DE19820460A1 - Mobilfunk-Basisstation mit adaptiver Antenne - Google Patents
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Abstract
Eine Mobilfunk-Basisstation mit einem Sender (TRX) je Sendefrequenz, sowie mit mehreren Empfängern (RX 1, RX 2, RX 3, RX 0), wobei die Ausgänge von Einzelantennen (AN 1, AN 2, AN 3) bzw. eines Matrixnetzwerks (BUM) sowie zumindest einer Omnidirektionalantenne (AN 0) mit Sende/Empfangsweichen (SE 1, SE 2, SE 3, SE 0) verbunden und die Empfangszweige der Weichen zu den einzelnen Empfängern (RX 1, RX 2, RX 3, RX 0) geführt sind, die Sendezweige der Weichen selektiv über eine gesteuerte Schalteinrichtung (SWI) mit dem Ausgang eines Senders (TRX) verbunden sind, und zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Empfänger ein gemeinsamer Detektor (DET) vorgesehen ist, der dazu eingerichtet ist, über eine Antennensteuerung (AST) ein solches Steuersignal (stw) an die Schalteinrichtung zu liefern, daß der Sender mit einer in dem Detektor (DET) bestimmten Antenne verbunden wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Mobilfunk-Basisstation
mit einem Sender je Sendefrequenz, sowie mit mehreren Empfän
gern, wobei die Ausgangssignale von Einzelantennen direkt
oder über ein Matrixnetzwerk, sowie zumindest einer Omnidi
rektionalantenne den Empfängern zugeführt sind, und zur Ver
arbeitung der Ausgangssignale der Empfänger ein gemeinsamer
Detektor vorgesehen ist.
Basisstationen dieser Art sind bekannt geworden, um die Kapa
zität eines Mobilfunksystems zu erhöhen und in Anwendung auf
ein GSM-Mobilfunksystem, beispielsweise in IEE-Proc. Commun.,
Vol. 143, No. 5, October 1996, p. 304-310, M. C. Wells,
"Increasing the Oapacity of GSM Cellular Radio Using Adaptive
Antennas", beschrieben. Dabei wird durch Anwendung geeigneter
Algorithmen in einem Gewichtungs- und Peilwertrechner die
Richtung ermittelt, in welcher sich ein bestimmtes Mobilteil
des Systems befindet. Eine Erweiterung für die Senderseite
ist in diesem Artikel am Rande angedeutet, doch ist jeden
falls der Aufwand für die erwähnte Lösung groß, da sie mehre
re Sendeantennen erfordert und den Mobilitätsanforderungen
nicht gerecht wird, weil zunächst die Richtung einer Mobil
station unbekannt ist.
Eine andere bekannte Sende-/Empfangsanordnung einer Basissta
tion sieht vor, daß die Sende- und Empfangsantenne aus mehre
ren Elementen besteht, die jeweils mit einem eigenen Sende- und
Empfangspfad verbunden werden. Durch phasenrichtige Zu
ordnung der Signale an den Elementen wird die Richtungsselek
tivität erreicht. Eine solche Basisstation ist allerdings
sehr kostspielig, da viele Empfangs- und Sendepfade benötigt
werden und die Phasenbeziehungen vieler Signale über große
Teile der Basisstation korrekt aufrechterhalten werden müs
sen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Mobilfunk-Basissta
tion zu schaffen, welche eine Einstellung der Richtungsselek
tivität während des Betriebes in kostengünstiger Weise ermög
licht, um den Mobilitätsanforderungen gerecht zu werden,
so daß tatsächlich eine Erhöhung der Teilnehmerdichte im Netz
gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Mobilfunk-Basisstation der ein
gangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäß die
Antennen bzw. Ausgänge des Matrixnetzwerkes mit Sende/-
Empfangsweichen verbunden sind, wobei die Empfangszweige der
Weichen zu den einzelnen Empfängern geführt und die Sende
zweige der Weichen selektiv über eine gesteuerte Schaltein
richtung mit dem Ausgang des Senders verbunden sind, und der
Detektor dazu eingerichtet ist, über eine Antennensteuerung
ein solches Steuersignal an die Schalteinrichtung zu liefern,
daß der Sender mit einer in dem Detektor bestimmten Antenne
verbunden wird.
