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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation einer Mobilstation mit einer oder mehreren Basisstationen in einem drahtlosen Kommunikationssystem unter Berücksichtigung der Positionen der Mobilstation und der Basisstationen.
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In zellularen Mobilfunksystemen existieren insbesondere an den Zellgrenzen starke Interferenzen, d. h. die Signalleistungspegel benachbarter Basisstationen und der für die Kommunikationsverbindung aktuell genutzten eigenen Basisstationen liegen in derselben Größenordnung. Die benachbarten Basisstationen stören somit die Funkverbindung der aktuell genutzten Basisstation zur Mobilstation. Das Interferenzproblem verschärft sich in Mobilfunksystemen, die eine Frequency-Reuse (d. h. eine Frequenzwiederverwendung) von eins zum Ziel haben, d. h. alle Basisstationen des Netzwerks nutzen dasselbe Frequenzspektrum. Ein Beispiel dafür ist der UMTS Nachfolgestandard 3GPP-LTE (siehe z. B. [1, 2]). Einer der ersten Schritte zum Aufbau einer Funkverbindung ist die Synchronisation der Trägerfrequenz und des Datenrahmens. Dazu werden vom Sender bekannte Synchronisationssequenzen abgestrahlt, mit deren Hilfe der Empfänger die o. g. Synchronisationsaufgaben erfüllen kann. Interferenzen stören die Synchronisation und daher auch die Detektion der übertragenen Daten.
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Terrestrische Mobilfunksysteme wie z. B. GSM, UMTS oder 3GPP-LTE sind, wie zuvor erwähnt, zellular aufgebaut, um die erforderlichen Datenübertragungsraten und Abdeckungen zu erreichen. Um Interferenzprobleme an Zellgrenzen zu vermeiden, verwenden Mobilfunksysteme wie z. B. GSM (2. Mobilfunkgeneration) einen Frequency-Reuse größer als eins, d. h. benachbarte Mobilfunkzellen verwenden unterschiedliche Frequenzbereiche und stören sich damit nicht gegenseitig. Zugunsten einer höheren Bandbreiteneffizienz verwenden neuere Mobilfunk-Generationen in allen Mobilfunkzellen dasselbe Frequenzspektrum. In UMTS (3. Mobilfunkgeneration) werden die Nutzer durch einen sog. Codemultiplex getrennt. Dabei werden den Mobilstationen unterschiedliche Spreizcodes zugewiesen, welche zueinander quasiorthogonal sind. Die Codes sind so gewählt, dass Interferenzen zwischen verschiedenen Mobilfunkteilnehmern hinreichend klein sind (Quasiorthogonalität). Durch eine geeignete Zuweisung der Spreizcodes können Interferenzen im Gesamtsystem minimiert werden. Sind die Mobilfunkzellen jedoch stark ausgelastet, reduziert sich der Freiheitsgrad in der Wahl der Spreizcodes. Interferenzen steigen daher und die Abdeckung einer Zelle reduziert sich. Dieser Effekt ist in UMTS auch als ”Zellatmung” bekannt. 3GPP-LTE (siehe [1, 2]) verwendet das Mehrträgermodulationsverfahren OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). In 3GPP-LTE werden im Downlink einer Mobilstation Zeit-Frequenz-Ressourcen (sog. Resource Blocks) in Form von benachbarten Unterträgern (Frequenzressource) und OFDM Symbolen (Zeitressource) zugewiesen. Wie bei UMTS lassen sich Interferenzen durch geeignete Zuweisung vermeiden. Bei zunehmender Last hingegen erhöht sich auch hier das Interferenzproblem. Ein Verfahren zum Ressourcen-Management ist z. B. in [6] beschrieben.
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Die Synchronisation basiert in den oben genannten Systemen im Allgemeinen auf der Übertragung bekannter Signale (Trainingssequenzen, Pilotsequenzen). Diese ermöglichen es dem Empfänger, mittels Korrelationsmethoden (siehe z. B. [3, 4, 5,]) die Trägerfrequenz zu synchronisieren (Frequenzsynchronisation) und die Datenübertragungsrahmen zu lokalisieren (Zeitsynchronisation). Die Synchronisation wird mit Hilfe des Signals der eigenen Basisstation durchgeführt. Signale der Nachbarbasisstationen werden nicht berücksichtigt und sind potenzielle Interferenzquellen. Auch wird durch geeignete Wahl der Trainingssequenzen (Sequenztyp, Sequenzlänge) versucht, die Interferenzen zu reduzieren. Allerdings erhöhen sich die Interferenzen an den Zellrändern, was zu einer geringeren Leistung der Synchronisationsalgorithmen und damit zu einer schlechteren Trägerfrequenz- und Rahmenschätzung führt.
