WO2004025873A2 - Verfahren zur signalübertragung in einem funk-kommunikationssystem - Google Patents

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WO2004025873A2
WO2004025873A2 PCT/EP2003/010063 EP0310063W WO2004025873A2 WO 2004025873 A2 WO2004025873 A2 WO 2004025873A2 EP 0310063 W EP0310063 W EP 0310063W WO 2004025873 A2 WO2004025873 A2 WO 2004025873A2
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Definitions

  • the invention relates to a method for signal transmission in a radio communication system.
  • Known ad hoc networks generally have poorer performance compared to known mobile radio systems. This is primarily due to the fact that, in the case of data transmission over a large number of so-called multihop stations, the frequencies used in a certain radius of these stations cannot be used again. This uncoordinated use of transmission resources disadvantageously leads to a strongly location-dependent data throughput.
  • the object of the invention is therefore to advantageously design known ad hoc networks for more efficient transmission over long distances. This object is achieved by the method according to independent claim 1. Developments of the invention are the subject of dependent claims.
  • FIG. 2 shows an overview of different implementation options of MHSFN systems
  • FIG. 3 shows a two-hop SFN system with intermediate stations
  • 4 shows a description of transmission channels
  • FIG. 7 shows a three-hop SFN system with intermediate stations
  • FIG. 8 shows a cluster of several intermediate stations
  • FIG. 9 shows an exemplary application of a distributed antenna concept in an ad hoc network.
  • SFNs are, for example, from broadcasting systems such as DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial) or DASS (Digital Audio
  • Broadcasting in which a larger area is served by several base stations using the same transmission frequencies.
  • a radio communication system consisting of a transmitting radio station, a receiving radio station and none, one or more intermediate stations is considered.
  • signals for example data signals
  • An intermediate station can forward the signals sent by the transmitting radio station (AP - Access Point) directly or indirectly via further intermediate stations to the receiving radio station (MT - Mobile Terminal). Forwarding over several stations is also known as multi-hop (MH).
  • MH multi-hop
  • several intermediate stations can receive the same signal or the same data simultaneously and together, ie simultaneously and on the same frequency, using a
  • This system is subsequently referred to as a multiple jump
  • MHSFN - Multi-Hop Single Frequency Network 1 shows an example of an MHSFN with a transmitting radio station AP, two hops via two intermediate stations EP and a receiving radio station RM.
  • the two intermediate stations EP shown by way of example are located within the transmission range of the transmitting radio station AP, which in a first step sends data to the intermediate stations EP that are intended for the receiving radio station RM that is outside the transmission range of the transmitting radio station AP.
  • the intermediate stations EP transmit the data to the receiving radio station RM simultaneously and on the same frequency.
  • the intermediate stations can be synchronized, for example, by the transmitting radio station, which advantageously allows phase pre-equalization to be carried out at the location of the intermediate stations in order to ensure constructive superimposition of the signals at the location of the receiving radio station.
  • the transmission range is advantageously further increased by an achievable larger signal-to-noise ratio and the influence of shadowing effects is reduced.
  • the transmission security is increased, since even when one of the intermediate stations is switched off - for example by the user - the data transmission to the receiving radio station is ensured by further actively forwarding intermediate stations.
  • signal processing methods such as predistortion or equalization procedures
  • parameters can also be exchanged by signaling between the radio stations AP and / or RM and the intermediate stations EP. This information can be used, for example, to determine weighting factors in each intermediate station before it is forwarded to the receiving radio station, which advantageously achieves a higher signal-to-noise ratio at the location of the receiving radio station. Compared to simple phase predistortion without taking parameters into account, this can result in a gain, since connections with low signal-to-noise
  • Ratio values do not interfere with the reception signals at the receiving radio station.
  • MIMO Multiple Input Multiple Output
  • the second approach to signal processing is based only on knowledge of the channel properties. Of the reception symbols, only statistical parameters are assumed to be known. With this approach, information about the channel status is exchanged between the stations. An update of this information is only necessary, for example, when there is a significant change in the channel properties, which advantageously results in a reduced signaling. effort. This concept is referred to below as
  • the third approach is signalless.
  • the signal processing is based exclusively on the information or parameters of the MHSFN system available in the respective station or intermediate station, such as channel attenuation and / or channel noise. Additional information from further or all intermediate stations is not known. This concept is referred to below as blind SFN forwarding.
  • a constructive superposition (superposition) of the signals at the location of the receiving radio station can advantageously be achieved.
  • precise knowledge of the expected transmission channel must be available and taken into account during signal processing.
  • reciprocal properties of the radio channel can be used here, which allow conclusions to be drawn about the behavior of the radio channel on the basis of received signals.
  • the analog transmission channel is made up of the radio channel and the so-called analog transmit or receive rear end. While the reciprocity of the radio channel is sufficient, the transmission behavior of the sending and receiving fund end can differ greatly, particularly in the phase response. This means that the transmission channel can be predicted in phase only if this difference is taken into account.
  • Terminals that have an in-phase prediction of the transmission channel
  • a known OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) transmission system and a transmission power limitation of each individual subcarrier using a spectrum mask are assumed as the basis for the following examples.
  • the method according to the invention is not restricted to these boundary conditions, but can be used in the same way in systems with different boundary conditions.
  • FIG 3 shows a so-called two-hop SFN system with two intermediate stations EP.
  • the methods described below serve to optimize the transmission performance. For this purpose, for example, the signal-to-noise ratio (SNR - Signal to Noise Ratio) of each subcarrier at the receiver SNRgpN is maximized. Signaling protocols that support such optimal forwarding are also described.
  • Hik denotes the transmission factor from the transmitting radio station to the intermediate station EP number k.
  • the signal n k describes the noise at the intermediate station EP
  • the number of intermediate stations EP is designated by K, so that the index k runs from 0 to K-1.
  • Index 1 indicates the first hop of the two-hop system. Equivalent to this, H2 denotes the transmission factor from the intermediate station EP number k to the receiving radio station. The signal n2 describes the noise at the e p-
  • the noise power is denoted by 02.
  • Index 2 indicates the second hop of the two hop system.
  • the complex factors Ak describe a respective weighting in the intermediate station EP number k. From this nomenclature and the boundary condition of the transmission power limitation to 1, A ⁇ follows for the complex factors
  • a system with intermediate stations EP is assumed for forwarding without knowledge of the channel phases of the transmission channel.
  • the channel phases of the H2k i n the intermediate stations EP are not known, can not always constructive interference of the signals at the location of the receiving radio station can be achieved. Rather, the received signals overlap with a random phase, which means that on average only the powers of the received signals add up. The signal-to-noise ratio at the receiver is thus calculated
  • the location of the receiver can be advantageously achieved when signaling channel parameters and received values, taking into account all system parameters.
  • the location of the receiver can be carried out when signaling channel parameters, taking these system parameters into account.
  • the maximum of the target function can be found in a corner (vertex) of the scope.
