DE19943687C1 - Verfahren und Anordnung zur Strahlformung eines Rake-Empfängers für den Ein-Nutzer-Empfang für den Uplink-Kanal in Mobilfunksystemen - Google Patents
Verfahren und Anordnung zur Strahlformung eines Rake-Empfängers für den Ein-Nutzer-Empfang für den Uplink-Kanal in MobilfunksystemenInfo
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Abstract
Es soll eine Lösung zur Verbesserung des Empfangs und zur Erhöhung der Signalqualität von Mobilstationen in CDMA-basierten Mobilfunksystemen der 3. Generation angegeben werden, die weniger aufwendig ist als bisher bekannte Lösungen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem ein Rake-Empfänger einem linearen Antennenarray nachgeschaltet wird, werden zunächst die Signale über N Antennen eines Antennenarrays empfangen und an Beamformer weitergeleitet, gleichzeitig werden zur Weiterleitung der empfangenen Signale an Beamformer die Richtungen der einzelnen Pfade der Empfangssignale geschätzt und danach aus den geschätzten Richtungen der Pfade die K stärksten Pfade ermittelt und ihrer Leistung nach sortiert. Anschließend werden die so ermittelten Signale der Richtungen omega¶1¶, ..., omega¶K¶ einzelnen Beamformern übergeben, deren Anzahl der der K stärksten Pfade entspricht, dann werden im k-ten Beamformer die Gewichtsfaktoren w(k) ermittelt, jeweils mit den Signalen der Ausgänge des Antennenarrays multipliziert und die so erzeugte Richtcharakteristik auf den jeweils zugeordneten Rake-Finger gegeben und abschließend die Richtcharakteristiken aus jedem der Rake-Finger zum Gesamtempfangssignal des 2D-Rake-Empfängers kombiniert. Somit wird für jeden einzelnen Finger des 2D-Rake-Empfängers eine Richtcharakteristik erzeugt, die eine optimale Direktivität besitzt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Strahlformung
eines Rake-Empfängers für den Ein-Nutzer-Empfang für den Uplink-Kanal in
Mobilfunksystemen.
In bestehenden CDMA-basierten (Code-Division Multiple Access-
Codemultiplex-Vielfachzugriff) Mobilfunksystemen werden an den
Basisstationen Single-User(Ein-Nutzer)-Empfänger eingesetzt. Dem Stand
der Technik nach sind verschiedene Lösungen zur Erzeugung von
Richtcharakteristiken mit auf das System Mobilstation/Basisstation
abgestimmten definierten Eigenschaften bekannt, die einen guten Empfang
der Mobilstation gewährleisten sollen. Dabei ist zwischen einer
omnidirektionalen Empfangsantenne und einem Antennenarray zu
unterscheiden.
So wird beispielsweise in der von Proakis in "Digital Communications", 2nd
edition, Singapore, Mc Graw Hill, 1989, pp. 731-739 beschriebenen Lösung
jeder Mobilstation ein Rake-Empfänger (rake bedeutet Rechen, Harke) der
Basisstation zugeordnet. Ein solcher Rake-Empfänger ist in der Lage, eine
bestimmte Anzahl unkorrelierter Mehrpfade von der entsprechenden
Mobilstation zur Basisstation aufzulösen. Dazu besteht der Rake-Empfänger
aus einzelnen Fingern, wobei sich jeder einzelne Finger auf einen Pfad
adaptiert. Aufgrund der begrenzten Anzahl der Finger werden dabei nur die
stärksten Pfade (praktisch 3 bis 5) ausgewählt. Die einzelnen Pfade werden in
den jeweiligen Rake-Fingern zeitlich verschoben und anschließend einem
Diversity-Combining (Kombination der berücksichtigten Pfade) zugeführt.
Diese Lösung realisiert aber nur einen rein zeitlichen Rake-Empfänger, d. h.
einen 1D-Rake-Empfänger.
Für einen Space-Time-Rake-Empfänger, d. h. ein 2D-Rake-Empfänger, sind
derzeit im wesentlichen zwei Lösungen vorgeschlagen worden. Diese
basieren darauf, daß pro Rake-Finger ein Strahlformer (Beamformer)
eingesetzt wird.
In Proc. International Zürich Seminar on Digital Communications, Switzerland,
pp. 87-100, March 1994 wird von Naguib und Paulraj berichtet, für die
Realisierung der Funktion eines Strahlformers ein Phased Array (phasengesteuerte
Gruppenantenne) vorgeschlagen zu haben. Jedoch kann mit einem solchen
Phased Array nur garantiert werden, daß in Richtung des entsprechenden
(gewünschten) Pfades die Richtcharakteristik gleich Eins ist. Eine
Auslöschung der anderen (unerwünschten) Pfade ist nicht möglich, da keine
Nullstelle in der Richtcharakteristik gezielt erzeugt werden kann.
