DE69830738T2

DE69830738T2 - Funkübertragung von einer kommunikationsstation mit einem antennenfeld zur unterstützung eines gewunnschten abstrahlungsmusters

Info

Publication number: DE69830738T2
Application number: DE69830738T
Authority: DE
Inventors: H. Marc GOLDBURG
Original assignee: Arraycomm LLC
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1998-11-24
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2018-11-25
Also published as: JP2001526510A; ATE298966T1; US6154661A; CA2310048C; EP1025731B1; CA2310048A1; CN1286001A; EP1025731A4; AU1705799A; JP4149667B2; EP1025731A1; DE69830738D1; WO1999030520A1; CN1127871C

Description

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der drahtlosen Kommunikationssysteme und insbesondere die effiziente Rundsendung von Abwärtsstrecken-Zentralkommunikationskanalsignalen in einem drahtlosen Kommunikationssystem durch eine Kommunikationsstation, die ein Sendeantennenfeld bzw. eine Gruppenantenne mit mehreren Elementen verwendet, um eine nahezu omnidirektionale (Rundstrahl-)Charakteristik in ihrem gesamten Versorgungsbereich zu erzielen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es sind zellulare drahtlose Kommunikationssysteme bekannt, bei denen ein geographischer Bereich in Zellen unterteilt ist und jede Zelle eine Basisstation (BS, BTS) zur Kommunikation mit Teilnehmereinheiten (SUs) (auch als abgesetzte Endgeräte, Mobileinheiten, Mobilstationen, Teilnehmerstationen oder abgesetzte Benutzer bezeichnet) innerhalb der Zelle aufweist. In einem solchen System besteht die Notwendigkeit zum Rundsenden von Information von einer Basisstation an Teilnehmerstationen innerhalb der Zelle, zum Beispiel um eine vorgesehene Teilnehmereinheit zu rufen, um ein Telefonat zu dieser SU auszulösen, oder um an alle Teilnehmereinheiten Steuerungsinformation darüber zu senden, wie mit der Basisstation kommuniziert wird, wobei die Steuerungsinformation zum Beispiel die Basisstationskennung, Zeitsteuerungs- und Synchronisationsdaten aufweist. Solche Funkruf- und Steuerungsinformation wird auf sogenannten Zentral-Steuerungskanälen rundgesendet. Da es oftmals keine vorhergehende Information bezüglich des Standorts des/der abgesetzten Benutzers) gibt, die die Funkruf- oder Steuerungsinformation empfangen müssen, oder da solche Information für mehrere Benutzer vorgesehen ist, ist es vorzuziehen, solche Signale omnidirektional oder nahezu omnidirektional zu senden, wobei omnidirektional im allgemeinen bedeutet, daß die Strahlungsleistungscharakteristik der Basisstation vom Azimut und von der Elevation innerhalb des vorgeschriebenen Versorgungsbereichs der Basisstation unabhängig ist. Außerdem erfordern es einige Standard-Kommunikationsprotokolle, daß bestimmte Kanäle omnidirektional übertragen werden, selbst wenn der Standort einiger der vorgesehenen Empfänger bekannt ist. Somit muß selbst dann, wenn es einen Bedarf gibt, die Information auf einem solchen Frequenzkanal gerichtet an bestimmte Benutzer zu übertragen, die RF-Energie immer noch omnidirektional übertragen werden. Diese Erfindung befaßt sich mit Verfahren und Vorrichtungen zur Ausführung solcher omnidirektionaler Übertragungen.
Einige Beispiele eines zellularen Systems, auf das die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, sind Systeme, die Varianten des Personal-Handy-Phone-System-(PHS-)Protokolls verwenden, das durch den vorläufigen Standard RCR STD-28 (Version 2) der Association of Radio Industries and Businesses (ARIB) vom Dezember 1995 definiert ist und Systeme, die das Protokoll des Globalen Systems für Mobilfunk-Telekommunikation (GSM) verwenden, einschließlich der ursprünglichen, als DCS-1800 bezeichneten 1,8-GHz-Version und der als PCS-1900 bezeichneten Version des nordamerikanischen personenbezogenen Kommunikationssystems (PCS) mit 1,9 GHz, wobei diese drei hier als "Varianten" des GSM bezeichnet werden. Die PHS- und GSM-Standards definieren zwei allgemeine Mengen von Funktionskanälen (auch als logische Kanäle bezeichnet): eine Steuerungskanal-(CCH-)Menge und eine Verkehrskanal-(TCH-)Menge. Die TCH-Menge weist bidirektionale Kanäle zur Übertragung von Benutzerdaten zwischen den Teilnehmereinheiten und einer Basisstation auf Die CCH-Menge weist einen Rundsende-Steuerungskanal (BCCH), einen Funkruf-Kanal (PCH) und mehrere andere Steuerungskanäle, die hier nicht von Bedeutung sind, auf. Der BCCH ist ein unidirektionaler Abwärtsstrecken-Kanal zum Rundsenden von Steuerungsinformation von der Basisstation an die Teilnehmereinheiten, die System- und Kanalstruktur-Information aufweist, und der PCH ist ein Einweg-Abwärtsstrecken-Kanal, der Information von der Basisstation an eine ausgewählte Menge von Teilnehmereinheiten oder an einen großen Bereich von mehreren Teilnehmereinheiten (den Funkruf-Bereich) rundsendet, und wird normalerweise verwendet, um eine bestimmte abgesetzte Station auf ein ankommendes Telefonat hinzuweisen. Die vorliegende Erfindung ist auf alle Abwärtsstrecken-Rundsendungen und -Übertragungen anwendbar. Sie ist insbesondere für BCCH und PCH anwendbar, die von einer Basisstation verwendet werden, um gleichzeitig Zentralinformation an mehr als einen Teilnehmer zu übertragen (das heißt, rundzusenden). Sie ist auch in anderen Situationen anwendbar, in denen es erwünscht ist, RF-Energie omnidirektional zu übertragen.
Die Verwendung von Gruppenantennen für die Ausstrahlung von Funkfrequenz-(RF-)-Energie ist in einer Vielzahl von Funkdisziplinen allgemein anerkannt. Zum Zweck des Sendens auf der Abwärtsstrecke von einer Basisstation, die eine Gruppenantenne aufweist, an einen abgesetzten Empfänger (die Teilnehmereinheit), kann das für die SU vorgesehene Signal als Eingabe an jedes der Primärstrahler bzw. Primärstrahler der Gruppe übergeben werden, wobei es sich von Element zu Element nur durch Gewinn und Phasenfaktoren unterscheidet, was normalerweise vom Konzept her zu einer gerichteten Strahlungscharakteristik bzw. zu einer Richtcharakteristik führt, die auf die Teilnehmereinheit fokussiert ist. Die Vorteile dieser Art von Sendestrategie schließen einen erhöhten Gewinn gegenüber dem, der bei Verwendung eines einzelnen Primärstrahlers möglich ist und eine verringerte Störung anderer Gleichkanal-Benutzer im System im Vergleich zum Senden mittels eines einzelnen Primärstrahlers ein. Bei Verwendung einer solchen Gruppenantenne sind auch Raummultiplex-Mehrfachzugriff-(SDMA-)Verfahren möglich, bei denen der gleiche "herkömmliche Kanal" (das heißt, der gleiche Frequenzkanal in einem Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff-(FDMA-)System, Zeitschlitz in einem Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff-(TDMA-)System, Code in einem Codemultiplex-Mehrfachzugriff-(CDMA-)System oder Zeitschlitz und Frequenz in einem TDMA/FDMA-System) mehr als einer Teilnehmereinheit zugeteilt werden kann.
Jegliche gesendeten Abwärtsstrecken-Signale werden von einer Teilnehmereinheit empfangen, und das in einer solchen Teilnehmereinheit empfangene Signal wird verarbeitet, wie es dem Fachmann bekannt ist.
Wenn ein Signal von einer abgesetzten Einheit an eine Basisstation gesendet wird (das heißt, Kommunikation findet auf der Aufwärtsstrecke statt), dann ist die Basisstation normalerweise (aber nicht notwendigerweise) eine, die eine Empfangs-Gruppenantenne verwendet (normalerweise, aber nicht notwendigerweise, die gleiche Gruppenantenne wie die zum Senden), und die an jedem Element der Empfangs-Gruppenantenne empfangenen Basisstations-Signale werden jeweils in Amplitude und Phase mit einem Empfangs-Wichtungsfaktor (auch als räumlicher Demultiplexier-Wichtungsfaktor bezeichnet) gewichtet, wobei dieser Vorgang als räumliche Demultiplexierung bezeichnet wird, wobei alle Empfangs-Wichtungsfaktoren einen komplexwertigen Empfangs-Wichtungsvektor bestimmen, der von der räumlichen Empfangssignatur des an die Basisstation sendenden abgesetzten Benutzers abhängig ist. Die räumliche Empfangssignatur beschreibt, wie die Basisstations-Gruppe Signale von einer vorgesehenen Teilnehmereinheit bei Abwesenheit jedweder Störung empfängt. Auf der Abwärtsstrecke (Kommunikation von der Basisstations-Einheit zu einer Teilnehmereinheit) wird die Übertragung erzielt, indem das zu sendende Signal durch jedes Antennenelement mit einer Menge jeweiliger Sende-Wichtungsfaktoren (auch als räumliche Multiplexier-Wichtungsfaktoren bezeichnet) in Amplitude und Phase gewichtet wird, wobei alle Sende-Wichtungsfaktoren für einen bestimmten Benutzer einen komplexwertigen Sende-Wichtungsvektor bestimmen, der ebenfalls von der sogenannten "räumlichen Abwärtsstrecken-Signatur" des abgesetzten Benutzers abhängt, die beschreibt, wie der abgesetzte Benutzer Signale von der Basisstation bei Abwesenheit jedweder Störung empfängt. Wenn auf dem gleichen herkömmlichen Kanal an mehrere abgesetzte Benutzer gesendet wird, wird die Summe der gewichteten Signale von der Gruppenantenne gesendet. Diese Erfindung befaßt sich in erster Linie mit Abwärtsstrecken-Kommunikation, obwohl die Methoden sicherlich auch auf Aufwärtsstrecken-Kommunikation anwendbar sind, wenn die Teilnehmereinheit ebenfalls eine Gruppenantenne zum Senden verwendet und wenn omnidirektionale Übertragung von solch einer Teilnehmereinheit erwünscht ist.
In Systemen, die Gruppenantennen verwenden, wird die Wichtung der Signale entweder auf der Aufwärtsstrecke von jedem Antennenelement in einer Gruppe von Antennen oder auf der Abwärtsstrecke zu jedem Antennenelement hierin als räumliche Verarbeitung bezeichnet. Räumliche Verarbeitung ist selbst dann nützlich, wenn irgendeinem herkömmlichen Kanal nicht mehr als eine Teilnehmereinheit zugeteilt ist. Somit soll der Begriff "SDMA" hier verwendet werden, um sowohl den Fall des echten räumlichen Multiplexierens einzuschließen, wenn es mehr als einen Benutzer pro herkömmlichem Kanal gibt, als auch die Verwendung räumlicher Verarbeitung bei nur einem Benutzer pro herkömmlichem Kanal. Der Begriff "Kanal" soll sich auf eine Kommunikationsverbindungsstrecke zwischen einer Basisstation und einem einzelnen abgesetzten Benutzer beziehen, so daß der Begriff "SDMA" sowohl einen einzelnen Kanal pro herkömmlichem Kanal als auch mehr als einen Kanal pro herkömmlichem Kanal einschließt. Die mehreren Kanäle innerhalb eines herkömmlichen Kanals werden als Raumkanäle bezeichnet. Für eine Beschreibung eines SDMA-Systems siehe zum Beispiel die US-Patente 5 515 378 (erteilt am 7. Mai 1996) und 5 642 353 (erteilt am 24. Juni 1997) mit dem Titel SPATIAL DIVISION MULTIPLE ACCESS WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS, Roy, III, et al. Erfinder, deren beider Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird; US-Patent 5 592 490 (erteilt am 7. Januar 1997) mit dem Titel SPECTRALLY EFFICIENT HIGH CAPACITY WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS, Barratt, et. al, Erfinder, dessen Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird; US-Patentanmeldung 08/735 520 (eingereicht am 10. Oktober 1996) mit dem Titel SPECTRALLY EFFICIENT HIGH CAPACITY WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS WITH SPATIO-TEMPORAL PROCESSING, Ottersten, et al., Erfinder, dessen Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird, und die US-Patentanmeldung 08/729 390 (eingereicht am 11. Oktober 1996) mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR DECISION DIRECTED DEMODULATION USING ANTENNA ARRAYS AND SPATIAL PROCESSING, Barratt, et al., Erfinder, dessen Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. Systeme, die Gruppenantennen verwenden, um die Effizienz der Kommunikation zu verbessern und/oder SDMA zu ermöglichen, werden manchmal als intelligente Antennensysteme bezeichnet. Die oben genannten Patente und Patentanmeldungen werden hierin insgesamt als "unsere Patente für intelligente Antennen" bezeichnet.
Da Rundsenden die gleichzeitige Übertragung von Daten über einen Zentralkanal an eine verstreute Menge von Teilnehmereinheiten bedeutet, ist es erwünscht, Verfahren zu finden, um die Gruppenantenne mit mehreren Elementen und die zugehörige Sender-Hardware für das Rundsenden sowohl von zentraler Abwärtsstrecken-Kanalinformation als auch von Verkehrsinformation zu verwenden, die für einen oder mehrere bestimmte Benutzer bestimmt ist.
Bei bestimmten Anwendungen besteht eine Anforderung, nämlich daß bestimmte herkömmliche Kanäle mit einer omnidirektionalen Richtcharakteristik abgestrahlt werden. In der GSM-Protokollfamilie (ein TDMA/FDMA-System) zum Beispiel besteht eine Anforderung, nämlich daß alle Basisstationen auf allen logischen Kanälen, die von dem als "BCCH-Träger" bezeichneten Träger (dem herkömmlichen FDMA-Frequenzkanal im TDMA/FDMA-System) getragen werden, RF-Energie omnidirektional abstrahlen, während Ausstrahlungen auf anderen Kanälen gerichtet erfolgen können. Zum Beispiel ist auf dem BCCH-Träger ein Zeitschlitz für BCCH-Nachrichten reserviert. Einige der anderen Zeitschlitze können für TCH mit einem oder mehreren Benutzern verwendet werden. Wenn SDMA verwendet wird, können einige dieser anderen Zeitschlitze zur Kommunikation mit mehr als einem abgesetzten Benutzer verwendet werden, indem die Information an diese Benutzer gerichtet übertragen wird. Mit normalem SDMA wären die RF-Energiecharakteristiken unabhängig von der Anzahl der Benutzer pro herkömmlichem Kanal stark gerichtet, so daß in diesen Zeitschlitzen die Netto-RF-Energie innerhalb der Zelle aufgrund der Forderung nach akzeptabler Signalqualität minimiert ist. Dies würde jedoch der GSM-Bedingung widersprechen, daß die Netto-Energie auf dem BCCH-Träger in allen Zeitschlitzen omnidirektional gesendet wird. Somit gibt es in der Fachwelt den Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum gerichteten Übertragen von Information an einen oder mehrere Benutzer, während die Netto-Energie omnidirektional gesendet wird.
