DE602004012094T2

DE602004012094T2 - Verfahren und architektur für drahtlose kommunikationsnetze mit cooperativer weiterleitung

Info

Publication number: DE602004012094T2
Application number: DE602004012094T
Authority: DE
Inventors: Peter Larsson
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: AU2004244562A1; TWI342682B; RU2342800C2; PL1627511T3; TW200509713A; BRPI0410629A; ATE387787T1; US20050014464A1; CN1795651A; JP4564012B2; EP1627511A1; KR20060059884A; TW200507663A; HK1090763A1; JP2007500482A; PL1627510T3; EP1627510B1; HK1094632A1; US7933549B2; CA2522588C

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft durch Weiterleitungsstationen unterstützte drahtlose Kommunikation, um die Kommunikationsleistung zu verbessern. Insbesondere betrifft die Erfindung drahtlose Netzwerke, die kooperative Weiterleitung bzw. Weiterschaltung verwenden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Haupttriebkraft bei der Entwicklung von drahtlosen/zellularen Kommunikationsnetzwerken und -systemen besteht neben vielen anderen Aspekten darin, eine verbesserte Überdeckung oder eine Unterstützung höherer Datenraten oder eine Kombination aus beiden bereitzustellen. Gleichzeitig ist der Kostenaspekt des Aufbaus und der Verwaltung des Systems von großer Bedeutung, und es wird erwartet, daß er das in Zukunft noch mehr wird. Wenn Datenraten und/oder Kommunikationsentfernungen gesteigert werden, ist das Problem des erhöhten Batterieverbrauchs ein weiteres Gebiet von Belang.
Bis vor kurzem ist die Haupttopologie drahtloser Netzwerke, einschließlich der drei bestehenden Generationen von zellularen Netzwerken, ziemlich unverändert geblieben. Die Topologie ist durch die zellulare Architektur mit den festen Funkbasisstationen und den Mobilstationen als sendende und empfangende Instanzen in den Netzwerken charakterisiert, wobei eine Kommunikationsverbindung normalerweise nur diese beiden Instanzen einbezieht. Ein alternativer Ansatz für Netzwerke wird durch die bekannten Multihop-Netzwerke veranschaulicht, bei denen in einem drahtlosen Szenario eine Kommunikationsverbindung normalerweise eine Vielzahl von sendenden und empfangenden Instanzen in einer Weiterleitungskonfiguration einbezieht. Solche Systeme bieten Möglichkeiten für eine erheblich verringerte Funkfelddämpfung zwischen den kommunizierenden (Weiterleitungs-)Instanzen, was die Gesamtverbindungs-(ETE-)Teilnehmer begünstigen kann.
Neuerdings ist einem anderen Typ von Topologie Aufmerksamkeit geschenkt worden, der viele Merkmale und Vorteile mit den Multihop-Netzwerken gemeinsam hat, aber auf eine Weiterleitung mit nur zwei (oder wenigen) Sprüngen begrenzt ist. Im Gegensatz zu Multihop-Netzwerken nutzt die vorerwähnte Topologie Aspekte der Parallelisierung und übernimmt auch Prinzipien von fortgeschrittenen Antennensystemen. Diese Netzwerke, die den neuen Technologietyp nutzen, haben eine Kooperation zwischen mehreren Stationen als gemeinsamen Nenner. In jüngster Forschungsliteratur treten sie unter verschiedenen Namen auf, wie etwa kooperative Weiterleitung, kooperative Diversity, kooperatives Codieren, virtuelle Antennenanordnungen usw. In der vorliegenden Anmeldung sollen die Begriffe „kooperative Weiterleitung" und „kooperative Prinzipien/Verfahren" alle Systeme und Netzwerke, die eine Kooperation zwischen mehreren Stationen nutzen, bzw. die in diesen Systemen verwendeten Prinzipien/Verfahren umfassen. Ein umfassender Überblick über kooperative Kommunikationsprinzipien wird in [1] gegeben. Verschiedene Formate eines weitergeleiteten Signals können eingesetzt werden. Ein Signal kann decodiert, erneut moduliert und weitergegeben oder alternativ einfach verstärkt und weitergegeben werden. Ersteres ist als „Decodieren und Weitergeben" oder regenerative Weiterleitung bekannt, während Letzteres als „Verstärken und Weitergeben" oder nichtregenerative Weiterleitung bekannt ist. Sowohl die regenerative als auch die nichtregenerative Weiterleitung sind gut bekannt, zum Beispiel durch herkömmliche Multihopping- bzw. Zwischenverstärkerlösungen. Verschiedene Aspekte der beiden Ansätze werden in [2] angesprochen.
Die allgemeinen Vorteile kooperativer Weiterleitung bei drahtloser Kommunikation können folgendermaßen zusammengefaßt werden: höhere Datenraten, verringerter Ausfall (aufgrund verschiedener Formen von Diversity), erhöhte Batterielebensdauer und erweiterte Überdeckung (zum Beispiel für zellulare Netzwerke).
Verschiedene Prinzipien und Topologien, die kooperative Weiterleitung nutzen, sind vorgeschlagen worden, wie zum Beispiel als theoretische Modelle auf dem Gebiet der Informationstheorie, als Vorschläge für wirkliche Netzwerke und in wenigen Fällen als Labortestsysteme. Beispiele sind in [1], Seite 37–39, 41–44, zu finden. Die verschiedenen Kooperationsprinzipien können danach unterteilt werden, welche Instanzen Daten an wen zu versenden haben und wer kooperiert. In 1a–f (Stand der Technik) sind unterschiedliche Topologien schematisch dargestellt, wobei gezeigt wird, wo Verkehr erzeugt wird, wer der Empfänger ist und der Weg für Funkübertragungen.
Der klassische Weiterleitungskanal, der in 1a dargestellt ist, besteht aus einer Quelle, die mit einem Ziel unter Verwendung von Weiterleitungsstationen zu kommunizieren wünscht. Die Weiterleitungsstation empfängt das durch die Quelle über einen rauschbehafteten Kanal gesendete Signal, verarbeitet es und gibt es an das Ziel weiter. Das Ziel beobachtet eine Überlagerung der Quell- und der Weiterleitungsstationsübertragung. Die Weiterleitungsstation hat keinerlei Information zu senden; somit besteht das Ziel der Weiterleitung darin, die Gesamtrate des Informationsflusses von der Quelle zum Zielort zu maximieren. Der klassische Weiterleitungskanal ist in [1], [7] und [3] untersucht worden, wobei in letzterem Empfängerdiversity einbezogen wurde. Der klassische Weiterleitungskanal in seiner Drei-Stationen-Form nutzt überhaupt keine Mehrfach-Weiterleitungsstationen und stellt folglich nicht die oben dargelegten Vorteile bereit.
Ein aussichtsreicherer Ansatz, der parallele Weiterleitungskanal, ist schematisch in 1b dargestellt, wo in einem drahtlosen System, das Zwischenverstärker (wie etwa eine zellulare Basisstation mit unterstützenden Zwischenverstärkern) mit überlappender Überdeckung verwendet, ein Empfänger aus der Verwendung überlagerter Signale, die von mehreren Zwischenverstärkern empfangen werden, Nutzen ziehen kann. So etwas geschieht automatisch in Systemen, wo sich Zwischenverstärker nah beieinander befinden. In jüngster Zeit haben sich informationstheoretische Studien diesem Fall gewidmet. Ein Fall von besonderem Interesse wird durch Schein, [4] und [5], beschrieben. Schein hat eine informationstheoretische Studie an einem kooperationsorientierten Netzwerk mit vier Knoten, das heißt mit einem Sender, einem Empfänger und nur zwei dazwischenliegenden Weiterleitungsstationen, durchgeführt. Ein reellwertiger Kanal mit einer Ausbreitungsdämpfung gleich eins wird untersucht. Jede Weiterleitungsstation verwendet eine nichtregenerative Weiterleitung, das heißt reine Verstärkung. Dank der vereinfachenden Annahme einer reellwertigen Ausbreitungsdämpfung addieren sich die Signale an der Empfängerantenne kohärent. Unter den Randbedingungen für die Leistung der individuellen Weiterleitungsstationen gibt Schein auch an, daß Verstärkungsfaktoren so ausgewählt werden können, daß der Empfänger-SNR oder -Störabstand maximiert wird, obwohl er den expliziten Ausdruck für die Verstärkungsfaktoren nicht ableitet. Eine der Stationen sendet mit ihrer maximalen Leistung, während die andere mit einer anderen, aber geringeren Leistung sendet. Die Schwache von Scheins Prinzip besteht darin, daß es nur eine informationstheoretische Analyse ist, auf lediglich zwei Weiterleitungsstationen begrenzt ist, in einem reellwertigen Kanal mit Verstärkung eins abgeleitet ist (und somit grundlegende und realistische Ausbreitungsannahmen vernachlässigt) und der Mittel und Mechanismen ermangelt, um das Verfahren praktisch umsetzbar zu machen. Zum Beispiel werden Protokolle, Leistungssteuerungs- und RRM-Mechanismen, Fragen der Komplexität und des zusätzlichen Aufwands überhaupt nicht behandelt. Hinsichtlich dessen, daß nur zwei Weiterleitungsstationen behandelt werden, werden die wesentlich höheren Antennengewinne und die Diversityvorteile, die sich für eine größere Anzahl von Weiterleitungsstationen ergeben würden, weder bedacht noch ausgenutzt.
Das Konzept des Mehrfachzugriffskanals mit Weiterleitung (auch als Mehrfachzugriffskanäle mit verallgemeinerter Rückmeldung bekannt) ist in letzter Zeit durch mehrere Forscher untersucht worden und ist schematisch in 1c dargestellt. Das Konzept beinhaltet, daß zwei Teilnehmer kooperieren, das heißt, die Information austauschen, die jeder zu übertragen wünscht, und anschließend jeder Teilnehmer nicht nur seine eigene Information, sondern auch die Information des anderen Teilnehmen an einen Empfänger sendet. Der Vorteil dabei besteht darin, daß diese Kooperation Diversitygewinn bereitstellt. Es gibt im wesentlichen zwei Prinzipien, die untersucht worden sind: kooperative Diversity und codierte kooperative Diversity. Studien werden zum Beispiel in [1] erwähnt. Hinsichtlich der Diversity sind verschiedene Formen vorgeschlagen worden, wie etwa Alamouti-Diversity, Empfängerdiversity, auf kohärenter Kombination beruhende Diversity. Normalerweise beruhen die untersuchten Prinzipien und Topologien auf der Decodierung von Daten vor der Übertragung. Das bedeutet ferner, daß sich Stationen dicht beieinander befinden müssen, um zu kooperieren, und schließt deshalb Kooperation mit weiter entfernten Weiterleitungsstationen sowie die große Anzahl von potentiellen Weiterleitungsstationen, wenn eine große Gruppe gebildet werden könnte, aus. Ein zusätzlicher Nachteil dieser Prinzipien besteht darin, daß es ziemlich unwahrscheinlich ist, dicht beieinander gelegene und gleichzeitig sendende Stationen zu haben. Diese Nachteile deuten an, daß die untersuchte Topologie von geringerem praktischem Interesse ist. Der Rundsendekanal mit Weiterleitung, der in 1d dargestellt ist, ist im Wesentlichen die Umkehrung der in 1c dargestellten Topologie und teilt daher mit dieser die gleichen schweren Nachteile.
Eine weitere Erweiterung der in 1c dargestellten Topologie ist der sogenannte Störkanal mit Weiterleitung, der in 1e dargestellt ist, wo zwei Empfänger betrachtet werden. Das ist zum Beispiel in [8] und [1] untersucht worden, aber ohne Kooperation zwischen den Empfängern und somit ohne Ausnutzung der Möglichkeiten, die vielleicht durch eine kooperative Weiterleitung gewährt werden.
Eine weitere überlieferte Topologie, die in 1f schematisch dargestellt ist, wird manchmal als virtueller Antennenanordnungskanal bezeichnet und ist zum Beispiel in [9] beschrieben. In diesem Konzept wird eine (erhebliche) Bandbreitenerweiterung zwischen einer kommunizierenden Station und benachbarten Weiterleitungsknoten angenommen, und somit können nichtstörende Signale über orthogonale Ressourcen übertragen werden, was ermöglicht, daß Phasen- und Amplitudeninformation erhalten bleiben. Mit dieser Architektur wird MIMO-(Mehrfacheingang-Mehrfachausgang-)Kommunikation (aber auch andere Raum-Zeit-Codierverfahren) mit einem einzigen Antennenempfänger ermöglicht. Die Topologie kann gleichermaßen für die Übertragung verwendet werden. Eine allgemeine Annahme besteht darin, daß Weiterleitungsstationen dicht am Empfänger (oder Sender) liegen. Das begrenzt die Wahrscheinlichkeit, eine Weiterleitungsstation zu finden, sowie die Gesamtzahl der möglichen Weiterleitungsstationen, die verwendet werden können. Eine erhebliche praktische Einschränkung besteht darin, daß eine sehr große Bandbreitenerweiterung benötigt wird, um Signale über nichtstörende Kanäle zur Verarbeitung zum Empfänger weiterzuleiten.
Die kooperative Weiterleitung hat einige oberflächliche Ähnlichkeiten zum Sendediversity-Konzept (auch Sendediversity mit reicher Rückmeldung, TDRF, genannt), wie in [10] beschrieben und in 1g schematisch dargestellt. Wesentlich für das Konzept ist, daß ein Sender mit fest angeordneten Antennen, zum Beispiel an einer Basisstation in einem zellularen System, die Kanalparameter von jedem Antennenelement zur Empfängerantenne herausfindet (wobei Schwundeffekte und zufällige Phasenlage zugelassen sind) und diese Information verwendet, um zu gewährleisten, daß nach Wichtung und Phasenabgleich im Sender ein (rauschfreies) Signal gesendet und an der Empfängerantenne kohärent addiert wird, wodurch der Störabstand maximiert wird. Wenngleich die Sendediversity, mit einem perfekt bekannten Kanal und in einer festen Basisstation implementiert, wesentliche Leistungsfähigkeitsvorteile bereitstellt, bestehen auch praktische Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl der Antennenelemente, die in einer Vorrichtung oder an einem Antennenstandort implementiert werden können. Somit gibt es eine Grenze beim Grad der Steigerung der Leistungsfähigkeit, der erreicht werden kann. Ein Nachteil einer basisstationsorientierten Sendediversity ist außerdem, daß große Objekte zwischen Sender und Empfänger eine hohe Funkfelddämpfung nach sich ziehen.
US 2002039383 beschreibt Signalverarbeitungsroutinen, die in einer Weiterleitungsstation zur Verringerung der Störung durchzuführen sind. Die Weiterleitungsstation enthält ein digitales Filter, ein sogenanntes FIR-Filter, dessen Koeffizienten auf der Grundlage von Schätzungen des Mehrwegkanals zwischen dem Sender und dem Empfänger aktualisiert werden.
