WO2003005604A1 - Verfahren zum aufbau wenigstens einer funkstrecke zwischen funkstationen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Aufbau und/oder Ausbau von öffentlichen oder privaten Funkstrecken bzw. Funknetzen unter Verwendung von Empfangs- und/oder Sendestationen (RX, TX) mit wenigstens einer adaptiven Antenne (1) in Empfangs- und/oder Senderichtung, wobei die adaptive Antenne (1) vorab ortsspezifisch zum Senden und/oder Empfangen im Wesentlichen in jene Richtungen (T1-T4) bzw. aus jenen Richtungen (R1-R4) eingerichtet wird, die validen (tatsächlichen) Empfangsrichtungen (R1-R4) bzw. Senderichtungen (T1-T4) an Gegenstationen entsprechen.

Description

Verfahren zum Aufbau wenigstens einer Punkstrecke zwischen Funkstationen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau wenigstens einer Funkstrecke zwischen Funkstationen, unter Verwendung wenigstens einer adaptiven Antenne.

Die Erfindung befasst sich mit dem Aufbau von Funkstrecken bzw. -netzen, insbesondere Mobilfunknetzen, unter Nutzung ortsspezifischer Information und unter Verwendung adaptiver ("intelligenter" ) Antennen, wobei unter "Aufbau" auch der Ausbau bereits bestehender Funkstrecken oder Funknetze zu verstehen ist. Die Erfindung eignet sich für alle Arten von Funkverbindungen, wie sie z.B. in öffentlichen oder privaten Netzen vorkommen, wie z.B. in Mobilfunknetzen, aber auch in privaten oder öffentlichen Ad-hoc- Netzen, drahtlosen lokalen Datennetzen ("wireless LAN") und beim Funkzugang zum Festnetz ("wireless local loop", LL) , und sie kann insbesondere auch zur Adaptierung bereits bestehender Funkverbindungen bzw. -netze eingesetzt werden.

Gut ausgebaute Mobilfunknetze sind störungs- (interferenz-)begrenzt. Das gilt insbesondere für Netze der sog. dritten Generation, die ein Teilnehmersignal über den gesamten verfügbaren Frequenzbereich spreizen. Auf jeden der einzelnen Teilnehmer wird mit einem Code-Vielfachzugriffsverfahren (CDMA-Code Division Multiple Access) zugegriffen, aber die Nutzsignale aller anderen Teilnehmer derselben Zelle (desselben Sektors) sind für diesen Teilnehmer Störsignale. Die Ziele, die beim Netzausbau von einem Netzbetreiber verfolgt werden müssen, sind daher klar: Verringerung der Sendeleistung auf der Basisstationsseite auf das geringstmögliche Maß, das von den Mobilstations- Empfängern vorgegeben ist. Eine Verringerung der Störleistung an der Mobilstation ermöglicht einem öffentlichen Netzbetreiber, bei gleichbleibender Anzahl von Basisstationen mehr Teilnehmer mit ausreichender Qualität unterzubringen. Auch eine längere Lebensdauer einer Akkuladung der Mobilstation - weil geringere Energie zur Signalverarbeitung zum Zweck der Störunterdrückung erforderlich ist - ist eine wünschenswerte Folge.

Die ausgefeilten Sendeleistungs-Regelungsverfahren, die im GSM-Netz (GSM-Global System for Mobile Communications) heute angewendet werden (siehe Ebe spächer, Vögel, "GSM- Global System for Mobile Communications" , B.G. Teubner, Stuttgart, Leipzig, 1999, 2. Auflage), sind ein sprechendes Beispiel, ebenso die heute in städtischem Gebiet durchgängig angewendete Technik der Sektori- sierung, wobei das Signal für einem Teilnehmer nicht in den gesamten 360°-Winkelbereich abgestrahlt wird, sondern in entsprechend kleinere Sektoren (120°, 60°) .

Eine logische Fortsetzung dieser Überlegung führt zu den adaptiven Antennen (siehe z.B. WO 95/22873 A2, WO 95/26116 Al, EP 520 696 A2 und EP 540 387 A2) , die in einen noch schmäleren Winkelbereich abstrahlen, der von der Größe der Antennengruppe abhängt (z.B. ein Winkelbereich in der Größenordnung 13° mit acht Antennenelementen) . Dies geschieht nach Feststellung jener Richtung, in der sich der gewünschte Teilnehmer befindet, bzw. jener Richtung, aus der sein Signal an der Basisstation eintrifft. Aber auch schon mit sechs, vier, drei oder sogar zwei Antennenelementen sind die Vorteile der verringerten Leistungsabstrahlung erzielbar, indem nämlich der Abstrahlwinkel adaptiv steuerbar gemacht wird. Der mit Antennengruppen erzielbare Gewinn liefert daher dem gewünschten Teilnehmer sein Signal in ausreichender Stärke, hingegen sind Winkelbereiche, in denen dieses Signal nicht benötigt wird, von diesem Signal frei, tragen also auch nichts zur Störleistung für andere Netzteilnehmer bei .

