FI105512B - Menetelmä kulmatoisteen aikaansaamiseksi sekä tukiasemalaitteisto - Google Patents

Description

V

105512

Menetelmä kulmatoisteen aikaansaamiseksi sekä tukiasema- laitteisto

Keksinnön kohteena on menetelmä kulmatoisteen ai-5 kaansaamiseksi solukkoradiojärjestelmän tukiasemassa, joka järjestelmä käsittää kussakin solussa ainakin yhden tukiaseman, joka on yhteydessä alueellaan oleviin liikkuviin asemiin, ja joka tukiasema lähettää datasignaalia liikkuville asemille ajallisesti muuttuvia antennikeiloja käyt-10 täen.

Esillä oleva keksintö soveltuu käytettäväksi mitä tahansa monikäyttömenetelmää soveltavassa tiedonsiirtojärjestelmässä, mutta erityisesti koodijakomonikäyttöä hyödyntävässä solukkoradiojärjestelmässä. Koodijakomoni-15 käyttö, CDMA (Code Division Multiple Access) on hajas-pektritekniikkaan perustuva monikäyttömenetelmä, jota on viime aikoina ryhdytty soveltamaan solukkoradiojärjestel-missä aiempien FDMArn ja TDMA:n ohella. CDMArlla on useita etuja verrattuna aiempiin menetelmiin, kuten esimerkiksi 20 spektritehokkuus ja taajuussuunnittelun yksinkertaisuus.

Eräs esimerkki tunnetusta CDMA-järjestelmästä on laajakaistainen solukkoradiostandardi EIA/TIA IS-95.

CDMA-menetelmässä käyttäjän kapeakaistainen datasig-naali kerrotaan datasignaalia huomattavasti laajakaistai-: 25 semmalla hajotuskoodilla suhteellisen laajalle kaistalle.

Tunnetuissa koejärjestelmissä käytettyjä kaistanleveyksiä on esimerkiksi 1,25 MHz, 10 MHz sekä 25 MHz. Kertomisen yhteydessä datasignaali leviää koko käytettävälle kaistalle. Kaikki käyttäjät lähettävät samaa taajuuskaistaa käyt-30 täen samanaikaisesti. Kullakin tukiaseman ja liikkuvan ' aseman välisellä yhteydellä käytetään omaa hajotuskoodia, • ______________ ja eri käyttäjien signaalit pystytään erottamaan toisistaan vastaanottimissa kunkin käyttäjän hajotuskoodin perusteella.

35 Vastaanottimissa olevat sovitetut suodattimet tah- 2 105512 distuvat haluttuun signaaliin, joka tunnistetaan hajotus-koodin perusteella. Datasignaali palautetaan vastaanotti-messa alkuperäiselle kaistalle kertomalla se uudestaan lähetyksen yhteydessä käytetyllä hajotuskoodilla. Ne signaa-5 lit, jotka on kerrottu jollain toisella hajotuskoodilla, eivät ideaalisessa tapauksessa korreloi ja palaudu kapealle kaistalle. Täten ne näkyvät kohinana halutun signaalin kannalta. Järjestelmän hajotuskoodit pyritään valitsemaan siten, että ne olisivat keskenään korreloimattomia eli or-10 togonaalisia.

Tyypillisessä matkapuhelinympäristössä tukiaseman ja liikkuvan aseman väliset signaalit etenevät useaa reittiä lähettimen ja vastaanottimen välillä. Tämä monitie-etene-minen aiheutuu pääosin signaalin heijastumisista ympäröi-15 vistä pinnoista. Eri reittejä kulkeneet signaalit saapuvat vastaanottimeen eri aikoina erilaisen kulkuaikaviiveen takia. CDMA:ssa monitie-etenemistä voidaan käyttää hyväksi signaalin vastaanotossa diversiteetin tavoin. CDMA-vas-taanotinratkaisuna käytetään yleisesti monihaaraista vas-20 taanotinrakennetta, jossa kukin eri haara on tahdistunut eri tietä edenneeseen signaalikomponenttiin. Kukin haara on itsenäinen vastaanotinelementti, jonka tehtävänä on siis koostaa ja demoduloida yksi vastaanotettu signaali-komponentti. Perinteisessä CDMA-vastaanottimessa eri vas-: 25 taanotinelementtien signaalit yhdistetään edullisesti, jo ko koherentisti tai epäkoherentisti, jolloin saadaan hyvätasoinen signaali.

CDMA-järjestelmissä voidaan myös soveltaa ns. pehmeää kanavanvaihtoa (soft handover), jossa liikkuva asema 30 voi samanaikaisesti olla yhteydessä usean tukiaseman kans-; sa makrodiversiteettiä hyödyntäen. Liikkuvan aseman yhtey den laatu kanavanvaihdon aikana pysyy täten korkeana ja käyttäjä ei havaitse katkosta yhteydessä.

Toisten yhteyksien halutulle yhteydelle aiheuttamat 35 häiriöt näkyvät vastaanottimessa siis tasaisesti jakautu- i 105512 3 neena kohinana. Tämä pätee myös tarkasteltaessa signaalia vastaanottimissa havaittujen signaalien tulosuuntien mukaisesti kulma-avaruudessa. Toisten yhteyksien halutulle yhteydelle aiheuttamat häiriöt näkyvät vastaanottimessa 5 siis jakautuneena myös kulma-avaruudessa, eli ne ovat verrattain tasaisesti jakautuneina eri tulosuuntiin.

CDMA:n suorituskykyä, jota voidaan mitata spektri-tehokkuuden avulla, on edelleen parannettu sektoroinnin avulla. Tällöin solu on jaettu halutun kokoisiin sektorei-10 hin, jota palvelevat suuntaavat antennit. Tällöin tukiase-mavastaanottimessa voidaan liikkuvien asemien toisilleen aiheuttamaa häiriötasoa pienentää merkittävästi. Tämä perustuu siihen, että häiriöt ovat keskimäärin tasaisesti jakautuneita eri tulosuuntiin, joita sektoroinnin avulla 15 voidaan siis vähentää. Sektorointi voidaan luonnollisesti toteuttaa molemmissa siirtosuunnissa. Sektoroinnin tuoma kapasiteettihyöty on suhteessa sektoreiden lukumäärään.

Sektoroidussa solussa voidaan myös hyödyntää pehmeän kanavanvaihdon erityistä muotoa (softer handover), jossa 20 liikkuva asema suorittaa kanavanvaihdon sektorista toiseen ollen yhteydessä molempiin sektoreihin samanaikaisesti. Vaikkakin pehmeä kanavanvaihto parantaa yhteyden laatua ja sektorointi lisää järjestelmän kapasiteettia, liikkuvien asemien liikkumisesta seuraa väistämättä se, että ne .· 25 suorittavat useita kanavanvaihtoja sektorista toiseen.

Tämä kuormittaa tukiasemaohjaimen prosessointikapasiteettia. Useat pehmeät kanavanvaihdot aiheuttavat myöskin tilanteen, jossa useat liikkuvat asemat ovat samanaikaisesti yhteydessä useampaan kuin yhteen (useimmiten kahteen) 30 sektoriin, jolloin menetetään sektoroinnin tuomaa kapa-! siteettihyötyä liikkuvan aseman signaalin kuuluessa laa jalla sektorilla.

CDMA-järjestelmien monikäyttöhäiriötä on pienennetty myöskin erilaisten tunnettujen monikäyttöhäiriöiden pois-35 tomenetelmien (IC, Interference Cancellation) ja usean 4 105512 käyttäjän samanaikaisen ilmaisun (MUD, Multi-User Detection) avulla. Näiden menetelmien avulla voidaan pienentää parhaiten käyttäjän oman solun alueelta tulevia häiriöitä, ja täten parantaa järjestelmän kapasiteettia kaksinkertai-5 seksi verrattuna ilman häiriönpoistoa toteutettuun järjestelmään. Näillä menetelmillä ei kuitenkaan saada parannusta tukiaseman kuuluvuusalueen koon suhteen, eli solun koko ei muutu näitä menetelmiä hyödynnettäessä. IC/MUD-tekniikat ovat lisäksi monimutkaisia toteuttaa, ja niitä 10 onkin kehitelty ainoastaan siirtosuuntaan liikkuvalta asemalta tukiasemalle, ja vastakkainen siirtosuunta on samanlainen kuin perinteisessä CDMA-järjestelmässä.

Edelleen on kehitetty ns. SDMA (Space Division Multiple Access)-menetelmä, jossa käyttäjät erotetaan toisis-15 taan sijainnin avulla. Tämä tapahtuu siten, tukiasemassa vastaanottoantennien keiloja säädetään haluttuihin suuntiin liikkuvien asemien sijainnin mukaan. Tätä tarkoitusta varten käytetään adaptiivisia antenniryhmiä eli vaiheistettuja antenneja sekä vastaanotetun signaalin käsittelyä, 20 jonka avulla liikkuvia asemia seurataan.

