-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zur Mehrfach-Antennen-Übertragung, insbesondere verwendet für die Bereitstellung einer zellularen Abwärtsstrecken-Abdeckung in einem mobilen Kommunikationsnetzwerk, und auf ein mobiles Endgerät davon.
-
Wie bekannt, haben sich zellulare Abdeckungen mobiler Telekommunikationsnetzwerke seit ihrer Erscheinung an dem Massenmarkt in den 80er Jahren schnell entwickelt.
-
Anfänglich haben diese Netzwerke hauptsächlich Sprachdienste unterstützt, aber heutzutage ist die Nachfrage nach Datendiensten zunehmend wichtig, und nun mehr verbreitet. Die technologische Entwicklung ist mithin durch die konstante Nachfrage nach Leistungssteigerung hinsichtlich Netzwerkübertragungsgeschwindigkeit und -kapazität angeregt worden.
-
Die Standardisierung schreitet nun in einer Geschwindigkeit voran, die während des letzten Jahrzehnts unüblich für den Telekommunikationsbereich war, aber nun durch die zunehmenden Frequenzbereichsanforderungen der verschiedenen neuen Datenanwendungen einen Anreiz haben, der zu der Einführung neuer Technologien führt, die eine bessere Leistung ermöglichen.
-
Der zunehmende Bedarf an Frequenzbereichen kollidiert indes mit den begrenzten Funkquellen. Tatsächlich sind die für moderne Telekommunikationsdienste verwendeten Funkfrequenzen begrenzt und werden starr wenigen Betreibern zugeordnet, die keine Frequenzen in Anspruch nehmen können, für die sie keine Lizenz haben. Demnach ist es im Allgemeinen nicht möglich, die Frequenz-Belegung zu steigern, um die kontinuierliche Steigerung des Verkehrs zu bewältigen.
-
Die technischen Lösungen, die übernommen werden können, um die Netzwerkkapazität angesichts eines bestimmten zur Verfügung stehenden Funkfrequenz-Frequenzbereiches zu steigern, können in zwei Hauptkategorien klassifiziert werden:
- – Techniken, die eine größere Frequenzwiederbenutzung erlauben, typischerweise durch Steigerung der Anzahl der Zellen (die daher kleiner und kleiner werden, so sehr, so dass sie ebenfalls als ”piko-zellulare” Abdeckungen bekannt sind);
- – Techniken, die eine effizientere Übertragung und Modulationsverfahren übernehmen, die eine Übertragung größerer Datenmengen an den zur Verfügung stehende Funkfrequenz-Frequenzbereich erlauben.
-
Die Anzahl der Zellen und Übertragungseffizienz sind aber beides Gegenstand physikalischer und ökonomischer Grenzen.
-
Die Grenzen der piko-zellularen Abdeckungen ergeben sich aus Interferenzen zwischen den Zellen, die zunehmen, wenn die Zellen näher aneinanderrücken; zudem führt die zunehmende Anzahl an Funkbasisstationen zu wesentlich höheren Übertragungskosten aufgrund der Verbindungen, die zwischen der Funkbasisstation und den Transportnetzwerkzugangspunkten bereitgestellt werden müssen. Theoretisch ist, je höher die Anzahl an Zellen in einem zellularen Netzwerk, desto größer ist der Bedarf an einer komplexen Übertragungsverteilungsinfrastruktur zum Verbinden der Funkbasisstationen, die das zellulare Netzwerk veranlasst, dazu zu neigen, einem fixen Übertragungsnetzwerk ähnlich zu sein.
-
Netzwerkverwaltungskosten werden ebenfalls höher aufgrund der Anzahl der Funkbasisstationen.
-
Gleichwohl sind ökonomische Grenzen abhängig von Erwägungen über ökonomische Vorteile und daher keine absoluten theoretischen Grenzen.
-
Hingegen kennzeichnen technische Grenzen jede gegebene Technologie in einem absoluten Weg.
