DE19948039C2 - Antennen-Array-Kalibrierung - Google Patents
Antennen-Array-KalibrierungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Kalibrierung von Antennen-
Arrays und der dazugehörigen Elektronik, welche insbeson
dere, jedoch nicht ausschließlich, in der Mobiltelekommu
nikation, insbesondere in Codemultiplex-Vielfachzugriffs-
Systemen (CDMA = Code Division Multiple Access) verwendet
werden.
Bekanntermaßen hat ein Antennen-Array, in dem die Array-
Elemente einzeln steuerbar sind, Vorteile gegenüber einer
einzelnen Antenne. Beispielsweise können in der Mobilkom
munikation Signale speziell an ein Mobilgerät gerichtet
werden, was eine verbesserte Verstärkung bzw. einen ver
besserten Übertragungsfaktor ergibt. Es sind kommerzielle
Systeme bekannt, die Antennen-Arrays verwenden und eine
Vielzahl an Antennen-Elementen aufweisen, die jeweils mit
einer einzelnen Empfänger- und Senderelektronik gekoppelt
sind.
Ein bekanntes Problem bei solchen Antennen-Arrays ist,
daß aufgrund von Fertigungstoleranzen, ungleichen Kabel
längen und Unterschieden in aktiven Bauteilen in der Sen
der- und Empfängerelektronik Differenzen in der Phasen
verschiebung oder der Verstärkung bzw. dem Übertragungs
faktor zwischen den einzelnen Elementen auftreten können.
Das heißt, falls an alle Sender ein identisches Signal
angelegt wird, können sich die von den entsprechenden Antennen
ausgestrahlten Signale in der Amplitude und/oder
Phase unterscheiden. Auf gleiche Weise können sich, wenn
von allen Antennen in einem Array identische Funksignale
bzw. Hochfrequenzsignale empfangen wurden, die von der
Empfängerelektronik ausgegebenen Signale in der Amplitude
und/oder Phase unterscheiden.
Zum Beheben dieses Problem ist es bekannt, einen Kali
brierungsvektor, der beispielsweise eine Folge komplexer
Multiplikationskoeffizienten enthält, zu speichern, wel
che die Charakteristiken des Antennen-Arrays und der zu
gehörigen Elektronik definieren. Die Bestimmung dieser
Charakteristiken erfordert oftmals aufwendige Kalibrie
rungsgeräte, wobei die Grundkalibrierung häufig lediglich
bei der Installation oder Fertigung des Arrays durchge
führt wird. Alternativ wird oftmals einem Gerät eines
speziellen Typs ein klassifizierter Kalibrierungsvektor
zugeordnet.
Es gab bereits mehrere Vorschläge für die Kalibrierung
von Phasen-Arrays, bei dem ein Kalibrierungssignal an
stelle eines normalen Signals durchgeleitet wird. Ein
solches Beispiel ist in der WO-95/34103 offenbart. Diese
sind jedoch für die Verwendung in einem unterbrechungs
freien bzw. Live-Kommunikationssystem nicht geeignet, bei
dem eine Kalibrierung ohne Unterbrechung der Kommunikati
on erwünscht ist.
Es gibt auch mehrere Vorschläge, die sich auf ein Fernka
librierungsgerät für die Kalibrierung eines Antennen-
Arrays beziehen. Die US-A-5546090 beschreibt einen Trans
ponder für die Verwendung bei der Kalibrierung eines An
tennen-Arrays, der von dem Antennen-Array ausgesendete
Signale empfängt und diese an das selbe Array zurücksen
det, so daß die Kalibrierungselektronik direkt mit dem
Array gekoppelt sein kann und der Transponder seinerseits
relativ einfach aufgebaut und tragbar sein kann. Es
bleibt das Problem, daß die Verwendung einer separaten
Fremdantenne bei dem Kalibrierungsschritt, selbst wenn
sie ein relativ einfaches Gerät ist, die Kalibrierungs
prozedur verkompliziert und regelmäße Kalibrierungen aus
schließt.
Die EP-A-713261 offenbart einen Schaltungsaufbau für die
Kalibrierung eines Antennen-Arrays für einen Satelliten,
in dem ein "kleines" (geringe Leistung/eingeschränkte
Bandbreite) Testsignal so übertragen wird, daß es keine
unakzeptable Störung mit anderen Signalen verursacht. Die
Verwendung eines Testsignals niedriger Leistung kann die
Messung schwierig machen (es ist eine dedizierte Fernka
librierungsstation beschrieben) und kann längere Integra
tionszeiten erfordern.
Die GB-A-2313523 beschreibt ein System für die Kalibrie
rung einer Fehlerkorrektur- und Kalibrierungsschaltung,
insbesondere in einem GSM-System, indem ein Breitbandsi
gnal niedriger Leistung in eine Fehlerkorrekturschaltung
eingegeben wird, die von der Hauptsender-/Empfängerelek
tronikkette mittels eines Richtungskopplers isoliert ist.
Es sei bemerkt, daß diese Offenbarung speziell die Kali
brierung einer eingebauten Kalibrierungsschaltung be
trifft und sich nicht mit dem Problem einer Grundkali
brierung einer Aufwärts- oder Abwärtsempfänger- oder -
senderelektronik beschäftigt, die für unterbrechungsfreie
Signale bzw. Livesignale verwendet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wäre es wünschenswert,
insbesondere im Zusammenhang mit CDMA-Systemen und insbe
sondere bei höheren Frequenzen, Mittel zum Durchführen
einer "unterbrechungsfreien" bzw. Live-Kalibrierung der
Sender- und/oder Empfängerschaltungen zu schaffen, die
für die aktuelle Übertragung und den Empfang von Informa
tion verwendet werden, da dies eine häufigere und zuver
lässigere Kalibrierung ermöglichen könnte.
