DE69620543T2

DE69620543T2 - Verfahren für schnelles weiterreichen und zellulares funksystem

Info

Publication number: DE69620543T2
Application number: DE69620543T
Authority: DE
Inventors: Petri Jolma; Ilkka Keskitalo; Jaana Laiho-Steffens; Peter Muszynski
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1995-05-24
Filing date: 1996-05-23
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2016-05-24
Also published as: EP0772950B1; NO970298D0; CN1158208A; US5893033A; WO1996038015A1; JPH10503911A; NO970298L; FI952529A0; ATE216174T1; FI952529A; AU703201B2; ES2173296T3; AU5820796A; DE69620543D1; EP0772950A1; CN1080078C; FI105515B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein zellulares Funksystem, das in jeder Zelle zumindest eine Basisstation aufweist, die mit Teilnehmergeräten kommuniziert, die sich in ihrem Bereich befinden, wobei die Basisstationen eine Einrichtung zur Messung des Richtungswinkels und der Entfernung jedes Teilnehmergeräts bezüglich der Basisstation, eine Einrichtung zur Berechnung des Orts jedes Teilnehmergeräts im Abdeckbereich der Basisstation auf der Grundlage des Richtungswinkels und der Entfernung des Teilnehmergeräts, wobei die Teilnehmergeräte eine Einrichtung zum Führen einer Liste naher Basisstationen umfassen, und eine Einrichtung zur Messung der Signalstärke von den Basisstationen aufweisen, die in der durch die Teilnehmereinrichtung geführten Liste enthalten sind, um das Erfordernis eines Handover zu bestimmen.
Die Erfindung ist zur Verwendung bei einem Datenübertragungssystem anwendbar, das ein beliebiges Mehrfachzugriffsverfahren verwendet, jedoch insbesondere bei einem zellularen System, das einen Kodeteilungs- Mehrfachzugriff ("Code division multiple access") verwendet. "Code division multiple access" (CDMA) ist ein Mehrfachzugriffsverfahren, das auf der Spreizspektrumtechnik beruht und seit kurzem in zellularen Funksystemen zusätzlich zu den früheren FDMA- und TDMA- Verfahren angewendet wird. CDMA hat mehrere Vorteile gegenüber den herkömmlichen Verfahren, beispielsweise die spektrale Ausnutzung und die Einfachheit der Frequenzplanung. Ein Beispiel eines bekannten CDMA-Systems ist im EIA/TIA Interim Standard offenbart: Mobile Station- Base Station Compatibility Standard for Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System, TIA/EIA/IS-95, Juli 1993, ETA/TIA IS-95, das hier als Bezug aufgenommen wird.
Bei dem CDMA-Verfahren wird das Schmalbanddatensignal des Benutzers in ein relativ breites Band durch einen Spreizungskode mit einem merklich breiteren Band als das Datensignal multipliziert. Bei bekannten Testsystemen wurden Bandbreiten wie 1,25 MHz, 10 MHz und 25 MHz verwendet. In Verbindung mit der Multiplikation wird das Datensignal in das gesamte zu verwendende Band gespreizt. Alle Benutzer senden unter gleichzeitiger Verwendung des gleichen Frequenzbandes. Ein separater Spreizungskode wird über jede Verbindung zwischen einer Basisstation und einer Mobilstation verwendet, und die Signale der verschiedenen Benutzer können voneinander in den Empfängern auf der Grundlage des Spreizungskodes jedes Benutzers unterschieden werden.
In den Empfängern vorgesehene Signal-angepasste Filter werden mit einem gewünschten Signal synchronisiert, das sie auf der Grundlage eines Spreizungskodes erkennen. Das Datensignal wird im Empfänger im ursprünglichen Band durch Multiplikation wiederum mit dem gleichen Spreizungskode wiederhergestellt, der während der Übertragung verwendet wurde. Mit einem anderen Spreizungskode multiplizierte Signale korrelieren im Idealfall nicht und werden nicht im Schmalband wiederhergestellt. Sie erscheinen somit als Rauschen bezüglich des gewünschten Signals. Die Spreizungskodes des Systems werden vorzugsweise derart ausgewählt, dass sie gegenseitig orthogonal sind, d. h., sie korrelieren nicht miteinander.
In einem zellularen CDMA-Funksystem ist es möglich, einen so genannten Pilotkanal in der Übertragungsrichtung der Basisstation zu Teilnehmergeräten zu verwenden, d. h. in der Downlink-Richtung. Ein Pilotkanal ist ein Signal, das mit einem spezifischen Spreizungskode und unter Verwendung des gleichen Frequenzbandes, auf dem die tatsächlichen Verkehrskanäle liegen, übertragen wird, wobei das Pilotsignal von diesen lediglich auf der Grundlage des Spreizungskodes unterscheidbar ist. Das Pilotsignal ist ein bekannter Kanal und ihm hören alle Teilnehmergeräte im Zellenbereich zu, und es wird beispielsweise bei Leistungsmessungen und bei der Erzeugung einer kohärenten Phasenreferenz verwendet. Jede Basisstation des Systems überträgt ihr eigenes Pilotsignal, auf dessen Grundlage die Teilnehmergeräte die Übertragungen der verschiedenen Basisstationen voneinander unterscheiden können.
In einer typischen Mobilfunkumgebung breiten sich die Signale zwischen einer Basisstation und einem Teilnehmergerät entlang mehrerer Pfade zwischen dem Sender und dem Empfänger aus. Diese Mehrwegeausbreitung beruht hauptsächlich auf den Reflexionen des Signals von den umgebenden Oberflächen. Signale, die sich entlang verschiedener Pfade ausgebreitet haben, kommen am Empfänger zu verschiedenen Zeiten aufgrund ihrer unterschiedlichen Übertragungsverzögerungen an. Beim CDMA-Verfahren kann die Mehrwegeausbreitung beim Empfang des Signals auf die gleiche Weise wie Diversity ausgewertet werden. Der im Allgemeinen bei einem CDMA-System verwendete Empfänger hat einen Mehrverzweigungsempfängeraufbau, wobei jede Verzweigung mit einer Signalkomponente synchronisiert wird, die sich entlang eines individuellen Pfads ausgebreitet hat. Jede Verzweigung ist ein unabhängiges Empfängerelement, deren Funktion die Komposition und Demodulation einer empfangenen Signalkomponente ist. Bei einem herkömmlichen CDMA-Empfänger werden die Signale der unterschiedlichen Empfängerelemente vorteilhaft kombiniert, entweder kohärent oder inkohärent, wodurch ein Signal guter Qualität erhalten wird.
CDMA-Systeme können auch einen Soft-Handover anwenden, wobei eine Mobilstation gleichzeitig mit mehreren Basisstationen durch die Verwendung einer Makrodiversity kommunizieren kann. Die Verbindungsqualität der Mobilstation bleibt somit während des Handover auf hohem Niveau und der Benutzer bemerkt keine Unterbrechung der Verbindung.
Durch andere Verbindungen verursachte Interferenzen in der gewünschten Verbindung erscheinen somit im Empfänger als Rauschen, das gleichmäßig verteilt ist. Dies gilt auch, wenn ein Signal in einem Winkelbereich gemäß den ankommenden Richtungen der in den Empfängern erfassten Signale untersucht wird. Die durch die anderen Verbindungen verursachte Interferenz in der gewünschten Verbindung erscheint somit im Empfänger als im Winkelbereich verteilt, d. h., die Interferenz ist ziemlich gleichmäßig in dien verschiedenen ankommenden Richtung verteilt.
Die Kapazität von CDMA, die mittels des spektralen Wirkungsgrads gemessen werden kann, wurde mit der Sektorisierung weiter verbessert. Eine Zelle wird dann in Sektoren einer gewünschten Größe unterteilt, die durch Richtungsantennen bedient werden. Die durch die Mobilstationen verursachten wechselseitigen Rauschpegel können somit im Basisstationsempfänger signifikant reduziert werden. Dies beruht auf der Tatsache, dass im Mittel die Interferenz zwischen den unterschiedlichen ankommenden Richtungen gleichmäßig verteilt ist, deren Anzahl somit mittels der Sektorisierung verringert werden kann. Die Sektorisierung kann natürlich in beiden Übertragungsrichtungen implementiert werden. Der durch die Sektorisierung bereitgestellte Vorteil bezüglich der Kapazität ist proportional zur Anzahl der Sektoren.
Eine sektorisierte Zelle kann auch einen Softer-Handover anwenden, bei dem eine Mobilstation einen Handover von einem Sektor zu einem anderen bei gleichzeitiger Kommunikation mit beiden Sektoren durchführt. Obwohl der Soft-Handover die Verbindungsqualität verbessert und die Sektorisierung die Systemkapazität erhöht, führt die Bewegung der Mobilstationen für gewöhnlich dazu, dass die Stationen mehrere Handover von einem Sektor zu einem anderen durchführen. Dies belastet die Verarbeitungskapazität der Basisstationsteuereinrichtung. Mehrere Soft-Handover erzeugen auch eine Situation, in der mehrere Mobilstationen gleichzeitig mit mehr als einem (für gewöhnlich zwei) Sektoren kommunizieren, wodurch die durch die Sektorisierung bereitgestellte erhöhte Kapazität verloren geht, wenn ein Signal einer Mobilstation in einem breiten Sektor hörbar ist.
Die Mehrfachzugriffsinterferenz der CDMA-Systeme wurde auch mittels verschiedener bekannter Mehrfachzugriffs- Interferenzbeseitigungs-(IC-)Verfahren und einer Mehrbenutzererfassung (MUD) verringert. Diese Verfahren sind am besten zur Verringerung der in der benutzereigenen Zelle erzeugten Interferenz geeignet, und die Systemkapazität kann somit auf ungefähr das doppelte verglichen mit einem System erhöht werden, das ohne Interferenzbeseitigung implementiert ist. Allerdings verbessern diese Verfahren die Größe des Abdeckbereichs der Basisstation nicht merklich. Auch sind die IC/MUD-Techniken kompliziert zu realisieren, weshalb sie lediglich in der Uplink-Richtung entwickelt wurden, wobei die entgegengesetzte Übertragungsrichtung ähnlich wie bei einem herkömmlichen CDMA-System ausgestaltet ist.
Ein weiteres entwickeltes Verfahren ist ein SDMA-("Space Division Multiple Access") Verfahren, bei dem die Benutzer voneinander auf der Grundlage ihres Orts unterschieden werden. Dies wird derart durchgeführt, dass die Strahlen der Empfängerantennen an der Basisstation auf die gewünschten Richtungen entsprechend dem Ort der Mobilstationen eingestellt werden. Zu diesem Zweck verwendet das System adaptive Antennengruppen, d. h. phasengesteuerte Antennen, und die Verarbeitung des empfangenen Signals, wodurch die Mobilstationen verfolgt werden.
Die Verwendung von SDMA in Verbindung mit CDMA liefert mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren wie der Sektorisierung. Werden die Sektorstrahlen bei der Sektorisierung zur Erhöhung der spektralen Effizienz angenähert, erhöht sich auch die Anzahl der Handover, die von einem Sektor zu einem anderen durchgeführt werden müssen. Dies wiederum erhöht die Berechnungskapazität zu sehr, die in der Basisstationsteuereinrichtung erforderlich ist.
In Verbindung mit der Anwendung von SDMA ist der Hintergrund bei A.F. Naguib, A. Paulraj: Performance of CDMA Cellular Networks With Base-Station Antenna Arrays (Proc. International Zürich Seminar on Digital Communications, Seiten 87-100, Zürich, Schweiz, März 1994) veranschaulicht. Bei SDMA wird ein Signal somit mittels einer Antennengruppe empfangen, und das empfangene Signal wird mittels einer digitalen Signalverarbeitung derart geformt, dass die Richtfaktormuster der Antennen für die der Formung im Empfänger folgenden Stufen geeignet sind. In herkömmlichen Anordnungen wird das empfangene Signal zur Maximierung des Signal-Zu-Interferenzverhältnisses des gewünschten Signals geformt. Das empfangene Signal wird somit derart geformt, dass das Richtfaktormuster der Antennengruppe die durch die anderen Verbindungen im gewünschten Signal verursachte Interferenz minimiert. Bei der Anordnung gemäß dem vorstehend angeführten Verweis wird jede erfasste Signalkomponente einer individuellen Strahlformung unterzogen, d. h., die Impulsantwort muss vor der Formung bekannt sein.
