DE69522938T2

DE69522938T2 - Basisstationsgruppenantenne und dazugehöriges verfahren zur erhöhung der leistungseffizienz

Info

Publication number: DE69522938T2
Application number: DE69522938T
Authority: DE
Inventors: M. Charas; Wilkinson Dent
Original assignee: Ericsson Inc
Current assignee: Ericsson Inc
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2015-03-01
Also published as: TW260848B; DE69522938D1; JPH09510595A; US5548813A; WO1995026116A1; MX9603601A; CN1144592A; EP0757880A1; CN1146281C; FI963773A; FI963773A0; CA2186229A1; AU2060795A; AU683368B2; MY112443A; EP0757880B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kommunikationssysteme und insbesondere ein zellulares Funkkommunikationssystem.

Hintergrund der Erfindung

Zellulare Kommunikationssysteme werden allgemein eingesetzt, um Sprach- und Datenkommunikation für mehrere Mobileinheiten oder Teilnehmer bereit zu stellen. Analoge zellulare Systeme, wie sie als AMPS, ETACS, NMT-450, und NMT-900 bezeichnet werden, wurden erfolgreich weltweit aufgebaut. Seit kurzem wurden digitale zellulare Systeme eingeführt, bezeichnet als IS-54B in Nordamerika oder als europaweites GSM System. Diese Systeme sowie andere sind beispielsweise in dem Buch mit dem Titel "Zellulare Funksysteme" beschrieben, von Balston et al., veröffentlicht durch Artech House, Norwood, M. A., 1993.
Die Frequenzwiederverwendung wird allgemein bei der zellularen Technologie eingesetzt, derart, dass Gruppen von Frequenzen für die Anwendung in Gebieten mit begrenzter geographischer Abdeckung - als Zellen bekannt - zugeordnet sind. Zellen mit äquivalenten Gruppen von Frequenzen sind geographisch getrennt, damit Mobileinheiten in unterschiedlichen Zellen gleichzeitig dieselbe Frequenz ohne Wechselwirkung zueinander einsetzen können. Durch diese Vorgehensweise können Dienste für Tausende von Teilnehmern durch ein System mit lediglich einigen hundert Frequenzen bereitgestellt werden.
In den Vereinigten Staaten haben beispielsweise die Bundesbehörden für zellulare Kommunikationsvorgänge einen Block des Höchstfrequenzspektrums zugeordnet, der in Paare schmaler Frequenzbänder mit der Bezeichnung Kanäle unterteilt ist. Die Kanalpaarung ist das Ergebnis der Frequenzduplexanordnung, bei der die Sende- und Empfangsfrequenzen jedes Paares gegeneinander um 45 MHz versetzt sind. Momentan gibt es in den Vereinigten Staaten 832, 30 KHz breite Funkkanäle, die zellularen Mobilkommunikationsvorgängen zugeordnet sind. Zum Handhaben von Kapazitätseinschränkungen dieses Analogsystems wurde ein digitaler Übertragungsstandard bereitgestellt, bezeichnet als IS-54B, bei dem diese Frequenzkanäle ferner in drei Zeitschlitze unterteilt sind.
Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält ein zellularen Telekommunikationssystem 20 nach dem Stand der Technik einige oder mehrere Mobilstationen oder Einheiten 21, eine oder mehrere Basisstationen 23 und ein Mobiltelefon- Vermittlungsamt (MTSO) 25. Obgleich in Fig. 1 lediglich drei Zellen 36 gezeigt sind, kann ein typisches zellulares Netz mehrere hundert Basisstationen enthalten, sowie Tausende von Mobilstationen und mehr als ein MSTO. Jeder Zelle sind einer oder mehrere festgeschaltete Steuerkanäle und einer oder mehrere Sprachkanäle zugeordnet. Eine typische Zelle kann beispielsweise einen Steuerkanal aufweisen, und 21 Sprach/Daten- oder Verkehrskanäle. Der Steuerkanal ist ein festgeschalteter Kanal, der zum Übertragen von Zellidentifikation und Rufinformation verwendet wird. Die Verkehrskanäle tragen die Sprach- und Dateninformation.
Das MTSO 25 ist das zentrale, koordinierende Element des gesamten zellularen Netzes 20. Es enthält typischerweise einen Zellularprozessor 28, eine Zellularvermittlungsstelle 29, und es bildet die Schnittstelle zu dem öffentlichen Fernsprechwählnetz (PSTN) 30. Durch das Zellularnetz 20 kann eine Duplexfunkkommunikationsverbindung 32 zwischen zwei Mobilstationen 21 bewirkt werden, oder zwischen einer Mobilstation 21 und Einem Landleitungs-Telefonanwender 33.
Die Funktion der Basisstation 23 besteht allgemein in der Handhabung der Funkkommunikationssystem mit der Mobilstation 21. In diesem Zusammenhang funktioniert die Basisstation 23 primär als Relaisstation für Daten und Sprachsignale. Die Basisstation 23 überwacht auch die Qualität der Verbindung 32, und sie überwacht die empfangene Signalstärke von der Mobilstation 21.
Eine typische Basisstation 23 gemäß dem Stand der Technik ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, und diese zeigt beispielhaft die Funkaionskomponenten für das Modell mit der Nummer RBS 882, hergestellt durch Ericsson Telecom AB, Stockholm, Schweden, und zwar für das CMS 8800 zellulare Mobiltelefonsystem. Eine vollständige Beschreibung dieses analogen zellularen Netzes ist in der Veröffentlichung mit der Nummer EN/LZT 101 908 R2B enthalten, veröffentlicht von Ericsson Telecom AB.
Als nun allgemein bekannte Ansicht entlang vieler Fernstraße enthält die Basisstation 23 eine Steuereinheit 34 und einen Antennenturm 35. Die Steuereinheit 34 enthält die Basisstationelektronik, und sie ist üblicherweise innerhalb in einer gegenüber einer rauen Behandlung unempfindlich ausgebildeten Umhüllung positioniert, oder in der Nähe der Basis des Turms. In dieser Umhüllung liegen die Funksteuergruppe 37 - oder die RCG Einheit - vor, oder eine Vermittlungsfunkschnittstelle (ERI) 38 und eine primäre Energieversorgung 41 zum Umsetzen elektrischer Energie von dem AC Versorgungsnetz in Energie für die einzelnen Komponenten in der Basisstation 23, oder von einer Rücksicherungsenergiequelle 42.
Die ERI Einheit 38 stellt Signale zwischen der MTSO Einheit 25 und der Basisstationseinheit 23 bereit. Die ERI Einheit 38 empfängt Daten von der RCG Einheit 37, und sie überträgt sie zu der MTSO Einheit 25 auf einer festgeschalteten MTSO-BS Verbindung 45. Entlang der umgekehrten Richtung empfängt die ERI Einheit 38 die Daten von der MTSO Einheit 25, und sie sendet sie zu der RCG Einheit 37 für eine nachfolgende Übertragung zu einer Mobilstation 21.
Die Funksteuergruppe 37 enthält elektronische Ausrüstung, die zum Bewirken von Funkkommunikationsvorgängen erforderlich ist. Ein Funktionsblockschaltbild einer RCG Einheit 37 gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 3 gezeigt. Die gezeigte Konfiguration stellt ein Steuerkanal- Übertragungs/Empfangsmodul (TRM) 51 dar, und eine Zahl von Sprachkanälen TRM 52, sowie ferner einen Signalstärkenempfänger 53, als typische Konfiguration, die zum Unterstützen einer Zelle oder eines Sektors einer Zelle erforderlich ist. Jede TRM Einheit 51, 52 enthält einen zugeordneten Sender 54, einen Empfänger 55 und eine Steuereinheit 57. Die TRM Einheiten 51, 52 sind typischerweise nicht frequenzagil, und sie werden anstelle hiervon lediglich einfach für einen vorgegebenen Kanal betrieben. Die Steuersignale von der ERI Einheit 38 werden durch die einzelnen Steuereinheiten 57 empfangen. Sprach- und Datenverkehrskanäle werden über eine getrennte Schnittstelle zu der ERI Einheit 38 geleitet.
Jeder einzelne Sender 54 für Steuer- und Sprachinformation ist mit einem Sendekombinator 58 verbunden. Der Sendekombinator kombiniert alle Eingangssignale auf einen einzelnen Ausgang, der über ein Koaxialkabel 62 mit der Sendeantenne 63 gekoppelt ist. Durch die Anwendung des Kombinators 58 können typischerweise bis zu 16 Sender 54 mit einer gemeinsamen Sendeantenne 63 verbunden sein. Der Kombinator 58 wird verwendet, da oft ein Bonus für den Raum auf Masten und Türmen besteht, die zum Halten der Antennen verwendet werden. In einem extremen Fall kann für eine Masse Anforderung bestehen, über 100 Funkkanäle zu unterstützen. Die einzelnen Sendesignale werden vor der Kombinierung verstärkt, und demnach weisen die TRM Einheiten 51, 52 eine relativ hohe Ausgangsenergie auf, um die Verluste durch den Sendekominator 58 und das Verbindungskabel 62 zu überwinden. Typische TRM Einheiten haben durchschnittliche Ausgangsenergiepegel zwischen 10 und 50 Watt.