Die Erfindung zielt daher darauf ab, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zu schaffen, die für die
"unterbrechungsfreie" bzw. Live-Kalibrierung der Sender-
und/oder Empfängerschaltungen eines Antennen-Arrays ge
eignet sind. D. h., daß die Kalibrierung durchgeführt wer
den kann, während der Array in Betrieb ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe jeweils mit den Gegen
ständen der Ansprüche 1 und 16. Bevorzugte Ausführungs
beispiele sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An
spruch 1 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach An
spruch 16 liegt darin, daß nicht notwendigerweise ein se
parates Fernkalibrierungsgerät oder ein Transponder er
forderlich sind.
Auf diese Weise kann der normale Betrieb des Arrays im
wesentlichen unbeeinflußt bleiben und die Übertragung und
der Empfang der Nachrichtenübertragungssignale können
während der Kalibrierung im wesentlichen ununterbrochen
fortfahren. Ein weiterer Vorteil ist, daß eine regelmäßi
ge oder quasi-kontinuierliche Kalibrierung der
"unterbrechungsfreien" bzw. "Live"-Sender- und Empfän
gerelektronik durchgeführt werden kann, ohne das Array
bei der Nachrichtenübertragung zu hindern. Ein weiterer
wichtiger Vorteil ist, daß das Kalibrierungssignal von
der zu kalibrierenden Schaltung auf eine nahezu identi
sche Weise wie die Nachrichtenübertragung verarbeitet
werden kann und daher nahezu identische Phasen- und
Amplitudenverzerrungen erfahren sollte, so daß die Kali
brierung genauer sein sollte. Erfindungsgemäß ist erkannt
worden, daß in Schaltungsaufbauten aus dem Stand der
Technik, bei denen das Kalibrierungssignal von unter
schiedlicher Natur (beispielsweise mit niedrigerer Lei
stung, schmalerer Bandbreite, unterschiedlicher Frequenz)
zu den Nachrichtenübertragungssignalen ist, es denkbar
ist, daß das Kalibrierungssignal unterschiedliche Phasen-
oder Amplitudenverzerrungen erfährt, insbesondere auf
grund von nicht-linearen Elementen in den Empfänger- oder
Senderschaltungen, was zu einer ungenauen Kalibrierung
führt.
Unter Signalen, die paarweise bzw. gegenseitig orthogonal
zueinander sind, soll vorzugsweise verstanden werden, daß
die Signale im wesentlichen keine Störungen aufeinander
ausüben.
Vorzugsweise werden die Signale lokal eingegeben und ex
trahiert. Mit dem "lokalen" Eingeben und Extrahieren sol
len Schaltungsaufbauten ausgeschlossen werden, bei denen
ein Fernkalibrierungsgerät oder ein Transponder angewandt
werden. Vorzugsweise ist die Kalibrierungsvorrichtung in
die zu kalibrierende Vorrichtung integriert.
Der Antennen-Array ist vorzugsweise für die Kommunikation
über eine Vielzahl definierter (physikalischer oder logi
scher) Kanäle ausgelegt und das Kalibrierungssignal wird
vorzugsweise in einen oder mehrere Kanäle eingegeben, die
nicht für die Nachrichtenübertragung verwendet werden.
Höchst bevorzugt ist der Antennen-Array für die Verwen
dung in einem CDMA-Kommunikationssystem ausgelegt und das
Kalibrierungssignal ist mit einem oder mehreren
Spreizcodes ("spreading codes") codiert, die unterschied
lich zu den der Nachrichtenübertragung zugeordneten Codes
sind.
Im Falle eines CDMA-Systems wird wenigstens für die Kali
brierung einer Senderseite vorzugsweise das Kalibrie
rungssignal unter Verwendung eines orthogonalen variablen
Spreizfaktor-Kurzcodes (OVSF = Orthogonal Variable Sprea
ding Factor) eingegeben, der unterschiedlich zu den für
der Nachrichtenübertragung verwendeten OVSF-Codes ist.
Dies kann das Erfordernis vermeiden, vielfache OVSF-Codes
für die Kalibrierung zu verwenden. Außerdem kann dadurch
eine Störung mit dem Benutzerverkehr vermieden werden. Es
gibt lediglich eine eingeschränkte Anzahl verfügbarer
OVSF-Codes auf der Abwärtsverbindungsseite. Da die Auf
wärtsverbindung zum Unterscheiden von Mobilgeräten Ver
würfelungscodes ("scrambling codes") verwendet, sind die
Einschränkungen weniger einschneidend. Es wird jedoch
vorzugsweise lediglich eine einzige OVSF- und Verwürfe
lungscodekombination für die Kalibrierung der Empfangs
seite verwendet.
Da das gleiche Codierschema verwendet wird, das auch für
die Nachrichtenübertragung verwendet wird, kann die für
die Kalibrierung erforderliche Hardware ähnlich derjeni
gen für die Demodulation von Nachrichtenübertragungs
signalen sein, was den Aufbau und das Testen vereinfacht.
Die Erfindung kann unabhängig an entweder der Empfänger-
oder der Senderseite oder an beiden Seiten des Antennen-
Arrays angewandt werden.
Vorzugsweise wird im Falle einer Kalibrierung der sender
seitigen Schaltung der Kurzcode ferner mit einer Datense
quenz moduliert, die für Elemente des Antennen-Arrays va
riiert. Diese ist so ausgewählt, daß wenigstens während
einer vollständigen Integrationsperiode die Kombination
an OVSF- und Datensequenzen für jede Senderschaltung
paarweise orthogonal sind. Auf diese Weise können Signale
von der senderseitigen Schaltung kombiniert werden und
unter Verwendung eines einzelnen Konverters abwärtskon
vertiert werden, ohne daß separate OVSF-Kurzcodes erfor
derlich sind.
