DE19907476C1

DE19907476C1 - Verfahren zur Steuerung und dynamischen Anpassung der Richtcharakteristik von linearen Antennenarrays bei der räumlichen Trennung von Signalen

Info

Publication number: DE19907476C1
Application number: DE1999107476
Authority: DE
Inventors: Holger Boche; Thomas Kuhwald
Original assignee: Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI; Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI; Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2019-02-17
Also published as: EP1177600A2; WO2000049682A2; WO2000049682A3

Abstract

Um die Trennbarkeit der Teilnehmer in Abhängigkeit ihrer Position und der Anforderungen der Teilnehmer an die Qualität der Verbindung abschätzen zu können und somit die Steuerung der Richtcharakteristik und dynamische Vergabe von Frequenzen zu ermöglichen, wird ein Verfahren angegeben, bei dem die Direktivität (D) als Kriterium für die Trennbarkeit von Teilnehmern ausgewählt und bestimmt wird nach der Gleichung DOLLAR F1 wobei H (e jw ) allgemein die Richtcharakteristik eines linearen Antennenarrays bezeichnet, für deren Ausbildung die Gewichtsfaktoren w l für die einzelnen Signale gemäß w l = DOLLAR F2 berechnet werden und gleichzeitig derjenige Koeffizient b k = b m+1 für die Berechnung der Gewichtsfaktoren, der für das Maximum der Richtcharakteristik in Richtung des Nutzsignals ermittelt wurde, für die Berechnung der Direktivität gemäß D = 1/b m+1 verwendet wird. Ergibt der Vergleich der errechneten Direktivität (D) mit einem der erforderlichen Qualität der Verbindung angepaßten notwendigen minimalen Wert der Direktivität (D min ), daß D < D min ist, d. h. der zugehörige störende Teilnehmer ist nicht mehr von den anderen trennbar und wird durch einen Frequenzwechsel aus dem SDMA-Bereich entfernt. Anschließend werden für die nunmehr vorhandenen Nutzer mit den geänderten Frequenzen Richtcharakteristik und Direktivität bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und dynamischen Anpassung der Richtcharakteristik von linearen Antennenarrays bei der räumlichen Trennung von Signalen.

Über ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung vorgegebener Richtcharakteristiken von adaptiven Gruppenantennen in drahtlosen Mobilfunksystemen ist von H. Boche anläßlich der Konferenz "Ausgewählte Probleme moderner Mobilfunksyteme" am 11.12.1998 im Institut für Kommunikationstechnik der ETH Zürich (Schweiz) in einem Vortrag mit dem Titel "Einsatz von "smart antennas" in CDMA-basierten Mobilfunksystemen" berichtet worden (CDMA - Code Division Multiple Access). Diese Lösung ermöglicht mit geringem apparativen und numerischen Aufwand die Erzeugung einer Richtcharakteristik, bei der sowohl die Richtung des globalen Maximum (Hauptstrahl) als auch die Richtungen der Nullstellen vorgegeben werden können. Hierbei werden zunächst die Nutz- und Störsignale empfangen und die Anzahl der Eingangssignale bestimmt. Nach der Bestimmung der Einfallswinkel dieser Signale werden die bisher erhaltenen Informationen an den Strahlformer (Beamformer) weitergeleitet, um nunmehr die Trennung von Nutz- und Störsignalen nach den vorher ermittelten Signaleinfallswinkeln vorzunehmen, die Nutzsignale zu verstärken und parallel hierzu die Anzahl der Störsignale zu begrenzen. Mittels digitaler Signalverarbeitung wird zur Ermittlung der Antennengewichte zunächst eine Koeffizientenmatrix

