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GEBIET DER ERFINDUNG
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Das
Gebiet dieser Erfindung betrifft allgemein drahtlose Informations-
und Kommunikationssysteme mit Vielfachzugriff und insbesondere ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswerten von Informationen, die
von Anordnungen von räumlich
verteilten Sensoren gesammelt wurden, um die Anzahl und Qualität von Kommunikationskanälen in drahtlosen
Netzen wesentlich zu erhöhen,
indem räumlich
gerichtete Verbindungen hergestellt werden, die zu einem Vollduplex-Betrieb
in nichtstationären
Umgebungen in der Lage sind, ohne dass der Umfang des zugewiesenen
Frequenzspektrums erhöht
wird.
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STAND DER TECHNIK
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Drahtlose
Kommunikationssysteme bestehen im Allgemeinen aus einem oder mehreren
lokalen zentralen Standorten, hier als Basisstationen bezeichnet, über welche
drahtlose Sender/Empfänger
Zugang zu einem umfangreicheren Informationsnetz erlangen. Die Basisstationen
bedienen ein lokales Gebiet, in dem sich eine Anzahl von drahtlosen
Benutzern, die fest oder beweglich sind, befindet. Die Funktion
der Basisstation ist es, Nachrichten zu und von allen Benutzern über das
gesamte Netz weiterzuleiten. In zellularen Mobilfunksystemen wird
diese Aufgabe zum Beispiel realisiert, indem Nachrichten zu einem
Mobile Telephone Switching Office (MTSO, Mobiltelefon-Vermittlungsamt)
weitergeleitet und Signale von einem solchen empfangen werden. Ein
drahtloser Benutzer stellt eine Zweiwege-(Vollduplex-)Kommunikationsverbindung
mit einem oder mehreren anderen Benutzern her, die ebenfalls einen
gewissen Zugang zu dem Netz haben, indem sie zuerst einen Zugang
zu dem Netz über
die lokale Basisstation anfordern. Diese Kommunikation wird in zellularen
Mobilkommunikationsnetzen und drahtlosen lokalen Computernetzen
(LANs) zum Beispiel bewerkstelligt, indem elektromagnetische Wellen
auf geeignete Weise moduliert werden.
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Herkömmliche
drahtlose Kommunikationssysteme erfordern, dass Benutzer Signale
in verschiedenen Frequenzkanälen übertragen,
unterschiedliche Codierungsschemata in denselben Frequenzkanälen verwenden,
oder dass Signale in sich nicht überlappenden
Zeitintervallen übertragen
werden, damit die Signale korrekt empfangen werden. Ein Aspekt der
vorliegenden Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Trennen mehrerer Nachrichten in demselben Frequenz-, Code- oder
Zeitkanal unter Ausnutzung der Tatsache, dass sie sich in unterschiedlichen
räumlichen
Kanälen
befinden. Im Folgenden wird der Begriff Kanal verwendet, um einen
beliebigen der herkömmlichen
Kanäle
(Frequenz-, Zeit-, Codekanal) oder eine beliebige Kombination davon
zu bezeichnen. Der Begriff räumlicher
Kanal bezieht sich auf das neue Konzept, das für die vorliegende Erfindung
spezifisch ist.
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Drahtlose
Kommunikation wird derzeit zu einer immer gebräuchlicheren Form der Kommunikation
(D. Goodman, "Trends
in Cellular and Cordless Communications", IEEE Communications Magazine, Juni
1991), und die Nachfrage nach einem solchen Dienst nimmt weiter
zu. Zu den Beispielen gehören
zellulare Mobilkommunikationsnetze, drahtlose lokale Computernetze,
drahtlose Telefonnetze, Schnurlostelefone, Satellitenkommunikationsnetze,
drahtloses Kabelfernsehen, Funkrufsysteme (Paging-Systeme) für mehrere
Benutzer, Hochfrequenz-(HF-)Modems und andere. Gegenwärtige Implementierungen
dieser Kommunikationssysteme sind alle auf begrenzte Frequenzbänder des
Betriebs beschränkt,
entweder aus praktischen Erwägungen
oder, was häufiger
der Fall ist, aufgrund staatlicher Regulierung. Da die Kapazität dieser
Systeme erreicht worden ist, muss die Nachfrage nach mehr Diensten
erfüllt
werden, indem der betreffenden Anwendung ein größeres Frequenzspektrum zugewiesen
wird, wobei außerdem
Versuche unternommen werden, das zugewiesene Spektrum effizienter
zu nutzen. In Anbetracht des physikalischen Grundprinzips, dass
eine Übertragung
von Informationen Bandbreite erfordert, stellen die grundlegenden
Beschränkungen
eines endlichen Umfangs des praktisch nutzbaren Spektrums ein beträchtliches
Hindernis für
die Erfüllung
eines exponentiell zunehmenden Bedarfs an drahtloser Informationsübertragung
dar. Da, wie sich im Verlaufe des letzten Jahrzehnts gezeigt hat,
der Umfang des praktisch nutzbaren Frequenzspektrums nicht mit der
Nachfrage Schritt halten kann, besteht ein dringender Bedarf an
neuer Technologie zur Erhöhung
der Fähigkeit
solcher Systeme, Informationen zu übertragen (D. Goodman, op.
cit., G. Calhoun, Digital Cellular Radio, Artech House 1988). Diese
Erfindung ist unmittelbar auf diesen Bedarf zugeschnitten und ist
mit gegenwärtigen
ebenso wie zukünftigen
Modulationsschemata und Standards kompatibel (D. Goodman, "Second Generation
Wireless Information Networks", IEEE
Trans. an Veh. Tech., Bd. 40, Nr. 2, Mai 1991).
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In
herkömmlichen
drahtlosen Kommunikationssystemen bedient eine Basisstation viele
Kanäle
mittels verschiedener Schemata des Vielfachzugriffs, von denen die
gebräuchlichsten
Frequenzmultiplex-Vielfachzugriff (Frequency-Division Multiple Access,
FDMA), Zeitmultiplex-Vielfachzugriff (Time-Division Multiple Access, TDMA)
und in jüngerer
Zeit Codemultiplex-Vielfachzugriff (Code-Division Multiple Access,
CDMA) sind. Alle gegenwärtigen
Systeme verwenden FDMA, wobei die verfügbare Frequenzbandbreite in
mehrere Frequenzkanäle
aufgeteilt wird und Signale gleichzeitig übertragen werden, und zwar
zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt maximal eines pro Kanal.
Alle drahtlosen Systeme wenden gegenwärtig außerdem TDMA an, ein Verfahren,
bei dem mehrere Benutzer zusammen einen gemeinsamen Frequenzkanal
nutzen, indem sie dies zu unterschiedlichen Zeiten tun, wobei, wenn
ein Benutzer den ihm zugewiesenen Kanal nicht mehr benötigt, der
Kanal einem anderen Benutzer zugewiesen wird.
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In
herkömmlichen
drahtlosen Kommunikationssystemen wird TDMA auch auf einer detaillierteren
Ebene verwendet. Analoge Daten wie etwa Sprachdaten werden digitalisiert,
komprimiert und danach in Bursts über einen zugewiesenen Frequenzkanal
in zugewiesenen Zeitschlitzen (Timeslots) gesendet. Durch Verschachteln
mehrerer Benutzer in den verfügbaren
Zeitschlitzen können
Erhöhungen
der Kapazität
(d.h. der Anzahl der gleichzeitigen Benutzer) des Systems erreicht
werden. Dies erfordert jedoch beträchtliche Änderungen an der Hardware des
Empfängers
der Basisstation sowie an den mobilen Geräten selbst, da die gegenwärtigen analogen
Geräte
nicht in der Lage sind, diese Technologie zu nutzen. Demzufolge
musste ein Dual-Mode-Standard (Standard für zwei Übertragungsverfahren) eingeführt werden,
der sowohl die neuen digitalen als auch die alten analogen Übertragungsschemata
unterstützt.
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CDMA
ermöglicht
mehreren Benutzern, unter Verwendung codierter Modulationsschemata
zusammen einen gemeinsamen Frequenzkanal zu nutzen. Die Technologie
beinhaltet eine Vorverarbeitung des zu übertragenden Signals durch
Digitalisierung desselben, ein Modulieren einer Breitbandcodierten
Pulsfolge und ein Übertragen
des modulierten codierten Signals in dem zugewiesenen Kanal. Mehreren
Benutzern werden unterschiedliche Codes gegeben, wobei Decoder in
den Empfängern
dafür programmiert
sind, diese zu detektieren. Bei einer geeigneten Gestaltung kann
die Anzahl gleichzeitiger Benutzer eines solchen Systems im Vergleich
zu herkömmlichen
drahtlosen Kommunikationssystemen erhöht werden. Obwohl die Technologie
theoretisch solide ist, muss sie jedoch noch erprobt werden. Es
sind erhebliche praktische Probleme bei diesem Schema vorhanden,
wobei das wichtigste eine strenge Forderung nach einer genauen und
schnellen Leistungssteuerung der drahtlosen Sender ist. Diese Probleme
beeinträchtigen
die Nützlichkeit
von CDMA in drahtlosen Kommunikationsnetzen. Sollte CDMA jedoch
von Bestand sein, kann das hier beschriebene Konzept SDMA direkt
angewendet werden, um Kapazität
und Systemleistung weiter zu erhöhen.
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Die
oben erwähnten
Verfahren stellen verschiedenartige Versuche dar, eine zunehmende
Anzahl von Signalen effizienter in Frequenzkanäle von fester Breite zu packen.
Diese Verfahren nutzen nicht die räumliche Dimension, wenn Kanäle festgelegt
werden. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben entdeckt,
dass zusätzlich
zu herkömmlichen
Schemata die räumliche
Dimension genutzt werden kann, um die Qualität der Kommunikationsverbindungen
wesentlich zu erhöhen,
die erforderliche Höhe
der Sendeleistung zu verringern und, was am wichtigsten ist, die
Anzahl der Kanäle
zu erhöhen,
welche eine Basisstation ohne Zuweisung von mehr Frequenzkanälen bedienen
kann. Dieses Verfahren wird im Weiteren als Raummultiplex-Vielfachzugriff
(Spatial-Division Multiple Access, SDMA) bezeichnet.
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In
herkömmlichen
drahtlosen Kommunikationssystemen ist die Nutzung der räumlichen
Dimension darauf beschränkt,
was als räumliche
Diversität
und Sektorisierung bezeichnet wird. Bei räumlicher Diversität, die zumeist
mit Mobilfunksystemen verknüpft
ist, werden zwei Antennen nur beim Empfang verwendet, und diejenige
mit dem stärksten
Signal in der interessierenden Bandbreite wird für die weitere Verarbeitung
gewählt,
oder es wird ein bestimmtes Verfahren zum Kombinieren der zwei Ausgänge angewendet
(P. Balaban und J. Salz, "Dual
Diversity Combining and Equalization in Digital Cellular Mobile
Radio". IEEE Trans.
an Veh. Tech., Bd. 40, Nr. 2, Mai 1991). Obwohl dies zu einer geringfügigen Verbesserung
der Qualität
des empfangenen Signals führt,
ist keine Erhöhung
der Systemkapazität
vorhanden.
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Um
die Kapazität
zellularer Systeme zu erhöhen,
installieren Diensteanbieter mehr Zellenstandorte, wodurch das von
den einzelnen Standorten versorgte Gebiet verkleinert wird, so dass
mehr Benutzer auf das System zugreifen können. Der Grundgedanke ist,
dass Signale, die genügend
weit entfernt sind, lokale Quellen nicht stören werden, da Leistung recht
schnell im Raum dissipiert wird, je weiter der Empfänger vom
Sender entfernt ist. Diese einfache Methode zur Erhöhung der
Kapazität
ist jedoch recht teuer, da die benötigte Menge an Hardware für die Zellenstandorte
proportional zur Anzahl der Zellenstandorte ist, welche wiederum umgekehrt
proportional zum Quadrat des Faktors ist, um welchen der effektive
Radius jeder Zelle verkleinert wird. Tatsächlich führen die ökonomischen Gegebenheiten der
Situation zwangsläufig
dazu, dass Diensteanbieter Kaufangebote für kostbares Frequenzspektrum
abgeben, bevor sie eine Installation neuer Zellenstandorte auch
nur in Betracht ziehen (G. Calhoun, Digital Cellular Radio, Artech
House 1988). Ferner erschwert diese Strategie auch erheblich das
Problem der Gesprächsumschaltung,
das weiter unten erläutert
wird, da Benutzer häufiger
in Zellen eintreten und Zellen verlassen, wenn die Zellen kleiner
sind.
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Die
Sektorisierung ist von der Idee her ähnlich und ist ein anderes
herkömmliches
Verfahren, um die Kapazität
zu erhöhen,
indem im Wesentlichen die von den einzelnen Zellen versorgten lokalen
Gebiete kleiner gemacht werden, wodurch mehr Zellen zum Netz hinzugefügt werden.
Dies wird an einem gemeinsamen Standort bewerkstelligt, indem an
dem Zellenstandort Richtantennen verwendet werden, d.h. Empfangsantennen,
welche Mobilfunkübertragungen
nur in einem bestimmten Sektor empfangen. Patente, welche dieses grundlegende
zellulare Konzept betreffen, wurden 1977 der Firma Motorola erteilt
(V. Graziano, "Antenna
Array for a Cellular RF Communications System",
US-Patentschrift
4,128,740 , 13/1977, U.S. Cl. 179-2 EB), 1985 der Firma
Harris Corporation (M. Barnes, "Cellular
Mobile Telephone System and Method",
US-Patentschrift 4,829,554 ,
55/1985, U.S. Cl. 379-58),
1986 der Firma NEC Corporation (M. Makino, "Mobile Radio Communications System",
US-Patentschrift 4,575,582 , C.I.P.
4,796,291 , 3/1986, U.S.
Cl. 358-58) sowie der Sony Corporation (T. Kunihiro, "Cordless Telephone",
US-Patentschrift 4,965,849 , 9/1989,
U.S. Cl. 455-34), um nur einige zu nennen. Im Zusammenhang damit,
dass jüngste
Entwicklungen auf dem Gebiet der digitalen Technik eine digitale Übertragung
und einen digitalen Empfang von Informationen wirtschaftlich realisierbar
machen, wurde ebenfalls eine beträchtliche Anzahl von Patenten
auf diesem Gebiet erteilt, darunter S. Hattori et al., "Mobile Communication
System",
US-Patentschrift 4,947,452 ,
10/1989, U.S. Cl. 455-33;
S. Hattori et al., "Mobile
Communication System",
US-Patentschrift 4,955,082 , 1/1989,
U.S. Cl. 455-33; T. Shimizu et al., "High Throughput Communication Method
and System for a Digital Mobile Station When Crossing a Zone Boundary During
a Session",
US-Patentschrift 4,989,204 ,
12/1989, U.S. Cl. 370-94.1; T. Freeburg et al., "Cellular Data Telephone System and Cellular
Data Telephone Therefor",
US-Patentschrift 4,837,800 , 13/1988,
U.S. Cl. 379-59; und R. Mahany, "Mobile
Radio Data Communication System and Method",
US-Patentschrift 4,910,794 ,
6/1988, U.S. Cl. 455-67. Obwohl eine Sektorisierung die Kapazität erhöht, verfügt sie über ein
begrenztes Potential für
die Erfüllung
des zukünftigen
Bedarfs und ist grundsätzlich
durch die physikalischen Grundprinzipien begrenzt, welche die Bildung
von übermäßig kleinen
Sektoren nicht ohne übermäßig große Antennen
ermöglichen.
