DE3145992A1

DE3145992A1 - Digitale mobilfunkanlage hoher kapazitaet

Info

Publication number: DE3145992A1
Application number: DE19813145992
Authority: DE
Inventors: Bernard 07722 Colts Neck N.J. Glance; Paul Shala 07733 Holmdel N.J. Henry
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1980-11-21
Filing date: 1981-11-20
Publication date: 1982-06-24
Also published as: GB2090105A; GB2090105B; US4383332A; JPS57115039A; CA1184249A

Description

Western Electric Co.Ine".:: ■·: ~". GLANCE, ^Βν⁷~Α;οαι

Digitale Mobilfunkanlage hoher Kapazität

Die Erfindung betrifft eine digitale Mobilfunkanlage hoher Kapazität und im einzelnen eine digitale Mobilfunkanlage , bei der unter Verwendung einer Raumdiversity und einer Zeitmultiplex-Rückübertragung ein System gebildet wird, in welchem alle erforderliche adaptive Signalverarbeitung in der Feststation im Grundband durchgeführt wird.

Funksignale unterliegen immer einem Schwund aufgrund natürlicher Erscheinungen, aber wenn eine Station einer.

Funkverbindung eine Mobilstation ist, die sich mit variabler Geschwindigkeit in unterschiedlichen und nicht vorhersagbaren Umgebungen bewegt, so wird die Situation wesentlich schwieriger. In einem solchen Fall beobachtet man zwei Typen, von Schwankungen des Empfangssignalpegels.

Zunächst tritt ein schneller Mehrfachweg-Rayleigh-Schwund aufgrund unterschiedlicher Signalauslöschungen auf, und dann eine langsame Änderung des mittleren Signalpegels aufgrund größerer Wegänderungen durch Gebäudeabschattungen und andere Geländeeinflüsse . Beide Arten von Signalpegeländerungen hängen von der Geschwindigkeit der Mobilstation ab.

Eine Raumdiversity hat sich als eine der besten Lösungen • für einen Mobilfunkschwund herausgestellt. Ein analoges Mobilfunksystem unter Verwendung einer Raumdiversity ist in der US-PS 3 693 088 (19. September 1972) beschrieben. Dort wird eine Diversityübertragung von der Feststation zur Mobilstation durch Umschalten zwischen zwei im Abstand angeordneten Feststations-Sendeantennen auf Befehl von der Mobilstation erreicht. Im einzelnen sind Einrichtungen in der Mobilstation vorgesehen, die feststellen, wenn der

Pegel des dann durch die Mobilstation von einer gegebenen Feststationsantenne empfangenen Signals unter einen Wert abfällt, der von der Art des Schwundes selbst abhängt. In.einem solchen Fall überträgt die Mobilstation ein außerhalb des Nachrichtenbandes liegendes Signal zurück zur Feststation, das bewirkt, daß die Feststation auf eine andere Antenne umschaltet.

Eine ähnlich betriebene, digitale Mobilfunkanlage ist in der US-PS 4 057 758 (8. November 1977) beschrieben. Dort wird eine Vielzahl von Empfangsantennensystemen mit einer konstanten Frequenz umgeschaltet, die höher als die Signalrate des digitalen Grundbandsignals, aber niedriger als der Frequenzverschiebungshub der frequenzmodulierten oder niedriger als ein Produkt aus der maximalen Phasenverschiebung der phasenmodulierten Welle und der Signalrate ist, so daß die mittlere Leistungsdispersion in einem Signalelement des an dem Empfangsantennensystem ankommenden digitalen Grundbandsignals komprimiert wird. Alternativ kann die Vielzahl von Antennen Sendeantennen sein, die gleichzeitig umgeschaltet werden, um eine Kompression der mittleren Leistungsdispersion bei den Grundband-Signalelementen zu erreichen.

Die oben beschriebenen analogen und digitalen Systeme machen jedoch einen Rückfluß von Informationen zur Steue-' rung der Antennenumschaltung erforderlich, wodurch.komplizierte und aufwendige Einrichtungen in der Mobilstation nötig werden. Es hat sich gezeigt, daß eine gleichphasige Speisung der Antennenelemente in einem Analogsystem eine Übertragung von einer Diversity-Station mit Hilfe einer Vielelementanordnung ergibt, wie in der US-PS 3 717 814 (20. Februar 1973) beschrieben wird. Es werden phasenkorrigierte Nachrichtensignale von einem Diversity-Sender übertragen und gleichphasig in einem Einkanalempfänger empfangen. Zusammen mit den in Phase liegenden Nachrichtensignalen wird ein individuelles Pilotsignal empfangen, das jedem Diversityzweig zugeord-

.Γ.!:./-" .:. .L " ^:'> .L 3Η5992 -9-

net ist und frequenzmäßig von den Pilotsignalen der anderen Zweige getrennt ist. Alle Pilotsignale werden als Teil der Rückübertragungsmodulation zum Diversitysender zurückübertragen, um dort die richtige Phasenkorrektur für die modulierte Nachrichtensignalaussendung zu bewirken. Die Signalverarbeitung im Diversitysender nach der vorgenannten US-PS 3 717 814 findet jedoch bei der Zwischenfrequenz statt, wodurch aufwendige Hochfrequenzbauteile erforderlich werden, um eine relativ genaue Phasenkorrektur zu erzielen.

Nach dem Stand der Technik verbleibt die Aufgabe, eine Mobilfunkanlage zu schaffen, die keine umfangreichen Analogschaltungen für Analogsysteme erforderlich macht und eine höhere Kapazität als die einfache Diversity in Verbindung mit bekannten Digitalanlagen ermöglicht.

