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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum richtungsaufgelösten Empfang mit phasengesteuerten Gruppenantennen, die mit einer Schaltung zur adaptiven Beeinflussung der Antennengewichtsfaktoren (Richtcharakteristik) versehen sind, wobei die an die Antenne angeschaltete Signalverarbeitungsschaltung im wesentlichen aus an jedes der M Antennenelemente angeschalteten Verzögerungsleitungen der Länge R mit MR Multiplizierer besteht, wobei die Koeffizienten dieser Multiplizierer die Gewichtsfaktoren Wmr (1 < m < M, t R) darstellen, welche R Teilgewichtsvektoren W1 bis WR bilden, welche R wirksame Richtdiagramme der Gruppenantenne bilden, wobei zur Berechnung der Gewichtsfaktoren Wmr üblicherweise eine Matnx der Dimension MR invertiert wird.
Dieses Verfahren Ist insbesondere zum richtungsaufgelösten Empfang für den zellularen Mobilfunk bestimmt. Das System, auf das das Verfahren zur Adaption des Richtdiagramms einer Gruppenantenne angewendet wird, besteht aus einer Gruppenantenne (Gruppe von Einzelantennen) mit nachgeschalteten Mischern, einer Zeit-und Wertdiskretisierung der Empfangssignale der Einzelantennen, sowie einer Signalverarbeitungsschaltung. Richtungsaufgelöster Empfang stellt eine erfolgversprechende neue Technik zur 'Erhöhung der Reichweite, 'Verminderung der Gleichkanalstörungen und damit zur * Verringerung des Frequenzwiederholabstandes in der Mobilkommunikation dar.
Die Erhöhung der Reichweite ist in schwach besiedelten Gebieten von Interesse, darüber hinaus auch für grosse Schirmzellen, die den überlaufenden Verkehr von untergeordneten Mikrozellen übernehmen sollen.
Ein weiterer interessanter Anwendungsfall ist der Funkzugang für Festnetzteilnehmer ("radio in the local loop", RLL bzw. "radio in the loop", RITL).
Die Gleichkanalstörungen wiederum sind bekanntlich der limitierende Einflussfaktor für gut ausgebaute zellulare Mobilfunknetze.
Richtungsaufgetöster Empfang, der ein Maximum des Richtdiagrammms der Empfangsantenne in Einfallsrichtung des gewünschten Signals (eines Teilnehmers) legt, als auch Nullstellen dieses Richtdiagramms in die Einfallsrichtung von Störsignalen, vermindert die Gleichkanalstörungen.
Diese Störsignale sind z. B. Signale, die entweder anderen Teilnehmern in derselben Zelle zugeordnet sind, oder von Teilnehmern in fremden (entfernteren) Zellen stammen. Dadurch wird es möglich, den Frequenzwiederholabstand zu verringern, In Extremfall bis zur Wiederverwendung derselben Frequenz in einer Nachbarzelle (Clusterzahl gleich eins).
Der derzeitige Stand der Technik ist zum Beispiel in T. Bull, M. Barrett, R. Arnott, "Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure (TSUNAMI R2108) - Overview", Proc. RACE Mobile Telecommunications Summit, Cascais, Portugal, November 22-24,1995, s. 88-97 sowie in M. Tangemann, C. Hoek und R. Rheinschmitt, "htroducing Adaptive Array Antenna Concepts in Mobile Communication Systems", RACE Mobile Communications Workshop, 17.-19. Mai 1994, Amsterdam, s. 714-727 beschrieben.
Es wird dabei eine Gruppenantenne verwendet, welche zur Trennung von gewünschtem Signal und Störsignalen (in Summe als "Interferenz" bezeichnet) eingesetzt wird. Dabei wird das Signal jedes einzelnen Antennenelements der Gruppe auf eine tiefere Frequenz gemischt (Zwischenfrequenz (ZF) oder Basisband (BB)). Diese ZF- bzw BB-Signale werden nun zeit- und wertdiskretisiert und als Eingangsgrössen für einen leistungsfähigen Algorithmus verwendet. Der Algorithmus wird auf einem Signalprozessor oder Ähnlichem realisiert. Bei diesen Algorithmen handelt es sich entweder um "temporal-reference" Algorithmen, wie sie z. B. in S. Ratnavel, A. Paulraj und A. G, Constantinides "MMSE Space-Time Equalization for GSM Cellular Systems", Proc. IEEE VTC'96, Atlanta, Georgia, s. 331-335, E.
