ES2291625T3 - Mejorador de señal celular. - Google Patents
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Abstract
Un mejorador de señal (170, 230) para ampliar la cobertura de servicio en un sistema de comunicaciones inalámbricas a al menos un dispositivo de comunicaciones inalámbricas en una zona de cobertura limitada desde una estación base (150), incluyendo: un amplificador bidireccional (178, 188) incluyendo un recorrido de amplificación de señal de enlace descendente (176, 236) para generar una señal de estación base amplificada en respuesta a una señal base y un recorrido de amplificación de enlace ascendente de señal (186, 274) para generar una señal de usuario amplificada en respuesta a una señal de usuario del dispositivo de comunicaciones inalámbricas; una antena donante polarizada doble (172, 232), acoplada al amplificador bidireccional, incluyendo una primera porción donante polarizada (174, 234) que tiene un primer estado de polarización y una segunda porción donante polarizada (190, 288) que tiene un segundo estado de polarización ortogonal al primer estado de polarización; y una antena servidora polarizada doble (180, 252), acoplada al amplificador bidireccional, incluyendo una primera porción servidora polarizada (182, 254) que tiene el segundo estado de polarización y una segunda porción servidora polarizada (184, 270) que tiene el primer estado de polarización, donde el recorrido de señal de enlace descendente (176) está acoplado entre la primera porción donante polarizada (174, 234) y la primera porción servidora polarizada (182, 254); y donde el recorrido de señal de enlace ascendente (186) está acoplado entre la segunda porción donante polarizada (190, 288) y la segunda porción servidora polarizada (184, 270).
Description
Mejorador de señal celular.
La presente invención se refiere en general a
comunicaciones inalámbricas y, más en concreto, a ampliar la
cobertura de servicio para una unidad de abonado mejorando la señal
recibida (o transmitida) por la unidad de abonado en una zona de
cobertura limitada.
Los sistemas de comunicaciones inalámbricas se
han difundido y la población de usuarios cada vez depende más y
demanda la disponibilidad de comunicaciones inalámbricas. Muchos
usuarios confían en la capacidad de comunicación inalámbrica sin
considerar la disponibilidad de servicio telefónico de línea
terrestre. Estos sistemas de comunicaciones inalámbricas pueden ser
para comunicar voz y/o datos entre servicios y abonados o usuarios.
Dado que muchos de estos sistemas se basan ahora en formatos
digitales para comunicación, la distinción entre transmisiones de
voz y digitales está delimitada principalmente por la tasa de
información. Aunque la cobertura de servicio de los sistemas de
comunicaciones inalámbricas se ha expandido a una tasa rápida,
subsisten varias zonas de cobertura limitada. Cada uno de los
sistemas de comunicaciones inalámbricas incluye típicamente
múltiples estaciones base para transmitir señales inalámbricas a la
unidad de abonado del usuario y recibir transmisiones de señales
inalámbricas de la unidad de abonado del usuario. Estos sistemas de
comunicaciones incluyen, a modo de ejemplo, transmisiones celulares
que operan a aproximadamente 800 MHz, transmisiones de servicios de
comunicaciones personales (PCS) que operan a aproximadamente 1900
MHz en los Estados Unidos (US) y otras aplicaciones de
comunicaciones inalámbricas y móviles en todo el mundo.
Cada una de las estaciones base de posición fija
tiene una o más zonas de cobertura, llamadas típicamente una
célula. Un usuario móvil que tiene una unidad de abonado, por
ejemplo, un teléfono celular, puede recibir señales de la estación
base y transmitir señales a la estación base. Un usuario móvil puede
usar otros tipos de unidades portátiles de abonado, tal como un
ordenador relativamente pequeño conocido en la industria como un
asistente digital personal (PDA) o un ordenador portátil más grande
conocido en la industria como un ordenador portátil, que tiene la
capacidad de comunicar a través de medios inalámbricos con una
estación base. La cobertura de señal es típicamente mejor dentro de
la zona de cobertura definida pero puede estar bloqueada o ser débil
incluso dentro de la zona de cobertura. Como es bien conocido, la
zona de cobertura puede incluir posiciones de sombra producidas por
una colina u otra estructura, puede dejar zonas en el borde de la
célula, entre celdas o más allá de la zona de célula donde la
recepción de la señal es intermitente o no existente para el
usuario. Por ejemplo, la zona de cobertura puede incluir edificios
y la cobertura de señal dentro del espacio del edificio es
generalmente menor que el espacio exterior cerca del edificio debido
a atenuación de señal y dispersión de la señal que penetra y se
propaga dentro de la estructura del edificio.
También puede ser deseable ampliar la cobertura
de la estación base a una posición particular de usuario, que no
justifica, al menos actualmente, la construcción de otra estación
base o repetidor permanente para ampliar la cobertura a dicha
posición.
Las denominadas unidades "repetidoras" han
sido diseñadas para proporcionar una solución a la cobertura
ampliada deseada y generalmente están situadas en torres en
posiciones permanentes. Estos repetidores operan recibiendo la
señal transmitida de la estación base en una antena primera o
donante y reirradiando o retransmitiendo posteriormente una señal
amplificada desde una antena segunda o servidora al usuario. Las
transmisiones del usuario son recibidas por la antena servidora,
amplificadas y posteriormente retransmitidas a la estación base por
la antena donante. El repetidor puede ser usado para ampliar la
cobertura de la estación base a una zona más allá de la zona de
cobertura de célula normal o para proporcionar una señal suficiente
a una posición con sombra en la zona de cobertura de célula para
proporcionar al usuario la cobertura deseada. Los repetidores
exteriores se colocan típicamente en posiciones fijas, tal como
minitorres, son relativamente caros de instalar, y no los instala
generalmente un usuario.
Las unidades repetidoras únicas o los
subsistemas que constan de una o más unidades repetidoras y una red
de distribución de señal de fibra óptica o cable coaxial pueden
estar designadas específicamente para proporcionar cobertura dentro
de un edificio u otra estructura tal como un túnel. Estos
repetidores tienen generalmente una sola antena donante fuera de la
estructura cubierta y una o más antenas servidoras situadas dentro
de la estructura.
En la operación, un repetidor genera una
cantidad finita de energía transmitida, que es realimentada o
acoplada a las respectivas antenas primera y segunda. El
aislamiento entre las antenas repetidoras primera y segunda puede
ser definido generalmente como la medida de la potencia de salida de
retransmisión a la potencia de entrada acoplada, generalmente
expresada en unidades de decibelio (dB). Dado que existe
realimentación o interferencia acoplada en los repetidores, existe
la posibilidad de operación inestable que produzca oscilación en
ciertas condiciones. Para evitar que tenga lugar una condición
inestable en los repetidores, la ganancia de amplitud de la señal
del repetidor no puede ser mayor que el aislamiento entre las dos
antenas repetidoras.
Los repetidores exteriores tienen típicamente
valores de ganancia amplificada del orden de ochenta y cinco (85) a
noventa y cinco (95) dB y pueden tener valores de ganancia de antena
donante del orden de veintitrés (23) a veinticinco (25) dBi y
valores de ganancia de antena servidora del orden de quince (15) a
dieciocho (18) dBi. La correspondiente ganancia de señal neta y
aislamiento mínimo para estos rangos de valores de ganancia es
ciento veintitrés (123) a ciento treinta y ocho (138) dB. El límite
de potencia de salida de radio frecuencia (RF) compuesta de equipo
típico corriente puede ser más veinte (+20) dBm en el lado donante y
más cuarenta y tres (+43) dBm en el lado servidor.
El repetidor exterior típico proporciona
ganancia operativa para una subsección de la asignación de
frecuencia en los servicios celulares o PCS. El uso de una
subsección de la asignación de frecuencia puede limitar las
operaciones del repetidor a un subconjunto de proveedores de
servicios que tienen licencias dentro de una zona de servicio
particular. Esta limitación puede dar lugar a una necesidad de
equipo adicional e inmuebles para proporcionar cobertura a usuarios
móviles.
Es claro que un repetidor en el recorrido de
enlace descendente debe proporcionar una amplitud de señal a la
unidad de abonado del usuario que es más grande que la amplitud de
señal que llega a dicha unidad de abonado sin el repetidor
presente, con el fin de que el usuario se beneficie. Hay una
ganancia de señal neta mínima que debe ser proporcionada por el
repetidor con el fin de proporcionar cualquier beneficio. La
ganancia de señal neta debe superar las pérdidas de señal efectivas
de la recepción y retransmisión de una onda que se propaga en el
entorno en contraposición a la pérdida de propagación de la señal
original. Por lo tanto, un repetidor pasivo que no tiene ganancia
de señal activa o electrónica y que se basa únicamente en la
ganancia de antena no proporcionará ningún beneficio en un entorno
exterior. La ganancia activa puede ser más de setenta (70) dB en un
entorno exterior donde la ampliación de cobertura de la señal del
repetidor es a menudo de de una (1) milla de distancia.
El requisito de que los repetidores exteriores
amplíen la cobertura de señal inalámbrica por debajo de diez (10)
GHz da lugar al uso de antenas relativamente grandes y el uso de
electrónica relativamente cara, requiere la propiedad o el alquiler
de inmuebles, y requiere una estructura de montaje que puede ser una
torre o un edificio. Estos gastos son soportados típicamente de
alguna forma por el proveedor de servicios mediante propiedad
directa o mediante alquiler.
Ampliar la cobertura de señal a una zona de
insuficiente cobertura, tal como a un edificio, para el usuario
puede originar problemas, dado que la redistribución requiere una
ganancia significativamente alta, que a su vez puede producir
inestabilidad que da lugar potencialmente a oscilaciones y/o ruido
indeseable dentro del sistema de comunicación. Además, el usuario
puede estar en una posición temporalmente y, en cualquier caso, al
usuario le gustaría obtener ampliación de cobertura donde sea
posible sin significativos costos de montaje o instalación o
servicios. Como se describirá con más detalle más adelante en
conexión con las figuras 3-13, los repetidores
"personales" convencionales han intentado resolver este
problema de ampliación de la cobertura de señal con éxito limitado
hasta la fecha en el mercado.
El documento WO 98/39856 A (CELLETRA LTD;
SHAPIRA, JOSEPH) describe un mejorador de señal incluyendo: un
amplificador bidireccional incluyendo un recorrido de amplificación
de señal de enlace descendente para generar una señal de estación
base amplificada en respuesta a una señal base y un recorrido de
amplificación de enlace ascendente de señal para generar una señal
de usuario amplificada en respuesta a una señal de usuario del
dispositivo de comunicaciones inalámbricas; una antena donante
polarizada doble, acoplada al amplificador bidireccional,
incluyendo una primera porción donante polarizada que tiene un
primer estado de polarización y una segunda porción donante
polarizada que tiene un segundo estado de polarización ortogonal al
primer estado de polarización; y una antena servidora polarizada
doble, acoplada al amplificador bidireccional, incluyendo una
primera porción servidora polarizada que tiene el segundo estado de
polarización y una segunda porción servidora polarizada que tiene
el primer estado de polarización, donde el recorrido de señal de
enlace descendente está acoplado entre la primera porción donante
polarizada y la segunda porción servidora polarizada; y donde el
recorrido de señal de enlace ascendente está acoplado entre la
segunda porción donante polarizada y la primera porción servidora
polarizada.
En vista de lo anterior, se puede ver que se
necesita ampliar la cobertura de usuario para aplicaciones de
estación base, que se puede obtener con un costo reducido y
simplicidad de utilización por el usuario. También es deseable
proporcionar cobertura de zona mejorada, portátil, de bajo costo,
que el usuario puede colocar individualmente a voluntad. También
hay que proporcionar cobertura de usuario ampliada de manera que no
dé lugar a inestabilidad de señal que generaría oscilaciones o
interferencia en el sistema de comunicaciones inalámbricas.
La presente invención se refiere a ampliar la
cobertura de servicio de comunicaciones inalámbricas a una unidad
de abonado, tal como un teléfono celular u otro tipo de dispositivo
de comunicaciones inalámbricas, mejorando la señal recibida por la
unidad en la zona de cobertura limitada deseada. Por ejemplo, la
mejora es el aumento de los niveles de potencia de la señal para
permitir el uso de teléfonos celulares donde las señales celulares
originales son débiles y la zona o el espacio que se puede
beneficiar de la mejor cobertura es relativamente pequeño en
comparación con la cobertura de una macroestación base. Los lugares
que necesitan cobertura mejorada del servicio pueden estar en un
entorno interior, tal como una vivienda, una oficina pequeña, u
oficina doméstica, o en entorno local exterior, tal como un local
para un evento especial.
Según un aspecto de la presente invención, la
señal inalámbrica de estación base se puede mejorar activamente con
un amplificador bidireccional, que recibe una señal de estación
base, amplifica la potencia de la señal y retransmite la señal
amplificada mediante un recorrido de señal de enlace descendente a
la unidad de abonado del usuario situada muy cerca. El amplificador
bidireccional, comúnmente denominado un BDA, también recibe una
señal de usuario, amplifica la potencia de la señal y retransmite la
señal amplificada mediante un segundo recorrido de señal de enlace
ascendente a la estación base.
El BDA puede realizar operación bidireccional en
toda la asignación de frecuencia para un servicio particular de
comunicaciones inalámbricas y puede operar con uno o más usuarios
simultáneos; cada usuario tiene típicamente una unidad de abonado o
terminal donde el protocolo de acceso al sistema puede ser diferente
entre múltiples usuarios. Por ejemplo, la operación bidireccional
para el BDA puede incluir todo el espectro de frecuencia US PCS
licenciado y puede operar de forma cooperante con uno o más usuarios
simultáneos que tienen protocolos de acceso a los sistemas CDMA,
GSM o IS-136.
El BDA puede estar acoplado entre una antena
"donante" polarizada doble y una antena "servidora"
polarizada doble. La antena donante polarizada doble puede (1)
recibir la señal de estación base para distribución al recorrido de
señal de enlace descendente y (2) transmitir una versión amplificada
de una señal de usuario a la estación base en respuesta a la
recepción de dicha señal amplificada del recorrido de señal de
enlace ascendente. La antena servidora polarizada doble puede (1)
recibir la señal de usuario para distribución al recorrido de señal
de enlace ascendente y (2) transmitir una versión amplificada de la
señal de estación base a la unidad de abonado del usuario en
respuesta a la recepción de dicha señal amplificada del recorrido de
señal de enlace descendente. Así, el BDA puede llevar señales de
recorrido de enlace ascendente y de enlace descendente entre las
antenas donante y servidora.
El BDA se contiene típicamente en una sola
unidad portátil de usuario que tiene una caja con un tamaño y peso
que soporta un movimiento por parte del usuario de la unidad
portátil de una posición a otra. Según un aspecto representativo de
la presente invención, las antenas donante y servidora polarizadas
dobles se puede montar en superficies opuestas de la caja de la
unidad portátil. Esto permite que una antena montada en una
superficie de la caja irradie energía en una dirección opuesta a la
de la antena montada en la otra superficie. Las antenas polarizadas
dobles pueden recibir y transmitir las respectivas señales de enlace
ascendente y enlace descendente usando polarizaciones ortogonales
para incrementar el aislamiento de las señales.