Geht man davon aus, dass eine Antennengruppe nur auf der Basisstation aufwandsmäßig sinnvoll ist, dann ist die Aufwärtsstrecke von der Mobilstation zur Basisstation die leichtere Aufgabe, weil der momentan bestehende Mobilfunkkanal von den Basisstationsempfängern mit Trainingsfolgen leicht geschätzt werden kann. Beispiele für Verfahren, die sich diese Tatsache für adaptive Antennen zunutze machen, sind in den genannten Schriften WO 95/22873 A2 und WO 95/26116 AI beschrieben. Die Empfangsrichtungen, die das gewünschte Signal maximieren, hingegen das Rauschen oder die Gleichkanalstörung minimieren, werden laufend den geänderten Positionen der sendenden Gegenstationen nachgeführt, wie z.B. in EP 0 837 523 A2 und JP 2000-138520 A beschrieben.

Auf der Abwärtsstrecke hingegen, wo der Vorteil der Minimierung der gesamten Störleistung im Netz noch wichtiger wäre, sind nur wenige - und aufwändigere - Verfahren bekannt, weil der Kanal im Prinzip nicht bekannt ist. Bei Frequenzduplexverfahren (wie in GSM oder UTRA FDD) ist die Sendefrequenz eine andere als die Empfangsfrequenz, daher sind die Phasenverhältnisse der Teilwellen zwischen Sender und Empfänger verschieden. Das Gleiche gilt für Zeitduplexverfahren (wie in DECT oder UTRA TDD) . Zur Lösung des Problems wurden Frequenztransformationen vorgeschlagen, die allerdings über den Umweg aufwendiger Kovarianzmatrizen der Empfangssignale, wie z.B. in WO 00/59072 A beschrieben, funktionieren. Diese Kovarianzmatrizen werden im Prinzip in jedem Empfangsrahmen (einige Millisekunden lang) oder gemittelt über eine Anzahl von Empfangsrahmen neu berechnet. In jedem Fall ist ^• der Rechenaufwand beträchtlich.

Ortsspezifische Information beim Netzaufbau und -ausbau wird heute bereits in der Form verwendet, dass man Höhendatenbanken des Geländes nutzt, in dem eine Basisstation aufgestellt werden soll. Diese topographische Information wird gelegentlich ergänzt durch orphographische Information wie Bebauungsgrad (innerstädtisch, vorstädtisch) oder Bewuchs (offenes Feld, Wald, Gewässer) . Weiters ist Netzplanungs-Software bekannt, die mit Strahlverfolgungsalgo- rithmen den vermutlichen Weg bestimmt, den elektromagnetische Wellen von der Basisstation zur MobilStation und umgekehrt nehmen. Diese Verfahren sind außergewöhnlich- rechenaufwendig und erfordern vor allem hochpräzise dreidimensionale Datenbanken, wenn die vorhergesagte Feldstärke und die Kanalimpulsantwort einigermaßen mit der Realität übereinstimmen soll. Sie haben sich daher bis heute bei der Planung und beim Aufbau von öffentlichen Mobilfunknetzen nicht durchgesetzt. In keinem bekannten Fall wird die Senderichtung (oder die exakte Empfangsrichtung) für die Planung oder den Aufbau von Mobilfunknetzen verwendet, die sich ortsangepasst aus der Bebauung ableitet, bzw. werden Sektoren ausgeblendet, die aus Gründen der elektromagnetischen Wellenausbreitung nicht zu einem Empfang an der Gegenstation führen können.

