DE60225263T2

DE60225263T2 - Funkkommunikationssystem

Info

Publication number: DE60225263T2
Application number: DE60225263T
Authority: DE
Inventors: Matthew P. Baker; Timothy J. Moulsley; Bernard Hunt
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2022-04-17
Also published as: US20020159431A1; CN1462517A; KR20030014730A; EP1386422A1; US20170230278A1; KR100918011B1; KR20030014732A; JP4229705B2; MXPA02012784A; GB0110125D0; JP2004520750A; ATE410836T1; US9635599B2; US10348613B2; US20160029288A1; WO2002087108A1; DE60225263D1; DE60229230D1; TW578395B; EP1386422B1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Funkkommunikationssystem und bezieht sich weiterhin auf eine Primärstation und eine Sekundärstation zur Verwendung in einem derartigen System und auf ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Systems. Während das vorliegende Dokument ein System beschreibt, insbesondere in Bezug auf das UMTS System ("Universal Mobile Telecommunication System"), dürfte es einleuchten, dass die Anordnung und die Verfahren auch zur Anwendung in anderen mobilen Funksystemen geeignet sind.
Stand der Technik
In einem Funkkommunikationssystem gehen Funksignale typischerweise von einem Sender zu einem Empfänger, und zwar über eine Anzahl Strecken, die je Reflexionen von einer oder mehreren Streuanordnungen zur Folge haben. Empfangene Signale von den Strecken können bei dem Empfänger konstruktiv oder destruktiv eingreifen (was zu einem positionsabhängigen Schwundeffekt führt). Weiterhin können verschiedene Längen der Strecken und folglich die Zeit, erforderlich um ein Signal von dem Sender dem Empfänger zuzuführen, eine Intersymbolinterferenz verursachen.
Es ist bekannt, dass die oben genannten Probleme, verursacht durch Mehrstreckenfortpflanzung durch die Verwendung mehrerer Antennen bei dem Empfänger (Empfangsdiversität) gelindert werden können, was es ermöglicht, dass einige oder alle der vielen Strecken aufgelöst werden. Für eine effektive Diversität ist es notwendig, dass Signale, die durch einzelne Antennen empfangen werden, eine niedrige Kreuzkorrelation haben. Typischerweise wird dies durch Trennung der Antennen um einen wesentlichen Bruchteil einer Wellenlänge gewährleistet, obschon eng aneinander liegende Antennen auch durch Anwendung von Techniken benutzt werden können, die in der internationalen Patentanmeldung WO 01/71843 (Aktenzeichen der Anmelderin PHGB000033 ) beschrieben sind. Durch Gewährleistung der Verwendung nicht korrelierter Signale wird die Wahrscheinlichkeit, dass zu einem bestimmten Augenblick eine destruktive Interferenz an mehr als nur einer Antenne der Antennen auftreten wird, minimiert.
Ähnliche Verbesserungen können auch durch Verwendung mehrerer Antennen bei dem Sender (Übertragungsdiversität) erreicht werden. Diversitätstechniken können auf die Verwendung mehrerer Antennen bei dem Sender sowie dem Empfänger verallgemeinert werden, was als ein MIMO-System ("Multi-Input Multi-Output") bekannt ist, was weiterhin die Systemverstärkung über eine Anordnung mit einer einseitigen Diversität steigern kann. Als eine weitere Entwicklung ermöglicht das Vorhandensein mehrerer Antennen ein räumliches Multiplexing, wodurch ein Datenstrom zur Übertragung in eine Anzahl Subströme aufgeteilt wird, die je über viele verschiedene Strecken gesendet werden. Ein Beispiel eines derartigen Systems ist in dem US Patent 6.067.290 beschrieben, ein anderes Beispiel, bekannt als das BLAST System, ist in der Veröffentlichung "V-BLAST: an architecture for realising very high data rates over the rich-scattering wireless channel" von P W Wolniansky u. a. in der Veröffentlichungen des 1098 URSI "International Symposium an Signals, Systems and Electronics", Pisa, Italien, 29. September bis zum 2. Oktober 1998 beschrieben.
Die Leistungsverstärkungen, die aus einem MIMO System erhalten werden können, können zur Steigerung der gesamten Datenrate bei einer bestimmten Fehlerrate verwendet werden, oder zum Reduzieren der Fehlerrate für ein bestimmte Datenrate, oder für eine Kombination der beiden. Ein MIMO System kann auch zum Reduzieren der gesamten übertragenen Energie oder Leistung für eine bestimmte Datenrate und Fehlerrate angewandt werden.
Ein Gebiet, in dem MIMO Techniken angewandt werden können, ist ein HSDPA-Schema ("High-Speed Downlink Packet Access"), das zur Zeit für UMTS entwickelt wird und das eine Übertragung von Paketdaten zu einer Mobilstation bis zu 4 Mbps ermöglichen kann. In einer vorgeschlagenen Ausführungsform von HSDPA werden einzelne Datenströme von den betreffenden Antennen bei der Basisstation (BS) aus gesendet, wobei diese Datenströme im Grunde von einer Mobilstation (MS) empfangen und decodiert werden können, die wenigstens ebenso viele Antennen hat, wie es Datenströme gibt.
