DE69738639T2

DE69738639T2 - Lmds-system mit feststation-diversity und anpassungsfähigkeit

Info

Publication number: DE69738639T2
Application number: DE69738639T
Authority: DE
Inventors: Gerald C. Boxford DI PIAZZA
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: Pine Valley Investments Inc
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2017-06-03
Also published as: WO1997046040A2; EP0903048B1; DE69738639D1; WO1997046040A3; EP0903048A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Millimeterwellen-Kommunikationssystem für einwegige und/oder zweiwegige Video-, Sprach- und Datendienste, das Zellstandortdiversity, Anpassungsfähigkeit der Teilnehmereinheit und ein reflexionsdominiertes Ausbreitungsmodell wirksam einsetzt.
LMDS-Systeme (Local Multipoint Distribution Services) sind ein Mittel zum Bereitstellen von breitbandigen interaktiven Diensten als die bevorzugte drahtlose Plattform, um die gegenwärtige globale breitbandige Kommunikationsinfrastruktur zu verbessern und zu erweitern. LMDS unterscheidet sich von anderen herkömmlichen Kupferkabelsystemen, Lichtwellenleitersystemen und niederfrequenten drahtlosen Systemen durch seine Nutzung der Millimeterwellenfrequenzen für drahtlose Verteilung und zellularartige Layouts für Spektrumswiederverwendung und Spektraleffizienz. Die Hauptvorteile der Millimeterwellen-Verteilsysteme sind die inhärenten breitbandigen Sendebandbreiten, die erzielbar sind, und die Möglichkeit, die Verwendung und damit die Zeit und die Kosten der Implementierung der Drahtinfrastruktur zu minimieren. Beispielsweise wurde durch die Federal Communications Commission eine bei 28 GHz zentrierte Bandbreite von 1 GHz für einen Einweg-Fernehdienst im hauptstädtischen Gebiet von New York City zugeordnet. Bei dieser Zuweisung wurde ein System gemäß den Lehren des an Bossard erteilten U.S.-Patents 4,747,160 eingesetzt. Das System nutzt im Wesentlichen rundstrahlende Zellstandorte, die in einem Zellmittenerreger-Zellularmuster angeordnet sind, um überall im hauptstädtischen Gebiet von New York City für Privatkunden einen Einweg-Fernehdienst bereitzustellen unter Verwendung von Trägem, die bei 28 GHz zentriert sind. Die von den Zellstandorten gesendeten Signale werden von Hochgewinn-/Schmalstrahl-Antennen-/Empfängereinheiten empfangen, die normalerweise unmittelbar innerhalb oder außerhalb eines Fensters des Teilnehmen angeordnet sind. Die empfangenen Signale werden dann abwärtsumgesetzt und über Kabel an eine Set-Top-Empfänger- und Verschlüsselungseinheit geschickt, die die Video- und Audiosignale verarbeitet und an herkömmliche analoge Fernsehsysteme weiterleitet. Jede Zelle hat eine Kanalzuweisung und eine Polarisationszuordnung, wodurch für die Abschwächung der Gleichkanal- und Nachbarkanalinterferenz gesorgt ist, sodass die Frequenzwiederverwendung und deshalb eine verbesserte Spektraleffizienz innerhalb eines gegebenen Versorgungsbereichs ermöglicht wird. Der Zellmittenerreger-Versorgungsplan durch das in der Bossard-Verweisung offenbarte System basiert auf geographisch unterteilten Teilnehmern/Empfängern innerhalb gegebenen Zellen und setzt voraus, dass jeder einer Zelle zugewiesene Empfänger spezifisch von dem einen Zellstandort-Sender und der Rundstrahlantenne versorgt wird, die für die gegebene Zelle geographisch speziell sind, in der der Teilnehmer positioniert ist.
Das in der Verweisung auf Bossard offenbarte System hat Nachteile, die die Anzahl bedienbarer Teilnehmer beschränkt und damit die potentielle Kapitalrendite der Infrastruktur-Investition pro Zellstandort. Zu diesem Zweck setzt das in der Bossard-Verweisung vorgeschlagene System im Wesentlichen (a) eine Sichtlinienausbreitung an die meisten der von einem gegeben Zellstandort bedienten Teilnehmer voraus. Großflächige Ausbreitungsabschattungen, die von Gebäuden zwischen Teilnehmern und ihren designierten bedienenden Zellstandorten erzeugt werden, werden in dem in der Bossard-Verweisung offenbarten System durch Verwendung von Repeatern und/oder dachmontierten Empfängern abgeschwächt, die Wohnungen über eine verdrahtete Gebäudeinfrastruktur bedienen. Die Repeater sind strategisch angeordnet, um die Weitersendung zu ermöglichen, damit die abgeschatteten Flächen versorgt werden. Eine notwendige Folge der Sichtlinienvoraussetzung ist leider die große Anzahl von Repeatern, die für den Einsatz und die Wartung des Systems nötig sind, um angesichts der für große urbane Flächen charakteristischen komplexen und veränderlichen Umgebungsverhältnisse einen annehmbaren Service zur Verfügung zu stellen. Das heißt, die Repeater können benutzt werden, um die Signalqualität eines abgeschatteten Teilnehmers zu verbessern, jedoch zu erhöhten Kosten. Der aggressive Einsatz von Repeater-Standorten bei einer Einweg-Rundfunk-Verfahrensweise, wo die meisten Zellstandorte identische Information senden, ist nicht unbedingt mit effizienter Frequenzwiederverwendung kompatibel, wenn die von den Zellstandorten gesendete Information nicht identisch ist oder wenn Zweiweg-Sendesysteme genutzt werden.