Lindskog, A. Ahlen und M. Sternad, "Spatio-Temporal Equalization for Multipath Environments in Mobile Radio Applications", Proc. VTC'95, Chicago, Illinois, USA, 25.-28. Juli 1995, s. 399-403, und O. Munoz und J. Fernandez, "Adaptive Arrays for Frequency Non-selective and Selective Channels", Proc. EUSIPCO'94, European Conference for Signal Processing, Edingburg, s. 1536-1539 beschrieben sind, oder um "spatial-reference" Algorithmen, wie sie z. B. in M. Haardt und J. A. Nossek,"Unitary ESPRIT : How to Obtain an Increased Estimation Accuracy with a Reduced Computational Burden", IEEE Trans. on Signal Processing, Bd. 43, Nr. 5, Mai 1995, s. 1232-1242, R.
Roy und T. Kailath, "ESPRIT - Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques", IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, Bd. 37,
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Juli 1989, s. 984-995, und R. O. Schmidt, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", Proc. RADC Spectrum Estimation Workshop, Griffiths AFB, NY, 1979, s. 243-258 beschrieben sind.
"Temporal-reference" Algorithmen beruhen auf der (vorherigen !) Kenntnis eines Teils des Sig- nals, zum Beispiel einer absichtlich eingefügten Trainingssequenz zur Identifikation des Teilnehmers. Im Global System for Mobile Communications, GSM, ist eine solche normgemäss vorgesehen und dient zur Schätzung des Funkkanals bzw. zur Identifikation der Basisstation.
Die an die Antenne angeschaltete Signalverarbeitung besteht im wesentlichen aus an jedes Antennenelement angeschalteten Verzögerungsleitungen, deren Ausgangssignale gewichtet und dann addiert werden. Es ist dies also eine Verallgemeinerung des aus dem Zeitbereich bekannten FIR-Filters (Finite Impulse Response, Filter mit endlicher Impulsantwort wie sie z. B. in Proakis, Digital Communications (Second Edition), McGraw Hill Book Company Inc., New York, 1989 beschrieben sind).
Der Vektor x (n) der Ausgangssignale der Gruppenantenne zum Zeitpunkt t = nT ist gegeben durch x (n) =
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wobei xm (n) das Ausgangssignal des m-ten Antennenelements zum Zeitpunkt t = nT darstellt. Die Gruppenantenne besteht aus M Einzelelementen.
Der gesamte Gewichtsvektor w ist gegeben durch die Aneinanderreihung der R Teilgewichts-
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Die insgesamt MR Gewichtsfaktoren wu, dite R Teilgewichtsvektoren bilden, bestimmen R wirksame Richtdiagramme der Gruppenantenne zu den R verschiedenen Zeitpunkten (Die Elemente eines Teilgewichtsvektors entsprechen den Amplituden und Phasen der Speiseströme einer konventionellen Gruppenantenne im Sendefall).
Von den Abtastwerten des Signals während der Dauer der Trainingsequenz erhält man die so- genannte "direct-data matrix" B als
B= [x(1),x(2),...,x(S)]%, wobei S die Länge der Trainingssequenz r und [.]fdie Transponierte ist. Um den Gewichtsvektor w zu finden, der den mittleren quadratischen Fehlers
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zwischen dem aktuellen Ausgangssignal y (n) = wtx (n) und dem gewünschten Signal r (n) minimiert, können wir schreiben
Bw = r.
Mit diesen Definitionen folgt nun der optimale Gewichtsvektor (im Sinne der kleinsten Fehlerquadrate) als w = B+r, wobei [r die Moore-Penrose Pseudoinverse bezeichnet. Die Lösung dieser Gleichung stellt ein Optimierungsproblem dar, das aufgrund der Grösse der Matrix B einen enormen Rechenaufwand erfordert. Die aufwendigste Rechenoperation stellt dabei die Inversion der Matrix dar.
