DE602005005026T2 - Sender mit vergrösserter ultrabreitband-(uwb-)benutzerkapazität unter verwendung von strahlformung - Google Patents

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kommunikationssysteme, die Ultrabreitband-(UWB-)Impulse verwenden, und insbesondere Methoden zur Erhöhung der Teilnehmerkapazität in UWB-Sendern. Kommunikation durch UWB-Impulse, die manchmal als Impuls-Funkkommunikation bezeichnet wird, ist eine bekannte, aber nicht weithin verwendete Technik Der Begriff „Impulsfunk" wird im allgemeinen verwendet, um UWB-Systeme zu beschreiben, bei denen in den Impulsen kein Trägersignal enthalten ist. Der Begriff „UWB" kann auch auf Systeme angewendet werden, bei denen die gesendeten Impulse Bursts eines Funkfrequenz-Trägersignals sind. Ein extrem schmaler elektromagnetischer Impuls enthält von sich aus ein breites Band von Frequenzen. Das Hinzufügen von Information zu einem Strom von UWB-Impulsen kann durch Impulslagenmodulation bewirkt werden, wobei der Momentanwert eines Informationssignal-Abtastwerts verwendet wird, um die zeitliche Lage eines UWB-Impulses zu modulieren. Auf einem grundlegenderen Niveau können UWB-Impulse auch durch ihre An- oder Abwesenheit in einer ansonsten periodischen Impulsfolge moduliert werden. Diese Prinzipien sind in der Fachliteratur bekannt und sind im US-Patent Nr. 5677927 , das Fullerton et al. erteilt wurde, bequem zusammengefasst.
• Weil UWB-Kommunikation ein großes Band des Frequenzspektrums nutzt, bietet es die Vorteile der Sicherheit und Störfestigkeit. Weil UWB-Kommunikation die Bandbreite ineffizient nutzt, ist die staatliche Genehmigung ihrer Verwendung auf relativ niedrige Leistungen beschränkt worden. UWB-Kommunikation bietet dennoch die Vorteile einer relativ großen Reichweite, der Fähigkeit, Mauern von Gebäuden zu durchdringen, und niedriger Senderempfängerkosten. Jedoch hat die Kommunikation mittels UWB-Impulsen einige praktische Einschränkungen, wie etwa die Schwierigkeiten, die der Anwendung der Technik auf mehrere Teilnehmer innewohnen. Zum Beispiel besteht eine mögliche Anwendung von UWB-Kommunikationssystemen in der Versorgung von Wohnungen mit Internet- und Fernsehkommunikation, als eine Alternative zu Koaxialkabel-, Glasfaserkabel- oder Satellitenschlüsselkommunikation. UWB-Kommunikation ist ideal für diesen Zweck, weil sie die Übertragung von Information mit hohen Datenraten unter Verwendung von relativ kostengünstigen Sendeempfängern und Prozessoren an den Teilnehmerstandorten ermöglicht. Ein UWB-Kommunikationssystemen innewohnender Nachteil besteht jedoch darin, dass sie nur einem Teilnehmer ermöglichen, eindeutige Information während irgendeines ausgewählten Zeitintervalls zu empfangen. Das Patent von Fullerton et al. ( US-Patent Nr. 5677927 ) lehrt die Verwendung von Hilfsträgern mit unterschiedlichen Frequenzen oder unterschiedlichen Wellenformen, um den bei der UWB-Übertragung verwendeten Impuls-Funksignalen eine Kanalisierung hinzuzufügen.
