerk", Seiten N 63-N 65, ISBN 3-40-54716-9 und die dort genannte Literatur, sowie auch: Rudolf Grabau, "Funkpeiltechnik", Franckh'sche Verlags­ handlung 1989, ISBN 3-40-5991-X. Sende/Empfangsweichen sind in der 4. Auflage dieses Werkes, Seiten R 34, R 35 beschrie­ ben.

Die Verarbeitung der Ausgangssignale jener Empfänger RX 1, RX 2, RX 3, welche den Einzelantennen AN 1, AN 2, AN 3 zuge­ ordnet sind, erfolgt in bekannter Weise mit Hilfe eines Si­ gnalprozessors, hier bezeichnet als Gewichtungs- und Peil­ rechner GPR. Dieser Rechner berechnet aus den Einzelsignalen, welche sich in Phase und Amplitude unterscheiden einen Ge­ wichtsvektor, und er gewichtet die Signale in Multiplikatoren ML 1, ML 2, ML 3 bevor sie einem Summierer SUM und schließ­ lich einem Viterbi-Equalizer VEQ oder einem Rake-Empfänger zugeführt werden. Eine derartige Empfangsstruktur ist in dem eingangs genannten Artikel von M. C. Wells näher beschrieben. Der Gewichtungs- und Peilwertrechner GPR kann zusammen mit dem Viterbi-Equalizer VEQ softwaremäßig durch einen gemeinsa­ men Algorithmus realisiert sein. Auch kann anstelle des Vi­ terbi-Equalizers ein Rake-Empfänger vorgesehen sein.

Der Empfangszweig auch der Sende-/Empfangsweiche SE 0, welche der omnidirektionalen Antenne AN 0 zugeordnet ist, ist mit dem Eingang eines Empfängers bzw. Empfangsteils RX 0 verbun­ den, und das Ausgangssignal dieses Empfängers ist dem Viter­ bi-Equalizer VEQ oder einem Rake-Empfänger zugeführt, es könnte jedoch auch einer Gewichtungsbewertung unterzogen werden.

Falls die Einzelantennen AN 1, AN 2, AN 3 als ausgeprägte Richtantennen ausgebildet sind, können sie direkt, d. h. ohne Verwendung einer Butler-Matrix, mit den Sende/Empfangsweichen SE 1, SE 2, SE 3 verbunden sein. Dies ist strichliert in der Zeichnung angedeutet. Eine Butler-Matrix hingegen ermöglicht es, eine Anzahl von Richtstrahlantennen aus gewöhnlichen Einzelantennen nachzubilden, wobei natürlich eine bestimmte Richtcharakteristik der Einzelantennen auch bei Anwendung einer Butler-Matrix nicht unzweckmäßig sein kann.

Im Gegensatz zu den Empfangszweigen sind die Sendezweige der Sende/Empfangsweichen SE 1, SE 2, SE 3 und SE 0 einer Schalt­ einrichtung, hier einem gesteuerten Schalter SWI zugeführt. Dieser Schalter wird über eine Ansteuerung AST von dem Ge­ wichtungs- und Peilrechner GPR angesteuert, sodaß je nach Ansteuerung der Ausgang eines Senders TRX, hier angedeutet durch einen Modulator MOD, einen HF-Teil HFT und eine Endstu­ fe LEV an den Sendezweig einer der Sende/Empfangsweichen SE 1, SE 2, SE 3 und SE 0 und somit an eine der Antennen AN 1, AN 2, AN 3 und AN 0 gelegt werden kann.

Dank der Unitarität der Butler-Matrix BUM steht für die Emp­ fänger RX 1, RX 2 und RX 3 die volle Information wie unmit­ telbar an der jeweiligen Einzelantenne zur Verfügung, sodaß mit mehreren Empfängern entsprechend adaptiv empfangen werden kann. Durch geeignete Algorithmen, die in erster Linie in dem Gewichtungs- und Peilrechner GPR, in Zusammenhang mit den Multiplikatoren ML 1, ML 2 und ML 3 und gegebenenfalls mit dem Summierer SUM und dem Viterbi-Equalizer VEQ durchgeführt werden, und die z. B. in dem Artikel von M. C. Wells be­ schrieben sind, kann die Richtung eines Mobilteils rasch ermittelt werden, sodaß die Empfangsrichtung immer optimal auf diese Mobilstation ausgerichtet und eine hohe Richtungs- Selektivität erzielt wird. Durch die Kombination der Mehrele­ mente-Antenne mit der Butler-Matrix BUM steht für die Sende­ richtung eine Anzahl von Richtantennen zur Verfügung, die es ermöglicht, durch den gesteuerten Schalter SWI, den Sen­ destrahl kostengünstig in die gewählte Richtung zu lenken. Dabei wird durch die richtige Zuordnung zwischen Empfangs- und Senderichtung immer erreicht, daß dem Ausgang der Butler- Matrix BUM mit höchstem Empfangspegel das Sendesignal zuge­ ordnet wird. Phasenbeziehungen müssen nur zwischen der Mehre­ lemente-Antenne AN 1 bis AN 3 und der Butler-Matrix BUM ein­ gehalten werden.

Wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt, ist hier auch der Empfänger RX 0 mit der omnidirektionalen Antenne AN 0 in die Signalverarbeitung miteinbezogen, wodurch sich in vielen Fällen eine noch genauere Richtungsbestimmung bzw. Entschei­ dung über die Wahl der jeweiligen Richtantenne erzielen läßt und/oder Signaleinbrüche durch Raleigh-Fading vermieden wer­ den. Auf jeden Fall kann die omnidirektionale Antenne AN 0, wie hier gezeigt, auch dazu benutzt werden, gemeinsame Nach­ richten an sämtliche Mobilteile der Funkzelle im Sinne eines "broadcast-channel" auszusenden. Hierzu steuert der Rechner GPR, dem - wie strichliert angedeutet - natürlich weitere Signale zuführbar sind, den Schalter SWI über die Ansteuerung AST entsprechend an.

Claims (9)

1. Mobilfunk-Basisstation mit einem Sender (TRX) je Sendefre­ quenz, sowie mit mehreren Empfängern (RX 1, RX 2, RX 3, RX 0), wobei die Ausgangssignale von Einzelantennen (AN 1, AN 2, AN 3) direkt oder über ein Matrixnetzwerk (BUM), sowie zumindest einer Omnidirektionalantenne (AN 0)den Empfängern (RX 1, RX 2, RX 3, RX 0) zugeführt sind und zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Empfänger ein gemeinsamer Detektor (DET) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen (AN 1, AN 2, AN 3, AN 0) bzw. Ausgänge des Matrixnetzwerkes (BUM) mit Sende/Empfangsweichen (SE 1, SE 2, SE 3, SE 0) verbunden sind, wobei die Empfangszweige der Weichen zu den einzelnen Empfängern (RX 1, RX 2, RX 3, RX 0) geführt und die Sendezweige der Weichen selektiv über eine gesteuerte Schalteinrichtung (SWI) mit dem Ausgang des Sen­ ders (TRX) verbunden sind, und der Detektor (DET) dazu einge­ richtet ist, über eine Antennensteuerung (AST) ein solches Steuersignal (stw) an die Schalteinrichtung zu liefern, daß der Sender mit einer in dem Detektor (DET) bestimmten Antenne verbunden wird.

2. Mobilfunk-Basisstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (DET) einen Gewichtungs- und Peilwertrechner (GPR) enthält.

3. Mobilfunk-Basisstation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennensteuerung (AST) bzw. der Detektor (DET) dazu eingerichtet sind, zur Absendung gemeinsamer Nachrichten ein solches Steuersignal (stw) an die Schalteinrichtung (SWI) zu liefern, daß der Sender (TRX) mit der Omnidirektionalantenne (AN 0) verbunden wird.

4. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (DET) dazu eingerichtet ist, ein solches Steuersignal (stw) für die Schalteinrichtung (SWI) zu liefern, daß die Antenne mit dem jeweils höchsten Empfangspegel dem Sender (TRX) zugeordnet wird.

5. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (DET) dazu eingerichtet ist, ein solches Steuersignal (stw) für die Schalteinrichtung (SWI) zu liefern, daß jene Antenne dem Sender (TRX) zugeordnet wird, welche das Ausgangssignal mit dem geringsten Signal/Störabstand liefert.

6. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrix-Netzwerk als Butlermatrix (BUM) ausgebildet ist.

7. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß über den Gewichtungs- und Peilwertrechner (GPR) gewichtete Signale einem Summierer (SUM) zugeführt sind und diesem ein Viterbi-Equalizer (VEQ) nachgeschaltet ist.

8. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß über den Gewichtungs- und Peilwertrechner (GPR) gewichtete Signale einem Summierer (SUM) zugeführt sind und diesem ein Rake-Empfänger nachge­ schaltet ist.

9. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Basisstation in einem GSM-System ist.