DE60206730T2

DE60206730T2 - Kommunikationssystem mit mehreren basisstationen mit adaptiven antennen und verfahren

Info

Publication number: DE60206730T2
Application number: DE60206730T
Authority: DE
Inventors: C. Donald CHANG; L. Wah LIM; U. Ming CHANG
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2022-01-12
Also published as: US7187949B2; WO2002058272A3; WO2002058272A2; DE60206730D1; CA2434219C; CA2434219A1; US7929984B2; EP1352536B1; EP1352536A2; US20090011789A1; US20020132643A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kommunikationssystem zur Kommunikation mit einem stationären Benutzerendgerät und einem mobilen Benutzerendgerät, mit einer Vielzahl von drahtlosen Basisstationen zum Erzeugen von einer Vielzahl von Kommunikationsstrahlen, um mit dem stationären Benutzerendgerät und dem mobilen Benutzerendgerät zu kommunizieren, und mit einer Gatewaystation, die mit der Vielzahl der drahtlosen Basisstationen gekoppelt ist, um Verbindungen zwischen den Benutzerendgeräten und terrestrischen Netzwerken über die Basisstationen bereitzustellen.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betreiben eines Kommunikationssystems mit den Schritten: Erzeugen einer Vielzahl von Kommunikationsstrahlen mit einer Vielzahl von drahtlosen Basisstationen, um mit einem stationären Benutzerendgerät und einem mobilen Benutzerendgerät zu kommunizieren, und Ankoppeln einer Gatewaystation an die Vielzahl der drahtlosen Basisstationen, um Verbindungen zwischen den Benutzerendgeräten und terrestrischen Netzwerken über die Basisstationen bereitzustellen.
So ein System und so ein Verfahren sind in US 5,734,982 offenbart.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf ein Kommunikationssystem und etwas genauer auf ein Kommunikationssystem, das eine am Boden angeordnete Basisstation und eine Gatewaystation verwendet, und das eine Strahlsteuerung in der Gatewaystation durchführt.
Im heutigen Kommunikationszeitalter suchen Anbieter von Informationsinhalten zunehmend Wege, wie man den Nutzern einerseits mehr Informationsinhalte anbieten kann und andererseits mit den Nutzern interagieren kann.
Das Internet hat das Bedürfnis der Verbraucher nach Informationen, die mit Hochgeschwindigkeit geliefert werden, ansteigen lassen. DSL und Kabelmodems sind immer weiter verbreitet, weil sie höhere Byteraten als Telefon- und Modem-basierte Systeme zur Verfügung stellen. Die Bereitstellung von Breitbandzugängen über Kabel- oder DSL-Dienste erfordert jedoch eine aufwändige Infrastruktur. Dies bedeutet, dass Kabel verlegt werden müssen, durch die die Dienste zur Verfügung gestellt werden können. Die Bereitstellung von Kabeln ist zeitaufwändig und kostenintensiv und auch die Instandhaltung ist kostenintensiv.
Aufgrund des starken Wettbewerbs sind die Kosten zur Bereitstellung von Diensten ein wichtiger Faktor. Auch die Bereitstellung von hohen Datenraten ist ein wichtiger Faktor.
Die Anzahl der Nutzer eines Systems kann aufgrund von Interferenzen beschränkt sein. Beispielsweise gibt es für jeden Strahl mit einer Hauptkeule eine parasitäre Anzahl von Nebenkeulen, die Interferenzen mit Strahlen hervorrufen können, welche mit denselben Ressourcen des Systems arbeiten, wie z.B. der Frequenz.
Die eingangs erwähnte US 5,734,982 offenbart ein Kommunikationssystem auf Funkbasis, das es ermöglichen soll, ein stationäres Endgerät und ein mobiles Endgerät mit derselben Teilnehmernummer wie das stationäre Endgerät in einem Dienstleistungsgebiet mit demselben Funkanschluss zu verwenden. Mit anderen Worten ist beabsichtigt, eine drahtlose Kommunikationsverbindung von einem einzelnen Funkanschluss zu einem stationären und einem mobilen Benutzerendgerät eines einzigen Teilnehmers in einem einzigen Dienstleistungsgebiet bereitzustellen, und zwar zur selben Zeit. In diesem Zusammenhang sind Ausführungsbeispiele mit mehreren Funkanschlüssen mit jeweils einer Antenne zur Kommunikation mit einer Vielzahl von Benutzerendgeräten offenbart. Es wird jedoch kein besonderes Augenmerk darauf gelegt, flexible Kommunikationsdienstleistungen für eine Vielzahl von Nutzern bei reduzierten Kosten zur Verfügung zu stellen.
EP 0 860 952 A2 offenbart ein Satellitenkommunikationssystem, bei dem das Satellitensystem mehrere Punktstrahlen (spot beams) verwendet. In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, eine bodengestützte Strahlformung einzurichten, indem man anstelle einer digitalen Strahlformung an Bord des Satelliten ein Multiplexverfahren mit einer Kanalteilung durch synchronisierte Codes (synchronized Code division multiplexing) verwendet.
JP 11-261474 A (Toshiba Corp.) vom 24. September 1999 (24.09.99) offenbart ein System mit verteilten Antennen und mit einer zentralisierten Steuereinheit, die eine Schaltung zur Strahlformung besitzt, um Strahlen für eine Vielzahl der Antennen auszubilden.
EP 1 026 778 A2 (Lucent Technologies Inc.) vom 9. August 2000 (09.08.2000) offenbart ein drahtloses Kommunikationssystem mit Antennen, die elektrisch steuerbare Strahlschwenkungen nach oben und nach unten besitzen, wobei die Antennen in Abstimmung mit Befehlen von einer Hauptsteuereinheit eingestellt werden.
In Anbetracht dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kommunikationssystem bereitzustellen, das flexible Kommunikationsdienstleistungen für eine Vielzahl von mobilen und stationären Nutzern bei reduzierten Kosten ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Kommunikationssystem der eingangs genannten Art gelöst, wobei jede drahtlose Basisstation eine adaptive Antenne besitzt, um mit den Benutzerendgeräten zu kommunizieren, sowie eine gerichtete Antenne, um die Kopplung zu der Gatewaystation herzustellen, wobei die adaptive Antenne eine Vielzahl von Paneelen mit einer Vielzahl von rekonfigurierbaren Antennenelementen besitzt, und
wobei die Gatewaystation so ausgebildet ist, dass sie die Vielzahl der Strahlen ausbildet, indem sie eine Vielzahl von Steuersignalen zu der Vielzahl der drahtlosen Basisstationen überträgt, wobei jedes Paneel dazu verwendet wird, mehrere dynamische Verbindungen aufzubauen und wobei in jeder Kommunikation mehrere Basisstationen durch mehrere Paneele verwendet werden, so dass stets mehrere Verbindungen mit einem Benutzerendgerät verbunden sind.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das außerdem die folgenden Schritte aufweist:

– Bereitstellen einer adaptiven Antenne für die Kommunikation mit den Benutzerendgeräten sowie einer gerichteten Antenne zum Ankoppeln der Gatewaystation an jede drahtlose Basisstation, wobei die adaptive Antenne eine Vielzahl von Paneelen mit einer Vielzahl von rekonfigurierbaren Antennenelementen besitzt, und
– Ausbilden der Vielzahl von Strahlen, indem eine Vielzahl von Steuersignalen von der Gatewaystation zu der Vielzahl von drahtlosen Basisstationen übertragen wird,
– wobei jedes Paneel dazu verwendet wird, mehrere dynamische Verbindungen herzustellen, und wobei in jeder Kommunikation mehrere Basisstationen über mehrere Paneele verwendet werden, so dass stets mehrere Verbindungen zu einem Benutzerendgerät hergestellt sind.

Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Kommunikationssystem zur Verfügung, das sowohl einen schnellen Aufbau als auch eine Unterdrückung von Interferenzen ermöglicht. Die vorliegende Erfindung ist sowohl für stationäre Nutzer wie z.B. denjenigen, die sich in einem Bürogebäude oder zu Hause befinden, als auch für mobile Nutzer geeignet.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Durchsatz des Systems im Vergleich zu bisherigen Systemen aufgrund der Detektion von Interferenzen erhöht ist.
Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Gesamtkosten des Systems weiter reduziert werden können, indem man einen Großteil der Signalverarbeitung aus den Basisstationen herausverlagert.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, die eine externe digitale Strahlformung verwendet, ergeben sich ohne weiteres aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und zwar in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
1 ist Systemschaubild eines Kommunikationssystems nach der vorliegenden Erfindung.
2A ist eine Draufsicht auf die Antenne einer Basisstation nach der vorliegenden Erfindung.
2B ist eine Seitenansicht der Antenne einer Basisstation gemäß 2A.
2C ist eine Seitenansicht eines Paneels der Basisstation aus 2A, die darauf ausgebildete Elemente zeigt.
2D ist eine alternative Seitenansicht, die Elemente eines Paneels einer Basisstation zeigt.
2E ist ein drittes alternatives Ausführungsbeispiel für Elemente eines Paneels einer Antenne nach der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische blockschaltbildmäßige Darstellung auf einer abstrakten Ebene von Modulen mit Elementen, die an einen Datenbus angeschlossen sind.
4 ist ein Strahlmuster für das in 2 gezeigte Paneel.
5 ist eine schematische, blockschaltbildmäßige Darstellung eines digitalen Strahlformungsnetzwerks nach der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine schematische, blockschaltbildmäßige Darstellung eines Strahlformungsnetzwerks, das die Einkopplung von Rauschen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
7 ist eine schematische, blockschaltbildmäßige Darstellung einer Signalverarbeitungsschaltung einer Basisstation nach der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine schematische, blockschaltbildmäßige Darstellung einer Gatewaystation-Signalverarbeitungsstation nach der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine etwas detailliertere schematische Darstellung eines Demultiplexerschaltkreises zur Strahlformung und -löschung nach der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Alternative für den ausgelagerten Signalverarbeitungsschaltkreis bzw. einen Schaltkreis zur adaptiven digitalen Strahlformung und -auslöschung gemäß der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein alternativer Schaltkreis zur Strahllöschung mit einem Begrenzer im Rückführungskreis gemäß der vorliegenden Erfindung.
12A ist ein Ausgangssignal eines Schaltkreises zur digitalen Strahlformung, das keinen Begrenzer, wie er in 10 gezeigt ist, beinhaltet.
12B ist ein Ausgangssignal eines Schaltkreises aus 10 mit Begrenzern an sämtlichen Speiseleitungen.
12C ist ein Ausgangssignal eines Schaltkreises, wie er in 11 gezeigt ist, mit einem Begrenzer im Rückführungskreis, wobei die Pegel der Leistungsdichte sowohl für schwache als auch für starke Interferenzen erfolgreich unter einen Schwellwert gedrückt wurden.
13 ist ein alternativer Signalverarbeitungsschaltkreis zur digitalen Strahlformung und -löschung, wobei Hilfselemente verwendet werden.
In der nachfolgenden Beschreibung werden jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet, um dieselben Komponenten in den verschiedenen Darstellungen zu bezeichnen. Die einschlägigen Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass verschiedene andere Ausführungsbeispiele, konstruktionsmäßige Änderungen und alternative Maßnahmen gemacht bzw. getroffen werden können, ohne aus dem Schutzbereich der Erfindung herauszugehen. Die Lehre der vorliegenden Erfindung kann sowohl bei stationären Nutzern als auch bei mobilen Nutzern eingesetzt werden.
Es wird nun auf 1 Bezug genommen, in der ein Kommunikationssystem 10 eine Vielzahl von Strahlen 12 besitzt, die als eine Vielzahl von Kreisen 14 auf der Erdoberfläche dargestellt sind. Die Kreise 14 stellen den „Fußabdruck" eines Strahls dar, der auf die Erdoberfläche abgestrahlt wird. Eine Vielzahl von Benutzerendgeräten 16M und 16F werden dazu verwendet, um mobile Nutzer und stationäre Nutzer beispielhaft darzustellen. Mobile Nutzer 16M können Anwendungen in Kraftfahrzeugen, Anwendungen in persönlichen digitalen Assistenten und Anwendungen in Mobiltelefonen beinhalten, ohne darauf jedoch beschränkt zu sein. Stationäre Benutzerendgeräte 16F können bspw. Kommunikationssysteme beinhalten, die auf Geschäftsanwendungen oder auf private Anwender zurechtgeschnitten sind. Jedes Benutzerendgerät 16F und 16M kann ein Signal mit einer bestimmten Signalstärke aus einem Kommunikationsstrahl oder aus Kommunikationsstrahlen über mehrfache Verbindungen von einer oder mehreren Basisstationen 18 empfangen. Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung von mobilen Benutzerendgeräten 16M. Auch wenn hier nur zwei drahtlose Basisstationen dargestellt sind, können diese jeweils für eine Vielzahl von Basisstationen stehen.
Das Kommunikationssystem 10 beinhaltet des Weiteren eine Gatewaystation 20, die mit terrestrischen Netzwerken 22 gekoppelt ist. Die Gatewaystation 20 kann mit einer Signalverarbeitungseinheit 24 für Basisstationen gekoppelt sein. Die Gatewaystation 20 stellt Verbindungen zwischen Benutzerendgeräten 16F und 16M sowie den terrestrischen Netzwerken 22 über die Basisstationen 18 zur Verfügung. Die Gatewaystation 20 kann mit terrestrischen Netzwerken 22, wie etwa dem öffentlichen Telefonnetz, dem Internet oder einem Intranet gekoppelt sein. Auch wenn sie hier als zwei getrennte Einheiten dargestellt sind, können die Gatewaystation 20 und die Signalverarbeitungseinheit 24 körperlich an einer Stelle zusammengefasst sein.
Die Kommunikationssignale zwischen der Basisstation 18 und den Benutzerendgeräten 16M und 16F können als Nutzerverbindungen 26 bezeichnet werden. Die Nutzerverbindungen 26 stehen für die Sende- und Empfangsstrahlen sowohl von der Basisstation 18 als auch von den beiden Arten an Benutzerendgeräten 16F und 16M. Eine Speiseverbindung 28 ist zwischen der Basisstation 18 und der Gatewaystation 20 eingerichtet.
Die Basisstationen 18 werden hier als Kommunikationsknoten für die Gatewaystation 20 und die Benutzerendgeräte 16F und 16M verwendet. Um mit den Benutzerendgeräten 16M und 16F zu kommunizieren, besitzen die Basisstationen 18 eine adaptive Antenne 30, die aus Paneelen mit rekonfigurierbaren Elementen aufgebaut ist, wie dies weiter unten beschrieben wird. Jede Basisstation 30 besitzt außerdem eine gerichtete Antenne 32 zur Ankopplung an die Antenne 34 der Gatewaystation. Die Kopplung der Antennen 32 und 34 ermöglicht es, die Basisstation 18 drahtlos auszubilden, und sie kann daher in vorteilhafter Weise sehr einfach aufgebaut werden. Wie weiter unten beschrieben wird, kann die Ausrichtung sowohl bei den mobilen Benutzerendgeräten 16M als auch bei der Basisstation 18 elektronisch realisiert werden. Auch wenn hier nur eine Gatewaystation 20 in der Zeichnung dargestellt ist, werden die einschlägigen Fachleute auf diesem Gebiet ohne weiteres erkennen, dass eine beliebige Anzahl an Gatewaystationen verwendet werden kann. Die Gatewaystation 20 besitzt einen Gatewaysteuerkreis 23, der den Inhalt und die Kommunikation mit den Basisstationen 18 steuert.
Die Basisstation 18 besitzt eine Steuerung 36, die die Benutzerendgeräte 16M, 16F über die Antenne 32 mit der Gatewaystation 20 verbindet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Steuerung 36 in Richtung der zurücklaufenden Verbindung verwendet, um empfangene Signale von allen Elementen der Gruppe in ein Speiseverbindungssignal 28 zu multiplexen, wie dies von der Gatewaystation 20 vorgegeben wird. In Richtung der vorlaufenden Verbindung wird die Steuerung 36 in ähnlicher Weise dazu verwendet, die Speiseverbindungssignale in verschiedene Signalströme zu demultiplexen, so dass die Elemente der Gruppe sie aussenden können.
