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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Übertragen
von Daten in einem Kommunikationssystem mit den oberbegrifflichen
Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. Vorrichtungen zum Durchführen eines solchen
Verfahrens.
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Allgemein bekannt sind Funk-Kommunikationssysteme
gemäß z.B. dem
Standard GSM (Global System for Mobile communication) oder UMTS
(Universal Mobile Telecommunications System), bei denen eine Vielzahl
teilnehmerseitiger Stationen über
Funkschnittstellen mit netzseitigen Sende- und Empfangsstationen kommuniziert.
Ferner sind Daten-Kommunikationsnetze, z.B. gemäß dem Standard HiperLAN bekannt,
bei denen mobile Datenstationen Kontakt mit netzseitigen Funkstationen
aufnehmen.
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Datenübertragungen, für welche
senderseitig eine Vielzahl von Kanälen verwendet wird, um die
Daten zu einer Vielzahl verschiedener empfängerseitiger Stationen zu übertragen,
unterliegen in besonderem Maße Problemen
durch die Mehrwegeausbreitung. Von einer Antenne abgesendete Signale
laufen beispielsweise einerseits über einen direkten Weg zur
empfängerseitigen
Antenne andererseits aber auch nach Reflektionen an Objekten seitlich
des direkten Ausbreitungsweges mit zeitlicher Verzögerung nach
einer Reflektion zur empfängerseitigen
Antenne. Falls die Dauer eines zu übertragenden Symbols, worunter
insbesondere ein einzelnes Bit oder ein Datenpaket zu verstehen
ist, größer als
die Verzögerung
ist, welche sich mittels einer Quadratwurzelmittelung (route mean
square) Streuung bestimmen lässt,
ist der gewählte Übertragungskanal
als nicht frequenzselektiv oder flachausblendend (flat fading) anzusehen.
In letzterem Fall entspricht der Kanal zugleich einem Subträger und
weist nicht eine Vielzahl von Subträgern zur Übertragung des Symbols auf.
Im entgegenge setzten Fall, dass die Symboldauer geringer als die
mittlere Verzögerungsstreuung
ist, wird der Kanal als frequenzselektiv ausblendend (frequency
selective fading) angesehen. Dies erzeugt Inter-Symbol-Interferenz
(ISI: Inter-Symbol Interference), welche die Leistungsfähigkeit
mit Blick auf Übertragungsrahmen-Fehler nachteilhaft
beeinflusst, wenn nicht ausgleichende Verfahren verwendet werden.
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Geplant ist, dass mobile Kommunikationssysteme
jenseits der dritten Generation Teilnehmer-Datenraten verwenden
sollen, welche in einer zellularen Umgebung größer als 20 Mbps sind. Bei einer
spektralen Effizienz von etwa 1bit/s Hz/Zelle beträgt die erforderliche
gesamte Bandbreite bis zu 20 MHz. Folglich beträgt die Bitdauer etwa 50 ns.
Bei einer typischen mittleren Verzögerungsspreizung (rms delay
spread) von bis zu 10 μs
in einer Makro-Zellen-Umgebung würde
ein übertragenes
Symbol 200 nachfolgende Symbole stören, was zu einem erheblichen
Signalverarbeitungsaufwand führen
würde.
Folglich werden Zugriffsverfahren entwickelt, die für die vorstehend
bezeichneten Anforderungen besser ausgelegt sind. Ein möglicher
Kandidat ist das sogenannte OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing), bei welchem die zu versendenden Daten vor dem Versand
auf verschiedene Übertragungsfrequenzen
von entsprechenden Subträgern
innerhalb eines Frequenzbandes gemultiplext werden, wobei die einzelnen
Subträger
orthogonal zueinander sind. Nachteile von OFDM liegen in dem hohen
Spitzenzu-Durchschnitts-Leistungsverhältnis, dem Erfordernis einer
Trägersynchronisation,
Kapazitätsverlusten
aufgrund eines erforderlichen Schutzintervalls zwischen einzelnen Datenblöcken und
einer erforderlichen Kanalabschätzung
für jeden
Subträger
oder zumindest eine Anzahl von Subträgern.
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Aus WCDMA (Wideband Code Division
Multiple Access) des UMTS-Standards,
bei dem eine Teilung und Kodierung der zu versendenden Daten breitbandig
erfolgt, sind auch frequenzselektive Ausblendkanäle (frequency selective fading
channels) bekannt. Die Mehrwegeausbreitung in diesen Systemen zerstört jedoch die
Orthogonalität
der Spreizcodes. RAKE-Empfänger
können
verwendet werden, um die Mehrwegekomponenten konstruktiv zu kombinieren.
