DE60319663T2

DE60319663T2 - Vorrichtung zum adaptiven Steuern einer Gruppenantenne

Info

Publication number: DE60319663T2
Application number: DE60319663T
Authority: DE
Inventors: Yuuta Nakaya; Takeshi Toda
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: US20040135723A1; JP4154229B2; DE60319663D1; JP2004214857A; EP1434367B1; EP1434367A2; EP1434367A3

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein adaptives Feldantennensteuergerät.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Übertragungssignale in Mobilkommunikationssystemen werden in einer Mehrwege-Übertragungsumgebung übertragen. Um die empfangenen Signale gut zu demodulieren, ist es notwendig, geeignet eine Vielzahl von Signalen zu verarbeiten, die über mehrere Übertragungswege kommen. In Bezug auf diesen Punkt ist das OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing – orthogonales Frequenzmultiplexen)-Verfahren eine viel versprechende Technologie in diesem technischen Gebiet. Bei diesem Verfahren werden Daten auf einer Vielzahl von Trägern getragen, die orthogonale Beziehungen zueinander aufweisen und empfangene Signale werden Fourier-transformiert und demoduliert, um ein Schwund-sicheres Kommunikationssystem bereitzustellen. Dieses Verfahren weist eine bestimmte Länge eines Führungsintervalls bei jedem Symbol auf und daher können Verzögerungssignale innerhalb der Führungsintervalle idealer Weise begrenzt werden und stören die Orthogonalität nicht.
Jedoch können einige Verzögerungssignale die Führungsintervalle überschreiten. In einer Mobilkommunikationsumgebung kann eine Frequenzvariation aufgrund einer Doppler-Verschiebung Interferenzkomponenten verursachen, um sich mit empfangenen Signalen zu vermischen. Weiter vermischen sich in einem Fall, bei dem mehrere Kommunikationssysteme existieren, Interferenzsignale von anderen Kommunikationssystemen mit empfangenen Signalen. Zum Beispiel werden in einem Funk-LAN-System unter Verwendung einer 2.4 GHz-Bandbreite Signale von Bluetooth-Systemen oder Amateurfunkstationen als eine Interferenz vermischt. Interferenzkomponenten, die mit empfangenen Signalen vermischt sind, stören die Orthogonalität zwischen Unterkanälen und verhindern die Wiederherstellung von übertragenen Signalen. Demgemäß ist es erforderlich, derartige Interferenzsignale durch Verwenden adaptiver, ausgleichender Techniken oder adaptiver Feldantennentechniken zu unterdrücken.
Herkömmliche Technologien zum Unterdrücken von Interferenzkomponenten werden in „OFDM Adaptive Array for surpressing Doppler Shift", Nishikowa, Yoshitaha Hara, Shinsake Hara, The Institute of Electronics, Information und Communication Engeneering, Technical Report A-P2000-90, October 2000; Equalizer Training Algorithms for Multicarrier modulation Systems" J. S. Chow, J. M. Cioffi, und J. A. C. Bingham, International Conference an Communications, pp. 761–765, 1993; and „Asymmetric Digital Subscriber Line", ITU-T Recommendation G. 992.1,1999 beschrieben.
In diesen herkömmlichen Technologien wird jedes empfangene und gewichtete Signal von jedem aus einer Vielzahl von Antennenelementen in ein digitales Signal umgewandelt und jedes derartig erhaltene digitale Signal wird einem digitalverarbeitenden Teil zugeführt, um adaptiv Gewichtungskoeffizienten einzustellen, um eine Interferenzkomponente zu unterdrücken. In diesem Verfahren werden viele digitale Signale, die alle von einem der adaptiven Feldantennenelementen erhalten werden, verwendet und ein sehr genaues adaptives Steuern wird erzielt.
Jedoch muss das konventionelle Verfahren eine Vielzahl von digital-empfangenen Signalen bilden, die auf der Vielzahl von Antennenelementen basieren. Daher sind eine Anzahl von analog-zu-digital-Umwandlern entsprechend den Antennenelementen erforderlich, die Schaltung ist komplex und es gibt zusätzliche Nachteile hinsichtlich eines Leistungsverbrauches, einer Schaltungsgröße und Kosten, die sehr viel mehr nachteiliger insbesondere für kleine Radios oder Mobiltelefone sind.
US-B-6 327 314 B1 ist auf ein Verfahren und Gerät zum Bereitstellen einer Kanalschätzung für Mehrfachträgersysteme gerichtet. Ein Kanalschätzer 170 ist in 1 als Teil eines Empfängers 160 gezeigt. In 1 stellen Empfängerantennen (entsprechend einem Kanal) (nicht gezeigt) jeweilige Empfängersignale an entsprechende FFT-Module bereit, z. B. 1621. Ein Referenzgenerator 175 bestimmt ein Referenzsignal basierend auf Eingaben von den FFTs sowie einem summierenden Gerät 166, einem Demodulator 167 und einem Decoder 168 und stellt das Referenzsignal an den Kanalschätzer 170 bereit. Der Kanalschätzer 170 modifiziert die Empfängereingaben gemäß einer Schätzung von Eigenschaften der Vielzahl von Kanälen. Wie genauestens in Anspruch 5 dargestellt, wird die Schätzung von Kanaleigenschaften basierend auf den Unterschritten erzeugt, von: Erzeugen einer temporären Schätzung von Kanaleigenschaften basierend auf der Vielzahl von Empfängereingaben und des Referenzsignals, Transformieren in die Frequenzdomäne der temporären Schätzung von Kanaleigenschaften, Zeit-Filtern der transformierten temporären Schätzung und Transformieren in die Frequenzdomäne die Ausgabe des Schrittes eines Zeit-Filterns.
Zusammenfassung der Erfindung
In Anbetracht des Obigen ist es ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, ein adaptives Feldantennen-Steuergerät zum Unterdrücken von Interferenzkomponenten bereitzustellen, die in empfangenen Signalen enthalten sind.