Der Gatewaysteuerkreis 23 kann mit verschiedenen Schaltungen gekoppelt sein. Beispielhaft sind hier ein analoges oder digitales TV 38, ein Aufwärtsumsetzer 40 und ein Regal mit Kabelmodemendgeräten (cable modern terminal shelf, CMTS) 42 dargestellt. Das CMTS 42 kann dazu verwendet werden, um terrestrische Netzwerke wie z.B. das Internet 22 anzukoppeln. Das CMTS 42 kann mit einem Hub 44 gekoppelt sein, der verschiedene Datenquellen angeschlossen hat. Der Hub 44 kann z.B. ein Verwaltungsserver 46 sein, ein WWW-, E-Mail- oder Nachrichtenserver 48 oder ein Proxy-Server 50.
Es wird nun auf die 2A, 2B, 2C und 2D Bezug genommen, in denen eine Antenne 30 in weiteren Details gezeigt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Antenne 30 fünf Paneele 52, die dazu verwendet werden, Kommunikationssignale in eine gewünschte Richtung auszurichten. Wie am besten in 2A dargestellt ist, besitzt jedes Paneel 52 ein Blickfeld und einen Abdeckungsbereich, der geringfügig enger ist als das Blickfeld. Jedes Paneel ist vorzugsweise ein flaches Paneel, das auf kosteneffiziente Weise mehrfache Verbindungen von der Basisstation 18 zu verschiedenen Nutzern ermöglicht. Jedes Paneel 52 wird verwendet, um mehrere dynamische Verbindungen aufzubauen. In Kombination miteinander werden die verschiedenen Basisstationen zusammen verwendet, um die Kommunikationssignale mit den Nutzern auszubilden. Daher werden bei jeder Kommunikation mehrere Basisstationen über mehrere Paneele 52 der Antennen 30 verwendet. Die Bandbreite auf Anforderung (bandwith on demand) wird nicht durch eine Variation von Datenraten über eine einzelne Funkverbindung, sondern über verschiedene Datenraten realisiert, die sich aus verschiedenen Kombinationen von mehreren dynamischen Funkverbindungen ergeben. Wie weiter unten noch beschrieben ist, verschwinden einige Verbindungen und andere Verbindungen werden verfügbar, wenn sich der Nutzer bewegt. Es sind daher stets mehrere Verbindungen mit einem Nutzer aufgebaut. Wie dargestellt ist, werden fünf Paneele verwendet, aber die einschlägigen Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass andere Anzahlen von Paneelen verwendete werden können.
Wie am besten in 2B gezeigt ist, besitzen die Paneele 52 einen Neigungswinkel 54 bezogen auf die Horizontale. Der Neigungswinkel 54 ermöglicht es, Kommunikationssignale, die mit den Paneelen 54 erzeugt werden, geringfügig nach unten auf die Erdoberfläche zu richten. Es versteht sich, dass der Neigungswinkel 54 von der Höhe der Basisstation 18 über der Erdoberfläche abhängt. Mit zunehmender Höhe des Turms nimmt der Neigungswinkel 54 dementsprechend ab. Der Neigungswinkel ist jeweils so gewählt, um einen gewünschten Versorgungsbereich für jedes Paneel 52 einzurichten.
Im Betrieb macht die Kombination von mehreren gleichzeitigen Strahlen sowohl bei den mobilen Endgeräten als auch bei den Basisstationen das gesamte mobile System noch kosteneffizienter. Ein Nutzer stellt über sein Gerät oder seine Einrichtung mit mehreren Strahlen eine Verbindung zu einem IP-Netzwerk her, indem er mehrere dynamische Verbindungen über mehrere Basisstationen zu den Kommunikationsknoten des Internets aufbaut. Als ein Ergebnis können die wertvollen mobilen Bandbreiten mehrere Male wiederverwendet werden, wenn die mobilen Teilnehmer gerichtete Antennen verwenden. Derselbe Bereich des Spektrums kann wieder und wieder benutzt werden, um die Bandbreitendichte (d.h. die gesamte Bandbreite, die ein mobiles System in einen Einheitsraum projizieren kann) zu erhöhen. Das System stellt daher einen höheren Durchsatz für die Nutzer eine höhere Kapazität für die Betreiber und außerdem eine noch effizientere Nutzung durch die Regulatoren zur Verfügung. Die Bereitstellung einer hohen Antennenverstärkung sowohl bei den Nutzerendgeräten als auch bei den Basisstationen ermöglicht es, die Größe der Zellen beträchtlich auszudehnen, ohne die Bandbreitendichte zu beeinträchtigen. Bandbreite auf Anforderung wird durch mehrere dynamische Verbindungen realisiert und es sind daher stets mehrere Verbindungen für einen Nutzer verfügbar. Im Blickfeld eines mobilen Nutzers können mehrere Basisstationen vorhanden sein. Beispielsweise können sich im Blickfeld eines Nutzers fünf bis zehn Basisstationen befinden. Ein Nutzer mit einem ungerichteten Endgerät kann sich über einen Hochfrequenzkanal (der durch die Frequenz, die Zeit und/oder einen Code spezifiziert ist) mit einer nächstgelegenen Basisstation verbinden. Dieser Kanal wird wie bei herkömmlichen zellularen Systemen keinem anderen Nutzer zugewiesen. Adaptive Antennen auf den Basisstationen ermöglichen es den Operatoren, denselben Kanal innerhalb derselben „Zelle", jedoch über andere Basisstationen, nochmals zu verwenden, vorausgesetzt, dass die Basisstationen die Fähigkeit besitzen, Interferenzen auf demselben Kanal wie dem vorgesehenen Kanal für den Nutzer, jedoch aus anderen Richtungen, durch Richtungsauswahl zu unterdrücken. Wie weiter unten noch beschrieben wird, müssen sich der Nutzer und die Interferenzquellen hinreichend weit entfernt voneinander befinden, um die adaptiven Techniken nutzbar zu machen. Die Basisstationen können Schaltungen beinhalten, um Interferenzen zwischen den Kommunikationssignalen auszulöschen oder voneinander zu trennen. Während einer Initialisierungsphase, d.h. nach einem „kalten" Start, sind alle empfangenen Strahlen „an", um das gesamte Blickfeld eines ventilatorartigen Strahls abzudecken. Die verschiedenen Strahlen besitzen also unterschiedliche Elevationswinkel und Azimutwinkel, um das gesamte Suchvolumen abzudecken. Sobald eine Verbindung zu einem Nutzer eingerichtet ist, dürfen nur die nahe gelegenen Strahlen von einem bestimmten Paneel 52 aktiviert werden.
Sobald eine Verbindung zu einem Nutzer eingerichtet ist, verwendet ein Folgemechanismus eine Art Schrittabtastung. Die Signalstärke aus benachbarten Empfangsstrahlen wird überwacht und mit derjenigen aus dem Hauptstrahl verglichen. Der Strahl mit dem stärksten Signal wird als „auf geschalteter" bzw. Hauptstrahl identifiziert. Wenn sich der Nutzer bewegt, kann die ihm folgende Basisstation einen empfangenen Strahl von einer Position zu einer benachbarten Position mit dem stärksten Signal umschalten und den Sendestrahl dementsprechend zuweisen.
Wie am besten in 2C gezeigt ist, kann ein Paneel 52 aus einer Vielzahl von strahlenden Elementen bzw. Flächen (patches) 56 bestehen. Die strahlenden Elemente 56 können z.B. als eine „Flächengruppe" (patch array) beschrieben werden. Wie dargestellt ist, sind in 2C 90 Elemente gezeigt. Jedes Element 56 besitzt einen Durchmesser von 0,3 Wellenlängen. Elementmodule sind mit einem Abstand von etwas weniger als 0,7 Wellenlängen in einem nahezu quadratischen Gitter angeordnet. Ein Paneel 52 kann man auch als eine „Apertur" bezeichnen. Das Paneel 52 besitzt eine strahlende Fläche in der Größenordnung von etwa 25 Quadratwellenlängen. Das erwartete Maximum der Antennenverstärkung eines Strahls liegt bei 24 dB auf der Antennenachse (boresight), und bei etwa 22 dB 45° abseits der Antennenachse. Die Strahlbreite für den elliptischen Strahl auf der Antennenachse liegt bei etwa 10 ° im Azimut und 15 ° in der Elevation. Die Strahlen sind dynamisch und werden daher so zugeordnet, dass sie einem einzelnen Teilnehmer folgen können.
Bezug nehmend auf die 2D ist ein Paneel 52 mit 45 Elementen gezeigt. So ein Paneel besitzt eine um etwa 3 dB geringere Antennenverstärkung als das Paneel, das in 2C gezeigt ist, wenngleich es etwa dasselbe räumliche Unterscheidungsvermögen aufweist.
