DE19741991C1 - Verfahren zum Bestimmen einer richtungsaufgelösten komplexen Impulsantwort eines Funkkanals und Meßsystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestim­ men einer richtungsaufgelösten komplexen Impulsantwort eines Funkkanals, wie es insbesondere bei der Untersuchung von Mobilfunkkanälen eingesetzt werden kann. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Meßsystem, welches unter Anwen­ dung des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet.

Ein Funkkanal, insbesondere ein Mobilfunkkanal, ist durch Mehrwegeausbreitung des von einer Sendeantenne abgestrahlten Signals gekennzeichnet, wobei es bei der Ausbreitung des Signals auf den unterschiedlichen Wegen/Pfaden unter anderem zu Abschattungen, Reflexionen, Streuungen und Dopplerver­ schiebungen des Signals kommt. An einer Empfangsantenne werden daher eine Vielzahl von pfadgewichteten Signalen empfangen, die sich auf verschiedenen Pfaden ausgebreitet haben und gemeinsam eine örtliche komplexe Impulsantwort darstellen. Aus mehreren örtlichen komplexen Impulsantworten läßt sich eine richtungsaufgelöste komplexe Impulsantwort bestimmen.

Für die Entwicklung und Optimierung von Mobilfunksystemen sind heutzutage statistisch relevante Kanalmodelle erforder­ lich, mit denen eine realistische Modellbeschreibung möglich wird. Dazu müssen die komplexen Eigenschaften des von den jeweiligen örtlichen Bedingungen abhängigen Kanalmodells möglichst vollständig erfaßt und beschrieben werden. Um den realen Funkkanal zu vermessen, wird üblicherweise eine breit­ bandige Messung der komplexen Übertragungsfunktion des zu untersuchenden zeitvarianten Mobilfunkkanals durchgeführt, wobei als Meßsystem sogenannte Channel-Sounder eingesetzt werden.

Ein derartiges Meßsystem zur Untersuchung von Mobilfunkkanä­ len ist beispielsweise in der Deutschen Patenschrift DE 42 33 222 angegeben. Ziel dieses bekannten Meßsystem ist es, in Ergänzung zu schmalbandigen Pegelmessungen die komplexe Über­ tragungsfunktion mit Bezug auf die zu erwartende Datenrate bzw. Hochfrequenz-Bandbreite des Funksystems dynamisch und mit ausreichender Bandbreite zu messen. Wie auch bei anderen Channel-Soundern kommt für eine derartige Messung ein beson­ deres Testsignal zum Einsatz, wobei in der genannten Patent­ schrift eine ausführliche Vorschrift für die Erzeugung dieses Testsignals angegeben wird.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 41 35 953 ist eben­ falls ein Verfahren zum Bestimmen der komplexen Übertragungs­ funktion eines Funkkanals bekannt. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß für Meßzwecke ein periodisches Signal mit sich wiederholenden Signalabschnitten von der Sendean­ tenne abgegeben wird. Diese Druckschrift erläutert im einzel­ nen die zweckmäßige Gestaltung des Testsignals und die Art und Weise der Auswertung der empfangenen Teilsignale.

Da es im realen Funkfeld zu Mehrwegeausbreitungen mit unend­ lich vielen Pfaden kommt, die durch Reflexionen und Streuun­ gen bedingt sind, müssen zur vollständigen Charakterisierung des Funkfeldes die empfangenen Signale hinsichtlich der Lauf­ zeiten, Einfallsrichtungen und komplexen Amplituden beurteilt werden. Insbesondere im Bereich der Mobilfunkübertragung besitzen die Empfangssignale darüber hinaus einen zeitvarian­ ten Charakter, da sowohl die Sendeantenne, die das Signal abstrahlt, als auch die Empfangsantenne, aber auch die Objekte, die Reflexionen, Streuungen und Beugungen des Funksignals hervorrufen, in Bewegung sein können.

Die meisten herkömmlichen Channel-Sounder verwenden Meßver­ fahren, die nur eine Bestimmung von zeitvarianten Laufzeiten und den dazugehörigen komplexen Amplituden gestatten. Die Einfallsrichtungen der einzelnen pfadgewichteten Signale werden von diesen Systemen nicht berücksichtigt.

Einige wenige Meßsysteme und entsprechende Verfahren ermögli­ chen es darüber hinaus, neben der Laufzeitinformation auch die Einfallsrichtung der pfadgewichteten Signale zu bestim­ men. Dafür ist beispielsweise eine mehrkanalige Erfassung unter Verwendung einer räumlichen Antennenanordnung (Antennenarray) erforderlich. Die Meßsysteme, die derartige Verfahren umsetzen, werden als Vector-Channel-Sounder bezeichnet. Mit diesen Meßsystemen ist es möglich, richtungs­ aufgelöste Kanalmodelle auf der Basis real gemessener örtli­ cher komplexer Impulsantworten zu erstellen. Für Vector- Channel-Sounder muß eine mehrkanalige (synchrone) Empfänger­ struktur aufgebaut werden. Insbesondere in dem bei Mobilfunk­ übertragungen erforderlichen Frequenzbereich ist der Aufbau mehrerer paralleler identischer Empfängerkanäle technisch sehr aufwendig. Aufgrund von Bauelementetoleranzen werden die einzelnen parallelen Meßkanäle mehr oder weniger voneinander abweichende Eigenschaften aufweisen, die zwangsläufig zu einer Verfälschung des gesamten Meßergebnisses führen. Da mehrere parallele Meßkanäle aufzubauen sind (beispielsweise ist eine achtkanalige Erfassung sinnvoll) und außerdem die Toleranzen möglichst gering gehalten werden müssen, ist der Aufbau herkömmlicher Vector-Channel-Sounder sehr teuer und führt zu Geräten mit erheblichen Baugrößen, was sich insbe­ sondere im mobilen Einsatz als hinderlich erweist.