Ein Problem mit der Anwendung eines MIMO Systems für Paketdatenübertragung ist der Einfluss unterschiedlicher Kopplungsqualitäten auf das Kommunikationssystem. So können beispielsweise einige Datenströme Funkverbindungen sehr geringer Qualität haben, und wenn alle Daten kombiniert werden, wird dies die Leistung der anderen Verbindungen beeinträchtigen und die Kapazität des gesamten Systems reduzieren.
US 6.151.310 beschreibt eine Basisstation mit Zeitmultiplexzugriff zur Kommunikation mit einer Anzahl Mobilstationen in einem zellularen Kommunikationssystem, und zwar unter Anwendung einer Anzahl Zeitschlitze mit Zeitmultiplexzugriff, mit einer Antenne mit einer Anordnung von Übertragungsantennenelementen, einem Modulator und einem Funkfrequenzschalter. Der Funkfrequenzschalter koppelt das erste zellulare Funksignal mit einer ersten Anzahl Übertragungsantennenelemente während des ersten Zeitschlitzes mit Zeitmultiplexzugriff, und koppelt danach während des zweiten Zeitschlitzes mit Zeitmultiplexzugriff das zweite und dritte zellulare Funksignal zu der betreffenden zweiten und dritten Anzahl Übertragungsantennenelemente.
Beschreibung der Erfindung
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Funkkommunikationssystem mit verbesserter Leistung zu schaffen.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Funkkommunikationssystem mit einer ersten Station, mit wenigstens zwei Antennen, und mit wenigstens zwei Sekundärstationen mit je wenigstens einer Antenne geschaffen, wobei die Primärstation Mittel aufweist zum Übertragen betreffender Kommunikationskanäle zwischen der Primärstation und der ersten und der zweiten Sekundärstation von betreffenden untereinander exklusiven Subsätzen der Antennen der Primärstation, wobei die erste und zweite Sekundärstation in beiden Subsätzen in dem Deckungsgebiet der Antennen der Primärstation liegen, wobei die betreffenden Kanäle nur durch die betreffenden Subsätze von Antennen unterschieden werden, und wobei die erste und die zweite Sekundärstation je Mittel aufweisen um aus den empfangenen Signalen denjenigen Subsatz der Signale zu schätzen, der den betreffenden Kommunikationskanal enthält.
Durch Benutzung verschiedener Antennen in der Primärstation zur Übertragung zu verschiedenen Sekundärstationen, kann die Systemkapazität in Situationen verbessert werden, in denen Signale, die von einer Sekundärstation von einigen der Antennen der Primärstation empfangen worden sind, von geringer Qualität sind. Im Gegensatz zu bekannten Strahlbildungstechniken oder SDMA-Techniken ("Space-Division Multiple Access"), die phasengleiche Anordnungen von Antennenelementen bei der Primärstation verwenden um Strahlen in der Richtung bestimmter Sekundärstationen zu erzeugen, erfordert die vorliegende Erfindung keine Winkeltrennung zwischen Sekundärstationen, die Signale von verschiedenen Primärstationsantennen empfangen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, dass eine Funkkommunikationssystem, das normalerweise als ein MIMO System funktioniert, zum Verbessern der Systemkapazität in bestimmten Situationen durch Verwendung verschiedener Basisstationsantennen zum Adressieren verschiedener Sekundärstationen, stattdessen, dass alle Antennen nur eine einzige Sekundärstation adressieren. In einer UMTS Ausführungsform können gleichzeitige Übertragungen zu verschiedenen Sekundärstationen von verschiedenen Antennen aus angestellt werden, und zwar unter Anwendung desselben Kanalisierungscodes, Verschlüsselungscodes, derselben Trägerfrequenz und derselben Zeitschlitze, wodurch die gesamte spektrale Effizienz des Systems verbessert wird.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Primärstation mit wenigstens zwei Antennen zur Anwendung in einem Funkkommunikationssystem mit wenigstens zwei Sekundärstationen geschaffen, wobei Mittel vorgesehen sind zum Übertragen betreffender Kommunikationskanäle zwischen der Primärstation und der ersten und zweiten Sekundärstation von den betreffenden untereinander exklusiven Subsätzen der Primärstationsantennen, wobei die erste und die zweite Sekundärstation in dem Deckungsgebiet der Primärstationsantennen in den beiden Subsätzen liegen und wobei die betreffenden Kanäle nur durch die betreffenden Subsätze von Antennen unterschieden werden.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sekundärstation mit wenigstens einer Antenne zur Verwendung in einem Funkkommunikationssystem mit betreffenden Kommunikationskanälen zwischen einer Primärstation mit wenigstens zwei Antennen, der Sekundärstation und einer weiteren Sekundärstation geschaffen, wobei die Kommunikationskanäle von den betreffenden untereinander exklusiven Subsätzen der Primärstationsantennen übertragen werden, wobei die Sekundärstation und die weitere Sekundärstation in dem Deckungsgebiet der Primärstationsantennen in den beiden Subsätzen liegen, wobei die betreffenden Kanäle nur durch die betreffenden Subsätze von Antennen unterschieden werden, und wobei Mittel vorgesehen sind um aus den empfangenen Signalen denjenigen Subsatz von Signalen zu schätzen, die den betreffenden Kommunikationskanal der Sekundärstationen enthält.
