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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Technik vom Vielfachzugriff
im Codemultiplex (CDMA, Code Division Multiple Access), und genauer
auf eine Basisstations-Antennenvorrichtung und ein Verfahren zum
Optimieren von Verkehrskapazität
der Zelle in einem CDMA-Kommunikationssystem.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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In
dem CDMA-Kommunikationssystem belegen viele Kanäle unabhängig das gleiche Frequenzband,
und alle Signale werden gleichzeitig in der Zeit übertragen.
Die unterschiedlichen Kanäle
(oder Wellenformen) in CDMA werden in dem Empfänger unter Verwendung der spezifischen
Spreizcodes, die sie einsetzen, voneinander unterschieden. In CDMA werden
alle Signale mit Ausnahme des Zielkanals Interferenzsignale. Da
eine übermäßige Menge
von Interferenz gute Kommunikationsbedingungen verhindert, ist die
Zahl von zulässigen
Benutzern (d.h. die Verkehrskapazität) in der Zelle oder dem Sektor
unvermeidlich begrenzt. Zu diesem Zweck ist eine geeignete Maßnahme zum
Reduzieren von Interferenz erforderlich, um die Verkehrskapazität so weit
wie möglich
zu erhöhen.
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Eine
andere bekannte Technik zum Reduzieren von Interferenz von anderen
Kommunikationskanälen
ist Zellensektorierung. Mit dieser Technik wird die Zelle unter
der Steuerung der Basis station in viele Sektoren unterteilt, und
die Basisstation ist mit vielen gerichteten Antennen mit unterschiedlichen
Strahlenmustern ausgerüstet,
wobei jede Antenne einem der Sektoren entspricht. Der Hauptstrahl
jeder gerichteten Antennen ist dem zugehörigen Sektor zugewandt, während die
Seitenkeule anderen Sektoren zugewandt ist, um das erwartete Signal
(von dem Zielkanal) von den Interferenzsignalen (von anderen Kanälen) räumlich zu
trennen.
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1 ist
eine Perspektivansicht einer gerichteten Antenne 100, die
in der Zellensektorierungstechnik verwendet wird, und 2 zeigt
ihren Grundriss. Die gerichtete Antenne 100 hat einen Radiator
vom Stabtyp 103, ein Paar von Reflektorplatten 102,
die mit einem Winkel α zwischen
ihnen angeordnet sind, um die Funkwellen zu reflektieren, die von dem
Radiator 103 emittiert werden, und die rotierende Einheit 101.
Die rotierende Einheit 101 rotiert den Aufbau des Radiators 103 und
der Reflektorplatten 102 um eine Achse parallel zu dem
Radiatorstab, während
die Positionsbeziehung zwischen dem Radiator 103 und den
Reflektorplatten 102 aufrechterhalten wird, um die Richtung β der Strahlenausrichtung
zu ändern.
Eine Reflektorwinkelabstimmungsvorrichtung (oder eine Reflektor-Plattenöffnungs-/Schließeinheit) 105 ist
hinter den Reflektorplatten 102 vorgesehen. Die Reflektorwinkelabstimmungsvorrichtung 105 ändert den
Winkel α zwischen den
zwei Platten 102, um die Strahlenbreite (oder das Strahlenmuster)
der gerichteten Antenne 100 zu ändern.
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3A veranschaulicht
einen Antennenaufbau, der drei gerichtete Antennen 100A, 100B und 1000 verwendet,
der für
eine Zelle mit drei Sektoren verwendet wird. Das Strahlenmuster
jeder gerichteten Antenne ist auf den zugehörigen Sektor gerichtet, wie
in 3B veranschaulicht wird.
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4A veranschaulicht
einen Antennenaufbau, der sechs gerichtete Antennen 100A bis 100F verwendet,
der für
eine Zelle mit sechs Sektoren verwendet wird. Das Strahlenmuster
jeder gerichteten Antenne ist auf den zugehörigen Sektor gerichtet, wie in 4B veranschaulicht
wird.
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Die
Zellensektorierungstechnik, die diese Antennenaufbauten verwendet,
ist in der Mehrfachpfad-Übertragungsumgebung
mit großer Übertragungsverzögerung oder
Spreizung in der Richtung von Signalankunft von Vorteil, um die
Interferenz von den anderen Kommunikationskanälen zu reduzieren. In der Mehrfachpfad-Übertragungsumgebung
mit geringer Übertragungsverzögerung oder
Spreizung in der Richtung von Ankunft ist die Zellensektorierungstechnik
jedoch nicht so vorteilhaft. Besonders in der Umgebung, in der verschiedene
Funksignale mit unterschiedlichen Kommunikationsqualitäten oder Übertragungstypen
(dargestellt durch die Übertragungsleistung,
die Übertragungsrate,
die Fehlerrate etc.) existieren, ist die Zellensektorierungstechnik
der adaptiven Antennenfeldtechnik in ihrer Fähigkeit zum Reduzieren von
Interferenz unterlegen.
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Die
adaptive Antennenfeldtechnik ist eine andere Technik zum Reduzieren
der Interferenz von anderen Kanälen.
