DE19639414C2 - Verfahren zur Parametrisierung einer Empfangsstation mit adaptiven Antenneneinrichtungen und adaptives Filter für zeitveränderliche Kanäle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Parametrisierung einer Empfangsstation und ein adaptives Filter für zeitver­ änderliche Kanäle, sowie eine Basisstation für ein Mobil- Kommunikationssystem mit einem solchen adaptiven Filter. Eine Parametrisierung ist dabei das Bestimmen von Parametern, die z. B. als Antennen- und Kanalkoeffizienten die Signaldetektion der Empfangsstation beeinflussen.

Zeitveränderliche Kanäle sind Kanäle über die Informationen übertragen werden, wobei sich die Übertragungsbedingungen zeitabhängig verändern. Solche zeitveränderlichen Kanäle sind aus Mobil-Kommunikationssystemen bekannt.

Mobil-Kommunikationssysteme ermöglichen den Aufbau von Kom­ munikationsverbindungen zu mobilen Teilnehmern, indem Infor­ mationen über eine Funkschnittstelle übertragen werden. Sind mehrere Teilnehmer auf der gleichen Trägerfrequenz dieser Funkschnittstelle durch unterschiedliche Zeitlagen getrennt, liegt ein Zeitmultiplex-Mobil-Kommunikationssystem vor. Das Zeitmultiplexverfahren wird auch TDMA (Time Division Multiple Access)-Verfahren genannt. Ein bekanntes Mobil-Kommunika­ tionssystem ist beispielsweise das GSM (Global System for Mobile Communications)-Mobilfunksystem.

Zusätzlich zum Zeitmultiplex können auf der Luftschnittstelle auch weitere Verfahren zum Separieren der Teilnehmer ange­ wendet werden. Beim GSM-Mobilfunksystem wird zusätzlich ein Frequenzmultiplex angeboten.

In einer typischen Einsatzumgebung eines Mobil-Kommunika­ tionssystems, z. B. eines GSM-Mobilfunksystems, unterliegen die übertragenen Informationen auf der Funkschnittstelle unterschiedlichen Störungen. Die von einer Sendestation gesendeten Informationen erreichen eine Empfangsstation über verschiedene Ausbreitungswege, so daß sich bei der Empfangs­ station die Signalkomponenten verschiedener Ausbreitungswege überlagern. Zudem können Abschattungen die Übertragung von Informationen von der Sendestation zur Empfangsstation er­ heblich behindern. Auch Störer im Frequenzband der Funk­ schnittstelle führen zu einer Beeinträchtigung der Qualität der empfangenen Signale.

Weiterhin ist zu beachten, daß Interferenzen zwischen ein­ zelnen übertragenen Symbolen und eine Abweichung von der idealen Trägerfrequenz (Frequenz-Offset) zu zusätzlichen Schwierigkeiten bei der Detektion der Symbole im Empfänger der Empfangsstation führen.

In der empfangenden Funkstation besteht nun das Problem, die empfangenen Signale zu entzerren, die Fehler zu korrigieren und die übertragene Information zu dekodieren. Einer lang­ samen Verschlechterung des Empfangs durch Abschattungen oder Überlagerungen kann man mit einer automatischen Verstärkungs­ kontrolle entgegenwirken, während man den Auswirkungen der Mehrwegeausbreitung und der Intersymbolinterferenzen be­ kannterweise mit einem Viterbi-Entzerrer begegnet.

Um die Interferenzen zu reduzieren kann einer Funkstation eine Antenneneinrichtung zugeordnet sein, die wie bekannt aus R. Roy, T. Kailath, "Esprit - Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques", IEEE Transactions on acoustics, speech and signal processing, Vol. 37, No. 7, Juli 1989, S. 984-995, eine aus mehreren Antennenelementen be­ stehende intelligente (adaptive) Antenneneinrichtung ist. Die Funkstation enthält weiterhin eine Empfangseinrichtung, die die Auswertung der Empfangssignale vornimmt. Zur Auswertung der Empfangssignale werden innerhalb der Empfangseinrichtung Parameter bestimmt. Diese Parameter sind z. B. Antennenkoeffi­ zienten, die die einzelnen Empfangssignale der Antennenele­ mente einer intelligenten Antenneneinrichtung bewerten, und aus W. Koch, "Optimum and sub-optimum detection of coded data distured by time-varying intersymbol interference", IEEE Proceedings 1990, S.1679-84 bekannte Kanalkoeffizienten. Diese in einem Kanalmodell verwendeten Kanalkoeffizienten dienen dazu, die verschiedenen nacheinander eintreffenden Signalkomponenten eines Empfangssignals geeignet zu über­ lagern.

Es ist weiterhin bekannt, die aus den Empfangssignalen durch Übertragung ins Basisband und Analog/Digitalwandlung gewon­ nenen Empfangsdaten, sowie die Kanalkoeffizienten einem De­ tektor zuzuführen, der die Antennendaten entzerrt und die Fehlerkorrektur vornimmt. Die im Ausgang des Detektors rekon­ struierten Symbole der Signale werden daraufhin in einem Dekoder, z. B. einem Viterbi-Dekoder, dekodiert.

