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Verfahren zur dynamischen Anpassung
einer Strahlformung in einem Funk-Kommunikationssystem
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur dynamischen Anpassung einer Strahlformung in einem Funk-Kommunikationssystem,
insbesondere in einem Mobilfunksystem.
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In Funk-Kommunikationssystemen werden
Nachrichten (Sprache, Bildinformation oder andere Daten) über Übertragungskanäle mit Hilfe
von elektromagnetischen Wellen (Funkschnittstelle) übertragen.
Die Übertragung
erfolgt sowohl in Abwärtsrichtung
(Downlink) von der Basisstation zu dem Teilnehmer-Endgerät, als auch
in Aufwärtsrichtung
(Uplink) von dem Teilnehmer-Endgerät zur Basisstation.
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Signale, die mit den elektromagnetischen
Wellen übertragen
werden, unterliegen bei ihrer Ausbreitung in einem Ausbreitungsmedium
u.a. Störungen
durch Interferenzen. Störungen
durch Rauschen können
u.a. durch Rauschen der Eingangsstufe des Empfängers entstehen. Durch Beugungen
und Reflexionen durchlaufen Signalkomponenten verschiedene Ausbreitungswege.
Dies hat zum einen die Folge, dass ein Signal mehrfach, jeweils
aus unterschiedlichen Richtungen, mit unterschiedlichen Verzögerungen,
Dämpfungen
und Phasenlagen, am Empfänger
ankommen kann, und zum anderen können
sich Beiträge
des Empfangssignals kohärent
mit wechselnden Phasenbeziehungen beim Empfänger überlagern und dort zu Auslöschungseffekten auf
einem kurzfristigen Zeitmaßstab
(Fast Fading) führen.
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Für
die Abwärtsrichtung,
also von Basisstation zum Teilnehmer-Endgerät, treten besondere Schwierigkeiten
auf, insbesondere dann, wenn für
die Abwärtsrichtung
eine Strahlformung mit Hilfe mehrerer Antennenelemente an der Basisstation
vorgesehen ist. Diese Strahlformung wird vor der Beeinflussung der übertragenen
Signale durch den Funkkanal vorgenommen, d.h. die Parameter der
Strahlformung müssen
vor der Ausstrahlung bekannt und festgelegt sein. Diese Parameter
der Strahlformung sollten für
eine optimale Versorgung der Teilnehmer-Endgeräte aber vom Übertragungskanal
in Abwärtsrichtung
abhängen.
Die Basisstation müsste
also die Kanalparameter grundsätzlich
schon vor der Übertragung
kennen, was nicht möglich
ist. Für
dieses grundsätzliche
Problem werden verschiedene Lösungsansätze verfolgt.
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Bei Funk-Kommunikationssystemen,
die für
Uplink und Downlink unterschiedliche Frequenzen verwenden (Frequency
Division Duplex FDD), können
die Ausbreitungsbedingungen für
Uplink und Downlink unterschiedlich sein. Messungen der Ausbreitungsbedingungen,
die einen Rückschluss
auf Werte von Strahlformungsparametern erlauben, mit denen an dem
Teilnehmer-Endgerät
ein guter Empfang möglich
ist, werden daher zweckmäßigerweise
vom Teilnehmer-Endgerät
durchgeführt.
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Aus
DE
198 03 188 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine räumliche
Kovarianzmatrix für
eine Verbindung von einer Basisstation zu einem Teilnehmer-Endgerät bestimmt
wird. In der Basisstation wird ein Eigenvektor aus der Kovarianzmatrix
berechnet und für
die Verbindung als ein Strahlformungsvektor verwendet. Die Sendesignale
für die
Verbindung werden mit dem Strahlformungsvektor gewichtet und Antennenelementen
zur Abstrahlung zugeführt.
Die Kovarianzmatrix kann aus geschätzten Kanalimpulsantworten
der Verbindung zwischen Basisstation und Teilnehmer-Endgerät bestimmt
werden. Insbesondere können
die Kanalimpulsantworten aus Trainingssequenzen bestimmt, die von
der Basisstation gesendet werden und die im Teilnehmer-Endgerät bekannt
sind.
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Auch A. Narula et al., „Efficient
Use of Side Information in Mutiple-Antenna Data Transmission over Fading
Channels„,
IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 16, No. 8,
October 1998, S. 1423–1436
beschreibt das Problem der Strahlformung für eine Verbindung von einer
Basisstation zu einem Teilnehmer-Endgerät. Es wird dabei dargestellt,
dass zur Strahlformung bei der Basisstation die Kenntnis der Verbindungsparameter
(Kanalkenntnis) für
die Verbindung erforderlich ist. Idealerweise wird auch hier die Kenntnis
einer räumlichen
Kovarianzmatrix für
die Verbindung ausgeführt,
wobei der beste Strahlformungsvektor derjenige Eigenvektor der Kovarianzmatrix
ist, der den größten Eigenwert
aufweist. Die Strahlformung erfolgt z.B. auf Basis von Rückkopplungsinformationen.
Es werden ferner die Möglichkeiten
einer verrauschten Kanalinformation und einer quantisierten Kanalinformation
diskutiert. Bei einer quantisierten Kanalinformation wird eine N-Bit-Darstellung
eines Kanalvektors gewählt
und damit der Raum, der durch diese Kanalvektoren aufgespannt wird,
quantisiert. Es wird festgestellt, dass ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis durch
eine größere Zahl
von Bits (also durch eine größere Bandbreite)
zur Übertragung
der Rückkopplungsinformationen erzielt
werden kann. Dies ist jedoch je nach Funk-Kommunikationssystem und
Bewegungszustand der Teilnehmer-Endgeräte nur bedingt möglich.
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Die Druckschrift
DE 100 32 426 A1 beschreibt
die Problematik einer optimalen Strahlformung in einem Funk-Kommunikationssystem
durch eine Basisstation mit einer Antenneneinrichtung, welche mehrere
Antennenelemente aufweist. Als ein besonderes Problem wird dabei
auf die Auslöschungseffekte
durch kohärente Überlagerung
von Anteilen eines Signals mit wechselnden Phasenbeziehungen aufgrund
unterschiedlicher Ausbreitungswege (Fast Fading) eingegangen. Es
wird dort vorgeschlagen, durch Teilnehmer-Endgeräte in einer Initialisierungsphase
erste Gewichtungsvektoren für
die gerichtete Abstrahlung bzw. einen gerichteten Empfang der Antennenelemente
zu definieren und die Werte der Komponenten der ersten Gewichtungsvektoren
als Rückkopplungsinformationen
an die Basisstation zu übertragen.
In der Arbeitsphase wird dann ein aktueller optimaler Gewichtungsvektor
seitens des Teilnehmer-Endgerätes
durch Auswahl eines der ersten Gewichtungsvektoren oder durch eine
Linearkombination der ersten Gewichtungsvektoren festgelegt und
es werden dann lediglich die Bezeichnungen der entsprechenden ersten
Gewichtungsvektoren als Rückkopplungsinformationen
an die Basisstation übertragen,
oder im Fall einer Linearkombination die Beträge und Phasen der Gewichtungskoeffizienten
der Linearkombination, was einen geringeren Signalisierungsaufwand
für die Übertragung
der Rückkopplungsinformationen
bedeutet als die komplette Übertragung
der Werte der Komponenten von Gewichtungsvektoren. Damit kann in
der Arbeitsphase die Bandbreite, die zur Signalisierung der gewünschten
Gewichtungsvektoren an die Basisstation benötigt wird, reduziert werden.
