NO343968B1 - Fremgangsmåte og system for å utnytte smarte antenner til å etablere et bakgrunnstransportnett - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse er relatert til trådløse kommunikasjoner. Mer bestemt er foreliggende oppfinnelse relatert til en fremgangsmåte og system som bruker smarte antenner i å etablere et bakgrunnstransportnettverk. Der tradisjonelle trådløse kommunikasjonssystemer bruker trådbaserte forbindelse, slik som et maskenettverk eller cellulært nettverk, for å etablere et bakgrunnsnettverk, kan foreliggende oppfinnelse trådløst sende bakgrunnskommunikasjon ved å bruke et flertall av noder der hver node har en smart antenne som genererer i det minste én retningesstråle for å koble seg til i det minste én nabonode.

En av de mest viktige spørsmål i et trådløst kommunikasjonssystem, er å øke kapasiteten til systemet med å minke interferens. Retningsantenner (også kjent som smarte antenner) har blitt utviklet for å forbedre kapasiteten og for å redusere interferens. En smart antenne bruker et flertall av antenneelementer til å generere en retningsstråle som stråler signaler bare mot en bestemt retning i asimut, og selektivt detekterer signaler sendt fra en bestemt retning. Med en smart antenne vil et trådløst kommunikasjonssystem være i stand til å øke kapasiteten og å redusere interferens siden signaler blir bestrålt til et smalt område i et dekningsområde. Dette øker samlet systemkapasitet siden en sender kan øke sendingseffektnivået til retningsstrålen uten å forårsake overskytende interferens i andre sendere og mottakere, slik som trådløse sendere/mottakerenheter (WTRU) og basestasjoner.

Et trådløst kommunikasjonssystem innbefatter generelt et flertall av noder, slik som basestasjoner og radionettverkskontrollere, eller lignende. Nodene er typisk koblet til hverandre via trådbaserte forbindelser, slik som et maskenettverk eller et cellulært nettverk. Nodene kommuniserer med hverandre og sender meldinger, slik som bakgrunnstransportmeldinger.

Imidlertid, det er en ulempe med trådbaserte forbindelser for å etablere et bakgrunnstransportnettverk ved at trådbaserte forbindelser er dyre, tidskrevende, og lite fleksible ved modifikasjon eller forandring av nettverket. Særlig i maskenettverkt kreves det noder som blir koblet med hverandre. Når en ny node blir lagt maskenettverket er det en stor oppgave (i både kostnad og tid) som brukes for å etablere nye forbindelser til den nye noden for bakgrunnstransport.

Derfor er det et behov for en kosteffektiv, mindre tidskrevende, og fleksibel fremgangsmåte og system for å etablere et bakgrunnstransportnettverk.

US 2003/0109285 beskriver en trådløs kommunikasjonsenhet for å gi en tjeneste i et maskenettverk. Hver av enhetene har en retningsantenne.

Artikkelen «Coexistence Study for the introduction of FWA in the 5.8 GHz band (5725-5875 MHz)”, side 1- 63, 01/05/2003, beskriver et maskekommunikasjonsystem.

EP 1401151 vedrører hybrid trådbasert/trådløs nettverk, og beskriver en fremgangmåte og system for å gi et maskenettverk ved å anvende ent flertall trådløse aksesspunkt.

Foreliggende oppfinnelse er en fremgangsmåte og system for å bruke en smart antenne til å etablere et bakgrunnstransportnettverk. Foreliggende oppfinnelse er rettet mot å bruke smarte antenner for å forbedre i-cellekommunikasjoner, øke gjennomstrømning og å forme i det minste en del av et fleksibelt bakgrunnstransportnettverk for å overbringe bakgrunnsdata. Foreliggende oppfinnelse er implementert i et trådløst kommunikasjonssystem som inkluderer et flertall av noder, og hvor hver node er koblet sammen i et maskenettverk. I det minste en del av nodene er gitt en eller flere smarte antenner som er konfigurert til å generere et flertall av retningsstråler. Hver node har en eller flere smarte antenner som beholder en liste over andre noder som har smarte antenner og stråleretning og konfigurasjonsinformasjon som blir brukt i sending av meldinger til disse andre nodene. Når en kildenode er krevet å sende bakgrunnsdata til en målnode, gjenvinner kildenoden stråleretningen og konfigurasjonsinformasjon for målnoden og sender meldingen med den retningsstråle rettet mot målnoden.