Sektorisierte Systeme, die Gruppenantennen verwenden, sind dem Fachmann bekannt. Bei einem sektorisierten System gibt es in der Fachwelt eher eine Notwendigkeit zur effizienten Rundsendung im vorgesehenen Versorgungsbereich (das heißt dem Sektor) der Gruppenantenne und der zugehörigen Elektronik als an echter omnidirektionalen Rundsendung (360° Azimut-Bereich). Somit wird in diesem Dokument der Begriff "omnidirektional" in folgendem Sinne angewendet: (1) "omnidirektional" bedeutet annähernd, nahezu omnidirektional ("NOR"); (2) bei einem nicht sektorisierten zellularen System bedeutet "omnidirektional" NOR für 360° Azimut-Bereich, und (3) in einem sektorisierten System bedeutet "omnidirektional" nahezu omnidirektional in der vorgesehenen Sektorbreite (zum Beispiel 120° Azimut-Bereich für 120°-Sektoren).
ERWÜNSCHTE EIGENSCHAFTEN
Eine erfolgreiche Strategie hat die folgenden Eigenschaften:

• annähernd konstanter Gewinn als Funktion des Azimuts und anderer Größen, die den Standort des abgesetzten Empfängers beschreiben;
• geringe Abweichung der Sendeleistung jedes Elements in der Gruppe, so daß alle Elementen in der Gruppe gut ausgenutzt werden und Skalierungsprobleme, die in der Praxis auftreten, minimiert werden;
• signifikanter Charakteristikgewinn verglichen mit dem, der mit einem einzelnen Element der Gruppe erreichbar ist, das mit einer den einzelnen Sendeleistungen der Gruppenelemente vergleichbaren Leistung sendet; und
• niedrige abgestrahlte Gesamtenergie, so daß alle Elemente effizient genutzt werden.

Wenngleich normalerweise eine NOR-Charakteristik erwünscht ist, kann es Situationen geben, wo eine andere Charakteristik erwünscht ist. Zum Beispiel kann es Situationen geben, in denen es erwünscht ist, einen bestimmten Bereich oder Bereiche zu vermeiden, oder in denen es erwünscht ist, einen bestimmten Leistungspegel in einem oder mehreren bestimmten Bereichen nicht zu überschreiten. Ebenso kann es Situationen geben, in denen es erwünscht ist, in den meisten Bereichen eine NOR-Charakteristik zu haben, während ein oder zwei andere Bereiche eine NOR-Charakteristik mit dem Doppelten oder einem anderen Mehrfachen des Leistungspegels haben können, den die meisten NOR-Bereiche haben.
Die Eigenschaft "niedrige relative Strahlungsleistung" bedeutet hier niedrige Strahlungsleistung pro Antennenelement, verglichen mit der Leistung, die erforderlich ist, um bei Verwendung eines einzelnen Antennenelements mit dem gleichen Gewinn (zum Beispiel in dBi gemessen) wie die einzelnen Elemente der Gruppenantenne eine vergleichbare Strahlungscharakteristik zu erzielen (vergleichbar in Reichweite, Azimut und Elevation). Da der Unterschied in der Strahlungsleistung in unterschiedliche Leistungsverstärker-Anforderungen übersetzt werden kann und Hochleistungsverstärker vergleichsweise teuer sind, kann in einigen Situationen sogar 1 dB ein signifikanter Unterschied der Strahlungsleistung sein. In allgemeineren Fällen werden 3 dB als signifikanter Unterschied der Strahlungsleistung betrachtet.
DER STAND DER TECHNIK
Ein übliches Verfahren zur derartigen Rundsendung von Daten besteht darin, eine omnidirektionale Antenne zu verwenden, so daß der RF-Träger mehr oder weniger gleichmäßig in alle Richtungen gesendet wird. Diese omnidirektionale Strahlungscharakteristik scheint eine vernünftige Wahl für ein mobiles zellulares System zu sein, in dem die Teilnehmereinheiten innerhalb des Zellenbereichs willkürlich angeordnet sein können. Im Fall eines intelligenten Antennensystems kann man eine solche omnidirektionale Charakteristik erzielen, indem entweder eine separate einzelne omnidirektionale Antenne (wie etwa ein vertikaler Dipol) oder eines der Elemente in der Gruppenantenne (von der angenommen wird, daß sie m Elemente hat) verwendet wird. Leider würde dies, um eine ähnliche Reichweite für die Verkehrs- und Steuerungskanäle zu erzielen, eine Erhöhung der Gesamtsenderleistung in diesem Antennenelement (oder der separaten Antenne) erfordern, verglichen mit den Leistungspegeln, die bei gewöhnlicher TCH-Kommunikation verwendet werden, wenn alle Antennenelemente in Betrieb sind. Die Möglichkeit, die Leistung zu erhöhen, kann durch gesetzliche Regelung nicht zugelassen sein, und selbst wenn sie zugelassen ist, ist sie möglicherweise keine brauchbare Wahl, da zum Beispiel die Kosten für Leistungsverstärker mit zunehmender Leistung in der Regel rasant steigen.
Das Verfahren nach Stand der Technik, nämlich von nur einem einzelnen Gruppenelement aus zu senden, würde das erwünschte Kriterium des annähernd konstanten Gewinns als Funktion des Azimuts und anderer Eigenschaften, die den Standort der abgesetzten Empfänger beschreiben, und das der niedrigen abgestrahlten Gesamtenergie erfüllen, würde aber nicht die geringe Abweichung der Sendeleistung jedes Elements in der Gruppe ergeben, so daß alle Elementen in der Gruppe gut ausgenutzt werden und Skalierungsprobleme, die in der Praxis auftreten, minimiert werden, und würde keinen signifikanten Charakteristikgewinn ergeben, verglichen mit Bern, der mit einem einzelnen Element der Gruppe erreichbar ist, das mit einer den einzelen Sendeleistungen der Gruppenelemente vergleichbaren Leistung sendet. Außerdem würde das Senden von nur einer Antenne aus keine gleichzeitige Kommunikation mit mehreren Benutzern auf dem gleichen herkömmlichen Kanal ermöglichen.
US-Patent 5 615 409 (Forssen) offenbart normale räumliche Verarbeitungsmethoden, wobei die Übertragung an eine Anzahl von mobilen Einheiten über den gleichen herkömmlichen Kanal hochgradig gerichtet ist. Das Europäische Patent 0786914 (Motorola) offenbart Methoden zur Kanalzuweisung und Kanal-Neuzuteilung in einem drahtlosen Kommunikationssystem, das normales Raummultiplex verwendet.
Alternativ kann die Gruppenantennen-Strahlungscharakteristik gesteuert werden, indem vor der räumlichen Verarbeitung jegliche Signale einer Vorverarbeitung unterzogen werden. US-Patent 5 649 287 (erteilt am 15. Juli 1997) mit dem Titel ORTHOGONALIZING METHODS FOR ANTENNA PATTERN NULLFILLING, Forssen, et al., Erfinder, offenbart ein Verfahren zum Rundsenden von Information in einem zellularen Kommunikationssystem, das mindestens eine Basisstation mit einer Gruppenantenne und eine Vielzahl von Mobilstationen umfaßt. Die Zentralinformation wird vorverarbeitet, um orthogonale Signale zu erzeugen. Die orthogonalen Signale werden dann strahlgeformt, so daß die orthogonalen Signale an die verschiedenen Strahlen in der Gruppenantenne übergeben werden. Die orthogonalen Signale werden gesendet und dann in einer oder mehreren Mobilstationen empfangen. Die Signale werden dann in der Mobilstation verarbeitet, um die Zentralinformation aus den orthogonalen Signalen zu entschlüsseln. Die an die Mobilstationen zu sendenden orthogonalisierenden Signale werden gebildet, um das Auftreten von Nullstellen in der Antennencharakteristik zu verhindern.
Es ist nicht klar, wie das Verfahren von Forssen et al. angepaßt werden kann, um einige Signale gerichtet zu übertragen (an gleichzeitige Benutzer auf irgendeinem herkömmlichen Kanal), während eine omnidirektionale Netto-Strahlungscharakteristik aufrechterhalten wird. Außerdem erfordert das Verfahren von Forssen et al. die Vorverarbeitung (Orthogonalisierung) des Steuerungssignals, um m orthogonale Signale zu bilden, die dann in einem Strahlformer eingespeist werden. Das heißt, daß jedes rundzusendende Signal zuerst in eine Menge von unkorrelierten Signalen umgewandelt wird. Dies erfordert zusätzliche Hardware oder Verarbeitungsschritte. Außerdem erfordert die von Forssen et al. beschriebene besondere Ausführungsform einen Hochleistungs-Entzerrer in der Teilnehmereinheit, um die orthogonalisierten Signale aus den verschiedenen anderen Keulen herauszulösen. Es wäre erwünscht, ein System zu verwenden, in dem jedes zu sendende Signal nur in Phase und Amplitude gewichtet wird, ohne einen zusätzlichen Schritt (zum Beispiel Orthogonalisierung) zu erfordern.
Somit besteht in der Fachwelt Bedarf an Verfahren zur omnidirektionalen Abwärtsstrecken-Übertragung, die die bestehenden Kommunikationssystem-Vorrichtungen einschließlich der bestehenden Antennenelemente in einer Gruppenantenne verwenden, um ein akzeptables omnidirektionales Betriebsverhalten mit niedriger relativer Strahlungsleistung sowohl für den Fall eines einzelnen Benutzers pro herkömmlichem Kanal als auch für den Fall mehrerer Benutzer pro herkömmlichem Kanal zu erzielen. Somit besteht in der Fachwelt auch Bedarf an einer Vorrichtung, die dies erzielt.
Es besteht in der Fachwelt auch Bedarf an Verfahren und Vorrichtungen zur Abwärtsstrecken-Übertragung, die eine erwünschte, möglichst keine NOR-Strahlungscharakteristik, erzielt.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur omnidirektionalen Abwärtsstrecken-Übertragung, die die bestehenden Konmunikationssystem-Vorrichtungen einschließlich der bestehenden Antennenelemente in einer Gruppenantenne verwendet, um eine akzeptable omnidirektionale Leistung mit niedriger relativer Strahlungsleistung sowohl für den Fall eines einzelnen Benutzers pro herkömmlichem Kanal als auch für den Fall mehrerer Benutzer pro herkömmlichem Kanal zu erzielen. Eine andere Aufgabe ist eine Vorrichtung, die dies erzielt.
Noch eine weitere Aufgabe ist ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Abwärtsstrecken-Übertragung, die eine erwünschte, möglichst keine NOR-Strahlungscharakteristik erzielt.
Diese und andere Aufgaben sind unter den verschiedenen Aspekten der offenbarten Erfindung vorgesehen.
Ein Aspekt der hierin offenbarten Erfindung ist ein Verfahren zum Senden eines Abwärtsstrecken-Signals mit einer erwünschten Strahlungscharakteristik von einer Kommunikationsstation, die eine Gruppe von Antennenelementen hat, an Teilnehmereinheiten. In der Kommunikationsstation gibt es einen oder mehrere Signalprozessoren, die dafür programmiert sind (im Fall programmierbarer Signalprozessoren), jegliche Abwärtsstrecken-Signale in Phase und Amplitude zu Wichten, wobei die Wichtung als ein komplexwertiger Wichtungsvektor beschrieben werden kann. Die gewichteten Signale werden in die Eingänge von Sendevorrichtungen eingespeist, deren Ausgänge mit den Antennenelementen gekoppelt sind. Das Verfahren schließt das Auswählen eines ersten Wichtungsvektors ein, der für das Senden mit niedriger relativer Strahlungsleistung bemessen ist, um die erwünschte Strahlungscharakteristik über einen erwünschten Sektor zu erzielen, wobei niedrige relative Strahlungsleistung eine niedrige Strahlungsleistung pro Antennenelement im Verhältnis zu der Leistung bedeutet, die erforderlich ist, um eine vergleichbare Strahlung unter Verwendung eines einzelnen Antennenelements von gleichem Gewinn (zum Beispiel in dBi gemessen) wie die einzelnen Elemente der Gruppenantenne zu bewirken. Ein Bereich von Azimuten oder Elevationen oder beidem kann den erwünschten Sektor definieren. Normalerweise, aber nicht notwendigerweise ist die erwünschte Charakteristik eine NOR-Charakteristik. In der bevorzugten Ausführungsform ist der ausgewählte Wichtungsvektor der Wichtungsvektor, der eine Kostenfunktion des Wichtungsvektors minimiert, wobei die Kostenfunktion einen Ausdruck der Abweichung der durch das Senden unter Verwendung des Wichtungsvektors entstehenden Strahlungscharakteristik gegenüber der erwünschten Strahlungscharakteristik über den erwünschten Sektor aufweist. In der bevorzugten Ausführungsform weist die Kostenfunktion auch einen Ausdruck der durch die Antennenelemente unter Verwendung des Wichtungsvektors gesendeten Gesamtleistung auf und einen Ausdruck der Abweichungen der Sendeleistung zwischen den Antennenelementen, wenn der Wichtungsvektor verwendet wird. In dieser Ausführungsform wird das Abwärtsstrecken-Signal unter Verwendung des einen oder der mehreren Signalprozessoren mit dem ausgewählten Wichtungsvektor gewichtet, um eine Menge von gewichteten Abwärtsstrecken-Antennensignalen zu bilden, die jeweils ein vorgesehenes Antennenelement in der Gruppe haben. Um das Abwärtsstrecken-Signal zu senden, wird jedes gewichtete Abwärtsstrecken-Antennensignal über die Sendevorrichtung, die ihrem vorgesehenen Antennenelement zugeordnet ist, in ihr vorgesehenes Antennenelement eingespeist.
