-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ressourcenzuteilung in einem
Funk-Kommunikationssystem unter Verwendung adaptiver Antennen, insbesondere
in einem Mobilfunksystem, und ein solches Mobilfunksystem.
-
Mobilfunksysteme
ermöglichen
den Aufbau von Kommunikationsverbindungen zu mobilen und stationären Teilnehmern,
indem Informationen über
eine Funkschnittstelle gesendet werden. Für eine ungestörte bidirektionale
Verbindung von den Teilnehmerstationen 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 einzelnen Teilnehmern untereinander
werden Vielfachzugriffsverfahren eingesetzt. Sind mehrere Teilnehmer
auf der gleichen Trägerfrequenz
dieser Funkschnittstelle durch unterschiedliche Zeitlagen getrennt,
liegt ein Zeitmultiplexverfahren vor. Das Zeitmultiplexverfahren
wird auch TDMA(Time Division Multiple Access)-Verfahren genannt.
Zusätzlich
zum Zeitmultiplex können
auf der Luftschnittstelle auch weitere Verfahren zum Separieren
der Teilnehmer angewendet werden, wie beispielsweise Codemultiplex.
Beim Codemultiplexverfahren, auch CDMA-Verfahren genannt (CDMA = Code Division
Multiple Access), werden die Einzelsignale zwecks eindeutiger Zuordnung
und sauberer Trennung mit unterschiedlichen orthogonalen Codefolgen über die
gesamte verfügbare
Bandbreite unter Codierungsgewinn gespreizt.
-
Im
zukünftigen
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) sind hybride Multiplexverfahren auf
der Basis von frequenzgeteiltem Codemultiplex (W-CDMA) sowie von
frequenz- und zeitgeteiltem Codemultiplex (TD-CDMA) vorgesehen.
Bei letzterem Verfahren handelt es sich um eine Kombination der
Vielfachzugriffskomponenten 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 Uplink. Dadurch wird die Orthogonalität der Empfangssignale
weitestgehend beibehalten, und dadurch wiederum werden die Detektionseigenschaften
verbessert.
-
Nachdem
einer Basisstation ein Verbindungswunsch seitens einer Teilnehmerstation
oder aus dem Festnetz mitgeteilt wurde, 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 abzudecken. 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 charakterisiert 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 = Dynamic Channel Allocation)
ermöglichen
die intelligente Verteilung der dem Funk-Kommunikationssystem zur
Verfügung
stehenden limitierten spektralen Ressourcen, indem freie Kanäle eines
Versorgungsgebietes an ein angrenzendes Versorgungsgebiet 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 auszukommen. Die bekannten Verfahren erlauben
insofern nur eine sehr kostenaufwendige Ausschöpfung der Netzressourcen.
-
Mit
dem Einsatz gesteuerter Antennengruppen, sogenannter adaptiver („intelligenter”) Antennen,
kann in einem Funk-Kommunikationssystem, beispielsweise UMTS, zusätzlich eine
schnell adaptierbare Richtungsselektivität der von einer Basisstation
ausgestrahlten Übertragungssignale
erreicht werden.
-
Adaptive
Antennen bestehen aus einer Anzahl von einzeln ansteuerbaren Antennenelementen,
in denen Ströme
mit unterschiedlichen Betrags- und Phasenlagen fließen. Diese
einzelnen Betrags- und Phasenlagen können rechnergesteuert vorgegeben
und adaptiert werden. In bestimmten Raumrichtungen überlagern sich
die Einzelwellen der Antennenelemente phasenrichtig, wodurch es
zu konstruktiver Interferenz kommt. Bei geeigneter Wahl der Betrags-
und Phasenlagen resultiert dies in einer Verbesserung des Signal-zu-Störabstands
für Signale,
die von Wellen aus diesen Raumrichtungen transportiert werden. 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 unterschiedlichen Betrags-
und Phasenlagen gespeist, oder es erfolgt eine Speisung über das
Strahlungsfeld nur eines aktiven Elementes, wobei die Betrags- und
Phasenänderungen
in den anderen Elementen durch entsprechende Impedanzen im Speisepunkt
erfolgen. Für
omnidirektionale Abstrahlung können
die Anten nenelemente in vorteilhafter Ausprägung in Form eines Vielecks
oder Kreises angeordnet sein. Sofern nur die Ausleuchtung eines
Sektors mit Hilfe der Antennengruppe erwünscht ist, so kann dies vorteilhaft
mit Reflektoren oder Absorptionselementen in der Nähe der Antennenelemente
erreicht werden.