Para soportar la operación de una unidad
portátil en posiciones variables, en base al movimiento de dicha
unidad por el usuario, la unidad portátil puede incluir una rutina
automática de preparación o inicialización que soporta control de
ganancia variable para el BDA. En respuesta a aplicar potencia
eléctrica a la unidad desde un estado sin alimentación, este
sistema de control de ganancia variable puede aumentar la ganancia
de amplitud de la señal en ambos recorridos de enlace descendente y
enlace ascendente para el BDA hasta que se logra un nivel de señal
operativo predeterminado o se recibe un nivel máximo predeterminado
de ganancia de amplitud de la señal en el recorrido de señal de
enlace descendente. Una vez alcanzado el estado de inicialización,
el sistema de control de ganancia variable puede supervisar y
ajustar el nivel de potencia de salida de los recorridos de enlace
descendente y enlace ascendente del BDA para mantener los niveles
operativos de inicialización.
Según otro aspecto de la presente invención, un
mejorador de señal portátil incluye una caja que tiene un par de
superficies opuestas y una antena polarizada doble montada en cada
una de las superficies para irradiar energía en una dirección
opuesta a la de la antena montada en la otra superficie. Cada antena
de polarización doble puede incluir un primer elemento de antena
que tiene un primer estado de polarización y un segundo elemento de
antena que tiene un segundo estado de polarización. El primer estado
de polarización es diferente del segundo estado de polarización
para lograr una separación de las señales recibidas por el primer
elemento de antena y enviadas por el segundo elemento de
antena.
Este mejorador de señal también incluye un BDA,
montado dentro de la caja, para amplificar señales transportadas en
un recorrido de señal de enlace descendente que se extiende entre
las antenas polarizadas dobles en cada una del par de superficies
opuestas de la caja. Este BDA también puede amplificar señales
transportadas en un recorrido de señal de enlace ascendente que se
extiende entre las antenas polarizadas dobles en cada una del par
de superficies opuestas de la caja.
El recorrido de señal de enlace descendente y el
recorrido de señal de enlace ascendente incluyen típicamente un
filtro de enlace descendente y un filtro de enlace ascendente,
respectivamente, para definir recorridos de señal de plena anchura
de banda para el BDA. El filtro de enlace descendente y el filtro de
enlace ascendente incluyen características de optimización de
retardo de señal para minimizar el retardo de grupo en estos
recorridos de señal.
Otras características y ventajas de la presente
invención se apreciarán fácilmente después de revisar la descripción
detallada siguiente tomada en unión con las figuras de los dibujos
acompañantes.
La figura 1 es una ilustración de la cobertura
de comunicaciones inalámbricas en un entorno de estación base
representativo.
La figura 2 es una ilustración de una limitación
en la cobertura de comunicaciones en un entorno de estación
base.
\newpage
La figura 3 es una ilustración de una solución
convencional para una zona de cobertura limitada de la señal para
la estación base ilustrada en la figura 1.
La figura 4 es una ilustración de otra solución
convencional para cobertura de señal limitada para la estación base
ilustrada en la figura 1.
La figura 5 es una ilustración de otra solución
convencional para cobertura de señal limitada para la estación base
ilustrada en la figura 1.
La figura 6 es un diagrama de bloques de una
solución de repetidor convencional para una estación base que tiene
cobertura de señal limitada.
La figura 7 es un diagrama de bloques de una
solución de repetidor de cancelación de interferencia acoplado
convencional para una estación base que tiene cobertura
limitada.
La figura 8 es un diagrama de bloques de una
solución de repetidor de cancelación adaptativo convencional para
una estación base que tiene cobertura limitada.
La figura 9 es un diagrama de bloques de un
recorrido de enlace descendente de la solución de repetidor de
cancelación adaptativo convencional de la figura 8.
La figura 10 es un diagrama de bloques de un
recorrido de enlace ascendente de la solución de repetidor de
cancelación adaptativo convencional de la figura 8.
La figura 11 es un diagrama de bloques de otra
solución de repetidor de cancelación adaptativo convencional para
una estación base que tiene cobertura limitada.
La figura 12 es una ilustración en perspectiva
de un módulo de panel plano de la solución de repetidor de
cancelación adaptativo convencional de la figura 8.
La figura 13 es una ilustración en perspectiva
de otro módulo de panel plano de la solución de repetidor de
cancelación adaptativo convencional de la figura 11.
La figura 14 es una ilustración de la cobertura
de comunicaciones representativa de una realización ejemplar de la
presente invención.
La figura 15 es una ilustración de la cobertura
de comunicaciones representativa de otra realización ejemplar de la
presente invención.
La figura 16 es un diagrama de bloques de una
realización ejemplar de la presente invención.
La figura 17 es una vista en perspectiva de una
realización ejemplar de panel plano de la presente invención.
La figura 18 es un diagrama que ilustra el
espectro de frecuencia de una estación base representativa.
La figura 19 es un diagrama de bloques detallado
de una realización ejemplar de la presente invención.
La figura 20 es un diagrama de estado que
ilustra operaciones de la realización ejemplar de la figura 19.
La figura 21 es un diagrama de temporización del
valor inicial de control de ganancia de la realización ejemplar de
la figura 19.
La figura 22 es un diagrama de flujo que ilustra
un método para operar la realización ejemplar de la figura 19.
La figura 23 es un diagrama de temporización que
ilustra operaciones de la realización ejemplar de la figura 19.
La figura 24 es una vista parcial en perspectiva
de un edificio con una unidad mejoradora ejemplar situada en
él.
La figura 25 es una vista en perspectiva
ampliada de una unidad mejoradora construida según una realización
ejemplar de la presente invención.
La figura 26 es una vista en perspectiva
despiezada de parte de la unidad mejoradora ejemplar de la figura
25.
La figura 27 es otra vista en perspectiva
despiezada de la unidad mejoradora ejemplar parcialmente montada de
la figura 25.
La figura 28 es otra vista en perspectiva de la
unidad mejoradora ejemplar de la figura 25 con un soporte de
montaje para la unidad.
Las figuras 29A, 29B y 29C son respectivas
vistas en planta frontal, lateral y superior de la unidad mejoradora
ejemplar de la figura 25.
La figura 30 es una vista en sección de la
unidad mejoradora ejemplar de la figura 29A tomada a lo largo de la
línea 30-30.
La figura 31 es una vista en sección de la
unidad mejoradora ejemplar de la figura 29A tomada a lo largo de la
línea 31-31.
La figura 32 es una vista en sección de la
unidad mejoradora y soporte de montaje de la figura 29ª tomada a lo
largo de la línea 32-32, construido cada uno según
una realización ejemplar de la presente invención.
La figura 33 es una vista ampliada en sección de
una porción del soporte de montaje ejemplar de la figura 32.
La figura 34 es una vista ampliada en sección de
una porción de la unidad mejoradora ejemplar de la figura 30.
La figura 35 es otra vista en perspectiva de la
unidad mejoradora ejemplar de la figura 25 con un soporte de
montaje alternativo para la unidad.
La figura 36 es una vista en planta de una
antena servidora polarizada doble construida según una realización
ejemplar de la presente invención.
La figura 37 es una vista en planta de una
antena donante polarizada doble construida según una realización
ejemplar de la presente invención.
La figura 38 es una vista parcial en perspectiva
de un edificio con una unidad mejoradora ejemplar alternativa que
tiene una subunidad separable situada en ella.
La figura 39 es una vista en perspectiva
ampliada de la unidad mejoradora ejemplar alternativa ilustrada en
la figura 38.
Para la descripción siguiente, en las figuras se
utilizan los mismos números de referencia para referirse a los
mismos componentes o similares en los dibujos. Con referencia ahora
a la figura 1, una estación base o lugar de celda 10 incluye al
menos una y típicamente múltiples antenas 12, que irradian y reciben
señales de radio frecuencia para soportar comunicaciones
inalámbricas. Las antenas o redes de antenas 12 están montadas de
manera convencional en una torre de estación base 14 o estructura de
funcionamiento similar tal como un edificio. En el sentido en que
se utiliza aquí, una red de antenas es un conjunto de elementos de
antena con dimensiones, espaciación, y secuencia de iluminación
tales que los campos para los elementos radiantes individuales se
combinen para producir una intensidad máxima en una dirección
particular y mínimas intensidades de campo en otras direcciones. El
término antena de red puede ser usado de forma intercambiable con
red de antenas al describir dicho conjunto.
Cada una de las redes de antenas de estación
base 12 proporciona cobertura a una célula de un sistema de
comunicaciones móvil o fijo (no ilustrado), tal como para
transmisiones celulares que operan a aproximadamente 800 MHz,
transmisiones de servicios de comunicaciones personales (PCS) que
operan a aproximadamente 1900 MHz en los Estados Unidos (US) u
otras aplicaciones de comunicaciones inalámbricas con usuarios fijos
o móviles del sistema, tal como dentro de una o más zonas de
cobertura 16. La cobertura de la estación base 10 puede no incluir
toda la zona de cobertura 16. Por ejemplo, una estructura o
edificio puede interferir con la intensidad de señal en un edificio
18, que se ilustra situado en la periferia de la zona de cobertura
16, pero que podría estar en cualquier lugar en la zona de
cobertura 16. Sin embargo, se puede disponer de suficiente
intensidad de la señal para soportar la prestación de servicios de
comunicaciones al usuario. Otro problema de la cobertura de servicio
puede ser el servicio disponible para el usuario dentro de una
estructura o edificio 22, incluso aunque el edificio esté dentro de
la zona de cobertura 16. Esto se puede deber a varios problemas, tal
como la construcción del edificio 22 u otras fuentes de bloqueo o
interferencia de señal de trayectos múltiples, que de nuevo pueden
hacer que la intensidad de señal sea insuficiente para uso por el
usuario sin mejora de la señal.
Otra limitación de la cobertura de servicio de
la estación base 10 es la interferencia por estructuras naturales o
artificiales, tal como una colina o montaña 24, como se ilustra en
la figura 2. La colina 24 produce interferencia con la señal
irradiada de la estación base 10 en una zona 26, llamada sombra. La
señal que llega a la zona de sombra 26 tampoco será suficiente para
uso por un usuario, tal como en un edificio o posición 28, sin
mejora de la señal de estación base.
Una solución para proporcionar suficiente
cobertura de señal en la zona de sombra o zona 26 se ilustra en la
figura 3. Un repetidor 30 está montado generalmente en una torre 32
o estructura de funcionamiento similar. La torre se sitúa
típicamente en la zona de cobertura de célula de la estación base 10
o suficientemente cerca de modo que la intensidad de señal recibida
en una antena donante 34 sea suficiente para ser amplificada y
retransmitida por una antena de nueva irradiación o servidora 36 a
una estación móvil 38, tal como un teléfono celular en la zona de
sombra 26. La estación móvil 38, también descrita como una unidad de
abonado o terminal, puede estar dentro de un edificio (no
ilustrado) dentro de la zona o puede ser una posición dentro de la
zona 26.
Otra solución del problema de comunicaciones de
la zona de cobertura de célula limitada 16 se ilustra en la figura
4. De nuevo, el repetidor 30 está situado en el borde de la zona de
cobertura 16, como se ilustra, o fuera de la zona 16, pero donde la
señal de la estación base 10 es suficiente para ser amplificada para
retransmisión. Aquí, una zona 40 de cobertura deseada no es una
zona de sombra, sino que está completa o parcialmente más allá de
la zona de cobertura 16. La zona 40 se puede seleccionar de manera
que cubra cualquier posición permanente del usuario o usuarios, tal
como el edificio o la posición 20 en la figura 1.
Como se ilustra en la figura 5, el repetidor 30
está montado generalmente en la torre 32 en una posición fija. La
antena donante 34 mira a la estación base 10 y generalmente está
físicamente aislada de la antena servidora 36, por estar espaciadas
una de otra a lo largo de la longitud de la torre 32. El repetidor
30 requiere electrónica 42 para amplificar y retransmitir las
señales a y de la estación de usuario 38. La electrónica 42 incluye
al menos un par de amplificadores 44 y 46, uno para amplificar la
señal de enlace descendente de la estación base 10 y otro para
amplificar la señal de enlace ascendente de la estación de usuario
38.
La solución convencional para ampliar la
cobertura de servicio, como se ilustra en la figura 4 y 5, implica
generalmente ampliar la cobertura de servicio a una zona de
cobertura relativamente ancha. En contraposición, realizaciones
ejemplares de la presente invención, como se describe más adelante,
proporcionan una mejora de la señal en una zona o espacio
comparativamente más confinado que está típicamente en interiores y
tiene típicamente una zona de cobertura de hasta cinco mil (5.000)
pies cuadrados en base al uso de una sola unidad de mejora de señal
portátil.
Un diagrama de bloques de un repetidor
convencional 30 se ilustra en la figura 6. El repetidor 30 incluye
la antena donante 34, que acopla una señal de enlace descendente de
la estación base 10 a través de un filtro duplexor 48 a un
recorrido de enlace descendente o banda directa 50. La señal de
enlace descendente puede estar, por ejemplo, en la banda de
frecuencia de 1930 a 1990 MHz. La señal de enlace descendente es
amplificada por el amplificador 46 y posteriormente acoplada a
través de un filtro duplexor 52 a la antena servidora 36 para
transmisión al usuario. Las señales de transmisión del usuario son
recibidas por la antena servidora 36 y acopladas a través del
filtro duplexor 52 a un recorrido de enlace ascendente o banda
inversa 54. La señal de enlace ascendente puede estar, por ejemplo,
en la banda de frecuencia de 1850 a 1910 MHz, separada de la banda
de frecuencia de la señal de enlace descendente por 20 MHz para
aislamiento entre las señales. La señal de enlace ascendente es
amplificada por el amplificador 44 y posteriormente acoplada a
través del filtro duplexor 48 a la antena donante 34 para
transmisión a la estación
base 10.
base 10.
El repetidor convencional 30 ilustrado en la
figura 6 usa filtros duplexores 48 y 52 para separar las señales
del recorrido de enlace ascendente 54 y enlace descendente 50 para
amplificación. El repetidor convencional 30 usa una sola antena
donante y una sola antena servidora y cada antena tiene una
polarización característica única para recepción y transmisión de
señales. En contraposición, las realizaciones ejemplares de la
presente invención no usan filtros duplexores 48 y 52. Como se
describe con más detalle a continuación, estas realizaciones
ejemplares utilizan típicamente una sola antena donante y sola
antena servidora, donde cada antena tiene dos polarizaciones
características: una polarización característica para recepción de
señales y una polarización característica para transmisión de
señales. Además, la polarización característica usada para
transmisión de señales de la antena donante no es la misma que la
polarización característica para recepción de señales por la antena
servidora. Igualmente, la polarización característica usada para
recepción de señales por la antena donante no es la misma que la
polarización característica para transmisión de señales de la antena
servidora.
