DE60131396T2 - Adaptive antennengruppe - Google Patents

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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B7/02Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
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    • H04B7/0602Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using antenna switching
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2605Array of radiating elements provided with a feedback control over the element weights, e.g. adaptive arrays
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine adaptive Antennengruppe und ein Verfahren zur Steuerung ihre Betriebs. Die vorliegende Erfindung ist im Besonderen, aber nicht ausschließlich, auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Maximierung einer Dienstqualität (QoS) für eine Teilnehmereinheit in einem mobilen drahtlosen Telekommsystem anwendbar. Die vorliegende Erfindung ist weiterhin im Besonderen auf eine betriebsbedingte Verwendung einer adaptiven Antennengruppe während des Aufbaus einer Verbindung zu einer Teilnehmereinheit anwendbar, obwohl sie dynamisch in einem Incall-Szenario angewendet werden kann.
  • Zusammenfassung des Standes der Technik
  • Strahlenbündelbildende adaptive Antennenarchitekturen stellen ein direktionales Abwärtsstrahlenbündel basierend auf Informationen zur Verfügung, die von Aufwärtsstrahlenbündelmessungen abgeleitet werden. Ein erreichbares Maß an Vorhersagegenauigkeit eines Abwärtsschätzwertes begrenzt die Kapazität und Frequenzwiederverwendung, die durch ein beliebiges adaptives Antennennetzwerk erreicht werden kann, da der Basisstation, bei der das Antennennetzwerk angeordnet ist, kein expliziter Abwärtskanalschätzwert zur Verfügung steht. Im Besonderen können der Aufwärtskanal und der Abwärtskanal momentan, oder für kurze Perioden, verschiedenen Ausbreitungsbedingungen unterliegen (wie zum Beispiel einer Mehrpfadausbreitung, Fading und dergleichen). Folglich erscheint jeder Schätzwert bezüglich einer direktionalen oder Winkelverschiebung einer Teilnehmereinheit relativ zu einer Antennengruppe, die von solchen gemessenen Kanalinformationen abhängt, unterschiedlich. In der Praxis verfügt die abgeschätzte Richtung einer Teilnehmereinheit (zum Beispiel einer Mobilstation) daher über einen zugeordneten direktionalen Aufwärtsverbindung-zu-Abwärtsverbindung-Fehler (θe), weil die Aufwärtsverbindung und die Abwärtsverbindung nicht den selben Ausbreitungsbedingungen unterliegen, wenn die Aufwärts- und Abwärtsträgerfrequenzen getrennt sind.
  • Mit der Zeit jedoch verursacht ein statistischer Mittelungseffekt zwischen der Aufwärtsverbindung und der Abwärtsverbindung eine Konvergenz von Ankunftsrichtungs/Ankunftswinkel-Schätzwerten, die von physikalisch verschiedenen Pfaden abgeleitet werden (typischerweise durch verschiedene Trägerfrequenzen unterstützt). Tatsächlich wird der direktionale Aufwärtsschätzwert, in den meisten existierenden Systemen und angesichts dieses Konvergenzphänomens, angesichts der Unsicherheit des Vorhandenseins ir gendeiner Korrelation zwischen den Aufwärts- und Abwärtsschätzwerten während des ganzen Anrufs verwendet.
  • Im Allgemeinen wird, um einen direktionalen Abwärtsschätzwert zu erhalten, ein Aufwärtssignal so verarbeitet, dass bestimmte Parameter, wie zum Beispiel die Kanal (im Besonderen Träger)-zu-Störung-Verhältnisse (C/(I + N)), optimiert werden. Dieses direktionale Verarbeiten kann durch ein selektives Kombinieren von all den verschiedenen Antennenelementen in der Gruppe, bis eine optimale Kombination gefunden ist, erreicht werden. Bestimmte bevorzugte oder voreingestellte Algorithmuskombinationen, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, werden zur Bestimmung der grundsätzlichen Richtung (θu) der Aufwärtsverbindung für die infrage kommende Mobilstation verwendet. Dann, nachdem die grundsätzliche Richtung, das heißt der Ankunftswinkel, eingerichtet ist, wird die Energie in dem Abwärtsstrahlenbündel in Richtung einer abgeschätzten Abwärtsrichtung (θd) der Teilnehmereinheit gelenkt, unabhängig von der tatsächlichen Richtung des Teilnehmers relativ zu der Antennengruppe. Ein Lenken baut daher darauf, aus einer hinreichenden statistischen Mittelung in dem Aufwärts- und Abwärtsmehrfachpfad zu begünstigen, dass die physikalischen und Radiofrequenzrichtungen äquivalent sind.
  • Lenken kann durch Bestimmen des festen Strahlenbündels für einen Butler-Strahlenbündelbildner, oder durch Bestimmen der adaptiven Gewichte für einen Basisband-Strahlenbildner erreicht werden.
  • Als ein spezifischeres Beispiel, kümmert sich ein Richtungsfindungssuchregime in der Basisstation um eine momentan, oder über die Zeit gemittelt, gemessene Aufwärtsrichtungsmetrik, um sie als eine Basis für einen direktio nalen Abwärtsschätzwert zu verwenden. Ein Problem bei diesem Verfahren besteht darin, dass es zu einer dramatischen Änderung der abgeschätzten Richtung in aufeinanderfolgenden grundsätzlichen Abwärtsschätzwerten führen kann. Im Besonderen können Versuche, eine sich bewegende Mobileinheit unter Verwendung solcher momentanen Schnappschüsse zu verfolgen, unwirksam und/oder komplex (das heißt, verarbeitungsintensiv) sein, weil der Aufwärtsverbindung-zu-Abwärtsverbindung-Fehler eine Funktion der Geschwindigkeit und der Ausbreitungsbedingungen der mobilen Einheit ist.
