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QUERVERWEIS
AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die
vorliegende Anmeldung ist mit den folgenden gleichzeitig anhängigen Anmeldungen
verwandt: US-Patentanmeldung
Laufnummer 08/716,659 mit dem Titel „Joint Timing, Frequency And
Weight Acquisition For An Adaptive Array", registriert am 6.9.1996, US-Patentanmeldung Laufnummer
08/606,777 mit dem Titel „Introducing
Processing Delay As A Multiple Of The Time Slot Duration", registriert am
27.2.1996, und US-Patentanmeldung
Nummer 08/695,492 mit dem Titel „Output Signal Modification
For Soft Decision Decoding",
registriert am 12.8.1996.
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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der drahtlosen Kommunikation
und insbesondere digitale drahtlose Kommunikationssysteme.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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In
drahtlosen Kommunikationssystemen hat sich gezeigt, daß die Verwendung
von Antennenarrays in der Basisstation sowohl die Reichweite (durch erhöhten Gewinn)
als auch die Kapazität
(durch Störungsunterdrückung) vergrößert. Bei
adaptiven Antennenarrays werden die von mehreren Antennenelementen
empfangenen Signale gewichtet und kombiniert, um die Systemleistung
zu verbessern, z. B. durch Maximierung der gewünschten Empfangssignalleistung
und/oder Unterdrückung
von Störungen. Die
Leistungsfähigkeit
adaptiver Antennenarrays nimmt mit der Anzahl von Antennen drastisch
zu. Mit Bezug auf einen Artikel mit dem Titel „The Impact of Antenna Diversity
on the Capacity of Wireless Communication Systems" von J. H. Winters,
R. D. Gitlin und J. Salz, IEEE Trans. on Communications, April 1994,
wird gezeigt, daß bei
Verwendung eines M-Element-Antennenarrays
mit optimalem Kombinieren der Empfangssignale N ≤ M–I Störer eliminiert und ein M–N-facher Diversity-Gewinn
gegenüber
Mehrwegefading erzielt werden kann, was zu vergrößerter Reichweite führt.
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Die
meisten Basisstationen verwenden heute jedoch nur zwei Empfangsantennen
mit suboptimaler Verarbeitung, z. B. Auswahl-Diversity, wobei die
Antenne mit der größeren Signalleistung
für Empfang
und Verarbeitung ausgewählt
wird. Es ist wünschenswert,
existierende Basisstationen modifizieren zu können, um größere Arrays von Antennen und/oder
verbesserte Empfangssignal-Kombinierungstechniken zu ermöglichen.
Das Modifizieren existierender Geräte ist jedoch schwierig, zeitaufwendig
und kostspielig, insbesondere da zur Zeit am Einsatzort befindliche
Geräte
von vielfältigen
Vertreibern stammen.
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Eine
Alternative besteht darin, einen Zusatzkreis zu verwenden, wobei
es sich um eine Outboard-Signalverarbeitungsbox
handelt, die zwischen den aktuellen Basisantennen und dem Eingang
der Basisstation angeordnet wird und die der Basisstation zugeführten empfangenen
Signale adaptiv gewichtet und kombiniert, wobei wahlweise zusätzliche Antennen
verwendet werden. 1 zeigt eine Basisstation, die
einen Zusatzkreis verwendet. Ein Schlüssel für die Durchführbarkeit
der Verwendung des Zusatzkreis-Ansatzes
besteht darin, daß er
nur wenig oder überhaupt
keine Modifikationen an den Basisstationsgeräten erfordern sollte. Diese
Einschränkung
impliziert, daß die
von dem Zusatzkreis durchgeführte
Verarbeitung für
die existierenden Geräte transparent
sein muß.
Im Idealfall sollte das aus dem Zusatzkreis hervortretende Signal
der existierenden Basisstation als ein qualitativ hochwertiges empfangenes
Signal von einer einzigen Antenne erscheinen.