Aus der deutschen Patentanmeldung 196 04 772.2 ist es be­ kannt, die Trainingssequenz mit bekannten Symbolen zu ver­ wenden, um das Kanalmodell des Funkkanals für einen gesamten übertragenen Block schätzen. Bei diesem Verfahren werden zusätzlich die Antennenkoeffizienten für eine adaptive An­ tenne aus den bekannten Symbolen der Trainingssequenz be­ rechnet. Die Kanalkoeffizienten und Antennenkoeffizienten werden einmal für jeden übertragenen Block berechnet. Bei schnellen zeitlichen Änderungen des Funkkanals ist diese Berechnung jedoch unzureichend.

Weiterhin ist es von Mobilstationen bekannt, Abweichungen der Trägerfrequenz, z. B. durch eine Dopplerverschiebung, durch ein Verfahren zur Trägerrückgewinnung (carrier recovery) zu verringern. Dieses Verfahren ist jedoch bei Basisstationen sehr aufwendig, da es für jeden Teilnehmer, d. h. jeden durch die Trägerfrequenz und den Zeitschlitz charakterisierten Funkkanal, getrennt durchgeführt werden muß.

Schnellen Veränderungen des Funkkanals kann durch diese Methoden nur unzulänglich entgegengewirkt werden, zumal eine schnelle Veränderung der geschätzten Kanalkoeffizienten zu Stabilitätsproblemen bei der Detektion der übertragenen Sym­ bole führt. Bleibt jedoch eine starke Dopplerverschiebung unbeachtet, so führt dies zu einer Verschlechterung der Qualität beim Detektieren der Symbole.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Parametrisierung einer Empfangsstation, ein adaptives Filter für zeitveränderliche Kanäle und eine Basistation anzugeben, die diese Nachteile vermeiden. Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1, das adaptive Filter nach den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und die Basisstation nach den Merkmalen des Patentanspruchs 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Parametrisierung einer Empfangsstation mit adaptiven Antenneneinrichtungen werden über zeitveränderliche Kanäle übertragene Empfangssignale zumindest von zwei adaptiven Antenneneinrichtungen mit Antennenkoeffizienten bewertet und zu Empfangsdaten ver­ knüpft. In einer Einrichtung zum Ermitteln von Fehlergrößen werden aus dem Vergleich der Empfangsdaten und diese Emp­ fangsdaten modellierenden Vergleichsdaten Fehlergrößen ermittelt. Diese Fehlergrößen werden einem Kanalschätzer zugeführt, der die Fehlergrößen minimierende Kanalkoeffizien­ ten und Antennenkoeffizienten gleichzeitig bestimmt. Die Kanalkoeffizienten sind zur Modellierung der Vergleichsdaten vorgesehen. Die Kanalkoeffizienten und die Antennenkoeffi­ zienten sind Parameter der Empfangsstation, die zur Bewertung und Auswertung der Empfangssignale verwendet werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, schnelle Kanaländerungen, ggf. durch Adaptation der Kanalkoeffizienten und der Antennenkoeffizienten nach jedem Abtastwert, auszu­ gleichen. Durch die gleichzeitige Bestimmung der Parameter wird im Gegensatz zu einer suboptimalen Schätzung, die ent­ weder auf die Kanalkoeffizienten oder die Antennenkoeffi­ zienten optimiert ist, eine bestmögliche Parametrisierung der Empfangsstation für die Signaldetektion erreicht.

Die Kanalschätzung dient dem Modellieren eines Funkkanals eines Mobil-Kommunikationssystems oder eines andere Signale übertragenden zeitveränderlichen Kanals. Sind die übertagenen Informationen selbst auszuwerten, dann sind die geschätzten Kanalkoeffizienten für die Detektion der auszuwertenden Empfangsdaten vorgesehen. Gemäß einer vorteilhaften Ausge­ staltung sind für eine Entzerrung und Detektion zumindeste Teile des adaptiven Filters in einem Entzerrer integriert.

Die Kanalkoeffizienten setzen sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung aus einer Verknüpfung zumindest eines für mehrere Kanalkoeffizienten gemeinsamen, eine Korrelation der Kanalkoeffizienten beschreibenden Offset-Werts und für die einzelnen Kanalkoeffizienten individueller Individual-Werte zusammen. Beide Werte können gegebenenfalls getrennt und nach unterschiedlichen Vorschriften bestimmt werden. Der Offset- Wert beschreibt einen den Kanalkoeffizienten gemeinsamen Modellparameter, der z. B. zum Ausgleich des Frequenz-Offsets verwendet werden kann. Insbesondere werden Stabilitätsprob­ leme bei der Adaptation durch eine getrennte Schätzung von Offset-Wert und Individual-Werten verringert.

Das durch das Verfahren beschriebene adaptive Filter ist besonders geeignet bei schnellen Veränderungen des Kanals, z. B. hohen Geschwindigkeiten der mobilen Teilnehmer (bei Anwendungen für mobile Teilnehmer mit Eisenbahngeschwindig­ keiten) und bei höheren Frequenzen, wie z. B. beim PCN/DCS 1800 oder PCS/DCS 1900 Mobilfunksystemen, die durch eine Dopplerverschiebung hervorgerufenen Übertragungsfehler bei der Informationsübertragung zu verringern.