SDMA:n hyväksikäytöllä CDMA:n yhteydessä saavutetaan useita etuja verrattuna aiempiin menetelmiin kuten sek-torointiin. Mikäli sektoroinnissa sektoreiden keiloja kavennetaan spektritehokkuuden kasvattamiseksi, kasvaa \ 25 samalla suoritettavien kanavanvaihtojen määrä sektorista toiseen. Tämä puolestaan kasvattaa tukiasemaohjaimessa tarvittavaa laskentakapasiteettia liian suureksi.

Tunnetun tekniikan tasoa SDMA:ta sovellettaessa havainnollistaa julkaisu A.F. Naguib, A. Paulraj: Perfor-30 mance Of CDMA Cellular Networks With Base-Station Antenna ; Arrays, Proc. International Zurich Seminar on .Digital Communications, pp. 87 - 100, Zurich, Sveitsi, Maaliskuu 1994, joka otetaan tähän viitteeksi. SDMA:ssa vastaanotetaan signaali siis antenniryhmän avulla, ja digitaalisen 35 signaalinkäsittelyn keinoin muokataan vastaanotettua sig- • 5 105512 naalia siten, että vastaanottimen muokkauksen jälkeisten asteiden kannalta antennien suuntakuviot ovat halutun kaltaisia. Tekniikan tason mukaisissa ratkaisuissa vastaanotetun signaalin muokkaus tapahtuu halutun signaalin sig-5 naali/häiriö-suhteen maksimoimiseksi. Vastaanotettua signaalia muokataan siis siten, että antenniryhmän suuntaku-vio minimoi muiden yhteyksien aiheuttamat häiriöt halutussa signaalissa. Edellä mainitun julkaisun mukaisessa ratkaisussa suoritetaan kullekin havaitulle signaalikompo-10 nentille oma keilanmuokkaus, eli impulssivaste on tunnettava ennen muokkausta.

Julkaisusta G.Xu, H.Liu, W.J.Vogel, H.P.Lin, S.S.Jeng, G.W.Torrence: Experimental Studies of Space-

Division-Multiple-Access Schemes for Spectral Efficient 15 Wireless Communications, IEEE Int. Conf. On Comm. ICC 1994, New Orleans, USA, IEEE 1994, joka otetaan tähän viitteeksi, tunnetaan SDMA:ta soveltava menetelmä, jossa lähetinantennien suuntakuviota muokataan. Esitetty menetelmä soveltuu käytettäväksi kuitenkin vain sellaisissa 20 järjestelmissä, jossa molemmat siirtosuunnat ovat samalla taajuudella.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena onkin toteuttaa tukiasemalaitteisto ja menetelmä lähetinantennien suuntaamiseksi, jonka avulla spektritehokkuutta voidaan : 25 entisestään parantaa verrattuna aiempiin CDMA-järjestel miin laitteiston teknisen toteutuksen silti pysyessä edullisena ja jossa vaikeissakin radioaaltojen etenemisolosuh-teissa tukiaseman ja liikkuvan aseman välinen yhteys voidaan pitää hyvälaatuisena. Keksinnön tarkoituksena on 30 soveltaa SDMA:ta tehokkaasti CDMA-ympäristössä hyödyntämällä uuden tyyppistä moniulotteista etsintää ja liikkuvan aseman lähettämän yhteydenlaatuinformaation hyödyntämistä. Keksinnön soveltaminen ei vaadi, että molemmat siirtosuunnat ovat samalla taajuudella.

35 Tämä saavutetaan johdannossa esitetyn tyyppisellä 6 105512 menetelmällä, jolle on tunnusomaista, että kullakin yhteydellä käytettyjen antennikeilojen suuntakulmia poikkeutetaan annettujen suuntakulmien ympäristössä.

Keksinnön kohteena on lisäksi tukiasemalaitteisto 5 halutun käyttäjän signaalin vastaanottamiseksi ja lähettämiseksi, joka vastaanotettava signaali voi saapua laitteistoon useaa eri reittiä usealla eri viiveellä, ja joka laitteisto käsittää yhden tai useamman useasta elementistä koostuvan antenni ryhmän, yhden tai useamman kana-10 vayksikön, ja joka kanavayksikkö käsittää välineet vaiheistaa antenniryhmällä lähetettävää ja vastaanotettavaa signaalia siten, että antenniryhmästä saatava vahvistus on suurimmillaan halutuissa suunnissa. Keksinnön mukaiselle tukiasemalaitteistolle on tunnusomaista, että kanavayk-15 sikkö käsittää välineet etsiä vastaanotettujen signaali-komponenttien tulosuunnat ja viiveet, ja välineet ohjata vaiheistusvälineitä sanotun tiedon perusteella siten, että antennikeilojen suurimman vahvistuksen kulmaa poikkeutetaan haluttujen suuntien ympäristössä.

20 Keksinnön mukaisella menetelmällä saavutetaan mer kittävästi parempi spektritehokkuus verrattaessa sitä perinteisiin solukkoradiojärjestelmiin, myös CDMA-menetelmää soveltaviin järjestelmiin. Parannusta saadaan sekä käytettävien kanavien lukumäärässä kertoimella 10 - 100, että 25 tukiaseman kuuluvuusalueen koon laajenemisena kertoimella 5 - 10. Tämä perustuu siihen, että muille käyttäjille aiheutuvat häiriöt siirtosuunnassa tukiasemalta liikkuvalle asemalle pienenevät merkittävästi, kun signaali lä-hetysvaiheessa suunnataan niihin suuntiin, mistä liikkuvan 30 aseman signaalikomponentit vastaanotettiin tukiasemalla *; edullisesti. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa, jossa käy tetyn antennikeilan suuntaa poikkeutetaan halutun suunnan ympäristössä, voidaan häipymien esiintymisiä merkittävästi pienentää erityisesti silloin, kun liikkuva asema on pai-35 kallaan. Koska keksinnön mukaisella ratkaisulla saadaan 105512 7 häipymisstatistiikkaa satunnaistettua, pystytään kanava-koodauksen ja interliivauksen avulla torjumaan häipymien vaikutukset paremmin.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa voidaan myös 5 hyödyntää liikkuvan aseman lähettämää yhteydenlaatuinfor-maatiota. Liikkuvan aseman lähettämän yhteydenlaatutiedon perusteella voidaan nopeasti reagoida muuttuviin etenemis-olosuhteisiin ja muuttaa lähetysantennien keiloja ja tehoja. Keksinnön mukainen edullisten signaalikomponenttien 10 etsintä moniulotteisessa signaalitasossa, joka keksinnön edullisessa toteutusmuodossa käsittää tulokulma-aika-avaruuden etsinnän, on edullinen toteuttaa teknisesti, sillä signaalin prosessointi voidaan suorittaa digitaalisesti kantataajuudella. ......

15 Seuraavassa keksintöä selitetään tarkemmin viitaten oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkeihin, joissa kuvio 1 havainnollistaa signaalin monitie-etenemistä liikkuvan aseman ja tukiaseman välillä, kuvio 2a havainnollistaa signaalin monitie-etenemi-20 sen aiheuttamaa hajoamista aika-tasossa, kuvio 2b havainnollistaa signaalin monitie-etenemisen aiheuttamaa hajoamista tulokulma-tasossa, kuvio 3 havainnollistaa tukiaseman antennien keilan suuntaamista liikkuvaa asemaa kohti, : 25 kuvio 4 esittää erästä mahdollista adaptiivisen antenniryhmän toteutusta, kuvio 5 havainnollistaa keksinnön mukaista kulma-toistetta, kuvio 6 esittää keksinnön mukaisen vastaanottimen 30 erästä mahdollista rakennetta lohkokaavion avulla ja kuvio 7 havainnollistaa esimerkkiä yksittäisen kana-vaelementin rakenteesta lohkokaavion avulla.

Seuraavassa keksinnön mukaista menetelmää ja vastaanotinta kuvataan tarkemmin käyttäen esimerkkinä CDMA-35 järjestelmää siihen kuitenkaan rajoittumatta, sillä kek- 105512 8 sintö soveltuu käytettäväksi myös muiden monikäyttömenetelmien yhteydessä, kuten alan ammattimiehelle on selvää oheisen selostuksen perusteella.

Tyypillistä solukkoradiojärjestelmässä tapahtuvaa 5 lähetetyn signaalin monitie-etenemistä havainnollistetaan siis kuviossa 1. Kuviossa on esitetty tukiasema 100, ja siihen yhteydessä oleva liikkuva tilaajapäätelaite 102. Solukkoradiojärjestelmille on tyypillistä, että liikkuvat asemat ovat radioaaltojen heijastavien ja sirottavien 10 pintojen ympäröimiä. Tällaisia pintoja saattavat olla esimerkiksi rakennukset ja luonnon muodostamat seinämät kuten vuoret ja kukkulat. Liikkuvat asemat tyypillisesti lähettävät ympärisäteilevällä antennikuviolla. Kuviossa on havainnollistettu muutamia liikkuvasta asemasta lähteneitä 15 säteitä 112, 114, 116. Liikkuvaa asemaa 102 lähellä olevat pinnat 104, 108 heijastavat lähetetyn signaalin, joka täten saapuu useaa eri reittiä tukiaseman 100 antenniin niiden keskinäisen viiveen ollessa kuitenkin verraten pieni. Kauempana olevat heijastavat pinnat, kuviossa 106, kuten 20 suuremmat rakennukset ja vuoret, aikaansaavat signaali-komponentteja 114, jotka saapuvat tukiasemaan 100 useita, joskus jopa kymmeniä mikrosekunteja myöhemmin. Maastossa saattaa myös olla esteitä 110, jotka estävät suoran yhteyden liikkuvan aseman ja tukiaseman välillä.