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Bei der Verwendung mehrerer Sendeantennen
wird empfängerseitig
ein überlagertes
Signal empfangen, welches über
eine entsprechende Vielzahl von Laufwegen gelaufen ist. Dies führt empfängerseitig
zu störenden
Interferenzen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, ein Verfahren und Vorrichtungen zum Durchführen des
Verfahrens zu entwickeln, welche eine alternative Verfahrensweise
zur Übertragung
von Daten ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren
zum Übertragen
von Daten in einem Kommunikationssystem und Vorrichtungen zum Durchführen eines
solchen Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen entnehmbar.
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Vorteilhaft ist somit ein Verfahren
zum Übertragen
von Symbolen, insbesondere in Form von Daten, über eine Funkschnittstelle
in einem Kommunikationssystem zwischen zumindest einer sendenden
Station mit einer Vielzahl von räumlich
beabstandeten Antennen und zumindest einer empfangenden Station,
bei dem zu versendende Symbole vor dem Versenden mit einem Code
codiert werden, wobei eine Vielzahl, zumindest zwei zu einem Zeitpunkt
zu versendende Symbole abhängig
von der Codierung jeweils einer der räumlich beabstandeten Antennen
zugeordnet und zu diesem Zeitpunkt zugleich über nur diese Antenne versendet
werden. Diese codeabhängige
Zuweisung einer einzelnen Antenne zu den zu versendeten Symbolen,
insbesondere einzelnen Daten, Bit oder codierten Werten, führt zu einer
räumlichen
Codierung. Unter Antenne sind dabei auch räumlich beabstandete Antennenelemente
einer komplex aufgebauten Antenne und dergleichen zu verstehen.
Alternativ kann die Zu ordnung der eingehenden Symbole auch zu mehreren
der Vielzahl von Antennen vorgenommen werden, was zumindest zu einer
Reduzierung der Interferenzen gegenüber der Verwendung aller Antennen
führt.
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Zweckmäßigerweise bildet die Codierung
die Vielzahl der Symbole auf ein insbesondere einziges zu versendendes
codiertes Symbol ab, so dass stets nur eine Antenne auf einer Ressource,
z.B. Frequenz, sendet und somit Interferenzen vermieden werden.
Möglich
sind alternativ aber auch Codierungen, bei denen eine Abbildung
auf eine begrenzte Anzahl der verfügbaren Antennen vorgenommen
wird.
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Bei der Zuordnung der Antenne zum
Versenden des codierten Symbols wird vorteilhafterweise eine Hadamard-Matrize
verwen- det, welche stets der Bedingung einer Modulo 2 Summe
von Null unterliegt. Bei der Zuordnung der Antenne zum Versenden
des codierten Symbols wird somit vorteilhafterweise ein Walsh-Hadamard-Code abhängig von
dem Wert der zugleich zu übertragenden
Symbole eindeutig zugeordnet.
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Bei der Zuordnung der Antenne zum
Versenden des codierten Symbols kann einfach eine Multiplikation
einer Matrize mit ei- ner Vielzahl von Symbolen und der Hadamard-Matrize
verwendet werden, wobei die Zeilen der Matrize aus Symbolen der
Bedin- ung unterliegen, dass deren Modulo-2-Summe gleich Null ist.
Bei der Bestimmung der Antenne wird den Diagonalelementen einer
aus der Matrizenmultiplikation entstehenden resultierenden Matrize
jeweils eine der Antennen zugeordnet, wobei durch die Modulo-2-Bedingung
für die
Matrize aus Symbolen und der Hada- mard-Matrize nach der Matrizenmultiplikation
nur eines der Dia- gonalelemente ungleich Null ist. Folglich sendet
jeweils nur eine einzige Antenne der Vielzahl von Antennen, wodurch eine
räumliche
Codierung entsteht.
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Während
bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
die Bedingung gesetzt wird, dass die Modulo-2-Summe der Zeilen der
Symbol Matrize gleich Null ist können
auch andere Werte festgesetzt werden, wobei dann entsprechende Änderungen
am Code bzw. der Code-Matrize vorzunehmen sind.
