FI108762B - Menetelmä toisteen aikaansaamiseksi ja tukiasemalaitteisto - Google Patents

Description

108762

Menetelmä toisteen aikaansaamiseksi ja tukiasemalaitteisto

Tekniikan ala

Keksinnön kohteena on menetelmä toisteen aikaansaa-5 miseksi radiojärjestelmässä, jossa lähetinvastaanottimet ovat yhteydessä toisiin lähetinvastaanottimiin yhdellä tai useammalla antennilla muodostettavien säteilykuvioiden avulla.

Tekniikan taso ! 10 Radiojärjestelmissä signaalin laatu eri lähetinvas- taanottimien välisillä yhteyksillä vaihtelee jatkuvasti. Tämä koskee kaikkia radiojärjestelmiä, mutta erityisesti sellaisia, joissa jompikumpi lähetinvastaanottimista on liikkuva. Tyypillinen vaihtelevasta signaalin laadusta 15 kärsivä järjestelmä on solukkoradiojärjestelmä. Solukkora-dioympäristössä tukiaseman ja tilaajapäätelaitteen väliset signaalit kokevat erilaisia häipymiä ja vääristymiä, joiden takia pyritään kehittämään keinoja, jotka lieventäisivät häiriöiden vaikutuksia yhteydelle.

20 Radiojärjestelmissä käytetään yleisesti erilaisia toiste- eli diversiteettimenetelmiä erityisesti Rayleigh jakautuneiden häiriöiden eliminoimiseksi. Toistemenetel-*, millä tarkoitetaan menetelmiä, joissa signaalin siirrossa . hyödynnetään useampaa kuin yhtä signaalikomponenttia.

25 Näistä signaalikomponenteista voidaan valita kullakin het- • · *·’ ’ kellä paremman laadun tarjoava komponentti, tai vaihtoeh- toisesti komponentit voidaan yhdistää edullisesti, jolloin :,i.: signaalin laatu saadaan maksimoitua.

•S · Useita erilaisia toistemenetelmiä on käytössä.

30 Solukkoradiojärjestelmissä on yleisesti käytetty paikka-·;··· toistetta, jossa signaalin lähetys- ja vastaanotto tapah- tuu useampaa kuin yhtä antennia käyttäen. Muita tunnettuja • · · menetelmiä ovat esimerkiksi polarisaatiotoiste, 'jitter', *···’ 'switched pattern' ja keilatoiste. Näitä toistemenetelmiä 35 on tarkemmin kuvattu viitteissä [1] - [5] . Viitejulkaisu- * * · * » » » • · » · • · · 2 108762 luettelo on selitysosan lopussa.

Useat näistä toistemenetelmistä ('jitter', 'switched pattern' ja keilatoiste) perustuvat antennin säteilykuvion tai keilan suunnan muokkaamiseen. Täten niiden suoritusky-5 ky on riippuvainen antennin keilan leveydestä. Lisäksi, erityisesti mikrosoluissa antennin vastaanottaman signaalin keskimääräinen teho riippuu olennaisesti keilan suunnasta. Jos esimerkiksi signaalia vastaanotetaan kahdella keilalla ja toisen keilan vastaanottaman signaalin keski-10 määräinen tehotaso on merkittävästi toisella keilalla vastaanotetun signaalin keskimääräistä tehotasoa suurempi, niin tällöin diversiteettihyöty häviää. Antennikeilan muokkaamiseen perustuvat toistemenetelmät ovat siis riippuvaisia ympäristöstä, eritoten mikrosoluissa.

15 Polarisaatiotoiste, joka perustuu kahden eri polari saation, eli vaaka- ja pystypolarisaation käyttöön, on myös hyvin herkkä ympäristölle, kuten on osoitettu viitteessä [5] . Eri polarisaatioiden vastaanotetut keskimääräiset tehotasot poikkeavat erityisesti heijastusten puut-20 tumisen vuoksi. Myös liikkuvan aseman antennin suunnalla suhteessa pystysuoraan suuntaan on suuri merkitys pola-risaatiotoisteen toimivuuteen.

·, Paikkatoisteen merkittävin haitta on se, että se ].. tarvitsee toimiakseen useamman kuin yhden antennin, jol- 25 loin kustannukset nousevat sekä antennien sijoittelu var-’ sinkin mikrosoluympäristössä saattaa olla hankalaa.

