DE60111343T2

DE60111343T2 - Struktur für mehrfache Antennenkonfigurationen

Info

Publication number: DE60111343T2
Application number: DE60111343T
Authority: DE
Inventors: Ashok N. Basking Ridge Rudrapatna
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: DE60111343D1; JP2002290148A; EP1227539A1; US20020132600A1; JP3845022B2; US6801790B2; EP1227539B1

Description

Viele Kommunikationssysteme und insbesondere Funkkommunikationssysteme verwenden Antennen zum Übermitteln (d.h. Übertragen und Empfangen) von Kommunikationssignalen. In vielen Fällen werden zum Übermitteln der Signale mehrere Antennen verwendet. Die mehreren Antennen, die üblicherweise als ein Antennenarray bezeichnet werden, werden dazu verwendet, die Informationsmenge zu erhöhen (d.h. die Informationsübertragungsrate oder den Durchsatz) die übermittelt wird, oder um die Qualität eines von dem Antennenarray übertragenen (oder empfangenen) Signals zu verbessern. Eine bei Antennenarrays verwendete Technik zum Verbessern der Qualität eines übertragenen (oder empfangenen) Signals wird als räumliche Diversität (spatial diversity) bezeichnet.
Die räumliche Diversität ist die Wahl einer bestimmten Antenne oder einer Gruppe von Antennen aus einem Array von Antennen zum Übertragen (oder Empfangen) eines Kommunikationssignals. Bei einem mit einer räumlichen Diversitätsstruktur übertragenen Signal schlägt das Signal zu seinem Endziel verschiedene Wege ein. Ein Beispiel für ein Sendediversitätsverfahren ist das Space-Time-Spreading (STS), das als Teil des Standards für IS-2000-Funkkommunikationsnetze verwendet wird. Zur weiteren Verbesserung der Qualität eines übertragenen, räumlich diversen Signals kann das übertragene diverse Signal auch durch eine Strahlform-/-lenkeinrichtung verarbeitet werden; die Strahlformung-/-lenkung in Kombination mit STS wird Steered STS genannt. Bei Stralformung-/-lenkung oder Steered STS wird die Antenne an eine Einrichtung gekoppelt, die die relative Phase des von jeder Antenne übertragenen Signals steuert, um einen fokussierten Strahl in einer bestimmten Richtung im Raum zu bilden. Der Strahl kann Verstärkungen (übertragen oder empfangen) für spezifische Benutzer oder Verstärkungen auf der Basis der Richtung des Signals steuern. Außerdem kann die Verstärkung lediglich zur Signalstärke oder sowohl zur Signalstärke als auch zur Interferenzstärke in Beziehung gesetzt werden, wodurch das Träger/Störungsverhältnis (C/I) maximiert wird. Die Steered-STS-Technik kann in vielen Funkkommunikationsnetzen eingesetzt werden. Ein ähnliches Verfahren, das als Space Time Transmit Diversity (STTD) bezeichnet wird, ist für UMTS-Netze (Universal Mobile Telecommunications System) definiert worden. Der Steered-STS-Ansatz kann mit beliebigen Diversitätsverfahren wie etwa STS oder STTD verwendet werden.
Eine weitere, bei Antennenarrays verwendete Technik wird als Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) bezeichnet. Im Unterschied zu räumlichen Diversitätstechniken, bei denen eine Gruppe von Antennen zum Übertragen (oder Empfangen) eines einzelnen Signals verwendet wird, verwenden MIMO-Techniken ein an eine Signalverarbeitungseinrichtung (einschließlich Übertragungs- und Empfangsschaltung) gekoppeltes Antennenarray zum gleichzeitigen Übertragen und/oder Empfangen mehrerer unterschiedlicher Signale. Ein besonderes Beispiel für ein MIMO-System ist das BLAST-Verfahren (Bell Labs LAyered Space Time), das von Lucent Technologies mit Sitz in Murray Hill, New Jersey, USA, erdacht wurde. Bei BLAST wird jede Sendeantenne dazu verwendet, verschiedene Signale entweder zu übertragen oder zu empfangen. Es existieren verschiedene codierte BLAST-Verfahren (z.B. mit Diagonal-BLAST oder D-BLAST; Vertikal-BLAST oder V-BLAST), wobei jedes Signal vor seiner Übertragung codiert wird. Bei einer BLAST-Einrichtung mit Codierung wird oftmals für jedes der verschiedenen Signale der gleiche Code verwendet; dies wird als Codewiederverwendung bezeichnet.
