DE19858951C2 - Method and arrangement for generating predetermined directional characteristics - Google Patents

Method and arrangement for generating predetermined directional characteristics

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DE19858951C2 DE1998158951 DE19858951A DE19858951C2 DE 19858951 C2 DE19858951 C2 DE 19858951C2 DE 1998158951 DE1998158951 DE 1998158951 DE 19858951 A DE19858951 A DE 19858951A DE 19858951 C2 DE19858951 C2 DE 19858951C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung vorgegebener Richtcharakteristiken von adaptiven Gruppenantennen in drahtlosen Mobilfunksystemen, umfassend die Verfahrensschritte Empfang der Nutz- und Störsignale durch N Antennenelemente (x1 . . . xN); Bestimmung der Anzahl der eingehenden Signale; Bestimmung der Gewichtsfaktoren für die einzelnen Signale der Antennenausgänge in einem Beamformer; Multiplikation der Gewichtsfaktoren wl am Ausgang des Beamformers mit den jeweils zugehörigen Signalen der Antennenausgänge; Addition dieser gewichteten Signale zu einem Gesamtempfangssignal in einem Summierer; Ausbildung der gewünschten Richtcharakteristik, sowie eine Anordnung, aufweisend Antennenelemente, an die sich ein Basisband-Mischer zur Demodulation der eingegangenen Signale anschließt, einen Beamformer zur Bestimmung der Antennengewichte und ein Summierglied zur Bildung eines Gesamtempfangskanals.The invention relates to a method for generating predetermined directional characteristics of adaptive group antennas in wireless mobile radio systems, comprising the method steps of receiving the useful and interference signals by N antenna elements (x 1 ... X N ); Determining the number of incoming signals; Determination of the weighting factors for the individual signals of the antenna outputs in a beamformer; Multiplication of the weighting factors w l at the output of the beam former with the associated signals of the antenna outputs; Adding these weighted signals to a total received signal in a summer; Formation of the desired directional characteristic, as well as an arrangement comprising antenna elements to which a baseband mixer for demodulating the received signals is connected, a beamformer for determining the antenna weights and a summing element for forming an overall reception channel.

Mit diesen Richtcharakteristiken können Nutzsignale aus vorher bestimmten Richtungen mit einem erhöhten Gewinn empfangen und gleichzeitig Störsignale aus ebenfalls vorher bestimmten Richtungen unterdrückt werden. Damit kann die Qualität des Empfangssignals erhöht und somit eine größere Übertragungskapazität der Funkverbindung erzielt werden. Weiterhin ist eine räumliche Trennung von Nutzsignalen (SDMA- [space division multiple access] Raummultiplex) durch mehrere gleichzeitig erzeugte Richtcharakteristiken möglich, woraus sich eine Vervielfachung der Anzahl bedienbarer Teilnehmer pro Funkzelle ergibt. Durch permanente Anpassung der Richtcharakteristik an die momentane Situation der Umgebung kann auf Bewegung der Mobilfunkteilnehmer bzw. Bewegungen von reflektierenden oder absorbierenden Objekten reagiert werden.With these directional characteristics, useful signals can be determined from beforehand Directions received with an increased gain and at the same time Interference signals are also suppressed from previously determined directions. This can increase the quality of the received signal and thus a larger one Transmission capacity of the radio link can be achieved. Furthermore, one spatial separation of useful signals (SDMA- [space division multiple access] space multiplex) by several generated at the same time Directional characteristics possible, which results in a multiplication of the number operable subscriber per radio cell results. Through permanent adjustment the directional characteristic to the current situation of the environment can depend on  Movement of the cellphone subscribers or movements of reflective ones or absorbent objects.

Typische Einsatzgebiete sind derzeit existierende Mobilfunksyteme (GSM 900 und GSM 1800 [global system for mobile comm. - weltweites Mobilfunksystem]), bei denen die Anzahl bedienbarer Teilnehmer pro Funkzelle erhöht werden kann. Weiterhin ist der Einsatz in zukünftigen Mobilfunksystemen, wie zum Beispiel UMTS (universal mobile telecomm. systems - Universal-Mobilfunk), zur Erhöhung der Teilnehmerzahlen und zur Realisierung höherer Datenraten vorgesehen.Typical areas of application are currently existing mobile radio systems (GSM 900 and GSM 1800 [global system for mobile comm. - worldwide Mobile radio system]), in which the number of operable participants per Radio cell can be increased. Furthermore, the use in future Mobile radio systems, such as UMTS (universal mobile telecomm. systems - universal mobile communications), to increase the number of participants and to Realization of higher data rates planned.

Bisher wurde die Erzeugung einer Richtcharakteristik bei vorgegebenen Richtungen der Nutz- und Störsignale gelöst, indem:
So far, the generation of a directional characteristic for given directions of the useful and interference signals has been solved by:

  • a) das globale Maximum der Richtcharakteristik in Richtung des stärksten Nutzsignales ausgebildet wird. Eine Berücksichtigung der Störsignale ist dabei nicht möglich (s. Barlett, M. S.: "Periodogram analysis and continous spectra", Biometrica, vol. 37, pp. 1-16, 1950);a) the global maximum of the directional characteristic towards the strongest Useful signals is formed. Taking into account the interference signals not possible (see Barlett, M. S .: "Periodogram analysis and continous spectra ", Biometrica, vol. 37, pp. 1-16, 1950);
  • b) eine feste, von der Anzahl der Antennenelemente abhängige Anzahl von Nullstellen vorgegeben wird. Diese Nullstellen entsprechen den Richtungen der Störsignale. Die Richtung des globalen Maxima ist dabei nicht beeinflußbar. Weiterhin kann die Anzahl der Nullstellen nicht an die Anzahl der Störsignale angepaßt werden. (s. Capon, J.: "High resolution frequency-wavenumber spectrum analysis", Proceedings of the IEEE, vol. 57, pp. 1408-1418, August 1969).b) a fixed number of, depending on the number of antenna elements Zeroing is specified. These zeros correspond to the directions of interference signals. The direction of the global maxima is not influenceable. Furthermore, the number of zeros cannot match the number the interference signals are adjusted. (see Capon, J .: "High resolution frequency-wave number spectrum analysis ", Proceedings of the IEEE, vol. 57, pp. 1408-1418, August 1969).