Keksinnön tunnusmerkit

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena onkin toteut-: taa toistemenetelmä, jonka avulla saavutetaan hyvä toiste- 30 parannus, ja joka ei ole riippuvainen ympäristöstä tunnet-tujen menetelmien kaltaisesti. Keksinnön tarkoituksena on .···. edelleen toteuttaa laitteisto, jolla toisteparannus voi- « · t daan saavuttaa edullisesti ja jonka sijoittelu on helppoa.

Tämä saavutetaan johdannossa esitetyn tyyppisellä 35 menetelmällä, jolle on tunnusomaista, että lähetinvastaan- • * • · · • » t · • * · 3 108762 ottimen antenneilla muodostetaan kaksi tai useampi tehosä-teilykuvioltaan identtistä säteilykuviota, joiden vaihesä-teilykuviot ovat toisistaan poikkeavat.

Keksinnön kohteena on lisäksi tukiasemalaitteisto, 5 joka käsittää yhden tai useamman antennin, jonka avulla muodostettavien säteilykuvioiden avulla tukiasema on yhteydessä kuuluvuusalueellaan oleviin tilaajapäätelaittei-siin. Keksinnön mukaiselle tukiasemalaitteistolle on tunnusomaista, että tukiasema käsittää välineet muodostaa an-10 tenneilla kaksi tai useampi tehosäteilykuvioltaan identtistä säteilykuviota, joiden vaihesäteilykuviot ovat toisistaan poikkeavat.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla on useita etuja. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa vältytään eri antennikei-15 lojen erisuurelta keskimääräiseltä teholta. Keksinnön mukainen ratkaisu ei siis ole riippuvainen ympäristöstä kuten aiemmat menetelmät. Keksinnön edullisessa toteutusmuodossa antennikeilat saadaan aikaan yhtä kompaktia antennia käyttäen. Diversiteetin toteutus ei myöskään ole riippu-20 vainen antenniparametreistä, kuten keilojen leveydestä tai suunnista, joten nämä seikat voidaan optimoida kuuluvuus-näkökohtien mukaisesti.

Kuvioiden selitys | · · . Seuraavassa keksintöä selitetään tarkemmin viitaten • · « • 1 25 oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkeihin, joissa t · ·1 1 kuvio 1 havainnollistaa esimerkkiä radiojärjestel- « · · mästä, jossa keksintöä voidaan soveltaa, ,·.· kuvio 2 havainnollistaa esimerkkiä vaihesäteilykuvi- ; : · öistä, 30 kuvio 3 havainnollistaa ensimmäistä esimerkkiä kek- ·.··· sinnön toteuttavasta lähetinvastaanottimesta ja ,··1. kuvio 4 havainnollistaa toista esimerkkiä keksinnön toteuttavasta lähetinvastaanottimesta.

’···’ Edullisten toimintamuotojen kuvaus ’·’ 135 Keksinnön mukaista ratkaisua toisteen aikaansaami- » » * * 4 108762 seksi voidaan soveltaa missä tahansa radiojärjestelmässä, jossa lähetinvastaanottimet kommunikoivat keskenään radiotien ylitse. Eräs tällainen radiojärjestelmä on solukkora-diojärjestelmä, joka koostuu tyypillisesti useista soluis-5 ta, joissa kussakin on tukiasema, joka on yhteydessä alueellaan oleviin tilaajapäätelaitteisiin. Seuraavassa keksintöä kuvataan käyttäen esimerkkinä solukkoradiojärjes-telmää ja erityisesti järjestelmän tukiasemalaitteistoa, siihen kuitenkaan rajoittumatta.

10 Kuviossa 1 havainnollistetaan esimerkkiä solukkora- diojärjestelmästä, jossa keksintöä voidaan soveltaa. Kuviossa on esitetty tukiasema 100, ja joukko tilaajapääte-laitteita 102 - 106, joihin tukiasema on yhteydessä yhdellä tai useammalla antennilla 108 muodostettavien säteily-15 kuvioiden 110 - 116 avulla.

Eräs tunnettu tapa toteuttaa antenni 108 on muodostaa antenni useasta antennielementistä, joille lähetettävä signaali viedään, painottaen kutakin elementtiä halutusti, jolloin aikaansaadaan haluttu säteilykuvio. Vastaavasti 20 toimitaan myös vastaanottosuunnassa. Elementtien erilaisilla painotuksilla saadaan siis aikaan erilaisia säteily-kuvioita. Näin samalla antennilla voidaan muodostaa eri-·_ laisia antennikeiloja haluttuihin suuntiin tai toteuttaa . ympärisäteilevä antennikuvio. Elementeistä koostuvaa an- 25 tennia voidaan myös kutsua antenniryhmäksi, vaikkakaan '·’ " kyseessä ei siis ole joukko erillisiä antenneja, vaan ele- menteistä koostuva yksi antenni.

