DE602004012250T2 - Verfahren und system für drahtlose kommunikationsnetzwerke mit weiterleitung - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Relais-unterstützte, drahtlose Kommunikation, um eine Kommunikationsleistungsfähigkeit zu verbessern. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und System zum Durchführen einer Kommunikation in einem drahtlosen Zweisprung-Kommunikationsnetzwerk.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Eine strebende Hauptkraft bei der Entwicklung drahtloser/zellularer Kommunikationsnetzwerke und -Systeme ist außer von vielen anderen Aspekten, eine erhöhte Abdeckung oder Unterstützung einer höheren Datenrate oder eine Kombination von beidem bereitzustellen. Zur gleichen Zeit ist der Kostenaspekt eines Errichtens und Aufrechterhaltens des Systems von großer Wichtigkeit und es ist erwartet, dass dies in der Zukunft sogar noch mehr wird. Da Datenraten und/oder Kommunikationsentfernungen erhöht werden, ist das Problem eines anwachsenden Batterieverbrauchs ein anderer Bereich von Sorge.
  • Bis neulich war die Haupttopologie drahtloser Netzwerke ziemlich unverändert, einschließlich der drei existierenden Generationen zellularer Netzwerke. Die Topologie ist durch die zellulare Architektur mit den Festfunkbasisstationen und den Mobilstationen als den sendenden und empfangenden Einheiten in den Netzwerken charakterisiert, wobei eine Kommunikation in typischer Weise lediglich zwei dieser Einheiten umfasst. Ein alternativer Ansatz für Netzwerke wird durch die gut bekannten Mehrfachsprung-Netzwerke dargestellt, wobei typischer Weise in einem drahtlosen Szenario eine Kommunikation eine Vielzahl von sendenden und empfangenden Einheiten in einer weiterleitenden Konfiguration beteiligt.
  • Derartige Systeme bieten Möglichkeiten von signifikant verringertem Wegverlust zwischen kommunizierenden (Relais-)Einheiten, von denen die End-zu-End-(ETE – End to End)-Benutzer profitieren.
  • Aufmerksamkeit wurde neuerlich auf einem anderen Typ einer Topologie gerichtet, der viele Merkmale und Vorteile gemeinsam mit den Mehrfachsprung-Netzwerken aufweist, jedoch auf lediglich Zwei-(oder Wenig-)Sprung-Weiterleiten begrenzt ist. Im Gegensatz zu Mehrfachsprung-Netzwerken nutzt die zuvor erwähnte Topologie Aspekte eines Parallelisierens aus und übernimmt ebenso Themen von fortgeschrittenen Antennensystemen. Diese Netzwerke, die den neuen Typ von Topologie verwenden, weisen eine Kooperation unter mehreren Stationen als gemeinsamen Nenner auf. In der neuerlichen Forschungsliteratur läuft dies unter mehreren Namen, wie zum Beispiel kooperatives Weiterleiten, kooperative Diversität, kooperatives Kodieren, virtuelle Antennenfelder, usw. In der vorliegenden Anmeldung sind die Begriffe „kooperatives Weiterleiten" und „kooperative Schemata/Methoden" gemeint, alle Systeme und Netzwerke zu umfassen, die eine Kooperation unter mehreren Stationen bzw. den Schemata/Methoden umfassen, die in diesem System verwendet werden. Eine reichhaltige Übersicht von kooperativen Kommunikationsschemata wird in [1] gegeben. Unterschiedliche Formate eines weitergeleiteten Signals können verwendet werden. Ein Signal kann dekodiert, re-moduliert und weitergeleitet werden oder alternativ einfach verstärkt und weitergeleitet werden. Das Erstere ist als Dekodier-und-Weiterleiten oder regeneratives Weiterleiten bekannt, wohingegen das Letztere als Verstärken-und-Weiterleiten oder nicht-regeneratives Weiterleiten bekannt ist. Sowohl regeneratives als auch nicht-regeneratives Weiterleiten ist wohl bekannt, z. B. durch herkömmliche Mehrfachsprung- bzw. Wiederholerlösungen. Unterschiedliche Aspekte der zwei Ansätze werden in [2] behandelt.
  • Die allgemeinen Vorteile eines kooperativen Weiterleitens in einer drahtlosen Kommunikation kann als höhere Datenraten, verringerter Ausfall (auf Grund unterschiedlicher Formen zur Diversität), erhöhte Batterielebensdauer, ausgedehnte Abdeckung (z. B. für zellular) zusammengefasst werden.
  • Unterschiedliche Schemata und Topologien, die das kooperative Weiterleiten verwenden, sind als theoretische Modelle innerhalb des Bereichs von Informationstheorie als Vorschläge für tatsächliche Netzwerke und zum Beispiel in einigen wenigen Fällen als Labortestsysteme vorgeschlagen worden. Beispiele werden in [1], Seiten 37–39, 41–44 gefunden. Die unterschiedlichen Kooperationsschemata können darauf basierend unterteilt werden, welche Einheiten zu sendende Daten aufweisen, zu wem und wer kooperiert. In 1a–f (Stand der Technik) sind unterschiedliche Topologien schematisch dargestellt, wer der Empfänger ist und der Weg für Funkübertragungen.
  • Der klassische Weiterleitungskanal, der in 1a dargestellt ist, besteht aus einer Quelle, die es wünscht mit einem Ziel durch die Verwendung von Relais zu kommunizieren. Das Relais empfängt das Signal, das von der Quelle übertragen wird, durch einen verrauschten Kanal, verarbeitet dieses und leitet dieses weiter an das Ziel. Das Ziel beobachtet eine Überlagerung der Quelle und der Relaisübertragung. Das Relais muss keine zu sendende Information aufweisen; daher ist das Ziel für das Relais, die Gesamtrate des Informationsflusses von der Quelle zu dem Ziel zu maximieren. Der klassische Relaiskanal wurde in [1], [7] und in [3] untersucht, wobei eine Empfängerdiversität in dem Letzteren eingeschlossen war. Der klassische Weiterleitungskanal in seiner Drei-Stationsform verwendet mehrere Relaisstationen überhaupt nicht und stellt daher nicht die oben angegebenen Vorteile bereit.
  • Ein viel versprechenderer Ansatz, paralleler Weiterleitungskanal, ist schematisch in 1b dargestellt, bei dem ein drahtloses System Wiederholer/Repeater (wie zum Beispiel einer zellularen Basisstation, mit unterstützenden Repeatern) mit überlappender Abdeckung verwendet, ein Empfänger kann vom Verwenden überlagerter Signale profitieren, die von mehreren Repeatern empfangen werden. Dies ist etwas, das automatisch in Systemen geschieht, wenn die Repeater nahe gelegen lokalisiert sind. Neuerlich haben informationstheoretische Studien diesen Fall behandelt. Ein bestimmter Fall von Interesse ist von Schein [4] und [5]. Schein hat eine Informations-theoretische Studie über ein Kooperations-orientiertes Netzwerk mit vier Knoten durchgeführt, d. h. mit einem Sender, einem Empfänger und lediglich zwei Zwischenrelais. Ein Real-wertiger Kanal mit einem Ausbreitungsverlust gleich eins wird untersucht. Jedes Relais verwendet ein nicht-regeneratives Weiterleiten, d. h. reine Verstärkung. Auf Grund der vereinfachten Annahme eines Real-wertigen Ausbreitungsverlustes addieren sich die Signale kohärent an der Empfängerantenne. Unter einzelnen Relaisleistungsbeschränkungen zeigt Schein ebenso, dass Verstärkungsfaktoren gewählt werden können, um das Empfänger-SNR zu maximieren, obwohl er nicht den expliziten Ausdruck für die Verstärkungsfaktoren ableitet. Eine der Stationen sendet mit ihrer Maximalleistung, wohingegen die andere mit einer anderen jedoch kleineren Leistung sendet. Der Nachteil von Schein's Schemata ist, dass diese lediglich sind: lediglich eine informations-theoretische Analyse, lediglich auf zwei Relaisstationen begrenzt, in einem Real-wertigen Kanal mit einer Verstärkung von eins abgeleitet (daher fundamentale und realistische Ausbreitungsannahmen vernachlässigend), die Vorrichtung und Mechanismen vernachlässigt, das Verfahren in der Praxis möglich zu machen. Zum Beispiel werden Protokolle, Leistungssteuer- und RRM-Mechanismen, eine Komplexitäts- und Overhead-Themen überhaupt nicht behandelt. Unter Bezug auf ein Behandeln von lediglich zwei Relaisstationen werden die signifikant höhere Antennenverstärkung und Diversitätsvorteile, die für eine größere Anzahl von Relais resultieren würde, weder berücksichtigt noch ausgenutzt.
  • Das Konzept eines Mehrfachzugangskanals mit Weiterleiten (ebenso bekannt als Mehrfachzugangskanäle mit generalisierter Rückkopplung) wurde spät von mehreren Forschern untersucht und ist schematisch in 1c dargestellt. Das Konzept umfasst, dass zwei Benutzer kooperieren, d. h. die Information austauschen, die jeder zu übertragen wünscht und nachfolgend jeder Benutzer nicht nur seine eigene Information sendet, sondern ebenso die Information eines anderen Benutzers an einen Empfänger. Der Vorteil bei diesem Durchführen ist, dass die Kooperation eine Diversitätsverstärkung bereitstellt. Es gibt im Wesentlichen zwei Schemata, die spät untersucht worden sind; kooperative Diversität und kodierte kooperative Diversität. Untersuchungen sind zum Beispiel in [1] berichtet. Unter Bezug auf eine Diversität sind unterschiedliche Formen vorgeschlagen worden, wie zum Beispiel Alamouti-Diversität, Empfänger-Diversität, auf kohärentem Kombinieren basierende Diversität. Typischerweise ruhen die untersuchten Schemata und Topologien auf einem Dekodieren von Daten vor einer Übertragung. Dies bedeutet weiter, dass die Stationen nahe gelegen angeordnet sein müssen, um zu kooperieren und daher eine Kooperation mit entfernter gelegenen Relais ausschließen sowie die große Anzahl von potentiellen Relais, falls eine Gruppe mit großer Abmessung gebildet werden könnte. Zusätzliche Nachteile für diese Schemata sind, dass es ziemlich unwahrscheinlich ist, nahe angeordnete und gleichzeitig übertragende Stationen zu haben. Diese Nachteile zeigen, dass die untersuchte Topologie von weniger praktischem Interesse ist. Der Rundfunkkanal (Broadcast Channel) mit Weiterleiten, der in 1d dargestellt ist, ist im Wesentlichen das Umgekehrte der Topologie, die in 1c abgebildet ist und teilt daher die gleichen ernsten Nachteile.
  • Eine weitere Erweiterung der Topologie, die in 1c abgebildet ist, ist der so genannte Interferenzkanal mit Weiterleiten, der in 1e abgebildet ist, bei dem zwei Empfänger berücksichtigt werden. Dies wurde z. B. in [8] und in [1] untersucht, jedoch ohne Kooperation zwischen den Empfängern und hat daher nicht die Möglichkeiten ausgenutzt, die möglicherweise durch ein kooperatives Weiterleiten geleistet werden.
  • Eine andere berichtete Topologie, die schematisch in 1f dargestellt ist, wird manchmal als ein virtueller Antennenfeldkanal bezeichnet und in zum Beispiel [9] beschrieben. In diesem Konzept wird eine (signifikante) Bandbreitenausdehnung zwischen einer kommunizierenden Station und benachbarten Relaisknoten angenommen und daher können nicht-interferierende Signale über orthogonale Ressourcen übertragen werden, die es für Phasen- und Amplitudeninformation erlauben, beibehalten zu werden. Mit dieser Architektur wird MIMO(Multiple Input Multiple Output – Mehrfacheingabe-Mehrfachausgabe)-Kommunikation (jedoch ebenso andere Raum-Zeit-kodierende Verfahren) mit einem einzelnen Antennenempfänger ermöglicht. Die Topologie kann äquivalent zur Übertragung verwendet werden. Eine allgemeine Annahme ist, dass Relaisstationen nahe an dem Empfänger (oder Sender) sind. Dies begrenzt die Wahrscheinlichkeit, ein Relais zu finden, sowie die Gesamtzahl möglicher Relais, die verwendet werden können. Eine signifikante praktische Begrenzung ist, dass eine sehr große Bandbreitenausdehnung erforderlich ist, um Signale über nicht-interferierende Kanäle zu dem Empfänger zum Verarbeiten weiterzuleiten.