  • the contour hyperplane belonging to the maximum SNRSFN may be on a limiting hyperplane. Since every point and therefore every corner has the same value on a contour line, any corner can be selected in this case. 5 is an example of a target function, the SNRSFN 'for two intermediate stations depending on the parameters
  • A] ⁇ shown.
  • the channel transmission factors were chosen randomly in this example. It can be seen from FIG. 5 that the contour lines are straight lines and that the target function becomes maximum in one corner of the validity range.
  • SNRSFN is thus achieved by a suitable selection of intermediate stations EP that transmit with maximum power.
  • This selection of active intermediate stations can be achieved, for example, using a selection criterion. If L + l intermediate stations are selected and transmit with maximum performance, a regulation can be defined which describes the conditions under which an intermediate station must be switched off in order to increase the SNRSFN U. The intermediate station number L should be switched off, for example, if the SNRSFN is increased or remains unchanged. S RSFN L describes the signal-to-noise ratio if all intermediate stations (number 0 to number L) are transmitting, and SNRSFN L-1 describes the signal-to-noise ratio if only send the intermediate stations from number 0 to number L-1, this condition can be formulated as follows:
  • intermediate station number L has to be switched off in cases when its receive signal-to-noise ratio SNRIL is lower than the previous signal-to-noise ratio.
  • an activation criterion can also be defined in the same way.
  • a new intermediate station number L + 1 is activated if its receive signal-to-noise ratio
  • the analyzes described can be carried out separately for each OFDM subcarrier. In order to extend the previous nomenclature to subcarriers, only the system and channel parameters have to be described subcarrier-wise.
  • the receiving radio station signals, for example, periodically every OFDM subcarrier f to all intermediate stations EP, the receiving signal-to-noise proportionality determined nis SNRSFN (f) f ur,
  • Each intermediate station EP compares the signal-to-noise ratio SNRSFN (f) with its own determined received signal-to-noise ratio SNRik (f) on a subcarrier basis, with a. with SNRik (f) ⁇ SNRsF N ( f ) the intermediate station EP
  • the received signals overlap with a random phase, which means that on average only the powers of the received signals add up.
  • the signal-to-noise ratio at the location of the receiving radio station is calculated as follows:
  • An optimization of the signal-to-noise ratio at the location of the receiving radio station SNRSFN can advantageously be carried out during signaling, taking into account all system parameters.
  • An optimization of the signal-to-noise ratio at the location of the receiving radio station SNRSFN can advantageously be carried out with this signaling, taking into account the channel parameters.
  • the target function SNRSFN is maximal at the edge of the scope.
  • the boundaries of the scope are defined by hyperplanes.
  • the first step is to find the limiting hyperplane on which the optimum can be found. As is clear from FIG. 6, it is the hyperplane that is intersected by the main axis as the "first", ie the intersection between the main axis and hyperplane is closest to the coordinate origin. As shown with the help of the main axis theory
  • th value ⁇ k must transmit with maximum transmission power in order to
  • a hyperplane of the dimension KN By fixing the transmission power of the N intermediate stations, an edge of the validity area, a hyperplane of the dimension KN, is defined. In the following step, the maximum of the target function is determined on this hyper level. It should be noted that the contour lines of the objective function on this hyperplane are generally ellipsoids and degenerate exactly one contour line to a point. The main axis theory shows that this point is defined by the following set of parameters:
  • Scope is. Due to the orteusortie-
  • the maximum SNRSFN ar ⁇ 0r t of the receiving one Radio station achieved.
  • the maximum SNRSFN has the following
  • the iteration stops at the latest when all intermediate stations EP have been selected.
  • the value ⁇ ] ⁇ f exhibits a behavior that allows the comparison to be carried out individually for each intermediate station EP. It is not necessary to pay attention to whether several intermediate stations EP have the same ⁇ k.
  • All intermediate stations EP periodically transmit the SNR k to the receiving radio station;
  • the receiving radio station determines the SNR2 by appropriate measurements
  • the final ⁇ ] sf is calculated using the algorithm described above;
  • the receiving radio station periodically sends the calculated ⁇ N to all intermediate stations EP;
  • each intermediate station EP individually determines the SNR2k by appropriate measurements
  • the intermediate stations EP begin forwarding the data received by the transmitting radio station
  • Jumps for example involving two intermediate stations EP for each path, to a receiving radio station RM.
  • the signal-to-noise ratio at the location of the receiving radio station SNRSFN can be optimized when signaling taking into account all system parameters.
  • MIMO channels Multiple Input Multiple Output
  • the clustering of antennas according to the invention enables hierarchy levels to be introduced in ad hoc networks.
  • the powerful MIMO channels are used for transmission over long distances, while shorter distances are bridged with the well-known multihop transmission over several intermediate stations.
  • scalable ad hoc networks can also be implemented in the case of a transmission that is not locally limited.
  • such MIMO antennas require a coupling of the individual antennas or antenna elements, which requires additional signaling, for example for
  • the distributed concept has the advantage that the radio or intermediate stations do not need any complex and large antennas with associated HF front ends, and yet a very high spectral efficiency is made possible for the distributed MIMO antennas.
  • MIMO approaches typically also require that the radio channels between the individual antenna elements are not corrected. Depending on the environment, the antenna elements should therefore be at a distance of several wavelengths of the transmission frequency used. This requirement is particularly easy to meet for distributed antennas.
  • all known smart antenna concepts can be implemented with distributed antennas, such as SDMA (Space Multiple Access Division) or controllable antennas with interference reduction.
  • SFN Single Frequency Network
  • RM Remote Mobile Terminal
  • a previously described exchange of information between the intermediate stations EP and suitably selected weighting factors in the intermediate stations EP make an additional gain possible compared to conventional SFN networks. This is of the order of magnitude of classic maximum ratio co-binning processes.
  • the methods of distributed antennas according to the invention have the advantage that the performance increases with an increasing number of radio or intermediate stations, i.e. the procedures adapt themselves to the normally increased data volume in the case of many stations.
  • FIG. 8 shows the clustering according to the invention of several intermediate stations MHN (multihop nodes) both on the transmit-transmit cluster and on the receive side receiving cluster, in each case a distributed MIMO antenna for spatial multiplexing (spatial multiplexing) to form a MIMO channel to configure MIMO channel.
  • MHN multihop nodes
  • spatial multiplexing spatial multiplexing
  • the spatial multiplexing combines the signals of all receiving antenna elements in order to determine the resulting data stream.
  • This concept requires an exchange of signaling information according to the invention between the distributed antennas or stations, for example with respect to respective channel estimates.
  • FIG. 9 also shows an exemplary application of a distributed antenna concept in an ad hoc network.
  • the MIMO channels MIMO channels are used to establish a connection between widely spaced devices of the ad hoc network. Short distances, which for example only require a few hops, are bridged by means of known multihop connections local multihop links, since this means that frequency and time resources can be reused spatially.
  • the circles in FIG. 9 each indicate, by way of example, a cluster of a plurality of intermediate stations MHN (multihop node) or receiving radio stations MN, which each act in accordance with an intelligent antenna and enable transmission to a more distant cluster.
