DE69827074T2

DE69827074T2 - Mehrkeulenantennensystem für zellulare Basisfunkstation

Info

Publication number: DE69827074T2
Application number: DE69827074T
Authority: DE
Inventors: Christopher Robert Bishops Stortford Ward; Martin Stevens Chelmsford Essex Smith; Andrew William Widdington Saffron Walden Jeffries
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1998-06-01
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2018-06-02
Also published as: DE69827074D1; EP0883208A2; EP1467437A1; CA2239601C; CA2239601A1; EP0883208A3; EP0883208B1; US6167286A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung und auf ein Verfahren zum Betrieb einer Antennenanordnung zur Verwendung in einem Zellular-Kommunikationssystem, und insbesondere auf eine Antennenanordnung und ein Verfahren, die bzw. das Diversity verwendet.
Hintergrund der Erfindung
In üblichen Zellularfunksystemen sind geografische Bereiche in eine Anzahl von aneinander angrenzenden Zellen unterteilt, in denen Mobilstationen innerhalb einer Zelle mit einer Sendeempfänger-Basisstation in Kommunikation treten. Das Frequenzband, in dem Zellularfunksysteme arbeiten, ist hinsichtlich der Bandbreite begrenzt, so dass verfügbare Trägerfrequenzen erneut verwendet werden müssen, um eine ausreichende Benutzerkapazität in dem System bereitzustellen. Trägerfrequenzen werden von Zelle zu Zelle wiederbenutzt, und in herkömmlichen Systemen ist es üblich, jede nominell sechseckige Zelle in drei Sektoren zu unterteilen (eine 3-Sektor-Zelle) und Rundstrahl- oder sektorisierte Antennen zu verwenden.
Es besteht ein zunehmender Kapazitätsbedarf für die Verwendung von Zellularfunksystemen. Bei Installationen, bei denen die Sendeempfänger-Basisstation an der Mitte der Zelle eine unzureichende Kapazität haben, um den Bedarf von Mobilstationen innerhalb der Zellen zu erfüllen, ist es zur Vergrößerung der Anrufübertragungskapazität erforderlich, die Größe der Zellen zu verringern und mehr Zellen mit kleinerer Fläche zu schaffen. Die Schaffung neuer Zellen bedingt jedoch die Schaffung neuer Sendeempfänger-Basisstationen, was das Problem von vergrößerten Ausrüstungskosten und anderen zugehörigen Kosten ergibt, wie z. B. die Kosten zum Mieten oder Kaufen geeigneter Standorte. Weiterhin ist es zunehmend schwierig, Planungsgenehmigungen für neue Antennenstandorte zu erhalten. Somit sind alle Techniken, die eine Vergrößerung der Kapazität bei vorhandenen Sendeempfänger-Basisstationen ermöglichen, von Bedeutung.
Die Art der an dem Basisstations-Standort verwendeten Antenne kann möglicherweise erhebliche Verbesserungen hinsichtlich der Reichweite und Kapazität eines Zellularfunksystems ergeben. Bei einer Lösung umfasst ein Basisstations-Antennendiagramm einen Strahl mit schmalen Winkelbreiten, wie dies in den 1 und 2 gezeigt ist. Ein schmaler Strahl 1 wird von einer intelligenten Antenne 2 einer Basisstation auf eine gewünschte Mobilstation 3 gerichtet. Der Strahl ist sowohl in Azimut- als auch Elevations-Ebenen schmal und folgt den Bewegungen der Mobilstation. Verglichen mit einer Rundstrahlantenne hat ein derartiger schmaler Strahl den doppelten Vorteil, dass er einen hohen Gewinn hat, was zu einer vergrößerten Reichweite in einer durch thermisches Rauschen begrenzten Umgebung führt, und dass er Störungen von den gleichen Kanal wiederbenutzenden Zellen auf Grund der räumlichen Trennung der Strahlen unterdrückt, wodurch eine höhere Kapazität in einer Zelle ohne Zellenaufteilung ermöglicht wird. Ein schmaler Strahl hat den Vorteil der Verringerung von Störungen in symmetrischer Weise auf einen Aufwärts- und Abwärtsstrecken-Pfad.
Wenn jede Zelle eine Anzahl von intelligenten Antennen hat, die schmale Strahlen aufweisen, die einzelnen Mobilstationen folgen, ergibt sich insgesamt eine Reduzierung des Träger-/Stör-(C/I-)Verhältnisses aufgrund der statistischen Wahrscheinlichkeit, dass unterschiedliche Strahlen, die die gleiche Trägerfrequenz verwenden, in unterschiedliche Richtungen zeigen, die unterschiedliche Azimutwinkel haben. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei oder mehr Strahlen mit der gleichen Trägerfrequenz einander schneiden, ist verringert. Je schmaler die Strahlen sind, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Mobilstation einen die gleiche Frequenz aufweisenden Strahl einer anderen Zelle auffängt, in der die gleiche Trägerfrequenz erneut verwendet wird. Obwohl ein schmaler Strahl bei Funkfrequenzen typischerweise in den 900 MHz-, 1800 MHz- oder 1900 MHz-Bändern gebildet wird, kann ein schmaler Strahl in brauchbarer Weise als Analog zu Suchlichtstrahlen verdeutlicht werden, die von der Basisstation ausgehen und den Mobilstationen folgen. Im Gegensatz zu einer Rundstrahlantenne ergibt dies einen Übertragungspfad hoher Qualität mit minimalen Störungen. Für die Zwecke dieses Dokumentes soll die Verwendung des Wortes „Rundstrahl" die Bedeutung vermitteln, dass sich eine Strahlungsüberdeckung über einen Bereich ergibt, der im Wesentlichen den gesamten geografischen Bereich einer Zelle entspricht. Das Ausmaß des Vorteils einer Antenne mit schmalem Strahl gegenüber einer Rundstrahlantenne ist eine Funktion der Strahlbreite der Antenne mit schmalem Strahl. Je kleiner die Strahlbreite ist, desto größer ist der Vorteil.
Die Antennengruppe mit einem die Gegenstation verfolgenden Strahl ergibt zwar einerseits ein verbessertes Träger-/Störverhältnis, ist jedoch andererseits gegen Schwunderscheinungen empfindlich, insbesondere deshalb, weil alle Elemente in der Antennengruppe mit sehr geringem Abstand voneinander angeordnet sein können, so dass daher ein Schwund an allen Elementen gleichzeitig auftritt.
Bei einer anderen Lösung ist eine Anzahl von relativ schmalen Strahlen vorgesehen, die räumlich festgelegt sind. Während sich die Mobilstation über einen Bereich bewegt, der durch eine Anzahl von Strahlen überdeckt ist, muss die Mobilstation von Strahl zu Strahl übergeben werden, und unter Verwendung einer intelligenten Antennenanordnung können Frequenzen zwischen Strahlen umgeschaltet werden, um eine Mobilstation zu verfolgen, so dass die Mobilstation ihre Kommunikation auf der gleichen Trägerfrequenz beibehalten kann, ohne dass eine Übergabe auf eine andere übertragene Frequenz erforderlich ist. Die intelligente Antennenanordnung, die für eine Lösung mit geschaltetem Strahl erforderlich ist, ist jedoch auch gegenüber Schwund empfindlich, und zwar aus den gleichen Gründen, wie die nachgeführten Strahlen, die weiter oben beschrieben wurden.