Die Sekundärstation kann die Signale schätzen, die mit dem betreffenden Kommunikationskanal übereinstimmen, und zwar dadurch dass Signale von anderen Sub sätzen der primären Stationsantennen, bestimmt für andere Sekundärstationen, als Rauschanteile behandelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform aber umfasst die Sekundärstation zum Auflösen der Signale mit den betreffenden Kommunikationskanälen getrennt von Signalen, die von den Primärstationsantennen übertragen worden sind, die nicht in dem betreffenden Subsatz von Antennen enthalten sind.
Nach einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kommunikationssystems mit einer Primärstation mit wenigstens zwei Antennen, und mit wenigstens zwei Sekundärstationen geschaffen, die je wenigstens eine Antenne aufweisen, wobei das Verfahren umfasst, dass die Primärstation die betreffenden Kommunikationskanäle zwischen der Primärstation und der ersten und zweiten Sekundärstation der betreffenden untereinander exklusiven Subsätze der Primärstationsantennen überträgt, wobei die erste und die zweite Sekundärstation beide in dem Deckungsgebiet der Antennen der Primärstation in den beiden Subsätzen liegen und wobei die betreffenden Kanäle nur durch die betreffenden Subsätze von Antennen voneinander unterschieden werden können, wobei das Verfahren weiterhin umfasst, dass jede Sekundärstation aus den empfangenen Signalen den Subsatz von Signalen schätzt, der den betreffenden Kommunikationskanal enthält.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines MIMO Funksystems,
2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Basisstation für ein MIMO Funksystem, das Substreamsignale vor der Übertragung gewichtet,
3 eine Graphik der Variation in der Kanalkapazität zwischen zwei Stationen, die je zwei Antennen haben, wenn die relative Verstärkung der Übertragungsantennen geändert wird,
4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Funksystems nach der vorliegenden Erfindung, wobei verschiedene Substreams verschiedenen Terminals zugeführt werden, und
5 ein Flussdiagramm der Wirkungsweise eines Funkkommunikationssystems nach der vorliegenden Erfindung.
In der Zeichnung sind für entsprechende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet worden.
Verfahren zum Durchführen der Erfindung
1 zeigt ein Beispiel eines MIMO Systems zur Übertragung von Paketdaten zur Anbindung nach unten von einer Primärstation 100 zu einer Sekundärstation 110. Die Primärstation 100 umfasst eine Datenquelle 102, die einen Datenstrom zur Übertragung zu der Sekundärstation 110 schafft. Dieser Strom wird durch einen Serie-Parallelwandler (S/P) 104 aufgeteilt, und zwar zum Erzeugen einer Anzahl Datensubströme, die einem Sender (TX) 106 zugeführt werden. Der Sender 106 sorgt dafür, dass die Datensubströme vielen Antennen 108 zugeführt werden (in 1 durch 1, 2, 3 und 4 bezeichnet), und zwar zur Übertragung von der Basisstation (BS) 100 zu der Mobilstation (MS) 110. Es wird vorausgesetzt, dass die Antennen 108 im Wesentlichen rundstrahlend sind (oder derart entworfen sind, dass sie eine Deckung über eine in Sektoren verteile Zelle geben).
Eine geeignete Codierung, typischerweise mit "Forward Error Correcting" (FEC) kann durch die Basisstation 100 angewandt werden, und zwar vor der Seriell-zu-Parallelumwandlung. Dies ist als vertikale Codierung bekannt und hat den Vorteil, dass Codierung über alle Subströme angewandt wird. Es können aber beim Extrahieren der Subströme Probleme auftreten, da eine gekoppelte Decodierung erforderlich ist und da es schwierig ist, jeden Datenstrom einzeln zu extrahieren. Als Alternative kann jeder Substrom einzeln codiert werden, eine Technik, die als horizontale Codierung bekannt ist, was den Betrieb des Empfängers vereinfachen kann. Diese Techniken sind beispielsweise in der Veröffentlichung "Effects of Interative Detection and Cecoding an the Performance of BLAST" von X Li u. a. in den "Proceedings of the IEEE Globecom 2000 Conference", San Francisco, 27. November bis zum 1. Dezember 2000, beschrieben.
Wenn Vertikalcodierung angewandt wird, muss die FEC, die angewandt wird genügend Fehlerkorrekturfähigkeiten haben um den ganzen MIMO Kanal zu meistern, der eine Anzahl Strecken umfasst. Es dürfte einleuchten, dass der Satz von Strecken zwischen der Basisstation 100 und der Mobilstation 110 typischerweise direkte Strecken und indirekte Strecken umfasst, wobei die letzteren Strecken sind, in denen Signale an einem oder mehreren Streuelementen reflektiert werden.
Die Mobilstation 110 umfasst eine Anzahl Antennen 118 (in 1 durch A, B, C und D bezeichnet). Von den Antennen 118 empfangene Signale werden einem Empfänger (RX) 116 zugeführt, der die vielen übertragenen Datensubströme aus den empfangenen Signalen extrahiert. Die Datensubströme werden danach durch einen Parallel-zu-Seriellwandler (P/S) 114 zu einem Datenausgangsblock 112 rekombiniert. Obschon die Basisstation 100 und die Mobilstation 110 derart dargestellt sind, als haben sie die gleiche Anzahl Antennen, ist dies in der Praxis nicht notwendig und die Anzahl Antennen kann je nach Raum und Kapazitätsbeschränkungen optimiert werden.