Aus der EP 0 789 463 A2 ist ein Verfahren zur Parametrierung einer Empfangseinrichtung bekannt, die eine zugeordnete intelligente Antenneneinrichtung verwendet, welche aus mehre­ ren räumlich angeordneten Antennen bestehen kann. Die an der Antenneneinrichtung empfangen digitalen Signale werden hier­ bei in einem Speicherelement gespeichert und um eine Zeitver­ zögerung verzögert ausgegeben. Dieses Verfahren dient der Einstellung der für die Empfangseinrichtung benötigten Para­ meter. Eine vollständige Erfassung des Funkkanals zu einem bestimmten Zeitpunkt ist nach diesem Verfahren nicht möglich, so daß die komplexe Impulsantwort des Funkkanals nicht bestimmbar ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bestimmung einer richtungsaufgelösten komplexen Impulsantwort eines Funkkanals anzugeben, bei welchem sowohl die zeitvarianten als auch die richtungsabhängigen Charakte­ ristiken des Funkkanals bestimmt werden können, wobei die Nachteile herkömmlicher Vector-Channel-Sounder vermieden werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Meßsystem anzugeben, welches unter Verwendung eines derartigen Verfahrens arbeitet und aus einer Vielzahl von örtlichen komplexen Impulsantworten eine richtungsaufge­ löste komplexen Impulsantwort bestimmt, wobei sowohl die hohen Kosten bekannter Meßsysteme als auch die Schwierigkei­ ten, die aufgrund von Bauelementetoleranzen entstehen, vermieden werden.

Die genannten Aufgaben werden einerseits durch ein in Anspruch 1 angegebenes Verfahren und andererseits durch ein in Anspruch 9 angegebenes Meßsystem gelöst.

Das Verfahren gemäß Anspruch 1 bietet den Vorteil, daß eine vollständige mehrkanalige Erfassung eines zeitvarianten und richtungsabhängigen Mobilfunkkanals möglich ist, wobei gleichzeitig der Hardwareaufwand für entsprechende Meßgeräte deutlich reduziert wird. Dazu erfolgt eine zeitlich sequen­ tielle Erfassung der einzelnen Meßkanäle, wobei jeweils ört­ liche komplexe Impulsantworten erfaßt werden, die der Bestim­ mung der richtungsaufgelösten komplexen Impulsantwort dienen. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die richtungsaufgelöste komplexe Impulsantwort aus den sequen­ tiell erfaßten Meßkanäle abzuleiten.

Das durch die Erfindung vorgeschlagene Meßsystem ermöglicht eine derartige sequentielle Erfassung von örtlichen komplexen Impulsantworten und die Bildung richtungsaufgelöster komple­ xer Impulsantworten, die sowohl die zeitvarianten als auch die richtungsabhängigen Kenngrößen des Funkkanals widerspie­ geln. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Meßsy­ stems besteht darin, daß nur ein einzelner Meßkanal vollstän­ dig aufgebaut werden muß, aber trotzdem Meßergebnisse erzielt werden, die bislang nur durch kosten- und bauteilintensive Vector-Channel-Sounder zu erhalten waren. Im Vergleich zu diesen bekannten Vector-Channel-Soundern wird außerdem die Qualität des Meßergebnisses deutlich erhöht, da Meßfehler, die aufgrund von Toleranzen in parallelen Meßkanälen entste­ hen, im erfindungsgemäßen Meßsystem prinzipbedingt ausge­ schlossen werden können.

Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah­ rens zeichnet sich dadurch aus, daß die im Sendesignal enthaltenen Blöcke ein kontinuierlich periodisches Signal enthalten. Als ein solcher Block wird dabei vorzugsweise ein Abschnitt in dem Testsignal betrachtet, der eine ganzzahlige Anzahl von Perioden des Signals enthält. Auf diese Weise ist es möglich, mit einer einfachen Zeitsynchronisation zwischen Sender und Empfänger während der Durchführung der Messung zu arbeiten, da es ausreichend ist, daß sowohl im Sender als auch im Empfänger der exakte Zeitpunkt des Aussendens des Blocks als auch dessen Länge bekannt sind, um aussagekräf­ tige Meßergebnisse zu erhalten.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform, ist das Verfahren derart ausgestaltet, daß das Ausgangssignal des Multiplexers gegebenenfalls über Signalfilter und/oder Signaldemodulatoren an einen schellen Analog/Digital-Wandler geführt wird. Dieser Analog/Digital-Wandler wird von einem lokalen Taktgenerator getaktet und ist dadurch in der Lage, aus dem Ausgangssignal jedes Meßkanals exakt eine Blocklänge (T) abzutasten. Es ist zweckmäßig wenn der Multiplexer jeden seiner Eingänge für eine etwas längere Zeitdauer als die Blocklänge (T) an den Ausgang durchschaltet. Vorteilhafterweise wird zwischen dem Abtasten einer ersten örtlichen komplexen Impulsantwort über eine Blocklänge (T) durch den Analog/Digital-Wandler und dem Abtasten der folgenden örtlichen komplexen Impulsantwort, wiederum über eine Blocklänge (T), eine Verweilzeit zwischen­ geschaltet, die dem Einschwingen des gesamten Meßsystems dient. Diese Verweilzeit kann zweckmäßig ebenfalls die Dauer einer Blocklänge (T) betragen. Damit ist es möglich, daß der Multiplexer innerhalb dieser Verweilzeit zwischen den einzel­ nen Eingängen umschaltet. Die exakte Bestimmung der Abtast­ zeit jeder örtlichen komplexen Impulsantwort wird bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung durch den Analog/Digital-Wandler ausgeführt.