  • Obwohl adaptive Antennen im Allgemeinen eine Gleichkanalstörung in einem Antennennetzwerk verringern, wenn die direktionalen Aufwärts- und Abwärtsschätzwerte die selben wie die Abwärtsrichtung sind, verursacht jeder Fehler zwischen der tatsächlichen Abwärtsrichtung und den Abwärtsschätzwerten eine signifikante Verringerung in dem C/(I + N) und eine Zunahme der Gesamtsystemstörung. Schlimmstenfalls könnte ein schmaler Strahlenbündelabwärtsträger in einer dem tatsächlichen Standort einer Teilnehmereinheit entgegengesetzten Richtung ausgerichtet sein. In diesem Fall stellt die Teilnehmereinheit (in konventioneller Art und Weise) einen Bericht an die Basisstation zur Verfügung, der eine schlechte QoS (oder einen Misserfolg, eine erwartete Übertragung zu empfangen) anzeigt. Da das System im Allgemeinen auf einer störungsbegrenzten Basis arbeitet, erhöht die Basisstation die Leistung in einer nachfolgenden Schmalstrahlenbündelübertragung an die Teilnehmereinheit; dieser Anstieg der Leistung wird wahrgenommen/konstruiert, um eine QoS für die Teilnehmereinheit zu verbessern. Die in dem Schmalstrahlenbündel verwendete erhöhte Leistung verfügt daher über eine erhöhte Reichweite und somit verur sacht die in der Abwärtsverbindung verwendete Trägerfrequenz ein Nachbarstottern (das heißt, eine Gleichkanal- und/oder Nachbarkanalstörung) in einer benachbarten Zelle.
  • Sogar mit einem nun erhöhten Leistungspegel in der Schmalstrahlenbündelabwärtsübertragung kann es sein, dass die adressierte Teilnehmerstation immer noch eine unzulässig niedrige QoS registriert und somit fordert der Teilnehmer, dadurch, dass er die niedrige QoS meldet (sei es eine empfangene Signalstärke, eine Bitfehlerrate, oder dergleichen) wieder wirksam einen verbesserten Dienst an. Wenn die Basisstation nicht in der Lage ist, eine physikalische Verschiebung der adressierten Teilnehmereinheit aufzulösen (auch, wenn durch einen Timingvorlauf abgeleitet), erhöht die Basisstation wieder die Leistung in ihrer nachfolgenden Abwärtssübertragung an die Teilnehmereinheit. Darüber hinaus ist es wahrscheinlich, dass die Abwärtsübertragung mit erhöhter Leistung noch immer direktional falsch ist, da es sein kann, dass noch keine direktionale Konvergenz zwischen den Aufwärts- und den Abwärtsschätzwerten stattgefunden hat. Die erhöhte Leistung in dem Träger reicht sogar in mindestens die nächste benachbarte Zelle weiter und vielleicht darüber hinaus. Daher wird die Abwärtsleistung, die in einem ursprünglichen Schmalstrahlenbündel konzentriert ist, bei einem bestimmten Punkt zu einem signifikanten Problem, weil mit einer ständig zunehmenden radialen Verschiebung der von dem Schmalstrahlenbündel versorgte Bereich zunimmt. Die Systemstörung nimmt daher zu, weil die Leistung in dem Schmalstrahlenbündel agiert, um die Beeinträchtigungen einer Signalabschwächung zu kompensieren.
  • Mit anderen Worten, wenn die Abwärtsrichtung falsch abgeschätzt wird, führt ein Betrieb des Systems, um eine QoS zu maximieren/verbessern, dazu, dass mehr Leistung in eine falsche Richtung gelenkt wird, wodurch Systemstörungen (als Ganzes) zunehmen, bis eine direktionale Abwärts- und Aufwärtsabschätzungskonvergenz auftritt. Bei diesem Punkt einer Konvergenz braucht der Basisstationstransceiver (BTS) nur eine niedrigere Leistung zu übertragen, damit die mobile Vorrichtung ihre gewünschte QoS erreicht; dies liegt an einer Aperturverstärkung.
  • Ein Beispiel eines Systems zur Steuerung eines Abwärtsstrahlenbündels wird in der britischen Patentanmeldung GB 2 337 171 A präsentiert, die ein System beschreibt, in dem unabhängige Aufwärtsrichtungsschätzwerte von einer Mehrzahl von Antennengruppen verwendet werden, um ein Abwärtsstrahlenbündel zu steuern.
  • Die mit einer Störung in zellularen Kommunikationssystemen verknüpften Probleme und die Fragen, die in einem zellularen System zu berücksichtigen sind, das eine Frequenzwiederverwendung einsetzt, werden im Allgemeinen in dem folgenden Lehrbuch beschrieben: "The Global System for Mobile Communications" von Michel Mouly und Marie-Bernadette Pautet, Seiten 599 bis 601.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine adaptive Antennenanordnung zur Erzeugung eines Abwärtsstrahlenbündels gemäß Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform spricht die Steuerung betriebsbedingt auf Dienstqualitätsmetriken des Abwärtsstrahlenbündels an, wobei die Steuerung geeignet ist, um die Strahlenbündelbreite in Abhängigkeit von den Dienst qualitätsmetriken zu variieren. Darüber hinaus ist die Steuerung im Allgemeinen geeignet, um die Strahlenbündelbreite in Abhängigkeit von relativen Variationen der Dienstqualitätsmetriken zu variieren.
