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Die
vorliegende Erfindung betrifft Funksysteme und insbesondere ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Empfangen von Funksignalen mit
Hilfe von Antennenstrahlen.
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BESCHREIBUNG
DER HINTERGRUND-TECHNOLOGIE
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Die
Qualität
eines empfangenen Funksignals wird durch viele natürliche Phänomene beeinträchtigt.
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Eines
dieser Phänomene
ist eine Zeitdispersion, die dadurch verursacht wird, dass ein Signal
auf seinem Weg von einem Sender durch Hindernisse an unterschiedlichen
Stellen in dem Ausbreitungsweg reflektiert wird, bevor es den Empfänger erreicht.
Das Signal wird an dem Empfänger
zu unterschiedlichen Zeitverzögerungen
ankommen, als Folge der unterschiedlichen Ausbreitungspfade, entlang
derer sich die Signale bewegen. Mit der Einführung von digitalen codierten
Daten in Funksystemen können
die zeitlich verteilten (dispergierten) Signale erfolgreich wieder
hergestellt werden. Für
Durchschnittsfachleute in diesem technischen Gebiet ist es altbekannt
einen RAKE-Empfänger
oder einen Equalizer zu verwenden, um ein zeitlich verteiltes Signal
wieder herzustellen.
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Ein
anderes Phänomen,
welches als schneller Schwund (fast fading) oder Raleigh Schwund
bekannt ist, wird dadurch verursacht, dass das Signal auf seinem
Weg von dem Sender zu dem Empfänger durch
Objekte in einer nahen Entfernung zu dem Sender oder Empfänger gestreut
wird. Somit werden unterschiedliche Signalversionen, die in der
Phase zueinander geringfügig
verschoben sind, empfangen. In Gebieten, wo die Phasendifferenzen
ungünstig
sind, ist die Summe der empfangenen Versionen des Signals sehr gering,
sogar nahe zu Null. Dies führt
zu einem Schwundsenken, in denen das empfangene Signal im Grunde
genommen verschwindet. Schwundsenken treten häufig mit einem Abstand in der
gleichen Größenordnung
wie die Wellenlänge auf.
Für das
900 Megahertz Funkband kann der Abstand zwischen zwei Schwundsenken
in der Größenordnung
von 15–20cm
sein. Für
den Fall eines sich bewegenden Senders oder Empfängers hängt die Zeit, die zwischen
zwei sukzessiven Schwundsenken als Folge eines schnellen Schwunds
abläuft,
von sowohl der Trägerfrequenz
des Signals als auch der Geschwindigkeit der Senders in Bezug auf
den Empfänger
ab.
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Ein
alt bekanntes Verfahren zur Bekämpfung von
Schwund besteht darin die Funkempfangsstation mit einem Antennen-Diversitysystem
zu versehen. Das System umfasst zwei oder mehr Empfangsantennen,
die entweder räumlich
oder durch orthogonale Polarisationsrichtungen oder durch eine Kombination
davon getrennt sind. Als Folge davon ist der Schwund der Signale,
die von jeder Antenne empfangen werden, weniger korreliert, so dass
die Möglichkeit,
dass beide Antennen einer Schwundsenke zur gleichen Zeit ausgesetzt
sind, abnimmt. Um einen Funkempfang von beiden Signalen, die durch
die Antennen-Diversityanordnung
empfangen werden, zu ermöglichen,
ist der Funkempfänger
mit getrennten Empfängerzweigen
für jede
Empfangsantenne versehen.
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Ein
drittes Phänomen,
welches die Funkübertragung
beeinträchtigt,
ist das von Störungen
bzw. Interferenzen. Ein störendes
Signal kann als irgendein ungewolltes Signal charakterisiert werden, welches
auf dem gleichen Kanal wie das gewünschte Signal empfangen wird.
Für militärische Funksysteme
ist die wichtigste Störung
für eine
Bekämpfung das
Jamming (d.h. die absichtliche Störung durch den Feind). Für Zellularfunksysteme
steht das Störungsproblem
in engem Zusammenhang mit den Kapazitätsanforderungen für eine Kommunikation.
Da das Funkspektrum eine seltene Ressource ist, muss ein Frequenzband,
welches einem Zellularbetreiber zur Verfügung gestellt wird, effizient
verwendet werden. Deshalb wird das Betreiberdienstgebiet in Zellen
unterteilt und Funkkanäle,
die in einer Zelle verwendet werden, werden in Zellen wieder verwendet, die
eine minimale Anzahl von Zellen dazwischen haben. Wegen der Popularität von Mobiltelefonen
ist der Bedarf an Verkehrskapazität schnell angewachsen. Eine
Gangart zur Behandlung des Kapazitätsbedarfs besteht darin die
Größe der Zellen
zu verkleinern, so dass eine nähere
Wiederverwendung von Kanälen
pro Einheitsfläche
erlaubt wird und dadurch die Kommunikationskapazität eines
gegebenen Gebiets angehoben wird, während noch der Frequenz-Wiederverwendungs-Faktor
beibehalten wird.
