FI104300B - Adaptiivinen radiojärjestelmä - Google Patents

Description

1 104300 fcj

Adaptiivinen radiojärjestelmä

Keksinnön ala

Keksintö koskee adaptiivista radiojärjestelmää ja menetelmää lähe-5 tys- ja vastaanottohaarojen osoittamiseksi radiojärjestelmässä. Radiojärjestelmä käsittää useita matkaviestimiä ja ainakin yhden tukiaseman. Radiojärjestelmässä on ainakin tukiasemalla useita toisistaan riippumattomia lähetys-ja vastaanottohaaroja signaalien välittämiseksi tukiaseman ja matkaviestimien välillä.

10

Tekniikan tausta

Oheisen piirustuksen kuviossa 1 on esitetty yksinkertaistettu matkaviestinjärjestelmän lohkokaavio. Matkaviestin MS (Mobile Station) on radioteitse kytkeytyneenä johonkin tukiasemaan BTS (Base Transceiver Sta-15 tion), kuvion 1 tapauksessa tukiasemaan BTS1. Tukiasemajärjestelmä BSS (Base Station Sub-system) koostuu tukiasemaohjaimesta BSC (Base Station Controller) ja sen alaisuudessa olevista tukiasemista BTS. Matkapuhelinkeskuksen MSC (Mobile Services Switching Centre) alaisuudessa on yleensä useita tukiasemaohjaimia BSC. Matkapuhelinkeskus MSC on yhteydessä 20 toisiin matkapuhelinkeskuksiin ja kauttakulku-MSC.n (GMSC, Gateway Mobile Services Switching Centre) kautta matkaviestinverkko liittyy muihin verkkoihin, kuten yleiseen puhelinverkkoon PSTN, toiseen matkapuhelinverkkoon PLMN tai ISDN-verkkoon ISDN. Kuvion esittämä matkaviestinjärjestelmä on esimerkiksi yleiseurooppalainen GSM-järjestelmä tai UMTS-25 järjestelmä (Universal Mobile Telecommunication System). GSM-järjestelmä on aikajakomonikäyttötekniikalla TDMA (Time Division Multiple Access) toteutettu ja UMTS-järjestelmä on esitetty toteutettavaksi aikajakomonikäyttötekniikalla TDMA tai koodijakomonikäyttötekniikalla CDMA (Code Division Multiple Access) tai näiden yhdistelmänä ns. hybridijärjestelmänä.

30 Digitaalisissa aikajakomonikäyttö TDMA-tekniikalla toteutetuissa ra diojärjestelmissä, kuten GSM- tai UMTS-järjestelmissä, voi joukko matkaviestimiä MS aikajakoisesti käyttää samaa kantoaaltotaajuutta eli radiokanavaa kommunikointiin tukiaseman BTS kanssa. Kantoaalto on jaettu peräkkäin toistuviin kehyksiin, jotka on edelleen jaettu aikaväleihin, esim. 8, 35 16 tai 64 aikaväliin, joita tarpeen mukaan allokoidaan käyttäjille. Verkon kan- 2 104300 naita katsottuna yhdellä kantoaallolla voidaan tällöin muodostaa esimerkiksi 8, 16 tai 64 liikennekanavaa. Esimerkiksi GSM-järjestelmässä kanavanleve-ys on 200 kHz ja UMTS-järjestelmässä eräs ehdotus 1,6 MHz.

Koodijakomonikäyttö CDMA radiojärjestelmissä toiminta perustuu 5 hajaspektriliikennöintiin. Lähetettävä signaali hajotetaan tilaajalle osoitetulla yksilöllisellä hajotuskoodilla, jolloin lähetys leviää laajakaistaiselle radiokanavalle, joka on esimerkiksi 1,25; 6,4 tai 20 MHz. Tällöin samalla laajakaistaisella radiokanavalla voi samanaikaisesti lähettää usea käyttäjä eri hajotus-koodeilla käsiteltyjä CDMA-signaaleja. Täten CDMA-järjestelmissä kunkin ti-10 laajan erityinen hajotuskoodi tuottaa järjestelmän liikennekanavan samassa mielessä kuin aikaväli TDMA-järjestelmissä. Vastaanottopäässä CDMA-signaali puretaan tilaajan hajotuskoodilla, jolloin saadaan tulokseksi kapeakaistainen datasignaali. Muiden tilaajien laajakaistaiset signaalit edustavat kohinaa vastaanottimessa halutun signaalin rinnalla.

15 Radiojärjestelmissä on tunnettua käyttää adaptiivisia antenneja so veltavaa ns. SDMA-tekniikkaa (Space Division Multiple Access), jossa tilaajat voidaan tukiasemalta katsottuna erotella maantieteellisen sijaintisuuntansa perusteella, kun esimerkiksi tukiasemalla säädetään antennikeiloja haluttuihin suuntiin matkaviestimien sijainnin mukaan. SDMA-tekniikan käytöllä pa-20 rannetaan siten tukiaseman BTS ja matkaviestimen MS välisen radioyhteyden signaalihäiriösuhdetta C/l ja/tai signaalikohinasuhdetta S/N, jolloin järjestelmän kokonaiskapasiteetti kasvaa. SDMA-tekniikalla myös parannetaan verkon taajuustehokkuutta, kun lähetys kohdistetaan kapealle maantieteelliselle alueelle, jolloin sama taajuus voidaan käyttää uudelleen toiselle yhtey-25 delle toisessa suunnassa jopa mahdollisesti samalla tukiasemalla. Tilaajalle kohdistetun antennikeilan ansiosta myös monitie-etenemisen radioyhteyttä häiritsevä vaikutus vähenee.

