SE514624C2 - Förfarande och arrangemang för att upprätta en länk mellan två fasta noder i ett mobilradiosystem genom användning av adaptiva antenner och en reflekterande kropp - Google Patents

Description

lO 15 20 25 514 624 2 En möjlig metod för att bemästra detta problem är att använda en radiolänk för att åstadkomma kontakt mellan masternoden, BSC, och slavnoden, BTS. Man bör lägga märke till att varje masternod kan samverka med ett antal slavnoder. Detta kräver emellertid radiosändare med relativt hög effekt och en noggrann frekvensplanering.

Det krävs också sofistikerade mottagare, som fönnår kompensera för flervägs- fåding. Detta kan uppnås genom rake-rnottagare eller utjämnare. Kostnaden för dylik utrustning är normalt kraftigt överstigande kostnaden för en trådförbindelse.

En annan ansats för att ansluta en BSC till en BTS är att anordna en reguljär mikro- vågslänk mellan de två noderna. Detta kan då utföras med riktantenner vid båda moderna, som åstadkommer upp- och nedlänkar i smala strålar inbördes. Detta kan utföras med sändare med relativt låg effekt och enkla mottagare och kräver normalt inte någon komplicerad frekvensplanering. För att denna ansats skall vara möjlig krävs emellertid att man måste ha en siktlinje mellan respektive antenner. Detta ofta svårt att uppnå i tätt befolkade områden. Om vidare siktlinj en blir störd genom ett tillfälligt skuggande föremål, så blir kommunikationen mellan noderna avstängd.

Sarnmanfattning av uppfinningen Vid mobila system, och särskilt vid s.k. punkt-till-multipunlw, P-MP-system, konst- ruerade för utsändning med höga krav på radiolänkegenskaper är flervägsutbredning helt destruktiv för dylik prestanda. Detta är särskilt fallet när ingen siktlinje finns mellan sändare och mottagare, på grund av hinder. Som ett mått på länkprestanda kan bitfelshastigheten, BER användas, där BERw'/2x(S/T)2, där S är nns-fördröj- ningen och T är varaktigheten för översänd symbol.

Ett normalt sätt att hantera detta problem är att införa utjämnare i TDMA-system och s.k. RAKE-mottagare vid CDMA-system och att kombinera dessa med olika slag av kodning. Vid system med höga bithastigheter är utjämnare och RAKE-mot- 10 15 20 25 30 514 624 3 tagare dyrbara och besvärliga att förverkliga. De inför också fördröjning i systemet, på grund av basbandsbehandling.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma ett förfarande för att uppnå en flexibel och billig anslutning mellan två företrädesvis fasta noder i ett mobiltelefonsystem, där förbindelsen framleder data- eller taltrafik, som känslig för fördröjning genom multivägutbredning och/eller fädning.

Detta syfte åstadkommes genom ett förfarande för överföring av data- eller rösttra- fik mellan första och andra fasta noder i ett mobilradiosystem, där vardera noden har en fasstyrd antennenhet. En första länk upprättas, där den första noden sänder radio- signalertill den andra noden i en smal stråle avsiktligen via en reflekterande kropp.

En andra länk upprättas, där den andra noden sänder radiosignaler till den första noden i en smal stråle avsiktligt via en reflekterande kropp. Sändningsriktningen för den andra länken är då mottagningsriktningen för den signal som mottas från den första länken. Genom detta förfarande erhålles en flexibel kommunikationslärik mellan nodema, vilken ftmgerar riktigt även om det inte finns någon siktlinje mellan de två nodema. Sändarna kan vara av relativt låg effekt, och mottagarna behöver inte kompensera för multivägfadning. Förbindelsen är flexibel och kan justeras som resultat av en elektrisk miljö som ändrar sig.

Vid ett utföringsexempel av uppfinningen är den första och den andra länken upp- rättade i ett gemensamt radiofiekvensband. Detta fiekvensband är då delat genom att använda tidsuppdelningsduplex, TDD. Därmed möjliggöres att länkarna uppstäl- les med användning av ett mera begränsat fiekvensband, och inget skyddsband be- hövs mellan duplexbanden.

