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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Reduzierung der Bitfehlerrate aufgrund des Doppler-Effekts bei digitalen
mobilen Funkübertragungssystemen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bekanntlich erhöht die Eigengeschwindigkeit
eines mobilen Teilnehmers unter unveränderten sonstigen Bedingungen
(Empfangsleistung, Störungen
usw.) aufgrund des Doppler-Effekts
die Bitfehlerrate (BER> eines
digitalen Funkübertragungssystems.
In mobilen Funksystemen sind zwei Parameter für den Einfluß auf die
BER der Übertragung
entscheidend:
- – Die Relativgeschwindigkeit
der Mobilstation (MS) bezüglich
der Basisstation (BS)
- – Das
Doppler-Spektrum des Empfangssignals
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Die Relativgeschwindigkeit zwischen
Mobilstation und Basisstation beträgt Null, wenn sich die Mobilstation
z.B. im Kreis um die Basisstation bewegt; sie ist gleich der gemessenen
Eigengeschwindigkeit, wenn sich die Mobilstation z.B. geradlinig
auf die Basisstation zubewegt oder sich von ihr entfernt.
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Das Doppler-Spektrum des Empfangssignals
ist von den Ausbreitungsbedingungen der Übertragungsstrecke abhängig. Bei
Freiraumausbreitung des Funksignals, ohne Reflexionen am Boden oder
an Hindernissen, beträgt
die reine Doppler-Frequenzverschiebung fd =
f0.v/c (1) wobei
v: Relativgeschwindigkeit der MS zur BS;
c: Lichtgeschwindigkeit;
f0: Mobilfunkfrequenz.
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Für
den Fall, daß die
sich bewegende Mobilstation aufgrund der Mehrwegeausbreitung eine
große Zahl
von Signalkomponenten aus unterschiedlichen Richtungen empfängt, erfahren
diese Signalkomponenten jeweils eine bestimmte Doppler-Verschiebung. Dies
hat zur Folge, daß das
ausgesendete Signal als sogenanntes Doppler-Spektrum beim Empfänger eintrifft.
Bei einer rundstrahlenden Antenne, wie sie in der Regel bei Mobilfunkendgeräten verwendet
wird, hat das sogenannte Klassische Doppler-Spektrum (auch Jakes-Spektrum> den ungünstigsten
Einfluß auf
die BER. Dieses Spektrum tritt auf, wenn reflektierte Wellen aus allen
Azimutwinkeln mit gleicher Wahrscheinlichkeit auf die Empfangsantenne
des mobilen Teilnehmers treffen (Rayleigh-Kanal). Dieses klassische
Doppler-Spektrum lässt
sich in der Praxis in innerstädtischen
Gebieten und im Wald nachweisen, wenn keine Sichtverbindung zwischen
Mobilstation und Basisstation besteht. Es tritt keine reine Frequenzverschiebung
wie beim reinen Doppler-Effekt auf, sondern eine Bandbreitenausdehnung des
gesendeten Signals mit der Frequenz f0von
einer Frequenz fo – fd bis zu einer Frequenz f0 +
fd.
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Durch die beschriebenen Effekte „Geschwindigkeit" und „Spektrum" wird die mögliche Geschwindigkeit
der Teilnehmer in Mobilfunknetzen beschränkt. Insbesondere für Hochgeschwindigkeitszüge, wie
den ICE, Transrapid oder TGV, ergeben sich dadurch erhebliche Einschränkungen
der Signalübertragung
in bestehenden Mobilfunknetzen.
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Aus Meinke, Gundlach: „Taschenbuch
der Hochfrequenztechnik",
5. überarbeitete
Auflage, Springer Verlag, Berlin, 1992, Seiten H28, N18, ist bekannt,
dass es beim Mobilfunk aufgrund des Dopplereffekts zu Feldstärkeschwankungen
und damit zu Störungen
kommt. Insbesondere wird dargelegt, dass aufgrund der Mehrwegeausbreitung
die Teilwellen aus unterschiedlichen Richtungen zur bewegten Antenne
gelangen und dass die Dopplerverschiebung von der Fahrzeuggeschwindigkeit
und vom Winkel zwischen der Fahrtrichtung und der azimutalen Einfallsrichtung
einer Welle abhängt.
Daraus ergibt sich dann ein im Allgemeinen zeitvariantes, kontinuierliches
Dopplerspektrum. Aus dieser Veröffentlichung
ist ein Zusammenhang zwischen Dopplerspektrum und Antennencharakteristik
nicht zu entnehmen, d.h. es wird keinesfalls nahegelegt, zur Kompensation
der Dopplerverschiebung eine Antennenanordnung mit geeigneter Richtwirkung
einzusetzen.
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Aus Somers, John: „Beam Your
Mobile Signal With a Phased Air",
In: CQ, August 1990, Seiten 20f, ist eine Antennenanordnung bekannt,
die eine Richtwirkung in bzw. entgegen der Fahrtrichtung besitzt
und entsprechend in der anderen Richtung ein Minimum aufweist. Die
hier beschriebene Antennenanordnung dient zur Unterdrückung externer
Sender. Die Anwendung bezieht sich nicht auf den Dopplereffekt.