25 Kuviossa 2a havainnollistetaan esimerkkiä signaalin monitie-etenemisen aiheuttamasta signaalikomponenttien hetkellisestä viivästymisestä aikatasossa tukiasemavas-taanottimessa. Kaavamaisessa kuviossa vaaka-akselilla 200 on aika ja pystyakselilla 202 vastaanotetun signaalin te-30 ho. Kuvion 2a esimerkissä tukiasemavastaanotin on havainnut kolme signaalikomponenttiryhmää 204, 206, 208, jotka ovat saapuneet eri aikoina vastaanottimeen ja joista komponentti 208 on muita merkittävästi enemmän viivästynyt.

Kuten kuvion 1 esimerkkitilanteesta huomataan saapu-35 vat eri signaalikomponentit paitsi eri aikaan, myös eri i 105512 9 suunnista. Voidaan siis sanoa, että signaali hajoaa paitsi aika- myös kulma-avaruudessa, jota jälkimmäistä voidaan kuvata signaalin saapumiskulmalla (AoA, Angle of Arrival). Kuviossa 2b havainnollistetaan esimerkkiä signaalin moni-5 tie-etenemisen aiheuttamasta hetkellisestä jakautumisesta saapumiskulman funktiona tukiasemavastaanottimessa. Kuvion 2b pystyakselilla 202 on vastaanotetun signaalikomponentin teho ja vaaka-akselilla 210 on saapumiskulma. Kuvion 2b esimerkissä signaalikomponentit 212, 214 saapuvat kahdesta 10 suunnasta.

Yleensä suurikokoisissa, ns. makrosoluissa, joissa tukiasema-antennit sijaitsevat korkealla, signaalikomponentit saapuvat antenniin vain muutamalla eri saapumiskulmalla, jotka tavallisesti ovat liikkuvan aseman ja 15 tukiaseman välisen suoran säteen lähistöllä. Pienissä mikrosoluissa, joissa tukiasema-antennit ovat yleensä rakennusten kattojen alapuolella, havaitaan signaalikompo-nenttien saapumiskulmissa huomattavasti suurempaa hajontaa, koska tukiasemat ovat liikkuvien asemien lailla usei-20 den lähellä olevien heijastuspintojen ympäröimiä.

Edellä monitie-etenemistä on kuvattu siirtosuunnassa liikkuvalta asemalta tukiasemalle. On luonnollisesti selvää, että vastaava ilmiö tapahtuu myös vastakkaisessa siirtosuunnassa tukiasemalta liikkuvalle asemalle. Voidaan t| 25 myös todeta, että monitiereitit ovat pääsääntöisesti symmetrisiä kumpaankin suuntaan, koska sironta ja heijastuminen eivät ole suuresti taajuudesta riippuvia. On kuitenkin huomattava, että signaalin nopea häipyminen ovat eri siirtosuunnissa toisistaan riippumattomia. Täten, jos tukiase-30 ma havaitsee saapumiskulmassa a0 liikkuvalta asemalta saa- ; puneen signaalikomponentin, niin lähettämällä signaali sa malla kulmalla a0 johtaa signaalin liikkuvan aseman suuntaan nopeita häipymisiä lukuunottamatta.

Yllä olevan perusteella voidaan siis todeta, että 35 solukkoradiojärjestelmille tyypillinen moni tie-etenevä ym- 105512 10 päristö johtaa tukiasemilla signaalin vastaanottoon, joka signaali on jakautunut ajassa useaan eri tavoin viivästyneeseen komponenttiin ja kulma-avaruudessa useasta eri suunnasta saapuvaan komponenttiin. Molemmat jakaumaprofii-5 lit vaihtelevat ajan myötä, koska tilaajapäätelaitteet liikkuvat, mutta vaihtelu on verraten hidasta, eli parin sekunnin luokkaa, ja profiileihin voidaan tahdistua ja niitä voidaan seurata.

Vastaanotetuille signaalikomponenteille on siis omi-10 naista yllä kuvatun kaltainen useampidimensioisuus, jota yllä on havainnollistettu aika-kulma-avaruudella, eli (α,τ)-avaruudella, ja jota dimensioisuutta voidaan keksinnön mukaisessa tukiasemassa hyödyntää vastaanotettavan signaalin ilmaisun parantamiseksi. Keksinnön mukaisessa 15 menetelmässä vastaanotetusta signaalista siis etsitään useampidimensioisesta signaaliavaruudesta parhaimmat sig-naalikomponentit, joiden perusteella vastaanotinta voidaan ohjata siten, että havaitut komponentit voidaan edullisesti yhdistää ja ilmaista. Signaalin laadun mittana voidaan 20 yksinkertaisimmillaan käyttää vastaanotettua tehotasoa, mutta myös muita mittoja voidaan hyödyntää, kuten signaa-1ikohinasuhdetta.

Keksinnön mukaisessa vastaanottimessa hyödynnetään adaptiivista antenniryhmää, joka on useasta eri elementis-: 25 tä koostuva antenniryhmä. Kuviossa 4 havainnollistetaan adaptiivisen antenniryhmän erästä mahdollista toteutusta, jota voidaan soveltaa keksinnön edullisen toteutusmuodon yhteydessä. Antenniryhmä käsittää L kappaletta antenniele-menttejä 400, 402, 404, jotka voivat olla esimerkiksi 30 ympäri säteileviä antenneja. Kuhunkin antennielementtiin on kytketty radiotaajuusosat 406, 408, 410, jotka muuntavat vastaanotetun signaalin välitaajuudelle ja näytteistävät signaalin (I,Q)-komponentteihin tunnetun tekniikan mukaisesti. Saadut kompleksiset näytteet kerrotaan seuraavaksi 35 vastaavilla kompleksisilla painokertoimilla wif jossa i = 105512 11 1,...,L kertojissa 412, 414, 416. Näin kerrotut näytteet 422, 424, 426 viedään summaimen 418 kautta edelleen vastaanottimen muihin osiin.

Kompleksiset painokertoimet valitaan jonkin, 5 yleensä adaptiivisen algoritmin mukaan siten, että ai kaansaadaan halutun muotoinen antennikuvio. Kyseistä tapaa muokata vastaanotettua signaalia voidaan kutsua signaalin digitaaliseksi vaiheistamiseksi, sillä se tapahtuu kanta-taajuudella digitalisoidulle signaalille, mutta sen an-10 siosta vastaanotettu signaalin antennivahvistus voidaan suunnata haluttuihin suuntiin. Antenniryhmä sinänsä voi käsittää joko suuntaavia tai ympärisäteileviä antenniele-menttejä. Vaiheistamalla eri antenneista saatua signaalia ja yhdistämällä vaiheistetut signaalit saadaan aikaan 15 eräänlaiset virtuaaliset antennikeilat haluttuihin suun tiin. Vastaavaa käsittelyä voidaan tehdä myös lähetettävälle signaalille, jolloin voidaan aikaansaada kulloinkin haluttu säteilykuvio.

Kuviossa 3 havainnollistetaan, kuinka antenniryhmäl-20 lä, joka muodostuu tasavälisestä lineaarisesta ryhmästä, joka käsittää neljä elementtiä 300, 302, 304, 306, aikaansaadaan voimakas suunnattu keila 310 tulokulmalla a kohti liikkuvaa asemaa 308. Lisäksi muodostuu joukko pienempiä sivukeiloja 312-316. Tämä suuntaavuus voidaan siis : 25 toteuttaa signaalin vaiheistuksella ilman, että antennit sinänsä olisivat suuntaavia.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa vastaanottimen kokemaa monikäyttöhäiriötä supistetaan kulma-avaruudessa suunnatuilla antennikeiloilla, jotka aikaansaadaan 30 uudentyyppisen aika-kulma-diversiteettiä soveltavan vastaanottimen avulla. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa voidaan vastaanotetusta signaalista mitattuja tulokulmia käyttää hyväksi myös lähetyssuunnassa, jolloin yhteyden laatu paranee molemmissa siirtosuunnissa.

35 Seuraavassa selostetaan ensin keksinnön edullista 105512 12 toteutusmuotoa, jossa sovelletaan vastaanotetun signaalin digitaalista vaiheistusta CDMA-järjestelmässä.

