DE69900645T2 - Sende-Diversity Verfahren und System mit Phasenregelung für Funkübertragungssysteme - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Funkkommunikationssysteme, die ein Antennenarray einsetzen, und hat besondere Anwendung bei Mehrfachträger-Kommunikationssystemen, wie etwa solchen, die CDMA-Techniken ("code division multiple access") einsetzen.
• Eine Art eines Kommunikationssystems ist ein zellulares Kommunikationssystem. In einem zellularen Kommunikationssystem stellt eine Mehrzahl von Basisstationen einen Funkkommunikationsdienst für eine Mehrzahl von entfernten mobilen Teilnehmereinheiten, die als mobile Stationen bezeichnet werden, bereit. Jede Basisstation definiert ein bestimmtes geografisches Gebiet oder eine Zelle, die in unmittelbarer Umgebung der Basisstation liegt, um Überdeckungsgebiete zu erzeugen. Die Kommunikationsverbindung von der Basisstation zu einer mobilen Station wird als der Downlink bezeichnet.
• Umgekehrt wird die Kommunikationsverbindung von einer mobilen Teilnehmereinheit zu der Basisstation als der Uplink bezeichnet.
• Techniken mit mehrfachem Zugriff, wie etwa CDMA, erlauben eine simultane Übertragung zwischen mehreren mobilen Stationen und einer einzigen Basisstation.
• CDMA setzt eine Übertragung mit Signalspreizung ein, wobei einzelne Benutzer in dem Kommunikationsnetz dieselbe RF-Trägerfrequenz benutzen, aber durch die Benutzung von individuellen Spreizcodes getrennt sind. Daher werden durch Verwendung einer Mehrzahl von Spreizcodes eine Mehrzahl von Übertragungskanälen innerhalb des Teils des Funkspektrums zugewiesen, wobei jeder Code eindeutig einer mobilen Station zugewiesen ist.
• In manchen Systemen ist eine Trägerfrequenz für die Kommunikation auf dem Downlink bereitgestellt, und eine andere Trägerfrequenz ist für die Kommunikation auf dem Uplink bereitgestellt. Dies ist als Frequenzaufteilungsduplex (FDD, "frequency division duplex") bekannt.
• Ein anderes System benutzt ein Verfahren, das als Zeitaufteilungsduplex (TDD, "time divsison duplex") bekannt ist, in dem dieselbe Trägerfrequenz sowohl für den Uplink als auch den Downlink genutzt wird. Eine sich wiederholende Zeitrahmenstruktur ist in diesem Fall unterteilt in ein Intervall mit Zeitschlitzen, die in der Uplink-Richtung genutzt werden, und ein anderes Intervall mit Zeitschlitzen, die in der Downlink-Richtung genutzt werden.
• Einige Systeme sind bekannt, die die Kenntnis der Ausbreitungscharakteristik des Kommunikationskanals einsetzen, um eine Charakteristik der Übertragungen einzustellen und eine effizientere Nutzung der verfügbaren Ressourcen zu erreichen. Die meisten dieser Systeme benutzen eine Rückkopplung von Information über den Zustand der Verbindung. Einige Systeme, die in dem TDD-Modus arbeiten, benutzen eine berechnete Abschätzung der Charakteristiken des Übertragungskanals in einer Richtung zum Einstellen einer Charakteristik der Übertragung in der anderen Richtung.
• Somit kann eine Basisstation eine Abschätzung der Charakteristiken des Übertragungskanals der Downlink-Richtung aus empfangenen Uplink-Messungen erhalten.
• Eine Basisstation kann mit einer einzigen Antenne oder mit einem Array von Antennenelementen ausgestattet sein.
• Antennenarrays können im Vergleich zu einer einzelnen Antenne eine bessere Leistung liefern, indem sie ein besseres Antennenmuster für ein Überdeckungsgebiet bereitstellen.
• Auch mit einem Antennenarray zum Bereitstellen eines verbesserten Antennenmusters sind die Signale, die zwischen der Basisstation und mobilen Stationen ausgetauscht werden, Interferenzen unterworfen. Gebäude, Hügel und andere Objekte führen zu Mehrwegwellenausbreitung, die Fehler in den übermittelten Signalen bewirkt.