Vid ett armat utföringsexempel av uppfimiingen upprättas den första och andra länken inom olika radiofiekvensband, med användning av frekvensdelningsduplex, FDD. Då bör duplexavståndet mellan länkarna vara mindre än 2 %. Detta möjliggör 10 15 20 25 514 624 4 upprättande av upp- och nedlänkar utefter samma bana (ehuru i olika riktningar), samt medför mindre dyrbara sändare och mottagare.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett arrangemang för åstadkommande av en flexibel och billig förbindelse mellan två företrädesvis fasta noder i ett mobiltelefonsystem.

Detta syfte uppnås genom ett arrangemang för att överföra data eller tal mellan första och andra noder i ett mobilradiosystem, där vardera noden innefattar en fas- styrd antennenhet. Arrangemanget innefattar då medel för upprättande av en första radiolänk som är där den första noden sänder radiosignaler till den andra noden i en smal stråle och avsiktligt via en reflekterande kropp. Det innefattar ytterligare medel för att upprätta en andra radiolänk, där den andra noden sänder radiosignaler till den första noden i en smal stråle avsiktligt via en reflekterande kropp. Sändníngsrikt; ningen från den andra länken är då mottagningsriktningen för den första länken.

Detta medför en flexibel kommunikationslänk mellan noderna, vilken fungerar rik- tigt även om det inte föreligger någon siktlinje mellan de två noderna. Sändarna kan vara av relativt låg effekt, och mottagarna behöver inte kompensera för multivägfäd- ning.

Vid ett föredraget utföringsexempel är den första noden kopplad till en basstatíons- styrenhet, och den andra noden är ansluten till en bassändarmottagarstation. Därmed möjliggöres att uppfinningen användes för att förenkla aktiviteterna vid cellplane~ ring.

Figgbeskrivning F ig. 1 visar schematiskt ett mobilsystem enligt GSM-standarden. '10 15 20 25 30 514 624 s Fig. 2 visar ett blockschema för en basstationsstyrenhet, som är trådlöst samman- kopplad i enlighet med uppfinningen med ett flertal bassåndarmottagarstationer.

Fig. 3a visar en ostörd transmissionssituation mellan två noder.

Fig. 3b visar en transmissionssituation enligt uppfmningen mellan två noder, där siktlinj en är störd av ett mellankommande hinder.

Fig. 3c visar ett möjligt antennmönster för en adaptiv antenn vid en dylik transmis- sionssituation.

Fig. 4a och 4b visar ett system för strålstyrning för ett arrangemang enligt uppfin- ningen.

Fig. 5 visar ett signaleringsdiagrarn för en förbindelseuppkopplingsprocedur vid ett system enligt uppfinningen.

Beskrivning av föredragna uttöringsexempel Fig. 1 visar schematiskt ett mobilsystem enligt GSM-standarden. En mobilstation 101 kommunicerar med en bassändarmottagarstation, BTS 102 via luftgränssnittet, Um 103. Genom BTS erhålles täckning för ett förutbestämt geografiskt område, en cell. En mängd mobilstationer kan kommunicera med BTS-enheten samtidigt. Varje _ ' BTS är kopplad till en basstationsstyrenhet, en BSC 104 via ett andra gränsskikt, det s.k. Abis-grärisskiktet 105. Denna anslutning är normalt anordnad genom en fast förbindelse, men som framgår nedan är en trådlös förbindelse också möjlig. Före- liggande uppfinning handlar i första hand om anslutningen mellan BSC och BTS.

Det kan emellertid bemärkas att uppfinningen i princip fungerar även för gränsskik- tet 103 mellan BTS 102 och mobilstationen 101. Detta kräver emellertid att mobil- stationen är försedd med medel för att åstadkomma en smal, styrbar antennstråle. 10 15 20 25 30 514 624 6 BSC-enheten utför kanalkonfigurations- och handover-fiirilaioner för ett flertal BTS och är i sin tur kopplad till en växelcentral för mobila tjänster MSC 106. MSC-en- heten utför kopplingsfunktioner för ett antal underordnade BSC. Ett besökaiplace- ringsregister VLR är integrerat med MSC-enheten. Denna VLR är en databas som håller reda på abonnenter som finns i de underordnade cellerna. MSC-enheterna i mobilsystemet är samrnarikopplade så att det bildas ett nätverk. Vissa MSC i detta närverk betecknas som nätportsväxelcentraler för mobila tjänster, G-MSC 107, samt fungerar som nätportar till yttre kretsväxelnät 108, såsom PSTN och ISDN-nät.