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In
US- 2005/0143089-A1 ist ein Verfahren beschrieben, welches die Ortsinformation der Mobilstation für eine Zellsuche verwendet. Benachbarte Zellen verwenden in der Regel verschiedene Trainingssequenzen. Diese müssen an der Mobilstation bekannt sein und für eine Zellsuche durchgetestet werden. Die Kenntnis und die Prädiktion der Position der Mobilstation erlauben hier eine Einschränkung des Suchraumes.
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In
WO-2008/085993-A2 ist ebenfalls ein Verfahren zur Zellsuche und zur Optimierung von Notrufen basierend auf Positionsinformationen beschrieben.
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US-2006/0038719-A1 beschreibt ein integriertes Positionierungs- und Kommunikationssystem. In dieser Schrift wird auch erwähnt, dass eine präzise Zeit- und Frequenzbasis, welche von einem GPS Empfangsteil abgeleitet wird, für die Kommunikation verwendet werden kann.
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In sämtlichen dieser drei Schriften wird jedoch kein Algorithmus zur Frequenz- und/oder Zeitsynchronisation beschrieben, der Positionsinformationen verarbeitet und ausnutzt.
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Aus
US-2002/0154609-A1 ist ein Verfahren zum Auffinden einer Basisstation in einem Kommunikationssystem bekannt, über die eine Kommunikationsverbindung mit einer Mobilstation des Systems aufgebaut werden kann. In dieser Schrift wird aus den empfangenen Signalen selbst eine Laufzeitdifferenz berechnet. Diese Methode erfordert daher, dass die einzelnen Signalanteile noch hinreichend genau detektierbar sind, auch wenn sie unterhalb eines vom Kommunikationssystem festgelegten Pegels liegen. Für sehr schwache Signale gelingt dies nicht und ”Rauschen” wird fälschlicherweise als Signal erkannt (siehe Absatz [0051]).
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Aus
JP 2010-045663 A ist es bekannt, eine Mobilstation eines Drahtlos-Kommunikationssystems mit einem GPS-Empfänger zu versehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Multilinksynchronisation mit Positionsinformation zu schaffen, mit dem die Synchronisation der Mobilstation verbessert wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Synchronisation einer Mobilstation mit einer Basisstation eines Drahtlos-Kommunikationssystems unter Mitverwendung der Funksignale weiterer Basisstationen des Kommunikationssystems, wobei das Verfahren die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
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Nach der Erfindung werden Daten über die augenblickliche Position der Mobilstation relativ zu den Basisstationen des Kommunikationssystems ermittelt, und zwar unabhängig von den empfangenen Kommunikationssignalen und somit auch nicht aus diesen. Aus der Positionsinformation wird auf die Laufzeitdifferenzen geschlossen, um die zeitlich versetzt die Mobilstation die Synchronisationssequenzen der Funksignale der Basisstationen empfängt. Anhand der Laufzeitdifferenzen kann dann diejenige Synchronisationssequenz identifiziert werden, die derjenigen Basisstation zugeordnet ist, auf die die Mobilstation gegenwärtig aufgeschaltet ist bzw. auf die die Mobilstation zukünftig aufgeschaltet werden soll (Handover-Prozedur). Diese Identifizierung erfolgt zweckmäßigerweise anhand der Durchführung von Korrelationsfunktionen, wie dies an sich Stand der Technik ist. Der Vorteil, den die Erfindung mit sich bringt, ist darin zu sehen, dass die Korrelationsoperationen und -ergebnisse unter Berücksichtigung der Zeitversätze zwischen den Synchronisationssequenzen der einbezogenen Basisstationen erfolgen bzw. bewertet werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt es zu, dass die Synchronisationssequenzen der Funksignale der einbezogenen Basisstationen gleich bzw. identisch sein können. Im Regelfall sollten die Synchronisationssequenzen unterschiedlich sein.
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Ferner ist es zweckmäßig, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Synchronisation einer Mobilstation auf eine Basisstation Kanalzustandsinformationen über den Zustand der Funkverbindungspfade zwischen den Basisstationen einerseits und der Mobilstation andererseits vorhanden sind, wobei diese Kanalzustandsinformationen in der Mobilstation zur Unterdrückung von Synchronisationsfehlern verwendet werden.