• Um diese Fehler zu verringern, sind Empfangs- und Sende-Diversity-Schemata entwickelt worden, um den Empfangs- und Sendepfad von Kommunikationssystemen, die Antennenarrays einsetzen, zu optimieren. Indem die Gewichtung der Signale, die von jeder der einzelnen Antennen in dem Array erfasst werden, variiert wird, ist es möglich, das Antennenmuster zu variieren, um Signale aus einer bestimmten Richtung besser zu ermitteln oder es für nicht-destruktive Kombination von Mehrwegsignalen einzurichten. Diese Techniken stellen die Gewichtungen der Signale des Antennenarrays ein, um die Verstärkung am Empfangspfad durch eine Messung der Ausgabe eines Empfängers zu maximieren.
• Es sind andere Techniken bekannt, durch die optimale Gewichtungen für den Sendepfad bereitgestellt werden. Zum Beispiel offenbart die ebenfalls anhängige Anmeldung des Anmelders mit der Anmeldenummer GB-A-2 313 261 ein Verfahren zum Gewichten eines Sendepfads einer Kommunikationsstation A, die mit einem Antennenarray ausgestattet ist. Ein Verfahren enthält die Schritte des Sendens von Bezugssignalen von jedem Antennenarray an eine Kommunikationsstation B und des Berechnens von Gewichtungsinformation in der Station B auf Grundlage eines Vergleichs der einlaufenden Bezugssignale mit gespeicherten Signalen. Die berechnete Gewichtungsinformation wird dann von der Station B zur Station A gesendet, woraufhin ein Steuergerät in der Station A die Antennengewichtungen auf der Grundlage der empfangenen Gewichtungsinformation einstellt.
• Sende-Diversity-Schemata können die Downlink- Leistungsfähigkeit der so genannten Systeme dritter Generation oder UMTS ("universal mobile telecommunications system") signifikant verbessern, welche CDMA-Techniken einsetzen. Jedoch führt dies für ein CDMA-System, das in dem Zeitaufteilungsduplex-Modus (TDD) arbeitet, (wo dieselbe Trägerfrequenz sowohl für Uplink und Downlink verwendet wird) zu einer erheblichen Steigerung der Komplexität der Kanalabschätzung in der mobilen Station.
• Der UMTS-TDD-Modus nutzt TD-CDMA als Mehrfachzugriffstechnologie. Bei diesem System benutzen die mobilen Stationen und die Basisstation Interferenz-Auslöschungstechniken oder gemeinsame Erfassung, um mobile Stationen, die zur gleichen Zeit auf den Kanal zugreifen, zu dekodieren. Die mobile Station jedes Benutzers in einer Zelle erhält das Downlink-Signal von allen den mobilen Stationen, die auf denselben Zeitschlitz/Freguenz zugreifen. All diese Information wird über denselben Übertragungskanal gesendet. Daher ist nur eine Kanalabschätzung in der mobilen Station erforderlich.
• Wenn sendeadaptive Antennen oder eine Auswahlsende- Diversity an der Basisstation jeweils pro Benutzer implementiert werden, wird die jedem Benutzer zugedachte Information durch eine unterschiedliche Gewichtung modifiziert. Daher wird eine einzelne mobile Station (Benutzer) die Information in demselben Schlitz/Frequenz empfangen, als ob sie über K verschiedene Kanäle gesendet worden wäre, wobei K die Anzahl der Benutzer ist, die auf denselben Schlitz/Frequenz zugreifen. Als Folge wird das Schema zur Interferenzenauslöschung oder der gemeinsame Detektor die Abschätzungen dieser K verschiedenen Übertragungskanäle erfordern. Dies wird zu einer erheblichen Zunahme der Komplexität in der mobilen Station führen. Tatsächlich ist der Algorithmus zur Kanalabschätzung ungefähr 10 mal komplexer.
• Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese Nachteile mittels gemeinsamer Optimierungskriterien zu überwinden, wobei dieselben Übertragungseinstellungen für alle mobilen Stationen angewandt werden.
• Entsprechend besteht die vorliegende Erfindung aus einem Kommunikationssystem mit einer Basisstation zur Kommunikation mit mindestens einer ersten und einer zweiten mobilen Station über erste und zweite Übertragungskanäle, in dem die Basisstation mindestens erste und zweite Antennen beinhaltet und in dem das System weiterhin Mittel zum Herleiten einer Abschätzung der Charakteristika jedes Übertragungskanals beinhaltet,
• und gekennzeichnet durch einen Phaseneinsteller zur Einstellung einer Phasendifferenz zwischen den Kommunikationssignalen, die von den Antennen (2, 3) übertragen werden, und eine Kontrolleinheit (9) zur Berechnung des Produkts der Abschätzungen, wobei der Phaseneinsteller (10) geeignet ist, die Phasendifferenz einzustellen, bis das Produkt einen Maximalwert erreicht.
• In einem Ausführungsbeispiel, zum Beispiel dem TDD- Modus, werden die Kanalabschätzungen in der Basisstation berechnet und von Uplink-Messungen hergeleitet, die von jeder mobilen Station erhalten werden.
• In einem alternativen Ausführungsbeispiel, zum Beispiel dem FDD-Modus, werden die Kanalabschätzungen in jeder mobilen Station berechnet und zurück zu Basisstation geleitet.
• Wenn alle Benutzer zur selben Zeit optimiert werden (das heißt, wenn das Phaseneinstellungs-Sende-Diversity- Schema, das von der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, benutzt wird und zusätzlich nur eine Gewichtung an dem Sender angelegt wird), wird eine einzelne mobile Station die empfangenen Informationen so sehen, als ob sie über einen einzigen Übertragungskanal übertragen worden wären (das heißt, den realen Kanal, multipliziert mit der angewandten Gewichtung). Daher wird, unabhängig von der Anzahl der Benutzer, nur ein Kanal abzuschätzen sein, und die Ausführung der Sende-Diversity an der Basisstation wird die Komplexität an einer mobilen Station nicht erhöhen.
• Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, von denen:
• Fig. 1 ein Diagramm ist, das Signalvektoren zeigt, empfangen von drei Benutzern von einer einzigen Basisstation mit zwei Antennen,
• Fig. 2 ein Diagramm der Phasendrehung gegen die Amplitudenvariation für verschiedene mobile Stationen ist,
• Fig. 3 ein Diagramm der Phasendrehung gegen ein Produktkriterium für empfangene Signale bei einer Mehrzahl von mobilen Stationen ist,
• Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Funkkommunikationssystems nach der Erfindung ist,
• Fig. 5 ein Diagramm ist, das eine kumulierte Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion für eine Mehrzahl von mobilen Stationen zeigt, und
• Fig. 6 ein Diagramm ist, das die Leistungsfähigkeit der Erfindung mit bekannten Systemen vergleicht.
• Mit Bezug auf Fig. 1 betrachte man den Fall, in dem ein TDD System ein Downlink-Signal mittels eines Antennenarrays aus zwei Elementen überträgt. Jeder Benutzer nimmt einen unterschiedlichen Kanal von jeder der Antennen wahr, und darüber hinaus sind diese Kanäle zwischen den Benutzern unabhängig. Jeder der Kanäle könnte idealerweise als ein unkorrelierter komplexer Koeffizient (Rayleigh-verteilte Amplituden und gleich verteilte Phasen) betrachtet werden, gegenwärtig wird der Kanal als flach betrachtet (das heißt, Ein-Abgriffsmodel ("single tap model")).
