DE60308193T2

DE60308193T2 - Gruppenempfänger mit subarraysauswahl, verfahren unter verwendung derselben, und empfänger derselben enthaltend

Info

Publication number: DE60308193T2
Application number: DE60308193T
Authority: DE
Inventors: Joseph Sebastien Beaumont ROY
Original assignee: Universite Laval
Current assignee: Universite Laval
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: CA2495128C; EP1525677A2; CA2495128A1; JP2005535171A; DE60308193D1; JP4703185B2; WO2004012359A3; WO2004012359A2; ATE339038T1; AU2003250682A8; CN1672345A; AU2003250682A1; EP1525677B1; US6907272B2; US20040198452A1; CN100420166C

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Empfängersystem mit einer Antenne und einem Empfänger, wobei die Antenne eine Gruppe von Antennenelementen umfaßt; auf einen darin verwendeten Empfänger an sich; und auf ein Verfahren zur Verwendung eines solchen Empfängers zum Empfang von Signalen von mehreren sendenden Benutzern. Die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, anwendbar auf einen solchen Gruppenempfänger und auf ein Verfahren zur Verwendung in Basisstationen digitaler, zellenförmiger Telekommunikationsnetzwerke.
Stand der Technik
Die mathematischen Ausdrücke in dieser Patentbeschreibung beruhen auf einer komplexen Äquivalent-Basisbandnotation [1, S.152-163]. Im wesentlichen werden komplexe Größen zur Darstellung der Amplitude und Phase von Funksignalen verwendet, aus denen der Effekt des Trägers entfernt ist. Somit gilt, wenn s_l(t) das komplexe Basisbandäquivalent eines Bandpaßmodulierten Signals s(t) und f_c die Trägerwelle ist:
wobei Re[·] für den Realteil seines Argumentes steht und j = √–1 ist.
Gruppenantennen-Funkempfänger werden typischerweise an den Basisstationen digitaler, zellenförmiger Kommunikationssysteme (z.B. Mobiltelefonnetzwerke, drahtloser Breitbandzugang zum Internet und/oder Fernnetzwerke, usw.) eingesetzt, um die Empfangsverbindungsqualität zu verbessern (d.h. für eine Beständigkeit gegen Mehrwegempfang zu sorgen) und/oder Interterenzpegel zu reduzieren, wobei die Interferenz thermisches Rauschen und künstlich erzeugte Signale umfassen kann, die im Band des gewünschten Signals vorliegen. Da diese Systeme typischerweise eine große Anzahl gleichzeitig aktiver Benutzer in einer bestimmten Zelle oder einem bestimmten Zell-Sektor unterbringen, muß der Basisstationsempfänger in der Lage sein, mehrere Funkverbindungen aufrechtzuerhalten.
Bekannte Antennengruppen-Funkempfängersysteme umfassen eine Gruppe von Antennenelementen, die mit einer Signalempfangsvorrichtung (auch als Hochfrequenz(HF)-Eingang bezeichnet) gekoppelt sind, welche wiederum mit einer Signalverarbeitungsvorrichtung gekoppelt ist. Die Signalempfangsvorrichtung verarbeitet die Signale von den unterschiedlichen Antennenelementen unabhängig voneinander in getrennten Zweigen und führt bei jedem Signal eine übliche Abwärtswandlung, Demodulation und Filterung zum Trennen des interessierenden Kanals und möglicherweise auch eine Transformation durch, um es in eine Form zu bringen, die für die Signalverarbeitungsvorrichtung nutzbar ist (z. B. Analog-Digital-Wandlung, wenn der Signalprozessor digital ist). Der Signalprozessor erhält seine Informationen von allen Zweigen (d.h. die demodulierten, gefilterten und in geeigneter Weise umgewandelten Signaldaten von jedem einzelnen Antennenelement) und kombiniert und verarbeitet sie mit einem von mehreren bekannten Verfahren, um ein nutzbares Signal y(t) zu extrahieren, das die bestmögliche Schätzung des gewünschten Benutzersignals ist.
Im Zusammenhang mit drahtloser Kommunikation besteht der Empfangsvektor x(t) (d.h. das empfangene Signal über alle Gruppenelemente) aus einem gewünschten Signal s₀(t), das von einem drahtlosen Endgerät übertragen wird, aus Störsignalen s_i(t), die von konkurrierenden Endgeräten übertragen werden, welche in demselben Frequenzband oder in angrenzenden Bändern arbeiten, wobei ein gewisses Übersprechen vorhanden ist, und aus weißem Rauschen. Somit ergibt sich:
wobei c_i(t) ein N×1-Vektor komplexer Elemente ist, welche die Kanäle des i-ten Endgerätes zu allen N Gruppenelementen beschreibt, M die Anzahl der Störsignale und n(t) der Vektor des weißen Rauschens ist.
In diesem Zusammenhang besteht die Funktion des Antennengruppen-Funkempfängers darin, das gewünschte Signal s₀(t) von den Störern und dem weißen Rauschen zu trennen sowie in den Kanal c₀(t) eingebrachte Verzerrungen (z. B. Mehrwegempfang) zu kompensieren, so daß das Gruppenausgangssignal y(t) dem gewünschten Signal s₀(t) stets möglichst nahe kommt.
Die Kombination der Signale der einzelnen Elemente ist typischerweise einfach eine lineare Wichtungs- und Summieroperation. Wenn eine N-Elementgruppe betrachtet wird und x(t) der N×1-Vektor der Gruppenelement-Ausgangssignale ist, ist das Gruppenausgangssignal definiert als Y(t) = w(t)Hx(t), (3)wobei w(t) der komplexe N×1-Wichtungsvektor ist und (·)^H die hermitesche Transponierung (d.h. komplex-konjugierte Transponierung) seines Argumentes bezeichnet, ob diese nun ein Vektor (wie im obigen Fall) oder eine Matrix ist.
Obwohl er zeitveränderlich ist, verändert sich der Wichtungsvektor im Vergleich zu den Eingangs- und Ausgangssignalen nur langsam. Wenn ein Verknüpfungsglied gemäß Gleichung (3) arbeitet, wird es als lineares Verknüpfungsglied bezeichnet, und der gesamte Empfänger wird linearer Gruppenempfänger genannt.
Liegt eine lineare Gruppe mit N Elementen vor, ist es theoretisch möglich, bis zu N-1 Störer auszugrenzen, allerdings auf Kosten einer gewissen Rauschverstärkung. Gruppen können jedoch auch dazu eingesetzt werden, einen Diversity-Gewinn gegen Mehrwegempfang bereitzustellen (da tiefgreifende Fadings selten an mehr als einem Zweig gleichzeitig erfolgen, vorausgesetzt, die Antennenelemente sind in ausreichendem Abstand voneinander angeordnet). Es ist bekannt, daß eine K+M-Elementgruppe bis zu M-1 Störer ausgrenzen und gleichzeitig eine Diversity-Verbesserung in der Größenordnung von K+1 gegen Mehrwegempfang bereitstellen kann. Ebenso ist bekannt, daß ein optimales Verknüpfungsglied (nachfolgend beschrieben) Freiheitsgrade (DOFs) implizit zuerst der Interferenzunterdrückung zuteilt. Gegebenenfalls verbleibende DOFs werden dazu eingesetzt, Fading zu bekämpfen.
Typischerweise sammelt der Empfänger Statistiken des Eingangssignals und verwendet sie dazu, einen Wichtungsvektor abzuleiten, der ein gewisses Fehlermaß zwischen dem Gruppen-Ausgangssignal y(t) und dem gewünschten Signal s₀(t) minimiert. Die gebräuchlichste Fehlermessung ist der mittlere quadratische Fehler: ε = 〈[y(t) – s0(t)]2〉 = 〈[wH(t)x(t) – s0(t)]2〉 (4)der in Bezug zu den Wichtungsvektorelementen eine N-dimensionale quadratische Fläche bildet. Er hat somit ein einziges globales Minimum. Die Minimierung dieses Kriteriums bildet die Grundlage von linearen Gruppenempfängern, die den mittleren quadratischen Fehler (MSE) minimieren, oder, äquivalent dazu, von linearen Gruppenempfängern mit minimalem mittlerem quadratischem Fehler (MMSE) (auch als optimale Verknüpfungsglieder bezeichnet). (In der folgenden Gleichung (5) und anderen, die noch folgen, ist die Abhängigkeit von t der Klarheit wegen weggelassen). Die Theorie der adaptiven Filterung besagt, daß die beste Kombination von Wichtungen für eine bestimmte Sequenz empfangener Daten vorgegeben ist durch: w = R–1xx c0 (5)wobei R_xx die Kovarianzmatrix der empfangenen Gruppenausgangssignale ist und sich ergibt aus: Rxx = 〈x(t)xH(t)〉(6)wobei 〈·〉 die Erwartung (d.h. das Scharmittel) ihres Argumentes bezeichnet.
Solche Gruppenempfänger sind zur Verwendung geeignet, wenn die Zeitdispersion aufgrund einer Mehrwegeausbreitung nicht merklich über eine einzelne Symbolperiode hinausgeht. Dabei liegt, wenn überhaupt, nur eine geringfügige Intersymbolinterferenz (ISI) vor.
Weisen die Kanäle, die nutzbare Signale tragen, tatsächlich eine merkliche ISI auf, besteht die übliche Lösung darin, einen Entzerrer zu verwenden, bei dem es sich um einen adaptiven Filter handelt, dessen Zweck darin besteht, die Kanalimpulsantwort zu invertieren (somit die ISI zu entwirren), so daß die Gesamtimpulsantwort an dessen Ausgang meist ein ideales, flaches (oder entzerrtes) Frequenzspektrum aufweist.
Der Signalverarbeitungsabschnitt des üblichen linearen Entzerrers funktioniert in gleicher Weise wie ein linearer adaptiver Gruppenempfänger, mit der Ausnahme, daß die Signalquellen keine Punkte im Raum (d.h. die Gruppe von Antennenelementen), sondern Punkte in der Zeit sind. Die Signale werden an einer Reihe von Punkten entlang einer symbolbeabstandeten Verzögerungsstrecke (als Tapped Delay Line oder TDL bezeichnet) abgegriffen, dann gewichtet und kombiniert.
Während die Implementierung der Signalverarbeitungsvorrichtung sowohl für den Entzerrer als auch für den Gruppenempfänger identisch sein kann (Minimierung des MSE durch adaptives Wichten der Eingangssignale), wird sich die Leistungsfähigkeit unterscheiden. Da vom Gruppenempfänger Signale an unterschiedlichen räumlichen Punkten physikalisch abgetastet werden, bewirkt er sehr effizient eine Ausgrenzung unerwünschter Signalquellen oder einer Co-Kanal-Interferenz (CCI). Seine Fähigkeiten gegenüber Intersymbolinterferenz (ISI) aufgrund von dispersivem, d.h. frequenzselektivem Fading ist jedoch begrenzt, da letzteres zeitlich verteilt ist. Andererseits ist der Entzerrer gut darin, die ISI zu bekämpfen, hat jedoch nur begrenzte Fähigkeiten gegenüber CCI.
In Umgebungen, in denen sowohl ISI als auch CCI vorhanden sind, können Gruppenempfang und Entzerrung kombiniert werden, um einen Raum-Zeit-Prozessor zu bilden. Die allgemeinste Form des letzteren wird erhalten, wenn jeder Wichtungsmultiplikator in einer schmalbandigen Gruppe durch einen ganzen Entzerrer ersetzt wird, was insgesamt N Entzerrer ergibt. Die Implementierung der Signalverarbeitungsvorrichtung ist erneut identisch und stützt sich auf die obige Gleichung (3). Der einzige Unterschied besteht darin, daß der Wichtungsvektor w und der Eingabevektor x länger sind. Bei einer Entzerrerlänge mit L Abgriffen und einer Gruppengröße von N Elementen weisen tatsächlich beide Vektoren w und x LN Elemente auf.
Der kanonische, lineare, den mittleren quadratischen Fehler minimierende Raum-Zeit-Empfänger (d.h. der offensichtlichste und unmittelbarste lineare Raum-Zeit-Empfänger-Aufbau und in mancher Hinsicht auch der komplexeste) umfaßt eine Antennengruppe, bei der jedes Gruppenelement-Ausgangssignal an einen adaptiven Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR) weitergeleitet wird, der in diesem Zusammenhang als Entzerrer bezeichnet wird. Jeder adaptive Filter umfaßt eine Abgriffverzögerungsstrecke („Tapped-Delay-Line") mit Abgriffen, die eine Symbolperiode oder einen Bruchteil einer Symbolperiode weit voneinander beabstandet sind. Für eine gute Leistungsfähigkeit sollte die Länge der Abgriffverzögerungsstrecke gleich oder größer als die mittlere Kanalspeicherlänge sein. In vielen Fällen kann die Anzahl der Abgriffe, die dies mit sich bringt, sehr groß sein (z.B. 10-100 pro adaptivem Filter). Ein wichtiger Sonderfall ist der, bei dem die Kanalspeicherlänge in der Größenordnung einer Symbolperiode liegt. Bei diesem Kanal spricht man dann von gleichmäßigem Fading, und die adaptiven Filter in jedem Zweig sind auf einen einzelnen komplexen Wichtungsmultiplikator reduziert. Diese vereinfachte Struktur wird als Schmalband-Gruppe oder als Raumprozessor bezeichnet.
Wenn die Kanalspeicherlänge dagegen größer als eine einzige Symbolperiode ist, unterliegt der Kanal frequenzselektivem Fading (auch als zeitdispersives oder einfach als dispersives Fading bezeichnet), wodurch am Empfänger eine Intersymbolinterterenz (ISI) induziert wird. Eine solche Situation erfordert die allgemeinere Bauweise mit einem kompletten adaptiven Filter pro Zweig; ein solches System wird verschiedentlich als Breitband-Gruppe oder als Raum-Zeit-Prozessor bezeichnet.
Die Wichtungen, mit denen jedes Abgriffausgangssignal multipliziert wird, müssen ständig angepaßt werden, um den Änderungen der Charakteristiken der Kanäle der gewünschten Benutzer und der Störer zu folgen. Bei einer repräsentativen Klasse solcher Systeme werden die Wichtungen blockweise berechnet (Block-Anpassung), wobei jeder Block für diesen Zweck eine Trainingssequenz aus bekannten Trainingssymbolen enthält. Bei digitalen, drahtlosen Kommunikationssystemen entspricht der für Anpassungszwecke verwendete Block typischerweise einem Datenpaket, wie es durch das verwendete Netzwerkprotokoll definiert ist.
Durch Anpassen der Wichtungen, um einen globalen Leistungsfähigkeitsindex, d.h. den mittleren quadratischen Fehler zwischen dem gewünschten Signal und dem S-T-Empfänger-Ausgangssignal, zu minimieren, führt der Empfänger implizit folgendes durch:

– er verringert oder beseitigt die durch frequenzselektives Fading in Breitbandkanälen verursachte Intersymbolinterferenz (ISI);
– er verringert oder beseitigt die Co-Kanal-Interferenz (CCI) der nächstgelegenen Zellen, in denen Träger wiederverwendet werden, oder aus dem Inneren der Zelle, da der Raum-Zeit-Prozessor die Wiederverwendung von Trägern innerhalb der Zelle oder des Sektors dank seines räumlichen Unterscheidungsvermögens gestattet – dies wird oft als Space Division Multiple Access (SDMA = Raummultiplex) bezeichnet;
– er verbessert den Ausgangs-SNR (aufgrund der größeren effektiven Apertur der Gruppe).

