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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf die drahtlose Kommunikation zwischen
einer Basisstation und einer Mobilstation, wie einem mobilen Telefon
oder anderen mobilen Kommunikationsgeräten, mit einem Downlink-Empfänger und
in Besonderem auf Code Division Multiple Access (CDMA) Kommunikation. Die
Erfindung stellt Mittel zur Reduzierung des Leistungsverbrauches
solcher Kommunikationsgeräte bereit.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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In
der drahtlosen Mobilkommunikation werden Funksignale von einem Sender,
ob ortsfest oder mobil, oft von festen Hindernissen wie Gebäuden oder
geologischen Formationen wie der Erdoberfläche oder Hügeln und Bergen, oder von beweglichen Hindernissen
wie Autos, Zügen,
Flugzeugen und möglicherweise
auch Lebewesen reflektiert. Zusätzlich
zu den Signalen, die sich in direkter Sichtlinie von der Sendeantenne
zu der Empfangsantenne ausbreiten (im folgenden werde diese als
direkte Signale bezeichnet), können
auch reflektierte Signale die Empfangsantenne erreichen. Direkte
Signale haben den kürzesten
Pfad zurückzulegen
und werden deshalb als erste Signale empfangen. Reflektierte Signale
legen einen längeren
Pfad als die direkten Signale zurück, und reflektierte Signale
sind deshalb bei ihrer Ankunft bei der Empfangsantenne bezüglich der
direkten Signale verzögert.
Aufgrund der größeren zurückgelegten
Entfernung im Vergleich zu den direkten Signalen werden die reflektierten
Signale sehr häufig
aufgrund von Ausbreitungsverlusten schwächer sein als die direkten
Signale, wenn nicht ein Hindernis in der Sichtlinie ist, das das
direkte Signal abschwächt
oder möglicherweise
blockiert oder auslöscht,
so dass dann möglicherweise
nur reflektierte Signale empfangen werden. In solchen Fällen sind die
ersten empfangenen. Signale möglicherweise nicht
das stärkste
Signal.
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Unterschiedlich
reflektierende Objekte erzeugen unterschiedliche Verzögerungen,
und zusätzlich
zu den direkten Signalen ist das gesamte Signal, welches von der
Sendeantenne empfangen wird, somit auch aus einem oder mehreren
reflektierten Signalen mit unterschiedlichen Verzögerungen zusammengesetzt,
von denen alle die selbe Information darstellen. Jedoch wird aufgrund
der unterschiedlichen Verzögerungen
die Information über
die Zeit gespreizt oder verschmiert. Zusätzlich zu den beweglichen Hindernissen
kann auch der Sender und/oder der Empfänger beweglich oder mobil sein, wobei
die Übertragungsbedingungen
sogar über
kurze Entfernungen und innerhalb kurzer Zeitperioden dramatisch
variieren.
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Die
Verzögerungsausbreitung
wird auch als Impulsantwort bezeichnet, das ist das empfangene Signal
welches als Ergebnis eines kurzen Impulses, der von der Basisstation
gesendet wird, in einer Mehrwegeübertragung
empfangen wird. Die Verzögerungsausbreitung
oder Impulsantwort ist dynamisch und verändert sich mit der Position
der Mobilstation und mit der Position von sich bewegenden reflektierenden
Objekten. Die Impulsantwort variiert typischerweise von einigen
100 ns in Innenräumen
bis z.B. 10 – 15 μs in hügeligem
Außengelände, und
im Stadtgebiet ist die Verzögerungsausbreitung
typischerweise einige wenige μs.
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Mehrwegeempfang,
also wenn mehrere reflektierte und verzögerte Signale empfangen werden, kann
Probleme wegen der Zeitspreizung der empfangenen Information erzeugen.
Doch existieren Methoden zur Kompensation der unterschiedlichen
Verzögerungen.
Ein bekanntes Verfahren ist schematisch in 1 illustriert
und ist weiter unten in Verbindung mit der Beschreibung der Erfindung
beschrieben. In solchen bekannten Verfahren werden leistungsverbrauchende Korrelationsberechnungen
durchgeführt.
Die Reduktion des Leistungsverbrauchs ist von primärem Interesse
für die
Hersteller und in gleichem Maße
für die
Benutzer.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, den Leistungsverbrauch von Mobilstationen
zu reduzieren. Mehrere Ansätze
zur Reduktion des Leistungsverbrauchs sind Stand der Technik, von
denen einige weiter unten zusammengefasst sind.