Los expertos en la técnica reconocerán que
dichos escenarios para mejora de cobertura y ampliación de cobertura
para comunicaciones pueden ser para comunicaciones bidireccionales
y la descripción de cobertura de servicio se puede aplicar a la
señal condiciones para señales de enlace ascendente así como para
señales de enlace descendente. Los expertos en la técnica también
reconocerán que los desequilibrios en el diseño del enlace de
comunicaciones o las condiciones de propagación locales pueden dar
lugar a desequilibrios temporales o a largo plazo en el de
comunicaciones ascendentes y descendentes que favorecen a un
recorrido de señal más que al otro. Por lo tanto, un repetidor
puede mejorar operativamente la cobertura de señal en uno de los
enlaces o bidireccionalmente en ambos enlaces.
Con referencia a la figura 7, se ilustra un
repetidor convencional del sistema de cancelación de interferencia
acoplado (CICS) 60, tal como el descrito en la Patente de Estados
Unidos número 6.385.435 B1. Además de los elementos descritos con
respecto al repetidor 30, el repetidor 60 proporciona circuitería
para reducir la realimentación o señales de interferencia acopladas
en el repetidor 30. El repetidor 60 incluye un bloque de
circuitería CICS directo o de enlace descendente 62 y un bloque de
circuitería CICS inverso o de enlace ascendente 64. Los bloques de
circuitería CICS 62 y 64 no se representan con detalle, pero cada
uno incluye un generador y detector de señal piloto, que son
utilizados para detectar la presencia y amplitud de la respectiva
señal de interferencia y para inyectar una señal de cancelación en
la entrada del respectivo filtro duplexor 48 y 52. Los filtros
duplexores 48 y 52 y los bloques de circuitería CICS 62 y 64
aumentan indeseablemente el costo, el retardo de grupo y la
complejidad de la mejora de la señal.
El repetidor convencional 60 ilustrado en la
figura 7 usa bloques de circuitería CICS 62 y 64 para cancelar
todas o una porción de las señales de realimentación indeseada o de
interferencia acopladas en el repetidor 30. En contraposición, las
realizaciones ejemplares de la presente invención, como se describe
aquí, no usan circuitería CICS o una circuitería similar para
combatir o cancelar las señales de realimentación indeseada o de
interferencia acopladas en una unidad mejoradora de señal.
Los expertos en la técnica reconocerán que un
filtro duplexor y un filtro diplexor son fundamentalmente el mismo
tipo de filtro que tiene tres puertos. Un filtro duplexor o diplexor
es un caso específico de los filtros multiplexores más generales
que tienen un puerto común y que tienen una banda de paso operativa
que abarca dos o más puertos que tienen bandas de paso operativas
que son subconjuntos de la banda de paso operativa del puerto
común. La terminología filtro duplexor se utiliza convencionalmente
cuando los dos puertos correspondientes a bandas operativas del
subconjunto se utilizan específicamente para transmitir y recibir
señales RF, respectivamente. La terminología filtro diplexor puede
ser usada más generalmente para dos señales RF de banda separada
donde ambas señales RF de banda separada son para recibir o
transmitir. La terminología filtro duplexor puede ser usada
equivalentemente para describir un filtro diplexor.
Con referencia a la figura 8, se ilustra un
repetidor de cancelación adaptativo convencional 70, tal como el
descrito en la publicación PCT número WO 01/52447 A2. El repetidor
70 incluye una antena donante de transmisión (Tx) y recepción (Rx)
72, que alimenta la señal de enlace descendente recibida F2 a un
filtro duplexor (D) 74, que a su vez acopla la señal de enlace
descendente F2 a un bloque de circuito de cancelación adaptativo
(bloque AC) 76. El bloque AC 76 genera una señal negativa, que se
combina con la señal F2 para cancelar la señal de realimentación o
el componente de la señal F2. La señal F2 también es amplificada en
el bloque AC 76 y posteriormente acoplada a un filtro (F) 78,
típicamente un filtro de paso de banda. El bloque AC 76 y el filtro
78 forman los componentes activos en un recorrido de señal de enlace
descendente 80. El filtro 78 protege el amplificador en el bloque
AC 76 de la potencia de la señal en el recorrido de enlace
ascendente. El filtro 78 acopla la señal F2 a un filtro duplexor
(D) 82, que a su vez acopla la señal F2 a una segunda antena
servidora de transmisión (Tx) y recepción (Rx) 84. La antena 84
transmite la señal amplificada de enlace descendente F2 al
usuario.
El usuario transmite una señal F1 para
transmisión a la estación base, que es recibida por la antena 84 y
acoplada al filtro duplexor 82, que a su vez acopla la señal F1 a un
bloque de circuito de cancelación adaptativo (bloque AC) 86 en un
recorrido de enlace ascendente 88. El bloque AC 86 actúa de la misma
manera que el bloque AC 76. El filtro 90, típicamente un filtro de
paso de banda, protege el amplificador en el bloque AC 86 de la
potencia de la señal en el recorrido de enlace descendente. El
filtro 90 acopla la señal F1 al filtro duplexor 74, que a su vez
acopla la señal F1 a la antena donante de transmisión (Tx) y
recepción (Rx) 72. La antena 72 transmite la señal de enlace
ascendente amplificada F1 a la estación base.
La operación del bloque AC 76 se ilustra en la
figura 9. La señal de enlace descendente F2 es combinada en una
unión sumadora 92 con una señal modulada construida en el bloque AC
76. La señal modulada está diseñada para interferir de forma
destructiva con la porción de señal de realimentación de la señal
F2. La señal F2 es muestreada digitalmente y también procesada por
un procesador de señal digital (DSP) 94. EL DSP 94 calcula una
señal intermedia y la acopla a un modulador (MOD) 96. El MOD 96
también introduce una muestra de la señal F2 después de que la
señal ha pasado a través de un filtro (F) 98 y ha sido amplificada
por un amplificador (A) 100. El MOD 96 crea la señal modulada
destructiva de las dos entradas y la acopla a la unión 92.
La operación del bloque AC 86 se ilustra en la
figura 10. De forma análoga al bloque AC 76, el bloque AC 86 genera
una señal modulada en un modulador (MOD) 102 diseñado para
interferir de forma destructiva con la porción de señal de
realimentación de la señal F1. La señal modulada es combinada en una
unión sumadora 104 con la señal F1. La señal F1 es muestreada
digitalmente y también procesada por un procesador de señal digital
(DSP) 106. EL DSP 106 calcula una señal intermedia y la acopla al
MOD 102. Al MOD 102 también entra una muestra de la señal F1
después de la señal ha pasado a través de un filtro (F) 108 y ha
sido amplificado por un amplificador (A) 110. El MOD 102 crea la
señal modulada destructiva de las dos entradas y la acopla a la
unión 104.
El repetidor 70 incluye los bloques AC 76 y 86
acoplados entre la salida del filtro duplexor s 74 y 82,
respectivamente, y la salida de los amplificadores 98 y 108. El
repetidor 60 inyecta la señal de cancelación antes de los filtros
duplexores 48 y 52, mientras que el repetidor 70 inyecta la señal de
cancelación adaptativa después de los filtros duplexores 74 y
82.
Con referencia ahora a la figura 11, se ilustra
otro repetidor de cancelación adaptativo convencional 120, similar
al repetidor 70. El repetidor 120 incluye una antena donante de
transmisión (Tx) separada 122 para transmitir la señal de enlace
ascendente F1 a la estación base y una antena donante de recepción
(Rx) separada 124 para recibir la señal de enlace descendente F2 de
la estación base. El repetidor 120 también incluye una antena
servidora de transmisión (Tx) separada 126 para transmitir la señal
de enlace descendente F2 al usuario y una antena servidora de
recepción (Rx) separada 128 para recibir la señal de enlace
ascendente F1 del usuario. Con la excepción de la ausencia de
filtros duplexores, el repetidor 120 es idéntico en todos los demás
aspectos al repetidor 70.
El repetidor convencional 120 ilustrado en la
figura 11 incluye cuatro (4) antenas y dos (2) recorridos RF
completamente separados. El repetidor convencional 120 usa antenas
separadas para transmitir y para recibir en el extremo donante del
sistema y antenas separadas para transmitir y para recibir en el
extremo servidor del sistema. Como se describe con más detalle a
continuación, las realizaciones ejemplares de la presente invención
incluyen típicamente dos (2) antenas. Por ejemplo, una realización
ejemplar usa una sola antena donante y una sola antena servidora y
cada antena tiene dos polarizaciones características definidas: una
polarización característica para recepción y una polarización
característica para transmisión de señales. Además, la polarización
característica usada para transmisión de señales de la antena
donante no es la misma que la polarización característica para
recepción de señales por la antena servidora. Igualmente, la
polarización característica usada para recepción de señales por la
antena donante no es la misma que la polarización característica
para transmisión de señales de la antena servidora.
Un módulo de panel plano 130 del repetidor 70 se
ilustra en la figura 12. El módulo 130 incluye una caja 132 en la
que se monta la electrónica del repetidor 70. Las antenas 72 y 84
están colocadas en una orientación de espalda con espalda dentro
del módulo 130, aunque la antena 72 se representa en el exterior de
la caja 132 para fines ilustrativos. De forma análoga al repetidor
60, los filtros duplexores 74 y 82 (en el repetidor 70) y los
bloques AC 76 y 86 aumentan el costo indeseado, el retardo de grupo
y la complejidad a la mejora de señal del repetidor 70.
Un módulo de panel plano similar 140 del
repetidor 120 se ilustra en la figura 13. El módulo 140 incluye una
caja 142 en el que se monta la electrónica del repetidor 120. Los
pares de antenas 122, 124 y 126, 128 están colocados en una
orientación de espalda con espalda dentro del módulo 140, aunque las
antenas 122 y 124 se representan en el exterior de la caja 142 para
fines ilustrativos. Las antenas 122 y 124 son el par de antenas
donantes y las antenas 126 y 128 son el par de antenas servidoras.
La antena donante de transmisión (Tx) 122 y la antena donante de
recepción (Rx) 124 están dispuestas en una configuración de lado a
lado. Igualmente la antena servidora de transmisión 126 y la antena
servidora de recepción 128 están dispuestas en una configuración de
lado a lado.
Una ilustración de la zona de cobertura mejorada
por mejora de señal soportada por una realización ejemplar de la
presente invención se ilustra en la figura 14. Una torre de estación
base 150 transmite una señal que a un usuario le gustaría recibir
usando una unidad de abonado dentro de un edificio o estructura 152.
La señal de estación base es demasiado débil, por una o varias
razones previamente enumeradas, cuando es recibida en el edificio
152 para que el usuario la reciba y use dentro del edificio 152 con
la calidad de servicio deseada. Sin embargo, la señal todavía es
suficientemente intensa al menos en el orden de aproximadamente
menos noventa (-90) a menos noventa y cinco (-95) dBm, para ser
recibida y mejorada por una unidad de mejora de señal 154
construida según una realización ejemplar de la presente invención.
El usuario puede poner la unidad de mejora de señal 154, también
descrita como un mejorador de señal, en o junto a una pared o
ventana 156 del edificio 152. El usuario (no ilustrado) puede poner
la unidad 154 junto a una zona de alta transmisión RF, tal como una
ventana (no ilustrada), y posteriormente aplicar potencia eléctrica
a la unidad 154 y observar si la señal puede ser recibida y
amplificada por la unidad 154 para uso dentro del edificio 152.
El mismo u otro usuario también puede desear
cobertura o mejorar la calidad de servicio resultante de cobertura
marginal en un edificio más grande 160 ilustrado en la figura 15. El
usuario en el edificio 160 también recibe de la torre 150 una señal
que es inicialmente demasiado débil para ser usada o demasiado débil
para ser usada en posiciones interiores del edificio 160 para la
calidad de servicio deseada. En esta situación, el usuario puede
poner de nuevo una unidad mejoradora de señal ejemplar 162 junto a
una pared o ventana 164 para recibir y mejorar la señal de la torre
de estación base 150. El usuario puede usar la señal mejorada dentro
del edificio 160 para una distancia que depende típicamente de
muchos factores acerca de la señal y el entorno. Por ejemplo, la
zona de cobertura de señal mejorada puede cubrir una zona del orden
de dos mil (2.000) pies cuadrados hasta aproximadamente cinco mil
(5.000) pies cuadrados. Después de superar esa distancia, el usuario
pasa a otra habitación o zona, sin embargo, es posible que la señal
tenga que ser mejorada de nuevo. El usuario puede poner una o más
unidades mejoradoras 162' en todo el edificio para obtener una
cobertura fiable de señal donde se desee. Las unidades 162' son
típicamente las mismas que la unidad 162 y están colocadas dentro de
rango de la unidad primera o primaria 162 u otra unidad 162'. Las
unidades 162 y 162' se pueden considerar en cascada o enlazadas
secuencialmente en la operación. Las unidades 162 y 162' se ilustran
paralelas en orientación una a otra; sin embargo, las unidades 162
y 162' también se pueden poner en ángulo una a otra para ensanchar
o redirigir la cobertura de señal mejorada obtenida.
Con referencia a la figura 16, se ilustra un
diagrama simplificado de bloques de un mejorador de señal 170
construido según una realización ejemplar de la presente invención.
El mejorador de señal ejemplar 170 incluye una primera antena
donante polarizada doble 172 que tiene una primera porción de
polarización característica de antena 174, que puede ser
implementada por una característica de polarización vertical. La
porción de antena 174 recibe la señal de enlace descendente F2 y la
acopla a un recorrido de señal de enlace descendente 176. La señal
F2 está acoplada a un amplificador 178, que forma una primera parte
de un amplificador bidireccional (BDA) y que amplifica la señal F2
y acopla la señal F2 a una segunda antena servidora polarizada doble
180. Una primera antena servidora 180 que tiene una porción de
polarización característica 182 es de polarización cruzada con
relación a la polarización característica de la antena donante 174 y
es polarizada horizontalmente en este ejemplo. La porción de antena
180 puede transmitir la señal amplificada de enlace descendente F2
al usuario. Una persona con conocimientos ordinarios en la técnica
sabrá que una segunda polarización que es de polarización cruzada
con relación a una primera polarización característica tiene una
característica de polarización ortogonal con relación a la primera
polarización
característica.
característica.
Una segunda porción de polarización
característica de antena 184 de la antena servidora 180 es de
polarización cruzada con relación a la primera porción de
polarización característica 182 y es verticalmente polarizada. La
porción de antena 184 recibe la señal de enlace ascendente F1 del
usuario y la acopla a un recorrido de señal de enlace ascendente
186. La señal F1 se acopla a un amplificador 188, que forma la
segunda parte del amplificador bidireccional (BDA), amplifica la
señal F1 y acopla la señal amplificada F1 a una segunda porción de
polarización característica de antena 190 de la antena donante 172.
La porción de antena 190 es de polarización cruzada a la primera
porción 174 y está horizontalmente polarizada en este ejemplo. La
porción de antena 190 transmite la señal de enlace ascendente
amplificada F1 a la estación base.
La polarización de recepción de enlace
descendente 174 está verticalmente polarizada, que es ortogonal a la
polarización horizontal 182 para la porción de transmisión de
enlace descendente para la señal F2. De manera análoga, el
recorrido de enlace ascendente tiene una porción de antena receptora
verticalmente polarizada 184, que es ortogonal a la porción de
antena transmisora horizontalmente polarizada 190 para la señal F1.
