EP1166393B1 - Beamforming method and device - Google Patents
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- EP1166393B1 EP1166393B1 EP00913950A EP00913950A EP1166393B1 EP 1166393 B1 EP1166393 B1 EP 1166393B1 EP 00913950 A EP00913950 A EP 00913950A EP 00913950 A EP00913950 A EP 00913950A EP 1166393 B1 EP1166393 B1 EP 1166393B1
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- H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
- H01Q3/2605—Array of radiating elements provided with a feedback control over the element weights, e.g. adaptive arrays
- H01Q3/2647—Retrodirective arrays
Definitions
- the invention relates to a method for beam shaping for an adaptive antenna group containing several antenna elements in the downlink of frequency duplex systems, where for the antenna elements antenna weights for transmission in the Downlink based on direction information of the uplink be determined.
- the invention relates to a device for Beamforming for one containing several antenna elements adaptive antenna group in the downlink of frequency duplex systems, with a signal processor unit for determining Antenna weights for the antenna elements for transmission in the Downlink based on direction information of the uplink.
- Adaptive antennas were first used in radar technology, and for some time now its use in cellular examined.
- the use of adaptive antennas can be one Reduction of the received interference by directed reception, to reduce the interference generated by directed Send and a reduction in the time dispersion of the mobile radio channel and thus reducing the intersymbol interference that the Bit error rate significantly determined, lead.
- Radio channel is by its frequency and / or its time slot (in time multiplex - TDMA - Time Division Multiple Access) or its Code (in code division multiplex - CDMA - Code Division Multiple Access) established.
- TDMA and FDMA Frequency Division Multiple Access
- the Directionally selective sending / receiving can also be done in CDMA systems used to determine the possible number of participants to increase a frequency and thus the spectral efficiency and to increase the capacity of a cellular mobile radio system. It with constant interference, the possible number the subscriber on a traffic channel raised by the base station with the linear, adaptive antenna group in the Uplink detected and supplied in the downlink can be.
- Co-channel interference suppression and its detection are three basic methods known: (1) procedures based on the Knowledge of the spatial structure of the antenna group (so-called spatial-reference method), cf. R. Roy and R. Kailath, "ESPRIT - Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques ", IEEE Trans. Acoust., Speech and Signal Processing, Vol. 37, July 1989, pp. 984-995; (2) Methods based on knowledge of a known signal sequence (so-called temporal-reference method), cf. in S. Ratnavel, A. Paulraj and A.B. Constantinides, "MMSE Space-Time Equalization for GSM Cellular Systems ", Proc.
- FDD systems frequency division duplex systems
- FDD systems use the signals in the uplink and in the downlink broadcast on different frequencies, and thereby the necessary separation between sent and received data at the mobile and at the base station.
- the antenna directional diagram is due to the frequency difference Using the same physical antenna group and the same Antenna weights (amplitude and phase) with different Frequencies different. That is why it is not advisable same antenna weights for sending and receiving at the base station to use a cellular mobile radio system.
- No. 5,848,060 A describes that the spatial covariance matrix is estimated from the received signals of the uplink; the occurring relative phases of the matrix elements are then scaled with the ratio of the transmission frequency to the reception frequency (f S / f E ). Due to the multipath propagation of the individual signals, however, the frequency is non-linear in the phase relationship of the individual antenna elements. Therefore, this application is limited to cases with a direct line of sight between the transmitter and receiver without reflections from different directions, such as in satellite communication.
- the proposal also includes a compensation matrix on the covariance matrix the upward route.
- This compensation matrix is only valid for very small relative duplex spacings 2 (f S -f E ) / (f S + f E ) and is averaged over the entire application angle range of the adaptive antenna.
- This method does not correct the frequency difference, but only reduces the deviation and "smears" the spatial structure of the mobile radio channel contained in the covariance matrix over the entire angular range. For this reason, this method cannot be used under any circumstances.
- the covariance matrix has already been proposed to decompose the uplink into Fourier coefficients and at to restore the transmission frequency, cf. J.M. Goldberg and J.R. Fonollosa, "Downlink beamforming for spatially distributed sources in cellular mobile communications ", signal processing Vol.65, No.2, March 1998, pp. 181-199.
- This method tries the exact phase relationship of the individual signal paths on the transmission frequency to restore, but also smears the spatial structure of the covariance matrix.
- the aim of the invention is now a method and a device to be provided as indicated at the beginning, with the or in an efficient manner with FDD systems Beamforming in the downlink allows the Interference also with those transmitted by the base station the signals received by the mobile stations are reduced and an increase in the number of users that can be served, i.e. Mobile stations is made possible.
- the method according to the invention is the one mentioned at the beginning Kind characterized in that the antenna weights for transmission in the downlink based on the power angle spectrum the uplink of each user are determined, the power angle spectrum by Hiding unwanted areas is modified.
- the device according to the invention is correspondingly of the type mentioned above, characterized in that the Signal processor unit for determining the antenna weights for the transmission in the downlink on the basis of the power angle spectrum the uplink of each user under its modification by hiding unwanted Areas is set up.
- beam shaping is thus used in the downlink the power angle spectrum of the
- the upward link of the individual user is used, whereby undesirable angular ranges in this power angle spectrum are hidden, i.e. any interferers are in the power angle spectrum hidden for optimal alignment of the Main club in the direction of the respective user.
- the power angle spectrum using a known signal sequence of the transmission signal is estimated. It is also from Advantage if the power angle spectrum of the uplink based on the spatial covariance matrices of the uplink of the individual users or, if applicable, of mean values the same is estimated. Furthermore, it has proven to be cheap proven if based on the modified power-angle spectrum of the individual user or of its mean value the respective spatial covariance matrix of the downlink is determined becomes. Finally, it is advantageous if the spatial covariance matrix the downlink or its mean value for calculation the antenna weights are used for transmission.
- the invention Technology is unrestricted by the spreading conditions of electromagnetic waves applicable. It is subject to no restrictions on a single dominant Direction of incidence per participant and is without additional Hardware expenditure can be used. There are no assumptions about that Frequency difference between transmission and reception, and therefore the technique described here also works independently of relative duplex spacing. It is neither expensive iterative approximation methods or high-resolution direction estimation algorithms needed, so a very computationally efficient Solution is achieved.
- the task of beamforming in the downlink from cellular mobile radio systems with adaptive antennas at the base station consists of the signals of each user to send from the base station that most of the energy from the desired one Users receive and as little energy as possible to others To users who appear as interference becomes.
- Bit error rate BER To achieve this goal you have to put the main lobe of the antenna pattern into the Direction of the desired user and zeros in the antenna diagram towards those users who are on the same Frequency are supplied. This principle is illustrated in Fig. 1.
- FIG. 1 1 An adaptive antenna is shown schematically in detail in FIG. 1 1 shown with beamforming in the downlink, with a Signal processor 2, the individual antenna elements 1.1, 1.2 to 1.M controlled with different phases and amplitudes thus the desired antenna pattern 3 or 4 is generated.
- the Main lobes 5 and 6 of antenna pattern 3 and 4 show in Direction of a respective user 7 or 8, with zeros 9 or 10 in the antenna diagram 3 or 4 in the direction of the show other user 8 or 7.
- the antenna group 1 is the shape of the antenna pattern 3 or 4 set. This is illustrated below using a linear example Antenna group explained with reference to FIG. 2. 2 shows schematically one from a direction ⁇ on the antenna elements 1.1, 1.2, 1.3 ... 1.M incident wave.
- d is also the distance between the individual Antenna elements and with ⁇ L the path difference of the wave from an antenna element, e.g. 1.2, to the next antenna element, e.g. 1.3.
- the distance d lies here for example in the order of the wavelength and is preferably less than the wavelength (e.g. approximately the same half the wavelength).
- f further denotes the carrier frequency of the transmitted signal and c the speed of light.
- the group response is the antenna group 1 both from the direction of incidence of the wave as well as depending on the carrier frequency.
- a base station 11 with a adaptive antenna 1 with nine antenna elements 1.1 ... 1.9 and with multipath propagation between base station 11 and mobile stations (MS) 7, 8 illustrates where multipath propagation for example due to reflections on buildings 12 comes about.
- the individual signals overlap in the uplink on the antenna elements 1.1 to 1.9 of the linear antenna group 1 and in the downlink on the antenna of the respective mobile phone 7, 8. Whether the individual signals overlap constructively or destructively depends on the phase relationship of the individual waves to one another from. Since different carrier frequencies are used in an FDD system for the uplink and the downlink, the phase relationships of the waves to one another also change. For this reason, the shrinkage (the constructive and destructive overlay) in the up and down sections is absolutely uncorrelated. But not only the fading also the antenna pattern changes due to the frequency shift. Both the position of the main lobe and the position of the zeros and their shape in the group directivity change very strongly, as illustrated in FIGS. 4A and 4B. FIG.
- FIG. 4A shows an antenna diagram for the frequency of the uplink and FIG. 4B shows a corresponding antenna diagram for the frequency of the downlink.
- the signals come from the directions -20 ° and 40 ° for a user B1 and from the directions -50 ° and 10 ° for a user B2.
- the influence on The main mace is not as strong as it is anyway are wide and therefore only a maximum of 0.5dB smaller Antenna gain results.
- the zeros in the direction of each other users, however, are very narrow and in use the same antenna weights for the downlink as for the Upward path is the generated disturbance for the other User increased dramatically. Because of this, it is not advisable to use the same antenna weights for receiving and for to use the transmission at the base station 11.
- the fading is between Sending and receiving case uncorrelated, and there is a different antenna pattern when using the same antenna weights.
- a signal processor unit is used in base station 11 for this signal shaping 2 used, cf. Fig. 3, based on the received signals for driving the antenna elements 1.1 up to 1.M antenna weights especially for the downlink determined.
- the antenna group 1 generally formulated, consists of M antenna elements 1.1 to 1.M.
- the received signals are at 13 band-limited (filtering with channel selection filter) and at 14 mixed into the baseband, amplified at 15 and digitized at 16, and in the signal processor unit 2, the signals detected using adaptive algorithms.
- the signals are then weighted and modulated accordingly (at 14) and radiated by the antenna 1.
- 3 is the signal exchange between the base station is schematic 11 and the access network 17 additionally illustrated.
- Fig. 5 a flow chart is shown that the evaluation from the input signals to the determination of the antenna weights for the desired beam formation in the downlink schematically illustrated.
- a matrix X of noisy input signals of a plurality of co-channel signals serves as an input data set which is to be processed further in the signal processor unit 2.
- the matrix X contains N samples with critical sampling (sampling rate 1 / T) of K co-channel signals which are derived from the M individual elements of the array antenna 1, and interference signals from neighboring cells which use the same frequencies.
- a known signal sequence S k block 31 in Fig. 5
- the channel impulse responses of each of the K users B1 to BK estimated on each antenna element 1.1 to 1.M in step 30 (“subscriber recognition").
- the channel impulse responses of each subscriber B1 to BK can be estimated independently of one another using methods known per se (for example by correlation with the known signal sequence S k ) or all in one step (for example using the method of least squares).