:.j.: Keksinnön mukaisen ratkaisun perusajatuksena on, : : : että lähetinvastaanottimen antenneilla muodostetaan kaksi 30 tai useampi tehosäteilykuvioltaan identtistä säteilykuvi-ota, joiden vaihesäteilykuviot ovat toisistaan poikkeavat. .··. Muodostetut säteilykuviot voivat olla muodoltaan joko ym- pärisäteileviä 116 tai keilamaisia 110 - 114 sovelluksesta riippuen. Säteilykuviot voivat olla yhteneväisiä joko ho- * ’:' S5 risontaali- tai vertikaalisuunnissa tai molemmissa. 1 » t · 5 108762

Keksinnön edullisessa toteutusmuodossa käytettävä antenni on antenniryhmä, eli se koostuu joukosta antenni-elementtejä, joita voidaan ohjata painokertoimia käyttäen, kuten yllä on kuvattu. Antenniryhmän painotuskertoimet va-5 Iitaan siten, että muodostuu kaksi tai useampi tehosätei-lykuvioltaan identtistä säteilykuviota, joiden vaihesätei-lykuviot ovat toisistaan poikkeavat.

Tarkastellaan kuviota 2, jossa havainnollistetaan kahden ympärisäteilevän tehosäteilykuvioltaan identtisen 10 antennikuvion vaihesäteilykuvioita. Kuviossa on esitetty vaaka-akselilla horisontaalinen kulma ja pysty-akselilla vaihe, ja kaksi vaihesäteilykuviota 150, 152. Kuvan vaihe-kuviot voidaan saada aikaan esimerkiksi kahdeksanelement-tisellä antenniryhmällä. Kuten havaitaan, vaiheet ovat yh-15 teneväiset ainoastaan joillakin yksittäisillä kulmilla.

Tarkastellaan seuraavaksi keksinnön mukaisen tois-teen hyväksikäyttöä vastaanottosuunnassa. Toisteen hyväksikäytölle on eri vaihtoehtoja. Ensimmäisessä vaihtoehdossa käytetään yhtä vastaanotinta. Oletetaan tässä yksinker-20 taisuuden vuoksi, että toteutetaan kaksi säteilykuviota, joiden tehokuvio on yhteneväinen, mutta vaihekuviot poikkeavat. Vastaanotettaessa lähetinvastaanotin vastaanottaa ·, hetkellisesti signaalia yhdellä vaihesäteilykuviolla ja mittaa signaalin laadun, ja hetkellisesti toisella vaihe-·,.* 25 säteilykuviolla mitaten signaalin laadun, ja valitsee vas- ’·* ’ taanottoon paremman laadun tarjoavan säteilykuvion. Anten- • · · nielementtien ohjaus voidaan toteuttaa esimerkiksi digi-taalisen signaalinkäsittelyn avulla.

• · · i i ·’ Toisessa vaihtoehdossa vastaanotettaessa lähetinvas- 30 taanotin vastaanottaa koko ajan usealla eri vaihesäteily- kuviolla ja edullisesti yhdistää vastaanotetut signaalit.

.*·*. Tällöin vastaanotinlaitteisto tulee käsittää kaksi eril- • · · listä vastaanotinta, joiden vastaanottamat signaalit yh-*···’ distetään.

35 Tarkastellaan seuraavaksi keksinnön mukaisen ratkai- e 108762 sun toteuttavan tukiasemalaitteiston rakennetta. Kuvio 3 havainnollistaa ensimmäistä esimerkkiä keksinnön toteuttavasta laitteistosta vastaanotinpuolen osalta. Laitteisto käsittää antenniryhmän 200, joka koostuu useasta antenni-5 elementistä 202 - 206. Antennielementit on kytketty paino-tusvälineille 208, joissa suoritetaan antennielementeillä vastaanotetuille signaaleille haluttu painotus. Painotus-välineet voidaan toteuttaa alan ammattimiehelle tunnetuilla menetelmillä. Painotusvälineiltä signaali viedään ra-10 diotaajuusosille 210, joissa signaali muunnetaan kanta-tai välitaajuudelle. Radiotaajuusosilta signaali viedään edelleen kantataajuusosille 212, joissa suoritetaan signaalin muu prosessointi, kuten kanavadekoodaus, deinter-liivaus ja puhedekoodaus. Nämä toimenpiteet eivät ole 15 esillä olevan keksinnön kannalta oleellisia. Huomattakoon tässä, että painotusvälineiden 208 ja radiotaajuusosien 210 sijainti voi myös olla toinen eli että painotus suoritetaan radiotaajuusosien jälkeen. Painotus voidaan siis suorittaa sekä digitaalisesti että analogisesti, kuten 20 alan ammattimiehelle on selvää. Se, missä vaiheessa painotus suoritetaan, ei ole esillä olevan keksinnön kannalta olennaista.

