NO316933B1 - Fremgangsmate og anordning for dynamisk optimering av transmisjonskapasiteten i et cellulaert radiokommunikasjonssystem - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning ved et semistasjonært eller mobilt cellulært radiokommunikasjonssystem hvor det anvendes antennesystem med direktive antennelober for å dynamisk optimere transmisjonskapasiteten og redusere innvirkning av interferens mellom radiokanalene ved overføring av signaler mellom sendende og mottakende utstyr i systemet.

I cellulære radiosystemer, fortrinnsvis digitale radiosystemer, er det tidligere kjent fra blant annet GB-patentskrift 2.281.007 A å anvende et antennearrangement som omfatter midler for å gjenkjenne unike identitetssignaler som er inkorporert i signalmeddelelsen og at antennearrangmentet omfatter midler for gjenkjenning av nevnte identitetssignaler slik at antennearrangementet kan skille mellom uønskede og ønskede signaler. Systemet predikterer imidlertid ikke den .mobile enhetens bevegelse med det formål å optimere systemets transmisjonskapasitet med et minimum av interferens og slik at samme radiokanal kan anvendes av samme basisstasjon på samme tidspunkt og i forskjellige geografiske retninger.

En annen patentpublikasjon WO, Al, 95/09 490 vedrører et radiosystem hvor basisstasjonene anvender to forskjellige typer radiokanaler der den ene kanaltype, som er rund-strålende, anvendes blant annet ved oppkopling av samtaler og der den andre type kanal, som anvendes for den vanlige taletrafikk, anvender en smal, styrbar antennelob. I patentpublikasjonen beskrives en fremgangsmåte for å bedre et radiosystems kapasitet.

Videre er det tidligere kjent fra patentskrift U, A 5.161.248 en fremgangsmåte for å prediktere antennelober i et cellulært, trådløst kommunikasjonssystem. Systemet er imidlertid et satellittbasert system og ikke et jordbasert, slik at antennelobene beveger seg med en konstant hastighet i forhold til brukeren. Antennelobene i dette system er således ikke styrbare i den betydning som et jordbasert systems antenneelementer er styrbare.

Fra de anførte publikasjoner er det således tidligere kjent cellulære radiokommunikasjonssystemer som omfatter basisstasjoner som er utstyrt med spesielle antennearrange-menter som gjør det mulig at kommunikasjon kan foregå fra og til mobile enheter som inngår i systemet via smale, direktive og overlappende antennelober.

Noe som derimot ikke er tidligere kjent og således ut-gjør en ny fremgangsmåte og anordning er i et jordbasert cellulært radiokommunikasjonssystem for mobil og/eller semistasjonær kommunikasjon og som omfatter antennesystemer med styrbare antennelober å kunne korttidsprediktere én eller flere mobile enheters geografiske bevegelse for å styre antennesystemet eller symbolhastigheten slik at samme radiokanal kan anvendes av samme basisstasjon på samme tidspunkt i forskjellige retninger, slik at det kan oppnås maksimal transmisjonskapasitet med et minimum av interferens.

Fremtidens telekommunikasjonstjenester kommer til å kreve et stadig større frekvensområde, dvs. båndbredde. Samtidig vil med stor sannsynlighet behovet for terminalmobilitet øke ytterligere sammenlignet med dagens mobili-tetsmuligheter. Terminalmobilitet forutsetter vanligvis at radiokommunikasjon utnyttes som transmisjonsmedium for overføring av informasjon mellom to eller flere enheter som inngår i systemet. Det tilgjengelige frekvensspektrum for slik radiokommunikasjon er imidlertid en begrenset ressurs, slik at tildelingen av denne ressurs nødvendigvis blir be-grensende for de nye systemer eller standarder som i første rekke er beregnet for de kapasitetskrevende anvendelser eller tjenester. Frekvensspektrets begrensning medfører således at dets anvendelse må bli ytterst effektiv.

En måte å bedre spektrumeffektiviteten på er i basisstasjoner å anvende et antall direktive antenner. Ved å anvende slike antenner i et radiobasert kommunikasjonssystem vil det oppstå en relativt smal lob mellom basisstasj on og mobilenhet. Dette innebærer at samme radiokanal, dvs. samme frekvens (FDMA), tidsluke (TDMA) eller spredningskode (CDMA) kan anvendes av samme basisstasjon i én eller flere retninger. På slik måte kan f.eks. i et FDMA-system én og samme frekvens anvendes flere ganger i samme celle, se fig. 1. Samme frekvens kan også anvendes i en tilstøtende celle dersom denne lob ikke rettes mot samme punkt eller overlapper det punkt som loben fra den til-støtende basisstasjon sender ut. Denne fremgangsmåte er relativt enkel å introdusere i et system med faste mot-takerenheter, idet man da vet, og kan utgå fra i sine be-regninger av nødvendige radioressurser, at de mottakende enheter ikke vil flytte seg.