SDMA-tekniikka perustuu usean rinnakkaisen vastaanottimen ja lähettimen käyttämiseen samalla radioyhteydellä, esimerkiksi tukiaseman lä-30 hetyksessä ja vastaanotossa, ja useimmiten digitaalisesti suoritettuun sig-naaliprosessointiin. Parannus signaalihäiriösuhteeseen ja/tai signaaliko-hinasuhteeseen on yleensä sitä parempi mitä useampi rinnakkainen lähetys- ja vastaanottohaara on käytössä. Ns. adaptiivisilla antenneilla eli vaihtuva suuntakuvioisilla antenneilla ja vastaanotettujen signaalien käsittelyllä 35 seurataan tukiaseman kanssa radioyhteydessä olevia matkaviestimiä, esi- 3 104300

HI

merkiksi kohdistamalla tukiaseman antennikeila kapealle maantieteelliselle alueelle jollakin tunnetulla tavalla, esimerkiksi CDMA<järjestelmissä antenni-keila voidaan suunnata siihen suuntaan tai niihin suuntiin, joista vastaanotetaan kyseisen yhteyden parhaat signaalikomponentit.

5 Adaptiivinen antenni muodostuu useasta antennielementistä koostu vasta antenniryhmästä, jonka suuntakuviota muutetaan dynaamisesti anten-nielementtien signaaleja vaiheistamalla. Tällainen antenniryhmä voi koostua ympärisäteilevistä tai suuntaavista antennielementeistä, jotka voivat olla järjestettyjä esimerkiksi lineaarisesti tai planaarisesti. Adaptiivisen suunta-10 antennin pääkeilan ulkopuolelta saapuvat signaalit vaimenevat antennin suuntakuvion määräämässä suhteessa pääkeilasta vastaanotettuihin signaaleihin verrattuna. Adaptiivisia antenneja käytettäessä valittu matkaviestin MS voi siten lähettää signaalinsa normaalia pienemmällä lähetysteholla vastaanoton paremman antennivahvistuksen ja signaaliprosessoinnin ansi-15 osta. Lähetys- vastaanottoantennit voivat olla erillisiä tai lähetys ja vastaan otto voidaan järjestää yhteisen antennin kautta suoritettavaksi erottamalla vastaanotto- ja lähetyspiiri duplex-suodattimella toisistaan.

Adaptiivisilla antenneilla saavutetaan häiriötason aleneminen kapean antennikeilan ansiosta, kun häiriöt muilta tilaajilta vähenevät ja muille tilaajille 20 aiheutuvat häiriöt pienenevät. Samalla kasvatetaan tukiaseman peittoaluetta antennin pääkeilan suuntaan. Yksittäisen matkaviestimen MS lähettämää signaalia voidaan vastaanottaa myös useamman antennikeilan kautta, jolloin voidaan yhdistää esimerkiksi monitie-etenemisen aiheuttamat signaalikomponentit tai muutoin prosessoida eri antenneilla vastaanotettua matkaviesti-25 men signaalia esimerkiksi painottamalla vastaanotettuja signaaleja eri tavoin siten, että signaali vahvistuu muihin vastaanotettuihin signaaleihin verrattuna. Adaptiivisen antennin suuntakuviota voidaan siis muuttaa myös vastaanottamalla signaalia useamman kiinteästi suunnatun antennikeilan kautta ja painottamalla näin vastaanotettuja signaaleja sopivasti.

30 Kuvioissa 2a ja 2b on esitetty SDMA-tekniikkaa soveltavan tukiase man vastaanotto- ja lähetyspuolen lohkokaavio. Kuvioiden esimerkissä neljä rinnakkaista vastaanotto- ja lähetyshaaraa on kukin viritetty samalle kanavalle CH1 ja taajuudelle f1. SDMA-toteutuksessa rinnakkaisia lähetys- ja vastaanottohaaroja voidaan asentaa kussakin järjestelmässä tarvittava lu-35 kumäärä. Kasvattamalla rinnakkain asennettujen lähetys- ja vastaanottohaa- 4 104300 rojen lukumäärää pystytään antennikeila kohdistamaan kapeammalle maantieteelliselle alueelle ja samalla ulottamaan peittoalue etäämmälle tukiasemasta. Kuviossa 2a havainnollistetaan neljästä vastaanottohaarasta koostuvan tukiaseman rakennetta. Kuvion 2a vastaanottopuolen lohkokaaviossa 5 kaikilla neljällä vastaanottohaaralla on yhteinen signaalinprosessointiyksikkö 201, jossa signaaleja prosessoidaan halutulla tavalla siten, että signaalinpro-sessointiyksiköltä 201 viedään vain yksi prosessoitu signaali CH1 tukiaseman muihin osiin. Seuraavassa selostetaan lähemmin kuvion 2a yhden vastaanottohaaran rakennetta. Vastaanottohaara vastaanottaa halutusta 10 suunnasta taajuuden f1 radiosignaalin antennilla 202. Vastaanotettu signaali viedään kaistanpäästösuodattimelle 206 ja vahvistimelle 210. Seuraavaksi signaali muunnetaan alemmalle taajuudelle sekoittajassa 214 kertomalla se paikallisoskillaattorin 218 ulostulotaajuudella. Muunnettu signaali viedään kaistanpäästösuodattimen 222 kautta A/D-muuntimelle 226 analogisesta di-15 gitaaliseen muotoon muuntamista varten. Näin muokattu signaali johdetaan vastaanottohaarojen yhteiselle signaalinprosessointiyksikölle 201, jossa sitä voidaan prosessoida halutulla tavalla. Muiden kuviossa esitettyjen tukiaseman vastaanottohaarojen rakenne on edellä selostetun kaltainen.