Weiterhin besteht bei beiden bekannten Lösungen der Nachteil, daß die Anpassung an die jeweilige Situation der Umgebung nur begrenzt möglich ist, d. h. es wird kein optimales Ergebnis bezüglich der Qualität des Empfangssignals erreicht. Furthermore, there is the disadvantage in both known solutions that the Adaptation to the respective situation of the environment is only possible to a limited extent, d. H. it will not give an optimal result regarding the quality of the Received signal reached.  

In zwei Veröffentlichungen von Godara wird ein umfassender Überblick zu den bisher bekannten Verfahren gegeben, wobei jedoch diese Übersicht keine neuen oder gegenüber den erstgenannten Veröffentlichungen weiterentwickelten Lösungen enthält (s. L. C. Godara: "Application of Antenna Arrays to Mobile Communikations, Part I: Performance, Improvement, Feasibility and System Considerations", Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 7, pp. 1029-1060, July 1997 und "Application of Antenna Arrays to Mobile Communications, Part II: Beam-Forming and Direction of Arrival Considerations", Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 8, pp. 1193-1245, August 1997).Two publications by Godara provide a comprehensive overview given the previously known methods, but this overview no new or compared to the first mentioned publications contains further developed solutions (see L. C. Godara: "Application of Antenna Arrays to Mobile Communications, Part I: Performance, Improvement, Feasibility and System Considerations, "Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 7, pp. 1029-1060, July 1997 and "Application of Antenna Arrays to Mobile Communications, Part II: Beam Forming and Direction of Arrival Considerations ", Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 8, pp. 1193-1245, August 1997).

In IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 39, No. 1, January 1991, pp. 21-28 wird ein Verfahren zur Strahlformung in adaptiven Antennenarrays beschrieben, das auf einer DoA- (Direction of Arrival) Schätzung beruht. Dabei wird von dem klassischen Ansatz der Minimierung der Effekte der empfangenen Störsignale und der Rauschleistungen ausgegangen und die Wiener Lösung konstruiert, wozu die Richtung der gewünschten Mobilstation bekannt sein muß. Eine vollständige Unterdrückung der Störsignale erfolgt hierbei nicht.In IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 39, No. January 1 1991, pp. 21-28 is a method for beam shaping in adaptive Antenna arrays described that on a DoA (Direction of Arrival) estimate based. The classic approach of Minimizing the effects of the received interference signals and the Noise levels are run out and the Vienna solution is constructed, which is why Direction of the desired mobile station must be known. A complete The interference signals are not suppressed here.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist in EP 0 883 207 beschrieben. Es wird ein Verfahren zur Erzeugung von Richtcharakteristiken angegeben, umfassend die Verfahrensschritte Empfang der Nutz- und Störsignale durch N Antennenelemente (x1 . . . xN); Bestimmung der Anzahl der eingehenden Signale; Bestimmung der Gewichtsfaktoren für die einzelnen Signale in einem Beamformer; Multiplikation der Gewichtsfaktoren wl am Ausgang des Beamformers mit den jeweils zugehörigen Signalen der Antennenausgänge; Addition dieser gewichteten Signale zu einem Gesamtempfangssignal in einem Summierer; Ausbildung der gewünschten Richtcharakteristik. Für die Bestimmung der Antennengewichte (Gewichtsfaktoren) wird eine - für Empfänger und Sender bekannte - Trainingssequenz (Pilotsignal) benötigt, die in kurzen Abständen immer wieder gesendet werden muß (als Bestandteil des Synchronisationssignals). The prior art from which the invention is based is described in EP 0 883 207. A method for generating directional characteristics is specified, comprising the method steps reception of the useful and interference signals by N antenna elements (x 1 ... X N ); Determining the number of incoming signals; Determination of the weighting factors for the individual signals in a beamformer; Multiplication of the weighting factors w l at the output of the beam former with the associated signals of the antenna outputs; Adding these weighted signals to a total received signal in a summer; Training of the desired directional characteristic. For the determination of the antenna weights (weight factors) a training sequence (pilot signal) known for receivers and transmitters is required, which must be sent again and again at short intervals (as part of the synchronization signal).

