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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Empfänger zum Empfangen von Sendediversitätssignalen
in einem System für
einen Vielfachzugriff im Code-Multiplex (CDMA, Code Division Multiple
Access).
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Von
der nächsten
Generation von Drahtloskommunikationssystemen wird eine Bereitstellung
einer hohen Sprachqualität
im Vergleich zu aktuellen Mobilkommunikationssystemen und eine Bereitstellung
von Datendiensten mit hoher Bitrate erwartet. Gleichzeitig wird
von Mobilendgeräten
erwartet, von leichtem Gewicht, leistungseffizienter und billiger
zu sein. Darüber
hinaus wird von Mobilendgeräten
erwartet, zuverlässig
in vielen Kommunikationssystemtypen und in vielen unterschiedlichen
Umgebungen, wie beispielsweise städtischen, vorstädtischen
und ländlichen
Umgebungen, zu arbeiten. Es wird mit anderen Worten angenommen, dass
Systeme der nächsten
Generation eine bessere Qualität
haben, leistungs- und bandbreiteneffizienter sind, und in mannigfaltigen
Umgebungen eingesetzt werden, aber immer noch für eine weit verbreitete Marktakzeptanz
erschwinglich bleiben.
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In
vielem wird der Entwurf von Funkkommunikationssystemen durch die
Natur des Funkausbreitungskanals schwieriger gemacht. Ein Phänomen, was
Funkkommunikationen schwieriger als manche anderen Kommunikationsformen
macht, ist ein Mehrwegeschwund. Der Mehrwegeschwund ist ein Ergebnis
einer Mehrwegeausbreitung, die in Funkkommunikationsumgebungen existiert.
In vielen Funkkommunikationssystemen gibt es keine direkte Sichtlinie
zwischen der Basisstation und dem Mobilendgerät. Die Anwesenheit von Gebäuden, Bäumen, Hügeln und
anderen Objekten in der das Mobilendgerät umgebenden Umgebung bewirkt,
dass die durch die Basisstation übertragenen
Funkwellen reflektieren und zerstreut werden. Somit kann ein durch
die Basisstation übertragenes
Signal bei dem Mobilendgerät
aus vielen unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichen Ausbreitungsverzögerungen
ankommen. Ein Effekt der Mehrwegeausbreitung ist, dass die vielfältigen Mehrwegekomponenten
eines empfangenen Signals variierende Verzerrungsgrade aufweisen,
besonders in der Phase und der Amplitude. Die Mehrwegekomponenten
des übertragenen
Signals können
sich in einer Vielfalt von Arten kombinieren, was Schwankungen in
der Signalstärke
bewirkt. Dieses Phänomen
ist als Rayleigh-Fading bekannt. Wenn beispielsweise zwei reflektierte
Signale 180° außer Phase zueinander
sind, werden die zwei Signale sich gegenseitig auslöschen. Im
Endeffekt verschwindet das Signal. Andere partielle Außer-Phase-Beziehungen unter
vielfachen Kopien eines empfangenen Signals produzieren geringere
Reduzierungen in der empfangenen Signalstärke. Der Schwundgrad wird variieren,
wie sich die Mobileinheit von einem Ort zu einem anderen bewegt,
so dass der durch das Mobilendgerät erfahrene Schwundgrad schwankt.
Der Mehrwegeschwund ist eine der signifikantesten Herausforderungen,
denen sich Kommunikationsingenieure stellen.
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Eine üblicherweise
zum Bekämpfen
des Mehrwegeschwunds verwendete Gegenmaßnahme ist als Diversität bekannt.
Das Diversitätskonzept
ist relativ einfach. Wenn einige Nachbildungen eines Nachrichtensignals
gleichzeitig über
unabhängige
Schwundkanäle übertragen
werden, gibt es eine gute Wahrscheinlichkeit (Likelihood), dass
wenigstens eines der empfangenen Signale nicht durch einen Schwund
ernsthaft verschlechtert werden wird. Selbst unter Umständen, in
denen jede Nachbildung einen Schwund erfährt, können die mehrfachen Nachbildungen
auf solch eine Weise zum Erschaffen eines brauchbaren Signals kombiniert werden.
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Es
gibt viele Diversitätsformen,
einschließlich
einer Frequenzdiversität,
Zeitdiversität
und Raumdiversität.
Bei der Frequenzdiversität
wird das Nachrichtensignal mit Verwendung unterschiedlicher Trägerfrequenzen übertragen,
die ausreichend voneinander beabstandet sind, um unabhängige Schwundversionen
des Signals bereitzustellen. Bei der Zeitdiversität wird dasselbe
Nachrichtensignal in sich unterscheidenden Zeitperioden übertragen.
Bei der Raumdiversität
werden mehrfache sendende oder empfangende Antennen verwendet, mit
einem Abstand zwischen benachbarten Antennen, der so gewählt ist,
um die Unabhängigkeit
von Schwundereignissen sicherzustellen. Ein Diversitätsempfänger wählt oder
kombiniert die empfangenen Signale, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei
dem Empfänger
zu verbessern.