F ig. 2 visar en basstationsstyrenhet BSC 201, som är trådlöst ansluten i enlighet med uppfinningen till ett flertal bassändarmottagarstationer BTS 2021, 2022, 2023.

Denna typ av anslutning kan kallas punkt-ti11-multipunktanslutning eller P-lVIP- anslutning. I detta fall används endast trådlösa anslutningar via BSC/BTS-gräns-I skiktet 205. l enlighet med uppfinningen kan emellertid en blandning mellan fasta och trådlösa anslutningar användas.

BSC-enheten är kopplad till en radionod 204, försedd med en adaptiv radioantenn 205. Radionoden 204 är anordnad för att upprätthålla kontakt med ett flertal radio- terrninaler 2061, 2062, 2063, vardera försedd med en adaptiv antenn 2071, 2072, 2073 och ansluten till en BTS 2021, 2022, 2023. Var och en av dessa BTS är i sin tur försedd med en antenn 2081, 2082, 2083, som används för att kommunicera med mobilstationer. I fig. 2 visas radionoden 204 som separat från BSC 201, men kan också vara integrerad i BSC-enheten. Likaså kan vilken som helst radioterminal såsom 2061 om så befinnes lämpligt vara integrerad till BTS 2021.

Fig. 3a och 3b visar två möjliga transmissionssituationer för ett arrangemang i enlig- het med uppfinningen. Fig. 3c visar ett möjligt antenrirnönster för en adaptiv antenn vid en dylik transmissionssituation. 10 15 20 25 514 624 7 .

Fig. 3a visar det enklaste fallet, där det finns en siktlinje mellan en radionod 301 och en terrninalnod 302. Radionodens 301 adaptiva antenn blir då inställd så att den rik- tar en stråle 305 direkt mot radioterminalen 302. På samma sätt inställes terminalno- dens 302 adaptiva antenn så att den bildar en stråle 306 direkt mot radionoden 301.

Denna transmissionssituation kan hanteras genom att använda en konventionell mikrovågslänk med en riktantenn. Det torde emellertid observeras att ett dylikt arrangemang bara kan fimgera riktigt så länge siktlinjen är ostörd, under det att förfarandet och arrangemanget enligt uppfinningen är mera flexibla och kan hantera en situation, där siktlinjen är störd, såsom kommer att visas nedan.

Fig. 3b visar ett annat fall, där transmissionssituationen är mera komplicerad. Ett hinder 303 stör siktlinjen mellan radionoden 301 och radiotenninalen 302. Detta kan ha varit fallet när den BTS som samverkar med radioterminalen 302 uppställdes, i vilket hindret 303 mest sarmolikt är en byggnad. Det kan emellertid också vara så att en transmissionssituation sådan som visas i fig. 3a plötsligt blir störd genom att ett hinder uppträder på siktlinj en, i detta fall är hindret sannolikt ett fordon.

Om data med hög bithastighet skall överföras mellan nodema, kommer transmis- sionsmilj ön enligt fig. 3a inte att medföra nâgra väsentliga svårigheter. Möjlig fäd- ning och/eller reflektioner från eventuellt omgivande hinder kommer bara att med- föra dämpade reflektioner, som antingen inte har någon skadlig effekt eller kan I armulleras bort medelst en utj ämnare.

Under de omständigheter som visas i fig. 3b, och om samma antennriktriingar som i fig. 3a skulle bibehållas, skulle kraftiga tördröjningar och dämpning av huvudstrålen komma att uppträda, och databitarna i transmissionen skulle bli kraftigt försämrade.

Enligt föreliggande uppfmning ändras därför antennriktningen avsiktligt till en ny riktning, såsom visas i fig. 3b. På så sätt används någon reflektion av transmissionen i sig sj älv, och oönskade flervägs utbredningsstzrålar kan minskas för att förbättra 10 20 25 30 514 624 s bitfelshastigheten, BER-prestanda. Vidare kan siktlinj ekraven bemästras, och beho- vet av utjämnare och RAKE-mottagare elimineras.