Bei der Empfangsseite ist jede der zwei Empfangsantennen 65 mit einem jeweiligen Empfangskombinator 66A, 66B gekoppelt, in dem die empfangenen Signale getrennt werden, gemäß der Frequenz, und zudem zu den einzelnen Empfängern 55 in jeder der TRM Einheiten 51, 52 geführt werden. Die zwei Empfangsantennen 65 sind typischerweise 3 bis 5 Meter an dem Turm voneinander beabstandet, so dass sie Signale mit nicht korrelierten Schwundvorgangsmustern empfangen, um hierdurch einen Raum-Diversity-Empfang zu ermöglichen. Es gibt viele übliche Techniken sowohl für Vordetektions- als auch Nachdetektions-Diversity, und diese sind beispielsweise in dem Kapitel 10 des Buches mit dem Titel "Mobilkommunikationstechnik" von William C. Y. Lee beschrieben, veröffentlicht durch McGraw-Hill, 1992.
Üblicherweise ist es erforderlich, die Ausrüstung in der Umhüllung für die Basisstationselektronik mittels einer AVAC Ausrüstung zu steuern, d. h. Erwärmung, Ventilation und Klimatisierung. Durchschnittlich weist eine typische Basisstationsumhüllung die Größe eines großen Lastwagens auf.
Ein sichtbares Merkmal einer typischen Basisstation 23 ist der Antennenturm 35. Zum Erzielen eines vernünftigen Abdeckungsbereichs sind die Antennen 63, 65 wünschenswerter Weise mit derselben Distanz oberhalb der Erde montiert. Unter zusätzlichem Bezug auf die Darstellung in schematischer Draufsicht gemäß Fig. 4A zum Darstellen des Stands der Technik ist zu erkennen, dass in ländlichen Bereichen die Türme 35 üblicherweise bei der Mitte einer Zelle 36 angeordnet sind, um hierdurch eine ungerichtete Abdeckung zu erzielen. In einer ungerichteten Zelle werden der (die) Steuerkanal (Steuerkanäle) und der (die) aktive(n) Sprachkanal (Sprachkanäle) in alle Bereiche der Zelle gesendet - üblicherweise von einer einzigen Antenne. Dort, wo Basisstationen 23 dichter angeordnet sind, kann ein in Sektoren eingeteiltes Antennensystem wie im Stand der Technik eingesetzt werden, und wie es in dem schematischen Diagramm nach Fig. 4B gezeigt ist. Eine Sektorisierung erfordert Richtantennen 70 mit beispielsweise einem 120º Abstrahlmuster, wie in Fig. 4B gezeigt. Jeder Sektor 71 ist selbst eine Zelle mit ihren eigenen Steuerkanal(en) und Verkehrskanal(en). Es ist zu erwähnen, dass "Kanal" sich auf eine spezifische Trägerfrequenz in einem Analogsystem beziehen kann, oder auf eine spezifische Träger/Schlitzkombination in einem hybriden TDMA/FDMA System, beispielsweise IS-54 und GSM.
Die Fig. 5A zeigt ein typisches Antennensystem gemäß dem Stand der Technik und wie es oben beschrieben ist. Die Fig. 5B zeigt zwei Arten von Antennen nach dem Stand der Technik, die hier zuvor diskutiert sind - eine ungerichtete Antenne wie ein Dipol 66 und eine Sektorrichtantenne 70, die beispielsweise ferner einen Reflektor 64 enthält. Es ist zu erkennen, dass Sende- und Empfangsantenne üblicherweise denselben Typ für eine vorgegebene Basisstation aufweisen.
Tausende derartiger zellularer Basisstationen 23 sind in Zellorten weltweit eingesetzt. Momentan ist die Gesamtaufstandsfläche für einen zellularen Ort ziemlich groß. Oft durch einen Kettengliedzaun umgeben, ist der für den Ort einer typischen Basisstation 23 erforderliche Landumfang groß (Engl.: sizable). In den meisten städtischen Gebieten sind die Kosten für die Immobilie, an der sich die Stelle befindet, oft vergleichbar mit den Kosten für die eigentliche Ausrüstung. Zusätzlich zu den Kosten für die Landaquisition können Immobiliensteuern signifikante Betriebskosten darstellen. Es wäre demnach vorteilhaft, die Aufstandsfläche eines typischen Zellorts zu reduzieren.
Ein weiterer signifikanter Beitrag für die Betriebskosten einer zellularen Basisstation sind die Kosten für die verbrauchte Energie. Zusätzlich zu der HVAC-Ausrüstung für die Umfeldsteuerung können die DC Energieanforderungen zum Erzeugen der HF Energie ziemlich hoch sein. Die Festkörper- Energieverstärker, die typischerweise in jeder TRM Einheit 51, 52 angeordnet sind, werden mit einem DC-zu-HF- Wirkungsgrad zwischen 25% bis 65% betrieben, abhängig davon, ob der Verstärker linear oder gesättigt ist. Zusätzlich zu dem typischen Sendekombinator 58 Verlust von 3 bis 4 dB, gibt es signifikante Übertragungsverluste durch das Koaxialkabel 62 von der RCG Einheit 37 bis zu dem Turm 35 und zu der Sendeantenne 63. Es ist nicht unüblich, einen Verlust von 10 dB oder mehr als Gesamtverlust über diese Pfade zu erleiden, was im Ergebnis dazu führt, dass lediglich 10% der erzeugten HF Energie tatsächlich durch die Antenne abgestrahlt werden.
Das Verwendung von phasengesteuerten Antennenanordnungen mit schwenkbarer Richtcharakteristik (Engl.: scanning phased array antennas) in zellularen Telekommunikationssystemen wurde vorgeschlagen. Beispielsweise beschreibt Stapleton et al., "Ein phasengesteuertes Antennensystem mit schwenkbarer Richtcharakteristik"" Proceedings der 93. IEEE VTC, Seiten 93-96, ein Kreisfeld von Monopol-Abstrahlelementen zum Erzielen einer Richtcharakteristikfähigkeit mit 360º. Zum Erzielen einer Raum-Diversity ist Stapleton's Antenne so entworfen, dass jedes Abstrahlelement das Potential zum Senden auf jeden Kanal aufweist, der der Zelle zugeordnet ist.
Allgemein verbreitet ist die Anwendung von phasengesteuerten Antennen mit schwenkbarer Richtcharakteristik für Schmalbandradar. Unter Betonung auf hochfokussierte Übertragungsvorgänge mit kurzer Pulsdauer setzen diese - als Festkörper oder aktiv bezeichnete - phasengesteuerten Anordnungen üblicherweise Klasse C Leistungsverstärker hinter jedem Abstrahlelement ein. Zum Entwickeln von in hohem Umfang gerichteten Strahlen kann ein typisches Feld für ein Suchradar hunderte wenn nicht sogar tausende Einzelabstrahlelemente aufweisen. Derartige Antennen sind ausführlich diskutiert in Skolnik, Radar-Handbuch, McGraw Hill, 1990, Kapitel 5 und 7.
Es ist zu erwähnen, dass passive Mikrostreifenfelder üblicherweise für die Anwendung in zellularen Basisstationen verfügbar sind. Beispielsweise handelt es sich bei dem Typ Nr. 1309.41.0009 - hergestellt durch Huber+Suhner AG aus Herisau, Schweiz - um eine passive Flachbandantenne mit sieben Elementen und linearer Polarisierung mit einem geformten Hebestab für die Anwendung in zellularen Basisstationen. Dieses Feld kann die typische Dipolantenne ersetzen, und es eignet sich besser für Orte an den Seiten von Gebäuden oder anderen flachen Oberflächen. In der Anwendungsanmerkung 20.3, veröffentlicht von Huber + Shuner - ist gezeigt, dass sich eine Abdeckung mit breitem Bereich über die Anwendung von Energieverteilern erhalten läßt kann, wodurch Abschnitte der Signale auf mehrere einzelne Stäbe abgeleitet werden.
Unglücklicherweise erfordern beide der oben beschriebenen phasengesteuerten Antennenanordnungen mit schwenkbarer Richtcharakteristik einen Mehrfachträger-Leistungsverstärker oder MCPA, für das gleichzeitige Bestrahlen eines bestimmten Sektors mit zwei oder mehr Frequenzen, wie es in Zellularsystemen üblich ist. In einem Mehrfachträgersystem erfordern Zwischenmodulationsanforderungen eine Störrauschunterdrückung von mehr als -65 dB für Produkte der dritten Ordnung. Zum Reduzieren der Zwischenmodulationsverzerrung ist demnach eine MCPA Einheit in einem im Hinblick auf Energie hoch unwirksamen linearen Modus zu betreiben, wodurch der Gesamtenergiewirkungsgrad reduziert ist.
Die offengelegte PCT Patentanmeldung mit dem Titel "Räumlich unterteilte Mehrfachzugangs-Drahtloskommunikationssysteme" für Arraycomm, Inc., diskutiert ein Verfahren und ein Gerät zum Erhöhen der Kapazität und der Qualität einer drahtlosen Kommunikation zwischen mehreren Fernanwendern und der Basisstation, WO-A-93/12590, 24. Juni 1993.
Die offengelegte europäische Patentanmeldung mit dem Titel "Terrestrisches Funkkommunikationssystem" für American Telephone and Telegraph Company diskutiert ein terrestrisches Funksystem, das gebündelte Strahlen verwendet, sowie einen Mehrfachzugriff im Zeitmultiplex und eine Frequenzwiederverwendung zum Erzielen von Kommunikationsdiensten von einer Basisstation an Fernanwendern in einem Systemdienstgebiet, EP-A-0201254, 12. November 1986.
Die veröffentlichte PCT Patentanmeldung mit dem Titel "Verfahren und System in einem Weitbereich- Funkkommunikationsnetz" für Ahl et al. diskutiert ein Netz mit mindestens zwei Zentralstationen, derart, dass jede Zentralstation mindestens einer Randstation zugeordnet ist, WO-A-90/03071, 22. März 1990.