Am Empfänger wird die Differenz zwischen dem empfangenen Signal und dem dem Empfänger bekannten Pilotsignal/Trainingssequenz berechnet, die idealerweise Null sein sollte. Dies wird dadurch erreicht, indem die Antennengewichte so geregelt werden, daß der Fehler klein wird. Bei minimalem Fehler ist das Antennenarray auf das gewünschte Signal adaptiert und wird optimal empfangen. Zwischen den für das Pilotsignal/die Trainingssequenz vorgesehenen Zeitintervallen werden die unbekannten Nutzdaten gesendet. Während dieser Zeit wird der Adaptionsmechanismus durch Schalter abgeschaltet, da es sonst zu einer Fehladaption kommen würde. Die Antennengewichte werden in dieser Zeit konstant gehalten mit der Annahme, daß sich in dieser Zeit die Übertragungseigenschaften des Mobilfunkkanals nicht ändern, während des nächsten Zeitintervalls für das Pilotsignal/die Trainingssequenz werden sie wieder angeglichen. Dem beschriebenen Verfahren liegt ein Algorithmus zugrunde, der die Minimierung des Fehlers zwischen Empfangssignal und Pilotsignal zum Ziel hat. Die in EP 0 883 207 dargestellte Anordnung weist Antennenelemente, an die sich ein Basisband-Mischer zur Demodulation der eingegangenen Signale anschließt, einen Beamformer zur Bestimmung der Antennengewichte und ein Summierglied zur Bildung eines Gesamtempfangskanals auf. Weiterhin sind zur Durchführung des eben beschriebenen Verfahrens Mittel zur Erzeugung der Trainingssequenz (des Pilotsignals) vorgesehen sowie Schalter, die den Adaptionsmechanismus während des Sendens von Nutzdaten zwischen den Bursts abschalten.The difference between the received signal and the pilot signal / training sequence known to the receiver, which ideally should be zero. This is achieved by the Antenna weights are controlled so that the error is small. At Minimal error, the antenna array is adapted to the desired signal and is received optimally. Between those for the pilot signal / the Training intervals provided time intervals are the unknown User data sent. During this time the adaptation mechanism switched off by switch, otherwise there will be incorrect adaptation would. During this time, the antenna weights are kept constant with the Assumption that the transmission properties of the Don't change cellular channel during the next time interval for that The pilot signal / the training sequence will be adjusted again. The The method described is based on an algorithm that minimizes of the error between the received signal and the pilot signal. In the The arrangement shown in EP 0 883 207 has antenna elements which are attached a baseband mixer for demodulating the received signals connects a beamformer to determine the antenna weights and a summing element to form an overall reception channel. Farther are means for performing the method just described Generation of the training sequence (the pilot signal) is provided as well Switches that control the adaptation mechanism while sending Switch off user data between the bursts.

Auf Pilotsignalen basierende Systeme benötigen immer eine gewisse Adaptionszeit bis der Fehler zwischen Pilotsignal (Soll) und Empfangssignal (Ist) minimal wird. Nachteilig erweist sich dann, daß in dieser Zeit die Empfangseigenschaften sehr schlecht sind und ein erheblicher Teil (ca. 20%) der Übertragungskapaziztät für das Versenden des Pilotsignals erforderlich ist.Systems based on pilot signals always need a certain one Adaptation time until the error between the pilot signal (target) and the received signal (Is) becomes minimal. It then turns out to be disadvantageous that the Reception characteristics are very poor and a significant part (approx. 20%) the transmission capacity required for sending the pilot signal is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung vorgegebener Richtcharakteristiken von adaptiven Gruppenantennen in drahtlosen Mobilfunksystemen sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, bei dem eingehende Störsignale sicher unterdrückt werden, eine größere Übertragungskapazität der Funkverbindung erzielt und gleichzeitig die Qualität des Empfangssignals verbessert wird.The invention has for its object a method for generating predefined directional characteristics of adaptive group antennas in  wireless mobile radio systems and an arrangement for carrying out the Specify the method in which incoming interference signals are safely suppressed are achieved, a larger transmission capacity of the radio link and at the same time the quality of the received signal is improved.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß für die Bestimmung der Gewichtsfaktoren für die einzelnen Signale zunächst die Einfallswinkel der Nutz- und Störsignale aus einer DoA-Schätzung (DoA - [Direction of Arrival] Empfangsrichtung) durch Signalanalyse ermittelt werden, dann die vorher in den Verfahrensschritten Empfang der Nutz- und Störsignale und Bestimmung der Einfallswinkel dieser Signale ermittelten Informationen in einen Beamformer (Strahlformer) geleitet werden und hier eine Selektion (Trennung) von Nutzsignal und Störsignalen nach den vorher ermittelten Signaleinfallswinkeln und unter Einbeziehung der im eigenen Kommunikationssystem getroffenen Festlegungen zu Nutz- und Störsignalen durchgeführt wird, danach das Nutzsignal durch einen Signalverstärker verstärkt wird und parallel hierzu die Anzahl der Störsignale nach der Leistung der selben (Störsignale unterhalb eines vorgegebenen Mindestwertes entfallen) begrenzt wird, anschließend eine digitale Signalverarbeitung - Bildung einer Koeffizientenmatrix
The object is achieved according to the invention by a method of the type mentioned at the outset that, for the determination of the weighting factors for the individual signals, the angle of incidence of the useful and interference signals is first determined from a DoA estimate (DoA - [Direction of Arrival] direction of reception) by signal analysis then the information previously determined in the process steps of receiving the useful and interference signals and determining the angle of incidence of these signals is passed to a beamformer (beam former) and here a selection (separation) of useful signal and interference signals according to the previously determined signal angles of incidence and including the in your own communication system, the specifications for useful and interference signals are carried out, then the useful signal is amplified by a signal amplifier and, in parallel, the number of interference signals based on the power of the same (interference signals below a predetermined minimum value are eliminated len) is limited, then digital signal processing - formation of a coefficient matrix

zur Lösung der Gleichung
to solve the equation

wobei H allgemein die Richtcharakteristik darstellt,
Q die Richtcharakteristik für den Einfallswinkel θ = 0 ist,
w = π.sinθ die Raumfrequenz ("Richtung") der Stör- bzw. Nutzsignale darstellt,
bei Erfüllung der Bedingungen
where H generally represents the directional characteristic,
Q is the directional characteristic for the angle of incidence θ = 0,
w = π.sinθ represents the spatial frequency ("direction") of the interference or useful signals,
if the conditions are met

erfolgt und das Gleichungssystem durch Matrixinvertierung
and the system of equations by matrix inversion

mittels Gauß-Algorithmus zur Bestimmung der Koeffizienten bk, gelöst wird und abschließend die Gewichtsfaktoren wl aus
by means of the Gaussian algorithm for determining the coefficients b k , and finally the weighting factors w l

bestimmt werden.be determined.