Ein erheblicher Nachteil des oben erläuterten Standes der Technik besteht darin, daß er nur wenige, normalerweise nur zwei, Stationen zur Kooperation befähigt und nutzt. Die in der Fachwelt vorgeschlagenen Topologien und Verfahren nutzen die erwarteten Vorteile eines Netzwerks mit kooperativer Weiterleitung, das eine größere Anzahl von Weiterleitungsstationen umfaßt, nicht vollständig aus. Insbesondere stellen die vorgeschlagenen Topologien und Verfahren nicht die notwendigen Mittel bereit, um die Netzwerke zu vergrößern. Ein Problem ist, daß der Steuerungsaufwand zwischen den beteiligten Stationen ein großes Problem werden kann, wenn viele Knoten einbezogen werden. Im schlimmsten Fall liegt beim Senden mehr Protokollaufwand als Datenverkehrsaufkommen vor. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Algorithmen und Verarbeitungsmittel nicht dafür ausgelegt sind, eine große Anzahl von Weiterleitungsknoten oder eine wachsende Anzahl von Weiterleitungsknoten zu verwalten, das heißt, daß die Skalierungsfragen in großen Netzwerken mit kooperativer Weiterleitung nicht richtig behandelt worden sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Offensichtlich werden ein(e) verbesserte(s) Verfahren, Topologie und System für ein Netzwerk mit kooperativer Weiterleitung benötigt, welche ausgebaut werden können, um realistische Verkehrsszenarios zu bewältigen, und welche die erwarteten Vorteile eines Netzwerks mit kooperativer Weiterleitung, das eine große Anzahl von Weiterleitungsstationen umfaßt, vollständig ausnutzen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren, ein System und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile der Methoden nach dem Stand der Technik überwinden. Das wird erreicht durch das Verfahren wie in Anspruch 1 definiert, das System wie in Anspruch 17 definiert, die Weiterleitungsstation wie in Anspruch 24 definiert, die Basisstation wie in Anspruch 26 definiert und die Mobilstation wie in Anspruch 27 definiert.
Das Problem wird durch eine Verteilung der Funktionalität zwischen den Weiterleitungsstationen, einem Sender (zum Beispiel Basisstation/Mobilstation) und einem Empfänger (zum Beispiel Mobilstation/Basisstation) gelöst.
In dem Verfahren zur Durchführung der Kommunikation in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk, das kooperative Weiterleitung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, sind ein Sender, ein Empfänger und mindestens eine Weiterleitungsstation an einer Kommunikationssitzung beteiligt. Die mindestens eine Weiterleitungsstation gibt Signale von der ersten Strecke zwischen dem Sender und der Weiterleitungsstation an die zweite Strecke zwischen den Weiterleitungsstationen und dem Empfänger weiter. Die Weiterleitungsstation gibt das Signal unter Verwendung eines relativen Übertragungsparameters und eines gemeinsamen Übertragungsparameters weiter. Der relative Übertragungsparameter wird lokal in jeder Weiterleitungsstation und auf der Grundlage einer Charakterisierung der ersten Strecke oder der zweiten Strecke oder einer Kombination der ersten und der zweiten Strecke bestimmt; und der gemeinsame Übertragungsparameter wird zentral bestimmt und an jede Weiterleitungsstation verteilt. Vorzugsweise wird der gemeinsame Übertragungsparameter zentral bestimmt, zum Beispiel im Empfänger, und an jede Weiterleitungsstation verteilt. Der gemeinsame Übertragungsparameter beruht zumindest teilweise auf einem Meßwert der Gesamtkommunikationsqualität zwischen dem Sender und dem Empfänger.
Das Verfahren kann zur Phasensteuerung, Leistungssteuerung oder Weiterleitungsstationsaktivierung oder für jegliche Kombination aus Phasensteuerung, Leistungssteuerung oder Weiterleitungsstationsaktivierung verwendet werden.
Das System, das zur Kommunikation in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk unter Verwendung kooperativer Weiterleitung gemäß der vorliegenden Erfindung eingerichtet ist, umfaßt einen Sender, einen Empfänger und mindestens eine Weiterleitungsstation, wobei die Weiterleitungsstation dafür eingerichtet ist, Signale von einer ersten Strecke zwischen dem Sender und der Weiterleitungsstation zu einer zweiten Strecke zwischen den Weiterleitungsstationen und dem Empfänger weiterzugeben. Das System weist eine logische Architektur auf, wobei:

– jede Weiterleitungsstation Mittel zur Durchführung einer Kanalcharakterisierung und Mittel zur Bestimmung von relativen Übertragungsparametern auf der Grundlage der Kanalcharakterisierung und Mittel zur Anpassung der Weitergabe auf der Grundlage eines relativen Übertragungsparameters und eines gemeinsamen Übertragungsparameters aufweist;
– der Empfänger Mittel zur Bestimmung eines gemeinsamen Übertragungsparameters und Mittel zum Rundsenden des gemeinsamen Übertragungsparameters an die Weiterleitungsstationen aufweist; und
– die logische Architektur eine erste Steuerschleife zwischen dem Empfänger und den Weiterleitungsstationen hat, die dafür eingerichtet ist, den gemeinsamen Parameter vom Empfänger an die Weiterleitungsstationen zurückzumelden.

Das System kann ferner eine zweite Steuerschleife zwischen dem Empfänger und dem Sender umfassen, die dafür eingerichtet ist, die Übertragungsparameter vom Empfänger an den Sender zurückzumelden.
Dank der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Netzwerk zu vergrößern (im Vergleich zu den Topologien nach dem Stand der Technik), um eine Vielzahl von Weiterleitungsstationen in eine Kommunikationssitzung zwischen einem Sender und einem Empfänger (wie etwa einer Basisstation und einer Mobilstation oder umgekehrt) einzubeziehen.
Ein durch die vorliegende Erfindung gebotener Vorteil besteht darin, daß der Umfang des Protokollaufwands, der für die Übertragung von Daten vom Sender zum Empfänger benötigt wird, nicht mit steigender Anzahl von Weiterleitungsstationen wächst, zumindest nicht wesentlich.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Verteilung der Funktionalität ermöglicht, die erwarteten Vorteile eines Netzwerks mit kooperativer Weiterleitung, das eine größere Anzahl von Weiterleitungsstationen umfaßt, vollständig zu nutzen. Wenn die Erfindung in einer Anordnung mit kohärenter Kombination verwendet wird, wachsen der Richtwirkungsgewinn und der Diversitygewinn mit wachsender Anzahl von Weiterleitungsstationen. Der Richtwirkungsgewinn selbst bietet einen wachsenden SNR, der zur Reichweitensteigerung und/oder zur Verbesserung der Datenrate verwendet werden kann. Der Diversitygewinn erhöht die Stabilität der Kommunikation, was für eine einheitlichere Kommunikationsqualität über die Zeit sorgt. Wenngleich Richtwirkungs- und Diversitygewinn auch durch verschiedene herkömmliche fortschrittliche Antennenlösungen bereitgestellt werden können, wo die Antennen entweder am Sender oder am Empfänger plaziert werden, ist die vorgeschlagene Lösung grundsätzlich nicht durch die physischen Platzbeschränkungen, wie sie in Basisstationen oder mobilen Endgeräten anzutreffen sind, begrenzt. Folglich gibt es natürlich ein Potential dafür, eine größere Anzahl von Weiterleitungsstationen als die Anzahl der Antennen an einer Basisstation oder einer Mobilstation zu verwenden, und somit bieten sich noch größere Richtwirkungs- und Diversitygewinne.
Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, daß, weil die Erfindung ermöglicht, eine Multihop-Methode zu verwenden, bestimmte der Methode innewohnende Vorteile genutzt werden können, zum Beispiel die Fähigkeit, abschattende Objekte zu „umgehen". Zum Beispiel liegt die Beugungsdämpfung, wenn ein Weg in zellularen Systemen über ein Gebäude nach unten zum Boden führt, oft in der Größenordnung von 30 dB. Mit einer oder mehreren Weiterleitungsstationen an geeigneten Stellen können solche hohen Funkfelddämpfungen vollständig gemildert werden.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen betrachtet wird.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die oben skizzierten Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in der ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen sich gleiche Bezugszeichen überall auf gleiche Elemente beziehen und wobei diese folgendes zeigen:
1a–g sind schematische Darstellungen der Topologien nach dem Stand der Technik, die kooperative Weiterleitung nutzen;
2 stellt ein zellulares System schematisch dar, das kooperative Weiterleitung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;
3 ist ein schematisches Modell, das verwendet wird, um die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Parameter und Begriffe zu beschreiben;
4 ist ein Ablaufplan des Verfahrens gemäß der Erfindung;
5 ist eine schematische Darstellung der logischen Architektur für das Netzwerk mit kooperativer Weiterleitung gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Signalisierungsschema einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein Ablaufplan einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die Weiterleitungsstationen mit mehreren Antennen verwendet;
9 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die direkte Übertragung zwischen dem Sender und dem Empfänger verwendet;
10 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften MAC mit auf kooperativer Weiterleitung beruhender kohärenter Kombination gemäß der Erfindung; und
11 stellt schematisch ein Beispiel eines Steuerungsnachrichtenformats dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Die drahtlose Netzwerkarchitektur oder Topologie gemäß der Erfindung ist in 2 dargestellt. Die Figur zeigt eine Zelle 205 des drahtlosen Netzwerks, die eine Basisstation 210 (BS), eine Vielzahl von. Weiterleitungsstationen 215 (RS) und eine Vielzahl von Mobilstationen (MS) 220–223 umfaßt.
Wie in der Figur gezeigt, sind die Weiterleitungsstationen 215 an Masten angebracht, können aber zum Beispiel auch an Gebäuden angebracht sein. Feste Weiterleitungsstationen können verwendet werden, wenn Sichtlinienbedingungen eingerichtet werden können; Richtantennen zur Basisstation können verwendet werden, um den SNR (Störabstand) oder die Störungsunterdrückung zu verbessern; und die Sendeleistung der festen Weiterleitungsstation muß nicht schwerwiegend eingeschränkt sein, da normalerweise das Stromversorgungsnetz genutzt werden kann. Jedoch können auch mobile Weiterleitungsstationen, wie etwa mobile Teilnehmerendgeräte, verwendet werden, entweder als Ergänzung zu festen Weiterleitungsstationen oder unabhängig. Die Mobilstationen 221 und 222 sind Beispiele für mobile Weiterleitungsstationen, das heißt Mobilstationen, die zeitweise auch als Weiterleitungsstationen funktionieren. Die Mobilstation 220 ist in einer aktiven Kommunikationsverbindung mit der Basisstation 210. Die Signalisierung, wie durch Pfeile angezeigt, verwendet im wesentlichen gleichzeitig eine Vielzahl von Pfaden, die durch zwei Sprünge gekennzeichnet sind, das heißt über eine Weiterleitungsstation 215 oder eine Mobilstation, die als mobile Weiterleitung 221, 222 fingiert. Die Übertragung unterliegt Störungen, zum Beispiel von angrenzenden Zellen, und die Auswirkungen der Störungen variieren über die unterschiedlichen Pfade.
Man beachte, daß, obwohl eine weiterleitungsunterstützte Kommunikationsverbindung verwendet wird, um die Kommunikation zu verbessern, weiterhin die direkte Kommunikationsverbindung von der BS zur MS verwendet werden kann. Tatsächlich kann eine gewisse Signalisierung mit niedriger Rate zwischen BS und MS erforderlich sein, um einen weiterleitungsunterstützten Kommunikationskanal aufzubauen. Zum Beispiel kann eine zellulare Systemfunktion, wie etwa der Rundruf, keine auf kohärenter Kombination beruhende Weiterleitung verwenden, da die Kanäle von der Weiterleitungsstation zur MS nicht a priori bekannt sind; stattdessen wird während des Verbindungsaufbaus und ähnlicher Prozeduren vorzugsweise eine direkte Kommunikationsverbindung von der BS zur MS verwendet.
Das in 2 skizzierte Netzwerk kann als Weiterentwicklung der vorher erläuterten „parallelen Weiterleitung" gesehen werden. Die notwendigen Mittel und Verfahren gemäß der Erfindung, die benötigt werden, um die vorher erwähnten theoretischen Ideen in ein realistisches drahtloses Netzwerk umzusetzen, werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
Das in 2 kurz beschriebene reale zellulare System ist gemäß dem in 3 gezeigten Systemmodell aufgebaut, hier mit dem Schwerpunkt auf einem einzelnen Paar aus Sender und Empfänger, mit einer beliebigen Zahl K von Weiterleitungsstationen. Die Notation ist zu einer Basisstation 210 als Sender 210' und einer Mobilstation 220 als Empfänger 220' modifiziert, aber nicht darauf begrenzt, zum Beispiel können in einem anderen Szenario der Sender und Empfänger die Mobilstation bzw. die Basisstation sein. Die Kommunikation zwischen dem Sender 210' und dem Empfänger 220' kann so beschrieben werden, daß sie zwei Hauptteile umfaßt: die Übertragungen vom Sender 210' zu den Weiterleitungsstationen 215:k, die als Strecke 1 bezeichnet werden, und die Übertragungen von den Weiterleitungsstationen 215:k zum Empfänger 220', die als Strecke 2 bezeichnet werden.
Der Sender 210' (BS 220) überträgt mit einer Leistung P_BS. Jede Weiterleitungsstation 215:k, wobei k ∊ {1, 2, ..., K} und K die Gesamtzahl der Weiterleitungsstationen ist, empfängt das Signal und überträgt es erneut mit einer Gesamtleistung P_k. Die gesammelte Sendeleistung aller Weiterleitungsstationen 215:k ist mit P_RS bezeichnet. h_1,k ist der komplexe Funkfeldgewinn von der Basisstation 210 zur Weiterleitungsstation k und h_2,k ist der komplexe Funkfeldgewinn von der Weiterleitungsstation k zur betreffenden Mobilstation, das heißt, h_1,k und h_2,k kennzeichnen die individuellen Signalpfade. Der Empfänger 220' (MS 220) empfängt ein Gesamtsignal, das mit C_r bezeichnet ist, und unterliegt dem Gesamtrauschen N_r.
Normalerweise ist in einem realistischen Szenarium eine BS in einer Zelle gleichzeitig mit der Kommunikation mit einer Vielzahl von Mobilstationen befaßt. Das kann man sich vorstellen, indem man jede Kommunikationsverbindung als gemäß 3 modelliert betrachtet. Der Deutlichkeit halber wird in der vorliegenden Anmeldung nur eine Kommunikationssitzung betrachtet, die eine BS, eine MS und eine Vielzahl von Weiterleitungsstationen einbezieht. Jedoch wird für den Fachmann ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Architektur und das Verfahren/Prinzip auch ohne weiteres in dem Fall mit einer Vielzahl von parallelen Kommunikationsverbindungen zwischen der Basisstation und den Mobilstationen angewendet werden können.
