SE515141C2 - Självkalibrering av matarledningar för gruppantenner - Google Patents

Description

sis 141 o. -uo S2, Emellertid för att i sändning göra antennsignalen koherent skulle det betyda installation av sensorer i toppen av antennmasten och någon ytterligare styrutrustníng.

Nackdelen med dagens lösning är att kalibrering av amtennmatningskablar vid sändningsfrekvens (och riktning) kräver någon typ av sensorer i direkt kontakt med antennanslutningarna i toppen av antennmasten. Det är inte ovanligt att höjden kan vara av storleksordningen 50 meter, så ytterligare aktiv utrustning vid antennivån ogillas synnerligen av operatörer med hänsyn till underhåll. Å andra sidan om kalibrering av gruppantennen inte realiseras är man tvingad att använda lösningar med omkopplad stråle.

Detta kan i sin tur betyda att nollning inte kan utföras och att kontinuerlig strålstyrning inte är möjlig. Förstärkningsförlust mellan fasta strålriktningar är även ett resultat av icke-kalibrerade system.

Därför finns det ett definitivt krav på en självkalibrering av gruppantenn- matningskablar för att möjliggöra en kontinuerlig strålstyrning med sammanfallande mottagnings- och sändningsriktningar i duplexoperatíons- tillämpningar för basstationer i cellulâra nät.

SAMMANFATTNING Mottagningsdelen i ett cellulärt basstationssystem kan tolkas som själv- kalibrerande och innebär vanligen inte några problem. I stället mäste huvudbekymret inriktas mot basstationens sändningsriktning. Det före- slagna förfarandet och systemet gör det möjligt att en allmän information från matningskablarna kan användas för både basstationens mottagnings- frekvens och sändningsfrekvens.

I mottagníngsriktningen tenderar algoritmer att optimera bästa prestanda genom att addera en lämplig fas till antenngrenarna. Den föreliggande tillämpningen visar hur samma sak även kan utföras för den motsvarande sändningsriktningen genom användning av faskompensationerna för - . n. . , ,. , H . , , , , n u n.. 0 . _ . . . I f I 1 'z ø - . . . . . n n _ . . .n .n - . . n 1 f: ' ° ' ' : 1 o nu u a o n l ,' ' ,' , ' I ' UI IIÜI CCI! II ' 3 mottagningsriktningen även i sändningsriktningen, men med en propor- tionell korrektíon för skillnaden i sändningsfrekvens.

Ett förfarande i enlighet med den föreliggande uppfinningen fastställs av det oberoende patentkravet 1 och ytterligare utföríngsformer fastställs av de beroende patentkraven 2 till 3. Motsvarande fastställs ett system som använder den föreliggande uppfinningen genom det oberoende patentkravet 4 och ytterligare utföringsformer fastställs genom de beroende patentkraven 5 till 6.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen tillsammans med ytterligare ändamål och fördelar med denna kan bäst förstås genom hänvisning till följande beskrivning läst tillsammans med de medföljande ritningarna, i vilka: FIG.l är en schematisk vy över en radiobasstation som består av en mottagningsdel, en sändningsdel och en gemensam antenn med en matningskabel, FIG. 2 visar en tväelements gruppantenn med fasfel i mottagnings- riktningen som resulterar ur kablar med olika elektrisk längd.

FIG. 3 visar en tvåelements gruppantenn med fasfel i sändningsriktningen som resulterar ur kablar med olika elektrisk längd, FIG. 4 visar en tabell som tar upp i listan längden för matningskablar använda i ett exempel som använder en 8-elements grupp, FIG. 5 illustrerar ett antenndiagram som visar antennstrålningsmönster för en mottagningsfrekvens 900 MHz och en sändningsfrekvens 945 MHz med antennmatningskablar av olika längder, och med ett antennelementavstånd som är 0,5)t vid mottagningsfrekvensen, samt . . . n. . . .. . u u u o II oc aa -uvq u V _ , _ , '__- g - -z . , . . . . . .. 2 ... ... .. . X . _ ' ' - - . . v ^ z o n n n . , z z .' \ .i . 4 z ' I! iiul C00: II' i -' no oc: LI FIG. 6 visar ett grundläggande flödesdiagram över förfarandet i enlighet med det föreliggande förfarandet.