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Kurze Inhaltsangabe der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Empfänger für einen Diversitätsempfang
in CDMA-Systemen. Der Empfänger
empfängt
erste und zweite Diversitätssignale
während
einer ersten bzw. zweiten Symbolperiode. Die ersten und zweiten
Diversitätssignale
stellen erste und zweite Sendesymbole dar, die gemäß einem Raum-Zeit-Code
codiert und von zwei Antennen übertragen
werden. Während
der Übertragung
werden die übertragenen
Symbole durch den Kanal verzerrt und kombinieren miteinander, um
ein kombiniertes empfangenes Signal zu bilden. Das kombinierte empfangene
Signal kommt bei den Mobilendgeräten über zahlreiche Mehrwegeausbreitungskanäle an. Der
Empfänger
bei dem Mobilendgerät
wählt eine
erste Menge von Mehrwegeechos aus, die mit der ersten Symbolperiode
verknüpft
sind, und wählt
eine zweite Menge von Mehrwegeechos aus, die mit der zweiten Symbolperiode
verknüpft
sind. In einer Ausführungsform
werden die Mehrwegeechos separat decodiert und dann kombiniert,
um endgültige
Schätzungen
der übertragenen
Symbole zu erhalten. In einer anderen Ausführungsform wird die erste Menge
von Mehrwegeechos in einem ersten Rake-Empfänger kombiniert, der an die
erste Sendeantenne angepasst ist, um einen ersten Wert zu erhalten,
und wird mit einem zweiten Rake-Empfänger kombiniert, der an die
zweite Sendeantenne angepasst ist, um einen zweiten Wert zu erhalten.
Die zweite Menge von Mehrwegeechos wird mit dem ersten Rake-Empfänger kombiniert,
um einen dritten Wert zu erhalten, und wird mit dem zweiten Rake-Empfänger kombiniert,
um einen vierten Wert zu erhalten. Ein Decodierer decodiert den
ersten, zweiten, dritten und vierten Wert, um Schätzungen
der ursprünglich übertragenen
Symbole zu erhalten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Zeichnung eines Mobilnetzwerks.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines Mobilendgerätes, das für eine Verwendung mit der vorliegenden Erfindung
zugänglich
ist.
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3 ist
ein Blockdiagramm eines Rake-Empfängers.
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4 ist
ein schematisches Diagramm, dass eine Ausbreitung von Diversitätssignalen
in der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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5 veranschaulicht
eine erste Ausführungsform
einer Empfängerarchitektur
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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6 veranschaulicht
eine zweite Ausführungsform
einer Empfängerarchitektur
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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7 veranschaulicht
eine dritte Ausführungsform
einer Empfängerarchitektur
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Mit
Verweis auf 1 wird nun die vorliegende Erfindung
in dem Kontext eines Drahtloskommunikationsnetzwerks 10 diskutiert
werden, das Kommunikationen über
die Luft zwischen Mobilendgeräten 100 und im
Allgemeinen als Basisstationen 12 bekannten stationären Empfängern unterstützt. Basisstationen 12 verbinden über eine
oder mehrere Mobildienstvermittlungszentralen (MSC, Mobile Services
Switching Centers) 14 mit externen drahtgebundenen Netzwerken,
wie beispielsweise dem öffentlichen
Fernsprechnetz (PSTN, Public Switched Telephone Network), dem digitalen
Netz für
integrierte Dienste (ISDN, Integrated Services Digital Network)
und/oder dem Internet. Jede Basisstation 12 befindet sich
in einer als eine Zelle bezeichneten geografischen Region und stellt
Drahtloskommunikationsdienste für
diese bereit. Im Allgemeinen gibt es eine Basisstation 12 für jede Zelle
innerhalb eines gegebenen Drahtloskommunikationsnetzwerks 10.
Innerhalb jeder Zelle kann es eine Vielzahl von Mobilendgeräten 100 geben,
die über
eine oder mehrere Funkverbindungen mit einer bedienenden Basisstation 12 kommunizieren.
Die Basisstation 12 ermöglicht
es den Benutzern der Mobilendgeräte 100,
mit anderen Mobilendgeräten 100 zu kommunizieren
oder mit Benutzern, die mit dem externen Netzwerk verbunden sind.
Die MSC 14 routet bzw. leitet Anrufe zum und vom Mobilendgerät 100 durch
die passende Basisstation 12 oder ein Gateway, d. h. eine
Schnittstelle zwischen einer MSC 14 und dem externen Netzwerk.
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Jede
Basisstation 12 kann zur Diversitätsübertragung fähig sein
und kann deshalb zwei Antennen 16, 18 haben, wie
es im Fachgebiet wohl verstanden wird. Der besondere Typ einer Diversitätsübertragung
ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, aber die vorliegende
Erfindung ist gut geeignet zur Verwendung mit Raum-Zeit-Codes (STC, Space-Time-Codes),
wie beispielsweise Orthogonal Transmit Diversity (OTD) bzw. orthogonale
Sendediversität,
Space-Time Spreading (STS) bzw. Raum-Zeit-Spreizung, oder Space-Time Transmit
Diversity (STTD) bzw. Raum-Zeit-Sendediversität. Die vorliegende Erfindung
kann auch mit Trellis-basiertem STC verwendet werden, was in „Space-time
codes for High Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion
and Code Construction",
veröffentlicht
in IEEE Trans. Information Theory, Vol. 44, Nr. 2, März 1998,
Seiten 744–765
beschrieben ist.
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Viele
Standards existieren für
Drahtloskommunikationsnetzwerke 10. Solche Standards sind
beispielsweise von Telecommunications Industry (TIA), Electronics
Industry Association (EIA) und European Telecommunications Standards
Institute (ETSI) veröffentlicht.
