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Hintergrund
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Funkkommunikationssysteme
und im Speziellen Verfahren zur Interferenzunterdrückung zum
Verbessern der Qualität
in Mobilstationen empfangener Signale.
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Die
Industrie für
zellulare Telefone hat phänomenale
Fortschritte im kommerziellen Betrieb in den Vereinigten Staaten
als auch im Rest der Welt getätigt.
Das Wachstum in bedeutenden großstädtischen
Gebieten hat die Erwartungen bei weitem übertroffen und übertrifft
die Systemkapazität
rasch. Wenn sich dieser Trend fortsetzt, werden die Auswirkungen
dieses Wachstums der Industrie bald auch die kleinsten Märkte erreichen. Innovative
Lösungen
sind zum Erfüllen
dieser anwachsenden Kapazitätsbedürfnisse
als auch zum Erhalten eines Dienstes mit hoher Qualität und zum
Vermeiden steigender Preise erforderlich.
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In
der gesamten Welt ist ein bedeutender Schritt beim Fortschritt von
Funkkommunikationssystemen die Änderung
von einer analogen zu einer digitalen Übertragung. Gleich signifikant
ist die Wahl eines wirksamen digitalen Übertragungsschemas zum Implementieren
der nächsten
Generationstechnologie. Darüber
hinaus wird weithin geglaubt, dass die erste Generation von persönlichen
Kommunikationsnetzen (PCNs, Personal Communication Networks), die
kostengünstige,
taschengroße,
schnurlose Telefone einsetzen, die bequem getragen werden können und
zum Tätigen
oder Empfangen von Anrufen zu Hause, im Büro, auf der Straße, im Auto
usw. verwendet werden können,
zum Beispiel durch zellulare Träger
unter Verwenden der digitalen Zellularsysteminfrastruktur für die nächste Generation
bereitgestellt werden. Ein wichtiges, in diesen neuen Systemen gewünschtes
Merkmal ist eine erhöhte
Verkehrskapazität.
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Gegenwärtig wird
ein Kanalzugang primär
erreicht durch Vielfachzugriffsverfahren im Frequenzmultiplex (FDMA,
Frequency Division Multiple Access) und Vielfachzugriffsverfahren
im Zeitmultiplex (TDMA, Time Division Multiple Access). Bei FDMA
ist ein Kommunikationskanal ein einzelnes Funkfrequenzband, in welchem
eine Übertragungsleistung
eines Signals konzentriert ist. Signale, die mit einem Kommunikationskanal interferieren
können,
enthalten die auf benachbarten Kanälen Übertragenen (Nachbarkanalinterferenz)
und die auf demselben Kanal in anderen Zellen Übertragenen (Interferenz aus
dem gleichen Kanal bzw. Co-Kanalinterferenz). Eine Interferenz mit
benachbarten Kanälen
wird durch die Verwendung von Bandpassfiltern begrenzt, die nur
Signalenergie innerhalb des spezifizierten Frequenzbandes durchschreiten
lassen. Eine Interferenz aus dem gleichen Kanal wird auf tolerierbare
Pegel begrenzt durch Einschränken
der Kanalwiederverwendung durch Bereitstellen einer minimalen Trennungsdistanz
zwischen Zellen, in welchen dasselbe Frequenzband verwendet wird.
Da jeder Kanal einer unterschiedlichen Frequenz zugewiesen ist,
ist somit die Systemkapazität
sowohl durch die verfügbaren
Frequenzen als auch die durch die Kanalwiederverwendung auferlegten
Einschränkungen
begrenzt. FDMA wurde für
den Kanalzugriff in Systemen der ersten Generation so wie AMPS verwendet.
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In
TDMA-Systemen besteht ein Kanal beispielsweise aus einem Zeitschlitz
in einer periodischen Folge von Zeitintervallen über dieselbe Frequenz. Jede
Periode von Zeitschlitzen wird Rahmen genannt. Eine Energie eines
gegebenen Signals ist auf einen dieser Zeitschlitze eingeengt. Eine
Nachbarkanalinterferenz wird durch die Verwendung eines Zeitgatters
oder eines anderen Synchronisationselementes beschränkt, das
nur zur passenden Zeit empfangene Signalenergie durchschreiten lässt. Da
jeder Kanal einem unterschiedlichen Zeitschlitz zugewiesen ist,
ist die Systemkapazität
somit sowohl durch die verfügbaren
Zeitschlitze als auch durch die durch die Kanalwiederverwendung
auferlegten Einschränkungen,
wie oben bezüglich
FDMA beschrieben, begrenzt. TDMA ist verwendet worden zum Bereitstellen
eines Kanalzugriffs für
Funkkommunikationssysteme der zweiten Generation, so wie D-AMPS.
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Bei
FDMA- und TDMA-Systemen (also auch hybriden FDMA/TDMA-Systemen)
ist es ein Ziel der System-Designer, sicherzustellen, dass zwei
möglicherweise
interferierende Signale nicht dieselbe Frequenz zur selben Zeit
belegen. Im Gegensatz dazu ist ein Vielfachzugriff im Codemultiplex
(CDMA, Code Division Multiple Access) eine Kanalzugriffstechnik,
die Signalen ermöglicht,
sowohl in der Zeit als auch in der Frequenz zu überlappen. CDMA ist ein Typ
von Spreizspektrumkommunikationen, die es seit den Tagen des zweiten Weltkriegs
gibt. Frühe
Anwendungen waren überwiegend
militärisch
orientiert. Jedoch hat es heutzutage ein zunehmendes Interesse im
Verwenden von Spreizspektrumsystemen in kommerziellen Anwendungen
gegeben, da Spreizspektrumkommunikationen eine Robustheit gegenüber einer
Interferenz bereitstellen, was es mehrfachen Signalen ermöglicht,
dieselbe Bandbreite zur selben Zeit zu belegen. Beispiele solcher
kommerzieller Anwendungen enthalten digitalen Zellularfunk, Landfunk
und Innen- und Außen-Privatkommunikationsnetzwerke.