  • Kooperatives Weiterleiten weist einige oberflächliche Ähnlichkeiten zu dem Übertragungsdiversitätskonzept in (auch bekannt als Übertragungsdiversität mit reichhaltiger Rückkopplung, TDRF) auf, wie in [10] beschrieben und schematisch in 1g dargestellt. Wesentlich für das Konzept ist, dass ein Sender mit fest lokalisierten Antennen, z. B. an einer Basisstation in einem zellularen System, die Kanalparameter, (die Abklingeffekte und eine Zufallsphase berücksichtigen) von jedem Antennenelement zu der Empfängerantenne herausfindet und diese Information verwendet, um sicherzustellen, dass, nach einem Gewichten und einer Phaseneinstellung in dem Sender, ein (rauschfreies) Signal gesendet wird und sich kohärent an der Empfängerantenne hinzufügt, wodurch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis maximiert wird. Während eine Übertragungsdiversität mit einem perfekt bekannten Kanal und implementiert in einer festen Basisstation signifikante Leistungsfähigkeitsvorteile bereitstellt, existieren ebenso praktische Begrenzungen in Form der Anzahl von Antennenelementen, die in einem Gerät oder an einer Antennenseite implementiert werden können. Daher gibt es eine Grenze in dem Grad einer Leistungsfähigkeitssteigerung, die erzielt werden kann. Ein Nachteil für Basisstations-orientierte Übertragungsdiversität ist ebenso, dass große Objekte zwischen Sender und Empfänger einen hohen Wegverlust verursachen.
  • Daher ist es im Stand der Technik gezeigt, dass ein kooperatives Weiterleiten zum Beispiel Großpotentiale beim Bereitstellen einer hohen Kapazität und Flexibilität aufweist. Die in dem Stand der Technik vorgeschlagenen Topologien und Methoden benehmen immer noch nicht den Vorteil der wahrgenommenen Vorteile eines Netzwerkes mit kooperativem Weiterleiten.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In den Verfahren gemäß dem Stand der Technik wird die Qualität der ersten Verbindung, der zweiten Verbindung oder einer Kombination aus diesen nicht beim Anpassen irgendwelcher Übertragungsparameter berücksichtigt. Dies weist die Folge auf, dass sich eine Leistungsfähigkeit verschlechtern kann und Ressourcen ineffizient verwendet werden.
  • Daher ist ein signifikanter Nachteil des oben erläuterten Standes der Technik, dass diese keine Übertragungsparameter der Relais in Reaktion auf die Qualität einer Verbindung oder einer Kombination von Verbindungen (erster und zweiten) anpassen, die an dem Weiterleitungsverfahren beteiligt sind. Dadurch ist der Stand der Technik nicht in der Lage gewesen, einen Vorteil der wahrgenommenen Vorteile eines kooperativen Weiterleitungsnetzwerkes vollständig wahrzunehmen.
  • Offensichtlich wird ein verbessertes Verfahren und System für ein kooperatives weiterleitendes Netzwerk benötigt, das die Qualität der ersten Verbindung, der zweiten Verbindung oder einer Kombination aus diesen beim Anpassen von Übertragungsparametern berücksichtigt, ist erforderlich, um dadurch die Fähigkeit zu haben, besser einen Vorteil der wahrgenommenen Vorteile eines kooperativen weiterleitenden Netzwerkes wahrzunehmen.
  • Das Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren, eine Relaisstation und ein System bereitzustellen, das die Nachteile der Techniken gemäß dem Stand der Technik überwindet. Dies wird durch das Verfahren, wie in Anspruch 1 definiert, die Relaisstation wie in Anspruch 11 definiert und das System wie in Anspruch 14 definiert, erreicht.
  • Das Problem wird dadurch gelöst, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren, eine Relaisstation und ein System bereitstellt, die es ermöglichen, geschätzte Funkkanaleigenschaften von sowohl der ersten als auch der zweiten Verbindung zum Anpassen des Weiterleitens von Signalen von einer ersten Verbindung zu einer zweiten Verbindung zu verwenden, die von der Relaisstation durchgeführt wird.
  • In dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eines Durchführens einer Kommunikation in einem drahtlosen Zweisprung-Kommunikationsnetzwerk sind ein Sender, ein Empfänger und zumindest eine Relaisstation in einer Kommunikationssitzung beteiligt. Die Relaisstation leitet Signale von einer ersten Verbindung zwischen dem Sender und der Relaisstation zu einer zweiten Verbindung zwischen den Relaisstationen und dem Empfänger weiter. Das Weiterleiten, das durch die zumindest eine Relaisstation durchgeführt wird, wird als eine Antwort auf geschätzte Funkkanaleigenschaften der zumindest ersten Verbindung angepasst. Vorzugsweise ist das Weiterleiten als eine Antwort auf geschätzte Funkkanaleigenschaften von sowohl der ersten als auch der zweiten Verbindung angepasst.
  • Die Relaisstation gemäß der vorliegenden Erfindung ist angepasst zur Verwendung in einem drahtlosen Zweisprung-Kommunikationsnetzwerk, wobei das Netzwerk einen Sender, einen Empfänger und zumindest eine Relaisstation umfasst. Die Relaisstation ist angepasst, Signale von einer ersten Verbindung zwischen dem Sender und der Relaisstation an eine zweite Verbindung zwischen den Relaisstationen und dem Empfänger weiterzuleiten. Die Relaisstation ist mit Vorrichtungen zum Anpassen des Weiterleitens basierend auf einer Charakterisierung sowohl der ersten als auch der zweiten Verbindung bereitgestellt.
  • Auf Grund der Erfindung ist es möglich, das Weiterleiten auf der zweiten Verbindung auf die tatsächlichen Bedingungen einzustellen, die während einer Kommunikationssitzung vorliegen. Zusätzlich kann das Weiterleiten besser auf Änderungen in den Bedingungen eingestellt werden.
  • Ein Vorteil, der von der vorliegenden Erfindung geleistet wird, ist, dass die genauere und zuverlässigere Charakterisierung der einzelnen Funkwege verwendet werden kann, um unterschiedliche Übertragungsparameter zu bestimmen und zu optimieren. Dadurch können zum Beispiel die Fähigkeiten eines kooperativen weiterleitenden Netzwerkes vollständiger ausgenutzt werden.
  • Ein weiterer Vorteil in der Charakterisierung der ersten und zweiten Verbindung wird vorteilhafter Weise in den Relaisstationen durchgeführt. Daher ermöglicht das Verfahren gemäß der Erfindung eine Verteilung von Funktionalitäten in dem Netzwerk, was ein Anwachsen in der Anzahl von Relaisstationen in einer Kommunikationssitzung erlaubt, ohne irgendeine signifikante Erhöhung in dem Betrag eines Protokoll-Overheads, der für die Übertragung von Daten von dem Sender zu dem Empfänger erforderlich ist.
  • Ein noch weiterer Vorteil des Verfahrens und Systems gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass die verbesserte Charakterisierung der ersten und zweiten Verbindung es ermöglichen, den vollen Vorteil des wahrgenommenen Vorteils eines Netzwerkes mit kooperativem Weiterleiten zu wahrzunehmen, das eine größere Anzahl von weiterleitenden Stationen umfasst. Mit der Erfindung, die in einem kohärenten, kombinierenden Einstellen verwendet wird, wachsen die Richtungsverstärkung und die Diversitätsverstärkung mit einer anwachsenden Anzahl von Relaisstationen an. Die Richtungsverstärkung selbst bietet ein erhöhtes SNR an, das für eine Bereichserweiterung und/oder eine Datenratenverbesserung verwendet werden kann. Die Diversitätsverstärkung erhöht die Robustheit der Kommunikation, was eine gleichförmigere Kommunikationsqualität über die Zeit hinweg bereitstellt. Während eine Richtungs- und Diversitätsverstärkung durch unterschiedliche, herkömmliche, fortschrittliche Antennenlösungen bereitgestellt werden kann, bei denen die Antennen entweder an dem Sender oder dem Empfänger platziert sind, ist die vorgeschlagene Lösung im Allgemeinen nicht auf die physikalischen Raumbeschränkungen begrenzt, wie diese in Basisstationen oder Mobilendgeräten erkannt werden. Daher gibt es in der Tat ein Potential, eine größere Anzahl von Relais als die Anzahl von Antennen an einer Basisstation oder einer Mobilstation zu verwenden und daher sogar größere Richtungs- und Diversitätsverstärkungen anzubieten.
  • Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Andere Ziele, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen betrachtet wird.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, die oben skizziert sind, werden vollständiger unten in der detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen auf die gleichen Elemente verweisen, in denen:
  • 1a–g schematische Darstellungen der Topologien eines Standes der Technik sind, der kooperatives Weiterleiten verwendet;
  • 2 schematisch ein zellulares System darstellt, das ein kooperatives Weiterleiten gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 ein schematisches Modell ist, das verwendet wird, die Parameter und Begriffe zu beschreiben, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
  • 4 ein Flussdiagramm über das Verfahren gemäß der Erfindung ist;
  • 5a und 5b schematische Darstellungen zweier alternativer, logischer Architekturen für das kooperative, weiterleitende Netzwerk gemäß der Erfindung sind;
  • 6 ein Flussdiagramm über eine Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist;
  • 7 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist, die Relaisstationen mit mehreren Antennen verwendet;
  • 8 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist, die eine direkte Übertragung zwischen dem Sender und Empfänger verwendet.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
  • Das in 2 skizzierte Netzwerk ist ein Beispiel eines kooperativen, weiterleitenden Netzwerkes, in dem die vorliegende Erfindung vorteilhaft implementiert ist. Die Figur zeigt eine Zelle 205 des drahtlosen Netzwerkes, die eine Basisstation 210 (BS) umfasst, eine Vielzahl von Relaisstationen 215 (RS) und eine Vielzahl von Mobilstationen (MS) 220–223. Wie in der Figur gezeigt, sind die Relaisstationen 215 auf Masten montiert, können jedoch ebenso auf zum Beispiel Gebäuden montiert sein. Feste Relais können verwendet werden, wenn Sichtlinienbedingungen arrangiert werden können, Richtungsantennen zu der Basisstation können verwendet werden, um das SNR (Signal-to-Noise Ratio – Signal-zu-Rausch-Verhältnis) oder eine Interferenzunterdrückung zu verbessern und das feste Relais braucht nicht ernsthaft in seiner Übertragungsleistung begrenzt zu werden, da typischerweise das elektrische Versorgungsnetzwerk verwendet werden kann. Jedoch können ebenso mobile Relais, wie zum Beispiel Benutzermobilendgeräte, entweder als eine Ergänzung zu festen Relais oder unabhängig verwendet werden. Die Mobilstationen 221 und 222 sind Beispiele von Mobilrelais, d. h. Mobilstationen, die temporär ebenso als Relais funktionieren. Die Mobilstation 220 ist in aktiver Kommunikation mit der Basisstation 210. Das Signalisieren, wie durch Pfeile angezeigt, ist im Wesentlichen gleichzeitig unter Verwendung einer Vielzahl von Wegen, die durch zwei Sprünge gekennzeichnet sind, d. h. über eine Relaisstation 215 oder eine Mobilstation, die als ein Mobilrelais 221, 222 agiert. Die Übertragung erfährt eine Interferenz von zum Beispiel benachbarten Zellen und der Effekt der Interferenz variiert über die unterschiedlichen Wege hinweg.