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Wie
bei vielen Durchlaßband-Digitalkommunikationssystemen,
die mit HF-Frequenzen arbeiten, ist es häufig vorzuziehen, das interessierende
Frequenzband zu einem niedrigeren Frequenzband zu demodulieren oder „abwärts" umzusetzen und die
erforderliche digitale Signalverarbeitung an diesem niederfrequenteren
Duplikat des Empfangssignals durchzuführen. Die Abwärtsumsetzung
erlaubt eine Durchführung
der Analog-Digital(A/D-)-Umsetzung und
der nachfolgenden Signalverarbeitung mit einer niedrigeren Rate,
wodurch die Implementierungskosten und die Komplexität der Hardware
für die
digitale Signalverarbeitung verringert werden. Als Beispiel wird
die Abwärtsumsetzung
in das Basisband betrachtet.
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Der
Prozeß der
Abwärtsumsetzung
in das Basisband erfordert im Empfänger eine Synthese eines Bezugssignals,
das sich bei der nominalen Trägerfrequenz
des zu demodulierenden Signals befindet. Dieses Bezugssignal wird
von einem Empfangsoszillator (LO) erzeugt. Bei den relativ hohen
HF-Frequenzen, die im Funk im Band zellularer und persönlicher
Kommunikationssysteme (PC S) verwendet werden, wird es durch praktische
Gesichtspunkte schwierig, das LO-Signal
mit extremer Präzision
zu erzeugen, und es besteht in der Regel ein bestimmter nichttrivialer
Frequenzfehler oder „Trägerfrequenz-Offset". Trägerfrequenz-Offset
kann zu einer Leistungsverschlechterung führen, insbesondere wenn ein
kohärentes
Bezugssignal zur Ableitung der adaptiven Gewichte verwendet wird.
In bestimmten Umständen
kann Frequenz-Offset alleine zu einem signifikanten übermäßigen Mean-Squared-Fehler (MSE)
führen.
Deshalb ist es notwendig, die durch Trägerfrequenz-Offset verursachte
Leistungsverschlechterung zu verringern.
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Aus
EP-A-0 735 702 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, wobei
eine Mobilfunkbasisstation verwendet wird, die eine Anzahl omnidirektionaler
Antennen aufweist. Jedes Antenneneingangssignal wird einem Detektor
zugeführt.
Die Detektorausgangssignale werden zu einer Bewertungsschaltung
geleitet. Die Bewertungsschaltung verwendet einen adaptiven Algorithmus
zur Berechnung der zum optimieren des Empfangssignals/Rausch-Verhältnisses
erforderlichen Gewichte und betrifft die Gewichtung für jeden
Kanal. Die Basisstation empfängt
dann die summierten Ausgangssignale der Signale.
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Bellini
et al.: „Digital
frequency estimation in burst mode QPSK transmission", IEEE Transactions on
Communications, Band 38, Nr. 7, Juli 1990, Seiten 959–961, XP002057110
beschreibt ein Verfahren, bei dem Burst-Digitalübertragung in verschiedenen Funkkommunikationssystemen
verwendet wird, wie zum Beispiel in TDMA-Satellitensystemen (Time-Division
Multiple-Access). Wenn über
aufeinanderfolgende Rahmen hinweg keine Phasenkohärenz von Burst
zu Burst aufrechterhalten werden kann, kann man einen digitalen
Schätzer
verwenden, der direkt an Datenpaketen der TDMA-Systeme operiert.
Der digitale Schätzer
entfernt Modulation aus PSK-modulierten Symbolen, mittelt phasengleiche
und Quadraturkomponenten und bestimmt die Trägerphase für einen Block der Symbole.