-
Die erreichbaren Übertragungseffizienzgrenzen werden durch die Tatsache bestimmt, dass extreme Modulationen das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verschlechtern, bis dieses unhaltbar zur Sicherung des exakten Betriebs des Systems wird.
-
Darum werden intensive Untersuchungen durchgeführt, um die Übertragungstechnologien zu optimieren, die sich auf die Verwertung des verfügbaren Funkfrequenzbereichs in seinem größten richten.
-
Um eine Antwort auf die oben beschriebenen Probleme zu ermöglichen, sind mit der Zeit MIMO-Techniken und auf der Verwendung ”vektorieller Antennen” (ebenfalls bekannt als ”intelligente Antennen” (englisch: Smart Antenna)) oder ”Mehrfach-Antennensystem” oder ”Mehrfach-Strahlersystem” (englisch: multi-radiator system) basierende Techniken entwickelt worden.
-
Insbesondere drücken MIMO-Techniken ein Konzept aus, dass zuerst durch Arogyaswami Paulraj und Thomas Kailath 1994 vorgeschlagen wurde: diese sind auf der Verwendung von Mehrfach-Antennenübertragern und -empfängern basierende Übertragungs-/Empfangstechniken. In einer typischen Ausführungsform davon erzeugt die MIMO-Übertragung ”N” Signale auf der gleichen Trägerfrequenz, dessen Signale indes in ”räumlichen” Abständen voneinander angeordnet sind. Räumliche Trennung wird durch abstrahlende Signale von mehreren in entsprechend verschiedenen Positionen angeordneten Antennen erreicht und durch Aufgreifen der Signale durch die Verwendung eines aus mehreren Antennen, die ebenfalls räumlich in Abständen zueinander angeordnet sind, zusammengesetzten Empfangssystems auf der Hypothese, dass die verschiedenen Ausbreitungswege zwischen den Übertragungsantennen und den Empfangsantennen aufgrund der mehreren Ausbreitungswege unterschiedliche Übertragungsfunktionen haben.
-
Die Tatsache, dass ein durch eine Übertragungsantenne entstandenes Signal sich auf eine Empfangsantenne durch eine bestimmte Anzahl mehrerer Ausbreitungswege ausbreitet, ist allgemein als ”Mehrweg” bekannt.
-
Diese ”Mehrweg”-Ausbreitungsbedingung kommt normalerweise in zellularen Abdeckungen in städtischen Umgebungen vor. Durch den ”Mehrweg”-Effekt stellt sich das Signal, das an einem Punkt ankommt, bei dem eine Empfangsantenne ist, als die Summe einer bestimmten Anzahl an Signalen heraus, eine für jeden unterschiedlichen Weg, den das ursprüngliche Signal laufen kann, um an dem Empfangspunkt anzukommen. Die verschiedenen Signale sind im Wesentlichen in der Phase unterschiedlich, in der die Trägerfrequenz an dem Empfangspunkt ankommt, aufgrund der unterschiedlichen Längen der jeweiligen Ausbreitungswege.
-
Es ist daher klar, dass Fälle auftreten können, in denen Trägerfrequenzen in einer Weise aufgewogen werden, so dass sie zusammen in einer konstruktiven Art aufgerechnet werden, oder Fälle, in denen Trägerfrequenzen zusammen in einer destruktiven Art kombiniert werden. Solche Unterschiede in der Art, die Trägerfrequenzen zusammen kombiniert, hängen von dem exakten Punkt ab, an dem der Empfang auftritt, und die Effekte hiervon können sehr unterschiedlich (oder sogar gegenteilig) sein bei mit der Trägerfrequenz-Wellenlänge vergleichbaren Entfernungen, d. h. bei Entfernungen in der Größenordnung von Zentimetern für derzeitige Mobilfunknetzwerke.
-
Das zuvor beschriebene Phänomen, gemäß dem das gleiche Signal an einem Punkt stark und an einem sehr nahen anderen Punkt sehr schwach auftreten kann, ist als ”Mehrweg-Fading” oder ”schnelles Fading” bekannt.