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EP 924 868 offenbart ein
Verfahren, welches Empfangen von Information bezüglich eines Suchfensters von
einem Basisstationsgerät,
Aufteilen des Suchfensters eines zu suchenden Basisstationsgeräts in Suchbreiten,
und Detektieren einer Korrelation von jedem der Suchbreiten parallel
zum Erhalten eines Korrelationswertes in einer ersten Integrationszeit
umfasst. Das System kann eine schnelle Zellensuche während der
Kommunikation und Wartezeit durchführen und gleichzeitig den Leistungsverbrauch reduzieren.
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EP 838 910 offenbart ein
Akquisitionsschema für
ein asynchrones DS-CDMA Kommunikationssystem. Es führt eine
anfängliche
Zellsuche durch und detektiert eine Korrelation zwischen spezifiziertem
kurzen Code (short code) und dem empfangenen Signal, vor dem Detektieren
von Langcodezeitinformation (long code timing) einer relevanten
Basisstation entsprechend dem Maximalwert eines korrelierten Ausgangs.
Es hat eine geringe Leistungsaufnahme wegen der Verwendung eines
angepassten Filters, der ein neuronales Netzwerk einsetzt.
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US 5 604 745 offenbart ein
TDMA Telefongerät
mit einem Entzerrer für
die notwendigen Daten, welches Daten in vorbestimmten Zeitschlitzen
aufnimmt und die entzerrten Daten ausgibt. Eine Speicherungsschaltung
hält die
empfangenen Daten und sendet diese an den Entzerrer. Eine Empfangspositionssendungsschaltung
korrigiert eine empfangene Datenaufnahmeposition durch Zeitschlitzsynchronisation.
Dies wird entsprechend der Positionskorrekturdaten vom Verzögerungsentzerrer
durchgeführt, wenn
die Position der Daten von dem Entzerrer verschoben ist. Ein Zählerschaltkreis
gibt einen Referenztaktzählwert
von einem Taktpulserzeugungsschaltkreis aus, um eine Empfangsfensterbreite
zu bestimmen. Eine Komparatorschaltkreisgruppierung bestimmt die
Menge der Daten, die in dem Speicherungsschaltkreis und der Empfangsfensterbreite
gespeichert werden. Das System reduziert die Menge der Daten, die
von dem Entzerrer verarbeitet werden, und reduziert die Verarbeitungszeit
und den Leistungsverbrauch.
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EP 938 242 offenbart ein
mobiles Terminal mit einem Wellenformentzerrer. Zur Reduktion des Leistungsverbrauchs
wird der Wellenformentzerrer bei Eintreten bestimmter Bedingungen
abgeschaltet.
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JP 11 261 523 offenbart
ein mobiles Terminal, in dem ausgewählte Schaltkreise und Funktionen
abgeschaltet werden, wenn bestimmte Bedingungen zutreffen, wobei
Leistung eingespart wird.
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US 5 317 323 offenbart ein
System, das das Global Position System (GPS) zur genauen Lokalisierung
einer Mobilstation verwendet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei
großen
Entfernungen zwischen der Basisstation und der Mobilstation können direkte
Signale und reflektierte Signale relativ schwach reflektiert werden,
und die reflektierten Signale können
eine viel größere Entfernung
als die direkten Signale zurückgelegt
haben und können
deshalb erheblich längere Verzögerungen
als die Sichtliniensignale haben. Um die Zeitausbreitungsinformation
ausreichend wiederherzustellen, ist es deshalb notwendig, ein relativ
langes Korrelationszeitfenster zu benutzen, um sicherzustellen,
dass der Kombinierer alle Mehrwegekomponenten verwenden kann, um
nicht empfangene Leistung, die nützliche
Information enthält,
zu verlieren. Dies verbraucht Leistung, und der Leistungsverbrauch
ist annähernd
proportional zu der Länge
des Korrelationszeitfensters. Bei kurzen Entfernungen zwischen der
Basisstation und der Mobilstation sind aber die reflektierten Signale
von nahen reflektierenden Objekten relativ stark und haben relativ
kurze Verzögerungen,
wohingegen reflektierte Signale von entfernten reflektierenden Objekten
auch relativ lange Verzögerungen
haben und folglich relativ schwach sind. Die reflektierten Signale
von nahen reflektierenden Objekten werden deshalb in der Stärke über die
reflektierten Signale von entfernten reflektierenden Objekten dominieren.