  • Es sollte erwähnt werden, dass, obwohl Relais-basierte Kommunikation verwendet wird, um eine Kommunikation zu verbessern, immer noch direkte BS zu MS-Kommunikation verwendet werden kann. Tatsächlich kann etwas Grundniederraten-Signalisieren zwischen der BS und MS zum Aufbauen eines Relais-unterstützten Kommunikationskanals erforderlich sein. Zum Beispiel kann eine zellulare Systemfunktion, wie zum Beispiel Funkrufen, kein auf kohärentem Kombinieren-basiertes Weiterleiten verwenden, da die Relais-zu-MS-Kanäle nicht a priori bekannt sind, stattdessen wird vorzugsweise eine direkte BS zu MS-Kommunikation während einem Anrufaufbau und ähnlichen Verfahren verwendet.
  • Das reale, zellulare Weltsystem, das in 2 skizziert ist, wird durch ein Systemmodell modelliert, das in 3 gezeigt ist, hier mit einem Fokus auf einem einzelnen Paar von einem Sender und Empfänger mit einer beliebigen Anzahl K von Relaisstationen. Die Bezeichnung ist auf eine Basisstation 210 als ein Sender und eine Mobilstation 220 als Empfänger angepasst, jedoch nicht darauf begrenzt. Die Kommunikation zwischen der Basisstation 210 und der Mobilstation 220 kann als zwei Hauptteile umfassend beschrieben werden: die Übertragungen von der Basisstation 210 zu den Relaisstationen 215:k, die als Verbindung 1 bezeichnet werden und die Übertragungen von den Relaisstationen 215:k zu den Mobilstationen 220, die als Verbindung 2 bezeichnet werden. Der Sender, d. h. BS 210, überträgt mit einer Leistung PBS. Jede Relaisstation 215:k, wobei k ∈ {1, 2, ..., K} und K die Gesamtanzahl von Relaisstationen ist, empfängt das Signal und überträgt dieses mit einer Gesamtleistung Pk neu. Die aggregierte Übertragungsleistung aller Relaisstationen 215:k wird als PRS bezeichnet. h1,k ist die komplexe Wegverstärkung von der Relaisstation k zu der Mobilstation, d. h. h1,k und h2,k kennzeichnet die einzelnen Signalwege. Der Empfänger, d. h. MS 220, empfängt ein Gesamtsignal, das als Cr bezeichnet wird und erfährt das Gesamtrauschen Nr.
  • Typischerweise ist in einem realistischen Szenario eine BS in einer Zelle gleichzeitig an einer Kommunikation mit einer Vielzahl von Mobilstationen beteiligt. Dies kann sich durch Betrachten jeder Kommunikation als gemäß 3 modelliert vorgestellt werden. Zur Klarheit wird in der vorliegenden Anmeldung lediglich eine Kommunikationssitzung betrachtet, die eine BS, eine MS und eine Vielzahl von Relaisstationen beteiligt. Jedoch wird, wie für die auf dem Gebiet tätigen Fachleute ersichtlich, die erfindungsgemäße Architektur und das Verfahren/Schema leicht ebenso in dem Fall mit einer Vielzahl von gleichzeitigen Kommunikationen zwischen der Basisstation und Mobilstationen angewendet.
  • Wie von den auf dem Gebiet tätigen Fachleuten erkannt wird, müssen in einem Netzwerk gemäß dem obigen Modell eine große Anzahl von Parametern eingestellt und vorzugsweise optimiert werden, um den Vorteil der Möglichkeiten und der Kapazität wahrzunehmen, der von einem derartigen Netzwerk angeboten wird. Dies ist ebenso, wie zuvor erläutert, dort zeigen Systeme gemäß dem Stand der Technik ihre Nachteile als Mehrfach-Relaissysteme, aufgrund ihrer angenommenen Komplexität, werden nicht erläutert. Parameter, die berücksichtigt und vorzugsweise optimiert werden müssen, umfassen, sind jedoch nicht auf diese begrenzt, Übertragungsleistung der Basisstation 210 und jeder Relaisstation 215:k, welche Relaisstationen in der Kommunikation verwendet werden sollten, Phasensteuerung (falls kohärentes Kombinieren verwendet wird), Kodieren, Verzögerung (in dem Fall einer Verzögerungsdiversität), Antennenparameter (Strahlformen, räumliches Multiplexen), usw.. Die Parameter, die erforderlich sind, um die Übertragung zu steuern und zu optimieren, werden als Übertragungsparameter (TP) bezeichnet. Eine bevorzugte Optimierung umfasst, ist jedoch nicht darauf begrenzt, Optimieren der Übertragungsleistungen der Basisstation 210 und der Relaisstationen 215:k, um ein spezifisches SNR an der empfangenden Mobilstation zu erhalten, was wiederum einer bestimmten Dienstqualität oder Kapazität entspricht, zum Beispiel hinsichtlich eines Leistungsverbrauchs der unterschiedlichen Einheiten und zum Beispiel dem Interferenzpegel in der Zelle und benachbarter Zellen.
  • Fundamental für alle Optimierung und notwendig für eine effiziente Verwendung der Funkressourcen sind eine genaue Charakterisierung der Funkwege in der ersten und zweiten Verbindung und eine Steuerung darüber, wie irgendwelche Veränderungen in jeglichen Übertragungsparametern die Gesamtleistungsfähigkeit beeinflussen. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren bereit, bei dem eine Relaisstation 215:k Kanalcharakteristiken von sowohl der ersten als auch der zweiten Verbindung verwendet, um Übertragungsparameter für das Weiterleiten auf der zweiten Verbindung zu bestimmen. Zusätzlich kann gemäß dem Verfahren jeder Relaisstation 215:k optional ihr Weiterleiten an die zweite Verbindung auf ein Qualitätsmaß auf der Kommunikation als Ganzes anpassen, wie von zum Beispiel dem Empfänger 220 wahrgenommen. Das Qualitätsmaß auf der Kommunikation als Ganzes wird als der allgemeine Übertragungsparameter bezeichnet.
  • In dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eines Durchführens einer Kommunikation in einem drahtlosen Zweisprung-Kommunikationsnetzwerk sind ein Sender 210, ein Empfänger 220 und zumindest eine Relaisstation 215 an einer Kommunikationssitzung beteiligt. Die Relaisstation 215 leitet Signale von einer ersten Verbindung zwischen dem Sender 210 und der Relaisstation 215 zu einer zweiten Verbindung zwischen der Relaisstation 215 und dem Empfänger 220 weiter. Das Weiterleiten, das durch zumindest eine Relaisstation 215 durchgeführt wird, ist als eine Reaktion auf geschätzte Funkkanalcharakteristiken von zumindest der ersten Verbindung angepasst. Vorzugsweise ist das Weiterleiten als eine Antwort auf geschätzte Funkkanalcharakteristiken von sowohl der ersten als auch der zweiten Verbindung angepasst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Bezug auf das Flussdiagramm aus 4 beschrieben. Das Verfahren umfasst die Hauptschritte von:
    • 400: Sende Piloten auf den k Wegen von Verbindung 1;
    • 410: Charakterisiere die k Wege von Verbindung 1;
    • 420: Sende Piloten auf den k Wegen von Verbindung 2;
    • 430: Charakterisiere die k Wege von Verbindung 2;
    • 440: Bestimme relative Übertragungsparameter für jede Relaisstation 215, wobei jeder relative Parameter auf der Charakterisierung des jeweiligen Weges von Verbindung 1 oder einer Kombination von Verbindung 1 und Verbindung 2 basiert.
    • 450: jede Relaisstation 215:k passt das Weiterleiten auf Verbindung 2 an den Empfänger 220 unter Verwendung ihres jeweiligen relativen Übertragungsparameters an.
  • Optional umfasst das Verfahren den Schritt:
    • 445: Bestimmen eines allgemeinen Übertragungsparameters, der die Qualität der Kommunikation als Ganzes widerspiegelt.
    • 447: Verteile den allgemeinen Übertragungsparameter an die Relaisstationen (215) und Schritt 450 wird nachfolgend ersetzt mit:
    • 450': jede Relaisstation 215:k passt das Weiterleiten auf der zweiten Verbindung zu dem Empfänger 220 unter Verwendung ihrer jeweiligen relativen Übertragungsparameter und dem allgemeinen Übertragungsparameter an.
  • „Piloten" und „sendende Piloten" sollten als jede Art von Kanalschätzsymbolen sendend interpretiert werden. „Hallo-Nachrichten" können ebenso für diesen Zweck verwendet werden.
  • Es sollte erwähnt werden, dass das Senden von Piloten nicht in der obigen Reihenfolge auftreten muss und ebenso gleichzeitig auf Verbindung 1 und 2 stattfinden kann.
  • Die Charakterisierung der Funkwege in Schritt 410 und 430 ist vorzugsweise auf die verwendete Übertragungstechnik angepasst und möglicherweise ebenso auf den Typ einer Optimierung, die die Charakterisierung verwenden sollte. Die Charakterisierung kann umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt: Schätzen komplexer Wegverstärkungen h1,k und h2,k die jeden Weg der ersten bzw. zweiten Verbindung charakterisieren.
  • Da es zwei Verbindungen gibt, Sender zu Relais und Relais zu Empfänger, gibt es vier Möglichkeiten, welche Station(en) senden und welche Station(en) die Kanäl(e) schätzen. Die vier Möglichkeiten sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Der Zweck ist, darzustellen, dass mehrere unterschiedliche Implementierungsansätze der Erfindung unternommen werden können.
    Fall Verbindung 1 Verbindung 2
    Sender Relais Relais Empfänger
    1 Sende Pilot Schätze Kanal Schätze Kanal Sende Pilot
    2 Sende Pilot Schätz Kanal Sende Pilot Schätze Kanal
    3 Schätze Kanal Sende Pilot Schätze Kanal Sende Pilot
    4 Schätze Kanal Sende Pilot Sende Pilot Schätze Kanal
    Tabelle 1
  • Vorausgesetzt dass eine Kanalschätzung in irgendeiner Station durchgeführt worden ist, ist es ebenso ein Thema, wer ein Verarbeiten der vereinigten Information durchführt, d. h. die relativen Übertragungsparameter bestimmt. Im Wesentlichen gibt es drei Möglichkeiten, der Sender BS 210, der Empfänger MS 220 oder ein Satz von Relaisstationen RS 215. Da es die Relaisstationen sind, die die Einstellungen des Weiterleitens auf Verbindung zwei durchführen müssen, ist dies der bevorzugte Ort, um die relativen Übertragungsparameter zu bestimmen. Falls eine Relaisstation ein Pilotsignal sendet, muss eine Darstellung der Kanalcharakterisierung zurück zu dem Relais gemeldet werden. Falls stattdessen eine Relaisstation einen Pilot empfängt, muss die Darstellung der Kanalcharakterisierung nirgendwohin gemeldet werden (entsprechend zu Fall 1). Fall eins ist in vielen Situationen die bevorzugte Alternative, da dieser das Overhead-Signalisieren minimiert. Andererseits möchte man die Relaisstationen so einfach wie möglich halten und alle Berechnungen in dem Empfänger und/oder Sender durchführen oder in Einheiten in Verbindung mit dem Empfänger oder Sender. Falls dem der Fall ist, kann Fall 4 aus Tabelle 1 bevorzugt werden und eine gesamte Schätzung und Berechnung wird in anderen Einheiten durchgeführt als den Relaisstationen. Die Information, die für die Relaisstationen erforderlich ist, um ihr jeweiliges Weiterleiten einzustellen, wird an jede Relaisstation gesendet. Wie dargestellt, existieren viele mögliche Kombinationen und die Erfindung ist nicht auf eine spezifische begrenzt.
