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BEREICH
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Ausführung
des Verfahrens zur Simulierung eines Funkkanals. Insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf die Ausführung
eines Mehrkanal-Funkkanalsimulators.
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HINTERGRUND
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Ein
wesentliches Problem in Funksystemen besteht in der schnellen Variation
der Eigenschaften eines Funkkanals als Funktion der Zeit. Dies bezieht sich
insbesondere auf Mobiltelefonsysteme, in denen zumindest einer der
Teilnehmer an der Verbindung oft mobil ist. Dabei variieren die
Dämpfung
und die Impulsantwort des Funkkanals in einem großen Schwankungs-
und Amplitudenbereich sogar Tausende Male pro Sekunde. Die Natur
der Erscheinung ist zufällig,
weshalb ihre statistische Beschreibung mathematisch möglich ist.
Neben einer durchaus statistischen Weise gibt es auch andere Verfahren,
wie zum Beispiel geometrische Verfahren oder Kombinationen der Obenerwähnten. Die
Erscheinungen erschweren das Entwerfen von Funkverbindungen und den
zu verwendenden Vorrichtungen.
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Es
gibt viele Gründe
für die
Variation in einem Funkkanal. Während
der Übertragung
eines Radiofrequenzsignals von einem Sender zu einem Empfänger propagiert
das Signal im Funkkanal entlang einem oder mehreren Wegen, in jedem
von denen die Phase und die Amplitude des Signals variieren, was
Schwund von unterschiedlicher Dauer und Stärke im Signal zustande bringt.
Auch durch andere Sender verursachte Rauschen und Störungen stören die
Funkverbindung.
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Ein
Funkkanal kann entweder unter realen Verhältnissen oder mit einem reale
Verhältnisse
simulierenden Simulator getestet werden. Unter realen Verhältnissen
durchgeführte
Tests sind schwierig, weil zum Beispiel draussen durchzuführende Tests beispielsweise
dem Wetter und der Jahreszeit, die sich die ganze Zeit verändern, unterworfen
sind. An derselben Stelle durchgeführte Messungen führen zu verschiedenen
Zeiten zu unterschiedlichen Ergebnissen. Ausserdem ist ein in einer
Umgebung (Stadt A) durchgeführter
Test nicht völlig
gültig
in einer anderen, entsprechenden Umgebung (Stadt B). Das grundsätzliche
Problem besteht immer darin, dass die Tests nicht wiederholbar sind
und die Wirkungen der verschiedenen Faktoren nicht separat getestet werden
können.
Die schlimmste mögliche
Situation kann meistens nicht unter realen Verhältnissen getestet werden.
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Die
Ausführung
einer Echtzeitsimulation verlangt von der Simulationsanordnung eine
große
Leistung. Die Echtzeitsimulation bedeutet, dass die Simulationszeit
der Echtzeit entspricht. Modellierung einer Funkverbindung zwischen
einem realistischen Sender und Empfänger setzt meistens voraus,
dass mehrere Signalausbreitungswege zwischen dem Sender und dem
Empfänger
berücksichtigt
werden. Falls ausserdem mehr als eine Antenne (MIMO, Multiple Input,
Multiple Output) im Sender und/oder im Empfänger verwendet werden, steigt
die Anzahl von erforderlichen Ausbreitungswegen weiter. Ein mehrere
parallele Wege enthaltender Ausbreitungsweg entspricht einem zu
modellierenden Funkkanal. Die Anzahl von vielen bekannten Simulationsvorrichtungen zu
verwendenden Kanälen
ist acht. Falls vier Antennen sowohl im Sender als auch im Empfänger verwendet
werden, werden 16 Kanäle
in der Simulation benötigt.
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Eine
besondere Zunahme an der Anzahl von Kanälen wird durch mögliche Störquellen
verursacht, die in einer realistischen Simulation auch berücksichtigt
werden müssen.
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Wegen
der Komplexität
der Sache ist es unmöglich
gewesen, realistische Simulationen als solche auf irgendeine Weise
auszuführen.
