WO2003012917A1 - Station de base de radiocommunication a diagramme de rayonnement variable - Google Patents

Station de base de radiocommunication a diagramme de rayonnement variable Download PDF

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WO2003012917A1
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Thierry Lucidarme
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Nortel Networks Limited
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
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    • H01Q1/241—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture

Definitions

  • the present invention relates to the transmission of signals between two transceivers distant from each other. It relates more particularly to the transmission and reception of signals by a base station linked by radio to radiocommunication terminals.
  • radio communication between a base station and a terminal which may be a mobile terminal
  • a base station and a terminal is subject to disturbing phenomena of radio transmission between the antenna of the base station and the antenna of the mobile terminal, in particular to channel fading, due to destructive interference between signals which follow different propagation paths between the base station and the terminal.
  • the diversity of one of the characters linked to this transmission is one of the methods developed to overcome fading.
  • diversity of reception consisting of receiving the signal simultaneously on two antennas, diversity of emission, consisting of equipping the base station with several antennas transmitting the same signals, diversity of polarization, diversity of frequency (see for example the work “GSM networks” by X. Lagrange et al., Hermès Science Publications editions, 2000, page 161), etc.
  • antennas comprising devices for adjusting the radiation pattern. Such adjustments relate for example to the direction of emission of the antenna or the width of the main emission lobe.
  • Most antennas with electronic beam guidance are composed of several antenna elements supplied individually by signals obtained by phase shift of an initial signal.
  • the value of the phase shift is determined according to the antenna element to which the signal is addressed phase shifted, and the direction of transmission by the antenna results from the combination of the signals phase shifted with respect to each other transmitted by all the antenna elements.
  • Such antennas are sometimes used to focus a radio beam intended for a particular terminal.
  • the components of an uplink radio signal emitted by the terminal, picked up by the various antenna elements are analyzed in terms of phase shifts in order to estimate a direction of the space from which this uplink signal comes. .
  • Corresponding phase shifts are then applied to the downlink signal intended for this terminal so that its transmission is oriented in this direction.
  • Such electronic beam guidance allows significant reductions in the level of interference. It is mainly used in satellite antennas. However, it has been proposed to use it in terrestrial systems despite its complex and costly implementation.
  • An object of the present invention is to propose a new mode of radio diversity at the level of a base station.
  • the subject of the present invention is a base station comprising at least one transmitting antenna composed of several radiating elements, means for producing at least one signal component, transmission means for addressing to the radiating elements of the antenna. for transmitting radio signals generated from signal components originating from the production means, the transmission means including phase adaptation means for generating phase shifts in the radio signals addressed to the radiating elements and control means an antenna emission diagram by adjusting said phase shifts, characterized in that the control means comprise means for varying at least some of said phase shifts in time so as to cause a systematic fluctuation in the direction of at least an antenna emission lobe around a reference direction.
  • the present invention therefore provides a diversity mechanism based on the transmission of radio signal sequences according to different propagation paths between the base station and the terminal, and which is applicable with a single transmitting antenna.
  • the fluctuation of the direction of an emission lobe causes variations between the propagation paths followed by successive sequences of the signal, thus preventing all the sequences from being disturbed identically.
  • the phase adaptation means and the emission diagram control means are entirely electronic in nature and allow digital adjustment of the phase shift of the signal emitted by each radiating element.
  • Such a phase shift treatment in fact provides possibilities for adjusting the phase shifts greater than those of systems incorporating electromechanical parts, as well as particularly rapid variations of said phase shifts.
  • Fluctuations in the direction of an antenna emission lobe caused by variations in phase shifts are determined according to a previously fixed sequence. These fluctuations can, for example, be adapted as a function of the topography of the geographic area covered by the antenna, favoring in particular emission sectors according to which the transmission of the signals is particularly efficient.
  • control means are arranged to vary the phase shifts so as to cause the direction of an antenna emission lobe to fluctuate by discrete jumps, for example between two directions chosen by both and on the other from a reference direction.
  • _fluçtuations_ may result from the execution of a program. dedicated to this purpose, controlling these fluctuations in the form of iterative sequences, or using a random process.
  • the program may also include certain parameters adaptable by the operator of the base station.
  • the systematic fluctuation of the direction of a transmission lobe is independent of the destination terminals of the signal components.
  • the fluctuation of the direction of an emission lobe is applied around a reference direction attached to this lobe.
  • the base station may further comprise means for orienting this reference direction to at least one terminal receiving at least one component of the signal.
  • the reference direction of the transmission lobe can vary in the same way and followed the ue ⁇ iaceme ⁇ i at the mobile terminal .
  • the fluctuation of the direction of the emission lobe is then superimposed on the variation of the reference direction of this same lobe.
  • the fluctuation imposed on the direction of the emission lobe is much faster than the variation of the reference direction of this lobe.
  • the same principle of diversity applies to the reception by the base station of the radio signals transmitted by the remote mobile terminals.
  • at least one direction of a reception lobe is modified so as to receive a complete radio signal in the form of signal sequences which have followed different propagation paths between the terminal and the base station.
  • the transmitting antenna of a base station is also used for the reception of signals by this station.
  • some of the signal processing devices associated with the antenna are common to transmission and reception. It is therefore understood, in the context of the present invention, that the mechanisms described concerning the emission of a signal with a diversity obtained by fluctuation of at least one direction of emission of the antenna can be applied, by simple transposition, on reception of signals with a diversity corresponding to the fluctuation of at least one direction of reception of the antenna.
  • certain components used to cause a direction of emission to fluctuate in particular the phase adaptation means and the means for controlling the emission diagram can also be used during reception. In a preferred operating mode, the fluctuations in the reception direction or directions a priori reproduce the fluctuations in the transmission direction or directions.