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der Beschreibung dargestellt, die folgt und werden zum Teil aus der Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich oder können durch eine Ausführung der Erfindung gemäß den Lehren gelernt werden, die in der Beschreibung bereitgestellt werden. Ziele sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch das adaptive Feldantennen-Steuergerät realisiert und erzielt, das insbesondere in der Beschreibung in derartigen vollen, klaren, genauen und exakten Begriffen dargestellt ist, um es einem gewöhnlichen, auf dem Gebiet tätigen Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen.
Um diese und andere Vorteile zu erzielen und gemäß dem Zweck der Erfindung, wie hierin breit verkörpert und beschrieben, stellt die Erfindung ein adaptives Feldantennen-Steuergerät bereit, das adaptiv Gewichtungskoeffizienten einer Vielzahl von Antennenelementen einer Feldantenne basierend auf einem digitalen Signal steuert, das von einem analog-zu-digital-Umwandler ausgegeben wird, der ein gewichtetes analogempfangenes Signal von der Feldantenne empfängt, mit: einem Extrahierer zum Extrahieren einer Signalkomponente für jeden aus einer Vielzahl von Unterträgern, die in dem analogempfangenen Signal enthalten sind, durch Fourier-Transformieren des digitalen Signals; und einem adaptiven Steuergerät zum Einstellen der Gewichtungskoeffizienten, um so einen vorbestimmten Unterträger aus den Unterträgern zu unterdrücken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Blockdiagramm eines adaptiven Feldantennensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt die Unterträgeranordnung, die von einem OFDM-Signal verwendet wird;
3 zeigt ein Flussdiagramm, das einen steuernden Prozess gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 zeigt eine OFDM-Signalstruktur, die in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
5 zeigt ein Blockdiagramm eines adaptiven Feldantennensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt ein Blockdiagramm eines adaptiven Feldantennensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7 zeigt ein Blockdiagramm einer anderen Feldantenne.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In dem Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1 verwendet Bezugszeichen, die mit 1 beginnen, 2 verwendet Bezugszeichen, die mit 2 beginnen, und so weiter.
1 zeigt ein adaptives Feldantennensystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Allgemeinen umfasst das adaptive Feldantennensystem 100 eine Feldantenne 102 und einen analog-zu-digital-Umwandler 104, der mit einer Ausgabe der Feldantenne 102 gekoppelt ist, ein adaptives Feldantennen-Steuergerät 106, das mit einer Ausgabe des analog-zu-digital-Umwandlers 104 gekoppelt ist. Die Feldantenne 102 gemäß der Ausführungsform umfasst ein mit Energie versorgtes Antennenelement 108 und eine Vielzahl von nicht mit Energie versorgten Antennenelementen 110. Das mit Energie versorgte (Leistungs-betriebene) Antennenelement 108 ist mit einem Frontendgerät 112 gekoppelt, das eine Bandpassbegrenzung einer Frequenzumwandlung und Anderes durchführt. Eine Ausgabe des Frontendgerätes 112 bildet eine Ausgabe der Feldantenne 102 und wird mit dem analog-zu-digital-Umwandler 104 verbunden. Ein Signal, das an dem mit Energie versorgten Antennenelement 108 empfangen wird, ist dasjenige, das Daten unter Verwendung einer Vielzahl von Unterträgern überträgt, wie OFDM-Signale. Jedes der nicht mit Energie versorgten Antennenelemente 110 ist mit dem Erdungspotential über ein Reaktanzelement verbunden, das von dem adaptiven Feldantennen-Steuergerät 106 gesteuert wird. Die mit Energie versorgten Antennenelemente 108 und die nicht mit Energie versorgten Antennenelemente 110 interagieren elektromagnetisch miteinander und bilden räumlichen Kombinationstyp einer Feldantenne, der von räumlichen Beziehungen unter den Antennenelementen und Impedanzen der Reaktanzelemente 111 abhängt.
Das adaptive Feldantennen-Steuergerät 106 ist mit einer Ausgabe des analog-zu-digital-Umwandlers 104 verbunden und weist einen seriell-parallel-Umwandler 114 zum Umwandeln einer seriellen Digitalsignalserie in eine parallele Signalserie auf. Jede Ausgabe des seriell-parallel-Umwandlers 114 ist mit einem Fast-Fourier-Transformator 116 gekoppelt, in dem ein Eingabesignal Fast-Fourier-transformiert wird, um die Signalkomponente zu extrahieren, die mit jedem Unterträger getragen wird. Die Signalkomponenten (Unterträgerkomponenten), die bei jedem Unterträger extrahiert werden, werden in eine serielle Signalserie durch einen parallel-seriell-Umwandler 118 umgewandelt, um übertragene Signale durch nachfolgende Prozesse (nicht gezeigt) wiederherzustellen.
