DE602004005896T2

DE602004005896T2 - Kalibrierverfahren zur erzielung von reziprozität bidirektionaler kommunikationskanäle

Info

Publication number: DE602004005896T2
Application number: DE602004005896T
Authority: DE
Inventors: Peter Larsson; Jiann-Ching Cary GUEY
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: EP1700438B1; JP4361938B2; ES2285553T3; DE602004005896D1; PL1700438T3; ATE359648T1; US7747250B2; JP2007517440A; US20080125109A1; WO2005064871A1; EP1700438A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung, um die Kommunikations-Leistungsfähigkeit in drahtlosen Kommunikationssystemen zu verbessern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Reziprozität von bidirektionalen Kommunikationskanälen.
Hintergrund der Erfindung
Die Nachfrage nach Verkehrskapazität, Abdeckung und Zuverlässigkeit in drahtlosen Kommunikationssystemen ist anscheinend immer anwachsend. Ein Flaschenhals in der Verkehrskapazität ist das begrenzte Frequenzspektrum, das für Kommunikationszwecke verfügbar ist, wobei die Begrenzung sowohl physikalisch – lediglich ein Teil des Frequenzspektrum ist zur Kommunikation geeignet und der Informationsinhalt pro Frequenz und Zeit ist begrenzt – als auch organisatorisch ist – der nützliche Teil des Spektrums muss für eine Anzahl von Zwecken verwendet werden, einschließlich: TV und Rundfunk, nicht-öffentliche Kommunikation, wie zum Beispiel Flugzeug-Kommunikation und militärische Kommunikation und den etablierten Systemen für öffentliche, drahtlose Kommunikation, wie z.B. GSM, Netzwerke dritter Generation (3G), drahtlose, lokale Bereichsnetzwerke (WLAN) usw.. Neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Funkübertragungstechniken für drahtlose Kommunikationssysteme zeigen vielversprechende Ergebnisse darin, dass die Verkehrskapazität drastisch erhöht werden kann genauso wie ein Anbieten einer erhöhten Flexibilität in Bezug auf ein gleichzeitiges Handhaben unterschiedlicher und fluktuierender Kapazitätsanforderung. Mehrere viel versprechende Techniken sind Multiple-Eingabe-Multiple-Ausgabe (MIMO), siehe zum Beispiel A. Goldsmith et al. „Capacity Limits of MIMO Channels", IEEE Journal on Selected Areas of Comm., VOL.21, NO. 5, Juni 2003 und auf kohärentem Kombinieren basierendes kooperatives Weiterleiten, siehe zum Beispiel Peter Larsson, „Large-Scale Cooperative Relaying Network with Optimal Coherent Combining under Aggregate Relay Power Constraints", in Proc. Of Future telecom Conference, Beijing, China, 9–10/12 2003. Im Vergleich zu gegenwärtig verwendeten Übertragungstechniken, wie z.B. TDMA, (wie in GSM verwendet) und WCDMA (wie in UMTS verwendet) stellt die oben veranschaulichte Technik eine weit bessere Verwendung des verfügbaren Funk-Frequenzspektrums dar. Als ein Beispiel der Fähigkeiten, jedoch ebenso der dargelegten Anforderungen durch die neuen Übertragungstechniken werden die drahtlosen MIMO-Systeme kurz mit Bezug auf 1 (Stand der Technik) beschrieben. Eine umfassende Beschreibung der grundlegenden Prinzipien als auch neueste Entwicklungen und Forschungsbereiche von MIMO sind in dem oben referenzierten Artikel von A. Goldsmith et al. zu finden.
Eine Funkverbindung in einem MIMO-System ist dadurch gekennzeichnet, dass das sendende Ende sowie das empfangende Ende mit mehrfachen Antennenelementen ausgerüstet ist, wie in 1 dargestellt. Die Idee hinter MIMO ist diejenige, dass die Signale auf den Sende-Antennen (Transmit – TX) an einem Ende und den Empfangsantennen (Receive – RX) an dem anderen Ende in einer derartigen Weise „kombiniert" werden, dass die Qualität (Bit-Fehlerrate, BER – bit-error rate) oder die Datenrate (bits/sec) der Kommunikation für jeden MIMO-Benutzer verbessert wird. Ein derartiger Vorteil kann verwendet werden, um sowohl die Qualität des Dienstes des Netzwerkes und die Umsätze des Betreibers bedeutend zu erhöhen. Eine Kernidee bei MIMO-Systemen ist Raum-Zeit-Signalverarbeiten, bei dem Zeit (die natürliche Dimension digitaler Kommunikationsdaten) mit der räumlichen Dimension ergänzt wird, die in der Verwendung vielfacher, räumlich verteilter Antennen innewohnt. Ein Schlüsselmerkmal von MIMO-Systemen ist die Fähigkeit, eine Mehrwege-Ausbreitung, traditionell als ein begrenzender Faktor bei einer drahtlosen Übertragung betrachtet, in einen Vorteil für den Benutzer zu wenden. MIMO nutzt effektiv einen Vorteil eines zufälligen Abklingens und wenn möglich eine Mehrwege-Verzögerungsspreizung zum Multiplizieren von Übertragungsdaten. Ebenso bieten Schemata, wie z.B. ein Übertragungs-Diversitäts-Schema mit reicher Rückkopplung (TDRF – Diversity scheme with rich feedback) und einer auf kohärentem Kombinieren basierte Kooperative eine drastische Erhöhung in einer Kapazität und/oder Qualität, wie beschrieben in: „Capacity achieving transmitter and receiver pairs for dispersive MISO channels" by KZangi und L.Krasny, IEEE Trans. Wireless Commun., Juli 2002 und in „Optimal and Reduced Complexity Receivers for MISO Antenna Systems" von L.Krasny, S.Grant und K.Molnar, Proceeding IEEE Globecom 2003. Die Aussicht bedeutender Verbesserungen bei einer drahtlosen Kommunikations-Leistungsfähigkeit nicht auf Kosten eines zusätzlichen Spektrums (lediglich Hardware und Komplexität werden hinzugefügt) hat natürlicher Weise eine breite Aufmerksamkeit angezogen.
Die übertragenden Prinzipien eines Multi-Antennen-Systems werden mit Bezug auf die schematische Darstellung aus 1 dargestellt. Eine komprimierte digitale Quelle in der Form eines binären Datenstroms 105 wird an einen sendenden Block 110 gespeist, der die Funktionen eines Fehlersteuerungs-Kodierens und (möglicher Weise vereinigt mit) eines Abbildens auf komplexe Modulationssymbole (quaternäres Phasenmodulieren (QPSK – quaternary phase-shift keying), M-QAM usw.) umfasst. Das letztere erzeugt mehrere, getrennte Symbolströme, die von unabhängig bis zu teilweise redundant bis zu voll redundant reichen. Jeder wird dann auf eine der vielfachen TX-Antennen 115 abgebildet. Ein Abbilden kann ein lineares, räumliches Gewichten der Antennenelemente oder ein lineares, Antennen-Raum-Zeit-Präkodieren umfassen. Nach einer Aufwärts-Frequenz-Umwandlung, Filtern und Verstärken werden die Signale in den drahtlosen Kanal eingekoppelt. N TX Antennen 115 werden verwendet und der sendende Block 110 kann typischer Weise Vorrichtungen für N gleichzeitige Übertragungen umfassen. An dem Empfänger werden die Signale vorzugsweise durch viele Antennen (M) 120 aufgefangen und eine Demodulation und rückabbildende Operationen werden in dem empfangenden Block 125 durchgeführt, um die Nachricht wieder aufzudecken. Der Level an Intelligenz, Komplexität und eines Priori-Kanal-Wissens, das beim Auswählen der kodierenden und Antennen abbildenden Algorithmen verwendet wird, variiert in großem Umfang in Abhängigkeit von der Anwendung. Dies bestimmt die Klasse und Leistungsfähigkeit der Multi-Antennenlösung, die implementiert ist.
Natürlich bieten die Multi-Antennensysteme eine Sende-Empfangs-Diversitäts-Gewinn an, die ähnlich zu existierenden Smart-Antennensystemen ist, aber können ebenso einen grundsätzlichen neuen Vorteil bei der Ausnutzung der Raum-Zeit anbieten. Dies kann erkannt werden, da die Multi-Antennensysteme Daten über einen Matrix-Kanal statt eines Vektor-Kanals übertragen. Das Signalmodell dieses Typs eines Multi-Antennensystems kann vereinfacht beschrieben werden als: r = Hs + n (1)wobei r der empfangene M×1-Signalvektor ist, s der übertragene N×1-Signalvektor und n ein Vektor zusätzlicher Rauschtherme ist, z.B. weißes Gauß-Rauschen und H die M×N-Kanalmatrix für die übertragenen Signale zwischen dem Sender und dem Empfänger ist.