Wie der Fachmann verstehen wird, muß in einem Netzwerk gemäß dem obigen Modell eine große Anzahl von Parametern festgelegt und vorzugsweise optimiert werden, um die Möglichkeiten und die Kapazität, die durch ein solches Netzwerk geboten werden, vollständig zu nutzen. Wie vorher erläutert, gilt das auch dort, wo die Systeme nach dem Stand der Technik aufgrund ihrer vorausgesetzten Komplexität ihre Nachteile als Mehrfach-Weiterleitungssysteme offenbaren. Parameter, die berücksichtigt und vorzugsweise optimiert werden müssen, schließen folgendes ein, ohne darauf begrenzt zu sein: Sendeleistung der Basisstation 210 und jeder Weiterleitungsstation 215:k, welche Weiterleitungsstationen in der Kommunikationsverbindung verwendet werden sollten und, wenn kohärente Kombination zu verwenden ist, die Phasensteuerung. Die Parameter, die benötigt werden, um die Übertragung zu steuern und zu optimieren, werden als Übertragungsparameter (TP) bezeichnet. Die bevorzugte Optimierung schließt folgendes ein, ohne darauf begrenzt zu sein: Optimierung der Sendeleistungen der Basisstation 210 und der Weiterleitungsstationen 215:k, um einen spezifischen SNR an der empfangenen Mobilstation zu erlangen, der wiederum einer bestimmten Dienstgüte oder Kapazität entspricht, zum Beispiel hinsichtlich des Stromverbrauchs der unterschiedlichen Instanzen und des Störpegels in der Zelle und den angrenzenden Zellen zum Beispiel.
In der Architektur und dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Komplexität eines Netzwerks, das parallele Weiterleitung mit einer Vielzahl von Weiterleitungsstationen verwendet, durch eine Verteilung der Funktionen bezüglich der Schätzung der Funkkanäle und der Bestimmung und Optimierung der Übertragungsparameter bewältigt.
Im Verfahren zur Durchführung von Kommunikation in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk, das kooperative Weiterleitung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, sind der Sender 210', der Empfänger 220' und mindestens eine Weiterleitungsstation 215 an einer Kommunikationssitzung beteiligt. Die mindestens eine Weiterleitungsstation 215 gibt Signale von der ersten Strecke zwischen dem Sender 210' und der Weiterleitungsstation 215 zur zweiten Strecke zwischen den Weiterleitungsstationen 215 und dem Empfänger 220' weiter. Die Weiterleitungsstation 215 gibt das Signal unter Verwendung eines relativen Übertragungsparameters und optional eines gemeinsamen Übertragungsparameters weiter. Der relative Übertragungsparameter wird lokal in jeder Weiterleitungsstation 215 bestimmt und beruht auf einer Charakterisierung der ersten Strecke oder der zweiten Strecke oder einer Kombination aus der ersten und der zweiten Strecke. Vorzugsweise wird der gemeinsame Übertragungsparameter zentral bestimmt, zum Beispiel im Empfänger 220', und an jede Weiterleitungsstation 215 verteilt. Alternativ ist der gemeinsame Übertragungsparameter der Weiterleitungsstation a priori bekannt, zum Beispiel ein fester Parameter, der bei der Installierung gesetzt wurde, oder ein Parameter, der bei einer Art von Wartungsprozedur aktualisiert wird.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird mit Bezug auf den Ablaufplan von 4 und die in 5 dargestellte logische Architektur beschrieben. Das Verfahren zur Bestimmung und möglichen Optimierung der Übertragungsparameter umfaßt die folgenden Hauptschritte:
400: Pilotsignale auf den k Pfaden der Strecke 1 senden;
410: die k Funkpfade der Strecke 1 auf der Grundlage der auf Strecke 1 gesendeten und empfangenen Pilotsignale charakterisieren;
420: Pilotsignale auf den k Pfaden der Strecke 2 senden;
430: die k Funkpfade der Strecke 2 auf der Grundlage der auf Strecke 2 gesendeten und empfangenen Pilotsignale charakterisieren;
440: k relative Übertragungsparameter bestimmen, einen für jede Weiterleitungsstation, wobei der relative Parameter auf einer oder beiden Charakterisierungen der Funkpfade der Strecke 1 bzw. der Strecke 2 beruht. Alternativ, wenn mehr als ein Typ von Übertragungsparametern zur gleichen Zeit berücksichtigt wird, werden k Sätze von relativen Übertragungsparametern bestimmt, ein Satz für jede Weiterleitungsstation, wobei mindestens ein Parameter in einem Satz auf einer oder beiden Charakterisierungen der Funkpfade der Strecke 1 bzw. der Strecke 2 beruht;
450: optional einen gemeinsamen Übertragungsparameter oder einen Satz von gemeinsamen Übertragungsparametern bestimmen;
470: den relativen Übertragungsparameter und optional den gemeinsamen Übertragungsparameter für die Übertragungen auf Strecke 2 verwenden. Alternativ, den relativen Parameter in jedem Satz von relativen Übertragungsparametern und optional den entsprechenden gemeinsamen Parameter des Satzes von gemeinsamen Parametern für die Übertragungen auf Strecke 2 verwenden.
„Pilotsignale" und „Pilotsignale senden" sollte als Senden jedweder Art von Kanalschätzungssymbolen interpretiert werden. Für diesen Zweck können auch „Begrüßungsnachrichten" verwendet werden.
Man beachte, daß das Senden von Pilotsignalen nicht in der obigen Reihenfolge stattfinden muß und auch gleichzeitig auf Strecke 1 und 2 erfolgen kann.

Da es zwei Strecken gibt, Sender zu Weiterleitungsstation (erste Strecke) und Weiterleitungsstation zu Empfänger (zweite Strecke), bestehen vier Möglichkeiten, welche Station(en) übertragen und welche Station(en) den Kanal/die Kanäle schätzen. Die vier Möglichkeiten sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Der Zweck besteht darin, darzustellen, daß mehrere unterschiedliche Ansätze zur Implementierung der Erfindung verwendet werden können. TABELLE

Fall	Strecke 1		Strecke 2
Fall	Sender	Weiterleitungsstation	Weiterleitungsstation	Empfänger
1	Pilotsignal senden	Kanal schätzen	Kanal schätzen	Pilotsignal senden
2	Pilotsignal senden	Kanal schätzen	Pilotsignal senden	Kanal schätzen
3	Kanal schätzen	Pilotsignal senden	Kanal schätzen	Pilotsignal senden
4	Kanal schätzen	Pilotsignal senden	Pilotsignal senden	Kanal schätzen

Vorausgesetzt, daß in irgendeiner Station eine Kanalcharakterisierung durchgeführt worden ist, ist es auch von Belang, wer die Verarbeitung der gesammelten Information durchführt, das heißt, wer die relativen Übertragungsparameter bestimmt. Im wesentlichen gibt es drei Wahlmöglichkeiten, den Sender 210', den Empfänger 220' oder eine Menge von Weiterleitungsstationen RS 215. Da es die Weiterleitungsstationen sind, welche die Anpassungen der Übertragungen auf der Strecke 2 durchführen müssen, ist das der bevorzugte Ort, um die relativen Übertragungsparameter zu bestimmen. Wenn eine Weiterleitungsstation ein Pilotsignal sendet, muß eine Darstellung der Kanalcharakterisierung an die Weiterleitungsstation zurückgemeldet werden. Wenn eine Weiterleitungsstation stattdessen ein Pilotsignal empfängt, muß die Darstellung der Kanalcharakterisierung nirgendwohin gemeldet werden (entspricht Fall 1). Fall 1 ist in vielen Situationen die bevorzugte Alternative, da er den Signalisierungsaufwand minimiert. Jedoch gibt es viele Möglichkeiten, und die Erfindung ist nicht hierauf begrenzt.
Somit werden die relativen Übertragungsparameter vorzugsweise in jeder Weiterleitungsstation auf vollständig verteilte Art und Weise bestimmt. Aber jeder relative Übertragungsparameter muß möglicherweise an den gemeinsamen Übertragungsparameter angepaßt werden (Schritt 460). Ein bevorzugter Ort, wo der gemeinsame Übertragungsparameter bestimmt und von wo er auch verteilt werden kann, wie nachstehend erläutert wird, ist der Empfänger 220' (MS 220). Dies, die logische Architektur gemäß der Erfindung, ist schematisch in 5 dargestellt. Jede Weiterleitungsstation 215:k hat Mittel 216 zur Durchführung der Kanalcharakterisierung und Mittel 217 zur Bestimmung der relativen Übertragungsparameter auf der Grundlage der Kanalcharakterisierung (Schritte 410, 430 und 440) und Mittel 218 zur Verwendung der relativen Übertragungsparameter und des/der gemeinsamen Übertragungsparameter(s) bei der Weitergabe auf der zweiten Strecke. Der Empfänger 220' weist Mittel 221 zur Durchführung einer Schätzung der Gesamtkommunikationsqualität und Mittel 222 zur Bestimmung eines gemeinsamen Übertragungsparameters auf. Der gemeinsame Übertragungsparameter wird vom Empfänger 220' an die Weiterleitungsstationen 215:k verteilt, vorzugsweise als eine direkte Rundsendung an die Weiterleitungsstationen 215:k oder alternativ zum Beispiel über den Sender 210'. Die Weiterleitungsstationen 215:k empfangen den gemeinsamen Übertragungsparameter, und in Kombination mit ihren relativen Übertragungsparametern passen sie ihre Weitergabe des Signals von Strecke 1 (Schritt 460) auf der Strecke 2 an. Logisch kann das als eine Steuerschleife zwischen dem Empfänger 220' und den Weiterleitungsstationen 215:k beschrieben werden. Normalerweise besteht eine weitere Steuerschleife zwischen dem Empfänger 220' und dem Sender 210', welche die Übertragungsparameter des Senders, wie etwa Ausgangsleistung, Modulationsmodus usw., reguliert. Daher umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei logische Steuerschleifen: eine erste Steuerschleife 505 zwischen dem Empfänger 220' und den Weiterleitungsstationen 215:k, welche die Weiterleitungsstationen mit dem gemeinsamen Übertragungsparameter versorgt, und eine zweite Steuerschleife 510, die Übertragungsinformation vom Empfänger 220' an den Sender 210' zurückmeldet.
In Anbetracht der obigen Betrachtungen kann eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung, die durch das Signalisierungsschema von 6 dargestellt ist, die folgenden Schritte umfassen:
600: Pilotsignale auf den k Pfaden der Strecke 1 vom Sender 210' an die Weiterleitungsstationen 215:k senden;
610: Jede Weiterleitungsstation 215:k schätzt den k-ten Kanal der Strecke 1, h_1,k;
620: Pilotsignale auf den k Pfaden der Strecke 2 vom Empfänger 220' an die Weiterleitungsstationen 215:k senden;
630: Jede Weiterleitungsstation 215:k schätzt den k-ten Kanal der Strecke 2, h_2,k;
640: jede Weiterleitungsstation 215:k bestimmt einen relativen Übertragungsparameter oder einen Satz davon, wobei der relative Parameter auf einer oder beiden der Kanalschätzungen h_1,k, h_2,k beruht, die jeden Pfad charakterisieren.
650: Der Empfänger 220' bestimmt einen gemeinsamen Übertragungsparameter oder einen Satz von gemeinsamen Übertragungsparametern, zum Beispiel auf der Grundlage der durch den Empfänger wahrgenommenen Gesamtkommunikationsqualität. Die Bestimmung beruht normalerweise auf Meßwerten einer früheren Übertragung. Falls keine vorhanden sind, das heißt in einer Anfangsübertragung einer Kommunikationssitzung, können Vorgabe-Anfangswerte der gemeinsamen Übertragungsparameter verwendet werden, oder alternativ beruht die Bestimmung der gemeinsamen Übertragungsparameter auf anderer Information, zum Beispiel Positionierungsinformation.
660: Der Empfänger 220' sendet den/die gemeinsamen Übertragungsparameter an die Weiterleitungsstationen 215:k;
670: Jede Weiterleitungsstation 215:k verwendet ihren relativen Übertragungsparameter und den/die gemeinsamen Übertragungsparameter, um die nachfolgenden Übertragungen auf der Strecke 2 anzupassen;
675: Der Empfänger 220' meldet die Steuerungsinformation an den Sender 210' zurück.
Die Schritte 600–675 werden mindestens einmal für jede Sitzung durchgeführt und vorzugsweise häufiger, um sich an einen veränderlichen Kanal anzupassen. Die Schritte 600–675 können mit einer Häufigkeit von bis zu einmal in jedem Rahmen der Kommunikationssitzung zwischen der Basisstation 210 und der Mobilstation 220 durchgeführt werden.
Die Leistung, die in irgendeiner Anfangsübertragung von den Weiterleitungsstationen 215 zum Empfänger 220' verwendet wird, zum Beispiel eine Anfangsübertragung von Pilotsignalen in Schritt 620, sollte vorzugsweise begrenzt werden, zum Beispiel auf eine Leistung, die einen spezifischen SNR am Empfänger ergäbe, was dem Fall entspräche, daß nur die Weiterleitungsstationen senden.
Bei der Kommunikationsqualität, die durch den Empfänger 220' verwendet wird (Schritt 650), um die gemeinsamen Übertragungsparameter zu bestimmen, kann es sich zum Beispiel um Meßwerte von Signal, Rauschen, Bitfehlerrate und Paketfehlerrate handeln.
Die Verwendung der jeden Pfad charakterisierenden Kanalschätzwerte h_1,k, h_2,k, um die relativen Übertragungsparameter zu bestimmen, ist eine bevorzugte Wahl im Fall der kohärenten Kombination.
Alternativ können, wenn es hinsichtlich der verwendeten Übertragungs/Diversity-Methode, wie etwa Alamouti-Diversity, angemessener ist, andere Charakterisierungen der ersten und zweiten Strecke verwendet werden, zum Beispiel der Funkfeldgewinn.
Die Schritte 650–670, die sich auf den gemeinsamen Übertragungsparameter beziehen, entsprechen der ersten Steuerschleife und der Schritt 675 entspricht der zweiten Steuerschleife. Der Bedarf an Aktualisierungen der Übertragungsparameter hängt von Faktoren ab, die mit der Bewegung der Mobilstation 220 und mit der Häufigkeit von Veränderungen der Funkumgebung in Beziehung stehen, aber auch von der gewählten Übertragungsmethode. Zum Beispiel erfordert die kohärente Kombination normalerweise häufige komplexe Kanalaktualisierungen aufgrund der raschen Veränderungen der relativen Phasenlage. Verfahren zur Bereitstellung schneller und zuverlässiger Steuermechanismen sind in der Fachwelt bekannt, zum Beispiel die Leistungssteuerung in bestehenden drahtlosen Systemen, wie etwa WCDMA zum Beispiel.
