Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf zellulare Funkkommunikationen im allgemeinen, und genauer auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren des Abstands zwischen Empfangsantennen in einer signal-kombinierenden Basisstation und Verwenden adaptiver Strahlenbildung, um das Abwärtsstreckenleistungsverhalten zu verbessern.

In einem digitalen zellularen Funkkommunikationssystem werden Funksignale, die digital moduliert sind, verwendet, um Information zwischen Funkbasisstationen und Mobilstationen zu übermitteln. Die Funkbasisstationen übertragen Abwärtsstreckensignale zu den Mobilstationen und empfangen Aufwärtsstreckensignale, die durch die Mobilstationen übertragen werden. Ein gewöhnliches Problem, das in digitalen zellularen Funkkommunikationssystemen auftritt, ist der Verlust von Information in den Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstreckensignalen als ein Ergebnis von Mehrfachpfadschwund und Interferenz, die in dem Funkübertragungskanal existieren können.

Hinsichtlich des ersteren, Mehrfachpfadschwund, gibt es im wesentlichen zwei Mehrfachpfadeffekte: Schwund und Zeitdispersion. Wenn die Pfadlänge zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation relativ kurz ist, entsteht Schwund aus der Interaktion des übertragenen Signals, oder Hauptstrahls, und Reflexionen davon, oder Echos, die in dem Empfänger in ungefähr der gleichen Zeit ankommen. Wenn dies geschieht, addieren sich der Hauptstrahl und die Echos entweder destruktiv oder konstruktiv. Falls es eine große Zahl von Echos gibt, nimmt das Muster destruktiver und konstruktiver Addition eine Rayleigh-Verteilung an, weshalb dieser Effekt manchmal "Rayleigh-Schwund" genannt wird. Gewisse Punkte in dem Schwundmuster, wo destruktive Addition zu Schwund-"Senken" führt, führen zu einer relativ geringen Träger-zu-Rauschen-(C/N) Charakteristik des empfangenen Signals.

Die Effekte von Schwundsenken können durch Vorhandensein vieler Empfangsantennen und Einsatz irgendeiner Form von Diversifizierungskombination gemildert werden, wie etwa selektives Kombinieren, Kombinieren gleicher Verstärkung oder Kombinieren des maximalen Verhältnisses, wobei Signale von jeder Empfangsantenne kombiniert werden, um ein einzelnes empfangenes Signal zu erstellen. Diversifizierungstechniken ziehen aus der Tatsache einen Vorteil, dass der Schwund in den unterschiedlichen Antennen nicht der gleiche ist, sodass es, wenn eine Antenne eine Schwundsenke empfängt, möglich ist, dass es die andere Antenne nicht tut. Es wird Mobile Communications Design Fundamentals von William C. Y. Lee, Howard W. Sams & Co., Indiana, USA vermerkt. In Sektion 3.5.1 dieses Buches werden mehrere Beispiele gegeben, die beschreiben, wie Signale von zwei Empfängerverstärkern mit getrennten Antennen kombiniert werden können, um Schwund entgegenzuwirken.

Für längere Pfadlängen tritt Zeitdispersion auf, wenn die Echos mit Bezug auf den Hauptstrahl verzögert sind. Falls ein Echo ausreichender Größe in dem Empfänger verzögert von dem Hauptstrahl um eine Zeitlänge in der Größenordnung der Symbolperiode ankommt, verursacht Zeitdispersion Zwischensymbolinterferenz (ISI). Zeitdispersion kann vorteilhafter Weise durch Verwenden eines Entzerrers korrigiert werden. In dem Fall digitaler Signalmodulation kann ein Entzerrer mit Maximum-Likelihood-Sequenzschätzung (MLSE) verwendet werden, wie etwa in Digital Communications, 2nd Ed., von John G. Proakis, Mc-Graw Hill Book Company, New York, New York, USA, 1989 beschrieben. In Sektion 6.7 dieses Buches werden verschiedene Verfahren zum Erfassen von Signalen, die durch Zeitdispersion, oder Zwischensymbolinterferenz (ISI) beschädigt werden, unter Verwendung von MLSE-Entzerrung beschrieben.

Es können auch Signalquellen in der Funkumgebung existieren, die zu dem gewünschten Signal nicht orthogonal sind. Nicht-orthogonale Signale, oder Interferenz, kommen häufig von Funkgeräten, die in der gleichen Frequenz arbeiten (d.h. Zweikanal-Interferenz) oder von Funkgeräten, die in benachbarten Frequenzbändern arbeiten (d.h. Nachbarkanal-Interferenz). Wenn das Träger-zu-Interferenz-Verhältnis (C/I) eines Kanals zu gering ist, ist die Qualität von Sprachausgabe in der Mobilstation schlecht. Es wurden viele Techniken entwickelt, um Interferenz auf tolerierbare Pegel zu minimieren, einschließlich Frequenzneuverwendungsmuster und adaptiver Strahlenbildung, die verwendet werden können, eine Null in einem Antennenmuster in der Richtung eines Störers zu lenken.

Vor kurzem wurden Verfahren vorgeschlagen, die die Probleme von Mehrfachpfadschwund und Interferenz teilweise lösen. In US-Patent 5,191,598 für Bäckström, et al wird zum Beispiel das Problem genauer Erfassung von Signalen bei Vorhandensein von Schwund und Zeitdispersion durch Verwenden eines Viterbi-Algorithmus mit einer Übertragungsfunktion, die für jede Antenne geschätzt wird, überwunden. Durch Verweis darauf wird US-Patent 5,191,598 hierin in seiner Gesamtheit einbezogen. Ein anderes Verfahren zum genauen Erfassen von Signalen bei Vorhandensein von Schwund und Interferenz wurde in IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 42, No. 4, Nov. 1993, J. H. Winters: "Signal Acquisition and Tracking with Adaptive Arrays in the Digital Mobile Radio System IS-54 with Flat Fading" vorgestellt.