In der besonderen offenbarten Ausführungsform ist die Kommunikationsstation Teil einer Basisstation, die unter Verwendung einer Variante der GSM-Funkschnittstelle in einem zellularen Kommunikationssystem arbeitet. Die Erfindung ist nicht auf irgendein bestimmtes Multiplexprinzip oder Funkschnittstellen-Standards beschränkt. Andere Ausführungsformen können ein beliebiges analoges oder digitales Multiplexprinzip (zum Beispiel FDMA, TDMA/FDMA, CDMA und so weiter) und/oder jegliche andere Funkschnittstellen-Standards (zum Beispiel AMPS, PHS und so weiter) verwenden.
Ein anderer Aspekt der hier offenbarten Erfindung ist ein Verfahren zum gleichzeitigen Senden eines oder mehrerer Abwärtsstrecken-Signale von einer Kommunikationsstation an eine oder mehrere Teilnehmereinheiten über einen einzelnen herkömmlichen Kanal mit einer erwünschten Gesamtstrahlungscharakteristik über einen erwünschten Sektor, wobei jedes Abwärtsstrecken-Signal eine oder mehrere vorgesehene Teilnehmereinheiten hat. Zum gleichzeitigen Senden an mehrere Benutzer über den gleichen herkömmlichen Kanal weist die Kommunikationsstation auf: eine Gruppe von Antennenelementen, eine Sendevorrichtung, die geschaltet ist, um an jedes Antennenelement auszugeben, und einen oder mehrere Signalprozessoren, die dafür programmiert sind (im Fall von programmierbaren Signalprozessoren), die Abwärtsstrecken-Signale durch Wichtung jedes Abwärtsstrecken-Signals in Phase und Amplitude räumlich zu multiplexieren und die gewichteten Signale zu addieren. Die Wichtung kann als komplexwertiger Wichtungsvektor beschrieben werden. Die summierten gewichteten Signale von den Signalprozessoren werden in die Eingänge der Sendevorrichtungen eingespeist. Das Verfahren schließt das Auswählen einer Menge erwünschter Wichtungsvektoren ein, die für die Erzeugung einer erwünschten Gesamtstrahlungscharakteristik über einen erwünschten Sektor bemessen sind, wobei die Menge einen erwünschten Wichtungsvektor aufweist, der für das Senden an jede vorgesehene Teilnehmereinheit bemessen ist. Ein Bereich von Azimuten oder Elevationen oder beiden kann den erwünschten Sektor definieren. Normalerweise, aber nicht notwendigerweise ist die Gesamtstrahlungscharakteristik eine NOR-Charakteristik. Jede vorgesehene Teilnehmereinheit hat einen Standort, der (zumindest ungefähr) bekannt ist, und diese bekannten Standorte werden beim Auswählen der erwünschten Wichtungsvektoren verwendet. In der bevorzugten Ausführungsform schließt das Auswählen das Definieren einer Menge von entsprechenden Bereichen ein, wobei jeder mindestens eine Teilnehmereinheit aufweist, so daß die Gesamtheit aller entsprechenden Bereiche im wesentlichen den erwünschten Sektor abdeckt. Jeder erwünschte Wichtungsvektor wird zum Senden an einen der entsprechenden Bereiche ausgewählt, und alle erwünschten Wichtungsvektoren sind die Wichtungsvektoren, die eine Kostenfunktion möglicher Wichtungsvektoren minimieren, die einen Ausdruck der Abweichung der Netto-Gesamtstrahlungscharakteristik, die sich aus dem Senden unter Verwendung der Vielzahl von Wichtungsvektoren ergibt, von der erwünschten Strahlungscharakteristik aufweist. Die Kostenfunktion der bevorzugten Ausführungsform weist auch einen Ausdruck der von den Antennenelementen unter Verwendung jedes Wichtungsvektors gesendeten Gesamtleistung auf, einen Ausdruck der Abweichungen in der übertragenen Leistung unter den Antennenelementen unter Verwendung jedes Wichtungsvektors und einen Ausdruck der Energie, die in nicht vorgesehenen entsprechenden Bereichen für jeden Wichtungsvektor empfangen werden. Die Anzahl der erwünschten Wichtungsvektoren kann die Anzahl der gleichzeitigen Benutzer überschreiten, in welchem Fall eines oder mehrere Blindsignale gesendet werden, wobei die Wichtungsvektoren verwendet werden, die keinem der abgesetzten Benutzer zugeordnet sind. Die Vielzahl der Abwärtsstreckensignale (und Blindsignale, wenn vorhanden) wird räumlich multiplexiert, um eine Menge von summierten und gewichteten Abwärtsstrecken-Antennensignalen zu bilden, wobei jedes summierte und gewichtete Abwärtsstrecken-Antennensignal ein vorgesehenes Antennenelement in der Gruppe hat. Um die Abwärtsstrecken- (und Blind-)Signale zu senden, wird jedes gewichtete Abwärtsstrecken-Antennensignal über die seinem vorgesehenen Antennenelement zugeordnete Sendevorrichtung in sein vorgesehenes Antennenelement eingespeist.
In einer Variante wird das Aufteilen und Auswählen für mehrere Situationen wiederholt, und die entstehenden Wichtungsvektoren werden gespeichert, bis eine hinreichende Anzahl von Situationen gespeichert ist. Für die tatsächliche Übertragung an einen oder mehrere abgesetzte Benutzer werden die erwünschten Wichtungsvektoren der für die Standorte der Teilnehmereinheiten zutreffenden Situation aus dem Speicher abgerufen.
In einer weiteren Variante, die für den Fall zutrifft, daß die Gruppenantenne annähernd einheitlich verteilt ist, wird eine Prototyp-Situation (oder mehr als eine Prototyp-Situation) gespeichert, und auf der Grundlage der Standorte der abgesetzten Benutzer wird eine Umsetzung der Bereiche der Prototyp-Situation bestimmt, um sicherzustellen, daß es nicht mehr als eine Teilnehmereinheit pro umgesetztem Bereich gibt und daß die Standorte der Teilnehmereinheiten hinreichend getrennt sind. Die Prototyp-Wichtungsvektoren werden gemäß der bestimmten Umsetzung verschoben, und die verschobenen Wichtungsvektoren werden für das räumliche Multiplexieren verwendet.
In einer Verbesserung der Variante wird die Verschiebung, wenn die Abwärtsstrecken-Signalübertragungen periodisch wiederholt werden, bei jeder Wiederholung um die festgelegte Verschiebung herum dithermoduliert, wobei die Dithermodulation vorzugsweise das Hinzufügen einer zufällig verteilten Verschiebung zu der festgelegten Verschiebung einschließt.
Unter einem anderen Aspekt der Erfindung wird auch eine Kommunikationsstation zum gleichzeitigen Senden eines oder mehrerer Abwärtsstreckensignale über den gleichen herkömmlichen Kanal an eine oder mehrere Teilnehmereinheiten, um eine erwünschte Gesamtstrahlungscharakteristik über einen erwünschten Sektor zu erzielen, offenbart. Die Kommunikationsstation weist auf: eine Gruppe von Antennenelementen, eine Wähleinrichtung zum Auswählen der Wichtungsvektoren, die für das Senden durch die Gruppe bemessen sind, um die erwünschte Gesamtstrahlungscharakteristik über den erwünschten Sektor zu erzielen, und einen oder mehrere Prozessoren zum Wichten der Abwärtsstrecken-Signale in Phase und Amplitude entsprechend den Wichtungsvektoren und zum Addieren der gewichteten Signale, um eine Menge von gewichteten Abwärtsstrecken-Antennensignalen zu bilden. Jedes summierte und gewichtete Abwärtsstrecken-Antennensignal weist ein vorgesehenes Antennenelement in der Gruppe und eine Menge von zugeordneten Sendevorrichtungen zum Senden der Menge von gewichteten Abwärtsstrecken-Antennensignalen unter Verwendung der Gruppe auf. Jede zugeordnete Sendevorrichtung hat einen Eingang zum Empfangen eines der summierten und gewichteten Abwärtsstrecken-Antennensignale. Jedes Antennenelement ist mit dem Ausgang einer der zugeordneten Sendevorrichtungen gekoppelt. Jede zugeordnete Sendevorrichtung hat einen Eingang zum Empfangen eines der gewichteten Abwärtsstrecken-Antennensignale.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Wähleinrichtung der eine oder die mehreren Signalprozessoren. Diese wählen jene Wichtungsvektoren aus, die eine Kostenfunktion der Wichtungsvektoren minimieren, wobei die Kostenfunktion einen Ausdruck der Abweichung der Gesamtstrahlungscharakteristik, die sich aus der Übertragung unter Verwendung der Wichtungsvektoren ergibt, von der erwünschten Gesamtstrahlungscharakteristik über den erwünschten Sektor aufweist. Die Kostenfunktion der bevorzugten Ausführungsform weist auch einen Ausdruck der von den Antennenelementen unter Verwendung jedes Wichtungsvektors gesendeten Gesamtleistung auf, einen Ausdruck der Abweichungen der Sendeleistung zwischen den Antennenelementen unter Verwendung jedes Wichtungsvektors, und einen Ausdruck der Energie, die in nicht vorgesehenen entsprechenden Bereichen für jeden Wichtungsvektor empfangen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist anhand der ausführlichen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfassender verständlich, die jedoch nicht als Einschränkung der Erfindung auf eine spezifische Ausführungsform angesehen werden sollten, sondern lediglich zur Erklärung und zum besseren Verständnis dienen. Die Ausführungsformen wiederum werden mit Hilfe der folgenden Zeichnungen erklärt, die folgendes zeigen:
1(a) stellt einen Signalflußplan der Erstellung eines GMSK-modulierten Rahmens in einem GSM-System dar;
1(b) stellt einen Raum-Multiplexierer zum räumlichen Multiplexieren dreier Raumkanäle unter Verwendung von Wichtungsvektoren w₁, w₂ und w₃ dar, um m komplexwertige (I- und Q-)Signale zum Senden durch m Antennenelemente zu bilden;
1(c) stellt die Struktur eines Senders für eines der Antennenelemente dar;
1(d) stellt m Sender, jeweils wie in 1(c), zum Senden der m räumlich multiplexierten Signale vom Raum-Multiplexierer aus 1(b) dar;
2 stellt ein Diagramm des berechneten (theoretischen) Gewinns bei Verwendung des für NOR bemessenen Wichtungsvektors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegenüber der Verwendung eines einzelnen Antennenelements, das mit einer Leistung von 1 ausstrahlt, als eine Funktion des Azimuts dar;
3 vergleicht die Versuchsergebnisse bei Verwendung des für NOR bemessenen Wichtungsvektors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit den theoretischen Ergebnissen von 2;
4(a) stellt die Leistung bei Verwendung eines Wichtungsvektors w für die NOR-Übertragung als eine Funktion des Winkels dar, und 4(b) stellt die Leistung für den vom Wichtungsvektor w abgeleiteten "gedrehten" Wichtungsvektor w_r als eine Funktion des Azimuts dar;
5 stellt Diagramme des Gewinns dar, der durch Verwendung zweier Wichtungsvektoren für die NOR-Übertragung, jeweils in einen NOR-Bereich, erzielt wird, wobei die Wichtungsvektoren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmt wurden;
6 stellt Diagramme des Gewinns dar, der durch Verwendung zweier Wichtungsvektoren zur NOR-Übertragung an zwei gleichzeitige Benutzer auf dem gleichen herkömmlichen Kanal erzielt wird, wobei die Wichtungsvektoren gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus den für das Beispiel von 5 bestimmten Wichtungsvektoren bestimmt wurden;
7 stellt den Gewinn mit und ohne Dithermodulation als eine Funktion des Azimuts dar, wobei die Dithermodulation unter einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt; und
8 stellt die gemessene und die theoretische kumulative Verteilungsfunktion des Abwärtsstrecken-Leistungsgewinns in einem Versuch bei Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, wobei der Gewinn relativ zur Strahlung von einem einzelnen Element bei einer normierten Leistung von eins ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung ist vorzugsweise als Teil eines drahtlosen Kommunikationssystems mit SDMA implementiert, insbesondere eines zellularen SDMA-Systems. In einer Implementierung arbeitet das System mit festen Standorten der Teilnehmereinheiten und verwendet das PHS-Kommunikationsprotokoll. Drahtlose Systeme mit festen Standorten werden manchmal als Systeme mit drahtloser Teilnehmeranschlußleitung (WLL) bezeichnet. In einer zweiten Implementierung können die Teilnehmereinheiten mobil sein, und das System verwendet wiederum das PHS-Protokoll, das für Anwendungen mit geringer Mobilität geeignet ist. In einer dritten Implementierung können die Teilnehmereinheiten wieder mobil sein, und das GSM-Protokoll wird verwendet. Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß die Erfindung in einem jedem SDMA-System mit einem oder mehr als einem Raumkanal pro herkömmlichem Kanal implementiert werden kann, das mobile, feste oder eine Kombination von mobilen und festen Teilnehmereinheiten hat.
Die beschriebene bevorzugte Ausführungsform ist für ein zellulares System bestimmt, das SDMA und eine Variante des GSM-Protokolls verwendet. Wie diese für andere Funkschnittstellen und andere Multiplexprinzipien anzupassen sind, dürfte für den Fachmann offenkundig sein. Während die besondere Ausführungsform für ein digitales zellulares System bestimmt ist, ist die Erfindung auch auf analoge Kommunikationssysteme anwendbar, die SDMA verwenden, zum Beispiel auf das geläufige AMPS-System (für SDMA modifiziert).
EIN ÜBERBLICK ÜBER GSM
GSM ist ein TDMA/FDMA-System für mobile zellulare Kommunikation. Eine Teilnehmereinheit wird im allgemeinen als Mobilstation (MS) bezeichnet. Die Basisstationen werden Basis-Senderempfänger-Stationen (BTSs) genannt. Ein Basisstationscontroller (BSC) verwaltet die Funkressourcen für eine oder mehrere BTSs, wobei solche Ressourcen Kanalaufbau/-abbau, Übergaben und Frequenzspringen einschließen.
In GSM sind Frequenzkanäle (als "Träger" bezeichnet) um 200 kHz getrennt. GSM verwendet Frequenzduplex, was heißt, daß Abwärtsstrecken- und Aufwärtsstreckenkommunikation zwischen einer BS und einer MS mit unterschiedlichen Frequenzen erfolgen. Im Standard-GSM sind jeweils bis zu 25 MHz für die Abwärtsstrecken-Träger (880–915 MHz) und die Aufwärtsstrecken-Träger (925–960 MHz) verfügbar. Jeder BS werden ein oder mehrere Träger zugeteilt. Für DCS-1800 sind die Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstreckenbereiche 1710–1785 MHz bzw. 1805–1880 MHz, während für PCS-1900 die Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstreckenbereiche 1850–1910 MHz bzw. 1930–1990 MHz sind.