Neuere wissenschaftliche Ergebnisse (vgl. Laurila, J.,Kal- liola, K. , Toeltsch, M. , Hugl, K., Vainikainen, P. , Bonek, E., "Wideband 3-D Characterization of Mobile Radio Channels in Urban Environment", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Band 50, Nummer 2, Februar 2002, pp.233-243) zeigen, dass einerseits die Einfallsrichtungen auf wenige Grad genau bestimmt werden können und dass andererseits diese Richtungen in städtischem Gebiet weniger von der Position der Mobilstation als von der Geometrie der Umgebung der Basisstation abhängen. Umgekehrt hat sich herausgestellt, dass die Einfallsrichtungen an der Mobilstation ebenfalls nahezu gradgenau bestimmbar sind und ebenfalls überwiegend von der Umgebungsgeometrie abhängen (vgl. K. Kalliola et al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, April 2000, pp. 439-448). Schließlich wurde bereits (vgl. Steinbauer , M. , Hapicke, D., Sommerkorn, G., Schneider, A. , Molisch, A. F., Thomä, R., Bonek, E., "Array Measurement of the Double-directional Mobile Radio Channel"; IEEE 51st Annual Vehicular Technology Conference (VTC2000-Spring) , Tokyo, Japan, 15. bis 18. Mai 2000, CD ) von doppelt-richtungsabhängigen Messungen berichtet und nachgewiesen, dass die Senderichtungen, die zu tatsächlichen Einfallsrichtungen an der Gegenstation führen, in der Zahl begrenzt sind. Außerdem sind sie mehr oder weniger diskret und können mit einfachen Umgebungsplänen verifiziert werden. Eine Auswertung doppelt- richtungsabhängiger Messungen nach den Sende- und Empfangsrichtungen kann wie in der älteren, nicht vorveröffentlichten PCT-Pa- tentan eldung PCT/AT 01/00383 beschrieben durchgeführt werden.

In der US 5 345 599 A wurde eine Vervielfachung der Übertragungskapazität durch Anbringen von Antennengruppen auf beiden Enden einer Funkstrecke vorgeschlagen (Mehrantennen- oder MIMO- Systeme; MIMO-multiple-input multiple-output) .

Aufgabe der Erfindung ist es nun, Funkverbindungen so aufzubauen, dass insbesondere möglichst viel Sendeleistung eingespart und der Störpegel möglichst gering gehalten wird, indem sie Verfahren mit adaptiven Antennen in Senderichtung bzw. Empfangsrichtung so modifiziert, dass vorwiegend nur in jene Richtungen gesendet wird, die zu tatsächlichen ("validen") Empfangsrichtungen an Gegenstationen führen, bzw. vorzugsweise auch vorwiegend nur aus jenen Richtungen empfangen wird, die tatsächlichen Senderichtungen von Gegenstationen entsprechen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren zum Aufbau bzw. Ausbau von öffentlichen oder privaten Funkstrecken bzw. Funknetzen mit Funkstationen (Sende- und Empfangsstationen) unter Verwendung wenigstens einer adaptiven Antenne an einer solchen Funkstation, allgemein ein Verfahren zum Aufbau wenigstens einer Funkstrecke zwischen Funkstationen unter Verwendung wenigstens einer adaptiven Antenne vor, bei dem die adaptive Antenne vorab ortsspezifisch zumindest zum Senden im Wesentlichen in zumindest eine solche Richtung eingerichtet wird, die einer validen Empfangsrichtung an Gegenstationen entspricht.

Bei dieser Vorgangsweise ist von Vorteil, dass von vornherein mit Hilfe der adaptiven Antenne nur in eine solche Richtung oder in solche Richtungen (bzw. Winkelbereiche) gesendet wird, aus denen eine Gegenstation oder mehrere Gegenstationen das Sendesignal auch tatsächlich empfangen kann bzw. können. Dabei uss die Verbindung nicht direkt sein, es können auch Verbindungen über Reflexionen an Bauwerken etc. gegeben sein, wie dies nachstehend noch näher erläutert werden wird. Jene Richtungen oder Winkelbereiche jedoch, die beim Senden zu keinem vernünftigen Empfang an einer Gegenstation führen können, etwa wegen einer Blockierung durch Gebäude, werden an der adaptiven Antenne von vornherein durch deren entsprechende Einrichtung und Ansteuerung "ausgeblendet", was dadurch bewerkstelligt werden kann, dass entsprechende Antennengewichte für die Antennenelemente der adaptiven Antenne vorgesehen werden, wie dies ebenfalls nachstehend noch näher erläutert werden wird. Anders als bei den vorstehend erwähnten bekannten Techniken wird somit beim vorliegenden Verfahren nicht (nur) im aktuellen Fall, bei Aufnahme der jeweiligen Funkverbindung, auf die Übertragungsrichtung eingestellt und die Störleistung minimiert, sondern es wird von vornherein bereits sichergestellt, dass nur in solche Richtungen gesendet werden kann, aus denen tatsächlich eine Gegenstation auch empfangen kann, hingegen werden andere Richtungen oder Winkelbereiche, die zu keinen tatsächlichen Verbindungen mit Gegenstationen führen können, a priori durch Vorsehen der entsprechenden Ansteuerung der adaptiven Antenne und deren Anordnung ausgenommen. Diese spezielle Einrichtung betrifft insbesondere die Sendefunktion der adaptiven Antenne, bevorzugt wird jedoch auch vorgesehen, dass die bzw. wenigstens eine adaptive Antenne vorab ortsspezifisch zum Empfang im Wesentlichen aus zumindest einer solchen Richtung eingerichtet wird, die einer validen Senderichtung der Gegenstation entspricht. Gemäß dieser Ausführungsform wird an der jeweiligen Funkstation auch für den Empfangsbereich die adaptive Antenne derart eingerichtet (angeordnet und angesteuert) , dass nur bestimmte Empfangsrichtungen von vornherein möglich sind, andere Empfangsrichtungen jedoch ausgeblendet werden, da aus diesen Richtungen oder Winkelbereichen keine validen Signale empfangen werden können, sondern höchstens Störsignale. In der Folge ist bei der vorliegenden Technik nicht nur eine Reduzierung von Sendeleistungen möglich, sondern auch eine Minimierung von Störungen, da jene Richtungen, die zu keinen validen Verbindungen führen können, von vornherein nicht zugelassen werden, so dass demgemäß auch keine Störung verursacht bzw. kein Störsignal empfangen werden kann.

