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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine adaptive Antennengruppe und ein
Verfahren zur Steuerung ihre Betriebs. Die vorliegende Erfindung
ist im Besonderen, aber nicht ausschließlich, auf ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Maximierung einer Dienstqualität (QoS)
für eine
Teilnehmereinheit in einem mobilen drahtlosen Telekommsystem anwendbar. Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin im Besonderen auf eine betriebsbedingte
Verwendung einer adaptiven Antennengruppe während des Aufbaus einer Verbindung
zu einer Teilnehmereinheit anwendbar, obwohl sie dynamisch in einem
Incall-Szenario angewendet werden kann.
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Zusammenfassung des Standes
der Technik
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Strahlenbündelbildende
adaptive Antennenarchitekturen stellen ein direktionales Abwärtsstrahlenbündel basierend auf
Informationen zur Verfügung,
die von Aufwärtsstrahlenbündelmessungen abgeleitet
werden. Ein erreichbares Maß an
Vorhersagegenauigkeit eines Abwärtsschätzwertes
begrenzt die Kapazität
und Frequenzwiederverwendung, die durch ein beliebiges adaptives
Antennennetzwerk erreicht werden kann, da der Basisstation, bei
der das Antennennetzwerk angeordnet ist, kein expliziter Abwärtskanalschätzwert zur
Verfügung steht.
Im Besonderen können
der Aufwärtskanal
und der Abwärtskanal
momentan, oder für
kurze Perioden, verschiedenen Ausbreitungsbedingungen unterliegen
(wie zum Beispiel einer Mehrpfadausbreitung, Fading und dergleichen).
Folglich erscheint jeder Schätzwert
bezüglich
einer direktionalen oder Winkelverschiebung einer Teilnehmereinheit
relativ zu einer Antennengruppe, die von solchen gemessenen Kanalinformationen
abhängt,
unterschiedlich. In der Praxis verfügt die abgeschätzte Richtung
einer Teilnehmereinheit (zum Beispiel einer Mobilstation) daher über einen
zugeordneten direktionalen Aufwärtsverbindung-zu-Abwärtsverbindung-Fehler (θe), weil die Aufwärtsverbindung und die Abwärtsverbindung
nicht den selben Ausbreitungsbedingungen unterliegen, wenn die Aufwärts- und
Abwärtsträgerfrequenzen
getrennt sind.
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Mit
der Zeit jedoch verursacht ein statistischer Mittelungseffekt zwischen
der Aufwärtsverbindung
und der Abwärtsverbindung
eine Konvergenz von Ankunftsrichtungs/Ankunftswinkel-Schätzwerten,
die von physikalisch verschiedenen Pfaden abgeleitet werden (typischerweise
durch verschiedene Trägerfrequenzen
unterstützt).
Tatsächlich
wird der direktionale Aufwärtsschätzwert,
in den meisten existierenden Systemen und angesichts dieses Konvergenzphänomens,
angesichts der Unsicherheit des Vorhandenseins ir gendeiner Korrelation
zwischen den Aufwärts-
und Abwärtsschätzwerten
während des
ganzen Anrufs verwendet.
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Im
Allgemeinen wird, um einen direktionalen Abwärtsschätzwert zu erhalten, ein Aufwärtssignal so
verarbeitet, dass bestimmte Parameter, wie zum Beispiel die Kanal
(im Besonderen Träger)-zu-Störung-Verhältnisse
(C/(I + N)), optimiert werden. Dieses direktionale Verarbeiten kann
durch ein selektives Kombinieren von all den verschiedenen Antennenelementen
in der Gruppe, bis eine optimale Kombination gefunden ist, erreicht
werden. Bestimmte bevorzugte oder voreingestellte Algorithmuskombinationen,
die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, werden zur Bestimmung
der grundsätzlichen
Richtung (θu) der Aufwärtsverbindung für die infrage
kommende Mobilstation verwendet. Dann, nachdem die grundsätzliche
Richtung, das heißt
der Ankunftswinkel, eingerichtet ist, wird die Energie in dem Abwärtsstrahlenbündel in
Richtung einer abgeschätzten
Abwärtsrichtung
(θd) der Teilnehmereinheit gelenkt, unabhängig von
der tatsächlichen
Richtung des Teilnehmers relativ zu der Antennengruppe. Ein Lenken
baut daher darauf, aus einer hinreichenden statistischen Mittelung
in dem Aufwärts-
und Abwärtsmehrfachpfad
zu begünstigen,
dass die physikalischen und Radiofrequenzrichtungen äquivalent sind.
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Lenken
kann durch Bestimmen des festen Strahlenbündels für einen Butler-Strahlenbündelbildner,
oder durch Bestimmen der adaptiven Gewichte für einen Basisband-Strahlenbildner erreicht
werden.
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Als
ein spezifischeres Beispiel, kümmert
sich ein Richtungsfindungssuchregime in der Basisstation um eine
momentan, oder über
die Zeit gemittelt, gemessene Aufwärtsrichtungsmetrik, um sie
als eine Basis für
einen direktio nalen Abwärtsschätzwert zu verwenden.