Antennenarrays sind in der Regel dafür gedacht, in Mehrwegumgebungen zu arbeiten, bei denen sich von einer Antenne gesendete Kommunikationssignale nicht in einer geraden Linie in Richtung auf eine Empfangsantenne zu ausbreiten. Vielmehr werden bei einer Mehrwegeumgebung die Kommunikationssignale von verschiedenen Objekten (z.B. Gebäuden, Bäumen) gestreut, die sich zwischen einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne befinden. Somit erzeugt eine Mehrwegeumgebung mehrere mögliche Wege für ein von einer Sendeantenne zu einer Empfangsantenne laufendes Signal. Die BLAST-Technik nutzt eine Mehrwegeumgebung dadurch aus, daß sie mehrere Sender und Empfänger verwendet, um effektiv mehrere unabhängige Teilkanäle zu erzeugen, die jeweils unabhängige Informationen führen. Die Kommunikationssignale belegen die gleiche Bandbreite gleichzeitig, weshalb die Spektraleffizienz mit der Anzahl unabhängiger Teilkanäle zunimmt. Theoretisch können umso mehr Teilkanäle unterstützt werden, je mehr Streuung in der Mehrwegeumgebung auftritt. Deshalb dienen Antennenarrays eines Kommunikationssystems, das die BLAST-Technik verwendet, zum Erhöhen des Informationsdurchsatzes eines Kommunikationsnetzes.
Für bestimmte Situationen und für bestimmte Arten von Kommunikationssignalen ist es wünschenswert, einer Technik vor einer anderen den Vorzug zu geben. Beispielsweise ist es bei Sprachsignalen, bei denen die Qualität des übertragenen Sprachsignals und die Kapazität (d.h. die Anzahl der unterstützten Sprachbenutzer) von entscheidender Wichtigkeit sind, in der Regel vorteilhaft, Strahlformung/-lenkung zu verwenden. Bei anderen Situationen, bei denen Datensignale (d.h. Text, Graphik, Internetdaten) übertragen werden, ist die Frage des Informationsdurchsatzes oftmals von größter Bedeutung im Vergleich zu anderen Faktoren, wodurch der Einsatz von MIMO-Techniken unter solchen Umständen wünschenswert wird. Die Konfiguration von Antennenarrays für die beiden Techniken (Strahlformung/-lenkung und MIMO) weisen widersprüchliche räumliche Anforderungen auf. Insbesondere nutzen Antennenarrays, die Strahlformung/-lenkung durchführen, die Korrelationsaspekte der Signale aus, die von Antennenelementen übertragen werden, die zueinander nahe positioniert sind.
Signalkorrelation ist ein Phänomen, durch das die Schwankungen bei den Parametern (d.h. Amplitude und Phase) eines ersten Signals einer ersten Antenne den Schwankungen bei den Parametern eines zweiten Signals einer zweiten Antenne in der Nähe der ersten Antenne folgen. Im allgemeinen nimmt mit zunehmendem Abstand zwischen Antennen die Korrelation zwischen von den Antennen übertragenen (oder empfangenen) Signalen ab.
Umgekehrt nimmt bei abnehmendem Abstand zwischen Antennen die Korrelation zwischen von den Antennen übertragenen (oder empfangenen) Signalen zu. Um in typischen Funkkommunikationssystemen relativ stark korrelierte Signale zu erreichen, ist der Abstand zwischen Antennen in der Größenordnung von
oder weniger, wobei λ gleich
ist, was die Wellenänge entsprechend der größten Frequenz (f) innerhalb eines Bands von Frequenzen ist, bei denen die Antennen arbeiten; c ist die wohlbekannte Konstante, die die Geschwindigkeit von Licht im Vakuum darstellt. Es ist wünschenswert, eine relativ hohe Korrelation zwischen Signalen zu haben, die von Antennen übertragen (oder empfangen) werden, die für Strahlform-/-lenkanwendungen wie etwa Steered-STS verwendet werden. Andererseits ist es wünschenswert, eine relativ niedrige Korrelation oder keine Korrelation zwischen Antennen zu haben, wenn sie für MIMO-Anwendungen wie etwa BLAST- oder Diversitätsanwendungen verwendet werden.
Kommunikationssysteme können Antennenarrays verwenden, die so konfiguriert sind, daß sie durch die Verwendung von Steered-STS eine Strahlformung/-lenkung vornehmen. In vielen Situationen besteht bei diesen gleichen Kommunikationssystemen ein Bedarf an einer BLAST-Kapazität oder einer Diversitätskapazität. Um BLAST- Operationen mit ihren gegenwärtigen Antennenkonfigurationen durchführen zu können, müssen solche Kommunikationssysteme zusätzliche Antennen einsetzen, die zueinander und zu den existierenden Antennen entsprechend beabstandet sind. Nicht nur ist der Einsatz von zusätzlichen Antennen eine Kostensteigerung für Serviceprovider, sie stellt auch ein Umwelt- und ästhetisches Problem für viele Gemeinden dar, innerhalb derer Kommunikationstürme aufgestellt sind, die Basisstationsgeräte und Antennen umfassen. Serviceprovider sind Gebilde, die Kommunikationsnetze und ihre zugeordneten Geräte besitzen, betreiben und steuern. Was deshalb benötigt wird, ist ein Antennenarray, bei dem Strahlformungs/-lenkungs-, MIMO- und Diversitätsoperationen an Signalen durchgeführt werden können, die übertragen und/oder empfangen werden, ohne daß zusätzliche Antennen eingesetzt werden müssen. Was weiter benötigt wird, ist eine Antennenarraykonfiguration, die entweder MIMO- oder Strahlformungs-/-lenkungs- oder Diversitätsoperationen durchführen kann, oder ein Antennenarray, das gleichzeitig Strahlformungs-/-lenkungs-, MIMO-, Diversitätsoperationen oder eine beliebige Kombination davon durchführen kann.