La polarización de recepción de enlace descendente 174 podría ser
polarización horizontal, pero preferiblemente es polarización
vertical, dado que la mayoría de las estaciones base transmiten con
una polarización vertical. En consecuencia, una porción polarizada
verticalmente 174 recibirá más potencia para una estación base que
si estuviese polarizada horizontalmente. La polarización ortogonal
entre la antena receptora de enlace descendente 174 y la antena
transmisora de enlace ascendente 190 puede proporcionar suficiente
aislamiento de modo que el mejorador 170 no requiera los filtros
duplexores que se necesitan en la técnica convencional. Además, el
aislamiento es suficiente para proporcionar amplificación sin ningún
tipo de circuitería de cancelación de realimentación o
transformación de señal. El mejorador 170 permite así ahorros de
costos, una reducción en la cantidad de ruido y una reducción en el
retardo de grupo del mejorador 170 en comparación con los
repetidores convencionales. El mejorador de señal 170 está
diseñado, como se describirá mejor, de modo que la antena 172 no
precise un filtro duplexor, ni siquiera aunque solamente se use una
primera antena donante 172 para recibir y transmitir a la estación
base y solamente se use una segunda antena servidora 180 para
recibir y transmitir al usuario. El mejorador ejemplar 170 está
diseñado sin filtros duplexores convencionales y puede tener
pérdidas de señal más bajas o atenuación superior a los
amplificadores receptores de bajo ruido 240 y 276 en comparación
con la técnica convencional. La cantidad de ruido del mejorador
ejemplar 170 es típicamente inferior a 6 dB.
La localización de móviles es un requisito de
emergencia importante para sistemas inalámbricos de telefonía
móvil. La Comisión Federal para las Comunicaciones (FCC) de los
Estados Unidos de América adoptó una norma en junio de 1996
(expediente número 94-102) que requiere que todos
los operadores de redes móviles proporcionen información de
posición en todas las llamadas a "911", los servicios de
emergencia o la llamada capacidad E911. El retardo de grupo es la
tasa de cambio del desplazamiento de fase total con respecto a la
frecuencia angular a través del dispositivo o el tiempo de tránsito
requerido para que la potencia RF, que avanza a una velocidad de
grupo modal dada, recorra una distancia dada. El mejorador ejemplar
170 proporciona un valor típico de retardo de grupo de menos que 50
nanosegundos (ns). Algunos esquemas de localización, tal como la
diferencia de tiempo mejorada observada (E-OTD), se
basan mediciones exactas del tiempo, y el excesivo retardo de grupo
puede producir en el sistema E-OTD cierta dificultad
al determinar exactamente el punto de la señal a medir por todos
los receptores.
La figura 17 ilustra una unidad mejoradora de
panel plano 200 construida según otra realización ejemplar de la
presente invención. La unidad 200 incluye una caja 201, que contiene
la circuitería (no ilustrada) de la unidad mejoradora 200. La caja
201 tiene un lado superior o borde 202, un par de lados o bordes
laterales 203 y 204 y un lado inferior o borde lateral 205. La
antena donante 172 puede incluir una serie simétrica de cuatro (4)
parches 206, 207, 208 y 209, con cada parche dual polarizado (véase
la figura 36) para proporcionar la porción de recepción 174 y la
porción de transmisión 190 ortogonales una a otra. Por ejemplo, el
parche 206 incluye una porción de orientación vertical 210 y una
porción de orientación horizontal 211. Cada uno de los otros
parches 207, 208 y 209 también tiene las mismas porciones de
orientación (no numeradas por separado), que operan de la misma
manera. De manera análoga, la antena servidora 180 en el lado
inverso o trasero de la caja 201 puede incluir una serie similar de
cuatro (4) parches 212, 213, 214 y 215, con cada parche dual
polarizado para proporcionar la porción de recepción 184 y la
porción de transmisión 182 ortogonales una a otra de manera similar
al parche 206.
La unidad mejoradora ejemplar 200 usa
aislamiento de polarización de antena para reducir las señales de
realimentación entre la antena servidora 180 y la antena donante
172 y para reducir señales entre las funciones de transmisión y
recepción en la antena servidora 180 y en la antena donante 172.
Estas señales de realimentación están acopladas a través de medios
de radiación entre la antena servidora 180 y la antena donante 172.
El uso de orientaciones de polarización lineal 210 y 211 que son
perpendiculares y paralelas a los lados o bordes 202, 203, 204, y
205 de la caja 201 puede mitigar el acoplamiento entre las
polarizaciones opuestas u ortogonales de la antena servidora 180 y
la antena donante 172. Las polarizaciones lineales 210 y 211 son
principalmente perpendiculares y paralelas a los límites de
conducción y dieléctricos de los lados o bordes 202, 203, 204, y 205
y pueden minimizar el acoplamiento entre una primera porción de
polarización característica de antena 174 de la antena 172 y una
primera porción de polarización característica 182 que es de
polarización cruzada con relación a la porción de antena 174. De
manera análoga, las polarizaciones lineales 210 y 211 son
principalmente perpendiculares y paralelas a los límites de
conducción y dieléctricos de los lados o bordes 202, 203, 204, y 205
y pueden minimizar el acoplamiento entre una segunda porción de
polarización característica de antena 190 y una segunda porción de
polarización característica 184 que es de polarización cruzada con
relación a la porción de antena 190.
Las polarizaciones lineales 210 y 211 son
principalmente perpendiculares y paralelas a los límites de
conducción y dieléctricos de los lados o bordes 202, 203, 204, y
205 y pueden minimizar el acoplamiento entre una primera porción de
polarización característica de antena 174 y una segunda porción de
polarización característica 190 que es de polarización cruzada con
relación a la porción de antena 174. De manera análoga, las
polarizaciones lineales 210 y 211 son principalmente
perpendiculares y paralelas a los límites de los lados o bordes 202,
203, 204, y 205 y pueden minimizar el acoplamiento entre una
primera porción de polarización característica de antena 182 y una
segunda porción de polarización característica 184 que es de
polarización cruzada con relación a la porción de antena 182.
Los límites de los lados o bordes 202, 203, 204,
y 205 de la unidad mejoradora ejemplar 200 incluyen materiales
conductores y/o dieléctricos que son sustancialmente de la misma
longitud. La caja 201 de la unidad mejoradora 200 es
sustancialmente una forma cuadrada en la vista en planta de la
antena donante 172 de la antena servidora 180. Los radiadores de
red de antenas 206, 207, 208, y 209 se pueden disponer con igual
espaciación en la antena donante 172. De manera análoga, los
radiadores de red de antenas 212, 213, 214, y 215 se pueden disponer
con igual espaciación en la antena servidora 180. Los radiadores de
red de antenas 206, 207, 208, y 209 en la antena donante 172 se
pueden disponer en una configuración de espalda con espalda con
relación a los radiadores de red de antenas 212, 213, 214, y 215 de
la antena servidora 180. Para esta configuración, las direcciones
de radiación primarias de la antena donante 172 y la antena
servidora 180 son sustancialmente en direcciones opuestas.
La unidad mejoradora de panel plano ejemplar
200, en contraposición a los módulos de panel plano convencionales
130 y 140 ilustrados en la figura 12 y 13, respectivamente, usa una
red de antenas de radiadores que tiene polarizaciones
características simultáneas dobles 210 y 211 para la finalidad de
separar y aislar las señales de enlace ascendente y de enlace
descendente en dos (2) recorridos. Realizaciones ejemplares de la
presente invención pueden usar una sola red de antenas donantes y
una sola red de antenas servidoras, donde cada red de antenas tiene
dos polarizaciones características definidas: una polarización
característica para recepción y una polarización característica
para transmisión de señales. Además, la polarización característica
usada para transmisión de señales de la red de antenas donantes no
es la misma que la polarización característica para recepción de
señales por la red de antenas servidoras. Igualmente, la
polarización característica usada para recepción de señales por la
red de antenas donantes no es la misma que la polarización
característica para transmisión de señales de la red de antenas
servidoras. Cada polarización característica en la red de antenas
donantes o servidoras es para la única finalidad de recibir una
señal o para la única finalidad de transmitir una señal. En otros
términos, una polarización característica de una realización
ejemplar no tiene la doble finalidad o función de transmitir y
recibir una señal deseada, como se representa por la unidad
mejoradora 200.
El espectro de frecuencia 220 para la banda PCS,
usado a modo de ejemplo para la operación de realizaciones
ejemplares, se ilustra en la figura 18. La estación base (BS) recibe
en una banda 222 de 1850 a 1910 MHz y transmite en una banda 224 de
1930 a 1990 MHz. Aunque una banda de transmisión Tx) perfecta 224 y
una banda de recepción (Tx) perfecta 222 tendrían una forma de
banda rectangular (ilustrada en líneas de trazos) existente
solamente en la banda de frecuencia, hay cierta dispersión y
solapamiento entre la respuesta de frecuencia de los filtros del
mejorador de señal que definen las características de rendimiento de
las bandas reales 222 y 224. Las bandas de frecuencia reales se
ilustran con líneas continuas 225 y 226 para la banda 222 y con
líneas continuas 227 y 228 para la banda 224. Las bandas ideales
tienen 20 MHz de separación, entre 1910 y 1930 MHz. Sin embargo, un
punto crítico es un punto de cruce 229 donde las dos bandas se
solapan realmente. El punto de cruce 229 se explicará con más
detalle con respecto a la filtración de las señales en la figura
19. Cada una de las bandas 222 y 224 también está subdividida en una
pluralidad de sub-bandas A, B, C, D, E y F que son
licenciadas individualmente a los proveedores de servicios de una
zona o área de servicio dentro de los Estados Unidos. Una unidad
mejoradora de señal ejemplar típicamente proporciona cobertura
operativa a través de todas las sub-bandas y se
puede considerar como un dispositivo de "banda plena".
Un diagrama de bloques más detallado de una
unidad mejoradora de señal ejemplar se ilustra en la figura 19 y se
designa generalmente por el número de referencia 230. La unidad
ejemplar 230 incluye una antena donante polarizada doble 232 con
una porción de recepción verticalmente polarizada de enlace
descendente 234, que acopla la señal de enlace descendente F2 a un
recorrido de señal de enlace descendente 236. La señal F2 se acopla
a un primer filtro 238, que está diseñado de manera que tenga una
frecuencia de paso central de 1960 MHz y que pase la señal de la
banda de recepción F2 en la banda de recepción de 1930 a 1990 MHz
(la banda de transmisión de la estación base), filtrando al mismo
tiempo frecuencias indeseadas fuera de la banda.
El filtro preselector 238 y otros filtros de la
unidad 230 pueden ser implementados por los denominados filtros de
paso de banda "cerámicos". Para una realización ejemplar se
puede usar un filtro de paso de banda cerámico convencional, donde
el filtro tiene tres (3) polos y está personalizado con un cero
situado en o cerca del borde de banda adyacente de la otra banda
operativa de transmisión o recepción. Los polos y ceros de la
función de transferencia del filtro definen posiciones de
singularidades dentro del plano s usado convencionalmente en el
análisis y diseño de filtros y se usan como una medida de la
complejidad del filtro. Tales filtros están diseñados alrededor de
la frecuencia central de 1960 MHz para pasar la banda de recepción
de frecuencia de 1930 a 1990 MHz o alrededor de la frecuencia
central de 1880 MHz para pasar la banda de transmisión de frecuencia
de 1850 a 1910 MHz para señales de enlace ascendente a la estación
base (BS), lo que deja una separación de 20 MHz entre las señales,
como se ilustra en la figura 18. Sin embargo, como se ha descrito,
las bandas 222 y 224 no son ideales, como se representa con las
líneas de trazos en la figura 18, y hay un punto de cruce real 229
entre las respuestas de las bandas 222 y 224.
Los filtros de paso de banda preselectores
cerámicos de tres (3) polos convencionales pueden ser implementados
con la pieza número CO31880 E fabricada por Microwave Circuits,
Inc., con sede en Washington DC, para la banda de transmisión de
frecuencia de 1850 a 1910 MHz. Los filtros de paso de banda
cerámicos de tres (3) polos convencionales pueden ser implementados
con la pieza número CO31960J fabricado por Microwave Circuits, Inc.,
para la banda de recepción de frecuencia de 1930 a 1990 MHz.
Los filtros de paso de banda cerámicos de tres
(3) polos convencionales tienen un rendimiento característico cerca
del punto de cruce 229 de aproximadamente menos tres (-3) dB con
relación al nivel de señal máximo en las regiones de paso de banda
222 y 224. La pendiente y conformación de la respuesta de los
filtros cerámicos de tres (3) polos convencionales fuera de las
regiones de paso de banda 222 y 224 son determinadas primariamente
por la anchura de paso de banda y el número de polos. El filtro de
transmisión (Tx) BS en el lado de frecuencia más baja 227 tiene una
respuesta mensurable dentro de la banda de paso de la banda de paso
222 del filtro de recepción (Rx) BS. Esta respuesta representa el
grado de aislamiento o rechazo entre las bandas de transmisión (Tx)
BS y de recepción (Rx) BS. Igualmente, el lado de frecuencia
superior 226 del filtro de recepción (Rx) BS tiene una respuesta
mensurable dentro de la banda de paso de la banda de paso 224 del
filtro de transmisión (Tx) BS. Esta respuesta representa el grado
de aislamiento o rechazo entre las bandas de recepción (Rx) BS y de
transmisión (Tx) BS.
Añadiendo un cero en la función de transferencia
del filtro en o cerca del borde de banda adyacente de la otra banda
operativa de transmisión o recepción, el valor de cruce 229 puede
ser reducido de aproximadamente menos tres (-3) dB del diseño de
filtro cerámico convencional a aproximadamente menos diez (-10) dB y
se puede incrementar el grado de aislamiento o rechazo entre las
bandas de transmisión (Tx) BS y de recepción (Rx) BS. Por ejemplo,
se puede añadir un cero en o cerca de 1932 MHz del filtro de
recepción (Rx) BS de paso de banda que tiene una banda operativa de
1850 a 1910 MHz y se puede añadir un cero en o cerca de 1908 MHz
para un filtro de paso de banda que tiene una banda operativa de
1930 a 1990 MHz. Este diseño de filtro proporciona un valor de
rechazo o aislamiento de cruce 229 de menos diez (-10) dB con
relación a la respuesta de la banda de paso operativa. La
colocación del cero más próximo a la banda operativa puede mejorar
el rechazo en la frecuencia de cruce 229 de 1920 MHz, pero la banda
de paso de la banda operativa puede tener mayor atenuación y
retardo de grupo.
El filtro de paso de banda de tres (3) polos
cerámico convencional con cero puede ser suministrado por ComNav
Engineering de Portland, Maine, que se especializa en filtros
personalizados para sistemas de comunicaciones inalámbricas. Un
filtro de paso de banda de tres (3) polos cerámico convencional con
cero para la banda de recepción (Rx) BS es la pieza número
3BCR6C-1880/Z75-LX y para la banda
de transmisión (Tx) BS es la pieza número
3BCR6C-1960/Z75-LX.