Die Zeitausbreitungsinformation kann somit oft angemessen hergestellt werden
ohne signifikanten Verlust von empfangener Signalleistung, indem – zusätzlich zu
dem Sichtliniensignal – nur
reflektierte Signale mit relativ kurzen Verzögerungen bezüglich des
Sichtliniensignals oder des ersten empfangenen Signals verwendet
werden.
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Die
Erfindung macht Gebrauch von dieser Tatsache, und die Länge des
Korrelationszeitfensters ist entsprechend der Entfernung zwischen
der Basisstation und der Mobilstation angepasst. Somit wird bei
großen
Entfernungen von der Basisstation ein Korrelationszeitfenster mit
voller Länge
verwendet, und bei kurzen Entfernungen wird nur ein kürzeres Korrelationszeitfenster
verwendet, wodurch der Leistungsverbrauch reduziert wird. In der
Mobilstation wird die Information über die Entfernung entweder von
den von der Basisstation gesenden Signalen bezüglich des Ausbreitungsverlustes
oder mit anderen Mitteln wie dem Satelliten-basierten Global Positioning
System (GPS) erhalten. Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Mobilstation nach Anspruch 1 bereitgestellt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
schematisch einen RAKE Empfänger
nach dem Stand der Technik, der in einem CDMA Kommunikationssystem
verwendet wird,
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2 zeigt
das Prinzip der Pfadsuche in 1, und
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3 zeigt
schematisch den Mehrwegeempfang in einem CDMA Kommunikationssystem.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
schematisch das Prinzip in einem bekannten System zum Extrahieren
wirklich aller nützlichen
Informationen aus einer Mehrwegeübertragung,
also von Signalen, die mit unterschiedlichen Verzögerungen
empfangen werden. Zusätzlich zu
dem Signal, das dem direkten Sichtlinienpfad von der Basisstation
zur Mobilstation folgt, ist ein Signal gezeigt, das von einem reflektierenden
Objekt RO, wie einem Gebäude,
reflektiert wird. Das reflektierte Signal folgt einem längeren Pfad
als dem direkten Pfad und ist deshalb bezüglich des direkten Signals verzögert. Wenn
viele reflektierende Objekte vorliegen, wird dieses die Situation
weiter komplizieren. Zur Einfachheit ist zusätzlich zu dem direkten Signal nur
ein reflektiertes Signal gezeigt.
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CDMA
Kommunikationssysteme verwenden einen RAKE Empfänger, um den Mehrwegeempfang von
Signalen, also Signalen mit unterschiedlichen Verzögerungen,
ausgesendet von der Basisstation, zu kompensieren. Das Verfahren
zum Detektieren von Mehrwegekomponenten wird auch als Pfadsuche
bezeichnet.
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In 1 ist
der Empfänger
von dem als RAKE Empfänger
bekannten Typ, in welchem das empfangene Signal von der empfangenden
Antenne zu einigen parallel arrangierten RAKE "Fingern" geleitet wird, z. B. drei wie gezeigt.
Im Prinzip beinhalten oder repräsentieren
die individuellen empfangenen direkten und reflektierten Signale
dieselbe Information, welche jedoch in der Zeit gespreizt worden ist.
In dem RAKE Empfänger
werden die empfangenen Signale an ein Code-angepasstes Filter gegeben, und eine
Korrelation über
eine große
Anzahl von Chips wird bestimmt. Die Summe wird als die Korrelation
bei dem bestimmten Zeitabtastwert bei der bestimmten Augenblickszeit
ausgegeben. Dann wird das empfangene Signal zu dem nächsten hereinkommenden
Chip geschoben, und eine neue Korrelation durchgeführt, usw.
Im Ergebnis werden in dem RAKE Empfänger die individuellen empfangenen und
entspreizten direkten und reflektierten Signale koherent summiert.
In einem RAKE Empfänger
tragen somit mehrere reflektierte Signale mit individuellen Verzögerungen
zum Wiederherstellen oder Extrahieren des nützlichen Signals mit einem
besseren Signal-zu-Rauschverhältnis bei.
