ES2285184T3 - Estacion primaria para cubrir eficientemente una celula dividida en sectores utilizando la conformacion y el barrido del haz. - Google Patents

Abstract

Una estación (PS) primaria para transmitir y recibir comunicaciones, cubriendo dicha estación primaria una célula dividida en sectores utilizando al menos un haz (B), estando caracterizada dicha estación primaria porque comprende: medios para generar y dar forma al citado al menos un haz (B), cubriendo cada haz una parte de la célula, por lo cual una pluralidad de haces contiguos cubren la célula entera en azimut, y siendo controlados los parámetros de cada haz de forma individual; una antena para transmitir y recibir las comunicaciones en el interior de una zona cubierta por el citado haz; y medios para realizar un barrido de dicho haz, de modo que dichos medios de realización del barrido dirigen selectivamente el haz conformado una vez en cada dirección de entre una pluralidad (P) de direcciones.

Description

Estación primaria para cubrir eficientemente una célula dividida en sectores utilizando la conformación y el barrido de haz.

La sectorización es una técnica bien conocida para proporcionar área de cobertura definida a partir de posiciones de célula individuales y puede llevarse a cabo con tecnología de "antena inteligente", la cual es bien conocida en la técnica. Los métodos de antena inteligente cambian dinámicamente el patrón de radiación de una antena para formar un "haz", el cual se enfoca sobre la cobertura topográfica de la antena.

La patente US 5.907.816 explica un sistema de antena de haces múltiples adecuado para su uso en un sistema de comunicaciones, que incluye una antena sectorial con un ancho de haz que proporciona cobertura sectorial, un transmisor y un sistema receptor para recibir señales de usuario procedentes de un usuario situado dentro del sector. El sistema de antena de haces múltiples comprende una primera antena de haces múltiples para proporcionar una pluralidad de haces de la primera antena, los cuales son más estrechos que el sector y cubren selectivamente al menos una parte del sector. Una pluralidad de puertos para el haz están cada uno dispuesto para acoplar las señales de los haces de la primera antena recibidas en uno de esos haces de la primera antena. El sistema de antena comprende además medios de acoplamiento múltiple, acoplados a cada uno de los puertos del haz, para hacer que las señales del haz de la primera antena recibidas en cada haz de primera antena estén disponibles en una pluralidad de puertos paralelos, y una pluralidad de medios de conmutación, acoplado cada uno de ellos a cada uno de los puertos del haz por medio de los puertos paralelos y con un puerto de salida de conmutación y siendo cada uno sensible a señales de selección, están dispuestos para proporcionar selectivamente una cualquiera de las señales del haz de la primera antena en un primer puerto de salida de conmutación acoplado al sistema receptor y una cualquiera de las señales del haz de la primera antena también disponibles en un segundo puerto de salida de conmutación.

El conformado del haz es una mejora en la sectorización en cuanto a que los sectores pueden ajustarse en dirección y anchura. Ambas técnicas se emplean para: 1) reducir la interferencia entre las células y el equipo (UE) de usuario desplegado en el interior de ellas; 2) aumentar el alcance entre un receptor y un transmisor; y 3) localizar un UE. Estas técnicas se aplican normalmente a canales específicos de los UEs una vez que se conocen sus posiciones generales.

Antes de conocer la posición de un UE, los canales comunes emiten información que pueden recibir todos los UEs. Aunque esta información puede ser enviada en sectores estáticos, no se envía en haces variables. Existen ineficiencias inherentes a esta estrategia en el hecho de que se necesitan pasos adicionales para determinar el haz apropiado a utilizar para los intercambios de datos específicos. Además, los haces deben ser por lo general suficientemente grandes para proporcionar un área de cobertura amplia, lo cual a su vez significa que su potencia disminuye con la distancia desde el transmisor. En tales casos deben utilizar mayor potencia y tener tiempos de símbolo más largos y/o esquemas de codificación más robustos para cubrir el mismo alcance.

