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Die Erfindung betrifft ein mobiles Endgerät mit Funkschnittstelle mit adaptivem Antennensystem zum Senden und/oder zum Empfangen von Informationen.
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Bei einer drahtlosen Übertragung von Daten über eine Funkschnittstelle ist es u. a. ein Ziel, eine unter unterschiedlichen Ausbreitungsbedingungen und möglichen Störungen robuste, zuverlässige, effiziente und schnelle Verbindung aufrecht zu erhalten. Es werden dabei zunehmend Mehrantennensysteme (MIMO Multiple Input Multiple Output) verwendet, durch die eine Richtwirkung erzielbar ist. Dies wird heute insbesondere bei ortsfesten Funkstationen (z. B. bei UMTS Basisstationen) eingesetzt.
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Es ist weiterhin bekannt, dass eine Funk-Basisstation ein sogenanntes Beamforming (Einstellen der Ausstrahlungsrichtung) durchführen kann, um eine Antenne für Senden und Empfangen auf eine stationäre oder sich bewegende Mobilstation auszurichten.
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In der US Patentschrift
US 7565169 B1 ist beispielsweise ein WLAN Access Point offenbart, der seine Ausrichtung im Erdmagnetfeld ermittelt. Dadurch ist es möglich, dass die Richtung der Funkabdeckung eines solchen Access Points mit einer Richtantenne bestimmt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein mobiles Endgerät mit integrierter Funkschnittstelle bereitzustellen, wobei die Richtwirkung der Funkschnittstelle automatisch adaptiv anpassbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein mobiles Endgerät, umfassend:
- a) eine Funkschnittstelle mit adaptivem Antennensystem zum Senden und/oder zum Empfangen von Informationen;
- b) eine Sensorik zum Ermitteln von Bewegungs- und/oder Lagedaten des mobilen Endgerätes;
- c) eine Beamforming-Einheit zur Durchführung eines Beamforming für das adaptive Antennensystem in Abhängigkeit der ermittelten Bewegungs- und/oder Lagedaten des mobilen Endgerätes. Beamforming ist eine bekannte Methode zur Ortung und Positionsbestimmung von Wellen (z. B. Schallwellen oder Radiowellen). Durch Beamforming werden Störeinflüsse in der Umgebung beim Empfangen und beim Senden der Wellen unterdrückt. Beamforming ermöglicht es, dass sich das Strahlungsprofil einer Antenne oder eines Antennensystems einer beliebig gestalteten geometrischen Kontur (z. B. Geräte- oder Umgebungskontur) anpassen kann. Durch Beamforming wird ein Strahlungsmuster für das zu verwendende Antennensystem hergestellt, wobei Signalphasen bezüglich der gewünschten Strahlungsrichtung konstruktiv erzeugt werden und diejenigen Strahlungsmuster für ungewünschte Ziele unterdrückt werden. Dies kann z. B. durch FIR Filter (Finite Impulse Response) oder Korrelationsverfahren erfolgen. Mobile Endgeräte wie z. B. Handys, Smartphones, MP3-Player, Notebooks, Laptops, PDAs (Personal Digital Assistant) sind heutzutage üblicherweise mit Bewegungs- und/oder Lagesensoren ausgestattet. Endgeräte für Spielkonsolen oder Smartphones sind zusätzlicherweise oft mit Beschleunigungssensoren ausgestattet. Diese sowieso schon im Endgerät vorhandene Sensorik wird verwendet, um das Antennensystem der Funkschnittstelle des Endgerätes in Abhängigkeit von der Lage und/oder der Bewegung des Endgerätes automatisch zu adaptieren, um so einen möglichst guten Empfang für das Endgerät zu haben.