Også i et radiokommunikasjonssystem med mobile enheter kan fremgangsmåten med direktive antennelober benyttes. Antennelobene må imidlertid være direktive slik at loben følger den mobile enhetens geografiske forflytning. Et problem når det gjelder radioressurshåndteringen oppstår imidlertid. Når mobiler flytter .seg risikerer antennelober fra tilstøtende basisstasjoner å krysse hverandre over lobenes felles dekningsområde, se fig. 2. Dersom basisstasj onene anvender samme radiokanal, gjelder i visse tilfeller også for tilstøtende kanaler, så kan dette komme til å medføre at det oppstår tilstrekkelig interferens, slik at en kan kanal blir sjenert. Oppfinnelsen tar sikte på å løse dette problem.

En metode for å redusere kravet til spektrumeffekti-vitet kan være anvendelse av meget høye frekvensbånd, idet man da kan finne større tilgjengelige frekvensspektra for vedkommende system. Imidlertid oppstår da problem med å oppnå tilstrekkelig radiodekning for mobile systemer. Dette kan imidlertid i prinsippet løses ved anvendelse av styrbare direktive antenner for å bedre radiodekningsområdet. Man må imidlertid i disse tilfeller kunne forutsi forekommende kanalforandringer, idet disse foregår hurtigere ved høyere frekvensbånd. Ellers risikerer man å ikke kunne utføre kanalskifte, alternativt basisstasjonsskifte, tilstrekkelig hurtig til å kunne opprettholde ønsket kommunikasjon. Oppfinnelsen løser også dette problem.

En teknikk ved overføring av signaler i et radiobasert kommunikasjonssystem består i å under én og samme kommuni-kasjonssesjon å variere modulasjonsnivået dynamisk, slik at man derved under mesteparten av tiden kan anvende en vesentlig høyere datahastighet enn om man, som konven-sjonelt, konstant dimensjonerer modulasjonsnivået etter "verste fall". Imidlertid oppstår det også med denne teknikk problemer med å tilstrekkelig hurtig vite når man skal endre nevnte modulasjonsnivå. Oppfinnelsen løser også dette problem.

Anordningen ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved det selvstendige krav 1, og alternative foretrukne utførelser er kjennetegnet ved de uselvstendige kravene 2-12. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved det selvstendige krav 13.

Det som hovedsakelig kan anses for å være kjenne-tegnende for oppfinnelsen er at den benytter korttidsprediksjon av en mobils bevegelse med formål å styre eksisterende antennesystem og/eller symbolhastighet slik at maksimal kapasitet og minimal interferens oppnås. Et ytterligere kjennetegn er at oppfinnelsen utgjør faktiske posisjonsbestemmelser av mobilens posisjon regelmessig under anvendelse av en tidligere kjent metode, så som f.eks. GPS, eller ved hjelp av prinsipper i overensstemmelse med svensk patent 466 376, eller ved at man måler vinkler og forplantningstidsforskyvning i basisstasjonen når det anvendes direktive antenner.

I en utførelsesform av oppfinnelsen utføres det målinger av forplantningstidforsinkelsen mellom basisstasjon og mobil enhet til å beregne avstanden mellom disse. Den målte verdi anvendes deretter for posisjonsbestemmelse av den mobile enhet.

I en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsestanken anvendes det retningsinformasjon til mobilen i forhold til vedkommende basisstasjon fra dens styrbare antennesystem. Denne informasjon benyttes for posisjonsbestemmelse av mobilen sammen med andre teknikker, f.eks. de som er beskrevet ovenfor.

Oppfinnelsen utfører prediksjon av mobilens posisjon mellom de faktiske posisjonsbestemmelser. Prediksjonen kan videre benytte veikart eller tilsvarende informasjon som finnes lagret i basisstasjonene eller deres kontrollenheter for å lette muligheten til å prediktere mobilens bevegelse.