Wie in 2 gezeigt, sind mehrfache Unterträger angordnet, die in einem OFDM-(Orthogonal Frequency Division Multiplexing – orthogonales Frequenzmultiplexen)-Kommunikationssystem verwendet werden. Die Grundidee von OFDM ist, Blöcke von Symbolen parallel durch Verwenden einer großen Anzahl von orthogonalen Unterträgern zu übertragen. Bei einer Blockübertragung werden N serielle Quellsymbole, jedes mit einem Zeitraum T_s, in einen Block von N parallelen modulierten Symbolen umgewandelt, jedes mit einem Zeitraum T = NT_s. Die mehrfachen Unterträger weisen konstante Frequenzintervalle oder Frequenztrennungen auf und sind auf der Frequenzachse mit orthogonalen Beziehungen zueinander angeordnet. Mit anderen Worten stellt die Frequenztrennung der Unterträger 1/T sicher, dass die Unterträger orthogonal sind. Unter den so angeordneten Unterträgern werden nicht alle Unterträger mit Daten moduliert. Einige Unterträger werden für eine Datenübertragung verwendet und andere werden nicht für eine Datenübertragung verwendet. Zum Beispiel wird ein Unterträger f₀ entsprechend einer Gleichstromkomponente (DC-Komponente) nicht für eine Datenübertragung verwendet. Und Unterträger nahe dem höheren Frequenzende oder dem niedrigeren Frequenzende werden nicht für eine Datenübertragung unter Berücksichtigung einer Interferenz mit anderen benachbarten Systemen verwendet. Unterträger, die für eine Datenübertragung verwendet werden sollen oder nicht verwendet werden sollen, werden durch Standards bestimmt, wie zum Beispiel IEEE.802.11a.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform können theoretisch alle 64 Unterträger verwendet werden, jedoch werden 12 Unterträger insgesamt einschließlich f₀ entsprechend einer Gleichstromkomponente, höhere Frequenzen f₂₇ bis f₃₁ und tiefere Frequenzen f_–27, bis f_–32 nicht für eine Datenübertragung verwendet. Daher werden 52 (64 – 12 = 52) Unterträger tatsächlich zur Datenübertragung verwendet. Es ist für Sender und Empfänger bekannt, welche Unterträger aus 64 Unterträgern für eine Datenübertragung nicht verwendet werden. In dieser Weise werden Signalkomponenten aus den Unterträgern (virtuelle Unterträger) extrahiert, die für die tatsächliche Datenübertragung nicht verwendet werden, und werden in einem Gradientenberechner 120 eingegeben. In der gezeigten Ausführungsform wird eine Signalkomponente von f₀ entsprechend einer Gleichstromkomponente zur Einfachheit extrahiert, jedoch können Signalkomponenten anderer virtueller Unterträger extrahiert werden.
Der Gradientenberechner 120 berechnet jede Komponente eines Gradientenvektors in Bezug auf die extrahierte Signalkomponente. Das adaptive Feldantennen-Steuergerät 106 weist einen Einsteller 122 auf, der Gewichtungskoeffizienten der Antennenelemente 110 ändert. Der Einsteller 122 umfasst einen ersten Einsteller 124 zum minimalen Ändern von Vorspannungen und einen zweiten Einsteller 126 zum Erneuern der Gewichtungskoeffizienten basierend auf Störungsberechnungen, die unten erklärt werden. Der Gradientenberechner 120 berechnet eine Variation in der Signalkomponente des virtuellen Unterträgers vor und nach der minimalen Änderung in dem Gewichtungskoeffizienten. Basierend auf der Variation wird jede Komponente des Gradientenvektors berechnet.
Digitale Signale, die von dem Einsteller 122 ausgegeben werden, werden in analoge Signale durch digital-zu-analog-Umwandler 128 umgewandelt und dann an jedes Reaktanzelement 11 zugeführt. Durch geeignetes Einstellen jedes Gewichtungskoeffizienten der Antennenelemente kann das Feldantennensystem 102 seinen Strahl auf eine gewünschte Welle richten oder seine Null an eine unerwünschte Welle richten. In dieser Weise kann die Richtcharakteristik der Feldantenne gesteuert werden.
Wie oben erklärt werden die virtuellen Unterträger nicht für eine Datenübertragung verwendet und daher sollten die Signalkomponenten der virtuellen Unterträger idealer Weise Null betragen, wenn diese demoduliert werden. Falls jedoch Interferenzsignale sich mit den empfangenen Signalen vermischen, werden die Signalkomponenten der virtuellen Unterträger Nicht-Null. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Signalkomponente eines virtuellen Unterträgers als eine schätzende Funktion für Störungsberechnungen verwendet und die Gewichtungskoeffizienten werden nachfolgend erneuert, um so die Signalkomponente des virtuellen Unterträgers als nahe Null zu machen.
3 zeigt ein Flussdiagramm, das einen steuernden Prozess darstellt, der in dem adaptiven Feldantennensystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Dieser Fluss startet bei einem Schritt 302. Bei den Schritten 304, 306 wird das System initialisiert. Insbesondere wird eine Erneuerungsschrittnummer n der Gewichtungskoeffizienten auf 1 gesetzt und eine Identifikationsnummer m für M Antennenelemente wird auf Null gesetzt. Eine geeignete Vorspannung (oder Steuersignale für derartige Vorspannungen) x° = (x₁ ⁰, x₂ ⁰, ..., x_M ⁰) wird jeweils an jedes Reaktanzelement 111 derart gegeben, dass ein nichtgerichtetes Strahlmuster durch, die Interaktion zwischen dem mit Energie versorgten Antennenelement 108 und M nicht mit Energie versorgten Antennenelementen 111 gebildet wird. Mit anderen Worten wird der Gewichtungskoeffizient jedes Antennenelementes derart eingestellt, um ein nicht-gerichtetes Strahlmuster zu bilden. Das adaptive Feldsystem kann ein OFDM-Signal empfangen, dessen Rahmen eine Präambel und eine folgende Nutzlast einschließt, wie in 4 gezeigt. Die Präambel enthält ein Signalmuster, das sowohl einem Sender als auch einem Empfänger bekannt ist. Die Nutzlast umfasst eine Vielzahl von Symbolen, von denen jedes ein Führungsintervall und folgende, effektive Symbole aufweist.
Bei Schritt 308 in 3 wird ein Digitalsignal, das in einem Symbol in der Nutzlast enthalten ist, von dem analog-zu-digital-Umwandler 104 ausgegeben, passiert durch den seriell-parallel-Umwandler 114 und wird von dem Fast-Fourier-Transformator 116 Fast-Fourier-transformiert. In dieser Weise werden Signalkomponenten in Bezug auf alle der 64 Unterträger erhalten.