Wie durch das Studium der oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verständlich wird, nimmt der Umfang des Protokollaufwandes, der für die Übertragung von Daten vom Sender zum Empfänger benötigt wird, nicht mit der wachsenden Zahl von Weiterleitungsstationen zu, zumindest nicht erheblich. Die Verteilung der Funktionalität und die effizienten Steuerschleifen ermöglichen es, das Netzwerk mit kooperativer Weiterleitung auszubauen, so daß es in einem realistischen Szenarium verwendet werden kann.
Die Verteilung der Funktionalität macht es möglich, die erwarteten Vorteile eines Netzwerks mit kooperativer Weiterleitung, das eine größere Anzahl von Weiterleitungsstationen umfaßt, vollständig zu nutzen. Wenn die Erfindung in einer Konfiguration mit kohärenter Kombination verwendet wird, nehmen der Richtwirkungsgewinn und der Diversitygewinn mit wachsender Anzahl von Weiterleitungsstationen zu. Der Richtwirkungsgewinn selbst bietet einen wachsenden SNR, der zur Reichweitensteigerung und/oder zur Verbesserung der Datenrate verwendet werden kann. Der Diversitygewinn erhöht die Stabilität der Kommunikation, was für eine einheitlichere Kommunikationsqualität über die Zeit sorgt. Wenngleich Richtwirkungs- und Diversitygewinn durch verschiedene herkömmliche fortschrittliche Antennenlösungen bereitgestellt werden können, wo die Antennen entweder am Sender oder am Empfänger plaziert werden, ist die vorgeschlagene Lösung grundsätzlich nicht durch die physischen Platzbeschränkungen, wie sie in Basisstationen oder mobilen Endgeräten anzutreffen sind, begrenzt. Folglich gibt es natürlich ein Potential dafür, eine größere Anzahl von Weiterleitungsstationen als die Anzahl der Antennen an einer Basisstation oder einer Mobilstation zu verwenden und somit noch größere Richtwirkungs- und Diversitygewinne zu bieten.
Ein Multihop-Methoden innewohnender Vorteil, der durch die vorliegende Erfindung nutzbar gemacht wird, ist die Fähigkeit, abschattende Objekte zu umgehen. Zum Beispiel liegt die Beugungsdämpfung, wenn ein Weg in zellularen Systemen über ein Gebäude nach unten zum Boden führt, oft in der Größenordnung von 30 dB.
Nachstehend werden unterschiedliche Ausführungsformen des Verfahrens und der Architektur der vorliegenden Erfindung beschrieben, die für die Steuerung und Optimierung der Sendeleistung, Phase und Weiterleitungsstationsaktivierung eingerichtet sind.
Um die oben beschriebene Verteilung der Funktionalität zwischen den Weiterleitungsstationen, der Basisstation und den Mobilstationen zu implementieren, wird ein Modell für das Zusammenwirken der relativen Übertragungsparameter und des gemeinsamen Übertragungsparameters benötigt. Ein analytischer Ansatz wird nachstehend skizziert, und die vollständige Analyse wird im Abschnitt „Ausführliche Ableitung" gegeben. Jede Weiterleitungsstation k überträgt mit einer Gesamtleistung, die folgendermaßen definiert ist:
wobei P_RS die gesammelte Sendeleistung aller Weiterleitungsstationen ist, α_k ein nicht normierter komplexer Verstärkungsfaktor für die Weiterleitungsstation k (1, 2, ..., K) ist und K die Gesamtzahl der Weiterleitungsstationen ist.
In „Ausführliche Ableitung" wird gezeigt, daß der maximale Empfänger-SNR erreicht wird (vorausgesetzt, das empfangene Signal einschließlich Rauschen wird in jeder Weiterleitung auf eine Einheitsleistung normiert), wenn:
und wenn arg{αk} = –arg{h1,k} – arg{h2,k} (3)wobei
und P_BS die Sendeleistung der Basisstation ist, σ² _RS,K das Rauschen plus Störpegel in jeder Weiterleitungsstation ist, σ² _MS das Rauschen plus Störpegel in der Mobilstation ist, h_1,k der komplexe Funkfeldgewinn von der Basisstation zur Weiterleitungsstation k ist und schließlich h_2,k der komplexe Funkfeldgewinn von der Weiterleitungsstation k zur Mobilstation ist.
Faßt man die oben angeführten Ausdrücke zusammen, kann gezeigt werden (siehe ausführliche Ableitung), daß eine Weiterleitungsstation k, die ein Signal y_k (einschließlich Rauschen) empfängt, das folgende Signal übertragen sollte:
Der Term Σ|α_k|² fungiert als Leistungsnormierungsfaktor, der mit φ bezeichnet werden kann, und es ist zu erkennen, daß er nicht durch jede Weiterleitungsstation individuell bestimmt werden kann. Stattdessen wird hier darauf hingewiesen, daß φ in irgendeiner anderen geeigneten Station bestimmt und an die Weiterleitungsstationen verteilt werden muß. 1/φ entspricht dem gemeinsamen Übertragungsparameter und
entspricht dem relativen
Übertragungsparameter für die Weiterleitungsstation k. Der maximal erreichbare Empfänger-SNR unter der Randbedingung der gesammelten Weiterleitungs-Sendeleistung kann folgendermaßen bestimmt werden:
Bei näherer Betrachtung ist zu erkennen, daß die SNR-Verteilung von jeder individuellen Weiterleitungsstation zu Γ_Eff ^(max) äquivalent zu derjenigen ist, wenn jede Weiterleitungsstation selbst mit der gesamten Weiterleitungs-Sendeleistung P_RS übertragen würde.
Außerdem werden in „Ableitung analytischer Ausdrücke" auch Ausdrücke für eine Kombination aus regenerativer und nichtregenerativer kohärenter Kombination vorgestellt. Beim Studium der regenerativen und nichtregenerativen kohärenten Kombination ist eine interessante Beobachtung, daß ein regenerativer Ansatz einem nichtregenerativen Fall grundsätzlich unterlegen ist, weil die regenerative Weiterleitung notgedrungen auf einen Bereich rings um den Sender beschränkt ist und nicht alle verfügbaren Weiterleitungsstationen auf optimale Weise ausnutzen kann. Mit anderen Worten, auch wenn ein Signal nicht decodiert werden kann, kann es noch immer einen Beitrag leisten, wenn die kohärente Kombination verwendet wird. In jedem Fall wird sich eine Kombination aus nichtregenerativem und regenerativem Prinzip etwas besser verhalten, als wenn nur das nichtregenerative Verfahren berücksichtigt wird. Die Mechanismen zur Leistungs- und Phasensteuerung, die nachfolgend besprochen werden, sind unabhängig und allgemeingültig dafür, ob auch regenerative Weiterleitung verwendet wird.
Phasensteuerung
Als erstes Implementierungsbeispiel werden die logische Architektur und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung für die Verwendung zur Ermöglichung kohärenter Kombination angepaßt. Eine Voraussetzung für kohärente Kombination ist, daß die Phasenlage von Signalen im Empfänger abgeglichen wird. Das wird durch Kompensation der komplexen Phase vom Sender 210' zur Weiterleitungsstation 215 sowie der komplexen Phase von der Weiterleitungsstation 215 zum Empfänger 220' ermöglicht. Praktisch wird in jeder Weiterleitungsstation das empfangene Signal y_k mit dem Phasenfaktor e^{–j·arg{αk}} multipliziert, wobei arg{α_k} = –arg{h_1,k} – arg{h_2,k}.
Deshalb muß in jeder individuellen Weiterleitungsstation eine explizite oder implizite Kanalphaseninformation verfügbar gemacht werden. Es gibt im wesentlichen zwei Grundprinzipien, die bei der Ableitung der Phaseninformation verwendet werden können, eines auf der Grundlage der Steuerung mit Rückführung und eines auf der Grundlage der rückführungslosen Steuerung. Die Steuerung mit Rückführung muß verwendet werden, wenn keine Kanalreziprozität ausgenutzt werden kann, wie etwa bei FDD (Frequenzduplexbetrieb) (über eine einzige Strecke verwendet), oder wenn eine hohe Steuerungsgenauigkeit erforderlich ist. Das Prinzip der rückführungslosen Steuerung hingegen nutzt Kanalreziprozität, die zum Beispiel durch TDD (Zeitduplexbetrieb) (über eine einzige Strecke verwendet) ermöglicht wird, mit einer Kanalsondierung, die innerhalb der Kanalkohärenzzeit erfolgt. Eine rückführungslose Steuerung ist im allgemeinen weniger genau als die Steuerung mit Rückführung, und zwar aufgrund von Asymmetrien in den Sende/Empfangsketten für eine Station. Die Unterschiede schrumpfen auf den Aufwand zusammen, der in die Hardwarekonstruktion gesteckt wird, und können immer durch eine verbesserte Konstruktion ausgeglichen werden. Außerdem kann die Einbeziehung gelegentlicher Steuerungszyklen mit Rückführung systematische Fehler der offenen Steuerschleife kompensieren. Jedoch kann in der vorliegenden Erfindung der Phasenfehler im Prinzip bis zu ±90 Grad betragen, und es ist immer noch eine kohärente Kombination (aber nicht sehr effizient) mit anderen weitergeleiteten Signalen möglich. Somit ist die absolute Phasengenauigkeit nicht zwingend, aber sicherlich bevorzugt. Ein Steuerungsprinzip mit Rückführung beruht im allgemeinen auf expliziter Signalisierung, welche die Ergebnisse von Messungen meldet, und verglichen mit einem rückführungslosen Prinzip benötigt es deshalb mehr Kommunikationsressourcen und bringt Latenz mit sich. Man beachte, daß diese Diskussion über TDD gegen FDD die Duplexmethode über eine einzige Strecke auf einmal betrachtet, zum Beispiel die Strecke von der Weiterleitungsstation zum Empfänger, während es auch möglich ist, die Gesamtkommunikation im Netzwerk auf der Grundlage von Zeit- und Frequenzmultiplex zu charakterisieren. Zum Beispiel können sich Strecke eins und Strecke zwei ein Frequenzband teilen oder unterschiedliche Bänder verwenden. Aus Sicht der Erfindung kann jedoch jede Kombination von Duplex- und Mehrfachzugriffsprinzipien verwendet werden, solange die Kanalphaseninformation bestimmt verwenden kann und zur Phasenkompensation in den Weiterleitungsstationen verwendet wird.
Eng verbunden mit der Steuerung mit und ohne Rückführung ist die Frage, welche Station die Pilotsignale sendet, was bereits mit Bezug auf Tabelle 1 erörtert worden ist. Da es die Weiterleitungsstationen sind, welche den Phasenabgleich durchführen müssen, ist das der natürliche Ort, um arg{α_k} zu bestimmen. Wenn eine Weiterleitungsstation ein Pilotsignal sendet, müssen die Phasen-(oder Kanal-)Parameter an die Weiterleitungsstation zurückgemeldet werden. Das entspricht dem Fall mit Rückführung. Wenn eine Weiterleitungsstation stattdessen ein Pilotsignal empfängt, muß der Phasen-(oder Kanal-)Parameter nicht irgendwohin gemeldet werden. Das entspricht dem Fall ohne Rückführung. Es ist klar, daß abhängig davon, ob die Phasen-(das heißt Kanal-)Information in einem Steuerpaket weggeschickt werden muß oder in der gleichen Station gehalten werden kann, dies einen Einfluß auf die Funkressourceneffizienz, den Stromverbrauch sowie die Komplexität der Implementierung hat. Wie aus dem Obigen ersichtlich, bestehen jedenfalls zahllose Möglichkeiten, und wir wählen die aussichtsreichste aus. Ferner wird eine bevorzugte Kombination aus Duplexbetrieb und Mehrfachzugriff besprochen. Wie der Fachmann jedoch anerkennen wird, existiert eine große Anzahl von Möglichkeiten, und die Erfindung ist nicht auf die nachstehend beispielhaft angeführten begrenzt.
Fall 1 (siehe Tabelle 1), der vom rückführungslosen Typ ist und für TDD mit „hinreichender" Kohärenzzeit geeignet ist, bietet die geringste Signalisierungskomplexität, da nur zwei Übertragungen notwendig sind und die Verarbeitung auf alle Weiterleitungsstationen verteilt ist. Hier geben der Sender sowie der vorgesehene Empfänger oft genug oder immer dann, wenn nötig, Kanalschätzungssymbole aus, so daß jede Weiterleitungsstation beide (komplexen) Kanäle ermitteln kann. Die Weiterleitungsstation schätzt nachfolgend die Kanalphasen ab, die den Phasenfaktor von α_k bestimmen.
Leistungssteuerung
Ein zweiter wichtiger Aspekt für ressourceneffiziente Kommunikation neben der Phasensteuerung ist die Leistungssteuerung, da sie Mittel bereitstellt, um eine zufriedenstellende Kommunikationsqualität zu gewährleisten. Die logische Architektur und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können ohne weiteres zur Verwendung für eine effektive Leistungssteuerung angepaßt werden. Das Leistungssteuerungsverfahren beruht darauf, daß der effektive SNR am Empfänger zu einem Soll-SNR Γ₀ gesteuert wird, der für die erwünschte Streckenqualität steht. Der Soll-SNR kann sich natürlich mit der Zeit ändern, abhängig davon, wie sich der Streckenmodus oder QoS-Anforderungen mit der Zeit ändern. Gemäß der logischen Architektur und dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Leistung am Sender und individuell an jeder Weiterleitungsstation nachgeregelt werden. Die Leistungssteuerung der Weiterleitungsstation hat sowohl eine gemeinsame als auch eine individuelle Weiterleitungskomponente. Das Ziel der Minimierung der Gesamtleistung geht das Problem der Minimierung der Mehrfachzugriffsstörung sowie der Minimierung des Stromverbrauchs der Weiterleitung an. Jedoch kann, wenn eine MS als Sender fungiert, die Leistungssteuerung auch als ein Verfahren zur erheblichen Verringerung des Stromverbrauchs und der ausgestrahlten Leistung für die MS verwendet werden, was, neben anderen Vorteilen, die Lebensdauer der Batterie der MS verlängert.
Auf höchster Ebene kamen das Leistungssteuerungsproblem folgendermaßen definiert werden: Finde{PBS, Pk}, ∀k ∊(1, 2, ..., K}, so daß ΓEff (max) = Γ0.