  • the invention therefore also relates to a base station comprising at least one reception antenna composed of several antenna elements, phase adaptation means for applying respective phase shifts to signal components originating from the antenna elements, means for controlling an ⁇ iagram for receiving the antenna by adjusting said phase shifts, and means for processing at least one signal constructed after combining the phase components of the signal, characterized in that the control means include means for making varying over time said phase shifts so as to cause a systematic fluctuation in the direction of at least one antenna receiving lobe around a reference direction.
  • FIG. 2 illustrates a first embodiment of the device used to control the fluctuations of an emission direction of the antenna
  • FIG. 3 illustrates a first embodiment of the device used to control the fluctuations of a direction of reception of the antenna
  • FIG. 4 illustrates a second embodiment of the device used to control the fluctuations of an emission direction of the antenna
  • FIG. 5 illustrates a second embodiment of the device used to control the fluctuations of a direction of reception of the antenna.
  • the base station 100 transmits by means of the antenna 1 a radio signal intended for terminals 200 located within range of this antenna.
  • the antenna 1 consists of radiating elements 2 juxtaposed. All these radiating elements 2 are fixed relative to the support of the antenna 101, and oriented facing the geographic sector intended to be served by the antenna.
  • the antenna emission pattern generally consists of a main lobe, corresponding to an angular sector within which the radiation power is greater than a fixed value, and limited according to the distance from the antenna by the reduction in power linked to the propagation of the radiation.
  • the axis of this main lobe corresponds to the direction D of emission of the antenna 1.
  • the direction D of emission can be identified by a system of spherical coordinates having as pole the center O of the antenna 1. These coordinates include for example the elevation angle of the direction D of emission relative to a horizontal plane containing the point O, and the azimuth angle between the projection of the direction D on the horizontal plane and an axis R of reference contained in this plane, for example oriented perpendicular to the group of radiating elements and passing through point O.
  • a radio transmission-reception site comprises a cell-type base station which radiates different radio signals in separate transmission and reception sectors, each sector being served by a directional antenna of the preceding type.
  • the fluctuations in the direction D of emission of the antenna 1 are then identified by the evolution of the elevation and azimuth angles.
  • a fluctuation in the direction D lying in a vertical plane corresponds to a variation in the elevation angle.
  • a fluctuation in a horizontal plane corresponds to a variation of the azimuth angle.
  • D of emission carried out collectively for all terminals regardless of their location, relates essentially to the angle of elevation. However, it is also possible to vary the azimuth angle or a combination of these two angles.
  • signals are transmitted after application of channel coding and interleaving.
  • Channel coding adds redundancy to the symbols of the digital signal, with a structure allowing the receiver to detect and correct transmission errors.
  • the codes usually used have optimal performance when errors occurring during transmission are uncorrelated.
  • Interleaving consists of a permutation of symbols intended to tend towards this condition of decorrelation while transmission errors on a radio interface tend to occur in packets because of the fading phenomenon.
  • the permutation of the interleaving relates to a certain duration (from one to a few tens of milliseconds) chosen to achieve a compromise between the performance of the decoder and the processing delay implied by the interleaver.
  • This interleaving time can vary from one channel to another, as for example in the case of a UMTS system (“Universal Mobile Telecommunication System”) where it is from 10 to 80 ms.
  • UMTS Universal Mobile Telecommunication System
  • these variations are carried out at a frequency of the order of, and preferably greater than the reverse the interlacing time.
  • the variation frequency is advantageously equal to or greater than 100 Hz.
  • FIG. 2 schematically shows a first embodiment of the means employed by a base station to generate diversity by fluctuation of the direction of transmission of the antenna 1.
  • Each signal component Si, S 2 , ..., SM, intended for a particular terminal 200 or belonging to a common channel, is produced by a processing channel comprising a channel encoder 3, an interleaver 4, a modulator 5, then a power adjustment module 6.
  • the signal components Si, S 2 , ..., SM delivered by the different processing channels are then combined by a multiplexing unit 7 in a baseband signal S delivered to the radio transmission stage.
  • the constitution of the modulators 5 and of the multiplexing unit 7 depends on the multiple access mode used in the radiocommunication system to which the invention is applied.
  • the modulators 5 carry out the modulation in baseband or on an intermediate frequency, while the multiplexer 7 distributes the signal components Si, S 2 , ..., SM in respective time slots of the signal frames, corresponding to the channel channels.
  • TDMA time-division
  • CDMA codes
  • the modulators 5 can achieve spectrum spreading by applying the spreading codes assigned to the different channels, while the multiplexer 7 simply performs a summation of the signal components Si, S 2 SM.
  • a separator 8 reproduces the signal S on each transmission channel corresponding to a radiating element 2 of the antenna 1.
  • phase shift unit 9 then applies to the signal of each transmission channel a respective phase shift D1, D 2 DN.
  • Each phase shift is determined by the position in the antenna 1 of the radiating element 2, and depends on the emission direction of the antenna 1 controlled by the emission diagram controller 10.
  • FR-A-2 792 116 describes an example of a phase adaptation device usable as a phase shift unit 9.
  • the radio stage then performs the conventional filtering, analog conversion 11, transposition to the carrier frequency 12 and power amplification 13 operations from the signals delivered by the phase shift unit 9.
  • Each radiating element 2 receives then the amplifier 13 which is associated with it, via a duplexer 14, the phase shifted radio signal E 1 , E 2 , ..., E corresponding to its transmission channel.
  • the phase shift unit 9 can also weight the amplitude of the signal corresponding to each transmission channel. In a manner known to the specialist in radio transmissions, such a weighting makes it possible to modify a width of the emission diagram by adjusting the amplitudes of the signals emitted by each radiating element 2. Thus, during the emission of the signal by the antenna 1, 1 he angular opening of the emission diagram can be modified simultaneously with the fluctuation of the emission direction D in order to increase the efficiency of the creation of diversity according to the invention.
  • FIG 3 shows, analogously to Figure 2, an example of means usable for the creation of diversity by fluctuation of the direction of reception of the antenna during the reception of radio signals by a base station.
