DE20311841U1 - Intelligente Basisstationsantenne für MUD-fähige Zellularnetze - Google Patents

Abstract

Basisstationssender, wobei die Basisstation eine Mehrbenutzererkennung (MUD) zur Kommunikation verwendet, gekennzeichnet durch:
eine Vielzahl von i parallelen Datensignaleingängen zur Übertragung;
eine Vielzahl von j Antennen;
eine Vielzahl von mit den Datensignaleingängen gekoppelten Gewichtsgeneratoren zur Erzeugung komplexer Gewichtswerte, die gemäß der Anzahl j von Antennen und jedem Datensignal i indiziert sind; zumindest einen mit den Gewichtsgeneratoren gekoppelten linearen Prozessor zur Verarbeitung der komplexen Gewichtswerte auf eine Art und Weise, durch die der Signalbeitrag an unbeabsichtigte Punkte abgeschwächt wird unter gleichzeitiger Maximierung der Leistungsverstärkung an einen gewünschten Punkt; und einen mit dem linearen Prozessor gekoppelten Vektoraddierer zur Summierung von Ausgängen des linearen Prozessors zur Bildung von Kanalimpulsantwortdaten zur Übertragung an die Vielzahl von j Antennen.

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft sogenannte „intelligente Antennen". Insbesondere betrifft die Erfindung eine intelligente Basisstationsantenne zur Verwendung in Zellularnetzen, bei denen das drahtlose Sende/Empfangs-Endgerät und/oder die Basisstation Mehrbenutzererkennung (engl. Multi-User Detection, kurz MUD) verwenden.
• Wie nachstehend beschrieben schließt ein drahtloses Sende/Empfangs-Endgerät (engt. Wireless Transmit/Receive Unit, kurz WTRU) ein Endgerät, eine Mobilstation, eine feste oder mobile Teilnehmereinheit, einen Pager oder eine andere Art von zum Betrieb in einer Funkumgebung fähigem Gerät ein, ist darauf aber nicht beschränkt. Der nachstehend verwendete Begriff Basisstation schließt eine Basisstation, einen Node B, einen Sitekontroller, einen Zugangspunkt oder ein anderes Schnittstellengerät in einer Funkumgebung ein, ist darauf aber nicht beschränkt.
• Der Begriff intelligentes Antennensystem bezieht sich im allgemeinen auf eine Zusammensetzung mehrerer Sende- und/oder Empfangsantennenelemente zusammen mit einem Signalverarbeitungsprotokoll, das diese Antennen zur Verbesserung der Signalempfangsqualität sowie der Zellularnetzkapazität verwendet.
• Intelligente Antennen wurden bereits umfassend studiert und verfügen nachweislich über ein großes Leistungsverbesserungspotential. Bei den meisten aktuellen intelligenten Antennentechnologien wirkt sich jedoch nachteilig aus, dass es zur Erzielung einer auch nur geringfügigen Leistungsverbesserung einer erheblichen Komplexität bedarf. Dieses Problem verstärkt sich noch bei Systemen, die zusätzlich Mehrbenutzererkennungs- (MUD) Techniken verwenden. Ferner tragen aktuelle intelligente Antennentechniken lediglich zu einer Maximierung der Empfangsleistung an jedem WTRU bei, lassen dabei jedoch Störungen an bzw. von andere(n) Nutzer(n) völlig außer Acht.
• ZUSAMMENFASSUNG
• Die vorliegende Erfindung offenbart eine intelligente Basisstationsantenne zur Verwendung in Zellularnetzen, bei denen das drahtlose Sende/Empfangsgerät und/oder die Basisstation eine Mehrbenutzererkennung (MUD) verwenden. Bei der vorliegenden Erfindung werden zur Maximierung des gewünschten Signals unter Eliminierung oder Verringerung von Störsignalen die Störungen an die und von den anderen Nutzer(n) in Betracht gezogen. Daher lässt sich die Gesamt-Systemkapazität erhöhen.
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Es zeigen:
• 1 einen Zellularbereich mit einem isolierten Gebiet eines Abdeckungsbereichs, der zu einem einzigen WTRU gemäß vorliegender Erfindung gehört;
• 2 ein logisches Blockdiagramm eines einfachen intelligenten Antennen-Prozesses für einen Sender gemäß vorliegender Erfindung;
• 3 ein physikalisches Blockdiagramm eines einfachen intelligenten Antennen-Prozesses für einen Sender gemäß vorliegender Erfindung;
