WO2001091323A1

WO2001091323A1 - Strahlformungsverfahren

Info

Publication number: WO2001091323A1
Application number: PCT/DE2001/001883
Authority: WO
Inventors: Joachim Hammerschmidt; Christopher Brunner; Martin Haardt; Alexander Seeger
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2001-11-29
Also published as: EP1284052A1; JP3987727B2; AU2001265797A1; DE10026077A1; JP2006067623A; US20030144032A1; US7096041B2; DE10026077B4; JP2004501552A

Abstract

Zur Strahlformung in einem Funk-Kommunikationssystem mit Teilnehmerstationen und einer Basisstation (BS), die eine Antenneneinrichtung mit mehreren Antennenelementen aufweist, die ein Downlink-Signal jeweils gewichtet mit Koeffizienten eines Gewichtungsvektors abstrahlen, wird in einer Initialisierungsphase eine Mehrzahl von Gewichtungsvektoren an der Teilnehmerstation ermittelt (2), und die ermittelten Gewichtungsvektoren werden an die Basisstation übertragen (4). In einer darauffolgenden Arbeitsphase wählt die Teilnehmerstation unter den ermittelten Gewichtungsvektoren einen dominierenden aus (6) und überträgt eine Bezeichnung des ausgewählten Gewichtungsvektors an die Basisstation (7).

Description

Beschreibung

Strahlformungsverfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlformung in einem Funk-Kommunikationssystem mit einer Basisstation, deren zugeordnete Antenneneinrichtung mehrere Antennenelemente aufweist, so daß eine räumliche Auflösung bei der Strahlformung möglich ist.

In Funk-Kommunikationssystemen werden Nachrichten (Sprache, Bildinformation oder andere Daten) über Übertragungskanäle mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen (Funkschnittstelle) übertragen. Die Übertragung erfolgt sowohl in Abwärtsrichtung (downlink) von der Basisstation zu der Teilnehmerstation, als auch in Aufwärtsrichtung (uplink) von der Teilnehmerstation zur Basisstation.

Signale, die mit den elektromagnetischen Wellen übertragen werden, unterliegen bei ihrer Ausbreitung in einem Ausbreitungsmedium u.a. Störungen durch Interferenzen. Störungen durch Rauschen können u.a. durch Rauschen der Eingangsstufe des Empfängers entstehen. Durch Beugungen und Reflexionen durchlaufen Signalkomponenten verschiedene Ausbreitungswege. Dies hat zum einen die Folge, daß ein Signal mehrfach, jeweils aus unterschiedlichen Richtungen, mit unterschiedlichen Verzögerungen, Dämpfungen und Phasenlagen, am Empfänger ankommen kann, und zum anderen können sich Beiträge des Empfangssignals kohärent mit wechselnden Phasenbeziehungen beim Empfänger überlagern und dort zu Auslöschungseffekten auf einem kurzfristigen Zeitmaßstab (fast fading) führen.

Aus DE 197 12 549 AI ist bekannt, intelligente Antennen (smart antennas) , d. h. Antennenanordnungen mit mehreren Antennenelementen, zu nutzen, um die Übertragungskapazität in

Aufwärtsrichtung zu erhöhen. Diese ermöglichen eine gezielte Ausrichtung des Antennengains in eine Richtung, aus der das Aufwärtssignal kommt.

Aus A.J.Paulraj, C.B. Papadias, „Space-time processing for wireless Communications", IEEE Signal Processing Magazine, Nov. 1991 , S . 49-83, sind verschiedene Verfahren zur räumlichen Signaltrennung für Auf- und Abwärtsrichtung bekannt.

Für die Abwärtsrichtung, also von Basisstation zur Teilnehmerstation, treten besondere Schwierigkeiten auf, da die Strahlformung vor der Beeinflussung der übertragenen Signale durch den Funkkanal vorzunehmen ist. Aus R. Schmalenberger, J.J. Blanz, „A comparison of two different algorithms for ulti antenna C/I balancing" , Proc. 2^nd European Personal Mobile Communications Conference (EPMCC) , Bonn, Ger any, Sept. 1997, S.483-490, ist ein Algorithmus der Strahlformung in Abwärtsrichtung bekannt, wobei ein direkter Ausbreitungspfad (Sichtverbindung) zwischen den Basisstationen und den Teilnehmerstationen und eine iterative Berechnung von Strahlformungsvektoren vorausgesetzt wird. Mit jeder Änderung der Eigenschaften des Übertragungskanals muß die gesamte aufwendige iterative Berechnung wiederholt werden.

Aus DE 198 03 188 A ist ein Verfahren bekannt, wobei eine räumliche Kovarianzmatrix für eine Verbindung von einer Basisstation zu einer Teilnehmerstation bestimmt wird. In der Basisstation wird ein Eigenvektor aus der Kovarianzmatrix berechnet und für die Verbindung als ein Strahlformungsvektor verwendet. Die Sendesignale für die Verbindung werden mit dem Strahlformungsvektor gewichtet und Antennenelementen zur Abstrahlung zugeführt. Intrazell-Inter-ferenzen werden aufgrund der Verwendung von Joint-Detection, beispielsweise in den Endgeräten, in die Strahlformung nicht einbezogen und eine Verfälschung der empfangenen Signale durch Interzell-

Interferenzen wird vernachlässigt.