Die Anzahl zeitlicher Elemente hängt vorwiegend vom Grad der Intersymbolinterferenz ab und kann beispielsweise zwischen 10 und 100 liegen. Die Anzahl räumlicher Elemente hängt von der Anzahl der Antennenelemente ab und kann beispielsweise 10 betragen. Die Anzahl der Antennenelemente wird abhängig von der maximalen Anzahl der auszugrenzenden Störer (interferer) und von der gewünschten Verstärkung gegen Fading gewählt.
Da drahtlose Systeme typischerweise Interferenz-begrenzt sind (d.h. Interferenz ist das Haupthindernis, das eine Kapazitätssteigerung zur Berücksichtigung mehrerer aktiver Nutzer ab einer gewissen Obergrenze verhindert), sind die ersten beiden Vorteile von Raum-Zeit-Prozessoren für eine Kapazitätssteigerung am interessantesten. Zur Erzielung des maximalen Nutzens ist es besser, die Gruppe mit Carrier Reuse-within-Cell (RWC = Wiederverwendung des Trägersignals innerhalb der Zelle) zu kombinieren, was auch als Raummultiplex (SDMA) bezeichnet wird. In bekannten Systemen dieser Art werden für jeden Nutzer eigene S-T-Prozessoren (Raum-Zeit-Prozessoren) zu implementieren sein (alle Prozessoren teilen sich dieselbe physikalische Antennengruppe und dieselben Eingangsabschnitts-Empfangsschaltungen, weisen jedoch unterschiedliche Entzerrer und Verknüpfungsglieder auf). Dies kann vom Standpunkt des Rechen- und/oder Hardware-Aufwandes zu einem untragbar komplexen Empfängersystem führen, insbesondere wenn die Speicherlänge L der Kanäle groß ist, unabhängig davon, ob RWC verwendet wird oder nicht. Daher ist es von großer Relevanz, weniger komplexe Raum-Zeit-Empfängerarchitekturen zu entwickeln.
Es ist bekannt, die Komplexität und/oder die Hardwareanforderungen für einen Gruppenempfänger dadurch zu verringern, daß ein einziger HF-Empfänger verwendet wird und unterschiedliche Antennenelemente abwechselnd ausgewählt werden. Dies wird als Auswahl- Diversity bezeichnet und ergibt einen gewissen Gewinn gegenüber dem Mehrwegeempfang, aber allgemein, wenn überhaupt, nur eine geringe Verstärkung gegenüber CCI.
Bekanntlich kann dies auch durch Auswahl einer Subgruppe der Signale von den Antennenelementen für jeden Benutzer und deren Verarbeitung erfolgen.
Im Zusammenhang mit drahtloser Kommunikation führen Mehrwege-Effekte beim Senden eines Signals von einer entfernten Station an die Gruppenantenne zu destruktiver/konstruktiver Interferenz, so daß die Signale in jedem Zweig, d.h. die von den unterschiedlichen Antennenelementen extrahierten Signale, unterschiedliche Rauschabstände haben. Zudem kann das Signal je nach Konfiguration der Antennengruppe in einem gewissen Winkelbereich oder -kegel am stärksten sein. Tatsächlich erfolgt in unmittelbarer Umgebung einer erhöhten Basisstation nur eine geringfügige Streuung, so daß der Großteil der empfangenen Energie typischerweise in einem schmalen Winkel um eine einzige Haupteintreffrichtung konzentriert ist.
Es ist daher bekannt, nur eine Subgruppe der Signale auszuwählen und zu verarbeiten, welche die Signale mit dem größten Signal-Rauschabstand umfaßt, wie dies beispielsweise in einem Artikel mit dem Titel „SNR of Generalized Diversity Selection Combining with Nonidentical Rayleigh Fading Statistics" von N. Kong und L. B. Milstein, IEEE Transactions on Communications, Band 48, Nr. 8, S. 1266-1271, August 2000, beschrieben ist. Ein Nachteil dieser Techniken besteht darin, daß sie die Subgruppen-Auswahl auf die aktuell gemessene Leistung in jedem Zweig basieren, was noch immer einen merklichen Hardware- und/oder zusätzlichen Rechenaufwand mit sich bringt. Tatsächlich müssen, wenngleich nur genau so viele komplette HF-Eingangsabschnitte wie Subgruppenelemente erforderlich sein können, alle Gruppenelemente ständig überwacht werden, möglicherweise mittels mehrerer Signalstärkenmeßgeräte. Ferner muß bei einer Software-Hochfrequenz-Implementierung der Prozessor die Meßgeräte häufig abfragen, was einen unerwünschten Zusatzaufwand mit sich bringt.
Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht darin, daß sie nicht zwischen Interferenz von anderen Benutzern und weißem Rauschen unterscheiden. Es ist möglich, daß eine Subgruppe von Zweigsignalen mit den höchsten individuellen Rauschabständen kombiniert nicht so gut sind wie eine andere Subgruppe, in der eines oder mehrere der Zweigsignale niedrigere individuelle Rauschabstände haben. Beispielsweise kann die letztere Subgruppe von Signalen Störer enthalten, deren Signale sich meist gegenseitig negieren, so daß sie, wenn sie kombiniert werden, insgesamt eine bessere Signalqualität ergeben.
Das am 27. Juni 2000 erteilte US-Patent Nr. 6,081,566 von Molnar et al. beschreibt einen Empfänger, der die Subgruppenauswahl auf die Grundlage einer Reihe von Kriterien stellt, einschließlich der Signalqualität, die anhand der Signalstärke und des sogenannten „Beeinträchtigungsvermögens" gemessen wird. Dies ist jedoch nicht ganz zufriedenstellend, da die Signalqualitätsmessung nach wie vor für jeden einzelnen Zweig berechnet wird und somit noch immer zur Auswahl einer suboptimalen Subgruppe führen könnte.
Offenbarung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eines oder mehrere der Probleme im Zusammenhang mit den zuvor erwähnten, bekannten Gruppenantennensystemen zumindest zu verbessern. Zu diesem Zweck erfolgt bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Auswahl der Subgruppe von Signalen, die für einen bestimmten Benutzer verwendet werden sollen, eher anhand von Messungen der möglichen Leistungsfähigkeit jeder Subgruppe von Signalen als jedes einzelnen Signals.
In dieser Beschreibung wird der Begriff „Benutzer" zur Bezeichnung eines entfernten Senders verwendet, dessen Signale vom Empfängerabschnitt empfangen werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Gruppenempfängersystem zum Empfang von Signalen von mehreren sendenden Benutzern eine Gruppe von Antennenelementen und einen Empfänger mit mehreren Empfängerabschnitten, die jeweils einem anderen der Benutzer entsprechen, wobei jeder der Empfängerabschnitte eine Signalverarbeitungseinheit zum Verarbeiten und Kombinieren einer Subgruppe von Signalen der Antennenelemente aufweist, um ein empfangenes Signal für den entsprechenden Benutzer zu erzeugen, wobei der Empfänger ferner ein Schaltmittel zum Auswählen mehrerer unterschiedlicher Subgruppen von Signalen der Antennenelemente zur Verarbeitung durch die Signalverarbeitungseinheit umfaßt, jede Subgruppe aus einer vorbestimmten Anzahl der Signale besteht, jede Signalverarbeitungseinheit zur Steuerung des Schaltmittels dient, um die Signale, welche die vom entsprechenden Empfängerabschnitt verwendete Subgruppe von Signalen umfassen, abhängig von einem Meßwert der möglichen Leistungsfähigkeit dieses Empfängerabschnittes mit anderen Subgruppen der mehreren Signale zu wechseln, wobei der Meßwert auf der kombinierten Subgruppe von Signalen beruht.
Wenn das Gruppenempfängersystem in einem Raummultiplex(SDMA)-Kommunikationssystem verwendet werden soll, kann das Schaltmittel in jedem Empfängerabschnitt eine Schaltmatrix aufweisen und der Empfänger mehrere Hochfrequenz-(HF)-Eingangsabschnitte umfassen, die jeweils ein entsprechendes Antennenelement mit jedem Schaltmittel und jedem Signalverarbeitungsmittel koppeln. Dabei würde jeder Eingangsabschnitt das Signal des entsprechenden Antennenelementes in ein Format umwandeln, das zur Verarbeitung durch das Verarbeitungsmittel geeignet ist, und jede der Schaltmatrizen wählt Subgruppen der umgewandelten Signale zum Anlegen an den zugeordneten der unterschiedlichen Empfängerabschnitte aus.
Bei Verwendung des Gruppenempfängersystems in einem Nicht-SDMA-System (d.h. wenn der Empfänger mit einem einzigen gewünschten Benutzer pro Träger befaßt ist), kann jeder Empfängerabschnitt mehrere Hochfrequenz(HF)-Eingangseinheiten umfassen, deren Anzahl der Anzahl der Signale in jeder der mit dem Signalverarbeitungsmittel gekoppelten Subgruppen entspricht, und die Schaltmittel können eine Schaltmatrix zum Koppeln ausgewählter Antennenelemente mit entsprechenden HF-Eingangsabschnitten jedes Empfängerabschnittes umfassen, wobei jeder HF-Eingangsabschnitt die Subgruppe von Signalen der entsprechenden Antennenelemente in ein zur Verarbeitung durch das Signalverarbeitungsmittel geeignetes Format umwandelt.
Die Messung der Leistungsfähigkeit der unterschiedlichen Subgruppen kann periodisch durchgeführt werden, vorzugsweise unter Verwendung von Ausschnitten bekannter Trainingssequenzen, die in das empfangene Signal eingebettet sind.
Es ist vorgesehen, daß die anfängliche Subgruppenauswahl erfolgen kann, wenn die entfernte Station Kommunikationen mit dem Empfänger aufbaut, möglicherweise während des üblichen Identifikations-/Authentifizierungsvorgangs. Nachträgliche Veränderungen der ausgewählten Subgruppe können mittels üblicher kontinuierlicher (d.h. Tracking-)Algorithmen erfolgen, die keine bekannten Trainingssequenzen oder Pilotsymbole erfordern.
Die Antennengruppe kann eine radiale Gruppe von Richtungselementen umfassen, insbesondere wenn sie für die Verwendung an einer Basisstation vorgesehen ist.
Im Zusammenhang mit einem Mobiltelephonsystem können die Erfindung verkörpernde Empfänger entweder an einer Basisstation oder an einer Mobilstation verwendet werden. Wenn er in einer Mobilstation verwendet wird, weist der Empfänger üblicherweise einen einzigen Empfängerabschnitt auf, bei dem die Anzahl der HF-Eingangsabschnitte der Subgruppengröße entspricht, was die HF-Hardwareanforderungen verringert. Dies ist insofern vorteilhaft, als die Antennenelementstrukturen mit schmaler Keulenbreite – die sich überlappen können oder nicht – eine Art Vorfilterung ergeben, was dadurch bedingt ist, daß bei jedem empfangenen (gewünschten oder störenden) Signal an einer erhöhten Basisstation normalerweise der Großteil seiner Energie in einem schalen Kegel konzentriert ist. Diese räumliche Vorfilterung ist insofern hilfreich, als sie die zum Erhalten eines bestimmten Leistungsfähigkeitsniveaus erforderliche Anzahl der Elemente (d.h. die Subgruppengröße) verringert.
Alternativ dazu kann die gleiche Vorfilterung angewandt werden, wenn anstelle einer radialen Gruppe von Richtantennenelementen eine Gruppe von omnidirektionalen Antennenelementen verwendet wird, der eine Vorverarbeitungs-Keulenformungsmatrix nachgeschaltet ist. Diese Matrix stellt als Ausgangssignale lineare Kombinationen der Ausgangssignale der Gruppenelemente bereit, wobei die linearen Kombinationen so gewählt sind, daß sie die Strukturen einer radialen Anordnung emulieren.
Vorzugsweise mißt die Signalverarbeitungseinheit die Leistungsfähigkeit durch Überwachen von Statistiken der aus den unterschiedlichen Subgruppen stammenden Signale über einen Zeitraum, der lang genug ist, um Fast-Fading-Effekte aufgrund von Phasenbeziehungen von Mehrwegekomponenten der Subgruppensignale herauszumitteln.
Was die Langzeitstatistiken im wesentlichen erfassen, ist der augenblickliche Wert der „Abschattungs"-(d.h. Slow-Fading-)Koeffizienten sowie Korrelationseigenschaften des Fast Fading (im Gegensatz zu dessen augenblicklichen Werten).
Diese Anordnung läßt vorteilhafterweise eine relativ unregelmäßige Durchführung des Subgruppenauswahlvorgangs zu, was den damit verbundenen Rechenaufwand vermindert, ohne übermäßig zu Lasten der Leistungsfähigkeit zu gehen.
Die für den Zweck der Subgruppenauswahl gesammelten Statistiken umfassen vorzugsweise eine mittlere (Langzeit-)Raum-(oder bei einer Raum-Zeit-Ausführungsform eine Raum-Zeit-)Kovarianzmatrix, die das gewünschte Signal charakterisiert, und eine entsprechende Kovarianzmatrix, welche die Beeinträchtigung (konzentrierte Interferenz und thermisches Rauschen) charakterisiert. Andere einsetzbare Statistiken umfassen:

(i) augenblickliche (d.h. kurzzeitige) Kovarianzmatrizen, die ansonsten wie oben beschrieben sind;
(ii) die augenblickliche gewünschte Signalstärke bei allen Elementen (und Zeitverzögerungen bei einer Raum-Zeit-Ausführungsform);
(iii) das augenblickliche Signal-Interferenz plus Rausch-Verhältnis (SINR) aller Elemente (und Zeitverzögerungen bei einer Raum-Zeit-Ausführungsform);
(iv) die augenblickliche gewünschte Signalstärke und Interferenzstärke aller Elemente (und Zeitverzögerungen bei einer Raum-Zeit-Ausführungsform);
(v) die augenblickliche gewünschte Signalstärke und Kurzzeit- oder Langzeit-Interferenz-Kovarianzmatrix.

