EP1214798A2 - Verfahren und anordnung zur strahlformung für den downlink-kanal in cdma-basierten mobilfunksystemen - Google Patents

Verfahren und anordnung zur strahlformung für den downlink-kanal in cdma-basierten mobilfunksystemen

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EP1214798A2
EP1214798A2 EP00974312A EP00974312A EP1214798A2 EP 1214798 A2 EP1214798 A2 EP 1214798A2 EP 00974312 A EP00974312 A EP 00974312A EP 00974312 A EP00974312 A EP 00974312A EP 1214798 A2 EP1214798 A2 EP 1214798A2
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EP
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paths
mobile station
directions
base station
estimated
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EP00974312A
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Inventor
Holger Boche
Martin Schubert
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Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Original Assignee
Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
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    • H04B7/0837—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station using pre-detection combining
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • 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
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    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for beam shaping for the downlink channel in CDMA-based mobile radio systems.
  • an omnidirectional antenna is used at the base station for the downlink (connection from the base station to the mobile station). Since this antenna radiates the same in all directions, no path can be specifically suppressed. All multipaths are thus excited from the base station to the mobile station, as a result of which the transmission signal generally reaches the mobile station on more paths than fingers of a rake receiver arranged on the mobile station (rake means rake, rake).
  • the increase in the capacity of the mobile radio system and the increase in the efficiency of the rake receiver of the mobile station should be ensured and the interference with other cells should be reduced.
  • the object is achieved according to the invention by a method for beam shaping for the downlink channel in CDMA-based mobile radio systems, a rake receiver being used on a mobile station, and that Mobile radio system in TDD mode (Time Division Duplex - time duplex) or in FDD mode (Frequency Division Duplex - frequency duplex) works with a small frequency offset, in which
  • K corresponds to the number of rake fingers of the rake receiver used at the mobile station
  • the weighting factors w k (2) transferred to the beam former are multiplied by the corresponding signals to be transmitted and transferred to the antenna array of the base station as a transmission signal to the mobile station.
  • the arrangement according to the invention for beam shaping for the downlink channel in CDMA-based mobile radio systems a mobile station being preceded by a rake receiver and the mobile radio system in TDD mode (Time Division Duplex - time duplex) or in FDD mode (Frequency Division Duplex - frequency duplex) ) works with a small frequency offset
  • an antenna array arranged at the base station with N antenna elements, a digital signal processor for estimating the direction of the individual paths of the signals received by the antenna array and for estimating the power of these paths,
  • a further digital signal processor for selecting directions of the most powerful paths, - for determining the weighting factors w k (l) (corresponds to the weighting factor of the kth antenna of the lth iteration) a third digital signal processor, which is suitable for both the K strongest paths also for the (K - 1) paths that decrease in performance Directional characteristics are calculated and iteration processes are carried out, taking into account a threshold value set depending on the application, which must not be exceeded, - a fourth digital signal processor in which the signal of the base station intended for the mobile station is obtained by multiplying the kth
  • Weight factor W k (l) is generated with the signal to be sent to the mobile station.
  • the uplink channel and the downlink channel are offset in time.
  • the time span for an uplink and a downlink is relatively short. Under these conditions it is assumed that the transmission channel between uplink and downlink does not change in time. So it is time invariant. In this way, data obtained via the uplink channel can also be used for the downlink channel.
  • uplink and downlink work simultaneously. They are separated based on the frequencies. If the frequency offset between uplink and downlink is relatively small, data for the uplink channel can also be used for the downlink channel.
  • the rake fingers of the rake receiver of the mobile station are each adapted to one of these K directions. These K paths thus contribute to reception at the mobile station, and the path diversity at the mobile station is used.
  • zeros are generated by the directional characteristic in the direction of the paths which can no longer be resolved by the rake receiver at the mobile station.
  • the number of these directions can be controlled by an iteration process.