Multiplexen alleine ist, wie zuvor erwähnt, nicht genug zum Erreichen der drastischen Erhöhung in einem Gewinn. Fortgeschrittene Kodieren/Dekodieren und abbildende Schemata, z.B. das Raum-Zeit-Kodieren sind entscheidend. Ein Wissen des Funkkanals wird bereits für das Dekodieren in heute existierenden drahtlosen Systemen benötigt, wie z.b. GSM und UMTS, und bei den Multi-Antennen ist dieses Wissen absolut entscheidend. In einigen der vielversprechendsten Implementationsvorschlägen für MIMO wird das Wissen des Kanals, das durch H dargestellt wird, nicht nur beim Dekodieren verwendet, das bei der Empfängerseite durchgeführt wird, sondern ebenso bei dem Kodieren auf der sendenden Seite, wie in D.Gesbert et al. „From Theory to practice: An Overview of MIMO Space-Time Coded Wireless Systems", IEEE Journal on Selected Areas of Comm., VOL.21, NO.3, April 2003 und in WIPO Veröffentlichungs-Nr. WO 03005606 beschrieben.
Das Wissen der Charakteristiken der Kanalmatrix H bei dem Sender kann verwendet werden, um ein Kodieren und Abbilden zu optimieren. Nicht nur MIMO-Systeme nutzen präzise Kanal-Zustandsinformation (CSI – channel state information) aus, sondern ebenso für TDRF und auf kohärentem Kombinieren basiertem kooperativem Weiterleiten, das inhärent ein CSI-Wissen zum Optimieren jeweiliger Kommunikations-Leistungsfähigkeit verwendet. Ein Vorwärtskanal kann typischer Weise entweder durch Sondieren des Kanals in der Vorwärtsrichtung mit einem Trainingssignal gekennzeichnet werden und dann eine Rückkopplung von den anderen Stationen empfangen, die über die Kanal-Charakteristiken informieren, oder durch Empfangen eines Trainingssignals von der anderen Station und ein Wissen einer Übertragungsleistung zu akquirieren. Die erste Alternative kann eine gute Schätzung der Kanal-Charakteristiken bereitstellen, aber bei der gleichen Zeit erfordert die Übertragung der Charakteristiken von H wertvolle Übertragungs-Ressourcen. Daher wird ein Kompromiss zwischen der Erhöhung in einem Gewinn und der Erhöhung in einem Steuerungs-Signalgeben über ein Nutzlast-Signalgeben typischerweise zum Beispiel beim Bestimmen einer geeigneten Aktualisierungs-Frequenz für die Charakteristiken von H berücksichtigt. Die letztere Alternative verwendet weniger Übertragungsressourcen, beruht jedoch auf der Annahme, dass der Kanal reziprok ist, z.b. dass eine Amplitude und Phase ungeachtet der Übertragungsrichtung identisch sind.
Dies ist zum Beispiel in einem TDD-Kanal (TDD – time division multiplexing) innerhalb der Kohärenzzeit des Kanals der Fall. Dies erweist sich insbesondere als wahr und von Interesse, wenn viele Antennen bei einer ersten Station verwendet werden und lediglich eine (oder weniger) Antennen bei der anderen Station verwendet werden, da ebenso die Anzahl an Trainings-Sequenzen vermindert werden kann. Dies ist ebenso von großem Interesse für auf kohärenten Kombinieren basierendem, kooperativem Weiterleiten, da eine potentiell große Anzahl an Relais (möglicher Weise mit einer oder wenigen Antennen ausgerüstet) ausgenutzt werden, während mit einem Benutzer mit lediglich einer oder wenigen Antennen kommuniziert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Reziprozitäts-Annahme, wie oben und den referenzierten Dokumenten erläutert, ist weitestgehend angenommen und wird verwendet, um effektiv den Kanal zu schätzen. Jedoch dürfte in realistischen Situationen, z.B. bei gegebenen nicht-perfekten Sender-Empfänger-Ketten, die Reziprozität nicht gelten. Daher gibt es einen offensichtlichen Bedarf zum Erreichen einer geeigneten Schätzung des Kanals, zum Beispiel gekennzeichnet durch die Kanalmatrix H, wobei die Schätzung die vollständige Sender-Luftschnittstelle-Empfänger-Kette kennzeichnet.
WO 99/57820 offenbart ein Verfahren eines Kalibrierens hauptsächlich der sendenden und empfangenden Teile einer Basisstation, um eine Reziprozität in der Uplink- und Downlink-Kommunikation zu erzielen. Ebenso kann die Elektronik in den sendenden und empfangenden Teilen einer Teilnehmereinheit beim Geben von Kalibrierungen von Basisstation-Teilnehmereinheit-Paaren berücksichtigt werden. Das Verfahren gemäß WO 99/57820 umfasst ein Übertragen eines Kalibrierungs-Bursts von einer Basisstation zu einer Teilnehmereinheit und von der Teilnehmereinheit zu der Basisstation, ein Bestimmen einer „Downlink-Signatur- Schätzung" und/oder „Downlink-Signatur-Schätzungen" basierend auf den Kalibrierungs-Burst(s) und ein Senden der „Downlink-Signatur-Schätzung" an die Basisstation, die die Signatur-Schätzung(en) verwendet, um ihre Sende-Empfangs-Kette zu kalibrieren, um Reziprozität zu erreichen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, Funkknoten, ein System und Programme bereitzustellen, die die Nachteile der früheren Techniken überwinden. Dies wird durch ein Verfahren wie in Anspruch 1 definiert, ein System wie in Anspruch 21 definiert, den Funkknoten wie in Anspruch 22 definiert und das Programm-Produkt wie in Anspruch 18 definiert, erreicht.
Das Verfahren gemäß der Erfindung stellt ein Verfahren eines Kalibrierens zumindest eines ersten Funkknotens in einem drahtlosen Kommunikations-Netzwerk bereit. Das Kommunikations-Netzwerk umfasst zumindest einen ersten Funkknoten und einen zweiten Funkknoten, die angeordnet sein können, in Funkkommunikation zueinander zu sein. Das Kalibrierungsverfahren basiert darauf, dass zumindest eine Darstellung von Funkkanal-Charakteristiken von einem Funkknoten zu dem anderen ausgetauscht wurde.
Eine Ausführung der Erfindung umfasst die Schritte:

– Übertragen von Kanal-Schätzungssymbolen oder Piloten von zumindest dem zweiten Funkknoten zu dem ersten Funkknoten über einen Funkkanal;
– Berechnen zumindest einer Darstellung der Funkkanal-Charakteristik in zumindest dem zweiten Funkknoten;
– Austauschen von zumindest einer Darstellung der Funkkanal-Charakteristiken von einem der Funkknoten zu dem anderen der Funkknoten;
– Kompensieren von Funkübertragungen von dem ersten Funkknoten mit zumindest einem Korrekturfaktor, der zumindest teilweise auf der ausgetauschten Darstellung der Funkkanal-Charakteristik beruht.

Das Verfahren, das einer weiteren Ausführung entspricht, kann weiter einen Schritt umfassen, des:

– Schätzen von Übertragungsfehlern in dem zweiten Funkknoten basierend auf den empfangenen Pilotsignalen in der ersten und zweiten Form und Berechnen eines Korrekturvektors mit Korrekturtermen für eine jeweilige Antenne des ersten Funkknotens. Optional verwendet der erste Funkknoten dedizierte Piloten, die modifiziert wurden, um die Fehlerschätzung in dem zweiten Funkknoten zu ermöglichen.

Das Kommunikationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst zumindest einen ersten Funkknoten und einen zweiten Funkknoten, die in der Lage sind, Funksignale zu senden und zu empfangen und die ersten und zweiten Funkknoten angeordnet werden können, in Funkkommunikation zueinander zu sein. Der zumindest erste Funkknoten wird mit Hilfe des zweiten Funkknotens kalibriert, wobei der erste Funkknoten die Kalibrierung auf zumindest einer Darstellung einer Funkkanal-Charakteristik basiert, die von dem zweiten Funkknoten ausgetauscht wurde.