-
Bei Zurückverweisung auf die Anwendung von MIMO-Techniken, kann beobachtet werden, dass unterschiedliche an unterschiedlichen Punkten entstandene Signale durch unterschiedliche ”Mehrwege” gekennzeichnet werden, die in unterschiedlichen ”Mehrweg-Fadings” enden.
-
Eine typische Art, um das ”Mehrweg-Fading” zu händeln, ist den Empfänger mit wenigstens zwei in einer Entfernung gleich etwa einem Viertel der Trägerfrequenz-Wellenlänge angeordnete Antennen auszustatten, so dass, wenn das zu empfangende Signal minimal an dem Empfangspunkt ist, an dem eine Antenne angeordnet ist, es nicht auch zeitgleich minimal an dem durch die andere Antenne eingenommenen Empfangspunkt sein wird.
-
In dem Fall einer MIMO-Übertragung, haben die unterschiedlichen auf der gleichen Trägerfrequenz übertragenen Signale Auswirkungen aufeinander, selbstverständlich können sie aber in dem Empfang durch die Verschiedenheit der von ihnen durchlaufenden Ausbreitungswege unterschieden werden.
-
In MIMO-Übertragungen scheinen die verschiedenen von unterschiedlichen Punkten übertragenen Signale unterschiedliche Stärken (unterschiedliche ”Fadings”) an den verschiedenen Empfangselementen des Empfängers zu haben: tatsächlich müssen in übermittelnden Systemen, die MIMO-Techniken implementieren, auch die Empfänger, nicht nur die Übertrager, Mehrfach-Antennensysteme sein.
-
Ein MIMO-System nutzt daher ”Mehrweg-Fading” aus, um zwischen unterschiedlichen, auf der gleichen Trägerfrequenz aber von verschiedenen Punkten übertragenen Signalen zu unterscheiden.
-
In dem Fall einer MIMO-Übertragung, kann man auf der Empfängerseite aus jedem Element des Empfangsantennensystems ein Signal entnehmen, das durch die Summe aller übertragenen Signale gegeben ist, jedes transformiert gemäß einer unterschiedlichen Übertragungsfunktion. Damit die ursprünglich übertragenen Signale wiederhergestellt werden, ist es daher erforderlich, ein aus so vielen Gleichungen wie die Anzahl der empfangenen Elemente in dem Empfangsantennensystem bestehendes System zu lösen.
-
Es ist klar, dass in einer nicht durch einen zufriedenstellenden und wesentlichen ”Mehrweg” charakterisierten Ausbreitungsumgebung die verschiedenen Übertragungsfunktionen alle sehr ähnlich und nahezu gleich zu einander sein würden, so dass das System unmöglich zu lösen wäre.
-
Von einem physikalischen Standpunkt aus kann angegeben werden, dass, je ähnlicher die Übertragungsfunktionen zu einander sind, die verschiedenen Signale einander umso mehr stören werden, wobei jedes eine Störung für die anderen ist und einen Beitrag dazu leisten, diese unerkennbar zu machen.
-
Um das oben erwähnte System einfacher zu lösen, um in der Lage zu sein, zwischen den verschiedenen auf der gleichen Trägerfrequenz übertragenen Signale zu unterschiedlichen, machen MIMO-Techniken auch Gebrauch von einem zusätzlichen als ”Vorkodierung” (englisch:precoding) bezeichnetem Gerät. ”Vorkodierung” berücksichtigt für die Übertragung jedes einzelnen Signals nicht nur aus einer unterschiedlichen Antenne, sondern auch mit geregelter Phasenverschiebung und Amplitude. Das Ziel der ”Vorkodierung” ist, das System der zu lösenden Gleichungen beim Empfang so einfach wie möglich zu machen: in dem extremsten und optimalen Fall wird eine Ausbreitungssituation bestimmt, wobei das zu lösende System beim Empfang gekennzeichnet ist durch eine quasi-diagonale Matrix, welche einem Fall entspricht, worin jede Empfangsantenne nur ein unterschiedliches Signal empfängt, das signifikant stark ist, wobei die anderen Signale, die durch jede Antenne empfangen werden, sehr schwach sind.