Eine besonders zu bevorzugende Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß eine Echtzeitverarbeitung aller Signale erfolgt. Dies bietet den Vorteil, daß die Zeitvarianz des Funkkanals vollständig erfaßt werden kann und/oder mehrere unmittelbar aufeinander­ folgende örtliche komplexe Impulsantworten gemessen, verar­ beitet und gegebenenfalls gespeichert werden können. Auf diese Weise kann in einer sehr kurzen Meßzeit eine ausrei­ chend große Datenmenge gewonnen werden, um die Eigenschaften eines Funkkanals mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des oben genannte erfin­ dungsgemäßen Meßsystems weist eine Antennenanordnung auf, die acht Empfangsantennen umfaßt. Diese acht Empfangsantennen sind an acht Eingänge des nachfolgenden Multiplexers geschal­ tet, wodurch acht Meßkanäle einer räumlichen Antennenanord­ nung dargestellt werden. Die gesamte Steuer- und Auswer­ teelektronik für diese acht Meßkanäle reduziert sich jedoch im Gegensatz zum Stand der Technik auf einen einzelnen Meßka­ nal, in welchem zeitlich zueinander versetzt die örtlich komplexen Impulsantworten dieser Meßkanäle bearbeitet werden und letztlich zu einer richtungsaufgelösten komplexen Impulsantwort verarbeitet werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Meßsystems umfaßt weiter­ hin Signalfilter- und -demodulatorelemente, denen das Ausgangssignal des Multiplexers eingespeist wird; eine lokale Oszillatoreinheit, die eine Taktfrequenz bereitstellt, die der Frequenz des gesendeten Signals bzw. einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht; einen Analog/Digital-Wandler der über die Signalfilter- und -demodulatorelemente das Ausgangs­ signal des Multiplexers erhält und durch die Taktfrequenz getaktet wird, um in einem Zyklus genau einen Block jedes Meßkanals abzutasten. Die Vorteile dieses Meßsystems entspre­ chen denen, die bei dem zugehörigen Meßverfahren oben genannt wurden.

In der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens und des Meßsystems wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Blockdiagramm einen Sender und ein Meßsystem gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Zeitregimes, welches bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt;

Fig. 3 in einem Blockdiagramm eine vereinfachte Darstellung der durchzuführenden Verfahrensschritte, um aus einer Vielzahl von örtlichen komplexen Impulsantworten die Einfallsrichtungen und komplexen Amplituden zu bestimmen.

In Fig. 1 ist in einem Blockdiagramm eine Anordnung gezeigt, die eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßsystems und einen zugehörigen Sender zeigt. Der an sich bekannte Sender umfaßt einen beliebigen Generator 3, in welchem ein Testsignal erzeugt wird. Das im Generator 3 erzeugte Signal wird einem Mischglied 5 zugeführt, welches weiterhin von einem lokalen Oszillator 7 ein hochfrequentes Trägersignal erhält und das zu sendende hochfrequente Test­ signal an eine Rundstrahlantenne 9 abgibt. Weiterhin ist im Sender ein hochgenauer Taktgenerator 11 enthalten, der sowohl dem Generator 3 als auch dem Oszillator 7 eine hochgenaue Referenzfrequenz zur Verfügung stellt. Als Taktgenerator 11 eignet sich beispielsweise ein Rubidium-Normal. Wenn es sich wie im dargestellten Beispiel um einen mobilen Sender handelt, ist weiterhin vorzugsweise ein Positionsbestimmungs­ mittel 13 angeordnet, mit welchem die aktuelle Position des Senders 1 bestimmt und gegebenenfalls als Nutzinformation dem zu sendenden hochfrequenten Signal aufgeprägt sein kann. Die Positionsinformation kann auch auf andere geeignete Weise, beispielsweise über eine eigenständige Telemetrieverbindung, übermittelt werden. Als Positionsbestimmungsmittel 13 kann ein eigenständiges Meßsystem eingesetzt werden, welches die exakte geographische Position des Senders ermitteln kann (z. B. globales Positionssystem - GPS), welches auch mit Radsensoren kombiniert werden kann, um die relative Posi­ tionsänderung eines bewegten Senders (z. B. ein Funktelefon in einem Automobil) bestimmen zu können.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann anstatt des mobilen Senders ein ortsfester Sender verwendet werden. Die Empfängerseite kann ebenfalls ortsfest oder beweglich ausge­ bildet sein, abhängig vom gewünschten Einsatzzweck.

Nachdem das hochfrequente Testsignal über die Rundstrahlan­ tenne 9 abgegeben wurde, breitet sich dieses auf einer Viel­ zahl von Wegen/Pfaden im Funkfeld aus. Um beispielsweise einen Funkkanal für Mobilfunksysteme zu untersuchen, wird ein Testsignal mit einer Frequenz im Bereich von einigen Giga­ hertz abgestrahlt. Das abgestrahlte Testsignal breitet sich auf dieser Vielzahl von Wegen jedoch nicht gleichmäßig aus, sondern unterliegt den verschiedensten Beeinflussungen, wie Streuungen, Reflexionen, Beugungen, Dämpfungen und Abschat­ tungen. Das Testsignal erreicht das Meßsystem 2 über verschiedene Ausbreitungspfade, wodurch es in mehrere pfadge­ wichtete Testsignale aufgeteilt wird, die sich hinsichtlich ihrer Laufzeiten, der Einfallsrichtungen und der komplexen Amplituden unterscheiden. Die Berechnung dieser charakteri­ stischen Größen erfolgt nach dem Stand der Technik und wird weiter unten kurz erläutert.