Es können
von dem Teilnehmer-Endgerät
auch die Gewichtungsvektoren im Zeitmultiplex mit den Bezeichnungen
der Gewichtungsvektoren übertragen
werden, wobei das Verhältnis
der Zahl der Zeitschlitze für
Gewichtungsvektor-Informationen zu der Zahl der Zeitschlitze für Bezeichnungsinformationen
dynamisch in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes variieren kann.
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Nach der
DE 100 32 426 A1 können in
der Initialisierungsphase die ersten Gewichtungsvektoren seitens
des Teilnehmer-Endgerätes
insbesondere als Eigenvektoren einer ersten räumlichen Kovarianzmatrix eines
empfangenen Signals in Abwärtsrichtung
(Downlink) von der Basisstation zum Teilnehmer-Endgerät bestimmt
werden. Diese erste Kovarianzmatrix kann über eine Vielzahl von Zeitschlitzen
des Downlink-Signals gemittelt werden und es können aus der Gesamtheit der
Eigenvektoren der ersten Kovarianzmatrix vor allem diejenigen Eigenvektoren
mit den größten Eigenwerten
als Gewichtungsvektoren ermittelt werden, da diese den Ausbreitungswegen
mit der geringsten Dämpfung
entsprechen. Zur Ermittlung des aktuellen Gewichtungsvektors wird
in der Arbeitsphase geprüft,
welcher der ersten Gewichtsvektoren oder der möglichen Linearkombinationen
beim momentanen Kanalzustand (fast fading) die größte Signalleistung
am Teilnehmer-Endgerät
erreicht. Die Kanalschätzwerte
der einzelnen Antennenelemente können
durch separate Trainingssequenzen pro Antennenelement ermittelt
werden.
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Ein Problem bei der Strahlformung
mit Hilfe von Messungen, die am Teilnehmer-Endgerät durchgeführt werden,
ist, dass nur eine sehr begrenzte Bandbreite zur Verfügung steht,
um die Ergebnisse solcher Messungen als Rückkopplungsinformationen an
die Basisstation zu übertragen.
So ist beispielsweise im Rahmen von zukünftigen Funk-Kommunikationssystemen
der dritten Generation (UMTS) nur ein Bit pro Zeitschlitz für diese
Rückkopplungsinformation
vorgesehen.
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Diese Tatsache wirft erhebliche praktische
Probleme auf, denn die Wirksamkeit der Strahlformung zur Empfangsverbesserung
steht und fällt
mit der Aktualität
der für
die Strahlformung verwendeten Parameter. Diese können sich aber je nach Einsatzbedingungen
der Teilnehmer-Endgeräte
unterschiedlich schnell ändern.
Bewegt sich das Teilnehmer-Endgerät nicht oder nur langsam, so ändern sich
auch die Parameter nur langsam. In einer solchen Situation steht
ausreichend Zeit zur Verfügung,
um sie mit hoher Auflösung
von dem Teilnehmer-Endgerät
an die Basisstation zu übertragen
und den Downlink-Strahl
der Basisstation exakt zu steuern. Bewegt sich aber das Teilnehmer-Endgerät schnell,
so ändern
sich auch die Parameter schnell. Eine hochauflösende Übertragung birgt dann die Gefahr,
dass ein Parameterwert, nachdem er endlich vollständig übertragen
worden ist, längst
nicht mehr der aktuellen Empfangssituation am Teilnehmer-Endgerät entspricht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein verbessertes und variables Verfahren zum Steuern der Strahlformung
einer Basisstation in Abhängigkeit
von Rückkopplungsinformationen
bereit zu stellen
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Vorteilhaft Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen entnehmbar.
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Die Erfindung umfasst ein Verfahren
zum Steuern der Strahlformung eines Nachrichtensignals in einem
Funk-Kommunikati onssystem. Das Nachrichtensignal wird dabei von
einer Basisstation an ein Teilnehmer-Endgerät ausgestrahlt. Als Teilnehmer-Endgeräte können dabei
jede Art mobiler oder standortgebundener Endgeräte in Frage kommen, Basisstationen
können
alle Arten mobiler oder standortgebundener Sende-/Empfangseinrichtungen
eines Funk-Kommunikationssystems sein, die als zentrale Einrichtung
Funkverbindungen zu mehreren Teilnehmer-Endgeräten aufbauen können.
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Die Strahlformung erfolgt auf Basis
von Strahlformungsparametern, die von dem Teilnehmer-Endgerät ermittelt
werden und als Rückkopplungsinformationen
an die Basisstation übertragen
werden. Eine Möglichkeit zur
Durchführung
eines solchen Verfahren ist bereits detailliert in
DE 100 32 426 A1 beschrieben,
es sind aber grundsätzlich
auch alternative Ausführungsformen
zur detaillierten Durchführung
eines solchen Verfahrens möglich,
die beispielsweise andere Arten oder Darstellungen von Rückkopplungsinformationen
vorsehen als in der
DE
100 32 426 A1 beschrieben.
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Gemäß der Erfindung ist nun vorgesehen,
dass von der Basisstation in Abhängigkeit
von ermittelten zeitlichen Änderungen
der Empfangsverhältnisse
am Teilnehmer-Endgerät
Auswahlkriterien zur Auswahl definierter Rückkopplungsinformationen festgelegt
werden und die ausgewählten
Rückkopplungsinformationen der
Strahlformung zu Grunde gelegt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt damit seitens der Basisstation eine dynamische Anpassung
der Strahlformung an aktuelle Änderungen
der Empfangsverhältnisse am
Teilnehmer-Endgerät
und damit eine dynamische Optimierung des Strahlformungsverfahrens,
welche auf die tatsächlichen
Verhältnisse
am Teilnehmer-Endgerät
eingeht.
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Die Erfindung umfasst ein weiteres
Verfahren zum Steuern der Strahlformung eines Nachrichtensignals
in einem Funk-Kommunikationssystem. Das Nachrichtensignal wird dabei
von einer Basisstation an ein Teilnehmer-Endgerät ausgestrahlt. Als Teil nehmer-Endgeräte können dabei
jede Art mobiler oder standortgebundener Endgeräte in Frage kommen. Basisstationen
können
alle Arten mobiler oder standortgebundener Sende-/Empfangseinrichtungen
eines Funk-Kommunikationssystems sein, die als zentrale Einrichtung
Funkverbindungen zu mehreren Teilnehmer-Endgeräten aufbauen können.