Die Bestimmung der Anzahl der eingehenden Signale, ihrer Leistung und ihrer Einfallsrichtung erfolgt vorteilhafterweise durch eine Eigenwertzerlegung der Kovarianzmatrix dieser Signale.Determining the number of incoming signals, their power and their direction of incidence is advantageously carried out by an eigenvalue decomposition the covariance matrix of these signals.

Für die Selektion der einfallenden Signale in Nutz- und Störsignale werden zusätzliche Informationen aus der Signalisierung des eigenen Kommunikationssystems bereitgestellt (zeitlich variable Festlegung, welche Signale als Störsignale und welches als Nutzsignal anzusehen ist).For the selection of the incoming signals into useful and interference signals additional information from the signaling of one's own Communication system provided (time-variable determination of which Signals as interference signals and which is to be regarded as a useful signal).

Bei einem Antennenarray mit N Antennenelementen können maximal N - 1 Störsignale durch Ausbildung von je einer Nullstelle unterdrückt werden, wenn die Leistung eines Störsignals einen festgelegten Wert überschreitet.With an antenna array with N antenna elements, a maximum of N - 1 Interference signals can be suppressed by forming a zero, if the power of an interference signal exceeds a specified value.

Die Signalverarbeitung erfolgt durch Bildung einer Koeffizientenmatrix, die anhand der Bedingung
The signal processing is done by forming a coefficient matrix based on the condition

mit ωm+1 = ω* aufgestellt wird.with ω m + 1 = ω * .

Bei einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung vorgegebener Richtcharakteristiken von adaptiven Gruppenantennen drahtloser Mobilfunkgeräte der eingangs genannten Art sind erfindungsgemäß zwischen Basisband-Mischer und Beamformer Mittel zur Bestimmung der Einfallswinkel von Nutz- und Störsignalen aus einer DoA- Schätzung angeordnet und der Beamformer bestimmt gemäß Anspruch 1 die Antennengewichte für die einzelnen Signale aus Informationen zur Anzahl der eingehenden Signale und zur DoA-Schätzung (Richtungsschätzung).In an arrangement for carrying out the production method predefined directional characteristics of adaptive group antennas wireless mobile devices of the type mentioned are According to the invention between baseband mixer and beamformer means for Determination of the angle of incidence of useful and interference signals from a DoA Arranged estimate and the beamformer determines according to claim 1 Antenna weights for the individual signals from information on the number of incoming signals and for DoA estimation (directional estimation).

Der Beamformer weist einen digitalen Signalprozessor (DSP) zur Realisierung aller im Beamformer ablaufenden Prozesse auf. Für die Summierung zur Bildung des Gesamtempfangssignals ist entweder eine an sich bekannte analoge Summierschaltung oder ein digitaler Signalprozessor (DSP) vorgesehen.The beamformer has a digital signal processor (DSP) for implementation of all processes running in the beamformer. For the summation to Formation of the total received signal is either known per se analog summing circuit or a digital signal processor (DSP) intended.

Die Erfindung ermöglicht mit geringem apparativen und numerischen Aufwand die Erzeugung einer Richtcharakteristik, bei der sowohl die Richtung des globalen Maxima als auch die Richtungen der Nullstellen vorgegeben werden können. Weiterhin ist die Anzahl der vorzugebenden Nullstellen nicht festgelegt, vielmehr kann eine zwischen 0 und N - 1 variable Anzahl an Nullstellen vorgegeben werden, dabei steht N für die Anzahl der verwendeten Antennenelemente. Somit ist eine deutlich bessere Anpassung der Richtcharakteristik an die Umgebungssituation möglich. Gleichzeitig wird eine größere Übertragungskapazität der Funkverbindung im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen erzielt.The invention enables with low apparatus and numerical Effort generating a directional pattern, in which both the direction of the global maxima as well as the directions of the zeros can be. Furthermore, the number of zeros to be specified is not fixed, rather a variable number between 0 and N - 1 Zeros are specified, where N stands for the number of used Antenna elements. This means that the Directional characteristics to the surrounding situation possible. At the same time greater transmission capacity of the radio link compared to from the Known prior art solutions achieved.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: The invention is illustrated below using an exemplary embodiment associated drawing explained in more detail. Show it:  

Fig. 1 Blockschaltbild einer adaptiven Antenne; Fig. 1 block diagram of an adaptive antenna;

Fig. 2 Blockschaltbild eines Beamformers. Fig. 2 block diagram of a beamformer.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer adaptiven Antenne. Die Empfangssignale der N Antennenelemente x1 . . . xn werden mittels eines Mischers in das Basisband verschoben, d. h. das Trägersignal wird entfernt (Demodulation) und nur noch das komplexe Modulationssignal betrachtet. Diese Signale werden mit den im Beamformer gebildeten Gewichtsfaktoren wl multipliziert und die dadurch entstehenden Signale anschließend zu dem Gesamtempfangssignal addiert. Zur Ermittlung der optimalen Gewichtsfaktoren ist eine Richtungsschätzung und anschließend eine Beamformung (Strahlformung) notwendig. Fig. 1 shows the block diagram of an adaptive antenna. The received signals of the N antenna elements x 1 . , , x n are shifted into the baseband by means of a mixer, ie the carrier signal is removed (demodulation) and only the complex modulation signal is considered. These signals are multiplied by the weighting factors w l formed in the beamformer and the resulting signals are then added to the total received signal. To determine the optimal weight factors, a direction estimate and then beam shaping (beam shaping) is necessary.