·, Laitteisto käsittää edelleen ohjausvälineet 214, , jotka ohjaavat laitteiston muiden osien toimintaa. Ohjaus- ·,; 25 välineet voidaan toteuttaa yleis- tai signaaliprosessorin • · '·' * avulla, johon prosessoriin ohjelmoidaan keksinnön vaatimat » » ♦ toimenpideaskeleet. Ohjausvälineet voidaan vaihtoehtoises-ti toteuttaa myös erilliskomponenteilla tai ASIC-piirinä.

i I I

: : : Ohjausvälineet 214 ohjaavat myös painotusvälineitä 208 ja 30 radiotaajuusvälineitä 210 siten, että hetkellisesti vas-taanotetaan signaalia yhdellä vaihesäteilykuviolla ja mi-.···. tataan signaalin laatu, ja hetkellisesti toisella vaihesä teilykuviolla mitaten tällöinkin signaalin laatu. Ohjaus-'···' välineet 214 valitsevat mittausten perusteella vastaan- •'35 ottoon paremman laadun tarjoavan säteilykuvion. Mittaus • « t · II» » 7 108762 voidaan suorittaa nopeasti peräkkäin, ilman että etene-misolosuhteet radiokanavassa ehtivät muuttua.

Tarkastellaan seuraavaksi keksinnön mukaisen ratkaisun toisen toteutusmuodon toteuttavan tukiasemalaitteiston 5 rakennetta. Kuvio 4 havainnollistaa toista esimerkkiä keksinnön toteuttavasta laitteistosta vastaanotinpuolen osalta. Laitteisto käsittää antenniryhmän 200, joka koostuu useasta antennielementistä 202 - 206. Antennielementit on kytketty painotusvälineille 208, joissa suoritetaan anten-10 nielementeillä vastaanotetuille signaaleille haluttu painotus. Painotusvälineiltä signaali viedään radiotaajuus-osille 300, 302, joissa signaali muunnetaan kanta- tai vä-litaajuudelle. Radiotaajuusosilta 300, 302 signaali viedään edelleen kantataajuusosille 304, joissa suoritetaan 15 signaalin muu prosessointi kuten kanavadekoodaus, deinter-liivaus ja puhedekoodaus. Nämä toimenpiteet eivät ole esillä olevan keksinnön kannalta oleellisia. Kuten edellä, huomattakoon, että painotusvälineiden ja radiotaajuusosien sijainti voi myös olla toinen, eli että painotus suorite-20 taan radiotaajuusosien jälkeen. Painotus voidaan siis suorittaa sekä digitaalisesti että analogisesti, kuten alan ammattimiehelle on selvää.

Laitteisto käsittää edelleen ohjausvälineet 214, jotka ohjaavat laitteiston muiden osien toimintaa. Keksin-25 non tässä toteutusmuodossa ohjausvälineet 214 ohjaavat ra-diotaajuusvälineitä 300, 302 siten, että signaalia voidaan **·'· vastaanottaa koko ajan kahdella eri vaihesäteilykuviolla.

Kantataajuusosissa 304 voidaan prosessoida molempia sig-V : naaleita ja kantataajuusosat 304 käsittävät välineet 306 30 edullisesti yhdistää vastaanotetut signaalit tunnettuja yhdistelymenetelmiä hyväksikäyttäen. Signaalien yhdistely voidaan suorittaa myös radiotaajuusosilla, kuten alan am-mattimiehelle on selvää. Vaikka tässä esimerkissä on esi-’··’ tetty vain kahden signaalin ja vaihekuvion yhdistely, niin * 35 keksintö ei rajoitu luonnollisesti siihen, vaan vaihekuvi- 8 108762 oita voi olla useampiakin.

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaiseen esimerkkiin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan 5 muunnella monin tavoin oheisten patenttivaatimusten esittämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Viitejulkaisut: [1] O. Norklit, J. Andersen: Mobile radio environments 10 and adaptive arrays, Proc. IEEE PIMRC, Sept 1994, pp. 725-728.

[2] O. Norklit, C. Eggers, J. Andersen: Jitter diversity in multipath environments, Proc. 45th IEEE Veh. Tech. Conf., Chicago, 1993, pp. 853-857.