Beispielhafte Standards für
CDMA-Systeme enthalten TIA/EIA Interim Standard IS-95, TIA/EIA Interim
Standard IS-2000, als cdma2000 bekannt, aktuell in der Entwicklung
in den Vereinigten Staaten, und den Wideband CDMA (WCDMA) Standard,
der aktuell für
Europa entwickelt wird.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines Mobilendgerätes 100. Der Begriff „Mobilendgerät" 100, wie
hierin verwendet, enthält
ein zellulares Funktelefon; ein Personal Communications Service
(PCS) Endgerät,
das ein zellulares Funktelefon mit Datenverarbeitungs-, Faksimile-
und Datenkommunikationsfähigkeiten
kombinieren kann; einen Personal Digital Assistant (PDA), der ein
Funktelefon, Pager, Internet/Intranet-Zugang, einen Web-Browser, einen Organizer,
einen Kalender enthalten kann; einen konventionellen Laptop- und/oder Palmtop-Computer,
der mit einem Funktelefon-Transceiver
ausgestattet ist, oder ein anderes Gerät, das einen Funktelefon-Transceiver
enthält.
Mobilendgeräte
können
auch als „Pervasive
Computing"-Vorrichtungen bzw. „Überall-Computer"-Vorrichtungen bezeichnet
sein.
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Mobilendgerät 100 umfasst
eine Mikrocontroller-Einheit (MCU) 101, einen HF-Transceiver 110,
einen digitalen Signalprozessor (DSP) 150 und eine Benutzerschnittstelle 190.
Mobilendgerät 100 kann
zusätzlich eine
externe Schnittstelle für
eine Kommunikation mit einem Computer, einem Nahbereichsnetzwerk
oder einer anderen Vorrichtung enthalten.
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HF-Transceiver 110 errichtet
eine Verbindung für
Drahtloskommunikationen mit der Basisstation 12. HF-Transceiver 110 umfasst
eine Empfängereingangsstufe 120,
einen Sender 130, einen Frequenzsynthetisierer 140,
einen Duplexer 111 und eine Antenne 112. Empfängereingangsstufe 120 und
Sender 130 sind mit Antenne 112 durch Duplexer 111 gekoppelt.
Duplexer 111 kann ein Duplexfilter enthalten, um den Sender 130 von
der Empfängereingangsstufe 120 zu
isolieren. Das Duplexfilter kombiniert ein Sendebandfilter und ein Empfangsbandfilter,
um die erforderliche Isolierung zwischen den zwei Pfaden bereitzustellen.
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Empfängereingangsstufe 120 empfängt Abwärts- oder
Vorwärts-Verbindungskommunikationen
von der Basisstation 12. Empfängereingangsstufe 120 verstärkt empfangene
Signale und wandelt diese in die Basisbandfrequenz des DSP 150 runter.
Durch Empfängereingangsstufe 120 zu
der Basisbandfrequenz umgewandelte Signale werden hier als Basisbandsignale
bezeichnet.
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Sender 130 sendet
Aufwärts-
oder Rückwärts-Verbindungskommunikationen
an die Basisstation 12. Sender 130 empfängt Basisbandsignale
von dem DSP 150, die der Sender 130 verstärkt und
zum Modulieren eines HF-Trägers
bei einem angewiesenen Leistungspegel verwendet.
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Frequenzsynthetisierer 140 stellt
Referenzsignale bereit, die zur Frequenzumsetzung verwendet werden,
in der Empfängereingangsstufe 120 und
dem Sender 130.
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DSP 150 umfasst
einen Quellencodierer 160 und ein digitales Modem 155.
Quellencodierer 160 enthält einen Sprachcodierer zum
Digitalisieren und Codieren von Sprache zur Übertragung auf der Rückwärtsverbindung
an die Basisstation 12. Zusätzlich decodiert der Sprachcodierer
von der Basisstation 12 auf der Abwärtsverbindung empfangene Signale
und wandelt Sprachsignale in Audiosignale um, die an einen Lautsprecher 194 ausgegeben
werden. CDMA-Systeme verwenden typischerweise ein effizientes Verfahren
von Sprachcodierungs- und Fehlerrückgewinnungstechniken, um die
raue Natur des Funkkanals zu überwinden. Ein
häufig
in CDMA-Systemen verwendeter Sprachcodierungsalgorithmus ist die
Code Excited Linear Predictor (CELP) Sprachcodierung. Sprache wird
typischerweise mit Raten von 9,6 Kilobit pro Sekunde oder 13,3 Kilobit
pro Sekunde codiert. Die Details der Sprachcodierung sind nicht
Gegenstand der Erfindung und werden hierin deshalb nicht im Detail
erläutert.
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Das
digitale Modem 155 verarbeitet digitale Signale, um eine
Kommunikation über
den Ausbreitungskanal robuster zu machen. Das digitale Modem 155 enthält einen
digitalen Modulator und einen Demodulator. Der digitale Modulator überlagert
die Nachrichtenwellenform auf einen Träger zur Funkübertragung
mit Verwendung von Algorithmen, die gegenüber einem Schwund und anderen
Beeinträchtigungen
des Funkkanals schützen,
während
eine Maximierung der Bandbreiteneffizienz versucht wird. Der digitale
Modulator führt
auch eine Kanalcodierung und Verschlüsselung durch, wenn verwendet.
Der digitale Demodulator detektiert und gewinnt das Nachrichtensignal
zurück,
das durch die Basisstation 12 übertragen ist. Er verfolgt
das empfangene Signal, weist eine Interferenz ab und extrahiert
die Nachrichtendaten aus rauschbehafteten Signalen. Der digitale
Demodulator führt
außerdem
eine Synchronisierung, Kanaldecodierung und Entschlüsselung
durch, wenn verwendet.
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In
konventionellen CDMA-Systemen wird ein wie in 3 gezeigter
Rake-Empfänger 170 zum
Auflösen
der Mehrwegeechos des zu übertragenden
Signals verwendet. Der Rake-Empfänger 170 wird
typischerweise in dem digitalen Modem 155 implementiert.