Mit dieser Technik sind viele Antennenelemente in einer vorbestimmten
Konfiguration angeordnet, um ein Antennenfeld in der Basisstation
zu bilden. Diese Antennenelemente werden unter Verwendung bekannter
Signale, wie etwa eines Pilotbits oder eines eindeutigen Wortes,
enthalten in dem empfangenen Signal, so adaptiv gesteuert, um das
Signal-Interferenz-Verhältnis
(SIV) zu maximieren. Die Interferenz kann von dem Zielsignal räumlich getrennt
werden.
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5 veranschaulicht
ein Beispiel des adaptiven Antennenfeldes, und 6 veranschaulicht
die Richtwirkung (directivity) dieses adaptiven Antennenfeldes.
Das adaptive Antennen feld 500, das in 5 veranschaulicht
wird, hat n Antennenelemente (5011 , 5012 , ..., 501n ),
und Gewichtungsmittel, die das Signal, das in jedem der Antennenelemente
empfangen wird, mit einem der zugehörigen Gewichtungskoeffizienten
(w1, w2, ..., wn) multiplizieren. Die gewichteten Signale werden
synthetisiert und ein synthetisches Signal wird von dem Ausgangsanschluss
ausgegeben. Jeder der Gewichtungskoeffizienten kann so abgestimmt
und variiert werden, dass das SIV des synthetischen Signals das
Maximum wird. Diese Anordnung kann die optimale Richtwirkung erreichen.
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In 6A wird
die Richtwirkung des adaptiven Antennenfeldes veranschaulicht, das
vier Antennenelemente (n = 4) verwendet. In diesem Beispiel sind
die Antennenelemente Radiatorelemente vom Stabtyp, die in einer
Linie ausgerichtet sind, um ein Antennenfeld zu bilden, wie in 6B veranschaulicht
wird. Im allgemeinen werden (n – 1)
Nullpunkte in der Vorderfläche
des adaptiven Antennenfeldes erzeugt. In diesem Beispiel werden
drei (4 – 1
= 3) Nullpunkte in der Vorderfläche
des Antennenfeldes gebildet, wie in 6A veranschaulicht
wird. Diese Nullpunkte sind auf Kanäle mit Ausnahme des Zielkanals gerichtet,
um eine große
Interferenzreduzierungswirkung zu erreichen.
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Die
adaptive Antennenfeldtechnik ist bei Reduzierung der Interferenz
von Vorteil, während
die Verkehrskapazität,
besonders in der Umgebung, in der unterschiedliche Qualitäten oder
unterschiedliche Typen von Signalen bei unterschiedlichen Übertragungsleistungen,
unterschiedlichen Übertragungsraten
oder unterschiedlichen Fehlerraten koexistieren, erhöht wird.
Dies ist so, da die Richtwirkungscharakteristika des Antennenfeldes,
inkludierend die Hauptkeule und die Position der Nullpunkte, so
geeignet geändert
werden, um das SIV zu maximieren. Durch Leiten eines Signals mit
großer Übertragungsleistung
auf den Nullpunkt kann z.B. die Kommunikationsqua lität eines
Signals geringer Übertragungsleistung
garantiert werden.
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In
einer anderen Mehrfachpfad-Übertragungsumgebung
mit breiter Spreizung von Verzögerungszeit
oder Ankunftsvorrichtungen, worin Übertragungsqualitäten oder Übertragungstypen
auf ähnlichen Übertragungsleistungspegeln, Übertragungsraten
und Fehlerraten einander ähnlich
sind, ist jedoch die adaptive Antennenfeldtechnik der Zellensektorierungstechnik
in der Fähigkeit,
Interferenz zu reduzieren, unterlegen. Dies ist so, da falls es
eine große Spreizung
von Übertragungsverzögerung oder
Signalankunftsrichtung gibt, dann die Ankunftsrichtung des Zielkanals
dispergiert ist. Um auf die Dispersion der Ankunftsrichtung zu reagieren,
muss die Hauptkeule breit gebildet werden. Dies veranlasst, dass
die räumliche
Trennung des Zielsignals von der Interferenz reduziert wird. Außerdem kann
die Interferenzreduzierungsbeeinflussung, die von den Nullpunkten Gebrauch
macht, nicht erwartet werden, da die Signalankunftsrichtungen von
den anderen Kanälen auch
dispergiert sind. Ein anderer Grund für die Verringerung der Interferenzreduzierungswirkung
besteht darin, dass die Kommunikationsqualitäten oder die Übertragungstypen
der Signale einander ähnlich sind,
und es deshalb schwierig ist, ein Signal mit großer Übertragungsleistung zu finden
und zu einem Nullpunkt zu bringen.
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Eine
unabhängige
Verwendung der oben beschriebenen bekannten Techniken kann nicht
auf die Änderung
in der Kommunikationsumgebung (inkludierend Verkehrsbedingungen
und Kommunikationsqualitäten)
auf eine flexible Art und Weise reagieren, und sie kann entsprechend
die Verkehrskapazität
in dem gegebenen Frequenzband nicht optimieren.
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Eine
andere bekannte adaptive Antennenvorrichtung wird in WO-A-0115477 offenbart.
Diese offenbart eine adaptive Antennen anordnung umfassend eine Vielzahl
von Antennenelementen, wobei jedes einen engen Strahl vorsieht und
angeordnet ist, vollständige
Abdeckung einer Zelle vorzusehen. Eine Steuervorrichtung unterteilt
die Zelle in Sektoren unterschiedlicher Größen durch Zuweisen entsprechender
unterschiedlicher Zahlen der Antennenstrahlen zu jedem Sektor.