Obwohl die oben beschriebenen konventionellen Techniken verwendet werden können, um Signalqualität zu verbessern, bleibt Raum für Verbesserung. So werden in der Stammanmeldung Techniken für Interferenzzurückweisungskombination (IRC) beschrieben, die Interferenz unter Verwendung von z.B. Beeinträchtigungskorrelationen bekämpfen, um die Maximum-Likelihood-Sequenzschätzung zu verbessern.

Die Stammanmeldung beschreibt jedoch Techniken, die verwendet werden können, um den Empfang von Signalen zu verbessern. Falls z.B, in einer Funkbasisstation verwendet, werden diese Techniken das System unausgeglichen machen, d.h. die Aufwärtsstrecke wird gegenüber der Abwärtsstrecke überlegene Qualität aufweisen. Falls das System unausgeglichen ist, dann wird sich die Systemgestaltung auf der schwächsten Verknüpfung, d.h. der Abwärtsstrecke, gründen, und kann den vollen Vorteil gesteigerter Qualität, die durch die in der Aufwärtsstrecke verwendeten IRC-Techniken vorgesehen wird, nicht nutzen. Falls z.B. ein Systemgestalter einen Kompromiss zwischen verbesserter Qualität und Kapazität durch Verringerung der Frequenzwiederverwendung wollte, könnte er oder sie durch die Tatsache behindert werden, dass die Abwärtsstreckenqualität nicht verbessert wurde.

WO 96/04738 offenbart ein digitales Funkkommunikationssystem, das eine Schätzung der Beeinträchtigungskorrelationseigenschaften empfangener Signale verwendet, um die schädlichen Effekte von Schwund, Zeitdispersion und Interferenz in dem Kanal zu mildern.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Basisstation vorgesehen, umfassend ein Antennenfeld zum Empfangen eines Aufwärtsstrecken-Funksignals, wobei das Antennenfeld mindestens zwei Antennen enthält, wobei jede Antenne einen Strom von empfangenen Abtastungen von dem Funksignal generiert; und einen Empfänger zum Kombinieren von Information, die durch die mindestens zwei Ströme empfangener Abtastungen von den mindestens zwei Antennen vorgesehen wird, um erfasste Informationssymbole zu generieren, wobei der Empfänger enthält eine Beeinträchtigungskorrelationseinheit, die eine Korrelation zwischen Beeinträchtigung, die mit einer der mindestens zwei Antennen in Verbindung steht, und Beeinträchtigung, die mit einer anderen der mindestens zwei Antennen in Verbindung steht, schätzt und die Korrelationsschätzung verwendet, um die mindestens zwei Ströme empfangener Symbole zu kombinieren. Die Korrelationsschätzung wird dann verwendet, um eine Richtung von Ankunftsinformation des Aufwärtsstreckenfunksignals zu bestimmen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung haben die Anmelder erkannt, dass obwohl IRC-Techniken eine Leistungsverhaltensverbesserung in der Aufwärtsstrecke vorsehen, ähnliche Verbesserungen für die Abwärtsstrecke nicht erreicht werden können, worin mobile Einheiten typischerweise nur eine einzelne Antenne enthalten. Vorhandensein von unausgeglichenem Leistungsverhalten zwischen der Aufwärtsstrecke und der Abwärtsstrecke ist jedoch unerwünscht, da es einem Systemgestalter nicht erlaubt, die Vorteile vollständig auszunutzen, die mit verbessertem Leistungsverhalten in Verbindung stehen, z.B. erhöhte Frequenzwiederverwendung. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben somit die Anmelder das Leistungsverhalten der Abwärtsstrecke erhöht, die Strahlenbildungstechniken verwendet, um Basisstationsübertragungen zu einer gewünschten Mobilstation zu "führen". Auf diese Weise wird das Leistungsverhalten der Abwärtsstrecke unter Verwendung von Strahlenbildungstechniken zu einem Grad ähnlich zu dem verbessert, in dem die Aufwärtsstrecke unter Verwendung von IRC-Techniken verbessert wurde.

Dies erlaubt dem Systemgestalter, die Variationen im Systemdesign vollständiger auszunutzen, die mit Verbesserung des Aufwärtsstreckenleistungsverhaltens in Verbindung stehen.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Basisstation, die einen IRC-Empfänger enthält, mit einem Antennensystem versehen werden, das zwei oder mehr Antennen enthält, die eng zueinander verteilt (beabstandet) sind. Während z.B. eine konventionelle Diversifizierungsbasisstation ein Paar von Antennen haben kann, die 10–20 Wellenlängen getrennt verteilt sind, kann eine Basisstation gemäß der vorliegenden Erfindung viel geringeren Abstand zwischen Empfangsantennen aufweisen, z.B. in der Größenordnung einer Wellenlänge oder weniger. Dies erzeugt eine kompaktere und ästhetisch zufriedenstellendere Basisstation, ebenso wie es dem Basisstationsempfänger gestattet, eine Richtung von Ankunftsinformation dem Basisstationssender bereitzustellen, wobei die Information in den zuvor beschriebenen Strahlenbildungstechniken verwendet wird.

Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um auf ähnliche Elemente zu verweisen:

1 veranschaulicht ein beispielhaftes zellulares Funkkommunikationssystem;

2 veranschaulicht eine konventionelle Basisstation und Diversifizierungsantennenabstand;

3 stellt eine beispielhafte Basisstation gemäß der vorliegenden Erfindung dar;

4 zeigt die beispielhafte Basisstation von 3 in einem anderen Detaillierungsgrad;

5 ist ein Blockdiagramm eines IRC-Empfängers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

6 veranschaulicht den Einfallwinkel &THgr;, der durch IRC-Empfänger bestimmt wird, gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;

7 veranschaulicht Strahlenführung gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;

8 ist ein Blockdiagramm eines IRB-Senders gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform; und

9 ist ein Blockdiagramm eines IRB-Senders gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform.