Um die jeweilige adaptive Antenne vorab in der vorstehend an- gegebenen Weise einrichten zu können, ist es vielfach von Vorteil, wenn die Antennengewichte der adaptiven Antenne (n) zur Einrichtung der validen Sende- bzw. Empfangsrichtungen auf Basis von Informationen, die einer doppelt-richtungsabhängigen Messung entnommen werden, einer Strahlformungseinheit der adaptiven Antenne (n) zugeführt werden. Auf diese Weise kann durch Bestimmung der Antennengewichte aufgrund von entsprechenden Messungen eine verlässliche Einrichtung der adaptiven Antenne durchgeführt werden, ohne dass eine besondere Ortskundigkeit erforderlich wäre.

Vielfach sind jedoch die örtlichen Gegebenheiten als solche bekannt und einer Auswertung zugänglich, so dass sich dann eine Messung wie vorstehend erwähnt erübrigen kann; die adaptive Antenne kann hier vielmehr einfach dadurch in der angegebenen Weise eingerichtet werden, dass die Antennengewichte der adaptiven Antenne (n) zur Einrichtung der validen Sende- bzw. Empfangsrichtungen auf Basis von Informationen, die einer morphologischen Karte entnommen werden, einer Strahlformungseinheit der adaptiven Antenne(n) zugeführt werden.

Für eine exakte Einrichtung der adaptiven Antenne unter größtmöglicher Minimierung von Störsignalen und optimaler Ausnutzung der Sendeleistung ist es von Vorteil, wenn die validen Sende- bzw. Empfangsrichtungen sowohl nach Azimut als auch nach Elevation festgelegt werden. In vielen Fällen, insbesondere bei ebenen Geländeverläufen, ist es jedoch einfacher und ausreichend, wenn die validen Sende- bzw. Empfangsrichtungen nur nach Azimut festgelegt werden.

Um je nach Bedarf, auch bei Änderungen in den ortsspezifischen Gegebenheiten, die adaptive Antenne (n) in der erforderlichen Weise einrichten zu können, ist es sodann günstig, wenn als adaptive Antenne eine voll winkeladaptive Antenne verwendet wird.

Um die gewünschte Einrichtung der adaptiven Antenne (n) durchzuführen, wird gemäß der Erfindung mit Vorteil vorgesehen, dass Antennengewichte entsprechend den gewünschten validen Sende- bzw. Empfangsrichtungen gewählt und der Strahlformungseinheit der adaptiven Antenne (n) zugeführt werden und demgemäß feste, vorher berechnete Winkelbereiche überstrichen werden.

Bei der Durchführung der vorerwähnten Messung zur Bestimmung der erforderlichen Antennengewichte für die adaptive Antenne ist es auch von Vorteil, wenn die Messung dominanter Einfalls- und Senderichtungen mit einer Test-Mobilstation mit mehreren Antennen durchgeführt wird, wogegen auf einer Feststation bzw. Basisstation als Gegenstation eine adaptive Antenne fest installiert wird. Wenn mehrere Senderichtungen existieren, die zu tatsächlichen Verbindungen mit einer Gegenstation führen, genügt es, das Senden (und Empfangen) auf eine oder einige wenige der insgesamt möglichen Richtungen zu beschränken, und es ist demgemäß von Vorteil, wenn nur in jene Richtungen gesendet wird, die den leistungsstärksten Pfaden entsprechen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert: Es zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 in einem Blockschaltbild den Aufbau einer adaptiven Antenne;