  • the reception antenna 1, composed of the antenna elements 2, receives radio signals transmitted by mobile terminals 200.
  • Each radio signal component E'-i, E ' 2 , ..., E'N received by a antenna element 2 is addressed to the reception channel associated with this antenna element.
  • This channel comprises, downstream of the duplexer 14 and of filter elements not shown, a low noise amplifier 13a, a frequency transposer 12a and an analog-digital converter 11a which delivers the signal component to the phase shift unit 9a .
  • This phase shift unit 9a operates a phase shift compensation between the signal components of each reception channel so as to synchronize them at the input of the combination unit 8a.
  • This phase shift compensation is governed by the controller 10 as a function of the direction or directions of reception of the antenna 1.
  • the combination unit 8a then groups together in a single signal S ′ the signal components originating from all the reception channels and supplies this signal S ′ to the demultiplexer 7a.
  • the latter separates in the signal S 'the contributions S' r S ' 2 , ... S corresponding to different transmitter terminals 200, and addresses them respectively to separate processing channels.
  • Each of these channels then comprises a demodulator 5a and all the usual components necessary to extract the useful information from the received signal.
  • the fluctuation in time of the direction (s) of transmission and / or reception of the antenna 1 is carried out by discrete jumps, preferably between two predefined directions. This minimizes disturbance to the process of estimating the propagation channel when the receiver performs coherent demodulation.
  • the ability to track the movement of a mobile terminal 200 can make a continuous fluctuation mode of the sinusoidal, triangular or other type also desirable for the fluctuation of at least minus a direction of transmission and / or reception of the antenna 1.
  • FIG. 4 schematically shows a second exemplary embodiment of the means of a base station for generating diversity by fluctuation of the direction of transmission.
  • the common references with FIG. 2 correspond to identical means.
  • each antenna element ⁇ ⁇ receives, by means of transmission to which it is connected, a radio signal Ei, E 2, ..., IN to issue each resulting from a plurality of signals S 1, ..., S ⁇ in baseband.
  • Each of the signals S 1 S ⁇ is itself a combination of several signal components.
  • S ⁇ , ..., S 1 M are the components of the signal S 1 , ..., similarly
  • S ⁇ ⁇ S K M are the components of the signal S ⁇ , produced by as many independent processing channels.
  • Each processing channel leads to a multiplexer 7 which produces the signal S 1 , ..., S ⁇ by combination of the components.
  • Each processing channel comprises the same components as those presented with reference to FIG. 2.
  • the signal components S 1 ⁇ S 1 M , ..., S ⁇ ⁇ , .... S K M associated with each of the signals S 1 S ⁇ can be, for example, multimedia signals intended for a given terminal receiving one of the signals S 1 , ..., S ⁇ .
  • phase shift units 9 can also correspond to signals assigned to a given sector served by the antenna.
  • the signal S 1 , ..., S ⁇ is reproduced by a separator 8 to form signal contributions associated with each transmission channel.
  • a phase shift unit 9 then applies a phase shift to each signal contribution.
  • the phase shift D 1 ⁇ is applied to the signal contribution from the signal Si associated with the radio signal Ei of the first transmission channel and, likewise, the phase shift D N is applied to the signal contribution resulting from the signal S ⁇ associated with the radio signal E of the N th transmission channel.
  • the radio signal from an antenna 2 determined element, for example Ei is the superposition of several elementary radio signals corresponding to contributions from each of the signals S 1, ..., S independent ⁇ .
  • the respective phase shifts D 1 ⁇ , ..., D ⁇ ⁇ applied by the phase shift units 9 to these different contributions may be different from each other, corresponding to fluctuations in different emission directions controlled by the general controller 10.
  • each phase shifted signal contribution to the corresponding transmission channel is carried out by a distributor 7 '.
  • the distributor 7 ' has an input for each phase shifted signal contribution, and an output connected to each transmission channel. It thus addresses to each transmission channel the contributions of phase-shifted signals in accordance with the position in the antenna 1 of the antenna element 2 supplied by this transmission channel.
  • the phase shifts are introduced upstream of the radio stage, which allows easier installation of the phase shift units 9, in particular an installation of these units at the foot of the antenna 1 in the case where the radio stage is largely carried out at the antenna level.
  • FIG. 5 corresponds to FIG. 4 for a reception operation which uses the diversity resulting from the fluctuation of the direction of reception of the antenna.
  • Each antenna element 2 delivers a radio signal E'i, E ' 2 E'N to a radio reception channel to which it is connected.
  • a duplexer 14, a low noise amplifier 13a, a frequency transposer 12a and an analog-digital converter 11a arranged in this radio reception channel produce a signal component delivered to a distributor 7'a.
  • the distributor 7'a respectively transmits to phase shift units 9a different from the elementary components of each signal component corresponding to distinct channel references.
  • the controller 10 determines the phase shift applied to each of them and commands the corresponding phase shift unit 9a to compensate for this phase shift.
  • the elementary signal components at the output of a given phase shift unit are then synchronized. They are then combined with each other by a combination unit 8a to obtain a signal different S ' 1 , ..., S' p per phase shift unit 9a. Each of these signals S ' 1 , ..., S' ⁇ is then processed independently in the manner already described with reference to FIG. 3. It is in particular separated by a demultiplexer 7a into elementary signals S' ⁇ 1 , .. ., S' ⁇ P respectively corresponding to ⁇ istinct processing channels.
  • FIGS. 4 and 5 An embodiment according to FIGS. 4 and 5 is well suited to the case of antennas with beam guidance towards mobile terminals.
  • a multiplexing unit 7 can be allocated to each terminal being tracked to multiplex the different channels intended for this terminal (this multiplexing unit is not necessary in the case where only one channel is intended for the terminal).