Die Bestimmung der Kanalkoeffizienten und der Antennenkoeffi­ zienten wird vorteilhafterweise unter einer Nebenbedingung durchgeführt, die einen Antennenkoeffizienten oder eine Be­ ziehung der Kanalkoeffizienten untereinander festlegt. Bei­ spielsweise wird ein Antennenkoeffizient auf den Wert "1" festgelegt, so daß eine Normierung der übrigenen Antennen­ koeffizienten auf diesen Wert erfolgt. Es kann jedoch auch als Nebenbedingung verlangt werden, daß die Summe der Qua­ drate der Individual-Werte oder Kanalkoeffizienten gleich dem Wert "1" ist.

Die Parametrisierung wird vorteilhafterweise während der Aus­ wertung eines Blocks von in der Empfangsstation unbekannten Empfangsdaten durchgeführt. Damit ist ein adaptiven Nach­ regeln der Empfangsstation für den zeitveränderlichen Kanal durch eine fortwährende Parametrisierung während der Aus­ wertung möglich.

Die Verknüpfung von Offset-Wert und Individual-Werten ist vorteilhafterweise jeweils multiplikativ, wodurch sich eine einfache Berechnungsvorschrift für die Kanalkoeffizienten ergibt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Bestimmung der Koeffizienten nach der Methode der klein­ sten Fehlerquadrate durchgeführt. Diese Methode wird ggf. um sogenannte Leakage-Faktoren erweitert. Zum Bestimmen der Ka­ nalkoeffizienten nach Methode der kleinsten Fehlerquadrate stehen Algorithmen zur Verfügung, die besonders einfach in das Verfahren zu implementieren sind. Die Einführung von als Leakage-Faktoren bekannten Korrekturfaktoren gewährleistet weiterhin eine erhöhte Stabilität.

Bei einer iterativen Bestimmung der Koeffizienten sind die Adaptionsschrittweiten vorteilhafterweise einstellbar, um unter verschiedenen Abarbeitungsmodi für die Kanalschätzung und Antennenparametrisierung wählen zu können. Sind die Adaptionsschrittweiten für die einzelnen Koeffizienten ge­ trennt einstellbar, dann kann darüberhinaus durch gezielte Beeinflußung einzelner Koeffizienten, z. B. Ausschalten der Anpassung, eine Beschleunigung der Schätzung erreicht werden.

Das adaptive Filter ist vorteilhafterweise in einer Empfangs­ station eines Mobil-Kommunikationssystems implementiert und verbessert dort die Kanalschätzung für einen Funkkanal.

Enthält eine Basisstation für ein Mobil-Kommunikationsystem ein solches adaptives Filter, dann kann mit einer blockweisen Auswertung der Empfangsdaten für jeden Funkkanal und einer wiederholten Bestimmung der Kanalkoeffizienten und der Anten­ nenkoeffizienten während der Auswertung der einzelnen Blöcke die Detektion der übertragenen Symbole besonders bei schnell veränderlichen Funkkanälen verbessert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Basisstation wird bei einer Detektion der Empfangssignale durch eine Bestimmung der Kanalkoeffizienten und der Antennenkoeffizienten für jeden einzelnen möglichen Zustand die Detektion weiter ver­ bessert, da eine Entscheidung über die übertragenen Symbole erst nach vollständiger Abarbeitung aller Symbole einer Sequenz, z. B. eines halben oder ganzen Funkblocks, erfolgt und keine Entscheidungspfade vorzeitig ausgeschlossen werden. Die Erfindung soll im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert werden.

Dabei zeigen

Fig. 1 ein Mobil-Kommunikationssystem,

Fig. 2 ein zellulares Mobilfunksystem mit einer Basis­ station,

Fig. 3 eine Basisstation mit adaptiven Antennenein­ richtungen,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Empfängers einer Basisstation,

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines adaptiven Filters,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Kanalmodells, und

Fig. 7 eine vereinfachte Darstellung eines Viterbi- Entzerrers.

Das in Fig. 1 dargestellte Mobil-Kommunikationssystem ist ein bekanntes GSM-Mobilfunksystem, das aus einer Vielzahl von Mobilvermittlungsstellen MSC besteht, die untereinander ver­ netzt sind bzw. den Zugang zu einem Festnetz PSTN herstellen. Weiterhin sind diese Mobilvermittlungsstellen MSC mit jeweils zumindest einem Basisstationscontroller BSC verbunden. Jeder Basisstationskontroller BSC ermöglicht wiederum eine Verbin­ dung zu zumindest einer Basisstation BS, in dem er die Basis­ station BS und die Verbindung zu dieser Basisstation BS steuert.

Eine solche Basisstation BS ist eine Funkstation, die über eine Funkschnittstelle eine Nachrichtenverbindung zu Mobil­ stationen aufbauen kann. In Fig. 1 ist beispielsweise eine solche Funkverbindung zu einer Mobilstation MS dargestellt. Die Funkschnittstelle zwischen Basisstation BS und Mobil­ station MS ist nach dem Zeitmultiplexverfahren und eventuell zusätzlich nach dem Frequenzmultiplexverfahren organisiert. Auf einer Trägerfrequenz werden so beispielsweise 8 Zeilagen bereitgestellt, die für verschiedene Kommunikationsverbin­ dungen und zur Organisation der Funkschnittstelle genutzt werden können.

Die Kommunikationsverbindung zwischen einer Basisstation BS und einer Mobilstation MS unterliegt einer Mehrwegeausbrei­ tung, die durch Reflexionen und Beugungen, beispielsweise an Gebäuden oder Bepflanzungen, zusätzlich zum direkten Aus­ breitungsweg hervorgerufen werden. Geht man von einer Bewegung der Mobilstation MS aus, dann ist der Einfluß der Reflexionen, Beugungen und zusätzlichen Störungen, wie z. B. einer Dopplerverschiebung der Empfangssignale, zeitabhängig.