• Wie in Fig. 1 gezeigt, führt das Vereinigen der Signale, die von den zwei Antennen kommen, zu einem dritten Vektor. Wenn jedoch die Phase des übertragenen Signals in einer Antenne gedreht wird, folgt dieser dritte Vektor dem dargestellten Kreis. Darüber hinaus wird die Veränderung des Kreises für alle Benutzer mit derselben Rate erfolgen, wird aber nicht an demselben Ausgangspunkt beginnen (welcher der anfänglichen Phase des Kanals für jede Antenne entspricht). Das Problem besteht in Folgendem: Wie kann das System für alle Benutzer zur selben Zeit optimiert werden? Die intuitive Antwort besteht darin, die Phase von einer der sendenden Antennen zu drehen und eine Phase zu finden, die das Signal für alle Benutzer maximiert.
• Offensichtlich ist die einzeln eingestellte optimale Phase nicht optimal für die anderen. Eine zweite Frage stellt sich wie folgt. Wird durch Einstellen der Phase auf diese Weise noch eine brauchbare Verstärkung erreicht, auch wenn sie einzeln suboptimal ist? Zuletzt besteht eine dritte Frage darin, was das Kriterium sein sollte, um ein solches Schema zu verwirklichen?
• Eine mathematische Ableitung hilft diese Fragen wie folgt zu beantworten:
• Man betrachte in einem ersten Schritt zwei Sendeantennen und N Benutzer. Für Benutzer 1 können die zwei empfangenen Signale durch zwei komplexe Zahlen dargestellt werden: a und b. Die empfangene Leistung, wenn die Phase von einer der Antennen durchvariiert wird, kann geschrieben werden als:
• R( ) = a.exp(j ) + b ² = a ² + b ² + a.b*.exp(j ) + a*.b.exp(-j )
• Dabei ist a der komplexe Koeffizient, der dem Übertragungskanal zwischen der ersten Antenne (deren Phase durchvariiert wird) und dem Benutzer 1 entspricht, und b der komplexe Koeffizient, der dem Übertragungskanal zwischen der zweiten Antenne und Benutzer 1 entspricht.
• Die beiden ersten Terme sind unabhängig von , und wir können eine neue Größe definieren:
• P( ) = z + z* wobei z = a.b*.exp(j )
• so dass P ( ) = 2 * Re(z) = 2 z Re exp (j ( +Φ))) = 2 zj * cos ( -Φ)
• wobei Φ die anfängliche Phase des Kanals ist.
• Nun können wir die zweite Frage beantworten, indem ein Kriterium gewählt wird, das auf dem Produkt der Leistungen basiert, definiert als:
• P( ) = z1 ... zN * cos( +Φ1) * cos( +Φ2) *...* cos( +ΦN) Intuitiv können wir von dem Obigen erwarten, dass in einigen Fällen, wenn eine der Komponenten eine kleine Amplitude hat, die Phasenvariation dann keinen großen Einfluss auf den resultierenden Vektor hat. Es ist jedoch zu erkennen, dass sein Einfluss auf das Kriterium zu vernachlässigen ist, da es zur der Änderung für das Kriterium nicht beiträgt.
• Man kann das zi als die Gewichtung jeder Kosinusfunktion betrachten. Dies hat einen wichtigen Einfluss auf die Robustheit des Verfahrens, da es Änderungen in der Signalamplitude unterbringen kann, ohne dass eine komplexere Verfahrenssteuerung notwendig wäre.
• Auf die erste Frage, ob es ein Optimum gibt, können wir zuerst den Fall beantworten, bei dem es zwei Benutzer gibt und dann die Antwort auf mehr als zwei Benutzer ausdehnen:
• Für zwei Benutzer ist der optimale Punkt gefunden, wenn nach Differenzieren von P( ), was ergibt:
• tan( +Φl) = - tan( +Φ2)
• dieses Maximum immer existiert und eindeutig ist. Wenn dies auf mehr als zwei Benutzer ausgedehnt wird, ist es im mathematischen Sinne etwas aufwendiger, aber es kann gezeigt werden, dass es statistisch erfüllt ist.
• Fig. 2 zeigt die Amplitudenvariation für jeden Benutzer in db, wenn die Phase für ein gegebenes zufälliges Szenario gedreht wird. Zehn Benutzer wurden in Betracht gezogen, und fünf von ihnen sind dargestellt. Benutzer 2 kann eine Verstärkung von 2 bis 2,5 db haben, wenn die Phase in etwa zwischen 0º und 150º liegt. Der Einfluss auf Benutzer 4 ist vernachlässigbar. Man bemerke, dass der Signalstärkebereich von Benutzer 5 etwa 7 db beträgt, abhängig von der eingestellten Phase.