Der Rake-Empfänger 170 umfasst
eine Vielzahl von Fingern. Jeder Finger enthält einen Korrelator oder Entspreizer 172,
der eine Spreizungswellenform mit einer Zeit-justierten Version
des empfangenen Signals korreliert, um ein Mehrwegeecho zu erhalten.
Die durch Entspreizer 172 ausgegebenen Mehrwegeechos werden
mit Gewichtungskoeffizienten bei Multiplikationsknoten 174 multipliziert.
Die Gewichtungskoeffizienten basieren auf der Stärke jedes Mehrwegeechos, so
dass das stärkste Echo
schwerer gewichtet wird. Die gewichteten und Zeit-justierten Echos
werden dann in einem Kombinierer 176 summiert, um die endgültige Version
des empfangenen Signals zu erhalten. Jedes Echo wird Zeit-justiert und
mit der Spreizungswellenform korreliert.
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Die
Mikrocontroller-Einheit 101 überwacht den Betrieb des Mobilendgerätes 100 und
verwaltet die mit dem Kommunikationsprotokoll verknüpften Prozeduren.
Die Mikrocontroller-Einheit 101 umfasst typischerweise
einen Mikroprozessor, ein Rechenwerk (ALU, Arithmetic Logic Unit),
Zeitgeber und Register-Dateien. Das ALU führt vielfältige Logikfunktionen durch,
wie beispielsweise Vergleiche, und unterstützt berechnungsintensive Aufgaben.
Es kann eine spezialisierte Hardware aufnehmen, um mathematische
Operationen, wie beispielsweise eine Division und ein Quadrieren,
zu beschleunigen. Die Mikrocontroller-Einheit 101 weist
Zeitgeber zum Verfolgen einer Netzwerkzeit zu und verwendet diese
Information, um Datenrahmenbegrenzungen und Schlitzindizes zu identifizieren.
Sie verwendet Zeitgeber, um spezifische Aufgaben wie die Übergänge des Mobilendgeräts 100 zu
unterschiedlichen Betriebsmodi, wie beispielsweise Schlaf, Empfangen
und Sprechen, auszulösen.
Die Mikrocontroller-Einheit 101 verwendet Registerdateien,
um Kalibrierungsdaten, die elektronische Seriennummer (ESN) des
Benutzers (zum Authentifizieren des Benutzers verwendet) und andere nicht-flüchtige Informationen
zu speichern.
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Die
Mikrocontroller-Einheit 101 implementiert die von dem Mobilendgerät 100 verwendeten
Kommunikationsprotokolle. Das Kommunikationsprotokoll spezifiziert
eine Zeitvorgabe bzw. ein Timing, einen Vielfachzugriffsansatz,
ein Modulationsformat, eine Rahmenstruktur, einen Energiepegel als
auch viele andere Aspekte eines Mobilendgerätbetriebs. Die Mikrocontroller-Einheit 101 fügt Signalisierungsnachrichten
in die übertragenen
Signale ein und extrahiert Signalisierungsnachrichten aus den empfangenen
Signalen. Mikrocontroller-Einheit 101 wirkt auf von der
Basisstation 12 empfangene Signalisierungsnachrichten,
wie in dem Kommunikationsprotokoll bekannt gemacht. Wenn der Benutzer
Befehle über
die Benutzerschnittstelle 190 eingibt, werden die Befehle
an die Mikrocontroller-Einheit 101 zur
Handlung weitergegeben.
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Die
Mikrocontroller-Einheit 101 und der DSP 150 verwenden
dedizierte oder gemeinsam genutzte Busse für eine Verbindung mit dem Speicher.
Der Speicher ist typischerweise in Blöcke segmentiert, die den Hochfahr-Code, eine Steuersoftware,
DSP-Firmware und temporäre
Daten halten.
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Benutzerschnittstelle 190 kann
eine Tastatur 191, eine Anzeige 192, ein Mikrophon 193,
einen Lautsprecher 195 und andere Benutzereingabe- und
Ausgabevorrichtungen umfassen, wie es gut verstanden wird.
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Das
Mobilendgerät 100 der
vorliegenden Erfindung ist ein Empfänger für ein CDMA-Kommunikationssystem,
das ein relativ einfaches Diversitätsschema einsetzt, das die
Signalqualität
bei dem Mobilendgerät 100 verbessert.
Der Empfänger
verarbeitet Diversitätssignale,
die von Antenne 16, 18 bei der Basisstation 12 mit Verwendung
einer Raum-und-Zeit-Diversität übertragen
sind. Die vorliegende Erfindung kann mit Verwendung einer Codeklasse,
hier als Raum-Zeit-Codes (STCs, Space-Time Codes) bezeichnet, ausgeführt werden.
Ein als Space-Time Transmit Diversity (STTD) bzw. Raum-Zeit-Sendediversität bekannter
STC-Typ wird zum Veranschaulichen einer Ausführungsform der Erfindung verwendet
werden, jedoch können
auch andere Codes verwendet werden, um die vorliegende Erfindung
zur Anwendung zu bringen.