  • Es ist klar, dass bestimmte Merkmale der verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen unabhängig, oder in Kombination, ausgeführt werden können, um einen verbesserten Betrieb und einen verbesserten Entscheidungsfindungsprozess zur Verfügung zu stellen.
  • In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung einer Abwärtskommunikation von einer adaptiven Antennenanordnung an eine Teilnehmereinheit gemäß Anspruch 11 zur Verfügung gestellt.
  • In einer bestimmten Ausführungsform umfasst eine adaptive Antennengruppe eine Mehrzahl von Antennenelementen, die auf Aufwärtskommunikationen ansprechen und geeignet sind, um direktional ausgerichtete Abwärtskommunikationen an Teilnehmereinheiten zu unterstützen. Die adaptive Antennengruppe spricht betriebsbedingt auf einen Signalprozessor an, der mit einer Ankunftsrichtungsabschätzungslogik zusammenarbeitet, um einen Ankunftswinkel von Aufwärtskommunikationen abzuschätzen, die auf die Gruppe einfallen. Um Störungen zwischen Zellen zu vermeiden, im Besonderen während früher Stufen eines Anrufes, arbeitet der Signalprozessor, um sicherzustellen, dass ein Großraumabwärtsstrahlenbündel für einen Abwärtspfad an eine adressierte Teilnehmereinheit zur Verfügung gestellt wird. Mit der Zeit und/oder gemeldeten Abwärtsdienstqualitätsmetriken (QoS = Dienstqualität) reguliert der Signalprozessor eine Breite des Abwärtsstrahlenbündels durch Ändern der Anzahl von Antennenelementen, die verwendet werden, um das Abwärtsstrahlenbündel zu un terstützen, wodurch die Abwärtsstrahlenbündelapertur geändert wird. Im Allgemeinen werden mit der Zeit mehr Antennenelemente verwendet und somit wird das Strahlenbündel verengt, obwohl sich der Signalprozessor dadurch, dass er durch ein Schalten von Antennenelementen entweder in die adaptive Antennengruppe oder aus der adaptiven Antennengruppe die Breite des Abwärtsstrahlenbündels verengt beziehungsweise verbreitert, dynamisch mit Incall-Fluktuationen in einer Abwärtsdienstqualität befasst.
  • Vorteilhafterweise befasst sich eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Störungsproblemen, die im Besonderen während Aufbauverfahren eines Anrufs an eine Teilnehmereinheit (im Besonderen eine mobile Einheit) von einer adaptiven Antennengruppe vorkommen. Die vorliegende Erfindung stellt durch Bereitstellen eines Großraumstrahlenbündels, das über einen Leistungspegel verfügt, der dem Versorgungsbereich, der durch die adaptive Antennengruppe versorgt wird, angemessen ist, wirksam eine garantierte minimale Dienstqualität (QoS) bei einem Anrufaufbau sicher. Das Strahlenbündel wird dann mit der Zeit und/oder der QoS verengt, um das System in eine störungsbegrenzte Umgebung zu bewegen, während eine garantierte Dienstqualität für die Teilnehmereinheit gesucht wird.
  • Die vorliegende Erfindung stellt durch ein Annehmen eines größten anzunehmenden Unfalls, wenn die Abwärtskommunikation initiiert wird, eine bessere Übertragung des Aufwärtsschätzwertes zu dem Abwärtsschätzwert zur Verfügung. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in Abhängigkeit von den sich ändernden Ausbreitungsbedingungen, aufgrund zum Beispiel der Bewegung einer Mobilstation, die Abwärtsverbindung anhaltend überwacht werden kann und folg lich eine Optimierung der Abwärtskommunikation (hinsichtlich Strahlenbündelbreite und Leistungssteuerung) während eines Anrufs dynamisch bewerkstelligt werden kann (zum Beispiel basierend auf einer QoS).
  • Der Prozess der vorliegenden Erfindung stellt vorteilhafter weise sicher, dass die gemessenen QoS-Dienste, oder der gemessene QoS-Dienst, die, beziehungsweise der, als eine Metrik verwendet werden, durch Variieren der Antennenaperturgröße maximiert werden, anstatt durch den zeitaufwendigeren Prozess, zu versuchen, die beste Abwärtsverbindung zu verfolgen oder zu finden. Die vorliegende Erfindung stellt daher einen sehr einfachen Verfolgungsalgorithmus zur Verfügung, der wesentlich stabiler als ein konventioneller Such-/Verfolgungsalgorithmus ist. Zusätzlich verwendet der Algorithmus der vorliegenden Erfindung einen mittleren Schätzwert des Abwärtskanals, da das Strahlenbündel bloß verbreitert oder verengt wird, und gleicht die sich dramatisch ändernden Schätzwerte aus, die mit einem Verfolgungsalgorithmus erhalten werden können.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung zeigt sich in Situationen, in denen sonst Gleichkanalstörungen auf die QoS der Abwärtskommunikation einwirken. Wo alle Basisstationen adaptive Antennengruppen und Netzwerke gemäß der Erfindung einsetzen, tauschen alle die Basisstationen den Kanal gegen die Störung aus. Ein Erhöhen der Apertur des Strahlenbündels verringert die Chancen Richtungsabschätzungsfehlern zu begegnen, aber erhöht die Störungen, die durch die Gleichkanalmobilvorrichtung gesehen werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungen der Erfindung werden unten nur beispielhaft mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben:
  • 1 stellt Schwankungen in einem direktionalen Aufwärtsschätzwert und dem direktionalen Abwärtsschätzwert mit der Zeit dar;
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm eines adaptiven Antennennetzwerkes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
  • 3a zeigt ein Flussdiagramm von bevorzugten Schritten, die durch eine Steuerlogik ausgeführt werden, wenn eine Kommunikation initiiert wird;
  • 3b zeigt ein Flussdiagramm von bevorzugten Schritten, die durch eine Steuerlogik während einer Kommunikation ausgeführt werden.
  • Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
  • Es wird auf 1 Bezug genommen, darin wird eine graphische Darstellung gezeigt, wie direktionale Schätzwerte für Aufwärts- und Abwärtspfade mit der Zeit schwanken und schließlich konvergieren. Die x-Achse (das heißt, die Abszisse) stellt eine Mittelungsperiode und die y-Achse (das heißt, die Ordinate) stellt Schätzwerte des grundsätzlichen Aufwärts- und Abwärtsrichtungswinkels, θ, dar. Wie ersichtlich, können die direktionalen Aufwärts- und Abwärtsschätzwerte für sehr kurze Mittelungszeiten (das heißt, die Punkte in Richtung der linken Seite der x-Achse der Abbildung) weitgehend verschieden sein. Diese Unterschiede ergeben sich aus den verschiedenen physikalischen (und im Wesentlichen momentanen) Ausbreitungspfaden von der Basisstation (das heißt, der Antennengruppe) zu der Teilnehmereinheit und umgekehrt, wobei diese unterschiedlichen Ausbreitungspfade zum Teil einem beliebigen Unterschied in der Trägerfrequenz zuschreibbar sind, die verwendet wird, um die Aufwärts- und die Abwärtskanäle zu unterstützen. Da entweder die Mittelungsperiode oder die Zeit heraufgesetzt werden (dargestellt durch eine Bewegung in Richtung der rechten Seite der x-Achse von 1), beginnen die mittleren direktionalen Schätzwerte für die Aufwärts- und die Abwärtsverbindung in Richtung einer stabilen Richtung zu konvergieren. Das heißt, die Aufwärts- und die Abwärtsrichtungen sind die selben, wenn sie über eine ausreichende Zeit gemittelt werden, und befassen sich daher mit Schwankungen (und gleichen sie somit aus) in dem grundsätzlichen Richtungswinkel, der zum Beispiel durch irgend einen Duplexfrequenzunterschied in einem FDM-System oder dergleichen verursacht wird (FDM = Frequenzmultiplexverfahren).
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines adaptiven Antennennetzwerkes 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Eine Mehrzahl von Antennenelementen 12a12k, die vorzugsweise für eine maximale Aperturverstärkung um halbe Wellenlängen physikalisch getrennt sind, bildt einen Teil der adaptiven Antennengruppe 14, der auf die Aufwärtsübertragungen 16a16k anspricht, die von der Teilnehmereinheit 18, wie zum Beispiel einer Mobilstation oder einem Endgerät, stammen. Natürlich können die Antennenelemente 12a12k gleichzeitig mehrere Teilnehmereinheiten auf einer Zeit- oder Codeteilungsbasis versorgen, wobei zum Zwecke eines Beispiels und der Klarheit der Abbildung eine einzelne Teilnehmereinheit 18 gezeigt wird. Die Anzahl von Antennen elementen in der adaptiven Antennengruppe 14 ist beliebig. Die Mehrzahl von Antennenelementen 12a12k ist im Allgemeinen einer Basisstation 19 zugeordnet, oder mit einer Basisstation 19 angeordnet.
  • Die bei der Mehrzahl von Antennenelementen 12a12k empfangenen Aufwärtssignale 16a16k werden durch die Tiefrauschverstärker (LNA) 20a20k passiert, wobei individuelle LNAs im Allgemeinen bestimmten Antennenelementen zugeordnet sind. Eine AGC-Rückkopplungsschleife (AGC = automatische Verstärkungssteuerung), die auf wiederhergestellte Aufwärtssignale von den Antennenelementen 12a12k anspricht und zu deren betriebsbedingten Steuerung an die LNAs 20a20k gekoppelt sind, ist geeignet, eine Verstärkung in jedem LNA zu justieren, wodurch sichergestellt wird, dass ein maximaler dynamischer Bereich der Antennenelemente 12a12k verwendet wird. Im Anschluss an die LANs 20a20k, sind die komplexen Gewichtselemente 24a24k geeignet, um jedem Aufwärtssignal von jedem Antennenelement 12a12k komplexe Gewichte zuzuführen. Die Gewichte werden von einem Steueralgorithmus 26 abgeleitet, der betriebsbedingt auf einen Signalprozessor 28 anspricht, der selbst die verstärkungsjustierten Versionen 30a30k der Aufwärtsübertragungen 16a16k empfängt. Die gewichtskorrigierten Signale von jedem der komplexen Gewichtungselemente 24a24k werden dann in der Addierereinheit 32 linear zusammenaddiert. Es ist klar, dass die Gewichte über eine Phase und einen Winkel verfügen, so dass durch die Basisstation 19 eine klare Richtung θu für die Aufwärtsrichtung eingerichtet werden kann.