Diese Aufgabe .ist entsprechend der vorliegenden Erfindung gelöst worden, die eine digitale Mobilfunkanlage hoher Kapazität und insbesondere eine digitale Mobilfunkanlage betrifft, welche eine Raumdiversity und eine Zeitmultiplex-Rückübertragung zur Bildung einer Anlage benutzt, bei der die gesamte adaptive Signalverarbeitung im Grundband in einer Feststation durchgeführt wird.

Ein Merkmal der Erfindung sieht die Verwendung von digitalen Gleichphaseverfahren in der Feststation einer digitalen, in Zellen unterteilten Mobilfunkanlage in Verbindung mit den oben angegebenen Raumdiversity- und Rüclcübertragungseigenschaften vor, um die Mobilfunk-Übertragungsprobleme aufgrund einer Zwischenzellenstörung, eines Abschattungsschwundes und des Rayleigh-Schwundes zu überwinden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nach-• folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in verschiedenen Ansichten darstellen. Es zeigen:

S.'.U' i I-Γ-. I . 3U5992

Fig. 1 die Übertragung eines Signals von einer Mobilstation zu einer Peststation mit einer Vielzahl von Antennenelementen und der zufälligen Phase, die jedem Element zugeord-. net ist, entsprechend der Erfindung;

Fig. 2 die gleichphasige Rückübertragung von Signalen von der Feststation zur Mobilstation gemäß Fig. 1, wobei die Signale hinsichtlich ihrer Phase in der Feststation voreingestellt worden sind, derart, daß sie entsprechend der

.·■ Erfindung beim Empfang in der Mobilstation

kohärent .sind;

Fig. 3 ein Beispiel für einen Signalrahmen mit zwei Bezugsintervallen und zwei Nachrichtenintervallen zur Verwirklichung einer Zeitmultiplex-

Rückübertragung zwischen einer Mobilstation und.einer Feststation gemäß Fig. 1 und 2 entsprechend der Erfindung;

,·. Fig. 4 ein genaueres Ausführungsbeispiel für einen als Beispiel gewählten Diversityzweig der

Vielzahl von Zweigen, die in der Feststation in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung benutzt werden.

Platzeinschränkungen, Kosten und Wartungsanforderungen führen alle zu der Forderung, daß die in Mobilstationen einer Mobilfunkanlage verwendeten Ausrüstungen so einfach als möglich gehalten werden. Dieses Ziel ist entsprechend der vorliegenden Erfindung durch eine Zeitmultiplex-Rückübertragung unter Beibehaltung der.Vorteile einer Raumdiversity-Verarbeitung erreicht worden. Statt eine unterschiedliche Frequenz für jede Übertragungsrichtung zu verwenden, wird eine Zweiweg-Übertragung zwischen eins¹ Mobilstation und einer Feststation auf einem einzigen, zeitanteilig benutzten Kanal durchgeführt. Die Grundprinzipien für einen Betrieb nach der vorliegenden Erfindung lassen sich anhand von Fig. 1 und 2 verstehen, die eine

Ubertragung von einer Mobilstation zu einer Feststation bzw. von einer Feststation zu einer Mobilstation zeigen.

Bei der Übertragung von einer Mobilstation zu einer Feststation gemäß Fig. 1 überträgt eine Mobilstation 10, die ein einzelnes Antennenelement 12 enthält, eine Nachricht zu einer Feststation 14, die eine Vielzahl von Antennenelementen 16^, 16₂ ... 1^ besitzt, wobei die Vielzahl von Antennenelementen zur Erzielung einer Raumdiversity bei der Feststation 14 benutzt wird. Der ge-' naue Aufbau der von der Mobilstation 10 zur Feststation 14 übertragenen Nachricht soll später genauer in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben werden, aber ganz allgemein ist der Mobilfunkempfang durch starke Schwankungen der Signalleistung P bei der Feststation 14 gekennzeichnet, wenn die Mobilstation 10 sich entlang einer Straße bewegt. Diese Schwankungen lassen sich modellmäßig als das Produkt von drei Faktoren gemäß der nachfolgenden Gleichung verstehen:

P(F) = |r| "ⁿ Sff) R² (?) (1) ,

wobei r der Positionsvektor ist, der den Ort der Mobilstation 10 mit Bezug auf die Feststation 14 angibt. Der erste Faktor r|~ⁿ gibt die allgemeine Verringerung der Signalstärke an, wenn die Mobilstation 10 sich von der Feststation 14 entfernt. Im freien Raum ist ή = 2, aber für eine städtische Umgebung läßt sich zeigen, daß η im Bereich von 3 bis 4 liegt. Der zweite Faktor S(r) gibt den Abschattungsschwund an, der in erster Linie das Ergebnis einer Signalunterbrechung durch große Objekte, beispielsweise Gebäude und Hügel,ist. Durch Messung von S in mehreren Städten wurde gefunden, daß dieser Faktor annähernd eine logarithmisch normale Zufallsvariable ist. Der dritte Faktor R²(r) in Gleichung (1) stellt den Rayleigh-Schwund dar, der durch die zufällige Addition von Signalen verursacht wird, die an der Antenne über eine Vielzahl von Wegen ankommen. Die Amplitude R der

empfangenen Hüllkurve läßt sich modellmäßig als Zufallsvariable mit der Wahrscheinlichkeits-Dichtefunktion, wie folgt darstellen:

ρ (R) = (2 R) e"^R (2).