Ein Problem bei diesem Verfahren besteht darin, dass es zu einer
dramatischen Änderung der
abgeschätzten
Richtung in aufeinanderfolgenden grundsätzlichen Abwärtsschätzwerten
führen
kann. Im Besonderen können
Versuche, eine sich bewegende Mobileinheit unter Verwendung solcher
momentanen Schnappschüsse
zu verfolgen, unwirksam und/oder komplex (das heißt, verarbeitungsintensiv) sein,
weil der Aufwärtsverbindung-zu-Abwärtsverbindung-Fehler
eine Funktion der Geschwindigkeit und der Ausbreitungsbedingungen
der mobilen Einheit ist.
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Obwohl
adaptive Antennen im Allgemeinen eine Gleichkanalstörung in
einem Antennennetzwerk verringern, wenn die direktionalen Aufwärts- und
Abwärtsschätzwerte
die selben wie die Abwärtsrichtung sind,
verursacht jeder Fehler zwischen der tatsächlichen Abwärtsrichtung
und den Abwärtsschätzwerten eine
signifikante Verringerung in dem C/(I + N) und eine Zunahme der
Gesamtsystemstörung. Schlimmstenfalls
könnte
ein schmaler Strahlenbündelabwärtsträger in einer
dem tatsächlichen
Standort einer Teilnehmereinheit entgegengesetzten Richtung ausgerichtet
sein. In diesem Fall stellt die Teilnehmereinheit (in konventioneller
Art und Weise) einen Bericht an die Basisstation zur Verfügung, der
eine schlechte QoS (oder einen Misserfolg, eine erwartete Übertragung
zu empfangen) anzeigt. Da das System im Allgemeinen auf einer störungsbegrenzten
Basis arbeitet, erhöht
die Basisstation die Leistung in einer nachfolgenden Schmalstrahlenbündelübertragung an
die Teilnehmereinheit; dieser Anstieg der Leistung wird wahrgenommen/konstruiert,
um eine QoS für die
Teilnehmereinheit zu verbessern. Die in dem Schmalstrahlenbündel verwendete
erhöhte
Leistung verfügt
daher über
eine erhöhte
Reichweite und somit verur sacht die in der Abwärtsverbindung verwendete Trägerfrequenz
ein Nachbarstottern (das heißt, eine
Gleichkanal- und/oder
Nachbarkanalstörung)
in einer benachbarten Zelle.
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Sogar
mit einem nun erhöhten
Leistungspegel in der Schmalstrahlenbündelabwärtsübertragung kann es sein, dass
die adressierte Teilnehmerstation immer noch eine unzulässig niedrige
QoS registriert und somit fordert der Teilnehmer, dadurch, dass
er die niedrige QoS meldet (sei es eine empfangene Signalstärke, eine
Bitfehlerrate, oder dergleichen) wieder wirksam einen verbesserten
Dienst an. Wenn die Basisstation nicht in der Lage ist, eine physikalische Verschiebung
der adressierten Teilnehmereinheit aufzulösen (auch, wenn durch einen
Timingvorlauf abgeleitet), erhöht
die Basisstation wieder die Leistung in ihrer nachfolgenden Abwärtssübertragung
an die Teilnehmereinheit. Darüber
hinaus ist es wahrscheinlich, dass die Abwärtsübertragung mit erhöhter Leistung
noch immer direktional falsch ist, da es sein kann, dass noch keine
direktionale Konvergenz zwischen den Aufwärts- und den Abwärtsschätzwerten stattgefunden
hat. Die erhöhte
Leistung in dem Träger
reicht sogar in mindestens die nächste
benachbarte Zelle weiter und vielleicht darüber hinaus. Daher wird die
Abwärtsleistung,
die in einem ursprünglichen
Schmalstrahlenbündel
konzentriert ist, bei einem bestimmten Punkt zu einem signifikanten
Problem, weil mit einer ständig
zunehmenden radialen Verschiebung der von dem Schmalstrahlenbündel versorgte
Bereich zunimmt. Die Systemstörung nimmt
daher zu, weil die Leistung in dem Schmalstrahlenbündel agiert,
um die Beeinträchtigungen
einer Signalabschwächung
zu kompensieren.
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Mit
anderen Worten, wenn die Abwärtsrichtung
falsch abgeschätzt
wird, führt
ein Betrieb des Systems, um eine QoS zu maximieren/verbessern, dazu,
dass mehr Leistung in eine falsche Richtung gelenkt wird, wodurch
Systemstörungen
(als Ganzes) zunehmen, bis eine direktionale Abwärts- und Aufwärtsabschätzungskonvergenz
auftritt. Bei diesem Punkt einer Konvergenz braucht der Basisstationstransceiver
(BTS) nur eine niedrigere Leistung zu übertragen, damit die mobile
Vorrichtung ihre gewünschte
QoS erreicht; dies liegt an einer Aperturverstärkung.
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Ein
Beispiel eines Systems zur Steuerung eines Abwärtsstrahlenbündels wird
in der britischen Patentanmeldung
GB 2 337 171 A präsentiert, die ein System beschreibt,
in dem unabhängige
Aufwärtsrichtungsschätzwerte
von einer Mehrzahl von Antennengruppen verwendet werden, um ein
Abwärtsstrahlenbündel zu
steuern.