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In
Gebieten, in denen der Kapazitätsbedarf hoch
ist, wie beispielsweise in Stadtzentren und Bahnhöfen, ist
es oft schwierig Stellen für
Basisstationen zu finden. Ein verfügbarer Platz für eine Basisstation
kann die Form einer Wand haben, an der sie aufgehängt werden
kann. Für
den Fall von Stellen dieser Art ist es wichtig, dass die Funkbasisstation klein
ist und wenig Leistung verbraucht. Die Stelle des Funkbasisstation
bezieht sich auf den Energieverbrauch, da Leistung bzw. Energie
eine Kühlung erfordert
und eine Kühlung
Platz benötigt.
Das Erscheinungsbild der Installation ist auch wichtig, zum Beispiel
hinsichtlich der Erteilung einer Erlaubnis von den Behörden eine
neue Funkbasisstationsstelle zu verwenden.
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Wegen
der zunehmenden Popularität
von zellularen Systemen gibt es eine Notwendigkeit neue Vergehensweisen
zu finden, um Störungen
zu bekämpfen
und dadurch auch eine höhere
Verkehrskapazität
zu ermöglichen.
Deshalb ist die Verwendung von adaptiven Antennen in Funkbasisstationen
in zellularen Systemen mit großem
Interesse aufgenommen worden, obwohl sie bislang nicht in irgendwelchen
kommerziellen Systemen implementiert worden sind. Eine adaptive
Antenne besteht gewöhnlicher
Weise aus einem Antennenfeld (Antennenarray), welches mit einer
Strahlformungsanordnung verbunden ist. Die adaptive Antenne bildet
einen Satz von Antennenstrahlen, die jeweils ein schmales vordefiniertes
Raumgebiet abdecken und die zusammen ein breites vordefiniertes
Gebiet omnidirektional oder innerhalb eines Sektors abdecken. Ein
Signal, welches von einem mobilen Sender gesendet wird, wird von
jedem der Antennenstrahlen empfangen. wobei jede Version der Signals
getrennt empfangen wird und dadurch die Winkelinformation beibehalten
wird. Die Winkelinformation ist inhärent in der Phasendifferenz
zwischen den unterschiedlichen Versionen des Signals. Eine Abschätzung der Richtung
zu der Signalquelle wird auf Grundlage der demodulierten Versionen
der empfangenen Signals durchgeführt.
Dieser abgeschätzte
Parameter wird als DOA, Empfangsrichtung (Direction of Arrival)
bezeichnet.
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Um
die Abschätzung
der DOA zu ermöglichen,
müssen
Signale, die durch jeden Strahl empfangen werden, getrennt durch
entsprechende Funkempfängerzweige
empfangen werden.
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Die
DOA-Abschätzung
wird für
die Auswahl von einem oder mehreren Antennenstrahlen oder zum Richten
eines schmalen lenkbaren Strahls für eine Übertragung in dem Downlink
(abwärts
gerichtete Strecke) zur Mobilstation von Interesse verwendet. Eine Übertragung
in dem gewählten
Strahl wird an die Mobilstation gerichtet, wobei Mobilstationen,
die den gleichen Kanal in anderen Richtungen verwenden, einer Störung weniger
ausgesetzt werden. Eine Downlink-Störung wird somit mit Hilfe einer
adaptiven Antennentechnik bekämpft.
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Ein
Verfahren zur Bekämpfung
des Schwunds und der Ergebnisse einer Störung besteht darin einen Funkkanal
zu veranlassen häufig
seine Trägerfrequenz
zu ändern.
Diese Verfahren wird als Frequenzsprung bezeichnet und wird mit
einem gewissenem Erfolg in dem GSM-System verwendet. Die Veröffentlichung
des Patents US 08/768 319 bezieht sich im Hinblick auf Frequenzsprungssysteme auf
ein Problem, welches daran liegt, dass die Kohärenzbandbreite breiter als
die Frequenzbandbreite ist, die für einen Betrieb verfügbar ist.
Dies impliziert, dass Trägerfrequenzen,
die für
einen Frequenzsprung verwendet werden, einen korrelierten Schwund
aufweisen. Die in der US 08/768 319 vorgeschlagene Lösung beinhaltet
das Erzeugen einer kleineren Kohärenz-Bandbreite
durch Einführen
einer künstlichen
Verzögerungsspreizung.
Eine Vorgehensweise zum Erzeugen der künstlichen Verzögerungsspreizung
besteht darin, dass ein Signal auf zwei Antennen empfangen wird,
das von der ersten Antenne empfangene Signal verzögert wird
und dann das verzögerte
Signal mit dem Signal von der zweiten Antenne kombiniert wird. Die
zwei kombinierten Signale werden dann an einen Empfänger geführt.
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Die
WO 96 233 29 bezieht sich auf das Problem, wie eine hohe Antennenverstärkung für Mobilstationen
in großer
Entfernung erreicht werden kann und wie gleichzeitig die Probleme
von Strahlüberquerungen
in einer Antennenanordnung mit mehreren schmalen Strahlen begrenzt
werden kann. Das letztere Problem tritt auf, wenn sich die Mobilstation
aus der Richtung eines Strahls herausbewegt und in die Richtung
eines nächsten
Strahls hinein. Das Problem wird gelöst, indem zwei getrennte Sätze von
Antennenstrahlen bereitgestellt werden. Die Strahlen in den beiden
Sätzen überlappen
sich teilweise, ein Strahl, wenn einer der Sätze teilweise zwei Strahlen des
anderen Satzes überlappt
und die Spitzenrichtung des Strahls des ersten Satzes in der Überschneidung
zwischen den zwei Strahlen des anderen Satzes der Strahlen ist.
