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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der drahtlosen Kommunikation
und insbesondere digitale Burst-Funkkommunikationssysteme.
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Stand der
Technik
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In
drahtlosen Kommunikationssystemen hat sich erwiesen, daß durch
die Verwendung von Antennengruppen an der Basisstation sowohl Reichweite durch
erhöhten
Gewinn als auch Kapazität
durch Interferenzunterdrückung
gesteigert werden. Bei adaptiven Antennengruppen werden die von
mehreren Antennenelementen empfangenen Signale gewichtet und kombiniert,
um die Systemleistung zu verbessern, z.B. durch Maximieren der gewünschten
Empfangssignalleistung und/oder Unterdrücken von Interferenz. Die Leistung
einer adaptiven Antennengruppe steigert sich drastisch mit der Anzahl
von Antennen. Bezugnehmend auf einen Artikel mit der Bezeichnung „The Impact
of Antenna Diversity on the Capacity of Wireless Communication Systems" (die Auswirkung
von Antennendiversity auf die Kapazität von drahtlosen Kommunikationssystemen)
von J.H. Winters, R.D. Gitlin und J. Salz, in IEEE Trans. on Communications,
April 1994 wird gezeigt, daß durch Verwendung
einer Antennengruppe mit M Elementen mit optimaler Kombinierung
der Empfangssignale N ≤ M – 1 Störer eliminiert
und ein M-N-faltiger Diversitygewinn gegen Mehrwegeschwund erreicht
werden kann, was eine erhöhte
Reichweite ergibt.
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Die
meisten Basisstationen benutzen heute jedoch nur zwei Empfangsantennen
mit suboptimaler Verarbeitung, z.B. Auswahl-Diversity, wo die Antenne mit
der größeren Signalleistung
zum Empfang und zur Verarbeitung ausgewählt wird. Es ist wünschenswert,
bestehende Basisstationen abändern
zu können,
um größeren Gruppen von
Antennen und/oder verbesserten Empfangssignal-Kombinierungsverfahren Rechnung zu tragen.
Das Abändern
von bestehenden Einrichtungen ist jedoch schwierig, zeitaufwendig
und kostspielig, besonders da gegenwärtig im Feld befindliche Einrichtungen
von verschiedenen Lieferanten stammen.
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Eine
Alternative ist die Verwendung einer Zusatzschaltung, die eine externe,
zwischen die gegenwärtigen
Basisantennen und den Eingang zur Basisstation geschaltete externe
Signalverarbeitungsbox ist, die die der Basisstation zugeführten Empfangssignale
adaptiv wahlweise unter Verwendung zusätzlicher Antennen gewichtet
und kombiniert. 1 zeigt eine Basisstation, bei
der eine Zusatzschaltung benutzt wird. Ein Schlüssel zu der Durchführbarkeit
der Verwendung des Ansatzes mit Zusatzschaltung besteht darin, daß er wenig
Abänderung
der Basisstationseinrichtung erfordern sollte, wenn überhaupt.
Diese Beschränkung
bedeutet, daß die
von der Zusatzschaltung durchgeführte
Verarbeitung für
die bestehende Einrichtung transparent sein muß. Im Idealfall sollte das
aus der Zusatzschaltung austretende Signal der bestehenden Basisstation
als ein hochwertiges Empfangssignal von einer Einzelantenne erscheinen.
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Eine
Schwierigkeit beim Erlangen von Transparenz für die bestehende Einrichtung
ist die durch die in der Zusatzschaltung durchgeführte Signalverarbeitung
eingeführte
Verzögerung:
Datenerfassung, Gewichtberechnung und Kombinieren des Empfangssignals
führen
alle eine bedeutsame Verzögerung
ein. Obwohl typische Zellularfunk-Basisstationsempfänger in
der Lage sind, einige Verzögerungen aufgrund
von Signalausbreitung zu berücksichtigen, sind
solche Verzögerungen
typischerweise auf die Größenordnung
von Zehnern von Mikrosekunden begrenzt, während die zur Bestimmung der
Gewichte für
optimale Gruppenkombinierung typischerweise erforderte Verzögerung ein
Vielfaches davon ist.