Kuviossa 2b havainnollistetaan vastaavasti neljästä lähetyshaarasta 20 koostuvan tukiaseman rakennetta. Kuvion 2b kaikilla neljällä lähetyshaaralla on yhteinen signaalinprosessointiyksikkö 235, johon lähetettävä signaali CH1 tuodaan tukiaseman muilta osilta. Signaalia prosessoidaan signaalinproses-sointiyksikössä 235 halutulla tavalla ja lähetettävä signaali viedään neljään lähetyshaaraan, joista seuraavassa selostetaan lähemmin yhden lähetys-25 haaran rakenne. Lähetyshaara käsittää D/A-muuntimen 239, jossa signaali muunnetaan analogiseen muotoon. Analoginen signaali viedään sekoittajalle 243, jossa se kerrotaan paikallisoskillaattorin 247 ulostulotaajuudella ja siten muunnetaan lähetettävälle radiotaajuudelle, kuvion 2b tapauksessa taajuudelle f1. Muunnettu signaali viedään vahvistimen 251 ja kaistanpääs-30 tösuodattimen 255 kautta antennille 259, josta se lähetetään radiotielle. Tukiaseman muiden lähetyshaarojen rakenne on edellä selostetun kaltainen.

Kuviossa 3 on esitetty edellä kuvioissa 2a ja 2b esitettyjen tu-kiasemayksiköiden antennien suuntakuvio. Kuviossa 3 on esitetty kuvion 2a neljän antennielementin 202 - 205 muodostaman antenniryhmän vastaan-35 oton tai kuvion 2b neljän antennielementin 259 - 262 muodostaman antenni- 5 104300 u ryhmän lähetyksen suuntakuvio siten, että vaaka-akselilla on esitetty suuntakulma Θ ja pystyakselilla amplitudi A. Suuntakuvion amplitudi ja keilanleveys riippuu esimerkiksi antenniin kuuluvien antennielementtien lukumäärästä siten, että mitä enemmän antennielementtejä antenniin kuuluu, sitä kapeampi 5 suuntakeila ja suurempi amplitudi pääsäteilysuuntaan antennilla saadaan aikaan. Kuvion 3 suuntakuvio on siten keilanleveydeltään kapeampi ja pääsäteilysuuntaan amplitudiltaan suurempi kuin yhden yksittäisen antenniele-mentin suuntakuvio.

Ongelmana tekniikan tason mukaisissa adaptiivisia antenneja so-10 voitavissa järjestelmissä on se, että niiden maksimisuorituskyvyn vaatima useiden rinnakkaisten vastaanottimien ja lähettimien kokoonpano on kallis toteuttaa ja siten vain harvoin kannattavaa. Lisäksi verkon normaalikuormi-tuksen aikana tehokas signaalinkäsittely ei aina ole tarpeen, sillä vain saavutetaan liian hyvä yhteys rajatulle joukolle matkaviestimiä. SDMA-15 sovellutusten vaatima laitteisto on myös suurikokoinen, jolloin se vie runsaasti tilaa asennuspaikalla.

Keksinnön lyhyt yhteenveto Tämän keksinnön tarkoituksena on toteuttaa adaptiivinen radiojär-20 jestelmä, jossa mahdollisimman pienellä laitekokoonpanolla voidaan tarjota riittävää palvelun laatua mahdollisimman monelle tilaajalle samanaikaisesti.

Tämä saavutetaan johdannossa esitetyn tyyppisellä radiojärjestelmällä, jolle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista se, mitä on sanottu itse-.. näisessä patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön erityisiä suoritusmuotoja on 25 esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön kohteena on lisäksi menetelmä lähetys- ja vastaanotto-haarojen osoittamiseksi radiojärjestelmässä, jolle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista se, mitä on sanottu itsenäisessä patenttivaatimuksessa 9.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että radiojärjestelmässä osoi-30 tetaan toisistaan riippumattomia lähetys- ja vastaanottohaaroja dynaamisesti tukiaseman ja matkaviestimen välisten signaalien välitykseen siten, että riittävä signaalilaatu kullakin liikennekanavalla ja ohjauskanavalla saavutetaan mahdollisimman usealle tilaajalle. Dynaamista lähetys- ja vastaanottohaaro-jen osoittamista voidaan siten käyttää verkon kapasiteetin paikalliseen kas-35 vattamiseen. Täten radiojärjestelmän maksimisuorituskykyä varten suunni- 6 104300 teltu laitteistokokoonpano saadaan mahdollisimman tehokkaaseen käyttöön silloin, kun maksimisuorituskykyä ei radiojärjestelmässä tarvita. Keksinnön mukaisella radiojärjestelmällä signaalin välitykseen ei käytetä liian tehokasta laitteistokokoonpanoa, vaan kyseisen signaalin välityksessä tarpeettomat lä-5 hetys- ja vastaanottohaarat voidaan käyttää järjestelmän muiden signaalien välitykseen. Keksinnön mukaisessa adaptiivisessa radiojärjestelmässä kytketään kunkin signaalin välitykseen vähintään signaalin tarvitsema lukumäärä rinnakkaisia lähetys- ja vastaanottohaaroja. Tämä dynaaminen lähetys- ja vastaanottohaarojen osoittaminen aikaansaa erilaista mahdollisesti yhteyk-10 sittäin ja esimerkiksi TDMA-järjestelmässä aikaväleittäin sekä kanavalajeit-tain muuttuvia antennikeiloja.

Keksintö on erittäin edullinen, kun matkaviestinjärjestelmä on aikaja-koinen ja kun modulaation lähetyskaistanleveys voi vaihdella tilaaja- ja/tai kanavakohtaisesti, esimerkiksi ns. vaihtuvataajuuskaistaisessa multirate-15 järjestelmässä, kuten mahdollisessa GSM/UMTS-yhdistelmässä.