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Die
US Patentbeschreibung
US 5563610 betrifft
die Verwendung einer Mehrstrahl-formenden Antenne, für den Zweck
einer Erreichung einer Antennendiversity auf Grundlage davon, dass
die verschiedenen Strahlen sehr schmal sind und verschiedene Gebiete
abdecken. Dies wird mit Winkeldiversity bezeichnet und führt dazu,
dass die in getrennten Strahlen empfangenen Signale unkorreliert
sind. Für
diesen Zweck lehrt die
US 5563610 ein
Empfangssystem, bei dem Verzweigungen von jedem Antennenstrahl in
zwei Gruppen verteilt werden. In einer Gruppe werden die Signale
im Bezug zueinander verzögert
und dann kombiniert. Zwei kombinierte Signale, jeweils abgeleitet
von einer entsprechenden der zwei Gruppen, werden so erhalten und
werden an einen herkömmlichen
CDMA-Empfänger geführt.
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In
diesem Empfänger
geht die Winkeldiversity verloren nachdem die Signale kombiniert
worden sind. Es ist somit unmöglich
eine DOA Abschätzung durchzuführen und
mit Hilfe einer Strahlformung eine Downlink-Störung zu bekämpfen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Problem, welches sich ergibt,
wenn sowohl eine Ermöglichung
einer genauen DOA-Abschätzung
als auch einer Antennendiversity in einem Funkempfänger bereitgestellt
werden soll, der eine begrenzte Anzahl von Empfängerzweigen umfasst. Die begrenzte
Anzahl von Funkempfängerzweigen
führt zu
einem Kompromiss zwischen der Genauigkeit der DOA Abschätzung und
dem Betriebsverhalten des Antennendiversityempfangs. Wenn alle Empfängerzweige
bei dem DOA Abschätzungsprozess
verwendet werden, wird der fehlende Schutz gegenüber einem Schwund des Leistungsverhaltens
der DOA Abschatzung verkleinern. Wenn andererseits die Diversityverstärkung durch
einen getrennten Empfang von weniger korrelierten Signalen aufrecht
erhalten werden soll, dann wird die Anzahl von Strahlen, die getrennt
empfangen werden können,
verringert und somit auch die Genauigkeit der DOA Abschätzung.
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Ein
anderes Problem besteht darin eine Funkbasisstation zu erzeugen,
die ein Funkempfängersystem,
welches klein ist, einen niedrigen Energieverbrauch aufweist und
eine Antennendiversity aufweist, sowie Mittel zum Abschätzen einer
DOA umfasst. Es sei daran erinnert, dass Empfängerzweige Platz benötigen und
Energie verbrauchen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin einen Empfang sowohl
mit einer Antennendiversity als auch mit Antennenstrahlen möglich zu
machen zur genauen Abschätzung
der DOA und einen Schwund in einem Empfänger zu bekämpfen, der nur eine moderate
Anzahl von Empfängerzweigen
einschließt
und, und somit das Ziel zu erreichen eine Funkstation zu erhalten,
die sowohl kompakt ist als auch wenig Energie benötigt.
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Die
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die Einführung einer
künstlichen
Zeitdispersion in einem Satz von Signalen, die durch eine Antennendiversity
und durch unterschiedliche Antennenstrahlen empfangen werden. Sätze von
Signalen, die durch unterschiedliche Antennenaufbauten empfangen
werden, werden relativ zueinander verzögert und Signale, die sich
von Strahlen ableiten, die den gleichen Raum abdecken, werden kombiniert.
Für jeden
der Strahlen in dem ersten Antennenaufbau gibt es einen Strahl in
jedem der anderen Antennenaufbauten, der das gleiche Raumgebiet
abdeckt. In dieser Weise wird die Winkelinformation aufrechterhalten.
Jedes kombinierte Signal wird dann per Funk in einem gemeinsamen
Funkempfänger
empfangen. Eine DOA Abschätzung
kann auf Grundlage von über Funk
empfangenen Signalen, die aus allen Strahlen abgeleitet werden,
berechnet werden. Sowohl die natürliche,
als auch die künstliche
Zeitdispersion der über
Funk empfangenen Signale können
in einem Equalizer oder einem RAKE-Empfänger wiederhergestellt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Kombination
von Signalen wird die Energie von jedem der kombinierten Signale
aufrechterhalten, bis die Signale den Equalizer oder den Rake-Empfänger erreichen.
Die Energien von den unterschiedlichen zeitdispergierten Signalen
wird in dem Equalizer oder dem Rake-Empfänger zusammengebracht. Wenn die
Energie von einem der kombinierten Signale als Folge einer Schwundsenke
an der entsprechenden Empfangsantenne vorübergehend niedrig ist, wird die
Energie des von einer anderen Antenne empfangenen Signals eine Kompensation
für die
Schwundsenke vornehmen.
