DE4321909A1 - Antennenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für Basis­ stationen eines zellular aufgebauten Mobilfunknetzes gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Basisstationen von zellular aufgebauten Mobilfunknetzen wie z. B. dem Mobilfunknetz nach dem ETSI-GSM-Standard (einen Überblick über das GSM-Netz und seine Eigenschaften gibt die Artikelserie von H. Ochsner: "Das zukünftige pan­ europäische digitale Mobiltelefonsystem", Teil 1: "GSM- Empfehlungen und Dienste" (Bulletin SEV/VSE 79 (1988) 11, S. 603-608), Teil 2: "Die Funkstrecke" (Bulletin ASE/UCS 79 (1988) 15, S. 937-942, Teil 3: "Digitalisierung der Spra­ che und Netzwerkaspekte" (Bulletin ASE/UCS 79 (1988) 21, (1988)21, S. 1318-1324) wickeln den Funkverkehr mit den Mobilstationen ab, die sich in den von ihnen bedienten Zellen aufhalten; sie sind mit einer Sende/Empfangsein­ richtung sowie mit einer Mehrzahl von Sende- und Empfangs­ antennen ausgerüstet. Die Antennen sind im allgemeinen in drei Gruppen rund um einen Antennenturm angeordnet, wobei jede Gruppe einen Sektor in der Azimutebene abdeckt, des­ sen Öffnungswinkel in der Regel etwa 2π/3 beträgt. Jede dieser Gruppen besteht aus drei übereinander angeordneten Antennen. Die mittlere Antenne bildet dabei die Sendean­ tenne, während die obere und untere Antenne Empfangsanten­ nen sind (zur Verbesserung des Empfangs durch "Ortsdiver­ sity").

Um eine (aktive) Mobilstation innerhalb eines solchen Net­ zes ausfindig zu machen, wird üblicherweise über sämtliche Basisstationen ein Suchruf ausgesendet, der von der ge­ suchten Mobilstation beantwortet wird. Das Antwortsignal wird in der Regel von derjenigen Basisstation mit der be­ sten Empfangsqualität empfangen, der die Zelle zugeordnet ist, in der sich die Mobilstation gerade befindet. Mithin ist mit dieser Methode eine Ortung der Mobilstation zumin­ dest mit der Genauigkeit eines Gebiets von mehreren direkt benachbarten Zellen möglich.

Für eine Ortung der Mobilstation mit einer höheren Genau­ igkeit sind dagegen weitere Maßnahmen erforderlich. So wurde beispielsweise bereits vorgeschlagen, die einzelnen Basisstationen eines solchen Netzes zusätzlich mit Peil­ stationen auszurüsten, die jeweils per Standleitung oder per Funk mit der zugehörigen Basisstation verbunden sind und über diese Verbindung kommandiert werden können. Bei dieser Lösung wird der Standort der zuvor (z. B. über Such­ ruf grob) georteten Mobilstation genau bestimmt, indem zum einen eine Laufzeitmessung der zwischen Basisstation und Mobilstation ausgetauschten Funksignale durchgeführt wird, um die Entfernung der Mobilstation von der Basisstation zu bestimmen, und zum anderen eine Peilung durch die zugeord­ nete Peilstation durchgeführt wird, um den Peil- bzw. Azi­ mutwinkel zu bestimmen. Alternativ hierzu kann der Stand­ ort der Mobilstation natürlich auch über eine Kreuzpeilung von zwei oder mehreren benachbarten Peilstationen ermit­ telt werden, die gegebenenfalls auch durch eine Lauf­ zeitmessung ergänzt werden kann. Mit dieser Maßnahme kann der genaue Standort einer Mobilstation innerhalb einer Zelle eines solchen Netzes festgestellt werden.