Bei Schritt 310 wird eine Signalkomponente für einen virtuellen Unterträger extrahiert. In der in 2 gezeigten Ausführungsform wird zum Beispiel eine Signalkomponente U_ν ^m(n) für den Unterträger f₀ entsprechend einer Gleichstromkomponente extrahiert. Ein Parameter n bedeutet eine Erneuerungsschrittnummer der Gewichtungskoeffizienten und gleicht gegenwärtig 1 (erster Schritt). Ein Wert m ist eine Identifikationsnummer der Antennenelemente und gleicht gegenwärtig Null. Der Wert der Signalkomponente U_ν ^m(n) ist ein Referenzwert für Störungsberechnungen, die unten erklärt werden. Nicht nur die Signalkomponente für den Unterträger f₀ entsprechend einer Gleichstromkomponente sondern ebenso auch andere Signalkomponenten für höhere Frequenzen f₂₇ bis f₃₁ und niedrigere Frequenzen f_–27 bis f_–32 können extrahiert werden. Jedoch extrahiert diese Ausführungsform die Signalkomponente aus dem Unterträger f₀ entsprechend einer Gleichstromkomponente der Einfachheit halber. Die Signalkomponenten, die aus Unterträgern extrahiert werden, werden durch Amplitudenpegel oder Leistungspegel dargestellt.
Bei Schritt 312 wird die Antennenelement-Identifikationsnummer m um Eins erhöht und wird gegenwärtig Eins, was bedeutet, dass das erste Antennenelement aus den M Antennenelementen gesteuert wird.
Bei Schritt 312 wird einem Gewichtungskoeffizienten (oder einem Steuersignal zum Setzen des Gewichtungskoeffizienten) x_m des m-ten Antennenelements eine minimale Variation Δx gegeben. Gegenwärtig ist m = 1 und x₁ = x₁ + Δx. Demgemäß wird die Richtcharakteristik der Feldantenne geändert. Der Gewichtungskoeffizient x_m wird von dem ersten Einsteller 124 in dem Einsteller 122 geändert.
Bei Schritt 316 empfängt die Feldantenne mit der geänderten Richtcharakteristik ein Signal, das in dem nächsten Symbol enthalten ist. Das empfangene Signal wird Fast-Fourier-transformiert von dem Fast-Fourier-Transformator 116 und Signalkomponenten für alle der Unterträger werden ausgegeben.
Bei Schritt 318 wird eine Signalkomponente U_ν ^m(n) für den virtuellen Unterträger extrahiert, wenn der erste Gewichtungskoeffizient geändert wird (m = 1, n = 1).
Bei Schritt 320 wird basierend auf einem Unterschied zwischen der Signalkomponente U_ν ⁰(n), die bei dem vorherigen Schritt 310 erhalten wird und der Signalkomponente U_ν ⁰(n), die bei diesem Zeitschritt 318 erhalten wird, eine erste Komponente des Gradientenvektors der Unterträger-Signalkomponente U_ν berechnet. Das heißt, basierend auf den Unterträgersignalkomponenten vor und nach den minimalen Änderungen in den Gewichtungskoeffizienten werden Komponenten des Gradientenvektors berechnet. Jede Komponente des Gradientenvektors ∇U_ν wird von dem Gradientenberechner 120 berechnet. Zum Beispiel wird die erste Komponente (∇U_ν) bei dem n-ten Erneuerungsschritt wie folgt dargestellt: (∇Uν)1 = ΔUν 1/Δx = (Uν 1(n) – Uν 0(n))/Δx.
Andere Komponenten werden ähnlich dargestellt, (∇Uν)j = ΔUν j/Δx = (Uν j(n) – Uν 0(n))/Δx. (j = 1, 2, 3, ..., M)
Bei Schritt 322 werden die minimal geänderten Gewichtungskoeffizienten x_m zurück zu dem Ursprungswert geändert. Demgemäß kehrt die Richtcharakteristik der Feldantenne zurück zu dem Ursprünglichen.
Bei Schritt 326 wird es bestimmt, ob die Gewichtungskoeffizienten minimal geändert sind und M Komponenten für den Gradientenvektor werden für alle der M Antennenelemente berechnet. Gegenwärtig ist die Antwort NEIN und der Prozess geht zurück zu Schritt 312. Dann wird ein Gewichtungskoeffizient des nächsten Antennenelementes minimal geändert, die Unterträgersignalkomponente des nächsten Symbols wird gemessen, eine Komponente des Gradientenvektors wird berechnet und dann wird der minimal-geänderte Gewichtungskoeffizient zurück zu dem Ursprungswert geändert. Ähnliche Verfahren werden wiederholt.
Falls die Antwort bei Schritt 326 JA ist, geht das Verfahren zu Schritt 328 und die Gewichtungskoeffizienten für alle der M Reaktanzelemente werden berechnet und durch die folgende Gleichung erneuert: x(n + 1) = x(n) – μ∇Uν wobei n die Schrittnummer bedeutet und gegenwärtig 1 gleicht und ein Parameter μ eine Erneuerungsschrittgröße bedeutet. Die Gewichtungskoeffizienten werden durch den zweiten Einsteller 126 geändert.
Bei Schritt 330 wird die Erneuerungsschrittnummer n um eins erhöht. Bei Schritt 332 wird es bestimmt, ob die Gewichtungskoeffizienten eine vorbestimmte Anzahl von Malen N erneuert worden sind. Falls nicht, geht das Verfahren zurück zu Schritt 306. Falls so, endet das Verfahren.
Die Signalkomponenten U_ν sind skalare Variablen die von den M Gewichtungskoeffizienten (x₁, x₂, ..., x_M) abhängen. Der Gradientenvektor ∇U_ν bedeutet die Richtung, die die steilste Änderung in den Signalkomponenten des virtuellen Unterträgers auf einer gekrümmten Oberfläche ergibt, die durch die Unterträgersignalkomponenten U_ν dargestellt wird, die mehrfach-variable Skalarfunktionen sind. Daher resultiert ein Entlanggehen des Gradientenvektors ∇U_ν in einem am schnellsten Erreichen des Minimalwertes der virtuellen Unterträgersignalkomponente. Wenn die Gewichtungskoeffizienten den Minimalwert der virtuellen Unterträgersignalkomponente ergeben, kann eine gewünschte Welle gut empfangen werden und eine ungewünschte Welle (Interferenzwelle) kann unterdrückt werden.