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In
einem typischen CDMA-System wird ein zu übertragender Informationsdatenstrom
einem Datenstrom mit viel höherer
Bitrate eingeprägt,
der durch einen Pseudozufallscode-Generator erzeugt wird. Das Informationssignal
und das Pseudozufallssignal werden typischerweise durch eine Multiplikation
in einem Prozess kombiniert, der manchmal Codieren oder Spreizen
des Informationssignals genannt wird. Jedes Informationssignal ist
einem eindeutigen Spreizungscode zugeteilt. Eine Vielzahl codierter
Informationssignale wird als Modulationen von Funkfrequenzträgerwellen übertragen
und wird gemeinsam als ein Verbundsignal bei einem Empfänger empfangen.
Jedes der codierten Signale überlappt
sämtliche
der anderen codierten Signale, als auch rauschbezogene Signale,
sowohl in der Frequenz als auch in der Zeit. Durch Korrelieren des
Verbundsignals mit einem der eindeutigen Spreizungscodes kann das
entsprechende Informationssignal isoliert und decodiert werden.
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Sendeleistungs-Steuerverfahren
sind wichtig für
CDMA-Kommunikationssysteme
mit vielen gleichzeitigen Sendern, weil solche Verfahren die gegenseitige
Interferenz solcher Sender reduzieren. Abhängig von den Systemcharakteristika
kann eine Leistungssteuerung in solchen Systemen wichtig sein für die Aufwärtsverbindung
bzw. den Uplink (d.h. für Übertragungen
von einem entfernten Endgerät
zu dem Netzwerk), die Abwärtsverbindung
bzw. den Downlink (d.h. für Übertragungen
von dem Netzwerk zu dem entfernten Endgerät) oder beides. Wie TDMA ist
CDMA verwendet worden zum Bereitstellen eines Kanalzugriffs in manchen
später entwickelten
Systemen für
die zweite Generation, so wie IS-95.
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Mit
einem dichteren Zusammenwachsen von Informationstechnologien und
Kommunikationstechnologien nimmt der Bedarf für eine Unterstützung für eine hohe Datenrate
(zum Beispiel größer als
56 kbit/s) rasch zu, besonders mit der Ankunft des Internets und
dem Wunsch, Videoinformation zu übertragen.
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Funkkommunikationssysteme
der zweiten Generation wurden nicht zum Handhaben solcher hohen Datenraten
entworfen. Demgemäß sind nun
Systeme für
die dritte Generation in der Entwicklung, für welche sowohl TDMA als auch
Breitband-CDMA für
den Kanalzugriff betrachtet werden.
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Eines
der Merkmale eines Breitband-CDMA-Zellularsystems, verglichen mit
heutigen Schmalbandsystemen, ist das Potential zum Unterstützen einer
Datenkommunikation mit hohen Datenraten, zum Beispiel 384 kbit/s.
Bei solch hohen Datenraten kommunizierende Mobilstationen werden
jedoch einen großen
Teil der Systemkapazität
verbrauchen. Um den Einfluss von Benutzern einer hohen Datenrate
auf die Systemkapazität zu
reduzieren, könnte
es für
diese Benutzer erforderlich sein, mit Signalen zu arbeiten, die
ein niedrigeres Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Eb/N0) haben, d.h.,
dass es erforderlich sein kann für
die Empfänger,
mehr Interferenzen handzuhaben.
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Darüber hinaus
kann die Einführung
sog. „Heimat"-Basisstationen in Funkkommunikationssystemen Situationen
schaffen, wo neue Typen örtlich
begrenzter Signale, mit niedrigem Signal-zu-Rausch-Verhältnis, existieren.
Das Heimat-Basisstations-Konzept schließt eine Versorgung der Benutzer
mit Basisstationseinheiten in deren Heimgebieten ein, mit denen
deren Mobileinheiten kommunizieren können zum Platzieren von Anrufen,
wenn die Benutzer zu Hause sind. Es ist beabsichtigt, dass der Zugriff
auf diese Heimat-Basisstationen nur auf autorisierte Heimatbenutzer
beschränkt
ist. Somit können
andere mit der Funkkommunikation verbundene Einheiten, die bei de
(r/n) Heimat-Basisstation(en) vorbeischreiten, eine zusätzliche, örtlich beschränkte Interferenz
und eine entsprechende Reduzierung im Signal-zu-Rausch- Verhältnis für das deren
Verbindung unterstützende
Signal erfahren.
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Ein
Erfüllung
der Systemerfordernisse zum Handhaben weniger robuster Signale könnte erreicht
werden durch Einführen
eines fortgeschritteneren Empfängeralgorithmus
(d.h., um eine verbesserte Detektierung relativ matter Signale bereitzustellen).
Jedoch gibt es Beschränkungen
für die
Fähigkeit
von Empfängeralgorithmen,
Symbole in Signalen mit sehr niedrigem Eb/N0 aufzulösen.