Eine Lösung, die zur teilweisen Überwindung der Effekte von Schwunderscheinungen in üblichen Rundstrahlantennen und in in Sektoren unterteilten Antennen verwendet wird, ist die Verwendung einer „Diversity". In 3 ist ein Beispiel eines Überdeckungsbereiches für ein Zellularfunksystem gezeigt, das in eine Anzahl von nominell sechseckigen Zellen unterteilt ist, wobei jede Zelle in nominelle 120°-Winkelsektoren unterteilt sind. Beispiele von 120°-Sektoren sind bei 300, 301, 302 gezeigt. In herkömmlicher Weise kann jeder 120°-Sektor eine Diversity verwenden und durch ein Paar von Antennen versorgt werden, die erste und zweite Antennenelemente aufweisen, die einen Abstand voneinander in der Größenordnung von 2–3 Metern oder dergleichen haben. Derartige Antennenpaare tragen dazu bei, einen Rayleigh-Schwund zu beseitigen. Wenn eine Antenne einen Schwund aufweist und ein schwaches Signal empfängt, kann die andere Antenne des Paares außerhalb des Schwundbereiches sein und ein stärkeres Signal empfangen. Der Einsatz von herkömmlichen Diversity-Antennenpaaren in einer nominell sechseckigen Zelle ist schematisch in den beigefügten 4 und 5 gezeigt. Auf einer Aufwärtsstrecke hat jede Antenne einen 120° breiten Strahl mit hoher Verstärkungsempfindlichkeit, von der sie Signale von Mobilstationen innerhalb einer Zone auffängt, die durch den Strahl abgedeckt ist. Strahlen von den zwei Antennen überlappen einander, so dass ein von einer Mobilstation MS ausgesandtes Signal in einer Zone, die von beiden Strahlen überdeckt ist, von beiden Antennen empfangen wird. In einer Zelle mit drei Sektoren unter Verwendung der Lösung mit Diversity-Antennenpaaren kann eine dreieckige Halterung 500 auf einem Mast 501 befestigt sein, wobei auf jeder Seite der dreieckigförmigen Halterung ein Paar von Antennen 502, 503; 504, 505; 506, 507 befestigt ist. Eine herkömmliche Diversity-Paar-Antennenanordnung umfasst eine Hauptantenne 502 und eine Diversity-Antenne 503, wobei die zwei Antennen mit einem Diversity-Empfänger verbunden sind. Wenn die Antennen eines Antennenpaares mit einem ausreichenden Abstand voneinander angeordnet sind, wird irgendein Schwund, der an einer Antenne des Paares auftritt, weitgehend unkorreliert zu dem Schwund sein, der an der anderen Antenne des Paares auftritt. Der Gewinn-Vorteil, der bei der Verwendung herkömmlicher Diversity-Paar-Antennen erzielt werden kann, liegt typischerweise in dem Bereich von 3 dB bis ungefähr 8 dB. Die übliche drei Sektoren aufweisende Basisstations-Antennenkonfiguration erzeugt eine Vergrößerung des Träger-/Störverhältnisses gegenüber einem Zellularfunksystem, das Diversity-Rundstrahlantennen verwendet, wobei gleichzeitig ein verbessertes Signal-/Störverhältnis durch die Verwendung von Diversity-Paar-Antennen in jedem Sektor beibehalten wird.
In 6 ist schematisch eine Schalteranordnung einer bekannten Antennenanordnung für eine in drei Sektoren unterteilte Zelle mit drei 120°-Sektoren gezeigt. Jeder Sektor ist mit einem Diversity-Antennenpaar 600, 601 bzw. 602 versehen, wobei jede Antenne eine Hauptantenne und eine Diversity-Antenne umfasst. Jede Antenne ist mit einem Eingang eines Hochfrequenz-Schalters 603 verbunden, der durch den Diversity-Funkempfänger 604 gesteuert wird, der die empfangenen Signale abtastet, die auf jedem der Diversity-Antennenpaare der drei Sektoren vorliegen. Eine Sektorabtastung wird durchgeführt, um festzustellen, wann eine Mobilstation von einem Sektor zu einem anderen zu übergeben ist. Der ein Hochfrequenzsignal von einer Mobilstation an einem Sektor empfangende Empfänger 604 tastet die Antennen der anderen Sektoren gelegentlich ab, um die empfangenen Signalstärken auf diesen benachbarten Sektoren zu vergleichen, um zu bestimmen, wann eine Verbindung zwischen Sektoren zu übergeben ist. Ein Beispiel eines bekannten Diversity-Empfängers mit einer Sektor-Abtasteinrichtung ist die NT-800-DR-Dual-Betriebsart-Funkeinheit, die von der Firma Northern Telecom Limited erhältlich ist.
Obwohl Antennen mit einer breiten 120°-Sektorüberdeckung eine gewissen Vergrößerung der Systemkapazität durch eine Frequenzwiederbenutzung ergeben können, ist zur weiteren Verbesserung des Träger-/Störverhältnisses und damit der Systemkapazität die Verwendung von mehrfachen schmalen Strahlen in einem Sektor wünschenswert. Um eine Anzahl von schmalen gerichteten Strahlen zu erzeugen, wird eine Antennengruppe mit einer Anzahl von Antennenelementen verwendet. Die relative Phasen- und Amplituden-Gewichtung jedes der Elemente bestimmt die Richtung und Breite der Strahlen. Die Antennengruppe ist in idealer Weise so kompakt wie möglich, um die Größe und das Gewicht zu verringern. Weil jedoch derart kleine Aperturen verwendet werden, sind die Antennen gegenüber einem Schwund empfindlich. Die Größe und Form der Gruppenantennen, die einen Betrieb mit schmalem Strahl mit bis zu 7 oder 8 Strahlen pro 120°-Sektor ergeben, bedeutet, dass diese Antennen einem Schwund auf allen Strahlen gleichzeitig auf Grund des geringen Abstandes der Elemente der Gruppenantenne erfahren können.
Obwohl es wünschenswert ist, eine große Anzahl von schmalen Strahlen in einem Sektor zu verwenden, um die Kapazität zu vergrößern, und es wünschenswert ist, eine kompakte Apertur aufweisende Antennen auf Grund des Vorteils von geringem Gewicht und kleiner Größe zu verwenden, bleibt bei Verwendung einer derartigen Konfiguration ein Schwundproblem bei allen Strahlen in einem Sektor gleichzeitig.
Frühere Lösungen für das Schwundproblem unter Verwendung von Diversity-Paar-Antennen haben alle Antennen mit breiter Apertur. Damit verbleibt ein Problem der Vergrößerung der Systemkapazität durch eine größere Wiederbenutzung der Trägerfrequenzen in einer Lösung mit schmalen Strahlen, wobei gleichzeitig der Schwund in allen Strahlen einer Antenne überwunden werden soll.
Ein zellulares Antennensystem unter Verwendung einer winkelmäßigen und Abstands-Diversity ist in der WO 96/23328 beschrieben. Zwei Mehrstrahl-Antennen sind unter unterschiedlichen Azimutwinkeln in einem interessierenden Sektor angeordnet, um eine Winkel-Diversity zu schaffen. Eine Gewinnvergrößerung wurde für zwei Vier-Strahl-Antennen verglichen mit der Überdeckung des gleichen Sektors durch eine oder mehrere Antennen festgestellt, die jeweils einen einzigen Strahl mit Sektorbreite aufweisen.
Die WO 96/23329 beschreibt ein einen hohen Gewinn aufweisendes Antennensystem mit einer Sektor-Antenne für einen niedrigen Gewinn und einer Mehrstrahl-Antenne für einen Gewinn. Eine Diversity wird dadurch erzielt, dass eine zweite Mehrstrahl-Antenne bereitgestellt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Träger-/Störverhältnisses durch die Verwendung von mehrfachen Strahlen in einem Zellen-Sektor, während gleichzeitig ein verbessertes Signal-/Störverhältnis erreicht wird und Schwundprobleme vermieden werden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Träger-/Störverhältnisses in einer Basisstations-Sendeempfänger-Ausrüstung, während gleichzeitig ein annehmbares Signal-/Rausch-Betriebsverhalten aufrecht erhalten wird und eine Antennengruppe mit relativ kompakter Größe verwendet wird.
Die Erfindung ergibt eine Antennenanordnung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, sowie ein Verfahren zum Empfang von Kommunikationssignalen, wie es im Anspruch 11 definiert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie die Erfindung praktisch ausgeführt werden kann, werden nunmehr lediglich in Form eines Beispiels spezielle Ausführungsformen, Verfahren und Prozesse gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
7 schematisch eine Anzahl von Aufwärtsstrecken-Empfangsstrahlen eines Sektors eines Zellularbereiches zeigt;
8 schematisch eine Architektur für eine erste Antennenanordnung zeigt, die ein Haupt-Kommunikationssignal auf einer Anzahl von Haupt-Aufwärtsstrecken-Empfangsstrahlen und ein Diversity-Kommunikationssignal auf einem breiten Diversity-Vollsektor-Diversity-Aufwärtsstrecken-Empfangsstrahl empfängt;
9 schematisch eine zweite Antennenanordnung zeigt, die Kommunikationssignale auf eine Anzahl von Haupt-Aufwärtsstrecken-Empfangsstrahlen und auf einem Diversity-Aufwärtsstrecken-Empfangsstrahl empfängt, wobei die Haupt-Aufwärtsstrecken-Empfangsstrahlen und der Diversity-Aufwärtsstrecken-Empfangsstrahl durch in Abstand voneinander angeordnete Haupt- und Diversity-Antennen gebildet werden;
10 schematisch eine dritte Antennenanordnung mit einer Haupt-Antennengruppe und einer Diversity-Antennengruppe zeigt, die in Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die Haupt-Antennengruppe Kommunikationssignale auf einer Anzahl von Haupt-Empfangsstrahlen empfängt und die Diversity-Antennengruppe Signale auf einer Anzahl von Diversity-Aufwärtsstrecken-Signalstrahlen empfängt;
11 und 12 ein Strahlabtastverfahren zeigen, das von der dritten Antennenanordnung betrieben wird;
13 schematisch eine vierte Antennenanordnung mit einer Haupt-Antennengruppe und einer Diversity-Antennengruppe zeigt, die in Abstand voneinander angeordnet sind, wobei eine Anzahl von Haupt-Aufwärtsstrecken-Empfangsstrahlen abgetastet wird und eine Anzahl von Diversity-Aufwärtsstrecken-Empfangsstrahlen abgetastet werden;
14 schematisch eine Anzahl von sich überlappenden Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahlen und sich überlappenden Diversity-Aufwärtsstrecken-Strahlen zeigt, wobei einzelne der Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahlen einander überlappen und einzelne der Diversity-Aufwärtsstrecken-Strahlen einander überlappen, und die Diversity-Aufwärtsstrecken-Strahlen die Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahlen überlappen;
15 schematisch die Haupt-Antennengruppe und die Diversity-Antennengruppe der vierten Antennenanordnung nach 14 zeigt;
16 schematisch eine fünfte Antennenanordnung zeigt, bei der eine eine Einzelapertur aufweisende Antennengruppe Kommunikationssignale auf einer Anzahl von Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahlen, die mit einer ersten Polarisation arbeiten, und auf einer Anzahl von Diversity-Aufwärtsstrecken-Strahlen empfängt, die mit einer zweiten Polarisation arbeiten;
17 schematisch ein Aufwärtsstrecken-Strahldiagramm der fünften Antennenanordnung zeigt, wobei jeder Aufwärtsstrecken-Strahl hinsichtlich der Polarisation getrennt ist;
18 schematisch eine ausführlichere Realisierung der fünften Antennenanordnung nach 16 zeigt;
19 einen Schalter zur Auswahl zwischen einem Hauptversorgungs-Strahlsignal, linken und rechten benachbarten Haupt-Strahlsignalen und einem Diversity-Strahlsignal zeigt;
20 ein erstes Überwachungsschema zur Überwachung eines Hauptversorgungs-Strahls, linker und rechter Strahlen benachbart zu dem Hauptversorgungs-Strahl und eines Diversity-Strahls zeigt; und
21 ein zweites Überwachungsschema zur Überwachung eines Hauptversorgungs-Strahls, linker und rechter Hauptstrahlen benachbart zu dem Hauptversorgungs Strahl und eines Diversity-Strahls zeigt.
