DE19951525A1 - Verfahren zum Kalibrieren einer elektronisch phasengesteuerten Gruppenantenne in Funk-Kommunikationssystemen - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß werden zum Kalibrieren einer elektronisch phasengesteuerten Gruppenantenne in Funk-Kommunikationssystemen unter Verwendung eines für alle Referenzsignale gemeinsamen Referenzpunktes im Downlink von den einzelnen Antennenelementen der Gruppenantenne voneinander unterscheidbare Referenzsignale zeitgleich ausgestrahlt und nach dem Empfang an den gemeinsamen Referenzpunkt geeignet separiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer elektronisch phasengesteuerten Gruppenantenne unter Verwen­ dung eines für alle Referenzsignale gemeinsamen Referenzpunk­ tes in Funk-Kommunikationssystemen und eine Anordnung hier­ für.

Durch den Einsatz elektronisch phasengesteuerter Gruppenan­ tennen, sogenannter intelligente Antennen, in Funk-Kommunika­ tionssystemen, wie beispielsweise digitalen Mobilfunksyste­ men, kann eine trotz Mehrwegausbreitung vorhandene Richtungs­ selektivität eines Mobilfunkkanals für die Funk-Kommunikation vorteilhaft ausgenutzt werden.

Intelligente Antennen bilden durch entsprechende phasenrich­ tige Ansteuerung der einzelnen Antennenelemente des Antennen­ arrays eine Richtcharakteristik aus. Die Strahlenformung kann deshalb benutzt werden, um eine Nachricht von einer Basissta­ tion zu einer Teilnehmerstation gezielt in deren Richtung zu übertragen. Hierdurch kann einerseits die Empfindlichkeit ge­ genüber Interferenzen in der aktuellen Funkzelle der Basis­ station reduziert werden und andererseits können Gleichkanal­ interferenzen in benachbarten Funkzellen reduziert werden. Zudem wächst die Reichweite einer Basisstation, die eine be­ stimmte Mobilstation mit Funkressourcen versorgt, bei glei­ cher Sendeleistung wesentlich. Darüber hinaus können infolge der räumlichen Trennung physikalische Kanäle innerhalb einer von einer Basisstation versorgten Funkzelle wiederverwendet werden und die sogenannten Antennenkeulen des Richtdiagramms bei Bewegung von Teilnehmerstationen adaptiv nachgeführt wer­ den.

Um eine gewünschte Strahlenformung zu erreichen, wird das originale Übertragungssignal über mehrere Antennenelemente, meist mit verschiedenen, aber definierten Phasenwinkeln, ge­ sendet. Der entsprechende Phasenwinkel wird für jedes Anten­ nenelement durch eine digitale Signalverarbeitung (DSP = Di­ gital Signal Processing) ermittelt.

Im allgemeinen treten bei der Einstellung des Phasenwinkels im analogen Bereich zwischen Digital-Analog-Konvertern und Antennenelementen unvorhersehbare Phasenfehler und Zeitverzö­ gerungen auf. Hierdurch werden die Übertragungssignale nicht mit den gewünschten Phasenwinkeln gesendet und die Strahlen­ formung wird verfälscht oder gar unmöglich. Um dieser ungün­ stigen Eigenschaft des analogen Bereiches der Strahlenformung entgegenzuwirken, ist eine sogenannte Antennen-Kalibrierung notwendig. Die Antennen-Kalibrierung beseitigt den Einfluß der gesamten analogen Signalkette auf die oben beschriebenen Fehler.

Um Strahlenformung einzusetzen, muß zunächst die Richtung von der Basisstation zur Mobilstation festgestellt werden. Die Richtung wird durch die Auswertung der verschiedenen Phasen­ winkel des Empfangssignals an jedem Antennenelement des An­ tennenarrays festgestellt. Deshalb ist eine Antennen-Kali­ brierung in der Basisstation nicht nur für die Abwärtsstrecke zur Teilnehmerstation (Downlink), sondern auch für die Auf­ wärtsstrecke von der Teilnehmerstation zur Basisstation (Uplink) notwendig.