Oppfinnelsen er definert ved det selvstendige kravet.

Figur 1 er et blokkdiagram over et nettverk med et flertall av noder i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Figur 2 er et blokkdiagram over en node laget i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Figur 3 er et flytdiagram over en prosess som bruker smarte antenner i sending av meldinger mellom noder i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Figur 4 er et diagram over et eksempel på et strålmønster generert av en node i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Foreliggende oppfinnelse er anvendbar i ethvert trådløst kommunikasjonssystem, inkludert, men ikke begrenset til, tidsdelt dupleks (TDD), frekvensdelt dupleks (FDD), og tidsdelt synkron kodedelt multippelaksess (TD-SCDMA), som anvendt på et universelt mobilt telekommunikasjonssystem (UMTS), CDMA2000, CDMA i generell form, globalt system for mobile kommunikasjoner (GSM), generelt pakkeradiosystem (GPRS), og forbedret datarater for GSM utvikling (EDGE).

Heretter vil uttrykket ”WTRU” inkludere, men ikke være begrenset til, et brukerutstyr, en mobilstasjon, en fast eller mobil abonnentenhet, en personsøker, eller enhver annen type av innretning som er i stand til å operere i et trådløst miljø. Når referert til heretter vil uttrykket ”node” inkludere, men ikke være begrenset til, en basestasjon, en node-B, en stedskontroller, et aksesspunkt eller enhver annen type av grensesnittinnretning i et trådløst miljø.

Figur 1 er et blokkdiagram over et nettverk 100 med et flertall av noder 102a-ni henhold til foreliggende oppfinnelse. I det minste en av nodene, grafisk vist som 102a-ner koblet til et kjernenettverk 110. Operasjonen til et kjernenettverk i et trådløst kommunikasjonssystem er vel kjent for en fagmann og er ikke sentral for foreliggende oppfinnelse. Følgelig vil kjernenettverket 110 ikke bli forklart i detalj her.

Hver node 102a-nbetjener en eller flere WTRU (ikke vist) som er lokalisert innenfor dekningsområdet til nodene 102a-n. Nettverket 100 kan være et maskenettverk eller et cellulært nettverk. I konteksten av foreliggende oppfinnelse vil både maskenettverk og cellulære nettverkt sende bakgrunnsinformasjon, men det er en fundamental forskjell. Cellulære nettverk har typisk faste nettverk infrastrukturer og bakgrunnstransportforbindelse. Disse forbindelsene er typisk punkt til punkt og de forandres ikke. En node sender bakgrunnsdata til en annen node på et annet sted i nettverket, og bare til dette stedet.

I tilfelle av et maskenettverk vil forbindelsene mellom nodene forandre seg, og derfor vil bakgrunnsdata kunne bli sendt til forskjellige noder på forskjellige tidspunkt for videre ruting. Særlig i tilfelle av maskenettverk, siden bakgrunnsforbindelsen kan forandre seg fra tidspunkt til tidspunkt, er det viktig å være i stand til å justere de smarte antennene slik at en forbindelse til en annen node kan bli oppnådd uten å skape unødvendig interferens til andre noder.

I det minste en del av nodene 102a-ner gitt med i det minste en smart antenne (som vil bli forklart i detalj heretter) og bruke den smarte antennen i sending av bakgrunnsdata til andre noder 102a-ni tillegg til regulære nedlastingssendinger til WTRU og opplastmottak fra WTRU. Disse nodene 102a-ner i stand til å generere et flertall av retningsstråler og styre strålen til enhver retning i asimut.