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Die Strahlformung erfolgt auf Basis
von Strahlformungsparametern, die von dem Teilnehmer-Endgerät ermittelt
werden und als Rückkopplungsinformationen
an die Basisstation übertragen
werden. Eine Möglichkeit zur
Durchführung
eines solchen Verfahren ist, wie schon ausgeführt wurde, bereits detailliert
in
DE 100 32 426 A1 beschrieben,
es sind aber grundsätzlich
auch alternative Ausführungsformen
zur detaillierten Durchführung eines
solchen Verfahrens möglich,
die beispielsweise andere Arten oder Darstellungen von Rückkopplungsinformationen
vorsehen als in der
DE
100 32 426 A1 beschrieben. Das hier beschriebene Verfahren
kann insbesondere nach Art des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens
durchgeführt
werden.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass
von der Basisstation in Abhängigkeit
von einer ermittelten Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes Auswahlkriterien
zur Auswahl definierter Rückkopplungsinformationen
festgelegt werden und die ausgewählten
Rückkopplungsinformationen
der Strahlformung zu Grunde gelegt werden. Die ermittelte Geschwindigkeit
des Teilnehmer-Endgerätes
kann insbesondere als ein Indikator für das Maß der zeitlichen Änderung
von Empfangsverhältnissen
an dem Teilnehmer-Endgerät
herangezogen werden. Damit kann auf einfache Weise eine dynamische
Anpassung der zu berücksichtigenden
Rückkopplungsinformationen
an die speziellen Empfangsverhältnisse
an dem Teilnehmer-Endgerät
erfolgen, ohne dass eine zusätzliche,
explizite Signalisierung zwischen Basisstation und Teilnehmer-Endgerät erforderlich
ist, die überdies
eine zusätzliche
mögliche
Fehlerquelle im Funk-Kommunikationssystem darstellen würde. Es
muss folglich nicht, wie bei der
DE
100 32 426 , eine dynamische Anpassung der vom Teilnehmer-Endgerät übertragenen
Informationen mit aufwändigen
Zeitmultiplex-Verfahren erfolgen, sondern es können die Teilnehmer-Endgeräte in konstanter
Weise Rückkopplungsinformationen übertragen
und es wird lediglich seitens der Basisstation durch geeignete Auswahlkriterien
festgelegt, welche Rückkopplungsinformationen
verwendet werden. Die geschwindigkeitsabhängigen Auswahlkriterien dienen
zur selektiven Auswahl solcher Rückkopplungsinformationen,
die die besten Eignung zur Bestimmung aktueller Strahlformungsparameter
besitzen.
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Als Weiterbildung eines der vorgenannten
Verfahren wird bevorzugt vorgesehen, dass von der Basisstation in
Abhängigkeit
von ermittelten zeitlichen Änderungen
der Empfangsverhältnisse
und/oder in Abhängigkeit
von einer ermittelten Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes eine
variable Menge von Dateneinheiten der Rückkopplungsinformationen ausgewählt und
der Strahlformung zu Grunde gelegt wird. Als Dateneinheit kann beispielsweise
ein Bit, ein Byte, ein Symbol oder jede andere geeignete Dateneinheit
definiert werden. Bewegt sich ein Teilnehmer-Endgerät mit geringer
Geschwindigkeit, so ändern
sich die Empfangsverhältnisse
an dem Teilnehmer-Endgerät
nur wenig. So wird bevorzugt eine größere Menge von Dateneinheiten der
Rückkopplungsinformationen
berücksichtigt,
damit an der Basisstation die Information zur Strahlformung mit
höherer
Auflösung
bestimmt werden können,
wobei gleichzeitig noch eine ausreichende Aktualität der zur Strahlformung
berücksichtigten
Rückkopplungsinformationen
garantiert wird. Bewegt sich dagegen ein Teilnehmer-Endgerät mit höherer Geschwindigkeit,
so kann die Menge der zu berücksichtigenden
Dateneinheiten reduziert werden. Damit wird den sich schnell ändernden
Empfangsverhältnissen
an dem Teilnehmer-Endgerät
Rechnung getragen. Es kann insbesondere in diesem Fall jeweils nur
eine Menge der aktuellsten Dateneinheiten berücksichtigt werden, um einen
kurzen Aktualisierungszyklus der Strahlformungsparameter zu erzielen.
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Es kann außerdem vorgesehen werden, dass
durch die Basisstation eine unterschiedliche Gewichtung verschiedener
Dateneinheiten der ausgewählten
Rückkopplungsinformationen
erfolgt. Durch eine solche Gewichtung können solche Dateneinheiten
höher gewichtet
werden, von denen bekannt ist oder angenommen wird, dass sie einen
besseren Beitrag zur Bestimmung der optimalen Strahlformungsparameter
liefern.
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Dabei kann insbesondere die Gewichtung
abhängig
von der Empfangszeit der Dateneinheiten an der Basisstation erfolgen.
Bei weitgehend üblichen
Empfangsverhältnissen
im Funk-Kommunikationssystem werden bevorzugt diejenigen Dateneinheiten
höher gewichtet,
die zu einer späteren
Empfangszeit empfangen wurden, und diejenigen Dateneinheiten geringer
gewichtet, die zu einer früheren
Empfangszeit empfangen wurden. Damit kann auch bei Berücksichtigung
einer größeren Menge
von Dateneinheiten der höheren
Aktualität
der zuletzt empfangenen Dateneinheiten Rechnung getragen werden,
was letztlich wiederum eine exaktere Bestimmung der optimalen Strahlformungsparameter
erlaubt.
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Die Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes kann
grundsätzlich
mit allen geeigneten Verfahren bestimmt werden. Bevorzugt wird die
Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes aus Parametern einer Übertragung
eines Funksignals von dem Teilnehmer-Endgerät zu der Basisstation ermittelt.
Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Signalisierung oder
sonstiger übermäßiger Verfahrensaufwand
erforderlich ist, sondern es können
Informationen verwendet werden, die ohnehin im Funk-Kommunikationssystem
vorliegen. So kann die Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes beispielsweise
aus Dopplerfrequenz-Messungen,
Signallaufzeit-Messungen, Signalintensitätsmessungen oder ähnlichem
für eine Übertragung
eines Funksignals von dem Teilnehmer-Endgerät zu der Basisstation ermittelt
werden.
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Vom Teilnehmer-Endgerät können insbesondere
solche Rückkopplungsinformationen übertragen
werden, die quantisierte Ein stellungen von Eigenvektoren oder von
Linearkombinationen von Eigenvektoren einer vom Teilnehmer-Endgerät ermittelten
räumlichen
Kovarianzmatrix der Ausstrahlung des Nachrichtensignals an das Teilnehmer-Endgerät repräsentieren.
Eine solche Art von Rückkopplungsinformationen
ist beispielsweise aus der bereits zitierten
DE 100 32 426 A1 bekannt.
Für Details
zur Erzeugung solcher Kovarianzmatrizen und der entsprechenden Eigenvektoren
kann daher beispielhaft auf die
DE 100 32 426 A1 verwiesen werden. Die Rückkopplungsinformationen
können
dann entweder analog der
DE
100 32 426 A1 Komponenten oder Beschreibungen von Eigenvektoren
enthalten oder sie können
andere geeignete Parametrisierungen oder Quantisierungen der gewonnenen
Eigenvektor-Informationen beinhalten.
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Eine Quantisierung der Einstellungen
von Eigenvektoren selbst oder von Linearkombinationen von Eigenvektoren
kann grundsätzlich
auf jede geeignete Weise erfolgen. Eine bevorzugte Quantisierung
ergibt sich dadurch, dass eine Transformation der Komponenten von
Linearkombinationen von Eigenvektoren der räumlichen Kovarianzmatrix auf
eine Kugelfläche
in einem reelwertigen Koordinatenraum erfolgt und als quantisierte
Einstellungen eine Repräsentation
von auf der Kugelfläche
liegenden Koordinatenpunkten gewählt
wird. Hierbei wird einerseits eine Transformation der in der Regel
komplexwertigen Komponenten der Eigenvektoren bzw. der daraus erzeugten
Linearkombinationen auf ein reelwertigen Koordinaten erreicht. Bei
einer geeigneten Wahl einer solchen Transformation kann überdies
auch die Zahl der Freiheitsgrade auf das tatsächlich nötige Maß reduziert werden, da die
komplexwertigen Komponenten der Eigenvektoren Freiheitsgrade wie
Phaseninformationen enthalten, die zum Teil auf die hier dargestellte
Problematik keinen Einfluss haben. Durch die Transformation auf
eine Kugelfläche
lassen sich die so erzeugten Koordinatenpunkte als einfach quantisierbare
Repräsentationen
fassen, z.B. durch eine Repräsentation
der relativen Lage der Koordinatenpunkte im Verhältnis zu einem festen Bezugspunkt
des reelwertigen Koordinatenraumes.