zur Lösung der Gleichung für die Richtcharakteristik

bei Erfüllung der Bedingungen

aufgestellt. Anschließend wird das Gleichungssystem

zur Bestimmung der Koeffizienten b_l gelöst, woraus über

dann die Gewichtsfaktoren w_k bestimmt werden, die mit den jeweils zugehörigen Signalen der Antennenausgänge multipliziert werden, abschließend werden die gewichteten Signale zu einem Gesamtsignal addiert und somit die gewünschte Richtcharakteristik ausgebildet. Durch den Einsatz von adaptiven Gruppenantennen können in zukünftigen Mobilfunksystemen derartige Richtcharakteristiken bestimmt werden, wobei Nutzsignale aus vorher bestimmten Richtungen mit einem erhöhten Gewinn empfangen und gleichzeitig Störsignale aus ebenfalls vorher bestimmten Richtungen unterdrückt werden, was die Qualität des Empfangssignals und somit die Übertragungskapazität der Funkverbindung erhöht. Durch mehrere gleichzeitig erzeugte Richtcharakteristiken kann eine räumliche Trennung von verschiedenen Nutzsignalen (SDMA - Space Division Multiple Access) realisiert werden, die eine Vervielfachung der Anzahl bedienbarer Teilnehmer pro Funkzelle ermöglicht. Aufgrund der Mobilität der Teilnehmer sowie der raschen zeitlichen Veränderung der Eigenschaften des Funkkanals muß die gebildete Richtcharakteristik permanent nachgeführt werden. Dabei kann stets der Fall eintreten, daß sich zwei Teilnehmer so annähern, bis diese nicht mehr über eine Richtcharakteristik getrennt werden können. Bei solchen Situationen besteht das Problem darin, Kriterien zu finden, mit denen die Trennbarkeit der Teilnehmer in Abhängigkeit ihrer Position und der Anforderungen der Teilnehmer an die Qualität der Verbindung (Quality of Service - QoS) abgeschätzt werden kann. Basierend auf solchen Kriterien kann die Steuerung der Richtcharakteristik und dynamische Vergabe von Frequenzen erfolgen. Damit kann das SDMA-Prinzip in diesem Mobilfunksystem konsequent ausgenutzt werden. Bisher erfolgte die Entscheidung über die Trennbarkeit der Teilnehmer auf empirischem Weg.

In der Zeitschrift "Funkschau" 23/96, S. 84-87 wird ausgeführt, daß ein Wechsel des Frequenzkanals dann erfolgt, wenn sich bei einer Überschneidung (Direktivität D < Dmin) von zwei Hauptkeulen die Übertragungsqualität des Funkkanals sehr verschlechtert. Eine konkrete Lösung hierzu ist nicht angegeben.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das die Trennbarkeit der Teilnehmer in Abhängigkeit ihrer Position und der Anforderungen der Teilnehmer an die Qualität der Verbindung abschätzt und somit die Steuerung der Richtcharakteristik und dynamische Vergabe von Frequenzen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Steuerung und dynamischen Anpassung der Richtcharakteristik von linearen Antennenarrays bei der räumlichen Trennung von Signalen angegeben, bei dem die Direktivität D als Kriterium für die Trennbarkeit von Teilnehmern ausgewählt und definiert ist nach der Gleichung

wobei H(e^jω) allgemein die Richtcharakteristik eines linearen Antennenarrays bezeichnet, für deren Ausbildung die Gewichtsfaktoren w_l für die einzelnen Signale gemäß

durch Bildung einer Koeffizientenmatrix A zur Lösung der Gleichung

bei Erfüllung der Bedingungen
H(e^jω*) = 1 Maximum der Richtcharakteristik in Richtung des Nutzsignals
H(e^jω_l) = 0 Nullstellen der Richtcharakteristik in Richtung der Störsignale 1 ≦ l ≦ m m ≦ N - 1,
aus dem Gleichungssystem

berechnet werden, wobei A die Koeffizientenmatrix mit den Elementen A = {a_k,l} mit 1 ≦ k, l ≦ m + 1 und

