Beschreibung
MULTIMODE / MULTICHANNEL MOBILFUNKSARCHITEKTUR
Die Erfindung betrifft eine adaptive Funksende- und/oder Funkempfangsarchitektur, wie sie vorzugsweise im Bereich des Mobilfunks eingesetzt wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer adaptiven Funksende- und/oder Funkempfangsvorrichtung.
Mit der in immer kürzeren Zyklen fortschreitenden Entwicklung der mobilen Funkkommunikationstechnologien werden zunehmend auch immer mehr Funkkommunikationsstandards von zum Teil unterschiedlichen Organisationen definiert. Diese Standards unterscheiden sich häufig unter anderem dadurch, dass sie sich unterschiedlicher Frequenzbänder bedienen. Um eine möglichst weltumspannende Kommunikation zu ermöglichen, wird ein hierfür ausgestaltetes Funkkommunikationsendgerät eine der Anzahl der Frequenzbänder entsprechende Anzahl von separaten Funksende-/Funkempfangspfaden, den sog. RF-paths diskutiert. Ein derartiges Gerät wird im Allgemeinen als Multimode Mobilteil bezeichnet.
An zukünftige mobile Kommunikationsendgeräte werden daher sehr unterschiedliche Anforderungen gestellt. Es müssen nicht nur verschiedene KommunikationsStandards, wie z.B. GSM, UMTS oder IEEE 802. 11 unterstützt werden, sondern die Kommunikation auf der Basis dieser Standards muss ggf. auch gleichzeitig erfolgen, wie z.B. Sprachkommunikation mittels GSM und Datendownload mittels WLAN (IEEE 802.11). Ein Gerät mit diesen Eigenschaften wird als Multimode/Multilink Gerät bezeichnet. Zudem ist insbesondere im Mobilfunkbereich eine hohe spektrale Effizienz zu fordern, was nach dem Stand der Technik durch die Verwendung mehrerer RF-Pfade pro Link (MIMO) zu erreichen ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung mit einer Architektur, die flexibel auf heutige und auch zukünftige Anforderungen einstellbar ist, sowie ein entsprechendes Verfahren zu deren Betrieb zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine adaptive Funksende- und/oder Funkempfangsarchitektur gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
Nach dem Stand der Technik wurden die obigen Anforderungen weitgehend unabhängig voneinander adressiert, d.h. für jeden Standard wurden a) Endgeräte mit separaten und dedizierten Modulen für den jeweiligen Standard, d.h. abgestimmte Antenne, HF- Architektur und Basisbandverarbeitung implementiert b) Separate HF-Architektur für jede einzelne Antenne und gemeinsame Basisbandverarbeitung.
So ist beispielsweise aus der EP 1 175 018 AI eine Anordnung bekannt, bei der für solche Sende-/Empfangspfade jeweils Schmalbandkomponenten, wie beispielsweise Verstärker oder "Fixed Filter", benötigt werden. Wie auch andere bekannte Anordnungen, so ist auch diese Vorrichtung jedoch hinsichtlich ihres Einsatzbereiches eng limitiert und durch ihre Struktur nicht in ausreichender Weise adaptierbar.
Erfindungsgemäß wird ein einziger Hardware-Aufbau vorgeschlagen, bei dem eine Reihe von parallel angeordneten HF-Pfaden mit Hochfrequenz -Frontends vorgesehen ist, und die HF-Pfade im Hinblick auf eine jeweilige Mischerfrequenz oder Trägerfrequenz sowie eine Empfangsbandbreite adaptierbar ausgebildet sind, wobei die Empfangs- und/oder Sendesignale der HF-Pfade flexibel auf die Ein/Ausgänge der nachgeschalteten Signalverarbeitung schaltbar sind, so dass wahlweise eine Multimode, Multichannel und/oder MIMO Verbindung oder beliebige Kombinationen dieser Varianten realisierbar sind.