Auf der senderseitigen Schaltung werden den mehreren Sen
derschaltungen vorzugsweise individuell identifizierbare
Kalibrierungssignale zugeführt, vorzugsweise im wesentli
chen simultan, von denen jede Senderschaltung mit ent
sprechenden Array-Elementen gekoppelt ist. Damit können
die Signalen unter Verwendung eines einzigen Empfängers
kombiniert und extrahiert werden. Dies vermeidet das Er
fordernis mehrerer Konverter und ermöglicht eine simulta
ne Kalibrierung der Elemente.
Vorzugsweise wird im Falle einer Kalibrierung der sender
seitigen Schaltung das Kalibrierungssignal in dem Digitalwertebereich
vor der Digital-zu-Analog-Wandlung einge
geben. Auch im Falle einer Kalibrierung der senderseiti
gen Schaltung wird das Kalibrierungssignal vorzugsweise
mittels eines Richtkopplers abgetastet, der an eine Über
tragungsleitung gekoppelt ist, die Signale an ein ent
sprechendes Antennenelement liefert.
Vorzugsweise wird im Falle einer Kalibrierung der empfän
gerseitigen Schaltung das Kalibrierungssignal mittels ei
nes Richtkopplers eingegeben, der an eine Übertragungs
leitung gekoppelt ist, die Signale von einem entsprechen
den Antennenelement empfängt. Auch im Falle einer Kali
brierung der empfängerseitigen Schaltung wird das Kali
brierungssignal vorzugsweise in dem Digitalwertebereich
extrahiert, nach der Analog-zu-Digital-Wandlung des Emp
fangssignals.
Eine Injektion oder Extraktion in dem Digitalwertebe
reich, wie oben angegeben, kann die Verarbeitung verein
fachen.
Eine Injektion oder Extraktion des Hochfrequenzsignals,
wie oben angegeben, kann das Erfordernis separater Anten
nen vermeiden, die unhandlich zu installieren sind oder
Signale stören können, die von dem Antennen-Array über
tragen oder von diesem empfangen werden.
Die Kopplungen sind vorzugsweise körperlich nahe jedem
Antennenelement vorgesehen, beispielsweise an der Anten
nenseite jeder langen Kabelverbindung, um jegliche varia
ble Faktoren zwischen den Antennenelementen und den Kopp
lungen zu minimieren. Alternativ kann eine separate An
tenne vorgesehen werden, um die Hochfrequenzsignale an
die Antennenelemente zu koppeln.
Vorzugsweise wird das Eingeben des Kalibrierungssignals
und das Ermitteln eines Kalibrierungsmaß regelmäßig
(beispielsweise wenigstens stündlich, besser wenigstens
jede Minute, vorzugsweise alle 10 Sekunden, noch bevorzugter
wenigstens jede Sekunde) oder im wesentlichen kon
tinuierlich durchgeführt. Es ist gefunden worden, daß bei
Durchführung einer Kalibrierung wenigstens 10 Mal pro Se
kunde, oder bevorzugter wenigstens mit 50 Hz, vorzugsweise
wenigstens mit 100 Hz Drifts in der Phase von lokalen Os
zillatorssignalen, die innerhalb jedes Senders oder Emp
fängers erzeugt werden, verfolgt bzw. nachgeführt werden
können.
Typischerweise werden Nachrichtenübertragungssignale in
Frames übertragen, die gewöhnlich eine Dauer von weniger
als 1 Sekunde haben (typischerweise 10 ms oder 20 ms). Das
Kalibrierungssignal wird vorzugsweise im wesentlichen im
Abstand einer vorgegebenen Anzahl an Frames eingegeben
(während des Normalbetriebs; dies kann unter bestimmten
Ausnahmebedingungen ausgesetzt werden, wie während der
Testphase oder der Wartungsphase, oder während insbeson
dere schwierigen Nachrichtenübertragungsbedingungen),
beispielsweise vorzugsweise wenigstens alle 100 Frames,
vorzugsweise wenigstens alle 10 Frames und noch bevorzug
ter ungefähr jeden Frame, oder jeden zweiten Frame. Fra
mes können in Super-Frames gruppiert sein (beispielsweise
mit einer Dauer von 720 ms) und eine Kalibrierung kann ge
eigneterweise ungefähr im Abstand eines Super-Frames
durchgeführt werden.
Mit dieser regelmäßigen Kalibrierung können kleine Drifts
bei der Kalibrierung, beispielsweise aufgrund von Tempe
raturänderungen in dem Gerät, zuverlässig verfolgt bzw.
nachgeführt werden. Außerdem kann auch eine schnelle Feh
lerdetektion erfolgen. Im Gegensatz zu bestimmten Verfah
ren aus dem Stand der Technik, bei denen eine häufige Ka
librierung kontraindiziert ist, liegt ein Vorteil der Er
findung darin, daß nahezu keine merkliche Kommunikations
signalverschlechterung und nur eine sehr geringe mit der
Kalibrierung einhergehende Bandbreitenvergrößerung auf
tritt. Ein indirekter Vorteil liegt darin, daß das System
als Ganzes in Richtung engerer Kalibrierungstoleranzgrenzen
entwickelt werden kann, was eine große Reichweite
oder Benutzerdichte ermöglichen kann.
Die Erfindung sowie weitere Vorteile und Merkmale der Er
findung werden nachfolgend anhand eines bevorzugten Aus
führungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
näher erläutert, in der:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Übersicht ei
ner Mobiltelekommunikations-Basisstation ist, in der die
Erfindung angewandt werden kann;
Fig. 2 eine schematische Übersicht eines Abschnitts
eines modifizierten, die Erfindung verkörpernden Systems
der Fig. 1.