  • the clustering of parts of the ad hoc network which are far apart from one another advantageously achieves a higher spectral efficiency, which facilitates the scalability of the entire network.

Abstract

Gemäss der Erfindung werden Signale einer sendenden ersten Funkstation (AP) über zumindest zwei Zwischenstationen (EP) zu einer empfangenden zweiten Funkstation (RM, MN) übertragen, wobei zwischen den zumindest zwei Zwischenstationen (EP) eine Signalisierung zur Konfiguration der Aussendung zu der empfangenden zweiten Funkstation (RM, MN) durchgeführt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Signalübertragung in einem Funk-Kommunikationssystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalübertragung in einem Funk-Kommunikationssystem.
Bekannte Adhoc-Netze weisen in der Regel eine im Vergleich zu bekannten Mobilfunksystemen schlechtere Performance auf. Dies ist vor allem dadurch bedingt, dass bei einer Datenübertragung über eine größere Anzahl von so genannten Multihop- Stationen die genutzten Frequenzen in einem bestimmten Umkreis dieser Stationen nicht nochmals genutzt werden können. Diese unkoordinierte Nutzung von Übertragungsressourcen führt nachteilig zu einem stark ortsabhängigen Datendurchsatz.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, bekannte Adhoc-Netze vorteilhaft zur effizienteren Übertragung über große Entfernun- gen auszugestalten. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß unabhängigem Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren und Einrichtungen zur Durch- führung des Verfahrens werden nachfolgend anhand von Ausfüh- rungsbeispielen, die auf die Figuren Bezug nehmen, näher erläutert.
Dabei zeigen
FIG 1 ein MHSFN System mit zwei Hops und zwei Zwischenstationen,
FIG 2 eine Übersicht über verschiedene Realisierungsmöglichkeiten von MHSFN-Syste en, FIG 3 ein Two Hop SFN System mit Zwischenstationen, FIG 4 eine Beschreibung von Übertragungskanälen,
FIG 5 eine Zielfunktion für zwei Zwischenstationen,
FIG 6 eine weitere Zielfunktion,
FIG 7 ein Three Hop SFN System mit Zwischenstationen, FIG 8 ein Clustern von jeweils mehreren Zwischenstationen, und
FIG 9 eine beispielhafte Anwendung eines verteilten Antennenkonzeptes in einem Adhoc-Netzwerk.
Beschrieben werden Verfahren zur Signalverarbeitung und zur
Signalisierung bei der Datenübertragung in einem so genannten Mehrfach-Sprung- (MH - Multi-Hop) und Gleichwellen- (SFN - Single Frequency Network) Funk-Kom unikationssystem. SFNs sind beispielsweise aus Rundfunksystemen wie DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial) oder DAß (Digital Audio
Broadcasting) bekannt, bei denen ein größeres Gebiet durch mehrere Basisstationen unter Nutzung von gleichen Übertragungsfrequenzen versorgt wird.
1. Beschreibung des Systems
Betrachtet wird ein Funk-Kommunikationssystem bestehend aus einer sendenden Funkstation, einer empfangenden Funkstation und keiner, einer oder mehreren Zwischenstationen.
In einem derartigen System werden Signale, beispielsweise Datensignale, entweder direkt von der sendenden Funkstation zur empfangenden Funkstation oder über eine oder mehrere Zwischenstationen übertragen. Dabei kann eine Zwischenstation (EP - Extension Point) die von der sendenden Funkstation (AP - Access Point) gesendeten Signale direkt oder indirekt über weitere Zwischenstationen zu der empfangenden Funkstation (MT - Mobile Terminal) weiterleiten. Die Weiterleitung über mehrere Stationen wird auch als Multi-Hop (MH) bezeichnet. Weiterhin können mehrere Zwischenstationen gleichzeitig dasselbe Signal bzw. dieselben Daten empfangen und gemeinsam, d.h. gleichzeitig und auf der gleichen Frequenz, mit Hilfe eines
SFN direkt zu der empfangenden Funkstation oder weiteren Zwischenstationen senden.
Dieses System wird nachfolgend als Mehrfach-Sprung-
Gleichwellen-Netz (MHSFN - Multi-Hop Single Frequency Network) bezeichnet. In der FIG 1 ist beispielhaft ein MHSFN mit einer sendenden Funkstation AP, zwei Hops über zwei Zwischenstationen EP und einer empfangenden Funkstation RM darge- stellt. Dabei befinden sich die beiden beispielhaft dargestellten Zwischenstationen EP innerhalb der Übertragungsreichweite der sendenden Funkstation AP, die in einem ersten Schritt Daten, die für die empfangende, außerhalb der Übertragungsreichweite der sendenden Funkstation AP befindliche empfangende Funkstation RM vorgesehen sind, zu den Zwischenstationen EP sendet. In einem zweiten Schritt senden die Zwischenstationen EP gleichzeitig und auf der gleichen Frequenz die Daten zu der empfangenden Funkstation RM weiter. Eine Synchronisation der Zwischenstationen kann beispielsweise durch die sendende Funkstation erfolgen, wodurch vorteilhaft eine Phasenvorentzerrung am Ort der Zwischenstationen durchgeführt werden kann, um konstruktive Überlagerungen der Signale am Ort der empfangenden Funkstation sicherzustellen. Vorteilhaft wird durch ein derartiges Gleichwellennetz wei- terhin die Übertragungsreichweite durch ein erzielbares größeres Signal-zu-Rausch-Verhältnis erhöht sowie der Einfluss von Abschattungseffekten verringert. Weiterhin wird die Übertragungssicherheit erhöht, da auch bei einem Abschalten einer der Zwischenstationen - beispielsweise durch den Nutzer - die Datenübertragung zu der empfangenden Funkstation durch weitere aktiv weiterleitende Zwischenstationen sichergestellt wird.
1.1 Signalverarbeitung und Signalisierung in einem MHSFN- System In einem MHSFN-System können in den Zwischenstationen ES vorteilhaft Signalverarbeitungsverfahren, wie beispielsweise Vorverzerrungs- oder Entzerrungsprozeduren, eingesetzt wer- den. Um die Leistung dieser Prozeduren zu erhöhen, können zudem Kenngrößen durch eine Signalisierung zwischen den Funkstationen AP und/oder RM und den Zwischenstationen EP ausgetauscht werden. Mit diesen Informationen können beispielsweise Gewichtungsfaktoren in jeder Zwischenstation vor der Wei- terleitung zu der empfangenden Funkstation bestimmt werden, wodurch vorteilhaft ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis am Ort der empfangenden Funkstation erzielt wird. Im Vergleich zu einer einfachen Phasenvorverzerrung ohne Berücksichtigung von Kenngrößen kann hierdurch ein Gewinn erzielt werden, da Verbindungen mit niedrigen Signal-zu-Rausch-
Verhältnis-Werten die Empfangssignale an der empfangenden Funkstation nicht stören.
Dabei sind grundsätzlich drei Signalverarbeitungs- bzw. Sig- nalisierungskonzepte unterscheidbar.