Ferner wird, da die Sektorisierung einfach ein anderes Verfahren
zur Erhöhung
der Zellenanzahl ist, das Problem der Gesprächsumschaltung, welches weiter
unten ausführlich
erläutert
wird, erschwert.
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Bei
den oben erwähnten
herkömmlichen
Systemen wird angenommen, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt nur
ein mobiles Gerät
in einer gegebenen Zelle auf einer gegebenen Frequenz sendet. Andere
Sender, welche in demselben Frequenzkanal zur selben Zeit aktiv
senden, werden als Gleichkanalinterferenz (Gleichkanalstörung) betrachtet,
eine Situation, welche gegenwärtige
Systeme zu vermeiden versuchen, da sie zu einer erheblichen Beeinträchtigung
der Leistungsfähig keit
führt.
Tatsächlich
ist Gleichkanalinterferenz ein wesentlicher Faktor, um zu bestimmen,
wie oft (räumlich)
Frequenzkanäle
wiederverwendet, d.h. verschiedenen Zellen zugewiesen werden können (W.
Lee, Mobile Cellular Telecommunication Systems, McGraw-Rill, 1989).
Das Problem der Gleichkanalinterferenz tritt bei allen drahtlosen
Kommunikationssystemen auf, nicht nur bei zellularen Mobilkommunikationssystemen,
und Versuche, es in gegenwärtigen
Systemen zu lösen, wurden
alle unter der Prämisse
formuliert, dass die Gleichkanalsignale Störungen darstellen, die zu beseitigen sind,
und dass nur ein Antennen-/Empfänger-Ausgang
für die
Aufgabe verfügbar
ist.
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Zu
den herkömmlichen
Systemen, in welchen eine Interferenzunterdrückung unter Verwendung adaptiver
Filter im Zeitbereich und des Ausgangs einer einzelnen Antenne durchgeführt wird,
gehören
F. Gutleber, "Interference
Cancelling System for a Mobile Subscriber Access Communications
System",
US-Patentschrift 4,434,505 , 14/1982,
U.S. Cl. 455-50; und Y. Shimura, "Base Station Capable of Monitoring Occurrence
of Interference an Every Transmission",
US-Patentschrift
4,837,801 , 8/1987, U.S. Cl. 379-61. Diese Verfahren beruhen
auf einer Annahme der statistischen Stationarität, d.h. dass die Kanaleigenschaften
sich nicht sehr schnell ändern.
In der Mobilkommunikationsumgebung, in der ein tiefes Rayleigh-Fading
(Rayleigh-Schwund) (40 dB) bei Frequenzen von bis zu 200 Hz ein
dominierender Faktor ist, ist die Stationaritätsannahme bekanntlich nicht
gültig,
und es ist bekannt, dass das Verhalten dieser herkömmlichen
Verfahren recht empfindlich gegenüber Fehlern in den getroffenen
Annahmen ist. Insbesondere können
bei Vorhandensein von mehreren verzögerten Kopien desselben Signals
(d.h. Specular Multipath) diese adaptiven Filter das gewünschte Signal annullieren.
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Es
wurden auch Verfahren mit adaptiven Filtern im Zeitbereich entwickelt,
um die Kanalqualität
für eine digitale Übertragung
bei Vorhandensein des oben erwähnten
Rayleigh-Fadings,
welches eine Intersymbolinterferenz am Empfänger verursacht, zu verbessern.
Zu den Beispielen herkömmlicher
Verfahren, die diesem Störungstyp
Rechnung tragen, gehören
J. Proakis, "Adaptive
Equalization for TDMA Digital Mobile Radio", IEEE Trans. an Veh. Tech., Bd. 40,
Nr. 2, Mai 1991, und zahlreiche weitere technische Referenzen in
der offenen Literatur. Ähnliche
Entzerrungsverfahren wurden bei dem gegenwärtigen digitalen GSM-System
gewählt. Die
genannten Systeme sind vollständig
mit dem SDMA-Verfahren kompatibel und können in den Demodulationsschritt
integriert werden, der gegenwärtig
in der Praxis durchgeführt
wird.
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In
jüngerer
Vergangenheit wurden Untersuchungen hinsichtlich der Möglichkeit
durchgeführt,
die Ausgänge
von mehr als einer Antenne zu kombinieren, um die Signalqualität durch
Beseitigung der Gleichkanalinterferenz zu verbessern. Im Zusammenhang
mit drahtlosen LANs und PBX wurde ein Mehrkanal-Schema der adaptiven
Entzerrung beschrieben von J. Winter, "Wireless PBX/LAN System with Optimum
Combining",
US-Patentschrift 4,639,914 ,
9/1984, U.S. C. 370-110.1.
Dieses Verfahren beruht auf einer Codezuweisung (CDMA) zu einer
bekannten Anzahl von Sendern und Schaltungen mit präziser Leistungssteuerung.
Es erfordert außerdem
Zeitduplex, d.h. Senden und Empfang an der Basisstation und den
drahtlosen Endgeräten müssen zu
unterschiedlichen Zeiten auf derselben Frequenz erfolgen. Diese
Forderung resultiert aus der Tatsache, dass die Informationen in
der räumlichen
Dimension nicht vollständig
genutzt werden; Quellenstandorte werden nicht berechnet. Die oben
erwähnte
Stationaritätsannahme
ist für
das Verfahren ebenfalls entscheidend, und dieses ist daher für die Mobilfunkumgebung
nicht anwendbar. Ferner ist es modulationsabhängig und ist nur für drahtlose
Interoffice-LANs bestimmt, die digitale Übertragungstechnik verwenden.
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Im
Zusammenhang mit der einfachen Bekämpfung des beim zellularen
Mobilfunk auftretenden Problems des Rayleigh-Fadings am Mobilempfänger wird außerdem von
P. Balaban und J. Salz, op. cit., ein Verfahren zum Zusammenschließen mehrerer
Antennen beschrieben. Hierbei werden wie bei ähnlichen wohlbekannten Verfahren
verschiedene Annahmen betreffs der Zeitcharakteristiken des interessierenden
Signals und seiner Beziehung zu den Gleichkanal-Interferenzsignalen
getroffen, und auf deren Grundlage wird ein zeitvariables Filter
mit bestmöglicher
Rekonstruktion des interessierenden Signals als seinem alleinigen
Zweck konstruiert. Die Leistungsfähigkeit dieses Verfahrens ist
ebenfalls bekanntlich recht empfindlich gegenüber Fehlern in den getroffenen
Annahmen, insbesondere der Annahme eines stationären Kanals. Tatsächlich bewirkt eine
Implementierung des SDMA-Verfahrens für mobile Geräte eine
weitgehende Verminderung des Problems des Rayleigh-Fadings.
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Die
unerwünschten
Eigenschaften der oben erwähnten
adaptiven Verfahren sind eine Folge der Tatsache, dass nur angenommene
Zeitbereichs-Eigenschaften der empfangenen Signale genutzt werden,
und dass eines der Signale, die in den Daten vorhanden sind, anders
behandelt wird als die übrigen
Signale, d.h. die Gleichkanal-Interferenzsignale. Es wurde festgestellt,
dass Gleichkanal-Interferenzsignale einfach eine Vielzahl von Benutzern
darstellen, die versuchen, gleichzeitig auf demselben Kanal auf
das System zuzugreifen. Dementsprechend ermöglicht eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, diese Situation unabhängig vom
Modulationstyp (analog oder digital) und bei Vorliegen eines mehrfachen
Eintreffens desselben Signals (d.h. Specular Multipath) zu handhaben.
Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber den oben beschriebenen
herkömmlichen
Verfahren.
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Eine
effiziente Nutzung der räumlichen
Dimension zur Erhöhung
der Kapazität
erfordert die Fähigkeit, eine
Anzahl von Benutzern zu trennen, die gleichzeitig auf demselben
Kanal zu derselben Zeit in demselben lokalen Bereich (Zelle) kommuniziert.
Wie weiter unten erläutert
wird, wird bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung diese Trennung durchgeführt, indem
die Signale anhand ihres Ankunftswinkels unterschieden werden, wobei
diese Information verwendet wird, um den Standort der Sender zu
ermitteln. Der Prozess der Lokalisierung des Senders gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung liefert bislang unerwartete Vorteile gegenüber herkömmlichen
Verfahren.
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Eine
Lokalisierung von Signalen im Raum unter Verwendung von Daten, die
von einer Anordnung von Sensoren gesammelt wurden, wurde bereits
auf anderen Gebieten als bei drahtlosen Kommunikationen durchgeführt. Ein
solcher Fall liegt zum Beispiel vor, wenn Flugzeuge und andere Objekte
der Luft- und Raumfahrt unter Verwendung von Phased-Array-Radar
(Radar mit phasengesteuerter Gruppenantenne) verfolgt werden. Zu
den Beispielen von Anordnungen mit einer solchen Struktur gehören R. Roy,
et al., "Methods
for Estimating Signal Source Locations and Signal Parameters Using
an Array of Signal Sensor Pairs",
US-Patentschrift 4,750,147 ,
3/1985, U.S. Cl. 364-800, und R. Roy, et al., "Methods and Arrangements for Signal
Reception and Parameter Estimation",
US-Patentschrift
4,965,732 , 7/1987, U.S. Cl. 364-460. Es ist jedoch erforderlich,
dass die dabei verwendeten Anordnungen eine spezielle Struktur besitzen,
nämlich
dass Sensoren in Paaren von identischen Elementen vorhanden sind.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer solchen speziellen
Struktur der Anordnung beschränkt.
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EP 0405372 offenbart eine
Mehrfachstrahl-Gruppenantenne, welche unter Verwendung geeigneter Gewichtungen
in einem Bewertungsfilter mehrere Strahlen erzeugen kann.
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Ein
Artikel von Swales et al. mit dem Titel "The Performance Enhancement of Multibeam
Adaptive Base-Station Antennas for Cellular Land Mobile Radio Systems" (IEEE Transactions
an Vehicular Technology, Februar 1990, Bd. 39, Nr. 1, Seiten 56
bis 67) offenbart ein zellulares Kommunikationssystem, in welchem Richtsendung
verwendet wird, um eine Gleichkanalinterferenz zwischen Zellen zu
verringern. Für
jeden Sender innerhalb einer Zelle wird CDMA verwendet, und es erfolgt
eine Gleichkanal-Wiederverwendung zwischen Zellen. Es erfolgt keine
Wiederverwendung eines einzelnen herkömmlichen Kanals.
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In
Anderson et al., "An
adaptive array for mobile communication systems" wird die Anwendung von Verfahren mit
adaptiven Antennen zur Erhöhung
der Kanalkapazität
erörtert,
indem eine Antennenanordnung an der Basisstation verwendet wird,
um Richtungsempfindlichkeit zu erzielen und Gleichkanalinterferenz
zu verhindern.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein drahtloses Kommunikationssystem
zum Übertragen
von Signalen an eine Vielzahl von Empfängern, die an jeweiligen Standorten
angeordnet sind, bereit, wobei das Kommunikationssystem Frequenzkanäle und/oder
Codekanäle
und/oder Zeitkanäle
für eine
Kommunikation mit den Empfängern
verwendet, wobei das System umfasst: Kombinationsmittel zum Kombinieren
von Signalen, die an einen Satz von Empfängern zu übertragen sind, in einem einzigen
Kommunikationskanal, der einen Frequenzkanal umfasst, wenn Frequenzkanäle in dem
Kommunikationssystem verwendet werden, in Kombination mit einem
Codekanal, wenn Codekanäle
in dem Kommunikationssystem verwendet werden, in Kombination mit
einem Zeitkanal, wenn Zeitkanäle
in dem Kommunikationssystem verwendet werden, um eine Vielzahl von
verschiedenen Signalkombinationen zu bilden; und Übertragungsmittel
einschließlich
von mehreren Übertragungsanten nen
und jeweiligen mehreren Sendern zum Übertragen der kombinierten
Signale an jeden Empfänger
des Satzes von Empfängern
in dem Kommunikationskanal; wobei die Kombinationsmittel dafür vorgesehen
sind, jeder der Übertragungsantennen
eine jeweilige der verschiedenen Signalkombinationen derart zuzuführen, dass
in der Kombination die Übertragungsantennen
die Signale an jeden Empfänger
des Satzes von Empfängern
in dem Kommunikationskanal in einer räumlich gerichteten Weise übertragen,
so dass jeder Empfänger
des Satzes von Empfängern
Signale empfängt,
die zu ihm gerichtet sind; und wobei die Kombinationsmittel ferner
dafür vorgesehen
sind, die Vielzahl von verschiedenen Signalkombinationen unter Verwendung von
Informationen, die die Übertragungsmittel
kennzeichnen, und mindestens eines vorbestimmten Parameters, der
zu dem Standort jedes Empfängers
des Satzes von Empfängern
in Beziehung steht, zu bilden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt außerdem
ein drahtloses Kommunikationssystem zum Übertragen von Signalen an eine
und Empfangen von Signalen von einer Vielzahl von Sende-/Empfangsmitteln,
die an jeweiligen Standorten angeordnet sind, bereit, wobei das
Kommunikationssystem Frequenzkanäle
und/oder Codekanäle
und/oder Zeitkanäle
für eine
Kommunikation mit den Sende-/Empfangsmitteln verwendet, wobei das
System umfasst: Empfangsmittel einschließlich von mehreren räumlich verteilten
Empfangsantennen zum Vornehmen von Messungen von empfangenen Signalen
in einem oder mehreren Empfangskanälen, wobei die empfangenen
Signale aus Signalen resultieren, die von jedem Sende-/Empfangsmittel
eines Satzes der Sende-/Empfangsmittel übertragen wurden, wobei die
von den Empfangsantennen vorgenommenen Messungen verschiedene Kombinationen
der übertragenen
Signale in dem oder jedem Empfangskanal umfassen; Verarbeitungsmittel
einschließlich
von Mitteln zu Schätzen
der Zahl der empfangenen Signale durch statistische Analyse und/oder
durch Nutzung von Kenntnissen von Eigenschaften der Signale, die von
jedem Sende-/Empfangsmittel des Satzes der Sende-/Empfangsmittel übertragen wurden, und Parameter-Schätzmittel
zum Schätzen
von Parametern der empfangenen Signale, wobei mindestens einer der
Parameter zu dem Standort jedes Sende-/Empfangsmittels des Satzes
der Sende-/Empfangsmittel in Beziehung steht; Trennungsmittel zum
gleichzeitigen Schätzen
der übertragenen
Signale in dem oder jedem Empfangskanal aus den Messungen durch
Trennen der empfangenen Signale unter Verwendung der geschätzten Zahl
empfangener Signale und durch Assoziieren der jeweiligen empfangenen
Signale mit jedem Sende-/Empfangsmittel des Satzes der Sende-/Empfangsmittel;
Kombinationsmittel zum Kombinieren von Signalen, die an jedes Sende-/Empfangsmittel
des Satzes der Sende-/Empfangsmittel zu übertragen sind, in einem Signalübertragungskanal,
der einen Frequenzkanal umfasst, wenn Frequenzkanäle in dem
Kommunikationssystem verwendet werden, in Kombination mit einem
Codekanal, wenn Codekanäle
in dem Kommunikationssystem verwendet werden, in Kombination mit
einem Zeitkanal, wenn Zeitkanäle
in dem Kommunikationssystem verwendet werden, unter Verwendung der
Parameter, um eine unterschiedliche Signalkombination für jedes
Sende-/Empfangsmittel des Satzes von Sende-/Empfangsmitteln zu bilden;
und Übertragungsmittel
einschließlich
von mehreren Übertragungsantennen
und jeweiligen mehreren Mehrkanalsendern zum Übertragen der kombinierten
Signale an jedes Sende-/Empfangsmittel des Satzes von Sende-/Empfangsmitteln
in dem Übertragungskanal;
wobei die Kombinationsmittel dafür
vorgesehen sind, den Übertragungsmitteln
eine jeweilige der verschiedenen Signalkombinationen derart zuzuführen, dass
in der Kombination die Übertragungsantennen
die Signale an jedes Sende-/Empfangsmittel des Satzes der Sende-/Empfangsmittel
in dem Übertragungskanal
in einer räumlich
gerichteten Weise übertragen,
so dass jedes Sende-/Empfangsmittel
des Satzes von Sende-/Empfangsmitteln Signale empfängt, die
zu ihm gerichtet sind; wobei die Kombinationsmittel ferner dafür vorgesehen
sind, die Vielzahl von verschiedenen Signalkombinationen unter Verwendung von
Informationen, die die Übertragungsmittel
kennzeichnen, und mindestens eines vorbestimmten Parameters, der
zu dem Standort jedes Sende-/Empfangsmittels des Satzes von Sende-/Empfangsmitteln
in Beziehung steht, zu bilden; und wobei das System so gestaltet
ist, dass ein Empfang von Signalen in dem oder jedem Empfangskanal
von jedem Sende-/Empfangsmittel
und ein Senden von Signalen in dem Übertragungskanal zu jedem Sende-/Empfangsmittel des
Satzes der Sende-/Empfangsmittel gleichzeitig stattfinden kann,
wodurch Vollduplex-Kommunikationsverbindungen in dem oder jedem
Kanal hergestellt werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann somit ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Erhöhung
der Kapazität und
Verbesserung der Qualität
von drahtlosen Kommunikationsnetzen bereitstellen. Durch eine geeignete
Erfassung und anschließende
Verarbeitung von Messwerten räumlich
verteilter Sensoren können
die räumlichen Standorte
mehrerer Quellen, die gleichzeitig in einem gemeinsamen Kanal Informationen übertragen,
geschätzt
und die einzelnen Signalwellenformen rekonstruiert werden. Unter
Verwendung von Standortinformationen und einer auf geeignete Weise
gestalteten Senderanordnung werden Informationen gleichzeitig auf
einem gemeinsamen Kanal zu den Quellen übertragen, ohne dass eine Gleichkanalinterferenz
verursacht wird, welche Zweiwege-(Vollduplex-)Kommunikationsverbindungen
andernfalls aufweisen würden.