Demgemäß besitzt entsprechend den oben beschriebenen Zufallseigenschaften der Signalstärke, beispielsweise des Abschattungsschwundes und des Rayleigh-Schwundes, bei der Übertragung von der Mobilstation zur Feststation jedes an einem getrennten Antennenelement 16.. bis 16«; in der Feststation 14 ankommende Signal eine unabhängige Zufallsphase Θ.. bis.©.,. Wie genauer nachfolgend beschrieben werden soll, verarbeitet jedes Antennenelement sein Empfangssignal in einem zugeordneten Ruckiibertragungszweig 18^ bis 18_M,- um die Zufallsphase zu beseitigen, so daß die M Empfangssignale kohärent in einer Kombiniereinrichtung 20 der Feststation 14 addiert werden können. Zusätzlich zur Phaseneinstellung der M Empfangs signale stellt jeder Ruckiibertragungszweig 18^ bis 18^ außerdem die jeweilige Gewichtung des durchlaufenden Empfangssignals ein, um das optimale Signal-Störungsverhältnis (SIR) von Signal-to-Interference Ratio) in der Feststation 14 zu erreichen. Für eine Gauss'sehe Störung gleicher Leistung in jedem Ruckiibertragungszweig läßt sich zeigen, daß der beste SIR-Wert mit einer Maximalverhältnis-Kombiniereinrichtung 20 erzielt wird. Eine Synchronisation für den Empfang der Vielzahl von Antennenelementen wird unter Verwendung eines Taktgebers 31 erreicht.

Die umgekehrte Übertragung ist in Fig. 2 dargestellt, bei der die von der Feststation 14 zurück zur Mobilstation 10 zu übertragende Nachricht von einer Nachrichtenquelle 21 ausgeht und ebenso wie ein Taktgeber 31 an einen Eingang jedes Rückübertragungszwexges 18^ bis 18^ angelegt wird. Das wn der Feststation zur Mobilstation gerichtete Nachrichtensignal wird angepaßt, indem ihm

die konjugierte (negative) Phase der oben beschriebenen Zufallsphasen in jedem Rückübertragungszweig 18, bis 18_M mitgeteilt wird, die den Antennenelementen I6,j bis 16*. zugeordnet sind. Im einzelnen bewirkt der Rückübertragungszweig 18^ eine Phasenverschiebung von -0^ für das von der Basisstation zur Mobilstation gerichtete Nachrichtensignal, der Rückübertragungszweig 18^ eine Phasenverschiebung von -Θ« und so weiter, bis der Rückübertragungszweig 18_M eine Phasenverschiebung von -θ^ für das von der Feststation zur Mobilstation gerichtete Nachrichtensignal erzeugt. Diese Erregungsphasen -G^ bis -Θ™ kompensieren genau die verschiedenen Phasenverzögerungen, denen die von der Basisstation zur Mobilstation gerichteten Nachrichtensignale unterliegen, so daß das Übertragungsmediumfn jedem Rückübertragungszweig bewirkten konjugierten Phasenverschiebungen "beseitigt", wodurch die M Signale in der Mobilstation 10 kohärent empfangen werden können. Da der Empfang in der Mobilstatdon 10 immer kohärent ist, wie das Vektordiagramm in Fig. 2 in Verbindung mit der Mobilstation 10 zeigt, kann der in der Mobilstation verwendete Empfänger im Aufbau außerordnetlich einfach sein und ermöglicht trotzdem einen brauchbaren Empfang des von der Station 14 übertragenen Signals.

Ein einzelner Rahmen für eine Übertragung von der Mobilstation zur Feststation und von der Feststation zur Mobilstation entsprechend der Zeitmultiplex-Rückübertragung nach der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Grundsätzlich besteht der Rahmen aus vier Zeitintervallen, nämlich zwei Bezugsintervallen und zwei Nachrichtenintervallen. Beginnt man zum Zeitpunkt T=O und nimmt man an, daß die Feststation und alle Mobilstationen, die mit dieser Feststation in Verbindung stehen, synchronisiert sind, so wird während eines Bezugsintervalls RI^ ein Trägerburst von der Mobilstation 10 zur Feststation 14 übertragen. Der von der Mobil-

station 10 übertragene Trägerburst gibt der Feststation 14 die Möglichkeit, die Mobilstation zu identifizieren und ihre Antennenelemente entsprechend gleichphasig einzustellen. Die Burst-Wiederholungsrate ist schnell genug gewählt, um sicherzustellen, daß die Mehrfachwegbedingungen sich, während der nachfolgenden Nachrichten-Übertragung nicht wesentlich ändern.

Während der Trägerburst-Übertragung ist es wichtig, daß Störungen von unerwünschten Mobilstationen minimal gehalten werden, sodaß die gleichphasige Einstellung der Antennenelemente genau durchgeführt werden kann. Diese Störungsminimierung läßt sich beispielsweise durch ein Zeitmultiplex-Bezugsübertragungsverfahren oder ein Frequenzversetzungs-Bezugsübertragungsverfahren erreichen.