Betrachtet man nun exemplarisch die Nachrichtenübertragung von einer Mobilstation MS zu einer Basisstation BS, dann treffen die verschiedenen Signalkomponenten zeitveränderlich bei der empfangenen Basisstation BS ein und überlagern sich dort. Dabei kann es zu Auslöschungserscheinungen kommen, die die Kommunikationsverbindung gefährden.

Fig. 2 zeigt ein zellulares Mobilfunksystem, wobei etwa im Mittelpunkt einer Zelle eine Basisstation BS angeordnet ist, die eine richtungsabhängige Abstrahlungscharakteristik aufweist. Störer I, die nicht aus der Richtung der für eine Kommunikationsverbindung adaptiv eingestellten Abstrahlungs­ richtung einstrahlen, haben nur einen geringeren Einfluß auf die Übertragungsqualität.

Durch diese adaptive Richtungseinstellung der Antennenein­ richtung AE, siehe Fig. 3 durch Auswahl einer Antennenein­ richtung AE oder von Antennenelementen einer Antennenein­ richtung AE, einer Basisstation BS eines zellularen Mobil­ funksystems ist es möglich, die abgestrahlte und empfangene Störleistung zu verringern, sowie die gleiche Trägerfrequenz einer Basisstation BS für verschiedene durch ihre Richtung in Bezug auf die Basisstation BS unterschiedbare Mobilstationen MS zu nutzen. Durch die Unterteilung einer Funkzelle in mehrere schmale Sektoren, läßt sich die Signalqualität da­ durch verbessern, daß an der Basisstation Gleichkanalstö­ rungen nur in einem kleinen Winkelbereich empfangen werden. Ferner wird auch von der Basisstation weniger Interferenz für andere Kommunikationsverbindungen verbreitet, da das Sende­ signal nicht in alle Richtungen, sondern gezielt, gesendet wird.

Dem in Fig. 4 dargestellten beispielhaften Empfänger werden Empfangssiganale es zugeführt, die durch Antenneneinrich­ tungen AE empfangen werden. In Einheiten zur Basisband­ umsetzung BB werden die Empfangssignale es verarbeitet und ins Basisband umgesetzt. Die Empfangssignale es werden durch Antennenkoeffizienten a (a0 bis an) bewertet und anschließend zu Empfangsdaten z aufsummiert.

Die empfangenen Symbole z werden daraufhin einem Viterbi- Entzerrer VF, siehe Fig. 7, zugeführt. Dieser Viterbi-Ent­ zerrer entspricht einem aus J. G. Proakis, "Digital Communi­ cations", McGraw-Hill, New York, 1995, S. 649-656 bekannten Entzerrer (Equalizer), jedoch wird für jeden Abtastwert (übertragene Symbol z) und für jeden Zustand eine Berechnung von Referenzwerten zur Schätzung der Antennenkoeffizienten a und Kanalkoeffizienten RW und zur Detektion durchgeführt. Der Begriff Schätzung verdeutlicht, daß es sich erfindungsgemäß nicht um eine exakte Berechnung handelt, sondern die Bestim­ mung der Koeffizienten a, RW nur annähernd ist.

Damit wird auch ein adaptives Filter mit Kanalkoeffizienten RW, die in einem Kanalschätzer ACE (Channel Estimator) be­ stimmt werden, realisiert. Die Kanalkoeffizienten RW werden zur Modellierung des Funkkanals in einem Kanalmodell MF benötigt. Die Kanalkoeffizienten RW ergeben sich aus einer multipliktiven Verknüpfung von einem Offset-Wert R und für die einzelnen Kanalkoeffizienten RW individuellen Individual- Werten W. Als Ausgangsgrößen für eine adaptive Bestimmung der Kanalkoeffizienten RW während eines Funkblocks werden die Individual-Werten W mit Anfangswerten W_init belegt, die während einer Trainingssequenz aus dem Vergleich der emp­ fangenen Symbole z mit den im Empfänger bekannten Trainings­ symbolen bestimmt werden. Mit Hilfe der Trainingssequenz werden auch die Anfangswerte a_init für die Antennenkoeffi­ zienten a bestimmt. Dies geschieht beispielsweise entspre­ chend der deutschen Patentanmeldung 196 04 772.2.

Alternativ können die Anfangswerte Winit und a_init mit belie­ bigen Startwerten (z. B. "1") belegt werden. Auch der Offset- Wert R wird bei einer Initialisierung mit einem Wert ungleich "0" vorgegeben, z. B. mit "1".

Das Kanalmodell MF mit den Kanalkoeffizienten RW und die übertragenen und vom Viterbi-Entzerrer VF ausgewerteten Symbole z bilden die Grundlage für die Signaldetektion.

Entsprechend dem Viterbi-Detektor nach Fig. 7 liegt der akku­ mulierte Entscheidungspfad nach einer Entzerrung im Signal M_accu vor. Da es sich gemäß Fig. 7 um eine digitale Signal­ verarbeitung handelt, sind für jeden Zustand zwei Übergänge möglich. Für jeden möglichen Endzustand e0 bis e15 wird eine Fehlergröße e0 bis e15 ermittelt, die die Abweichung des empfangenen Symbols z (Empfangsdaten) zu dem für jeden Zustand individuellen Referenzdatum (Vergleichsdaten) y angibt.

