DE60129464T2

DE60129464T2 - Drahtloses mimo-kommunikationssystem

Info

Publication number: DE60129464T2
Application number: DE60129464T
Authority: DE
Inventors: Dean Brentwood KITCHENER; Martin Chelmsford SMITH; Chris Bishops Stortford WARD
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2021-12-08
Also published as: WO2002054626A1; US6870515B2; EP1348264B1; CA2433437A1; EP1348264A1; US20020085643A1; ATE367685T1; DE60129464D1; CA2433437C

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf drahtlose Multieingangs-Multiausgangs-Kommunikationssysteme (MIMO-Kommunikationssysteme). Die Erfindung bezieht sich insbesondere jedoch in keiner Weise einschränkend auf drahtlose MIMO-Kommunikationssysteme, bei denen Polarisations-Diversity verwendet wird.
Hintergrund der Erfindung
Ein drahtloses MIMO-Kommunikationssystem (siehe 1) ist ein System, welches mehrere Antennen 10 beim Übertrager 11 oder eine oder mehrere Antennen 12 am Empfänger 13 aufweist. Die Antennen 10, 12 werden in einer starken Multipfadumgebung verwendet, so dass aufgrund des Vorhandenseins verschiedener streuender Objekte (Gebäude, Autos, Hügel, usw.) in der Umgebung jedes Signal eine Multipfadausbreitung erfährt. Eine derartige Wolkenform 4 ist in 1 gezeigt, um die Streusignale zwischen Empfangs- und Übertragungsantennen darzustellen. Die Benutzerdaten werden von den Übertragungsantennen unter Verwendung eines Raum-Zeit-Codier-Übertragungsverfahrens (STC), wie dies durch den Stand der Technik bekannt ist, übertragen. Die Empfangsantennen 12 fangen die Übertragungssignale ein, wonach ein Signalverarbeitungsverfahren angewandt wird, welches durch den Stand der Technik bekannt ist, um die Übertragungssignale zu trennen und die Benutzerdaten wiederzuentwickeln.
Drahtlose MIMO-Kommunikationssysteme sind dahingehend vorteilhaft, dass sie ermöglichen, die Kapazität der drahtlosen Verbindung zwischen dem Übernager und dem Empfänger im Vergleich zu früheren Systemen in der Hinsicht zu verbessern, dass höhere Datenraten erlangt werden können. Die starke Multipfadumgebung ermöglicht Mehrfachorthogonalkanäle, welche zwischen dem Übertrager und dem Empfänger zu erzeugen sind. Daten für einen einzelnen Benutzer können dann über Luft parallel über die Kanäle simultan übertragen werden, wobei die gleiche Bandbreite verwendet wird. Folglich können höhere Spektralleistungen als mit Nicht-MIMO-Systemen erzielt werden.
Ein Problem mit den existierenden MIMO-Systemen betrifft die große Baugröße der Übertragungs- und Empfangs-Antennengruppen. Früher haben MIMO-Übertragungs- und Empfangs-Antennengruppen räumlich-unterschiedliche Antennengruppen verwendet. Das heißt, dass der Abstand zwischen individuellen Antennenelementen so eingerichtet ist, dass er groß genug ist, dass dekorreliertes räumliches Fading erlangt wird. Dies ist notwendig, zu verhindern, dass die Anzahl orthogonaler Kanäle reduziert wird. Das heißt, wenn die Fading-Eigenschaften zwischen Antennenelementen ähnlich (korreliert) sind, wird die Anzahl orthogonaler Kanäle, welche realisiert werden können, reduziert. Beispielsweise können für Dachinstallationen oder Antennen auf Türmen Abstände von bis zu 20 Wellenlängen erforderlich sein, um dekorreliertes Fading aufgrund der niedrigen Winkelspreizung des Multipfads zu erreichen.
Ein weiteres Problem mit existierenden MIMO-Systemen ist das, dass sie zur Verwendung in Umgebungen bestimmt sind, wo Streuung eher als für Sichtlinien-Situationen auftreten. Sichtlinien-Situationen entstehen jedoch in vielen Umständen, beispielsweise der Kommunikation zwischen tragbaren Drahtlos-Einrichtungen, die eng zueinander sind, und Kommunikation in festen drahtlosen Zugriffssystemen, bei denen Richtbaugruppen auf Teilnehmergrundstücken verwendet werden. Dies bedeutet, dass es vorher nicht möglich war, potentielle Kapazität zu realisieren, welche von MIMO-Systemen bei derartigen Sichtlinien-Situationen verfügbar ist.
Die räumliche Diversity-Anordnung bei früheren MIMO-Systemen hat auch bedeutet, dass diese Systeme mit Multistrahl-Antennenanordnungen nicht kompatibel sind, welche eng beabstandete Antennengruppen mit keiner räumlichen Diversity erfordern. Eine Multistrahl-Antennenanordnung ist eine Anordnung, bei der mehrere eng beabstandete Antennenelemente 21 (siehe 2) zusammen mit einem Strahlenbildner 20 verwendet werden, um zwei oder mehrere Richtantennenstrahlen 23 zu bilden. Daten, die zu übertragen sind, treten in Eingangsanschlüsse 24 ein und werden zu mehreren Benutzerendgeräten 22 übertragen. Der Antennenelement-Abstand ist derart, dass keine räumliche Diversity vorhanden ist und wird üblicherweise mit einem Antennenabstand einer halben Wellenlänge erreicht. Unter Verwendung von Mehrfachricht-Antennenstrahlen auf diese Weise wird die Interferenz zwischen den Strahlen reduziert, und somit wird die Abwärtsstreckenkapazität gesteigert. Das heißt, dass die Anzahl von Benutzerendgeräten, welche durch eine einzige Basisstation unterstützt werden kann, welche die Antennengruppe 21 aufweist, vergrößert wird. Dies ist unterschiedlich gegenüber einem MIMO-System, beispielsweise dem, welches in 1 gezeigt ist, wo die Abwärtsstreckenkapazität für einen bestimmten Benutzer oder mehrere Benutzer vergrößert wird, indem die Datenrate für diese Benutzer vergrößert wird.
Die US-PS 5 691 727 beschreibt ein adaptives Polarisations-Diversity-System für Funkkommunikation, welches eine Basisstations-Antenne aufweist, um entweder eine taktweise polarisierte Übertragung oder eine gegentaktweise polarisierte Übertragung zu übertragen, wobei die Übertragung ein Trainerpilotsignal aufweist.
Die US-PS 6 114 711 beschreibt ein Raum-Zeit-Signalverarbeitungssystem, welches mehrfache Übertragerantennenelemente und/oder mehrfache Empfängerantennenelemente oder mehrfache Polarisationen eines einzigen Übertragerantennenelements und/oder eines einzigen Empfängerantennenelements umfasst.
Die EP 0 895 436 beschreibt eine Strahlenbildnervorrichtung und ein Verfahren zum Bilden mehrer Richtstrahlen innerhalb eines Sektors sowie einen Vollsektor-Versorgungsstrahl. Eine erste Ausführung ist beschrieben, bei der Polarisations-Diversity verwendet wird und die eine Antenne umfasst, welche eine Gruppe von Dipolpaaren hat, die angesteuert werden, um mehrere Richtstrahlen zu bilden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein drahtloses MIMO-Kommunikationssystem bereitzustellen, welches zumindest ein oder mehrere der oben angemerkten Probleme überwindet oder zumindest mildert.
Weitere Vorteile der Erfindung werden aus einer Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung deutlich, welche mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen angegeben wird, welche bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung spezifizieren und zeigen.
Überblick über die Erfindung
Gemäß einem ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird drahtloses Multieingangs-Multiausgangs-Kommunikationssystem (MIMO) bereitgestellt, wobei Benutzerdaten unter Verwendung eines Raum-Zeit-Codierverfahrens übertragen werden, welches aufweist:

(i) mehrere Übertragungsantennenelemente zum Übertragen der raum-zeit-codierten Benutzerdaten; und
(ii) mehrere Empfangsantennenelemente; wobei die Übertragungsantennenelemente eingerichtet sind, Polarisations-Diversity bereitzustellen, und wobei die Positionen der Übertragungsantennenelemente eingerichtet sind, so dass räumliche Diversity vermieden wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsantennenelemente zusammen eingerichtet sind, mehrere Antennenstrahlen bereitzustellen.