In dem von dem Flussdiagramm gezeigten Verfahren in 3 wird die Fourier-Transformation von empfangenen Signalen und einer Extraktion der Unterträgersignalkomponenten auf einer Symbol-um-Symbol-Basis ausgeführt. Demgemäß ist zumindest ein Symbollängenzeitraum von dem Start (Schritt 302) des Verfahrens bis zu der minimalen Änderung in dem Gewichtungskoeffizienten des ersten Antennenelementes erforderlich (Schritt 312, 314). Und ein M-Symbol-Längenzeitraum ist erforderlich, bis alle Gewichtungskoeffizienten der M Antennenelemente sich minimal geändert haben, um alle M Komponenten des Gradientenvektors zu berechnen. Daher ist zumindest ein M + 1-Symbollängenzeitraum zum Erneuern der Gewichtungskoeffizienten einmal erforderlich.
Wie zuvor erklärt wird der virtuelle Unterträger nicht zur tatsächlichen Datenübertragung verwendet, daher sind die Signalkomponenten in der Präambel und der Nutzlast des OFDM-Signals idealer Weise Null. Gemäß der Ausführungsform, bei der die virtuelle Unterträgersignalkomponente extrahiert wird und eine Störung bei jedem Symbol durchgeführt wird, können die Gewichtungskoeffizienten mit lediglich einem M + 1-Symbollängenzeitraum erneuert werden. Jedoch sollte die Feldantenne eine gute nachfolgende Charakteristik aufweisen, die auf die minimale Änderung in dem Gewichtungskoeffizienten antwortet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein bekanntes Signal, das in der Präambel enthalten ist, zum Berechnen von Störungen und Erneuern von Gewichtungskoeffizienten verwendet werden. Falls zum Beispiel eine Unterträgersignalkomponente extrahiert wird, ist eine lange Zeit eines M + 1-Rahmens zum Erneuern der Gewichtungskoeffizienten einmal erforderlich, wenn die Präambel empfangen wird. Jedoch kann in diesem Fall ein Gradientenvektor basierend auf der Unterträgersignalkomponente für die gleichen und bereits bekannten Signale berechnet werden, die in der Präambel enthalten sind und daher wird eine hohe Genauigkeit erhalten.
Die Unterträgersignalkomponente in der ersten Ausführungsform ist für den Unterträger f₀ entsprechend einer Gleichstromkomponente gleich Eins. Es ist möglich andere Signalkomponenten für andere Unterträger zu verwenden (wie zum Beispiel höhere Frequenzen f₂₇ bis f₃₁ oder niedrigere Frequenzen f_–27 bis f_–32). Falls zum Beispiel ein nicht verwendeter virtueller Unterträger nahe einem Unterträger verwendet wird, der für die tatsächliche Datenübertragung verwendet wird, ist dieses vorteilhaft beim Finden eines Doppler-Verschiebungseffektes. Falls ein empfangenes Signal zu einer höheren Frequenz aufgrund der Doppler-Verschiebung verschoben ist, werden Daten, die mit einem Unterträger f₂₆ in einem Sender übertragen werden, als eine Signalkomponente auf einem unterschiedlichen Unterträger f₂₇ in einem Empfänger empfangen. In diesem Fall wird die Signalkomponente auf dem nicht verwendeten Unterträger f₂₇ plötzlich groß. Falls die Unterträger-f₂₇-Signalkomponente in dem Empfänger überwacht wird, kann der Doppler-Verschiebungseinfluss sofort detektiert werden. Das Gleiche ist bei der tieferen Frequenzseite wahr. Demgemäß ist es wünschenswert, einen virtuellen Unterträger benachbart zu einem Unterträger zu verwenden, der tatsächlich zum Berechnen von Störungen verwendet wird, insbesondere aus dem Gesichtspunkt des Doppler-Verschiebungseffektes.
5 zeigt ein Blockdiagramm eines adaptiven Feldantennensystems 500 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Allgemeinen umfasst das adaptive Feldantennensystem 500 ein mit Energie versorgtes Antennenelement 508 und eine Vielzahl von nicht mit Energie versorgten Antennenelementen 510. Jedes der nicht mit Energie versorgten Antennenelemente 510 ist mit dem Erdungspotential über ein Reaktanzelement 511 verbunden. Das mit Energie versorgte Antennenelement 508 ist mit einem Bandpassbegrenzungsfilter 514 verbunden. Eine Ausgabe des Bandpassbegrenzungsfilters 514 ist mit einer ersten Eingabe eines Mischers 516 verbunden. Eine Ausgabe des Mischers 516 wird über einen Versatzkompensator 518 mit einem analog-zudigital-Umwandler 504 verbunden. Der Versatzkompensator 518 kompensiert einen Trägerfrequenzversatz zwischen einem Sender und einem Empfänger. Ein Kompensationssignal, das von dem Versatzkompensator 518 ausgegeben wird, wird mit einer zweiten Eingabe des Mischers 516 verbunden. Der Bandpassbegrenzungsfilter 514, der Mischer 516 und der Versatzkompensator 518 bilden ein Frontendgerät 512.
Eine Ausgabe des analog-zu-digital-Umwandlers 504 ist mit einem adaptiven Feldantennen-Steuergerät 506 verbunden, das kontinuierlich eine Vorspannung zu jedem Reaktanzelement 511 steuert. Das adaptive Feldantennen-Steuergerät 506 weist die gleiche Struktur wie das adaptive Feldantennen-Steuergerät 106 auf, das in 1 gezeigt ist. Das mit Energie versorgte Antennenelement 508 empfängt Datenübertragungssignale unter Verwendung mehrfacher Träger (Unterträger), wie zum Beispiel OFDM-Signale.