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Genauer
löst die
vorliegende Erfindung die voranstehend erwähnten Probleme mit Hilfe eines Verfahrens,
bei dem Signale von wenigstens zwei Antennenaufbauten empfangen
werden, die getrennt sind, um eine Antennendiversity zu erreichen,
d.h. die Antennenaufbauten sind räumlich oder durch verschiedene
Polarisationsrichtungen getrennt. Jeder der Antennenaufbauten erzeugt
einen Satz von Antennenstrahlen. Die Antennenaufbauten sind konstruiert,
um so zueinander entsprechende Sätze
von Antennenstrahlen zu erzeugen, d.h. die Strahlen weisen entsprechende
Winkelabdeckungen auf und ein bestimmtes Gebiet wird mit zwei Strahlen
abgedeckt, jeweils einer von jedem der Antennenaufbauten. Signale,
die durch getrennte Antennenaufbauten in entsprechenden Antennenstrahlen
empfangen werden, werden dann miteinander kombiniert, nachdem sie zueinander
verzögert
worden sind. Eine künstliche Mehrwege-Ausbreitung
wird somit in Bezug zu dem kombinierten Signal geschaffen. Das kombinierte
Signal wird dann an einen Funkempfängerzweig für eine Frequenztransformation
von HF auf eine niedrigere Frequenz und Demodulation geführt, woraufhin die
künstliche
Zeitdispersion durch eine digitale Signalverarbeitung, beispielsweise
in einem Equalizer oder einem RAKE-Empfänger wiederhergestellt werden
kann. Eine DOA Abschätzung
kann auf Grundlage der Ausgänge
von mehreren Funkempfängerzweigen,
an die Signale von getrennten Strahlen geführt werden, berechnet werden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Funkempfängersystem,
das die voranstehend erwähnten
Probleme löst.
Das Funkempfängersystem
umfasst wenigstens zwei Antennenaufbauten, die voneinander getrennt
sind, um eine Antennendiversity zu erreichen. Jeder Antennenaufbau
erzeugt einen Satz von Antennenstrahlen, wobei jeder Strahl ein
schmales Raumgebiet abdeckt und die Strahlen zusammen ein spezifisches
Gebiet omnidirektional oder innerhalb eines Sektors abdecken. Die
unterschiedlichen Sätze
von Strahlen entsprechen einander und ein Raumgebiet wird durch
einen Strahl von jedem der Antennenaufbauten abgedeckt. Verzögerungselemente
sind mit allen außer
einem Antennenaufbau verbunden. Die Verzögerungselemente verzögern Signale,
die von einem entsprechenden Antennenaufbau empfangen werden. Der
Verzögerung wird
ein getrennter Wert für
jeden Antennenaufbau gegeben. Einen Anzahl von Kombinierer sind
mit den Verzögerungselementen
und auch mit demjenigen Antennenaufbau verbunden, der ohne einem
Verzögerungselement
ist. Jeder der Kombinierer empfängt von
jedem der Antennenaufbauten Signale von entsprechenden Strahlen.
Jeder Kombinierer-Ausgang ist mit einem entsprechenden Empfängerzweig
verbunden.
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Die
Erfindung bildet eine Verbesserung in dem bekannten Stand der Technik
mittels der Tatsache, dass ein Funkempfängerzweig mit Signalen von mehreren
Antennenaufbauten gespeist werden kann wonach die Signale wiederhergestellt
werden können.
Somit ist die erforderliche Anzahl von Funkempfängerzweigen, um sowohl eine
Antennendiversity-Verstärkung
zu erreichen als auch die Berechnung einer genauen DOA Abschätzung zu
ermöglichen, begrenzt,
um der Anzahl von Strahlen in dem Satz von Antennenstrahlen zu entsprechen.
Dies erlaubt, dass sowohl die Größe des Funkempfängers als auch
dessen Energieverbrauch verringert wird.
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Eine
weitere Verbesserung findet sich im Hinblick auf Stellen, an denen
eine Basisstation, die einen erfindungsgemäßen Funkempfänger umfasst, auf
dem Boden platziert wird und die Antennenaufbauten auf einem Mast
platziert werden. Das Gewicht der Kabel, die die Basisstation mit
Antennenaufbauten verbinden, ist ein wichtiger Faktor im Hinblick
auf Mastdimensionen. Die Anzahl von Kabeln, die die Basisstation
mit den Antennenaufbauten verbinden, kann durch Koppeln der Kombinierer
nahe zu den Antennenaufbauten verringert werden. Dadurch wird das
Gewicht der Kabel verringert, was einem Mast erlauben wird kleinere
Dimensionen aufzuweisen und dadurch die Kosten des Mastes sowie
der Kabel herabzusetzen.