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Die
mit einer Störung
in zellularen Kommunikationssystemen verknüpften Probleme und die Fragen,
die in einem zellularen System zu berücksichtigen sind, das eine
Frequenzwiederverwendung einsetzt, werden im Allgemeinen in dem
folgenden Lehrbuch beschrieben: "The
Global System for Mobile Communications" von Michel Mouly und Marie-Bernadette Pautet,
Seiten 599 bis 601.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird eine adaptive Antennenanordnung
zur Erzeugung eines Abwärtsstrahlenbündels gemäß Anspruch
1 zur Verfügung
gestellt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform spricht
die Steuerung betriebsbedingt auf Dienstqualitätsmetriken des Abwärtsstrahlenbündels an,
wobei die Steuerung geeignet ist, um die Strahlenbündelbreite
in Abhängigkeit
von den Dienst qualitätsmetriken
zu variieren. Darüber
hinaus ist die Steuerung im Allgemeinen geeignet, um die Strahlenbündelbreite in
Abhängigkeit
von relativen Variationen der Dienstqualitätsmetriken zu variieren.
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Es
ist klar, dass bestimmte Merkmale der verschiedenen bevorzugten
Ausführungsformen
unabhängig,
oder in Kombination, ausgeführt
werden können,
um einen verbesserten Betrieb und einen verbesserten Entscheidungsfindungsprozess
zur Verfügung
zu stellen.
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In
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Steuerung einer Abwärtskommunikation
von einer adaptiven Antennenanordnung an eine Teilnehmereinheit
gemäß Anspruch
11 zur Verfügung
gestellt.
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In
einer bestimmten Ausführungsform
umfasst eine adaptive Antennengruppe eine Mehrzahl von Antennenelementen,
die auf Aufwärtskommunikationen
ansprechen und geeignet sind, um direktional ausgerichtete Abwärtskommunikationen
an Teilnehmereinheiten zu unterstützen. Die adaptive Antennengruppe
spricht betriebsbedingt auf einen Signalprozessor an, der mit einer
Ankunftsrichtungsabschätzungslogik
zusammenarbeitet, um einen Ankunftswinkel von Aufwärtskommunikationen
abzuschätzen,
die auf die Gruppe einfallen. Um Störungen zwischen Zellen zu vermeiden,
im Besonderen während
früher
Stufen eines Anrufes, arbeitet der Signalprozessor, um sicherzustellen,
dass ein Großraumabwärtsstrahlenbündel für einen
Abwärtspfad an
eine adressierte Teilnehmereinheit zur Verfügung gestellt wird. Mit der
Zeit und/oder gemeldeten Abwärtsdienstqualitätsmetriken
(QoS = Dienstqualität) reguliert
der Signalprozessor eine Breite des Abwärtsstrahlenbündels durch Ändern der
Anzahl von Antennenelementen, die verwendet werden, um das Abwärtsstrahlenbündel zu
un terstützen,
wodurch die Abwärtsstrahlenbündelapertur
geändert
wird. Im Allgemeinen werden mit der Zeit mehr Antennenelemente verwendet
und somit wird das Strahlenbündel verengt,
obwohl sich der Signalprozessor dadurch, dass er durch ein Schalten
von Antennenelementen entweder in die adaptive Antennengruppe oder
aus der adaptiven Antennengruppe die Breite des Abwärtsstrahlenbündels verengt
beziehungsweise verbreitert, dynamisch mit Incall-Fluktuationen
in einer Abwärtsdienstqualität befasst.
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Vorteilhafterweise
befasst sich eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit Störungsproblemen,
die im Besonderen während Aufbauverfahren
eines Anrufs an eine Teilnehmereinheit (im Besonderen eine mobile
Einheit) von einer adaptiven Antennengruppe vorkommen. Die vorliegende
Erfindung stellt durch Bereitstellen eines Großraumstrahlenbündels, das über einen
Leistungspegel verfügt,
der dem Versorgungsbereich, der durch die adaptive Antennengruppe
versorgt wird, angemessen ist, wirksam eine garantierte minimale
Dienstqualität
(QoS) bei einem Anrufaufbau sicher. Das Strahlenbündel wird
dann mit der Zeit und/oder der QoS verengt, um das System in eine störungsbegrenzte
Umgebung zu bewegen, während eine
garantierte Dienstqualität
für die
Teilnehmereinheit gesucht wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt durch ein Annehmen eines größten anzunehmenden
Unfalls, wenn die Abwärtskommunikation
initiiert wird, eine bessere Übertragung
des Aufwärtsschätzwertes
zu dem Abwärtsschätzwert zur
Verfügung.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in Abhängigkeit
von den sich ändernden
Ausbreitungsbedingungen, aufgrund zum Beispiel der Bewegung einer
Mobilstation, die Abwärtsverbindung
anhaltend überwacht
werden kann und folg lich eine Optimierung der Abwärtskommunikation
(hinsichtlich Strahlenbündelbreite
und Leistungssteuerung) während
eines Anrufs dynamisch bewerkstelligt werden kann (zum Beispiel
basierend auf einer QoS).