Schließlich werden durch Atmosphäre und Umgebung hervorgerufener Trägerschwund, der von Teilnehmerempfängern und, im Falle von Zweiwegsystemen, von Zellstandortempfängern abgefangen wird, zusätzliche Beschränkungen auferlegt, die die Sendeleistungsfähigkeit ungünstig beeinträchtigen können. In diesem Zusammenhang kann Schwund durch Regendämpfung, Strahlenablenkung und Mehrweg auftreten. Das System der Bossard-Verweisung setzt kein systematisches Mittel ein, um die schädlichen Auswirkungen des durch solche Phänomene verursachten Schwunds zu reduzieren. Dementsprechend wird ein Millimeterwellensystem gebraucht, das die Standortteilnehmer vermehrt und für spektrale Wiederverwendung sowohl bei Einweg- als auch Zweiwegkommunikation sorgt unter Verwendung eines erschwinglichen Zellstandort-Versorgungsplans.
EP-A-0201254 beschreibt ein terrestrisches Funksystem, das Punktstrahlen, Vielfachzugriff im Zeitmultiplex und Frequenzwiederverwendung nutzt, um Kommunikationsdienste von einer Basisstation an Fernkunden innerhalb einer Systemdienstregion zu liefern. Die Basisstation ist vorteilhafterweise mit mehrstufiger Vermittlung ausgerüstet, um jeweils das gemeinsame Benutzen der Funksender und -empfänger über eine große Anzahl von Antennen-Sendeports und -Empfangsports zu ermöglichen.
US-A-5519409 beschreibt eine planare Array-Antenne zum Empfang von Satellitenrundfunk. Ein Hauptkörper der Antenne enthält eine Art zentrale Stromversorgungsstruktur, die am Rotationszentrum ein Stromversorgungsteil aufweist. Ein Konverter enthält ein dielektrisches Substrat mit einem auf dem Substrat geformten Mikrostreifenkanal und ein Gehäuse zur Unterbringung dieses dielektrischen Substrats. Der Konverter ist an einer unteren Seite des Hauptkörpers der Antenne befestigt und unterstützt drehbar den Hauptkörper. Ein Stromversorgungsteil enthält eine mit einer Isolierhülse versehene Stromversorgungssonde, deren oberes Endteil in einen Zwischenraum im Hauptkörper der Antenne eingeführt ist. Das Mittelteil der Sonde geht durch das Konvertergehäuse, und sein unteres Endteil ist mit dem auf dem dielektrischen Substrat des Konverters geformten Mikrostreifenkanal verbunden. Ein Rotationsmechanismus zur Zielverfolgung der Azimutwinkelrichtung enthält einen zylindrischen Körper, der vom Boden des Antennenhauptteils an der Außenseite des Konverters nach unten herausragt, und es wird ein Antriebsmechanismus zum Rotieren dieses zylindrischen Körpers bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Millimeterwellen-Funkkommunikationssystem für Einweg- und/oder Zweiweg-Kommunikationsdienste in einer Vielfalt von urbanen und suburbanen Bevölkerungszentren. Es sieht Kommunikationen auf Millimeterwellen-Trägerfrequenzen zwischen Teilnehmern und Zellstandort-Servern vor. Die Server werden an eine zentrale Quelle und/oder eine Netzinfrastruktur durch herkömmliche Kupfer-, Lichtwellen- und/oder drahtlose Verbindungen angeschlossen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Gebrauch eines Einzelreflexions-Ausbreitungsmodells zu entwerfen, das die Gelegenheit zum Erreichen der Teilnehmermehrheit innerhalb eines gegebenen urbanen Gebiets ohne reichlichen Einsatz von Repeatern rationalisiert.
Die Erfindung liegt in einem lokalen System für Mehrpunkt-Verteildienste, wie hierin in Patentanspruch 1 offenbart ist.
Die Erfindung ermöglicht Variabilität der Systemkomplexität, zugeschnitten auf die Reife des zu bedienenden Bevölkerungszentrums. Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Erfindung eine Vielfalt von Rundstrahl- und Richtantennenplänen, Frequenzzuweisungsplänen, Zellstandortstrukturen und adaptiven Empfangs-/Sendeplänen ins Auge gefasst. Zellstandortdiversity wird eingesetzt und ermöglicht abgeschatteten Empfängereinheiten vom besten der umgebenden Zellstandorte bedient zu werden, wobei dessen Auswahl nicht auf der Basis der geometrischen Zweckmäßigkeit, sondern der Ausbreitungseffizienz getroffen wird. Zellstandortdiversity kann benutzt werden, um die nachteiligen Auswirkungen der Umwelt- und atmosphärischen Faktoren abzuschwächen. Schließlich reduziert die vorliegende Erfindung die Abhängigkeit von Repeatern durch Verwendung von statistisch optimalen Bedingungen für die Zellstandortauswahl mit reflexionsbasierten Modellen anstelle von Sichtlinienmodellen, auf die sich der Stand der Technik stützt.
Die Erfindung ermöglicht den Entwurf eines Versorgungsplans, der das Erfordernis für Spektraleffizienz durch Kanalwiederverwendung innerhalb eines gegebenen Versorgungsbereichs unter Verwendung von Richtantennen erfüllen kann, um die Versorgungsbereiche für ausgewählte Kanäle zu beschränken; außerdem Frequenzsegmentierung gemäß Erfordernis an jedem Zellstandort; und Polarisationsdiversity gemäß Erfordernis für selektive Sendung und Empfang der vertikal und horizontal polarisierten Träger.