  • Ein bevorzugtes System gemäß der Erfindung, die angepasst ist, in der Lage zu sein, den oben beschriebenen Fall 1 zu bewirken, wird mit Bezug auf 5a beschrieben. Jede Relaisstation 215:k weist eine Vorrichtung zum Durchführen einer Kanalcharakterisierung 216 und eine Vorrichtung zum Bestimmen relativer Übertragungsparameter 217 basierend auf der Kanalcharakterisierung und eine Vorrichtung zum Einstellen 218 des Weiterleitens basierend auf den relativen Übertragungsparametern und optional auf einem allgemeinen Übertragungsparameter auf. Der Empfänger 220 weist eine Vorrichtung zum Durchführen eines Qualitätsmaßes des kollektiven Signals 221 und optional eine Vorrichtung zum Bestimmen eines allgemeinen Übertragungsparameters 222 auf. Der allgemeine Übertragungsparameter wird von dem Empfänger 220 zu den Relaisstationen 215:k entweder als direkter Rundfunk (Broadcast) an die Relaisstationen 215:k oder über den Sender 210 verteilt. Die Relaisstationen 215:k empfangen den allgemeinen Übertragungsparameter, stellen in Kombination mit ihren relativen Übertragungsparametern ihr weiterleitendes Signal ein. Dies kann als eine logische Steuerschleife zwischen dem Empfänger 220 und den Relaisstationen 215:k umfassend erkannt werden. Typischerweise existiert eine andere logische Steuerschleife zwischen dem Empfänger 220 und dem Sender 210, die die Übertragungsparameter des Senders reguliert, wie zum Beispiel eine Ausgangsleistung, einen Modulationsmodus, usw.. Daher umfasst die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei logische Steuerschleifen: eine erste Steuerschleife 505 zwischen dem Empfänger 220 und den Relaisstationen 215:k, die die Relaisstationen mit dem allgemeinen Übertragungsparameter versorgt und eine zweite Steuerschleife 510, die Übertragungsinformation von dem Empfänger 220 zu dem Sender 210 rückkoppelt.
  • In einer alternativen Ausführungsform, die angepasst ist, in der Lage zu sein, die oben beschriebenen Fälle 3–4 zu bewirken und die unter Bezug auf 5b beschrieben ist, sind die Vorrichtungen zum Durchführen einer Kanalcharakterisierung 216 und die Vorrichtung zum Bestimmen sowohl der relativen Übertragungsparameter 217 als auch des allgemeinen Übertragungsparameters 222 zum Beispiel zentral in dem Empfänger 220 lokalisiert. Der Empfänger empfängt die unverarbeiteten Ergebnisse des Piloten von der Relaisstation 215 und/oder dem Sender 210. Der Empfänger führt die notwendigen Schätzungen durch und sendet Information über die relativen Übertragungsparameter und den allgemeinen Übertragungsparameter an die Relaisstationen 215 entweder als gefunkte (broadcasted) Nachricht einschließlich aller relativer Übertragungsparameter oder als dedizierte Nachrichten an jede Relaisstation. Alternativ kann der Sender die Schätzung der Funkwege der ersten Verbindung (Fall 2) durchführen und daher dafür eine Vorrichtung aufweisen. Eine weitere Alternative ist, dass die Charakterisierung und die Bestimmung von Übertragungsparametern durchgeführt werden. Jedoch kommunizieren der Empfänger und Sender vorzugsweise, um eine gesammelte Nachricht oder Nachrichten mit der gesamten Übertragungsparameterinformation an die Relaisstationen entweder als gefunkte (broadcasted) Nachricht an alle Relaisstationen oder als dedizierte Nachricht an jede Relaisstation darzustellen. Eine weitere Alternative ist, dass die Charakterisierung und die Bestimmung von Übertragungsparametern sonst wo in dem Netzwerk durchgeführt wird, zum Beispiel in einem Funknetzwerksteuergerät (RNC) oder einer Einheit mit ähnlicher Funktionalität.
  • Wie beschrieben, ermöglicht es die vorliegende Erfindung, genauer und zuverlässiger unterschiedliche Übertragungsparameter zu bestimmen und zu optimieren. Dies wiederum ermöglicht es, die Fähigkeiten eines weiterleitenden Netzwerkes voll auszunutzen, insbesondere die Fähigkeiten eines kooperativen weiterleitenden Netzwerkes.
  • Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht eine Verteilung von Funktionalitäten in dem Netzwerk, was ein Anwachsen in der Anzahl von Relaisstationen in einer Kommunikationssitzung ohne irgendein bedeutendes Anwachsen in dem Betrag eines Protokoll-Overheads erlaubt, der für die Übertragung von Daten von dem Sender zu dem Empfänger notwendig ist.
  • Um effizient das Verfahren gemäß dem Obigen zu implementieren, ist ein Verfahren eines Berücksichtigens der Charakterisierung der Funkwege auf beiden Verbindungen und möglicherweise allgemeiner Qualitätsmaße beim Bestimmen der Weiterleitungsparameter wünschenswert. Ein effizientes Verfahren wird unten skizziert und eine volle Ableitung von eingeschlossenen Ausdrücken „Ableitung analytischer Ausdrücke" wird an dem Ende der detaillierten Beschreibung gegeben. Wie das Verfahren angepasst werden kann, um eine übertragene Leistung, Phase und Relaisstationsaktivierung zu steuern und zu optimieren, die unterschiedlichen Ausführungsformen darstellen, wird ebenso unten gegeben.
  • Jede Relaisstation k überträgt mit einer Gesamtleistung definiert durch
    Figure 00210001
    wobei PRS die aggregierte Übertragungsleistung aller Relaisstationen ist, ak ein nicht-normalisierter, komplexer Verstärkungsfaktor für eine Relaisstation k ∈ {1, 2, ..., K} ist und K die Gesamtanzahl von Relaisstationen ist.
  • In „Ableitung analytischer Ausdrücke" wird es gezeigt, dass das maximale Empfänger-SNR erhalten wird (vorausgesetzt ein empfangenes Signal wird auf Einheitsleistung normalisiert), falls
    Figure 00220001
    und falls arg{ak} = –arg{h1,k} – arg{h2,k} (3)wobei
    Figure 00220002
    und PBS die Übertragungsleistung der Basisstation ist, σ2RS,k der Rausch-plus-Interferenz-Pegel bei irgendeiner Relaisstation ist, σ2MS der Rauschpegel an der Mobilstation ist, h1,k die komplexe Wegverstärkung von der Basisstation zur Relaisstation k ist und schließlich h2,k die komplexe Wegverstärkung von der Relaisstation k zu der Mobilstation ist.
  • Es kann gezeigt werden (siehe detaillierte Ableitung), dass eine Relaisstation k, die ein Signal yk empfängt, das folgende Signal übertragen soll
    Figure 00220003
  • Es sollte erwähnt werden, dass ΓRS,k die Funkwege der ersten Verbindung bezeichnet und ΓMS,k die Funkwege der zweiten Verbindung. Daher werden die Funkcharakteristiken beider Verbindungen in einem Weiterleiten jeder Relaisstation berücksichtigt. ΓRS,k und ΓMS,k werden vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise an jeder Relaisstation berechnet.
  • Der Σ|ak|2-Term agiert als ein Leistungsnormalisierungsfaktor, bezeichnet mit φ, und es wird beobachtet, dass dieser nicht einzeln von jedem Relais bestimmt werden kann. Stattdessen wird es hier nahe gelegt, dass φ an irgendeiner anderen geeigneten Station bestimmt werden muss und zu den Relais übertragen werden muss. 1/φ entspricht dem allgemeinen Übertragungsparameter und
    Figure 00230001
    dem relativen Übertragungsparameter für die Relaisstation k.
  • Das maximal erzielbare Empfänger-SNR unter aggregierter Relais-Übertragungsleistungs-Beschränkung kann bestimmt werden zu
    Figure 00230002
  • Bei näherer Untersuchung wird es erwähnt, dass der SNR-Beitrag von jedem einzelnen Relais zu Γ(max)Eff äquivalent zu jenem ist, falls jede Relaisstation mit der gesamten Relais-Übertragungsleistung PRS selbst senden würde.
  • Darüber hinaus werden ebenso „Ableitung analytischer Ausdrücke"-Ausdrücke für eine Kombination von regenerativem und nicht-regenerativem kohärenten Kombinieren dargestellt. Wenn ein regeneratives und nicht-regeneratives kohärentes Kombinieren untersucht wird, ist eine interessante Beobachtung, dass ein regenerativer Ansatz im Allgemeinen schlechter als ein nicht-regenerativer Fall ist, da ein regeneratives Weiterleiten notwendigerweise auf einen Bereich um den Sender beschränkt ist und nicht alle verfügbaren Relais in einer optimalen Weise ausnutzen kann. Mit anderen Worten kann, selbst obwohl ein Signal nicht dekodiert werden kann, diese immer noch beitragen, wenn ein kohärentes Kombinieren verwendet wird. In jedem Fall verhält sich eine Kombination aus nicht-regenerativen und regenerativen Schemata etwas besser als wenn lediglich das nicht-regenerative Verfahren berücksichtigt wird. Die Mechanismen zur Leistung- und Phasensteuerung, die in dem Folgenden erläutert werden, sind unabhängig und allgemein dazu, ob ein regeneratives Weiterleiten genauso verwendet wird.
  • Phasensteuerung
  • Wie das erste Implementierungsbeispiel ist die logische Architektur unter das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung eines Ermöglichens von kohärentem Kombinieren angepasst. Eine Voraussetzung für kohärentes Kombinieren ist, dass die Signale an dem Empfänger Phasen-ausgerichtet werden. Dies wird durch Kompensieren der komplexen Phase von dem Sender 210 zu der Relaisstation 215 sowie der komplexen Phase von der Relaisstation 215 zu dem Empfänger 220 ermöglicht. Praktisch wird in jeder Relaisstation das empfangene Signal yk mit dem Phasenfaktor
    Figure 00240001
    multipliziert, wobei arg{ak} = –arg{h1,k} – arg{h2,k}.
  • Daher muss explizite oder implizite Kanalphaseninformation an jeder einzelnen Relaisstation verfügbar gemacht werden. Es gibt im Wesentlichen zwei Grundschemata, die beim Ableiten von Phaseninformation verwendet werden können, eines basiert auf einer Steuerung mit geschlossener Schleife und eines auf einer Steuerung mit offener Schleife. Die Steuerung mit geschlossener Schleife ist notwendig zu verwenden, wenn eine Kanalreziprozität nicht ausgenutzt werden kann, wie zum Beispiel bei FDD (verwendet über eine einzelne Verbindung) oder wenn eine hohe Steuerungsgenauigkeit erforderlich ist. Das Steuerungschema mit offener Schleife nutzt stattdessen eine Kanalreziprozität aus, z. B. zu TDD ermöglicht (verwendet über eine einzelne Verbindung), mit Kanalsondierung, die innerhalb der Kanalkohärenzzeit arbeitet. Eine Steuerung mit offener Schleife ist im Allgemeinen weniger genau als eine Steuerung mit geschlossener Schleife auf Grund von Asymmetrien in der Sende-/Empfangskette für eine Station. Die Unterschiede reduzieren sich auf die Anstrengung, die in die Hardwaregestaltung gelegt ist und können immer durch eine verbesserte Gestaltung kompensiert werden. Ebenso kann ein Einschließen gelegentlicher Steuerzyklen mit geschlossener Schleife Fehler einer statischen offenen Schleife kompensieren. Jedoch kann in der vorliegenden Erfindung der Phasenfehler im Prinzip bis zu ±90 Grad betragen und immer noch kohärent (jedoch nicht sehr effizient) mit anderen weitergeleiteten Signalen kombinieren. Daher ist eine absolute Phasengenauigkeit kein Muss, sondern sicherlich bevorzugt. Ein geschlossenes Steuerschema beruht im Allgemeinen auf expliziten Signalen, die das Ergebnis von Messungen melden und verbraucht daher mehr Kommunikationsressourcen und erfährt eine Latenz relativ zu einem offenen Schleifenschema. Bemerke, dass die Erläuterung von TDD vs. FDD eine Duplextechnik über eine einzelne Verbindung zu einer Zeit berücksichtigt, z. B. die Relaisstation an die Empfängerverbindung, wohingegen es ebenso möglich ist, die gesamte Kommunikation in dem Netzwerk auf Basis einer Zeit- und Frequenzteilung zu charakterisieren. Zum Beispiel können Verbindung eins und Verbindung zwei ein Frequenzband teilen oder Unterschiedliche verwenden. Von dem Gesichtspunkt der Erfindung jedoch kann jegliche Kombination von Duplex- und Mehrfachzugangsschemata verwendet werden, so lange Kanalphaseninformation bestimmt werden kann und zur Phasenkompensation in Relaisstationen verwendet werden kann.