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Bevorzugt wird eine solche Quantisierung
vorgesehen, bei der jede Dateneinheit (also beispielsweise jedes
Bit) der Rückkopplungsinformationen
ein Paar einander bezüglich
des Zentrums der Kugelfläche
gegenüberliegender
Koordinatenpunkte auf der Kugelfläche repräsentiert. Es wird also jeder
Dateneinheit, beispielsweise einem Bit, genau ein Paar von Koordinatenpunkten
fest zugeordnet und damit genügt
bereits der Informationsgehalt eines einzigen Bit zur eindeutigen
Identifizierung eines der beiden Koordinatenpunkte auf der Kugelfläche, unter
Berücksichtigung
der bekannten Transformation also zur eindeutigen Identifizierung
einer bestimmten Linearkombination der Eigenvektoren der räumlichen
Kovarianzmatrix. Mehrere aufeinanderfolgende Dateneinheiten können also
jeweils zur Auswahl von alternativen, quantisierten Einstellungen
zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden
Koordinatenpunkten auf der Kugelfläche verwendet werden. Der Informationsgehalt
der Dateneinheiten untereinander ist dabei voneinander unabhängig, da
jede Dateneinheit für
sich eine Auswahl von alternativen, quantisierten Einstellungen
zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden
Koordinatenpunkten repräsentiert.
Eine Basisstation gewinnt damit an Genauigkeit, wenn sie mehrere
Dateneinheiten der Rückkopplungsinformationen
mit dieser Art der Quantisierung auswertet, aber ein Verfahren zur
Steuerung der Strahlformung ist auch dann noch durchführbar, wenn
aktuell jeweils nur eine einzige Dateneinheit der Rückkopplungsinformationen
berücksichtigt
wird.
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Die Werte der übertragenen Rückkopplungsinformationen
können
einerseits nach einer diskreten Quantisierung ausgewählt und
als solche eindeutig definiert übertragen
werden, wie sie bereits grundsätzlich aus
dem oben zitierten Stand der Technik bekannt ist. Die Werte der übertragenen
Rückkopplungsinformationen
können
aber auch nach einer Wahrscheinlichkeitsverteilung ausgewählt werden,
wobei die Wahrscheinlichkeiten für
die Wahl bestimmter Werte von den aktuell bestimmten Parameterwerten
abhängen.
Die übertragenen
Werte selbst können dabei
weiterhin quantisiert vorliegen. Es wird aber dann durch eine zeitliche
Mittlung über
mehrere übertragene
Werte der Rückkopplungsinformationen
aufgrund der Verteilung der Werte entsprechend der Wahrscheinlichkeitsverteilung
eine Übertragung
von Werten eines praktisch kontinuierlichen Wertebereiches möglich. Dies
kann wiederum dazu genutzt werden, die optimalen Strahlformungsparameter möglichst
genau zu bestimmen, was bei Übertragung
streng quantisierter Werte der Rückkopplungsinformationen
nicht mit der gleichen Genauigkeit möglich ist.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist ein Funk-Kommunikationssystem mit Einrichtungen zum
Steuern der Strahlformung eines Nachrichtensignals, welches von
einer Basisstation des Funk-Kommunikationssystems an ein Teilnehmer-Endgerät ausgestrahlt
wird. Das Funk-Kommunikationssystem weist dabei Einrichtungen zur
Ermittlung von Strahlformungsparametern als Rückkopplungsinformationen und
Antennenelementen zur Strahlformung auf Basis der Rückkopplungsinformationen
auf. Beispiele für
solche Funk-Kommunikationssysteme sind aus dem o.g. Stand der Technik
bekannt. Es sind aber auch andere Arten von Funk-Kommunikationssystemen
mit solchen Einrichtungen denkbar, als sie aus dem zitierten Stand der
Technik bekannt sind. So können
beispielsweise die Einrichtungen in gewissen Grenzen auch an anderen Stellen
in dem Funk-Kommunikationssystem angeordnet sein oder sie können zur
Verarbeitung von anderen Arten von Rückkopplungsinformationen ausgebildet
sein.
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Die vorliegende Erfindung sieht nun
Einrichtungen zur Ermittlung von zeitlichen Änderungen der Empfangsverhältnisse
am Teilnehmer-Endgerät
vor, die mit den Einrichtung zum Steuern der Strahlformung datentechnisch
verbunden sind. Die Einrichtungen zur Ermittlung der Strahlformungsparameter
sind ausgebildet zur Festlegung von Auswahlkriterien zur Auswahl
definierter Rückkopplungsinformationen
in Abhängigkeit
von zeitlichen Änderungen
der Empfangsverhältnisse
an einem Teil nehmer-Endgerät.
Weiterhin sind die Einrichtungen zum Steuern der Strahlformung dazu
ausgebildet, der Strahlformung die ausgewählten Rückkopplungsinformationen zu
Grunde zu legen.
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Ein letzter Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist ebenfalls ein Funk-Kommunikationssystem mit Einrichtungen
zum Steuern der Strahlformung eines Nachrichtensignals, welches
von einer Basisstation des Funk-Kommunikationssystems an ein Teilnehmer-Endgerät ausgestrahlt
wird. Das Funk-Kommunikationssystem weist dabei Einrichtungen zur
Ermittlung von Strahlformungsparametern als Rückkopplungsinformationen und
Antennenelementen zur Strahlformung auf Basis der Rückkopplungsinformationen
auf. Beispiele für
solche Funk-Kommunikationssysteme sind, wie bereits festgestellt,
aus dem o.g. Stand der Technik bekannt. Es sind aber auch andere
Arten von Funk-Kommunikationssystemen mit solchen Einrichtungen
denkbar, als sie aus dem zitierten Stand der Technik bekannt sind.
So können
beispielsweise die Einrichtungen in gewissen Grenzen auch an anderen
Stellen in dem Funk-Kommunikationssystem angeordnet sein oder sie
können
zur Verarbeitung von anderen Arten von Rückkopplungsinformationen ausgebildet
sein. Dieses Funk-Kommunikationssystem kann insbesondere nach Art
des vorgenannten Funk-Kommunikationssystems ausgebildet sein.
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Die vorliegende Erfindung sieht nun
Einrichtungen zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Teilnehmer-Endgerätes vor,
die mit den Einrichtung zum Steuern der Strahlformung datentechnisch
verbunden sind, so dass zwischen diesen Einrichtungen ein Datenaustausch
von Informationen über
die Geschwindigkeit eines Teilnehmer-Endgerätes erfolgen kann. Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Einrichtungen zur Ermittlung der Strahlformungsparameter
ausgebildet sind zur Festlegung von Auswahlkriterien zur Auswahl
definierter Rückkopplungsinformationen
in Abhängigkeit
von einer ermittelten Geschwindigkeit eines Teilnehmer-Endgerätes. Zu
geeigneten Auswahlkriterien und deren Vorteilen wird auf die vorstehenden
Ausführungen
zum er findungsgemäßen Verfahren
verwiesen. Schließlich
ist vorgesehen, dass die Einrichtungen zum Steuern der Strahlformung
dazu ausgebildet sind, der Strahlformung die ausgewählten Rückkopplungsinformationen
zu Grunde zu legen.
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Durch diese Maßnahmen, die im Rahmen der
vorgenannten Funk-Kommunikationssysteme
realisiert werden, kann eine verbesserte Bestimmung der optimalen
Strahlformungsparameter erfolgen, wie bereits analog zum oben dargestellten
Verfahren erläutert
wurde.