• Eine analoge Technik zur Bereitstellung von Mehrteilnehmerzugriff für Kommunikationssysteme ist Codemultiplex-Mehrfachzugriff (CDMA), wie er in Mobiltelefonsystemen verwendet wird. Mehrere Teilnehmer eines CDMA-Systems nutzen das gleiche Frequenzband gemeinsam und können zur gleichen Zeit senden, aber ihre Informationssignale sind unterscheidbar, weil jedem Teilnehmer ein anderer zur Spektrumsspreizung verwendeter Code zugeordnet ist. Man sagt, die Codes sind orthogonal, das heißt, in der Theorie sind sie in einem Empfänger unabhängig detektierbar. Somit nutzen in CDMA-Systemen mehrere Informationssignalkanäle ein einziges Spreizspektrum-Übertragungssystem gemeinsam. Die Anwendung irgendeiner Form von CDMA auf die UWB-Übertragung würde jedoch die Komplexität und die Kosten der Modulation- und Detektionsausrüstung erhöhen. Aus dem Vorhergehenden wird ersichtlich, dass noch immer ein Bedarf an einem relativ einfachen Ansatz zur gemeinsamen Nutzung von UWB-Übertragungssystemen zwischen mehreren Teilnehmern besteht. Die vorliegende Erfindung ist auf diesen Zweck gerichtet.
• WO 03/044968 offenbart eine Mehrelement-UWB-Antenne zur Strahlformung mit der Fähigkeit zur Richtung von UWB-Impulsen auf einen vorgesehenen Empfänger.
• KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein verwandtes Verfahren zum Richten ausgewählter Ultrabreitband-(UWB-)Impulse auf mehrere Teilnehmer eines UWB-Kommunikationssystems. Kurz und allgemein gesagt, umfasst die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Breitband-Antennenstruktur mit mehreren symmetrisch konfigurierten Anordnungen, wobei jede Anordnung mehrere Antennenelemente aufweist; und ein Mittel zum Trennen von UWB-Impulsen in individuelle Teilnehmerströme von Impulsen und Einspeisen jedes Teilnehmerstroms in die Antennenstruktur auf eine solche Weise, daß individuelle Teilnehmerstrahlen erzeugt werden, die nur Impulse enthalten, die für diese jeweiligen Teilnehmer bestimmt sind. Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden die Impulse in individuelle Teilnehmerströme aufgeteilt, indem jedem Teilnehmer eine bestimmte Zuteilung von UWB-Zeitschlitzen zugewiesen wird. In der einfachsten Form der Vorrichtung werden die UWB-Impulse auf unterschiedliche Teilnehmer gerichtet, indem jeder Teilnehmerstrom in ein anderes Segment der Antenne eingespeist wird.
• Genauer gesagt, wird die Aufteilung der UWB-Impulse in individuelle Teilnehmerströme bewirkt, indem jedem Teilnehmer eine eindeutige Kombination aus einer UWB-Frequenz und einer Antennenanordnung zugewiesen wird, wodurch die UWB-Impulse, die zu oder von bestimmten Teilnehmern übertragen werden, allesamt eindeutig identifizierbar sind und ein jeglicher Teilnehmern UWB-Impulse zur gleichen Zeit wie andere Teilnehmer ohne erhebliche Störung empfangen oder senden kann. Die räumliche Trennung der Teilnehmerstrahlen wird weiter verbessert durch die Verwendung einer Vielzahl von Strahlformungsnetzwerken, die jeweils einer getrennten der mehreren Antennenanordnungen zugeordnet sind und jeweils eine Vielzahl von variablen Zeitverzögerungsschaltungen umfassen. Die Zeitverzögerungsschaltungen schieben unterschiedliche Sätze von ausgewählten Zeitverzögerungen für UWB-Impulse ein, die in die aufeinanderfolgenden Anordnungselemente eingespeist werden, um unterschiedliche Impulse entlang von Strahlwegen auf jeweilige Teilnehmer zu richten. Strahlschwenkungssignale werden verwendet, um die Strahlformungsnetzwerke zu steuern, um sie auf eine solche Weise umzuschalten, daß eine Strahlschwenkung zu ausgewählten Teilnehmern, die durch jede Antennenanordnung versorgt werden, bewirkt wird.
• Gemäß einem weiteren wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung haben UWB-Impulse für jeden der Teilnehmer eine aus einer Vielzahl von verfügbaren Frequenzen ausgewählte Trägerfrequenz und die Frequenzen werden in einer räumlichen Abfolge wiederverwendet, so daß der Strahl, der irgendeinem Teilnehmer zugeordnet ist, so weit wie möglich vom nächsten Teilnehmerstrahl, der die gleiche Frequenz verwendet, räumlich getrennt ist.