  • Eng verbunden mit einer Steuerung mit einer geschlossenen und offenen Schleife ist das Thema, welche Station die Piloten sendet, die zuvor in Bezug auf Tabelle 1 erläutert worden sind. Da dieses die Relaisstationen sind, die die Phaseneinstellung durchführen müssen, ist dies der natürliche Ort, arg{ak} zu bestimmen. Falls eine Relaisstation ein Pilotsignal sendet, müssen die Phasen- oder (Kanal-)Parameter zu dem Relais zurückgemeldet werden. Dies entspricht dem Fall mit geschlossener Schleife. Falls eine Relaisstation stattdessen einen Pilot empfängt, muss der Phasen-(oder Kanal-)Parameter nirgendwohin gemeldet werden. Dies entspricht dem Fall mit offener Schleife. Es ist klar, dass in Abhängigkeit davon, ob Phasen-(d. h. Kanal-)Information in einem Steuerpaket weg gesendet werden muss oder in der gleichen Station behalten werden kann, dies einen Einfluss auf eine Funkressourceneffizienz, einen Leistungsverbrauch sowie eine Implementierungskomplexität aufweist. In jedem Fall existieren, wie aus dem Obigen erkannt wird, Tausende von Möglichkeiten und wir wählen die am viel Versprechendste aus. Eine bevorzugte Kombination eines Duplex- und Mehrfachzugangs wird weiter erläutert. Jedoch existiert, wie von den auf dem Gebiet tätigen Fachleuten erkannt wird, eine sehr große Anzahl von Möglichkeiten und die Erfindung ist nicht auf die unten erläuterten begrenzt.
  • Fall eins (siehe Tabelle 1), der vom offenen Schleifentyp ist und geeignet für TDD mit „ausreichender" Kohärenzzeit ist, bietet die niedrigste Signalkomplexität an, da lediglich zwei Übertragungen notwendig sind und das Verarbeiten auf alle Relaisstationen verteilt wird. Hier geben der Sender als auch der vorgesehene Empfänger Kanalschätzsymbole oft genug aus oder immer dann, wenn diese erforderlich sind, so dass jedes Relais beide Kanäle verfolgen kann. Die Relaisstation schätzt nachfolgend die Kanalphasen, die den Phasenfaktor von ak bestimmen.
  • Leistungssteuerung
  • Ein zweiter wichtiger Aspekt für eine Ressourcen-effiziente Kommunikation, außer der Phasensteuerung, ist eine Leistungssteuerung, da diese ein Mittel bereitstellt, eine ausreichende Kommunikationsqualität sicherzustellen. Die logische Architektur und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden leicht angepasst, um für eine effektive Leistungssteuerung verwendet zu werden. Das Leistungssteuerverfahren basiert darauf, dass das effektive SNR an den Empfänger zu einem Ziel-SNR, Γ0, gesteuert wird, das die gewünschte Verbindungsqualität sicherstellt. Das Ziel-SNR kann sich natürlich mit der Zeit in Abhängigkeit davon ändern, wie sich der Verbindungsmodus oder QoS-Anforderungen mit der Zeit ändern. Gemäß der logischen Architektur und dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Leistung an dem Sender und einzeln an jedem Relais eingestellt werden. Die Relaisleistungssteuerung weist eine allgemeine sowie eine individuelle Relaiskomponente auf. Bei dem Ziel eines Minimierens behandelt die aggregierte Leistung das Thema von Mehrfachzugangs-Interferenzminimierungen sowie ein Minimieren von Relaisleistungsverbrauch. Wenn jedoch eine MS als ein Sender agiert, kann die Leistungssteuerung ebenso als ein Verfahren zum signifikanten Minimieren eines Leistungsverbrauchs und einer abgestrahlten Leistung für die MS verwendet werden, was unter anderen Vorteilen die Batterielebensdauer der MS verlängert.
  • Auf dem höchsten Level kann das Leistungssteuerproblem definiert werden als: Finde {PBS, Pk}, ∀k ∈ {1, 2, ..., K}; so dass Γ(max)eff = Γ0.
  • Dies wird vorzugsweise unter den gleichen Beschränkungen erreicht, wie zum Beispiel Minimierung von PRS = ΣPk mit festem PBS, jedoch können ebenso andere Beschränkungen berücksichtigt werden, z. B. Minimierung der Gesamtübertragungsleistung PRS + PBS oder durch Berücksichtigen einer Lokalisierung von Relais-induzierter Interferenzerzeugung. In dem Folgenden nehmen wir eine Minimierung von PRS = ΣPk mit fester (oder relativ langsamer) Anpassung von PBS an. Dies ist ein vernünftiges Gestaltungsziel in einem Downlink, jedoch kann es für einen Uplink von größerem Interesse sein, die Senderleistung zu Minimieren. Falls jedoch die Relais mobil sind und auf Batterieleistung beruhen, kann die Summenleistung von Relais und einem Sender minimiert werden.
  • Dies ist die Grundfunktion einer Leistungssteuerung. Von einem praktischen Gesichtspunkt aus ist die Gesamtaufgabe eines Steuerns von Leistung in einem kooperativen Weiterleitungsnetzwerk im Allgemeinen und mit kohärentem Kombinieren im Speziellen, eine vorherige Kenntnis der verwendeten Leistung PBS und Pk zu verwenden und jene Parameter zu aktualisieren, um die gewünschte Kommunikationsqualität zu erfüllen.
  • Eine Leistungssteuerung teilt viele ihrer Züge mit einer Phasensteuerung, da die Verstärkung der Verbindungen in mehreren Weisen in Abhängigkeit von geschlossener/offener Schleife, TDD/FDD, Verteilung von Steuerungsaspekten geschätzt werden kann. Daher kann hier ebenso ein Bereich alternativer Implementierungen ins Auge gefasst werden. In dem Folgenden wird ähnlich zu einer Phasensteuerungserläuterung angenommen, dass der Sender und der Empfänger Kanalschätzsignale ausgeben und dass eine Kanalverstärkungsreziprozität angenommen werden kann, jedoch ist die Erfindung nicht darauf begrenzt.
  • Die hier vorgeschlagene Leistungssteuerung weist sowohl eine verteilte Komponente für jede Relaisstation, den relativen Übertragungsparameter, als auch eine Komponente auf, die für alle Relais gemeinsam ist, den allgemeinen Übertragungsparameter. Das Schema arbeitet wie folgt: durch eine Kanalschätzung und mit Kenntnis der Leistung, die verwendet wird, um den Pilot zu senden, kann jede Relaisstation ihre jeweilige Wegverstärkung zu dem Sender bzw. Empfänger bestimmen, jedoch können ebenso Interferenz- und Rauschpegel zur gleichen Zeit geschätzt werden. Basierend auf einer Wegverstärkungsmessung und Information über PRS und σ2MS ist es möglich, ΓMS,k zu bestimmen. Möglicherweise kann ebenso basierend auf einer Wegverstärkung, Rauschen mit Interferenzschätzungen und PBS-Kenntnis oder einfach direkten SNR-Messungen auf irgendeinem empfangenen Signal das SNR an der Relaisstation, ΓRS,k, bestimmt werden. Darauf basierend können die relativen Übertragungspegel an jede Station in einer voll verteilten Weise bestimmt werden. Jedoch muss jeder relativer Übertragungsleistungspegel mit einem Normalisierungsfaktor φ skaliert werden, um sicherzustellen, dass die aggregierte Übertragungsleistung identisch oder zumindest nahe an der aggregierten Übertragungsleistung PRS ist. Dies ist der allgemeine Leistungssteuerteil. Falls φ zu klein ist, wird mehr Leistung als ein optimales PRS gesendet und daher existiert eine optimalere, relative Leistungszuweisung für die investierte Übertragungsleistung. Das Gleiche ist gültig, wenn φ zu groß ist. Daher ist es für eine optimale Ressourceninvestition wichtig, φ derart zu steuern, dass die beabsichtigte Leistung PRS der aggregierte Übertragungsleistungspegel von den Relais ist. Bemerke: es ist kein bedeutendes Problem aus einem Leistungsfähigkeitsgesichtspunkt falls φ etwas zu klein ist, da dies lediglich das effektive SNR verbessert, da der relative Einfluss des Empfänger-internen Rauschens verringert wird.
  • Bezugnehmend nun auf die logische Architektur, die in 5 dargestellt ist, wird der Normalisierungsfaktor, der ein allgemeiner Übertragungsparameter ist, vorzugsweise von dem Empfänger bestimmt sowie verteilt. Dies sollte als eine logische Architektur erkannt werden, da es ebenso möglich ist, die gesamte Steuerinformation an den Sender weiterzuleiten, der dann zum Beispiel diese an die Relaisstationen neu verteilt. Die erste Steuerschleife 505 ist zwischen dem Empfänger 220 und den Relaisstationen 215:k, versorgt die Relaisstationen mit dem PRS, wohingegen die zweite Steuerschleife 510 von dem Empfänger 220 zu dem Sender 210 den Sender mit PBS versorgt. Falls optional der Sender eine bessere Sicht des gesamten Funksystems einschließlich vieler Gruppen von kooperativen TX-RS-RX-Verbindungen aufweist, ähnlich zu der, die eine Rückgrat-verbundene Basisstation in einem zellularen System haben würde, kann dieser zusätzliche Aspekte einschließen, die erstreben, das Gesamtsystem zu optimieren.
  • Ein Verfahren die Steuerschleife an dem Empfänger zu optimieren, wird nun gegeben, wobei dann angenommen wird, dass PBS fest ist (oder langsam gesteuert). Von einer Übertragung, die bei einer Zeit auftritt, die durch n bezeichnet wird, misst der Empfänger die Leistung des kohärent-kombinierten Signals von Interesse, Cr, das Relais-induzierte Rauschen, das an dem Empfänger gemessen wird, Nr, und das interne Rauschen in dem Empfänger Ni. Darauf basierend und abhängig von Γ0 bestimmt der Empfänger P(n+1)RS und eine Aktualisierung eines Normalisierungsfaktors φ(n+1). Dies kann als Abbildung über eine Zielfunktion f geschrieben werden als f(Cr, Nr, Ni) → {P(n+1)RS , φ(n+1)}; so dass Γ(max)eff = Γ0 (6).
  • Der Empfänger verteilt dann die Aktualisierungen P(n+1)RS und φ(n+1) an alle Relais durch eine Multicast-Steuernachricht. Um die Idee darzustellen, nehmen wir an, dass PRS von einer vorherigen Übertragen festgehalten wird, jedoch der Normalisierungsfaktor angepasst werden soll. In dem Abschnitt „Ableitung eines analytischen Ausdrucks" ist es gezeigt, dass eine optimale Normalisierung einen Ausgleich zwischen einem empfangenen Signal Cr und dem empfangenen Gesamtrauschen, der Interferenz und dem Empfänger-internen Rauschen Nr + Ni erfordert, gemäß zu Cr = (Nr + Ni)2 (7).
  • Daher wird durch Einschließen des vorherigen Normalisierungsfaktors φ(n), der dem Empfänger bekannt ist, und dem Aktualisierungs-erforderlichen φ(n+1), um die Gleichung auszugleichen, die Relation
    Figure 00310001
    was φ(n+1) durch Lösen einer einfachen Gleichung zweiter Ordnung ergibt.
  • Falls sowohl P, als auch φ aktualisiert werden müssen, kann die obige Ausgleichsgleichung, die Beziehung für das Empfänger-SNR, Γ, zusammen mit den gemessenen Signalpegeln verwendet werden und nach P, und φ auflösen. Linearisierungstechniken, wie zum Beispiel Taylor-Erweiterung und Differenziale, können vorzugsweise zu diesem Zweck und zum Auflösen nach ΔPRS und Δφ verwendet werden.
  • Es wird erwähnt, dass für die erste Übertragung der Normalisierungsfaktor a priori nicht gegeben ist. Unterschiedliche Strategien können verwendet werden, um schnell die Leistung anzupassen. Zum Beispiel kann eine obere Übertragungsleistungsgrenze anfangs von jedem Relais bestimmt werden, da diese von Γ0 in Kenntnis gesetzt werden können und ebenso ihren (kohärent kombinierenden) SNR-Beitrag bestimmen können. Falls jedes Relais gut mit einem gewissen Faktor unter dieser oberen Grenze bleibt, kann eine Leistung sukzessive durch die Steuerschleife erhöht werden, so dass andauernde Kommunikationen nicht plötzlich gestört werden.