Andere Aspekte der Erfindung umfassen den Empfänger an sich und das Verfahren zum Betreiben des Gruppenantennen-Empfängersystems.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Empfangen von Signalen von mehreren sendenden Benutzern unter Verwendung einer Gruppenantenne, die eine Gruppe von Antennenelementen und einen Empfänger mit mehreren Empfängerabschnitten aufweist, bereitgestellt, deren jeder einem anderen der Benutzer entspricht und die über ein Schaltmittel (18₀ ) mit den Antennenelementen gekoppelt ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
(i) periodisches Auswählen unterschiedlicher Subgruppen von Signalen der Antennenelemente, Verarbeiten und Kombinieren jeder Subgruppe von Signalen und Bestimmung der möglichen Leistungsfähigkeit des Empfängerabschnittes eines bestimmten Nutzers mit dieser Subgruppe; (ii) Ermitteln der Subgruppen, welche die beste Leistungsfähigkeit liefern würden, und (iii) Steuern des Schaltmittels, um die Signale zu wechseln, welche die vom entsprechenden Empfängerabschnitt verwendete Subgruppe von Signalen umfassen.
Die Ausführungsformen der Erfindung sind nicht darauf gerichtet, alle Freiheitsgrade des gewünschten Benutzerkanals zu identifizieren, sondern nutzen vielmehr die Richtwirkung der Gruppenelemente zur Auswahl der S signifikantesten Elemente, um den minimalen mittleren quadratischen Fehler zu erreichen. Eine solche Auswahl beruht eigentlich nicht auf der Identifizierung von Freiheitsgraden oder Modi des gewünschten Benutzerkanals, da der Auswahlvorgang auch Störer berücksichtigt. Es handelt sich um ein Verfahren zum intelligenten Verringern (unter Nutzung der Geometrie der auftreffenden Wellen) der Anzahl von Gruppenfreiheitsgraden, die eine aktive Anpassung erfordern, um eine proportionale Verringerung sowohl des Rechen- als auch des Hardwareaufwandes zu erreichen.
Die Größe der Subgruppe S wird als festgelegt angenommen, und die nützlichsten Auswahlen (abhängig vom Kompromiß zwischen erwünschter Komplexität und Leistungsfähigkeit) liegen voraussichtlich zwischen einschließlich 2 bis 4 Elementen. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß der Grundgedanke der Erfindung nicht von der Festlegung der Größe der Subgruppen abhängt, und eine Weiterbildung, bei der die Subgruppengröße adaptiv ausgewählt würde, ist ohne weiteres denkbar (z. B. würden Signale mit großen Winkelstreuungen größeren Subgruppen zugewiesen werden).
Für eine festgelegte Gruppen-Subgruppengröße S gibt es NS = (NS ) (7)mögliche Subgruppen
Die Subgruppen-Auswahl könnte theoretisch so durchgeführt werden, daß der mittlere quadratische Fehler minimiert (oder das Signal-zu-Interferenz plus Rausch-Verhältnis (SINR) maximiert) wird, wobei gilt:
wobei c₀ die Signatur des N × 1 gewünschten Benutzers (d.h. der Vektorkanal) über die Gruppe ist, á × ñ für den mittelfristigen Mittelwert ihres Argumentes steht und R_I+N die Kovarianzmatrix der N × N Kurzzeit-Interferenz plus Rauschen am Gruppeneingang ist, die als Funktion der Signaturen der störenden Benutzer ausgedrückt werden kann:
wobei M die Anzahl der Co-Kanal-Störer ist.
Für nahezu alle terrestrischen Ausbreitungsumgebungen ist es hinlänglich bekannt, daß Schmalband (d.h. Flat-Fading)-Drahtloskanäle für kurze Zeiten als komplexe Gauß'sche Variablen des Nullmittels (Rayleigh-Fading) oder des Nicht-Nullmittels (Rician-Fading) genau darstellbar sind. Daraus folgt, daß ein Signaturvektor
der zu einem beliebigen Zeitpunkt genommen wird, ein komplexer Gauß'scher Vektor ist, der durch seine mittelfristige Kovarianzmatrix (und im Rician-Fall durch seinen mittleren Vektor) charakterisiert ist. In der übrigen Beschreibung wird der Klarheit wegen vom Rayleigh-Fading ausgegangen, wenngleich die dargelegten Prinzipien und die Erfindung selbst auch auf den Rician-Fall anwendbar sind.
Das Auswahlkriterium in (8) kann über das Kleinmaßstab-Fading gemittelt und dann in Form von mittelfristigen Kovarianzmatrizen wie folgt umgeschrieben werden:
wobei
die mittelfristig gemittelte Kovarianzmatrix des gewünschten Benutzervektorkanals über der Gruppen-Subgruppe S_S ist und tr[·] für die Spur ihres Matrixargumentes steht. Gleichermaßen ist
die mittelfristige Kovarianzmatrix des n-ten Benutzervektorkanals über der Subgruppe S_S, und
ist die Kovarianzmatrix der den Benutzer 0 betreffenden Interferenz.
Legt man dem Subgruppenauswahlvorgang die mittelfristigen Statistiken zugrunde, so legt dies nahe, daß die Subgruppenauswahl mit vernachlässigbarem Rechenaufwand (z.B. als Hintergrund-Task) durchgeführt werden kann und auch die Hardwareanforderungen verringert werden können. Tatsächlich können die mittelfristigen Kovarianzmatrizen für Zeiträume in der Größenordnung einer Sekunde bei mobilen Drahtlossystemen [23] und sogar noch länger bei feststehenden Drahtlossystemen (wie z.B. vorgeschlagenen Breitband-Drahtlossystemen, z.B. dem Local Multipoint Distribution Service (LMDS = Punkt-zu-Mehrpunkt-System)) als konstant angenommen werden.
Es ist zu beachten, daß das hier beschriebene System nicht auf Mehrteilnehmerinformationen beruht (wenngleich in einem Mehrteilnehmer-Kontext eine gewisse geringfügige algorithmische Verringerung der Komplexität möglich ist) und somit einen natürlicheren Weg zur Qualitätsverbesserung vorhandener Systeme darstellt, bei denen das Signal jedes Benutzers typischerweise unabhängig verarbeitet wird. Zudem ist die relative Verringerung der Komplexität etwa die gleiche, unabhängig davon, ob das System als Schmalband-Prozessor (in Umgebungen mit gleichmäßigem Fading) oder als Breitband-Prozessor (in Umgebungen mit dispersivem Fading) implementiert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun werden Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhalber anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Teils eines Gruppenantennen-Funkempfängersystems für ein SDMA-System, das eine erste Ausführungsform der Erfindung umfaßt;
2 ein Ablaufschema, das die Berechnung von Schätzwerten der Kovarianzmatrizen im Empfängersystem der 1 darstellt;
3 ein Ablaufschema, welches die Bestimmung der Subgruppenauswahlen im Empfängersystem der 1 zeigt;
4 ein Ablaufschema, das die Berechnung der MMSE-Wichtungsvektoren im Empfängersystem der 1 darstellt;
5 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Empfängersystems für SDMA, das eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist;
6 ein Ablaufschema, das die Berechnung von Kovarianzmatrizen in einem Empfängersystem zeigt, das nicht mit SDMA arbeitet;
7 ein Ablaufschema, welches die Bestimmung der Subgruppenauswahl im Empfängersystem der 5 zeigt, und
8 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Raum-Zeit-Empfängers, der die Erfindung verkörpert.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
In 1 umfaßt ein Gruppenantennenempfängersystem zum Empfangen von Signalen von mehreren (nicht gezeigten) Benutzersendern eine Antenne mit mehreren Antennenelementen, insbesondere 10 Elementen 22/1, ..., 22/10, die über eine Gruppe von Hochfrequenz(HF)-Eingangsabschnittseinheiten 26/1, ..., 26/10 mit einem Gruppenempfänger gekoppelt sind, der mehrere Empfängerabschnitte, einen für jeden der Benutzersender, aufweist. Dargestellt sind acht Empfängerabschnitte (0, 1, ... 7); es können jedoch mehr vorhanden sein.
Die HF-„Eingangsabschnitts"-Einheiten 26/1, ..., 26/10 sind identisch und von herkömmlicher Bauart. Hier sei lediglich eine davon anhand des in 5 eingebetteten Schaubildes beschrieben. Wie in 5 eingebettet gezeigt ist, umfaßt die HF-Eingangsabschnittseinheit 26/1 einen HF/ZF-Abwärtswandler 28/1 (ZF = Zwischenfrequenz), einen Kanalfilter 30/1 (der nur den erforderlichen Kanal isoliert und Außerbandrauschen und Interferenz abweist) und eine Analog-Digital-Wandlereinheit 32/1 zur Durchführung einer Bandpaßabtastung. Alternativ dazu kann das ZF- oder HF-Signal vor der A/D-Wandlung zum Basisband abwärtsgewandelt werden. Der Ausgang der A/D-Wandlereinheit 32/1 bildet auch den Ausgang der HF-Eingangsabschnittseinheit 26/1 und ist mit jedem der Gruppenempfängerabschnitte gekoppelt.
Die Empfängerabschnitte sind identisch, so daß nur der für den Benutzer 0 näher gezeigt ist und erneut anhand 1 beschrieben wird.
Der Empfängerabschnitt 0 umfaßt eine Wählereinheit, insbesondere einen HF 6×3-Matrixschalter 18₀ mit sechs Eingangsanschlüssen 20/1₀ , ..., 20/10₀ , die mit entsprechenden Ausgängen der sechs HF-Eingangsabschnittseinheiten 26/1, ..., 26/10 verbunden sind, und drei Ausgangsanschlüssen, die mit entsprechenden Dateneingängen einer Signalverarbeitungseinheit 16 verbunden sind. Ein Steuereingang des Matrixschalters 18₀ ist mit einem Steuersignalausgang der Signalverarbeitungseinheit 16₀ verbunden. Die Ausgänge aller sechs HF-Eingangsabschnittseinheiten 26/1, ..., 26/10 sind mit der Signalverarbeitungseinheit 16₀ verbunden. Die Signalverarbeitungseinheit 16₀ kann als kundenspezifischer Höchstintegrations(VLSI)-Chip, als frei programmierbarer Logikbaustein (FPGA) oder als auf einem digitalen Signalprozessor (DSP) laufende Software implementiert werden.
Die Signalverarbeitungseinheit 16₀ führt eine Schätzung der Signatur (d.h. des Vektorkanals des gewünschten Benutzers) und der Kovarianzmatrix, eine MMSE-Verarbeitung, eine Wichtung und Kombination, sowie eine angepaßte Filterung und Detektion von Symbolen durch. Die beiden letzteren sind übliche Digitalfunkempfängeroperationen, weshalb sie in 1 nicht näher dargestellt sind und hier nicht im einzelnen beschrieben werden.
Zur Vereinfachung der Beschreibung ist in 1 wiederum nur der Betrieb der Signalverarbeitungseinheit 16₀ für den einen gewünschten Benutzer m dargestellt und wird nur dieser Betrieb beschrieben; es versteht sich, daß ähnliche Signalverarbeitungseinheiten für die anderen Benutzer (Senderstationen) vorgesehen sind und die entsprechende Subgruppe von Signalen verarbeiten.
Die drei Ausgänge des HF-Matrixschalters 18₀ sind innerhalb der Signalverarbeitungseinheit 16₀ an Multiplizierern 34/1₀ , 34/2₀ und 34/3₀ angeschlossen dargestellt, deren jeweiliger Ausgang mit einer Additionsvorrichtung 36₀ gekoppelt ist, deren Ausgang mit späteren Stufen des Empfängers über einen hier nicht näher zu beschreibenden Detektor 38₀ herkömmlicher Art gekoppelt ist.
Die Multiplizierer 34/1₀ , 34/2₀ und 34/3₀ multiplizieren die digitalen Signale der drei HF-Eingangsabschnittseinheiten 26/1, 26/2 und 26/3 mit Wichtungen w₁(0), w₂(0) bzw. w₃(0), die von einer den minimalen mittleren quadratischen Fehler (MMSE) berechnenden Einheit 40₀ zugeführt werden, welche funktionell durch die Signalverarbeitungseinheit 16₀ implementiert ist. Die MMSE-Wichtungsrecheneinheit 40₀ aktualisiert die Wichtungen mittels des MMSE-Kriteriums in bekannter Weise gemäß der obigen Gleichung 5.
Die Signalprozessoreinheit 16₀ führt auch das Subgruppenauswahlverfahren durch und ist daher so dargestellt, daß sie einen Kurzzeit-Kanalschätzer 42, der mit den HF-Eingangsabschnittseinheiten verbunden ist, einen Langzeit-Kanalschätzer 44₀ und eine Subgruppen-Auswähleinheit 46₀ , zweckmäßigerweise eine Logikschaltung, aufweist. Der Kurzzeit-Kanalschätzer 42₀ extrahiert anhand der Signale von den HF-Eingangsabschnittseinheiten Kanalparameter und führt diese den MMSE-Wichtungs-Rechenmitteln zur Verwendung beim Aktualisieren der Wichtungen zu, die für eine bestimmte Subgruppe von Signalen verwendet werden. Der Langzeit-Kanalschätzer 44₀ überwacht Langzeitstatistiken und verwendet sie zur Feststellung, ob der Matrixschalter 18₀ so gesteuert werden soll, daß er für einen bestimmten Benutzer eine andere Subgruppe von Signalen auswählt, oder nicht. Die Subgruppen-Auswähleinheit 46₀ kann natürlich von der Prozessoreinheit 16₀ getrennt sein.
Bei Betrieb überwacht die Signalverarbeitungseinheit 16₀ die Signale aller zehn Antennenelemente 22/1, ..., 22/10, führt bei jeder unterschiedlichen Subgruppe mit der vorgeschriebenen Anzahl von Elementen (in diesem Fall drei) eine statistische Analyse durch und betätigt periodisch den Matrixschalter 18₀ , um eine andere Dreiergruppe von Antennenelementen 22/1, ..., 22/10 auszuwählen, wenn die aktuelle Subgruppenauswahl eine geringere Leistungsfähigkeit ergibt, als sie unter Verwendung einer der anderen Subgruppen zu erwarten wäre, wie dies später noch ausführlicher erläutert wird.
Der Betrieb des in 1 gezeigten Gruppenempfängers wird nun in allgemeiner Weise für den Benutzer 0 auf der Grundlage beschrieben, daß die Größe S der Subgruppen-Teilmenge festgelegt ist. Es ist zu beachten, daß in der nachfolgenden Beschreibung, wie üblich, der gewünschte Benutzer als der Benutzer 0 angenommen wird und die Störer als die Benutzer 1 bis M angenommen werden; somit sind in dem System M+1 Benutzer vorhanden.
Ferner geht die Beschreibung, ohne ihre Allgemeingültigkeit zu verlieren, vom Schmalbandfall aus. Dabei wird jeder Zweig in einer ausgewählten Subgruppe mit einer einzigen komplexen Wichtung multipliziert (im Gegensatz zum Filtern mit einem vollen Entzerrer).
Bei Betrieb verwendet der Langzeit-Kanalschätzer 44₀ der Signalverarbeitungseinheit 16₀ eine in den 2 und 3 dargestellte „Langzeit"-Schleife, um eine Subgruppenauswahl für einen bestimmten Benutzer anhand von Messungen der Leistungsfähigkeit des Empfängers mit unterschiedlichen Subgruppen der Antennenelemente zu berechnen, und der Kurzzeit-Kanalschätzer 42₀ verwendet eine in 4 dargestellte „Kurzzeit"-Schleife, um Wichtungen zu berechnen und zu aktualisieren und damit die Leistungsfähigkeit der ausgewählten Subgruppe zu optimieren.
Eine Implementierung mittels SDMA bedeutet, daß der Empfänger mehrere Benutzer gleichzeitig auf derselben Trägerfrequenz verarbeiten muß.
Langzeit-Schleife bei der SDMA-Implementierung
Die Langzeitschleife aktualisiert die Schätzungen der Langzeit-Kovarianzmatrix. Die Kovarianzmatrix verkörpert die statistischen Charakteristiken des zeitabhängigen Kanals für einen bestimmten Benutzer, in diesem Fall für den Benutzer 0. Da jedes Element der Empfangsgruppe einen etwas anderen Kanal „sieht", kann der Gesamtkanal als Vektor von N Elementen dargestellt und durch eine N×N-Kovarianzmatrix charakterisiert werden. In diesem Fall berechnet der Langzeit-Schätzer 44₀ der Signalverarbeitungseinheit 16₀ eine Langzeit-Kovarianzmatrix, bei der es sich um eine Matrix handelt, die über einen ausreichend langen Zeitraum gemessen und gemittelt wurde, um die Wirkung des Mehrwegeempfangs (auch als Fast Fading bezeichnet) zu beseitigen. Dies führt dazu, daß genug Information zurückbehalten wird, um die Hauptmoden des Fading-Vorgangs (die den größeren Eigenwerten der Kovarianzmatrix entsprechen) selbst dann zu identifizieren, wenn das augenblickliche Verhalten des Fading-Vorgangs nicht bekannt ist. Diese Moden verändern sich deutlich langsamer als der Mehrwegeempfang selbst, liefern jedoch von sich aus genügend Informationen, um die Signale intelligent vorzuverarbeiten. Somit macht die Verwendung der Langzeit-Kovarianzmatrix bei der Auswahl der optimalen Subgruppen die Subgruppenauswahl zu einem lang anhaltenden, kostengünstigen (hinsichtlich der Verarbeitungsleistung und/oder der Hardwarekomplexität) Prozeß. Die tatsächlichen Fading-Schwankungen werden vollständig innerhalb der optimalen Subgruppen von der Kurzzeit-Schleife verarbeitet, was nachfolgend noch beschrieben wird.
Die in den 2 und 3 gezeigten Ablaufschemata stellen zwei unterschiedliche Abschnitte der Langzeit-Schleife dar: Der in 2 gezeigte Abschnitt ist die Langzeit-Kovarianzmatrix-Schätzung, während 3 der Bestimmung der Subgruppenauswahl entspricht. Somit beruht die Subgruppenauswahl ausschließlich auf Langzeit-Informationen und berücksichtigt nicht den augenblicklichen Mehrwegempfang. Dies ist suboptimal, aber es wird davon ausgegangen, daß der Leistungsverlust durch die so erreichte Verringerung der Komplexität mehr als aufgewogen wird.
Der Empfänger umfaßt zwar zehn Antennengruppenelemente 22/1, ..., 22/10 und zehn HF-Eingangsabschnitte 26/1, ..., 26/10; diese werden jedoch jeweils von einer Gruppe von Empfängerabschnitten 12₀ , ..., 12₇ , je einer für jeden gewünschten Benutzer, geteilt. Die Empfängerabschnitte 12₀ , ..., 12₇ weisen jeweils Benutzer-Signalverarbeitungseinheiten 16₀ , ..., 16₇ auf, die jeweils einer anderen Subgruppe von Antennenelementen zugeordnet sein können. Die Strukturen dieser Gruppenelement-Subgruppen werden ihrerseits durch die von der Kurzzeitschleife durchgeführte MMSE-Raumfilterung bestimmt. Da jede dieser Strukturen wirksam „gesteuert" werden kann, um ein gewünschtes Signal zu begünstigen und Störer auszugrenzen, können viele Benutzer gleichzeitig auf derselben Trägerfrequenz vorhanden sein. Somit kann bei dieser SDMA-Implementierung das, was die einem Benutzer entsprechende Signalverarbeitungseinheit als Interferenz zurückweist, für die einem anderen Benutzer entsprechende Signalverarbeitungseinheit ein erwünschtes Signal sein.
Es wird ohne Verlust der Allgemeingültigkeit angenommen, daß es sich hierbei um ein Paketbasiertes System handelt. Jedem Benutzer wird eine eindeutige Trainingssequenz zugewiesen, die im Paket (z.B. als Präfix, als Suffix, als „Midamble", wie beim Mobiltelephonstandard GSM, oder als über das gesamte Paket verteilte Sequenz) enthalten ist. Die Trainingssequenz wird je nachdem, welches Netzwerkprotokoll innerhalb des Systems gilt, bestimmt und zugeordnet, d.h. sie kann beim Eintritt in das Netzwerk oder bei einer anderen Form der Herstellung einer Übereinstimmung zwischen der Basisstation und der Teilnehmerstation darüber, welche Trainingssequenz für ihre Kommunikation verwendet werden soll, festgelegt oder zugewiesen werden.
Ebenso wird davon ausgegangen, daß die Pakete eine festgelegte Länge haben und daß diese Länge kürzer als die Kohärenzzeit der Kanäle im vorgesehenen Band und in der vorgesehenen Betriebsumgebung ist. Dies setzt voraus, daß ein Paket kurz genug ist, damit der Mehrwegempfangskanal über seine Dauer als festgelegt betrachtet werden kann.
Erweiterungen der hier beschriebenen Implementierung zu Systemen mit Paketen längerer und/oder variabler Länge (z.B. länger als die Kohärenzzeit der Kanäle), zu CDMA-Systemen (bei denen die Benutzer-Codes als ununterbrochen vorhandene Trainingssequenzen genutzt werden können) und zu Nicht-Paket-Systemen sind für den Fachmann ersichtlich.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform enthält jedes Paket eine bekannte Trainingssequenz von 32 Bit, die von jedem der Empfängerabschnitte dazu verwendet wird, ein bestimmtes Signal des entsprechenden Benutzers zu identifizieren und dessen Kanalcharakteristiken mittels Korrelation zu extrahieren. Die somit von jedem Paket gesammelten Informationen werden dazu verwendet, die Langzeit-Kovarianzmatrizen zu aktualisieren, die bei der Subgruppenauswahl verwendet werden. Sie werden auch sofort von der Kurzzeit-Schleife dazu verwendet, die Wichtungen des Verknüpfungsgliedes/Raumfilters anzupassen und somit die Struktur der Gruppenteilmenge zu bestimmen, die den Empfang des gewünschten Signals am besten verstärkt und die Störer am besten unterdrückt.
Daher befaßt sich der Empfänger, wie dies anhand des Ablaufschemas in 3 ersichtlich ist, eher mit den empfangenen Trainingssequenzen als mit dem gesamten Inhalt.
Mit dem Ziel einer kontinuierlichen Aktualisierung der Langzeit-Kovarianzmatrizen tastet der Empfänger die Pakete periodisch ab, beispielsweise etwa jedes dritte Paket, extrahiert die Trainingssequenz und berechnet dann anhand dieser bestimmten Trainingssequenz die Kanalparameter. Diese Abtastrate legt das sogenannte Schätzintervall fest. Wenn die Paketankunftsrate variabel ist, sollte eine geeignete Strategie entwickelt werden (statt jedes n-te Paket zu nehmen), so daß das Abtastintervall über die Zeit relativ konstant bleibt.