Anschaulich gesprochen ermittelt dieses Verfahren in einer Umgebung mit Mehrwegausbreitung einen Ausbreitungsweg mit guten Übertragungseigenschaften und konzentriert die Sendeleistung der Basisstation räumlich auf diesen Ausbreitungsweg. Dadurch kann jedoch nicht verhindert werden, daß Interferenzen auf diesem Übertragungsweg kurzfristig zu Signalauslöschungen und somit zu Unterbrechungen der Übertragung führen können.

Die Empfehlungen des 3GPP (3^rd Generation Partnership Project, http: //www.3gpp.org) sehen deshalb Verfahren vor, bei denen die Teilnehmerstation eine kurzfristige

Kanalimpulsantwort h_ra des Kanals vom m-ten Antennenelement zur Teilnehmerstation schätzt und Gewichtungsfaktoren w_m berechnet, mit denen das Sendesignal vor Abstrahlung durch das m-te Antennenelement gewichtet werden soll. Entsprechende Konzepte sind auch in M. Raitola, A. Hottinen und R. Wichmann, „Transmission diversity in wideband CDMA", erschienen in Proc. 9^th IEEE Vehicular Technology Conf. Spring (VTC '99 Spring), S. 1545-1549, Houston, Texas 1999, behandelt.

Ein schwerwiegendes Problem dieser Vorgehensweise ist, daß der von der Teilnehmerstation abgeschätzte Vektor der Gewichtungsfaktoren an die Basisstation übertragen werden muß, und daß hierfür gemäß den Empfehlungen des 3GPP nur eine geringe Bandbreite von einem Bit pro Zeitschlitz (slot) zur Verfügung steht. Die Vektoren können daher nur grob quantisiert übertragen werden. Wenn sich der Kanal schnell ändert und die Gewichtungen von einem Zeitschlitz zum anderen aktualisiert werden müssen, sind lediglich zwei verschiedene relative Phasenlagen der Antennenelemente einstellbar. Wenn der Kanal sich langsamer ändert und z. B. vier Zeitschlitze zum Übertragen des Vektors zur Verfügung stehen, sind immerhin 16 verschiedene Werte des Vektors darstellbar.

Die bekannten Konzepte stoßen jedoch an ihre Grenzen, wenn die Zahl der Antennenelemente der Basisstation größer als zwei ist, denn die zum Übertragen des Vektors benötigte Bandbreite nimmt mit dessen Komponentenzahl, d. h. mit der Zahl der Antennenelemente zu. Das bedeutet: eine große Zahl von Antennenelementen wäre zwar einerseits wünschenswert, um den Sendestrahl möglichst genau ausrichten zu können, andererseits kann infolge der begrenzten verfügbaren Bandbreite der Gewichtungsvektor nicht so oft aktualisiert werden, wie dies zur Anpassung an das schnelle Fading erforderlich wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Strahlformung anzugeben, das eine zuverlässigere Formung des Downlink-Strahls erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Datenübertragung wird in einem Funk-Kommunikationssystem mit einer Basisstation und Teilnehmerstationen eingesetzt. Die Teilnehmerstationen sind beispielsweise Mobilstationen, so in einem Mobilfunknetz, oder Feststationen, so in sogenannten Teilnehmerzugangs-Net- zen zum drahtlosen Teilnehmeranschluß. Die Basisstation weist eine Antenneneinrichtung (smart antenna) mit mehreren Antennenelementen auf. Die Antennenelemente ermöglichen einen gerichteten Empfang bzw. eine gerichtete Sendung von Daten über die Funkschnittstelle. Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet zwischen einer Initialisierungsphase, die jeweils in größeren Zeitabständen entsprechend einer großen Zahl von Zeitschlitzen der betreffenden Teilnehmerstation durchgeführt wird, und einer Arbeitsphase, deren Schritte häufiger, z.B. bis zu einmal pro Zeitschlitz, durchgeführt werden. In der

Initialisierungsphase wird eine Mehrzahl von sogenannten ersten Gewichtungsvektoren ermittelt, die in einer anschließenden Arbeitsphase des Funk-Kommunikationssystems herangezogen werden, um einen tatsächlich für die

Strahlformung verwendeten aktuellen Gewichtungsvektor jeweils für jeden Zyklus der Arbeitsphase neu festzulegen. Der mit der Ermittlung der Gewichtungsvektoren verbundene Verarbeitungsaufwand fällt daher nur relativ selten, in den Initialisierungsphasen, an; die Festlegung des aktuellen

Gewichtungsvektors, die z.B. lediglich eine Auswahl oder das Bilden einer Linearkombination der ersten Gewichtungsvektoren erfordert, kann hingegen so häufig ausgeführt werden, wie erforderlich, um durch schnelles Fading verursachte Übertragungsunterbrechungen zu kompensieren.