Ein erster Ansatz einer weitgehend optimalen Signalverarbeitung basiert auf einer Kenntnis aller Empfangssymbole und Kanaleigenschaften. Dieses im folgenden als MIMO (Multiple In- put Multiple Output) Forwarding bezeichnete Konzept ist jedoch mit einem sehr hohen Signalisierungsaufwand verbunden.
Der zweite Ansatz der Signalverarbeitung basiert auf lediglich der Kenntnis der Kanaleigenschaften. Von den Empfangs- Symbolen werden lediglich statistische Kenngrößen als bekannt vorausgesetzt. Bei diesem Ansatz werden Informationen über den Kanalzustand zwischen den Stationen ausgetauscht. Eine Aktualisierung dieser Informationen ist dabei beispielsweise nur bei signifikanter Änderung der Kanaleigenschaften erfor- derlich, welches vorteilhaft zu einem reduzierten Signalisie- rungsaufwand führt. Dieses Konzept wird im folgenden als
Adapted SFN Forwarding bezeichnet.
Der dritte Ansatz ist signalisierungsfrei . Die Signalverar- beitung basiert ausschließlich auf den in der jeweiligen Station bzw. Zwischenstation vorliegenden Informationen oder Kenngrößen des MHSFN System, wie beispielsweise Kanaldämpfung und/oder Kanalrauschen. Zusätzliche Informationen weiterer oder aller Zwischenstation sind nicht bekannt. Dieses Konzept wird im folgenden als Blind SFN Forwarding bezeichnet.
Durch eine gezielte Signalverarbeitung bzw. durch spezielle Vorverzerrungs- und/oder Entzerrungsprozeduren in den Zwischenstationen kann beispielsweise vorteilhaft eine konstruk- tive Überlagerung (Superposition) der Signale am Ort der empfangenden Funkstation erzielt werden. Um eine derartige phasenrichtige Überlagerung der Signale am Empfänger zu erzielen, müssen jedoch bei der Signalverarbeitung genaue Kenntnisse über den erwarteten Übertragungskanal vorliegen und be- rücksichtigt werden. Hierbei kann gegebenenfalls auf reziproke Eigenschaften des Funkkanals zurückgegriffen werden, die Rückschlüsse auf das Verhalten des Funkkanals anhand von empfangenen Signalen ermöglichen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass sich der analoge Übertragungskanal aus dem Funkkanal und dem so genannten analogen Sende- bzw. Empfangs- Fond End zusammensetzt. Während die Reziprozität des Funkkanals in hinreichendem Maße gegeben ist, kann sich das Übertragungsverhalten des Sende- vom Empfangs- Fond End insbesondere im Phasengang stark unterscheiden. Damit kann nur unter Berücksichtigung dieses Unterschiedes eine phasenrichtige Voraussage des Übertragungskanals durchgeführt werden.
Im folgenden werden zwei Typen von Stationen (Terminals) unterschieden: - Terminals, die über eine phasenrichtige Voraussage des Ü- bertragungskanals verfügen, und
- Terminals, die nicht über eine phasenrichtige Voraussage des Übertragungskanals verfügen.
In der FIG 2 ist eine Übersicht über die verschiedenen Realisierungsmöglichkeiten der MHSFN Systeme gegeben. Neben den vorangehend genannten Konzepten sind weiterhin auch Kombinationen dieser Realisierungen möglich.
Abhängig von dem Typ der verwendeten Terminals und Signali- sierungskonzept sind unterschiedliche Signalverarbeitungsalgorithmen vorteilhaft einsetzbar. Nachfolgend werden verschiedene Techniken der Signalverarbeitung sowie Vorverzer- rungs- und/oder Entzerrungsprozeduren anhand von Beispielen beschrieben.
2. Beispiele
Zur Verdeutlichung der vorangehend genannten Systemkonzepte werden im Folgenden beispielhafte Systemrealisierungen beschrieben.
Als Basis für die folgenden Beispiele wird ein bekanntes OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Übertragungssystem sowie eine Sendeleistungsbegrenzung jedes einzelnen Subträ- gers mittels einer Spektrumsmaske vorausgesetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf diese Randbedingungen beschränkt, sondern in gleicher Weise in Systemen mit unterschiedlichen Randbedingungen einsetzbar.
Die genannten beispielhaften Randbedingungen ermöglichen eine separate und unabhängige Untersuchung eines einzelnen Subträgers, wodurch die Übertragungsperformance jedes Subträgers vorteilhaft unabhängig von anderen Subträgern des OFDM Sys- tems analysiert und optimiert werden kann. 2.1 Two Hop SFN (Zwei-Sprung-Gleichwellennetzwerk) FIG 3 zeigt ein so genanntes Two Hop SFN System mit zwei Zwischenstationen EP.
Die nachfolgend beschriebenen Verfahren dienen einer Optimierung der Übertragungsperformance. Hierzu wird beispielsweise das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR - Signal to Noise Ratio) jedes Subträgers am Empfänger SNRgpN maximiert. Weiterhin werden Signalisierungsprotokolle beschrieben, die eine derartige optimale Weiterleitung unterstützen.
Zur analytischen Beschreibung wird gemäß FIG 4 eine Nomenklatur für die Beschreibung der Übertragungskanäle festgelegt. Sie beschreibt Übertragungsfaktoren und Rauschterme für einen Subträger.
Mit Hik wird der Übertragungsfaktor von der sendenden Funkstation zu der Zwischenstation EP Nummer k bezeichnet. Das Signal n k beschreibt das Rauschen an der Zwischenstation EP
Nummer k. Die Anzahl der Zwischenstationen EP ist mit K bezeichnet, so dass der Index k von 0 bis K-l läuft. Die
2 Rauschleistung wird mit σik bezeichnet. Der Index 1 weist auf den ersten Hop (Sprung) des Two Hop Systems hin. Äquiva- lent hierzu ist mit H2 der Übertragungsfaktor von der Zwischenstation EP Nummer k zu der empfangenden Funkstation bezeichnet. Das Signal n2 beschreibt das Rauschen an der e p-
2 fangenden Funkstation. Die Rauschleistung wird mit 02 bezeichnet. Der Index 2 weist auf den zweiten Hop (Sprung) des Two Hop Systems hin. Die komplexen Faktoren Ak beschreiben eine jeweilige Gewichtung in der Zwischenstation EP Nummer k. Aus dieser Nomenklatur und der Randbedingung der Sendeleistungsbegrenzung auf 1 folgen für die komplexen Faktoren A^
2 2 2 folgende Grenzen 0 < |A] < 1/ ( ] H k | + σik ).
2.2.1 Ohne Kenntnisse der Kanalphasen
In einem ersten Beispiel wird ein System mit Zwischenstationen EP ohne Kenntnisse der Kanalphasen des Sendekanals für die Weiterleitung angenommen.