  • the reference direction is then defined for each terminal by means known to those skilled in the art. The invention makes it possible to superimpose on the relatively slow variation of this reference direction, due to the movements of the terminal, a systematic, faster fluctuation, of the transmission direction around this reference direction, which makes it possible to combat the effects negative of channel fading.
  • a third implementation ⁇ consists in printing a fluctuation in the elevation angle to the entire antenna emission diagram. This fluctuation is introduced analogically or digitally when controlling the elevation angle of the antennas. This third implementation is therefore particularly simple, since it does not require any modification of the structure or of the operation of the currently existing antennas.
  • the base station generates a single radio signal for the cell, to which the phase shifts are applied by means of analog phase shifters located between the duplexer and the antenna elements and controlled to jointly fluctuate the directions transmission and reception.

Abstract

La station de base (100) comprend une antenne d'émission (1 ) composée de plusieurs éléments rayonnants (2) pour la transmission d'un ou plusieurs signaux radio (E1, E2, ..., EN) vers un ou plusieurs terminaux destinataires (200). Ces signaux radios sont générés a partir de composantes de signal (S1, S2, ..., SM) auxquelles sont appliqués des déphasages (D1 D2, ... DN). L 'ajustement desdits déphasages provoque une fluctuation systématique d'au moins une direction d'émission de l'antenne pendant l'émission du signal radio, afin de procurer une diversité de trajets de propagation.

Description

STATION DE BASE DE RADIOCOMMUNICATION A DIAGRAMME DE
RAYONNEMENT VARIABLE
La présente invention a pour objet la transmission de signaux entre deux émetteurs-récepteurs distants l'un de l'autre. Elle concerne plus particulièrement l'émission et la réception de signaux par une station de base reliée par radio à des terminaux de radiocommunication.
Il est connu que la communication par radio entre une station de base et un terminal, pouvant être un terminal mobile, est sujette à des phénomènes perturbateurs de la transmission radio entre l'antenne de la station de base et l'antenne du terminal mobile, notamment à des évanouissements de canal («fading»), dus aux interférences destructives entre des signaux qui suivent des chemins de propagation différents entre la station de base et le terminal.
La diversité de l'un des caractères liés à cette transmission est l'une des méthodes développées pour pallier le fading. Ainsi sont utilisées la diversité de réception, consistant à recevoir le signal simultanément sur deux antennes, la diversité d'émission, consistant à équiper la station de base de plusieurs antennes émettant les mêmes signaux, la diversité de polarisation, la diversité de fréquence (voir par exemple l'ouvrage «Réseaux GSM» de X. Lagrange et al., éditions Hermès Science Publications, 2000, page 161 ), etc. II est connu d'utiliser des antennes comportant des dispositifs d'ajustement du diagramme de rayonnement. De tels réglages portent par exemple sur la direction d'émission de l'antenne ou la largeur du lobe principal d'émission.
Ces ajustements du diagramme de rayonnement peuvent être mécaniques, tels que l'orientation d'une antenne disposée sur un support articulé, mixtes électriques-mécaniques (cf. brevet US 6,198,458), ou encore purement électroniques, comme dans FR-A-2 792 116.
La plupart des antennes à guidage électronique de faisceau sont composées de plusieurs éléments d'antenne alimentés individuellement par des signaux obtenus par déphasage d'un signal initial. La valeur du déphasage est déterminée en fonction de l'élément d'antenne auquel est adressé le signal déphasé, et la direction d'émission par l'antenne résulte de la combinaison des signaux déphasés les uns par rapport aux autres émis par tous les éléments d'antenne.
De telles antennes sont parfois utilisées pour focaliser un faisceau radio destiné à un terminal particulier. Dans une réalisation typique, les composantes d'un signal radio montant émis par le terminal, captées par les différents éléments d'antenne, sont analysées en terme de déphasages afin d'estimer une direction de l'espace d'où provient ce signal montant. Des déphasages correspondants sont alors appliqués au signal descendant destiné à ce terminal afin que son émission soit orientée dans cette direction. Un tel guidage électronique de faisceau permet des réductions importantes de niveau d'interférence. Il est surtout utilisé dans des antennes de satellites. Il a toutefois été proposé de l'utiliser dans des systèmes terrestres en dépit de sa mise en œuvre complexe et coûteuse. Un but de la présente invention est de proposer un nouveau mode de diversité radio au niveau d'une station de base.
La présente invention a pour objet une station de base comprenant au moins une antenne d'émission composée de plusieurs éléments rayonnants, des moyens de production d'au moins une composante de signal, des moyens de transmission pour adresser aux éléments rayonnants de l'antenne d'émission des signaux radio générés à partir des composantes de signal issues des moyens de production, les moyens de transmission incluant des moyens d'adaptation de phase pour engendrer des déphasages dans les signaux radio adressés aux éléments rayonnants et des moyens de contrôle d'un diagramme d'émission de l'antenne par ajustement desdits déphasages, caractérisée en ce que les moyens de contrôle comprennent des moyens pour faire varier dans le temps certains au moins desdits déphasages de façon à provoquer une fluctuation systématique de la direction d'au moins un lobe d'émission de l'antenne autour d'une direction de référence. La présente invention propose donc un mécanisme de diversité fondé sur la transmission de séquences du signal radio selon des chemins de propagation différents entre la station de base et le terminal, et qui est applicable avec une seule antenne d'émission. La fluctuation de la direction d'un lobe d'émission provoque des variations entre les chemins de propagation suivis par des séquences successives du signal, évitant ainsi que toutes les séquences soient perturbées de façon identique. Dans un mode de réalisation préféré, les moyens d'adaptation de phase et les moyens de contrôle du diagramme d'émission sont de nature entièrement électronique et permettent un ajustement numérique du déphasage du signal émis par chaque élément rayonnant. Un tel traitement des déphasages procure en effet des possibilités d'ajustement des déphasages supérieures à celles de systèmes incorporant des parties électromécaniques, ainsi que des variations particulièrement rapides desdits déphasages.