- the channel impulse responses are estimated in more detail from the received data X and the known signal sequence S k (preamble, midamble in TDMA, or spreading code in CDMA systems), the received signal can be represented as follows: h k (t, ⁇ ) and S k (t) denote the time-variant impulse response at time t and the transmitted signal of the k-th user; and N (t) denotes the vector with the thermal noise on the antenna elements 1.1 to 1.M.
- the summation takes into account that the signals are received from all K users B1 to BK. From this relationship, the channel impulse responses of users B1 to BK can now be estimated.
- the joint estimate can be made as follows:
- the output signal one is used the spread code used for the signal-adapted filter.
- This matched filter is a standard receiver component of CDMA systems; a description of the corresponding relationships for the estimation can be superfluous here.
- the channel impulse response matrices H k with k 1 to K (for users B1 to BK) contain all the information required for the beam shaping process.
- a signal that is incident on antenna group 1 from a direction ⁇ results in a group response that is equal to the array steering vector a ( ⁇ , f) already mentioned.
- the channel impulse response contains all signals with the group responses and the associated signal strengths. For this reason and by replacing the formation of the expected value with the temporal mean (in the discrete-time mean of the samples), the spatial covariance matrix can be represented as follows
- the spatial covariance matrix R k is also frequency-dependent.
- the spatial covariance matrix R k of the uplink is generally used to calculate the complex antenna weights for reception with adaptive antennas.
- the use of these antenna weights for the downlink shifts the zeros, as already explained. For this reason, one must try to transform the spatial covariance matrix R k from the reception frequency f E of the base station to the transmission frequency f S in order to be able to calculate the antenna weights for the downlink.
- This frequency transformation is indicated in FIG. 5 at step 50, the frequency transformation the spatial structure of the mobile radio channel, which is contained in the spatial covariance matrix R k , from the reception frequency of the base station (frequency of the uplink) f E to the transmission frequency of the base station (frequency the downlink) f S is transformed.
- This technique is shown in more detail in Fig. 6 and will be described in more detail below.
- the estimated spatial covariance matrices R k of the K users of the downlink are formed so that they are hermitic. This means that all directions of incidence are considered to be independent of each other.
- the covariance matrices R k (f S ) at the transmission frequency f S which are obtained at the end of step 50, are used to calculate the optimal antenna weights for transmission in the downlink. This is done in step 60 in FIG. 5. All beam shaping algorithms based on knowledge of the spatial covariance matrix can be used for this.
- the signals for the individual users are now multiplied (weighted) by their antenna weights and sent by the base station 11.
- FIG. 6 shows the power-angle spectrum estimate at block 52, starting from the covariance matrices R k (f E ) of the uplink for the k-th user.
- R k (f E ) the covariance matrices
- the power angle spectrum APS k of each of the K users is estimated.
- this step can also be carried out using other, similar methods of spectral search.
- the power angle spectrum APS k does not contain any phase relationships of the individual signal paths of the mobile radio channel to one another, which is neither necessary nor meaningful, since the fading and the phase relationships due to the multipath propagation are absolutely uncorrelated due to the different transmission and reception frequencies in a frequency duplex system.
- FIG. 7 shows an example of an estimated power angle spectrum APS k of a user Bk who is in the + 10 ° direction from the base station 11.
- the dashed line in Fig. 7 outlines the estimated power-angle spectrum of some co-channel interferers, which are at -30 °, + 12 ° and 50 °.
- step 54 in FIG. 6 the dominant regions of the power angle spectrum APS k are then extracted.
- the entire power angle spectrum APS k does not necessarily have to be used to reconstruct the spatial covariance matrix, but only those angle ranges can be used from which the majority of the signals in the uplink are received, with the antenna lobes therefore being directed into these angle ranges are or in relation to the interference only in such angular ranges zero points are placed in the antenna diagram.
- This technique of masking out some angular ranges e.g.
- FIG. 8 in order to only set zeros in the direction of the dominant interferers or to avoid zeros in the direction of those interferers that lie approximately in the same direction as the desired user and thereby negatively influence the antenna diagram, is exemplified in FIG 8 (in conjunction with Fig. 7) and illustrated in Figs. 9 and 10. While FIG. 7 shows the estimated power angle spectrum of the desired user and the interferer, FIG. 8 illustrates the antenna directivity for this scenario.
- step 56 of FIG. 6 the estimated, modified power angle spectrum APS k, mod is used to reconstruct the spatial covariance matrix (correlation matrix) R k (f S ) of the mobile radio channel of the downlink of the K users. This is done according to the following procedure:
- the power angle spectrum can of course not be determined continuously, but only discretely with a certain angular resolution. Extensive computer simulations have shown that a resolution of around one degree is sufficient. This means that the above integral can be replaced by a discrete sum with relatively few summands. The discrete total looks like this: P k, mod ( ⁇ ) here designates the modified power angle spectrum of the kth user.
- the method described is characterized in that the entire direction information of the mobile radio channel for the Beamforming is used in the downlink without one To commit errors by the duplex frequency, and therefore the same Gain in the downlink of cellular cellular systems with frequency duplex is possible as in time duplex systems.
- the described technique can be used without restrictions.
- the spatial covariance matrix or the channel impulse responses used to shape the downlink beam which are also required for detection in the uplink and therefore do not have to be charged extra.
- the covariance matrices R k of the downlink (R k (f S )) for the k-th subscriber are thus obtained, and these are finally obtained in step 60 according to FIG. 5 of the beam shaping, ie the determination of the antenna weights for the downlink.
- all known algorithms for beam shaping can be used which are based on the knowledge of the spatial covariance matrix.
- an algorithm is explained as an example, which is a standard algorithm in the literature for calculating the antenna weights in the uplink (see, for example, P. Zetterberg, and B. Ottersten: "The Spectrum Efficiency of a Basestation Antenna Array System for Spatially Selective Transmission ", IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 44, pp. 651-660, August 1995).
- R k (f S ) denotes the covariance matrix of the kth user and Q k (f S ) the covariance matrix of the interference for the kth user at the transmission frequency f S.
- the weight vector is calculated from this information as the dominant generalized eigenvector of the matrix pair [R k (f S ), Q k (f S )].
- this method maximizes the ratio of received interference power ratio SNIR k .
- the ratio of signal power generated for the desired user to interference power generated for the other users is maximized. This problem can be represented mathematically as follows:
- the covariance matrices are used for detection in the uplink at the receiving frequency and for computing the antenna weights for the downlink the frequency-transformed Covariance matrices (at the transmission frequency of the base station). However, it uses the same algorithm for calculation the complex antenna weights for receiving and transmitting used with the adaptive antenna 1. Because of this, and because the spatial covariance matrix for reception in the uplink Generally used is this procedure for beam shaping for the downlink of systems with frequency duplex very simple, and compared to Upward distance only the frequency transformation of the spatial Additional covariance matrix, as shown schematically in FIG. 11 at 70 is shown.
- FIG. 11 shows the structure of the signal processor unit 2 for calculating the antenna weights for the adaptive antenna 1, the received signals being indicated schematically at 71.
- the unit for estimating the upward covariance matrices R k is illustrated and the beam shaping unit is shown at 73.
- the antenna weights determined are designated W k (f S ) for the downlink and W k (f E ) for the uplink.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlformung für eine, mehrere Antennenelemente enthaltende adaptive Antennengruppe in der Abwärtsstrecke von Frequenzduplexsystemen, wobei für die Antennenelemente Antennengewichte für das Senden in der Abwärtsstrecke auf Basis von Richtungsinformation der Aufwärtsstrecke ermittelt werden.The invention relates to a method for beam shaping for an adaptive antenna group containing several antenna elements in the downlink of frequency duplex systems, where for the antenna elements antenna weights for transmission in the Downlink based on direction information of the uplink be determined.
Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Strahlformung für eine, mehrere Antennenelemente enthaltende adaptive Antennengruppe in der Abwärtsstrecke von Frequenzduplexsystemen, mit einer Signalprozessoreinheit zum Ermitteln von Antennengewichten für die Antennenelemente für das Senden in der Abwärtsstrecke auf Basis von Richtungsinformation der Aufwärtsstrecke.Furthermore, the invention relates to a device for Beamforming for one containing several antenna elements adaptive antenna group in the downlink of frequency duplex systems, with a signal processor unit for determining Antenna weights for the antenna elements for transmission in the Downlink based on direction information of the uplink.
Es ist bekannt, aus mehreren Einzelantennen bestehende Gruppenantennen in ihrer Richtcharakteristik elektronisch zu ändern, um sie so adaptiv an die jeweilige Kanalsituation optimal anzupassen.It is known to consist of several individual antennas Change the directional characteristics of group antennas electronically, to adapt them optimally to the respective channel situation adapt.
Beispielsweise ist aus der US 5 778 324 A (der die EP 755 090 A entspricht) eine Technik zur Steuerung des Funkstrahls in der Abwärtsstrecke eines Mobilfunksystems mit Hilfe von adaptiven Antennen bekannt, wobei die Strahlsteuerung auf Basis von Richtungsinformation der Aufwärtsstrecke, nämlich der Erfassung der relativen Amplituden der Mehrfachstrahlen der Aufwärtsstrecke realisiert wird; dabei werden zwei Gruppen von Antennenelementen eingesetzt, wobei die Abstände zwischen den Antennenelementen im Vergleich zur Wellenlänge in der einen Gruppe klein und in der anderen Gruppe groß sind, und wobei die Signale der Aufwärtsstrecke gewichtet werden.For example, from US 5 778 324 A (which EP 755 090 A corresponds to) a technology for controlling the radio beam in the downlink of a mobile radio system with the help of adaptive Antennas known, the beam control based on directional information the uplink, namely the detection of the relative amplitudes of the multiple beams of the uplink is realized; this involves two groups of antenna elements used, the distances between the antenna elements in Comparison to the wavelength in one group small and in the other group are large, and being the signals of the uplink be weighted.
Adaptive Antennen wurden zuerst in der Radartechnik eingesetzt, und seit einiger Zeit wird ihre Anwendung im Mobilfunk untersucht. Der Einsatz adaptiver Antennen kann dabei zu einer Reduktion der empfangenen Interferenz durch gerichteten Empfang, zu einer Reduktion der erzeugten Interferenz durch gerichtetes Senden und zu einer Reduktion der Zeitdispersion des Mobilfunkkanals und somit Verringerung der Intersymbolinterferenz, die die Bitfehlerrate maßgeblich mitbestimmt, führen.Adaptive antennas were first used in radar technology, and for some time now its use in cellular examined. The use of adaptive antennas can be one Reduction of the received interference by directed reception, to reduce the interference generated by directed Send and a reduction in the time dispersion of the mobile radio channel and thus reducing the intersymbol interference that the Bit error rate significantly determined, lead.
