DE19958891A1 - Verfahren zur Ressourcenzuteilung in einem Funk-Kommunikationssystem unter Verwendung adaptiver Antennen - Google Patents

Verfahren zur Ressourcenzuteilung in einem Funk-Kommunikationssystem unter Verwendung adaptiver Antennen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ressourcenzuteilung in einem Funk-Kommunikationssystem unter Verwendung adaptiver Antennen, insbesondere in einem Mobilfunksystem, wobei eine dynamische Ressourcenzuteilung (DCA) mit adaptiven Antennengruppen erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ressourcenzuteilung in einem Funk-Kommunikationssystem unter Verwendung adaptiver Antennen, insbesondere in einem Mobilfunksystem, und ein sol­ ches Mobilfunksystem.
Mobilfunksysteme ermöglichen den Aufbau von Kommunikations­ verbindungen zu mobilen und stationären Teilnehmern, indem Informationen über eine Funkschnittstelle gesendet werden. Für eine ungestörte bidirektionale Verbindung von den Teil­ nehmerstationen zu einer Basisstation (Uplink) und von einer Basisstation zu den Teilnehmerstationen (Downlink) werden Frequenzduplex-Verfahren FDD (Frequency Division Duplex) oder Zeitduplexverfahren TDD (Time Division Duplex) angewendet. Für eine Trennung gleichzeitiger Verbindungen zwischen ein­ zelnen Teilnehmern untereinander werden Vielfachzugriffsver­ fahren eingesetzt. Sind mehrere Teilnehmer auf der gleichen Trägerfrequenz dieser Funkschnittstelle durch unterschiedli­ che Zeitlagen getrennt, liegt ein Zeitmultiplexverfahren vor. Das Zeitmultiplexverfahren wird auch TDMA (Time Division Mul­ tiple Access)-Verfahren genannt. Zusätzlich zum Zeitmultiplex können auf der Luftschnittstelle auch weitere Verfahren zum Separieren der Teilnehmer angewendet werden, wie beispiels­ weise Codemultiplex. Beim Codemultiplexverfahren, auch CDMA- Verfahren genannt (CDMA = Code Division Multiple Access), werden die Einzelsignale zwecks eindeutiger Zuordnung und sauberer Trennung mit unterschiedlichen orthogonalen Codefol­ gen über die gesamte verfügbare Bandbreite unter Codierungs­ gewinn gespreizt.
Im zukünftigen UMTS (Universal Mobile Telecommunications Sy­ stem) sind hybride Multiplexverfahren auf der Basis von fre­ quenzgeteiltem Codemultiplex (W-CDMA) sowie von frequenz- und zeitgeteiltem Codemultiplex (TD-CDMA) vorgesehen. Bei letzte­ rem Verfahren handelt es sich um eine Kombination der Viel­ fachzugriffskomponenten TDMA und CDMA, charakterisiert durch die Freiheitsgrade Frequenz, Zeitschlitz und Spreizcode. Eine Ausprägung des TD-CDMA-Verfahrens ist das Verfahren TD-SCDMA (Time Division-Synchron Code Division Multiple Access), das als Beispiel für den Einsatz der Erfindung dienen kann, ohne die Allgemeinheit der Erfindung hierdurch einzuschränken. Es unterscheidet sich gegenüber TD-CDMA u. a. durch das Verwenden einer hochgenauen Synchronisation der Empfangssignale im Up­ link. Dadurch wird die Orthogonalität der Empfangssignale wietestgehend beibehalten, und dadurch wiederum werden die Detektionseigenschaften verbessert.
Nachdem einer Basisstation ein Verbindungswunsch seitens einer Teilnehmerstation oder aus dem Festnetz mitgeteilt wur­ de, muß ein geeigneter Kanal sowohl für den Uplink als auch für den Downlink zugeteilt werden, wobei "Kanal" hier und im weiteren lediglich als Ausdruck für die Ressource verwendet wird, die nötig ist, um den Bedarf einer Verbindung abzudec­ ken. Ressourcen bestehen aus diskreten "Ressource-Einheiten" (RU = Resource Unit), die allgemein durch ein Tripel (f, t, c) von Frequenz f, Zeitschlitz t und Spreizcode c cha­ rakterisiert werden können. In manchen Ausführungsformen kann eine RU auch schon durch Frequenz und Zeitschlitz (f, t) oder durch Frequenz und Spreizcode (f, c) vollständig spezifiziert sein.