Spezifisch für
einen Aspekt der Erfindung sind die Schätzung von Quellenstandorten
und ein räumliches
Demultiplexen von mehreren Signalen in demselben Kanal, und ein
Verfahren zum Herstellen einer Kommunikation zwischen mehreren Sendern
und Empfängern
auf demselben Kanal.
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Im
Hinblick auf den Markt der zellularen Mobilkommunikation im Besonderen
besteht allgemeiner Konsens, dass vier Bereiche von größerer Bedeutung
existieren, zu denen ein Zugang mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich zu
sein scheint (G. Calhoun, op. cit.):
- 1. Mängel in
der Versorgung (Flächendeckung)
des Gebietes, das von dem Basisstationsnetz bedient wird;
- 2. Mängel
bei der Abwicklung der Verbindungen durch die Basisstationen und
das MTSO;
- 3. mangelhafte Vertraulichkeit und Sicherheit der Kommunikationen,
und
- 4. das Problem der digitalen Datenübertragung.
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Unter
den Fachleuten auf dem Gebiet der Entwicklung von Kommunikationssystemen
besteht Konsens darüber,
dass ein technologischer Durchbruch erforderlich ist, um diese kritischen
Probleme zu lösen.
Interessanterweise wird das Kapazitätsproblem in dieser speziellen
Liste nicht erwähnt,
obwohl es das Hauptthema der gesamten Monographie (G. Calhoun, op.
cit.) ist. Diese Erfindung ist ein technologischer Durchbruch, welcher
unmittelbar die drei ersten Fragen betrifft, mit einer beliebigen
potentiellen Lösung
der vierten Frage kompatibel ist und unmittelbar das Hauptproblem
betrifft, das der Erhöhung
der Kapazität
gegenwärtiger drahtloser
Kommunikationsnetze ohne Vergrößerung der
zugewiesenen Bandbreite.
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Mängel in
der Versorgung (Flächendeckung)
des Gebietes sind einfach auf die Tatsache zurückzuführen, dass zellulare Systeme
gegenwärtig
auf der Grundlage eines einfachen geometrischen Modells des Versorgungsbereiches
konstruiert werden, z.B. der von einer bestimmten Basisstation versorgte
Bereich ist ein symmetrisches geometrisches Objekt, wobei Gesamtheiten
von solchen Objekten in der Lage sind, ein großes geographisches Gebiet mit
einem Minimum an Überlappung "fliesenartig auszulegen". Das Sechseck ist
das wichtigste Beispiel. Leider ist dies eine mit Mängeln behaftete
Konstruktionsstrategie, welche weder die Topolo gie des Stadtgebietes
berücksichtigt
(Gestalt von Wolkenkratzern, Hügeln,
Gebieten dichter Belaubung usw.), noch die nicht gleichmäßige Verteilung
potentieller Benutzer des Systems, z.B. Schnellstraßen, welche zur
Hauptverkehrszeit zu Parkplätzen
werden, wobei sie Verspätungen
in den Zeitplänen
der Menschen verursachen und einen Bedarf an Mobilkommunikationsdiensten
erzeugen, der in einem bestimmten Gebiet oder Hot Spot stark konzentriert
ist. Es ist nunmehr bekannt, dass diese Fragen von größter Wichtigkeit
für die
richtige Gestaltung von Netzen von Zellenstandorten sind, jedoch
zeigen herkömmliche
Verfahren keine Lösung auf.
Zellen haben keine wohldefinierten Grenzen, und die Unregelmäßigkeiten
der realen Welt können
die Effizienz des zellularen Systems ernsthaft beeinträchtigen.
Eine Studie von AT&T
(J. Whitehead, "Cellular
System Design: An Emerging Engineering Discipline", IEEE Communications
Magazine, Bd. 24, Nr. 2, Februar 1986, S. 10) gelangte zu dem Schluss,
dass "unregelmäßige Verkehrs-,
Gelände-
und Wachstumssituationen die Effizienz des Spektrums von orthodoxen
[Zellenkonstruktionen] auf ungefähr
die Hälfte
des idealen Wertes begrenzen".
-
Ein
Aspekt dieser Erfindung überwindet
das Problem der Flächendeckung.
Indem die Ausgangssignale mehrerer Antennen an den Basisstationen
auf geeignete Weise verarbeitet werden, wird eine Erhöhung der effektiven
Empfängerverstärkung erzielt,
und Signale mit einer wesentlich niedrigeren Leistung als diejenigen, die
in herkömmlichen
Vorrichtungen empfangen werden können,
werden detektiert und können
verarbeitet werden. Hierdurch wird das Problem des Signalausfalls
direkt und in erheblichem Maße
vermindert. Ferner können
bei zusammenwirkenden Basisstationen mehrere Basisstationen durch
dynamische Zuweisung von Kanälen
zwischen Basisstationen in Zeiten einer maximalen Nutzung dasselbe
geographische Gebiet bedienen, wodurch Hot Spots dann, wenn und
dort, wo sie auftreten, beseitigt werden.
-
Mängel bei
der Abwicklung von Verbindungen sind ein großes Problem für die Mobilfunkbranche.
Das grundlegende Problem ergibt sich aus der Tatsache, dass Verbindungen
in einem Verbindungsumschaltung (Hand-off) genannten Prozess von
einer Basisstation zu einer anderen übergeben werden müssen, wenn
sich das mobile Gerät
von einer Zelle zu einer benachbarten Zelle bewegt. Das Problem
bei den gegenwärtigen zellularen
Systemen ist, dass der Standort des mobilen Gerätes nicht bekannt ist, und
seine Bewegungsrichtung daher natürlich ebenfalls nicht (und
eigentlich nicht einmal, ob es sich bewegt oder stationär ist).
Ohne diese Information hat das zellulare System keine Vorstellung,
zu welcher Zelle die Verbindungsumschaltung durchgeführt werden
soll. Gegenwärtige
Systeme stützen
sich einzig und allein auf die empfangenen Leistungspegel, um zu
ermitteln, ob eine Verbindungsumschaltung versucht werden soll und
zu welcher Zelle das Gespräch
oder die Verbindung übertragen
werden soll (G. Huensch et al., "High
Density Cellular Mobile Radio Communications",
US-Patentschrift
Nr. 4,475,010 , 27/1983, U.S. Cl. 179-2 EB). Aufgrund der
oben erwähnten Unregelmäßigkeiten
bei der Flächendeckung
besteht eine erhebliche Wahrscheinlichkeit, dass die Verbindung zu
einer falschen Zelle umgeschaltet wird, zu einer, welche genügend weit
entfernt dafür
ist, dass, sobald das mobile Gerät
seinen Standort geringfügig ändert, der
Fehler bei der Umschaltung offensichtlich wird.
-
Nach
Aussagen einiger Mobilfunkbetreiber ist dies ein beträchtliches
Problem. Das zellulare System in Los Angeles hatte "erhebliche Probleme
mit Nebensprechen. Sie kommen zu einer hohen Erhebung, Ihr eigenes
Signal wird schwächer,
und Sie beginnen, ein anderes Gespräch zu hören. Unmittelbar danach verlieren Sie
die Verbindung." (S.
Titch, "For PacTel
Mobile, Bigger is not Better",
Communications Week, 27. Januar 1986, S. 54). Der ehemalige Direktor
für Mobilfunkentwicklung
von Motorola erklärte,
dass "in ungefähr 10% bis
25% der Fälle
das System Fehlentscheidungen traf, wenn sich ein Teilnehmer aus
einer Zelle in eine andere bewegte. Wenn die Vermittlung einen Fehler
beging, wies sie die Verbindung des Teilnehmers einem entfernten
Zellenstandort und nicht dem nächstliegenden
zu. Das System begann dann zu versuchen, einen anderen Teilnehmer
auf derselben Frequenz in derselben Zelle zu bedienen wie den ersten
Teilnehmer. Das Ergebnis war ein Mobilfunkchaos. Wenn diese Situation
eintritt, hören
Teilnehmer die Gespräche
anderer Teilnehmer auf ihren Kanälen.
Ihre Verbindung bricht ab, oder wenn sie Glück haben (?), wird der Kanal
verrauscht. Dieses Problem tritt so oft auf, dass es wütend macht." (M. Cooper, "Cellular Does Work – If the
System is Designed Correctly",
Personal Communications, Juni 1985, S. 41). Zusätzlich zum Problem des Nebensprechens
gibt es immer mehr Anzeichen dafür,
dass lokale Schwankungen der Signalstärke wesentlich höhere Häufigkeiten
der Gesprächsumschaltung
verursachen, als aufgrund der eigentlichen Zellengrenzen vorhergesagt
wurde, und diese erhöhte
Belastung der zentralen Vermittlung gibt Anlass zu der Befürchtung,
dass die Kapazität
des zellularen Systems beeinträchtigt
werden kann.
-
Ein
Aspekt dieser Erfindung überwindet
das Problem der Mängel
bei der Verbindungsabwicklung. Dadurch, dass Schätzungen der Standorte und Geschwindigkeiten
der mobilen Geräte
zur Verfügung
gestellt werden, die bisher nicht verfügbar waren, können intelligente
Strategien der Verbindungsumschaltung implementiert werden. Dadurch
wird unmittelbar das Bedürfnis
der Mobilfunkbetreiber erfüllt,
den Standort und die Geschwindigkeit des mobilen Geräts zu kennen.
In Verbindung mit der verbesserten Fähigkeit, Signale mit geringerer
Leistung zu verarbeiten, bewirken die genannten Aspekte der vorliegenden
Erfindung eine wesentliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit
zellularer Kommunikationssysteme.
-
Vertraulichkeit
ist ein weiteres Problem, das für
die Mobilfunkbranche von großer
Bedeutung ist. Die unsichere Natur der gegenwärtigen Systeme (jeder kann
legal alle Mobilfunkkanäle
abhören)
ist ein kritischer Faktor, welcher den Absatz des Systems an Kunden,
die sensible geschäftliche
Transaktionen tätigen,
sowie an viele staatliche und behördliche Kunden beeinträchtigt.
Die Mobilfunkbetreiber sind sich darüber im Klaren, dass irgendeine
positive Lösung
gefunden werden muss (G. Calhoun, op. cit.). Die Ursache des Problems
ist, dass bei den gegenwärtigen
Systemen die Signale von omnidirektionalen (nicht gerichteten) Antennen
so gleichmäßig wie
möglich über dem
Bereich oder Sektor, den sie bedienen, gesendet werden, und von
Empfängern
abgefangen werden können,
die sich praktisch an einem beliebigen Ort in der Nähe befinden
können. Eine
Lösung
für dieses
Problem ist eine Verschlüsselung.
Dies erfordert jedoch entweder Hardware für die Ver- und Entschlüsselung
analog zu digital bzw. digital zu analog sowohl am Zellenstandort
als auch im mobilen Gerät
oder eine Konvertierung zu einem neuen digitalen Standard, wobei
beide Lösungen
recht teuer sind.
-
Ein
anderer Aspekt dieser Erfindung gewährleistet eine erhebliche Verbesserung
bei der Erhaltung der Vertraulichkeit. Unter Nutzung der Kenntnis
des Standortes des beabsichtigten Empfängers wird der Sender der Basisstation
so gestaltet, dass er das beabsichtigte Signal im Wesentlichen nur
in die betreffende Richtung sendet. Dadurch, dass das Signal nur
in eine Richtung gesendet wird, wird in Abhören beträchtlich erschwert. Um das Signal
abzufangen, muss sich der Lauscher in demselben geographischen Gebiet
befinden, eine Bedingung, welche in der Praxis selten erfüllt sein
wird. Das Ausmaß,
in welchem das von der Basisstation zu dem mobilen Gerät gesendete
Signal im Raum lokalisiert werden kann, ist eine direkte Funktion
der verfügbaren
Anzahl von Sendeantennen. Wie wohlbekannt ist, hängen bei herkömmlichen
Einrichtungen wie etwa phasengesteuerten Gruppenantennen so genannte
Strahlbreiten von gesendeter Energie direkt von der Antennenapertur
sowie von der Anzahl und dem Standort der Sendeantennen ab. Daher
kann die Systemsicherheit von der Basisstation zum mobilen Gerät leicht
erhöht
werden, indem die Sender-Hardware an den Basisstationen verbessert
wird. Obwohl dies bei dieser Erfindung nicht erforderlich ist, kann
dasselbe System auch an dem mobilen Gerät angewendet werden, indem
mehrere Sende- und Empfangsantennen verwendet werden, um die (elektrisch)
nächste
Basisstation zu lokalisieren und selektiv in die betreffende Richtung
zu senden. Der Nachteil ist die wesentliche Erhöhung der Komplexität des mobilen
Gerätes.