Das wird vorzugsweise unter bestimmten Randbedingungen bewältigt, wie etwa Minimierung von P_RS = ΣP_k bei fester P_BS, aber es können auch andere Randbedingungen betrachtet werden, zum Beispiel Minimierung der Gesamtsendeleistung P_RS + P_BS, oder indem die Eingrenzung der durch Weiterleitung hervorgerufenen Störungsentstehung berücksichtigt wird. Nachfolgend nehmen wir die Minimierung von P_RS = ΣP_k mit fester (oder relativ langsamer Anpassung von) P_BS an. Das ist ein vernünftiges Entwurfsziel in der Abwärtsstrecke, aber für die Aufwärtsstrecke kann es von größerem Interesse sein, die Senderleistung zu minimieren. Jedoch kann, wenn die Weiterleitungsstationen mobil und auf Batterieleistung angewiesen sind, die Summenleistung von Weiterleitungsstationen und Sender minimiert werden.
Das ist die Grundfunktion der Leistungssteuerung. Vom praktischen Standpunkt aus besteht die Gesamtaufgabe der Steuerung der Leistung in einem Netzwerk mit kooperativer Weiterleitung im allgemeinen und mit kohärenter Kombination im besonderen darin, die vorherige Kenntnis der verwendeten Leistung P_BS und P_k zu verwenden und diese Parameter zu aktualisieren, um die erwünschte Kommunikationsqualität zu erfüllen.
Die Leistungssteuerung teilt viele ihrer Eigenschaften mit der Phasensteuerung, da der Gewinn der Strecken auf vielerlei Weise geschätzt werden kann, abhängig von folgenden Aspekten: mit/ohne Rückführung, TDD/FDD, Verteilung der Steuerung. Folglich kann man sich auch hier eine Auswahl alternativer Implementierungen vorstellen. Im folgenden wird ähnlich wie bei der Erläuterung der Phasensteuerung angenommen, daß der Sender und der Empfänger Kanalschätzungssignale ausgeben und daß eine Reziprozität des Kanalgewinns angenommen werden kann, aber die Erfindung ist nicht darauf begrenzt.
Die hier vorgeschlagene Leistungssteuerung hat sowohl eine verteilte Komponente für jede Weiterleitungsstation, den relativen Übertragungsparameter, als auch eine Komponente, die allen Weiterleitungsstationen gemeinsam ist, den gemeinsamen Übertragungsparameter. Das Prinzip arbeitet wie folgt: Durch Kanalschätzung und in Kenntnis der Leistung, die zum Senden des Pilotsignals verwendet wird, kann jede Weiterleitungsstation ihren jeweiligen Funkfeldgewinn zum Sender bzw. Empfänger bestimmen, aber ebenso können gleichzeitig auch die Stör- und Rauschpegel geschätzt werden. Auf der Grundlage der Messung des Funkfeldgewinns und von Information über P_RS und σ² _MS ist es möglich, Γ_MS,k zu bestimmen. Vielleicht ebenfalls auf der Grundlage des Funkfeldgewinns, von Schätzungen des Rauschens plus Störung und in Kenntnis von P_BS oder einfach auf der Grundlage direkter SNR-Messungen an jedem empfangenen Signal kann der SNR an der Weiterleitungsstation, Γ_RS,k, bestimmt werden. Auf dieser Grundlage können die relativen Sendeleistungspegel in jeder Weiterleitungsstation auf eine vollständig verteilte Weise bestimmt werden. Jedoch muß jeder relative Sendeleistungspegel mit dem Normierungsfaktor φ skaliert werden, um zu gewährleisten, daß die gesammelte Sendeleistung mit der gesammelten Sendeleistung P_RS identisch oder ihr zumindest nahe ist. Das ist der gemeinsame Leistungssteuerungsteil. Wenn φ zu klein ist, dann wird eine größere Leistung als die optimale P_RS gesendet, und folglich gäbe es für die investierte Sendeleistung eine bessere relative Leistungszuweisung. Das gleiche gilt, wenn φ zu groß ist. Folglich ist es für eine optimale Ressourceninvestition wichtig, φ so zu steuern, daß die vorgesehene Leistung P_RS der gesammelte Sendeleistungspegel der Weiterleitungsstationen ist. Wohlgemerkt, aus Sicht des Leistungsvermögens ist es kein erhebliches Problem, wenn φ ein wenig zu klein ist, weil das den effektiven SNR nur verbessern kann, da der relative Einfluß des empfängerinternen Rauschens verringert wird.
Mit Bezug auf die in 5 dargestellte logische Architektur wird nunmehr der Normierungsfaktor, der ein gemeinsamer Übertragungsparameter ist, vorzugsweise durch den Empfänger bestimmt sowie von diesem verteilt. Das ist als eine logische Architektur anzusehen, da es möglich ist, alle Steuerungsinformation an den Sender weiterzugeben, der sie dann zum Beispiel an die Weiterleitungsstationen weiterverteilt. Die erste Steuerschleife 505 zwischen dem Empfänger 220' und den Weiterleitungsstationen 215:k übergibt P_RS an die Weiterleitungsstationen, während die zweite Steuerschleife 510 vom Empfänger 220' zum Sender 210' P_BS an den Sender übergibt. Wenn der Sender einen besseren Überblick über das gesamte Funksystem mit vielen Gruppen kooperativer Sender-Weiterleitungsstation-Empfänger-Strecken hat, ähnlich dem, den eine mit der Grundstruktur verbundene Basisstation in einem zellularen System hätte, dann kann er optional zusätzliche Aspekte einbeziehen, die bestrebt sind, das gesamte System zu optimieren.
Nunmehr wird ein Verfahren zur Implementierung der Steuerschleife im Empfänger vorgestellt, wobei angenommen wird, daß P_BS fest ist (oder langsam gesteuert wird). Von einer Übertragung an, die zu einem mit n bezeichneten Zeitpunkt stattfindet, mißt der Empfänger die Leistung des kohärent kombinierten betreffenden Signals, C_r, das am Empfänger gemessene durch Weiterleitung hervorgerufene Rauschen N_r und das interne Rauschen im Empfänger N_i. Auf dieser Grundlage und abhängig von Γ₀ bestimmt der Empfänger P⁽ⁿ⁺¹⁾ _RS und eine Aktualisierung eines Normierungsfaktors, φ⁽ⁿ⁺¹⁾. Das kann folgendermaßen als Abbildung durch eine Zielfunktion f geschrieben werden: f(Cr, Nr, Ni) → {P(n+1) RS, φ(n+1)}; so daß ΓEff (max) = Γ0 (6)
Der Empfänger verteilt dann die Aktualisierungen P⁽ⁿ⁺¹⁾ _RS und φ⁽ⁿ⁺¹⁾ durch eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Steuerungsnachricht an alle Weiterleitungsstationen. Zur Veranschaulichung der Idee nehme man an, daß P_RS ab der vorherigen Übertragung fest bleibt, aber der Normierungsfaktor anzupassen ist. Im Abschnitt „Ausführliche Ableitung" wird gezeigt, daß die optimale Normierung ein Gleichgewicht zwischen dem empfangenen Signal C_R und dem gesamten empfangenen Rauschen, der Störung und dem empfängerinternen Rauschen N_r + N_i erfordert, und zwar gemäß: Cr = (Nr + Ni)2 (7)
Somit wird die Beziehung durch Einbeziehung des vorherigen Normierungsfaktors φ⁽ⁿ⁾, der dem Empfänger bekannt ist, und der Aktualisierung φ⁽ⁿ⁺¹⁾, die benötigt wird, um die Gleichung auszugleichen, zu:
was durch Lösen einer einfachen Gleichung zweiter Ordnung φ⁽ⁿ⁺¹⁾ ergibt.
Wenn sowohl P_RS als auch φ aktualisiert werden müssen, kann die oben gegebene Bilanzgleichung, die Beziehung für den Empfänger-SNR Γ, zusammen mit gemessenen Signalpegeln verwendet und nach P_RS und φ aufgelöst werden. Linearisierungsmethoden, wie etwa Taylor-Entwicklung und Differentiale, können vorzugsweise zu diesem Zweck und zur Auflösung nach ΔP_RS und Δφ verwendet werden.
Man beachte, daß bei der ersten Übertragung der Normierungsfaktor nicht a priori gegeben ist. Unterschiedliche Strategien können herangezogen werden, um die Leistung rasch anzupassen. Zum Beispiel kann anfangs durch jede Weiterleitungsstation eine obere Sendeleistungsgrenze bestimmt werden, wenn sie über Γ₀ in Kenntnis gesetzt werden kann und außerdem ihren SNR-Beitrag (zur kohärenten Kombination) bestimmen kann. Wenn jede Weiterleitungsstation deutlich um einen gewissen Faktor unterhalb dieser oberen Grenze bleibt, kann durch die Steuerschleife schrittweise die Leistung gesteigert werden, so daß laufende Kommunikationsverbindungen nicht plötzlich gestört werden. Das ermöglicht, daß sich Steuerschleifen für andere Kommunikationsstationen auf verteilte und gesteuerte Weise an die neuen Störquellen anpassen.
Man beachte außerdem, daß, obwohl in allen Weiterleitungsstationen Sendeleistungsbegrenzungen stattfinden, die Leistungssteuerschleife gewährleistet, daß der SNR unter allen Bedingungen maximiert wird.
Ein anderes, möglicherweise genaueres Verfahren zur Bestimmung des Normierungsfaktors besteht darin, den Term |α_k| in jeder Weiterleitungsstation zu bestimmen und ihn dann an den Empfänger zu senden, wo Σ|α_k|² berechnet wird und somit den Normierungsfaktor φ ergibt. Anschließend wird φ an alle Weiterleitungsstationen verteilt, ähnlich wie in der vorherigen Ausführungsform. Man beachte, daß der Umfang der Signalisierung verringert und auf einem zulässigen Niveau gehalten werden kann, indem nur eine Teilmenge aller Weiterleitungsstationen abgetastet wird, das heißt einige der wichtigsten Weiterleitungsstationen, um einen hinreichend guten Schätzwert des Terms Σ|α_k|² zu erzeugen. Das wird ferner dadurch motiviert, daß sich der Term Σ|α_k|² im allgemeinen nicht über einen kurzen Zeitraum verändert, sogar in schwundbehafteten Kanälen, und zwar aufgrund der großen Diversitygewinne, die der Erfindung eigen sind.
Obwohl die Leistungssteuerung im Zusammenhang mit der kohärenten Kombination beschrieben worden ist, ist ihr grundsätzliche Struktur auch auf die Leistungssteuerung in anderen Typen von Prinzipien zur Kooperation zwischen Weiterleitungsstationen anwendbar, wie etwa verschiedene Verfahren mit durch Weiterleitungsstationen hervorgerufener Sendediversity, wie etwa Alamouti-Diversity. Die grundsätzliche Struktur ist insofern ähnlich, als die Leistungssteuerung Kombinationen aus Senderleistung, individueller Weiterleitungsleistung und Gesamtweiterleitungsleistung berücksichtigt. Ein weiteres Beispiel für eine durch Weiterleitungsstationen hervorgerufene Sendediversity ist die (zyklische/lineare) Verzögerungsdiversity. Jede Weiterleitungsstation verleiht den weitergeleiteten Signalen eine zufällige oder gesteuerte lineare (oder zyklische) Verzögerung und bewirkt somit eine künstliche Frequenzselektivität. Verzögerungsdiversity ist eine von CDMA- und OFDM-gestützter Kommunikation her bekannte Sendediversity.
Um diesen Abschnitt zusammenzufassen, schlägt die vorliegende Erfindung die Verwendung von Leistungssteuerung als ein Konzept vor, um die Optimierung des Leistungsvermögens für die auf kohärenter Kombination beruhende kooperative Weiterleitung in einem realistischen Kanal und insbesondere die Optimierung des Rauschabstands unter Randbedingungen für die gesammelte Sendeleistung der Weiterleitungsstationen zu gewährleisten. Dieses Leistungssteuerungskonzept ist nicht auf Netzwerke mit auf kohärenter Kombination beruhender kooperativer Weiterleitung begrenzt, sondern andere auf kooperative Weiterleitung orientierte Netzwerke können das gleiche Konzept ebenfalls verwenden, dann allerdings mit Optimierungszielen, die für das verwendete Prinzip am besten geeignet sind. Außerdem werden die Grundmerkmale für ein Protokoll vorgeschlagen, das auf Kanalsondierung und Schätzung von Gewinnparametern sowohl über die Strecke eins als auch über die Strecke zwei beruht. Eine vernünftige Wahl für den Protokollaufbau (mit Gemeinsamkeiten mit der Phasensteuerung) ist ebenfalls skizziert worden, beruhend auf niedriger Komplexität, niedrigem Signalisierungsaufwand und niedrigem Gesamtstromverbrauch. Insbesondere wird gezeigt, daß eine Kombination von Leistungssteuerschleifen mit Weiterleitungsstations- und Sender-Leistungssteuerung verwendet werden kann. Schließlich ist demonstriert worden, daß die Steuerschleife Dir die Weiterleitungsstationen auf verteilte Leistungssteuerentscheidungen in jeder Weiterleitungsstation sowie auf einen gemeinsamen Leistungssteuerungsteil, wo die gesamte Menge von Weiterleitungsstationen zusammen gesteuert wird, gestützt werden kann.
Die Hauptschritte der Ausführungsform, die das erfindungsgemäße Verfahren und die Architektur Dir eine kombinierte effiziente Leistungssteuerung und Phasensteuerung verwendet, sind im Ablaufplan von 7 dargestellt. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
700: Senden von Pilotsignalen auf den k Pfaden der Strecke 1 vom Sender 210' zu den Weiterleitungsstationen 215:k.
710: Jede Weiterleitungsstation 215:k schätzt den k-ten Kanal der Strecke 1, h_1,k; außerdem werden Stör- und Rauschpegel geschätzt, um Γ_RS,k zu berechnen.
720: Senden von Pilotsignalen auf den k Pfaden der Strecke 2 vom Empfänger 220' zu den Weiterleitungsstationen 215:k.
730: Jede Weiterleitungsstation 215:k schätzt ihren jeweiligen Kanal ausgehend vom k-ten Kanal der Strecke 2, h_2,k.
740: Jede Weiterleitungsstation 215:k bestimmt relative Übertragungsparameter auf der Grundlage der Kanalschätzungen.
750: Der Empfänger 220' bestimmt einen Normierungsfaktor φ.
760: Der Empfänger 220' sendet den Normierungsfaktor φ, P_RS und σ² _RS an die Weiterleitungsstationen 215:k rund.
770: Jede Weiterleitungsstation 215:k verwendet die rundgesendeten φ, P_RS und die lokal bestimmten Γ_MS,k und Γ_RS,k und die Phase der Kanalschätzungen h_1,k, h_2,k, um bei Empfang des Signals y_k das folgende Signal zu übertragen:
worin der Parameter Γ_RS,k auf der Grundlage der Kanalschätzung berechnet wird und P_BS, σ² _RS und Γ_MS,k auf der Grundlage von P_RS und σ² _MS.