Eine Erläuterung für ein spezielles Zeitmultiplexverfahren zeigt die auseinandergezogene Darstellung von RI^ gemäß Fig. 3. Hier ist das Bezugsintervall in eine Vielzahl von besonderen Zeitlagen unterteilt, die bei diesem Beispiel mit A bis H bezeichnet sind und gesondert acht getrennten Paaren von miteinander in Verbindung stehenden Mobil- und Feststationen zugeordnet sind, welche sich gegenseitig stören können. Wenn daher eine als Beispiel gewählte Feststation eine Nachricht während beispielsweise eines Bezugsunterintervalls B empfangen kann, so sendet die Mobilstation, die mit dieser Feststation in Verbindung treten will, ihr Bezugssignal während des gleichen UnterintervalIs B aus. Da jede Feststation ihren Empfänger nur während der im voraus zugeordneten Zeitlage im Bezugsintervall auftastet, sind Störungen von anderen Mobilstationen minimal. Bei einem Frequenzversetzungs-Bezugsübertragungsverfahren ist jeder Mobilstation und entsprechenden Feststation in einem bestimmten Bereich eine besondere Versetzungsfrequenz zugeordnet, die ein Vielfaches (0, +1, +2, +3) einer niedrigen Frequenz XI = 2 IT /T ist, wobei T die Dauer des Bezugsintervalls RI₁ ist. Während des Bezugsintervalls

.::λ.^:'- λ. :■.- ■ ■ .:. 3U5992

werden die Sendefrequenz einer Mobilstation und der Ortsoszillator der Feststation gegen die Trägerfrequenz ω um die der jeweiligen Feststation zugeordnete Versetzungsfrequenz verschoben. Die Verwendung unterschiedlicher Bezugsfrequenzen gibt der Feststation die Möglichkeit, das gewünschte Bezugssignal auszuwählen und die Störung zu unterdrücken. Die Auswahl -TL= 2 ti/T bewirkt, daß die verschiedenen Bezugssignale orthogonal zueinander sind. Unerwünschte Signale leisten dann keinen Beitrag zur gleichphasigen Betriebsweise der Feststation.

Nachdem die Feststation die Mobilstation anhand ihres zugeordneten Bezugssignals identifiziert hat, überträgt die Mobilstation ihre Nachricht während des Nachrichtenintervalls MI^ zur Feststation. Zur Erläuterung müssen beispielsweise zur Erzielung einer Übertragungsrate von 32 kbit/s , die für eine Sprachübertragung nötig ist, während des Nachrichtenintervalls von in diesem Beispiel 7S?0 us 64 Bit ausgesendet werden, wodurch sich eine Baud-Rate von 81 kBaud/s ergibt. Das als Beispiel gewählte Nachrichtenintervall von 790 ps wurde bestimmt durch die Annahme, daß das gesamte Übertragungsintervall für die Übertragung von der Mobilstation zur Feststation 1 ms beträgt, wobei 210 us für das Bezugsintervall RI₁ reserviert sind. Abhängig von der Filterung und der zulässigen Abschwächung in dB macht diese als Beispiel angegebene Rate eine Bandbreite von 80 bis 120 kHz bei binärer PSK-Modulation erforderlich.

Bei einer zellenförmigen Mobilfunkanlage unter Verwendung der doen beschriebenen Raumdiversity-Merkmale werden Gleichkanalstörungen von unerwünschten Mobilstationen wirksam unterdrückt, und der gleiche Kanal kann daher in Zellen benutzt werden, die wesentlich dichter beiein-ander liegen als im Falle bestehender Analoganlagen. Es sind daher weniger unterschiedliche Kanalsätze erforder-

35" lieh, und jede Zelle kann einen größeren Teil der ge-

samten Bandbreite der Anlage belegen. So beträgt für das oben beschriebene Beispiel die Zahl der Mobilstationen, die innerhalb einer Bandbreite von 40 MHz im Mobilfunkband von 850 MHz unter Verwendung der digitalen übertragungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung bedient werden kann, etwa 130. Diese hohe Kapazität von 130 Mobil-Feststationen zeigen die Vorteile der digitalen Anlage nach der vorliegenden Erfindung gegenüber bestehenden Analoganlagen, die eine wesentlich kleinere Kapazität besitzen.

Am Ende des Nachrichtenintervalls MI,, überträgt die Mobilstation einen zweiten Trägerburst im Bezugsintervall RIp , um die Positionsinformation für die Mobilstation mit Bezug auf die Feststation zu aktualisieren, wobei der zweite Trägerburst entweder in der obenbeschriebenen Art zeitmultiplex- oder frequenzversetzt sein kann. Nachdem die Positionsinformation aktualisiert worden ist, wird die Nachricht von der Feststation zur Mobilstation im Nachrichtenintervall MI₂ übertragen. Wie beim Zeitintervall in Verbindung mit RI₁ und MI₁ findet der Empfang der Positionsaktualisierung während RI,, und die Übertragung von der Feststation zur Mobilstation während MI₂ bei diesem Beispiel ebenfalls in einem Intervall von 1 ms statt.· Nimmt man beispielsweise an, daß RI₂ eben-

falls eine Dauer von 210 us'hat, so .ist der Übertragung während MI₂ die gleiche Baud-Rate von 81 kBaud/s zugeordnet. Am Ende von 2 ms hat daher ein vollständiger Nachrichtenzyklus stattgefunden, und der Vorgang beginnt erneut.

Die Signalverarbeitungsschaltungen für ein als Beispiel gewähltes Antennenelement 16. und seinen zugeordneten

ο
Rückübertragungszweig 18 ., die sich entsprechend der Erfindung in einer Feststation befinden, sind' in Fig. 4 gezeigt und lassen sich in Verbindung mit der in Fig. 3 dargestellten Zeitfolge analysieren. Bei der folgenden Erläuterung wird im Interesse der Klarheit eine Bezug-

nahme auf die Zeitmultiplex- oder Frequenzversetzungsverfahren weggelassen, aber deren Verwendung zwecks Vermeidung von Gleichkanalstörungen stellt eine naheliegende Erweiterung der nachfolgend "beschriebenen Grundgedanken dar.