Una ventaja adicional del diseño y uso del
filtro de paso de banda cerámico de tres (3) polos con cero, es que
los filtros son relativamente baratos y de tamaño físico pequeño.
Este diseño elimina la necesidad de filtros adicionales o filtros
más complejos con polos adicionales, lo que minimiza el tamaño y
costo de los filtros además de minimizar el retardo de grupo.
Reduciendo el retardo de grupo, como se representa en la unidad
mejoradora ejemplar 230, se puede satisfacer la capacidad de hallar
un usuario a tiempo bajo requisitos de localización de emergencia
911. Un retardo más grande dará lugar a una localización menos
exacta del usuario y por lo tanto puede interferir con el hallazgo
del usuario en emergencia. Las realizaciones ejemplares de la
unidad mejoradora 230 ofrecen las características atractivas de bajo
costo, la capacidad de uso portátil, y reducido retardo de
grupo.
Después de la filtración, la señal F2 se acopla
a un amplificador de bajo ruido (LNA) 240 para una primera etapa de
amplificación de la señal F2, sin incrementar de forma significativa
la relación de señal a ruido de la señal. La señal amplificada F2
se acopla posteriormente a un segundo filtro 242, que puede ser
idéntico al filtro 238, para filtrar las frecuencias fuera de la
banda de recepción para una adaptación más estrecha a la banda de
recepción ideal. La señal filtrada F2 se acopla a un amplificador de
ganancia variable 244, que controla la potencia de salida de la
señal de enlace descendente F2. El amplificador de ganancia variable
244 actúa como un preamplificador si la ganancia es mayor o igual a
la unidad, es decir, 0 dB o más. El amplificador de ganancia
variable 244 también puede actuar como un atenuador cuando la
ganancia es menos que la unidad o menos que 0 dB. El uso de un
amplificador de ganancia variable 244 como un dispositivo de control
para el control de la amplitud de señal puede proporcionar un
control de resolución de la amplitud de señal en pasos de medio
(0,5) y uno (1,0) dB y proporciona un control uniforme de la
amplitud de señal que se puede lograr sin calibración de cada
mejorador de señal 230. El amplificador de ganancia variable
ejemplar 244 tiene un rango dinámico de aproximadamente 50 dB que
cubre el rango de valores de la señal de salida que tiene una
ganancia de aproximadamente menos veinticinco (-25) dB a más
veintitrés (+23) dB.
La señal de salida del amplificador de ganancia
variable 244 es amplificada además por un amplificador de potencia
(PA) 246. La salida de LA PA 246 se acopla a través de un acoplador
direccional convencional 248, que muestrea una porción pequeña,
pero proporcional a la amplitud, de la señal F2 como una medida de
la potencia de salida de LA PA. El acoplador direccional 248 puede
ser un DC17-73 fabricado por Skyworks Solutions,
Inc., de Woburn, Massachussets, y puede tener una pérdida de
inserción de menos de un (1) dB con un puerto acoplado a un valor
de aproximadamente menos once (-11) dB. Después del acoplador 248,
la señal de salida se acopla a través de un filtro tercero y final
250, que puede ser idéntico al filtro 238.
La señal F2, después de la filtración final, se
acopla a una antena servidora polarizada doble 252 para transmisión
a un usuario desde una porción horizontalmente polarizada 254 de la
antena 252. La retransmisión al usuario de la porción de antena 254
proporciona el aislamiento máximo de la porción de recepción 234 de
la antena 232, que está verticalmente polarizada u ortogonal a la
porción 254.
El amplificador de ganancia variable 244 es
controlado por un microcontrolador 256, que muestrea la potencia de
salida de la señal F2 del acoplador direccional 248 a intervalos
periódicos predeterminados. El microcontrolador puede ser un
dispositivo PIC16F873 fabricado por Microchip Technology, Inc., de
Chandler, Arizona. Las funciones del microcontrolador 256 también
podrían ser realizadas por un circuito integrado específico de
aplicación personalizado (ASIC), un dispositivo lógico programable
complejo (CPLD), un circuito integrado de sistema en chip (SOC),
una matriz de puertas programable in situ (FPGA), o un
dispositivo similar.
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El acoplador direccional 248 proporciona una
porción de muestra de la señal F2 a un detector de potencia RF 258.
Una realización ejemplar usa un detector logarítmico RF y
controlador AD831 3 fabricado por Analog Devices, Inc., de Norwood,
Massachusetts. El uso de un detector logarítmico RF proporciona un
rango dinámico relativamente amplio de detección de amplitud de
señales y puede proporcionar exactitudes de más o menos tres
(\pm3) dB en un rango dinámico de 70 dB o más o menos uno
(\pm1) dB en un rango dinámico de 62 dB. Se puede usar
dispositivos de menor costo, tales como un detector de diodos, pero
la exactitud y repetibilidad de la presente aplicación requeriría
una calibración de cada detector de diodos en un mejorador de señal
ejemplar 230. La calibración de mejoradores de señal individuales
230 añadiría un costo significativo a la unidad en una operación de
fabricación de alto volumen. Es deseable evitar la necesidad de
calibrar cualquier aspecto de la unidad ejemplar 230 después del
montaje.
La señal de salida del detector de potencia RF
258 se acopla al microcontrolador 256 a través de un separador 260.
El separador proporciona una salida de impedancia más baja que la
salida del detector de potencia RF. La salida tampón de la señal
detectada se acopla a una porción convertidora analógica a digital
(ADC) 262 en el microcontrolador 256. El microcontrolador 256
compara el nivel de potencia RF detectado de la señal F2 y lo
compara con un nivel de potencia predeterminado o de inicialización,
como se describirá a continuación. Durante la operación normal, el
microcontrolador 256 comparará la potencia de salida con un nivel de
salida operativo predeterminado o su rango. El microcontrolador 256
enviará una señal a una porción convertidora digital a analógica
(DAC) 264 para regular la salida del amplificador variable 244 y por
lo tanto controlar el nivel de potencia de salida de la señal F2.
La porción DAC 264 puede ser un DAC LTC 1661 Micropower Dual de
diez (10) bits de Linear Techonology Corporation de Milpitas,
California. El LTC 1661 DAC proporciona dos DACs de diez (10) bits
direccionables exactos en un paquete pequeño que tienen un alto
grado de linealidad y así un dispositivo puede proporcionar las
porciones DAC 264 y 262.
El uso de un amplificador de ganancia variable
244 que tiene un control de rango dinámico lineal suficiente, una
porción convertidora digital a analógica (DAC) 264 para regular la
salida del amplificador variable 244 con un número suficiente de
bits y una resolución deseada en el rango de control, y un detector
de potencia logarítmica RF 258 con exactitud proporcional permite
la implementación del control de la amplitud de señal que puede
funcionar sin una calibración individual para cada unidad ejemplar
230. Un mejorador de señal 230 que no requiere calibración es
importante para lograr un costo de fabricación bajo.
El usuario envía una señal que será recibida por
la antena 252, amplificada y retransmitida a la estación base por
la antena 232 de manera similar al recorrido de enlace descendente
de la señal 236. Una porción verticalmente polarizada 270 de la
antena 252 recibe la señal del usuario. La señal de enlace
ascendente F1 se acopla entonces a un primer filtro 272 en un
recorrido de señal de enlace ascendente 274. El primer filtro 272
también es sustancialmente idéntico al filtro 238, a excepción de
que está diseñado centrado en 1880 MHz para filtrar la banda de
transmisión de 1850 a 1910 MHz. Con la excepción de la banda de
frecuencia, cada uno de los elementos del recorrido de señal de
enlace ascendente F1 274 es funcionalmente idéntico al elemento
correspondiente previamente descrito con respecto al recorrido de
la señal de enlace descendente F2 236. La señal filtrada F1 se
acopla entonces a un LNA 276 y es enviada a un segundo filtro 278.
Desde el filtro 278, la señal F1 se acopla a un amplificador de
ganancia variable 280 y es enviada a un PA 282. La señal F1 se
acopla entonces a través de un acoplador direccional 284 y un
filtro final 286 a una porción horizontalmente polarizada 288 de la
antena 232 para transmisión a la estación base. Como con la señal F1
de enlace descendente, el nivel de potencia de salida de la señal
F1 es muestreado por el acoplador direccional 284 y alimentada a un
detector de potencia RF 290. La señal del detector de potencia RF
se acopla a través de un tampón 292 a una porción ADC 294 del
microcontrolador 256. El microcontrolador 256 envía una señal
analógica de control a través de una porción DAC 296 para controlar
la ganancia del amplificador de ganancia variable 280 y por lo tanto
el nivel de potencia de salida de la señal F1.
Los objetivos deseables de bajo costo y
portabilidad de un mejorador ejemplar de señal soportan la necesidad
de una rutina autónoma o automática de preparación o inicialización
y supervisión. Esta rutina automática de preparación se ilustra con
un diagrama de estado 300 en la figura 20 y un diagrama de
temporización y potencia 302 ilustrado en la figura 21. Al aplicar
el usuario potencia a un mejorador de señal, tal como el mejorador
ejemplar 230, el microcontrolador 256 compara la potencia F2 de la
señal de enlace descendente con un nivel predeterminado de
referencia o ganancia 304 (véase la figura 21) en un estado inicial
(estado INIC) 306. Si el nivel de potencia de enlace descendente
detectado de la señal F2 es menos (<) que el nivel de referencia
304, el microcontrolador 256 incrementa la potencia de salida de la
señal de enlace descendente F2 y la señal de enlace ascendente F1.
Por ejemplo, el microcontrolador 256 aumentará el nivel de potencia
de salida en 1 dB por segundo, representado por una línea 308,
hasta que se alcance un nivel de potencia 310 de menos diez (-10)
dBm que también está por debajo del nivel 304. El microcontrolador
256 aumentará entonces el nivel de potencia de salida en 0,5 dB por
segundo, representado por una línea 312, hasta que se alcance el
nivel de potencia de referencia 304 de cero (0) dBm.
Alternativamente, se puede alcanzar un valor máximo del amplificador
de ganancia variable de +23 dB y el nivel de referencia 304 se
ajustará consiguientemente. Al nivel de referencia operativo o de
inicialización 304, se pondrá un nivel de ganancia inferior 314 de
cinco (5) dB menos que el nivel 304. En otros términos, un nivel
inferior de un rango de valores de ganancia a poner para mantener la
ganancia de amplitud de la señal es menos cinco (-5) dB con
relación al nivel superior correspondiente al valor de ganancia de
referencia.
El microcontrolador 256 entrará entonces en un
estado de SUPERVISIÓN 316 y un conjunto de LEDs u otros dispositivos
indicadores visuales (véase la figura 25) indicarán el estado del
nivel de potencia de enlace descendente operativo 304. En el estado
de SUPERVISIÓN 316, el microcontrolador 256 supervisa varias
condiciones en la operación de la unidad mejoradora 230.
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En un estado de IGUALACIÓN de enlace descendente
318, la potencia de enlace descendente de la señal muestreada F2 es
menos que el valor de ganancia de referencia 304 y el valor de
ganancia del amplificador de ganancia variable 244 es menos que el
valor de ganancia 314 de ventana inferior. El microcontrolador 256
puede aumentar la ganancia de enlace ascendente y de enlace
descendente hasta que la potencia F2 de la señal esté dentro de la
ventana formada por los niveles 304 y 314 o hasta que se alcance el
valor o nivel máximo permisible de ganancia variable. La tasa de
aumento de la ganancia de señal es relativamente lenta, dado que la
señal de la estación base deberá ser relativamente consistente a
una distancia fija.
En un estado de IGUALACIÓN de enlace ascendente
320, la potencia F1 de la señal de enlace ascendente muestreada es
menos que el nivel de potencia de enlace ascendente máximo
predeterminado, por ejemplo más veinte (+20) dBm, y menos que el
nivel de ganancia de referencia 304. El microcontrolador 256 puede
aumentar la potencia de enlace ascendente de la señal F1 hasta que
se alcance el nivel de ganancia de enlace ascendente máximo
predeterminado para el amplificador de ganancia variable 244 o el
nivel de ganancia de referencia 304. En este caso la tasa de cambio
de ganancia es relativamente rápida dado que el usuario se puede
mover libremente por el edificio u otra posición, haciendo la señal
de enlace ascendente que el nivel de potencia fluctúe.
El uso de nivel máximo de enlace descendente y
nivel de sobreexcitación de enlace descendente se refieren a un
valor máximo de amplitud de la señal; ambos términos tienen el mismo
significado y los términos pueden ser usados de forma
intercambiable. Igualmente, el uso de nivel máximo de enlace
ascendente y nivel de sobreexcitación de enlace ascendente se
refieren a un valor máximo de amplitud de la señal; ambos términos
tienen el mismo significado y los términos pueden ser usados de
forma intercambiable.
En un estado de SOBREEXCITACIÓN de enlace
descendente 322, la potencia de enlace descendente de la señal
muestreada F2 es mayor o igual al nivel de supervisión
predeterminado por encima del nivel 304. El microcontrolador 256
puede disminuir la ganancia de enlace ascendente y de enlace
descendente hasta que la potencia F2 de la señal esté por debajo
del nivel de supervisión de referencia de sobreexcitación de enlace
descendente puesto a más dos (+2) dBm. En el estado 322, un
indicador visual, tal como un LED rojo, destella súbitamente para
indicar que se ha superado la potencia máxima de la señal de enlace
descendente 304. La unidad mejoradora 230 retornará al estado de
SUPERVISIÓN 316 cuando la potencia F2 de la señal esté de nuevo por
debajo del nivel de potencia de supervisión de referencia de
sobreexcitación de enlace descendente de más dos (+2) dBm.
En un estado de SOBREEXCITACIÓN de enlace
ascendente 324, la potencia F1 de la señal de enlace ascendente
muestreada es más grande que el nivel de potencia de supervisión de
referencia de sobreexcitación de enlace ascendente de más veintiuno
(+21) dBm. El microcontrolador 256 puede disminuir la ganancia de
enlace ascendente solamente hasta que la potencia F1 de la señal
está por debajo del nivel de potencia de supervisión de referencia
de sobreexcitación de enlace ascendente. En el estado 324, un
indicador visual, tal como un LED rojo, destella súbitamente para
indicar que se ha superado la potencia máxima de enlace ascendente
de la señal. La unidad mejoradora 230 retornará al estado de
SUPERVISIÓN 316 cuando la potencia F1 de la señal esté de nuevo por
debajo del nivel de potencia de supervisión de referencia de
sobreexcitación de enlace ascendente.
Se alcanza un estado
AUTO-APAGADO 326 cuando expira un período de tiempo
de expiración predeterminado con una o ambas señales de enlace
descendente F2 y de enlace ascendente F1 mayores que los respectivos
niveles máximos durante el período de tiempo de expiración. A la
expiración de un período de tiempo de expiración predeterminado,
por ejemplo, un período de tiempo de trescientos (300) segundos de
duración, el microcontrolador 256 puede disminuir los recorridos de
enlace descendente y de enlace ascendente 236 y 274 a un valor de
ganancia mínimo. Ésta es esencialmente una condición de parada, que
atenúa drásticamente ambas señales RF F1 y F2.