Das erfindungsgemäße Meßsystem 2 besitzt eine Antennenanord­ nung 15, die aus mehreren räumlich definiert angeordneten Empfangsantennen besteht. Beispielsweise können acht einzelne Empfangsantennen in einer Linie mit gleichmäßigen Abständen angeordnet werden. Vorzugsweise sollten diese Abstände klei­ ner als die halbe Wellenlänge des Trägersignals sein, welchem das Testsignal aufgeprägt ist. Die räumliche Anordnung der einzelnen Empfangsantennen muß bekannt und mathematisch beschreibbar sein, damit diese einzelnen Empfangsstellen in der späteren Verarbeitung der empfangenen Signale berücksich­ tigt werden können, um die Empfangsrichtung der pfadgewichte­ ten Testsignale ermitteln zu können. Jede einzelne Empfangs­ antenne der Antennenanordnung 15 liefert das durch den Funk­ kanal geprägte Meßsignal an einen zugeordneten Meßkanal. Jeder dieser Meßkanäle wird den Eingängen eines schnellen Multiplexers 17 eingespeist.

Das einzelne Meßsignal stellt das mit der örtlichen komplexen Impulsantwort gefaltete Testsignal dar. Aus den örtlich komplexen Impulsantworten läßt sich die richtungsaufgelöste komplexe Impulsantwort ableiten, die den realen Funkkanal zum Meßzeitpunkt charakterisiert.

Die Anforderungen, die an den Multiplexer 17 gestellt werden, sind von heutzutage verfügbaren Bauelementen erreichbar und ergeben sich im wesentlichen aus der geforderten Umschaltgeschwindigkeit. Zu den nötigen Umschaltgeschwindig­ keiten und den jeweiligen Verweilzeiten, in denen ein Eingang des Multiplexers mit dem Ausgang verbunden ist, wird weiter unten im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Meßverfahren Stellung genommen.

Der Aufbau des Meßsystems, welcher sich an den Multiplexer 17 anschließt, entspricht im wesentlichen dem herkömmlichen Aufbau von Channel-Soundern, so daß eine kurzgefaßte Erläute­ rung ausreichend ist, um die Funktionsweise zu erläutern. Der Ausgang des Multiplexers 17 wird nachfolgend Signalfilter- und -demodulatorelementen zugeführt. So schließt sich beispielsweise unmittelbar an den Multiplexer 17 ein erster Bandpaß 19 an, der das gefilterte Empfangssignal an einen Demodulator 21 bzw. ein Mischglied abgibt. Zur Demodulierung erhält der Demodulator 21 von einem empfangsseitigen lokalen Oszillator 23 ein Oszillatorsignal, welches seinerseits von einem Taktsignal abhängt, das von einem empfangsseitigen Taktgenerator 25 erzeugt wird. Der empfangsseitige Taktgene­ rator 25 entspricht dem Taktgenerator 11 im Sender 1 und stellt ein Taktsignal mit gleicher Taktfrequenz wie im Sender 1 zur Verfügung. Damit hohe Meßgenauigkeiten erreicht werden können, ist es wünschenswert, daß zwischen der Frequenz des Taktsignal des Senders und der des Meßsystems keine bzw. nur minimale Unterschiede bestehen. Zweckmäßigerweise wird daher auch für den empfangsseitigen Taktgenerator 25 ein Rubidium- Normal benutzt. Alternativ können auch Sender und Empfänger durch eine gemeinsame Referenz gespeist werden. Bei einer abgewandelten, nicht dargestellten Ausführungsform kann aber auch auf die Übereinstimmung zwischen sendeseitigem und empfangsseitigem Takt verzichtet werden, wenn in dem gesende­ ten Testsignal auch ein Synchronisationsanteil enthalten ist, der die Synchronisation zwischen Sender und Empfänger ermög­ licht.

Das vom Demodulator 21 demodulierte Signal wird über weitere bekannte Signalfilterelemente, wie zum Beispiel einen zweiten Bandpaß 27, in herkömmlicher Weise weiterverarbeitet. Abgese­ hen davon, daß als Taktgenerator vorzugsweise ein Rubidium- Normal verwendet wird, entspricht der letztbeschriebene Abschnitt des Meßsystems 2 einem herkömmlichen Hochfrequenz­ empfänger mit einem einzigen Empfangskanal. Diesen Empfangs­ kanal durchlaufen zeitversetzt die einzelnen Meßsignale, die von den Empfangsantennen der Antennenanordnung 15 zur Verfü­ gung gestellt werden, da diese zeitversetzt vom Multiplexer 17 in diesen einzigen Empfangskanal eingespeist werden. Damit unterliegen aber auch die einzelnen Meßsignale immer den selben systematischen Störeinflüssen, die sich aus den Tole­ ranzen der in diesem einzigen Empfangskanal verwendeten Bauelemente ergeben können. Im Gegensatz zu bekannten Vector- Channel-Soundern können daher durch systematische Störein­ flüsse keine Unterschiede zwischen den Meßkanälen entstehen. Es ergibt sich nicht nur eine deutliche Verringerung der Baugröße des Meßsystems, da anstelle von beispielsweise acht Empfangskanälen nur ein einziger aufzubauen ist, sondern auch eine erhöhte Meßgenauigkeit und verringerte Kosten, da mögli­ che systematische Störgrößen auf alle acht virtuellen Empfangskanäle einwirken und sich somit beispielsweise durch einfache Fehlerkorrekturberechnungen eliminieren lassen.