Dank der Erfindung kann eine sehr gute Richtungsselektivität
erreicht werden, ohne daß der Aufwand über Gebühr ansteigt,
wobei insbesondere lediglich ein einziger Sendekanal benötigt
wird. Die Erfindung ermöglicht es auch, mit einer insgesamt
geringeren Antennenanzahl und gleichzeitig geringeren Hard
ware-Aufwand eine schnelle Peilung durch gleichzeitigen Emp
fang sämtlicher Antennensignale, eine hohe Empfindlichkeit
durch gleichzeitigen Empfang aller Antennensignale, eine
Reduktion des Raleigh-Fadings wegen der räumlich getrennt
aufgestellten Omnidirektionalantenne ebenso zu erreichen, wie
eine Leistungsreduktion des Senders durch gezieltes Aufschal
ten auf eine ausgewählte Antenne.
Bei einer genaue Ergebnisse liefernden, vorteilhaften Weiter
bildung ist vorgesehen, daß der Detektor einen Gewichtungs- und
Peilwertrechner enthält und für sämtliche Mobilstationen
bestimmte Nachrichten abgestrahlt werden. Weiters empfiehlt
es sich, daß die Antennensteuerung, bzw. der Detektor dazu
eingerichtet sind, zur Absendung gemeinsamer Nachrichten ein
solches Steuersignal an die Schalteinrichtung zu liefern, daß
der Sender mit der Omnidirektionalantenne verbunden wird.
Wenngleich verschiedene Kriterien für die Aussteuerung des
gesteuerten Schalters herangezogen werden können, ist es
besonders einfach und auch zweckmäßig, wenn der Detektor dazu
eingerichtet ist, ein solches Steuersignal für die Schaltein
richtung zu liefern, daß die Antenne mit dem jeweils höchsten
Empfangspegel dem Sender zugeordnet wird.
Ahnliche Vorteile bietet eine Ausführung, bei welcher der
Detektor dazu eingerichtet ist, ein solches Steuersignal für
die Schalteinrichtung zu liefern, daß jene Antenne dem Sender
zugeordnet wird, welche das Ausgangssignal mit dem geringsten
Signal/Störabstand liefert.
Zweckmäßig ist es, wenn das Matrix-Netzwerk als Butlermatrix
ausgebildet ist, da dieses Matrixnetzwerk neben seinem be
währten Aufbau durch seine Unitarität gewährleistet, daß für
jeden Empfänger die volle Information wie bei unmittelbaren
Anschluß an eine Antenne zur Verfügung steht.
Die Auswertung der Signale gestaltet sich vorteilhaft, falls
dem Summierer ein Viterbi-Equalizer nachgeschaltet ist, da
hierdurch eine gute Störbefreiung, vor allem im Hinblick auf
Intersymbolstörungen möglich ist. Prinzipiell gleiches gilt,
falls über den Gewichtungs- und Peilwertrechner gewichtete
Signale einem Summierer zugeführt sind und diesem ein Rake-
Empfänger nachgeschaltet ist.
Bei einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, daß sie eine
Basisstation in einem GSM-System ist, doch läßt sich die
Erfindung ganz allgemein auf Mobilfunksysteme anwenden, bei
welchen die eingangs geschilderte Problematik vorliegt.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im folgenden anhand
einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert, die in
der Zeichnung veranschaulicht ist. Diese zeigt in einem ver
einfachten Blockschaltbild eine Mobilfunk-Basisstation nach
der Erfindung.
Wie der Zeichnung entnommen werden kann, sind an einer Basis
station mehrere Einzelantennen AN1, AN2, AN3 vorgesehen,
die in Abhängigkeit von der tatsächlichen Anzahl der Antennen
im Hinblick auf ihre Richtcharakteristika dimensioniert wer
den. Weiters ist eine omnidirektionale Antenne AN0 vorgese
hen, die zwar eine Rundstrahlcharakteristik aufweisen kann,
doch ist unter dem Begriff Omnidirektionalantenne im Zusam
menhang mit der Erfindung eine Antenne zu verstehen, welche
eine Funkzelle abdeckt. Da Funkzellen nicht notwendigerweise
kreisförmig gestaltet werden, könnte die Antenne AN0 bei
spielsweise auch 180° oder 120° abdecken.
Jede der Antennen AN1, AN2, AN3 und AN0 ist ein eigener
Empfangsteil RX1, RX2, RX3 und RX0 zugeordnet, wobei die
Eingänge dieser Empfangsteile oder Empfänger mit den Emp
fangszweigen von Sende/Empfangsweichen SE1, SE2, SE3 und
SE0 verbunden sind.
Die zu einem Antennenarray angeordneten Einzelantennen AN1,
AN2, AN3 sind mit den zugehörigen Sende/Empfangsweichen
SE1, SE2, SE3 über ein Matrix-Netzwerk verbunden, im vorlie
genden Beispiel über eine Butler-Matrix BUM. Eine solche
Matrix ermöglicht es, jedem Eingang eine bestimmte lineare
Phasenbelegung der Einzelantennen zuzuordnen. Näheres über
Matrix-Netzwerke und die Butler-Matrix ist der einschlägigen
Literatur zu entnehmen, wobei beispielsweise verwiesen wird
auf: Meinke-Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 5.