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Eine
andere bekannte adaptive Antennenanordnung wird in WO-A-0184869 gezeigt.
Diese offenbart eine Antennenvorrichtung für eine Basisstation mit einer
Vielzahl von einzelnen Antennen. Die Signale von der Vielzahl von
Antennen werden durch eine Steuervorrichtung verarbeitet, um die
Zelle in eine Zahl von Sektoren selektiv zu unterteilen. Die Zahl
von Sektoren kann wie durch den Grad von Verkehr erforderlich, der
durch die Zelle gehandhabt wird, geändert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Verkehrskapazität der Zelle
oder des Sektors zu optimieren, wobei flexibel auf die Änderung
in der Kommunikationsumgebung reagiert wird.
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Um
das Ziel zu erreichen, wird die Konfiguration des Antennenfeldes
so automatisch umgeschaltet, um für die Zellensektorierungstechnik
oder die adaptive Antennenfeldtechnik geeignet zu sein, wobei die Übertragungsumgebung
(inkludierend die Signalankunftsrichtung) und die Übertragungstypen, die
in dem Dienstbereich existieren, berücksichtigt werden. Diese Anordnung
kann die optimale Verkehrskapazität garantieren, selbst wenn
sich die Übertragungsumgebung
oder Variation in den Übertragungsqualitäten ändern.
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In
einem Aspekt der Erfindung ist eine Antennenvorrichtung, die in
einer Basisstation installiert ist, in einem Kommuni kationssystem
mit Vielfachzugriff im Codemultiplex, die Vorrichtung umfassend:
eine Vielzahl von Antennenelementen, jedes angepasst, ein Funksignal
zu empfangen; eine Steuervorrichtung, angepasst, ein Antennensteuersignal
basierend auf Information zu erzeugen, die in dem Funksignal enthalten
ist, das in jedem der Antennenelemente empfangen wird, und gekennzeichnet
dadurch, ferner zu umfassen: eine Abstimmungseinheit, angepasst,
eine Richtwirkungscharakteristik von jedem der Antennenelemente
basierend auf dem Antennensteuersignal abzustimmen; und eine Zuordnungseinheit,
angepasst, jedes der Antennenelemente einem von Sektoren basierend
auf dem Antennensteuersignal zuzuordnen, wobei der Sektor einen
Abschnitt einer Zelle abdeckt, die durch die Basisstation gesteuert
wird, und die Zahl von Sektoren in der Zelle mittels des Antennensteuersignals
variabel ist.
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Diese
Anordnung erlaubt, dass die Richtwirkungscharakteristika des Antennenelementes
geeignet geändert
werden, während
die Zahl von Sektoren und Zuordnung der Antennenelemente abgestimmt werden,
als Reaktion auf die Änderung
in der Kommunikationsumgebung. Folglich kann die Verkehrskapazität optimiert
werden.
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Die
Antennenelemente sind in einem Antennenfeld angeordnet. Die Konfiguration
des Antennenfeldes kann durch Abstimmen der Richtwirkungscharakteristika
(wie etwa die Strahlenbreite und die Hauptstrahlenausrichtung) von
jedem Antennenelement und der Zahl von Sektoren geändert werden, ohne Änderung
der Positionen der Antennenelemente in dem Feld.
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Ein
Beispiel eines Antennenfeldes ist ein sechseckiges Feld, in dem
die Antennenelemente entlang den Seiten eines Sechsecks positioniert
sind. Alternativ können
die Antennenelemente in einem sechseckigen Bereich angeordnet sein.
Des wei teren kann ein beliebiges vieleckiges Antennenfeld verwendet
werden.
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Die
Steuervorrichtung bestimmt Übertragungspfadbedingungen
und Variation im Übertragungstyp
basierend auf den Funksignalen, die in den Antennenelementen empfangen
werden, und erzeugt das Antennensteuersignal basierend auf den Bestimmungsergebnissen.
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Die Übertragungspfadbedingungen
inkludieren Übertragungsverzögerung und
die Signalankunftsrichtung in einer Mehrfachpfadumgebung. Der Übertragungstyp
inkludiert Übertragungsleistung, eine Übertragungsrate,
eine Fehlerrate etc. Abhängig
von den Übertragungspfadbedingungen
und der Variation im Übertragungstyp
werden die Richtwirkung von jedem Antennenelement und die Zuordnung
der Antennenelemente zu Sektoren mittels des Antennensteuersignals
abgestimmt.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung gibt es ein Verfahren zum Optimieren
von Verkehrskapazität
einer Zelle, wobei die Zelle in eine Vielzahl von Sektoren unterteilt
ist, das Verfahren die Schritte umfassend: Vorsehen eines Antennenfeldes
zu einer Basisstation, die die Zelle steuert, wobei das Antennenfeld
aus einer Vielzahl von Antennenelementen besteht; Empfangen von
Funksignalen in den Antennenelementen; Analysieren der Funksignale;
Erzeugen eines Antennensteuersignals basierend auf dem Analyseergebnis;
und gekennzeichnet durch Durchführen
einer Abstimmung einer Richtwirkungscharakteristik von jedem der
Antennenelemente und Abstimmen der Zahl von Sektoren, während eine
Entsprechung zwischen den Antennenelementen und den Sektoren definiert
wird.