Dies liefert den Vorteil, dass, da räumliche Diversity vermieden wird, die Übertragungsantennenelemente eng positioniert werden können, um eine kompakte Antennenanordnung zu bilden. Dies ist besonders für Situationen wichtig, bei denen die Antennenelemente in einer tragbaren Einrichtung, beispielsweise einem persönlichen digitalen Assistenten (PDA), einem Mobiltelefon oder einer anderen kleinen Einrichtung eingebaut sind. Kompakte Antennenanordnungen sind außerdem für Basisstationsinstallationen und Außeninstallationen vorteilhaft, da der optische erzeugte Eindruck reduziert wird. Außerdem werden die Herstellung, der Transport und die Aufbewahrungskosten reduziert.
Dies ermöglicht außerdem, dass die MIMO-Kommunikation mit der Multistrahl-Kommunikation kombiniert werden kann, um die Kapazität zu verbessern. Da räumliche Diversity nicht erforderlich ist, kann der Interelementabstand eng genug sein, um Multistrahl-Kommununikation zuzulassen.
Die Empfangsantennenelemente können außerdem eng beabstandet sein, um räumliche Diversity zu vermeiden, obwohl dies nicht wesentlich ist.
Vorzugsweise sind die Empfangsantennenelemente außerdem angeordnet, um Polarisations-Diversity bereitzustellen und so, dass räumliche Diversity vermieden wird. Dies liefert den Vorteil, dass die Empfangsantennenelemente eng positioniert werden können, um eine kompakte Empfängeranordnung herzustellen.
Die Antennenelemente können individuelle Elemente sein, oder sie können eine Gruppe von Elementen sein, beispielsweise eine Säulengruppe zur Sektorversorgung. Außerdem können die Antennenelemente voneinander beabstandet sein oder zusammen angeordnet sein. Beispielsweise kann ein MIMO-System mit zwei Übertragungs- oder Empfangsantennenelementen vorgesehen sein, wobei die beiden Antennenelemente zusammen angeordnet sind, um ein Dual-Polar-Element zu bilden.
Vorzugsweise sind alle Antennenelemente bei einer von zwei im Wesentlichen orthogonalen Polarisationen polarisiert. Beispielsweise können horizontal- und vertikal-polarisierte Antennenelemente verwendet werden. Außerdem ist es für die Übertragungs- und Empfangsantennenelemente nicht wesentlich, dass diese in der gleichen Weise polarisiert sind. Beispielsweise können die Übertragungsantennenelemente horizontale und vertikale Polarisation verwenden, während die Empfangsantennenelemente rechte und linke zirkulare Polarisation verwenden.
Vorzugsweise ist das MIMO-System eingerichtet, bei einer bestimmten Wellenlänge zu arbeiten, und der Interelementabstand der Übertragungsantennenelemente ist geringer als einer der bestimmten Wellenlänge. Dies ermöglicht es, dass räumliche Diversity ver mieden wird und liefert ein kompaktes Übertragungsantennendesign. Der Interelementabstand der Empfangsantennenelemente kann kleiner als einer der bestimmten Wellenlänge sein, obwohl dies nicht wesentlich ist. Das heißt, dass die Empfangsantenne entweder räumliche oder Polarisations-Diversity oder beides haben kann.
Bei einem Beispiel umfassen die mehreren Antennenstrahlen Paare von Antennenstrahlen, wobei jedes Paar einen ersten Antennenstrahl einer ersten Polarisation und einen zweiten Antennenstrahl aufweist, der im Wesentlichen identisch mit dem ersten ist, jedoch bei einer zweiten Polarisation vorgesehen ist, die von der ersten Polarisation verschieden ist. Dies ermöglicht es, dass eine MIMO-Verbindung unter Verwendung jedes Paars von Antennenstrahlen bereitgestellt wird.
Das drahtlose MIMO-Kommunikationssystem kann beispielsweise von einem 2:2- und einem 2:4-MIMO-System ausgewählt werden. Dies liefert den Vorteil, dass die Anzahl der Antennenelemente relativ niedrig ist und dies das Einbinden dieser Antennenelemente in tragbare Kommunikationseinrichtung, beispielsweise Mobiltelefone, erleichtert.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein drahtloses Multieingangs-Multiausgangs-Kommunikationsverfahren bereitgestellt, welches folgende Schritte aufweist:

i) Übertragen eines raum-zeit-codierten Signals von einer Übertragungsantennenanordnung, welche mehrere Übertragungsantennenelemente aufweist, die so angeordnet sind, dass Polarisations-Diversity vorgesehen ist und räumliche Diversity vermieden wird; und
ii) Empfangen des raum-zeit-codierten Signals bei einer Empfangsantennenanordnung, welche mehrere Empfangsantennenelemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (i) zum Übertragen außerdem das Betreiben der mehreren Übertragungsantennenelemente umfasst, um mehrere Antennenstrahlen zu liefern.

Dies liefert den Vorteil, dass eine MIMO-Kommunikationsverbindung ohne die Notwendigkeit nach räumlicher Diversity bewirkt wird. Beispielsweise ermöglicht dies, dass eine MIMO-Verbindung in einer Sichtlinien-Situation verwendet wird, um die Verbindungskapazität in diesen Fällen zu verbessern.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung bereitgestellt, die konfiguriert ist, raum-zeit-codierte Benutzerdaten zu übertragen, welche eine Antennenanordnung zur Verwendung in einem drahtlosen Multieingangs-Multiausgangs-Kommunikationssystem (MIMO) umfasst, wobei die Einrichtung eingerichtet ist, raum-zeit-codierte Benutzerdaten zu übertragen, wobei die Antennenanordnung mehrere Übertragungsantennenelemente aufweist, die eingerichtet sind, Polarisations-Diversity bereit zustellen und wobei die Positionen der Übertragungsantennenelemente so sind, dass räumliche Diversity vermieden wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenelemente zusammen angeordnet sind, um mehrere Antennenstrahlen zu liefern, wobei eine Einrichtung verwendet wird, um die übertragenen Benutzerdaten in der Einrichtung für die mehreren Strahlen bereitzustellen, um zumindest eine MIMO-Verbindung zu liefern.