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Aufgrund
der Zusatzschaltungsverzögerung sollte
daher das von dem bestehenden Basisstationsempfänger gesehene Signal scheinbar
eine Ausbreitungsverzögerung
aufweisen, die die Kompensationsfähigkeit der Basisstation weit überschreitet,
und das System würde
nicht funktionieren.
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Eine
vordem vorgeschlagene Lösung
besteht in der Verwendung von HF-Analoggewichtung und Kombinieren
der Empfangssignale anstatt von Digitalsignalverarbeitung der Empfangssignale.
Obwohl jedoch HF-Analoggewichtung eine vernachlässigbare Verarbeitungsverzögerung auf
dem Signalweg durch die Zusatzschaltung einführt, ist die zur Berechnung
der Gewichte erforderliche Verarbeitungszeit nicht vernachlässigbar.
Die Verzögerung zur
Berechnung der Gewichte ist unerwünscht, da während der Zeit vor der Berechnung
der Gewichte ein verschlechtertes Signal ausgegeben wird und die Gruppenleistung
schlecht sein wird, wenn die Schwundrate schneller als wenige Hz
ist, was bei typischen Fahrzeuggeschwindigkeiten in Mobilkommunikation
der Fall ist.
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In
EP-A-0 582 233 ist eine adaptive Empfangsvorrichtung offenbart,
die N Antennen, N Empfänger,
M adaptive Gruppenanordnungen, ein Verzögerungselement mit einer Verzögerungszeit
2τ, ein Verzögerungselement
mit einer Verzögerungszeit τ, einen Kombinierer,
einen adaptiven Entzerrer, ein Verzögerungselement mit einer Verzögerungszeit τ und ein
Verzögerungselement
mit einer Verzögerungszeit
2τ umfaßt. Jede
adaptive Gruppenanordnung enthält
N Multiplizierer, N Verzögerungsschaltungen,
N Korrelatoren und einen Addierer. Die Verzögerungszeit τ ist im gewöhnlichen
Fall auf ein Datenintervall τ oder
in einem Sonderfall auf T/2 eingestellt. Diese Vorrichtung soll
in der Lage sein, sowohl Maximierung des SN-Verhältnisses als auch Entfernung
von Mehrwegewellen gleichwertig zu realisieren.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Ein
Empfänger
und Verfahren gemäß der Erfindung
entsprechen den unabhängigen
Ansprüchen. Bevorzugte
Ausführungsformen
entsprechen den abhängigen
Ansprüchen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ein
vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung ist aus Betrachtung der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen erhältlich.
In den Zeichnungen ist:
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1 ein
Blockschaltbild einer adaptiven Gruppe mit mehreren Antennen;
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2 ein
Blockschaltbild einer gegenwärtigen
Basisstation mit Zusatzschaltung;
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3 ein
ausführliches
Blockschaltbild der Zusatzschaltung;
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4A und 4B die
Rahmen- und Zeitschlitzarchitektur des bei IS-136 benutzten digitalen Aufsatz-Verkehrskanals;
und
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5 ein
Blockschaltbild eines zur Prüfung der
Wirkungen von Zusatzschaltungsverzögerung benutzten Experiments.
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Ausführliche
Beschreibung verschiedener beispielhafter Ausführungsformen
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Obwohl
sich die vorliegende Erfindung besonders gut für die Verwendung in TDMA-Mobilfunksystemen
eignet und im Bezug auf diese Anwendung beschrieben wird, sind die
hier offenbarten Verfahren und Einrichtungen auf andere Burst-Funkkommunikationssysteme
anwendbar.
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Bei
TDMA-Mobilfunksystemen wie beispielsweise IS-136 werden auf der
Aufsatzstrecke von der Mobilstation zur Basisstation Daten periodisch
in Zeitschlitzen bzw. Bursts einer bekannten und festen Dauer übertragen.
Jeder Datenburst wird im wesentlichen unabhängig von anderen Datenbursts
durch den Basisstationsempfänger
verarbeitet. Es ist daher möglich,
die Zusatzschaltung so auszulegen, daß sie eine künstliche
Verzögerung
einführt,
die ihre wahre Signalverarbeitungsverzögerung überschreitet, so daß die Gesamtverzögerung durch
die Zusatzschaltung nominell ein Mehrfaches der Zeitschlitzdauer beträgt. Bei
dieser Anordnung kommt der verzögerte Datenburst
nominell zu einem späteren
Zeitschlitz ausgerichtet an, anstatt einfach sehr spät für seinen eigenen
Zeitschlitz.