Im Kanalschätzer ACE wird zur Bestimmung der Kanalkoeffizien­ ten RW und Antennenkoeffizienten a ein adaptiver Algorithmus, z. B. nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, z. B. dem LMS-(least mean squares) oder RLS-Algorithmus (recursive least squares), angewandt. Weitere Einzelheiten zu solchen Algorithmen finden sich in J.G. Proakis, "Digital Communica­ tions", McGraw-Hill, New York, 1995, S. 636-649. Der Kanalschätzer ACE wertet dazu im Viterbi-Entzerrer bestimmte Fehlergrößen e aus, die sich aus dem Vergleich von empfangen Symbolen z und diese Empfangsdaten z modellierenden Ver­ gleichsdaten y während der Entzerrung ergeben. Im iterativen Algorithmus zu wählende Adaptationsschrittweiten µ, µ_R für die Kanalkoeffizienten RW und µ_a für die Antennenkoeffizienten a werden dem Kanalschätzer ACE vorgegeben.

Das Zusammenwirken von Kanalschätzung, Entzerrung und adap­ tiver Antenneneinstellung soll anhand von Fig. 5 verdeutlicht werden. Dabei wird die Zeitabhängigkeit der Größen nicht gezeigt. Die Fehlergrößen e haben die Dimension der bei der Signaldetektion zu berücksichtigenden Zustände entsprechend dem Viterbi-Algorithmus, ebenso sogenannte Soft-Decision- Werte SD über die Wahrscheinlichkeit der Übergänge und Zu­ stände während der Detektion. Die Vektoren der Kanalkoeffi­ zienten RW, R, W und der Antennenkoeffizienten a haben eben­ falls die Dimension der Zustände, beispielsweise 16 = 2⁴, und mit Ausnahme der Offset-Werte R zusätzlich die Dimension der Anzahl der Kanalkoeffizienten RW bzw. Antennenkoeffizienten a, beispielsweise 5 (somit 16 × 5). Die Anfangswerte für die Kanalkoeffizienten RW sind eindimensional und haben die Dimension 5.

Im Kanalmodell MF werden Refenenzdaten (Vergleichsdaten) y jeweils für ein Bit "0" und "1" und für jeden Zustand er­ zeugt, indem ein Symbolvektor , der den Übergang von einem alten zu einem neuen zu betrachtenden Zustand charakteri­ siert, verarbeitet wird. Die Verarbeitung geschieht nach Fig. 6, durch entsprechende Verzögerung und Gewichtung der Symbole durch die Individual-Werte W0 bis W4 und eine Multiplikation der aufsummierten Signalkomponenten mit dem Offset-Wert R.

Die Referenzdaten y werden von dem Empfangsdaten z in einer Einrichtung zum Ermitteln von Fehlergrößen e, z. B. einem Addierer, subtrahiert, wobei die Fehlergrößen e das Ergebnis der Subtraktion bilden. Die Fehlergrößen e werden sowohl der Signaldetektion im Detektor DEC, als auch dem Kanalschätzer ACE zugeführt. Die im Detektor DEC (unter Verwendung des Viterbi-Algorithmus) ebenfalls bestimmten Soft-Decision-Werte SD werden in einem Pfadspeicher gespeichert und dem Kanal­ schätzer ACE zur weiteren Auswertung zur Verfügung gestellt. Sie dienen beispielsweise dazu, die Adaptationgeschwindigkeit anhand der Wahrscheinlichkeit der entschiedenen Symbole zu verändern. Bei unsicherer Entscheidungsgrundlage wird zumindest eine Adaptationsschrittweite µ_a, µ, µ_R verringert.

Der Kanalschätzer ACE, der zusätzlich zu einem herkömmlichen Kanalschätzer auch die Antennenadaptation vornimmt, aktuali­ siert die Kanalkoeffizienten RW und Antennenkoeffizienten a für jeden Koeffizienten und jeden Zustand basierend auf den Fehlergrößen e und dem zuletzt entschiedenen Symbol x für den entsprechenden Zustand. Die Initialisierung der Koeffizienten RW, a erfolgt durch eine Auswertung der Trainingssequenz mit Hilfe eines Prozessors, der für die Individual-Werte W Anfangswerte W_init und Anfangswerte a_init für die Antennen­ koeffizienten a berechnet. Diese Anfangswerte W_init, a_init und R werden blockweise berechnet, da aufeinanderfolgende Funkblöcke unterschiedlichen Kommunikationsverbindungen zuge­ ordnet sind.

Entsprechend dem Ausführungsbeispiel wird keine vorgezogene Entscheidung für jedes übertragene Symbol getroffen, vielmehr wird für jeden möglichen Pfad eine Schätzung der Kanalkoeffi­ zienten RW und der Antennenkoeffizienten a durchgeführt. Ein Verschieben der Entscheidung über einen Zustand führt zu einer Verbesserung der Detektionsentscheidung, doch kommt es zu Stabilitätsproblemen bei der Entscheidung. Die minimale Verzögerung wird durch die Anzahl der Kanalkoeffizienten RW vermindert um 1, im Beispiel 4 = 5 - 1, festgelegt. Die erfin­ dungsgemäße Parametrisierung kann jedoch auch bei adaptiven Filtern, die eine vorgezogene Entscheidung treffen, angewandt werden.

