DE102018110156A1

DE102018110156A1 - Digitales, verteiltes, drahtloses Kommunikations-System und Konzentrator

Info

Publication number: DE102018110156A1
Application number: DE102018110156.2A
Authority: DE
Inventors: Roland Gabriel; Burkhard Mann
Original assignee: Kathrein SE
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2019-10-31
Also published as: EP3785375A1; US20210119672A1; WO2019206372A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein digitales, verteiltes, drahtloses Kommunikations-System, aufweisend mindestens zwei zueinander benachbart angeordnete Basisstationsantennen, welche als Sektor-Antennen mit unterschiedlicher, aber benachbarter Sektorausleuchtung ausgeführt sind, und einen Konzentrator, welcher mit den Sektor-Antennen mittels eines digitalen Kommunikationssignals mit jeweils separat zu jeder Sektor-Antenne zugeordneten antennenseitigen Datenströmen kommuniziert. Der Konzentrator kombiniert die empfangenen antennenseitigen Datenströme der Sektor-Antennen auf eine von der Anzahl der antennenseitigen Datenströme abweichende Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen unter Nutzung einer Signalverarbeitungs-Matrix-Operation, wobei zumindest einer der vom Konzentrator ausgehenden netzwerkseitigen Datenströme Teile von zumindest zwei antennenseitigen Datenströmen von mindestens zwei benachbarten Sektor-Antennen beinhaltet. Ferner werden ein Konzentrator und ein Verfahren zur gemeinsamen Signalverarbeitung von Datenströmen mehrerer zueinander benachbart angeordneter Basisstationsantennen vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein digitales, verteiltes, drahtloses Kommunikations-System und einen Konzentrator.
Im Stand der Technik sind Mobilfunknetze bekannt, welche mit einer oder mehreren Basisstationen an dem jeweiligen Mobilfunk-Standort bestückt sind, und welche die von einer Antenne empfangenen Signale in einem mehrstufigen Prozess in das Basisband transformieren. Umgekehrt werden von der Antenne Signale abgestrahlt, welche aus den Nutzerdaten über die entsprechenden Signalverarbeitungsschritte in ein Hochfrequenzsignal transformiert werden. Dabei können in einer Basisstation bereits mehrere Sektoren erfasst werden. Üblicherweise enthält jeder dieser Sektoren eine eigene „Cell-ID“ (LTE: PHY-Layer Cell ID = 3*(Cell ID Group) + Cell ID Sector), d.h. er wird als eigene Zelle betrachtet. Dabei wird somit bei einem Übergang von einem in den nächsten Sektor ein Handover nötig. Auch bei Vereinfachung des Handovers bspw. durch Zuweisung neuer Ressourcen wie ein anderer Zeitschlitz oder andere OFDM-Frequenz wird zwar ein hartes Handover vermieden und ein Übergang kann im Rahmen der Ressourcenzuweisung erfolgen (RRM - Radio Ressource Management), jedoch können diese Ressourcen damit nicht gleichzeitig in beiden Sektoren genutzt werden und die Zuweisung erfolgt in den höheren Schichten der Signalverarbeitung. Dies hat wiederum Laufzeit-Nachteile.
Bekannt sind weiterhin verteilte Radio-Netzwerke, welche ein gemeinsames Verarbeiten einer Vielzahl von Antennenstandorten ermöglichen. Hierbei werden die erfassten Datenströme in einem RF-IQ- Format bspw. CPRI oder ORI an ein Cluster von Basis-Band Rechnern übertragen und dann gemeinsam bezüglich einer linearen Superposition, d.h. einem Beamforming, verarbeitet. Aus dem Stand der Technik sind hierfür aber nur für ein verteiltes Netzwerk - insbesondere für Indoor-Versorgungs-Netzwerke- für jeden Antennenstandort maximal eine 2fach-MIMO Implementierung bekannt, siehe z.B. K-BOW-System der Kathrein Werke KG.
In der Veröffentlichung „Intra Site COMP in LTE-A Systems: an Antenna-Selected - Based Solution“ (Bin-Sung Liao, Wen Rong Wu, and Hung-Tao Hsieh, Department of Electrical Engineering, National Chaio Tung University Hsinchu, Taiwan in 2012 IEEE Wireless Communications and Networking Conference: PHY and Fundamentals, S. 832 ff., DOI: 10.1109/WCNC.2012.6214487) wird demgegenüber ein System von vielen Antennen vorgeschlagen, welches dann ein höheres MIMO Cluster darstellt. Hierbei wird aber auch darauf verwiesen, dass dieses System bisher in keinem Standard definiert wurde und eine zu komplexe Signalverarbeitung beinhaltet. Beispielsweise wird festgestellt, dass ein Netzwerk-MIMO-System zur Signalübertragung bzw. zum Signalempfang konstruiert werden kann. Vorcodierung in einem solchen System wird eine bessere Performanz haben, aber ein hochdimensionales Kodierbuch, welches nicht von aktuellen LTE-A-Systemen unterstützt wird. (Original: „we can construct a network MIMO system for signal transmission/reception. Precoding in such system will have better performance, however, it require a high dimension codebook which is not supported by current LTE-A systems“). Ebenfalls wurde in diesem Artikel nicht erwähnt, wie sich eine kostengünstige Lösung, insbesondere mit einer realisierbaren Laufzeitanforderung, ein System für höhere MIMO-Moden und mehrere Antennen umsetzen lässt. Zwar wird in diesem Artikel darauf verwiesen, dass nur eine begrenzte Anzahl von Antennen für ein MIMO Cluster selektiert werden sollte, jedoch wird die Auswahl derselben von theoretischen Korrelationswerten abgeleitet und keine realisierte physikalische Umsetzung gezeigt.