15 [3] T. Aubrey, P. White: A comparison of switched pat tern diversity antennas, Proc. 43rd IEEE Veh. Tech. Conf., Secausus, pp. 89-92.

[4] K. Nikoskinen, J. Lempiäinen, K. Heiska: Beam diversity simulations in microcellular environments, 20 Proc. AP-S/URSI International Symposium, Baltimore, 1996, vol.l, pp. 449-452.

I [5] A. Turkmani, A. Arowojolu, P. Jefford, C. Kellett:

An experimental evaluation of the performance of • · two-branch space and polarization diversity schemes 25 at 1800 Mhz, IEEE Trans. Veh. Tech. , vol. 44, no.2, • ·

May 1995, pp. 318-326.

• · · » >11· • · · ll# II# . · · · I « <

It# • · I t · » » I · » I 1 « IIS I ·

Claims (10)

1. Menetelmä toisteen aikaansaamiseksi radiojärjestelmässä, jossa lähetinvastaanottimet (100 - 106) ovat yh- 5 teydessä toisiin lähetinvastaanottimiin yhdellä tai useammalla antennilla muodostettavien säteilykuvioiden 110 -116 avulla, tunnettu siitä, että lähetinvas-taanottimen antenneilla muodostetaan kaksi tai useampi te-hosäteilykuvioltaan identtistä säteilykuviota, joiden vai-10 hesäteilykuviot ovat toisistaan poikkeavat.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että radiojärjestelmä käsittää joukon tukiasemia (100) ja tilaajapäätelaitteita (102 - 106), jotka tukiasemat ovat yhteydessä alueellaan oleviin tilaa- 15 japäätelaitteisiin, ja että vaihesäteilykuvioltaan toisistaan poikkeavia säteilykuvioita käytetään tukiasemassa sekä lähetyksen että vastaanoton aikana.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetut säteilykuviot 20 ovat muodoltaan ympärisäteileviä (116).

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, I tunnettu siitä, että muodostetut säteilykuviot . ovat muodoltaan oleellisesti keilamaisia (110 -114).

• 5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, « · · ••’25 tunnettu siitä, että lähetinvastaanottimessa *.· ' käytetyt antennit (200) koostuvat joukosta antennielement- tejä (202 - 206) , ja että yhdellä antennilla muodostetaan : :t: kaksi tai useampi tehosäteilykuvioltaan identtistä sätei- lykuviota, joiden vaihesäteilykuviot ovat toisistaan poik-30 keavat.

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, (>*‘t tunnettu siitä, että vastaanotettaessa lähetinvas- taanotin vastaanottaa hetkellisesti signaalia yhdellä vai- hesäteilykuviolla ja mittaa signaalin laadun, ja hetkelli- ’•"55 sesti toisella vaihesäteilykuviolla mitaten signaalin laa-• » I I » I » 10 108762 dun, ja valitsee vastaanottoon paremman laadun tarjoavan säteilykuvion.

7. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vastaanotettaessa lähetinvas- 5 taanotin vastaanottaa koko ajan usealla eri vaihesäteily-kuviolla ja edullisesti yhdistää vastaanotetut signaalit.

8. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säteilykuviot voivat olla yhteneväiset horisontaali- tai vertikaalisuunnissa tai mo- 10 lemmissa.

9. Tukiasemalaitteisto, joka käsittää yhden tai useamman antennin (200), jonka avulla muodostettavien sätei-lykuvioiden (110 - 116) avulla tukiasema (100) on yhteydessä kuuluvuusalueellaan oleviin tilaajapäätelaitteisiin 15 (102 - 106) , tunnettu siitä, että tukiasema kä sittää välineet (208, 214) muodostaa antenneilla kaksi tai useampi tehosäteilykuvioltaan identtistä säteilykuviota, joiden vaihesäteilykuviot ovat toisistaan poikkeavat.

9 108762 Patenttivaatimukset :

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen tukiasemalait- 20 teisto, tunnettu siitä, että tukiasemassa käyte tyt antennit (200) käsittävät joukon antennielementtejä (202 - 206), ja että tukiasema käsittää välineet (208, ·, 214) muodostaa yhdellä antennilla kaksi tai useampi teho- . säteilykuvioltaan identtistä säteilykuviota, joiden vaihe- 25 säteilykuviot ovat toisistaan poikkeavat. « * t i · ( IM • • · « · » * » , k * It* » t » t * * * * * t » i * » « · t · • I t I t » I · · i t » i k 11*1» » » • i * I « t > I k ltk * k k * k * k * * 108762 11 i