DE19943688C2 - Verfahren und Anordnung zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA-basierten Mobilfunksystemen - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA-basierten Mobilfunksystemen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA-basierten Mobilfunksystemen.
In bestehenden CDMA-basierten Mobilfunksystemen (z. B. IS-95, entsprechend: Mobile Station Base Station Compatibility Standard for Dual- Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System) wird an der Basisstation für den Downlink (Verbindung von der Basisstation zur Mobilstation) eine omnidirektionale Antenne eingesetzt. Da diese Antenne in alle Richtungen gleich abstrahlt, kann kein Pfad gezielt unterdrückt werden. Es werden somit alle Mehrpfade von der Basisstation zur Mobilstation angeregt, wodurch das Sendesignal die Mobilstation in der Regel auf mehr Pfaden als Finger eines an der Mobilstation angeordneten Rake-Empfängers (rake bedeutet Rechen, Harke) erreicht.
In EP 869 577 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur adaptiven Übertragung bei Ausnutzung der Mehrpfad-Ausbreitung beschrieben. Hierbei wird der Gewichtsvektor, der durch Trennung der in der Basisstation empfangenen Signale der ankommenden Wellen und anschließender Ermittlung der Richtungen dieser eintreffenden Wellen ermittelt wird und sich als gut für die Empfangsseite erwiesen hat, auch genutzt für die Anwendung im Sendefall, d. h. es wird in dieser Lösung nur der stärkste Pfad, der im Uplink ermittelt wird, auch für den Downlink verwendet. Unbeachtet bei dieser Lösung blieb hierbei jedoch der Fakt der frequenzabhängigen geschätzten Richtungen, wenn für den Uplink- und den Downlink-Kanal unterschiedliche Frequenzen genutzt werden. Ebenfalls ist die Empfängerstruktur der Mobilstation nicht berücksichtigt worden.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA-basierten Mobilfunksystemen anzugeben, wodurch die Übertragungsqualität der Verbindung Basisstation zur Mobilstation unter Ausnutzung der Mehrpfade-Ausbreitung (Pfad- Diversity) verbessert werden kann. Gleichzeitig soll die Erhöhung der Kapazität des Mobilfunksystems und die Erhöhung der Effizienz des Rake- Empfängers der Mobilstation gewährleistet sein und die Störung anderer Zellen verringert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA-basierten Mobilfunksystemen gelöst, wobei an einer Mobilstation ein Rake-Empfänger eingesetzt wird und das Mobilfunksystem im TDD-Mode (Time Division Duplex - Zeitduplex) oder im FDD-Mode (Frequency Division Duplex - Frequenzduplex) mit kleinem Frequenzversatz arbeitet, bei dem
  • - zunächst für den Uplink-Kanal die Richtungen ω1, . . ., ωL der einzelnen Pfade der von einem Antennenarray in der Basisstation empfangenen Signale geschätzt werden,
  • - dann aus diesen Pfaden mit geschätzten Richtungen ω1, . . ., ωL die Pfade mit entsprechenden Leistungen P1, . . ., PL ermittelt werden,
  • - anschließend aus den Pfaden mit den geschätzten Richtungen und den geschätzten Leistungen die K leistungsstärksten Pfade ihrer Größe nach umgeordnet werden, wobei K der Anzahl der Rake-Finger des an der Mobilstation eingesetzten Rake-Empfängers entspricht und P1 ≧ P2 ≧ . . . ≧ PK ist,
  • - außerdem maximal (K1 - K) Pfade entsprechend der Leistungen PK < Pl ≧ . . . ≧ PK1 ausgewählt werden,
  • - danach wird aus der Menge der maximal K1 Pfade, deren Richtungen und Leistungen geschätzt sind, eine Richtcharakteristik für H1 mit