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Vorteilhaft ist, bei der Zuordnung
der Antenne bzw. der begrenzten Anzahl von Antennen zum Versenden
des codierten Symbols eine Multiplikation einer Matrize mit einer
Vielzahl von Symbolen und einer Code-Matrize zu verwenden. Dabei
stellt die aus der Matrizenmultiplikation resultierende Matrize
eine bezüglich der
Symbole der Matrize ein-eindeutige. Abbildung dar und bietet dadurch
in ganz allgemeiner Weise eine Abbildung verschiedener zu versendender
Symbole auf die einzelnen Antennen der Gruppe von Antennen. Vorteilhafterweise
sind dabei verschiedenste Kombinationen umsetzbar. So können mehrere
eingehende Symbole auf ein einziges zu übertragendes Symbol abgebildet
werden, welches dann über
eine einzige der Antennen versendet wird. Das Symbol kann alternativ
auch über
mehrere ausgewählte
der Antennen gesendet werden. Möglich
ist aber auch eine ein-eindeutige Abbildung eines oder mehrerer
eingehender Symbole auf zwei oder mehr zu übertragende Symbole, die dann über verschiedene
der Antennen übertragen
werden. Letztendlich entscheidend ist, dass empfängerseitig bzw. die empfangende
Station den verwendeten Code oder die Matrize kennt und außerdem Kenntnis
von den verwendeten Sendeantennen hat, so dass aus dem empfangenen Symbol
bzw. den empfangenen Symbolen eine ein-eindeutige Rekonstruktion
der ursprünglichen
Symbole möglich
ist.
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In der empfangenden Station kann
ein empfangenes codiertes Symbol mit Hilfe der Kenntnis über die beim
Senden verwendete Codierung, insbesondere die Hadamard-Matrize einfach
rücktransformiert
werden. Um in der empfangenen Station die Kenntnis der beim Senden
verwendeten Antenne bei der Rücktransformation
der Symbole verwenden zu können,
bietet sich insbesondere eine eigenständige Bestimmung durch Messung
der Empfangsrichtung empfangener Signale an, beispielsweise die
Anwendung eines üblichen
Abschätzungsverfahrens.
Alternativ ist aber z.B. auch die direkte Übertragung der verwendeten
Sendeantenne mit Hilfe eines Rundfunkkanals oder dergleichen möglich, wenn
auch nicht bevorzugt.
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Möglich
ist nicht nur die Übertragung
einer Folge zu codierender Symbole an eine Anzahl verschiedener
empfangender Stationen sondern auch die Übertragung eines Datenstroms
aus mehreren Symbolen für eine
einzige empfangende Station. Insbesondere ist auch eine Kombination
möglich,
d.h. die Übertragung
einer Vielzahl von Symbolen, von denen mehrere an eine jeweils gleiche
Station gesendet werden und andere an eine oder mehrere andere Stationen übertragen
werden.
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Die Bestimmung der Antenne für den Versand
eines Datenwerts, Datenblocks oder Symbols ist folglich dadurch
vorteilhaft, dass empfängerseitig
ein Empfang über
stets nur einen aus einer Vielzahl verschiedener Laufwege erfolgt.
Dadurch wird eine Interferenz vermieden, die ansonsten durch das
gleichzeitige Aussenden eines Signals von verschiedenen Antennen
zu insbesondere einem einzigen Empfänger entstehen kann. Anstelle
einer ansonsten für
sich bekannten Spreizung auf verschiedene frequenzselektive Subträger innerhalb
eines Frequenzbandes oder zusätzlich
dazu wird hier somit eine räumliche
Codierung vorgenommen.
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Zweckmäßigerweise erfolgt die Bestimmung
der Antenne zum versenden für
die Daten jeweils pro Datensymbol oder pro Bit, so dass bei der Übertragung
von Sprachdaten, bei der der Verlust einzelner Sprachelemente nicht
sehr kritisch ist, dennoch ein sehr hoch qualitatives Empfangssignal
regeneriert werden kann.
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Vorrichtungen zum Durchführen eines
solchen Verfahrens, insbesondere eine netzseitige Sende- und Empfangseinrichtung
sowie eine teilnehmerseitige Station weisen zweckmäßigerweise
neben einer ausreichend dimensionierten Steuer- und Verarbeitungseinrichtung
auch einen Speicher auf, in dem eine geeig nete Hadamard-Matrize
sowie Algorithmen zur Durchführung
des Verfahrens hinterlegt sind.