Dieser Aufbau unterstützt alternativ oder in beliebigen Kombinationen alle Varianten, also Multimode/Multilink (= mehrere Standards gleichzeitig i.a. in verschiedenen Frequenzbändern), Multichannel (= Unimode/ Multilink, d.h. ein Standard gleichzeitig betrieben auf unterschiedlichen Kanälen eines Frequenzbandes) und Multiple-Input-Multiple- Output (MIMO) Systeme (= Unimode/Unilink mit mehreren RF- Pfaden, d.h. für jeden Link werden mehrerer RF-Pfade zur Ausnutzung von Diversity oder "spatial multiplexing" zusammengeschaltet) . Dadurch ist eine flexible, adaptive und damit auch effizientere Nutzung der vorhandenen Ressourcen sowohl in Bezug auf den Hardwareaufwand, als auch in Bezug auf die Übertragungskapazität möglich. Dazu ist eine Reihe von parallel angeordneten HF-Pfaden vorgesehen, die vorzugsweise im Hinblick auf eine jeweilige Mischerfrequenz sowie eine Empfangsbandbreite adaptierbar sind, wobei mindestens ein Ausgangs- oder Eingangsignal beliebig auf jede dieser Antennen schaltbar ist. Eine anschließende Signalverarbeitung ist im Wesentlichen per Software definiert.
Eine erfindungsgemäß ausgebildete Architektur kann nun
1. in ihrem ursprünglichen Sinne, nämlich zur Unterstützung der Multimode/Multi-Link-Funktion in dem Sinne, dass mehrere Standards auf unterschiedlichen Frequenzbändern und Kanälen parallel verarbeitet werden,
2. zur adaptiven Bündelung von mehreren Kanälen desselben Kommunikationsstandards, sog. Multichannel, ein Standard auf mehreren Kanälen in einem Frequenzband parallel verarbeitet werden, 3. als auch als "Intelligente Antennen" zur Verarbeitung eines Standards in einem Kanal eines Frequenzbandes auf mehreren Antennen parallel im Rahmen eines MIMO-Ansatzes genutzt werden.
Diese Möglichkeiten können auch in nur einer Vorrichtung zur gleichzeitigen Nutzung mehrerer Services oder Dienste
parallel genutzt werden. Die Anzahl von parallel zueinander verlaufenden Nutzungen ist abhängig von einer Anzahl der Antennen und einer Leistungsfähigkeit eines oder mehrerer Software-Prozessoren, so dass prinzipiell auch beliebige Kombinationen aus den vorstehend genannten drei
Anwendungsvarianten möglich sind. Vorteilhafterweise entspricht eine Anzahl an Prozessoren im System der Anzahl der in einem parallelen Betrieb zu unterstützenden unterschiedlichen Standards. Dabei werden neben einer Signalverarbeitung auf der physikalischen Schicht für jeden Standard natürlich auch die höheren Schichten prozessiert, also vorzugsweise auch auf höheren Schichten eines jeweiligen Daten-Protokolls eines angewendeten Standards.
Die weiteren abhängigen Ansprüche enthalten jeweils ebenfalls besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. So sind bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem Block interne Verknüpfungen, eine Demultiplexer-Einheit und eine Multiplexer-Einheit zusammengefasst . Vorzugsweise wird eine gesamte Signalverarbeitung im Basisband vorgenommen.
Ferner wird zur Erzeugung einer jeweiligen Einstellung ein Verfahren verwendet, bei dem unter Auswahl eines jeweiligen Service von Startwerten ausgehend aufeinander folgend Variationsschleifen zur Optimierung eines Bedarfs an Bandbreite durchlaufen werden, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch an einem Beispiel beschrieben wird. Die Startwerte können dabei in Abhängigkeit von einem jeweiligen Standard aus einer Tabelle abgelesen werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Kopplung eines Eingangs- und/oder Ausgangsdatenstroms mit externen Applikationen ausgebildet. Im Übrigen ist sie nicht nur im Mobilfunk, WLAN oder WPAN Bereich, sondern reduziert als
Empfängerstruktur auch für den Radio- und Fernsehbereich anwendbar.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Blockdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines Verfahrens zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung;
Figur 2 eine Weiterbildung der Vorrichtung von Figur 1 und
Figur 3 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die verwendete Nomenklatur wurde, wie bereits in der Beschreibungseinleitung geschehen, an die eines Fachmanns aus diesem Bereich angeglichen, so dass auf eine Übersetzung von geläufigen Fachwörtern englischen Ursprungs in das Deutsche verzichtet wurde. Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in Form einer Darstellung von Funktionsblöcken, die jeweils adaptiert werden. In einem ersten Block 2 sind mehrere Antennen ANT und Hochfrequenz-Frontends HF vorgesehen. Die Antennen ANT mit den zugeordneten Hochfrequenz-Frontends HF werden je nach erforderlicher Bandbreite und Trägerfrequenz ausgewählt und aktiviert. Sie stellen damit eine Reihe von parallel angeordneten HF-Pfaden dar, die im Hinblick auf eine jeweilige Mischerfrequenz sowie eine Empfangsbandbreite adaptierbar ausgebildet sind.