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Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass von der Sensorik Drehbewegungen und/oder Translationsbewegungen und/oder Neigungen des mobilen Endgerätes ermittelt werden. Dadurch wird der Funkempfang des Endgerätes verbessert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass von der Sensorik erfasst wird, ob sich das Endgerät in unmittelbarer Nähe zu einem Körperteil oder einem Gegenstand befindet. Die Platzierung der Antenne im mobilen Endgerät kann bei bestimmten Gegebenheiten (Halten des Gerätes mit der linken oder der rechten Hand) beim Telefonieren für die Güte des Empfangs verantwortlich sein. Dies wird erfindungsgemäß erkannt und durch das adaptive Beamforming kompensiert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass in Abhängigkeit der ermittelten Bewegungs- und/oder Lagedaten des mobilen Endgerätes die Regelgeschwindigkeit des verwendeten Beamforming-Algorithmus angepasst wird. Dadurch wird weiterhin der Empfang des Endgerätes verbessert oder der Stromverbrauch reduziert. Die Regelgeschwindigkeit des verwendeten Beamforming-Algorithmus kann auch bezüglich Benutzeranforderungen oder des Benutzerverhaltens angepasst werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass in Abhängigkeit der ermittelten Bewegungs- und/oder Lagedaten des mobilen Endgerätes die durch das Beamforming erfolgte Ausrichtung (Richtwirkung) des Antennensystems bezüglich Stärke und/oder Richtung gebündelt wird. Auch dadurch wird der Empfang des mobilen Endgerätes verbessert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass bei einer Bewegung des mobilen Endgerätes Parameter des Beamforming-Algorithmus auf Defaultwerte gesetzt werden. Dadurch kann z. B. eine gleichförmige Rundstrahlung erreicht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass Parameter des Beamforming-Algorithmus in Abhängigkeit von einer erkannten Bewegung modifiziert werden. So können z. B. Teilantennen aktiviert oder deaktiviert werden, oder zulässige Wertebereiche für Beamforming-Parameter angepasst werden, um den Empfang und die Sendeleistung des Gerätes zu verbessern.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass Parameter des Beamforming-Algorithmus in Abhängigkeit von einer erkannten Bewegung dergestalt modifiziert werden, dass die erkannte Bewegung des Endgerätes kompensiert wird. Dadurch wird die Richtwirkung im Raum bei Bewegung des Mobilgeräts näherungsweise identisch erhalten (ähnlich wie im kleinen Maßstab bei einer Bewegung einer Digitalkamera beim Auslösen diese durch eine Bewegung der Linsen oder des Photosensors kompensiert wird, um verwackelte Aufnahmen zu vermeiden). Dies kann z. B. mittels einer Tabelle mit Korrekturparametern geschehen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch Modifizierung der Parameter die Richtwirkung des Antennensystems im Raum bei Bewegung des Endgerätes im Wesentlichen erhalten bleibt. Dadurch wird auch bei Bewegung des mobilen Gerätes ein gleichbleibend guter Empfang sichergestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass es sich beim mobilen Endgerät um ein tragbares Festnetztelefon, ein Handy, einen Laptop, ein Smartphone, ein PDA oder ein Spielgerät für eine Spielkonsole handelt. Die Erfindung ist somit prinzipiell für alle Typen von mobilen Endgeräten einsetzbar.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 ein exemplarisches Schaltdiagramm für die Verwendung von Beamforming beim Senden,
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2 ein exemplarisches Schaltdiagramm für die Verwendung von Beamforming beim Empfangen,
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3 ein erstes beispielhaftes Richtdiagramm für eine Antennencharakteristik,
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4 ein zweites beispielhaftes Richtdiagramm für eine Antennencharakteristik,
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5 ein exemplarisches Schaltdiagramm für die Verwendung von Beamforming in Abhängigkeit von Sensordaten beim Senden,
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6 ein exemplarisches Schaltdiagramm für die Verwendung von Beamforming in Abhängigkeit von Sensordaten beim Empfangen, und
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7 ein beispielhaftes erfindungsgemäßes mobiles Endgerät.
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1 zeigt ein exemplarisches Schaltdiagramm für die Verwendung von Beamforming beim Senden unter der Verwendung von mehreren Antennen A1–A4.