Die bevorzugten Merkmale können wenn geeignet kombiniert werden, wie es einem Fachmann deutlich wird, und sie können mit irgendeinem der Merkmale der Erfindung kombiniert sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Um zu zeigen, wie die Erfindung in Wirklichkeit ausgeübt werden kann, werden nun Ausführungsformen der Erfindung anschließend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen:
1 ein schematisches Diagramm eines bekannten drahtlosen MIMO-Kommunikationssystems ist;
2 ein schematisches Diagramm eines bekannten drahtlosen Multistrahl-Kommunikationssystems ist;
3 eine grafische Darstellung der theoretischen Verteilungen der Kanalleistungsgewinne für ein 2:2-MIMO-System mit Abstands-Diversity-Antennen für einen Fall ist, wo die Basisstation Antennen vollständig korreliert sind und den Fall, wo es keine Korrelation gibt; zusätzlich zeigt 3 die Rayleigh-Verteilung für ein 1:1-System;
4 eine grafische Darstellung der theoretischen Verteilungen der Kanalleistungsgewinne für ein 2:2-MIMO-System ist, wenn duale Polarelemente anstelle von räumlich getrennten Antennen verwendet werden, mit oder ohne vorhandener Polarisationsumsetzung;
5 eine grafische Darstellung ist, welche die theoretische Kapazität eines 2:2-Raum-Diverisity-MIMO-Systems zeigt, verglichen mit einer 1:1-Verbindung in einer Umgebung mit keinem Fading für unterschiedliche Werte des Signal-Rausch-Verhältnisses;
6 eine grafische Darstellung ähnlich 5 ist, die jedoch die theoretische Kapazität eines 2:2-Polarisations-Diversity-MIMO-Systems (welches keine Raum-Diversity hat) zeigt, verglichen mit einer 1:1-Verbindung in einer Umgebung ohne Fading;
7 eine grafische Darstellung der theoretischen Kapazitätsverteilung für ein 2:2-Raum-Diversity-MIMO-System ist, wobei die Basisstationsantennen (Übertrager) vollständig korreliert sind und das Endgerät vollständig unkorreliert ist, für verschiedene Werte des Signal-Rausch-Verhältnisses;
8 eine grafische Darstellung ähnlich 7 ist, jedoch für ein 2:2-Polarisations-Diversity-MIMO-System (mit keiner Raum-Diversity) und wo es keine Polarisationsumsetzung in der Umgebung gibt;
9 eine grafische Darstellung ähnlich 7 und 8 für ein 2:2-Raum-Diversity-MIMO-System ist, wobei Antennenelemente vollständig dekorreliert sind;
10 eine grafische Darstellung empirischer Ergebnisse ist; sie zeigt gemessene Verteilungen für die Leistungsgewinne für die orthogonalen MIMO-Pfade für den 2:2-Raum sowie Polarisations-Diversity-Konfigurationen;
11 ein schematisches Diagramm einer MIMO-Kommunikationsverbindung zwischen zwei tragbaren drahtlosen Kommunikationsendgeräten in einem persönlichen Bereichsnetzwerk ist;
12 ein schematisches Diagramm einer MIMO-Kommunikationsverbindung in einer festen drahtlosen Zugriffssituation ist;
13 ein schematisches Diagramm einer MIMO-Kommunikationsverbindung zwischen einer Basisstation und einem mobilen oder unsteten Benutzerendgerät ist;
14 ein schematisches Diagramm einer MIMO-Kommunikationsverbindung in einem drahtlosen örtlichen Bereichsnetzwerk ist;
15A ein schematisches Diagramm einer Antennengruppe zur Verwendung bei einer Basisstation in einem mobilen oder festen drahtlosen MIMO-Zugriffskommunikationsnetzwerk ist;
15B ein schematisches Diagramm einer Antennenstrahlkonfiguration ist, die aufgebaut wird, indem die Antennengruppe von 15A verwendet wird;
16 ein schematisches Diagramm einer festen drahtlosen MIMO-Zugriffsanordnung ist;
17 ein schematisches Diagramm der Funkfrequenz-Architektur einer Basisstation ist, welche sowohl MIMO- als auch Multistrahl-Kommunikation bereitstellt;
18 ein Antennenstrahlmuster für die Antennengruppe von 17 ist;
19 ein schematisches Diagramm von drei Verfahren ist, d.h. Raum-Zeit-Codierung, Raum-Zeit-Blockcodierung, Ebenen-Raum-Zeit- und Raum-Zeit-Gittercodierung;
20 ein schematisches Diagramm eines Rückführungs-Raum-Zeit-Codierverfahrens ist, wobei getrennte Hilfskanäle verwendet werden;
21 ein schematisches Diagramm eines räumlichen Multiplex-Raum-Zeit-Codierverfahrens, welches auch als BLAST bekannt ist, ist;
22 ein schematisches Diagramm eines Strahlenbildners zur Verwendung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anschließend lediglich beispielhaft beschrieben. Diese Beispiele zeigen die beste Art und Weise, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, die aktuell dem Anmelder bekannt ist, obwohl diese nicht lediglich die Art und Weise sind, mit der dies erzielt werden könnte.
Der Ausdruck "räumliche Diversity", der hier verwendet wird, bezeichnet die Verwendung des Antennenabstands, um Signale mit niedriger Korrelation für schnelles Fading zu erlangen. Der Antennenabstand, der für niedrige Korrelation erforderlich ist, hängt vom Multipfad-Ankunftswinkel und vom -Ausbreitungswinkel ab. Umso niedriger der Ausbreitungswinkel ist, desto größer muss der erforderliche Abstand sein.
Der Ausdruck "Polarisations-Diversity", der hier verwendet wird, bezeichnet die Verwendung von unterschiedlichen Antennenpolarisationen, um Signale mit niedriger Korrelation zu liefern. Dies wird durch hohen Polarisationsumsetzungsgrad in der Ausbreitungsumgebung erleichtert. Dies hat den Vorteil, dass zwei Antennen mit unterschiedlichen Polarisationen eine gemeinsame Position anteilig nutzen können.
Bei den anschließend beschriebenen Beispielen werden Antennenelemente mit orthogonalen Polarisationen verwendet. Es ist jedoch für diese Polarisationen nicht wesentlich, exakt orthogonal zu sein, solange die Polarisationen durch den Empfänger unterschieden werden können. Der Ausdruck "dual-polarisiertes Antennenelement", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine einzelne Antennenapertur, welche effektiv zwei zusammen angeordnete Antennenelemente hat, die bei verschiedenen Polarisationen arbeiten.
Wie oben erwähnt haben frühere MIMO-Systeme räumlich verschiedene Antennengruppen verwendet, um die Anzahl orthogonaler Kanäle, die realisiert werden können, nicht zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung erkennt, dass dies zu großen Antennenanordnungsgrößen führt, verglichen mit Multistrahl-Antennensystemen, welche eng beabstandete Antennenelemente nutzen. Um eine kompakte Antenneneinheit zu liefern, während dennoch zugelassen wird, dass ein MIMO-System verwendet wird, erkennt die vorliegende Erfindung, dass die Polarisiations-Diversity lediglich in einem MIMO-System verwendet werden kann, ohne die Notwendigkeit auf räumlich diverse Antennenelemente. Eng beabstandete Antennenelemente werden verwendet, wobei dies eine kompakte MIMO-Antenneneinheit, die bereitgestellt wird, ermöglicht.
Es wird anerkannt, dass frühere MIMO-Systeme Polarisations-Diversity verwendet haben, wobei dies jedoch immer zusätzlich zu räumlicher Diversity geschah. Beispielsweise beschreiben Lucent Technologies in ihrer Veröffentlichung "Practical aspects of multiple antenna architectures for HSDPA", 10.-13. Oktober 2000, R1-00-1219, das Antennenabstanderfordernis für eine multiple Antennenarchitektur, welche ein Codewiederverwendungsschema verwendet. Sie erläutern, dass ausreichend Abstand unter den Antennen bei sowohl dem Basisstationsübertrager als auch dem Endgeräteempfänger für nichtkorreliertes Fading erforderlich sind. Es fahren damit fort, die Verwendung von dual-polarisierten Antennen zu erwähnen, wobei dies lediglich zusätzlich zu räumlicher Diversity ist.
Da die vorliegende Erfindung eng beabstandete Antennenelemente ermöglicht, welche bei MIMO-Systemen verwendet werden (durch Polarisations-Diversity anstelle räumlicher Diversity), wird ein weiterer Vorteil erreicht. Dieser besteht darin, dass eine Anordnung mit eng beabstandeten Antennenelementen gebildet werden und eingerichtet werden kann, um sowohl ein MIMO-Kommunikationssystem als auch ein Multistrahl-Antennensystem bereitzustellen, die simultan arbeiten. Dies liefert vergrößerte Kapazität und ermöglicht Vorteile der Multistrahl-Antennensysteme, die mit denjenigen von MIMO-Systemen kombiniert werden können.
Wie oben erwähnt, erkennt die vorliegende Erfindung, dass die Polarisations-Diversity lediglich in einem MIMO-System ohne die Notwendigkeit auf räumliche diverse Antennenelemente verwendet werden kann. Dies wird nun ausführlicher erläutert.
Wir haben herausgefunden, dass im Gegensatz zu Erwartungen die Verwendung polarisierter Antennen bei der Basisstation und dem Endgerät eines STC-Systems die Verlässlichkeit oder Robustheit der Kommunikationsverbindung verbessert, die Verwendung kleinerer Antennenstrukturen zulässt und außerdem den Vorteil hat, mehrfache orthogonale Kanäle zu halten, sogar in einer Umgebung mit niedriger Streuung, wo es eine starke Sichtlinienkomponente geben könnte, beispielsweise in ländlicher Lage oder in Vorstädten, sowie feste drahtlose Zugriffsanwendungen zulässt. Bekannte STC- oder MIMO-Systeme haben sich auf räumlich-dekorrelierte Antennen in einer starken Multipfadumgebung verlassen. Wir haben herausgefunden, dass die Verwendung polarisierter Antennen in einem MIMO-System überraschend besser arbeitet als erwartet und den zusätzlichen Vorteil liefert, dass das STC-System in einer Umgebung niedriger Streuung arbeiten kann.