In einem TD-SCDMA System (Time Division-Synchronous Code Di­ vision Multiple Access System) unter Verwendung von intelli­ genten Antennen wird für die Antennen-Kalibrierung eine zu­ sätzliche Antenne benutzt, eine sogenannte Referenzantenne. Über die Referenzantenne wird für den Fall einer Uplink-Kali­ brierung ein Referenzsignal zu allen Antennenelementen des Antennenarrays gesendet. An den einzelnen Antennenelementen wird aufgrund der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit elek­ tromagnetischer Wellen je nach Abstand zur Referenzantenne eine bestimmte Verzögerungszeit und eine bestimmte Phasenlage erwartet. Die Differenz zwischen dem erwarteten Sollwert und dem tatsächlich gemessenen Istwert wird ermittelt und als Korrekturfaktor gespeichert. Der Korrekturfaktor wird sodann in den normalen Signalverarbeitungsprozeß einbezogen, wodurch die Antenne kalibriert wird.

Für die Downlink-Kalibrierung empfängt die Referenzantenne zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Referenzsignal von einem An­ tennenelement des Antennenarrays und der Korrekturfaktor wird bestimmt. Um der Verzerrung des Meßergebnisses aufgrund ande­ rer Antennenelemente des Antennenarrays entgegenzuwirken, dürfen diese zu diesem Zeitpunkt kein Signal übertragen. An­ schließend empfängt die Referenzantenne zu einem zweiten Zeitpunkt ein Referenzsignal von einem zweiten Antennenele­ ment des Antennenarrays und der Korrekturfaktor für dieses zweite Antennenelement wird bestimmt usw. Für die Kalibrie­ rung von n Antennenelementen des Antennenarrays müssen demzu­ folgen Zeitschlitze bei einer Unterstützung eines TDMA-Teil­ nehmerseparierungsverfahrens (Time Division Multiple Access) aufgewendet werden.

Der Fehler in der Verzögerungszeit beträgt häufig nur einen Bruchteil eines Chips (Chip = CDMA-Code-Element). Um solch eine geringe Verzögerungszeit bei der Signalverarbeitung zu berücksichtigen, ist eine Überabtastung (Oversampling) des Empfangs- und Übertragungssignals notwendig. Durch eine Über­ abtastung wird die zu übertragende Datenrate allerdings deut­ lich größer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zeit für die Kalibrierung von intelligenten Antennen im Downlink deutlich zu verkürzen.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Korrektur des analo­ gen Fehlers ohne die Notwendigkeit der Berechnung eines Kor­ rekturfaktors für jedes Antennenelement und ohne Überabta­ stung und der damit einhergehenden höheren Datenraten vorzu­ nehmen.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Übertragungskapazität physikalischen Kanäle durch eine Antennen-Kalibrierung in ge­ ringen Maßen zu belasten.

Erfindungsgemäß werden alle Antennenelemente einer intelli­ genten Antenne im Downlink in nur einem Schritt kalibriert. Hierzu werden von den einzelnen Antennenelementen des Anten­ nenarrays zeitgleich voneinander unterscheidbare Referenzsig­ nale gesendet und nach dem Empfang an einem für alle Anten­ nensignale gemeinsamen Referenzpunkt wieder separiert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht eine Trennung der Refe­ renzsignale unter Anwendung eines CDMA-Verfahrens (CDMA = Code Division Multiple Access) vor, das auf einer Separierung von Signalen durch individuelle Spreizcodes beruht.

In einer weiterer Ausgestaltung werden zur Trennung der Refe­ renzsignale konventionelle Spreizcodetechniken, wie Korrela­ tion, verwendet, bei denen der gemeinsame Referenzpunkt auf den jeweiligen Referenzcodekanal der Antennenelemente syn­ chronisiert und die Referenzsignale wieder auf ihre Original­ bandbreite reduziert werden.