I en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsestanken anvendes det istedenfor en sentral kontrollenhet distribuerte kontroll- og overvåkningsenheter. Dette medfører at signalering må foregå mellom basisenhetene, slik at disse hele tiden holdes oppdatert om hvilke kanaler og hvilke ruter som er allokert. Denne løsning er imidlertid mer kostbar idet den blant annet krever mer signalering mellom eksisterende enheter enn den sentralt plasserte kontrollenhet. Det kan imidlertid ikke utelukkes at fremtidige tekniske løsninger medfører at distribuerte kontrollenheter kan være av interesse.

Ved tidligere kjent teknikk for mobil kommunikasjon benyttes i forhold til den foreliggende oppfinnelse store marginaler mot interferens og i tillegg til det en slags form for kanalkoding. Disse tidligere kjente teknikker vil imidlertid ikke være tilstrekkelige for båndbreddekrevende, trådløse anvendelser, særlig på grunn av at det ifølge tidligere kjent teknikk ikke benyttes prediksjon, men heller tidligere oppnådd kanalinformasjon til f.eks. be-stemmelse av kanalvalg.

Forutsetningen for bredbåndanvendelser i cellulære, trådløse systemer øker derfor dramatisk dersom man ved hjelp av den foreliggende oppfinnelse kan prediktere den mobile enhetens bevegelse samt tilgjengelige radiokanaler og dermed momentant anvende optimal kanal og datahastighet for transmittering av signaler mellom et sendende og mottakende utstyr i systemet.

På grunn av at fremtidige telekommunikasjonstjenester ofte vil være meget båndbreddekrevende er det en stor for-del dersom disse kanaler også kan anvendes i tilstøtende celler. Dette er mulig ved hjelp av direktive antennelober i kombinasjon med den foreliggende oppfinnelse, slik at interferens unngås eller dens innvirkning på transmit-teringen kan minimaliseres.

Oppfinnelsen kan realiseres i stort sett alle cellulære radiokommunikasjonssystemer hvis signaloverføring krever stor båndbredde og som blant annet anvender kommuni-kasjonen til f.eks. mobile multimedieanvendelser.

En for tiden foreslått utførelsesform av fremgangsmåten og anordningen som oppviser de for oppfinnelsen vesentlige kjennetegn vil bli beskrevet nedenfor under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser hvordan samme radiokanal kan anvendes flere ganger av samme basisstasjon og også av tilstøtende basisstasjoner. Fig. 2 viser et eksempel på når antennelobene som blir utsendt fra basisstasjonene krysser hverandre, hvorved det oppstår kraftig interferens. Fig. 3 viser en mobil enhet som er på vei til å flytte seg fra rute A til rute B. Kontroll foregår da slik at ikke noen annen mobil med samme eller nærliggende, interfererende kanal finnes i rute B. Fig. 4 viser et flytskjema for den kontroll som må foregå ved skifte av rute. Flytskjemaet viser hendelsene når det anvendes en sentral kontrollenhet.

Den foreliggende oppfinnelse er i første rekke anvendelse for slike cellulære kommunikasjonssystemer for mobil og/eller semistasjonær kommunikasjon hvor det an-'■' vendes antennesystem som omfatter styrbare antennelober.

Oppfinnelsen er basert på en anordning som omfatter organ for korttidsprediksjon av en mobils bevegelse med det formål å styre forekommende antennesystem og/eller symbolhastighet slik at det oppnås maksimal transmisjonskapasitet og minimal interferens. Jordbaserte mobile terminaler som flytter seg hurtig befinner seg ofte i bil eller tog, dvs. er forbundet med vei eller spor. Dette innebærer at det er mulig med relativt stor sikkerhet å utføre prediksjoner som har kort gyldighet i tid når det gjelder hvordan kjøretøyet vil forflytte seg. Forandringer av mobilens hastighet, dvs. fart og retning, er kortsiktig sett langsomme, noe som innebærer at prediksjonsfeilen i et kort tidsrom med stor sannsynlighet vil være liten.

Oppfinnelsen kan utføres ifølge det som beskrives nedenfor.

En ved en mobil- eller basisenhet anbrakt anordning utfører faktiske posisjonsbestemmelser av mobilens posisjon regelmessig ved å benytte en ekstern enhet, så som f.eks. GPS (Global Positioning System) eller ved å benytte prinsipper ifølge svensk patentskrift 466 376 eller tilsvarende posisjoneringssystem. Alternativt kan posisjonsbestemmelsen foregå ved at man måler vinkler og forplantningstidforsinkelse i basisstasjonen ved anvendelse av direktive antenner.