Die Anmelder haben erkannt, dass eine andere mögliche Lösung im Verwenden einer Empfängerdiversität, d.h.,
mehrerer Antennen bei der Mobilstation, und Kombinieren der empfangenen
Signale liegt, um die Reduzierung im Eb/N0 zu überwinden.
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Antennendiversitätstechniken
basieren auf der Kenntnis, dass, wenn die Pfadlängen, die Signale über das Übertragungsmedium
durchlaufen, relativ klein sind, die mehrfachen Signalbilder zur
nahezu derselben Zeit ankommen. Die Bilder addieren sich entweder
konstruktiv oder destruktiv, mit Hervorrufen eines Schwundes, der
typischerweise eine Rayleigh-Verteilung hat. Wenn die Pfadlängen relativ
groß sind,
wird das Übertragungsmedium
als zeitdispersiv betrachtet, und die addierten Bilder können als
Echos des übertragenen
Signals angesehen werden, mit Hervorrufen einer Intersymbolinterferenz
(ISI).
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Ein
Schwund kann durch mehrfache Empfangsantennen gelindert werden und
durch Einsetzen irgendeiner Form eines Diversitätskombinierens, Kombinierens
für eine
gleiche Verstärkung
oder eines Maximum-Verhältnis-Kombinierens. Eine
Diversität
zieht einen Vorteil aus der Tatsache, dass der Schwund auf unterschiedlichen
Antennen nicht derselbe ist, so dass, wenn eine Antenne ein schwundbehaftetes
Signal hat, es Chancen gibt, dass die andere Antenne dieses nicht
hat.
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Die
Verwendung mehrfacher Antennen in Funkkommunikationssystemen für eine Diversität ist an
sich bekannt. Zum Beispiel wird ein Algorithmus, der zum Verarbeiten über eine
Array-Antenne in einer Basisstation empfangener Signale verwendet
wird, in Naguib, Ayman F. et al., Recursive Adaptive Beamforming
for Wireless CDMA, IEEE 1995 beschrieben. Jedoch sind die meisten
Anwendungen einer Antennendiversität, wie die in Naguib Beschriebene,
bei der Basisstation zum Empfangen von durch Mobilstationen auf
der Aufwärtsverbindung übertragenen
Signalen betrieben worden. Sehr wenige Systeme haben Mobilstationen
mit mehrfachen Antennen implementiert.
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Ein
Beispiel einer Antennendiversität
bei der Mobilstation, d.h. zum Verarbeiten von durch die Basisstation
auf der Abwärtsverbindung übertragenen
Signalen, kann in dem japanischen PDC-System gefunden werden. Das
PDC-System verwendet eine sog. Umschaltdiversität, wodurch der Empfänger in
der Mobilstation eine der zwei Versionen des Signals auswählt, das
zu seinen Antennen gekoppelt wird. Diese Diversitätsform ist
jedoch eher schlicht, da sie nicht die empfangenen Signale kombiniert,
und deshalb eine relativ niedrige Leistungsfähigkeit bereitstellt. Darüber hinaus
versagte diese frühere
Implementierung einer Diversität
bei der Mobilstation, die signifikanten Probleme für eine örtlich begrenzte
Interferenz zu adressieren, welche durch die Heimat-Basisstationen
und den aufkommenden Bedarf für
höhere
Datenübertragungsraten
vorstellig werden.
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Demgemäß gibt es
einen Bedarf zum Bereitstellen von Techniken zum Handhaben des Kombinierens von
bei Mobilstationen in Funkkommunikationssystemen empfangenen Signalen,
und im Besonderen zum Handhaben des Verarbeitens mehrerer, über Antennen-Array-Elemente
bei einer Mobilstation empfangener Signale.
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Der
Oberbegriff der unabhängigen
Ansprüche
ist aus EP-A-0 674
401 bekannt.
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Zusammenfassung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen
Mängel
zu überwinden
durch Bereitstellen eines Empfängers
mit der Fähigkeit
zum Verarbeiten mehrerer, über
eine Array-Antenne empfangener Signale und zum Unterdrücken einer
Interferenz, dessen Fähigkeit
angepasst ist zur Verwendung mit in Mobilstationen eingerichteten
Empfängern.
Diese Fähigkeit
wird es wiederum Mobilstationen gemäß der vorliegenden Erfindung
ermöglichen,
auf Signalen mit niedrigeren Signal-zu-Rausch-Verhältnissen als den heutzutage
gegenwärtig
Verwendeten zu arbeiten.
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Mobilstationen
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwenden mehrere Antennen (oder Antennenelemente) zum
Empfangen deren beabsichtigten Signale und zum Kombinieren der über die
mehreren Antennen empfangenen Signale mit Verwenden derer auf eine
Weise, die die mit den Übertragungen
von anderen, zum Beispiel Heimat-Basisstationen,
Basisstationen, verknüpfte
Interferenz unterdrückt.
Genauer genommen wenden Techniken gemäß der vorliegenden Erfindung
die Interferenz-Kovarianzmatrix an, um optimal eine Interferenz
von unerwünschten
Basisstationen zu unterdrücken.
Die Unterdrückung
kann ohne Kenntnis der Spreizungssequenz der interferierenden Basisstationen
oder ohne Notwendigkeit zum Demodulieren der durch die gewünschte Basisstation
gesendeten Daten erreicht werden. Wenn die Anzahl von interferierenden Strahlen niedriger
ist als die Anzahl von Antennen oder Array-Elementen, dann ist die
Interferenzunterdrückung
sehr groß mit
Verwenden von Techniken gemäß der vorliegenden
Erfindung, was in einer merklich verbesserten empfangenen Signalqualität resultiert.