Tukiasemalla käytettävä aika-kulma-diversiteettiä soveltava vastaanotin käsittää digitaaliset vastaanotin-5 välineet, jotka pystyvät seuraamaan vastaanotettuja sig-naalikomponentteja kaksiulotteisessa (α,τ)-avaruudessa ja demoduloimaan halutut signaalikomponentit. Ennen demoduloimista vastaanotetuille digitalisoiduille signaalinäyt-teille suoritetaan vaiheistus, jonka avulla ohjataan vas-10 taanotetun signaalin antennivahvistus haluttuihin signaalin tulosuuntiin. Edullisessa toteutusmuodossa vaiheistamalla aikaansaadut antennikeilat ovat ennalta määrätyn muotoisia keiloja, joiden muodon määräävät siis painokertoimet Wi ja antennigeometria. Sanotut kertoimet voidaan 15 helposti laskea kullekin suurimman vahvistuksen kulmalle, jos antennikeilan muoto sinänsä pysyy vakiona. Täten vaiheistuksen säätö voi tapahtua nopeasti, koska se riippuu vain yhdestä parametrista eli tulokulmasta a.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä ei tarvitse sovel-20 taa tunnettuja monimutkaisia tulokulman estimointitek-niikoita, kuten MUSIC, tai adaptiivisia algoritmeja, kuten LMS ja DMI. Vaikkakin viimeksimainitut algoritmit mahdollistavat laskea vastaanotettavalle signaalille optimaalinen keilamuoto siten, että halutun signaalin signaaliko- : 25 hinasuhde voidaan maksimoida kohdistamalla antennikuvion • nollakohdat häiriölähteihin päin, tämä ei CDMA:n yhteydessä ole tarpeellista, sillä kuten aiemmin on kuvattu, häi-riösignaali on CDMArssa jakautunut kohinan kaltaiseksi ilman selkeitä häiriölähdesuuntia. Täten tasan jakautu-30 neessa häiriöympäristössä on riittävää, että ennalta mää- ; rätyn muotoisten antennikeilojen suurimman vahvistuksen kulmat ohjataan niihin suuntiin, joista vastaanotetaan parhaimmat signaalikomponentit. Tämä mahdollistaa yksinkertaisemman vastaanotintoteutuksen verrattuna tunnettuun 35 tekniikkaan.

9 9 105512 13

Keksinnön mukaisessa menetelmässä vastaanotin etsii siis haluttuja signaalikomponentteja (α,τ)-avaruudessa. Tämä tapahtuu ristikorreloimalla vastaanotettua hajaspekt-risignaalia halutun hajotuskoodin kanssa ja vertaamalla 5 saatuja mittaustuloksia annettuihin kynnysarvoihin. Etsintä voidaan käsittää antennikeilan pyyhkäisynä annetun alueen yli ja samalla suorittaen kanavan impulssivasteen mittauksen ja kustakin suunnasta vastaanotetun päätelaitteiden signaalienergian keräyksen. Vastaanotin havait-10 see siis, mistä suunnastat ja millä koodivaiheella vastaanotetaan parhaimmat signaalit, ja allokoi tarvittavan määrän demodulointivälineitä tahdistumaan ja vastaanottamaan kyseisiä signaalikomponentteja. Vastaanotetut demoduloidut sinaalikomponentit voidaan edullisesti yhdistää vastaan-15 ottimessa. Parhaiden signaalikomponenttien etsintää suoritetaan jatkuvasti, ja tarvittaessa demodulaattorivälinei-den allokointia muutetaan.

Vastaanottimella on siis koko ajan tieto siitä, mistä suunnista vastaanotetaan parhaimmat signaalikomponentit 20 liikkuvilta asemilta. Tätä tietoa voidaan myös käyttää hyväksi keksinnön mukaisessa tukiasemalaitteistossa siirto-suunnassa tukiasemalta liikkuvalle asemalle. Tämä voi tapahtua esimerkiksi siten, että lähetinvastaanottimen kontrolleri ilmoittaa lähetinyksikölle ne suunnat, joissa 25 on havaittu merkittävät signaalikomponentit. Lähetinyksik-kö voi vaiheistaa adaptiivisella antenniryhmällä lähetettävää signaalia siten, että antennikeilojen suurimman vahvistuksen kulmat osoittavat haluttuihin suuntiin. Lähetys-keiloja voi olla yksi tai useampia, ja niiden lukumäärä 30 voi myös olla vastanotinkeilojen lukumäärästä poikkeava.

Tällä menetelmällä saavutetaan huomattavaa häiriön-poistoa myös siirtosuunnassa tukiasemalta liikkuvalle asemalle. Lähetyksessä käytettävä antenniryhmä voi olla sama kuin vastaanotettaessa käytettävä antenniryhmä. Se 35 voi myös olla erillinen antenniryhmä. Signaalin vaiheistus m 105512 14 tapahtuu samoin kuin vastaanotettaessa painokertoimien avulla.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa voidaan käyttää esimerkiksi tunnetun tekniikan mukaisia liikkuvia asemia, 5 jotka suorittavat jatkuvasti yhteydenlaatumittauksia tukiasemalta vastaanottamastaan signaalista. Kyseinen informaatio voi käsittää tiedon liikkuvan aseman vastaanottamien signaalikomponenttien lukumäärästä, laadusta ja suhteellisesta viiveestä. Keksinnön mukaisessa ratkai-10 sussa voidaan soveltaa menetelmää hyödyntää liikkuvan aseman suorittamien yhteydenlaatumittausten tuloksia ohjattaessa lähetysantennien keiloja siirtosuunnassa tukiasemalta liikkuvalle asemalle.

Liikkuva asema lähettää keräämänsä mittaustulokset 15 tukiasemalle. Tukiasema voi liikkuvalta asemalta vastaanottamansa tiedon ja omien mittaustensa perusteella vaihdella liikkuvalle asemalle tarkoitetun signaalin lähetyksessä käyttämiensä antennikeilojen lukumäärää, muotoa tai suuntausta. Nämä muutokset voidaan toteuttaa tarvittavan 20 pehmeästi, jotta liikkuva asema pystyy seuraamaan muuttuvaa signaalia.

Tukiasema voi myös hyödyntää liikkuvalta asemalta vastaanottamaansa yhteydenlaatuinformaatiota kunkin anten-nikeilan lähetystehon säätämiseen, jos mittaustulokset 25 osoittavat, että edellä luetellut toimenpiteet eivät paranna signaalin laatua liikkuvassa asemassa.

Esitetyn menetelmän eräänä etuna on se, että liikkuva asema voi esimerkiksi vaikeassa häipymätilanteessa lähettää tukiasemalle pyynnön muuttaa signaalin lähetyk-30 sessä käytettävien antennikeilojen parametrejä, kuten ’· suuntaa, muotoa ja lukumäärää, jolloin liikkuvan aseman vastaanottaman signaalin laatua voidaan nopeasti parantaa.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa signaalin lähetyksessä käytettävien antennikeilojen suuntia poikkeute-35 taan mitattujen haluttujen suuntien a*. ympäristössä pieniä i 105512 15 kulmamääriä Δο^. Täten aikaansaadaan kulmatoistetta lähetettävässä signaalissa, jonka avulla voidaan pienentää häipymän todennäköisyyttä varsinkin silloin, kun liikkuva asema on paikoillaan.

5 Menetelmää havainnollistetaan kuviossa 5, jossa tukiasema 100 lähettää signaalia liikkuvalle asemalle 102 kahta keilaa 580, 582 käyttäen, jotka kuvion esimerkissä heijastuvat kahdesta maastoesteestä 584, 586. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa tukiasema poikkeuttaa kumpaakin an-10 tennikeilaa haluttujen suuntien ympäristössä tietyillä kulmilla Δα£ ja Aofj, jolloin antennikeilat siis kulkevat ajoittain eri reittejä 588a - 588b ja vastaavasti 590a -590b. Poikkeutusta suoritetaan jatkuvasti annetulla taajuudella, jolloin liikkuvan aseman vastaanottamassa 15 signaalissa syntyy haluttuja vaihteluita, joilla pitkän häipymän todennäköisyyttä voidaan pienentää. Vaiheistuksen avulla saadaan häipymisstatistilkkaa satunnaistettua, jolloin kanavakoodauksen ja interliivauksen avulla pystytään torjumaan häipymien vaikutukset paremmin.

20 Keksinnön mukaista ratkaisua voidaan vastaavasti so veltaa myös liikkuvan aseman signaalin vastaanotossa, jossa siis signaalin vastaanotossa käytettävien antennikeilo-jen suuntakulmia poikkeutetaan mitattujen haluttujen suuntien oii ympäristössä pieniä kulmamääriä Δαι. Tällöin ai-’ 25 kaansaadaan myös tässä siirtosuunnassa pieniä haluttuja vaihteluita vastaanotettuun signaaliin. Vastaanotetun signaalin tehotasoihin ei suoritetulla poikkeutuksella ole , merkitystä, koska käytännössä antennikeilat ovat yleensä i huomattavasti leveämpiä kuin käytetyt poikkeutuskulmat.

30 Esimerkkinä mainittakoon mahdollisista antennikeilojen le-! veyden suuruusluokasta 10 astetta ja poikkeamiskulmasta yksi aste. Luonnollisesti käytetyt antennikeilojen leveydet ja poikkeutuskulmat vaihtelevat sovelluksesta tapauksesta riippuen.

35 Tunnetun tekniikan mukaisissa CDMA-järjestelmissä • 105512 16 käytetään ns. pilottisignaalia, jota kukin tukiasema lähettää, ja jota signaalia käytetään apuna tukiasemien tunnistuksessa, tehonmittauksessa ja koherentin vastaanoton mahdollistamiseksi liikkuvassa asemassa. Tunnetuissa 5 järjestelmissä pilottisignaali, joka on datamoduloimaton hajotuskoodattu signaali, lähetetään tukiaseman kuuluvuus-alueelle samalla tavoin kuin varsinaiset liikennekanavat.