Jeder Träger ist zeitlich in 8 Zeitschlitze unterteilt, wobei jeder Schlitz (als Burst bezeichnet) 15/26 ms lang ist. Alle 8 Zeitschlitze werden zu einem TDMA-Rahmen kombiniert, wodurch jeder TDMA-Rahmen 120/26 ms lang ist. Verkehrskanäle (TCHs) und Steuerungskanäle (CCHs) sind durch die Position ihres jeweiligen Burst-Zeitabschnitts innerhalb des Rahmens definiert.
Ein Verkehrskanal (TCH) wird verwendet, um Sprache und Daten zu übermitteln. Ein Vollgeschwindigkeits-Verkehrskanal (TCH/F) übermittelt Information mit einer Bruttogeschwindigkeit von 22,8 kbit/s, während ein Halbgeschwindigkeits-Verkehrskanal (TCH/H) Information mit einer Bruttogeschwindigkeit von 11,4 kbit/s überträgt. Verkehrskanäle erscheinen in Gruppen von 26 TDMA- Rahmen, und eine solche Gruppe wird als Mehrfachrahmen bezeichnet. Ein solcher TCH-Mehrfachrahmen ist 120 ms lang.
Auf Zentral-Steuerungskanäle können sowohl Mobiltelefone im Frei-Modus als auch im festgeschalteten Modus zugreifen. Mobiltelefone im Frei-Modus verwenden die Zentralkanäle zum Austausch der Signalisierungsinformation, die erforderlich ist, um in den festgeschalteten Zustand zu wechseln. Mobiltelefone, die sich bereits im festgeschalteten Modus befinden, überwachen die Steuerungsträger der umliegenden Basisstationen für Übergabe- und andere Information. Die Zentralkanäle sind innerhalb eines Mehrfachrahmens aus 51 Rahmen definiert, so daß festgeschaltete Mobiltelefone, die die Mehrfachrahmen-TCH-Struktur aus 26 Rahmen verwenden, immer noch die Steuerungskanäle überwachen können. Die Zentralkanäle weisen auf:
Rundsende-Steuerungskanal (BCCH): Der BCCH sendet auf der Abwärtsstrecke kontinuierlich Information, die die Kennung der Basisstation, Frequenzzuweisungen und Frequenzsprung-Sequenzen aufweist.
Frequenzkorrekturkanal (FCCH) und Synchronisationskanal (SCH): FCCH und SCH sind Abwärtsstreckenkanäle, die verwendet werden, um das Mobiltelefon mit der Frequenz- und Zeitschlitzstruktur einer Zelle zu synchronisieren, indem die Grenzen der Burst-Zeitabschnitte, die Zeitschlitz-Numerierung und der Trägerversatz definiert werden. Jede Zelle in einem GSM-Netzwerk sendet genau einen FCCH und einen SCH. Der FCCH und der SCH werden per definitionem auf dem Zeitschlitz Nummer 0 innerhalb eines TDMA-Rahmen auf dem BCCH-Träger gesendet.
Direktzugriffskanal (RACH): Der RACH (ein Aufwärtsstreckenkanal) wird durch das Mobiltelefon verwendet, um Zugang zum Netzwerk anzufordern.
Funkruf-Kanal (PCH): Der PCH ist ein Abwärtsstreckenkanal, der verwendet wird, um eine Mobilstation auf ein eingehendes Telefonat hinzuweisen.
Zugriffbestätigungskanal (AGCH): Der AGCH ist ein Abwärtsstreckenkanal, der verwendet wird, um einer Mobilstation als Folge einer Anforderung auf dem RACH einen TCH oder einen als SDCCH bezeichneten spezifischen zugeordneten Steuerungskanal zur Signalisierung (um einen festgeschalteten Kanal zu erhalten) zuzuweisen.
Festgeschaltete Steuerungskanäle: Diese umfassen den dem TCH/F zugeordneten langsamen Steuerungskanal (SACCH/TF), den dem TCH/F zugeordneten schnellen Steuerungskanal (FACCH/F), den dem TCH/H zugeordneten langsamen Steuerungskanal (SACCH/TH), den dem TCH/H zugeordneten schnellen Steuerungskanal (FACCH/H) und andere festgeschaltete Steuerungskanäle, die dem TCH-Verkehr zugeordnet sind.
Es gibt vier verschiedene Arten von Bursts, die zur Übertragung im GSM verwendet werden. Der normale Burst wird verwendet, um Daten und den größten Teil der Signalisierungsinformation zu übertragen, und hat eine Gesamtlänge von 156,25 Bits, die aus zwei 57-Bit-Informationsströmen, einer zur Entzerrung verwendeten 26-Bit-Trainingssequenz, einem Stealing-Bit für jeden Informationsblock (für FACCH verwendet), 3 Endbits an jedem Ende und einer 8,25-Bit-Schutzsequenz besteht. Die 156,25 Bits werden in 15/26 ms (0,577 ms) übertragen, was eine Brutto-Bitrate von 270,833 kbit/s ergibt. Der im FCCH verwendete F-Burst und der im SCH verwendete S-Burst haben die gleiche Länge wie ein normaler Burst, aber eine andere interne Struktur, die sie von den normalen Bursts unterscheidet, wodurch Synchronisation ermöglicht wird. Die vierte Art von Burst ist der Zugriffsburst, der kürzer ist als der normale Burst und nur im RACH verwendet wird.
BESCHREIBUNG DER BESONDEREN GSM-IMPLEMENTIERUNG
Die vorliegende Erfindung ist für jede Kommunikationsstation anwendbar, die eine Gruppenantenne aus Antennenelementen verwendet und eine Einrichtung zum Anpassen der Phase und Amplitude eines Signals hat, so daß jedes Antennenelement eine Version des Signals überträgt, bei der die Phase und Amplitude gemäß einer Amplitudenskalierung und Phasenverschiebung angepaßt sind. Wie für den Fachmann verständlich ist, kann die Amplituden- und Phasenwichtung jedes Antennenelements für ein bestimmtes Kommunikationssignal durch einen komplexwertigen Wichtungsfaktor dargestellt werden, und die Menge der komplexwertigen Wichtungsfaktoren für dieses Signal für alle Antennenelemente kann durch einen komplexwertigen Wichtungsvektor dargestellt werden.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Testsystem, das die PCS-1900-Variante des GSM-Protokolls verwendet und das auf PCS-1900-Frequenzen (ungefähr 1,9 GHz) überträgt. Das Testsystem weist eine GSM-BS auf. Da sich die vorliegende Erfindung mit dem Senden von einer Kommunikationsstation aus befaßt, werden hier nur jene Bestandteile der BS beschrieben, die mit dem Senden zu tun haben. Wie die hier beschriebene Ausführungsform zur Implementierung in anderen Systemen zu modifizieren ist, zum Beispiel in zellularen Systemen, die das PHS-Protokoll verwenden, oder sogar in nichtdigitalen Systemen wie etwa AMPS, oder sogar in nichtzellularen Kommunikationsstationen, dürfte dem Fachmann klar sein.
Vollgeschwindigkeits-GSM-Sprachdaten bestehen aus linearprädiktionscodierten (LPC-)Sprachpaketen von 260 Bits bei 50 Hz. Ein 260-Bit-GSM-LPC-Sprachpaket enthält drei Arten (Gruppen) von Bits, wobei jede Gruppe entsprechend ihrer Wichtigkeit klassifiziert wird und jede Gruppe somit durch verschiedene Arten der Schutzcodierung (Parität und Faltung, nur Faltung oder gar keine Codierung) geschützt wird. Alle Gruppen werden verschachtelt, so daß sie ein 456-Bit-Ausgangspaket bilden.
Aufeinanderfolgende kanalcodierte 456-Bit-Sprachpakete werden miteinander über acht Funkbursts verschachtelt. 8 Bursts mit 114 Bits pro Burst ergeben insgesamt 912 Bits, somit sind für die Bildung eines beliebigen TCH-Burst tatsächlich zwei Sprachpakete erforderlich. Außerdem sind die Pakete relativ zueinander versetzt.
Zusätzlich zu Sprachdaten können mehrere andere Arten von Daten gemäß dem GSM-Protokoll übertragen werden. Außerdem können bei Verwendung von SDMA in jedem Zeitschlitz auf jedem Träger mehrere Raumkanäle (im allgemeinen irgendeine Anzahl bis zur Anzahl der Gruppenantennenelemente pro TCH) existieren. Die Bezeichnung "TS-SpChan" wird hier für einen Raumkanal und Zeitschlitz verwendet, der zum Beispiel einen bestimmten TCH trägt. Zum Beispiel hat in der besonderen Hardware, die für die bevorzugte Ausführungsform verwendet wird, ein einzelnes Trägersystem die Fähigkeit, bis zu drei Raumkanäle zu multiplexieren (diese Begrenzung besteht aufgrund der Verarbeitungsleistung aller Prozessoren), wodurch es bis zu 3 × 7 = 21 TS-SpChans gibt, da in dieser Ausführungsform einer der acht Schlitze zur Steuerung verwendet wird. Unter idealen Bedingungen kann jeder davon einen Sprachkanal mit voller oder halber Geschwindigkeit mitsamt zugehöriger Signalisierung enthalten.
In der bevorzugten Ausführungsform des GSM-System werden auf jedem Abwärtsstrecken-TS-SpChan nur einige Kombinationen von Kanälen verwendet, wie durch den GSM-Standard zugelassen. Somit hat jeder Träger 8 Zeitschlitze, jeder (Träger, Zeitschlitz, ausgenommnen Zeitschlitz 0) hat bis zu 3 Raumkanäle, von denen jeder (Träger, Zeitschlitz, Raumkanal) eine Abwärtsstrecken-Kanalkombination hat, und jede Abwärtsstrecken-Kanalkombination besteht aus einer Gruppe logischer Kanäle. Außerdem hat jeder (Träger, Zeitschlitz, räumliche Kanal) eine Menge von räumlichen Multiplexier-Wichtungsfaktoren (einen Wichtungsvektor), die ihm zugeordnet sind. Es ist jedoch zu beachten, daß Standard-GSM nicht das Konzept einschließt, daß auf einem einzelnen Zeitschlitz auf dem gleichen Träger mehrere TCHs vorhanden sind.
Daten, die für mehrere Mobiltelefone bestimmt sind und von mehreren logischen Kanälen stammen, werden zusammengefügt, um einen GSM-Abwärtsstreckenrahmen zu bilden. Zum Beispiel kann Zeitschlitz 0 einen Synchronisations-Steuerungskanal-(SCH-)Burst enthalten, Zeitschlitz 1 kann TCH/F-Daten für ein Mobiltelefon enthalten, die Zeitschlitze 2–5 können unbenutzt sein, Zeitschlitz 6 kann Daten des langsamen zugeordneten Steuerungskanals (SACCH) für ein anderes Mobiltelefon enthalten, und Zeitschlitz 7 kann TCH/F-Daten für noch ein anderes Mobiltelefon enthalten. Alle diese Daten zusammen mit den Trainingssequenzen und anderer Information werden zum Senden zu einem 1250-Bit-Rahmen zusammengefügt. Bits 0–147 sind Zeitschlitz 0, Bits 148–155 sind Zwischenburst-Schutzbits, Bits 156–303 sind Zeitschlitz 1, und so weiter. Ein zusätzliches Zwischenburst-Schutzbit wird zwischen den Zeitschlitzen 3 und 4 und zwischen den Zeitschlitzen 7 und 0 eingefügt.
Die GSM-Rahmen werden gemäß den GSM-Spezifikationen einer Gaußschen Minimalphasenumtast-(GMSK-)Modulation unterzogen. In der besonderen Ausführungsform wird die GMSK-Modulation ausgeführt, indem eine Verweistabelle zum Erzeugen von Wellenformen verwendet wird. Der GSM-Prozessor der besonderen Ausführungsform verwendet einen einzelnen digitalen Signalprozessor DSP für jedes Antennenelement, und es ist dieser DSP, der verwendet wird, um das Modulationsverfahren und die räumliche Verarbeitung auszuführen.
1(a) stellt einen "Signalfluß"-Plan eines Teilsystems für die Erstellung eines GMSK- modulierten Rahmens in einem GSM-System dar. Eine reale Vorrichtung zur Rahmenbildung hätte nicht diese Struktur; sie ist dargestellt, um den Vorgang der Bildung eines Rahmens erklären zu helfen. Rahmen-Ersteller 103 nimmt kanalcodierte Sprachpakete oder Steuerungspakete (gemeinsam 101), formatiert diese Daten zum Senden in Bursts gemäß dem GSM-Funkschnittstellenstandard und erstellt GSM-Rahmen 105 aus 8 Zeitschlitzen. 1(a) gibt wieder, was in einem bestimmten Zeitschlitz und für einen bestimmten Raumkanal geschieht, wenn es in diesem Zeitschlitz für den bestimmten Rahmen mehr als einen Raumkanal gibt. Die Rahmendaten (zu beliebiger Zeit) 105 werden durch den GMSK-Modulator 107 durch Gaußsche Mindestwertumtastungs-(GMSK-)Modulation moduliert, um ein komplexwertiges (das heißt I- und Q-)Basisbandsignal 109 zu erzeugen. Die Bildung von GSM-Rahmen und die Ausführung der erforderlichen GSM-(GMSK-)Modulation werden durch alle GSM-Basisstationen vorgenommen und sind dem Fachmann bekannt. In unserer Implementierung sind die Basisbanddaten 109 anderthalbfach überabgetastete digitale I- und Q-Daten (das heißt, bei 1,5 × 270,833 kHz abgetastete I- und Q-Daten).
Eng mit der Modulation gekoppelt ist das räumliche Multiplexierverfahren. Es sind die modulierten Basisbandsignale, die räumlich multiplexiert werden. Dies ist in 1(b) dargestellt. Zu irgendeinem bestimmten Zeitpunkt (das heißt, während irgendeines Zeitschlitzes) kann es mehr als ein Signal geben, das gesendet werden soll. 1(b) stellt drei solcher Raumkanäle von Basisbandsignalen dar, wobei die Signale als 109.1, 109.2 bzw. 109.3 bezeichnet werden. Man beachte, daß 1(b) die Verarbeitung in einem bestimmten Zeitschlitz erfaßt. In einem anderen Zeitschlitz kann eine andere Anzahl von Raumkanälen gesendet werden – zum Beispiel nur ein Kanal.