Die Kanalzuteilung kann statisch oder dynamisch erfolgen. Bekannte Konzepte einer dynamischen Kanalzuteilung (DCA = Dy­ namic Channel Allocation) ermöglichen die intelligente Ver­ teilung der dem Funk-Kommunikationssystem zur Verfügung ste­ henden limitierten spektralen Ressourcen, indem freie Kanäle eines Versorgungsgebietes an ein angrenzendes Versorgungsge­ biet unter Berücksichtigung von Gleichkanalstörabständen "verliehen" werden. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für Funk-Kommunikationssysteme mit mikro- oder picozellular strukturierten Versorgungsgebieten, weil hier für gewöhnlich hochgradig inhomogene Lastverteilungen auftreten. Gegenwärtig besteht jedoch ein erheblicher Druck auf die Netzbetreiber, bei wachsender Verkehrsdichte mit eher weniger Basisstationen und damit nach Möglichkeit großen Versorgungsgebieten auszu­ kommen. Die bekannten Verfahren erlauben insofern nur eine sehr kostenaufwendige Ausschöpfung der Netzressourcen.
Mit dem Einsatz gesteuerter Antennengruppen, sogenannter ad­ aptiver ("intelligenter") Antennen, kann in einem Funk-Kommu­ nikationssystem, beispielsweise UMTS, zusätzlich eine schnell adaptierbare Richtungsselektivität der von einer Basisstation ausgestrahlten Übertragungssignale erreicht werden.
Adaptive Antennen bestehen aus einer Anzahl von einzeln an­ steuerbaren Antennenelementen, in denen Ströme mit unter­ schiedlichen Betrags- und Phasenlagen fließen. Diese einzel­ nen Betrags- und Phasenlagen können rechnergesteuert vorgege­ ben und adaptiert werden. In bestimmten Raumrichtungen über­ lagern sich die Einzelwellen der Antennenelemente phasenrich­ tig, wodurch es zu konstruktiver Interferenz kommt. Bei ge­ eigneter Wahl der Betrags- und Phasenlagen resultiert dies in einer Verbesserung des Signal-zu-Störabstands für Signale, die von Wellen aus diesen Raumrichtungen transportiert wer­ den. In anderen Richtungen kommt es hingegen zu destruktiver Interferenz, und die zugehörigen elektromagnetischen Wellen löschen sich ganz oder teilweise aus. Zur Beeinflussung des resultierenden Richtdiagrammes kann entweder die Anordnung der Antennenelemente mechanisch verändert werden, was meist störanfällig und relativ träge ist, oder es wird die Betrags- und Phasenlage auf elektrischem Wege verändert. Hierzu werden entweder die einzelnen Antennenelemente aktiv mit unter­ schiedlichen Betrags- und Phasenlagen gespeist, oder es er­ folgt eine Speisung über das Strahlungsfeld nur eines aktiven Elementes, wobei die Betrags- und Phasenänderungen in den an­ deren Elementen durch entsprechende Impedanzen im Speisepunkt erfolgen. Für omnidirektionale Abstrahlung können die Antennenelemente in vorteilhafter Ausprägung in Form eines Viel­ ecks oder Kreises angeordnet sein. Sofern nur die Ausleuch­ tung eines Sektors mit Hilfe der Antennengruppe erwünscht ist, so kann dies vorteilhaft mit Reflektoren oder Absorpti­ onselementen in der Nähe der Antennenelemente erreicht wer­ den.
Wird eine sogenannte Antennenkeule einer adaptiven Antenne direkt auf eine Teilnehmerstation ausgerichtet, kann einer­ seits die Empfindlichkeit gegenüber Interferenzen im eigenen Versorgungsgebiet reduziert werden und andererseits können Gleichkanalinterferenzen in anderen Versorgungsgebieten redu­ ziert werden. Zudem wächst die Reichweite einer Basisstation, die eine bestimmte Teilnehmerstation unterstützt, bei glei­ cher Sendeleistung wesentlich.
Infolge der räumlichen Trennung lassen sich außerdem Übertra­ gungskanäle innerhalb eines von einer Basisstation versorgten Gebietes wiederverwenden und die Antennenkeulen des Richtdia­ gramms bei Bewegung von Teilnehmerstationen adaptiv nachfüh­ ren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Funk-Kommunikationssystem zu schaffen, das bei gleicher oder gesteigerter Kanalqualität und unter Einsatz möglichst weniger Antennenstandorte eine weitere deutliche Erhöhung der Kanalressourcen zuläßt.