Tällaisen adaptiivisen radiojärjestelmän etuna on se, että tukiaseman kapasiteettia voidaan kasvattaa vastaanottimia tai lähettimiä laitteistoon lisäämättä. Tällöin tukiasema voi palvella useampaa matkaviestintilaajaa samanaikaisesti.

20 Edelleen keksinnön mukaisen radiojärjestelmän etuna on se, että tarvittaessa joillekin tilaajille voidaan yhteyskohtaisesti tarjota normaalia parempilaatuinen kanava.

Lisäksi keksinnön mukaisen radiojärjestelmän etuna on järjestelmän luotettavuus laitteiston vikatilanteissa, kun keksinnön mukaisesti voidaan 25 suorittaa laitteiston joustava uudelleenkonfigurointi.

Kuvioluettelo

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä viitaten kuvioiden 4a - 10 mukaisiin esimerkkeihin oheisissa piirus-30 tuksissa, joissa: .: kuvio 1 esittää matkaviestinverkon oleellisia osia; kuviot 2a ja 2b esittävät tekniikan tason mukaisen SDMA-tekniikalla toteutetun tukiaseman vastaanotto-ja lähetyspuolen lohkokaaviona; kuvio 3 esittää kuvioiden 2a ja 2b mukaisen tukiasemalaitteistokokoonpanon 35 säteilysuuntakuvion; 7 104300 kuviot 4a ja 4b esittävät keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon mukaisen adaptiivisen radiojärjestelmän tukiaseman vastaanotto- ja lähetys-puolen lohkokaaviona; kuviot 5a ja 5b esittävät keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon mukaisen 5 radiojärjestelmän erään lähetys- ja vastaanottokokoonpanon esi- merkkitoteutuksen TDMA-järjestelmän yhdessä aikavälissä; kuvio 6 esittää kuvioiden 5a ja 5b mukaisen tukiasemalaitteistokokoonpanon säteiiysuuntakuviot; kuvio 7 esittää kuvioiden 5a ja 5b mukaisen tukiasemalaitteiston antennikei- 10 lat tukiaseman peittoalueina; kuviot 8a ja 8b esittävät keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon mukaisen radiojärjestelmän erään toisen lähetys- ja vastaanottokokoonpanon esimerkkitoteutuksen TDMA-järjestelmän yhdessä aikavälissä; kuvio 9 esittää kuvioiden 8a ja 8b mukaisen tukiasemalaitteistokokoonpanon 15 säteiiysuuntakuviot; ja kuvio 10 esittää solukkorakenteena keksinnön mukaisen radiojärjestelmän yhden solun kapasiteetin laajennuksen.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus 20 Esillä olevaa keksintöä voidaan soveltaa minkä tahansa matkavies tinjärjestelmän yhteydessä, jossa on käytössä SDMA-tekniikka. Jäljempänä keksintöä on lähemmin selostettu esimerkinomaisesti etupäässä TDMA-järjestelmän, yleiseurooppalaisen digitaalisen GSM-matkaviestinjärjestel-män, yhteydessä. Kuviossa 1 on esitetty aiemmin selostettu yksinkertaistettu 25 matkaviestinverkon rakenne. GSM-järjestelmän tarkemman kuvauksen osalta viitataan GSM-suosituksiin sekä kirjaan 'The GSM System for Mobile Communications", M. Mouly & M. Pautet, Palaiseau, France, 1992, ISBN:2-9507190-0-7.

Seuraavassa keksintöä selostetaan tarkemmin keksinnön ensisijai-30 sen suoritusmuodon valossa viitaten kuvioihin 4a ja 4b.

Kuvio 4a esittää keksinnön mukaisen adaptiivisen radiojärjestelmän tukiaseman vastaanottopuolen lohkokaaviona esimerkinomaisesti, kun vas-taanottopuoli käsittää neljä toisistaan riippumatonta vastaanotinhaaraa. Kuvioon 4a on merkitty tekniikan tason kuvauksessa selostetun kuvion 2a loh-35 koja vastaavat vastaanotinhaarojen lohkot samoilla viitenumeroilla kuin kuvi- 8 104300 ossa 2a. Keksinnön mukainen vastaanottopuolen lohkokaavio eroaa tekniikan tason yhteydessä selostetusta lohkokaaviosta signaalinprosessointiosi-on ja sen ohjauksen osalta. Signaali vastaanotetaan radiotieltä antenneilla 202 - 205, jonka jälkeen sitä muokataan kunkin vastaanottohaaran lohkoissa 5 206 - 226 aiemmin tekniikan tason yhteydessä selostetulla tavalla. Muokattu signaali viedään esillä olevan keksinnön mukaiseen signaalinprosessointi-lohkoon 401 prosessoitavaksi. Esillä olevan keksinnön mukaisesti ohjausyksikkö 402 ohjaa signaalinprosessointilohkoa 401, joka käsittää dynaamisesti vastaanottohaaroihin kytkettävissä olevia sinällään tunnettuja signaalinpro-10 sessointiyksiköitä. Ohjausyksikön 402 ohjaukselle vasteellisena signaalin-prosessointilohko 401 kytkee dynaamisesti, esimerkiksi liikennekanava- ja ohjauskanavakohtaisesti, signaalinprosessointiyksiköitä vastaanottohaaroihin esimerkiksi rinnakkaista vastaanottoa varten. Täten kuviossa 4a esitetty signaalinprosessointilohko 401 käsittää useita signaalinprosessointiyksiköitä, 15 joita kytketään A/D-muuntimien 226 - 229 ulostuloon kulloinkin sopivalla tavalla. Signaalinprosessointilohko 401 käsittää edullisesti yhtä monta signaa-linprosessointiyksikköä kuin tukiasemakokoonpanossa on vastaanottohaa-roja, kuvion 4a tapauksessa edullisesti neljä kappaletta. Signaalinproses-sointilohkon 401 signaalinprosessointiyksiköiltä prosessoitu signaali viedään 20 linjalla 403 tukiaseman muihin osiin.