Zusammenfassung der Erfindung

Im Hinblick auf den vorangehenden technischen Hintergrund besteht demnach ein technisches Problem der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Basisstation für ein zellulares Kommunikationssystem und eines zugeordneten Verfahrens zum Handhaben der praktischen Probleme für das Erhöhen des Energiewirkungsgrads und zum Reduzieren der Zellortgröße.
Es ist ebenso ein technisches Problem der vorliegenden Erfindung, eine Basisstation und ein zugeordnetes Verfahren bereit zu stellen, und zwar zum Vereinfachen der Anwendung aktiver phasengesteuerter Antennenanordnung bei Reduzierung der Abstrahlung von Störsignalen wie beispielsweise Zwischenmodulationsprodukten.
Diese und andere technischen Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch eine Basisstation gemäß dem Patentanspruch 1 erzielt, und diese enthält eine Funkkanal-Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen mehrerer einzelner Funkkanalsignale, jeweils bei einer wechselseitig unterschiedlichen Frequenz, und sie ist charakterisiert durch mehrere einzelne phasengesteuerten Antennenanordnungen, die betriebsgemäß mit der Funkkanal-Erzeugungsvorrichtung so verbunden sind, dass jede einzelne phasengesteuerte Antennenanordnung lediglich ein individuelles Funkkanalsignal zu einem Zeitpunkt überträgt. Demnach werden Zwischenmodulationsprodukte lediglich im Vergleich zu einer phasengesteuerten Anordnung reduziert, die mehrere Funkkanäle bei unterschiedlichen Frequenzen zu einem Zeitpunkt überträgt. Weiterhin ermöglicht die vorliegende Erfindung die mit Aufnahme einzelner Verstärker in die phasengesteuerte Antennenanordnung, um hierdurch erheblich die Kabelübertragungsverluste in Zuordnung zu der Abgabe der HF Energie an beispielsweise eine übliche Antenne zu reduzieren.
Die Gesamtverbesserung des DC-zu-HF-Wirkungsgrads reduziert die Größe der erforderlichen Ausrüstung wie für die Energieversorgung und schwächt das Problem der thermischen Handhabung, wodurch auch die Betriebskosten reduziert sind und die Systemzuverlässigkeit verbessert ist.
Jede der phasengesteuerten Antennenanordnungen enthält bevorzugt ein Substrat und mehrere Abstrahlelemente, die hierauf gemäß einem vorgegebenen Muster montiert sind. Jedes Abstrahlelement ist bevorzugt mit einer Streifenleitung versehen, und das Substrat ist bevorzugt ein Schaltungsboard. Insbesondere enthält die Basisstation bevorzugt eine Signalqualitäts-Empfängervorrichtung zum Empfangen eines Signals von einer Mobilstation in Zuordnung zu der Signalqualität, die bei Mobileinheit empfangen wird, und sie enthält ferner eine Antennenenergie bzw. Leistungs- Steuervorrichtung von selektiven Betreibern ausgewählter Abstrahlelemente in jeder einzelnen phasengesteuerten Antennenanordnung in Ansprechen auf die bei der Mobileinheit empfangenen Signalqualität. Alternativ lässt sich die Signalstärke bei der Basisstation messen. Demnach lässt sich die abgestrahlte Energie oder Strahlbreite von der Antenne selektiv so steuern, dass ein ausreichender Empfangsenergiepegel bei der Mobilstation für gute Kommunikationsvorgänge beibehalten wird, ohne dass jedoch so viel Energie - insbesondere für eine nahegelegene Mobileinheit - abgegeben wird, dass beispielsweise eine unnötige Wahrscheinlichkeit einer Störung erzeugt wird.
Die Basisstation enthält auch bevorzugt eine Empfangsantenne, die angrenzend zu den phasengesteuerten Sendeantennenanordnungen positioniert ist. Die Empfangsantenne ist ebenso bevorzugt eine phasengesteuerte Antennenanordnung mit der Fähigkeit zum Empfangen mehrerer einzelner Funkkanalsignale jeweils bei wechselseitig unterschiedlicher Frequenz von einer Vielzahl von Mobileinheiten. Demnach kann die Empfangsantenne bevorzugt ein hieran montiertes Kombinationsnetz enthalten, das mit den Empfangsantennenelementen zum kohärenten Koppeln von hierdurch empfangenen Signalen verbunden ist, und einen an der Antenne montierten rauscharmen Verstärker, der mit dem Kombinationsnetz zum Verstärken eines Signals hiervon verbunden ist.
Die Basisstation enthält auch bevorzugt eine Modulatorvorrichtung zum Modulieren mehrerer Funkfrequenzträger mit jeweiligen Eingangs- oder Informationssignalen, um hierdurch die mehreren einzelnen Funkkanalsignale zu erzeugen.
Ein zusätzliches anderes vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Vermittlungsstelle zwischen der Funkkanal- Erzeugungsvorrichtung und den phasengesteuerten Antennenanordnungen bereitgestellt sein kann, um hierdurch ein Zellteilen zu vereinfachen. Insbesondere ist das Vermittlungselement bzw. Schaltelement zwischen einer ersten und zweiten Position so beweglich, dass in der ersten Position der Schalter zwei oder mehr vorgegebene phasengesteuerte Antennenanordnungen koppelt, zum Erhöhen der Abstrahlantennenenergie für ein jeweiliges Funkkanalsignal. In der zweiten Position entkoppelt der Schalter die zwei oder mehr vorgegebenen phasengesteuerten Antennenanordnungen, und er vereinfacht das Erhöhen der Funkkanalkapazität für die Basisstation, d. h. das Aufteilen der Zelle.
Verfahrensaspekte der vorliegenden Erfindung betreffen den Betrieb der Basisstation, wie oben beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich unmittelbar für einen mit dem Stand der Technik Vertrauten anhand der folgenden schriftlichen Beschreibung, bei Lektüre im Zusammenhang mit der Zeichnung; es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild zum Darstellen der Grundkomponenten eines zellularen Kommunikationssystems nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild zum Darstellen der Funktionskomponenten einer zellularen Kommunikationsbasisstation gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild zum Darstellen der Funktionselemente der Funksteuergruppe eine Basisstation nach dem Stand der Technik;
Fig. 4A eine schematische Draufsicht zum Darstellen eines ungerichteten zellularen Musters nach dem Stand der Technik;
Fig. 4B eine schematische Draufsicht zum Darstellen eines in Sektoren unterteilten, zellularen Musters gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 5A eine schematische Seitenansicht zum Darstellen eines typischen zellularen Antennensystems nach dem Stand der Technik;
Fig. 5B eine schematische Seitenansicht zum Darstellen einer ungerichteten Antenne und einer Sektorantenne gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild zum Darstellen einer Basisstation für ein zellulares Kommunikationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild eines in der Basisstation gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten. Sende/Empfangsmoduls;
Fig. 8 eine schematische Draufsicht zum Darstellen einer typischen Anordnung der Antenne in Übereinstimmung mit der Erfindung mit drei Sektoren, die jeweils mit einer, zwei oder drei Trägerfrequenzen bedient werden;
Fig. 9 eine schematische Draufsicht eines theoretischen Abwärtsstrecken-Abdeckmusters, wie sie durch die in Fig. 8 gezeigte Anordnung erzeugt werden;
Fig. 10 ein schematisches Blockschaltbild zum Darstellen der Beziehung zwischen den Zeitschlitzen, Rahmen und der Mehrfachrahmenübertragung für GSM nach dem Stand der Technik;
Fig. 11 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform der Basisstation gemäß der Erfindung zum Darstellen, wie sich die Kapazität und die abgestrahlte Energie zum Vereinfachen der Zellaufteilung handhaben lassen;
Fig. 12 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform der Basisstation gemäß der Erfindung zum Darstellen eines Verfahrens zum Bewirken einer Steuerung der abgestrahlten Energie; und