In diesem Fall werden die Referenzsignale nach einer weiteren Ausgestaltung orthogonal kodiert, damit die Interferenzen trotz zeitgleicher Übertragung minimal bleiben.

Der Kalibrierungsfaktor kann aus dem Ergebnis der Korrelation in einem digitalen Signalprozessor gewonnen werden.

Eine andere vorteilhafte Ausprägung der Erfindung besteht darin, eine optimierte Referenzsignalmenge zu benutzen, die eine unvoreingenommene Schätzung des Kalibrierungsfaktors er­ laubt.

Die Generierung solch einer optimierten Referenzsignalmenge und des Schätzwertes können in vorteilhafter Weise nach Me­ thoden erfolgen, die in: Bernd Steiner, Paul Walter Baier: "Low Cost channel Estimation in the uplink receiver of CDMA mobile radio systems", Frequenz 47 (1993), S. 292-298, be­ schrieben sind.

Nach einer weiteren Ausprägung kann die Korrektur von Verzö­ gerungszeit, Phasenfehler und/oder Amplitude der Übertra­ gungssignale unmittelbar innerhalb einer digitalen UP-Conver­ sion/Down-Conversion vorgenommen werden, wodurch kein Korrek­ turfaktor einbezogen werden muß und keine Überabtastung der Empfangs- und Übertragungssignals notwendig wird, um Verzöge­ rungsfehler zu beseitigen.

Hierzu erfolgt ein Abstimmen (Tunen) des numerisch gesteuer­ ter Oszillators (NCO) des digitalen UP-Konverters (DUC) und des digitalen Down-Konverters (DDC).

In Weiterentwicklung der Erfindung wird in einem TDD-System die Kalibrierung in der übertragungslosen Verzögerungszeit zwischen den Uplink- und Downlink-Zeitschlitzen durchgeführt.

Die Downlink-Kalibrierung kann in weiterer Ausgestaltung zu Beginn der Verzögerungszeit und die Uplink Kalibrierung am Ende der Verzögerungszeit stattfinden.

In weiterer Ausgestaltung wird als gemeinsamer Referenzpunkt für die Referenzsignale von und zu den Antennenelementen eine Referenzantenne benutzt.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Funk-Kommunikationssystem unter Ver­ wendung von intelligenten Antennen,

Fig. 2 schematisch den Signalfluß bei einer Uplink-Synchro­ nisation einer zu kalibrierenden intelligenten Antenne,

Fig. 3 schematisch den Signalfluß bei einer Downlink-Synchro­ nisation einer zu kalibrierenden intelligenten Antenne, und

Fig. 4 schematisch die Signalisierung für eine Antennenkali­ brierung in einem Verzögerungsintervall zwischen Uplink und Downlink im TDD-Modus.

Fig. 1 zeigt eine Basisstation BS, die im Bereich ihrer ver­ sorgten Funkzelle Z mit beispielhaft drei Mobilstationen MS gleichzeitig Verbindung aufgenommen hat. Für eine ungestörte Verbindung von und zu den Mobilstationen MS ist eine Ka­ naltrennung nach einem Zeitduplex-Verfahren TDD (Time Divi­ sion Duplex) vorgesehen. Für die Trennung der Verbindungen zwischen den einzelnen Mobilstationen MS kann beispielhaft das hybride Vielfachzugriffsverfahren TD-SCDMA (Time Divi­ sion-Synchron Code Division Multiple Access) eingesetzt wer­ den, eine Ausprägung von TD-CDMA (Time Division-Code Division Multiple Access). Bei TD-CDMA handelt es sich um eine Kombi­ nation der Vielfachzugriffskomponenten TDMA (Time Division Multiple Access) und CDMA (Code Division Multiple Access) und wird durch die Freiheitsgrade Frequenz, Zeitschlitz und Code charakterisiert. TD-SCDMA unterscheidet sich gegenüber TD- CDMA durch das Verwenden einer hochgenauen Synchronisation der Empfangssignale im Uplink. Dadurch wird die Orthogonali­ tät der Empfangssignale weitestgehend beibehalten, und hier­ durch wiederum werden die Detektionseigenschaften verbessert.