Wenn die erste Übertragung an den Empfänger betrachtet wird (dann kennt die Leistungsschleife die bevorstehende Streckenqualität nicht), kann die Weiterleitungsstation beispielsweise den empfangenen Normierungsfaktor φ modifizieren und nach oben begrenzen, so daß φ = c·|α_k|², wobei c ≤ 1 vom Empfänger gesendet wird oder a priori bekannt ist.
775: Der Empfänger 220' meldet Steuerungsinformation (P_BS) an den Sender 210' zurück.
Die erste Steuerschleife, die in Schritt 760 angegeben ist, kann ferner die folgenden Teilschritte umfassen:
760:1 Der Empfänger mißt zum Zeitpunkt n die Qualität des empfangenen Signals oder genauer die Leistung des kohärent kombinierten Signals C_r, das im Empfänger gemessene durch Weiterleitung hervorgerufene Rauschen N_r und das interne Rauschen im Empfänger N_i.
760:2 Der Empfänger bestimmt auf der Grundlage der Messung aus Schritt 775:1 und abhängig von einem erwünschten Soll-Γ₀ eine Aktualisierung mindestens eines der folgenden, nämlich des Normierungsfaktors φ⁽ⁿ⁺¹⁾ und der gesammelten Weiterleitungsleistung P⁽ⁿ⁺¹⁾ _RS.
760:3: Der Empfänger verteilt die Aktualisierungen P⁽ⁿ⁺¹⁾ _RS und durch eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Steuerungsnachricht an alle Weiterleitungsstationen.
Ebenso kann die zweite Steuerschleife, die in Schritt 775 angegeben ist, optional den folgenden Schritt umfassen:
775:1 Der Empfänger aktualisiert die Sender-(BS-)Leistung P⁽ⁿ⁺¹⁾ _BS.
Die Steuerung der Weiterleitungsknotenparameter für ein beliebiges kooperatives Weiterleitungsprinzip kann durch die Zielfunktion f₁ gemäß mindestens eines ersten charakteristischen Streckenmerkmals sowie eines zweiten charakteristischen Streckenmerkmals allgemeiner charakterisiert werden, das heißt f₁(Γ_RS,k, Γ_MS,k).
Aktivierungssteuerung von WeiterleitungsstationEN
Das Verfahren und die Architektur der vorliegenden Erfindung können vorteilhaft verwendet werden, um zu entscheiden, welche Weiterleitungsstationen 215:k in eine Kommunikationsverbindung einzubeziehen sind, entweder beim Aufbau der Kommunikationsverbindung oder während der Kommunikationssitzung. Wenn einige Weiterleitungsstationen schlechten SNR-Bedingungen auf einer der Strecken (Sender-Weiterleitungsstation und Weiterleitungsstation-Empfänger) oder beiden unterliegen, können sie sehr wenig zur gesamten SNR-Verbesserung beitragen. Dennoch können diese Weiterleitungsstationen aufgrund der Empfänger-, Sender- und Signalverarbeitungsfunktionen immer noch erheblich viel Strom verbrauchen. Es kann also von Interesse sein, irgendein Steuerungsmittel zu haben, um weiterleitungsstationsbedingte Störungsentstehung auf weniger Weiterleitungsstationen einzugrenzen. Folglich kann es als Verschwendung betrachtet werden, einige der Weiterleitungsstationen zu verwenden. Demzufolge besteht eine wünschenswerte Funktion darin, Weiterleitungsstationen auf der Grundlage vorbestimmter Kriterien zu aktivieren. Solche Kriterien können ein voreingestellter niedrigerer Schwellwert für einen zulässigen SNR auf einer der Strecken oder beiden Strecken oder der Beitrag zum effektiven SNR sein. Der Schwellwert kann auch regelbar sein und durch irgendeine Instanz gesteuert werden, vorzugsweise durch die empfangende Station, da sie die Information über den momentanen effektiven SNR hat. Die Weiterleitungsstation kann somit, zum Beispiel zusammen mit Leistungssteuerungsinformation und Kanalschätzsymbolen, einen SNR-Schwellwert für die Weiterleitungsstationsaktivierung Γ_Active vom Empfänger empfangen, mit dem der erwartete SNR-Beitrag verglichen wird, und wenn der Schwellwert überschritten wird, wird die Übertragung zugelassen, sonst nicht. Der SNR-Schwellwert für die Weiterleitungsstationsaktivierung Γ_Active entspricht einem gemeinsamen Übertragungsparameter, der vorzugsweise durch den Empfänger 220' bestimmt und an die Weiterleitungsstationen 215 verteilt wird. Der tatsächliche Entscheidungsprozeß, in dem jede Weiterleitungsstation lokale Parameter verwendet (die den relativen Übertragungsparametern entsprechen), wird auf die Weiterleitungsstationen so verteilt, wie es das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Architektur vorsehen. Diese Prüfung, die vorzugsweise in jeder Weiterleitungsstation vor der Übertragung durchgeführt wird, kann zum Beispiel folgendermaßen formuliert werden:
aber abhängig von den Weiterleitungsverfahren, einschließlich alternativer Weiterleitungsdiversity-Methoden, können auch andere Bedingungen verwendet werden. Zum Beispiel kann die Bedingung für die Weiterleitungsstationsaktivierung allgemeiner als eine Zielfunktion f₂ gemäß f₂(Γ_RS,k, Γ_MS,k) charakterisiert werden.
Außerdem kann die rundgesendete Nachricht, die Γ_Active enthält, ferner Felder umfassen, die verwendet werden können, um spezifische Weiterleitungsstationen genau festzulegen (und zwar durch zugewiesene Weiterleitungsstationsadressen), die einbezogen werden sollten oder ausschließlich verwendet werden dürfen oder ausgeschlossen werden müssen oder irgendeine Kombination daraus. Andere Verfahren zur Adressierung bestimmter Weiterleitungsstationen können zum Beispiel auf den Adreßbereichen beruhen. Das befähigt jemanden, bei Bedarf die Anzahl der betreffenden Weiterleitungsstationen zu begrenzen.
Aus der obigen Diskussion und dem Ausdruck (9) ist zu ersehen, daß der Empfänger 220', wenn er einem schwacher werdenden SNR unterliegt, zum Beispiel aufgrund der Bewegung der MS, sich dafür entscheiden kann, eine erhöhte Sendeleistung anzuordnen und/oder mehr Weiterleitungsstationen 215 einzubeziehen, indem der Schwellwert Γ_Active verringert wird. Andere Kommunikationsqualitätsbedingungen, wie etwa die Paket- oder Bitfehlerrate, können ebenfalls durch den Empfänger verwendet werden, um Veränderungen in den gemeinsamen Parametern, wie etwa eine Vergrößerung der gemeinschaftlichen Sendeleistung aller Weiterleitungsleistungen, auszulösen.
Die Steuerung der Weiterleitungsstationsaktivierung kann in den mit Bezug auf 7 beschriebenen Leistungs- und Phasensteuerungsalgorithmus einbezogen werden, indem die Schritte 750–770 modifiziert werden, so daß:
in 750: der Empfänger 220' auch einen SNR-Aktivierungsschwellwert Γ_Active bestimmt,
in 760: der Empfänger 220' auch Γ_Active an die Weiterleitungsstationen 215:k rundsendet,
in 770: jede Weiterleitungsstation 215:k zuerst unter Verwendung des SNR-Aktivierungsschwellwerts Γ_Active bestimmt, ob rundgesendet werden soll, zum Beispiel anhand des Ausdrucks (9).
Das System gemäß der Erfindung ist nicht auf eine spezifische Konfiguration hinsichtlich des tatsächlichen Standorts und der Entfernungen zwischen den Weiterleitungsstationen und dem Sender/Empfänger beschränkt. Im Gegenteil stellt die Weiterleitungsstationsaktivierung, die zum Beispiel durch die Erfindung angeboten wird, eine große Flexibilität im Umgang mit unterschiedlichen und sich verändernden Funkumgebungen bereit. Jedoch sind bestimmte Kombinationen aus Übertragungstechnologie und geographischer Konfiguration besonders vorteilhaft. Es kann zum Beispiel gezeigt werden, daß es bei der Verwendung des kohärenten Kombinationssystems gemäß der Erfindung im allgemeinen besser ist (in bezug auf den Durchsatz oder äquivalent auf den SNR), Weiterleitungsstationen zwischen den Sender und den Empfänger zu plazieren, statt direkt neben den Sender/Empfänger.
Das Verfahren und die Architektur gemäß der vorliegenden Erfindung können an andere Topologien als die oben beispielhaft angeführte angepaßt werden. Die Topologie in 5 kann zum Beispiel dahingehend modifiziert werden, daß sie mehrere Antennen in jeder Weiterleitungsstation aufweist, wie in 8 gezeigt. Der Vorteil dabei ist, daß die Anzahl der Weiterleitungsstationen verringert werden kann, während weiterhin ein ähnlicher Gesamt-Antennenrichtwirkungsgewinn erreicht wird. Wenn jedes Antennenelement weiter als um die Kohärenzlänge entfernt ist, wird außerdem Diversitygewinn bereitgestellt. Alles in allem kann das die Kosten verringern, während ein nahezu identisches Leistungsvermögen bereitgestellt wird. Jedoch kann die Verringerung der Anzahl der Weiterleitungsstationen aufgrund von Abschattung (das heißt logarithmisch-normaler Schwund) nachteilige Auswirkungen haben und muß sorgsam angewendet werden. Aus Sicht des Signals, der Verarbeitung und des Protokolls kann jede Antenne als eine getrennte Weiterleitungsstation behandelt werden. Ein anderer Vorteil dieses Ansatzes ist jedoch, daß interne und andere Ressourcen gemeinsam verwendet werden können. Außerdem kann die Weiterleitung potentiell zwischen den Antennen intern koordiniert werden, wodurch die Störungserzeugung zu unvorgesehenen Empfängern vermindert wird.
Die Kommunikationsqualität kann weiter verbessert werden, indem auch das direkte Signal vom Sender 210' zum Empfänger 220' einbezogen wird. Es gibt mindestens zwei denkbare Hauptverfahren zur Einbeziehung des Signals vom Sender. 9 stellt die Topologie dar, wenn auch die direkte Übertragung vom Sender berücksichtigt wird.
Im ersten Verfahren sind zwei Kommunikationsphasen erforderlich. Der Empfänger kombiniert das in der ersten Phase direkt vom Sender empfangene Signal mit der Übertragung der Weiterleitungsstation aus der zweiten Phase. Das ähnelt ein wenig der empfängergestützten Kombination im klassischen Weiterleitungskanal, aber mit auf kohärenter Kombination beruhender Weiterleitung. Maximaler Störabstand oder Störungsunterdrückungskombination können verwendet werden.
In dem zweiten Verfahren, dem auf Sender/Weiterleitungsstation orientierten kohärenten Kombinationsverfahren, wird nur eine Kommunikationsphase verwendet, und zwar zur kohärenten Kombination des direkten Signals vom Sender zum Empfänger mit den Weiterleitungssignalen. Das kann ermöglicht werden, wenn Weiterleitungsstationen gleichzeitig senden und empfangen können, zum Beispiel über getrennte Antennen. Die Phase von α_k muß dann einen Phasenabgleich des weitergeleiteten Signals mit dem direkten Signal gewährleisten, und zwar wie folgt: arg{αk} = –arg{h1,k} – arg{h2,k} – arg{hBS,MS} + c1 wobei h_BS,MS der komplexe Kanal von der Basisstation zur Mobilstation ist. Eine Folge der Einbeziehung des direkten Signals in die kohärente Kombination ist, daß die Weiterleitungsstationen ihre Phase relativ zum direkten Signal adaptiv abgleichen müssen. Dafür kann eine Regelschleife verwendet werden. Ähnlich wie bei der Normierungsfaktor-Leistungssteuerung gibt der Empfänger Phasensteuerungsnachrichten an die gesamte Gruppe der Weiterleitungsstationen aus, wobei allerdings eine Phasenverschiebung θ von der berechneten Phasenkompensation (–arg{h_1,k} – arg{h_2,k}) abzuziehen ist.
Da die Basisstation durch ihre Übertragung keinerlei Rauschen hervorruft, muß ihre Sendeleistung für ein optimales Leistungsvermögen nicht angepaßt werden, wie es für die Weiterleitungsstationen erforderlich war. Vielmehr nimmt das Leistungsvermögen mit zunehmender Sendeleistung der Basisstation monoton zu. Es besteht jedoch die Möglichkeit, zu versuchen, die Gesamtsendeleistung, die Gesamtleistung der Weiterleitungsstationen und die Basisstationsleistung zu minimieren. Die Parametereinstellung dafür ähnelt derjenigen, die in der Erläuterung zur regenerativen Weiterleitung abgeleitet wurde, wobei angenommen wird, daß die Basisstation als eine Weiterleitungsstation betrachtet wird. Zusätzlich dazu können auch mehrere Antennenelemente am Sender verwendet werden, ähnlich den Erläuterungen zu Weiterleitungsstationen mit mehreren Antennen.
Die Ableitung der relativen und gemeinsamen Übertragungsparameter ist auch direkt auf Mehrträgerübertragung, wie etwa OFDM, anwendbar, indem jeder Hilfsträger unabhängig behandelt wird. Das schließt dann auch eine gemeinsame Amplitudennormierung sowie Phasen- und verteilte Weiterleitungsamplitudenkompensation pro Hilfsträger ein. Zu diesem Zweck verläuft der Weg über FFT-Verarbeitung-IFFT oder möglicherweise über eine Filterung im Zeitbereich. Die Leistungssteuerung kann einen Normierungsfaktor φ und eine Weiterleitungsstationsleistungsangabe P_RS in Vektorform senden, um das Leistungsvermögen pro Hilfsträger zu optimieren. Eine praktischere Lösung besteht darin, φ und P_RS als Skalare zu senden, die auf alle Hilfsträger wirken. Im Fall der Hilfsträgeroptimierung kann die Leistungssteuerung dann versuchen, die Gesamtsendeleistung über alle Hilfsträger zu minimieren, um der gewünschte Kommunikationsqualität zu entsprechen. Das stellt dann einen gewissen Diversitygewinn im Frequenzbereich bereit.
Ein anderer Aspekt von OFDM ist, daß es eine bevorzugte Wahl für die oben beschriebene auf Sender-Weiterleitungsstation orientierte kohärente Kombination ist. Der Grund dafür ist, daß der zyklische Präfix eine gewisse kurze Transferlatenz der Weiterleitung zuläßt, wobei Phase und Amplitude durch eine Filterung im Zeitbereich, die eine sofortige Übertragung ermöglicht, modifiziert werden.
Für Einzelträgerübertragungen, wie etwa CDMA, und mit frequenzselektiven Kanälen kann im Frequenzbereich eine Arbeitsweise ähnlich OFDM verwendet werden oder optional können ein Phasenabgleich auf den Weg des stärksten Signals oder eine Filterung im Zeitbereich, wie oben für OFDM beschrieben, durchgeführt werden.