In der folgenden Beschreibung werden zum Zweck von Erläuterung und nicht Begrenzung spezifische Details dargelegt, wie etwa bestimmte Schaltungen, Schaltungskomponenten, Techniken etc., um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung vorzusehen. Einem Fachmann wird jedoch offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung in anderen Ausführungsformen praktiziert werden kann, die von diesen spezifischen Details abweichen. In anderen Fällen werden detaillierte Beschreibungen gut bekannter Verfahren, Einrichtungen und Schaltungen weggelassen, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht mit unnötigen Details zu verwirren.

Ein beispielhaftes zellulares Funkkommunikationssystem 100 wird allgemein in 1 veranschaulicht. Eine geografische Region, die durch das System 100 bedient wird, kann in eine Zahl, n, kleinerer Regionen von Funkabdeckung unterteilt werden, die als Zellen 110a–n bekannt sind, wobei jede Zelle 110a–n mit ihr eine jeweilige Funkbasisstation 170a–n verbunden hat. Jede Funkbasisstation 170a–n hat mit ihr ein Antennensystem 130a–n verbunden, wo sich unter anderem die Übertragungs- und Empfangsantennen befinden. Die Verwendung von hexagonal geformten Zellen 110a–n ist eine grafische zweckdienliche Weise zum Veranschaulichen von Bereichen von Funkabdeckung, die jeweils mit Basisstationen 170a–n in Verbindung stehen. In Wirklichkeit können Zellen 110a–n unregelmäßig geformt, überlappend und nicht notwendigerweise fortlaufend sein. Es ist auch Sektorisierung innerhalb von Zellen 110a–n möglich und wird durch die vorliegende Erfindung betrachtet.

Innerhalb von Zellen 110a–n ist eine Vielzahl von Mobilstationen 120a–m verteilt. Basisstationen 170a–n sehen Zweiweg-Funkkommunikation mit Mobilstationen 120a–m vor, die sich jeweils innerhalb entsprechender Zellen 110a–n befinden. Allgemein ist die Zahl, m, von Mobilstationen viel größer als die Zahl, n, von Basisstationen. Funkbasisstationen 170a–n sind mit der Mobiltelefon-Vermittlungsstelle (MTSO) 150 gekoppelt, die unter anderem eine Verbindung mit dem öffentlichen vermittelten Telefonnetz (PSTN) 160 und daher mit Kommunikationseinrichtungen 180a–c bereitstellt. Dieses grundlegende zellulare Funkkommunikationskonzept ist in der Technik bekannt und wird hier nicht weiter beschrieben.

Ein konventionelles Basisstationsantennensystem 130 wird in 2 veranschaulicht. Die zwei Empfangsantennen 270A und 270B sind um 10–20 Wellenlängen getrennt, um Signale mit nicht-korrelierten Schwundmustern zu empfangen. Der Abstand, der erforderlich ist, um Aufwärtsstreckensignale mit nicht-korreliertem Schwund zu empfangen, variiert von Stelle zu Stelle, ein typischer Erfahrungswert ist aber, eine horizontale Trennung von 10–20 Wellenlängen zwischen Empfangsantennen in Makrozellen mittlerer Größe von 3–5km im Radius zu verwenden. Z.B. ist bei 900 MHz die resultierende Trennung zwischen 3 und 6 Metern, was zu einer großen und hässlichen Antenneninstallation führt und was Probleme bei Erlangung und Installation des Standorts verursachen kann, vor allem in urbanen Zellen. Es kann eine getrennte Übertragungsantenne 280 zwischen den zwei Empfangsantennen montiert werden. Die Antennen können als Dipolantennen, Mikrostreifen-Patchfelder oder eine beliebige geeignete Abstrahlungsstruktur gebildet werden.

Ein verbessertes Antennensystem 130' gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 3 veranschaulicht. Die zwei Empfangsantennen 270A' und 270B' sind relativ eng zueinander verteilt. Dies ist wegen der Verwendung von IRC-Empfänger 500 möglich. Wie oben erwähnt, beruht das konventionelle System von 2 auf Antennen, die ausreichend fern getrennt verteilt sind, um Signale mit nicht-korreliertem Schwund vorzusehen, wobei die Signale kombiniert werden können, um ein zusammengesetztes Signal mit einer verbesserten C/N-Charakteristik vorzusehen (z.B. in der Größenordnung von 3,5–5,5 dB besser als das Signal, das in einer Schwundsenke empfangen wird). Als Kontrast dazu beruhen IRC-Techniken auf der Tatsache, dass in spezifischen Zeitpunkten die Beeinträchtigung (Interferenz + Rauschen) zwischen Signalen von der gleichen Quelle (z.B. Mobilstation), die in zwei relativ eng verteilten Antennen empfangen werden, korreliert sein wird. Schätzungen der Beeinträchtigungskorrelation werden verwendet, um Hypothesen eines erfassten Symbols zu verbessern, was wiederum den nachteiligen Effekten von Interferenz entgegenwirkt. Durch Beseitigung der Interferenz auf diese Art und Weise ist der Effekt von Schwundsenken nicht so beträchtlich, insbesondere in Systemen, die in der Interferenz begrenzt sind.

Obwohl der Abstand zwischen Empfangsantennen, die in Verbindung mit einem IRC-Empfänger verwendet werden, 10–20 Wellenlängen oder mehr sein könnte, können entsprechend kleinere Antennenabstände verwendet werden, da die Eigenschaft, auf der in dem IRC-Empfänger beruht wird, d.h. die Korrelation von Beeinträchtigung, für kleinere Abstände gilt. Gemäß der vorliegenden Erfindung können z.B. die Antennen 270A' und 270B' kleiner als 10 Wellenlängen getrennt verteilt sein, vorzugsweise kleiner als 5 Wellenlängen getrennt, z.B. 1–5 Wellenlängen. Es wird auch angenommen, dass noch kleinere Trennung zwischen Empfangsantennen verwendet werden könnte, z.B. 0,5 Wellenlängen, was in beispielhaften Ausführungsformen von Nutzen sein wird, die nachstehend beschrieben werden, worin die Richtung von Ankunftsinformation erhalten wird, um Abwärtsstreckenstrahlenführung vorzusehen. Die Antennen können z.B. als ein Zweispalten-Antennenfeld unter Verwendung von Duplexfiltern implementiert sein. Jede Spalte kann vertikal polarisiert sein und ein Elementmuster von 65–75 Grad haben, z.B. von 10–20 Elementen. Die Antennenbreite kann z.B. bei 1500 MHz ungefähr 30 cm sein.