La cobertura de canal común que utiliza un esquema según la técnica anterior se muestra en la figura 1 en forma de cuatro haces anchos sobrepuestos. Esto proporciona cobertura en todas las direcciones, al tiempo que da un grado de reutilización al emplazamiento de la célula. También proporciona un grado basto de direccionalidad a los UEs (UE1, UE2) que detectan una de las transmisiones, haciendo que cada sector transmita un identificador único.

Haciendo referencia a la figura 2, se muestran en ella haces de enlace de bajada específicos entre una estación (P) primaria y varios UEs (UE3, UE4). Asumiendo la misma potencia procedente de la estación (P) primaria para las figuras 1 y 2 y siendo iguales todos los demás atributos, los UEs (UE3 y UE4) mostrados en la figura 2 pueden estar más alejados de la estación P primaria que los UEs (UE1, UE2) mostrados en la figura 1. Como alternativa, las áreas de cobertura pueden hacerse aproximadamente iguales reduciendo la velocidad de símbolo y/o aumentando la codificación de la corrección de errores. Cada una de estas estrategias reduce la velocidad de entrega de datos. Esto también es aplicable a los patrones de haz de enlace de subida del receptor de la estación P primaria; y los mismos comentarios acerca de la cobertura y las opciones son aplicables para datos que proceden de los UEs y se dirigen hacia la estación P primaria.

En la técnica anterior, el alcance de una estación P primaria o de un UE aumenta generalmente mediante combinaciones de mayor potencia, menores velocidades de símbolo, codificación de corrección de errores y diversidad en el tiempo, en la frecuencia o en el espacio. Sin embargo, estos métodos proporcionan resultados que quedan lejos de un funcionamiento optimizado. Además, existe una discrepancia entre los canales comunes y los de comunicaciones específicas en las maneras en que se alinea la cobertura.

Existe una necesidad de cubrir eficazmente una célula dividida en sectores sin los inconvenientes asociados con los esquemas de la técnica anterior.

Resumen

Un sistema de comunicaciones para transmitir y recibir comunicaciones entre al menos una estación primaria y al menos una estación secundaria dentro de una célula dividida en sectores utilizando al menos un haz y que comprende una antena. El sistema incluye un dispositivo para generar y conformar el haz; y un dispositivo para el barrido del haz conformado. El dispositivo de barrido dirige selectivamente el haz conformado en una pluralidad de direcciones.

Breve descripción de lo(s) dibujo(s)

La figura 1 es un esquema de cobertura de canal común de la técnica anterior entre una estación primaria y varios UEs con cuatro haces anchos solapados.

La figura 2 es un esquema de la técnica anterior de haces específicos de enlace de bajada entre una estación primaria y varios UEs que utilizan haces específicos.

La figura 3 es un haz de canal común giratorio que emana de una estación primaria.

La figura 4 es una configuración de haz para la distribución irregular conocida de UEs.

La figura 5 es una configuración de haz que tiene anchura del haz ajustada al tipo de tráfico.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

El presente invento se describirá haciendo referencia a las figuras en las que números similares representan siempre elementos similares. Las explicaciones anteriores acerca del conformado de haces son aplicables a la transmisión de la señal y a su recepción. Por ejemplo, los haces de transmisión más estrechos provocan menos interferencia en los dispositivos situados en el exterior del haz. En cambio, un haz de recepción más estrecho reduce la interferencia provocada por las señales del exterior del haz. La descripción anterior del invento es aplicable a la recepción y a la transmisión de señales. Cuando no sea éste el caso, el contexto de una parte concreta de la descripción se referirá a veces de manera explícita a la recepción o a la transmisión.

Los canales comunes son utilizados, como su nombre implica, por todos los dispositivos. El sistema y el método del presente invento ajustan estos canales comunes según un formato de una manera que proporciona información útil al sistema y a los UEs para el establecimiento eventual de los canales específicos.