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Der
Prozess der vorliegenden Erfindung stellt vorteilhafter weise sicher,
dass die gemessenen QoS-Dienste, oder der gemessene QoS-Dienst,
die, beziehungsweise der, als eine Metrik verwendet werden, durch
Variieren der Antennenaperturgröße maximiert
werden, anstatt durch den zeitaufwendigeren Prozess, zu versuchen,
die beste Abwärtsverbindung zu
verfolgen oder zu finden. Die vorliegende Erfindung stellt daher
einen sehr einfachen Verfolgungsalgorithmus zur Verfügung, der
wesentlich stabiler als ein konventioneller Such-/Verfolgungsalgorithmus ist.
Zusätzlich
verwendet der Algorithmus der vorliegenden Erfindung einen mittleren
Schätzwert
des Abwärtskanals,
da das Strahlenbündel
bloß verbreitert
oder verengt wird, und gleicht die sich dramatisch ändernden
Schätzwerte
aus, die mit einem Verfolgungsalgorithmus erhalten werden können.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung zeigt sich in Situationen, in denen
sonst Gleichkanalstörungen auf
die QoS der Abwärtskommunikation
einwirken. Wo alle Basisstationen adaptive Antennengruppen und Netzwerke
gemäß der Erfindung
einsetzen, tauschen alle die Basisstationen den Kanal gegen die Störung aus.
Ein Erhöhen
der Apertur des Strahlenbündels
verringert die Chancen Richtungsabschätzungsfehlern zu begegnen,
aber erhöht
die Störungen,
die durch die Gleichkanalmobilvorrichtung gesehen werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungen
der Erfindung werden unten nur beispielhaft mit Bezug auf die folgenden
Zeichnungen beschrieben:
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1 stellt
Schwankungen in einem direktionalen Aufwärtsschätzwert und dem direktionalen Abwärtsschätzwert mit
der Zeit dar;
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2 zeigt
ein Blockdiagramm eines adaptiven Antennennetzwerkes gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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3a zeigt ein Flussdiagramm von bevorzugten
Schritten, die durch eine Steuerlogik ausgeführt werden, wenn eine Kommunikation
initiiert wird;
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3b zeigt ein Flussdiagramm von bevorzugten
Schritten, die durch eine Steuerlogik während einer Kommunikation ausgeführt werden.
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Ausführliche Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
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Es
wird auf 1 Bezug genommen, darin wird
eine graphische Darstellung gezeigt, wie direktionale Schätzwerte
für Aufwärts- und
Abwärtspfade mit
der Zeit schwanken und schließlich
konvergieren. Die x-Achse (das heißt, die Abszisse) stellt eine
Mittelungsperiode und die y-Achse (das heißt, die Ordinate) stellt Schätzwerte
des grundsätzlichen
Aufwärts-
und Abwärtsrichtungswinkels, θ, dar. Wie
ersichtlich, können
die direktionalen Aufwärts-
und Abwärtsschätzwerte
für sehr
kurze Mittelungszeiten (das heißt,
die Punkte in Richtung der linken Seite der x-Achse der Abbildung)
weitgehend verschieden sein. Diese Unterschiede ergeben sich aus
den verschiedenen physikalischen (und im Wesentlichen momentanen)
Ausbreitungspfaden von der Basisstation (das heißt, der Antennengruppe) zu
der Teilnehmereinheit und umgekehrt, wobei diese unterschiedlichen
Ausbreitungspfade zum Teil einem beliebigen Unterschied in der Trägerfrequenz
zuschreibbar sind, die verwendet wird, um die Aufwärts- und
die Abwärtskanäle zu unterstützen. Da
entweder die Mittelungsperiode oder die Zeit heraufgesetzt werden (dargestellt
durch eine Bewegung in Richtung der rechten Seite der x-Achse von 1),
beginnen die mittleren direktionalen Schätzwerte für die Aufwärts- und die Abwärtsverbindung
in Richtung einer stabilen Richtung zu konvergieren. Das heißt, die
Aufwärts- und
die Abwärtsrichtungen
sind die selben, wenn sie über
eine ausreichende Zeit gemittelt werden, und befassen sich daher
mit Schwankungen (und gleichen sie somit aus) in dem grundsätzlichen
Richtungswinkel, der zum Beispiel durch irgend einen Duplexfrequenzunterschied
in einem FDM-System oder dergleichen verursacht wird (FDM = Frequenzmultiplexverfahren).
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2 ist
ein Blockdiagramm eines adaptiven Antennennetzwerkes 10 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Eine Mehrzahl von Antennenelementen 12a–12k,
die vorzugsweise für eine
maximale Aperturverstärkung
um halbe Wellenlängen
physikalisch getrennt sind, bildt einen Teil der adaptiven Antennengruppe 14,
der auf die Aufwärtsübertragungen 16a–16k anspricht,
die von der Teilnehmereinheit 18, wie zum Beispiel einer
Mobilstation oder einem Endgerät,
stammen. Natürlich
können die
Antennenelemente 12a–12k gleichzeitig
mehrere Teilnehmereinheiten auf einer Zeit- oder Codeteilungsbasis versorgen, wobei
zum Zwecke eines Beispiels und der Klarheit der Abbildung eine einzelne Teilnehmereinheit 18 gezeigt
wird. Die Anzahl von Antennen elementen in der adaptiven Antennengruppe 14 ist
beliebig. Die Mehrzahl von Antennenelementen 12a–12k ist
im Allgemeinen einer Basisstation 19 zugeordnet, oder mit
einer Basisstation 19 angeordnet.