  • Der Signalprozessor 28 ist außerdem gekoppelt, um ein resultierendes Signal 34 zu empfangen, das von der Addiereinheit 32 ausgegeben wird. Der Signalprozessor 28 und der Steueralgorithmus 30 kooperieren, um unter Verwendung bekannter Verfahren die Aufwärtsrichtung (θu) für die Teilnehmereinheit 18 in einer Zelle abzuschätzen, die durch die Basisstation 19 versorgt wird, bei der das adaptive Antennennetzwerk 10 angeordnet ist. Im Besonderen können sich der Signalprozessor 26 und der Steueralgorithmus um einen Rückkopplungsmechanismus und eine Bestimmung von Signal-zu-Rausch-Pegeln für die verschiedenen einfallenden Aufwärtssignale 16a16k kümmern, um neue Gewichte für die komplexen Gewichtungselemente 24a24k zu berechnen. Weiterhin kann der Steueralgorithmus 26 ein Rohwert des Signal-Rausch-Verhältnisses eines jeden der Eingangsantennenelemente 12a12k verwenden (das heißt, vor einer Zuführung einer komplexen Gewichtung), wodurch ein internes Maß einer Güte für die zugeführten komplexen Gewichte erhalten wird.
  • Eine Einheit 36 zur Abschätzung der Ankunftsrichtung (DOA) verwendet eine konventionelle Ausgangsmetrik 38 (dem Fachmann auf dem Gebiet leicht verständlich) von dem Signalprozessor 28, um einen Ankunftswinkel θ von signifikanter Energie in den Aufwärtssignalen 16a16k zu bestimmen/abzuschätzen. Der Ankunftsrichtungswinkel θ wird verwendet, um die Abwärtsgewichtselemente 40a40k (ihre komplexen Phasen- und Winkelinformationen) zu verändern, und dadurch eine übertragene Signalenergie (das heißt, ein Basisbandsendesignal 42) in eine vorbestimmte Richtung in der Abwärtsverbindung zu lenken. Das Basisbandsendesignal 42, wie zum Beispiel Sprache und/oder Daten, passiert durch diese Abwärtsgewichtungselemente 40a40k, bevor es in den Leistungsverstärkern 46a46k, die im Allgemeinen den spezifischen Abwärtsantennenelementen 48a48k in einem Sendeteil der adaptiven Antennengruppe 14 zugeordnet sind, verstärkt wird.
  • Antennenelemente (12a12k und 48a48k), die Empfangs- und Sendepfaden zugeordnet sind, können entweder getrennte dedizierte Elemente (wie in 2 dargestellt), oder gemeinsam verwendete (gemeinsame) Antennenelemente, die durch ein Duplexfilter (nicht gezeigt) an jeweilige Sende- und Empfangsketten gekoppelt sind, sein.
  • Wenn ein Anruf an die Mobilvorrichtung, oder von der Mobilvorrichtung, initiiert wird, oder wenn eine andere Art von Kommunikation zwischen der Basisstation und der Mobilstation erforderlich ist, wird angenommen, dass eine äquivalente Abwärtsrichtung (θd) die selbe ist, wie der Aufwärtsankunftswinkel θ (das heißt, zu diesem komplementär ist). Wann immer nun, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine Abwärtskommunikation initiiert wird, ist die Anzahl von umfassten Antennenelementen (von der Gruppe 14, um den Abwärtskanal 50 zu unterstützen) klein (zum Beispiel Eins oder Zwei), was eine breite Strahlenbündelapertur ergibt. Die Verwendung eines breiten Strahlenbündels (und vorzugsweise außerdem einer vorbestimmten Leistungseinstellung, die eine Signalausbreitung über eine Versorgungszellengrenze hinweg beschneidet) stellt daher ursprünglich eine systemminimierte Störungsumgebung zur Verfügung, während im Allgemeinen eine minimale QoS für eine adressierte Teilnehmereinheit sichergestellt ist. Das breite Strahlenbündel kann omni-direktional oder sektorisiert sein. Mit dem Lauf der Zeit und vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Abschätzung einer QoS für die Teilnehmereinheit (direkt von Abwärtsmessungen gemeldet, die durch die adressierte Teilnehmereinheit vorgenommen werden), wird die Breite des Strahlenbündels verengt, um die Abwärtsübertragung in die Richtung der Teilnehmereinheit zu fokussieren. Weiterhin wird abgerufen, dass mit dem Lauf der Zeit eine Konvergenz zwischen von der Aufwärtsverbindung und der Abwärtsverbindung abgeleiteten direktionalen Schätzwerten stattfindet, und so kann, wenn gewünscht, eine Verengung/Änderung der Strahlenbündelbreite auf der Basis sowohl von Konvergenz- als auch QoS-Anzeigen stattfinden.
  • Eine Metrik, die verwendet wird, um die Dienstqualität zu messen, die durch die Abwärtsverbindung zur Verfügung gestellt wird, ist vorzugsweise C/(I + N), aber es kann eine Zahl von weiteren QoS-Metriken, wie zum Beispiel die Rahmenlöschungsrate (FER) und die Bitfehlerrate (BER), verwendet werden (entweder einzeln oder in Kombination).
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, kann, wenn bestimmt wird, dass die QoS-Metrik (wie zum Beispiel C/(I + N) in der gemessenen Abwärtsverbindung) unter einem Schwellenwert eines zuvor eingestellten Budget liegt, die Anzahl von in der adaptiven Gruppe 14 verwendeten Antennenelementen um Eins oder mehr erhöht werden (vielleicht in Abhängigkeit von einer der Richtung zugeordneten statistischen Sicherheit), wodurch die Strahlenbündelbreite verengt wird. Da eine Verengung des Strahlenbündels basierend auf einer statistischen Sicherheit bezüglich der Ankunftsrichtung von Aufwärtssignalen und/oder QoS bei der Teilnehmereinheit bewusst stattfindet, ist die Teilnehmereinheit wahrscheinlich in dem verengten Strahlenbündel versorgbar und wird wahrscheinlich kein erhöhtes Leistungsbudget für Abwärtsübertragungen anfordern. Folglich wird das System der bevorzugten Ausfüh rungsform nicht in Anspruch genommen, um eine übermäßige (oder zunehmende) Leistung in einer schmalen Strahlenbündelbreite zur Verfügung zu stellen, und somit wird die Möglichkeit von Störungen zwischen Zellen im Allgemeinen vermieden.