Voraussetzung für ein TD-SCDMA-System oder ein vergleichbares Funk-Kommunikationssystem mit intelligenten Antennen sind An­ tennen, mit denen eine Richtungsselektivität der von einer Basisstation BS ausgestrahlten Übertragungssignale erreichen läßt. Mit intelligenten Antennen lassen sich elektronisch schwenkbare, stark fokussierende Ausbreitungsdiagramme erzeu­ gen. Damit reduzieren intelligente Antennen die Einfallswin­ kel für umgebungsbedingte Umwege der Übertragungssignale an den Mobilstationen, wodurch die Interferenz verringert wird. Von derselben Basisstation BS können somit verschiedene An­ tennenkeulen, die in unterschiedliche Richtungen geschwenkt sind, gleichzeitig denselben Frequenzkanal innerhalb einer Zelle Z nutzen. Außerdem steigt bei gleicher Sendeleistung die Reichweite einer Basisstation BS.

In Fig. 1 detektiert die intelligente Antenne der Basistation BS die Richtungen, aus denen die Mobilstationen MS senden und formt in deren Richtung entsprechende Antennenkeulen aus.

In Fig. 2 ist schematisch der Signalfluß bei einer Uplink-Ka­ librierung einer intelligenten Gruppenantenne dargestellt, bestehend aus mehreren Antennenelementen AE1 bis AEN und ei­ ner Referenzantenne AR für die Kalibrierung. Die Pfeile ver­ deutlichen die unterschiedliche Laufzeit eines Referenzsig­ nals von einer Referenzantenne AR zu den Antennenelementen AE1 bis AEN. Die von jedem Antennenelement AE1 bis AEN aufge­ nommenen und gegebenenfalls verstärkten Referenzsignale wer­ den parallel zueinander in Analog-Digital-Konvertern A/D di­ gitalisiert. Die digitalisierten Werte werden anschließend parallel in einem digitalen Down-Konverter DDC behandelt. Aus den auf diese Weise gewonnenen Meßsignalen können beispiels­ weise in einem digitalen Signalprozessor DSP Korrekturfakto­ ren ermittelt und die Korrekturwerte als Kontrollinformatio­ nen an die digitalen Down-Konverter DDC der einzelnen Anten­ nenelemente AE1 bis AEN zurückgeführt werden. Außerdem werden die Referenzsignale aus dem Signalprozessor DSP über einen digitalen Up-Konverter DUC und einen Digital-Analog-Konverter D/A an die Referenzantenne AR geschickt, die diese zwecks Ka­ librierung an die Antennenelemente AE1 bis AEN sendet usw.

In Fig. 3 ist schematisch der Signalfluß bei einer Downlink- Kalibrierung einer intelligenten Gruppenantenne dargestellt. Die Antennenelemente AE1 bis AEN senden gleichzeitig je ein Referenzsignal an die Referenzantenne AR, die diese mit un­ terschiedlicher Referenzsignal-Laufzeit empfängt. Die Referenzantenne AR verstärkt gegebenenfalls die Referenzsignale und setzt sie in einem Analog-Digital-Konverter A/D wieder in digitale Signale um. Anschließend werden die digitalisierten Signale in einem digitalen Down-Konverter DDC behandelt und die auf diese Weise gewonnenen Meßsignale dem digitalen Sig­ nalprozessor DSP zugeführt. Im Signalprozessor DSP werden aus den Meßergebnissen beispielsweise Korrekturfaktoren ermittelt und als Kontrollinformationen an die digitalen UP-Konverter DUC der Antennenelemente AE1 bis AEN gegeben. Außerdem werden den digitalen UP-Konvertern DUC Referenzsignale 1 bis N zwecks Ausstrahlung durch die Antennenelemente AE1 bis AEN zugeführt.