Auflage Abschnitt 15.4, "Speisenetzwerk", Seiten N 63-N 65,
ISBN 3-540-54716-9 und die dort genannte Literatur, sowie
auch: Rudolf Grabau, "Funkpeiltechnik", Franckh'sche Verlags
handlung 1989, ISBN 3-440-05991-X. Sende/Empfangsweichen sind
in der 4. Auflage dieses Werkes, Seiten R34, R35 beschrie
ben.
Die Verarbeitung der Ausgangssignale jener Empfänger RX1,
RX2, RX3, welche den Einzelantennen AN1, AN2, AN3 zuge
ordnet sind, erfolgt in bekannter Weise mit Hilfe eines Si
gnalprozessors, hier bezeichnet als Gewichtungs- und Peil
rechner GPR. Dieser Rechner berechnet aus den Einzelsignalen,
welche sich in Phase und Amplitude unterscheiden einen Ge
wichtsvektor, und er gewichtet die Signale in Multiplikatoren
ML1, ML2, ML3 bevor sie einem Summierer SUM und schließ
lich einem Viterbi-Equalizer VEQ oder einem Rake-Empfänger
zugeführt werden. Eine derartige Empfangsstruktur ist in dem
eingangs genannten Artikel von M. C. Wells näher beschrieben.
Der Gewichtungs- und Peilwertrechner GPR kann zusammen mit
dem Viterbi-Equalizer VEQ softwaremäßig durch einen gemeinsa
men Algorithmus realisiert sein. Auch kann anstelle des Vi
terbi-Equalizers ein Rake-Empfänger vorgesehen sein.
Der Empfangszweig auch der Sende-/Empfangsweiche SE0, welche
der omnidirektionalen Antenne AN0 zugeordnet ist, ist mit
dem Eingang eines Empfängers bzw. Empfangsteils RX0 verbun
den, und das Ausgangssignal dieses Empfängers ist dem Viter
bi-Equalizer VEQ oder einem Rake-Empfänger zugeführt, es
könnte jedoch auch einer Gewichtungsbewertung unterzogen
werden.
Falls die Einzelantennen AN1, AN2, AN3 als ausgeprägte
Richtantennen ausgebildet sind, können sie direkt, d. h. ohne
Verwendung einer Butler-Matrix, mit den Sende/Empfangsweichen
SE1, SE2, SE3 verbunden sein. Dies ist strichliert in der
Zeichnung angedeutet. Eine Butler-Matrix hingegen ermöglicht
es, eine Anzahl von Richtstrahlantennen aus gewöhnlichen
Einzelantennen nachzubilden, wobei natürlich eine bestimmte
Richtcharakteristik der Einzelantennen auch bei Anwendung
einer Butler-Matrix nicht unzweckmäßig sein kann.
Im Gegensatz zu den Empfangszweigen sind die Sendezweige der
Sende/Empfangsweichen SE1, SE2, SE3 und SE0 einer Schalt
einrichtung, hier einem gesteuerten Schalter SWI zugeführt.
Dieser Schalter wird über eine Ansteuerung AST von dem Ge
wichtungs- und Peilrechner GPR angesteuert, so daß je nach
Ansteuerung der Ausgang eines Senders TRX, hier angedeutet
durch einen Modulator MOD, einen HF-Teil HFT und eine Endstu
fe LEV an den Sendezweig einer der Sende/Empfangsweichen
SE1, SE2, SE3 und SE0 und somit an eine der Antennen
AN1, AN2, AN3 und AN0 gelegt werden kann.
Dank der Unitarität der Butler-Matrix BUM steht für die Emp
fänger RX1, RX2 und RX3 die volle Information wie unmit
telbar an der jeweiligen Einzelantenne zur Verfügung, so daß
mit mehreren Empfängern entsprechend adaptiv empfangen werden
kann. Durch geeignete Algorithmen, die in erster Linie in dem
Gewichtungs- und Peilrechner GPR, in Zusammenhang mit den
Multiplikatoren ML1, ML2 und ML3 und gegebenenfalls mit
dem Summierer SUM und dem Viterbi-Equalizer VEQ durchgeführt
werden, und die z. B. in dem Artikel von M. C. Wells be
schrieben sind, kann die Richtung eines Mobilteils rasch
ermittelt werden, so daß die Empfangsrichtung immer optimal
auf diese Mobilstation ausgerichtet und eine hohe Richtungs-
Selektivität erzielt wird. Durch die Kombination der Mehrele
mente-Antenne mit der Butler-Matrix BUM steht für die Sende
richtung eine Anzahl von Richtantennen zur Verfügung, die es
ermöglicht, durch den gesteuerten Schalter SWI, den Sen
destrahl kostengünstig in die gewählte Richtung zu lenken.