Fig. 13 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Basisstation gemäß der Erfindung zum Darstellen eines Verfahrens zum Bewirken einer gekoppelten Energie durch Ändern der Strahlform eines phasengesteuerten Antennenfelds.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung wird nun vollständiger detailliert hier nachfolgend unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, und in dieser sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Diese Erfindung lässt sich jedoch in vielen unterschiedlichen Formen ausführen, und sie sollte nicht als die hier nachfolgend herausgestellten Ausführungsformen eingeschränkt angesehen werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen so bereitgestellt, dass diese Offenbarung ausführlich und vollständig ist, und sie decken vollständig den Schutzbereich der Erfindung für den mit dem Stand der Technik Vertrauten ab. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchgehend auf gleiche Elemente.
Obgleich sich die vorgeschlagene Erfindung oder Landmobilfunkübertragungsstandard einsetzen lässt, wird beabsichtigt, dass sie sich insbesondere für die Anwendung mit dem europaweiten GSM System eignet. Demnach richten sich - sowie geeignet - hier nachfolgend vorgestellte Beispiele auf eine GSM Implementierung. Dies erfolgt, um zu gewährleisten, dass die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform durch die mit dem Stand der Technik Vertrauten schnell verstanden wird, wohingehend die mit dem Stand der Technik Vertrauten erkennen, dass die vorliegende Erfindung sich leicht: und schnell auf unterschiedliche Übertragungsstandards anpassen lässt.
Zunächst wird eine in Übereinstimmung mit der Erfindung vorgeschlagene Basisstation beschrieben. Hiernach wird eine detaillierte Beschreibung gegeben, zum Darstellen, wie die vorgeschlagene Basisstation vorteilhaft in einem zellularen Kommunikationssystem verwendet werden kann.
Zunächst ist unter Bezug auf die Fig. 6 eine Ausführungsform der Basisstation 80 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, die für eine beispielhafte Anordnung zum Abdecken eines Sektors mit drei Trägerfrequenzen konfiguriert ist. Diese bestimmte Anordnung ist aufgrund ihrer Einfachheit ausgewählt, und sie ist nicht als einschränkend anzusehen. Es wird beispielsweise beabsichtigt, dass eine typische Basisstation acht oder mehr Träger haben kann und demnach acht oder mehr Sendeantennen pro Sektor/Zelle. Ausgehend von der obigen Beschreibung dieses Beispiels ist der mit dem Stand der Technik Vertraute einfach in der Lage, diese beispielhaften Konfigurationen so zu erweitern, dass sie viele Träger und/oder viele Sektoren/Zellen haben.
Die Basisstation 80 Enthält ein Antennensystem 81, eine Zwischeneinrichtungsverbindung (Engl.: interfacility link, IFL) 82, und die Funksteuersgruppe (Engl.: radio control group, RCG). Die RCG 83 ist bevorzugt eine an einem Gestell montierte Anordnung, die bei einer Ausführungsform physikalisch von dem Antennensystem 81 über die IFL 82 getrennt ist. Die EWG bildet die Funkkanal- Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen mehrerer individueller Funkkanäle bei unterschiedlichen Frequenzen. Die IFL 82 bildet eine Verbindungsvorrichtung, und sie enthält bevorzugt ein Bündel koaxialer Kabel, von Leistungskabeln und Kontrolldrähten, und sie weist typischerweise einige zehn Meter an Länge auf. Es wird beabsichtigt, dass die Basisstation 80 gemäß dieser Ausführungsform die RCG Einheit 83 an der Erde und aufgenommen in einer gegenüber dem Umfeld abgeschirmten Umhüllung angeordnet hat.
Das Antennensystem 81 ist typischerweise an einem Turm 86 oder einer anderweitig gegenüber dem Grund erhobenen Einheit positioniert. Es ist auch möglich, die RCG Einheit 83 zwischenangeordnet auszubilden, an dem Tower oder selbst mitaufgenommen in das Antennensystem 81. Ist die RCG Einheit 83 so angeordnet, so ist ein sorgfältiges Berücksichtigen eines adäquaten Blitzschutzes durchzuführen, wie für die mit dem Stand der Technik Vertrauten einfach zu erkennen ist.
Bei jedwedger Anordnung erfolgt eine Schnittstellenbildung zwischen den Ausgangsgrößen der RCG Einheit 85 und der üblichen Vermittlungsfunkschnittstelle (Engl.: exchange radio interface, ERI) 90, und anschließend zu der MTSO 91 und zu dem Rest des Netzes über übliche Vorrichtungen, wie für die mit dem Stand der Technik Vertrauten einfach zu erkennen ist. Tatsächlich wird beausichtigt, dass die vorgeschlagene Basisstation 80 zum Erweitern existierender Zellularsysteme verwendet werden kann, durch Ersetzen eines existierenden Antennensystems, eines üblichen IFLs und RECG mit dem Komponenten, wie sie hier beschrieben sind. Die neue RCG 81 kann demnach direkt in die Eingänge einer existierenden ERI eingesteckt werden.
Die Basisstation 80 gemäß der vorliegenden Erfindung nützt einen einzigen Träger pro aktivem Feld. Wie in der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform gezeigt, enthält die Basisstation 80 drei getrennte aktive Feldantennen oder Felder 95A, 95B und 95C zum Senden jeweils einer der drei Frequenzen, die dem Sektorder Zelle zugeordnet sind. Die Basisstation 80 enthält auch eine einzelne Empfangsantenne 96 mit der Fähigkiet zum Empfangen aller Sendefrequenzen.
Jede aktive Feldplatte (Engl.: array panel) enthält mehrere HF Leistungsverstärker 101, die jeweils über ein Filter 102 mit einem individuellen Abstrahlelement 103 gekoppelt sind.
Energie bzw. Leistung wird an jeden Leistungsverstärker 101 über ein Energieaufteilnetzwerk verteilt, das für das aktive Feld A 95A durch den punktierten Block mit der Bezeichnung 105 dargestellt ist. In dieser Ausführungsform sind die oben erwähnten Komponenten bevorzugt unter Verwendung einer Stripline oder Mikrostreifentechnik auf einem Montagesubstrat hergestellt, beispielsweise einer gedruckten Leiterplatte aus Glasepoxid, wie für den mit dem Stand der Technik Vertrauten einfach zu erkennen ist.
Der Energieteiler 106 ist im Netzwerk zum Verteilen der HF Energie von einem einzigen Eingang an mehrere Ausgänge, und er kann bevorzugt ein Wilkinson Energieteiler sein, ein Abzweigleitungs- oder randgekoppelter Teiler oder irgendeine der anderen allgemein bekannten Energieafteileinrichtungen, wie sie beispielsweise im Kapitel 5 von Bahl et al., Microwave Solid State Circuit Design, Wiley & Sons, 1988, beschrieben sind. Der Energieteiler 105 ist bevorzugt so entworden, dass er phasenkohärente Ausgangsgrößen für jeden Leistungsverstärker 101 bereitstellt. Die Eingangsenergie kann gleich aufgeteilt und synchron bzw. im Gleichtakt zwischen all den Eingängen der Leistungsverstärker 101 aufgeteilt sein; dies ist als einheitliches Abstrahlen bekannt und erzeigt ein symmetrisches Abstrahlmuster.
Alternativ können geringe Energieungleichgewichte und/oder Phasenversätze dann bereitgestellt werden, wenn gewünscht wird, das Abstrahlmuster in Übereinstimmung mit einer grundlegenden Feldtheorie zu formen. Eine Diskussion der Phasenversätze und der Energieungleichgewichte lässt sich finden im Teil 2 von Brookner, Praktische Phasen-gesteuerte Antennenanordnungssysteme, Artech House, 1991. Eine andere Referenz auf der Grundlagen der Feldtheorie lässt sich finden in Kapitel 7 von Skolnik, Radar Handbuch, 2. Auflage, McGraw Hill, 1990.
In der dargestellten Ausführungsform kann der Leistungsverstärker 101 bevorzugt eine 1-2 Watt Einrichtung sein, beispielsweise das Teil mit der Nr. GT-1867, hergestellt durch GigaTec, Inc., von 942-1 Shimasatomi Harung-machi Gunma-gun Gunma-ken 370-33 Japan. Der Leistungsverstärker 101 eignet sich wünschenswerter Weise für die Integration mit einer Mikrostreifenschaltung, und er kann in einem gesättigten oder einem linearen Modus betrieben werden, abhängig davon, ob die Modulation des HF Signals jeweils mit konstanter oder nichtkonstanter Einhüllender erfolgt. Für ein Analogsystem unter Verwendung von Frequenzmodulation kann der Verstärker als eine gesättigte Klasse C Einrichtung mit DC-zu-HF-Wirkungsgrad betrieben werden. Für bestimmte digitale Modulationsvorgänge, beispielsweise einer π/4 verschobenen DQPSK, wird der Verstärker 101 bevorzugt als eine lineare Klasse A Einrichtung betrieben, mit geringerem DC-zu-HF-Wirkungsgrad, jedoch unter Erzeugung einer verstärkten Replik der Einhüllenden-Variationen des Eingangssignals.