  • Das Budget, durch das Entscheidungen getroffen werden, kann durch den Systembetreiber eingestellt werden, oder in einem technischen Standard, der verwendet wird, um ein Betriebsprotokoll für das System zu definieren, spezifiziert sein.
  • Der Prozess eines Hinzufügens von mindestens einem Antennenelement geht eindeutig davon aus, dass bei einer Initiierung (das heißt, einem Verbindungsaufbau), sich die adressierte Teilnehmereinheit angeblich in der Strahlenbündelapertur befindet; dies wäre auch mit einer anfänglichen omni-direktionalen Übertragung der Fall.
  • Sollte umgekehrt anfänglich ein sektorisierter Ansatz auf die Strahlenbündelbreite angewendet werden, ist es möglich, dass sich eine adressierte Teilnehmereinheit, obwohl kontaktierbar, tatsächlich außerhalb des sektorisierten Strahlenbündels befindet. In diesem Fall erhöht die vorliegende Ausführungsform, anstatt eine Leistung in das schmale Strahlenbündel zu erhöhen, die Strahlenbündelbreite durch ein Verringern der Anzahl von Antennenelementen 12a12k, die für den Abwärtskanal verwendet werden. Mit einer wiederholten Durchführung von QoS-Messungen wird der Prozess des Hinzufügens eines Antennenelementes wiederholt, bis zu einer solchen Zeit, zu der sich das C/(I + N), oder eine andere Metrik, auf einen akzeptablen Pegel verbessert. Die Strahlenbündelbreite wird dann, infolge von Konvergenzein flüssen zwischen direktionalen Aufwärts- und Abwärtsschätzwerten, vorzugsweise mit der Zeit verengt.
  • Alternativ, oder zusätzlich, kann man, in dem Fall einer anfänglichen Verwendung einer variablen Strahlenbündelbreite, einen kritischeren Ansatz einer Aufwärts-zu-Abwärts-AOA-Übertragung (AOA = Ankunftswinkel) verwenden. Wenn große AOA-Abschätzungsfehler auftreten, kann, in einer Ausführungsform der Erfindung, die Verwendung der variablen Strahlenbündelbreite tatsächlich den AOA-Fehler kompensieren, um zu vermeiden, einen Anstieg der Abwärtsleistung für eine akzeptable QoS zu unterstützen.
  • Der C/(I + N)-Wert kann durch die Mobilstation bei vorbestimmten Intervallen während der Kommunikation gemessen werden. Wenn sich der Abwärts-C/(I + N)-Wert unter einen vorbestimmten Schwellenwert bewegt, kann die Anzahl von Antennenelementen in der Gruppe um Eins (oder mehr) verringert werden, wodurch die Strahlenbündelbreite zunimmt. Genauso kann, wenn sich der C/(I + N)-Wert (oder eine andere Metrik) verbessert, die Anzahl von Antennenelementen um Eins erhöht werden. Auf diese Art und Weise wird die Apertur des Strahlenbündels in einem Incall-Szenario dynamisch aufrechterhalten und zwar so, dass die Strahlenbündelbreite so schmal ist, wie es die vorbestimmten QoS-Parameter des Systems zulassen.
  • Ein selektiver Eingriff oder eine selektive Loslösung der Antennenelemente 48a48k bei der Bildung des Abwärtsstrahlenbündels kann unter Verwendung von prozessorgesteuerten Schaltern in jedem Pfad zu den Antennenelementen gesteuert werden, wodurch eine absolute Isolation zur Verfügung gestellt wird. Vorzugsweise wird ein Schalten der Antennenelemente 48a48k in die Gruppe 14 und aus der Gruppe 14 durch ein aktives Handhaben der Abwärtsgewichtungselemente erreicht, um so das Basisbandsendesignal daran zu hindern, von bestimmten ausgewählten der Antennenelemente 48a48k abgestrahlt zu werden.
  • Im Allgemeinen stellen der Signalprozess 28 und die verschiedenen Steuer- und Abschätzungsalgorithmen (26, 36) die notwendige Funktionalität zur Verfügung, um eine Handhabung der Antennengruppe aufzulösen, was klar ist.
  • 3a und 3b beschreiben in Kombination eine bevorzugte Betriebsmethodik, wobei Antennenelemente, vornehmlich basierend auf QoS-Metrikmessungen, zu der Antennengruppe 14 hinzugefügt und von der Antennengruppe 14 abgezogen werden. Die Methodik ist im Allgemeinen sowohl auf ein Incall-Szenario als auch einen Anrufaufbau gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar und insofern sind einige der Verfahrensschritte, in Abhängigkeit von der anfänglichen Prämisse, auf der das System aufgebaut ist, unnötig.