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Da
alle Aufwärts-Datenbursts
auf diese Weise durch die Zusatzschaltung verarbeitet werden, werden
alle Aufwärts-Bursts
in spätere
Zeitschlitze zeitverschoben, und so erhöht sich die Nettoverzögerung aller
Aufwärtsdaten
um die Zusatzschaltungsverzögerung.
Aufwärts-Datenbursts
umfassen typischerweise sowohl Sprachverkehr als auch verschiedene
durch das Zellularfunksystem benutzte Verwaltungsinformationen.
So sind zusätzliche
Betrachtungen bei diesem Ansatz, daß die zusätzliche Sprachverzögerung für den Benutzer
tolerierbar sein soll und daß die
zusätzlichen
Verzögerungen
der Verwaltungsdaten für
das Zellularfunksystem als Ganzes tolerierbar sein sollen. Beispielhafterweise
beträgt
die Zeit vom Beginn des Zeitschlitzes eines Benutzers zum Beginn
des nächsten
Zeitschlitzes dieses Benutzers 20 Millisekunden (ms) für den mit
vollratigen Sprachcodierern arbeitenden IS-136-Verkehrskanal. Diese
Verzögerung
ist ausreichend für
die notwendige Signalverarbeitung, aber unauffällig für Systembenutzer. Die IS-136-Spezifikationen
für über den
Verkehrskanal übertragene
Verwaltungsdaten erlauben bis zu 100 ms Reaktionszeiten, so daß, obwohl
die 20 ms von Zusatzschaltungsverzögerung die verfügbare Verzögerung verringern,
sie nicht die Spezifikation überschreitet.
So ist dieses Verfahren für
den Verkehrskanal bei IS-136 durchführbar, und auch für andere
Burst-Funkkommunikationssysteme. Bei einem auf GSM basierenden System
(Groupe Speciale Mobile, auch als Global System for Mobile Communications
bekannt), das ein standardmäßiger digitaler Zellularfunktelefondienst
in Europa und Japan ist, würde
die Verzögerung
einem Mehrfachen von 4,615 ms entsprechen. Bei einem auf DECT basierenden System
(Digital European Cordless Telecommunications), das eine gesamteuropäische Spezifikation
für eine
digitale schnurlose Telefonieschnittstelle ist, würde die
Verzögerung
einem Mehrfachen von 10 ms entsprechen.
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Bezugnehmend
auf 1 ist dort ein Blockschaltbild einer Art von in
einer Basisstations-Zusatzschaltung benutzten Signalverarbeitung
dargestellt. Ein durch eine Mobilstation 10 über eine
Mobilantenne 12 übertragenes
Signal u(t) wird durch eine Basisstation 16 an M Antennen 18 jeweils
mit Empfangssignalen s1(t) bis sM(t) empfangen. Die Empfangssignale werden
unter Verwendung von Multiplizierern 20 mit jeweiligen
Gewichtungen w1(t) bis wM(t)
gewichtet, um entsprechende gewichtete Signale x1(t)
bis xM(t) zu erzeugen. Die gewichteten Signale
x1(t) bis xM(t)
werden dann unter Verwendung des Summierers 24 kombiniert,
um ein Ausgangssignal y(t) zu erzeugen, das dann für die Basisstationseinrichtung bereitgestellt
wird. Gewichtungen w1(t) bis wM(t)
werden durch Gewichterzeugungsschaltungen 22 unter Verwendung
der Empfangssignale s1(t) bis sM(t)
und des Ausgangssignals y(t) erzeugt. An den Zusatzschaltungs-Prozessorschaltungen 14 werden
die Empfangssignale s1(t) bis sM(t)
gewichtet und kombiniert, um die Signalgüte am Ausgang zu verbessern. Bei
einer Ausführungsform
werden die Gewichte zum Minimieren des mittleren Quadratfehlers
im Ausgangssignal eingestellt.