Reale Kanalmodelle können
nicht simuliert werden, da die Simulation sogar einer einfachen
MIMO-Ausführung
die Benutzung der leistungsfähigsten
Hardware-Simulatoren voraussetzt. Derzeit sind Simulationen auf
der Link-Ebene nur
auf Softwarebasis unter Ausnutzung von sehr groben Approximationen
durchgeführt
worden. Zum Beispiel ist die Verwendung von realen Kanalmodellen
ist auf keine Weise möglich
gewesen.
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KURZE BESCHREIBUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung
zur Ausführung des
Verfahrens derart auszuführen,
dass realistische Echtzeitsimulationen durchgeführt werden können. Dies
wird durch ein Verfahren zur Durchführung von Kanalsimulation erreicht,
bei welchem Verfahren eine Funkverbindung zwischen einem Sender
und einem Empfänger
in Echtzeit simuliert wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Funkverbindung
zwischen zumindest einer Störsignalquelle
und dem Empfänger
in Echtzeit simuliert und die Simulationsergebnisse werden in einem
Spei cher gespeichert, die gespeicherten Simulationsergebnisse werden
in Echtzeit vom Speicher gelesen und die gelesenen Ergebnisse werden
der Simulation hinzugefügt, wenn
die Funkverbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger simuliert
wird.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung von
Kanalsimulation, die einen Funkkanalsimulationsblock und einen Speicher
aufweist, welche Vorrichtung konfiguriert ist, eine Funkverbindung
zwischen einem Sender und einem Empfänger in Echtzeit zu simulieren.
Die Vorrichtung ist konfiguriert, eine Funkverbindung zwischen zumindest
einer Störsignalquelle
und dem Empfänger
in Echtzeit zu simulieren und das Simulationsergebnis im Speicher
zu speichern und die gespeicherten Simulationsergebnisse in Echtzeit
vom Speicher zu lesen und die gelesenen Ergebnisse der Simulation
hinzuzufügen,
wenn die Funkverbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger simuliert wird.
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Mit
dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung werden mehrere Vorteile
erreicht. Mittels der Lösung
kann die Anzahl von zu simulierenden Kanälen fast grenzenlos vergrößert werden.
Der einzige die Simulationsparameter einschränkende Faktor ist die Kapazität und die
Geschwindigkeit des Speichers, aber die Menge und Geschwindigkeit
des Speichers können
gegebenenfalls erhöht
werden.
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Mittels
der Lösung
können
realistische Simulationen durchgeführt werden, die in der Praxis
früher auf
keine Weise ausführbar
gewesen sind. Die Lösung
eignet sich insbesondere für
Fälle,
in denen mehrere Antennen oder Antenneelemente im Sender und/oder
Empfänger
verwendet werden.
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FIGURENLISTE
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Im
folgenden wird die Erfindung in Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen ausführlicher
erläutert.
Es zeigen
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1 ein
Beispiel für
eine Simulationsanordnung,
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2A bis 2D eine
Ausführungsform,
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3 eine
Ausführungsform
anhand eines Flussdiagramms, und
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4A und 4B ein
Beispiel für
eine Simulationsumgebung.
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BESCHREIBUNG
VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird ein Beispiel für eine Simulationsanordnung
untersucht, auf die einige Ausführungsformen
der Erfindung anwendbar sind. In diesem Beispiel empfängt ein
Empfänger
ein Signal von n Störquellen 100 bis 104 und das
erwünschte
Signal von einem Sender 106. Sowohl die Störquellen
als auch der Sender können
entweder externe Signalquellen sein oder sie können in einem Simulator erzeugt
werden.
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Die
Anordnung weist einen Schalter 108 auf, mit dem die jeweils
zu simulierende Signalquelle an einen Funkkanalblock 110 geschaltet
wird, der die Wirkung des Funkkanals auf das Signal der Signalquelle
simuliert. Ein Funkkanalblock ist eine Vorrichtung, die auf die
Simulation von allem, was einem Signal zwischen dem Sender und dem
Empfänger
passieren kann, zum Beispiel Spiegelungen und Schwund, abzielt.