• Am dem Vorhergehenden wird ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung einen erheblichen Fortschritt auf dem Gebiet der UWB-Kommunikationssysteme darstellt. Insbesondere ermöglicht die Erfindung, daß UWB-Impulse auf mehrere ausgewählte Teilnehmer gerichtet werden, wobei eine ausgewählte Kombination aus räumlicher Strahltrennung, zeitlicher Trennung und Frequenz-Wiederverwendung verwendet wird. Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1 ist eine schematische Ansicht einer UWB-Antenne mit getrennten Anordnungen, die auf jeweiligen Flächen einer vieleckigen Struktur montiert sind.
• 2 ist eine schematische Ansicht einer UWB-Antennenanordnung, die Strahlschwenkung zur räumlichen Trennung unterschiedlicher Teilnehmersignale verwendet.
• 3 ist ein repräsentatives Taktdiagramm, das die Zeitschlitz-Wiederverwendung in einem UWB-Kommunikationssystem darstellt.
• 4 ist eine schematische Ansicht einer mehrflächigen UWB-Antennenkonfiguration, die Frequenz-Wiederverwendung verwendet, um die Signaltrennung für mehrere Teilnehmer zu verbessern.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Wie in den Zeichnungen zum Zweck der Veranschaulichung gezeigt, betrifft die vorliegende Erfindung Methoden zur gemeinsamen Nutzung eines Ultrabreitband-(UWB-)Kommunikationssystems durch mehrere Teilnehmer. Zum Beispiel können die Teilnehmer Hausbesitzer mit einem Bedarf an Zustellung von Breitbandkommunikationsdaten von Fernseh- oder Internet-Dienstanbietern ohne Verwendung von erdverlegten Koaxialkabeln, Glasfaserkabeln oder Satellitenschüsselantennen sein.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist ein zentral angeordnetes UWB-Sende- und Empfangssystem eine Breitbandantenne auf, die für mehrere räumlich getrennte Antennenstrahlen sorgt, die jeweils auf eine getrennte Teilnehmerantenne gerichtet sind. Diese Mehrstrahl-Breitbandantenne ermöglicht, dass mehrere UWB-Teilnehmerkanäle innerhalb eines gegebenen Zeitabschnitts räumlich verschachtelt werden. Zum Beispiel weist, wie in 1 gezeigt, die Mehrstrahlantenne, die allgemein durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist, mehrere Antennenanordnungen 12 auf, die sich auf mehreren Flachen 14 befinden, die von oben gesehen ein Vieleck bilden. In der anschaulichen Antenne befinden sich drei Antennenanordnungen 12 auf drei Flächen 14, die in der Draufsicht ein Dreieck bilden. Allgemeiner gesagt kann es N Antennenanordnungen 12 geben, die auf N Flächen 14 installiert sind, die in der Draufsicht ein N-seitiges Vieleck bilden, was N getrennte Übertragungswege zu getrennten Teilnehmern des Systems ermöglicht.