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Bezugnehmend
auf 2 ist dort eine bestehende Basisstation mit einer
adaptiven Antennenzusatz schaltung dargestellt. Eine bestehende Basisstation 30 besteht
aus einer Sendeantenne 32 und zwei Empfangsantennen 34.
Durch die Empfangsantennen 34 empfangene Signale werden
an eine entsprechende Empfänger-Antennenweiche 38 angekoppelt,
die Empfangssignale s0(t) und s1(t)
auf einen Standortempfänger 40,
Organisationskanal-Sender/Empfänger 42,
N-1 Verkehrskanal-Sender/Empfänger 44 und
Verkehrskanal-Sender/Empfänger 48 mit
einem Sender/Empfänger
pro Verkehrskanal aufteilt. Für
jeden Verkehrskanal benutzt der Verkehrskanal-Sender/Empfänger 44 Empfangssignale
s0(t) und s1(t)
von Empfangsantennen 34 zum Erzeugen eines Ausgangssprachsignals.
Die Sprachsignale aus dem Verkehrskanal-Sender/Empfänger 44 werden
der Zellenstandortsteuerung 46 zugeführt und zur Mobilvermittlungsstelle
MTSO 59 (mobile telephone switching office) weitergegeben.
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Zum
Zufügen
von Verarbeitung wie der in in 1 gezeigten
kann eine Antennenzusatzschaltung zur Basisstation hinzugefügt werden,
mit einer beispielhaften Ausführungsform
wie in 2 gezeigt, beispielhafterweise zur Verbesserung
der Leistung des Verkehrskanal-Sender/Empfängers 48. Die zugefügte Schaltung 56 weist
zwei zusätzliche
Empfangsantennen 58 auf. Durch die zusätzlichen Empfangsantennen 58 empfangene
Signale werden wie in der gegenwärtigen
Basisstation 30 an entsprechende Empfänger-Antennenweichen 50 angekoppelt.
Signale von den Empfangsantennen s0(t) bis s3(t) werden dann durch die adaptive Antennenzusatzschaltung 52 verarbeitet,
die das Ausgangssignal y(t) erzeugt, das dem Verkehrskanal-Sender/Empfänger 48 zugeführt wird.
In der 2 erlauben die Schalter 54 das Umschalten
eines Eingangssignals des Verkehrskanal-Sender/Empfängers 48 zwischen
der bestehenden Basisstation 30 und der adaptiven Antennenzusatzschaltung 52.
Bei dieser Ausführungsform
erfordert die Zufügung
der adaptiven Zusatzschaltung 52 keine Abänderung
der bestehenden Basisstation 30.
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Bezugnehmend
auf 3 ist dort eine weitere Einzelheit der adaptiven
Antennenzusatzschaltung 52 der 2 dargestellt.
Empfangssignale s0(t) bis s3 (t)
von Antennenweichen 38 und 50 in der 2 werden
durch HF-Abwärtsumsetzer 60 von
HF ins Basisband oder in ZF umgewandelt. Ausgangssignale v0(t) bis v3(t) von
Abwärtsumsetzern 60 werden dann
durch A/D-Wandler 62 in digitale Abtastwerte umgewandelt
und die digitalen Abtastwerte werden durch digitale Signalverarbeitungsschaltungen 64 verarbeitet.
Die digitalen Signalverarbeitungsschaltungen 64 erzeugen
ein Ausgangssignal a(t), das durch D/A-Wandler 66 in ein
Analogsignal umgewandelt und durch Sendemodulator-/Aufwärtsumsetzerschaltungen 68 auf
die Empfangsträgerfrequenz hochgemischt
wird, und das Ausgangssignal wird dann an den Basisstations-Verkehrskanal-Sender/Empfänger 48 in
der 2 angekoppelt. Die Zusatzschaltung verarbeitet
Empfangssignale s0(t) bis s3(t),
um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das der Basisstation 30 in
der 2 so erscheint, als ob es von einer Standardantenne
gekommen ist, d.h. die Zusatzschaltungsverarbeitung ist für die Basisstation 30 transparent.
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Eine
Schlüsselfrage
für die
Transparenz ist die eingeführte
Verzögerung.