In der Regel ist gewöhnlich ein
gewisser Frequenz-Offset unvermeidbar und wirkt sich auf den Mean-Squared-Phasenschätzungsfehler
und Phasenfehler aus. Das Verfahren untersucht digitale Empfängerstrukturen
zum Entfernen des Frequenz-Offset.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der Erfindung werden in den
unabhängigen
Ansprüchen
definiert. Bevorzugte Formen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit eines
digitalen drahtlosen Empfängers
bereitgestellt. Die Vorrichtung umfaßt eine Verarbeitungsschaltung zum
Verarbeiten mehrerer empfangener Signale, die ein verarbeitetes
Signal bereitstellt, wobei jedes der mehreren empfangenen Signale
mit einer entsprechenden zeitveränderlichen
komplexen Variation multipliziert wird, um eines von mehreren modifizierten
Signalen zu erhalten, wobei die mehreren modifizierten Signale dann
jeweils gewichtet und kombiniert werden, um das verarbeitete Signal
bereitzustellen; und eine Erzeugungsschaltung zum Erzeugen der entsprechenden
zeitveränderlichen
komplexen Variation.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Ein
vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus einer Betrachtung der
folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines vorbekannten adaptiven Array-Zusatzkreises,
der mehrere Antennen verwendet; und
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2 ein
Blockschaltbild von Zusatzkreis-Prozessorschaltkreisen, die die
vorliegende Erfindung realisieren.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Obwohl
die vorliegende Erfindung insbesondere für die Verwendung in TDMA-Mobilfunksystemen
geeignet ist und mit Bezug auf diese Anwendung beschrieben werden
wird, können
die hier offengelegten Verfahren und Vorrichtungen auch auf andere
digitale drahtlose Kommunikationssysteme angewandt werden. Obwohl
sich die vorliegende Erfindung besonders für die Verwendung mit einem
Zusatzkreis eignet und mit Bezug auf diese Anwendung beschrieben
werden wird, sind die hier offengelegten Verfahren und Vorrichtungen
gleichermaßen
für eine integrierte
Lösung
für adaptive
Arrays in einer Basisstation geeignet.
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Mit
Bezug auf 1 ist ein Blockschaltbild eine
Art von in einem Basisstations-Zusatzkreis verwendeter Signalverarbeitung.
Ein durch eine Mobilantenne 12 von einer Mobilstation 10 gesendetes
Signal u(t) wird aus M Antennen 18 jeweils mit Empfangssignalen
s1(t) bis sM(t)
von einer Basisstation 16 empfangen. Die Empfangssignale
werden mit Multiplizierern 20 jeweils mit Gewichten w1(t) bis wM(t) gewichtet,
um entsprechende gewichtete Signale x1(t) bis
xM(t) zu erzeugen. Die gewichteten Signale
x1(t) bis xM(t)
werden mit dem Summierer 24 kombiniert, um ein Ausgangssignal
y(t) zu erzeugen, das dann in Basisstationsgeräten zugeführt wird. Die Gewichte w1(t) bis wM(t) werden
durch die Gewichterzeugungsschaltkreise 22 unter Verwendung
der Empfangssignale s1(t) bis sM(t)
und des Ausgangssignals y(t) erzeugt. In den Zusatzkreis-Prozessorschaltkreisen 14 werden
die Empfangssignale s1(t) bis sM(t)
gewichtet und kombiniert, um die Signalqualität am Ausgang zu verbessern.
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Mit
der korrekten Symbolzeitsteuerung und Trägerfrequenz können die
Gewichte erzeugt werden, um die von mehreren Antennen empfangenen Signale
zu kombinieren und um Gewinn zu vergrößern und Störungen zu unterdrücken, wodurch
ein Betrieb auch mit Rausch- und/oder
Störleistung,
die größer als
die Signalleistung ist, möglich
wird. In einem adaptiven Arraysystem, das so ausgelegt ist, daß der Ausgangs-Mean-Squared-Fehler
(MSE) minimiert wird, ist ferner, wenn das Fading groß genug ist,
die durch mäßige Pegel
der Trägerfrequenz
verursachte Leistungsverschlechterung relativ klein. Wenn die Fadingrate
reduziert wird, werden die Effekte des Trägerfrequenz-Offsets jedoch
immer schlechter, insbesondere wenn ein kohärentes Bezugssignal zum Ableiten
der adaptiven Gewichte verwendet wird. Ohne Fading kann der Frequenz-Offset alleine
zu einem signifikanten übermäßigen MSE führen.