Die Leistungsverstärker 101 können breitwandige Rauschausgangsgrößen bei Frequenzen erzeugen, die mit dem Empfangsfrequenzband überlappen. Diese können ein solches Niveau aufweisen, dass sie die Rauschzahl des Empfangsverstärkers 101 verschlechtern. Zum Verbessern der Spektralreinheit des gesendeten Signals wird der Ausgang jedes Leistungsverstärkers 101 bevorzugt mit einem jeweiligen Filter 102 gekoppelt. Das Filter 102 ist bevorzugt ein Mikrostreifenkerbfilter, beispielsweise beschrieben in Kapitel 6 von Bahl, et al., Microwave Solid State Circuit Design, Wiley & Sons, 1988. Das Filter 102 dämpft bevorzugt Signale, die mit dem Empfangsfrequenzband überlappen. In Abhängigkeit von der Systembandbreite und der Frequenzzuordnung, kann das Filter 102 auch bevorzugt ein Bandpassfilter sein, derart, dass das Durchgangsband um die Sendefrequenz gemittelt ist. Alternativ kann sich auch ein Tiefpass- oder ein Hochpassfilter eignen.
Der Ausgang jedes Filter 102 ist als mit einem jeweiligen Abstrahlelement 103 gekoppelt dargestellt, bevorzugt eine linear polarisierte Mikrostreifen-Steckantenne, wie beschrieben auf den Seiten 7-1 bis 7-14 von Johson et al., Antennen-Tecnik Handbuch - 2. Auflage, McGraw-Hill, 1984. Allgemein lässt sich eine zirkular polarisierte Steckantenne in exzellenter Weise verwenden, wie sie auf den Seiten 7-14 bis 7-16 der zuvor erwähnten Referenz beschrieben ist.
Bei der dargestellten Ausführungsform der Basisstation 80 sind die aktiven Sendefeldplatten 95A, 95B und 95C bevorzugt identisch. Die Empfangsfeldplatte 96 ist bevorzugt ein Antennenfeld, das aus Mikrostreifen-Steckelementen 97 gebildet ist. Wie die aktiven Sendefeldplatten, ist die Empfangsplatte 96 bevorzugt aus einem Glasepoxid- Schaltungsboard unter Verwendung von Stripline oder Mikrostreifentechniken aufgebaut, wie sich für die mit dem Stand der Technik Vertrauten einfach erkennen lässt. Die Antennenelemente 97 sind wiederum bevorzugt Mikrostreifen- Steckabstrahlelemente, wie oben beschrieben. Die Steckantennenelemente 97 sind bevorzugt linear polarisierte Steckantennenelemente. Es wird bevorzugt, dass beide - die Sende- und Empfangsstäbe - dieselbe Polarisierung aufweisen - bevorzugt eine vertikale lineare Polarisierung.
Die Empfangsantennenelemente 97 sind mit einer gemeinsamen Übertragungsleitung 98 über ein Kombinationsnetz 99 verbunden. Grundlegend als Invertierung des Energieaufteilnetzes 105 bewirkt das Kombinationsnetz 99 eine kohärente Kopplung der von den Feldelementen 97 empfangenen Signale zu einem gemeinsamen Ausgang. Wie zuvor, kann das Kombinationsnetz 99 Phasenversätze einführen, oder ein konisches Koppel (Engl.: tapared coupling) zum Bewirken einer Strahlform oder zum Reduzieren von Seitenkeulen.?
Der Ausgang des Kombinationsnetzes 99 wird darstellungsgemäß mit einem rauscharmen Verstärker (Eng..: low-noise amplifier, LNA) 110 gekoppelt. Üblicherweise war ein ähnlicher LNA in der RCG einer üblichen Basisstation angeordnet, und demnach erlitt das Empfangssignal 2-4 dB Übertragungsverlust durch die IFL Kabelung. Durch Anordnung des LNA 110 bei der Empfangsantennenplatte 96 in Übereinstimmung mit einem anderen Vorteil der vorliegenden Erfindung sind Verluste vor der Verstärkung reduziert, wodurch die Gesamtsystem- Rauschzahl vorteilhaft ausgebildet ist und das Reduzieren des Empfangsantennengewinns somit ermöglicht wird.
Das verstärkte Empfangssignal von dem LNA 110 wird bevorzugt gefiltert, zum Entfernen unerwünschter Signalkomponenten, beispielsweise diejenigen, die durch die Leistungsverstärker 110 erzeugt werden. Demnach wird der Ausgang des LNA 110 bevorzugt mit dem Bandpassfilter 112 gekoppelt. Das Bandpassfilter 112 kann bevorzugt ein Mikrostreifenrandgekoppeltes Filter sein, wie es beschrieben ist in dem Kapitel 6 von Bahl et al., Microwave solid State Circuit Design, Wiley & Sons, 1988. In Abhängigkeit von der Systembandbreite und der Kanalbeabstandung ist auch ein Tiefpass- oder ein Hochpassfilter akzeptabel, wie für die mit dem Stand der Technik Vertrauten einfach zu erkennen ist.
Sowohl die Sensesignale als auch die Empfangssignale werden zu/von dem Antennensystem 81 über die Zwischeneinrichtungsverbindung IFL 82 gekoppelt. In der dargestellen Ausführungsform enthält die IFL bevorzugt ein Bündel von Koaxialkabeln 115, und (nicht gezeigte) Leistungskabel zum Bereitstellen von Energie bei den Leistungsverstärkern 101 und dem LNA 110.
Die Funksteuergruppe 83 enthält bevorzugt mehrere Sende/Empfangsmodule (Engl.: transmit/receive modules, TRM) 120. Nun wird unter zusätzlichem Bezug auf die Fig. 7 die TRM 120 erläutert. Die TEM 120 enthält bevorzugt die HF Hardware und Elektronik, die zum Bewirken einer Umsetzung eines Informationssignals in eine HF Ausgangsgröße und vice versa für ein Empfangssignal erforderlich ist. Das Informationssignal wird bevorzugt in einem Bitstrom digitalisiert, mit einer Folge digitaler Phasen und/oder Phasen- und Amplitudeninformation, und es wird von der ERI durch eine übliche Vorrichtung empfangen. Für GSM Zellularsysteme bildet das Informationssignal eine GSMS Wellenform. Für IS-59: Systeme bildet das Informationssignal eine π/4 verschobene DQPSK Wellenform. Die Erzeugung beider Typen von Signalen ist für den mit dem Stand der Technik Vertrauten einfach zu verstehen, wie dies auch für andere Modulationstechniken der Fall wäre.
Das Informationssignal wird mit einem Modulator 121 gekoppelt, wo die Phase, Amplituden- und/oder Phasen- und Amplitudeninformation bei einer Referenzfrequenz eingeprägt wird, zum Erzeugen eines Basisbandsignals, das mit einem Mischer 123 gekoppelt wird, wo es mit einer vorgegebenen HF Trägerfrequenz gemischt wird, die durch einen Referenzoszillator 127 und eine Kanalsyntheseeinheit 128 erzeugt wird. Der Referenzoszillator 127 ist auch mit dem Modulator 121 über einen Multiplizierer 129 gemäß der dargestellten Ausführungsform gekoppelt. Die HF Trägerfrequenz wird in Ansprechen auf Befehle ausgewählt, die von der ERI erhalten werden. Der Ausgang des Mischers 123 ist mit einem Sendefilter 124 gekoppelt, zum Entfernen ungewünschter Mischerprodukte. Nach dem Filtern wird der modulierte HF Träger über Koaxialkabel 115 - die beispielhaft die IFL 82 darstellen - mit der Übertragungsleitung 116 auf der aktiven Feldplatte 95A gekoppelt, wo sie abgestrahlt wird, wie oben beschrieben (Fig. 6). Ein identischer Prozess erfolgt bei einer getrennten Trägerfrequenz in jeder der anderen TRM Einheiten.
Immer noch unter Bezug auf die Fig. 7 ist zu erkennen, dass die bei der Empfangsfeldplatte 96 empfangenen Signale mit einer Empfangsschaltung 130 gekoppelt werden, wo eine Abwärtsumsetzung des modulierten HF Trägers zu einem Basisbandsignal erfolgt, sowie ein Demodulieren mittels der dargestellten Anordnung mit ersten und zweiten Mischern 132, 134, die jeweils über einen Lokaloszillator und ein zugeordnetes Lokaloszillatorfilter 135 getrieben werden, sowie durch eine zweite Lokaloszillator-Syntheseeinheit 137. Drei ZF Filter 141-142 sind ebenso in der dargestellten Figur gezeigt, für ein Abwärtsumsetzen des Empfangssignals zu dem Basisband und ein Demodulieren des abwärts umgesetzten Signals. Demnach werden zwei Signale erzeugt: ein ZF Signal und ein Signal zum Anzeigen der Empfangssignalstärke (Engl.: received signal strength indicator, RSSI), wie dargestellt.