  • 3a ist ein Flussdiagramm, das die Schritte darstellt, die durch eine Steuerlogik (von entweder einem Basisstationstransceiver oder einem Basisstationsteilsystem) ausgeführt werden, um eine adaptive Antennengruppe zu handhaben. Der Anruf wird mit der adaptiven Gruppe durch Verwenden von 62 "x"-Antennenelementen aufgebaut 60 (wobei x eine positive ganze Zahl ist). Daher wird eine Abwärtsverbindung 64 eingerichtet. Die Mobilstation führt eine Art von metrischer Analyse 66 auf der Abwärtsverbindung durch, zum Beispiel C/(I + N), und sendet 68 die metrische Analyse an die Basisstation zurück, um von dieser verwendet zu werden. Nach einer Rückführung der metrischen Analyse bestimmt 68 die Basisstation, ob die metrische Analyse besser oder schlechter als eine untere Betriebsgrenze eines QoS-Budgets ist. Im negativen Fall 70 (das heißt, die QoS ist unter einem vorbestimmten Pegel) wird die Anzahl von Antennenelementen erhöht 74 (um mindestens Eins), wodurch das Strahlenbündel verbreitert wird und der Fluss zu einem Entscheidungsblock weitergeht, der bestimmt, ob der Anruf (oder die Kommunikation) anhaltend ist. Wenn festgestellt wird, dass der Anruf oder die Verbindung beendet ist, endet 80 der Prozess offensichtlich. Die Schritte 72 und 74 können in einem System weggelassen werden, das anfänglich eine geeignete (sektorisierte oder omni-direktionale) Großraumabwärtsübertragung verwendet. Ein zustimmender Pfad 78 von dem Entscheidungsblock 70 führt zu einer Konsolidierung von Verfahrensflüssen bei dem Block 76.
  • In einer anhaltenden Anrufs-/Kommunikationssituation wird (vorzugsweise) eine weitere metrische Analyse 82 durch die Teilnehmereinheit vorgenommen und an die Basisstation gemeldet 84, obwohl in Erwägung gezogen wird, dass Kanalfunktionen durch betriebsbedingte Parameter bei der Basisstation gestört werden können. Es wird ein Vergleich zwischen einer früheren Metrik und einer nachfolgenden Metrik vorgenommen, um abzuschätzen, ob es irgend eine wesentliche Änderung gegeben hat. Wenn die Metriken relativ konstant/ähnlich sind 88, kehrt der Fluss zu dem Entscheidungsblock 76 zurück, andernfalls wird eine Abschätzung 90 vorgenommen, ob die jüngste Metrik besser als die frühere Metrik ist. Wenn es eine wirksame Verbesserung in der Metrik gibt (wodurch es sein kann, dass der Teilnehmer eine verbesserte QoS erfährt), kann das System arbeiten, um die Anzahl von Antennenelementen zu erhöhen 92 und somit das Abwärtsstrahlenbündel zu fokussieren/verengen. Natürlich kann die Verbesserung in der Metrik auch einer Konvergenz von direktionalen Schätzwerten zuschreibbar sein, obwohl die Wirkung einer Verengung des Strahlenbündels trotzdem die selbe ist. Sollte die Abschätzung ergeben, dass die Metrik schlechter 94 ist, arbeitet das System vorzugsweise um die Anzahl von Antennenelementen zu verringern 96, und somit das Abwärtsstrahlenbündel zu verbreitern (anstatt eine Abwärtsleistung zu erhöhen, obwohl dies eindeutig eine Option ist). Im Anschluss an die beiden Verfahrensschritte 92 und 96 kehrt der Fluss dann zur Bestimmung, ob der Anruf (oder die Kommunikation, zum Beispiel eine Steuerkanalübertragung) anhaltend ist, zu dem Block 76 zurück.
  • Kurz zusammengefasst, kann in der vorliegenden Erfindung ein Suchalgorithmus eingesetzt werden (obwohl gleichermaßen auf Anrufaufbauverfahren anwendbar, vorzugsweise in einem Incall-Szenario), um ein durch stufenweise variierende Winkel und Strahlenbündelbreiten, von einem direktionalen Aufwärtsschätzwert, zu bewegendes Strahlenbündel mit zunehmend enger Apertur durch Hinzufügen und Abziehen bestimmter Antennenelemente in einer adaptiven Gruppe zu führen. Alternativ kann ein breites Strahlenbündel mit dem Lauf der Zeit infolge einer Konvergenz zwischen den direktionalen Aufwärts- und Abwärtsschätzwerten zu dem Aufwärtsankunftswinkelschätzwert verengt werden.
  • In 4 wird eine graphische Darstellung einer Strahlenbündeloszillation gezeigt, wobei gezeigt wird, dass ein zellulares System 100 eine adaptive Antennengruppe 14 umfasst (und die zugeordnete Basisseitensteuerungsausrüstung 102), die die Teilnehmereinheit 18 versorgt. Es werden die drei Abwärtssendekeulen 102106 mit direktionalen Pfeilen auf der engsten Keule 104 und der breitesten Keule 108 gezeigt, die anzeigen, dass es einer Variation in der Anzahl von Antennenelementen bedarf, die in der Antennengruppe 14 verwendet werden, um die Teilnehmereinheit 18 zu versorgen (mindestens anfänglich während eines Anrufaufbaus). Allem Anschein nach ist, mit der Zeit und somit einer direktionalen Abschätzungskonvergenz zwischen der Aufwärtsverbindung, das schmalste Strahlenbündel schließlich richtig auf der Teilnehmereinheit ausgerichtet, um Systemstörungen zu minimieren.
  • Es ist natürlich klar, dass die obige Beschreibung nur beispielhaft gegeben worden ist und dass Modifizierungen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können. Während die bevorzugte Ausführungsform bezüglich eines adaptiven Antennennetzwerkes beschrieben worden ist, kann die zugrundeliegende Steuerlogik in der Form eines Computerprogrammproduktes zur Verfügung gestellt werden, wie zum Beispiel in der Form einer CD-ROM, oder eines anderen Software-Agenten, der existierende Antennenseiten nachrüsten kann.