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Die
Erfindung wird nun mit näheren
Einzelheiten unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen
davon und auch unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 zwei
Mobilstationen und eine Funkbasisstation, umfassend zwei Antennenaufbauten;
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2 ein
Blockdiagramm, das einen Funkempfänger gemäß der Erfindung darstellt;
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3 ein
Blockdiagramm, das einen anderen Funkempfänger gemäß der Erfindung darstellt; und
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4 ein
Flussdiagramm, das ein Funkempfangsverfahren zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 sind
zwei Mobilstationen MS1 und MS2 und eine Basisstation BS, die einen
erfindungsgemäßen Funkempfänger einschließt, gezeigt.
Ein Funkkanal CH wird zur Kommunikation zwischen der ersten Mobilstation
MS1 und der Funkbasisstation BS verwendet. Der Funkkanal CH wird
auch von der zweiten Mobilstation MS2 zur Kommunikation mit einer
anderen Basisstation, die nicht in 1 gezeigt ist,
verwendet.
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Die
Funkbasisstation BS ist mit zwei Antennenaufbauten AA1, AA2 ausgerüstet. Die
Antennenaufbauten AA1, AA2 sind getrennt, um eine Antennendiversity
zu erzielen. Beide decken einen 120° Sektor mit einer Anzahl von
Strahlen ab. Der erste Antennenaufbau AA1 erzeugt einen ersten Satz
von Antennenstrahlen SAB1 und der zweite Antennenaufbau AA2 erzeugt
einen zweiten Satz von Antennenstrahlen SAB2. Für jeden der Strahlen in dem ersten
Satz SAB1 gibt es einen entsprechenden Strahl in dem zweiten Satz
von Strahlen SAB2, der das gleiche Raumgebiet abdeckt, d.h. die
zwei Strahlen sind überlagert.
Das Raumgebiet, in dem die erste Mobilstation MS1 platziert ist,
wird durch einen Strahl in jedem der Sätze von Strahlen SAB1, SAB2 abgedeckt
und die Richtung zu der zweiten Mobilstation MS2 wird durch einen
anderen Strahl abgedeckt.
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Signale,
die von unterschiedlichen Strahlen abgeleitet werden, werden getrennt
in dem Empfänger
empfangen, wodurch die Winkelinformation beibehalten wird. Eine
DOA Abschätzung,
die die Richtung zu der ersten Mobilstation abschätzt, kann
mit Hilfe dieser Signale gemacht werden.
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Eine
Downlink-Störung
wird verkleinert durch eine Übertragung
in einem Strahl, der an die erste Mobilstation MS1 gerichtet ist,
wodurch die Downlink-Qualität
für die
zweite Mobilstation MS2 verbessert wird. Der Downlink-Strahl wird
auf Grundlage der DOA Abschätzung
der ersten Mobilstation MS1 gewählt.
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Die
Antennendiversity-Anordnung verbessert die Uplink-Qualität (Qualität auf der
Aufwärts-Strecke) durch Verringern
des Risikos, dass beide Antennenaufbauten einer tiefen Schwundsenke
gleichzeitig ausgesetzt werden.
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Eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Funkempfängers für ein TDMA
System wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben
werden. Der Funkempfänger
RRC umfasst zwei Antennenaufbauten AA1, AA2. Jeder Antennenaufbau
AA1, AA2 umfasst ein Antennenarray (Antennenfeld) AAR, welches durch
eine Anzahl von Antennenelementen AEL, mit den Antennenelementen
verbundene Verstärker
LNA mit niedrigem Rauschen, und Strahlformungsmittel BM mit Verbindungen
von den Verstärkern
LNA mit niedrigem Rauschen gebildet ist. Den Antennenelementen AEL
des ersten Antennenaufbaus AA1 wird eine orthogonale Polarisationsrichtung
relativ zu der Polarisationsrichtung des Antennenelementen AEI des
zweiten Antennenaufbaus AA2 gegeben.
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In
dieser Ausführungsform
bestehen die Strahlformungsmittel BM aus einer Butler Matrix. Die Butler
Matrix BM weist eine Anzahl von Ausgängen auf, die jeweils einem
Antennenstrahl entsprechen.
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Der
Funkempfänger
RRC umfasst auch eine Anzahl von Verzögerungselementen DLM, eine
Anzahl von Kombinierern CMB, eine Anzahl von Funkempfängerzweigen
RX, einen DOA Abschätzer
DP und eine Ausgleichungs- (Equalizer-) und Signalabschätzungseinheit
EqSE.
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Jeder
Ausgang der Butler Matrix BM des zweiten Antennenaufbaus AA2 ist
mit einem entsprechenden Verzögerungselement
DLM verbunden. Jeder Ausgang der Verzögerungselemente DLM ist mit einem
entsprechenden Kombinierer CMB verbunden. Jeder Kombinierer CMB
weist auch einen andere Verbindung von der Butler Matrix BM des
ersten Antennenaufbaus AA1 auf. Die zwei Eingänge zu einem Kombinierer entsprechen
den Strahlen, die das entsprechende Raumgebiet abdecken.
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Der
Ausgang von jedem Kombinierer CMB ist mit einem entsprechenden Funkempfängerzweig RX
verbunden. Der Funkempfängerzweig
RX umfasst eine Kanalauswahl, und eine Frequenztransformation von
RF zum Basisband.
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Ausgänge von
allen Funkempfängerzweigen RX
sind mit der Ausgleichungs- und Signalabschätzungs-Einheit EqSE verbunden.