In der einfachsten Implementierung einer Basisstation 100 wird jeder Datensubstream auf einer einzelnen Antennen 108 abgebildet. Eine derartige Implementierung eignet sich für räumlich nicht korrelierte Funkkanäle. In dem allgemeinen Fall, für den eine geeignete Basisstation 100 in 2 dargestellt ist, könnte jeder Datensubstream jeder Antenne 108 zugeführt werden, und zwar nach einer komplexen Gewichtung 202 (mit einem einzigen Gewichtungswert je Antenne 108 für jeden Datensubstream). Diese Annäherung kann zum Abbilden jedes Datensubstreams auf einem anderen Antennenstrahl angewandt werden. Die Antennenstrahlen können in einer vorbestimmten Richtung gezielt werden oder die Richtungen können dynamisch ermittelt werden um den Vorteil der Änderung von Funkkanalumständen zu erhalten. Ein Beispiel eines MIMO Systems mit dynamisch sich ändernden Strahlrichtungen ist in der ebenfalls eingereichten nicht veröffentlichten UK Patentanmeldung 0102316.7 (veröffentlicht als WO02061969 , Aktenzeichen der Anmeldering PHGB010012 ) beschrieben. Ein wichtiger Spezialfall ist derjenige, in dem jeder Datenstrom auf einem Subsatz der Antennen abgebildet wird (d. h. einige der Gewichtungen sind Null).
Der Einfachheit halber benutzen die nachfolgenden Ausführungsformen den einfachsten Fall einer Eins-zu-Eins-Abbildung zwischen Datensubstreams und Antennen 108; es dürfte aber einleuchten, dass die vorliegende Erfindung sich nicht auf ein derartiges Szenariobegrenzt.
Es hat sich herausgestellt, dass die von einer MIMO Anordnung versprochenen Kapazitätsverbesserungen in einem Gaußschen Kanal erzielbar sind, sogar in einer Anordnung mit einer offenen Schleife, wobei der Sender (Basisstation 100) keine Kenntnisse über die Herunterladungskanaleigenschaften hat. Eine gewisse Kapazitätsverbesserung kann auch in einer Anordnung mit einer offenen Schleife in einem Rayleigh Schwundkanal erzielt werden, obschon die Verbesserung reduziert wird, wenn die Differenz zwischen dem empfangenen Signal-Interferenz und Störverhältnissen (SINRs) von jeder Senderantenne 108 (nach Kombination der Empfangsdiversität in der Mobilstation 110) groß ist.
Eine Schema der geschlossenen Schleife kann zusätzlichen Nutzen schaffen. Die Amplitude der Übertragungen von den verschiedenen Basisstationsantennen 108 können derart gewichtet werden, dass die Senderleistung auf diejenigen Antennen 108 gerichtet wird, die bei der Mobilstation 110 das beste SINR haben. Wenn die Basisstationsantennen 108 in einem Raum-Zeitcodierten MIMO System verwendet werden, wobei verschiedene Daten von jeder Antenne aus übertragen werden kann die Datenrate sowie die Leistung von jeder Antenne eingestellt werden, wie beispielsweise in unserer ebenfalls eingereichten nicht veröffentlichten Internationalen Patentanmeldung PCT/EP001/13690 (veröffentlicht als WO0245293 , Aktenzeichen der Anmelderin PHGB 000168 ) beschrieben worden ist. In der nachfolgenden Beschreibung wird vorausgesetzt, dass die gesamte kombinierte Übertragungsleistung von allen Antennen begrenzt ist.
In einigen Situationen, insbesondere wenn die Differenz in der Kanalverstärkung von den verschiedenen Senderantennen sehr groß ist (beispielsweise wenn eine oder mehrere Antennen sich in einem tiefen Schwund befinden), kann die beste Funkkopplungskapazität dadurch erreicht werden, dass eine oder mehrere der Basisstationsantennen abgeschaltet werden (d. h. eine Reduktion der Leistung oder der Datenrate auf Null). Eine derartige Strategie einer Übertragung mit einer geschlossenen Schleife hat auch andere Vorteile, wie das Reduzieren der Anzahl Antennen, erforderlich in der Mobilstation 110.
3 ist eine Graphik mit einem elementaren Vergleich zwischen der verfügbaren Kapazität C als eine Funktion der Kanalverstärkung G₂ für die zweite Senderantenne 108 für einen bestimmten Wert der Kanalverstärkung G₁ für die erste Senderantenne. Die Graphik zeigt Kapazitäten, die unter Anwendung eines Raum-Zeitcodierten MIMO Systems 302 mit offener Schleife und eines Senderantennenselektionsschemas mit offener Schleife 304 für den Fall von zwei Senderantennen 108 in der Basisstation 100 und zwei Empfängerantennen 118 in der Mobilstation 110 erzielbar sind. Es sei bemerkt, dass die Kanalverstärkung mit dem Antennenselektionsschema berechnet wird, nachdem Empfangsdiversitätskombination in der Mobilstation 110 durchgeführt worden ist.