Diese Antennenkonfiguration lässt es zu, dass MIMO in Umgebungen verwendet werden kann, wo es eine starke Sichtlinienkomponente gibt, oder in Wirklichkeit lediglich eine Sichtlinienkomponente. Dies ist wichtig, da dies erlaubt, dass MIMO bei festen drahtlo sen Zugriffssystemen angewandt werden kann, wo die Teilnehmerantenne auf der Außenseite von Benutzergrundstücken befestigt ist, höchstwahrscheinlich in der Höhe eines Dachvorsprungs. Außerdem bedeutet dies, dass MIMO in günstigerer Umgebung angewandt werden kann, beispielsweise ländlichen Bereichen.
Für stark streuende Umgebungen eignet sich das räumliche Fading normalerweise für eine Rayleigh-Verteilung, wobei dies bedeutet, dass, wenn eine multiple Endgeräteantennen-Konfiguration bewegt wird, das Empfangssignal auf jedem Element verstärkt und ausgeblendet wird. Dies resultiert zu einer Variation der Gewinne der orthogonalen Kanäle und für ein 2:2-System (d.h., zwei Antennenelemente im Übertrager und zwei im Empfänger), welche räumlich getrennte Antennen verwenden (d.h., mit räumlicher Diversity) zu Verteilungen der Kanalgewinne, die in 3 gezeigt sind (Linien A und B). Ähnliche Verteilungen werden für 2:4, 2:n (wobei n irgendeine ganze Zahl größer als 2 ist) und ähnliche MIMO-Systeme gefunden. Außerdem ist in 3 die Rayleigh-Verteilung für eine drahtlose Verbindung gezeigt, welche eine Antenne bei jedem Ende hat (siehe Linie Z). Bei 3 wird angenommen, dass die Übertragungs- und Empfangsantennen dekorrelierte (nicht ähnliche) Fadingeigenschaften haben.
Häufig ist die Winkelspreizung an der Basisstation klein, wodurch dies zu einem korrelierten Fading führen kann. Korreliertes Fading hat die Wirkung, den Gewinn des schwächeren MIMO-Kanals zu reduzieren, wobei im äußersten Fall, wo die Basisantennen vollständig korreliert werden, der Gewinn des schwächeren Kanals zu null geht. Anders ausgedrückt werden für ein 2:2, 2:4, 2:n oder ein ähnliches MIMO-System, wenn die Antennen an einem Ende der Verbindung vollständig korreliert werden, die Zahl orthogonaler Kanäle auf einen reduziert. Dies gilt auch für 2:4, 2:n oder ähnliche MIMO-Systeme. Die Verteilung des Leistungsgewinns reduziert dann auf den, der durch die Linie C in 3 gezeigt ist (d.h., die Linie D ist nicht vorhanden).
Wenn Dual-Polar-Antennen anstelle von räumlich getrennten Antennen verwendet werden, wird für ein 2:2, 2:4, 2:n oder ein ähnliches System der zweite Kanal niemals verloren. Der Grund dafür liegt darin, dass bei einer Rayleigh-Fading-Umgebung die Fading-Eigenschaft für unterschiedliche Polarisationen immer dekorreliert ist. Es wird ein Grenzfall hergenommen, wo wir annehmen, dass keine Polarisationsumsetzung in der Umgebung auftritt, jedoch annehmen, dass Multipfad-Streuung noch in der Umgebung auftritt. Zwei orthogonale Pfade existieren wegen der beiden orthogonalen Polarisationen in diesem Fall. Daher werden die gleichen beiden Polarisationen an beiden Enden der Verbindung verwendet. Zu jedem Zeitpunkt ist der stärkere Kanal nur das Empfangselement mit dem größten Empfangs signalpegel. Die Verteilung des Leistungsgewinns für den stärksten und schwächsten Kanal ist dann, wie in 4, Linie E und F gezeigt ist. Diese sind im Vergleich zu den Verteilungen für eine Polarisations-Diversity-Konfiguration mit keiner Polarisationsumsetzung (in 4 Zeile A und B) gezeigt, wo die Antennen am Übertragungs- und Empfangsende dekorreliertes Fading haben. Der Hauptpunkt ist der, dass sogar bei keiner Polarisationsumsetzung zwei orthogonale Kanäle verbleiben, wodurch angeregt wird, dass die Verwendung von Polarisation robuster ist als die Verwendung von Raum-Diversity.
MIMO-Systeme starten normalerweise mit dem Erfordernis einer starken streuenden Umgebung, von welcher Mehrfachorthogonalkanäle extrahiert werden. Dieses Merkmal der Erfindung beginnt aus der entgegengesetzten Richtung, wobei mit einer Antennenkonfiguration begonnen wird, welche schon orthogonale Pfade hat, sogar in Abwesenheit eines Multipfads. Multipfadstreuung in der Umgebung stört dann das System von diesem Anfangszustand, und eine gewisse Raum-Zeit-Verarbeitung kann angewandt werden, die orthogonalen Kanäle abzurufen. Der Unterschied gegenüber den existierenden MIMO-Systemen ist der, welche sich auf die Raum-Diversity verlassen, da das Multipfad-Streuen reduziert wird, die mehrfachen orthogonalen Kanäle verschwinden. Mit der aktuellen Erfindung werden, da das Multipfad-Streuen reduziert wird, mehrfache orthogonale Kanäle beibehalten.
MIMO-Systeme wurden entwickelt, wobei man die Raum-Diversity im Sinn hat, wegen des Wunsches, viele Antennen an jedem Ende der Funkverbindung zu verwenden. Für reale Systeme ist es jedoch wahrscheinlich, dass die Anzahl von Antennen, welche an jedem Ende der Verbindung verwendet wird, auf zwei bis vier begrenzt wird. Eine Ausführungsform dieser Erfindung beginnt mit der Überlegung des Falls, wo zwei Antennenelemente an jedem Ende der Verbindung verwendet werden. Wir beobachten, dass, wenn wir zwei räumlich getrennte Antennen an jedem Ende der Verbindung verwenden und es kein Fading gibt, die Antennen an jedem Ende vollständig korreliert sein werden. In diesem Fall ist das beste, was man tun kann, den Leistungsgewinn von 3 dB von den beiden Elementengruppen an jedem Ende der Verbindung zu erlangen, was insgesamt eine Steigerung von 6 dB im Signal-Rausch-Verhältnis zur Folge hat. Dies bedeutet, dass die Kapazität, die im Vergleich zu einer Verbindung mit einer Einzelantenne an jedem Ende erlangt wird, so ist, wie in 5 gezeigt ist (für unterschiedliche Werte des Signal-Rausch-Verhältnisses SNR).
Wenn im Gegensatz dazu Dual-Polar-Elemente an jedem Ende der Verbindung verwendet werden, existieren die beiden orthogonalen Pfade schon. Folglich können Daten parallel über diese beiden orthogonalen Pfade übertragen werden. Wenn beispielsweise ein vertikal-polarisiertes Element und ein horizontal-polarisiertes Element an jedem Ende ver wendet werden, sind die beiden orthogonalen Pfade die Vertikal-Vertikal-Verbindung und die Horizontal-Horizontal-Verbindung. In diesem Fall ist dann die Kapazität des 2:2-Polarisations-Diversity-MIMO-Systems im Vergleich zu einer Verbindung mit einer Einzelantenne (co-polarisiert) an jedem Ende der Verbindung in 6 gezeigt. Man kann ersehen, dass viel höhere Kapazitätsgewinne nunmehr an Stellen erlangt werden, wo es ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis gibt (>6 dB). Dieser Effekt wird auch für ein 2:4, 2:n oder ein ähnliches MIMO-System gefunden. Streng genommen sollten wird die Ergebnisse mit dem Fall vergleichen, wo wir zwei co-polarisierte Elemente an jedem Ende haben, die zur Strahlenbildung verwendet werden. Die Ergebnisse für diesen Fall entsprechen aktuell exakt den 2:2-Raum-Diversity-Ergebnissen, die in 5 gezeigt sind, wo wir einen Gruppengewinn von 3 dB an jedem Ende der Verbindung haben. Wenn man dann die Ergebnisse in 5 und 6 vergleicht, kann man ersehen, dass die Kapazität für die Polarisations-Diversity-Konfiguration geringer ist als die Raum-Diversity-Konfiguration für einen SNR von 0 dB. Die höchsten Gewinne werden von MIMO mit hohen SNR's erlangt.