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Mit
einem adaptiven Arraysystem, mit absichtlich eingeführtem kleinem
Frequenz-Offset wurde eine Demonstration durchgeführt, und
der übermäßige Radial-MSE (der Teil des
MSE, der auf dem Frequenz-Offset durchzuführen ist) konnte beobachtet
werden. Bei relativ stationärer
Streuumgebung, das heißt,
mit einer Fadingrate von nahezu Null, war der Radial-MSE relativ
groß.
Bei etwas erhöhter
Fadingrate wurde jedoch beobachtet, daß sich der Radial-MSE beträchtlich
verringert. Dieses Ergebnis scheint der Intuition zuwiderzulaufen,
da man erwarten würde,
daß sich
der MSE bei Anwesenheit von Fading aufgrund von adaptivem Gewichts-Fehltracking
vergrößern würde. Mit
einem mäßigen Frequenz-Offset
ist der Nettoeffekt jedoch eine Verminderung des MSE, wenn das Fading
vergrößert wird, bis
zu einem Punkt, an dem die adaptiven Gewichte beginnen, dem Fading
falsch zu folgen.
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Dieses
der Intuition zuwiderlaufende Verhalten kann durch Betrachtung des
folgenden Least-Squares-Problems verstanden werden, min W ||Aw – b||2 Gleichung 1,das
der Berechnung adaptiver Gewichte zugrunde liegt. Dabei ist AL×M die
empfangene Datenmatrix, w die zu bestimmende Menge adaptiver Gewichte,
b der Bezugssignalvektor, L die Fenstergröße, über die hinweg der Gewichtsvektor
berechnet wird, und das -ij-te Element von A ist der i-te symbolsynchrone
Abtastwert aus der j-ten Antenne.
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Bei
anwesendem Frequenz-Offset läßt sich zeigen,
daß das
Minimierungsproblem (Gleichung 1) prinzipiell keine Lösung mit
kleinem Rest (niedrigem MSE) ergeben kann, wenn der Kanal stationär ist. Der
Grund dafür
besteht darin, daß unter
diesen Umständen
der Bezugsvektor b nicht in dem Werteraum von A liegt. Mit Fading
erweitert die zeitliche Variation der Kanäle mit Fading über die
beobachteten Daten hinweg jedoch den Werteraum von A und es wird möglich, einen
adaptiven Gewichtsvektor w zu realisieren, der zu einem kleineren
Rest führt.
Man muß kein
sehr schnelles Fading haben, um einen signifikanten Vorteil gegenüber dem
Fall ohne Fading zu erhalten. Bei einem System des Typs IS-136 wurde beobachtet,
daß einige
wenige Hertz Fading den Effekt von mehreren hundert Hertz Frequenz-Offsets signifikant
vermindern.