  • the radiation behavior is further improved, since the determined directional characteristic of the base station has the maximum directivity under all possible directional characteristics which are subject to the same conditions. This maximum directivity can be determined automatically by means of the solution according to the invention and does not require any complex numerical integration methods for the approximate calculation.
  • a linear antenna array AA of a base station which has N antenna elements.
  • the signals received by the linear antenna array AA in the uplink channel are subjected to signal processing with the aim of also using the determined data for the downlink channel.
  • the direction of the individual paths of the signals received by the antenna array and the power of these paths are first estimated in a digital signal processor DSP1, another digital signal processor DSP2 selects the directions of the most powerful K paths.
  • the third digital signal processor DSP3 determines the weight factors W k (l) (k-th weight factor of the l-th iteration) for these K most powerful paths and for further (K -1) paths, which decrease in their performance compared to the ones just mentioned ) by calculating the directional characteristics and an iteration process, taking into account a threshold value set depending on the application, which must not be exceeded.
  • the signal of the base station intended for the mobile station is generated in a fourth digital signal processor DSP4 by multiplying the k-th weight factor w k (l) by the signal to be sent to the mobile station. This allows the transmission signals to be emitted in the downlink from the base station in the direction of the strongest paths determined for the uplink become.
  • the rake fingers of the rake receiver of the mobile station are each adapted to one of these K directions (not shown in the figure).
  • the targeted beam shaping of the transmission signal which is adapted to the receiver structure in the mobile station, improves the transmission quality of the connection between the base station and the mobile station using the multipath propagation (path diversity) and increases the efficiency of the rake receiver of the mobile station; furthermore, this reduces the interference for other mobile stations, which leads to an increase in capacity by reducing the interference with other cells.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA-basierten Mobilfunksystemen werden für den Uplink-Kanal aus Pfaden mit geschätzten Richtungen und geschätzten Leistungen der von einem Antennenarray in der Basisstation empfangenen Signale die K leistungsstärksten Pfade ausgewählt. Richtcharakteristik und Direktivität werden sowohl für diese als auch für die ihrer Leistung nach geringer werdenden (K-1) Pfade berechnet. Anschließend wird ein Iterationsprozeß unter Berücksichtigung eines in Abhängigkeit von der Anwendung gesetzten Schwellwertes, der nicht überschritten werden darf, durchgeführt. Abschließend wird das für die Mobilstation bestimmte Signal der Basisstation durch Multiplikation des k-ten Gewichtsfaktors mit dem zur Mobilstation zu sendenden Signal erzeugt.

Description

Verfahren und Anordnung zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA-basierten Mobilfunksystemen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA-basierten Mobilfunksystemen.