Eftersom både radionoden 301 och terminalnoden 302 är försedda med adaptiva antenner i enlighet med uppfinningen, så kan upp- och nedlänkar i detta fall upp- rättas via en reflekterande kropp 304. Respektive antenner i radionoden och termi- nalnoden bildar då relativt smala strålar 305, 306. De adaptiva antennema är före- trädesvis fasstyrda, såsom är känt enligt teknikens ståndpunkt. Nodema sänder sig- naler i samma riktning som de mottas från den andra noden, och de kan betraktas som reciproka. Vid ett föredraget utföringsexempel kan upp- och nedlänkarria an- vända ett gemensamt frekvensband genom att använda tidsfördelningsduplex, TDD.

Som ett alternativ kan frekvensdelningsduplex användas, så länge duplexavståndet mellan upp- och nedlänk understiger 2 %. I princip är större duplexavstånd möjliga, om olika vägar kan användas för upp- och nedlänk. Detta kräver emellertid ett mera komplicerat protokoll för att upprätta en anslutning och en mera komplex radiout- rustning, eftersom olika antennmönster behövs för sändning och mottagning.

F ig. 3c visar mycket schematiskt ett möjligt antennmönster för en adaptiv antenn vid en dylik transmissionssituation som visas i fig. 3b, Antennen 307 till en radionod utsätts för inkommande signaler från tre olika källor. Signalema från två källor 308, 309, såsom radioterminaler, anses vara de önskade signalerna, men signalen från en tredje källa 310 betraktas som en störande signal. Tre olika ankomstriktningar 311, 312, 313 upprättas för de tre källorna. Från dessa tre vinklar justeras antennen, så som är känt för fackmannen, för att bilda strålar med hög antennförstärkning 314, 315 i riktningarna för de önskade signalerna och ett nolltíllstånd 316 i riktning mot den störande källan. Vid ett antennmönster för en radiotenninal används sannolikt bara en huvudstråle.

Fig. 4a och 4b visar ett system för strålstyrning för ett arrangemang enligt uppfin- ningen, Det grundläggande konceptet för dylik strålstyrning beskrives exempelvis i 10 15 20 25 30 514 624 9 "Digital beamforming in wireless communications", John Litva och Titus Kwok- Yeung LO, Artech House ISBN 0-89006-712-0, 1996, samt "Direction fmding, beamforming and rnutual coupling in base station antenna arrays", Staffan Lund- gren, Chalmers Tekniska Högskola, januari 1998, som är innefattade häri genom hänvisning.

Fig. 4a visar en första sektion av ett radioarrangemang med en strålstyrningsfunk- tion i enlighet med uppfmningen. Den första sektionen innefattar en digital radio.

Fig. 4b visar en andra sektion, innefattande en bredbandsradio och ett antennsystem.

Arrangemanget, beskrives nu mera i detalj med hänvisning till båda figurerna 4a och 4b.

Med början i fig. 4b mottas radiosignaler av antennelement 40la-4O lb. Vid detta utföringsexempel används fyra element, men antalet element kan vara mycket E större. Allmänt sett gäller att ju flera antennelement som används, desto mera komplicerade antennfórstärlmingsmönster är det möjligt att alstra. Inkommande signaler kopplas av duplexfilter 402a-402d till mottagarkretsar 403a-403 d. Duplex- filtren möjliggör för varje antennelement att användas för både sändning och mot- tagning.

Mottagarkretsarna 403 a-403d filtrerar de inkommande signalema och nedblandar dem till en mellanfiekvens. Med hänvisning till fig. 4a omvandlas härnäst signalema från analoga till digitala genom A/D-omvandlare 404a-404d. Respektive digitala signaler nedskiftas sedan till låga frekvenser medelst digitala nedomvandlare 405 a- 405d.

På detta stadium används de inkommande signalema för att utföra strålfonnnings- funktionerna i arrangemanget i enlighet med uppfinningen. Signalema ledes till kovariansblocket 406. 10 15 20 25_ 30 514 624 10 Kovariansblocket 406 buffrar ett antal signalsamplingar från var och en av dess inkommande grenar. Dessa samplingar bildar tillsammans en matris, och en ko- variansmatris beräknas ur denna matris. Denna kovariansmatris utmatas kontinuer- ligt till ett block 407 för ankomstriktning, vilket beräknar ankomstriktningarna för signaler från både önskade och störande signalkällor ur den inkommande kovarians- matrisen. En styrenhet (ej visad) beslutar vilka signaler som är önskade och vilka som är störande.