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Für
jedes der erfindungsgemäßen Funk-Kommunikationssysteme
können
Weiterbildungen vorgesehen werden, die so ausgebildet sind, dass
alternativ oder kumulativ weitere der oben dargestellten Verfahrensschritte
mit einem solchen Funk-Kommunikationssystem realisiert werden können.
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Nachfolgend wird anhand der
1 bis
5 ein
spezielles Ausführungsbeispiel
für die
vorliegende Erfindung anhand eines Mobilfunksystems dargestellt.
Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel
baut auf wesentlichen technischen Ideen der
DE 100 32 426 A1 auf.
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Es zeigen:
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1:
Schematische Darstellung eines Mobilfunksystems
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2:
Darstellung einer Einheitskugel im transformierten Eigenvektorraum
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3:
Darstellung des Hin- und Herschaltens ausgewählter Punkte auf der Einheitskugel
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4:
Wahrscheinlichkeitsverteilung für
die Auswahl bestimmter Bitwerte der Rückkopplungsinformationen bei
statistischer Modulation
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5:
Ergebnisse des Verfahrens für
verschiedene Konstellationen als Funktion der Geschwindigkeit eines
Teilnehmer-Endgerätes
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1 zeigt
die Struktur eines Funk-Kommunikationssystems, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren
anwendbar ist. Es besteht aus einer Vielzahl von Mobilvermittlungsstellen
MSC, die untereinander vernetzt sind bzw. den Zugang zu einem Festnetz
PSTN herstellen. Weiterhin sind diese Mobil-Vermittlungsstellen MSC
mit jeweils zumindest einem Basisstationscontroller (Base Station
Controller) BSC verbunden. Jeder Basisstationscontroller BSC ermöglicht wiederum
eine Verbindung zu zumindest einer Basisstation (Base Station) BS.
Eine solche Basisstation BS kann über eine Funkschnittstelle
eine Nachrichtenverbindung zu mobilen Teilnehmer-Endgeräten (Mobile
Station) MS aufbauen. Hierfür
sind wenigstens einzelne der Basisstationen BS mit Antenneneinrichtungen
(Antenna Unit) AU ausgerüstet,
die mehrere Antennenelemente (Antenna Elements) AE1, AE2, AE3, AE4
zur Strahlformung aufweisen. Für
Details zum Aufbau einer solchen Basisstation wird auf den Stand
der Technik verwiesen. Solche Details sind beispielsweise in
DE 100 32 426 A1 anhand der
dortigen
2 erläutert. Die
DE 100 32 426 A1 beschreibt
auch anhand der dortigen
3 Details
zum Aufbau eines mobilen Teilnehmer-Endgerätes MS, das mit einer genannten
Basisstation BS zusammenwirken kann. Im folgenden soll daher aus
Gründen
der Vereinfachung nur auf die wesentlichen technischen Ideen der Erfindung
eingegangen werden, durch die der genannte Stand der Technik verbessert
wird.
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Das Teilnehmer-Endgerät weist
neben anderen Einrichtungen eine Einrichtung (Matrix Determination Unit)
MDU zur Bestimmung räumlicher
Kovarianzmatrizen für
die Downlink-Verbindung von der Basisstation BS zum Teilnehmer-Endgerät MS auf,
wie bereits grundsätzlich
aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der
DE 100 32 426 A1 .
Das Teilnehmer-Endgerät MS
führt also
für die
Downlink-Verbindung von der Basisstation BS zum Teilnehmer-Endgerät MS eine
Kanalschätzung
durch und bildet daraus einen Vektor mit den entsprechenden Kanalschätzwerten.
Die Bestimmung der Kanalschätzung
kann insbesondere über spezielle
Trainingssequenzen erfolgen, die dem Teilnehmer-Endgerät MS bekannt
sind. Dabei werden Idealerweise für jedes Antennenelement AE
individuelle Trainingssequenzen verwendet, um gezielt für jedes
Antennenelement den jeweiligen Kanalzustand bestimmen zu können. Aus
den Kanalschätzvektoren
können durch
inneres Produkt und zeitliche Mittelung Kovarianzmatrizen gebildet
werden. Entsprechend den bereits bekannten Verfahren aus dem Stand
der Technik können
daraus Eigenvektoren als Strahlformungs-Vektoren ermittelt werden.
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Wie ebenfalls aus dem Stand der Technik
bekannt, wird die Verbindung zwischen der Basisstation BS und dem
Teilnehmer-Endgerät MS durch
Kurzzeit-Effekte wie Fast Fading und durch Langzeiteffekte beeinflusst.
Um vor allem die Langzeit-Effekte zu ermitteln, die für die Definition
der Eigenvektoren besonders relevant sind, wird bevorzugt eine zeitliche
Mittelung über
mehrere Kovarianzmatrizen durchgeführt. Den Kurzzeit-Effekten
wie Fast Fading wird dann Idealerweise dadurch Rechnung getragen,
dass zwischen alternativen Einstellungen oder Linearkombinationen
der definierten Eigenvektoren hin- und hergeschaltet wird.
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Auf Basis der Ergebnisse der Kanalschätzung des
Teilnehmer-Endgerätes MS,
also auf Basis der Ermittlung der Kovarianzmatrizen und der Eigenvektoren, übermittelt
eine Signalisierungs-Einrichtung (Signalling Unit) SU des Teilnehmer-Endgerätes MS geeignete
Rückkopplungsinformationen
(Feedback) an die Basisstation BS. Im folgenden werden rein schematisch
anhand der Blockdiagramm-Darstellung in 1 die wesentlichen Funktionalitäten der
Basisstation BS erläutert,
die für
die Durchführung
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Diese Funktionalitäten können in
der Basisstation durch sepa rate, speziell ausgebildete Einrichtungen
realisiert werden, sie können
aber auch durch bereits üblicherweise
in der Basisstation BS vorhandene Einrichtungen realisiert werden,
die lediglich zur Durchführung
der entsprechenden Funktionalitäten angepasst
werden.
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Die Basisstation BS weist zunächst eine
Einrichtung (Velocity Determination Unit) VDU zur Bestimmung der
Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgeräte MS auf. Diese Geschwindigkeit
kann auf Basis von Verbindungsparametern der Uplink-Verbindung zwischen
Teilnehmer-Endgerät
MS und Basisstation BS, insbesondere aus Dopplerfrequenz-Schätzungen
ermittelt werden. Weiterhin weist die Basisstation BS eine Einrichtung
(Feedback Evaluation Unit) FEU auf, die die vom Teilnehmer-Endgerät empfangenen
Rückkopplungsinformationen
auswertet und entsprechende Strahlformungsparameter ermittelt. Die
Einrichtung FEU ist in diesem Rahmen dazu ausgelegt, Auswahlkriterien
zur Auswahl definierter Rückkopplungsinformationen
in Abhängigkeit
von der ermittelten Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes MS festzulegen.
Die Einrichtung FEU führt
also letztlich eine geeignete Filterung der empfangenen Rückkopplungsinformationen
durch. Es wird dabei je nach Geschwindigkeit eine bestimmte Anzahl
von Bits der Rückkopplungsinformationen
geeignet ausgewählt,
wie im Weiteren noch detailliert erläutert werden soll. Schließlich weist
die Basisstation BS eine Einrichtung (Beam Forming Control Unit)
BFCU zur Steuerung der Strahlformung der Antenneneinrichtung AU auf.
Die Einrichtung BFCU legt der Strahlformung die ausgewählten Rückkopplungsinformationen
in Form von Strahlformungsparametern zu Grunde. Es werden für die Strahlformung
geeignete Einstellungen oder Linearkombinationen, also geeignete
Gewichtungsinformationen der definierten Eigenvektoren festgelegt,
bevorzugt in Form von Gewichtungsvektoren. Die Strahlformung erfolgt
dann durch eine entsprechende Ansteuerung der Antennenelemente AE1,
AE2, AE3, AE4.