Die Teilnehmergeräte messen die Stärke des Signals kontinuierlich, das sie von der Basisstation empfangen haben. Bei den CDMA-Systemen wird die Signalmessung im Allgemeinen wie die Messung des Pilotsignals durchgeführt. Zur Verringerung der Messbelastung eines Teilnehmergeräts führt bei herkömmlichen Systemen jedes Teilnehmergerät eine Liste der Basisstationen, die sich nahe dem Teilnehmergerät befinden, und die mögliche Kandidaten für einen Handover oder ein Ruf-Setup sind und eine Liste der entsprechenden Spreizungskodes der Pilotsignale. Diese Liste wird nachstehend Messliste genannt. Die Teilnehmergeräte überwachen die Pilotsignale lediglich solcher Basisstationen mit höchster Priorität, die sich auf der Messliste befinden. Die anderen erfassten Pilotsignale werden sekundär gemessen.
Bewegt sich ein Teilnehmergerät, muss die Messliste natürlich bei Bedarf aktualisiert werden. Die Aktualisierung wird bei herkömmlichen Systemen gemäß der Messung der Stärke des Pilotsignals durchgeführt, die durch das Teilnehmergerät durchgeführt wird, d. h., wird auf der Grundlage der Messung des Teilnehmergeräts erfasst, dass ein durch eine Basisstation übertragenes Pilotsignal mit ausreichender Stärke empfangen wird, wird die Basisstation zur Messliste hinzugefügt, und dem entsprechend wird, wenn das Signal von einer Basisstation sich verschlechtert, die Basisstation von der Liste entfernt.
Zum Ermöglichen eines schnellen Handover sollte die Messliste so kurz als möglich sein und lediglich solche Basisstationen enthalten, in deren Bereich sich das Teilnehmergerät wahrscheinlich bewegt. In diesem Fall könnte das Teilnehmergerät die Messung schnell durchführen. Die Aktualisierung der Messliste sollte auch schnell sein. Dies gilt insbesondere für Systeme, bei denen die Zellgrößen verglichen mit der Geschwindigkeit der Bewegung des Teilnehmergeräts ziemlich klein sind.
Bei herkömmlichen Anordnungen wie bei EIA/TIA IS-95, wie vorstehend beschrieben, wird die Messliste beruhend auf den gemessenen Stärken der empfangenen Signale geführt. Die Liste kann dann nicht sehr kurz gemacht werden, um keine wesentliche Basisstation wegzulassen. Daher ist die Handover-Geschwindigkeit nicht die bestmögliche, insbesondere hinsichtlich kleiner Mikrozellen.
In Fig. 1 ist eine herkömmliche Anordnung gezeigt, wobei ein System mit einer Gruppe von Basisstationen 164 bis 168 veranschaulicht ist, deren Abdeckbereiche jeweils in drei Sektoren unterteilt sind, und mit einem Teilnehmergerät 102, das sich im Bereich der Basisstation 167 befindet und mit dieser in einem Sektor 162 kommuniziert. Das Teilnehmergerät empfängt nicht nur das Signal von seinem eigenen Basisstationssektor 162, sondern auch Signale von den umgebenden Sektoren. Die Liste jedes Teilnehmergeräts umfasst typischerweise die meisten der umgebenden Sektoren, beispielsweise im Beispiel von Fig. 1 die Sektoren 150 bis 160, und das Teilnehmergerät überwacht kontinuierlich die Signale dieser Sektoren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Beibehalten einer kurzen Messliste zu ermöglichen, die lediglich die Basisstationen enthält, in deren Bereich sich das Teilnehmergerät am wahrscheinlichsten bewegen wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht im Ermöglichen rapider Handover eines Teilnehmergeräts von einer Basisstation zur anderen.
Dies wird mit dem zellularen Funksystem wie im Oberbegriff beschrieben erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Teilnehmergeräte im System eine Einrichtung zum Aktualisieren der Liste naher Basisstationen, die von jedem Teilnehmergerät geführt wird, auf der Grundlage des Orts jedes Teilnehmergeräts umfassen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Verbesserung der Zuverlässigkeit eines Handover in einem zellularen Funksystem, das in jeder Zelle zumindest eine Basisstation aufweist, die mit Teilnehmergeräten kommunizieren, die sich in deren Abdeckbereich befinden, wobei die Basisstationen die Entfernung jedes Teilnehmergeräts von der Basisstation und den Richtungswinkel des vom Teilnehmergerät empfangenen Signals bezüglich der Basisstation messen, und wobei die Basisstationen den Ort jedes Teilnehmergeräts im Abdeckbereich der Basisstation auf der Grundlage des Richtungswinkels und der Entfernung des Teilnehmergeräts berechnen, und wobei die Teilnehmergeräte die Signalstärke von den Basisstationen messen, die sich in der Liste naher Basisstationen befinden, die durch das Teilnehmergerät geführt wird, um das Erfordernis eines Handover zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die durch jedes Teilnehmergerät geführte Liste naher Basisstationen auf der Grundlage des für jedes Teilnehmergerät berechneten Orts aktualisiert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, die Messliste jedes Teilnehmergeräts so kurz als möglich zu halten und somit schnelle Messungen und Handover von einer Zelle zur anderen zu ermöglichen. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert Vorteile insbesondere in einer Umgebung, in der sich auch eine so genannte Schirmzelle im Bereich mehrerer Mikrozellen für sich schnell bewegende Teilnehmergeräte befindet. Die Schirmzelle kann mit einer adaptiven Antennengruppe implementiert sein, und somit kann das Teilnehmergerät aufgrund der durch die Erfindung möglichen schnellen Messung die Stärken der Mikrozellen auch messen, wenn es mit einer Makrozelle kommuniziert, und einen flexiblen Handover zu einer Mikrozelle bei Bedarf durchführen.
Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden das zu sendende Signal und das empfangene Signal digital im Basisband verarbeitet, woraufhin die Antennenstrahlen direkt in den gewünschten Richtungen mit dem Phasenabgleich des Signals orientiert werden können. Bei dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Signalphasenabgleich analog durchgeführt, woraufhin eine Gruppe fixierter Antennenstrahlen vorgesehen wird, und die die beste Verbindung liefernden Strahlen aus diesen Strahlen für den Empfang und die Übertragung ausgewählt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 das vorstehend beschriebene Beispiel einer herkömmlichen Bildung einer Messliste,
Fig. 2 ein zellulares Funksystem gemäß der Erfindung und die Mehrwegeausbreitung eines Signals zwischen einem Teilnehmergerät und einer Basisstation,
Fig. 3a die durch die Mehrwegeausbreitung des Signals verursachte Streuung im Zeitbereich,
Fig. 3b die durch die Mehrwegeausbreitung eines Signals verursachte Streuung im Ankunftswinkelbereich,
Fig. 4 eine Möglichkeit der Orientierung des Strahls der Basisstationsantennen in Richtung der Mobilstation,
Fig. 5 eine mögliche Implementation einer adaptiven Antennengruppe,
Fig. 6 die Implementation einer Winkeldiversity bei einem zellularen Funksystem gemäß der Erfindung,
Fig. 7a ein Beispiel der Bildung einer Messliste in einem erfindungsgemäßen System,
Fig. 7b ein weiteres Beispiel der Bildung einer Messliste in einem erfindungsgemäßen System,
Fig. 7c eine Schirmzelle in einer Mikrozellenumgebung,
Fig. 8 ein Blockschaltbild eines möglichen Aufbaus eines Empfängers gemäß der Erfindung,
Fig. 9 ein Blockschaltbild eines Beispiels des Aufbaus eines individuellen Kanalelements,
Fig. 10 ein Blockschaltbild eines Beispiels des Aufbaus eines Teilnehmergeräts in einem erfindungsgemäßen zellularen Funksystem,
Fig. 11 ein Blockschaltbild eines weiteren möglichen Beispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers,
Fig. 12 ein weiteres Beispiel des Aufbaus eines individuellen Kanalelements, und
Fig. 13 ein näheres Beispiel des Aufbaus eines individuellen Kanalelements.
Nachstehend werden das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Empfänger näher unter Verwendung des CDMA- Systems als Beispiel beschrieben, was die Beschreibung aber nicht darauf beschränkt, da die Erfindung auch in Verbindung mit anderen Mehrfachzugriffsverfahren anwendbar ist, was der Fachmann anhand der folgenden Beschreibung erkennt.
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes zellulares Funksystem. Das System umfasst eine Basisstation 100 und ein Teilnehmergerät 102, das mit der Basisstation 100 über Funk kommuniziert. Die Basisstation ist durch digitale Übertragungsleitungen 189 mit einer Basisstationsteuereinrichtung 188 verbunden, die ferner 190 mit anderen Teilen des Netzes und mit dem Festnetz verbunden ist.
Fig. 2 zeigt die typische Mehrwegeausbreitung eines übertragenen Signals in einem zellularen System. Ein charakteristisches Merkmal zellularer Funksysteme besteht darin, dass die Mobilstationen von Oberflächen umgeben sind, die die Radiowellen reflektieren und streuen. Derartige Oberflächen können beispielsweise Gebäude und natürliche Wände sein, wie Berge oder Hügel. Mobilstationen senden typischerweise mit einem omnidirektionalen Antennenmuster. Die Figur zeigt wenige Strahlen 112, 114, 116, die von einer Mobilstation ausgehen. Die sich nahe an der Mobilstation 102 befindenden Oberflächen 104, 108 reflektieren das gesendete Signal, das daher an der Antenne der Basisstation 100 entlang mehrerer unterschiedlicher Pfade ankommt, wobei trotzdem aber die Verzögerung zwischen den verschiedenen Signalkomponenten relativ klein ist. Die reflektierenden Oberflächen weiter weg von der Mobilstation, wie größere Gebäude und Berge, die in dieser Figur mit dem Bezugszeichen 106 bezeichnet sind, erzeugen Signalkomponenten 114, die an der Basisstation 100 mehrere, sogar Dutzende von Mikrosekunden später ankommen. Es können sich auch Hindernisse 110 in dem Terrain befinden, die eine direkte Verbindung zwischen der Mobilstation und der Basisstation verhindern.
Fig. 3a zeigt ein Beispiel einer momentanen Verzögerung von Signalkomponenten im Zeitbereich, die durch die Mehrwegeausbreitung des Signals verursacht wird, am Basisstationsempfänger. Die horizontale Achse 200 der schematischen Darstellung zeigt die Zeit und die vertikale Achse 202 zeigt die Leistung des empfangenen Signals. Im Beispiel aus Fig. 3a hat der Basisstationsempfänger drei Gruppen von Signalkomponenten 204, 206, 208 erfasst, die am Empfänger zu verschiedenen Zeiten ankommen und unter denen die Komponente 208 merklich verzögerter als die anderen ist.
Wie das Beispiel in Fig. 2 zeigt, kommen die verschiedenen Signalkomponenten nicht nur zu verschiedenen Zeiten an, sondern auch aus verschiedenen Richtungen. Das Signal streut somit nicht nur im Zeitbereich, sondern auch im Winkelbereich, was durch den Ankunftswinkel (AoA) des Signals beschrieben werden kann. Fig. 3b zeigt ein Beispiel einer Momentanstreuung als Funktion des Ankunftswinkels, was durch die Mehrwegeausbreitung des Signals verursacht wird, am Basisstationsempfänger. Die vertikale Achse 202 in Fig. 3b zeigt die Leistung der empfangenen Signalkomponente, und die horizontale Achse 210 zeigt den Ankunftswinkel. Im Beispiel aus Fig. 3b kommen die Signalkomponenten 212, 214 aus zwei Richtungen an.
In großen Zellen, so genannten Makrozellen, in denen die Basisstationsantennen hoch angeordnet sind, kommen die Signalkomponenten im Allgemeinen an der Antenne mit lediglich wenigen verschiedenen Ankunftswinkeln an, die für gewöhnlich in der Nähe des direkten Strahls zwischen der Mobilstation und der Basisstation liegen. In kleinen Mikrozellen, in denen die Basisstationsantennen für gewöhnlich unter den Dächern der Gebäude liegen, wurde herausgefunden, dass die Ankunftswinkel der Signalkomponenten eine weit aus größere Dispersion zeigen, da die Basisstationen wie die Mobilstationen oft von mehreren reflektierenden Oberflächen in der Nähe umgeben sind.