DETALJERAD BESKRIVNING Allmän analys Den föreliggande lösningen av problemet för att möjliggöra en kontinuerlig strålstyrning med sammanfallande mottagnings- och sändningsriktningar i en konfiguration med duplexdrift för en basstation i ett cellulärt nät är att även i sändningsriktningen ta användning av samma faskompensationer som erhålls i mottagningsriktningen, men med en proportionell korrektion för den skilda sändningsfrekvensen.

Eftersom kablarna bildar huvudföremålet i detta kalibreringsschema kommer vi här att bortse från eventuella andra fasfel internt i basstationen.

Med andra ord antas det att kalibrering redan har utförts (på något lämpligt sätt) för interna delar i radiobasstationen inklusive sändaren och mottaga- ren. Detta kan göras genom att placera, till exempel, sensorer i signal- vägarna (Se figur 1). Figuren indikerar delar, som är internt kalibrerade på ett konventionellt sätt och å andra sidan en del som är föremål för självkalibrering med hjälp av förfarandet i enlighet med den föreliggande uppfinningen. Ett duplexsystem i frekvensdomänen (FDD, Frequency Domain Duplex) förutses som förutsättning för tillämpbarheten av den föreliggande uppfinningen, men den kommer även att fungera för ett tidsdelat duplexsystem (T DD, Time Division Duplex).

I enlighet med en grundläggande illustration i figur 1 består ett aktuellt system av intresse huvudsakligen av en antennmatningskabel och antenn- strålningselement anslutna till matningskabeln vid toppen av antennmasten.

Flertalet grenar kan bilda gruppantennen.

Det är nu väl känt av fackmannen att om ett transmissionsmedium är icke- dispersivt, då är fasen för en bärvåg vid ett visst utbredningsavstånd _ ;'_;~-_- _- _--_ . .. .. .. .... . . 515- 141 w? .s ;'.=.'.= -: z'-': - - - = .. z . t' I) proportionellt mot frekvensen. Det vill såga, om frekvensen ökar med x %, då kommer fasen även öka med x %. Denna effekt blir med uttalad vid användning av flertalet matningskablar, som inte är perfekt lika i längd.

Andra anledningar för ändringar i fas kan vara olika typer av kablar, eller olika temperaturer för kablarna. För enkelhets skull antas identiska typer av kablar som har lika karakteristik i figurerna 2 respektive 3, som illustrerar fallet för rnottagnings- respektive sändningsfrekvens. Mätning 1 antas utgöra fasen använd som referens vid styrande av antenngruppens strålnings- riktning .

I ett duplexsystem kommer samma matningskablar att användas för mottag- ningsvägen och för sändníngsvägen. Detta kan då användas för själv- kalibrering av antenngruppen genom användning endast av signalen som kommer från en utvändig källa. Det är inte ens nödvändigt att signalkällan är placerad på antenngruppens bredsida, inte heller kommer det att vara nödvändigt att känna denna kållas vinkelmässiga läge. Huvudmålet är att garantera att den utsända signalen ges en riktning som är samma som riktningen för den mottagna signalen oavsett om mottagningsriktningen är känd eller inte.

Detaljerad analys Låt oss exempliñera uppställningen genom att betrakta ett tvåelements- system bestående av två kablar och två antennelement. Låt oss vidare anta att antennelementen själva är exakt identiska (vilket inte skulle lägga till något problem). Förutom den ovan antagna uppställningen, lät oss vidare säga att det finns en signal som kommer in vid en godtycklig (okänd) vinkel 6 i förhållande gruppens bredsida som indikerat i figur 2.