Ausführliche Beschreibung der besten Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung
Es wird nunmehr in Form eines Beispiels die beste von den Erfindern in Erwägung gezogene Ausführungsform zur Ausführung der Erfindung beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind vielfältige spezielle Einzelheiten angegeben, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Es ist jedoch für den Fachmann verständlich, dass die vorliegende Erfindung ohne diese speziellen Einzelheiten ausgeführt werden kann. In anderen Fällen wurden gut bekannte Verfahren und Strukturen nicht ausführlich beschrieben, um nicht in unnötiger Weise die vorliegende Erfindung zu verdecken.
Es wird nunmehr auf 7 der beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in der schematisch in Draufsicht eine Basis-Sendeempfängerstation 700 an einer Mitte eines zellularen Bereiches gezeigt ist, die Signale von einer Vielzahl von Mobilstationen MS innerhalb eines 120°-Sektors empfängt. Die Basis-Sendeempfängerstation überdeckt drei derartige 120°-Sektoren in einer drei Sektoren aufweisenden Zelle, doch werden zur Erleichterung der Beschreibung nachfolgend Verfahren und Vorrichtungen zum Betrieb eines dieser Sektoren beschrieben. Es ist verständlich, dass die Überdeckung der gesamten Zelle eine Duplizierung der Teile der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung erfordert.
Eine Antennenanordnung gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, von Mobilstationen auf einer Vielzahl von Aufwärtsstrecken-Empfangsstrahlen 701–704 ausgesandte Signale zu empfangen. Die Aufwärtsstrecken-Strahlen können als eine Sichtlinie einer Antenne bezüglich einer bestimmten Trägerfrequenz betrachtet werden. Wenn beispielsweise ein erster Strahl 701 für Mobilstations-Sendesignale mit einer Trägerfrequenz f₁ empfindlich ist, empfängt die Antennenanordnung mit einem hohen Grad eines Gewinns irgendwelche ausgesandten Signale mit einer Trägerfrequenz f₁ innerhalb einer Zone, die durch den Strahl 701 abgedeckt ist, doch werden ausgesandte Signale mit der Trägerfrequenz f₁, die außerhalb des Strahls emittiert werden, entweder links oder rechts von der Azimutrichtung oder außerhalb des Bereiches der Sichtlinie des Strahls, lediglich schwach empfangen, was es der Antenne ermöglicht, Signale von einer Mobilstation MS1 innerhalb des Strahls von anderen Störaussendungen außerhalb des Strahls zu unterscheiden. Eine Anzahl von gerichteten relativ schmalen Strahlen ermöglicht eine stärkere Frequenz-Wiederbenutzung innerhalb einer Zelle, verglichen mit einer Rundstrahlantenne oder einer breiten Richtantenne, die ein Empfangsfeld von 120° in Azimutrichtung hat. Ein Strahllokalisierungsempfänger empfängt Signale von der Antennengruppe, die Signalen entsprechen, die an jedem der Anzahl von Strahlen empfangen werden. Der Strahllokalisierungsempfänger führt eine Abtastung über die Anzahl von Signalen aus, um einen Strahl zu lokalisieren, auf dem die Aussendungen von einer gewünschten Mobilstation empfangen werden. In 8 ist eine erste Antennenanordnung gemäß einer ersten speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die erste Antennenanordnung kann zur Überdeckung eines Zellensektors, beispielsweise eines 120°-Zellensektors einer Zellularantenne verwendet werden. Die erste Antennenanordnung umfasst eine eine kompakte Apertur aufweisende Mehrelement-Haupt-Antennengruppe 800, die in der Lage ist, zwischen ausgesandten Signalen innerhalb einer Anzahl von einen Sektorbereich belegenden Empfangsstrahlzonen zu unterscheiden, wobei empfangene Antennen-Signale von der Haupt-Antennengruppe 800 über eine Strahlformermatrix 801 weitergeleitet werden, die eine Anzahl von Signalausgangs-Ports aufweist, wobei jeder Signalausgangs-Port ein Strahlsignal abgibt, das von einer entsprechenden Strahlzone empfangen wurde; eine Diversity-Antenne 802, die Signale über den Sektor insgesamt empfangen kann; einen Diversity-Empfänger 803, der ein Ausgangssignal von der Haupt-Antennengruppe 800 und der Diversity-Antenne 802 empfängt und betrieben wird, um die zwei empfangenen Signale zu vergleichen und entweder das stärkste Signal von diesen auszuwählen, das von der Haupt-Antennengruppe oder der Diversity-Antenne abgegeben wird, oder der betrieben wird, um die Signale der Haupt-Antennengruppe und der Diversity-Antennengruppe zu kombinieren; eine Schaltersteuerung 804, die zum Schalten eines Ausgangs des Strahlformers 801, der einem der Anzahl von Strahlen entspricht, an den Diversity-Empfänger 803 betrieben wird, und einen Strahl-Lokalisierungsempfänger 805 der so betrieben wird, dass er jeden der Ausgänge des Strahlformes 801 abtastet, um einen Ausgang zu lokalisieren, auf dem ein empfangenes Signal vorliegt, das einem Signal entspricht, das in einer Strahlzone eines der Anzahl von Empfangsstrahlen der Haupt-Antennengruppe 800 empfangen wird. Der Strahl-Lokalisierungsempfänger 805 bestimmt den besten Strahl zum Empfang eines Signals von einer Mobilstation innerhalb eines Sektors unter Verwendung einer Schwingungsform-Diskriminierung zur Unterscheidung von Nutzsignalen von unerwünschten Signalen und liefert ein Schaltersignal an die Schaltersteuerung, die ein Aufwärtsstrecken-Strahlsignal des Strahlformers, das dem besten Strahl zum Empfang von Kommunikationskanal-Signalen von der Mobilstation entspricht, an den Diversity-Empfänger 803 lenkt.
Der Strahl-Lokalisierungsempfänger 805 empfängt ein Haupt-Strahlsignal von jedem der Hauptstrahlen, überwacht alle diese Haupt-Strahlsignale und wählt einen Strahl mit dem stärksten Signal aus, der an den Diversity-Empfänger 803 gelenkt wird. Der Diversity-Empfänger kann entweder das Haupt-Strahlsignal mit dem Diversity-Signal kombinieren, beispielsweise durch Addieren der zwei Signale, oder er kann das Signal mit dem besten Signal-/Stör- und Rauschverhältnis auswählen. Der Strahl-Lokalisierungsempfänger misst die Signalstärke über alle Strahlen, um eine Strahl-zu-Strahl-Übergabe, eine Sektor-zu-Sektor-Übergabe oder eine Zellen-zu-Zellen-Übergabe einer Verbindung mit anderen Zellen abzuwickeln. Wenn sich die Mobilstation einem Rand einer Zelle nähert, weisen benachbarte Basisstationen von benachbarten Zellen ihre Lokalisierungsempfänger an, in ihren Strahlen nach dieser Mobilstation zu suchen.