Aus FR-A-2779873 ist eine Einzelantenne für Radaranwendungen bekannt, die aus zwei Unterarrays besteht, die physisch verschachtelt sind, logisch aber getrennt erscheinen und die ein einzelnes polarisiertes Signal mit spezifischer Polarisation zu einem beliebigen Winkel oder eine Zirkularpolarisation erreichen, wobei die Orientierung der Polarisation gesteuert werden kann. WANG Y ET AL: „An array antenna system of angular beam steering and polarization agility" FROM PIONEERS TO THE 21^ST CENTURY, DENVER, 10.–13. MAI 1992, PROCEEDINGS OF THE VEHICULAR TECHNOLOGY SOCIETY CONFERENCE (VTSC), NEW YORK, IEEE, USA, Band 2CONF. 42, 10. MAI 1992 (10.05.1992), Seiten 21–24 XP010064542 ISBN: 0-7803-0673-2, zeigt ein Antennenarray für Radaranwendungen, das aus N Elementen mit jeweils zwei getrennten Zubringern mit orthogonaler Polarisation (horizontal und vertikal) besteht. Polarisation für ein einzelnes Signal mit einem beliebigen Winkel wird dadurch erzielt, daß die relative Verstärkung zwischen dem horizontalen und vertikalen Zubringer für jede Gruppe von horizontalen und vertikalen Zubringern in dem Array einheitlich gesteuert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Antennenarray wie in Anspruch 1 beansprucht bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung ist ein Antennenarray, das mindestens zwei Antennengruppen umfaßt, wobei jede Gruppe mindestens zwei Paare von Antennen umfaßt, wobei jedes Paar selektiv entweder in einem MIMO-Modus, einem Strahlform-/-lenkmodus, einem Diversitätsmodus oder einer beliebigen Kombination davon arbeitet. Jedes Paar von Antennen innerhalb einer Gruppe ist orthogonal polarisiert und jede Antenne in einem Paar kann selektiv aktiviert werden. Eine Antenne aus mindestens einem der Paare in der Gruppe ist ähnlich polarisiert wie eine Antenne aus mindestens einem anderen Paar in der Gruppe. Eine erste Gruppe von Antennen ist bezüglich einer zweiten Gruppe von Antennen derart positioniert, daß eine relativ schwache Korrelation oder keine Korrelation zwischen Signalen besteht, die von einer beliebigen der Antennen aus verschiedenen Gruppen übertragen (oder empfangen) werden. Die Gruppen sind so konfiguriert, daß sie entweder in einem MIMO-Modus, einem Strahlform-/-lenkmodus, einem Diversitätsmodus oder einer beliebigen Kombination davon arbeiten. Die Gruppen in dem Antennenarray sind an eine Schaltung gekoppelt, die bewirkt, daß bestimmte Antennen in einer Gruppe ausgewählt und aktiviert werden, so daß jede Gruppe in einem beliebigen der oben erwähnten Modi arbeiten kann.
Die Antennengruppen sind an die Schaltung über Schalter gekoppelt, die durch Steuersignale von der Schaltung aktiviert werden oder so ausgelegt sind, daß sie Signale auf der Basis von bestimmten Charakteristiken der Signale, die übertragen werden sollen und/oder empfangen werden, automatisch lenken. Die Schalter sind derart ausgelegt, daß sie bestimmte Charakteristiken aus einem Signal bestimmen und dieses Signal zu einer entsprechenden Antenne lenken können, so daß die entsprechende Gruppe, an die der Schalter gekoppelt ist, entweder im MIMO-, Strahlform-/-lenkmodus oder Diversitätsmodus arbeiten kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Schaltung bestimmte Charakteristiken von Signalen, die von dem Antennenarray übertragen werden sollen oder empfangen werden, bestimmen und auf der Basis der bestimmten Charakteristiken Steuersignale erzeugen, die die entsprechenden Schalter aktivieren, die die entsprechende Antennen in einer Gruppe aktivieren, um zu bewirken, daß die Gruppe in einer beliebigen der drei Modi oder einer beliebigen Kombination der drei Modi arbeitet. Auf diese Weise können verschiedene Gruppen im gleichen Modus oder in verschiedenen Modi arbeiten, wie von der Schaltung bestimmt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Version der vorliegenden Erfindung mit einem Zweigruppen-Antennenarray.