In der Veröffentlichung „Inter-Cluster Design of Wireless Fronthaul and Access Links for the Downlink of C- RAN“ (Seok-Hwan Park, Changick Song and Kyoung-Jae Lee, in IEEE WIRELESS COMMUNICATIONS LETTERS, VOL. 6, NO. 2, APRIL 2017, DOI: 10.1109/LWC.2017.2671431) ist ein mathematischer Ansatz zur Kombination mehrerer Antennen beschrieben, eine praktische Umsetzung ist hierbei nicht gezeigt. Nachteilig ist dieser Veröffentlichung auch zu entnehmen, dass das Berechnungsverfahren sehr aufwendig wird, insbesondere wenn das Cluster sehr groß wird. Des Weiteren werden in diesem bekannten Ansatz alle Signale bis in das Basisband, d.h. den Datenstrom des Endnutzers, transformiert. Auch werden hier die Verfahren „coordinated multipoint transmission“ und „coordinated multipoint reciving“ nicht vom dort simulierten Beamforming getrennt. Eine physikalische Umsetzung ist nicht gezeigt. Auch für größere Cluster sind insbesondere keine Mechanismen zur Synchronisation der Phasenlage der verteilten Standorte aufgezeigt, so dass diese Quelle eine rein mathematische Simulation einer hypothetischen Verteilung darstellt.
In US9026036B2 wird weiterhin beispielsweise ein verteiltes DAS-System beschrieben, welches an eine Basisstation andockt, somit also keine eigene Basisband-Verarbeitung enthält. Hierbei wird eine Übertragung über ein Ethernet basierend auf Zwischenfrequenzadaptionen vorgestellt.
Nachteilig bei den bisher bekannten Lösungen und Implementierungen sind einerseits die hohen Anforderungen an extreme Datenrate sowie Synchronität und Latenz der geforderten „Fronthaul“- Verbindungen zu den Rechen-Clustern zur Basisband-Signalverarbeitung. Alternativ beinhalten bekannte Lösungen die komplette Basisband-Verarbeitung unmittelbar in der jeweiligen Antenne (Small Cell Ansatz). Diese wiederum erlaubt keine Nutzung von benachbarten Antennen für ein gemeinsames MIMO-Processing.
Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Kommunikations-System und einen Konzentrator, sowie ein Signalverarbeitungs-Verfahren bereitzustellen, durch welche eine Übertragung mit hoher Datenrate bei geringen Latenzzeiten möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird ein digitales, verteiltes, drahtloses Kommunikations-System, aufweisend mindestens zwei zueinander benachbart angeordnete Basisstationsantennen, welche als Sektor-Antennen mit unterschiedlicher, aber benachbarter Sektorausleuchtung ausgeführt sind, und einen Konzentrator, welcher mit den Sektor-Antennen mittels eines digitalen Kommunikationssignals mit jeweils separat zu jeder Sektor-Antenne zugeordneten antennenseitigen Datenströmen kommuniziert. Der Konzentrator kombiniert die empfangenen antennenseitigen Datenströme der Sektor-Antennen auf eine von der Anzahl der antennenseitigen Datenströme abweichende Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen unter Nutzung einer Signalverarbeitungs-Matrix-Operation, wobei zumindest einer der vom Konzentrator ausgehenden netzwerkseitigen Datenströme Teile von zumindest zwei antennenseitigen Datenströmen von mindestens zwei benachbarten Sektor-Antennen beinhaltet.
Somit ist eine gemeinsame Signalverarbeitung von Signalen von mehreren Antennen an einem Antennenstandort, als auch gleichzeitig ausreichend Spielraum für eine synchrone Signalverarbeitung von mehreren direkt zueinander benachbarten Antennenstandorten ermöglicht, z.B. für ein gemeinsames MIMO-Processing.
In einer Ausführung werden die vom Konzentrator zu den Sektor-Antennen gesendeten antennenseitigen Datenströme zeitlich so synchronisiert gesendet, dass eine phasensynchrone Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder ein gemeinsamer MIMO-Betrieb der Sektor-Antennen erfolgt.
In einer Ausführung befinden sich alle Sektor-Antennen und der Konzentrator an einem gemeinsamen Standort, oder es befinden sich mindestens zwei der Sektor-Antennen an unterschiedlichen Standorten, und der Konzentrator befindet sich entweder an einem der Standorte oder in einem Bereich zwischen den Standorten, oder es befinden sich mindestens zwei der Sektor-Antennen an einem gemeinsamen Standort und weitere Sektor-Antennen an zueinander direkt benachbarten Standorten, und der Konzentrator befindet sich entweder an einem der Standorte oder in einem Bereich zwischen den Standorten. Durch Bereitstellen des Konzentrators nahe am Antennenstandort werden Latenzzeiten verkürzt und damit eine synchrone Übertragung ermöglicht.