Bei der Konfiguration der 8 unterscheidet die Haupt-Antenntengruppe 800 eine Anzahl von schmalen Empfangsstrahlen mit einer Gewinn-Empfindlichkeit. Hierdurch kann das Träger-/Störverhältnis in einem Sektor vergrößert werden, was eine stärkere Trägerfrequenz-Wiederbenutzung und eine entsprechende Vergrößerung der Benutzerkapazität innerhalb einer Zelle ohne die Notwendigkeit einer Zellenaufteilung ermöglicht. Weil die Antennengruppe 800 eine schmale Apertur hat, ist es möglich, dass alle Strahlen gleichzeitig einem Schwund unterworfen sind. Die Diversity-Antenne 802 weist einen breiteren Empfangsstrahl auf, ist von der Haupt-Antennengruppe 800 durch einen Abstand von 2–3 Metern in Abhängigkeit von der Betriebswellenlänge und der Umgebung getrennt, in der sich die Antenne befindet, und liefert ein Diversity-Ausgangssignal für jedes der Signale, das von jedem der Strahlen in der Haupt-Antennengruppe empfangen wird. Die Diversity-Antenne 802, die eine breite Richtwirkung über den gesamten Sektor aufweist, hat jedoch nicht den Träger-/Störvorteil, der sich bei der ersten Antennengruppe 800 ergibt. Es ist intuitiv nicht ohne weiteres ersichtlich, dass eine Kombination der Mehrstrahl-Empfangs-Antennengruppe 800 mit einem verbesserten Träger-/Störverhältnis und der breiten Einzelstrahl-Antenne 802, die ein Diversity-Signal liefert, insgesamt eine Verbesserung des Träger-/Störverhältnisses unter Beibehaltung eines annehmbaren Signal-/Störverhältnis-Betriebsverhaltens ergibt. Eine Simulation hat jedoch gezeigt, dass die Bereitstellung eines Diversity-Signals von der einen vollen Sektor-Strahl aufweisenden Diversity-Antenne 802 einen erheblichen Gewinn in dem Signal-/Stör-Plus Rauschverhältnis gegenüber der Mehrstrahl-Haupt-Antennengruppe 800 ergibt. Somit kann die Anordnung nach 8 das Gesamt-Träger-/Störverhältnis verbessern, während ein ausreichendes Signal-/Störverhältnis aufrecht erhalten wird, verglichen mit der bekannten Anordnung, die in den 4–6 gezeigt ist.
Die Anzahl der Empfangsstrahlen an der Haupt-Antennengruppe 800 kann schmale orthogonale, nicht überlappende Strahlen umfassen, beispielsweise vier Strahlen, die einen 120°-Sektor belegen, wobei jeder Strahl eine –4 dB-Strahlbreite von ungefähr 30° aufweist. Im allgemeinen Fall kann der Strahlformer ein Strahldiagramm mit einer willkürlichen Anzahl von Strahlen mit verschiedenen Graden einer Überlappung oder Nichtüberlappung erzeugen. In dieser Beschreibung wird der Ausdruck orthogonal entsprechend seiner Bedeutung betrachtet, wie sie in „Introduction to Antennas" von M. S. Smith² beschrieben wird, und nicht orthogonal wird in entsprechender Weise aufgefasst.
In 9 ist eine zweite Antennenanordnung gemäß einer zweiten speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die zweite Antennenanordnung umfasst auf einem Aufwärtsstrecken-Pfad eine Haupt-Mehrelement-Antennengruppe 900, die an einer Anzahl von sich überlappenden Empfangsstrahlen arbeitet, die einen Sektor einer Zelle bedecken, eine Anzahl von Diplexern 901 zum Trennen empfangener Signale der Antennengruppe; eine Anzahl von Linearverstärkern 902 zur Verstärkung der empfangenen Antennen-Signale, wobei jeder Linearverstärker ein jeweiliges Antennensignal von einem entsprechenden jeweiligen der Diplexer empfängt; eine Strahlformungsmatrix 903, die die verstärkten Antennen-Signale empfängt; eine Anzahl von Mehrfachkopplern 904, die als Eingangssignal ein Strahlsignal oder Strahlsignale entsprechend der Anzahl der Strahlen von der Strahlformungsmatrix 903 und weiterhin als Eingang ähnliche Strahlsignale von anderen Antennengruppen empfangen, die andere Sektoren des Zellularbereiches überdecken; eine Diversity-Antenne 905, die an einem Vollsektor-Empfangsstrahl arbeitet und in der Lage ist, Aussendungen von Mobilstations-Signalquellen innerhalb des Sektors zu empfangen; einen Verstärker 906 zur Verstärkung des empfangenen Strahlausganges von der Diversity-Antenne 905; eine zweite Anzahl von Mehrfachkopplern 907, die ein Diversity-Strahlsignal von der Diversity-Antenne 905 empfangen; eine Anzahl von Schaltern und digitalen Funkeinheiten 908, die Signale von den Mehrfach-Kopplern 904, 907 empfangen, wobei die digitalen Funkeinheiten betrieben werden, um die von der Mehrzahl der Kameras empfangenen Strahlsignale mit einem Diversity-Signal zu vergleichen, das von der Diversity-Antenne 905 empfangen wird, und um ein passendes ausgewähltes Signal an die Sender-Schalter/Kombinierer-Matrix 909 zu schalten, das einen Anruf durch einen passenden Strahl lenkt, der durch die Sendekette gebildet wird. Jeder Hauptstrahl speist ein Haupt-Strahlsignal in eine entsprechende jeweilige digitale Funkeinheit 908 ein, wobei die Anordnung derart ist, dass jede digitale Funkeinheit einen jeweiligen Hauptstrahl versorgt. Jede digitale Funkeinheit empfängt weiterhin das Diversity-Strahl-Signal von dem den vollen Sektor überdeckenden Diversity-Strahl und empfängt sowohl das Haupt-Strahlsignal von dem Strahl, den es versorgt, sowie das Diversity-Strahl-Signal. Jede digitale Funkeinheit empfängt weiterhin ein Signal von den Hauptstrahlen auf jeder Seite des von ihr versorgten Hauptstrahls. Funkeinheiten, die einen Hauptstrahl an dem Rand eines Sektors versorgen, haben Zugriff auf ein Haupt-Strahlsignal von einem Hauptstrahl an einem Rand des benachbarten Sektors. Somit hat im Fall einer Anordnung mit vier Aufwärtsstrecken-Strahlen jede der vier entsprechenden Funkeinheiten vier Eingänge, einen von dem entsprechenden von der Funkeinheit versorgten Hauptstrahl, einen von dem Diversity-Strahl und einen von jedem der Hauptstrahlen, die in Azimutrichtung links und rechts des von der Funkeinheit versorgten Hauptstrahls liegen. Jede digitale Funkeinheit überwacht periodisch die auf den benachbarten Hauptstrahlen empfangenen Signale und vergleicht diese mit dem von dem versorgten Hauptstrahl empfangenen Signal. Wenn ein auf einem benachbarten Strahl empfangenes Signal stärker als das auf dem von der digitalen Funkeinheit versorgten Hauptstrahl ist, so leitet die Funkeinheit eine Übergabe einer Verbindung zu einem Funkempfänger ein, der den benachbarten Aufwärtsstrecken-Strahl mit dem stärkeren Signal als seinen eigenen versorgten Strahl aufweist. Die digitalen Funkeinheiten verwalten die Übergabe einer Verbindung von Strahl zu Strahl auf einer Aufwärtsstrecke in Abhängigkeit davon, auf welchem Strahl das stärkste Signal für eine Verbindung empfangen wird.
In 10 ist ein Beispiel einer vierten Antennenanordnung gezeigt. Die vierte Antennenanordnung umfasst eine Mehrelementen-Haupt-Antennengruppe 1000, die in der Lage ist, Signale von einer Anzahl von Empfangsstrahlen zu empfangen, die einen Sektor überdecken, einen Haupt-Strahlformer 1001, der Antennen-Signale von der Haupt-Antennengruppe 1001 empfängt; eine Diversity-Antenne 1002, die eine Mehrelement-Antennengruppe umfasst, die in der Lage ist, Diversity-Signale von einer Vielzahl von gerichteten Empfangsstrahlen zu empfangen; einen Diversity-Strahlformer 1003 der Antennen-Signale von der Diversity-Antenne 1002 empfängt; einen Einzelkanal-Strahllokalisierungsempfänger 1004, der zur Abtastung über eine Anzahl von Ausgangsports des Haupt-Strahlformers 1001 und des Diversity-Strahlformers 1003 betreibbar ist, um ein Signal auf einem entsprechenden Empfangsstrahl der Hauptantenne 1001 oder der Diversity-Antenne 1002 zu lokalisieren; eine Schalter-Steuereinrichtung 1005 zum Schalten eines Strahlsignal-Ausgangs des Haupt-Strahlformers 1001 an einem ersten Eingang eines Diversity-Empfängers 1006; eine Diversity-Schaltersteuerung 1007 zum Schalten eines Diversity-Signals, das an einem entsprechenden Empfangsstrahl der Diversity-Antenne 1002 empfangen wird, wobei die Diversity-Schaltersteuerung 1007 das Signal aus einer Anzahl von Ausgangsports des Diversity-Strahlformers 1003 auswählt und die Diversity-Schaltersteuerung 1007 ein Schaltersignal von der Haupt-Schaltersteuerung 1005 empfängt, wobei die Diversity-Schaltersteuerung betreibbar ist, um ein empfangenes Strahlsignal von einem Ausgangsport des Diversity-Strahlformers 1003 entsprechend dem Steuersignal zu schalten, das von der Haupt-Schaltersteuerung 1005 empfangen wird, wobei der Diversity-Empfänger 1006 das Diversity-Strahlsignal von der Diversity-Schaltersteuerung 1007 empfängt.