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Mit
diesem Verfahren können
die Richtwirkungscharakteristika des Antennenelementes und die Zahl
von Sektoren in Echtzeit als Reaktion auf eine Änderung in der Kommunikationsumgebung
abgestimmt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Perspektivansicht einer Antenne, die in der Zellensektorierungstechnik
verwendet wird;
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2 ist
ein Grundriss der Antenne, die in 1 gezeigt
wird;
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3A veranschaulicht
einen Antennenaufbau, der drei gerichtete Antennen verwendet, die
den zugehörigen
Sektoren einer Zelle zugeordnet sind, und 3B veranschaulicht
die Richtwirkung des Antennenaufbaus von 3A;
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4A veranschaulicht
einen Antennenaufbau, der sechs gerichtete Antennen verwendet, die den
zugehörigen
Sektoren in einer Zelle zugeordnet sind, und 4B veranschaulicht
die Richtwirkung des Antennenaufbaus von 4A;
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5 veranschaulicht
schematisch ein adaptives Antennenfeld, das in einer adaptiven Antennenfeldtechnik
verwendet wird;
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6A veranschaulicht
die Richtwirkung des adaptiven Antennenfeldes, das in 5 gezeigt wird,
und 6B veranschaulicht ein Beispiel der Konfiguration
der Antennenelemente;
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7A veranschaulicht
eine Antennenvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, und 7B veranschaulicht ein Antennenelement,
das in dem Antennenfeld verwendet wird, das in 7A gezeigt
wird;
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8A veranschaulicht
ein Antennenfeld, das acht gerichtete Antennen verwendet, die in
einer Linie ausgerichtet sind, und 8B veranschaulicht die
Richtwirkung des Antennenfeldes von 8A;
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9 veranschaulicht
ein Beispiel eines Antennenfeldes mit sechs Sektoren, in dem die
Antennenelemente entlang den Seiten eines Sechsecks so angeordnet
sind, um sechs Richtungen gegenüberzuliegen;
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10 veranschaulicht
die Antennenzuordnungseinheit, die in 7 gezeigt
wird, die die Antennenelemente in sechs Sektoren zuordnet;
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11 veranschaulicht
ein Beispiel eines Antennenfeldes mit drei Sektoren, in dem die
Antennenelemente entlang den Seiten eines Sechsecks so angeordnet
sind, um drei Richtungen gegenüberzuliegen;
und
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12 veranschaulicht
die Antennenzuordnungseinheit, die in 7 gezeigt
wird, die die Antennenelemente in drei Sektoren zuordnet.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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7 ist ein schematisches Blockdiagramm, das
eine Antennenvorrichtung 700 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht. Die Antennenvorrichtung 700 hat
ein Antennenfeld 704, das aus einer vorbestimmten Zahl
von Antennenelementen 702 besteht. In diesem Beispiel inkludiert
das Antennenfeld achtzehn (18) Antennenelemente 702. Jedes
Antennenelement 702 ist mit einer Reflektorplatten-Winkelabstimmungsvorrichtung 706 zum
Abstimmen der Strahlenbreite des Antennenelementes 702 und
einer Antennenachsenrotationseinheit 708 zum Abstimmen
der Richtung des Strahlenmusters des Anten nenelementes 702 ausgerüstet. Die
Reflektorplatten-Winkelabstimmungsvorrichtung 706 stimmt
den Winkel zwischen den zwei Reflektorplatten durch Öffnen oder
Schließen
der zwei Platten ab. Die Reflektorplatten-Winkelabstimmungsvorrichtung 706 und
die Antennenachsenrotationseinheit 708 sind mit einer Abstimmungseinheit 710 verbunden. Basierend
auf den Instruktionen, die von der Abstimmungseinheit 710 zugeführt werden,
können
die Strahlenbreite und die Richtung des Abstrahlungsmusters unabhängig für jedes
Antennenelement 702 abgestimmt werden.
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Jedes
der Antennenelemente 702 ist mit der Steuervorrichtung 720 über die
Zuordnungseinheit 712 verbunden, die die Entsprechung zwischen
den Antennenelementen 702 und den Sektoren in der Zelle
definiert. Die Steuervorrichtung 720 hat eine Empfangseinheit 722,
die über
die Zuordnungseinheit 712 die Signale von den jeweiligen
Antennenelementen 702 empfängt. Die Empfangseinheit 722 kalkuliert
Gewichtungskoeffizienten für
das adaptive Antennenfeld und multipliziert jedes Empfangssignal
mit dem zugehörigen
Gewichtungskoeffizient. Die Empfangseinheit 722 umfasst
einen Mehrfachbenutzerempfänger,
der zum Empfangen von Signalen fähig ist,
die mit vielen Codes (d.h. vielen Benutzern) in Verbindung stehen,
und er kann Daten für
viele Benutzer demodulieren.
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Die
Steuervorrichtung 720 hat auch eine Übertragungspfad-Erfassungseinheit 724 und
eine Übertragungstyp-Erfassungseinheit 726.
Die Übertragungspfad-Erfassungseinheit 724 empfängt vorbestimmte
Parameter (τ,
k) von der Empfangseinheit 722, die aus dem empfangenen
Signal durch die Empfangseinheit 722 während Demodulation extrahiert
werden. Die Übertragungstyp-Erfassungseinheit 726 empfängt einen
anderen Parameter (K) von der Empfangseinheit 722, der
auch durch die Empfangseinheit 722 während Demodulation extrahiert wird.