Es wird nun auf die 2E Bezug genommen, in der eine andere Konfiguration von Elementen bei einem flachen Paneel 52 für eine Anwendung im Hochfrequenzbereich dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel besitzt das Paneel 52 etwa 36 Elemente. In diesem Ausführungsbeispiel ist jedes Element etwa 0,6 Wellenlängen im Durchmesser groß, wobei der Abstand der Elemente etwas geringer als 0,7 Wellenlängen in einem nahezu quadratischen Gitter ist. Die gesamte Apertur besitzt einen nutzbaren Bereich in der Größenordnung von etwa 10 Quadratwellenlängen. Das zu erwartende Maximum der Antennenverstärkung des Strahls liegt bei etwa 20 dB auf der Antennenachse und etwa 18 dB 45° von der Antennenachse entfernt. Die Strahlbreite des elliptischen Strahls auf der Antennenachse liegt bei etwa 5° im Azimut und etwa 15° in der Elevation. In einer Entfernung von etwa 2 km von der Basisstation beträgt die Strahlbreite in der azimutalen Richtung daher etwa 200 Meter. In Abhängigkeit von den betroffenen Frequenzen kann man natürlich auch weniger Elemente verwenden. Dies bedeutet, dass man bei höheren Frequenzen weniger Elemente benötigt, um die Signalverarbeitungsleistung der Schaltung anzupassen, weil mehr Daten übertragen werden.
Für jedes der oben angegebenen Ausführungsbeispiele bedeuten lange Grundlinien und unvollständige Aperturen über eine große Bandbreite eine gute Fähigkeit zur räumlichen Unterschei dung. Eine dünne Gruppe bei einer einzigen Frequenz wird hohe Nebenkeulen bzw. nahezu gitterartige Keulen aufweisen. Über eine große Bandbreite treten Nebenkeulen bei unterschiedlichen Frequenzbestandteilen und in unterschiedlichen Richtungen auf. Als ein Ergebnis tendiert der inhärente Interferenzanteil aus den Nebenkeulen über eine große Bandbreite dazu, sich auszuwischen bzw. zu löschen, während sich die Anteile der Hauptkeule über dieselbe Bandbreite konstruktiv einander überlagern können. Wie weiter unten noch beschrieben wird, können weitere Maßnahmen zur Löschung verwendet werden, um Interferenzen bei allen Strahlen zu unterdrücken, die verschiedene Teilnehmer verfolgen, soweit dies erforderlich ist.
Es wird nun zusätzlich auf die 3 Bezug genommen, in der strahlende Elemente 56 Module 58 ausbilden, die in die Paneele 52 eingesteckt sind. Die Paneele 52 dienen als Rückwandplatten, die über einen Bus 60 verbunden sind. Der Bus 60 kann bspw. eine Leitung 62 zur Gleichstromversorgung, eine Datenleitung 63 für Eingangsdaten, eine Datenleitung 64 für Ausgangsdaten, eine Adressleitung 65 und eine Steuerleitung 66 beinhalten. Die Paneele 52 können modular aufgebaut sein und Sockel beinhalten, um die Module 58 leicht anzuschließen und wieder zu lösen. Jedes Paneel bzw. jede Rückwand 52 kann einen Prozessor 68 beinhalten, um die Strahlausbildung zu bewerkstelligen. Der Prozessor 68 kann ein Teil der Steuerung 36 sein, die in 1 beschrieben wurde.
Es wird nun auf die 2E und 4 Bezug genommen, in denen ein Strahlungsmuster 69 für das Paneel aus 2E gezeigt ist. Das Muster 69 besitzt Kreise 70 bzw. Ellipsen, die Strahlungsmuster beim Positionieren des Strahls bei einem dyna mischen Zuordnungs- und Positionierverfahren für den Strahl darstellen, während die Sechsecke 71 feste Strahlpositionen bei einem herkömmlichen System mit statischen Zellen darstellen. Das Paneel 52 wandelt in der Empfangsrichtung die empfangene Mikrowellenleistung in einen digitalen Strom um, und es wandelt einen digitalen Strom in der Senderichtung in abgestrahlte Mikrowellenleistung um. Die Phasensteuerung der verschiedenen Elemente wird über eine digitale Multiplikation in einem separaten digitalen Strahlformer realisiert. Die Vorgehensweise mit der digitalen Strahlformung macht es möglich, auf herkömmliche Phasenschieber zu verzichten und sie minimiert die erforderlichen Hochfrequenzbauteile, was wiederum eine besonders kostengünstige Realisierung ermöglicht, die sich für den Massenmarkt eignet.
Es wird nun auf die 5 Bezug genommen, in der eine Schaltung 72 zur digitalen Strahlformung für eine Basisstation (aus 1) dargestellt ist. Eine ähnliche Schaltung zur Strahlformung kann jedoch auch bei einem Nutzerendgerät verwendet werden. Außerdem ist ein Strahlformungsnetzwerk für den Empfangszweig dargestellt, aber die einschlägigen Fachleute auf diesem Gebiet werden ohne weiteres erkennen, dass man ein entsprechendes Strahlformungsnetzwerk für den Sendeweg umgekehrt aufbauen kann.
Die Schaltung 72 zur digitalen Strahlformung besitzt eine Vielzahl von Elementen 74. Es werden verschiedene Gruppierungen der Elemente 74 verwendet, um die mehreren gleichzeitigen Verbindungen nach der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Jedes Element 74 ist mit einem entsprechendem Analog-Digital-Wandler gekoppelt. Wie einschlägige Fachleute auf diesem Gebiet erken nen werden, kann außerdem ein Bandpassfilter (hier nicht gezeigt) zwischen jedes Element 74 und den Analog-Digital-Wandler 76 geschaltet sein. Die digitalen Ausgangssignale von allen Analog-Digital-Wandlern 76 werden gewichtet und summiert und dann zusammengruppiert, um Strahlen l bis M auszubilden, wie dies dargestellt ist. Die Strahlen werden durch eine Strahlformungsschaltung 82 mit numerischen Multiplikationen gebildet, und zwar unter Verwendung des Richtungsvektorstrahls 1, wie bei Bezugsziffer 78 dargestellt, bis zum Richtungsvektorstrahl M, wie bei Bezugsziffer 80 dargestellt. Die Strahlformungsschaltung 82 kann eine Vielzahl von Multiplikationsblöcken 84 und Additionsblöcken 86 besitzen, die jeweils körperlich oder in Software realisiert sein können, um die verschiedenen Strahlen auszubilden. Die Funktionen der Strahlformung, der Frequenzeinstellung und der Zeitsynchronisation sind anstelle von einer rein sequentiellen Abarbeitung ineinander verschachtelt, um den gesamten Signalverarbeitungsbetrieb zu minimieren. Diese Vorgehensweise macht die Verwendung von herkömmlichen Phasenschiebern überflüssig und minimiert die benötigten Hochfrequenzbauelemente, was die Realisierung für Massenanwendungen geeignet macht. Die digitale Strahlformungsschaltung 72 wird dazu verwendet, um mehrere gleichzeitige Verbindungen mit der Basisstation 18 herzustellen. Die digitale Strahlformungsschaltung 72 ist so ausgebildet, dass für jeden einzelnen Nutzer ein einziger Strahl zugeordnet wird. Die Basisstationen folgen den Nutzern mit eindeutigen Kanälen und Strahlpositionen. Jeder Nutzer besitzt eine „Blase", die der Strahlgröße entspricht, die mit dem zugewiesenen Strahl verbunden ist. Die Blase bildet eine exklusive Zone aus, die für einen bestimmten Kanal mit jedem einzelnen User verbunden ist. Nutzer, die denselben Kanal zugewiesen erhalten haben, können nebeneinander in einem Netzwerk existieren, solange die ihnen zugeordneten Blasen sich einander nicht ins Gehege kommen. Wenn die Blasen für einen bestimmten Kanal miteinander kollidieren, erhält ein Nutzer einen neuen Kanal zugewiesen.