Beim Einsatz von fünf Kanalkoeffizienten RW im Kanalmodell MF enthält auch der Symbolvektor fünf Symbole, so daß sich 32 mögliche Übergänge und 16 Zustände ergeben. Die vier neusten Symbole (Bits bei einer digitalen Auswertung) beschreiben den neuen Zustand der Dekodierung. Für alle 16 Zustände werden die vier neusten Symbole in den Symbolvektor entsprechend dem jeweiligen Zustand eingegeben. Das älteste Symbol ist das für diesen Zustand wahrscheinlichste, entschiedene Symbol. Die Entscheidungsverzögerung beträgt nur ein Symbol, da der Symbolvektor sofort nach der Auswahl eines von zwei mög­ lichen Symbolen eines Zustandes wieder gefüllt werden kann. Die getroffene Entscheidung bildet die Grundlage für die Referenzdaten y, die für die darauffolgende Entscheidung be­ nötigt werden.

Der adaptive Algorithmus zur Schätzung der Kanalkoeffizienten RW und der Antennenkoeffizienten a, der die Empfangsstation für die Signaldetektion fortlaufend parametrisiert, wird für jeden der 16 Zustände angewandt und basiert auf der Methode der sogenannten "leaky" kleinsten Fehlerquadrate (leaky LMS). Bei der Rekursion werden die Zustände wie im bekannten Viterbi-Algorithmus addressiert.

Der Kanalschätzer ACE erhöht den vorherigen Schätzwert um einen Wert, der durch die Fehlergröße e, den Symbolvektor und die Adaptationsschrittweiten µ_a, µ, µ_R bestimmt wird. Beim Schätzen der Kanalkoeffizienten RW wird jedoch unterschieden in einen Offset-Wert R, der multipliziert mit den Individual- Werten W für jeden Koeffizienten mathematisch einen Rotator für die Kanalkoeffizienten RW darstellt, welcher die durch eine Dopplerverschiebung hervorgerufene Rotation der Emp­ fangsdaten z ausgleicht. Der Offset-Wert R wird zweckmäßiger­ weise zu Beginn einer Adaptation auf den Wert "1" gesetzt.

Die Leakage-Faktoren ergeben sich aus nach dem Festlegen von Konstanten, den sogenannnte Cost Function Weights a,β,ρ gemäß der Herleitung des LMS-Algorithmus nach dem Prinzip des steilsten Anstieg zu:

L_a = 1 - αµ_a,
L_W = 1 - βµ_W für |W|² ≧ 1
L_W = 1 + βµ_W für |W|² < 1,
L_R = 1 + ρµ_R für |R|² ≧ 1
L_R = 1 + ρµ_R für |R|² < 1,

so daß mit t als Index für den Abtastwert und * für konjugiert komplexe Werte:

die Ausgangsgleichungen für eine rekursive Bestimmung der Kanalkoeffizienten RW und der Antennenkoeffizienten a dar­ stellen (hierbei ist vorausgesetzt, daß zu jedem Zeitpunkt zunächst die Adaptation, dann die Entzerrung erfolgt).

Die Fehlergrößen e ergeben sich dabei aus

e = es . a - RW . x,

mit es für die durch die Antennenkoeffizienten a zu bewer­ tenden Empfangssignale es.

Zusätzlich wird zu den die Ausgangsgleichungen für die rekur­ sive Bestimmung der Kanalkoeffizienten RW und der Antennen­ koeffizienten a eine Nebenbedingung eingeführt:

ΣW² = 1,

so daß die Summe der Quadrate der Individual-Werte W gleich 1 ist. Diese Nebenbedingung führt dazu, daß der Leakage-Faktor L_W durch 2 - L_W ersetzt wird, falls |W|² kleiner eins ist.

Wird ein zusätzlicher Term eingeführt, der gewährleisten soll, daß der Betrag des Offset-Werts R rund 1 bleibt, dann wird in den Adaptationsgleichungen der Leakage-Faktoren L_R durch 2 - LR ersetzt, falls |R| kleiner eins ist.

Die individuell einstellbaren Adaptationsschrittweiten µ_a,µ,µ_R bestimmen die Schnelligkeit, mit der die Antennenkoeffizien­ ten a und die Kanalkoeffizienten RW in ihren Komponenten angepaßt werden können. Die Leakage-Faktoren L_R, L_a und L_W können bei schneller Adaptation ausgeschalten werden, jedoch auf Kosten einer verringerten Stabität der Rekursion.

Verschiedene Modi sind über die Adaptationsschrittweiten µ_a,µ,µ_R einstellbar:

µ_a = 0,µ = 0,µ_R = 0:
Der Entzerrer und die Antenneneinrichtung funktionieren nichtadaptiv, da die Kanalkoeffizienten RW und die Antennen­ koeffizienten a innerhalb eines Funkblocks nicht aktualisiert werden.

µ_a = 0,µ = 2^-5..2^-3, µR = 0:
Die Antennenkoeffizienten a bleiben für einen Funkblock unverändert. Der Entzerrer ist adaptiv, jedoch führt eine schnelle Adaptation zu einer Rauschverstärkung. Ist die Schrittweite multipliziert mit der Anzahl der Kanalkoeffi­ zienten RW größer als 1, dann können Instabilitäten auf­ treten.

