DE10161548B4

DE10161548B4 - Verfahren zum Generieren eines Sendesignalvektors in einem Funk-Kommunikationssystem unter Berücksichtigung des wirksamen Übertragungskanals

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Publication number: DE10161548B4
Application number: DE2001161548
Authority: DE
Inventors: Prof. Baier Paul-Walter; Dr. Haardt Martin; Christoph Arnold Jötten; Michael Meurer; Hendrik Tröger
Original assignee: Nokia Siemens Networks GmbH and Co KG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2021-12-15
Also published as: CN100531013C; CN1427569A; DE10161548A1

Abstract

Verfahren zum Generieren eines Sendesignalvektors s in einem Funk-Kommunikationssystem mit mindestens einer Sendestation (BS) und mindestens einer Empfangsstation (MS), wobei der Sendesignalvektor s = M · d durch lineare Modulation mindestens eines zu übertragenden Datenvektors d mit einer Modulatormatrix M generiert wird, wobei die Sendestation (BS) eine Antenne mit KB Antennenelemente mit KB ≥ 1 umfasst, über welche Einzelsignaleabgestrahlt werden, wobei der Sendesignalvektor s die Einzelsignaleals Komponenten umfasst mit kB = 1...KB,dadurch gekennzeichnet,dass eine die Sendecharakteristik beschreibende, hermitische Matrix R aufgestellt wird,dass eine den Sendesignalvektor s und die Matrix R be wertende Ergebnismatrix in hermitischer Form gebildet wird, die bei der Sendestation zu vorgegebenen Übertragungsbedingungen führt,dass die Modulatormatrix M aus der Ergebnismatrix abgeleitet wird unddass die Einzelsignalemit Hilfe der Modulatormatrix M vor der Abstrahlung berechnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Generieren eines Sendesignalvektors in einem Funk-Kommunikationssystem mit mindestens einer Sendestation und mindestens einer Empfangsstation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Sendeeinrichtung.
In Funk-Kommunikationssystemen werden Informationen (beispielsweise Sprache, Bildinformation, Videoinformation, SMS [Short Message Service] oder andere Daten) mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnittstelle zwischen sendender und empfangender Station (Basisstation bzw. Teilnehmerstation) übertragen. Das Abstrahlen der elektromagnetischen Wellen erfolgt dabei mit Trägerfrequenzen, die in dem für das jeweilige System vorgesehenen Frequenzband liegen. Für das eingeführte GSM-Mobilfunksystem (Global System for Mobile Communication) werden Frequenzen bei 900, 1800 und 1900 MHz genutzt. Für zukünftige Mobilfunksysteme mit CDMA- oder TD/CDMA-Übertragungsverfahren, wie beispielsweise UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) oder andere Systeme der 3. Generation, sind Frequenzen im Frequenzband von ca. 2000 MHz vorgesehen.
Der Zugriff von Stationen auf das gemeinsame Übertragungsmedium wird bei diesen Funk-Kommunikationssystemen durch Vielfachzugriffsverfahren (Multiple Access, MA) geregelt. Bei diesen Vielfachzugriffen kann das Übertragungsmedium im Zeitbereich (Time Division Multiple Access, TDMA), im Frequenzbereich (Frequency Division Multiple Access, FDMA), im Codebereich (Code Division Multiple Access, CDMA) oder im Raumbereich (Space Division Multiple Access, SDMA) zwischen den Stationen aufgeteilt werden. Dabei findet häufig (zum Beispiel bei GSM [Global System for Mobile Communications], TETRA [Terestrial Trunked Radio], DECT [Digital Enhanced Cordless Telecommunication], UMTS [Universal Mobile Telecommunication System]) eine Unterteilung des Übertragungsmediums in Frequenz- und/oder Zeitkanäle entsprechend der Funkschnittstelle statt. Diese Kanäle werden allgemein als Übertragungskanäle oder Funkkanäle bezeichnet. Bei dezentral koordinierten Systemen wird anhand von Messungen über die Verwendbarkeit dieser Übertragungskanäle entschieden. Entsprechend der Funkausbreitung, das heißt abhängig von der Funkfelddämpfung, ist auch eine Wiederverwendung dieser Übertragungskanäle in einem entsprechenden räumlichen Abstand möglich.
Bei der Funkübertragung zwischen einer Sendestation und mindestens einer Empfangsstation eines Funk-Übetragungssystems kommt es nun infolge der Frequenzselektivität der Übertragungskanäle zu Interferenzerscheinungen, die als Intersysmbolinterferenz und Vielfachzugriffsinterferenzen bekannt sind. Diese Interferenzen verzerren die Sendesignale umso stärker, je größer die Übertragungsbandbreite des Übertragungskanal ist.
Herkömmlicherweise werden die Sendesignale an der Sendestation ohne Berücksichtigung der wirksamen Funkkanäle generiert. Die dann auftretenden Interferenzerscheinungen werden in einem zweiten Schritt, zumindest näherungsweise, durch entsprechende angepasste und im allgemeinen sehr aufwendige Verfahren zum Detektieren der übertragenen Daten an den Empfangsstationen beseitigt.
In den letzten Jahren wurden alternative Konzepte, wie zum Beispiel Joint Transmission oder Joint Predistortion untersucht, die durch Berücksichtigung der wirksamen Übertragungskanäle bereits beim Generieren der Sendesignale an der Sendestation die Interferenzerscheinungen eliminieren.