-
Wird
eine sogenannte Antennenkeule einer adaptiven Antenne direkt auf
eine Teilnehmerstation ausgerichtet, kann einerseits die Empfindlichkeit
gegenüber
Interferenzen im eigenen Versorgungsgebiet reduziert werden und
andererseits können
Gleichkanalinterferenzen in anderen Versorgungsgebieten reduziert werden.
Zudem wächst
die Reichweite einer Basisstation, die eine bestimmte Teilnehmerstation
unterstützt, bei
gleicher Sendeleistung wesentlich.
-
Infolge
der räumlichen
Trennung lassen sich außerdem Übertragungskanäle innerhalb
eines von einer Basisstation versorgten Gebietes wiederverwenden
und die Antennenkeulen des Richtdiagramms bei Bewegung von Teilnehmerstationen
adaptiv nachführen.
-
Die
WO 98/30047 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Zuteilung eines Übertragungskanals zu einer
Funkverbindung im Rahmen eines Verbindungsaufbaus. Für die Funkverbindung
wird aus einer Mehrzahl von Basisstationen eine Basisstation ausgewählt. Gleichzeitig
wird aus einer Menge von Übertragungskanälen ein Übertragungskanal
ausgewählt,
wobei die Menge von Übertragungskanälen zu der
Mehrzahl von Basisstationen gehört.
Für jede
Teilnehmerstation wird eine eigene räumliche Empfangssignatur ermittelt,
die angibt, mit welchen Amplitudendämpfungen und Phasen die Elemente
eines Antennenfelds der Basisstation von der Teilnehmerstation ausgesendete
Signale empfangen. Mit der Empfangssignatur wird für eine neue
Funkverbindung ein Kanal ausgewählt,
und es werden räumliche
Demultiplexgewichte zur Verwendung in einem Raumdemultiplexer berechnet.
-
Die
DE 19907476 C1 beschreibt
ein Verfahren zur Steuerung und dynamischen Anpassung der Richtcharakteristik
von Antennenfeldern. Eine Trennbarkeit der Signale von verschiedenen
Teilnehmern wird in Abhängigkeit
von ihrer Position und den Anforderungen der Teilnehmer an die Qualität der Verbindung
abgeschätzt.
Basierend auf der Abschätzung
wird eine Steuerung der Richtcharakteristik und dynamischen Vergabe
von Frequenzen durchgeführt.
Als Kriterium für
die Trennbarkeit wird eine Direktivität verwendet. Wenn die Direktivität einen
Minimalwert unterschreitet, ist der zugehörige störende Teilnehmer nicht mehr
von den anderen trennbar und wird durch einen Frequenzwechsel aus
dem Raummultiplexbereich entfernt.
-
Die
US 5,537,682 beschreibt
ein Funkkommunikationssystem mit einem zentralen und weiteren vier im
Umkreis angeordneten Antennenstandorten. Der zentrale Standort weist
eine Antenne mit vier Richtantennen auf. Jeder der vier umliegenden
Standorte hat vier Richtantennen.
-
Die
EP 0888021 A1 beschreibt
ein Mobilkommunikationssystem mit einem Übertragungskanal, der einen
dimensionierbaren Rückkanal
aufweist, um eine möglichst
verzögerungsfreie Übertragung
von Messwerten zur schnellen Kanalzuweisung (fast DCA) zu ermöglichen.