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Bei
dem STTD-Schema werden jeweils vier Bits, mit b1, b2, b3 und b4
bezeichnet, die durch die Basisstation 12 übertragen
sind, auf zwei QPSK-Symbole wie folgt abgebildet: s1 = b1 +
jb2 (1) s2 = b3 +
jb4 (2)
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Die
Symbole werden durch zwei Antennen
16,
18 bei
der Basisstation
12, wie in Tabelle 1 unten gezeigt, übertragen. Tabelle 1 Codierungs- und Übertragungssequenz für eine Raum-Zeit-Sendediversität
| | Zeit
t | Zeit
t + T |
| Antenne
1 | s1 | –s*2 |
| Antenne
2 | s2 | s*1 |
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Die
erste Antenne 16 überträgt Symbole
s1 während
einer ersten Symbolperiode und überträgt dann Symbol –s*2 während
der nächsten
Symbolperiode. Die Länge
einer Symbolperiode ist mit T bezeichnet. Die zweite Antenne 18 überträgt Symbol
s2 während
der ersten Symbolperiode und überträgt dann
Symbol s*1 während der zweiten Symbolperiode.
Diese Abbildung wurde von Siavash M. Alamouti in einem Dokument
mit dem Titel „A
Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications" vorgeschlagen, das
in IEEE Journal an Select Areas in Communications, Vol. 16, Nr.
8, Oktober 1998 veröffentlicht
ist. Beide Antennen 16, 18 verwenden dieselbe
Spreizungssequenz oder können
eine unterschiedliche Spreizungssequenz in Abhängigkeit von der Empfängerarchitektur
verwenden. Die übertragenen
Symbole s1 und s2 werden
hierin als die ersten Diversitätssignale
bezeichnet. Die Symbole –s*2 und s*1 werden
hier als die zweiten Sendediversitätssignale bezeichnet.
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Die übertragenen
Diversitätssignale
breiten sich über
zahlreiche Mehrwegeausbreitungskanäle von jeder Antenne 16, 18 aus,
wie in 4 gezeigt. Jeder Mehrwegeausbreitungskanal kann
als ein lineares Filter betrachtet werden. Jeder Mehrwegeausbreitungskanal
hat eine entsprechende Kanalantwort, die von dem Mobilendgerät 100 geschätzt wird.
Die Kanalschätzung
für einen
Mehrwegeausbreitungskanal wird mit ci,l bezeichnet,
wobei i eine bestimmte Antenne 16, 18 darstellt,
und l einen Mehrwegeausbreitungskanal von der Antenne 16, 18 an
das Mobilendgerät 100 darstellt.
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Nach
Spreizung und Mehrwegeausbreitung kann ein dem l-ten Mehrwegeecho entsprechendes Sendesignal über ein
Zwei-Symbol-Intervall ausgedrückt
werden als: gl(t)
= (c1,ls1 + c2,ls2)pT(t – τl)
+ (–c1,ls*2 + c2,ls*1)qT(t – T – τl) (3)wobei ci,l der Kanalkoeffizient des l-ten Pfads
in dem i-ten Antennenpfad
ist, τl die Pfadverzögerung ist, und pT und
qT Breitbandspreizungswellenformen mit Einheitsenergie
und Dauer T sind. Mit einer zweckmäßigen Antennenplatzierung werden
die Schwundeffekte in jedem Mehrwegeausbreitungskanal voneinander
statistisch unabhängig.
Deshalb kann ein Diversitätsgewinn
erhalten werden, wenn die Energie der Mehrwegeechos durch den Diversitätsempfänger kombiniert
wird.
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Bei
dem Empfänger
kann das kombinierte empfangene Signal ausgedrückt werden als:
wobei L die Gesamtanzahl
von Mehrwegeechos in dem Kanal ist, und z(t) Additives Weißes Gaußsches Rauschen
(AWGN, Additive White Gaussian Noise) ist. Der optimale Detektor
versucht die Symbole zu finden, die den mittleren quadratischen
Fehler (MSE, Mean Square Error) zwischen dem empfangenen Signal
r(t) und dem hypothetisierten Signal minimieren:
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In
einem CDMA-Empfänger
werden die Mehrwegeechos mit Verwendung eines Rake-Empfängers aufgelöst. Für das l-te
Echo wird das kombinierte empfangene Signal r(t) Zeit-justiert und mit
der Spreizungswellenform korreliert, die dem Symbol entspricht,
das entspreizt wird. Die entspreizten Werte, die demselben Symbol
entsprechen, werden über
sämtliche
L Mehrwegeechos summiert, was den endgültigen Wert des Symbols ergibt,
das demoduliert wird. Dieser Prozess ist in Gleichung (5) oben verkörpert.
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4 veranschaulicht Übertragungen
von Antennen 16, 18 während der ersten Symbolperiode.
Das Symbol s1 wird durch Antenne 16 übertragen
und kommt bei Mobilendgerät 100 über drei
unterschiedliche Mehrwegeausbreitungskanäle an, die als C1, C2 und C3
bezeichnet sind. Symbol s2 wird durch Antenne 18 übertragen
und kommt bei Mobilendgerät 100 über Mehrwegeausbreitungskanäle C4, C5
und C6 an. Symbole s1 und s2 werden
hierin als die ersten Diversitätssignale
bezeichnet. Genauer genommen werden Kanäle C1 und C4 durch Reflektor
R1 reflektiert und kombinieren, um ein erstes Mehrwegeecho r1,1 zu bilden. Es wird angenommen, dass die
Pfadverzögerung
für Kanäle C1 und
C4 dieselbe ist. Ähnlich
werden Kanäle
C2 und C5 durch Reflektor R2 reflektiert und kombinieren, um ein
zweites Mehrwegeecho r1,2 zu bilden. Es
wird angenommen, dass die Pfadverzögerung für Kanäle C2 und C5 dieselbe ist;
jedoch ist die Pfadverzögerung
C2 und C5 von der Pfadverzögerung
für Kanäle C1 und
C4 unterschiedlich. Kanäle
C3 und C6 werden durch Reflektor R3 reflektiert und kommen bei Mobilendgerät 100 an,
um ein drittes Mehrwegeecho r1,3 mit einer
von Echos r1,1 und r1,2 unterschiedlichen
Pfadverzögerung
zu bilden. Während
in 3 nur drei Mehrwegeechos gezeigt sind, können tatsächlich zahlreiche
andere Echos vorliegen. Typischerweise wird das Mobilendgerät 10 drei
bis sechs Echos zur Verarbeitung auswählen, wie es hier im Nachfolgenden
beschrieben werden wird.