Lokale Oszillatoren (nicht gezeigt), die in einem Sender und entsprechenden Empfänger verwendet werden, sollten die gleiche Oszillationsfrequenz aufweisen. Jedoch sind aufgrund einer Gerätevariation oder Altersverschlechterung ihre Oszillationsfrequenzen manchmal versetzt. Wenn ein derartiger Frequenzversatz groß wird, wird es schwierig genau eine Unterträgersignalkomponente zu unterdrücken. Gemäß dieser Ausführungsform ist es, wenn ein empfangenes Signal umgewandelt wird, möglich, den Frequenzversatz zwischen dem Sender und dem Empfänger einzustellen, um einen Frequenzversatzeinfluss zu vermeiden. Statt einem Einstellen der Oszillationsfrequenz ist es möglich, vorsichtig und adaptiv den Unterträger in Berücksichtigung des Frequenzversatzbetrages auszuwählen.
In dem Fall zum Beispiel, bei dem eine Signalkomponente für einen Unterträger f₂₇ unterdrückt werden sollte und ein empfangenes Signal zu einer höheren Frequenz versetzt ist, kann ein Signalkomponente, die mit einem Unterträger f₂₆ gesendet wird, an dem Unterträger f₂₇ in einem Empfänger empfangen werden. In diesem Fall stellt das Oszillationsfrequenz-einstellende Verfahren die lokale Oszillationsfrequenz derart ein, um die Signalkomponente bei f₂₆ in dem Empfänger zu empfangen. Andererseits lässt das Unterträgerauswahlverfahren das System eine Unterträger-f₂₈-Signalkomponente unterdrücken. In jedem Fall sollte der Frequenzversatz zwischen dem Sender und Empfänger berücksichtigt werden, wenn die virtuelle Unterträgersignalkomponente unterdrückt wird.
6 zeigt ein Blockdiagramm eines adaptiven Feldantennensystems 600 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Allgemeinen umfasst das adaptive Feldantennensystem 600 ein erstes Feldantennensystem 601, ein zweites Feldantennensystem 603 und ein kombinierendes Gerät 614 zum Kombinieren von Ausgaben von sowohl dem ersten als auch zweiten Feldantennensystem 601 und 603. Die ersten und zweiten Feldantennensysteme 601 und 603 weisen die gleiche Struktur auf und bilden Diversitätszweige. Jedes des ersten und zweiten Feldantennensystems 601 und 603 weist ein mit Energie versorgtes Antennenelement 608 und eine Vielzahl von nicht mit Energie versorgten Antennenelementen 610 auf. Jedes der nicht mit Energie versorgten Antennenelemente 610 ist mit dem Erdungspotential über ein Reaktanzelement 611 verbunden. Das mit Energie versorgte Antennenelement 608 ist mit einem Frontendgerät 612 verbunden, das eine Bandpassbegrenzung und Frequenzumwandlung und Anderes durchführt. Eine Ausgabe des Frontendgerätes 612 ist mit einem analog-zu-digital-Umwandler 604 verbunden. Eine Ausgabe des analog-zu-digital-Umwandlers 604 ist mit einem adaptiven Feldantennen-Steuergerät 606 verbunden, das adaptiv einen Gewichtungskoeffizienten eines Antennenelementes 610 steuert. Die Ausgaben von dem ersten und dem zweiten analog-zu-digital-Umwandler 604 werden in Phase bzw. Amplitude von einem Gewichtungseinsteller 616 oder 618 eingestellt und dann in das kombinierende Gerät 614 eingegeben. In dieser Weise können die Empfangseigenschaften verbessert werden.
In jedem Diversitätszweig in dieser Ausführungsform werden Gewichtungskoeffizienten derart eingestellt, um eine virtuelle Unterträgersignalkomponente zu minimieren, um die Richtcharakteristik in jeder Antenne zu steuern. Das Kombinationsgerät 614 kombiniert die Signale von beiden Zweigen. Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, eine virtuelle Unterträgersignalkomponente beim Diversitäts-Kombinieren zu berücksichtigen. Zum Beispiel kann ein Zweig, bei dem eine virtuelle Unterträgersignalkomponente klein ist, ausgewählt werden oder mit einem eines großen Gewichtes kombiniert werden, um die übertragenen Signale basierend auf geringeren Interferenzsignalen zurück zu gewinnen.
7 zeigt eine andere Feldantennenstruktur, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. Diese Struktur bildet ein Funkfrequenz-(RF)-verarbeitendes System (eines gephasten Feldsystems). Wie in 7 gezeigt, ist jedes aus einer Vielzahl von Antennenelementen 708 mit einem Frontendgerät 712 ausgerüstet, das eine Bandpassbegrenzung und Frequenzumwandlung und Anderes durchführt. Eine Ausgabe jedes Frontendgerätes 712 wird mit einem Gewichtungseinsteller 711 zum Einstellen einer Amplitude und Phase eines empfangenen Signals bereitgestellt. Eine Ausgabe jedes Gewichtungseinstellers 711 wird in ein kombinierendes Gerät 714 eingegeben, von wo ein gewichtetes und kombiniertes, analoges Signal ausgegeben wird. Dieses analoge Signal wird in einem folgenden analog-zu-digital-Umwandler 104 eingegeben. Die Amplituden- und Phaseneinstellung in dem Gewichtungseinsteller 711 wird basierend auf Steuersignale von dem adaptiven Feldantennen-Steuergerät 106 durchgeführt.
