DE10107167A1 - Verfahren zur Kapazitätserhöhung von Funknetzen - Google Patents

Abstract

Vorgesehen ist ein Verfahren zur Kapazitätserhöhung von Funknetzen mit verschiedenen Funkkanälen zu den verschiedenen Nutzern, wobei identische Empfänger an unterschiedlichen Orten des Funknetzes unter Einsatz identischer Funk-Resourcen mit verschiedenen Daten versorgt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kapazitätserhöhung von Funknetzen, wie durch den Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 beschrieben.

Es ist ein bekanntes Problem, daß mit der steigenden Anzahl an Nutzern von Funknetzen, insbesondere Mobilfunknetzen, die zur Verfügung stehenden Kapazitäten der Funknetze maximal genutzt werden müssen, um eine zuverlässige und qualitätiv hochwertige Versorgung sämtlicher Nutzer gewährleisten zu können.

In CDMA (Code Division Multiple Access) Funknetzen hat man bisher eine möglichst optimale Nutzung der Frequenzbänder erreicht, indem durch Code-Vielfachzugriff mehrere Datenströme gleichzeitig über ein gemeinsames Frequenzband übertragen werden. Dabei werden die zu übertragenden Symbole der Datenströme mit sogenannten Spreizungscodes moduliert, wobei beim Empfang über eine Antenne pro Empfänger verschiedene Datenströme im Sender mit verschiedenen Codes gespreizt werden.

In Funksystemen mit mehreren Senderantennen und mehreren Empfangsantennen, sogenannte MIMO-Systeme (multiple input multiple output), können verschiedene Datenströme bei der Punkt zu Mehrpunkt-Übertragung auch mit dem selben Code gespreizt werden. Dabei werden die mit dem selben Code gespreizten Daten über verschiedene Antennen abgestrahlt. Durch einen speziellen Algorithmus werden die verschiedenen Datenströme im Empfänger voneinander getrennt, wobei diese Systeme im Empfänger mindestens so viele Antennen wie im Sender erforderlich machen.

Diese bisher bekannten Lösungen sind entweder wegen der suboptimalen Nutzung der Netzkapazitäten und/oder der großen Komplexität der Systeme verbesserungswürdig.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzusehen, mit dem sich die Kapazität von Funknetzen, mit einer von der Komplexität der Sender unabhängigen Komplexität der Empfänger, auf möglichst einfache Art und Weise erhöhen läßt.

Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Patentanspruch 1 beschrieben, wobei zweckmäßige Ausführungsformen durch die Merkmale der Unteransprüche beschrieben sind.

Vorgesehen ist ein Verfahren zur Kapazitätserhöhung von Funknetzen mit verschiedenen Funkkanälen zu den verschiedenen Empfängern und einer von der Komplexität der Sender unabhängigen Komplexität der Empfänger, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, daß identische Empfänger an unterschiedlichen Orten des Funknetzes unter Einsatz identischer Code-Resourcen mit verschiedenen Daten versorgt werden. Dies heißt nichts anderes, als daß bei der Datenübertragung per Funk die Sendesignale so geformt werden, daß eine Funkresource von an verschiedenen Orten befindlichen Nutzern mit identischen Empfängern gleichzeitig zur Übertragung verschiedener Daten verwendet werden kann. Voraussetzung hierfür ist, daß die Funkkanäle zu den verschiedenen Nutzern verschieden sind. Dies ist in den meisten Fällen gegeben, z. B. dann, wenn sich durch Reflexionen der Funksignale an landschaftlichen Objekten verschiedene Funkkanäle ergeben.

Vorzugsweise ist das Verfahren nach Maßgabe der Erfindung dabei derart ausgestaltet, daß es sich bei den Funk- bzw. Code-Resourcen um Spreizungscodes von CDMA-Systemen handelt. Für die Punkt zu Mehrpunkt-Übertragung eines CDMA- Funksystemes bedeutet dies, daß CDMA-Empfänger mit ein und demselben Entspreizungscodes aber an verschiedenen Orten verschiedene Daten empfangen können. Der Vorteil ist, daß Spreizungscodes zur Übertragung mehrfach verwendet werden können. Die maximale übertragene Datenmenge pro Zeit vervielfältigt sich dadurch um die Zahl der Mehrfachnutzung der verwendeten Spreizungscodes.