Eine vereinfachte verbesserte Basisstation 170' wird in 3 veranschaulicht, wo der Klarheit halber nur ein einzelner Sender 600 und ein Empfänger 500 veranschaulicht werden, obwohl eine Basisstation typischerweise eine Vielzahl derartiger Transceiver haben wird. Die Basisstation 170' umfasst unter anderem Duplexer 300A–B, die mit Antennen 270A' bzw. 270B' gekoppelt sind. Aufwärtsstreckensignale, die durch Empfangsantennen 270A' und 270B' empfangen werden, werden über Duplexer 300A–B jeweils mit einem Interferenzzurückweisungskombinations-(IRC) Empfänger 500 gekoppelt, wo die empfangenen Aufwärtsstreckensignale kombiniert werden, wie durch den folgenden Text und die Figuren beschrieben wird. Auf der Übertragungsseite werden Abwärtsstreckensignale vom Strahlenbildungssender 600 durch Duplexer 300A–B mit Antennen 270A' und 270B' gekoppelt.

4 veranschaulicht schematisch das Blockdiagramm der verbesserten Funkbasisstation 170' mit einer Vielzahl von Empfängern und Sendern, dem verbesserten Antennensystem 130' und der Basisstationssteuervorrichtung (BSC) 400. Während sich die BSC 400 zusammen mit der Funkbasisstation 170' befinden kann, befindet sich das Antennensystem 130' im allgemeinen in irgendeinem Abstand entfernt von der Funkbasisstation 170' und der BSC 400. Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Antennensystem 130' mindestens zwei Antennen 270A' und 270B', die für sowohl den Empfang von Aufwärtsstreckensignalen von Mobilstationen als auch die Übertragung von Abwärtsstreckensignalen zu Mobilstationen im Duplex verwendet werden können.

Eine Mobilstation, die sich innerhalb einer Zelle befindet, überträgt Aufwärtsstreckeninformation zu einer Basisstation unter Verwendung von Funksignalen, die mit der Aufwärtsstreckeninformation digital moduliert sind. Wie in 4 veranschaulicht, werden Aufwärtsstreckenfunksignale, die durch Antennen 270A' und 270B' empfangen werden, jeweils mit Duplexern 300A–B und anschließend jeweils mit rauscharmen Verstärkern 430A–B gekoppelt, wo die empfangenen Aufwärtsstreckenfunksignale ausreichend verstärkt werden, um das Rauschen zu überwinden, das durch die Empfängerschaltungstechnik der Basisstation eingeführt wird. Die verstärkten empfangenen Funksignale können dann jeweils mit Leistungsteilern 410A–B gekoppelt werden, wo die verstärkten empfangenen Funksignale in eine Vielzahl von ausgegebenen empfangenen Signalen unterteilt werden. Falls nur ein einzelner Funkkanal erforderlich ist, sind die Leistungsteiler 410A–C nicht erforderlich. Die ausgegebenen empfangenen Signale werden mit Interferenzzurückweisungskombinations-(IRC) Empfängern 500a–N gekoppelt, wobei es z.B. einen Empfänger für jeden Funkkanal gibt, der einer Basisstation 170' zugewiesen ist. Die Zahl N repräsentiert die Zahl von Funkkanälen, die einer Zelle, oder Sektor, zugewiesen sind. Obwohl als getrennte Einrichtungen gezeigt, können Empfänger 500a–N als ein Aufbau hergestellt werden. Jeder IRC-Empfänger 500a–N empfängt Signale, die von jeder Antenne 270A' und 270B' entspringen. Die Ausgabe von jedem IRC-Empfänger 500a–N ist ein Bitstrom geschätzter Aufwärtsstreckeninformation, die die Aufwärtsstreckeninformation darstellt, die durch die Mobilstation ursprünglich übertragen wird. Die geschätzte Aufwärtsstreckeninformation wird mit Basisstationssteuervorrichtung 400 gekoppelt, die die Operation der Funkbasisstation 170' steuert und die Schnittstelle zu MTSO 150 vorsieht.

Um Abwärtsstreckeninformation von einer Basisstation zu einer Mobilstation zu übertragen, werden Abwärtsstreckeninformationssignale, die von MTSO 150 empfangen werden, mit BSC 400 gekoppelt, die das Abwärtsstreckeninformationssignal mit einem aus einer Vielzahl von Interferenzzurückweisungsstrahlenbildungs-(IRB) Funksendern 600a–M gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung richtet. Obwohl die Zahl N von Diversifizierungsempfängern und die Zahl M von Sendern gleich sein kann, ist es nicht erforderlich. Jeder IRB-Sender 600a–M empfängt Information über die Richtung von Ankunft (DOA, direction of arrival) von einem entsprechenden IRC-Empfänger 500a–N, wie in dem folgenden Text und den Figuren beschrieben wird. Die DOA-Information wird in dem IRB-Sender verwendet, um Phasen- und Amplitudenbeziehungen zwischen einer Vielzahl von ausgegebenen Signalen zu generieren, die anschließend an Antennen 270A' und 270B' angelegt werden, um den resultierenden ausgestrahlten Strahl zu führen, um das Abwärtsstreckenträger-zu-Interferenz-Verhältnis zu verbessern, das in einer bestimmten Mobilstation empfangen wird. Wie in 4 gezeigt, moduliert jeder IRB-Sender 600a–M digital ein Funksignal mit den Abwärtsstreckeninformationssignalen, um zwei entsprechende ausgegebene Aufwärtsstreckenfunksignale zu erzeugen. Die Aufwärtsstreckenfunksignale von Funksendern 600a–M werden mit Leistungsteilern 420A–B gekoppelt, in Leistungsverstärkern 440A–B verstärkt, über Duplexer 300A–B mit Antennen 270A' und 270B' gekoppelt und als ein Abwärtsstreckensignal ausgestrahlt.