In den räumlichen Verarbeitungstyp-Systemen, die in 1, 5 und 6 gezeigt sind und den RF-Verarbeitungstyp-System, das in 7 gezeigt ist, wird das gewichtete und kombinierte, analoge Signal von einem analog-zu-digital-Umwandler umgewandelt, um ein Signal zu bilden, das zu einem digitalverarbeitenden Teil zugeführt wird (folgend der Demodulationsschaltung und dem adaptiven Feldantennen-Steuergerät) und daher werden Vorteile aus den Gesichtspunkten eines niedrigen Leistungsverbrauchs, einer Schaltungsgröße und von Kosten erzielt. Das RF-Verarbeitungstyp-System, das in 7 gezeigt ist, kann eine Amplitude und Phase unabhängig einstellen und daher ist die größte Verhältniskombination in dem Kombinationsgerät 714 möglich und dies ist vorteilhaft beim Durchführen einer Hochgenauigkeitssteuerung verglichen mit dem 1-System. Das räumliche Verarbeitungssystem, das in 1 gezeigt ist, steuert lediglich Reaktanzelemente und dies ist vorteilhaft beim Konstruieren eines einfachen Systems, verglichen mit dem 7-System.
In dem räumlichen Verarbeitungstyp- oder RF-Verarbeitungstyp eines Feldantennen-Steuergerätes gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Signalkomponente für jeden Unterträger extrahiert, eine virtuelle Unterträgersignalkomponente wird gemessen und Gewichtungskoeffizienten von Antennenelementen werden adaptiv derart gesteuert, um die virtuelle Unterträgersignalkomponente zu unterdrücken. Daher ist es möglich, eine Interferenzkomponente zu unterdrücken, die in einem empfangenen Signal enthalten ist, während ein Leistungsverbrauch verringert wird. Als eine zu unterdrückende Interferenzkomponente in dieser Ausführungsform kann jede virtuelle Unterträgersignalkomponente verwendet werden und daher ist es möglich, jedes Interferenzsignal unabhängig von Interferenzursachen zu unterdrücken. Zum Beispiel ist es möglich nicht nur ein verzögertes Signal zu unterdrücken, das über eine interne Führung kommt und ein Interferenzsignal aufgrund des Doppler-Effektes, sondern ebenso andere Interferenzsignale, die von anderen Kommunikationssystemen erzeugt werden.
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, vor einem Starten des Gewichtungskoeffizienten-einstellenden Prozesses (Schritte 112 und danach), eine Feldantenne 102 als nicht-gerichtet eingestellt, ein empfangenes Signal wird Fourier-transformiert (Schritt 308), und eine virtuelle Unterträgersignalkomponente wird extrahiert (Schritt 310). Daher ist es möglich genau die Stärke und Richtung von Interferenzsignalen zu detektieren und effektiv die Interferenzkomponenten, die sich mit den empfangenen Signalen mischen, durch Richten des Antennenstrahls auf eine gewünschte Welle oder Richten der Null auf eine nicht gewünschte Welle zu unterdrücken.
Darüber hinaus ist es ebenso vorteilhaft, regulär oder wenn gewünscht die Feldantenne nicht-gerichtet zu machen und Schritte nach dem Initialisierungsschritt 302 durchzuführen, da die Kommunikationsumgebung von Mobilkommunikationssystemen sich im Zeitverlauf kontinuierlich ändert. Demgemäß ist es wünschenswert, geeignet virtuelle Unterträgersignalkomponenten zusammen mit der Änderung in der Kommunikationsumgebung zu ändern.
Zum Beispiel gibt es eine Tendenz für Gewichtungskoeffizienten in einem Wert zu konvergieren, um ein stärkeres Richtungsantennenmuster bereitzustellen, wenn die Erneuerungsschrittnummer anwächst. Jedoch gibt es in einem Fall, bei dem eine Gewichtungskoeffizientenvariation zwischen vor und nach einer Erneuerung übermäßig groß ist, eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass eine gewünschte Wellenrichtung oder eine unerwünschte Wellenrichtung aufgrund der Änderung in einer Kommunikationsumgebung geändert werden. Wenn demgemäß die Gewichtungskoeffizientenvariation größer als ein vorbestimmter Wert ist, ist es vorteilhaft, Kommunikationsumgebungsänderungen anzunehmen und die Feldantenne als nicht-gerichtet einzustellen.
Da sich die Kommunikationsumgebung ändert, wird die Richtung oder eine Zeitverzögerung einer gewünschten oder unerwünschten Welle verändert und die virtuellen Unterträgersignalkomponenten können ebenso verändert sein. Wenn in diesem Fall die virtuelle Unterträgersignalkomponentenvariation größer als ein vorbestimmter Wert ist, ist es vorteilhaft Kommunikationsumgebungsänderungen anzunehmen und die Feldantenne als nicht-gerichtet einzustellen.
Weiter ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern unterschiedliche Variationen und Modifikationen können getätigt werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die vorliegende Erfindung basiert auf einer Japanischen Prioritätsanmeldung Nr. 2002-380639 , eingereicht am 27. Dezember 2002 beim Japanischen Patentamt.

Claims

Adaptives Feldantennen-Steuergerät, das adaptiv Gewichtungskoeffizienten (111, 511, 611) einer Vielzahl von Antennenelementen (110, 510, 610) einer Feldantenne (102) basierend auf einem digitalen Signal steuert, das von einem analog-zu-digital-Umwandler (104, 504, 604) ausgegeben wird, der ein gewichtetes, analog empfangenes Signal von der Feldantenne (102) empfängt, mit: einem Extrahierer (116) zum Extrahieren einer Signalkomponente für jeden aus einer Vielzahl von Sub-Trägern (f31, ..., fo, ..., f–32), die in dem analog empfangenen Signal enthalten sind, durch Fourier-Transformieren des digitalen Signals; und einem adaptiven Steuergerät (106, 506, 606) zum Einstellen der Gewichtungskoeffizienten (111, 511, 611) basierend auf einem Gradientenvektor, um so einen vorbestimmten Sub-Träger (fo) aus der Vielzahl von Sub-Trägern zu unterdrücken und zum Berechnen des Gradientenvektors basierend auf den Signalkomponenten des vorbestimmten Sub-Trägers.
Adaptives Feldantennen-Steuergerät nach Anspruch 1, wobei das adaptive Feldantennen-Steuergerät ein kombiniertes, gewichtetes, analog empfangenes Signal von der Feldantenne empfängt, die die empfangenen Signale von den Antennenelementen (108, 110; 508, 510; 608, 610) kombiniert.