Haciendo referencia a la figura 3, las líneas discontinuas representan posiciones posibles P_{1}-P_{n} para un haz B de canal común que emana de una estación (PS) primaria. En un periodo concreto de tiempo, el haz B existe sólo en una de las posiciones P_{1} como se ilustra con trazo sólido. La flecha muestra la evolución temporal del haz B. En esta ilustración, el haz B se mueve en secuencia, en el sentido de las agujas del reloj, desde una posición P_{1} hasta otra posición P_{2}-P_{n}, aunque no es necesario un giro en el sentido de las agujas del reloj.

El sistema proporciona un método para identificar el haz B en cada una de las posiciones P_{1}-P_{n}. Una primera realización para identificar el haz B consiste en enviar un único identificador mientras que el haz B está en cada posición P_{1}-P_{n}. Por ejemplo, en una primera posición P_{1} se transmitirá un primer identificador I_{1}, en una segunda posición P_{2} se generará un segundo identificador I_{2}, y así sucesivamente para cada una de las posiciones P_{1}-P_{n}. Si el haz B realiza un barrido de forma continua, puede generarse un identificador I_{1}-I_{m} diferente para cada grado, (o número preestablecido de grados), de giro.

Una segunda realización para identificar la posición P_{1}-P_{n} del haz B consiste en utilizar una marca temporal como un tipo de identificador, que el UE devuelve a la PS. La devolución de la marca temporal (o del identificador) a la PS informa a la PS sobre qué haz B fue detectado por el UE. Para ese periodo de tiempo, la PS conoce ahora la posición P_{1}-P_{n} del haz B que fue capaz de comunicar con el UE. Sin embargo, debería destacarse que, debido a posibles reflexiones, ésta no es necesariamente la dirección del UE procedente de la PS.

Una tercera realización para identificar la posición P_{1}-P_{n} del haz B consiste en utilizar sincronización temporal. El haz B se coloca y se correlaciona con una marca temporal conocida. Una forma de conseguir esto sería que los UEs y las PS tuvieran acceso a la misma referencia temporal, tal como el sistema de posicionamiento global (GPS), emisiones por internet o por radio (WWV) de la hora del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología o relojes locales con sincronización adecuada mantenida.

Una cuarta realización para identificar la posición P_{1}-P_{n} del haz B es que los UEs y las PS se sincronicen con las marcas temporales que provienen de las transmisiones de infraestructura. Los UEs pueden detectar transmisiones en haz que identifiquen a las PS, pero no necesariamente a las posiciones P_{1}-P_{n} individuales del haz B. Debido a que el UE devuelve a la PS el factor temporal cuando ha detectado el haz B, la PS puede determinar a qué haz B está haciendo referencia el UE. El beneficio de esta realización es que la transmisión de canal común no tiene que ser gravada con datos adicionales para identificar la posición P_{1}-P_{n} del haz B.

Una quinta realización para identificar la posición del haz B es incorporar un receptor GPS en el interior del UE. El UE puede entonces determinar su posición geográfica en latitud y longitud y enviar esta información a la PS. La PS puede entonces utilizar esta información para generar con precisión la dirección del haz B, la anchura del haz y la potencia. Otra ventaja de esta realización es la posición precisa obtenida del UE, la cual permitirá a los usuarios localizar el UE si surge la necesidad.

Haciendo referencia a la figura 4, el patrón de posición puede ser adaptado a lo que desee el administrador del sistema. De esta forma, la PS puede colocar el haz B en un patrón consistente con la densidad esperada de los UEs en un área concreta. Por ejemplo, puede proyectarse un haz W_{1}, W_{2}, W_{3} ancho sobre posiciones P_{1}, P_{2}, P_{3}, respectivamente, con pocos UEs, y proyectarse haces N_{4}, N_{5}, N_{6} más estrechos sobre posiciones P_{4}, P_{5}, P_{6}, respectivamente, con muchos UEs. Esto facilita la creación de haces B específicos más estrechos en las áreas más densas, y también aumenta la capacidad para el uso en enlace de subida y de bajada de los canales comunes para establecer las comunicaciones iniciales.