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Die Ortsinformation der Mobilstation (und der Basisstationen) wird im Regelfall mit Hilfe eines Satellitennavigationssystems ermittelt, wobei z. B. die Mobilstation einen Empfänger für ein solches Ortungssystem enthält.
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Die vorliegende Erfindung verbessert die Synchronisation an den Zellgrenzen unter Zuhilfenahme von Information über die Position der Mobilstation.
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Die Erfindung zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:
- 1. Identifikation der Synchronisations-(Trainings-)Sequenz einer bestimmten Basisstation aus dem Empfangssignal, d. h. der Überlagerung der Trainingssequenzen sämtlicher einbezogener Basisstationen, unter Berücksichtigung der Zeitversätze zwischen den Signalen der eingegangenen Basisstationen, was z. B. durch Korrelation des Empfangssignals mit den Trainingssequenzen sämtlicher einbezogenen Basisstationen und inkohärente Aufaddierung der Korrelationsergebnisse unter Berücksichtigung der Zeitversätze zwischen den Signalen der einbezogenen Basisstationen erfolgt.
Die Zeitversätze werden aus den Positionen der Basisstation und der Mobilstation berechnet.
Gegenüber dem Stand der Technik (Signale benachbarter Basisstationen interferieren) werden die Trainingssequenzen der benachbarten Basisstationen zur Synchronisation mit ausgenutzt.
- 2. Wie unter 1. beschrieben, aber kohärente Korrelation mit den Trainingssequenzen aller einbezogenen Basisstationen, wodurch ein zusätzlicher Performancegewinn durch Kohärenz gegeben ist.
- 3. (Zusätzlich zu 1. und 2.) Berücksichtigung von Kanalzustandsinformation bei der inkohärenten oder kohärenten Korrelation.
Durch Kanalzustandsinformation, die z. B. von einem Kanalschätzalgorithmus im Empfänger bereitgestellt wird, kann auch die Signalenergie von Mehrwegeausbreitungspfaden ausgenutzt werden; Synchronisationsfehler durch Mehrwegeausbreitung werden somit unterdrückt.
- 4. Zusätzlich zu 1., 2. und 3. kann das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Gegenstand der DE 102008063301 A1 kombiniert werden. Mittels Kanalzustandsinformation und Positionsinformation sowie einer Datenbank mit Informationen über die Kanalzustandsinformation kann die Komplexität und Dauer des Synchronisationsverfahrens reduziert werden.
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Bei der drahtlosen Daten- und Paketübertragung von digitalen Daten ist es die erste Aufgabe des Empfängers nach der Digitalisierung des analogen Empfangssignals, das enthaltene Sendesignal zu akquirieren. Hierzu werden bekannte Daten oder Pilotdaten verwendet. Beim Empfang der darauf folgenden Daten oder Pakete versucht der Empfänger, zeitliche Veränderungen mittels eines Synchronisationsalgorithmus zu verfolgen. Erst nach erfolgreicher Akquisition oder Synchronisation können die empfangenen Daten weiterverarbeitet werden.
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Gegenstand der
DE 102008063301 A1 ist es, die Akquisition bzw. die Synchronisation des Empfängers für ein drahtlos übertragenes Signal mittels Kanalzustandsinformation und Positionsinformation sowie einer Datenbank mit Informationen über die Kanalzustandsinformation zu verbessern, d. h., die Komplexität und Dauer der Akquisition bzw. der Synchronisation zu reduzieren, während die Güte und Zuverlässigkeit gleich bleiben oder sich verbessern.
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Das Konzept, welches mit der
DE 102008063301 A1 verfolgt wird, ist die Einschränkung des Suchfensters in einem empfangenen Signal, in dem die Synchronisationssequenz (Trainingssequenz) erwartet wird, wobei der Gegenstand dieser früheren Patentanmeldung auf die Akquisition und Synchronisation zu dem Signal einer Basisstation beschränkt ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Synchronisation mit Hilfe von Signalen mehrerer Basisstationen. Auch hier lassen sich die gemäß der
DE 102008063301 A1 einschränken und, wie nach der Erfindung vorgesehen, in zeitlichen Bezug setzen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
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1 schematisch ein Mobilfunksystem mit einer Mobilstation und einer Vielzahl von Basisstationen, wobei gezeigt ist, wie aufgrund der (a priori bekannten) Position der Mobilstation relativ zu in diesem Ausführungsbeispiel zwei Basistationen die zeitliche Zuordnung der von der Mobilstation empfangenen Trainings- bzw. Synchronisationssequenzen der beiden Basisstationen erfolgt,
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2 die Simulationsanordnung mehrerer Basisstationen mit zwischen diesen befindlichen Mobilstationen MS1, MS2, MS3 und
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3 Ergebnisse der Simulation unter Verwendung der Anordnung gemäß 2.