Keksinnön mukaisella tavalla toteutetussa CDMA-järjestelmässä voidaan kuitenkin soveltaa pilottisignaalin 10 lähetysmenetelmää, jossa datasignaalien lähetyksessä ja vastaanotossa käytetään ajallisesti vaihtuvia antenni-keiloja. Tällöin voidaan lähettää ensimmäistä pilottisignaalia ajallisesti vakiona pysyvällä lähetyssuunnalla, ja toisia pilottisignaaleja ajallisesti muuttuvilla lähetys-15 suunnilla, jotka voivat olla yhteneväisiä datasignaalien lähetyksessä käytettyjen lähetyssuuntien kanssa.

Täten ajallisesti vakiona pysyvillä lähetyssuunnilla varustettua pilottisignaalia voidaan käyttää tukiaseman havaitsemiseen ja tehomittausten suorittamiseen kanavan-20 vaihtotarpeen ilmaisua varten. Koska käytetty antenni-suuntakuvio on datasignaalien kuviosta poikkeava, ei kyseistä signaalia voida käyttää referenssinä koherenttia ilmaisua varten. Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää kunkin datasignaalin yhteydessä samalla antennikuviolla lähe-25 tettävää pilottisignaalia, joka siis etenee samaa reittiä kuin varsinainen datasignaali, ja jonka avulla koherentti ilmaisu on mahdollista toteuttaa liikkuvissa asemissa.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa pilottisignaalia voidaan edelleen lähettää verrattain kapeaa antennikeilaa 30 käyttäen, ja ohjata sanotun antennikeilan suurimman vah-.· vistuksen kulmaa siten, että antennikeila pyyhkii solun alueen ylitse. Täten pilottisignaalin käsittävä antenni-keila pyyhkii majakan tavoin solun ylitse ja jatkuvan pilotin lähetys solun koko alueelle voidaan välttää. Pilot-35 tia voidaan myös lähettää usealla pyyhkivällä antenni- i 105512 17 keilalla, jotka keilat on vaiheistettu siten, etteivät ne osu päällekkäin. Tukiasema lähettää jollain ohjauskanaval-la liikkuville asemille tiedon siitä, koska pilottikanava pyyhkii kunkin alueen ylitse.

5 Seuraavassa kuvataan keksinnön ensimmäisen toteu tusmuodon mukaisen vastaanottimen rakennetta. Kuviossa 6 havainnollistetaan erään keksinnön mukaisen vastaanottimen rakennetta lohkokaavion avulla. Vastaanotin käsittää an-tenniryhmän 500, joka koostuu L-.stä erillisestä antenni-10 elementistä. Antenniryhmä voi olla lineaarinen, planaari-nen (2-dimensioinen) tai ympärisäteilevä. Antenniryhmä 500 vastaanottaa monitie-edenneen useasta eri suunnasta ja eri tavoin viivästyneen signaalin kultakin liikkuvalta asemalta kullakin L:llä elementillä, suorittaa esivahvistuksen, 15 muuntaa signaalin välitaajuudelle ja digitalisoi kaikki L signaalia. Näin saadut L digitaalista kompleksista I,Q-näytettä 514 viedään kanavaelementtien 504, 506, 508 sisäänmenoon.

Jokaista aktiivista tukiaseman kanssa yhteydessä 20 olevaa liikkuvaa asemaa palvelee yksi kanavaelementti, joka suorittaa digitaalista signaalinkäsittelyä sekä vastaanotetulle että lähetettävälle signaalille, kuten tullaan myöhemmin tarkemmin selostamaan. Jokainen kanava-elementti käsittää (α,τ)-vastaanottimen ja vastaavan lä-25 hettimen. Digitaaliset signaalin vaiheistuksen avulla toteutetut antennikeilan muokkaustoiminnot sekä lähetys-että vastaanottosuunnassa suoritetaan kanavaelementissä.

Vastaanottosuunnassa kanavaelementti suodattaa signaalin kulma-avaruustasossa, demoduloi vastaanotetut sig-30 naalikomponentit ja yhdistää ne toisteyhdistelijässä ja lopuksi dekoodaa liikkuvalta asemalta vastaanotetun ja yhdistetyn signaalin. Näin saadut käyttäjän databitit viedään edelleen kantataajuusyksikölle 510, joka välittää ne edelleen verkon muihin osiin.

35 Lähetyssuunnassa käyttäjän databitit saapuvat verkon 105512 18 muista osista kantataajuusyksikölle 510, joka välittää ne oikealle kanavaelementille 504-508, jossa ne koodataan, moduloidaan hajotuskoodilla, ja suoritetaan lähetettävän signaalin vaiheistus, joka määrää lähetettävien antenni-5 keilojen suunnat. Näin saadut L signaalia viedään antenni-ryhmän 502 kullekin L:lle elementille. Käytännössä vastaanotto- ja lähetysantenniryhmät 500, 502 voivat olla joko erilliset tai toteutettu samalla fyysisellä antenniryh-mällä, joissa lähetys- ja vastaanottosuunnat on erotettu 10 sopivalla duplex-suodatuksella.

Lähetysantenniryhmässä 502 kultakin kanavaelementil-tä tulleet kullekin antennielementille tarkoitetut signaalit, suoritetaan signaalin muunto analogiseen muotoon ja radiotaajuudelle ja lähetetään antennielementtien kautta. 15 Keksinnön mukaisessa ratkaisussa voi lähetin- ja vastaanotinantenniryhmissä luonnollisesti olla eri määrä antennielementtejä, vaikka yllä olevassa selostuksessa on yksinkertaisuuden vuoksi kuvattu molempiin ryhmiin sama lukumäärä L elementtiä. Kuviossa on myös esitetty oh-20 jauslohko 512, joka ohjaa laitteen eri yksiköiden toimintaa, kuten kanavayksiköiden allokointia eri yhteyksille tukiasemaohjaimelta tulevien viestien mukaisesti.

Kuviossa 7 havainnollistetaan keksinnön ensimmäisen toteutusmuodon mukaisen vastaanottimen kanavaelementin ra-25 kennetta lohkokaavion avulla. Kanavaelementti käsittää yhden tai useampia digitaalisia vastaanotinyksiköitä 600, 602, joista kuvioon on piirretty kaksi, yhden tai useampia etsijäyksiköitä 604, joista kuviossa on esitetty yksi, di-versiteettiyhdistelijän 608, jonka sisäänmenossa on vas-30 taanotinyksiköiltä tuleva signaali, dekooderin 610, jonka sisäänmenoon on kytketty diversiteettiyhdistelijän 608 ulostulossa näkyvä signaali, ja ohjainvälineet 612. An-tenniryhmältä saapuvat L digitaalista kompleksista I,Q-näytettä 514 viedään kaikkien digitaalisten vastaan-35 otinyksiköiden 600, 602 ja etsijäyksiköiden 604 sisään- 105512 19 menoon. Mikäli keksinnön mukaista ratkaisua sovelletaan lähetinvastaanottimessa, niin keksinnön mukainen lähetin-vastaanotin käsittää myös kooderin 614 sekä digitaalisen lähetysyksikön 606.

5 Tarkastellaan ensin digitaalisen etsijäyksikön 604 toimintaa kuvioon 7 viitaten. Etsijäyksikön tehtävänä on, kuten tavanomaisessa RAKE-vastaanottimessa, etsiä vastaanotetusta signaalista haluttuja signaalikomponentteja. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa uudentyyppinen etsijäyksikkö 10 jatkuvasti tutkii vastaanotettua signaalia (α,τ)-ava ruudessa etsien käyttökelpoisia signaalikomponentteja ja ilmoittaa niiden parametrit, eli tulokulman (AoA, Angle of Arrival) ja viiveprofiilin, ohjainvälineelle 612, joka puolestaan allokoi tarvittavan määrän vastaanotinyksikköjä 15 parhaimpien komponenttien demoduloimiseksi. Keksinnön mukainen vastaanotin voidaan toteuttaa luonnollisesti myös siten, että kanavaelementti ei käsitä erillisiä ohjain-välineitä 612, vaan etsijäyksikkö 604 välittää tiedon seurattavista signaalikomponenteista suoraan vastaanotinhaa-20 roille 600, 602.

Etsijäyksikkö käsittää välineet 634 antenniryhmän radiotaajuusosilta tuodun signaalin vaiheistamiseksi, ja välineet 636 havaita käsittääkö vaiheistusvälineiden 634 ulostulosta saatava signaali annetulla viiveellä vastaan- .· 25 otettua signaalikomponenttia ja mitata sanotun signaali- komponentin laatu. Etsijäyksikkö käsittää edelleen välineet 638 ohjata sanottuja vaiheistusvälineitä 634 ja mittausvälineitä 636 siten, että vastaanotetun signaalin tulosuunnat ja viiveet saadaan mitattua.