La manipulación de la anchura del haz se realiza preferiblemente en tiempo real. Sin embargo, las condiciones de comunicación y la naturaleza de la aplicación determinan la idoneidad del número de posiciones P_{1}-P_{n} del haz y sus patrones de anchura de haz asociados. Los patrones de haz formados deberían ser suficientemente anchos de manera que el número de UEs que entran y salen del haz puedan ser manejados sin conmutación excesiva a otros haces. Un dispositivo estático puede ser servido por un haz estrecho. Coches que se muevan rápidamente, por ejemplo, podrían no ser servidos eficazmente por un haz estrecho perpendicular al flujo del tráfico, pero podrían serlo por un haz estrecho paralelo a la dirección de movimiento. Un haz perpendicular estrecho sería adecuado sólo para servicios de mensajes cortos, no para servicios de voz, como llamadas telefónicas.

Otra ventaja de usar anchuras de haz diferentes es la naturaleza del movimiento de los UEs en el interior de un área. Haciendo referencia a la figura 5, se muestra un edificio BL (que representa un área que tiene principalmente dispositivos UE_{s} que se mueven más despacio, a velocidad de peatón), y se muestra también una autopista H (que representa un área que tiene principalmente dispositivos UE_{f} que se mueven más rápido). Los dispositivos UE_{s} de menor velocidad pueden ser servidos por haces N_{1}-N_{3} estrechos que es probable que sean atravesados durante un periodo de tiempo de comunicación. Por el contrario, los dispositivos UE_{f} que se mueven más rápido necesitan haces W_{1}-W_{3} más anchos para mantener una comunicación.

El conformado de la anchura del haz también disminuye la frecuencia de transferencia de control de los UEs de un haz B a otro. La transferencia de control necesita el uso de más recursos del sistema que una comunicación típica dado que se mantienen dos enlaces de comunicación independientes mientras está teniendo lugar dicha transferencia de control. La transferencia de control de haces debería también evitarse porque las comunicaciones de voz son menos capaces de tolerar el periodo de latencia asociado a menudo con dicha transferencia.

Los servicios de datos dependen del tamaño y volumen del paquete de datos. Aunque unos pocos paquetes pequeños pueden ser transmitidos sin problemas, un paquete grande que necesite un número significativo de transferencias de control puede utilizar un ancho de banda excesivo. Esto sucedería cuando se estuviera intentando restablecer los enlaces después de una transferencia de control. El ancho de banda se agotaría también cuando se enviaran transmisiones múltiples de los mismos datos en un intento de realizar una transferencia fiable.

La comunicación de canal común de enlace de bajada será a menudo seguida por transmisiones de enlace de subida. Conociendo el patrón de transmisión de la PS, el UE puede determinar el instante apropiado en que enviar su transmisión de enlace de subida. Para realizar la temporización necesaria, se utiliza una relación de tiempo conocida fija o emitida. En el caso de una relación fija, el UE utiliza un reloj de temporización común. El UE espera hasta un instante predeterminado en el cual la PS ha formado un haz por encima del sector del UE antes de transmitir. En el caso de una emisión, la PS informa al UE sobre cuándo enviar su señal de enlace de subida. La formación del haz de enlace de subida o de bajada puede solaparse o no hacerlo. A menudo es una ventaja evitar el solapamiento, de manera que un dispositivo que responda a una transmisión puede responder en menos tiempo del que necesitaría esperar un ciclo completo de temporización para formación del haz de antena para que se produjera la misma ranura de tiempo.

