WO2002023765A2 - Verfahren zur signalübertragung in einem funkkommunikationssystem mit adaptiven antenneneinrichtung - Google Patents

Verfahren zur signalübertragung in einem funkkommunikationssystem mit adaptiven antenneneinrichtung Download PDF

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Definitions

  • An adaptive antenna system is formed by an array of several individual antennas which are linked to one another in a matrix circuit. By controlling the phase and amplitude assignment on the individual antennas, preferred main beam directions of an adaptive antenna system are set. By setting the main beam directions of an adaptive antenna system, essentially discrete radiation lobes (beams) are formed, which are aimed at subscriber stations within a radio cell. Therefore, only the actually relevant area of a radio cell is covered by adaptive antenna systems.
  • Radiation lobes also the probability that mobile stations experience co-channel interference in neighboring radio cells.
  • Adaptive antenna systems not only improve the signal-to-noise ratio for the downlink, but also for the uplink. Operators of mobile radio networks can use the advantages of adaptive antenna systems to improve quality, to increase data transmission rates and for a smaller repetition pattern of the carrier frequencies with a corresponding increase in capacity.
  • Radio channel estimates are required for efficient use of adaptive antenna systems. par- In the case of subscriber stations that move at a high speed relative to the respective base station, highly accurate radio channel estimates are extremely complex due to multipath propagation and Doppler effects.
  • the present invention has for its object to provide a method for high-rate data transmission in a radio communication system, which is designed for high speeds of subscriber station relative to base stations.
  • An essential aspect of the present invention is that in radio communication systems in which both downlink and uplink signals are transmitted and received by means of adaptive antenna devices, the time variance of radio channels is established with MIMO radio channels (multiple input multiple output) is determined and compensated for in a relatively simple manner by ascertaining discrete Doppler shifts.
  • the multiple inputs and outputs of MIMO radio channels are formed by individual antennas of the respective transmitter or receiver-side adaptive antenna device.
  • the high time variance of associated radio channels represents a problem which has hitherto only been possible through complex adaptive processes
  • Equalization could be solved. With the present invention, adaptive equalization of radio signals, which are transmitted via radio channels that vary in time, is no longer necessary.
  • Figure 2 shows an arrangement with a base station, a mobile transceiver, a signal processing device and a subscriber station.
  • a base station BS and two mobile transceivers MT1, MT2 are arranged in the radio cell CELL shown in FIG.
  • a first mobile transmitting / receiving device MT1 is mounted on a motor vehicle VEHL which moves at a speed VI relative to the base station BS.
  • a second mobile transceiver MT2 is mounted on a train VEH2, which moves at a speed V2 relative to the base station BS.
  • Both the base station BS and the two mobile transmitting / receiving devices MT1, MT2 each have an adaptive antenna device (not shown in more detail). For a signal transmission between the base station BS and the two mobile transmitting / receiving devices MT1, MT2, main beam directions are set on the adaptive antenna devices.
  • radiation lobes BEAM1 to BEAM4 are formed, which are aligned with the mobile transmitting / receiving devices MT1, MT2 or the base station.
  • Signals sent from the base station BS to the mobile transmitting / receiving devices MT1, MT2 are not only transmitted via direct propagation paths PATH1, PATH2, but also due to multipath propagation and reflections, for example on the buildings B1 to B4, also via secondary propagation paths SUB-PATHL to SUB-PATH4 , Numerous differently delayed and damped copies of an associated original signal are thus received at the mobile transceivers MT1, MT2.
  • a signal processing device assigned to the first or the second mobile transmitting / receiving device MT1, MT2, device DSPl, DSP2 discrete Doppler shifts are determined for the signals sent by the base station BS.
  • the discrete Doppler shifts are determined for each dominant propagation path.
  • the arrangement in FIG. 2 shows the signal processing device DSPl assigned to the first mobile transceiver MT1.
  • the following statements apply in the same way to the signal processing device DSP2 assigned to the second mobile transceiver MT2.
  • the time variance of radio channels is determined from the determined Doppler shifts.
  • the Doppler shifts or time variances are determined in accordance with a multidimensional unitary ESPRIT method in a channel estimator CHS1 of the signal processing device DSPl.
  • the multi-dimensional Unitary ESPRIT procedure is detailed in M. Haardt and J. Nossek "Simultaneous Schur-Decomposition of Serial Non-Symmetric Matrices to Achieve Automatic Pairing in Multi-Dimensional Harmony Retrieval Problems", IEEE Transactions on Signal Processing , Pp. 161-169, vol. 46, January 1998 and will not be dealt with further here.