[M. Meurer, P.W. Baier, T. Weber, Y. Lu, A. Papathanassiou, „Joint Transmission, an advantageous downlink concept for CDMA mobile radio system using time division duplexing”, IEE Electronics Letters, Bd. 36, 2000, S. 900–901] und [P.W. Baier, M. Meurer, T. Weber, H. Träger, „Joint Transmission (JT), an alternative rationale for the downlink of time division CDMA using multi-element transmit antennas”, Proc. IEEE 7^th International Symposium an Spread Spectrum Techiques & Applications (ISSSTA'2000), Parsippany/New Jersey, 2000, S. 1–5] stellen zum Beispiel ein Joint Transmission (JT) Übertragungsverfahren vor, insbesondere für die Abwärtsstrecke von Mobilfunksystemen von der Basisstation zu den Teilnehmerstationen, welches das gleichzeitige Versorgen mehrerer Teilnehmer ermöglicht. Die von den Sendeantennen der Basisstation bzw. Sendestation (BS) abgestrahlten Sendesignale werden dabei in einem gemeinsamen Prozess generiert und im Hinblick auf die dabei aufzuwendende Sendeenergie optimiert. Weitere Gütekriterien wie eine Richtcharakteristik des Sendesignals werden bei dieser Methode jedoch nicht berücksichtigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Generieren eines Sendesignal und eine verbesserte Sendeeinrichtung aufzuzeigen, welche für die wirksamen Übertragungskanäle sowohl eine Minimierung der Sendeleistung als auch noch weitere Gütekriterien, wie zum Beispiel eine Richtcharakteristik des Sendesignals, berücksichtigen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und eine Sendeeinrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 11 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird

– eine die Sendecharakteristik beschreibende, hermitische Matrix/aufgestellt,
– eine den Sendesignalvektor s und die Matrix R bewertendende Ergebnismatrix in hermitischer Form gebildet, die bei der Sendestation zu vorgegebenen Übertragungsbedingungen führt,
– die Modulatormatrix M aus der Ergebnismatrix abgeleitet und
– letztlich werden die Einzelsignale
mit Hilfe der Modulatormatrix M vor der Abstrahlung berechnet.

Durch dieses Verfahren, welches im Weiteren als GJT Verfahren bezeichnet wird, wird die Modulatormatrix M aus einer Ergebnismatrix in hermitischer Form abgeleitet und zwar durch Optimierung einer von einer Matrix R und von dem Sendesignal s abhängigen Ergebnismatrix. Hermitisch bedeutet allgemein, dass die transponierte Matrix gleich der konjugiert komlexen Matrix ist; daraus kann abgeleitet werden dass die Eigenwerte der hermitischen Matrix reell sind. Ist die hermitische Ergebnismatrix nun zum Beispiel ein Maß für Sendeenergie, so bedeutet dies, dass die Sendeenergie bezüglich minimaler oder auch maximaler Sendeleistung optimiert werden kann. Desweiteren können über die Matrix R weitere die Sendecharakteristik betreffende Gütekriterien, wie zum Beispiel eine Richtcharakteristik des Sendesignals, berücksichtigt werden. Weiter Ausgestaltungen der Matrix R sind Gegenstand der Unteransprüche.
Betrachtet wird die Abwärtsstrecke in einer Zelle eines zellularen Mobilfunksystems. In der Zelle sind gleichzeitig K Mobilstationen aktiv, die durch die der Zelle zugehörige Sendestation versorgt werden. An der Sendestation wird eine Gruppenantenne mit K_B Antennenelementen eingesetzt, wohingegen an jeder Mobilstation eine Empfangsantenne verwendet wird. Für jede Mobilstation kann das sich ergebende Funkszenario durch ein teilnehmerspezifisches Netzwerk mit K_B Eingängen und einem Ausgang modelliert werden.
Es wird eine Zelle eines zellularen Mobilfunknetzes betrachtet, die im folgenden als Referenzzelle bezeichnet wird. Die in der Referenzzelle aktiven Teilnehmer werden durch die der Referenzzelle zugehörige Sendestation mit Hilfe des GJT-Verfahrens versorgt. Ferner wird davon ausgegangen, dass sich im Umfeld der Referenzzelle weitere Zellen befinden, die die gleichen Frequenzbänder nutzen wie die Referenzzelle. Solche Zellen werden im folgenden als Gleichkanalzellen bezeichnet. Jeder der Gleichkanalzellen sind Teilnehmer zugeordnet, die im folgenden als Gleichkanalteilnehmer referenziert werden.
Das durch die Sendestation der Referenzzelle abgestrahlte Sendesignal produziert in den Gleichkanalzellen Interzellinterferenz, so dass die am Ort der Gleichkanalteilnehmer durchgeführte Datendetektion gestört wird. Insbesondere solche Gleichkanalteilnehmer, die sich geometrisch nahe der Sendestation der Referenzzelle aufhalten, z. B. sich in der Nähe von Zellgrenzen befinden, erfahren dabei im Mittel eine starke Beeinträchtigung durch die Interzellinterferenz, die auf das von der Sendestation der Referenzzelle abgestahlte Sendesignal zurückgeht.
Das Auslegen eines zellularen Mobilfunksystems muss stets so erfolgen, dass eine mit einer gewissen Ausfallswahrscheinlichkeit zu beobachtende maximal zulässige Bitfehlerrate für die Übertragung von Datenbits garantiert werden kann. Dabei spielen Gleichkanalteilnehmer, die eine besondere Beeinträchtigung durch Interzellinterferenz erfahren, eine zentrale Rolle. Durch das der Erfindung zugrundeliegende GJT-Verfahren kann dieser Situation in besonderem Maße Rechnung getragen werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Matrix R durch
gegeben, mit z einer reellen Zahl ohne Null und I der Einheitsmatrix und S der Dimension der Einzelsignale
mit einem Steering Vektor
wobei β(α) = 2π / λ ·(cos(α), sin(α)) und r⁽ⁱ⁾ die Position des i-ten Antennenelements ist mit i = 1...K_B.
Eine ausführliche Beschreibung der Formeln wird unten in den Ausführungsbeispielen gegeben.