  • Dies erlaubt, dass Steuerschleifen für andere Kommunikationsstationen sich auf die neuen Interferenzquellen in einer verteilten und gesteuerten Weise anpassen.
  • Bemerke ebenso, dass selbst obwohl Übertragungsleistungsbegrenzungen in allen Relais auftreten, die Leistungssteuerschleife sicherstellt, dass das SNR unter allen Bedingungen maximiert wird.
  • Ein anderes, möglicherweise genaueres Verfahren, um den Normalisierungsfaktor zu bestimmen, ist es dem |ak|-Term in jedem Relais zu bestimmen und diesen an den Empfänger zu senden, wo Σ|ak|2 berechnet wird und daher den Normalisierungsfaktor φ erhalten wird. Nachfolgend wird φ an alle Relais verteilt, ähnlich zu der vorherigen Ausführungsform. Bemerke, dass der Betrag eines Signalisierens verringert werden kann und auf einem annehmbaren Pegel durch Abtasten lediglich einer Untermenge aller Relais gehalten werden kann, d. h. einige der wichtigsten Relais, um eine ausreichend gute Schätzung von dem Σ|ak|2-Term zu erzeugen. Dies wird weiter motiviert, dass der Summe Σ|ak|2-Term im Allgemeinen nicht viel über eine kurze Zeit sich ändert, selbst bei abklingenden Kanälen, auf Grund großer Diversitätsverstärkungen, die in der Erfindung inhärent sind.
  • Obwohl eine Leistungssteuerung in dem Kontext von kohärentem Kombinieren beschrieben worden ist, ist der Rahmen ebenso zur Leistungssteuerung in anderen Typen von Relaiskooperationsschemata anwendbar, wie zum Beispiel unterschiedlicher Relais-induzierter Übertragungsdiversität, wie zum Beispiel Alamouti-Diversität. Der Rahmen ist darin ähnlich, dass die Leistungssteuerung Kombinationen einer Senderleistung, einer individuellen Relaisleistung und einer aggregierten Relaisleistung berücksichtigt. Ein anderes Beispiel von Relais-induzierter Übertragungsdiversität ist (zyklische/lineare) Verzögerungsdiversität. Jedes Relais legt den empfangenen Signalen eine zufällige oder gesteuert lineare (oder zyklische) Verzögerung auf und verursacht daher künstliche Frequenzselektivität. Eine Verzögerungsdiversität ist eine gut bekannte Übertragungsdiversität von CDMA- und OFDM-basierter Kommunikation.
  • Um diesen Abschnitt zusammenzufassen, schlägt diese Erfindung ein Verwenden einer Leistungssteuerung als ein Konzept vor, um eine Leistungsfähigkeitsoptimierung zum auf kohärentem-Kombinieren basierten kooperativem Weiterleiten in einem realistischen Kanal sicherzustellen und insbesondere um das Signal-zu-Rauschverhältnis unter aggregierten Relais-Übertragungsleistungs-Beschränkungen zu optimieren. Dieses Leistungssteuerkonzept ist nicht auf auf kohärentem Kombinieren basierte, kooperative weiterleitende Netzwerke beschränkt, sondern es können ebenso andere kooperative Weiterleit-orientierte Netzwerke das gleiche Konzept verwenden, obwohl dann mit Optimierungszielen, die am geeignetesten für das verwendete Schema sind. Zusätzlich werden Grundmerkmale für ein Protokoll, das auf Kanalsondierung und Schätzung von Verstärkungsparametern über sowohl Verbindung eins als auch Verbindung zwei basieren, vorgeschlagen. Eine vernünftige Gestaltungswahl für eine Protokollgestaltung (mit Gemeinsamkeiten bei der Phasensteuerung) ist ebenso basierend auf einer niedrigen Komplexität, einem niedrigen signalisierenden Overhead und einem niedrigen Gesamtleistungsverbrauch skizziert worden. Insbesondere ist es gezeigt, dass eine Kombination von Leistungssteuerschleifen verwendet werden kann, die eine Relais- und Übertragungsleistungssteuerung einschließen. Zuletzt ist es demonstriert worden, dass die Steuerschleife für die Relais auf Steuerentscheidungen für eine verteilte Leistung in jedem Relais sowie einem gemeinsamen Leistungssteuerteil errichtet werden kann, an dem der gesamte Satz von Relais gemeinsam gesteuert wird.
  • Die Hauptschritte der Ausführungsform unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Architektur zur effizienten Leistungssteuerung und Phasensteuerung sind in dem Flussdiagramm aus 6 dargestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
    • 600: Sende Piloten auf den k Wegen von Verbindung 1 von Sender 210' zu den Relaisstationen 215:k;
    • 610: jede Relaisstation 215:k bestimmt den k Kanal von Verbindung 1, h1,k; ebenso werden Interferenz- und Rauschpegel geschätzt, um ΓRS,k zu berechnen.
    • 620: Sende Piloten auf den k Wegen von Verbindung 2 von Empfänger 220' zu den Relaisstationen 215:k;
    • 630: jede Relaisstation 215:k schätzt ihren jeweiligen Kanal aus dem k Kanal von 2, h2,k;
    • 640: jede Relaisstation 215:k bestimmt die relativen Übertragungsparameter basierend auf den Kanalschätzungen.
    • 650: Der Empfänger 220' bestimmt einen Normalisierungsfaktor φ.
    • 660: Der Empfänger 220' funkt (broadcast) den Normalisierungsfaktor φ, PRS und σ2RS an die Relaisstationen 215:k.
    • 670: Jede Relaisstation 215:k verwendet das gefunkte (broadcasted) φ, PRS und das lokal bestimmte ΓMS,k und ΓRS,k und die Phasen der Kanalschätzungen h1,k, h2,k, um auf den Empfang von Signal yk das folgende Signal zu senden:
      Figure 00340001
      wobei die Parameter ΓRS,k basierend auf der Kanalschätzung, PBS und σ2RS und ΓMS,k basierend auf PRS und σ2MS berechnet werden. Falls die erste Übertragung an den Empfänger betrachtet wird, (die Leistungsschleife kennt nicht die bevorstehende Verbindungsqualität) kann mittels eines Beispiels das Relais den empfangenen Normalisierungsfaktor φ derart modifizieren und nach oben hin begrenzen, dass φk = c·|ak|2, wobei c ≤ 1 von dem Empfänger gesendet wird oder a priori bekannt ist.
    • 675: Der Empfänger 220' koppelt die Steuerinformation an den Sender 210' (PBS) zurück. Die erste Steuerschleife, die in Schritt 660 angezeigt ist, kann weiter die Unterschritte umfassen:
    • 660:1 Der Empfänger misst bei einer Zeit n die Qualität des empfangenen Signals oder insbesondere die Leistung des kohärent kombinierten Signals, Cr, das Relais-induzierte Rauschen, das an dem Empfänger gemessen wird, Nr und das interne Rauschen in dem Empfänger Ni.
    • 660:2 Der Empfänger bestimmt basierend auf der Messung von Schritt 675:1 und bedingt ein gewünschtes Γ0-Ziel, eine Aktualisierung von zumindest einem des Normalisierungsfaktors φ(n+1) und der aggregierten Relaisleistung P(n+1)RS
    • 660:3 Der Empfänger verteilt die Aktualisierungen P(n+1)RS und an alle Relais über eine Multicast-Steuernachricht.
  • Ähnlich kann die zweite Steuerschleife, die in Schritt 675 angezeigt ist, optional umfassen:
    • 675:1 Der Empfänger aktualisiert die Sender-(BS)- Leistung P(n+1)BS . Falls alternativ keine Schätzungen und Berechnungen von den Relaisstationen durchzuführen sind, werden unverarbeitete Ergebnisse der Piloten zum Beispiel an eine zentralisierte Funktionalität in dem Empfänger weitergeleitet und die relevanten Übertragungsparameter an jede Relaisstation gesendet.
  • Relaisstations-Aktivierungssteuerung
  • Das Verfahren und die Architektur der vorliegenden Erfindung können vorteilhafter Weise zum Entscheiden verwendet werden, welche Relaisstationen 215:k in einer Kommunikation einzuschließen sind, entweder bei der Herstellung der Kommunikation oder während der Kommunikationssitzung. Da einige Relais schlechte SNR-Bedingungen auf einer Verbindung (Sender-Relais und Relais-Empfänger) oder beiden erfahren, können diese sehr wenig zu den Gesamt-SNR-Verbesserungen beitragen. Jene Relais verbrauchen immer noch eine signifikante Leistung auf Grund der Empfänger-, Sender- und Signal-verarbeitenden Funktionen. Es kann ebenso von Interesse sein, irgendeine Steuervorrichtung zu haben, um eine Relaisinterferenzerzeugung zu weniger Relais zu lokalisieren. Daher kann es als verschwenderisch betrachtet werden, einige der Relaisstationen zu verwenden. Folglich ist es eine wünschbare Funktion, Relais basierend auf vorbestimmten Kriterien zu aktivieren. Derartige Kriterien können eine voreingestellte untere Schwelle eines annehmbaren SNR auf einer Verbindung, beiden Verbindungen oder der Beitrag zu dem effektiven SNR sein. Die Grenze kann ebenso anpassbar sein und von irgendeiner Einheit gesteuert werden, vorzugsweise der empfangenden Station, da diese die Information über das momentan effektive SNR aufweist. Das Relais kann daher, z. B. zusammen mit Leistungssteuerinformation und Kanalschätzsymbolen, eine Relaisaktivierungs-SNR-Schwelle ΓAktiv von dem Empfänger empfangen, mit der der erwartete SNR-Beitrag verglichen wird und falls die Schwelle überschritten wird, eine Übertragung zugelassen wird, ansonsten nicht. Die Relaisaktivierungs-SNR-Schwelle ΓAktiv entspricht einem allgemeinen Übertragungsparameter, der vorzugsweise von dem Empfänger 220' bestimmt wird und an die Relaisstation 215 verteilt wird. Der tatsächliche Entscheidungsprozess, bei dem jede Relaisstation lokale Parameter verwendet (entsprechend den relativen Übertragungsparametern), ist an die Relaisstation in der Weise verteilt, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren der Architektur bereitgestellt wird. Dieser Test, der vorzugsweise in jedem Relais vor einer Übertragung durchgeführt wird, kann z. B. formuliert werden gemäß:
    Figure 00370001
    jedoch können andere Bedingungen, die von Relaisverfahren einschließlich alternativer Relais-Diversitätstechniken abhängen, ebenso verwendet werden. Zum Beispiel kann die Relaisaktivierungsbedingung allgemeiner als eine Zielfunktion f2 gemäß f2(ΓRS,k, ΓMS,k) charakterisiert werden.
  • Darüber hinaus kann die gefunkte (broadcast) Nachricht, die ΓAktiv enthält, weite Felder umfassen, die verwendet werden können, genau spezifische Relais festzulegen (durch zugewiesene Relaisadressen), die eingeschlossen werden sollten oder die lediglich verwendet werden dürfen oder ausgeschlossen werden müssen oder irgendeiner Kombination aus diesen. Andere Verfahren, um bestimmte Relais zu adressieren können z. B. auf Adressbereichen basiert sein. Dies ermöglicht es einem, die Anzahl von beteiligten Relais wie gewünscht zu begrenzen.
  • Aus der obigen Erläuterung und aus Ausdruck (9) kann erwähnt werden, dass der Empfänger 220' auf Erfahren eines sich abschwächenden SNR hin, zum Beispiel auf Grund der Bewegung der MS, wählen kann, eine erhöhte Übertragungsleistung anzufordern und/oder mehr Relaisstationen 215 durch Absenken der Schwelle ΓAktiv einzuschließen. Andere Kommunikationsqualitätsbedingungen, wie zum Beispiel Paket- oder Bit-Fehlerrate, können ebenso von dem Empfänger verwendet werden, um Änderungen in den allgemeinen Parametern auszulösen, wie zum Beispiel ein gemeinsames Übertragungsleistungsskalieren aller Relaisleistungen.