Der Schalter kann durch Software gesteuert werden. Die Natur des
Schalters kann auch logisch sein und sie kann zum Beispiel durch
Zeitmultiplex ausgeführt
werden. Vom Funkkanalblock wird das Signal entweder einem Speicher 112 oder
einem Addierer 114 zugeführt, dessen zweiter Eingang
ein Signal vom Speicher 112 ist. Ein Ausgangssignal 116 vom
Addierer wird Radiofrequenzteilen im Empfänger zugeführt.
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Bei
der Lösung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird eine Funkverbindung zwischen einer oder mehreren
Störsignalquellen 100 bis 104 und
dem Empfänger
in Echtzeit simuliert und die Simulationsergebnisse werden im Speicher 112 gespeichert.
Danach werden während
der Simulation einer Funkverbindung zwischen dem Sender und dem
Empfänger
die gespeicherten Simulationsergebnisse in Echtzeit vom Speicher
gelesen und die gelesenen Ergebnisse werden der Simulation hinzugefügt. Diese
Ausführungsform
wird anhand der 2A bis 2D betrachtet.
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Zuerst
wird die erste Störsignalquelle 100 gemäß 2A über den
Schalter 108 an den Funkkanalblock 110 geschaltet,
in dem die Wirkung des Funkkanals auf das Signal zwischen der Störsignalquelle
und dem Empfänger
in Echtzeit simuliert wird. Die simulierte Funkverbindung kann mehrere
zu simulierende Ausbreitungswege aufweisen. Vom Funkkanalblock werden
die Simulationsergebnisse dem Speicher 112 zugeführt.
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Als
nächstes
wird die zweite Störsignalquelle 102 gemäß 2B über den
Schalter 108 an den Funkkanalblock 110 geschaltet,
in dem die Wirkung des Funkkanals auf das Signal zwischen der Störsignalquelle
und dem Empfänger
simuliert wird. Die simulierte Funkverbindung kann mehrere zu simulierende
Ausbreitungswege aufweisen. Vom Funkkanalblock werden die Simulationsergebnisse
dem Speicher 112 zugeführt,
in dem die Simulationsergebnisse zeit-synchronisiert, d.h. synchron,
mit den früher
gespeicherten Ergebnissen kombiniert werden.
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Auf
gleiche Weise werden die Störsignalquellen
der Reihe nach an den Funkkanalblock 110 mit dem Schalter 108 geschaltet,
bis die letzte Störsignalquelle 106 gerechnet
wird. Die letzte, n:te Störsignalquelle 102 wird
gemäß 2C über den
Schalter 108 an den Funkkanalblock 110 geschaltet,
in dem die Wirkung des Funkkanals auf das Signal zwischen der Störsignalquelle
und dem Empfänger
simuliert wird. Vom Funkkanalblock werden die Simulationsergebnisse
dem Speicher 112 zugeführt,
in dem die Simulationsergebnisse zeit-synchronisiert, d.h. synchron,
mit den früher
gespeicherten Ergebnissen kombiniert werden. Dementsprechend weist der
Speicher zu diesem Zeitpunkt die Simulationsergebnisse von allen
Störsignalquellen 100 bis 104 auf.
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Als
nächstes
wird gemäß 2D der
Sender 104 über
den Schalter 108 an den Funkkanalblock 110 geschaltet,
in dem der Funkkanal zwischen dem Sender und dem Empfänger in
Echtzeit simuliert wird. Die Simulationsergebnisse werden dem Addierer 114 zugeführt. Als
zweiter Eingang trifft ein Signal vom Speicher 112 am Addierer
ein. Im Addierer werden die Simulationsergebnisse der Störsignalquellen dem
Simulationsergebnis des Signals zwischen dem Sender und dem Empfänger synchron
hinzugefügt. Die
endgültigen
Simulationsergebnisse 116 werden den Radiofrequenzteilen
des Empfängers
zugeführt.