In dieser Ausführungsform
umfasst die Ausgleichungseinheit eine MLSE, Maximum Likelihood Sequence
Estimation (Sequenzabschätzung
größter Wahrscheinlichkeit), und
Mittel zur Kombination von empfangenen Signalen, die aus verschiedenen
Strahlen abgeleitet werden.
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Die
Ausgänge
der Funkempfängerzweige RX
sind auch mit dem DOA-Abschätzer
DP verbunden. Ein DOA-Abschätzer
ist für
Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet alt bekannt, siehe z.B. „Direction-of-arrival
estimation and...",
der Autoren Viberg, Ottersten und Kailat, in Proc. 23rd Asilomar
Conf. Signal, Syst., Comp., Nov 1989.
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Eine
andere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Funkempfängers RRC
zur Verwendung in einem Direkt-Sequenz CDMA System wird nun unter
Bezugnahme auf die 3 beschrieben. Der erfindungsgemäße Funkempfänger RRC
umfasst zwei Antennenaufbauten AA1, AA2. Die Antennenaufbauten AA1,
AA2 umfassen die gleichen Teile wie die Antennenaufbauten AA1, AA2
in der vorher beschriebenen Ausführungsform
unter Bezugnahme auf 2. Ein Unterschied ist jedoch,
dass den zwei Antennenarrays AAR nicht orthogonale Polarisationsrichtungen
gegeben werden, sondern dass sie räumlich um ungefähr 10–20 Wellenlängen getrennt sind.
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Der
Funkempfänger
RRC umfasst auch eine Anzahl von Verzögerungselementen DLM, eine
Anzahl von Kombinierern CMB, eine Anzahl von Funkempfängerzweigen
RX, einen Rake-Empfänger
RAKE, und einen DOA Abschätzer
DP.
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Die
Antennenaufbauten AA1, AA2 weisen eine Anzahl von Ausgängen auf,
die jeweils einem Strahl entsprechen. Jeder Ausgang der zweiten
Antennenaufbauten ist mit einem entsprechenden Verzögerungselement
DLM verbunden. Jeder der Ausgänge
der Verzögerungselemente
DLM ist mit einem entsprechenden Kombinierer CMB verbunden. Mit jedem
dieser Kombinierer CMB ist auch ein Ausgang von dem ersten Antennenaufbau
AA1 verbunden. Die Strahlen, die den zwei Eingängen an dem Kombinierer entsprechen,
decken das gleiche Raumgebiet ab.
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Die
Ausgänge
von den Kombinierern CMB sind mit den entsprechenden Funkempfängerzweigen
RX verbunden. Die Funkempfängerzweige
RX sind unter Bezugnahme auf die Ausführungsform der 2 beschrieben
worden.
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Die
Ausgänge
von den Funkempfängerzweigen
RX sind mit dem Rake-Empfänger
RAKE verbunden. Der Rake-Empfänger
RAKE umfasst Mittel zum Kombinieren von Funksignalen, die von unterschiedlichen
Funkempfängerzweigen
RX empfangen werden, z.B. durch eine Maximum-Verhältnis-Kombination (Maximum
Ratio Combining), MRC. Der Rake-Empfänger RAKE führt Rake-Kombinierung von verzögerten Signalen
aus. Sowohl Rake-Kombinierung als auch MRC sind Techniken sind die
für Durchschnittsfachleute
in dem technischen Gebiet alt bekannt sind.
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Die
Ausgänge
der Funkempfängerzweige RX
sind auch mit einem DOA Abschätzer
DP verbunden. Für
eine weitere Beschreibung der DOA-Abschätzung in einem Rake-Empfänger, siehe
das Dokument Aymar F. Naguit, Adaptive Antennas for CDMA Wireless
Networks, PhD thesis, Dep. of EE, Stanford University.
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Die
beschriebenen Ausführungsformen
haben zwei Verfahren zum Erhalten einer Antennendiversity dargestellt,
durch eine räumliche
Trennung und durch eine orthogonale Polarisationsrichtung jeweils
der Antennenelemente AEL. Die Mehrfachzugriffs-Verfahren, TDMA oder
CDMA, können
beide Verfahren oder eine Kombination der zwei Verfahren, um einen
Antennendiversity zu erhalten, verwenden.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben
werden, wobei in diesem Verfahren zwei Sätze von Signalsequenzen durch
zwei Sätze
von Antennenstrahlen empfangen werden. Die zwei Sätze von
Antennenstrahlen werden von zwei Antennenaufbauten gespeist, die
getrennt sind, um einen Antennendiversity zu erhalten. Jeder der
Strahlen in dem ersten Satz von Antennenstrahlen deckt das gleiche
Raumgebiet wie ein entsprechender Strahl in dem zweiten Satz ab,
und die zwei Strahlen sind somit überlappt. Jede Signalsequenz
in einem Satz von Signalsequenzen entspricht einem Antennenstrahl.
Diese Stufe ist mit dem Block B1 in dem Flussdiagramm der 4 dargestellt.
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Der
zweite Satz von Signalsequenzen wird erzögert, was in 4 mit
dem Block B2 dargestellt wird.