  • the radio channel estimates are carried out at time intervals which are dependent on the speed VI of the mobile transceiver MT1 or of the motor vehicle VEH1 Time variance of a transmission channel is greater at higher speeds than at low speeds due to the stronger Doppler shifts, the time intervals for the radio channel estimates are correspondingly lower at higher speeds.
  • original signals associated with the signals received by the first mobile transceiver MT1 are reconstructed in a maximum ratio combiner MRC by maximum ratio combining.
  • the reconstructed original signals are subsequently transmitted to a subscriber station UE1 in the motor vehicle VEHL via a wired interface IF1.
  • a wire-based interface is more expedient than a wireless interface due to the shielding effect from the body, the interference effect on other electrical components, the low wiring effort and the costs.
  • the reconstructed original signals are transmitted via a section-wise wireless interface IF2 to subscriber stations UE2, UE3, UE4 on the VEH2 train.
  • the reconstructed original signals are transmitted by wire from the signal processing device DSP2 assigned to the second mobile transceiver MT2 to a repeater (not shown) in a wagon of the train VEH2. From there, the reconstructed original signals are transmitted to the respective subscriber station UE2, UE3, UE4 via a radio interface or a Bluetooth interface.
  • UE1, UE2, UE3, UE4 transmitted in the vehicle VEH or VEH2 train signals transmitted to the base station BS.
  • the signals are first transmitted to the respective mobile transmitting / receiving device MT1, MT2 and from there are sent to the base station BS in a radiation beam BEAM3, BEAM4 by means of the respective adaptive antenna device.
  • a signal processing device of the base station BS (not shown in more detail), discrete Doppler shifts are determined for the signals received by means of the adaptive antenna device of the base station BS.
  • the original subscriber signals belonging to the signals received by means of the adaptive antenna device of the base station BS are then reconstructed with the aid of the discrete Doppler shifts determined.
  • the signal processing device DSPl and the subscriber station UE1 are assigned in a subscriber terminal TE1.
  • the wired interface IF1 between the signal processing device DSPl and the subscriber station UE1 is therefore internal to the device. In motor vehicles, this is advantageous, for example, due to the lower assembly effort.
  • the present invention is not limited solely to the exemplary embodiments described here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalübertragung in einem Funkkommunikationssystem, bei dem von einer Basisstation (BS) mittels einer ersten adaptiven Antenneneinrichtung Signale gesendet werden. Die von der Basisstation (BS) gesendeten Signale werden durch eine Sende-/Empfangseinrichtung (MT1, MT2) mittels einer zweiten adaptiven Antenneneinrichtung empfangen. In einer Signalverarbeitungseinrichtung (DSP1, DSP2) werden diskrete Doppler-Verschiebungen für die mittels der zweiten adaptiven Antenneneinrichtung empfangenen Signale ermittelt. Zu den mittels der zweiten adaptiven Antenneneinrichtung empfangenen Signalen gehörige Originärsignale werden anhand der ermittelten diskreten Doppler-Verschiebungen rekonstruiert. Die rekonstruierten Originärsignale werden über eine drahtlose und/oder drahtgebundene Schnittstelle (IF1, IF2) von der Signalverarbeitungseinrichtung (DSP1, DSP2) zu mindestens einer Teilnehmerstation (UE1-UE4) übermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Signalübertragung in einem Punkkommunikations- System
Eine Methode zur Kapazitätssteigerung in Funkkommunikations- Systemen bei verbesserter Übertragungsqualität stellt die Nutzung adaptiver Antennensysteme für Basisstationen dar. Ein adaptives Antennensystems wird durch ein Feld von mehreren Einzelantennen gebildet, welche in einer Matrixschaltung miteinander verknüpft sind. Durch eine Steuerung von Phasen- und Amplitudenbelegung an den Einzelantennen werden bevorzugte Hauptstrahlrichtungen eines adaptiven Antennensystems eingestellt. Durch eine Einstellung von Hauptstrahlrichtungen ei- nes adaptiven Antennensystems werden im wesentlichen diskrete Strahlungskeulen (Beam) herausgebildet, die auf Teilnehmerstationen innerhalb einer Funkzelle ausgerichtet sind. Daher wird durch adaptive Antennensysteme nur noch der tatsächlich relevante Bereich einer Funkzelle abgedeckt.