  • Eine Relaisaktivierungssteuerung kann in dem Leistungs- und Phasensteueralgorithmus eingeschlossen sein, der unter Bezug auf 6 beschrieben ist, durch Modifizieren der Schritte 650–670, so dass:
    • bei 650: der Empfänger 220' ebenso eine Aktivierungs-SNR-Schwelle ΓAktiv bestimmt,
    • bei 660: der Empfänger 220' ebenso ΓAktiv an die Relaisstationen 215:k funkt (broadcast).
    • bei 670: jede Relaisstation 215:k zunächst bestimmt, unter Verwendung der Aktivierungs-SNR-Schwelle ΓAktiv, zum Beispiel gemäß Ausdruck (9), zu funken (broadcast).
  • Das Verfahren und die Architektur gemäß der vorliegenden Erfindung können auf andere Topologien angepasst werden, als die oben erläuterten. Die Topologie in 5 kann zum Beispiel modifiziert werden, um mehrere Antennen in jeder Relaisstation einzuschließen, wie in 7 gezeigt. Der Nutzen beim Durchführen von diesem ist, dass die Nummer von Relaisstationen verringert werden kann, während immer noch eine ähnliche Gesamtantennen-Richtungsverstärkung erhalten wird. Falls jedes Antennenelement mehr als die Kohärenzentfernung getrennt ist, wird ebenso eine Diversitätsverstärkung bereitgestellt. Insgesamt kann dieses Verfahren die Kosten verringern, während eine beinahe identische Leistungsfähigkeit bereitgestellt wird. Jedoch kann ein Verringern der Anzahl von Relais einen schädlichen Einfluss auf Grund von Abschatten haben (d. h. Log-Normal-Abklingen) und muss vorsichtig angewendet werden. Aus einem Signal-, Verarbeitungs- und Protokoll-Gesichtspunkt kann jede Antenne als eine getrennte Relaisstation behandelt werden. Ein anderer Nutzen dieses Ansatzes ist jedoch, dass interne und andere Ressourcen geteilt werden können. Darüber hinaus kann ein Weiterleiten potentiell intern unter den Antennen koordiniert werden, wodurch eine Interferenzerzeugung zu unbeabsichtigten Empfängern abgeschwächt wird.
  • Die Kommunikationsqualität kann weiter ebenso durch Einschließen des direkten Signals von dem Sender 210 zu dem Empfänger 220 verbessert werden. Es gibt zumindest zwei vorstellbare Hauptverfahren, um das Signal von dem Sender einzuschließen. 8 bildet die Topologie ab, wenn eine direkte Übertragung von dem Sender ebenso berücksichtigt wird.
  • Bei dem ersten Verfahren sind zwei Kommunikationsphasen erforderlich. Der Empfänger kombiniert das Signal, das direkt von dem Sender empfangen wird, in der ersten Phase mit der Relaisübertragung von der zweiten Phase. Dies ist irgendwie ähnlich zu dem Empfänger-basierten Kombinieren in den klassischen Weiterleitungskanal, jedoch mit auf kohärentem Kombinieren basierendem Weiterleiten. Ein Maximalverhältnis- oder Interferenzzurückweisungskombinieren kann verwendet werden.
  • In dem zweiten Verfahren, Senderrelais-orientiertes, kohärentes Kombinieren, wird lediglich eine Kommunikationsphase verwendet und zum kohärenten Kombinieren des direkten Signals von dem Sender zu dem Empfänger mit den Relaissignalen verwendet. Dies kann ermöglicht werden, falls Relais gleichzeitig senden und empfangen können, z. B. über getrennte Antennen. Die Phase von ak muss dann eine Ausrichtung des weitergeleiteten Signals mit dem direkten Signal sicherstellen als arg{ak} = –arg{h1,k} – arg{h2,k} – arg{hBS,MS} + c1,wobei hBS,MS der komplexe Kanal von der Basisstation zu der Mobilstation ist. Eine Folge eines Einschließens des direkten Signals für ein kohärentes Kombinieren ist, dass die Relais adaptiv ihre Phase bezüglich des direkten Signals einstellen müssen. Eine geschlossene Schleife kann dafür verwendet werden. Ähnlich zu der Normalisierungsfaktor-Leistungssteuerung gibt der Empfänger Phasensteuernachrichten an die gesamte Gruppe von Relaisstationen aus, jedoch mit einer Delta-Phase θ, die von der berechneten Phasenkompensation (–arg{h1,k} – arg{h2,k}) abzuziehen ist. Da die Basisstation überhaupt kein Rauschen über ihre Übertragung einführt, muss ihre Übertragungsleistung nicht für eine optimale Leistungsfähigkeit eingestellt werden, wie dies für die Relais erforderlich war. Stattdessen erhöht sich eine Leistungsfähigkeit monoton mit anwachsender Basisstationsübertragungsleistung. Eine Option ist jedoch, zu versuchen, die Gesamtübertragungsleistung, die aggregierte Relaisleistung und die Basisstationsleistung zu minimieren. Die Parametereinstellung für dies ist ähnlich zu dem, was in der Erläuterung über ein regeneratives Weiterleiten abgeleitet worden ist, unter der Annahme dass die Basisstation als ein Relais betrachtet wird. Zusätzlich zu dem Obigen können ebenso mehrere Antennenelemente an dem Sender verwendet werden, ähnlich zu den Erläuterungen über Relais mit mehreren Antennen.
  • Die Ableitung der relativen und allgemeinen Übertragungsparameter ist ebenso direkt anwendbar auf eine Mehrfachträgerübertragung, wie zum Beispiel OFDM, durch ein unabhängiges Handhaben von jedem Unterträger. Dies schließt dann eine allgemeine Amplitudennormalisierung, Phasen- und verteilte Relaisamplitudenkompensation je Unterträger ein. Um dies durchzuführen wird der Weg über ein FFT-Verarbeiten-IFFT genommen oder möglicherweise über Zeitdomänenfiltern. Die Leistungssteuerung kann einen Normalisierungsfaktor φ senden und eine Relaisleistungsanzeige PRS in Vektorform, um die Leistungsfähigkeit je Unterträger zu optimieren. Eine praktischere Lösung ist, φ und PRS als Skalare zu senden, die auf allen Unterträgern agieren. Im Falle von Unterträgeroptimierung kann die Leistungssteuerung dann versuchen, die Gesamtübertragungsleistung über alle Unterträger zu Leistungs-minimieren, um die gewünschte Kommunikationsqualität zu erfüllen. Dies stellt dann etwas Diversitätsverstärkung in der Frequenzdomäne bereit.
  • Ein anderer OFDM-Aspekt ist, dass dieser eine bevorzugte Wahl für das oben beschriebene Senderelais-orientierte, kohärente Kombinieren ist. Der Grund dafür ist, dass das zyklische Präfix eine gewisse kurze Relaisübertragungslatenz erlaubt, wobei eine Phase und Amplitude durch einen Zeitdomänenfilter modifiziert wird, der eine direkte Übertragung ermöglicht.
  • Für Einzelträgerübertragungen, wie zum Beispiel CDMA und bei Frequenz-selektiven Kanälen kann eine Frequenzdomänenoperation ähnlich zu OFDM verwendet werden oder optional kann die Phasenausrichtung auf dem stärksten Signalweg durchgeführt werden oder mit einem Zeitdomänenfilter, wie für OFDM erläutert.
  • Damit ein kohärentes Kombinieren funktioniert, ist es wichtig, die Relaisstationsfrequenz auf eine gemeinsame Quelle zu synchronisieren. In einem zellularen System ist die BS eine natürliche Quelle, da die Taktgenauigkeit im Allgemeinen besser an der Basisstation als in jeder Mobilstation ist. Diese Funktion kann die reguläre Frequenzversatzkompensation ausnutzen, wie in herkömmlichen OFDM-Empfängerimplementierungen durchgeführt, die die Interkanal-Interferenz abschwächt.
  • Jedoch können die Relais optional GPS zur Frequenzsynchronisation ausnutzen, falls verfügbar.
  • Obwohl die Erfindung primär in einem Kontext eines kohärenten Kombinierens beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht darauf begrenzt. Die Erfindung kann auf unterschiedliche Typen existierender und vorhersehbarer Verfahren für Zweisprung-(kooperatives)-Weiterleiten angewendet werden. Im allgemeinsten Fall sind die Übertragungsparameter der Relais Funktionen einer Kommunikationscharakteristik der ersten Verbindung, einer Kommunikationscharakteristik der zweiten Verbindung oder einer Kombination von diesen. Die Kommunikationsqualität ist ausgehend von einer komplexen Kanalverstärkung (geeignet für kohärentes Kombinieren) beschrieben worden. Wenn jedoch andere Schemata berücksichtigt werden (die Diversität und/oder räumliche Multiplexverstärkungen anbieten), können andere charakteristische Maße einer Verbindung von größerer Bedeutung sein. Als ein Beispiel kann es für eine Alamouti-Diversität vorzuziehender sein, ein durchschnittliches Wegverstärkungsmaß G statt der komplexen Kanalverstärkungen h zu verwenden.
  • Während die Erfindung in Verbindung damit beschrieben worden ist, was gegenwärtig als die praktischsten und bevorzugten Ausführungen betrachtet werden, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, sondern im Gegensatz vorgesehen ist, unterschiedliche Modifikationen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb des Umfangs der angehängten Ansprüche eingeschlossen sind.
  • Detaillierte Ableitung
  • In der Untersuchung nehmen wir an, dass es K Relaisstationen gibt, die beliebig lokalisiert sind. Jede Relaisstation k ∈ {1, 2, ..., K} empfängt ein Signal, das aus einer abgeschwächten Version des gewünschten Signals zusammengesetzt ist, z. B. moduliert als komplexe Gaußform x ~ N(0, 1) sowie einen Rausch-plus-Interferenzterm, nRS,k gemäß
    Figure 00430001
    wobei h1,k die komplexe Wegverstärkung von der Basisstation zur Relaisstation k ist und PBS die Übertragungsleistung der Basisstation ist.
  • In dem Relais wird yk (für eine analytische Handhabbarkeit) auf Einheitsleistung normalisiert und mit einem komplexen Faktor multipliziert, der eine Ausgabe zk erzeugt. Nachfolgend wird zk über eine Verbindung zwei an den Empfänger gesendet und wird auf seinem Weg mit der komplexen Pfadverstärkung h2,k abgeschwächt, wobei es mit Signalen von anderen Relais überlagert wird und Rauschen und Interferenz hinzugefügt werden.
  • Da es angenommen wird, dass jedes Relais die empfangene Leistung plus Rauschen auf eine Einheitsleistung vor einer Verstärkung und Phaseneinstellung normalisiert, kann die Relaisübertragungsleistungsbeschränkung in der Analyse dadurch eingeschlossen werden, dass man jede Station k eine Übertragungsleistung verwenden lässt
    Figure 00430002
    wobei P die Gesamtübertragungsleistung aller Relaisstationen ist und ak ein nicht-normalisierter komplexer Verstärkungsfaktor für eine Relaisstation k ist.
  • Für eine aggregierte Leistungs-beschränkte Relaisübertragung kann dann das SNR an den Empfänger (hier angenommen Mobilstation, MS) geschrieben werden als
    Figure 00440001
    wobei σ2MS der Rausch-Plus-Interferenz-Pegel an der Mobilstation ist.
  • Eine Bedingung für kohärentes Kombinieren ist eine Phasenausrichtung von Signalen, die erzielt werden kann durch ein Sicherstellen von arg{ak} = –arg{h1,k} – arg{h2,k) + c1,wobei c1 eine beliebige Konstante ist.
  • Der Ausdruck für das effektive SNR, das aus dem kohärenten Kombinieren resultiert, kann dann neu geschrieben werden als
    Figure 00440002
    Figure 00450001
  • Bemerke, dass ΓMS,k ein „virtuelles SNR" in dem Sinne ist, dass dies das SNR ist, falls die Relaisstation k die gesamte aggregierte Relaisstationsübertragungsleistung selbst verwenden würde.