In bestehenden CDMA-basierten Mobilfunksystemen (z.B. IS-95, entsprechend: Mobile Station Base Station Compatibility Standard for Dual- Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System) wird an der Basisstation für den Downlink (Verbindung von der Basisstation zur Mobilstation) eine omnidirektionale Antenne eingesetzt. Da diese Antenne in alle Richtungen gleich abstrahlt, kann kein Pfad gezielt unterdrückt werden. Es werden somit alle Mehrpfade von der Basisstation zur Mobilstation angeregt, wodurch das Sendesignal die Mobilstation in der Regel auf mehr Pfaden als Finger eines an der Mobilstation angeordneten Rake-Empfängers (rake bedeutet Rechen, Harke) erreicht.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA-basierten Mobilfunksystemen anzugeben, wodurch die Übertragungsqualität der Verbindung Basisstation zur Mobilstation unter Ausnutzung der Mehrpfade-Ausbreitung (Pfad- Diversity) verbessert werden kann. Gleichzeitig soll die Erhöhung der Kapazität des Mobilfunksystems und die Erhöhung der Effizienz des Rake- Empfängers der Mobilstation gewährleistet sein und die Störung anderer Zellen verringert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA-basierten Mobilfunksystemen gelöst, wobei an einer Mobilstation ein Rake-Empfänger eingesetzt wird und das Mobilfunksystem im TDD-Mode (Time Division Duplex - Zeitduplex) oder im FDD-Mode (Frequency Division Duplex - Frequenzduplex) mit kleinem Frequenzversatz arbeitet, bei dem
- zunächst für den Uplink-Kanal die Richtungen ωι αx. der einzelnen Pfade der von einem Antennenarray in der Basisstation empfangenen
Signale geschätzt werden,
- dann aus diesen Pfaden mit geschätzten Richtungen coi, ..., oχ. die Pfade mit entsprechenden Leistungen Pi, ..., P ermittelt werden,
- anschließend aus den Pfaden mit den geschätzten Richtungen und den geschätzten Leistungen die K leistungsstärksten Pfade ihrer Größe nach umgeordnet werden, wobei K der Anzahl der Rake-Finger des an der Mobilstation eingesetzten Rake-Empfängers entspricht und
- außerdem maximal (Ki - K) Pfade entsprechend der Leistungen Pκ > Pi > ... ≥ Pκ ausgewählt werden,
- danach werden aus der Menge der maximal Ki Pfade, deren Richtungen und Leistungen geschätzt sind, eine Richtcharakteristik für Hi mit
berechnet, wobei JJ, (ejω"(1)) = 1 für die stärkste Richtung und ωk(1) = (Dι< für 1 ≤ k ≤ K gesetzt wird, und durch Lösung des linearen Gleichungssystems
ermittelt wird, wobei die Elemente bκ,ι(1) mit 1 < k, I < K der Matrix Bi die Form bk,,(l) = Q(ej(c°k(1)" ω'(1))) aufweisen, und die Direktivität D(Hι) der Richtcharakteristik H-i mit
ermittelt wird,
- da die Direktivität auch für Werte ω≠coκ(1) für 1 ≤k≤K möglichst groß sein soll, wird nun ein Iterationsprozeß durchgeführt, bei dem
C, =max|H,(ejω ]| für K + 1 ≤ k ≤ Ki berechnet und mit einer je nach
Anwendungsfall vorgegebenen Schwelle ε verglichen wird,
- - ist Ci ≤ ε, so werden die Gewichtsfaktoren
w,(l)=∑ak(l)ej(1-, , mit 1 ≤ I ≤ N = l an einen Strahlformer zur weiteren Signalverarbeitung übergeben,
- - ist Ci > ε, so wird als nächster Schritt die Richtung er mit K + 1 ≤ k* ≤ Ki gesucht, für die gilt
H,(eJω c,
- - anschließend wird coι<(2) = cθ (1) für 1 ≤k≤K und ωκ+-ι(2) = cύk(1) gesetzt und für diese Richtungen die Richtcharakteristik H2 mit
und
H2(ejωk(2))=l .wobei 1 ≤k≤K und
H2(ejωκ+,(2))=0 mittels Lösung des linearen Gleichungssystems B, ermittelt,
danach wird
C2 =max|H2(ejωt ]| für K + 1 ≤ k ≤ Ki berechnet und bei
K + l
C2 ≤ ε werden die Gewichtsfaktoren wk(2) = ^a,(2)ej(k 1)ω,(2) an einen
1 = 1 Strahlformer übergeben und bei
C2 > ε wird der nächste Iterationsschritt durchgeführt