In der Ableitung der 3 wurde vorausgesetzt, dass die insgesamt verfügbare Senderleistung eine Konstante, P_tx, ist. Folglich wird, wenn G₂ = G₁, in dem Fall der offenen Schleife MIMO, P_tx/2 von jeder der Basisstationsantennen 108 übertragen, aber in dem Fall der Antennenselektion wird P_tx von einer einzigen Antenne ausgesendet und es wird keine Leistung von der anderen Antenne gesendet. Es sei bemerkt, dass die Wahl der Senderantenne 108 in dem Fall der Antennenselektion beliebig ist, wenn G₂ = G₁ und die Kapazität C₁ in dieser Situation größer ist als C₂, und zwar wegen der MIMO Verstärkung. Wenn aber G₂ = 0 ist, ist die Kapazität in dem MIMO Fall mit offener Schleife auf C₃ stark reduziert, da die Hälfte der Senderleistung von einer nutzlosen Antenne 108 ausgestrahlt wird, während die Kapazität in dem Fall der Antennenselektion mit geschlossener Schleife nach wie vor konstant ist.
Auf diese Weise geht aus 3 hervor, dass es in dem durch "X" bezeichneten Gebiet günstig ist, statt eines MIMO Schemas mit einer offenen Schleife eine Antennenselektion mit geschlossener Schleife anzuwenden.
Bei bekannten MIMO Systemen werden Herunterladesignale zu einer einzigen Mobilstation 110 in einer Zelle von denen für andere Mobilstationen 110 mit Hilfe von Frequenz (FDMA, "Frequency Division Multiple Access") und/oder Zeitschlitz (TDMA, "Time Division Multiple Access) und/oder Code (CDMA, "Code Division Multiple Access) unterschieden, wodurch der Kanal für diese Mobilstation 110 definiert wird. Für eine bestimmte Mobilstation werden dann alle verfügbaren Basisstationssendeantennen 108 in dem Kanal für diese Mobilstation 110 verwendet. In dem oben beschrieben Fall aber, in dem das optimale Übertragungsschema eines von Sendeantennenselektion wäre, ist die Kapazität des Systems suboptimal, da bestimmte Antennen für Übertragung über bestimmte Kanäle nicht nützlich sind.
Folglich kann in einem System nach der vorliegenden Erfindung ein Kanal für eine bestimmte Mobilstation 110 auch ganz oder teilweise durch den Subsatz von Basisstationsantennen 108 definiert werden, von dem der Kanal übertragen wird, wobei der Subsatz von Basisstationsantennen 108 aus einer oder mehreren Antennen bestehen kann. Ein derartiges Schema kann als ADMA, ("Antenna-Division Multiple Access") bezeichnet werden.
Ein einfaches Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 4 dargestellt, die eine Basisstation 100 mit zwei Antennen 108 und zwei Mobil stationen 110a, 110b enthält, die je zwei Antennen 118 aufweisen. Die Basisstation 100 umfasst zwei Datenquellen 102 (D1 und D2), die je einen Datensubstream schaffen, bestimmt für eine andere Mobilstation 110 zu einem Sender (TX) 106. Ein praktisches System, das die vorliegende Erfindung benutzt, ist wird wahrscheinlich eine größere Anzahl Mobilstation und eine größere Anzahl Antennen umfassen.
Nachstehend wird ein Ausgangsvorgang eines derartigen Systems anhand des in 5 dargestellten Flussdiagramms beschrieben. Der Vorgang startet bei dem Schritt 502 damit, dass die Bildablenkspulensystem 100 der ersten Mobilstation 110a mitteilt, dass es Daten zur Übertragung gibt. Die Basisstation 100 überträgt danach in dem Schritt 504 Signale von jeder der Antennen 108 um der ersten Mobilstation 110a die Möglichkeit zu bieten, den Funkkanal zu kennzeichnen. Derartige Signale könnten beispielsweise orthogonale Sequenzen bekannter Pilotinformation enthalten, die von jeder Basisstationsantenne 108 übertragen wird. Die Mobilstation 110a misst in dem Schritt 506 das SINR der betreffenden empfangenen Signale (nach Diversitätskombination der von jeder Antenne 118 empfangenen Signale). In diesem Beispiel ermittelt die erste Mobilstation 110a dadurch, dass das SINR des von der Antenne 1 der Basisstation 110 empfangenen Signals größer ist als das SINR des von der Antenne 2 der Basisstation empfangenen Signals.
Nachdem die Messungen beendet sind, sendet die Mobilstation 110a in dem Schritt 508 eine Signalisierungsnachricht zu der Basisstation 100 um anzugeben dass die Antenne 1 das beste SINR ergibt. Diese Nachricht könnte eine Anzahl FDormen annehmen, beispielsweise

– die Identität der besten und/oder der schlechtesten Basisstationsantenne(n) 108;
– absolute SINR Messungen für die beste(n) und/oder schlechteste(n) Basisstationsantenne(n) 108; oder
– absolute SINR Messungen für jede Basisstationsantenne 108.

