VERFAHREN UND KOMMUNIKATIONSSYSTEM ZUR SCHÄTZUNG EINER STORUNGS-KOVARI- ANZMATRIX FÜR DIE ABWÄRTSVERBINDUNG IN ZELLULAREN MOBILFUNKNETZEN MIT ADAPTIVEN ANTENNEN
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur richtungsabhängigen Steuerung der Leistung für die Abwärtsverbindung in einem zellularen Fun -Kommuni ationsnetz mit adaptiven Anten- 0 nen mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. ein Kommunikationssystem mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 11, das ein solches Verfahren ermöglicht .
5 In Funk-Kommunikationssystemen werden Informationen (beispielsweise Sprache, Bildinformationen oder andere Daten) mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnittstelle zwischen sendender und empfangender Station (Basisstation bzw. Teilnehmerstation) übertragen. Das Abstrahlen der 0 elektromagnetischen Wellen erfolgt dabei mit Trägerfrequenzen, die in dem für das jeweilige System vorgesehenen Frequenzband liegen. Beim GSM (Global System for Mobile Communi- cation) liegen die Trägerfrequenzen bei 900, 1800 bzw. 1900 MHz. Für zukünftige Mobilfunksysteme mit CDMA- oder TD/CDMA- 5 Übertragungsverfahren über die Funkschnittstelle, beispielsweise das UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) oder andere Systeme der 3. Generation sind Frequenzen im Frequenzband von ca. 2000 MHz vorgesehen.
0 Bei diesen Funk-Kommunikationssystemen findet die Datenübertragung über Rahmen statt. Gemäß einer TDMA-Komponente (TDMA: Time Division Multiple Access) ist eine Aufteilung eines breitbandigen Frequenzbereichs in mehrere Zeitschlitze gleicher Zeitdauer vorgesehen. Die Zeitschlitze werden teilweise 5 in Abwärtsrichtung DL (Downlink von Basisstation zu Teilnehmerstation) und teilweise in Aufwärtsrichtung UL (Uplink von Teilnehmerstation zu Basisstation) benutzt. Dazwischen liegen
einer oder mehrere Umschaltpunkte. Gleiches wiederholt sich für weitere Tragerfrequenzen. Innerhalb der Zeitschlitze werden Informationen mehrerer Verbindungen in Funkblocken übertragen. Funkblocke zur Nutzdatenubertragung bestehen derzeit aus Abschnitten m t Daten, m denen empfangsseitig bekannte Trainingssequenzen bzw. Mittambeln eingebettet sind.
Die Umschaltpunkte können synchron m allen Zellen des Funk- kommunikationssystems definiert sein. In diesem Fall wird ein Zeitschlitz im ganzen Funk-Kommunikationssystem ausschliess- lich m Aufwartsrichtung UL oder ausschliesslich m Abwartsrichtung DL verwendet. Zusatzliche Flexibilität wird erreicht, wenn die Umschaltpunkte asynchron definiert sind. In diesem Fall verwenden einige Zellen des Funk-Kommunikations- Systems einen Zeitschlitz für UL und andere für DL.
Wegen des wahrend des Betriebs oftmals stark schwankenden Ab- stands zwischen Sender und Empfanger wird eine Anpassung der Sendeleistung über bis zu mehrere Größenordnungen gewünscht, um das Verhältnis Energie pro Bit/Rauschleistungsdichte oder das Verhältnis Signal/Storer bzw. Tragerlei- stung/Interferenzleistung m Grenz- bzw. Zielbereich zu halten. Einerseits muß die Empfangsleistung eine Mindeststarke aufweisen, die für die gewünschte Dienstequalitat erforder- lieh ist, andererseits soll aber so wenig Interferenz wie möglich erzeugt werden.
Aus der DE 198 03 188 sind ein Verfahren und eine Basissta- tion für insbesondere TDMA/CDMA-Ubertragungsverfahren (CDMA: Code Division Multiple Access) bekannt, bei denen die von der Basisstation m der Abwartsverbindung gesendeten Signale gezielt m Richtung der zugeordneten Teilnehmerstation verstärkt und m den anderen Richtungen abgeschwächt werden. Dazu werden bei der Basisstation für jede Teilnehmerstation raumliche Kovaπanzmatrizen zum Bestimmen verstärkender Interferenzen aus dem m Aufwartsrichtung empfangenen Signal geschätzt und danach ein Strahlformungsvektor berechnet, der
das Signal/Stör-Verhältnis beim Empfänger maximiert. Dabei wird ein allgemeines Eigenwertproblem ohne Iteration gelöst. Daraufhin werden für die entsprechende Funkverbindung Sendesignale mit dem Strahlformungsvektor gewichtet und den Anten- nenelementen der Antennenanordnung zum Abstrahlen zugeführt. Die Kovarianzmatrix wird aus a-priori-Annahmen mit Hilfe eines mathematischen Modells bestimmt. Da die Basisstation während des Sendens zu ihrer Teilnehmerstation im entsprechenden Abwärtsverbindungs-Zeitschlitz nichts messen. Daher müssen zur Abschätzung Aufwärtsverbindungs-Messungen der Trainingssequenzen herangezogen werden, um die Abwärtsverbindungs-Ko- varianzmatrix abzuschätzen.