Det er forventet at nettverket 100 vil inkludere noder med trådbaserte forbindelser så vel som de med trådløse bakgrunnsforbindelser som bruker smarte antenner. Siden forbindelser etablert ved å bruke smarte antenner kan bli konfigurert om igjen og styrt til forskjellige noder, øker disse fleksibiliteten til systemet. Imidlertid, i det minste en av nodene vil både ha en trådbasert forbindelse til kjernenettverket 110 og trådløse forbindelser til andre noder for å gi en forbindelse mellom gruppen av trådløse noder og kjernenettverket som er vesentlig trådbasert. I det minste en del av nodene 102a-nkan også være gitt muligheten til å sende bakgrunnsinformasjon over en trådbasert eller dedikert forbindelse. En node (vist som node 102nhar både trådbasert og trådløs bakgrunnsforbindelser, (heretter referert til som en hybrid node), som vil være forbindelsen til det trådbaserte kjernenettverket 110. Med andre ord, siden nodene sender bakgrunnsinformasjon trådløst ved hjelp av smarte antenner, vil denne bakgrunnsinformasjonen bli rutet til slutt til kjernenettverket 110 gjennom den hybride noden 102n. Derfor kan den hybride noden 102nmotta og sende bakgrunnsinformasjon til nodene med trådløse bakgrunnsforbindelser mens den mottar og sender bakgrunnsinformasjon til kjernenettverket 110, som dermed former en bro.

I en utførelse har en node 102a-net flertall av forhåndsbestemte stråler 109a-ksom vist i figur 4, og velger en blant flertallet av stråler 109a-hfor å styre en sending eller mottak. Figur 4 viser åtte stråler i asimut som kan bli generert av hver node 102a-n. Det bør legges merke til at strålene vist i figur 4 er gitt bare som et eksempel og ethvert antall av ståler, strålemønstre, eller enhver annen type av mønster kan bli implementert.

I en alternativ utførelse vil hver stråle 109a-hkunne bli generert og styrt i sanntid, heller enn å være valgt fra et sett av forhåndsbestemte posisjoner.

En node 102a-nvelger en stråle 109a-hretning, enten en dynamisk eller blant et flertall av tilgjengelige posisjoner, som gir den bete ytelsen uttrykt i systemkapasitet, datagjennomstrømning, interferens eller lignende. Node 102a-ner generelt fast på en bestemt lokasjon. Derfor, med en gang en stråle 109a-hog konfigurasjon mellom to noder 102a-ner satt, vil retningen og konfigurasjonen kunne bli lagret og brukt deretter uten forandring. Hver node 102a-nkan være i stand til å gi mer enn en stråle 109a-hfor kobling til andre noder 102a-n, siden radiomiljøet og trafikklasten kan forandres på en langtidsbasis. Derfor vil hver node 102a-nmonitorere signaler mottatt fra andre noder 102a-nfor å bestemme radiomiljøet, og dynamisk justere stråleretningen og signalkonfigurasjon for å optimalisere ytelsen til systemet.

Et eksempel på operasjonen av systemet er som følgende: en første valgt node, slik som node 102a, genereres en stråle og styrer den mot en annen valgt node, slik som node 102b. Dette kan bil gjort ved å justere de komplekse vektene anvendt på antennemateriseelementene som typisk blir gjort ved stråleforming i antennematriser. På samme tiden kan noden 102a måle kvaliteten til linken A til node 102b. Kvaliteten til linken A kan bli målt som signal til støyforhold, bitt eller rammefeilrate, eller noen andre målbare kvalitetsindikatorer. Den sendende noden 102afinner den beste antennestråleretningen, den beste kombinasjonen av vekter for å maksimalisere linkkvaliteten i dette tilfellet, og lagrer både link kvalitetsmålet og tilsvarende stråleretning (vekter). Den sendende noden 102agjør dette for alle noder som er i nærheten og lagrer den tilsvarende kvaliteten og stråleinformasjonen.