ist und der Koeffizient b_m+1 für die Bestimmung der Direktivität (D) gemäß

D = 1/b_m+1

verwendet wird,
anschließend die errechnete Direktivität D mit einem der erforderlichen Qualität der Verbindung angepaßten notwendigen minimalen Wert der Direktivität D_min verglichen wird, wobei bei D < D_min die Trennbarkeit der Nutzer möglich ist und bei D < D_min die Trennbarkeit der Nutzer nicht möglich ist, und im Falle von D < D_min der zugehörige dichteste störende Teilnehmer, der nicht mehr von den anderen trennbar ist, durch Veranlassung eines Frequenzwechsels aus dem SDMA-Bereich entfernt wird und anschließend für die nunmehr vorhandenen Nutzer mit den geänderten Frequenzen Richtcharakteristik und Direktivität bestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung und dynamischen Anpassung der Richtcharakteristik von linearen Antennenarrays bei der räumlichen Trennung von Signalen ermöglicht bei Vorgabe einer geforderten Übertragungsqualität die Beurteilung der Trennbarkeit der Teilnehmer anhand der Direktivität der entstehenden Richtcharakteristik und damit eine effiziente und einfache Steuerung eines SDMA-Systems. Die Verwendung des Koeffizienten b_m+1 zur Bestimmung der Direktivität erfordert keine zusätzlichen aufwendigen Rechnungen, sondern fällt - sozusagen als "Nebenprodukt" - bei der Anpassung der Richtcharakteristik mit ab, da gleichzeitig der Koeffizient b_m+1 für die Berechnung der Gewichtsfaktoren, der für das Maximum der Richtcharakteristik in Richtung des Nutzsignals ermittelt wurde, für die Berechnung der Direktivität gemäß D = 1/b_m+1 verwendet wird. Die nach einem Frequenzwechsel ermittelte Direktivität ist immer besser als die vorher ermittelte.

Die Direktivität hat direkten Einfluß auf die Bitfehlerwahrscheinlichkeit der Funkstrecke derart, daß die Bitfehlerwahrscheinlichkeit um so kleiner wird, je größer die Direktivität ist. Wird für eine Funkverbindung eine maximal zulässige Bitfehlerwahrscheinlichkeit gefordert, so ergibt sich daraus eine minimal notwendige Direktivität. Die Direktivität der Richtcharakteristik stellt ein Qualitätsmerkmal für die momentane Richtcharakteristik dar. Befindet sich ein störender Teilnehmer (Nullstelle) zu nahe an dem zu selektierenden Teilnehmer (Hauptrichtung), resultiert daraus eine zu kleine Direktivität. Unterschreitet diese den geforderten Minimalwert, können diese beiden Teilnehmer nicht mehr voneinander getrennt werden. Als Konsequenz wird ein Frequenzwechsel (Handover) vorgenommen, der betreffende störende Teilnehmer wird aus dem SDMA-Bereich entfernt und somit entfällt diese Nullstelle, was sich in einer größeren Direktivität äußert. Damit kann die Direktivität als Kriterium für die Trennbarkeit von Teilnehmern unter verschiedenen Qualitätsanforderungen verwendet werden.

Trennbarkeit von Teilnehmern unter verschiedenen Qualitätsanforderungen verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer adaptiven Antenne mit Direktivitätssteuerung,

Fig. 2 Ablaufschema zur Trennung der Nutzer mittels Direktivitätskriterium.