In 5 wird der IRC-Empfänger 500 detaillierter veranschaulicht. Der Klarheit und Einfachheit halber veranschaulicht 5 nur einen einzelnen Empfangskanal; somit werden die Duplexer 310A–B, Verstärker 430A–B und Leistungsteiler 410A–B, die in 4 als zwischen Antennen 270A' und 270B' und IRC-Empfängern 500a–N angeordnet gezeigt werden, in 5 nicht gezeigt. Es wird vermerkt, dass IRC-Empfänger 500a–N, die in 4 gezeigt werden, dem in 5 gezeigten IRC-Empfänger 500 funktional äquivalent sind; der Index a-N verweist auf unterschiedliche Funkkanäle.

Bezug nehmend nun auf 5 wird ein schematisches Blockdiagramm des Interferenzzurückweisungskombinations-Diversifizierungsempfängers 500 veranschaulicht. Das empfangene Funksignal in Antenne 270A' umfasst das Signal, das durch die Mobilstation ursprünglich übertragen wird, als durch die Kanaleffekte zwischen Antenne 270A' und der Mobilstation beschädigt, und auch Beeinträchtigung, die in Antenne 270A' empfangen wird. Ähnlich umfasst das empfangene Funksignal in Antenne 270B' das Signal, das durch die Mobilstation ursprünglich übertragen wird, als durch die Kanaleffekte zwischen Antenne 270B' und der Mobilstation beschädigt, und auch Beeinträchtigung, die in Antenne 270B' empfangen wird.

Aufwärtsstreckenfunksignale, die von Antennen 270A' bzw. 270B' empfangen werden (nach optionaler Verstärkung und Leistungsteilung, wie in 4 gezeigt), werden jeweils mit Funkeinheiten 510A–B gekoppelt. Funkeinheiten 510A–B filtern und konvertieren abwärts die empfangenen Funksignale gemäß bekannten Verfahren. Die abwärts konvertierten empfangenen Funksignale werden dann jeweils mit Analog-Digital-(A/D) Wandlern 520A–B gekoppelt, wo die abwärts konvertierten Funksignale abgetastet und zu Empfangssignal-Abtastungsströmen konvertiert werden. Die Empfangssignal-Abtastungsströme werden jeweils mit einem Signalvorprozessor, oder Sync, Blöcken 530A–B gekoppelt, wo die Empfangssignal-Abtastungsströme mit bekannten Zeitsteuerungs-/Synchronisationssequenzen, die in den empfangenen Funksignalen eingebettet sind, gemäß bekannten Techniken korreliert werden.

Die Empfangssignal-Abtastungsströme werden auch mit Kanalabzweigungsschätzungseinrichtungen 540A–B gekoppelt, um Kanalabzweigungsschätzungen zu erzeugen, die verwendet werden, um den Funkübertragungskanal zu modellieren, der mit jeder Antenne 270A' und 270B' in Verbindung steht. Anfangskanalabzweigungsschätzungen können aus Sync-Korrelationswerten oder einer Schätzung kleinster Quadrate gemäß bekannten Techniken erhalten werden. Anschließend können bekannte Kanalverfolgungstechniken verwendet werden, um die Kanalschätzungen zu aktualisieren, z.B. unter Verwendung empfangener Daten und Probesymbolschätzwerten, die in dem Sequenzschätzungsprozessor 570 generiert werden. Die Kanalabzweigungsschätzungen werden in den Zweigmetrikprozessor 550 eingegeben. Der Zweigmetrikprozessor 550 bildet Zweigmetriken, die durch den Sequenzschätzungsprozessor 570 verwendet werden, um Probe- und endgültige Schätzungen der übertragenen Informationssymbolsequenzen zu entwickeln. Speziell werden als Hypothese aufgestellte Symbolwerte durch Kanalabzweigungsschätzungen aus Blöcken 540A und 540B gefiltert, um als Hypothese aufgestellte empfangene Abtastungen für jede Antenne zu erzeugen. Die Differenzen zwischen der als Hypothese aufgestellten empfangenen Information und der tatsächlichen empfangenen Information von Blöcken 530A und 530B, die als die Hypothesefehler bezeichnet werden, ergeben eine Angabe davon, wie gut eine bestimmte Hypothese ist. Die quadrierte Größe des Hypothesefehlers wird als eine Metrik verwendet, um eine bestimmte Hypothese zu evaluieren. Die Metrik wird für unterschiedliche Hypothesen für eine Verwendung bei einer Bestimmung akkumuliert, welche Hypothesen besser sind, unter Verwendung des Sequenzschätzungsalgorithmus, z.B. des Viterbi-Algorithmus.

Auch mit dem Zweigmetrikprozessor 550 gekoppelt ist eine Schätzung der Beeinträchtigungskorrelationseigenschaften, die von der Beeinträchtigungskorrelationsschätzungseinrichtung 560 erhalten wird. Die Schätzung der Beeinträchtigungskorrelationseigenschaften umfasst Information hinsichtlich momentaner Beeinträchtigungskorrelationseigenschaften zwischen den Antennen 270A' und 270B'. Die Beeinträchtigungskorrelationsschätzungseinrichtung verwendet Beeinträchtigungsprozessschätzungen, um die Schätzung der Beeinträchtigungskorrelationseigenschaften zu aktualisieren und zu verfolgen. Im Unterschied zu konventionellen Techniken werden Zweigmetriken, die durch den Prozessor 550 gebildet werden, verbessert, indem die Korrelation zwischen der Beeinträchtigung verbessert wird, die mit den Signalen in Verbindung steht, die durch die zwei Antennen empfangen werden. Diese verbesserte Zweigmetrikformulierung wird nachstehend zusammengefasst und in der Stammanmeldung detaillierter beschrieben.