2 zeigt eine alternative Konfiguration für eine Gruppe von Antennen.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung ist ein Antennenarray, das mindestens zwei Antennengruppen umfaßt, wobei jede Gruppe mindestens zwei Paare von Antennen umfaßt, wobei die beiden Paare selektiv entweder in einem MIMO-Modus, einem Strahlform-/-lenkmodus, einem Diversitätsmodus oder einer beliebigen Kombination davon arbeiten. Jedes Paar von Antennen innerhalb einer Gruppe ist bezüglich der anderen orthogonal polarisiert und jede Antenne in einem Paar kann selektiv aktiviert werden. Eine Antenne aus mindestens einem der Paare in der Gruppe ist ähnlich wie eine andere Antenne aus mindestens einem anderen Paar in der Gruppe polarisiert. Eine erste Gruppe von Antennen ist bezüglich einer zweiten Gruppe von Antennen derart positioniert, daß eine relativ niedrige Korrelation oder keine Korrelation zwischen Signalen vorliegt, die von einer beliebigen der Antennen aus verschiedenen Gruppen übertragen werden sollen (oder empfangen werden). Die Gruppen sind konfiguriert und derart zueinander positioniert, daß jede Gruppe entweder im MIMO-, Strahlform-/-lenkmodus oder Diversitätsmodus oder derart arbeitet, daß die Gruppen in einer beliebigen Kombination der drei Modi arbeiten. Die Antennen der vorliegenden Erfindung brauchen nicht alle auf der gleichen Frequenz zu arbeiten. Die jeweilige Frequenz, auf der eine spezifische Antenne arbeitet, hängt von verschiedenen elektrischen und mechanischen Charakteristiken der Antenne ab. Deshalb umfaßt das Antennenarray der vorliegenden Erfindung Arrays, bei denen alle Antennen mit der gleichen Frequenz oder mit Frequenzen arbeiten, die in einen definierten Bereich von Frequenzen fallen. Somit wird gesagt, daß eine Antenne bei Frequenz f arbeitet, wenn sie Signale mit Frequenzen f oder andere Frequenzen, die in den definierten Bereich von Frequenzen fallen, empfangen (oder übertragen) kann, wobei die höchste Frequenz in dem definierten Bereich und gleich
ist; λ (gleich
) ist die entsprechende Wellenlänge des von der Antenne zu übertragenden (oder empfangenen) Signals. Die Antenne aus den Gruppen, die das Antennenarray der vorliegenden Erfindung darstellen, sind an eine Schaltung gekoppelt, die dahingehend arbeitet, daß sie bewirkt, daß bestimmte ähnliche oder orthogonal polarisierte Antennen aus einer Gruppe ausgewählt und aktiviert werden, wodurch das Antennenarray Strahlform-/-lenk-, Diversitäts- oder MIMO-Operationen oder eine beliebige Kombination aller drei Operationen gleichzeitig durchführen kann.
Unter Bezugnahme auf 1 wird das Antennenarray der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zur leichteren Erläuterung zeigt 1 zwei Gruppen von Antennen, wobei jede Gruppe zwei Paare von Antennen enthält. Es ist ohne weiteres zu verstehen, daß das Antennenarray der vorliegenden Erfindung nicht auf Antennengruppen mit zwei Paaren und auf Antennenarrays mit zwei Gruppen beschränkt ist. Außerdem wird das Antennenarray der vorliegenden Erfindung zur leichteren Erläuterung im Hinblick auf Sendeantennen beschrieben. Die vorliegende Erfindung gilt auch für Antennen, die zum Empfangen von Signalen verwendet werden. Die Sende- und Empfangsantennen können die gleiche Art von Polarisationen oder unterschiedliche Arten von Polarisation verwenden. Die vorliegende Erfindung umfaßt Antennenarrays (Empfang und Übertragung), die eine beliebige Kombination unterschiedlicher Polarisationen in Gruppen innerhalb eines Arrays verwenden.
Die erste Gruppe (101) umfaßt ein erstes Paar von Antennen (Antennen 102 und 104) und ein zweites Paar von Antennen (Antennen 106 und 108). Man beachte, daß jede Antenne mehrere Antennenelemente aufweist. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf irgendeine bestimmte Anzahl von in jeder Antenne enthaltenen Antennenarrays beschränkt. Somit wird lediglich zu Veranschaulichungszwecken die Antenne 102 mit drei Antennenelementen gezeigt, nämlich den Antennenelementen 102a, 102b und 102c. Die Antenne 104 weist Antennenelemente 104a, 104b und 104c auf. Analog weist in dem zweiten Paar der ersten Gruppe die Antenne 106 Antennenelemente 106a, 106b und 106c und die Antenne 108 Antennenelemente 108a, 108b und 108c auf.