Erfindungsgemäß wird auf der Netzwerkseite eines Funk-Kommu­ nikationssystem eine dynamische Kanalzuteilung mit adaptiven phasengesteuerten Antennen realisiert.
Allerdings haben die Kanäle für die Teilnehmer an verschiede­ nen Orten auf Grund topographischer Gegebenheiten eine stark unterschiedliche Qualität. Die dynamische Kanalzuweisung muß deshalb diese Kanalqualität abschätzend vorhersagen, um die Systemkapazität zu optimieren.
Für die Suche nach optimalen Kanalzuteilungen wird in Ausge­ staltung der Erfindung die Qualität (Signal- zu Rauschver­ hältnis) der Kanäle mit dem Signalraum einer Teilnehmerstati­ on verbunden. Dieser Signalraum ist durch einen hochdimen­ sionalen Richtungsvektor eindeutig festgelegt. Die Zahl der Dimensionen ist gleich dem Produkt aus der Zahl der Empfangs­ antennenelemente und der zeitlichen Länge der Kanalschätzung. Die Verbindung der Qualität der Kanäle mit dem Signalraum ei­ ner Teilnehmerstation ist dabei das Entscheidungskriterium für eine Vorhersage der Qualität einer freien Ressource.
Durch Signalisierung von der Basisstation wird einer Teilneh­ merstation beim Verbindungsaufbau ein geschätzter Signalraum eindeutig zugeordnet. Damit ist das Kriterium für die Zutei­ lung einer optimalen Ressource bekannt.
Für die Zuteilung wird in weiterer Ausgestaltung eine Di­ stanzfunktion zur Beurteilung der Ähnlichkeit zweier Signal­ räume verwendet.
Beispielsweise kann nach einer ersten Ausprägung als Distanz­ funktion der Kosinus des eingeschlossenen Winkels zweier Si­ gnalräume verwendet werden, was auf die Berechnung eines Ska­ larprodukts hinausläuft.
Nach einer weiteren Ausprägung kann ein Antennendiagramm ein­ gesetzt werden, das zuvor aus dem Signalraum für die betref­ fende Teilnehmerstation aus einer Kanalschätzung berechnet worden ist. In diesem Fall ist die Ähnlichkeit der Signal­ räume im wesentlichen durch die geometrischen Winkel zwischen den Hauptstrahlrichtungen zweier Antennendiagramme charakte­ risiert.
Die Erfindung soll mit weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Funk-Kommunikationssystem unter Verwendung adapti­ ver Antennen,
Fig. 2 die Abhängigkeit des Signal-zu-Interferenz-Verhältnis­ ses von dem verwendeten Antennenmuster und dem Standort jeder einzelnen Teilnehmerstation,
Fig. 3 das Prinzip der Schätzung des Interferenzspektrums in Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Teilnehmersignale,
Fig. 4 einen Teilalgorithmus für eine Berechnung des Signal­ raums für eine bestimmte Teilnehmerstation und
Fig. 5 einen kompletten Entscheidungsalgorithmus.
Fig. 1 zeigt eine Basisstation BS, die im Bereich ihres Ver­ sorgungsgebietes Z mit beispielhaft drei Teilnehmerstatione­ nen U gleichzeitig Verbindung aufgenommen hat. Die Teilneh­ merstationen U lassen sich anhand ihrer räumlichen Winkelpo­ sition mit Hilfe einer in der Basisstation BS installierten elektronisch steuerbaren Richtantenne unterscheiden. Sind die Winkel weit genug auseinander, können die durch ein hybrides Vielfachzugriffsverfahren bereitgestellten Kanäle, im weite­ ren beispielhaft charakterisiert durch Frequenz f und Zeit­ schlitz t, ohne unzulässige gegenseitige Störung mehrfach ge­ nutzt werden, und die Systemkapazität erhöht sich. Für eine ungestörte bidirektionale Verbindung von und zu den Teilneh­ merstationen U sorgt eine Kanaltrennung nach einem Zeitdu­ plex-Verfahren TDD (Time Division Duplex), das heißt, die In­ formationen werden im Uplink und Downlink in zeitlich zuein­ ander versetzten Zeitschlitzen übertragen.