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Der Rückkopplungskanal besitzt nur
eine limitierte Übertragungskapazität bzw. Bandbreite.
So ist im Rahmen von UMTS-Mobilfunksystemen, also Mobilfunksystemen
der dritten Generation, nur ein Bit pro Zeitschlitz für Rückkopplungsinformationen
vorgesehen, wobei ein Zeitschlitzrahmen 15 Zeitschlitze umfasst.
Diese limitierte Bandbreite macht es unmöglich, gleichzeitig sehr präzise und
sehr aktuelle Informationen der Kanalschätzung an die Basisstation BS
zu übertragen,
weshalb in der Basisstation eine optimale Einstellung von Gewichtungsvektoren
nur bedingt realisiert werden kann. Ein bestmöglicher Kompromiss kann jedoch
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes MS getroffen
werden. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ändern sich die Kanaleigenschaften
des Downlink-Kanals nur wenig, so dass für die zur Strahlformung eine
größere Zahl
von Gewichtungsvektoren und/oder mit einer höheren Auflösung gewählt werden kann, also letztlich
eine größere Anzahl
von Bits der Rückkopplungsinformationen
für die
Gewichtungsvektoren zur Strahlformung herangezogen werden kann.
Bewegt sich jedoch das Teilnehmer-Endgerät MS mit höherer Geschwindigkeit, so wird
bevorzugt eine geringere Zahl von Gewichtungsvektoren und/oder mit
einer geringeren Auflösung
für die
Strahlformung verwendet. Es wird also letztlich eine geringere Zahl
von Bits der Rückkopplungsinformationen
für den
jeweiligen Strahlformungsschritt herangezogen. Dies führt zu einer
variablen Einstellung der Zahl und/oder Auflösung der verwendeten Gewichtungsvektoren
der Strahlformung in Abhängigkeit
von der jeweiligen Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes MS.
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Es wird nun eine effektive und variable
Möglichkeit
zur Steuerung der Strahlformung beschrieben. Diese Möglichkeit
erlaubt auf einfache Weise eine Strahlformung unter Kombination
von bereits definierten Eigenvektoren. Es wird dabei eine geeignete
Darstellung von Gewichtungsvektoren in einem dreidimensionalen Koordinatenraum
verwendet.
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Das vorgeschlagene Verfahren betrifft
Operationen, die in dem Vektorraum ablaufen, der durch die Eigenvektoren
der Strahlformung aufgespannt wird. Zunächst soll der Fall möglicher
Kombinationen von zwei Eigenvektoren betrachtet werden. Daraus ergeben
sich variabel auswählbare
Kombinationsschemata, wobei deren Auswahl abhängig von der Geschwindigkeit
des Teilnehmer-Endgerätes
MS erfolgt. Es werden dabei Gewichtungsvektoren für die Strahlformung
angewandt, wobei jeder mögliche
Gewichtungsvektor sich in folgender Form darstellen lässt:
Hierbei
stellen die Vektoren v
1 und v
2 die
Eigenvektoren zu den größten Eigenwerten
der Kovarianzmatrix dar. Weiter sind u
1 und
u
2 die Linearkombinationsfaktoren. Für das Signal,
das von dem Teilnehmer-Endgerät
empfangen wird, ergibt sich daraus:
-
Wobei h den Kanalvektor beschreibt
und w den Gewichtsvektor darstellt. Zur Vereinfachung der Darstellung
wird ein Kanal a in dem Eigenvektor-Raum definiert durch:
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Der optimale Gewichtungsvektor im
Vektorraum der Eigenvektoren, welcher im Idealfall von der Basisstation
BS für
die Strahlformung zu verwenden wäre,
kann dann berechnet werden als:
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Beide Kanalparameter a
1 und
a
2 sind komplex-gaussverteilt, so dass sich
für diese
Kanalparameter insgesamt 4 Freiheitsgrade ergeben. Die Phase des
seitens des Teilnehmer-Endgerätes
MS empfangenen Signals y, welches in Gleichung (2) dargestellt ist,
hat aber keinen Einfluss auf die empfangene Signalleistung |y|
2, so dass letztlich nur 3 Freiheitsgrade
wirklich relevant sind. Es soll daher die folgende Transformation zweier
komplexwertiger Parameter a
1 und a
2 in drei reelwertige Koordinaten betrachtet
werden:
-
Nach einer solchen Transformation
enthält
z
1(a) die Information über das Verhältnis der
Signalleistungen zwischen a
1 und a
2 und arctan(z
2(a)/z
3(a)) beschreibt deren Phasenverschiebung.
Außerdem
ist die Transformation verlustlos, denn es gilt:
-
Wenn man annimmt, dass a1 und
a2 statistisch unabhängig sind (was für Eigenvektoren
immer erfüllt ist)
und außerdem
gleichverteilt sind (d.h. die entsprechenden Eigenwerte sind identisch),
dann ist die gemeinsame dreidimensionale Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion
von z(a1,a2) isotrop.
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Es soll nun die z()-Transformation
auf den Vektor u angewandt werden. Aus der Definition von Gleichung
(4) ergibt sich, dass ∥u∥2 immer
gleich 1 ist. Folglich muss das gleiche auch für ∥z(u)∥2 gelten.
Damit sind die Werte von z(u) gleichförmig über die Einheitskugel im Eigenvektorraum
verteilt, die in 2 dargestellt
ist. Mögliche
Darstellungen von Gewichtungsvektoren als Kombinationen zweier Eigenvektoren
lassen sich also in dem in 2 gezeigten
Koordinatensystem als z ( u1, u2)
darstellen, wobei die möglichen
Werte z ( u1, u2 auf
der in 2 dargestellten
Einheitskugel liegen.
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Es sollen nun verschiedene Kombinationsschemata
erläutert
werden, die variabel ausgewählt
werden können.
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Das Teilnehmer-Endgerät MS muss
die Basisstation BS über
die aktuell ermittelten Wert für
(u1, u2) durch entsprechende
Rückkopplungsinformationen
(Feedback Information) informieren, wobei die Bandbreite für den Rückkopplungskanal
bei UMTS auf ein Bit pro Zeitschlitz begrenzt ist. Es erfolgt bevorzugt
die Auswahl eines diskreten Satzes von Punkten auf der Einheitskugel,
also die Auswahl einer Konstellation von Punkten auf der Einheitskugel,
um die möglichen
Punkte auf der Einheitskugel und damit die möglichen Kombinationen der Einheitsvektoren
zur Bildung eines Gewichtungsvektors zu begrenzen und damit die
nötige
Signalisierung zu vereinfachen. Die Konstellation dieses diskreten
Satzes von Punkten könnte
grundsätzlich
gleichmäßig über die
Einheitskugel verteilt sein.
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Für
eine möglichst
einfache Darstellung wird jedoch bevorzugt in einem ersten, einfachsten
Fall ein beliebiges Paar von Punkten gewählt, die einander auf der Einheitskugel
gegenüber
liegen. Es kann dann das eine Bit pro Zeitschlitz dazu verwendet
werden, eine Signalisierung vom Teilnehmer-Endgerät MS an
die Basisstation BS zu übermitteln,
die dazu dient, zwischen diesen beiden Punkten (und damit zwischen
den entsprechenden Kombinationen der Einheitsvektoren) hin- und
herzuschalten. Dies ist aus 3 entnehmbar
für das
Hin- und Herschalten für
Bit #1. Ein solches Kombinationsschema ist für hohe Geschwindigkeiten des
Teilnehmer-Endgerätes
anwendbar, da es in einem sehr schnellen Aktualisierungszyklus (einmal
pro Zeitschlitz) resultiert. Die Information über den optimalen Gewichtungsvektor
und damit über
die optimalen Werte (u1, u2) kann
damit nur mit sehr grober Auflösung übermittelt
werden.