• Eine weitere räumliche Trennung kann durch Verwendung eines analogen oder digitalen Strahlformungsnetzwerks 20 (2) erlangt werden, dessen Konzept dem Prinzip einer phasengesteuerten Gruppenantenne entspricht. Bei der Strahlformung zur UWB-Übertragung werden UWB-Impulse in alle Eingangsanschlüsse 22 des Strahlformungsnetzwerks 20 eingespeist. Ausgangsanschlüsse 24 sind mit jeweiligen Elementen einer n-Elemente-Antennenanordnung 26 verbunden. Das Strahlformungsnetzwerk 20 hat die Funktion, Zeitverzögerungen, von denen zwei bei 28 gezeigt sind, selektiv in die entsprechenden Signalwege einzuschieben. Die Zeitverzögerungen 28 werden durch einen Strahlschwenkungssignalgenerator 30 gesteuert, der auf jedes aufeinanderfolgende Eingangssignal eine stufenweise größer werdende Verzögerung anwendet. Wenn die eingeschobenen Zeitverzögerungen zum Beispiel alle gleich wären, würden UWB-Impulse synchron in alle Elemente der Anordnung 26 eingespeist werden. Wenn auf den UWB-Impuls, der zu jedem aufeinanderfolgenden Element der Anordnung 26 übertragen wird, eine geeignete Verzögerung angewendet wird, wird von der Antennenanordnung ein elektromagnetischer Impuls in einer erwünschten Richtung ausgesendet, wie durch die Wellenfront 32 gekennzeichnet. Durch digitales Umschalten der Zeitverzögerungen in das und aus dem Strahlformungsnetzwerk 20 können unterschiedliche ausgewählte Impulse entlang von unterschiedlichen Wegen von der Antennenanordnung 26 gerichtet werden.
• Zusätzlich zur räumlichen Multiplexierung von Impulsen kann eine Zeitmultiplexierung verwendet werden. 3 ist ein Beispiel für Zeitschlitz-Wiederverwendung, um Teilnehmern bestimmte Impulse zuzuordnen. In dem Beispiel sind dem Teilnehmer A1 Impulse in den Zeitschlitzen Nr. 1 und Nr. 3 zugeordnet, und dem Teilnehmer B1 sind negative Impulse in den Zeitschlitzen Nr. 2 und Nr. 4 zugeordnet. Dem Teilnehmer C1 sind positive Impulse in den Zeitschlitzen Nr. 2 und Nr. 5 zugeordnet. Andere Anordnungen liegen natürlich im Schutzbereich der Erfindung.
• Statt einer zeitlichen Wiederverwendung, um bestimmte Impulse als bestimmten Teilnehmern zugeordnet zu identifizieren, kann das System eine Frequenz-Wiederverwendung verwenden, um die Teilnehmer zu trennen. Wie in 4 gezeigt, ist zum Beispiel eine Antenne mit drei Anordnungen dafür ausgelegt, drei räumlich getrennte Strahlen aus jeder ihrer drei Anordnungen zu erzeugen. Die Antennenanordnung Nr. 1 erzeugt drei räumlich getrennte Strahlen zu den Teilnehmern A1, B1 und C1, die Antennenanordnung Nr. 2 erzeugt drei räumlich getrennte Strahlen zu den Teilnehmern A2, B2 und C2 und die Antennenanordnung Nr. 3 erzeugt drei räumlich getrennte Strahlen zu den Teilnehmern A3, B3 und C3. Gemäß dem Frequenz-Wiederverwendungsprinzip, wie es hierin verwendet wird, verwenden die auf die Teilnehmer A1, A2 und A3 gerichteten Strahlen eine erste Frequenz. Ebenso verwenden die auf die Teilnehmer B1, B2 und B3 gerichteten Strahlen eine zweite Frequenz, und die auf die Teilnehmer C1, C2 und C3 gerichteten Strahlen verwenden eine dritte Frequenz. Das bedeutet, daß die UWB-Impulse, die den Teilnehmern A1, A2 und A3 zugeordnet sind, eine erste Trägerfrequenz haben, während die den Teilnehmern B1, B2 und B3 zugeordneten UWB-Impulse eine zweite Trägerfrequenz haben und die den Teilnehmern C1, C2 und C3 zugeordneten UWB-Impulse eine dritte Trägerfrequenz haben. Unter Verwendung dieser Konfiguration können sich Impulse für alle neun Teilnehmer zeitlich überschneiden, weil sie an den Antennenanordnungen räumlich und nach der Frequenz getrennt werden. An irgendeiner der Anordnungen sind die Impulse, die beispielsweise für den Teilnehmer B bestimmt sind, von den für die Teilnehmer A und C bestimmten Signalen unterscheidbar, weil sowohl eine Frequenztrennung als auch eine räumliche Trennung der für diese bestimmte Anordnung erzeugten Strahlen vorliegt. Außerdem sind die Impulse für Teilnehmer, welche die gleiche Frequenz verwenden, wie etwa die Teilnehmer A1, A2 und A3, insofern räumlich getrennt, als sie getrennte physische Antennenanordnungen verwenden.