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung eine Basisstation mit einer solchen adaptiven Antenne in einem teilweise verbauten Gebiet, mit ausgewählten Sende-Winkelbereichen und einer Mobilstation als Gegenstation;

Fig. 3 schematisch in einer Gebäude-Grundrissdarstellung eine Anordnung mit zwei Funkstationen und mehreren möglichen Funkverbindungen zwischen ihnen innerhalb eines Gebäudes;

Fig. 4 schematisch den Aufbau von Funkverbindungen zwischen einer Feststation und einer durch einen tragbaren Computer, einen sog. Laptop-Computer, gebildeten Mobilstation; und

Fig. 5 Beispiele in entsprechenden Teilfiguren, wie im Fall einer adaptiven Antenne durch Änderungen des Abstandes zwischen den Antennenelementen und der Phasenverschiebung der Speiseströme zu diesen Antennenelementen das Richtdiagramm der gesamten Antenne (Gruppenantenne) geändert werden kann.

In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild einer adaptiven Antenne 1 mit einer Antennengruppe 2 gezeigt. Eine Eingabeeinheit 3 dient zur Eingabe von Informationen zur Bestimmung von Antennengewichten, die in einem digitalen Prozessor 4 in an sich bekannter Weise berechnet und in einem Speicher 5 abgelegt werden. Aus dem Speicher 5 ruft eine Strahlformungseinheit 6 diese Antennengewicht- Daten ab und führt sie den einzelnen Antennenelementen 2-1, ...2- i,...2-n der Antennengruppe 2 zu. Die Strahlformungseinheit 6 kann auch die Funktion der Optimierung geeigneter Parameter, nicht nur des Richtdiagramms der Antennengruppe 2 übernehmen, so z.B. Minimierung des Störpegels oder des Signal-Rauschleistungspegels .

Die Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Anordnung einer solchen adaptiven Antenne 1 mit einer Antennengruppe 2 auf der Basissta- tion BS eines öffentlichen Mobilfunknetzes in Verbindung mit einer Mobilstation MS, wobei gewisse Sektoren - im Bereich von Gebäuden 7 bis 13 - von Sendeleistung ausgespart sind (s. die schraffiert gezeichneten Bereiche) , da in diesen Sektoren keine tatsächliche Funkverbindung zustande kommt, wobei an der Mobilstation MS nur aus tatsächlichen Empfangsrichtungen, z.B. Rl, empfangen wird, obwohl die omnidirektionale Antenne 14 der Mobilstation MS an sich aus allen Richtungen empfangen könnte. Diese Aussparung der Winkelbereiche entsprechend den schraffiert veranschaulichten Sektoren oder anders gesprochen die Abgabe von Signalen durch die Antennengruppe 2 nur in die beiden freien Winkelbereiche oder Richtungen wird im Vorhinein durch entsprechende Einrichtung der adaptiven Antenne 1 aufgrund der ortsspezifischen Gegebenheiten wie beispielsweise aus Fig. 2 ersichtlich festgelegt, und zwar durch Eingabe entsprechender Ortsinformationen über die in Fig. 1 gezeigte Eingabeeinheit 3 , wodurch der Prozessor 4 in der üblichen und hier nicht näher zu erläuternden Weise die erforderlichen Antennengewichte ermittelt.

In Fig. 3 ist weiters beispielhaft und schematisch der Aufbau einer Funkverbindung zwischen zwei Funkstationen, wie z.B. sog. DECT-Apparaten, in einem Gebäude 15 veranschaulicht, dessen Grundriss dargestellt ist. Dabei bezeichnen RX und TX zwei mögliche Positionen von Empfänger (RX) und Sender (TX) , an denen adaptive Antennen 1 angebracht sind, sowie Rn, mit n=l bis 4, va- β ^• lide Empfangsrichtungen und Tn, mit n=l bis 4, die jeweils dazu entsprechenden geeigneten Senderichtungen. Von der Senderichtung Tl führt im gezeigten Beispiel ein und nur ein tatsächlicher (valider) Ausbreitungspfad Tl-Rl über eine oder mehrere Reflexionen (Streuungen) , die nur von der Geometrie des Raumes abhängen, zur Empfangs- richtung Rl, von T2 zu R2, von T3 zu R3 und von T4 zu R4. Die beispielhaften, gemessenen Richtungen Rn und Tn sind in der nachfolgenden Tabelle in Winkelgrad [°] angegeben, die Laufzeit τ der entsprechenden elektromagnetischen Wellen in Nanosekunden.