Die Erfindung ermöglicht den Entwurf der wirksamen Einsätze einer Millimeterwelle, eines zellularartigen Versorgungsplans für Eisweg- und/oder Zweiweglieferung mit hoher Wiedergabetreue, analoger oder digitaler Sprach-, Daten- und Sprach-Video-Dienste in dicht besiedelten urbanen Gebieten. Außerdem kann sie solche Dienste mit hoher Wiedergabetreue an alle Teilnehmer in einem gegebenen urbanen Gebiet bereitstellen, wobei sowohl Teilnehmer außer Sichtlinie als auch Teilnehmer in Sichtlinie eingeschlossen sind.
Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, die Verwendung eines Zellstandortdiversity-Algorithmus zu rationalisieren, der jedem Teilnehmereinheits-Antennenstrahl ermöglicht, so gerichtet zu werden, dass der Service von jedem der umgebenden Zellstandorte auf der Basis der Maximierung des Träger-zu-Rausch- oder Träger-zu-Interferenz-plus-Rausch-Verhältnisses geliefert werden kann.
Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, einen Versorgungsplan zu entwerfen, der die Flexibilität hat, Startop-Dienste auf der Basis von Zellmittenerregern, omnidirektionalen Zellstandortsendern und rauschbegrenzter Kanalnutzung bereitzustellen, sowie ausgereifte Dienste auf der Basis von Zellperipherieerregern, gerichteten Antennen und interferenzbegrenzter Kanalnutzung. Zellgeometrien mit Zellmittenerregern und Zelleckenerreger könnten als Spezialfälle dieser Offenbarung angesehen werden.
Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, einen Versorgungsplan zu entwerfen, der das Erfordernis erfüllen kann, durch Kanalwiederverwendung innerhalb eines gegebenen Versorgungsgebiets Spektraleffizienz zu erzielen durch Verwendung von:

• Richtantennen, um die Versorgungsgebiete für ausgewählte Kanäle zu beschränken,
• Frequenzsegmentierung an jedem Zellstandort,
• Polarisationsdiversity, d. h. vertikal und horizontal gesendete Träger, die selektiv empfangen und detektiert werden können, und
• Leistungssteuerung am Teilnehmer, um das Interferenzpotential zu begrenzen.

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, einen zellularähnlichen Versorgungsplan zu entwerfen, der nicht wie in herkömmlichen Mobilzellenplänen durch geometrische Nebenbedingungen beschränkt ist, sondern stattdessen durch Ausbreitungsnebenbedingungen beschränkt ist, die für jeden Teilnehmer/Zellstandort-Sendepfad spezifisch sind.
Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass sie den Gebrauch von echtzeitigem adaptivem Empfang ermöglicht, um Ausfälle abzuschwächen, die von bestimmten durch Umwelt und Atmosphäre hervorgerufenen Schwundphänomenen verursacht werden.
Zu den beigefügten Zeichnungen:
1 ist eine schematische Ansicht einer typischen Zellstandort-Überlappung nach dem Stand der Technik, worin ein Repeater benutzt wird, um die Versorgung eines abgeschatteten Teilnehmers zu bewirken.
2 zeigt sowohl Sichtlinienempfang als auch Einzelreflexions-Spiegelempfang.
3 ist eine schematische Repräsentation von verschiedenen Zellstandorten der vorliegenden Offenbarung.
4A ist ein Beispiel für den Gebrauch von Zellstandortdiversity zum Maximieren des Signals an einen abgeschatteten Teilnehmer.
4B zeigt mögliche Beispiele der Populationsdichte gegen die mittlere Signalstärke für verschiedene Standorte in vier in 4A gezeigten Zellen.
5 ist ein Zelleckenerreger-System der vorliegenden Offenbarung.
6A ist ein Blockdiagramm eines adaptiven Keulenschwenkungsempfängers.
6B ist ein Blockdiagramm eines adaptiven Keulenschwenkungs- und Positionierempfängers.
Die Offenbarung der vorliegenden Erfindung basiert auf der Voraussetzung, dass der Versorgungsplan auf effiziente Weise Dienst an Nichtsichtlinien-Teilnehmer einschließen muss ohne Verwendung von Repeatern als dem Mechanismus, mit dem durch große vielgeschossige Strukturen und andere atmosphärische Einflüsse erzeugte Abschattungen abgeschwächt werden. Vorausgesetzt, dass die Mehrheit der potentiellen Teilnehmer innerhalb eines urbanen Versorgungsgebiets Nichtsichtlinien-Wohnsitze hat, ist es klar, dass ein Nichtsichtlinien-System effektiv sowohl die Erfordernisse der Systemleistungsfähigkeit als auch der Kosten erfüllen muss. Das Bedienen von Nichtsichtlinien-Teilnehmern kann dadurch angegangen werden, dass die Auswirkungen eines Ausbreitungsmodells untersucht werden, das von einer Spiegel- oder kohärenten Reflexion Gebrauch macht, um einen abgeschatteten Teilnehmer zu erreichen. Die vorliegende Erfindung stutzt sich nicht auf Repeater, um einen abgeschatteten Teilnehmer zu erreichen, sondern benutzt stattdessen ein Zellstandortnetz, das das best mögliche Signal an einen gegebenen Teilnehmer unter Verwendung von Zellstandortdiversity erzeugt.
