ES2238637T3 - Agrupacion de antenas adaptativas para un sistema celular de radiocomunicaciones. - Google Patents
Agrupacion de antenas adaptativas para un sistema celular de radiocomunicaciones.Info
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Abstract
Una agrupación adaptativa de antenas que comprende una pluralidad de agrupaciones de antenas lineales paralelas y separadas entre sí, en la que las agrupaciones de antenas lineales separadas y paralelas están dispuestas en un primer (230) y segundo (240) grupos adyacentes, en la que la separación entre las agrupaciones de antenas lineales de cada grupo difiere entre los grupos, con una separación entre los elementos del primer grupo del orden de 0, 5 longitudes de onda de longitud, y con una separación de los elementos del segundo grupo en el rango de 1 - 10 longitudes de onda de longitud, caracterizada porque la agrupación comprende además un tercer grupo (240) de agrupaciones de antenas lineales, en la que el tercer grupo se corresponde en la separación, entre elementos, de la segunda agrupación, y estando posicionados en forma adyacente al primer grupo de forma que la agrupación sea simétrica alrededor de un eje central; y en donde se proporcionan dos agrupaciones de antenas adicionales(502, 504), en las que las agrupaciones de antenas adicionales se corresponden con la separación, entre elementos, de la primera agrupación, en donde cada agrupación comprende cuatro agrupaciones lineales paralelas y una agrupación que está posicionada entre dos agrupaciones de antenas lineales de la segunda y tercera agrupaciones respectivamente, siendo operables las agrupaciones adicionales en el modo de transmisión para soportar la diversidad espacial de dos ramificaciones, para proporcionar la señalización FDD.
Description
Agrupación de antenas adaptativas para un sistema
celular de radiocomunicaciones.
Esta invención está relacionada con los sistemas
celulares de radiocomunicaciones y en particular está relacionada
con una configuración de antenas para los sistemas celulares de
radiocomunicaciones de la generación futura.
Los sistemas celulares de radiocomunicaciones se
encuentran actualmente en expansión a través de todo el mundo,
proporcionando las telecomunicaciones a los usuarios de los
teléfonos móviles. Los sistemas celulares de radiocomunicaciones se
denominan así porque dividen un área geográfica en células; en el
centro de cada célula existe una estación base a través de la cual
se comunican las estaciones móviles, estando equipada típicamente
cada estación base con agrupaciones de antenas configuradas en
sectores. La distancia entre las células se determina de forma tal
que se mantenga a un nivel tolerable la interferencia cocanal.
Con el fin de proporcionar servicios a un número
en incremento de abonados de radiocomunicaciones, con riesgos
concomitantes en incremento de la interferencia, se cree que el paso
hacia delante se encuentra en las antenas inteligentes adaptativas.
Es decir, mediante la ponderación apropiada de la amplitud y la
fase, se orientan los haces de la estación base desde varios
elementos de la antena, por lo que los haces fuertes se forman en la
dirección del abonado de radiocomunicaciones, orientado los puntos
nulos a la dirección de las fuentes de interferencia. El resultado
puede proporcionar un incremento en el alcance y un incremento en la
capacidad del sistema.
Aunque se han conocido las ventajas potenciales
de las antenas inteligentes adaptativas durante varios años, han
existido muchos problemas al fabricar modelos comerciales, con
problemas tales como el costo y la fiabilidad. La tendencia actual
es a una fiabilidad en incremento así como a la reducción de los
precios. No obstante, se precisan de mejoras en otras áreas: la
ganancia en diversidad espacial, por nombrar solo una
característica. Las antenas inteligentes se han construido hasta
la fecha actual con sus elementos montados con una separación de 0,5
longitudes de onda. Esta solución convencional proporciona la
conformación del haz convencional, pero da lugar a una abertura
pequeña para un número dado de elementos y no es adecuada para la
diversidad espacial. Alternativamente, algunas soluciones han
utilizado dos de las mencionadas agrupaciones con una separación en
su anchura para proporcionar una ganancia en la diversidad espacial,
aunque sin embargo dicho agrupamiento está por debajo de un nivel
óptimo para la anulación adaptativa de la interferencia y
limitándose la ganancia de diversidad a un valor de una diversidad
de 2 elementos. El documento
EP-A-1050923 (Lucent) expone un
sistema de antenas que tienen características de recepción coherente
y no coherente.