Ein weiterer Vorteil, der hier anzumerken ist, ist, dass Dual-Polar-Elemente zusammen angeordnet werden können, und somit, wenn man zwei räumlich getrennte Antennen haben kann, ebenso leicht zwei räumlich getrennte Dual-Polar-Elemente haben kann. In der Umgebung ohne Fading kann die räumliche Trennung nicht mehr orthogonale Kanäle für MIMO bereitstellen, sondern der extra Gewinn (6 dB; 3 dB von jedem Ende) kann verwendet werden, das SNR zu verbessern, was einen Extrakapazitätsgewinn liefern wird. Wenn man dies weiter hernimmt, kann MIMO bei festen drahtlosen Zugriffssystemen angewandt werden, bei denen Teilnehmer-Außenrichtantennen in der Höhe von Dachvorsprüngen verwendet werden, indem Dual-Polar-Antennenelemente sowohl bei der Basis als auch bei Teilnehmer-Antennen verwendet werden. Die Außenantenne ist erforderlich, üblicherweise die hohen Eindringverluste in Verbindung mit der RF-Eindringung (Funkfrequenz) in Gebäude zu vermeiden. Das Befestigen in der Höhe des Dachvorsprungs bedeutet, dass es häufig eine starke Sichtlinie zur Basisstation gibt. Folglich werden Richtantennen verwendet, das Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren und um die Interferenz zum Rest des Netzwerks zu minimieren. Bei diesen Umgebungen niedrigen Fadings kann die Verbindungskapazität signifikant vergrößert werden, indem die 2:2, 2:n oder ähnliche Polarisations-Diversity-MIMO mit Hochgewinn-Teilnehmer-Antennen und der Basisstationsantenne kombiniert wird.
Es soll nun vielleicht ein Vorort oder eine ländliche Umgebung und ein mobiles Endgerät, d.h., irgendeine Form von tragbarer Einrichtung betrachtet werden. In bestimmten Umgebungen kann die Winkelspreizung in der Basisstation insbesondere sehr niedrig sein, so dass für eine Raum-Diversity-MIMO-Konfiguration die Korrelation zwischen den Antennen auch hoch sein kann. Für den Fall der Polarisations-Diversity wird die Korrelation zwischen Antennen niedrig sein, und die Polarisationsumsetzung kann ebenfalls niedrig sein. Folglich wird es eine Verteilung von Werten für die Kapazitäten der beiden orthogonalen Pfade geben, wobei diese in 7 und 8 gezeigt sind. Für den Fall der Raum-Diversity wurde angenommen, dass es eine sehr kleine Winkelspreizung an der Basisstation gibt und so die Basisstationsantennenelemente vollständig korreliert sind. Für den Fall einer Polarisation-Diversity sind die Antennenelementen an beiden Enden vollständig dekorreliert, wobei angenommen wurde, dass es keine Polarisationsumsetzung in der Umgebung gibt. Es ist klar, dass die Kapazität, welche mit der Polarisation-Diversity-Anordnung erzielt wird, die größte ist. Es sei angemerkt, dass die Verteilungen der Leistungsgewinne für diese Fälle in 3 und 4 gezeigt sind.
Wenn man schließlich auf eine starken Multipfadumgebung schaut, so dass die Raum-Diversity-Elemente an beiden Enden dekorreliert werden, und wiederum das Rayleigh-Fading für alle Pfade angenommen wird, wird die erhaltene Kapazitätsverteilung, wie in 9 gezeigt ist.
In dieser Umgebung ist es wahrscheinlich, dass die Polarisationsumsetzung ziemlich hoch ist. Wenn wir annehmen, dass das Kreuzpolarverhältnis auf 0 dB geht, reduzieren sich dann die Kapazitätskurven für die 2:2-Polarisations-Diversity-MIMO-Konfiguration exakt auf die, welche in 9 gezeigt sind, so dass die beiden Konfigurationen äquivalent werden. Dies trifft auch für eine 2:4, 2:n oder ähnliche Polarisations-Diversity-MIMO-Konfiguration zu.
Die Messungen für ein 2:2.MIMO-System haben deutlich gezeigt, dass die Polarisations-Diversity eine bessere Leistung als die Raum-Diversity-Antennen-Konfigurationen bringt. Diese Erkenntnis ist auf 2:n-MIMO-Systeme und andere geeigneten MIMO-Konfigurationen ausdehnbar. Die Messungen wurden unter Verwendung einer Außenbasisstation und einem Innenteilnehmer-Endgerät in einer Vorortumgebung durchgeführt. Die Ergebnisse für die Leistungsgewinne der beiden orthogonalen MIMO-Pfade sind in 10 gezeigt. Die Pfadgewinne für die Polarisations-Diversity-Antennen-Konfiguration sind höher als die, welche für die Raum-Diversity-Antennen-Konfiguration erlangt werden. Es sei angemerkt, dass eine Trennung von 10 Wellenlängen für Antennen an der Basisstation und eine 0,5 Wellenlängentrennung für Antennen beim Teilnehmer für die Raum-Diversity-Konfiguration verwendet wurde. Somit zeigen die Messungen deutlich, dass die Polarisations-Diversity robuster als die Raum-Diversity ist.
Wie oben erwähnt ist ein Vorteil von MIMO-Systemen, bei denen lediglich die Polarisations-Diversity anstelle der räumlichen Diversity verwendet wird, der, dass die Sichtlinien-Situationen angepasst werden können. Es werden nun vier Beispiele von Situationen, bei denen MIMO-Systeme mit lediglich Polarisations-Diversity verwendet werden können, mit Hilfe von 11 bis 14 beschrieben, wobei viele von diesen Sichtlinien-Situationen beinhalten. Bei jedem dieser Beispiele werden die Antennenkonfigurationen mit irgendeinem geeigneten Raum-Zeit-Codierschema kombiniert, um ein MIMO-System zu liefern.
11 zeigt zwei drahtlose tragbare Einrichtungen 111, 112, beispielsweise tragbare digitale Assistenten (PDAs) oder Laptop-Computer, die eingerichtet sind, miteinander unter Verwendung eines MIMO-System zu kommunizieren, bei dem lediglich die Polarisations-Diversity verwendet wird. Jede geeignete tragbare Einrichtung kann verwendet werden, und die Kommunikation kann zwischen unterschiedlichen tragbaren Einrichtungen stattfinden. Mehrere polarisierte Antennenelemente sind in einer tragbaren drahtlosen Einrichtung 111, 112 integriert. Jede geeignete Polarisationsart kann verwendet werden, beispielsweise Horizontal-/Vertikal-Polarisation, eine rechte und linke zirkulare Polarisation, eine Polarisation aus ±45° oder irgendeine andere Art. Jede tragbare Einrichtung 111, 112 hat Antennenelemente, die entweder dual-polarisiert sind, d.h., bei zwei unterschiedlichen Polarisationen arbeiten, oder Antennenelementenpaare hat, wobei jedes Teil dieser Paare im Wesentlichen in Bezug auf das andere Teil des Paares orthogonal polarisiert ist. Die Antennen könnten beispielsweise gedruckte Dual-Polar-Fleck-Antennen sein, Kreuzdipol/Monopol-Elemente, Kreuzschlitz- oder sogar rechts und links zirkular- polarisierte Antennen sein.
Irgendeine geeignete Anzahl von Antennenelementen kann in jeder tragbaren Einrichtung verwendet werden, und es kann mehrere Antennenelemente in einer der Einrichtungen als in der anderen geben. Bei einem bevorzugten Beispiel werden jedoch zwei Dual-Polar-Antennen-Elemente in jeder Einrichtung oder zwei Elemente in einer Einrichtung und vier in der anderen verwendet.