Die in 3 dargestellte adaptive Antennenzusatzschaltung 52 kann
im Vergleich zu der typischerweise in Mobilfunksystemen angetroffenen
Laufzeit einen bedeutsamen Betrag an Verarbeitungszeit erfordern.
Ein großer
Teil dieser Verzögerung
liegt in der Berechnung von adaptiven Gewichtungen für optimale
Kombinierung.
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Die
Verzögerung
läßt sich
besser durch beispielhafte Betrachtung des Nordamerikanischen Digitalen
Mobilfunkstandards IS-136 verstehen. Bezugnehmend auf 4A ist
dort der TDMA-Rahmen 70 und Zeitschlitze 72 dargestellt.
Bezugnehmend auf 4B, ist dort ausführlich ein
Zeitschlitzaufbau 72 des digitalen Verkehrskanal der IS-136-Aufwärtsstrecke
(Mobilstation zur Basisstation) dargestellt. Dies ist eine TDMA-Rahmenstruktur (time-division
multiple access), bei der von jedem Mobilstation-(Zellulartelefon-)Benutzer übertragene
Daten periodisch in Zeitschlitzen 72 bzw. „Bursts" übertragen werden. Pro Rahmen 70 sind
6 Zeitschlitze 72 definiert. Die Dauer des Rahmens 70 beträgt 40 ms
und jeder der Zeitschlitze 72 ist ein sechstel der Rahmendauer,
annähernd
6,7 ms.
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Wenn
Sprachcodierer mit Standardrate benutzt werden, werden pro Kanal
drei Benutzer zugewiesen, wobei jeder Benutzer in zwei der sechs
Zeitschlitze überträgt, d.h.
im Zeitrahmen 70 den ersten und vierten Zeitschlitz 72 für den ersten
Benutzer, den zweiten und fünften
Zeitschlitz 72 für
den zweiten Benutzer und den dritten und sechsten Zeitschlitz 72 für den dritten
Benutzer. Jeder Zeitschlitz 72 umfaßt 162 Symbole einschließlich der
SYNC-Folge 74 (Synchronisation). SYNC 74 umfaßt Symbole 15 bis 28.
Die Synchronisationsfolge ist fest und am Empfänger im Voraus bekannt. Um
die adaptiven Gewichtungen der Zusatzschaltung zwecks Interferenzlöschung zu
berechnen, z.B. wie in „Signal
Acquisition and Tracking with Adaptive Arrays in the Digital Mobile
Radio System IS-54 with Flat Fading" (Signalerfassung und -verfolgung mit
adaptiven Antennengruppen im digitalen Mobilfunksystem IS-54 mit gleichmäßigem Schwund)
von Jack Winters, IEEE Trans. on Vehicular Technology, November
1993 beschrieben, ist es vorteilhaft, Vorkenntnis von einigen Symbolen
innerhalb jedes Zeitschlitzes zu besitzen und die Folge SYNC 74 stellt,
obwohl sie ursprünglich
nicht für
diesen Zweck bestimmt war, trotzdem diese Fähigkeit bereit. Bevor daher
die Zusatzschaltung die adaptiven Gewichtungen berechnen kann, muß sie mindestens
die ersten 28 Symbole des Burst erfassen. Das ergibt eine Verzögerung von
mindestens 28 Symbolen (annähernd
1152 μsec)
nur für
die Erfassung, selbst wenn keine nachfolgenden Verarbeitungsverzögerungen
in der Zusatz schaltung eintreten würden, und in der Tat würden die
nachfolgenden Verarbeitungsverzögerungen
für die
tatsächliche Berechnung
der adaptiven Gewichtungen und Ableitung des Zusatzsschaltungsausgangssignals
typischerweise diese Verzögerung
bedeutsam überschreiten.
Obwohl IS-136-Basisstationsempfänger dafür ausgelegt
sind, Verzögerungen
aufgrund der Signalausbreitung zu berücksichtigen, sind derartige Verzögerungen
von der Größenordnung
einiger weniger Symbole. So überschreiten
die für
adaptive Gewichtverarbeitung durch die Zusatzschaltung erforderlichen
Verzögerungen
von sich aus die Fähigkeit bestehender
IS-136-Empfänger,
innerhalb der für Ausbreitungseffekte
zugeteilten Verzögerung
zu arbeiten.