Der Einzelkanal-Strahllokalisierungsempfänger 1004 lokalisiert eine Aussendung von einer Mobilstation in einer Strahlzone, die einem empfangenen Strahl der Haupt- oder Diversity-Antenne 1000, 1002 entspricht, und betätigt die Haupt-Schaltersteuerung 1005 zur Verbindung eines entsprechenden Strahlsignals, das an einem Ausgangsport des Haupt-Strahlformers 1001 oder des Diversity-Strahlformers 1003 vorliegt, mit einem Eingang des Diversity-Empfängers 1006. Die Haupt-Schaltersteuerung 1005 sendet ein Signal an die Diversity-Schaltersteuerung 1007, um einen entsprechenden Ausgangsport des Diversity-Strahlformers 1003 zu schalten, der einem Diversity-Empfangsstrahl entspricht, der eine Überlappung in dem Richtwinkel aufweist, jedoch räumlich von dem Port-Empfangsstrahl versetzt ist, auf dem das Signal von der Mobilstation empfangen wird. Das Diversity-Strahlsignal auf dem entsprechenden überlappenden Diversity-Empfangsstrahl wird an einen anderen Eingangsport des Diversity-Empfängers 1006 geschaltet. Der Diversity-Empfänger vergleicht die Strahlsignale von dem Hauptstrahl und von dem entsprechenden Diversity-Empfangsstrahl und wählt das die höchste Qualität aufweisende Signal von diesen zwei Signalen aus oder kombiniert alternativ diese zwei Signale. Der Strahllokalisierungsempfänger 1004 tastet aufeinanderfolgend jeden der Strahlen ab, die von der Hauptantenne 1000 und der Diversity-Antenne 1002 ausgehen, um Kommunikationskanal-Signale von Mobilstationen zu lokalisieren. Die Schaltersteuerung 1005 steuert den Diversity-Schalter 1007, um Strahlsignale von dem entsprechenden Diversity-Strahl zu untersuchen, der den Hauptstrahl überlappt, derart, dass die Hauptstrahlen und Diversity-Strahlen zusammen mit dem Hauptstrahl und dem entsprechenden überlappenden Diversity-Strahl, der von dem Diversity-Empfänger überprüft wird, gleichzeitig abgetastet werden, während der Strahllokalisierungsempfänger eine Abtastung über die Anzahl von Hauptstrahlen hinweg ausführt.
In den 11 und 12 ist ein Teil einer Folge der Strahlabtastung über die Anzahl von Hauptstrahlen und die entsprechende Anzahl von Diversity-Strahlen von der Hauptantenne 1000 und der Diversity-Antenne 1002 hinweg gezeigt. In 11 wird ein erster Hauptstrahl 1100 von dem Lokalisierungsempfänger ausgewählt, und der Schalter 1005 wählt gleichzeitig einen entsprechenden räumlich überlappenden versetzten ersten Diversity-Strahl 1101 aus. In 12 wird der nächste der Anzahl von Hauptstrahlen in dem Sektor ausgewählt, und der entsprechende Diversity-Empfangsstrahl der Diversity-Antenne 1002 wird gleichzeitig abgetastet, wobei Strahlsignale von jedem dieser Strahlen in den Diversity-Empfänger 1006 eingespeist werden.
Der Strahllokalisierungsempfänger kann eine Abtastung über die Strahlen in einer Folge ausführen, derart, dass der Empfänger jeweils einen der Haupt- und Diversity-Strahlen in einer Reihe abtastet.
In 13 ist ein fünftes Beispiel einer Antennenanordnung gezeigt. Die fünfte Antennenanordnung arbeitet ähnlich wie die vierte Antennenanordnung, doch ist ein Zweikanal-Strahllokalisierungsempfänger 1003 vorgesehen, der ein Paar von Strahlen bestimmt, das heißt einen Hauptstrahl und einen entsprechenden Diversity-Strahl, die die beste Signalleistung liefern, unabhängig davon, wie diese Strahlen gerichtet sind. Der Strahllokalisierungsempfänger 1003 tastet jede eine Anzahl von Haupt-Strahlsignalen, die von dem Haupt-Strahlformer 1302 abgegeben werden, ab und schaltet ein einer erforderlichen Mobilstation entsprechendes Strahlsignal an den Diversity-Empfänger 1301 über einen Hauptschalter 1303 und tastet gleichzeitig eine Anzahl von Diversity-Empfangsstrahlen durch Überprüfen entsprechender Diversity-Strahlsignale ab, die von dem Diversity-Strahlformer 1304 abgegeben werden, und wählt einen Strahl aus, der das stärkste, der lokalisierten Mobilstation entsprechende Signal liefert. Der Strahllokalisierungsempfänger steuert den Diversity-Schalter 1305 derart, dass das ausgewählte Strahlsignal an den Diversity-Empfänger 1301 geschaltet wird. Der Strahllokalisierungsempfänger kann Haupt- und Diversity-Strahlen entweder synchron oder asynchron überwachen. Alternativ kann der Strahllokalisierungsempfänger in einer Zweikanal-Diversity-Betriebsart arbeiten, um die Strahlauswahl-Betriebsleistung zu verbessern.
Ein Beispiel der Betriebsweise der fünften Antennenanordnung nach 13 ist in 14 gezeigt, in der sich eine Anzahl von Hauptstrahlen 1400–1403 stark überlappt, wobei sie eine Azimut-Strahlbreite jeweils von ungefähr 50° aufweisen und vier Strahlen einen 120°-Sektor überdecken, und wobei eine Anzahl von Diversity- Empfangsstrahlen 1404–1407 die Anzahl der Hauptstrahlen räumlich überlappt. Beispielsweise kann eine Mobilstation MS in einen Überlappungsbereich eines ersten Hauptstrahls 1400 und eines zweiten Hauptstrahls 1401, eines ersten Diversity-Strahls 1404 und eines zweiten Diversity-Strahls 1405 fallen. Das auf dem ersten Hauptstrahl 1004 empfangene Signal kann stärker sein, als das, das von dem zweiten Hauptstrahl 1401 empfangen wird, während das auf dem zweiten Diversity-Strahl 1405 empfangene Diversity-Signal stärker als das sein kann, das auf dem ersten Diversity-Strahl 1404 empfangen wird. Unter diesen Umständen kann der Strahllokalisierungsempfänger 1003 ein Haupt-Strahlsignal auswählen, das dem ersten Hauptstrahl 1400 entspricht, und ein Diversity-Signal, das dem zweiten Diversity-Strahl 1405 entspricht, um eine Weglenkung zu dem Diversity-Empfänger 1301 auszuführen.
Im Allgemeinen können benachbarte Strahlen gleichzeitig einen Schwund aufweisen. Wenn jedoch eine erhebliche Winkelstreuung vorliegt, kann ein unabhängiger Schwund in Signalen, die in unterschiedlichen Strahlen empfangen werden, in manchen Fällen, jedoch selten, auftreten. Die Auswahl anderer Haupt- und Diversity-Strahlen kann unter diesen Umständen einen Vorteil haben. Ein derartiger Betrieb kann in einem Fall vorteilhaft sein, in dem die Mehrpfad-Umgebung einer hohen Winkelspreizung oder Streuung unterworfen ist.
In 15 sind schematisch die Hauptantenne und die Diversity-Antenne der fünften Antennenanordnung nach 16 an ihrem Platz auf einer Mastspitze gezeigt. Weil die Hauptantenne und die Diversity-Antenne Mehrelement-Antennengruppen umfassen, ist ihre Größe größer als die einer entsprechenden Rundstrahlantenne (die relative Größe der Rundstrahlantenne ist gestrichelt gezeigt). Die Hauptantenne 1501 und die Diversity-Antenne 1502 weisen einen Abstand von typischerweise ungefähr 2–3 Metern auf, so dass, wenn alle die Hauptstrahlen einen Schwund aufweisen, der Abstand zwischen der Haupt-Antennengruppe und der Diversity-Antennengruppe derart ist, dass der an der Diversity-Antenne auftretende Schwund unkorreliert mit dem Schwund sein kann, der an der Hauptantenne auftritt. Wie dies weiter oben erwähnt wurde, ist jedoch die Planungserlaubnis für die Errichtung von Antennengruppen und Masten schwierig, und die Vergrößerung der Größe der Antennengruppen stellt einen Nachteil hinsichtlich der Kosten und der Planung dar und ergibt zunehmende technische Probleme auf Grund des zunehmenden Windwiderstandes und der vergrößerten Masse. In idealer Weise sollten die Facetten der Mehrelement-Antennengruppen so schlank wie möglich gemacht werden.