Das an dem als Beispiel gewählten Antennenelement 16. von einer Mobilstation (nicht gezeigt) empfangene Bezugssignal hat die Form R.cos(w „t+θ.,), wobei co die Träger-

J ^c j ^c frequenz ist, R. die Rayleigh-Amplitude und θ . die obenbeschriebene Zufallsphase sind. Sowohl R. als auch θ^ sind Funktionen der Zeit, sie ändern sich aber langsam und können daher für das Bezugsintervall RI.. als konstant angesehen werden.

Das vom Antennenelement 16. aufgenommene Bezugssignal

J
durchläuft einen Zirkulator 17 und gelangt zu einem Schalter 19, der den Sendebetrieb (T) und Empfangsbetrieb (R) des Rückübertragungszweiges (18.) steuert. Während des Bezugsintervalls RI,,, des Nachrichtenintervalls MI^ und des Bezugsintervalls RI« bleibt der Schalter 19 in der Empfangsposition. Nach Durchlaufen des Schalters 19 wird das Bezugssignal über zwei unterschiedliche Signalwege des Rückübertragungszweiges 18.. übertragen, nämlich eine I-Schiene und eine Q-Schiene. Das Signal auf der I-Schiene gelangt als ein Eingangssignal an einen Mischer 23 , dessen anderes Eingangssignal von «einem Ortsoszillator 22 stammt, der ein Signal cosoj t erzeugt. Das Ausgangssignal des Mischers 23 ist eine Quadraturkomponente des Bezugssignals R .cosier ^t+θ.), und zwar

j c j

speziell R.cose.. Auf entsprechende Weise gelangt das Signal auf der Q-Schiene an einen Eingang eines Mischers 25, dessen weiteres Eingangssignal von einem Ortsoszillator 24 stammt, der ein Signal sin GJ_t erzeugt. Das Ausgangssignal des Mischers 25 ist demgemäß die verbleibende Quadraturkomponente des Bezugssignals R-cos( co_ct+6 .), und zwar -R.sinö..

J U

Die Phasensteuerung des Antennenelementes 16. zur Aufnahme eines Nachrichtensignals mit einer Zufallsphase Θ. wird erreicht, indem die abwärts gemischten Signale mittels eines Schalters 27 über getrennte Bezugs-Koeffizientengeneratorschaltungen geführt werden, und zwar das Signal R^cosö- über eine Bezugs-Koeffizientengeneratorschaltung 26 und das Signal -R.sine. über eine Bezugskoeffizientengeneratorschaltung 28. Die Generatoren 26 und 28 erzeugen Bezugskoeffizienten oCR^cose. und -aR.sinG., wobei für das oben beschriebene Zeitmultiplexverfahren die Generatoren 26 und 28 Abtast- und Halteschaltungen sein können, die den von einer Mobilstation während ihres im voraus zugeordneten Unterintervalls in der oben beschriebenen Weise übertragenen Trägerburst abtasten. Entsprechend dem Frequenzversäbzungsverfahren können die Bezugskoeffizientengeneratoren 26 und 28 bekannte Integratorschaltungen sein, die über das gesamte Bezugsintervall integrieren. Die Bezugskoeffizienten oCR.cosö . und -bCR-sinö. verändern also das vom JJ JJ

Antennenelement 16. empfangene Signal durch eine Phasensteuerung des Elements 16. so, daß ein Nachrichtensignal

J
mit der Bezugsphase θ . aufgenommen wird, wobei cC eine

J
Konstante ist, die während der BezugskcäTfizientenbildung

erzeugt wird.

Am Ende des Bezugsintervalls RI₁ wird der Schalter 27 durch ein Taktsignal vom Taktgeber 31 aus einer ersten in eine zweite Position gebracht, um das Ausgangssignal der Mischer 23 und 25 vom Eingang der Bezugskoeffizientengeneratoren 26, 28 auf den Eingang eines Paares von Multiplizier era 30 und 32 umzuschalten. Gemäß Fig. 4 ist der Ausgang des Bezugskoeffizientengenerators 26 an einen Eingang des Multiplizierers angeschaltet und entsprechend der Ausgang des Bezugskoeffizientengenerators 28 an einen Eingang des Multiplizierers 32.

Die während des Nachrichtenintervalls MI^ von der Mobilstation zur Feststation übertragene Nachricht weist bei-

spielsweise 64 Bits auf, wobei das k-te Bit und seine begleitende Störung sich schreiben lassen als:

A₁-R.cos( Got+Θ .) + I cos a)_t + I_sin oo t (3) ,

Λ J C J C C B C

wobei A₁. = +1 das übertragene Bit und I und I_ Gauss' sehe Zufallsvariable mit dem Mittelwert 0 und der VariaiE

s sind. Das Nachrichtenbit wird im Rückübertragungszweig 18. mittels der Mischer 23 und 25 auf ähnliche Weise wie das oben beschriebene Bezugssignal zur Bildung seiner Quadraturkomponenten abwärts gemischt. Die abwäris gemischten Quadraturkomponenten des k-ten Bit , die am Ausgang der Mischer.23 und 25 erscheinen, werden dann über den Schalter 27 den Multiplizier em 30 bzw. 32 als Eingangssignale zugeführt, wobei die weiteren Eingangssignale der Multiplizierer die zugeordneten Bezugskoeffizienten sind, die am Ausgang der Bezugskoeffizientengeneratoren 26 bzw. 28 erscheinen. Im einzelnen wird das abwärts gemischte Nachrichtenbit auf der !-Schiene vom Mischer 23 und der Bezugskoeffizient dLR.cosG* vom Bezugskoeffizientengenerator 26 als Eingangssignale dem Multiplizierer 30 zugeführt, und das abwärts gemischte Nachrichtenbit auf der Q-Schiene vom Mischer 25 und der Bezugskoeffizient -<£Rosine, vom Bezugskoeffizientengenerator 28 werden als Eingangssignale dem Multiplizierer 32 zugeführt. Die Ausgangssignale der Multiplizierer 30 und 32 lassen sich darstellen als:*