Um den Aufbau weiter zu vereinfachen, werden direkte Abtastungen verwendet. Geringe Kosten werden erreicht, indem man Analog-Digital-Wandler 76 verwendet, die eine Analog-Digital-Wandlung der empfangenen Signale direkt bei der Hochfrequenz ermöglichen, was dazu führt, dass die gesamte andere Signalverarbeitung digital durchgeführt werden kann. Die empfangenen Signale werden mit Hilfe von sehr schnellen und sehr langsamen Analog-Digital-Wandlungen überabgetastet. In einem realisierten Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass ein Nutzersignal bei etwa 5 MHz liegt, es könnte jedoch auch bis zu 30 MHz hochgehen. Es wurde eine Abtastrate von etwa 20 MBps bei einer Auflösung von 4 Bit gewählt. Die Öffnungszeit des Analog-Digital-Wandlers muss geringer als ein Achtel der Periode der Trägerfrequenz sein. Daher ist bei einer Trägerfrequenz von 2 GHz eine Öffnungszeit von etwa 50 Picosekunden angemessen.
Es wird nun auf die 6 Bezug genommen, in der eine Alternative zu der Schaltungsanordnung aus 5 dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Analog-Digital-Wandler reduziert und der Dynamikbereich, der für die einzelnen Analog-Digital-Wandler benötigt wird, ist ebenfalls reduziert. In der Schaltung aus 6 kann das Element 74 in einem Block 88 gewichtet werden, bevor es einen Addierer 90 erreicht. Der Addierer 90 wird dazu verwendet, eine Anzahl von Elementen zusammenzugruppieren. Jeder Addierblock 90 besitzt einen ihm zugewiesenen Analog-Digital-Wandler 92. Indem man eine Anzahl von Elementen mit einem Addierblock 90 zusammengruppiert, kann man die Anzahl der Analog-Digital-Wandler reduzieren. Jeder Addierblock 90 kann außerdem mit einer Schaltung 94 zum Einprägen eines Rauschens verbunden sein. Es kann also ein strukturiertes Rauschen in dem Addierblock 90 hinzugefügt werden. Das strukturierte Rauschen kann aus orthogonalen Codes bestehen. Eine ähnliche Technik ist in dem US-Patent 5,077,562 beschrieben.
Jeder Analog-Digital-Wandler 92 ist mit einem Demultiplexer 96 verbunden. Der Demultiplexer 96 ist mit einem Netzwerk 98 zur digitalen Strahlformung und zur Unterdrückung von Interferenzen verbunden. Der Demultiplexer 96 demultiplext die Ausgangssignale der Analog-Digital-Wandler 92 und stellt sie dem Netzwerk 98 zur digitalen Strahlformung und Unterdrückung von Interferenzen zur Verfügung. Das Netzwerk zur digitalen Strahlformung und Unterdrückung von Interferenzen stellt ein empfangenes Signal zur Verfügung, damit es von der Signalverarbeitungsstation verarbeitet werden kann.
Es wird nun auf die 7 Bezug genommen, in der ein ähnliches Ausführungsbeispiel dargestellt ist, wie das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel kann ein Teil der Schaltung in der Basisstation untergebracht sein, während der verbleibende Teil der Schaltung in einer Signalverarbeitungsstation angeordnet ist. Indem man einen Teil der Schaltungsmaßnahmen aus der Basisstation entfernt, lässt sich ein weniger teures und flexibleres System realisieren. In 7 werden für die gleichen Elemente jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet wie in 6. Elemente 74 sind mit einem Block 88 zur Gewichtung gekoppelt, der wiederum mit Addierern 98 verbunden ist. Ein Block 100 zur Gewichtung ist nach dem Addierer angeordnet, um den Addierer 90 mit einem zentralen Addierblock 102 zu verbinden. Das Signal aus dem Addierblock 102 wird also zur weiteren Verarbeitung ausgestrahlt bzw. zu der Gatewaystation gesendet.
Es wird nun auf die 8 Bezug genommen, in der ein Gatewayabschnitt 104 der in 7 gezeigten Schaltung dargestellt ist. Es wird ein Demultiplexer 96 verwendet, der ähnlich zu dem oben gezeigten ist. Der Demultiplexer 96 demultiplext das abgestrahlte Signal aus dem Addierer 102 und liefert es an einen Analog-Digital-Wandler 106. Der Analog-Digital-Wandler 106 kann mit einem Schaltkreis 108 zur Rauscheinkopplung verbunden sein. Der Schaltkreis 108 zur Rauscheinkopplung kann ähnlich zu demjenigen sein, der oben beschrieben wurde, wobei der Schaltkreis 108 zur Rauscheinkopplung orthogonale Codes verwenden kann. Das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers wird einem Demultiplexerabschnitt 108 zur Verfügung gestellt, der seinerseits mit einem Netzwerk 98 zur digitalen Strahlformung und Unterdrückung von Interferenzen verbunden ist, ganz ähnlich zu demjenigen in 6. Das Netzwerk zur digitalen Strahlformung und digitalen Unterdrückung von Interferenzen stellt daher empfangene Signale aus verschiedenen Strahlen bereit. Indem man die Analog-Digital-Wandlung mit Demultiplexerfunktion und das Einkoppeln von Rauschen alles an einer Stelle zusammenführt, wie etwa bei der Gatewaystation, lässt sich die Komplexität der Basisstationen weiter reduzieren. Des Weiteren kann die Anzahl an Elementen, die in einer Basisstation bereitgestellt werden, aufgrund der extern durchgeführten Signalverarbeitung der Strahlsignale erhöht werden.
Es wird nun auf die 9 Bezug genommen, in der ein etwas detaillierteres Signalverarbeitungsschema für ein CDMA-System, wie z.B. ein Mobilfunksystem der dritten Generation, als das in 8 gezeigte, dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Diplexer 110 mit einem Strahler (hier nicht gezeigt) verbunden, so dass sowohl die Sende- als auch die Empfangssignale durch denselben Strahler erfolgen. Hier sind nur die Empfangsfunktionen dargestellt. Die entsprechenden Sendefunktionen sind identisch, jedoch in umgekehrter Richtung. Die empfangenen gemultiplexten Signale werden einem Analog-Digital-Wandler 112 zugeführt. Um das Blockschaltbild zu vereinfachen, wurde hier darauf verzichtet, den Abschnitt mit dem Einkoppeln von Rauschen darzustellen. Nach dem Analog-Digital-Wandler 112 folgt eine Schaltung 114, um die Elemente codemäßig zu entspreizen, wobei die Schaltung 114 eine Vielzahl von Multiplikationsstufen 116 besitzt, die eine Matched-Filter-Funktion (signalangepasstes Filter) über eine Multiplikation 116 und ein Bandpassfilter 118 durchführen, um das Signal, das an einem speziellen Element der Gruppe empfangen wurde, in einer digitalen Darstellung zu erhalten. An den Ausgängen des Blocks 114 zur Entspreizung sind daher die empfangenen Signale von sämtlichen Elementen der Gruppe der entfernten Basisstationen in digitaler Form wieder hergestellt. Die wieder hergestellten Signale stehen zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
Es wird nun ein Prinzip dargestellt, bei dem jeder Nutzer einen ihm zugeordneten Strahl besitzt. Die empfangenen Signale der Elemente werden vor der Strahlformung anhand der Codes der Nutzer Element für Element sortiert. Es kann mehr als ein Nutzer pro Code verwendet werden, aber diese kommen dann aus un terschiedlichen Richtungen und sie kommen zu unterschiedlichen Zeitpunkten an.
Die Schaltung 114 zur Entspreizung der Elemente auf Basis der Codes ist mit einer Schaltung 120 zur Entspreizung der Codes der Nutzer gekoppelt. Es wird jeder Nutzercode verwendet, um mehrere Nutzer mit demselben Nutzercode in der Schaltung 120 zur Entspreizung der Nutzercodes zusammenzugruppieren. Verschiedene Nutzer können nur über die Ankunftszeit und -richtung voneinander getrennt werden. Der Block 120 muss daher digitale Ströme mit mehreren Abzweigen zu dem Netzwerk zur Strahlformung besitzen, so dass die Nutzersignale mit demselben Nutzercode über Filtervorgänge nach Zeit und Richtung voneinander getrennt werden können. Jeder Nutzercode aus der Schaltung 120 zur Entspreizung der Nutzercodes ist mit einem Netzwerk zur digitalen Strahlformung und -auslöschung verbunden. Für jeden Nutzer ist ein Netzwerk zur digitalen Strahlformung und -auslöschung vorgesehen. Dateien zur Nachverfolgung 124 liefern ein Eingangssignal für das Netzwerk 122 zur digitalen Strahlformung und -auslöschung. Die Dateien zur Nachverfolgung beinhalten Informationen, wie etwa den Nutzercode, den Ort, die Zeit und die Richtung des Nutzers. Die Dateien zur Nachverfolgung ermöglichen es, die Kommunikationssignale in mehrere Verbindungen zur Kommunikation über eine Anzahl von Basisstationen aufzuteilen. Die Nutzersignale werden nach der digitalen Strahlformung ausgegeben und bspw. mit dem Internet verbunden. Eine Rückkopplung ist von dem Ausgang 126 über ein erweitertes Kalman-Filter vorgesehen. Das erweiterte Kalman-Filter 128 wird dazu verwendet, jeden Kanal mit der Position eines Nutzers und der Möglichkeit von Interferenzen oder Kollisionen mit Nachbarn zu aktualisieren. Die Information aus dem erweiterten Kalman- Filter 128 wird dazu verwendet, den entsprechenden Nutzer zu verfolgen.