Jedes Antennenpaar in jeder Gruppe weist orthogonal polarisierte Antennen auf. Somit sind bei Gruppe 101 alle Antennenelemente der Antenne 102 horizontal polarisiert, während alle Antennenelemente der Antenne 104 vertikal polarisiert sind. Analog sind Antennenelemente der Antenne 106 horizontal polarisiert und Antennenelemente der Antenne 108 sind vertikal polarisiert. Es ist wohlbekannt, daß in einer Mehrwegumgebung übertragene Signale von orthogonal polarisierten Antennen (ungeachtet der jeweiligen Abstände zwischen den orthogonal polarisierten Antennen) zueinander keine Korrelation aufweisen. Bei der verwendeten Polarisation kann es sich entweder um eine Linearpolarisation (d.h. vertikal/horizontal oder ±45°), Zirkularpolarisation (d.h. rechts oder links) oder irgendwelche anderen wohlbekannten Polarisationstechniken handeln. Ähnlich polarisierte Antennen sind Antennen, deren Polarisationsorientierungen gleich oder im wesentlichen gleich sind, zum Beispiel zwei vertikal polarisierte Antennen oder zwei rechts zirkular polarisierte Antennen. Die erste Gruppe von Antennen ist innerhalb einer als Radom bezeichneten Hülle 100 eingeschlossen.
Das Antennenarray der vorliegenden Erfindung ist weiterhin so konfiguriert, daß ähnlich polarisierte Antennen innerhalb einer Gruppe zueinander derart positioniert sind, daß sie Signale übertragen (oder empfangen) können, die hoch korreliert sind, um Strahlform-/-lenk-Operationen zu gestatten. Beispielsweise sind in Gruppe 101 die Antennen 102 und 106 oder die Antennen 104 und 108 so positioniert, daß sie bei Auswahl und Aktivierung relativ hoch korrelierte Signale übertragen (oder empfangen). Eine aktivierte Antenne bezeichnet eine Antenne, die Kommunikationssignale entweder überträgt oder empfängt.
Bevorzugt beträgt der Abstand, der ähnlich polarisierte Antennen trennt,
oder weniger. Es sei jedoch angemerkt, daß das Antennenarray der vorliegenden Erfindung nicht auf ähnlich polarisierte Antennen (innerhalb einer Gruppe von Antennen) beschränkt ist, die in einem Abstand von
voneinander positioniert sind. Der Abstand zwischen ähnlich polarisierten Antennen kann größer oder kleiner als
sein, er braucht nicht genau
zu betragen.
Die erste Gruppe von Antennen weist Schalter 120 und 122 auf, die so positioniert sind, daß sie eine der Antennen in jedem der Antennenpaare wählen. Die gewählte Antenne wird somit von einem Signal aktiviert, das im Weg 130 liegt, der dem Schalter 120 entspricht, oder dem Weg 132 entsprechend dem Schalter 122. Die Schalter werden entweder elektronisch, elektrisch oder elektromechanisch durch Mittel betrieben, die dem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Erfindung gehört, wohlbekannt sind. Beispielsweise bewirkt ein Signal im Weg 138, daß der Schalter 120 in die Position A oder B und Schalter 122 in die Position C oder D gesetzt wird. Eine Signalquellen-/-steuerschaltung 128 umfaßt wohlbekannte Sigalverarbeitungs-, -übertragungs- und/oder -empfangsschaltungen zum Erzeugen ähnlicher oder unterschiedlicher Signale-(auf den Wegen 130, 132, 134 und 136) je nach dem Modus, in dem die Gruppen arbeiten, wodurch die gewählten Antennen aktiviert werden. Beispielsweise kann die Signalquellen-/-steuerschaltung 128 das Funk- und Verarbeitungsgerät sein, das in der Regel an einer Basisstation eines Funkkommunikationsnetzes verwendet wird. Die Signalquellen-/-steuerschaltung 128 umfaßt außerdem eine Steuerschaltung, die, wenn betätigt, bewirkt, daß die Schalter 120, 122, 124 und 126 in bestimmte Positionen gesetzt werden, damit die Gruppen von Antennen entweder in Strahlform-/-lenkmodus, dem MIMO-Modus, dem Diversitätsmodus oder einer beliebigen Kombination betrieben werden.