Nun sei auf das Ablaufschema in 2 Bezug genommen, in dem die Schritte 2.1, 2.2 und 2.3 lediglich eine Präambel umfassen, um den Anfang des Schätzintervalls und des nächsten Zeitfensters zu detektieren sowie die Trainingssequenz zu erfassen. Im Schritt 2.4 berechnet der Prozessor 14 die Kurzzeit-Kovarianzmatrix für den Benutzer 0 (R ^0). Um diesen Vorgang zeitlich richtig einzuordnen, wird ein Index i eingeführt, so daß R ^i der während des i-ten Schätzintervalls erhaltene Kurzzeit-Kovarianzmatrix-Schätzwert ist. Unter der Annahme, daß die Trainingssequenz 0 (s₀) für den Benutzer eine Länge von K Symbolen hat und der Vektor x[k,i] der gesamte empfangene Vektor über die Gruppe ist und dem k-ten Symbol der Trainingssequenz im i-ten Schätzintervall entspricht, wird der Kovarianzmatrix-Schätzwert in Schritt 2.4 mittels Korrelation mit der Trainingssequenz wie folgt erhalten:
wobei s₀[k] das k-te Symbol der Trainingssequenz des Benutzers 0 ist.
Daher ist R ^0[i] der i-te Schätzwert der Kurzzeit-Kovarianzmatrix, die von einem einzigen Paket für den Benutzer 0 abgeleitet ist. Er entspricht dem Schätzwert des Vektorkanals des Benutzers 0 (erhalten durch Korrelation mit der Trainingssequenz), multipliziert mit seinem transponierten, konjugierten Term. Mathematisch wird dies ausgedrückt als R ^0[i] = ĉ0ĉH0 .
Somit wird der Vektorkanal-Schätzwert für einen Benutzer m mittels Korrelation erhalten als
In Schritt 2.5 erfolgt eine Aktualisierung des laufenden Schätzwertes der Langzeit-Kovarianzmatrix (Σ ^0) des Benutzers 0 gemäß
wobei Σ ^0[i-1] der Schätzwert aus dem vorhergehenden Schätzintervall und γ der Vergessensfaktor ist. Dieser Faktor nimmt typischerweise Werte zwischen 0,8 und 0,99 an und bestimmt, mit welcher Rate neue Informationen (verkörpert durch R ^0[i]) alte Informationen ersetzen, die in früheren Schätzintervallen erhalten wurden. Der Wert dieses Faktors wird abhängig davon gewählt, wie schnell sich die Kanalparameter verändern und wie häufig die Schätzungen vorgenommen werden. Im allgemeinen legen höhere Werte für γ nahe, daß bei früheren Schätzungen erhaltene Informationen ein längeres Leben haben, d.h. nur langsam vergessen werden.
Es gibt entsprechende Schritte zum Berechnen der Kovarianzmatrix-Schätzwerte für jeden Benutzer m (wobei m = O ... M ist). So zeigt 2 die den Schritten 2.4 und 2.5 entsprechenden Schritte 2.6 und 2.7, die die Kovarianzmatrix-Schätzwerte für den Benutzer 1 berechnen, sowie die den Schritten 2.4 und 2.5 entsprechenden Schritte 2.8 und 2.9, die die Kovarianzmatrix für den Benutzer 7 berechnen, bei dem es sich in diesem Beispiel um den letzten Benutzer handelt. Abhängig von den Einzelheiten der Implementierung auf niedriger Ebene können die Kovarianzmatrizen für alle Benutzer gleichzeitig (d.h. wenn eine parallele Verarbeitung eingesetzt wird und/oder wenn für diesen Zweck eine replizierte Signalverarbeitungshardware vorgesehen ist) oder nacheinander (wie bei einer Einzelprozessor-Firmware-Implementierung oder einer einzelnen zweckbestimmten Signalverarbeitungsschaltung, die wiederverwendet wird) berechnet werden.
Sobald für alle Benutzer Kovarianzmatrizen berechnet sind, werden diese wiederum dazu verwendet, für jeden Benutzer einen Interferenz-Kovarianzmatrix-Schätzwert, d.h. eine Kovarianzmatrix, welche die Summe der Störsignale, d.h. von allen Benutzern, außer dem betreffenden Benutzer, charakterisiert, die vom betreffenden Benutzer gesehen werden, zu berechnen. Ein mögliches Verfahren zum Berechnen von
der Interferenz-Kovarianzmatrix für den Benutzer m, besteht darin, die Kovarianzmatrizen für alle Benutzer, bis auf den Benutzer m, zu summieren, d.h.
Dies zeigen die Schritte 2.10, 2.11 und 2.12 in 2 für die Benutzer 0, 1 und 7.
3 zeigt mit einem Ablaufschema den Prozeß der Auswahl von Antennenelement-Subgruppen, der auch Teil der Langzeitschleife ist. Der Ausgangspunkt des Ablaufschemas in
3 ist tatsächlich die Eingabe aller Kovarianzmatrizen und Interferenz-Kovarianzmatrizen von 2.
Da es 10 Antennenelemente gibt und die Subgruppen jeweils eine Größe von drei Elementen haben, gibt es 120 mögliche solcher Kombinationen von Elementen. Folglich durchläuft der Auswahlalgorithmus jede dieser Kombinationen und bestimmt für jede Subgruppe ein Leistungsfähigkeitskriterium (anhand von Langzeit-Kanalinformationen, die im Ablauf der 2 gesammelt wurden) und wählt für jeden Benutzer die Subgruppe, die den maximalen Wert dieses Leistungsfähigkeitskriteriums ergibt. Es versteht sich, daß jedem Benutzer im allgemeinen eine andere Subgruppe zugewiesen wird. Daher gibt es bei der SDMA-Implementierung eine HF-Eingangsabschnittseinheit pro Element, d.h. im Empfänger von 1 gibt es je eine HF-Eingangsabschnittseinheit 26/1, ..., 26/10 für jedes der Elemente 20/1, ..., 20/10.
Bei einer Nicht-SDMA-Implementierung gibt es, wie später noch beschrieben wird, einen einzigen gewünschten Benutzer, weshalb eine einzige Subgruppe von HF-Eingangsabschnittseinheiten jederzeit aktiv ist. Daher sind nur so viele HF-Eingänge wie die Größe der Subgruppen erforderlich (in diesem Beispiel: 3) und diese können über HF-Schalter den die ausgewählte Subgruppe bildenden Gruppenelementen dynamisch zugewiesen werden.
Dabei werden im Schritt 3.1 der Subgruppenindex s auf 1 und der Benutzerindex m auf 0 gesetzt. In Schritt 3.2 wird die Kovarianzmatrix mit 10×10 Elementen für den Benutzer m verwendet, um (mittels Auswahl der jeweiligen Reihen und Spalten, die den Elementen der Subgruppe entsprechen) eine 3×3 Kovarianzmatrix oder -Submatrix für den Benutzer m und eine Subgruppenauswahl s = 1 zu bilden. In Schritt 3.3 wird ebenso mit der Interferenz-Kovarianzmatrix für den Benutzer m verfahren, um eine Subgruppen-Interferenz-Kovarianzmatrix für den Benutzer m zu bilden. In Schritt 3.4 wird festgestellt, ob der Subgruppenindex gleich dem Maximum, in diesem Fall 20, ist oder nicht; ist dies nicht der Fall, wird der Subgruppen-Index inkrementiert und werden die Schritte 3.2 und 3.3 wiederholt.
Sobald die Subgruppen-Kovarianzmatrizen und Subgruppen-Interferenz-Kovarianzmatrizen für alle möglichen Subgruppen erzeugt wurden, wird in Schritt 3.6 die optimale Subgruppe S (m) / opt für den Benutzer m bestimmt. Dies erfolgt mittels Berechnung eines Leistungsfähigkeitskriteriums für jede mögliche Subgruppe und Auswahl dieser Subgruppe, die den höchsten Wert für dieses Kriterium ergibt. Somit gilt:
wobei s = 1, ..., N_s und
die Gruppe aller möglichen Subgruppen der Größe S = 3 bilden.
Die Erfindung umfaßt in Schritt 3.6 die Verwendung einer Reihe unterschiedlicher Leistungsfähigkeitskriterien, die auf Langzeitinformationen beruhen. Bei dieser Implementierung ist das gewählte Kriterium jedoch im wesentlichen ein Maß für das bestmöglich erreichbare SINR für eine bestimmte Subgruppe im Mittel (da dieses Kriterium auf Langzeitinformationen beruht).
In Schritt 3.7 wird die optimale Subgruppe zum Subgruppen-Wähler für den Benutzer m übertragen, und in Schritt 3.8 wird festgestellt, ob dieser Vorgang für alle Benutzer durchgeführt wurde oder nicht. Ist dies nicht der Fall, wird in Schritt 3.9 der Benutzerindex inkrementiert, und die Schritte 3.2 bis 3.8 werden wiederholt.
Sobald für jeden gewünschten Benutzer die optimale Subgruppe berechnet wurde, wird der Algorithmus in Schritt 3.8 ganz auf den Anfang zurückgesetzt, d.h. die Langzeit-Schleife wird wiederholt, beginnend mit dem Schritt 2.1, der auf den Eingang des nächsten Schätzwertpakets wartet. Es wird zwar davon ausgegangen, daß jedes Paket eine Trainingssequenz enthält, aber die Langzeit-Schleife tastet sie dennoch periodisch ab.
In 3 ist Schritt 3.6 in einem eingebetteten Schaubild detaillierter dargestellt. Wie in dem eingebetteten Schaubild gezeigt, setzt Schritt 3.6.1 den Subgruppenindex s wieder auf 1 und einen anderen Index s_max, der die beste oder optimale Subgruppe darstellt, ebenfalls auf 1.
Dann wird in Schritt 3.6.2 eine Variable max gleich 0 gesetzt und in Schritt 3.6.3 ein SINR-Maß (das Leistungsfähigkeitskriterium) berechnet, das hier als C bezeichnet wird. Dieses Kriterium wird als die Spur des Kovarianzmatrix-Schätzwertes für den Benutzer m und die Subgruppe s₁ mal dem Inversen des Interferenz-Kovarianzmatrix-Schätzwertes für den Benutzer m und der Subgruppen-Auswahl s₁ berechnet, was ausgedrückt wird als
In Schritt 3.6.4 wird das in 3.6.3 berechnete Kriterium mit der Variablen max verglichen, die in Schritt 3.6.2 anfangs auf 0 gesetzt war. Wenn C > max ist, dann werden in Schritt 3.6.6. max = C und s_max = s gesetzt, da die aktuelle Subgruppe die bisher beste Subgruppe ist. In Schritt 3.6.5 wird geprüft, ob die letzte Subgruppe (s = N_s) erreicht wurde. Ist dies nicht der Fall, wird s in 3.6.7 inkrementiert, und die Schritte 3.6.3 bis 3.6.5 werden wiederholt. Sobald alle Subgruppen verarbeitet sind, enthält s_max den Index der besten Subgruppe für den Benutzer m, und daher gilt in Schritt 3.6.8
Kurzzeit-Schleife für SDMA-Implementierung
Sobald die Subgruppenauswahlen für jeden der Benutzer im jeweiligen Schätzintervall vorgenommen wurde, besteht der nächste Schritt darin, die Leistungsfähigkeit jeder Subgruppe zu optimieren. Dies beinhaltet eine Anpassung der Wichtungen, die bei der Verarbeitung der Signale der Antennenelemente in der jeweiligen Subgruppe verwendet werden, wie dies anhand des in 4 gezeigten Ablaufschemas beschrieben werden wird. Die Wichtungen werden parallel zur Subgruppenauswahl, und schneller als diese, kontinuierlich aktualisiert. Tatsächlich wird die Kurzzeit-Schleife einmal pro empfangenem Paket durchgeführt. In 4 wird davon ausgegangen, daß Pakete für alle M+1 Benutzer gleichzeitig empfangen werden, und somit werden die Schritte 4.5-4.9 für jeden Benutzer wiederholt.
Somit wartet Schritt 4.1 auf den Anfang des nächsten Zeitfensters, und Schritt 4.2 speichert dann das empfangene Signal, d.h. den Vektor für die gesamte Gruppe von 10 Elementen, in einem Puffer für das Intervall, das dem Trainings-Präfix entspricht. Dies impliziert, daß Pakete für alle Benutzer synchronisiert und alle Trainingssequenzen gleichzeitig empfangen werden. In Systemen, bei denen dies nicht der Fall ist, können entsprechende Anpassungen einfach vorgenommen werden. Zur Weiterverarbeitung wird eben das Intervall gespeichert, das dem Empfang der Trainingssequenzen entspricht.
In Schritt 4.3 wird ein Schätzwert der Kurzzeit-Gesamt-Kovarianzmatrix R_xx über die gesamte Gruppe von Elementen bestimmt. Dies erfolgt gemäß
Somit werden in Schritt 4.2 K Symbole erfaßt, die mittels Berechnung der Summe über k des k-ten Abstandswertes x[k], multipliziert mit seiner komplex konjugierten Transponierten x^H[k] und Dividieren des Ergebnisses durch K verarbeitet werden.
In Schritt 4.4 wird der Benutzerindex m dann auf 0 gesetzt, und im Schritt 4.5 wird aus der Matrix R ^xx eine Submatrix
extrahiert, bei der es sich um die Gruppe von Elementen aus R ^xx handelt, die der aktuell ausgewählten Subgruppe S_m für den Benutzer m entspricht, was eine 3×3 Matrix ergibt.
Im Schritt 4.6 wird die Raumsignatur des Benutzers m über die gesamte Subgruppe S_m gemäß folgendem Ausdruck geschätzt:
wobei
der empfangene Signalvektor über die Subgruppe S_m ist, welcher dem k-ten Symbol in der Trainingssequenz entspricht, und s*m [k] das komplex Konjugierte des k-ten Symbols der Trainingssequenz für den Benutzer m ist.
Es ist zu beachten, daß die obige Gleichung für den Schritt 4.6 derjenigen im Kasten 2.4 im Grunde sehr ähnlich ist, mit der Ausnahme, daß sie über die Subgruppe S_m und nicht über die ganze Gruppe berechnet wird.
In Schritt 4.7 wird die in Schritt 4.6 berechnete räumliche Signatur, d.h.
(oder nur der Vektorkanal-Schätzwert über nur die Subgruppe von Elementen, nicht aber über die gesamte Gruppe) dazu verwendet, den Wichtungsvektor wie folgt zu berechnen:
Dieser Wichtungsvektor umfaßt eine Reihe von Wichtungen, d.h. eine für jedes Element der Subgruppe. Somit gäbe es bei der speziellen Ausführungsform, bei der drei Elemente pro Subgruppe vorliegen, drei Wichtungen. Diese Wichtungen werden dann (Schritt 4.8) an den MMSE-Prozessor für den Benutzer m übertragen, wo sie zum Multiplizieren der Signale jedes Elementes der Subgruppe vor dem Summieren verwendet werden, um im Sinne des MMSE (Minimaler Mittlerer Quadratischer Fehler) den besten Schätzwert für das gewünschte Signal abzuleiten.
In Schritt 4.9 wird dann festgestellt, ob der Benutzerindex m auf M gesetzt ist, d.h. ob die Wichtungen für alle gewünschten Benutzer berechnet wurden. Ist dies nicht der Fall, wird der Benutzerindex m in Schritt 4.10 auf m+1 inkrementiert, und die Schritte 4.5 bis 4.9 werden wiederholt.
Sobald alle Wichtungsvektoren berechnet sind, wird der Algorithmus in Schritt 4.9 zum Schritt 4.1 zurückgesetzt, um auf den Beginn des nächsten Zeitfensters zu warten, woraufhin die Wichtungen erneut berechnet und aktualisiert werden.
Zum Vergleich der Komplexität sei beispielsweise von einem 10 Mb/s-System mit Paketen von 68 Byte (etwa die Größe einer ATM-Zelle mit Trainingssequenz) ausgegangen. Zwischen jedem Paar aufeinanderfolgender Pakete ist ein Schutz-Byte eingesetzt. Man stelle sich eine Gruppe von 8 Benutzern vor, die einmal alle zehn Fenster auf demselben Trägersignal gleichzeitig Pakete senden. Da es 18115,94 Fenster pro Sekunde gibt, senden die interessierenden Benutzer mit einer Rate von 1811,59 Paketen pro Sekunde. Bei dieser Rate unterscheiden sich die Kanäle aufgrund des Mehrwegempfangs typischerweise ausreichend von einem Paket zum nächsten, um bei jedem Paket ein Retraining zu gewährleisten. Ferner enthält jedes Paket eine bekannte Trainingssequenz von 32 Bit. Für die Langzeit-Kovarianzmatrix wird von einer Korrelationszeit von 0,5 s für den ungünstigsten Fall von 90% ausgegangen; ihr Schätzwert wird alle 0,1 s aktualisiert, und die Subgruppenauswahl wird ebenfalls alle 0,1 s durchgeführt.
Im Falle der radialen Anordnung von 10 Antennenelementen mit einer Subgruppengröße von 3 liegt der relative Rechenaufwand hinsichtlich der herkömmlichen MMSE-Gruppenverarbeitung bei etwa 26%. Für eine Subgruppengröße von 2 beträgt er etwa 20%.
Im Falle eines Mehrbenutzer-Empfängers ist es nicht vorteilhaft, den HF-Schalter unmittelbar nach den Antennenelementen anzuordnen, da es wahrscheinlich ist, daß für die Gesamtheit der Benutzer, deren jeder eine andere Subgruppe von Elementen verwendet, zu manchen Zeitpunkten alle Elemente aktiv sein müssen. Mit anderen Worten, die Vereinigung aller Subgruppen kann gelegentlich alle Elemente in der Gruppe umfassen, und somit sind N HF-Eingangsabschnittseinheiten erforderlich. Davon ausgehend, daß alle M Co-Kanal-Störer in diesem Fall gültige Benutzer sind, gibt es M+1 unterschiedliche Signalverarbeitungseinheiten, die sich auch physisch unterscheiden können (in getrennten integrierten Schaltungen oder DSP-Einheiten) oder zu einer einzigen Mehrbenutzer-Einheit zusammengefaßt oder nach praktischen Gestaltungsüberlegungen in beliebiger Weise in eine beliebige Anzahl physikalischer Einheiten unterteilt sein können.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf SDMA-Empfängersysteme beschränkt ist. Nun wird in erster Linie anhand der 5, 6 und 7 beispielshalber eine Anwendung für ein SDMA-Empfängersystem beschrieben. Es ist zu beachten, daß die in 4 dargestellte Kurzzeit-Schleife sowohl für SDMA- als auch für Nicht-SDMA-Anwendungen annähernd gleich ist. Zudem befaßt sich der Empfänger bei der Langzeit-Schleife einer Nicht-SDMA-Anwendung mit nur einem gewünschten Benutzer auf einmal pro Träger. Der Empfänger würde für andere Benutzer, die auf anderen Trägern vorliegen, repliziert werden (was auch bei der SDMA-Ausführungsform der Fall wäre).
In 5, in der Bauteile, die denen im Empfängersystem der 1 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen haben, umfaßt ein Gruppenantennen-Empfängersystem zum Empfang von Signalen mehrerer Benutzersender in einem Nicht-Raummultiplex(SDMA)-System (z.B. drahtloses LAN, Mobiltelephon) eine Antenne mit mehreren Antennenelementen 22/1, ..., 22/10, die mit einem Gruppenempfänger 12 gekoppelt sind, der eine Funkfrequenzeinheit 14 und eine Signalverarbeitungseinheit 16 aufweist. Die Antenne ist über eine Wählereinheit 18, bei der es sich um einen Funkfrequenzmatrixschalter mit zehn Eingangsanschlüssen 20/1, ..., 20/10, die mit entsprechenden Antennenelementen 22/1, ..., 22/10 der radialen Anordnung gekoppelt sind, und mit drei Ausgangsanschlüssen 24/1, 24/2 und 24/3, die innerhalb der Funkfrequenzeinheit 12 mit HF-Eingangsabschnittseinheiten 26/1, 26/2 bzw. 26/3 gekoppelt sind, handelt.
Die HF-„Eingangsabschnitts"-Einheiten 26/1, 26/2 und 26/3 sind identisch und von herkömmlicher Bauweise. Wie in 5 eingebettet gezeigt ist, umfaßt die HF-Eingangsabschnittseinheit 26/1 einen HF/ZF-Abwärtswandler 28/1, einen Kanalfilter 30/1 (der nur den benötigten Kanal isoliert und Außerband-Rauschen und Interferenz abweist) und eine Analog/Digital-Wandlereinheit 32/1 zum Durchführen einer Bandpaßabtastung. Alternativ dazu kann das ZF- oder HF-Signal vor der A/D-Wandlung zum Basisband abwärts gewandelt werden. Der Ausgang der A/D-Wandlereinheit 32/1 (der auch der Ausgang der HF-Eingangsabschnittseinheit 26/1 ist) ist mit der Signalverarbeitungseinheit 16 gekoppelt, die als kundenspezifischer Höchstintegrations(VLSI)-Chip, als frei programmierbarer Logikbaustein (FPGA) oder als auf einem digitalen Signalprozessor (DSP) laufende Software ausgeführt sein kann.
Die Signalverarbeitungseinheit 16 ist mit der anhand 1 beschriebenen nahezu identisch und wird daher nicht wieder beschrieben. Wie zuvor, führt sie eine Schätzung der Signatur (d.h. des gewünschten Benutzervektorkanals) und eine Kovarianzmatrixschätzung, eine MMSE Verarbeitung, Wichtung und Kombination, eine angepaßte Filterung und eine Detektion von Symbolen durch. Außerdem führt sie das Subgruppenauswahlverfahren unter Verwendung eines Langzeit-Kanalschätzers 44 durch, der den Matrixschalter 18 steuert und die MMSE-Wichtungen für eine bestimmte Subgruppenauswahl mittels des Kurzzeit-Kanalschätzers 42 aktualisiert.
In diesem Fall betätigt der Signalprozessor 16 den Matrixschalter 18 periodisch, um den Empfängerabschnitt vorübergehend „off-line" zu schalten, während er eine der anderen Subgruppen wählt und die Abtastung der Trainingssequenz gewinnt. Dies wird jeweils für jede der anderen Subgruppen wiederholt, um die Langzeitstatistiken zu gewinnen. Abhängig vom System kann es notwendig sein, die Langzeit-Statistiken durch mehrmalige Auswahl derselben Subgruppe während solcher „off-line"-Intervalle zu ermitteln.
Langzeit-Schleife bei Nicht-SDMA-Implementierung
Wie bei der SDMA-Anwendung aktualisiert die Langzeit-Schleife die Schätzwerte für die Langzeit-Kovarianzmatrix. In diesem Fall gibt es jedoch nur einen gewünschten Benutzer, der Benutzer 0 ist. Tatsächlich wird davon ausgegangen, daß Trägerfrequenzen innerhalb einer einzelnen Zelle oder eines einzelnen Sektors nicht wieder verwendet werden, sondern die Gruppe vielmehr dazu dient, die Verbindungsqualität zu verbessern, indem Interferenz auf derselben Trägerfrequenz von Nachbarzellen oder -sektoren, die möglicherweise den Trägerfrequenz-Wiederverwendungsabstand verringern, bekämpft wird.
Die Langzeitschleife besteht aus zwei Hauptabschnitten: der in 6 dargestellte Abschnitt ist die Langzeit-Kovarianzmatrixschätzung, während 7 der Subgruppenauswahl entspricht.
Da bei dieser Nicht-SDMA-Anwendung eine einzige Empfangssignalverarbeitungseinheit für den Benutzer 0 erforderlich ist, hat diese die ausschließliche Nutzung der Antennengruppe und der HF-Eingangsabschnittseinheit. Daraus folgt, daß die Anzahl der erforderlichen HF-Eingangsabschnittseinheiten durch die Größe der Subgruppe (d.h. bei der spezifischen Implementierung 3), nicht aber der Gruppe (d.h. 10), bestimmt wird.
Auch bei dieser Implementierung wird davon ausgegangen, daß das System auf Paketen basiert, wobei die Pakete kürzer als die Kanalkohärenzzeit sind. Ferner beruht die Anpassung (d.h. die Extraktion nützlicher Kanalparameter) auf dem Vorliegen einer Trainingssequenz als Präambel (oder Postambel oder Midambel oder verteilte Sequenz) für den Hauptpaketteil. Die Systemannahmen entsprechen, bis auf die folgenden Punkte, im allgemeinen der SDMA-Implementierung:

– Da es nur einen erwünschten Benutzer gibt, müssen die Störer-Pakete nicht mit den Paketen des gewünschten Benutzers synchronisiert werden. Tatsächlich ist die Struktur der Störersignale gänzlich irrelevant, und sie müssen keineswegs paketbasiert sein.
– Da kein Kovarianzmatrixschätzwert für die einzelnen Störer benötigt wird, ist ein anderes Verfahren als das bei der SDMA-Implementierung beschriebene erforderlich, um die Interferenz-Kovarianzmatrix zu berechnen.

In 6 sind die Schritte 6.1, 6.2 und 6.3 mit den Schritten 2.1, 2.2 und 2.3 der SDMA-Implementierung identisch. Gleichermaßen wird in den Schritten 6.4, 6.5 der laufende Schätzwert Σ ^0[n] in identischer Weise wie in den Schritten 2.4 und 2.5 berechnet. Die Schritte 6.6, 6.7 und 6.8 führen ein neues Verfahren zum Berechnen der Interferenz-Kovarianzmatrix ein (das auch bei einer alternativen SDMA-Anwendung eingesetzt werden könnte). In Schritt 6.6 wird die gesamte Kurzzeit-Kovarianzmatrix wie folgt berechnet:
In Schritt 6.7 wird R ^xx[i] dazu verwendet, eine laufende Schätzung der gesamten Langzeit-Kovarianzmatrix Σ ^xx[i] gemäß
zu aktualisieren.
Schließlich wird in Schritt 6.8 die Interferenz-Kovarianzmatrix durch Subtrahieren der Kovarianzmatrix des Benutzers 0 von der gesamten Kovarianzmatrix gebildet:
7, welche die Subgruppen-Auswahl bei der Nicht-SDMA-Implementierung beschreibt, ist 3 sehr ähnlich, weist jedoch die Schritte 3.8 und 3.9 nicht auf, da für den Benutzer m = 0 nur eine Iteration benötigt wird.
Die Kurzzeit-Schleife für den Nicht-SDMA-Fall ist wie die in 4 für die SDMA-Implementierung beschriebene, allerdings ohne die Schritte 4.4, 4.9 und 4.10 (keine Iteration über m und durchweg mit m = 0).
Wenn bei der Nicht-SDMA-Ausführungsform der Matrixschalter auf der HF-Ebene angeordnet ist und die Anzahl der HF-Eingangsabschnitte gleich der Größe der Subgruppe ist, muß die effektive Trainingsdauer länger als bei einer ansonsten entsprechenden SDMA-Ausführungsform gestaltet werden.
Tatsächlich müssen die Kurzzeit-Kovarianzmatrizen R₀, R_xx in diesem Fall nach und nach geschätzt werden, indem der HF-Schalter periodisch so auf eine neue Subgruppe umgeschaltet wird, daß alle Paare von Gruppenelementen nacheinander verarbeitet werden. Daher muß die Trainingsperiode um den Faktor
verlängert werden, indem entweder der Trainings-Präfix verlängert wird oder mehrere aufeinanderfolgende Präfixe (in mehreren aufeinanderfolgenden Paketen) zum Konstruieren eines einzigen Schätzwertes verwendet werden.
Raum-Zeit-Implementierung
Die bisher beschriebenen Implementierungen bezogen sich auf Flat-Fading-Kanäle (Schmalbandkanäle), weshalb nur eine räumliche Filterung erforderlich war. Für Kanäle mit frequenzselektivem Fading (d.h. Breitbandkanäle) muß eine zeitliche Verarbeitung in Form einer Entzerrung in die Struktur aufgenommen werden, um eine entsprechende Leistungsfähigkeit aufrecht zu erhalten. Somit enthält jeder Zweig jedes der MMSE-Prozessoren (einer pro gewünschtem Benutzer, die sich einen Träger teilen) einen vollen Entzerrer an Stelle einer einzigen Wichtung. Bei einer Subgruppengröße von 3 wären 3 dieser Entzerrer pro gewünschtem Benutzer vorhanden. Ein Entzerrer liegt typischerweise in Form einer Verzögerungsstrecke mit Abgriffpunkten (tapped-delay line) vor, wobei jeder Abgriff gewichtet und summiert wird und die Abgriffe symbolbeabstandet sind. Daraus folgt, daß ein MMSE-Prozessor mit 3 Zweigen dann 3L Abgriffe anpassen muß, wobei für eine entsprechende Leistungsfähigkeit die Entzerrerlänge L größer als die Impulsantwort des Kanals sein muß.
Das Verfahren der Subgruppen-Auswahl muß in einem frequenzselektiven Zusammenhang ebenfalls etwas modifiziert werden. Da die Kovarianzmatrizen in diesem Fall frequenzselektiv sind, kann das ursprüngliche theoretische Subgruppen-Auswahlkriterium (siehe (10)) durch Integration über das Band (siehe 23) wie folgt ohne weiteres an einen Breitbandbetrieb angepaßt werden:
wobei
Es ist festzustellen, daß die Summierung über k oben die spektrale Wiederholung widerspiegelt, die im Zusammenhang mit dem symbolbeabstandeten Abtasten der Signale steht, d.h. die Kovarianzmatrizen wurden mit abgetasteten Versionen der Kanalimpulsantworten abgeleitet.
Das mit (23) beschriebene Kriterium kann aufgrund der allgemeinen Form der Parsevalschen Beziehung in die Zeitdomäne umgewandelt werden, was folgendes ergibt:
wobei
die inverse Fourier-Transformation bezeichnet.
Bei einer praktischen Implementierung würden die idealen Kovarianzmatrizen durch Schätzungen ersetzt, die typischerweise mittels Verfahren erhalten werden, welche den für Schmalband-Implementierungen beschriebenen entsprechen. Gleichermaßen müßte die Summierung i in (26) auf die Länge L der Entzerrer gekürzt werden, also:
8 zeigt die allgemeine Struktur einer Raum-Zeit-Empfänger-Implementierung mit zugeordneten Signalverarbeitungsfunktionen.
Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung in gewissen Situationen vorteilhaft für CDMA verwendet werden kann, z. B. wenn manche Benutzer starke Störer sind. Tatsächlich ist es hinlänglich bekannt, daß eines der Hauptprobleme, welche die Anzahl von Benutzern beim CDMA begrenzen, das Vorhandensein relativ starker Störer ist, was nicht durch Despreading (Trennung der Signale) beseitigt werden kann. Dies ist als „Nah-Fern-Effekt" bekannt und erzeugt eine Situation ähnlich dem SDMA, da Störer vorhanden sind, die in den virtuellen Träger, der dem Code des gewünschten Benutzers entspricht, „einsickern" oder effektiv auf diesem coexistieren. Die räumliche Unterscheidungskraft einer adaptiven Anordnung, kombiniert mit der vorliegenden Erfindung (mit dem CDMA-Kontext entsprechenden Modifikationen), ergibt eine relativ kostengünstige und wirksame Lösung.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich insofern von bekannten Auswahl-Diversity-Gruppenantennensytemen, die das Antennenelement wählen, das für einen bestimmten gewünschten Benutzter die beste Leistung ergibt, als Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kontinuierlich die Subgruppe von Antennenelementen wählen, die den besten allgemeinen Qualitätsindex für einen bestimmten gewünschten Benutzer ergibt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der Tatsache, daß:

1. An einer Basisstation der Großteil der von einer bestimmten Signalquelle kommenden Energie typischerweise innerhalb eines schmalen Winkels oder Kegels konzentriert ist. In manchen Fällen gibt es auch eine oder mehrere Einfallsrichtungen (DOA) mit beträchtlicher Leistung, die jedoch typischerweise durch eine deutlich engere Winkelverteilung als die Haupt-DOA gekennzeichnet sind. In diesem Zusammenhang impliziert die Verwendung einer radialen Anordnung von Richtelementen (oder einer Anordnung von ungerichteten Elementen und einer Vorverarbeitungs-Keulenformungsmatrix, welche die radiale Anordnung durch Mustersynthese simuliert), daß eine kleine Subgruppe von Elementen ausreichen kann, um einen Großteil der Energie des Signals eines beliebigen Benutzers einzufangen. Die Verwendung nur einer Subgruppe der Antennenelement-Signale reduziert die Verarbeitungsanforderungen.
2. Die mittelfristige Kovarianzmatrix (gemittelt über den Mehrwegsempfang in kleinem Maßstab, d.h. die kurzzeitigen Veränderungen der Kanalmerkmale (Verstärkungen, Verzögerungen und Phasen)) des Signals eines bestimmten Benutzers, die am Gruppeneingang gemessen wird, verändert sich relativ langsam und kann für Zeiträume in der Größenordnung einer Sekunde allgemein als unveränderlich angenommen werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es jedoch nicht, alle Freiheitsgrade für den Kanal des gewünschten Benutzers zu bestimmen. Vielmehr wählen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung (unter Ausnutzung der Richtwirkung der Gruppenelemente, wenn eine radiale Anordnung verwendet wird) die S signifikantesten Elemente aus, um den minimalen mittleren quadratischen Fehler zu erreichen. Eine solche Auswahl beruht eigentlich nicht auf der Bestimmung der Freiheitsgrade oder Moden des Kanals des gewünschten Benutzers, da beim Auswahlprozeß auch Störer berücksichtigt werden. Es handelt sich um eine Prozedur zum intelligenten Verringern (unter Ausnutzung der Geometrie der auftreffenden Wellen) der Anzahl von Gruppen-Freiheitsgraden, die eine aktive Anpassung benötigen, um eine proportionale Verringerung sowohl der Rechen- als auch der Hardware-Komplexität zu erreichen.
Obwohl zehn Eingangsanschlüsse und zehn Antennenelemente gezeigt sind, ist diese Anzahl nur zu Veranschaulichungszwecken gewählt. In der Praxis kann deren Anzahl abhängig von praktischen Überlegungen, wie Kosten, physikalische Gruppengröße, usw., größer sein. Gleichermaßen zeigt 1 zwar eine Subgruppe von 3 Elementen, doch die nützlichsten Wahlen (abhängig vom Kompromiß zwischen gewünschter Komplexität/Leistungsfähigkeit) liegen wahrscheinlich zwischen einschließlich 2 bis einschließlich 4 Elementen. Ferner ist zu beachten, daß die relative Komplexitätsverringerung, die durch diese Erfindung bezüglich der üblichen MMSE-Gruppenverarbeitung eingeführt wird, etwa proportional zu N/S (Rausch-Signal-Verhältnis) ist.
Das in 5 dargestellte Empfängersystem hat den Vorteil, daß es nur ebenso viele HF-Eingangsabschnittseinheiten wie die Anzahl von Elementen in einer Subgruppe (im spezifischen Beispiel: 3) benötigt. Typischerweise ist ein HF-Eingangsabschnitt sowohl voluminös als auch relativ teuer, und es ist daher vorteilhaft, die Anzahl solcher Einheiten gegenüber einer voll adaptiven Gruppe zu verringern. Allerdings kann auch der HF-Matrixschalter 16 ein teures Bauteil sein und in manchen Fällen (abhängig von der Trägerfrequenz und Bandbreite) den Kostenvorteil, der sich aus der verringerten Anzahl von HF-Eingangsabschnitten ergibt, aufheben. Bei dem in 1 dargestellten Empfängersystem, in dem alle Gruppenelemente jeweils mit einer Signalempfangseinheit (Eingangsabschnitt) ausgestattet sind und der Matrixschalter der A-D-Wandlung nachgeschaltet ist, ist dieser Schalter dann kein teures HF-Bauteil mehr, sondern vielmehr ein digitaler Multiplexer, der in der Lage ist, 6 serielle oder parallele Datenströme auf 3 zu multiplexen. Alternativ dazu kann der Multiplexer in die Signalverarbeitungseinheit 14 aufgenommen sein, unter der Voraussetzung, daß letztere ausreichende Eingangsressourcen aufweist. Umgekehrt kann die Subgruppen-Auswahllogik separat angeordnet sein.
Es ist zwar allgemein üblich, davon auszugehen, daß die Kanäle über die Länge eines Blocks als statisch betrachtet werden können (d.h. die Länge eines Blocks ist deutlich kleiner als die Kanal-Korrelationszeit), aber die vorliegende Erfindung ist ebenso gut in anderen Fällen anwendbar, bei denen eine kontinuierliche Nachführung (mittels adaptiver Algorithmen, wie dem minimalen mittleren Quadrat(LMS)- oder dem rekursiven, minimalen Quadrat(RLS)-Algorithmus) notwendig ist.
Wenn tatsächlich eine kontinuierliche Nachführung implementiert ist, müssen nicht unbedingt häufige Trainingssequenzen vorgesehen werden. Tatsächlich können sowohl die Aktualisierung der Subgruppenauswahl als auch die Aktualisierung der Wichtungsberechnung mittels früherer Entscheidungen als Trainingssymbole durchgeführt werden, unter der Voraussetzung, daß diese letzteren zuverlässig sind. Somit wären Trainingssequenzen, wenn auch weniger häufig, so doch noch immer erforderlich, um: (1) das System zu initialisieren, wenn eine neue Verbindung hergestellt wird, so daß seine ersten Entscheidungen ausreichend zuverlässig sind, um mit dem Nachführungsvorgang zu beginnen, und (2) das System periodisch zurückzusetzen, um Fehler aufgrund einer verlorenen Nachführung zu minimieren.
Es können auch Blindadaptationstechniken eingesetzt werden, wobei Trainingssequenzen dann überhaupt nicht erforderlich wären. Die Prinzipien der Erfindung gelten ebenso auch für analoge Wellenformen gegenüber digital modulierten Signalen.
Die Sendestationen müssen nicht auf eine einzige Antenne begrenzt sein. Wenn sie mehrere Antennen aufweisen, somit Mehrfacheingangs-Mehrfachausgangs(MIMO)-Verbindungen herstellen, können hier beschriebene Ausführungsformen der Erfindung auf mehrere Weisen entsprechend modifiziert werden, während der Grundgedanke und die Vorteile der Erfindung erhalten bleiben. Beispielsweise kann jede Sendeantenne, die zum gleichen Benutzer gehört, am Empfänger ihren eigenen Empfangsabschnitt mit zugeordneter Subgruppe aufweisen. Die Ausgangssignale mehrerer solcher Empfangsabschnitte können dann auf mehrere bekannte Weisen, wie mittels schichtweiser Raum-Zeit(LST)-Verarbeitung, gemeinsam verarbeitet werden. Alternativ dazu können ein einzelner Empfangsabschnitt und eine zugehörige Subgruppe von Elementen einem Mehrfach-Antennen-Benutzer zugeordnet sein; der Empfangsabschnitt würde dann die entsprechende MIMO-Verarbeitung (z. B. LST) enthalten. Ferner müßte der Subgruppenauswahl-Prozeß im letzteren Fall etwas modifiziert werden.
Eine Fehlerkorrektur-Codierung, sei es eine eindimensionale oder eine zweidimensionale (bei MIMO-Verbindungen) kann ebenfalls auf Weisen eingearbeitet werden, die für einen Fachmann offensichtlich sein sollten.
Gleichermaßen kommen verschiedene Alternativen zur linearen MMSE-Verarbeitung für die Empfangsabschnitte in Frage, ohne sich auf den Grundgedanken der Erfindung auszuwirken. Möglichkeiten umfassen eine Verarbeitung mit Entscheidungsrückkopplung, eine verzögerte Entscheidungsrückkopplung, eine Mehrbenutzer- oder MIMO-Entscheidungsrückkopplung, eine Schätzung der wahrscheinlichsten Sequenz (MLSE) usw.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung in Basisstationen von Mobiltelephonsystemen beschränkt ist, sondern auch in Mobilstationen solcher Systeme verwendet werden kann. Ferner können erfindungsgemäße Empfänger beispielsweise in drahtlosen LAN-Netzen, Paketfunknetzen und anderen drahtlosen Netzen verwendet werden.
Es sei angemerkt, daß die Erfindung nicht nur die zuvor beschriebenen Gruppenempfängersysteme, sondern auch den Empfänger an sich zur Verwendung mit einer Gruppe von Antennenelementen und den Signalprozessor zur Nachrüstung eines bestehenden Gruppenantennen-Empfängersystems umfaßt.
Um es zu rekapitulieren: Der Adaptionsalgorithmus umfaßt zwei Schleifen. Die Langzeitschleife im Schmalbandfall kann wie folgt unterteilt werden:

A. Für jeden Benutzer m, wobei m = 0, ..., M+1 ist:
– Die Kurzzeit-Kovarianzmatrix der Signatur des Benutzers m über alle N Antennenelemente wird anhand einer bekannten Trainingssequenz geschätzt, die vom Benutzer m übertragen wird.
– Der Kurzzeit-Schätzwert wird zur Aktualisierung einer laufenden Schätzung der mittelfristig gemittelten Kovarianzmatrix der Signatur (6) des Benutzers m verwendet.
– Unter Verwendung der mittelfristig gemittelten Kovarianzmatrizen, die für alle Benutzer berechnet werden, wird die Kovarianzmatrix der vom Benutzer m gesehenen Störung berechnet:
B. Für alle Subgruppen
– Geeignete Elemente in Σ_m und
auswählen, um
zu
– Subgruppen-Auswahlkriterium gemäß (4) berechnen.
– Vergleich mit zuvor berechnetem Maximalwert des Kriteriums (Vergleich mit Null bei erster Iteration).
– Wenn der neue Wert größer ist, diesen und den entsprechenden Subgruppen-Index speichern.
– Schleife B wiederholen, bis alle N_S Subgruppen verarbeitet wurden.
– Ausgewählten Subgruppen-Index S_m an den Subgruppen-Wähler für den Benutzer m senden.
– Ab A wiederholen, bis alle Benutzer verarbeitet sind.
– Nächsten Langzeit-Trainingszeitraum abwarten und Schleife A wiederholen. Die Kurzzeit-Schleife läuft wie folgt ab:
C. Für jeden Benutzer m, wobei m = 0, ..., M ist:
– S×S-Kurzzeit-Kovarianzmatrix
über Subgruppe S_m schätzen. Dies kann für jeden Benutzer unabhängig gemäß (9) erfolgen, oder die allgemeine N×N-Kurzzeit-Kovarianzmatrix kann einmal berechnet und zum Erzeugen der erforderlichen S×S-Kovarianzmatrizen über die entsprechenden Subgruppen aller Benutzer verwendet werden (durch Auswahl der geeigneten Elemente).
– Schätzen der Raumsignatur
des Benutzers m über die Subgruppe S_m unter Verwendung von (8).
– Berechnen des Wichtungsvektors
– Wichtungen an MMSE-Prozessor m übertragen.
– Ab C für alle Benutzer wiederholen.
– Nächsten Kurzzeit-Trainingszeitraum abwarten (nächstes Paket derselben Benutzergruppe) und Schleife C wiederholen.

Gewerbliche Anwendbarkeit
Es ist bekannt, daß Antennenanordnungen mit geeigneten Signalverarbeitungseinheiten, wenn sie in drahtlosen Netzwerken eingesetzt werden, die gleichzeitige Koexistenz mehrerer Verbindungen im gleichen Band/Träger gestatten und/oder eine bessere Verbindungsqualität (hinsichtlich der Stimmqualität in der Telephonie, der Bit-Fehlerrate bei Datenverbindungen oder der Beständigkeit gegen Fading) bereitstellen.
Bei der Entwicklung drahtloser Systeme stellten sich drei Faktoren als höchst wichtig heraus:

i) Das Umschalten von Analog auf Digital;
ii) die zunehmende Vorherrschaft von Breitbandkanälen (die häufig eine ISI-Abschwächung erfordern) zur Bewältigung großer Datenraten;
iii) der Kapazitätsengpaß, dem viele Zellensysteme unterliegen.

Der Einsatz eines Raum-Zeit-Empfängers an der Basisstation in Kombination mit SDMA ist zweifellos der vielversprechendste Weg zur Erhöhung der Kapazität bei drahtlosen Breitbandsystemen. Tatsächlich kann eine Gruppe mit N Elementen theoretisch einen N-fachen Anstieg der Kapazität (d.h. der Anzahl gleichzeitig aktiver Benutzer pro Träger) bringen. Die Entwicklungs- und Implementierungskosten solcher Vorrichtungen sind jedoch beträchtlich, da jedes zusätzliche Antennenelement einen zusätzlichen Eingangsabschnittsempfänger und zusätzliche Rechenleistung erfordert, um die Abgriffe (Wichtungen) anzupassen und andere Signalverarbeitungsaufgaben durchzuführen.
Daher kann die Komplexität (und können somit die Kosten) der Einführung eines herkömmlichen Gruppensystems in ein bestehendes drahtloses Netzwerk untragbar sein.
Die breite Akzeptanz von Antennengruppen und Raum-Zeit-Prozessoren auf dem Markt ist nur eine Frage der Zeit, wie das jüngste Interesse der Industrie bestätigt. Die frühere Ablehnung war vermutlich durch die relative Komplexität/Kosten dieser Lösungen bedingt. Wenngleich aufgrund von technologischen Fortschritten (die zu niedrigeren Gerätekosten führen) und der Dringlichkeit des Kapazitätsproblems einige Zögerlichkeiten überwunden wurden, ist die Komplexität doch noch immer ein sehr reelles Problem, insbesondere bei hohen Bandbreiten und/oder bei hohen Frequenzen.
Die vorliegende Erfindung bietet eine weniger komplexe Lösung. Tatsächlich kann sie bei einem kanonischen linearen Raum-Zeit-Empfänger mit minimaler Leistungsverminderung eine Verringerung der Komplexität um eine Größenordnung ergeben.
Es sei angemerkt, daß die vorliegende Erfindung im Vergleich zu anderen Subgruppen-Auswahl-Gruppensystemen eine bessere Leistungsfähigkeit bietet, indem Subgruppen aufgrund der Subgruppen-Leistungsfähigkeit, nicht jedoch einzelne Zweige, ausgewählt werden. Ferner berücksichtigt das Subgruppen-Auswahlkriterium Interferenz und eine Interferenzkorrelation über die Gruppe.
Um den Aufwand der Auswertung und Auswahl von Subgruppen zu begrenzen, schlägt die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Subgruppen-Auswahl aufgrund von Langzeitstatistiken (in bezug auf die Fading-Rate) vor, das bei bestimmten Ausführungsformen die Komplexität der Hardware und/oder Software, die an der Subgruppenauswahl beteiligt ist, um eine Größenordnung vermindern kann.
Die vorgeschlagene Erfindung unterscheidet sich bezüglich ihrer Anwendbarkeit; tatsächlich besteht ihr Zweck darin, die Co-Kanal-Interferenz abzuschwächen sowie eine Beständigkeit gegen Fading bereitzustellen, während die beiden erwähnten Auswahl-Diversity-Schemata allgemein bezüglich ihrer Beständigkeit gegen Fading alleine untersucht werden. Ferner nutzt die vorgeschlagene Erfindung die Geometrie eingehender Signale an der Basisstation mittels radial angeordneter Richtelemente. Die Auswahl von Subgruppen aufgrund mittelfristiger Statistiken ist ebenfalls ein neues Konzept.
Es ist anzumerken, daß die Vorteile dieser Erfindung keinen SDMA- oder Breitband (d.h. Raum-Zeit-)-Betrieb erfordern. Dies macht sie zu einer attraktiven Möglichkeit einer inkrementellen Aufwertung bestehender Systeme.