Ein anderes Verfahren zur Strahlformung jedes einzelnen Rake-Fingers ist
ebenfalls in der erwähnten Veröffentlichung dargestellt. Da hierbei aber die
Kovarianzmatrizen vor und nach der Entspreizung und die Richtungen der
einzelnen Pfade bekannt sein müssen, ist dieses Verfahren, bei dem der
Gewichtsvektor der jedem Rake-Finger zugeordneten Strahlformer als Lösung
eines verallgemeinerten Eigenwertproblems gewonnen wird, sehr aufwendig.
In EP 790 711 wird ein Empfänger für Spreiz-Spektren in Mobilfunk-Systemen
beschrieben. Hierbei werden Signale über N Antennen empfangen und an
Beamformer weitergeleitet. Jedem Finger eines Rake-Empfängers ist ein
Beamformer zugeordnet, das Beamforming erfolgt damit pro Rake-Finger.
Ferner wird die Richtung der einzelnen Pfade der empfangenen Signale
ermittelt, die Signale werden gewichtet und den einzelnen Fingern eines
Rake-Empfängers zugeführt und zu einem Gesamtempfangssinal kombiniert.
Durch ungünstiges Beamforming (räumliche Signalverarbeitung in den
Beamformern) vor der zeitlichen Signalverarbeitung im Rake-Empfänger kann
jedoch bei dieser Lösung die Perfomance schlechter im Vergleich zum
Einsatz nur einer Empfangsantenne werden. Außerdem ist allgemein bekannt,
daß der klassische Rake-Empfänger Performance-Probleme auf Grund des
realen Korrelationsverhaltens der Signale, d. h. Auftreten von Selbstinterferenz
der Rake-Finger, hat.
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. 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 bl gelöst, woraus über
dann die Gewichtsfaktoren wk 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. Hierbei ist zu beachten,
daßß stets nur ein Nutzsignal verstärkt werden kann. Diese Lösung kann
Anwendung finden, wenn für mehrere Nutzer (bedienbare Teilnehmer) von
beliebigen Mobilstationen aus ein guter Empfang gewährleistet sein soll. Die
Lösung ist damit nur in der Lage, unerwünschte Mobilstationen zu
unterdrücken. Da ebenfalls andere Mobilstationen bei der Strahlformung
berücksichtigt werden, ist der entsprechende Strahlfomer für einen Mehr-
Nutzer-Empfänger geeignet. Somit ist es möglich, das
Vielfachzugriffsverfahren SDMA (Space Division Multiple Access) zu
realisieren. Der Strahlformer berücksichtigt jedoch nicht die zeitliche
Empfängerstruktur an der Basisstation. Weiterhin ist er nicht in der Lage,
Mehrpfade zu unterdrücken bzw. starke Mehrpfade für die weitere
Signalverarbeitung in der Basisstation zu nutzen (z. B. beim Rake-Empfänger).
Damit wäre eine einfache Hintereinanderschaltung des Strahlformers und des
1D-Rake-Empfängers nicht sinnvoll. Dies kann zu einer Verschlechterung des
Übertragungsverhaltens führen.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zur
Strahlformung eines Rake-Empfängers der Basisstation für den Ein-Nutzer-
Empfang für den Uplink-Kanal in Mobilfunksystemen anzugeben, wodurch
eine Verbesserung des Empfangs und eine Erhöhung der Signalqualität von
Mobilstationen in CDMA-basierten Mobilfunksystemen der 3. Generation
ermöglicht wird. Das Verfahren soll weniger aufwendig sein als bisher
bekannte Lösungen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, wobei ein
Rake-Empfänger einem linearen Antennenarray nachgeschaltet wird, bei dem
- - zunächst die Signale über N Antennen eines Antennenarrays empfangen und an Beamformer weitergeleitet werden,
- - gleichzeitig zur Weiterleitung der empfangenen Signale an Beamformer werden die Richtungen der einzelnen Pfade der Empfangssignale geschätzt, wobei die Anzahl der Richtungen der Pfade L mit L < N ist,
- - danach werden aus den geschätzten L Richtungen ω1*, . . ., ωL* der Pfade die jeweils K stärksten Pfade ermittelt, ihrer Leistung nach sortiert und es werden die einzelnen Richtungen angeordnet, wobei ωk die Richtung des k-ten Pfades entsprechend seiner Stärke ist,
- - die so ermittelten Signale der Richtungen ω1, . . ., ωK werden einzelnen Beamformern übergeben, deren Anzahl der der K stärksten Pfade entspricht,