Das auf eine Zwischenfrequenz demodulierte empfangene Signal (das jeweilige Meßsignal) wird im dargestellten Beispiel nachfolgend einem Analog/Digital-Wandler 29 zugeführt. Der Analog/Digital-Wandler 29 bildet gemeinsam mit einem nachfol­ genden digitalen Signalprozessor 31 einen digitalen Demodula­ tor bzw. Korrelator, der die weitere Verarbeitung und Aufbe­ reitung der Meßsignale in bekannter Art und Weise vornimmt. Der Korrelator extrahiert aus dem jeweiligen Meßsignal die jeweilige örtliche komplexe Impulsantwort. In einer bevorzug­ ten Ausführungsform arbeitet der Analog/Digital-Wandler 29 in einem getakteten Modus, wodurch es ermöglicht wird, aus einem Meßsignal eine definierte Dauer bzw. eine vorgegebene Anzahl von Schwingungsperioden abzutasten, wie dies weiter unten näher erläutert wird. Die Ausgangsdaten des digitalen Signal­ prozessors 31 (also die örtlichen komplexen Impulsantworten) werden dann abhängig von der gewünschten Verarbeitung der empfangenen Signale einem Datenspeicher 33 und/oder zur weiteren Verarbeitung einem Computer 35 und/oder einem Anzei­ geelement 37 zugeführt.

Es ist zweckmäßig, wenn für die richtungsaufgelöste komplexe Impulsantwort, die den realen Funkkanal möglichst realistisch beschreibt, Positionsdaten des Meßsystems ermittelt und abge­ legt werden, was mit Hilfe eines zweiten Positionsbestim­ mungsmittels 39 erfolgen kann. Wenn das Meßsystem ortsfest ausgelegt ist, genügt eine einmalige Positionsbestimmung. Handelt es sich um einen beweglichen Empfänger, so kann das Positionsbestimmungsmittel beispielsweise ein System nach dem GPS-Standard sein. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden auch die auf am Sender ermittelten Positionsdaten im Meßsystem gespeichert und weiterverarbeitet.

Nachfolgend wird nun das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer richtungsaufgelösten komplexen Impulsantwort eines Funkkanals beschrieben. Um das Verfahren erfolgreich durchzuführen und eine die Eigenschaften des Funkkanals charakterisierende richtungsaufgelöste komplexe Impulsantwort zu erhalten, ist es, wie bei herkömmlichen gattungsgemäßen Meßverfahren auch, in einem ersten Schritt erforderlich, am Sender ein Testsignal mit definierten Eigenschaften abzu­ strahlen. Dieses Testsignal besteht aus einer Vielzahl von aneinandergereihten äquidistanten Blöcken mit einer Block­ länge T, wobei diese Blöcke eine Vielzahl von Schwingungen eines periodischen Signals enthalten. Vorzugsweise handelt es sich um ein kontinuierlich periodisches Signal, d. h. jeder einzelne Block enthält die gleiche ganzzahlige Anzahl von Schwingungen des periodischen Signals. Im letztgenannten Fall vereinfacht sich die zeitliche Synchronisation zwischen Sender und Empfänger, wenn im Sender und im Empfänger sowohl das Blockraster als auch die Blocklänge T bekannt sind. Ein derartig aufbereitetes Testsignal wird an der Sendeantenne abgestrahlt und breitet sich im Funkfeld aus, wobei es einer Mehrwegeausbreitung auf vielen Pfaden unterliegt und dabei durch Reflexionen, Streuungen und ähnliche Störeinflüsse in eine Vielzahl von pfadgewichteten Testsignalen aufgeteilt wird. Die pfadgewichteten Testsignale unterliegen dabei auch zeitvarianten Störeinflüssen, die beispielsweise aus der Bewegung des Senders oder auch der Bewegung von Objekten, an denen das abgestrahlte Testsignal gebeugt, abgeschattet, gestreut oder reflektiert wird, resultieren. Aus dieser Tatsache ergibt sich eine weitere Forderung für das abzu­ strahlende Testsignal. Um eine nachfolgende empfängerseitige Verarbeitung der Meßsignale (die Überlagerung der pfadge­ wichteten Testsignale) unter Einschaltung eines Multiplexver­ fahrens zu ermöglichen, müssen Überlegungen zur maximalen Blocklänge T angestellt werden.

Die Zeitvarianz eines zu untersuchenden Funkkanals wird direkt durch die maximal zu erwartende Dopplerverschiebung f_{d max} bestimmt. Daraus ergibt sich die Dopplerbandbreite B, die unter den Bedingungen eines Mobilfunknetzes (GSM 900) beispielsweise bei ca. 1 kHz liegt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es erforderlich, daß das Produkt aus der Zeit zwischen dem aufeinanderfolgenden Abta­ sten ein und desselben Meßkanals t_p (Snapshotrate) und Dopp­ lerbandbreite B vorzugsweise viel kleiner als 1 ist (t_p . B « 1). Als Grenzfall gilt t_p . B = 1.