Der Ausgang (LP) der Übertragungspfad-Erfassungseinheit 724 und
der Ausgang (LM) der Übertragungstyp-Erfassungseinheit 726 sind
mit den Eingängen
zu der Antennensteuereinheit 728 verbunden, die auch in
der Steuervorrichtung 720 inkludiert ist. Die Ausgabe der
Antennensteuereinheit 728, d.h. das Antennensteuersignal,
wird der Abstimmungseinheit 710 und der Zuordnungseinheit 712 zugeführt.
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Die
Antennenvorrichtung 700 setzt eine Kombination der Zellensektorierungstechnik
und der adaptiven Antennenfeldtechnik ein. Um genauer zu sein, sind
die gerichteten Antennenelemente (gezeigt in 1), die
in den Zellensektorierungstechniken verwendet werden, in dem Feld 704 angeordnet,
die adaptive Antennenfeldtechnik zu implementieren. Die Richtwirkung
des Antennenfeldes 704 wird durch verschiedene Faktoren
bestimmt, wie etwa die Richtwirkung von jedem Antennenelement 702,
die Zahl von Antennenelementen 702, die Konfiguration der Antennenelemente 702,
Gewichtungsfaktoren für
die jeweiligen Antennenelemente 702 usw. Die Steuervorrichtung 720 bestimmt
flexibel, welche Technik, die zu verwenden ist, dominant ist.
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8A veranschaulicht
ein Beispiel einer Antennenkonfiguration, in der acht gerichtete
Antennen (Strahlenantennen) in einer Linie ausgerichtet sind, und 8B veranschaulicht
das Antennenmuster (oder die Richtwirkungscharakteristik) dieses
Antennenfeldes. Wie in 8B veranschaulicht, weist das
Antennenfeld eine große
Richtwirkung zu der Vorderfläche
des Antennenfeldes auf, zusammen mit einigen Seitenkeulen und Nullpunkten.
Die Strahlenmuster (oder die Antennenmuster) sind in einem Sektor
konvergiert, was bedeutet, dass das Antennenfeld diesem Sektor zugewiesen
werden kann. In dem Beispiel, das in 8B gezeigt
wird, sind die Strahlenmuster über
ungefähr
60 Grad mit einer Spitze (oder der Hauptkeule) zu einer spezifischen
Richtung verteilt. Durch Vorbereiten von sechs Antennenfeldern können entsprechend
alle Richtungen über
die gesamte Zelle abgedeckt werden.
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9 veranschaulicht
ein 6-Sektor-Antennenfeld, in dem Antennenelemente entlang jeder
Seite eines sechseckigen Feldes angeordnet sind. Die Zahl von Sektoren
(S) ist sechs, und die Zahl von Antennenelementen (A) pro Sektor
ist drei. Die Gesamtzahl von Antennenelementen ist achtzehn (6·3 = 18). Die
ersten bis dritten Antennenelemente sind bei einem Ausrichtungswinkel
von null Grad gerichtet. Die vierten bis sechsten Antennenelemente
sind bei einem Winkel von 60 Grad gerichtet. Die siebten bis neunten
Antennenelemente sind bei 120 Grad gerichtet. Die zehnten bis zwölften Antennenelemente sind
bei 180 Grad, die dreizehnten bis fünfzehnten Antennenelemente
bei 240 Grad und die sechzehnten bis achtzehnten Antennenelemente
sind bei 300 Grad gerichtet.
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10 veranschaulicht
die detaillierte Struktur der Zuordnungseinheit 712, die
zwischen dem Antennenfeld 704 und der Empfangseinheit 722 eingefügt ist (siehe 7). Diese Anordnung entspricht der Konfiguration
des Sechs-Sektor-Antennenfeldes, das in 9 gezeigt
wird. Die Zuordnungseinheit 712 definiert die Entsprechung
zwischen den jeweiligen Antennenelementen (#1 bis #18) und den Sektoren basierend
auf dem Antennensteuersignal, das von der Antennensteuereinheit 728 zugeführt wird
(siehe 7). Die Antennenelemente #1
bis #3, die bei einem Ausrichtungswinkel von null Grad angeordnet sind,
sind für
Sektor 1 zugeordnet. Die Antennenelemente #4 bis #6, die bei einem
Winkel von 60 Grad angeordnet sind, sind für Sektor 2 zugeordnet. Die Antennenelemente
#7 bis #9 bei einem Winkel von 120 Grad sind für Sektor 3 zugeordnet. Ähnlich sind jene
Antennenelemente bei Winkeln von 180 Grad, 240 Grad und 300 Grad
den zugehörigen
Sektoren 4, 5 und 6 zugeordnet. Die Zuordnung von Antennenelementen
kann abhängig
von den Bedingungen des Übertragungspfades
geeignet variiert werden. Es sollte vermerkt werden, dass die sechs
Blöcke,
die unter der Zuordnungseinheit 712 in 10 veranschaulicht werden,
einfach den Prozess der Empfangseinheit 722 für Sektoren
1 bis 6 in Begriffe fassen.
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Im
Betrieb werden Kommunikationssignale der jeweiligen Antennenelemente
oder der jeweiligen Sektoren der Empfangseinheit 722 der
Antennenvorrichtung 700, die in 7 gezeigt
wird, zugeführt.