• 4 ein logisches Blockdiagramm eines einfachen intelligenten Antennen-Prozesses für einen Empfänger gemäß vorliegender Erfindung;
• 5 ein physikalisches Blockdiagramm eines einfachen intelligenten Antennen-Prozesses für einen Empfänger gemäß vorliegender Erfindung.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• ie vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen durchwegs gleiche Zahlen gleiche Elemente bezeichnen. Der im vorliegenden Text beschriebene allgemeine Ansatz lässt sich unter gewisser Modifikation sowohl auf Sender- als auch Empfängerverarbeitung anwenden. In beiden Fällen wird ein sogenanntes Beam Pattern (Strahlmuster) für jeden Nutzer erzeugt, so dass die aus der Richtung des gewünschten Nutzers empfangene bzw. in die Richtung des gewünschten Nutzers gesendete Signalleistung weitaus größer ist als die aus den Richtungen der anderen Nutzer empfangene bzw. in die Richtungen der anderen Nutzer gesendete Signalleistung.
• 1 zeigt ein Beam Pattern 10, das einem einzigen drahtlosen Sende/Empfangs-Endgerät (WTRU), WTRU-1 12 zugeordnet ist. Die an das WTRU-1 12 gesendeten bzw. von diesem empfangenen Signale werden in seinem eigenen Bereich hervorgehoben bzw. in anderen Bereichen abgeschwächt. Daher verbessert sich der Gesamt-Rauschabstand an das . bzw. von dem WTRU-1 12. Es ergibt sich auch aus 1, dass der bzw. die Abdeckungsbereich(e) ziemlich komplex sein kann/können. In Fällen, in denen zahlreiche WTRUs vorhanden sind, ist es unwahrscheinlich, dass das Signal eines jeden WTRU vollständig isoliert wird. Es kann jedoch selbst eine teilweise Isolation zu einer erheblichen Verbesserung der Rauschabstände führen.
• Die in 1 gezeigte Technik ist bei Anwendung auf das gesendete Signal unter dem Begriff „Strahlformung", und bei Anwendung auf das empfangene Signal unter dem Begriff „intelligenter Antennen-Empfang" bekannt. Die Leistungsvorteile dieser Technik sind unter anderem: 1) eine geringe Anzahl erforderlicher Antennen, beispielsweise drei (3) für einen omnidirektionalen Abdeckungsbereich oder möglicherweise weniger bei einem bereits direktionalen Abdeckungsbereich, beispielsweise dem Sektor einer Zelle; 2) Verarbeitung mit geringer Komplexität; und 3) eine mit MUD-Techniken am Empfänger kompatible Verarbeitung.
• Ein logisches Blockdiagramm eines am Sender vorhandenen Systems zur Verarbeitung zu sendender Signale ist in 2 gezeigt. Obwohl sich dieses Blockdiagramm auf eine Verarbeitung des Signals für ein einziges WTRU, beispielsweise WTRU-1 12, konzentriert, werden entsprechende Strukturen für jedes WTRU implementiert. Wie es in den 2 und 3 gezeigt ist, wird das Signal für das WTRU-1 auf eine Art und Weise linear verarbeitet, dass dessen Beitrag in Richtung der anderen WTRUs oder anderer Gruppen von WTRUs durch Einführung einer oder mehrerer Nullen abgeschwächt wird. Im Fall von WTRU-1 würden die WTRU-1-Daten 20 mit den Nullen für WTRU-2 bis WTRU-5 22 im linearen Prozessor 24 verarbeitet. Ist die Verarbeitung abgeschlossen, wird das Signal für WTRU-1 ähnlich verarbeiteten Signalen im Addierer 26 mit den Signalen für die anderen WTRUs hinzuaddiert. Die Signale werden dann über das Antennenarray 30 ausgesendet.
• 3 ist ein physikalisches Blockdiagramm zur Implementierung der Architektur von 2. Der Einfachheit halber werden nur drei WTRUs in Betracht gezogen. Die komplexen Antennengewichte, {w_ij}, wobei i den Index des designierten Nutzers und j den Index der Antenne darstellt, werden berechnet, um Nullen zu erzeugen, die zu einer Eliminierung oder Verringerung von Störungen und einer Maximierung der Leistungsverstärkung des Composite Channels für einen gewünschten Nutzer (WTRU) führen.
• Ziel ist es, die empfangene Leistung für den gewünschten Nutzer WTRU-1 12 zu maximieren und die Störungsleistung an die anderen Nutzer WTRU-2 14 und WTRU-3 16 zu minimieren. Mathematisch lassen sich die Antennengewichte bei Annahme des Index des gewünschten Nutzers als 1 unter Verwendung von Gleichung 1 berechnen:

  

  wobei R_i = H H / i H_i und H_i = [h_1i h_2i h_3i],h_ij Kanalimpulsantwort von Antenne i an Nutzer j ist, und

  

  ist. Gleichung 1 lässt sich wie in Gleichung 2 gezeigt optimieren:
  Riwi = λimaxRiwi; Gleichung 2
  wobei λ_imax verallgemeinerter Eigenwert von Matrixpaar (R_i, R _i) ist. Es ist zu beachten, dass dieses Verfahren sich sehr stark von dem im aktuellen 3GPP-Standard verwendeten Verfahren TxAA (engl. Transmit Adaptive Arrays; Senden adaptiver Arrays) unterscheidet. Beim TxAA-Verfahren wird nur die Empfangsleistung am WTRU maximiert und die Störungen an die anderen Nutzer völlig außer Acht gelassen. Da der Ansatz der vorliegenden Erfindung die Störungen an die anderen Nutzer in Betracht zieht, lässt sich die Gesamt-Systemkapazität erhöhen.
• Eine ähnliche Struktur wird für die Empfängerseite der Verarbeitung implementiert, wie es in den logischen und physikalischen Blockdiagrammen von 4 bzw. 5 gezeigt ist. Die Hauptunterschiede zwischen der Sender- und Empfängerverarbeitung sind, dass: 1) die Antennengewichte so ausgewählt werden, dass die gewünschte Signalleistung maximiert wird und die Störungen von den anderen Nutzern minimiert werden; und 2) der intelligenten Antennenverarbeitung ein Mehrbenutzererkennungs-Prozessor (MUD-Prozessor) nachgeschaltet ist, der die Eingänge von verschiedenen Antennen für jeden Nutzer intern kombiniert.
• Es wird jedoch angenommen, dass die Kanalimpulsantworten sowohl in der Abwärtsrichtung (Downlink) als auch in Aufwärtsrichtung (Uplink) gleich sind, und daher die komplexen Antennengewichte in einer Richtung, Downlink oder Uplink, auf die jeweils andere Richtung, d.h. Uplink oder Downlink, angewendet werden können.
• Wie bei jeder intelligenten Antennenanwendung in einer Zellularumgebung ist es vorzuziehen, dass die vorliegende Erfindung sowohl am Sender der Basisstation als auch am Empfänger der Basisstation implementiert wird, um den maximalen Leistungsvorteil zu erzielen. Wie es unter Bezugnahme auf die Gleichungen 1 und 2 beschrieben wurde, erfordert das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung, dass die Kanalimpulsantworten an jeder der Antennen bekannt sind. Während im typischen Fall die Kanalimpulsantworten nicht perfekt bekannt sind, wird typischerweise im Laufe der normalen Empfängerverarbeitung eine äußerst genaue Antwortschätzung der Kanalimpulsantwort für jedes WTRU an jeder Antenne erhalten. Verschiedene Standardverfahren aus dem Stand der Technik ohne intelligente Antenne lassen sich zum Erhalt einer derartigen Schätzung einsetzen.
• Das Ableiten der Kanalimpulsantworten für den Sender (d.h. der Impulsantworten der Kanäle von den Sendeantennen der Basisstation an die WTRUs) kann bei Frequenzduplex-(FDD) Systemen ein Problem sein, da für Downlink- und Uplink-Übertragungen unterschiedliche Frequenzbänder verwendet werden. Daher kann es schwierig sein, den Send erteil der vorliegenden Erfindung bei derartigen Systemen zu implementieren.
• Bei Zeitduplex-(TDD) Systemen wird jedoch das selbe Frequenzband zwischen Uplink und Downlink zeitlich geteilt. Dies ermöglicht die Verwendung der aus den im Uplink empfangenen Übertragungen erhaltenen Kanalimpulsantwortschätzungen für den Downlink. Bei TDD können einige Zeitschlitze nach dem Erhalt der Kanalimpulsantwortschätzungen Probleme hinsichtlich deren Integrität auftreten. Bei vielen TDD-Systemen, beispielsweise dem TDD-Modus des vorgeschlagenen UMTS W-CDMA-Standards, ist jedoch die Zeitschlitzdauer kurz genug, dass für Kanäle mit langsamem Schwund, beispielsweise für Anwendungen im Innen- sowie im Fußgängerbereich, die Kanalschätzungen für einen oder mehr Zeitschlitze gültig bleiben. Derartige Kanäle mit langsamem Schwund sind typisch in mikrozellulären und picozellulären Umgebungen. Die vorliegende Erfindung ist daher besonders gut auf diese Umgebungen ausgelegt.
• Eine noch effektivere Anwendung ist diejenige in einem Zellularnetzen mit multizellulärer Umgebung, das einen Empfänger vom Typ MUD verwendet. Bei derartigen Netzen wird die Leistung der Empfänger häufig vorwiegend durch die Interzellstörung zwischen Basisstationen und auch zwischen in benachbarten Zellen befindlichen WTRUs eingeschränkt. Werden beispielsweise lineare MUDs verwendet, so ist der effektive Signal-Störabstand (SIR) am Ausgang des MUD für dekorrelierende/"Zero-Forcirtg"-Empfängertypen durch die Gleichung 3 gegeben:

  

  wobei H + / kk das [k,k] Element von H^-1 ist; H ist eine Matrix, die durch interzelluläre Konfiguration und Umgebung, beispielsweise Nutzerunterschriftsequenzen, Datenraten und Kanalbedingungen, bestimmt wird; und σ² ist die Gesamtleistung aufgrund von thermischem Rauschen und Interzellstörung. Mit Ausnahme von äußerst großen Zellen ist die Interzellstörung für im wesentlichen den gesamten σ²-Wert verantwortlich. Der effektive SIR am Ausgang des MUD für minimalen statistischen Gesamtfehler (engl. Minimum Mean Square Error, kurz MMSE) am Empfänger wird durch Gleichung 4 veranschaulicht:

  

  wobei I die Identitätsmatrix mit den selben Dimensionen wie H ist.
• Aus den Gleichungen 3 und 4 geht hervor, dass, wenn sich σ² Null nähert, der SIR auf unendlich geht. Somit ist die Verringerung der Interzellstörung bei einem MUD-fähigen Netz von höchster Wichtigkeit. Die Querstörung zwischen intrazellulären Termen lässt sich durch eine MUD vollkommen korrigieren, wenn der σ²-Term unendlich wird. Dies steht im Gegensatz zu Netzen mit RAKE- und Matched-Filter-Empfängern, bei denen eine Intrazellstörung ebenfalls wichtig ist. Der Wert für σ² besteht aus Interzellstörung, thermischem Kanalrauschen und dem von der Empfängerverarbeitung eingeführten Rauschen. Von diesen Komponenten leistet typischerweise die Interzellstörung den Hauptbeitrag. Daher wirkt sich eine Verringerung der Interzellstörung am stärksten auf eine erhebliche Verringerung der durch den σ2-Wert ermittelten Gesamt-Störungsleistung aus.
• Die Interzellstörung tritt besonders ausgeprägt bei TDD-Systemen auf, bei denen Node Bs erheblich den Empfang durch an Zellrändern befindlichen WTRUs stören. Eine ähnliche Störung findet sich üblicherweise bei mikrozellulären und picozellulären Systemen mit geringen Zellgrößen. Die vorliegende Erfindung eignet sich ideal zur Verringerung von Interzellstörung in einer derartigen Umgebung. Indem sie Übertragungen selektiv auf WTRUs oder Gruppen von WTRUs in ihren Zellen richten, senken die Basisstationen erheblich die in eine beliebige bestimmte Richtung ausgestrahlte Gesamtenergiemenge, was zu einer Verringerung der Gesamt-Interzellstörung führt. Durch Begrenzung des Winkelbereichs, aus dem Energie am Empfänger erfasst wird, beschränkt eine Basisstation die Störung von anderen Zellen, die zum Eingangssignal jedes einzelnen WTRU-Empfängers beitragen. Die sich hieraus ergebende Leistungsverbesserung kann erheblich sein., Zum Beispiel verbessert sich durch Halbierung der in einen dekorrelierenden Empfänger gerichteten Interzellstörung die Leistung um 3 dB. Ähnliche Verstärkungen werden von den MMSE-Empfängern erhalten.
• Für den Fachmann auf dem Gebiet versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung ideal zur Verringerung von Interzellstörung geeignet ist, insbesondere, wenn die Basisstationen erheblich den Empfang durch die am bzw. in der Nähe des Zellenrand(s) befindlichen WTRUs stören, indem selektiv Übertragungen an jedes der WTRUs gerichtet werden. Die Anzahl von Antennengewichte, die Anzahl erzeugter komplexer Gewichte und die Anzahl von Sende- und Empfangsantennen lässt sich je nach Wunsch implementieren, ohne hierbei vom Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen.