Nach dem sich ein derartiges Testsignal entsprechend der genannten Mehrwegeausbreitung im Funkfeld ausgebreitet hat, erreichen die pfadgewichteten Testsignale ein Meßsystem, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens eine räumliche Antennenanordnung mit mehreren Empfangsantennen umfaßt. Jede Empfangsantenne empfängt ein Meßsignal und leitet diese einem zugehörigen Meßkanal zu. Abweichend von den Verfahren nach dem Stand der Technik erfolgt nun jedoch keine parallele Verarbeitung der Meßsignale in parallel ausgebildeten Meßkanälen sondern die Meßsignale werden einem schnellen Multiplexer zugeleitet. Die einzelnen Empfangsan­ tennen werden nun nacheinander mit dem Ausgang des Multi­ plexers verbunden, so daß die empfangenen Meßsignale zyklisch für eine bestimmte Dauer am Ausgang des Multiplexers verfüg­ bar sind. Um aus den Meßsignalen die richtungsaufgelöste komplexe Impulsantwort zu bilden, die für den untersuchten Funkkanal charakteristisch ist, müssen aus diesen Meßsignalen die örtlich komplexen Impulsantworten zu einem gemeinsamen Zeitpunkt bestimmt werden. Zur Erfassung der richtungsaufge­ lösten komplexen Impulsantwort ist ein Meßdatensatz zu bilden, der jeweils einen Block aus jedem der an den Multi­ plexer angeschalteten Meßkanäle enthält. Ein solcher Meßda­ tensatz wird auch als "Snapshot" bezeichnet und soll den Funkkanal zu einem bestimmten Zeitpunkt vollständig charakte­ risieren. Um die Zeitvarianz des Funkkanals erfassen zu können, muß die (Snapshotrate) für jeden Meßkanal wie oben dargestellt unter Berücksichtigung der Dopplerverschiebung bemessen sein. Andererseits muß gewährleistet sein, daß der Funkkanal für die gesamte Dauer der Erfassung eines Meßdaten­ satzes (Snapshot) als zeitinvariant betrachtet werden kann. Aus der maximal zu erwartenden Dopplerverschiebung f_{d max} und einer technisch bedingten notwendigen zeitlichen Abtastlänge der Meßsignale ergibt sich die maximal mögliche Anzahl n der Meßkanäle.

Da wie bereits erwähnt für die Berechnung der richtungsaufge­ lösten komplexen Impulsantwort die örtlich komplexen Impulsantworten zeitgleich erfaßt werden müssen, ist die Zeit zwischen dem aufeinanderfolgenden Abtasten ein und desselben Meßkanals t_p (Snapshotrate) so zu wählen, daß das Abtasttheo­ rem für jeden Meßkanal erfüllt ist. Unter Berücksichtigung der Blocklänge T ergibt sich die Bedingung T/t_p « 1, wobei als Grenzfall T/t_p = 1 anzusehen ist (für den Fall, daß lediglich ein Meßkanal verwendet wird). Damit alle n Meßka­ näle in einen Snapshot abgetastet werden können, muß gelten n . T « t_p (Grenzfall n . T = t_p). Soweit diese angegebenen Bedingungen eingehalten sind, kann unter Heranziehen der aufeinanderfolgenden Meßdatensätze (Snapshots) für jeden Meßkanal eine Interpolation ausgeführt werden, so daß letzt­ lich alle örtlich komplexen Impulsantworten der n Meßkanäle zu ein und demselben Zeitpunkt zur Verfügung stehen.

Die minimale Blocklänge T_min wird durch die zu berücksichti­ gende maximale Laufzeit der pfadgewichteten Testsignale bestimmt. Ziel ist es, alle relevanten pfadgewichteten Test­ signale zu berücksichtigen.

In Fig. 2 ist ein beispielhaftes Zeitregime zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es ist der Zeitverlauf über acht Meßkanäle abgebildet. Vom Multiplexer wird als erstes der erste Meßkanal durchgeschaltet, wobei ein Abschnitt aus dem Meßsignal über eine Zeitdauer von beispielsweise 6,4 µs abgetastet wird. Diese Zeitdauer entspricht exakt der Blocklänge T, so daß im Meßsystem bekannt ist, wieviele Schwingungen in diesem Block im Moment des Abstrahlens durch die Sendeantenne enthalten sind. Nach­ dem der Block des ersten Meßkanals abgetastet wurde, kann der Multiplexer auf den zweiten Meßkanal umschalten. Sowohl für die Umschaltung als auch für das Einschwingen des Systems auf die neue Eingangsgröße ist eine endliche Verweilzeit erfor­ derlich, wobei vorzugsweise zwischen dem Abtasten der aufein­ anderfolgenden Meßkanäle eine Verweilzeit von der Länge einer Blocklänge T eingelegt wird. In den weiteren Schritten werden die Meßkanäle zwei bis acht abgetastet. Der erhaltene Meßda­ tensatz besteht aus acht Blöcken, die jeweils aus den acht Meßkanälen abgetastet wurden. Bei anderen Ausführungsformen kann auch eine andere Anzahl für die Meßkanäle gewählt werden. Bis zur Erfassung des nächsten Meßdatensatzes kann eine bestimmte Zeitdauer t_p vergehen, im gezeigten Beispiel 1,024 ms. Wie oben erwähnt ist t_p so zu bemessen, daß das Abtasttheorem für jeden einzelnen Meßkanal erfüllt ist. Durch geeignete Interpolationsverfahren lassen sich aus mindestens zwei aufeinander folgenden Meßdatensätzen die Werte der einzelnen Meßsignale zu ein und demselben Zeitpunkt berech­ nen.