-
Der
Mangel an Kompatibilität
gegenwärtiger
analoger zellularer Systeme mit digitaler Datenübertragung ist derzeit kein
Problem, das von großer
Bedeutung ist. Die meisten Benutzer beschäftigen sich mit Sprachübertragung,
und die gegenwärtig
zugewiesenen Bandbreiten (30 kHz pro Kanal) sind für diesen
Zweck ausreichend. Sie begrenzen jedoch grundsätzlich die Menge an Daten,
welche erfolgreich übertragen
werden kann, auf theoretisch ungefähr 10 kb/s und auf praktisch
ungefähr
1200 b/s infolge der schlechten Qualität des Kanals. In dem Maße, wie
sich die Anforderungen der Benutzer erhöhen, wird sich auch die Notwendigkeit
einer Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über das
zellulare Netz erhöhen,
und das derzeitige System muss dann überprüft werden.
-
In
dieser Hinsicht ist ein anderer Aspekt dieser Erfindung unabhängig vom
Schema der Signalmodulation. Sie funktioniert gleichermaßen gut
mit digitaler oder analoger Modulation der Quellensignale. Tatsächlich ist
eines der größten Probleme
bei der Anwendung von digitalen Spreizspektrum-Verfahren in der Mobilfunkbranche das
der Intersymbolinterferenz infolge von Mehrwegereflexionen. Dieses
Problem wird bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ver mindert, da durch Verwendung mehrerer
Antennen die verschiedenen Ankunftsrichtungen, die mit unterschiedlichen
Wegen von derselben Quelle verknüpft
sind, detektiert werden können
und dadurch eine räumliche
Isolation der mehreren Ankünfte
vorgenommen werden kann. Ein zweites Anliegen bei digitaler Modulation
ist die Notwendigkeit, ein möglichst
hohes Signal-Rausch-Verhältnis
aufrechtzuerhalten, um die Bitfehlerraten möglichst niedrig zu halten.
Durch Anwendung einer Ausführungsform
dieser Erfindung kann die Stärke
empfangener Signale an der Basisstation für dieselbe Stärke der Sendeleistung
im Vergleich zu existierenden Systemen wesentlich verbessert werden,
wodurch eine wesentliche Erhöhung
der Leistungsfähigkeit
des Systems erzielt wird.
-
Da
in herkömmlichen
Systemen die Standorte der drahtlosen Geräte nicht bekannt sind, ist
ein gleichmäßiges, omnidirektionales
(im Azimut) Senden von den Zellenstandorten zu den drahtlosen Geräten die
einzige sinnvolle Strategie. Spezifisch für eine Ausführungsform dieser Erfindung
ist jedoch die Fähigkeit,
den Standort mehrerer Sender in demselben Kanal zu schätzen. Diese
Informationen, die bisher nicht genutzt werden könnten, werden verwendet, um
effiziente Strategien für
eine Gleichkanalübertragung
mehrerer Signale vom Zellenstandort zu dem drahtlosen Gerät zu entwickeln.
Wohlbekannt ist bei herkömmlichen
Systemen die Konstruktion von Gruppenantennen (Arrays), um in Abhängigkeit
von der Frequenz Energie selektiv in vorgeschriebene Richtungen
zu senden (H. Rosen, "Steered-Beam
Satellite Communication System",
US-Patentschrift 4,972,151,
9/1985 , U.S. Cl. 342-354). Als ein unerwartetes Ergebnis
dieser Erfindung wird eine räumlich selektive Übertragung
mehrerer Gleichkanalsignale von einem Zellenstandort zu drahtlosen
Geräten
ermöglicht.
Außerdem
wird die Leistung, die in andere Richtungen als die des beabsichtigten
Empfängers
gesendet wird, auf ein Minimum begrenzt, wodurch das Problem der
Gleichkanalinterferenz noch weiter vermindert wird.
-
Zusammengefasst,
tragen Ausführungsformen
dieser Erfindung zur Lösung
entscheidender Fragen und Probleme bei, mit denen die Branche der
zellularen Mobilkommunikation sowie andere drahtlose Kommunikationsnetze
konfrontiert sind, indem im Wesentlichen die Eigenschaft des drahtgebundenen
Dienstes, die der Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, wiederhergestellt
wird, die verloren geht, wenn Leitungsdrähte zugunsten einer weiträumigen (omnidirektionalen) Übertragung
und eines Empfangs von (elektromagnetischer) Strahlung eliminiert
werden. Bei herkömmlichen
Verfahren wird kein Versuch unternommen, um:
- 1.
Informationen, die durch eine Anordnung von Sensoren gesammelt werden,
zum Zwecke des Detektierens und Schätzens des Ortes mehrerer Signale
auf demselben (Frequenz-)Kanal zu demselben Zeitpunkt zu nutzen;
- 2. gleichzeitig alle gesendeten Signale zu schätzen, oder
- 3. räumliche
Informationen zu verwenden, um gleichzeitig selektiv verschiedene
Signale zu einem oder mehreren Benutzern auf demselben (Frequenz-)Kanal
zu senden.
-
Die
obigen Prozesse sind für
Ausführungsformen
dieser Erfindung spezifisch und liefern nützliche neue und unerwartete
Ergebnisse in drahtlosen Kommunikationsnetzen. Obwohl die erzielten
Verbesserungen die Komplexität
der Hardware erhöhen
können,
werden diese Kosten durch die zu erwartende Erhöhung von Leistungsfähigkeit
und Kapazität
leicht kompensiert. Ferner können,
da das räumliche
Multiplexing und Demultiplexing nicht an den mobilen Geräten angewendet
zu werden braucht, die Kosten einer Erhöhung der Qualität und Kapazität gegenwärtiger drahtloser
Netze auf ein Minimum begrenzt werden, obwohl eine weitere Erhöhung der
Leistungsfähigkeit
des Systems auch durch Implementierung des räumlichen Multiplexing und Demultiplexing
an den mobilen Geräten
realisiert werden kann.
-
Dementsprechend
weisen dieses Verfahren und diese Vorrichtung gegenüber der
gegenwärtigen Technologie
die folgenden Vorteile auf:
- 1. Ausführungsformen
der Erfindung werden eine gleichzeitige Verwendung eines beliebigen
herkömmlichen
(Frequenz-, Zeit- oder Code-) Kanals durch mehrere Benutzer ermöglichen,
von denen keiner denselben Standort im Raum einnimmt, wodurch die
Kapazität
der gegenwärtigen
drahtlosen Informationsnetze erhöht
wird.
- 2. Ausführungsformen
der Erfindung ermöglichen
die Verfolgung mobiler Quellen, wodurch die Probleme der Verbindungsumschaltung
und des Signalmanagements, die bei herkömmlichen zellularen Mobilkommunikationssystemen
vorhanden sind, vermindert werden.
- 3. Die Erfindung ist unabhängig
von dem speziellen Typ der Signalmodulation und daher mit gegenwärtigen und
zu erwartenden zukünftigen
Modulationsschemata in drahtlosen Kommunikationssystemen kompatibel.
- 4. Ausführungsformen
der Erfindung sorgen für
eine verbesserte Signalqualität
sowohl an den Sendern als auch an den Empfängern.
- 5. Ausführungsformen
der Erfindung sorgen für
eine verbesserte Kommunikationssicherheit durch Übertragen von Signalen nur
in bevorzugten Richtungen, wodurch die Menge an unbeabsichtigter
Strahlung begrenzt wird.
- 6. Ausführungsformen
der Erfindung ermöglichen,
dass eine Verringerung der Sendeleistung am Zellenstandort durch gerichtete Übertragung
vorgenommen wird, während
die Signalqualität
nach wie vor verbessert wird.
- 7. Ausführungsformen
der Erfindung bewirken eine wesentliche Verringerung der Signalverschlechterung infolge
von Gleichkanalinterferenz, wodurch ermöglicht wird, dass Frequenzen
in benachbarten Zellen häufiger
wiederverwendet werden, was die Systemkapazität zusätzlich erhöht.
- 8. Es kann eine Implementierung von Ausführungsformen der Erfindung
in mobilen Geräten
durchgeführt werden,
wobei viele der oben erwähnten
Vorteile auch auf das mobile Gerät
zutreffen.
-
Obwohl
die Vorteile oben in Verbindung mit drahtlosen Kommunikationen beschrieben
wurden, existiert eine Reihe von Anwendungen auf anderen Gebieten.
Zum Beispiel kann das System einer Ausführungsform der Erfindung als
eine diagnostische Messvorrichtung verwendet werden, um die Qualität der Versorgung von
Zellenstandorten zu ermitteln. Hierbei ist eine selektive Übertragung
nicht erforderlich; das Empfangssystem wird durch den Versorgungsbereich
transportiert, und es werden die Stärken und Ankunftsrichtungen
von Signalen überwacht,
die von der Basisstation gesendet werden. Es existieren keine bekannten
Systeme, die gegenwärtig
für die
Ausführung
dieser Funktion verfügbar
sind. Die auf diese Weise erhaltenen Informationen sind auch für die Beurteilung
der Dienstgüte
von vorgesehenen Zellenstandorten wichtig. Weitere Aufgaben und
Vorteile werden aus einer Betrachtung der Zeichnungen und dem Studium
der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung ersichtlich.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein Schema mehrerer herkömmlicher
drahtloser Geräte,
die auf unterschiedlichen Kanälen erfolgreich
senden und empfangen.
-
2 ist
eine graphische Darstellung von Gleichkanalinterferenz, die daraus
resultiert, dass mehrere drahtlose Geräte auf demselben Kanal senden,
und ein kritischer Faktor bei der Begrenzung der Kapazität gegenwärtiger drahtloser
Kommunikationssysteme ist.
-
3 ist
eine graphische Darstellung von Gleichkanalinterferenz, die aus
einer Rundfunkübertragung mehrerer
Signale auf demselben Kanal zu mehreren drahtlosen Geräten resultiert
und ein kritischer Faktor bei der Begrenzung der Kapazität gegenwärtiger drahtloser
Kommunikationssysteme ist.
-
4 ist
ein Blockschaltbild des SDMA-Systems gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung, das erfolgreich mehrere Signale in einem Kanal empfängt und
sendet, so dass eine Erhöhung
der Kapazität
dadurch erreicht wird, dass mehreren Benutzern ermöglicht wird,
gleichzeitig auf einen Kanal zuzugreifen.
-
5 ist
eine detaillierte Darstellung des SDMA-Signalprozessors (SDMAP)
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
-
6 ist
eine graphische Darstellung des Empfangs mehrerer Gleichkanalsignale
an dem zentralen Standort gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
-
7 ist
eine detaillierte Darstellung des SDMA-Mehrkanalempfängers am
zentralen Standort gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
-
8 ist
eine graphische Darstellung der Übertragung
mehrerer Gleichkanalsignale von dem zentralen Standort aus gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
-
9 ist
eine detaillierte Darstellung des SDMA-Mehrkanalsenders am zentralen
Standort gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
-
10 ist
eine graphische Darstellung mehrerer SDMA-Prozessoren, die verwendet werden, um
die Kapazität
einer Basisstation zu erhöhen,
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
-
11 zeigt
die Ergebnisse einer Verfolgung der Ankunftsrichtung (Direction
of Arrival, DOA) und von Signalkopien für zwei nahezu zusammenfallende,
sich bewegende FM-Sender in einer Umgebung mit starkem Rayleigh-Fading.
-
12 veranschaulicht
eine Verfolgung der Ankunftsrichtung (DOA) von FM-Sendern, deren
Wege sich kreuzen, in einer Umgebung mit starkem Rayleigh-Fading.
-
13 veranschaulicht
die Kompatibilität
des SDMA-Konzepts mit vorgeschlagener CDMA-Technologie, wobei drei
digitale Spreizspektrum-Sender erfolgreich lokalisiert und räumlich demultiplext
werden.
-
14 veranschaulicht
die Effizienz des robusten SDMA-Schemas
des räumlichen
Multiplexings, das für
diese Erfindung spezifisch ist, für eine gerichtete Übertragung
von Signalen zu drahtlosen Empfängern
auf derselben Frequenz.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
1 zeigt
ein Beispiel von gegenwärtigen
drahtlosen Kommunikationsnetzen. Drahtlose Sende-/Empfangsgeräte (20, 22, 24),
für die
Zwecke der Veranschaulichung als in Fahrzeuge eingebaute mobile Geräte dargestellt,
sind unterschiedlichen (Frequenz-)Kanälen zugewiesen und haben dadurch
die Möglichkeit,
gleichzeitig zu kommunizieren. Ein Mehrkanalempfänger (26) nutzt die
Tatsache, dass die Signale auf unterschiedlichen Frequenzkanälen übertragen
werden, um die Signale (28, 30, 32) korrekt
zu trennen, welche anschließend
demoduliert und entlang des restlichen Netzes geleitet werden. Ein
Mehrkanalsender (40) sendet Signale (34, 36, 38)
zu den drahtlosen Geräten
(20, 22, 24) in einem anderen Satz von
unterschiedlichen Frequenzen. Zum Beispiel empfangen in gegenwärtigen zellularen
Mobilkommunikationssystemen mobile Geräte Übertragungen von Basisstationen
in Kanälen
von 45 MHz; oberhalb dieser Frequenzkanäle senden sie Informationen
an die Basisstationen. Dies ermöglicht
ein gleichzeitiges Senden und Empfangen von Informationen sowohl
an der Basisstation als auch an den mobilen Geräten.
-
2 zeigt
einen Nachteil gegenwärtiger
drahtloser Kommunikationssysteme. Drahtlose Geräte (20, 22, 24),
die auf demselben herkömmlichen
Kanal (derselben Trägerfrequenz
fc1 in diesem Schema) senden, können an
dem Empfänger
(26) nicht aufgelöst
werden, infolge der Tatsache, dass bei gegenwärtigen Systemen keine Möglichkeit
besteht, ein Signal vom anderen zu unterscheiden, wenn sie denselben
Kanal gemeinsam nutzen. Der Empfängerausgang
(28) ist eine Kombination aller Signale, die in dem Kanal
vorhanden sind, auch nach der Abwärtsmischung zur Basisbandfrequenz
fb.
-
3 zeigt
einen ähnlichen
Nachteil gegenwärtiger
drahtloser Kommunikationssysteme in Bezug auf Kommunikation vom
Basisstationssender (40) zu den entfernten Empfängern. Die
Funktion des Mehrkanalsenders ist es, eine Aufwärtsmischung von Signalen von
der Basisbandfrequenz fb zu einer der Mehrkanal-Trägerfrequenzen
zur Übertragung
zu dem mobilen Gerät
durchzuführen.