La presente invención busca el poder proporcionar
una agrupación mejorada de antenas. En particular, la presente
invención busca proporcionar una agrupación de antenas con una
excelente diversidad espacial, ganancia y alta directividad.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención,
se proporciona una agrupación adaptativa de antenas que comprende
una pluralidad de agrupaciones de antenas lineales paralelas y
separadas entre sí, en donde las agrupaciones de antenas lineales
paralelas y separadas entre sí están dispuestas en un primer y
segundo grupos adyacentes, en donde la separación entre las
agrupaciones de antenas lineales de cada grupo difiere entre los
grupos, siendo la separación entre los elementos del primer grupo
del orden de 0,5 longitudes de onda de longitud, y siendo la
separación de los elementos del segundo grupo del orden de
1-10 longitudes de onda de longitud, caracterizada
porque la agrupación comprende además un tercer conjunto de
agrupaciones de antenas lineales, correspondiendo este tercer grupo
en la separación entre los elementos a la segunda agrupación, y
estando posicionada en forma adyacente al primer grupo, de forma tal
que la agrupación es simétrica alrededor de un eje central, estando
conectadas las antenas a un conformador de haz, de forma que sean
operables en ambos modos de transmisión y de recepción; y en donde
la agrupación de antenas comprende además dos agrupaciones
adicionales de antenas, correspondientes en la separación, entre los
elementos, a la primera agrupación, comprendiendo cada agrupación
cuatro agrupaciones lineales paralelas, y una agrupación que está
posicionada entre dos agrupaciones de antenas lineales de la segunda
y tercer agrupaciones, respectivamente, siendo operables las
agrupaciones adicionales en el modo de transmisión, para soportar la
diversidad espacial de dos ramificaciones, para proporcionar la
señalización FDD.
Las antenas pueden ser dipolos, de placa plana y
otros tipos. Preferiblemente se proporciona un reflector para
mejorar la directividad, y en una configuración de agrupaciones
sectorizadas, para reducir la interferencia entre las agrupaciones
planas adyacentes.
La separación entre las agrupaciones de antenas
adyacentes puede ser mayor que la mencionada separación entre las
agrupaciones de antenas lineales del primer grupo. La apertura de la
agrupación de antenas puede corresponder a un orden de 10 a veinte
longitudes de onda en la anchura.
El tipo de los elementos de la antena pueden ser
seleccionados a partir de un grupo que comprenda, entre otros,
elementos de la antena de dipolo, y elementos de antena de placa
plana. Puede proporcionarse un reflector, según sea lo apropiado,
por lo que se mejora la directividad y se reducen las interferencias
entre las agrupaciones planas adyacentes.