Durch die Wahl zu R _a wird isotrop in den Raum abgestrahlt, so dass nur die aufgewendete Sendeenergie minimiert wird. Wird hingegen R _d gewählt so kann die abgestrahlte Sendeenergie in die diskrete Richtung α minimiert werden. Wenn an der Sendestation der Referenzzelle die Richtungen der Ausbreitungspfade zu den im besonderen Maße beeinträchtigten Gleichkanalteilnehmern bekannt sind, so kann durch Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens die Energie der in diese Richtungen durch die Sendestation der Referenzzelle abgestrahlten Sendesignale minimiert werden. D. h. durch gezieltes Unterdrücken des Abstrahlens von Energie in spezielle diskrete Richtungen α läßt sich die von besonders beeinträchtigten Gleichkanalteilnehmern erfahrene Interzellinterferenz signifikant reduzieren. Dies wird insbesondere durch die Matrizen R _a und R _d erreicht.
In Weiterbildung der Erfindung wird die Matrix R zu
gewählt mit einem Steering Vektor
mit
wobei K_d die Zahl der Richtungen und
die zugehörige Richtungsbestimmung mit k_d = 1... K_d bestimmen.
Wird R _m gewählt, so kann die abgestrahlte Sendeenergie in mehrere diskrete Richtung
minimiert werden. Oft ist an der Sendestation der Referenzzelle die Kenntnis der Richtungen der Ausbreitungspfade zu den im besonderen Maße beeinträchtigten Gleichkanalteilnehmern nicht vorhanden. In diesem Fall ist die Annahme zulässig, dass aus Sicht der Sendestation der Referenzzelle Gleichkanalteilnehmer im Mittel gleichverteilt über den Azimuth zu finden sind. Daher ist es besonders empfehlenswert, das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzen und die Matrizen entsprechend R _m zu wählen. Dieses erlaubt die durch die Sendestation der Referenzzelle in der Ebene des zellularen Netzes abgestrahlte Energie zu minimieren und damit im Mittel ein Minimum an Interzellinterferenz zu produzieren. Ein Minimieren der im Mittel wirksamen Interzellinterferenz erlaubt eine signifikante Erhöhung der Kapazität des zellularen Mobilfunksystems.
In Weiterbildung wird die Matrix R die Matrix R zu
den Elementen von R _o,s gewählt mit J₀ der Besselfunktion als Funktion von r⁽ⁱ⁾ – r^(j), dem Abstand zweier Antennenelemente und λ der zu einer dem Funkkanal zugeordneten Funkfrequenz korrespondierenden Wellenlänge.
Wird R _o gewählt, so kann die in der Ebene abgestrahlte Sendeenergie minimiert werden. Insbesondere im Hinblick auf die laufenden Diskussion über die bio-medizinischen Belastungen durch elektromagnetische Wellen läßt sich ein Vorteil des GJT Verfahrens ausmachen: ein Minimieren der in der Ebene des Zellnetzes von der BS der Referenzzelle abgestrahlten Energie erlaubt die vielerorts diskutierten elektromagnetische Belastungen von Personen, die sich vor allem in nahe der Ebene des Zellnetzes gelegenen Raumbereichen aufhalten, zu minimieren. Durch die Wahl der Matrix R zu R _o erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren das Verbinden der oben beschriebenen vorteilhaften Möglichkeiten zum Optimieren der von der der Referenzzelle abgestrahlten Sendesignale. So kann beispielsweise das Abstrahlen von Signalkomponenten durch die der Referenzzelle in spezielle Richtungen unterdrückt und gleichzeitig die insgesamt in der Ebene des Zellnetzes abgestrahlte Energie reduziert werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird die Matrix R zu R = R _g = R _g,s ⊗ I^(S×S) mit
den Elementen von R _g,s gewählt mit β(α) = 2π / λ ·(cos(α), sin(α)) und r⁽ⁱ⁾ – r^(j) dem Abstand zweier Antennenelemente und g(α) einer normierten Gewichtsfunktion.
Wird R _g gewählt so kann die in einer mit g(α) gewichteten Ebene abgestrahlte Sendeenergie minimiert werden. Ebenso ist ein Minimieren der durch die Sendestation der Referenzzelle in durch bestimmte Winkelintervalle des Azimuths gekennzeichnete Bereiche des zellularen Netzes abgestrahlten Energie möglich, wenn die Matrix R zu R _g gewählt wird.
In Weiterbildung der Erfindung setzt sich die Matrix R aus den vorher beschriebenen Matrizen R _a , R _d , R _m , R _o und R _g insbesondere in einer Linearkombination zusammen. Dadurch ist es möglich, die Sendecharakteristik entsprechend den vorab aufgezeigten Ausgestaltungen der Matrix R zu kominieren und so den Erfordernissen des Funk-Kommunikationssystems individuell anzupassen.
Von Vorteil wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Funk-Kommunikationssystem eingesetzt, das nach dem CDMA Standard, insbesondere FD-CDMA oder TD-CDMA Standard spezifiziert ist. Diese Funk-Kommunikationssysteme sind besonders sensitiv gegen Interferenzerscheinungen. Durch das beschriebene Verfahren, welches die Interferenz sowohl in der Funkzelle als auch zwischen einzelnen Funkzellen deutlich reduziert, kann eine wesentlich höhere Nutzerkapazität erzielt werden.
Einzelheiten und Details der Erfindung werden nachfolgend anhand von Anwendungsbeispielen näher erläutert.
Hierbei zeigen:
1: ein Netzwerk mit K_B Eingängen und einem Ausgang, das den Mobilfunkkanal zwischen den Eingängen der K_B Sendeantennenelementen und dem Ausgang der Empfangsantenne der Mobilstation μ_k beschreibt,
2: die nach 1 verwendbare Gruppenantenne mit K_B Antennenelementen, Referenzpunkt (RP) sowie Referenzlinie (RL) mit Markierung der auf die Referenzlinie bezogene Richtung α in der Ebene,
3: verschiedene Optimierungskriterien und die zugehörigen Gewichtsfunktionen g(α),
4: ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Generierung des Sendesignalvektors,
5: den modularen Aufbau einer Sendeeinrichtung.