In einer Ausführung bildet die Signalverarbeitungs-Matrix-Operation, welche auf die antennenseitigen Datenströme von zumindest zwei Sektor-Antennen zum Konzentrator hin angewendet wird, im Konzentrator die antennenseitigen Datenströme mittels einer linearen komplexen Matrixoperation durch eine Matrix mit komplexen Koeffizienten auf eine neue Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen ab, und führt sie danach einer weiteren Matrix-Operation zur phasensynchronen Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder MIMO-Verarbeitung zu.
In einer Ausführung erzeugt die komplexe Matrixoperation eine größere Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen als antennenseitige Datenströme eingehen, indem zusätzlich jeweils Teile von zwei antennenseitigen Datenströmen benachbarter Sektor-Antennen zu einem neuen Datenstrom kombiniert werden.
In einer Ausführung werden Koeffizienten linearen komplexen Matrixoperation nach vorgegebenen Erfolgskriterien modifiziert, und anschließend der weiteren Matrix-Operation zur phasensynchronen Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder MIMO-Verarbeitung übergeben.
In einer Ausführung werden die Koeffizienten der komplexen Matrixoperation mittels eines Optimierungsalgorithmus in Abhängigkeit von den vorgegebenen Erfolgskriterien nach der weiteren Matrix-Operation zur MIMO-Verarbeitung nachgeführt.
Die Verarbeitung der Datenströme kann auf unterschiedliche Weise optimiert werden, so dass der gemeinsame MIMO-Betrieb optimiert wird.
Ferner wird ein Konzentrator bereitgestellt, der dazu eingerichtet ist, eine gemeinsame Signalverarbeitung von Datenströmen mehrerer zueinander benachbart angeordneter Basisstationsantennen, welche als Sektor-Antennen mit unterschiedlicher, aber benachbarter Sektorausleuchtung ausgeführt sind, bereitzustellen, wobei der Konzentrator hierfür aufweist:

- Sende- und Empfangsmittel zum Senden und/oder Empfangen von einzelnen Sektor-Antennen zugeordneten antennenseitigen Datenströmen und netzwerkseitigen Datenströmen,
- Signalverarbeitungsmittel zum Verarbeiten der Datenströme derart,

In einer Ausführung bildet die Signalverarbeitungs-Matrix-Operation, welche auf die antennenseitigen Datenströme von zumindest zwei Sektor-Antennen zum Konzentrator hin angewendet wird, im Konzentrator die antennenseitigen Datenströme mittels einer linearen komplexen Matrixoperation durch eine Matrix mit komplexen Koeffizienten auf eine neue Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen ab und führt sie danach einer weiteren Matrix-Operation zur MIMO-Verarbeitung zu. Alternativ erzeugt die Signalverarbeitungs-Matrix-Operation mittels einer linearen komplexen Matrixoperation durch eine Matrix mit komplexen Koeffizienten eine größere Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen, als antennenseitige Datenströme eingehen, indem zusätzlich jeweils Teile von zwei antennenseitigen Datenströmen benachbarter Sektor-Antennen zu einem neuen Datenstrom kombiniert werden.
In einer Ausführung werden Koeffizienten der linearen komplexen Matrixoperation nach vorgegebenen Erfolgskriterien modifiziert, und anschließend der weiteren Matrix-Operation zur phasensynchronen Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder MIMO-Verarbeitung übergeben. Alternativ werden Koeffizienten der linearen komplexen Matrixoperation nach vorgegebenen Erfolgskriterien modifiziert, und anschließend der weiteren Matrix-Operation zur phasensynchronen Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder MIMO-Verarbeitung übergeben, und die Koeffizienten der linearen komplexen Matrixoperation werden mittels eines Optimierungsalgorithmus in Abhängigkeit von den vorgegebenen Erfolgskriterien nach der weiteren Matrix-Operation zur phasensynchronen Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder MIMO-Verarbeitung nachgeführt.
Ferner wird ein Verfahren zur gemeinsamen Signalverarbeitung von Datenströmen mehrerer zueinander benachbart angeordneter Basisstationsantennen bereitgestellt, welche als Sektor-Antennen mit unterschiedlicher, aber benachbarter Sektorausleuchtung ausgeführt sind. Dabei werden Datenströme von mindestens zwei zueinander benachbart angeordneter Sektor-Antennen mittels eines Konzentrators verarbeitet, so dass antennenseitige Datenströme der Sektor-Antennen auf eine von der Anzahl der antennenseitigen Datenströme abweichende Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen unter Nutzung einer Signalverarbeitungs-Matrix-Operation kombiniert werden. Dabei beinhaltet zumindest einer der vom Konzentrator ausgehenden netzwerkseitigen Datenströme Teile von zumindest zwei antennenseitigen Datenströmen von mindestens zwei benachbarten Sektor-Antennen. Alternativ beinhaltet zumindest einer der vom Konzentrator ausgehenden netzwerkseitigen Datenströme Teile von zumindest zwei antennenseitigen Datenströmen von mindestens zwei benachbarten Sektor-Antennen, und die vom Konzentrator zu den Sektor-Antennen gesendeten antennenseitigen Datenströme werden zeitlich so synchronisiert gesendet, dass eine phasensynchrone Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder ein gemeinsamer MIMO-Betrieb der Sektor-Antennen erfolgt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung des Kommunikations-Systems, des Konzentrators und des Verfahrens gemäß einer Ausführung der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Darstellung unterschiedlicher Ausführungen des Kommunikations-Systems gemäß weiteren Ausführungen der Erfindung.