Der Funkknoten gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur drahtlosen Kommunikation in einem drahtlosen Netzwerk angepasst. Das Netzwerk umfasst zumindest einen zweiten Funkknoten und der erste Funkknoten und der zweite Funkknoten sind in der Lage, Funksignale zu senden und zu empfangen und können angeordnet sein, in Funkkommunikation zueinander zu sein. Der erste Funkknoten wird mit Hilfe des zweiten Funkknotens kalibriert, wobei der erste Funkknoten die Kalibrierung auf zumindest eine Darstellung einer Funkkanal- Charakteristik basiert, die von dem zweiten Funkknoten ausgetauscht wurde.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung umfasst der Funkknoten eine Kalibrierung initiierende Vorrichtung zum Identifizieren einer Notwendigkeit zum Kalibrieren des Funkknotens, eine Kanal schätzende Vorrichtung zum Erzeugen von Funkkanal-Schätzungen aus Funksignalen, die von dem ersten Funkknoten empfangen werden, und eine austauschende Vorrichtung zum Austauschen von Darstellungen der Funkkanal-Schätzungen oder der Korrekturterme/-Vektoren an andere Funkknoten. Die Kanal schätzende Vorrichtung und die austauschende Vorrichtung sind vorzugsweise in Kommunikation mit dem Empfänger und mit einer berechnenden Vorrichtung zum Berechnen eines Korrekturvektors/-Terms oder einer Darstellung von Funkkanal-Schätzungen basierend auf einer empfangenen Funkkanal-Schätzung, die von der austauschenden Vorrichtung bereitgestellt wird, und/oder der intern bestimmten Kanal-Schätzung, die von der Kanal schätzenden Vorrichtung bereitgestellt wird. Der Funkknoten umfasst weiter eine Pilot sendende Vorrichtung zum Steuern der Übertragung der Kanal-Schätzungssymbole, oder Piloten an andere Funkknoten und eine kompensierende Vorrichtung zum Kompensieren von Funkübertragungen von dem Funkknoten mit einem oder einem Satz an Korrekturfaktor(en). Die sendende Vorrichtung und die kompensierende Vorrichtung sind vorzugsweise in Kommunikation mit dem Sender, der ebenso in Kommunikation mit der austauschenden Vorrichtung ist. Die austauschende Vorrichtung ist weiter in Kommunikation mit der berechnenden Vorrichtung.
Aufgrund der Erfindung können Ungenauigkeiten und Unterschiede bei Sender-Empfangs-Ketten kompensiert werden, wodurch eine Reziprozität zwischen zwei Funkknoten erreicht wird. Die Kalibrierung kann ebenso in Kommunikation mit anderen Funkknoten verwendet werden und eine Reziprozität wird ebenso bei diesen Kommunikationen aufrechterhalten.
Ein Vorteil, der durch die vorliegende Erfindung geleistet wird, ist, da eine Reziprozität sichergestellt wird, dass Verfahren zum Optimieren eines Kodierens und Abbildens bei dem Sender verwendet werden können, der eine genaue Vorwärts-Kanal-Schätzung benötigt.
Die beschriebenen Verfahren weisen den zusätzlichen Vorteil auf, dass diese für eine relative Kalibrierung zwischen Stationen verwendet werden können, die nicht kommunizieren können oder nicht kommunizieren. Ein typisches Beispiel ist auf kohärentem Kombinieren basiertes kooperatives Weiterleiten.
Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Andere Ziele, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen betrachtet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun im Detail mit Bezug auf die Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei
1 eine schematische Ansicht eines Multi-Antennen-Systems ist (Stand der Technik);
2a eine schematische Ansicht von zwei Funkknoten gemäß der Erfindung ist, die sich an einer Kommunikation beteiligen und 2b eine schematische Darstellung von funktionalen Modulen ein einem Funkknoten gemäß der Erfindung ist;
3 ein Nachrichten-Sequenz-Diagramm ist, das das Verfahren der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ein Nachrichten-Sequenz-Diagramm ist, das das Verfahren gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ein Nachrichten-Sequenz-Diagramm ist, das das Verfahren gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ein Nachrichten-Sequenz-Diagramm ist, das das Verfahren gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ein Nachrichten-Sequenz-Diagramm ist, das das Verfahren gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt; und
8 eine schematische Ansicht eines drahtlosen Systems ist, wobei Einheiten das Kalibrierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden;
9 eine schematische Darstellung von Übertragungen zwischen zwei Einheiten ist, die das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Zwei Knoten in einem drahtlosen Kommunikations-Netzwerk, Station A210 und Station B220, die in gleichzeitiger Kommunikation miteinander sind, werden schematisch in 2 dargestellt. Station A210 umfasst einen Sender 212 und einen Empfänger 214. Station B220 umfasst einen Sender 222 und einen Empfänger 224. Der Empfänger 212 der Station A210 und der Empfänger 224 der Station B220 bilden eine erste Sender-Empfänger-Kette und der Sender 222 der Station B220 und der Empfänger 214 der Station A210 die zweite. Wie zuvor beschrieben, kann die Übertragung durch die Kanalmatrix H charakterisiert werden, jedoch wie hier in 2 gezeigt, degeneriert diese zu einem skalaren, Komplex bewertetem Kanal. Der End-zu-End-Kanal für eine Sender-Empfänger-Kette kann als aus im Wesentlichen drei Teilen bestehend beschrieben werden, die auf dem Sender, der Luftschnittstelle und dem Empfänger beruhen. Die Teile, die auf dem Sender und dem Empfänger beruhen werden als interne Kanäle bezeichnet. Dieser Ansatz berücksichtigt, dass das Signal nicht nur in der Luftschnittstelle beeinflusst wird, sondern ebenso in allen Teilen der Sender-Empfänger-Kette, wie zum Beispiel in dem Sender/Empfänger und den Antennen-Zuleitungen usw.. Der Kanal (in der Frequenzdomäne und daher im Allgemeinen eine Abhängigkeit in bezug auf die Frequenz) von einer Station A zu B, in dem in 2 abgebildeten Beispiel, kann beschrieben werden als: HA→B = HA,TX·HCH·HB,RX (2) und der Kanal von B zu A ist HB→A=HB,TX·HCH·HA,RX (3)wobei H_A,TX den Sender 212 einer Station A210 charakterisiert, H_B,TX den Sender 222 einer Station B220 charakterisiert, H_A,RX die Kanalmatrix ist, die den Empfänger 214 der Station A210 charakterisiert und H_B,RX den Empfänger 224 der Station B220 charakterisiert. H_CH charakterisiert den Funkausbreitungskanal. Die Begriffe, H_A,TX, H_B,TX, H_A,RX und H_B,RX die sich auf die Sender und Empfänger beziehen, sind nicht auf die Auswirkung auf das Signal innerhalb des eigentlichen Senders oder Empfängers begrenzt, sie sollten vorzugsweise eine Charakterisierung aller bedeutenden Kanalauswirkungen innerhalb der jeweiligen Station umfassen. Die Kanäle werden hier mit Matrizen charakterisiert, die von Bedeutung sind, falls irgendeine Art an MIMO-Kommunikation verwendet wird. Insbesondere werden die Sender-Empfänger-Ketten als Diagonal-Matrizen charakterisiert, wohingegen H_CH eine volle Matrix ist. Jedoch ist die Beobachtung, dass nicht nur die Luftschnittstelle, sondern ebenso die sendenden/empfangenden Teile sich auf den Kanal auswirken, ebenso in anderen Fällen gültig, wie zum Beispiel MISO-, SIMO- und SISO-Systemen, für die sich die Matrizen bei der Einzel-Antennenseite auf einen Skalar reduzieren. Es ist eine fundamentale Eigenschaft eines isotropischen Mediums, wie zum Beispiel dem Funkkanal, dass dieses Reziprozität aufweist, die sich darin widerspiegelt, dass H_CH das Gleiche in beiden Richtungen ist. Da jedoch aufgrund der unvermeidbaren Unterschiede in den Komponenten weder angenommen werden kann, dass H_A,TX gleich H_B,TX ist, noch angenommen werden kann, dass H_A,RX gleich H_B,RX ist, kann nicht angenommen werden, dass der Kanal von Station A210 zu Station B220, H_A→B gleich zu dem Kanal von Station B220 zu Station A, H_B→Α ist. Mit anderen Worten ist H_A→B ≠ H_B→Α im Allgemeinen gültig und die Kanäle sind nicht reziprok. Selbst falls die Ausrüstung zu einer Zeit kalibriert wird, so dass die internen Kanäle H_A,TX = H_B,TX und H_A,RX = H_B,RX bei dieser Zeit sind, veranlasst eine Drift aufgrund von zum Beispiel Temperatur, Feuchtigkeit, Alterung von Komponenten, die Kanäle nicht reziprok zu werden.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine externe Kalibrierung der Sender und möglicherweise ebenso der Empfänger eingeführt. Dies ist möglich, da die Sender- und Empfänger-internen Kanäle, H_A,TX, H_B,TX, H_A,RX und H_B,RX langfristig stationär sind und Änderungen primär aufgrund einer Temperaturdrift, Feuchtigkeit usw. stattfinden. Diese Änderungen treten typischer Weise auf Zeitskalen wie zum Beispiel Stunden, Tagen oder am schnellsten Minuten auf und können zum Beispiel als sehr langsam im Vergleich zu anderen Charakteristik-Zeitskalen in dem System angesehen werden, wie zum Beispiel Änderungen in der Luftschnittstelle, Leistungsteuerungs-Änderungen und eine Kommunikationsgeschwindigkeit. Die Kalibrierung gemäß der Erfindung kann auf einer regulären Basis oder als eine Antwort von einem Signal von einer Steuerungseinheit stattfinden, auf zum Beispiel eine detektierte Verminderung in der Kommunikations-Leistungsfähigkeit (wie z.B. einem Durchsatz) oder eine Detektion durch eine andere Vorrichtung hin. Die Kommunikation zwischen den Kalibrierungs-Instanzen wird lediglich in dem Sinne beeinflusst, dass die Kalibrierungs-Faktoren in jeder Übertragung umfasst sind.