Im folgenden soll ein Übertragungsmodell für die Abwärtsstrecke in einer Zelle eines zellularen Mobilfunksystems betrachtet werden, wie es in 1 gezeigt ist. In der Zelle sind gleichzeitig K Mobilstationen MS aktiv, die durch die der Zelle zugehörige Basisstation bzw. Sendestation BS versorgt werden. An der SENDESTATION BS wird eine Gruppenantenne mit K_B Antennenelementen eingesetzt, wohingegen an jeder MS eine Empfangsantenne verwendet wird. Für jede MS kann das sich ergebende Funkszenario durch ein teilnehmerspezifisches Netzwerk mit K_B Eingängen und einem Ausgang modelliert werden, siehe 1. In diesem Netzwerk beschreibt die Kanalimpulsantwort
der Dimension W die Signalübertragung zwischen dem Eingang des Sendeantennenelements k_B und dem Ausgang der Empfangsantenne der MS μ_k. In jedes der Sendeantennenelemente k_B, k_B = 1...K_B, wird ein Signal
der Dimension S einespeist. Die K_B Signale
nach Gleichung (2) werden zum Sendesignalvektor
der Dimension K_BS kombiniert. s nach Gleichung (3) repräsentiert die Übertragung eines Funkblocks in einem Zeitschlitz. Mit der Kanalimpulsantwort
nach Gleichung (1) können die (S + W – 1) × S Matrizen
geformt werden. Die K_B für eine MS μ_k gültigen Matrizen
können zur (S + W – 1) × K_BS-Matrix
zusammengefasst werden. Mit s nach Gleichung (3) und H^(k) nach Gleichung (5) kann das an MS μ_k empfangene und auf s zurückgehende Empfangssignal
der Dimension S + W – 1 bestimmt werden. Die K Empfangssignale e ^(k ⁾ , k = 1...K, nach Gleichung (6) werden zum totalen Empfangssignal
der Dimension K(S + W – 1) kombiniert. Durch Zusammenfassen der K Matrizen H^(k), k = 1...K nach Gleichung (5) zur totalen Kanalfaltungsmatrix
läßt sich das totale Empfangssignal e nach Gleichung (7) mit s nach Gleichung (3) kompakt durch e = H·s (Gleichung 9) ausdrücken.
Zum Generieren des Sendesignals wird angenommen, dass pro Zeitschlitz N Datensymbole
n = 1...N, von der SENDESTATION BS an die MS μ_k, k = 1...K, übertragen werden, die im Datenvektor
der Dimension N zusammengefasst werden. Die K Datenvektoren d ^(k) nach Gleichung (10) werden zum totalen Datenvektor
der Dimension KN kombiniert. Mit s nach Gleichung (3) und der K_BS × KN-Matrix M. die im folgenden noch genauer zu bestimmen ist, kann die an der SENDESTATION BS durchgeführte lineare Modulation durch die Matrix-Vektor-Gleichung s = M·d (Gleichung 12) beschrieben werden. Die Matrix M wird als Modulatormatrix bezeichnet. Zum Ermitteln der Datenschätzung d ^⁽ ^k ⁾ an der MS μ_k, k = 1...K, wird eine teilnehmerspezifische N × (S + W – 1)-Matrix D ^(k) mit dem Empfangssignal e ⁽ ^k ⁾ nach Gleichung (6) gemäß d ^⁽ ^k ⁾ = D ⁽ ^k ⁾·e ⁽ ^k ^}, k = 1...K (Gleichung 13) multipliziert. Diese Matrix D ⁽ ^k ⁾ wird teilnehmerspezifische Demodulatormatrix genannt und muss sowohl an der Sendestation BS als auch an der MS μ_k bekannt sein. Dann kann durch geeignete Wahl des totalen Sendesignals s nach Gleichung (12) erreicht werden, dass die durch Gleichung (13) gewonnene Datenschätzung d ^⁽ ^k ⁾ , k = 1...K, frei von Intersymbolinterferenz (ISI) und Intrazellvielfachzugriffsinterferenz (Intrazell-MAI) ist, d. h. d ^(k) = d ^⁽ ^k ⁾ = D ^(k).e ^(k), k = 1...K (Gleichung 14) gilt. Substituieren von Gleichung (6) in Gleichung (14) liefert d ^(k) = d ^⁽ ^k ⁾ = D ^(k).H ^(k)·s ^(k), k = 1...K (Gleichung 15)
Die K Matrizen D ⁽ ^k ⁾ , k, = 1...K, können zur KN × K(S + W 1)-Matrix D = blockdiag[D ⁽ⁱ⁾...D ^(K)] (Gleichung 16) zusammengefaßt werden, die als Demodulatormatrix bezeichnet wird. Mit der Demodulatorinatrix D nach Gleichung (16) und der Kanalfaltungsmatrix H nach Gleichung (8) wird die Systemmatrix B = D·H (Gleichung 17) der Dimension KN × K_BS gebildet. Mit B nach Gleichung (17) können die K Matrix-Vektor-Gleichungen nach Gleichung (15) durch eine einzige Matrix-Vektor-Gleichung d = B·s (Gleichung 18) ausgedrückt werden. In Gleichung (18) sind sowohl B als auch d an der Sendestation BS bekannt. Daher kann Gleichung (18) als System von KN skalaren linearen Gleichungen mit K_BS Unbekannten aufgefasst werden, durch dessen Lösung die Modulatormatrix M nach Gleichung (12) und damit unter Zuhilfenahme von d nach Gleichung (11) auch das totale Sendesignal s nach Gleichung (3) bestimmt werden kann. Durch die geeignete Wahl der teilnehmerspezifischen Demodulatormatrizen D ⁽ ^k ⁾ , k = 1...K, und des Parameters S gilt stets rang(B) = KN < K_BS (Gleichung 19) d. h. Gleichung (18) stellt ein unterbestimmtes lineares Gleichungssystem mit der Lösungsmenge
unendlicher Kardinalität dar. Es wird folglich mindestens ein weiteres Kriterium benötigt, um eine spezielle Lösung s aus der unendlichen Anzahl von allen möglichen Lösungen aus der Menge L zu identifizieren. Dies führt zu dem konventionelle JT charakteristischen Optimierungskriterium, welches minimale aufzuwendende Sendeenergie fordert.