Kuvio 4b esittää keksinnön mukaisen adaptiivisen radiojärjestelmän tukiaseman lähetyspuolen lohkokaaviona esimerkinomaisesti, kun lähetys-puoli käsittää neljä toisistaan riippumatonta lähetyshaaraa. Kuvioon 4b on merkitty kuvion 2b lohkoja vastaavat lohkot samoilla viitenumeroilla. Keksin-25 nön mukainen lähetyspuolen lohkokaavio eroaa tekniikan tason mukaisesta rakenteesta signaalinprosessointiosion ja sen ohjauksen osalta. Tukiaseman muilta osilta tuodaan lähetettävä signaali linjalla 407 keksinnön mukaiseen signaalinprosessointilohkoon 405, joka käsittää sinällään tunnettuja signaalinprosessointiyksiköitä. Ohjausyksiköllä 406 ohjataan signaalinprosessointi-30 lohko 405 muodostamaan haluttu kytkentä signaalinprosessointiyksiköiden ja D/A-muuntimien 239 - 242 välille. Lähetyshaaroja kytketään, esimerkiksi lii-kennekanaville ja ohjauskanaville, tarvittava lukumäärä. Lähetettävä signaali muokataan lähetyshaarojen lohkoissa 239 - 255 aiemmin tekniikan tason yhteydessä selostetulla tavalla ja lähetetään antenneilla 259 - 262 radiotielle. 35 Signaalinprosessointilohko 405 käsittää edullisesti tukiasemakokoonpanon 9 104300 lähetyshaarojen lukumäärää vastaavan lukumäärän signaalinprosessointiyk-siköitä, kuvion 4b tapauksessa edullisesti neljä kappaletta.

Keksinnön muissa suoritusmuodoissa keksinnön mukainen toiminnallisuus voidaan toteuttaa esimerkiksi yhdistetyillä lähetys- ja vastaanotto-5 antennielementeillä ja/tai yhdistetyllä lähetys- ja vastaanottopuolen signaa-linprosessointilohkolla ja siihen liittyvällä ohjauksella.

Kuviot 5a ja 5b havainnollistavat keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon erästä esimerkkitoteutusta TDMA-järjestelmän yhdessä aikavälissä, kun tukiasemalla on kahdeksan toisistaan riippumatonta lähetys- ja vastaan-10 ottohaaraa. Tässä esimerkkitapauksessa kuvioiden 4a ja 4b signaalinpro-sessointilohkojen 401 ja 405 käsittämät signaalinprosessointiyksiköt on ohjausyksikön 402 ja 406 ohjaamana kytketty tukiaseman lähetys- ja vastaan-ottohaaroihin siten, että kaksi haaraa on kytketty yksinään kumpikin omaan signaalinprosessointiyksikköönsä 501, 502 ja 510, 511, kaksi rinnakkaista 15 haaraa on kytketty yhteen signaalinprosessointiyksikköön 503 ja 512 ja neljä rinnakkaista haaraa on kytketty signaalinprosessointiyksikköön 504 ja 513. Yksittäiset lähetys- ja vastaanottohaarat on viritetty taajuuksille f1 ja f2, kaksi . rinnakkaista haaraa taajuudelle f3 ja neljä rinnakkaista haaraa taajuudelle f4.

Kuvioiden 5a ja 5b kokoonpanolla voidaan tukiasemalla siis palvella yhdessä 20 aikavälissä neljää matkaviestintilaajaa vähintään kunkin tilaajan tarvitsemalla palvelutasolla. Palveltavien tilaajien lukumäärää on siis keksinnön mukaisella toiminnallisuudella kasvatettu verrattuna tekniikan tason mukaiseen yhden tilaajan palvelemiseen hyvällä palvelutasolla.

Kuviossa 6 on esitetty kuvioiden 5a ja 5b esittämän esimerkkitapa-25 uksen antennien suuntakuviot siten, että vaaka-akselilla on esitetty suuntakulma Θ ja pystyakselilla amplitudi A. Kuvion 6 taajuuksilla f1 ja f2 merkityt yhden elementin antennien suuntakuviot levittäytyvät laajaan suuntakulmaan pienellä amplitudilla. Kahden rinnakkaisen vastaanottohaaran kahdesta an-tennielementistä muodostuvan antenniryhmän suuntakuvio on kuviossa . 30 merkitty taajuudella f3 ja neljän rinnakkaisen vastaanottohaaran neljän an- tennielementin muodostaman antenniryhmän suuntakuvio taajuudella f4. Kuviosta havaitaan, että antennikeila kapenee ja pääsäteilysuunnan amplitudi kasvaa antennielementtien lukumäärän kasvaessa.

Kuviossa 7 on esitetty kuvion 6 suuntakuviot tukiaseman BTS peitto-35 alueina. Taajuuksien f1 ja f2 leveät ja lyhyenkantaman peltoalueet soveltu- 10 104300 vat tukiaseman lähellä sijaitsevien matkaviestimien MS1 ja MS2 palvelemiseen. Taajuuden f3 antennikeilalla pystytään tarjoamaan palvelua hieman kauempana sijaitsevalle matkaviestimelle MS3 ja kapealle maantieteelliselle alueelle kohdistetulla taajuuden f4 antennikeilalla voidaan palvella tukiase-5 masta BTS kaukana sijaitsevaa matkaviestintä MS4.