In Fig. 2 ist die Abhängigkeit des Signal-zu-Interferenz-Ver­ hältnisses (SIR) vom verwendeten Antennenmuster und dem Standort jeder einzelnen Teilnehmerstation U schematisch dar­ gestellt. Es wird deutlich, daß bei einem Szenarium nach Fig. 2a die Störeinflüsse durch Interferenzen durch die Teilneh­ merstation U2 auf die Verbindung der Teilnehmerststion U1 we­ sentlich geringer sind als nach Fig. 2b, da sich der Signal­ einfall von Teilnehmerstation U2 nicht mit dem Signalraum der Teilnehmerstation U1 überschneidet. Demzufolge muß für ein Szenarium nach Fig. 2b der Signalraum adaptiv angepaßt wer­ den, um eine vorbestimmte Qualität dem Teilnehmer U1 zu si­ chern.
Fig. 3 zeigt schematisiert die Schätzung des Interferenzspek­ trums in Abhängigkeit vom Einfallswinkel ϕ der Teilnehmersi­ gnale im Uplink (IInterferenz(ϕi)). Die Summenleistung aus Hin­ tergrundrauschen und Gleichkanalstörung kann innerhalb jedes Zeitschlitzes und jeder Frequenz durch Verwendung vordefi­ nierter Richtdiagramme der Antennengruppe gemessen werden oder mittels Fouriertransformation berechnet werden. Geeig­ nete Standardschätzer zur Spektralanalyse sind aus der Lite­ ratur über digitale Signalverarbeitung, z. B. Glättung oder Mittelung von Periodogrammen, allgemein bekannt.
Die für einen Teilnehmer maßgebliche Interferenz wird aus dem winkelabhängigen Interferenzspektrum und dem Signalraum des Teilnehmers berechnet. Dies kann in einer vorteilhaften Aus­ prägung approximativ durch eine winkelabhängige Bewertung des Interferenzspektrums mit Hilfe eines einem Teilnehmer zuge­ ordneten Richtdiagramms erfolgen.
In Fig. 4 ist ein Teilalgorithmus für eine Berechnung des Si­ gnalraums für eine bestimmte Teilnehmerstation dargestellt. Danach trifft eine DCA-Kostenfunktion (f, t, U) über die Güte eines Kanals (f, t), charakterisiert durch Frequenz f und Zeitschlitz t, für eine bestimmte Teilnehmerstation U eine Aussage.
Die DCA-Kostenfunktion ermittelt zum teilnehmerspezifischen Kanal (f, t, U) eine Wichtung w, wobei eine kleinere Wichtung w für eine höhere Qualität des Kanals (f, t) steht.
Beispielsweise kann für die Bestimmung der Wichtung w(f, t, U) folgende Gleichung verwendet werden:
mit nRU(t): Zahl der belegten Ressource-Einheiten (RU) im Zeitschlitz t,
NRU(t): Maximalzahl der verfügbaren Ressource-Einheiten (RU) im Zeitschlitz t,
b1 bis b4: gewählte Konstanten
a1 bis a4: gewählte Konstanten
P: Priorität
I: Interferenz-Pegel bei Frequenz f, Zeitschlitz t, ge­ wichtet mit dem Antennendiagramm des Teilnehmers U und
Tideal(U): "Idealer" Zeitschlitz für den Teilnehmer U,
wobei der erste Term für die Auslastung eines Zeitschlitzes t steht, der zweite Term für die Teilnehmeranforderung gemäß des Kriteriums für verbindungslose Übertragungen, der dritte Term für die Teilnehmerpriorität P und der vierte Term für die Interferenz I steht, die nutzerabhängig ist.
Die Teilnehmer U werden in Zeitschlitzen t nach bestimmten Kriterien sortiert. In einer vorteilhaften Ausprägung werden die Teilnehmer U nach ihren mittleren Ausbreitungsverlusten sortiert, was Vorteile in Bezug auf die Leistungsregelung bietet. In anderen Ausprägungen können sie nach ihrer Emp­ fangsleistung, Kanalbitfehlerrate, u. ä. sortiert werden. Auf diese Weise kann man einem Teilnehmer U einen "idealen" Zeit­ schlitz Iideal(U) zuordnen. Wenn dieser "ideale" Zeitschlitz Tideal(U) allerdings schon vollständig durch andere oder densel­ ben Teilnehmer belegt ist, dann muß dieser Teilnehmer in ei­ nem anderen, aber "nahegelegenen" Zeitschlitz t untergebracht werden. Der mit a2 beginnende zweite Term in Gleichung (1) bewertet den Abstand zwischen Zeitschlitz t und dem "idealen" Zeitschlitz Tideal(U).