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Bezugnehmend
auf 5 ist dort ein Blockschaltbild der zum Prüfen der
Verzögerung
an einer IS-54-Basisstation benutzten Einrichtung dargestellt. Es
ist zu beachten, daß bei
IS-54 ein mit IS-136 identisches Verkehrskanalformat benutzt wird.
Ein IS-54-Zellulartelefon 80 kommuniziert
mit dem IS-54-Basisstationsemulator 82 über Schaltungen 84,
die Verzögerung
in den Mobiltelefon-Basisstation-Weg einführen. Durch Duplexer 86 und 87 werden die
Sende- und Empfangssignale
auseinandergetrennt, wobei das von der Basisstation übertragene Signal
direkt über
die Duplexer 86 und 87 mit dem Zellulartelefon 80 verbunden
wird. Das vom Zellulartelefon 80 übertragene Signal geht durch
den Duplexer 86 in den Empfangs-Abwärtsumsetzer/Demodulator 88,
wo es unter Verwendung des Trägersignals c(t)
vom Empfängeroszillator 90 in
Basisbandsignale bI(t) und bQ(t),
die gleichphasigen bzw. quadraturphasigen Komponenten, umgewandelt
wird. Die Basisbandsignale bI(t) und bQ(t) werden dann unter Verwendung der A/D-Wandler 92 in
Digitalsignale eI(t) und eQ(t)
umgewandelt und die Digitalsignale eI(t) und
eQ(t) werden durch einen in einer Verzögerungsschaltung 94 enthaltenen
Digitalsignalprozessor verarbeitet, um eine einstellbare Verzögerung einzuführen. Die verzögerten digitalen
Ausgangssignale fI(t) und fQ(t)
werden dann durch D/A-Wandler 96 in analoge Basisbandsignale
gI(t) und gQ(t)
zurückgewandelt
und durch Sende-Modulator/Aufwärtsumsetzer 98 unter
Verwendung des Trägersignals
c(t) vom Hilfsoszillator 90 auf die Trägerfrequenz hochgemischt. Das
verzögerte
Analogsignal h(t) wird dann über
den Duplexer 87 dem Basisstationsemulator 82 zugeführt.
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Wenn
anfänglich
eine Zellulartelefonverbindung ohne Verzögerung auf dem Aufwärtsweg aufgebaut
wird, wurde beobachtet, daß mit
der Einführung
zusätzlicher
Verzögerung
von mehr als einigen Symbolen, aber viel weniger als 20 ms, die
Verbindung abgeworfen wurde. Wenn jedoch die eingeführte Verzögerung sehr
nahe bei 20 ms lag, d.h. wenn das Signal so verzögert wird, daß es für diesen
Benutzer zum nächsten
Zeitschlitz ausgerichtet ist, dann wird die Verbindung nicht abgeworfen.
Es wurde beobachtet, daß Verbindungen
mit Verzögerungen
von Mehrfachen von 20 ms bis zu 200 ms aufrechterhalten wurden.
Mit Verzögerungen
in diesem Bereich war der Basisstationsemulator 82 noch
in der Lage, die Verwaltungsfunktionen der Mobilgerätesendeleistungseinstellung
und Mobilgerätezeitausrichtung
durchzuführen.
Er war jedoch nicht fähig, Weiterschaltungen
zwischen Schlitzen erfolgreich zu vollenden, wenn die Verzögerung nicht
das 3fache oder weniger als die benutzerverbinderinterne Burstverzögerung von
20 ms betrug. So ist ein Zusatzschaltungsansatz durchführbar, wenn
die Verzögerung
ein kleines ganzzahliges Mehrfaches der benutzerverbindungsinternen
Burstverzögerung
ist.
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Dem
Fachmann werden angesichts der obigen Beschreibung zahlreiche Abänderungen
und alternative Ausführungsformen
der Erfindung offenbar sein. Dementsprechend ist die vorliegende
Beschreibung als nur beispielhaft anzusehen und dient dem Zweck,
dem Fachmann die beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung zu lehren.
Die ausschließliche
Verwendung aller Abänderungen,
die in den Rahmen des beiliegenden Anspruchs fallen, ist reserviert.