Riktningarna för inkommande signaler från önskade signalkällor och störande sådana utmatas till viktberäkningsblocket 408. Detta block beräknar lämpliga vikter Wl, w2, w3, W4, vilka tillförsäkrar att antennförstärkningsmönstret har strålar i rikt- ningen för de önskade signalkällorna och nollstrålar i stömingskällornas riktning.

Amplituden och fasen for de digitala signaler som inkommer från de digitala ned- omvandlarna justeras genom viktningsblocken 4 l0a-4l0d. Dessa signaler adderas sedan i ett adderingsblock 411. Detta medför att man får en signal, där de störande signalema i stort sett bortkompenserats, under det att de signaler som härrör från önskade signalkällor blir förstärkta. De block som används för att beräkna vikt från inkommande signaler 406, 407, 408 har för klarhetens skull ritats som diskreta fiink- tionsblock. Det bör emellertid läggas märke till att förfaringsstegen i dessa block liksom likaväl de mesta digitala funktioner som visas i fig. 4a, kan utföras av en enda digital signalprocessor DSP.

Signalerna kan sedan ytterligare behandlas i ett Tx/Rx-funktionsblock 412, varefter den information som sänds medelst signalen översändes genom en pulskodsmodule- rande länk PCM 413 till, i GSM-fallet, en BSC.

Sändarsidan i arrangemanget fungerar på liknande sätt som mottagarsidan. Informa- tion som, vid GSM-fallet, kommer från en BSC, tas emot på en pulskodsmodulerad länk 413. Informationen överföres till en signal som är lämplig för radiotransmis- 10 15 20 25 30 514 624 . äïšïí. 1 1 sion i ett Tx/Rx-furiktionsblock 412. Denna signal uppdelas sedan digitalt i fyra signaler i ett uppdelningsblock 415. Amplituden och fasen för dessa signaler juste- ras genom viktningsblocken 4l6a-4l6d. Vikterna multipliceras komplext med sig- - nalema. Eftersom transmissionsriktningen i enlighet med uppfinningen skall vara identisk med mottagningsriktningen för signalerna fiïån den andra noden, d.v.s. antennen är reciprok, så bör viktema på sändarsidan vara identiska med vikterna på mottagarsidan.

Signalema omvandlas till en mellanfrekvens genom digitala uppomvandlare 417a- 417d. Sedan konverteras de till att bli analoga genom D/A-omvandlare 418a-4l8d.

Den analoga signalen omvandlas till radiofrekvens genom sändarkretsar 419a-419d och ledes sedan via duplexfiltren 402a-402d till antennelementen 401a-401 d.

Fig. 5 visar ett signaleringsdiagrarn för en anslutningsuppkopplingsprocedur vid 'ett system i enlighet med uppfinningen. När anslutningen skall uppkopplas, utsänder BSC 501 en anslutningsorder 505 till radionoden 502. Radionoden 502 sänder sedan 506 ett identifikationsnummermeddelande i en relevant sektor utan att använda aktiv strålformning. Detta meddelande uppfångas av en radioterminal 503. Om radioter- minalen igenkänner den utsända identiteten och därmed är den rätta mottagaren, svarar den genom att sända ett meddelande 507 med fysisk kanalorder till radio- noden 502. Detta göres med aktiv strålforrrming i en foredragen rikting, som upp- skattas av radioterminalen.

Därefter sänder radionoden 502 ett fysiskt kanalkvitteringsmeddelande 508 till radioterminalen 503 i samrna riktning, från vilken det föregående meddelandet 507 mottagits. Aktiv strålbildning har sålunda nu påbörjats även vid platsen för radio- noden 502. En autenticeringsorder 509 sändes sedan av radionoden 502 mot radio- terrninalen 503, vilket medför en autenticeringskvittering 510 i motsatt riktning. På samma sätt utbyts en anslutningsorder 511 och en anslutningskvittering 512. När detta gjorts, är radionoden 502 och radiotenninalen 503 färdiga för överföring. Ett 514 624 12 uppkopplingskvitteringsmeddelande 513 sändes från radionoden 502 till BSC 501, och överföring av data 514 mellan BSC 501 och BTS 504 kan börja.