Um Peilungen im gesamten Netz durchführen zu können, müßten sämtliche Basisstationen mit solchen Peilstationen ausgerüstet werden, was insbesondere im Hinblick auf die Installation von zusätzlichen Peil-Antennenarrays mit ei­ nem sehr hohen Aufwand und mit sehr hohen Investitionsko­ sten verbunden wäre.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Anten­ nenanordnung für Basisstationen eines zellular aufgebauten Mobilfunknetzes zu schaffen, die mit möglichst wenig zu­ sätzlichen Antennen für Peilzwecke auskommt und die den­ noch als Antennenarray für eine an die Basisstation ange­ schlossene Peilstation dienen kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergege­ ben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Da in den einzelnen Basisstationen (z. B. eines Mobil­ funknetzes nach dem ETSI-GSM-Standard) i.a. bereits bis zu drei Sektoren mit einem Öffnungswinkel von jeweils etwa 2π/3 vorhanden sind und da vor einer Peilung der Verbin­ dungsaufbau mit der zu ortenden Mobilstation ein­ schließlich der Auswahl des optimalen Sende/Empfangssek­ tors bereits erfolgt sein muß, kann in einem solchen Netz die Erfindung besonders vorteilhaft eingesetzt werden, da sie mit einer sehr geringen Zahl von zusätzlichen Antennen auskommt und dennoch eine Peilung in jedem Sektor ermög­ licht ist. Beim Einsatz in einem Mobilfunknetz nach dem ETSI-GSM-Standard ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Antennenanordnung folgende Vorteile:

• - die in der Basisstation vorhandenen GSM-Empfangs­ antennen werden von der Peilstation mitbenutzt;
• - an einem schlanken Turm (Durchmesser typisch 50 cm) sind maximal nur drei zusätzliche Empfangsan­ tennen erforderlich, die baugleich mit den bereits vorhandenen GSM-Empfangsantennen sein können;
• - an einem dicken Turm (Durchmesser typisch < 50 cm) sind maximal nur bis zu sechs zusätzliche Empfangsantennen erforderlich, die ebenfalls bau­ gleich mit den bereits vorhandenen GSM-Empfangsan­ tennen sein können;
• - für die Peilstation ist grundsätzlich nur ein ein­ ziger dreikanaliger Peilempfänger erforderlich, der für die Peilstationen aller Basisstationen gleich ausgeführt sein kann, wobei die Eichung der einzelnen Peilempfänger selbstverständlich indivi­ duell für jeden einzelnen Empfänger durchgeführt werden muß;
• - die Lösung ist völlig systemkompatibel mit dem D- Netz der Deutschen Bundespost;
• - vorhandene Montageplätze bzw. erprobte Montage­ und Antennen- und Empfangs-/Auswertetechnik der GSM-Komponenten einer Basisstation können ohne weiteres mitbenutzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein bevorzugtes erstes Ausführungsbeispiel der er­ findungsgemäßen Antennenanordnung an einem dicken Turm (im Querschnitt);

Fig. 2 ein bevorzugtes zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antennenanordnung an einem schlanken Turm (im Querschnitt).

Die beiden Figuren zeigen Antennentürme 4 im Querschnitt, wie sie beispielsweise für Basisstationen eines Mobil­ funknetzes nach dem ETSI-GSM-Standard verwendet werden.

Die Türme 4 unterscheiden sich im wesentlichen nur durch ihren Durchmesser: in Fig. 1 ist ein "dicker" Turm darge­ stellt, dessen Querschnitt im Bereich der Antennenanord­ nung (beispielhaft) größer 50 cm ist, und in Fig. 2 ist eine "schlanker" Turm dargestellt, dessen Querschnitt im Bereich der Antennenanordnung (beispielhaft) kleiner oder gleich 50 cm ist.

In den Figuren sind - aus Gründen der Übersichtlichkeit - nicht die Antennen der Antennenanordnung dargestellt, son­ dern nur deren horizontale Antennendiagramme 1a-c, 2a-c, 3a-c bzw. 1a-c und 2a-c.

Die Antennen sind in der Azimutebene rund um den Turm 4 verteilt, wobei die Azimutebene bei diesen beiden Ausfüh­ rungsbeispielen (beispielhaft) in drei Sektoren a, b, c mit einen Öffnungswinkel von je 2π/3 unterteilt ist. Für jeden der drei Sektoren a-c ist in beiden Ausführungsbei­ spielen je eine Empfangsantenne 1a-c zusammen mit je einer (in den Figuren nicht gezeigten) Sendeantenne für die Ab­ wicklung des Funkverkehrs zwischen der zugehörigen (und in den Figuren nicht gezeigten) Basisstation und den (eben­ falls in den Figuren nicht gezeigten) Mobilstationen vor­ gesehen (oberhalb bzw. unterhalb der Empfangsantenne 1a-c können weitere Empfangsantennen vorgesehen werden, um die Empfangsqualität durch Ortsdiversity zu verbessern).