Drahtlose Geräte
(20, 22, 24) empfan gen auf einem bestimmten
Kanal (derselben Trägerfrequenz
fc1 in diesem Schema) eine Kombination mehrerer Signale,
die von dem Basisstationssender (40) in diesem Frequenzkanal
(34) gesendet werden. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass
es in gegenwärtigen
Systemen kein Verfahren gibt, um zu verhindern, dass alle in demselben
Frequenzkanal gesendeten Signale alle Empfänger in einer gegebenen Zelle
oder einem Sektor derselben erreichen, die darauf eingestellt sind,
Signale in diesem bestimmten Kanal zu empfangen. Signale, die an
den drahtlosen Geräten
empfangen werden, sind Kombinationen aller Signale, die in diesem Kanal
gesendet werden.
-
6 ist
eine Darstellung des Verfahrens, das durch eine Ausführungsform
dieser Erfindung angewendet wird, um das oben erwähnte Problem
des mehrfachen Signalempfangs an einer oder mehreren Basisstationen
zu überwinden.
Mehrere Signale von drahtlosen Geräten (20, 22, 24),
die in demselben Kanal senden, werden von einer Anordnung von Sensoren
und Empfängern
(42) empfangen. Diese Gleichkanalsignale werden von einem
räumlichen
Demultiplexer (46) räumlich
demultiplext, welcher von einem Raummultiplex-Vielfachzugriff-Signalprozessor
(Spatial Division Multiple Access Signal Processor, SDMAP) (48)
gesteuert wird. Die demultiplexten Signale (50) werden
anschließend
auf wohlbekannte Weise zu Signaldemodulatoren gesendet.
-
8 ist
eine Darstellung des Verfahrens, das durch eine Ausführungsform
dieser Erfindung angewendet wird, um das oben erwähnte Problem
des mehrfachen Signalempfangs an dem mobilen drahtlosen Gerät zu überwinden.
Mehrere Signale (64) von Signalmodulatoren, für welche
hier für
Zwecke der Veranschaulichung angenommen wird, dass sie sich alle
in demselben Frequenzkanal befinden, werden von einem räumlichen
Multiplexer (66) unter der Steuerung des SDMAP (48)
auf geeignete Weise kombiniert, so dass die gesamte Gleichkanalinterferenz
an den drahtlosen Geräten
(20, 22, 24) beseitigt wird. Diese Signale
(68) werden zu Mehrkanalsendern (70) gesendet
und anschließend
von einer Anordnung von Antennen zu den drahtlosen Geräten (20, 22, 24) übertragen.
Wie in der Darstellung angegeben, empfängt aufgrund einer geeigneten Konstruktion
des räumlichen
Multiplexers das drahtlose Gerät
(20) keines der Signale, die zu den Geräten (22) oder (24)
gesendet werden, und Ähnliches
gilt für
die anderen beiden Geräte.
In Verbindung mit 6 wird hierdurch eine Vielzahl
von Vollduplex-Verbindungen hergestellt. Die Fähigkeit, mehr als eine Vollduplex-Verbindung
gleichzeitig in demselben (Frequenz-)Kanal herzustellen, ist für das SDMA-System
spezifisch.
-
4 zeigt
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
eines SDMA-Systems, das erfolgreich mehrere Signale in einem Kanal
empfängt
und mehrere Signale in einem anderen Kanal sendet, indem unterschiedliche räumliche
Kanäle
verwendet werden. Mit der Figur ist beabsichtigt darzustellen, dass
diese Nachrichten auf denselben (Frequenz-)Kanälen ausgestrahlt werden, von
den drahtlosen Geräten
zur Basisstation mit fc1 und von der Basisstation
zu den drahtlosen Geräten
mit fc2, zu demselben Zeitpunkt. Dies ist
eine Situation, die bisher nicht zulässig war, da die Nachrichten
in gegenwärtigen
Systemen einander stören,
wie in 2 und 3 angegeben ist. Signale, die
in demselben Kanal von drahtlosen Geräten (20, 22, 24)
gesendet werden, werden an der Basisstation von mehreren Antennen
empfangen. Das Ausgangssignal jeder von mr Antennen wird
zu einem Mehrkanalempfänger
gesendet, wie es bei gegenwärtigen
Systemen für
eine einzige Antenne üblich
ist. Die mr Antennen können einzelne Antennen sein,
oder eine Antenne mit mehreren Einspeisungen und einer Einzelschüssel von
wohlbekannter Art. Hierbei wird jede Einspeisung einer Einzelschüssel-Antenne mit
mehreren Einspeisungen als eine Antenne bezeichnet.
-
Der
Mehrkanalempfänger
nimmt einen Antenneneingang auf und hat einen Ausgang für jeden
Frequenzkanal, welchen er zu verarbeiten in der Lage ist. Zum Beispiel
besteht bei gegenwärtigen
analogen zellularen Systemen der Empfänger aus einer Bank von Bandpassfiltern,
wobei auf jeden der Frequenzkanäle, die
der betreffenden Basisstation zugewiesen sind, ein solches Filter
abgestimmt ist. Bei einer Ausführungsform
dieser Erfindung ist jeder Antenne ein solcher Empfänger zugeordnet,
wie in 7 dargestellt (102, 104, 106).
Bei einer anderen Ausführungsform
sind mehrere Antennen über
einen Hochgeschwindigkeits-Schaltkreis an einen einzigen Empfänger geschaltet.
Der Ausgang der Mehrkanalempfänger
für einen
bestimmten (Frequenz-)Kanal ist eine Vielzahl von Signalen (112, 114, 116),
ein Signal von diesem Kanal für
jedes Paar Antenne/Empfänger.
Diese Signale werden von dem SDMAP/Räumlichen Demultiplexer (120)
als eine Gruppe verarbeitet, so dass die ursprünglichen gesendeten Signale
(122, 124, 126) wiederhergestellt werden.
Obwohl das Schema impliziert, dass ein einziger SDMAP und räumlicher
Demultiplexer jedem Kanal zugeordnet ist, werden bei einer anderen
Ausführungsform
mehrere Kanäle
auf einen einzigen SDMAP und räumlichen
Demodulator gemultiplext.
-
Es
wird erneut auf 4 Bezug genommen; bei einer
Ausführungsform
werden Empfängerausgänge (44)
nach Abwärtsmischung
zum Basisband in den Mehrkanalempfängern (42) digitalisiert
und in digitaler Form zu SDMAPs (48) und räumlichen
Multiplexern (46) übertragen.
Die Ausgänge
der räumlichen
Demultiplexer (50) werden bei einer Ausführungsform
digital demoduliert und zu analog gewandelt, zur Übertragung über das
Koppelnetz (58), und bei einer anderen Ausführungsform
vor der Demodulation zu analog gewandelt. Bei noch einer anderen
Ausführungsform
dieser Erfindung wird die A/D-Wandlung der analogen Empfängerausgänge (44)
in den SDMAPs durchgeführt,
und analoge Signale (44) werden zu räumlichen Demultiplexern (46)
gesendet, wo digital gesteu erte analoge Gewichts- und Summenschaltungen
die analogen Signale (44) räumlich demultiplexen und analoge
Ausgangssignale (50) zu analogen Demodulatoren gesendet
werden.
-
Im
Allgemeinen besteht eine Funktion des SDMAP (48) darin,
geeignete Steuersignale für
den räumlichen
Demultiplexer (46) und den räumlichen Multiplexer (66)
durch Verarbeitung der Informationen, die von den Empfängern (42)
empfangen werden, und der Informationen, die von dem SDMA-Controller
(72) geliefert werden, zu berechnen. Der SDMAP sendet außerdem Verfolgungs-
und andere Signalparameter-Informationen an den SDMA-Controller
(72), zur Verwendung bei der Kanalzuweisung und intelligenten
Verbindungsumschaltung. Eine ausführliche Beschreibung des SDMAP
wird weiter unten gegeben.
-
Räumliche
Demultiplexer (46 in 4) demultiplexen
die Ausgänge
(44) der Mehrkanalempfänger (42).
Diese Funktion wird für
jeden (Frequenz-)Empfangskanal ausgeführt, der dem Zellenstandort
zugewiesen ist. Bei einer Ausführungsform
werden in jedem Kanal die Signale (44) von dem räumlichen
Demultiplexer auf geeignete Weise kombiniert, um einen Ausgang für jedes
Signal zur Verfügung
zu stellen, das in dem betreffenden Kanal vorhanden ist (C1 in 7).
Hierbei bedeutet "auf
geeignete Weise kombiniert":
derart kombiniert, dass das Signal von jedem drahtlosen Gerät in einem
Kanal an dem entsprechenden Ausgang des räumlichen Demultiplexers erscheint.
Dies ist ein für
diese Erfindung spezifischer Aspekt.
-
Die
Ausgänge
(50) des räumlichen
Demultiplexers (46 in 4) für einen
bestimmten Kanal sind die getrennten Signale, die von den drahtlosen
Geräten
zur Basisstation in diesem Kanal übertragen werden, und sie werden
zu Demodulatoren gesendet, wie es in gegenwärtigen Systemen der Fall ist.
Die demodulierten Signale werden dann über ein Koppelnetz (58)
zu ihrem entsprechenden Ziel geroutet, wie es gegenwärtig der Fall
ist.
-
Signale,
die für
die drahtlosen Geräte
bestimmt sind, werden von demselben Koppelnetz (58) erhalten und
zu Signalmodulatoren (62) geleitet, wie in gegenwärtigen Systemen.
Modulierte Basisbandsignale (64) werden zu räumlichen
Multiplexern (66) gesendet, wo sie entsprechend verarbeitet
werden, wie es durch den SDMAP (48) angewiesen wird, zur Übertragung
zu den drahtlosen Geräten.
In dieser Darstellung wird angenommen, dass diese drahtlosen Geräte dieselben
sind wie diejenigen, deren Signale in den Empfängern (42) empfangen
wurden. Dies muss jedoch nicht der Fall sein und ist keine Einschränkung der
vorliegenden Erfindung; sie sind hier nur für Zwecke der Veranschaulichung
dieselben.
-
Es
werden Mehrkanalsender (
70) verwendet, die in ihrer Struktur
den Empfängern
(
42) ähnlich
sind, wobei ein Sender für
jede der
Sendeantennen vorhanden ist,
wie in
9 (
152,
154,
156) dargestellt.
Jeder Sender kombiniert auf geeignete Weise die Ausgänge jedes
Kanals, welcher der Basisstation zugewiesen ist, zum Zwecke der Übertragung
der Signale über
die zugehörige
Antenne zu den drahtlosen Geräten,
wie in gegenwärtigen
Systemen.
-
Die
Funktion des räumlichen
Multiplexers (66), der in 9 dargestellt
ist, besteht darin, ein oder mehrere Signale (64) in einen
bestimmten Kanal (C1 in 9), jedoch verschiedene räumliche
Kanale zu multiplexen. Der räumliche
Multiplexer (66) kombiniert auf geeignete Weise die Signale
(64) und stellt einen Ausgang für den bestimmten Kanal (C1
in 9) in jedem Sender (40) zur Verfügung. Hierbei
bedeutet "auf geeignete Weise
kombiniert": derart
kombiniert, dass jedes drahtlose Gerät nur das Signal empfängt, das
für es
bestimmt ist. Keine anderen Signale treffen an diesem bestimmten
drahtlosen Gerät
ein, das in diesem (Frequenz-)Kanal empfängt. Dies ist ein für die Erfindung
spezifischer Aspekt.
-
Räumliches
Multiplexing wird für
jeden Kanal (C1, C2, ..., Cn in 9) durchgeführt. Bei
einer Ausführungsform
ist ein separater räumlicher
Multiplexer für
jeden Kanal vorgesehen. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Aufgabe
des Multiplexings für
mehrere Kanäle
von derselben Multiplexer-Hardware
durchgeführt.
Wenn die Signale (64) von dem Signalmodulator (62)
analog sind, besteht bei einer Ausführungsform der räumliche
Multiplexer aus digital gesteuerten analogen Komponenten. Bei einer
anderen Ausführungsform werden
die Signale (62), fall erforderlich, digitalisiert, in
dem räumlichen
Multiplexer auf geeignete Weise kombiniert und dann zu den Sendern
gesendet, zwecks D/A-Wandlung und Übertragung zu den drahtlosen
Geräten.
-
DER RAUMMULTIPLEX-VIELFACHZUGRIFF-SIGNALPROZESSOR
(SDMAP)
-
5 zeigt
eine detaillierte Darstellung eines Raummultiplex-Vielfachzugriff-Signalprozessors
(Spatial Division Multiple Access Signal Processor, SDMAP) (48).
Die Funktion des SDMAP beinhaltet das Bestimmen, wie viele Signale
in einem bestimmten Kanal vorhanden sind, das Schätzen von
Signalparametern wie etwa der räumlichen
Position der Sender (d.h. von Ankunftsrichtungen DOA und Entfernung
von der Basisstation) und das Bestimmen der geeigneten Schemata
des räumlichen
Demultiplexings und räumlichen
Multiplexings. Die Eingänge
(44) des SDMAP beinhalten Ausgänge von Basisstationsempfängern, einen
für jede
Empfangsantenne. Bei einer Ausführungsform
führen
die Empfänger
eine Quadraturdetektion der Signale wie in gegenwärtigen Systemen
durch, wobei in diesem Falle Inphase- (I) und Quadratur- (Q) Komponenten
(Signale) von jedem Kanal hinter jeder Antenne ausgegeben werden.
Bei einer anderen Ausführungsform
wird eine einzige abwärtsgemischte
Komponente, I oder Q oder irgendeine Kombination davon, verwendet.
Bei einer Ausführungsform
digitalisieren die Empfänger
die Daten, bevor sie sie zu dem SDMAP weiterleiten. Bei einer anderen
Ausführungsform
wird eine Digitalisierung wie oben erwähnt in dem Datenkompressor
(160) durchgeführt.
-
Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung erfüllt
der SDMAP seine Aufgabe, indem er zuerst Schätzungen von wichtigen, die
Signale betreffenden Parametern gewinnt, wie etwa von ihren Ankunftsrichtungen
(Directions of Arrival, DOAs), ohne temporale Eigenschaften der
Signale zu nutzen. Dies ist zum Beispiel in Situationen angebracht,
in denen analoge Modulationsschemata angewendet werden und über die
Wellenform des Signals wenig bekannt ist. Bei einer zweiten Ausführungsform
können
bekannte Trainingssequenzen, die in digitalen Datenströmen zum
Zwecke der Kanalentzerrung platziert sind, in Verbindung mit Informationen
der Sensoranordnung verwendet werden, um Schätzungen für Signalparameter wie etwa
DOAs und Signalleistungspegel zu berechnen. Diese Informationen
werden danach verwendet, um geeignete Gewichte (76) für einen
räumlichen
Demultiplexer zu berechnen, der bei dieser Ausführungsform als ein Linearkombinierer
implementiert ist, d.h. als eine Gewichts- und Summen-Operation. Bei einer
dritten Ausführungsform
werden Parameter von dem Parameterschätzer, welche die Ankunftszeit
(Time of Arrival, TOA) betreffen, in Verbindung mit Parametern der
Signalkorrelation verwendet, um zu ermitteln, welche Signale Multipath-Versionen
eines gemeinsamen Signals sind. Relative Verzögerungen werden dann derart
berechnet, dass die Signale kohärent korreliert
werden können,
so dass die Qualität
der geschätzten
Signale noch weiter verbessert wird. Die Fähigkeit, auf diese Weise Informationen
der Sensoranordnung zu nutzen, ist für diese Erfindung spezifisch.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
dieser Erfindung wird jedoch die Funktion des räumlichen Demultiplexers in
Verbindung mit der Schätzung
anderer Quellenparameter wie etwa der DOAs durchgeführt. Als
ein Beispiel einer solchen Ausführungsform
dieses Typs kann die Eigenschaft des konstanten Absolutbetrages (d.h.
konstanter Amplitude) verschiedener Kommunikationssignale wie etwa
digitaler phasenumgetasteter (Phase-Shift Keyed, PSK) und analoger
FM-Wellenformen
zusammen mit Eigenschaften der Anordnung von Empfangsantennen genutzt
werden, um gleichzeitig die Quellwellenformen sowie deren DOAs unter
Verwendung von Mehrkanal-Konstant-Modulus-Algorithmen (Constant
Modulus Algorithms, CMA), welche wohlbekannt sind, zu schätzen.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
können
erweiterte Kalman-Filter,
die ebenfalls wohlbekannt sind (C. Chui und C. Chen, Kalman Filtering
with Real-Time Applications, Springer-Verlag, 1991), verwendet werden,
um diese und ähnliche
Eigenschaften auszunutzen. Bei dieser und ähnlichen Ausführungsformen
wird angenommen, dass die Funktion des räumlichen Demultiplexers (46)
in dem SDMAP (48) realisiert wird, und die Ausgänge des
SDMAP (76) sind die räumlich
demultiplexten Signale, die zu den Demodulatoren zu senden sind.