    berechnet, wobei
    für die stärkste Richtung
    und ωk(1) = ωk für 1 ≦ k ≦ K gesetzt wird, und durch Lösung des linearen Gleichungssystems
    ermittelt wird, wobei die Elemente bk,l(1) mit 1 ≦ k, l ≦ K der Matrix B1 die Form
    aufweisen, und die Direktivität D(H1) der Richtcharakteristik H1 mit
    ermittelt wird,
  • - da die Direktivität auch für Werte ω ≠ ωk(1) für 1 ≦ k ≦ K möglichst groß sein soll, wird nun ein Iterationsprozeß durchgeführt, bei dem
    für K + 1 ≦ k ≦ K1 berechnet und mit einer je nach Anwendungsfall vorgegebenen Schwelle ε verglichen wird,
  • - ist C1 ≦ ε, so werden die Gewichtsfaktoren
    an einen Strahlformer zur weiteren Signalverarbeitung übergeben,
  • - ist C1 < ε, so wird als nächster Schritt die Richtung ωk mit K + 1 ≦ k* ≦ K1 gesucht, für die gilt
  • - anschließend wird
    ωk(2) = ωk(1) für 1 ≦ k ≦ K und ωK+1(2) = ωk(1) gesetzt und für diese Richtungen die Richtcharakteristik H2 mit
    und
    wobei 1 ≦ k ≦ K
    und
    mittels Lösung des linearen Gleichungssystems
    ermittelt,
  • - danach wird
    für K + 1 ≦ k ≦ K1 berechnet und bei C2 ≦ ε werden die Gewichtsfaktoren
    an einen Strahlformer übergeben und bei C2 < ε wird der nächste Iterationsschritt durchgeführt
  • - die an den Strahlformer übergebenen Gewichtsfaktoren wk(2) werden mit den entsprechenden zu sendenden Signalen multipliziert und dem Antennenarray der Basisstation als Sendesignal zur Mobilstation übergeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA-basierten Mobilfunksystemen, wobei einer Mobilstation ein Rake- Empfänger vorgeschaltet ist und das Mobilfunksystem im TDD-Mode (Time Division Duplex - Zeitduplex) oder im FDD-Mode (Frequency Division Duplex - Frequenzduplex) mit kleinem Frequenzversatz arbeitet, weist auf
  • - ein an der Basisstation angeordnetes Antennenarray mit N Antennenelementen,
  • - einen Digitalen Signalprozessor zur Richtungsschätzung der einzelnen Pfade der vom Antennenarry empfangenen Signale und zur Leistungsschätzung dieser Pfade,
  • - einen weiteren Digitalen Signalprozessor zur Auswahl Richtungen der leistungsstärksten Pfade,
  • - zur Ermittlung der Gewichtsfaktoren wk(l) (entspricht dem Gewichtsfaktor der k-ten Antenne der l-ten Iteration) einen dritten Digitalen Signalprozessor, der sowohl für die K stärksten Pfade als auch für die ihrer Leistung nach geringer werdenden (K - 1) Pfade die Richtcharakteristik berechnet und Iterationsprozesse unter Berücksichtigung eines in Abhängigkeit von der Anwendung gesetzten Schwellwertes, der nicht überschritten werden darf, durchführt,
  • - einen vierten Digitalen Signalprozessor, in dem das für die Mobilstation bestimmte Signal der Basisstation durch Multiplikation des k-ten Gewichtsfaktors wk(l) mit dem zur Mobilstation zu sendenden Signal erzeugt wird.
Für die erfindungsgemäße Lösung wird vorausgesetzt, daß das Mobilsystem im TDD-Mode bzw. im FDD-Mode mit kleinem Frequenzversatz arbeitet.
Im TDD-Mode sind der Uplink-Kanal und der Downlink-Kanal zeitlich versetzt. Dabei ist die Zeitspanne für einen Uplink und einen Downlink relativ klein. Unter diesen Voraussetzungen wird angenommen, daß sich der Übertragungskanal zwischen Uplink und Downlink zeitlich nicht ändert. Er ist also zeitinvariant. Damit können gewonnene Daten über den Uplink-Kanal ebenfalls für den Downlink-Kanal verwendet werden.