Esta condición de parada protege a la unidad
mejoradora ejemplar 230 de condiciones de sobreexcitación
sostenidas, tal como las que podrían producir las oscilaciones o la
inestabilidad. La unidad ejemplar 230 puede proporcionar, a los
niveles de operación normales enumerados, una ganancia del sistema
del orden de aproximadamente ochenta (80) a ochenta y cinco (85)
dB. La ganancia del sistema de la unidad mejoradora ejemplar 230
incluye típicamente los valores de ganancia de antena para las
antenas donante y servidora que tienen valores de ganancia máximos
de aproximadamente 13 dBi, respectivamente.
La figura 22 proporciona un diagrama de flujo
330 que ilustra las operaciones ilustradas en el diagrama de estado
300 para lograr control de ganancia variable para un mejorador
ejemplar de señal 230. En un paso inicial 332, a la unidad ejemplar
230 se le aplica potencia y pasa a encenderse automáticamente. En un
paso 334 se ponen las variables en el microcontrolador 256 y
entonces el microcontrolador 256 empieza a incrementar la ganancia
en los recorridos de enlace ascendente y de enlace descendente 274 y
236 en un paso 336. Como ilustra el diagrama de temporización 302
en la figura 21, un paso 338 (figura 22) determina si la potencia F2
de la señal de enlace descendente es mayor que menos diez (-10)
dBm. Si la potencia F2 de la señal de enlace descendente es menor
que menos diez (-10) dBm, el microcontrolador 256 pone el aumento a
uno (1) dB por segundo en un paso 340. Si la potencia F2 de la
señal de enlace descendente es más que menos diez (-10) dBm, el
microcontrolador 256 pone el aumento a medio (0,5) dB por segundo
en un paso 342.
Si la potencia F2 de la señal de enlace
descendente todavía no está a cero (0) dBm o la ganancia no está
todavía al valor variable máximo, se realiza en el paso 344 la
decisión de volver o iterar al paso 336 para seguir incrementando
las ganancias en los recorridos de enlace ascendente y de enlace
descendente. Si la potencia F2 de la señal de enlace descendente
está a cero (0) dBm o la ganancia está al valor variable máximo, se
decide en el paso 344 seguir estableciendo el nivel de ganancia
superior 304 y el nivel de ganancia inferior 314 (figura 21) en un
paso 346. En efecto, los niveles de ganancia 304 y 314 ponen una
ventana de inicialización de operación y en este paso la unidad 230
también comienza el estado o la operación de supervisión.
Primero se decide en un paso 348 si la potencia
F2 de la señal de enlace descendente es más grande que el nivel de
potencia de sobreexcitación o potencia de salida máximo permisible.
Si la potencia F2 de la señal de enlace descendente es más grande
que el nivel de potencia de sobreexcitación de enlace descendente,
se llega al estado de SOBREEXCITACIÓN de enlace descendente 322 y
las ganancias de enlace ascendente y el recorrido de enlace
descendente se decrementan en un paso 350. Si la potencia F2 de la
señal de enlace descendente es entonces menos que el nivel de
sobreexcitación de enlace descendente de potencia en un paso de
decisión 352, el período de tiempo de expiración o temporizador de
sobreexcitación se resetearán en un paso 354 y la unidad 230
retornará al estado de SUPERVISIÓN y el paso 348. Si la potencia F2
de la señal de enlace descendente sigue siendo más grande que el
nivel de potencia de sobreexcitación de enlace descendente en el
paso de decisión 352, el temporizador o período de tiempo
expiración o sobreexcitación serán verificados en un paso de
decisión 356. Si el período preestablecido de tiempo todavía no ha
expirado, la unidad 230 retornará o iterará al paso 350 para seguir
disminuyendo la ganancia. Si el período preestablecido de tiempo ha
expirado, la unidad 230 se parará en un paso 358 estableciendo la
ganancia en ambos recorridos de enlace descendente y de enlace
descendente al valor mínimo en el estado
AUTO-APAGADO 326.
Si la decisión en el paso 348 es que la potencia
F2 de la señal de enlace descendente no es mayor que el nivel de
potencia de sobreexcitación de enlace descendente, la potencia F1 de
la señal de enlace ascendente es verificada contra su límite máximo
preestablecido en un paso 360. Si la potencia F1 de la señal de
enlace ascendente es mayor que el límite máximo preestablecido, se
alcanza el estado de SOBREEXCITACIÓN de enlace ascendente 324 y
solamente la ganancia variable de enlace ascendente se disminuye en
un paso 362. Si la potencia F1 de la señal de enlace ascendente es
entonces menor que el nivel de potencia de sobreexcitación de enlace
ascendente en un paso de decisión 364, el período de tiempo de
expiración o temporizador de sobreexcitación se resetearán de nuevo
en el paso 354 y la unidad 230 retornará al estado de SUPERVISIÓN y
el paso 348. Si la potencia F1 de la señal de enlace ascendente
sigue siendo mayor que el nivel de potencia de sobreexcitación de
enlace ascendente en el paso de decisión 364, el temporizador o
período de tiempo expiración o sobreexcitación será verificado en
un paso de decisión 366. Si el período preestablecido de tiempo
todavía no ha expirado, la unidad 230 retornará o iterará al paso
362 para seguir disminuyendo la ganancia. Si ha expirado el período
preestablecido de tiempo, la unidad 230 se parará de nuevo en el
paso 358 estableciendo la ganancia en ambos recorridos de enlace
descendente y de enlace descendente al valor mínimo, que obliga a
los amplificadores variables a actuar como atenuadores en el estado
AUTO-APAGADO 326.
Si la potencia F1 de la señal de enlace
ascendente no es mayor que el límite máximo preestablecido en el
paso 360, en el paso de decisión 368 se determina si la potencia F2
de la señal de enlace descendente es menos que el nivel de
referencia de inicialización de cero (0) dBm y el valor de ganancia
de enlace descendente es menos que el nivel de ventana inferior
314. Si la potencia F2 de la señal de enlace descendente es menos
que el nivel de referencia de enlace descendente de cero (0) dBm y
la ganancia del amplificador variable de enlace descendente es
menos que el nivel de ventana inferior 314, entonces la ganancia de
los recorridos de enlace ascendente y de enlace descendente se
incrementa o aumenta en un paso 370. La unidad 230 vuelve entonces
al paso de reseteo del temporizador 354 y posteriormente de nuevo al
estado de SUPERVISIÓN 348. Si la potencia F2 de la señal de enlace
descendente es mayor o igual al nivel de potencia de referencia de
enlace descendente de cero (0) dBm o el valor de ganancia variable
de enlace descendente es mayor que el nivel de ventana inferior
314, se decide si la potencia F1 de la señal de enlace ascendente es
menor que el nivel de referencia de enlace ascendente de más veinte
(+20) dBm y menos que el nivel de ventana superior 314 en un paso
372. Si la potencia F1 de la señal de enlace ascendente es menor
que el nivel de potencia de referencia de enlace ascendente de más
veinte (+20) dBm y el valor de ganancia del amplificador variable de
enlace ascendente es menos que el nivel de ventana inferior 314,
solamente la potencia F1 de la señal de enlace ascendente se
incrementa o aumenta en un paso 374. La unidad 230 vuelve entonces
al paso de reseteo del temporizador 354 y posteriormente al estado
de SUPERVISIÓN 348. Si la potencia F1 de la señal de enlace
ascendente es mayor o igual a la potencia de referencia de enlace
ascendente de más veinte (+20) dBm o el valor de ganancia del
amplificador variable de enlace ascendente es mayor o igual al
nivel de ventana superior 314 en el paso 372, la unidad 230 vuelve
como antes al paso de reseteo del temporizador 354 y posteriormente
al estado de SUPERVISIÓN 348.
En la operación descrita de la unidad ejemplar
230, la potencia de enlace ascendente de la señal F1 y la potencia
F2 de la señal de enlace descendente son muestreadas periódicamente
según un intervalo de tiempo de interrupción del temporizador como
se ilustra, por ejemplo, con un diagrama de temporización 380 en la
figura 23. Si la potencia F2 de la señal de enlace descendente es
superior al límite o nivel máximo 304, ambos recorridos de enlace
ascendente y de enlace descendente son decrementados a una tasa
predeterminada, por ejemplo dos (2) dBm por segundo hasta que se
elimina la condición de sobreexcitación. Si la potencia de enlace
ascendente de la señal F1 detectado está en una condición de
sobreexcitación, el recorrido de señal de enlace ascendente se
decrementa a una tasa predeterminada, por ejemplo veinte (20) dBm
por segundo, hasta que se elimina la condición de sobreexcitación.
Como se ha descrito, si existe una condición de sobreexcitación
durante un período de tiempo predeterminado, por ejemplo
trescientos (300) segundos [cinco (5) minutos], ambos recorridos se
ponen a una ganancia mínima para evitar cualquier condición de
sobreexcitación sostenida en la unidad 230.
El intervalo de tiempo de interrupción del
temporizador se pone en el microcontrolador 256 y proporciona la
temporización para todas las operaciones de la unidad 230. Como
representa el diagrama de temporización 380, se proporcionan
intervalos síncronos de cinco (5) milisegundos (ms) para operaciones
periódicas, tal como el muestreo de la potencia de la señal de
enlace descendente F2 y la señal de enlace ascendente F1, el DAC y
ADC de las señales digitales y analógicas y la operación del
indicador visual, entre otros. Los intervalos de cinco (5) ms están
formados por diez (10) fases; Fase-0,
Fase-1 a Fase-9, que forman un
bloque síncrono 382 y que se repiten de forma continua. El bloque
síncrono 382 opera cada cincuenta (50) milisegundos (ms) usando un
contador de bloques síncronos (no ilustrado) que se incrementa cada
cincuenta (50) milisegundos (ms) en Fase-0. El
contador de bloques síncronos cuenta a modo de módulo dos (2) a un
período de tiempo general de intervalos de cien (100) milisegundos
(ms) para establecer retardos de tiempo en la unidad 230. Otro
contador (no ilustrado) se incrementa cada intervalo de tiempo
[cien (100) milisegundos (ms)] durante cinco (5) intervalos para
proporcionar un contador de quinientos (500) milisegundos (ms) para
uso al proporcionar el período de tiempo de parada de trescientos
(300) segundos. El diagrama de temporización 380 proporciona
intervalos de tiempo de cinco (5), cincuenta (50), cien (100)
milisegundos (ms) y medio segundo para uso por la unidad 230.
El microcontrolador 256 proporciona dos períodos
de interrupción del temporizador a una tasa fija como se representa
en el diagrama de temporización 380. Una primera interrupción del
temporizador, Timer0, proporciona el tiempo general básico para la
unidad 230. Hay diez (10) intervalos Timer0 distintos,
Fase-0 a Fase-9, utilizándose los
ocho (8) primeros intervalos, Fase-0 a
Fase-7, para el muestreo del nivel de potencia F1 de
la señal de enlace ascendente y F2 de la señal de enlace
descendente. Una segunda interrupción del temporizador, Timer1,
proporciona las tasas de conversión del ADC (convertidor analógico a
digital). El noveno intervalo, Fase-8, se utiliza
para la carga de los valores de ganancia apropiados para los niveles
de potencia F1 de la señal de enlace ascendente y F2 de la señal de
enlace descendente a los DACs 264 y 296. El décimo intervalo,
Fase-9, es utilizado para establecer las ganancias
de las amplificaciones de ganancia variable F1 de la señal de enlace
ascendente y F2 de la señal de enlace descendente 244 y 280,
actualizar los indicadores ópticos o visuales y proporcionar
contadores para los intervalos de cincuenta (50) y quinientos (500)
milisegundos (ms). El intervalo de cincuenta (50) milisegundos (ms)
es utilizado para actualizar el estado del microcontrolador 256 y el
intervalo de quinientos (500) milisegundos (ms) es utilizado para
el parpadeo de los LEDs u otros indicadores visuales y para el
período de tiempo de trescientos (300) segundos utilizado para la
expiración de la condición de sobreexcitación sostenida.
Hay actualmente tres (3) protocolos inalámbricos
básicos en uso en la banda US PCS para comunicaciones inalámbricas
de segunda generación (2G). El primer protocolo es la norma
IS-95, que es un protocolo de acceso múltiple por
división de código (CDMA) ampliamente utilizado en Norteamérica.
CDMA se caracteriza como amplio espectro, lo que significa que CDMA
dispersa la información contenida en una señal particular o interés
por una anchura de banda mucho más grande que la anchura de banda
de la señal original. CDMA también usa códigos digitales únicos,
más bien que bandas de frecuencia separadas, para diferenciar entre
canales. Dado que cada canal del usuario está separado por un
código digital único, todos los usuarios pueden compartir la misma
banda de frecuencia. El segundo protocolo es el Sistema Global para
Telecomunicaciones Móviles (GSM), que es un protocolo de acceso
múltiple por división de tiempo (TDMA) usado predominantemente en
Europa. En el protocolo TDMA, los canales están espaciados por
intervalos de tiempo dentro de una secuencia general. El tercer
protocolo es la norma IS-136, que es otro protocolo
TDMA usado en Norteamérica.
Como ejemplo, la operación de una realización
ejemplar está referenciada al uso del protocolo GSM. El protocolo
GSM opera como un protocolo TDMA que tiene ocho (8) intervalos de
tiempo de quinientos y setenta y siete (577) microsegundos de
duración por intervalo. Los ocho (8) intervalos de tiempo requieren
una secuencia de cuatro mil seiscientos dieciséis (4.616)
milisegundos (ms). Esta secuencia requiere un intervalo de secuencia
de casi cinco (5) ms para abarcar los ocho (8) intervalos de
tiempo. La unidad 230 puede usar un intervalo de muestreo para los
ADCs (A/D) 262 y 294 de doscientos cincuenta (250) microsegundos,
que proporciona al menos dos muestras o más para cada intervalo de
tiempo GSM, según los criterios o el intervalo de muestreo
Nyquist.
El intervalo de muestreo Nyquist es el intervalo
de tiempo máximo entre muestras igualmente espaciadas de una señal
que permitirá que la señal de forma de onda sea determinada. El
intervalo Nyquist es igual a la recíproca de dos veces el
componente de frecuencia más alta de la señal muestreada. En la
práctica, cuando se muestrean señales analógicas para transmisión u
otro procesado, la tasa de muestreo debe ser más frecuente que la
definida por el teorema de Nyquist, a causa del error de
cuantificación introducido por el proceso de digitalización. La
tasa de muestreo requerida viene determinada por la exactitud del
proceso de digitalización.
Cuando se toman las muestras de los niveles de
potencia F2 de la señal de enlace descendente y F1 de la señal de
enlace ascendente, el valor máximo o pico muestreado se conserva
durante la duración de la secuencia, aquí cinco (5) milisegundos
(ms). Esta técnica asegura que se determine el nivel máximo de
potencia en la secuencia GSM [en los ocho (8) intervalos de tiempo
GSM], especialmente en el canal o recorrido de enlace ascendente
274 donde los intervalos de tiempo disponibles puede no estar todos
en uso en un lugar celular durante un tiempo cuando el lugar está
operando a menos de la capacidad de comunicación del sitio. En
contraposición, el protocolo CDMA es una técnica de espectro
disperso. El espectro de potencia CDMA es distribuido uniformemente
por la banda de frecuencia y así se puede utilizar una técnica de
muestreo más simple con el protocolo CDMA. La unidad mejoradora de
señal ejemplar 230 no distingue entre los tres protocolos, de modo
que se utiliza el método de muestreo máximo con el protocolo GSM,
dado que operará bien con cualquiera de los tres protocolos que se
utilice para las comunicaciones inalámbricas.