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Zur
Bewältigung
großer
Zeitspreizungen, also langen Impulsantworten, muss der RAKE Empfänger ein
Korrelationszeitfenster haben, das mindestens so lang ist wie die
längste
differentielle Verzögerung,
die berücksichtigt
werden muss. Insbesondere bei großen Entfernungen zwischen der
Basisstation und der Mobilstation können große differentielle Verzögerungen
zwischen den direkten und reflektierten Signalen auftreten, möglicherweise
bis zu 10 – 15 μs oder mehr
in hügeligem
Außengelände. Darüber hinaus
können
die empfangenen Signale bei großen
Entfernungen auch schwach sein, so dass es notwendig ist, mehrere
reflektierte Signale zu verwenden, um das originale Signal mit einem
zufriedenstellenden Signal-zu-Rauschverhältnis wiederherzustellen. Die
Länge des
Korrelationszeitfensters bestimmt die maximale Zeitspreizung oder
den Verzögerungsunterschied,
der bewältigt
werden kann. Die Korrelationsberechnung ist leistungsverbrauchend
und die verbrauchte Leistung ist proportional zu der Länge des
Korrelationszeitfensters oder der Fenster. Deshalb ist es wünschenswert,
dass Korrelationszeitfenster kurz zu halten, um Leistung zu sparen.
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2 zeigt
ein Code-angepasstes Filter in dem RAKE Empfänger von 1.
Eine empfangene Sequenz von Chips oder Symbolen, die eine Sequenz
von Pilotchips oder Pilotsymbolen (auch als Trainingssequenz bezeichnet)
beinhalten, wird kontinuierlich mit dem Code-angepassten Filter
verglichen. Wenn die empfangenen Chips dem Code-angepassten Filter
entsprechen, ist der Ausgang des Code-angepassten Filters hoch (logisch "1"). Wenn die Kreuzkorrelations- und Autokorrelationseigenschaften
des Codes "gut" sind, ist der Ausgang
von dieser Korrelation nur genau dann hoch, wenn die empfangene
Chipsequenz in der Zeit mit dem Code-angepassten Filter ausgerichtet
ist, in dem in 2 gezeigten Beispiel geschieht
dieses drei Chips später
als dem in 2 dargestellten zeitlichen Augenblick.
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Im
Fall von Mehrwegeempfang der reflektierten, also verzögerten,
Signale wird die Sequenz der Pilotchips im reflektierten Signal
auch in dem Code-angepassten Filter detektiert und einen Hoch-Ausgang
erzeugen, jedoch nach möglicherweise
einigen Verschiebungen des empfangenen Signals, da sie verzögert sind.
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3 zeigt
schematisch ein CDMA Kommunikationssystem mit einer Basisstation
BS und einer ersten Mobilstation MS1, relativ nah an der Basisstation,
und einer zweiten Mobilstation MS2 relativ fern von der Basisstation.
Die Mobilstationen verwenden den bekannten RAKE Empfänger, der
in 1 gezeigt ist, um die unterschiedlichen Verzögerungen beim
Mehrwegeempfang zu kompensieren. Ein erstes reflektierendes Objekt
RO1 ist relativ nah bei sowohl der Basisstation als auch der ersten
Mobilstation MS1, und ein zweites reflektierendes Objekt RO2 ist
relativ fern von sowohl der Basisstation als auch der ersten und
zweiten Mobilstation.
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Die
erste Mobilstation MS1 empfängt
ein erstes Signal als ein direktes Signal von der Basisstation BS
und ein von dem ersten reflektierenden Objekt RO1 reflektiertes
Signal mit einer relativ kurzen Verzögerung hinsichtlich des direkten
Signals. Weil die erste Mobilstation MS1 relativ nah an der Basisstation
BS ist, wird das erste empfangene Signal und das reflektierte Signal
von dem relativ nahen reflektierenden Objekt RO1 relativ stark sein
und wird mit relativ kurzer Verzögerung
eintreffen. Ein reflektiertes Signal von dem relativ fernen reflektierenden
Objekt RO2 kann möglicherweise
auch von der ersten Mobilstation MS1 empfangen werden, und wegen
der größeren Distanz
wird ein derart reflektiertes Signal einen größeren Ausbreitungsverlust haben
und wird bei der ersten Mobilstation mit einer relativ großen Verzögerung empfangen
werden.
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Dem
gemäß empfängt die
zweite Mobilstation MS2 ein erstes direktes Signal von der Basisstation
BS und ein von dem zweiten reflektierenden Objekt RO2 reflektiertes
Signal mit einer relativ großen Verzögerung bezüglich des
direkten Signals. Weil die zweite Mobilstation MS2 relativ fern
von der Basisstation BS ist, wird das erste empfangene Signal und das
reflektierte Signal von dem relativ nahen reflektierenden Objekt
RO1 relativ schwach sein und wird mit relativ großer Verzögerung ankommen.