30 Välineet 634 antenniryhmän radiotaajuusosilta tuodun ; signaalin vaiheistamiseksi voidaan toteuttaa esimerkiksi jo aiemmin kuvatulla kuvion 4 kaltaisella laitteistolla, joka käsittää signaalin kertomisen kompleksisilla kertoimilla Wi (i=l,..,L), joiden kertoimien avulla voidaan 35 määrätä, mikä signaalin tulokulma näkyy vaiheistusvälinei- * 105512 20 den ulostulosignaalissa vahvistettuna. Kukin kertoimien kombinaatio vastaa tiettyä antennikeilakombinaatiota, kuten aiemmin on kuvattu. Vaiheistusvälineitä (634) ohjataan välineillä 638 siten, että kaikki signaalin oleelliset tu-5 losuunnat saadaan tutkittua.

Vaiheistusvälineiden ulostulossa näkyy siis signaali, joka vastaa kulloinkin annetusta suunnasta vastaanotettua signaalia välineiden 638 ohjauksen perusteella. Mittausvälineet 636 suorittavat vaiheistusvälineiden 10 ulostulossa kulloinkin näkyvälle signaalille eri viiveillä mittauksen, jonka tarkoituksena on siis havaita eri lailla viivästyneet signaalikomponentit. Kulloinkin mitattava viive asetetaan sanotuilla välineillä 638. Mittausvälineissä suoritetaan välineiden sisäänmenossa olevalle sig-15 naalille hajotuksen purku, kompleksisen signaalienergian mittaus ja neliöinti esimerkiksi kanavan koherenssiajän ylitse, ja saadun mittaustuloksen vertailu annettuun kynnysarvoon. Niiden mitattujen signaalikomponenttien, joiden voimakkuus on suurempi kuin annettu kynnysarvo, 20 parametrit, eli tulokulma, viive ja teho, ilmoitetaan ka-navaelementin ohjausvälineille 612.

Välineet 638 ohjaavat siis vaiheistusvälineiden 634 ja mittausvälineiden toimintaa. Välineet 638 vastaavat tavanomaisessa RAKE-vastaanottimen etsijähaarassa olevaa .· 25 tahdistumissilmukkaa, vaikkakin keksinnön mukaisessa rat kaisussa välineiden toiminta on uudenlaista. Haluttujen signaalikomponenttien etsintä (α,τ)-avaruudesta voidaan toteuttaa välineiden 638 ohjaamana monella tavalla. Kuten aiemmin jo todettiin, signaalin tehon mittaus voidaan 30 korvata jollain muulla signaalin laadun mittauksena.

; Antenniryhmällä vastaanotettua digitalisoitua sig naalia voidaan vaiheistaa vaiheistusvälineissä 634 askeleittain siten, että suurimman vahvistuksen suuntakulmaa muutetaan annetuin kulmavälein. Mahdollisista tulosuunnis-35 ta valitaan siis edustava joukko tulokulmia öj, jotka si- * i 105512 21 jaitsevat halutuin kulmavälein toisistaan, ja kullekin tulosuunnalle suoritetaan useita energiamittauksia eri viiveen arvoilla, jolloin saadaan viiveprofiili xk kyseisille tulosuunnille.

5 Toinen tapa on ohjata mittausvälineet 636 ensin mittaamaan vastaanotetun signaalin viiveprofiili xk esimerkiksi suuntaamattomalla antennikuviolla. Täten havaitaan ne mahdolliset viiveet, joilla vastaanotetaan signaali-komponentteja. Tämän jälkeen ohjataan vaiheistusvälineitä 10 634 pyyhkäisemään kapea suuntaava keila eri suuntakulmien yli samalla ohjaten mittausvälineitä mittaamaan sanotuilla ensimmäisessä mittauksessa havaituilla viiveen arvoilla. Täten saadaan eri viiveellä saapuneiden komponenttien tulosuunnat .

15 Havaittujen signaalikomponenttien parametrit ilmoi tetaan siis kanavaelementin ohjausvälineille 612. Ohjaus-välineet allokoivat vastaanotinelementit 600, 602 vastaanottamaan ja demoduloimaan parhaimpia havaittuja signaali-komponentteja ilmoittamalla vastaanotinelementille signaa-20 likomponentin tulosuunnan ja viiveen. Kuten jo mainittiin, vastaanotinelementtien ohjaus voi tapahtua myös suoraan etsijäyksiköltä 604 ilman erillisiä ohjausvälineitä.

Tarkastellaan seuraavaksi digitaalisen vastaanotin-yksikön 600, 602 toimintaa kuvioon 7 viitaten. Vastaan- 25 otinyksikön tehtävänä on, kuten tavanomaisessa RAKE-vas-taanottimessa, vastaanottaa ja demoduloida annettu signaa-likomponentti. Oletetaan, että kanavaelementin ohjausvälineet 612 on allokoinut vastaanotinyksikön vastaanottamaan tiettyä signaalikomponenttia, jonka parametrit ovat tulo-30 kulma (Xj ja viive Tk.

Vastaanotinyksikkö 600, 602 käsittää seurantavälineet 624, 632, joille kanavaelementin ohjausvälineet 612 välittävät tiedon seurattavan signaalikomponentin vaiheesta ja tulosuunnasta. Seurantavälineet ohjaavat vastaan-35 otinyksikön ensimmäisiä vaiheistusvälineitä, joiden si- ( 105512 22 säänmenona on antenniryhmältä saatava digitalisoitu signaali. Vaiheistusvälineet 618, 626 ovat rakenteeltaan samankaltaiset kuin etsijäyksikössä olevat vaiheistusvälineet 634. Seurantavälineet asettavat ohjausyksiköltä saa-5 mansa tulokulmatiedon perusteella kompleksiset painokertoimet Wi (i=l,..,L) siten, että vaiheistusvälineiden ulostulossa näkyy halutusta tulosuunnasta tuleva signaali. Tämä voidaan siis käsittää haluttuun suuntaan osoittavana vastaanotinantennikeilana, jolla on ennalta määrätty muo-10 to.

Vastaanotinyksikkö 600, 602 käsittää edelleen demodulointivälineet 620, 628, joiden sisäänmenossa on vaiheistusvälineiltä 618, 626 saatava signaali. Seuran tavälineet 624, 632 ohjaavat demodulointivälineet tahdis-15 tumaan annetulla viiveellä τk saapuvaan signaalikomponent- tiin. Demodulointivälineissä signaalille suoritetaan hajo-tuskoodauksen purku ja demodulointi tunnetun tekniikan mukaisesti käyttäen koodivaiheena annettua Tk:ta. Saadut symbolit viedään viivetiedon kera kanavaelementin muihin 20 osiin.

Vastaanotinyksikkö 600, 602 käsittää edelleen toiset vaiheistusvälineet 622, 630, joiden sisäänmenossa on antenniryhmältä saatava digitalisoitu signaali. Toisten vaiheistusvälineiden ulostulosignaali viedään seuranta-25 välineille 624, 632. Seurantavälineet ohjaavat toisten vaiheistusvälineiden toimintaa mitaten niiden avulla vastaanottimelle allokoidun signaalikomponentin sen hetkisten parametrien ympäristöä tarkoituksena havaita vastaanotetun signaalikomponentin tulosuunnan ja viiveen 30 mahdolliset muutokset. Tähän tarkoitukseen toiset vaiheis tusvälineet käsittävät ensimmäisten vaiheistusvälineiden kaltaiset kompleksiset kertojat signaalin vaiheistamiseksi sekä etsijäyksikössä sijaitsevan mittausvälineiden 636 kaltaiset välineet impulssivasteen mittaamiseksi. Mikäli 35 seurantavälineet havaitsevat toisten vaiheistusvälineiden 105512 23 avulla halutun signaalikomponentin tulosuunnassa α3 tai viiveessä Tk muutoksia ne päivittävät sanotut tiedot ensimmäisille vaiheistusvälineille ja demodulointiväli-neille.

5 Tunnetussa tekniikassa on esitetty useita tapoja, joilla seurantavälineet 624, 632 voidaan toteuttaa hajas-pektrijärjestelmässä, kuten esimerkiksi Early-Late-portit, joita voidaan käyttää keksinnön mukaisessa ratkaisussa. Nämä piirit estimoivat koodin ajastusvirheen suorittamalla 10 kaksi energiamittausta annetulla aikaerolla, joka ero Δτ tyypillisesti on murto-osa hajotuskoodin chippiajasta sen hetkisen asetuspisteen Tk ympäristössä. Energiamittaukset suoritetaan toisten vaiheistusvälineiden 622, 630 mit tausvälineillä, joista saadaan nimellisen asetuspisteen Tk 15 tarvitsema korjaustieto viiveen muuttuessa.

Vastaavasti voidaan seurata signaalin saapumiskulman a.j muutoksia toisten vaiheistusvälineiden avulla. Voidaan esimerkiksi suorittaa annetulla viiveellä tk kaksi tai useampia energiamittauksia antennikeiloilla, joita on 20 poikkeutettu vaiheistuksen avulla kulman Δα verran molempiin suuntiin sen hetkisestä saapumiskulmasta a,. Käytetyn poikkeaman Δα suuruus on tyypillisesti murto-osa anten-nikeilan leveydestä.