Für den Fall einer zeitlich nicht äquidistanten Erfassung der Meßdatensätze könnte möglicherweise eine Interpolation nicht vorgenommen werden, da die zeitlichen Abstände der Meßsignale zu groß sind und damit unterabgetastet sind. Dieses Problem läßt sich jedoch damit umgehen, daß zu einem gewünschten Zeitpunkt nicht nur ein einzelner Meßdatensatz erfaßt wird sondern beispielsweise drei zeitlich äquidistante Meßdaten­ sätze unmittelbar aufeinander folgend unter Beachtung der zu erwartenden maximalen Dopplerverschiebung aufgenommen werden, wodurch eine Interpolation ohne weiteres möglich wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das zeitliche Regime der Abtastung der einzelnen Meßkanäle durch den getak­ teten Betrieb eines Analog/Digital-Wandlers, welchem die Meßsignale vom Ausgang des Multiplexers über gegebenenfalls erforderliche Signalfilter- und -demodulatorelemente zugelei­ tet werden. Dadurch besteht auch für den Multiplexer die Möglichkeit, innerhalb der zwischen der Abtastung der einzel­ nen Meßkanäle liegenden Verweilzeit umzuschalten.

Das in Fig. 2 gezeigte Zeitregime findet in einer beispiel­ haften Ausführungsform Anwendung, bei welcher im normalen Dopplermeßmodus gearbeitet wird. Die für dieses Beispiel verwendete Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers liegt bei 320 MHz, wobei im konkreten Beispiel 2048 Abtastwerte erfaßt werden. Der sich bei diesem Beispiel ergebende maximale zeit­ liche Versatz der Meßsignale zueinander innerhalb eines Meßdatensatzes (Snapshot) ist bezogen auf den Abstand zweier Meßdatensätze kleiner als 9%. Aufgrund dieses geringen Versatzes ist es ausreichend, wenn einfache Interpolations­ verfahren zur Anwendung kommen, die nur einen geringen Berechnungsaufwand erfordern.

Die Überführung der Meßsignale eines Meßdatensatzes in die örtlich komplexen Impulsantworten erfolgt mit Hilfe eines Korrelationsverfahrens.

Die weitere Signalverarbeitung der örtlich komplexen Impulsantworten zu der gewünschten richtungsaufgelösten komplexen Impulsantwort ist im wesentlichen dadurch bestimmt, daß durch den Einsatz geeigneter Berechnungsroutinen, insbe­ sondere von Richtungsschätzverfahren, die enthaltenen Rich­ tungsinformationen aus den örtlichen komplexen Impulsantwor­ ten berechnet werden. Dazu wird vorzugsweise ein digitaler Signalprozessor und/oder ein herkömmlicher Computer verwen­ det.

In Fig. 3 ist in einem Blockschaltbild in vereinfachter Darstellung gezeigt, wie aus den ermittelten örtlichen komplexen (interpolierten) Impulsantworten sowohl die zugehö­ rigen Einfallsrichtungen als auch die komplexen Amplituden bestimmt werden können. Zur rechnerischen Richtungsschätzung kommt beispielsweise das sogenannte ESPRIT-Schätzverfahren zum Einsatz. Dieses Schätzverfahren ist in der Technik gut bekannt und wird beispielsweise beschrieben in "ESPRIT - Estimation of Signal Paramaters via Rotational Invariance Techniques", IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Vol. 37 No. 7, 07.07.1989 von Roy Kailath. Es können aber auch andere in der Technik gut bekannte Algo­ rithmen wie "MUSIC", "GEESE", "ML" verwendet werden.

Gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Blockschaltbild erfolgt für jeden zu untersuchenden Verzögerungszeitpunkt unter Verwen­ dung der örtlich komplexen Impulsantworten (41) eine separate Richtungsschätzung, die jeweils mit eine Abschätzung der Pfadanzahl (43) beginnt. Mit Hilfe des ESPRIT-Algorithmus (45) wird dann für jede relevante Verzögerungszeit die Einfallsrichtung (47) bestimmt. Ebenso erfolgt mit Hilfe eines Strahlbilders (Beamformer) (49) eine Ermittlung der komplexen Amplitudenwerte (51) für jede ermittelte Einfalls­ richtung.

Die schließlich ermittelten Daten werden auf herkömmliche Weise weiterverarbeitet. Sie können gespeichert, zur Beschreibung eines Modells des untersuchten Funkkanals verwendet und/oder in geeigneter Weise angezeigt werden.

Das dargestellte erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer richtungsaufgelösten komplexen Impulsantwort eines Funkkanals kann mit unterschiedlich ausgeführten Geräteanord­ nungen eingesetzt werden. Wesentlich für die Erfindung ist, daß unter Einhaltung der oben genannten Bedingungen ein Multiplexer eingesetzt werden kann, um eine Vielzahl von Meßkanälen, die für die vollständige Abbildung der Merkmale eines realen Funkkanals erforderlich sind, gemeinsam in einem einzigen Empfängerzweig verarbeitet werden können, ohne daß die gewünschten Informationen verloren gehen.