In 16 ist ein sechstes Beispiel einer Antennenanordnung gezeigt. Die sechste Antennenanordnung umfasst eine einzige Antennengruppe 1600, die eine Anzahl von Antennenelementen umfasst, die in der Lage sind, Signale von einer Anzahl von Mobilstationen auf Grund der Polarisation zu unterscheiden; einen ersten Aufwärtsstrecken-Strahlformer 1601, der erste polarisierte Antennen-Signale von der Antennengruppe 1600 empfangen kann, einen zweiten Aufwärtsstrecken-Strahlformer 1602, der zweite polarisierte Signale von der Antennengruppe 1600 empfangen kann; einen ersten Strahlformer 1601, der eine Anzahl von eine erste Polarisation aufweisenden Strahlsignalen von einer entsprechenden Anzahl von Ausgangsports des ersten Strahlformers 1601 abgibt, wobei der zweite Strahlformer 1602 eine zweite Anzahl von Polarisations-Strahlsignalen von einer Anzahl von Ausgangsports des zweiten Strahlformers 1602 abgibt, wobei die Anzahl der Polarisations-Strahlsignale einer Anzahl von Haupt-Empfangssignalen entspricht, die für Signale mit der ersten Polarisation empfindlich sind, und wobei der zweite Strahlformer die die zweite Polarisation aufweisenden Strahlsignale abgibt, die einem Satz von Diversity-Empfangsstrahlen entsprechen, die für den Empfang von Signalen mit einer zweiten Polarisation empfindlich sind; einen Strahllokalisierungsempfänger 1603, der zur Abtastung der Ausgangsports des ersten Strahlformers 1601 betreibbar ist, um ein Strahlsignal, das ein empfangenes Signal von einer Mobilstation in einem von den Strahlen überdeckten Sektor überträgt, zu lokalisieren, wobei der Strahllokalisierungsempfänger einen Hauptschalter 1604 betreibt, um ein der ersten Polarisation entsprechendes Strahlsignal an einen ersten Port des Diversity-Empfängers 1605 zu schalten, wobei der Hauptschalter 1605 ein von einem Diversity-Schalter 1006 empfangenes Steuersignal erzeugt, wobei der Diversity-Schalter 1606 eine Anzahl von zweiten Polarisations-Strahlsignalen von dem zweiten Diversity-Strahlformer 1602 empfängt, wobei der Diversity-Schalter 1606 ein Diversity-Strahlsignal mit einer zweiten Polarisation auswählt, das den Diversity-Strahlen der zweiten Polarisation entspricht, entsprechend dem Strahlsignal, das von dem Hauptstrahl der ersten Polarisation empfangen wird; wobei das Diversity-Strahlsignal von dem Diversity-Schalter 1606 an den zweiten Eingangsport des Diversity-Empfängers 1605 geschaltet wird und der Diversity-Empfänger 1605 betrieben wird, um das Haupt-Strahlsignal und das Diversity-Strahlsignal zu vergleichen und um entweder das stärkere von dem Hauptsignal und dem Diversity-Signal auszuwählen oder um das Hauptsignal und das Diversity-Signal zu kombinieren, um ein Ausgangssignal zu erzeugen.
In 17 ist ein Strahldiagamm der Polarisations-Antennengruppe 1600 gezeigt. Das Strahldiagamm umfasst eine Anzahl von relativ schmalen Strahlen in Azimutrichtung, die einen 120°-Sektor eines Zellularfunk-Bereiches belegen. Typischerweise kann eine Anzahl von schmalen Strahlen einen 120°-Sektor belegen. Eine Anzahl von Hauptstrahlen umfasst Strahlen mit einer Empfindlichkeit für Signale mit einer ersten Polarisation, während eine Anzahl von Diversity-Strahlen, die den gleichen räumlichen Bereich wie entsprechende jeweilige Hauptstrahlen belegen, auf Signale mit einer zweiten Polarisation empfindlich sind. Jeder dieser Hauptstrahlen arbeitet mit einer anderen Trägerfrequenz, wobei dies die gleiche Trägerfrequenz ist, bei der jede der entsprechenden jeweiligen Diversity-Strahlen der zweiten Polarisation arbeitet.
Ein Signal, das mit einer willkürlichen Polarisation von einer Mobilstation ausgesandt wird, und das eine erhebliche Polarisationsmischung auf dem Ausbreitungspfad erfahren kann, fällt in einem der Strahlen und kann zu einem stärkeren empfangenen Signal in der ersten Polarisation als in der zweiten Polarisation, oder umgekehrt führen, in Abhängigkeit von örtlichen Bedingungen innerhalb des Sektors. Die mit der ersten Polarisation arbeitenden Hauptstrahlen können zur Ableitung von Haupt-Strahlsignalen verwendet werden, während die mit der zweiten Polarisation arbeitenden Diversity-Strahlen als die Diversity-Strahlen verwendet werden können. Die erste und zweite Polarisation sind vorzugsweise orthogonal zueinander und können lineare Polarisationen oder entgegengesetzte kreisförmige Polarisationen oder irgendeine Kombination von unterschiedlichen Polarisationen umfassen, beispielsweise einer linearen Polarisation und einer kreisförmigen Polarisation.
Die Antennengruppe 1600, die die Signale mit der ersten und zweiten Polarisation empfängt, kann eine Anzahl von einzelnen Antennenelementen in einer einzigen Antennenelement-Gruppe umfassen. Dies hat den Vorteil, dass sich eine relativ kompakte Apertur verglichen mit zwei in Abstand voneinander angeordneten Antennen ergibt, das heißt eine Haupt-Antenne und eine Diversity-Antenne, die typischerweise einen Abstand von 2–3 Metern in Abhängigkeit von der verwendeten Betriebswellenlänge und der Umgebung haben. Weil die empfangenen Signale voneinander mit Hilfe der Polarisation unterschieden werden, kann, wenn eine Polarisation einem Schwund unterworfen ist, die andere Polarisation wesentlich weniger Schwund aufweisen oder keinen Schwund aufweisen, obwohl die Elemente der Antenne kompakt angeordnet sind. Durch Bereitstellen eines Haupt-Strahlungsdiagramms und eines Diversity-Strahlungsdiagramms, die mit Hilfe der Polarisation voneinander unterschieden sind, kann es möglich sein, eine kompakte Antenne zu schaffen, die mehrfache schmale Strahlen aufweist, wodurch das Träger-/Störverhältnis vergrößert wird, und die weiterhin eine kompakte Aperturfläche aufweist, wodurch weniger Probleme bei Planungserlaubnissen, Windeinflüssen, Gewicht und Kosten hervorgerufen werden, wobei immer noch ein ausreichender Signal-zu-Störverhältnis-Vorteil durch die Verwendung von Diversity aufrecht erhalten wird.
Jeder der Strahlen kann zunächst mit seiner ersten Polarisation und dann mit seiner Polarisation abgetastet werden, bevor man sich zu dem nächsten Strahl bewegt, um ein gewünschtes Signal und dessen entsprechendes Diversity-Signal zu lokalisieren. Eine Abtastung zur Lokalisierung eines gewünschten Signals kann auf einer Vielzahl von unterschiedlichen Wegen erfolgen. Beispielsweise kann eine erste Polarisation jedes Strahls abgetastet werden, wobei die Strahlen in einer Folge abgetastet werden, worauf die zweite Polarisation jedes Strahls abgetastet werden kann. Alternativ kann eine erste Polarisation eines Strahls abgetastet werden, gefolgt von einer zweiten Polarisation des Strahls, bevor die nächst-benachbarten Strahlen zunächst hinsichtlich der ersten Polarisation und dann die nächstbenachbarten Strahlen hinsichtlich der zweiten Polarisation abgetastet werden. Im Allgemeinen können die ersten und zweiten Polarisationen der Strahlen in irgendeiner Reihenfolge abgetastet werden, beispielsweise zufällig oder entsprechend einem vorgegebenen Abtastalgorithmus.