Da die Kanalphasen der H2k i-n den Zwischenstationen EP nicht bekannt sind, kann nicht immer eine konstruktive Überlagerung der Signale am Ort der empfangenden Funkstation erzielt werden. Die Empfangssignale überlagern sich vielmehr mit einer zufälligen Phase, wodurch sich im Mittel lediglich die Leistungen des Empfangssignale addieren. Das Signal-zu-Rausch- Verhältnis am Empfänger errechnet sich damit zu
K — 1
∑ \Hik \2\H2k \2\Ak \2
SNRSFN =^-°
K-\
° ∑ ^k \H2k \λ\ Ak k=0
2 Die Zielfunktion (SNRSFN) ist nun unter Variation der \ A \ zu maxi ieren. Dabei ist zu beachten, dass die Parameter
2 |A]ζ| begrenzt sind. Die Optimierung ist demnach nur in dem
2 durch die Begrenzung der lA^I gegebenen Gültigkeitsbereich durchzuführen. 2.2.1.1 Mit Kanalparameter- und Empfangswert-Signalisierung
(MIMO Forwarding gemäß erstem Ansatz)
Eine Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses S RSFN am
Ort des Empfängers kann bei einer Signalisierung von Kanalpa- rametern und Empfangswerten unter Berücksichtigung aller Systemparameter vorteilhaft erzielt werden.
2.2.1.2 Mit Kanalparameter-Signalisierung (Adaptive SFN Forwarding gemäß zweitem Ansatz) Die Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses SNRSFN am
Ort des Empfängers kann bei einer Signalisierung von Kanalparametern unter Berücksichtigung dieser Systemparameter durchgeführt werden.
Zur Maximierung ist eine Voruntersuchung des Verhaltens der Zielfunktion hilfreich. Dabei ist festzustellen, dass die "Höhenlinien" der Zielfunktion "Geraden" der Dimension K-l
K bzw. Hyperebenen der Dimension K-l im R sind. Dies bedeutet, dass keine "Höhenlinie" eine Punkt-Charakteristik aufweist. Hierdurch kann die Funktion innerhalb des Gültigkeitsbereiches kein globales Maximum oder Minimum aufweisen. Die Funktion wird auf dem Rand des Gültigkeitsbereiches maximal .
Da der Gültigkeitsbereich durch Hyperebenen im R begrenzt ist, ist das Maximum der Zielfunktion in einer Ecke (Vertex) des Gültigkeitsbereiches zu finden. In bestimmten Fällen kann die Höhenlinien-Hyperebene, die zu dem maximalen SNRSFN gehört, auf einer begrenzenden Hyperebenen liegen. Da jeder Punkt und damit auch jede Ecke den gleichen Wert auf einer Höhenlinien hat, kann in diesem Fall eine beliebige Ecke ausgewählt werden. FIG 5 ist ein Beispiel für eine Zielfunktion, das SNRSFN' für zwei Zwischenstationen in Abhängigkeit von den Parametern
2
|A]ζ| dargestellt. Die Kanalübertragungsfaktoren wurden in diesem Beispiel zufällig gewählt. Aus FIG 5 ist erkennbar, dass die Höhenlinien Geraden sind, und dass die Zielfunktion in einer Ecke des Gültigkeitsbereiches maximal wird.
Diese Analyse zeigt, dass das optimale SNRSFN immer in einer
Ecke des Gültigkeitsbereiches erreicht wird. Eine Ecke be-
2 schreibt einen Parametersatz |Akl , bei dem eine oder mehrere
2
Zwischenstationen EP mit maximaler Leistung senden (|Akl =
2 2 l/(|H kl + σik ))/ weitere Zwischenstationen EP jedoch keine
2 Weiterleitung durchführen (|Akl = 0). Keine der Zwischenstationen sendet mit einer Leistung zwischen Null und dem Maxi-
2 2 2 malwert (0 < |Akl < l/(|Hχkl + σik ))• °ie Maximierung des
SNRSFN wird somit durch eine geeignete Auswahl von Zwischen- stationen EP, die mit maximaler Leistung senden, erzielt.
Diese Auswahl aktiver Zwischenstationen kann beispielsweise mit Hilfe eines Auswahlkriteriums erreicht werden. Sind L+l Zwischenstationen ausgewählt und senden mit maximaler Leistung, so kann eine Vorschrift definieren werden, die beschreibt, unter welchen Voraussetzungen eine Zwischenstation abzuschalten ist, um das SNRSFN U erhöhen. Die Zwischensta- tion Nummer L soll beispielsweise genau dann abgeschaltet werden, wenn dadurch das SNRSFN erhöht oder unverändert bleibt. Beschreibt S RSFN L das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, wenn alle Zwischenstationen (Nummer 0 bis Nummer L) senden, und SNRSFN L-1 das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, wenn nur noch die Zwischenstationen von Nummer 0 bis Nummer L-1 senden, lässt sich diese Bedingung wie folgt formulieren :
SNRsFNL ≤ SNRSFNL_λ
L L-1
∑\ Hlk \2\ 2k \2\ Äk |2 ∑ \Hlk \2\ H2k \2\ Ak |2
Figure imgf000012_0001
\HIL \2
SNRSFN L ≥ SNRH
Hierbei zeigt sich, dass Zwischenstation Nummer L in den Fällen abzuschalten ist, wenn ihr Empfangs-Signal-zu-Rausch-Ver- hältnis SNRIL kleiner ist als das bisherige Signal-zu-Rausch-
Verhältnis (SNRSFN L) an der empfangenden Funkstation.
Basierend auf dieser Erkenntnis kann ein Algorithmus mit den folgenden Schritten formuliert werden:
1. Ermittle das SNRSFN f"ür den Fall, dass alle K Zwischenstationen EP mit maximaler Sendeleistung weiterleiten; 2. Vergleiche das ermittelte SNRSFN mit den Zwischenstati- ons-Empfangs-Signal-zu-Rausch-Verhältnissen SNRi und Deakti¬
viere alle Zwischenstationen EP mit SNRi < SNRSFN'"
3. Beende die Routine wenn keine weitere Zwischenstation EP deaktiviert wurde; 4. Ermittle das resultierende SNRSFN un-d gehe zu Schritt 2.
Da in jedem Durchlauf der Schritte das SNRSFN erhöht wird, bleiben die Entscheidungen vorheriger Durchläufe gültig, so- dass sie nicht erneut überprüft oder korrigiert werden müs- sen. Dies zeigt das konvergente Verhalten des Algorithmus, der nach mindestens K Durchläufen ein optimales Ergebnis errechnet hat und dann abbricht.
Ähnlich dem beschriebenen Deaktivierungskriterium kann in gleicher Weise auch ein Aktivierungskriterium definiert werden. In diesem Fall wird eine neue Zwischenstation Nummer L+l aktiviert, wenn ihr Empfangs-Signal-zu-Rausch-Verhältnis
(SNRIL+I) größer ist als das bisherige Signal-zu-Rausch-Ver-
hältnis (SNRSFN L) am 0rt der empfangenden Funkstation, welches sich aus den bisher aktiven Zwischenstationen Nummer 0 bis L ergeben hat.
Die beschriebenen Analysen können separat für jeden OFDM-Sub- träger durchgeführt werden. Um die vorangehende Nomenklatur auf Subträger zu erweitern, müssen lediglich die System- und Kanal-Parameter subträgerweise beschrieben werden.