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Jede
Signalsequenz des ersten Satzes von Signalsequenzen wird dann mit
einer entsprechenden Signalsequenz von dem verzögerten zweiten Satz von Signalsequenzen
kombiniert. Die zwei kombinierten Signalsequenzen leiten sich beide
von Strahlen ab, die das gleiche Raumgebiet abdecken. Diese Stufe
ist mit dem Block B3 in dem Flussdiagramm der 4 dargestellt.
Eine künstliche
Zeitdispersion wird somit in die kombinierte Signalsequenz eingeführt.
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Jede
kombinierte Signalsequenz wird getrennt per Funk empfangen, was
eine Kanalauswahl und eine Frequenztransformation von RF zum Basisbandpegel
einschließt.
Diese Stufe wird mit dem Block B4 in dem Flussdiagramm der 4 dargestellt.
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Eine
DOA-Abschätzung
wird auf Grundlage der empfangenen Signalsequenzen, die von einer Anzahl
von Antennenstrahlen abgeleitet werden, ausgeführt. Diese Stufe wird mit dem
Block B5 in dem Flussdiagramm der 4 dargestellt.
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Die
Energie von jedem kombinierten Signal, welches in der Zeit durch
die Zeitdispersion gespreizt worden ist, wird in einem Equalizer
oder in einem Rake-Empfänger
zusammengefasst und eine Abschätzung
des Signals, welches von der ersten Mobilstation MS1 gesendet worden
ist, wird dann durchgeführt. Durch
Verwendung eines bekannten Kombinierverfahrens, zum Beispiel MRC,
wird die Signalabschätzung
auf die Funkempfangssignalsequenzen gestützt werden, die von einer Anzahl
von Antennenstrahlen abgeleitet sind. Diese Stufe wird mit dem Block
B6 in dem Flussdiagramm der 4 dargestellt.
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Zwei
Antennenaufbauten sind in den beschriebenen Ausführungsformen verwendet worden. Dies
ist eine minimale Anzahl, wenn einen Antennendiversity erreicht
werden soll. Mehr als zwei Antennenaufbauten können verwendet werden, wenn
gewünscht
wird zum Beispiel einen höheren
Grad einer Antennendiversity zu erreichen. Mehr als zwei Antennenaufbauten
können
auch verwendet werden, wenn eine Kombination von Diversitymethoden
erreicht werden soll. Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird ein Satz von Signalsequenzen, die von noch einem anderen Antennenaufbau
abgeleitet sind, in Bezug zu den Sätzen von Signalen, die von anderen
Antennenaufbauten abgeleitet werden, verzögert. Die Signalsequenzen,
die von Strahlen abgeleitet werden, die das gleiche Raumgebiet abdecken, werden
gemäß des voranstehend
beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens
relativ zu einander verzögert
und dann kombiniert und per Funk empfangen.
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Wenn
ein dritter oder weiterer Antennenaufbau AA1, AA2 zu dem erfindungsgemäßen Funkempfänger RRC
hinzugefügt
wird, dann werden Verzögerungselemente
DLM mit dem Ausgang von diesen Antennenelementen verbunden und der
Ausgang von jedem Verzögerungselement
DLM wird mit einem Kombinierer in der gleichen Weise wie das zweite
Antennenelement verbunden. Somit sind alle Eingänge zu einem Kombinierer assoziierte
Strahlen, die das gleiche Raumgebiet abdecken. Für jeden Antennenaufbau AA1,
AA2, mit denen Verzögerungselemente
DLM verbunden sind, erzeugen diese Verzögerungselemente DLM eine Verzögerung,
die signifikant für
den Antennenaufbau AA1, AA2 ist. Signalsequenzen, die an den Kombinierer
geführt
werden, werden somit relativ zueinander verzögert.
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Die
relative Verzögerung
zwischen zwei kombinierten Signalsequenzen muss lang genug sein,
damit der Equalizer oder der Rake-Empfänger in der Lage sein kann
aufzulösen.
Für einen
Equalizer in dem GSM System sollte diese Verzögerung in der Größenordnung
von 2,5 Symbolzeiten sein und für
einen Equalizer in einem Funksystem gemäß des IS 136 Standards sollte
die Verzögerung
in der Größenordnung
einer 0,5–1
Symbolzeit sein. Für
einen Rake-Empfänger
sollte die Verzögerung
ungefähr
einige wenige Chipzeiten für
die Spreizungssequenz sein. Wenn mehr Signale kombiniert werden
sollen, sollte diese Differenz in der Verzögerung zwischen zwei nacheinander
verzögerten
Signalen eingeführt werden.
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In
diesem Kontext wird auf die Antennenaufbauten so Bezug genommen,
dass sie getrennt sind, um eine Antennendiversity zu erreichen.
Mit Antennendiversity ist gemeint, dass Signale unabhängig über wenigstens
zwei Antennenarrays empfangen werden, die räumlich oder über hauptsächlich orthogonale
Polarisationsrichtungen oder durch eine Kombination davon getrennt
sind. Zum Empfang durch orthogonale Polarisationsrichtungen ist
es nicht erforderlich die Antennenelemente räumlich zu trennen. In der Tat
gibt es Antennen, die in einer Einheit konstruiert sind, die einen
gleichzeitigen Empfang in zwei getrennten Polarisationsrichtungen
ermöglichen.