In 18 ist eine Realisierung von polarisierten schmalen Diversity-Strahlen in einer siebten Antennenanordnung gemäß einer siebten speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die siebte Antennenanordnung empfängt Signale von einer ersten Anzahl von Haupt-Empfangsstrahlen 1800, die eine erste Polarisation empfangen, und eine entsprechende Anzahl von räumlich überlappenden Diversity-Empfangsstrahlen 1801, die eine zweite Polarisation empfangen. Die siebte Antennenanordnung umfasst eine Haupt-Antennengruppe 1802, die eine Anzahl von Antennenelementen umfasst, wobei jedes Antennenelement ein Antennen-Signal an einen entsprechenden jeweiligen Diplexer einer Anzahl von Diplexern 1803 abgibt, wobei jeder der Diplexer das empfangene Antennen-Signal empfängt und das empfangene Antennen-Signal in einen entsprechenden Linearverstärker einer Anzahl von Linearverstärkern 1804 einspeist, die als Ausgangs-Signal verstärkte empfangene Antennen-Signale in eine Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahlformungsmatrix 1805 liefern, wobei die Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahlformungsmatrix 1805 eine Anzahl von Ausgangsports umfasst, die als Ausgangssignal jeweils ein entsprechendes empfangenes Aufwärtsstrecken-Strahlsignal abgeben, das einen jeweiligen Strahl der Anzahl von Hauptstrahlen 1800 entspricht, wobei die Aufwärtsstrecken-Strahlsignale als Eingangssignale einer Anzahl von Mehrfachkopplern 1806 zusammen mit anderen Strahlsignalen von anderen Hauptantennen anderer Sektoren einer Zelle zugeführt werden; eine Diversity-Antenne 1807, die eine Mehrelemente-Gruppe umfasst, wobei die Diversity-Antenne Signale von einer Anzahl von gerichteten Diversity-Empfangsstrahlen 1801 empfängt, wobei jedes Element der Diversity-Antenne ein entsprechendes jeweiliges Diversity-Antennensignal erzeugt, wobei die Diversity-Antennensignale als Eingangssignal eine Anzahl von Linearverstärkern 1808 zugeführt werden, wobei die Linearverstärker als Ausgangssignal verstärkte Diversity-Antennensignale am Eingangsport einer Diversity-Strahlformungsmattix 1809 liefern; wobei die Diversity-Strahlformungsmatrix 1809 eine Anzahl von Ausgangsports entsprechend jeweiligen Empfangsstrahlen aufweist, die den Sektor überdecken, wobei die Diversity-Strahlsignale, die als Ausgang von der Diversity-Strahlformungsmatrix 1809 geliefert werden, als Eingangssignale einer zweiten Anzahl von Mehrfachkopplern 1810 zugeführt werden; eine Anzahl von Schaltern und digitalen Funkeinheiten 1811, die Signale von der ersten und zweiten Anzahl von Mehrfachkopplern empfangen, die Signalen entsprechen, die an jedem der Haupt-Empfangsstrahlen und Diversity-Empfangsstrahlen empfangen werden; wobei die digitalen Funkeinheiten 1811 Signale an eine Endeempfänger-Schalter/Kombinierer-Matrix 1912 abgeben, die dann zu einem entsprechenden Strahl gelenkt werden, der auf der Abwärtsstrecke gebildet wird, oder zu der Antenne.
Die Haupt-Antennengruppe 1802 und die Diversity-Antennengruppe 1807 sind in der gleichen Antennenapertur kombiniert und weisen keinen großen Abstand auf. Elemente der Haupt- und Diversity-Antennengruppen befinden sich nahe beeinander, innerhalb des Abstandes von wenigen Wellenlängen, und sie können an der gleichen Stelle angeordnet sein.
In den 19 und 20 ist die Betriebsweise einer digitalen Funkeinheit der Ausführungsformen nach den 9 oder 18 gezeigt. Jede digitale Funkeinheit versorgt einen entsprechenden jeweiligen Hauptstrahl. Die digitale Funkeinheit empfängt ein Signal von dem von ihr versorgten Hauptstrahl M_S. Der Empfang des von dieser Einheit versorgten Hauptstrahls M_S ist als eine Funktion der Zeit in dem oberen Teil der 20 gezeigt. Für den größten Teil der Zeit verbindet die digitale Funkeinheit den von ihr versorgten Hauptstrahl M_S, trennt sich jedoch periodisch von dem von ihr versorgten Hauptstrahl und stellt eine Verbindung zu einem Signal von einem benachbarten Strahl her, beispielsweise einen benachbarten Strahl M_L links von dem Haupt-Versorgungsstrahl, um zu prüfen, ob das Signal auf dem linken benachbarten Strahl M_L stärker als das Signal ist, das auf dem Haupt-Versorgungsstrahl M_S empfangen wird. Die digitale Funkeinheit stellt weiterhin eine Verbindung mit einem Diversity-Versorgungsstrahl D_S über die meiste Zeit her, schaltet jedoch periodisch um, um eine Verbindung mit einem anderen Hauptstrahl benachbart zu dem Haupt-Versorgungsstrahl herzustellen, beispielsweise mit dem Strahl M_R rechts von dem Haupt-Versorgungsstrahl. Die digitale Funkeinheit überwacht den benachbarten linken Hauptstrahl _ML und den benachbarten rechten Hauptstrahl auf jeder Seite des Haupt-Versorgungsstrahls M_S und führt eine Prüfung auf ein eine höhere Stärke aufweisendes Signal von einer Mobilstation auf entweder dem benachbarten linken oder benachbarten rechten Hauptstrahl zu einem Haupt- Versorgungsstrahl durch, während gleichzeitig ein Signal von dem Diversity-Versorgungsstrahl D_S empfangen wird.
Im Fall der zweiten Antennenanordnung nach 9 gibt es eine Anzahl von benachbarten Hauptstrahlen in einem Sektor, die sich räumlich in Azimutrichtung mit einem den vollen Sektor überdeckenden Diversity-Strahl überlappen. In diesem Fall ist der Diversity-Versorgungsstrahl D_S der den vollen Sektor überspannende Diversity-Strahl, und der Haupt-Versorgungsstrahl kann irgendeine der Anzahl von Hauptstrahlen in einem Sektor sein. An den Rändern eines Sektors kann der benachbarte Hauptstrahl ein Hauptstrahl von einem benachbarten Sektor sein, und die digitale Funkeinheit kann einen Hauptstrahl eines benachbarten Sektors überwachen.
In der fünften Antennenanordnung nach 18 gibt es eine Anzahl von Hauptstrahlen und eine Anzahl von Diversity-Strahlen in einem Sektor. Unter diesen Umständen werden Signale von dem Haupt-Versorgungsstrahl und dem Diversity-Versorgungsstrahl als Eingangssignale in die digitale Funkeinheit eingespeist, und die digitale Funkeinheit überwacht periodisch Hauptstrahlen benachbart zu jeder Seite des Haupt-Versorgungsstrahls, um festzustellen, ob ein stärkeres Signal auf diesen Strahlen gewonnen werden kann.
In 21 ist ein alternatives Überwachungsmuster gezeigt, bei dem auf das Schalten zwischen dem Haupt-Versorgungsstrahl M_S und dem benachbarten linken Hauptstrahl M_L unmittelbar oder in einer kurzen Folge ein Schalten von dem Diversity-Versorgungsstrahl folgt, um den benachbarten rechten Hauptstrahl M_R zu überwachen, bevor zur Auswahl des Haupt-Versorgungsstrahls und des Diversity-Versorgungsstrahls zurückgekehrt wird. Periodisch werden die benachbarten linken und benachbarten rechten Hauptstrahlen durch Schalten von dem Haupt-Versorgungsstrahl und dem Diversity-Versorgungsstrahl überwacht.
Die digitalen Funkeinheiten tasten kontinuierlich andere benachbarte Hauptstrahlen in dem Sektor ab, um festzustellen, ob ein stärkeres Signal auf einem anderen Strahl gewonnen werden kann, als der Strahl, der derzeit als der Haupt-Versorgungsstrahl arbeitet. Die digitale Funkeinheit empfängt im Wesentlichen kontinuierlich ein Signal von einem Diversity-Strahl und kann die Signale von dem Haupt-Versorgungsstrahl M_S und dem Diversity-Versorgungsstrahl D_S kombinieren. Wenn die DRU einen stärkeren Signalpegel in einem benachbarten Hauptstrahl feststellt, so leitet sie eine Übergabe der Verbindung ein, so dass der benachbarte Strahl der Versorgungsstrahl wird (das heißt die Verbindung wird von der derzeitigen DRU zu einer DRU gelenkt, die den benachbarten Strahl als Versorgungsstrahl verwendet).
Literaturhinweise

[1] „Mobile Communications Engineering", McGraw Hill, 1982, Ch. 9.
[2] „Introduction to Antennas" Martin S. Smith, MacMillan, 1988, Ch. 6.