  • Die vorliegende Erfindung kann sowohl auf Verkehrskanäle als auch auf Steuerkanäle angewendet werden, wobei der Verkehr Sprache, Daten, oder deren Kombination sein kann, und ist nicht auf irgend eine bestimmte Form von Kommunikationsprotokoll oder Luftschnittstelle begrenzt.

Claims (17)

  1. Adaptive Antennenanordnung zur Erzeugung eines Abwärtsstrahlenbündels, wobei die adaptive Antennenanordnung umfasst eine Steuerung (26, 28) zur Steuerung einer Bildung des Abwärtsstrahlenbündels; und eine Mehrzahl von auf die Steuerung (26, 28) ansprechenden Antennenelementen (12a12k, 48a48k), die im Einsatz mindestens eine direktional ausgerichtete Abwärtskanalressource (50) auf dem Abwärtsstrahlenbündel ausstrahlen; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (26, 28) geeignet ist (40a40k), um mit der Zeit eine Anzahl von Antennenelementen (12a12k, 48a48k) zu justieren, die damit beschäftigt sind, das Abwärtsstrahlenbündel zu bilden, um im Einsatz eine Strahlenbündelbreite des Abwärtsstrahlenbündels und dessen Richtung in Reaktion auf eine Konvergenz zwischen Ankunftswinkelschätzwerten für Abwärts- und Aufwärtskommunikationspfade zu variieren.
  2. Adaptive Antennenanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerung (26, 28) betriebsbedingt auf Dienstgüte-Metriken des Abwärtsstrahlenbündels anspricht und wobei die Steue rung geeignet ist, um die Strahlenbündelbreite (104108) in Abhängigkeit von den Dienstgüte-Metriken zu variieren.
  3. Adaptive Antennen gemäß Anspruch 2, wobei die Steuerung (26, 28) geeignet ist, um die Strahlenbündelbreite (104108) in Abhängigkeit von relativen Variationen in den Dienstgüte-Metriken zu variieren.
  4. Adaptive Antennenanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die adaptive Antennenanordnung im Einsatz anfänglich ein omni-direktionales Strahlenbündel bildet.
  5. Adaptive Antennenanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin durch einen Aufwärtsankunftswinkelabschätzer gekennzeichnet ist, und wobei die adaptive Antennenanordnung im Einsatz, basierend auf einem Aufwärtsankunftswinkelschätzwert, anfänglich ein sektorisiertes Strahlenbündel bildet.
  6. Adaptive Antennenanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das sektorisierte Strahlenbündel Fehler einer direktionalen Schätzung kompensiert.
  7. Antennenanordnung gemäß Anspruch 5, wobei eine Steuerung geeignet ist, um die Strahlenbündelbreite und die Richtung des Abwärtsstrahlenbündels in Reaktion auf eine Konvergenz zwischen Ankunftswinkelschätzwerten für Abwärts- beziehungsweise Aufwärtspfade, die von dem Aufwärtsankunftswinkelabschätzer abgeleitet und bestimmt werden, zu variieren.
  8. Antennenanordnung gemäß Anspruch 7, wobei die Steuerung im Einsatz anfänglich die Bildung eines omni-direktionalen Strahlenbündels verursacht.
  9. Antennenanordnung gemäß Anspruch 7, wobei die Steuerung im Einsatz, basierend auf einem Aufwärtsankunftswinkelschätzwert, anfänglich die Bildung eines sektorisierten Strahlenbündels verursacht.
  10. Antennenanordnung gemäß Anspruch 9, wobei das sektorisierte Strahlenbündel Fehler einer direktionalen Abschätzung kompensiert.
  11. Verfahren zur Steuerung einer Abwärtskommunikation von einer adaptiven Antennenanordnung zu einer Teilnehmereinheit, wobei die adaptive Antennenanordnung über eine Mehrzahl von Antennenelementen verfügt, die auf eine Steuerung ansprechen und im Betrieb mindestens eine direktional ausgerichtete Abwärtskanalressource auf einem Abwärtsstrahlenbündel abstrahlt, wobei das Verfahren durch den folgenden Schritt gekennzeichnet ist: Steuern der Streuung eines Abwärtsstrahlenbündels durch Justieren einer Anzahl von Antennenelementen mit der Zeit, die damit beschäftigt sind, das Abwärtsstrahlenbündel zu bilden, um im Einsatz eine Strahlenbündelbreite des Abwärtsstrahlenbündels und dessen Richtung in Reaktion auf eine Konvergenz zwischen Ankunftswinkelschätzwerten für Abwarts- und Aufwärtskommunikationspfade zu variieren.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, das weiterhin ein Variieren der Strahlenbündelbreite in Abhängigkeit von Dienstgüte-Metriken umfasst, die durch die Teilnehmereinheit gemessen werden.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 12, das weiterhin ein Variieren der Strahlenbündelbreite in Abhängigkeit von relativen Variationen der Dienstgüte-Metriken umfasst.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 11, das weiterhin den Schritt eines Variierens der Strahlenbündelbreite und seiner Richtung in Reaktion auf eine Konvergenz zwischen Ankunftswinkelschätzwerten, die Abwärts- und Aufwärtspfaden zugeordnet sind, umfasst.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 11, das weiterhin durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: anfängliches Erzeugen eines omni-direktionalen Abwärtsstrahlenbündels beim Aufbau eines Anrufs; und nachfolgende Einengung des Abwärtsstrahlenbündels.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 11, das weiterhin durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Abschätzen eines Ankunftswinkels; anfängliches Bilden eines sektorisierten Strahlenbündels basierend auf einem Aufwärtsankunftswinkelschätzwert.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das sektorisierte Strahlenbündel Fehler einer Richtabschätzung kompensiert.
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