Eine erste bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß die ersten Gewichtungsvektoren anhand von Messungen der Downlink-Übertragung ermittelt werden. Diese Vorgehensweise ist insbesondere zweckmäßig bei Funk-Kommunikationssystemen, die unterschiedliche Frequenzen für Uplink und Downlink verwenden, denn bei solchen Funk-Kommunikationssystemen ist der schnelle Signalschwund (fast fading) auf den unterschiedlichen Frequenzen nicht korreliert. Darüber hinaus müssen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, die sowohl für die Ermittlung der ersten Gewichtungsvektoren in der Initialisierungsphase als auch für die Neufestlegung der aktuellen Gewichtungsvektoren in der Arbeitsphase ausgeführt werden, somit nur an der Teilnehmerstation ausgeführt werden. So wird doppelter Verarbeitungsaufwand vermieden, und auch Schaltungskomponenten für die Durchführung der Verfahrensschritte müssen nur einmal, an der Teilnehmerstation, vorgesehen werden.

Dabei werden zweckmäßigerweise in der Initialisierungsphase die an der Teilnehmerstation ermittelten ersten Gewichtungsvektoren an die Basisstation übertragen, und in der Arbeitsphase erfolgt die Neufestlegung des aktuellen Gewichtungsvektors dadurch, daß die Teilnehmerstation unter den ermittelten ersten Gewichtungsvektoren einen dominierenden auswählt und eine Bezeichnung des ausgewählten dominierenden Gewichtungsvektors an die Basisstation überträgt. Da diese Übertragung nicht in jedem einzelnen Zeitschlitz der Teilnehmerstation stattfinden muß, kann ihr zeitweilig ein eigener Kanal zugeordnet werden, oder in einzelnen Zeitschlitzen kann die Übertragung von Nutzdaten wie Sprache von der Teilnehmerstation zur Basisstation unterbrochen oder eingeschränkt werden, um Übertragungsbandbreite für die Übertragung der Gewichtungsvektoren zu schaffen. Diese Gewichtungsvektoren können so mit einer wesentlich höheren Auflösung übertragen werden, als dies bei den herkömmlichen Verfahren mit der

Übertragungsbandbreite von einem Bit pro Zeitschlitz möglich ist.

Die Gewichtungsvektoren entsprechen jeweils Abstrahlungsrichtungen der Antenneneinrichtung der Basisstation. Zwar kann es durch schnelles Fading zu kurzfristigen Beeinträchtigungen der Übertragung auf einem solchen gerichteten Ausbreitungsweg kommen; die Richtungen selber, in die das Downlink-Signal abgestrahlt werden muß, um die Teilnehmerstation gut zu erreichen, ändern sich aber auch bei einer bewegten Teilnehmerstation nur langsam, etwa in einem Zeitmaßstab von Sekunden bis Minuten. Deshalb sind die an die Basisstation übertragenen Gewichtungsvektoren über eine Zeitspanne von entsprechender Länge für die Strahlformung brauchbar, auch wenn nicht alle Gewichtungs ektoren zu jedem Zeitpunkt eine Übertragung mit guter Qualität erlauben. Wenn die Übertragungsqualität eines zu einem gegebenen Zeitpunkt verwendeten Gewichtungsvektors nachläßt, muß die Basisstation kurzfristig auf einen anderen Gewichtungsvektor wechseln, der eine befriedigende bzw. die bestmögliche Übertragung erlaubt. Dieser Gewichtungsvektor wird hier als dominierender Gewichtungsvektor bezeichnet. Da die einzelnen Koeffizienten dieses Gewichtungsvektors bereits an der Basisstation bekannt sind, müssen sie in der Arbeitsphase nicht mehr einzeln übertragen werden; es genügt, lediglich eine Bezeichnung zu übertragen, die es der Basisstation erlaubt, den von der Teilnehmerstation gewünschten dominierenden Gewichtungsvektor unter den bei ihr gespeicherten auszuwählen und zur Übertragung zu verwenden. Die Informationsmenge, die zur Übertragung einer solchen Bezeichnung erforderlich ist, ist völlig unabhängig davon, mit welcher Auflösung die Koeffizienten der Gewichtungsvektoren in der Initialisierungsphase übertragen worden sind, und sie ist auch unabhängig von der Zahl der Koeffizienten jedes Vektors, das heißt von der Zahl der Antennenelemente der Antenneneinrichtung der Basisstation. Diese Informationsmenge wächst lediglich logarithmisch mit der Zahl der an die Basisstation übertragenen Gewichtungs ektoren. Auf diese Weise ist in der Arbeitsphase der Teilnehmerstation eine hochgenaue Strahlformung bei minimalem Bandbreitenbedarf für die Übertragung der Bezeichnung möglich.

Vorzugsweise wird in der Initialisierungsphase eine erste räumliche Kovarianzmatrix des empfangenen Downlink-Signals erzeugt, und es werden Eigenvektoren dieser ersten Kovarianzmatrix ermittelt, die als Gewichtungsvektoren an die Basisstation übertragen werden.