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Das Sendesignal für Antenne Ai wird durch Multiplikation mit einem Gewichtungsfaktor wi bestimmt. Beispielhaft sind vier Antennen A1–A4 dargestellt. Das Sendesignal x wird durch eine Signalerzeugungseinheit SE1 aus den Sendedaten erzeugt (Codierung, Modulation). Die Sendedaten werden von einem Controller C1 d. h. einer Steuereinheit (CPU) bereitgestellt. Bei den Gewichtungsfaktoren wi kann es sich i. A. um komplexe Werte handeln, wodurch eine Signalamplitudenänderung sowie eine Phasenverschiebung verursacht wird. Die Gewichtungsfaktoren wi werden durch eine Beamforming-Einheit BE1 bestimmt. Im Beispiel nach 1 sind 4 Antennenelemente A1 bis A4 dargestellt. Es kann eine unterschiedliche Anzahl von Antennenelementen vorgesehen sein, z. B. auch 2, 8, 16, 32, 48, 64, 128 etc. Je mehr Antennenelemente vorgesehen sind, eine desto genauere Richtwirkung ist i. A. erzielbar.
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2 zeigt ein exemplarisches Schaltdiagramm für die Verwendung von Beamforming beim Empfangen unter der Verwendung von mehreren Antennen A1–A4. Beim Empfangen ist der Fluss spiegelbildlich im Vergleich zum Senden (siehe 1). Die Teilsignale werden nach der Multiplikation mit Gewichtungsfaktor summiert (Σ), durch eine Decodiereinheit DE1 decodiert und einem Controller C2 zur weiteren Bearbeitung als Empfangsdaten bereitgestellt. Auch beim Empfangen werden die Gewichtungsfaktoren wi durch eine Beamforming-Einheit BE2 bestimmt. Im Beispiel nach 2 sind ebenfalls 4 Antennenelemente A1 bis A4 dargestellt. Es kann eine unterschiedliche Anzahl von Antennenelementen vorgesehen sein.
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3 zeigt ein erstes beispielhaftes Richtdiagramm für eine Antennenabstrahlcharakteristik für eine gerichtete Abstrahlung. 3 zeigt, in welche Richtung wie stark von einer Antenne abgestrahlt wird. Bei der gerichteten Antennencharakteristik ist im Beispiel nach 3 die Hauptstrahlrichtung nach rechts gerichtet. Neben der Hauptstrahlrichtung gibt es noch, mit geringerer Stärke abgestrahlte Nebenstrahlrichtungen (links, oben, unten).
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4 zeigt ein zweites beispielhaftes Richtdiagramm für eine Antennenabstrahlcharakteristik für eine ungerichtete Abstrahlung. Bei der in 4 dargestellten Rundabstrahlung wird in alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt. Durch geeignete Wahl von Gewichtungsparametern wi kann die Richtwirkung eines Antennensystems elektronisch verändert werden. Dadurch kann eine unterschiedliche Antennenabstrahlcharakteristik eingestellt werden.
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5 zeigt ein exemplarisches Schaltdiagramm für die Verwendung von Beamforming in Abhängigkeit von Sensordaten beim Senden. Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, Beamforming abhängig von der Bewegung und/oder Lage eines mobilen Endgerätes durchzuführen. Heutzutage sind viele mobile Geräte (z. B. Smartphones, Mobiltelefone, PDA mit Funkschnittstelle oder Satellitenempfänger (z. B. portable Navigationsgeräte basierend auf GPS, Galileo, GLONASS etc.) bereits mit Bewegung- und/oder Lagesensoren ausgestattet oder mit einer Sensorik nachrüstbar. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Sensorik S1 (z. B. einen oder mehrere Bewegungs-/Lagesensoren BLS; Berührungssensoren im Gehäuse oder eines berührungsempfindlichen Bildschirms, um die Art des Haltens durch einen Nutzer zu bestimmen) zu verwenden, um abhängig von den ermittelten Bewegungs-/Lagedaten ein Beamforming durchzuführen. Es handelt sich dabei um ein adaptives Beamforming in Abhängigkeit der von der Sensorik S1 ermittelten Bewegungs- und/oder Lagedaten des mobilen Gerätes. Dabei werden durch die Beamforming-Einheit BE3 die Gewichtungsparameter wi abhängig von den von der Sensorik S1 ermittelten Bewegungs- und/oder Lagedaten des mobilen Gerätes bestimmt.
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5 zeigt ein exemplarisches Schaltdiagramm für die Verwendung von Beamforming in Abhängigkeit von Sensordaten, die von der Sensorik S1 bereitgestellt werden, beim Senden unter der Verwendung von mehreren Antennen A1–A4.