Werden von einem adaptiven Antennensystem Funksignale in einem eng begrenzten Sektor abgestrahlt, so sinkt die Gefahr von Interferenzen in bezug auf die gesamte Umgebung der jeweiligen Basisstation. Unter Verwendung adaptiver Antennensy- steme sinkt aufgrund der schmalen und richtungsoptimierten
Strahlungskeulen außerdem die Wahrscheinlichkeit, daß Mobilstationen in benachbarten Funkzellen Gleichkanalstörungen erfahren. Adaptive Antennensysteme bewirken nicht nur beim Downlink eine Verbesserung des Signal-Störabstandes, sondern auch beim Uplink. Betreiber von Mobilfunknetzen können die Vorteile durch adaptive Antennensysteme zur Qualitätsverbesserung, zur Erhöhung von Datenübertragungsraten und für ein kleineres Wiederholungsmuster der Trägerfrequenzen mit entsprechender Kapazitätssteigerung nutzen.
Für eine effiziente Nutzung von adaptiven Antennensystemen sind hochgenaue Funkkanalschätzungen erforderlich. Insbeson- dere bei Teilnehmerstationen, die sich mit einer hohen Geschwindigkeit relativ, zur jeweiligen Basisstation bewegen, sind hochgenaue FunkkanalSchätzungen aufgrund von Mehrwegeausbreitung und Doppler-Effekten äußerst aufwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur hochratigen Datenübertragung in einem Funkkommunikationssystem anzugeben, welches auf hohe Geschwindigkeiten von Teilnehmerstation relativ zu Basisstationen ausgelegt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den ab- hängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß in FunkkommunikationsSystemen, bei denen sowohl Downlink- als auch Uplink-Signale mittels adaptiver Antennen- einrichtungen gesendet und empfangen werden, mit MIMO-Funk- kanälen (Multiple Input Multiple Output) die Zeitvarianz von Funkkanälen auf verhältnismäßig einfache Weise durch eine Ermittlung von diskreten Doppler-Verschiebungen bestimmt und kompensiert wird. Die mehrfachen Ein- und Ausgänge von MIMO- Funkkanälen werden durch Einzelantennen der jeweiligen Sender- bzw. empfängerseitigen adaptiven Antenneneinrichtung gebildet. Insbesondere bei Teilnehmerstationen, die sich mit einer höheren Geschwindigkeit relativ zu einer Basisstation bewegen, stellt die hohe Zeitvarianz zugehöriger Funkkanäle ein Problem dar, das bisher nur durch aufwendige adaptive
Entzerrung gelöst werden konnte. Eine adaptive Entzerrung von Funksignalen, die über stark zeitvariante Funkkanäle übertragen werden, ist mit der vorliegenden Erfindung nicht mehr notwendig.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 eine Funkzelle mit einer Basisstation und zwei mobilen Sende-/Empfangseinrichtungen,
Figur 2 eine Anordnung mit einer Basisstation, einer mobilen Sende-/Empfangseinrichtung, einer Signalverarbeitungseinrichtung und einer Teilnehmerstation.
In der in Figur 1 dargestellten Funkzelle CELL sind eine Ba- sisstation BS und zwei mobile Sende-/Empfangseinrichtungen MTl, MT2 angeordnet. Eine erste mobile Sende-/Empfangseinrichtung MTl ist auf einem Kraftfahrzeug VEHl montiert, das sich mit einer Geschwindigkeit VI relativ zur Basisstation BS bewegt. Eine zweite mobile Sende-/Empfangseinrichtung MT2 ist auf einem Zug VEH2 montiert, der sich mit einer Geschwindigkeit V2 relativ zur Basisstation BS bewegt. Sowohl die Basisstation BS als auch die beiden mobilen Sende-/Empfangseinrichtungen MTl, MT2 weisen jeweils eine nicht näher dargestellte adaptive Antenneneinrichtung auf. Für eine Signal- Übertragung zwischen der Basisstation BS und den beiden mobilen Sende-/Empfangseinrichtungen MTl, MT2 werden an den adaptiven Antenneneinrichtungen Hauptstrahlrichtungen eingestellt. Dadurch werden Strahlungskeulen BEAMl bis BEAM4 herausgebildet, die auf die mobilen Sende-/Empfangseinrichtungen MTl, MT2 bzw. die Basisstation ausgerichtet sind. Von der Basisstation BS an die mobilen Sende-/Empfangseinrichtungen MTl, MT2 gesendete Signale werden nicht nur über direkte Ausbreitungspfade PATH1, PATH2 übertragen, sondern durch Mehrwegeausbreitung und Reflexionen beispielsweise an den Gebäuden Bl bis B4 bedingt auch über Nebenausbreitungspfade SUB-PATHl bis SUB-PATH4. An den mobilen Sende-/Empfangseinrichtungen MTl, MT2 werden somit zahlreiche unterschiedlich zeitverzögerte und gedämpfte Kopien eines zugehörigen Originärsignals empfangen.