Um Störsignale von den gewünschten Nutzsignalen mittels eines Beamformers trennen zu können, müssen die Einfallsrichtungen θl aller am Antennenarray auftreffenden Wellen (Signale) bekannt sein.In order to be able to separate interference signals from the desired useful signals by means of a beam former, the directions of incidence θ 1 of all waves (signals) incident on the antenna array must be known.

Überstreicht eine ebene Welle s(t) ein Array mit äquidistant angeordneten N Empfangs-Elementen mit dem Elementenabstand d (lineares Array) unter dem Winkel θ, erreicht das Signal jedes einzelne Element mit einer Wegdifferenz Δs. Diese Wegdifferenz hat bei der Ausbreitungsgeschwindigkeit c (Lichtgeschwindigkeit) eine Zeitverzögerung von
If a plane wave s (t) sweeps over an array with equidistant N receiving elements with the element spacing d (linear array) at the angle θ, the signal reaches each individual element with a path difference Δs. This path difference has a time delay of at the speed of propagation c (speed of light)

zur Folge. Für schmalbandige Signale,
result. For narrowband signals,

kann das Signal als konstant betrachtet werden, während es das Array überstreicht. Folglich kann diese Zeitverzögerung als komplexer Phasenfaktor angenähert werden:
the signal can be considered constant as it sweeps across the array. Hence this time delay can be approximated as a complex phase factor:

wobei f0 die Carrierfrequenz (Trägerfrequenz) darstellt.where f 0 represents the carrier frequency.

Aufgrund der äqudistanten Anordnung der Elemente besteht zwischen den einzelnen Signalen der Elemente eine feste, von θ abhängige Beziehung der Phasenfaktoren. Das Eingangssignal des l-ten Elements (am l-ten Element einfallende Welle) kann mit
Due to the equidistant arrangement of the elements, there is a fixed relationship of the phase factors depending on θ between the individual signals of the elements. The input signal of the lth element (wave incident on the lth element) can be with

angegeben werden. Unter Ausnutzung dieser Verhältnisse kann durch Analyse der Signale aller Elemente auf die Einfallsrichtungen der Wellen geschlossen werden. Da weder die Anzahl der eintreffenden Wellen noch deren Einfallsrichtungen bekannt sind, muß zunächst die Anzahl der Wellen bestimmt und anschließend deren Richtung ermittelt werden. Unter realen Bedingungen treten jedoch Störungen durch Rauschen und Ungenauigkeiten an den Antennenelementen auf, weshalb hier von einer Richtungsschätzung die Rede ist. Bekannte Verfahren zur Richtungsschätzung sind "MUSIC" (Multiple Emitter Location and Spectral Estimation - örtliche Festlegung der Mehrfach-Strahlung und spektrale Schätzung) s. R. O. Schmidt: "A Signal Subspace Approach to Multiple Emitter Location and Spectral Estimation", ph. D. thesis, Stanford University, Stanford, CA, November 1981 und "ESPRIT" (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques - Schätzung von Signalparametern über Rotations-Invarianz-Bestimmung), s. 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, pp 984-995, Juli 1989).can be specified. Taking advantage of these relationships can Analysis of the signals of all elements on the directions of incidence of the waves getting closed. Since neither the number of incoming waves nor whose directions of incidence are known, the number of waves must first determined and then determined their direction. Among real ones However, conditions occur due to noise and inaccuracies on the antenna elements, which is why here from a directional estimate the speech is. Known methods of direction estimation are "MUSIC" (Multiple Emitter Location and Spectral Estimation - localization of the Multiple radiation and spectral estimation) s. R. O. Schmidt: "A signal Subspace Approach to Multiple Emitter Location and Spectral Estimation ", ph. D. thesis, Stanford University, Stanford, CA, November 1981 and "ESPRIT" (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques - Estimation of signal parameters via rotation invariance determination), see 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, pp 984-995, July 1989).

Diese Verfahren beruhen auf einer Eigenwertzerlegung der Kovarianzmatrix der einfallenden Wellen (Signale) sl(t). Als Ausgangsgrößen dieser Vorgänge stehen die Anzahl der eintreffenden Wellen sowie deren Amplitude und Einfallsrichtung zur Verfügung. Zur Formung einer geeigneten Richtcharakteristik werden noch zusätzlich Informationen bezüglich der Nutz- bzw. Störsignale benötigt. Diese Informationen werden von der Steuersignalisierung des eigenen Kommunikationssystems als Festlegung (zeitlich variabel) der Störsignale und des Nutzsignals bereitgestellt. Die erhaltenen Informationen über die Einfallswinkel sowie zu den Nutz- und Störsignalen werden als Eingangssignale dem Beamformer zugeleitet.These methods are based on an eigenvalue decomposition of the covariance matrix of the incident waves (signals) s l (t). The number of incoming waves as well as their amplitude and direction of incidence are available as output variables for these processes. To form a suitable directional characteristic, additional information regarding the useful or interference signals is required. This information is provided by the control signaling of the own communication system as a definition (variable in time) of the interference signals and the useful signal. The information received about the angles of incidence and the useful and interference signals are fed to the beamformer as input signals.