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Falls
ein Mehrkanalsimulator verwendet wird, können mehrere Ausbreitungswege
während der
Simulation jeder Störquelle
und jedes Senders gleichzeitig simuliert werden. Auf gleiche Weise
können
mehrere Signalquellen gleichzeitig simuliert werden und die Ergebnisse
können
im Speicher 112 in Echtzeit gespeichert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
können
die Schaltung der Sender und die Durchführung der Simulation anhand
geeigneter Software ausgeführt werden.
In diesem Falle wird das von der Signalquelle erzeugte Signal entweder
in Echtzeit oder nicht in Echtzeit mit einem Softwarewerkzeug generiert
und es wird auf gleiche Weise durch den Simulator gefahren.
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3 veranschaulicht
eine Ausführungsform
der Erfindung anhand eines Blockdiagramms.
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In
Schritt 300 werden die Simulationsparameter festgesetzt.
Dieser Schritt umfasst beispielsweise das Auswählen und Zuführung der
Kanalmodelle, Signalquellen und anderer in der Simulation zu verwendender
Parameter zum Simulator.
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In
Schritt 302 wird die Signalquelle an den Funkkanalblock
geschaltet.
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In
Schritt 304 wird eine Echtzeitsimulation der Signalquelle
durchgeführt
und die Simulationsergebnisse werden im Speicher gespeichert. Falls
der Speicher gespeicherte Ergebnisse der früher simulierten Signalquellen
aufweist, werden die Ergebnisse synchron kombiniert. Das bedeutet,
dass die Ergebnisse zeitlich zusammenpassen.
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In
Schritt 306 wird eine Prüfung durchgeführt, um
zu bestimmen, ob irgendwelche zu simulierende Signalquellen übrigbleiben.
Falls mehr als eine Signalquelle übrigbleiben, wird auf Schritt 302 zurückgekehrt.
Falls nur eine Signalquelle übrigbleibt, wird
zum Schritt 308 fortgesetzt.
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In
Schritt 308 wird die letzte zu simulierende Signalquelle
an den Funkkanalblock geschaltet.
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In
Schritt 310 wird die Simulation des Signals der letzten
Signalquelle im Funkkanalblock durchgeführt. Gleichzeitig werden die
früher
gespeicherten Simulationsergebnisse vom Speicher gelesen, und diese
Ergebnisse werden mit der gleichzeitig im Addierer durchgeführten Simulation
kombiniert. Dementsprechend befinden sich die Simulationsergebnisse
aller Signalquellen gleichzeitig am Ausgang des Addierers.
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Nehmen
wir beispielsweise an, dass die Absicht ist, einen Funkkanal zwischen
einem Sender und einem Empfänger
in einem solchen Fall zu simulieren, wo vier Antennen oder Antenneelemente
sowohl im Sender als auch im Empfänger verwendet werden. Mit
anderen Worten geht es um 4 × 4-MIMO. Nehmen
wir ferner an, dass die Absicht ist, nachzuprüfen, wie fünf benachbarte MIMO-Sender
die Situation beeinflussen. Diese fünf Sender können nacheinander simuliert
werden, und die Simulationsergebnisse können im Speicher auf oben beschriebene Weise
gespeichert werden. Während
der Ausführung der
Simulation kann dieselbe, entweder simulatorinterne oder -externe
Signalquelle bei der Simulation von allen fünf benachbarten MIMO-Sendern verwendet
werden. Das spart Kosten. Falls die Simulationszeit zum Beispiel
15 Minuten beträgt,
dauert die ganze Simulation 6 × 15,
d.h. 90 Minuten. Im Vergleich zu einer Situation, wo die Simulation
mit einem auf Software basierenden Simulator durchgeführt wird,
ist das eine kurze Zeit.
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Die
Anzahl von zu simulierenden Signalquellen ist nicht beschränkt. Die
Größe des zu
verwendenden Speichers sollte ausreichend groß ausgewählt werden. Der Speicher kann
zum Beispiel mit einer oder mehreren Festplatten ausgeführt werden, und
die Anzahl von Festplatten kann gegebenenfalls erhöht werden.