Claims

Gruppenempfängersystem zum Empfang von Signalen von mehreren sendenden Benutzern, gekennzeichnet durch eine Gruppe von Antennenelementen (22/1, ..., 22/10) und einen Empfänger mit mehreren Empfängerabschnitten (12₀ , ..., 12₇ ), die jeweils einem anderen der Benutzer entsprechen, wobei jeder der Empfängerabschnitte eine Signalverarbeitungseinheit (16₀ ) zum Verarbeiten und Kombinieren einer Subgruppe von Signalen der Antennenelemente aufweist, um ein empfangenes Signal für den entsprechenden Benutzer zu erzeugen, wobei der Empfänger ferner ein Schaltmittel (18₀ ) zum Auswählen mehrerer unterschiedlicher Subgruppen von Signalen der Antennenelemente zur Verarbeitung durch die Signalverarbeitungseinheit (16₀ ) umfaßt, jede Subgruppe aus einer vorbestimmten Anzahl der Signale besteht, jede Signalverarbeitungseinheit zur Steuerung des Schaltmittels dient, um die Signale, welche die vom entsprechenden Empfängerabschnitt verwendete Subgruppe von Signalen umfassen, abhängig von einem Meßwert der möglichen Leistungsfähigkeit dieses Empfängerabschnittes mit anderen Subgruppen der mehreren Signale zu wechseln, wobei der Meßwert auf der kombinierten Subgruppe von Signalen beruht.
Gruppenantennen-Funkempfängersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel in jedem Empfängerabschnitt eine Schaltmatrix aufweist und der Empfänger mehrere Hochfrequenz(RF)-Eingangsabschnitte umfaßt, die jeweils ein entsprechendes Antennenelement mit jedem Schaltmittel und jeder Signalverarbeitungseinheit koppeln, wobei jeder Eingangsabschnitt das Signal des entsprechenden Antennenelementes in ein Format umwandelt, das zur Verarbeitung durch die Verarbeitungseinheit geeignet ist, und jede der Schaltmatrizen Subgruppen der umgewandelten Signale zum Anlegen an den zugeordneten der unterschiedlichen Empfängerabschnitte auswählt.
Gruppenantennen-Funkempfängersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Empfängerabschnitt mehrere Hochfrequenz(RF)-Eingangseinheiten umfaßt, deren Anzahl der Anzahl der Signale in jeder der mit der Signalverarbeitungseinheit gekoppelten Subgruppen entspricht, und die Schaltmittel eine Schaltmatrix zum Koppeln ausgewählter Antennenelemente mit entsprechenden RF-Eingangsabschnitten jedes Empfängerabschnittes umfassen, wobei jeder RF-Eingangsabschnitt die Subgruppe von Signalen der entsprechenden Antennenelemente in ein zur Verarbeitung durch die Signalverarbeitungseinheit geeignetes Format umwandelt.
Gruppenantennen-Empfängersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Signalverarbeitungseinheit die mögliche Leistungsfähigkeit des entsprechenden Empfängerabschnittes mit allen unterschiedlichen möglichen Subgruppen der mehreren Signale mißt.
Gruppenantennen-Empfängersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Signalverarbeitungseinheit die Leistungsfähigkeit durch Überwachen von Statistiken der aus den unterschiedlichen Subgruppen stammenden Signale über einen Zeitraum mißt, der lang genug ist, um Fast-Fading-Effekte aufgrund von Phasenbeziehungen von Mehrwegkomponenten der Subgruppensignale herauszumitteln.
Gruppenantennen-Empfängersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit: periodisch Ausschnitte der Signale der Antennenelemente auswählt; die Signalausschnitte zur Berechnung einer Kovarianzmatrix für jeden der Benutzer verwendet; die Kovarianzmatrizen aller Benutzer dazu verwendet, eine Interferenz-Kovarianzmatrix für den zugeordneten Benutzer zu berechnen, welche die Summe der Störsignale anderer Benutzer charakterisiert; jede mögliche Subgruppe der Kovarianzmatrizen und der Interferenz-Kovarianzmatrizen mit der gleichen vorgeschriebenen Anzahl wie die Elemente in der Subgruppe auswählt; das Leistungsfähigkeitskriterium für jede ausgewählte Subgruppe von Signalen und zugeordneten Kovarianzmatrizen berechnet, und für ihren eigenen Benutzer die Subgruppe auswählt, die das beste Leistungsfähigkeitskriterium ergibt.
Gruppenempfängersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit als den Meßwert SINR als Spur der Kovarianzmatrixschätzung für den jeweiligen Nutzer m und die jeweilige Subgruppe mal dem Inversen der Interferenz-Kovarianzmaxtrixschätzung für den jeweiligen Benutzer und die Subgruppenauswahl gemäß dem Ausdruck berechnet:
Empfängersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, Kanalparameter für eine bestimmte Subgruppenauswahl zu überwachen und abhängig von diesen Parametern jede Kovarianzmatrix zu aktualisieren, wobei die Aktualisierung häufiger erfolgt als die Subgruppenauswahl.
Empfängersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Antennenelementen empfangenen Signale Pakete mit eingebetteten Trainingssequenzen umfassen und jede Verarbeitungseinheit in voreingestellten Schätzungsintervallen eine der unterschiedlichen Subgruppen von Signalen auswählt, die Pakete abtastet, die Trainingssequenz extrahiert und dazu verwendet, den Meßwert für die Leistungsfähigkeit der jeweils ausgewählten Subgruppe zu gewinnen.
Empfängersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Signalverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, einen minimalen mittleren quadratischen Fehler (MMSE) beim adaptiven Gewichten und Kombinieren jeder Subgruppe von Signalen zu verwenden, ein zweites Leistungsfähigkeitskriterium für jede Subgruppe über einen kürzeren Zeitraum als der erstgenannte Zeitraum zu bestimmen, und vom MMSE-Verfahren verwendete Wichtungen abhängig von der Kurzzeitraum-Messung einzustellen.
Empfängersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Signalverarbeitungseinheit das zweite Leistungsfähigkeitskriterium ausgehend von Signalen der aktuellen Subgruppe von Antennenelementen bestimmt.
Empfängersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente in einer radialen Gruppe von Richtelementen angeordnet sind.
Empfängersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente so gestaltet sind, daß Sektoren, die Strahlungs-/Empfindlichkeits-Keulen der benachbarten Antennenelemente entsprechen, sich teilweise überlappen.
Empfängersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor eine Verarbeitung mit minimalem mittleren quadratischen Fehler (MMSE) verwendet, um die Subgruppe von Signalen zu kombinieren und zu verarbeiten, und daß die Verarbeitungsmittel die Kanalparameter verwenden, um bei der MMSE-Verarbeitung verwendete Wichtungen zu aktualisieren.
Verfahren zum Empfang von Signalen von mehreren sendenden Benutzern unter Verwendung einer Gruppenantenne, die eine Gruppe von Antennenelementen (22/1, ..., 22/10) und einen Empfänger mit mehreren Empfängerabschnitten aufweist, deren jeder einem anderen der Benutzer entspricht, und die über ein Schaltmittel mit den Antennenelementen gekoppelt ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: periodisches Auswählen unterschiedlicher Subgruppen von Signalen der Antennenelemente, Verarbeiten und Kombinieren jeder Subgruppe von Signalen und Bestimmen der möglichen Leistungsfähigkeit des Empfängerabschnittes eines bestimmten Benutzers mit der Subgruppe, wobei ermittelt wird, welche der Subgruppen die beste Leistungsfähigkeit liefern würde, wobei die Leistungsfähigkeit auf der kombinierten Subgruppe von Signalen beruht, sowie Steuern des Schaltmittels, um die Signale, welche die Subgruppe von Signalen, die vom entsprechenden Empfängerabschnitt verwendet wird, umfassen, zu wechseln.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Antennenelemente jeweils in eine zur Verarbeitung durch die Signalverarbeitungseinheit geeignete Form umgewandelt werden und die Auswahl der Subgruppe durch Auswahl der umgewandelten Signale erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger einen einzelnen Abschnitt mit mehreren HF-Eingangseinheiten umfaßt, deren Anzahl der der Signale in der Subgruppe entspricht, und daß die Auswahl der Subgruppen durch Auswahl einer Subgruppe der Signale der Antennenelemente und Anlegen der Subgruppe an die HF-Eingangseinheiten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der möglichen Leistungsfähigkeit für alle unterschiedlichen möglichen Subgruppen der mehreren Signale durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsfähigkeit durch Überwachen von Statistiken der von den unterschiedlichen Subgruppen stammenden Signale über einen Zeitraum gemessen wird, der ausreichend lang ist, um Fast-Fading-Effekte aufgrund von Phasenbeziehungen von Mehrwegkomponenten der Subgruppensignale herauszumitteln.
Verfahren nach Anspruch 19, mit den Schritten: periodisches Auswählen von Ausschnitten der Subgruppe der Signale der Antennenelemente; Verwenden der Signalausschnitte zur Berechnung einer Kovarianzmatrix für jeden der Benutzer; Verwenden der Kovarianzmatrizen aller Benutzer, um für den zugeordneten Benutzer eine Interferenz-Kovarianzmatrix zu berechnen, welche die Summe der Störsignale anderer der Benutzer charakterisiert; Auswählen jeder möglichen Subgruppe der Kovarianzmatrizen und der Interferenz-Kovarianzmatrizen, mit der gleichen vorgeschriebenen Anzahl wie die Elemente in der Subgruppe; Berechnen des Leistungsfähigkeitskriteriums für jede ausgewählte Subgruppe von Matrizen, und Auswählen der Subgruppe, die das beste Leistungsfähigkeitskriterium ergibt, für den jeweiligen Benutzer.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert SINR ist, der als die Spur der Kovarianzmatrixschätzung für den jeweiligen Benutzer und die jeweilige Subgruppe mal dem Inversen der Interferenz-Kovarianzmaxtrix-Schätzung für den jeweiligen Benutzer und die Subgruppenauswahl gemäß dem Ausdruck berechnet wird:
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß Kanalparameter für eine bestimmte Subgruppenauswahl überwacht werden und abhängig von diesen Parametern jede Kovarianzmatrix häufiger aktualisiert wird als die Subgruppenauswahl.
Empfängersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Antennenelementen empfangenen Signale Pakete mit eingebetteten Trainingssequenzen umfassen und in voreingestellten Schätzungsintervallen eine der unterschiedlichen Subgruppen von Signalen ausgewählt wird, die Pakete abgetastet werden, die Trainingssequenz extrahiert sowie dazu verwendet wird, den Meßwert für die Leistungsfähigkeit der jeweils ausgewählten Subgruppe zu gewinnen.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Subgruppe von Signalen verarbeitet wird, indem der minimale mittlere quadratische Fehler (MMSE) beim adaptiven Gewichten und Kombinieren jeder Subgruppe von Signalen verwendet wird, und ein zweites Leistungsfähigkeitskriterium für jede Subgruppe über einen kürzeren Zeitraum als der erstgenannte Zeitraum gemessen wird, und vom MMSE-Verfahren verwendete Wichtungen abhängig von der Kurzzeitraum-Messung eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Leistungsfähigkeitskriterium ausgehend von Signalen der aktuell ausgewählten Subgruppe von Antennenelementen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der MMSE die Kanalparameter zum Aktualisieren der Wichtungen verwendet.
Empfänger zur Verwendung mit einer Gruppenantenne, die mehrere Antennenelemente zum Empfang von Signalen von mehreren sendenden Benutzern aufweist, wobei der Empfänger mehrere Empfängerabschnitte (12₀ , ..., 12₇ ) hat, die jeweils einem anderen der Benutzer entsprechen, jeder der Empfängerabschnitte eine Signalverarbeitungseinheit (16₀ ) zum Verarbeiten und Kombinieren einer Subgruppe von Signalen der Antennenelemente aufweist, um ein empfangenes Signal für den entsprechenden Benutzer zu erzeugen, und der Empfänger dadurch gekennzeichnet ist, daß er ein Schaltmittel (18₀ ) zum Auswählen mehrerer unterschiedlicher Subgruppen von Signalen der Antennenelemente zur Verarbeitung durch die Signalverarbeitungseinheit (16₀ ) umfaßt, jede Subgruppe aus einer vorbestimmten Anzahl der Signale besteht, jede Signalverarbeitungseinheit zur Steuerung des Schaltmittels dient, um die Signale, welche die vom entsprechenden Empfängerabschnitt verwendete Subgruppe von Signalen umfassen, abhängig von einem Meßwert der möglichen Leistungsfähigkeit dieses Empfängerabschnittes mit anderen Subgruppen der mehreren Signale zu wechseln, wobei der Meßwert auf der kombinierten Subgruppe von Signalen beruht.