Como un segundo ejemplo, la operación de una
realización ejemplar se referencia al uso del protocolo
IS-136. El protocolo IS-136 opera
como un protocolo TDMA con seis (6) intervalos de tiempo a media
tasa (4800 bits/segundo) y tres (3) intervalos de tiempo a tasa
plena (9600 bits/segundo). Con el fin de cubrir el protocolo
IS-136, se utiliza la tasa de muestreo GSM de
doscientos cincuenta (250) microsegundos por canal, pero muestreada
en la secuencia de cuarenta (40) ms del protocolo
IS-136. Esta tasa de muestreo asegura que se cubran
los seis (6) intervalos de tiempo a media tasa o los tres (3)
intervalos de tiempo a tasa plena. En el protocolo GSM, el muestreo
es en las ocho (8) secuencias GSM o la sesenta y cuatro (64)
intervalos de tiempo, pero dado que el bucle de control del estado
de supervisión se invoca cada cincuenta (50) milisegundos (ms), el
muestreo es suficiente para la cobertura completa. El bucle de
control del estado de supervisión se ejecuta cada cincuenta (50)
milisegundos (ms) en el noveno intervalo Timer0. El bucle de control
principal cambia las variables de ganancia para los canales o
recorridos de enlace ascendente y de enlace descendente 236 y 274 en
base a los niveles de potencia máximos muestreados presentes
determinados en la secuencia de muestreo de cuarenta (40)
milisegundos (ms).
Los expertos en la materia reconocerán la
necesidad de muestrear apropiadamente el nivel de potencia máximo
para derivar un valor que representa sustancialmente la potencia
máxima para el protocolo del sistema de comunicaciones de las
señales mejoradas por la unidad 390. Un muestreo periódico de una
porción de las señales amplificadas por la unidad 390 puede tener
un intervalo de muestreo definido por el teorema de Nyquist y un
error aceptable atribuido a cuantificación de la señal analógica a
un formato digital. El intervalo de muestreo requerido puede ser
determinado por el protocolo del sistema de comunicaciones que tiene
la mayor tasa de secuencias. El período o la duración necesarios
del muestreo para una secuencia de muestras consecutivas puede ser
determinado por el protocolo del sistema de comunicaciones que
tiene el mayor período de secuencias. La tasa de actualización de
la detección de potencia máxima puede ser menos que la inversa del
período de muestreo.
Con referencia ahora a la figura 24, una
realización de la unidad mejoradora ejemplar 390 está montada en
una ventana 392 de una pared 394 de una estructura del edificio 396
parcialmente ilustrada. La unidad 390 se colocará generalmente
junto a o en una ventana, dado que la ventana 392 es generalmente la
zona de mayor transmisión de frecuencia RF a y de una estructura
del edificio.
Una vista ampliada de la unidad ejemplar 390 se
ilustra en la figura 25. La unidad 390 se montará generalmente en
una estructura utilizando un soporte de montaje 398, que se
describirá con más detalle con respecto a las figuras 27 y 32. La
unidad 390 puede incluir un cable de potencia convencional 400, que
se puede conectar a un enchufe de potencia convencional (no
ilustrada) por el usuario para alimentar e inicializar la unidad
390. Alternativamente, la unidad 390 puede incluir un cable de
potencia convencional 400, que se puede conectar a una fuente de
corriente continua (CC) convencional tal como una batería. La rutina
de arranque automático proporciona a la unidad 390 la denominada
capacidad "plug-and-play" del
usuario al aplicar potencia eléctrica a la unidad mejoradora de
señal desde un estado sin alimentación. La unidad 390 tiene una
estructura de soporte 402 (véase la figura 27), que soporta un
radomo de lado servidor delantero exterior 404 que es un material
dieléctrico y un radomo de lado donante trasero 406 que es un
material dieléctrico y los otros elementos de la unidad 390. El
radomo delantero 404 puede incluir una matriz indicadora visual 408
de LEDs u otros indicadores ópticos, tal como una pantalla de
cristal líquido. La matriz 408 incluye, por ejemplo, un LED ámbar
410, un LED rojo 412 y un LED verde 414, en una secuencia no
concreta.
concreta.
Estos tres LEDs se usan para indicar un el nivel
de ganancia relativo del amplificador variable de enlace
descendente durante la inicialización de arranque. Por ejemplo, la
inicialización de arranque la indica el parpadeo del LED verde en
intervalos de medio (0,5) segundo y la potencia relativa del
amplificador de enlace descendente se indica por el encendido, el
apagado o el parpadeo del LED ámbar 410 y el LED rojo 412. Una vez
terminada la inicialización, los microprogramas entran en el estado
de SUPERVISIÓN. El estado de SUPERVISIÓN indica el estado de
SOBREEXCITACIÓN de enlace descendente por el parpadeo del LED rojo
412. El estado de SOBREEXCITACIÓN de enlace ascendente se indica
por el parpadeo de un LED verde 414. El estado de parada o
AUTO-APAGADO se indica por un LED rojo continuo
412. Si no hay condición de sobreexcitación o
auto-apagado, la pérdida de señal de enlace
descendente se indica por el parpadeo del LED ámbar 410. Si se
detecta una potencia de señal de enlace descendente relativamente
baja, el LED ámbar 410 se enciende de forma continua. Si la señal de
enlace descendente es mayor que el umbral de señal baja, el verde
LED 412 se enciende de forma continua.
La matriz 408 puede ser utilizada para indicar
visualmente el estado de operación de la unidad 390 al usuario. Por
ejemplo, el parpadeo del LED ámbar 410 indica que no hay potencia F2
suficiente de la señal de enlace descendente disponible para la
unidad 390. El usuario puede intentar otra posición, tal como otra
ventana en otro lado de la estructura 396 (no ilustrada), dado que
el usuario probablemente no conocerá inicialmente dónde se recibirá
la señal más fuerte. El LED ámbar 410 encendido de forma continua
indica que hay un nivel bajo de potencia F2 de la señal de enlace
descendente disponible para la unidad 390. Esto indica al usuario
que de nuevo intente otra posición.
El parpadeo del LED rojo 412 indica que hay
demasiada potencia F2 de la señal de enlace descendente disponible
en la unidad 390, una condición de sobreexcitación. El LED rojo 412
encendido de forma continua indica que hay una condición de
sobreexcitación de la potencia F2 de la señal de enlace descendente
para la unidad 390, que se ha superado el período de tiempo de
expiración y que la unidad 390 se ha parado.
El parpadeo del LED verde 414 indica que hay
suficiente potencia F2 de enlace descendente disponible en la
unidad 390 y que la unidad 390 se está inicializando. El LED verde
414 encendido de forma continua indica que hay suficiente potencia
F2 de enlace descendente disponible en la unidad 390 y la unidad 390
está en el estado operativo y de supervisión normal.
Los expertos en la materia reconocerán que el
uso de LEDs 410, 412, y 414 con colores o posición distintos en la
unidad 390 y que proporcionan una indicación de la condición o
estado de la operación electrónica de la unidad puede ser realizado
mediante medios alternativos y pantallas visuales. El uso de LEDs es
un medio de bajo costo de dar al usuario indicaciones de la
condición o del estado de operación. Otros tipos de pantallas, tal
como una pantalla de cristal líquido (LCD), pueden realizar una
función similar y además pueden proporcionar información adicional
mediante la utilización de valores numéricos y ofrecer más espacio
para visualizar información.
Los expertos en la materia reconocerán que otros
valores para las potencias de referencia y para las ganancias de
referencia pueden ser usados en los estados de iniciación y
supervisión del mejorador de señal 230 y estar dentro del alcance
de la invención. Como ejemplo, el nivel de potencia de
sobreexcitación de enlace ascendente o nivel de potencia máximo de
enlace ascendente se puede reducir aproximadamente desde el valor de
más veinte (+20) dBm previamente indicado a aproximadamente más
quince (+15) a más diecisiete (+17) dBm con el fin de cumplir las
limitaciones de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) para
emisiones RF de potencia efectiva irradiada (ERP). Además, los
parámetros para tasas de actualización, tamaños de paso de la señal
de amplitud, tasas de cambio de señal, tiempos de expiración,
tiempos de establecimiento y análogos pueden ser diferentes de los
valores indicados y pueden permanecer dentro del alcance de la
invención. Se ha descrito un mejorador ejemplar de señal 230 con
capacidades operativas para GSM, CDMA, y capacidades
IS-136 TDMA en la banda de frecuencia operativa US
PCS. El dispositivo 230 puede ser modificado para operación en un
espectro de frecuencia diferente y/o puede ser modificado para ser
utilizado para soportar protocolos adicionales incluyendo, aunque
sin limitación, WCDMA, IMT2000, 1xEV-DO, GPRS, EDGE,
TETRA, e iDEN.
Con referencia ahora a la figura 26, se ilustra
un subconjunto parcial o servidor 420 de la unidad ejemplar 390. El
subconjunto 420 puede ser el producto final de una etapa de la
fabricación de la unidad 390, que posteriormente se puede vender a
grandes distribuidores u otras entidades, que pueden añadir su
propio radomo dieléctrico delantero 404 y radomo dieléctrico
trasero 406. El subconjunto 420 incluye una capa o placa de radomo
dieléctrico interior o primero 422, que puede ser utilizada para
mantener el subconjunto 420 conjuntamente y puede ser eliminada
donde el radomo dieléctrico delantero 404 se añade al subconjunto
420 antes del envío al usuario.
El subconjunto 420 incluye al menos una capa de
antena movida por matriz de parches servidores 424. Cada uno de los
parches de la matriz 426, 428, 430 y 432 corresponde a las porciones
vertical y horizontalmente polarizadas 254 y 270 de la antena
servidora 252 (véase la figura 36). La antena 252 incluye
típicamente una segunda capa de antena de parches parásitos 434
para añadir anchura de banda operativa a la unidad 390. Cada uno de
los parches parásitos no activados de la matriz 436, 438, 440 y 442
corresponde a los respectivos parches de matriz activados 426, 428,
430 y 432. La antena 252 incluye una capa separadora dieléctrica de
núcleo de espuma entre las dos capas de la matriz de antenas 424 y
434. El subconjunto 420 incluye además un plano o bandeja metálico
o de metal conductor 446 y un par de bloques choke 448 y 450, que
forman un conjunto choke RF cuando se montan con la bandeja 446
para suprimir y controlar las corrientes RF que de otro modo pueden
fluir en o alrededor de los bordes o lados periféricos 202, 203,
204 y 202 (figura 17). El conjunto choke RF ejemplar forma dos (2)
canales que rodean los elementos radiante en las capas 432 y 442;
cada canal tiene una profundidad aproximada de un cuarto de
longitud de onda a la frecuencia operativa que es aproximadamente
1920 MHz.
Con referencia ahora a la figura 27 se ilustra
una vista despiezada de la unidad ejemplar parcialmente montada
390. El plano o bandeja de tierra 446 se monta con los bloques choke
448 y 450, que están dimensionados para encajar uno dentro de otro
con un intervalo definido. Esto proporciona uno o más canales que
tienen una anchura de menos de media (1/2) longitud de onda y
preferiblemente menos que un tercio (1/3) de longitud de onda a la
frecuencia operativa. Los elementos de antena servidora 424, 434 y
444 están montados juntamente con el radomo 422 formando una
cubierta exterior sobre los elementos. Los elementos de antena
donante (no ilustrados) también están montados juntamente en una
bandeja o plano de tierra 452 con el radomo trasero 406 formando
una cubierta exterior sobre los elementos, incluyendo un radomo
interior (no ilustrado), análogo al radomo 422. Un recinto de
electrónica 454 está montado entre las bandejas 446 y 452. Los
elementos de antena servidora 424, 434, y 444 pueden estar montados
en relación de espalda con espalda con los elementos de antena
donante. Por ejemplo, los elementos radiantes activados 426, 428,
430, y 432 en la capa 424 y los elementos radiantes parásitos 436,
438, 440, y 442 pueden estar alineados por encima de los
correspondientes elementos radiantes activados y elementos
radiantes parásitos de la antena donante con una distancia de
separación entre una capa de antena servidora 424 y una capa de
antena donante similar 424. En otros términos, las redes de antenas
donante y servidora pueden mirar en direcciones opuestas, donde los
radiadores individuales están uno encima de otro con una o más
placas de tierra conductoras entre las redes de
antenas.
antenas.
Una o varias placas electrónicas 456 están
montadas en el recinto 454. La estructura de soporte 402 pueden ser
cuatro placas de soporte sustancialmente idénticas 458, 460, 462 y
464, que están montadas en los lados de las bandejas 446 y 452.
Solamente la chapa de soporte 460 se describirá en detalle, dado que
cada una de las chapas 458, 460, 462 y 464 es sustancialmente
idéntica. La chapa 460 incluye un primer conjunto de brazos 466,
468 y 470, teniendo cada uno un agujero o abertura 472, que se
alinea con los agujeros 474 en la bandeja 452. La chapa 460 está
montada en la bandeja 452 con sujetadores (no ilustrados) insertados
a través de cada uno de los pares de agujeros 472 y 474. La chapa
460 también incluye un segundo conjunto de brazos 476, 478 y 480,
que también tienen el agujero o abertura 472, que se alinean con
agujeros 474 formados también en la bandeja 446. La chapa 460
también está montada en la bandeja 446 con sujetadores (no
ilustrados) insertados a través de los pares respectivos de
agujeros 472 y 474.
Cada una de las chapas 458, 460, 462 y 464 tiene
también un par de agujeros roscados 482 y 484. El soporte de
montaje 398 incluye una chapa base 486 con un par de soportes de
pata en forma de U 488 y 490. Un par de patas 492 (solamente se
ilustra una en la figura 27) están enroscadas en los agujeros 482 y
484 en la chapa 462, por ejemplo, aunque se puede utilizar
cualquier chapa 458, 460, 462 y 464 dependiendo de cómo se haya de
montar la unidad 390. La chapa base 486 del soporte de montaje 398
también puede incluir una pluralidad de agujeros 494, que pueden
ser utilizados para montar la chapa 486 en cualquier superficie
deseada con sujetadores apropiados (no ilustrados) insertados a
través de los agujeros 494.
Las patas 492 se encajan posteriormente en los
soportes de pata en forma de U 488 y 490 para soportar la unidad
390 en o sobre el soporte de montaje 398, como se ilustra con una
flecha 498 en la figura 28. Cuando no se utilizan, los agujeros 482
y 484 se pueden sellar o cubrir con insertos 496.
Las figuras 29A, 29B y 29C ilustran vistas
frontal, lateral y en planta superior de la unidad 390.
La figura 30 es una vista en sección transversal
de la unidad 390 tomada a lo largo de la línea 30-30
en la figura 29A.