Mit anderen Worten, bei diesem Verfahren wird der Antennenge- winn der Antennenanordnung der Basisstation in bestimmten Richtungen, die den eigenen Teilnehmerstationen zugeordnet werden, durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Antennenelemente der Antennenanordnung maximiert. Dass heißt, die Leistung, die von einer Antennengruppe zu einer zugeord- neten Teilnehmerstation gesendet wird, wird in der Richtung, in der sich diese Teilnehmerstation befindet, durch konstruktive Interferenz maximiert abgestrahlt.
Diese Funk-Kommunikationssysteme haben einen zellularen Auf- bau, bei dem jeweils eine Basisstation mit zumindest einer
Sendeantennenanordnung Teilnehmerstationen in einem bestimmten Funkzellenbereich versorgt. Dabei können störende Interferenzen mit Teilnehmerstationen benachbarter Funkzellenbereiche entstehen, die von einer benachbarten Basisstation versorgt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Basisstation zu einer ihr zugeordneten Teilnehmerstation in einem Zeitschlitz sendet, in dem auch die Teilnehmerstation im benachbarten Funkzellenbereich Daten von ihrer, der benachbarten Basisstation empfängt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Reduzierung der Abwärtsverbindungs-Sendeleistung, die Teil-
neh erstationen in benachbarten Zellen stört, bzw. ein zellulares Funk-Kommunikationsnetz mit adaptiven Antennen zum Durchführen eines solchen Verfahrens vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. das Telekommunikationssystem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Bei diesem Verfahren wird vorteilhafterweise die Interferenz bei fremden Teilnehmern durch das Maximieren der Sendeleistung für eigene Teilnehmer einer sendenden bzw. Basisstation minimiert. Dabei werden die Funkwellen in Richtung der gewünschten eigenen Teilnehmerstationen gerichtet und außerdem wird die Sendeleistung in andere Richtungen minimiert.
Der Einsatz des Verfahrens bzw. des Funk-Kommunikationssy- stems bietet sich insbesondere für Mobilfunknetze an, die ein Zeitduplexverfahren (TDD) mit adaptiven Antennengruppen verwenden. Dies sind bei den geplanten Systemen z.B. UMTS UTRA- TDD und TD-SCDMA für China.
Der Einsatz bei FDD-Systemen, z.B. GSM, ist durch eine Fre- quenztransformation möglich, die durchgeführt wird, bevor die abgeschätzten Aufwärtsverbindungs-Kovarianzmatrizen für die Anwendung bei Abwärtsverbindungen verwendet werden können.
Im Falle asynchroner Umschaltpunkte werden vorteilhafterweise auch die Trainingssignale jener fremden netzseitigen Basisstationen berücksichtigt, die in einem Aufwärtsverbindungs- Zeitschlitz der Basisstation in Abwärtsrichtung senden.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Mobilfunksystems,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Rahmenstruktur des bekannten TDD-Übertragungsverfahrens und
Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Basisstation.
Das in Fig. 1 dargestellte Mobilfunksystem als Beispiel eines Funk-Kommunikationssystems besteht aus einer Vielzahl von Mobilvermittlungsstellen MSC, die untereinander vernetzt sind bzw. den Zugang zu einem Festnetz PSTN oder Paketdatennetz GPRS herstellen. Weiterhin sind diese Mobilvermittlungsstellen MSC mit jeweils zumindest einer Einrichtung RM zum Zu- teilen von funktechnischen Ressourcen verbunden. Jede dieser Einrichtungen RNM ermöglicht wiederum eine Verbindung zu zumindest einer Basisstation BS, hier der Basisstationen BS und einer benachbarten Basisstation BSn. Eine solche Basisstation BS kann über eine Funkschnittstelle V eine Verbindung zu Teilnehmerstationen, z.B. mobilen Stationen MS oder anderweitigen mobilen und stationären Endgeräten aufbauen. Durch jede Basisstation BS wird zumindest eine Funkzelle Z gebildet. Bei einer Sektorisierung oder bei hierarchischen Zellstrukturen können pro Basisstation BS auch mehrere Funkzellen Z versorgt werden.