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Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend
anhand der Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Anordnung von sendenden und empfangenden Einrichtungen eines Kommunikationssystems
sowie Datenanteile, welche senderseitig gemäß der skizzierten Formelanordnung
den senderseitigen Antennen zugeordnet werden, wobei Daten für verschiedene
empfangende Stationen zu übertragen
sind, und
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2 eine
solche Anordnung, wobei verschiedene Daten für eine einzige empfangende
Station zu übertragen
sind.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, besteht ein Kommunikationssystem
aus einer Vielzahl verschiedenartigster Einrichtungen. Netzseitig
ist dies eine Vielzahl von Antennen A1, A2, A3,... An, welche als
Antennengruppe einer netzseitigen Sendeund/oder Empfangseinrichtung
BS zugeordnet sind. Diese Sendeund/oder Empfangseinrichtung BS weist
zweckmäßigerweise
einen Speicher M zum Hinterlegen von betriebserforderlichen Daten
und Algorithmen sowie eine Steuereinrichtung C zum Durchführen der
erforderlichen Betriebsabläufe
auf. Die Steuereinrichtung C sowie der Speicher M können vorteilhafterweise
für die
Durchführung
des nachfolgend beschriebenen Verfahrens verwendet werden. Üblicherweise
ist die Sende- und/oder Empfangseinrichtung BS direkt oder indirekt
mit weiteren netzseitigen Einrichtungen, beispielsweise einer Basisstations-Steuereinrichtung,
einem Betriebs- und Wartungszentrum sowie Schnittstellen zu anderen
Kommunikationsnetzen verbunden, wobei diese zur Vereinfachung der
Darstellung nicht abgebildet sind.
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Außerdem weist das Kommunikationssystem
eine Vielzahl von mobilen oder stationären teilnehmerseitigen Stationen
MS1, MS2,... MS(k-1) auf, beispielsweise Mobilfunkgeräte oder
mobile Datenterminals. Diese teilnehmerseitigen Stationen MS1, MS2,...
MS(k-1) weisen ebenfalls einen Speicher M und eine Steuereinrichtung
C auf, welche für
den Betrieb der Station und das Durchführen des nachfolgend beschriebenen
Verfahrens eingesetzt werden.
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Dargestellt ist somit eine Anordnung
von n Antennen A1, A2,..., An einerseits, welche für das beschriebene
Verfahren als Sendeelemente betrachtet werden, und von andererseits
k-1 teilnehmerseitigen Stationen MS1,..., MS(k-1), welche für das nachfolgend
beschriebene Verfahren als empfangende Elemente, Stationen bzw.
Vorrichtungen angesehen werden. Eine umgekehrte Anwendung des Verfahrens
ist auch möglich,
wobei dann vorzugsweise eine Koordination und ein entsprechender
Daten- und Informationsaustausch zwischen den einzelnen teilnehmerseitigen
Stationen eingerichtet wird.
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Bei dem nachfolgend beschriebenen
Verfahren wird die räumliche
Dimension für
ein neues Übertragungsschema
ausgenutzt. Zu übertragende
Daten bzw. Informationen werden dabei unter Verwendung der Hadamard-Matrize
gemultiplext. Dieses Multiplexing erzeugt verschiedene Signale.
Diese Signale werden der Antennegruppe A1,..., An zugeführt. Dies
führt zu
einer Codierung der Daten in räumlicher
Hinsicht. Diese Codierung kann zusätzlich oder alternativ zu einer
Spreizung im Frequenz- oder Zeitbereich vorgenommen werden. Multiplext
und übertragen
werden Symbole, worunter jegliche Form von Daten und Informationen
verstanden werden kann, insbesondere ein einzelnes Datenbit, eine
Gruppe von Datenbits und/oder codierte Anteile davon.
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Die Symboldauer kann durch die Anzahl
der Antennen A1,..., An beeinflusst werden. Allgemein ähnelt die
Verfahrensweise der zeitlichen Expansion unter Verwendung verschiedener
Sub-Träger in den
für sich
bekannten OFDM-Verfahren. Dabei wurden bislang Breitbandsysteme
für digitale
Rundfunksendungen oder funkgestützte
lokale Datennetze verwendet. In diesen Systemen werden in erster
Linie OFDM und Abwandlungen davon verwendet. Bislang werden keine
zellularen Breitbandsysteme mit hoher Datenrate verwendet. Derartige
Systeme sind Ziel von Kommunikationssystemen der sogenannten 4-ten
Generation. Während
das nachfolgend beschriebene Verfahren auch auf ältere Systeme anwendbar ist,
zielt es insbesondere auf solche Systeme 4-ter Generation.
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Der linke Abschnitt der 1 zeigt in der Sende- und
Empfangseinrichtung BS oder der Basisstation eintreffende Daten
zur Weiterleitung über
die Antennen A1,..., An und die Schnittstelle V an die empfangenden Stationen
MS1,..., MS(k-1).