Täten seurantavälineet 624, 632 ohjaavat toisilla 25 vaiheistusvälineillä 622, 630 suoritettavia energiamit- tauksia, jotta koko ajan voitaisiin vastaanottaa signaalia suurimmalla mahdollisella energialla. Seurantavälineet päivittävät tiedot muuttuneista parametreista (ajfik) ensimmäisille vaiheitusvälirieille ja demodulointivälineille se-30 kä myös kanavaelementin ohjausvälineille 612, jotta tietoa .· voitaisiin tarvittaessa käyttää hyväksi lähetyssuunnassa.

, Yllä kuvattua Vastaanotetun signaalin maksimointia voidaan verrata tavanomaisissa järjestelmissä hyödynnettyyn vastaanotinantennidiversiteettiin, jossa signaali 35 vastaanotetaan kahdella" tai useammalla toisistaan usean 105512 24 vastaanotetun signaalin aallonpituuden suuruisella etäisyydellä sijaitsevalla antennilla. Keksinnön mukaisessa vastaanottimessa, jos saapumiskulmalla a.j vastaanotettu signaali joutuu syvään ja pitkään häipymistilanteeseen, 5 muuttamalla vastaanottokeilan kulmaa pienen kulman Δα verran todennäköisesti poistaa häipymää. Täten ei tarvita kahta erillistä toisistaan annetun etäisyyden päässä sijaitsevaa antennia.

Kanavaelementin diversiteettiyhdistelijän 608 ja de-10 kooderin 610 toiminta on samankaltainen kuin tunnetun tekniikan mukaisissa diversiteettivastaanottimissa. Yhdistelyjä 608 yhdistää eri vastaanotinelementeiltä saapuvat symbolijonot ottaen huomioon ja kompensoiden niiden erilaiset viiveet Tk, mahdollisesti painottaen eri symbolijo-15 noja niiden signaalikohinasuhteiden mukaisesti maksimi-suhdeyhdistelyn saavuttamiseksi. Näin saatu yhdistelty symbolijono viedään dekooderille 610, joka dekoodaa symbolit käyttäjän databiteiksi, suorittaen sitä ennen yleensä lomituksen purun. CDMA-sovelluksissa käytetään yleensä 20 vahvaa konvoluutiokoodausta, jolle paras ilmaisumenetelmä on pehmeän päätöksen antava Viterbi-algoritmi.

On selvää, että esitetyn kaltaista kanavaelementtiä voidaan myös käyttää yhteydenmuodostuskanavan tarkkailuun ja vastaanottoon. Tällöin käytetyt vastaanottosuunnan an-;· 25 tennikeilat ovat leveämpiä antennikuvioltaan, ollen esi merkiksi 120 astetta leveitä, koska yhteydenmuodostusvies-tejä lähettävien liikkuvien asemien tarkkaa sijaintia ei tunneta.

Tarkastellaan seuraavaksi digitaalisen lähetysyksi-30 kön 606 toimintaa kuvioon 7 viitaten. Käyttäjän databitit viedään ensin kooderille 614, joka koodaa bitit tyypil-,lisesti konvoluutiokoodilla ja suorittaa lomituksen koodatuille symboleille. Saadut lomitetut symbolit viedään hajaspektrimodulaattorille 642, joka suorittaa tavan-35 omaisen moduloinnin. Yllä kuvatut toiminnat voidaan kaikki i 105512 25 suorittaa tunnetun tekniikan mukaisesti.

Esillä olevassa keksinnössä lähetinyksikkö käsittää kuitenkin välineet 644, 640 ohjata ja vaiheistaa lähe tettävää signaalia digitaalisesti vasteellisena vastaan-5 otetulle signaalille. Keksinnön mukaisessa lähetinyksikös-sä välineet 644 lähetyskeilan säätämiseksi saavat sisään-menona kanavaelementin ohjausvälineiltä 612 tiedon liikkuvan aseman signaalin vastaanotossa käytetyistä tulosuunnista eri vastaanotinyksiköissä 600, 602. Lisäksi ohjain-10 välineet 612 voivat ilmoittaa muut etsijäyksikön 604 havaitsemat signaalin tulosuunnat, joita kaikkia ei siis välttämättä hyödynnetä signaalin vastaanotossa.

Lähetinyksikön välineet 644 lähetyskeilan säätämiseksi ohjaavat vaiheistusvälineitä 640, jotka laskevat en-15 naita määrätyistä keilanmuodostusfunktioista JxL kompleksista painokerrointa wi3 (i· 1, . . .L; j= l,...,J), joilla aikaansaadaan J antennikeilaa L:n antennielementin avulla. Antennikeilojen suunnan ja lukumäärän lisäksi välineet 644 ohjaavat vaiheistusvälineitä 640 kertomalla kullakin 20 keilalla käytettävän lähetystehon, jonka välineet 644 saavat kanavaelementin ohjausvälineiltä 612.

Vaiheistusvälineiden 640 rakenne voi olla aiemmin vastaanottosuunnassa kuvattujen vaiheistusvälineiden 618, 626, 634 kaltainen. Vaiheistusvälineissä modulointiväli-25 neiltä 642 tulleet lähetettävän signaalin digitoidut (I,Q)-näytteet kerrotaan siis L:llä kappaleella kompleksisia painokertoimia, jossa L on siis antenni element ti en lukumäärä , seuraavasti:

30 v = it g w , i - l, . . . ,L

1 J-l * « jolloin saadaan L kompleksista näytejonoa antenniryhmälle. Kompleksisessa kertolaskussa käytetään myös reaalista skaalauskerrointa gs (j=l,...,J), joka saadaan säätövä-35 lineiltä 644 ja jota voidaan käyttää kunkin antennikeilan 105512 26 itsenäiseen tehonsäätöön. Säätövälineet 644 kertovat myös käytettävän taajuuden, jotta painokertoimet wi;j saadaan asetettua oikein.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa voidaan myös 5 hyödyntää erityisiä keilanohjausbittejä, jotka liikkuva asema generoi vastaanottamansa signaalin perusteella ja liittää tukiasemalle lähettämäänsä signaaliin. Keksinnön mukaisessa vastaanottimessa on välineet 616 demultipleksa-ta ja ilmaista sanotut keilanohjausbitit vastaanotetusta 10 signaalista. Ilmaisu tulee suorittaa jo ennen dekooderia 610 viiveiden välttämiseksi. Sanotut keilanohjausbitit välitetään lähetysyksikön säätövälineille 644.

Välineet 644 lähetyskeilan säätämiseksi ohjaavat vaiheistusvälineitä 640 kanavaelementin ohjausvälineiltä 15 tulevan informaation ja liikkuvan aseman lähettämien kei-lanohjausbittien perusteella. Säätö voidaan suorittaa monin tavoin parametreja a.j ja g^ (j=l,...,J) eri tavoin muuntamalla. Esimerkiksi joillakin antennikeiloilla käytettävää lähetystehoa voidaan itsenäisesti säätää, tai 20 joidenkin antennikeilojen suuntakulmaa a, muuttaa annetun kulman Δα verran, tai käytettyjen antennikeilojen lukumäärää voidaan muuttaa. Näillä toimenpiteillä voidaan kompensoida radiotiellä tapahtuvia signaalin laadun huononemisia, kuten häipymiä.

25 Keksinnön mukaisessa ratkaisussa lähetysyksikössä 606 säätövälineet 644 voivat poikkeuttaa yhden tai useamman käytetyn antennikeilan suuntaa pieniä määriä Δα annetun suuntakulman Oj ympäristössä. Tällaisen poikkeutuksen ansiosta voidaan pienentää todennäköisyyttä, että liikkuva 30 asema olisi pitkiä aikoja syvässä häipymässä. Koska antennikeilan suuntakulma värisee jatkuvasti nimellisen suuntakulman Oj ympärillä, ei radiotiellä edennyt signaali kulje jatkuvasti samaa reittiä.

Edelleen keksinnön mukaisessa ratkaisussa säätöväli-35 neet 644 voivat ohjata vaiheistusvälineitä 640 siten, että 105512 27 antenniryhmältä aikaansaadaan suuritehoinen laajan antennikeilan omaava signaali painokertoimien wi;j ( i = 1,...,L; j =1,...,J) ja kertoimien g, sopivalla asettelulla. Saatu antennikuvio voi olla esimerkiksi sek-5 torikuvio tai ympärisäteilevä kuvio. Täten voidaan lähettää esimerkiksi datamoduloimatonta pilottisignaalia kiinteällä antennikuviolla. Samaa menetelmää voidaan soveltaa myös ohjauskanavien lähetykseen.

Edelleen keksinnön mukaisessa ratkaisussa säätöväli-10 neet 644 voivat ohjata vaiheistusvälineitä 640 siten, että painokertoimien wi;j ( i= l, . . . ,L; j=l, . . ., J) ja kertoimien gj (j=l,...,J) sopivalla asettelulla antenniryhmältä aikaansaadaan yksi tai useampi verrattain kapean antennikeilan omaava signaali, jonka suurimman vahvistuksen kulma 15 pyyhkii jatkuvasti solun alueen ylitse. Saatua antenni-kuviota voidaan käyttää datamoduloimattoman pilottisignaa-lin lähetykseen.