In Fig. 1 sind beispielhaft bestehende Verbindungen VI, V2 zur Übertragung von Nutzinformationen und Signalisierungsin- formationen zwischen Teilnehmerstationen MS und einer Basis- Station BS sowie eine Anforderung zur Ressourcenzuteilung oder eine kurze Bestätigungsmeldung in einem Zugriffskanal RÄCH durch eine weitere Teilnehmerstation MS dargestellt. Die benachbarte Basisstation BSn steht mit einer weiteren Teilnehmerstation in Verbindung, die nachfolgend aus Sicht der ihr fremden Basisstation BS auch als fremde oder benachbarte Teilnehmerstation MSn bezeichnet wird.
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rianzmatrix gebildet, um die Sendeleistung in Richtung der benachbarten, gestörten Teilnehmerstation (en) MSn zu reduzieren.
Von der benachbarten Basisstation BSn, welche mit der ihr zugeordneten und gestörten Teilnehmerstation BSn in Verbindung steht bzw. kommuniziert, werden Korrelationssignale an die störende Basisstation BS übermittelt. Im dargestellten Fall erfolgt die Übermittlung der Korrelationssignale über die Leitungen Ll und L2, welche die beiden Basisstationen BS, BSn mit der Einrichtung RNM zum Verwalten funktechnischer Ressourcen verbinden.
Als Korrelationssignale werden hier von der gestörten Teil- nehmerstation MSn die Trainingssequenz (en) ma-n und/oder den Kode der Trainingssequenz (en) ma-n übertragen. Dadurch erkennt die störende Basisstation BS das Signal der fremden, gestörten Teilnehmerstation MSn und kann zugleich die Intensität dieses Signals bestimmen. Außerdem kann die störende Basisstation BS mit Hilfe ihrer Antennenanordnung mit den Antennenelementen AI - A4 die Richtung ermitteln bzw. abschätzen, aus der dieses Signal einfällt, und somit die Richtung, in der sich die gestörte Teilnehmerstation MSn befindet.
Mit empfangenen Trainingssequenz (en) ma-n, die derzeit durch ein kodiertes Pilotsignal gebildet werden, führt die störende Basisstation BSn danach entsprechend eine Kanalabschätzung für eine oder mehrere fremde Teilnehmerstationen MSn durch.
Dadurch wird letztendlich eine Störungs-Kovarianzmatrix Rιtk' gebildet, die zur Minimierung des störenden Sendesignals zur gestörten Teilnehmerstation MSn verwendet wird. Die Bestimmung der Störungs-Kovarianzmatrix Rι(k) zur Reduzierung oder Minimierung der Sendeleistung in Richtung fremder, gestörter Teilnehmerstationen MSn erfolgt dabei vergleichbar zu der für sich aus der DE 198 03 188 AI bekannten Bestimmung der Kova- rianzmatrix Rs lk) zur Maximierung der Sendeleistung in Rieh-
tung eigener Teilnehmerstationen MS. Das gleiche gilt für die Bestimmung von entsprechenden Strahlformungsvektoren w(k), verallgemeinerten Eigenwerten λ|k) und den abgeschätzten Auf- wärtsverbindungs-Kanalimpulsantwort-Matrizen H|k) .
Letztendlich wird das Verhältnis
maximiert, wobei der Index k mit 1 < k < K und K als der Zahl der zu berücksichtigen Teilnehmerstationen MS ist. Dabei sind die Strahlformungsvektoren w,k) ein M-dimensionaler Vektor mit M (mit M == 4 in Fig. 3) als der Anzahl der Antennenelemente AI - A4 der Antennenanordnung der störenden Basisstation BS .