  • Es wird erwähnt, dass der SNR-Ausdruck die Form hat
    Figure 00450002
    was transformiert werden kann durch Verwenden von |bk|2 = |ak|2·c2,k, was ergibt
    Figure 00450003
  • Nun wird der Zähler von der Cauchy-Schwarz-Ungleichung nach oben begrenzt
    Figure 00450004
    daher kann für ein optimales bk Gleichheit erzielt werden und das resultierende SNR ist dann
    Figure 00460001
  • Dies kann bequem in SNRs ausgedrückt werden als
    Figure 00460002
  • Durch Identifizierung wird es erkannt, dass das maximale SNR erhalten werden kann, falls
    Figure 00460003
    wobei Const eine beliebige Konstante ist, die zur Einfachheit auf Eins gesetzt werden kann.
  • Aus einer Leistungssteuerperspektive ist es interessant zu erwähnen, dass der Zähler exakt das Quadrat des Nenners für ein optimales SNR ist. Dieses Wissen kann daher als ein Leistungssteuerziel verwendet werden.
  • Unter Verwendung der Umkehrtransformation erhält man
    Figure 00460004
    oder ausgedrückt in SNRs
    Figure 00460005
  • Daher kann ein Relais, das ein Signal yk empfängt, zk durch Bestimmen von
    Figure 00470001
    bestimmen.
  • Zusatz zu regenerativem Weiterleiten
  • Falls das SNR an einer Relaisstation hoch genug ist, kann das empfangene Signal vor einem Weiterleiten des Signals dekodiert werden. Um dieses Verhalten zu modellieren sagen wird, dass ein größeres als ein minimales SNR, ΓDecode ausreichend zum Dekodieren ist. Der Nutzen beim Durchführen davon ist, dass ein Weiterleiten von schädlichem Rauschen (und Interferenz) insgesamt vermieden werden kann und daher in einem weiter verbesserten SNR an dem Empfänger resultiert. In diesem Fall jedoch sollte das dekodierte Signal lediglich für den zweiten Sprung Phasen-kompensiert werden, d. h. arg{ak) = –arg{h2,k}
  • Durch Setzen von σ2RS,k = 0 für jene Stationen in den vorherigen Ausdrücken, kann man die Größe des Multiplikationsfaktors |ak| sowie den Beitrag der SNR-Verbesserung ableiten. Die Kombination einer Rausch-freien (regenerativen) und verrauschten (nicht-regenerativen) Übertragung nimmt dann die Form an
    Figure 00470002
    Figure 00480001
  • Bemerke, dass ΓRS,k < ΓDecode lediglich ein Modell ist, das nützlich ist, die Leistungsfähigkeit in einem gemischten nicht-regenerativen und regenerativen Weiterleitungsszenario zu beurteilen. In der Praxis werden die oberen Ausdrücke, d. h. entsprechend zu ΓRS,k < ΓDecode, verwendet, wenn das Signal in einer nicht-regenerativen Weise weitergeleitet wird und die unteren Ausdrücke, d. h. entsprechend zu ΓRS,k > ΓDecode, werden verwendet, wenn das Signal nicht in einer regenerativen Weise weitergeleitet wird.
  • Referenzen:
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Claims (22)

  1. Verfahren eines Durchführens einer Kommunikation in einem drahtlosen Zwei-Sprung-Kommunikationsnetzwerk, bei dem ein Sender (210), ein Empfänger (220) und zumindest eine Relaisstation (215) an einer Kommunikationssitzung beteiligt sind und die Relaisstation (215) Signale von einer ersten Verbindung zwischen dem Sender (210) und der Relaisstation (215) zu einer zweiten Verbindung zwischen den Relaisstationen (215) und dem Empfänger (220) weiterleitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Weiterleitung, die von der zumindest einen Relaisstation (215) durchgeführt wird, als eine Antwort auf geschätzte Funkkanaleigenschaften von sowohl der ersten als der zweiten Verbindung angepasst ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kommunikationssitzung eine Vielzahl von Relaisstationen (215) beteiligt, wobei jede Relaisstation (215) Signale von dem Sender (210) empfängt und die Signale an den Empfänger (220) weiterleitet und ihr jeweiliges Weiterleiten basierend auf einem relativen Übertragungsparameter angepasst ist, der spezifisch für jede Relaisstation ist und einem gemeinsamen Übertragungsparameter, der gemeinsam für alle Relaisstationen ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Charakterisieren (410, 430) der Funkwege der ersten und zweiten Verbindung durch die Verwendung von Piloten; – Bestimmen (440) zumindest eines relativen Übertragungsparameters zumindest teilweise basierend auf beiden der Kanalschätzungen jedes Relaisstationsweges der ersten und zweiten Verbindung; – Bestimmen (445) zumindest eines gemeinsamen Übertragungsparameters; – Verteilen von zumindest dem gemeinsamen Übertragungsparameter an alle Relaisstationen; – Weiterleiten (450; 450') des Signals von der ersten Verbindung auf der zweiten Verbindung wobei das weitergeleitete Signal basierend auf jedem relativen Übertragungsparameter der Relaisstationen und dem gemeinsamen Übertragungsparameter angepasst ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anpassung des übertragenen Signals eine Einstellung der Phase umfasst.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anpassung des übertragenen Signals eine Einstellung einer Übertragungsleistung umfasst.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anpassung des übertragenen Signals eine Einstellung der Übertragungsleistung und Phase umfasst.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Anpassung des übertragenen Signals eine Einstellung von Parametern umfasst, die sich auf eine Diversität beziehen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Anpassung des übertragenen Signals eine Einstellung von Parametern umfasst, die sich auf eine Verzögerungsdiversität beziehen.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Anpassung des übertragenen Signals eine Einstellung von Parametern umfasst, die sich auf eine Raum-Zeit-kodierte Diversität beziehen.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Schritt eines Verwendens der jeweiligen relativen Übertragungsparameter der Relaisstation und der/des gemeinsamen Übertragungsparameter(s), um nachfolgende Übertragungen auf Verbindung 2 anzupassen, umfasst auf Empfang eines Signals yk hin das Signal (670) zu übertragen:
    Figure 00530001
    wobei die Parameter ΓRS,k und ΓMS,k lokal bestimmte, relative Übertragungsparameter basierend auf den Kanalschätzungen h1,k und h2,k sind, PBS die Übertragungsleistung des Senders ist, σ2RS das Rauschen und der Störungspegel bei der Relaisstation ist, PRS die aggregierte Übertragungsleistung von allen Relaisstationen ist, σ2MS der Rauschpegel an jedem Empfänger ist und wobei der Normalisierungsfaktor φ ein gemeinsamer Parameter basierend auf der Gesamtkommunikationsqualität ist, die von dem Empfänger (220') empfangen wird.
  11. Relaisstation (215), die angepasst zur Verwendung in einem drahtlosen Zwei-Sprung-Kommunikationsnetzwerk ist, wobei das Netzwerk einen Sender (210), einen Empfänger (220) und zumindest eine Relaisstation (215) umfasst, wobei die Relaisstation (215) angepasst ist, Signale von einer ersten Verbindung zwischen dem Sender (210) und der Relaisstation (215) zu einer zweiten Verbindung zwischen den Relaisstationen (215) und dem Empfänger (220) weiterzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Relaisstation (215) mit einer Vorrichtung zum Anpassen (218) des Weiterleitens basierend auf Funkkanaleigenschaften von sowohl der ersten als auch der zweiten Verbindung ausgestattet ist.
  12. Relaisstation nach Anspruch 11, wobei die Relaisstation (215) weiter mit einer Vorrichtung zum Durchführen einer Kanalcharakterisierung (216) und einer Vorrichtung zum Bestimmen von relativen Übertragungsparametern (217) basierend auf der Kanalcharakterisierung ausgestattet ist und die Anpassung der Weiterleitung zumindest teilweise auf den relativen Übertragungsparametern basiert.
  13. Relaisstation nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Relaisstation (215) weiter mit einer Vorrichtung zum Empfangen eines gemeinsamen Übertragungsparameters ausgestattet ist und die Anpassung der Weiterleitung zumindest teilweise auf dem relativen Übertragungsparametern und dem gemeinsamen Übertragungsparameter basiert.
  14. System, das angepasst zur Kommunikation in einem drahtlosen Zwei-Sprung-Kommunikationsnetzwerk ist, wobei das Netzwerk einen Sender (210), einen Empfänger (220) und zumindest eine Relaisstation (215) umfasst, wobei die Relaisstation (215) angepasst ist, Signale von einer ersten Verbindung zwischen dem Sender (210) und der Relaisstation (215) zu einer zweiten Verbindung zwischen den Relaisstationen (215) und dem Empfänger (220) weiterzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Relaisstation (215) Funkkanaleigenschaften von sowohl der ersten als auch der zweiten Verbindung für die Anpassung der Weiterleitung auf der zweiten Verbindung verwendet.
  15. System nach Anspruch 14, wobei die Relaisstation (215) weiter mit einer Vorrichtung zum Durchführen einer Kanalcharakterisierung (216) und einer Vorrichtung zum Bestimmen von relativen Übertragungsparametern (217) basierend auf einer Kanalcharakterisierung ausgestattet ist und die Anpassung der Weiterleitung zumindest teilweise auf den relativen Übertragungsparametern basiert.
  16. System nach Anspruch 14, wobei das System mit einer Vorrichtung zum Bestimmen eines gemeinsamen Übertragungsparameters ausgestattet ist, der auf der Gesamtkommunikationsqualität zwischen dem Sender (210') und dem Empfänger (220') basiert und die Relaisstation (215) weiter mit einer Vorrichtung zum Empfangen des gemeinsamen Übertragungsparameters ausgestattet ist und die Anpassung der Weiterleitung auf der zweiten Verbindung zumindest teilweise auf den relativen Übertragungsparametern und dem gemeinsamen Übertragungsparameter basiert.
  17. Empfänger (220'), der angepasst zur Verwendung in einem drahtlosen Zwei-Sprung-Kommunikationsnetzwerk ist, wobei das Netzwerk einen Sender (210), den Empfänger (220) und zumindest eine Relaisstation (215) umfasst, wobei die Relaisstation (215) angepasst ist, Signale von einer ersten Verbindung zwischen dem Sender (210) und der Relaisstation (215) zu einer zweiten Verbindung zwischen den Relaisstationen (215) und dem Empfänger (220) weiterzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (220') mit einer Vorrichtung zum Bestimmen von zumindest einem relativen Übertragungsparameter ausgestattet ist, der bei einer Anpassung des Weiterleitens von Signalen von der Relaisstation (215) verwendet werden soll, wobei die Vorrichtung zum Bestimmen eines relativen Übertragungsparameters angepasst ist, die Bestimmung auf einer Charakterisierung des Funkkanals von sowohl der ersten als auch der zweiten Verbindung zu basieren und eine Vorrichtung zum Verteilen des relativen Übertragungsparameters zu der Relaisstation.
  18. Empfänger (220') nach Anspruch 17, wobei die bestimmende Vorrichtung angepasst ist, eine Vielzahl von relativen Übertragungsparametern zu bestimmen, einen für jede Relaisstation (215), die an der Kommunikationssitzung beteiligt sind.
  19. Empfänger (220') nach Anspruch 17 oder 18, wobei der relative Übertragungsparameter auf Charakterisierungen von sowohl der ersten als auch der zweiten Verbindung basiert.
  20. Empfänger (220') nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Empfänger i weiter mit einer Vorrichtung zum Bestimmen eines gemeinsamen Übertragungsparameters ausgestattet ist, der auf der Gesamtkommunikationsqualität zwischen dem Sender (210') und dem Empfänger (220') basiert.
  21. Basisstation, die angepasst (210) zur Verwendung in einem drahtlosen Zwei-Sprung-Kommunikationsnetzwerk ist, das einen Empfänger (220') nach einem der Ansprüche 17 bis 20 umfasst.
  22. Mobilstation (220), die angepasst zur Verwendung in einem drahtlosen Zwei-Sprung-Kommunikationsnetzwerk ist, das einen Empfänger (220') nach einem der Ansprüche 17 bis 20 umfasst.
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