Förhållande för RX-kalibrering För att då erhålla maximal konstruktiv interferens behöver vi endast säkerställa att följande fasekvation kommer att hålla: 471.1+2'“'í:Å'd'c°S(9)=4>1.2+ÖRX (1) 515 141 ä? iå-íÉÉlÉí-ilÉíÄÃÉï ' ' Q» Då kommer (m och om representera fasvägen för respektive matningskabel, fRX anger mottagningsfrekvensen, c är ljusets hastighet och d avståndet mellan de två antennelementen.

Förfarandet för att erhålla det korrekta värdet på fasen dmx vid mottagar- ingången är att säkerställa att fasskillnaden mellan de två grenarna är noll.

Detta kan till exempel enkelt göras genom korrelation av de två mottagna signalerna. Detta kommer att utföras genom användning av standard- metoder och kommer därför inte ytterligare diskuteras här utan betraktas som metoder kända för fackmannen.

Förhållande för TX-kalibrering Låt oss nu ändra frekvensen till sändningsfrekvens (se figur 3) och jämföra de två fallen. Vid sändningsfrekvens frx kommer den motsvarande fasrelationen att jämföras med ekvation (1) vara: 431.1'%š"+z'7r'ííí'd'cos(e)=q)tz'ålš-'Hbrx (2) RX fRX Omarrangering av vänster sida i ekvation (2) ger då följande ekvation: šlfllllti+z'7t'šx_'d'cos(ø))='lltz'&X_+(l7rx (3) Rx c fizx Genom användning av att uttrycket inom parentes motsvarar vänstra sidan av ekvation (l) ovan och med ersättande av denna med högra sidan av ekvation (1), reduceras ekvation 3 till följande förhållande: fw _ .fi_>< šçbtz + (bizx)" 471.2 fRX + Örx och ur ekvation (4) erhålls det slutliga förhållandet för fasexcitationer vid mottagningsfrekvens och sändningsfrekvens som: . - .- . ~_ , , , '_ '_ _' _II_ _: _»-Å:-n_ n u.. o n . -. - .. . v 3 i ; - . . ; s. .. . ' til ill . ' l I l l - v v 1 n n.. d., ',.' j ^ ¥ in =4>TX (S) fax Det vill såga för att styra en gruppantenn vid frekvens fTX till samma vinkelmässiga riktning som den inkommande signalfrekvensen fRX, kan samma viktfaktorer användas men skalade i proportion till den procent- mässig frekvensändringen. Alltså att ha beräknat vikterna WRX genom någon adaptiv algoritm vid mottagningsfrekvensen, skulle den riktiga viktnings- uppsättningen Wrx för sändningsfrekvensen vara i enlighet med följande relation: (k) WTX=lWRXleJfg AIAWRX ) 1<=1,2,..N (6) Där k är index för det k:te antennelementet i gruppen. Arg anger den vinkelmässiga fasen för argumentet för WRX°° och N är antalet element i gruppen (här N=2).

Ovanstående beskrivning diskuterar endast två element och en enda signal som kommer in från en riktning 6. Emellertid håller förfarandet för vilket som helst antal gruppantennelement, och även för flera i parallell inkommande signaler.

För att upplösa två signaler tilldelar vi till exempel ett av två ortogonala märken till en respektive av de två signalerna. Detta är redan i användning i GSM-systemet genom övningssekvensen. Då kan med användning av en adaptiv strålformningsalgoritm väl känd för fackmannen de två signalerna upplösas och viktningar kan beräknas som kommer att producera en huvudstråle i riktningen för en av signalerna i mottagningsriktningen, medan den andra nollas ut. E sådan adaptiv strålformningsalgoritrn är till exempel "Sample Matrix Inversion" (SMI) för att användas i en belysande utföringsform i enlighet med uppfinningen. sis 141 8 Exempel I figur 6 visas ett grundläggande flödesdiagram som illustrerar förfarandet enligt den föreliggande uppfinningen.