Aus diesen Kriterien ist folgendes Signalisierungskonzept ab- leitbar:
1. Die empfangende Funkstation signalisiert beispielsweise periodisch das ermittelte Empfangs-Signal-zu-Rausch-Verhält- nis SNRSFN (f) fur jeden OFDM-Subträger f zu allen Zwischen- Stationen EP,
2. Jede Zwischenstation EP vergleicht subträgerweise das signalisierte Signal-zu-Rausch-Verhältnis SNRSFN (f) mit dem eigenen ermittelten Empfangs- Signal-zu-Rausch-Verhältnis SNRik (f) , wobei a. bei SNRik (f) ≤ SNRsFN(f) die Zwischenstation EP
Nummer k kein Signal auf dem Subträger f sendet, und b. bei SNRik (f) > SNRsFN(f) die Zwischenstation EP
2 Nummer k mit maximaler Leistung |Ak(f) I ≤
2 2 l/(|Hik(f) I + σi (f) ) auf diesem Subträger f sen¬ det.
2.2.1.3 Ohne Signalisierung (Blind SFN Forwarding gemäß drittem Ansatz) Eine Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses am Ort des Empfängers (SNRSFN) kann ohne Signalisierung nur unter Berücksichtigung von lokal bekannten Systemparametern durchgeführt werden.
2.2.2 Mit Kenntnis der Phase des Kanals In einem zweiten Beispiel wird ein System mit Zwischenstationen EP mit einer Kenntnis der Kanalphasen des Sendekanals für die Weiterleitung angenommen.
Da die Phasen der H2k in den Zwischenstationen EP nicht be- kannt sind, kann nicht immer eine vorteilhafte konstruktive Überlagerung der Signale am Empfänger erzielt werden. Die Empfangssignale überlagern sich mit zufälliger Phase, wodurch sich im Mittel lediglich die Leistungen der Empfangssignale addieren. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis am Ort der empfan- genden Funkstation errechnet sich damit zu:
Figure imgf000014_0001
2 Diese Zielfunktion SNRSFN ist nun unter Variation der |A l zu maximieren. Dabei ist zu beachten, dass die Parameter
2
|Akl begrenzt sind. Die Optimierung ist demnach nur m einem
2 durch die Begrenzung der |Akl gegebenen Gültigkeitsbereich durchzuführen.
2.2.2.1 Mit Kanalparameter- und Empfangswert-Signalisierung (MIMO Forwarding gemäß erstem Ansatz)
Eine Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses am Ort der empfangenden Funkstation SNRSFN kann bei einer Signalisierung vorteilhaft unter Berücksichtigung aller Systemparameter durchgeführt werden.
2.2.2.2 Mit Kanalparameter-Signalisierung (Adap. SFN Forwar- ding gemäß zweitem Ansatz)
Eine Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses am Ort der empfangenden Funkstation SNRSFN kann bei dieser Signalisierung vorteilhaft unter Berücksichtigung der Kanalparameter durchgeführt werden.
Zur Maximierung ist erneut eine Voruntersuchung des Verhaltens der Zielfunktion hilfreich. Dabei wird festgestellt, dass die Höhenlinien der Zielfunktion Hyperbeln der Dimension
K-l bzw. Hyperboloids der Dimension K-l im R sind. Dies be- deutet, dass keine Höhenlinie eine Punkt-Charakteristik aufweist, und die Funktion somit innerhalb des Gültigkeitsbereiches kein globales Maximum oder Minimum aufweist. Die Funktion wird auf dem Rand des Gültigkeitsbereiches maximal. Mittels der Hauptachsentheorie kann zudem gezeigt werden, dass alle Hyperbeln dieselben Hauptachsen haben. FIG 6 zeigt ein Beispiel für eine Zielfunktion, die das Signal-zu-Rausch-Verhältnis SNRsFN für zwei Zwischenstationen EP
2 in Abhängigkeit von den Parametern |Akl darstellt. Die Kanalübertragungsfaktoren wurden in diesem Beispiel zufällig gewählt. Es ist dabei erkennbar, dass die Höhenlinien Hyperbeln sind, und dass die Zielfunktion auf dem Rand des Gültigkeitsbereiches maximal wird. Im dem unteren Bild der FIG 6 ist neben den Höhenlinien der Gültigkeitsbereich und die gemeinsame Hauptachse der Hyperbeln dargestellt.
Eine Analyse zeigt, dass die Zielfunktion SNRSFN auf dem Rand des Gültigkeitsbereiches maximal wird. Die Ränder des Gültigkeitsbereiches sind dabei durch Hyperebenen definiert. In einem ersten Schritt wird die begrenzende Hyperebene gesucht, auf der das Optimum zu finden ist. Wie aus der FIG 6 deutlich wird, ist es die Hyperebene, die von der Hauptachse als "erstes" geschnitten wird, d.h. der Schnittpunkt zwischen Hauptachse und Hyperebene liegt am dichtesten am Koordinatenursprung. Wie mit Hilfe der Hauptachsentheorie gezeigt werden
2 kann, liegt ein Parametersatz mit |Akl = λ 52 IHikl/(σik
|H2kl) auf der Hauptachse und ein Skalar λ beschreibt die
Länge eines beliebig gewählten Vektors. Nun wird ein λk so
gewählt, dass der Wichtungsfaktor |A l maximal wird. Hieraus folgt ;
Figure imgf000016_0001
Die Hyperebene, die als erstes von der Hauptachse geschnitten wird, ist durch den kürzesten Vektor und damit durch den kleinsten Wert λk gekennzeichnet min (λk) • Es wird im folgenden als sinnvoll erachtet, die Nummerierung der Zwischenstationen EP entsprechend der Größe des Wertes λk zu sortieren, so dass die Zwischenstation EP mit der Nummer k=0 den kleinsten Wert λk aufweist, und sich die Reihenfolge
λk ≤ λk+l ergibt.
Durch diese Sortierung folgt λrj = mink(λk), wodurch die Hy-
2 2 perebene, auf der das Maximum liegt, durch |Aol = 1/ ( | H o 1 +
2 σio ) definiert ist. Die Zwischenstation EP mit dem kleins¬
ten Wert λk muss mit maximaler Sendeleistung senden, um das
SNRSFN zu πiaximieren. Sollten mehrere Zwischenstationen, beispielsweise N, einen gleichen minimalen Wert λrj = λ für k<N haben, so senden alle N Zwischenstationen mit einer maximalen Leistung.