Claims (12)

1. Verfahren zum Bestimmen einer richtungsaufgelösten komple­ xen Impulsantwort eines Funkkanals mit folgenden Schrit­ ten:

• 1. an einer Sendeantenne (9) wird ein Testsignal abgegeben, wobei
  • 1. das Testsignal nachfolgend einer Mehrwegeausbreitung unterliegt und dabei in eine Vielzahl von pfadgewich­ teten Testsignalen aufgeteilt wird, die gemeinsam die richtungsaufgelöste komplexe Impulsantwort darstellen;
  • 2. das Testsignal aus einer Vielzahl von aneinanderge­ reihten äquidistanten Blöcken mit einer Blocklänge (T) besteht, die mindestens so groß wie die längste Lauf­ zeit aller zu berücksichtigender pfadgewichteter Test­ signale ist,
• 2. an einer räumlichen Antennenanordnung (15), mit mehreren (n) jeweils eine Empfangsantenne umfassenden Meßkanälen werden die überlagerten pfadgewichteten Testsignale empfangen, wobei jede Empfangsantenne ein Meßsignal abgibt;
• 3. die Meßsignale werden Eingängen eines Multiplexers (17) zugeführt;
• 4. über eine Steuereinheit wird der Multiplexer zum zykli­ schen Umschalten zwischen den Eingängen angesteuert, wobei jeder Eingang mindestens für die Dauer einer Blocklänge (T) an den Ausgang des Multiplexers durchge­ schaltet wird,
• 5. ein Meßdatensatz wird gebildet, der jeweils einen Block aus jedem der (n) Meßsignale enthält;
• 6. zyklisch werden weitere Meßdatensätze gebildet, wobei die Zeit zwischen dem aufeinanderfolgenden Abtasten desselben Meßkanals (t_p) so gewählt ist, daß einerseits das Abtasttheorem bezüglich der Dopplerbandbreite des Funkkanals für jeden Meßkanal erfüllt ist und anderer­ seits für jeden Meßdatensatz alle (n) Meßkanäle abge­ tastet werden können [n . T « (=) t_p];
• 7. durch Interpolation werden die Werte der örtlichen komplexen Impulsantworten aller Meßkanäle zu einem gemeinsamen Zeitpunkt bestimmt;
• 8. aus den interpolierten Werten wird die richtungsaufge­ löste komplexe Impulsantwort berechnet, die Auskunft über die Charakteristiken des Funkkanals gibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke eine ganzzahlige Schwingungsanzahl eines oder mehrerer kontinuierlich periodischer Signale enthalten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl sende- als auch empfangsseitig die Blocklänge (T) durch eine Signaltaktung bestimmt wird, wobei der Takt von einem hochgenauen lokalen Taktgenerator (11, 25) bereitge­ stellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Multiplexers (17) ggf. über Signal­ filter (19, 27) und/oder Signaldemodulatoren (21) an einen schnellen Analog/Digital-Wandler (29) geführt wird, der vom lokalen Taktgenerator (25) getaktet wird und das Ausgangssignal jedes Meßkanals für eine Blocklänge (T) abtastet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus den örtlichen komplexen Impulsant­ worten (41) mit Hilfe eines Richtungsschätzalgorithmus die Einfallsrichtungen (47) und mit Hilfe dieser durch einen Strahlbilder (beamformer) (49) die komplexen Amplituden ermittelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Richtungsschätzalgorithmus ein ESPRIT-Algorithmus (45) verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blocklänge (T) etwa 3,2 µs oder 6,4 µs beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Echtzeitverarbeitung aller Signale erfolgt.

9. Meßsystem (2) zur Untersuchung eines Funkkanals zwischen einer Sendeantenne (9) und einer Empfangsantenne, wobei die Sendeantenne ein periodisches aus einer Vielzahl von Blöcken mit einer Blockdauer (T) bestehendes Testsignal abgibt, welches die Empfangsantenne über verschiedene Ausbreitungswege mehrfach mit Laufzeit-, Amplituden-, Phasen- und Richtungsunterschieden erreicht, umfassend:

• 1. eine Antennenanordnung (15), mit mehreren jeweils eine Empfangsantenne umfassenden (n) Meßkanälen, die je ein Meßsignal empfangen;
• 2. einen schnellen Multiplexer (17), dessen Eingängen die Meßsignale der Meßkanäle eingespeist werden;
• 3. ein Signal- und Datenverarbeitungssystem, welches die multiplexten Meßsignale vom Ausgang des Multiplexers (17) empfängt und zu einer richtungsaufgelösten komple­ xen Impulsantwort, die eine Vielzahl der Charakteristi­ ken des Funkkanals widerspiegelt, verarbeitet;
• 4. eine Steuereinheit, die den Multiplexer (17) ansteuert, um dessen Eingänge jeweils mindestens für eine Block­ länge (T) an den Ausgang durchzuschalten.

10. Meßsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenanordnung (15) acht Empfangsantennen umfaßt.

11. Meßsystem nach Anspruch 9 oder 10, weiter umfassend:

• 1. Signalfilter- und -demodulatorelemente (19, 21, 27), denen das Ausgangssignal des Multiplexers (17) einge­ speist wird;
• 2. eine lokale Oszillatoreinheit (23, 25), die ein Takt­ signal bereitstellt, dessen Frequenz einem ganzzahligen Vielfachen des Reziproken der Blocklänge entspricht;
• 3. einen Analog/Digital-Wandler (29), der über die Signal­ filter- und -demodulatorelemente das Ausgangssignal des Multiplexers erhält und durch das Taktsignal getaktet wird, um in einem Zyklus mindestens einen Block jedes Meßkanals abzutasten.

12. Meßsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal- und Datenverarbeitungs­ system bei der Verarbeitung der örtlichen komplexen Impulsantworten nach einem ESPRIT-Algorithmus arbeitet und die Einfallsrichtungen und komplexen Amplituden der örtlichen komplexen Impulsantworten bestimmt.