Im folgenden wird ein Rechenbeispiel für ein TD-SCDMA System unter Verwendung einer intelligenten Antenne mit 8 Antennen­ elementen, einer Referenzantenne und einer Länge der CDMA- Code-Elemente (Chip) von 0,75 µs ausgewählt.

Die Bestimmung des Kalibrierungsfaktors erfolgt analog zu aus der Mobilfunktechnik bekannten Kanalschätzverfahren. Es wer­ den die Zeitverzögerung und die Phasenlage der empfangenen Referenzsignale bestimmt. Da der Verzögerungsfehler im Ver­ gleich zum Verzögerungs-Sollwert sehr gering ist, sind für jedes Antennenelement beispielsweise drei Messungen von Ka­ nalimpuls-Antworten in der zur Verfügung stehenden Zeit aus­ reichend. Damit beträgt die Signallänge für die Kalibrierung aller Antennenelemente einer intelligenten Antenne im Down­ link: (8 + 1) Antennenelemente . 3 Messungen . 0,75 µs Chiplänge = 20,25 µs.

Die Antennenkalibrierung, das heißt die Korrektur des Ein­ flusses des analogen Fehlers auf der gesamten Signalkette auf die Richtcharakteristik der intelligenten Gruppenantenne, wird direkt auf digitalem Wege durchgeführt. Es ist kein Überabtasten der Empfangs- und Übertragungssignals notwendig, um Verzögerungsfehler zu beseitigen.

In modernen Basisstationen wird digitale UP-Conversion und Down-Conversion genutzt, um Probleme durch IQ-Phasenfehler und IQ-Amplituden-Offsets zu kompensieren. Die Korrektur von Verzögerungszeit und Phase der Übertragungssignale kann di­ rekt durch Tunen des numerisch gesteuerten Oszillators NCO (Numarical Controled Oscillators) des digitalen UP-Konverters (DUC) und des digitalen Down-Konverters (DDC) erreicht wer­ den, ohne daß ein Korrekturfaktor bei der digitalen Signal­ verarbeitung im DSP einbezogen werden muß.

Digitale Up-Konverter DUC und digitale Down-Konverter DDC er­ möglichen auch das Tunen der Amplitude der Übertragungs­ signale, da eine fehlerhafte Amplitude die Strahlungsformung ebenfalls beeinflußt.

Aufgrund der hohen Datenraten zwischen der Kalibrierungsin­ stanz und DUC/DDC ist der Nachteil einer zusätzlichen Kon­ trollinformations-Signalisierung zu DUC und DDC vernachläs­ sigbar klein.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß in einem TDD-System, wie bei­ spielsweise TD-SCDMA, zwischen Uplink und Downlink eine Ver­ zögerungszeit einer bestimmten Länge zur Begegnung von Lauf­ zeitunterschieden der zu übertragenden Signale und Daten vor­ gesehen ist. Vorzugsweise finden die Kalibrierungsmessungen in dieser Verzögerungszeit statt, da zu diesem Zeitpunkt kei­ ne weiteren Signale die Messungen beeinflussen können. Die Downlink-Kalibrierung wird vorzugsweise zu Beginn der Verzö­ gerungszeit und die Uplink Kalibrierung am Ende dieser durchgeführt. In gleicher Weise kann beispielsweise auch ein für Kommunikationsverbindungen vorgesehener Zeitschlitz TS für die beschriebene Kalibrierungsprozedur reserviert werden.