für die !-Schiene und

odA^R?sin²e_k - cti_sR .sine

für die Q-Schlene. Diese beiden Signale werden nachfolgend an einen Addierer 34 angelegt, woraus sich ein Ausgangssignal cCk^BZ und ein Rauscheffektivwert oC R .s

^K j ,0

ergeben.

Man beachte, daß die Multiplikation der Quadraturkomponenten des Nachrichtenbits mit ihren zugeordneten

Bezugskoeffizienten und die nachfolgende Summierung ein demoduliertes, d.h. Grundbandsignal, erzeugen, das unabhängig "von der Zufallsphase 6. ist. Demgemäß sind die demodulierten Signale, die von den übrigen Rückübertragungszweigen 18^ bis 18^ (nicht gezeigt) erzeugt v/erden, auf ähnliche Weise unabhängig von ihren Zufallsphasen Θ. bis 0_M,und darüberhinaus besitzt jedes Signal eine Stärke, die proportional R ist. Demgemäß kann der Kombinierer 20 der Feststation 40 eine einfache Addierschaltung sein, um die obenerwähnte optimale Kombination mit maximalem Verhältnis für die von der Feststation mittels der Rückübertragungszweige 18,. bis 18«, erzeugten Signale zu erreichen.

Anhand von Fig. 4 soll außerdem der Signalfluß von der Feststation zurück zur Mobilstation erläutert werden. Am Ende der von der Mobilstation zur Feststation während · des Nachrichtenintervalls MI^ übertragenen Nachricht wird der Schalter 27 erneut betätigt,und die Ausgangssignale der Mischer 23 und 25 werden wieder an die Eingänge der Koeffizientengeneratoren 26 bzw. 28 angeschaltet. Die Mobilstation erzeugt dann während des Bezugsintervalls RIp einen zweiten Trägerburst, um ihre Ausbreitungs-Positionsinformation mit Bezug auf die Feststation zu aktualisieren. Im allgemeinen findet dieses Bezugssignal dann etwas andere Ausweitungsbedingungen als das während des Intervalls RI₁ übertragene Signal vor. Der aktualisierte Zufallsphasenwert Θ., der auf ähnliche Weise wie der vorhergehende Wert θ - von den Bezugskoeffizientengeneratoren 26 und 28 gespeichert wird, ermöglicht der Feststation, diesen neuen Wert von θ. zu kompensieren.

Am Ende des Bezugsintervalls RI₂ wird der Schalter 27^ erneut betätigt, und das Ausgangssignal der Mischer 23 und 25 wird wieder auf die Eingänge der Multiplizierer 30 bzw. 32 umgeschaltet. Außerdem werden zu diesem Zeitpunkt die Schalter 19 und 35 betätigt, um den Rücküber-

tragungszweig 18. vom Empfangsbetrieb in den Sendebetrieb umzuschalten. Die Feststation 14 ist dann bereit, mit der Übertragung eines Nachrichtensignals während des Nachrichtenintervalls MI₂ zurück zur Mobilstation zu beginnen. Das Nachrichtensignal geht von der Nachrichtenquelle 23 aus, und es wird ein identisches Signal der I- und Q-Schiene jedes Rückübertragungszweiges 18,. bis 18_M über den Schalter .35 und den Addierer 34 zugeführt. Zur Rückübertragung zur Mobilstation wird der Signalfluß über die I- und Q-Schiene gegenüber dem oben beschriebenen Signalfluß beim Empfang von Signalen während der Intervalle RI₁ , MI₁ und RI₂ umgekehrt, wobei die in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene Fhasenkonjugation durch Invertieren des Vorzeichens des vom Bezugskoeffizientengenerator 28 erzeugten Bezugskoeffizienten erreicht wird. Im einzelnen wird das Eingangsnachrichtensignal vom Addierer 34 auf die I- und Q-Schiene gegeben, wobei auf der I-Schiene das Nachrichtensignal an einen Eingang des Multiplizierers 30 gelangt, dessen weiteres Eingangssignal der aktualisierte, im Bezugskoeffizientengenerator 26 gespeicherte Bezugskoeffizient ist. Auf der Q-Schiene gelangt das Nachrichtensignal an einen· Eingang des Multiplizierers 32, dessen weiteres Eingangssignal der negative Wert des aktualisierten, im Bezugskoeffizientengenerator gespeicherten Bezugskoeffizienten ist. Die Verwendung des negativen Wertes gibt - wie oben beschrieben - in Verbindung mit dem verarbeiteten Signal auf der I-Schiene die Möglichkeit, daß das Signal durch "Ausschalten" der Umgebungseinflüsse von der Mobilstation kohärent empfangen wird. Die Ausgangssignale der Multiplizierer 30 und 32 werden dann den Mischern 23 und 25 als Eingangssignale zugeführt, an deren v/eiteren Eingängen die Ortsoszillatoren 22 bzw. 24 liegen, um die Quadraturkomponenten des Nachrichtensignals aufwärts zu mischen.