Das Konzept der Zellstandortdiversity ermöglicht das Bedienen von abgeschatteten Teilnehmereinheiten durch die beste Auswahl der umgebenden Zellstandorte auf der Basis der Ausbreitungseffizienz und nicht der geometrischen Lage. Wendet man sich 2 zu, so sieht man zwei Ausbreitungsgrundmodelle zum Erwägen der vorliegenden Offenbarung. Fall 1 ist freier Raum oder Sichtempfang, die Basis für statistische Analyse in der vorliegenden Offenbarung. Für eine gegebene Menge der Systemimplementierungsparameter und für einen gegebenen Schwellenwert des Träger-Rausch-Verhältnisses (CNR), ist der Sichtlinienbereich (LOS-Bereich) eines gegebenen Zellstandortsenders wie folgt gegeben:
Wo P_t die an die Sendeantenne angelegte Leistung ist; G_t der Sendeantennengewinn ist; G_r der Empfangsantennengewinn ist; F_r die Rauschzahl des Empfängers ist; k die Boltzmann-Konstante ist; T₀ die Raumtemperatur in Kelvin ist; B die Kanalbandbreite ist; L_R die durch Regen verursachte Dämpfung als eine Funktion des Bereichs ist; R der Bereich ist; und Lambda die Freiraumwellenlänge ist. Hat das Träger-Rausch-Verhältnis eine Größenordnung von 22 dB, dann ist bei typischen Systemen der annehmbare Sichtlinienbereich erreicht. Der Nichtsichtlinienbereich ist jedoch das Produkt aus dem Sichtlinienbereich und einem Faktor ρ², wodurch eine Reflexion berücksichtigt wird, bevor das Signal auf die Teilnehmerantenne auftrifft. Dementsprechend lässt sich durch einfache Analyse ableiten, dass der Nichtsichtlinienbereich ρ² × R_LOS ein bestimmter Bruchteil des Sichtlinienbereichs für dieselbe Größenordnung von 22 dB ist, wobei annehmbare Empfangspegel realisiert werden.
Der Bereich für den in 2 gezeigten Fall 2, der eine Spiegelreflexion voraussetzt, wird durch Multiplikation des Sichtlinienbereichs R_LOS mit dem Reflexionskoeffizienten ρ² des Spiegelreflektors und Division durch (1, 1)² erhalten. Der Parameter 1, 1 setzt voraus, dass die statistischen Pfadlängen für die Spiegelungskomponenten die Größenordnung von einem Zehntel der Freiraum-Sendepfadlänge haben. Die Größe des Reflexionskoeffizienten wird eine Funktion der Eigenschaften des reflektierenden Materials, der Dicke des Materials und des Zustands seiner Oberfläche sowie des Einfallswinkels sein. Um die Berechnung zu erleichtern, wird der mit der Reflexion im Ausbreitungsmodell assoziierte Parameter statistisch unter der Voraussetzung verarbeit, dass er einen Mittelwert mit einer assoziierten Verteilung hat. Ist Glas das für Spiegelreflexionen primär verantwortliche Material, dann könnte man eine Schätzung für ein statistisches Mittel von 0,25 rationalisieren mit einer Standardabweichung von 0,2, wodurch Variationen im Einfallswinkel berücksichtigt werden. Verglichen mit Glas würden Metalloberflächen die mittlere Reflexion erhöhen; Beton- oder Backsteinoberflächen würden sehr wahrscheinlich mittlere Reflexionen aufweisen, die der für Glas ähnlich sind oder die kleiner sind. Nimmt man beispielsweise an, dass Glas das dominierende Reflexionsmedium in einer dichten urbanen Umgebung ist, dann ist der mittlere Bereich für einen einzelnen Reflexionsfall 0,25 R_LOS was eine wesentliche Reduktion des Bereichs bedeutet. Nimmt man jedoch an, dass Zellstandortdiversity die CNR-Statisitk um ungefähr 3 dB verbessert, wie später erklärt wird, dann ist die Differenz zwischen Sichtlinienmodell im Fall 1 und Einzelreflexionsmodell im Fall 2 von der Größenordnung 2:1 im Bereich. Da die Fläche eines Kreises dem Quadrat des Radius proportional ist, wird im Vergleich zum Sichtlinenmodell das Versorgungsgebiet des Nichtsichtlinienmodells mit einem annehmbaren Signalpegel um einen Faktor vier reduziert. Das Schlussresultat in einem solchen System erfordert viermal soviel Zellstandorte im Einzelreflexions-Nichtsichtlinienszenario wie im Sichtlinienszenario. Das bedeutet natürlich, dass das Vierfache an Teilnehmern gebraucht wird, um die zusätzliche Infrastruktur zu unterstützen. Dies ist in dicht besiedelten urbanen Gebieten sicherlich eine erreichbare Zahl. Natürlich erfordert eine Zunahme in der Teilnehmerzahl durch eine Abnahme im Dienstgebiet eines Zellgebiets, dass Gleichkanal- und Nachbarkanalstörungen durch Verwendung von Frequenzzuteilungsplanung, Polarisation und/oder Richtantennen an den Zellstandorten abgeschwächt werden.
Das hierin offenbarte System ist weder ein reiner Zellmittenerregerplan noch ein reiner Zelleckenerregerplan. Die Struktur der vorliegenden Offenbarung umfasst die Flexibilität und Koexistenz von beiden, indem sie einen relativ einfachen rauschbegrenzten, zellmittenerregten, omnidirektionalen Versorgungsalgorithmus für Startup-Systeme ermöglicht sowie eine Entwicklung in Richtung auf einen ausgereiften, interferenzbegrenzten Richtungsversorgungsalgorithmus, wo Zellstandort-Antennenrichtwirkung für Kanalmengenisolierung von Zelle zu Zelle erforderlich sein kann. Der in dieser Offenbarung vorgeschlagene Versorgungsplan soll als flexibel, dynamisch und makroskopisch adaptiv angesehen werden durch Verwendung der Geometrie und Ausbreitungsstatistik beim Bestimmen der Zellstandortaufstellung. Das System der vorliegenden Offenbarung enthält verschiedene Ebenen der Systemreife und -kapazität, wobei es sowohl Zellen mit Zellmittenerregern als auch mit Zellperipherieerregern selektiv verwendet; außerdem sowohl omnidirektionale als auch direktionale Zellstandortantennen; und die Koexistenz von verschiedenen Zellgrößen innerhalb eines Versorgungsgebiets.