Wie daraus ersichtlich ist, sollen beispielhaft Daten zu k-1 teilnehmerseitigen
Stationen MSl, MS2,...MS(k-1) als empfangende Stationen übertragen
werden. Die dargestellten Symbole sollen dabei z.B. aus jeweils
einem Datenbit bestehen. Außerdem
wird ein Hilfs-Symbol übertragen,
so dass insgesamt k Symbole übertragen
werden. In der Darstellung ist eine hilfsweise Untergliederung in
i Sub-Perioden c1
MS1 c2
MS1... ci
MS1 dieses Codes
skizziert, wobei die Sub-Perioden jeweils für die Vielzahl der dargestellten
Stationen MS1,...MS(k-1) und das Hilfs-Symbol skizziert sind. Jede
Sub-Periode hat dabei eine zeitliche Dauer tSub,
welche der Gesamtdauer tbit des Symbols
geteilt durch die Anzahl der Symbole entspricht. Die Gesamt-Symboldauer
tbit hängt
somit von der Anzahl der für
die Codierung eines Datenbit oder dergleichen verwendeten Sub-Perioden ab. Die
Anzahl der Sub-Perioden ist identisch der Anzahl der Antennen A1,...,
An, wobei k = n gilt.
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Alternativ können anstelle der Übertragung
von Symbolen für
eine Vielzahl verschiedener teilnehmerseitiger Stationen MS1,...MS(k-1)
auch aufeinander folgende Symbole bzw. Daten für eine einzelne teilnehmerseitige
Station MS1 derart bereitgestellt werden, wie dies anhand 2 veranschaulicht wird.
Natürlich sind
auch Mischformen dieser beiden Arten der Datenbereitstellung möglich.
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Dargestellt sind in den 1 und 2 somit k-1 Symbole bzw. Daten zur Übertragung
an k-1 teilnehmerseitigen Stationen MS1,... MS(k-1) bzw. 3 Symbole
für eine
einzige solche teilnehmerseitige Station MS1. Die Symboldauer tbit ist in i Sub-Perioden unterteilt. Die erste, zweite,...
i-te Sub-Periode für
jede teilnehmerseitige Station MS1,... MS(k-1) bildet ein Symbol
der Länge
k-1.
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Wie dies in dem mittleren Bereich
von 1 mit den Formeln
skizziert ist, werden die einzelnen Sub-Perioden c1,
c2,... ci in Form
einer Matrize S angeordnet. Dazu werden die einschließlich des
Hilfssymbols k zu übertragenden
Symbole zu einem Zeilenvektor s zusammengesetzt. Anschließend wird
der Zeilenvektor k mal identisch zu einer k × k-Matrize S zusammengefügt. Die
derart erzeugten und angeordneten k Symbole bzw. der Zeilenvektor
s werden mit jeweils einem verschiedenen Walsh-Hadamard-Code WHC(A1),..., WHC(An)
mit n = k multipliziert. Mathematisch führt dies zu einer Multiplikation
der Matrize S mit den Codes bzw. der Hadamard-Matrize H, welche
sich aus den einzelnen Walsh-Hadamard-Codes WHC(A1),..., WHC(An)
zusammensetzt. Die Multiplikation führt zu einer resultierenden
Matrize T.
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Der Vorteil der Verwendung einer
Hadamard-Matrize H besteht darin, dass unter der Annahme, dass die
Modulo-Zwei-Summe aller Symbole null ist, dann nur ein Element der
Hauptdiagonale der resultierenden Matrize T von null verschieden
ist.
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Von der aus der Matrizenmultiplikation
resultierenden Matrize T werden die einzelnen Diagonalelemente T1
,
1,
T2,
2... Ti
,
k jeweils
einer der Antennen A1, A2,... bzw. An der Sende- und/oder Empfangseinrichtung BS
zugeordnet, wobei n = k gilt. Durch die Vor-Codierung mehrerer zu übertragender
Symbole und die Verwendung der Hadamard-Matrize H ergibt sich der
Vorteil, dass stets nur eines der Diagonalelemente Ti
,i,... Ti
,
k ungleich dem Wert „0" ist. Entsprechend
wird stets nur einer einzigen der Antennen A1,... An ein Sendesignal zugeführt, so
dass eine sowohl räumliche
als auch zeitliche Trennung der ausgesendeten k Symbole bzw. k-1 Nutzdaten-Symbole
erfolgt. Nur eine einzige Antenne A1,... An sendet somit während einer
Symbolperiode tbit. Die Symboldauer tbit
ist dieselbe wie für
eine teilnehmerseitige Station, jedoch werden k Symbole übertragen, wobei
das eigentlich zu übertragende
Symbol bzw. der eigentlich zu übertragende
Datenwert mit k-1 anderen Symbolen codiert wird. Dies führt zu einer
Erhöhung
der spektralen Effizienz.