Diese Verbesserungen können für einen Kapazitätsgewinn, zur Erhöhung der spektralen Effizienz, zur Verringerung der notwendigen Sendeleistung entsprechend dem Gewinn der Antennengruppe, für eine bessere Übertragungsqualität (kleinere Bitfehlerrate), für eine Datenratenerhöhung und für eine Reichweitenerhöhung eingesetzt werden.These improvements can be used to increase capacity Increase in spectral efficiency, to reduce the necessary Transmission power corresponding to the gain of the antenna group, for better transmission quality (lower bit error rate), for a data rate increase and for a range increase be used.
Wenn auch nicht alle Vorteile gleichzeitig ausgenützt werden könnten, so könnten doch jeweils einige der oben angeführten Verbesserungen erreicht werden. Ganz wesentlich wäre, dass es mit adaptiven Antennen möglich ist, das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum effizienter zu nützen und dabei mit dem selben Frequenzband und der gleichen Anzahl von Basisstationen die Kapazität und somit die mögliche Anzahl der Benutzer in einer Zelle zu erhöhen.Even if not all advantages are used at the same time could, some of the above could Improvements can be achieved. It would be very important that it with adaptive antennas is possible, the available frequency spectrum to use more efficiently and with the same Frequency band and the same number of base stations capacity and thus the possible number of users in one Increase cell.
Zellulare Mobilfunknetze sind im Allgemeinen interferenzbegrenzt, d.h. dass die räumliche Wiederverwendung ein und desselben Funkkanals einerseits und die spektrale Effizienz andererseits durch Gleichkanalstörer limitiert wird. Ein Funkkanal ist durch seine Frequenz und/oder seinen Zeitschlitz (im Zeitmultiplex - TDMA - Time Division Multiple Access) bzw. seinen Code (im Codemultiplex - CDMA - Code Division Multiple Access) festgelegt. Zur Versorgung von mehr als einem Teilnehmer auf einund demselben Funkkanal in TDMA- und FDMA (Frequency Division Multiple Access)-Systemen wurden Verfahren vorgeschlagen, die auf der räumlichen Trennbarkeit und dem richtungsselektiven Empfangen in der Aufwärtsstrecke (Mobilstation sendet, Basisstation empfängt) und des richtungsselektiven Sendens der Teilnehmersignale in der Abwärtsstrecke (Basisstation sendet, Mobilstation empfängt) beruhen (sog. SDMA - Space Division Multiple Access-System; System mit Raumvielfachzugriff). Das richtungsselektive Senden/Empfangen kann in CDMA-Systemen auch dazu verwendet werden, um die mögliche Anzahl der Teilnehmer auf einer Frequenz zu erhöhen und damit die spektrale Effizienz und die Kapazität eines zellularen Mobilfunksystemes zu erhöhen. Es wird also bei gleichbleibender Interferenz die mögliche Anzahl der Teilnehmer auf einem Verkehrskanal erhöht, die von der Basisstation mit der linearen, adaptiven Antennengruppe in der Aufwärtsstrecke detektiert und in der Abwärtsstrecke versorgt werden können.Cellular cellular networks are generally interference limited, i.e. that spatial reuse of one and the same Radio channel on the one hand and spectral efficiency on the other is limited by co-channel interference. A radio channel is by its frequency and / or its time slot (in time multiplex - TDMA - Time Division Multiple Access) or its Code (in code division multiplex - CDMA - Code Division Multiple Access) established. To supply more than one participant one and the same radio channel in TDMA and FDMA (Frequency Division Multiple Access) systems have been proposed on the spatial separability and the directionally selective Receive in the uplink (mobile station sends, base station receives) and the directionally selective transmission of the subscriber signals in the downlink (base station sends, mobile station receives) are based (so-called SDMA - Space Division Multiple access system; Multiple Access System). The Directionally selective sending / receiving can also be done in CDMA systems used to determine the possible number of participants to increase a frequency and thus the spectral efficiency and to increase the capacity of a cellular mobile radio system. It with constant interference, the possible number the subscriber on a traffic channel raised by the base station with the linear, adaptive antenna group in the Uplink detected and supplied in the downlink can be.
Für die Trennung der Signale der einzelnen Teilnehmer durch Gleichkanalstörunterdrückung und deren Detektion sind drei grundsätzliche Methoden bekannt: (1) Verfahren, die auf der Kenntnis der räumlichen Struktur der Antennengruppe beruhen (sog. spatial-reference Verfahren), vgl. R. Roy und R. Kailath, "ESPRIT - Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques", IEEE Trans. Acoust., Speech and Signal Processing, Bd. 37, July 1989, S. 984-995 erläutert sind; (2) Verfahren, die auf der Kenntnis einer bekannten Signalfolge beruhen (sog. temporal-reference Verfahren), vgl. in S. Ratnavel, A. Paulraj und A.B. Constantinides, "MMSE Space-Time Equalization for GSM Cellular Systems", Proc. IEEE, Vehicular Technology Conference 1996, VTC'96, Atlanta, Georgia, S. 331-335; und (3) sog. "blinde" Verfahren, die bekannte strukturelle Signaleigenschaften zur Signaltrennung und Detektion verwenden, vgl. in A-J. van der Veen, S. Talwar, A. Paulraj "A Subspace Approach to Blind Space-Time Signal Processing for Wireless Communications Systems", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.45, No. 1, Jänner 1997, S. 173-190.For the separation of the signals of the individual participants Co-channel interference suppression and its detection are three basic methods known: (1) procedures based on the Knowledge of the spatial structure of the antenna group (so-called spatial-reference method), cf. R. Roy and R. Kailath, "ESPRIT - Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques ", IEEE Trans. Acoust., Speech and Signal Processing, Vol. 37, July 1989, pp. 984-995; (2) Methods based on knowledge of a known signal sequence (so-called temporal-reference method), cf. in S. Ratnavel, A. Paulraj and A.B. Constantinides, "MMSE Space-Time Equalization for GSM Cellular Systems ", Proc. IEEE, Vehicular Technology Conference 1996, VTC'96, Atlanta, Georgia, pp. 331-335; and (3) so-called "blind" methods, the well-known structural Use signal properties for signal separation and detection, see. in A-J. van der Veen, S. Talwar, A. Paulraj "A Subspace Approach to Blind Space-Time Signal Processing for Wireless Communications Systems ", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.45, No. 1, January 1997, pp. 173-190.
Für die Abwärtsstrecke werden verschiedene Methoden verwendet, die auf unterschiedlichen Schätzungen des Mobilfunkkanals aufbauen. Grundsätzlich werden entweder die Einfallsrichtungen der Signale der Mobilstationen (vgl. z.B. US 5 515 378 A oder US 5 778 324 A EP 755 090 A) verwendet, oder es wird die räumliche Kovarianzmatrix (räumliche Korrelationsmatrix) zur Strahlformung verwendet (vgl. US 5 634 199 A).Different methods are used for the downlink, based on different estimates of the cellular channel build up. Basically, either the directions of incidence the signals of the mobile stations (see e.g. US 5 515 378 A or US 5 778 324 A EP 755 090 A) is used, or it becomes the spatial covariance matrix (spatial correlation matrix) used for beam shaping (cf. US 5,634,199 A).
Ein schwieriges Problem stellen die unterschiedlichen Trägerfrequenzen in Frequenzduplexsystemen (FDD-Systeme) dar. In FDD-Systemen werden die Signale in der Aufwärts- und in der Abwärtsstrecke auf unterschiedlichen Frequenzen gesendet, und dadurch erfolgt die notwendige Trennung zwischen gesendeten und empfangenen Daten an der Mobil- sowie an der Basisstation. Auf Grund des Frequenzunterschieds ist das Antennenrichtdiagramm bei Verwendung derselben physikalischen Antennengruppe und der selben Antennengewichte (Amplitude und Phase) bei unterschiedlichen Frequenzen unterschiedlich. Deshalb ist es nicht ratsam, die selben Antennengewichte für das Senden und Empfangen an der Basisstation eines zellularen Mobilfunksystems zu verwenden. Die ausschließliche Verwendung der in der Aufwärtsstrecke geschätzten Einfallsrichtung hat mit diesem Frequenzversatz keinerlei Probleme, beschränkt die Strahlformung jedoch auf eine einzelne diskrete Einfallsrichtung, was der physikalischen Natur des Mobilfunkkanals widerspricht und daher zu einem beschränkten Kapazitätsgewinn durch die adaptive Antenne führt. Die Verwendung der räumlichen Kovarianzmatrix der Aufwärtsstrecke bringt jedoch das Problem des Frequenzversatzes mit sich.The different carrier frequencies pose a difficult problem in frequency division duplex systems (FDD systems). In FDD systems use the signals in the uplink and in the downlink broadcast on different frequencies, and thereby the necessary separation between sent and received data at the mobile and at the base station. On The antenna directional diagram is due to the frequency difference Using the same physical antenna group and the same Antenna weights (amplitude and phase) with different Frequencies different. That is why it is not advisable same antenna weights for sending and receiving at the base station to use a cellular mobile radio system. The exclusive use of those estimated in the uplink With this frequency offset there is no direction of incidence Problems, however, limits beam shaping to a single one discrete direction of incidence, reflecting the physical nature of the cellular channel contradicts and therefore to a limited capacity gain through the adaptive antenna. The usage of the spatial covariance matrix of the uplink, however the problem of frequency offset with it.
Für die Kompensation dieses Frequenzduplexabstandes in der räumlichen Kovarianzmatrix wurden bereits verschiedene Ansätze beschrieben. So wird vorgeschlagen, in der Aufwärtsstrecke die Einfallsrichtung, die Signalleistung und die zugehörige Winkelaufspreizung (Angular Spread) jedes einzelnen Teilnehmers zu schätzen, vgl. T. Trump und B. Ottersten, "Maximum Likelihood Estimation of Nominal Direction of Arrival and Angular Spread Using an Array of Sensors", Signal Processing, Vol. 50, No. 1-2, April 1996, S. 57-69. Aus dieser Schätzung für die Aufwärtsstrecke wird eine Schätzung der räumlichen Kovarianzmatrix für die Abwärtsstrecke gebildet, vgl. auch P. Zetterberg, "Mobile Cellular Communications with Base Station Antenna Arrays: Spectrum Efficiency, Algorithms and Propagation Models", Dissertation, Royal Institute of Technology, Stockholm, Schweden 1997. Diese Methode funktioniert jedoch nur, wenn jede Mobilstation nur eine einzige nominelle Einfallsrichtung in Bezug auf die Basisstation besitzt. Durch Reflexionen an Bergen in ländlichen Gebieten oder großen Gebäudekomplexen in städtischen Gebieten ist diese Voraussetzung oft nicht erfüllt, und daher ist dann dieser Ansatz nicht anwendbar.For the compensation of this frequency duplex distance in the spatial covariance matrix have been different approaches described. So it is proposed in the uplink Direction of incidence, the signal power and the associated angular spread (Angular Spread) of each individual participant estimate, cf. T. Trump and B. Ottersten, "Maximum Likelihood Estimation of Nominal Direction of Arrival and Angular Spread Using an Array of Sensors ", Signal Processing, Vol. 50, No. 1-2, April 1996, pp. 57-69. From this estimate for the uplink is an estimate of the spatial covariance matrix for formed the downlink, cf. also P. Zetterberg, "Mobile Cellular Communications with Base Station Antenna Arrays: Spectrum Efficiency, Algorithms and Propagation Models ", Dissertation, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden 1997. However, this method only works if every mobile station just a single nominal direction of incidence with respect to the base station owns. By reflections on mountains in rural Areas or large building complexes in urban areas this requirement is often not met, and therefore is then this approach is not applicable.