In der besonderen Ausführungsform wird das räumliche Multiplexieren der Einheit 111 antennenweise durch einen DSP ausgeführt, der einem bestimmten Antennenelement zugeordnet ist. Bei einem System von m Antennen werden in unserem System deshalb m solcher DSPs verwendet. Das räumliche Multiplexieren erfolgt nach der Erzeugung der GMSK-Wellenform Somit werden die GMSK-Modulation und das räumliche Multiplexieren der Effizienz wegen im gleichen DSP gekoppelt, und dieser DSP wird hier als Sendemodulations- und Multiplexier-DSP bezeichnet. Die Kopplung bedeutet, daß die Inhaltsdaten jedes (Rahmen-, Zeitschlitz-, Raumkanal-)Bursts und der entsprechende räumliche Multiplexier-Wichtungsvektor an die Sendemodulations- und Multiplexier-DSPs übergeben werden müssen.
In der Implementierung des GSM-Systems der bevorzugten Ausführungsform ist jede Kanalorganisation eine verknüpfte Liste von Zeigern zu Unterprogrammen, die, wenn in eine Reihenfolge gebracht, die geeignete Sequenz von Burstpaketen für die Sendemodulations- und Multiplexier-DSPs erzeugt.
Während eines bestimmten Zeitschlitzes für K Raumkanäle unter Verwendung K komplexwertiger Wichtungsvektoren w₁, w₂, ..., w_j, .... w_K, wobei der j-te Wichtungsvektor der Zeilenvektor wj=[wj1, ..., wji, ..., wjm]ist, können die räumliche Verarbeitung und die GMSK-Modulation, die durch die Sendemodulations- und Multiplexier-DSP ausgeführt werden, die dem i-ten Antennenelement (von insgesamt m Gruppenantennenelementen) zugeordnet ist, wie folgt mathematisch beschrieben werden:
wobei ()* die konjugiert komplexe Größe angibt, n der zeitliche Abtastwert während des bestimmten Zeitschlitzes ist, y_i(n) das Ausgangssignal (im Basisband) ist, das durch das i-te Antennenelement (in RF) gesendet werden soll, und GMSK(s_j(n)) die GMSK-modulierte Basisband-Wellenform des j-ten Raumkanals beim Zeitabtastwert n ist.
Somit stellt 1(b) die räumliche Verarbeitung unter Verwendung aller m Sendemodulations- und Multiplexier-DSPs für das räumliche Multiplexieren dreier Raumkanäle dar, wobei Wichtungsvektoren w₁, w₂, w₃ verwendet werden, um m komplexwertige (I- und Q-)Signale zum Senden durch m Antennenelemente zu bilden. Jeder Sendemodulations- und Multiplexier-DSP erzeugt ein solches Ausgangssignal für ein Antennenelement.
1(d) zeigt, wie diese m Basisbandsignale 113.1 bis 113.m durch die jeweiligen Sender 115.1 bis 115.m gesendet werden, um m RF-Signale zu erzeugen, die jeweils an Antennenelemente 129.1 bis 129.m übergeben werden.
Wenngleich jeder geeignete Sender verwendet werden kann, verwendete die besondere Ausführungsform Sender mit der in 1(c) dargestellten Struktur, die einen solchen Sender für ein Antennenelement darstellt. Ein anderthalbfach überabgetastetes Basisbandsignal 113.i vom i-ten Sendemodulations- und Multiplexier-DSP wird zuerst durch die Einheit 117 32-fach digital aufwärtsabgetastet, aufwärtskonvertiert und interpoliert. Das entstehende Signal wird dann durch einen Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 119 bei 13 MHz ins Analoge konvertiert, und das entstehende Signal 123 wird dann durch den RF-Sender 125 im Analogen aufwärtskonvertiert und verstärkt.
Der Begriff "Sendervorrichtung", wobei jede solche Vorrichtung einem Antennenelement zugeordnet ist, soll sich auf alle Vorrichtungen beziehen, einschließlich digitaler und analoger Hardware, Kabel und so weiter, die der Konvertierung eines Basisbandsignals in ein verstärktes RF-Signal zum Senden durch ein Antennenelement zugeordnet sind, wobei eine solche Vorrichtung dem Fachmann bekannt ist.
MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG
Wenngleich die hier beschriebene besondere Ausführungsform für ein FDMA/TDMA-System unter Verwendung eines bestimmten Modulationsformats gilt, ist die Erfindung nicht auf irgendeine Art von Modulation oder Multiplexierung begrenzt und kann somit in einem jeden System verwendet werden, einschließlich analoger Systeme und digitaler Systeme, die ein TDMA-, FDMA-, FDMA/TDMA- oder CDMA-System verwenden.
Wir nehmen an, die Basisstation (BS) habe eine Gruppenantenne aus m Antennenelementen. θ stelle die Parametermenge dar, die den Bereich der Standorte eines abgesetzten Empfängers (der Mobilstation, bezeichnet als MS) im Fernfeld der Gruppenantenne der BS beschreibt. Das bedeutet die Soll-Versorgung der RF-Charakteristik für einen bestimmten Benutzer. Die Menge θ kann eine Menge von Azimut-Winkeln darstellen, zum Beispiel θ = [30°, 150°]wobei [θ₁, θ₂] den Bereich der Azimutwinkel von θ₁, bis θ₂ bezeichnet. Alternativ kann θ eine Menge von Azimuten und Neigungswinkeln und Polarisationen sein, zum Beispiel θ = [30°, 150°] × [–30°, –5°] × [V, H]das die Bereichsmenge von Azimuten vom 30° bis 150° mit Elevationen von –30° bis –5° mit V- oder H- Polarisation ist. In der besonderen Ausführungsform wurden die Charakteristiken so bemessen, daß sie nur die Versorgung eines bestimmten Bereichs von Azimuten ermöglichen, und das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist sicherlich nicht auf eine solche Bereichsdefinition begrenzt.
In vielen Systemen, einschließlich jener, die das GSM-Protokoll der bevorzugten Ausführungsform verwenden, können alle Signale als annähernd schmalbandig in dem Sinne angenommen werden, daß die Mittenfrequenz bekannt ist und das Verhältnis der Signalbandbreiten zu ihren Mittenfrequenzen viel kleiner ist als eins. Man definiere a(θ), θ ∈ θ als m-Vektor, der die relativen Phasen und Amplituden des Signals enthält, das im abgesetzten Empfänger (der MS) von jedem der Gruppenantennenelemente empfangen wird, wenn diese Elemente jeweils ein identisches Schmalband-Signal senden. Das so definierte a(θ) wird manchmal als Steering-Vektor bezeichnet. Mehrere Gruppenantennen-Geometrien sind möglich, und die Erfindung ist nicht auf irgendeine bestimmte Anordnung begrenzt. Ein Beispiel, das in der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, ist eine lineare Gruppe von m identischen, omnidirektionalen Antennenelementen, die in einheitlichen Abständen entlang einer Linie angeordnet sind, wobei der Abstand als d bezeichnet wird. Für eine solche Geometrie kann gezeigt werden, daß der Steering-Vektor (innerhalb einer Proportionalitätskonstante) in einer Umgebung, die im wesentlichen frei von reflektierenden oder beugenden Objekten ist, folgendermaßen lautet: a(θ) = [1e–j2πdcos(θ)/λ ... e–j2(m–1)πdcos(θ)/λ]T Gleichung 1wobei λ= clf ist, ()^T die transponierte Matrix angibt, c die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist, f die RF-Frequenz ist, und θ der dem Standort der MS entsprechende Azimut oder Kegelwinkel ist, relativ zur Achse der Gruppenantenne gemessen. Wenn jedes der Gruppenantennenelemente ein omnidirektionales Elevationsverhalten hat, aber ein nichtkonstantes und identisches Azimutverhalten, bezeichnet als e(θ), dann kann gezeigt werden, daß der Steering-Vektor lautet: a(θ) = e(θ)[1e–j2πdcos(θ)/λ ... e–j2(m–1)cos(θ)/λ]T Gleichung 2
Die Sende-Mannigfaltigkeit T(θ) sei als die Menge der relativen Phasen und Amplituden des Signals definiert, das von jedem der Gruppenantennenelemente am abgesetzten Empfänger für alle θ_s empfangen wird, die in der Menge θ sind. Das heißt: T(θ) = {a(θ), θ ∈ θ} Gleichung 4
In der bevorzugten Ausführungsform wird angenommen, daß T(θ) bekannt ist. Verfahren zur genauen Schätzung von T(θ) sind bekannt, und solche Verfahren schließen analytisches Modellieren in Kombination mit der Kalibrierung der Gruppenelektronik sowie direkte Messungen im Feld ein. Siehe zum Beispiel Unsere Patente für intelligente Antennen als ein Beispiel dafür, wie die Steering-Vektoren bestimmt werden können und wie der Standort abgesetzter Benutzer in einem SDMA-System bestimmt werden kann, zusammen mit US-Patent 5 546 090 (13. August 1996) mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR CALIBRATING ANTENNA ARRAYS, Roy et al., Erfinder, dessen Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird, das ein Beispiel der Kalibrierung eines SDMA-Systems aufweist.
Der komplexwertige m-dimensionale Zeilen-Wichtungsvektor w umfaßt die komplexen Wichtungsfaktoren, die zum Verteilen eines komplexwertigen (In-Phase-I- und Quadratur-Q-)Signals s(t) über die Gruppenantennenelemente verwendet werden, um eine bestimmte Strahlungscharakteristik als eine Funktion von θ zu erzielen. Wenn ein Wichtungsvektor w für räumliche Sendeverarbeitung verwendet wird, dann sind die m komplexwertigen Signale, die (im Basisband) an die Antennenelemente angelegt werden, durch die Elemente des komplexwertigen m-Zeilenvektors gegeben: w*s(t) = [w1 *s(t), w2 *s(t), ..., wm *s(t)] Gleichung 5wobei ()^* die konjugiert-komplexe Größe angibt und s(t) das Basisbandsignal ist, das gesendet werden soll (GMSK-moduliert, in der bevorzugten Ausführungsform, die GSM verwendet), so daß das durch eine MS empfangene Nettosignal am Standort θ dann proportional zur komplexwertigen Größe ist: w*a(θ)s(t) Gleichung 6
In der bevorzugten Ausführungsform wird jedes der zu sendenden Signale durch die Sendemodulations- und Multiplexier-DSPs erzeugt, wie hier oben beschrieben, und andere Ausführungen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung sind sicherlich möglich, wie für den Fachmann offensichtlich sein dürfte.
EINZELNER LOGISCHER KANAL PRO ZEITEINHEIT
Die bevorzugte Ausführungsform zur Bestimmung des Wichtungsvektors w, die die erwünschten Merkmale erzielt, zum Beispiel nahezu omnidirektionale (NOR-)Charakteristik, weist die folgenden Schritte auf: Definieren einer Kostenfunktion des Wichtungsvektors w ein, die Abweichungen von der erwünschten Verhaltenscharakteristik mißt, und anschließendes Lösen des Minimierungsproblems zur Ermittlung des Wichtungsvektors w, der die Kostenfunktion minimiert. Viele Kostenfunktionen sind für diese Ausführungsform möglich. Im Fall eines einzelnen logischen Kanals pro Zeiteinheit und für eine NOR-Charakteristik ist die bevorzugte Kostenfunktion, die ein Maß der erwünschten Charakteristik für omnidirektionales Rundsenden ist:
wobei |w| der Vektor der Amplituden der Elemente von Vektor w ist, |w| der Mittelwert aus allen Elementen in |w| ist und |w|₂ die L2-Norm (das heißt die "Länge") des Vektors w ist. Der erste Term des Ausdrucks für die Kostenfunktion (Gleichung 7) ist ein Maß der Abweichungen in der Sendeleistung zwischen den Antennenelementen, der zweite Term ist ein Ausdruck der Gesamtsendeleistung, und der dritte Term ist ein Maß der Gewinnabweichung von irgendeinem konstanten Soll-Gewinnwert, bezeichnet als g_d. Die α_i sind positive Skalierungsfaktoren, die eine relative Wichtung für die Komponenten der Kostenfunktion bereitstellen. Die Integration im dritten Term erfolgt über θ', eine Untermenge von θ, insbesondere über den Abschnitt des Parameterraums θ, über den die Minimierung der Kostenfunktion ausgeführt werden soll (zum Beispiel über einen Azimutsektor). Andere Kostenfunktionen können verwendet werden, die zum Beispiel größere "Kosten" für Welligkeit in den Verhaltenscharakteristiken in einem Teil des Bereichs auferlegen, oder zum Erzielen einer erwünschten Nicht-NOR-Charakteristik und so weiter. Die besondere Kostenfunktion kann dem Konstrukteur überlassen werden und hängt von der relativen Wichtigkeit einiger der Maße ab, die in der Kostenfunktion enthalten sind.
Das optimale w zur Verwendung beim omnidirektionalen Rundsenden (oder Rundsenden mit erwünschter Charakteristik) ist dann das w, das die Kostenfunktion J(w) minimiert. Es wird selten geschehen, daß J(w) analytisch minimiert werden kann. Stattdessen wird in der bevorzugten Ausführungsform ein numerischer Minimierungsansatz verwendet. Insbesondere haben wir ein Quasi-Newton-Verfahren verwendet und die Real- und Imaginärteile von w als eine Sammlung von 2m reellen Parametern behandelt.
Wie eine solche numerische Minimierung ausgeführt werden kann, ist für den Fachmann offensichtlich. Für die tatsächliche Implementierung wurde das interaktive Matrizen-Manipulationsprogramm MATLAB (The Mathworks, Inc., Narick, MA) verwendet. MATLAB, das auf den meisten allgemein verbreiteten Computerbetriebssystemen läuft, integriert numerische Analyse, Matrizenrechnung, Signalverarbeitung und grafische Darstellung in einer einzigen Umgebung, wo Probleme und Lösungen mathematisch ausgedrückt werden, und ohne den Steuerungsaufwand herkömmlicher Programmiersprachen, um kompliziertere Anwendungen zu unterstützen. Das grundlegende Datenelement ist eine Matrix, die keine Dimensionierung erfordert. Es ermöglicht die Lösung numerischer Probleme in einem Bruchteil der Zeit, die es dauern würde, ein Programm in einer Sprache wie etwa FORTRAN, BASIC oder C zu schreiben. Spezialisierte "Werkzeugsätze" sind verfügbar und stellen verständliche Sammlungen von MATLAB-Funktionen (M-Dateien) bereit, die die MATLAB-Umgebung erweitern, um bestimmte Klassen von Problemen zu lösen. Solche Werkzeugsätze schließen Signalverarbeitung, Entwurf von Steuerungssystemen, Simulation dynamischer Systeme, Systemidentifizierung, neuronale Netzwerke, Optimierung und so weiter ein. Insbesondere wurde der MATLAB-Optimierungs-Werkzeugsatz verwendet, um das Optimierungsproblem zu lösen. Der MATLAB-Optimierungs-Werkzeugsatz weist ein Quasi-Newton-Optimierungsverfahren auf.
Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß, wenngleich es normalerweise erwünscht ist, eine NOR-Charakteristik zu erzielen, manchmal andere Überlegungen wichtiger sein können. So kann das Verfahren unter einem anderen Aspekt der Erfindung angewendet werden, um andere, nicht unbedingt NOR-Charakteristiken zu erzielen. Im allgemeinen haben diese Nicht-NOR-Charakteristiken einige breite Bereiche. Zum Beispiel kann es hinreichend sein, eine Charakteristik zu erzielen, die keine Nullstellen im vorgesehenen Versorgungsbereich hat, die die Energieabweichung von Antennenelement zu Antennenelement und auch die gesendete Gesamtenergie minimiert. Für eine solche Anwendung kann der gleiche Ansatz mit anderen Komponenten in der Kostenfunktion verwendet werden. Somit können auch andere Charakteristiken mit verschiedenen Abweichungen von der Erfindung erzielt werden, wenngleich die spezifische Ausführungsform mit Bezug auf das Erzielen einer omnidirektionalen Charakteristik beschrieben wird.
VERSUCHSERGEBNISSE
Das oben beschriebene Verfahren wurde verwendet, um für eine Gruppe, die aus acht als lineare Gruppe mit 0,51 λ Abstand angeordneten 120°-Patch-Antennenelementen zusammengesetzt ist und bei 1945,2 MHz arbeitet, einen (in bezug auf den Azimut) NOR-Wichtungsvektor w zu bemessen. Der tatsächliche Aufbau wurde unter der Annahme von 0,5 λ Abstand und J(w) wie in Gleichung 6 vorgenommen, wobei: a(θ) = [1e–jπcos(θ) ... e–j(m-1)πcos(θ)]T/√8 α1 = 1,0, α2 = 1,0, α3 = 0,5, gd = 1,0, und θ' = [30°, 150°]
Die besondere Auswahl für θ' wurde vorgenommen, da dieses Beispiel für einen sektorisierten Aufbau bestimmt war. g_d wird auf der Grundlage der Skalierung von a(θ) und der Anzahl der Elemente (8) in der Gruppenantenne ausgewählt.
Man beachte, daß sich das Entwurfsproblem bei einer linearen Gruppe für eine nichtsektorisierte NOR-Charakteristik aufgrund der Symmetrie von 0 bis 180 Grad erstrecken würde. Nicht-lineare und nichtsymmetrische Gruppencharakteristiken würden einen Entwurf über den gesamten 360°-Bereich erfordern.
Wie oben erwähnt, wurde MATLAB verwendet, um den Wichtungsvektor w gemäß Gleichung 7 zu bemessen. Die Ergebnisse sind skaliert dargestellt, so daß die maximale normierte Strahlungsleistung von einem jedem Element 1 beträgt. Die zwei gestrichelten vertikalen Linien 203 und 205 in 2 sind die Grenzen des Sektors [30°, 150°]. Es wird deutlich, daß diese Charakteristik 201 einen signifikanten Gewinn in bezug auf ein einzelnes Element hat. Zwei Anmerkungen bezüglich der Welligkeit im Sektor [30°, 150°] seien gemacht. Erstens ist Spitze-Spitze-Welligkeit in der Größenordnung von einigen wenigen dB wahrscheinlich nicht signifikant für den Betrieb. Zweitens ist der erhöhte Gewinn an den Sektorrändern tatsächlich ein erwünschtes Merkmal der Charakteristik, da er den verringerten Gewinn in der Charakteristik des einzelnen Elements an den Sektorrändern ausgleicht (siehe Gleichung 2). Wenn Welligkeit nicht tolerierbar ist, kann eine andere Kostenfunktion konstruiert werden, die der Welligkeit in einem bestimmten Bereich ein hohes Gewicht gibt. Solche Modifikationen sollten für den Fachmann erkennbar sein.
Diese Verarbeitungsstrategie wurde im GSM-Versuchssystem mit SDMA der bevorzugten Ausführungsform implementiert, und Feldmessungen wurden alle 5° innerhalb des Sektors vorgenommen, um das tatsächliche Leistungsvermögen mit theoretischen Vorhersagen zu vergleichen. Die Ergebnisse sind in 3 durch "x" dargestellt, wobei sie interpoliert wurden, um die gestrichelte Linie 305 in 3 zu ergeben. Die durchgezogene Linie 201 in 3 ist die gleiche wie in 2, und wie man sehen kann, gibt es eine exzellente Übereinstimmung der tatsächlichen Feldmessungen mit den theoretischen Berechnungen.
MEHRERE LOGISCHE KANÄLE PRO ZEITEINHEIT
Es gibt Situationen, in denen es erwünscht sein kann, die Gruppenantenne an der BS zu verwenden, um gleichzeitig mehrere logische Kanäle auf dem gleichen Träger unter der Randbedingung einer NOR-Energiecharakteristik zu senden. Beispielsweise kann die Gruppenantenne verwendet werden, um mehrere Abwärtsstrecken-Verkehrskanäle oder mehrere Raumkanäle auf einem Träger zu unterstützen, wobei der Träger die zusätzliche Anforderung, nämlich eine omnidirektionale Energiecharakteristik hat. Diese Anforderung besteht zum Beispiel für einige Träger, einschließlich des BCCH-Trägers im GSM-System. Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung, um dies zu realisieren. Wenn in einem einzelnen Zeitschlitz (in einem FDMA/TDMA-System) oder in einem herkömmlichen Kanal (allgemein) an mehr als einen Benutzer gesendet wird, würde normale räumliche Verarbeitung ohne Verwendung dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung stark gerichtete RF-Charakteristiken zu jedem der Benutzer erzeugen, so daß die Netto-RF-Charakteristik gerichtet wäre. Es ist erwünscht imstande zu sein, die Information an solche Gleichkanal-Benutzer gerichtet zu senden (und somit keine Störung zwischen den Gleichkanal-Benutzern hervorzurufen), während eine Netto-RF-Charakteristik erhalten bleibt, die nahezu omnidirektional ist.
Wir nehmen an, es gibt eine Anzahl von beispielsweise D MSs (das heißt, abgesetzten Benutzern) an unterschiedlichen Standorten, die durch die D Azimute θ_i, i = 1, ..., D gegeben sind. Diese Standorte wären normalerweise zumindest annähernd bekannt. Das Ziel ist es, D Wichtungsvektoren zu bemessen, die jeweils eine gerichtete Charakteristik zu einer entsprechenden MS hervorrufen, ohne Interferenz mit den anderen MSs zu verursachen, während eine Netto-NOR-Charakteristik in dem gesamten Bereich erhalten bleibt, in dem eine NOR-Charakteristik erwünscht oder erforderlich ist. Um dies zu tun, zerlegt man zuerst den Gesamtparameterraum θ (wo eine NOR-Charakteristik erwünscht ist) in D einander nicht überlappende Bereiche Ω_i, i = 1, ..., D, so daß folgendes erfüllt ist: θi ∈ Ω1, i = 1, ..., D Gleichung 8
Ωi⋂ Ωj = ∅, i ≠ j Gleichung 10
Gleichung 8 besagt, daß die i-te MS sich in dem als Ω_i bezeichneten i-ten Bereich befindet, Gleichung 9 besagt, daß θ die Summe aller D Bereiche ist, und Gleichung 10 besagt, daß die Bereiche einander nicht überlappen (∅ ist die Nullmenge). Dies bedeutet, daß es für jeden abgesetzten Benutzer einen Bereich gibt. Man kann auch mehr Bereiche als Benutzer haben, das heißt, mehr als D Bereiche. In einem solchen Fall können eines oder mehrere "Blindsignale" an Bereiche gesendet werden, von denen bekannt ist, daß es keinen Benutzer gibt. Die Modifikation für ein Blindsignal ist einfach. In dieser Beschreibung und in den Ansprüchen soll "ein Blindsignal" entweder ein Blindsignal oder mehrere verschiedene Blindsignale bezeichnen, und welcher Fall zutrifft, dürfte dem entsprechenden Fachmann anhand des Kontextes klar werden. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet jedoch nur D Bereiche. Wie zuvor schließt das Verfahren der Bestimmung der Wichtungsvektoren für jeden der Benutzer das Definieren von Kostenfunktionen der D Wichtungsvektoren w₁, ..., w_D ein, wobei jede Kostenfunktion Abweichungen von der erwünschten Verhaltenscharakteristik kennzeichnet, und dann das Lösen des Minimierungsproblems der Findung der Menge von D Wichtungsvektoren, die die Kostenfunktion minimieren. Wiederum sind viele Kostenfunktionen für diesen Aspekt der Erfindung möglich, und viele Verfahren des Lösens des Minimierungsproblems sind ebenfalls möglich. In der bevorzugten Ausführungsform verwenden wir die Gesamtkostenfunktion, die wie folgt bestimmt wird. Definiere
und
Die bevorzugte Gesamtkostenfunktion J(W) ist gegeben durch:
wobei W die Menge der D Wichtungsvektoren ist, W = {w₁, ..., w_D}. Die als W_opt bezeichnete optimale Menge von Wichtungsvektoren ist dann durch diese Menge W gegeben, die die Kostenfunktion J(w) minimiert. In Gleichung 11 sind die Bedeutungen der einzelnen Terme analog denen in Gleichung 7. Die L_i(w_i) von Gleichung 12 sind Maße der Energie, die durch den i-ten Benutzer empfangen wird, aber nicht für diesen Benutzer vorgesehen ist. Das heißt, daß die in allen nicht vorgesehenen Bereichen für diesen Wichtungsvektor w_i empfangene Energie β_i für diese Komponente der Gesamtkostenfunktion ein positives Gewicht hat.
In einer alternativen Ausführungsform wird die folgende als L'_i(w_i) bezeichnete Form für L_i(w_i) verwendet:
wobei es sich bei γ_i um D Parameter handelt, die verwendet werden können, um einen akzeptablen Pegel der Störung für den Benutzer in Ω_i zu setzen, die von den Signalen ausgeht, die für die Benutzer in Ω_j, j ≠ i bestimmt sind. Andere Alternativen sind ebenfalls möglich, wie für den Fachmann deutlich sein dürfte.
Wie beim Fall eines einzelnen Benutzers wird vorzugsweise ein numerisches Verfahren zur Lösung für die Menge der Wichtungsvektoren, die J(W) minimiert, verwendet. Insbesondere wurde erneut ein Quasi-Newton-Verfahren verwendet, insbesondere das Quasi-Newton-Verfahren in dem MATLAB-Optimierungs-Werkzeugsatz, und die Real- und Imaginärteile der w_i wurden als eine Sammlung von 2m × D reellen Parametern behandelt.
ALTERNATIVES RECHENEFFIZIENTES VERFAHREN
Sobald sich Benutzer im Versorgungsbereich umherbewegen, muß die optimale Menge von Wichtungsvektoren W im allgemeinen neu berechnet werden. Dies schließt potentiell das wiederholte Lösen eines rechenintensiven Optimierungsproblems mit einer hohen Häufigkeit ein. In einer ersten alternativen Ausführungsform können eine Menge von Situationen (Standortbereiche für Gleichkanal-Benutzer) vorher definiert und die Wichtungsvektoren für solche Situationen vorher berechnet und dann in einem Speicher vorher gespeichert werden. Sooft die bekannten oder annähernd bekannten Standorte der Gleichkanal-Benutzer zu einer der vorher berechneten Situationen passen, wird die Menge der Wichtungsvektoren für diese bestimmte der Situationen aus dem Speicher abgerufen und zum Senden verwendet. Um sicherzustellen, daß die bemessenen Bereiche für Gleichkanal-Benutzer hinreichend getrennt sind, wäre es normalerweise nötig, mehr als eine Menge von Bereichen für jede bestimmte Anzahl von Gleichkanal-Benutzern zu bemessen. Sonst kann Gleichkanal-Störung auftreten, wenn zwei Benutzer sich dicht an den Übergangszonen befinden.
Für annähernd einheitliche Gruppenantennengeometrien, zum Beispiel für eine annähernd einheitliche lineare Gruppe, und für einige andere Geometrien, schließt eine zweite alternative Ausführungsform das Speichern nur einer sehr kleinen Anzahl von vorher berechneten Mengen von Wichtungsvektoren und das schnelle Berechnen der Wichtungsvektoren für nicht vorher berechnete Situationen unter Verwendung einer einfachen Rechnung ein. Das heißt, das Verfahren schließt das Vorberechnen einer Prototyp-Menge von Wichtungsfaktoren W und dann das "Verschieben" dieser Prototyp-Menge W um sie an die sich verändernden Standorte der Mobiltelefon-Benutzer in der Menge θ anzupassen, ein.
Diese zweite alternative Ausführungsform wird am besten anhand eines Beispiels erklärt. Man betrachte eine einheitliche lineare Gruppenantenne, die aus m omnidirektionalen Elementen mit N2-Abstand besteht, und nehme ferner an, daß im Azimut der Gesamtbereich für omnidirektionales Senden die gesamte Ebene ist, das heißt, θ = [0°, 180°], und das Auslegungsproblem geht nur über den Azimut, ohne daß irgendeine bestimmte Elevationenmenge oder Polarisationenmenge festgelegt wird. Der Steering-Vektor a(θ) für diesen Fall ist von der durch Gleichung 1 gegebenen Form, insbesondere a(θ) = [1e–jπcos(θ) ... e–j(m–1)πcos(θ)]T Gleichung 16
Wenn ein Sende-Wichtungsvektor w verwendet wird, dann ist die Gesamtstrahlungsleistung als eine Funktion des Azimuts proportional zur Größe P(θ), wobei P(θ) = |w*a(θ)|2, θ ∈ Θ Gleichung 17
Bei einem Vektor der durch Gleichung 16 gegebenen Form für a(θ) sagt man, daß er eine Vandermonde-Struktur hat. Angenommen, w_r sei ein anderer Sende-Wichtungsvektor, der der um 37° verschobene Wichtungsvektor w ist. Das heißt: wr = w⊗[1e–jπ(cos(127°)–cos(90°)) ... e–j(m–1)π(cos(127°)–cos(90°))] Gleichung 18 wobei ⊗ der Operator ist, der die elementweise Multiplikation bezeichnet. Aufgrund der Vandermonde-Struktur von a(θ) wird die Strahlungsleistung als eine Funktion des Azimuts unter Verwendung der Wichtungsfaktoren w_r um einen ähnlichen Betrag gedreht (mod 180°). Mit anderen Worten, die Gesamtstrahlungsleistung ist proportional zu: |wr *a(θ)|2 ≈ P((θ + 37°) mod 180°) Gleichung 19Gleichung 19 hat wegen des Cosinus in Gleichung 16 eine annähernde Gleichheit statt einer exakten Gleichheit. Der Cosinus ist nicht linear.