Die Mehrwegeausbreitung wurde vorstehend in der Uplink- Senderichtung beschrieben. Es ist natürlich klar, dass das entsprechende Phänomen auch in der entgegengesetzten Downlink-Richtung auftritt. Es kann auch festgestellt werden, dass die Mehrwegerouten in beiden Richtungen hauptsächlich symmetrisch sind, da die Streuung und Reflektion nicht stark von der Frequenz abhängen. Es ist aber anzumerken, dass schnellere Signalfadings gegenseitig unabhängig in den verschiedenen Senderichtungen sind. Erfasst daher die Basisstation eine Signalkomponente, die von der Mobilstation bei dem Ankunftswinkel α&sub0; angekommen ist, führt das Senden eines Signals mit dem gleichen Winkel α&sub0; das Signal in die Richtung der Mobilstation, außer bei schnellen Fadings.
Auf dieser Grundlage kann festgestellt werden, dass die Mehrwegeausbreitungsumgebung, die typisch für zellulare Systeme ist, in den Basisstationen zum Empfang eines Signals führt, das zeitlich in mehrere Komponenten verteilt ist, die unterschiedlich verzögert sind, und das im Winkelbereich in Komponenten unterteilt ist, die aus mehreren verschiedenen Richtungen ankommen. Beide Verteilungsprofile variieren zeitlich, da sich die Teilnehmergeräte bewegen, jedoch ist die Schwankung relativ gering, d. h., im Bereich weniger Sekunden, und die Profile können damit synchronisiert und beobachtet werden.
Die empfangenen Signalkomponenten sind somit durch die Mehrdimensionalität vom vorstehend beschriebenen Typ charakterisiert, der vorstehend durch den Zeit- Winkelbereich, d. h. (α, τ)-Bereich veranschaulicht ist, und der in der erfindungsgemäßen Basisstation zur Verbesserung der Erfassung des zu empfangenden Signals verwendet werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nach den besten Signalkomponenten des empfangenen Signals im mehrdimensionalen Signalbereich gesucht, wobei der Empfänger mittels der Komponenten derart gesteuert wird, dass die erfassten Komponenten vorteilhaft kombiniert und erfasst werden können. Die einfachste Norm für die Signalqualität kann der empfangene Leistungspegel sein, es können aber auch andere Normen verwendet werden, beispielsweise das Signal-Zu-Rauschverhältnis.
Der erfindungsgemäße Empfänger verwendet eine adaptive Antennengruppe, die eine Antennengruppe aus mehreren verschiedenen Elementen ist. Fig. 5 zeigt eine mögliche Implementation einer adaptiven Antennengruppe, die in Verbindung mit dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung angewendet werden kann. Die Antennengruppe umfasst L Antennenelemente 400, 402, 404, die beispielsweise omnidirektionale Antennen sein können. Jedes Antennenelement ist mit Hochfrequenzabschnitten 406, 408, 410 verbunden, die das empfangene Signal in eine Zwischenfrequenz umwandeln und das Signal in (I, Q)- Komponenten entsprechend einem bekannten Verfahren abtasten. Die erhaltenen komplexen Abtastwerte werden dann mit den entsprechenden komplexen Gewichtungskoeffizienten wi, mit i = 1, ..., L, in Multiplizierern 412, 414, 416 multipliziert. Die somit multiplizierten Abtastwerte 422, 424, 426 werden über einen Addierer 418 anderen Abschnitten des Empfängers zugeführt.
Die komplexen Gewichtungskoeffizienten wi werden gemäß einem Algorithmus ausgewählt, der für gewöhnlich adaptiv ist, sodass ein Antennenmuster der gewünschten Form erhalten wird. Diese Art und Weise der Formung des empfangenen Signals kann digitaler Phasenabgleich des Signals genannt werden, da sie bei einem im Basisband digitalisierten Signal durchgeführt wird, aber aufgrund dieser Formgebung des empfangenen Signals kann der Antennengewinn in den gewünschten Richtungen orientiert werden. Eine Antennengruppe als solche kann entweder gerichtete oder omnidirektionale Antennenelemente umfassen. Der Phasenabgleich des von den verschiedenen Antennen erhaltenen Signals und die Kombination der Phasenabgeglichenen Signale erzeugt eine Art virtueller Antennenstrahlen in den gewünschten Richtungen. Eine entsprechende Behandlung kann auch bei dem zu sendenden Signal durchgeführt werden, wodurch ein gewünschtes Strahlungsmuster erhalten werden kann.
Fig. 4 zeigt, wie eine Antennengruppe aus einer gleichmäßig beabstandeten linearen Gruppe mit vier Elementen 300, 302, 304, 306 einen starken gerichteten Strahl 310 mit dem Ankunftswinkel α in Richtung einer Mobilstation 308 erzeugt. Eine Gruppe kleinerer Seitenstrahlen 312 bis 316 wird auch gebildet. Diese Richtfähigkeit kann somit mit dem Signalphasenabgleich implementiert werden, ohne dass die Antennen als solche gerichtet sind.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Mehrfachzugriffsinterferenz des Empfängers mit Antennenstrahlen verringert, die im Winkelbereich gerichtet sind, und die mittels eines neuen Empfängertyps erzeugt werden, der eine Zeit-Winkel-Diversity anwendet. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können die vom empfangenen Signal gemessenen Ankunftswinkel auch in der Senderichtung verwendet werden, wodurch die Verbindungsqualität in beiden Übertragungsrichtungen verbessert wird.
Nachstehend wird das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, das die Anwendung des digitalen Phasenabgleichs des Signals im CDMA-System betrifft.
Der an der Basisstation verwendete Empfänger, der die Zeit- Winkel-Diversity anwendet, umfasst eine digitale Empfängereinrichtung, die die empfangenen Signalkomponenten im zweidimensionalen (α, τ)-Bereich beobachten und die gewünschten Signalkomponenten demodulieren kann. Vor der Demodulation werden die empfangenen digitalisierten Signalabtastwerte einem Phasenabgleich unterzogen, durch den der Antennengewinn des empfangenen Signals in den gewünschten Signaleingangsrichtungen orientiert wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die durch den Phasenabgleich erzeugten Antennenstrahlen Strahlen mit einer vorbestimmten Form, die durch die Gewichtungskoeffizienten wi und die Antennengeometrie bestimmt ist. Diese Koeffizienten können leicht für jeden Winkel des größten Gewinns berechnet werden, wenn die Form des Antennenstrahls als solche konstant bleibt. Daher kann der Phasenabgleich äußert schnell eingestellt werden, da er lediglich von einem Parameter abhängt, d. h. vom Ankunftswinkel α.
Bei dem herkömmlichen Verfahren müssen bekannte komplizierte Verfahren, wie MUSIC, zum Schätzen des Ankunftswinkels oder adaptive Algorithmen, wie LMS und DMI nicht angewendet werden. Obwohl diese Algorithmen die Berechnung der optimalen Strahlform für das zu empfangene Signal ermöglichen, sodass das Signal-Zu-Rauschverhältnis des gewünschten Signals durch Richten der Nullpunkte des Antennenmusters auf die Interferenzquellen maximiert werden kann, ist dies in Verbindung mit CDMA nicht erforderlich, da wie vorstehend beschrieben bei CDMA das Interferenzsignal verteilt wird, um Rauschen ähnlich zu sein, ohne klare Richtungen der Interferenzquelle zu haben. Daher reicht es in einer Umgebung mit gleichmäßig verteilter Interferenz aus, dass die Winkel des größten Gewinns der Antennenstrahlen mit einer vorbestimmten Form in die Richtungen zeigen, aus denen die besten Signalkomponenten empfangen werden. Dies ermöglicht die Implementierung eines einfacheren Empfängers verglichen mit dem Stand der Technik.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sucht der Empfänger somit nach den gewünschten Signalkomponenten im (α, τ) Bereich. Dies wird durch Kreuzkorrelation des empfangenen Spreizspektrumsignals mit dem gewünschten Spreizungskode und durch Vergleichen der erhaltenen Messergebnisse mit gegebenen Schwellenwerten durchgeführt. Die Suche kann als Überstreichen eines Antennenstrahls über den gegebenen Bereich verstanden werden, wobei gleichzeitig die Messung der Kanalimpulsantwort und die Sammlung der Signalenergie der Teilnehmergeräte durchgeführt wird, die aus jeder Richtung empfangen wird. Der Empfänger erfasst somit die Richtung und Kodephase des Empfangs der besten Signale und weist eine erforderliche Anzahl an Demodulationseinrichtungen zur Synchronisation mit und zum Empfang dieser Signalkomponenten zu. Die empfangenen demodulierten Signalkomponenten können bevorzugt im Empfänger kombiniert werden. Die Suche nach den besten Signalkomponenten wird kontinuierlich durchgeführt, und die Zuweisung der Demodulationseinrichtungen wird bei Bedarf geändert.
Der Empfänger kennt zu jeder Zeit die Richtungen, aus denen die besten Signalkomponenten von den Mobilstationen empfangen werden. Diese Informationen können auch in der erfindungsgemäßen Basisstationsvorrichtung in der Downlink- Richtung verwendet werden. Dies kann beispielsweise derart ausgeführt werden, dass die Steuereinrichtung des Sendeempfängers die Sendeeinheit über die Richtungen informiert, aus denen signifikante Signalkomponenten erfasst wurden. Die Sendeeinheit kann das mit der adaptiven Antennengruppe zu sendende Signal derart bezüglich der Phase abgleichen, dass die Winkel des größten Gewinns der Antennenstrahlen in die gewünschten Richtungen zeigen. Es kann einen oder mehrere Sendestrahlen geben, und ihre Anzahl kann auch von der Anzahl der Empfängerstrahlen verschieden sein.
Dieses Verfahren liefert eine merkliche Interferenzbeseitigung auch in der Downlink-Richtung. Die beim Senden verwendete Antennengruppe kann die gleiche wie die beim Empfang verwendete Antennengruppe sein. Es kann sich auch um eine separate Antennengruppe handeln. Der Signalphasenabgleich wird auf die gleiche Weise wie während des Empfangs mit den Gewichtungskoeffizienten durchgeführt.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung messen die Basisstationen die Entfernung einer Teilnehmereinrichtung von der Basisstation, und die Messung kann auf bekannte Weise durchgeführt werden, beispielsweise auf der Grundlage der Übertragungsverzögerung, die über die Verbindung erfasst wird. Auf der Grundlage der gemessenen Entfernung und der Eingangsrichtung des mittels adaptiver Antennen erhaltenen Signals berechnet die Basisstation den Ort der Teilnehmereinrichtung im Abdeckbereich.
Auf der Grundlage dieses Orts ist es möglich, die Basisstationen zu schätzen, in deren Bereich sich die Teilnehmereinrichtung am wahrscheinlichsten bewegt.
Bei der Anordnung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die zum Senden und Empfangen eines Signals in der Basisstation verwendeten Richtungen der Antennenstrahlen um kleine Grade Δαi in der Umgebung der gemessenen gewünschten Richtungen αi abgelenkt. Dies erzeugt eine Winkeldiversity in einem Signal, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Fading mittels der Diversity verringert werden kann, insbesondere dann, wenn sich die Mobilstation nicht bewegt.
Das Verfahren ist in Fig. 6 dargestellt, wobei die Basisstation 100 ein Signal zu der Mobilstation 102 unter Verwendung zweier Strahlen 580, 582 sendet, die in dem Beispiel der Figur von zwei Hindernissen 584, 586 in dem Terrain reflektiert werden. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung lenkt die Basisstation jeden Antennenstrahl in der Umgebung der gewünschten Richtungen um bestimmte Winkel Δαi und αi ab, woraufhin sich die Antennenstrahlen somit zeitlich jeweils entlang verschiedener Pfade 588a bis 588b und 590a bis 590b ausbreiten. Die Ablenkung wird kontinuierlich bei der gegebenen Frequenz durchgeführt, woraufhin gewünschte Schwankungen in dem durch die Mobilstation empfangenen Signal auftreten, wobei die Wahrscheinlichkeit eines langen Fading mittels der Schwankungen verringert wird. Durch die Schwankung ist es möglich, die Fadingstatistik zufällig zu machen, sodass die Auswirkungen der Fadings mittels Kanalkodierung und Verschachtelung besser verhindert werden können.