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Für
geringere Geschwindigkeiten werden jedoch bevorzugt Konstellationen
mit mehr als zwei Punkte auf der Einheitskugel ausgewählt, die
in der Basisstation BS eine höhere
Auflösung
für die
Werte des optimalen Gewichtungsvektors erlauben. Es kann statt einer
Konstellation von nur zwei Punkten auf der Einheitskugel dann eine
Konstellation von vier oder acht Punkten auf der Einheitskugel gewählt werden,
die dann zur Signalisierung entsprechen zwei oder drei Bit erfordert.
Ein solches Beispiel einer Konstellation von acht Punkten ist in 3 dargestellt. Zur Signalisierung
der Rückkopplungsinformationen
werden dann die drei Bits Bit #1, Bit #2 und Bit #3 verwendet. Allerdings
beansprucht dann auch der Aktualisierungszyklus eine längere Zeitdauer, nämlich entsprechend
zwei oder drei Zeitschlitze, was aber im Fall langsam bewegter Teilnehmer-Endgeräte MS nicht
kritisch ist.
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Es werden also variable Konstellationen
vorgesehen, denen Auswahlkriterien seitens der Basisstation BS zu
Grunde liegen und die je nach aktueller Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes MS angepasst werden.
Normalerweise müssten
sowohl Basisstation BS als auch Teilnehmer-Endgerät MS wissen,
welche Konstellation gerade gewählt
wurde, welcher Modus also gerade aktiv ist. Dies könnte grundsätzlich über eine spezielle,
explizite Signalisierung zwischen Basisstation BS und Teilnehmer-Endgerät MS festgelegt
werden. Dies würde
jedoch das Protokoll des Rückkopplungskanal
unnötig
verkomplizieren und einen entsprechenden Datenoverhead verursachen.
Außerdem
würde sich
dadurch eine zusätzliche
Fehlerquelle im Mobilfunksystem ergeben, da Fehler in dieser Signalisierung
große
Auswirkungen auf die Effektivität
der Datenübertragung im
Mobilfunksystem hätten.
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Eine Alternative zu der Möglichkeit
einer expliziten Signalisierung um einen der den möglichen
Modi auszuwählen
soll nun beschrieben werden. Es werden dafür, wie in 3 dargestellt, sechs Punkte auf der Einheitskugel
betrachtet, die in drei Gruppen zu jeweils zwei gegenüberliegenden
Punkten zusammengefasst sind. Es ist natürlich auch je nach Bedarf eine
größere Zahl
von Gruppen möglich.
Diese Gruppen sind dann zumindest für einen gewissen Zeitraum fest
vorgegeben und sowohl dem Teilnehmer-Endgerät MS als auch der Basisstation
BS bekannt.
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In den Rückkopplungsinformationen werden
drei Arten von Bits definiert, die sich in zyklischer Abfolge wiederholen,
wobei jeder der drei Gruppen von Punkten jeweils ein Bit zugeordnet
ist. Somit kann jeweils mit jedem der Bits eine Wahl zwischen einem
der beiden gegenüberliegenden
Punkte getroffen werden. Die nachfolgende Tabelle veranschaulicht
den Zusammenhang zwischen den Werten der drei Bits der Rückkopplungsinformationen
und den entsprechenden Punkten auf der Einheitskugel, zunächst dargestellt
in z-Koordinaten:
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Die z-Koordinaten in der oben dargestellten
Tabelle können
auch ersetzt werden durch die entsprechende Darstellung analog Gleichung
(1), woraus sich für
die oben gewählten
Gruppen von Punkten folgende Tabelle ergibt:
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Für
jeden Zeitschlitz ermittelt das Teilnehmer-Endgerät MS, welcher
der zwei Punkte der aktuellen Gruppe von Punkten dem optimalen Wert
für (u1, u2) am nächsten kommt
und übermittelt
den entsprechenden Bitwert an die Basisstation BS. Dieser Vorgang
wird von dem Teilnehmer-Endgerät
MS ständig
fortgeführt
ohne weitere Signalisierung mit der Basisstation BS.
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Nun ist es allein Aufgabe der Basisstation,
auf Basis von Auswahlkriterien aus den empfangenen Rückkopplungsinformationen
auszuwählen,
wie viele der empfangenen Bits für
die Bestimmung des Gewichtungsvektors zur Strahlformung verwendet
werden. Dies erfolgt in Abhängigkeit
von der ermittelten Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes MS.
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Ermittelt die Basisstation BS höhere Geschwindigkeiten
für das
Teilnehmer-Endgerät
MS, so berücksichtigt
sie nur das zuletzt empfangene Bit, um eine möglichst hohe Aktualität der Strahlformung
zu garantieren. Es wird damit die gleiche Auflösung für den Gewichtungsvektor erreicht
wie für
den Fall einer Konstellation von nur zwei Punkten.
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Ermittelt die Basisstation BS aber
eine geringere Geschwindigkeit für
das Teilnehmer-Endgerät
MS, so kann die Basisstation BS bei ausreichender Aktualität der Strahlformung
mehrere Bits der Rückkopplungsinformationen
zur Bildung des Gewichtungsvektors berücksichtigen, was einer 4-Punkt-Konstellation
oder 8-Punkt-Konstellation entspricht. Es erfolgt damit praktisch
eine zeitliche Mittelung über
mehrere der zuletzt ermittelten Punkte auf der Einheitskugel. Es
wird also von der Basisstation BS die Zeit für die zeitliche Mittelung über diese
Punkte bzw. die Filterlänge
für die
Auswertung der empfangenen Rückkopplungsinformationen
dynamisch angepasst.
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Die Entscheidung, welche Zeitdauer
für die
Mittelung bzw. welche Filterlänge
gewählt
werden soll, kann die Basisstation in Abhängigkeit von der ermittelten
Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes MS treffen, welche die
Basisstation BS aus einer Dopplerfrequenz-Schätzung für die Uplink-Verbindung bestimmen kann.
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Die Basisstation kann auch eine gewichtete
Mittelung über
die empfangenen Rückkopplungsinformationen
erfolgen, wobei die Basisstation BS früher empfangenen Rückkopplungsinformationen
aufgrund der geringeren Aktualität
ein geringeres Gewicht geben kann als zuletzt empfangenen Rückkopplungsinformationen. Grundsätzlich sind
aber auch andere geeignete Arten von Gewichtungen denkbar.
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Dieses Verfahren hat den Vorteil
einer relativ einfachen Arbeitsweise des Teilnehmer-Endgerätes MS, eine
einfache Form des Protokolls der Rückkopplungsinformationen und
eines einfachen Zusammenhangs zwischen der Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes MS und
der Menge der berücksichtigten
Rückkopplungsinformationen,
die zur Bildung des jeweils aktuellen Gewichtungsvektors herangezogen
werden.