µ_a = 0,µ = 2^-5..2^-3, µ_R = 2^-3..2^-1:
Die Antennenkoeffizienten a bleiben für einen Funkblock unverändert. Der Entzerrer ist adaptiv und verwendet gleich­ zeitig den Offset-Wert R, wodurch es möglich ist, die indi­ viduelle Schrittweite µ für für die einzelnen Koeffizienten zu reduzieren. Damit wird die Rauschverstärkung verrringert und die Stabilität erhöht. Werden die Schrittweiten µ,µR ver­ größert, dann steigt die Adaptationsgeschwindigkeit.

µ_a = 2^-5, µ = 0,µ_R = 0:
Der Entzerrer ist nicht adaptiv. Die Antennenkoeffizienten a werden jedoch während der Auswertung eines Funkblocks ange­ paßt.

u_a = 2^-5...2^-3, µ = 2^-6...2^-4, µR = 2^-3...2^-1:
Mit unterschiedlichen Adaptationsgeschwindigkeiten wird damit ein adaptiver Entzerrer und eine adaptive Antenneneinrich­ tung, die auch schnelle Anpassungen während eines Funkblocks vornehmen, realisiert. Ist die Schrittweite multipliziert mit der Anzahl der Kanal- und Antennenkoeffizienten RW, a größer als 1, dann können Instabilitäten auftreten.

Es ist ebenso möglich, die Adaptation einzelner oder aller Kanalkoeffizienten RW auszuschalten, um die verbleibenden Kanalkoeffizienten RW schneller anpassen zu können. Die Einstellung der Schrittweiten µ_a, µ, µ_R kann beispielsweise durch ein Kontrollzentrum (Operation and Maintenance Center) gesteuert werden.

Die erfindungsgemäße Empfangsstation zeigt eine verbesserte Unterdrückung von Störsignalen, die durch die Kombination von räumlicher Filterung und Berücksichtigung von Laufzeitunter­ schieden der Signalkomponenten in einem einzigen Algorithmus erreicht wird. Die Anzahl der zueinander zumindest teilweise dekorrelierten Empfangssignale es, also z. B. die Anzahl der Antennenelemente, spielt eine Rolle bei der Wirksamkeit des erfindungsgemäßen adaptiven Filters bzw. des erfindungs­ gemäßen Verfahrens.

Je mehr unabhängige Signale vorliegen, um so besser können diese aufgearbeitet werden. Als Mindestbedingungen sind dabei zumindest zwei teilweise dekorrelierte Empfangssignale es vorzusehen, es kann jedoch auch jede höhere Zahl von Emp­ fangssignalen es verwendet werden. Bei einer Anzahl von Signalen es, die den zu unterdrückenden Störkomponenten multipliziert mit der Anzahl der Kanalkoeffizienten RW und addiert mit 1 entspricht, kann eine vollständige Unter­ drückung der Störkomponenten erzielt werden.

Werden separate Antennen mit unterschiedlichen Abstrahlungs­ diagrammen verwendet, müssen diese nicht weiter durch die Empfangseinrichtung gesteuert werden. Wird nur eine Antenne verwendet, verringert sich der hierfür aufgebrachte Aufwand. Die Erzeugung unterschiedlicher Abstrahlungsdiagramme in Bezug auf ein auszuwertetes Informationselement in den Empfangssignalen bedarf jedoch einer zusätzlichen elektro­ nischen Steuerung.

Weiterhin ist es vorteilhaft, die berechneten Antennenkoeffi­ zienten a nicht nur zum Empfang, sondern auch beim Senden innerhalb der gleichen Kommunikationsverbindung, für die zwischen sendender und empfangender reziproke Ausbreitungs­ verhältnisse vorherrschen, einzusetzen. Durch diese Maßnahme ist es möglich, eine räumliche Selektivität des Abstrahlungs­ diagrammes in Senderichtung zu erzielen. Durch die Maßnahme können ungewünschte Interferenzen vermieden und eine höhere Kapazität des gesamten Funksystems erreicht werden. Falls Sende- und Empfangsfrequenz voneinander abweichen, ist eine Transformation der Antennnengkoeffizienten a vorzunehmen, so daß das Antennendiagramm in Senderichung dem in Empfangsrich­ tung entspricht.

Claims (18)

1. Verfahren zur Parametrisierung einer Empfangsstation (BS) mit adaptiven Antenneneinrichtungen (AE) zum Empfangen von Empfangssignalen (es) über zeitveränderliche Kanäle, bei dem