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Da
die vorliegende Erfindung primär
ein Signalverarbeiten bei der Mobilstation betrifft, d.h. eher Downlink-Übertragungen,
als den Uplink, wird die Tatsache berücksichtigt, dass orthogonale
Spreizungssequenzen typischerweise für den Downlink verwendet werden.
Als eine Folge werden zum Gewichten jeder empfangenen Signalversion
verwendete Gewichtungsfaktoren durch beispielhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eher mit Verwenden der Kovarianzmatrix
sämtlicher
Signale als der Interferenz-Kovarianzmatrix berechnet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung arbeitende Mobilstationen stellen eine Anzahl von Vorteilen
gegenüber
konventionellen Mobilstationen bereit. Wegen ihrer Fähigkeit
zum Unterdrücken
einer Interferenz, die mit von anderen Basisstationen übertragenen
Signalen verknüpft
ist, werden Mobilstationen gemäß der vorliegenden
Erfindung dazu tendieren, die Anzahl von weichen Abgaben bzw. Handoffs
zu reduzieren, die anderenfalls bei Zellengrenzen durchgeführt werden
könnten.
Zum Beispiel kann eine nahe an einer Zellengrenze arbeitende Mobilstation
ein starkes interferierendes Signal von einer benachbarten Basisstation
empfangen. Die Stärke
des empfangenen Signals kann Abgabe-Algorithmen in dem System auslösen, die
eine Abgabe der Mobilstation von ihrer gegenwärtigen Basisstation zu der
benachbarten Basisstation erzwingen. Diese Abgabe kann vermieden
werden, wenn das Signal der benachbarten Basisstation ausreichend
unterdrückt
werden kann, wodurch auch eine adäquate empfangene Signalqualität von der
Basisstation bereitgestellt wird, mit welcher die Mobilstation gegenwärtig verbunden
ist. Eine allgemeine Reduzierung in der Anzahl von Abgaben wird
auch eine systemweite Interferenz reduzieren und die Systemkapazität steigern.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden leichtfertig dem Fachmann aus der folgenden schriftlichen
Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen ersichtlich werden.
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1 veranschaulicht
ein allgemeines zellulares Funkkommunikationssystem.
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2 ist
ein sehr allgemeines Blockdiagramm einer CDMA-Übertragung und eines Empfangssystems.
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3 veranschaulicht
Empfängerarchitekturen
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4 ist
ein Graph, der der vorliegenden Erfindung zuschreibbare Vorteile
darstellt mit Verwenden einer Simulation mit einem Ein-Strahl Rayleigh-verteilten
Kanal mit zwei Antennen.
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5 veranschaulicht
Simulationsergebnisse für
Empfänger
gemäß der vorliegenden
Erfindung im Vergleich mit konventionellen Empfängern mit Verwenden einer Drei-Strahl-Kanalsimulation
mit zwei Antennen.
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6 veranschaulicht
Simulationsergebnisse für
einen Drei-Strahl-Kanal mit zwei Antennen mit einem Strahl von unerwünschten
Basisstationen.
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Detaillierte Beschreibung
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In
der folgenden Beschreibung werden spezifische Details bekannt gemacht,
zum Zweck einer Erläuterung
und nicht zur Einschränkung,
so wie bestimmte Schaltkreise, Schaltkreiskomponenten, Techniken
usw., um ein tief gehendes Verständnis
der Erfindung bereitzustellen. Zum Beispiel werden vielfältige Details
mit Bezug zu einer beispielhaften Modulation und Übertragungstechniken
bereitgestellt. Jedoch wird der Fachmann erkennen, dass die vorliegende
Erfindung in anderen Ausführungsformen
betrieben werden kann, die von diesen spezifischen Details abweichen.
In anderen Fällen
werden detaillierte Beschreibungen wohl bekannter Verfahren, Geräte und Schaltkreise
weggelassen, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht
mit unnötigen
Details zu verschleiern.
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Ein
beispielhaftes zellulares Funkkommunikationssystem 100 ist
in 1 dargestellt. Wie darin gezeigt, ist eine durch
das System bediente geographische Region in eine Anzahl, n, kleinerer
Regionen einer Funkabdeckung, bekannt als Zellen 110a-n,
aufgeteilt, wobei jede Zelle eine jeweilige Funkbasisstation 170a-n mit
sich verknüpft
hat. Jede Funkbasisstation 170a-n hat mit sich eine Vielzahl
von Sende- und Empfangsfunkantennen 130a-n verknüpft. Man
beachte, dass die Verwendung hexagonalförmiger Zellen 110a-n als
eine graphisch bequeme Weise zum Veranschaulichen von Flächen einer
mit einer bestimmten Basisstation 170a-n verknüpften Funkabdeckung
eingesetzt wird. Eigentlich können
Zellen 110a-n irregulär
geformt, überlappend
und nicht notwendigerweise aneinander grenzend sein. Jede Zelle 110a-n kann
ferner in Sektoren gemäß bekannten
Verfahren unterteilt sein. Innerhalb von Zellen 110a-n verteilt
ist eine Vielzahl, m, von Mobilstationen 120a-m. In praktischen
Systemen ist die Anzahl, m, von Mobilstationen viel größer als
die Anzahl, n, von Zellen. Basisstationen 170a-n umfassen
u.a. eine Vielzahl von Basisstationssendern und Basisstationsempfängern (nicht
gezeigt), die eine Zweiwege-Funkkommunikation mit Mobilstationen 120a-m bereitstellen,
die sich innerhalb deren jeweiligen Anrufen befinden. Wie in 1 veranschaulicht,
sind Basisstationen 170a-n mit dem Mobiltelefon-Vermittlungsamt (MTSO,
Mobile Telephone Switching Office) 150 gekoppelt, das u.a.
eine Verbindung mit dem öffentlichen
Telefonnetz (PSTN, Public Switched Telephone Network) 160 und
fernerhin mit Kommunikationsgeräten 180a-c bereitstellt.