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Die
bei der Mehrzahl von Antennenelementen 12a–12k empfangenen
Aufwärtssignale 16a–16k werden
durch die Tiefrauschverstärker
(LNA) 20a–20k passiert,
wobei individuelle LNAs im Allgemeinen bestimmten Antennenelementen
zugeordnet sind. Eine AGC-Rückkopplungsschleife
(AGC = automatische Verstärkungssteuerung),
die auf wiederhergestellte Aufwärtssignale
von den Antennenelementen 12a–12k anspricht und
zu deren betriebsbedingten Steuerung an die LNAs 20a–20k gekoppelt
sind, ist geeignet, eine Verstärkung
in jedem LNA zu justieren, wodurch sichergestellt wird, dass ein
maximaler dynamischer Bereich der Antennenelemente 12a–12k verwendet
wird. Im Anschluss an die LANs 20a–20k, sind die komplexen
Gewichtselemente 24a–24k geeignet,
um jedem Aufwärtssignal
von jedem Antennenelement 12a–12k komplexe Gewichte zuzuführen. Die
Gewichte werden von einem Steueralgorithmus 26 abgeleitet,
der betriebsbedingt auf einen Signalprozessor 28 anspricht,
der selbst die verstärkungsjustierten
Versionen 30a–30k der
Aufwärtsübertragungen 16a–16k empfängt. Die
gewichtskorrigierten Signale von jedem der komplexen Gewichtungselemente 24a–24k werden
dann in der Addierereinheit 32 linear zusammenaddiert.
Es ist klar, dass die Gewichte über
eine Phase und einen Winkel verfügen,
so dass durch die Basisstation 19 eine klare Richtung θu für
die Aufwärtsrichtung
eingerichtet werden kann.
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Der
Signalprozessor 28 ist außerdem gekoppelt, um ein resultierendes
Signal 34 zu empfangen, das von der Addiereinheit 32 ausgegeben
wird. Der Signalprozessor 28 und der Steueralgorithmus 30 kooperieren,
um unter Verwendung bekannter Verfahren die Aufwärtsrichtung (θu) für
die Teilnehmereinheit 18 in einer Zelle abzuschätzen, die
durch die Basisstation 19 versorgt wird, bei der das adaptive Antennennetzwerk 10 angeordnet
ist. Im Besonderen können
sich der Signalprozessor 26 und der Steueralgorithmus um
einen Rückkopplungsmechanismus
und eine Bestimmung von Signal-zu-Rausch-Pegeln für die verschiedenen einfallenden
Aufwärtssignale 16a–16k kümmern, um
neue Gewichte für
die komplexen Gewichtungselemente 24a–24k zu berechnen.
Weiterhin kann der Steueralgorithmus 26 ein Rohwert des
Signal-Rausch-Verhältnisses
eines jeden der Eingangsantennenelemente 12a–12k verwenden
(das heißt,
vor einer Zuführung
einer komplexen Gewichtung), wodurch ein internes Maß einer
Güte für die zugeführten komplexen
Gewichte erhalten wird.
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Eine
Einheit 36 zur Abschätzung
der Ankunftsrichtung (DOA) verwendet eine konventionelle Ausgangsmetrik 38 (dem
Fachmann auf dem Gebiet leicht verständlich) von dem Signalprozessor 28,
um einen Ankunftswinkel θ von
signifikanter Energie in den Aufwärtssignalen 16a–16k zu
bestimmen/abzuschätzen.
Der Ankunftsrichtungswinkel θ wird
verwendet, um die Abwärtsgewichtselemente 40a–40k (ihre
komplexen Phasen- und Winkelinformationen) zu verändern, und
dadurch eine übertragene
Signalenergie (das heißt,
ein Basisbandsendesignal 42) in eine vorbestimmte Richtung
in der Abwärtsverbindung
zu lenken. Das Basisbandsendesignal 42, wie zum Beispiel
Sprache und/oder Daten, passiert durch diese Abwärtsgewichtungselemente 40a–40k, bevor
es in den Leistungsverstärkern 46a–46k,
die im Allgemeinen den spezifischen Abwärtsantennenelementen 48a–48k in
einem Sendeteil der adaptiven Antennengruppe 14 zugeordnet
sind, verstärkt
wird.
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Antennenelemente
(12a–12k und 48a–48k), die
Empfangs- und Sendepfaden
zugeordnet sind, können
entweder getrennte dedizierte Elemente (wie in 2 dargestellt),
oder gemeinsam verwendete (gemeinsame) Antennenelemente, die durch
ein Duplexfilter (nicht gezeigt) an jeweilige Sende- und Empfangsketten
gekoppelt sind, sein.