Die Nutzung von benachbarten Antennen für ein gemeinsames MIMO-Processing, insbesondere in einer separaten Einheit unmittelbar am Antennenstandort, sind bisher aus dem Stand der Technik nicht ersichtlich.
Ein Ziel der Erfindung ist es also, ein geeignetes Kommunikations-System, einen Konzentrator 100 als essentiellen Bestandteil des Kommunikations-Systems sowie ein hauptsächlich in dem Konzentrator 100 durchgeführtes Signalverarbeitungs-Verfahren bereitzustellen. Hierdurch sollen sowohl eine gemeinsame Signalverarbeitung von Signalen von mehreren Antennen 1, 2 an einem Antennenstandort, als auch gleichzeitig ausreichend Spielraum für eine synchrone Signalverarbeitung von mehreren direkt zueinander benachbarten Antennenstandorten ermöglicht werden, z.B. für gemeinsames MIMO-Processing.
Das vorgeschlagene digitale, verteilte, drahtlose Kommunikations-System sowie der Ablauf des Verfahrens und der Konzentrator 100 sind schematisch in 1 (vergrößert) und 2, welche jeweils unterschiedliche Ausführungen zeigen, dargestellt. Das Kommunikations-System weist mindestens zwei Basisstationsantennen 1, 2 auf, die als Sektor-Antennen 1, 2 gebildet sind.
Sektor-Antennen 1, 2 können ein Array aus mehreren Antennen oder Antennenarrays oder mehrere Antennengruppen in einem Gehäuse sein, welche auch als Antennensysteme bezeichnet werden. Ein Antennensystem hat einen gemeinsamen Ausgang bzw. Eingang für die jeweiligen HF- Signale. Dabei werden dual-polarisierte Antennensysteme als zwei Antennensysteme betrachtet. Somit ist die Anzahl der Eingänge bzw. Ausgänge einer passiven Antenne entscheidend für die Anzahl der Antennensysteme. Die Anzahl der Eingänge bzw. Ausgänge wird auch als Port bezeichnet, d.h. eine 8-Port-Antenne beinhaltet acht Antennensysteme. Bei aktiven Antennen sind diese Ports nicht mehr unmittelbar extern zugänglich, hier werden diese bereits intern in der Antenne auf eine Sende-Empfangseinheit geschaltet und u.U. auch bereits digitalisiert. Hier korrespondiert dann die Anzahl der gesendeten bzw. empfangenen Datenströme mit den verschiedenen Antennensystemen bzw. Ports. Die Sektor-Antennen 1, 2 können aktive oder passive Antennen oder Antennenarrays sein. Sie können entweder direkt einen Remote-Radio-Head RRH aufweisen oder der Remote-Radio-Head RRH befindet sich an einer zu der zugehörigen Sektor-Antenne 1 ,2 benachbarten Position am Standort der Antenne. Die Sektor-Antennen 1, 2 weisen eine bestimmte Sektorausleuchtung auf. Bei MIMO- Betrieb, insbesondere „Multiuser-MIMO“, werden innerhalb des Sektors verschiedene Ausbreitungswege zur Trennung von Signalen genutzt. Dies resultiert dann auch in verschiedenen Strahlungskeulen zu den verschiedenen Nutzern, um eine Mehrfachausnutzung der Ressourcen zu gewährleisten. Insofern wird der Sektor allgemeiner durch die Fähigkeit der Antenne beschrieben, in diesem Bereich einen entsprechenden Beam, d.h. eine Strahlungskeule, zu generieren. Nachfolgend werden die durch das Strahlungsdiagramm der Antennen bzw. Antennenarrays gebildeten Bereiche als Ausleuchtsektoren A1-C1; A2-C2 der jeweiligen Sektor-Antenne 1, 2 bezeichnet. Somit sind sowohl die bisher vorhandenen, klar voneinander abgegrenzten Sektoren als auch die Mehrfachausnutzung der Ressourcen in einem Sektor ab dem MIMO Betrieb eingeschlossen.
Die Sektor-Antennen 1, 2 können sich entweder alle an einem gemeinsamen Standort oder an direkt zueinander benachbarten Standorten befinden. Vorteilhaft sind mindestens zwei oder drei der Sektor-Antennen 1, 2 an demselben Standort. Weitere Sektor-Antennen 1, 2, die sich an direkt dazu benachbarten Standorten befinden, können zur Signalverarbeitung bei Bedarf hinzugezogen werden. Benachbart bzw. direkt benachbart heißt, dass die Antennenstandorte unmittelbar zueinander benachbart sind, z.B. weniger als 5 km voneinander entfernt. Dabei sollten die Ausleuchtungssektoren der Sektor-Antennen 1, 2 einander überlappende Bereiche aufweisen, um das vorgeschlagene Signalverarbeitungs-Verfahren ausführen zu können. Je größer die Entfernung ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass sich Ausleuchtungssektoren benachbarter Sektor-Antennen 1, 2 überschneiden. Außerdem kann die Latenzzeit mit zunehmender Entfernung größer werden, so dass eine Synchronisierung der Signale erschwert oder unmöglich wird.