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Signale,
die durch eine Antennendiversity-Anordnung empfangen werden, werden
oft unrichtig als nicht korreliert bezeichnet. Der Grund, warum diese
Bezugnahme nicht richtig ist, ist weil die betreffenden Signale
von der ersten Mobilstation MS1 gesendet werden und somit vollständig korreliert
sind. Jedoch werden Signale durch unterschiedliche Ausbreitungspfade
auf ihrem Weg zu der Empfangsantennen- Diversityanordnung beeinträchtigt.
Die Aufgabe der Antennendiversityanordnung ist den Grad einer Korrelation
der Einflüsse
auf den empfangenen Signalen, die durch unterschiedliche Ausbreitungspfade
verursacht werden, zu verringern. Anders ausgedrückt, die Aufgabe der Antennendiversityanordnung
besteht darin den Korrelationsgrad des Schwunds der verschiedenen
Signale zu verringern und dadurch die Möglichkeit zu reduzieren, dass
alle Antennenanordnungen einem tiefen Schwund gleichzeitig ausgesetzt
werden.
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In
der Praxis ist es nicht möglich
einen vollständig
unkorrelierten Schwund der Signale, die durch die Antennendiversityanordnung
empfangen werde, zu erreichen. Ein Grund ist, weil die Antennenarrays
nicht zu weit voneinander entfernt angeordnet werden können. Jedoch
stellt dies kein Problem dar, weil eine moderate Reduzierung der
Korrelation des Schwunds ausreichend ist, um eine signifikante Verbesserung
in der Uplink-Funkqualität
zu machen. In der Praxis ist ein üblicher Korrelationsfaktor
des Schwunds, dem die Antennendiversityanordnung ausgesetzt ist,
ungefähr
0,7 auf einer Skala von 0–1,
wobei 0 überhaupt
keine Korrelation bedeutet und 1 eine vollständige Korrelation der empfangenen Signale
bedeutet.
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Die
Verstärker
LNA mit niedrigem Rauschen, die mit den Antennenelementen AEL verbunden sind,
die in 2 und 3 gezeigt sind, dienen dazu,
die Einwirkung von Rauschvorgängen,
die durch den Empfänger
auf das Signal eingeführt
wird, zu verringern. Die Verwendung von Verstärkern mit niedrigem Rauschen,
die mit den Antennenelementen AEL für diesen Zweck verbunden sind,
ist alt bekannt.
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Die
Verzögerungselemente
DLM, die mit dem zweiten Antennenaufbau AA2 unter Bezugnahme auf 2 und 3 verbunden
sind, können
aus Sägezahn-Filtern
oder Fiber-Kabeln bestehen. In jedem Fall können die Verzögerungselemente
DLM eine Dämpfung
der empfangenen Signalstärke
verursachen. Diese durch die Verzögerungselemente verursachte
Dämpfung
wird vorzugsweise durch eine entsprechende Erhöhung in der Verstärkung der
Verstärker
LNA mit niedrigem Rauschen des zweiten Antennenaufbaus AA2 kompensiert,
um den Signalen. die an dem Kombinierer kombiniert werden, zu ermöglichen
einer äquivalenten
Verstärkung
innerhalb des Empfängers
ausgesetzt zu sein. Wenn die Verzögerungselemente DLM des zweiten
Antennenaufbaus AA2 eine Verstärkung
von -D dB der Signalstärke
des empfangenen Signale ergeben und die Verstärker LNA mit niedrigem Rauschen
des ersten Antennenaufbaus AA1 eine Verstärkung A dB für die empfangenen
Signale ergibt, dann sollte die Verstärkung von Verstärkern LNA
mit niedrigem Rauschen des zweiten Antennenaufbaus AA2 A+D dB sein,
um eine Kompensation für
die Dämpfung
der Verzögerungselemente
bereitzustellen.
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In
einer Basisstation BS, die den erfindungsgemäßen Funkempfänger RRC
umfasst, sollten die Kombinierer CMB vorzugsweise nahe zu Antennenaufbauten
(AA1, AA2) platziert werden. Besonders für Stellen oder Orte, wo die
Basisstation BS weit weg von den Antennenaufbauten (AA1, AA2) platziert
werden muss, ist dies eine Verbesserung, da die Anzahl von Verbindungskabeln
dadurch reduziert wird. Die Kosten, das Gewicht und der Platz für die Kabel,
die benötigt
werden, werden dadurch auch reduziert.
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In
den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen sind der Funkempfänger RRC
und das erfindungsgemäße Verfahren
für zwei
Prinzipien eines Mehrfachzugriffs der Funkspektren, d.h. TDMA und
CDMA, verwendet worden. Es sei darauf hingewiesen, das die Erfindung
nicht auf diese zwei Prinzipien für einen Mehrfachzugriff beschränkt ist
und, dass die Erfindung auch für
andere Prinzipien für
einen Mehrfachzugriff angewendet werden kann.