Für den Fall, daß mehrere Teilnehmer um die Antenne einer Basisstation angeordnet sind und alle Teilnehmer gleichzeitig senden, kann ohne Ausbildung einer Richtcharakteristik lediglich eine Überlagerung aller Sendesignale empfangen werden. Solche Situationen treten typischerweise bei CDMA- basierten Mobilfunksystemen auf. Ein wirksames Mittel zur Unterdrückung dieser Überlagerungen ist der Einsatz adaptiver Antennen, die die Richtungen aller an der Antenne einfallender Signale bestimmen und mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens eine Richtcharakteristik ausbilden, die das gewünschte Signal mit einem maximalen Gewinn empfängt und gleichzeitig die Störsignale durch Nullstellen in ihrer Richtcharakteristik unterdrückt.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild einer adaptiven Antenne dargestellt. Zunächst werden die Nutz- und Störsignale empfangen und ihre Anzahl und ihr Einfallswinkel bestimmt. Die Aufgabe des Strahlformers (Beamformers) besteht darin, die Gewichtsfaktoren w₁, . . . w_N für die einzelnen Signale zu bestimmen, so daß die gewünschte Richtcharakteristik ausgebildet wird. Dies erfolgt in folgenden Schritten: Aus der Bestimmung der Einfallswinkel der Signale sind sowohl die Einfallswinkel des Nutzsignales ω_* als auch die Einfallswinkel der Störsignale ω_l mit 1 ≦ l ≦ N - 1 bekannt, wobei N der Anzahl der verwendeten Antennenelemente entspricht. Es wird ein Beampattern (Richtcharakteristik) generiert, welches die folgenden Bedingungen erfüllt:

a) Maximum des Beampattern in Richtung des Nutzsignales
H(e^jω*) = 1
b) Nullstellen des Beampattern in Richtung der Störsignale
c) die Direktivität soll maximal sein, d. h.
dabei entspricht m der Anzahl der zu generierenden Nullstellen. Dazu wird zunächst die Grundfunktion
betrachtet. Mit den Nullstellen ω₁ . . . ω_m und der Hauptrichtung ω_*, die mit ω_m+1 = ω* angesetzt wird, entsteht das folgende allgemeine Beampattern

Ziel ist es, die Koeffizienten b_l so zu bestimmen, daß die aufgestellten Randbedingungen bezüglich ω_l und ω_* erfüllt werden

Dies führt zu einem Gleichungssystem der Ordnung m + 1 in der Form

dabei ist A die Koeffizientenmatrix mit den Elementen A = {a_k,l} 1 ≦ k, l ≦ m + 1 mit

Die Bitfehlerwahrscheinlichkeit eines asynchronen interferenzbegrenzten CDMA- Systems wird gemäß (s. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 43, pp. 680-690, August 1994)

berechnet, wobei M den Spreizfaktor des CDMA-Codes und K die Anzahl der momentan aktiven Teilnehmer bedeutet (und damit K - 1 die Anzahl der Störer angibt) und E(x) der Fehlerfunktion entspricht, die mit

definiert ist. Durch den Einsatz von intelligenten Antennen kann diese Bitfehlerrate reduziert werden, sie ergibt sich zu

dabei ist D die Direktivität der Richtcharakteristik der intelligenten Antenne. Die Direktivität einer Richtcharakteristik ist mit

definiert. Man kann erkennen, daß die Direktivität einen direkten Einfluß auf die Bitfehlerwahrscheinlichkeit der Funkstrecke hat und zwar in der Form, daß die Bitfehlerwahrscheinlichkeit um so kleiner wird, je größer die Direktivität ist.

Für den in diesem Ausführungsbeispiel beschriebenen Beamformer ergibt sich die Direktivität direkt aus der Lösung des Gleichungssystems (**) zu

D = 1/b_m+1.