Enhver node 102a-nkan være fleksibel og trådløs koblet eller frakoblet andre noder 102a-nved selektivt å styre en eller flere stråler til de andre nodene 102a-n. I figur 1 sender den første noden 102ameldinger til den andre noden 102bved å bruke en retningsstråle A, og til en fjerde node 102dved å bruke en retningsstråle B.

Retningstrålene A og B er uavhengige kontrollert og kan bli sendt simultant. Siden hver retningsstråle A og B er strålt bare mot en bestemt retning, forårsaker dette overskridende interferens i andre noder 102a-neller WTRU.

Figur 2 er et blokkdiagram over en node 202 i henhold til foreliggende forbindelse. Noden 202 innbefatter en smart antenne 204, en kontroller 206, en hukommelse 208 og en valgfri trådbasert link 210. Den trådbaserte linken 210 kan være en link til kjernenettverket 110 eller en annen node. Noden 202 implementerer en signalprosesseringsalgortime for å bli tilpasset til brukerbevegelse, forandringer i radiofrekvensmiljø og multivei sammen med samtidig kanalinterferens. En radioressursstyrer (RRM) funksjon implementert av kontrolleren 206 bestemmer hvordan radioressurser bør bli allokert i noden 202.

Den smarte antennen 204 innbefatter et flertall av antenneelementer (ikke vist) for å generere et flertall av retningsstråler under kontrollen av kontrolleren 206. Hver stråle virker som en trådløs forbindelse mellom noden 202 og andre noder. Som nevnt tidligere, siden noden 202 typisk er fast på et bestemt sted, vil en strålretning og konfigurasjon mellom to noder være forhåndsbestemt og lagret i hukommelsen 208. Hukommelsen 208 beholder en liste over andre noder og stråleretninger og konfigurasjonsinformasjon for hver av disse andre nodene. Når noden 202 er krevet å sende meldinger, slik som bakgrunnsdata, til andre noder, mottar kontrolleren 206 tilsvarende stråleretning og konfigurasjonsinformasjon fra hukommelsen 208 og genererer en retningsstråle styrt til en bestemt retning og sender meldingen ved å bruke strålen.

I tilfelle av en hybrid node 102n, er denne prosessen fulgt i å etablere trådløse forbindelser til andre noder ved hjelp av den smarte antennen 204. Når den hybride noden 102netablerer en bakgrunnsforbindelse til kjernenettverket 110, eller en annen node, er det ingen konfigurasjonsinformasjon eller ingen strålevalg siden den trådbaserte linken 210 typisk er fast og vil alltid gi forbindelse mellom de samme to noder.

I henhold til foreliggende oppfinnelse vil den smarte antennen 204 foretrukket ha en multistrålemulighet, hvor hver stråle kan bli brukt uavhengig. En node 202 generer mer enn en retningsstråle for å sende bakgrunnsdata til et flertall av andre noder på samme tid. Siden den samme frekvensen kan bli brukt om igjen på mer enn en retningsstråle i det samme dekningsområdet, er systemkapasiteten vesentlig økt.

Flere noder kan bli koblet sammen med flere stråler. Dette gjøre det hensiktsmessig å forandre forbindelser og dynamisk tilpasse forandringer i radiomiljøet. For eksempel, to stråler kan bli gitt for forbindelse mellom to noder. Dersom en stråle lider av overskytende interferens, da vil nodene kunne bytte til andre stråler for sending av meldinger.