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:o die Anzahl der Gewichte MR ist durch die Länge der Trainingssequenz S beschränkt.
Das bedeutet in der Praxis, dass nur eine sehr kleine Anzahl R von Verzögerungselementen an jedes Antennenelement angeschaltet werden kann Zum Beispiel stellt GSM eine Trainingssequenz der Länge S = 26 bit zur Verfügung.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein optimales Verfahren zum richtungsaufgelösten Empfang, insbesondere zur adaptiven Beeinflussung der Antennengewichtsfaktoren (Richtcharakteristik) einer Gruppenantenne versehen mit einer Schaltung mit M Empfangszügen und R zeitlichen Adaptionsstufen, bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Bestimmung der optimalen (optimal im
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abgetasteten Signale der Antennenelemente in R Matrizen der Dimension M zerlegt wird, welche voneinander unabhängig invertiert und weiterverarbeitet werden. Es wird also zur Einstellung und Adaption der R Richtdiagramme der Gruppenantenne das oben beschriebene Optimierungsproblem in R kleinere Optimierungsprobleme aufgespalten.
Dazu werden die Teilgewichtsvektoren jedes einzelnen zeitlichen Moments unabhängig von allen anderen Teilgewichtsvektoren bestimmt Die sich dabei ergebenden Ausgangssignale werden mittels MRC (Maximal Ratio Combining, d. h. jedes Signal wird mit seiner korrespondierenden Amplitude gewichtet) kombiniert. Die Teiloptimierungsprobleme sind jetzt gegeben durch B, Wr=r, 1 : g r : g R d. h. jedes der R zeitlich aufeinanderfolgenden Richtdiagramme wird getrennt.
Vorzugsweise werden die R Matrizen parallel invertiert und weiterverarbeitet. Die parallele Adaption bedeutet eine enorme Zeitersparnis gegenüber sequentieller Abarbeitung, sodass das Konzept der intelligenten adaptiven Antennen auch mit heute verfügbarer Technologie in Realzeit durchführbar wird.
Bis jetzt wurde es nicht für möglich gehalten, dass das Optimierungsproblem In Teiloptimierungsprobleme aufgespalten werden kann. Im folgenden wird begründet, warum diese Aufspaltung möglich ist, zu einer enormen Vereinfachung führt, bei im Prinzip gleicher Leistungsfähigkeit des Adaptionsverfahrens, und welche bedeutenden Fortschritte für den praktischen Einsatz von adaptiven Gruppenantennen für den richtungsabhängigen Empfang das hat.
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wobei xn) = x, (n - 1) für 2 : g r ig R gilt (d. h. das Eingangssignal des (r-1)-ten Zustandes zum Zeitpunkt (n-1) stellt das Eingangssignal des r-ten Zustandes zum Zeitpunkt n dar), werden nun zu einem einzelnen Ausgabewert y (n) kombiniert.
Dies geschieht vorteilhaft durch MRC, d. h. die Signale Yr (n) werden mit ihrer entsprechenden Amplitude gewichtet und dann addiert y (n) = sNRT YR (n), wobei SNR = [SA/Ri, SNRs,..., SA/R der Vektor der individuellen SNRs (Signal-to-Noise Ratios, Signal-Geräuschleistungsverhältnis) und YR (n) = [yi (n), y2 ( )..,/R (n) f der Vektor der mit dem entsprechenden Teilgewichtsvektoren gewichteten Ausgangssignale xm (n) der M Antennenelemente ist. Das SNR des r-ten #Zustandes" (Ausgangssignals) folgt aus
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Durch das eben beschriebene Verfahren ist nur mehr M durch die Länge der Trainingssequenz S beschränkt, nicht aber MR, was einen bedeutenden Fortschritt darstellt.
Ausserdem Ist die Zahl der notwendigen Rechenoperationen für die Inversion der R Teilmatrizen nur mehr von der Ord- nung O(M3R). Gestaltet man noch das Problem auf Toeplitz-Matrizen um, so werden gar nur O (rJ2R) Operationen benötigt.