För att illustrera förfarandet väljs en grupp med 8 element som ett exempel.

Elementavståndet i gruppantennen är 0,5?». vid RX-frekvens, vilket då motsvarar 33,3 cm vid 900 MHz.

I exemplet med 8 element har matningskablarna till antennelementen de fysiska och elektriska längderna i enlighet med figur 4. Figur 5 illustrerar ett antenndiagram som uppvisar respektive antennstrålningsmönster för en mottagningsfrekvens 900 MHz och en sändningsfrekvens 945 MHz med antennmatningskablar med de givna olika längderna, och antennelement- avståndet 33,3 cm (O,5}t) vid mottagningsfrekvensen. In till denna grupp infaller två signaler med lika amplitud. I detta exempel väljer vi infallsvinklarna 61 = l30° och 62 = 35° (Se figur 5). l30°-riktningen väljs som den önskade signalen medan 35°-riktningen nollas ut.

Det skall noteras här att för att proceduren skall fungera helt måste hela den elektriska våglängden strikt tas med i beräkningen. Det vill säga, för en matningskabel på 40 meter kommer vi få 40/0,333*36O = 43636,36° som verkligen skall genomgå multiplikationen med fTx/fRx = 945/900 = 1,05 i vårt exempel. Emellertid kommer mätning av de mottagna signalvägarna endast ge information om fasen inom O° - 360°. Detta begränsar oss klart till fall där vi vet att den fysiska skillnaden mellan kabelängder inge överstiger 360° = ll. Underkastad denna begränsning kommer den föreslagna beräkningen att fungera väl. Det anses inte som' någon större begränsning av den föreliggande uppfinningen, eftersom de fysiska matningskabellängderna i allmänhet är kända med denna grad av noggrannhet och den möjliga skillnaden i allmänhet alltid är mindre än en elektrisk våglängd k. Om skillnader är kända att vara längre än lk, då kan klart kompensationer . n 's :".'. 3' %'°* _: _uo_ _øn_ u; :vvs n , '-- 2"!".'.: r: :-:- '-!'t ' ' ' ll Ilrl nu.. g. g . fl göras som inkluderar ytterligare 360° när man gör korrektioner för ändring i frekvens.

Det ses att antennstrålningsmönstret kalibrerar sig själv vid RX frekvens (som det skall) för att styra huvudsträlen till en huvudriktning 9 = 130° medan den åstadkommer ett bra noll i en annan riktning 9 = 35°. Men, vilket är mer intressant, antennstrålningsmönstret styr även korrekt i sändningsriktningen och vid en annan frekvens (fi-x). Det nollar emellertid inte ut 35°-riktningen, utan det är på grund av att vi faktiskt inte känner denna speciella riktning. Skiftet i noll från detta läge är huvudsakligen en effekt av ändring i frekvens och kan inte kontrolleras om vi inte verkligen har kännedom om de verkliga signalriktningarna. Samma kommentar håller även för den mittre sidloben som tenderar att toppa över de andra. Detta försvinner om det finns endast en enda infallande signal till denna gruppantenn.

Förtjänsterna med denna uppfinning är att ingen hårdvara eller sensorer måste placeras vid antennanslutningsnivån (vid toppen av masten) för att kalibrera antennmatningarna. En inkommande signal till gruppantennen som kommer från en godtycklig riktning (inte känd av kalibrerings- styrutrustningen) är tillräcklig för att göra nödvändiga justeringar för sändningsriktningen och vald sändningsfrekvens. Någon annan kalibrering är bunden att vara i radiobasstationen själv. Uppfinningen gäller system där samma kablar används för mottagníngsfrekvens som för sändningsfrek- vensen och åtminstone en duplexer, DPX, används.

Det kommer att inses av fackmannen att olika modifieringar och ändringar kan göras av den föreliggande uppfinningen utan att avvika från dess omfattning, som definieras av den bifogade patentkraven.