Im Beispiel, welches in 11 gezeigt ist, wird ein horizontales (H) und ein vertikales (V) polarisiertes Antennenelement in jeder tragbaren Einrichtung verwendet. Das resultierende MIMO-System liefert zwei orthogonale Kanäle, welche mit Pfeilen V-V und H-H in der 11 angedeutet sind. Wegen des Streuens in der Umgebung tritt eine bestimmte Polarisationsumsetzung auf, und dies ist durch die gestrichelten Pfeile V-H und H-V in der 11 gezeigt. In dieser Situation sind die tragbaren Einrichtungen üblicherweise eng beieinander (beispielsweise in einem Abstand <10m), so dass es eine hohe Wahrscheinlichkeit gibt, dass eine starke Sichtlinie existiert. Da jedoch MIMO mit Polarisations-Diversity entgegengesetzt zur räumlichen Diversity verwendet wird, ist diese Sichtlinien-MIMO-Kommunikation effektiv.
12 zeigt ein festes drahtloses Zugriffssystem mit einer Basisstationsantenne 120, welche mehrere Antennenelemente 121 aufweist, und eine Teilnehmer-Richtantenne 122, welche ebenfalls mehrere Antennenelemente 123 aufweist. Die Antennenelemente können in jedem Fall dual-polarisiert oder polarisiert sein, wie mit Hilfe von 11 beschrieben wurde. Wie für 11 kann ebenfalls irgendeine geeignete Anzahl von Antennenelemente verwendet werden, wobei jedoch vorzugsweise ein 2:2- oder 2:4-MIMO-System mit horizontaler (H) und vertikaler (V) Polarisation bereitgestellt wird. Die Richtungsfähigkeit der Teilnehmergruppe 122 vergrößert das Signal-Rausch-Verhältnis, und das 2:2-MIMO-System bildet zwei parallele orthogonale Kanäle (H-H, V-V in 12). Sogar, obwohl eine starke Sichtlinien-Situation beteiligt ist, ermöglicht die Verwendung von MIMO mit Polarisations-Diversity bevorzugt zur räumlichen Diversity effektive Kommunikation, die eingerichtet wird.
14 zeigt eine drahtlose Heimbasisstation 140 für ein örtliches Bereichsnetzwerk (WLAN), welche so gezeigt ist, dass diese an einer Decke befestigt ist, wobei sie jedoch irgendeiner geeigneten Stelle angeordnet sein könnte. Diese Basisstation 140 kommuniziert mit einem PC 141, der mehrere polarisierte Antennenelemente hat. In diesem Beispiel wird ein separates Drahtlosmodem 142 verwendet, welches mit dem PC 141 verbunden ist. Das Drahtlosmodem 142 besitzt integrierte Dual-Polar-Antennenelemente. Dies ist jedoch nur ein Beispiel, wobei die Antennenelemente jedoch irgendeine geeignete Art sein können und mit jedem geeigneten Endgerät verbunden oder integriert sein können. Die Basisstation 140 besitzt außerdem mehrere polarisierte Antennenelemente und kommuniziert mit dem Benutzerendgerät 140 über eine MIMO-Verbindung. Es gibt die Möglichkeit von starken Sichtlinien-Situationen, insbesondere in großen offenen ebenen Büros wie auch großes Multipfad-Streuen. Die Verwendung von Antennenelementen von zwei Polarisationen stellt sicher, dass es zumindest zwei orthogonale Pfade an allen Stellen in Bezug auf die Basisstation gibt. Dies gilt auch für den Fall, dass die Basisstation außer Haus ist und der Benutzer eng an der Basisstation ist.
13 zeigt eine Antennengruppe 130 für eine Basisstation, die mehrere polarisierte Antennenelemente aufweist. MIMO-Kommunikation mit einem mobilen oder unsteten Benutzerendgerät 131 tritt auf, wenn das Benutzerendgerät auch mehrere polarisierte Antennenelemente wie oben beschrieben hat. In einer solchen Situation ist die Polarisationsumsetzung üblicherweise niedrig, Sichtlinienpfade existieren häufig und Winkelspreizungen sind häufig an beiden Enden der Verbindung niedrig. Unter Verwendung von MIMO-Polarisations-Diversity lediglich (d.h., ohne räumliche Diversity) kann dann die Verbindungskapazität gesteigert werden im Vergleich zur Verwendung von MIMO mit lediglich räumlicher Diversity. Außerdem können die Antennenelemente eng beabstandet sein, wobei dies ermöglicht, dass sie leichter in ein mobiles Endgerät oder ein anderes Benutzerendgerät, wo der Raum beschränkt ist, integriert werden können.
In einem weiteren Beispiel wird die Basisstation von 13 modifiziert, um Mehrfachantennenstrahlen zusätzlich zur MIMO-Kommunikation zu liefern. Dies erlaubt, das die Kapazität weiter gesteigert werden kann im Vergleich dazu, wo lediglich die MIMO-Kommunikation verwendet wird. Dies wird ausführlicher mit Hilfe von 15A und 15B erläutert, welche ein Beispiel zeigen, wie ein MIMO-System mit Polarisations-Diversity, jedoch keiner räumlichen Diversity, mit einem Multistrahl-Antennensystem kombiniert werden kann.
Wie oben mit Hilfe von 2 erläutert wurde, erfordern Multistrahl-Antennensysteme eng beabstandete Antennenelemente, beispielsweise die, die einen Abstand von einer halben Wellenlänge haben. 15A zeigt ein Beispiel einer Antennengruppe 150 für eine Basisstation mit diesen eng beabstandeten Antennenelementen 151. In diesem Fall ist jedes Antennenelement eine Säule von 6 polarisierten Antennenelementen. Sechs solcher Säulen werden mit einem Abstand einer halben Wellenlänge bezüglich Azimuth verwendet. Zwei Strahlenbildner werden in Verbindung mit dieser Gruppe verwendet, um drei Antennenstrahlen bei jeder von zwei Polarisationen zu bilden, wie in 15B gezeigt ist. Ein Strahlenbildner bildet drei Antennenstrahlen A1, A2, A3 bei einer Polarisation, beispielsweise +45°, während der andere Strahlenbildner drei Antennenstrahlen B1, B2, B3 bei einer anderen Polarisation bildet, beispielsweise -45°. Jede geeignete Strahlenbildnerart kann verwendet werden, beispielsweise der modifizierte Butler-Matrix-Strahlenbildner, der in 22 gezeigt ist.
22 ist ein schematisches Diagramm eines modifizierten Butler-Matrix-Strahlenbildners. Diese zeigt eine Butler-Matrix 222 aus sechs mal sechs, die mit einer planaren Struktur ausgestattet ist, welche ein konzentrisches Layout von Hybridkopplern aufweist, die schon in Triplate realisiert sind. Drei Antennenstrahlen (A, B, C) werden durch paarweises Bilden nach oben benachbart zu Strahlenports wie gezeigt erzeugt. Dies ist ausführlicher in unserer ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit der Nummer 09/394,835 beschrieben, die auch Nortel Networks zugeordnet ist und die hiermit unter Bezug eingeführt wird. Ein besonderer Vorteil unter Verwendung dieser Strahlenbildner ist der, dass der Einfügungsverlust minimiert wird.
Die Basisstation ist außerdem eingerichtet, Raum-Zeit-Codierung über Paare von Antennenstrahlen zu verwenden, so dass Strahlen A1, B1 verwendet werden, eine erste MIMO-Kommunikationsverbindung mit einer Teilnehmerstation 152 zu bilden, während die Strahlen A2, B2 eine zweite MIMO-Verbindung mit der Teilnehmerstation 153 bilden (oder irgendeine andere geeignete Teilnehmerstation, die durch die Strahlen A2, B2 versorgt wird) und Strahlen A3, B3 eine dritte MIMO-Verbindung mit irgendwelchen Teilnehmerstationen (beispielsweise 154) bilden, welche durch die Strahlen A3, B3 versorgt werden.
Da die Polarisation-Diversity lediglich für das MIMO-System verwendet wird, ist es möglich, eine MIMO-Anordnung und eine Multistrahlanordnung auf diese Weise zu kombinieren. Dies liefert den Vorteil vergrößerter Kapazität, da aufgrund des ersten Systems die Kapazitätsgewinne von den Multistrahlsystemen und den MIMO-Systemen unabhängig sind. Das resultierende Hybridsystem nutzt die Vorteile beider Techniken.