Kuviot 8a ja 8b esittävät keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon erään toisen esimerkkitoteutuksen TDMA-järjestelmässä yhdessä aikavälissä, kun tukiasemalla on neljä toisistaan riippumatonta lähetys- ja vastaanot-tohaaraa. Kuvion 8a esimerkkitapauksessa kaksi rinnakkaista vastaanotto-10 haaraa on kytketty yhteen signaalinprosessointiyksikköön 801. Nämä vas-taanottohaarat on viritetty radiotaajuudelle f1. Toiset kaksi rinnakkaista vas-taanottohaaraa on kytketty toiseen signaalinprosessointiyksikköön 802 ja viritetty radiotaajuudelle f2. Vastaavasti kuvion 8b esimerkkitapauksessa kaksi rinnakkaista lähetyshaaraa on kytketty yhteen signaalinprosessointiyk-15 sikköön 803. Nämä lähetyshaarat on viritetty radiotaajuudelle f1. Toiset kaksi rinnakkaista lähetyshaaraa on kytketty toiseen signaalinprosessointiyksikköön 804 ja viritetty radiotaajuudelle f2.

Kuviossa 9 on esitetty kuvioiden 8a ja 8b esimerkkitapausten anten- » nien suuntakuviot siten, että vaaka-akselilla on jälleen suuntakulma Θ ja 20 pystyakselilla amplitudi A. Taajuuksien f1 ja f2 kahdesta antennielementistä muodostuvan antenniryhmän suuntakuviot ovat toistensa kaltaiset.

Vastaavasti kuten edellä esitetyissä esimerkkitapauksissa on esitetty kytketään keksinnön mukaisen adaptiivisen radiojärjestelmän kokoonpano dynaamisesti esimerkiksi aikaväli- tai hajotuskoodikohtaisesti siten, että rin-25 nakkainkytketyillä lähetys- ja vastaanottohaaroilla saavutetaan kulloinkin toi-votunkaltainen antennien keilakuvio ja solupeitto. Tukiaseman neljä rinnakkaista vastaanotto- ja lähetyshaaraa voidaan esimerkiksi virittää kukin omalle kanavalleen CH1 - CH4, jotka ovat taajuuksilla f1 - f4, jolloin kokoonpano muodostaa siis neljä itsenäistä lähetys- ja vastaanottohaaraa, joilla voidaan . 30 hoitaa samanaikaisesti esimerkiksi neljä eri radioyhteyttä tukiaseman BTS ja matkaviestimien MS välillä.

Keksinnön mukainen lähetys- ja vastaanottohaarojen dynaaminen rinnakkainkytkentä soveltuu käytettäväksi erilaisten ohjauskriteerien kanssa. Tällaisia ohjauskriteereitä ovat esimerkiksi signaalinlaatu, kanavanleveys, 35 verkon kapasiteetti ja/tai kanavalaji. Ohjauskriteerejä voidaan käyttää kutakin „ 104300 yksinään tai kriteereitä sopivasti yhdistellen. Seuraavassa tarkastellaan lähemmin edellä esimerkinomaisesti mainittujen ohjauskriteerien soveltamista keksinnön mukaiseen toiminnallisuuteen.

Signaalin laadun mittana voidaan käyttää esimerkiksi vastaanotettua 5 signaalivoimakkuutta, bittivirhesuhdetta BER tai signaalikohinasuhdetta. Siten esimerkiksi tukiasemalla voidaan mitata matkaviestimen lähettämän signaalin laatu ja määrittää signaalille tarvittava laatu, esimerkiksi käytettävän palvelun perusteella. Keksinnön mukaisella adaptiivisella radiojärjestelmällä sitten osoitetaan kyseisen matkaviestimen yhteydelle sopiva määrä rinnak-10 kaisia lähetys- ja vastaanottohaaroja, jotta ainakin tarvittava signaalinlaatu yhteydellä saavutettaisiin. Tällöin keksinnön mukaisella adaptiivisella radiojärjestelmällä adaptoidutaan yhteyden laatuun.

Kanavanleveyden perusteella suoritettava lähetys- ja vastaanotto-haarojen dynaaminen osoittaminen perustuu siihen, että leveän kanavan 15 keskimääräistä suuremman bittinopeuden seurauksena lähetyksessä on vähemmän energiaa bittiä kohti, jolloin leveäkanavaisen lähetyksen kantama on keskimääräistä lyhyempi. Tämän kompensoimiseksi voidaan keksinnön mukaisessa adaptiivisessa radiojärjestelmässä osoittaa tällaiselle le-veäkanavaiselle lähetykselle, esimerkiksi UMTS-lähetykselle, usea lähetys-20 ja vastaanottohaara, jolloin kapean antennikeilan ja suuremman antennivah-vistuksen ansiosta signaalivoimakkuus kasvaa ja häiriöt antennikeilan ulkopuolelle pienenevät. Vaihtoehtoisesti usean lähetys- ja vastaanottoajan käytöllä voidaan saavuttaa hyöty monivastaanottoprosessoinnin avulla. Vastaavasti kapeakaistaiselle signaalin välitykselle voidaan osoittaa esimer-25 kiksi vain yksi tai muutama lähetys- ja vastaanottohaara.