Bruken av smarte antenner muliggjør formingen av fleksible bakgrunnslinker mellom noder. Siden hver node er konfigurert til å generere et flertall av retningsstråler og er i stand til å styre retningsstråler til enhver retning i asimut, når en ny node er lagt til nettverket 100, kan eksisterende noder etablere nye forbindelser til den nye noden ved enkelt å sette ny stråleretning og konfigurasjon rettet til den nye noden. I tillegg, når en eksisterende node er fjernet fra nettverket 100, kan noder enkelt fjerne stråleretning og konfigurasjonsinformasjon for den fjernede noden fra hukommelsen 208. Foreliggende oppfinnelse gjør tilleggsinstallasjon eller fjerning av fasiliteter unødvendig for å etablere eller å fjerne forbindelser mellom noder. Det bør legges merke til at foreliggende oppfinnelse kan bli implementert enten i et maskenettverk eller i et cellulært nettverk.

En av styrkene til maskenettverk er muligheten til å skape nye linker og å fjerne andre linjer mellom noder avhengig av et flertall av faktorer, inkludert trafikklast, interferens, og individuell nodeytelse. Som vist i figur 1 vil et flertall av noder 102a-nvære koblet til hverandre ved å bruke smarte antenner. Linjene mellom noden 102a-ni figur 1 indikerer mulige linker a-f. Kontroll kan være sentralisert, hvorved i det minste en node virker som en kontrollerende node som kontrollere forbindelsen mellom noder, eller kan være desentralisert, hvor kontroll er distribuert over flere noder eller alle noder. Dersom en node er designert som en kontrollerende node, samler den kontrollerende noden informasjon med hensyn til trafikkbetingelser og ytelse i hver node, og bestemmer den beste trafikkruten for sending av meldinger fra en node til en annen node.

Hver noden 102a-nsender foretrukket en eller flere ledesignaler i sin ene eller flere stråler, som gir informasjon som er hensiktsmessig for nettverksoperasjon. For eksempel, ledersignalene kan sende nåværende effektnivåer, trafikknivåer, interferensnivåer, og andre parametere. Ledesignaler kan også inkludere prioritet for aksess, sikkerhet, identifikasjon, og andre varierende typer av aksesskontroll og sikkerhetskontrollinformasjon. Ledesignalene blir målt periodisk eller ikke-periodisk, og parameterne blir brukt som basis for å justere forbindelser mellom noder for å finne de mest effektive trafikkrutene. Å forme i det minste en del av bakgrunnsforbindelsene trådløst ved å bruke smarte antenner i henhold til foreliggende oppfinnelse tillater fleksibilitet og reduserer unødvendige kostnader og tid for å etablere og å justere forbindelser mellom noder.

For eksempel, som vist i figur 1, dersom trafikklasten mellom den andre noden 102bog den fjerde noden 102der for stor, vil andre noder gjenkjenne trafikkbetingelsene mellom de to nodene 102b,dved å lese ledesignalene fra noden 102b,dsom vil bli beskrevet i detalj heretter. Dersom den første noden 102a ønsker å rute trafikk til den femte noden 102e, vil den unngå, om mulig, den andre og fjerde node 102b, d og vil alternativt rute trafikk gjennom den Nte noden 102n.

Foreliggende oppfinnelse har ikke bare den fordel å gi et fleksibelt trådløst maskenettverk, men også bakgrunnstrafikkinformasjon (som er typisk sendt via en trådbasert linje) som nå kan bli sendt via de samme fleksible linjene gjennom de smarte antennene. Implementasjon av denne typen av dobbeltbruk av smarte antenneplaner i henhold til foreliggende oppfinnelse resulterer i signifikante fordeler over nåværende trådløse kommunikasjonssystemer.