In der Fig. 7 ist eine Anordnung gezeigt, die sich zum Demodulieren eines π/4 verschobenen DQPSK Signals eignet. Ein Beispiel einer derartigen Demodulationstechnik ist beispielsweise in dem US-Patent 5,048,059 beschrieben, mit dem Titel "Log-polare Signal Verarbeitung", für Dent, und übertragen an den genannten Rechteinhaber. Ein mit dem Stand der Technik Vertrauter kann einfach erkennen, dass ein GMSK Modulator oder ein anderer verwendet werden kann.
Die Ausgangsgröße der Empfängerschaltung 130 ist ein Informationssignal, das in der TRM Einheit 120 verarbeitet oder zu der ERI Einheit geführt werden kann, für ein nachfolgendes Verarbeiten gemäß üblicher Techniken. Ein ähnlicher Prozess tritt bei einer Empfangsfrequenz gemäß der jeweiligen Sendefrequenz in allen der TRM Einheiten 120 auf.
Die Fig. 8 zeigt eine schematische Draufsicht zum Darstellen einer beispielhaften Anordnung für die Anwendung in der hier zuvor beschriebenen vorgeschlagenen Basisstation 80. Diese Anordnung erzielt eine ungerichtete Abdeckung durch Unterteilen einer Zelle in drei Sektoren jeweils mit beispielsweise einer unterschiedlichen Zahl von zugeordneten Frequenzen. Die aktiven phasengesteuerten Sendeantennenanordnungen 151, 152, 153, 155, 156 und 157 sind an einer dreieckigen Halterung 160 angeordnet und zum Bereitstellen einer sektorisierten Abdeckung ausgerichtet. Ein üblicher Radom 162 erzielt den Schutz gegenüber dem Umfeld. Der Sektor 1 ist näherungsweise als das Gebiet zwischen der Linie 165 und der Linie 166 definiert, und er wird durch die phasengesteuerte Antennenanordnung 151 bestrahlt, der Sektor 2 ist näherungsweise durch das Gebiet zwischen der Linie 166 und der Linie 167 definiert. Der Sektor 2 wird durch drei phasengesteuerte Antennenanordnungen bestrahlt: 155, 156 und 157. Der Sektor 3 wird durch das Gebiet zwischen den Linien 167 und der Linie 165 definiert, und er wird durch zwei phasengesteuerte Antennenanordnungen 152 und 153 bestrahlt.
In einem System mit einem Träger pro Kanal, wie dem US AMPS System, d. h. IS-553, wird bevorzugt eine Frequenz jeder phasengesteuerten Antennenanordnung in Übereinstimmung mit der Erfindung zugeordnet. Für dieses Beispiel ist eine erste Frequenz der Antenne 151 zugeordnet, eine zweite, dritte und vierte Frequenz sind jeweils den Antennen 155, 156 und 157 zugeordnet, und eine fünfte und sechste Frequenz sind den Antennen 152 und 153 zugeordnet. Die Frequenzzuordnung wird durch die MTSO bestimmt, die Steuersignale über die ERI an die jeweilige TRM in Zuordnung zu jeder Antenne bereitstellt, wie zuvor beschrieben. Obgleich es möglich ist, dass die individuellen Frequenzzuordnungen dynamisch geändert werden können, sendet jede Antenne nicht mehr als eine Frequenz in irgendeinem Zeitpunkt.
In der Fig. 9 ist ein theoretisches Abdeckmuster gezeigt, das durch das Antennensystem nach Fig. 8 erzeugt wird, und die jeweiligen Abdeckbereiche für jeden Sender sind durch die jeweiligen Antennenbezugszeichen mit einem "A" Suffix dargestellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Mobilstation 171 Abwärtsstreckensignale bei einer ersten Frequenz empfangen, die von der Antenne 151 gesendet wird. Die Aufwärtsstreckensignale, die von der Mobilstation 171 gesendet werden, werden durch die phasengesteuerte Antennenanordnung 150 empfangen. Es ist zu erwähnen, dass die (nicht gezeigten) Muster der Empfangsantennen 150, 154 und 158 bevorzugt eine ausreichende Strahlenbreite zum Abdecken ihrer gesamten jeweiligen Sektoren aufweisen. Im Sektor 2 kann die Mobilstation 172 Abwärtsstreckensignale von drei Antennen in diesem Sektor empfangen. Demnach kann die Mobilstation 172 zum Empfangen eines Abwärtsstreckensignals bei einer zweiten Frequenz von der Antenne 155 abgestimmt werden, sowie bei einer dritten Frequenz von der Antenne 156 oder bei einer vierten Frequenz von der Antenne 157. Die Mobilstation 173 ist außerhalb des Abdeckbereichs der Antenne 157 gezeigt, und demnach ist sie für den Empfang auf ein Abwärtsstreckensignal bei einer zweiten Frequenz von der Antenne 155 oder einer dritten Frequenz einer Antenne 156 abzustimmen. Die von den Mobilstationen 172 und 173 gesendeten Abwärtsstreckensignale werden beide durch die Empfangsantenne 158 empfangen. Die empfangenen Signale werden mit dem TRM in der RCG gekoppelt, und so verarbeitet, wie oben detaillierter beschrieben.
In einem TDMA System, beispielsweise dem europaweiten GSM System, ist jeder Träger in mehrere Zeitschlitze 179 unterteilt. Die Darstellung der GSM Rahmenstruktur nach dem Stand der Technik ist in Fig. 10 gezeigt, und sie enthält einen Mehrfachrahmen 181, der in eine Reihe von TDMA Rahmen 180 unterteilt ist, wiederum unterteilt in eine Reihe von Zeitschlitzen 179, wie für dem mit dem Stand der Technik Vertrauten einfach zu erkennen ist. Wie gezeigt, gibt es in dem TDMA Rahmen 180 acht Zeitschlitze mit der Nummer 0 bis 7. Demnach können bis zu acht Mobilstationen eine vorgegebene Trägerfrequenz belegen. In Fig. 9 können beispielsweise für die Mobilstation 171 und sieben andere Mobilstationen (nicht gezeigt) Dienste von der Antenne 151 angeboten werden. Ähnlich können im Sektor drei Mobilstationen 174 und 175 unterschiedliche Schlitze derselben Frequenzübertragung von der Antenne 152 oder der Antenne 153 belegen. Es lässt sich auch beobachten, dass die Mobilstation 174 beispielsweise einen Zeitschlitz gesendet mit einer ersten Frequenz durch die Antenne 172 belegen kann und dass die Mobilstation 175 ebenso denselben Zeitschlitz gesendet bei einer zweiten Frequenz durch die Antenne 173 belegen kann.
In Fig. 11 ist ein anderer Aspekt oder ein anderes Merkmal in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Es ist eine Anordnung mit zwei aktiven phasengesteuerten Sendeantennenanordnungen 95A und 95B gezeigt, verbunden über eine einpoligen Umschalter oder SPDT (Engl.: single pole double throw) 190. Die obere Antenne 95A und die untere Antenne 95B können identisch zu der oben gegebenen Beschreibung sein. Aus Gründen der Klarheit sind die IFL 82 und die RCG 93 in der Fig. 11 nicht gezeigt. Es gibt zwei TRM 120, ebenso oben beschrieben, und die mit der ERI verbunden sind.
Es wird von dem mit dem Stand der Technik Vertrauten schnell erkannt, dass die wirksame abgestrahlte isotrope Energie oder EIRP (Engl.: effective radiated isotropic power) für eine phasengesteuerte Antennenanordnung eine Funktion der durch jedes Abstrahlelement 103 gesendeten Energie ist, sowie der Zahl der Elemente und des Gewinns der Antenne. Beispielsweise dann, wenn jedes Abstrahlelement 103 mit einem 600 Milliwatt Leistungsverstärker 101 gekoppelt ist, weist das Abstrahlelement einen 11 dBi Gewinn auf, und dann jeweils jede obere und untere Antenne 95A, 95B näherungsweise einen Wert von 100 Watt EIRP auf. Sie sind gemeinsam verbunden, wenn der Schalter 190 geschlossen ist, und dann bilden sie wirksam eine einzige Antenne mit normalerweise 400 Watt EIRP.
Bei der anfänglichen Anwendung der neuen zellularen Abdeckung gibt es oft relativ wenige Zellorte jeweils mit einem weiten Abdeckungsgebiet, d. h. großen Zelldurchmessern. Mit sich erhöhender Zahl der Teilnehmer ist ein Zellaufteilen wünschenswert. Ein Zellaufteilen ist der Prozess, bei dem die Zellgrößen verringert: und die Frequenzwiederverwendung erhöht wird. Die allgemeine Vorgehensweise ist beispielsweise auf den Seite 301-306 von W. C. Y. Lee, Mobile Cellular Telecommunications Systems, McGraw Hill Book Company, 1989, beschrieben.
Bei der anfänglichen Anwendung eines zellularen Kommunikationssystems kann eine Basisstation 80 mit einer Antennenkonfiguration, wie sie in Fig. 11 gezeigt ist, errichtet werden. Das System wird zunächst mit relativ großen Zellgrößen entworfen. In dieser Situation ist beispielsweise eine einzige Frequenz mit hohem EIRP Wert erforderlich, und der Schalter 190 weist vorzugsweise einen Arm auf, der mit dem Pol gekoppelt ist, wodurch die obere und untere Antenne 95A, 95B zusammen mit einer TRM gekoppelt ist, wie durch die punktierte Schalterposition gezeigt, wodurch wirksam eine Antenne mit höherem EIRP Wert gebildet wird.