Diese Beziehung ist in 4(a) und 4(b) dargestellt. Diagramm 403 in 4(a) stellt die Leistung als eine Funktion des Winkels unter Verwendung des ursprünglichen Wichtungsvektors w dar, und Diagramm 405 in 4(b) stellt die Leistung als eine Funktion des Azimuts für den "gedrehten" Wichtungsvektor w_r dar.
Dieses Konzept bildet die Basis für die zweite alternative Ausführungsform des Verfahrens zum gleichzeitigen Senden mehrerer räumlich verschiedener logischer Kanäle, während eine NOR-Strahlungscharakteristik aufrechterhalten wird. Die bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens läuft folgendermaßen ab:

1. Unterteilen des Parameterraums in eine endliche Anzahl von Bereichen, deren Gesamtheit den gesamten Raum bildet, und die Anzahl der Bereiche ist die Anzahl der Gleichkanal-Benutzer. Man beachte, daß andere Ausführungsformen weniger Benutzer als Bereiche haben können.
2. Bemessen von Wichtungsvektoren für jeden Bereich, wobei jeder Wichtungsvektor einen nahezu konstanten Gewinn über seinen vorgesehenen Bereich bereitstellt, während die in die anderen Bereiche gesendete Leistung minimiert wird. Dies erfolgt vorzugsweise durch Bestimmen der Menge von Wichtungsvektoren, die eine Kostenfunktion minimieren, wobei die Kostenfunktion durch Gleichung 13 bestimmt wird. Vorspeichern der Wichtungsvektoren zum Erzielen von NOR in den Bereichen als eine Prototyp-Menge von Wichtungsvektoren.
3. Auf der Grundlage der Kenntnis der Standorte der Gleichkanal-Benutzer, Bestimmen der erforderlichen Umsetzungen der Bereiche, um sicherzustellen, daß Gleichkanal-Benutzer hinreichend getrennt sind und daß in jedem Bereich nicht mehr als ein Benutzer enthalten ist. Man beachte, daß es während der Umsetzung der Bereiche zu einer gewissen Deformation kommen kann. Der Standort oder ungefähre Standort der Benutzer ist bei der SDMA-Verarbeitung bekannt (siehe zum Beispiel unsere Patente für intelligente Antennen).
4. "Verschieben" der vorher bemessenen (und vorher gespeicherten) Wichtungsfaktoren, so daß sie der Umsetzung der Bereiche entsprechen.

Der Vorteil der zweiten Ausführungsform besteht darin, daß weniger Prototyp-Mengen von Wichtungsfaktoren vorher gespeichert werden müssen. Im allgemeinen kann das Vorberechnen nur einer Prototyp-Menge für jede potentielle Anzahl von Gleichkanal-Benutzern hinreichend sein.
VERSUCHSERGEBNISSE
Das oben beschriebene Verfahren der zweiten alternativen Ausfürungsform wurde verwendet, um zwei Wichtungsvektoren w₁ und w₂ für ein System mit zwei gleichzeitigen Raumkanälen mit einer zusammengesetzten NOR-Charakteristik für eine BS mit der gleichen Gruppenantenne zu bemessen, die für den Versuch mit einem einzelnen Benutzer verwendet wurde, das heißt, die Gruppenantenne weist acht 120°-Patch-Antennenelemente auf, die in einer linearen Gruppe mit 0,51 λ Abstand bei 1945,2 MHz (für ein PCS-1900-GSM-System) angeordnet sind. Diese Wichtungsfaktoren wurden zur Verwendung mit zwei gleichzeitigen Gleichkanal-Benutzers mit unterschiedlichen logischen Kanälen bemessen (zum Beispiel zwei verschiedene Gespräche auf zwei TCHs), während eine Netto-NOR-Gesamtstrahlungscharakteristik erhalten bleibt.
Es wurde angenommen, daß der Gesamtbereich für omnidirektionale Versorgung θ die gesamte Ebene ist. Das heißt, θ = [0°, 180°] (obwohl das tatsächliche Gebiet, das versorgt werden mußte, [30°, 150°] war und dieser Bereich in zwei Bereiche unterteilt wurde, die erste, Ω₁, von 0 bis 60 Grad und von 120 Grad bis 180 Grad (Ω₁= [0°, 60°] ∪ [120°, 180°]), und die zweite, Ω₂, von 60 Grad bis 120 Grad (Ω₂= [60°, 120°] mit θ = Ω₁ ∩ Ω₂).
Es ist zu beachten, daß die Sektorisierung zu einem 120°-Sektor durch die physikalischen Strahlungscharakteristiken der einzelnen Antennenelemente (siehe Gleichung 2) bewirkt wird, so daß die Sektorierung in der Strahlungscharakteristik auch dann bestehen würde, wenn θ = [0°, 180°] ausgewählt worden wäre. Die Entscheidung, daß sich der für die Bemessung bestimmte Bereich θ über 180° erstrecken soll, wurde wegen des periodischen Umhüllens von Charakteristiken für eine lineare Gruppenantenne der bevorzugten Ausführungsform getroffen. Durch Verschieben einer Charakteristik auf weniger als 0° wird die Charakteristik "zum Negativen" von 180° abwärts verschoben. Dies wird als "Umhüllung" bezeichnet. Die Umhüllungseigenschaft wird verwendet, um die zwei Prototyp-Charakteristiken für den Zwei-Benutzer-Fall zu erzeugen, indem ein einzelnes Charakteristiken verschoben wird. Wenngleich diese Eigenschaft erwünscht ist, ist sie kein erforderlicher Bestandteil dieses Aspekts der Erfindung, der auf andere Weise verwirklicht werden kann.
Als Unterbrechungsstellen der Bereiche wurden {60°, 120°} genommen, da cos(60°) = –cos(120°) = 0,5. Dies ergab Bereiche gleicher Winkelweite, von denen eine (Modulo der Umhüllungseigenschaft) eine Verschiebung der anderen ist. Somit mußte mit dieser Bereichsdefinition und der Umhüllungseigenschaft nur ein Optimierungsproblem gelöst werden: das Bestimmen des Ω₁ entsprechenden Wichtungsvektors w₁. w₂ wird dann durch Verschieben von w₁ um 90° erzeugt.
Andere Unterbrechungsstellen und Bereiche können auch definiert werden. Wenn die Verschiebungseigenschaft nicht zuläBt, daß die zwei Prototyp-Bereiche durch eine Verschiebung in Beziehung gesetzt werden, müßten zwei Optimierungsprobleme gelöst werden.
Wenngleich vorzugsweise sicherzustellen ist, daß der gesamte Bereich θ die Gesamtheit aller einzelnen Bereiche ist, kann es vorkommen, daß dies einige Berechnungsprobleme mit sich bringt, zum Beispiel im Quasi-Newton-Verfahren. In der verwendeten besonderen Implementierung der zweiten alternativen Ausführungsform wurde eine Pufferzone von 10° am Rand jedes Bereichs einbezogen. Es zeigte sich, daß dies die Konvergenzeigenschaften der Quasi-Newton-Optimierungsroutine verbessert. Somit Ω₁ = [0°, 50°] ⋃ [130°, 180°] und Ω₂= [70°, 110°]. Dieses Element der Konzeption impliziert, daß eine 20°-Trennung für Gleichkanal-Benutzer erhalten bleiben maß. Die tatsächliche Kostenfunktion, die verwendet wird, um w₁ zu berechnen, war gleich der aus Gleichung 13, nur daß K₁ (das heißt α_2.i = 0) verwendet wurde, mit: a(θ) = [1e–jπcos(θ) ... e–j(m–1)πcos(θ)]T Gleichung 20 α1.1 = 6,0, α1.2 = 0,0, α1.3 = 1,0, gd = 1; Gleichung 21 Ω1 = [0°, 50°] ⋃ [130°, 180°] et Ω2 = [70°, 110°] Gleichung 22
Es wurde eine modifizierte Version von L₁ verwendet mit dem Ziel, die Störwirkung von Ω₁ auf Ω₂ um mindestens 30 dB zu verringern, während positive Extremwerte der Ω₁-Energiecharakteristik in Ω₂ bestraft werden. Mathematisch, nämlich
wird w₂ durch Drehen von w₁ ermittelt, so daß er bei 90° statt bei 0° zentriert ist. Diagramme der zwei Charakteristiken sind als Kurven 503 und 505 in 5 dargestellt. Um die Diagramme zu erzeugen, wurden die Wichtungsfaktoren normiert, so daß der maximale Betrag der Elemente in einem der beiden Wichtungsvektoren 0,5 betrug, so daß die von einem beliebigen Element gesendete normierte Leistung nicht größer als Eins ist. Gekennzeichnete Gewinne im Diagramm beziehen sich auf ein einzelnes Element, das bei einer normierten Leistung von Eins sendet. Man beachte, daß die Strahlungsleistung als eine Funktion des Azimuts, das heißt, die Summe der beiden Kurven 503 und 505, immer noch größer ist als jene, die mit einem einzelnen Sendeelement erreichbar ist, das mir vergleichbarer Leistung arbeitet.
Diese Wichtungsfaktoren w₁ und w₂ sind für zwei Benutzer geeignet, wenn sich sowohl in Ω₁ als auch Ω₂, wie oben definiert, ein Benutzer befindet. Wenn dies nicht der Fall ist (wo abgesetzte Benutzer durch unterschiedliche Methoden bestimmt werden können. Siehe zum Beispiel unsere Patente für intelligente Antennen), werden die Charakteristiken um [cos(θ₁) + cos(θ₂) – cos(60°)] verschoben und sortiert, so daß θ₁ > θ₂, wie oben beschrieben, um die Unterbrechungsstelle zwischen den Charakteristiken zum Mittelpunkt zwischen den Benutzer zu verschieben. Für Benutzerwinkel von 94° bis 137° sind die entstehenden Charakteristiken in 6 als Diagramme 603 und 605 dargestellt. Man beachte, daß die Berechnung der Wichtungsfaktoren allein auf dem Azimut-Abstand zwischen Benutzern beruht und sehr rechentechnisch effizient ist.
Unten ist der MATLAB-Code, der verwendet wurde, um 5 und 6 zu erzeugen. Im MATLAB-Code sind die durch die Optimierung bestimmten tatsächlichen Wichtungsfaktoren als Parameter dargestellt und müssen in den Code eingegeben werden. Um 5 zu erzeugen, erteilt man den Befehl Pat2(0, [94 137], 1), und um 6 zu erzeugen, erteilt man den Befehl Pat2(1, [94 137], 1).
DITHERMODULATION
Bei einer weiteren Verbesserung wird die Unterbrechungsstelle zwischen den Charakteristiken um einen kleinen Betrag, vorzugsweise 5°, dithermoduliert, wobei die Dithermodulation bei niedriger Frequenz stattfindet, zum Beispiel bei einer Frequenz von mehreren hundert Hertz. Infolge dessen befindet sich kein Standort in der Zelle permanent an einem örtlichen Minimum der Mischcharakteristik, und die zeitlich gemittelte Energie als eine Funktion des Azimuts ist relativ konstant.
Die Dithermodulation kann zum Beispiel ausgeführt werden, indem man von Burst zu Burst eine ein wenig andere Verschiebung hat. Wenn zum Beispiel für einen Prototyp-Wichtungsfaktor eine Verschiebung um den Winkel θ erforderlich ist, dann wäre die bei jedem Burst angelegte Verschiebung θ + 5° × rnd, wobei rnd eine Zufallszahl ist, die gleichmäßig zwischen +1 verteilt ist. Somit würde der Wichtungsvektor von Burst zu Burst in der Verschiebung von einem nominalen Wichtungsvektor dithermoduliert werden.
7 stellt für den Fall der gleichen zwei gleichzeitigen Benutzer, wie in 6 dargestellt, den zeitlichen Mittelwert-Leistungsgewinn gegenüber dem omnidirektionalen Senden auf einem Antennenelement dar, den man mit und ohne Dithermodulation erhält. Die Mittelwertbildung erfolgt über 100 Wiederholungen, in denen die relativen Phasen der beiden Signale zufällig gemacht ist. Die durchgezogene Kurve 703 stellt die Ergebnisse mit Dithermodulation dar, während die gestrichelte Kurve 705 die Ergebnisse ohne Dithermodulation darstellt.
Unten ist der MATLAB-Code "ditherDemo", der verwendet wird, um 7 zu erzeugen. Wie im Code Pat2 sind die durch die Optimierung bestimmten tatsächlichen Wichtungsfaktoren als Parameter dargestellt und müssen in den Code eingegeben werden.
DITHERMODULATION FÜR EINEN BENUTZER PRO RAUMKANAL
Die oben beschriebene Dithermodulation für den Fall mehrerer Benutzer kann auch verwendet werden, um die Welligkeit für den Fall eines Benutzers pro herkömmlichem Kanal zu verringern. Der Wichtungsvektor wird in ähnlicher Weise mit niedriger Frequenz um einige Grad nach oben oder unten verschoben, vorzugsweise von Burst zu Burst.