Dabei wird durch die richtige Zuordnung zwischen Empfangs-
und Senderichtung immer erreicht, daß dem Ausgang der Butler-
Matrix BUM mit höchstem Empfangspegel das Sendesignal zuge
ordnet wird. Phasenbeziehungen müssen nur zwischen der Mehre
lemente-Antenne AN1 bis AN3 und der Butler-Matrix BUM ein
gehalten werden.
Wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt, ist hier auch der
Empfänger RX0 mit der omnidirektionalen Antenne AN0 in die
Signalverarbeitung miteinbezogen, wodurch sich in vielen
Fällen eine noch genauere Richtungsbestimmung bzw. Entschei
dung über die Wahl der jeweiligen Richtantenne erzielen läßt
und/oder Signaleinbrüche durch Raleigh-Fading vermieden wer
den. Auf jeden Fall kann die omnidirektionale Antenne AN0,
wie hier gezeigt, auch dazu benutzt werden, gemeinsame Nach
richten an sämtliche Mobilteile der Funkzelle im Sinne eines
"broadcast-channel" auszusenden. Hierzu steuert der Rechner
GPR, dem - wie strichliert angedeutet - natürlich weitere
Signale zuführbar sind, den Schalter SWI über die Ansteuerung
AST entsprechend an.
Claims (9)
1. Mobilfunk-Basisstation mit einem Sender (TRX) je Sendefre
quenz, sowie mit mehreren Empfängern (RX1, RX2, RX3,
RX0), wobei die Ausgangssignale von Einzelantennen (AN1,
AN2, AN3) direkt oder über ein Matrixnetzwerk (BUM), sowie
zumindest einer Omnidirektionalantenne (AN 0) den Empfängern
(RX1, RX2, RX3, RX0) zugeführt sind und zur Verarbeitung
der Ausgangssignale der Empfänger ein gemeinsamer Detektor
(DET) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Antennen (AN1, AN2, AN3, AN0) bzw. Ausgänge des
Matrixnetzwerkes (BUM) mit Sende/Empfangsweichen (SE1, SE2,
SE3, SE0) verbunden sind, wobei die Empfangszweige der
Weichen zu den einzelnen Empfängern (RX1, RX2, RX3, RX0)
geführt und die Sendezweige der Weichen selektiv über eine
gesteuerte Schalteinrichtung (SWI) mit dem Ausgang des Sen
ders (TRX) verbunden sind, und der Detektor (DET) dazu einge
richtet ist, über eine Antennensteuerung (AST) ein solches
Steuersignal (stw) an die Schalteinrichtung zu liefern, daß
der Sender mit einer in dem Detektor (DET) bestimmten Antenne
verbunden wird.
2. Mobilfunk-Basisstation nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (DET)
einen Gewichtungs- und Peilwertrechner (GPR) enthält.
3. Mobilfunk-Basisstation nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Antennensteuerung
(AST) bzw. der Detektor (DET) dazu eingerichtet sind, zur
Absendung gemeinsamer Nachrichten ein solches Steuersignal
(stw) an die Schalteinrichtung (SWI) zu liefern, daß der
Sender (TRX) mit der Omnidirektionalantenne (AN0) verbunden
wird.
4. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (DET) dazu
eingerichtet ist, ein solches Steuersignal (stw) für die
Schalteinrichtung (SWI) zu liefern, daß die Antenne mit dem
jeweils höchsten Empfangspegel dem Sender (TRX) zugeordnet
wird.
5. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (DET) dazu
eingerichtet ist, ein solches Steuersignal (stw) für die
Schalteinrichtung (SWI) zu liefern, daß jene Antenne dem
Sender (TRX) zugeordnet wird, welche das Ausgangssignal mit
dem geringsten Signal/Störabstand liefert.
6. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Matrix-Netzwerk als
Butlermatrix (BUM) ausgebildet ist.
7. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß über den Gewichtungs- und
Peilwertrechner (GPR) gewichtete Signale einem Summierer
(SUM) zugeführt sind und diesem ein Viterbi-Equalizer (VEQ)
nachgeschaltet ist.
8. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß über den Gewichtungs- und
Peilwertrechner (GPR) gewichtete Signale einem Summierer
(SUM) zugeführt sind und diesem ein Rake-Empfänger nachge
schaltet ist.
9. Mobilfunk-Basisstation nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Basisstation
in einem GSM-System ist.
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