Es wird nun auf 10 Bezug genommen, die eine Schaltung 130 zur adaptiven Auslöschung von Strahlen zeigt, die mit jeder der Schaltungen aus den 7 bis 9 verwendet werden kann. Zum Beispiel kann die Schaltung 142 aus 10 als ein Teil des Elements 122 aus 9 realisiert sein. Die Schaltung 130 besitzt Elemente 132, die mit einer Schaltung 134 zur Strahlformung verbunden sind, sowie einen Analog-Digital-Wandler 136. Wie bereits oben erwähnt wurde, kann dieser Teil der Schaltung natürlich auch ähnlich zu dem in den 7 bis 9 gezeigten sein. Eine Multiplikationsstufe 138 und ein Verstärker 140 können ebenfalls in der Schaltung vorgesehen sein. Ein Prozessor 142 zur digitalen Strahlformung und -löschung ist mit jedem der Analog-Digital-Wandler verbunden. Jedes Signal wird in einer Multiplikationsstufe 144 mit einem Gewichtsfaktor multipliziert, bevor es in einer Addierstufe 146 addiert wird. Das Ausgangssignal des Addierers 146 ist das Ausgangssignal Y_(t). Bei einer typischen digitalen Strahlformung ist der Richtungsvektor (der Satz an Multiplikatoren) allein durch die Blickrichtung bestimmt, und er zeigt üblicherweise einen linearen Phasenanstieg über der Gruppenapertur für die Punktstrahlen. Bei dem dargestellten Netzwerk zur adaptiven Strahlformung und -auslöschung wird der Richtungsvektor jedoch durch eine Signalumgebung weiter moduliert, so dass ein Strahl auf den gewünschten Nutzer gerichtet wird, während Nullstellen in die Richtungen gesteuert werden, die hohe Interferenzen aufweisen. Als ein Ergebnis ist das Verhältnis des empfangenen Signals zum Rauschen (einschließlich Interferenzen) maximiert. Für jedes Signal ist eine Rückkoppelstufe 147 mit einer negativen Rückkopp lung von dem Ausgangssignal Y_(t) zu einer Multiplikationsstufe 148 vorgesehen. Die Multiplikationsstufe 148 multipliziert das Eingangssignal von jedem Analog-Digital-Wandler mit dem Ausgangssignal Y_(t). Eine Summe aus einer Summierstufe 150 wird einer Stufe 152 zur Aktualisierung der Gewichtungsfaktoren bereitgestellt. Der Block 152 zur Aktualisierung der Gewichtungsfaktoren aktualisiert daher in Abhängigkeit von der Multiplikationsstufe 148 die Gewichtungsfaktoren und stellt diese den Multiplikationsstufen 144 zur Verfügung. Das Ausgangssignal ergibt sich also mit: Y(t) = ΣlWyŜ1(t) dwdt = –α∇wε (∇wε)l = 2⟨y(t) – d(t)·S1(t)⟩
Die hiesige Vorgehensweise zur adaptiven Auslöschung verwendet ein Kriterium der mittleren kleinsten Quadrate für eine stabile Lösung. Darüber hinaus kann eine Technik auf Basis der steilsten Flanke dazu verwendet werden, eine stabile Lösung zu erreichen. Es wird eine Technik mit einer indirekten Korrelation verwendet anstelle von einer Technik mit einer direkten Störgröße, um den „Gradienten" für jede Aktualisierung zu bestimmen.
Es wird nun auf die 11 Bezug genommen, in der ein Begrenzer in dem Rückführkreis angeordnet sein kann, ganz ähnlich zu den Vorgehensweisen, die in US 4,635,063 beschrieben sind, um die Kosten zu reduzieren und die Wirksamkeit der Auslöschung zu verbessern. Die Begrenzerschaltung 160 beinhaltet Elemente 162 ähnlich derjenigen, die oben beschrieben wurden. Jedes Element besitzt einen zugeordneten Hauptkanal 164, einen Durchführungspfad 166 und einen Rückführungspfad 168. Da die Schaltkreise, die mit den jeweiligen Elementen verbunden sind, weitgehend dieselben sind, wird nur auf einen Schaltkreis, der mit einem Element verbunden ist, im Detail Bezug genommen. Die Funktionsblöcke können allesamt in digitaler Ausprägung realisiert werden. Zum Beispiel entsprechen Leistungsteiler einem Datenbus, Gewichtungsschaltkreise entsprechen Multiplizierern, Korrelatoren entsprechen Prozessoren, die Multiplizierer und Integrierer kombinieren, Ausgangssignale von harten Begrenzern entsprechen Vorzeichenbits usw.
Korrelatoren 170 verarbeiten Signale in dem Durchführungspfad 166 und auch in dem Rückführungspfad 168. Das Ergebnis wird nach einem Algorithmus von einem Computer 172 transformiert. Der Schaltkreis 174 zur Wichtung ändert das Signal in dem Hauptkanal 164 daher fortlaufend, um die Interferenz mit einem gewünschten Signal zu minimieren.
Ein Begrenzer 176 ist in dem Rückführungspfad 168 angeordnet. Wie weiter unten beschrieben ist, vereinfacht diese Anordnung den Aufbau des Korrelators im Vergleich zu einer Schaltung ohne solche Begrenzer, und sie verbessert die Leistung im Vergleich zu adaptiven Antennen mit Begrenzern im Durchführungspfad.
Jedes Element 162 ist über den jeweiligen Hauptkanal 164 mit jeweils einem eingangsseitigen Leistungsteiler 180 oder einem anderen Mittel zum Aufteilen eines Eingangssignals zwischen einem vorverarbeiteten Signal und einem Diagnosesignal verbunden. Ein Diagnosesignal wird über den jeweiligen Durchführungspfad 166 übertragen. Das vorverarbeitete Signal wird über einen zweiten Abschnitt 182 des jeweiligen Hauptkanals 164 übertragen.
Die Amplitude und die Phasenlage der vorverarbeiteten Signale kann mit der Gewichtungsschaltung 174 oder einem anderen Mittel zur Gewichtung, das mit jedem der Elemente 162 verbunden ist, verändert werden. Die sich dabei ergebenden, gewichteten Signale werden über einen dritten Abschnitt 184 jedes Hauptkanals 164 übertragen, um mit Hilfe von so etwas wie einem Leistungszusammenführer 186 überlagert zu werden. Ein Mittel, wie zum Beispiel ein ausgangsseitiger Leistungsteiler 188, der in einem vereinheitlichten Abschnitt 190 des Hauptkanals 14 zwischen dem Leistungszusammenführer 186 und einem Ausgang 192 für die Antenne eingesetzt ist, teilt das addierte Signal zwischen einem Ausgangssignal und einem Rückführungssignal auf.