Im Gegensatz zu Multi Input Multi Output (MIMO)-Systemen sind für die Mehrfachnutzung von Spreizungscodes weder mehrere Senderantennten noch mehrere Empfangsantennen nötig. Die Übertragungsgüte kann aber durch die Verwendung mehrerer Sender und/oder Empfangsantennen verbessert werden.

Weiterhin ist die Komplexität des für die Erfindung erfoderlichen Empfängers nicht von der Zahl der Sendeantennnen abhängig, wie bei MIMO-Systemen, bei denen die Basisband-Komplexität des Empfängers expotientell mit der Anzahl der Sendeantennen steigt.

Die Formung der Sendesignale nach Maßgabe der Erfindung kann so vorgenommen werden, daß sehr einfache Empfänger verwendet werden können. Bei CDMA-Systemen können dann beispielsweise einfache Code-matched Filter anstelle von RAKE-Empfängern oder anderen komplexen CDMA-Empfängern eingesetzt werden. Die einfachen Empfänger erfordern außerdem keine Kanalschätzung.

MIMO-Systeme dagegen erfordern im Empfänger so viele Kanalschätzungen wie Sendeantennen eingesetzt werden.

Vorzugsweise kommt das Verfahren nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung in Funknetzen zum Einsatz, die dem UMTS TDD-Modus entsprechen. Darüber hinaus kann eine Vorentzerrung der zu übertragenden Sendesignale vorgesehen sein, wobei die Vorentzerrung ebenso bevorzugt linear ist und wobei die Vorentzerrung nach einer Modulation des Sendesignales durchgeführt werden kann.

Die Gesamtzahl der verwendeten Code-Resourcen überschreitet dabei vorzugsweise nicht das Produkt aus Anzahl Sendeantennen und Spreizfaktor.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.

Darin zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung der Spreizung mehrerer Datenströme,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines MIMO-Systems,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer gemeinsamen Vorentzerrung von zu übertragenden Daten,

Fig. 4 die schematische Darstellung der Mehrfachnutzung von Spreizungscodes bei Vorentzerrung,

Fig. 5 die schematische Darstellung einer Burst-Struktur,

Fig. 6 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Vorentzerrung,

Fig. 7 die schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs bei TDD-Betrieb eines UMTS-Funknetzes mit Vorentzerrung,

Fig. 8 die schematische Darstellung der Verwendung mehrerer Sendeantennen; und

Fig. 9 die schematische Darstellung der Verwendung mehrerer Empfangsantennen bei einem aus zwei Einzelempfängern bestehenden Empfänger.

In der Fig. 1 ist in schematischer Art und Weise die Spreizung mehrerer Datenströme dargestellt. Dabei werden bei dem Empfang über eine Antenne pro Empfänger, verschiedene Datenströme 4, 6 im Sender mit verschiedenen Codes 8, 10 gespreizt und über eine Antenne 2 abgestrahlt.

In der Fig. 2 ist in schematischer Art und Weise ein Multi Input Multi Output (MIMO)-System dargestellt, das in für diese Art von Systemen charakteristischer Art und Weise mit mehreren Sendeantennen 12, 14 und mehreren Empfangsantennen 16, 18 pro Empfänger 20 versehen ist. Dabei werden die mit dem selben Code 22 gespreizten Daten 4, 6 über verschiedene Antennen 12, 14 abgestrahlt. Durch einen speziellen Algorithmus werden die verschiedenen Datenströme im Empfänger 20 voneinander getrennt. Diese Systeme erfordern, wie in der Fig. 2 dargestellt, im Empfänger 20 mindestens so viele Antennen 16, 18 wie im Sender.

In der Fig. 3 ist in schematischer Art und Weise die gemeinsame Vorentzerrung von Datenströmen 4, 6 dargestellt. Die Datenströme 4, 6 werden entsprechend der Spreizungscodes 8, 10 sowie der Impulsantworten 22, 24 gemeinsam vorentzerrt 7 und sodann über die gemeinsame Antenne 2 zu dem Empfänger 26 abgestrahlt.