In Fig. 2 ist das Blockschaltbild eines Beamformers dargestellt. Die Unterteilung in die einzelnen Funktionsblöcke wurde aus algorithmischer Sicht vorgenommen, weshalb eine Gleichsetzung dieser Blöcke mit konkreten technischen Funktionseinheiten nicht möglich ist. Zur Realisierung des Beamformers wird ein digitaler Signalprozessor (DSP) verwendet, der alle im Blockschaltbild aufgeführten Funktionen realisiert. Aufbauend auf den vorstehend angegebenen Eingangssignalen des Beamformers erfolgt eine Selektion des Nutzsignals und der Störsignale. Dabei selektiert der Block "Nutzsignalselektion" den Einfallswinkel des Nutzsignals und führt dieses als Richtungssignal ω* dem Block zur Erzeugung der Koeffizientenmatrix zu. Äquivalent dazu verfährt der Block "Störsignalselektion", indem er die Einfallswinkel der Störsignale selektiert und diese als Richtungssignale ωk zunächst einem Block zur Begrenzung der Anzahl der Störsignale zuführt. Hintergrund dieser Begrenzung ist die Tatsache, daß mit einem Antennenarray bestehend aus N Antennenelementen maximal N - 1 Störsignale mittels einer Nullstelle unterdrückt werden können. Um eine möglichst präzise Richtcharakteristik zu erhalten und den numerischen Aufwand zu minimieren, sollte die Anzahl der Nullstellen auf das notwendige Mindestmaß beschränkt werden. Das heißt, es werden nur dann Nullstellen ausgebildet, wenn die Leistung des Störsignals einen vorher festgelegten Wert übersteigt. Dieser Wert hängt von dem konkreten Kommunikationssystem ab und kann als freier Parameter an jedes beliebige System angepaßt werden.In FIG. 2, a block diagram is shown of a beamformer. The division into the individual function blocks was made from an algorithmic point of view, which is why it is not possible to equate these blocks with specific technical functional units. A digital signal processor (DSP) is used to implement the beamformer, which implements all the functions listed in the block diagram. The useful signal and the interference signals are selected based on the input signals of the beamformer specified above. The “useful signal selection” block selects the angle of incidence of the useful signal and feeds this as a direction signal ω * to the block for generating the coefficient matrix. The "interference signal selection" block proceeds in an equivalent manner by selecting the angle of incidence of the interference signals and first feeding these as directional signals ω k to a block for limiting the number of interference signals. The background to this limitation is the fact that with an antenna array consisting of N antenna elements, a maximum of N-1 interference signals can be suppressed by means of a zero point. In order to obtain the most precise directional characteristic possible and to minimize the numerical effort, the number of zeros should be limited to the necessary minimum. This means that zeros are only formed when the power of the interference signal exceeds a predetermined value. This value depends on the specific communication system and can be adapted as a free parameter to any system.

Die Selektion der Nutz- bzw. Störsignale erfolgt in nachstehend aufgeführten Schritten: The selection of the useful or interference signals is carried out in the following Steps:  

Aus der vorhergehenden Bestimmung der Einfallsrichtung der Signale sind sowohl die Einfallswinkel des Nutzsignals als Richtungssignal ω* als auch die Einfallswinkel der Störsignale als Richtungssignale ωl mit 1 ≦ k ≦ N - 1 bekannt, wobei N der Anzahl der verwendeten Antennenelemente entspricht. Es wird ein Beampattern (Richtcharakteristik) gebildet, welches die folgenden Bedingungen erfüllt:
From the previous determination of the direction of incidence of the signals, both the angles of incidence of the useful signal as direction signal ω * and the angles of incidence of the interference signals as direction signals ω l with 1 ≦ k ≦ N-1 are known, where N corresponds to the number of antenna elements used. A beam pattern (directional characteristic) is formed which fulfills the following conditions:

  • a) Maximum der Richtcharakteristik in Richtung des Nutzsignals
    wobei H für die Richtcharakteristik steht.
    a) Maximum of the directional characteristic in the direction of the useful signal
    where H stands for the directional characteristic.
  • b) Nullstellen der Richtcharakteristik in Richtung der Störsignale
    b) zeroing of the directional characteristic in the direction of the interference signals
  • c) die Gesamtleistung soll minimal sein
    dabei entspricht m der Anzahl der zu bildenden Nullstellen. Dazu wird zunächst die Grundfunktion
    betrachtet, wobei Q die Richtcharakteristik in Richtung θ = 0 darstellt. Mit den m Nullstellen, den Richtungssignalen ω1 . . . ωm, und dem Hauprichtungssignal ω*, das mit ωm+1 = ω*, angesetzt wird, entsteht die folgende allgemeine Richtcharakteristik:
    Ziel ist es, die Koeffizienten bk so zu bestimmen, daß die aufgestellten Randbedingungen bezüglich ωk und ω* erfüllt werden
    mit ωm+1 = ω*. Die im nächsten Block gebildete Koeffizientenmatrix ergibt sich somit zu
    mit den Elementen A = {ak,l} 1 ≦ k, l ≦ m + 1, mit
    c) the total performance should be minimal
    m corresponds to the number of zeros to be formed. First, the basic function
    considered, where Q represents the directional characteristic in the direction θ = 0. With the m zeros, the direction signals ω 1 . , , ω m , and the main direction signal ω *, which is set with ω m + 1 = ω * , results in the following general directional characteristic:
    The aim is to determine the coefficients b k in such a way that the boundary conditions with regard to ω k and ω * are met
    with ω m + 1 = ω * . The coefficient matrix formed in the next block thus results in
    with the elements A = {a k, l } 1 ≦ k, l ≦ m + 1, with

Durch die Matrixinvertierung ergibt sich das Gleichungssystem
The system of equations results from the matrix inversion

das mit dem Gauß-Algorithmus zu Bestimmung der Koeffizienten bl gelöst wird (nächster Block). Dieser Algorithmus ist ein Standardverfahren zum numerischen Lösen von Gleichungssystemen. Als Resultat kann bewiesen werden, daß |det A| < 0 ist. Dies bedeutet, es existiert stets eine eindeutige Lösung des Gleichungssystems, die den aufgestellten Randbedingungen genügt.which is solved with the Gaussian algorithm to determine the coefficients b l (next block). This algorithm is a standard method for numerically solving systems of equations. As a result, it can be proven that | det A | <0. This means that there is always a clear solution to the system of equations that satisfies the boundary conditions.