In einem zweiten Block 3 werden interne Verknüpfungen, Demultiplexer- und Multiplexer-Einheiten sowie eine gesamte Signalverarbeitung im Basisband zusammengefasst. Ein Ausgangsdatenstrom wird aus diesem zweiten Block 3
herausgeführt. Ebenfalls wird dem Block 3 ein Eingangsgangsdatenstrom zugeführt, wie durch den Ein-/Ausgang I/O angedeutet.
Die vorstehend genannten Verarbeitungsverfahren werden rein durch Software definiert und auch nur in Form von Software ausgeführt. Dadurch wird ein einheitlicher Gesamtaufbau der Vorrichtung 1 vorgegeben, der sehr flexibel und schnell auf eine jeweilige Anforderung eingestellt werden kann. Eine jeweilige Adaption des beschriebenen Systems greift zur Einstellung von Bandbreite und Trägerfrequenz auf die HF- Elemente des ersten Blocks 2 zu und steuert im zweiten Block 3 einen Demultiplexer sowie die anzuwendende Signalverarbeitung. Der Multiplexer in Block 3 steuert die Zuordnung der Anwendungsdaten zu dem ausgewählten Transceiver bzw. Übertragungsstandard, der mit diesem Transceiver verknüpft ist.
Die Adaption von Multiplexer/Demultiplexer sowie Signalverarbeitung ist i.a. von vielen Parametern abhängig, wie z.B. Anzahl der Applikation/Services die parallel unterstützt werden sollen inklusiver ihrer Quality of Service QoS Anforderungen, Kanalqualität und Verkehrsaufkommen, Nutzerpräferenzen (Kosten für Netzzugang) aber auch Anzahl der verfügbaren RF-Pfade und Rechenkapazität. Da diese
Parameter i.a. zeitvariant sind, ist ein dynamisches Anpassen der Elemente im Block 3 auch während einer bestehenden Session zu bevorzugen.
Die entsprechenden Parameter werden nach Kundenwunsch in Form von Anforderungen an eine Datenrate, Kosten, Service-Qualität QoS, etc. ermittelt und eingestellt, wobei Netz- bzw. Serviceverfügbarkeit getestet werden. Hardware Optionen werden nach einem Optimierungsverfahren ausgewählt und eingestellt, wobei unter Rechenleistung, Stromverbrauch, etc. ausgewählt werden kann.
Figur 2 zeigt eine Erweiterung der in Figur 1 dargestellten Anordnung, in der nun mit UMTS, WLAN und BlueTooth drei unterschiedliche Standard parallel über insgesamt fünf Antennen ANT1 bis ANT5 geschalten sind und gleichzeitig verarbeitet werden. Wie am Ein-/Ausgang I/O angedeutet, verlassen parallel mehrere Datenströme als Anwendungsdaten und/oder Services etc. die dargestellte Vorrichtung, um in nachfolgenden Mitteln weiterverarbeitet zu werden.
In nicht weiter darstellbarer Weise bieten die anhand der
Figuren 1 und 2 vorgestellten Strukturen auch die Möglichkeit einer dynamischen Einstellung eines oder mehrerer Pfade. So ist eine Nutzung einer Antenne ANT für mehrere und verschiedene Services möglich. In einem nicht weiter dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine
Antenne ANT bei Auftreten freier Zeitschlitze im TDMA-Betrieb durch einen anderen Service genutzt werden. Für diesen anderen Service steht dann mindestens für die Zeit des Auftretens freier Zeitschlitze eine Antenne mehr zur Verfügung, als außerhalb dieser Zeit. Entsprechend werden die Pfade für die Daten und/oder Signale innerhalb der Struktur diesen Betriebszuständen entsprechend automatisch intern geschaltet. Damit stellt eine vorgeschlagene Struktur neben der Möglichkeit einer flexiblen und den jeweiligen Anforderungen eines Anwenders entsprechenden parallelen statischen Verschaltung auch die Möglichkeit einer dynamischen Zuordnung der HF-Zweige und Antennen ANT zur Verfügung. Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm zur exemplarischen Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die zugrunde liegende Vorrichtung 1 ist gemäß Figur 1 aufgebaut und umfasst L HF- Zweige in dem ersten Block 2 von Figur 1 oder 2, jeweils mit einer Antenne ANT und einem Hochfrequenz-Frontend HF, sowie M Kanäle und N Kommunikationsstandards als zweiter Block 3 gemäß Figur 1.