Die Fig. 4 zeigt in schematischer Art und Weise die Mehrfachnutzung von Spreizungscodes bei Vorentzerrung. Dabei werden verschiedene Datenströme 4, 6 mit einem gemeinsamen Spreizungscode 28 gespreizt und über eine gemeinsame Antenne 2 an verschiedene Empfänger 30, 32 übertragen, wobei sich die Empfänger, die ein und denselben Entspreizungscode 28 verwenden, an verschiedenen Orten befinden. Bei der Anordnung nach Maßgabe der Fig. 4 kann der Spreizungscode 28 daher zur Übertragung mehrfach verwendet werden. Die maximale übertragene Datenmenge pro Zeit vervielfältigt sich auf diese Weise um die Zahl der Mehrfachnutzung der verwendeten Codes. Im Gegensatz zu MIMO-Systemen sind für die Mehrfachnutzung des Spreizungscodes 28 weder mehrere Senderantennen noch mehrere Empfangsantennen nötig.

Die Fig. 5 zeigt in schematischer Art und Weise eine Burst- Struktur. Dabei ist zu erkennen, daß die Gesamterstreckung 34 eines Bursts über die Zeit 36 aus zwei Datenblöcken 38 und 40 sowie einem dazwischen angeordneten Referenzsignal 42 besteht.

In der Fig. 6 ist in schematischer Weise eine Vorrichtung zur Vorentzerrung dargestellt, wobei eine Sende- und Empfangsvorrichtung zur Kanalschätzung in der Rückwärtsstrecke und zum Senden der vorentzerrten Signale gezeigt ist. Die Daten 44 werden in einem Modulator 46 moduliert, durchlaufen dann einen Vorentzerrer 48 sowie einen Switch 50, der mit einer Antenne 52 sowie einem Kanalschätzer 54 verbunden ist.

In der Fig. 7 ist der zeitliche Ablauf des Verfahrens bei TDD-Betrieb mit Vorentzerrung dargestellt. Das Bezugszeichen 56 bezeichnet dabei eine Basisstation und das Bezugszeichen 58 eine Mobilstation eines Mobilfunknetzes. Der zeitliche Ablauf wird durch den Pfeil 60 symbolisiert. Von der Mobilstation 58 erfolgt eine Sendung 62 an die Basisstation 56, wo eine Kanalschätzung 64 erfolgt. Auf die Kanalschätzung 64 erfolgt in der Basisstation 56 sodann eine Vorentzerrung 66 der zu übertragenden Daten bevor es wiederum in der Mobilstation 58 zu einem Empfang 68 mit Kanalschätzung kommt. Zur Vorentzerrung wird ein vorentzerrtes Signal zur Übertragung mit einer oder mehreren Sendeantennen und jeweils einer oder mehreren Emfpangsantennen der Mobilstation 58 berechnet.

Im Folgenden wird ein möglicher Algorithmus für mehrere Sendeantennen im Basisband beschrieben.

Die Daten werden blockweise übertragen. Bei d^(k) = (d ^(k) ₁, . . ., d ^(k) _M), k = 1, . . ., K der Vektor der M innerhalb eines Blocks zu übertragenden Datensymbole des k-ten Nutzers. d = (d ⁽¹⁾, . . ., d ^(K)) bezeichne die Zusammenfassung aller zu übertragender Datensymbole. Aus diesen Datensymbolen werden die Sendesignale s ⁽ⁿ⁾ der Sendeantennen (n = 1, . . ., N, N = Anzahl der Antennen) durch lineare Transformation geformt:

s ^T = P.d ^T

s = (s ⁽¹⁾, . . ., s ^(N))

Seien h ^(k,n) = (h₁ ^(k,n), . . . h_w ^(k,n)) (W = Impulsantwortlänge) die Impulsantworten und n ^(k,n) = (n^(k,n) _{, . . .,} n^(k,n) _L+W-1) (L = Länge der Sendesignale s ⁽ⁿ⁾) die additiven Rauschsignale der Mobilfunkkanäle von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer. Mit den Matrizen

empfängt der k-te Empfänger des Systems das Signal

Der 'matched filter'-Empfänger (1-Finger-Rake-Empfänger) zum k-ten Nutzercode c ^(k) = (c^(k) _{, . . .,} c^(k) _Q) der Länge Q mit M.Q = L:

demoduliert das Empfangssignal zu

R^(k)_H = konjugiert transponierte Matrix R^(k)

Mit den Zusammenfassungen

erhält man als Gesamtvektor

aller demodulierter Signale:

Man wählt nun

P = A^t

A = R^H.H

Dabei bezeichnet A^t die Pseudoinverse der Matrix A.