Durch die anhaltende Virtualisierung verschiedenster Anwendungen wird es vor allem bei zeitkritischen Anwendungen wie Mobilfunk immer wichtiger, auch durch die Virtualisierung auftretende Latenzzeiten in der Signallaufzeit möglichst gering zu halten. Dies wird dadurch erreicht, dass eine als Konzentrator 100 gebildete Signalverarbeitungseinheit verwendet wird. In diesem Konzentrator 100 wird vor allem der Teil der Signalverarbeitung, der zeitkritisch ist, bearbeitet. Hierzu sollte sich der Konzentrator 100 möglichst nahe an der den Sektor-Antennen 1, 2 befinden. Dies kann erreicht werden, indem der Konzentrator 100 an demselben Antennenstandort wie die Sektor-Antennen 1, 2 vorgesehen ist. Alternativ kann der Konzentrator 100 auch in einem Bereich zwischen zwei Antennenstandorten vorgesehen sein, wenn Sektor-Antennen 1, 2 unterschiedlicher Antennenstandorte zur Signalverarbeitung herangezogen werden.
Der Konzentrator 100 weist Sende- und Empfangsmittel auf. Diese können Datenströme sowohl von den Sektor-Antennen 1, 2 empfangen als auch Datenströme an die Sektor-Antennen 1, 2 schicken. Datenströme vom Konzentrator 100 zu den Sektor-Antennen 1, 2 oder von den Sektor-Antennen 1, 2 zu dem Konzentrator 100 werden als antennenseitige Datenströme Si_A bezeichnet. Antennenseitige Datenströme Si_A sind Datenströme von Seite der Sektor-Antenne(n) 1, 2, welche in einigen Ausführungen in Form von CPRI-RF-I/Q-Sampling oder als bereits vorverarbeitetes Signal, aber in jedem Falle vor dem sogenannten Layer Mapping 102, welches in dem Konzentrator 100 durchgeführt wird, vorhanden sind. Die antennenseitigen Datenströme Si_A können also CIPRI oder I/Q-Datenströme sein. Unter I/Q (In-Phase-&-Quadrature)-Sampling ist ein Verfahren zur Gewinnung einer Phaseninformation bei der Demodulation eines Signals zu verstehen. Als CPRI (common public radio interface) wird eine Schnittstelle zwischen Funkausrüstungssteuerung und Funkausrüstung bezeichnet.
Auch können die Sende- und Empfangsmittel des Konzentrators 100 Datenströme vom Konzentrator 100 zu einem oder mehreren Netzwerken N senden bzw. davon empfangen. Datenströme von dem Konzentrator 100 zu diesem bzw. diesen Netzwerken N werden als netzwerkseitige Datenströme Si_N bezeichnet. Solche Netzwerke können physisch vorhandene Netzwerke N sein, z.B. ein oder mehrere Nutzer von Mobilfunkgeräten, oder virtuelle Netzwerke, die sogenannte virtuelle Cloud.
Der Konzentrator 100 ist eine Signalverarbeitungseinheit, in der vor allem zeitkritische Verarbeitungen von Signalen erfolgen. Wichtig ist unter anderem, dass die Latenzzeit der Signallaufzeit nicht so groß wird, dass eine synchrone Verarbeitung zweier Datenströme nicht mehr möglich ist. Einer der wichtigsten Prozesse ist hierbei das Layer-Mapping. Beim Layer Mapping werden die den jeweiligen Nutzern zugeordneten Datenströme auf die verschiedenen physikalischen Ausbreitungswege innerhalb der Kanalmatrix zwischen Nutzer und Basisstationsantenne abgebildet bzw. beim „Multiuser-MIMO“ auf die verschiedenen Beams, d.h. Strahlungskeulen zu den verschiedenen Nutzern. Dazu muss die Kanalmatrix bzw. müssen die Ausbreitungseigenschaften zwischen Nutzer und Basisstationsantenne ermittelt werden. Dies kann durch eine Rückmeldung auf verschiedene Testsignale geschehen (closed loop) oder durch eine Richtungsbestimmung aus den empfangenen Signalen (open loop). Beim Layer-Mapping gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun physikalisch voneinander getrennte, aber zueinander benachbarte Sektor-Antennen 1 bzw. 2 durch eine Signalverarbeitungs-Matrix-Operation 102 miteinander kombiniert. Hierbei können also Teile zweier benachbarter Ausleuchtungssektoren A1-B1; B1-C1; C1-A1 bzw. A2-B2; B2-C2; C2-A2 in einen neuen Ausleuchtungssektor AB1, BC1, AC1 bzw. AB2, BC2, AC2 überführt und gemeinsam genutzt werden. Optional kann dieser Signalverarbeitungs-Matrix-Operation 102 eine weitere Operation vorgelagert sein, welche vorteilhaft eine lineare komplexe Matrixoperation 101 ist. Bei dieser linearen komplexen Matrixoperation 101 wird ein neuer Vektor virtueller und/oder realer bzw. physikalischer Sektor-Antennen 1, 2 durch eine lineare Matrixabbildung als Superposition der physikalischen Sektor-Antennen 1, 2 gebildet.