In Zusammenhang mit Speicherung müssen früher gespeicherte Daten gleichzeitig
gelesen werden, neue Simulationsergebnisse müssen mit früher gespeicherten Ergebnissen
kombiniert werden und die kombinierten Ergebnisse müssen gespeichert
werden. In einer Ausführungsform
werden zwei Festplatten pro Empfängereinheit
verwendet. Die eine Festplatte wird zum Lesen und die andere zum
Schreiben verwendet. Im nächsten
Schritt werden die Funktionen der Festplatten geändert.
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Betrachten
wir als nächstes
die Größe des erforderlichen
Speichers. Nehmen wir an, dass die Simulationszeit zum Beispiel
15 Minuten beträgt
und Proben in der Simulation auf einer Frequenz von 80 MHz gerechnet
werden. Die zu rechnenden Proben sind 16-Bit-Proben, und sie werden
separat für
Verzweigungen I und Q des Signals gerechnet. Dementsprechend ist
die Menge der zu speichernden Daten 288 GB bei einer Geschwindigkeit
von 320 MB/s. Die höchste
Datenübertragungsgeschwindigkeit
von heutigen Festplatten ist im Bereich von 150 bis 600 MB/s je
nach dem zu verwendenden Schnittstellentyp. Festplatten haben typischerweise
einen großen (8
bis 16 MB) internen Cache-Speicher, weshalb die erforderliche Datenübertragungskapazität anhand von
zwei Festplatten erreicht werden kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
werden die endgültigen
Simulationsergebnisse auch im Speicher gespeichert. Dadurch können die
Simulationsergebnisse später
beispielsweise zum Testen des Betriebs des Empfängers ausgenutzt werden.
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4A und 4B veranschaulichen
ein Beispiel für
eine Simulationsumgebung, für
deren Simulation sich die beschriebene Lösung eignet. Die Figuren zeigen
einen Sender TX1 und einen Empfänger
RX1, der ein Signal des Senders empfängt. Sowohl der Sender TX1
als auch der Empfänger
RX1 verwenden vier Antennen oder Antenneelemente. Die Figur zeigt
auch zwei Endgeräte
TX2 und TX3, die die Verbindung zwischen dem Sender TX1 und dem
Empfänger
RX1 stören.
Auch die Endgeräte
verwenden vier An tennen oder Antenneelemente. Zudem werden zwei
Sender TX4 und TX5, die eine Antenne verwenden, bei der Simulation
berücksichtigt. Der
Empfänger
und alle Sender können
sich während
der Simulation bewegen. Die Richtungen, Polarisationen und andere
Eigenschaften der übertragenen
Signale können
zeitabhängig
sein. 4A veranschaulicht die Lagen
der Vorrichtungen zum Zeitpunkt t0. 4B veranschaulicht
die Lagen der Vorrichtungen nach einer Zeit, zum Zeitpunkt t1. Es ist zu bemerken, dass die Sender TX2,
TX3 und der Empfänger
RX1 gerückt
sind. Im Vergleich zum Zeitpunkt t0 haben
TX1, TX4 und TX5 nicht die Plätze
geändert.
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Betrachten
wir ein Beispiel dafür,
wie der Funkkanal zwischen dem Sender TX1 und dem Empfänger in
der oben beschriebenen Umgebung simuliert werden kann. Es ist festzustellen,
dass die beschriebene Simulationsreihenfolge lediglich ein Beispiel
für eine
mögliche
Lösung
ist. Die Simulation kann zum Beispiel derart begonnen werden, dass eine
Verbindung 400 zwischen dem Störsender
TX2 und dem Empfänger
RX1 simuliert wird. Beide Vorrichtungen verwenden vier Antennen
oder Antenneelemente, und somit umfasst die Verbindung 16 korrelierende
Kanäle,
d.h. Ausbreitungswege. Dies kann als normale MIMO-Simulation simuliert
werden. Dementsprechend empfängt
ein Antenneelement A1 von RX1 bei der Simulation ein Signal von
allen Antenneelementen des Senders TX2 ähnlich, wie alle anderen Antenneelemente
A2, A3 und A4 des Empfängers
RX1. Jede Bewegung sowohl des Senders TX2 als auch des Empfängers RX1
wird berücksichtigt.
Die Simulationsergebnisse werden in einem Speicher gespeichert.