Debería destacarse que CMDA y otros protocolos RF utilizan alguna forma de división del tiempo. Cuando responden a estos tipos de infraestructuras temporales, la sectorización temporal y las ranuras de tiempo del protocolo serán de interés. Otros protocolos RF no dependientes del tiempo, tales como Aloha ranurado, sólo implicarían sectorización.

La realización descrita anteriormente estaba dirigida a "realizar el barrido" del haz B alrededor de una PS de una manera secuencial. En muchos casos ésta será típicamente la forma más conveniente de implementar el invento. Existen, sin embargo, formas alternativas de asumir las diferentes posiciones. Por ejemplo, puede ser deseable tener más casos de cobertura en ciertas áreas. Esto podría conseguirse generando el haz en una secuencia de posiciones temporizadas. Por ejemplo, si hay 7 posiciones (numeradas de la 1 a la 7), podría usarse una secuencia de (1, 2, 3, 4, 2, 5, 6, 2, 7, 1). Esto haría que el área estuviera cubierta por la posición número 2 del haz con más frecuencia que por otras posiciones, pero con el mismo tiempo de permanencia. Podría también ser deseable tener un tiempo de permanencia más largo en una zona. Por ejemplo, la secuencia (1, 2, 3, 4, 4, 5, 6, 7, 1) haría que la posición número 4 del haz permaneciera constante durante dos periodos de tiempo. Cualquier secuencia adecuada podría ser utilizada y modificada según lo indicara el análisis de la situación.

De forma similar, no es necesario restringir las posiciones del haz a un patrón giratorio. Las posiciones del haz podrían ser generadas en cualquier secuencia que sea útil para el funcionamiento del sistema de comunicaciones. Por ejemplo, un patrón que distribuyera los haces B a lo largo del tiempo de tal modo que cada cuadrante estuviera cubierto por al menos un haz B, podría ser útil para UEs que estén más cerca de la PS y que es probable que estén cubiertos por más de una posición del haz.

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Debería destacarse que, de forma similar a todas las transmisiones RF, una señal RF sólo se detiene en un punto físico si hay una obstrucción del tipo de Faraday, (por ejemplo, un tejado metálico conectado a tierra). Normalmente la señal desaparece, y el umbral es algún valor definido de atenuación derivado del valor pico de la transmisión. Para proporcionar cobertura adecuada en la aplicación de este invento, es preferible que posiciones contiguas del haz se solapen en cierto medida. El solapamiento tenderá a ser más pronunciado más cerca de las antenas de transmisión y recepción. Cerca de una instalación de antena, es por lo tanto probable que cualquier UE sea capaz de comunicarse por medio de varios haces B posicionados de forma diferente. Dispositivos capaces de comunicarse por medio de varias posiciones del haz podrían por lo tanto, si fuera necesario, conseguir mayores velocidades de transmisión de datos utilizando estas posiciones múltiples. Es más probable, sin embargo, que dispositivos más alejados sean capaces de comunicarse por medio de un único tipo de emisión de haces, y para obtener mayores velocidades de datos sería necesaria otra técnica tal como un mayor tiempo de permanencia.

Claims (15)

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   1. Una estación (PS) primaria para transmitir y recibir comunicaciones, cubriendo dicha estación primaria una célula dividida en sectores utilizando al menos un haz (B), estando caracterizada dicha estación primaria porque comprende:

   medios para generar y dar forma al citado al menos un haz (B), cubriendo cada haz una parte de la célula, por lo cual una pluralidad de haces contiguos cubren la célula entera en azimut, y siendo controlados los parámetros de cada haz de forma individual;

   una antena para transmitir y recibir las comunicaciones en el interior de una zona cubierta por el citado haz; y