Wird die Anordnung beim Empfang eines Signals von einer Mobilstation angewendet, werden die Richtungswinkel der beim Empfang des Signals verwendeten Antennenstrahlen somit um geringe Grade Δαi in der Umgebung der gemessenen gewünschten Richtungen αi abgelenkt. Auf diese Weise werden kleine gewünschte Änderungen in dem empfangenen Signal in dieser Senderichtung erzeugt. Die durchgeführte Ablenkung wirkt sich nicht auf die Leistungspegel des empfangenen Signals aus, da die Antennenstrahlen in der Praxis für gewöhnlich merklich breiter als die verwendeten Ablenkwinkel sind. Die Breite der Antennenstrahlen kann beispielsweise in der Größenordnung von 10 Grad liegen, und der Ablenkwinkel kann beispielsweise 1 Grad sein. Die Breiten und Ablenkwinkel der verwendeten Antennenstrahlen variieren natürlich in Abhängigkeit von der Anwendung.
Die Basisstation beobachtet die Änderungen im Ankunftswinkel des Signals von dem Teilnehmergerät, sowie die Änderungen in der Übertragungsverzögerung zwischen dem Teilnehmergerät und der Basisstation, und kann den Ort und die Richtung der Bewegung des Teilnehmergeräts auf der Grundlage dieser Parameter schätzen. Die Messungen des Ankunftswinkels und der Verzögerung können in gleichmäßigen Intervallen durchgeführt werden, die Messergebnisse können gefiltert und das zukünftige Verhalten des Teilnehmergeräts kann auf der Grundlage der somit erhaltenen Werte unter Verwendung bekannter Prädiktionsalgorithmen vorhergesagt werden.
Auf der Grundlage des Orts und der Bewegungsrichtung des Teilnehmergeräts ist es möglich, die Basisstation ziemlich genau zu schätzen, in deren Bereich sich das Teilnehmergerät bewegt, wodurch die Messliste sehr kurz gehalten werden kann, ohne das Risiko eines Verbindungsabbruchs aufgrund einer nicht erfolgreichen Auswahl einer Basisstation einzugehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen zuverlässigeren Handover insbesondere in Mikrozellen an Straßenecken, wenn sich das Teilnehmergerät um eine Straßenecke bewegt und gleichzeitig von einem Abdeckbereich zu einem anderen wechselt. In dieser Situation verändert sich der Signalpegel des Teilnehmergeräts plötzlich, erhöht oder verschlechtert sich typischerweise um 15 bis 20 dB. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auf der Grundlage des Orts des Teilnehmergeräts vorherzusagen, wann ein Teilnehmergerät an einer Straßenecke ankommt.
Die Entscheidung über die Aktualisierung der Messliste kann typischerweise in der Basisstationssteuereinrichtung 188 getroffen werden, und die Informationen können zu dem Teilnehmergerät 102 weitergeleitet werden, das seine eigene Liste auf der Grundlage dieser Steuerung aktualisiert.
Fig. 7a zeigt ein Beispiel einer Situation, in der ein Teilnehmergerät 102 des zellularen Systems sich im Bereich der Basisstation 167 im Sektor 162 befindet, und die Basisstation das Verfahren der adaptiven Antennengruppen gemäß der Erfindung anwendet. Die Basisstation 167 beobachtet die Teilnehmereinrichtung 102 mit einem oder mehreren Mobilantennenstrahlen 183. Die Basisstation 167 hat den Ort und die Bewegungsrichtung des Teilnehmergeräts 102 anhand der vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmt, und von der Messliste des Teilnehmergeräts kann lediglich angenommen werden, dass sie die Sektoren enthält, in die sich das Teilnehmergerät 102 wahrscheinlich bewegt. In der Situation in Fig. 7a sind die angenommenen Sektoren 181 und 182. Obwohl das Teilnehmergerät wahrscheinlich auch ein Signal vom Sektor 184 empfängt, wird beruhend auf seinem Ort nicht angenommen, dass es sich in den Bereich dieses Sektors bewegt.
Fig. 7b zeigt ein anderes Beispiel einer Situation, in der das Teilnehmergerät 102 des zellularen Systems sich im Bereich der Basisstation 167 im Sektor 162 befindet, und die Basisstation das erfindungsgemäße Verfahren der adaptiven Antennengruppen anwendet. Die Basisstation 167 beobachtet das Teilnehmergerät 102 mit einem oder mehreren Mobilantennenstrahlen 183. Auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben hat die Basisstation 167 den Ort und die Bewegungsrichtung des Teilnehmergeräts 102 bestimmt, und die Messliste des Teilnehmergeräts kann wieder betrachtet werden, als würde sie lediglich die Sektoren enthalten, in die sich das Teilnehmergerät 102 wahrscheinlich bewegt. In der Situation in Fig. 7b ist der lediglich in Betracht kommende Sektor 181. Aufgrund seines Orts und seiner Bewegungsrichtung wird von dem Teilnehmergerät 102 nicht angenommen, dass es sich beispielsweise in den Sektor 182 bewegt.
Fig. 7c zeigt ein Beispiel eines zellularen Funksystems, das ein Teilnehmergerät 102, eine Gruppe relativ kleiner Mikrozellen 251 bis 254 und eine Schirmzelle 255 umfasst, die die Mikrozellen überlappt. Eine derartige Implementation kann oft in Bereichen aufgefunden werden, die eine hohe Verkehrskapazität erfordern, die durch Mikrozellen geboten wird, und in denen sich schnell bewegende Teilnehmergeräte Dienste brauchen, die mittels einer großen Schirmzelle bereitgestellt werden, um mehrere Handover von einer Mikrozelle zu einer anderen zu vermeiden.
Die in der Figur gezeigte Schirmzelle 255 ist erfindungsgemäß derart implementiert, dass die Basisstation 100 phasenabgeglichene Antennengruppen verwendet, die Antennenstrahlen 250 erzeugen, die in die Richtung des Teilnehmergeräts zeigen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Messliste des Teilnehmergeräts 102 die Mikrozellen enthalten, von denen bekannt ist, dass sie sich im gleichen Bereich wie das Teilnehmergerät befinden. Die Basisstationsteuereinrichtung (nicht in der Figur gezeigt), die die Basisstation 100 steuert, ist sich der Mikrozellen in dem Bereich der Schirmzelle bewusst und kann die Messliste des Teilnehmergeräts auf der Grundlage des Orts und der Bewegungsrichtung des Teilnehmergeräts aktualisieren, sodass die Liste die im gleichen Bereich befindlichen Mikrozellen enthält.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aktualisierung der Messliste kann auch derart angewendet werden, dass den Basisstationen auf der Messliste auf der Grundlage des Orts und der Bewegungsrichtung des Teilnehmergeräts Prioritäten zugeordnet werden.
Nachstehend ist der Aufbau eines Empfängers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Empfängers. Der Empfänger umfasst eine Antennengruppe 500 aus L separaten Antennenelementen. Die Antennengruppe kann linear, planar (zweidimensional) oder omnidirektional sein. Die Antennengruppe 500 empfängt ein Mehrwege-ausgebreitetes Signal, das auf verschiedene Weise aus mehreren verschiedenen Richtungen von jeder Mobilstation verzögert ist, mit jedem der L Elemente, führt die Vorverstärkung durch, wandelt das Signal in eine Zwischenfrequenz und digitalisiert alle L Signale. Die erhaltenen L digitalen komplexen I,Q-Abtastwerte 514 werden einem Eingang von Kanalelementen 504, 506, 508 zugeführt.
Jede mit der Basisstation kommunizierende aktive Mobilstation wird von einem Kanalelement bedient, das eine digitale Signalverarbeitung sowohl bei dem empfangenen Signal als auch bei dem zu übertragenden Signal durchführt, was nachstehend näher beschrieben wird. Jedes Kanalelement umfasst einen (α, τ)-Empfänger und einen entsprechenden Sender. Die digitalen Formungsfunktionen des Antennenstrahls, die mittels der Signalphasenabgleichung realisiert werden, werden in einem Kanalelement sowohl in der Senderichtung als auch in der Empfangsrichtung durchgeführt.
In der Empfangsrichtung filtert ein Kanalelement das Signal in Winkel-Ortsbereich, demoduliert die empfangenen Signalkomponenten und kombiniert sie in einem Diversity- Kombinierer und dekodiert schließlich das Signal, das von der Mobilstation empfangen wurde und das kombiniert wurde.
Die erhaltenen Benutzerdatenbits werden zu einer Basisbandeinheit 510 weitergeleitet, die diese zu anderen Teilen des Netzes weitergibt.
In der Senderichtung kommen die Benutzerdatenbits von den anderen Abschnitten des Netzes an die Basisbandeinheit 510, die sie zu dem korrekten Kanalelement 504 bis 508 weiterleitet, wo sie kodiert, mit einem Spreizungskode moduliert und dem Phasenabgleich des zu sendenden Signals unterzogen werden, wobei der Phasenabgleich die Richtungen der zu sendenden Antennenstrahlen bestimmt. Die erhaltenen L Signale werden jedem der L Elemente der Antennengruppe 502 zugeführt. In der Praxis können die Empfangs- und Sendeantennengruppen 500, 502 entweder separat oder mittels der gleichen physikalischen Antennengruppe implementiert sein, bei der die Sende- und Empfangsrichtung mit geeigneter Duplexfilterung getrennt sind.
In der Sendeantennengruppe 502 werden die Signale, die von jedem Kanalelement angekommen sind, und die für jedes Antennenelement bestimmt sind, in analoge Form umgewandelt, in Hochfrequenz transferiert und über die Antennenelemente übertragen.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können die Sende- und Empfangsantennengruppen natürlich eine unterschiedliche Anzahl an Antennenelementen umfassen, obwohl die vorstehende Beschreibung die gleiche Anzahl L an Elementen in jeder Gruppe der Einfachheit halber offenbart. Die Figur zeigt auch einen Steuerblock 512, der den Betrieb der verschiedenen Einheiten der Vorrichtung steuert, wie die Zuweisung der Kanaleinheiten zu verschiedenen Verbindungen entsprechend den Botschaften von der Basisstationsteuereinrichtung.
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild des Aufbaus eines Kanalelements in einem Empfänger gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kanalelement umfasst eine oder mehrere digitale Empfängereinheiten 600, 602, von denen zwei in der Figur gezeigt sind, eine oder mehrere Sucheinheiten 604, von denen eine in der Figur gezeigt ist, einen Diversity-Kombinierer 608, dessen Eingang ein Signal von den Empfängereinheiten umfasst, einen Dekoder 610, mit dessen Eingang ein Signal verbunden ist, das am Ausgang des Diversity-Kombinierers 608 sichtbar ist, und eine Steuereinrichtung 612. Die L digitalen komplexen I, Q- Abtastwerte 514, die von der Antennengruppe ankommen, werden dem Eingang aller digitalen Empfängereinheiten 600, 602 und den Sucheinheiten 604 zugeführt. Wird die erfindungsgemäße Anordnung bei einem Sendeempfänger angewendet, umfasst der erfindungsgemäße Sendeempfänger auch einen Kodierer 614 und eine digitale Übertragungseinheit 606.
Der Betrieb der digitalen Sucheinheit 604 wird zuerst hinsichtlich Fig. 9 untersucht. Wie bei einem herkömmlichen Rake-Empfänger ist die Funktion der Sucheinheit die Suche nach gewünschten Signalkomponenten aus dem empfangenen Signal. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung überwacht ein neuer Sucheinheitstyp kontinuierlich das empfangene Signal im (α, τ)-Bereich und sucht nach nützlichen Signalkomponenten und gibt deren Parameter, d. h., den Ankunftswinkel (AoA) und das Verzögerungsprofil, an die Steuereinrichtung 612, die wiederum eine erforderliche Anzahl an Empfängereinheiten zur Demodulation der besten Komponenten zuweist. Der erfindungsgemäße Empfänger kann natürlich auch derart implementiert werden, dass ein Kanalelement keine separate Steuereinrichtung 612 umfasst, sondern die Sucheinheit 604 die Informationen bezüglich der zu überwachenden Signalkomponenten direkt an die Empfängerverzweigungen 600, 602 weitergibt.