Ergänzt werden diese Empfangsantennen 1a-c durch weitere Empfangsantennen 2a-c und 3a-c (Fig. 1) bzw. 2a-c (Fig. 2), die in der Azimutebene jeweils links und rechts neben der eigentlichen "Mobilfunknetz "-Empfangsantenne 1a-c an­ geordnet sind (Fig. 1) bzw. zwischen diesen Antennen (Fig. 2).

Der Abstand d dieser zusätzlichen Antennen 2a, 3a bzw. 2b, 3b bzw. 2c, 3c von den von ihnen eingeschlossenen Emp­ fangsantennen 1a bzw. 1b bzw. 1c (Fig. 1) bzw. von den je­ weils benachbarten Empfangsantennen 1a, 1b bzw. 1b, 1c bzw. 1c, 1a liegt dabei jeweils im Bereich λ/2 < d λ, wobei λ die Wellenlänge bei der Betriebs- bzw. Empfangs­ frequenz ist.

In Fig. 1 bilden diese Antennenpaare 2a, 3a bzw. 2b, 3b bzw. 2c, 3c zusammen mit der zugehörigen Empfangsantenne 1a bzw. 1b bzw. 1c jeweils ein Großbasis-Antennenarray für die Peilung von Mobilstationen, die sich in dem zugeordne­ ten Sektor a bzw. b bzw. c aufhalten.

Bei dieser Lösung macht man sich den Umstand zunutze, daß die Funkverbindung zwischen der zu peilenden Mobilstation und der Basisstation vor der Peilung bereits aufgebaut worden ist und bereits aufgrund der Auswertung der empfan­ genen Funksignale feststeht, in welchem Sektor a-c sich die gesuchte Mobilstation befindet, so daß deshalb nur noch eine Sektorpeilung durchgeführt werden muß, denn im allgemeinen weisen direkt empfangene Funksignale eine hö­ here Feldstärke auf als z. B. reflektierte Signale, so daß in nahezu 100% aller Fälle diejenige Empfangsantenne 1a bzw. 1b bzw. 1c, die die höchste Empfangsfeldstärke für ein bestimmtes Funksignal aufweist, den Sektor a bzw. b bzw. c kennzeichnet, in dem sich die gesuchte Mobilstation momentan befindet.

Die drei Antennenarrays 1a, 2a, 3a bzw. 1b, 2b, 3b bzw. 1c, 2c, 3c sind in einer bevorzugten Ausführungsform über Antennenverteiler und nachgeschaltete Antennenwahlschalter (beides in der Fig. nicht gezeigt) mit einem für alle drei Antennenarrays gemeinsamen dreikanaligen Peilempfänger, (in der Figur ebenfalls nicht gezeigt) verbunden. Während die Antennenwahlschalter die Umschaltung des gemeinsamen Peilempfängers von einem Antennenarray zum anderen gestat­ ten, erlauben die Antennenverteiler parallel den kontinu­ ierlichen Betrieb des zugehörigen Basisstation-Empfangs, da über die Antennenverteiler die "normalen" Empfangsan­ tennen 1a-c permanent mit der Basisstation verbunden wer­ den können, ohne daß das zusätzliche Aufschalten des Peil­ empfängers (über die Antennenwahlschalter) den normalen Empfang der Basisstation stört.

Befindet sich z. B. die gesuchte Mobilstation im Sektor b, wird die Empfangsantenne 1b die stärksten Funksignale beim Verbindungsaufbau empfangen, so daß bei der anschließenden Peilung nur das Antennenarray 1b, 2b, 3b (Fig. 1) bzw. 2b, 1b, 2c (Fig. 2) über die Antennenwahlschalter mit dem dreikanaligen Peilempfänger zu verbinden ist.