-
Es
wird erneut auf 5 Bezug genommen; eine Datenkompression
(160) wird durchgeführt,
um die Menge an Daten zu verringern, und besteht bei einer Ausführungsform
aus einer Akkumulation einer Sample-Kovarianzmatrix, welche Summen
von äußeren Produkten
der abgetasteten Empfängerausgänge in einem bestimmten
Kanal beinhaltet. Des Weiteren werden die abgetasteten Ausgänge als
Datenvektoren bezeichnet, und es ist ein solcher Datenvektor zu
jedem Abtastzeitpunkt für
jeden der Kanäle,
die einer bestimmten Basisstation zugewiesen sind, vorhanden. Bei
einer anderen Ausführungsform
sind die komprimierten Daten einfach die unverarbeiteten Datenvektoren.
Wenn Signale I und Q (44) von den Empfängern ausgegeben werden, ist jeder
Datenvektor eine Sammlung von mr komplexen
Zahlen, einer für
jedes der mr Paare Empfänger/Antenne.
-
Bei
einer dritten Ausführungsform
beinhaltet eine Datenkompression auch die Verwendung von bekannten
Signalinformationen wie etwa Trainingssequenzen, die in drahtlosen
digitalen Systemen (D. Goodman, "Second
Generation Wireless Information Networks", IEEE Trans. of Veh. Tech., Bd. 40,
Nr. 2, Mai 1991) und Transponderantworten mobiler Geräte in gegenwärtigen analogen
Systemen vorhanden sind, um die Ankunftszeit (Time of Arrival, TOA)
eines ausgeprägten
periodischen Signalmerkmals zu berechnen, einen Parameter, der wertvolle
Informationen in Bezug auf den Abstand zwischen Zellenstandorten
und dem drahtlosen Sender enthält,
welche bei dieser Ausführungsform
genutzt werden.
-
Die
komprimierten Daten (162) werden zu einem Signaldetektor
(164) zur Detektion der Anzahl von Signalen, die in dem
Kanal vorhanden sind, weitergeleitet. Bei einer Ausführungsform
werden statistische Detektionsschemata in Verbindung mit Informationen
von einem SDMA-Controller (72) verwendet, um die Anzahl der
in dem Kanal vorhandenen Quellen zu schätzen. Diese Informationen und
die (komprimierten) Daten (168) werden zu einem Parameterschätzer (170)
gesendet, wo Schätzungen
von Signalparametern einschließlich derjenigen,
welche die Quellenstandorte (z.B. DOAs und Entfernung) betreffen,
erhalten werden.
-
Den
Standort betreffende Parameterschätzungen (172) werden
zu einem Quellenverfolger (174) weitergeleitet. Bei einer
Ausführungsform
besteht die Funktion des Quellenverfolgers darin, die Position eines
jeden Senders als Funktion der Zeit zu verfolgen. Dies ist mittels
bekannter nichtlinearer Filtertechniken implementiert, wie etwa
mittels des oben erwähnten
erweiterten Kalman-Filters (Extended Kalman Filter, EKF). Bei einer
anderen Ausführungsform
werden auch Geschwindigkeiten und Beschleunigungen eines jeden der drahtlosen
Geräte
in einem bestimmten Kanal verfolgt. Eingänge des EKF sind bei einer
Ausführungsform
die DOAs und TOAs von der lokalen Basisstation. Bei einer anderen
Ausführungsform
werden DOA- und TOA-Messwerte von anderen nahe gelegenen Zellenstandorten,
die ebenfalls Sendungen von den mobilen Geräten empfangen, mit einbezogen,
zusammen mit bekannten Positionen der Zellenstandorte, um die Schätzungsgenauigkeit
des EKF auf wohlbekannte Weise weiter zu verbessern. Die Ausgänge des
Verfolgers (174) werden zusammen mit den (komprimierten)
Daten (176) zu einem Controller (178) des räumlichen
Demultiplexers gesendet, um die Funktion des räumlichen Demultiplexers zu
steuern, und zu einem Controller (180) des räumlichen
Multiplexers, um die Funktion des räumlichen Multiplexers zu steuern.
-
SDMA-CONTROLLER
-
10 zeigt
einen SDMA-Controller (72), welcher die Kanalzuweisung überwacht,
und eine Vielzahl von SDMA-Systemen (202, 204, 206).
Wie oben erwähnt,
empfängt
jedes SDMA-System
Signale (44a, 44b, 44c) von den Mehrkanalempfängern (42)
und sendet Signale (68a, 68b, 68c) zu
den Mehrkanalsendern (70) zur Übertragung zu den drahtlosen
Geräten.
Die SDMA-Systeme übermitteln
außerdem
(Verfolgungs-) Informationen (182a, 182b, 182c),
wie oben erwähnt,
zu dem SDMA-Controller
und empfangen Informationen (184a, 184b, 184c)
von dem SDMA-Controller. Nicht dargestellt ist in diesem Schema
eine Verbindung zwischen den Basisstationen und deren Zugang zu
einem Weitverkehrsnetz über
ein Koppelnetz. Obwohl solche Verbindungen in gegenwärtigen zellularen
Mobilkommunikationsnetzen und drahtlosen LANs vorhanden sind, sind
sie bei dieser Erfindung natürlich
nicht erforderlich. Eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen drahtlosen
Geräten über die
Basisstation ist möglich,
ohne in ein Weitverkehrsnetz einzutreten.
-
Die
Funktion des SDMA-Systems wird für
jeden Kanal (202, 204, 206) ausgeführt, in 10 mit
CH 1, CH 2, ..., CH n bezeichnet, der einer Basisstation für den Empfang
zugewie sen ist. Bei einer Ausführungsform
ist ein separates SDMA-System
für jeden
Kanal vorhanden. Bei einer Ausführungsform
werden mehrere Kanäle
in demselben SDMA-System verarbeitet.
-
Eine
Aufgabe des SDMA-Controllers (72) ist es zu verhindern,
dass es zu einer Koinzidenz drahtloser Geräte im (Frequenz- oder Code-)Kanalraum,
zeitlichen und räumlichen
(Positions-)Raum kommt. Je nach Erfordernis weist der Controller über standardmäßige Messaging-Schemata,
wie sie in gegenwärtigen
drahtlosen Systemen vorhanden sind, die drahtlosen Geräte an, zu
anderen (Frequenz- oder Code-) Kanälen zu wechseln.
-
Bei
einer Ausführungsform
senden SDMA-Controller an verschiedenen Zellenstandorten (190, 194, 200)
Verfolgungs- und
Frequenzzuweisungs-Informationen, zusätzlich zu anderen relevanten
Quellenparametern wie etwa Signalleistung, bezüglich sämtlicher drahtloser Geräte in ihrer
Zelle (192, 196, 198) an eine Basisstations-Überwachungseinheit
(220). Zum Beispiel ist bei zellularer Mobilkommunikation
die Überwachungseinheit
das MTSO (Mobiltelefon-Vermittlungsamt). Diese Informationen werden
verwendet, um die oben erwähnten
Probleme bei der Verbindungsumschaltung zu vermindern, die in gegenwärtigen drahtlosen Systemen
vorhanden sind. Mit Kenntnis der Positionen und Geschwindigkeiten
aller Sender und Kenntnis der Bereiche, die von den einzelnen Zellenstandorten
versorgt werden, können
effiziente und zuverlässige
Strategien der Verbindungsumschaltung implementiert werden.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
beinhaltet die Funktion des SDMA-Controllers das Weiterleiten der
Positionen und Kanalzuweisungen von Autos in benachbarten Zellen
an jede Basisstation. Diese Informationen werden in den Controllern
des räumlichen
Multiplexers und Demultiplexers in dem SDMAP verwendet, um die Leistungsfähigkeit
der räumlichen
Multiplexer und Demultiplexer zu verbessern. Weitere Erhöhungen der
Kapazität
werden hier auch dadurch realisiert, dass eine dynamische Zuweisung
von Sende- und Empfangskanälen
zwischen den verschiedenen Zellenstandorten und mobilen Geräten ermöglicht wird.
Die Fähigkeit,
mehrere Sender in drahtlosen Kommunikationsnetzen zu verfolgen,
und die signifikanten Verbesserungen, die im Hinblick auf Kapazität und Qualität des Systems
erzielt wurden, sind für
diese Erfindung spezifisch.
-
SIMULATIONSERGEBNISSE
-
11 veranschaulicht
die Fähigkeit
des Systems einer Ausführungsform
der Erfindung, gleichzeitig mehrere Sender in demselben Kanal zu
verfolgen und die empfangenen Signale räumlich zu demultiplexen, um
die übertragenen
Wellenformen einzeln zu schätzen.
Die Empfangsanordnung besteht aus einer 10 Elemente umfassenden
gleichförmigen
linearen Anordnung von Elementen mit einem Abstand von einer halben Wellenlänge, d.h.
17 cm bei 850 MHz. Die zwei FM-Sender bewegen sich aufeinander zu,
und ihre Wege überkreuzen
sich sogar, d.h. die DOAs sind an einem Punkt während des Intervalls dieselben.
Es wird eine Umgebung mit einem starken Rayleigh-Fading simuliert,
mit einer Schwundrate von mehr als 100 Hz. Die Empfängerausgänge werden
in Blöcken
von 400 Datenvektoren verarbeitet (0,05 s für Daten, die mit 8 kHz abgetastet werden).
Trotz der Tatsache, dass die Sender bei 1,7 s einen Abstand von
weniger als 2° haben,
was einem Abstand voneinander von ungefähr 30 m in 1 km Entfernung
von der Basisstation entspricht, werden die einzelnen Signalwellenformen
präzise
rekonstruiert, wie in der unteren Abbildung dargestellt ist. Diese
Figur macht die Effizienz dieser Ausführungsform deutlich sichtbar,
da eine solche Leistung in derzeitigen Systemen noch nicht erreicht
worden ist. Die Fähigkeit,
Quellen im gleichen Kanal, die sich sehr nahe beieinander befinden,
zu trennen und die empfangenen Signale erfolgreich räumlich zu
demultiplexen, ist für
diese Erfindung spezifisch.
-
12 ist
eine Fortsetzung von 11, welche die Fähigkeit
des Systems einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt, gleichzeitig mehrere Sender in demselben Kanal
zu verfolgen, wo sich die Trajektorien kreuzen. Am Mittelpunkt des
Schätzungsintervalls
weisen die Sender dieselbe DOA auf. Wie man leicht sieht, verfolgt
das SDMA-System die DOAs der Sender erfolgreich. Die Fähigkeit,
sich schneidende Trajektorien von Sendern im gleichen Kanal anhand
von DOA-Messungen zu verfolgen, die mit einer Sensoranordnung vorgenommen
werden, ist für
diese Ausführungsform
der Erfindung spezifisch und wurde in gegenwärtigen drahtlosen Systemen
nicht erreicht.
-
13 veranschaulicht
die Kompatibilität
des SDMA-Konzeptes mit vorgeschlagener CDMA-Technologie. Es werden
drei Quellen bei 20°,
40° und
60° bezüglich der
Achslinie einer 10 Elemente umfassenden gleichförmigen linearen Anordnung von
omnidirektionalen Antennenelementen simuliert. Die Baudraten betragen
1 MHz, 1 MHz bzw. 500 kHz, und das effektive Signal-Rausch-Verhältnis (SRV)
beträgt
ungefähr
0 dB. Die obere graphische Darstellung zeigt den Ausgang des ersten
Antennenelements, und es ist klar zu erkennen, dass das SRV nahezu
0 dB beträgt,
d.h. die Signal- und die Rauschamplitude sind nahezu gleich. Die
unteren vier kleineren graphischen Darstellungen zeigen die drei
räumlich
demultiplexten Signale und den Winkel des Ausgangs der ersten Antenne
zum Vergleich. Sie machen nicht nur deutlich die Fähigkeit
des SDMA-Systems sichtbar, die digitalen CDMA-Übertragungen räumlich zu
demultiplexen, sondern lassen auch die erreichbare Verbesserung
der Leistungsfähigkeit
erkennen. Ein Faktor von ungefähr
10 der Verbesserung des SRV beim Ausgang des räumlichen Demultiplexers ist
recht offensichtlich. Die DOA-Schätzungen beruhten auf nur 200 Momentaufnahmen,
und es wurde nicht nur die Anzahl der Signale (3) von dem SDMA-Detektor
korrekt detektiert, sondern die geschätzten DOAs hatten alle einen
Abstand von nicht mehr als 0,5° von
den tatsächlichen Werten.
Die Fähigkeit,
Schätzungen
von einer solchen Qualität
zu erhalten und in diesen Umgebungen mit Gleichkanalinterferenz
digitale Spreizspektrum-Signale räumlich zu demultiplexen, ist
für diese
Ausführungsform
dieser Erfindung spezifisch.
-
14 veranschaulicht
die Verbesserung, die durch das robuste räumliche Multiplexing-Schema SDMA
gegenüber
herkömmlichen
Verfahren erzielt wird. Bei der Simulation befanden sich drei Sender
bei 40°, 50° bzw. 90° bezüglich der
Achslinie einer 10 Elemente umfassenden gleichförmigen linearen Anordnung mit Abstand λ/2. Die geschätzten Ankunftsrichtungen,
die auf 1000 Datenvektoren beruhten, hatten einen Abstand von nicht
mehr als 0,05° von
den tatsächlichen
Werten, und die Gewichtsvektoren des räumlichen Multiplexings wurden
auf deren Basis berechnet. Die Abbildung zeigt die Ergebnisse der
Konstruktion eines räumlichen
Multiplexers für
eine Übertragung
zu dem Empfänger
bei 90°,
wobei ein Konstruktionsziel die Minimierung der Leistung in der
Richtung der Empfänger
bei 40° und
50° war.