Mit sich erhöhender Zahl von Teilnehmern weist die Basisstation 80 die eingebaute Fähigkeit zum Handhaben der Zellgröße für diese Kapazität auf. Dies wird erzielt, indem eine andere TRM Einheit ergänzt wird, wie sie links bei der Fig. 11 gezeigt ist, und zwar in die RCG unter Bewegung des Schalters 190 zu der Position, die durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist. Bei dieser Konfiguration ist die linke TRM 120 mit der oberen Antenne 95A verbunden, und die rechte TRM ist mit der unteren Antenne 95B verbunden. Jede TRM wird auf eine unterschiedliche Sendefrequenz abgestimmt, wie zuvor beschrieben. Durch diese Vorgehensweise wird ohne dem Erfordernis irgendeiner Änderung des Antennensystems - bis auf das Rücksetzen des Schalters 190 - eine einzige Antenne mit 400 Watt EIRP in zwei Antennen mit jeweils 100 Watt EIRP geändert. Wie durch den mit dem Stand der Technik Vertrauten einfach zu erkennen ist, erhöht sich durch Erhöhung der Zahl der Frequenzen und das Reduzieren der Sendeenergie die Systemanwenderkapazität.
In jedem zellularen Kommunikationssystem gibt es das sogenannte "Nah/Fern"-Problem. Beispielsweise unter erneutem Bezug auf die Fig. 4A sind in der Zelle 36 zwei Mobilstationen 21 gezeigt. Eine Mobilstation ist nahe der Basisstation angeordnet, während die andere bei dem Rand der Zelle weit beabstandet von der Mobilstation angeordnet ist. Zum Reduzieren der Interferenz ist es wünschenswert, Abwärtsstrecken- und Aufwärtsstreckensignale mit gerade genügend Energie zu senden, dass die Empfindlichkeitsanforderung der jeweiligen Empfänger getroffen werden. Demnach ist es wünschenswert, zu einer nahegelegenen Mobilstation mit einem viel geringeren Energiepegel als zu einer ferngelegenen Mobilstation zu senden.
In einem zellularen Telefonsystem mit Einsatz digitaler Kommunikation kann die Signalqualität ein wichtigerer Faktor als die empfangene Signalstärke sein. Es ist ein ausgewiesener Vorteil der TDMA Systeme, beispielsweise IS-54B und GSM, dass die Mobilstation Signalqualitätsmessungen während anderweitig inaktiver Zeitschlitze durchführen kann. Meistens werden diese Messungen zum Bestimmen der Tatsache verwendet, ob eine Übergabe zu einer anderen Frequenz erforderlich ist oder nicht. Ein derartiges Verfahren ist als mobilunterstützte Übergabe oder MARC (Engl.: mobile assisted hand-over) bekannt, und ist für die mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt, und es ist beispielsweise in dem Abschnitt 3.4.6 der IS-54B Spezifikation beschrieben. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung können die durch die Mobilstation ausgeführten Qualitätsmessungen auch die Basis zum Bestimmen der erforderlichen Energiemenge bilden, die durch die Basisstation gesendet werden. Insbesondere ist aufgrund der Tatsache, dass es die Signalqualität und nicht einfach die Signalstärke ist, die typischerweise gemessen wird, möglich, die durch die Basisstation gesendete Energie dann zu optimieren, wenn diese Signalqualitätsmessungen verwendet werden. Die Signalqualitätsmessungen werden in der üblichen Weise ausgeführt, und die Sendeenergie der Feldantennen lässt sich angleichen, wie nun beschrieben wird.
Es wurde gezeigt, wie große Änderungen der Sendeenergie des oben gezeigten Antennensystems bewirkt werden können. Jedoch erfordert die praktische Abwärtsstreckenenergiesteuerung kleinere Inkremente für die Energie bzw. Leistungsangleichung. Eine Ausführungsform, gezeigt in Fig. 12, stellt eine Basisstation 80 für eine derartige Vorgehensweise dar. Die Fig. 12 zeigt die Ergänzung der in Fig. 11 gezeigten Struktur mit einem Mikroprozessor gesteuerten Energieversorgung 195. Für ein Verständnis sind individuelle Versorgungsleitungen 196a-196h zu dem Leistungsverstärker 1C11 gezeigt. Es ist auch möglich, individuell adressierbare Energieversorgungsleitungen zu haben, die von einer gemeinsamen Busversorgung unterstützt werden. In jedem Fall weist die steuerbare Energieleitung 195 die Fähigkeit zum Abschalten und Anschalten der DC Energie zu jedem einzelnen Leistungsverstärker 130 in Ansprechen auf Signale auf, die von der ERI Einheit empfangen werden.
In diesem Beispiel gibt es nah und fern gelegene Mobilstationen gemäß Fig. 4A in dem Abdeckgebiet des Antennensystems, wie es in Fig. 12 gezeigt ist; beide werden durch unterschiedliche Zeitschlitze gehandhabt, die auf derselben Frequenz von dem Antennensystem gesendet werden. Unter erneutem Bezug auf die Fig. 10 wird ferner angenommen, dass die nahe gelegene Mobilstation den Zeitschlitz 5 des TDMA Rahmens 180 belegt, und dass die weiter beabstandete Mobilstation den Zeitschlitz 3 des TDMA Rahmens belegt. Es lässt sich zeigen, dass die Ausgangsenergie (d. h., EIRP) der Antenne proportional zu der Zahl der aktiven Elemente zum Quadrat ist, gemäß:
EIRP < N² (Gewinn) (PT)
Ist, wie zuvor, jeder Leistungsverstärker in der Lage, eine Energieausgabe PT von 600 Milliwatt zu erzeugen und weist jedes Element einen Gewinn/eine Verstärkung von 11 dBi auf, so lassen sich die abgestrahlten Energiewerte der nachfolgenden Tabelle 1 konstruieren. TABELLE 1
Ist es beispielsweise erforderlich, zu der nahe gelegenen Mobilstation mit 30 Watt zu senden, so sind während dem Zeitschlitz 5 des TDMA Rahmens Energieversorgungsleitungen 196a und 196b aktiviert, und alle anderen sind deaktiviert. Ist es erforderlich, zu der fern gelegenen Mobilstation mit vollen 480 Watt zu senden, so sind während dem Zeitschlitz 3 des TDMA Rahmens alle Energieleitungen aktiviert. Andere Kombinationen können selbstverständlich, sofern gewünscht, verwendet werden. Sind Zwischenenergiepegel erforderlich, so können sie erzielt werden, indem die Zahl der Energieversorgungsleitungen variiert wird, die während jedem vorgegebenen Zeitschlitz aktiviert sind.
Wird die Zahl der Elemente in einer phasengesteuerten Antennenanordnung verringert, so erhöht sich die Abstrahlstrahlbreite. Dies ist ein Vorteil, der sich gemäß der vorliegenden Erfindung ausnützen lässt. Die Fig. 13 zeigt eine phasengesteuerte Antennenanordnung 95A gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei Senden zu beabstandeteren Mobilstationen wie der Mobilstation 177, ist es erforderlich, eine relativ große Zahl verfügbarer aktiver Elemente 103 zu aktivieren. Durch diese Vorgehensweise wird auch die vertikale Strahlbreite der Antenne 95A, wie sie schematisch durch die gestrichelte Linie 178 dargestellt ist, ebenso erhöht, wodurch ein Richtungsstrahl zu der beabstandeten Mobilstation 177 bereitgestellt wird. Bei Senden zu der näher gelegenen Mobilstation 176 sind weniger aktive Elemente 103 zu aktivieren. Da die Mobilstation 176 sehr nahe bei dem Antennenturm vorliegen kann, würde sie normalerweise in einem schlechten Abdeckgebiet für eine Antenne mit einer Strahlbreite 178 vorliegen. Da jedoch die Verringerung der Zahl der aktiven Elemente 103 in der Antenne die Wirkung zum Verbreiten der vertikalen Strahlbreite hat, dargestellt durch die strichlierte Linie 179, befindet sich die Mobilstation 176 in einem Gebiet mit akzeptabler Abdeckung ohne der Anforderung für einen Rückgriff auf ein elektronisches oder mechanisches Ausrichten der Antenne 95A.
Viele Modifikationen und andere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich für den mit dem Stand der Technik Vertrauten im Hinblick auf den Nutzen der technischen Lehren, die in der vorangehenden Beschreibung und der zugeordneten Zeichnung dargestellt sind. Es ist demnach zu erkennen, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, und dass Modifikationen und Ausführungsformen als mit in den Schutzbereich der angefügten Patentansprüche umfasst anzusehen sind.