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Frequenz- und Zeitsynchronisation in zellularen Mobilfunksystemen werden an der Mobilstation anhand der Sendesignale (Trainings- bzw. Synchronisationssequenzen, Pilotsignale) der eigenen Basisstation durchgeführt. Sendesignale (Trainingssequenzen, Pilotsignale) der benachbarten Basisstationen sind potentielle Interferenzquellen. Der Grund dafür ist, dass diese Trainingssequenzen zwar auch bekannt sind, nicht aber der zeitliche Bezug zur Trainingssequenz der eigenen Basisstation. 1 zeigt beispielhaft zwei Basisstationen BS1 und BS2, die zeitgleich eine Trainingssequenz aussenden. Die infolge der Signallaufzeitunterschiede gegebene Zeitdifferenz ΔT der Ankunft beider Signale an der Mobilstation MS ist nicht bekannt. Das Signal der Basisstation BS1, mit der die Mobilstation MS gerade in Kommunikationsfunkverbindung steht, wird vom Signal der benachbarten Basisstation BS2 überlagert. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik wird an der Mobilstation das Empfangssignal (d. h. die Überlagerung aus S1(t) und S2(t) gestört durch thermisches Rauschen und ggf. Mehrwegeausbreitung) mit dem Signal S1(t) korreliert, um damit Frequenz- und Zeitsynchronisation zu erreichen. Signalanteile von S2(t) wirken sich als störende Interferenz aus.
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Sind die (Relativ-)Positionen der Mobilstation und der Basisstationen a priori bekannt, so kann aus den Distanzen d
1 und d
2 zur Basisstation BS
1 bzw. BS
2 der Laufzeitunterschied ΔT berechnet werden,
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Mit bekanntem ΔT kann am Empfänger der zeitliche Bezug zwischen S
1(t) und S
2(t) hergestellt werden. Die Signalenergie von S
2(t) kann somit zusätzlich zu der von S
1(t) für die Synchronisation ausgenutzt werden, indem das Empfangssignal beispielsweise getrennt mit S
1(t) und S
2(t) korreliert wird und die Korrelationsergebnisse inkohärent unter Berücksichtigung des Zeitversatzes ΔT aufaddiert werden. Sind auch noch die Phasenbezüge der beiden Signale S
1(t) und S
2(t) bekannt, so kann das Empfangssignal mit der Kenntnis von ΔT mit S
1(t) und S
2(t) (verschoben um ΔT) korreliert werden, was einer kohärenten Addition der beiden Teilkorrelationsergebnisse entspricht. Für eine detailliertere Beschreibung wird auf die nachfolgende Beschreibung verwiesen.
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Als Ausführungsbeispiel ist im Folgenden eine inkohärente positionsbasierte Multilinksynchronisation beschrieben:
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Kreuzkorrelation
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Das Empfangssignal r(k) wird mittels einer Kreuzkorrelation
mit der Trainingssequenz s(k) verglichen, wobei ”*” konjugiert komplex bedeutet. Für r(k) wird ein Multilinkmodell benutzt, das das Empfangssignal einer Anzahl N
BS von Basisstationen (BS) beschreibt:
mit s
i(k) als das Signal der Basisstation BS
i und h
i(k – δ
i) als die Kanalimpulsantwort der Basisstation BS
i zur Mobilstation MS, wobei δ
i die absolute Signallaufzeit (in Samples) beschreibt. ”*” bezeichnet eine Faltung. Schwundeffekte, wie z. B. Ausbreitungsdämpfung, werden durch den Faktor α
i(k, d
i) beschrieben. Dieser Faktor ist zeitvariant und hängt von der Distanz d
i zwischen der Basisstation BS
i und der Mobilstation MS ab. Laufzeit und Distanz sind durch die Beziehung d
i = cT
sampδ
i verknüpft, wobei T
samp die Abtastdauer ist; n(k) ist additives weißes Gaußsches Rauschen.