Mobil- eller basisenhet er tildelt organ som utfører målinger av forplantningstidforsinkelse mellom basis og mobil for å beregne avstanden mellom disse, og avstands-resultatet benyttes for posisjonsbestemmelse av den mobile enhet. Videre benyttes retningsinformasjon til mobilen i forhold til vedkommende basisstasjon fra dens direktive antennesystem. Retningsinformasjonen anvendes for posisjonsbestemmelse av mobilen sammen med de teknikker som er angitt ovenfor.

En anordning ved mobil- eller basisenhet utfører ved hjelp av organer som er beregnet for dette prediksjon av mobilens posisjon mellom de faktiske posisjonsbestemmelser som er beskrevet ovenfor, se fig. 4.

Ved prediksjonen kan det anvendes veikart eller tilsvarende informasjon i basisstasjonene eller deres kontrollenheter for å lette muligheten til å prediktere mobilens bevegelse. Mobilen befinner seg ofte i et slags kjøretøy, f.eks. en bil eller et tog. Disse kjøretøytyper beveger seg i mønstre som i mange tilfeller er repeterbare. Prediksjoner av mobilens bevegelse kan også utføres på slik måte at systemet antar at hastigheten alltid er konstant mellom ukorrigerte prediksjoner. Forandringer i hastighet fører således til prediksjonsfeil som korrigering utføres for. Alternativt kan prediksjon foregå etter den antagelse at hastighetsforandringen er i alt vesentlig konstant.

Ifølge oppfinnelsen benyttes prediktering av mobilens bevegelse for å kunne beregne når tilfellet med kryssende antennelober inntreffer. Med kryssende antennelober menes slik situasjon der det oppstår interferens ved at antennelober fra tilstøtende basisstasjoner krysser hverandre, se fig. 2, over et felles dekningsområde hvori det finnes en mobil enhet, som er aktiv mot én av berørte basisstasjoner. Med interferens menes slik trafikk fra en annen bruker, med samme eller tilstøtende kanal som forstyrrer ønsket kommunikasjon .

Ifølge oppfinnelsen benyttes predikteringen av kryssende antennelober ved at det i tid, innen kryssende antennelober oppstår, tas en eller annen form for forebyggende forholdsregel. Et eksempel på forebyggende forholdsregel er å utføre kanalskifte slik at kryssende antennelober ikke benytter interfererende kanaler. Et annet eksempel er å senke datahastigheten på den eller de aktuelle bærebølger ved å senke modulasjonsnivået slik at det oppnås en mer robust radiokanal. Den sistnevnte metode kan spesielt tillempes i situasjoner der man predikterer at interferensen mellom to eller flere kanaler ikke vil bli total.

Ifølge oppfinnelsen benyttes predikteringen av mobilens bevegelse til derved også å kunne prediktere situasjoner med lav signalstyrke eller høy interferens. Et eksempel på en situasjon med høy interferens er beskrevet tidligere ovenfor, kryssende antennelober. Men også lav signalstyrke kan det være verdifullt å kunne prediktere for å kunne senke modulasjonsnivået, skifte kanal eller skifte basisstasjon. Dette er meget verdifullt, særlig å kunne prediktere situasjoner der signalstyrken vil falle hurtig, f.eks. når mobilen flyttes rundt gatehjørner eller ved inn-kjøring i tunneler etc.

Mobil- eller basisenheten har kommunikasjon mellom tilstøtende basisstasjoner, direkte eller via en kontrollenhet, for å oppnå en formasjon slik at f.eks. kryssende antennelober kan predikteres og unngås. Et eksempel på ut-førelse er at den geografiske flaten inndeles i et antall små ruteenheter, se fig. 3. Når en mobil nærmer seg et ruteskifte må dens basisstasjon kontrollere med kontroll-enheten, se fig. 4, at den nye rute ikke er eller vil bli opptatt for den aktuelle kanal. Dersom dette er tilfellet foreslås kanalskifte, alternativt senkning av modulasjonsnivået eller en annen forholdsregel for å unngå eller redusere interferensen. Kanalskiftet eller modulasjonsnivået foreslås i god tid før mobilens ruteskifte foregår, hvorved det tas hensyn til den tid som medgår for å skifte kanal/modulasjon i forhold til mobilens aktuelle hastighet samt den unøyaktighet som gjelder for posisjonsbestemmelsen for vedkommende retning og avstand. Teknikken kan også benyttes på lignende måte ved etablering/oppkopling av en ny forbindelse.