EINSATZERPROBUNGEN
Einsatzerprobungen für die Ausführung wurden ebenfalls ausgeführt. 8 stellt die Feldversuchsergebnisse dar. Mit dem GSM-Versuchssystem, das bei PCS-1900-Frequenzen arbeitet, wurden drei Versuche durchgeführt. In jedem Versuch wurde ein Paar von Gleichkanal-Benutzern bei festen Azimuten eingesetzt, und Messungen der empfangenen Leistung wurden abwechselnd mit einem einzelnen Primärstrahler und mit dem Verfahren und der Vorrichtung der zweiten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (mit Dithermodulation) vorgenommen. Messungen wurden in 5°-Schritten innerhalb des Sektors vorgenommen. Die Azimut-Paare der Benutzer für die drei Versuche waren 52°/107°, 52°/84° bzw. 60°/136°. Der Gewinn der Verwendung der zweiten Ausführungsform gegenüber der Verwendung eines einzelnen Primärstrahlers wurde für jeden Winkel berechnet und dann eine kumulative Verteilungsfunktion dieser Gewinne bestimmt. Die durchgezogene Kurve 803 in der Figur ist diese gemessene kumulative Verteilungsfunktion des Abwärtsstrecken-Leistungsgewinns des verwendeten Pririzips (re1ativ zur Strahlung von einem einzelnen Element bei einer normierten Leistung von Eins). Diese Kurve 803 ist ein zusammengesetztes Ergebnis für die Daten, die während aller drei Versuche gesammelt wurden. Die gestrichelte Kurve 805 ist eine theoretische Vorhersage einschließlich der Auswirkungen der Unterbrechungsstellen-Ditherstrategie. Die theoretischen Ergebnisse wurden durch Ausführung einer Monte-Carlo-Simulation des oben beschriebenen Versuchs erhalten. Die Formen der beiden Kurven scheinen in vorzüglicher Übereinstimmung zu sein. Der Versatz von 1,5 bis 2 dB zwischen den Kurven ist wahrscheinlich einem systematischen Meßfehler zwischen den Sammlungen zuzuschreiben, die für die Daten für eine einzelne Antenne und für mehrere Antennen vorgenommen wurden.
Wie für den Fachmann verständlich ist, kann der erfahrene Praktiker viele Veränderungen an den oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen vornehmen, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er durch die angefügten Ansprüche definiert ist. Zum Beispiel kann das System für unterschiedliche Kommunikationsprotokolle implementiert werden, es können unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der Wichtungsfaktoren w verwendet werden, die erwünschte Charakteristiken erzielen, einschließlich NOR-Charakteristiken, und so weiter. Der Schutzbereich der Erfindung ist nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt.

Claims

Verfahren zur Übertragung einer Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen von einer Kommunikationsstation an eine entsprechende Vielzahl von Teilnehmereinheiten über einen herkömmlichen Kanal, wobei jedes Abwärtsverbindungssignal eine vorgesehene Teilnehmereinheit hat, wobei jede Kommunikationsstation eine Gruppe von Antennenelementen aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt; Bereitstellen einer Vielzahl von erwünschten Wichtungsvektoren, wobei jede Teilnehmereinheit in der Vielzahl von erwünschten Wichtungsvektoren einen zugeordneten erwünschten Wichtungsvektor hat, wobei jeder erwünschte Wichtungsvektor für die Abwärtsverbindungskommunikation mit seiner zugeordneten Teilnehmereinheit ausgelegt ist, wobei die Vielzahl von erwünschten Wichtungsvektoren für das räumliche Multiplexieren der Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen auf dem herkömmlichen Kanal ausgelegt ist, während ein erwünschtes Gesamtstrahlungsmuster auf einem erwünschten Sektor erzeugt wird; räumliches Multiplexieren der Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen, wobei das Multiplexieren aufweist: Wichten jedes bestimmten Abwärtsverbindungssignals entsprechend dem erwünschten Wichtungsvektor, der der vorgesehenen Teilnehmereinheit des Abwärtsverbindungssignals zugeordnet ist; wenn ein bestimmter erwünschter Wichtungsvektor in der Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen keine zugeordnete Teilnehmereinheit hat, Erzeugen eines Blindsignals unter Verwendung des bestimmten erwünschten Wichtungsvektors; Bilden einer Menge von summierten und gewichteten Abwärtsantennensignalen, wobei jedes summierte und gewichtete Abwärtsantennensignal ein vorgesehenes Antennenelement in der Gruppe hat; Weiterleiten jedes summierten und gewichteten Abwärtsantennensignals an sein vorgesehenes Antennenelement; und Übertragen der Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen über den herkömmlichen Kanal an die Vielzahl von Teilnehmereinheiten, wobei das erwünschte Strahlungsmuster auf dem erwünschten Sektor erhalten bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt: Empfangen der räumlich multiplexierten Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen in einer bestimmten der Teilnehmereinheiten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl von Wichtungsvektoren in der Vielzahl von erwünschten Wichtungsvektoren die gleiche ist wie die Anzahl von Teilnehmereinheiten, so daß alle erwünschten Wichtungsvektoren in der Menge von erwünschten Wichtungsvektoren zugeordnete erwünschte Wichtungsvektoren sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das erwünschte Gesamtstrahlungsmuster ein nahezu angerichtetes Strahlungsmuster ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erwünschte Sektor einen Bereich von Azimuten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erwünschte Sektor einen Bereich von Elevationen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt: Aufteilen des erwünschten Sektors in eine Menge von entsprechenden Regionen, wobei jede entsprechende Region höchstens einen Standort einer der Teilnehmereinheiten aufweist, wobei die Gesamtheit aller entsprechenden Regionen den erwünschten Sektor im wesentlichen abdeckt; wobei jeder erwünschte Wichtungsvektor ferner für eine Übertragung in eine der entsprechenden Regionen ausgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Anzahl von Wichtungsvektoren in der Vielzahl von erwünschten Wichtungsvektoren die gleiche ist wie die Anzahl von Teilnehmereinheiten, so daß alle erwünschten Wichtungsvektoren in der Menge von erwünschten Wichtungsvektoren zugeordnete erwünschte Wichtungsvektoren sind und ein Standort jeder der Teilnehmereinheiten in einer der entsprechenden Regionen liegt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl von Wichtungsvektoren eine Vielzahl von Wichtungsvektoren ist, die eine Kostenfunktion von möglichen Wichtungsvektoren minimiert, wobei die Kostenfunktion einen Ausdruck der Abweichung des Netto-Gesamtstrahlungsmusters vom erwünschten Strahlungsmuster, die aus der Übertragung unter Verwendung der Vielzahl von Wichtungsvektoren resultiert, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Kostenfunktion einen Ausdruck einer von den Antennenelementen unter Verwendung jedes Wichtungsvektors übertragenen Gesamtleistung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Kostenfunktion einen Ausdruck von Abweichungen der unter Verwendung jedes Wichtungsvektors übertragenen Leistung zwischen den Antennenelementen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Kostenfunktion einen Ausdruck einer Energie aufweist, die für jeden Wichtungsvektor in nicht vorgesehenen entsprechenden Regionen empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl von erwünschten Wichtungsvektoren und die Menge von Regionen eine Situation definieren, wobei das Verfahren ferner umfaßt: Speichern der erwünschten Wichtungsvektoren entsprechend der Situation in einem Speicher.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner mit den folgenden Schritten: wenn die Situation eintritt, Abrufen der erwünschten Wichtungsvektoren aus dem Speicher; und Durchführen des räumlichen Multiplexierens der Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen unter Verwendung der abgerufenen erwünschten Wichtungsvektoren.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit den folgenden Schritten: Bestimmen einer Ortsverschiebung der Menge von Regionen auf der Grundlage von Standorten der Teilnehmereinheiten, wobei die Ortsverschiebung dazu dient, sicherzustellen, daß es nicht mehr als eine Teilnehmereinheit pro ortsverschobene Region gibt und daß die Standorte der Teilnehmereinheiten hinreichend voneinander getrennt sind; Verschieben jedes erwünschten Wichtungsvektors, um eine Vielzahl von verschobenen Wichtungsvektoren zu bilden, wobei jede Verschiebung den Ortsverschiebungen entspricht; und Durchführen des räumlichen Multiplexierens der Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen unter Verwendung der verschobenen Wichtungsvektoren.
Kommunikationsstation zum Übertragen eines oder mehrerer Abwärtsverbindungssignale an eine oder mehrere Teilnehmereinheiten über einen herkömmlichen Kanal, wobei jedes Abwärtsverbindungssignal eine oder mehrere vorgesehene Teilnehmereinheiten hat, wobei die Kommunikationsstation folgendes umfaßt: eine Gruppe von Antennenelementen (129.1–129.m); eine Einrichtung (111) zur Bereitstellung von erwünschten Wichtungsvektoren, wobei jede Teilnehmereinheit in der Vielzahl von erwünschten Wichtungsvektoren einen zugeordneten erwünschten Wichtungsvektor hat, wobei jeder erwünschte Wichtungsvektor für die Abwärtskommunikation mit seiner zugeordneten Teilnehmereinheit ausgelegt ist, wobei die Vielzahl von erwünschten Wichtungsvektoren für das räumliche Multiplexieren der Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen auf dem herkömmlichen Kanal ausgelegt ist, während ein erwünschtes Gesamtstrahlungsmuster auf einem erwünschten Sektor erzeugt wird; einen oder mehrere Signalprozessoren (111) zum räumlichen Multiplexieren einer Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen, um eine Menge von summierten und gewichteten Abwärtsverbindungssignalen zu bilden, wobei das Multiplexieren aufweist: Wichten jedes einzelnen Abwärtsverbindungssignals mit dem erwünschten Wichtungsvektor, der der vorgesehenen Teilnehmereinheit des Abwärtsverbindungssignals zugeordnet ist, und wenn ein bestimmter erwünschter Wichtungsvektor in der Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen keine zugeordnete Teilnehmereinheit hat, Erzeugen eines Blindsignals unter Verwendung des bestimmten erwünschten Wichtungsvektors; und eine Menge von zugeordneten Sendevorrichtungen (115.1–115.m) zum Übertragen der Menge von summierten und gewichteten Abwärtsantennensignalen über die Gruppe, wobei jedes Antennenelement mit dem Ausgang einer zugeordneten Sendevorrichtung in der Menge von zugeordneten Sendevorrichtungen gekoppelt ist, wobei jede zugeordnete Sendevorrichtung einen Eingang zum Empfangen eines der gewichteten Abwärtsverbindungssignale aufweist; wobei die Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen über den herkömmlichen Kanal an die Vielzahl von Teilnehmereinheiten übertragen wird, wobei das erwünschte Strahlungsmuster auf dem erwünschten Sektor erhalten bleibt.
Kommunikationsstation nach Anspruch 16, wobei die Anzahl von Wichtungsvektoren in der Vielzahl von erwünschten Wichtungsvektoren die gleiche ist wie die Anzahl von Teilnehmereinheiten, so daß alle erwünschten Wichtungsvektoren in der Menge von erwünschten Wichtungsvektoren zugeordnete erwünschte Wichtungsvektoren sind.
Kommunikationsstation nach Anspruch 16 oder 17, wobei das erwünschte Gesamtstrahlungsmuster ein nahezu angerichtetes Strahlungsmuster ist.
Kommunikationsstation nach Anspruch 17, wobei der erwünschte Sektor einen Bereich von Azimuten aufweist.
Kommunikationsstation nach Anspruch 19, wobei der erwünschte Sektor einen Bereich von Elevationen aufweist.
Kommunikationsstation nach Anspruch 16, ferner mit: einer Einrichtung (111) zum Aufteilen des erwünschten Sektors in eine Menge von entsprechenden Regionen, wobei jede entsprechende Region höchstens einen Standort einer Teilnehmereinheit aufweist, wobei die Gesamtheit aller entsprechenden Regionen den erwünschten Sektor im wesentlichen abdeckt; wobei jeder erwünschte Wichtungsvektor ferner für eine Übertragung in eine der entsprechenden Regionen ausgelegt ist.
Kommunikationsstation nach Anspruch 21, wobei die Anzahl von Wichtungsvektoren in der Vielzahl von erwünschten Wichtungsvektoren die gleiche ist wie die Anzahl von Teilnehmereinheiten, so daß alle erwünschten Wichtungsvektoren in der Menge von erwünschten Wichtungsvektoren zugeordnete erwünschte Wichtungsvektoren sind, und ein Standort jeder der Teilnehmereinheiten in einer der entsprechenden Regionen liegt.
Kommunikationsstation nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von erwünschten Wichtungsvektoren eine Vielzahl von Wichtungsvektoren ist, die eine Kostenfunktion von möglichen Wichtungsvektoren minimiert, wobei die Kostenfunktion einen Ausdruck der Abweichung des Netto-Gesamtstrahlungsmusters vom erwünschten Strahlungsmuster, die aus der Übertragung unter Verwendung der Vielzahl von Wichtungsvektoren resultiert, aufweist.
Kommunikationsstation nach Anspruch 22, wobei die Kostenfunktion einen Ausdruck einer von den Antennenelementen (129.1–129.m) unter Verwendung jedes Wichtungsvektors übertragenen Gesamtleistung aufweist.
Kommunikationsstation nach Anspruch 23, wobei die Kostenfunktion einen Ausdruck von Abweichungen der unter Verwendung jedes Wichtungsvektors übertragenen Leistung zwischen den Antennenelementen (129.1–129.m) aufweist.
Kommunikationsstation nach Anspruch 23, wobei die Kostenfunktion einen Ausdruck einer Energie aufweist, die für jeden Wichtungsvektor in nicht vorgesehenen entsprechenden Regionen empfangen wird.
Kommunikationsstation nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von erwünschten Wichtungsvektoren und die Menge von Regionen eine Situation definieren, wobei die Kommunikationsstation ferner einen Speicher umfaßt, um die erwünschten Wichtungsvektoren entsprechend der Situation zu speichern.
Kommunikationsstation nach Anspruch 27, wobei, wenn die Situation eintritt, die Signalprozessoren (111) die erwünschten Wichtungsvektoren aus dem Speicher abrufen und das räumliche Multiplexieren der Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen unter Verwendung der abgerufenen erwünschten Wichtungsvektoren durchführen.
Kommunikationsstation nach Anspruch 21, ferner mit: einer Einrichtung zum Bestimmen einer Ortsverschiebung der Menge von Regionen auf der Grundlage von Standorten der Teilnehmereinheiten, wobei die Ortsverschiebung dazu dient, sicherzustellen, daß es nicht mehr als eine Teilnehmereinheit pro ortsverschobene Region gibt und daß die Standorte der Teilnehmereinheiten hinreichend voneinander getrennt sind; einer Einrichtung (111) zum Verschieben der erwünschten Wichtungsvektoren, um eine Vielzahl von verschobenen Wichtungsvektoren zu bilden, wobei jede Verschiebung der Ortsverschiebung entspricht; wobei die Signalprozessoren (111) das räumliche Multiplexieren der Vielzahl von Abwärtsverbindungssignalen unter Verwendung der verschobenen Wichtungsvektoren durchführen.