Der in bezug auf 2a beschriebene Funkknoten 210 ist gemäß der vorliegenden Erfindung angepasst, das Verfahren gemäß der Erfindung zu verwenden. Ein Funkknoten, der in der Lage ist, kalibriert zu werden und bei der Kalibrierung eines anderen Knotens teilzunehmen, was eine bevorzugte Ausführungsform ist, ist schematisch in 2b abgebildet. Die unten beschriebenen Module sollten typischer Weise als Software-definierte, funktionale Module in den digital verarbeitenden Teilen des Funkknotens betrachtet werden, z.B. nicht notwendigerweise physikalische Einheiten. Der Funkknoten umfasst vorzugsweise ein Kalibrierung initiierendes Modul 222 zum Identifizieren einer Notwendigkeit zum Kalibrieren des Funkknotens, ein Kanal schätzendes Modul 224 zum Erzeugen von Funkkanal-Schätzungen aus Funksignalen, die von dem ersten Funkknoten empfangen werden, und ein austauschendes Modul 232 zum Austauschen von Darstellungen der Funkkanal-Schätzungen oder der Korrekturterme/-Vektoren mit anderen Funkknoten. Das Kanal schätzende Modul 224 und das austauschende Modul 232 sind vorzugsweise in Kommunikation mit dem Empfänger 214 und mit einem berechnenden Modul 226 zum Berechnen eines Korrekturvektors/-Terms einer Darstellung von Funkkanal-Schätzungen basierend auf einer empfangenen Funkkanal-Schätzung, die von dem austauschenden Modul 232 bereitgestellt wird oder der intern bestimmten Kanal-Schätzung, die von dem Kanal schätzenden Modul 224 bereitgestellt wird. Der Funkknoten umfasst weiter ein Pilot übertragendes Modul 228 zum Übertragen von Kanal-Schätzungssymbolen oder Piloten an andere Funkknoten und ein kompensierendes Modul 234 zum Kompensieren von Funkübertragungen von dem Funkknoten mit einem oder einem Satz von Korrektur-Faktor(en). Das sendende Modul 228 und das kompensierende Modul 234 sind vorzugsweise in Kommunikation mit dem Sender 212, der ebenso in Kommunikation mit dem austauschenden Modul 232 ist. Das kompensierende Modul 234 ist weiter in Kommunikation mit dem berechnenden Modul 226. Die Funktionalität, die durch die oben beschriebenen Module bereitgestellt wird, kann durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Implementierungen erreicht werden, von denen die obige ein nicht begrenzendes Beispiel ist.
Die Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein Verfahren einer externen Kalibrierung einer Station anbietet, werden in bezug auf das Nachrichten-Sequenz-Diagramm aus 3 und die schematische Darstellung aus 2a und 2b beschrieben. In dem in 2 dargestellten beispielhaften System ist lediglich ein Sender und ein Empfänger in jeder Station bereitgestellt. Das Ergebnis der Schritte ist eine Kalibrierung des Senders der Station A. Dies ist ein nicht begrenzendes Beispiel und das erfinderische Verfahren ist nicht auf diesen Fall beschränkt, im Gegensatz ist es in Multi-Antennensystemen, wie in dem Hintergrundabschnitt hervorgehoben, von sehr großer Wichtigkeit, in der Lage zu sein, die reziproke Annahme zu verwenden und das Verfahren ist leicht ausdehnbar auf derartige Systeme. Das Verfahren der Kalibrierung umfasst die Schritte:
300: Initiiere den Kalibrierungsprozess.
Der Kalibrierungsprozess kann in vorbestimmten Zeitintervallen initiiert werden, wobei ein geeignetes, vorbestimmtes Zeitintervall basierend auf Erfahrung und Annahmen von z.B. einem Klima eingestellt werden kann. Alternativ kann der Kalibrierungsprozess auf Anfrage von z.B. einer System steuernden Einheit initiiert werden, die ein gewisses Maß einer Kommunikationsverschlechterung von einem oder mehreren Knoten aufgezeichnet hat, z.B. eine hohe durchschnittliche BER oder eine Änderung in einer durchschnittlichen BER. Die Kalibrierung kann ebenso basierend auf klimatischen Veränderungen ausgelöst werden, wie zum Beispiel einer Umgebungstemperatur oder Temperaturänderungen einer Kommunikationsausrüstung. Darüber hinaus weist der Sender ebenso Wissen über einen Übertragungsverlauf (Zeit und Dauer einer Übertragung), die verwendete Übertragungsleistung sowie eine potentielle, zukünftige Übertragung auf und kann diese verwenden, um irgendeine Kalibrierung auszulösen. Weiter können Kalibrierungsfehler (wie z.B. Phasenabweichungen) bei dem Empfänger für jede Sendeantenne detektiert werden und wenn diese eine vorbestimmte Abweichungsschwelle überschreiten, wird ein Kalibrierungsereignis realisiert. Die Notwendigkeit einer Kalibrierung wird typischer Weise in dem Kalibrierung initiierenden Modul 222 des Funkknotens erkannt, kann jedoch extern von dem Funkknoten detektiert werden und der Funkknoten kann durch eine geeignete Vorrichtung von einer benötigten Kalibrierung informiert werden.
305: Übertragungskanal-Schätzungssymbole, P.
Kanal-Schätzungssymbole, z.b. die sowohl dem Sender als auch dem Empfänger bekannt sind, z.b. in Form eines Pilot-Signals, werden von Station B220 zu Station A210 übertragen und/oder von Station A210 zu Station B220. Viele Systeme weisen einen existierenden, gemeinsamen Pilotkanal auf, der für den Kalibrierungszweck verwendet werden kann. Ein Pilot sendendes Modul 228 steuert die Übertragung des Piloten.
310: Kanal-Schätzung.
Berechne eine Kanal-Schätzung Ĥ aus dem Ergebnis der Übertragung von P, wobei eine Kanalschätzung Ĥ die vollständige Sender-Luftschnittstelle-Empfänger-Kette umfasst. Die Kanalschätzung Ĥ_A→B für ein Signal von Station A210 zu Station B220 und/oder die Kanal-Schätzung Ĥ_B→A von Station B220 zu Station A210 können vorzugsweise berechnet werden. Das Kanal schätzende Modul 224 des Funkknotens führt die Schätzungen durch.
315: Austauschinformation zwischen Stationen.
Die Stationen tauschen Information aus, die aus den Kanal-Schätzung(en) Ĥ_A→B und/oder Ĥ_B→A extrahiert wird, um eine Berechnung eines Korrekturfaktors zu ermöglichen, der für die Übertragung von Station A verwendet wird. Vorzugsweise sendet die empfangende Station (Station B220) eine Darstellung der Kanal-Schätzung Ĥ_A→B an Station A210 oder alternativ sendet Station B220 eine Darstellung eines Korrekturfaktors. Die Darstellungen werden vorzugsweise in einer kompakten Form gesendet, um nicht mehr Übertragungs-Ressourcen zu verbrauchen als notwendig. Das austauschende Modul 232 erstellt und steuert den Austausch von Information, die sich auf die Funkkanäle zwischen unterschiedlichen Knoten bezieht.
320: Berechne Kanal-Korrekturfaktor.
Ein Kanal-Korrekturfaktor, der die ausgetauschte Information auf Kanal-Schätzungen berücksichtigt, wird in einem berechnenden Modul 226 berechnet.
325: Kompensiere Übertragung mit einem Kanal-Korrekturfaktor.
Station A210 kompensiert jede Übertragung an B mit dem gegebenen Kanal-Korrekturfaktor, wodurch ein effektiver Kanal bei H (eff) / A→B gegeben wird. Da die Kanal-Reziprozität H(eff)A→B = HB→Α bei der kompensierten Übertragung gilt, kann eine Station A210 nun auf Piloten (Kanal-Schätzungssymbole) von B für die Schätzung von H_B→A messen, die benötigt wird, um z.b. ein Kodieren und Abbilden zu verbessern. Der Kanal-Korrekturfaktor wird zumindest verwendet, bis ein neuer Kalibrierungsprozess initiiert wird. Die Kompensation kann als eine Justierung des Senders 212 angesehen werden, die von dem kompensierenden Modul 234 gesteuert wird.
Der Kalibrierungsprozess wurde mit einer Kalibrierung des Senders in Station A erläutert, um reziproke Bedingungen für die Kommunikation zu und von Station B zu ergeben. Natürlich kann der Kalibrierungsprozess verwendet werden, um Station B zu kalibrieren. Der oben beschriebene Kalibrierungsprozess kann auf Multi-Antennensysteme (Multi-TX und/oder -RX) ausgedehnt werden. Dies wird weiter in der unten stehenden Beschreibung von unterschiedlichen Ausführungen der Erfindung erläutert. Es wurde weiter angenommen, dass nichtlineare Charakteristiken aufgrund einer nicht linearen Leistungsverstärker-Operation vernachlässigt werden können.