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Als
nächstes
wird eine Verbindung 402 zwischen dem Sender TX3 und dem Empfänger RX1
simuliert. Diese Simulation ähnelt
dem vorhergehenden Schritt. Die Simulationsergebnisse werden synchron
mit den Simulationsergebnissen des vorhergehenden Schritts im Speicher
gespeichert. Dementsprechend umfasst der Speicher die kombinierte
Wirkung der Signale der Sender TX2 und TX3 im Empfänger RX1.
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Als
nächstes
wird eine Verbindung 404 zwischen dem Sender TX4 und dem Empfänger RX1
simuliert. Der Sender TX4 verwendet eine Antenne und somit weist
die Verbindung 4 korrelierende Kanäle auf. Die Simulationsergebnisse
werden synchron mit den Simulationsergebnissen des vorhergehenden
Schritts im Speicher gespeichert. Dementsprechend umfasst der Speicher
die kombinierte Wirkung der Signale der Sender TX2, TX3 und TX4
im Empfänger
RX1.
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Als
nächstes
wird eine Verbindung 406 zwischen dem Sender TX5 und dem Empfänger RX1
simuliert. Die Simulation kann auf eine der des vorhergehenden Schritts
entsprechende Weise ausgeführt werden,
weil der Sender TX5 auch eine Antenne verwendet. Die Simulationsergebnisse
werden synchron mit den Simulationsergebnissen des vorhergehenden
Schritts im Speicher gespeichert. Dementsprechend umfasst der Speicher
die kombinierte Wirkung der Signale der Sender TX2, TX3, TX4 und
TX5 im Empfänger
RX1.
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Zum
Schluss wird eine Verbindung 408 zwischen dem Sender TX1 und dem
Empfänger
RX1 simuliert. Beide Vorrichtungen verwenden vier Antennen oder
Antenneelemente und somit weist die Verbindung 16 korrelierende
Kanäle
auf. Währen
der Simulation werden die Simulationsergebnisse der Störquellen
TX2, TX3, TX4 und TX5 vom Speicher gelesen und den Simulationsergebnissen
der Verbindung hinzugefügt.
Somit werden in der endgültigen
Simulation 56 parallele Kanäle simuliert.
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Es
ist zu bemerken, dass in der oben beschriebenen Anordnung keine
separaten Signalquellen für
die verschiedenen Sender unbedingt benötigt werden. Da die Simulation
der Verbindungen der verschiedenen Sender zu unterschiedlichen Zeiten
erfolgt, können
dieselben Signalquellen in der Simulation der verschiedenen Sender
ausgenutzt werden. Zum Beispiel können alle Sender TX1, TX2 und
TX3 mit einer ähnlichen
Signalquelle simuliert werden. Dementsprechend können die Kosten und die Komplexität der Simulationsanordnung
wesentlich verringert werden.
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Obwohl
die Erfindung oben unter Bezugnahme auf das Beispiel gemäß der beigefügten Zeichnungen
beschrieben wird, wird eingesehen, dass die Erfindung nicht darauf
beschränkt
ist, sondern auf viele Weisen im Rahmen der beigefügten Patentansprüche variiert
werden kann.
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(54) Benennung: VERFAHREN
UND VORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG
VON KANALSIMULATION
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(57)
Zusammenfassung: Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Durchführung
von Kanalsimulation. Die Vorrichtung weist einen Funkkanalsimulationsblock
(110) und einen Speicher (112) auf und ist konfiguriert,
eine Funkverbindung zwischen einem Sender (106) und einem
Empfänger
in Echtzeit zu simulieren. Die Vorrichtung ist weiterhin konfiguriert,
eine Funkverbindung zwischen zumindest einer Störsignalquelle (100 bis 104)
und dem Empfänger
in Echtzeit zu simulieren und das Simulationsergebnis im Speicher (112)
zu speichern und die gespeicherten Simulationsergebnisse in Echtzeit
vom Speicher (112) zu lesen und die gelesenen Ergebnisse
der Simulation hinzuzufügen,
wenn die Funkverbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger simuliert
wird.