Die Überlegenheit
des robusten räumlichen
Multiplexers von SDMA gegenüber
dem herkömmlichen
deterministischen Multiplexer ist klar erkennbar.
-
FUNKTIONSWEISE VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
-
DEFINITIONEN
-
In
der folgenden Erörterung
wird der Begriff Basisstation verwendet, um einen Standort zu bezeichnen, mit
welchem (mobile) drahtlose Geräte
(hier Benutzer genannt) kommunizieren. Basisstationen unterscheiden sich
von drahtlosen Geräten
nur dadurch, dass sie oft einen kontinuierlichen Standleitungs-Zugang
(Dedicated Access) zu einem Breitband-Weitverkehrsnetz haben, über welchen
viele Signale gleichzeitig übertragen
werden können.
Dies ist, wie oben erwähnt,
keine Einschränkung
der vorliegenden Erfindung. Der Begriff Kanal wird verwendet, um
einen beliebigen der herkömmlichen
Kanäle
(Frequenz-, Zeit-, Codekanal) oder eine beliebige Kombination derselben
zu bezeichnen. Der Begriff räumlicher
Kanal bezeichnet das neue Konzept, das für dieses Patent spezifisch
ist.
-
BEZEICHNUNGEN
-
Innerhalb
des von einer Basisstation versorgten Gebiets senden Benutzer des
drahtlosen Systems Signale an diese Basisstation und empfangen Signale
von ihr. Wir bezeichnen die einzelnen Basisband-Benutzersignale
mit sr (ωi, θi j, t), wobei
- • ω1, i = 1, ..., n, den i-ten von n Kanälen bezeichnet
und zum Beispiel einen Frequenzkanal in einem FDMA-System, einen Frequenz-Zeitschlitz
in einem FDMA/TDMA-System
oder einen Frequenzkanal und einen Code in einem FDMA/CDMA-System
bezeichnen kann,
- • θi j, j = 1, ..., di, die Richtung zu dem j-ten von di Benutzern bezeichnet, die den Kanal ωi benutzen, und
- • t
ein Zeitindex ist.
-
Diese
Basisbandsignale sind die Ausgänge
von Signalmodulatoren, welche für
die Modulationsart des Systems geeignet sind, wie bei herkömmlicher
Vorgehensweise. Die Eingänge
dieser Modulatoren sind die Nachrichten, welche Benutzer über das
Netz senden möchten.
Es gibt keine Einschränkung
für die
einzelnen Nachrichten: Sie können
digital oder analog sein, Daten oder Sprache enthalten. Diese Basisbandsignale
werden aufwärts
gemischt, z.B. verwendet, um einen HF-Träger zu modulieren, und die
resultierenden Signale werden von den Benutzern in herkömmlichen
Systemen omnidirektional ausgestrahlt.
-
In
herkömmlichen
Systemen wird jedem gleichzeitigen Benutzer ein anderer Kanal ωi zugewiesen, auf welchem sie Signale zur
Basisstation übertragen.
Gemäß der aktuellen
Praxis wird ein zweiter Kanal für
den Empfang von Informationen von der Basisstation zugewiesen. Gemäß der aktuellen
Praxis werden, wenn eine Anforderung eines Benutzers für die Kanäle aufhört zu bestehen,
die Kanäle
neu zugewiesen.
-
Die
Signale in den verschiedenen Kanälen
werden gleichzeitig von der Basisstation empfangen, und die Funktion
des Empfängers
ist es, die Eingänge
zu demultiplexen und zu Basisbandsignalen abwärts zu mischen, Sr(ω1, t), ..., Sr(ωn, t). Ein solcher Empfänger kann als einen Eingang
und n Ausgänge
aufweisend angesehen werden. Ein Empfänger, welche diese Funktion
ausführt,
wird hier als ein Mehrkanalempfänger
bezeichnet. Dies ist in 1 graphisch dargestellt.
-
Analog
werden die Basisbandsignale, welche von der Basisstation zu den
Benutzern gesendet werden, mit
(ω
i, θ
i j, t) bezeichnet,
wobei
- • ωi, i = 1, ..., n, den i-ten von n Kanälen bezeichnet
und zum Beispiel einen Frequenzkanal in einem FDMA-System, einen Frequenz-Zeitschlitz
in einem FDMA/TDMA-System
oder einen Frequenzkanal und einen Code in einem FDMA/CDMA-System
bezeichnen kann, und
- • θi j, j = 1, ..., di die Richtung zu dem j-ten von di Benutzern bezeichnet, die den Kanal ωi benutzen.
-
Die
Basisbandsignale in den verschiedenen Kanälen sind Eingänge des
Senders, welcher die Signale für
eine Übertragung
aufwärts
mischt und multiplext. Ein solcher Sender kann als n Eingänge und
einen Ausgang aufweisend angesehen werden. Ein Empfänger, welcher
diese Funktion ausführt,
wird hier als ein Mehrkanalsender bezeichnet. Dies ist in 1 graphisch
dargestellt.
-
Für die Zwecke
der nachfolgenden Erörterung
wird angenommen, dass die Anzahl der Benutzer, die Informationen
zur Basisstation senden, gleich der Anzahl der Benutzer ist, die
Informationen von der Basisstation empfangen. Dies ist jedoch keine
Bedingung für
die Erfindung. Ferner wird für
Zwecke der Veranschaulichung angenommen, dass die n Kanäle, die
einer Basisstation zugewiesen sind, in Form von Paaren zugewiesen
sind, wobei einer zum Senden und der andere zum Empfangen bestimmt
ist. Dies ist ebenfalls keine Bedingung für die Erfindung. Tatsächlich werden
bei einer Ausführungsform
der Erfindung weniger Basisstations-Empfangskanäle (Benutzer-Sendekanäle) zugunsten
von mehr Basisstations-Sendekanälen
(Benutzer-Empfangskanälen)
zugewiesen, was zu einer eventuellen Erhöhung der Systemkapazität für eine feste
Anzahl von Kanälen
führt.
Die Fähigkeit,
diese Erhöhung
der Kapazität
zu erreichen, ist ein weiterer Aspekt, der für eine Ausführungsform der Erfindung spezifisch
ist.
-
Es
werde eine Basisstation betrachtet, die aus einer Sammlung von m
r Antennen für den Empfang von ankommenden
Signalen besteht. Eine solche Sammlung wird hier als eine Empfangsantennenanordnung
bezeichnet. Außerdem
steht eine Sammlung von
Antennen für das Senden
von Signalen zur Verfügung,
die hier als eine Sendeantennenanordnung bezeichnet wird. Im Allgemeinen
sind dies zwei physisch verschiedene Anordnungen mit unterschiedlichen
Konfigurationen und unterschiedlichen Betriebsfrequenzen. In Systemen,
in denen Empfang und Senden nicht gleichzeitig erfolgen müssen, könnte jedoch
dieselbe Anordnung sowohl als Empfangs- als auch als Sendeantennenanordnung
dienen. Ferner erfordert die Erfindung nicht, dass Senden und Empfang
auf getrennten Frequenzen erfolgen.
-
Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung können
jedem Kanal ω
i mehrere Benutzer zugewiesen sein. Der i-te
Ausgang des k-ten Mehrkanalempfängers
(der das Signal von der k-ten von m
r Antennen
empfängt) hat
die folgende Form:
wobei
- • ak(ωi, θi j) die Verstärkung und
Phasenantwort der k-ten Antenne und des Mehrkanalempfängers für den i-ten
Kanal auf ein von θ ankommendes
Signal ist, und
- • ni k(t) ein unerwünschter
Rauschterm ist, welcher Mängel
der Antenne und der Empfangsausrüstung,
Störquellen
und Rauschen beinhaltet.
-
Wenn
man die i-ten Ausgänge
der m
r Mehrkanalempfängers (welche die Signale von den m
r Antennen
empfangen) in einem Vektor zusammenfasst, erhält man die folgende Gleichung:
-
Die
obige Erörterung
betrifft die mathematische Beschreibung der Signale, die an der
Basisstation in dem SDMA-System
empfangen werden. Die Gleichungen, die das Senden von der Basisstation
in dem SDMA-System beschreiben, haben weitgehend dieselbe Struktur.
Die Sendeanordnung besteht aus
Sendeelementen. Das modulierte
Signal, das in den k-ten Sender in einem Kanal ω
i eingespeist
wird, wird mit x k / tx (ω
i,t) bezeichnet. Dieses Signal tritt in den
k-ten Sender ein, wird mit den anderen Kanälen räumlich gemultiplext, zur Trägerfrequenz
aufwärts
gemischt und von der k-ten Antenne gesendet. Aufgrund der charakteristischen
Merkmale von Sender und Antenne ist das Basisbandsignal im Kanal ω
i, das von der Antenne gesendet wird, eine
Funktion der Richtung, in welcher es in dem Medium ausgestrahlt
wird,
wobei
die Verstärkung und die Phasencharakteristiken
der k-ten Antenne und des k-ten Senders für den i-ten Kanal als eine
Funktion der Richtung θ bezeichnet.
Wenn man die i-ten Eingänge
der
Sender (welche die
Antennen speisen) in einem
Vektor zusammenfasst und die Beiträge von sämtlichen Basisbandsignalen
im Kanal ω
i addiert, erhält man die folgende Gleichung:
-
Unterschiedliche
Kanäle
werden von dieser Stufe an getrennt bearbeitet. Dieselbe Verarbeitung
(siehe
4) findet für
jeden Kanal ω
i statt. Daher wird der Index i in der folgenden
Erörterung
weggelassen, und Gleichung (0.2) kann wie folgt geschrieben werden:
-
4 zeigt
ein Blockschaltbild des SDMA-Prozessors für einen Kanal. Der Ausgang
des Empfängerblockes
(4, 42 und 7, 102, 104, 106)
ist xr(t). Dieses Signal ist ein Eingang
des Raummultiplex-Vielfachzugriff-Signalprozessors (SDMAP) (5, 48).
-
Ein
Modell des Vektors von Verstärkung
und Phasencharakteristiken für
das Empfangen, ar(θ), und Senden, a * / tx(θ), wird
als bekannt vorausgesetzt für θ in dem
interessierenden Bereich. Der SDMAP verwertet diese Informationen
zusammen mit bekannten Eigenschaften von sr(θj, t), z.B. Trainingssequenzen und konstanten
Moduleigenschaften, um:
- 1. die ankommenden
Daten auf geeignete Weise zu komprimieren (5, 160),
- 2. die Anzahl der Signale zu schätzen, die in dem Kanal vorhanden
sind (5, 164),
- 3. die Ankunftsrichtungen (DOAs) der ankommenden Wellenfronten
und andere Signalparameter zu schätzen ( 5, 170),
- 4. die Positionen der Benutzer in dem Kanal zu verfolgen (5, 174),
- 5. die räumliche
Korrelationsstruktur der empfangenen Signale, ε{s(t)s(t)*}, zu schätzen (5, 180),
- 6. ein geeignetes Schema des räumlichen Demultiplexings (5, 180)
zu berechnen, basierend auf den obigen Schätzungen und Informationen von
dem SDMA-Controller (5, 72), und den räumlichen
Demultiplexer ( 5, 46 und 7, 46)
auf geeignete Weise einzustellen, so dass einzelne ankommende Signale
getrennt werden können,
wie in 6, 50 dargestellt, und
- 7. ein geeignetes Schema des räumlichen Multiplexings (5, 180)
zu berechnen, basierend auf den obigen Schätzungen und Informationen von
dem SDMA-Controller (5, 72), und den räumlichen
Multiplexer (5, 66 und 9, 66)
auf geeignete Weise einzustellen, so dass die mehreren gesendeten
Signale an den beabsichtigten Empfangsstandorten nicht miteinander
interferieren, wie in 8 dargestellt.
-
Der
räumliche
Demultiplexer (4, 46) nimmt als Eingang
den Ausgang der Empfänger,
xr(t), und das Demultiplexing-Schema, das in dem
SDMAP berechnet wurde. Der Mehrkanalausgang des Demultiplexers enthält eine
Schätzung
der Basisbandsignale der d räumlichen
Kanäle,
sr(θj, t), j = 1, ..., d, die erhalten wird,
indem die Empfängerausgänge auf
eine geeignete Weise kombiniert werden, um das gewünschte Signal durchzulassen,
während
unerwünschte
Benutzer in demselben Kanal kohärent
unterdrückt
werden. Ferner wird der relative Betrag des Hintergrundrauschens
in dem räumlichen
Multiplexer verringert, wodurch die Qualität des Ausgangssignals, verglichen
mit gegenwärtigen
Systemen, verbessert wird. Die einzelnen Basisbandsignale werden
zu standardmäßigen Signaldemodulatoren
(4, 52) weitergeleitet, welche die Nachrichten demodulieren
und entzerren, wie es in gegenwärtigen
Systemen der Fall ist.
-
Der
räumliche
Demultiplexer ist entweder in analoger oder in digitaler Hardware
implementiert. Bei einer analogen Ausführungsform findet die Analog-Digital-(A/D-)Wandlung
in dem SDMAP statt, und bei der digitalen Ausführungsform findet die A/D-Wandlung
in den Empfängern
statt. Das räumliche
Demultiplexing wird entweder analog oder digital durchgeführt, und
die entsprechende A/D- oder D/A-Wandlung der Basisbandsignale findet
statt, um die Kopplung mit den Signaldemodulatoren zu ermöglichen.
-
Der
räumliche
Multiplexer (4, 66) verwendet als
Eingang die Basisband-Nachrichtensignale von den Signalmodulatoren
(4, 62) und das Multiplexing-Schema, das
in dem SDMAP (48) berechnet wird. Der Mehrkanalausgang
wird räumlich
gemultiplext, so dass, wenn sie zeitlich gemultiplext, aufwärts gemischt und über die
Sendeanordnung gesendet wird, die für den Benutzer in Richtung θj bestimmte Nachricht:
- 1.
in der Richtung von θj kohärent
addiert wird,
- 2. in den Richtungen der anderen Benutzer desselben Kanals kohärent unterdrückt wird,
und
- 3. in allen anderen Richtungen minimiert wird.
-
Der
räumliche
Multiplexer realisiert Obiges gleichzeitig für alle räumlichen Kanäle θj, j = 1, ..., d. Daher ist ytx(θ,t) in Gleichung
(0.6) gleich stx(θ, t) für θ = θj,
j = 1, ..., d, durch geeignete Wahl des Multiplexing-Schemas, wenn
xtx (t) gebildet wird.
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Der
räumliche
Multiplexer kann unter Anwendung entweder analoger oder digitaler
Techniken implementiert werden. Es wird eine geeignete A/D- oder
D/A-Wandlung des Eingangs/Ausgangs durchgeführt, um eine Kopplung mit dem
Signalmodulator und den Sendern zu ermöglichen.
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Einzelheiten einer speziellen Ausführungsform
der SDMA-Erfindung
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Um
die SDMA-Prozedur zu veranschaulichen, werden im Folgenden detaillierte
Beispiele der verschiedenen durchgeführten Schritte angegebenen.