Die Signalquelle-/-steuerschaltung 128 kann zusammen mit den Schaltern (120, 122, 124 und 126) so ausgelegt sein, daß sie auf den Wegen 130, 132, 134 und 136 erscheinende Signale so lenkt, daß sie auf der Basis von Charakteristiken der Signale automatisch zu bestimmten Antennen gelenkt werden, so daß jede Gruppe in dem Antennenarray in einem der drei Modi arbeiten kann. Mit anderen Worten können die Schalter so ausgelegt sein, daß sie auf der Basis der Charakteristiken der auf den Wegen 130–136 erscheinenden Signale eine Sebstlenkung durchführen. Es sei beispielsweise angenommen, daß das Antennenarray von 1 Teil eines Geräts ist, das in einem Zeitmultiplexzugriffs-(TDMA – Time Division Multiple Access)-Kommunikationsnetz eingesetzt wird, das einigen Teilnehmern Sprachdienste (d.h. Übertragung und Empfang von Sprachsignalen) und anderen Teilnehmern Datendienste (d.h. Übertragung und Empfang von digitalen Informationen) bereitstellt. Es wird gestattet, daß Sprachsignale während bestimmter deutlicher Zeitschlitze übertragen werden, während Datensignale während anderer deutlicher Zeitschlitze übertragen werden. In der Regel ist die Strahlformung/-lenkung eine erwünschte Operation zur Durchführung an Sprachsignalen, während Diversitäts- und/oder MIMO-Operationen für Datensignale wünschenswert sind. Deshalb können die Schalter (120–126) und die Signalquellen-/-steuerschaltung 128 so ausgelegt sein, daß sie die Charakteristik (z.B. zugeteilten Schlitz) von zu übertragenden (oder empfangenden) Signalen bestimmen und Sprachsignale zu einer oder mehreren Antennengruppen lenken, deren Antennen so aktiviert werden, daß solche Gruppen Strahlform-/-lenkoperationen durchführen, und Datensignale zu Antennengruppen lenken, deren Antennen so aktiviert werden, daß sie Diversitäts- oder MIMO-Operationen durchführen. Auf ähnliche Weise können andere Selbstlenkmechanismen (z.B. Codemultiplex) ausgelegt werden, um spezifische Signale zu einem spezifischen Satz von Antennen (um einen Modus einzusetzen) zu lenken, während gleichzeitig ein anderer Satz von Signalen zu einem anderen Satz von Antennen gelenkt wird (um einen anderen Modus einzusetzen).
Die Signale können auf eine von zwei Weisen bestimmt und gelenkt werden. Eine Weise besteht darin, daß die Signalquellen-/-steuerschaltung 128 (auf der Basis von Signalcharakteristiken) den auf den Wegen 130, 132, 134 oder 136 erscheinenden Signaltyp bestimmt und auf den Wegen 138 und 140 Steuersignale erzeugt, um die Schalter in bestimmte Positionen zu setzen, wodurch die von dem Antennenarray zu übertragenden und/oder empfangenden Signale zu bestimmten Antennen in bestimmten Gruppen gelenkt werden, wodurch die jeweiligen Antennengruppen entweder im MIMO-, Diversitäts- oder Strahlform-/-lenkmodus oder einer beliebigen Kombination arbeiten können. Obwohl in 1 und 2 nicht gezeigt, besteht eine andere Möglichkeit darin, daß die Schalter selbst die Signale (auf den Wegen 130, 132, 134 und 136) auf der Basis der Charakteristiken (z.B. Frequenzgehalt, Amplitude, Phase, Code, Zeitschlitz) der Signale lenken. Somit können die Schalter so ausgelegt sein, daß sie in der Lage sind, die (zu übertragenden oder empfangenen) Signale zu verarbeiten, die Charakteristiken der Signale zu bestimmen und die Signale entsprechend zu lenken, damit das Antennenarray der vorliegenden Erfindung in einem beliebigen der drei Modi oder in einer beliebigen Kombination der drei Modi arbeiten kann.
Andere Signalcharakteristiken, die verwendet werden können, hängen von der Art von Kommunikationsnetz ab, für das die Signalquellen-/-steuerschaltung 128 verwendet wird. Beispielsweise bei Codemultiplexzugriffs- (CDMA – Code Division Multiple Access)-Netzen wird jedem einem bestimmten Teilnehmer zugeordnetes Signal ein eigener Code zugewiesen; ermittelt werden kann der Code durch entsprechende Verarbeitung des zu übertragenden und/oder empfangenen Signals. Je nach dem Wert des Codes können die Schalter so ausgelegt sein, daß sie Signale mit bestimmten Codewerten zu einer bestimmten Antennengruppe oder zu bestimmten Antennengruppen lenken, die eine dem Codewert zugeordnete Operation durchführen (d.h. MIMO, Diversität oder Strahlformung-/-lenkung). Analog können die Schalter für Frequenzvielfachzugriffs-(FDMA – Frequency Division Multiple Access)-Netze, die Zugriff zu bestimmten Signalen auf der Basis dessen bereitstellen, auf welchem Frequenzspektrum sich die Signale befinden, die Signale zu bestimmten Antennen in bestimmten Gruppen lenken, damit diese Gruppen in einem beliebigen der drei Modi arbeiten können.
Weiterhin können die Schalter so ausgelegt sein, daß sie Signale so lenken, daß bestimmte Gruppen in dem Anntennenarray in einem beliebigen der drei Modi auf der Basis der den Signalen zugeordneten Dienste arbeiten können. Beispielsweise liefern Kommunikationsnetze gleichzeitig Sprachdienste und Datendienste an Teilnehmer. Jedes Signal von einem Teilnehmer ist einem bestimmten Dienst zugeordnet. Die Schalter können so ausgelegt sein, daß sie den Dienst bestimmen, der einem Signal zugeordnet ist, und die Signale entsprechend lenken, damit bestimmte Gruppen von Antennen in dem Antennenarray solche Signale durch MIMO-, Diversitäts- oder Strahlform-/-lenkoperationen verarbeiten können.