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Wenn
ein Anruf an die Mobilvorrichtung, oder von der Mobilvorrichtung,
initiiert wird, oder wenn eine andere Art von Kommunikation zwischen
der Basisstation und der Mobilstation erforderlich ist, wird angenommen,
dass eine äquivalente
Abwärtsrichtung
(θd) die selbe ist, wie der Aufwärtsankunftswinkel θ (das heißt, zu diesem
komplementär
ist). Wann immer nun, gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, eine Abwärtskommunikation initiiert
wird, ist die Anzahl von umfassten Antennenelementen (von der Gruppe 14,
um den Abwärtskanal 50 zu
unterstützen)
klein (zum Beispiel Eins oder Zwei), was eine breite Strahlenbündelapertur
ergibt. Die Verwendung eines breiten Strahlenbündels (und vorzugsweise außerdem einer
vorbestimmten Leistungseinstellung, die eine Signalausbreitung über eine
Versorgungszellengrenze hinweg beschneidet) stellt daher ursprünglich eine
systemminimierte Störungsumgebung
zur Verfügung,
während
im Allgemeinen eine minimale QoS für eine adressierte Teilnehmereinheit
sichergestellt ist. Das breite Strahlenbündel kann omni-direktional
oder sektorisiert sein. Mit dem Lauf der Zeit und vorzugsweise in
Abhängigkeit
von einer Abschätzung
einer QoS für
die Teilnehmereinheit (direkt von Abwärtsmessungen gemeldet, die
durch die adressierte Teilnehmereinheit vorgenommen werden), wird
die Breite des Strahlenbündels
verengt, um die Abwärtsübertragung
in die Richtung der Teilnehmereinheit zu fokussieren. Weiterhin
wird abgerufen, dass mit dem Lauf der Zeit eine Konvergenz zwischen
von der Aufwärtsverbindung
und der Abwärtsverbindung
abgeleiteten direktionalen Schätzwerten
stattfindet, und so kann, wenn gewünscht, eine Verengung/Änderung
der Strahlenbündelbreite
auf der Basis sowohl von Konvergenz- als auch QoS-Anzeigen stattfinden.
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Eine
Metrik, die verwendet wird, um die Dienstqualität zu messen, die durch die
Abwärtsverbindung
zur Verfügung
gestellt wird, ist vorzugsweise C/(I + N), aber es kann eine Zahl
von weiteren QoS-Metriken, wie zum Beispiel die Rahmenlöschungsrate
(FER) und die Bitfehlerrate (BER), verwendet werden (entweder einzeln
oder in Kombination).
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, kann, wenn bestimmt wird, dass die QoS-Metrik (wie zum Beispiel
C/(I + N) in der gemessenen Abwärtsverbindung)
unter einem Schwellenwert eines zuvor eingestellten Budget liegt, die
Anzahl von in der adaptiven Gruppe 14 verwendeten Antennenelementen
um Eins oder mehr erhöht werden
(vielleicht in Abhängigkeit
von einer der Richtung zugeordneten statistischen Sicherheit), wodurch die
Strahlenbündelbreite
verengt wird. Da eine Verengung des Strahlenbündels basierend auf einer statistischen
Sicherheit bezüglich
der Ankunftsrichtung von Aufwärtssignalen
und/oder QoS bei der Teilnehmereinheit bewusst stattfindet, ist
die Teilnehmereinheit wahrscheinlich in dem verengten Strahlenbündel versorgbar
und wird wahrscheinlich kein erhöhtes Leistungsbudget
für Abwärtsübertragungen
anfordern. Folglich wird das System der bevorzugten Ausfüh rungsform
nicht in Anspruch genommen, um eine übermäßige (oder zunehmende) Leistung
in einer schmalen Strahlenbündelbreite
zur Verfügung
zu stellen, und somit wird die Möglichkeit
von Störungen zwischen
Zellen im Allgemeinen vermieden.
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Das
Budget, durch das Entscheidungen getroffen werden, kann durch den
Systembetreiber eingestellt werden, oder in einem technischen Standard, der
verwendet wird, um ein Betriebsprotokoll für das System zu definieren,
spezifiziert sein.
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Der
Prozess eines Hinzufügens
von mindestens einem Antennenelement geht eindeutig davon aus, dass
bei einer Initiierung (das heißt,
einem Verbindungsaufbau), sich die adressierte Teilnehmereinheit
angeblich in der Strahlenbündelapertur
befindet; dies wäre
auch mit einer anfänglichen
omni-direktionalen Übertragung
der Fall.
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Sollte
umgekehrt anfänglich
ein sektorisierter Ansatz auf die Strahlenbündelbreite angewendet werden,
ist es möglich,
dass sich eine adressierte Teilnehmereinheit, obwohl kontaktierbar,
tatsächlich außerhalb
des sektorisierten Strahlenbündels
befindet. In diesem Fall erhöht
die vorliegende Ausführungsform,
anstatt eine Leistung in das schmale Strahlenbündel zu erhöhen, die Strahlenbündelbreite durch
ein Verringern der Anzahl von Antennenelementen 12a–12k,
die für
den Abwärtskanal
verwendet werden. Mit einer wiederholten Durchführung von QoS-Messungen wird
der Prozess des Hinzufügens eines
Antennenelementes wiederholt, bis zu einer solchen Zeit, zu der
sich das C/(I + N), oder eine andere Metrik, auf einen akzeptablen
Pegel verbessert. Die Strahlenbündelbreite
wird dann, infolge von Konvergenzein flüssen zwischen direktionalen
Aufwärts- und
Abwärtsschätzwerten,
vorzugsweise mit der Zeit verengt.