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Empfängerseitig, dass heißt seitens
der teilnehmerseitigen Stationen MS1,... MS(k-1), ist die Information
erforderlich, von welcher der k verschiedenen Antennen A1,... An
mit n = k das empfangene Datensymbol bzw. die empfangenen Daten
ausgesendet wurde. Diese Erkenntnis kann durch eine parallele Übertragung
einer entsprechenden Information über einen Rundfunkkanal oder
vorzugsweise durch eine räumliche
Verarbeitung, z.B. sogenanntes Strahlformen (beamforming) oder antennenspezifische
Signatur-Wellenformung erlangt werden. Wenn die sendende Antenne
A1,... Ak und das Empfangssignal richtig erfasst wurden, können das
bzw. die empfangenen Symbole durch eine Multiplikation des empfangenen
Signals mit der j-ten Spalte der Hadamard-Matrize H zurückgewonnen
werden, wobei j der Antennennummer der sendenden Antenne A1,...Ak
entspricht.
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Entsprechend muss in der empfangenden
teilnehmerseitigen Station MS1,... MS(k-1) die senderseitig verwendete
Hadamard- Matrize
H ebenfalls vorliegen. Die Hadamard-Matrize H wird ent- sprechend
in dem Speicher M einer jeden teilnehmerseitigen Station MS1,...
MS(k-1) temporär
oder dauerhaft hinterlegt. Eine temporäre Hinterlegung bietet den
Vorteil, dass die Hadamard-Matrize H jeweils beim Einbuchen in einem
neuen Kommunikationssystem oder einer neuen Zelle eines solchen
Kommunikationssystems an die teilnehmerseitige Station MS1,... MS(k-1) übertragen
werden kann und somit stets aktualisierbar ist.
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Zur Erstellung der Matrize S, welche
die Bedienung erfüllen
soll, dass die Modulo-Zwei-Summe aller Symbole einer Zeile bzw.
eines Zeilenvektors s gleich Null ist, kann beispielsweise ein Hilfskanal
definiert werden, welcher vorliegend durch das Hilfs-Symbol belegt
wird. Die Umsetzung erfolgt z.B. durch Bit-Stuffing oder Paritäts-Prüfcodes.
Falls, wie z.B. in 2 vier
Antennen A1,..., A4 verfügbar
sind, können
drei Symbole multiplext werden, die aus Nutzdaten gebildet werden.
Ein vierter Symbolplatz wird als Hilfskanal verwendet, welcher sicherstellt,
dass die Modulo-Zwei-Summe gleich Null ist. Anhand der nachfolgenden
Tabelle mit Datensequenzen wird die Funktionalität des Hilfskanals veranschaulicht.
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In dem Feld des Hilfskanals wird
dabei stets wahlweise eine Null oder eine Eins eingesetzt, je nachdem,
ob die Summe der darüber
stehenden Ziffern die Bedingung der Modulo-Zwei-Summierung erfüllt. Durch den Hilfskanal wird
eine Überlast
erzeugt, im vorliegenden Fall 1/4 = 25%. Diese nimmt mit der Anzahl
der verwendeten Antennen A1,... An ab und ist von den Kanalcharakteristika
unabhängig.
Bei 10 Antennen liegt die Überlast z.B. nur noch bei 10%.
Bei OFDM-Systemen ist in Vergleich dazu die Oberlast aufgrund der
Schutzzeit (guard time) von den Kanalcharakteristika abhängig und
liegt zwischen 15% und 30%.
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Bei dem Aufbau einer solchen Tabelle
für vier
Antennen A1,...A4 als Basis bestehen theoretisch 24 = 16
Kombinationsmöglichkeiten,
welche sich durch die Verwendung des Hilfskanals auf 23 reduzieren.
Der Hilfskanal dient dazu, nach einer ungeraden Anzahl von 1-en
zu suchen und in seinem entsprechenden Feld das Bit auszutauschen,
wenn die Spalte inklusive seines eigenen Feldes einen ungeraden
Wert hat. Dadurch wird die Modulo-Zwei-Bedingung erfüllt. Durch
die Eigenschaft, dass vier linear unabhängige Kombinationen übrig bleiben,
entsprechen diese genau denen der Hadamard-Matrize H. Diese Eigenschaft
wird bei der hier beschriebenen Verfahrensweise ausgenutzt.