Unter realistischen Bedingungen hat A maximalen Rang. Dann ist A.A^H invertierbar, wenn K.M ≦ N.Q.M erfüllt ist, und es gilt

A^t = A^H.[A.A^H]^-1

Es folgt

R^H liefert also die gesendeten Datensymbole d^T und additives Rauschen.

Es ist allerdings sinnvoll, die Gesamtzahl verwendeter Resourcen zu beschränken auf die Anzahl von Sendeantennen N multipliziert mit dem Spreizfaktor Q. Denn nur dann ist obige Bedingung K.M ≦ N.Q.M erfüllt und sämtliche gesendete Datensymbole können durch die Empfänger (bei nicht zu großem additiven Rauschen) fehlerfrei detektiert werden.

Berücksichtigt man nun den Kern der Erfindung so werden die Spreizungs-Codes mehrfach verwendet. Bei z. B. der Spreizungsfaktor Q = 16 und seien N Nutzer in der Vorwärtsstrecke mit Daten zu versorgen. N darf prinzipiell beliebig gewählt werden. Insbesondere darf N größer als Q sein. Pro Nutzer können dann Daten mit bis zu K_n = Q Spreizungscodes übertragen werden (K_n = Anzahl der Codes pro Nutzer n, n = 1, . . ., N). Dazu können für den obigen Algorithmus die Spreizungscodes c ^(k) = (c^(k) _{l, . . .,}c^(k) _Q), k = 1, . . ., K = Σ N|n=lK_n wie folgt aus der Menge der möglichen Codes {a ⁽ⁱ⁾, i = 1, . . ., Q} gewählt werden:

Für die Kanalimpulsantworten h ^(k) sind die Kanalimpulsantworten des Nutzers des k-ten Codes c ^(k) einzusetzen.

Verglichen mit der Übertragung bei einfacher Nutzung der Spreizungscodes wird die maximale Gesamtanzahl nutzbarer Code-Resourcen von Q auf N.Q erhöht. Die maximal übertragbare Gesamtdatenrate erhöht sich entsprechend.

Die Fig. 8 zeigt in schematischer Art und Weise die Verwendung mehrerer Senderantennen, wobei nur die Übertragungspfade zu einer ersten Mobilstation eingezeichnet sind. Die mehreren Sendeantennen 2a, 2b übertragen dabei jeweils an die Empfangsantennen 30 oder 32. Mehrere Sendeantennen 2a, 2b können auch eingesetzt werden, um die Qualität der Übertragung, welche gegeben ist durch die Häufigkeit von Übertragungsfehlern, zu erhöhen.

Die Fig. 9 zeigt schließlich in schematischer Art und Weise die Verwendung mehrerer Empfangsantennen, wobei der Empfänger 25 hier aus zwei Einzelempfängern mit den Antennen 26a, 26b besteht. Bei Verwendung von jeweils einer Antenne 26 am Empfänger erhöht die Erfindung zwar die maximal erreichbare Gesamtdatenrate, nicht jedoch die maximal erreichbare Einzelnutzerdatenrate. Dies kann durch Verwendung mehrerer Empfangsantennen 26a, 26b erreicht werden, wobei hierzu mehrere Einzelempfänger zur Detektion der Signale der einzelnen Antennen 26a, 26b eingesetzt werden müssen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Kapazitätserhöhung von Funknetzen mit verschiedenen Funkkanälen zu den verschiedenen Nutzern, dadurch gekennzeichnet, daß identische Empfänger an unterschiedlichen Orten des Funknetzes unter Einsatz identischer Funk-Resourcen mit verschiedenen Daten versorgt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Funk-Resourcen um Spreizungscodes eines CDMA-Netzes handelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Sende- (2a, 2b) und/oder Empfangsantennen (26a, 26b) verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Funknetz dem UMTS TDD-Modus entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorentzerrung (7) der zu übertragenden Sendesignale vorgesehen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorentzerrung linear ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorentzerrung nach einer Modulation des Sendesignales duchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der verwendeten Code-Resourcen kleiner oder gleich dem Produkt aus Anzahl Sendeantennen und Spreizfaktor ist.