Als Ergebnis dieser Signalisierungsnachricht bestimmt die Basisstation, dass Daten, bestimmt für die erste Mobilstation 110a, nur von der Antenne 1 aus übertragen werden sollen. Die Antenne 2 der Basisstation 100 kann deswegen zum Übertragen von Daten benutzt werden, die für eine andere Mobilstation bestimmt sind, und zwar unter Verwendung derselben Frequenz, derselben Zeitschlitze und Kanalisierungscodes, wie diese von der Antenne 1 für die erste Mobilstation 110a verwendet werden. Eine zweite Mo bilstation 110b wird somit in dem Schritt 510 unter Anwendung desselben Protokolls wie oben beschrieben identifiziert, für das die Antenne 2 das beste SINR ergibt. Danach werden Signale von der Antenne 1 zu der ersten Mobilstation 110a und von der Antenne 2 in dem Schritt 512 zu der zweiten Mobilstation 110b übertragen. Diese Übertragungsstrecken sind durch die gezogenen Pfeile in 4 angegeben, wobei die gestrichelten Pfeile angeben, dass Signale für eine einzige Mobilstation 110a, 110b die andere Mobilstation erreichen können, da die beiden Mobilstationen sich in dem Deckungsgebiet der beiden Antennen 108 befinden.
Wenn jede Mobilstation 110a, 110b wenigstens ebenso viele Antennen hat wie die Basisstation 100 und der Funkkanal genügend Zerstreuer hat um dafür zu sorgen, dass die Übertragungsfunktion des Kanals im Wesentlichen zwischen jeder Basisstationssendeantenne 108 und jeder Empfangsantenne 118 einer bestimmten Mobilstation 110 wesentlich anders ist, kann jede Mobilstation das Signal von der entsprechenden Basisstationsantenne 108 decodieren, ohne dass die Signale von den anderen Basisstationsantennen eine unzulässige Interferenz verursachen.
So werden beispielsweise in dem oben beschriebenen Szenario die an den zwei Antennen 108 der ersten Mobilstation 110a empfangenen Signale gegeben durch:
wobei r₁ das an der i. Mobilstationsantenne 118 empfangene Signal ist, wobei t₁ das von der i. Basisstationsantenne 108 übertragene Signal ist, wobei h_ij die komplexe Kanalübertragungscharakteristik von der i. Basisstationsantenne 108 zu der j. Mobilstationsantenne 118 ist.
t₁ entspricht dem von der Antenne 1 übertragenen Signal, welches das für die erste Mobilstation 110a erwünschte Signal ist. Dieses Signal kann folglich in einem Kanalextraktionsblock (CX) 414 wie folgt extrahiert werden:
Die Kanalübertragungskoeffizienten h_ij werden unter Anwendung bekannter Pilotinformation, wie oben beschrieben, ermittelt. Die Frequenz, mit der die Pilotinformation übertragen werden soll, und die aktualisierten Kanalübertragungskoeffizienten werden von der Kohärenzzeit des Kanals abhängig sein. Die bekannte Pilotinformation sollte mit ausreichender Energie übertragen werden, damit eine ausreichend genaue Schätzung der Kanalübertragungskoeffizienten im Beisein von Störungen erhalten wird. Die Energie der bekannten Pilotinformation kann durch Übertragung einer längeren Pilotinformationssequenz oder durch Steigerung der Übertragungsleistung der Pilotinformation erhalten werden. Die Länge jeder Sequenz bekannter Pilotinformation, auf der jede Schätzung von Kanalübertragungskoeffizienten basiert ist, soll wesentlich geringer sein als die Kohärenzzeit des Kanals. Andere bekannte Techniken, wie gekoppelte Detektion und Interferenzauflösung können ebenfalls von der Mobilstation 110 zum Extrahieren des gewünschten Signals aus den von den Basisstationsantennen 108 empfangenen Signalen angewandt werden.
In der Praxis werden die empfangenen Signale r₁ und r₂ auch Rauschanteile enthalten. Die übertragenen Signale können dann über eine Anzahl bekannter Verfahren, beispielsweise MMSE ("Minimum Mean Square Error") oder MLSE ("Maximum Likelihood Sequence Estimation") wiederhergestellt werden, wie beispielsweise in dem Abschnitt 16 von "Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems" von S.R. Saunders, veröffentlicht von John Wiley und Söhnen 1999. MMSE kann als Teil des MLSE Prozesses angewandt werden, oder kann für sich allein angewandt werden. In dem letzteren Fall werden keine Vorkenntnisse über die möglichen Sequenzen übertragener Bits vorausgesetzt.