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Die Orthogonalität der Walsh-Hadamard-Codes
wird durch eine Mehrwege-Ausbreitung der Signale nicht zerstört, da die
Mehrweg-Teilnehmersignale vor der Übertragung kombiniert, dass
heißt
mit Walsh-Hadamard-Codes multipliziert werden und die Symboldauer
tbit unverändert bleibt. Im Vergleich
dazu akkumulieren sich bei CDMA-Systemen die Mehrteilnehmersignale
auf der Luftschnittstelle mit einer Chipdauer wesentlich geringer
als der Symboldauer.
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Beispielhaft für die in 2 skizzierte Verfahrensweise wird nachfolgend
ein System mit vier Antennen A1, A2, A3, A4 und vier zu übertragenden
Symbolen s betrachtet, wobei die zu übertragenden Symbole s z.B. aufeinander
folgend zu drei verschiedenen teilnehmerseitigen Stationen oder,
wie dargestellt, zu einer einzigen dieser Stationen MS1 zu übertragen
sind.
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Innerhalb einer Zeitdauer t
bit sollen vier Symbole übertragen werden, wobei nach
der Vorkodierunq durch das Erzwingen der Mod-2-Summe gemäß nachfolgender
Ausführung
und
2 die Abfolge der
Sequenz beschrieben werden kann s = {-1 1 1-1}. Die drei ersten
Stellen entsprechen den zu übertragenden Nutz-Symbolen bzw. Nutz-Datenbit.
Die vierte Stelle entspricht dem Hilfsbit bzw. Hilfssymbol, welches
so gesetzt wird, dass die Mod-2-Summe des Vektors gleich Null wird.
Die Sequenz s aus vieren dieser Symbole bzw. Abfolgen wird vervierfacht
in Zeilenform zu der Symbol Matrize S zusammengesetzt:
Die Hadamard-Matrize H für vier Antennen
A1,..., A4 setzt sich aus vier Walsh-Hadamard-Codes als Spaltenvektoren
zusammen:
Während für die zu übertragenden Symbole und bei
der Erzeugung der Walsh-Hadamard-Codes als Werte die Ziffern „0" und „1" verwendet wurden,
wird für
die Übertragung über die
Funk-Schnittstelle
V eine Umcodierung verwendet, wobei anstelle des undefinierten Zustandwertes „0" der negativ definierte
Wert „–1" übertragen und entsprechend
beim Aufbau der Matrizen verwendet werden. Die durch die Multiplikation
der Matrize S und der Matrize H resultierende Matrize T ergibt sich
zu
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Wie dies ersichtlich ist, ist lediglich
ein einziges Element der Diagonale aus der resultierenden Matrize T,
hier das letzte Diagonalelement T4,4, ungleich Null. Dieses Diagonalelement
T4,4 ist im vorliegenden Fall der vierten
Antenne A4 aus der Antennengruppe A1,..., A4 zugeordnet. Über die
Antenne A4 wird entsprechend ein negativer Wert –4 bzw. nach einer Normierung
ein negativer Wert –1
ausgesendet.
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Bei der Dekodierung in der empfangenden
Station MS1 wird die Kenntnis, dass die vierte Antenne A4 gesendet
hat, verwendet.
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Der Walsh-Hadamard-Code WHC(A4),
welcher der vierten Antenne A4 zugeordnet ist, ist der vierte Spaltenvektor
h = {1 -1 -1 1}. Das Endergebnis der empfängerseitigen Signalrekonstruktion
ist somit –4
(bzw. -1) · {1
-1 -1 1} = {-4 4 4 -4}, was nach einer Normierung durch die Anzahl
von Antennen {-1 1 1 – 1}
ergibt. Dies entspricht exakt der Abfolge, die zu übertragen
war. Empfängerseitig
kann somit mit Hilfe der Kenntnis der verwendeten Hadamard-Matrize
sowie der Kenntnis welches ..-Antennenelement
bzw. welche Antenne A4 der Antennengruppe A1,... A4 gesendet hatte,
eine Rücktransformation
zu diesem Ergebnis vorgenommen werden. Damit liegen in der empfangenden
Station MS1 drei Symbole mit Nutzdaten vor, obwohl nur eine Symbolübertragung
vorgenommen wurde. Das vierte rekonstruierte Symbol entspricht als Überlast
dem ursprünglichen
Hilfs-Symbol und
ist folglich nicht aussagekräftig.