Im FDD-Mode arbeiten Uplink und Downlink gleichzeitig. Sie werden aufgrund der Frequenzen getrennt. Wenn der Frequenzversatz zwischen Uplink und Downlink relativ klein ist, können Daten für den Uplink-Kanal ebenfalls für den Downlink-Kanal genutzt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung, in der sowohl die Kanaleigenschaften als auch die Empfängerstruktur der Mobilstation berücksichtigt werden, ermöglicht beim Downlink die gezielte Abstrahlung von der Basisstation in Richtung der für den Uplink ermittelten K stärksten Pfade (Ausbildung von Richtcharakteristiken
für 1 ≦ k ≦ K). Die Rake-Finger des Rake- Empfängers der Mobilstation sind jeweils auf eine dieser K Richtungen adaptiert. Diese K Pfade tragen somit zum Empfang an der Mobilstation bei, die Pfad-Diversity an der Mobilstation wird ausgenutzt. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung werden in Richtung der Pfade, welche nicht mehr durch den Rake-Empfänger an der Mobilstation aufgelöst werden können, durch die Richtcharakteristik Nullen erzeugt. Die Anzahl dieser Richtungen kann durch einen Iterationsprozeß gesteuert werden. Das Abstrahlungsverhalten wird weiter verbessert, da die ermittelte Richtcharakteristik der Basisstation unter allen möglichen Richtcharakteristiken, welche den gleichen Bedingungen unterliegen, die maximale Direktivität besitzt. Diese maximale Direktivität kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung automatisch ermittelt werden und erfordert keine aufwendigen numerischen Integrationsverfahren zur näherungsweisen Berechnung.
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 einer Basisstation gezeigt, das über N Antennenelemente verfügt. Die vom linearen Antennenarry AA empfangenen Signale im Uplink-Kanal werden einer Signalverarbeitung mit dem Ziel unterzogen, die ermittelten Daten ebenfalls für den Downlink-Kanal zu nutzen. Hierfür wird zunächst in einem Digitalen Signalprozessor DSP1 die Richtung der einzelnen Pfade der vom Antennenarry empfangenen Signale und die Leistung dieser Pfade geschätzt, ein weiterer Digitaler Signalprozessor DSP2 wählt die Richtungen der leistungsstärksten K Pfade aus. Für diese K leistungsstärksten Pfade sowie für weitere (K - 1) Pfade, die in ihrer Leistung im Vergleich zu den eben erwähnten abnehmen, ermittelt der dritte Digitale Signalprozessor DSP3 die Gewichtsfaktoren wk(l) (k-ter Gewichtsfaktor der l-ten Iteration) durch Berechnung der Richtcharakteristiken und einen Iterationsprozeß unter Berücksichtigung eines in Abhängigkeit von der Anwendung gesetzten Schwellwertes, der nicht überschritten werden darf. In einem vierten Digitalen Signalprozessor DSP4 wird das für die Mobilstation bestimmte Signal der Basisstation durch Multiplikation des k-ten Gewichtsfaktors wk(l) mit dem zur Mobilstation zu sendenden Signal erzeugt. Damit können beim Downlink von der Basisstation in Richtung der für den Uplink ermittelten K stärksten Pfade die Sendesignale abgestrahlt werden. Die Rake-Finger des Rake-Empfängers der Mobilstation sind jeweils auf eine dieser K Richtungen adaptiert (in der Figur nicht dargestellt). Durch die gezielte Strahlformung des Sendesignals, die auf die Empfängerstruktur in der Mobilstation angepaßt ist, wird die Übertragungsqualität der Verbindung Basisstation zur Mobilstation unter Ausnutzung der Mehrpfade-Ausbreitung (Pfad-Diversity) verbessert und die Effizienz des Rake-Empfängers der Mobilstation erhöht; weiterhin wird dadurch die Interferenz für andere Mobilstationen verringert, was zu einer Kapazitätserhöhung durch eine Verringerung der Störung anderer Zellen führt.