In der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche Bauteile
durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
Mit Bezug auf das vereinfachte schematische Diagramm der
Fig. 1 ist eine Mobiltelekommunikations-Basisstation ge
zeigt, die eine Signalverarbeitungsschaltung 10 umfaßt,
die an ein Sendeantennen-Array 20 über Übertragungslei
tungen 21 und an einen Empfangsantennen-Array 22 über
Übertragungsleitungen 23 gekoppelt ist. Die Antennen-
Arrays 20 und 22 können körperlich getrennt sein, wie ge
zeigt. In diesem Fall sind sie normalerweise körperlich
nah beieinander angeordnet. Dies ist jedoch nicht notwen
dig. Alternativ kann ein einziges physikalisches Array
für sowohl die Übertragung als auch den Empfang verwendet
werden, mit einer geeigneten Duplexschaltung. Die Anten
nen-Arrays 20 und 22 stehen in Funkkommunikation mit ei
ner Vielzahl von Mobiltelefonen 30a, 30b oder anderen Mo
bilkommunikationsgeräten. Die Basisstation-Signalverar
beitungsschaltung 10 ist mit einem Haupttelekommunikati
onsnetzwerk 11, beispielsweise mittels optischer Fasern,
elektrischer Verbindungen oder einer Mikrowellenverbin
dung gekoppelt.
Die Basisstationsschaltung 10 weist einen Basisband-
Digitalsignal-Prozessor 12 zum Verarbeiten von Signalen
von dem Kommunikationsnetzwerk auf, die an ein Mobilgerät
übertragen werden sollen, und zum Verarbeiten von Emp
fangssignalen für die Übertragung an das Telekommunikati
onsnetzwerk. Die Digitalsignal-Verarbeitungsschaltung 12
weist normalerweise ein strahlbildendes Netzwerk ("beam
forming network") auf und führt eine Codeerzeugung durch.
Die Ausgabe des Digitalsignalprozessors gelangt durch Di
gital-zu-Analog-Wandler 14 und ein Array an Aufwärts
konvertern 16 für die Umwandlung von einem Basisbandsi
gnal (beispielsweise eine Chip-Rate ("chip rate") von ei
nigen Megahertz, z. B. 4.096 MHz) auf einen Leistungspegel
und eine Frequenz, die für die Übertragung geeignet sind,
(beispielsweise einige Watt oder einige zehn Watts in der
Größenordnung von 1-2 GHz, diese Parameter hängen von dem
zugeordneten Kommunikationsband ab). Die von dem Anten
nen-Array empfangenen Signale werden in rauscharmen Ver
stärkern verstärkt und von Abwärts-Konvertern 18 abwärts
konvertiert und demoduliert, und anschließend Analog-zu-
Digital-Wandlern 19 für die Verarbeitung durch den Basis
band-Digitalsignal-Prozessor 12 zugeführt.
Unter einem "Aufwärts-Konverter" wird hier vorzugsweise
die analoge Senderschaltung verstanden, die gewöhnlich
einen Modulator, wie einen QPSK-Modulator und einen Lei
stungsverstärker aufweist. Auf gleiche Weise wird unter
einem "Abwärts-Konverter" vorzugsweise die analoge Emp
fängerschaltung verstanden, die gewöhnlich einen
rauscharmen Verstärker und einen Demodulator aufweist.
Die Basisstationsschaltung 10 weist normalerweise eine
Einrichtung zum Korrigieren von Phasen- und Amplituden
verzerrungen auf, indem vorprogrammierte Korrekturfakto
ren (nicht dargestellt) angewandt werden. Diese Einrich
tung kann beispielsweise als ein Netzwerk diskreter Pha
senschieber vorgesehen sein oder teilweise oder vollstän
dig in den Basisband-Digitalsignal-Prozessor 12 oder die
Aufwärts-Konverter 16 und die Abwärts-Konverter 18 inte
griert sein.
Die Antennen-Arrays 20 und 22 können irgend eine ge
wünschte Konfiguration haben, beispielsweise linear oder
zirkular mit einer gewünschten Anzahl an Elementen, typi
scherweise zwischen 2 und 10. Dabei können sie sich in
eine Dimension oder in zwei Dimensionen erstrecken.
Wie weiter mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wird, kann
die Vorrichtung weitestgehend oder komplett herkömmlich
aufgebaut sein und auf irgendeiner, beispielsweise der in
der WO 95/34103 oder der GB-A-2313523 beschriebenen Vor
richtung basieren, deren Offenbarung hiermit durch Bezug
nahme in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen ist.
Die Erfindung wird vorzugsweise in einem System ange
wandt, das konform mit dem ETSI UMTS terrestrischen Funk
zugangsstandard (UTRA = UMTS Terrestrial Radio Access)
oder konform mit dem japanischen W-CDMA-System ist, das
von der ARIB oder deren Abkömmlingen standardisiert wird.
Die relevanten Standards, die dem Durchschnittsfachmann
bekannt sind, sind hiermit durch Bezugnahme in die vor
liegende Anmeldung mitaufgenommen.
Mit Bezug auf Fig. 2 werden nunmehr Modifikationen
und/oder zusätzliche Bauteile, die bei der Kalibrierung
einer Basisstation für ein Mobiltelekommunikationssystem
verwendet werden, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei
spiel beschrieben. Wie oben erwähnt, können die Modifika
tionen unabhängig für die Kalibrierung der senderseitigen
Schaltung oder die empfängerseitigen Schaltung oder vor
zugsweise für beide Schaltungen angewandt werden.
Zuerst wird die empfängerseitige Schaltung betrachtet.
Wie oben beschrieben, empfangen Abwärts-Konverter 18 Si
gnale von dem Empfänger-Antennen-Array 22 über die Über
tragungsleitungen 23. Die Ausgaben der Abwärts-Konverter
18 werden auf herkömmliche Weise einer Schaltung für die
Verarbeitung der empfangenen Nachrichtenübertragungs
signale zugeführt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird ein Kalibrierungssignal (dessen Ursprung nachstehend
weiter beschrieben wird) mittels einer Kopplung 100 in
jeder Übertragungsleitung 23 bei Hochfrequenz eingegeben,
wobei die Kopplungen 100 idealerweise körperlich nahe dem
Antennen-Array 22 angeordnet sind. Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel werden die Ausgaben der Abwärts-
Konverter 18 zusätzlich zu ihrer Weiterleitung an das
Nachrichtenübertragungssignal-Verarbeitungsgerät einem
Kalibrierungssignalprozessor 106 weitergeleitet, der für
die Kalibrierung der Abwärts-Konverter 18 verwendet wird,
wie nachstehend weiter beschrieben wird.