Für diese angegebenen Pfade Tl-Rl usw. sind entsprechende Senderichtungen an der adaptiven Antenne 1 der Sendestation TX vorzusehen, d.h. die adaptive Antenne 1 des Senders TX ist entsprechend den Gegebenheiten im gezeigten Gebäude 15 zum Senden nur in die Richtungen oder Winkelbereiche T1-T4 - unter Festlegen entsprechender Antennengewichte - einzurichten, und in entsprechender Weise kann auf der Seite des Empfängers RX die adaptive Antenne 1 dieses Empfängers RX zum Empfangen nur aus den Richtungen oder Winkelbereichen R1-R4 eingerichtet werden, wogegen die übrigen Richtungen oder Winkelbereiche ausgespart werden können. Entsprechend ist selbstverständlich vorzugehen, wenn die Station RX als Sender wirkt und die Station TX als Empfänger fungiert.

Die Fig. 4 zeigt beispielhaft eine MIMO-Verbindung zwischen einer Mobilstation MS, etwa einem Laptop-Computer 16 mit einer Antennengruppe 2 an der Rückseite seines Deckels 17, und einer Feststation AP ("Access Point"), ebenfalls mit einer Antennengruppe 2, wobei zwei valide Pfade 18, 19 die beiden Funkstationen MS, AB verbinden, und zwar einerseits direkt (Pfad 18) und ande-< rerseits über einen Streuer SC indirekt (Pfad 19) . Auch diese Ausbreitungsrichtungen können auf die beschriebene Weise im Vorhinein mit Hilfe entsprechender Antennengewichte für die Antennengruppen 2 festgelegt werden, und andere Richtungen zum Senden bzw. Empfangen bleiben ausgespart.

In Fig. 5 ist in neun Teilbildern beispielhaft gezeigt, wie in an sich herkömmlicher Weise durch einfache Variation des Abstandes d bzw. der Phasenverschiebung δ der Speiseströme zwischen (in diesem Fall) nur drei ominidirektionalen Antennenelementen einer Antennengruppe eine massive Veränderung des Gruppenrichtdiagramms erzielt werden kann bzw. wie weite Sektoren von Sendeleistung freigehalten werden können. Dies kann beim vorliegenden Verfahren zur Vorab-Ein- richtung der Gruppenantennen bzw. adaptiven Antennen ausgenützt werden. In Fig. 5 sind dabei beispielhaft Situationen für d=0,5λ (mit λ= Wellenlänge) , d=0,75λ, d=lλ, d=l,25λ, d=l,5λ, d=l,75λ, d=2λ und d=2,25λ bei δ=0,625π sowie für d=lλ bei δ=0,25π gezeigt.

Bevorzugt wird die Information zur Bestimmung der Antennengewichte zur Etablierung gewünschter Sende- bzw. Empfangsrichtungen entweder durch eine vorherige doppelt-richtungsabhängige Messung gewonnen, oder sie kann von Personen mit Kenntnissen der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen z.B. in städtischem Gebiet aus Datenbanken (Stadtplänen) entnommen werden. Eine Kovarianz- atrix zur Bestimmung der im Em fangssignal enthaltenen Richtungsinformation muss nicht berechnet werden.

Die Vorteile sind mehrfach.

Das Verfahren ist besonders wirksam in städtischem Gebiet, wo bisher der Aufbau von öffentlichen Mobilfunknetzen nur aufgrund sehr vager Kenntnis der Wellenausbreitung stattfand. Versorgt z.B. die Basisstation BS, wie in Fig. 2 dargestellt, das Gebiet rechts der Gebäudereihe 7 bis 13, so braucht nur in die Winkelbereiche, die sich zwischen den Gebäuden 8 und 9 bzw. zwischen den Gebäuden 10 und 11 auftun, Sendeleistung gesendet werden (z.B. Senderichtung Tl zwischen den Gebäuden 10, 11) . Leistung, die in andere Richtungen gesendet wird, wird einen Empfänger rechts der Gebäudereihe 7 bis 13 nicht oder nur sehr geschwächt erreichen. Bei Kenntnis der Gebäude- höhen kann ein erfahrener Fachmann die validen Richtungen aus dem Stadtplan entnehmen. Die Fig. 5 zeigt auch, dass die erwünschten bzw. unerwünschten Winkelbereiche schon mit wenigen Antennenelementen 2-i durch Variation des Elementabstandes d und der Phase 6 der Antennenelement-Ströme in weiten Bereichen auf sehr einfache Weise verändert werden können; dabei können beispielsweise die Antennenelemente 2-i für das Senden so angeordnet und angespeist werden, dass im Gruppenrichtdiagramm ausgeprägte Keulen in die gewünschten Richtungen gelegt werden. Wird dieses Verfahren durchgängig z.B. in einem öffentlichen Mobilfunknetz an den Basisstationen BS eingesetzt, dann wird der Störpegel im Netz insgesamt deutlich herabgesetzt. Damit können bei einem vorgegebenen Mindest-Störabstand entweder mehr Teilnehmer als vorher, aber mit derselben Anzahl von Basisstationen, versorgt werden, oder die Übertragungsqualität der Mobilfunkdienste kann deutlich verbessert werden, weil der allgemeine Störpegel nun abgesenkt ist. Bei CDMA-Netzen der dritten Generation kommt dieser Vorteil insbesondere dadurch zum Tragen, dass hier hochdatenratige Teilnehmer die Teilnehmer mit niedrigen Datenraten besonders stören können. In einer Ausbreitungssituation innerhalb eines Gebäudes mit vielen Möbelstücken und anderen Streuern der elektromagnetischen Wellen, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, können die validen Pfade nicht sofort erkannt werden; für diesen Fall ist eine doppelt-richtungsabhängige Messung zur Bestimmung der aliden Richtungen bzw. Winkelbereiche eher angebracht.