Claims (2)

1. Verfahren zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA- basierten Mobilfunksystemen, wobei einer Mobilstation ein Rake-Empfänger vorgeschaltet wird und das Mobilfunksystem im TDD-Mode (Time Division Duplex - Zeitduplex) oder im FDD-Mode (Frequency Division Duplex - Frequenzduplex) mit kleinem Frequenzversatz arbeitet, bei dem
  • - zunächst für den Uplink-Kanal die Richtungen ω1, . . ., ωL der einzelnen Pfade der von einem Antennenarray in der Basisstation empfangenen Signale geschätzt werden,
    - dann aus diesen Pfaden mit geschätzten Richtungen ω1, . . ., ωL die Pfade mit entsprechenden Leistungen P1, . . ., PL ermittelt werden,
    - anschließend aus den Pfaden mit den geschätzten Richtungen und den geschätzten Leistungen die K leistungsstärksten Pfade ihrer Größe nach umgeordnet werden, wobei K der Anzahl der Rake-Finger des an der Mobilstation eingesetzten Rake-Empfängers entspricht und P1 ≧ P2 ≧ . . . ≧ PK ist,
    - außerdem maximal (K1 - K) Pfade entsprechend der Leistungen PK < Pl ≧ . . . ≧ PK1 ausgewählt werden,
    - danach werden aus der Menge der maximal K1 Pfade, deren Richtungen und Leistungen geschätzt sind, eine Richtcharakteristik für H1 mit
    berechnet, wobei
    für die stärkste Richtung und ωk(1) = ωk für 1 ≦ k ≦ K gesetzt wird, und durch Lösung des linearen Gleichungssystems
    ermittelt wird, wobei die Elemente bk,l(1) mit 1 ≦ k, l ≦ K der Matrix B1 die Form
    aufweisen, und die Direktivität D(H1) der Richtcharakteristik H1 mit
    ermittelt wird,
    - da die Direktivität auch für Werte ω ≠ ωk(1) für 1 ≦ k ≦ K möglichst groß sein soll, wird nun ein Iterationsprozeß durchgeführt, bei dem
    für K + 1 ≦ k ≦ K1 berechnet und mit einer je nach Anwendungsfall vorgegebenen Schwelle ε verglichen wird,
    - ist C1 ≦ ε, so werden die Gewichtsfaktoren
    an einen Strahlformer zur weiteren Signalverarbeitung übergeben,
    - ist C1 < ε, so wird als nächster Schritt die Richtung ωk mit K + 1 ≦ k* ≦ K1 gesucht, für die gilt
    - anschließend wird
    ωk(2) = ωk(1) für 1 ≦ k ≦ K und ωK+1(2) = ωk(1) gesetzt und für diese Richtungen die Richtcharakteristik H2 mit
    mittels Lösung des linearen Gleichungssystems
    ermittelt,
    - danach wird
    für K + 1 ≦ k ≦ K1 berechnet und bei C2 ≦ ε werden die Gewichtsfaktoren
    an einen Strahlformer übergeben und bei C2 < ε wird der nächste Iterationsschritt durchgeführt
    - die an den Strahlformer übergebenen Gewichtsfaktoren wk(2) werden mit den entsprechenden zu sendenden Signalen multipliziert und dem Antennenarray der Basisstation als Sendesignal zur Mobilstation übergeben.
2. Anordnung zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA- basierten Mobilfunksystemen, wobei einer Mobilstation ein Rake-Empfänger vorgeschaltet ist und das Mobilfunksystem im TDD-Mode (Time Division Duplex - Zeitduplex) oder im FDD-Mode (Frequency Division Duplex - Frequenzduplex) mit kleinem Frequenzversatz arbeitet, weist auf
  • - ein an der Basisstation angeordnetes Antennenarray (AA) mit N Antennenelementen,
  • - einen Digitalen Signalprozessor (DSP1) zur Richtungsschätzung der einzelnen Pfade der vom Antennenarry (AA) empfangenen Signale und zur Leistungsschätzung dieser Pfade,
  • - einen weiteren Digitalen Signalprozessor (DSP2) zur Auswahl der Richtungen der leistungsstärksten Pfade,
  • - zur Ermittlung der Gewichtsfaktoren wk(l) (entspricht dem Gewichtsfaktor der k-ten Antenne der l-ten Iteration) einen dritten Digitalen Signalprozessor (DSP3), der sowohl für die K stärksten Pfade als auch für die ihrer Leistung nach geringer werdenden (K - 1) Pfade die Richtcharakteristik berechnet und Iterationsprozesse unter Berücksichtigung eines in Abhängigkeit von der Anwendung gesetzten Schwellwertes, der nicht überschritten werden darf, durchführt,
  • - einen vierten Digitalen Signalprozessor (DSP4), in dem das für die Mobilstation bestimmte Signal der Basisstation durch Multiplikation des k- ten Gewichtsfaktors wk(l) mit dem von der Mobilstation zu sendenden Signal erzeugt wird.
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