Claims

1. Basisstation (80) für ein zellulares Kommunikationssystem mit mehreren Abdeckbereichen, derart, dass die Basisstation eine Funkkanal- Erzeugungsvorrichtung (120) enthält, zum Erzeugen mehrerer einzelner zellularer Funkkanalsignale jeweils mit unterschiedlicher Frequenz gegeneinander,

gekennzeichnet durch

mindestens vier einzelne phasengesteuerten Antennenanordnungen (95), so positioniert, dass mindestens zwei der mindestens vier phasengesteuerten Antennenanordnungen mindestens ein gemeinsames Abdeckgebiet der mehreren Abdeckgebiete bestrahlen; und

eine Verbindungsvorrichtung zum betriebsgemäßen Verbinden der Funkkanal-Erzeugungsvorrichtung (120) und der phasengesteuerten Antennenanordnungen so, dass jede einzelne phasengesteuerte Antennenanordnung (95) lediglich ein einzelnes zellulares Funkkanalsignal zu einem Zeitpunkt sendet.

2. Basisstation nach Anspruch 1, wobei jede der phasengesteuerten Antennenanordnungen ein Substrat und mehrere Abstrahlelemente (103) enthält, die hierauf gemäß einem vorgegebenen Muster montiert sind.

3. Basisstation nach Anspruch 2, ferner enthaltend eine Signalqualitäts-Empfängervorrichtung (96) zum Empfangen eines Signals, das von einer Mobileinheit (171) gesendet wird, im Zusammenhang mit der Signalqualität, die bei der Mobileinheit. (171) empfangen wird, und ferner enthaltend eine Antennenenergie-Steuervorrichtung (195), die mit der Signalqualitäts-Empfängervorrichtung verbunden ist, sowie mit der phasengesteuerten Antennenanordnung, zum selektiven Betreiben vorgegebener der Abstrahlelemente (103) in jeweils jeder phasengesteuerten Antennenanordnung (95) in Ansprechen auf die bei der Mobileinheit (171) empfangene Signalqualität.

4. Basisstation nach Anspruch 2, ferner enthaltend eine Signalstärkevorrichtung zum Messen einer empfangenen Signalstärke von einer Mobileinheit (171) und ferner mit einer Antennenenergie-Steuervorrichtung (195), verbunden mit der Signalstärkevorrichtung und den phasengesteuerten Antennenanordnungen (95), zum selektiven Betreiben vorgegebener der Abstrahlelemente (103) in jeweils jeder der phasengesteuerten Antennenanordnung (95) in Ansprechen auf die gemessene Signalstärke.

5. Basisstation nach Anspruch 2, wobei jedes Abstrahlelement (103) eine Stripline enthält und das Substrat ein Schaltungsboard enthält.

6. Basisstation nach Anspruch 2, ferner enthaltend einen jeweiligen Verstärker 8102) verbunden mit jedem Abstrahlelement (103) und montiert an dem Substrat, so dass jede phasengesteuerte Antennenanordnung (95) eine aktive phasengesteuerte Antennenanordnung definiert.

7. Basisstation nach Anspruch 1, ferner enthaltend eine Empfangsantenne (96) positioniert angrenzend zu der phasengesteuerten Antennenanordnung (95) zum Empfangen von den Mobileinheiten (171) mehrerer Funkkanalsignale jeweils bei einer wechselseitig unterschiedlichen Frequenz.

8. Basisstation nach Anspruch 7, wobei die Empfangsantenne (96) eine phasengesteuerte Empfangsantennenanordnung enthält, mit einem Substrat und mehreren Empfangsantennenelementen (97), die hieran mit einem vorgegebenen Muster montiert sind.

9. Basisstation nach Anspruch 8, ferner enthaltend:

eine Kombiniernetzvorrichtung (99), die an dem Substrat der Empfangsantenne (96) montiert ist und mit mehreren der Empfangsantennenelemente (97) verbunden ist, für ein kohärentes Koppeln der mehreren einzelnen Funkkanalsignale, die hierdurch empfangen werden; und

eine Verstärkervorrichtung (110), die an dem Substrat der Empfangsantenne (96) montiert und mit der Kombiniernetzvorrichtung (99) verbunden sind, zum Verstärken eines Signals hiervon.

10. Basisstation nach Anspruch 1, wobei die Funkkanal- Erzeugungsvorrichtung (120) ferner eine Modulatorvorrichtung (121) enthält, zum Modulieren mehrerer Funkfrequenzträger mit mehreren Eingangssignalen, um hierdurch mehrere individuelle Funkkanalsignale zu erzeugen.

11. Basisstation nach Anspruch 1, ferner enthaltend eine Schaltvorrichtung (190), die zwischen der Funkkanal- Erzeugungsvorrichtung (120) und den phasengesteuerten Antennenanordnungen (95) verbunden ist, sowie zwischen einer ersten und zweiten Position so beweglich ist, dass die Schaltvorrichtung (190) in der ersten Position zwei oder mehr vorgegebene phasengesteuerte Antennenanordnungen (95) koppelt, zum Erhöhen der abgestrahlten Antennenenergle für ein jeweiliges Funkkanalsignal, und derart, dass die Schaltvorrichtung (190) in der zweiten Position zwei oder mehr vorgegebene phasengesteuerte: Antennenanordnungen (95) entkoppelt, zum Erhöhen der Funkkanalkapazität der Basisstation (80).

12. Verfahren zum Betreiben einer Basisstation (80) für ein zellulares Funkkommunikationssystem des Typs mit mehreren Abdeckbereichen, derart, dass die Basisstation von dem Typ mit mehreren individuellen phasengesteuerten Antennenanordnungen (95) ist, und das Verfahren den Schritt zum Erzeugen mehrerer individueller zellularer Funkkanalsignale jeweils bei einer wechselseitig unterschiedlichen Frequenz enthält, dadurch gekennzeichnet, dass

die mehreren individuellen phasengesteuerten Antennenanordnungen mindestens vier individuelle phasengesteuerte Antennenanordnungen enthalten, mit einer Positionierung derart, dass mindestens zwei der mindestens vier phasengesteuerten Antennenanordnungen mindestens ein gemeinsames Abdeckgebiet der mehreren Abdeckgebiete bestrahlt; und

jede individuelle phasengesteuerte Antennenanordnung (95) zum Senden lediglich eines individuellen zellularen Funkkanalsignals zu einem Zeitpunkt betrieben wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei jede der phasengesteuerten Antennenanordnungen (95) mehrere Abstrahlelemente (103) enthält, und ferner der Schritt zum Empfangen eines Signals vorgesehen ist, das von einer Mobileinheit (171) gesendet wird, in Zuordnung zu der Signalqualität, die bei der Mobileinheit (171) empfangen wird, sowie ein Schritt zum selektiven Betreiben vorgegebener der Abstrahlelemente (103) in jeder einzelnen phasengesteuerten Antennenanordnung (95) in Ansprechen auf die bei der Mobileinheit (171) empfangenen Signalqualität.

14. Verfahren nach Anspruch 12, ferner enthaltend das Empfangen - ausgehend von den Mobileinheiten (171) - mehrerer individueller Funkkanalsignale jeweils bei einer wechselseitig unterschiedlichen Frequenz.

15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum Erzeugen der mehreren individuellen Funkkanalsignale das Modulieren mehrerer Funkfrequenzträger mit mehreren Eingangssignalen umfasst.

16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum Erzeugen mehrerer individueller Funkkanäle den Mehrfahrzugriff im Zeitmultiplex für mehrere Eingangssignale mit mehreren vorgegebenen Zeitschlitzen der jeweiligen Multiplexrahmen umfasst.

17. Verfahren nach Anspruch 12, ferner enthaltend den Schritt zum Koppeln zweier oder mehr der vorgegebenen phasengesteuerten Antennenanordnungen (95) zum Erhöhen der abgestrahlten Antennenenergie für ein jeweiliges Funkkanalsignal.

18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner enthaltend die Schritte zum späteren Entkoppeln der zwei oder mehr vorgegebenen phasengesteuerten Antennenanordnungen (95) sowie zum Betreiben der zwei oder mehreren vorgegebenen phasengesteuerten Antennenanordnungen (95) mit jeweils unterschiedlichen Funkfrequenzkanälen zum Erhöhen der Funkkanalkapazität der Basisstation (80).