Die Messung der Einfalls- und Senderichtungen an Basisstationen muss nur bei erstmaliger Inbetriebnahme bzw. bei Änderungen der Umgebung durchgeführt werden. Diese Aussage gilt nicht nur für Funkverbindungen innerhalb von Gebäuden, sondern auch im öffentlichen Bereich. Die durch die Umgebung eingeschränkte Anzahl dieser Richtungen, einschließlich der relativen Leistungen, die ihnen entsprechen, machen das Verfahren so attraktiv. Ist die Umgebung durch starke Unterschiede der Ausbreitungsbedingungen charakterisiert, so empfiehlt sich eine Bewertung der Bedeutung der möglichen Sende- bzw. Empfangsrichtungen für verschiedene Positionen der mobilen Gegenstation.

Die Einsparung an teuer zu bezahlender Sendeleistung kommt auch an den MobilStationen zum Tragen, sofern sie mit mehr als einer Antenne ausgerüstet sind. Die Mobilstationen senden dann nicht mehr rundum irgendwo hin, sondern nur mehr in jene Richtungen, die von der Basisstation tatsächlich empfangen werden.

Die Vorteile, die das Verfahren für den Empfangsfall mit sich bringt, sind ebenfalls von Bedeutung. Wird der Störpegel am Eingang eines Funkempfängers reduziert, ist auch weniger Leistung zur Elimination dieser Störungen erforderlich. Schon heute übersteigt der Leistungs erbrauch der digitalen Signalverarbeitung jenen der Sendeleistung bei mobilen Sendeempfängern. In der dritten Generation, die mehr als zehnmal höhere Signalverarbeitungsraten als GSM erfordert, wird dieser Vorteil noch mehr zum Tragen kommen.

In erster Linie betrifft die Erfindung die Azimutdimension, was eine eindimensionale (lineare) Antennengruppe als adaptive Antenne unterstellt. In städtischem Gebiet mit engen Straßen und hohen Gebäuden kommt es aber auch zu Einfallsrichtungen, die unter hohem Elevationswinkel erfolgen. Wenn nun flächenhafte (zweidi- mensionale) Antennengruppen 2 (vgl. Fig. 4, Mobilstation MS) bei den Stationen eingesetzt werden, kann auch die Dimension der Elevation mit Vorteil abgedeckt werden. Im übrigen kann für eine vorbereitende Messung auch eine virtuelle Antennengruppe eingesetzt werden, etwa durch Verschieben einer linearen Gruppe oder einer einzelnen Antenne.

Jedenfalls sind zur vorbereitenden Messung des jeweils vorherrschenden Mobilfunkkanals MIMO-Systeme günstig.

MIMO-Systeme sind charakterisiert durch mehrere Antennen zu beiden Seiten der Funkstrecke und versprechen eine ungeheure Vergrößerung der über Funkkanäle übertragbaren Datenrate, so dass sie für sich einen interessanten Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung darstellen. Die Steigerung der übertragbaren Datenrate allerdings ist von einer ausreichenden Anzahl von voneinander statistisch unabhängigen Übertragungspfaden abhängig. Diese Anzahl und ihre relative Stärke festzustellen, ist eines der Ziele der vorausgehenden Messung, also festzustellen, welcher MIMO-Kanal vorliegt.

Ein weiteres Charakteristikum der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit der zeitlichen Anpassung (Adaption) an die jeweilige Kanalsituation, so dass die jeweils geringstmögliche Sendeleistung, die geringstmögliche Störleistung (bzw. die höchstmögliche Übertragungsrate in MIMO-Systemen) Verwendung findet.