Die Sucheinheit umfasst eine Einrichtung 634 zum Phasenabgleich des von den Hochfrequenzabschnitten der Antennengruppe zugeführten Signals, und eine Einrichtung 636 zur Erfassung, ob das vom Ausgang der Phasenabgleichseinrichtung 634 erhaltene Signal eine Signalkomponente aufweist, die mit der gegebenen Verzögerung empfangen worden ist, und zur Messung der Qualität dieser Signalkomponente. Die Sucheinheit umfasst ferner eine Einrichtung 638 zur Steuerung der vorstehend angeführten Phasenabgleichseinrichtung 634 und der Messeinrichtung 636 derart, dass die ankommenden Richtungen und Verzögerungen des empfangenen Signals gemessen werden können.
Die Einrichtung 634 zum Phasenabgleich des von den Hochfrequenzabschnitten der Antennengruppe zugeführten Signals kann beispielsweise mit einer Vorrichtung vom vorstehend beschriebenen Typ wie in Fig. 5 gezeigt implementiert werden, wobei die Vorrichtung die Multiplikation des Signals mit komplexen Koeffizienten wi (i = 1, ..., L) umfasst, wodurch es möglich ist, den Ankunftswinkel des Signals zu bestimmen, das im Ausgangssignal der Phasenabgleichseinrichtung sichtbar verstärkt ist. Jede Kombination der Koeffizienten entspricht einer bestimmten Kombination von Antennenstrahlen, wie es vorstehend beschrieben ist. Die Phasenabgleichseinrichtung (634) wird durch die Einrichtung 638 gesteuert, sodass alle essentiellen ankommenden Richtungen des Signals untersucht werden können.
Die Ausgabe der Phasenabgleichseinrichtung zeigt somit ein Signal, das dem aus einer gegebenen Richtung empfangenen Signal entspricht, auf der Grundlage der Steuerung der Einrichtung 638. Die Messeinrichtung 636 führt eine Messung mit verschiedenen Verzögerungen bei einem am Ausgang der Phasenabgleichseinrichtung sichtbaren Signal durch, wobei der Zweck der Messung die Erfassung der Signalkomponenten ist, die verschiedene Verzögerungen haben. Die zu jedem Zeitpunkt zu messende Verzögerung wird mittels der vorstehend angeführten Einrichtung 638 eingestellt. In der Messeinrichtung wird das sich am Eingang der Einrichtung befindende Signal einer Entspreizung, Messung der komplexen Signalenergie und Quadrierung der Energie beispielsweise über die Kohärenzzeit des Kanals und einem Vergleich des erhaltenen Messergebnisses mit dem gegebenen Schwellenwert unterzogen. Die Parameter der gemessenen Signalkomponenten mit einer Stärke, die den gegebenen Schwellenwert überschreitet, d. h., der Ankunftswinkel, die Verzögerung und die Leistung, werden der Steuereinrichtung 612 des Kanalelements zugeführt.
Die Einrichtung 638 steuert somit den Betrieb der Phasenabgleichseinrichtung 634 und der Messeinrichtung. Die Einrichtung 638 entspricht einer Synchronisationsschleife, die in der Suchverzweigung eines herkömmlichen Rake- Empfängers vorgesehen ist, obwohl bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Einrichtung auf neue Weise arbeitet. Die Suche nach den gewünschten Signalkomponenten aus dem (α, τ)-Bereich kann auf vielerlei Weise unter der Steuerung der Einrichtung 638 implementiert werden. Wie es vorstehend angeführt ist, kann die Messung der Signalleistung durch eine andere Messung der Signalqualität ersetzt werden.
Das durch die Antennengruppe empfangene digitalisierte Signal kann in der Phasenabgleichseinrichtung 634 Schritt für Schritt derart Phasen-abgeglichen werden, dass der Richtungswinkel des größten Gewinns bei gegebenen Winkelintervallen verändert wird. Aus den möglichen Eingangsrichtungen wird eine repräsentative Gruppe von Ankunftswinkeln αi ausgewählt, die sich an gewünschten Winkelintervallen voneinander befinden, und jede Eingangsrichtung wird mehreren Energiemessungen bei verschiedenen Verzögerungswerten unterzogen, wodurch ein Verzögerungsprofil τk für die eingehenden Richtungen erhalten wird.
Eine andere Weise ist das Richten der Messeinrichtung 636 auf eine erste Messung des Verzögerungsprofils τk des empfangenen Signals beispielsweise mit einem nicht gerichteten Antennenmuster. Die möglichen Verzögerungen, mit denen Signalkomponenten empfangen werden, werden so erfasst. Die Phasenabgleichseinrichtung 634 wird daraufhin zum Überstreichen der verschiedenen Richtungswinkel mit einem engen gerichteten Strahl angewiesen, und die Messeinrichtung wird gleichzeitig zum Messen mit den bei der ersten Messung erfassten vorstehend angeführten Verzögerungswerten angewiesen. Die eingehenden Richtungen αj der Komponenten, die mit verschiedenen Verzögerungen angekommen sind, werden so erhalten.
Die Parameter der erfassten Signalkomponenten werden somit an die Steuereinrichtung 612 des Kanalelements gegeben. Die Steuereinrichtung weist die Empfängerelemente 600, 602 zum Empfangen und Demodulieren der besten erfassten Signalkomponenten zu, indem das Empfängerelement über die Eingangsrichtung und Verzögerung der Signalkomponente informiert wird. Wie es vorstehend angeführt ist, können die Empfängerelemente auch direkt durch die Sucheinheit 604 ohne separate Steuereinrichtung gesteuert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst das Kanalelement eine Steuereinrichtung 612 zur Berechnung der Entfernung des Teilnehmergeräts von der Basisstation, und die Entfernung kann auf der Grundlage der Übertragungsverzögerung berechnet werden. Der Ort des Teilnehmergeräts wird auch entsprechend mittels des Richtungswinkels des Signals und der Entfernung berechnet. Die berechneten Daten werden zu der Basisstationsteuereinrichtung 188 übertragen, die die Aktualisierung der Messliste durchführt, bzw. kann alternativ das Erfordernis der Aktualisierung der Messliste auch in der Steuereinrichtung 612 bestimmt werden.
Der Betrieb der digitalen Empfängereinheit 600, 602 wird als Nächstes hinsichtlich Fig. 9 untersucht. Wie bei dem herkömmlichen Rake-Empfänger besteht die Funktion der Empfängereinheit im Empfangen und Demodulieren einer gegebenen Signalkomponente. Es wird angenommen, dass die Steuereinrichtung 612 des Kanalelements eine Empfängereinheit zum Empfangen einer bestimmten Signalkomponente zugewiesen hat, deren Parameter der Ankunftswinkel αj und die Verzögerung τk sind.
Die Empfängereinheit 600, 602 umfasst eine Beobachtungseinrichtung 624, 632, zu der die Steuereinrichtung 612 des Kanalelements die Informationen über die Phase und die Eingangsrichtung der zu beobachtenden Signalkomponente weitergibt. Die Beobachtungseinrichtung steuert die erste Phasenabgleichseinrichtung der Empfängereinheit, deren Eingang das aus der Antennengruppe erhaltene digitalisierte Signal ist. Die Phasenabgleichseinrichtung 618, 626 weist einen ähnlichen Aufbau wie die Phasenabgleichseinrichtung 634 in der Sucheinheit auf. Auf der Grundlage der Informationen bezüglich des Ankunftswinkels αj, die von der Steuereinheit empfangen werden, setzt die Beobachtungseinrichtung die komplexen Gewichtungskoeffizienten wi (i=1, ..., L) derart fest, dass ein aus der gewünschten Eingangsrichtung ankommendes Signal am Ausgang der Phasenabgleichseinrichtung sichtbar ist. Dies kann als Empfängerantennenstrahl verstanden werden, der in die gewünschte Richtung zeigt und eine vorbestimmte Form hat.
Die Empfängereinheit 600, 602 umfasst ferner eine Demodulationseinrichtung 620, 628, deren Eingang ein von der Phasenabgleichseinrichtung 618, 626 erhaltenes Signal umfasst. Die Beobachtungseinrichtung 624, 632 steuert die Demodulationseinrichtung zum Synchronisieren mit einer Signalkomponente, die mit einer gegebenen Verzögerung τk ankommt. In der Demodulationseinrichtung wird das Signal einer Entspreizung und Demodulation gemäß einem bekannten Verfahren unter Verwendung des gegebenen τk als Kodephase unterzögen. Die erhaltenen Symbole werden den anderen Abschnitten des Kanalelements zusammen mit den Verzögerungsdaten zugeführt.
Die Empfängereinheit 600, 602 umfasst ferner eine zweite Phasenabgleichseinrichtung 622, 630, deren Eingang ein von der Antennengruppe erhaltenes digitalisiertes Signal umfasst. Das Ausgangssignal der zweiten Phasenabgleichseinrichtung wird der Beobachtungseinrichtung 624, 632 zugeführt. Die Beobachtungseinrichtung steuert den Betrieb der zweiten Phasenabgleichseinrichtung durch Messung der Umgebung der gegenwärtigen Parameter (αj, τk) der dem Empfänger zugewiesenen Signalkomponente mittels der Einrichtung, um mögliche Veränderungen in der Eingangsrichtung und der Verzögerung der empfangenen Signalkomponente zu erfassen. Zu diesem Zweck umfasst die zweite Phasenabgleichseinrichtung komplexe Koeffizienten ähnlich der ersten Phasenabgleichseinrichtung zum Phasenabgleich des Signals, und eine Einrichtung ähnlich der Messeinrichtung 636 in der Sucheinheit zur Messung der Impulsantwort. Erfasst die Beobachtungseinrichtung mittels der zweiten Phasenabgleichseinrichtung Veränderungen in der Eingangsrichtung αj oder der Verzögerung τk der gewünschten Signalkomponente, aktualisiert sie diese Daten für die erste Phasenabgleichseinrichtung und die Demodulationseinrichtung.
Der Stand der Technik offenbart mehrere Weisen, wie die Beobachtungseinrichtung 624, 632 in einem Spreizspektrumsystem implementiert werden kann, beispielsweise Early-Late-Gatter, die bei der erfindungsgemäßen Anordnung verwendet werden können. Diese Schaltungen schätzen den Kodezeitfehler durch die Durchführung zweier Energiemessungen mit dem gegebenen Zeitunterschied Δτ. der typischerweise ein Bruchteil der Chipzeit des Spreizungskodes in der Umgebung des gegenwärtigen Einstellpunkts τk ist. Die Energiemessungen werden mit der Messeinrichtung der zweiten Phasenabgleichseinrichtung 622, 630 durchgeführt, die die Korrekturdaten liefern, die der nominale Einstellpunkt τk erfordert, wenn sich die Verzögerung ändert.
Dementsprechend können Änderungen im Ankunftswinkel αj des Signals mittels der zweiten Phasenabgleichseinrichtung beobachtet werden. Beispielsweise ist es möglich, mit der gegebenen Verzögerung τk zwei oder mehr Energiemessungen mit. Antennenstrahlen, die mit einem Winkel Δα in beide Richtungen von dem gegenwärtigen Ankunftswinkel αj abgelenkt wurden, mittels des Phasenabgleichs durchzuführen. Der verwendete Grad der Ablenkung Δα ist typischerweise ein Bruchteil der Breite des Antennenstrahls.
Die Beobachtungseinrichtung 624, 632 steuert somit die Energiemessungen, die durch die zweite Phasenabgleichseinrichtung 622, 630 durchgeführt werden, sodass ein Signal mit der größtmöglichen Energie zu jeder Zeit empfangen werden könnte. Die Beobachtungseinrichtung aktualisiert die Daten über die geänderten Parameter (αj, τk) für die erste Phasenabgleichseinrichtung, die Demodulationseinrichtung und auch die Steuereinrichtung 612 des Kanalelements, sodass die Daten bei Bedarf in der Senderichtung verwendet werden könnten.
Die vorstehend beschriebene Maximierung des empfangenen Signals kann mit der Empfängerantennendiversity bei herkömmlichen Systemen verglichen werden, bei denen ein Signal mit zwei oder mehreren Antennen empfangen wird, die voneinander mit einer Entfernung der Länge mehrerer Wellenlängen des empfangenen Signals platziert sind. Bei dem erfindungsgemäßen Empfänger kann beim Einfangen eines Signals, das mit dem Ankunftswinkel αj empfangen wird, in einer tiefen und langen Fading-Situation das Fading wahrscheinlich durch Änderung des Winkels des Empfängerstrahls um einen kleinen Winkel Δα beseitigt werden. Es besteht damit kein Erfordernis für zwei separate Antennen, die sich an gegebener Entfernung voneinander befinden.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Ablenkung kann die Bewegungsrichtung des Teilnehmergeräts 102 auch in der Steuereinrichtung 612 berechnet werden, und diese Informationen können zur Aktualisierung der Messliste verwendet werden.