Als nächstes wird die senderseitige Schaltung betrachtet.
Wie oben beschrieben, empfangen Aufwärts-Konverter 16 Ba
sisband-Nachrichtenübertragungssignale für die Übertra
gung von dem Digitalsignalprozessor 12 und erzeugen Aus
gaben für die Kopplung an den Sender-Antennen-Array 20
über Übertragungsleitungen 21. Zusätzlich zu den Nach
richtenübertragungssignalen wird ein Kalibrierungssignal
(dessen Ursprung nachstehend weiter beschrieben wird),
indem es höchst vorzugsweise in dem Digitalwertebereich
verarbeitet wird, in den Signalstrom eingegeben, der je
dem der Aufwärts-Konverter 16 zugeführt wird. Die Ausga
ben jedes Aufwärts-Konverters 16 werden mittels einer
Kopplung 112 in jeder Übertragungsleitung 21 bei Hochfre
quenz abgetastet, wobei die Kopplungen 112 idealerweise
körperlich nahe dem Antennen-Array 20 angeordnet sind.
Der Gesamtbetrieb der Kalibrierungsvorrichtung findet un
ter der Steuerung der Kalibrierungssteuerung 105 statt,
welche die Erzeugung von Kalibrierungssignalen, Analysen
und anderen Funktionen steuert, wie nachstehend beschrie
ben wird.
Es wird nunmehr die Erzeugung der Kalibrierungssignale
beschrieben. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wer
den Kalibrierungssignale für die empfängerseitige Schal
tung mittels eines Kalibrierungssignal-Generators 107 be
reitgestellt, der einem Teiler 110 über eine Leitung 108
ein einziges Signal zuführt. Der Teiler 110 stellt jedem
Richtkoppler 100, der an die Übertragungsleitungen 23 ge
koppelt ist, die Signale von dem Empfänger-Antennen-Array
22 an die Abwärts-Konverter 18 koppeln, einzelne Signale
bereit. Es ist ebenfalls möglich, das Kalibrierungssignal
mittels externer Antennen zu koppeln, die beispielsweise
benachbart zu den Antennenelementen des Antennen-Arrays
angebracht sind.
Das Kalibrierungssignal umfaßt "Pseudo"-Daten, die unter
Verwendung eines Aufwärtsverbindungs-Spreizcodes codiert
sind, der nicht einem aktiven Mobilgerät 30a, 30b zuge
ordnet ist, jedoch vorzugsweise das gleiche Format wie
ein Signal hat, das von einem Mobilgerät übertragen wer
den könnte (es können jedoch auch andere Formate verwen
det werden). Das Signal kann als eine Stimme oder als ein
Datensignal formatiert sein. Normalerweise würden die er
warteten Verzerrungen für die Stimmen und auch die Daten
signale ähnlich sein, so daß lediglich ein einziger Kali
brierungssignaltyp verwendet werden muß. Es kann jedoch
vorgesehen werden, das Paketformat zu ändern. Wo, wie in
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, derselbe Kalibrie
rungssignal-Generator für die Erzeugung von Signalen zum
Kalibrieren der senderseitigen Schaltung verwendet wird,
hat das empfängerseitige Kalibrierungssignal zum Verein
fachen des Aufbaus vorzugsweise ein ähnliches Format.
Das Kalibrierungssignal wird zum Minimieren von Störungen
bzw. Interferenzen vorzugsweise mit einem Pegel eingege
ben, der so niedrig wie möglich ist. Der benötigte Pegel
wird durch die Integrationszeit und das Signal-zu-Rausch-
Verhältnis nach der Integration bestimmt, welche für ge
naue Phasen- und Amplitudenmessungen erforderlich sind.
Typischerweise wird der Leistungspegel ähnlich dem Pegel
von (deutlichen) Signalen sein, die von dem Antennen-
Array empfangen werden, beispielsweise äquivalent einem
einzigen Benutzersignal bei voller Zellenlast.
Es wird sich nunmehr dem Kalibrierungssignal für die Sen
deseite zugewandt. Der selbe Kalibrierungssignal-Genera
tor 107 stellt jeder Senderschaltung separate Kalibrie
rungssignale über Leitungen 109 bereit. Diese werden den
Nachrichtenübertragungssignalen digital aufsummiert und
den Aufwärts-Konvertern 16 zugeführt. Das Kalibrierungs
signal wird zum Minimieren von Störungen mit den Nach
richtenübertragungssignalen vorzugsweise mit einem Pegel
eingegeben, der so niedrig wie möglich ist, kompatibel
mit einem geeigneten Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Die Ka
librierungssignale werden als Daten zugeführt, die mit
einem einzigen OVSF-Kurzcode codiert sind, jedoch mit ei
ner unterschiedlichen Datensequenz für jeden Aufwärts-
Konverter 16, so daß die Signale paarweise bzw. gegensei
tig orthogonal zueinander sind, wenn sie über eine Daten
frame-Periode von 10 ms integriert werden. Die Datense
quenzen können auf bekannte Weise aus orthogonalen Gold-
Codes ausgewählt werden. Orthogonale Gold-Codes sind
nicht vollständig orthogonal, so daß bevorzugt wird,
Walsh-Codes zu verwenden.
Als besonders vorteilhaft ist gefunden worden, daß die
Orthogonalität bereits erzielt werden kann, indem der
OVSF-Codebaum erweitert wird, basierend auf der in dem
Abschnitt 5.3.2.2.1 des UTRA RTT beschriebenen Methode.