Beim Einsatz der vorliegenden Erfindung ist es notwendig, adaptive Empfangertechnologie anzuwenden, um Kanalzuverlässigkeit für ein Millimeterwellen-Verteilsystem besonders für Daten- und Informationsoptionen aufrechtzuerhalten. Millimeterwellenlängen sind empfindlich gegen mehrere durch Umwelt und Atmosphäre hervorgerufene Schwundformen. Zu diesem Zweck wird Regen als eine der schwersten Formen des Millimeterwellen-Leistungsabfalls angesehen, was sich in der Form von durch Absorption hervorgerufener Signaldämpfung manifestiert. Bei schwerem Niederschlag können die Dämpfungspegel eine Höhe von beachtlichen 5 dB pro Meile (1,61 km) erreichen. Regen kann auch für subtile Schwundformen verantwortlich sein, und zwar in dem Sinn, dass die Oberfläche eines dominanten Spiegelreflektors bei Nasse bewirkt, dass der reflektierte Strahl verzerrt wird oder vom Schwerpunkt des Teilnehmereinheits-Antennenmusters verschoben wird. Obwohl adaptive Dämpfung die Verschlechterung wegen alleiniger absorptiver Dämpfung nicht abschwächt, kann sie dazu beitragen, einen Teil der Schwundverschlechterung wegen der Auswirkungen der Strahlverschiebung und der Mehrwegprobleme abzuschwächen. Adaptiver Empfang soll sowohl den Monteur als auch den Teilnehmer einbeziehen, um die Antenne am Teilnehmerstandort zu positionieren und auszurichten, sodass das beste Signal-zu-Interferenz-plus-Rausch-Verhältnis erzielt wird.
Schließlich kann Schwund an der Teilnehmerantenne wegen Mehrfachreflexionen auftreten, die von verschiedenen Reflektoren einfallen, die innerhalb des Empfangswinkels der Antenne liegen. Der Gebrauch von Teilnehmerantennen mit sehr hohem Gewinn kann diese Form des Mehrwegschwunds selektiv eliminieren oder wesentlich reduzieren. Falls nicht, kann adaptiver Empfang benutzt werden, um Mehrwegschwund zu eliminieren oder wesentlich zu reduzieren. Die Details des adaptiven Empfangs werden hierin nachfolgend beschrieben.
Prinzipiell könnte der Schwundeffekt an einer Teilnehmerantenne als eine Verschiebung im spiegelreflektierten Strahl und/oder als eine Positionsverschiebung des lokalen Signalstärkemaximums oder beides beschrieben werden. Mikroskopische Ausbreitungsstatistiken an Millimeterwellenfrequenzen unterscheiden nicht zwischen den Ereigniswahrscheinlichkeiten der verschiedenen Schwundformen. Es lässt sich intuitiv argumentieren, dass die meisten Schwundereignisse wahrscheinlich als Verschiebungen im Strahlschwerpunkt des reflektierten Signals modelliert werden. In einigen Fällen von Mehrwegschwund ist es wahrscheinlich, dass auch eine Positionsverschiebung des Signalstärkemaximums manifestiert wird. In beiden Fällen ist es möglich, die Maxima der Signalstärke durch einen speziellen Frontend-Antennenkombinator, einen Empfänger und eine Rückkopplungsschleife aufrechtzuerhalten, mechanisch verbunden mit der Antennenbefestigung oder elektrisch verbunden mit einem Keulenschwenkungsnetz, um eine Neupositionierung der Antennenkeule und ihrer Orientierung zu bewirken. Solche Anwendungen liegen innerhalb des Bereichs des adaptiven Empfangs und sind ähnlich beschaffen wie funkpeilende Array-Radarsensoren.
In der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Einweg-Rundfunksystem offenbart, wo die Mehrheit der wiederbenutzten Kanäle identische Information trägt. Ein typisches Rundfink-Layout für das Einweg-Rundfunksystem ist so, wie es in 3 gezeigt wird. Zellmittenerregte omnidirektionale Zellstandorte 301, für Diskussionszwecke mit A, B, C, D bezeichnet, werden an ungefähr dem doppelten Sichtlinienbereich eines jeden Senders angeordnet. Prinzipiell würde ein Einweg-Rundfunksystem einen Sendestandort für ein gegebenes Dienstgebiet erfordern, falls genügend Trägerleistung verfügbar gemacht werden sollte. Der Stand der Technik auf dem Gebiet der Millimeterwellensender beschränkt den Bereich der annehmbaren mittleren Signalleistung auf wenige Meilen. Dementsprechend muss ein Sendernetz eingesetzt werden, um ein großes Teilnehmergebiet zu bedienen, was deshalb die Wiederverwendung der Rundfunkkanäle durch das gesamte Versorgungsgebiet erfordert. Im hierin offenbarten Einwegsystem ist die Wiederverwendung eines bestimmten Frequenzsegments durch die Interferenzverzerrung eingeschränkt, die erzeugt wird, wenn einer gegebenen Teilnehmereinheit durch die Layout-Geometrie ermöglicht wird, Gleichkanal- und und/oder Nachbarkanalträger von Zellstandorten zu empfangen, die vergleichbare Signalstärkepegel aufweisen. Das Maß annehmbarer Verzerrung wird normalerweise durch Träger-Interferenz-Verhältnisse (C/I-Verhältnisse) am Empfänger des Teilnehmen angegeben. In einem drahtlosen Verteilsystem kann Gleichkanalinterferenz an einer Antenne des Teilnehmers innerhalb einer gegebenen Zellstandortversorgung durch Skizzieren der Entfernungen zwischen bedienenden und potentiell störenden Zellstandorten beschränkt werden. Dies bedeutet, dass das Träger-Interferenz-Verhältnis eine Funktion einer Potenz des Entfernungsverhältnisses ist, wobei die Potenz meistens größer gleich 2 ist. Wie vorhergehend angegeben, sind annehmbare Zellradien Distanzen solche, wo der Träger-Interferenz-Pegel von 22 dB erreicht wird. Dementsprechend wird durch Wiederholung einer bestimmten Frequenz bei ausreichend großer Entfernung die Gleichkanalinterferenz durch Frequenzwiederverwendung im Wesentlichen vermieden.