Claims (6)

s1s 141 .:jj@;;;f.;;;¿:j§r =~ ' v. nu I 0 PATENTKRAV

1. Förfarande för självkalibrering av matningskablar för en gruppantenn för kompensering av en skillnad i mottagnings- och sândningsfrekvens, kännetecknad av stegen beräkning av en första uppsättning med kabelfasviktning WRXW) under mottagning genom en adaptiv algoritm för en mottagen signal på en mottagningsfrekvens fRx, i vilket k är index för ett kzte antennelement i gruppantennen och varvid en full elektrisk matningskabellängd inberäknas i beräkningen, beräkning ur den första uppsättningen fasviktning WRXQÜ en mot- svarande andra uppsättning kabelfasviktning Wrx för en vald sänd- ningsfrekvens fm med tillämpning av en proportionell relation frx/ fRx, päförande av den motsvarande andra uppsättningen kabelfas- viktning WTXW som en faskorrektion för gruppantennmatningskablarna vid sändningsfrekvensen fTx för att därmed möjliggöra en kontinuerlig strål- styrning med sammanfallande mottagnings- och sändningsriktningar.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med beräkning av den andra uppsättningen kabelfasviktning i enlighet med en relation definierad av AfgßÅ/RXÜÖ) WTX =|wRX -e fRX 1<=1,2,..N där Arg anger den vinkelmässiga fasen för argumentet för Wmšk), och N är antalet element i gruppantennen.

3. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med användning av en adaptiv strålformningsalgoritrn såsom en "Sample Matrix Inversion" (SMI) för att beräkna en uppsättning fasviktning som kommer att alstra en huvudsändningsstråle i riktningen för en av signalerna i mottagningsriktningen. &1s_141o šf?üšïšf@}§;§§§3^ ll

4.- System för självkalibrering av matningskablar för en gruppantenn för kompensering av skillnad i mottagnings- och sändningsfrekvens, kännetecknat av organ för beräkning av en första uppsättning kabelfasviktning WRXW) under mottagning genom en adaptiv algoritm för en mottagen signal på en mottagningsfrekvens fRX, i vilket k är index för ett kzte antennelement i gruppantennen och varvid en full elektrisk matningskabellängd inberäknas i beräkningen, organ för beräkning ur den första uppsättningen fasviktning WRXW en motsvarande andra uppsättning kabelfasviktning Wrx för en vald sänd- ningsfrekvens frx med tillämpning av en proportionell relation frx/ fax, ortgan för päförande av den motsvarande andra uppsättningen kabelfasviktning W1x som en faskorrektion för gruppantennmatnings- kablarna vid sändningsfrekvensen fTX för att därmed möjliggöra en kontinuerlig strälstyrning med sammanfallande mottagnings- och sänd- ningsriktningar.

5. System enligt krav 4, kännetecknat av att organet för beräkning av den andra uppsättningen kabelfasviktning Wrx använder en relation definierad som Afáwkxikl) WTX<1<> = lwmåkl -e RX k =1,z,.. N där Arg anger den vinkelmässiga fasen för argumentet för Wmdk), och N är antalet element i gruppantennen.

6. System enligt krav 4, kännetecknat av att en adaptiv strälformningsalgoritm används för beräkning av en viktningsuppsättning som kommer att alstra en huvudsändningsstråle i riktningen fören av de mottagna signalerna. - . - . I", ', j šfl: _: _" "_ u nu n . * o n I u . . , _ '_ - - - v . u u .o f» \ noe »ou nu v n n I ' ' ß u n n s . 4 ~ - , .. _ _ _ l' 0 o s n a o . 515 1 - 1 I . , ,' ' - - - - . n n Q n .n n.. nu. n. . . en -.. [åk 7 : System enligt krav 4, kännetecknat av att en "Samp1e Matrix Inversion" (SMI) används som en adaptiv strålformningsalgoritm för beräkning av en uppsättning viktning som alstrar en huvudsåndningsstråle i en vald mottagningsriktning.