In einer der ersten bzw. der zweiten mobilen Sende-/Empfangseinrichtung MTl, MT2 zugeordneten Signalverarbeitungseinrich- tung DSPl, DSP2 werden für die von der Basisstation BS gesendeten Signale diskrete Doppler-Verschiebungen ermittelt. Die Ermittlung der diskreten Doppler-Verschiebungen erfolgt für jeden dominanten Ausbreitungspfad. In der Anordnung in Figur 2 ist die der ersten mobilen Sende-/Empfangseinrichtung MTl zugeordnete Signalverarbeitungseinrichtung DSPl detaillierter dargestellt. Für die der zweiten mobilen Sende-/Empfangseinrichtung MT2 zugeordnete Signalverarbeitungseinrichtung DSP2 gelten die nachfolgenden Ausführungen in gleicher Weise.
Aus den ermittelten Doppler-Verschiebungen wird bei einer FunkkanalSchätzung die Zeitvarianz von Funkkanälen bestimmt. Die Doppler-Verschiebungen bzw. Zeitvarianzen werden neben weiteren Übertragungskanalparametern, wie Einfallswinkel, Dämpfung und Zeitverzögerung, entsprechend einem mehrdimensionalen Unitary-ESPRIT-Verfahren in einem Kanalschätzer CHS1 der Signalverarbeitungseinrichtung DSPl ermittelt. Das mehrdimensionale Unitary-ESPRIT-Verfahren ist detailliert in M. Haardt und J. Nossek „Simultaneous Schur-Decomposition of Se- veral Non-Symmetric Matrices to Achieve Automatic Pairing in Multi-Dimensional Harmonie Retrieval Problems", IEEE Transac- tions on Signal Processing, S. 161-169, Bd. 46, Januar 1998 beschrieben und wird hier nicht weiter behandelt. Die Funkkanalschätzungen werden in Zeitabständen durchgeführt, die von der Geschwindigkeit VI der mobilen Sende-/Empfangseinrichtung MTl bzw. des Kraftfahrzeugs VEH1 abhängig sind. Da die Zeitvarianz eines Übertragungskanals aufgrund der stärkeren Doppler-Verschiebungen bei höheren Geschwindigkeiten größer ist als bei niedrigen Geschwindigkeiten, sind die Zeitabstände für die Funkkanalschätzungen bei höheren Geschwindigkeiten entsprechend niedriger.
Nach der Schätzung der Übertragungskanalparameter für jeden aufgelösten Ausbreitungspfad werden zu den mittels der ersten mobilen Sende-/Empfangseinrichtung MTl empfangenen Signalen gehörige Originärsignale in einem Maximalverhältniskombinie- rer MRC durch Maximalverhältniskombinieren rekonstruiert. Nachfolgend werden die rekonstruierten Originärsignale über eine drahtgebundene Schnittstelle IFl an eine Teilnehmerstation UE1 im Kraftfahrzeug VEHl übermittelt. Im Kraftfahrzeug VEH ist eine drahtgebundene Schnittstelle aufgrund der Ab- Schirmwirkung durch die Karosserie, der Störwirkung auf andere elektrische Komponenten, des geringen Verkabelungsaufwandes und der Kosten zweckmäßiger als eine drahtlose Schnittstelle. Im Zug VEH2 werden die rekonstruierten Originärsignale dagegen über eine abschnittsweise drahtlose Schnittstelle IF2 zu Teilnehmerstationen UE2, UE3, UE4 im Zug VEH2 übermittelt. Die rekonstruierten Orignärsignale werden von der zur zweiten mobilen Sende-/Empfangseinrichtung MT2 zugeordneten Signalverarbeitungseinrichtung DSP2 drahtgebunden zu einem nicht näher dargestellten Repeater in einem Wagon des Zuges VEH2 übertragen. Von dort aus werden die rekonstruierten Orignärsignale über eine Funkschnittstelle oder eine Bluetooth-Schnittstelle zur jeweiligen Teilnehmerstation UE2, UE3 , UE4 übertrage .