Die Häufigkeit der Antennen-Kalibrierung ist frei wählbar und läßt sich dynamisch den Übertragungserfordernissen anpassen. Beispielsweise kann eine Kalibrierung im Downlink und Uplink in jeder Verzögerungszeit zwischen Downlink- und Uplink-TDMA- Rahmen erfolgen oder aber eine Kalibrierung wird mit einem hiervon vielfachen Zeitabstand vorgenommen. Auch kann die Häufigkeit einer Downlink-Kalibrierung von der Häufigkeit ei­ ner Uplink-Kalibrierung abweichen, beispielsweise wenn sei­ tens der Basisstation festgestellt wird, daß sich eine Mobil­ station nur unwesentlich oder gar nicht während einer Kommu­ nikationsverbindung, beispielsweise zur Sprachübertragung, zum Datentransport oder für eine Multimedia-Übertragung be­ wegt.

Claims (16)

1. Verfahren zum Kalibrieren einer elektronisch phasengesteu­ erten Gruppenantenne in Funk-Kommunikationssystemen unter Verwendung eines für alle Referenzsignale gemeinsamen Refe­ renzpunktes (AR), dadurch gekennzeichnet, daß bei der Antennen-Kalibrierung in Abwärtsrichtung (DL) von einzelnen Antennenelementen (AE1 bis AEN) der Gruppenantenne voneinander unterscheidbare Referenzsignale zeitgleich ausge­ strahlt und nach einem Empfang an dem gemeinsamen Referenz­ punkt (AR) geeignet separiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kodierung und Dekodierung der Referenzsignale nach einem CDMA-Verfahren vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korrelationsverfahren zur Synchronisation des Refe­ renzpunktes (AR) auf den Referenzcodekanal der Antennenele­ mente (AE1 bis AEN) angewendet wird.

4. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignale orthogonal kodiert sind.

5. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korrektur eines analogen Fehlers in Zeitverzögerung, Phase und/oder Amplitude digital erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur innerhalb der digitalen Up-Conversion bzw. digitalen Down-Conversion erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibrierungsfaktor aus dem Ergebnis einer Korrelati­ on in einem digitalen Signalprozessor (DSP) gewonnen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine optimierte Signalmenge für eine unvoreingenommene Schätzung des Kalibrierungsfaktors verwendet wird.

9. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß im Zeitduplexbetrieb (TDD) eine Kalibrierung innerhalb einer Verzögerungszeit zwischen der Aufwärtsrichtung (UL) und der Abwärtsrichtung (DL) durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignale für die Kalibrierung in Abwärtsrich­ tung (DL) zu Beginn der Verzögerungszeit gesendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, die Referenzsignale für die Kalibrierung in Aufwärtsrichtung (UL) am Ende der Verzögerungszeit gesendet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignale für Kalibrierung in Aufwärts- (UL) und/oder in Abwärtsrichtung (DL) in jeweils einem Zeitschlitz (TS) gesendet werden.

13. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß als gemeinsamer Referenzpunkt für die Referenzsignale ei­ ne Referenzantenne dient.

14. Elektronisch phasengesteuerte Gruppenantenne eines Funk- Kommunikationssystems, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Antennen-Kalibrierung in Abwärtsrichtung (DL) von einzelnen Antennenelementen (AE1 bis AEN) der Gruppenan­ tenne voneinander unterscheidbare Referenzsignale zeitgleich ausgestrahlt und nach dem Empfang an einem gemeinsamen Refe­ renzpunkt (AR) geeignet separiert werden.

15. Elektronisch phasengesteuerte Gruppenantenne nach An­ spruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Zeitduplexbetrieb (TDD) eine Kalibrierung innerhalb einer Verzögerungszeit zwischen der Aufwärtsrichtung (UL) und der Abwärtsrichtung (DL) erfolgt.

16. Elektronisch phasengesteuerte Gruppenantenne nach An­ spruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzantenne den gemeinsamen Referenzpunkt (AR) für die Kalibrierungssignale bildet.