Der Betrieb des Diversity-Kombinierers 608 und des Dekoders 610 des Kanalelements ist ähnlich wie bei herkömmlichen Diversity-Empfängern. Der Kombinierer 608 kombiniert die von den verschiedenen Empfängerelementen ankommenden Symbolsequenzen unter Berücksichtigung und Kompensation ihrer unterschiedlichen Verzögerungen τk und möglicherweise durch Gewichtung der verschiedenen Symbolsequenzen entsprechend ihrer Signal-Zu-Rauschverhältnisse zum Erhalten einer Kombination mit maximalem Verhältnis. Die so erhaltene kombinierte Symbolsequenz wird dem Dekodierer 610 zugeführt, der die Symbole in Benutzerdatenbits dekodiert, wobei üblicherweise zuerst eine Entschachtelung durchgeführt wird. Die CDMA-Anwendungen verwenden normalerweise eine starke Faltungskodierung, für die das beste Erfassungsverfahren der Viterbi-Algorithmus ist, der eine weiche Entscheidung liefert.
Es ist ersichtlich, dass das vorstehend beschriebene Kanalelement auch zur Beobachtung und zum Empfang eines Zugriffskanals verwendet werden kann. Die in der Empfangsrichtung verwendeten Antennenstrahlen haben dann breitere Antennenmuster, d. h., sie können beispielsweise 120º breit sein, da der exakte Ort der Rufaufbaunachrichten übertragenden Mobilstationen nicht bekannt ist.
Als Nächstes wird der Betrieb der digitalen Sendeeinheit 606 hinsichtlich Fig. 9 beschrieben. Die Benuterzdatenbits werden zuerst dem Kodierer 614 zugeführt, der die Bits typischerweise mit einem Fahtungskode kodiert und eine Verschachtelung bei den kodierten Symbolen durchführt. Die erhaltenen verschachtelten Symbole werden einem Spreizspektrummodulator 642 zugeführt, der eine herkömmliche Modulation durchführt. Alle vorstehend beschriebenen Funktionen können nach bekannten Verfahren durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß umfasst die Sendeeinheit allerdings eine Einrichtung 644, 640 zur Steuerung und zum digitalen Phasenabgleich des zu sendenden Signals als Antwort auf das empfangene Signal. In der erfindungsgemäßen Sendeeinheit empfängt die Einrichtung 644 zur Einstellung des Sendestrahls von der Steuereinrichtung 612 des Kanalelements Informationen an ihrem Eingang über die Eingangsrichtungen, die in den verschiedenen Empfängereinheiten 600, 602 zum Empfangen eines Signals von der Mobilstation verwendet werden. Die Steuereinrichtung 612 kann auch über die anderen Eingangsrichtungen des durch die Sucheinheit 604 erfassten Signals berichten, allerdings werden nicht alle Richtungen beim Empfang des Signals notwendigerweise verwendet.
Die Einrichtung 644 der Sendeeinheit zur Einstellung des Sendestrahls steuert die Phasenabgleichseinrichtung 640, die aus vorbestimmten Strahlformungsfunktionen JxL einen komplexen Gewichtungskoeffizienten wij (i = 1, ..., L; j = 1, ..., J) berechnet, der J Antennenstrahlen mittels L Antennenelementen erzeugt. Zusätzlich zur Richtung und Anzahl der Antennenstrahlen steuert die Einrichtung 644 die Phasenabgleichseinrichtung 640 durch Angabe der Sendeleistung, die bei jedem Strahl zu verwenden ist, und die die Einrichtung 644 von der Steuereinrichtung 612 des Kanalelements erhält.
Der Aufbau der Phasenabgleichseinrichtung 640 kann dem der Phasenabgleichseinrichtung 618, 626, 634 ähnlich sein, die zuvor in der Empfangsrichtung beschrieben wurde. In der Phasenabgleichseinrichtung werden die digitalisierten (I, Q)-Abtastwerte des von der Modulationseinrichtung 642 zugeführten ausgehenden Signals somit mit L komplexen Gewichtungskoeffizienten multipliziert, wobei L die Anzahl der Antennenelemente ist, woraus folgt:
νi = gjwij, i = 1, ..., L
wodurch L komplexe Abtastwertsequenzen für die Antennengruppe erhalten werden. Die komplexe Multiplikation verwendet auch einen realen Skalierungsfaktor gj (j = 1, ..., J), der von der Einstelleinrichtung 644 erhalten wird, und der für die unabhängige Leistungseinstellung jedes Antennenstrahls verwendet werden kann. Die Einstelleinrichtung 644 gibt auch die zu verwendende Frequenz an, sodass die Gewichtungskoeffizienten wij korrekt eingestellt werden können.
Die Einrichtung 644 zur Einstellung des Sendestrahls steuert die Phasenabgleichseinrichtung 640 auf der Grundlage der von der Steuereinrichtung des Kanalelements erhaltenen Informationen. Die Einstellung kann auf vielerlei Weisen durch Modifikation der Parameter αj und gj (j = 1, ..., J) auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Beispielsweise kann die bei einigen Antennenstrahlen verwendete Sendeleistung unabhängig eingestellt werden, oder der Richtungswinkel αj einiger Antennenstrahlen kann um einen gegebenen Winkel Δα verändert werden, oder die Anzahl der verwendeten Antennenstrahlen kann verändert werden. Mit diesen Maßnahmen ist es möglich, Verschlechterungen der Signalqualität zu kompensieren, wie Fadings, die über dem Funkweg auftreten.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Einstelleinrichtung 644 der Sendeeinheit 606 die Richtung eines oder mehrerer der verwendeten Antennenstrahlen um kleine Grade Δα in der Umgebung des gegebenen Richtungswinkels αj ablenken. Aufgrund dieser Ablenkung ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass die Mobilstation sich über eine lange Zeit in einem tiefen Fading befindet. Da der Richtungswinkel eines Antennenstrahls kontinuierlich um einen nominalen Richtungswinkel αj schwingt, benutzt ein Signal, das sich über den Funkweg ausbreitet, nicht kontinuierlich die gleiche Route.
Ein mögliches Teilnehmergerät im erfindungsgemäßen zellularen Funksystem ist in Fig. 10 mittels eines Blockschaltbilds hinsichtlich des Empfangsendes veranschaulicht. Das Teilnehmergerät umfasst natürlich auch ein Sendeende, jedoch wurde dieses der Einfachheit halber nicht beschrieben, da hinsichtlich der Erfindung die Sendefunktionen auf dem Fachmann bekannte Art und Weise implementiert werden können. Das Teilnehmergerät umfasst eine Antenne 250, die ein Signal empfängt, das Hochfrequenzabschnitten 251 zugeführt wird, die das Signal verstärken und in eine Zwischenfrequenz umwandeln. Der Ausgang der Hochfrequenzabschnitte 251 ist mit einer Umwandlereinrichtung 252 verbunden, die das Signal in digitale Form umwandelt.
Von der Umwandlereinrichtung 252 wird das Signal einer Gruppe von Korrelatoren 254, 255 zugeführt, wo die Korrelation zwischen dem empfangenen Signal und dem gewünschten Spreizungskode berechnet wird, wodurch die mit dem gewünschten Spreizungskode multiplizierten Signale in ihrem ursprünglichen Band zur Demodulation wiederhergestellt werden. Von der Umwandlereinrichtung 252 wird das Signal auch einem Suchkorrelator 253 zugeführt, dessen Funktion in der Suche nach den Phasen der mit dem gewünschten Spreizungskode gesendeten Signalkomponenten in dem empfangenen Signal besteht. Das Teilnehmergerät umfasst ferner eine Kombiniereinrichtung 256, die vorzugsweise die empfangenen Signalkomponenten entweder kohärent oder inkohärent kombiniert. Von der Kombiniereinrichtung wird das Signal 258 weiter zu anderen Teilen des Teilnehmergeräts geführt.
Das Teilnehmergerät umfasst auch eine Steuereinrichtung 257, die den Betrieb der Vorrichtung steuert. Die Steuereinrichtung 257 ist typischerweise mittels eines Signalprozessors implementiert. Der Suchkorrelator 253 bezeichnet die Verzögerungen und Stärken der Signalkomponenten, die er gefunden hat, für die Steuereinrichtung 257 und die Empfängerkorrelatoren 254, 255, die mit den stärksten Signalen synchronisiert werden. Der Suchkorrelator 253 führt auch die Messung der Signale von den Basisstationen auf der Messliste durch. Die Steuereinrichtung 257 aktualisiert die Messliste auf der Grundlage der Steuerung von der Basisstation.
Nachstehend wird das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, beidem der analoge Phasenabgleich eines empfangenen Signals im CDMA-System angewendet wird.
Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels der Vorrichtung gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung umfasst in der Empfangsrichtung eine gegebene Anzahl L von Antennenelementen 700 bis 704 und in der Senderichtung eine Gruppe von Antennenelementen 772 bis 776. In dem Sendeempfänger können die Sende- und Empfangsantennen die gleichen sein, wobei eine Duplexfilterung zum Trennen der verschiedenen Übertragungsrichtungen voneinander angewendet wird. Die Figur zeigt verschiedene Antennenelemente für die verschiedenen Übertragungsrichtungen. Die durch die Antennenelemente gebildete Gruppe kann linear, planar (zweidimensional) oder omnidirektional sein. Die Antennengruppe empfängt ein Mehrwege-ausgebreitetes Signal, das auf verschiedene Weise aus mehreren verschiedenen Richtungen verzögert ist, mit jedem der L Elemente von jeder Mobilstation.
Die Antennenelemente sind mit einer RX-Matrix 706 verbunden, die einen Phasenabgleich bei dem durch die Antennenelemente empfangenen analogen Signal derart durchführt, dass die Matrixausgabe 708 K Signalausgaben umfasst, die jeweils einem durch einen Antennenstrahl empfangenen Signal entsprechen, der in eine vorbestimmte Signaleingangsrichtung zeigt. Die Matrix kann mittels herkömmlicher Anordnungen implementiert werden, wie einer Butler-Matrix, die mit passiven 90º-Hybridschaltungen und Phasenschiebern realisiert ist. Die Anzahl K der mit der Matrix 706 erzeugten Antennenstrahlen entspricht nicht unbedingt der Anzahl L der Antennenelemente.
Die Antennenstrahlen werden somit in der Empfangsrichtung durch Phasenabgleich des durch die Antennen empfangenen Signals und in der Senderichtung durch Phasenabgleich des durch die Antennen zu sendenden Signals erhalten. Die verwendeten Antennenstrahlen sind konstant und ihre Richtungen können nicht verändert werden. Die Anzahl der Antennenstrahlen hängt von der Implementation der Matrix 706 ab, und die Strahlen können an gewünschten Winkelintervallen voneinander eingestellt und mit einer gewünschten Breite gebildet werden.
Die Matrixausgangssignale 708 werden bei Bedarf an eine Gruppe von Niedrigrauschverstärkern 710 angelegt, die die Kabeldämpfungen und andere Verluste kompensieren. Die auf diese Weise verstärkten L Signale werden den Hochfrequenzabschnitten 712 bis 716 zugeführt, die jedes Signal einer Abwärtswandlung in eine Zwischenfrequenz und den erforderlichen Filterungsvorgängen unterziehen. Die Hochfrequenzabschnitte können entsprechend bekannter Verfahren implementiert werden. Die Zwischenfrequenzsignale werden dann an Umwandlungseinrichtungen 718 bis 722 angelegt, die das analoge Signal in digitale Abtastwerte umwandeln. Die Umwandlung kann entsprechend herkömmlichen Verfahren mit im Handel erhältlichen Komponenten durchgeführt werden. Typischerweise wird eine komplexe Abtastung in I- und Q-Komponenten in den Einrichtungen durchgeführt.
Die Ausgangssignale 724, 726, 728 der Umwandlungseinrichtungen 718, 720, 722 werden des Weiteren einer Gruppe von Kanalelementen 738, 740, 742 über einen RX-Schalter 732, 734, 730 zugeführt, der jedem Kanalelement vorangeht. Alle Ausgangssignale 730 der Wandler werden allen RX-Schaltern zugeführt. Jeder RX-Schalter umfasst somit K Eingänge und ein oder mehrere Ausgangssignale, die an ein entsprechendes Kanalelement angelegt werden. Die Funktion des RX-Schalters besteht in der Führung eines durch einen gewünschten Antennenstrahl empfangenen Signals zu einer gewünschten Komponente des Kanalelements entsprechend der Steuerung von dem Kanalelement.