   medios para realizar un barrido de dicho haz, de modo que dichos medios de realización del barrido dirigen selectivamente el haz conformado una vez en cada dirección de entre una pluralidad (P) de direcciones.
2. 2. La estación (PS) primaria de la reivindicación 1, en la cual dichos medios de conformado dan forma a los haces (B) dándoles una de entre una pluralidad (W, N) de anchuras seleccionables.
3. 3. La estación (PS) primaria de la reivindicación 1 ó 2, en la cual las direcciones de la citada pluralidad (P) de ellas coinciden con los sectores de la célula.
4. 4. La estación (PS) primaria de la reivindicación 3, en la cual los sectores de la célula son de tamaños diferentes y los citados medios de conformado dan forma a los haces (B) de manera que cubran los sectores de la célula.
5. 5. La estación (PS) primaria de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en la cual dichos medios de barrido dirigen selectivamente los haces (B) conformados en la pluralidad (P) de direcciones en una secuencia predeterminada.
6. 6. La estación (PS) primaria de la reivindicación 5, en la cual los haces (B) conformados son dirigidos consecutivamente en la pluralidad (P) de direcciones que se mueven en el sentido de las agujas del reloj desde una posición (P_{1}) actual hasta una posición (P_{2}) posterior que es la más cercana físicamente a la citada posición actual.
7. 7. La estación (PS) primaria de la reivindicación 5, en la cual los haces (B) conformados son dirigidos consecutivamente en la pluralidad (P) de direcciones que se mueven en el sentido contrario a las agujas del reloj desde una posición (P_{1}) actual hasta una posición (P_{6}) posterior que es la más cercana físicamente a la citada posición actual.
8. 8. La estación (PS) primaria de la reivindicación 5, en la cual dicha secuencia predeterminada está dispuesta de tal forma que provoca que los medios de realización de barrido dirijan selectivamente el haz (B) hacia al menos una de entre la pluralidad (P) de direcciones con más frecuencia que la otra pluralidad de direcciones.
9. 9. La estación (PS) primaria de la reivindicación 5, en la cual dicha secuencia predeterminada está dispuesta de tal forma que provoca que los medios de realización de barrido dirijan selectivamente el haz (B) en algunas direcciones de entre la pluralidad (P) de ellas durante un tiempo mayor que en otras direcciones de la pluralidad de ellas.
10. 10. La estación (PS) primaria de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que está además dispuesta para identificar el haz (B) en cada dirección entre dicha pluralidad (P) de direcciones mediante el envío de identificadores (I) únicos a una estación secundaria con la cual se comunica la estación primaria, correspondiendo cada identificador único a una posición específica de la estación secundaria, y en la cual la estación secundaria, cuando está situada en una posición específica de célula, devuelve a la estación primaria el identificador único que corresponde a la posición específica de célula.
11. 11. La estación (PS) primaria de cualquiera de las reivindicaciones 1-9, que está además dispuesta para identificar el haz (B) en cada dirección entre dicha pluralidad (P) de direcciones utilizando una referencia de tiempo que es común para la estación primaria y para una estación secundaria con la cual se comunica la estación primaria.
12. 12. La estación (PS) primaria de la reivindicación 11, en la cual la referencia de tiempo es proporcionada por medio de un sistema de posicionamiento global (GPS).
13. 13. La estación (PS) primaria de cualquiera de las reivindicaciones 1-9, que está además dispuesta para identificar el haz (B) en cada dirección entre la citada pluralidad (P) de direcciones sincronizando la estación primaria con una estación secundaria con la cual se comunica la estación primaria, y en la cual la estación secundaria devuelve un factor de tiempo a la estación primaria, indicando dicho factor de tiempo cuándo fue detectado el haz.
14. 14. La estación (PS) primaria de cualquiera de las reivindicaciones 1-9, que está además dispuesta para identificar el haz (B) en cada dirección entre la citada pluralidad (P) de direcciones recibiendo, procedente de una estación secundaria con la cual se comunica la estación primaria, una posición geográfica de la estación secundaria.
15. 15. La estación (PS) primaria de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual dicha estación primaria está adaptada para comunicarse con una estación secundaria que es un equipo (UE) de usuario.

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