• Fig. 3 zeigt, dass eine Phase von 230º das Produktkriterium für den Fall von 10 Benutzern maximiert.
• Nunmehr mit Bezug auf Fig. 4 ist eine Basisstation 1 mit zwei Antennen 2, 3 bereitgestellt und kommuniziert mit jeder von zwei mobilen Stationen 4 und 5. Die Basisstation 1 enthält weiter einen Empfänger 6 und einen Sender 7 zum Empfangen und Senden von Signalen über die Antennen 2 und 3 und über einen Duplexer 8, der auch in der Basisstation 1 enthalten ist. Weiter ist in der Basisstation 1 eine Kontrolleinheit 9 bereitgestellt, mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des Empfängers 6 verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem Phaseneinsteller 10 verbunden ist. Ein Ausgang des Phaseneinstellers 10 ist mit dem Sender 7 verbunden.
• Jede der mobilen Stationen 4, 5 umfasst eine Antenne 11 zum Senden und Empfangen von Signalen von der Basisstation 1, und einen Empfänger 12 und einen Sender 13, die jeweils über einen Duplexer 14 mit der Antenne 11 verbunden sind.
• Im Betrieb kommuniziert die Basisstation 1 mit jeder der mobilen Stationen 4, 5 über die zwei Antennen 2, 3 in einem TDD-Modus. Entsprechend bekannter Techniken berechnet der Empfänger 6 die für jede der mobilen Stationen 4, 5 geeigneten, aus Uplink-Messungen abgeleiteten Kanalabschätzungen. Diese Abschätzungen werden der Kontrolleinheit 9 eingegeben, die deren Produkt berechnet.
• Am Anfang wird die Phase zwischen den gesendeten Signalen durch den Phaseneinsteller 10 auf einen beliebigen Wert festgesetzt. Nachfolgend beginnt der Phaseneinsteller 10 die Phasendifferenz der Antennenausgänge 2, 3 durchzustimmen, während die Kontrolleinheit 9 kontinuierlich die Werte und das Produkt der Kanalabschätzungen berechnet und verfolgt, bis sie ein Maximum erfasst. Sie gibt dann dem Phaseneinsteller 10 ein Signal, den Durchstimmprozess einzustellen und die Phasendifferenz auf den Punkt zu setzen, an dem der Maximalwert des berechneten Produkts angenommen wird.
• Fig. 5 zeigt die kumulierte Verteilungsfunktion (CDF, "cumulative distribution function") der empfangenen Leistung, wenn die Anzahl der optimierten Benutzer sich erhöht. Man beachte, dass für einen Benutzer dieses Schema äquivalent ist zu sendeadaptiven Antennen, die nur ein Phaseneinstellungskriterium benutzen. Wenn die Zahl der Benutzer ansteigt, gibt es immer noch einen erheblichen Gewinn, verglichen mit den Fall einer einzelnen Antenne.
• Für den Fall, dass es viele Benutzer gibt, die gemeinsam optimiert werden müssen, können nur einige Benutzer für die Anwendung des Kriteriums ausgewählt sein. Dies könnten Benutzer hoher Priorität sein.
• Auch könnten solche Benutzer mit sehr guten Signal- Rauschverhältnis-Bedingungen ausgeklammert werden, weil diese den zusätzlichen Gewinn, der durch die Erfindung geliefert wird, nicht benötigen.
• Fig. 6 vergleicht die Leistung von sendeadaptiven Antennen, Auswahl-Sende-Diversity und Phaseneinstellung-Sende- Diversity nach der Erfindung für einen UMTS-TDD-Modus. Dieser Modus ist ein breitbandiges System, in dem die Chiprate hoch genug ist, um mehrere Kanalwege aufzulösen. Daher kann in diesem Falle Phaseneinstellung-Sende-Diversity angewandt werden, um die Energie, die auf den stärksten Pfad für jeden Benutzer empfangen wird, gemeinsam zu maximieren.