Les fluctuations de la direction d'un lobe d'émission de l'antenne engendrées par les variations des déphasages sont déterminées selon une séquence préalablement fixée. Ces fluctuations peuvent par exemple être adaptées en fonction de la topographie de la zone géographique couverte par l'antenne, privilégiant en particulier des secteurs d'émission selon lesquels la transmission des signaux est particulièrement efficace.
Dans un mode de mise en œuvre préféré, les moyens de contrôle sont agencés pour faire varier les déphasages de façon à faire fluctuer la direction d'un lobe d'émission de l'antenne par sauts discrets, par exemple entre deux directions choisies de part et d'autre d'une direction de référence. Ces
_fluçtuations_peuvent résulter de l'exécution d'un programme . dédié à cet effet, commandant ces fluctuations sous forme de séquences itératives, ou utilisant un procédé aléatoire. Le programme peut en outre comporter certains paramètres adaptables par l'opérateur de la station de base.
De préférence, la fluctuation systématique de la direction d'un lobe d'émission est indépendante des terminaux destinataires des composantes du signal. La fluctuation de la direction d'un lobe d'émission est appliquée autour d'une direction de référence attachée à ce lobe. La station de base peut comprendre en outre des moyens d'orientation de cette direction de référence vers au moins un terminal destinataire d'au moins une composante du signal. Eventuellement, lorsque le terminal destinataire est mobile et que son déplacement est repéré par la station de base d'après des signaux radio émis par ce terminal, la direction de référence du lobe d'émission peut varier de façun et suivie le ueμiacemeπi au terminai mobile. La fluctuation de la direction du lobe d'émission est alors superposée à la variation de la direction de référence de ce même lobe. De façon générale, la fluctuation imposée à la direction du lobe d'émission est beaucoup plus rapide que la variation de la direction de référence de ce lobe. Le même principe de diversité s'applique à la réception par la station de base des signaux radio émis par les terminaux mobiles distants. Pendant la réception du signal, on modifie au moins une direction d'un lobe de réception, de façon à recevoir un signal radio complet sous forme de séquences de signal qui ont suivi des chemins de propagation différents entre le terminal et la station de base.
En général, l'antenne d'émission d'une station de base est aussi utilisée pour la réception de signaux par cette station. De même, une partie des dispositifs de traitement du signal associés à l'antenne sont communs à l'émission et à la réception. Il est par conséquent entendu, dans le cadre de la présente invention, que les mécanismes décrits concernant l'émission d'un signal avec une diversité obtenue par fluctuation d'au moins une direction d'émission de l'antenne peuvent être appliqués, par simple transposition, à la réception de signaux avec une diversité correspondant à la fluctuation d'au moins une direction de réception de l'antenne. De plus, certains composants utilisés pour faire fluctuer une direction d'émission, notamment les moyens d'adaptation de phase et les moyens de contrôle du diagramme d'émission peuvent être aussi utilisés lors de la réception. Dans un mode de fonctionnement préféré, les fluctuations de la ou des directions de réception reproduisent a priori les fluctuations de la ou des directions d'émission. Cependant, la capacité des algorithmes de traitement des signaux en réception permet de modifier ou de transformer à volonté les caractéristiques des fluctuations des directions de réception de façon à les rendre différentes si nécessaire des caractéristiques des fluctuations des directions d'émission. L'invention concerne donc aussi une station de base comprenant au moins une antenne de réception composée de plusieurs éléments d'antenne, des moyens d'adaptation de phase pour appliquer des déphasages respectifs à des composantes de signal issues des éléments d'antenne, des moyens de coπiroie α un αiagramme αe réception αe l'antenne par ajustement desdits déphasages, et des moyens de traitement d'au moins un signal construit après combinaison des composantes de signal déphasées, caractérisée en ce que les moyens de contrôle comprennent des moyens pour faire varier dans le temps lesdits déphasages de façon à provoquer une fluctuation systématique de la direction d'au moins un lobe de réception de l'antenne autour d'une direction de référence.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation et de mise en œuvre non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente un système de coordonnées sphériques permettant de caractériser une direction d'émission ou de réception de l'antenne d'une station de base ;
- la figure 2 illustre un premier mode de réalisation du dispositif utilisé pour commander les fluctuations d'une direction d'émission de l'antenne ;
- la figure 3 illustre un premier mode de réalisation du dispositif utilisé pour commander les fluctuations d'une direction de réception de l'antenne ;
- la figure 4 illustre un second mode de réalisation du dispositif utilisé pour commander les fluctuations d'une direction d'émission de l'antenne ; et
- la figure 5 illustre un second mode de réalisation du dispositif utilisé pour commander les fluctuations d'une direction de réception de l'antenne. Sur la figure 1 , la station de base 100 émet au moyen de l'antenne 1 un signal radio destiné à des terminaux 200 situés à portée de cette antenne. L'antenne 1 est constituée d'éléments rayonnants 2 juxtaposés. Tous ces éléments rayonnants 2 sont fixes par rapport au support de l'antenne 101 , et orientés face au secteur géographique destiné à être desservi par l'antenne.
Le diagramme d'émission de l'antenne est généralement constitué d'un lobe principal, correspondant à un secteur angulaire à l'intérieur duquel la puissance de rayonnement est supérieure à une valeur fixée, et limité selon l'éloignement par rapport à l'antenne par la réduction de puissance liée à la propagation du rayonnement. L'axe de ce lobe principal correspond à la direction D d'émission de l'antenne 1. La direction D d'émission peut être repérée par un système de coordonnées sphériques ayant pour pôle le centre O de l'antenne 1. Ces coordonnées comprennent par exemple l'angle d'élévation de la direction D d'émission par rapport à un plan horizontal contenant le point O, et l'angle d'azimut entre la projection de la direction D sur le plan horizontal et un axe R de référence contenu dans ce plan, par exemple orienté perpendiculairement au groupement d'éléments rayonnants et passant par le point O.