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Multilinksynchronisation – Das Ausnutzen von Positionsinformation
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Es wird beispielhaft von einem Szenario, wie in 1 gezeigt, ausgegangen.
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Die Zeitdifferenz ΔT kann aus den Signallaufzeitdifferenzen bzw. den Distanzdifferenzen und der Lichtgeschwindigkeit berechnet werden.
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Das Empfangssignal wird mit den Trainingssequenzen s
i(k), i = 1, ..., N
BS sämtlicher Basisstationen BS korreliert:
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Die Zeitversätze können mit
aus den jeweiligen Basisstation-zu-Mobilstation-Distanzen berechnet werden. Die Korrelationsergebnisse werden inkohärent aber gewichtet aufaddiert:
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Die Zeitsynchronisation erhält man durch eine Maximumssuche des Korrelationsergebnisses:
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Die Gewichtungskoeffizienten können wie folgt gewählt werden
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Das Signal-zu-Interferenz-plus-Rauschleistungsverhältnis SINR
i als Gewichtungsfaktor kann aus den Langzeitfadingkoeffizienten α
1(k, d
i) berechnet werden:
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Kanalzustandsinformation
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In Gleichung (1.4) wird das Empfangssignal mit den Trainingssequenzen der Basisstationen korreliert. Um die Mehrwegeausbreitung mit zu berücksichtigen, wird si(k) in Gleichung (1.4) durch s ~i(k) = si(k)·hi(k) ersetzt. Die Kanalimpulsantworten hi(k) werden von einem geeigneten Kanalschätzalgorithmus bereitgestellt.
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Simulationsergebnisse
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2 zeigt das simulativ untersuchte Szenario. Die Basisstationen sind hexagonal angeordnet. Der Zellenradius beträgt 750 m.
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3 zeigt Simulationsergebnisse für positionsbasierte Multilinksynchronisation mit Kanalzustandsinformation in Form von Wahrscheinlichkeitsfunktionen über dem Synchronisationsfehler (Zeitfehler) in Samples (Abtastwerten). Die Graphen in 3 zeigen eine Multilink-Synchronisation (3GPP S-SCH Sequenzen) für inkohärente Kreuzkorrelation (CC) mit Equal Gain Combining (EGC) und Maximum Ratio Combining (MRC) für die 2, 3 oder 7 stärksten Basisstationen BSs, unter Berücksichtigung von Kanalzustandsinformation. Die Mobilstation MS befindet sich an der Zellgrenze (z. B. MS3 in 2). Gegenüber dem Graphen für eine Basisstation BS (aber mit Kanalzustandsinformation) ist eine deutliche Verbesserung erkennbar. EGC mit 7 Basisstationen BSs hingegen zeigt eine Verschlechterung. Grund dafür ist, dass schwach empfangene Basisstationen mit gleichem Gewicht wie die mit hohem Pegel empfangenen Basisstationen gewichtet werden. Störungen (z. B. Rauschen) kommen deshalb überproportional zum Tragen. Bei MRC wird dies durch eine niedrigere Wichtung für schwache Basisstationen verhindert.
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Literaturangaben
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- [1] LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Long Term Evolution (LTE) physical layer; General description (3GPP TS36.201 version 8.3.0 Release 8), ETSI, Apr. 2009, ETSI TS136201 V8.3.0.
- [2] LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation (3GPP TS36.211 version 8.7.0 Release 8), ETSI, Jun. 2009, ETSI TS136211 V8.7.0.
- [3] F. Berggren and B. M. Popovic, ”A non-hierarchical cell search scheme”, IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), Mar. 2007.
- [4] T. M. Schmidl and D. C. Cox, ”Robust frequency and timing synchronization for OFDM”, IEEE Transactions on Communications, vol. 45, no. 12, pp. 1613–1621, Dec. 1997.
- [5] H. Minn, V. K. Bhargava, and K. B. Letaief, ”A robust timing and frequency synchronization for OFDM systems”, IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 2, no. 4, pp. 822–839, Jul. 2003.
- [6] S. Plass. ”Cellular MC-CDMA Downlink Systems – Coordination, Cancellation, and Use of Inter-Cell Interference”. PhD thesis, Universität Ulm, Germany, Aug. 2008. VDI Verlag Düsseldorf, Series 10, No. 788, ISBN 978-3-18-378810-1.