Mobilfunk-Antennenarchitektur
Antennen mit Strahl-Lenkung
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Antennen-Entwicklung
Intelligente Antennen sind phasengesteuerte Antennen (Gruppenstrahler). In der Tat kann eine Basisstation mit einem System, das aus nur einer Sende- und nur einer Empfangsantenne besteht (SISO-Sys-tem) einen Strahl lenken, wenn die interne Struktur der Basisstation aus mehreren Antennen in einem phasengesteuerten Antennen-Array besteht. Die dieser Anwendungsvariante zugrunde liegenden Prinzipien eines phasengesteuerten Antennen-Arrays sind nicht neu, jedoch wurde die Realisierung dieser Anwendungsvariante erst aufgrund der Eigenschaften des Downlink-HF-Kanals und aufgrund des neuen Potenzials für eine hochentwickelte Signalverarbeitung in modernen, technisch ausgereiften Mobiltelefonen möglich. Wie wird nun also ein phasengesteuertes Antennensignal erzeugt? Möge s(t) für das Signal stehen, das über einen aus M Elementen bestehenden Gruppenstrahler zu übertragen werden soll. Jedes Element des Gruppenstrahlers wird mit dem gleichen Signal gespeist, das schrittweise in seiner Phase und optional in seiner Gewichtung, das heißt in der relativen Amplitude, modifiziert wird. Dies lässt durch folgende Beziehung ausdrücken:
y(t) = wH • a(Θ) • s(t),
wobei y(t) das vollständige zu übertragende Signal ist, wH der Gewichtungs-Vektor und a(0) der Lenkungs-Vektor ist.Die Formel zur Berechnung des Lenkungs-Vektors lautet:
Gewichtungs-Vektor und auch Lenkungs-Vektor können dynamisch angepasst werden, um das bestmögliche Signal an ein an einem bestimmten Ort befindliches Nutzerendgerät zu leiten. Die Berechnung dieser Vektoren ist ein wesentlicher Schritt bei der Realisierung einer Antenne mit Strahl-Lenkung in einem LTE-System. Eine effektive Kombination aus Lenkungs- und Gewichtungsvektoren gestattet es dem Netzbetreiber, das Signal in Richtung eines avisierten Nutzerendgeräts zu lenken und Gegensignale auf bekannte Störer zu richten. In der Praxis besteht natürlich kein „perfektes” Gleichgewicht zwischen Gewichtungs- und Lenkungs-Vektoren: Das Netz muss ständig danach streben, eine effektive Kombination der Signalversorgung an mehrere Nutzer zu erreichen und muss das Setzen von Strahlungsnullen anstreben, die sich gegen (potenziell mehrfache) Störer richten (siehe Abbildung 1).
Es wurden unterschiedliche Algorithmen erstellt, um Netzwerk-Controller bei der Berechnung der effektivsten Gewichtungen zur Strahllenkung zu unterstützen. In einer Berechnungsmethode, die sich am besten für einigermaßen gerichtete Antennen eignet, die um die Hälfte oder um weniger als die Hälfte der Signalwellenlänge voneinander entfernt sind, kann die Richtung ("direction of arrival" = DoA), aus der das Uplink-Signal ankommt, zur Berechnung der Gewichtung genutzt werden.
TD-LTE nutzt eine andere Methode, die auf Kanaleinschätzungs- oder SINR-Daten von Nutzerendgeräten basiert. Da Uplink und Downlink in einem TD-LTE-System auf der gleichen Frequenz stattfinden, können die "sounding reference signals" (SRS) aus dem Uplink direkt genutzt werden, um die Kanaleigenschaften einzuschätzen: Diese Daten können anschließend für die Ableitung der Gewichtung für die Downlink-Strahllenkung genutzt werden. Die Ressourcen von 3GPP-Netzen zur Unterstützung der Strahllenkung ist in Tabelle in Teil 2 dargestellt.
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