La figura 31 es una vista en sección transversal
de la unidad 390 tomada a lo largo de la línea 31-31
en la figura 29A.
La figura 32 es una vista en sección transversal
de la unidad 390, la chapa base 486 y la pata 492 tomada a lo largo
de la línea 32-32 en la figura 29A. La pata 492
incluye un poste roscado 500 en un extremo, que se enrosca en el
agujero 484. La pata 492 incluye una cabeza con pestaña 502,
conformada para acoplar con con el agujero de pestaña de imagen
especular 504 formado en el soporte de pata 488.
La figura 33 es una vista ampliada en sección
transversal de la chapa base 486 y la pata 492 en la zona 506 en la
figura 32. La pata 492 también puede incluir un rebaje o retén 508
en una cara inferior 510. La cara 510 acopla con el agujero 504
mientras que el retén 508 es empujado contra un pequeño saliente de
acoplamiento 512 formado en la parte superior de un pasador
empujado por muelle (no ilustrado) 514. El pasador 514 y el
saliente 512, que encajan en el retén 508, ayudan a retener la
unidad 390 en el soporte de montaje 398.
La figura 34 es una vista ampliada en sección
transversal de la zona del conjunto choke 514 en la figura 30.
La figura 35 es otra vista en perspectiva de la
unidad mejoradora ejemplar 390 con un soporte de montaje autónomo
520. El soporte 520 es sustancialmente idéntico al soporte 398, a
excepción de una chapa base ampliada 522. La chapa base ampliada
522 no tiene una forma crítica particular, pero será suficientemente
grande para soportar la unidad 390 como una unidad autónoma. Se ha
previsto que la unidad 390 sea portátil para que el usuario la
lleve a posiciones o edificios a voluntad. Para facilitar la
portabilidad de la unidad 390, se puede montar un mango 524 en los
agujeros roscados 482 y 484 (no ilustrados) en la chapa de soporte
superior 458.
La figura 36 ilustra una antena servidora
polarizada doble 424 para la unidad mejoradora ejemplar 390. La
antena ejemplar 424 incluye típicamente una placa de circuitos
impresos (PCB) 530 sobre la que se forman los parches metálicos
426, 428, 430 y 432. La señal de enlace descendente F2 en el
recorrido de enlace descendente 236 es acoplada por una red de
distribución RF 532 a los parches 426, 428, 430 y 432. La red 532
alimenta la señal F2 a cada uno de los parches 426, 428, 430 y 432
por un elemento de alimentación horizontal respectivo 534, 536, 538
y 540, que forma la porción de enlace descendente polarizada
horizontalmente 252 de la antena servidora 252 en la figura 19.
De manera análoga, la señal de enlace ascendente
F1 es recibida por los parches 426, 428, 430 y 432 y acoplada al
recorrido de enlace ascendente 274 por una red de distribución RF
542. La red 542 recibe la señal F1 de cada uno de los parches 426,
428, 430 y 432 por un elemento de alimentación vertical respectivo
544, 546, 548 y 550, que forma la porción de enlace ascendente
polarizada verticalmente 270 de la antena servidora 252.
La figura 37 ilustra una antena donante
polarizada doble 232 de la unidad mejoradora ejemplar 390. La antena
ejemplar 232 puede incluir una placa de circuitos impresos (PCB)
560 sobre la que se forman cuatro parches metálicos 562, 564, 566 y
568. La señal F2 de enlace descendente (DL) es recibida por los
parches 562, 564, 566 y 568 y acoplada al recorrido de enlace
descendente 236 por una red de distribución RF 570. Los parches
562, 564, 566 y 568 reciben la señal F2 y alimentan un elemento de
alimentación vertical respectivo 572, 574, 576 y 578, que forma la
porción de enlace descendente polarizada verticalmente 234 de la
antena donante 232 en la figura 19.
De manera análoga, la señal de enlace ascendente
F1 en el recorrido de enlace ascendente (UL) 274 es acoplada a los
parches 562, 564, 566 y 568 por una red de distribución RF 542. La
red 542 alimenta la señal F1 a cada uno de los parches 562, 564,
566 y 568 por un elemento de alimentación horizontal respectivo 582,
584, 586 y 588, que forma la porción de enlace ascendente
horizontalmente polarizada 288 de la antena donante 232.
\newpage
Se entiende que se puede usar variaciones en las
disposiciones de las redes de antenas servidora y donante para
soportar la función de mejora de la señal. Como ejemplo, se puede
usar una disposición que tenga un primer valor de espaciación de
elementos radiantes en la red de antenas servidoras y un segundo
valor de espaciación de elementos radiantes en la red de antenas
donantes. Como un segundo ejemplo, los elementos de antena servidora
se pueden colocar con una distancia lateral o desplazamiento
relativo a los elementos de antena donante y lograr el aislamiento
deseado entre las redes de antenas donante y servidora. El
desplazamiento de las redes de antenas de manera que incluya un
desplazamiento lateral entre la antena servidora y donante dará
lugar a un mayor tamaño general del paquete del mejorador de señal.
Otra variación posible es que la antena donante y la antena
servidora pueden tener una distancia de separación mayor que el
tamaño unitario de cualquier red de antenas y están interconectadas
con una o más líneas de transmisión tal como un cable coaxial como
se ilustra en las figuras 38 y 39.
Con referencia ahora a la figura 38, una unidad
mejoradora construida según una realización alternativa ejemplar
tiene porciones 600, 610, y 620 montadas en una ventana 392 en una
pared 394 de una estructura parcialmente ilustrada del edificio
396. La unidad 600 incluyendo la antena donante se colocará
generalmente junto a o en una ventana, dado que la ventana 392 es
generalmente la zona de mayor transmisión de frecuencia RF a y de
una estructura del edificio. La unidad 620 incluyendo la antena
servidora se puede colocar en una posición separada que puede estar
cerca de la unidad 600 o situarse a una distancia de menos de
treinta (30) pies con relación a la unidad 600 y típicamente dentro
de la misma habitación de un espacio interior. La unidad 600 y la
unidad 620 están conectadas con un conjunto de líneas de transmisión
RF 610 que soporta dos (2) recorridos de señal RF
independientes.
Una vista ampliada de la realización alternativa
que tiene porciones 600, 610, y 620 se ilustra en la figura 39. La
realización alternativa puede incluir porciones separadas 600 y 620
interconectadas con un conjunto de líneas de transmisión RF 610. La
realización alternativa puede ser una unidad 390 (figura 25) que
tiene porciones separables 600 y 620 interconectadas con un
conjunto de líneas de transmisión RF 610. Una o ambas porciones 600
y 620 se pueden montar en cualquier estructura utilizando un soporte
de montaje 398. La realización alternativa puede tener una o más
asas 524 (figura 35) y pedestales autónomos 520 (figura 35).
La realización alternativa que tiene porciones
600, 610, y 620 puede incluir un cable de potencia convencional
400, que se puede conectar a la salida de potencia convencional (no
ilustrada) o fuente de batería por el usuario para alimentar e
inicializar la unidad. La porción 600 tiene una estructura de
soporte 402a que soporta un radomo de lado servidor delantero
exterior 404 que es un material dieléctrico y los otros elementos de
la porción 600. La porción 620 tiene una estructura de soporte 402b
y un radomo de lado donante trasero 406 que es un material
dieléctrico y los otros elementos de la porción 620. El radomo
delantero 404 puede incluir una matriz indicadora visual 408 de
LEDs u otros indicadores ópticos, tal como una pantalla de cristal
líquido. En una variación de una realización alternativa que tiene
porciones separables 600, 610, y 620, los bastidores de soporte
402a y 402b pueden estar unidos uno a otro mediante uno o más
accesorios o sujetadores (no ilustrados) dando lugar a una unidad
montada 390 (figura 25).
En vista de lo anterior, se entenderá que la
antena donante o la antena servidora se pueden separar de una
realización ejemplar de la unidad de ampliación de señal portátil
para facilitar una instalación en la que una antena se coloca en
una posición separada de la unidad de ampliación. Para esta
instalación, la antena se conecta típicamente a la circuitería
electrónica de la unidad de ampliación por cables, típicamente
cables coaxiales o de fibra óptica, para transportar señales entre
la antena y la unidad de ampliación. Para que el usuario tenga
flexibilidad de instalación, la antena puede estar unida
extraíblemente a la caja de la unidad de ampliación para que el
usuario pueda instalar la antena separada de la caja o unida a la
caja, dependiendo de la aplicación de instalación. Por ejemplo, se
puede usar soportes convencionales para unir la antena a la caja
para movimiento de la unidad de ampliación de señal de una posición
a otra. El usuario puede soltar posteriormente estas ménsulas,
sacar la antena de la caja, e instalar la antena en una posición
separada de la unidad de ampliación ejemplar.
Aunque la invención se ha descrito en varias
realizaciones ejemplares, los expertos en la técnica apreciarán
fácilmente que se puede hacer muchas modificaciones, adiciones y
supresiones en la invención descrita y expuesta sin apartarse del
alcance de la presente invención.
Claims (14)
1. Un mejorador de señal (170, 230) para ampliar
la cobertura de servicio en un sistema de comunicaciones
inalámbricas a al menos un dispositivo de comunicaciones
inalámbricas en una zona de cobertura limitada desde una estación
base (150), incluyendo:
- un amplificador bidireccional (178, 188) incluyendo un recorrido de amplificación de señal de enlace descendente (176, 236) para generar una señal de estación base amplificada en respuesta a una señal base y un recorrido de amplificación de enlace ascendente de señal (186, 274) para generar una señal de usuario amplificada en respuesta a una señal de usuario del dispositivo de comunicaciones inalámbricas;
- una antena donante polarizada doble (172, 232), acoplada al amplificador bidireccional, incluyendo una primera porción donante polarizada (174, 234) que tiene un primer estado de polarización y una segunda porción donante polarizada (190, 288) que tiene un segundo estado de polarización ortogonal al primer estado de polarización; y
- una antena servidora polarizada doble (180, 252), acoplada al amplificador bidireccional, incluyendo una primera porción servidora polarizada (182, 254) que tiene el segundo estado de polarización y una segunda porción servidora polarizada (184, 270) que tiene el primer estado de polarización,
donde el recorrido de señal de enlace
descendente (176) está acoplado entre la primera porción donante
polarizada (174, 234) y la primera porción servidora polarizada
(182, 254); y donde el recorrido de señal de enlace ascendente
(186) está acoplado entre la segunda porción donante polarizada
(190, 288) y la segunda porción servidora polarizada (184,
270).
2. El mejorador (170, 230) definido en la
reivindicación 1, donde ambos recorridos de señal (176, 186) se
contienen en una unidad portátil de usuario y el amplificador
bidireccional (178, 188) incluye además un sistema de control de
ganancia variable para ajustar la ganancia de cada recorrido de
señal en respuesta a la detección de niveles de señal
variables.
3. El mejorador (170, 230) definido en la
reivindicación 2, donde el sistema de control de ganancia variable
es operativo para incrementar la ganancia en ambos recorridos hasta
que se logra un nivel de señal operativo predeterminado o se ha
logrado un nivel de ganancia predeterminado máximo en el recorrido
de señal de enlace descendente cuando se aplica potencia a la
unidad.
4. El mejorador (170, 230) definido en la
reivindicación 3, donde el sistema de control de ganancia variable
es operativo para supervisar el nivel de potencia de salida de al
menos el recorrido de señal de enlace descendente (176, 236) y para
disminuir el nivel de potencia para dichos dos recorridos de señal
si el nivel de potencia de salida excede de un límite
predeterminado.
5. El mejorador (170, 230) definido en la
reivindicación 3, donde el sistema de control de ganancia variable
es operativo para supervisar el nivel de potencia de salida de al
menos el recorrido de señal de enlace ascendente (186, 274) y para
disminuir el nivel de potencia para el recorrido de señal de enlace
ascendente si el nivel de potencia de salida excede de un límite
predeterminado.
6. El mejorador (170, 230) definido en la
reivindicación 2, donde el sistema de control de ganancia variable
es operativo para supervisar el nivel de potencia de salida del
recorrido de señal de enlace descendente (176, 236) y para
disminuir el nivel de potencia para ambos recorridos de señal si el
nivel de potencia de salida excede de un límite predeterminado,
siendo operativo además el control de ganancia variable para
supervisar el nivel de potencia de salida del recorrido de señal de
enlace ascendente (186, 274) y para disminuir el nivel de potencia
para el recorrido de señal de enlace ascendente si el nivel de
potencia de salida excede de un límite predeterminado.
7. El mejorador (170, 230) definido en la
reivindicación 1 incluyendo además un soporte de montaje (398) para
montar la unidad en una posición apropiada en relación a la
recepción de la señal de estación base de la estación base
(150).
8. El mejorador (170, 230) de la reivindicación
1 donde:
- la antena donante polarizada doble (172, 232) incluye una serie de elementos de antena donante (206, 207, 208, 209);
- la primera porción donante polarizada (174, 234) incluye al menos un elemento de alimentación de antena de enlace descendente asociado con cada elemento de antena donante;
- la segunda porción donante polarizada (190, 288) incluye al menos un elemento de alimentación de antena de enlace ascendente asociado con cada elemento de antena donante;
- la antena servidora polarizada doble (180, 252) incluye una serie de elementos de antena servidora;
- la primera porción servidora polarizada (182, 254) incluye al menos un elemento de alimentación de antena de enlace descendente asociado con cada elemento de antena servidora; y
- la segunda porción servidora polarizada (184, 270) incluye al menos un elemento de alimentación de enlace ascendente asociado con cada elemento de antena servidora.
9. El mejorador definido en la reivindicación 2
incluyendo además un soporte de montaje autónomo (398) para montar
el mejorador en una posición apropiada con relación a la recepción
de la señal de estación base de la estación base.
10. El mejorador definido en la reivindicación 1
donde las antenas están situadas en una disposición de espalda con
espalda una adyacente a otra.
11. El mejorador definido en la reivindicación
1, donde cada una de las antenas incluye una red de antenas que
tiene una pluralidad de radiadores de parche.
12. El mejorador definido en la reivindicación
11, donde cada una de las antenas incluye además una red de antenas
de parche parásitas espaciadas una de otra de las antenas de red
para aumentar la anchura de banda de las antenas.
13. El mejorador definido en la reivindicación
1, donde el amplificador bidireccional incluye además al menos un
filtro de paso de banda en cada uno de los recorridos de señal de
enlace ascendente y de enlace descendente, teniendo los filtros una
transmisión cero cerca de un cruce de señal para incrementar el
aislamiento entre los recorridos de señal.
14. Un mejorador de señal portátil para ampliar
la cobertura de servicio en un sistema de comunicaciones
inalámbricas, incluyendo:
- una caja que tiene un par de superficies opuestas y un tamaño y peso que soporta el movimiento de la caja a mano desde una primera posición a una segunda posición; y
- el mejorador de señal de la reivindicación 1,
donde la antena donante polarizada doble (172,
232) está montada en una de las superficies, la antena servidora
polarizada doble (180, 252) está montada en la otra superficie y el
amplificador bidireccional (178, 188) está montado dentro de la
caja.
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