Det torde bernärkas att med det ovan nämnda utfóringsexemplet avsikten endast är att exernplifiera hur uppfinningen kan förverkligas. Det sökta skyddsornfånget be- gränsas endast av de tillhörande patentkraven.

Claims (9)

10 15 20 25 514 624 13 Patentkrav

1. Förfarande för överföring av data eller tal via radio mellan en första fast nod (301) och en andra fast nod (302) i ett mobilradiosystem, där envar av dessa noder har minst en fasstyrd antennenhet, kännetecknat avfölj ande steg: - att en första länk upprättas där den första noden (301) sänder radiosignaler till den andra noden (302) i en smal stråle (305) avsiktligt via en reflekterande kropp (3 04), - att en andra länk npprättas där den andra noden (302) sänder radiosignaler till den första noden (301) i en smal stråle (306) avsiktligt via en reflekterande kropp (304), där sändningsriktningen för den andra länken är mottagningsrikmingen för signa- lema från den första länken.

2. Förfarande för överföring av data eller tal via radio mellan en första fast nod och en andra fast nod i ett mobilradiosystem enligt krav 1, kännetecknat av att den I första länken och den andra länken är upprättade i ett gemensamt frekvensband och att detta frekvensband är delat genom att använda tidsfördelningsduplex, TDD.

3. Förfarande för överföring av data eller tal via radio mellan en första fast nod och en andra fast nod i ett mobilradiosystem enligt krav l, kännetecknat av att den första länken och den andra länken är upprättade i olika radiofiekvensband, under användning av frekvensfördelningsduplex, FDD, och att duplexavståndet mellan länkarna är mindre än 2 %.

4. Arrangemang för överföring av data eller tal via radio mellan en första nod (301) och en andra nod (302) i ett mobilradiosystem, och var och en av noderna innefattar minst en fasstyrd antennenhet, kännetecknat av - medel för upprättande av en första länk, där den första noden (301) överför radio- signaler till den andra noden (302) i en smal stråle (305) avsiktligen via en reflekte- rande kropp (304), 10 15 20 25 30 514 624 14 - medel för upprättande av en andra länk, där den andra noden (302) överför radio- signaler till den första noden (301) i en smal stråle (3 06) avsiktligen via en reflekte- rande kropp (304), där den andra länkens transmissionsriktning är mottagningsrikt- ningen för signalerna från den första länken.

5. Arrangemang för överföring av data eller tal via radio mellan en förstanod och en andra nod i ett mobilradiosystem enligt krav 4, kännetecknat av att den första no- den är ansluten till en basstationsstyrenhet (104) och att den andra noden är ansluten till en bassändarmottagarstation (102).

6. Arrangemang för överföring av data eller tal via radio mellan en första nöd och en anda nod ett mobilradiosystem enligt krav 4, kännetecknat av att den nämnda första länken och den nämnda andra länken är upprättade i ett gemensamt radiofrek- vensband och att detta frekvensband är delat genom användning av tidsfördelnings- duplex, TDD.

7. Arrangemang för överföring av data eller tal via radio mellan en första nod och en , andra nod i ett mobilradiosystem enligt krav 4, kännetecknat av att närrmda första länk och nämnda andra länk är upprättade i olika radiofrekvensband, under använd- ning av frekvensfördelníngsduplex, FDD, och att duplexavstàndet mellan länkarna är mindre än 2 %.

8. Arrangemang för överföring av data eller tal via radio mellan en första nod och en andra nod i ett mobílradiosystem enligt något av krav 4-7, kännetecknat av att den första och den andra noden är fasta.

9. Arrangemang för överföring av data eller tal via radio mellan en första nod och en andra nod i ett mobilradiosystem enligt något av krav 4-8, kännetecknat av att den första noden kommunicerar med flera noder av den andra nodens typ. 514 624 ~ 15 ' 1_0. Arrangemang för överföring av data eller tal via radio mellan en första nod och en andra nod i ett mobilradiosystem enligt något av krav 4-9, kännetecknat av me- del fór uppnående av ett nollvärde i riktning från en störande radiosigrialkälla, för ett antennmönster i minst endera av den första och andra noden.