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Das Sendesignal für Antenne Ai (A1–A4) wird durch Multiplikation mit einem Gewichtungsfaktor wi bestimmt. Beispielhaft sind vier Antennen A1–A4 dargestellt. Das Sendesignal x wird durch eine Signalerzeugungseinheit SE2 aus den Sendedaten erzeugt (Codierung, Modulation). Die Sendedaten werden von einem Controller C3 d. h. einer Steuereinheit (CPU) bereitgestellt. Bei den Gewichtungsfaktoren wi kann es sich i. A. um komplexe Werte handeln, wodurch eine Signalamplitudenänderung sowie eine Phasenverschiebung verursacht wird. Die Gewichtungsfaktoren wi werden durch eine Beamforming-Einheit BE3 in Abhängigkeit der Sensordaten (Lage/Bewegung/Beschleunigung des Gerätes; Berührungssensoren im Gehäuse oder eines berührungsempfindlichen Bildschirms, um die Art des Haltens durch einen Nutzer zu bestimmen) bestimmt. Im Beispiel nach 5 sind 4 Antennenelemente A1 bis A4 dargestellt. Es kann eine unterschiedliche Anzahl von Antennenelementen vorgesehen sein, z. B. auch 2, 8, 16, 32, 48, 64, 128 etc. Je mehr Antennenelemente vorgesehen sind, eine desto genauere Richtwirkung ist i. A. erzielbar.
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6 zeigt ein exemplarisches Schaltdiagramm für die Verwendung von Beamforming in Abhängigkeit von Sensordaten beim Empfangen von Signalen unter der Verwendung von mehreren Antennen A1–A4. Beim Empfangen ist der Fluss spiegelbildlich im Vergleich zum Senden (siehe 5). Die Teilsignale werden nach der Multiplikation mit Gewichtungsfaktoren wi summiert (Σ), durch eine Decodiereinheit DE2 decodiert und einem Controller C4 zur weiteren Bearbeitung als Empfangsdaten bereitgestellt. Auch beim Empfangen werden die Gewichtungsfaktoren wi durch eine Beamforming-Einheit BE4 bestimmt. Die Gewichtungsfaktoren wi werden durch die Beamforming-Einheit BE4 in Abhängigkeit der Sensordaten (Lage/Bewegung/Beschleunigung des Gerätes; Berührungssensoren im Gehäuse oder eines berührungsempfindlichen Bildschirms, um die Art des Haltens durch einen Nutzer zu bestimmen) bestimmt. Im Beispiel nach 6 sind ebenfalls 4 Antennenelemente A1 bis A4 dargestellt. Es kann eine unterschiedliche Anzahl von Antennenelementen vorgesehen sein.
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7 zeigt ein beispielhaftes erfindungsgemäßes mobiles Endgerät ME. Mobilgeräte ME haben heutzutage u. a. einen Lagesensor S3, um das Display automatisch zwischen einer Hochformat-Darstellung und einer Querformatdarstellung umzuschalten. Außerdem sind Bewegungssensoren für die Steuerung z. B. von Spielen vorhanden oder nachrüstbar. Es können im Gehäuse berührungs-Sensoren vorgesehen sein, um die Art des Haltens durch einen Nutzer zu ermitteln. Weiterhin kann das Display als berührungsempfindliches Display (Touch Screen) ausgebildet sein. Durch einen großflächigen Druck auf das Display oder durch ein einem menschlichen Ohr entsprechendem Druckprofil kann z. B. auf ein Halten am Ohr geschlossen werden.
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Es wird vorgeschlagen, auf einem Mobilgerät ME mit einer Funkschnittstelle FS, die ein adaptives Antennensystem aufweist, eine Bewegungs- und/oder Lageinformation des Mobilgeräts ME durch eine geeignete Sensorik S3 zu ermitteln und davon abhängig das adaptive Antennensystem der Funkschnittstelle FS mit Hilfe eines von den Sensordaten abhängigen Beamformings zu betreiben. Das Beamforming wird von einer im mobilen Gerät ME integrierten Beamforming-Einheit BE5 durchgeführt. Im bzw. am Gehäuse des Mobilgeräts ME sind mehrere Antennen des Antennensystems verbaut, z. B. entlang der Außenkanten. Diese sind grundsätzlich flexible im Mobilgerät anordenbar, z. B. auch auf der Vorderseite, Rückseite oder mittig.