Dabei wird zur Optimierung versucht, eine möglichst dünnbesetzte oder schwachbesetzte Matrix (engl. sparse matrix) zu erzeugen, so dass möglichst wenig Rechenleistung benötigt wird, um den bestmöglichen Datenstrom auszuwählen. Dies wird durch Vorgabe von Erfolgskriterien erreicht. Diese wären z.B. ein möglichst starkes Empfangssignal auf Netzwerkseite N. Bei einer genügend großen Menge an Daten können die Koeffizienten der komplexen Matrixoperation 101 mittels eines Optimierungsalgorithmus in Abhängigkeit von den vorgegebenen Erfolgskriterien nach der weiteren Matrix-Operation 102 zur MIMO-Verarbeitung nachgeführt werden. Koeffizienten stellen Datenströme einzelner Sektoren bzw. Ausleuchtsektoren dar.
Die komplexe Matrixoperation 101 kann dabei eine größere Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen Si_N erzeugen, als antennenseitige Datenströme Si_A eingehen, indem zusätzlich jeweils Teile B1, C1; A2, B2 von zwei antennenseitigen Datenströmen Si_A benachbarter Sektor-Antennen 1, 2 zu einem neuen Datenstrom BC1; AB2 kombiniert werden.
Zusätzlich zu den Prozess-Schritten „MIMO“ bzw. „Beamforming“, also phasensynchrone Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung, d.h. in den Schritten, in denen der Konzentrator 100 mit den Sektor-Antennen 1, 2 mittels eines digitalen Kommunikationssignals mit jeweils separat zu jeder Sektor-Antenne 1, 2 zugeordneten antennenseitigen Datenströmen Si_A kommuniziert, und Layer Mapping, bei dem wie oben beschrieben physikalisch voneinander getrennte, aber zueinander benachbarte Sektor-Antennen 1, 2 durch eine Signalverarbeitungs-Matrix-Operation 102 miteinander kombiniert werden, kann im Konzentrator 100 vorteilhafterweise noch eine Signal-Modulation bzw. Demodulation erfolgen, da hier eine hohe Datenrate erforderlich ist.
Durch die vorgeschlagene Signalverarbeitung in einem Konzentrator 100 von mehreren zueinander benachbarten Sektor-Antennen 1, 2 ist eine mehrfache MIMO-Verarbeitung bei geringen Latenzzeiten möglich.
Auch können MU-MIMO (mulituser-multiple-input-mulitple-output)-Anwendungen, welche ein Teilbereich der MIMO-Anwendungen darstellen, realisiert werden. Unter MU-MUMO-Anwendungen werden Anwendungen verstanden, bei denen mehrere Nutzer z.B. mit einem Mobiltelefon mit einer oder mehreren Antennen mit einem System kommunizieren können, das ebenfalls mehrere Antennen aufweist. Das heißt, dass eine Sektor-Antenne 1, 2 gleich mehrere Nutzer mit unterschiedlichen Datensätzen versorgen kann.
Durch die vorliegende Erfindung können sowohl MIMO-Anwendungen als auch Beamforming- oder Mehrfachausbreitungs-Anwendungen, auch als SIMO (single-inputmultiple-output) oder MISO (multiple-input-single-output) bezeichnet, durch die Nutzung benachbarter Antennen, auch an unterschiedlichen Standorten, umgesetzt werden. Somit lässt sich insbesondere der Bereich zwischen zwei Ausleuchtungssektoren AB1, BC1, CA1; AB2, BC2; CA2 mit deutlich höheren Datenraten von bis zu 10 GBit/s oder mehr auf I/Q-Ebene versorgen und es lässt sich die Signalabdeckung verbessern. Durch die Nähe des Konzentrators 100 zum Antennenstandort werden sowohl Synchronität als auch Laufzeitdifferenzen (Jitter) der Signale zu den verschiedenen Antennensystemen bzw. Sektor-Antennen 1, 2 im benötigten Bereich von unterhalb ca. 1 µs gehalten.
Wenn benachbarte Antennenstandorte zu einem gemeinsamen Konzentrator 100 geführt werden, können auch die Sektor-Antennen 1, 2 getrennter Standorte miteinander bezüglich Beamforming und MIMO kooperieren. Dadurch wird eine erhebliche Verbesserung der Versorgung erreicht, insbesondere an den Grenzen der Ausleuchtungssektoren A1-C1; A2-C2.
In 2 sind zwei konkrete Ausführungsbeispiele gezeigt. Hier sind drei Standorte S1-S3 mit jeweils drei Ausleuchtungssektoren A1-C1; A2-C2 gezeigt. In jedem Ausleuchtungssektor A1-C1; A2-C2 ist eine Sektor-Antenne vorhanden, welche in 2 als senkrecht am Mast (schwarzer Balken) angeordneter Balken gezeichnet sind. Zu den Sektor-Antennen ist jeweils eine zugehörige schmale Strahlungskeule gezeigt, die sich in einem Teilbereich des zugeordneten Ausleuchtungssektors A1-C1; A2-C2 befindet.