Das Zellularkonzept ist dem Fachmann bekannt, und wird deshalb nicht
weiter hier beschrieben.
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Wie
oben erwähnt,
können
die Funkkommunikationen zwischen den Basisstationen und den Mobilstationen
mit Verwenden eines Vielfachzugriffs im Direktsequenz-Codemultiplex (DS-CDMA,
Direct Sequence Code Division Multiple Access) implementiert sein. 2 veranschaulicht
dieses Konzept im Allgemeinen. Über
einen Hochfrequenzkommunikationskanal zu übertragende digitale Information
1 wird in einem CDMA-Codierer 200 codiert. Das codierte
Signal wird verwendet zum Modulieren eines Hochfrequenzträgers in einem
Mischer 220. Der modulierte Träger wird über eine Luftschnittstelle über eine
Sendeantenne 240 übertragen.
Eine andere digitale Information von anderen Sendern, zum Beispiel
2...N, kann auf eine ähnliche
Weise übertragen
werden. Eine Empfangsantenne 260 eines Empfängers 250 empfängt ein
Verbund-/Hochfrequenzsignal und demoduliert das Verbundsignal mit
Verwenden eines anderen Mischers 280. Das gewünschte Signal
wird aus dem Verbundsignal durch Korrelation mit dem diesem Empfänger für diese
bestimmte Verbindung zugewiesenen Code bei Block 300 extrahiert.
Dieser Code wird mit Verwenden eines Pseudozufallszahl-Generators 320 erzeugt,
der ein Teil von Decodierer 340 ist. Die auf diese Weise
extrahierte digitale Information wird dann typischerweise abwärts durch
andere bekannte Komponenten verarbeitet, zum Beispiel kann ein RAKE-Kombinierer
verwendet werden zum Kombinieren von Signalstrahlen auf eine bekannte
Weise.
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Wie
oben erwähnt,
kann die Verwendung mehrfacher Antennen bei der Mobilstation eine
gesteigerte Leistungsfähigkeit
bereitstellen. Die vorliegende Erfindung stellt Optimierungstechniken
zum Kombinieren der vielfältigen
empfangenen Signalversionen bereit, was wiederum eine verbesserte
Leistungsfähigkeit
gegenüber
dem konventionellen Maximal-Verhältnis-Kombinieren
bereitstellt, das durch konventionelle RAKE-Empfänger eingesetzt wird. 3 veranschaulicht
eine Mobilstationsempfängerstruktur
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Darin
werden Signale über
zwei Antennen 350 und 352 empfangen. Obwohl diese
beispielhafte Ausführungsform
nur zwei Antennen veranschaulicht, wird der Fachmann erkennen, dass
die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf ein Kombinieren von über drei
oder mehrere Antennen empfangenen Signalen angewendet werden kann.
Um mehr als ein Antennensignal zu erhalten, existieren einige Wege
zum Bereitstellen zusätzlicher
Antennen. In einer tragbaren Mobilstation kann eine doppelt polarisierte
Antenne verwendet werden zum Erhalten zweier Signale oder eine zweite
Antenne kann sich in dem Telefon befinden. In fortschrittlichen
Datenendgeräten,
die größer sind
als die tragbaren Einheiten, können
einige Antennen bei vielfältigen Orten
des Datenendgeräts
platziert sein, und jedes dieser kann doppelt polarisiert sein.
Viele Variationen und Modifizierungen werden dem Fachmann ersichtlich
sein zum Bereitstellen mehrfachen Antennensignale für Verarbeitungseinheiten
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Jedes
empfangene Signal wird dann in einer Vielzahl von Empfangssignalzweigen
verarbeitet. Jeder Zweig enthält
eine Verzögerungseinheit 360,
eine Entspreizungseinheit 370 und eine Gewichtungseinheit 380.
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Verzögerungseinheiten 360 und
Entspreizungseinheiten 370 arbeiten auf eine konventionelle
Weise und werden demgemäß nicht
weiter hier beschrieben. Gewichtungseinheit 380 gewichtet
die Ausgabe jeder Entspreizungseinheit mit Verwenden eines komplexen
Gewichtungsvektors, der das Ziel zum Unterdrücken einer Interferenz von
unerwünschten
Sendern berücksichtigt,
was durch einen ersten Kombinierer 390 und RAKE(Maximal-Verhältnis-)Kombinieren
bei einem zweiten Kombinierer 395 durchgeführt wird.
Die Technik zum Berechnen optimaler Gewichtungsfaktoren gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Bereitstellen einer besseren empfangenen Signalqualität wird nun
im Detail diskutiert werden.