Der hier dargestellte Rückführungspfad 168 beinhaltet Mittel, um aus dem Rückführungssignal die gewünschten Frequenzbänder zu eliminieren, die mit der primären Signalquelle verknüpft sind, die von der Schaltung 160 empfangen werden soll. Diese Mittel können einen Hybrid 194 beinhalten, um die gewünschten Bänder aus einem Bereich des addierten Signals zu subtrahieren. Etwas genauer beinhaltet der Hybrid 194 einen primären Eingang 196 und einen sekundären Eingang 198. Der primäre Eingang 196 empfängt einen Abschnitt des summierten Signals von dem ausgangsseitigen Leistungsteiler 188. Der sekundäre Eingang 198 empfängt nur den Teil des summierten Eingangssignals mit dem gewünschten Frequenzband. Das gewünschte Frequenzband kann mit Hilfe eines Bandpassfilters 200 bereitge stellt werden, der an seinem Eingang einen Abschnitt des addierten Signals erhält, das dort von dem ausgangsseitigen Leistungsteiler 188 hin geliefert wird. Das Ausgangssignal des Hybrides ist das addierte Signal ohne das gewünschte Frequenzband. Die Löschung des gewünschten Frequenzbandes aus dem Rückführungssignal vermeidet eine ansonsten mögliche Auslöschung der gewünschten Signalquelle. Der Begrenzer 176 ist in dem Rückführungspfad 168 angeordnet, so dass die Begrenzung vor der Aufteilung des Rückführungssignals erfolgt. Auf diese Weise wird vermieden, dass man mehrere Begrenzer benötigt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Begrenzer 176 um einen harten Begrenzer. Idealerweise ist es ein harter Begrenzer, der ein sinusförmiges Eingangssignal in ein rechteckförmiges Ausgangssignal umwandelt.
Das begrenzte Rückführungssignal wird mit Hilfe eines Mittels wie z.B. eines Leistungsteilers 202 aufgeteilt, um den Korrelatoren 170 rückgekoppelte Eingangssignale 204 zur Verfügung zu stellen. Das Rückführungssignal ist mit dem Diagnosesignal, das an jedem Durchführungseingang 206 von jedem Korrelator 170 anliegt, korreliert. Der bevorzugte Korrelator 170 ist ein Multiplizierer, der mit einem Tiefpassfilter gekoppelt ist.
Jedes Korrelationsergebnis wird von einem Computer oder einem Prozessor 172 oder einem alternativen Mittel nach einem Algorithmus transformiert. Die Transformation wird dazu verwendet, um die Gewichtungsfunktion der Schaltung 174 zur Gewichtung bzw. eines anderen Gewichtungsmittels zu bestimmen. Vorzugsweise wird ein Algorithmus mit einem abnehmenden Gradien ten, wie z.B. einer Methode der kleinsten Fehlerquadrate, eine Leistungsumkehrung nach Howell-Applebaum verwendet.
Einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich aus der nachfolgenden theoretischen Analyse besser verstehen. Die Funktion eines idealen harten Begrenzers besteht darin, einen gleichbleibend hohen, positiven Ausgangspegel zu erzeugen, wenn immer das Eingangssignal positiv ist, sowie einen gleichbleibend niedrigen, negativen Ausgangspegel, wenn immer das Eingangssignal negativ ist. Der Übergang zwischen den konstanten positiven und den konstanten negativen Werten (bzw. die Schwellwerte) ist ein scharfer bzw. diskontinuierlicher Übergang. Dementsprechend erhält man idealerweise eine Rechteckwelle als Ausgangssignal bei einem sinusförmigen Eingangssignal. In einer Umgebung mit mehreren Signalen, in der die Unterschiede hinsichtlich der Signalleistungen groß sind (z.B. mehr als 10 dB), unterdrückt der Begrenzer schwache Signale und verstärkt das stärkste Signal. Qualitativ gesehen reagiert der Begrenzer nur auf das jeweils stärkste Signal.
In einer phasengesteuerten Gruppenanordnung teilt jedes Element dasselbe Blickfeld mit jedem anderen Element. Dementsprechend spielt jedes einzelne Element nahezu dieselbe Rolle bei der Ausbildung eines einzigen Strahls. Alle störenden Signale im Blickfeld werden von jedem einzelnen Element in der phasengesteuerten Gruppe aufgenommen. Dementsprechend ist die Anordnung des Begrenzers entweder im Durchführungspfad oder im Rückkoppelpfad für die Unterdrückung von mehrfachen Interferenzen in einer phasengesteuerten Gruppe ein wesentliches Kriterium.
Wenn man den Begrenzer in dem Durchführungspfad anordnet, beinhaltet sein Ausgangssignal praktisch nur die Information der stärksten Interferenz und die Antenne wird dementsprechend die stärkste Interferenz auslöschen. Das Ausgangssignal des Korrelators beinhaltet jedoch keines der anderen Interferenzsignale, um es der Antenne zu ermöglichen, Nullstellen in deren Richtungen auszubilden.
Wenn ein harter Begrenzer alternativ hierzu in den Rückführungspfad gelegt wird, kann die Antenne zunächst das Signal mit der stärksten Interferenz auslöschen, bis dieses in die Größenordnung des zweitstärksten Signals kommt. Die Antenne wird dann beide Signale auslöschen, bis das Antennensystem einen inhärenten Schwellenwert erreicht, der sich aus Quantisierungsfehlern bzw. einer Rückkoppelverstärkung, dem Begrenzer und anderem ergibt.
12 zeigt einen Vergleich der Leistungsergebnisse bei der Unterdrückung von Interferenzen und der Konvergenzrate von drei Konfigurationen einer Gruppenantenne mit jeweils vier Elementen: (a) ohne Begrenzer, (b) Begrenzer in den Durchführungspfaden, und (c) Begrenzer in dem Rückführungspfad. Diese Ergebnisse wurden mit einem Computersimulationsprogramm, ADAPT, erhalten und sie zeigen das dynamische spektrale Ausgangssignal über der Anzahl der Iterationen in dem adaptiven Prozess.
Da der adaptive Prozess in der Konfiguration ohne Begrenzer mit dem Ausgangszustand startet, wird die stärkste Interferenz monoton reduziert, bis sie beim Iterationsschritt 37 unter dem Schwellenwert liegt, wie in 12A dargestellt ist. Der Schwellenwert ist auf 35 dB unterhalb der stärksten Interferenz eingestellt. Die schwächere Interferenz hat bis zum Iterationsschritt 34 keine Auswirkung gehabt. An diesem Punkt wird die schwächere Interferenz langsam aber kontinuierlich unterdrückt. Beim Iterationsschritt 126 ist das Interferenzsignal unterhalb des Schwellenwertes. Während der Anpassung ist die gewünschte Leistungsdichte des Signals am Ausgang kontinuierlich angehoben worden, bis sie einen stationären Wert von 10 dB oberhalb der Schwelle im Iterationsschritt 134 erreicht. Diese Systemkonfiguration funktioniert, aber sie benötigt Korrelatoren mit einem großen Dynamikbereich. Um die hohen dynamischen Anforderungen an die Korrelatoren zu reduzieren, werden in vielen abgewandelten Ausführungen Begrenzer verwendet, wie dies im Folgenden gezeigt ist.
In der Konfiguration mit dem Begrenzer in dem Durchführungspfad wird der Pegel der Leistungsdichte der stärkeren Interferenz sukzessive unter den Schwellenwert reduziert, aber der Pegel der Leistungsdichte der schwächeren Interferenz steigt anfänglich an und bleibt auf diesem stationären Wert, wie in 12B gezeigt ist. Das gewünschte Signal steigt im Wert geringfügig an, wird jedoch niemals über die schwache Interferenz angehoben. Dieses System reagiert nicht angemessen auf die schwächeren Interferenzsignale.
In der Konfiguration mit dem Begrenzer im Rückführungspfad werden die Pegel der Leistungsdichte sowohl von der schwächeren als auch von der stärkeren Interferenz sukzessive unter den Schwellenwert reduziert, wie man in 12C sehen kann. Im Vergleich mit der Konfiguration ohne Begrenzer wird die schwächere Interferenz etwas schneller unterdrückt. Die schwache Interferenz ist im Iterationsschritt 87 unterhalb des Schwel lenwerts. Über diesen Vorgang hinweg wird das gewünschte Signal kontinuierlich angehoben.
Aus dem oben gesagten lässt sich ersehen, dass die vorliegende Erfindung eine verbesserte Leistungsfähigkeit im Vergleich mit Konstruktionen aus dem Stand der Technik bietet, die keinen Begrenzer oder einen Begrenzer im Durchführungspfad besitzen. Die vorliegende Erfindung verbessert des Weiteren auch die Version mit dem Begrenzer in dem Durchführungspfad, da sie nur einen Begrenzer erfordert, und sie ist der Version ohne Begrenzer überlegen, weil sie die Anforderungen an die Ausgestaltung der Korrelatoren erleichtert.