- - im k-ten Beamformer werden die Gewichtsfaktoren w(k) ermittelt, wobei
sich die Richtcharakteristik Hk des k-ten Beamformers aus
mit
ergibt,
es wird eine Koeffizientenmatrix A
gebildet zur Lösung des linearen Gleichungssystems
woraus die Koeffizienten bl(k) mit 1 ≦ l ≦ K ermittelt werden, danach werden die Gewichtsfaktoren des k-ten Beamformers mit
berechnet und die Direktivität D(Hk) aus
bestimmt, - - nun werden die in dem k-ten Beamformer ermittelten Gewichtsfaktoren wl(k) jeweils mit den Signalen der N Antennenausgänge multipliziert,
- - dann wird die in dem k-ten Beamformer erzeugte Richtcharakteristik auf den zugeordneten k-ten Rake-Finger gegeben und
- - abschließend werden die Richtcharakteristiken aus jedem der 1 bis K Rake-Finger entsprechend der Laufzeit der einzelnen Pfade zeitlich versetzt zueinander zum Gesamtempfangssignal des 2D-Rake- Empfängers kombiniert.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist die Berechnung des Gewichtsfaktors
der einzelnen Beamformer möglich. Damit kann für jeden einzelnen Finger
des Rake-Empfängers eine Richtcharakteristik erzeugt werden, die eine
optimale Direktivität besitzt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
ebenfalls, eine vorgegebene Anzahl von Störpfaden durch eine gezielte
Erzeugung von Nullen in der Richtcharakteristik zu unterdrücken. Ist die
Anzahl der Pfade kleiner als die Anzahl der Antennenelemente des
Antennenarrays, können durch das vorgeschlagene Verfahren alle störenden
Mehrpfade unterdrückt werden. Für jeden einzelnen Finger wird damit ein
AWGN-Kanal (Additives Weißes Gaußsches Rauschen) erzeugt. Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine unmittelbare Berechnung der
Direktivität, aufwendige Schritte sind nicht notwendig. Die Erfindung
ermöglicht weiterhin eine optimale Trennung der einzelnen Pfade, wodurch
keine Selbstinterferenz (begrenztes Auflösungsvermögen) wie beim 1D-Rake-
Empfänger auftritt.
Die Anordnung zur Strahlformung eines Rake-Empfängers für den Ein-
Nutzer-Empfang in der Basisstation weist folgende Bestandteile auf:
- - ein lineares Antennenarray mit N Antennen und einem diesem Antennenarray nachgeschalteten Rake-Empfänger,
- - Mittel zur Richtungsschätzung der einzelnen Pfade der vom Antennenarray empfangenen Signale,
- - Mittel zur Auswahl der K stärksten Pfade aus den L Pfaden, für die eine Richtungsschätzung erfolgte,
- - K Stück Beamformer, wobei jeweils ein Beamformer mit einem von K Rake-Fingern verbunden ist, zur Erzeugung von K Richtcharakteristiken,
- - einen Kombinierer, der die erzeugten K Richtcharakteristiken räumlich und zeitlich versetzt zueinander kombiniert.
Die erfindungsgemäße Lösung wird im Zusammenwirken mit einem linearen
Antennenarray an der Basisstation eingesetzt und verbessert durch die
Ausnutzung der Pfad-Diversity für den Uplink-Kanal (Kanal von der
Mobilstation zur Basisstation) das Übertragungsverhalten.
Eine Ausführungsform der Erfindung und deren Funktionsweise werden
nachstehend anhand einer Zeichnung, die eine schematische Darstellung der
Anordnung sowie der wichtigsten Verfahrensschritte zeigt, näher erläutert.
In der Figur ist ein lineares Antennenarray AA gezeigt, das über N
Antennenelemente verfügt. Dem Antennenarray AA ist ein Rake-Empfänger
mit K Rake-Fingern RF nachgeschaltet. Bevor die vom linearen Antennenarry
AA empfangenen Signale an einen Nutzer/Teilnehmer weitergeleitet werden,
werden diese einer Signalverarbeitung unterzogen, um durch eine gezielte
Strahlformung einen verbesserten Empfang und eine Erhöhung der
Signalqualität zu erreichen. Hierzu werden zunächst die empfangenen
Signale in einem Digitalen Signalprozessor DSP 1 einer Richtungsschätzung
unterzogen. Durch diese Richtungsschätzung werden die Richtungen ω1*, . . .,
ωL* von L Pfaden bestimmt, aus denen im Digitalen Signalprozessor DSP 2
die K leistungsstärksten Pfade ω1, . . ., ωK ausgewählt werden, wobei K < L ist.