Die aufwärts gemischten Signale werden dann kombiniert und über den Schalter 19 sowie den Zirkulator 17 dem Antennenelement 16. zugeführt. Dieses Verfahren ergibt

den gleichen SIR-Wert bei der Mobilstation, als ob die gesamte übertragene Leistung von einer einzigen Antenne abgestrahlt worden wäre und die Mobilstation den gleichen Diversitygrad (M Zweige bei diesem Beispiel) wie die Feststation hätte.

-<23.

Leerseite

Claims

.·": :·:■·: . 3H5992 BLUMBACH · WESHR- BERGEM- KRAMER

ZWIRNER - HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patenlconsult Rededcosttaflu 4Λ 800U Munition 6U Tulolon (08V) UU 36 U3/88 36 04 lulox 05-212313 lulogmininti IMUmiIi ohmiII Patentconsult Sonnenberger Sltoße 43 6700 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 lulogromme Pateiiliun

Western Electric Company Incorporated GLANCE, B-. 7-9 Broadway, New York N.Y. 10038
Vereinigte Staaten von Amerika

Patentansprüche

1 J Mobilfunk-Feststation unter Anwendung von Raumdiversity und Zeitmultiplex-Rückübertragung mit einer Vielzahl von M Antennenelementen, die im Raumdiversitybetrieb arbeiten und ein von einer entfernten Mobil- * station zur Feststation übertragenen Nachrichtensignal f aufnehmen sowie ein Nachrichtensignal von der Feststation zur entfernten Mobilstation aussenden können, mit einer Vielzahl von M RückUbertragungszweigen, die der Vielzahl von M Antennenelementen einzeln zugeordnet sind und entweder im Sende- oder im Empfangsbetrieb arbeiten können, wobei jeder Rückübertragungszweig im 'Empfangsbetrieb die dem von der Mobilstation zur Feststation übertragenen Nachrichtensignal zugeordnete Eingangszufallsphase kompensieren kann und sie vom Nachrichtensignal subtrahiert, und im Sendebetrieb die Zufallsphase zu dem von der Feststation zur Mobilstation übertragenen Nachrichtensignal addieren kann,

mit einer Kombiniereinrichtung, die im Empfangsbetrieb an die Ausgänge der Vielzahl von M Rückübertragungszweigen angeschaltet ist und die Ausgangssignale der Zweige zur

München: R. Kramer Dipl.-Ing. ■ W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. \

Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr.jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw. bis 1979 · G-. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing. t

Bildung eines kohärenten Ausgangssignals kombiniert, und

mit einer Eingangseinrichtung, die der Vielzahl von Rückübertragungszweigen im Sendebetrieb ein Eingangssignal zuführt, so daß die Vielzahl von M Antennenelementen das von der Feststation zur Mobilstation gerichtete Nachrichtensignal aussenden können, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststatioh (14) digitale Nachrichtensignale aufnehmen und aussenden kann und daß jeder Rückübertragungszweig (18., 18p ... 18„) Einrichtungen (22 bis 26, 28, 30, 32, 34) aufweist, die sowohl das von der Mobilstation zur Feststation gerichtete Nachrichtensignal in eine Grundbanddarstellung abwärts mischen als auch das Eingangssignal in ein phasenüberwachtes, von der Feststation zur Mobilstation gerichtetes Nachrichtensignal aufwärts mischen können.

2-. Mobilfunk-Feststation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rückübertragungszweig der Vielzahl von Rückübertragungszweigen (18., 18p ... 18_M) ein Paar von Umwandlungseinrichtungen (22, 23; 24, 25) aufweist, die sowohl (a) das von der Mobilstation zur Feststation gerichtete, digitale Nachrichtensignal, in einer erste Quadraturkomponente und eine zweite Quadraturkomponente auftrennen und die beiden Komponenten über einen ersten bzw. zweiten Signalweg übertragen und (b) eine erste und eine zweite Quadraturkomponente des von der Feststation zur Mobilstation gerichteten Signals durch ihr zugeordnetes Antennenelement (16.)

ο aussenden.

3. ' Mobilfunk-Feststation nach Anspruch 2, dadurch gekonnzeichnet, daß das empfangene, von der Mobilstation zur Feststation gerichtete Nachrichtensignal nacheinander ein erstes Bezugssignal, ein erstes Nachrichtensignal und ein zweites Bezugssignal enthält, daß

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jeder Signalweg der ersten und zweiten Signalwege jedes Rückübertragungszweiges Bezugskoeffizientengeneratoren (26, 28) aufweist, die nacheinander auf ihre zugeordnete Qüadraturkomponente des ersten und zweiten Bezugssignals ansprechen und als sequentielle Ausgangssignale einen ersten und einen zweiten Bezugskoeffizienten erzeugen, und daß der erste und zweite Bezugskoeffizient sequentiellen Positionen der Mobilstation mit Bezug auf das Antennenelement zugeordnet sind.

4. Mobilfunk-Feststation nach Anspruch 3, unter Verwendung einer Frequenzversetzungs-Bezugsübertragung, ■ dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bezugskoeffizientengeneratör eine Integriereinrichtung aufweist, die die während eines ersten und eines zweiten Bezugsintervalls (RI>|, Rio) empfangenen ersten "bzw. zweiten Bezugssignale

zur Erzeugung der Bezugskoeffizienten-Ausgangssignale . integriert.