Figure imgf000017_0001
Durch diese Weiterleitung der N Zwischenstationen mit axima- 1er Sendeleistung ergibt sich am Ort der empfangenden Funkstation ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis von :
SNRjK/
Figure imgf000017_0002
Durch die Fixierung der Sendeleistung der N Zwischenstationen wird eine Kante des Gültigkeitsbereiches, eine Hyperebene der Dimension K-N, definiert. Im folgenden Schritt wird auf dieser Hyperebene das Maximum der Zielfunktion ermittelt. Dabei ist festzustellen, dass die Höhenlinien der Zielfunktion auf dieser Hyperebene im allgemeinen Ellipsoiden sind und genau eine Höhenlinie zu einem Punkt entarten. Die Hauptachsentheorie zeigt, dass dieser Punkt durch den folgenden Parametersatz definiert ist:
\ Ak \= £ϊr N ≤ k < K
Figure imgf000018_0001
1+ λ NRu N = -*≡*
N-l ∑ SNRik k=0
Im einem letzten Schritt wird geprüft, ob das Ergebnis im
Gültigkeitsbereich liegt. Durch die vorgenommene Νeusortie-
2 rung wird hierzu lediglich das errechnete |A l für k=Ν mit der zulässigen Maximalleistung verglichen. Ähnlich wie oben kann gezeigt werden, dass auch diese Zwischenstation mit der Nummer k=N mit maximaler Leistung senden muss, um das Optimum zu erreichen, falls durch die errechnete Lösung die Maximalleistung überschritten wird. Die Maximalleistung wird für den
Fall überschritten, dass λk< ΛN ist. Auf der damit neu definierten Hyperebene der Dimension K-N-l ist wie vorangehend beschrieben fortzufahren.
Senden die Zwischenstationen entsprechend dem Ergebnis dieser Rechnung, wird das maximale SNRSFN arα 0rt der empfangenden Funkstation erzielt. Dabei hat das maximale SNRSFN folgenden
Betrag:
K-l
SNRSFN = SNRN + ∑ SNRik k=N
Basierend auf dieser Ableitung kann ein Algorithmus mit den folgenden Schritten formuliert werden:
1. Berechne
Figure imgf000019_0001
und sortiere die Indizes k entsprechend Reihenfolge λk ≤
λk+l um;
2. Setze N = 1; a. Berechne
N-l
1 + ∑ ψNRik Λ^ = *=°
N-l ∑λkSNRik k=0
Falls λk=Ν ≤ ΛJJ , setze N = N + 1 und gehe zu Schritt 3 ; a . Berechne die Faktoren
1 Ak \= -j= fur 0 < Ä <N , bzw . lσfk(SNRik + 1)
Figure imgf000019_0002
Die Iteration bricht spätestens ab, wenn alle Zwischenstationen EP ausgewählt wurden. Während der Iteration weist der Wert Λ]\f ein Verhalten auf, das es erlaubt, den Vergleich für jede Zwischenstation EP einzelnd durchzuführen. Es muss dabei nicht darauf geachtet werden, ob mehrere Zwischenstationen EP gleiche λk aufweisen.
Darüber hinaus ist festzustellen, dass für eine ausgewählte Zwischenstation EP k < N auch nach Äbschluss der Iteration λ
< ΛN gilt. Aus dieser Eigenschaft und dem obigen Algorithmus kann folgendes Signalisierungskonzept abgeleitet werden:
1. Alle Zwischenstationen EP übermitteln beispielsweise periodisch das SNR k zu der empfangenden Funkstation;
2. bei diesen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ermittelt die empfangende Funkstation die SNR2 durch entsprechende Messungen;
3. in der empfangenden Funkstation wird über den oben beschriebenen Algorithmus das endgültige Λ]sf berechnet;
4. die empfangende Funkstation sendet beispielsweise perio- disch das errechnete ΛN an alle Zwischenstationen EP;
5. bei diesem Broadcast ermittelt jede Zwischenstation EP individuell das SNR2k durch entsprechende Messungen;
6. jede Zwischenstation EP errechnet individuell
Figure imgf000020_0001
b. sollte das Ergebnis die maximale Sendeleistung der
Zwischenstation überschreiten, wird es auf diesen Maximalwert begrenzt
Figure imgf000021_0001
und in Zukunft SΝRik zu der empfangenden Funkstati¬
on gesendet, ansonsten braucht das SΝRi nicht zu der empfangenden Funkstation übermittelt werden;
7. die Zwischenstationen EP beginnen mit der Weiterleitung der von der sendenden Funkstation empfangenen Daten;
8. sollte eine neue Zwischenstation EP hinzukommen a. errechnet sie ebenfalls individuell den Wert
k NRU b. sollte das Ergebnis ihre maximale Sendeleistung ü- berschreiten, wird es auf diesen Maximalwert begrenzt
\ Ak \= - l
^2 k (SNRik +l)
und in Zukunft S Rik zu der empfangenden Funkstati-
on gesendet, ansonsten braucht das SΝRi nicht zu der empfangenden Funkstation übermittelt werden.
2.2.2.3 Ohne Signalisierung (Blind SFΝ Forwarding gemäß drittem Ansatz) Die Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnis am Ort der empfangenden Funkstation SΝRSFΝ kann ohne eine Signalisierung nur unter Berücksichtigung der lokal bekannten Systemparameter durchgeführt werden.
2.3 Three Hop SFΝ (Drei-Sprung-Gleichwellennetzwerk)
In der FIG 7 ist ein so genanntes Three Hop SFΝ System mit Zwischenstationen EP dargestellt. Dabei erfolgt die Daten- Übertragung von einer sendenden Funkstation AP über drei
Sprünge, beispielsweise unter Einbeziehung von zwei Zwischenstationen EP für jeden Pfad, zu einer empfangenden Funkstation RM.
2.3.1 Mit Kenntnis der Kanalphasen
2.3.1.1 Mit Kanalparameter- und Empfangswert-Signalisierung (MIMO Forwarding gemäß erstem Ansatz) Die Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses am Ort der empfangenden Funkstation SNRSFN kann bei einer Signalisierung unter Berücksichtigung aller Systemparameter durchgeführt werden.
2.3.1.2 Mit Kanalparameter Signalisierung (Adaptive SFN Forwarding gemäß zweitem Ansatz) Eine Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses am Ort der empfangenden Funkstation SNRSFN kann bei einer Signalisierung unter Berücksichtigung aller Systemparameter durchge- führt werden.
2.3.1.3 Ohne Signalisierung (Blind SFN Forwarding gemäß drittem Ansatz) Eine Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses am Ort der empfangenden Funkstation SNRSFN kann ohne eine Signalisierung nur unter Berücksichtigung der lokal bekannten Systemparameter durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kooperieren mehrere einzelne Funkstationen und/oder Zwischenstationen EP und bilden eine verteilte, so genannte intelligente Antenne (Smart Antenna) . Die einzelnen Antennenelemente sind dabei die typischerweise omni-direktionalen Antennen der Funkstationen bzw. Zwischenstationen EP. Werden in einem Adhoc-Netz mehrere Gruppen (Cluster) von Antennen zu verteilten Antennen zusa - mengefasst, können über diese vorteilhaft so genannte MIMO- Kanäle (Multiple Input Multiple Output) gebildet werden, um beispielsweise ein räumliches Multiplexen zu erzielen. MIMO- Kanäle, beispielsweise entsprechend dem bekannten BLAST Prinzip, ermöglichen eine sehr hohe spektrale Effizienz in Bit/s/Hz.