Es wird nun auf die 13 Bezug genommen, in der eine andere Schaltung 220 dargestellt ist, um eine Auslöschung zu ermöglichen. In diesem Ausführungsbeispiel sind eine Vielzahl von Hauptgruppenelementen 222 und Hilfselementen 224 dargestellt. Die Hauptgruppenelemente 222 sind ähnlich zu den Elementen, die in den vorhergehenden Schaltungen beschrieben wurden. Die Hilfselemente 224 wurden hinzugefügt, um eine Auslöschung der Nebenkeulen von den Hauptelementen zu ermöglichen. Dies sorgt für die Fähigkeit, die es den Nutzern ermöglicht, ohne Interferenzen näher zusammenzukommen. Die Hauptgruppenelemente 222 sind mit einer Schaltung 226 zur digitalen Strahlformung im Hauptpfad verbunden. Die Hilfselemente 224 sind mit einer Schaltung 228 zur digitalen Strahlformung im Hilfspfad verbunden. Eine Addierstufe 230 addiert die Signale der Hauptgruppenelemente über die Schaltung 226 zur digitalen Strahlformung im Hauptpfad mit gewichteten Anteilen der Hilfselemente, um Interferenzen auszulöschen. Eine Rückkopplung wird über einen Block 232 zur Aktualisierung der Gewichtungen bereitge stellt. Der Block 232 zur Aktualisierung der Gewichtungen erzeugt eine Gewichtung für jedes einzelne Nutzersignal und stelle diese einer Multiplikationsstufe zur Verfügung, wo sie mit den Ausgangssignalen der Schaltung 228 zur digitalen Strahlformung im Hilfspfad kombiniert werden. Das Ausgangssignal der Schaltung zur digitalen Strahlformung kann außerdem mit der Stufe 232 zur Aktualisierung der Gewichtungen gekoppelt sein, um zu ermöglichen, dass die Gewichtungen als Funktion der Eingangssignale des digitalen Strahlformungsnetzwerks im Hilfspfad gebildet werden. Die gewichteten Signale aus dem digitalen Strahlformungsnetzwerk im Hilfspfad werden in einem Addierer 234 zusammengeführt, wo sie mit jeder der Schaltungen zur digitalen Strahlformung im Hilfspfad zusammengeführt werden, und sie werden einem Addierer 230 zur Verfügung gestellt, um für die Löschung der Interferenzen zu sorgen. Auf diese Weise sind in dem Ausgangssignal 236 der Schaltung 220 die Hauptnutzersignale von den Interferenzen befreit, und zwar mit Hilfe der Hilfselemente 224.
Im Betrieb der Realisierung aus 13 werden die Hauptgruppenelemente 222 dazu verwendet, die Kommunikationsstrahlen nach der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Die Hilfselemente 224 werden dazu verwendet, Interferenzen aus den Hauptgruppenelementen zu löschen, soweit dies erforderlich ist. Dies bedeutet, dass für die Hilfselemente 224 Gewichte unter Verwendung der Positionen der Nutzer bestimmt werden können, so dass die Hilfselemente 224 ein Hilfselementausgangssignal liefern, um Interferenzen in den Kommunikationsstrahlen auszulöschen, da die Richtung der starken Interferenzquellen für jeden aktiven Strahl aus der Nutzerposition bestimmt werden können. Vorzugsweise wird dies in der Gatewaystation durchgeführt, um die Basisstation hinsichtlich ihrer Komplexität zu entlasten. Wie die einschlägigen Fachleute auf diesem Gebiet erkennen werden, handelt es sich um die Nebenkeulen des Hauptstrahls, die ausgelöscht werden müssen. Indem man die Hilfselemente zur Verfügung stellt, können die Nebenkeulen der Hauptstrahlen reduziert bzw. gezielt mit Hilfe der Ausgangssignale der Hilfselemente ausgelöscht werden. Jedes der oben beschriebenen Paneele kann eine Löschung der Nebenkeulen unter Verwendung von Hilfselementen beinhalten.
Indem man die digitale Strahlformung in der Gatewaystation bereitstellt, werden vorteilhafterweise sämtliche Strahlen in Echtzeit ausgebildet, und zwar unter Verwendung der Dateien mit den Nutzerpositionen, die in der Gatewaystation vorhanden sind. Da das System Änderungen unterliegt, kann die Gatewaystation die Ausgangssignale der Hilfselemente in einer kontinuierlichen Weise adaptiv verändern.
Wenngleich hier eine bevorzugte Variante zur Ausführung der Erfindung im Detail beschrieben wurde, werden die einschlägigen Fachleute auf dem Gebiet, auf dem diese Erfindung liegt, verschiedene alternative Realisierungen und Ausführungsbeispiele erkennen, um die Erfindung, die in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist, in der Praxis zu realisieren.

Claims

Kommunikationssystem (10) zur Kommunikation mit einem stationären Benutzerendgerät (16F) und einem mobilen Benutzerendgerät (16M), mit: – einer Vielzahl von drahtlosen Basisstationen (18) zum Erzeugen von einer Vielzahl von Kommunikationsstrahlen (12), um mit dem stationären Benutzerendgerät (16F) und dem mobilen Benutzerendgerät (16M) zu kommunizieren, und – einer Gatewaystation (20), die mit der Vielzahl der drahtlosen Basisstationen (18) gekoppelt ist, um Verbindungen zwischen den Benutzerendgeräten (16F, 16M) und terrestrischen Netzwerken (22) über die Basisstationen (18) bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass – jede drahtlose Basisstation (18) eine adaptive Antenne (30) besitzt, um mit den Benutzerendgeräten (16F, 16M) zu kommunizieren, sowie eine gerichtete Antenne (32), um die Kopplung zu der Gatewaystation (20) herzustellen, wobei die adaptive Antenne (30) eine Vielzahl von Paneelen (52) mit einer Vielzahl von rekonfigurierbaren Antennenelementen (56) besitzt, und – die Gatewaystation (20) so ausgebildet ist, dass sie die Vielzahl der Strahlen (12) ausbildet, indem sie eine Vielzahl von Steuersignalen zu der Vielzahl der drahtlosen Basisstationen (18) überträgt, – wobei jedes Paneel (52) dazu verwendet wird, mehrere dynamische Verbindungen aufzubauen und wobei in jeder Kommunikation mehrere Basisstationen (18) durch mehrere Paneele (52) verwendet werden, so dass stets mehrere Verbindungen mit einem Benutzerendgerät (16F, 16M) verbunden sind.
Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Basisstationen (18) eine Vielzahl von sekundären Antennenelementen (228) besitzt, um Interferenzen zwischen der Vielzahl der Kommunikationsstrahlen (12) zu unterdrücken.
Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei die Gatewaystation (20) mit der Vielzahl der drahtlosen Basisstationen (18) über eine Hochfrequenzverbindung gekoppelt ist.
Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Antennenelemente (56) modular aufgebaut ist.
Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Antennenelemente (56) mit einem Bus und einem Buskontroller (68) gekoppelt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kommunikationssystems (10) mit den Schritten: – Erzeugen einer Vielzahl von Kommunikationsstrahlen (12) mit einer Vielzahl von drahtlosen Basisstationen (18), um mit einem stationären Benutzerendgerät (16F) und einem mobilen Benutzerendgerät (16M) zu kommunizieren, und – Ankoppeln einer Gatewaystation (20) an die Vielzahl der drahtlosen Basisstationen (18), um Verbindungen zwischen den Benutzerendgeräten (16F, 16M) und terrestrischen Netzwerken (22) über die Basisstationen (18) bereitzustellen, gekennzeichnet durch die Schritte – Bereitstellen einer adaptiven Antenne (30) für die Kommunikation mit den Benutzerendgeräten (16F, 16M) sowie einer gerichteten Antenne (32) zum Ankoppeln der Gatewaystation (20) an jede drahtlose Basisstation (18), wobei die adaptive Antenne (30) eine Vielzahl von Paneelen (52) mit einer Vielzahl von rekonfigurierbaren Antennenelementen (56) besitzt, und – Ausbilden der Vielzahl von Strahlen (12), indem eine Vielzahl von Steuersignalen von der Gatewaystation (20) zu der Vielzahl von drahtlosen Basisstationen (18) übertragen wird, – wobei jedes Paneel (52) dazu verwendet wird, mehrere dynamische Verbindungen herzustellen, und wobei in jeder Kommunikation mehrere Basisstationen (18) über mehrere Paneele (52) verwendet werden, so dass stets mehrere Verbindungen zu einem Benutzerendgerät (16F, 16M) hergestellt sind.