Diese erste Kovarianzmatrix kann für das gesamte von der Teilnehmerstation empfangene Downlink-Signal einheitlich erzeugt werden. Da die einzelnen Beiträge zum von der Teilnehmerstation empfangenen Downlink-Signal sich jedoch nicht nur durch den zurückgelegten Weg, sondern auch durch die für diesen Weg benötigte Laufzeit unterscheiden, ist es aufschlußreicher, wenn die erste Kovarianzmatrix für jeden Tap des Downlink-Signals einzelnen erzeugt wird.

Vorzugsweise werden aus der Gesamtheit der Eigenvektoren der ersten Kovarianzmatrix bzw. -matrizen diejenigen Eigenvektoren ermittelt, die die größten Eigenwerte aufweisen, denn diese entsprechen den Ausbreitungswegen mit der geringsten Dämpfung.

Um einen representativen Aufschluß über die Qualität der einzelnen Übertragungswege zu gewinnen, ist es ferner zweckmäßig, daß jede erste Kovarianzmatrix über eine Vielzahl von Zeitschlitzen des Downlink-Signals gemittelt wird.

Um in der Arbeitsphase den jeweils zeitweilig am besten geeigneten Gewichtungsvektor zu ermitteln, wird vorzugsweise eine zweite räumliche Kovarianzmatrix erzeugt, und als dominierender Gewichtungsvektor wird derjenige unter den ermittelten Eigenvektoren ausgewählt, der mit der zweiten Kovarianzmatrix den größten Eigenwert aufweist. Diese zweite räumliche Kovarianzmatrix kann z.B. für jeden der

Teilnehmerstation zugeteilten Zeitschlitz von neuem erzeugt werden.

Um bei der Erzeugung der Kovarianzmatrixen die Beiträge der einzelnen Antennenelemente unterscheiden zu können, ist es zweckmäßig, daß jedes Antennenelement periodisch eine Trainingssequenz ausstrahlt, die der Teilnehmerstation bekannt und zu den Trainingssequenzen der anderen Antennenelemente orthogonal ist, und daß die Gewichtungsvektoren anhand der von der Teilnehmerstation empfangenen Trainingssequenzen ermittelt werden.

Einer speziellen Ausgestaltung zufolge, kann die Zahl der ermittelten Gewichtungsvektoren zwei betragen; in diesem Fall genügt ein Bit zur Bezeichnung des jeweils dominierenden Gewichtungsvektors in der Arbeitsphase, und dieses Bit kann in jedem der Teilnehmerstation zugeteilten Zeitschlitz übertragen werden.

Es kann auch eine größere Zahl von Gewichtungsvektoren ermittelt werden, vorzugsweise eine Zweierpotenz 2ⁿ, wobei in diesem Fall n Bits zur Bezeichnung des dominierenden Gewichtungsvektors benötigt werden. Die Übertragung dieser Bezeichnung kann auf mehrere Zeitschlitze verteilt erfolgen; wenn in jedem Zeitschlitz a Bits für die Übertragung zur

Verfügung stehen, werden n/a Zeitschlitze benötigt, und der durch die Bezeichnung spezifizierte Gewichtungsvektor wird in den n/a unmittelbar auf die vollständige Übertragung der Bezeichnung folgenden Zeitschlitzen eingesetzt.

Einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung zufolge werden die ersten Gewichtungsvektoren anhand von Messungen der Uplink- Übertragung ermittelt. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß die Übertragung der Koeffizienten der ersten Gewichtungsvektoren von der Teilnehmerstation zur Basisstation nicht erforderlich ist. Ein solches Verfahren ist daher besser kompatibel mit existierenden Mobilfunksystemen, die eine solche Übertragung nicht vorsehen.

Zwar ist das schnelle Fading bei Mobilfunksystemen, die unterschiedliche Frequenzen für Uplink und Downlink anwenden, für die beiden Übertragungsrichtungen unterschiedlich, dies wirkt sich jedoch auf die Ermittlung der ersten Gewichtungsvektoren nicht störend aus, wenn letzere durch eine zeitliche Mittelung, insbesondere anhand einer gemittelten Kovarianzmatrix, erhalten werden.

Auch hier ist es bevorzugt, wenn die ersten

Gewichtungsvektoren jeweils Eigenwerte einer Kovarianzmatrix sind, denn diese Eigenwerte entsprechen jeweils einem einzelnen Ausbreitungsweg des zwischen Basisstation und Teilnehmerstation auf möglicherweise mehreren verschiedenen Wegen gleichzeitig ausgetauschten Funksignals. Wenn zwischen der Teilnehmerstation und der Basisstation ein direkter Ausbreitungsweg (LOS, line of sight) besteht, was für die Basisstation anhand der Empfangsstatistik des Uplink-Signals feststellbar ist, so genügt es, daß diese das Downlink-Signal mit einem einzigen, diesem Übertragungsweg entsprechenden Gewichtungsvektor gewichtet ausstrahlt. Auf diese Weise wird die Sendeleistung der Basisstation gezielt auf den direkten Übertragungsweg ausgerichtet, andere Übertragungswege geringerer Güte werden nicht gezielt mit Sendeleistung versorgt.