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Die Sensoren S3 zum Ermitteln einer Bewegungs- und/oder Lageinformation des Mobilgeräts ME können eine Drehbewegung, Translationsbewegung und/oder eine Neigung erfassen. Indirekt kann eine Bewegungs- und/oder Lageinformation durch weitere Sensoren ermittelt werden, z. B. durch Berührungssensoren zum Erfassen der Halteposition bzw. Der Nutzungsart (z. B. Halten am Kopf oder frei) oder durch ein Lokalisierungssystem (z. B. Peilung Basisstation, Satellitennavigationsempfänger für ein GPS oder Galileo Signal).
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Es kann dabei insbesondere
- – der Bereich der vorgenommenen Bündelung (Richtwirkung) beschränkt werden (Stärke der Bündelung, Richtungen der Bündelung),
- – die Regelgeschwindigkeit eines Beamforming-Algorithmus angepasst werden,
- – bei einer Bewegung Parameter des Beamforming-Algorithmus auf Default-Werte gesetzt werden (z. B. für eine gleichmäßige Rundstrahlung, insbesondere bei einer Bewegung einer bestimmten Art, z. B. Drehung des Mobilgeräts um mehr als 30° oder bei einer ruckartigen Bewegung),
- – manche Teilantennen deaktiviert oder aktiviert werden,
- – zulässige Wertebereiche für Beamforming-Parameter angepasst werden,
- – eine Modifikation der aktuellen Beamforming-Parameter abhängig von einer Bewegung erfolgen. Dies kann insbesondere dergestalt realisiert sein, dass eine Bewegung des Mobilgeräts kompensiert wird, d. h. die Richtwirkung im Raum bei Bewegung des Mobilgeräts näherungsweise identisch erhalten bleibt (ähnlich wie im kleinen Maßstab bei einer Bewegung einer Digitalkamera beim Auslösen diese durch eine Bewegung der Linsen oder des Photosensors kompensiert wird, um verwackelte Aufnahmen zu vermeiden). Dies kann z. B. mittels einer Tabelle mit Korrekturparametern geschehen.
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Bei einer Bewegung kann weniger stark gebündelt (Richtwirkung) bzw. langsamer eine Richtwirkung ausgeprägt werden als bei einem ruhendem Gerät ME. Somit wird nicht versehentlich ein negativer Effekt durch die Bündelung erreicht, bei dem die Richtwirkung von dem Kommunikationspartner (Basisstation) wegbewegt/weggedreht wird. ”Unnütze” Abstrahlung (z. B. zu Objekt/Nutzer in direktem Kontakt) kann vermieden werden. Dadurch werden die Strahlenbelastung vermieden und der Energieverbrauch des mobilen Gerätes ME verringert.
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Mobiles Endgerät (z. B. Handy, Laptop, Smartphone, PDA oder ein Spielgerät für eine Spielkonsole) mit Funkschnittstelle mit adaptivem Antennensystem zum Senden und/oder zum Empfangen von Informationen, eine Sensorik zum Ermitteln von Bewegungs- und/oder Lagedaten des mobilen Endgerätes, und eine Beamforming-Einheit zur Durchführung eines Beamforming für das adaptive Antennensystem in Abhängigkeit der ermittelten Bewegungs- und/oder Lagedaten des mobilen Endgerätes. Sowieso schon im Endgerät vorhandene Sensorik wird verwendet, das Antennensystem der Funkschnittstelle des Endgerätes in Abhängigkeit von der Lage und/oder der Bewegung des Endgerätes automatisch zu adaptieren, um so einen möglichst guten Empfang für das Endgerät zu haben.
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Bezugszeichenliste
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- A1–A4
- Antenne
- BE1–BE5
- Beamforming-Einheit
- SE1, SE2
- Signalerzeugungseinheit
- DE1, DE2
- Decodiereinheit
- C1–C4
- Controller
- ME
- Mobiles Endgerät
- FS
- Funkschnittstelle
- S1–S3
- Sensorik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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