- die an den Strahlformer übergebenen Gewichtsfaktoren wk(2) werden mit den entsprechenden zu sendenden Signalen multipliziert und dem Antennenarray der Basisstation als Sendesignal zur Mobilstation übergeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA-basierten Mobilfunksystemen, wobei einer Mobilstation ein Rake- Empfänger vorgeschaltet ist und das Mobilfunksystem im TDD-Mode (Time Division Duplex - Zeitduplex) oder im FDD-Mode (Frequency Division Duplex - Frequenzduplex) mit kleinem Frequenzversatz arbeitet, weist auf
- ein an der Basisstation angeordnetes Antennenarray mit N Antennenelementen, - einen Digitalen Signalprozessor zur Richtungsschätzung der einzelnen Pfade der vom Antennenarry empfangenen Signale und zur Leistungsschätzung dieser Pfade,
- einen weiteren Digitalen Signalprozessor zur Auswahl Richtungen der leistungsstärksten Pfade, - zur Ermittlung der Gewichtsfaktoren wk(l) (entspricht dem Gewichtsfaktor der k-ten Antenne der l-ten Iteration) einen dritten Digitalen Signalprozessor, der sowohl für die K stärksten Pfade als auch für die ihrer Leistung nach geringer werdenden (K - 1 ) Pfade die Richtcharakteristik berechnet und Iterationsprozesse unter Berücksichtigung eines in Abhängigkeit von der Anwendung gesetzten Schwellwertes, der nicht überschritten werden darf, durchführt, - einen vierten Digitalen Signalprozessor, in dem das für die Mobilstation bestimmte Signal der Basisstation durch Multiplikation des k-ten
Gewichtsfaktors Wk(l) mit dem zur Mobilstation zu sendenden Signal erzeugt wird.
Für die erfindungsgemäße Lösung wird vorausgesetzt, daß das Mobilsystem im TDD-Mode bzw. im FDD-Mode mit kleinem Frequenzversatz arbeitet.
Im TDD-Mode sind der Uplink-Kanal und der Downlink-Kanal zeitlich versetzt. Dabei ist die Zeitspanne für einen Uplink und einen Downlink relativ klein. Unter diesen Voraussetzungen wird angenommen, daß sich der Übertragungskanal zwischen Uplink und Downlink zeitlich nicht ändert. Er ist also zeitinvariant. Damit können gewonnene Daten über den Uplink-Kanal ebenfalls für den Downlink-Kanal verwendet werden.
Im FDD-Mode arbeiten Uplink und Downlink gleichzeitig. Sie werden aufgrund der Frequenzen getrennt. Wenn der Frequenzversatz zwischen Uplink und Downlink relativ klein ist, können Daten für den Uplink-Kanal ebenfalls für den Downlink-Kanal genutzt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht beim Downlink die gezielte Abstrahlung von der Basisstation in Richtung der für den Uplink ermittelten K stärksten Pfade (Ausbildung von Richtcharakteristiken H (ejωk )=l für
1 ≤ k ≤ K). Die Rake-Finger des Rake-Empfängers der Mobilstation sind jeweils auf eine dieser K Richtungen adaptiert. Diese K Pfade tragen somit zum Empfang an der Mobilstation bei, die Pfad-Diversity an der Mobilstation wird ausgenutzt. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung werden in Richtung der Pfade, welche nicht mehr durch den Rake-Empfänger an der Mobilstation aufgelöst werden können, durch die Richtcharakteristik Nullen erzeugt. Die Anzahl dieser Richtungen kann durch einen Iterationsprozeß gesteuert werden. Das Abstrahlungsverhalten wird weiter verbessert, da die ermittelte Richtcharakteristik der Basisstation unter allen möglichen Richtcharakteristiken, welche den gleichen Bedingungen unterliegen, die maximale Direktivität besitzt. Diese maximale Direktivität kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung automatisch ermittelt werden und erfordert keine aufwendigen numerischen Integrationsverfahren zur näherungsweisen Berechnung.
Eine Ausführungsform der Erfindung und deren Funktionsweise werden nachstehend anhand einer Zeichnung, die eine schematische Darstellung der Anordnung sowie der wichtigsten Verfahrensschritte zeigt, näher erläutert.