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Alternativ,
oder zusätzlich,
kann man, in dem Fall einer anfänglichen
Verwendung einer variablen Strahlenbündelbreite, einen kritischeren
Ansatz einer Aufwärts-zu-Abwärts-AOA-Übertragung
(AOA = Ankunftswinkel) verwenden. Wenn große AOA-Abschätzungsfehler
auftreten, kann, in einer Ausführungsform
der Erfindung, die Verwendung der variablen Strahlenbündelbreite
tatsächlich
den AOA-Fehler kompensieren, um zu vermeiden, einen Anstieg der Abwärtsleistung
für eine
akzeptable QoS zu unterstützen.
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Der
C/(I + N)-Wert kann durch die Mobilstation bei vorbestimmten Intervallen
während
der Kommunikation gemessen werden. Wenn sich der Abwärts-C/(I
+ N)-Wert unter einen vorbestimmten Schwellenwert bewegt, kann die
Anzahl von Antennenelementen in der Gruppe um Eins (oder mehr) verringert
werden, wodurch die Strahlenbündelbreite zunimmt.
Genauso kann, wenn sich der C/(I + N)-Wert (oder eine andere Metrik)
verbessert, die Anzahl von Antennenelementen um Eins erhöht werden.
Auf diese Art und Weise wird die Apertur des Strahlenbündels in
einem Incall-Szenario dynamisch aufrechterhalten und zwar so, dass
die Strahlenbündelbreite
so schmal ist, wie es die vorbestimmten QoS-Parameter des Systems
zulassen.
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Ein
selektiver Eingriff oder eine selektive Loslösung der Antennenelemente 48a–48k bei
der Bildung des Abwärtsstrahlenbündels kann
unter Verwendung von prozessorgesteuerten Schaltern in jedem Pfad
zu den Antennenelementen gesteuert werden, wodurch eine absolute
Isolation zur Verfügung gestellt
wird. Vorzugsweise wird ein Schalten der Antennenelemente 48a–48k in
die Gruppe 14 und aus der Gruppe 14 durch ein
aktives Handhaben der Abwärtsgewichtungselemente
erreicht, um so das Basisbandsendesignal daran zu hindern, von bestimmten
ausgewählten
der Antennenelemente 48a–48k abgestrahlt zu
werden.
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Im
Allgemeinen stellen der Signalprozess 28 und die verschiedenen
Steuer- und Abschätzungsalgorithmen
(26, 36) die notwendige Funktionalität zur Verfügung, um
eine Handhabung der Antennengruppe aufzulösen, was klar ist.
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3a und 3b beschreiben
in Kombination eine bevorzugte Betriebsmethodik, wobei Antennenelemente,
vornehmlich basierend auf QoS-Metrikmessungen, zu der Antennengruppe 14 hinzugefügt und von
der Antennengruppe 14 abgezogen werden. Die Methodik ist
im Allgemeinen sowohl auf ein Incall-Szenario als auch einen Anrufaufbau
gemäß den bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung anwendbar und insofern sind einige der Verfahrensschritte,
in Abhängigkeit
von der anfänglichen
Prämisse,
auf der das System aufgebaut ist, unnötig.
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3a ist ein Flussdiagramm, das die Schritte
darstellt, die durch eine Steuerlogik (von entweder einem Basisstationstransceiver
oder einem Basisstationsteilsystem) ausgeführt werden, um eine adaptive
Antennengruppe zu handhaben. Der Anruf wird mit der adaptiven Gruppe
durch Verwenden von 62 "x"-Antennenelementen
aufgebaut 60 (wobei x eine positive ganze Zahl ist). Daher
wird eine Abwärtsverbindung 64 eingerichtet.
Die Mobilstation führt
eine Art von metrischer Analyse 66 auf der Abwärtsverbindung
durch, zum Beispiel C/(I + N), und sendet 68 die metrische
Analyse an die Basisstation zurück,
um von dieser verwendet zu werden. Nach einer Rückführung der metrischen Analyse
bestimmt 68 die Basisstation, ob die metrische Analyse besser oder schlechter
als eine untere Betriebsgrenze eines QoS-Budgets ist. Im negativen
Fall 70 (das heißt,
die QoS ist unter einem vorbestimmten Pegel) wird die Anzahl von
Antennenelementen erhöht 74 (um
mindestens Eins), wodurch das Strahlenbündel verbreitert wird und der
Fluss zu einem Entscheidungsblock weitergeht, der bestimmt, ob der
Anruf (oder die Kommunikation) anhaltend ist. Wenn festgestellt wird,
dass der Anruf oder die Verbindung beendet ist, endet 80 der
Prozess offensichtlich. Die Schritte 72 und 74 können in
einem System weggelassen werden, das anfänglich eine geeignete (sektorisierte oder
omni-direktionale) Großraumabwärtsübertragung
verwendet. Ein zustimmender Pfad 78 von dem Entscheidungsblock 70 führt zu einer
Konsolidierung von Verfahrensflüssen
bei dem Block 76.