IRC-Techniken erweitern herkömmliche Diversifizierungskombinationstechniken, um die oben beschriebene Korrelation auszunutzen, wodurch beträchtliche Zuwächse in der Qualität des empfangenen Signals realisiert werden. Die Zweigmetriken M_h(n), die gemäß IRC-Techniken gebildet werden, können durch die folgende Gleichung beschrieben werden M_h(n) = [r(n) – C(n)s_h(n)]^H A(n)[r(n) – C(n)s_h(n)] = eHh(n)A(n)e_h(n) wobei

n ein Zeitindex ist;

r(n) = [r_a(n), r_b(n)] die Signalabtastungen sind, die in jeder Antenne empfangen werden;

Die Matrix A(n) (d.h. die A-Matrix) ist die Umkehrung der Matrix R_zz(n), oder eine bezogene Quantität, wie etwa die Adjunkte oder Pseudo-Umkehrung. Wie einem Fachmann offensichtlich sein wird, der diese Anmeldung liest, sind R_zz(n) und A(n) spezifische Beispiele von Beeinträchtigungskorrelationseigenschaften, von denen andere Formen bekannt sind. Überall in dem folgenden wird der Begriff A-Matrix generisch verwendet, um auf eine beliebige Schätzung der Beeinträchtigungskorrelationseigenschaften zu verweisen.

Eine Bestimmung der A-Matrix zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung kann auf eine Reihe von Wegen abhängig von der spezifischen Anwendung und dem erforderlichen Leistungsverhalten durchgeführt werden. Der einfachste Ansatz besteht darin, eine feste Menge von Werten für die A-Matrix, die im Speicher gespeichert sind, die niemals aktualisiert werden, zu verwenden. Diese Werte hängen hauptsächlich von der Konfiguration der Empfangsantennen und von den Trägerfrequenzen, die eingesetzt werden, ab. Ein alternativer Ansatz besteht darin, die A-Matrix aus Synchronisationsinformation zu bestimmen und die Werte der A-Matrix zwischen Synchronisationsfeldern, oder anderen bekannten Feldern, konstant zu halten. Bei jedem neuen Auftreten des Synchronisationsfeldes kann die A-Matrix neu berechnet werden, mit oder ohne Verwendung der vorherigen Werte der A-Matrix. Ein anderer alternativer Ansatz besteht darin, Synchronisationsfelder zu verwenden, um die Werte der A-Matrix zu initialisieren oder zu verbessern, und dann Entscheidungen zu verwenden, die in den Datenfeldsymbolen getroffen werden, um die Werte der A-Matrix zu verfolgen.

Auch wird dem Verfahren, das verwendet wird, um die Werte der A-Matrix zu verfolgen, Beachtung geschenkt. Da die A-Matrix Information hinsichtlich den Beeinträchtigungskorrelationseigenschaften zwischen den Antennen 270A' und 270B' umfasst, können standardmäßige Schätzungsverfahren zum Schätzen von Korrelation oder Umkehrkorrelationsmatrizen angewendet werden. Unter Verwendung von entweder bekannten oder erfassten Symbolwerten können Beeinträchtigungswerte erhalten werden, indem die Differenzen zwischen den Empfangssignal-Abtastungsströmen und den als Hypothese aufgestellten Empfangssignal-Abtastungsströmen genommen werden. In Zeitpunkt n ergibt dies einen Vektor von Beeinträchtigungswerten, der z(n) bezeichnet wird; einen Wert für jede Antenne. Ein direkter Weg zum Bilden der A-Matrix ergibt sich durch: R_zz(n) = &lgr;R_zz(n – 1) + K_z(n)z^H(n) A(n) = R–1zz(n)

K ist eine Skalierungskonstante, typischerweise 1 oder (1 – &lgr;). Da R_zz(n) eine hermitesche Matrix ist, muss nur ein Anteil der Matrixelemente berechnet werden.

Ein derartiger direkter Ansatz ist in der Komplexität ziemlich hoch. Ein Weg, um Komplexität zu reduzieren, besteht darin, das Matrixumkehrungslemma anzuwenden und die A-Matrix direkt als

Da die A-Matrix hermitesch ist, ist es nur notwendig, jene Elemente in der Diagonale und entweder jene Elemente über oder unter der Diagonale zu berechnen.

Diese Techniken zum Schätzen und Verfolgen der A-Matrix werden nur zum Zweck von Veranschaulichung gegeben. Im allgemeinen kann die A-Matrix auf eine Vielfalt von Wegen ausgedrückt und geschätzt werden, wie durch einen Fachmann erkannt wird, der diese Anmeldung liest. Die vorliegende Erfindung kann auch auf das Blindausgleichsproblem angewendet werden, in dem bekannte Synchronisationssequenzen fehlen. In diesem Fall wird die A-Matrix auf eine Art und Weise ähnlich dazu geschätzt, wie der Kanal geschätzt wird.

Wie aus dem vorangehenden gesehen werden kann, wird die Korrelation zwischen der Signalbeeinträchtigung, die in Antenne 270A' empfangen wird, und der Signalbeeinträchtigung, die in Antenne 270B' empfangen wird, überwacht und verwendet, um die Verarbeitung von informationstragenden Signalen zu verbessern, die in jenen Antennen empfangen werden. Diese Verwendung der Beeinträchtigungskorrelation kompensiert die Effekte von Interferenz. Somit müssen die Antennen 270A' und 270B' nicht weit genug getrennt verteilt werden, um empfangene Signale mit nicht korreliertem Schwund zu erzeugen, da das gewünschte Signal typischerweise sogar während Schwundsenken wegen der Verringerung in Interferenz erkannt wird. Dies erlaubt Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, Abstand zwischen Empfangsantennen auf einen Betrag zu reduzieren, der bisher unter Verwendung herkömmlicher Raumdiversifizierungstechniken unmöglich war.