5. . Mobilfunk-Feststation nach Anspruch 3, unter Verwendung einer Zeitmultiplex-Bezugsübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bezugskoeffizientengenerator eine Abtast- und Halteeinrichtung aufweist, die die während eines ersten und zweiten BezugsIntervalls (RI,., RIp) empfangenen ersten bzw. zweiten Bezugssignale zur Erzeugung der Bezugskoeffizienten-Ausgangssignale abtastet und speichert.

6. Mobilfunk-Feststation nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Signalweg weiterhin einen Multiplizierer (30; 32) aufweist, der unter Ansprechen auf sowohl

a) seine zugeordnete Qüadraturkomponente des ersten Nachrichtensignals und den ersten, von seinem zugeordneten Bezugskoeffizientengenerator erzeugten Bezugskoeffizienten ein digitales Grundbandausgangssignal und

"b) auf das von der Feststation zur Mobilstation gerichtete Grundbandsignal und den zweiten Bezugskoeffizienten ein phasenüberwachtes, von der Feststation zur Mobilstation gerichtetes, digitales Nachrichtensignal erzeugt.

7. Mobilfunk-Fest station, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinier einrichtung einen Addierer aufweist, der die Vielzahl der von jedem Rückübertragungszweig der Vielzahl von Rückübertragungszweigen erzeugten, digitalen Grundbandausgangssignale kombiniert.

8. Rückübertragungsverfahren zur Übertragung von digitalen Nachrichtensignalen zwischen wenigstens einer Feststation und wenigstens einer Mobilstation mit den Verfahrensschritten:

a) Übertragen eines ersten Trägerbursts einschließlich eines Bezugssignals von der Mobilstation während eines ersten Bezugsintervalls (RI-,) ;

b) Übertragen von Nachrichteninformationen einschließlich eines Nachrichtensignals von der Mobilstation zur Feststation während eines ersten Nachrichtenintervalls (MI₁);

c) Übertragen von Nachrichteninformationen von der Feststation zur Mobilstation während eines zweiten Nach-■ richtenintervalls (MIp),
gekennzeichnet durch .

den vor dem Verfahrens schritt c) durchgeführten Verfahrensschritt

d) Übertragen eines zweiten Trägerbursts von der Mobilstation zur Feststation während eines zweiten Bezugsintervalls (RI₂).

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine Vielzahl von Feststationen vorhanden ist und mit der wenigstens einen Mobilstation in Nachrichtenverbindung treten können,
dadurch gekennzeichnet, daß

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e) bei der Durchführlang des Verfahrensschrittes a) ein erster Trägerburst von der Mobilstation , die einer der Vielzahl von Feststationen zugeordnet ist, während eines vorbestimmten Unterintervalls (A-H) des ersten Bezugsintervalls übertragen wird und jede Feststation der Vielzahl von Feststationen einem getrennten und besonderen Unterintervall des ersten Bezugsintervalls zugeordnet ist, und daß
f.) bei der Durchführung des Verfahrensschrittes d) ein zweiter Trägerburst von der Mobilstation, die einer der Vielzahl von Feststationen zugeordnet ist, während eines vorbestimmten Unterintervalls (A-H) des zweiten Bezugsintervalls übertragen wird und jede Feststation der Vielzahl von Feststationen einem getrennten und besonderen Unterintervall des zweiten Bezugsintervalls zugeordnet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8,

bei dem eine Vielzahl von Feststationen vorgesehen ist, die mit der Mobilstation in Nachrichtenverbindung treten können,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) bei der Durchführung des Verfahrensschrittes a) ein erster Trägerburst von der Mobilstation zur Vielzahl von Feststationen mit einer vorbestimmten Versetzungsfrequenz übertragen wird und jede Feststation einer getrennten und besonderen Versetzungsfrequenz zugeordnet ist", und daß . f) bei der Durchführung des Verfahrensschrittes d) ein zweiter Trägerburst von der Mobilstation zur Vielzahl von Feststationen mit einer vorbestimmten Versetzungsfrequenz übertragen wird und jede Feststation einer getrennten und besonderen Versetzungsfrequenz zugeordnet ist.

11. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Abwärtsmischen des Bezugssignals in eine erste und eine zweite Bezugssignal-Quadraturkomponente; Feststellen der Zufallsphase des Bezugssignals unter

Bildung eines ersten Bezugskoeffizienten, der der Zufällsphase des ersten Bezugssignals zugeordnet ist, und eines zweiten Bezugskoeffizienten, der der Zufallsphase des zweiten Bezugssignals zugeordnet ist; Abwärtsmischen des Uachrichtensignals in- eine erste und eine zweite Nachrichtensignal-Quadraturkomponente; Kompensieren der Zufallsphase durch Multiplizieren des ersten Bezugskoeffizfenten mit der ersten Nachrichtensignal-Quadraturkomponente zur Bildung einer ersten Grundbandkomponente und durch Multiplizieren des zweiten Bezugskoeffizienten mit der zweiten Nachrichtensignal-Quadraturkomponente zur Bildung einer zweiten Grundbandkomponente j
Addieren der ersten und zweiten Grundband-Komponente zur Bildung eines digitalen Grundband-Nachrichtehsignals.

12. Verfahren nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß beim Peststellen der Zufallsphase des Bezugssignals je die erste und zweite Bezugssignal-Quadraturkomponente zur Bildung des ersten bzw. zweiten Bezugskoeffizienten integriert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Feststellung der Zufallsphase des Bezugssignals je die erste und zweite Bezugssignal-Quadraturkomponente zur Bildung'des ersten bzw. zweiten Bezugskoeffizienten einem Abtast- und Halteverfahren unterworfen werden.