Mit dem Start, hier durch das Einschalten des Teilnehmerendgerätes gegeben, wird durch einen Benutzer ein Service a angewählt. Mit den Parametern L=l, M=l und N=l wird als Starteinstellung begonnen, den Service a unter
Einstellung des Basisbandes und des Protokolls für den vorgegebenen Standard N sowie unter Einstellung der Trägerfrequenz und Bandbreite für den Kanal M zur Auswahl des Hochfrequenz-Frontends HF. Ist unter der Einstellung mit diesem Parametersatz der Service a für den Benutzer nicht verfügbar, so erfolgt eine Parameter-Variation innerhalb des Parametersatzes .
In dem vorliegenden Beispielfall ist der Service a mit dem Parametersatz L=l, Kanal M=l und Standard N=2 verfügbar, die vorstehend beschriebene Variationsschleife ist also einmal durchlaufen worden. Es folgen nun Einstellungsversuche zur Optimierung innerhalb des Systems. Als erstes wird dazu untersucht, ob die Datenrate optimal ist, oder ob durch Einstellungsänderungen Verbesserungen erzielt werden können. In weiteren Schritten wird untersucht, ob durch Spatial Multiplexing, Spatial Diversity oder Kanal-Bündelung weitere Verbesserungen hinsichtlich des Bedarfs an Übertragungsrate erzielt werden können.
So ist es am Ende dieses Ablaufdiagramms möglich, dass der Benutzer neben Service a auch einen Service b auswählt. Gemäß der in Figur 1 oder 2 angegebenen Struktur wird dann der bereits angewählte Service a mit allen Einstellungen beibehalten, während das vorstehend beschriebene Verfahren für die Einstellung und Optimierung von Service b durchlaufen wird. Damit ist es je nach Kapazität einer jeweiligen Vorrichtung möglich, parallel verschiedene Services auszuwählen und nach Optimierung auch auf ein und demselben Gerät auszuwerten.
Neben einem Beispiel, wie in Figur 3 dargestellt, kann ein einheitliches Flussdiagramm nicht angegeben werden, da der Ablauf immer wesentlich von den gerade anliegenden Bedürfnissen eines Nutzers abhängt. Will der Nutzer z.B. parallel per GSM/UMTS telefonieren und per WLAN Daten herunterladen, so müssen die Antennen entsprechend angesteuert und parametrisiert werden. Will er dagegen nur per WLAN kommunizieren und eine große Datenmenge absetzen, dann ist es sinnvoll, mehrere WLAN-Kanäle zu bündeln. Falls nicht genug freie Kanäle zur Bündelung zur Verfügung stehen, kann noch die Effizienz der Datenübertragung gesteigert werden, indem ein "spatial multiplexing" realisiert wird, d.h. über jede Antenne werden unabhängige Datenströme im gleichen Kanal übertragen, wie vorstehend zusammen mit anderen Möglichkeiten zur Optimierung der Bandbreite beschrieben. D.h., wie die einzelnen HF-Signalpfade tatsächlich genutzt werden, das ist letztlich von den jeweils konkret vorgegebenen Randbedingungen abhängig zu machen, wie z.B. - Wunsch und Einstellungen des Nutzers, d.h. Vorgaben z.B. zu Datenrate, Kosten, QoS;
- Verfügbarkeit von Access Points und freier Bandbreite, oder
- Leistungsfähigkeit der Hardware, und so kann ein Ablaufdiagramm von beliebig einfach bis beliebig komplex reichen.
Es bietet sich im Übrigen an, bestehende Anlagen, welche bereits mehrere Antennen ANT mit nachgeschalteten Hochfrequenz-Frontends HF aufweisen, mit einem leistungsstarken Schaltnetz und einer programmierbaren Datenverarbeitung nachzurüsten, um auch diese Anlagen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu nutzen. Sofern diese Anlagen bereits Steuereinrichtungen mit geeigneten Prozessoren aufweisen, reicht ggf. auch ein Update der Steuerungssoftware mit geeigneten Steuerungs-Softwaremodulen aus, um den Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu ermöglichen.