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Datenkompression
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
wird eine Datenkompression durchgeführt, indem eine Kovarianzmatrix
aus den empfangenen Daten gebildet wird:
wobei
N die Anzahl der Datenvektoren (oder Momentaufnahmen) x(t
k) ist, die verwendet wurden. Eine räumliche
Glättung
und/oder Vorwärts-Rückwärts-Mittelung
die beide wohlbekannt sind, wird je nach Erfordernis durchgeführt. Diese
Operationen können
mathematisch durch eine Transformation von R ^ beschrieben werden, die
gegeben ist durch:
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Der
Signal- und der Rauschunterraum, E
s und
E
n, werden unter Anwendung wohlbekannter
mathematischer Verfahren berechnet, wie etwa von Eigendekompositionen
(Eigendecompositions, EVDs) und Singulärwertdekompositionen (Singular-Value Decompositions,
SVDs):
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Diese
Gleichungen beschreiben die Verarbeitung eines Blockes von Daten,
d.h. einen Batch-Modus (Stapelbetrieb). Stattdessen können die
Daten auch rekursiv verarbeitet werden, wobei die obigen Größen aktualisiert
werden, wenn neue Daten verfügbar
werden. Solche Verfahren sind wohlbekannt.
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Signaldetektor
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
wird eine Signaldetektion unter Anwendung statistischer Kriterien
durchgeführt,
wie etwa Minimale Länge
der Beschreibung (Minimum Description Length, MDL), Akaikes Informationskriterium
(Akaike's Information
Criterion, AIC) oder Weighted Subspace Fitting (WSF) Detektion,
die alle wohlbekannt sind. Informationen von dem SDMA-Controller,
welche die Anzahl der Quellen betreffen, die dem betreffenden Kanal
lokal zugewiesen sind, werden auch in dem Detektor verwendet, um
eine untere Schranke für
die geschätzte
Anzahl vorhandener Signale festzulegen.
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Signalparameterschätzer
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
wird ein Maximum-Likelihood-Schätzer verwendet,
um die Signalparameterschätzungen θ ^,
die Schätzung
für die
Kovarianz des Emittersignals S ^ und die Schätzung für die Rauschvarianz θ ^
2 zu erhalten. Diese werden erhalten, indem
die folgende Kostenfunktion minimiert wird:
Verfahren
für die
Durchführung
der Minimierung sind wohlbekannt. Bei anderen Ausführungsformen
können Algorithmen,
welche Signal- und Rauschunterraum verwenden, benutzt werden, um
die Signalparameter zu schätzen.
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Quellenverfolger
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
verwendet ein erweitertes Kalman-Filter (Extended Kalman Filter,
EKF) DOA-Schätzungen
von dem DOA-Schätzer
als Eingänge
und gibt Schätzungen
des kinematischen Zustands des Senders aus, d.h. seine Position
und Geschwindigkeit als Funktion der Zeit. Solche Filter sind wohlbekannt
(Chui, op. cit.). Bei einer anderen Ausführungsform werden DOA-Schätzungen
von mehreren Basisstationen, die Signale von mehreren Benutzern
empfangen, in einem EKF in dem SDMA-Controller verarbeitet, um Standortschätzungen
der Benutzer zu erhalten, und die Standortschätzungen werden von dem SDMA-Controller
zurück
zu den Basisstationen übertragen.
Bei einer weiteren Ausführungsform
werden Informationen über
die Ankunftszeit (Time-Of-Arrival, TOA), die an den Basisstationen
aus bekannten Signaleigenschaften unter Anwendung wohlbekannter,
weiter oben beschriebener Verfahren erhalten werden, zusätzlich zu
DOA-Schätzungen
verwendet, um die Benutzerstandorte zu schätzen. Im Allgemeinen ist diejenige
Ausführungsform
zu bevorzugen, welche sämtliche
verfügbaren
Informationen in Bezug auf den Standort des Senders verwertet. Die
Fähigkeit,
Benutzer unter Verwendung solcher Messungen zu lokalisieren, die
an Basisstationen vorgenommen wurden, ist für eine Ausführungsform der Erfindung spezifisch.
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Demultiplexer-Controller
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
wird eine Berechnung einer geeigneten Menge von Gewichten W
r = [w
r(θ
1)... w
r(θ
d)] durchgeführt, mit einer Menge w
r(θ
k) für
jedes Signal s
r(θ
k,t),
das zu demultiplexen ist. Die Berechnung der entsprechenden Gewichte
bei dieser Ausführungsform
erfordert eine Schätzung
von Rauschkovarianz und Signalkorrelation, aus welcher stochastische
Signalkopie-Gewichte mit robuster Struktur wie folgt berechnet werden:
und ⊙ eine elementweise
Multiplikation bezeichnet.
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Multiplexer-Controller
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
werden dieselben mathematischen Formeln, die von dem Demultiplexer-Controller
verwendet wurden, um die Demultiplexing-Gewichte zu berechnen, verwendet,
um die entsprechende Sammlung von Multilexing-Gewichten
zu berechnen. In jeder Menge
wird ein Gewicht
für jede der
Sendeantennen berechnet.
Eine Menge von Gewichten wird für
jedes zu übertragende
Signal berechnet.
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Demultiplexer
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
wird das räumliche
Demultiplexing eines Signals s
r(θ
k,t) durchgeführt, indem der Ausgang der
Empfänger
x
r(t) mit dem entsprechenden Gewicht w
r (θ
k) multipliziert wird und danach ihre Summe
gebildet wird:
-
Dieser
Prozess wird im Weiteren als Signalkopie bezeichnet.
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Multiplexer
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
wird das räumliche
Multiplexing der Sendesignale
durchgeführt, indem die einzelnen Signale
mit der entsprechenden Menge von
Multiplexing-Gewichten
multipliziert werden. Das
resultierende räumlich
modulierte Signal hat die Form
-
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SDMA-Controller
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Eine
Funktion des SDMA-Controllers ist es zu verhindern, dass es zu einer
Koinzidenz drahtloser Geräte
im (Frequenz- oder
Code-)Kanalraum, zeitlichen und räumlichen (Positions-)Raum kommt.
Je nach Erfordernis weist der Controller über standardmäßige Messaging-Schemata,
wie sie in gegenwärtigen
drahtlosen Systemen vorhanden sind, die drahtlosen Geräte an, zu
anderen (Frequenz- oder Code-)Kanälen zu wechseln. Bei einer
speziellen Ausführungsform
wird dies durchgeführt,
indem ein gewichtetes Maß der
Nähe aller Benutzer
in der Zelle berechnet wird. Paarweise Trennungen der räumlichen
Positionen von Benutzern (d.h. DOA-Differenzen) werden umgekehrt
proportional zur maximalen Strahlbreite der Empfangsantennenanordnung
an den zwei DOAs gewichtet, und das Maß der Frequenzdifferenz wird
binär bewertet,
wobei der Wert 1 genommen wird, wenn die Frequenzen verschieden
sind, und 0, wenn sie gleich sind.
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Wenn
der einem Benutzer i zugewiesene Kanal mit ω
i,
seine DOA mit θ
i(t) und die Strahlbreite der Anordnung bei
der DOA i mit
bezeichnet wird, kann ein
Abstandsmaß D
ij(t) wie folgt geschrieben werden:
wobei δ(ω
i, ω
j) gleich 1 ist, wenn ω
i = ω
j, und 0, wenn ω
i ≠ ω
j Wenn D
ij(t) < γ für irgendein
Paar von Benutzern {i, j} ist, wobei γ bei einer Ausführungsform
eine feste Konstante ist, die nahe bei eins liegt, wird eine Neuzuweisung
der Frequenz durchgeführt,
indem
ermittelt wird, wobei t
s der Zeitpunkt ist, zu welchem D
ij(t) < γ ist. Das
heißt,
es wird der Wert von k gewählt, welcher
das neue Abstandsmaß maximiert,
und der entsprechende Benutzer, entweder i oder j, wird zum Senden
zur Basisstation zum Kanal ω
k umgeschaltet. Derselbe Algorithmus wird
angewendet, um Kanäle
zu wählen,
in welchen Basisstationen an Benutzer senden, indem in Gleichung
(0.27) einfach Parameter der Empfangsantennenanordnung durch Parameter
der Sendeantennenanordnung ersetzt werden. Bei einer anderen Ausführungsform
werden Signalstärke
und Bewegungsrichtung verwendet, um robustere Umschaltstrategien zu
entwickeln. Bei alternativen Ausführungsformen wird eine ähnliche
Optimierung durchgeführt,
indem Informationen von mehreren Basisstationen an einer Basisstations-Überwachungseinheit
verwendet werden, um Sende- und Empfangskanäle zwischen den mehreren Basisstationen
und mehreren Benutzern, aus denen das drahtlose System besteht,
zuzuweisen.
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Daher
ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Erhöhung
der Kapazität
und Verbesserung der Qualität
von drahtlosen Kommunikationsnetzen bereitstellt. Die Standorte
mehrerer Quellen, die in einem gemeinsamen Kanal gleichzeitig Informationen übertragen,
können geschätzt werden,
und die einzelnen Signalwellenformen können rekonstruiert werden.
Informationen werden gleichzeitig auf einem gemeinsamen Kanal zu
den Quellen übertragen,
ohne dass eine Gleichkanalinterferenz erzeugt wird, welche andernfalls
Zweiwege-(Vollduplex-) Kommunikationsverbindungen beeinträchtigen
würde.
Ferner kann die Erfindung eine Verfolgung mobiler Quellen und eine
Verminderung der Probleme der Verbindungsumschal tung und des Signalmanagements
gewährleisten,
und sie ist mit gegenwärtigen
und zukünftigen
Modulationsschemata in drahtlosen Kommunikationssystemen kompatibel.
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Obwohl
die obige Beschreibung gewisse spezifische Details enthält, dürfen diese
nicht als Einschränkungen
des Rahmens der Erfindung ausgelegt werden, sondern vielmehr als
erläuternde
Beispiele einer bevorzugten Ausführungsform
und Anwendung derselben. Es sind viele andere äquivalente Anordnungen möglich, ohne
den Schutzbereich der beigefügten
Ansprüche
zu verlassen. Zum Beispiel können
alternative Ausführungsformen:
- 1. verwendet werden, um die Dienstgüte zu überwachen,
die von vorgeschlagenen Zellenstandorten gewährleistet wird;
- 2. verwendet werden, um die Sicherheit zu erhöhen, indem
Signale nur in bevorzugten Richtungen gesendet werden, wodurch auch
die Menge an unerwünschter
Strahlung begrenzt wird;
- 3. in mobilen Geräten
implementiert werden, wodurch die mobilen Geräte mit vielen der oben erwähnten Vorteile
ausgestattet werden und zusätzlich
die Fähigkeit
für Punkt-zu-Punkt-Dienst
zur Verfügung
gestellt wird, wobei mobile Geräte
gerichtet zueinander und voneinander senden und empfangen.
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BEZUGZEICHEN IN DEN ZEICHNUNGEN
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- 20 Sender und Empfänger des mobilen Geräts 1
- 22 Sender und Empfänger
des mobilen Geräts
2
- 24 Sender und Empfänger
des mobilen Geräts
d
- 26 Herkömmlicher
Mehrkanalempfänger
- 28 Kanal 1, Ausgang des herkömmlichen Mehrkanalempfängers
- 30 Kanal 2, Ausgang des herkömmlichen Mehrkanalempfängers
- 32 Kanal d, Ausgang des herkömmlichen Mehrkanalempfängers
- 34 Kanal 1, Eingang des herkömmlichen Mehrkanalsenders
- 36 Kanal 2, Eingang des herkömmlichen Mehrkanalsenders
- 38 Kanal d, Eingang des herkömmlichen Mehrkanalsenders
- 40 Herkömmlicher
Mehrkanalsender
- 42 Herkömmliche
Mehrkanalempfänger
- 44 Ausgänge
herkömmlicher
Mehrkanalempfänger
- 46 Räumliche
Demultiplexer
- 48 Raummultiplex-Vielfachzugriff-Signalprozessor (Spatial
Division Multiple Access Signal Processor, SDMAP)
- 50 Räumlich
demultiplexte Signale
- 52 Signaldemodulatoren
- 54 Demodulierte Signale, zum Koppelnetz
- 56 Weitverkehrsnetz
- 58 Koppelnetz
- 60 Signale vom Koppelnetz
- 62 Signalmodulatoren
- 64 Zu übertragende
modulierte Signale
- 66 Räumliche
Multiplexer
- 68 Räumlich
gemultiplexte Signale, zu den Sendern
- 70 Herkömmliche
Mehrkanalsender
- 72 Zentraler Controller (Zentrale Steuereinheit)
- 74 Steuersignale des räumlichen Multiplexers
- 76 Steuersignale des räumlichen Demultiplexers
- 78 Kommunikationsverbindung Zentraler Controller-SDMAP
- 100 Räumlich
kombinierte Signale, die an der Basisstation empfangen werden
- 102 Mehrkanalempfänger
für Antenne
1
- 104 Mehrkanalempfänger
für Antenne
2
- 106 Mehrkanalempfänger
für Antenne
mr
- 112 Kanal 1, Ausgang von Empfänger 1
- 114 Kanal 1, Ausgang von Empfänger 2
- 116 Kanal 1, Ausgang von Empfänger mr
- 120 SDMAP und räumlicher
Demultiplexer
- 122 Ausgang 1 des räumlichen
Demultiplexers
- 124 Ausgang 2 des räumlichen
Demultiplexers
- 126 Ausgang d des räumlichen
Demultiplexers
- 132 Signal 1, Eingang für Kanal 1 des räumlichen
Multiplexers
- 134 Signal 2, Eingang für Kanal 1 des räumlichen
Multiplexers
- 136 Signal d, Eingang für Kanal 1 des räumlichen
Multiplexers
- 138 SDMAP und räumlicher
Multiplexer
- 142 Signal, Eingang für Sender 1, Kanal 1
- 144 Signal, Eingang für Sender 2, Kanal 1
- 146 Signal, Eingang für SenderKanal 1
- 152 Mehrkanalsender für Antenne 1
- 154 Mehrkanalsender für Antenne 2
- 156 Mehrkanalsender für Antenne
- 160 Datenkompressor
- 162 Signale zum Signaldetektor vom Datenkompressor
- 164 Signaldetektor
- 166 Signale zum Quellenverfolger vom Datenkompressor
- 168 Signale zum Parameterschätzer vom Signaldetektor
- 170 Parameterschätzer
- 172 Signale zum Quellenverfolger vom Parameterschätzer
- 174 Quellenverfolger
- 176 Ausgänge
des Quellenverfolgers
- 178 Controller des räumlichen Demultiplexers
- 180 Controller des räumlichen Multiplexers
- 182 Ausgänge
des Verfolgers zum zentralen Controller
- 184 Signale des zentralen Controllers zum SDMAP
- 190 Basisstation 1
- 192 Verbindung Basisstation 1 – Basisstations-Überwachungseinheit
- 194 Basisstation 2
- 196 Verbindung Basisstation 2 – Basisstations-Überwachungseinheit
- 198 Verbindung Basisstation nb – Basisstations-Überwachungseinheit
- 200 Basisstation nb
- 202 SDMA-Prozessor für Kanal 1
- 204 SDMA-Prozessor für Kanal 2
- 206 SDMA-Prozessor für Kanal n
- 220 Basisstations-Überwachungseinheit
-
Die
Erfindung ist in den unabhängigen
Ansprüchen
1 und 5 definiert. Weitere Ausführungsformen
sind durch die abhängigen
Ansprüche
definiert.