Aus der Lösung des Gleichungssystems ergeben sich die Koeffizienten bk. Die Antennengewichte wl ergeben sich hieraus zu:
The coefficients b k result from the solution of the system of equations. The antenna weights w l result from this:

Daraus ergibt sich die Richtcharakteristik zu:
This gives the directional characteristic to:

Die so ermittelten Gewichtsfaktoren wl bilden die Ausgangssignale des Beamformers. Sie werden in einem Multiplikator mit den jeweils zugehörigen Signalen der einzelnen Antennenelemente multipliziert. Diese gewichteten Signale werden in einem Summierglied der adaptiven Antenne zu einem Gesamtempfangssignal umgeformt. Diese Summierung kann entweder analog in einer bekannten Summierschaltung oder digital in einem DSP erfolgen.The weight factors w l determined in this way form the output signals of the beam former. They are multiplied in a multiplier by the associated signals from the individual antenna elements. These weighted signals are converted into a total received signal in a summing element of the adaptive antenna. This summation can take place either analogously in a known summing circuit or digitally in a DSP.

Nachfolgend nun ein konkretes Zahlenbeispiel für die Ermittlung der Antennengewichte:Below is a concrete numerical example for determining the Antenna weights:

Da die Erfindung die Formung der Richtcharakteristik betrifft, wird in diesem Beispiel nicht auf die Richtungsschätzung eingegangen. Die Einfallswinkel werden wie folgt vorausgesetzt:
Since the invention relates to the shaping of the directional characteristic, the direction estimation is not dealt with in this example. The angles of incidence are assumed as follows:

Aus der Signalisierung des Kommunikationssystems wird die Information bereitgestellt, daß Signal Nr. 2 das zu selektierende Nutzsignal ist und alle weiteren Signale Störsignale sind. Somit wird folgende Selektion getroffen:
From the signaling of the communication system, the information is provided that signal no. 2 is the useful signal to be selected and all other signals are interference signals. The following selection is made:

  • - Hauptrichtung: ω* = 0 - Main direction: ω * = 0
  • - Nullstellen: ω1 = -π/2, ω2 = 3.π/4, ω3 = π/3- Zeros: ω 1 = -π / 2, ω 2 = 3.π / 4, ω 3 = π / 3

Als Antenne soll ein Array aus N = 4 Elementen verwendet werden. Mit diesem Array wäre eine Bildung von N - 1, also 3 Nullstellen möglich. Aus dieser Sicht ist eine Begrenzung der Anzahl der Störsignale nicht notwendig. Da das Signal Nr. 4 eine sehr kleine Amplitude aufweist, sind von diesem Signal keine relevanten Störungen zu erwarten. Um den numerischen Aufwand zu minimieren und die Qualität der Richtungscharakteristik zu erhöhen, wird das Signal Nr. 4 nicht mit einer Nullstelle ausgelöscht. Mit ωm+1 = ω* ergeben sich die Randbedingungen zu:
An array of N = 4 elements is to be used as the antenna. With this array it would be possible to form N - 1, ie 3 zeros. From this point of view, it is not necessary to limit the number of interference signals. Since signal No. 4 has a very small amplitude, no relevant disturbances are to be expected from this signal. In order to minimize the numerical effort and to increase the quality of the directional characteristic, signal no. 4 is not canceled with a zero. With ω m + 1 = ω * the boundary conditions are:

Die Koeffizientenmatrix wird wie folgt aufgestellt:
The coefficient matrix is set up as follows:

Die Lösung des Gleichungssystems der invertierten Matrix liefert für bk
b1 = 0,015 + 0,015i
b2 = -0,073 - 0,030i
b3 = 0,271447 + 0,0i
The solution of the system of equations of the inverted matrix gives k for b
b 1 = 0.015 + 0.015i
b 2 = -0.073 - 0.030i
b 3 = 0.271447 + 0.0i

Unter Verwendung der Gleichung
Using the equation

ergeben sich die Antennengewichte wl zu:
w1 = 0,213 - 0,015i
w2 = 0,286 + 0,088i
w3 = 0,286 - 0,088i
w4 = 0,213 + 0,015i
the antenna weights w l result in:
w 1 = 0.213 - 0.015i
w 2 = 0.286 + 0.088i
w 3 = 0.286 - 0.088i
w 4 = 0.213 + 0.015i