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Das
folgende zeitdiskrete Modell wird zum Beschreiben des Downlinks
eines beispielhaften CDMA-Systems verwendet, um eine Basis zum Berechnen
der in Mobilempfängern
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verwendenden Gewichtungsfaktoren bereitzustellen. Das
Modell ist mit einem Chip als Zeitauflösung formuliert und nimmt eine
perfekte Zeitverzögerungsschätzung, perfekte
Kanalschätzung,
keine Leistungssteuerung an, und dass sämtliche empfangene Strahlen
unkorreliert sind (zum Beispiele Signale von unterschiedlichen Basisstationen
sind unkorreliert, Signale von unterschiedlichen Benutzern innerhalb
einer Basisstation sind unkorreliert und Strahlen von individuellen
Benutzern sind unkorreliert), dass die durch Basisstationen zum Übertragen
auf dem Downlink verwendeten Spreizungssequenzen orthogonal sind
und dass die Durchschnittsenergiepegel empfangener Signale bei jeder
Antenne oder jedem Antennenelement gleich sind. Jedoch wird der
Fachmann erkennen, dass diese Annahmen nur zum Vereinfachen einer
Leistungsfähigkeitsevaluierung
getätigt
sind, und dass die vorliegende Erfindung beabsichtigt ist, Implementierungen
zu enthalten, in welchen diese Annahmen nicht gültig sind.
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Es
wird angenommen, dass die Mobilstation Signale von B Basisstationen
empfängt.
Sämtliche
Basisstationen verwenden den Spreizungsfaktor G, und jede Basisstation
sendet Daten zu Nb Mobilstationen, wobei
b = 1, ... B als ein Basisstationsindex verwendet wird.
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Der
Funkkanal von den Basisstationen zu der Mobilstation ist durch ein
FIR-Filter mit Filterkoeffizienten mit Rayleigh-verteilten Amplituden
moduliert. Es wird angenommen, dass die Kanäle von unterschiedlichen Basisstationen
unkorreliert sind. Es wird angenommen, dass die Anzahl von Strahlen
von Basisstation b L
b ist, und es wird angenommen,
dass unterschiedliche Strahlen unkorrelierte Kanäle haben. Die durchschnittliche,
für jeden
Benutzer übertragene
Gesamtleistung kann individuell auf den Wert P
b,n gesetzt
sein, wobei n = 1, ..., N
b als Benutzerindex
verwendet wird. Die Durchschnittsleistung jedes Strahls wird auf
P
b,n,l gesetzt, wobei:
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Die
Mobilstation empfängt
die Signale mit M Antennen. Es wird angenommen, dass sämtliche
Antennen die Signale mit demselben Durchschnittsenergiepegel empfangen.
Um unkorrelierte Signale in der Mobilstation zu erhalten, kann die
Distanz zwischen zwei Antennen eher klein sein, und es wird deshalb
angenommen, dass die Funkkanäle
von einer Basisstation zu den M Empfangsantennen bei der Mobilstation
unkorreliert sind. Der Antennenantwortvektor:
wird verwendet zum Modulieren
sowohl der eigentlichen Antennenantwort und des Funkkanals, abgesehen von
der Durchschnittsleistung jedes Strahls. Dieses wird erreicht durch Überlassen
einer Rayleigh-verteilten Amplitude und einer Zufallsphase an a
b,l,m. Die erwarteten quadrierten Amplituden
sind dieselben für
sämtliche Antennen,
für sämtliche b und l.
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Dann
kann das empfangene Signal bei den M Antennen vom Benutzer n bei
Basisstation b ausgedrückt
werden als:
wobei
k der Zeitindex auf Chipebene ist, τ
b,l die
Zeitverzögerung
für Strahl
l von Basisstation b ist, d
b,n[k] das zum
Benutzer n von Basisstation b gesendete Datenbit ist, und c
b,n[k] der Spreizungschip ist.
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Zusätzlich zu
den Signalen von sämtlichen
Basisstationen wird Gaußsches
Rauschen, n[k], E{n[k]nH[k]} = σ 2 / nI, zu den
Antennen addiert.
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Schließlich können die
bei der Mobilstation empfangenen Signale ausgedrückt werden als:
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Dieses
Modell der bei einer Mobilstation empfangenen CDMA-Signale kann
nun verwendet werden zum Ableiten der Bitfehlerrate für einen
mit Basisstation 1 kommunizierenden Benutzer 1. Zuerst wird das
Signal-zu-Rausch-Verhältnis, das
diese Mobilstation erfährt,
berechnet durch Umschreiben der Summe (A.5) als:
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Man
bezeichne die interferierenden Terme als:
was ergibt:
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Die
Kovarianz zwischen jedem Strahl ist:
und da
angenommen wird, dass sämtliche
Strahlen unkorreliert sind, sind die Kreuzkorrelationen für die interferierenden
Strahlen:
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Das
empfangene Signal x[k] wird passend verzögert und entspreizt durch Multiplizieren
mit der konjugierten Spreizungssequenz, zum Beispiel bei Blöcken
360 bzw.
370 in
3.
Die entspreizten Symbole von dem l-ten Strahl des Benutzers 1 von
Basisstation 1 sind:
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Es
ist ersichtlich, dass:
und
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Die
Kovarianz des Vor-Korrelationsvektors x[k] ist:
und die
Kovarianz des Nach-Korrelationsvektors
y1,1,l ist:
wobei
die Abhängigkeit
der Basisstationsanzahl und der Benutzeranzahl in R
yy,l weggelassen
worden sind. Durch Einführen
von u
1,1,l = i
1,1,l +
n
1,1,l kann das entspreizte Signal unterteilt
werden in einen gewünschten
Teil und einen unerwünschten
Teil, y
1,1,l = s
1,1,l +
u
1,1,l, wobei die Kovarianz des unerwünschten
Teils ist:
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Nach
Entspreizen der Signale für
Strahl l werden die Signale mit Verwenden eines Gewichtungsvektors
wl kombiniert.