Außerdem können andere Methoden angewendet werden, um Gleichkanalinterferenz zu beschränken. Segmentierung der Zellstandort-Sendeantennen in Richtantennen kann benutzt werden, um Kanäle auf spezifische Versorgungsgebiete zu beschränken. Außerdem kann orthogonale Polarisation der Gleichkanalsendung benutzt werden, um Signale innerhalb desselben Versorgungsgebiets voneinander zu isolieren. Zu Beispielszwecken betrachte man den Zellstandort A (302), der auf Frequenz-Kanalmenge F1 sendet unter Verwendung einer vertikal polarisierten Antenne, die durch F1V (303) bezeichnet ist. Der Zellstandort B (304), der dem Zellstandort A (302) benachbart ist, sendet Frequenzkanalmenge F2 unter Verwendung einer vertikal polarisierten Antenne, die durch F2V (305) bezeichnet ist. Zellstandort C (306) sendet Frequenzkanalmenge F1 unter Verwendung einer horizontal polarisierten Antenne, die durch F1H (307) bezeichnet ist, während Zellstandort D (308) Frequenzkanalmenge F2 unter Verwendung einer horizontal polarisierten Antenne sendet, die durch F2H (309) bezeichnet ist. Jeder spezifische Kanal innerhalb der Frequenzkanalmenge F2 ist zwei spezifischen Kanälen mit einer Frequenzkanalmenge F1 benachbart. Deshalb muss das System der 3 Signalstärken-Nebenbedingungen einbeziehen, die sowohl Gleichkanalinterferenz als auch Nachbarkanalinterferenz betreffen. Man betrachte wieder zu Beispielszwecken die Teilnehmereinheit S (310), die innerhalb der geographischen Grenzen der Zelle A liegt, aber vom Gebäude X (311) abgeschattet wird. Während nach dem Stand der Technik ein Repeater auf dem Dach von Gebäude X (311) benutzt werden würde, stützt sich die vorliegende Erfindung auf statistische Wahrscheinlichkeit, um einen umgebenden Zellstandortsender B, C oder D zu bestimmen, der dem Teilnehmer S mit einem annehmbaren Signal versorgen kann, beispielsweise 22 dB, wie oben erörtert ist. Natürlich erfordert ein solches System eine statistisch verifizierte Ausbreitungsstudie, um die Zellstandorte durch das ganze Versorgungsgebiet korrekt zu orten. Die Offenbarung der vorliegenden Erfindung stützt sich auf das oben vorgeschlagene und beschriebene Einzelreflexionsmodell als eine Richtschnur für das Layout eines Millimeterwellen-Verteilsystems.
Das statistische Ausbreitungsmodell mit Einzelreflexion der vorliegenden Offenbarung ist auch als Zellstandortdiversity bekannt. Wendet man sich 4A zu, so sieht man ein Szenario, in dem wesentliche Teile einer gegebenen Zelle durch von Menschen geschaffene Strukturen abgeschattet sind. Mit herkömmlichen Methoden werden Teilnehmer innerhalb der Gebiete, die vom sendenden Zellstandort (beispielsweise S1, als 401 gezeigt) abgeschattet sind, durch Verwendung von einem oder mehreren Repeatern bedient, die strategisch positioniert sind, um innerhalb der abgeschatteten Zone annehmbare Signale zu liefern. Das Positionieren, Installieren und Warten der Anzahl von Repeater, die erforderlich sind, um ein großes und sich entwickelndes urbanes Zentrum zu versorgen, ist beschwerlich und unberechenbar. Außerdem ist die Auswirkung der erforderlichen Anzahl von Repeater auf Gleichkanal- und Nachbarkanalinterferenz schädlich, wenn sie nicht sogar den Zweck der Repeater vereitelt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht das Bedienen der Teilnehmereinheit durch irgendeinen der umgebenden Zellstandorte. Die Wahl des Zellstandortdiensts, die nach dem Stand der Technik auf den von einem gegebenen Zellstandort geographisch unterstützten Ausbreitungspfad beschränkt ist, würde auf mehrfache Zellstandorte ausgedehnt werden. Die Implementierung eines solchen Systems verbessert das Träger-Rausch-Verhältnis um beachtliche 3 oder 4 dB.