Diese Antennengewichte (bzw. Gewichtsfaktoren) w1 - w4 bilden die Ausgangssignale des Beamformers. In der adaptiven Antenne werden sie in einem Multiplikator mit den zugehörigen Signalen der einzelnen Antennenelemente multipliziert. Aus diesen so gebildeten gewichteten Signalen wird abschließend durch ein Summierglied der adaptiven Antenne ein Gesamtempfangssignal geformt.These antenna weights (or weight factors) w 1 -w 4 form the output signals of the beamformer. In the adaptive antenna, they are multiplied in a multiplier by the associated signals of the individual antenna elements. From these weighted signals thus formed, a total received signal is finally formed by a summing element of the adaptive antenna.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erzeugung vorgegebener Richtcharakteristiken von adaptiven Gruppenantennen drahtloser Mobilfunksysteme, umfassend die Verfahrensschritte Empfang der Nutz- und Störsignale durch N Antennenelemente (x1 . . . xN), Bestimmung der Anzahl der eingehenden Signale; Bestimmung der Gewichtsfaktoren für die einzelnen Signale in einem "Beamformer" (Strahlformer); Multiplikation der Gewichtsfaktoren wl am Ausgang des Beamformers mit den jeweils zugehörigen Signalen der Antennenausgänge; Addition dieser gewichteten Signale zu einem Gesamtempfangssignal in einem Summierer; Ausbildung der gewünschten Richtcharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung der Gewichtsfaktoren für die einzelnen Signale zunächst die Einfallswinkel der Nutz- und Störsignale aus einer DoA-Schätzung durch Signalanalyse ermittelt werden, dann die vorher in den Verfahrensschritten Empfang der Nutz- und Störsignale und Bestimmung der Einfallswinkel dieser Signale ermittelten Informationen in den Beamformer" (Strahlformer) geleitet werden und hier eine Selektion (Trennung) von Nutzsignal und Störsignalen (max. N - 1) nach den vorher ermittelten Signaleinfallswinkeln unter Einbeziehung der im eigenen Kommunikationssystem getroffenen Festlegungen zu Nutz- und Störsignalen durchgeführt wird, danach das Nutzsignal durch einen Signalverstärker verstärkt wird und gleichzeitig die Anzahl der Störsignale nach der Leistung derselben (Störsignale unterhalb eines vorgegebenen Mindestwertes entfallen) begrenzt wird, anschließend eine digitale Signalverarbeitung - Bildung einer Koeffizientenmatrix
zur Lösung der Gleichung
wobei H allgemein die Richtcharakteristik darstellt,
Q die Richtcharakteristik für den Einfallswinkel θ = 0 ist,
ω = π.sinθ die Raumfrequenz ("Richtung") der Stör- bzw. Nutzsignale darstellt,
bei Erfüllung der Bedingungen
erfolgt und
das Gleichungssystem durch Matrixinvertierung
mittels Gauß-Algorithmus zur Bestimmung der Koeffizienten bk gelöst wird und abschließend die Gewichtsfaktoren wl aus
bestimmt werden.
1. A method for generating predetermined directional characteristics of adaptive group antennas of wireless mobile radio systems, comprising the method steps of receiving the useful and interference signals by N antenna elements (x 1 ... X N ), determining the number of incoming signals; Determination of the weighting factors for the individual signals in a "beamformer" (beam former); Multiplication of the weighting factors w l at the output of the beam former with the associated signals of the antenna outputs; Adding these weighted signals to a total received signal in a summer; Formation of the desired directional characteristic, characterized in that for the determination of the weighting factors for the individual signals, first the angles of incidence of the useful and interference signals are determined from a DoA estimate by signal analysis, then the reception of the useful and interference signals and determination beforehand in the method steps the angle of incidence of these signals, the information determined is directed into the beamformer "(beamformer) and a selection (separation) of the useful signal and interference signals (max. N - 1) according to the previously determined angle of incidence, taking into account the definitions of useful and Interference signals are carried out, then the useful signal is amplified by a signal amplifier and at the same time the number of interference signals is limited according to their output (interference signals below a predetermined minimum value are eliminated), then digital signal processing - Formation of a coefficient matrix
to solve the equation
where H generally represents the directional characteristic,
Q is the directional characteristic for the angle of incidence θ = 0,
ω = π.sinθ represents the spatial frequency ("direction") of the interference or useful signals,
if the conditions are met
done and
the system of equations through matrix inversion
is solved by means of the Gaussian algorithm for determining the coefficients b k and finally the weighting factors w l
be determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Anzahl der eingehenden Signale (einfallende Wellen), ihrer Leistung und ihrer Einfallsrichtung eine Eigenwertzerlegung der Kovarianzmatrix dieser Signale sl(t) erfolgt. 2. The method according to claim 1, characterized in that for determining the number of incoming signals (incoming waves), their power and their direction of incidence, an eigenvalue decomposition of the covariance matrix of these signals s l (t) is carried out. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Antennenarray, bestehend aus N Antennenelementen maximal N - 1 Störsignale mittels je einer Nullstelle unterdrückt werden, wobei nur dann Nullstellen ausgebildet werden, wenn die Leistung eines Störsignals einen festgelegten Wert übersteigt.3. The method according to claim 1, characterized in that with an antenna array consisting of N antenna elements, maximum N - 1 Interference signals can be suppressed by means of a zero, only then Zeros are formed when the power of an interference signal exceeds the specified value. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung vorgegebener Richtcharakteristiken von adaptiven Gruppenantennen drahtloser Mobilfunksysteme, aufweisend Antennenelemente, an die sich ein Basisband- Mischer zur Demodulation der eingegangenen Signale anschließt, einen Beamformer zur Bestimmung der Antennengewichte und ein Summierglied zur Bildung eines Gesamtempfangssignals dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Basisband-Mischer und Beamformer Mittel zur Bestimmung der Einfallswinkel von Nutz- und Störsignalen aus einer DoA-Schätzung angeordnet sind und der Beamformer gemäß Anspruch 1 die Antennengewichte für die einzelnen Signale aus Informationen zur Anzahl der eingehenden Signale und zur DoA-Schätzung (Richtungsschätzung) bestimmt.4. Arrangement for performing the method for generating predetermined Directional characteristics of adaptive group antennas wireless Mobile radio systems, comprising antenna elements to which a baseband Mixer to demodulate the incoming signals, one Beamformer for determining the antenna weights and a summing element to form a total received signal characterized in that between baseband mixer and beamformer means for determining the Angle of incidence of useful and interference signals from a DoA estimate are arranged and the beamformer according to claim 1 Antenna weights for the individual signals from information on the number of incoming signals and for DoA estimation (directional estimation) certainly. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beamformer einen digitalen Signalprozessor (DSP) aufweist zur Realisierung aller im Beamformer ablaufenden Prozesse.5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the beamformer has a digital signal processor (DSP) for Realization of all processes in the beamformer. 6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Summierung zur Bildung des Gesamtempfangssignals eine an sich bekannte analoge Summierschaltung oder ein digitaler Signalprozessor (DSP) vorgesehen ist.6. Arrangement according to claim 4, characterized in that for the summation to form the total received signal one per se known analog summing circuit or a digital signal processor (DSP) is provided.
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