Weiterhin unter Bezugnahme auf die erste Gruppe kann diese, wenn der Schalter 120 in Position A und Schalter 122 in Position C gesetzt ist, zwischen den Signalen auf den Wegen 130 und 132 eine Strahlformung/-lenkung durchführen, da beide Signale durch die Antennen 102 bzw. 106 ähnlich polarisiert werden (beide horizontal polarisiert). Die Strahlformung/-lenkung für die erste Gruppe kann auch dadurch erzielt werden, daß Schalter 120 in Position B und Schalter 122 in Position D gesetzt wird, wobei dann die Antennen 108 und 104 von Signalen auf den Wegen 130 und 132 ausgewählt und aktiviert werden. Das Wählen ähnlich polarisierter Antennen aus einer Gruppe von Antennen gestattet deshalb, daß die ausgewählten Antennen die Strahlform-/-lenkoperation durchführen, wenn sie aktiviert sind.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die zweite der Gruppe (103) von Antennen mit orthogonal polarisierten Antennenpaaren 112, 114 und 116, 118, die alle jeweils drei Antennenelemente umfassen (d.h. 122a–c, 114a–c, 116a–c und 118a–c). Alle der Antennen in der zweiten Gruppe sind innerhalb des Radoms 110 angeordnet. Die zweite Gruppe (103) ist bezüglich der ersten Gruppe derart positioniert, daß Signale von einer beliebigen Antenne in der zweiten Gruppe nicht mit irgendwelchen Signalen von einer beliebigen Antenne in der ersten Gruppe korrelieren. Dementsprechend ist die zweite Gruppe von Antennen bevorzugt in einer Entfernung von mindestens 10λ von der ersten Gruppe angeordnet. Mit anderen Worten ist jede Antenne in der ersten Gruppe in einer Entfernung von mindestens 10λ von einer beliebigen Antenne in der zweiten Gruppe angeordnet. Auf diese Weise kann die erste Gruppe eine Strahlformung/-lenkung vornehmen, während die zweite Gruppe MIMO-(oder Diversitäts-)-Operationen vornehmen kann, oder umgekehrt. Alternativ können beide Gruppen MIMO-Operationen oder Strahlform-/-lenkoperationen durchführen oder beide Gruppen können Diversitätsoperationen durchführen. Der Fachmann versteht ohne weiteres, daß die Entfernung zwischen Antennengruppen nicht auf 10λ beschränkt ist; es können andere Entfernungen (z.B. 5λ, 6λ, 15λ) verwendet werden, um eine Dekorrelation zwischen Signalen von verschiedenen Gruppen auf der Basis der Ausbreitungsumgebung zu erzielen. Deshalb ist das Antennenarray der vorliegenden Erfindung nicht auf ein Antennenarray beschränkt, bei dem die Antennengruppen mit einem Abstand von 10λ voneinander angeordnet sind.
Die Antennengruppe 103 arbeitet auf die gleiche Weise wie die Antennengruppe 101. Wenn insbesondere die zweite Gruppe in einem MIMO-Modus (oder Diversitätsmodus) arbeitet, wird der Schalter 124 auf Position E gesetzt, während der Schalter 126 auf Position H gesetzt wird. Außerdem arbeitet die zweite Gruppe in einem MIMO-Modus (oder Diversitätsmodus), wenn der Schalter 124 auf Position F gesetzt ist, während der Schalter 126 auf Position G gesetzt ist. Die Schalter 124 und 126 sind auf die gleiche Weise ausgelegt und arbeiten auf die gleiche Weise wie die Schalter 120 und 122. Beispielsweise können die Schalter 124 und 126 durch ein Steuersignal auf dem Weg 140 betätigt werden, oder sie können die Charakteristiken von Signalen auf den Wegen 134 und 136 bestimmen und die Antennen in der Gruppe 103 aktivieren, in einem der drei Modi (d.h. MIMO, Diversität oder Strahlformung/-lenkung) zu arbeiten, indem die (zu übertragenden oder empfangenen) Signale zu bestimmten Antennen in der Gruppe 103 gelenkt werden. Die Gruppe 103 arbeitet im Strahlform-/-lenkmodus, wenn die Schalter 124 und 126 in die Positionen E (oder F) bzw. G (oder H) gesetzt sind. Die Antennen der zweiten Gruppe werden wie in der ersten Gruppe aktiviert, d.h., wenn auf den Wegen 134 und 136 Signale vorliegen. Es versteht sich ohne weiteres, daß nicht alle der Antennen aus allen Gruppen des Antennenarrays aktiviert werden müssen. Strahlform-/-lenk-, Diversitäts- und/oder MIMO-Operationen können in einem Array durchgeführt werden, wenn einige Antennen in bestimmten Gruppen nicht aktiviert sind oder wenn alle Antennen in bestimmten Gruppen nicht aktiviert sind.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 2 wird eine alternative Konfiguration für eine Antennengruppe gezeigt. Die Antennen 202, 204 und 206 befinden sich innerhalb des Radoms 200. Jede Antenne weist drei Antennenelemente auf; Antenne 202 weist Antennenelemente 202a, 202b und 202c auf. Die Antenne 204 weist Antennenelemente 204a, 204b und 204c auf. Die Antenne 206 weist Antennenelemente 206a, 206b und 206c auf. Der Schalter 208 kann entweder in Position J oder K gesetzt werden, um die Antenne 202 oder 204 auszuwählen. Die Antenne 206 ist permanent an den Weg 232 gekoppelt. Die Antenne 206 ist ähnlich wie Antenne 204 polarisiert. Wenn der Schalter 208 in Position K gesetzt wird, führt somit die vom Radom 200 umschlossene Antennengruppe bei Signalen auf den Wegen 230 und 232 Strahllenkoperationen durch. Die Wege 230, 232 und 238 sind an nicht gezeigte Schaltungen gekoppelt, die Kommunikationssignale und Steuersignale erzeugen. Die Steuersignale werden auf den Weg 238 gegeben, um den Schalter 208 zu betätigen. Wenn der Schalter 208 in Position J gesetzt ist, arbeitet die Antennengruppe in einem MIMO-Modus oder in einem Diversitätsmodus. Der Schalter 208 kann auch so ausgelegt sein, daß er auf die gleiche Weise wie die Schalter 120–126 von 1 eine Selbstlenkung durchführt.