Falls ein direkter Übertragungsweg nicht gegeben ist, kann als aktueller Gewichtungsvektor eine Linearkombination von ersten Gewichtungsvektoren verwendet werden. Dies entspricht einer gezielten Aufteilung der Sendeleistung der Basisstation auf eine begrenzte Zahl von Ausbreitungswegen entsprechend der Zahl der in die Linearkombination eingehenden aktuellen Gewichtungsvektoren. Falls in einer solchen Situation einer der Übertragungswege durch schnelles Fading kurzfristig ausfällt, ist die Wahrscheinlichkeit groß, daß wenigstens ein anderer Gewichtungsvektor der Linearkombination einem Übertragungsweg mit brauchbarer Qualität entspricht. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich bei den ersten

Gewichtungsvektoren um die Eigenvektoren der Kovarianzmatrix handelt, da bei diesen die Wahrscheinlichkeiten einer destruktiven Interferenz statistisch nicht korreliert sind.

Um bei einer solchen Übertragung unter Verwendung einer Linearkombination von Eigenvektoren einen möglichst guten

Signal-Störabstand zu erzielen, können die Koeffizienten der Linearkombination für einen ersten Gewichtungsvektor um so größer gewählt werden, je größer dessen Eigenwert ist. Falls die Verzögerung des Downlink-Signals auf zwei Übertragungswegen identisch ist, ist die Teilnehmerstation nicht ohne weiteres in der Lage, die Anteile dieser zwei Übertragungswege zu den von ihr empfangenem Signal auseinander zu halten. Es besteht daher die Möglichkeit, daß diese zwei Beiträge am Ort der Teilnehmerstation gegenphasig sind und sich gegenseitig auslöschen. Eine solche gegenseitige Auslöschung kann zuverlässig vermieden werden, wenn an der Basisstation aus einer für die Teilnehmerstation bestimmten Nutzdatenfolge mehrere Downlink-Signale erzeugt werden, die jeweils eine unterschiedliche Space-Time-Block- Kodierung aufweisen, und jedes dieser Downlink-Signale mit einem anderen aktuellen Gewichtungsvektor gewichtet ausgestrahlt wird. Auf diese Weise wird jedem Ausbreitungsweg eine charakteristische Space-Time-Block-Kodierung zugeordnet, die die Beiträge der verschiedenen Übertragungswege unter allen Umständen unterscheidbar macht.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Mobilfunknetzes

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Basisstation;

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Teilnehmerstation und

Fig. 4 ein Flußdiagramm des Verfahrens gemäß einer ersten Ausgestaltung; und

Fig. 5 ein Flußdiagramm des Verfahrens gemäß einer zweiten Ausgestaltung.

Figur 1 zeigt die Struktur eines Funk-Kommunikationssystems, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist. Es besteht aus einer Vielzahl von Mobilvermittlungsstellen MSC, die untereinander vernetzt sind bzw. den Zugang zu einem Festnetz PSTN herstellen. Weiterhin sind diese Mobilvermittlungsstellen MSC mit jeweils zumindest einem Basisstationscontroller BSC verbunden. Jeder Basisstationscon- troller BSC ermöglicht wiederum eine Verbindung zu zumindest einer Basisstation BS. Eine solche Basisstation BS kann über eine Funkschnittstelle eine Nachrichtenverbindung zu Teilnehmerstationen MS aufbauen. Hierfür sind wenigstens einzelne der Basisstationen BS mit Antenneneinrichtungen AE ausgerüstet, die mehrere Antennenelemente (A_x - A_M) aufweisen.

In Fig. 1 sind beispielhaft Verbindungen VI, V2, Vk zur Übertragung von Nutzinformationen und Signalisierungsinforma- tionen zwischen Teilnehmerstationen MSI, MS2, MSk, MSn und einer Basisstation BS dargestellt. Ein Operations- und Wartungszentrum OMC realisiert Kontroll- und Wartungsfunktionen für das Mobilfunknetz bzw. für Teile davon. Die Funktionalität dieser Struktur ist auf andere Funk- KommunikationsSysteme übertragbar, in denen die Erfindung zum Einsatz kommen kann, insbesondere für Teilnehmerzugangsnetze mit drahtlosem Teilnehmeranschluß.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Basisstation BS. Eine Signalerzeugungseinrichtung SA stellt das für die

Teilnehmerstatiom MSk bestimmte Sendesignal in Funkblöcken zusammen und ordnet es einem Frequenzkanal TCH zu. Eine Sende/Empfangseinrichtung TX/RX empfängt das Sendesignal Sk(t) von der Signalerzeugungseinrichtung SA. Die Sende/Empfangseinrichtung TX/RX umfaßt ein