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Das
SNIR nach dem Kombinieren ist:
wobei
das maximale SNIR (mit Verwenden der Schwarz-Ungleichung)
genau dann erhalten wird,
wenn
wobei η eine Konstante ist und IRC
für Interference
Rejection Combining steht.
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Unter
der Annahme, dass unterschiedliche Strahlen unkorreliert sind, wird
das optimale Kombinieren bei Blöcken
390 durchgeführt, wenn
die entspreizten und kombinierten Signale von jedem Strahl mit deren
entsprechenden SNIR gewichtet werden und zusammenaddiert werden.
Das SNIR pro Bit des letztlich kombinierten Signals ist:
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Wie
oben erwähnt,
sollte, zusätzlich
zum Optimieren des Gewichtungsfaktors zur Interferenzunterdrückung, der
Gewichtungsfaktor auch zum RAKE-Kombinieren optimiert werden. Die
konventionelle RAKE-Prozedur zum Kombinieren einiger Strahlen und
Signale von einigen Antennen ist ein Verwenden eines Maximum-Verhältnis-Kombinierens
(MRC, Maximum Ratio Combining), d.h. Multiplizieren jedes Strahls
mit dem Komplex-Konjugierten seiner Kanalschätzung und Summieren sämtlicher
Signale.
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Die
MRC-Kombinierer-Gewichte werden erhalten durch die Annahme, dass
die Interferenz räumlich unkorreliert
ist, d.h., dass die Nicht-Diagonalelemente von R
uu,l null
sind. Der MRC-Gewichtvektor ist deshalb:
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Mit
gegebenem SNIR nach Kombinieren ist es möglich, die entsprechende Bitfehlerrate
(BER, Bit Error Rate) zu berechnen. Die BER für einen AWGN-Kanal ist in dem
wohl bekannten Buch über
digitale Signalverarbeitung mit dem Titel „Digital Communications" von J.G. Proakis,
McGraw-Hill, 3rd
Edition, 1995, angegeben (mit der Annahme einer BPSK-Modulation
lediglich als ein Beispiel), so dass:
wobei
-
-
Die
BER für
einen allgemeinen Kanal ist
wobei f
γb (γ) die Wahrscheinlichkeitsverteilung
des SNIR ist. Diese Verteilung hängt
von sämtlichen
Parametern ab, die mit sämtlichen
Benutzern, zum Beispiel dem Kanalmodell, verknüpft sind, und ist analytisch
schwer zu berechnen. Anstelle dessen können numerische Verfahren verwendet
werden.
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Wenn γ in (B.20)
als eine zeitvariierende Funktion betrachtet wird, und sämtliche
Parameter, die mit sämtlichen
Benutzern verknüpft
sind, gemäß deren
Verteilungen variiert werden, dann ist es möglich, das unendliche Integral
mit einer endlichen Summe anzunähern:
wobei γ(k) gemäß (B.16) mit einer neuen Realisierung
sämtlicher
Parameter für
jedes k berechnet wird.
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Der
in den optimalen Gewichten (B.15) verwendete Steuerungsvektor a1,l kann auf folgende Weise geschätzt werden.
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Aus
(B.9) und (B.10) erhalten wir:
welches
durch Multiplizieren mit a
1,l ergibt:
wobei n eine reelle Konstante
ist. Der Steuerungsvektor a
1,l ist deshalb
der Eigenvektor, der dem größten Eigenwert
des obigen Eigenwertproblems entspricht.
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Die
in den optimalen Gewichten (B.15) verwendete Interferenz-Kovarianzmatrix
Ruu,l muss geschätzt werden. Da orthogonale
Codes typischerweise in dem Downlink verwendet werden, was es schwierig
macht, die Interferenz-Kovarianzmatrix zu schätzen, substituieren jedoch
beispielhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung Äquivalente
deshalb in die obige Gleichung (B.15). Im Speziellen bemerken die
Anmelder, dass Ruu,l ersetzt werden kann
durch entweder Rxx oder Ryy,l in
(B.15), und das optimale Kombinieren wird noch asymptotisch erhalten.
Dieses kann durch Verwenden des Matrixinvertierungslemmas gezeigt
werden.
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Gemäß einer
anderen beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
die Gewichte, die separat oben für
jede Verzögerungszeit
berechnet werden, gleichzeitig wie folgt berechnet werden. In Gleichung
(B.15), von oben, können
die Variablen Ruu,l und a1,l durch
Ruu und a1 ersetzt
werden, wobei
Ruu = E{u1l·uH1,l}, wobei u1,l ein
Vektor ist, der sämtliche
u1,1,l enthält, und a1 ein
Vektor ist, der sämtliche
a1,l enthält, wodurch die vielfältigen,
gleichzeitig durchzuführenden
Berechnungen gestapelt sind.
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Das
Vorhergehende beschreibt, wie die in Mobilempfängerstrukturen gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendeten Gewichtungsfaktoren erhalten werden. Die Anmelder
haben die Implementierung dieser Strukturen simuliert und haben
herausgefunden, dass sie signifikante Verbesserungen für die empfangene
Signalqualität
gegenüber
konventionellen RAKE-Empfängern
bereitstellen, sogar wenn diese konventionellen Empfänger mit
mehreren Antennen verwendet werden. Die Ergebnisse dieser Simulationen
werden nun mit Bezug zu den in 4–6 veranschaulichten
Graphen beschrieben werden. Darin verwendete die Simulation die
folgenden gemeinsamen Systemparameter: Spreizungsfaktor = 32, Benutzer
pro Zelle = 6 und Varianz des thermischen Rauschens = 1.