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaiseen esimerkkiin, on selvää, 20 ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella monin tavoin oheisten patenttivaatimusten esittämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Antennikeilojen suuntausta voidaan esimerkiksi käyttää sekä vertikaalisessa että horisontaalisessa suunnassa, 25 jolloin yllä kuvattu (α,τ)-avaruus voidaan käsittää (α,β,τ)- avaruutena, jossa a käsittää vertikaalisen kulman, β horisontaalisen kulman ja τ viiveen.

Eräs mahdollisuus on myös hyödyntää koherentteja, epäkoherentteja tai differentiaalisesti koherentteja modu-30 laatio- ja demodulaatiomenetelmiä kanavaelementeissä. Esimerkiksi koherentin demoduloinnin mahdollistamiseksi liikkuvassa asemassa tukiasema voi sisällyttää ylimääräisen hajotuskoodatun signaalin ilman datamodulointia jokaiseen antennikeilaan vaihereferenssiksi. Vaihtoehtoisesti voi-35 daan käyttää tunnettuja referenssisymboleita samaan tar- 105512 28 koitukseen.

Eräs keksinnön toteutusvaihtoehto on myös keskittää kanavaelementtien digitaalisia vaiheistusvälineitä 618-634 yhteiseen vaiheistusvälinelohkoon, joka palvelee kaikkia 5 kanavaelementtejä.

i

Claims (16)

105512

1. Tukiasemalaitteisto halutun käyttäjän signaalin vastaanottamiseksi ja lähettämiseksi, joka vastaanotettava 5 signaali voi saapua laitteistoon useaa eri reittiä usealla eri viiveellä, ja joka laitteisto käsittää yhden tai useamman useasta elementistä koostuvan antenniryhmän (500) , yhden tai useamman kanavayksikön (504-508), ja joka kanavayksikkö käsittää välineet (600 -606) vaiheistaa 10 antenniryhmällä (500) lähetettävää ja vastaanotettavaa signaalia siten, että antenniryhmästä saatava vahvistus on suurimmillaan halutuissa suunnissa, tunnettu siitä, että kanavayksikkö (504-508) käsittää välineet (604) etsiä vastaanotettujen signaalikomponenttien tulosuunnat 15 ja viiveet, ja välineet (604) ohjata vaiheistusvälineitä (600-606) sanotun tiedon perusteella siten, että anten-nikeilojen suurimman vahvistuksen kulmaa poikkeutetaan haluttujen suuntien ympäristössä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tukiasemalaitteis- 20 to, tunnettu siitä, että tukiasemalaitteisto käsittää antenniryhmään (500) kytketyn joukon radiotaa-juusyksikköjä (500), yhden tai useamman kanavayksikön (504-508), joiden yksikköjen sisäänmenossa on radio-taajuusosilta (500) saatava signaali ja joka kanavayksikkö 25 käsittää ainakin yhdet välineet (618) vaiheistaa antenni-ryhmällä (500) vastaanotettua signaalia siten, että antenniryhmästä saatava vahvistus on suurimmillaan halutussa suunnassa, ja ainakin yhdet välineet (620) demoduloida haluttu vastaanotettu signaalikomponentti ja joiden demodu-30 lointivälineiden sisäänmenona on vaiheistusvälineiden (618) ulostulosignaali, ja välineet (624,638) etsiä vastaanotettujen signaalikomponenttien tulosuunnat ja viiveet ja välineet (624, 638) ohjata vaiheistusvälineitä (618) ja demodulointivälineitS,(620) sanotun tiedon perusteella.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen tukiasemalaitteis- 105512 to, tunnettu siitä, että kukin kanavayksikkö (504) käsittää kanavayksikön toimintaa säätävän ohjausyksikön (612), ainakin yhden vastaanotinlohkon (600-602) ja ainakin yhden etsijälohkon (604), joiden lohkojen sisäänmenos-5 sa on radiotaajuusosilta (500) saatava signaali, ja tois-teyhdistelijän (608), jonka sisäänmenona on vastaan-otinlohkoilta (600-602) saatavat signaalit, sekä välineet (610) yhdistetyn signaalin dekoodaamiseksi.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen tukiasemalaitteis-10 to, tunnettu siitä, että etsijälohko (604) käsittää vaiheistusvälineet (634), joiden sisäänmenona on radiotaajuusosilta (500) saatava signaali, ja välineet (636) havaita käsittääkö vaiheistusvälineistä (634) saatava tietystä tulosuunnasta vastaanotettu signaali tietyn vii- 15 veen omaavaa haluttua signaalikomponenttia ja mitata sanotun signaalikomponentin laatu, sekä välineet (638) ohjata vaiheistusvälineitä (634) ja mittausvälineitä (636) siten, että vastaanotettavan signaalin halutut tulosuunnat ja viiveet saadaan mitattua, ja välineet (636) ilmoittaa 20 kanavaelementin ohjausyksikölle (612) kunkin havaitun signaalikomponentin tulosuunta, viive ja laatu.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen tukiasemalaitteis-to, tunnettu siitä, että lähetinlohko (606) käsittää modulointivälineet (642), jonka sisäänmenona on koo- : 25 dausvälineiltä (614) saatava signaali, vaiheistusvälineet (640), joiden sisäänmenona on modulointivälineiden ulostulossa näkyvä signaali, sekä välineet (644) ohjata vaiheistusvälineitä (640) siten, että lähetettävän signaalin suurin vahvistus saadaan haluttuun suuntaan.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tukiasemalaitteis- ·· to, t u n n e t t u siitä, että vaiheistusvälineet (618, 622, 634) käsittävät välineet (412-416) kertoa kullakin antennielementillä vastaanotettu signaalikomponentti kullekin komponentille erikseen asetettavalla kompleksisella 35 painokertoimella, jotka kertoimet ohjaavat ennalta määrä- f _= ................... ^ ............ -' I 105512 tyn vahvistuskuvion suurimman vahvistuksen kulman osoittamaan haluttuun suuntaan,

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tukiasemalaitteis-to, tunnettu siitä, että kanavayksikkö (504-508) 5 käsittää välineet (616) erottaa liikkuvalta asemalta vastaanotetusta informaatiosta laskevan siirtosuunnan yhtey-denlaatutieto ja että laitteisto käsittää välineet (604) ohjata vastakkaisen siirtosuunnan vaiheistusvälineitä (606) ottaen huomioon sanotun yhteydenlaatutiedon.

8. Menetelmä kulmatoisteen aikaansaamiseksi solukko- radiojärjestelmän tukiasemassa, joka järjestelmä käsittää kussakin solussa ainakin yhden tukiaseman (100), joka on yhteydessä alueellaan oleviin liikkuviin asemiin (102), ja joka tukiasema lähettää datasignaalia liikkuville asemille 15 ajallisesti muuttuvia antennikeiloja käyttäen, tunnettu siitä, että kullakin yhteydellä käytettyjen an-tennikeilojen suuntakulmia poikkeutetaan (588a-588b) annettujen suuntakulmien (580) ympäristössä,

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, t u n -20 n e t t u siitä, että tukiasema vastaanottaa signaalin liikkuvalta asemalta useasta elementistä koostuvan an-tenniryhmän (500) avulla, muuntaa signaalin välitaajuudel-le ja digitaaliseen muotoon, ja että vastaanotetusta signaalista etsitään parhaimpien 25 signaalikomponenttien tulosuunnat ja viiveet, ja että vastakkaiseen siirtosuuntaan lähetettävän signaalin vaiheistusta ja vahvistusta ohjataan sanotun mittauksen ja liikkuvan aseman lähettämän laskevan siirtosuunnan yhteydenlaatutiedon perusteella.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että liikkuva asema lähettää tukiasemalle tiedon liikkuvalla asemalla vastaanotettujen signaalikomponenttien lukumäärästä, laadusta ja suhteellisesta viiveestä.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, „ 105512 tunnettu siitä, että antennikeilojen suuntakulman poikkeutuksen säädössä käytetään hyväksi liikkuvalta asemalta vastaanotettua informaatiota.

12. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, 5 tunnettu siitä, että lähetettävän signaalin vaiheistus tapahtuu kertomalla kullakin antennielementillä (400 - 404) lähetettävä signaali kullekin elementille erikseen asetettavalla kompleksisella painokertoimella.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, 10 tunnettu siitä, että kukin erikseen asetettujen kompleksisten painokertoimien yhdistelmä vastaa joidenkin suuntien korostamista signaalin lähetyksessä.

14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suuntakulmaa poikkeutetaan 15 vaihtelemalla asetettujen kompleksisten painokertoimien yhdistelmiä.

15. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähetettävän signaalin vaiheistuksessa ennalta määrätyn vahvistuskuvion suurimman 20 vahvistuksen kulmaa poikkeutetaan annetun halutun suunnan ympäristössä.

16. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tehotasoltaan voimakkaimpia signaalikomponentteja vastaavien tulosuuntien ja viiveiden : 25 etsintä tapahtuu erillisessä etsijäyksikössä (604), joka ilmoittaa etsinnän tulokset ohjausyksikölle (612) , joka ohjaa lähetysyksikön vaiheistusvälineitä. i 105512