Die quadratisch her itesche und positiv-definite Störungs-Kovarianzmatrix Rj(k), deren Zeilen- und Spaltenanzahl der Zahl M der Antennenelemente AI - A4 entspricht, wird aus der Summe der insgesamt L Störungs-Kovarianzmatrizen RadU1 für die einzelnen gestörten Teilnehmerstationen MSn der benachbarten Funkzellen Zn gebildet. Es gilt:
wobei H
(1) der geschätzten Aufwärtsverbindungs-Kanalimpulsant- wort-Matrix der 1-ten gestörten Teilnehmerstation MSn ent- spricht und das hochgestellte H die Transjugation kennzeichnet („Hermitesche Operation*). Zur Verbesserung der Abschät- zungsgenauigkeit können die Abschätzungen der räumlichen Störungs-Kovarianzmatrix R
I il ) unter Verwendung einer rechteckigen oder exponentiellen Fensters über mehrere Zeitschlitze vorgenommen werden, die aus verschiedenen Rahmen stammen dürfen. Der teilnehmerspezifische Beitrag kann durch Korrelation mit den über das Kommunikationsnetz übermittelten Mengen von Trainingssequenzen ma-n identifiziert werden. Daher kann die störende Basisstation BS eine vorhergesagte Interferenz-Stö- rungs-Kovarianzmatrix R
1 {1 ) für die Abwärtsverbindung DL für
die Teilnehmerstationen MSn synthetisieren, die in einem Ab- wärtsverbindungs-Zeitschlitz DL-ts aktiv sind.
Jede Basisstation BSn kann alle Trainingssequenzen ma-n, die in ihrem Funkzellenbereich Z neu zugeteilt werden, automatisch an die benachbarten Basisstationen BS übertragen. Alternativ ist aber zur Reduzierung des Signalisierungsaufwands aber auch die gezielte Übertragung von Trainingssequenzen ma- n möglich, wenn eine Teilnehmerstation MSn feststellt, dass sie Signale von einer fremden Basisstation empfängt.
Das Übertragen von Trainingssequenzen ma-n erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Protokolls, das insbesondere auf der Seite des Netzwerks (RAN / Radio Access Network) des Funk- KommunikationsSystems entsprechend eingerichtet ist.
Das Protokoll teilt den benachbarten, störenden Basisstationen BS zumindest mit, welche Teilnehmerstationen MSn welche Aufwärtsverbindungs-Trainingssequenzen ma-n zugewiesen beko - men haben. Empfängt die störende Basisstation BS eine solche Trainingssequenz ma-n, die eine eindeutioge Identifizierung ermöglicht, so kann die (störende) Basisstation BS dieses empfangene Signal der (gestörten) fremden Teilnehmerstation MSn zuordnen. Somit ist die (störende) Basisstation BS in der Lage, eine Schätzung jenes Beitrages zur Störungs-Kovarianzmatrix einzuleiten, der von der fremden Teilnehmerstation MSn herrührt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform teilt das Protokoll den störenden Basisstationen BS mit, welchen Teilnehmerstationen MSn, welche Aufwärtsverbindungs-Trainingsse- quenzen ma-n in welchen Aufwärtsverbindungs-Zeitschlitzen UL- ts zugewiesen wurden. In dieser Ausführungsform wird vorausgesetzt, dass eine feste Zuordnung zwischen Aufwärtsverbin- dungs-Zeitschlitzen UL-ts und Abwärtsverbindungs-Zeitschlit- zen DL-ts im Funkkommunikationssystem besteht. Dies ist eine bevorzugte Ausführungsform für symmetrische Dienste, die
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Zeitschlitzinformation direkt bestimmt werden. Dahingegen ist bei FDD-Systemen (FDD: Frequency Division Duplex) eine Frequenztransformation durchzuführen, bevor die abgeschätzten Aufwärtsverbindungs-Kovarianzmatrizen für die Anwendung bei Abwärtsverbindungen verwendet werden können.
Für den Fall benachbarter Funkzellen Zn mit im Vergleich zur Zelle der störenden Basisstation BS nur sehr geringer Breite kann auch eine Teilnehmerstation in einer Funkzelle hinter der direkt benachbarten Funkzelle Zn von der Basisstation BS gestört werden. In solchen Szenerien werden nicht nur Informationen über die Teilnehmerstationen MSn der direkt benachbarten Funkzellen Zn sondern auch über die Teilnehmerstationen der weiter entfernter liegenden Funkzellen, die somit auch wie benachbarte Funkzellen Zn behandelt werden.
Vorteilhafterweise kann die Störungs-Kovarianzmatrix Rιll! auch die störenden Interferenzen berücksichtigen und einschließen, die für sich genommen aus der DE 198 03 188 be- kannt sind.
Vorteilhafte Störungs-Kovarianzmatrizen ergeben sich aus dem a-priori Modell für zwei- bzw. drei-dimensionales isotropes Rauschen, bei dem angenommen wird, dass untereinander unkor- relierte homogene ebene Wellen mit gleicher Intensität aus allen Richtungen auf die BS einstrahlen. Die zugehörigen Stö- rungskovarianzmatrizen können in geschlossener Form angegeben und abgespeichert werden.