Der oben beschriebene Kalibrierungsprozess kann leicht an unterschiedliche Implementierungen von drahtlosen Netzwerken angepasst werden. Solche Anpassungen werden mit unterschiedlichen Ausführungen der Erfindung erläutert.
In einer ersten Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, die in bezug auf 4 beschrieben wird, werden Kanal-Schätzungssymbole sowohl von Station A210 an Station B220 als auch von Station B zu Station A gesendet. Daher können Schätzungen in beiden Richtungen Ĥ_A→B und Ĥ_B→A erzeugt werden (entsprechend zu Schritt 310).
Nach der Kanal-Schätzung tauschen die Stationen ihre Kanal-Schätzungsdaten aus, z.B. Station B sendet Ĥ_A→B an Station A (Schritt 315). Basierend auf Ĥ_B→A, das bereits bei Station A verfügbar ist, und dem empfangenen Ĥ_A→B kann ein Kanal-Korrekturfaktor bestimmt werden (Schritt 320), gemäß zu:
Ein Signal S, das von A nach B zu übertragen ist, wird mit H_Corr vormultipliziert, was in dem empfangenen Signal resultiert (Schritt 325): R = HA→Β·HCorr·S + N, (5)wobei N das Empfängerrauschen ist. Es wird erkannt, dass der effektive Kanal in den reversen Kanal geändert wird, gemäß zu:
Da jedoch, H(eff)A→B = HB→A, die Kanäle nun reziprok sind, ist es möglich, die Schätzung des Kanals in Richtung B nach A zu verwenden, um irgendeine Operation auf dem zu übertragenden Signal basierend auf H_B→A durchzuführen und es über den effektiven Kanal H (eff) / A→B von A nach B zu senden.
Die Ausführung der Erfindung umfasst vorzugsweise, wie in dem Nachrichten-Sequenz-Diagramm aus 4 dargestellt, die Schritte:
405 (Entsprechend zu Schritt 305): Übertragungskanal-Schätzungssymbole, P.
Pilotsignale werden von Station B220 zu Station A210 und von Station A210 zu Station B220 übertragen.
410 (310): Kanal-Schätzung.
Ĥ_A→B wird bei Station B220 berechnet und Ĥ_B→A wird bei Station A210 berechnet.
415 (315): Austauschinformation zwischen Stationen.
Station B220 sendet eine Darstellung der Kanal-Schätzung Ĥ_A→B an Station A210, vorzugsweise in einer kompakten Form. Eine kompakte Darstellung kann verwendet werden, da die Haupt-Charakteristiken des Kanals bekannt sind, z.B. aus Ĥ_B→A, und lediglich ein Teil der Schätzung, z.B. bedeutende Abweichungen, müssen übertragen werden.
420 (320): Berechne Kanal-Korrekturfaktor.
Station A210 berechnet den Korrekturfaktor H_Corr gemäß Gleichung (4).
425 (325): Kompensiere Übertragung mit einem Kanal-Korrekturfaktor.
Station A210 kompensiert jede Übertragung an B mit dem Kanal-Korrekturfaktor H_Corr, der einen effektiven Kanal H (eff) / A→B ergibt, der wie in Gleichung (6) gezeigt eine Reziprozität sicherstellt.
Die Ausführung kann auf MIMO durch Durchführen des gleichen Verfahrens für alle Antennen-Element-Kombinationen ausgedehnt werden. Mit M TX- und N RX-Antennen ist die Gesamtanzahl von Kalibrierungen M mal N.
In einer zweiten Ausführung des Verfahrens der Erfindung, die in Bezug auf das Signal gebende Schema aus 5 beschrieben wird, werden Schätzungssymbole oder ein Pilot lediglich in einer Richtung übertragen. In dieser Ausführung führt Station 210 eine Leerlauf-Kanal-Schätzung durch Empfangen eines Trainingssymbols von Station B durch. Basierend auf dem geschätzten Kanal wird eine nachfolgende Übertragung von A nach B mit einem Inversen der Kanal-Schätzung vormultipliziert. Darauf basierend kann Station B einen Korrekturfaktor zurück zur Station A melden. Der Korrekturfaktur bis zur nächsten Kalibrierungs-Instanz wird für jede Übertragung verwendet. Dies ist im Wesentlichen ein so genanntes Null erzwingendes Schema, das darin resultiert, dass eine proportional größere Leistung zu Frequenzen (unter einer Annahme eines Frequenz-selektiven Kanals und z.b. OFDM) mit hoher Abschwächung zugewiesen wird. Möglicherweise könnte man ein Verwenden hoher Abschwächungsfrequenzen vermeiden.
Der zurückgeführte Korrekturfaktor kann vorzugsweise in der Form eines komplexen Polynoms niedriger Ordnung (möglicherweise mit Exponential-Funktionen für irgendwelche Verzögerungen) sein und daher werden lediglich einige wenige Wichtungsfaktoren zurückgesendet. Eine Verzögerung, ein Phasen- und Amplitudenunterschied sind im Allgemeinen in einer Größe klein und sich wohl-verhaltende Funktionen, es ist daher im Allgemeinen ausreichend, ein Polynom niedriger Ordnung zu verwenden. Andere Methoden einer Komprimierung des Korrekturfaktors können, wie von dem auf dem Gebiet tätigen Fachmann erkannt, ebenso verwendet werden.
Als eine Alternative werden die Übertragungen von A nach B mit dem Komplex-konjugierten von Ĥ_B-→A vormultipliziert. Diese Alternative erfährt nicht das Problem mit hohen Abschwächungssequenzen wie beim Null erzwingenden Verfahren. Der Empfänger, z.B. Station B, muss jedoch berücksichtigen, dass abgesehen von den zu kalibrierenden Phasen- und Amplitudenfehlern, das empfangene Signal mit |H_CH|² abgeschwächt ist, wenn der Korrekturfaktor bestimmt wird, der zurück zur Station A geführt wird. Jedoch ist das Wichtigste die Rückkopplung von den Phasenfehlern, da die Amplitudenverstärkung der Sender-Empfänger-Ketten im Allgemeinen nicht so sehr wie die Kanalverstärkung |H_CH| variiert.
Die zweite Ausführung der Erfindung umfasst vorzugsweise, wie in dem Nachrichten-Sequenz-Diagramm aus 5 dargestellt, die Schritte:
505 (entsprechend zu Schritt 305): Übertragungskanal-Schätzungssymbole, P.
Pilotsignale werden von Station B220 lediglich zu Station A210 übertragen.
510 (310): Kanal-Schätzung:
Ĥ_B→A wird bei Station A210 geschätzt.
511: Berechne vorläufigen Korrekturfaktor.
Ein vorläufiger Korrekturfaktor h_AB wird basierend auf Ĥ_B→A berechnet, vorzugsweise das Inverse der Kanal-Schätzung Ĥ –1 / B→A oder sein Komplex-konjugiertes Ĥ * / B→A.
512: Kompensiere Übertragungen.
Die Übertragungen von Station A zu Station B werden durch Multiplizieren des Signals mit dem vorläufigen Korrekturfaktor h_AB kompensiert.
513: Schätze Fehler.
Station B220 schätzt Phasen- und Amplitudenfehler in der Übertragung, die mit dem vorläufigen Korrekturfaktor kompensiert wird. Aus den Schätzungen berechnet Station B einen Korrekturterm h_Corr. Für das Ĥ –1 / B→A ist der Korrekturfaktor einfach ein komplex-konjugierter, effektiver Kanal, wenn Ĥ –1 / B→A mit H_A→B verknüpft wird. Für den Ĥ * / B→A Fall, kann das komplex-konjugierte des Phasenfehlers zum Beispiel zurück signalisiert werden, infolgedessen unter der Annahme, dass unbedeutende Größenabweichungen aufgrund der Sender-Empfänger-Ketten auftreten.
515 (315): Austausch von Information zwischen Stationen.
Station B220 sendet den Korrekturterm h_Corr an Station A210, vorzugsweise in einer kompakten Form.
520 (320): Berechne einen Kanal-Korrekturfaktor.
Station A210 berechnet einen endgültigen Korrekturfaktor H_Corr basierend auf den vorläufigen Korrekturfaktor h_AB und dem Korrekturterm h_Corr.
525 (325): Kompensiere Übertragung mit einem Kanal-Korrekturfaktor.
Station A210 kompensiert jede Übertragung zu B mit dem endgültigen Kanal-Korrekturfaktor H_Corr, was einen effektiven Kanal ergibt, der Reziprozität sicherstellt.
In einer dritten Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf das Signal gebende Schema aus 6 beschrieben wird, werden bestimmte Schätzungssymbole (oder ein Pilotkanal) zusätzlich zu dem existierenden, gemeinsamen Pilotkanal verwendet, um einen Korrekturvektor zu schätzen.
Zum Beispiel in einem MIMO-Szenario, in dem Station A n_A Antennen aufweist und Station B n_B Antennen aufweist, können die Frequenzantworten der Empfänger-Ketten durch Diagonalmatrizen mit Elementen entsprechend der Antwort zwischen dem Basisband-Prozessor und einer bestimmten Antenne ausgedrückt werden. Zum Beispiel ist H_A,TX eine n_A mal n_A-Diagonalmatrix und die Antwort des Kanals ist nun eine n_B mal n_A-Matrix, wie durch Station B gesehen.