Kuvio 10 esittää erään solukkorakenteen, jossa keksinnön mukaisella adaptiivisella radiojärjestelmällä on paikallisesti kasvatettu verkon kapasiteettia. Kukin kuviossa esitetty kuusikulmio edustaa tukiaseman yhtä solua, joissa jokaisessa on kahdeksan lähetys- ja vastaanottohaaraa sekä 30 siten myös kahdeksan antennielementtiä. Suurimmassa osassa kuvion soluista on tekniikan tason mukaisella SDMA-tekniikalla kytketty kaikki kahdeksan antennielementtiä yhdeksi antenniryhmäksi, jonka suunnattavalla kapealla antennikeilalla peitetään solun alue. Antennikeila suunnataan palveltavalle matkaviestimelle jollakin tekniikan tasosta tunnetulla menetelmällä. 35 Näissä soluissa on käytössä yksi taajuus A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2 tai 12 104300 C3 ja siten rajallinen määrä kanavia liikennöintiä varten. Mikäli jossakin kohtaa verkossa tarvitaankin enemmän kapasiteettia kuin mitä yksi taajuus pystyy tarjoamaan, voidaan esillä olevan keksinnön mukaisessa adaptiivisessa radiojärjestelmässä kyseisessä solussa dynaamisesti osoittaa lähetys- ja 5 vastaanottohaaroja taajuutta kohti vähemmän, jolloin solussa voidaan ottaa useampi taajuus käyttöön, kuten kuvion 10 yhdessä solussa a on esitetty. Tässä solussa a voidaan esimerkiksi ottaa kolme taajuutta A1, A2 ja A3 käyttöön ja osoittaa käytettävissä olevat kahdeksan lähetys- ja vastaanotto-haaraa näiden kesken sopivasti. Tällöin kanavakapasiteetti solussa a kol-10 minkertaistuu ja tilaajille voidaan tarjota verkon palveluita luotettavammin ja laajemmin. Kuten kuviossa on esitetty, levenee antennikeila solussa a tämän paikallisen jäljestetyn vuoksi, mutta koska muissa soluissa on edelleen käytössä kahdeksan antennielementin antenniryhmä, ei tämä järjestely aiheuta verkossa ylimääräisiä radiohäiriöitä. Kun kapasiteettitarve solussa a piene-15 nee aiemmalle tasolle, voidaan lähetys- ja vastaanottohaarat esimerkiksi jälleen virittää kaikki samalle taajuudelle ja muodostaa kaikilla kahdeksalla an-tennielementillä antenniryhmän kapea skannaava antennikeila. Täten siis keksinnön mukaisella adaptiivisella radiojärjestelmällä voidaan järjestelmän kapasiteettia paikallisesti kasvattaa lisäämättä lähettimiä tai vastaanottimia 20 tukiaseman laitteistokokoonpanoon.

Lähetys- ja vastaanottohaarojen dynaamisessa osoittamisessa ka-navalajilla on merkitystä siinä mielessä, että downlink-suuntaisille ohjauska-naville on edullista osoittaa vain yksi lähetyshaara, koska ohjauskanavalla ei silloin ole uplink-suuntaista paluukanavaa, eikä matkaviestimen sijaintia täl-25 löin pystytä määrittämään eikä siis voida suunnata antennikeilaa tarkasti matkaviestimelle. Tällöin osoitetaan yksi tukiaseman antennielementeistä ohjauskanavan lähetykseen ohjauskanavan taajuudella ja aikavälissä. Täten keksinnön mukaisessa adaptiivisessa radiojärjestelmässä voidaan lähetys- ja vastaanottohaaroja osoittaa dynaamisesti liikennekanaville esimerkiksi jonkin 30 edellä esitetyn kriteerin perusteella ja osoittaa yksisuuntaisille ohjauskana-ville vain yksi lähetyshaara ja siten yksi antennielementti.

Esillä olevan keksinnön mukainen adaptiivinen radiojärjestelmä tarjoaa joustavan tavan osoittaa lähetys- ja vastaanottohaaroja signaalien välitykseen tarpeen mukaan ja siten kasvattaa verkon kapasiteettia. Adaptiivi-35 sessa radiojärjestelmässä tukiasemien laitteistokokoonpano suunnitellaan 13 104300 edelleen verkolta vaadittavan maksimisuorituskyvyn mukaan ja sen perusteella, kuinka monta kapeakaistaista kanavaa tukiaseman tulee samanaikaisesti kyetä tarjoamaan. Näin suunnitellun laitteistokokoonpanon dynaaminen osoittaminen keksinnön mukaisesti, esimerkiksi eri palveluille tai eri tilaajille, 5 parantaa laitteiston suorituskykyä, kun verkossa ei ole maksimikuormitusta.

Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan voi keksinnön mukainen adaptiivinen radiojärjestelmä vaihdella patenttivaatimusten puitteissa. Vaikka keksintöä onkin edellä selitetty lähinnä tukiaseman adaptiivisten antennien yh-10 teydessä, voidaan sitä käyttää muidenkin adaptiivisten antennien yhteydessä, esimerkiksi matkaviestimessä. Keksintöä on edellä selostettu vain esimerkinomaisesti aikajakomonipääsytekniikalla toteutetun TDMA-järjestelmän yhteydessä ja on selvää, että keksintö soveltuu käytettäväksi myös muiden monipääsytekniikalla toteutettujen järjestelmien yhteydessä, esimerkiksi 15 CDMA-järjestelmissä. Keksintöä voidaan käyttää myös WLL-järjestelmissä (Wireless Local Loop). Tässä hakemuksessa matkaviestimellä ja tukiasemalla tarkoitetaan yleisesti tilaajan päätelaitetta ja sen kanssa radioyhteyden muodostamiseen kykenevää verkon yksikköä, kuten esimerkiksi langattoman järjestelmän terminaalia ja kiinteää osaa.