Durch die Mitnutzung der in jedem Fall für die Abwicklung des Funkverkehrs mit den Mobilstationen benötigten Emp­ fangsantennen 1a-c für die Peilung einer solchen Mobilsta­ tion wird der Aufwand bei den Peil-Antennenarrays erheb­ lich reduziert (ohne daß dadurch der normale Empfang der Basisstation gestört wird). Im Beispiel der Fig. 1 werden zum Aufbau der drei Antennenarrays mit je drei Einzelan­ tennen nur sechs zusätzliche Antennen 2a-c und 3a-c und entsprechend nur sechs zusätzliche Antennenzuleitungen (Koaxialkabel) zu diesen Antennen benötigt. Die zusätzli­ chen Antennen können von der Bauausführung identisch sein mit den "normalen" Empfangsantennen 1a-c des Mobilfunknet­ zes.

Die Anzahl-der für Peilzwecke zusätzlich benötigter Anten­ nen kann bei einem schlanken Turm (oder bei einem dicken Turm, bei dem die Antennenanordnung im oberen "schlanken" Bereich des Turms angebracht ist) noch weiter reduziert werden, wie das Ausführungsbeispiel in Fig. 2 zeigt.

Während in Fig. 1 der Abstand zwischen den einzelnen Antennenarrays 2a, 1a, 3a bzw. 2b, 1b, 3b bzw. 2c, 1c, 3c aufgrund der Dicke des Turms 4 mehr als λ beträgt, kann bei einem entsprechend schlanken Turm 4 ein Turmdurchmes­ ser gefunden werden, bei dem ein für benachbarte Antennenarrays 2a, 1a, 2b und 2b, 1b, 2c bzw. 2b, 1b, 2c und 2c, 1c, 2a bzw. 2c, 1c, 2a und 2a, 1a, 2b gemeinsam nutzbare zusätzliche Antennen 2b bzw. 2c bzw. 2a gleich weit von den beiden jeweils direkt benachbarten Empfangs­ antennen 1a und 1b bzw. 1b und 1c bzw. 1c und 1a entfernt ist mit einem Abstand λ/2 < d λ.

Dieser Fall ist in Fig. 2 dargestellt, dort sind nur noch drei zusätzliche Antennen 2a, 2b, 2c erforderlich, um zu­ sammen mit den "normalen" Empfangsantennen 1a, 1b, 1c des Mobilfunknetzes für jeden Sektor a, b, c jeweils ein An­ tennenarray für Peilzwecke zu bilden nämlich 2a, 1a, 2b bzw. 2b, 1b, 2c bzw. 2c, 1c, 2a. Alternativ können natür­ lich auch die drei folgenden Antennenarrays mit dieser An­ ordnung gebildet werden: 1a, 2b, 1b bzw. 1b, 2c, 1c bzw. 1c, 2a, 1a. Entsprechend sind bei diesem Ausführungsbei­ spiel auch nur drei zusätzliche Antennenzuleitungen (Ko­ axialkabel) erforderlich.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die gezeig­ ten Ausführungsbeispiele beschränkt ist.

So kann die Zahl der Sektoren (mit entsprechend kleinerem Öffnungswinkel) insgesamt höher sein.

Auch müssen nicht alle Sektoren mit Peil-Antennenarrays versorgt sein. Beispielsweise reicht es bei Peilanlagen längs einer Küstenstraße aus, nur zwei von drei Sektoren mit Empfangsantennen zu bestücken, wenn von der dritten Seite (Wasserseite) keine Mobilstationen (Schiffe) in Funkreichweite zu erwarten sind.

Claims (7)

1. Antennenanordnung für Basisstationen eines zellular aufgebauten Mobilfunknetzes, mit mehreren Empfangsanten­ nen, welche unterschiedliche Sektoren in der Azimutebene ausleuchten, dadurch gekennzeichnet