Eine Anregung, Störungen
verursacht durch den Dopplereffekt zu kompensieren, ist durch diesen
Artikel daher nicht gegeben.
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Aus der
DE 41 39 567 A1 ist ein
Verfahren zur Reduzierung der Bitfehlerrate aufgrund des Doppler-Effekts
bei digitalen Funkübertragungssystemen
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 bekannt. In dieser Druckschrift wird ein
digitales Funk-Nachrichtenübertragungsverfahren
beschrieben, welches darauf basiert, dass eine möglichst genaue Kenntnis der
Impulsantwort des Übertragungskanals
eine zuverlässige Rekonstruktion
der Nachrichten aus den Empfangssignalen ermöglicht. Das dort beschriebene
Verfahren erlaubt auch bei zeitveränderlichem Kanal und damit
bei Störungen
durch Doppler-Effekte eine gute Schätzung der Impulsantwort und
ermöglicht
dadurch eine geringe Symbolfehlerrate bei hoher Frequenz und hoher
Geschwindigkeit (Doppelfrequenz). Eine Verwendung von Richtantennen
ist nicht beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren anzugeben, um den Einfluß des Doppler-Effekts, insbesondere
des Klassischen Doppler-Spektrums, auf die Bitfehlerrate bei digitalen
mobilen Funkübertragungssystemen
zu reduzieren.
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Die gestellte Aufgabe wird durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung beruht darauf, daß durch
geeignete Änderung
der Antennencharakteristik der Mobilstation das Doppler-Spektrum
optimiert und dadurch die Bitfehlerrate BER reduziert wird.
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Bei Hochgeschwindigkeitszügen kann
die erfindungsgemäße Antenne
oder Antennenanordnung auf dem Dach eines Waggons installiert sein.
Die Handtelefone innerhalb der Waggons werden durch einen Repeater
mit dem von der externen Antenne oder Antennenanordnung empfangenen
Signal mit „günstigerem" Doppler-Spektrum
versorgt. Es brauchen keine Änderungen
an den Handtelefonen durchgeführt
werden.
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Vorteil der Erfindung ist also, daß bestehende
digitale Mobilfunknetze ohne Änderung
der Systemtechnik und der mobilen Endgeräte bei deutlich höheren Geschwindigkeiten
als bisher genutzt werden können.
Die notwendigen Änderungen
betreffen lediglich die Antenne der Mobilstation und können mit
geringem technischen Aufwand auf Fahrzeugen kostengünstig realisiert
werden.
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Die Leistungsdichte des Doppelspektrums
wird am Eingang des Empfängers
angegeben als:
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Mit der azimutalen Antennencharakteristik
G(~); bei einem Rundstrahler ist für G(9) = 1 zu setzen (Klassisches
Dopplerspektrum).
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Demzufolge kann durch Änderung
der Antennencharakteristik G(φ)
die Leistungsdichte S(f) des Doppler-Spektrums am Eingang des Empfängers beeinflußt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigt:
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1:
Darstellung der Bitfehlerrate BER in Abhängigkeit der Geschwindigkeit
und verschiedenen Ausbreitungsbedingungen;
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2:
Antennencharakteristik eines Rundstrahlers im Vergleich zu einer
erfindungsgemäßen Antennenanordnung
mit angedeuteten Antennencharakteristika;
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3:
Doppler-Spektren verschiedener Antennenanordnungen;
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1 ist
eine Darstellung der Bitfehlerrate BER in Prozent in Abhängigkeit
der Geschwindigkeit und unter verschiedenen Ausbreitungsbedingungen.
Die BER ist jeweils für
die Ausbreitung in ländlichen
Gebieten (RA), Kurve 2, in städtischen Gebieten (TU), Kurve 3,
und für
Klassischen Doppler, Kurve 1, dargestellt. Man erkennt,
daß die
Bitfehlerrate BER bei gleicher Geschwindigkeit der Mobilstation
in Gebieten mit den Ausbreitungsbedingungen „Klassischer Doppler" am höchsten ist.
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Die Lösung zur Reduzierung der BER
aufgrund des Doppler-Effekts
ist eine Transformation des Spektrums des Klassischen Dopplers auf
den reinen Doppler mit möglichst
geringer Dopplerverschiebung. Dies läßt sich z.B. durch eine scharf
bündelnde
Antenne realisieren, die aber einen beträchtlichen technischen Aufwand darstellt
und eine unterbrechungsfreie Funkverbindung nicht mehr gewährleistet,
wenn z.B. die Mobilstation in Sichtverbindung mit der Basisstation
kommt und die Antenne nicht auf die Basisstation ausgerichtet ist.
Eine solche Richtantenne müsste
also immer nachgeführt
werden.