• Obgleich beschrieben wurde, dass bestimmte Verarbeitungsfunktionen von bestimmten Komponenten durchgeführt werden, versteht es sich, dass die Durchführung von Verarbeitungsfunktionen auch je nach Wunsch unter Netzkomponenten aufgeteilt werden kann.
• Obwohl die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben wurde, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung darauf nicht beschränkt ist, und dass verschiedene Änderungern an ihr vorgenommen werden können, ohne dabei vom Gedanken und Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims (6)

1. Basisstationssender, wobei die Basisstation eine Mehrbenutzererkennung (MUD) zur Kommunikation verwendet, gekennzeichnet durch: eine Vielzahl von i parallelen Datensignaleingängen zur Übertragung; eine Vielzahl von j Antennen; eine Vielzahl von mit den Datensignaleingängen gekoppelten Gewichtsgeneratoren zur Erzeugung komplexer Gewichtswerte, die gemäß der Anzahl j von Antennen und jedem Datensignal i indiziert sind; zumindest einen mit den Gewichtsgeneratoren gekoppelten linearen Prozessor zur Verarbeitung der komplexen Gewichtswerte auf eine Art und Weise, durch die der Signalbeitrag an unbeabsichtigte Punkte abgeschwächt wird unter gleichzeitiger Maximierung der Leistungsverstärkung an einen gewünschten Punkt; und einen mit dem linearen Prozessor gekoppelten Vektoraddierer zur Summierung von Ausgängen des linearen Prozessors zur Bildung von Kanalimpulsantwortdaten zur Übertragung an die Vielzahl von j Antennen.
2. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die j Antennen eine intelligente Antenne bilden, die als Reaktion auf die Kanalimpulsantwortdaten eine Strahlformung erzeugt.
3. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass j=3 ist.
4. Mehrbenutzererkennung verwendender Basisstationsempfänger, gekennzeichnet durch: eine Vielzahl von j Antennen zum Empfang von Eingängen von i Kanalimpulsantwortdaten; eine Vielzahl von mit den Antennen gekoppelten Gewichtsgeneratoren zur Erzeugung komplexer Gewichtswerte, die gemäß der Anzah1 j von Antennen und jedem Datensignal i indiziert sind; zumindest einen mit den Gewichtsgeneratoren gekoppelten linearen Prozessor zur Verarbeitung der komplexen Gewichtswerte auf eine Art und Weise, durch die der von unbeabsichtigten Quellen stammende Signalbeitrag abgeschwächt wird unter gleichzeitiger Maximierung der Leistungsverstärkung von einer gewünschten Quelle; und einen mit dem linearen Prozessor gekoppelten Mehrbenutzererkennungsprozessor zur Kombination der gewichteten Signale von den j Antennen zur Reproduktion von i Datensignalen.
5. Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die j Antennen eine intelligente Antenne bilden, die einen intelligenten Antennen-Empfang der Kanalimpulsantwortdaten erzeugt.
6. Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass j=3 ist.