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Dasselbe
Mehrwegephänomen
findet auch während
der sechsten Symboldauer Anwendung. Symbole –s*2 und
s*1 hier im Nachfolgenden als die zweiten
Diversitätssignale
bezeichnet, kombinieren und kommen bei dem Mobilendgerät 100 über unterschiedliche
Ausbreitungskanäle
an. Die vielfachen Mehrwegeechos r2,l kommen
bei dem Mobilendgerät 100 mit
unterschiedlichen Pfadverzögerungen
an. Man beachte, dass die Echos r2,l überlappen
und mit den Mehrwegeechos r1,l kombinieren
können.
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Die
Aufgabe des Mobilendgerätes 100 ist
es, die übertragenen
Symbole s1 und s2 auf
Grundlage des kombinierten empfangenen Signals r(t) zu bestimmen.
Um diese Aufgabe zu erreichen, muss das Mobilendgerät 100 zuerst
die Echos r1,l und r2,l aus
dem kombinierten empfangenen Signal r(t) extrahieren. In einem CDMA-System wird dies
mittels Verwendung eines Rake-Empfängers getan.
Die empfangenen Echos können ausgedrückt werden
als: r1,l = ∫r(t + τl)p*T(t)dt
= c1,ls1 + c2,ls2 + z1,l (6)und r2,l = ∫r(t + τl +
T)q*T(t)dt
= –c1,ls*2 + c2,ls*1 + z2,l (7)
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In
Gleichungen (6) und (7) wird angenommen, dass die Filterungseigenschaften
jedes Mehrwegeausbreitungskanals über die zwei Symbolperioden
konstant bleiben. Die Variable z stellt ein Rauschen eine Interferenz
dar.
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Ein
Ansatz zum Bestimmen der übertragenen
Symbole s1 und s2 ist
es, zuerst das empfangene Signal r(t) zu entspreizen, um die Mehrwegeechos
r1,l und r2,l gemäß Gleichungen
(6) und (7) zu erhalten und dann jedes Mehrwegeecho r1,l und
r2,l separat zu decodieren, um eine Vielzahl
von Schätzungen, ŝ1,l und ŝ2,l bezeichnet, der übertragenen Symbole zu erhalten.
Die Schätzungen ŝ1,l und ŝ2,l sind durch die folgenden Gleichungen gegeben: ŝ1,l = r1,lc*1,l + r*2,lc2,l (8) ŝ2,l = r1,lc*2,l – r*2,lc1,l (9)
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Die
Schätzungen ŝ1,l und ŝ2,l von jedem Decodierer können dann
kombiniert werden, um endgültige Schätzungen ŝ1 und ŝ2 der ursprünglich übertragenen Symbole s1 und s2 zu erhalten.
Die endgültigen
Schätzungen ŝ1 und ŝ2 der übertragenen
Symbole s1 und s2 werden
wie folgt berechnet:
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5 veranschaulicht
eine Ausführungsform
eines Diversitätsempfängers 200,
der diesen Ansatz implementiert. Der Diversitätsempfänger 200 umfasst eine
Vielzahl von Entspreizern oder Korrelatoren 202, eine Vielzahl
von Diversitätsdecodierern 204 und
einen Kombinierer 206. Die Entspreizer 202 und
Diversitätsdecodierer 204 sind
in Parallelzweigen angeordnet, die im Allgemeinen als Finger bezeichnet
werden. Jeder Finger kann eine variable Verzögerung für eine Zeitausrichtung der
vielfältigen
Mehrwegeechos des empfangenen Breitbandsignals in jedem Finger enthalten.
Das kombinierte empfangene Signal r(t) wird an jeweilige Entspreizer 202 eingegeben,
die das empfangene Signal r(t) entspreizen, um Mehrwegeechos r1,l und r2,l zu erhalten. Die
Ausgabe jedes Entspreizers 202 ist ein Mehrwegeecho r1,l und r2,l. Die
empfangenen Mehrwegeechos r1,l und r2,l werden dann in einen Diversitätsdecodierer 204 eingegeben.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform
ist ein separater Diversitätsdecodierer 204 in
den Signalpfad in jedem Finger des Diversitätsempfängers 200 eingesetzt.
Die Funktion des Diversitätsdecodierers 204 ist
es, eine Schätzung
der übertragenen
Symbole ŝ1,l und ŝ2,l auf Grundlage der empfangenen Echos r1,l und r2,l zu produzieren.
Man beachte, dass in dieser Ausführungsform
jeder Diversitätsdecodierer 204 eine
separate Schätzung, ŝ1,l und ŝ2,l bezeichnet, der übertragenen Symbole s1 und s2 produziert.
Die Schätzungen ŝ1,l und ŝ2,l werden dann durch Kombinierer 206 kombiniert, der
in dieser Ausführungsform
ein Summierer ist, um die endgültigen Schätzungen ŝ1 und ŝ2 der übertragenen Symbole
zu produzieren. Diese endgültigen
Schätzungen ŝ1 und ŝ2 von dem Kombinierer 206 werden
dann decodiert, um Schätzungen
der übertragenen
Bits zu erhalten.