Dieses neuartige Verfahren kann erfindungsgemäss modifiziert werden, sodass weitere Vereinfachungen und Einsparungen an Rechenleistung und Rechenaufwand ermöglicht werden. Und
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zwar :
Die Matrizen Buzz 1 s r < R, setzen sich aus den Ausgangssignalen der Antennengruppe gemäss
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zusammen. Daraus folgt, dass diese Matrizen jeweils S - R + 1 Zeilen x (R), x (R+1),..., x (S) gemeinsam haben ; sie befinden sich nur an unterschiedlichen Positionen innerhalb der Matrizen. Wenn wir nun nur diese S - R + 1 Zeilen verwenden, was einer Verkürzung der Trainingsequenz von S um R-1 auf S-R+1 entspricht, um sie zu einer einzigen Matrix
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zu formen, können wir ein neues Optimierungsproblem gemäss BcW, = r, formulieren.
Der Vektor r, folgt dabei als r, = r (rS-R+ r), d. h. er ist eine verschobene und abgeschnittene Version der ursprünglichen Trainingssequenz.
Die Lösung des Gleichungssystems folgt daher als w, = B r und benötigt nur mehr die Inversion einer einzigen Matrix vom Rang M.
Es ist daher eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dass zur Bestimmung aller optimalen (optimal im Sinne von maximalem Signal-zu-Rausch-und-Störlel- stungsverhäitnis) Teilgewichtsvektoren nur eine einzige Matrix der Dimension M invertiert wird.
Durch dieses überraschende Ergebnis wird nun klar, dass der Rechenaufwand auf O (A ) verringert werden konnte. Das bedeutet nun einen gewaltigen Fortschritt in der adaptiven Formung von Richtdiagrammen von Gruppenantennen. Weiters Ist der Rechenaufwand nicht mehr von R abhängig, sodass einer Echtzeit-Implementierung solcher Verfahren für "Intelligente Antennen" der Weg geebnet ist. Die Unabhängigkeit von R bedeutet für die Praxis, dass auch stark zeitdispersive Funkkanäle bedient werden können, die ja lange Entzerrerketten mit grossem R benötigen. Als - gering- fügigen - Nachteil der zuletzt beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens ist die Verkürzung der Trainingssequenz von Sauf S-R+1 anzuführen.
Das bedeutet auch eine Beschränkung der möglichen Anzahl der Antennenelemente.
Anstatt der linearen Verarbeitung der Antennenausgangssignale, also anstatt der Verzögerungsleitungen der Länge R, können auch nichtlineare Schaltungen, wie z. B. entscheidungsrückgekoppelte Strukturen verwendet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wen aus einund derselben Richtung mehrere Teilsignale eines einzigen Teilnehmers, diese aber zeitverschoben, bei der Antenne eintreffen.
Es ist zweckmässig, wenn, wie an sich bekannt, die Teilgewichtsvektoren kontinuierlich adaptiert werden.
Eine kontinuierliche Adaption der Gewichte ist durch sog. "Channel tracking" (Kanalfolgen) möglich. Dies wird dadurch erreicht, dass zuerst über das empfangene Symbol entschieden wird, und dieses nun entschiedene Symbol als Trainingssymbol zur Adaption der Antennengewichtsvektoren rückgeführt wird. Dies ist insbesondere für zeitvariante Kanäle, wie sie im Mobilfunk auftreten, von Vorteil.
Der zeitliche Abstand der einzelnen Teilgewichtsvektoren kann fix eingestellt oder aufgrund einer Kanalschätzung (aufgrund der Impulsantwort) ermittelt werden. Er kann dabei auch Teile einer Symboldauer T betragen. Die Zeitvarianz des Funkkanals erfordert diese Schätzung in modernen digitalen Systemen wie GSM ohnedies. Vorzugsweise wird die Anzahl R der Teilgewichtsvektoren und deren zeitlicher Versatz unabhängig von der Symboldauer der Datenübertragung
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