Claims (13)

1. Anordning ved et semistasjonært eller mobilt cellulært radiokommunikasjonssystem som anvender antennesystem med direktive antennelober for å dynamisk optimere transmisjonskapasiteten og redusere innvirkning av interferens mellom radiokanalene ved overføring av signaler mellom sendende og mottakende utstyr i systemet, karakterisert ved at det til en mobil enhet eller en basisenhet, som tilhører et cellulært radiosystem, er tildelt organer som regelmessig utfører korttidsprediksjon av en mobil enhets bevegelser, at prediksjonen blir benyttet til å styre antennesystemet som er anordnet til basisstasjonen, at organene benytter prediktering av mobilens bevegelse for å beregne når en situasjon med kryssende antennelober inntreffer, hvoretter egnet kanalvalg i forhold til interferensrisikoen beregnes, at organene styrer midler som er anordnet i basisstasjonen, slik at nødvendige forandringer av radiokanal og/eller modulasjonsnivå blir effektuert av anordninger som er tildelt for dette i basisstasjonen.

2. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det digitale radiokommunikasjonssystem er innrettet til å sende informasjon i tidsluker som er inndelt i tidsrammer, og at utvalgte tidsluker er anordnet for sending av informasjonen henholdsvis til og fra en sendende og mottakende enhet i systemet.

3. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at radiokommunikasjonssystemet er innrettet til å overføre informasjon kontinuerlig via ett eller flere frekvensbånd, og at det er anordnet utvalgte frekvensbånd for sending av informasjonen henholdsvis til og fra en sendende og en mottakende enhet i systemet.

4. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at radiokommunikasjonssystemet er innrettet til å transmittere informasjon via en felles bære-bølge som omfatter brukerunike koder, og at bærebølgen er innrettet til å sende informasjonen henholdsvis til og fra et sendende og et mottakende utstyr som inngår i systemet.

5. Anordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at prediksjonsfunk-sjonen er innrettet til å påvirke tildelingen av radiokanaler avhengig av interferensforholdet i det berørte om-råde som det sendende og mottakende utstyr befinner seg i.

6. Anordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at radiokommunikasjonssystemet er anordnet med én eller flere enheter for mot-taking og sending av informasjon, hvilke kan anropes fra respektivt til en mobil eller fast enhet som inngår i systemet.

7. Anordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at organet opprett-holder kommunikasjon mellom tilstøtende basisstasjoner for å oppnå nødvendig informasjon slik at kryssende antennelober fra basisstasjonene kan predikteres og unngås.

8. Anordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at organet benytter predikteringen av mobilens bevegelse til derved også å kunne prediktere situasjoner med lav signalstyrke eller høy interferens.

9. Anordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at organet benytter predikteringen av kryssende antennelober til i tid innen situasjonen med kryssende antennelober inntreffer å ta forebyggende forholdsregel ved å utføre kanalskifte slik at kryssende antennelober ikke benytter interfererende kanaler.

10. Anordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at organet benytter prediktering av kryssende antennelober til innen situasjonen med kryssende antennelober inntreffer å senke datahastigheten på den eller de aktuelle bærebølger ved å senke modulasj onsnivået.

11. Anordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at organet utfører målinger av forplantningstidforsinkelse mellom basisenheten og den mobile enhet for å beregne avstanden mellom disse.

12. Anordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at organet benytter retningsinformasjon til mobilen i forhold til vedkommende basisstasjon fra dens direktive antennesystem til posisjonsbestemmelse av mobilen.

13. Fremgangsmåte ved et semistasjonært eller mobilt cellulært radiokommunikasjonssystem hvor det anvendes antennesystem med direktive antennelober for å dynamisk optimere transmisjonskapasiteten og redusere innvirkning av interferens mellom radiokanalene ved overføring av signaler mellom sendende og mottakende utstyr i systemet, karakterisert ved at det til mobil enhet eller basisenhet, som tilhører et cellulært radiosystem, er tildelt organer som regelmessig utfører korttidsprediksjon av en mobil enhets bevegelser, at prediksjonen benyttes til å styre antennesystemet som er anordnet til basisstasjonen, at organene benytter prediktering av mobilens bevegelse for å beregne når en situasjon med kryssende antennelober inntreffer, hvoretter egnet kanalvalg i forhold til interferensrisikoen beregnes, at organene styrer midler som er anordnet i basisstasjonen, slik at nødvendige forandringer av radiokanal og/eller modulasjonsnivå effektueres av anordninger som er tildelt for dette i basisstasjonen.