Figur 3 er et flytdiagram over en prosess 300 som bruker smarte antenner i sending av meldinger mellom noder i henhold til foreliggende oppfinnelse. I det minste en del av nodene er gitt i det minste en smart antenne, som er konfigurert til å generere et flertall av retningsstråler og som styrer de uavhengig i asimut (trinn 302). Hver stråle er brukt som en trådløs forbindelse til andre noder i tillegg til regulær trafikk med nedlastninger til WTRU og opplastinger fra WTRU. Hver node beholder en liste over andre noder og stråleretninger og konfigurasjonsinformasjon som blir brukt for sending til de andre nodene (trinn 304). Det bør legges merke til at trinnene 302 og 304 typisk er utført ved oppsett av et system eller omkonfigurering av systemet for å akseptere eller å fjerne noder, og vil ikke typisk bli utført under normal operasjon. Når en kildenode er påkrevet å sende til en målnode, gjenfinner kildenoden stråleretning og konfigurasjonsinformasjon for målnoden fra hukommelsen, og genererer en retningsnode ved å bruke stråleretningen og konfigurasjonsinformasjonen (trinn 306). Med en gang er node er valgt for sending av bakgrunnsdata, basert på linkkvalitet og andre betraktninger slik som trafikktetthet, velger den sendende noden stråleretningen (vektere) fra listen og anvender den på antennene.

Prosessen med å måle kvaliteten til linker og å lagre relevant informasjon kan trenges å gjøres periodisk siden miljøet kan forandres og justering av stråleretninger kan være nødvendige. Kildenoden sender så til målnoden den genererte retningsstrålen (trinn 308).

I et valgt fritt trinn vil en forandring i nettverket kunne opptre hvorved en ny node kan bli lagt til nettverket, en eksisterende node kan bli fjernet fra nettverket, eller radiofrekvens eller andre betingelser kan forandres. Som svar på forandringen oppdaterer andre noder listen over stråleretning og konfigurasjonsinformasjon for å reflektere forandringen (trinn 310):

Selv om omfanget av egenskapene og elementene i foreliggende oppfinnelse er definert av kravene, vil hver egenskap eller element kunne bli brukt alene med eller uten de andre egenskapene og elementene i de foretrukne utførelsene eller i forskjellige kombinasjoner med eller uten andre egenskaper og elementer i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Claims (7)

Patentkrav

1.

Trådløst kommunikasjonssystem som bruker i det minste en smart antenne for å etablere et bakgrunnsnettverk hvor systemet innbefatter:

et flertall av noder (102a-n), hvor hver node er koblet til i det minste en nabonode, der minst en av flertallet av noder er en hybridnode (102n) som videre innbefatter en trådbasert bakgrunnsforbindelse til et kjernenettverk

en første node innbefatter:

en smart antenne (204) konfigurert for å generere et flertall av retningsstråler,

en hukommelse (208) konfigurert for å lagre en liste over nabonoder som har forbindelser og strålekonfigurasjonsinformasjon som blir brukt i sending av meldinger til nabonodene, og

en kontroller (206) konfigurert for å oppdatere listen lagret i hukommelsen ved å monitorere signaler som er mottatt fra nabonodene og bestemme konfigurasjoner for å sende data til nabonodene, og å velge en bestemt retningsstråle for å sende en bestemt stråleformet melding til en annen node ved å bruke den oppdaterte listen som er lagret i hukommelsen;

der kontrolleren videre er konfigurert for å sende og motta bakgrunnsdata over en trådløs cellulær forbindelse til en andre node;

der kontrolleren videre er konfigurert til å motta trådløs stråleformet bakgrunnsdata fra den andre noden og sende trådløs stråleformet bakgrunnsdata til en tredje node; og

der kontrolleren videre er konfiguert til å endre en stråle til den tredje noden som respons på de målte betingelsene.

2.

System i henhold krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at hybridnoden i henhold til krav 1 videre innbefatter en trådbasert bakgrunnsforbindelse til den i det minste ene nabonoden.

3.

System i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at de genererte flertallet av retningsstråler er valgt fra et sett med forhåndsdefinerte posisjoner.

4.

System i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at de genererte flertallet av retningsstråler er dynamisk valgt og styrt i sanntid.

5.

System i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at retningsstrålene er konfigurert for tilveiebringe best mulig ytelse i form av systemkapasitet, data gjennomstrømning, og interferens.

6.

System i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at flertallet av noder innbefatter et maskenettverk.

7.

System i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at flertallet av noder innbefatter et cellulært nettverk.