In einem praktischen System mit einer größeren Anzahl Mobilstationen ist es unwahrscheinlich dass es erwünscht ist, ADMA als das einzige Mittel zum Unterscheiden von Kanälen für verschiedene Mobilstationen anzuwenden, da dies erfordern würde, dass jede Mobilstation 110 wenigstens ebenso viele Antennen 118 hat wie die gesamte Anzahl Mobilstationen in einer Zelle. Ein typisches Schema wäre deshalb ADMA als ein zusätzliches Mittel der Optimierung der Anwendung der Funkmittel im Zusammenhang mit einem anderen mehrfachen Zugriffsschema wie CDMA, FDMA oder TDMA anzuwenden. ADMA könnte dann bei einem bestimmten Code/einer bestimmten Frequenz/einem bestimmten Zeitschlitz angewandt werden um Kanäle zu n verschiedenen Mobilstationen zu unterscheiden, wobei n gleich der kleinsten Anzahl Antennen jeder der Mobilstationen ist, die diese Kombination von Code, Frequenz und Zeitschlitz anwenden. So könnte beispielsweise ein Paar Mobilstationen, mit je zwei Antennen, ADMA anwenden um einen durch eine bestimmte Frequenz und/oder einen bestimmten Zeitschlitz und oder einen bestimmten Code definierten Herunterladekanal gemeinsam zu benutzen.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann es sein, dass eine Mobilstation 110 nicht so viele Antennen erfordert wie oben vorgeschlagen. In dem oben genannten Beispiel eines Paares Mobilstationen wäre, wenn ein Signal von einer Basisstationsantenne 108 so schwach ist, dass es als Rauschwert betrachtet werden kann, nur eine einzige Antenne 118 erforderlich. Dies erfordert aber spezielle Kanalbedingungen und darauf kann man sich nicht immer verlassen. Unsere ebenfalls eingereichte, nicht veröffentlichte UK Patentanmeldung 0115937.5 (veröffentlicht als WO03003604 , Aktenzeichen der Anmelderin PHGB 010100 ) beschreibt ein MIMO System, bei dem eine Mobilstation 110 weniger Antennen haben kann als die Anzahl Substreams, die darauf gerichtet werden. Ein derartiges System benutzt Abtasttechniken zum Erzeugen einer ausreichenden Anzahl, im Wesentlichen nicht korrelierter empfangener Signalabtastwerte um die Substreams extrahieren zu können. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform dieses Systems benutzt Codeteilungstechniken zum Übertragen der Signale und einen Rake-Empfänger in der Mobilstation 110 zum Ermitteln der empfangenen Signalabtastwerte. Derartige Techniken könnten auch auf die vorliegende Erfindung angewandt werden, wodurch auf diese Weise die Anforderungen der Anzahl Mobilstationsantennen 118 lockerer werden.
Ein System nach der vorliegenden Erfindung schafft eine gesteigerte Herunterladekapazität gegenüber einem herkömmlichen System durch eine optimale Verwendung der verfügbaren Basisstationsantennen 108. In einem praktischen System ist es deutlich zu bevorzugen, dass die besten Basisstationsantennen 108 für jede einer Anzahl Mobilstationen manchmal zusammenfallen können. In diesem Fall kann eine MMSE Annäherung über den Mobilstationsraum genommen werden um den Mobilstationen 110 Antennen 108 zuzuordnen, und zwar auf eine Art und Weise, die für das System als Ganzes optimal ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung benutzen eine einzige Antennenstruktur mit einer doppelten Polarisationsfähigkeit, die derart angewandt werden kann, dass sie funktionell zwei Antennen gleichwertig ist. Andere Strukturen, beispielsweise eine Printplattenmetallisierung, können angewandt werden um eine Funktionalität gleichwertig einer Antenne zu schaffen.
MIMO Techniken zur Übertragung zu einzelnen Mobilstationen 110 können in einem System entsprechend der vorliegenden Erfindung angewandt werden, da es dennoch möglich ist, einer bestimmten Mobilstation 110 eine Anzahl Basisstationsantennen 108 zuzuordnen, die ein Subsatz der gesamten Anzahl Basisstationsantennen ist. Weiterhin schließt die Anwendung von ADMA für wenigstens einen Datenkanal für jede einer Anzahl Mobilstationen 110 nicht die gleichzeitige Übertragung eines oder mehrerer anderer Datenkanäle zu einer oder mehreren derselben Mobilstationen 110 mit Hilfe anderer Mehrfachzugriffstechniken, beispielsweise Codeteilung oder Frequenzteilung nicht aus.
In der oben stehenden Beschreibung bezieht sich der Ausdruck "Basisstation" oder "Primärstation" auf eine Entität, die in der Praxis zwischen einer Anzahl Teile der festen Infrastruktur verteilt sein kann. In einem UMTS System werden beispielsweise die Funktionen einer Basisstation 100 in einem "Knoten B" durchgeführt, der der Teil der festen Infrastruktur unmittelbar mit einer Mobilstation 110 gekoppelt, und auf einem höheren Pegel in dem RNC ("Radio Network Controller"). Ebenso wie ihre Verwendung bei der Übertragung von Daten von einer Basisstation 100 zu einer Anzahl Mobilstationen 110 können die beschriebenen Techniken auch in der umgekehrten Richtung angewandt werden (beispielsweise während einer UMTS weichen Übergabe). In diesem Fall würden die Rollen der Basisstation 100 und der Mobilstation 110 in der oben stehenden Beschreibung umgekehrt werden, wobei die Basisstation 100 die Rolle der Sekundärstation übernimmt und die Mobilstation 110 die Rolle einer Primärstation übernimmt.
Aus der Lektüre der vorliegenden Beschreibung dürften dem Fachmann andere Abwandlungen einfallen. Solche Abwandlungen können andere Merkmale betreffen, die im Bereich des Entwurfs, der Herstellung und der Verwendung von Funkkommunikationssystemen und Teilen davon bereits bekannt und statt der oder zusätzlich zu den hier bereits beschriebenen Merkmalen verwendbar sind. Der Gegenstand, dessen Schutz gesucht wird, ist in den beiliegenden Patentansprüchen definiert.