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Durch
Einführen
einer kleinen Menge an künstlichem
Fading im Empfänger
können
die Effekte des Frequenz-Offset
für die
Situation des stationären Kanals
vermindert werden, ohne die Mistracking-Kosten signifikant zu erhöhen, wenn
schnelles Fading vorliegt. Ein künstliches
Fading kann im Empfänger
eingeführt
werden, indem jedes der M empfangenen Signale mit einer entsprechenden
zeitveränderlichen
komplexen Variation multipliziert wird, die beispielsweise in Echtzeit
durch einen digitalen Signalprozessor berechnet wird. Die Kenngrößen der zeitveränderlichen
komplexen Variation sind nicht kritisch; insbesondere muß die Variation
nicht genau ein tatsächliches
Fading imitieren. Die Schlüsselkenngrößen bei
der Wahl von Variationsrate und -profil bestehen darin, daß die Fadingrate
im Vergleich zu tatsächlichen
maximalen Fadingraten relativ niedrig ist und daß die Variationen eine relativ
kleine Korrelation zwischen Kanälen
aufweisen. Bei bestimmten Implementierungen kann es wünschenswert
sein, abhängig
von den Dynamikumfangfähigkeiten
der nachfolgenden Signalverarbeitung den Betrag der komplexen Variationen auf
einen bestimmten geeigneten gewählten
Bereich von Beträgen
zu begrenzen oder die Beträge
festzuhalten und nur die Phasen zu variieren.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild von Hilfszweig-Prozessorschaltkreisen, die die vorliegende Erfindung
verwenden. Strukturen, die durch dieselben Bezugszahlen gekennzeichnet
sind, arbeiten auf dieselbe Weise wie für 1 beschrieben,
außer
wie nachfolgend beschrieben. Wenn man dies mit den Hilfszweig-Prozessorschaltkreisen
von 1 vergleicht, wird ersichtlich, daß die vorliegende
Erfindung zusätzlich
die komplexen Multiplizierer 100 und einen Generator für künstliches
Fading 110 umfaßt. Der
Fading-Generator 110 erzeugt M Signale
v1(t),
.., vM(t), die unkorrelierte zeitveränderliche
komplexe Variationen sind, deren Amplituden und Phasen einem durch
die Umgebung eingeführten
Fading ähneln
können.
Die komplexen Multiplizierer 100 multiplizieren die Empfangssignale
s1(t), .., sM(t)
mit entsprechenden komplexen Variationen v1(t),
.., vM(t), um die modifizierten Signale
q1(t), .., qM(t) zu
erzeugen. Die resultierenden mehreren modifizierten Signale werden
dann wie im Stand der Technik gewichtet und kombiniert, z. B. um
so den Mean-Squared-Fehler in dem Ausgangssignal y(t) zu minimieren.
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Die
komplexen Variationen v1(t), .., vM(t) können
zum Beispiel durch einen digitalen Signalprozessor, durch Tabellennachschlag
oder zahlreiche andere Techniken, die für Fachleute offensichtlich
sind, erzeugt werden. Es wurde gezeigt, daß das genaue Zeitverhalten
dieser Variationen für
die Wirksamkeit der Erfindung nicht kritisch ist. Es wurde gezeigt,
daß ein
Rayleigh-Fading-Profil
effektiv ist. Es können
einfache Variationsprofile verwendet werden, beispielsweise können die
komplexen Variationen bezüglich Betrag
konstant bleiben und nur bezüglich
Phase variieren, oder die komplexen Variationen können bezüglich Phasen
konstant bleiben und nur bezüglich Betrag
variieren.
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Die
Variationsrate der komplexen Variationen muß schnell genug sein, damit
eine bestimmte nichttriviale Variation über das L-Symbol-Zeitfenster besteht, über das
hinweg die Gewichte w1(t), .., wM(t) berechnet werden, aber nicht so schnell,
daß sich
die Variationsrate der maximalen Fadingrate nähert, mit der das System betrieben
werden kann. In der Praxis muß möglicherweise
experimentiert werden, um eine geeignete Variationsrate und ein
geeignetes Variationsprofil zu bestimmen.
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Für Fachleute
werden im Hinblick auf die obige Beschreibung zahlreiche Modifikationen
und alternative Ausführungsformen
der Erfindung offensichtlich sein, wie zum Beispiel ein Kombinieren
der Verarbeitung zur Erzeugung von künstlichem Fading mit der Gewichtserzeugungsverarbeitung.
Folglich soll die vorliegende Beschreibung nur als Veranschaulichung
angesehen werden und dient dazu, Fachleuten die beste Art der Ausführung der
Erfindung zu lehren.