Die erfindungsgemäße Clusterung von Antennen ermöglicht in Adhoc-Netzen die Einführung von Hierarchieebenen. Zur Übertragung über große Entfernungen werden beispielsweise die leistungsfähigen MIMO Kanäle verwendet, während kürzere Entfernungen mit der bekannten Multihop-Übertragung über mehrere Zwischenstationen überbrückt werden. Hierdurch sind skalier- bare Adhoc-Netze auch für den Fall einer nicht lokal begrenzten Übertragung realisierbar.
Derartige MIMO-Antennen erfordern je nach Algorithmus eine Kopplung der einzelnen Antennen bzw. Antennenelemente, wel- ches einer zusätzlichen Signalisierung, beispielsweise zum
Austausch von Kanalschätzungen, bedarf. Das verteilte Konzept besitzt den Vorteil, dass die Funk- bzw. Zwischenstationen ohne aufwändige und große Antennen mit zugehörigen HF- Frontends auskommen, und dennoch eine sehr hohe spektrale Ef- fizienz für die verteilten MIMO Antennen ermöglicht wird.
MIMO Ansätze erfordern weiterhin typischerweise, dass die Funkkanäle zwischen den einzelnen Antennenelementen unkorre- liert sind. Je nach Umgebung sollten die Antennenelemente da- her einen Abstand von mehreren Wellenlängen der verwendeten Übertragungsfrequenz aufweisen. Für verteilte Antennen ist diese Anforderung besonders leicht zu erfüllen. Prinzipiell können mit verteilten Antennen alle bekannten Smart Antenne Konzepte realisiert werden, wie beispielsweise SDMA (Space Division Multiple Access) oder steuerbare Antennen mit Interferenzreduktion.
Die nachfolgende Beschreibung erläutert eine weitere mögliche Kooperation zwischen mehreren Funk- bzw. Zwischenstationen in einem SFN (Single Frequency Network) . In SFNs ist ein spezielles Multihop Verfahren, bei dem mehrere Zwischenstationen gleichzeitig Daten an eine weit entfernte empfangende Funkstation RM (Remote Mobile Terminal) übertragen, einsetzbar. Durch einen vorangehend beschriebenen Informationsaustausch zwischen den Zwischenstationen EP und geeignet gewählte Gewichtungsfaktoren in den Zwischenstationen EP ist ein gegenüber üblichen SFN-Netzen zusätzlicher Gewinn möglich. Dieser liegt in der Größenordnung klassischer Maximum Ratio Co bi- ning Verfahren. Generell haben die erfindungsgemäßen Verfahren der verteilten Antennen den Vorteil, dass die Leistungsfähigkeit mit steigender Anzahl an Funk- bzw. Zwischenstationen zunimmt, d.h. die Verfahren passen sich selbständig an das normalerweise erhöhte Datenaufkommen im Falle vieler Sta- tionen an.
FIG 8 zeigt das erfindungsgemäße Clustern von jeweils mehreren Zwischenstationen MHN (Multihop Nodes) sowohl auf der Sende- transmit cluster als auch auf der Empfangsseite re- ceive cluster, um jeweils eine verteilte MIMO-Antenne für ein räumliches Multiplexen (Spatial Multiplexing) zur Bildung eines MIMO-Kanal MIMO Channel zu konfigurieren. Im Unterschied zu herkömmlichen MIMO-Antennen besteht dabei keine direkt verdrahtete Verbindung zwischen den einzelnen Antennen- elementen des jeweiligen Clusters. Das räumliche Multiplexen kombiniert die Signale aller empfangenden Antennenelemente, um hieraus den resultierenden Datenstrom zu ermittelt. Dieses Konzept erfordert einen erfindungsgemäßen Austausch von Sig- nalisierungsinformationen zwischen den verteilten Antennen bzw. Stationen, wie beispielsweise bezüglich jeweiliger Kanalschätzungen. FIG 9 zeigt weiterhin eine beispielhafte Anwendung eines verteilten Antennenkonzeptes in einem Adhoc-Netzwerk. In diesem Fall werden die MIMO-Kanäle MIMO Channels zum Aufbau einer Verbindung zwischen weit voneinander entfernten Einrichtungen des Adhoc-Netzwerkes verwendet. Geringe Entfernungen, die beispielsweise nur wenige Hops erfordern, werden mittels bekannter Multihop-Verbindungen local multihop links überbrückt, da hierdurch Frequenz- und Zeitressourcen räumlich wieder verwendet werden können. Die Kreise in der FIG 9 geben jeweils beispielhaft ein Cluster von mehreren Zwischen- stationen MHN (Multihop Node) bzw. empfangenden Funkstationen MN an, die jeweils entsprechend einer intelligenten Antenne agieren, und eine Übertragung zu einem weiter entfernten Cluster ermöglichen. Vorteilhaft wird durch die Clusterung von weit voneinander entfernten Teilen des Adhoc-Netzwerkes eine höhere spektrale Effizienz erzielt, wodurch die Skalierbarkeit des gesamten Netzwerkes erleichtert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Signalübertragung in einem Funk-Kommunikationssystem, bei dem Signale einer sendenden ersten Funkstation (AP) über zumindest zwei Zwischenstationen (EP) zu einer empfangenden zweiten Funkstation (RM, MN) übertragen werden, wobei zwischen den zumindest zwei Zwischenstationen (EP) eine Signalisierung zur Konfiguration der Aussendung zu der empfangenden zweiten Funkstation (RM, MN) durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwischen den zumindest zwei Zwischenstationen (EP) und der ersten (AP) und/oder der zweiten Funkstation (RM, MN) Kenn- großen signalisiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in den Zwischenstationen (EP) Kenngrößen aus von der ersten (AP) und/oder zweiten Funkstation (RM, MN) empfangenen Signa- len ermittelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Kenngrößen in den Zwischenstationen (EP) zur Bestimmung von Gewichtungsfaktoren verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Kenngrößen Informationen über Kanaleigenschaften beinhalten.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine Aktualisierung der Informationen über die Kanaleigenschaften nur bei Änderungen der Kanaleigenschaften durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem
Antenneneinrichtungen der zumindest zwei Zwischenstationen (EP) entsprechend Antennenelementen einer intelligenten Antenne konfiguriert werden.
8. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem Antenneneinrichtungen einer Anzahl von Zwischenstationen (EP, MHN) , die sich in dem Funkversorgungsbereich der sendenden ersten Funkstation (AP) befinden, und Antenneneinrichtungen einer Anzahl von weiteren Zwischenstationen (EP, MHN) , die sich in dem Funkversorgungsbereich der empfangenden zweiten Funkstation (RM, MN) befinden, jeweils zu einer intelligenten Antenne gruppiert werden.
9. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem in den zumindest zwei Zwischenstationen (EP) Vorverzerrungsoder Entzerrungsprozeduren für die Datenübertragung eingesetzt werden.
10. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Übertragung zwischen den Stationen gemäß einem Gleichwellen-Netz (SFN) durchgeführt wird.
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