Ein weiterer Vorschlag im Stand der Technik geht dahin, in der Basisstation zwei unterschiedliche, mit der verwendeten Wellenlänge skalierte Antennengruppen zum Senden und Empfangen in einem Frequenzduplexsystem zu verwenden, vgl. G.G. Rayleigh, S.N. Diggavi, V.K. Jenes und A. Paulraj, "A Blind Adaptive Transmit Antenna Algorithm for Wireless Communication", Proceedings IEEE International Conference on Communications (ICC'95), IEEE 1995, S.1494-1499, bzw. die entsprechende WO 97/00543 A. Hier müssen jedoch die beiden "angepassten" Antennengruppen sehr exakt gefertigt und kalibriert werden und an exakt der selben Position aufgestellt werden. Außerdem ist eine zweite Antennengruppe notwendig, was die Kosten überproportional erhöht.Another proposal in the prior art goes in that Base station two different, with the wavelength used scaled antenna groups for sending and receiving in to use a frequency duplex system, cf. G. G. Rayleigh, S.N. Diggavi, V.K. Jenes and A. Paulraj, "A Blind Adaptive Transmit Antenna Algorithm for Wireless Communication ", Proceedings IEEE International Conference on Communications (ICC'95), IEEE 1995, pp. 1494-1499, or the corresponding WO 97/00543 A. However, here the two "adjusted" Antenna groups are manufactured and calibrated very precisely and be placed in exactly the same position. Besides, is a second antenna group is necessary, which is disproportionately expensive elevated.
Gemäß der bereits erwähnten US 5 634 199 A soll direkt die räumliche Kovarianzmatrix der Abwärtsstrecke durch das Senden von Testsignalen von der Basisstation und das Rücksenden der gemessenen Signale durch die Mobilstation gemessen werden (vgl. auch WO96/37975, wo ebenfalls auf das Senden von Testsignalen hingewiesen wird). Diese Testsignal-Methode benötigt jedoch Systemkapazität für diesen Rückmeldungsprozess und verringert daher die mögliche Kapazitätserhöhung. Weiters müsste der Standard bereits bestehender Mobilfunksysteme geändert werden, da bis jetzt in keinem zellularen Mobilfunksystem eine Rückmeldung der Mobilstation dieser Art vorgesehen ist.According to the already mentioned US 5 634 199 A, the spatial covariance matrix of the downlink by sending of test signals from the base station and returning the measured signals are measured by the mobile station (cf. also WO96 / 37975, where likewise on the sending of test signals is pointed out). However, this test signal method requires System capacity for this feedback process and reduced hence the possible increase in capacity. Furthermore, the Standard of existing mobile radio systems are changed, since so far in no cellular mobile radio system Feedback of the mobile station of this type is provided.
In der US 5 848 060 A wird beschrieben, dass aus den Empfangssignalen der Aufwärtsstrecke deren räumliche Kovarianzmatrix geschätzt wird; die auftretenden relativen Phasen der Matrixelemente werden sodann mit dem Verhältnis der Sendefrequenz zur Empfangsfrequenz (fS/fE) skaliert. Durch die Mehrwegeausbreitung der einzelnen Signale geht jedoch die Frequenz nichtlinear in die Phasenbeziehung der einzelnen Antennenelemente ein. Daher beschränkt sich diese Anwendung auf Fälle mit einer direkten Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger ohne Reflexionen aus unterschiedlichen Richtungen, wie zum Beispiel in der Satellitenkommunikation.No. 5,848,060 A describes that the spatial covariance matrix is estimated from the received signals of the uplink; the occurring relative phases of the matrix elements are then scaled with the ratio of the transmission frequency to the reception frequency (f S / f E ). Due to the multipath propagation of the individual signals, however, the frequency is non-linear in the phase relationship of the individual antenna elements. Therefore, this application is limited to cases with a direct line of sight between the transmitter and receiver without reflections from different directions, such as in satellite communication.
Um eine Kovarianzmatrix für die Abwärtsstrecke zu erhalten, wurde auch vorgeschlagen, eine Rotationsmatrix auf die Kovarianzmatrix der Aufwärtsstrecke anzuwenden, die die Phasen einer aus einer bestimmten Richtung einfallenden Welle mit dem Verhältnis der Sendefrequenz zur Empfangsfrequenz fS/fE korrigiert, vgl. die bereits erwähnte Literaturstelle G. G. Rayleigh, S.N. Diggavi, V.K. Jenes und A. Paulraj, "A Blind Adaptive Transmit Antenna Algorithm for Wireless Communication", Proceedings IEEE International Conference on Communications (ICC'95), IEEE 1995, S. 1494-1499. Jedoch wird hier nur genau die Phasenbeziehung einer Einfallsrichtung in Bezug auf die Basisstation richtig korrigiert. Beim Auftreten von mehreren unterschiedlichen Einfallsrichtungen versagt diese Methode, und sie ist deshalb auch nur für ländliche Gebiete mit einer dominanten Einfallsrichtung anwendbar.In order to obtain a covariance matrix for the downlink, it has also been proposed to apply a rotation matrix to the covariance matrix for the uplink, which corrects the phases of a wave incident from a specific direction with the ratio of the transmission frequency to the reception frequency f S / f E , cf. the aforementioned GG Rayleigh, SN Diggavi, VK Jenes and A. Paulraj, "A Blind Adaptive Transmit Antenna Algorithm for Wireless Communication", Proceedings IEEE International Conference on Communications (ICC'95), IEEE 1995, pp. 1494-1499. However, only the phase relationship of an incident direction with respect to the base station is corrected correctly here. This method fails when several different directions of incidence occur, and it is therefore only applicable to rural areas with a dominant direction of incidence.
In der vorstehend angeführten Dissertation von P. Zetterberg, "Mobile Cellular Communications with Base Station Antenna Arrays: Spectrum Efficiency, Algorithms and Propagation Models", Royal Institute of Technology, Stockholm, Schweden 1997, ist auch der Vorschlag enthalten, eine Kompensationsmatrix auf die Kovarianzmatrix der Aufwärtsstrecke anzuwenden. Diese Kompensationsmatrix ist nur für sehr kleine relative Duplexabstände 2(fS-fE)/(fS+fE) gültig und ist gemittelt über den ganzen Einsatzwinkelbereich der adaptiven Antenne. Diese Methode korrigiert die Frequenzdifferenz nicht, sondern verringert nur die Abweichung und "verschmiert" dabei die in der Kovarianzmatrix enthaltene räumliche Struktur des Mobilfunkkanals über den ganzen Winkelbereich. Aus diesem Grund ist diese Methode keinesfalls einsetzbar.In the above-mentioned dissertation by P. Zetterberg, "Mobile Cellular Communications with Base Station Antenna Arrays: Spectrum Efficiency, Algorithms and Propagation Models", Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden 1997, the proposal also includes a compensation matrix on the covariance matrix the upward route. This compensation matrix is only valid for very small relative duplex spacings 2 (f S -f E ) / (f S + f E ) and is averaged over the entire application angle range of the adaptive antenna. This method does not correct the frequency difference, but only reduces the deviation and "smears" the spatial structure of the mobile radio channel contained in the covariance matrix over the entire angular range. For this reason, this method cannot be used under any circumstances.
Schließlich wurde bereits vorgeschlagen, die Kovarianzmatrix der Aufwärtsstrecke in Fourierkoeffizienten zu zerlegen und bei der Sendefrequenz wiederherzustellen, vgl. J.M. Goldberg und J.R. Fonollosa, "Downlink beamforming for spatially distributed sources in cellular mobile communications", Signal Processing Vol.65, No.2, März 1998, S. 181-199. Diese Methode versucht die exakte Phasenbeziehung der einzelnen Signalpfade auf der Sendefrequenz wiederherzustellen, verschmiert aber ebenfalls die räumliche Struktur der Kovarianzmatrix.Finally, the covariance matrix has already been proposed to decompose the uplink into Fourier coefficients and at to restore the transmission frequency, cf. J.M. Goldberg and J.R. Fonollosa, "Downlink beamforming for spatially distributed sources in cellular mobile communications ", signal processing Vol.65, No.2, March 1998, pp. 181-199. This method tries the exact phase relationship of the individual signal paths on the transmission frequency to restore, but also smears the spatial structure of the covariance matrix.
Es ist nun Ziel der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung wie eingangs angegeben vorzusehen, mit dem bzw. mit der in effizienter Weise bei FDD-Systemen eine derartige Strahlformung in der Abwärtsstrecke ermöglicht wird, dass die Interferenzen auch bei den von der Basisstation gesendeten, von den Mobilstationen empfangenen Signalen reduziert werden und eine Erhöhung der Anzahl der versorgbaren Benutzer, d.h. Mobilstationen, ermöglicht wird.The aim of the invention is now a method and a device to be provided as indicated at the beginning, with the or in an efficient manner with FDD systems Beamforming in the downlink allows the Interference also with those transmitted by the base station the signals received by the mobile stations are reduced and an increase in the number of users that can be served, i.e. Mobile stations is made possible.
Hierzu ist das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs angeführten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Antennengewichte für das Senden in der Abwärtsstrecke auf Basis des Leistungs-Winkelspektrums der Aufwärtsstrecke der einzelnen Benutzer ermittelt werden, wobei das Leistungs-Winkelspektrum durch Ausblenden unerwünschter Bereiche modifiziert wird.For this purpose, the method according to the invention is the one mentioned at the beginning Kind characterized in that the antenna weights for transmission in the downlink based on the power angle spectrum the uplink of each user are determined, the power angle spectrum by Hiding unwanted areas is modified.
In entsprechender Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Signalprozessoreinheit zum Ermitteln der Antennengewichte für das Senden in der Abwärtsstrecke auf Basis des Leistungs-Winkelspektrums der Aufwärtsstrecke der einzelnen Benutzer unter dessen Modifikation durch Ausblenden unerwünschter Bereiche eingerichtet ist.The device according to the invention is correspondingly of the type mentioned above, characterized in that the Signal processor unit for determining the antenna weights for the transmission in the downlink on the basis of the power angle spectrum the uplink of each user under its modification by hiding unwanted Areas is set up.