-
Die
Publikation Katzela, Naghshineh, ”Channel Assignment Schemes
for Cellular Mobile Telecommunication System – A Comprehensive Survey”, IEEE
Personal Communications Magazine, June 1996, enthält eine Übersicht über statische
und dynamische Kanalzuweisungsverfahren für Mobilkommunikationssysteme. Unter
anderem wird ein Verfahren beschrieben, bei dem jede Zelle in drei
Sektoren aufgeteilt ist. Bei Überlast eines
Sektors werden Kanäle
aus den zwei zu diesem Sektor direkt benachbarten Zellen ausgeliehen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Funk-Kommunikationssystem
zu schaffen, das für
bestehende Verbindungen bei gleicher oder gesteigerter Kanalqualität eine weitere
deutliche Erhöhung
der Kanalressourcen zulässt
unter Berücksichtigung
der Interferenzsituation durch adaptiven Antenngruppen.
-
Erfindungsgemäß wird zur
Ressourcenzuteilung unter Verwendung adaptiver Antennen eine dynamische
Ressourcenzuteilung (Dynamic Channel Allocation) mit adaptiven Antennengruppen
vorgenommen. Dabei wird die Qualität (Signal- zu Rauschverhältnis, Kanalbitfehlerrate)
eines Kanals mit dem Signalraum einer Teilnehmerstation verbunden,
wobei eine für
den Teilnehmer maßgebliche
Interferenz aus dem winkelabhängigen
Interferenzspektrum und dem Signalraum berechnet wird.
-
Auf
der Netzwerkseite des Funk-Kommunikationssystems kann eine dynamische
Kanalzuteilung mit adaptiven phasengesteuerten Antennen realisiert
werden.
-
Allerdings
haben die Kanäle
für die
Teilnehmer an verschiedenen 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 die Qualität (Signal- zu Rauschverhältnis) der Kanäle mit dem
Signalraum einer Teilnehmerstation verbunden. In Ausgestaltung der
Erfindung ist dieser Signalraum durch einen hochdimensionalen Richtungsvektor
eindeutig festgelegt. Die Zahl der Dimensionen ist gleich dem Produkt
aus der Zahl der Empfangsantennenelemente und der zeitlichen Länge der
Kanalschätzung.
Die Verbindung der Qualität
der Kanäle
mit dem Signalraum einer Teilnehmerstation ist dabei das Entscheidungskriterium
für eine
Vorhersage der Qualität
einer freien Ressource.
-
Durch
Signalisierung von der Basisstation kann einer Teilnehmerstation
beim Verbindungsaufbau ein geschätzter
Signalraum eindeutig zugeordnet werden. Damit ist das Kriterium
für die
Zuteilung einer optimalen Ressource bekannt.
-
Für die Zuteilung
wird in weiterer Ausgestaltung eine Distanzfunktion zur Beurteilung
der Ähnlichkeit zweier
Signalräume
verwendet.
-
Beispielsweise
kann nach einer ersten Ausprägung
als Distanzfunktion der Kosinus des eingeschlossenen Winkels zweier
Signalräume
verwendet werden, was auf die Berechnung eines Skalarprodukts hinausläuft.
-
Nach
einer weiteren Ausprägung
kann ein Antennendiagramm eingesetzt werden, das zuvor aus dem Signalraum
für die
betreffende Teilnehmerstation aus einer Kanalschätzung berechnet worden ist.
In diesem Fall ist die Ähnlichkeit
der Signalräume
im wesentlichen durch die geometrischen Winkel zwischen den Hauptstrahlrichtungen
zweier Antennendiagramme charakterisiert.