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Für
die in der Erfindung als Beispiel vorgesehene Anwendungen für Hochgeschwindigkeitszuge
ist eine Antennencharakteristik geeignet, deren Azimutaldiagramm
angegeben werden kann zu: G(φ)
~ cos2 (A·cos φ) (3)
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Diese Antennencharakteristik ist – bei entsprechender
Wahl der Konstanten A – durch
einen Einbruch des Antennendiagramms in bzw. entgegen der Fahrtrichtung 10 der
Mobilstation gekennzeichnet und läßt sich z.B. mit zwei gleichen,
nahe beieinander stehenden rundstrahlenden Antennen erreichen.
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Die Charakteristik dieser Antennenanordnung
wird berechnet zu: G(φ) = K·cos2 (π·d/λ·cos φ – δ) (4) mit: d:
Abstand der Antennen; λ:
Wellenlänge;
K: Konstante, abhängig
vom Gewinn (Elevationsdiagramm) der Rundstrahler; δ: Phasenverschiebung
der Antennenströme.
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Durch Ändern des Antennenabstands
d lässt
sich die Charakteristik der Antennenanordnung variieren. Bei gleichphasiger
Speisung der beiden Antennen (δ =
0) ergeben sich Diagramme nach 2
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2 zeigt
schematisch die erfindungsgemäß rundstrahlenden
Antennen 9a und 9b auf dem Dach eines Waggons 8 in
einem gegenseitigen Abstand d angeordnet, wobei die Antennen in
Fahrtrichtung 10 des Waggons 8 gesehen in einer
Linie parallel zur Fahrtrichtung hintereinander angeordnet sind.
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Wäre
wie bisher praktiziert, nur eine rundstrahlende Antenne auf dem
Waggon 8 angeordnet, so würde sich eine omnidirektionale
Antennencharakteristik, gemäß Kurve 11 ergeben.
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Beim erfindungsgemäßen Einsatz
von zwei Antennen, die mit dem selben Signal versorgt werden, ergeben
sich Antennencharakteristika gemäß den Kurven 12, 13 und 14,
je nach Abstand der Antennen untereinander.
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Im Beispiel gemäß 2 sind Diagrammeinzüge in Fahrtrichtung von a =
5 dB, a = 10 dB und a = 15 dB bezüglich des Maximums (unter 90°/270°) dargestellt.
Die erforderlichen Abstände
zwischen den Antennen ergeben sich aus Gleichung (4) D/λ = 1/π·arccos (10–a/20) (5 )
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Der Faktor K wird aus dem Gewinn
der Antennenkombination unter dem Winkel (φ) = 90° quer zur Fahrtrichtung gegenüber einem
Rundstrahler ermittelt:
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Das Doppler-Spektrum am Fußpunkt dieser
Antennenkombination
9a,
9b ergibt sich mit den
normierten Frequenzen f
0 +/- f
d =
+/- 1 und wegen cos φ = Δf/f
d zu:
mit Δf = f – f
0.
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In 3 sind
die Doppler-Spektren für
einen herkömmlichen
Rundstrahler (G(φ)
= 1) in Kurve 4 und für
die Antennenkombinationen mit a = 5, 10 und 15 dB in Kurven 5, 6 und 7 dargestellt.
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Im Vergleich zum Rundstrahler (Kurve 4)
konzentrieren sich die Leistungsdichten der Antennenkombinationen
weitaus mehr im Bereich kleinerer Werte Δf/fd.
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Die Leistung des Signals ergibt sich
zu
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Für
die in
3 gezeigten Fälle werden
folgende 50%-Quantile
(Δf/f
d)
50 (50% der Leistung
ist zwischen -(Δf/f
d)
50 und +(Δf/f
d)
50 konzentriert)
berechnet:
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In Kurve 7 (a = 15dB) sind
50% der Leistung in einem um den Faktor ca. 0,5 kleineren Frequenzbereich
gegenüber
Kurve 4 (Rundstrahler) um Δf/fd =
0 konzentriert.
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Dem Mobilfunkgerät wird also eine deutlich geringere
Geschwindigkeit „vorgetäuscht", wobei die BER entsprechend
den Empfängereigenschaften
(bei GSM z.B. bestimmt durch das Verhalten des Equalizers) reduziert
werden.
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Entsprechend den Ausbreitungsbedingungen
des Einsatzgebiets können
die Diagramme und damit die Doppler-Spektren durch Variation des
Antennenabstands d optimiert werden.
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Es werden Diagrammeinzüge mit a
= 5, 10 und 15 dB vorgeschlagen. Tiefere Diagrammeinzüge unterdrücken übermassig
den Empfang direkt einfallender Wellen in bzw. entgegen der Fahrtrichtung
bei Sichtverbindung zwischen Mobilstation und Basisstation. Außerdem steigt
die Leistungsdichte-Konzentration mit zunehmendem Einzug a immer
langsamer.
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Das optimierte Spektrum am Fußpunkt der
Antennenkombination kann über
Kabel an die Antennenanschlüsse
der Mobilendgeräte
oder – in
elektromagnetisch abgeschirmten Fahrzeugen, wie z.B. Bahnwaggons – drahtlos über einen
Repeater in das Innere der Waggons übertragen werden.