Bei der erfindungsgemäßen Technik wird somit zur Strahlformung in der Abwärtsstrecke das Leistungs-Winkelspektrum der Aufwärtsstrecke der einzelnen Benutzer zu Grunde gelegt, wobei in diesem Leistungs-Winkelspektrum unerwünschte Winkelbereiche ausgeblendet werden, d.h. etwaige Störer werden im Leistungs-Winkelspektrum ausgeblendet, um eine optimale Ausrichtung der Hauptkeule in Richtung des jeweiligen Benutzers zu gewährleisten. Es werden also erfindungsgemäß die wichtigen, nützlichen Bereiche des Leistungs-Winkelspektrums extrahiert und der Ermittlung der Antennengewichte für die Strahlformung in der Abwärtsstrecke zu Grunde gelegt. Untersuchungen haben dabei gezeigt, dass es möglich ist, besonders gute Ergebnisse hinsichtlich Störunterdrückung zu erzielen, wenn nur ein dominanter Teil im Leistungs-Winkelspektrum aus diesem herausgeschnitten wird.In the technique according to the invention, beam shaping is thus used in the downlink the power angle spectrum of the The upward link of the individual user is used, whereby undesirable angular ranges in this power angle spectrum are hidden, i.e. any interferers are in the power angle spectrum hidden for optimal alignment of the Main club in the direction of the respective user. According to the invention, it becomes the important, useful Extracted areas of the power angle spectrum and the Determination of the antenna weights for beam shaping in the Downward route used as a basis. Have investigations shown that it is possible to get particularly good results in terms of interference suppression if only one dominant part in the power angle spectrum cut out of this becomes.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Leistungs-Winkelspektrum unter Verwendung einer bekannten Signalfolge des Sendesignals, wie Spreizcode, Mittambel etc., geschätzt wird. Auch ist es von Vorteil, wenn das Leistungs-Winkelspektrum der Aufwärtsstrecke auf Basis der räumlichen Kovarianzmatrizen der Aufwärtsstrecke der einzelnen Benutzer bzw. gegebenenfalls von Mittelwerten derselben geschätzt wird. Ferner hat es sich als günstig erwiesen, wenn auf Basis des modifizierten Leistungs-Winkelspektrums der einzelnen Benutzer bzw. von dessen Mittelwert die jeweilige räumliche Kovarianzmatrix der Abwärtsstrecke ermittelt wird. Schließlich ist es vorteilhaft, wenn die räumliche Kovarianzmatrix der Abwärtsstrecke bzw. deren Mittelwert zur Berechnung der Antennengewichte für das Senden verwendet wird.It is advantageous if the power angle spectrum using a known signal sequence of the transmission signal, such as spreading code, midamble etc. is estimated. It is also from Advantage if the power angle spectrum of the uplink based on the spatial covariance matrices of the uplink of the individual users or, if applicable, of mean values the same is estimated. Furthermore, it has proven to be cheap proven if based on the modified power-angle spectrum of the individual user or of its mean value the respective spatial covariance matrix of the downlink is determined becomes. Finally, it is advantageous if the spatial covariance matrix the downlink or its mean value for calculation the antenna weights are used for transmission.
Bevorzugt wird somit eine Strahlformung der räumlichen Eigenschaften des Mobilfunkkanals in Bezug auf die räumliche Kovarianzmatrix vorgenommen, die aus den vier Schritten
- Schätzung der räumlichen Kovarianzmatrix der Aufwärtsstrecke;
- Bestimmung des Leistungs-Winkelspektrums mit Methoden der spektralen Suche auf der Empfangsfrequenz;
- Rekonstruktion der räumlichen Kovarianzmatrix der Abwärtsstrecke unter Verwendung des geschätzten, modifizierten Leistungs-Winkelspektrums auf der Sendefrequenz; und
- Berechnung der Antennengewichte für jeden Benutzer des physikalischen Kanals besteht.
- Estimation of the spatial covariance matrix of the uplink;
- Determination of the power angle spectrum using methods of spectral search on the receiving frequency;
- Reconstruction of the spatial covariance matrix of the downlink using the estimated, modified power-angle spectrum on the transmission frequency; and
- Calculation of the antenna weights for each user of the physical channel exists.
Die erfindungsgemäße Technik ist uneingeschränkt von den Ausbreitungsverhältnissen der elektromagnetischen Wellen anwendbar. Sie unterliegt keinerlei Einschränkungen in Bezug auf eine einzige dominante Einfallsrichtung pro Teilnehmer und ist ohne zusätzlichen Hardwareaufwand einsetzbar. Es gibt keinerlei Annahmen über den Frequenzunterschied zwischen Sende- und Empfangsfall, und daher funktioniert die hier beschriebene Technik auch unabhängig vom relativen Duplexabstand. Es werden dabei weder aufwendige iterative Näherungsverfahren noch hochauflösende Richtungsschätzungsalgorithmen benötigt, so dass eine sehr recheneffiziente Lösung erzielt ist.The invention Technology is unrestricted by the spreading conditions of electromagnetic waves applicable. It is subject to no restrictions on a single dominant Direction of incidence per participant and is without additional Hardware expenditure can be used. There are no assumptions about that Frequency difference between transmission and reception, and therefore the technique described here also works independently of relative duplex spacing. It is neither expensive iterative approximation methods or high-resolution direction estimation algorithms needed, so a very computationally efficient Solution is achieved.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und
unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Es
zeigen:
Die Aufgabe der Strahlformung in der Abwärtsstrecke von zellularen Mobilfunksystemen mit adaptiven Antennen an der Basisstation besteht darin, die Signale der einzelnen Benutzer so von der Basisstation zu senden, dass die meiste Energie vom gewünschten Benutzer empfangen und möglichst wenig Energie zu anderen Benutzern, die dort als Interferenz auftritt, gesendet wird. Eine Strahlungsformung in der Abwärtsstrecke, die diese Anforderungen erfüllt, gewährleistet für jeden Benutzer ein ausreichendes Störverhältnis und somit eine ausreichende Übertragungsqualität (Bitfehlerrate BER). Um dieses Ziel zu erfüllen, muss man die Hauptkeule des Antennendiagrammes in die Richtung des gewünschten Benutzers und Nullstellen im Antennendiagramm in Richtung jener Benutzer legen, die auf der selben Frequenz versorgt werden. Dieses Prinzip ist in Fig. 1 illustriert.The task of beamforming in the downlink from cellular mobile radio systems with adaptive antennas at the base station consists of the signals of each user to send from the base station that most of the energy from the desired one Users receive and as little energy as possible to others To users who appear as interference becomes. A radiation formation in the downlink that this Requirements met, guaranteed for every user sufficient interference ratio and thus adequate transmission quality (Bit error rate BER). To achieve this goal you have to put the main lobe of the antenna pattern into the Direction of the desired user and zeros in the antenna diagram towards those users who are on the same Frequency are supplied. This principle is illustrated in Fig. 1.
In Fig. 1 ist im Einzelnen schematisch eine adaptive Antenne
1 mit Strahlformung in der Abwärtsstrecke gezeigt, wobei ein
Signalprozessor 2 die einzelnen Antennenelemente 1.1, 1.2 bis
1.M mit unterschiedlichen Phasen und Amplituden ansteuert und
somit das gewünschte Antennendiagramm 3 bzw. 4 erzeugt. Die
Hauptkeulen 5 bzw. 6 des Antennendiagramms 3 bzw. 4 zeigen in
Richtung eines jeweiligen Benutzers 7 bzw. 8, wobei Nullstellen
9 bzw. 10 im Antennendiagramm 3 bzw. 4 in Richtung des jeweils
anderen Benutzers 8 bzw. 7 zeigen.An adaptive antenna is shown schematically in detail in FIG. 1
1 shown with beamforming in the downlink, with a
Durch die unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Elemente
der Antennengruppe 1 wird die Form des Antennendiagrammes 3 bzw.
4 festgelegt. Dies wird nachfolgend am Beispiel einer linearen
Antennengruppe an Hand der Fig. 2 erklärt. Fig. 2 zeigt dabei
schematisch eine aus einer Richtung auf die Antennenelemente
1.1, 1.2, 1.3...1.M einfallende Welle.Due to the different weighting of the individual elements
the
In Fig. 2 ist ferner mit d der Abstand zwischen den einzelnen Antennenelementen und mit ΔL der Wegunterschied der Welle von einem Antennenelement, z.B. 1.2, zum nächsten Antennenelement, z.B. 1.3, bezeichnet. Der Abstand d liegt dabei beispielsweise in der Größenordnung der Wellenlänge und ist vorzugsweise kleiner als die Wellenlänge (z.B. ungefähr gleich der halben Wellenlänge).In Fig. 2, d is also the distance between the individual Antenna elements and with ΔL the path difference of the wave from an antenna element, e.g. 1.2, to the next antenna element, e.g. 1.3. The distance d lies here for example in the order of the wavelength and is preferably less than the wavelength (e.g. approximately the same half the wavelength).
Der Wegunterschied ΔL der elektromagnetischen Welle von
einem Antennenelement zum nächsten entspricht einem Phasenunterschied
des Empfangssignals, der wie folgt angeschrieben werden
kann
Wie aus dieser Beziehung ersichtlich, ist die Gruppenantwort
der Antennengruppe 1 sowohl von der Einfallsrichtung der Welle
als auch von der Trägerfrequenz abhängig.As can be seen from this relationship, the group response is
the
In zellularen Mobilfunknetzen gibt es nicht nur einen einzigen Ausbreitungspfad, sondern es tritt Mehrwegeausbreitung auf. Das bedeutet, dass mehrere Ausbreitungspfade mit unterschiedlicher Weglänge und unterschiedlichen Richtungen zwischen der Basisstation und der Mobilstation existieren. Systematisch ist diese Mehrwegeausbreitung in Fig. 3 skizziert.There is not just one in cellular cellular networks Propagation path, but there occurs multipath propagation on. That means multiple propagation paths with different Path length and different directions between the base station and the mobile station exist. systematic this multipath propagation is sketched in FIG. 3.
Im Einzelnen ist in Fig. 3 eine Basisstation 11 mit einer
adaptiven Antenne 1 mit neun Antennenelementen 1.1...1.9 und mit
einer Mehrwegeausbreitung zwischen der Basisstation 11 und Mobilstationen
(MS) 7, 8 veranschaulicht, wobei die Mehrwegeausbreitung
beispielsweise zufolge von Reflexionen an Gebäuden 12
zustandekommt.In detail, a
Die einzelnen Signale überlagern sich in der Aufwärtsstrecke
an den Antennenelementen 1.1 bis 1.9 der linearen Antennengruppe
1 und in der Abwärtsstrecke an der Antenne des jeweiligen Handys
7, 8. Ob sich die einzelnen Signale konstruktiv oder destruktiv
überlagern, hängt von der Phasenbeziehung der einzelnen Wellen
zueinander ab. Da in einem FDD-System für die Aufwärts- und die
Abwärtsstrecke unterschiedliche Trägerfrequenzen verwendet werden,
ändern sich auch die Phasenbeziehungen der Wellen zueinander.