Die Empfangseinheit 722 extrahiert vorbestimmte Parameter,
wie etwa einen Verzögerungsparameter τ, der eine
Pfadverzögerungszeit
darstellt, und einen Richtungs- (oder Winkel-) Parameter k, der
eine Ankunftsrichtung darstellt, von den Signalen. Die extrahierten Parameter τ und k werden
der Übertragungspfad-Erfassungseinheit 724 zugeführt. Die Übertragungspfad-Erfassungseinheit 724 kann
je nach Notwendigkeit die Signalintensität berücksichtigen, zusätzlich zu
dem Verzögerungsparameter
und dem Richtungsparameter.
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Die Übertragungspfad-Erfassungseinheit 724 prüft die Bedingungen
des Übertragungspfades basierend
auf den Parametern, die von der Empfangseinheit 722 zugeführt werden,
und gibt einen Übertragungspfadpegel
LP aus. Einer der Zwecke einer Prüfung der Bedingungen des Übertragungspfades
besteht darin, den Einfluss der Mehrfachpfad-Übertragungsumgebung zu bestimmen.
Solange wie dieser Zweck erreicht werden kann, kann die Übertragungspfad-Erfassungseinheit 724 eine
beliebige Struktur haben.
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Da
die Empfangseinheit 722 einen Mehrbenutzerempfänger umfasst,
kann ein statistischer Prozess unter Verwendung der Parameter über viele
Benutzer, die aus den empfangenen Signalen extrahiert werden, ausgeführt werden.
Falls z.B. der Verzögerungsparameter τ als ein
Verzögerungsprofil
P(τ) für jedes
mobile Endgerät
dargestellt ist, dann kann eine Verzögerungsspreizung (στ) aus
den empfangenen Verzögerungsprofilen
von vielen Benutzern kalkuliert werden. Es kann eine kumulative
Verteilung X%, die der Abweichung entlang der Zeitachse entspricht, aus
der statistischen Information abgeleitet werden (d.h. die Verzögerungsspreizung).
Falls der Richtungsparameter k als ein Winkelprofil P(k) für jedes mobile
Endgerät
dargestellt ist, dann kann eine Winkelspreizung (σk)
aus den erhaltenen Winkelprofilen von vielen Benutzern kalkuliert
werden. Es kann eine kumulative Verteilung Y% der Winkelspreizung,
die der Abweichung in der Richtung von Signalankunft entspricht,
aus der Winkelspreizung abgeleitet werden.
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In
einem Beispiel wird der Übertragungspfadpegel
LP aus der kumulativen Verteilung X% der Verzögerungsspreizung (d.h. Abweichung
entlang der Zeitachse) und der kumulativen Verteilung Y% der Winkelspreizung
(d.h. Variation in der Ankunftsrichtung) mit Verweis auf eine Tabelle,
die im voraus durch Simulation oder Erfahrung generiert wird, bestimmt.
Alternativ kann der Übertragungspfadpegel LP
jedes Mal kalkuliert werden, wenn das Signal empfangen wird.
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Andererseits
extrahiert die Empfangseinheit 722 Parameter K, der die
Kommunikationsqualität oder
den Kanaltyp darstellt, aus einem Kommunikationssignal. Der extrahierte
Parameter wird der Übertragungstyp-Erfassungseinheit 726 zugeführt. Die Übertragungstyp-Erfassungseinheit 726 prüft die Qualität oder den
Typ des Übertragungskanals
des empfangenen Signals basierend auf dem Parameter, der von der
Empfangseinheit 722 zugeführt wird. Dann gibt die Übertragungstyp-Erfassungseinheit 726 den Übertragungstyppegel
LM aus.
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Der Übertragungstyp
kann aus der Übertragungsleistung,
der Übertragungsrate
oder der Fehlerrate bestimmt werden. Die Übertragungstyp-Erfassungseinheit 726 kann
eine beliebige Struktur haben, solange wie die Erfassung des Übertragungstyps (oder
des Kanaltyps) implementiert werden kann. Falls der Parameter K
die elektrische Leistung des Signals darstellt, das von einem mobilen
Endgerät übertragen
und in der Basisstation empfangen wird, bezieht sich der Leistungspegel
auf den Typ des Kommunikationskanals oder den Typ des mobilen Endgerätes. Durch
den statistischen Prozess können Verteilung
und Variation in den Leistungspegeln der empfangenen Signale erhalten
werden. Im allgemeinen ist eine derartige Abweichung in CDMA im
Vergleich mit anderen Funkkommunikationssystemen groß.
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Die
Antennensteuereinheit 728 empfängt die Ausgabe LP von der Übertragungspfad-Erfassungseinheit 724 und
die Ausgabe LM von der Übertragungstyp-Erfassungseinheit 726.
Dann generiert sie ein Antennensteuersignal LA basierend auf dem LP-Signal
und dem LM-Signal und gibt es aus. Der Übertragungspfad-Erfassungspegel
LP ist ein Index, der die Charakteristika der Mehrfachpfad-Übertragungsumgebung
darstellt, und der Übertragungstyp-Erfassungspegel
LM ist der Index, der die Variation im Typ einer Übertragung
darstellt.
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Falls
der Übertragungspfadpegel
LP groß ist, gibt
es große
Variationen in Ankunftsrichtung und Verzögerungszeit der empfangenen
Signale, und deshalb ist der Einfluss der Mehrfachpfadumgebung stark.