Usuellement, un site d'émission-réception radio comprend une station de base de type cellulaire qui rayonne des signaux radio différents dans des secteurs α émission et αe réception distincts, chaque secteur étant desservi par une antenne directionnelle du type précédent.
Les fluctuations de la direction D d'émission de l'antenne 1 sont alors repérées par l'évolution des angles d'élévation et d'azimut. Ainsi, une fluctuation de la direction D comprise dans un plan vertical correspond à une variation de l'angle d'élévation. Une fluctuation comprise dans un plan horizontal correspond à une variation de l'angle d'azimut.
Dans une réalisation typique de l'invention, la fluctuation de la direction
D d'émission, réalisée collectivement pour tous les terminaux indépendamment de leur localisation, porte essentiellement sur l'angle d'élévation. Cependant, il est possible de faire varier aussi l'angle d'azimut ou une combinaison de ces deux angles.
Dans la plupart des systèmes de radiocommunication numérique, les signaux sont émis après application d'un codage de canal et d'un entrelacement. Le codage de canal ajoute de la redondance aux symboles du signal numérique, avec une structure permettant au récepteur de détecter et corriger les erreurs de transmission. Les codes habituellement employés ont des performances optimales lorsque les erreurs survenant au cours de la transmission sont décorrélées. L'entrelacement consiste en une permutation des symboles destinée à tendre vers cette condition de décorrélation alors que les erreurs de transmission sur une interface radio ont plutôt tendance à survenir par paquets à cause du phénomène de fading. La permutation de l'entrelacement porte sur une certaine durée (d'une à quelques dizaines de millisecondes) choisie pour réaliser un compromis entre les performances du décodeur et le retard de traitement qu'implique l'entrelaceur. Cette durée d'entrelacement peut varier d'un canal à un autre, comme par exemple dans le cas d'un système UMTS («Universal Mobile Télécommunication System») où elle est de 10 à 80 ms. Afin d'optimiser l'efficacité de la diversité créée par fluctuation de la direction d'émission de l'antenne 1 , il est avantageux que ces variations soient effectuées selon une fréquence de l'ordre de, et de préférence supérieure à l'inverse de la durée d'entrelacement. Ainsi, dans le cas d'un système UMTS, la fréquence de variation est avantageusement égale ou supérieure à 100 Hz. La figure 2 montre schématiquement un premier exemple de réalisation des moyens employés par une station de base pour générer la diversité par fluctuation de la direction d'émission de l'antenne 1. Chaque composante de signal Si, S2, ..., SM, destinée à un terminal particulier 200 ou appartenant à un canal commun, est produite par une voie de traitement comprenant un codeur de canal 3, un entrelaceur 4, un modulateur 5, puis un module d'ajustement de puissance 6. Les composantes de signal Si, S2, ..., SM délivrées par les différentes voies de traitement sont ensuite combinées par une unité de multiplexage 7 dans un signal en bande de base S délivré à l'étage d'émission radio. La constitution des modulateurs 5 et de l'unité de multiplexage 7 dépend du mode d'accès multiple employé dans le système de radiocommunication auquel l'invention est appliquée. Dans un système où l'accès multiple est à répartition dans le temps (TDMA), comme par exemple le GSM, les modulateurs 5 réalisent la modulation en bande de base ou sur une fréquence intermédiaire, tandis que le multiplexeur 7 distribue les composantes de signal S-i, S2, ..., SM dans des tranches temporelles respectives des trames de signai, corresponαant aux αirrerents canaux. Dans un système où l'accès multiple est à répartition par codes (CDMA), comme par exemple l'UMTS, les modulateurs 5 peuvent réaliser l'étalement de spectre en appliquant les codes d'étalement affectés aux différents canaux, tandis que le multiplexeur 7 effectue simplement une sommation des composantes de signal Si, S2 SM. Dans l'étage radio, un séparateur 8 reproduit le signal S sur chaque voie d'émission correspondant à un élément rayonnant 2 de l'antenne 1. L'unité de déphasage 9 applique alors au signal de chaque voie d'émission un déphasage respectif D1, D2 DN. Chaque déphasage est déterminé par la position dans l'antenne 1 de l'élément rayonnant 2, et dépend de la direction d'émission de l'antenne 1 commandée par le contrôleur de diagramme d'émission 10. FR-A-2 792 116 décrit un exemple de dispositif d'adaptation de phase utilisable en tant qu'unité de déphasage 9.
L'étage radio assure ensuite les opérations classiques de filtrage, de conversion en analogique 11 , de transposition sur la fréquence porteuse 12 et d'amplification de puissance 13 à partir des signaux délivrés par l'unité de déphasage 9. Chaque élément rayonnant 2 reçoit alors de l'amplificateur 13 qui lui est associé, par l'intermédiaire d'un duplexeur 14, le signal radio déphasé E1, E2, ..., E correspondant à sa voie d'émission.
L'unité de déphasage 9 peut aussi effectuer une pondération de l'amplitude du signal correspondant à chaque voie d'émission. De façon connue du spécialiste des transmissions radio, une telle pondération permet de modifier une largeur du diagramme d'émission par ajustement des amplitudes des signaux émis par chaque élément rayonnant 2. Ainsi, pendant l'émission du signal par l'antenne 1 , l'ouverture angulaire du diagramme d'émission peut être modifiée simultanément à la fluctuation de la direction d'émission D afin d'augmenter l'efficacité de la création de diversité selon l'invention.
La figure 3 montre, de façon analogue à la figure 2, un exemple de moyens utilisables pour la création de la diversité par fluctuation de la direction de réception de l'antenne lors de la réception de signaux radio par une station de base. L'antenne de réception 1 , composée des éléments d'antenne 2, reçoit des signaux radio émis par des terminaux mobiles 200. Chaque composante de signal radio E'-i, E'2, ..., E'N reçu par un élément d'antenne 2 est adressée à la voie de réception associée à cet élément d'antenne. Cette voie comprend, en aval du duplexeur 14 et d'éléments de filtrage non représentés, un amplificateur à bas bruit 13a, un transposeur dé fréquence 12a et un convertisseur analogique-numérique 11a qui délivre la composante de signal à l'unité de déphasage 9a.