Zum Minimieren der aufgewendeten Sendeenergie wird als zu verwendendes totales Sendesignal s _JT nach Gleichung (3) für das konventionelle JT dieses Sendesignal s aus der Menge L gewählt, welches minimale aufgewendete Energie
hat. D. h. für das gemäß des konventionellen JT zu verwendete totale Sendesignal s _JT gilt
Damit folgt für die gesuchte Modulatormatrix M , die zu der minimalen Sendeenergie führt, nach Gleichung (12)
und für das damit verbundene totale Sendesignal s nach Gleichung (3)
In Weiterbildung der Erfindung kann von einer hermitischen Ergebnismatrix ausgegangen werden, die von der dem Sendesignal s und einer Matrix R abhängt. Eine Möglichkeit für diese hermitische Ergebnismatrix ist die hermitische Energie
Dieses so ausgedrückte Optimierungskriterium ist gegenüber dem in Gleichung (21) formulierten Optimierungskriterium dahingehend vorteilhaft, dass über die Forderung nach minimaler Sendeenergie zusätzliche Forderungen wie z. B. im Mittel minimale Interzellinterferenz oder minimale in bestimmte Raumrichtungen abgestrahlte Energie durch die Matrix R berücksichtigt werden können. Durch geeignete im allgemeinen vom Szenario abhängige Wahl der Matrix R lassen sich im Hinblick auf die Interferenzsituation in einem multizellularen Funkscenario optimierte Sendesignale generieren. Die Matrix R ist hierbei eine noch genauer zu spezifizierende hermitische Matrix der Dimension K_BS × K_BS, wie es in den Unteransprüchen ausgeführt ist.
Für die die hermitische Energie nach Gleichung (24) minimierende Sendesignal folgt somit
Durch die Wahl
wobei
in Gleichung (26) die Einheitsmatrix der Dimension K_BS × K_BS darstellt, kann Gleichung (25) in Gleichung (21) überführt werden. Daher wird das durch das Generieren des gesuchten totalen Sendesignals s _GJT gemäß Gleichung (25) beschriebene erfindungsgemäße Verfahren im folgenden als GJT Verfahren bezeichnet.
Gleichung (25) stellt ein komplexwertiges Optimierungsproblem mit Gleichung (18) als Nebenbedingung dar. Da die in Gleichung (25) und Gleichung (18) eingehende und gesuchte Größe s komplexwertig ist, ist die zu optimierende hermitische Form nach Gleichung (24) nicht analytisch bezüglich s . Übliche Verfahren zum Lösen von Extremwertproblemen, wie z. B. das Verfahren der Lagrange-Multiplikatoren können daher nicht unmittelbar zum Lasen von Gleichung (25) angewendet werden. Gleichung (25) und Gleichung (18) werden erfindungsgemäß auf ein äquivalentes reellwertiges Extremwertproblem abgebildet und dieses anschließend gelöst werden. Zu diesem Zweck bietet sich der Isomorphismus für komplexwertige Matrizen und Vektoren an. Dabei wird jede komplexwertige Matrix
mit c _V,W = a_v _,w + j·b_v _,w, v = 1...V, w = 1...W (Gleichung 28) durch die isomorphe reellwertige Matrix
beschrieben. Jeder komplexwertige Spaltenvektor
mit z _v = x_v + j·y_v, v = 1...V (Gleichung 32) wird durch den isomorphen Vektor
mit z _v = (x_y, y_v)^T, v = 1...V (Gleichung 34) ersetzt. Unter Verwenden von Gleichung (27) bis (34) lassen sich Gleichung (24) und (18) in der äquivalenten isomorphen Form E = 1 / 2·s ^T·R·s (Gleichung 35) und d = B·s (Gleichung 36) schreiben. Das durch Minimieren von Gleichung (35) unter der Nebenbedingung Gleichung (36) gegebene reellwertige Extremwertproblem kann mit dem Verfahren der Lagrange-Multiplikatoren gelöst werden. Dazu wird die Lagrangesche Kostenfunktion E_L = 1 / 2·s ^T·R·s – λ^T(B·s – d) (Gleichung 37) gebildet, wobei λ in Gleichung (37) ein Spaltenvektor der Dimension K_N ist, dessen Elemente Lagrange-Multiplikatoren genannte werden. Durch Minimieren von E_L nach Gleichung (37) wird das durch Gleichung (35) und (36) beschriebene reellwertige Extremwertproblem mit Nebenbedingung gelöst. Durch Bilden des Gradienten von E_L nach s erhält man ∇_sE_L = R·s – B ^T·λ (Gleichung 38)
Der gesuchte Extremwert von E_L läßt sich durch Nullsetzen von Gleichung (38) ermitteln, woraus schließlich s = R ^–1·B ^T·λ (Gleichung 39) folgt. In Gleichung (39) wird angenommen, dass R vollen Rang besitzt. Durch Einsetzen von Gleichung (39) in (36) kann λ gemäß λ = (B·R ^–1·B ^T)^–1 (Gleichung 40) ermittelt werden. Aus Gleichung (39) und (40) folgt schließlich s = R ^–1·B ^T·(B·R ^–1·B ^T)^–1·d.(Gleichung 41)
s nach Gleichung (41) ist damit die Lösung des oben eingeführten äquivalenten reellwertigen Exremwertproblems. Durch erneutes Anwenden des Isomorphismus folgt daraus für das gesuchte totale Sendesignal s _GJT nach Gleichung (3) und (25) s _JGT = R ^–1·B ^T·(B·R ^–1·B ^T)^–1·d (Gleichung 42) und für die Modulatormatrix M nach Gleichung (12)
Über die Wahl der Matrix R in Gleichung (24) wurden bislang keine Aussagen gemacht. Im folgenden sollen einige vorteilhafte Möglichkeiten für die Wahl von R aufgezeigt werden, die es ermöglichen die Richtcharakteristik des Sendesignals zu beeinflussen.