Aus diesem Grund ist der Schwund (die konstruktive und destruktive
Überlagerung) in der Aufwärts- und Abwärtsstrecke absolut
unkorreliert. Aber nicht nur der Schwund auch das Antennendiagramm
verändert sich durch die Frequenzverschiebung. Sowohl
die Position der Hauptkeule als auch die Position der
Nullstellen und deren Form in der Gruppenrichtcharakteristik
ändern sich sehr stark, wie in den Fig. 4A und 4B illustriert
ist. Dabei zeigt Fig. 4A ein Antennendiagramm für die Frequenz
der Aufwärtsstrecke und Fig. 4B ein entsprechendes Antennendiagramm
für die Frequenz der Abwärtsstrecke. Wie aus Fig.4A
ersichtlich kommen für einen Benutzer B1 die Signale aus den
Richtungen -20° und 40° und für einen Benutzer B2 aus den
Richtungen -50° und 10°. Hingegen liegen die Hauptkeulen bei
Verwendung der selben Antennengewichte in der Abwärtsstrecke (s.
Fig.4B) für den Benutzer B1 bei -18° und 35° und für den
Benutzer B2 bei -45° und 8°. (Als Trägerfrequenzen wurden
hierbei folgende Werte zugrundegelegt: fE=1920MHz, fS=2110MHz.)The individual signals overlap in the uplink on the antenna elements 1.1 to 1.9 of the
Wie aus den Fig. 4A und 4B zu ersehen ist, sind sowohl die
Nullstellen als auch die Hauptkeulen in ihrer Richtung auf Grund
der unterschiedlichen Frequenzen verschoben. Der Einfluss auf
die Hauptkeulen ist jedoch nicht so stark, da sie ohnehin sehr
breit sind und sich deshalb nur ein um maximal 0,5dB kleinerer
Antennengewinn ergibt. Die Nullstellen in Richtung des jeweils
anderen Benutzers sind jedoch sehr schmal, und bei Verwendung
der selben Antennengewichte für die Abwärtsstrecke wie für die
Aufwärtsstrecke wird die erzeugte Störung für den jeweils anderen
Benutzer drastisch erhöht. Aus diesem Grund ist es nicht
ratsam, die selben Antennengewichte für das Empfangen und für
das Senden an der Basisstation 11 zu verwenden.As can be seen from FIGS. 4A and 4B, both the
Zeroing as well as the main lobes in their direction on the ground
of different frequencies shifted. The influence on
The main mace is not as strong as it is anyway
are wide and therefore only a maximum of 0.5dB smaller
Antenna gain results. The zeros in the direction of each
other users, however, are very narrow and in use
the same antenna weights for the downlink as for the
Upward path is the generated disturbance for the other
User increased dramatically. Because of this, it is not
advisable to use the same antenna weights for receiving and for
to use the transmission at the
Wegen der Frequenzverschiebung ist also der Schwund zwischen Sende- und Empfangsfall unkorreliert, und es ergibt sich ein anderes Antennendiagramm bei Verwendung der selben Antennengewichte.Because of the frequency shift, the fading is between Sending and receiving case uncorrelated, and there is a different antenna pattern when using the same antenna weights.
Der unkorrelierte Schwund kann nicht kompensiert werden, da sämtliche Pfadlängen bekannt sein müssten, was unmöglich ist. Mit einer geeigneten Strahlformung kann jedoch der Einfluss der Trägerfrequenz auf das Antennendiagramm kompensiert werden, wodurch in der Folge die für die anderen Benutzer erzeugte Störung verringert und die Übertragungsqualität und Systemkapazität gesteigert wird.The uncorrelated shrinkage cannot be compensated for all path lengths should be known, which is impossible. With a suitable beam shaping, however, the influence of Carrier frequency on the antenna pattern can be compensated, which consequently the disturbance generated for the other users reduced and the transmission quality and system capacity increased becomes.
Für diese Signalformung wird in der Basisstation 11 eine Signalprozessoreinheit
2 verwendet, vgl. Fig. 3, die auf Basis der
empfangenen Signale für die Ansteuerung der Antennenelemente 1.1
bis 1.M Antennengewichte insbesondere auch für die Abwärtsstrecke
ermittelt. Dabei werden beispielsweise im Mobilfunksystem
K Benutzer B1 bis BK gleichzeitig versorgt, und die Antennengruppe
1 besteht, allgemein formuliert, aus M Antennenelementen
1.1 bis 1.M. Die empfangenen Signale werden bei 13
bandbegrenzt (Filterung mit Kanalselektionsfilter) und bei 14
ins Basisband gemischt, bei 15 verstärkt und bei 16 digitalisiert,
und in der Signalprozessoreinheit 2 werden die Signale
mit Hilfe adaptiver Algorithmen detektiert. In der Abwärtsstrecke
werden dann die Signale entsprechend gewichtet, moduliert
(bei 14) und von der Antenne 1 abgestrahlt. In Fig. 3 ist
dabei schematisch der Signalaustausch zwischen der Basisstation
11 und dem Zugangsnetz 17 ergänzend veranschaulicht.A signal processor unit is used in
In Fig. 5 ist ein Ablaufdiagramm gezeigt, dass die Auswertung der Eingangssignale bis hin zur Ermittlung der Antennengewichte für die gewünschte Strahlformung in der Abwärtsstrecke schematisch veranschaulicht.In Fig. 5 a flow chart is shown that the evaluation from the input signals to the determination of the antenna weights for the desired beam formation in the downlink schematically illustrated.
Wie in Fig. 5 dargestellt, dient eine Matrix X von verrauschten
Eingangssignalen mehrerer Gleichkanalsignale als Eingangsdatensatz,
der in der Signalprozessoreinheit 2 weiter bearbeitet
werden soll. Die Matrix X enthält N Abtastwerte mit
kritischer Abtastung (Abtastrate 1/T) von K Gleichkanalsignalen,
die von den M Einzelelementen der Gruppenantenne 1 abgeleitet
sind, sowie Interferenzsignale aus benachbarten Zellen, die
dieselben Frequenzen verwenden. Unter Zuhilfenahme einer bekannten
Signalfolge Sk (Block 31 in Fig. 5) des gesendeten
Signals, mit k=1 bis K, wie dem Spreizcode in CDMA-Systemen oder
den Prä- oder Mittambeln in TDMA-Systemen, werden nun die
Kanalimpulsantworten jedes der K Benutzer B1 bis BK an jedem
Antennenelement 1.1 bis 1.M im Schritt 30 geschätzt ("Teilnehmererkennung").
Dabei können die Kanalimpulsantworten jedes
Teilnehmers B1 bis BK mit an sich bekannten Methoden unabhängig
voneinander geschätzt werden (zum Beispiel durch Korrelation mit
der bekannten Signalfolge Sk) oder in einem Schritt alle
gleichzeitig (zum Beispiel mit der Methode der kleinsten
Fehlerquadrate).As shown in FIG. 5, a matrix X of noisy input signals of a plurality of co-channel signals serves as an input data set which is to be processed further in the
Mehr im Detail werden die Kanalimpulsantworten aus den empfangenen Daten X und der bekannten Signalfolge Sk geschätzt (Prä-, Mittambel in TDMA, oder Spreizcode in CDMA-Systemen), wobei das Empfangssignal folgendermaßen dargestellt werden kann: darin bezeichnen hk(t,τ) und Sk(t) die zeitvariante Impulsantwort zum Zeitpunkt t und das gesendete Signal des k-ten Benutzers; und N(t) bezeichnet den Vektor mit dem thermischen Rauschen an den Antennenelementen 1.1 bis 1.M. Die Summation berücksichtigt, dass man die Signale von allen K Benutzern B1 bis BK empfängt. Aus dieser Beziehung kann man nun die Kanalimpulsantworten der Benutzer B1 bis BK schätzen.The channel impulse responses are estimated in more detail from the received data X and the known signal sequence S k (preamble, midamble in TDMA, or spreading code in CDMA systems), the received signal can be represented as follows: h k (t, τ) and S k (t) denote the time-variant impulse response at time t and the transmitted signal of the k-th user; and N (t) denotes the vector with the thermal noise on the antenna elements 1.1 to 1.M. The summation takes into account that the signals are received from all K users B1 to BK. From this relationship, the channel impulse responses of users B1 to BK can now be estimated.
In TDMA-Systemen kann man dazu die erwähnten Prä- oder Mittambeln verwenden - entweder für alle Benutzer zugleich (gemeinsame Schätzung) oder für jeden Benutzer separat. Die separate Schätzung kann ebenfalls mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate durchgeführt werden, was in zeitdiskreter Schreibweise wie folgt dargestellt werden kann: In TDMA systems you can use the mentioned preambles or midambles - either for all users at the same time (joint estimate) or separately for each user. The separate estimation can also be carried out using the least squares method, which can be represented in time-discrete notation as follows:
Die gemeinsame Schätzung kann folgendermaßen erfolgen: The joint estimate can be made as follows:
Das entspricht einer gemeinsamen Schätzung mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate. Das Bilden der Pseudoinversen einer Matrix wird dabei durch "#" bezeichnet.This corresponds to a common estimate using the method least squares. Forming pseudo inverses a matrix is denoted by "#".
In CDMA-Systemen verwendet man das Ausgangssignal eines auf den verwendeten Spreizcode signalangepassten Filters. Dieses signalangepasste Filter ist ein Standardempfängerbestandteil von CDMA-Systemen; eine Beschreibung der entsprechenden Beziehungen für die Schätzung kann sich hier erübrigen.In CDMA systems the output signal one is used the spread code used for the signal-adapted filter. This matched filter is a standard receiver component of CDMA systems; a description of the corresponding relationships for the estimation can be superfluous here.
Die Kanalimpulsantwortmatrizen Hk mit k=1 bis K (für die
Benutzer B1 bis BK) beinhalten die gesamte benötigte Information
für den Strahlformungsprozess. Die Kanalimpulsantwortmatrizen
besitzen folgende Struktur
Mit Hilfe dieser Kanalimpulsantworten werden nun die räumlichen
Kovarianzmatrizen der Aufwärtsstrecke der einzelnen Benutzer
berechnet, s. Schritt 40 in Fig. 5.With the help of these channel impulse responses, the spatial
Covariance matrices of the uplink of the individual user
calculated, see
Ein Signal, dass aus einer Richtung an der Antennengruppe
1 einfällt, ergibt eine Gruppenantwort, die gleich dem bereits
erwähnten Array Steering Vector a(,f) ist. Die räumliche Kovarianzmatrix
R(f) dieses Signals ist in diesem Fall als
In der Kanalimpulsantwort sind sämtliche Signale mit den Gruppenantworten und den zugehörigen Signalstärken enthalten. Aus diesem Grund und durch das Ersetzen der Erwartungswertbildung durch den zeitlichen Mittelwert (im zeitdiskreten Mittelwert der Abtastwerte) kann man die räumliche Kovarianzmatrix wie folgt darstellen The channel impulse response contains all signals with the group responses and the associated signal strengths. For this reason and by replacing the formation of the expected value with the temporal mean (in the discrete-time mean of the samples), the spatial covariance matrix can be represented as follows
Mit dieser Beziehung werden daher die Kovarianzmatrizen der Aufwärtsstrecke der Benutzer B1 bis BK geschätzt. Die räumliche Kovarianzmatrix Rk ist ebenfalls frequenzabhängig. Die räumliche Kovarianzmatrix Rk der Aufwärtsstrecke wird im Allgemeinen zur Berechnung der komplexen Antennengewichte für den Empfang mit adaptiven Antennen verwendet. Die Verwendung dieser Antennengewichte für die Abwärtsstrecke verschiebt aber die Nullstellen, wie bereits erläutert. Aus diesem Grund muss man versuchen, die räumliche Kovarianzmatrix Rk von der Empfangsfrequenz fE der Basisstation auf die Sendefrequenz fS zu transformieren, um die Antennengewichte für die Abwärtsstrecke berechnen zu können.With this relationship, the covariance matrices of the uplink of users B1 to BK are therefore estimated. The spatial covariance matrix R k is also frequency-dependent. The spatial covariance matrix R k of the uplink is generally used to calculate the complex antenna weights for reception with adaptive antennas. However, the use of these antenna weights for the downlink shifts the zeros, as already explained. For this reason, one must try to transform the spatial covariance matrix R k from the reception frequency f E of the base station to the transmission frequency f S in order to be able to calculate the antenna weights for the downlink.