In entsprechender Weise werden von einer Teilnehmerstation
UE1, UE2, UE3, UE4 im Kraftfahrzeug VEH oder im Zug VEH2 gesendete Signale an die Basisstation BS übertragen. Die Signale werden zunächst an die jeweilige mobile Sende-/Empfangseinrichtung MTl, MT2 übermittelt und von dort aus mittels der jeweiligen adaptiven Antenneneinrichtung in einer Strahlungskeule BEAM3, BEAM4 gerichtet an die Basisstation BS gesendet. In einer nicht näher dargestellten Signalverarbeitungseinrichtung der Basisstation BS werden diskrete Doppler-Verschiebungen für die mittels der adaptiven Antenneneinrichtung der Basisstation BS empfangene Signale ermittelt. Zu den mittels der adaptiven Antenneneinrichtung der Basisstation BS empfangenen Signalen gehörige Teilnehmeroriginärsignale werden dann mit Hilfe der ermittelten diskreten Doppler-Verschiebungen rekonstruiert .
In Figur 2 sind die Signalverarbeitungseinrichtung DSPl und die TeilnehmerStation UE1 in einem Teilnehmerendgerät TEl zu- sammengefaßt . Die drahtgebundene Schnittstelle IFl zwischen der Signalverarbeitungseinrichtung DSPl und der Teilnehmerstation UEl ist also geräteintern. In Kraftfahrzeugen ist dies beispielsweise aufgrund des geringeren Montageaufwandes von Vorteil. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, die Signalverarbeitungseinrichtung DSPl in die mobile Sende-/Emp- fangseinrichtung MTl zu integrieren.
Die vorliegende Erfindung ist nicht allein auf die hier be- schriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Signalübertragung in einem Funkkommunikationssystem, bei dem - von einer Basisstation (BS) mittels einer ersten adaptiven Antenneneinrichtung Signale gesendet werden,
- die von der Basisstation (BS) gesendeten Signale durch eine Sende-/Empfangseinrichtung (MTl, MT2 ) mittels einer zweiten adaptiven Antenneneinrichtung empfangen werden, - in einer Signalverarbeitungseinrichtung (DSPl, DSP2 ) diskrete Doppler-Verschiebungen für die mittels der zweiten adaptiven Antenneneinrichtung empfangenen Signale ermittelt werden, zu den mittels der zweiten adaptiven Antenneneinrichtung empfangenen Signalen gehörige Originärsignale anhand der ermittelten diskreten Doppler-Verschiebungen rekonstruiert werden,
- die rekonstruierten Originärsignale über eine drahtlose und/oder drahtgebundene Schnittstelle (IFl, IF2) von der Signalverarbeitungseinrichtung (DSPl, DSP2) zu mindestens einer Teilnehmerstation (UE1-UE4) übermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß - von einer Teilnehmerstation (UE1-UE4) Signale an die Sen- de-/Empfangseinrichtung (MTl, MT2) übermittelt werden,
- die von der Teilnehmerstation (UE1-UE4) übermittelten Signale von der Sende-/Empfangseinrichtung (DSPl, DSP2) mittels der zweiten adaptiven Antenneneinrichtung Signale ge- sendet werden,
- die von der Sende-/Empfangseinrichtung (DSPl, DSP2) gesendeten Signale durch die Basisstation (BS) mittels der ersten adaptiven Antenneneinrichtung empfangen werden,
- in der Basisstation (BS) diskrete Doppler-Verschiebungen für die mittels der ersten adaptiven Antenneneinrichtung empfangenen Signale ermittelt werden, - zu den mittels der ersten adaptiven Antenneneinrichtung empfangenen Signalen gehörige Teilnehmeroriginärsignale anhand der in der Basisstation (BS) ermittelten diskreten Doppler-Verschiebungen rekonstruiert werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Doppler-Verschiebungen für eine Bestimmung der Zeitvarianz von Funkkanälen ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Originärsignale und/oder die Teilnehmeroriginärsignale mittels Funkkanalschätzungen und Maximalverhältniskombinieren rekonstruiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Funkkanalschätzungen nach einem mehrdimensionalen Unitary-ESPRIT-Verfahren durchgeführt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die FunkkanalSchätzungen in Zeitabständen durchgeführt werden, die von der Geschwindigkeit (VI, V2) der Sende-/Empfangseinrichtung (MTl, MT2) relativ zur Basisstation (BS) abhängig sind.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rekonstruierten Originärsignale über eine Bluetooth-Schnittstelle von der Signalverar- beitungseinrichtung (DSPl, DSP2) zur TeilnehmerStation (UE1- UE4) übermittelt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rekonstruierten Originärsi- gnale über eine Funkschnittstelle von der Signalverarbeitungseinrichtung (DSPl, DSP2) zur Teilnehmerstation (UE1-UE4) übermittelt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (DSPl) und die Teilnehmerstation (UEl) Bestandteile eines Teilnehmerendgerätes (TEl) sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (DSPl) Bestandteil der Sende-/Empfangseinrichtung (MTl) ist.
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