In Fig. 5 ist der Gesamtalgorithmus für die dynamische Kanal­ zuteilung DCA einer Ressource mittels einer adaptiven Antenne in einem logischen Diagramm dargestellt. Es wird eine Kanal­ abbildung (f, t, U) im Verhältnis zum Gewicht w definiert.

Claims (18)

1. Verfahren zur Ressourcenzuteilung in einem Funk-Kommunika­ tionssystem unter Verwendung adaptiver Antennen, insbesondere in einem Mobilfunksystem, dadurch gekennzeichnet, daß eine dynamische Ressourcenzuteilung (DCA) mit adaptiven Antennengruppen vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Zuteilung einer Ressource an eine Teilnehmersta­ tion (U) die Ressourcenqualität für die Teilnehmerstation U abgeschätzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Qualität (Signal- zu Rauschverhältnis, Kanalbitfeh­ lerrate) eines Kanals mit dem Signalraum einer Teilnehmersta­ tion (U) verbunden wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalraum durch einen hochdimensionalen Richtungs­ vektor eindeutig festgelegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Dimensionen gleich dem Produkt aus der Zahl der Empfangsantennenelemente und der zeitlichen Länge der Ka­ nalschätzung ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine für einen Teilnehmer (U) maßgebliche Interferenz (I) aus dem winkelabhängigen Interferenzspektrum und dem Signal­ raum berechnet wird.
7. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß eine Distanzfunktion zur Beurteilung der Ähnlichkeit zweier Signalräume verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Distanzfunktion der Kosinus des eingeschlossenen Win­ kels zweier Signalräume verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antennendiagramm eingesetzt wird, das zuvor aus dem Signalraum für die betreffende Teilnehmerstation (U) aus ei­ ner Kanalschätzung berechnet worden ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Berechnung des Signalraums eine DCA-Kostenfunk­ tion (f, t, U) verwendet wird, die über die Güte eines Kanals (f, t), für eine bestimmte Teilnehmerstation (U) eine Aussage trifft.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum teilnehmerspezifischen Kanal (f, t, U) als DCA-Ko­ stenfunktion eine Wichtung w berechnet wird, wobei eine klei­ nere Wichtung w für eine höhere Qualität des Kanals (f, t) steht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung der Wichtung w(f, t, U) die Gleichung
verwendet wird, mit
nRU(t): Zahl der belegten Ressource-Einheiten (RU) im Zeit­ schlitz t,
NRU(t): Maximalzahl der verfügbaren Ressource-Einheiten (RU) im Zeitschlitz t,
b1 bis b4: gewählte Konstanten,
a1 bis a4: gewählte Konstanten,
P: Priorität
I: Interferenz-Pegel bei Frequenz f, Zeitschlitz t, ge­ wichtet mit dem Antennendiagramm des Teilnehmers U und
Tideal(U): "Idealer" Zeitschlitz für den Teilnehmer U.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmer (U) nach vorbestimmten Kriterien in Zeit­ schlitzen sortiert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmer (U) nach ihren mittleren Ausbreitungsver­ lusten in Zeitschlitzen sortiert werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmer (U) nach ihrer Empfangsleistung und/oder Kanalbitfehlerrate in Zeitschlitzen sortiert werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß einem Teilnehmer (U) ein "idealer" Zeitschlitz (Tideal(U)) zugeordnet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei belegtem "idealen" Zeitschlitz (Tideal(U)) einem Teil­ nehmer (U) ein im Vergleich zum "idealen" Zeitschlitz (Tideal(U)) "nahegelegener" Zeitschlitz (t) unter Bewertung sei­ nes Abstandes zu diesem zugeteilt wird.
18. Funk-Kommunikationssystem nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Basisfunkstationen (BS) adaptive phasengesteuerte Anten­ nen für eine dynamische Zuteilung von Übertragungsressourcen an die Teilnehmerstationen (U) besitzen.
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