Wendet man sich 4B zu, so sieht man vier graphische Repräsentationen. Die Graphen bilden die Populationsdichte gegen die mittlere Signalstärke ab. Die Populationsdichte ist der Bruchteil der Ereignisse, die einen bestimmten Wert der Signalstärke bei einem gegebenen Radius haben. Graph I zeigt die Signalverteilung für Zellstandort A; Graph II für Zellstandort B; Graph III für Zellstandort C; und Graph IV für Zellstandort D. Die empfangenen Signale sind nicht korrelierte normale Signalstärkeverteilungen von den vier Zellstandorten, alle mit Entfernungen, die das zu bedienende abgeschattete Gebiet, in 4A als S1 bezeichnet, durchschneiden. Da die Einzelreflexion-Signalstärkestatistiken wegen der Variation der Einfallswinkel an den reflektierenden Oberflächen von jeder der umgebenden Zellstandorte mit großer Wahrscheinlichkeit nicht korreliert sind, liefert die Gelegenheit zur Auswahl des besten der vier Zellstandortkandidaten die erwartete Verbesserung des Träger-Rausch-Verhältnisses. In dem bestimmten Szenario, das in 4B graphisch dargestellt wird, würde der Monteur offensichtlich die Wahl treffen, den Dienst bei S1 vom Zellstandort B zu empfangen, der die größte Signalstärke bietet. Ein anderer Weg, die Diversity der Wahl des besten aus umgebenden Zellstandorten zu betrachten, ist die Tatsache, dass sie den Radius oder R_NLOS eines jeden Zellstandorts statistisch erhöht. Statistische Analyse zeigt, dass die Implementierung eines Systems, wie es beispielsweise in 4A gezeigt ist, den Radius um 50% vergrößert, was effektiv dasselbe ist wie eine Erhöhung der Zellgröße. Auf diese Weise wird eine Reduktion in der erforderlichen Infrastruktur realisiert.
Um die Diversity der Zellstandort-Wahlmöglichkeiten zu erzielen, muss die Teilnehmereinheit dazu fähig sein, Kanäle der beiden Frequenzmengen F1 und F2 in dem in 4A und 4B gezeigten Szenario zu detektieren. Zusätzlich zum selektiven Frequenzempfang, muss die Antenne der Zellstandorte dazu fähig sein, den Empfang der vertikal und horizontal polarisierten Signale selektiv zu isolieren. Praktische Antennenisolierungen, die in Zellularverteilsystemen unter Verwendung von Polarisierung realisiert worden sind, haben die Größenordnung von 20 dB bis 25 dB. Sind die Frequenzen von Nachbarkanälen zu dicht beabstandet oder ist die durch Antennenpolarisation erreichbare Isolierung nicht ausreichend stark, dann ist auch erforderlich, an den Zellstandorten Direktivität der Antennen einzusetzen. Wiederum können solche Ergänzungen der Infrastruktur erforderlich sein, wenn die ausgereifteren Umgebungseinstellungen realisiert werden.
Zusätzlich zu den oben offenbarten Systemen verwendet eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Zweiweg-Versorgungsplan, der in 5 veranschaulicht ist. Im System der zweiten Ausführungsform werden direktive Zellstandortantennen verwendet, um ein beschränktes Segment eines Zellenrasten selektiv zu versorgen. Die Auswahl des spezifischen zellularen Versorgungsplans wird meistens auf der Basis der Spektraleffizienz getroffen oder darauf, wie oft eine gegebene Kanalmenge innerhalb eines gegebenen Dienstgebiets wiederbenutzt werden kann. Der Standort der Zellstandort-Kanalmengen wird bestimmt durch den geschätzten Signalstärkepegel sowohl der Gleichkanal- als auch der Nachbarkanalinterferenz, die sowohl an den Teilnehmer- als auch an den Zellstandortantennen abgefangen wird. Für Zweiweg-Millimeterwellen-Verteilsysteme ist die pro Einheitsbandbreite abgestrahlte effektive isotrope Leistung sowohl für Zellstandorte als auch Teilnehmer ungefähr gleich. Die Tatsache, dass Antennen mit sehr hohem Gewinn für Teilnehmerempfänger verwendet werden, ist wesentlich, da solche Antennen den Pegel der Millimeterwellenleistung, die erzeugt werden muss, minimieren und damit die Kosten der Teilnehmereinheit. Der Einsatz der Zellstandorte ist deshalb an den Bereich gebunden, den die Kombination der Teilnehmereinheits-Sendeleistungspegel und Antennengewinne unterstützen kann, und herkömmlicherweise eine Größenordnung von mehreren Meilen hat. Außerdem werden jedoch einige Teilnehmer nahe genug zu den bedienenden Zellstandorten sein, sodass die Sendeleistungspegel gesteuert werden können, um die Interferenz in anderen Zellstandort-Versorgungsgebieten zu beschränken. Eine solche Variation der Sendeleistungspegel könnte auch auf adaptive Weise auf der Basis des vom bedienenden Zellstandort empfangenen Leistungspegels erzielt werden.