Strahlformungsnetzwerk, in dem das Sendesignal s_k(t) für die Teilnehmerstation MSk mit Sendesignalen sl(t), s₂(t), ... verknüpft wird, die für andere Teilnehmerstationen bestimmt sind, denen die gleiche Sendefrequenz zugeordnet ist. Das Strahlformungsnetzwerk umfaßt für jedes Teilnehmersignal und jedes Antennenelement einen Multiplizierer M, der das Sendesignal s_k(t) mit einer Komponente w_m ^(k) eines Gewichtungsvektors ^(k) multipliziert, der der empfangenden Teilnehmerstation MSk zugeordnet ist. Die Ausgangssignale der jeweils einem Antennenelement A_m, m = 1, ..., M zugeordneten Multiplizierer M werden von einem Addierer AD_m, m = 1,2, ..., M addiert, von einem Digitalanalogwandler DAC analogisiert, auf die Sendefrequenz umgesetzt (HF) und in einem Leistungsverstärker PA verstärkt, bevor sie das Antennenelement Ai, ..., A_M erreichen. Eine zu dem beschriebenen Strahlformungsnetz analoge Struktur, die in der Figur nicht eigens dargestellt ist, ist zwischen den Antennenelementen Ai, A, . • • , A_M und einem digitalen Signalprozessor DSP angeordnet, um das empfangene Gemisch von Uplink-Signalen in die Beiträge der einzelnen Teilnehmerstationen zu zerlegen und diese getrennt dem DSP zuzuführen.

Eine Speichereinrichtung SE enthält zu jeder Teilnehmerstation MSk einen Satz von Gewichtungsvektoren w^{< ,1)}, w^(k,2), ..., unter denen der von den Multiplizierern M verwendete Gewichtungsvektoren ^(k> ausgewählt ist.

Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau einer Teilnehmerstation MSk zur Durchführung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Teilnehmerstation MSk umfaßt eine einzige Antenne A, die das von der Basisstation BS ausgestrahlte Downlink-Signal empfängt. Das ins Basisband umgesetzte Empfangssignal von der Antenne A wird einem sogenannten Rake Searcher RS zugeführt, der dazu dient, Laufzeitunterschiede von Beiträgen des Downlink-Signals zu messen, die die Antenne A auf unterschiedlichen

Ausbreitungswegen erreicht haben. Das Empfangssignal liegt ferner an einem Rake-Verstärker RA an, der eine Mehrzahl von Rake-Fingern umfaßt, von denen drei in der Figur dargestellt sind, und die jeweils ein Verzögerungsglied DEL und einen Entspreizer-Entscrambler EE aufweisen. Die

Verzögerungsglieder DEL verzögern das Empfangssignal jeweils um einen vom Rake-Searcher RS gelieferten Verzögerungswert τi, τ₂, τ₃, ... . Die Entspreizer-Entscrambler EE liefern an ihren Ausgängen jeweils eine Folge von abgeschätzten Symbolen, wobei die Ergebnisse der Abschätzung für die einzelnen Entscrambler aufgrund unterschiedlicher Phasenlagen des Downlink-Signals zu Entscrambling- und Spreizcode in den einzelnen Fingern des Rake-Verstärkers unterschiedlich sein können.

In den von den Entspreizern-Entscramblern EE gelieferten Symbolfolgen sind auch die Ergebnisse der Abschätzung von Trainingssequenzen enthalten, die von der Basisstation ausgestrahlt werden, und die für jedes Antennenelement der Basisstation quasi-orthogonal und charakteristisch sind. Ein Signalprozessor SP dient zum Vergleich der Ergebnisse der Abschätzung dieser Trainingssequenzen mit den der Teilnehmerstation bekannten, tatsächlich in den Trainingssequenzen enthaltenen Symbole. Anhand dieses Vergleichs kann die Impulsantwort des Übertragungskanals zwischen Basisstation BS und Teilnehmerstation MSk für jeden einzelnen Finger oder Tap ermittelt werden. An die Ausgänge der Entspreizer-Entscrambler EE ist auch ein Maximum Ratio Combiner MRC angeschlossen, der die einzelnen abgeschätzten Symbolfolgen zu einer kombinierten Symbolfolge mit bestmöglichen Signalrauschverhältnis zusammenfügt und diese an eine Sprachsignalverarbeitungseinheit SSV liefert. Die Arbeitsweise dieser Einheit SSV, die die empfangene Symbolfolge in ein für einen Benutzer hörbares Signal umwandelt bzw. empfangene Töne in eine Sendesymbolfolge umsetzt, ist hinlänglich bekannt und braucht hier nicht beschrieben zu werden.

Der Signalprozessor SP ermittelt für jeden Tap einzeln die Impulsantworten eines jeden Antennenelements AE_X, ..., AE_M und fügt diese Impulsantworten in der z.B. aus der zitierten DE 198 03 188 bekannten Weise zu einer räumlichen Kovarianzmatrix R_xx zusammen. Diese räumlichen Kovarianzmatrizen werden an eine Recheneinheit RE geliefert, ω ω tV) κ> P- h-¹

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wieder in Phaseninformation umzurechnen, um für die Strahlformung im Downlink geeignete Eigenvektoren zu erhalten.