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In
einer anhaltenden Anrufs-/Kommunikationssituation wird (vorzugsweise)
eine weitere metrische Analyse 82 durch die Teilnehmereinheit
vorgenommen und an die Basisstation gemeldet 84, obwohl
in Erwägung
gezogen wird, dass Kanalfunktionen durch betriebsbedingte Parameter
bei der Basisstation gestört
werden können.
Es wird ein Vergleich zwischen einer früheren Metrik und einer nachfolgenden
Metrik vorgenommen, um abzuschätzen,
ob es irgend eine wesentliche Änderung
gegeben hat. Wenn die Metriken relativ konstant/ähnlich sind 88, kehrt
der Fluss zu dem Entscheidungsblock 76 zurück, andernfalls
wird eine Abschätzung 90 vorgenommen,
ob die jüngste
Metrik besser als die frühere Metrik
ist. Wenn es eine wirksame Verbesserung in der Metrik gibt (wodurch
es sein kann, dass der Teilnehmer eine verbesserte QoS erfährt), kann
das System arbeiten, um die Anzahl von Antennenelementen zu erhöhen 92 und
somit das Abwärtsstrahlenbündel zu
fokussieren/verengen. Natürlich kann
die Verbesserung in der Metrik auch einer Konvergenz von direktionalen
Schätzwerten
zuschreibbar sein, obwohl die Wirkung einer Verengung des Strahlenbündels trotzdem
die selbe ist. Sollte die Abschätzung
ergeben, dass die Metrik schlechter 94 ist, arbeitet das System
vorzugsweise um die Anzahl von Antennenelementen zu verringern 96,
und somit das Abwärtsstrahlenbündel zu
verbreitern (anstatt eine Abwärtsleistung
zu erhöhen,
obwohl dies eindeutig eine Option ist). Im Anschluss an die beiden
Verfahrensschritte 92 und 96 kehrt der Fluss dann
zur Bestimmung, ob der Anruf (oder die Kommunikation, zum Beispiel
eine Steuerkanalübertragung)
anhaltend ist, zu dem Block 76 zurück.
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Kurz
zusammengefasst, kann in der vorliegenden Erfindung ein Suchalgorithmus
eingesetzt werden (obwohl gleichermaßen auf Anrufaufbauverfahren
anwendbar, vorzugsweise in einem Incall-Szenario), um ein durch
stufenweise variierende Winkel und Strahlenbündelbreiten, von einem direktionalen
Aufwärtsschätzwert,
zu bewegendes Strahlenbündel
mit zunehmend enger Apertur durch Hinzufügen und Abziehen bestimmter
Antennenelemente in einer adaptiven Gruppe zu führen. Alternativ kann ein breites
Strahlenbündel
mit dem Lauf der Zeit infolge einer Konvergenz zwischen den direktionalen Aufwärts- und
Abwärtsschätzwerten
zu dem Aufwärtsankunftswinkelschätzwert verengt
werden.
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In 4 wird
eine graphische Darstellung einer Strahlenbündeloszillation gezeigt, wobei
gezeigt wird, dass ein zellulares System 100 eine adaptive Antennengruppe 14 umfasst
(und die zugeordnete Basisseitensteuerungsausrüstung 102), die die
Teilnehmereinheit 18 versorgt. Es werden die drei Abwärtssendekeulen 102–106 mit
direktionalen Pfeilen auf der engsten Keule 104 und der
breitesten Keule 108 gezeigt, die anzeigen, dass es einer
Variation in der Anzahl von Antennenelementen bedarf, die in der Antennengruppe 14 verwendet
werden, um die Teilnehmereinheit 18 zu versorgen (mindestens
anfänglich
während
eines Anrufaufbaus). Allem Anschein nach ist, mit der Zeit und somit
einer direktionalen Abschätzungskonvergenz
zwischen der Aufwärtsverbindung,
das schmalste Strahlenbündel
schließlich richtig
auf der Teilnehmereinheit ausgerichtet, um Systemstörungen zu
minimieren.
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Es
ist natürlich
klar, dass die obige Beschreibung nur beispielhaft gegeben worden
ist und dass Modifizierungen innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung vorgenommen werden können. Während die
bevorzugte Ausführungsform
bezüglich eines
adaptiven Antennennetzwerkes beschrieben worden ist, kann die zugrundeliegende
Steuerlogik in der Form eines Computerprogrammproduktes zur Verfügung gestellt
werden, wie zum Beispiel in der Form einer CD-ROM, oder eines anderen
Software-Agenten, der existierende Antennenseiten nachrüsten kann.
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Die
vorliegende Erfindung kann sowohl auf Verkehrskanäle als auch
auf Steuerkanäle
angewendet werden, wobei der Verkehr Sprache, Daten, oder deren
Kombination sein kann, und ist nicht auf irgend eine bestimmte Form
von Kommunikationsprotokoll oder Luftschnittstelle begrenzt.