Wie oben angemerkt ist, wird die Wiederverwendung eines bestimmten Frequenzsegments durch die Interferenzverzerrungen beschränkt, die erzeugt werden, wenn einer gegebenen Teilnehmereinheit durch die Layout-Geometrie ermöglicht wird, Gleichkanal- oder Nachbarkanalträger von mindestens zwei Zellstandorten zu empfangen, die ähnliche Signalstärkepegel haben. Das Träger-Interferenz-Verhältnis an der Teilnehmereinheit ist, wie oben erwähnt wurde, das quadrierte Verhältnis der Entfernungen vom Gleichkanal-Zellstandort zum bedienenden Zellstandort unter Verwendung des in 2 für Einzelreflexionsmodellierung offenbarten Modells. Ein solches Szenario würde nahe legen, dass das Verhältnis der Entfernungen die Größenordnung 12:1 hat, um das erforderliche C/I-Verhältnis von 22 dB zu erzielen. Ein solches System wäre unpraktisch. Das im an Bossard erteilten Patent '160 gezeigte System demonstriert, dass das Verhältnis sehr viel praktischer gemacht werden kann unter Verwendung der sehr hohen Direktionalität der Teilnehmereinheits-Antennen, um dazu beizutragen, dass die Sendung von Gleichkanal-Zellstandorten abgeschwächt wird. Ein solches System könnte aber nur dann funktionieren, wenn die bedienenden und störenden Signale wesentlich unterschiedliche Eingangswinkel aufweisen. Die Verwendung von Richtantennen an Zellstandorten, um die Wahrscheinlichkeit unannehmbarer Gleichkanalinterferenz zu reduzieren, ist eine zulässige Annahme. Nach den Argumenten, die zur ersten Ausführungsform vorgebracht wurden, können Frequenzsegmentierung, Polarisationsdiversity, Zellstandortdiversity, direktiver Gewinn beim Teilnehmer und direktiver Gewinn an den Zellstandorten erforderlich sein, um ein dicht konfiguriertes Millimeterwellensystem zu bedienen, besonders im Zweiwegszenario der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 5 gezeigte Veranschaulichung ist ein Beispiel, wie alle Hauptmerkmale implementiert werden könnten. Das in 2 gezeigte Gitter-Array für Zellstandorte sieht Zellen mit Eckenerregern vor, deren Frequenzen in 5 mit 1, 2, 3 und 4 bezeichneten sind, mit der erforderlichen Polarisationsdiversity und der wie hierin vorausgehend offenbarten Direktivität.
Zusammenfassend wird festgestellt, dass bestimmte Schwundtypen durch adaptiven Empfang unter Verwendung von radarartigen Sensorfunktionen abgeschwächt werden können, die die Ausrichtung der Teilnehmerantennenkeule kontinuierlich aktualisieren, um deren Fokus auf die maximale Signalstärke aus einer Vielfalt von Zellstandorten aufrechtzuerhalten, wie in Verbindung mit 4A und 4B erörtert wurde. Solche Systeme, wie sie in den 6A und 6B gezeigt werden, sind zwei von vielen Ansätzen, die benutzt werden können, um Signalstärkeempfang auf kontinuierlicher Basis zu optimieren, wobei manuelle Eingabe entweder durch den Teilnehmer oder den Monteur am Teilnehmerstandort reduziert wird. Schwund wegen Mehrwegreflexion kann zusätzlich zur Anpassung der Keulenausrichtung eine virtuelle Positionsanpassung der Teilnehmerantenne erfordern. In diesem Fall kann die effektive Antennenapertur um etwa eine Viertelwellenlänge oder ungefähr 2,54 mm (0,1 Inches) bei der Trägerfrequenz von 28 GHz bewegt werden. Dies geschieht durch Implementieren von mindestens zwei Überlagerungspatch-Arrayaperturen, die auf einer Leiterplatte mit einem Abstand der Größenordnung einer Viertelwellenlänge implementiert werden. Der Ausgabeport jeder Antenne wäre dann in den Empfänger eingeschaltet, wie es für die Aufrechterhaltung einer annehmbaren Signalstärke erforderlich ist.

Claims

Lokales System für Mehrpunkt-Verteildienste, das ein geographisches Gebiet versorgt, umfassend: eine Vielzahl von wechselseitig benachbarten Zellenstandorten (302–308), durch Zellenstandort-Sender definiert, die überall im Gebiet an statistisch optimalen Standorten unter Verwendung von reflexionsbasierten Modellen eingesetzt sind, wobei jeder Zellenstandort einen Radius mit einem Träger-zu-Interferenz-Verhältnis hat, das für diesen Radius einen vorbestimmten Pegel hat, der im Wesentlichen Gleichkanalinterferenz wegen Frequenzwiederbenutzung vermeidet, und einen Teilnehmerempfänger (310) innerhalb des durch das System versorgten Gebiets, der adaptive Empfängertechnologie nutzt, um ein Signal von dem einen der Zellenstandort-Sender zu empfangen, der ein höchstes Signal-zu-Interferenz-plus-Rausch-Verhältnis am Teilnehmerempfänger hat.
System nach Anspruch 1, worin die Zellenstandort-Sender Richtantennen umfassen.
System nach Anspruch 1 oder 2, worin die Zellenstandort-Sender Rundstrahlantennen umfassen.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, das zum Benutzen von Polarisationsdiversity der Signale angeordnet ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Teilnehmerempfänger (310) einen Frontend-Antennen-Combiner, einen Empfänger und eine Feedbackschleife umfasst, mechanisch verbunden mit einer Antennenbefestigung, die dazu angeordnet ist, die Neupositionierung einer Antenne zu bewirken.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, worin der Teilnehmerempfänger (310) einen Frontend-Antennen-Combiner, einen Empfänger und eine Feedbackschleife umfasst, elektrisch verbunden mit einem Keulenschwenkungsnetz, das dazu angeordnet ist, die Neupositionierung einer Antenne zu bewirken.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Träger-zu-Interferenz-Verhältnis die Größenordnung von 22 dB hat
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin Leistungssteuerung am Teilnehmerempfänger (310) zur Interferenzreduktion benutzt wird.
System nach Anspruch 8, worin der Teilnehmerempfänger (310) einen Sender umfasst, der zum Senden eines Teilnehmersignals angeordnet ist, wobei der Leistungspegel des Teilnehmersignals so justiert ist, dass das Teilnehmersignal bei einem minimalen Leistungspegel von einem Zellenstandort-Empfänger, auf den der Teilnehmerempfänger eingestellt ist, adäquat empfangen wird.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Zellenstandort-Empfänger dazu angeordnet sind, Signale zu senden, von denen zwei oder mehr verschiedene Frequenzen haben.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, worin die Zellenstandort-Empfänger dazu angeordnet sind, Signale zu senden, von denen zwei oder mehr im Wesentlichen dieselbe Frequenz haben.