• In dem speziellen Fall der Fig. 6 ist das gewählte Szenario ein Innenraumkanal, bei dem vier Benutzer in demselben Zeitschlitz/Freguenz zugreifen und ein gemeinsamer MMSE Detektor in der mobilen Station genutzt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die Erfindung um 3,5 db besser als eine einzelne Antenne arbeitet, 0,5 db besser als Auswahl- Sende-Diversity und nur zwei db schlechter als die sendeadaptive Antenne, die das Optimum darstellt. Wie zuvor erwähnt, besteht der Vorteil der Erfindung gegenüber den bekannten Techniken darin, dass sie keine mehrfachen Kanalabschätzungen in der mobilen Station benötigt, was zu wesentlich weniger komplexen mobilen Stationen führt.
• Die Erfindung hat viele andere Anwendungen in dem Gebiet der Kommunikation. Zum Beispiel wird der Fachmann erkennen, dass sie bei einem "soft hand-off" verwirklicht werden kann. Der Fall des "soft hand-off" ist unkompliziert, wenn man den Fall betrachtet, dass an dem Uplink ein Benutzer eine Nachricht an zwei Basisstationen überträgt. Die Erfindung kann auch im Zusammenhang mit Übertragungskanälen verwendet werden. Sie kann in Fällen der Mehrwegoptimierung mit einem FIR-Vorverzerrungsfilter verwendet werden. In diesem Falle wird nicht nur der stärkste Pfad optimiert, sondern eine Anzahl, die durch die Länge des FIR-Filters bestimmt ist.
• Die Erfindung findet auch Anwendung in dem PMR-TDMA- System, das eine Gruppen-/Übertragungsverbindung verwirklicht, bei der dieselbe Information an viele verschiedene Benutzer gesendet wird, die gemeinsam optimiert werden müssen.
• Sie kann auch zur Interferenzreduzierung in CDMA- Systemen genutzt werden, die sendeadaptive Antennen benutzen. Betrachtet man Interferenzen in einer Zelle, kann man das System als zugewiesenen Kanal für einen Benutzer ansehen, der als Übertragungsstörer für die anderen wirkt. Daher können die Gewichte der sendeadaptiven Antennen für diesen Benutzer unter Benutzung der Erfindung leicht abgewandelt werden, um die für die anderen erzeugten Interferenzen zu verringern.

Claims (2)

1. Kommunikationssystem mit einer Basisstation (1) zur Kommunikation mit mindestens einer ersten und einer zweiten mobilen Station (4, 5) über erste und zweite Übertragungskanäle, in dem die Basisstation (1) mindestens erste und zweite Antennen (2, 3) beinhaltet und in dem das System weiterhin Mittel (6) zum Herleiten einer Abschätzung der Charakteristika jedes Übertragungskanals beinhaltet,

und gekennzeichnet durch einen Phaseneinsteller (10) zur Einstellung einer Phasendifferenz zwischen den Kommunikationssignalen, die von den Antennen (2, 3) übertragen werden,

und eine Kontrolleinheit (9) zur Berechnung des Produkts der Abschätzungen, wobei der Phaseneinsteller (10) geeignet ist, die Phasendifferenz einzustellen, bis das Produkt einen Maximalwert erreicht.

2. Verfahren zum Erreichen einer Sende-Diversity in einem Kommunikationssystem mit einer Basisstation (1) mit mindestens zwei Antennen (2, 3) und zur Kommunikation mit mindestens zwei mobilen Stationen (4, 5),

wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:

Herleiten von Abschätzungen der Charakteristika jedes Übertragungskanals zwischen der Basisstation und jeder mobilen Station,

und gekennzeichnet durch die Berechnung des Produkts der Abschätzungen,

und durch Einstellungen der Phasendifferenz zwischen Kommunikationssignalen, die von jeder Antenne (2, 3) übertragen werden, bis das Produkt einen Maximalwert erreicht.