Damit die kohärente Kombination funktioniert, ist es wichtig, die Weiterleitungsstationsfrequenz mit einer gemeinsamen Quelle zu synchronisieren. In einem zellularen System ist die BS eine natürliche Quelle, da die Taktgenauigkeit in der Basisstation im allgemeinen besser als in jeder Mobilstation ist. Diese Funktion kann die reguläre Frequenzabweichungskompensation nutzen, wie sie in herkömmlichen OFDM-Empfängerimplementierungen durchgeführt wird, welche die interne Kanalstörung mindert.
Jedoch können die Weiterleitungsstationen optional GPS zur Frequenzsynchronisation nutzen, falls verfügbar.
Nachfolgend wird eine beispielhafte Protokollausführungsform der Erfindung vorgestellt, die auf der Annahme beruht, daß die Weiterleitungsstationen alle Kanalschätzungen durchführen, die für die auf kohärenter Kombination beruhende kooperative Weiterleitung nötig sind. Das Prinzip beruht auf rückführungsloser Phasensteuerung (das heißt reziproker Kanal, zum Beispiel bei TDD) und Leistungssteuerung mit Rückführung. Man beachte, daß nur die Steuerungssignalisierung vom Empfänger 220' zu den Weiterleitungsstationen 215 beschrieben wird und die Steuerung vom Empfänger zum Sender nicht explizit betrachtet wird. Dennoch versteht es sich, daß der Empfänger Steuerungsinformation an den Sender als individuelle Steuerungsnachrichten oder als Teil der Weiterleitungssteuerungsnachrichten senden kann.
10 zeigt, daß die Weiterleitungsstationen eine Kanalschätzung für beide Strecken durchführen sowie Leistungssteuerungsinformation empfangen, die aus einer früheren Kommunikationsverbindung abgeleitet ist. Man beachte in diesem Beispiel den Rahmen n:

a) die Weiterleitungsstation(en) empfangen Kanalschätzungssymbole 1005 und Steuerungsinformation 1010, die auf vorhergehenden Übertragungen beruht;
b) der Sender sendet Kanalschätzungssymbole 1015 und Daten 1020 an die Weiterleitungsstationen;
c) die Weiterleitungsstationen gleichen Phase und Amplitude des empfangenen Datensignals ab und geben es parallel an den Empfänger weiter (Daten 1025), optional einschließlich der Kanalschätzungssymbole 1030.

Die Reihenfolge der Nachrichten könnte verändert werden (mit einigen Einschränkungen), aber die Arbeitsweise des Prinzips wäre weiterhin die gleiche. Zum Beispiel kann der Sender zuerst Kanalschätzungssymbole und Daten an die Weiterleitungsstationen und dann der Empfänger Kanalschätzungssymbol und Steuerungsinformation an die Weiterleitungsstationen senden. Anschließend gleichen die Weiterleitungsstationen Phase und Amplitude des empfangenen Datensignals ab und geben es parallel an den Empfänger weiter.
Man beachte, daß die Zeitdauern unmaßstäblich sind und daß das Kanalschätzungssymbol optional nicht über die zweite Strecke verwendet wird.
Eine Steuerungsnachricht, die für die im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Steuerungsinformation geeignet und schematisch in 11 dargestellt ist, sollte vorzugsweise generisch aufgebaut sein, um eine Auswahl von verschiedenen Weiterleitungskonzepten, wie etwa Alamouti-Diversity, zyklische Verzögerungsdiversity und kohärente Kombination usw., steuern und unterstützen zu können und derartige Erweiterungen zu ermöglichen. Der Schwerpunkt liegt hierbei jedoch auf den Funktionen und dem Konzept, die in der Erfindung explizit dargelegt sind. Das erste Feld der Steuerungsnachricht 1100 ist das Weiterleitungskonzeptfeld 1110, das im Teilfeld „Weiterleitungsmodus" 1111 den Typ des verwendeten Weiterleitungskonzepts angibt. Mit dieser Information können Weiterleitungsstationen abhängig von der Situation den Modus ändern. Vorausgesetzt, daß kohärente Kombination oder etwas ähnliches verwendet wird, gibt das nächste Feld, das Leistungssteuerungsfeld 1120, mit folgenden Teilfeldern folgendes an: 1121 – Weiterleitungsleistung P_RS, 1122 – das Rauschen plus Störpegel in der Mobilstation σ² _MS, 1123 – den Normierungsfaktor φ und 1124 – die Leistungsinitialisierungsparameter. Leistungsinitialisierungsparameter, die verwendet werden können, sind die anfänglich erwünschten Leistungspegel, die anzustreben sind, zum Beispiel Γ₀. Wenn die Steuerschleife arbeitet, kann dieses Feld so gesetzt werden, daß es anzeigt, daß es nicht verwendet werden sollte.
Das nächste Feld betrifft die Aktivierungssteuerung für Weiterleitungsstationen 1130. Hierbei ist es möglich, in Teilfeldern ein erforderliches Mindestmaß 1131 für den SNR-Beitrag Γ_Active, aber auch eine Menge 1132 von Weiterleitungsstationskennungen, die aktiv sein sollten, festzulegen.
Das letzte Feld, das Phasensteuerungsfeld 1140, kann verwendet werden, wenn eine Phasenverschiebung erwünscht ist, die allen Weiterleitungsstationen gemein ist, wobei ein Teilfeld 1141 die Verschiebung θ vorgibt. Das ist nützlich, wenn erwünscht ist, die Phasenlage von Weiterleitungssignalen mit einem direkten Signal vom Sender abzugleichen, vorausgesetzt, daß die Weiterleitungsstationen das empfangene Signal direkt weitergeben.
Bei Bedarf können weitere Funktionen hinzugefügt werden oder die Besonderheiten jeder Funktion können ergänzt werden, indem die Steuerungsnachrichtenstruktur verwendet und erweitert wird und alle reservierten Felder verwendet werden. Vorzugsweise liegen auf jeder Ebene in der Steuerungsnachricht reservierte Felder 1150, 1112, 1125, 1133 und 1142 vor. Zusätzlich dazu kann die Steuerungsnachricht (oder optional ein(e) getrennte(s) Feld oder Nachricht) auch die verwendete Sendeleistung für den Empfänger enthalten, so daß der Weiterleitungsstation-Empfänger-Gewinn bestimmt werden kann.
Wenngleich die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was gegenwärtig als die praktischsten und bevorzugtesten Ausführungsformen betrachtet wird, versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen zu begrenzen ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die innerhalb des Erfindungsgedankens und Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche liegen, einschließen soll.
Ausführliche Ableitung
In der Analyse nehmen wird an, daß es K Weiterleitungsstationen gibt, die zufällig plaziert sind. Jede Weiterleitungsstation k ∊ {1, 2, ..., K} empfängt ein Signal, das aus einer gedämpften Version des erwünschten Signals, die zum Beispiel als komplexe Gaußform × ~ N(0, 1) modelliert ist, sowie einem Term für Rauschen plus Störung, n_RS,k, folgendermaßen zusammengesetzt ist: yk = h1,k·√PBS·x + nRS,k wobei h_1,k der komplexe Funkfeldgewinn von der Basisstation zur Weiterleitungsstation k ist und P_BS die Sendeleistung der Basisstation ist.
In der Weiterleitungsstation wird y_k (zwecks leichterer analytischer Behandlung) auf eine Einheitsleistung normiert und mit einem komplexen Faktor multipliziert, der das Ausgangssignal z_k erzeugt. Anschließend wird z_k über die Strecke zwei zum Empfänger gesendet und wird auf seinem Weg mit dem komplexen Funkfeldgewinn h_2,k gedämpft, wobei es mit Signalen von anderen Weiterleitungsstationen überlagert wird und Störung hinzugefügt wird.
Da angenommen wird, daß jede Weiterleitungsstation die empfangene Leistung plus Rauschen vor der Verstärkung und dem Phasenabgleich auf die Einheitsleistung normiert, kann die Randbedingung für die Sendeleistung der Weiterleitungsstationen in die Analyse einbezogen werden, indem jeder Station k gestattet wird, die folgende Sendeleistung zu verwenden:
wobei P_RS die Gesamtsendeleistung aller Weiterleitungsstationen ist und α_k ein nicht normierter komplexer Verstärkungsfaktor für die Weiterleitungsstation k ist.
Für die durch die Gesamtleistung eingeschränkte Übertragung durch Weiterleitungsstationen kann der SNR im Empfänger (hier wird die Mobilstation, MS, angenommen) dann folgendermaßen geschrieben werden:
wobei σ² _MS das Rauschen plus Störpegel in der Mobilstation ist.
Eine Bedingung für kohärente Kombination ist der Phasenabgleich der Signale, was erreicht werden kann, indem folgendes gewährleistet wird: arg{αk} = –arg{h1,k} – arg{h2,k} – arg{hBS,MS} + c1 wobei c₁ eine beliebige Konstante ist.
Der Ausdruck für den effektiven SNR, der aus der kohärenten Kombination resultiert, kann dann folgendermaßen geschrieben werden:
wobei
Man beachte, daß Γ_MS,k ein „virtueller SNR" in dem Sinne ist, daß er der SNR ist, wenn die Weiterleitungsstation k die gesammelte Sendeleistung aller Weiterleitungsstationen selbst verwenden würde.
Man erkennt, daß der SNR-Ausdruck die folgende Form hat:
die umgewandelt werden kann, indem folgendes verwendet wird: |bk|2 = |αk|2·C2,k was folgendes ergibt:
Nunmehr wird der Nenner durch die Cauchy-Schwarzsche Ungleichung nach oben begrenzt:
somit kann für ein optimales b_k Gleichheit erreicht werden, und der sich ergebende SNR lautet dann:
Das kann praktisch folgendermaßen in SNRs ausgedrückt werden:
Durch Gleichsetzen ist zu sehen, daß der maximale SNR erlangt werden kann, wenn:
wobei Const eine beliebige Konstante ist, die der Einfachheit halber auf eins gesetzt werden kann.
Aus Sicht der Leistungssteuerung ist es interessant zu erkennen, daß der Zähler bei optimalem SNR genau das Quadrat des Nennen ist. Dieses Wissen kann daher als eine Leistungssteuerungsvorgabe verwendet werden.
Unter Verwendung der umgekehrten Transformation erhält man:
oder ausgedrückt in SNRs:
Somit kann eine Weiterleitungsstation, die ein Signal y_k empfängt, z_k bestimmen, indem folgendes bestimmt wird:
Erweiterung für regenerative Weiterleitung
Wenn der SNR in einer Weiterleitungsstation hoch genug ist, kann das empfangene Signal vor der Weiterleitung des Signals decodiert werden. Um dieses Verhalten zu modellieren, sagen wir, daß alles für eine Decodierung hinreichend ist, was größer ist als ein minimaler SNR, Γ_Decode. Der Vorteil dabei ist, daß die Weitergabe von schädlichem Rauschen (und Störung) völlig vermieden werden kann, und dies führt folglich zu einem weiter verbesserten SNR im Empfänger. In diesem Fall sollte das decodierte Signal jedoch nur für die zweite Teilstrecke phasenkompensiert werden, das heißt: arg{αk} = –arg{h2,k}
Indem für diese Stationen in den vorangegangenen Ausdrücken σ² _RS,k = 0 gesetzt wird, kann man die Größe des Normierungsfaktors |α_k| sowie den Beitrag zur SNR-Verbesserung ableiten. Die Kombination aus rauschfreier (regenerativer) und rauschbehafteter (nichtregenerativer) Übertragung hat dann die folgende Form:
Man beachte, daß Γ_RS,k < Γ_Decode nur ein Modell ist, das nützlich ist, um die Leistungsfähigkeit in einem Szenario mit gemischter nichtregenerativer und regenerativer Weiterleitung zu beurteilen. In der Praxis werden die oberen Ausdrücke, das heißt entsprechend Γ_RS,k < Γ_Decode, verwendet, wenn das Signal nicht auf nichtregenerative Weise weitergegeben wird, und die unteren Ausdrücke, das heißt entsprechend Γ_RS,k > Γ_Decode, werden verwendet, wenn das Signal nicht auf regenerative Weise weitergegeben wird.
BEZUGSDOKUMENTE

[1] J. N. Laneman, Cooperative Diversity in Wireless Networks: Algorithms and Architectures, Diplomarbeit, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, August 2002. <Diplomarbeit>
[2] J. N. Laneman und G. W. Wornell, „An Efficient Protocol for Realizing Distributed Spatial Diversity in Wireless Ad-Hoc Networks", in Proc. of ARL FedLab Symposium an Advanced Telecommunications and Information Distribution (ATIRP-2001), College Park, Maryland, März 2001. <Bericht>
[3] J. N. Laneman und G. W. Wornell, „Energy-Efficient Antenna-Sharing and Relaying for Wireless Networks", in Proc. IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC-2000), Chicago, Illinois, September 2000.
[4] B. Schein und R. Gallagher, „The Gaussian parallel relay network", in IEEE International Symposium an Information Theory (ISIT-2000), Sorrento, Italien, 25.–30. Juni 2000.
[5] B. Schein, „Distributed Coordination in Network Information Theory", Diplomarbeit, S. 64–68, MIT, Cambridge, Massachusetts, August 2001. Lippman, Bletsas
[6] T. M. Cover and A. A. El Gamal, „Capacity theorems for the relay channel", IEEE Trans. Inform. Theory, Band 25, Nr. 5, S. 572–584, September 1979.
[7] E. v. d. Meulen, „Three-terminal communication channels", Advances in Applied Probability, Band 3, S. 120–154, 1971.
[8] A. Sendonaris, E. Erkip, B. Aazhang, „Increasing CDMA Cell Capacity via In-Cell User Cooperation", Department of Electrical and Computer Engineering, Rice University, Poster Titles, 11. November, 1997.
[9] M. Dohler, E. Lefranc, H. Aghvami, „Virtual Antenna Arrays for Future Wireless Mobile Communication Systems", ICT-2002, Juni 2002.
[10] G. W. Wornell, V. Poor, „Wireless Communications: Signal Processing Perspectives (Prentice Hall Signal Processing Series)", Prentice Hall; 1. Auflage (April 1998).