Der errechnete Wert für die Direktivität muß nun mit einem für die momentane erforderliche Übertragungsqualität notwendigen minimalen Wert der Direktivität D_min verglichen werden. Ist der bestimmte Wert D < D_min, ist die Trennbarkeit der Nutzer möglich. Ist der bestimmte Wert jedoch D < D_min, ist die Trennbarkeit der Nutzer nicht möglich; deshalb wird der entsprechende störende Teilnehmer, der nicht mehr von den anderen trennbar ist, durch Frequenzwechsel aus dem SDMA-Bereich entfernt. Diese Schritte können wiederholt werden, so daß mit einem vernachlässigbar kleinen zusätzlichen Aufwand im Vergleich zur Rechenzeit für die Ausbildung der Richtcharakteristik eine sehr effiziente Steuerung der Vergabe der Frequenzen realisierbar ist, da die vorgeschlagene Lösung die Berechnung der Direktivität in Echtzeit ermöglicht, die - wie bereits erwähnt - unmittelbar die Bitfehlerrate beeinflußt. Für dieses konkrete Ausführungsbeispiel eines Beamformers ist es nicht notwendig, zur Bestimmung der Direktivität das entsprechende Integral mit großem numerischen Aufwand zu ermitteln, sondern - wie oben beschrieben - nur den Koeffizienten b_m+1 zu bestimmen.

In Fig. 2 ist das Ablaufschema zur Trennung der Nutzer mittels Direktivitätskriterium dargestellt. Nach der Selektion der Nutz- und Störsignale erfolgt im Beamformer sowohl die Wichtung der Signale als auch die Berechnung der Direktivität. Wird nun beim folgenden Vergleich der ermittelten Direktivität D mit der dem aktuellen Anwendungsfall erforderlichen Qualität angepaßten notwendigen minimalen Direktivität D_min festgestellt, daß D < D_min ist, ist die Trennbarkeit der Nutzer nicht möglich. In diesem Fall wird der an der Hauptrichtung der Richtcharakteristik nächstgelegene störende Nutzer mit dem Einfallswinkel ω_f durch Veranlassung eines Frequenzwechsels entfernt und erneut mit der Eingabe der Signale der nunmehr in ihrer Anzahl reduzierten und die Frequenzen {ω_*, ω₁, . . ., ω_K-1}\{ω_f} aufweisenden Nutzer begonnen, um für diese Bedingungen die Richtcharakteristik und die Direktivität zu ermitteln. Diese Selektion kann wiederholt werden bis ein den Qualitätsanforderungen der Übertragung angepaßtes Ergebnis vorliegt.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung und dynamischen Anpassung der Richtcharakteristik von linearen Antennenarrays bei der räumlichen Trennung von Signalen, bei dem
die Direktivität (D) als Kriterium für die Trennbarkeit von Teilnehmern ausgewählt und definiert ist nach der Gleichung
wobei H(e^jω) allgemein die Richtcharakteristik eines linearen Antennenarrays bezeichnet, für deren Ausbildung die Gewichtsfaktoren w_l für die einzelnen Signale gemäß
durch Bildung einer Koeffizientenmatrix A zur Lösung der Gleichung
bei Erfüllung der Bedingungen
H(e^jω*) = 1 Maximum der Richtcharakteristik in Richtung des Nutzsignals
H(e^jω_l) = 0 Nullstellen der Richtcharakteristik in Richtung der Störsignale 1 ≦ l ≦ m m ≦ N - 1,
aus dem Gleichungssystem
berechnet werden, wobei A die Koeffizientenmatrix mit den Elementen
A = {a_k,l} mit 1 ≦ k, l ≦ m + 1 und
ist
und der Koeffizient b_m+1 für die Bestimmung der Direktivität (D) gemäß
D = 1/b_m+1
verwendet wird,
anschließend die errechnete Direktivität (D) mit einem der erforderlichen Qualität der Verbindung angepaßten notwendigen minimalen Wert der Direktivität (D_min) verglichen wird, wobei bei D < D_min die Trennbarkeit der Nutzer möglich ist und bei D < D_min die Trennbarkeit der Nutzer nicht möglich ist, und im Falle von D < D_min der zugehörige störende Teilnehmer, der nicht mehr von den anderen trennbar ist, durch Veranlassung eines Frequenzwechsels aus dem SDMA- Bereich entfernt wird und anschließend für die nunmehr vorhandenen Nutzer mit den geänderten Frequenzen Richtcharakteristik und Direktivität bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verfahrensschritte wiederholt werden.