• 1. die Empfangssignale (es) zumindest von zwei adaptiven Antenneneinrichtungen (AE) mit Antennenkoeffizienten (a) bewertet und zu Empfangsdaten (z) verknüpft werden,
• 2. in einer Einrichtung zum Ermitteln von Fehlergrößen (e) aus dem Vergleich von Empfangsdaten (z) und diese Empfangsdaten (z)modellierenden Vergleichsdaten (y) Fehlergrößen (e) ermittelt werden,
  • - wobei Kanalkoeffizienten (RW) zur Modellierung der Ver­ gleichsdaten (y) vorgesehen sind,
• 3. diese Fehlergrößen (e) einem Kanalschätzer (ACE) zugeführt werden,
• 4. der Kanalschätzer (ACE) die Fehlergrößen (e) minimierende Kanalkoeffizienten (RW) und Antennenkoefizienten (a) ge­ meinsam bestimmt, und
• 5. die Kanalkoeffizienten (RW) für eine Detektion der auszu­ wertenden Empfangsdaten (z) vorgesehen sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich die Kanalkoeffizienten (RW) aus einer Verknüp­ fung zumindest eines für mehrere Kanalkoeffizienten (RW) gemeinsamen, eine Korrelation der Kanalkoeffizienten (RW) beschreibenden Offset-Werts (R) und für die einzelnen Kanalkoeffizienten (RW) individueller Individual-Werte (W) zusammensetzen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Offset-Wert (R) und die Individual-Werte (W) jeweils multiplikativ verknüpft werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Bestimmung der Kanalkoeffizienten (RW) und der Antennenkoeffizienten (a) unter einer Nebenbedingung durch­ geführt wird, die einen Antennenkoeffizienten (a) oder eine Beziehung der Kanalkoeffizienten (RW) untereinander festlegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Parametrisierung während der Auswertung eines Blocks von in der Empfangsstation (BS) unbekannten Empfangs­ daten (z) durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei einer iterativen Bestimmung der Kanalkoeffizien­ ten (RW) und Antennenkoeffizienten (a) Adaptionsschrittweiten (µ, µ_a, µ_R) einstellbar sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Adaptionsschrittweiten (µ, µ_a, µ_R) für die ein­ zelnen Koeffizienten (RW, a) getrennt einstellbar sind.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kanalkoeffizienten (RW) und die Antennenkoeffi­ zienten (a) für jeden einzelnen möglichen Zustand bei einer Detektion der Empfangsdaten (z) bestimmt werden.

9. Adaptives Filter für eine Empfangsstation (BS) mit adaptiven Antenneneinrichtungen (AE) zum Empfangen von Empfangssignalen (es) über zeitveränderliche Kanäle, mit

• 1. einer Einrichtung zum Bewerten der Empfangssignale (es) von zumindest zwei Antenneneinrichtungen (AE) mit Antennen­ koeffizienten (a) und zum Verknüpfen der Empfangssignale (es) zu Empfangsdaten (z),
• 2. einer Einrichtung zum Ermitteln von Fehlergrößen (e) aus dem Vergleich von Empfangsdaten (z) und diese Empfangsdaten
• 3. modellierenden Vergleichsdaten (y),
  • - wobei Kanalkoeffizienten (RW) zur Modellierung der Ver­ gleichsdaten (y) vorgesehen sind,
• 4. einem Kanalschätzer (ACE) zum gemeinsamen Bestimmen von die Fehlergrößen (e) minimierenden Kanalkoeffizienten (RW) und Antennenkoeffizienten (a), dem diese Fehlergrößen (e) zuge­ führt werden, wobei
  • - die Kanalkoeffizienten (RW) für eine Detektion der auszuwertenden Empfangsdaten (z) vorgesehen sind.

10. Adaptives Filter nach Anspruch 9, bei dem sich die Kanalkoeffizienten (RW) aus einer Verknüp­ fung zumindest eines für mehrere Kanalkoeffizienten (RW) gemeinsamen, eine Korrelation der Kanalkoeffizienten (RW) beschreibenden Offset-Werts (R) und für die einzelnen Kanalkoeffizienten (RW) individueller Individual-Werte (W) zusammensetzen.

11. Adaptives Filter nach Anspruch 10, mit multiplikativer Verknüpfung des Offset-Werts (R) und der Individual-Werte (W).

12. Adaptives Filter nach einem der Ansprüche 10 oder 11, mit einer Bestimmung der Kanalkoeffizienten (RW) und der Antennenkoefizienten (a) unter einer einen Antennenkoeffi­ zienten (a) oder eine Beziehung der Kanalkoeffizienten (RW) untereinander festlegenden Nebenbedingung.

13. Adaptives Filter nach einem der Ansprüche 9 bis 12, mit einer Parametrisierung der Empfangsstation (BS) während der Auswertung eines Blocks von in der Empfangsstation (BS) unbekannten Empfangsdaten (z).

14. Adaptives Filter nach einem der Ansprüche 9 bis 13, mit einer iterativen Bestimmung der Kanalkoeffizienten (RW) und Antennenkoeffizienten (a), deren Adaptionsschrittweiten (µ, µ_a, µ_R) einstellbar sind.

15. Adaptives Filter nach Anspruch 14, mit für die einzelnen Koeffizienten (RW, a) getrennt ein­ stellbaren Adaptionsschrittweiten (µ, µ_a, µ_R).

16. Adaptives Filter nach einem der Ansprüche 9 bis 15, mit einer Bestimmung der Kanalkoeffizienten (RW) und der Antennenkoeffizienten (a) für jeden einzelnen möglichen Zustand bei einer Detektion der Empfangsdaten (z).

17. Adaptives Filter für die Auswertung von Funkkanälen eines Mobil-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem das adaptive Filter einer Empfangsstation (BS) des Mobil-Kommunikationssystems zugeordnet ist.

18. Basisstation für ein Mobil-Kommunikationsystem mit einem adaptiven Filter nach einem der Ansprüche 9 bis 17, mit blockweiser Auswertung der Empfangsdaten (z) für jeden Funkkanal und wiederholter Bestimmung der Kanalkoeffizienten (RW) während der Auswertung der einzelnen Blöcke.