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Während die
in 5 präsentierte
Lösung
funktionstüchtig
ist, kann sie in existierenden Designs schwierig zu implementieren
sein, da sie ein umfangreiches Umbauen der Hardware in dem Mobilendgerät 100 erfordern
würde und
eine sehr große
Verarbeitungslast für
die Batterie schaffen kann. Eine alternative Struktur für einen
Diversitätsempfänger kann
erhalten werden, indem Gleichungen (10) und (11) wie folgt umgeschrieben
werden:
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Man
beachte, dass in Gleichungen (12) und (13) λij die
j-te Ausgabe eines
Nicht-Sendediversitäts-Rake-Empfängers darstellt,
der an die i-te Sendeantenne angepasst ist. Somit entspricht die
Metrik λ1,1 der Ausgabe eines ersten Nicht-Diversitäts-Rake-Empfängers, durch 210 in 6 bezeichnet,
der an eine erste Antenne 16 während einer ersten Symbolperiode
angepasst ist, und die Metrik λ1,2 entspricht der Ausgabe eines ersten Nicht-Diversitäts-Rake-Empfängers, durch 212 in 6 bezeichnet,
der an die erste Antenne 16 angepasst ist, während einer
zweiten Symbolperiode. Ähnlich
entspricht die Metrik λ2,1 der Ausgabe eines zweiten Nicht-Diversitäts-Rake-Empfängers, der
an eine zweite Antenne 18 angepasst ist, während einer
ersten Symbolperiode, und die Metrik λ2,2 entspricht
der Ausgabe des zweiten Nicht-Diversitäts-Rake-Empfängers, der an die zweite Antenne 18 angepasst
ist, während
einer zweiten Symbolperiode. Die Metriken λ1,1 und λ2,2 werden zum
Produzieren einer Schätzung ŝ1 des ersten übertragenen Symbols verwendet.
Die Metriken λ2,1 und λ1,2 werden zum Produzieren einer Schätzung ŝ2 des zweiten übertragenen Symbols verwendet.
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6 ist
ein funktionales Blockdiagramm eines Diversitätsempfängers 250, der den
Ansatz von Gleichungen (12) und (13) implementiert. Der Diversitätsempfänger 250 von 6 umfasst
eine Vielzahl von Entspreizern oder Korrelatoren 202, ein
Paar von Rake-Kombinierern 206A, 206B und einen
Decodierer 252. Die Entspreizer 202 sind in separaten
Fingern des Diversitätsempfängers 250 eingerichtet.
Jeder Finger enthält
eine variable Verzögerung 201 für eine Zeitausrichtung
mit den vielfältigen
Mehrwegeechos r1,l und r2,l des kombinierten
empfangenen Signals r(t).
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Entspreizer 202 entspreizt
das empfangene Signal r(t), um die Mehrwegeechos r1,l und
r2,l wieder zu gewinnen. Während der
ersten Symbolperiode geben die Entspreizer 202 die empfangenen
Mehrwegeechos r1,1 des kombinierten empfangenen
Signals r(t) aus. Während
der zweiten Symbolperiode geben die Entspreizer 202 die
empfangenen Mehrwegeechos r2,l des kombinierten
empfangenen Signals r(t) aus. Die empfangenen Mehrwegeechos r1,l und r2,l werden
an Rake-Kombinierer 206A und 206B eingegeben.
Rake-Kombinierer 206A ist an die erste Sendeantenne 16 angepasst,
und Rake-Kombinierer 206B ist an die zweite Sendeantenne 18 angepasst.
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Während der
ersten Symbolperiode kombiniert Rake-Kombinierer 206A die empfangenen
Mehrwegeechos r1,l gemäß dem ersten Teil von Gleichung
(12) mit Verwendung von Kanalschätzungen
c1,l, die den ausgewählten Mehrwegeausbreitungskanälen von
der ersten Antenne 16 zu dem Mobilendgerät 100 entsprechen, um
die Metrik λ1,1 zu erhalten. Rake-Kombinierer 206B kombiniert
die empfangenen Mehrwegeechos r1,l gemäß dem zweiten
Teil von Gleichung (12) mit Verwendung von Kanalschätzungen
c2,l, die den ausgewählten Mehrwegeausbreitungskanälen von
der zweiten Antenne 18 entsprechen, um die Metrik λ2,1 zu
erhalten. Während
der zweiten Symbolperiode kombiniert Rake-Kombinierer 206A die
empfangenen Mehrwegeechos r2,l gemäß dem ersten
Teil von Gleichung (13) mit Verwendung von Kanalschätzungen
c2,l, um die Metrik λ1,2 zu
erhalten. Rake-Kombinierer 206B kombiniert die empfangenen
Mehrwegeechos r2,l gemäß dem zweiten Teil von Gleichung
(11) mit Verwendung von Kanalschätzungen
c2,l, um die Metrik λ2,2 zu
erhalten. Die Metriken λ1,1, λ2,1, λ1,2 und λ2,2 werden dann an den Decodierer 252 eingegeben.
Decodierer 252 berechnet die Schätzung ŝ1 des ersten übertragenen
Symbols gemäß Gleichung
(12) durch Addieren von λ1,2 und dem Konjugierten von λ2,2. Decodierer 252 berechnet
außerdem
die Schätzung
s2 des zweiten übertragenen Symbols gemäß Gleichung (13)
durch Subtrahieren des Konjugierten von λ1,2 von λ2,1.