Falls c0 ein OVSF-code mit einer Länge von 256 ist, kön
nen somit Kalibrierungssignale für 2 Elemente wie folgt
erzeugt werden:
s0 = [c0 c0]
s1 = [c0 -c0]
wobei s0 und s1 jeweils eine Länge von 512 Chips
("chips") haben werden und sich periodisch über die Meß
periode wiederholen würden. Für vier Elemente könnten die
folgenden Codes verwendet werden:
s0 = [c0 c0 c0 c0]
s1 = [c0 c0 -c0 -c0]
s2 = [c0 -c0 c0 -c0]
s3 = [c0 -c0 -c0 c0]
s3 = [c0 -c0 -c0 c0]
wobei jeder eine Länge von 1024 Chips haben würde und
sich über die Meßperiode wiederholen würde.
Es wird bevorzugt, längere Sequenzen anstelle von sich
wiederholenden kürzeren Sequenzen zu verwenden, oder die
Sequenzen für jeden zweiten Frame zu ändern, um die den
Verkehrskanälen zugefügten Störungen bzw. Interferenzen
zufällig zu verteilen.
Es wird nunmehr eine Analyse der Kalibrierungssignale
diskutiert. In dem Fall einer Kalibrierung der empfänger
seitigen Schaltung sind die Ausgaben der Abwärts-
Konverter, welche dem Kalibrierungssignal entsprechen,
auf einem Basisband-Pegel und ähnlich den Ausgaben, die
einem von einem Mobilgerät empfangenen Signal entspre
chen. Falls die Vorrichtung ideal kalibriert ist, sollten
die Signale alle identische Phase und Amplitude haben.
Jedes Signal wird mit dem übertragenen Signal korreliert,
um die Phase und die Amplitude relativ zu dem übertrage
nen Signal zu bestimmen. Diese Ergebnisse werden an
schließend korreliert, um Differenzen zwischen jedem Emp
fänger zu ermitteln. Ähnliche Techniken werden normaler
weise überall in der Basisstation angewandt, in dem Digi
talsignalprozessor 12, um eine geeignete Gewichtung für
die Lokalisierung des Ursprungs eines Pilotsignals bzw.
Schlüsselsignals von einem Mobilgerät 30a, 30b zu schaf
fen. Die Ergebnisse dieser Analyse werden verwendet, um
Signale vorzugsweise von einem vorgegebenen Mobilgerät an
einer bestimmten Position auszuwählen und einen benutzer
seitigen strahlbildenden Gewichtungsvektor zu erzeugen,
um Abwärtsverbindungssignale in Richtung des Mobilgerätes
zu leiten.
Das Kalibrierungssignal kann so angesehen werden, als ob
es von einem virtuellen Mobilgerät ausgeht, das von allen
Antennenelementen gleich beabstandet ist (oder an irgend
einer anderen vorbestimmten Position, falls sich die in
die Empfangsketten eingegebenen Signale um einen bekann
ten Betrag voneinander unterscheiden). Die scheinbare Po
sition des virtuellen Mobilgerätes, welche die scheinbare
Quelle des Kalibrierungssignals ist, gibt daher ein Maß
für den Kalibrierungsfehler.
Die für die empfängerseitige Schaltung gespeichterten
Korrekturfaktoren können einer Analyse folgend einge
stellt werden (beispielsweise durch eine allmähliche Va
riation, oder indem neue Parameter direkt berechnet wer
den), bis von jedem Abwärts-Konverter Signale gleicher
Phase und Amplitude ermittelt werden.
In dem Falle einer Kalibrierung der Aufwärts-Konverter
wird deutlich, daß die Ausgaben der Aufwärts-Konverter,
die von den Kopplern 112 abgetastet werden, auf Hochfre
quenz liegen. Während eine Analyse dieser Signale im
Prinzip direkt durchgeführt werden könnte, ist es geeig
neter, diese Signale in dem Digitalwertebereich auf die
gleiche Weise zu analysieren, wie die empfängerseitigen
Signale analsysiert werden. Dies erfordert natürlich eine
Abwärts-Konvertierung der Signale, was ohne Einführen
weiterer unbekannter Fehler erfolgen muß. In dem bevor
zugten Ausführungsbeispiel werden die Signale in dem Kom
binierer 111 für eine Abwärts-Konvertierung von einem
ausgesuchten Kalibrierungs-Abwärts-Konverter 101 direkt
bei Hochfrequenz kombiniert, der Signale an den Kalibrie
rungssignalprozessor 106 zusätzlich zu den von den ande
ren Abwärts-Konvertern 18 empfangenen Signalen liefert.
Es wird bevorzugt, einen ausgesuchten bzw. separaten Ab
wärts-Konverter für die Kalibrierung zu verwenden, obwohl
von einem vorliegenden Empfänger Gebrauch gemacht werden
könnte, falls die übertragenden Signale geeignet gedämpft
und in der Frequenz verschoben wären.
Durch die Verwendung eines Kombinierers 111 kann ein ein
ziger Kalibrierungs-Abwärts-Konverter 101 vorgesehen wer
den, was die Bauteilezahl reduziert und das Erfordernis
vermeidet, eine Kalibrierung der separaten Abwärts-
Konverter beizubehalten oder zu prüfen, was andernfalls
erforderlich wäre. Ein weiterer Vorteil einer Kombination
der Signale ist, daß eine simultane Kalibrierung aller
Aufwärts-Konverter 16 möglich ist. Als Alternativen zu
dem oben beschriebenen Schaltungsaufbau könnte jeweils
ein ausgesuchter bzw. separater Kalibrierungs-Abwärts-
Konverter für jeden Aufwärts-Konverter 16 vorgesehen wer
den, oder die Ausgabe der Aufwärts-Konverter 16 könnte
sequentiell dem Eingang des Kalibrierungs-Abwärts-
Konverters 101 zugeführt werden.