Claims

Antennenanordnung für eine Zellularfunk-Basisstation, wobei die Anordnung Folgendes umfasst: eine Hauptantenne (1000) und eine den vollen Sektor überdeckende Diversity-Antenne (1002), wobei die Hauptantenne zum Empfang von Kommunikationssignalen auf einer Vielzahl von schmalen räumlich gerichteten Strahlen (1100, 1101) konfiguriert ist, die einen Sektor überdecken, dadurch gekennzeichnet, dass die den vollen Sektor überdeckende Diversity-Antenne so angeordnet ist, dass sie einen einzigen Antennenstrahl liefert, der eine breite Richtwirkung über im Wesentlichen den gesamten Sektor hat; und die Hauptantenne bezüglich der Diversity-Antenne unterschiedlich ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, bei der die Hauptantenne und die Diversity-Antenne in einer einzigen Antennenelement-Gruppe (1600) vorgesehen sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, bei der die Hauptantenne hinsichtlich ihrer Polarisation gegenüber der Diversity-Antenne unterschiedlich ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, bei dem die Hauptantenne räumlich bezüglich der Diversity-Antenne unterschiedlich ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, die weiterhin Einrichtungen zur Auswahl (1004, 1005, 1007) eines der Strahlen, der ein gewünschtes Kommunikationssignal empfängt, aus der Anzahl von gerichteten Strahlen umfasst.
Antennenanordnung nach Anspruch 5, die weiterhin einen Diversity-Empfänger (1006) umfasst, der zur Kombination des gewünschten Kommunikationssignals mit einem Kommunikationssignal ausgebildet ist, das von der Diversity-Antenne (1002) empfangen wird.
Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Hauptantenne (1000) eine Anzahl von einzelnen Antennenelementen umfasst.
Antennenanordnung nach Anspruch 5, bei der die Einrichtungen zur Auswahl eines Strahls ein optimales Signal umfassen, das beiden genannten Antennen gemeinsam ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 8, bei der die Einrichtungen zur Auswahl eines ein optimales Signal empfangenden Strahls intermittierend das optimale Signal neu auswählen.
Antennenanordnung nach Anspruch 9, bei der die intermittierende Neuauswahl das Testen von Strahlen benachbart zu dem ausgewählten Strahl für ein optimales Signal umfasst.
Verfahren zum Empfang von Kommunikationssignalen in einem zellularen Funk-Kommunikationssystem, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Bilden einer ersten Anzahl von schmalen gerichteten Aufwärtsstrecken-Strahlen; Empfangen von Kommunikationssignalen auf der ersten Anzahl von gerichteten schmalen Aufwärtsstrecken-Strahlen, die einen Sektor überdecken; Bilden eines zweiten einen vollen Sektor überspannenden gerichteten Diversity-Aufwärtsstrecken-Strahls; Empfangen von Kommunikationssignalen auf dem zweiten gerichteten Aufwärtsstrecken-Strahl; Abtasten über die Anzahl der ersten Aufwärtsstrecken-Strahlen und den zweiten Strahl hinweg, um einen Strahl zu lokalisieren, der ein optimales Kommunikationssignal empfängt; dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strahl über im Wesentlichen einen gesamten Sektor gerichtet ist und die Hauptantenne bezüglich der Diversity-Antenne unterschiedlich ist.
Verfahren nach Anspruch 11, das den Schritt des: Vergleichens eines Kommunikationssignals, das auf einem lokalisierten Strahl der ersten Anzahl von Strahlen empfangen wird, mit dem Kommunikationssignal, das auf dem zweiten Aufwärtsstrecken-Strahl empfangen wird.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, bei der: die Hauptantenne eine erste Antennengruppe umfasst, die erste Antennensignale empfangen kann; und die Diversity-Antenne eine zweite Antenne umfasst, die mit Abstand von der ersten Antenne angeordnet ist, wobei die zweite Antenne zweite Antennensignale empfangen kann, und wobei die Antennenanordnung weiterhin Folgendes umfasst: eine erste Strahlformereinrichtung (1302), die die ersten Antennensignale empfangen kann und als Ausgangssignal eine Anzahl von ersten Strahlsignalen abgeben kann, die einer ersten Anzahl von Strahlen entsprechen; eine zweite Strahlformereinrichtung (1304), die die zweiten Antennensignale empfangen kann und ein zweites Strahlsignal abgeben kann, das einem zweiten Strahl entspricht; Lokalisierungseinrichtungen (1300) zur Abtastung über die Anzahl von ersten Strahlsignalen hinweg, um ein auf einem der Strahlen empfangenes Kommunikationssignal zu lokalisieren; und einen Empfänger (1301) zum Empfang der ersten und zweiten Strahlsignale.
Antennenanordnung nach Anspruch 13, bei der die Lokalisierungseinrichtung (1300) zur Auswahl eines Strahlsignals betreibbar ist, das einem optimalen Empfangsstrahl der ersten und zweiten gerichteten Strahlen entspricht.
Antenne nach Anspruch 13 oder 14, die: Einrichtungen zum Vergleich (1301) der ersten Strahlsignale mit dem zweiten Strahlsignal umfasst.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 13–15, bei der der Empfänger gleichzeitig ein Strahlsignal von jedem der Anzahl von Strahlen empfängt und aufeinanderfolgend die Strahlsignale der Anzahl von Strahlen abtastet.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 13–16, bei der die ersten und zweiten Antennen körperlich in Abstand voneinander mit einem Abstand angeordnet sind, der ausreicht, damit, wenn die erste Antenne einen Schwund aufweist, die zweite Antenne sich außerhalb des Schwundes befindet.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem: die erste Anzahl von gerichteten Aufwärtsstrecken-Strahlen unter Verwendung einer ersten Antennenanordnung gebildet wird, die zum Empfang erster Antennensignale ausgebildet ist; und wobei das Verfahren weiterhin Folgendes umfasst: Eingabe der ersten Antennensignale in eine erste Strahlformereinrichtung (1302); und Ausgabe einer Anzahl von ersten Strahlsignalen, die einer ersten Anzahl von Strahlen entsprechen, von der ersten Strahlformereinrichtung (1302); und wobei der zweite Aufwärtsstrecken-Strahl unter Verwendung einer zweiten Antennenanordnung gebildet wird, die mit Abstand von der ersten Antennenanordnung angeordnet ist, wobei das Verfahren weiterhin Folgendes umfasst: Empfangen zweiter Antennensignale auf der zweiten Antennenanordnung; Eingabe der zweiten Antennensignale an eine zweite Strahlformereinrichtung (1304); Ausgabe zweiter Strahlsignale, die zumindest einem zweiten Strahl entsprechen, von der zweiten Strahlformereinrichtung (1304); Abtasten der Anzahl von ersten Strahlsignalen zur Lokalisierung eines auf dem Strahl empfangenen Kommunikationssignals; und Eingabe von zumindest einem der ersten und zweiten Strahlsignale in einen Empfänger (1301).
Antennenanordnung nach Anspruch 2, wobei die einzelne Antennenelement-Gruppe (1600) in der Lage ist, Signale von einer Anzahl von Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahlen und einen Diversity-Aufwärtsstrecken-Strahl zu empfangen und entsprechende Antennensignale zu erzeugen, wobei die Haupt- und Diversity-Aufwärtsstrecken-Strahlen voneinander auf der Grundlage einer Polarisation unterscheidbar sind; wobei die Antennenanordnung weiterhin Folgendes umfasst: Strahlformereinrichtungen (1601, 1602) zum Empfang der Antennensignale und zur Erzeugung einer Anzahl von Haupt-Strahlsignalen, die der Anzahl von Hauptstrahlen entsprechen, und eines Diversity-Strahlsignals, das dem Diversity-Aufwärtsstrecken-Strahl entspricht; und eine Lokalisierungseinrichtung (1603), die betreibbar ist, um: über die Anzahl von Haupt-Strahlsignalen hinweg abzutasten, um einen Strahl der ersten Anzahl von Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahlen zu identifizieren, auf dem ein Kommunikationskanal-Signal empfangen wird; und eine Empfängereinrichtung (1605), die zum Vergleich des Kommunikationssignals, das auf dem identifizierten Hauptstrahl empfangen wird, mit dem Kommunikationssignal betreibbar ist, das auf dem Diversity-Strahl identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Kommunikationssignale von einer Mobilstation in einem in Sektoren unterteilten Zellularfunk-Kommunikationssystem empfangen werden, und: bei dem die erste Anzahl von gerichteten Aufwärtsstrecken-Strahlen Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahlen sind, die in einem Sektor gebildet werden; und wobei der zweite gerichtete Aufwärtsstrecken-Strahl ebenfalls in dem Sektor gebildet wird; wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte umfasst: Versorgen eines Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahls durch Überwachungssignale, die auf dem Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahl empfangen werden, und Überwachen von Signalen, die auf dem Diversity-Aufwärtsstrecken-Strahl empfangen werden; und periodisches Überwachen von Signalen, die auf zumindest einem der Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahlen empfangen werden, der von dem versorgten Haupt-Aufwärtsstrecken-Strahl verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die anderen Aufwärtsstrecken-Strahlen Hauptstrahlen umfassen, die in Azimutrichtung benachbart zu dem versorgten Hauptstrahl sind.