De acuerdo con un aspecto adicional de la
presente invención, se proporciona un método de operación de una
agrupación adaptativa de antenas que comprende una pluralidad de
agrupaciones de antenas lineales paralelas y separadas entres sí, en
donde las agrupaciones de antenas lineales paralelas y separadas
entre sí están dispuestas en un primer, segundo y tercer grupos, en
el que el segundo y tercer grupos están dispuestos simétricamente
alrededor del primer grupo, en donde la separación entre las
agrupaciones de antenas lineales del primer grupo es distinta a la
del segundo y tercer grupos, siendo la separación entre los
elementos del primer grupo del orden de 0,5 longitudes de onda, y la
separación de los elementos en el segundo y tercer grupos estando en
el rango de 1 - 10 longitudes de onda, comprendiendo el método las
etapas, en un modo de recepción, de recepción de los datos
posicionales del abonado, y utilizando estos datos en los medios de
conformación del haz para determinar apropiadamente las
ponderaciones de la fase y amplitud, para dirigir las señales de
transmisión y recepción; y en donde se proporcionan dos agrupaciones
de antenas adicionales, correspondiendo en la separación entre los
elementos a la primera agrupación, comprendiendo cada agrupación
además cuatro agrupaciones lineales paralelas, teniendo cada una de
la segunda y tercera agrupaciones dos agrupaciones de antenas con
una agrupación adicional posicionada en forma intermedia,
respectivamente, en donde en el modo de transmisión la configuración
de antenas es operable para soportar la diversidad espacial de dos
ramificaciones, para proporcionar la señalización FDD.
La presente invención proporciona una novedosa
geometría de las agrupaciones para las antenas inteligentes que
tengan una gran apertura, la cual proporciona una excelente ganancia
de diversidad espacial, alta directividad, excelente anulación
adaptativa de la interferencia, excelente directividad de las
estimaciones de llegada, y la capacidad para formar un excelente haz
sectorial para la información de radiodifusión. Todas estas
características son funciones deseables para las comunicaciones
celulares inteligentes. En consecuencia, la invención proporciona
una excelente diversidad espacial, lo cual facilitar una excelente
resolución para los sistemas de acceso múltiple por diversidad
espacial.
La invención puede ser comprendida más
fácilmente, así como otros aspectos y características de la
invención pueden llegar a ser evidentes, a partir de la siguiente
descripción y mediante los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra una antena del arte
previo;
la figura 2 muestra una representación
esquemática de una agrupación plana fabricada de acuerdo con la
invención;
la figura 3 muestra una vista de una primera
realización de la presente invención;
la figura 4 es un gráfico que muestra las cifras
comparativas de la ganancia de diversidad para una antena fabricada
de acuerdo con la invención;
la figura 5 muestra una realización adicional de
la invención.
Se describirá a continuación, a modo de ejemplo,
el modo contemplado por los inventores para llevar a cabo la
invención. En la siguiente descripción, se exponen numerosos
detalles específicos, con el fin de proporcionar una comprensión
completa de la presente invención. No obstante, será evidente para
aquellos técnicos especializados en el arte que la presente
invención puede ponerse en práctica con variaciones de lo
específico.
La figura 1 muestra un ejemplo de una
configuración de antenas del arte previo, en la que una estación
base 100 tiene tres sectores y en consecuencia tiene tres conjuntos
de agrupaciones planas 102, en los que cada agrupación plana
comprende seis antenas de agrupaciones lineales 104, estando las
antenas de la agrupación lineal 104 separadas entre sí en
aproximadamente media longitud de onda, en las que los ejes
verticales centrales de la agrupación 102 están separados entre sí
en una distancia de aproximadamente diez longitudes de onda. Se
observará que estas agrupaciones planas 102 proporcionarán unos
haces adecuados de las antenas, pero consiguiendo una ganancia
limitada de diversidad espacial. Es decir, en una dirección normal a
las agrupaciones planas, tendrá una gran ganancia de antena sin
ganancia de diversidad espacial, mientras que en las direcciones
entre las agrupaciones planas se tendrá una ganancia pequeña de
antena, pero una gran ganancia de diversidad espacial. Las variables
incluyen la separación entre sí de las dos mencionadas agrupaciones
de antenas o bien antenas de una agrupación lineal única, por lo que
las antenas pueden proporcionar una excelente diversidad espacial:
la separación entre las agrupaciones es típicamente del orden de
diez longitudes de onda. Esta agrupación, sin embargo, proporciona
una deficiente conformación del haz. En las direcciones normales a
las dos ramificaciones de cada sector, se proporciona una ganancia
de antena media con una gran ganancia de diversidad espacial; en la
dirección correspondiente a la división de cada sector, existirá una
pequeña ganancia de antena pero una gran ganancia de diversidad
espacial. Son posibles otras formas de diversidad espacial, tales
como la diversidad de polarización. En el enlace descendente, puede
ser utilizado el mismo haz utilizado en cada polarización con la
diversidad de transmisión (STTD o TxAA) aplicada entre las
polarizaciones. En una dirección normal a cada agrupación existirá
una ganancia media de antena y una gran ganancia de diversidad
espacial, y al igual que anteriormente, en la dirección entre los
sectores existirá una pequeña ganancia de antena y una gran ganancia
de diversidad espacial.