Da wie oben diskutiert die Kalibrierungssignale paarweise
orthogonal sind, können die kombinierten Signale in dem
Digitalwertebereich analysiert werden, um einzelne Sen
derschaltungssignale zu identifizieren. Die einzelnen Si
gnale können dann korreliert werden, um Phasen- und
Amplitudendifferenzen auf eine analoge Weise zu der Ana
lyse der Signale von verschiedenen Empfängerschaltungen
zu identifizieren.
Nach Extrahieren der Signale von jeder Senderschaltung
werden die Korrekturfaktoren für die senderseitige Schal
tung eingestellt, bis alle Signale gleiche Phase und
Amplitude haben (oder die Phase und Amplitude den einge
gebenen Signalen entspricht, falls diese unterschiedliche
Phasen und Amplituden haben).
Mit dem oben beschriebenen Schaltungsaufbau ist die Kali
brierung wirksamerweise transparent und verursacht ledig
lich eine minimale Unterbrechung der Nachrichtenübertra
gung (es gibt lediglich den Überschuß, der mit dem Tragen
jedes Kalibrierungssignals verbunden ist, was normaler
weise im Vergleich zu dem Gesamtvolumen des Verkehrs
klein ist). Es ist daher möglich, eine regelmäßige Kali
brierung durchzuführen und kleine Drifts beispielsweise
aufgrund von Drifts in lokalen Oszillatoren in der analo
gen Schaltung genau zu verfolgen bzw. nachzuführen. Es
ist sogar möglich, eine kontinuierliche Kalibrierung effektiv
durchzuführen, indem kontinuierlich Frames über
tragen werden, die das Kalibrierungssignal tragen. Da je
doch die Einstellung der Fehlerkorrekturschaltung norma
lerweise eine endliche Zeit in Anspruch nimmt, um effek
tiv zu werden (wo eine Fehlerkorrektur digital durchge
führt wird, kann dies nahezu augenblicklich erzielt wer
den), ist es im allgemeinen wünschenswert, eine Kalibrie
rung lediglich für jeden alternierenden Frame durchzufüh
ren oder das Kalibrierungssignal lediglich für einen Ab
schnitt eines Frames zu übertragen und einen Abschnitt
(beispielsweise einen Timeschlitz) zu belassen, indem die
Kalibrierungseinstellung durchgeführt werden soll.
Obwohl die Erfindung höchst vorteilhaft im Zusammenhang
mit einem CDMA-System angewandt wird, bei dem die Verwen
dung eines Verwürfelungscodes für die Codierung des Kali
brierungssignals eine effektiv durchzuführende Kalibrie
rung ermöglicht, könnte die Erfindung auf FDM- oder TDM-
Systeme erweitert werden.
Während die Erfindung im Zusammenhang mit einer Mobilte
lefonsystem-Basisstation beschrieben worden ist, ist sie
ebenfalls für andere Systeme mit Antennen-Arrays anwend
bar und könnte in einem Mobilgerät mit zwei oder mehreren
Antennen verwendet werden.
Jedes oben beschriebene Merkmal kann unabhängig vorgese
hen sein, es sei denn, es ist anders angegeben.
Claims (24)
1. Verfahren zum Kalibrieren wenigstens eines Ab
schnitts einer Sender- oder Empfängerschaltung (16;
18), die an ein Element eines Antennen-Arrays (20;
22) gekoppelt ist und eine Vielzahl an Nachrichten
übertragungssignalen zum Antennen-Array-Element
überträgt oder von diesem empfängt, wobei die Nach
richtenübertragungssignale derart gemäß einem Co
dierschema codiert werden, daß sie im wesentlichen
paarweise orthogonal zueinander sind, wobei das Ver
fahren folgende Schritte umfaßt:
- a) Eingeben eines Kalibrierungssignal an einem er sten Ort in die Schaltung, wobei das Kalibrie rungssignal gemäß dem Codierschema codiert wird, damit es im wesentlichen orthogonal zu den Nach richtenübertragungssignalen ist;
- b) Extrahieren des eingegebenen Signals an einem zweiten Ort aus der Schaltung, der sich vom er sten Ort unterscheidet; und
- c) Kalibrieren des zwischen den beiden Orten lie genden Abschnittes, basierend auf dem extrahier ten Signal.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Kalibrieren von wenig
stens einem Abschnitt einer Sender- oder Empfänger
schaltung eines CDMA-Kommunikationssytems, bei wel
chem das Kalibrierungssignal mit einem oder mehreren
Spreizcodes übertragen wird, die unterschiedlich zu
den der Nachrichtenübertragung zugeordneten Codes
sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Kalibrie
rungssignal unter Verwendung eines einzigen orthogo
nalen variablen Spreizfaktor-Kurzcodes (OVSF-
Kurzcode) eingegeben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche
zum Kalibrieren einer aus mehreren Senderschaltungen
zusammengesetzen senderseitigen Schaltung, bei wel
chem jeder Senderschaltung (16) ein individuell identi
fizierbares Kalibrierungssignal zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, soweit rückbezogen auf
Anspruch 3, bei welchem die individuell identifi
zierbaren Kalibrierungssignale den einzigen Kurzcode
umfassen, der ferner mit einer Datensequenz kombi
niert ist, die für die einzelnen Senderschaltungen
des Antennen-Arrays derart ausgewählt sind, daß die
Kombinationen aus dem Kurzcode und aus der jeder
Senderschaltung zugeführten Datensequenz paarweise
orthogonal zueinander sind.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die
Hochfrequenz-Ausgaben einer Vielzahl an Senderschal
tungen (16) kombiniert und die Kalibirierungssignale
aus der kombinierten Ausgabe mittels eines einzigen
Empfängers (101) extrahiert werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche
zum Kalibrieren der senderseitigen Schaltung (16),
bei welchem das Kalibrierungssignal im Digitalwerte
bereich eingegeben wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche
zum Kalibrieren der senderseitigen Schaltung (16),
wobei jede Senderschaltung (16) eine Übertragungs
leitung (21) umfaßt, die zwischen den Ausgang der
Senderschaltung und das Antennenelement gekoppelt
ist, wobei das Kalibierungssignal extrahiert wird,
indem die Übertragungsleitung (21) mittels eines
Richtkopplers (112) abgetastet wird, der an die
Übertragungsleitung (21) gekoppelt ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Kali
brieren einer empfängerseitigen Schaltung (18), bei
welchem das Kalibrierungssignal mittels eines Richt
kopplers (100) eingegeben wird, der mit einer mit
der empfängerseitigen Schaltung (18) gekoppelten
Übertragungsleitung (23) gekoppelt ist, die Signale
von einem entsprechenden Antennenelement empfängt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 9
zum Kalibrieren einer empfängerseitigen Schaltung
(18), bei welchem das Kalibrierungssignal im Digi
talwertebereich extrahiert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 9 oder
10, bei welchem das Kalibrierungssignal mit einem
Verwürfelungscode codiert wird, der im wesentlichen
orthogonal zu den den Mobilgeräten (30a, 30b) zuge
ordneten Verwürfelungscodes ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche
zum Kalibrieren einer Mobiltelekommunikations-Basis
station (10).