• Aus dem Vorhergehenden wird ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung einen erheblichen Fortschritt auf dem Gebiet der UWB-Kommunikationssysteme darstellt, indem sie Mehrteilnehmerzugriff auf einen einzelnen Sendeempfänger bereitstellt. Insbesondere ermöglicht die Erfindung durch eine ausgewählte Kombination aus räumlicher Trennung, Strahlschwenkung, Frequenz-Wiederverwendung und Zeitschlitz-Wiederverwendung, daß mehrere Teilnehmer mit einem UWB-Sendeempfänger mit nur minimaler Störung kommunizieren. Spezifische Ausführungsformen der Erfindung sind zum Zweck der Veranschaulichung dargestellt worden. Die Erfindung darf lediglich durch die beigefügten Ansprüche eingeschränkt werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung, die für die Verwendung in einem Ultrabreitband-(UWB-)Kommunikationssystem eingerichtet ist und dafür eingerichtet ist, ausgewählte UWB-Impulse zu und von ausgewählten mehreren Teilnehmern zu richten, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Breitband-Antennenstruktur (10) mit mehreren Anordnungen (12), wobei jede Anordnung mehrere Antennenelemente (26) aufweist; und ein Mittel zum Trennen von UWB-Impulsen in individuelle Teilnehmerströme von Impulsen und Einspeisen jedes Teilnehmerstroms in die Antennenstruktur (10) auf eine solche Weise, dass individuelle Teilnehmerstrahlen erzeugt werden, die nur Impulse enthalten, die für diese jeweiligen Teilnehmer bestimmt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das Mittel zum Trennen von UWB-Impulsen in individuelle Teilnehmerströme ein Mittel zum Zuweisen einer bestimmten Zuteilung von UWB-Zeitschlitzen an jeden Teilnehmer umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das Mittel zum Trennen von UWB-Impulsen in individuelle Teilnehmerströme ein Mittel zum Einspeisen jedes Teilnehmerstroms in ein anderes Segment (14) der Antenne umfasst.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das Mittel zum Trennen von UWB-Impulsen in individuelle Teilnehmerströme ein Mittel zum Zuweisen einer eindeutigen Kombination aus einer UWB-Frequenz und einer Antennenanordnung (12) an jeden Teilnehmer umfasst, wodurch die UWB-Impulse, die zu oder von bestimmten Teilnehmern übertragen werden, allesamt eindeutig identifizierbar sind und jeder Teilnehmer UWB-Impulse zur gleichen Zeit wie andere Teilnehmer ohne erhebliche Störung empfangen oder senden kann.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Mittel zum Trennen von UWB-Impulsen in Teilnehmerströme umfasst: eine Vielzahl von Strahlformungsnetzwerken (20), die jeweils einer getrennten der mehreren Antennenanordnungen (12) zugeordnet sind und jeweils eine Vielzahl von variablen Zeitverzögerungsschaltungen (28) umfassen, wobei die Zeitverzögerungsschaltungen (28) unterschiedliche Sätze ausgewählter Zeitverzögerungen für UWB-Impulse, die in die aufeinanderfolgenden Anordnungselemente (26) eingespeist werden, einschieben, um unterschiedliche Impulse entlang Strahlwegen auf jeweilige Teilnehmer zu richten; und ein Mittel zur Erzeugung von Strahlschwenkungssignalen für die Strahlformungsnetzwerke (20), um die Strahlformungsnetzwerke (20) umzuschalten, um eine Strahlschwenkung zu ausgewählten Teilnehmern, die durch jede Antennenanordnung (12) versorgt werden, zu bewirken.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei: jedes Strahlformungsnetzwerk (20) umschaltbar ist, um Strahlen auf eine Vielzahl m von Teilnehmern, die jeder Antennenanordnung (12) zugeordnet sind, zu richten; die Antennenstruktur (10) n Anordnungen (12) für insgesamt m·n Teilnehmer aufweist; UWB-Impulse für jeden der m·n Teilnehmer eine aus einer Vielzahl von verfügbaren Frequenzen ausgewählte Trägerfrequenz aufweisen; und die Frequenzen in einer räumlichen Abfolge wiederverwendet werden, so dass der Strahl, der irgendeinem Teilnehmer zugeordnet ist, von anderen Teilnehmerstrahlen, welche die gleiche Frequenz verwenden, räumlich getrennt ist.