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Der
in 5 und 6 gezeigte Diversitätsempfänger kann
auch mit anderen STCs verwendet werden, wie beispielsweise OTD und
STS. Im OTD-Modus werden vier aufeinander folgende Bits {b1, b2, b3,
b4,} auf zwei QPSK-Symbole abgebildet. s1 = b1 +
jb3 (14) s2 = b2 +
jb4 (15)
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Symbole
s
1 und s
2 werden
dann durch zwei Antennen übertragen,
wie in Tabelle 2 unten gezeigt: Tabelle 2 Codierungs- und Übertragungssequenz für OTD
| | Zeit
t | Zeit
t + T |
| Antenne
1 | s1 | s1 |
| Antenne
2 | s2 | –s2 |
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Bei
dem Empfänger 250 berechnen
die Rake-Kombinierer 206A und 206B {λ1,1, λ1,2, λ2,1, λ2,2}
wie bei STTD, wohingegen der Diversitätsdecodierer 252 ŝ1 und ŝ2 wie folgt berechnet: ŝ1 = λ1,1 – λ1,2 (16) ŝ2 = λ2,1 – λ2,2 (17)
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Im
STS-Modus werden vier aufeinander folgende Bits {b1,
b2, b3, b4,} auf zwei Symbole abgebildet: s1 = (b1 – b2) + j(b3 + b4) (18) s2 = (b1 +
b2) + j(b3 – b4) (19)
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Symbole
s
1 und s
2 werden
durch zwei Antennen
16,
18 übertragen, wie in Tabelle 3
unten gezeigt: Tabelle 3 Codierungs- und Übertragungssequenz für STS
| | Zeit t | Zeit
t + T |
| Antenne
1 | s1 | s2 |
| Antenne
2 | s*2 | –s*1 |
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Bei
dem Empfänger
berechnen Rake-Kombinierer 206A und 206B {λ1,1, λ1,2, λ2,1, λ2,2}
wie bei STTD und OTD, wohingegen der Diversitätsdecodierer 252 ŝ1 und ŝ2 wie folgt berechnet: ŝ1 = λ1,1 – λ*2,2 (20) ŝ2 = λ*2,1 + λ1,2 (21)
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Man
beachte, dass während
die vorliegende Erfindung als in einem Mobilendgerät 100 vorhanden
diskutiert worden ist, es auch möglich
ist, dass sie bei anderen Empfängern
innerhalb des Drahtloskommunikationsnetzwerks 10 implementiert
werden kann, wie bei der Basisstation 12. Es gibt keinen
Bedarf für
solch eine Platzierung, wenn nicht Mobilendgerät 100 eine Sendediversitätsübertragungsfähigkeit
hätte,
aber es ist nichtsdestotrotz möglich.
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7 veranschaulicht
eine dritte Ausführungsform
einer Empfängerarchitektur
für einen
CDMA-Empfänger 300 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Empfänger 300 von 7 kann
verwendet werden, wenn Antennen 16, 18 mit Verwendung
zweier unterschiedlicher Spreizungssequenzen übertragen. Der Empfänger 300 umfasst
einen ersten Nicht-Diversitäts-Rake-Empfänger 310 und
einen zweiten Nicht-Diversitäts-Rake-Empfänger 320.
Rake-Empfänger 310 umfasst
eine Vielzahl von Entspreizern 312 und einen Rake-Kombinierer 314.
Rake-Empfänger 320 umfasst
eine Vielzahl von Entspreizern 322 und einen Rake-Kombinierer 324.
Entspreizer 312, 322 empfangen verzögerte Versionen
des empfangenen Signals r(t) von Verzögerungsblöcken 302, 304, 306.
Verzögerungsblöcke 302, 304, 306 liefern die
verzögerten
Versionen des empfangenen Signals r(t) an entsprechende Entspreizer 312, 322 in
dem ersten Rake-Receiver 310 bzw. dem zweiten Rake-Receiver 320.
Entspreizer 312 verwenden die mit der ersten Sendeantenne 16 verknüpfte Spreizungssequenz,
um das empfangene Signal r(t) zu entspreizen. Die Ausgabe der Entspreizer 312 in
der ersten Symbolperiode ist eine Schätzung von s1.
Die Ausgabe der Entspreizer 312 während der zweiten Symbolperiode
ist eine Schätzung
von –s*2. Entspreizer 322 verwenden die
mit der zweiten Sendeantenne 18 verknüpfte Spreizungssequenz, um
das empfangene Signal r(t) zu entspreizen. Die Ausgabe der Entspreizer 322 während der ersten
Symbolperiode ist eine Schätzung
s2. Die Ausgabe der Entspreizer 322 während der
zweiten Sendeperiode ist eine Schätzung von s*1.
Rake-Kombinierer 314, 324 kombinieren die individuellen
Schätzungen,
die von den Entspreizern 312 bzw. 322 ausgegeben
sind. Die durch die Rake-Kombinierer 314, 324 erzeugten, kombinierten
Schätzungen
werden dann an einen STC-Decodierer 330 geliefert, der
die endgültigen
Schätzungen
der übertragenen
Symbole s1 und s2 erzeugt.
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Die
vorliegende Erfindung kann selbstverständlich in anderen spezifischen
Weisen als der hier Bekanntgemachten ausgeführt werden, ohne von dem Schutzbereich
und den wesentlichen Eigenschaften der Erfindung abzuweichen. Die
vorliegenden Ausführungsformen
sind deshalb in sämtlichen
Aspekten als veranschaulichend und nicht als einschränkend aufzufassen
und Änderungen,
die innerhalb des Bedeutungs- und Äquivalenzbereiches der angefügten Ansprüche fallen,
sind hiermit beabsichtigungsgemäß auf genommen.