Nunmehr wird sowohl die Information über die K leistungsstärksten und in
ihrer Richtung geschätzten Pfade aus dem Digitalen Signalprozessor DSP 2
als auch die vom Antennenarray AA empfangenen Signale in Beamformer
BFn, wobei 1 ≦ n ≦ K ist, weitergeleitet, die zwischen dem Antennenarray AA
und dem Rake-Empfänger angeordnet sind, wobei die Anzahl der
Beamformer der Anzahl der K stärksten Pfade entspricht und jedem Rake-
Finger RF ein Beamformer zugeordnet ist. In jedem der Beamformer wird nun
eine Richtcharakteristik erzeugt - wie bereits vorn beschrieben - und auf den
dem jeweiligen Beamformer zugeordneten Rake-Finger RF gegeben. In
einem den K Rake-Fingern RF nachgeordneten Kombinierer KO werden die
aus den K Rake-Fingern RF entsprechend der Laufzeit der einzelnen Pfade
zeitlich versetzt zueinander zum Gesamtempfangssignal des 2D-Rake-
Empfängers kombiniert.
Claims (3)
1. Verfahren zur Strahlformung eines Rake-Empfängers für den Ein-Nutzer-
Empfang für den Uplink-Kanal in Mobilfunksystemen, wobei ein Rake-
Empfänger einem linearen Antennenarray nachgeschaltet wird, bei dem
- - zunächst die Signale über N Antennen eines Antennenarrays empfangen und an Beamformer weitergeleitet werden,
- - gleichzeitig zur Weiterleitung der empfangenen Signale an Beamformer werden die Richtungen der einzelnen Pfade der Empfangssignale geschätzt, wobei die Anzahl der Richtungen der Pfade L mit L < N ist,
- - danach werden aus den geschätzten L Richtungen ω1*, . . ., ωL* der Pfade die jeweils K stärksten Pfade ermittelt, ihrer Leistung nach sortiert und es werden die einzelnen Richtungen angeordnet, wobei ωk die Richtung des k-ten Pfades entsprechend seiner Stärke ist,
- - die so ermittelten Signale der Richtungen ω1, ..., ωK werden einzelnen Beamformern übergeben, deren Anzahl der der K stärksten Pfade entspricht,
- - im k-ten Beamformer werden die Gewichtsfaktoren w(k) ermittelt, wobei
sich die Richtcharakteristik Hk des k-ten Beamformers aus
mit
ergibt,
es wird eine Koeffizientenmatrix A
gebildet zur Lösung des linearen Gleichungssystems
woraus die Koeffizienten bl(k) mit 1 ≦ l ≦ K ermittelt werden, danach werden die Gewichtsfaktoren des k-ten Beamformers mit
berechnet und die Direktivität D(Hk) aus
bestimmt, - - nun werden die in dem k-ten Beamformer ermittelten Gewichtsfaktoren wl(k) jeweils mit den Signalen der N Antennenausgänge multipliziert,
- - dann wird die in dem k-ten Beamformer erzeugte Richtcharakteristik auf den zugeordneten k-ten Rake-Finger gegeben und
- - abschließend werden die Richtcharakteristiken aus jedem der 1 bis K Rake-Finger entsprechend der Laufzeit der einzelnen Pfade zeitlich versetzt zueinander zum Gesamtempfangssignal des 2D-Rake- Empfängers kombiniert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem
eine vorgegebene Anzahl von für einen Rake-Finger nicht erwünschten
Pfaden dadurch unterdrückt wird, daß gezielt entsprechende Nullen in der für
den Rake-Finger zugeordneten Richtcharakteristik erzeugt werden.
3. Anordnung zur Strahlformung eines Rake-Empfängers für den Ein-Nutzer-
Empfang für den Uplink-Kanal in Mobilfunksystemen, die aufweist
- - ein lineares Antennenarray mit N Antennenelementen und einem diesem Antennenarray nachgeschalteten Rake-Empfänger,
- - Mittel zur Richtungsschätzung der einzelnen Pfade der vom Antennenarray empfangenen Signale,
- - Mittel zur Auswahl der K stärksten Pfade aus den L Pfaden, für die eine Richtungsschätzung erfolgte,
- - K Stück Beamformer, wobei jeweils ein Beamformer mit einem von K Rake-Fingern verbunden ist, zur Erzeugung von K Richtcharakteristiken,
- - einen Kombinierer, der die erzeugten K Richtcharakteristiken räumlich und zeitlich versetzt zueinander zum Gesamtempfangssignal des Antennenarrays kombiniert.
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