7. Verfahren zur Übertragung von Ultrabreitband-(UWB-)Impulsen zu ausgewählten mehreren Teilnehmern, umfassend die folgenden Schritte: Trennen von UWB-Impulsen in individuelle Teilnehmerströme von Impulsen; und Einspeisen jedes Teilnehmerstroms in eine Breitband-Antennenstruktur (10) mit mehreren Anordnungen (12) von mehreren Antennenelementen auf eine solche Weise, dass individuelle Teilnehmerstrahlen erzeugt werden, die nur Impulse enthalten, die für diese jeweiligen Teilnehmer bestimmt sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei: der Schritt des Trennens von UWB-Impulsen den folgenden Schritt umfasst: Zuweisen einer bestimmten Zuteilung von Zeitschlitzen in einem Strom von UWB-Impulsen an jeden Teilnehmer.
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei: der Schritt des Trennens von UWB-Impulsen den folgenden Schritt umfasst: Einspeisen der Impulse jedes Teilnehmers in ein anderes Segment (14) der Antennenstruktur.
10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei: der Schritt des Trennens von UWB-Impulsen den folgenden Schritt umfasst: Zuweisen einer eindeutigen Kombination am einer UWB-Frequenz und einer Antennenanordnung (12) an jeden Teilnehmer, wodurch die UWB-Impulse, die zu oder von bestimmten Teilnehmern übertragen werden, allesamt eindeutig identifizierbar sind und jeder Teilnehmer UWB-Impulse zur gleichen Zeit wie andere Teilnehmer ohne erhebliche Störung empfangen oder senden kann.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei: der Schritt des Trennen von UWB-Impulsen den folgenden Schritt umfasst: Formen von Strahlen in einer Vielzahl von Strahlformungsnetzwerken (20), die jeweils einer getrennten der mehreren Antennenanordnungen (12) zugeordnet sind, wobei der Schritt des Formens von Strahlen den folgenden Schritt aufweist: Einschieben unterschiedlicher Sätze ausgewählter Zeitverzögerungen für UWB-Impulse, die in die aufeinanderfolgenden Anordnungselemente eingespeist werden, um unterschiedliche Impulse entlang Strahlwegen auf jeweilige Teilnehmer zu richten; und das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfasst: Erzeugen von Strahlschwenkungssignalen für die Strahlformungsnetzwerke (20) und dadurch Umschalten der Strahlformungsnetzwerke (20), um eine Strahlschwenkung zu ausgewählten Teilnehmern, die durch jede Antennenanordnung (12) versorgt werden, zu bewirken.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei: der Schritt des Umschalten der Strahlformungsnetzwerke (20) die Funktion hat, Strahlen auf eine Vielzahl m von Teilnehmern, die jeder Antennenanordnung (12) zugeordnet sind, zu richten; die Antennenstruktur (10) n Anordnungen (12) für insgesamt m·n Teilnehmer aufweist; und das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfasst: für jeden der m·n Teilnehmer, Auswählen einer UWB-Trägerfrequenz aus einer Vielzahl von verfügbaren Frequenzen und Wiederverwenden der Frequenzen in einer räumlichen Abfolge, so dass der Strahl, der irgendeinem Teilnehmer zugeordnet ist, von anderen Teilnehmerstrahlen, welche die gleiche Frequenz verwenden, räumlich getrennt ist.