In der Figur ist ein lineares Antennenarray AA einer Basisstation gezeigt, das über N Antennenelemente verfügt. Die vom linearen Antennenarry AA empfangenen Signale im Uplink-Kanal werden einer Signalverarbeitung mit dem Ziel unterzogen, die ermittelten Daten ebenfalls für den Downlink-Kanal zu nutzen. Hierfür wird zunächst in einem Digitalen Signalprozessor DSP1 die Richtung der einzelnen Pfade der vom Antennenarry empfangenen Signale und die Leistung dieser Pfade geschätzt, ein weiterer Digitaler Signalprozessor DSP2 wählt die Richtungen der leistungsstärksten K Pfade aus. Für diese K leistungsstärksten Pfade sowie für weitere (K -1 ) Pfade, die in ihrer Leistung im Vergleich zu den eben erwähnten abnehmen, ermittelt der dritte Digitale Signalprozessor DSP3 die Gewichtsfaktoren Wk(l) (k-ter Gewichtsfaktor der l-ten Iteration) durch Berechnung der Richtcharakteristiken und einen Iterationsprozeß unter Berücksichtigung eines in Abhängigkeit von der Anwendung gesetzten Schwellwertes, der nicht überschritten werden darf. In einem vierten Digitalen Signalprozessor DSP4 wird das für die Mobilstation bestimmte Signal der Basisstation durch Multiplikation des k-ten Gewichtsfaktors wk(l) mit dem zur Mobilstation zu sendenden Signal erzeugt. Damit können beim Downlink von der Basisstation in Richtung der für den Uplink ermittelten K stärksten Pfade die Sendesignale abgestrahlt werden. Die Rake-Finger des Rake-Empfängers der Mobilstation sind jeweils auf eine dieser K Richtungen adaptiert (in der Figur nicht dargestellt). Durch die gezielte Strahlformung des Sendesignals, die auf die Empfängerstruktur in der Mobilstation angepaßt ist, wird die Übertragungsqualität der Verbindung Basisstation zur Mobilstation unter Ausnutzung der Mehrpfade-Ausbreitung (Pfad-Diversϊty) verbessert und die Effizienz des Rake-Empfängers der Mobilstation erhöht; weiterhin wird dadurch die Interferenz für andere Mobilstationen verringert, was zu einer Kapazitätserhöhung durch eine Verringerung der Störung anderer Zellen führt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA- basierten Mobilfunksystemen, wobei einer Mobilstation ein Rake-Empfänger vorgeschaltet wird und das Mobilfunksystem im TDD-Mode (Time Division Duplex - Zeitduplex) oder im FDD-Mode (Frequency Division Duplex - Frequenzduplex) mit kleinem Frequenzversatz arbeitet, bei dem
- zunächst für den Uplink-Kanal die Richtungen ω-i , ..., ox. der einzelnen Pfade der von einem Antennenarray in der Basisstation empfangenen
Signale geschätzt werden,
- dann aus diesen Pfaden mit geschätzten Richtungen ω-i, ..., ox. die Pfade mit entsprechenden Leistungen P< PL ermittelt werden,
- anschließend aus den Pfaden mit den geschätzten Richtungen und den geschätzten Leistungen die K leistungsstärksten Pfade ihrer Größe nach umgeordnet werden, wobei K der Anzahl der Rake-Finger des an der Mobilstation eingesetzten Rake-Empfängers entspricht und Pι > P2 ≥ ... ≥ Pκ ist,
- außerdem maximal (K1 - K) Pfade entsprechend der Leistungen Pκ > Pi > ... > Pκ ausgewählt werden,
- danach werden aus der Menge der maximal Ki Pfade, deren Richtungen und Leistungen geschätzt sind, eine Richtcharakteristik für Hi mit