Claims (18)

1. Adaptiivinen radiojärjestelmä, joka käsittää useita matkaviestimiä (MS) ja ainakin yhden tukiaseman (BTS), ja jossa radiojärjestelmässä on ainakin tukiasemalla (BTS) useita toisistaan riippumattomia lähetys- ja vas- 5 taanottohaaroja signaalien välittämiseksi tukiaseman (BTS) ja matkaviestimien (MS) välillä, ja joka radiojärjestelmä käsittää ensimmäiset elimet (401, 405) mainittujen lähetyshaarojen ja vastaanottohaarojen rinnakkain kytkemiseksi, tunnettu siitä, että radiojärjestelmä käsittää lisäksi toiset elimet (402, 406) yksittäiselle signaalille varattavien rinnakkaisten lähetys- ja vas-10 taanottohaarojen lukumäärän määrittämiseksi ennalta määrättyjen kriteerien perusteella, jotka toiset elimet on sovitettu ohjaamaan mainittuja ensimmäisiä elimiä tietyn lukumäärän rinnakkaisia lähetys- ja vastaanottohaaroja osoittamiseksi dynaamisesti yksittäisen signaalin välitykseen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen radiojärjestelmä, tunnettu 15 siitä, että ensimmäiset elimet käsittävät signaalinprosessointilohkon (401, 405. lähetyshaarojen ja vastaanottohaarojen signaalien käsittelyä varten ja toiset elimet käsittävät ohjausvälineet (402, 406) signaalinprosessointilohkon (401, 405) ohjaamiseksi yhden tai useamman rinnakkaisen lähetys- tai vas-taanottohaaran signaalinkäsittelyn rinnakkain kytkemiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen radiojärjestelmä, tunnettu siitä, että ohjausvälineet (402, 406) ovat vasteellisia välitettävän signaalin laadulle.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen radiojärjestelmä, tunnettu siitä, että ohjausvälineet (402, 406) ovat vasteellisia välitettävän sig- « 25 naalin kanavanleveydelle.

5. Patenttivaatimuksen 2, 3 tai 4 mukainen radiojärjestelmä, tunnettu siitä, että ohjausvälineet (402, 406) ovat vasteellisia radioverkon kuormitukselle.

6. Patenttivaatimuksen 2, 3, 4 tai 5 mukainen radiojärjestelmä, 30 tunnettu siitä, että ohjausvälineet (402, 406) ovat vasteellisia signaalin välitykseen käytettävälle kanavalajille.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen radiojärjestelmä, tunnettu siitä, että radiojärjestelmä on sovitettu tukiaseman (BTS) lähetys-ja vastaanottohaarojen rinnakkain kytkemiseksi ja lukumäärältään dynaami- is 104300 sesti osoittamiseksi usealle yhtäaikaiselle toisistaan riippumattomalle yhteydelle signaalien välittämiseksi tukiaseman ja matkaviestimien (MS) välillä.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen radiojärjestelmä, tunnettu siitä, että mainitut yhtäaikaiset yhteydet ovat keskenään eri taajuuksilla.

9. Menetelmä lähetys- ja vastaanottohaarojen osoittamiseksi radio järjestelmässä, joka käsittää useita matkaviestimiä (MS) ja ainakin yhden tukiaseman (BTS), ja jossa radiojärjestelmässä on ainakin tukiasemalla useita toisistaan riippumattomia lähetys- ja vastaanottohaaroja tukiaseman (BTS) ja matkaviestimien (MS) väliseen signaalien välitykseen, tunnettu siitä, että 10 menetelmässä määritetään tukiaseman (BTS) ja matkaviestimen (MS) väliseen signaalin välitykseen varattavien rinnakkaisten lähetys- ja vastaanottohaarojen lukumäärä ennalta määrättyjen kriteerien perusteella, ja osoitetaan tukiaseman ja matkaviestimen väliseen signaalin välityk- 15 seen mainittuja lähetys-ja vastaanottohaaroja lukumäärältään dynaamisesti mainittujen määritysten perusteella.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä määritetään tukiaseman (BTS) ja matkaviestimen (MS) välisen yhteyden signaalilaatu ja määritetään kyseisellä yhteydellä tarvittava signaalilaatu, 20 tunnettu siitä, että osoitetaan kyseiselle yhteydelle lähetys- ja vastaanottohaaroja vähintään sellainen lukumäärä, jolla tarvittava signaalilaatu saavutetaan yhteydellä.

11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että osoitetaan tukiaseman (BTS) ja matkaviestimen (MS) väliselle yh- 25 teydelle käytettävän kanavanleveyden perusteella lähetys- ja vastaanotto-haaroja vähintään sellainen lukumäärä, jolla yhteyden signaalinlaatu on riittävä.

12. Patenttivaatimuksen 9, 10 tai 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vähennetään tukiaseman (BTS) ja matkaviestimen (MS) 30 väliselle yhteydelle osoitettavien rinnakkaisten lähetys- ja vastaanottohaarojen lukumäärää, kun verkon kuormitus ylittää ennalta asetetun kynnysarvon.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 9-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että osoitetaan liikennekanavalle yhteyskohtaisesti ja ohjauska-navalle yksilöllinen vähintään kunkin palvelun tarvitsema lukumäärä lähetys- 35 ja vastaanottohaaroja. • ie 104300

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että osoitetaan lähetys-ja vastaanottohaaroja aikaväleittäin.

14 104300

15. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että osoitetaan lähetys-ja vastaanottohaaroja hajotuskoodeittain.

16. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että osoitetaan ohjauskanavalle yksi lähetyshaara.

17. Jonkin patenttivaatimuksen 9-16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että osoitetaan tukiaseman (BTS) lähetys- ja vastaanottohaaroja lukumäärältään dynaamisesti usealle yhtäaikaiselle toisistaan riippu- 10 mattomalle tukiaseman (BTS) ja matkaviestimien (MS) väliselle yhteydelle.

18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että osoitetaan tukiaseman (BTS) lähetys- ja vastaanottohaaroja lukumäärältään dynaamisesti usealle yhtäaikaiselle tukiaseman (BTS) ja matkaviestimien (MS) väliselle yhteydelle, jotka ovat keskenään eri taajuuksilla. 15 17 104300