Diese Frequenztransformation ist in Fig. 5 beim Schritt 50
angedeutet, wobei die Frequenztransformation die räumliche
Struktur des Mobilfunkkanals, die in der räumlichen Kovarianzmatrix
Rk enthalten ist, von der Empfangsfrequenz der Basisstation
(Frequenz der Aufwärtsstrecke) fE auf die Sendefrequenz
der Basisstation (Frequenz der Abwärtsstrecke) fS transformiert.
Diese Technik ist in Fig. 6 genauer gezeigt und wird in der
Folge detaillierter beschrieben.This frequency transformation is indicated in FIG. 5 at
Die geschätzten räumlichen Kovarianzmatrizen Rk der K Benutzer
der Abwärtsstrecke werden so gebildet, dass sie hermitisch
sind. Das bedeutet, dass alle Einfallsrichtungen als voneinander
unabhängig angesehen werden. Die Kovarianzmatrizen Rk
(fS) bei der Sendefrequenz fS, die am Ende von Schritt 50
erhalten werden, werden dazu verwendet, um die optimalen Antennengewichte
für das Senden in der Abwärtsstrecke zu berechnen.
Dies wird im Schritt 60 in Fig. 5 durchgeführt. Es können dazu
sämtliche Strahlformungsalgorithmen benutzt werden, die auf der
Kenntnis der räumlichen Kovarianzmatrix beruhen. Die Signale für
die einzelnen Benutzer werden nun mit deren Antennengewichten
multipliziert (gewichtet) und von der Basisstation 11 gesendet.The estimated spatial covariance matrices R k of the K users of the downlink are formed so that they are hermitic. This means that all directions of incidence are considered to be independent of each other. The covariance matrices R k (f S ) at the transmission frequency f S , which are obtained at the end of
Zur Frequenztransformation (Schritt 50) gemäß Fig. 6 ist im
Detail folgendes auszuführen: Wie bereits beschrieben, ist der
Schwund (die Phasenbeziehung) der einzelnen Signalpfade in Abund
Aufwärtsstrecke unkorreliert. Nur die Einfallsrichtungen der
einzelnen Teilwellen und deren mittlere Signalstärke (Leistung)
sind in der Auf- und Abwärtsstrecke gleich. Zur Strahlformung
wird daher das geschätzte Leistungs-Winkelspektrum verwendet,
um die räumliche Kovarianzmatrix zu rekonstruieren. Das Leistungs-Winkelspektrum
enthält die Leistung, die aus dem jeweiligen
Winkelbereich empfangen wird. Genau dieser Parameter ist
in Ab- und Aufwärtsstrecke gleich. Aus diesem Grund ist die gesamte
Information, die für das Senden in der Abwärtsstrecke genutzt
werden kann, in der rekonstruierten Kovarianzmatrix wieder
enthalten. Da nur die mittlere Signalstärke gleichbleibt und
nicht die momentane, kann eine zeitliche Mittelung inkludiert
werden. Die zeitliche Mittelung kann an drei Stellen
durchgeführt werden:
Wo die Mittelung erfolgt ist im Prinzip egal - es hat sich bei Untersuchungen gezeigt, dass die Mittelung der Kovarianzmatrix bei der Empfangsfrequenz besonders gute Ergebnisse liefert.In principle, it doesn't matter where the averaging takes place - it has Studies have shown that the averaging of the covariance matrix delivers particularly good results at the reception frequency.
In Fig. 6 ist die Leistungs-Winkelspektrum-Schätzung bei
Block 52 gezeigt, wobei von den Kovarianzmatrizen Rk(fE) der
Aufwärtsstrecke für den k-ten Benutzer ausgegangen wird. Bei
dieser Leistungs-Winkelspektrum-Schätzung können prinzipiell
alle an sich bekannten Verfahren der spektralen Suche herangezogen
werden.6 shows the power-angle spectrum estimate at
Das Leistungs-Winkelspektrum APSk (Azimuthal Power Spectrum)
kann durch die Maximum Likelihood Methode (auch Minimum Varianz
Methode oder Capon's Methode genannt, gezeigt in D.H. Johnson,
D.E. Dudgeon, "Array Signal Processing - Concepts and
Techniques", Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs (New Jersey),
533 S.) wie folgt geschätzt werden:
In dieser Beziehung ist a(, fE ) der "Array Steering
Vector" der Aufwärtsstrecke, der von der Empfangsfrequenz fE,
dem Interelementabstand d der linearen Antennengruppe mit M
Elementen und der Richtung wie folgt abhängig ist:
Das bedeutet, dass bei Kenntnis der Geometrie der gleichförmigen,
linearen Antennengruppe 1 (Verhältnis des Antennenelementabstandes
d zur Empfangswellenlänge λE, d.h. d/λE)
das Leistungs-Winkelspektrum APSk jedes der K Benutzer geschätzt
wird. Dieser Schritt kann selbstverständlich auch mit anderen,
ähnlichen Verfahren der spektralen Suche durchgeführt werden.
Das Leistungs-Winkelspektrum APSk enthält keinerlei Phasenbeziehungen
der einzelnen Signalpfade des Mobilfunkkanals zueinander,
was weder notwendig noch sinnvoll ist, da durch die
unterschiedliche Sende- und Empfangsfrequenz in einem Frequenzduplexsystem
der Schwund und die Phasenbeziehungen durch die
Mehrwegeausbreitung absolut unkorreliert sind.This means that if the geometry of the uniform,
In Fig. 7 ist ein Beispiel für ein geschätztes Leistungs-Winkelspektrum
APSk eines Benutzers Bk gezeigt, der sich in der
Richtung +10° von der Basisstation 11 aus gesehen befindet. Die
strichlierte Linie in Fig. 7 skizziert das geschätzte Leistungs-Winkelspektrum
einiger Gleichkanalsstörer, die sich auf -30°,
+12° und 50° befinden.FIG. 7 shows an example of an estimated power angle spectrum APS k of a user Bk who is in the + 10 ° direction from the
Im Schritt 54 in Fig. 6 werden sodann die dominanten Bereiche
des Leistungs-Winkelspektrums APSk extrahiert. Dabei muss
nicht unbedingt das gesamte Leistungs-Winkelspektrum APSk zur
Rekonstruktion der räumlichen Kovarianzmatrix herangezogen werden,
sondern es können auch nur jene Winkelbereiche verwendet
werden, aus denen der größte Teil der Signale in der Aufwärtsstrecke
empfangen wird, wobei daher die Antennenkeulen in diese
Winkelbereiche gerichtet werden bzw. in Bezug auf die Interferenz
nur in solche Winkelbereiche Nullstellen im Antennendiagramm
gelegt werden. Diese Technik, einige Winkelbereiche auszublenden,
um z.B. nur Nullstellen in die Richtung der dominanten
Störer zu legen oder Nullstellen in Richtung jener Störer zu
vermeiden, die in ungefähr der selben Richtung liegen wie der
gewünschte Benutzer und dadurch das Antennendiagramm negativ
beeinflussen, ist beispielhaft in Fig. 8 (in Verbindung mit Fig.
7) sowie in den Fig. 9 und 10 veranschaulicht. Während Fig. 7
das geschätzte Leistungs-Winkelspektrum des gewünschten Benutzers
und der Störer zeigt, veranschaulicht Fig. 8 die Antennenrichtcharakteristik
zu diesem Szenario.In
In Fig. 7 ist ersichtlich, dass ein Störer und der gewünschte Benutzer ungefähr in der selben Richtung (+12° bzw. +10°)liegen. Versucht man die in die Richtung dieses einen Störers gesendete Energie, der auf +12° von der Basisstation aus gesehen liegt, zu verringern, so zeigt die Hauptkeule nicht exakt in die Richtung des gewünschten Benutzers.In Fig. 7 it can be seen that an interferer and the desired one User roughly in the same direction (+ 12 ° or + 10 °) are. If you try in the direction of this one jammer transmitted energy, which is at + 12 ° from the base station seen to decrease, the main lobe does not show exactly in the direction of the desired user.
Um diesen Effekt zu unterdrücken, besteht die Möglichkeit, den Anteil des einen Störers im Leistungs-Winkelspektrum zu unterdrücken, und dadurch die Verschiebung der Hauptkeule zu verhindern. Diese Anwendung der Modifikation des Leistungs-Winkelspektrums ist in Fig. 9 dargestellt, und Fig. 10 zeigt das entsprechend modifizierte Antennendiagramm.To suppress this effect, it is possible to suppress the proportion of one interferer in the power angle spectrum, and thereby prevent the main lobe from shifting. This application of the modification of the power angle spectrum is shown in Fig. 9 and Fig. 10 shows that accordingly modified antenna pattern.
Bei der Verwendung des modifizierten Leistungs-Winkelspektrums zur Strahlformung in der Abwärtsstrecke zeigt nun die Hauptkeule im Antennendiagramm (Fig. 10) wieder in Richtung des gewünschten Benutzers (+10°). Besonders in CDMA-Systemen (die Systeme der 3. Mobilfunkgeneration wie UMTS beruhen alle auf CDMA) mit vielen Benutzern, die auf einem Kanal versorgt werden, kann die Trennbarkeit der Benutzer im Winkel (mehrere Benutzer liegen nicht in der selben Richtung, was einen Mindestabstand der Winkel, in der die Benutzer liegen, bedingt) bei weitem nicht gewährleistet werden. Aus diesem Grund kann der hier dargestellte Fall in CDMA-Systemen häufig auftreten.When using the modified power angle spectrum for beam formation in the downlink now shows the Main lobe in the antenna diagram (Fig. 10) again in the direction of desired user (+ 10 °). Especially in CDMA systems (the Systems of the 3rd generation of mobile communications such as UMTS are all based on CDMA) with many users who are served on one channel, can the separability of users at an angle (multiple users do not lie in the same direction, which is a minimum distance the angle at which the users lie, by far) cannot be guaranteed. For this reason, the one shown here Case occur frequently in CDMA systems.