In diesem Fall gibt die Antennensteuereinheit 728 das Antennensteuersignal
LA aus, das der Zellensektorierungssteuerung Priorität gibt,
die von einem moderaten Antennenmuster Gebrauch macht. In dieser
Situation ist, falls der Übertragungstyp-Erfassungspegel
LM gering ist, die Verteilung der Übertragungstypen oder Qualitäten klein,
was bedeutet, dass nicht so viele Typen von mobilen Endgeräten gegenwärtig in
dem Dienstbereich verwendet werden. In diesem Fall wird ferner die
Zellensektorierungstechnik empfohlen.
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Falls
andererseits der Übertragungspfadpegel
LP klein ist, ist eine Variation in der Ankunftsrichtung oder der
Verzögerungszeit
des Übertragungssignals
klein, und ein Einfluss der Mehrfachpfadumgebung ist klein. In diesem
Fall ist es wün schenswert, das
Antennenmuster adaptiv zu ändern,
um das SIV zu erhöhen,
und deshalb wird die adaptive Antennenfeldtechnik eingesetzt, um
dominant zu sein. Falls außerdem
der Übertragungstyppegel
LM groß ist,
variiert die Qualität
oder der Typ der Übertragungssignale
(oder die mobilen Endgeräte)
zu einem großen Ausmaß. In diesem
Fall wird ferner die adaptive Antennenfeldtechnik empfohlen.
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Zellensektorierung
und adaptive Antennenfeldtechniken werden durch Abstimmen der Richtwirkung
der relevanten Antennenelemente 702 des Antennenfeldes 704 mittels
der Abstimmungseinheit 710 gesteuert. Zu welchem Ausmaß jedes
Antennenelement abgestimmt wird, kann unter Verwendung einer Nachschlagtabelle
bestimmt werden, die im voraus basierend auf einer Simulation oder
Erfahrung bezüglich
des Übertragungspfadpegels
LP und des Übertragungstyppegels
LM erzeugt wird. Alternativ kann es jedes Mal kalkuliert werden,
wenn das Antennensteuersignal LA zugeführt wird.
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Mit
der Antennenvorrichtung 700 kann die Konfiguration des
Antennenfeldes 704 ohne Änderung der Positionen der
Antennenelemente 702 unter Verwendung mindestens einer
der Zuordnungseinheit 712 und der Abstimmungseinheit 710 geändert werden.
Die Strahlenbreite und die Richtung von Strahlenausrichtung können unter
Verwendung der Reflektorplatten-Winkelabstimmungseinheit 706 und der
Antennenachsenrotationseinheit 708 basierend auf dem Antennensteuersignal
LA geändert
werden. Durch Abstimmen der Strahlenbreite und der Strahlenausrichtung
von jedem Antennenelement 702 können Zellensektorierungssteuerung
und adaptive Antennenfeldsteuerung auf eine abstimmbare Art und
Weise umgeschaltet werden.
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Außerdem kann
die Zahl von Sektoren mittels der Zuordnungseinheit 712 basierend
auf dem Antennensteuersignal LA geändert werden. Falls der Übertragungspfadpegel
LP unter weniger Einfluss der Mehrfachpfad-Übertragungsumgebung gering ist,
und falls der Übertragungstyppegel
LM mit weniger Variation in Übertragungstyp
oder Qualität
gering ist, dann wird die Zahl von Sektoren reduziert. In diesem
Fall sind mehr Antennenelemente 702 einem Sektor zugeordnet,
wobei adaptive Antennenfeldsteuerung dominant ist. Da sich die Zahl
von Antennenelementen 702 pro Sektor erhöht, wird
im allgemeinen die Hauptkeule in den Richtwirkungscharakteristika
scharf und die Verstärkung
erhöht
sich. Dies führt
dazu, dass weniger Übertragungsleistung
erforderlich ist, um Funkkommunikation auszuführen. Da sich die Quantität von Ausstrahlung
verringert, kann Interferenz zu den benachbarten Sektoren oder den benachbarten
Zellen reduziert werden. Folglich erhöht sich die Verkehrskapazität des gesamten
Systems.
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11 veranschaulicht
ein Antennenfeld mit drei Sektoren, das durch die Abstimmungseinheit 710 und
die Zuordnungseinheit 712 basierend auf dem Antennensteuersignal
LA konfiguriert werden kann. Die Zahl von Sektoren (S) ist drei,
und die Zahl von Antennenelementen (A) pro Sektor ist sechs. Die Gesamtzahl
von Antennenelementen ist achtzehn (6·3 = 18), was die gleiche
ist wie die, die in 9 gezeigt wird. Die Positionen
dieser Antennenelemente sind auch die gleichen wie jene in 9,
aber mit unterschiedlicher Richtwirkung. Um genauer zu sein sind
die ersten bis fünften
Antennenelemente und die achtzehnten Antennenelemente (#1 bis #5
und #18) bei einem Ausrichtungswinkel von null Grad angeordnet.
Die sechsten bis elften Antennenelemente (#6–#11) sind bei 120 Grad angeordnet.
Der Rest der Antennenelemente (#12–#17) ist bei 240 Grad angeordnet.
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12 veranschaulicht
die Zuordnungseinheit 712, die die Konfiguration des Antennenfeldes mit
drei Sektoren realisiert, das in 11 gezeigt wird.