Dem Standort links ist ein Konzentrator 100 mit drei Sektor-Antennen am Standort S3 verbunden. Bei dem mittleren und rechten Standort S1 und S2 ist nur ein Konzentrator 100 vorhanden, der mit den jeweils drei Sektor-Antennen der beiden Standorte S1, S2 verbunden ist. Ein Teilnehmer könnte sich z.B. im Überlappungsbereich zweier Ausleuchtungssektoren A1 und C2 aus den beiden unterschiedlichen Standorten S1, S2 befinden. Das Netzwerk N, hier als Virtual RAN bzw. EDGE bezeichnet, tauscht die erfassten und im Konzentrator 100 verarbeiteten Daten aus. Diese Daten sind dabei nicht so zeitkritisch wie die Daten, welche in der Signalverarbeitungseinheit im Konzentrator 100 verarbeitet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9026036 B2 [0006]

Claims

Digitales, verteiltes, drahtloses Kommunikations-System, aufweisend folgende Anordnung: a. mindestens zwei zueinander benachbart angeordnete Basisstationsantennen (1, 2), welche als Sektor-Antennen (1, 2) mit unterschiedlicher, aber benachbarter Sektorausleuchtung (A1, B1, C1; A2, B2; C2) ausgeführt sind, b. einen Konzentrator (100), welcher mit den Sektor-Antennen (1, 2) mittels eines digitalen Kommunikationssignals mit jeweils separat zu jeder Sektor-Antenne (1, 2) zugeordneten antennenseitigen Datenströmen (Si_A) kommuniziert, und wobei c. der Konzentrator (100) die empfangenen antennenseitigen Datenströme (Si_A) der Sektor-Antennen (1, 2) auf eine von der Anzahl der antennenseitigen Datenströme (Si_A) abweichende Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen (Si_N) unter Nutzung einer Signalverarbeitungs-Matrix-Operation (101; 101, 102) kombiniert, wobei d. zumindest einer der vom Konzentrator (100) ausgehenden netzwerkseitigen Datenströme (Si_N) Teile (BC1; BC2) von zumindest zwei antennenseitigen Datenströmen (Si_A) von mindestens zwei benachbarten Sektor-Antennen (1, 2) beinhaltet.
Digitales, verteiltes, drahtloses Kommunikations-System nach Anspruch 1, wobei die vom Konzentrator (100) zu den Sektor-Antennen (1, 2) gesendeten antennenseitigen Datenströme (Si_A) zeitlich so synchronisiert gesendet werden, dass eine phasensynchrone Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder ein gemeinsamer MIMO-Betrieb der Sektor-Antennen (1, 2) erfolgt.
Digitales, verteiltes, drahtloses Kommunikations-System nach Anspruch 1 oder 2, wobei - sich alle Sektor-Antennen (1, 2) und der Konzentrator (100) an einem gemeinsamen Standort befinden, oder - sich mindestens zwei der Sektor-Antennen (1, 2) an unterschiedlichen Standorten befinden, und sich der Konzentrator (100) entweder an einem der Standorte oder in einem Bereich zwischen den Standorten befindet, oder - mindestens zwei der Sektor-Antennen (1, 2) an einem gemeinsamen Standort und weitere Sektor-Antennen an zueinander direkt benachbarten Standorten befinden, und sich der Konzentrator (100) entweder an einem der Standorte oder in einem Bereich zwischen den Standorten befindet.
Digitales, verteiltes, drahtloses Kommunikations-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungs-Matrix-Operation (101, 102), welche auf die antennenseitigen Datenströme (Si_A) von zumindest zwei Sektor-Antennen (1, 2) zum Konzentrator (100) hin angewendet wird, im Konzentrator (100) die antennenseitigen Datenströme (Si_A) mittels einer linearen komplexen Matrixoperation (101) durch eine Matrix mit komplexen Koeffizienten auf eine neue Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen (Si_N) abbildet und danach einer weiteren Matrix-Operation (102) zur phasensynchronen Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder MIMO-Verarbeitung zuführt.
Digitales, verteiltes, drahtloses Kommunikations-System nach Anspruch 4, wobei die komplexe Matrixoperation (101) eine größere Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen (Si_N) erzeugt, als antennenseitige Datenströme (Si_A) eingehen, indem zusätzlich jeweils Teile (B1, C1; A2, B2) von zwei antennenseitigen Datenströmen (Si_A) benachbarter Sektor-Antennen (1, 2) zu einem neuen Datenstrom (BC1; AB2) kombiniert werden.
Digitales, verteiltes, drahtloses Kommunikations-System nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei Koeffizienten linearen komplexen Matrixoperation (101) nach vorgegebenen Erfolgskriterien modifiziert werden, und anschließend der weiteren Matrix-Operation (102) zur phasensynchronen Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder MIMO-Verarbeitung übergeben werden.
Digitales, verteiltes, drahtloses Kommunikations-System nach Anspruch 6, wobei die Koeffizienten der komplexen Matrixoperation (101) mittels eines Optimierungsalgorithmus in Abhängigkeit von den vorgegebenen Erfolgskriterien nach der weiteren Matrix-Operation (102) zur MIMO-Verarbeitung nachgeführt werden.