Claims

Verfahren zum Ausführen einer Kommunikation in einem drahtlosen Kommunikationsnetz unter Verwendung einer kooperativen Weiterleitung, bei der ein Sender (210'), ein Empfänger (220') und wenigstens eine Weiterleitungsstation (215) an einer Kommunikationssession teilnehmen, und die wenigstens eine Weiterleitungsstation Signale von einer ersten Strecke zwischen dem Sender (210') und der Weiterleitungsstation (215) an eine zweite Strecke zwischen der Weiterleitungsstation (215) und dem Empfänger (220') weiter gibt, dadurch gekennzeichnet, dass jede wenigstens eine Weiterleitungsstation (215) das Signal weitergibt mit der Verwendung eines relativen Übertragungsparameters, der für jede Weiterleitungsstation (215) spezifisch ist, der relative Übertragungsparameter lokal in jeder Weiterleitungsstation (215) bestimmt wird und wenigstens teilweise auf einer Charakterisierung von Funkübertragungsbedingungen für diese Weiterleitungsstation (215) basiert; und mit der Verwendung von wenigstens einem gemeinsamen Übertragungsparameter, wobei der gemeinsame Übertragungsparameter zentral bestimmt wird und wenigstens teilweise auf einem Maß der Gesamtkommunikationsqualität zwischen dem Sender (210') und dem Empfänger (220') basiert und an jede Weiterleitungsstation (215) verteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder relative Übertragungsparameter auf einer Charakterisierung eines Funkpfads der ersten Strecke basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder relative Übertragungsparameter auf einer Charakterisierung eines Funkpfads der zweiten Strecke basiert.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, wobei der relative Übertragungsparameter auf einer Kombination der Charakterisierung eines Funkpfads der ersten und zweiten Strecke basiert.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der wenigstens eine gemeinsame Übertragungsparameter in dem Empfänger (220') bestimmt wird und an jede Weiterleitungsstation (215) per Multicasting gesendet wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–5, wobei das Verfahren für entweder eine Phasensteuerung, eine Leistungssteuerung oder eine Weiterleitungsaktivierung oder irgendeine Kombination einer Phasensteuerung, einer Leistungssteuerung, und einer Weiterleitungsaktivierung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der wenigstens eine gemeinsame Übertragungsparameter eine Weiterleitungsaktivierungsschwelle umfasst, die von dem Empfänger (220') an die Weiterleitungsstationen per Multicasting gesendet wird und die Weiterleitungsaktivierungsschwelle Bedingungen spezifiziert, die die Weiterleitungsstationen erfüllen müssen, um bei der Weitergabe des Signals auf der zweiten Strecke aktiv zu sein.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Weiterleitungsbedingung einen Parameter, der die erste Strecke oder die zweite Strecke oder eine Kombination der ersten Strecke und der zweiten Strecke charakterisiert, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der per Multicasting gesendete gemeinsame Parameter eine Spezifikation darüber umfasst, welche Weiterleitungsstationen aktiviert oder deaktiviert werden sollten.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Charakterisieren der Funkpfade der ersten und zweiten Strecke durch die Verwendung von Pilotsignalen; – Bestimmen, in jeder Weiterleitungsstation, wenigstens eines relativen Übertragungsparameters wenigstens teilweise basiert auf einer, oder beiden, Kanalcharakterisierungen von Pfaden jeder Weiterleitungsstation von der ersten und zweiten Strecke; – Bestimmen, in dem Empfänger, wenigstens eines gemeinsamen Übertragungsparameters; – Rundumsenden des gemeinsamen Übertragungsparameters an die Weiterleitungsstationen; – Verwenden in jeder Weiterleitungsstation, des jeweiligen relativen Übertragungsparameters der Weiterleitungsstation und des gemeinsamen Übertragungsparameters bei der Weitergabe des Signals auf der zweiten Strecke.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Senden von Pilotsignalen (600, 700) auf den k Pfaden der Strecke 1, von einem Sender (210'') an Weiterleitungsstationen (215:k), und auf (620, 720) den k Pfaden auf der Strecke 2, von einem Empfänger (220') an Weiterleitungsstationen (215:k); – Abschätzen (610, 710), in jeder Weiterleitungsstation (215:k), des k Kanals der Strecke 1, h_1,k, und (630, 730) des k Kanals von 2, h_2,k; – Bestimmen (640, 740), in jeder Weiterleitungsstation (215:k), des relativen Übertragungsparameters oder eines Satzes von relativen Übertragungsparametern, wobei der relative Parameter auf einer oder beiden Kanalabschätzungen h_1,k, h_2,k, die den Pfad charakterisieren, basiert; – Bestimmen (650, 750) in dem Empfänger (220') des gemeinsamen Übertragungsparameters, oder eines Satzes von gemeinsamen Übertragungsparametern auf Grundlage der Gesamtkommunikationsqualität, die von dem Empfänger erfahren wird; – Rundumsenden (660, 760), von dem Empfänger (220'), des gemeinsamen Übertragungsparameters (der gemeinsamen Übertragungsparameter) an die Weiterleitungsstationen (215:k); – Verwenden (670, 770), in jeder Weiterleitungsstation des jeweiligen relativen Übertragungsparameters der Weiterleitungsstation und des gemeinsamen Übertragungsparameters (der gemeinsamen Übertragungsparameter) zum Anpassen der nachfolgenden Übertragungen auf der Strecke 2.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren ferner den Schritt zum Rückführen (675, 775) von Steuerinformation von dem Empfänger (220') an den Sender (210') umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Schritt einer Verwendung des jeweiligen relativen Übertragungsparameters der Weiterleitungsstation und des gemeinsamen Übertragungsparameters (der gemeinsamen Übertragungsparameter) zur Anpassung der nachfolgenden Übertragungen auf der Strecke 2 bei dem Empfang des Signals y_k die Übertragung des folgenden Signals (770) umfasst:
wobei die Parameter Γ_RS,k und Γ_MS,k die lokal bestimmten relativen Übertragungsparameter basierend auf den Kanalabschätzungen h_1,k und h_2,k sind, P_BS die Sendeleistung des Senders ist, σ_RS ² der Rausch- und Störungspegel an der Weiterleitungsstation ist, P_RS die gesammelte Sendeleistung von sämtlichen Weiterleitungsstationen ist, σ_MS ² der Rauschpegel an jedem Empfänger ist, und wobei der Normalisierungsfaktor φ ein gemeinsamer Parameter basierend auf der Gesamtkommunikationsqualität, die von dem Empfänger (220') wahrgenommen und von dem Empfänger (220') rundum gesendet wird, ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Schritte zum Bestimmen, Rundumsenden und Verwenden (650–670, 750–770) des gemeinsamen Übertragungsparameters eine erste Steuerschleife darstellen und der Schritt zum Zurückführen (675, 775) an den Sender eine zweite Steuerschleife von dem Empfänger (220') an die Weiterleitungsstationen (215:k) bzw. den Sender (210') darstellt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erste Steuerschleife ferner die Unterschritte umfasst, dass: – der Empfänger (760:1) zur Zeit n die Qualität des empfangenen Signals C. das von der Weiterleitung hervorgerufene Rauschen N_r und das interne Rauschen in dem Empfänger N_i' misst, – der Empfänger auf Grundlage der vorangehenden Messungen und eines gewünschten SNR Ziels Γ₀ eine Aktualisierung des Normalisierungsfaktors φ⁽ⁿ⁺¹⁾ und/oder der gesammelten Weiterleitungsleistung P_RS ⁽ⁿ⁺¹⁾ bestimmt (760:2); – der Empfänger die Aktualisierungen P_RS ⁽ⁿ⁺¹⁾ und φ⁽ⁿ⁺¹⁾ an sämtliche Weiterleitungen über eine Multicasting-Steuernachricht verteilt (760:3).
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zweite Steuerschleife ferner den Unterschritt umfasst, dass der Empfänger die Sendeleistung P_BS ⁽ⁿ⁺¹⁾ aktualisiert.
System angepasst für eine Kommunikation in einem drahtlosen Kommunikationsnetz unter Verwendung einer kooperativen Weiterleitung, wobei das System einen Sender (210'), einen Empfänger (220') und wenigstens eine Weiterleitungsstation (215) umfasst, wobei die Weiterleitungsstation (215) angepasst ist zum Weitergeben von Signalen von einer ersten Strecke zwischen dem Sender (210') und der Weiterleitungsstation (215) an eine zweite Strecke zwischen den Weiterleitungsstationen (215) und dem Empfänger (220'), dadurch gekennzeichnet, dass das System eine logische Architektur aufweist, bei der: – wenigstens eine Weiterleitungsstation (215) Mittel zum Ausführen einer Kanalcharakterisierung (216) und Mittel zum Bestimmen von relativen Übertragungsparametern (217) basierend auf einer Kanalcharakterisierung und Mittel zum Anpassen (218) der Weitergabe basierend auf einem gemeinsamen Übertragungsparameter und einem relativen Übertragungsparameter aufweist; – der Empfänger (220') Mittel zum Bestimmen eines gemeinsamen Übertragungsparameters (222) wenigstens teilweise basierend auf einem Maß der Gesamtkommunikationsqualität zwischen dem Sender (210') und dem Empfänger (220') und Mittel zum Verteilen des gemeinsamen Übertragungsparameters an die Weiterleitungsstationen aufweist; und – die logische Architektur eine erste Steuerschleife zwischen dem Empfänger (220') und den Weiterleitungsstationen (215), angepasst zur Rückführung des gemeinsamen Parameters von dem Empfänger (220') an die Weiterleitungsstationen (215) umfasst.
System nach Anspruch 17, ferner umfassend eine zweite Steuerschleife (510) zwischen dem Empfänger (220') und dem Sender (210'), angepasst zur Rückführung der Übertragungsparameter von dem Empfänger (220') an den Sender (210').
System nach Anspruch 17 oder 18, wobei jede Weiterleitungsstation (215) angepasst ist zum Ausführen der Kanalcharakterisierung auf ihrem Funkpfad der ersten Strecke.
System nach Anspruch 17 oder 18, wobei jede Weiterleitungsstation (215) angepasst ist zur Ausführung der Kanalcharakterisierung auf ihrem Funkpfad der zweiten Strecke.
System nach Anspruch 19 und 20, wobei jede Weiterleitungsstation (215) angepasst ist, um die Bestimmung des relativen Übertragungsparameters auf eine Kombination der Charakterisierung eines Funkpfads der ersten und zweiten Strecke zu basieren.
System nach irgendeinem der Ansprüche 17 bis 21, wobei das System angepasst ist, um den relativen Übertragungsparameter und den gemeinsamen Übertragungsparameter für entweder eine Phasensteuerung, eine Leistungssteuerung oder eine Weiterleitungsaktivierung oder irgendeine Kombination einer Phasensteuerung, einer Leistungssteuerung, und einer Weiterleitungsaktivierung zu verwenden.
System nach Anspruch 17, wobei die logische Architektur eine Steuernachrichtenstruktur umfasst, die angepasst ist zum Steuern einer Signalisierung in der ersten Steuerschleife, wobei die Steuernachrichtenstruktur wenigstens ein Feld oder eine Auswahl der folgenden Felder umfasst: – ein Weiterleitungskonzeptfeld (1110), das den Typ des Weiterleitungskonzepts spezifiziert, – ein Leistungssteuerfeld (1120), welches die gemeinsamen Übertragungsparameter gibt, die von den Weiterleitungsstationen (215) verwendet werden, um eine geeignete Leistung für die Weitergabe auf der zweiten Strecke zu bestimmen; – ein Weiterleitungsaktivierungs-Steuerfeld (1130), das die Weiterleitungsaktivierungsschwelle spezifiziert und/oder Weiterleitungsstationen (215), die aktiviert/deaktiviert werden sollen, spezifiziert; – ein Phasensteuerfeld (1140), welches die gemeinsamen Übertragungsparameter gibt, die von den Weiterleitungsstationen (215) verwendet werden, um die Signale, die auf der zweiten Strecke weitergegeben werden sollen, in der Phase auszurichten.
Weiterleitungsstation (215), angepasst zur Verwendung in einem drahtlosen Kommunikationsnetz unter Verwendung einer kooperativen Weiterleitung, wobei die Weiterleitungsstation (215) angepasst ist zum Weitergeben von Signalen von einer ersten Strecke zwischen einem Sender (210') und der Weiterleitungsstation (215) an eine zweite Strecke zwischen der Weiterleitungsstation (215) und dem Empfänger (220'), dadurch gekennzeichnet, dass die Weiterleitungsstation (215) Mittel zum Ausführen einer Kanalcharakterisierung (216) und Mittel zum Bestimmen von relativen Übertragungsparametern (217) basierend auf einer Kanalcharakterisierung und Mittel zum Anpassen (218) der Weitergabe wenigstens teilweise basierend auf dem relativen Übertragungsparameter und auf einem gemeinsamen Übertragungsparameter, der vorher von der Weiterleitungsstation empfangen wurde, wobei der gemeinsame Übertragungsparameter wenigstens teilweise auf einem Maß der Gesamtkommunikationsqualität zwischen dem Sender (210') und dem Empfänger (220') basiert, aufweist.
Weiterleitungsstation (215) nach Anspruch 24, ferner umfassend Mittel zum Aktivieren/Deaktivieren der Weiterleitungsstation (215) und die Aktivierungs/Deaktivierungs-Mittel auf den relativen Übertragungsparameter und/oder den gemeinsamen Übertragungsparameter reagieren.
Basisstation (210), angepasst zur Verwendung in einem drahtlosen Kommunikationsnetz unter Verwendung einer kooperativen Weiterleitung, wobei die Basisstation (210) einen Empfänger (220') umfasst und das Netz wenigstens eine Weiterleitungsstation (215) umfasst, die angepasst ist zum Weitergeben von Signalen von einer ersten Strecke zwischen einem Sender (210') und einer Weiterleitungsstation (215) an eine zweite Strecke zwischen den Weiterleitungsstationen (215) und dem Empfänger (220'), wobei die Basisstation (210) dadurch gekennzeichnet ist, dass der Empfänger (220') Mittel zum Bestimmen eines gemeinsamen Übertragungsparameters (222) und Mittel zum Verteilen des gemeinsamen Übertagungsparameters an die Weiterleitungsstationen (215) aufweist, und wobei der gemeinsame Übertragungsparameter wenigstens teilweise auf einem Maß der Gesamtkommunikationsqualität zwischen dem Sender (210') und dem Empfänger (220') der Basisstation (210) basiert.
Mobilstation (220), angepasst zur Verwendung in einem drahtlosen Kommunikationsnetz unter Verwendung einer kooperativen Weiterleitung, wobei die Mobilstation (220) einen Empfänger (220') umfasst und das Netz wenigstens eine Weiterleitungsstation (215) umfasst, die angepasst ist zum Weiterleiten von Signalen von einer ersten Strecke zwischen einem Sender (210') und einer Weiterleitungsstation (215) an eine zweite Strecke zwischen den Weiterleitungsstationen (215) und dem Empfänger (220'), wobei die Basisstation (210) dadurch gekennzeichnet ist, dass der Empfänger (220') Mittel zum Bestimmen eines gemeinsamen Übertragungsparameters (222) und Mittel zum Verteilen des gemeinsamen Übertragungsparameters an die Weiterleitungsstationen (215) aufweist, und wobei der gemeinsame Übertragungsparameter wenigstens teilweise auf einem Maß der Gesamtkommunikationsqualität zwischen dem Sender (210') und dem Empfänger (220') der Mobilstation (220) basiert.