Schätzfehler in den Kovarianzmatrizen der Benutzer bzw. der Störer verstärken den hier gezeigten Effekt. In real operierenden Systemen ist das eventuelle Ausblenden von bestimmten Bereichen im Leistungs-Winkelspektrum deshalb oft erforderlich.Estimation errors in the covariance matrices of the users or the Interferers amplify the effect shown here. In real operating Systems is the possible hiding of certain areas therefore often required in the power angle spectrum.
Danach wird im Schritt 56 von Fig. 6 mit dem geschätzten,
modifizierten Leistungs-Winkelspektrum APSk,mod die räumliche
Kovarianzmatrix (Korrelationsmatrix) Rk(fS) des Mobilfunkkanals
der Abwärtsstrecke der K Benutzer rekonstruiert. Dies geschieht
nach folgendem Verfahren:
Thereafter, in
Das Leistungs-Winkelspektrum kann natürlich nicht kontinuierlich, sondern nur diskret mit einer bestimmten Winkelauflösung bestimmt werden. In ausführlichen Computersimulationen hat sich dabei gezeigt, dass eine Auflösung von rund einem Grad ausreichend ist. Daraus ergibt sich, dass das vorstehende Integral durch eine diskrete Summe mit verhältnismäßig wenig Summanden ersetzt werden kann. Die diskrete Summe sieht folgendermaßen aus: Pk,mod() bezeichnet hier das modifizierte Leistungs-Winkelspektrum des k-ten Benutzers.The power angle spectrum can of course not be determined continuously, but only discretely with a certain angular resolution. Extensive computer simulations have shown that a resolution of around one degree is sufficient. This means that the above integral can be replaced by a discrete sum with relatively few summands. The discrete total looks like this: P k, mod () here designates the modified power angle spectrum of the kth user.
Das beschriebene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die gesamte Richtungsinformation des Mobilfunkkanals für die Strahlformung in der Abwärtsstrecke genutzt wird, ohne einen Fehler durch die Duplexfrequenz zu begehen, und daher derselbe Gewinn in der Abwärtsstrecke von zellularen Mobilfunksystemen mit Frequenzduplex möglich ist wie in Zeitduplexsystemen. Dabei werden keinerlei Annahmen über die Anzahl von diskreten Einfallsrichtungen oder geringen Duplexabstand verwendet, und daher ist die beschriebene Technik ohne Einschränkungen einsetzbar. Weiters werden die räumliche Kovarianzmatrix bzw. die Kanalimpulsantworten zur Strahlformung der Abwärtsstrecke verwendet, die auch zur Detektion in der Aufwärtsstrecke benötigt werden und daher nicht extra berechnet werden müssen.The method described is characterized in that the entire direction information of the mobile radio channel for the Beamforming is used in the downlink without one To commit errors by the duplex frequency, and therefore the same Gain in the downlink of cellular cellular systems with frequency duplex is possible as in time duplex systems. there make no assumptions about the number of discrete directions of incidence or used small duplex spacing, and therefore the described technique can be used without restrictions. Furthermore, the spatial covariance matrix or the channel impulse responses used to shape the downlink beam, which are also required for detection in the uplink and therefore do not have to be charged extra.
Am Ausgang der Frequenztransformation gemäß Block 50 werden
somit die Kovarianzmatrizen Rk der Abwärtsstrecke (Rk(fS)) für
den k-ten Teilnehmer erhalten, und diese werden abschließend im
Schritt 60 gemäß Fig. 5 der Strahlformung, d.h. der Ermittlung
der Antennengewichte für die Abwärtsstrecke, zu Grunde gelegt.
Wie bereits erwähnt, können sämtliche bekannte Algorithmen zur
Strahlformung verwendet werden, die auf der Kenntnis der räumlichen
Kovarianzmatrix beruhen. Im Folgenden wird als Beispiel
ein Algorithmus erläutert, der in der Literatur ein Standardalgorithmus
zur Berechnung der Antennengewichte in der Aufwärtsstrecke
ist (vgl. z.B. P. Zetterberg, und B. Ottersten: "The
Spectrum Efficiency of a Basestation Antenna Array System for
Spatially Selective Transmission", IEEE Transactions on
Vehicular Technology, Vol. 44, pp. 651-660, August 1995).At the output of the frequency transformation according to block 50, the covariance matrices R k of the downlink (R k (f S )) for the k-th subscriber are thus obtained, and these are finally obtained in
Kennt man die Kovarianzmatrix der einzelnen Benutzer und der Störer, so kann man aus dieser Information die Antennengewichte berechnen. Rk(fS) bezeichnet die Kovarianzmatrix des k-ten Benutzers und Qk(fS) die Kovarianzmatrix der Störung für den k-ten Benutzer bei der Sendefrequenz fS. Der Gewichtsvektor wird aus dieser Information als der dominante verallgemeinerte Eigenvektor des Matrixpaares [Rk(fS),Qk(fS)] berechnet. Beim Empfang in der Aufwärtsstrecke maximiert diese Methode das Verhältnis von empfangenem Nutzstörleistungs-Verhältnis SNIRk. In der Abwärtsstrecke wird das Verhältnis von erzeugter Signalleistung für den gewünschten Benutzer zu erzeugter Interferenzleistung für die anderen Benutzer maximiert. Mathematisch kann man dieses Problem wie folgt darstellen: If one knows the covariance matrix of the individual users and the interferers, one can calculate the antenna weights from this information. R k (f S ) denotes the covariance matrix of the kth user and Q k (f S ) the covariance matrix of the interference for the kth user at the transmission frequency f S. The weight vector is calculated from this information as the dominant generalized eigenvector of the matrix pair [R k (f S ), Q k (f S )]. When receiving in the uplink, this method maximizes the ratio of received interference power ratio SNIR k . In the downlink, the ratio of signal power generated for the desired user to interference power generated for the other users is maximized. This problem can be represented mathematically as follows:
Zur Detektion in der Aufwärtsstrecke verwendet man die Kovarianzmatrizen
bei der Empfangsfrequenz und für das Berechnen
der Antennengewichte für die Abwärtsstrecke die frequenztransformierten
Kovarianzmatrizen (bei der Sendefrequenz der Basisstation).
Es wird jedoch der selbe Algorithmus zur Berechnung
der komplexen Antennengewichte für das Empfangen und das Senden
mit der adaptiven Antenne 1 verwendet. Aus diesem Grund, und
weil die räumliche Kovarianzmatrix für den Empfang in der Aufwärtsstrecke
im Allgemeinen verwendet wird, ist dieses Verfahren
zur Strahlformung für die Abwärtsstrecke von Systemen mit Frequenzduplex
sehr einfach, und man benötigt im Vergleich zur
Aufwärtsstrecke nur die Frequenztransformation der räumlichen
Kovarianzmatrix zusätzlich, wie schematisch in Fig. 11 bei 70
dargestellt ist.The covariance matrices are used for detection in the uplink
at the receiving frequency and for computing
the antenna weights for the downlink the frequency-transformed
Covariance matrices (at the transmission frequency of the base station).
However, it uses the same algorithm for calculation
the complex antenna weights for receiving and transmitting
used with the
In Fig. 11 ist dabei ganz allgemein die Struktur der Signalprozessoreinheit
2 zur Berechnung der Antennengewichte für
die adaptive Antenne 1 gezeigt, wobei die Empfangssignale bei 71
schematisch angedeutet sind. Bei 72 ist die Einheit zur Schätzung
der Aufwärts-Kovarianzmatrizen Rk veranschaulicht, und die
Strahlformungseinheit ist bei 73 gezeigt. Die ermittelten Antennengewichte
sind mit Wk(fS) für die Abwärtsstrecke und mit
Wk(fE) für die Aufwärtsstrecke bezeichnet.11 shows the structure of the
Claims (14)
- A beamforming method for an adaptive antenna array including several antenna elements (1.1. to 1.M) in the downlink of frequency duplex systems, wherein antenna weights (Wk(fS)) are determined for the antenna elements (1.1 to 1.M) for downlink transmission on the basis of directional information of the uplink, characterized in that the antenna weights (Wk(fS)) for downlink transmission are determined on the basis of the power angle spectrum (APSk) of the uplink of the individual users (B1 to BK), wherein the power angle spectrum (APSk) is modified by masking out undesired angular regions.
- A method according to claim 1, characterized in that the power angle spectrum (APSk) is estimated using a known signal sequence (Sk) of the transmission signal, such as, e.g., spread code or midamble.
- A method according to claim 1 or 2, characterized in that the power angle spectrum (APSk) is estimated on the basis of the spatial covariance matrices (Rk(fE)) of the uplink of the individual users (B1 to BK).
- A method according to claim 3, characterized in that the power angle spectrum (APSk) is estimated on the basis of mean values of the spatial covariance matrices (Rk(fE)) of the uplink of the individual users.
- A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the respective spatial covariance matrix (Rk(fS)) of the downlink is determined on the basis of the modified power angle spectrum (APSk) of the individual users.
- A method according to claim 5, characterized in that the spatial covariance matrix (Rk(fS)) of the downlink is determined on the basis of the mean value of the modified power angle spectrum (APSk).
- A method according to claim 5, characterized in that the mean value of the spatial covariance matrix (Rk(fS)) of the downlink is used to calculate the antenna weights (Wk(fS)) for transmission.
- A beamforming device for an adaptive antenna array including several antenna elements (1.1. to 1.M) in the downlink of frequency duplex systems, comprising a signal processing unit (2) used to determine antenna weights (Wk(fS)) for the antenna elements (1.1. to 1.M) for downlink transmission on the basis of directional information of the uplink, characterized in that the signal processing unit (2) is arranged to determine the antenna weights (Wk(fS)) for downlink transmission on the basis of the power angle spectrum (APSk) of the uplink of the individual users (B1 to BK) upon modification of the former by masking out undesired angular regions.
- A device according to claim 8, characterized in that the signal processing unit (2) is fed with a known signal sequence (Sk) of the transmission signal, such as, e.g., spread code or midamble, to estimate the power angle spectrum (APSk).
- A device according to claim 8 or 9, characterized in that the signal processing unit (2) is arranged to estimate the power angle spectrum (APSk) on the basis of the spatial covariance matrices (Rk(fS)) of the uplink of the individual users (B1 to BK).
- A device according to claim 10, characterized in that the signal processing unit (2) forms the mean values of the spatial covariance matrices (Rk(fS)) of the uplink.
- A device according to any one of claims 8 to 11, characterized in that the signal processing unit (2) is arranged to determine the respective spatial covariance matrix (Rk(fS)) of the downlink on the basis of the modified power angle spectrum (APSk) of the individual users (B1 to BK).
- A device according to claim 12, characterized in that the signal processing unit (2) forms the mean value of the modified power angle spectrum (APSk) to determine the respective spatial covariance matrix (Rk(fS)) of the downlink.
- A device according to claim 12, characterized in that the signal processing unit (2) forms the mean value of the spatial covariance matrix (Rk(fS)) of the downlink to calculate the antenna weights (Wk(fS)) for transmission.
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