Die IRC-Algorithmen können somit das Basisstationsempfängerleistungsverhalten verbessern. Die Abwärtsstrecke wird jedoch nicht verbessert und das Leistungsverhalten des Systems wird somit unausgeglichen sein, wobei die Aufwärtsstrecke viel besser als die Abwärtsstrecke ist. Eine zweite beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung präsentiert einen Weg, um die IRC-Techniken, die hierin zuvor beschrieben wurden, mit Schätzung von Richtung von Ankunft (DOA) und Abwärtsstreckenstrahlenbildung so zu kombinieren, dass eine Verbesserung für die Abwärtsstrecke bewirkt werden kann.

Wie oben erwähnt, erforderte konventionelle Raumdiversifizierung einen Empfangsantennenabstand in der Größenordnung von 10–20 Wellenlängen. Da die Antennen mehr als 1 Wellenlänge getrennt verteilt waren, haben die unterschiedlichen Keulen in dem Antwortmuster der Antennen (d.h. der unkorrelierte Schwund) verhindert, dass die Basisstation die DOA eines Signals der Mobilstation aus dem empfangenen Signal bestimmt. Da jedoch der Abstand zwischen Empfangsantennen 270A' und 270B' gemäß der vorliegenden Erfindung relativ klein gemacht werden kann, z.B. zwischen 0,5 und 1 Wellenlänge, kann Information von Richtung von Ankunft (DOA) aus dem empfangenen Signal extrahiert werden, wie nachstehend beschrieben wird.

Bezug nehmend auf 6 wird angenommen, dass 0 der Einfallwinkel eines Signals der Mobilstation 120 ist (relativ zu einer Bezugsebene 705), dessen DOA-Information mit Bezug auf die empfangende Basisstation 170 gewünscht wird. Da die Ausbreitungszeiten von Signalstrahlen 710 und 715 als eine Funktion des Winkels &THgr; variieren werden, kann der Winkel &THgr; unter Verwendung der Phasenverschiebung zwischen den Signalen, die in Antennen 270A' und 270B' empfangen werden, und der Kovarianzmatrix des empfangenen Signals bestimmt werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass das nützliche Signal von einem bestimmten Winkel, P(&THgr;), angekommen ist, kann als: P(&THgr;) = [a(&THgr;)]^HR_xxa(&THgr;) berechnet werden, wobei:

a(&THgr;) die Matrix ist, die die Antwort jede Antenne auf das empfangene Signal enthält;

R_xx die Kovarianzmatrix des nützlichen Signals ist, die als

R_xx = R_rr – R_zz definiert ist, wobei:

R_rr ein laufender Mittelwert des empfangenen Signals ist, der als R_rr = E{r(n)[r(n)]^H} berechnet werden kann; und

R_zz die Beeinträchtigungskorrelationsmatrix wie oben definiert ist.

Der Einfallwinkel, der mit einem bestimmten empfangenen Signal einer Mobilstation in Verbindung steht, wird dann als das Argument &THgr; gewählt, das die Funktion P(&THgr;) maximiert. Um augenblickliche Zeitvarianzen zu glätten, die z.B. durch Schwundsenken verursacht werden, kann die Richtung von Ankunft &THgr; über eine Zahl von Aufwärtsstreckenhäufungen (z.B. 5-10 oder 10–20 Häufungen) gemittelt werden, um mittlere (&THgr;_avg) DOA-Information zu bestimmen (es könnte auch der Medianwert verwendet werden).

Richtung von Ankunftsinformation wird dem Interferenzzurückweisungsstrahlenbildungs-(IRB) Sender 600 bereitgestellt, wobei &THgr;_avg verwendet wird, um einen Phasenversatz zwischen den Senderausgangssignalen zu berechnen. Der berechnete Phasenversatz wird wiederum verwendet, um das resultierende Abwärtsstreckenstrahlenmuster von den Übertragungsantennen zu der beabsichtigten Mobilstation zu führen. Typischerweise wird sich der Phasenversatz, der für Strahlenführung in der Abwärtsstrecke verwendet wird, von dem Phasenversatz unterscheiden, der zwischen empfangenen Signalen in der Aufwärtsstrecke gemessen wird, wegen Differenzen zwischen dem Aufbau der Empfangs- und Übertragungsantenne der Basisstation. Um den Übertragungsphasenversatz zu bestimmen, der verwendet wird, um den gewünschten Strahlenführungswinkel &THgr; zu erreichen, verwendet das System die bekannten Beziehungen zwischen dem gewünschten Winkel &THgr; und einer Antwort jeder Übertragungsantenne. Diese Beziehungen können vorher bestimmt werden. Als ein veranschaulichendes Beispiel wird eine Zahl von idealen linearen Übertragungsantennen ANT₁-ANT_N betrachtet, die in 7 gezeigt werden. Darin ist jede Antenne in dem Feld um einen Abstand d getrennt. Es wird angenommen, dass es keine Kreuzkopplung zwischen den Antennen gibt, das Signal von dem Sender 660, das mit jeder Übertragungsantenne zu koppeln ist, relativ zu einem anderen in entsprechenden Blöcken RF₁-RF_N unter Verwendung der relativen Antennenantworten in der Phase verschoben werden kann, wie durch die Beziehung:

Natürlich werden praktische Antennenfelder nicht notwendigerweise ideal, linear sein, oder werden ihnen Kreuzkopplungseffekte fehlen. Entsprechend besteht ein praktischerer Ansatz, um die relative Antwort der Antennen in einem Feld zu bestimmen, darin, Antworten für eine Zahl von Strahlenführungswinkeln &THgr; zu messen und jene Antworten in einer Nachschlagtabelle zu speichern. Auf die Nachschlagtabelle kann dann zugegriffen werden, um die geeignete(n) Phasenverschiebung(en) zu jedem Übertragungspfad basierend auf der DOA-Information, die von dem IRC-Empfänger empfangen wird, vorzusehen.