Folgend dem Beispiel einer kalibrierenden Station A durch Station B, können die Kanäle von Station A zu Station B ähnlich zu den ersten zwei Ausführungen von Station B durch ein bekanntes Signal (einen Frequenz-Domänen-Spaltenvektor einer Dimension n_A) geschätzt werden, das im Allgemeinen als der gemeinsame Pilotkanal bezeichnet wird und hier durch P_c bezeichnet wird. Das bei Station B empfangene Signal entsprechend diesem Pilot wird gegeben durch. Rd = HB,RX·HCH·HA,TX·Pc, (7)und aus diesem kann die effektive Kanalantwort ĤA→B = HB,RxHCHHA,TX geschätzt werden. Station A kann ähnlich HTB→A = HB,TXHTCH HA,RX ableiten. Diese überträgt dann von jeder Antenne ein vormultipliziertes, bestimmtes Pilotsignal, das gesamt durch einen Spalten-Vektor bezeichnet wird, Ps·H*B→A ·1nB, (8)wobei P_s eine n_A × n_A Diagonalmatrix ist, die n_A einzelne Pilotsignale mit guten Auto- und Kreuz-Korrelationseigenschaften enthält und 1_nB ein Einheits-Spaltenvektor der Dimension n_B ist. Das empfangene Signal entsprechend diesem bestimmten Pilotsignal ist dann gegeben durch Rs·HB,Rx·HCH·HA,TX·Ps·HHA,RX ·HHCH ·HHB,TX ·1nB, (9)
Zur Einfachheit kann man annehmen, dass n_B = 1 (die zwei Stationen stimmen darin überein, lediglich eine Antenne in B zu verwenden, um A zu kalibrieren), dann kann das empfangene Signal in der obigen Gleichung geschrieben werden als
Da die Frequenzantwort der Empfänger-Kette lediglich eine Verzögerung, Phasendrehung und vielleicht eine kleine Amplitudenvariation enthält, weisen H_B,RX und H_A,TX in Gleichung (7) beide die Einheitsamplitude auf. Daher ist |H_CH| = |H_A→B| aus dem gemeinsamen Pilotsignal P_c bekannt und der Korrekturterm HA,TX(j, j)·HHA,RX (j, j) für jede Antenne in Station A kann durch Korrelieren des empfangenen Signals R_s mit dem entsprechenden Pilotsignal P_s(j, j) geschätzt werden. Nach Empfangen dieser Korrekturinformation von Station B kann Station A dann die Sende- und Empfangsketten derart justieren, dass HA,TX(j, j)·HHA,RX (j, j) für alle j gleich ist. Dies stellt sicher, dass die Kanäle zwischen den Antennen bei Station B und dem Basisbandprozessor in Station A reziprok sind. Bemerke, dass die Antworten von den Sende-Empfängern in Station B für den Zweck eines kohärenten Addierens der ankommenden Signale bei den Antennen irrelevant sind, da diese geschätzt werden können und vor einer Demodulation entfernt werden können.
Die dritte Ausführung der Erfindung umfasst vorzugsweise, wie in dem Nachrichten-Sequenz-Diagramm aus 6 dargestellt, die Schritte:
605 (entsprechend zu Schritt 305): Übertragungskanal-Schätzungssymbole, P.
Bekannte Kanal-Schätzungssymbole, vorzugsweise der existierende gemeinsame Pilotkanal P_c, werden von Station B220 zu Station A210 übertragen und von Station A210 zu Station B220.
610 (310): Kanalschätzung.
Ĥ_B→A wird gemäß dem Obigen bei Station A210 geschätzt und Ĥ_A→B bei Station B220.
611: Sende bestimmten Pilotkanal P_s.
Station A sendet von jeder Antenne ein vormultipliziertes bestimmtes Pilotsignal Ps·H*B→A ·1nB.
612: Schätze Fehler.
Station B220 schätzt eine Verzögerung, Phasen- und Amplitudenfehler für jede der Antennen der Station A, basierend auf dem empfangenen P_c und Ps·H*B→A ·1nB. Ein Korrekturvektor mit Korrekturtermen für jede Antenne wird in Station A berechnet.
615 (315): Austauschinformation zwischen Stationen.
Station B220 sendet den Korrekturvektor an Station A210.
620 (320): Berechne Kanal-Korrekturfaktor.
Station A210 berechnet Kanal-Korrekturfaktoren für jede Antenne.
625 (325): Kompensiere Übertragung mit einem Kanal-Korrekturfaktor.
Station A210 kompensiert jede Übertragung zu B mit den Kanal-Korrekturfaktoren, die Reziprozität sicherstellen.
Eine vierte Ausführung der Erfindung, die in Bezug auf das Signal gebende Schema aus 7 beschrieben wird, betrifft die Fälle des auf SVD (Singular Value Decomposition – Einzelwertzerlegung) basierendem MIMO oder TDRF, und verwendet einen dedizierten Pilotkanal in Kombination mit dem existierenden gemeinsamen Pilotkanal. Die Übertragungsseite (z.B. Station A210) führt ein Kanal anpassendes Vorfiltern durch, so dass sich die Signale kohärent addieren, wenn sie bei den Antennen der Empfangsseite (Station B220) ankommen. Das empfangene Signal bei Station B ist gegeben durch HA→B·H*B→A ·S, wobei S ein Spaltenvektor einer Dimension n_B ist, der die Datensymbole umfasst. Die vorfilternde Funktion ist das Komplex-konjugierte des Kanals von Station B zu A und kann durch den gemeinsamen Pilotkanal geschätzt werden, der von Station B gesendet wird.
Im Allgemeinen werden bekannte Symbole mit Datensymbolen derart multiplext, dass die effektive Kanalantwort für eine kohärente Demodulation geschätzt werden kann. Diese bekannten Symbole werden manchmal als dedizierter Pilotkanal bezeichnet und hier durch P_d bezeichnet. In Kombination mit dem gemeinsamen Pilotkanal P_c, wird der dedizierte Pilotkanal verwendet, um den Korrekturvektor abzuleiten, wie unten gezeigt wird.
Bei Station B ist das empfangene Signal entsprechend dem dedizierten Pilotkanal gegeben durch Rs = HA→B·H*B→A ·Pd. (11)
Da H_A→B von dem gemeinsamen Pilot P_c bekannt ist, kann H * / B→A aus R_s geschätzt werden. Daher sind HA→B = HB,Rx·HCH·HA,TX H*B→A = HHA,RX ·HHCH ·HHB,TX (12)beide einer Station B bekannt und der Korrekturvektor kann erzeugt werden und wie in den vorherigen Ausführungen zurück zu Station A zurückgemeldet werden.
Die vierte Ausführung der Erfindung umfasst vorzugsweise, wie in dem Nachrichten-Frequenz-Diagramm aus 7 dargestellt, die Schritte:
705 (entsprechend zu Schritt 305): Übertragungskanal-Schätzungssymbole, P.
Bekannte Kanal-Schätzungssymbole, vorzugsweise der existierende gemeinsame Pilotkanal, P_c werden von Station B220 zu Station A210 und von Station A210 zu Station B220 übertragen.
710 (310): Kanalschätzung.
H_B→A wird bei Station A210 geschätzt und H_A→B wird bei Station B220 aus dem Pilotkanal geschätzt.
711: Berechne Vorfilter.
Station A210 berechnet einen Vorfilter H * / B→A.
712: Übertrage dedizierten Pilotkanal P_d.
Station A überträgt einen dedizierten Pilotkanal P_d, der mit H * / B→A multipliziert ist, der bei Station B als Rs = HA→B·H*B→A ·Pd empfangen wird.
713: Schätze Korrekturvektor.
H * / B→A und H_A→B sind nun von Station B220 bekannt und werden verwendet, um einen Korrekturvektor zu schätzen.
715 (315): Austauschinformation zwischen Stationen.
Station B220 sendet den Korrekturvektor an Station A210.
720 (320): Berechne Kanal-Korrekturfaktor.
Station A210 berechnet Kanal-Korrekturfaktoren für jede Antenne.
725 (325): Kompensiere Übertragung mit einem Kanal-Korrekturfaktor.
Station A210 kompensiert jede Übertragung zu B mit den Kanal-Korrekturfaktoren, die Reziprozität sicherstellen.