-
Die
Erfindung soll mit weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen anhand
eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
Die zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
-
1 ein
Funk-Kommunikationssystem unter Verwendung adaptiver Antennen,
-
2 die
Abhängigkeit
des Signal-zu-Interferenz-Verhältnisses
von dem verwendeten Antennenmuster und dem Standort jeder einzelnen
Teilnehmerstation,
-
3 das
Prinzip der Schätzung
des Interferenzspektrums in Abhängigkeit
vom Einfallswinkel der Teilnehmersignale,
-
4 einen
Teilalgorithmus für
eine Berechnung des Signalraums für eine bestimmte Teilnehmerstation
und
-
5 einen
kompletten Entscheidungsalgorithmus.
-
1 zeigt
eine Basisstation BS, die im Bereich ihres Versorgungsgebietes Z
mit beispielhaft drei Teilnehmerstationenen U gleichzeitig Verbindung
aufgenommen hat. Die Teilnehmerstationen U lassen sich anhand ihrer
räumlichen
Winkelposition 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 weiteren beispielhaft charakterisiert durch Frequenz f und Zeitschlitz
t, ohne unzulässige
gegenseitige Störung
mehrfach genutzt werden, und die Systemkapazität erhöht sich. Für eine ungestörte bidirektionale
Verbindung von und zu den Teilnehmerstationen U sorgt eine Kanaltrennung
nach einem Zeitduplex-Verfahren TDD (Time Division Duplex), das
heißt,
die Informationen werden im Uplink und Downlink in zeitlich zueinander
versetzten Zeitschlitzen übertragen.
-
In 2 ist
die Abhängigkeit
des Signal-zu-Interferenz-Verhältnisses
(SIR) vom verwendeten Antennenmuster und dem Standort jeder einzelnen
Teilnehmerstation U schematisch dargestellt. Es wird deutlich, daß bei einem
Szenarium nach 2a die Störeinflüsse durch
Interferenzen durch die Teilnehmerstation U2 auf die Verbindung
der Teilnehmerstation U1 wesentlich geringer sind als nach 2b, da sich der Signaleinfall von Teilnehmerstation
U2 nicht mit dem Signalraum der Teilnehmerstation U1 überschneidet.
Demzufolge muß für ein Szenarium
nach 2b der Signalraum adaptiv angepaßt werden,
um eine vorbestimmte Qualität dem
Teilnehmer U1 zu sichern.
-
3 zeigt
schematisiert die Schätzung
des Interferenzspektrums in Abhängigkeit
vom Einfallswinkel φ der
Teilnehmersignale im Uplink (IInterferenz(φi)). Die Summenleistung aus Hintergrundrauschen
und Gleichkanalstörung
kann innerhalb jedes Zeitschlitzes und jeder Frequenz durch Verwendung
vordefinierter Richtdiagramme der Antennengruppe gemessen werden
oder mittels Fouriertransformation berechnet werden. Geeignete Standardschätzer zur
Spektralanalyse sind aus der Literatur 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 Ausprägung
approximativ durch eine winkelabhängige Bewertung des Interferenzspektrums
mit Hilfe eines einem Teilnehmer zugeordneten Richtdiagramms erfolgen.
-
In 4 ist
ein Teilalgorithmus für
eine Berechnung des Signalraums 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, gewichtet 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 Empfangsleistung, Kanalbitfehlerrate, u. a. sortiert
werden. Auf diese Weise kann man einem Teilnehmer U einen „idealen” Zeitschlitz Tideal(U) zuordnen. Wenn dieser „ideale” Zeitschlitz
Tideal(U) allerdings schon vollständig durch
andere oder denselben Teilnehmer belegt ist, dann muß dieser
Teilnehmer in einem 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 5 ist der
Gesamtalgorithmus für
die dynamische Kanalzuteilung DCA einer Ressource mittels einer
adaptiven Antenne in einem logischen Diagramm dargestellt. Es wird
eine Kanalabbildung (f, t, U) im Verhältnis zum Gewicht w definiert.