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Idealer
Weise, also in freiem Raum, nimmt die Signalleistung mit dem Quadrat
der Entfernung von dem Sender, also der Basisstation, ab, in der Praxis
jedoch wird die Signalleistung rascher mit der Entfernung von der
Basisstation abnehmen, z.B. wegen der Absorption in der Atmosphäre und in
dazwischenliegenden Objekten und wegen der Streuung durch reflektierende
Objekte. Im Fall von direkter Sichtlinienkommunikation mit keinen
oder nur unbedeutend reflektierten Signalen bestimmt primär die geographische
Entfernung den Ausbreitungsverlust. In dem häufiger vorkommenden Fall von
Mehrwegeempfang hängt
der Ausbreitungsverlust von mehreren anderen Faktoren ab. Es kann
gezeigt werden, dass die Signalleistung, die durch ein Signal mit
einer großen
Verzögerung,
also durch einen Pfad am Ende des Korrelationszeitfensters, hinzugefügt wird,
mit der Entfernung zwischen der Basisstation und der Mobilstation
abnimmt. Dies bedeutet, dass, wenn die Mobilstation in der Nähe der Basisstation
ist, reflektierte Signale von fernen reflektierenden Objekten nur
unbedeutend zu den empfangenen Signalen beitragen werden.
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In
bekannten CDMA Kommunikationssystemen sendet die Basisstation eine
Information über die
aktuell von der Basisstation gesendete Leistung. Diese Information
wird auf einem spezifischen Code oder Kanal gesendet und von der
Mobilstation empfangen. Die Mobilstation vergleicht die aktuell
empfangene Signalstärke
mit der empfangenen Information über
die Signalstärke,
die von der Basisstation gesendet worden ist, um den aktuellen Ausbreitungsverlust
des gesendeten Signals, auch als L-perch bekannt, zu berechnen.
Dies wird getan, um die Mobilstation zu befähigen, ihre eigene Sendeleistung
auf den wirtschaftlichsten Grad anzupassen, wodurch Batterieleistung
gespart werden kann. Dem gemäß reduziert
die Mobilstation ihre Sendeleistung, wenn der Ausbreitungsverlust
gering ist, und wenn der Ausbreitungsverlust hoch ist, dann erhöht die Mobilstation
ihre Sendeleistung entsprechend.
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Die
Information über
die aktuelle Leistung, die von der Basisstation gesendet wird, ist
perfekt zur Schätzung
der Entfernung zwischen der Basisstation und der Mobilstation geeignet,
auch für
den Fall, dass keine direkten Signale, sondern nur reflektierte
Signale empfangen werden.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung macht die Mobilstation Gebrauch von bereits
verfügbarer
Information über
den Ausbreitungsverlust, um die Entfernung von der Basisstation
zu schätzen,
um die Länge
des Korrelationszeitfensters anzupassen. In Abhängigkeit von der Länge einer
detektierten oder geschätzten
Entfernung wird die Länge
des Korrelationszeitfensters auf einen Wert angepasst, der nicht
länger
als notwendig ist, um die Länge
der detektierten oder geschätzten
Entfernung zu bewältigen.
Dies bedeutet, dass bei kurzen Entfernungen die Länge des
Korrelationszeitfensters kurz gemacht wird und nur Signale mit kurzen
Verzögerungen
berücksichtigt
werden und für
die Entspreizung oder Extraktion der Information verwendet werden,
und Signale mit großen
Verzögerungen
nicht.
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Alternativ
kann die Anzahl der RAKE Finger oder die Anzahl der Korrelationszeitfenster
eingestellt oder an den aktuellen Bedarf angepasst werden, und insbesondere
reduziert werden, wenn eine kurze Entfernung detektiert oder geschätzt wird,
oder wenn das gewünschte
Ergebnis mit einer reduzierten Anzahl von Korrelationszeitfenstern
erhalten werden kann.
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Andere
Verfahren als die Information von der Basisstation über den
Ausbreitungsverlust können verwendet
werden, um Information über
die Entfernung zwischen der Basisstation und der Mobilstation zu
erhalten. Ein gutes Beispiel für
solche Verfahren verwendet das Satelliten-basierte Global Positioning System
(GPS), welches einen GPS Empfänger
in der Mobilstation erfordert.