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Diese Methode, bei der eine Mittelung über mehrere
Punkte auf der Einheitskugel ausgewählt werden kann, kann bei Bedarf
und soweit es die Anforderungen an die Aktualität der Informationen zulassen,
noch weiter verbessert werden. Wenn sich das Teilnehmer-Endgerät mit sehr
geringer Geschwindigkeit bewegt oder überhaupt nicht bewegt, dann
bietet eine Mittelung über
mehr als drei Punkte in der Regel keinen zusätzlichen Informationsgewinn,
da sich nach drei Bit die Bitart zyklisch wiederholt und aufgrund
der geringen Geschwindigkeit praktisch keine Änderung des Bitwertes zu erwarten
ist. Eine prinzipiell mögliche
Mittelung über
mehr als drei Bit bietet dann keine Verbesserung der Schätzung der
optimalen Werte für
(u
1, u
2). Dies resultiert
insbesondere aus der Tatsache, dass bis lang bei jeder Auswahl eines
Bitwertes wie anhand
3 beschrieben letztlich
eine Quantisierung einer der möglichen
z-Koordinaten in die Werte +1 oder –1 erfolgt:
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Eine Alternative zu einer solchen
Quantisierung bietet die Methode der statistischen Modulation. Die vom
Teilnehmer-Endgerät
MS übertragen
Bitwerte werden nach einer Wahrscheinlichkeitsverteilung ausgewählt, wobei
die Wahrscheinlichkeit, dass ein Bit den Wert +1 oder –1 annimmt,
von dem aktuell vom Teilnehmer-Endgerät ermittelten optimalen Wert
des Gewichtungsvektors abhängt:
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Dies ist in 4 anschaulich dargestellt. Mit dieser
Methode kann eine Mittelung der Punkte der Konstellation bzw. der übertragenen
Rückkopplungsinformationen über längere Zeiträume erfolgen,
wobei über längere Zeiträume eine
quasi-kontinuierliche Verteilung der übermittelten Werte erzielt
werden kann. Damit ist eine kontinuierliche Verbesserung der Schätzgenauigkeit
für den
Gewichtungsvektor möglich.
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Die grundsätzliche Regel für die Wahl
der Zeitdauer der Mittelung bzw. der Filterlänge seitens der Basisstation
besagt, dass die Genauigkeit der Schätzung sich in derselben Größenordnung
bewegen sollte wie die mittlere Positionsänderung der Werte für (u
1, u
2) pro Zeitschlitz.
Diese Änderung
kann aus dem Nyquist-Theorem abgeleitet werden, welches besagt,
dass eine vollständige Änderung
eines Passband-Signalwertes nur 2W Mal pro Sekunde möglich ist,
wobei W die Frequenzbandbreite in Hertz darstellt. Im Fall eines Jakes-Leistungsspektrums
ergibt sich also die Zeit zwischen unabhängigen Signalwerten zu:
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Es sollen noch kurz die Auswirkungen
des vorgeschlagenen Verfahrens auf eine Kanalschätzung mit Hilfe von Trainingssequenzen
betrachtet werden.
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Eine Möglichkeit der Kanalschätzung für einen
dedizierten Kanal durch das Teilnehmer-Endgerät MS basiert darauf, dass ein
entsprechender Vektor der Kanalschätzwerte mit Hilfe von Trainingssequenzen
eines Common Pilot Channels (CPICH) und basierend auf dem Gewichtungsvektor,
welcher von der Basisstation BS angewandt wurde, erhalten werden
kann. Hierfür
muss grundsätzlich
das Teilnehmer-Endgerät
MS für
jeden Zeitschlitz wissen, welche Kombination der Eigenvektoren verwendet
wurde. Wenn eine dynamische Anpassung der Auswahl der Rückkopplungsinformationen
erfolgt, wie sie oben beschrieben wurde, hat das Teilnehmer-Endgerät MS zwei
Möglichkeiten,
diese Kombination zu bestimmen: Das Teilnehmer-Endgerät MS kann die
entsprechende, von der Basisstation BS angewandte Filterlänge basierend
auf einer eigenen Schätzung des
Teilnehmer-Endgerätes über die
eigene Geschwindigkeit schätzen.
Oder es kann entweder die Basisstation BS das Teilnehmer-Endgerät MS oder
das Teilnehmer-Endgerät
MS die Basisstation BS über
das Ergebnis einer Geschwindigkeitsschätzung für die Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerät MS informieren,
so dass sowohl in der Basisstation BS als auch in dem Teilnehmer-Endgerät MS diese
Kenntnis vorliegt und dann in beiden Instanzen aufgrund von bekannten
Parametern des Verfahrens die Kenntnis über die von der Basisstation
BS zu wählende
Filterlänge
vorliegt. Die Ermittlung der Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerät MS muss
also nicht immer zwingend in der Basisstation BS erfolgen, sondern
kann alternativ auch in dem Teilnehmer-Endgerät MS oder auch grundsätzlich in
anderen Instanzen des Funk-Kommunikationssystems erfolgen.
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Alternativ zu den vorgenannten Möglichkeiten
kann aber auch eine Blindanpassung (blind adaptation) erfolgen.
Diese Blindanpassung kann basierend auf einem Verfahren der sogenannten
Gewichtungsverifikation (weight verification) erfolgen. Üblicherweise
ist dieses Verfahren dazu bestimmt, Fehler in dem Rückkopplungskanal
zu ermitteln. Dieses Verfahren läuft
wie folgt ab: Das Teilnehmer-Endgerät MS erhält zwei Kanalschätzungen,
eine basierend auf dem Common Pilot Channel CPICH, eine basierend
auf Trainingssequenzen innerhalb des dedizierten Kanals selbst.
Wenn nun die Ergebnisse beide Kanalschätzungen voneinander abweichen,
liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Übertragungsfehler vor. Wenn
aber diese Abweichungen der Ergebnisse beider Kanalschätzungen
dauerhaft bestehen, so kann das Teilnehmer-Endgerät MS daraus schließen, dass
seine Filtereinstellungen von denen der Basisstation BS abweichen.
Nachdem nur eine begrenzte und genau definierte Zahl von Filtereinstellungen
nach dem oben genannten Verfahren möglich sind, kann das Teilnehmer-Endgerät MS die
Ergebnisse beider Kanalschätzungen
relativ einfach dazu verwenden, seine Filtereinstellungen mit denen
der Basisstation BS wieder zu synchronisieren.
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5 zeigt
die Ergebnisse des dargestellten Verfahrens für verschiedene Konstellationen
als Funktion der Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes MS und
gemessen als Wert des Verhältnisses
Ec/Ior (erforderliche
Leistung für
eine Verbindung zwischen Basisstation und Teilnehmer-Endgerät bezogen
auf die gesamte Leistung der Basisstation) welches erforderlich
ist, um an dem Teilnehmer-Endgerät
eine Fehlerrate pro Zeitschlitzrahmen von 1% zu erzielen (je geringer
dieser Wert, desto besser ist das Ergebnis. Die mit Sternen gekennzeichnete
Linie entspricht einer Zwei-Punkte-Konstellation, die mit umrandeten
Dreiecken (Spitze jeweils nach oben) gekennzeichnete Linie entspricht
einer Vier-Punkte-Konstellation. Die mit ausgefüllten Dreiecken gekennzeichnete
Linie (Spitze jeweils nach unten) entspricht einer 16-Punkte-Konstellation.
Die mit Quadraten gekennzeichnete Linie beschreibt die Ergeb nisse,
die bei einer optimalen Kombination der Eigenvektoren, also mit
einem optimalen Gewichtungsvektor, erzielt werden könnten und
stellt als solche einen Grenzwert für die erzielbaren Ergebnisse
dar. Das Vorliegen von Kreuzungspunkten der genannten Linien für die einzelnen
Konstellationen zeigt, dass die optimale Zahl der Punkte für die zu
wählende
Konstellation von der Geschwindigkeit des Teilnehmer-Endgerätes MS abhängt.