Wie bereits angedeutet, wurde gefunden, dass sich das konventionelle JT als Spezialfall des GJT Verfahrens deuten läßt. Dazu wird die Matrix R nach Gleichung (24) zu
gewählt, wobei z eine beliebige reelle Zahl ungleich Null ist. Die durch Gleichung (42) und (43) gegebenen allgemeinen Ausdrücke gehen dabei in die bekannten konventionellen Rechenvorschriften Gleichung (23) und (22) über. Durch Wahl der Matrix R _a gemäß Gleichung (44) wird demnach durch das GJT-Verfahren ein solches totales Sendesignal s generiert, das minimale aufzuwendende Energie hat und somit auch die Interferenz für unterschiedliche Mobilstationen minimiert.
Im folgenden wird angenommen, dass die an der Sendestation BS eingesetzte Gruppenantenne eine Mikrostruktur darstellt, d. h. dass die einzelnen Antennenelemente der Gruppenantenne nur wenige Wellenlängen voneinander entfernt angeordnet sind. Die Position jedes Antennenelements k_B, k_B = 1...K_B, wird durch den Ortsvektor
bezüglich des Referenzpunkts (RP) beschrieben – siehe 2. Dann kann unter Verwenden des Steering Vektors
wobei λ die Wellenlänge der verwendeten Funkwellen darstellt, und des totalen Sendesignals s nach Gleichung (3) das in eine bestimmte Richtung α in der Ebene abgestrahlte direktionale Sendesignal s _d(α) = [a(α) ⊗ I^(S×S)]·s (Gleichung 47) ermittelt werden. Der Operator ⊗ in Gleichung (47) bezeichnet das Kronecker-Produkt von Matrizen bzw. Vektoren. Für die Energie des direktionalen Sendesignals s _d(α) nach Gleichung (47) ergibt sich
E_d(α) nach Gleichung (48) kann mit R _d = R _d,s ⊗ I^(S×S) (Gleichung 49) und R _d,s = a(α)*·a(α)^T (Gleichung 50) in der Form
geschrieben werden. Für die Elemente
i = 1...K_B, j = 1...K_B der Matrix R _d,s gilt dabei
Gleichung (51) stimmt formal mit dem Optimierungskriterium Gleichung (24) überein. Wenn an der Sendestation BS das totale Sendesignale s nach Gleichung (3) mit Hilfe des GJT-Verfahrens generiert wird, so erlaubt die Wahl von R in Gleichung (42) und (43) gemäß Gleichung (49) das Generieren eines solchen totalen Sendesignals s , das in die durch α charakterisierte gewünschte diskrete Richtung minimale Energie abstrahlt. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass, wie bereits angesprochen, R vollen Rang hat. Dies ist im allgemeinen jedoch nur genau dann der Fall wenn K_B gleich eins gilt. Daher muss für K_B größer als eins das oben beschriebene Optimierungskriterium in einer modifizierten in den folgenden Unterkapiteln dargelegten Variante eingesetzt werden.
Ausgehend von dem vorab beschriebenen Optimierungskriterium, welches die durch α charakterisierte Richtung berücksichtigt, werden im folgenden K_d diskrete durch
k_d = 1...K_d, Richtungen betrachtet werden. In Analogie zu Gleichung (47) kann das in die durch
charakterisierte Richtung k_d, k_d = 1...K_d, abgestrahlte Signal
durch
beschrieben werden. Damit folgt für die im Mittel durch die direktionalen Sendesignale
k_d = 1...K_d, nach Gleichung (53) abgestrahlte Energie
Durch Substitution lässt sich Gleichung (54) in
mit R _m = R _m,s ⊗ I^(S×S) (Gleichung 56) umschreiben, wobei
gilt. Für die Elemente
i = 1...K_B, j = 1...K_B der Matrix R _m,s gilt dabei
Gleichung (55) stimmt mit der Form des Optimierungskriteriums Gleichung (24) überein. Wenn an der Sendestation BS das totale Sendesignale s nach Gleichung (3) mit Hilfe des GJT-Verfahrens generiert wird, so erlaubt die Wahl von R in Gleichung (42) und (43) gemäß Gleichung (56) und (57) das Generieren eines solchen totalen Sendesignals s , das in die durch
k_d = 1...K_d, charakterisierten K_d gewünschten diskreten Richtungen im Mittel minimale Energie abstrahlt. Dabei ist jedoch wieder zu berücksichtigen, dass R _m , vollen Rang hat. Dies ist genau dann der Fall, wenn K_B kleiner oder gleich K_d ist. Falls K_B größer als K_d ist, muss das oben beschriebene Optimierungskriterium in einer modifizierten Variante eingesetzt werden.
Im folgenden soll die von der Sendestation BS im Mittel in der Ebene abgestrahlte Energie betrachtet werden. Dazu wird der Azimuth in K_d äquidistante Richtungen k_d, k_d = 1...K_d, die durch die zugehörigen Winkel
beschrieben werden, eingeteilt. Gemäß Gleichung (54) läßt sich die im Mittel in die K_d Richtungen abgestrahlte Energie durch
ausdrücken. Durch den Grenzübergang K_d strebt gegen Unendlich, läßt sich aus Gleichung (60) die im Mittel in der Ebene abgestrahlte Energie
ermitteln, die in Analogie zu Gleichung (55) durch
ausgedrückt werden kann. Für die Elemente
i = 1...K_B, j = 1...K_B der Matrix R _o,s gilt dabei
Gleichung (65) kann durch Kombinieren des Grenzwert- und des Summenoperators in
umgeschrieben werden. Nach einigen mathematischen Umformungen läßt sich Gleichung (66) zu
vereinfachen, wobei die in Gleichung (67) eingehende Funktion J_o(.) die Besselfunktion erster Gattung und nullter Ordnung ist. Es ist zu beobachten, dass zum Bestimmen der Elemente
i = 1...K_n, j = 1...K_B, der Matrix R _o,s lediglich die Kenntnis der Wellenlänge der verwendeten Funkwellen und sämtlicher Abstände ||r⁽ⁱ⁾ – r^(j)|| zwischen je zwei Antennenelementen i und j nötig ist.