Mit diesem Beispiel entspricht der Ausrichtungswinkel von null Grad
Sektor 1, der Winkel von 120 Grad entspricht Sektor 2 und der Winkel
von 240 Grad entspricht Sektor 3. Durch Abstimmen der Zuordnung
der Antennenelemente kann die Zahl von Sektoren geändert werden.
Die Blöcke
von Sektor 1 bis Sektor 3 veranschaulichen einfach konzeptionell den
Prozess für
die Sektoren, der in der Empfangseinheit 722 ausgeführt wird.
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Natürlich kann
die Zahl von Sektoren erhöht werden.
Falls der Übertragungspfadpegel
LP mit großem
Einfluss der Mehrfachpfad-Übertragungsumgebung
hoch ist, und falls der Übertragungstyppegel
LM mit Vielfalt von Übertragungsqualitäten (d.h.
mit Vielfalt von mobilen Endgeräten)
auch hoch ist, dann wird die Zahl von Sektoren erhöht, um auf
mehr Benutzer zu reagieren, während
adaptive Antennenfeldsteuerung durchgeführt wird. Die Interferenz kann durch
Erhöhen
der Zahl von Sektoren abhängig
von der Situation reduziert werden.
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Auf
diese Art und Weise werden die Übertragungsumgebung
und die Variation im Übertragungstyp
während
des Betriebs der Antennenvorrichtung erfasst, und die Antennenkonfiguration
wird in Echtzeit basierend auf dem Erfassungsergebnis geändert. Durch
geeignetes Ändern
der Zahl von Sektoren und der Zahl von Antennenelementen in einem
Sektor, während
die Strahlenbreite und Ausrichtung abgestimmt werden, können Zellensektorierungssteuerung
und adaptive Antennenfeldsteuerung geeignet umgeschaltet werden.
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Vorzugsweise
speichert die Antennensteuereinheit 728 eine vorbestimmte
Menge von Einstellwerten entsprechend allen möglichen Werten von Übertragungspfadpegel
LP und dem Übertragungstyppegel
LM. Die Einstellwerte werden verwendet, um das Antennenfeld 704 zu
steuern, inkludierend die Konfiguration und die Zahl von Sektoren.
Die Einstellwerte werden in eine Nachschlagtabelle geschrieben,
die im voraus basierend auf Simulation oder Erfahrung betreffend
den Übertragungspfadpe gel
LP und den Übertragungstyppegel
LM generiert wird. Alternativ kann ein Antennenfeldsteuerwert jedes
Mal kalkuliert werden, wenn der Übertragungspfadpegel
LP und der Übertragungstyppegel
LM eingegeben werden.
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Die
Antennensteuereinheit 728 gibt ein Antennensteuersignal
LA mit einem Wert aus, der geeignet für den spezifischen Übertragungspfadpegel LP
und den Übertragungstyppegel
LM ausgewählt ist.
Das Ausgangssignal LA wird der Abstimmungseinheit 710 und
der Zuordnungseinheit 712 zugeführt, die notwendige Prozesse
ausführen,
z.B. Abstimmung der Strahlenbreite, der Strahlenausrichtung, des
Neigungswinkels, der Zahl von Sektoren etc.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform werden
mechanische Mittel eingesetzt, um die Strahlenbreite und die Strahlenausrichtung
des Antennenelementes 702 zu ändern. Diese Anordnung ist
aus der Sicht des Erreichens einer hohen Verstärkung mit einer einfachen Struktur
von Vorteil. Es können
jedoch andere Anordnungen eingesetzt werden, solange wie die Strahlenbreite
und die Strahlenausrichtung als Reaktion auf das Antennensteuersignal
geeignet variiert werden können.
Z.B. kann die Richtwirkung eines spezifischen Typs eines Antennenelementes
durch Abstimmen der Phase der elektrischen Versorgung zu dem Antennenelement
elektrisch geändert
werden. Diese Anordnung ist aus der Sicht einer Reduzierung der
Zahl von mechanisch beweglichen Komponenten der Antennenvorrichtung
so weit wie möglich
vorzuziehen.
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In
der Ausführungsform
besteht das Antennenfeld 704 aus Richtantennenelementen,
jedes von denen eine Richtwirkung hat, die für den zugehörigen Sektor geeignet ist.
Es kann jedoch eine Rundantenne (d.h. eine Allrichtungsantenne)
verwendet werden. Die Form und Konfiguration des Antennenfeldes ist
nicht auf die Ausführungsform
begrenzt, obwohl ein sechsecki ges Feld zu bevorzugen ist, da die
Zahl von Sektoren allgemeinen drei oder sechs ist. Mit den Antennenelementen,
die entlang den jeweiligen Seiten eines sechseckigen Feldes angeordnet
sind, kann die Zahl von Sektoren (S) oder die Zahl von Antennenelementen
(A) pro Sektor durch Ändern
der Strahlenbreite und der Strahlenausrichtung ohne Änderung
der Positionen der Antennenelemente variiert werden.
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Die
Antennenvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann nicht nur die
Richtwirkungscharakteristika der Antennenelemente abstimmen, sondern auch
die Zahl von Sektoren in der Zelle. Entsprechend kann die Antennenvorrichtung
die Verkehrskapazität
von jedem Sektor oder der Zelle als umgehende Reaktion auf eine
Umgebungsänderung
optimieren.