Die vorstehend beschriebene Empfängerstruktur kann natürlich auch derart implementiert werden, dass einer oder mehrere der vorstehend beschriebenen Abschnitte (Antennenelemente 700-704, Verstärker 710, Hochfrequenzabschnitte 712-716 und Umwandlungseinrichtungen 718-722) entweder zusammen integriert oder separat angeordnet sind. In diesem Fall variieren die Einzelheiten der Implementation, wie es für den Fachmann ersichtlich ist, beispielsweise derart, dass dann, wenn die Hochfrequenzabschnitte in Verbindung mit einer Antennengruppe platziert sind, kein Bedarf an Verstärkern 710 besteht.
Nachstehend wird der Aufbau und der Betrieb eines Kanalelements in einem Empfänger gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand des Blockschaltbilds in Fig. 12 beschrieben. Das Kanalelement umfasst eine oder mehrere Einrichtungen 804, 806, 808 zur Demodulation eines Signals, wobei die Figur drei der Einrichtungen zeigt, eine oder mehrere Sucheinheiten 802, von denen eine in der Figur gezeigt ist, einen Diversity- Kombinierer 608, dessen Eingang ein Signal aus den Empfängereinheiten umfasst, und einen Dekoder 610 mit dessen Eingang ein am Ausgang des Diversity-Kombinierers 608 sichtbares Signal verbunden ist.
Die Eingänge In#1 bis In#K des RX-Schalters 732 umfassen somit die K Signale 730 von der Umwandlungseinrichtung 718 bis 722. Das Kanalelement 738 umfasst somit eine Sucheinheit 802, deren Funktion in der Durchführung der Suche nach den besten Signalkomponenten aus dem mehrdimensionalen Signalbereich besteht, wie es in Verbindung mit der Sucheinheit des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sucht die Sucheinheit 802 nach den besten Signalkomponenten aus den Eingängen des RX- Schalters, die somit jeweils einer Signalkomponente entsprechen, die aus einer bestimmten Richtung ankommt, in dem das Verzögerungsprofil von jedem Eingang des RX- Schalters gemessen wird. Die Messung des Verzögerungsprofils kann auf die gleiche Weise wie in der Suchverzweigung eines herkömmlichen Rake-Empfängers durchgeführt werden. Infolge der Messung erfasst die Suchverzweigung somit die Eingangsrichtungen und Verzögerungen der besten Signalkomponenten. Die Sucheinheit führt die Demodulationseinrichtungen 804, 806, 808 zum Synchronisieren mit den besten Komponenten, indem jede Demodulationseinrichtung mit Informationen über die Verzögerung der gewünschten Komponente versorgt wird und das Signal dieser Richtung von dem RX-Schalter an die entsprechende Demodulationseinrichtung angelegt wird.
Die Demodulationseinrichtungen 804, 806, 808 demodulieren somit das gegebene Signal, beobachten die Änderungen in der Verzögerung und der Eingangsrichtung des Signals und beginnen mit dem Empfang eines neuen Antennenstrahls bei Bedarf mittels des RX-Schalters. Die Ausgangssignale der Demodulationseinrichtungen werden einem Diversity- Kombinierer 608 zugeführt, der vorzugsweise die demodulierten Symbole kombiniert und die übertragenen Informationen erfasst. Das Ausgangssignal des Diversity- Kombinierers wird des Weiteren an eine Kodiereinrichtung 610 angelegt, die die Symbole entschachtelt und die Informationssequenz dekodiert.
Der vorstehend beschriebene Empfängeraufbau implementiert somit die erfindungsgemäße Anordnung mittels eines analogen Phasenabgleichs. Beim Empfang wird eine Anzahl (K) fester Antennenstrahlen mittels des Phasenabgleichs erzeugt, wobei die stärksten Signalkomponenten zur Demodulation aus den durch die Antennenstrahlen empfangenen Komponenten ausgewählt werden. Wenn sich das Teilnehmergerät bewegt und sich die Eingangsrichtungen des Signals verändern, wird immer das Signal des Antennenstrahls, der die beste Signalstärke liefert, für die Demodulation ausgewählt.
Bei der Vorrichtung gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Entfernung des Teilnehmergeräts von der Basisstation in der Einheit 802 beispielsweise mittels der Übertragungsverzögerung berechnet, und der Ort des Teilnehmergeräts wird auf der Grundlage der berechneten Entfernung und des verwendeten Antennenstrahls anhand eines bekannten Richtungswinkels berechnet. Auf der Grundlage dieser Informationen kann das Erfordernis der Aktualisierung der Messliste des Teilnehmergeräts geschätzt werden.
Der Empfängeraufbau gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 12 beschrieben.
Die Benutzerdatenbits werden zuerst einem Kodierer 614 zugeführt, der die Bits typischerweise mit einem Faltungskode kodiert und eine Verschachtelung bei denkodierten Symbolen durchführt. Die erhaltenen verschachtelten Symbole werden einem Spreizspektrummodulator 642 zugeführt, der eine herkömmliche Modulation durchführt. Alle vorstehend beschriebenen Funktionen können entsprechend der bekannten Technologie durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß umfasst die Empfängerimplementation ferner eine Einrichtung 802 zur Steuerung des analogen Phasenabgleichs des zu sendenden Signals im Ansprechen auf das empfangene Signal. Auf der Grundlage der durchgeführten Messungen kennt die Sucheinheit 802 die Richtungswinkel und die entsprechenden Antennenstrahlen, die die besten Signalkomponenten empfangen. Die Sucheinheit hat somit eine Gruppe von Demodulationseinrichtungen zum Empfangen dieser Komponenten zugewiesen. Bei einer praktischen Implementation kann die Steuerung des Sendeendes in der Sucheinheit oder in einer separaten Steuereinheit stattfinden. Der Einfachheit halber wird lediglich die erste Alternativ hier beschrieben, ohne aber die Erfindung darauf zu beschränken. In jedem Fall ist die Idee der Erfindung die gleiche bei beiden Alternativen. Wie vorstehend angeführt werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung die erfassten Eingangsrichtungen, die einen guten Signalpegel umfassen, beim Senden eines Signals in die entgegengesetzte Senderichtung verwendet.
Die Implementation des Sendeabschnitts wird nachstehend anhand von Fig. 11 beschrieben. Der Sender umfasst eine gegebene Anzahl von Antennenelementen 772, 774, 776, die somit die gleichen wie die Antennenelemente in der Empfangsrichtung sein können. Die Antennenelemente sind mit einer TX-Matrix 770 verbunden, deren Funktion in der analogen Phasenabgleichung des zu verschiedenen Antennenelementen zu sendenden Signals besteht, sodass der Hauptstrahl des Richtmusters in die gewünschte Richtung zeigt. Der Eingang der TX-Matrix umfasst K Signale 756, die in D/A-Wandlern 758 bis 762 in analoge Form umgewandelt wurden, und in Hochfrequenzabschnitten 764 bis 768 in eine Hochfrequenz umgewandelt und verstärkt wurden. Wie bereits in Verbindung mit der Beschreibung des Empfangsendes angeführt können die vorstehend beschriebenen Komponenten in der Praxis auf mehrere Arten entweder zusammen oder separat implementiert werden, wie es für den Fachmann ersichtlich ist.
Die TX-Matrix gleicht die K Signale am Eingang bezüglich der Phase derart ab, dass die Antennen Antennenstrahlen in K unterschiedlichen Richtungen liefern, wobei die Richtungen der Antennenstrahlen fest sind und die Strahlen zusammen den gewünschten Bereich abdecken. Die Implementation der TX-Matrix 770 ist ähnlich der der RX- Matrix 706 und kann beispielsweise mit einer Butler-Matrix realisiert werden, die mit passiven 90º-Hybridschaltungen und Phasenschiebern implementiert ist. Die Anzahl K der mit der Matrix 770 erzeugten Antennenstrahlen entspricht nicht unbedingt der Anzahl L der Antennenelemente.
Das modulierte Datensignal und die Steuerung 746 von der Sucheinheit werden von jedem Kanalelement 738, 740, 742 der TX-Schaltmatrix 744 zugeführt, von wo die Signale weiter zu einer Addiereinrichtung 754 geleitet werden. Der Betrieb der Schaltmatrix 744 und der Addiereinrichtung 754 wird nachstehend anhand von Fig. 13 näher beschrieben.
Die TX-Schaltmatrix umfasst einen TX-Schalter 900, 902, 904, der jeder Kanaleinheit entspricht, wobei der Eingang der Schalter sowohl aus dem modulierten Datensignal, das zu senden ist, und das von der Kanaleinheit ankommt, als auch einem Steuersignal 746, 748, 750 von der Sucheinheit der Kanaleinheit besteht. Der Ausgang des TX-Schalters umfasst K Ausgänge 746a bis 746i, d. h., so viele wie Sendeantennenstrahlen. Die Funktion jedes TX-Schalters besteht im Routen des Signals von dem Kanalelement zu den korrekten Sendestrahlen, die mit Signalen zu summieren sind, die von den anderen Kanalelementen ankommen und auf der Grundlage der Steuerung von dem Kanalelement für den gleichen Strahl gedacht sind. Der TX-Schalter führt das ankommende Datensignal in einen oder mehrere Ausgänge Txout#1 bis Txout#K, was von der Steuerung von dem Kanalelement abhängt, d. h., in Abhängigkeit davon, für welche Antennenstrahlen das Signal gedacht ist. Jede Ausgabe ist ein quadratischer digitaler Abtastwert, der mit dem Signalpegel gewichtet ist.
Jede Ausgabe 746a bis 746i des Schalters wird einem der K Addierer 906 bis 910 der Addiereinrichtung 745 zugeführt. Jeder Addierer addiert digital die von verschiedenen Kanaleinheiten ankommenden Datensignale, die für einen gegebenen Antennenstrahl gedacht sind. Die erforderliche Bitanzahl für einen abgehenden Abtastwert wird mit der Formel 2 · (log(n) + m) erhalten, wobei n die Anzahl der Eingänge (Kanaleinheiten) der Addierer, log der Logarithmus auf der Basis 2 und m die Bitanzahl der Abtastwerte ist.
Jede Ausgabe 756a bis 756c der TX-Schalter wird einer entsprechenden Wandlereinrichtung 758 bis 762 und ferner Antennen über eine analoge Phasenabgleichsmatrix wie vorstehend beschrieben zugeführt. Die Sucheinheit 802 wählt die beim Senden zu verwendenden Antennenstrahlen auf der Grundlage der von ihr gemessenen Informationen aus.
Obwohl die Erfindung vorstehend hinsichtlich der Beispiele in der beiliegenden Zeichnung beschrieben wurde, ist ersichtlich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern auf vielerlei Arten innerhalb des Schutzbereichs der in den beigefügten Patentansprüchen offenbarten Idee modifiziert werden kann.
Die Ausrichtung der Antennenstrahlen kann beispielsweise sowohl in der vertikalen als auch der horizontalen Richtung angewendet werden, wodurch der vorstehend beschriebene (α, τ)-Bereich als (α, β, τ)-Bereich verstanden werden kann, wobei α der vertikale Winkel, β der horizontale Winkel und τ die Verzögerung ist.
Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung kohärenter, inkohärenter oder differentiell kohärenter Modulations- und Demodulationsverfahren in den Kanalelementen. Beispielsweise kann zur Ermöglichung einer kohärenten Demodulation in einer Mobilstation die Basisstation ein zusätzliches spreizungskodiertes Signal ohne Datenmodulation in jedem Antennenstrahl als Phasenbezug enthalten. Alternativ dazu können bekannte Bezugssymbole für den gleichen Zweck verwendet werden.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine Positionierung der digitalen Phasenabgleichseinrichtung 618 bis 634 der Kanalelemente in einem gemeinsamen Phasenabgleichseinrichtungsblock, der alle Kanalelemente bedient.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Zuverlässigkeit eines Handover in einem zellularen Funksystem, das in jeder Zelle zumindest eine Basisstation (100) aufweist, die mit Teilnehmergeräten (102) kommuniziert, die sich in ihrem Abdeckbereich befinden,