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4 stellt
die Ergebnisse einer Simulation dar, wobei ein einzelner gewünschter
Signalstrahl durch die Mobilstation empfangen wird. Die oberste
Funktion in dem Graphen stellt die uncodierte Bitfehlerrate gegenüber einem
Signal-zu-Rausch-Verhältnis
für eine
Mobilstation mit nur einer einzelnen Antenne dar, d.h. ohne Diversitätskombinieren.
Nicht überraschend
wies diese Simulation die schlechteste Qualität (höchste BER) auf. Die zweitschlechteste
Signalqualität
erfuhr die simulierte Mobilstation mit zwei Antennen, die aber konventionelle
RAKE-(MRC-Kombinieren) Techniken verwendete. Dann wurde die vorliegende
Erfindung dreimal simuliert. In absteigender BER-Graphenreihenfolge,
einmal mit Verwenden von drei Basisstationsstörern, einmal mit Verwenden
von zwei Basisstationsstörern
und einmal mit Verwenden eines einzelnen Basisstationsstörers. Man
beachte, dass für
eine Zwei-Antennen-Mobilstation
eine Interferenz von einer einzelnen Basisstation signifikanter
unterdrückt
werden kann, mit Bereitstellen einer wesentlich besseren empfangenen
Signalqualität.
Somit stellt die vorliegende Erfindung eine exzellente Lösung für das Problem
dar, dass durch die Einführung
von oben beschriebenen Heimat-Basisstationen
erweckt wird. Wenn die Anzahl von Störern die zusätzliche
Anzahl von Antennen überschreitet,
beginnt die Leistungsfähigkeit,
sich dem konventionellen RAKE-Empfänger zu nähern, aber ist immer noch um
ungefähr
2 dB besser.
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5 zeigt
Simulationsergebnisse für
eine Mobilstation mit zwei Antennen, wobei jeder Kanal drei Strahlen
enthält.
In diesem Fall sind die Ergebnisse von dem konventionellen MRC-Ansatz
und die drei Simulationen der vorliegenden Erfindung dichter zusammen
gruppiert als die Ergebnisse in 4, selbst
wenn nur eine interferierende Basisstation berücksichtigt wird. Dies führt zu der
Schlussfolgerung, dass eine Interferenzunterdrückung gemäß der vorliegenden Erfindung
bei der Mobilstation am größten ist,
wenn die Anzahl von interferierenden Basisstationsstrahlen geringer
als oder gleich der Anzahl von durch die Mobilstation verwendeten
Antennen (oder Antennenelementen) minus eins ist.
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Diese
letztere Schlussfolgerung wird durch die in 6 gezeigten
Simulationsergebnisse gestützt. Darin
hat der gewünschte
Kanal drei durch die Mobilstation empfangene Strahlen, aber die
interferierende Basisstation hat nur einen. Man beachte, dass, ungleich
den in 5 ersichtlichen Ergebnissen, für eine einzelne interferierende
Basisstation mit nur einem Signalstrahl geradezu vollständige Interferenzunterdrückung mit Verwenden
zweier Antennen bei der Mobilstation erreicht wird.
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Wie
oben erwähnt,
werden in zukünftigen
CDMA-Standards und Systemen hohe Bitraten unterstützt werden.
Eine Technik zum Erreichen hoher Bitraten in einem CDMA-System ist es, mehrfache
Codes jedem individuellen Benutzer bereitzustellen. Das heißt, dass
ein Benutzer mehrfachen Spreizungscodes zugeteilt sein kann, von
denen jeder zum Unterstützen
einer Verbindung für
eine niedrigere Bitrate verwendet wird.
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Wenn
eine Mobilstation ein Multicode-Signal empfängt, könnte sie das Verbundsignal
separat für
jeden daran zugewiesenen Spreizungscode verarbeiten. Wenn Interferenzunterdrückungstechniken
zum Verarbeiten empfangener Signale in dem Downlink gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, kann alternativ die Tatsache, dass jedes
der beabsichtigten Signale der Mobilstation durch denselben Funkkanal
(d.h. ein selbes a1,l) geschritten ist und
durch dieselbe Interferenz (d.h. dasselbe Ruu,l)
gestört
ist, verwendet werden zum Reduzieren der Berechnungskomplexität. Zum Beispiel
können
diese Vektoren nur einmal geschätzt
werden, ungeachtet dessen, wie viele Spreizungscodes der Mobilstation
zugewiesen worden sind, und diese Schätzwerte können zum Verarbeiten des Verbundsignals
mehrfach verwendet werden, einmal für jeden zugewiesenen Code.
Alternativ können
Schätzwerte
dieser Vektoren hergestellt werden mit gleichzeitigem Verwenden
sämtlicher
Signale in dem Verbundsignal. Dieses reduziert den Schätzfehler
in den Schätzwerten
und verbessert deshalb die Leistungsfähigkeit.
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Die
vorliegende Erfindung ist in Form von spezifischen Ausführungsformen
zum Erleichtern des Verständnisses
beschrieben worden. Die obigen Ausführungsformen sind jedoch eher
veranschaulichend als einschränkend.
Der Bereich der vorliegenden Erfindung wird vielmehr durch die folgenden
Ansprüche
definiert.