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Dieses Multiplexverfahren unter Verwendung
der Hadamard-Matrize
H ermöglicht Übertragungen
mit hoher Datenrate über
die Funkschnittstelle V durch die Kombinierung der räumlichen
Codierung mittels der Mehr-Antennentechnik für funkgestützte Kommunikationen. Die Vorteile
sind ähnlich
denen, welche durch das für
sich bekannte OFDM-Verfahren erzielt werden, umgeht aber vorteilhafterweise
die vorstehend beschriebenen Nachteile des OFDM-Verfahrens.
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Einsetzbar ist diese Verfahrensweise
besonders vorteilhaft bei Übertragungen
in Abwärtsrichtung
DL (Down Link), und zwar vor allem dann, wenn verschiedene Typen
von Diensten mit verschiedenen Datenraten verwendet werden. Bei
der derzeitigen Entwicklung der Technik wird zudem erwartet, dass
zukünftige
funkgestützte
Datendienste einen unterschiedlichen Verkehr für Aufwärtsverbindung und Abwärtsverbindung
haben werden, da mit wenigen Datenpaketen Informationen angefordert
werden, welche üblicherweise
einen sehr großen
Datenumfang haben werden. Diesbezüglich wird die Abwärtsverbindung
allgemein als die Schwachstelle mit einer beschränkten Verbindungskapazität angesehen.
Beispielhaft kann sogenanntes Webbrowsing genannt werden, bei welchem
bereits jetzt erheblich höhere
Abwärtsverbindungs-Kapazität als Aufwärtsverbindungs-Kapazität aufgrund
von Datei-Herunterladen etc. üblich
ist.
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Rein prinzipiell ist aber auch ein
Einsatz in Aufwärtsverbindung
möglich,
wenn entsprechende Programmierungen in den teilnehmerseitigen Stationen
MS1,...MS(k-1) vorgenommen werden. Insbesondere bei untereinander
verbundenen bzw. kommunizierenden teilnehmerseitigen Stationen oder
teilnehmerseitigen Stationen, welche über mehrere Kanäle senden
können,
ist ein Einsatz der vorstehend beschriebenen Verfahrensweise prinzipiell
möglich.
Entsprechend kann allgemein von einem Verfahren gesprochen werden,
welches für
die Situation anwendbar ist, bei der eine Vielzahl von sendenden
Einrichtungen bzw. Antennen zur Übertragung
verschiedener Symbole bzw. Daten verwendet wird. Empfängerseitig
ist zweckmäßigerweise ebenfalls
eine Vielzahl von Empfangseinrichtungen, insbesondere teilnehmerseitigen
Mobilstationen bereitgestellt.
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Die vorstehende Übertragung an maximal k-1 empfangende
Stationen dient lediglich zur besseren Veranschaulichung und Differenzierung
zwischen Daten-Symbolen und dem Hilfs-Symbol. Natürlich ist
unter Einsatz der üblichen
Verfahren zur Übertragung
von Signalen an verschiedene einer Vielzahl von Stationen auch mit
dem hier beschriebenen Verfahren eine Übertragung an mehr als k-1
empfangende Stationen möglich.
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Auch kann eine Antennenanordnung
verwendet werden, die mehr als n = k Antennen oder Antennenelemente
aufweist. Dies ermöglicht
dann eine räumliche
Codierung unter Einsatz einer Antenenanzahl, welche der zugleich
zu übertragenden
Symbole entspricht. Je größer die
Antennenanzahl ist, desto größer ist
allerdings der senderseitige und der empfängerseitige Rechenaufwand.
Andererseits verbessert sich das Nutzlast-Verhältnis
mit zunehmender Anzahl von verwendeten Antennen, welche letztendlich
räumliche
Codeelemente darstellen.
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Rein prinzipiell sind auch Antennenanordnungen
möglich,
bei denen gleichzeitig zwei oder mehr Antennen senden, wobei dann
jedem Antennenmuster anstelle der Antennennummern ein Code zugeordnet wird.
Zwar erhöht
sich dadurch die Vielfalt der verfügbaren Code und damit zugleich
mit einem Sendevorgang übertragbaren
Symbole, jedoch besteht, sofern nicht verschiedene Frequenzen verwendet
werden, wieder eine jedoch reduzierte Gefahr von Interferenzen,
welche gemäß dem vorstehend
beschriebenen Verfahren eigentlich vermieden werden können und
sollten. Außerdem
müssen
die empfangenden Stationen dann in der Lage sein, zwei oder mehr
Signale gleichzeitig zu empfangen und den sendenden Antennen eindeutig
zuzuordnen.