Eine besondere Ausführungsform einer kombinierten MIMO-Anordnung und einer Multistrahlanordnung wird nun beschrieben, die sich für sowohl mobile als auch feste Drahtlosanwendungen eignet. 16 zeigt den Fall, wo eine feste Drahtlosanwendung beteiligt ist. Eine Basisstation 160 liefert eine Kommunikationsverbindung zu einer Einrichtung auf einem Kundengrundstück (CPE) 161, welche vier polarisierte Antennenelemente mit vier Empfängerketten und zwei Übertragerketten aufweist. Die Basisstation besitzt vorzugsweise drei Sektoren, und in jedem Sektor wird ein Dreistrahlenausgangssignal auf zwei Polarisationen mit einer Zwei-Abzweig-MIMO-Übertragung auf der Abwärtsstrecke bereitgestellt, wie mit Hilfe von 15A und 15B beschrieben wurde.
17 zeigt die Architektur der Basisstation (BTS). Eine Antennengruppe 170 aus sechs Säulen, die kreuzpolarisiert ist, ist auf jeder Seitenfläche der Basisstation vorgesehen und ist sowohl Abwärtsstrecken- als auch Aufwärtsstrecken-Ausbildungen gemeinsam. Jede Antennenseitenfläche dient als Einzelsektor der Basisstationszelle und verwendet Zweifach-Funkfrequenz-Strahlenbildner (RF), um drei Strahlenausgangssignale auf beiden der beiden Polarisationen bereitzustellen. Es ist auch möglich, eine unterschiedliche Anzahl von Strahlenausgängen bereitzustellen. Beispielsweise ergeben vier Strahlen pro Sektor eine größere Kapazität, wobei jedoch auf Kosten davon, dass mehr RF-Zuführkabel und mehr Aufwärtsumsetzer- und Abwärtsumsetzermodule erforderlich sind. Es kann jeder geeignete Strahlenbildner verwendet werden, wobei in einem bevorzugten Beispiel orthogonale Sechs-Wege-Modikfikations-Butler-Matrix-Strahlenformer (siehe beispielsweise 22) verwendet werden, welche einen niedrigen Verlust liefern (ein orthogonaler Strahlenbildner ist selbst nominal verlustlos) und geeignete Bandbreiten ergeben, die zwischen benachbarten Strahlen kreuzen und Seitenkeulenpegeln sich kreuzen. 18 zeigt die resultierenden Strahlenmuster, die zu Vergleichszwecken längs mit einem Strahlenbreiten-Vollsektormuster von 65° (siehe Linie 180) aufgetragen sind, die mit einer Drei-Zellularen-Entfaltung konsistent sind. Dieses Strahlenmuster wurde für eine Winkeldipol-Elementgruppe aus 45° erlangt und zeigt drei Hauptstrahlen 181, 182, 183. Der Vorteil des erlangten Strahlenmusters ist der, dass der Grad, mit dem sich benachbarte Strahlen überlappen, reduziert wird, um die Interferenz zu minimieren, die in einem signifikanten Bereich des Sektors erfahren wird, insbesondere in engen Bereichen. Niedrige Kreuz- oder Umkehrpunktpegel sind daher in Verbindung mit unterdrückten Seitenkeulen vorteilhaft. Die Strahlen sind relativ schmal (ungefähr eine Strahlenbreite von 25° oder geringer) und jeweils um ungefähr 40° beabstandet.
Vorzugsweise sind die Strahlenbildner mit der Antennenseitenfläche integriert, da dies die Notwendigkeit für aktive Phasenkalibrierung über die RF-Kette beseitigt. Dies ist jedoch nicht wesentlich. Strahlenbildner, die auf diese Weise nicht integriert sind, können verwendet werden.
Zusätzlich zur Multistrahl-Sektorisierung ist eine Zwei-Zweig-MIMO-Übertragung auf der Abwärtsstrecke vorgesehen. Die MIMO-Übertragung wird unter Verwendung eines Gebrauchs der Polarisations-Antennengruppe 170 erreicht. Identische Strahlensätze werden auf den beiden orthogonalen Polarisationen gebildet, und die Übertragung wird dann über entsprechende Strahlenpaare unter Verwendung eines geeigneten Raum-Zeit-Codierverfahrens codiert. Ein solches Verfahren liefert den Vorteil von sowohl einer Multistrahl- als auch STC von einer einzigen kompakten Antennenapertur.
Auf der Aufwärtsstrecke wird die gleiche Multistrahl-Konfiguration wie die für die Abwärtsstrecke vorzugsweise mit Polarisations-Diversity verwendet. Die Strahlenrichtfähigkeit liefert eine signifikante Interferenzreduzierung. Teilnehmer, welche an Strahlenumkehrpunkten sich befinden, neigen dazu, dass diese an einer verminderten Verbindungsleistung im Vergleich zu Teilnehmern, die an der Spitze des Strahls sich befinden, zu leiden. Die Verschlechterung wird jedoch durch kohärentes Kombinieren benachbarter Strahlenausgangssignale (auf beiden Polarisationen) minimiert, um verbesserten Gewinn und Vorteile vergrößerter Diversity zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung befasst sich insbesondere mit der Abwärtsstrecke (Basisstation zur Mobilstation) oder einem anderen Benutzerendgerät, wo die Kapazitätsbelastung wahrscheinlich am größten ist, beispielsweise bei der Bereitstellung von Diensten für Endbenutzer, beispielsweise Web-Seiten und Internet-Anwendungen.
Wie oben erwähnt kann irgendein geeignetes Raum-Zeit-Codierverfahren verwendet werden. Beispielsweise Raum-Zeit-Blockcodierung (STBC), wie in der oberen Ebene von 19 gezeigt ist; Schicht-Raum-Zeit (BLAST), welches mehr auf feste oder unstete Anwendungen anwendbar ist und in der mittleren Ebene von 19 gezeigt ist; und eine Raum-Zeit-Gittercodierung (STTC), welche für sowohl mobile als auch feste Anwendungen geeignet ist und in der unteren Ebene von 19 gezeigt ist.
Ein anderes geeignetes Verfahren ist das des Rückführungsraum-Zeit-Codierens mit separaten Hilfskanälen, wie in 20 gezeigt ist. Diese Art an Rückführung oder Eigenmodus-STC vereinfacht die Empfangsverarbeitung durch Entkoppeln paralleler Ströme des Übertragers. Sie erfordert die Rückführung von MIMO-Kanalwichtungen vom Empfang zur Übertragung und ist am meisten für niedrige Doppler-feste oder unstete Anwendungen geeignet.
Räumliches Multiplexen und Raum-Zeit-Codieren kann außerdem verwendet werden, wie in 21 gezeigt ist. Bei diesem Verfahren werden unabhängige codierte Datenströme zu unterschiedlichen Übertragungsantennen gesendet. Der Empfänger muss räumliche Verarbeitung auszuführen, um die verschiedenen Übertragungen zu trennen. Dies erfordert besondere räumliche Signaturen im Empfänger, und die Leistung ist durch die minimalen Eigenwerte von HH* beschränkt, wobei H die Kanalmatrix ist. Wenn die Eigenwerte nicht ausgeglichen sind, ist die Leistung geringer als für die Eigenmodus-STC, wobei die Rückführungserfordernis stark reduziert wird.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen, bei denen MIMO- und Multistrahlsysteme kombiniert sind, wird ein Raum-Zeit-Codier-MIMO-Kommunikationsverfahren für jede Antennenstrahlverbindung verwendet. Beispielsweise sei der Fall mit drei Antennenstrahlen betrachtet, jeder bei zwei Polarisationen. Einer dieser Antennenstrahlen und der entsprechende Strahl bei der anderen Polarisation dienen einem oder mehreren Teilnehmern oder Benutzern, die innerhalb eines geografischen Bereichs sich befinden, der durch diese Strahlen versorgt wird. MIMO-, Raum-Zeit-Codier-Kommunikationen zwischen der Basisstation und diesen Benutzern geschieht über die Antennenstrahlenpaare. Unter Verwendung von MIMO kann die Kommunikationsrate mit diesen Benutzern gesteigert werden. Das gleiche gilt für Benutzer in geografischen Bereichen, die durch die anderen beiden Antennenstrahlenpaare versorgt werden. Diese Kapazität ist im Vergleich zu der vergrößert, bei der drei Antennenstrahlenpaare mit keiner MIMO-Kommunikation verwendet werden.