Se describirá a continuación una primera
realización de la presente invención con referencia a la figura 2,
en donde se muestra una configuración de antenas 200 que comprende
una agrupación 202 de antenas de ocho elementos. Cada uno de los
ocho elementos 204 -218 de la antena comprende una agrupación lineal
220, y las agrupaciones lineales están separadas de una forma
separada y paralela entre sí, tal como puede observarse mejor desde
la figura 2. En el ejemplo mostrado en las figuras 2 y 3, los
elementos de las antenas comprenden apilamientos de dipolos
colineales. La agrupación comprende tres grupos: un primer grupo
central 230, que comprende cuatro elementos de antenas 208 - 214,
los cuales están separados entre si aproximadamente en media
longitud de onda, para proporcionar un excelente haz de cobertura
sectorial ponderando solamente la fase; y un segundo y tercer
grupos, 240, 250, que comprenden los elementos de las antenas
restantes que se dispersan fuera desde el centro en ambos lados. La
simetría alrededor del centro proporciona un centro mecánico de
gravedad en el centro. Esto puede facilitar el montaje de la antena.
Adicionalmente, la agrupación de antenas, al ser instalada en la
zona de instalación, estará sometida a las situaciones extremas del
tiempo climático: vientos, que pueden ser de fuerza de temporal,
requiriendo que la estructura sea particularmente estable. El
segundo y tercer grupos colaboran en proporcionar una excelente
diversidad espacial. No se muestra una red de calibración en la
agrupación de antenas, conjuntamente con los amplificadores de
potencia y los amplificadores de bajo nivel de ruido.
El primer grupo de la agrupación 230 puede
comprender un número impar de agrupaciones lineales, y puede por
ejemplo comprender un grupo de tres. El segundo y tercer grupos
pueden comprender antenas separadas por igual con dos, tres, cuatro
o más antenas. El numero en particular no está limitado a los
ejemplos mostrados, pero la selección de la configuración estará
determinada por la relación apropiada de costo / rendimiento. En
otra realización, la agrupación es asimétrica y no existe un tercer
grupo de antenas. En dicha realización, existe en un lado un primer
grupo de antenas separadas por igual, y un segundo grupo de antenas
separadas más distantes entre sí.
El aspecto de la ganancia de diversidad espacial
de la agrupación irregular propuesta no uniforme se muestra en la
figura 4. La curva superior representa la respuesta en donde existe
un único elemento de antena, es decir, no existe una antena
inteligente. La curva intermedia representa la respuesta de una
agrupación regular de 8 elementos convencional con una separación de
0,5 longitudes de onda. La curva inferior representa la respuesta de
una agrupación no uniforme de 8 elementos, pudiendo conseguir tasas
de errores de bits (BER) considerablemente inferiores para un valor
dado de Eb/No.