Cette unité de déphasage 9a opère une compensation des déphasages, entre les composantes de signal de chaque voie de réception de façon à les synchroniser à l'entrée de l'unité de combinaison 8a. Cette compensation des déphasages est régie par le contrôleur 10 en fonction de la ou des directions de réception de l'antenne 1. -
L'unité de combinaison 8a regroupe alors eh un seul signal S' les composantes de signal issues de toutes les voies de réception et fournit ce signal S' au démultiplexeur 7a. Ce dernier sépare dans le signal S' les -contributions S' r S'2, ... S correspondant à des terminaux émetteurs 200 différents, et les adresse respectivement à des voies de traitement distinctes. Chacune de ces voies comprend ensuite un démodulateur 5a et tous les composants usuels nécessaires pour extraire l'information utile du signal reçu.
Dans une réalisation préférée de l'invention, la fluctuation dans le temps de la ou des directions d'émission et/ou de réception de l'antenne 1 est effectuée par sauts discrets, de préférence entre deux directions prédéfinies. Ceci minimise les perturbations causées au processus d'estimation du canal de propagation lorsque le récepteur effectue une démodulation cohérente. Cependant, les aptitudes de suivi du déplacement d'un terminal mobile 200, en ce qui concerne les variations de la réponse impulsionnelle, peuvent rendre un mode de fluctuation continu de type sinusoïdal, triangulaire, ou autre, également souhaitable pour la fluctuation d'au moins une direction d'émission et/ou de réception de l'antenne 1. La figure 4 montre schématiquement un second exemple de réalisation des moyens d'une station de base pour générer la diversité par fluctuation de la direction d'émission. Les références communes avec la figure 2 correspondent à des moyens identiques. Selon cette réalisation, chaque élément α antenne ^ reçoit, par la voie d'émission à laquelle il est relié, un signal radio E-i, E2, ..., EN à émettre résultant chacun de plusieurs signaux S1, ..., Sκ en bande de base.
Chacun des signaux S1 Sκ est lui-même une combinaison de plusieurs composantes de signal. Ainsi S\, ..., S1 M sont les composantes du signal S1, ..., de même Sκι SKM sont les composantes du signal Sκ, produites par autant de voies de traitement indépendantes. Chaque voie de traitement aboutit à un multiplexeur 7 qui produit le signal S1, ..., Sκ par combinaison des composantes. Chaque voie de traitement comprend les mêmes composants que ceux présentés en référence à la figure 2. Les composantes de signal S1ι S1 M, ..., Sκι, .... SKM associées à chacun des signaux S1 Sκ peuvent être, par exemple, des .signaux multimédia destinés à un terminal donné destinataire de l'un des signaux S1, ..., Sκ. Elles peuvent aussi correspondre à des signaux affectés à un secteur donné desservi par l'antenne. A la sortie de chaque multiplexeur 7, le signal S1, ..., Sκ est reproduit par un séparateur 8 pour former des contributions de signal associées à chaque voie d'émission. Une unité de déphasage 9 applique alors un déphasage à chaque contribution de signal. A titre d'exemple, le déphasage D1ι est appliqué à la contribution de signal issue du signal Si associée au signal radio Ei de la première voie d'émission et, de même, le déphasage D N est appliqué à la contribution de signal issue du signal Sκ associée au signal radio E de la Nιeme voie d'émission. Ainsi, le signal radio d'un élément d'antenne 2 déterminé, par exemple E-i, est la superposition de plusieurs signaux radio élémentaires correspondant aux contributions issues respectivement des signaux S1, ..., Sκ indépendants. En particulier, les déphasages respectifs D1ι, ..., Dκι appliqués par les unités de déphasage 9 à ces différentes contributions peuvent être différents les uns des autres, correspondant à des fluctuations de directions d'émission différentes commandées par le contrôleur général 10.
L'affectation de chaque contribution de signal déphasée à la voie d'émission correspondante est effectuée par un distributeur 7'. Le distributeur 7' possède une entrée pour chaque contribution de signal déphasée, et une sortie connectée à chaque voie d'émission. Il adresse ainsi à chaque voie d'émission les contributions de signaux déphasées en concordance avec la position dans l'antenne 1 de l'élément d'antenne 2 alimenté par cette voie d'émission. Dans ce second exemple de réalisation, les déphasages sont introduits en amont de l'étage radio, ce qui permet une implantation plus facile des unités de déphasage 9, en particulier une implantation de ces unités au pied de l'antenne 1 dans le cas où l'étage radio est en grande partie réalisé au niveau de l'antenne. La figure 5 correspond à la figure 4 pour un fonctionnement en réception qui utilise la diversité résultant de la fluctuation de la direction de réception de l'antenne.
Chaque élément d'antenne 2 délivre un signal radio E'i, E'2 E'N à une voie de réception radio à laquelle il est connecté. Un duplexeur 14, un amplificateur à bas bruit 13a, un transposeur de fréquence 12a et un convertisseur analogique-numérique 11a disposés dans cette voie de réception radio produisent une composante de signal délivrée à un distributeur 7'a. Par identification de références de canaux comprises dans les composantes de signal, le distributeur 7'a transmet respectivement à des unités de déphasage 9a différentes des composantes élémentaires de chaque composante de signal correspondant à des références de canaux distinctes. Par comparaison des composantes élémentaires entre elles au niveau des entrées des unités de déphasage 9a, le contrôleur 10 détermine alors le déphasage appliqué à chacune d'elles et commande à l'unité de déphasage 9a correspondante de compenser ce déphasage. Les composantes élémentaires de signal à la sortie d'une unité de déphasage donnée sont alors synchronisées. Elles sont ensuite combinées entre elles par une unité de combinaison 8a pour obtenir un signal différent S'1, ..., S'p par unité de déphasage 9a. Chacun de ces signaux S'1, ..., S'κ est alors traité indépendamment de la façon déjà décrite en référence à la figure 3. Il est en particulier séparé par un démultiplexeur 7a en signaux élémentaires S'ι1, ..., S'κP correspondant respectivement à des canaux de traitement αistincts.