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei welchem das Kalibrierungssignal sowohl lokal
eingegeben als auch extrahiert wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei welchem das Eingeben des Kalibrierungssignals
und das Ermitteln des Kalibrierungsmaß regelmäßig
oder im wesentlichen kontinuierlich durchgeführt
wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Nach
richtenübertragungssignale in Frames übertragen wer
den, vorzugsweise mit einer Dauer von weniger als 1
Sekunde, und das Kalibrierungssignal im wesentlichen
im Abstand einer vorbestimmten Anzahl an Frames ein
gegeben wird, vorzugsweise im Abstand von einem Fra
me.
16. Vorrichtung zum Kalibrieren wenigstens eines Ab
schnitts einer Sender- oder Empfängerschaltung (16;
18) einer Kommunikationsvorrichtung (10), die zum
Koppeln an ein Element eines Antennen-Arrays (20;
22) ausgelegt ist, um eine Vielzahl an Nachrichten
übertragungssignalen zum Antennen-Array-Element zu
übertragen bzw. von diesem zu empfangen, wobei die
Nachrichtenübertragungssignale derart gemäß einem
Codierschema codiert sind, daß sie im wesentlichen
paarweise orthogonal zueinander sind, wobei die Vor
richtung folgendes umfaßt:
- a) ein Mittel (107) zum Eingeben eines Kalibrie rungssignals an einem ersten Ort in die Schal tung, wobei das Kalibrierungssignal derart gemäß dem Codierschema codiert ist, daß es im wesent lichen orthogonal zu den Nachrichtenübertra gungssignalen ist;
- b) ein Mittel (106) zum Extrahieren des eingegebe nen Kalibrierungssignals an einem zweiten Ort aus der Schaltung, der sich vom ersten Ort un terscheidet; und
- c) ein Mittel (105) zum Bestimmen wenigstens eines Kalibrierungsparameters für den zwischen den beiden Orten liegenden Abschnitt, basierend auf dem extrahierten Signal.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, die Teil einer Kommu
nikationsvorrichtung bildet, die für die Kopplung an
einen Antennen-Array (20; 22) mit einer Vielzahl an
Elementen ausgelegt ist, wobei die Vorrichtung eine
Vielzahl an Senderschaltungen (16) und Empfänger
schaltungen (18) umfaßt, und jede Schaltung für die
Kopplung an ein entsprechendes Element des Antennen-
Arrays (20; 22) und zum Weiterleiten einer Vielzahl
an Nachrichtenübertragungssignalen zu den oder von
den Antennen-Array-Elementen ausgelegt ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17 zum Kalibrieren
einer senderseitigen Schaltung, die aus einer Viel
zahl an Senderschaltungen zusammengesetzt ist, die
zum Eingeben einzeln identifizierbarer Kalibrie
rungssignale in die Senderschaltungen (16) ausgelegt
ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei welchem das indi
viduell identifizierbare Kalibrierungssignal einen
einzelnen OVSF-Kurzcode umfaßt, der ferner mit einer
Datensequenz kombiniert ist, wobei die Datensequen
zen derart ausgewählt sind, daß die Kombinationen
aus dem Kurzcode und der Datensequenz der individu
ell identifizierbaren Kalibrierungssignale paarweise
orthogonal zueinander sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wel
che Mittel (111) zum Kombinieren der Hochfrequenz-
Ausgaben einer Vielzahl an Senderschaltungen (16)
und einen einzigen Empfänger (101) zum Extrahieren
der Kalibrierungssignale aus der kombinierten Ausga
be aufweist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wel
che Digitalsignalverarbeitungsmittel (12) zum Verar
beiten von Basisband-Digitalnachrichtenübertragungs
signalen aufweist, die empfangen werden oder zu
übertragen sind, wobei das Digitalsignalverarbei
tungsmittel (12) zum Eingeben des Kalibrierungs
signals in die zu übertragenden Signale oder zum Ex
trahieren des Kalibrierungssignals aus den empfan
genden Signalen ausgelegt ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, bei
der jede Sender- oder Empfängerschaltung eine Über
tragungsleitung (21; 23) umfaßt, die zwischen eine
Empfänger- oder Senderschaltung (16; 18) und ein
Element des Antennen-Arrays (20; 22) gekoppelt ist,
wobei die Vorrichtung einen an die Übertragungslei
tung (21; 23) gekoppelten Richtkoppler (100; 112)
zum Eingeben oder Abtasten bei Hochfrequenz eines
das Kalibrierungssignal umfassenden Signals auf
weist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, die
zum regelmäßigen oder im wesentlichen kontinuierli
chen Eingeben des Kalibrierungssignals ausgelegt
ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, die
Teil einer Mobiltelekommunikations-Basisstation bil
det.
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