Claims

Antennenarray, das folgendes umfaßt: mindestens zwei Gruppen (101, 103) von Antennen, wobei jede Gruppe mindestens ein Paar von Antennen (102 und 104; 112 und 114; 202 und 204) und mindestens eine andere Antenne (106 und 108; 116 und 118; 206) umfaßt, wobei jedes Paar orthogonal polarisierte Antennen aufweist und mindestens eine Antenne von dem mindestens einen Paar in jeder Gruppe ähnlich polarisiert ist zu mindestens einer Antenne der mindestens einen weiteren Antenne in der gleichen Gruppe; dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenarray weiterhin folgendes umfaßt: Verknüpfungsschaltungen (128, 120, 122, 124, 126, 208), die an jede des mindestens einen Paars von Antennen in jeder der mindestens zwei Gruppen gekoppelt sind, zum Wählen und Aktivieren bestimmter Antennen in den mindestens zwei Gruppen auf der Basis von Charakteristiken von Signalen, die von dem Antennenarray übertragen werden sollen und/oder empfangen werden, wodurch jede der mindestens zwei Gruppen in dem Antennenarray separat an verschiedenen Signalen entweder in einem Strahlform-/-lenkmodus, einem MIMO-Modus oder einem Diversity-Modus arbeiten kann.
Antennenarray nach Anspruch 1, wobei in mindestens einer der Gruppen von Antennen die mindestens eine andere Antenne ein zweites Paar von Antennen (106 und 108; 116 und 118) umfaßt, das orthogonal polarisierte Antennen aufweist, wobei jede Antenne in dem zweiten Paar ähnlich zu einer anderen der Antennen in dem anderen Paar der gleichen Gruppe polarisiert ist und die Verknüpfungsschaltung an ein zweites Paar gekoppelt ist.
Antennenarray nach Anspruch 1, wobei in jeder Gruppe das mindestens eine Antennenpaar und die mindestens andere Antenne um eine Entfernung von
getrennt sind, wobei λ gleich
ist, wobei c eine mathematische Konstante ist, die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum darstellt, und f eine Frequenz darstellt, bei der die mindestens zwei Antennenpaare arbeiten.
Antennenarray nach Anspruch 1, wobei jede Antenne in einer ersten Gruppe in einer Entfernung von 10λ von einer beliebigen Antenne in einer anderen Gruppe positioniert ist, wobei λ gleich
ist, wobei c eine Konstante ist, die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum darstellt, und f eine Frequenz darstellt, bei der die Antennenpaare in der Gruppe arbeiten.
Antennenarray nach Anspruch 1, wobei die Schaltung mindestens zwei ähnlich polarisierte Antennen in mindestens einer der Gruppen wählt und aktiviert, damit mindestens eine Gruppe in dem Strahlform-/-lenkmodus arbeiten kann.
Antennenarray nach Anspruch 5, wobei der Strahlform-/-lenkmodus ein Steered-STS-Modus ist.
Antennenarray nach Anspruch 1, wobei die Schaltung mindestens zwei orthogonal polarisierte Antennen in mindestens einer der Gruppen wählt und aktiviert, damit mindestens eine Gruppe in dem MIMO-Modus arbeiten kann.
Antennenarray nach Anspruch 7, wobei der MIMO-Modus ein BLAST-Modus ist.
Antennenarray nach Anspruch 1, wobei die Schaltung mindestens zwei orthogonal polarisierte Antennen in mindestens einer der Gruppen wählt und aktiviert, damit mindestens eine Gruppe in dem Diversity-Modus arbeiten kann.
Antennenarray nach Anspruch 1, wobei die Antennen in mindestens einer der Gruppen bei einer Frequenz oder in einem gleichen Bereich von Frequenzen arbeiten.