Une réalisation selon les figures 4 et 5 est bien adaptée au cas d'antennes à guidage de faisceaux vers des terminaux mobiles. Dans ce cas, une unité de multiplexage 7 peut être allouée à chaque terminal poursuivi pour multiplexer les différents canaux destinés à ce terminal (cette unité de multiplexage n'est pas nécessaire dans le cas où un seul canal est destiné au terminal). La direction de référence est alors définie pour chaque terminal par des moyens connus de l'homme du métier. L'invention permet de superposer à la variation relativement lente de cette direction de référence, due aux déplacements du terminal, une fluctuation systématique, plus rapide, de la direction d'émission autour de cette direction de référence, qui permet de lutter contre les effets négatifs des évanouissements de canal.
Les réalisations illustrées par les figures 2 à 5 ne sont que des illustrations de deux mises en œuvre de l'invention. Une troisième mise en -œuvre~consiste à imprimer une fluctuation de l'angle d'élévation à l'ensemble du diagramme d'émission de l'antenne. Cette fluctuation est introduite de façon analogique ou numérique au niveau du pilotage de l'angle d'élévation des antennes. Cette troisième mise en œuvre est par conséquent particulièrement simple, étant donné qu'elle ne nécessite aucune modification de la structure ni du fonctionnement des antennes actuellement existantes. Dans une autre mise en œuvre encore possible, la station de base génère un seul signal radio pour la cellule, auquel les déphasages sont appliqués au moyen de déphaseurs analogiques situés entre le duplexeur et les éléments d'antenne et commandés pour faire fluctuer conjointement les directions d'émission et de réception.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Station de base de radiocommunication comprenant au moins une antenne d'émission (1) composée de plusieurs éléments rayonnants (2), des moyens (3-6) de production d'au moins une composante de signal (S-i, S2, ..., SM), des moyens de transmission (7-14) pour adresser aux éléments rayonnants de l'antenne d'émission des signaux radio (Ei, E2, ..., EN) générés à partir des composantes de signal issues des moyens de production, les moyens de transmission incluant des moyens d'adaptation de phase (9) pour engendrer des déphasages (Di, D2, ..., DN) dans les signaux radio adressés aux éléments rayonnants et des moyens de contrôle (10) d'un diagramme d'émission de l'antenne par ajustement desdits déphasages, caractérisée en ce que les moyens de contrôle comprennent des moyens pour faire varier dans le temps certains au moins desdits déphasages de façon à provoquer une fluctuation systématique de la direction d'au moins un lobe d'émission de l'antenne autour d'une direction de référence.
2. Station de base selon la revendication 1 , dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire fluctuer par sauts discrets la direction du lobe d'émission de l'antenne.
3. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire fluctuer la direction du lobe d'émission de l'antenne dans un plan vertical.
4. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire fluctuer la direction du lobe d'émission de l'antenne dans un plan horizontal.
5. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire fluctuer la direction du lobe d'émission de l'antenne à la fois dans un plan vertical et dans un plan horizontal.
6. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire fluctuer la direction du lobe d'émission de l'antenne à une fréquence supérieure à l'inverse d'une durée d'entrelacement des signaux.
7. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de contrôle comprennent en outre des moyens pour faire varier dans le temps les amplitudes des signaux respectivement adressés aux éléments rayonnants de l'antenne d'émission.
8. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens d'orientation de la direction de référence vers au moins un terminal (200)_destinataire d'au moins une composante de signal.
9. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la fluctuation systématique de la direction du lobe d'émission est indépendante des destinataires des composantes du signal.
10. Station de base de radiocommunication comprenant au moins une antenne de réception (1 ) composée de plusieurs éléments d'antenne (2), des moyens d'adaptation de phase (9a) pour appliquer des déphasages respectifs (D-i, D2, ..., DN) à des composantes de signal issues des éléments d'antenne, des moyens de contrôle (10) d'un diagramme de réception de l'antenne par ajustement desdits déphasages, et des moyens (5a) de traitement d'au moins un signal (S'i, S'2, ... S'P) construit après combinaison des composantes de signal déphasées, caractérisée en ce que les moyens de contrôle comprennent des moyens pour faire varier dans le temps lesdits déphasages de façon à provoquer une fluctuation systématique de la direction d'au moins un lobe de réception de l'antenne autour d'une direction de référence.
11. Station de base selon la revendication 10, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire fluctuer par sauts discrets la direction du lobe de réception de l'antenne.
12. Station de base selon la revendication 10 ou 11 , dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire fluctuer la direction du lobe de réception de l'antenne dans un plan vertical.
13. Station de base selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire fluctuer la direction du lobe de réception de l'antenne dans un plan horizontal.
14. Station de base selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire fluctuer la direction du lobe de réception de l'antenne à la fois dans un plan vertical et dans un plan horizontal.
15. Station de base selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire fluctuer la direction du lobe de réception de l'antenne à une fréquence supérieure à l'inverse d'une durée d'entrelacement des signaux.
16. Station de base selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, comprenant des moyens d'orientation de la direction de référence vers au moins un terminal (200) émetteur d'un signal (S'-i, S'2, ... S'P) soumis aux moyens de traitement (5a).
17. Station de base selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, dans laquelle la fluctuation systématique de la direction du lobe de réception est indépendante des émetteurs des signaux soumis aux moyens de traitement (5a).
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