Adaptive Feldantennen-Steuergeräte nach Anspruch 1, wobei das adaptive Feldantennen-Steuergerät das gewichtete, analog empfangene Signal von der Feldantenne empfängt, die eine Vielzahl von nicht mit Leistung versorgten Antennenelementen (110, 510, 610) und ein leistungsversorgtes Antennenelement (108, 508, 608) umfasst.
Adaptives Feldantennen-Steuergerät nach Anspruch 1, wobei das adaptive Steuergerät die Gewichtungskoeffizienten (111, 511, 611) einstellt, um die Signalkomponente (fo) für einen der Sub-Träger entsprechend einer Gleichstromkomponente zu unterdrücken.
Adaptives Feldantennen-Steuergerät nach Anspruch 1, wobei das adaptive Steuergerät die Gewichtungskoeffizienten (111, 511, 611) an einem Sender einstellt, um so die Signalkomponente für einen unbenutzten Sub-Träger zu unterdrücken, der benachbart zu einem der Sub-Träger liegt, die zum Übertragen von Daten verwendet werden.
Adaptives Feldantennen-Steuergerät nach Anspruch 1, wobei das adaptive Steuergerät die Gewichtungskoeffizienten (111, 511, 611) an einem Sender einstellt, um die Signalkomponente für einen unbenutzten Sub-Träger zu unterdrücken, der benachbart zu einem der Sub-Träger liegt, die die Maximalfrequenz aufweisen, die zum Übertragen von Daten verwendet wird. 7 Adaptives Feldantennen-Steuergerät nach Anspruch 1, wobei das adaptive Steuergerät die Gewichtungskoeffizienten (111, 511, 611) an einem Sender einstellt, um so die Signalkomponente für einen unbenutzten-Sub-Träger zu unterdrücken, der benachbart zu einem der Sub-Träger ist, der die Minimalfrequenz aufweist, die zum Übertragen von Daten verwendet wird.
Adaptives Feldantennen-Steuergerät nach Anspruch 1, wobei das adaptive Steuergerät einen der Sub-Träger (f31, ..., fo, ..., f–32) auswählt, der unter Berücksichtigung eines Frequenzversatzes zwischen einem Sender und einem Empfänger unterdrückt werden soll.
Adaptives Feldantennen-Steuergerät nach Anspruch 1, wobei das digitale Signal einen Präambel-Teil und Nutzlastteile umfasst, die dem Präambel-Teil folgen, wobei jeder der Nutzlastteile eine Vielzahl von Symbolen einschließt und das adaptive Steuergerät die Gewichtungskoeffizienten für jedes der Symbole entsprechend den Antennenelementen (108, 110; 508 510; 608, 610) erneuert.
Adaptives Feldantennen-Steuergerät nach Anspruch 1, wobei das adaptive Steuergerät umfasst: einen Einsteller (122) zum Einstellen der Gewichtungskoeffizienten der Antennenelemente; und einen Gradientenberechner (120) zum Berechnen jeder Komponente des Gradientenvektors, basierend auf den Signalkomponenten des vorbestimmten Sub-Trägers vor und nach einem Modifizieren der Gewichtungskoeffizienten (111), wodurch die Gewichtungskoeffizienten (111) basierend auf dem Gradientenvektor erneuert werden.
Adaptives Feldantennen-Steuergerät nach Anspruch 1, wobei das adaptive Steuergerät basierend auf dem digitalen Signal initialisiert wird, das von dem analog-zu-digital-Umwandler 8104, 504, 604) erhalten wird, wenn die Feldantenne (102) ein ungerichtetes Antennenmuster bildet.
Adaptives Feldantennen-Steuergerät nach Anspruch 11, wobei die Gewichtungskoeffizienten (111, 511, 611) eingestellt werden, wenn eine Variation in einer Interferenzkomponente, die unterdrückt werden soll, größer als ein vorbestimmter Wert wird, so dass die Feldantenne (102) ein ungerichtetes Antennenmuster bildet.
Adaptives Feldantennen-Steuergerät nach Anspruch 11, wobei die Gewichtungskoeffizienten (111, 511, 611) eingestellt werden, wenn eine Variation in dem Gewichtungskoeffizienten, die aufeinander folgend erneuert werden, größer als ein vorbestimmter Wert wird, so dass die Feldantenne (102) ein ungerichtetes Antennenmuster bildet.
Adaptives Feldantennen-System mit zumindest einem ersten Antennensystem (601) und einem zweiten Antennensystem (603), das eine Vielzahl von Diversitätszweigen bildet und einem kombinierenden Gerät (614) zum Kombinieren von Ausgaben von den ersten und zweiten Antennensystemen (601, 603), wobei, jedes der ersten und zweiten Antennensysteme umfasst: eine Feldantenne mit einer Vielzahl von Antennenelementen (608, 610); einen analog-zu-digital-Umwandler (604), der mit der Feldantenne gekoppelt ist und der ein gewichtetes und kombiniertes analog empfangenes Signal empfängt; und ein adaptives Feldantennen-Steuergerät (606), das mit dem analog-zu-digital-Umwandler (604) gekoppelt ist und das adaptiv die Gewichtungskoeffizienten der Antennenelemente (610) steuert; und das adaptive Feldantennen-Steuergerät (606) umfasst: einen Extrahierer (116) zum Extrahieren einer Signalkomponente für jeden einer Vielzahl von Sub-Trägern (f31, ..., fo, ..., f–32), die in dem analog empfangenen Signal enthalten sind, durch Fourier-Transformieren eines digitalen Signals, das von dem analog-zu-digital-Umwandler (104) ausgegeben wird; und einem adaptiven Steuergerät (606) zum Einstellen der Gewichtungskoeffizienten, um so einen vorbestimmten Sub-Träger aus den Sub-Trägern zu unterdrücken.