Entsprechend wird für das oben beschriebene beispielhafte System mit zwei Übertragungsantennen Führung durch Bereitstellung des kalkulierten Übertragungsphasenversatzes (und möglicherweise eines Amplitudenungleichgewichtes) zwischen den zwei Ausgangssignalen, die durch den Strahlenbildungssender 600 generiert werden, bewerkstelligt. Dies kann in einer Funkfrequenz (RF), wie in 8 veranschaulicht, oder in einem Basisband, wie in 9 gezeigt, bewerkstelligt werden.

Bezug nehmend auf 8 wird DOA-Information von dem IRC-Empfänger 500 mit der Strahlenführungssteuervorrichtung 630 gekoppelt, wo der Phasenversatz berechnet wird. Abwärtsstreckensignale, die in dem Funksender 660 generiert werden, werden im Leistungsteiler 650 in eine Vielzahl von Ausgängen unterteilt. Obwohl der Einfachheit der Beschreibung halber nur zwei Ausgänge in 8 gezeigt werden, wird durch die vorliegende Erfindung betrachtet, dass es mehr als zwei Ausgänge geben könnte. In der einfachsten Ausführungsform sind die zwei Ausgangssignale, die durch den Strahlenbildungssender 600 generiert werden, von gleicher Amplitude, dies ist aber nicht ein Erfordernis und besseres Leistungsverhalten kann durch Variieren der relativen Amplitude und Phase zwischen den zwei (oder mehr) Ausgangssignalen, die durch den Strahlenbildungssender 600 generiert werden, erreicht werden, obwohl auf Kosten erhöhter Komplexität. Amplitudenversatze werden in dem Leistungsteiler 650 bereitgestellt, der optional mit der Strahlenführungssteuervorrichtung 630 gekoppelt ist. Phasenversatze werden durch eine Einführung einer Phasenverschiebungseinrichtung 640 bereitgestellt, die durch die Strahlenführungssteuervorrichtung 630 gesteuert wird. Die zwei (oder mehr) Ausgänge werden mit Antennen 270A und 270B' gekoppelt und ausgestrahlt. Als ein Ergebnis der Phase (und optional Amplitudenungleichgewicht) zwischen den zwei (oder mehr) Ausgangssignalen wird das resultierende Strahlungsmuster von Antennen 270A' und 270B' zu der Mobilstation gerichtet, aus deren Aufwärtsstreckensignalen die DOA-Information berechnet wurde.

Alternativ kann die Strahlenbildung in einem Basisband stattfinden, wie in 9 gezeigt. DOA-Information von dem IRC-Empfänger 500 wird mit der Strahlenführungssteuervorrichtung 630 gekoppelt, wo die DOA-Information verwendet wird, um die Phasen- (und möglicherweise Amplitude) Versatze zu berechnen, die notwendig sind, um den Abwärtsstreckenstrahl in der Richtung der Mobilstation zu führen. Die Phasen- (und möglicherweise) Amplitudeninformation wird mit einem Basisbandprozessor 620 gekoppelt, der die Basisbandsignale generiert. Wie zuvor erwähnt, ist es vollständig innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung, mehr als zwei Ausgänge zu haben, obwohl der Klarheit halber nur zwei Ausgänge gezeigt werden. Die Ausgänge von dem Basisbandprozessor 620 sind mit Funksendern 660A–B gekoppelt, wo die Basisbandsignale moduliert und aufwärts konvertiert werden gemäß bekannten Techniken. Die resultierenden RF-Abwärtsstreckensignale werden nach optionaler Verstärkung und Kombination (nicht gezeigt) mit Antennen 270A' und 270B' gekoppelt und ausgestrahlt. Als ein Ergebnis der Phase (und optionalen Amplitudenungleichgewichtes) zwischen den zwei (oder mehr) Ausgangssignalen wird das resultierende Strahlungsmuster von Antennen 270A' und 270B' zu der Mobilstation gerichtet, aus deren Aufwärtsstreckensignalen die DOA-Information berechnet wurde.

Die vorangehenden beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden im Sinne einer Basisstation und eines Antennensystems mit zwei Antennen beschrieben. Durch einen Fachmann wird erkannt, dass die Erfindung auch in Basisstationen mit mehr als zwei Antennen praktiziert werden kann. Z.B. könnten unterschiedliche Antennen für Aufwärtsstrecke und Abwärtsstrecke verwendet werden. Z.B. können zwei Empfangsantennen ausreichen, um genaue DOA-Information zu ergeben, während mehr als zwei Übertragungsantennen in der Abwärtsstrecke verwendet werden können, um das Abwärtsstrecken-C/I weiter zu steigern.

Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können sowohl die Aufwärtsstrecken- als auch die Abwärtsstreckensignalqualität verbessert werden, z.B. in der Größenordnung von 3dB C/I. Diese Verbesserung kann z.B. verwendet werden, um Frequenzwiederverwendung in existierenden Systemen zu erhöhen und dadurch Systemkapazität zu erhöhen. Z.B. könnten D-AMPS- und PDC-Netze unter Verwendung eines 4/12-Frequenzwiederverwendungsmusters an Stelle des 7/21-Musters, welches typischerweise heute verwendet wird, betrieben werden.

Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform beschrieben wurde, wird ein Fachmann erkennen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hierin beschriebenen und veranschaulichten spezifischen Ausführungsformen begrenzt ist. Unterschiedliche Ausführungsformen und Anpassungen neben jenen gezeigten und beschriebenen ebenso wie viele Variationen, Modifikationen und äquivalente Anordnungen werden nun durch die vorangehende Spezifikation und Zeichnungen vorgeschlagen, ohne von der Substanz oder dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Während die vorliegende Erfindung hierin detailliert in Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass diese Offenbarung für die vorliegende Erfindung nur veranschaulichend und beispielhaft ist, und lediglich dem Zweck einer vollständigen und ermöglichenden Offenbarung der Erfindung dient. Entsprechend ist beabsichtigt, dass die Erfindung nur durch den Bereich der hierzu angefügten Ansprüche begrenzt wird.