wobei die Basisstationen (100) die Entfernung jedes Endgeräts (102) von der Basisstation und den Richtungswinkel des von dem Endgerät empfangenen Signals bezüglich der Basisstation messen, und

wobei die Basisstationen den Ort jedes Endgeräts im Abdeckbereich der Basisstation auf der Grundlage des Richtungswinkels und der Entfernung des Endgeräts berechnen,

und wobei die Endgeräte die Signalstärke von den Basisstationen messen, die sich in der Liste naher Basisstationen befinden, die durch das Endgerät geführt wird, um das Erfordernis eines Handover zu bestimmen,

dadurch gekennzeichnet, dass

die durch jedes Endgerät (102) geführte Liste naher Basisstationen auf der Grundlage des für jedes Endgerät berechneten Orts aktualisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstationen (100) die Signale zu und von den Endgeräten (102) mittels einer Antennengruppe (500, 700-704, 772-776) senden und empfangen, die aus mehreren Elementen besteht, indem das zu empfangende Signal und das zu sendende Signal derart abgestimmt werden, dass der von der Antennengruppe erhaltene Gewinn in den gewünschten Richtungen am größten ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstationen (100) den Winkel des größten Gewinns der Antennenstrahlen in die Umgebung des angenommenen Richtungswinkels des Endgeräts (102) ablenken, und dass die Richtung der Bewegung des Endgeräts mittels der durch die Basisstation verwendeten Ablenkung der Antennenstrahlen berechnet wird, und dass die Richtung der Bewegung des Endgeräts bei der Aktualisierung der durch jedes Endgerät geführten Liste naher Basisstationen berücksichtigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch jedes Endgerät (102) geführte Liste naher Basisstationen in jedem Moment lediglich die Basisstationen enthält, in deren Bereich sich das Endgerät schätzungsweise auf Grund seines Orts bewegen kann.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Bewegung des Endgeräts (102) auf der Grundlage der Änderungen im Richtungswinkel und der Verzögerung des vom Endgerät empfangenen Signals berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zukünftige Ort des Endgeräts (102) auf der Grundlage der Änderungen im Richtungswinkel und der Verzögerung des vom Endgerät empfangenen Signals geschätzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstationen (100) Informationen über den Ort jedes Endgeräts in ihrem Bereich zu der Basisstation-Steuereinrichtung (188) übertragen, die über die Basisstationen (100) die durch die Endgeräte geführte Liste der Basisstationen aktualisiert.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage des Orts des Endgeräts (102) den Basisstationen, die in der durch jedes Endgerät geführten Liste naher Basisstationen enthalten sind, entsprechend der Wahrscheinlichkeit Prioritäten zugeordnet werden, mit der sich das Endgerät in den Bereich jeder Basisstation bewegt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen der Basisstationen in dem zellularen Funksystem in Sektoren aufgeteilt sind, und dass jedes Endgerät die Signalstärke von den Sektoren misst, die auf der durch das Endgerät geführten Liste sind.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zellulare Funksystem überlappende Mikrozellen (251-253) und Schirmzellen (255) umfasst, die mit phasengesteuerten Antennengruppen implementiert sind, und dass die Liste naher Basisstationen, die durch ein Endgerät (102) geführt wird, das mit einer Schirmzelle kommuniziert, Mikrozellen-Basisstationen enthält.

11. Zellulares Funksystem, das in jeder Zelle zumindest eine Basisstation (100) aufweist, die mit Endgeräten (102) kommuniziert, die sich in ihrem Bereich befinden, wobei die Basisstationen umfassen:

eine Einrichtung (612, 802) zum Messen des Richtungswinkels und der Entfernung jedes Endgeräts bezüglich der Basisstation,

eine Einrichtung (612, 802) zum Berechnen des Orts jedes Endgeräts im Abdeckbereich der Basisstation auf der Grundlage des Richtungswinkels und der Entfernung des Endgeräts,

und wobei die Endgeräte eine Einrichtung (257) zum Führen einer Liste naher Basisstationen umfassen,

sowie eine Einrichtung (253) zum Messen der Signalstärke von den Basisstationen, die sich in der durch das Endgerät geführten Liste befinden, um das Erfordernis eines Handover zu bestimmen,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Endgeräte in dem System eine Einrichtung (257) zum Aktualisieren der durch jedes Endgerät geführten Liste naher Basisstationen auf der Grundlage des Orts jedes Endgeräts umfasst.

12. Zellulares Funksystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstationen eine Einrichtung (612) zum Berechnen der Richtung der Bewegung des Endgeräts durch Messen und Mitteln der Stärke des von dem Endgerät empfangenen Signals mit verschiedenen Winkeln des Antennenstrahls in der Umgebung des angenommenen Richtungswinkels des Endgeräts umfassen.

13. Zellulares Funksystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstationen eine Einrichtung (612) zum Übertragen von Informationen über den Ort und die Richtung der Bewegung jedes Endgeräts in ihrem Bereich zu der Basisstation-Steuereinrichtung (BSC) und eine Einrichtung (606) zum Übertragen der aktualisierten Basisstationsliste jedes Endgeräts zu dem entsprechenden Endgerät auf der Grundlage eines Befehls von der Basisstation-Steuereinrichtung umfassen.

14. Zellulares Funksystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das System Basisstationen (167) umfasst, deren Abdeckbereich in mehrere Sektoren (158, 160, 162) aufgeteilt ist, und dass die Endgeräte (102) eine Liste der Sektoren führen, deren Leistung sie messen.

15. Zellulares Funksystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zellulare Funksystem überlappende Mikrozellen (251-253) und Schirmzellen (255) umfasst, die mit phasengesteuerten Antennengruppen realisiert sind, und dass die Liste naher Basisstationen, die durch ein Endgerät (102) geführt wird, das mit einer Schirmzelle kommuniziert, Mikrozellen-Basisstationen enthält.