En una realización adicional, con referencia a la
figura 5, se proporcionan elementos de transmisión adicionales,
los cuales podrían ser ventajosos para los sistemas que operen en el
modo dúplex por división de frecuencias, tal como el sistema WCDMA
UMTS. Los elementos de transmisión adicionales 502, 504 están
montados en los espacios libres de una agrupación básica, entre
cualquiera del segundo y tercer grupo de antenas, aunque serían
posibles otras posiciones. Se habilita una diversidad espacial de
antena de dos ramificaciones en el enlace descendente, según se
precise de acuerdo con el estándar WCDMA UMTS. Las dos agrupaciones
de transmisión son orientadas electrónicamente hacia el usuario, y
después combinadas óptimamente para proporcionar una diversidad
espacial óptima. Se proporcionan cuatro elementos de antena en cada
una de las agrupaciones de transmisión. Tal como se observará, el
uso de elementos de antena independientes para las funciones de
recepción y de transmisión proporciona el aislamiento, y por tanto
facilitar el diseño de los filtros duplex.
Durante la operación, la estación base
inteligente es operable para recibir los datos posicionales de las
estaciones de abonados, para debidamente poner en fase y en amplitud
las señales transmitidas ponderadas y las señales recibidas, tal
como es conocido. Todos los elementos de la antena se utilizan
convenientemente, pero puede ser apropiado reducir la potencia de
la señal para los abonados situados en la cercana proximidad, para
reducir la potencia radiada y para reducir la potencia operativa del
circuito de control dentro de la estación base. Se observará que la
apertura ancha definida por los grupos de antenas mejorará la
recepción de diversidad espacial de una forma económica.
La geometría proporciona las ventajas siguientes:
una gran apertura (elementos separados en forma amplia) para
conseguir una excelente diversidad espacial; alta directividad (alta
relación entre la ganancia en la dirección deseada con respecto a la
totalidad de ganancia en todas las direcciones); excelente anulación
de interferencias (una agrupación irregular no provoca lóbulos
deformados, en donde la interferencia en los lóbulos laterales
pueden ser anulada sin el colapso del haz principal); excelente
dirección de las estimaciones de llegada sin ambigüedad; excelente
resolución para el sistema SDMA (acceso múltiple por división
espacial); y siendo posible una excelente emisión de cobertura de un
sector de 120 grados mediante la ponderación de la fase solamente de
los cuatro elementos centrales separados entre si con un valor de
0,5 longitudes de onda.
En la figura 3, la agrupación de antenas 230, 240
está conectada a un banco de equipos transceptores digitales 232.
Los datos coherentes multicanal subsiguientes de cada elemento de
antena se procesan mediante un procesamiento de señales digitales
de forma que se apliquen las ponderaciones de fase y amplitud a los
elementos de la agrupación. Estas ponderaciones pueden se calculadas
para aplicar diagramas de los haces en la dirección de las señales
deseadas, mientras que se proporcionan puntos nulos del diagrama en
las direcciones de las señales de interferencia. De esta forma, se
maximiza la relación de señal/interferencia más ruido.
Adicionalmente, se calculan las ponderaciones que proporcionen una
combinación de tasas óptimas de las señales de cada antena.
Además se calcula la dirección de las
estimaciones de llegada a partir de la agrupación de los ocho
elementos completos. La naturaleza irregular de la agrupación de
antenas proporciona una excelente estimación del ángulo y una
anulación adaptativa excelente de la interferencia sin problemas de
deformación de los lóbulos. La gran apertura proporciona una
excelente resolución y una excelente diversidad espacial. Los cuatro
elementos centrales de elementos con cercana separación (del orden
de 0,5 longitudes de onda o 0,5 lambda) se utilizan en la
transmisión para proporcionar un excelente haz de cobertura
sectorial de 120 grados para el tráfico de difusión.
Con respecto a la realización según se muestra en
la figura 5, se expone una consideración para soportar señales FDD.
Existe una fila de filtros duplex extras entre la agrupación y los
transceptores digitales. En la recepción, la agrupación opera como
se ha descrito anteriormente con referencia a la figura 3. No
obstante, en transmisión se proporcionan dos agrupaciones extras de
cuatro elementos, 502 y 504. Estas agrupaciones facilitan la
diversidad espacial del enlace descendente de 2 ramificaciones, lo
cual es una característica del estándar.