Ein Vergleich von Gleichung (62) und (24) zeigt, dass (62) mit der Form des Optimierungskriteriums Gleichung (24) übereinstimmt. Wenn Folglich an der Sendestation BS das totale Sendesignale s nach Gleichung (3) mit Hilfe des GJT-Verfahrens generiert wird, so erlaubt die Wahl von R in Gleichung (42) und (43) gemäß Gleichung (63) und (67) das Generieren eines solchen totalen Sendesignals s , das in der Ebene im Mittel minimale Energie abstrahlt. Mit Ausnahme von wenigen entarteten Fällen, bei denen die Ortsvektoren r⁽ⁱ⁾ und r^(j) von mindestens zwei Antennenelemente i, und j mit i ≠ j, i = 1...K_B, j = 1...K_B, der Gruppenantenne gleich sind, ist die sich ergebende Matrix R nach Gleichung (63) stets von vollem Rang.
Die vorab gewonnenen Erkenntnisse können noch erweitert werden. Dazu wird eine normierte Gewichtsfunktion g(α), α ∊ [0, 2π[ mit
eingeführt (siehe 3), die es erlaubt, den der jeweiligen durch α charakterisierten diskreten Richtung zugehörigen Energiebeitrag beim Ermitteln der mittleren abgestrahlten Energie gewichtet einzubringen. Für die im gewichteten Mittel in der Ebene abgestrahlte Energie folgt dann
die in Analogie zu Gleichung (62) durch
mit R _g =R _g,s ⊗ I^(S×S) (Gleichung 71) und
ausgedrückt werden kann. Für die Elemente
i = 1...K_B, j = 1...K_B der Matrix R _g gilt dabei
Ein Vergleich von Gleichung (70) und (24) zeigt, dass Gleichung (62) formal mit dem Optimierungskriterium Gleichung (24) übereinstimmt. Wenn folglich an der Sendestation BS das totale Sendesignale s nach Gleichung (3) mit Hilfe des GJT-Verfahrens generiert wird, so erlaubt die Wahl von R in Gleichung (42) und (43) gemäß Gleichung (71) und (73) das Generieren eines solchen totalen Sendesignals s , das in der Ebene im gewichteten Mittel minimale Energie abgestrahlt. Nach Vergleich von Gleichung (50), (57) und (64) mit Gleichung (72) ist leicht erkennbar, dass sich die diskutierten Optimierungskriterien durch geeignete Wahl von g(α) unmittelbar als Spezialfall von Gleichung (70) bis (72) darstellen lassen.
In 3 sind die den jeweiligen Optimierungskriterien zugehörigen normierten Gewichtsfunktionen g(α) wiedergegeben.
Die verschiedenen vorab eingeführten Optimierungskriterien können, wenn die unterschiedlichen Richtcharakteristiken kombiniert werden sollen, auch zu einer neuen Matrix R _c zusammengefasst werden. Dabei sind die jeweiligen Matrizen R _a , R _d , R _m , R _o und R _g in geeigneter Weise zu kombinieren. Kombinationen von R _a und mindestens einer der Matrizen R _d , R _m , R _o und R _g lassen sich demnach stets auf die Kombination von R _a und R _g zurückführen. Mit dem reellwertigen Parameter p, p ∊ [0, 1], ergibt sich für die kombinierte Matrix
4 zeigt nun ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung des Sendesignalvektors. Dabei wird in Schritt 1 die hermitische Matrix R aufgestellt, über die die die Sendecharakteristik betreffenden Gütekriterien, wie zum Beispiel eine Richtcharakteristik des Sendesignals, berücksichtigt werden. In einem zweiten Schritt wird in einer hermitischen Ergebnismatrix, die in den meisten Fällen durch die Energie des Sendesignal als Funktion des Sendesignalvektors s und des der hermitischen Matrix R gegeben ist. Durch Optimierung dieser hermitischen Ergebnismatrix werden die vorgegebnen Übertragungsbedingungen wie minimale Sendeenergie bei entsprechender Sendecharakteristik berücksichtigt. In Schritt drei wird nun aus dieser hermitischen Ergebnismatrix die Modulatormatrix M abgeleitet, die zur im wesentlichen linearen Modulation des Sendesignals s verwendet wird. Durch diese Ableitung der Modulatormatrix M aus der hermitischen Ergebnismatrix gehen auch in die Modulatormatrix M die vorgegeben Übertragungsbedingungen ein. In Schritt vier werden nun die Einzelsignale
über eine Antenne mit K_B Antennenelemente mit K_B ≥ 1 abgestrahlt.
5 zeigt den modularen Aufbau der Sendeeinrichtung, wobei die Sendeeinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie zumindest eine Sendestation BS, dass sie zumindest eine Sendeantenneneinheit SE mit K_B Antennenelementen mit K_B ≥ 1 und dass sie zumindest eine Verarbeitungseinrichtung C umfasst. Die Verarbeitungseinrichtung C verarbeitet dabei die zu übertragenden Daten d zu Sendesignalen s unter Berücksichtigung vorgegebener Übertragungsbedingungen der Verfahrenschritte, wie sie in 4 dargestellt sind. Durch eine die Sendecharakteristik beschreibende, hermitische Matrix R wird somit möglich, sowohl die Sendeenergie als auch die Richtcharakteristik zu optimieren.
Dieser modulare Aufbau ermöglicht es, die unterschiedlichen Verfahrenschritte entsprechend ihrer Realisierung zu separieren. Die einzelnen Verfahrenschritte, die von der Verarbeitungseinrichtung C durchgeführt werden, sind im wesentlichen Basisbandoperationen, so dass die einzelnen Verfahrensschritte mit Methoden und Werkzeugen der digitalen Signalverarbeitung durchgeführt werden können. Für die implementierbaren Mittel zur Durchführung dieser Verfahrensschritte in Verarbeitungseinrichtungen C werden im wesentlichen zwei vorteilhafte Möglichkeiten vorgeschlagen.