berechnet, wobei J-^ (ejωt(1)) = 1 für die stärkste Richtung
und cö (1 ) = cok für 1 ≤ k ≤ K gesetzt wird, und durch Lösung des linearen Gleichungssystems
ermittelt wird, wobei die Elemente bκι(1) mit 1 ≤ k, I ≤ K der Matrix Bf die Form bk>1(l)=Q( ,(ω'(1)-(ωι(1))) aufweisen, und die Direktivität D(H-ι) der
Richtcharakteristik Hi mit
D(H])=∑ ^Ϊ) k = l ermittelt wird, da die Direktivität auch für Werte ω≠cük(1) für 1 ≤k≤K möglichst groß sein soll, wird nun ein Iterationsprozeß durchgeführt, bei dem
C, =max|H](ejωk j für K + 1 ≤ k ≤ Ki berechnet und mit einer je nach
Anwendungsfall vorgegebenen Schwelle ε verglichen wird,
- ist Ci ≤ ε, so werden die Gewichtsfaktoren
w,(l)=∑a k(l)ej('"lK,mit1 ≤I≤N k=l an einen Strahlformer zur weiteren Signalverarbeitung übergeben,
- ist Ci > ε, so wird als nächster Schritt die Richtung CÜK mit K + 1 ≤ k* ≤ Ki gesucht, für die gilt
anschließend wird ύk(2) = cü(1) für 1 ≤k≤K und oκ+ι(2) = cύk(1) gesetzt und für diese
Richtungen die Richtcharakteristik H2 mit
H,(ejω)=∑ak(2)Q(ej(ω-ω'(2))) k = l und
H2(ejωt(2))=l .wobei 1 ≤k≤K und H2 (ejωκ+l(2))=0 mittels Lösung des linearen Gleichungssystems
B, ermittelt,
danach wird
C2 =max H2(ejωk | für K + 1 ≤ k ≤ Ki berechnet und bei + l
C2 ≤ ε werden die Gewichtsfaktoren wk(2) = ^ra1 (2)ej(k"1)ω, (2) an einen
1 = 1
Strahlformer übergeben und bei
C2 > ε wird der nächste Iterationsschritt durchgeführt
- die an den Strahlformer übergebenen Gewichtsfaktoren wk(2) werden mit den entsprechenden zu sendenden Signalen multipliziert und dem Antennenarray der Basisstation als Sendesignal zur Mobilstation übergeben.
2. Anordnung zur Strahlformung für den Downlink-Kanal in CDMA- basierten Mobilfunksystemen, wobei einer Mobilstation ein Rake-Empfänger vorgeschaltet ist und das Mobilfunksystem im TDD-Mode (Time Division Duplex - Zeitduplex) oder im FDD-Mode (Frequency Division Duplex - Frequenzduplex) mit kleinem Frequenzversatz arbeitet, weist auf
- ein an der Basisstation angeordnetes Antennenarray mit N Antennenelementen,
- einen Digitalen Signalprozessor zur Richtungsschätzung der einzelnen Pfade der vom Antennenarry empfangenen Signale und zur Leistungsschätzung dieser Pfade,
- einen weiteren Digitalen Signalprozessor zur Auswahl der Richtungen der leistungsstärksten Pfade, - zur Ermittlung der Gewichtsfaktoren Wk(l) (entspricht dem Gewichtsfaktor der k-ten Antenne der l-ten Iteration) einen dritten Digitalen Signalprozessor, der sowohl für die K stärksten Pfade als auch für die ihrer Leistung nach geringer werdenden (K - 1 ) Pfade die Richtcharakteristik berechnet und Iterationsprozesse unter
Berücksichtigung eines in Abhängigkeit von der Anwendung gesetzten Schwellwertes, der nicht überschritten werden darf, durchführt,
- einen vierten Digitalen Signalprozessor, in dem das für die Mobilstation bestimmte Signal der Basisstation durch Multiplikation des k-ten Gewichtsfaktors wk(l) mit dem zur Mobilstation zu sendenden Signal erzeugt wird.
EP00974312A 1999-09-06 2000-09-06 Verfahren und anordnung zur strahlformung für den downlink-kanal in cdma-basierten mobilfunksystemen Withdrawn EP1214798A2 (de)

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