Claims (6)
1. Una agrupación adaptativa de antenas que
comprende una pluralidad de agrupaciones de antenas lineales
paralelas y separadas entre sí, en la que las agrupaciones de
antenas lineales separadas y paralelas están dispuestas en un primer
(230) y segundo (240) grupos adyacentes, en la que la separación
entre las agrupaciones de antenas lineales de cada grupo difiere
entre los grupos, con una separación entre los elementos del primer
grupo del orden de 0,5 longitudes de onda de longitud, y con una
separación de los elementos del segundo grupo en el rango de 1 - 10
longitudes de onda de longitud, caracterizada porque la
agrupación comprende además un tercer grupo (240) de agrupaciones de
antenas lineales, en la que el tercer grupo se corresponde en la
separación, entre elementos, de la segunda agrupación, y estando
posicionados en forma adyacente al primer grupo de forma que la
agrupación sea simétrica alrededor de un eje central; y en donde se
proporcionan dos agrupaciones de antenas adicionales (502, 504), en
las que las agrupaciones de antenas adicionales se corresponden con
la separación, entre elementos, de la primera agrupación, en donde
cada agrupación comprende cuatro agrupaciones lineales paralelas y
una agrupación que está posicionada entre dos agrupaciones de
antenas lineales de la segunda y tercera agrupaciones
respectivamente, siendo operables las agrupaciones adicionales en el
modo de transmisión para soportar la diversidad espacial de dos
ramificaciones, para proporcionar la señalización FDD.
2. Una agrupación de antenas según la
reivindicación 1, en la que la separación entre las agrupaciones de
antenas adyacentes es mayor que la mencionada separación entre las
agrupaciones de antenas lineales del primer grupo.
3. Una agrupación de antenas según la
reivindicación 1, en la que la apertura de la agrupación corresponde
a un valor de diez a veinte longitudes de onda en la anchura.
4. Una agrupación de antenas de acuerdo con
cualquier reivindicación anterior, en la que los elementos de la
antena se seleccionan a partir del grupo que comprende elementos de
antena de dipolo y elementos de antena de placa plana.
5. Una configuración de antenas según la
reivindicación 1 ó 2, en la que se proporciona un reflector para
mejorar la directividad y reducir la interferencia.
6. Un método de operación de una agrupación
adaptativa de antenas que comprende una pluralidad de agrupaciones
de antenas lineales paralelas y separadas entres sí, en donde las
agrupaciones de antenas lineales paralelas y separadas entre sí
están dispuestas en un primer, segundo y tercer grupos (230, 240),
en el que el segundo y tercer grupos están dispuestos simétricamente
alrededor del primer grupo, en donde la separación entre las
agrupaciones de antenas lineales del primer grupo es distinta a la
del segundo y tercer grupos, siendo la separación entre los
elementos del primer grupo (230) del orden de 0,5 longitudes de
onda, y la separación de los elementos en el segundo y tercer grupos
(240) estando en el rango de 1 - 10 longitudes de onda,
comprendiendo el método las etapas, en un modo de recepción, de
recepción de los datos posicionales del abonado, y utilizando estos
datos en los medios de conformación del haz (232) para determinar
apropiadamente las ponderaciones de la fase y amplitud, para dirigir
las señales de transmisión y recepción; y en donde se proporcionan
dos agrupaciones de antenas adicionales (502, 504), correspondiendo
en la separación entre los elementos a la primera agrupación,
comprendiendo cada agrupación además cuatro agrupaciones (502, 504)
lineales paralelas, teniendo cada una de la segunda y tercera
agrupaciones dos agrupaciones de antenas con una agrupación
adicional posicionada en forma intermedia, respectivamente, en donde
en el modo de transmisión la configuración de antenas es operable
para soportar la diversidad espacial de dos ramificaciones, para
proporcionar la señalización FDD.
Applications Claiming Priority (2)
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