Der Vorteil der Adaption an die vorherrschende Kanalsituation durch Festlegung valider Sende- bzw. Empfangsrichtungen kommt besonders bei lokalen Funknetzen zum Tragen, die ad hoc aufgebaut werden (sog. "Ad-hoc-Netze" ) . Dabei suchen z.B. zwei oder mehrere Computer über eine Funk-Übertragungsnorm wie HIPERLAN oder IEEE 802.11 selbsttätig Gegenstationen zum hochdatenratigen Datenaustausch. Sind dabei die Computer mit mehreren Antennen ausgerüstet, ergibt sich zwanglos eine MIMO-Situation (vgl. Fig. 4). Aufgrund der begrenzten Energie, die mobile Computer mit sich führen können, ist eine leistungssparende Abstrahlung von Sendeleistung sehr wichtig. Beim Aufbau der Verbindung kann eine vorbereitende doppelt-richtungsabhängige Messung und Auswertung der Sende-und Empfangsrichtungen durchgeführt werden. Die Messung und Auswertung der Kanalsituation kann mit am Computer reichlich vorhandenen Rechenleistung bewerkstelligt werden.

Bei den genannten Normen findet die Datenübertragung in sog. nichtlizensierten Frequenzbändern statt, d.h. dass im Prinzip jedermann, unter Einhaltung gewisser Minimalregeln, dort senden darf. Es können daher leicht Situationen hoher Interferenz auftreten. Das vorgeschlagene Verfahren bietet hier zwei Vorteile: Einerseits erleichtert es die Suche nach "freien", also möglichst ungestörten Kanälen, andererseits vermindert es die insgesamt vorhanden Störleistung in einem Frequenzband und an dem betreffenden Ort.

Ein weiterer Anwendungsfall ist für Datenübertragung gegeben, die vor unbefugtem Abhören gesichert sein soll. Dadurch, dass nur in bestimmte, wohldefinierte Richtungen gesendet wird, wird die Wahrscheinlichkeit des Abhörens grundsätzlich gesenkt, wenn nicht ausgeschlossen. Jedenfalls können Richtungen ausgeblendet werden, die nicht auf valide Empfangsrichtungen führen, aber das Abhörrisiko erhöhen würden.

Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zum Aufbau wenigstens einer Funkstrecke zwischen Funkstationen, unter Verwendung wenigstens einer adaptiven Antenne (1) , dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Antenne (1) vorab ortsspezifisch zumindest zum Senden im Wesentlichen in zumindest eine solche Richtung (T1-T4) eingerichtet wird, die einer validen Em fang riehtung (R1-R4) an Gegenstationen (RX) entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bzw. wenigstens eine adaptive Antenne (1) vorab ortsspezifisch zum Empfang im Wesentlichen aus zumindest einer solchen Richtung (R1-R4) eingerichtet wird, die einer validen Senderichtung (T1-T4) der Gegenstation (TX) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennengewichte der adaptiven Antenne (n) (1) zur Einrichtung der validen Sende- bzw. Empfangsrichtungen (T1-T4, R1-R4) auf Basis von Informationen, die einer doppelt-richtungsabhängigen Messung entnommen werden, einer Strahlformungseinheit (46) der adaptiven Antenne (n) (1) zugeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennengewichte der adaptiven Antenne (n) (1) zur Einrichtung der validen Sende- bzw. Empfangsrichtungen (T1-T4, R1-R4) auf Basis von Informationen, die einer morphologischen Karte entnommen werden, einer Strahlformungseinheit (46) der adaptiven Antenne (n) (1) zugeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die validen Sende- bzw. Empfangsrichtungen (T1-T4, R1-R4) sowohl nach Azimut als auch nach Elevation festgelegt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die validen Sende- bzw. Empfangsrichtungen (T1-T4, R1-R4) nur nach Azimut festgelegt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, dass als adaptive Antenne (1) eine voll winke1adaptive Antenne verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Antennengewichte entsprechend den gewünschten validen Sende- bzw. Empfangsrichtungen (T1-T4, R1-R4) gewählt und der Strahlformungseinheit (60) der adaptiven Antenne (n) (1) zugeführt werden und demgemäß feste, vorher berechnete Winkelbereiche überstrichen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung dominanter Einfalls- und Senderichtungen (R1-R4, T1-T4) mit einer Test-Mobilstation (MS) mit mehreren Antennen durchgeführt wird, wogegen auf einer Feststation (AP) bzw. Basisstation als Gegenstation eine adaptive Antenne (1) fest installiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur in jene Richtungen (T1-T4) gesendet wird, die den leistungsstärksten Pfaden entsprechen.