• - daß die einzelnen Sektoren (a, b, c) oder zumin­ dest ein Teil davon jeweils durch mindestens zwei, vorzugsweise drei in der Azimutebene nebeneinander angeordnete und zu einem Antennenarray für einen der jeweiligen Basisstation zugeordneten Sektor­ peiler zusammenschaltbare Empfangsantennen (2a, 1a, 3a; 2b, 1b, 3b; 2c, 1c, 3c bzw. 2a, 1a, 2b; 2b, 1b, 2c; 2c, 1c, 2a) ausgeleuchtet sind;
• - daß mindestens eine Empfangsantenne (1a; 1b; 1c) der mindestens zwei Empfangsantennen (2a, 1a, 3a; 2b, 1b, 3b; 2c, 1c, 3c bzw. 2a, 1a, 2b; 2b, 1b, 2c; 2c, 1c, 2a) der einzelnen Sektoren (a; b; c) jeweils zusätzlich mit der zugeordneten Basissta­ tion verbunden ist oder von dem Sektorpeiler auf die zugeordnete Basisstation umschaltbar ist.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Azimutebene in n gleichgroße oder zumin­ dest annähernd gleichgroße Sektoren (a-c) mit einem Sek­ torwinkel von (annähernd) 2π(/n aufgeteilt ist, daß die n Sektoren (a-c) durch insgesamt 2n Empfangsantennen (1a-c, 2a-c) ausgeleuchtet sind, daß der Winkel zwischen den Hauptstrahlrichtungen direkt benachbarter Empfangsantennen (1a, 2a; 2a, 1c; 1c, 2c; 2c, 1b; 1b, 2b; 2b, 1a) (annä­ hernd) π/n beträgt, daß die Empfangsantennen (1a-c, 2a-c) in der Azimutebene derart angeordnet sind, daß auf eine zusätzlich mit der Basisstation verbundene oder auf die Basisstation umschaltbare Empfangsantenne (1a-c) immer eine nicht mit der Basisstation verbundene oder auf diese umschaltbare Empfangsantenne (2a-c) folgt und umgekehrt und daß die nicht mit der Basisstation verbundenen oder auf diese umschaltbaren Empfangsantennen (2a, 2b, 2c) je­ weils mit der einen (1c; 1a; 1b) und/oder der anderen (1a; 1b; 1c) direkt benachbarten und mit der Basisstation ver­ bundenen oder auf diese umschaltbaren Empfangsantenne zu einem Antennenarray (2a, 1c, 2c bzw. 2a, 1a, 2b bzw. 2b, 1b, 2c bzw. 1a, 2a, 1c bzw. 1a, 2b, 1b bzw. 1b, 2c, 1c) zusammenschaltbar sind.

3. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Antennenarrays mit einer ungeraden Zahl von Empfangsantennen (2a, 1a, 3a; 2b, 1b, 3b; 2c, 1c, 3c bzw. 2a, 1a, 2b; 2b, 1b, 2c; 2c, 1c, 2a) jeweils die mittlere Empfangsantenne (1a; 1b; 1c) mit der Basisstation verbunden oder auf die Basisstation umschalt­ bar ist und daß die Hauptstrahlrichtung dieser mit der Ba­ sisstation verbundenen oder auf diese umschaltbaren Emp­ fangsantennen (1a; 1b; 1c) in der Azimutebene mit der Win­ kelhalbierenden des zugehörigen Sektors (a-c) zusammen­ fällt oder zumindest nur unwesentlich davon abweicht.

4. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Emp­ fangsantennen (1a-c, 2a-c, 3a-c; 1a-c, 2a-c) oder Anten­ nenarrays der einzelnen Sektoren (a-c) über eine Antennen­ wahlschalteinrichtung auf einen gemeinsamen n-kanaligen, vorzugsweise 3kanaligen Peilempfänger aufschaltbar sind.

5. Antennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einzelnen Empfangsantennen (1a-c, 2a-c, 3a-c; 1a-c, 2a-c) oder Antennenarrays der einzelnen Sekto­ ren (a-c) jeweils über einen Antennenverteiler mit der An­ tennenwahlschalteinrichtung verbunden sind und daß die zu­ sätzlich mit der Basisstation verbundenen Empfangsantennen (1a-c) jeweils über den ihnen jeweils zugeordneten Anten­ nenverteiler mit der Basisstation verbunden sind.

6. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis direkt be­ nachbarter Empfangsantennen eines Antennenarrays (2a, 1a, 3a; 2b, 1b, 3b; 2c, 1c, 3c bzw. 2a, 1a, 2b; 2b, 1b, 2c; 2c, 1c, 2a) jeweils im Bereich λ/2 d λ liegt mit λ gleich der Wellenlängen bei der Betriebs- bzw. Empfangs­ frequenz.

7. Mobilfunknetz, vorzugsweise nach dem ETSI-GSM-Standard und mit Peilstationen zur Ortung von Mobilstationen, ge­ kennzeichnet durch die Verwendung von Antennenanordnungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.