Die Analyse des Schritts 2 umfaßt auch die Bestimmung der Eigenwerte der Eigenvektoren. Der Betrag des Eigenwerts ist ein Maß für die Qualität jedes einzelnen Übertragungsweges; für die spätere Verwendung wird daher eine gegebene Zahl von z.B. 2 oder 4 Eigenvektoren ausgewählt und in Schritt 3 gespeichert, die unter den gefundenen Eigenvektoren die Eigenwerte mit dem höchsten Betrag aufweisen.

In der sich anschließenden Arbeitsphase empfängt die Recheneinheit zyklisch Kovarianzmatrizen von dem Signalprozessor, wobei jede Kovarianzmatrix jeweils auf ein einzelnes Tap des üplink-Signals bezogen ist. Die in der Speichereinheit SE gespeicherten Eigenvektoren entsprechen ihrerseits jeweils einem bestimmten Tap. Die Recheneinheit bestimmt in Schritt 6 für jeden gespeicherten Eigenvektor dessen aktuellen Eigenwert bei Multiplikation mit der in

Schritt 5 gelieferten, dem gleichen Tap wie der Eigenvektor entsprechenden Kovarianzmatrix. Der erhaltene Eigenwert liefert ein Maß für die Übertragungsqualität auf dem dem Eigenvektor entsprechenden Übertragungweg mit einer zeitlichen Auflösung, die der Rate der Erzeugung der

Kovarianzmatrizen in der Arbeitsphase entspricht. In dieser Phase werden die Kovarianzmatrizen von dem Signalprozessor jeweils für jeden der Teilnehmerstation zugeteilten Zeitschlitz aktuell erzeugt; der Eigenwert ist daher ein Maß für die Übertragungsqualität des Übertragungsweges unter Berücksichtigung des schnellen Fadings.

Bei einer ersten, einfachen Variante des Verfahrens schließt sich ein Schritt 8 an, in dem ein aktueller Gewichtungsvektor ^(k) berechnet wird, indem eine Linearkombination der gespeicherten Eigenvektoren w^(k'¹⁾, ^(k,2), ...gebildet wird, wobei jeder der Eigenvektoren w^(k,1), w^(k,2), ... in die Linearkombination mulitipliziert mit seinem in Schritt 6 erhaltenen Eigenwert oder dessen Betrag eingeht. Eine Normierung der Linearkombination ist möglich. Durch diese Gewichtung bei der Bildung der Linearkombination ist gewährleistet, daß diejenigen Übertragungswege, die kurzfristig die besten Übertragungseigenschaften aufweisen, das von der Basisstation abgestrahlte Downlink-Signal dominieren. Die anderen in den aktuellen Gewichtungsvektor w^{( >} eingehenden Eigenvektoren dienen der Absicherung, daß auch in dem Falle, daß der am höchsten gewichtete

Übertragungsweg von einem Zeitschlitz auf den nächsten ausfällt, ein brauchbares Signal bei der Teilnehmerstation ankommt .

Falls einer der Übertragungswege zwischen Basisstation und

Teilnehmerstation eine Direktverbindung ist, so ist dies für die Basisstation darin erkennbar, daß der entsprechende Beitrag an dem empfangenen Üplink-Signal relativ geringe Phasenfluktuation und zumeist auch geringe Dämpfung aufweist. Wenn ein solcher direkter Übertragungsweg existiert, kann der zugeordnete Eigenvektor unmittelbar als aktueller Gewichtungsvektor ^{( >} verwendet werden, mit anderen Worten alle anderen Eigenvektoren gehen mit Koeffizienten 0 in die Bildung der Linearkombination ein.

Eine weiterentwickelte Variante der zweiten Ausgestaltung setzt eine Basisstation mit einer mehrere Antennenelemente umfassende Antenneneinrichtung voraus, die in der Lage ist, unter Verwendung von Space-Time-Block-Codes auszustrahlen. Solche Codes sind z. B. aus Tarokh et al., Space-Time Block Codes from Orthogonal Designs, IEEE Trans, on Information Theory, Bd. 45 Nr. 5, Juli 1999, bekannt. Ein Ausschnitt der Sende/Empfangseinrichtung Tx/Rx einer solchen Basisstation ist in Figur 6 gezeigt. In dieser Sende/Empfangseinrichtung wird eine für die Teilnehmerstation MSk bestimmte komplexwertige Symbolfolge in zwei Stränge aufgeteilt, von denen einer einen Space-Time-Block-Encoder STBE enthält, der o ω tv> M P> cπ o cπ σ o tπ

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Ausgestaltung beschrieben, und bei der die ermittelten Eigenwerte von der Basisstation an die Teilnehmerstation ermittelt werden, so daß die Teilnehmerstation die Verfahrensschritte 5 bis 7, sowie mit Bezug auf Figur 4 für die erste Ausgestaltung des Verfahrens beschrieben, ausführen kann.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Strahlformung in einem Funk- Kommunikationssystem mit Teilnehmerstationen (MSk, MSI bis MSn) und einer Basisstation (BS) , die eine