Text in der Zeichnung
2

Daten

4

Daten

5

506: Maßnahme
510: Selektion von MS

Claims

Primärstation (100) mit wenigstens zwei Antennen (108) zur Verwendung in einem Funkkommunikationssystem mit wenigstens zwei Sekundärstationen (110a, 110b), wobei Mittel zum Übertragen betreffender Kommunikationskanäle zwischen der Primärstation und der ersten und der zweiten Sekundärstation von betreffenden Subsätzen der Antennen der Primärstation vorgesehen sind, wobei die erste und die zweite Sekundärstation in dem Deckungsgebiet der Antennen in den beiden Subsätzen der Primärstation liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die betreffenden Subsätze untereinander exklusiv sind, wobei die betreffenden Kanäle nur durch die betreffenden Subsätze von Antennen unterschieden werden.
Primärstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind zum Übertragen bekannter Signale von jeder der in den Subsätzen vorhandenen Subsätze, wodurch es ermöglicht wird, dass eine Sekundärstation die Funkkanäle zwischen den Antennen der Primärstation und den Antennen der Sekundärstation kennzeichnet.
Primärstation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind zum Empfangen von Signalen von den Sekundärstationen, die Information über die Qualität empfangener Signale liefert und zum Verwenden der Information um zu ermitteln, welche Antennen jedem Subsatz zugeordnet werden.
Funkkommunikationssystem, das Folgendes umfasst: eine Primärstation nach Anspruch 1, und wenigstens zwei Sekundärstationen, die je wenigstens eine Antenne aufweisen, wobei die erste und die zweite Sekundärstation je Mittel aufweisen um aus den empfangenen Signalen denjenigen Subsatz von Signalen zu schätzen, der den betreffenden Kommunikationskanal enthält.
Funkkommunikationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Subsätze der Antennen der Primärstation wenigstens zwei Antennen auf weist, und dass Mehrfach-Ein-Mehrfach-Aus-Techniken bei Übertragungen von diesem Subsatz zu der betreffenden Sekundärstation angewandt werden.
Funkkommunikationssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen weiteren Kommunikationskanal zwischen der Primärstation und einer der Sekundärstationen aufweist, wobei dieser Kanal nicht nur durch einen Subsatz von Antennen sich unterscheidet, von denen er übertragen wird.
Sekundärstation (110a) mit wenigstens einer Antennen (118) zur Verwendung in einem Funkkommunikationssystem mit betreffenden Kommunikationskanälen zwischen einer Primärstation (100) mit wenigstens zwei Antennen (108), der Sekundärstation und einer weiteren Sekundärstation (110b), wobei die Kommunikationskanäle von betreffenden Subsätzen der Antennen der Primärstation übertragen werden, wobei die Sekundärstation und die weitere Sekundärstation in dem Deckungsgebiet der Antennen in den beiden Subsätzen der Primärstation liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die betreffenden Subsätze untereinander exklusiv sind, wobei die betreffenden Kanäle nur durch die betreffenden Subsätze von Antennen unterschieden werden, und wobei Mittel (414) vorgesehen sind um aus den empfangenen Signalen den Subsatz von Signalen mit dem betreffenden Kommunikationskanal der Sekundärstation zu schätzen.
Sekundärstation nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzmittel Mittel aufweisen zum Auflösen der Signale, die den betreffenden Kommunikationskanal aufweisen, separat von den von den Antennen der Primärstation übertragenen Signalen, die nicht in dem betreffenden Subsatz von Antennen vorgesehen sind.
Sekundärstation nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens so viele Antennen wie die gesamte Anzahl Primärstationsantennen in den untereinander exklusiven Subsätzen aufweist, wobei die Übertragungskanäle keine unterscheidenden Merkmale anders als den betreffenden Subsatz von Antennen aufweisen.
Sekundärstation nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind zum Kennzeichnen wenigstens eines Funkkanals, unter Ver wendung von Signalen, die von der Primärstation übertragen werden und zum Signalisieren der Ergebnisse der Kennzeichnung an die Primärstation.
Verfahren zum betreiben eines Funkkommunikationssystems mit einer Primärstation (100) mit wenigstens zwei Antennen (108) und wenigstens zwei Sekundärstationen (110a, 110b), die je wenigstens eine Antenne (118) aufweisen, wobei das Verfahren umfasst, dass die Primärstation betreffende Kommunikationskanäle zwischen der Primärstation und der ersten und der zweiten Sekundärstation von betreffenden Subsätzen der Antennen der Primärstation überträgt, wobei die erste und die zweite Sekundärstation beide in dem Deckungsgebiet der Antennen der Primärstation in den beiden Subsätzen liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die betreffenden Subsätze untereinander exklusiv sind und wobei die betreffenden Kanäle nur durch die betreffenden Subsätze von Antennen unterschieden werden, wobei das Verfahren weiterhin umfasst, dass jede Sekundärstation aus den empfangenen Signalen den Subsatz von Signalen schätzt, die den betreffenden Kommunikationskanal enthält.