Das Kalibrierungsverfahren gemäß der Erfindung kann, wie in den unterschiedlichen Ausführungen angezeigt, in unterschiedlichen drahtlosen Systemen wie auch zwischen unterschiedlichen Einheiten (Knoten) in den Systemen verwendet werden. 8 stellt unterschiedliche Beispiele von Knoten dar, zwischen denen eine Kalibrierung stattfinden kann. Das beispielhafte Netzwerk 800 umfasst eine Vielzahl von Basisstationen 805 (sowohl Mehrfach-Antenne als auch Einfach-Antenne), Weiterleitungsstationen 810 und mobile Stationen 815. Eine Kalibrierung kann zwischen zwei Relais-Stationen 810 (angezeigt durch Pfeil 820) stattfinden, zwischen zwei Basisstationen 805 (Pfeil 825), zwischen einer Relais-Station 810 und einer mobilen Station 815 (Pfeil 830), zwischen einer Basisstation 805 und einer mobilen Station 815 (Pfeil 835) und zwischen einer Basisstation 805 und einer Relais-Station 810 (Pfeil 840). Eine andere Kombination von Funk basierenden Knoten zum Zwecke einer Kalibrierung gemäß der Erfindung ist ebenso möglich. Darüber hinaus können einige Stationen mit vielen Antennen ausgerüstet sein, wohingegen andere lediglich einzelne Antennen aufweisen. Das Verfahren sollte gemäß der spezifischen Antennenkonfiguration durchgeführt werden. Eine Auswahl, welcher Knoten zu kalibrieren ist, kann durch Auswahlregeln bestimmt werden, die in dem System umfasst sind, z.B. basierend auf einer Verbindungsqualität, Wissen einer Kalibrierungsgenauigkeit, die von einigen Stationen angeboten wird (diese kann sich zum Beispiel zwischen festen Stationen und mobilen Stationen unterscheiden), einer Anzahl von Antennen, usw..
Es sollte betont werden, dass, obwohl die Kalibrierung zwischen einigen Paaren der Stationen stattfinden kann, die kalibrierten Einheiten nachfolgend mit anderen Stationen kommunizieren können. Zum Beispiel können beim auf kohärentem Kombinieren basierten kooperativem Weiterleiten Relaisstationen eine Kalibrierung mit einer nahegelegenen Basisstation durchführen und später wird während einem Übermitteln von Weiterleitungssignalen, die auf einer Verbindung empfangen werden (z.B. von einer Basisstation), zu einer zweiten Verbindung (z.B. mit einer empfangenden mobilen Station) die Kompensation gemäß der Erfindung und eine Phasenkompensation angewendet, die aus Kanal-Schätzungen (siehe [ref]) abgeleitet wird, die es über unterschiedliche Relais weitergeleiteten Signalen ermöglicht, kohärent bei der empfangenden Einheit kombiniert zu werden.
Eine mögliche Implementierung des Kalibrierungs-Verfahren gemäß der Erfindung wird in 9 dargestellt, wobei sich das System in einem TDD-Modus befindet. Das oben beschriebene Kalibrierungs-Verfahren kann vorzugsweise von zwei Stationen ausgeführt werden, die gegenseitigen Sende-/Empfangs-Zeitschlitzen zugewiesen sind. In einem zellularen System bedeutet dies zwischen einer Basisstation und einem Benutzer-Endgerät. Jedoch kann eine Kalibrierung, wie zuvor erläutert, ebenso zwischen Knoten stattfinden, die den gleichen Sende-/Empfangs-Zeitschlitzen zugewiesen sind, z.b. zwischen zwei Basisstationen. 9 stellt ein Beispiel eines Kalibrierungs-Verfahren in einem TDD-System zwischen zwei Basisstationen dar. Um die andauernde Operation nicht zu unterbrechen, sollte keine Station in einem Zeitschlitz senden, der ursprünglich zum Empfangen zugeordnet ist. Daher kann eine Basisstation in einem Empfangsmodus während einem Schlitz umschalten, der ursprünglich für eine Übertragung geplant war und die Pilotkanäle von anderen Basisstationen messen.
In 9 sind die Übertragungen zwischen Station A und Station B dargestellt, wobei:

a) in einem ersten Sendezeitschlitz TX₁ Station B ein Pilot P_c überträgt, der von der Station A empfangen wird, die zu dem Empfangsmodus umgeschaltet hat. Station A schätzt H_B→A.
b) Bei einem zweiten Übertragungsschlitz TX₂ überträgt Station A einen Pilot P_c, P_d oder P_s, der von der Station B empfangen wird, die zu dem Empfangsmodus geschaltet hat. Station B schätzt H_A→B und möglicherweise H_B→A und bestimmt eine Darstellung von H_A→B oder einem Korrekturvektor/-Term.
c) In einem dritten Zeitschlitz TX₃ sendet Station B in einem regulären Übertragungsmodus den Korrekturvektor an Station A, die zu dem Empfangsmodus umgeschaltet hat. Station A justiert die Sende-/Empfänger entsprechend.

Die Kalibrierungs-Übertragung braucht nicht in benachbarten TX-Schlitzen aufzutreten und ein Kalibrierungsprozess kann zusätzliche Übertragungen umfassen, die nicht in 9 abgebildet sind.
Unter Verwendung des Verfahrens der Kalibrierung gemäß der Erfindung ist es möglich, Übertragungen derart zu kompensieren, dass die Kommunikationskanäle zwischen zwei Funkknoten in einem drahtlosen Netzwerk reziprok sind. Die dargestellten Ausführungen bieten Verfahren eines Durchführens des Kalibrierungsprozesses in sehr effizienten Weisen an, die sicherstellen, dass wertvolle Funk-Ressourcen nicht auf unnötiges Signalgeben verschwendet werden. Die Reziprozität, die von dem erfindungsgemäßen Kalibrierungsprozess erreicht wird, macht es möglich, die Kapazitätsgewinne auszunutzen, die von Merkmalen, wie z.B. von einem Raum-Zeit-Kodieren, geleistet werden, die in den neu entwickelten Funk-Kommunikationssystemen verwendet werden, z.B. MIMO, TDRF und auf kohärentem Kombinieren basiertes kooperatives Weiterleiten.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise mittels eines Programm-Produktes oder Programm-Modul-Produkts implementiert, das die Softwarecode-Mittel zum Durchführen der Schritte des Verfahrens umfasst. Die Programm-Produkte werden vorzugsweise auf einer Vielzahl von Funkknoten innerhalb eines Netzwerkes ausgeführt. Das Programm wird verteilt und von einem Computer verwendbarem Medium geladen, wie zum Beispiel einer Floppy-Disc, einer CD oder über Luft übertragen oder von dem Internet herunter geladen.
Wie in den unterschiedlichen Ausführungen demonstriert und erläutert, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und Funkknoten bereit, die es ermöglichen, eine Kanal-Reziprozität dadurch zu verwenden, dass diese Ungenauigkeiten und Unterschiede in Sende-Empfangs-Ketten kompensieren.
Die beschriebenen Verfahren weisen den zusätzlichen Vorteil auf, dass diese für eine relative Kalibrierung zwischen Stationen verwendet werden können, die nicht kommunizieren können oder nicht kommunizieren. Ein typisches Beispiel ist auf kohärentem Kombinieren basiertes kooperatives Weiterleiten.
Während die Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde, was gegenwärtig als die praktischsten und bevorzugtesten Ausführungen erachtet wird, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungen begrenzt ist, sondern im Gegenteil beabsichtigt ist, unterschiedliche Modifikationen und äquivalente Anordnungen abzudecken, wie sie durch die angehängten Ansprüche definiert werden.

Claims

Verfahren des Kalibrierens eines sendenden Teils eines Knotens in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk, wobei das Kommunikationsnetzwerk zumindest einen ersten Funkknoten und einen zweiten Funkknoten umfasst, die angeordnet werden können, mit jedem anderen in Funkkommunikation zu sein und wobei zumindest ein Funkknoten Funksignale von vielfachen Antennen empfängt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Senden (605, 705) erster Pilot-Signale sowohl von dem ersten Funkknoten zu dem zweiten Funkknoten als auch von dem zweiten Funkknoten zu dem ersten Funkknoten; – Bestimmen (610, 710) in dem zweiten Funkknoten einer ersten Schätzung der Kanal-Charakteristiken von dem ersten Funkknoten zu dem zweiten Funkknoten und Bestimmen in dem ersten Funknoten einer zweiten Schätzung der Kanal-Charakteristiken von dem zweiten Funkknoten zu dem ersten Funknoten, wobei das Bestimmen auf den jeweiligen empfangenen ersten Pilotsignalen basiert; – Berechnen zumindest eines Kanal-Korrekturfaktors in dem ersten Funkknoten, basierend auf den ersten und zweiten Kanal-Schätzungen wobei das Kalibrierungsverfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist: – Senden (611, 711–712) eines modifizierten zweiten Pilot-Signals von dem ersten Funkknoten zu dem zweiten Funkknoten, wobei die Modifikation auf der zweiten Kanalschätzung basiert; – Schätzen (612, 613) von Sendefehlern in dem zweiten Funkknoten, wobei die Schätzung auf der ersten Kanal-Schätzung und dem empfangenen zweiten Pilot-Signal basiert und Berechnen eines Korrekturvektors mit Korrekturtermen für jede der vielfachen Antennen basierend auf den Sendefehlern; – Austauschen (615, 715) des Korrekturvektors von dem zweiten Funkknoten zu dem ersten Funkknoten; und darin, dass der Schritt eines Berechnens von Korrekturfaktoren (620, 720) ein Berechnen eines Korrekturfaktors für jede Antenne umfasst, wobei die Korrekturfaktoren zumindest teilweise auf den jeweiligen Korrekturtermen in dem Korrekturvektor basieren, wobei die Korrekturfaktoren zur Verwendung bei Übertragungen von dem ersten Funkknoten zu dem zweiten Funkknoten angepasst sind.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Kalibrierungsverfahren in vorbestimmten Zeitintervallen initiiert wird.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Kalibrierungsverfahren als eine Antwort eines Maßes an Kommunikationsqualität initiiert wird, die unter einer vorbestimmten Schwellwert liegt.
Kalibrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Modifikation des zweiten Pilot-Signals eine Multiplikation eines Pilot-Signals mit dem Komplex-Konjugierten der zweiten Kanal-Schätzung umfasst.
Kalibrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Korrekturvektor in Form einer kompakten Darstellung des Korrekturvektors ausgetauscht wird.
Kalibrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Funkknoten (A) mit n_A Antennen bereitgestellt ist und der zweite Funkknoten (B) mit n_B Antennen bereitgestellt ist und wobei zumindest der erste Funkknoten zumindest zwei Antennen aufweist, wobei – bei dem ersten sendenden Schritt (605) die ersten Pilotsignale P_C Spaltenvektoren sind; – bei dem bestimmenden Schritt (610) eine erste Schätzung Ĥ_A→B der Kanal-Charakteristiken von dem ersten Funkknoten zu dem zweiten Funkknoten in dem zweiten Funknoten berechnet wird und eine zweite Kanalschätzung Ĥ_B→A der Kanal-Charakteristiken von dem zweiten Funkknoten zu dem ersten Funkknoten in dem ersten Funkknoten berechnet wird; – bei dem zweiten sendenden Schritt (611) der zweite Pilot P_S vor-multipliziert wird, gemäß zu:
das an dem zweiten Funkknoten als R_S empfangen wird und wobei H * / B→A das Komplex-Konjugierte der zweiten Kanalschätzung ist, P_S eine n_A × n_A Diagonalmatrix ist, die n_A einzelne Pilot-Signale enthält und
ein Einheitsspaltenvektor der Dimension n_B ist; und – bei dem schätzenden Schritt (612) der Korrekturvektor basierend R_S und H_A→B berechnet wird und Fehlerkorrekturterme für jeden der Antennen des ersten Funkknotens umfasst, und – in dem Berechnungsschritt (620) Kanal-Korrekturfaktoren für jede Antenne basierend auf dem Korrekturvektor berechnet werden.
Kalibrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Funkknoten (A) mit n_A Antennen bereitgestellt ist und der zweite Funkknoten (B) mit n_B Antennen bereitgestellt ist und wobei zumindest der erste Funkknoten zumindest zwei Antennen aufweist, wobei die Funkkommunikation auf Einzelwert-Zerlegung (SVD – Singular Value Decomposition) basiert und – bei dem ersten sendenden Schritt (705) des ersten Pilot-Signals P_C Spaltenvektoren vorliegen – bei dem bestimmenden Schritt (610) eine erste Schätzung Ĥ_A→B der Kanal-Charakteristiken von dem ersten Funkknoten zu dem zweiten Funkknoten in dem zweiten Funkknoten berechnet wird, und eine zweite Kanalschätzung Ĥ_B→A der Kanal-Charakteristiken von dem zweiten Funkknoten zu dem ersten Funkknoten in dem ersten Funkknoten berechnet wird; – bei dem zweiten sendenden Schritt (611) der zweite Pilot P_D mit einem Vor-Filter H * / B→A vor-multipliziert wird, der das Komplex-Konjugierte der zweiten Kanalschätzung ist, das an dem zweiten Funkknoten empfangen wird als RS = HA→B·H*B→A ·PD;– bei dem schätzenden Schritt (713) Korrekturvektoren in dem zweiten Knoten berechnet werden und auf H * / B→A und H_A→B basien, wobei H_A→B aus dem ersten Pilot-Signal geschätzt wird und H * / B→A aus R_S geschätzt wird, und – bei dem Berechnungsschritt (720) Kanal-Korrekturfaktoren für jede Antenne basierend auf dem Korrekturvektor berechnet werden.
Kalibrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Korrekturvektor eine Darstellung von entweder Verzögerungsfehlern, Phasenfehlern oder Amplitudenfehlern oder eine Kombination von diesen Fehlern umfasst.
Kalibrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein erster Teil des Schritts des Sendens von Kanalschätzsymbolen in einem ersten Sendezeitschlitz TX₁ durchgeführt wird, wobei der zweite Funkknoten einen Pilot P_C sendet, der von dem ersten Funkknoten empfangen wird, der in einem Empfangsmodus ist; und ein zweiter Teil des Schritts des Sendens von Kanalschätzsymbolen in einem zweiten Sendezeitschlitz TX₂ durchgeführt wird, wobei der erste Funkknoten einen Pilot P_C, P_D oder P_S sendet, der von dem zweiten Funkknoten empfangen wird, der in einem Empfangsmodus ist.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Austauschens von Information zwischen den Funkknoten in einem dritten Sendezeitschlitz TX₃ durchgeführt wird, wobei der zweite Funkknoten in einem regulären Sendemodus ist und Information auf dem Funkanal zu dem ersten Funkknoten sendet, der in einem Empfangsmodus ist.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 10, wobei der erste Funkknoten den Funkkanal aus dem zweiten Funkkanal zu dem ersten Funkknoten H_B→A in dem ersten Sendezeitschlitz TX₁ schätzt.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der zweite Funkknoten den Funkkanal aus dem ersten Funkkanal zu dem zweiten Knoten H_A→B in dem zweiten Sendezeitschlitz TX₂ schätzt.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 12, wobei der zweite Funkknoten weiter einen Korrekturvektor oder einen Korrekturterm in dem zweiten Übertragungszeitschlitz TX₂ schätzt.
Kalibrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Schritt des Berechnens eines Korrekturfaktors oder -faktoren in dem ersten Funkknoten in dem dritten Zeitschlitz TX₃ durchgeführt wird.
Kommunikationssystem (800) zur drahtlosen Kommunikation, wobei das System zumindest einen ersten Funkknoten und einen zweiten Funkknoten umfasst, die angeordnet werden könnnen, in Funkkommunikation mit jedem anderen zu sein, wobei das Kommunikationssystem dadurch gekennzeichnet ist, dass der zumindest eine Funkknoten mit der Hilfe des zweiten Funkknotens durch Verwenden des Kalibrierungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 kalibriert wird.
Kommunikationssystem nach Anspruch 15, wobei der zumindest eine der Funkknoten des Systems eine Multiantennen-Konfiguration als angepasst für MIMO-basierte Kommunikation verwendet.
Funkkoten, angepasst zur drahtlosen Kommunikation in einem drahtlosen Netzwerk, wobei das Netzwerk zumindest einen weiteren Funkknoten umfasst, wobei der Funkknoten umfasst: – ein austauschendes Modul (232), das angepasst zum Empfangen zumindest einer ersten Funkkanalschätzung von dem zumindest weiteren Funkknoten ist; – ein Kanal schätzendes Modul (224), das angepasst zum Herstellen einer zweiten Funkkanalschätzung aus einem Funksignal ist, das von dem Funkknoten empfangen wurde; – ein berechnendes Modul (226), das angepasst zum Berechnen eines Korrekturvektors/-terms oder einer Darstellung einer Funkkanalschätzung basierend auf der empfangenen ersten Funkkanalschätzung und der zweiten Funkkanalschätzung ist; und – ein kompensierendes Modul (234) zum Kompensieren von Funkübertragungen von dem Funkknoten mit zumindest einem Korrekturfaktor, der zumindest teilweise auf der berechneten Kalibrierung basiert, und das gekennzeichnet ist, durch – ein Pilot sendendes Modul (228), das angepasst zum Steuern der Übertragung eines ersten Pilot-Signals und eines zweiten Pilotsignals ist, wobei das zweite Pilotsignal mit der zweiten Funkkanalschätzung modifiziert wird.
Funkknoten nach Anspruch 17, wobei der Funkknoten weiter Vorrichtungen zum initiieren eines Kalibrierungsprozesses umfasst, wobei die initiierenden Vorrichtungen angepasst sind, den Kalibrierungsprozess in vorbestimmten Zeitintervallen durchzuführen
Funkknoten nach Anspruch 17, wobei der Funkknoten weiter zum Initiieren eines Kalibrierungsprozesses umfasst, wobei die initiierenden Vorrichtungen angepasst sind, den Kalibrierungsprozess als eine Antwort eines Maßes der Kommunikationsqualität zu initiieren, die unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Funkknoten eine Multiantennen-Konfiguration verwendet.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei der Funkknoten eine mobile Station (815) ist.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei der Funkknoten eine Funkbasisstation (805) ist.
Funkknoten nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei der Funkknoten eine Vermittlungsstation ist.