Konzentrator (100), der dazu eingerichtet ist, eine gemeinsame Signalverarbeitung von Datenströmen mehrerer zueinander benachbart angeordneter Basisstationsantennen (1, 2), welche als Sektor-Antennen (1,2) mit unterschiedlicher, aber benachbarter Sektorausleuchtung (A1, B1, C1; A2, B2; C2) ausgeführt sind, bereitzustellen, wobei der Konzentrator (100) hierfür aufweist: - Sende- und Empfangsmittel zum Senden und/oder Empfangen von einzelnen Sektor-Antennen (1, 2) zugeordneten antennenseitigen Datenströmen (Si_A) und netzwerkseitigen Datenströmen (Si_N), - Signalverarbeitungsmittel zum Verarbeiten der Datenströme (Si_A, Si_N) derart, dass die empfangenen antennenseitigen Datenströme (Si_A) der Sektor-Antennen (1, 2) auf eine von der Anzahl der antennenseitigen Datenströme (Si_A) abweichende Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen (Si_N) unter Nutzung einer Signalverarbeitungs-Matrix-Operation (101; 101, 102) kombiniert werden und zumindest einer der vom Konzentrator (100) ausgehenden netzwerkseitigen Datenströme (Si_N) Teile (BC1; BC2) von zumindest zwei unterschiedlichen antennenseitigen Datenströmen (Si_A) von mindestens zwei benachbarten Sektor-Antennen (1, 2) beinhaltet.
Konzentrator (100) nach Anspruch 8, wobei die Signalverarbeitungs-Matrix-Operation (101; 101, 102), welche auf die antennenseitigen Datenströme (Si_A) von zumindest zwei Sektor-Antennen (1, 2) zum Konzentrator (100) hin angewendet wird, im Konzentrator (100) die antennenseitigen Datenströme (Si_A) - mittels einer linearen komplexen Matrixoperation (101) durch eine Matrix mit komplexen Koeffizienten auf eine neue Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen (Si_N) abbildet und danach einer weiteren Matrix-Operation (102) zur MIMO-Verarbeitung zuführt, oder - mittels einer linearen komplexen Matrixoperation (101) durch eine Matrix mit komplexen Koeffizienten eine größere Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen (Si_N) erzeugt, als antennenseitige Datenströme (Si_A) eingehen, indem zusätzlich jeweils Teile (B1, C1; A2, B2) von zwei antennenseitigen Datenströmen (Si_A) benachbarter Sektor-Antennen (1, 2) zu einem neuen Datenstrom (BC1; AB2) kombiniert werden.
Konzentrator (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei - Koeffizienten der linearen komplexen Matrixoperation (101) nach vorgegebenen Erfolgskriterien modifiziert werden, und anschließend der weiteren Matrix-Operation (102) zur phasensynchronen Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder MIMO-Verarbeitung übergeben werden, oder - Koeffizienten der linearen komplexen Matrixoperation (101) nach vorgegebenen Erfolgskriterien modifiziert werden, und anschließend der weiteren Matrix-Operation (102) zur phasensynchronen Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder MIMO-Verarbeitung übergeben werden, und die Koeffizienten der linearen komplexen Matrixoperation (101) mittels eines Optimierungsalgorithmus in Abhängigkeit von den vorgegebenen Erfolgskriterien nach der weiteren Matrix-Operation (102) zur phasensynchronen Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder MIMO-Verarbeitung nachgeführt werden.
Verfahren zur gemeinsamen Signalverarbeitung von Datenströmen mehrerer zueinander benachbart angeordneter Basisstationsantennen (1, 2), welche als Sektor-Antennen (1,2) mit unterschiedlicher, aber benachbarter Sektorausleuchtung (A1, B1, C1; A2, B2; C2) ausgeführt sind, wobei Datenströme von mindestens zwei zueinander benachbart angeordneter Sektor-Antennen (1, 2) mittels eines Konzentrators (100) verarbeitet werden, so dass antennenseitige Datenströme (Si_A) der Sektor-Antennen (1, 2) auf eine von der Anzahl der antennenseitigen Datenströme (Si_A) abweichende Anzahl an netzwerkseitigen Datenströmen (Si_N) unter Nutzung einer Signalverarbeitungs-Matrix-Operation (101; 101, 102) kombiniert werden, - wobei zumindest einer der vom Konzentrator (100) ausgehenden netzwerkseitigen Datenströme (Si_N) Teile (BC1; BC2) von zumindest zwei antennenseitigen Datenströmen (Si_A) von mindestens zwei benachbarten Sektor-Antennen (1, 2) beinhaltet, oder - wobei zumindest einer der vom Konzentrator (100) ausgehenden netzwerkseitigen Datenströme (Si_N) Teile (BC1; BC2) von zumindest zwei antennenseitigen Datenströmen (Si_A) von mindestens zwei benachbarten Sektor-Antennen (1, 2) beinhaltet, und die vom Konzentrator (100) zu den Sektor-Antennen (1, 2) gesendeten antennenseitigen Datenströme (Si_A) zeitlich so synchronisiert gesendet werden, dass eine phasensynchrone Überlagerung im Bereich der Sektorausleuchtung und/oder ein gemeinsamer MIMO-Betrieb der Sektor-Antennen (1, 2) erfolgt.