Zum einen können die Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte frei programmierbare und vor allem parametrisierbare Softwarelösungen auf Recheneinheiten in der Verarbeitungseinrichtung C umfassen. Da die Recheneinheiten variabel in der Software, die sie verarbeiten können, sind, können vorteilhafterweise Modifikationen der Verfahrensschritte oder ihrer Parameter, insbesondere der hermitischen Matrix R , ohne großen Aufwand in der Verarbeitungseinrichtung C neu installiert werden. Im Fall des Funk-Kommunikationsnetzes kann die Modifikation bevorzugt über ein Sendeeinrichtungs-Netzwerk, insbesondere über Sendeeinrichtungs-Controller erfolgen, welche die einzelnen Sendeeinrichtungen steuern, so dass keine Vor-Ort-Wartungsmaßnahmen bei den Sendeeinrichtungen nötig sind.
Zum anderen können die Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte aber auch unveränderbare fest programmierte ASIC's (Application Specific Integrated Circuit) in den Verarbeitungseinrichtungen C umfassen. Der Vorteil der ASIC liegt heute in der deutlich höheren Rechengeschwindigkeit, die für die Verarbeitung großer Datenmengen nötig ist. Eine freie Parameterisierung bzw. ein Aufspielen neuer Software, wie es oben beschrieben ist, kann hier nicht durchgeführt werden.
Die Sendestation BS, als weiteres Modul der Sendeeinrichtung, umfasst Mittel zur Umsetzung des Basisbandsignals in Hochfrequenzsignale.
Desweiteren umfasst die Sendeeinrichtung die Sendeantenneneinheit SE, die Einrichtungen zur Abstrahlung der Hochfrequenzsignale über die K_B Antennenelemente umfasst.

Claims

Verfahren zum Generieren eines Sendesignalvektors s in einem Funk-Kommunikationssystem mit mindestens einer Sendestation (BS) und mindestens einer Empfangsstation (MS), wobei der Sendesignalvektor s = M · d durch lineare Modulation mindestens eines zu übertragenden Datenvektors d mit einer Modulatormatrix M generiert wird, wobei die Sendestation (BS) eine Antenne mit K_B Antennenelemente mit K_B ≥ 1 umfasst, über welche Einzelsignale
abgestrahlt werden, wobei der Sendesignalvektor s die Einzelsignale
als Komponenten umfasst mit k_B = 1...K_B, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Sendecharakteristik beschreibende, hermitische Matrix R aufgestellt wird, dass eine den Sendesignalvektor s und die Matrix R be wertende Ergebnismatrix in hermitischer Form gebildet wird, die bei der Sendestation zu vorgegebenen Übertragungsbedingungen führt, dass die Modulatormatrix M aus der Ergebnismatrix abgeleitet wird und dass die Einzelsignale
mit Hilfe der Modulatormatrix M vor der Abstrahlung berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Sendeenergie und die durch die Matrix R bestimmte Richtcharakteristik als vorgegebene Übertragungsbedingungen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sendestation (BS) und die mindestens eine Empfangsstation (MS) über mindestens einen durch die Kanalmatrix H charakterisierten Funkkanal verbunden sind und dass die Ergebnismatrix in hermitischer Form durch E = 1 / 2 · s *^T· R · s gegeben ist, so dass die Modulatormatrix M zu M = R ^–1· B *^T·( B · R ^–1· B *^T)^–1 bestimmt wird, wobei die in der Modulatormatrix M enthaltene Systemmatrix B = D · H durch das Produkt der Demodulatormatrix D und der Kanalmatrix H gegeben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix R durch
gegeben ist mit z einer reellen Zahl ohne Null und I der Einheitsmatrix und S der Dimension der Einzelsignale
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix R durch R = R _d = R _d,s ⊗ I^(S×S) mit R _d,s = a (α)*· a(α)^T gegeben ist mit einem Steering Vektor
wobei β(α) = 2π / λ ·(cos(α), sin(α)) und r⁽ⁱ⁾ die Position des i-ten Antennenelements ist mit i = 1...K_B.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix R zu R = R _m = R _m,s ⊗ I^(S×S) mit
gewählt wird mit einem Steering Vektor
wobei K_d die Zahl der Richtungen und
die zugehörige Richtungsbestimmung mit k_d = 1...K_d bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix R zu R = R _o,s ⊗ I^(S×S) mit
den Elementen von R _o,s gewählt wird mit J₀ der Besselfunktion als Funktion von r⁽ⁱ⁾ – r⁽ ^j ⁾, dem Abstand zweier Antennenelemente und λ der zu einer dem Funkkanal zugeordneten Funkfrequenz korrespondierenden Wellenlänge.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix R zu R = R _g = R _g,s ⊗ I^(S×S) mit
den Elementen von R _g,s gewählt wird mit β(α) = 2π / λ ·(cos(α), sin(α)) und r⁽ⁱ⁾ – r^(j) dem Abstand zweier Antennenelemente und g(α) einer normierten Gewichtsfunktion.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Matrix R aus den vorher beschriebenen Matrizen R _a , R _d , R _m , R _o und R _g insbesondere in einer Linearkombination zusammensetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Funk-Kommunikationssystem nach dem CDMA Standard, insbesondere FD-CDMA oder TD-CDMA Standard spezifiziert ist.
Sendeeinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche mit – zumindest einer Sendestation (BS), – zumindest einer Sendeantenne (SE) mit K_B Antennenelementen mit K_B ≥ 1 und – zumindest einer Verarbeitungseinrichtung (C) zum Verarbeiten von zu übertragenden Daten d zu Sendesignalen s unter Berücksichtigung vorgegebener Übertragungsbedingungen durch eine die Sendecharakteristik beschreibende, hermitische Matrix R .