Antenneneinrichtung (AE) mit mehreren Antennenelementen (Ai bis A_M) aufweist, die ein Downlinksignal jeweils gewichtet mit Koeffizienten Wi, i=l, ..., M eines aktuellen Gewichtungsvektors abstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß a) in einer Initialisierungsphase eine Mehrzahl von ersten Gewichtungsvektoren w^(j) ermittelt werden, und b) in einer Arbeitsphase der für die Ausstrahlung eines Zeitschlitzes des für die Teilnehmerstation

(MSk) bestimmten Downlinksignals verwendete aktuelle Gewichtungsvektor w anhand der ermittelten ersten Gewichtungsvektoren zyklisch neu festgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Gewichtungsvektoren anhand von Messungen der Downlink-Übertragung ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß a) in der Initialisierungsphase die ersten Gewichtungsvektoren ^(j> an der TeilnehmerStation ermittelt werden, und die ermittelten ersten Gewichtungsvektoren an die Basisstation übertragen werden; und daß b) in der Betriebsphase die Teilnehmerstation unter den ermittelten ersten Gewichtungsvektoren einen dominierenden auswählt und eine Bezeichnung des dominierenden Gewichtungsvektors an die Basisstation überträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Initialisierungsphase eine erste räumliche Kovarianzmatrix des empfangenen Downlinksignals erzeugt wird, daß Eigenvektoren der ersten Kovarianzmatrix ermittelt werden und daß die Eigenvektoren als erste Gewichtungsvektoren übertragen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kovarianzmatrix für jeden Tap des Downlinksignals einzeln erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten ersten Eigenvektoren diejenigen aus der Gesamtheit der Eigenvektoren der ersten Kovarianzmatrix oder -matrizen sind, die die größten Eigenwerte aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kovarianzmatrix über eine Vielzahl von Zeitschlitzen des Downlinksignals gemittelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Betriebsphase zyklisch eine zweite räumliche Kovarianzmatrix erzeugt wird, und daß als dominierender Gewichtungsvektor derjenige unter den ermittelten Eigenvektoren ausgewählt wird, der mit der zweiten Kovarianzmatrix den größten Eigenwert aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Antennenelement periodisch eine Trainingssequenz ausstrahlt, die zu den Trainingssequenzen der anderen Antennenelemente orthogonal ist, und daß die ersten Gewichtungsvektoren anhand der von der Teilnehmerstation empfangenen Trainingssequenzen ermittelt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der ermittelten ersten Gewichtungsvektoren zwei beträgt, und daß die Bezeichnung des dominanten Gewichtungsvektors in jedem der Teilnehmerstation zugeteilten Zeitschlitz übertragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezeichnung zur Strahlformung in dem unmittelbar auf ihre Übertragung folgenden Zeitschlitz eingesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der ermittelten ersten Gewichtungsvektoren 2ⁿ, n=2, 3, ... beträgt, und daß die n Bit umfassende Bezeichnung des dominanten Gewichtungsvektors in Portionen von a Bits, a=l, -.., n in jedem der Teilnehmerstation zugeteilten Zeitschlitz übertragen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezeichnung zur Strahlformung in den n/a unmittelbar auf ihre Übertragung folgenden Zeitschlitzen eingesetzt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Gewichtungsvektoren anhand von Messungen der Uplink-Übertragung ermittelt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Initialisierungsphase eine erste räumliche Kovarianzmatrix des empfangenen Uplinksignals erzeugt wird, daß Eigenvektoren der ersten Kovarianzmatrix ermittelt werden und daß die Eigenvektoren als erste Gewichtungsvektoren verwendet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kovarianzmatrix für jeden Tap des Uplinksignals einzeln erzeugt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Eigenvektoren diejenigen aus der Gesamtheit der Eigenvektoren der ersten Kovarianzmatrix oder -matrizen sind, die die größten Eigenwerte aufweisen.

18. Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kovarianzmatrix über eine Vielzahl von Zeitschlitzen des Uplinksignals gemittelt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in der Betriebsphase zyklisch eine zweite räumliche Kovarianzmatrix erzeugt wird, und daß als dominierender Gewichtungsvektor derjenige unter den ermittelten Eigenvektoren ausgewählt wird, der mit der zweiten Kovarianzmatrix den größten Eigenwert aufweist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß jede Teilnehmerstation periodisch eine Trainingssequenz ausstrahlt, und daß die ersten Gewichtungsvektoren anhand der von der Basisstation empfangenen Trainingssequenzen ermittelt werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der aktuelle Gewichtungsvektor eine Linearkombination der ersten Gewichtungsvektoren ist.

22. Verfahren nach Anspruch 15 und Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten der

Linearkombination für einen ersten Gewichtungsvektor um so größer gewählt werden, je größer dessen Eigenwert ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer für die Teilnehmerstation (MSk) bestimmten Symbolfolge mehrere Downlink-Signale erzeugt werden, die jeweils eine unterschiedliche Space-Time-Block-Codierung aufweisen, und daß jedes der Downlinksignale mit einem anderen aktuellen Gewichtungsvektor gewichtet ausgestrahlt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß der aktuelle Gewichtungsvektor aus den ersten Gewichtungsvektoren ausgewählt wird, wenn ein LOS- Übertragungsweg zwischen Basisstation und Teilnehmerstation existiert.