Es ist jedoch auch möglich, simultan sowohl MIMO-Raum-Zeit-Codier-Kommunikation als auch Nicht-MIMO-, Nicht-Raum-Zeit-Codier-Kommunikation von einem oder mehreren der Antennenstrahlen bereitzustellen. Dies ist vorteilhaft, da die legale Benutzerausrüstung, die nicht MIMO-konform ist, betriebsfähig ist, während im gleichen Zeitpunkt die konforme MIMO-Benutzerausrüstung verwendet werden kann. Der Benutzer oder die Teilnehmereinrichtung sind eingerichtet, in der Lage zu sein, zwischen MIMO- und Nicht-MIMO-Kommunikationspaketen zu unterscheiden, wobei irgendein geeignetes Verfahren verwendet wird, beispielsweise ein Verfahren, das unterschiedliche Trägerfrequenzen für die beiden Signalarten hat. Die Basisstation ist eingerichtet, die MIMO- und Nicht-MIMO-Pakete zu multiplexen, so dass diese beiden Kommunikationsarten von der Basisstation simultan übertragen werden.
Irgendein Bereich oder Einrichtungswert hier, der hier angegeben wurde, kann erweitert oder geändert werden, ohne den ausgedachten Effekt zu verlieren, wie dies dem Fachmann erscheinen wird, um die Lehre hier zu verstehen.
Ein Bereich von Anwendungen liegt innerhalb des Rahmens der Erfindung. Diese umfassen Situationen, bei denen es erforderlich ist, ein drahtloses MIMO-Kommunikationssystem bereitzustellen, welches ohne räumliche Diversity arbeitet, jedoch mit Polarisations-Diversity. Beispielsweise bei Sichtlinien-Situationen oder in Fallen, wo MIMO- und Multistrahl-Systeme zu kombinieren sind.

Claims

Drahtloses Multieingangs-Multiausgangs-Kommunikationssystem (MIMO), wobei Benutzerdaten unter Verwendung eines Raum-Zeit-Codierverfahrens übertragen werden, welches aufweist: (i) mehrere Übertragungsantennenelemente (151) zum Übertragen der raum-zeit-codierten Benutzerdaten; und (ii) mehrere Empfangsantennenelemente; wobei die Übertragungsantennenelemente eingerichtet sind, Polarisations-Diversity bereitzustellen, und wobei die Positionen der Übertragungsantennenelemente eingerichtet sind, so dass räumliche Diversity vermieden wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsantennenelemente zusammen eingerichtet sind, mehrere Antennenstrahlen (A1, A2, A3, B1, B2, B3) bereitzustellen.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei jede der Übertragungsantennenelemente bei einer von zwei ersten im Wesentlichen orthogonalen Polarisationen polarisiert ist.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach Anspruch 2, wobei jede der Empfangsantennenelemente bei einer von zwei zweiten im Wesentlichen orthogonalen Polarisationen polarisiert ist.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach Anspruch 3, wobei die beiden ersten im Wesentlichen orthogonalen Polarisationen von den beiden zweiten im Wesentlichen orthogonalen Polarisationen verschieden sind.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei die mehreren Übertragungsantennenelemente ein oder mehrere Dual-Polar-Elemente aufweisen, wobei jedes derartige Dual-Polar-Element zwei Antennenelemente am gleichen Aufstellungsort sind, die von einer einzigen Antennenapertur betreibbar sind.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Übertragungsantennenelemente durch eine Antennengruppe (150) vorgesehen sind.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eingerichtet ist, bei einer bestimmten Wellenlänge zu arbeiten, und wobei der Interelementabstand der Übertragungsantennenelemente kleiner ist als eine der bestimmten Wellenlänge.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eingerichtet ist, Nicht-MIMO-Kommunikation zusätzlich zu MIMO-Kommunikation bereitzustellen.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei die mehreren Antennenstrahlen vorgesehen sind, wobei ein oder mehrere Strahlenbildner (222) verwendet werden, die mit den Übertragungsantennenelementen integriert sind.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Antennenstrahlen Paare von Antennenstrahlen (A1, B1) aufweisen, wobei jedes Paar einen ersten Antennenstrahl (A1) einer ersten Polarisation und einen zweiten Antennenstrahl (B1) aufweist, der im Wesentlichen identisch mit dem ersten, jedoch bei einer zweiten Polarisation vorgesehen ist, die von der ersten Polarisation verschieden ist.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach Anspruch 10, wobei jedes der Paare der Antennenstrahlen eingerichtet ist, ein Zwei-Zweig-MIMO-Eingangssignal bereitzustellen.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches aus einen 2:2- und einem 2:4-MIMO-System ausgewählt wird.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches aus einem festen drahtlosen Zugriffssystem, einem persönlichen Bereichsnetzwerk, einem drahtlosen lokalen Bereichsnetzwerk und einem mobilen Kommunikationsnetzwerk ausgewählt wird.
Drahtloses MIMO-Kommunikationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Übertragungsantennenelemente eine Säule von Antennenelementen aufweist.
Multieingangs-Multiausgangs-Drahtloskommunikationsverfahren, welches folgende Schritte aufweist: (i) Übertragen eines raum-zeit-codierten Signals von einer Übertragungsantennenanordnung, welche mehrere Übertragungsantennenelemente (151) aufweist, die so eingerichtet sind, dass Polarisations-Diversity vorgesehen wird und räumliche Diversity vermieden wird; und (ii) Empfangen des raum-zeit-codierten Signals bei einer Empfangsantennenanordnung, die mehrere Empfangsantennenelemente aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (i) zum Übertragen außerdem das Betreiben der mehreren Übertragungsantennenelemente umfasst, um mehrere Antennenstrahlen (A1, A2, A3, B1, B2, B3) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 15, welches außerdem aufweist: (i) Positionieren der Übertragungsantennenanordnung und der Empfangsantennenanordnung derart, dass ein Sichtlinienpfad zwischen diesen beiden Anordnungen vorhanden ist; und (ii) Verwenden der Übertragungsantennenanordnung, um das raum-zeit-codierte Signal zur Empfangsantennenanordnung zumindest teilweise längs des Sichtlinienpfads zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, welches außerdem das Übertragen eines nicht-raum-zeit-codierten Signals von der Übertragungsantennenanordnung simultan mit dem raum-zeit-codierten Signal umfasst.
Einrichtung, die konfiguriert ist, raum-zeit-codierte Benutzerdaten zu übertragen, wobei die Einrichtung eine Antennenanordnung zur Verwendung in einem drahtlosen Multieingangs-Multiausgangs-Kommunikationssystem (MIMO) umfasst, wobei die Einrichtung eingerichtet ist, raum-zeit-codierte Benutzerdaten zu übertragen, wobei die Antennenanordnung mehrere Übertragungsantennenelemente (151) aufweist, die eingerichtet sind, Polari sations-Diversity bereitzustellen, und wobei die Positionen der Übertragungsantennenelemente so sind, dass räumliche Diversity vermieden wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsantennenelemente zusammen eingerichtet sind, mehrere Antennenstrahlen (A1, A2, A3, B1, B2, B3) unter Verwendung einer Einrichtung zum Verarbeiten der Übertragungsbenutzerdaten in der Einrichtung für die mehreren Strahlen bereitzustellen, um zumindest eine MIMO-Verbindung (A1, B1) bereitzustellen.
Einrichtung nach Anspruch 18, wobei Antennenanordnung eingerichtet ist, bei einer bestimmten Wellenlänge zu arbeiten und wobei der Interelementabstand der Übertragungsantennenelemente kleiner ist als eine der bestimmten Wellenlänge.
Einrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Antennenanordnung außerdem zur Verwendung bei einem Nicht-MIMO-Kommunikationssystem simultan mit der Verwendung im MIMO-Kommunikationssystem geeignet ist.