-
In differenzierteren Anwendungen verwenden MIMO-Techniken ein weiteres Gerät gemäß dem jedes einzelne Signal durch mehr als einen Strahler und die verschiedenen Komponenten (d. h. Nachbildungen des gleichen durch unterschiedliche Strahler abstrahlenden Signals) übertragen werden, die auch unterschiedlichen und einstellbare Phasen und Amplituden haben.
-
Von einem physikalischen Standpunkt aus, wie nachstehend besser erklärt wird, ist die Tatsache, dass jedes einzelne übertragene Signal durch verschiedene Strahler entsprechend dem Einleiten eines Richtwirkungseffekts in die Übertragungen der einzelnen Signale abgestrahlt wird.
-
Es sollte indes beachtet werden, dass die ”Vorkodierungs”-Parameter kontinuierlich aktualisiert werden müssen, insofern sich die ”Mehrweg-Fading”-Bedingungen sehr schnell ändern: tatsächlich ist es ausreichend, dass der Empfänger (der, es muss daran erinnert werden, üblicherweise ein Mobilfunkendgerät ist) sich nur bis ein paar Zentimeter in Richtung des Systems bewegt, um wesentlich zu variieren.
-
”Vorkodierung” muss daher auf sehr differenzierten Algorithmen zum Aktualisieren der ”Vorkodierungs”-Parameter basieren, und solche Algorithmen müssen kontinuierlich Rückmeldungsinformationen verwenden, die über den Empfänger an den Übertrager kommunizieren.
-
Vorkodierungseffizienz ist sehr wichtig, um die Leistung des Systems zu bestimmen: wie auch immer, diese Algorithmen können allgemein von einem rechenbetonten Standpunkt aus sehr aufwendig sein; aus diesen Gründen wird derzeit viel Forschungsarbeit betrieben, die sich auf die Optimierung dieses Aspekts der MIMO-Technik richtet.
-
Zusammenfassend verdankt ein MIMO-System seine Effizienz der einfachen Tatsache, dass mehrere Informationsflüsse auf der gleichen Trägerfrequenz übertragen werden können, zu Lasten der Generation vieler Störungen, die aber durch Ausnutzen des ”Mehrweg-Fadings” und der ”Vorkodierungs”-Techniken gehandelt werden können.
-
Es ist klar, dass ”Mehrweg-Fading” unerlässlich ist für den exakten Betrieb von MIMO-Systemen; somit wird die Technologie angewendet auf Ausbreitungssituationen, worin mehrere Wege viel mehr einheitlich, ohne eine übliche ”direkte” Komponente des Signals, ist, d. h. in komplexen Abdeckungssituationen. Allgemein, angesichts der von dem Signal erduldeten Schwächung aufgrund mehrerer Reflektionen, ist es vorzuziehen, dass die Übertragungsquelle Signale an dem höchstmöglichen Netzstrom aussendet, so dass es weniger problematisch wird, Abwärtsstrecken-MIMO-Übertragungen herzustellen, worin der Übermittler von den Hauptstromleitungen mit Energie versorgt werden kann, und dann die Aufwärtsstrecken-Übertragungen, wo die Netzstromquelle auf die Kapazität der Batterie der mobilen Station begrenzt ist, nachstehend auch bezeichnet als Mobil(funk)endgerät oder, einfacher, Endgerät.
-
Kurzum kann gesagt werden, dass MIMO-Techniken eine vielversprechende Lösung für das Problem der effizienteren Funkfrequenzbereichverwendung darstellen, und dass der für die Aktualisierung der ”Vorkodierungs”-Parameter verwendeten Algorithmen einen Schlüsselfaktor zum Erreichen der besten Leistung aus auf die Mobilfunksysteme angewandten MIMO-Techniken begründet.
-
Eine weitere bekannte Technik, auf der die gegenwärtige Erfindung basiert, ist die, die ”vektorielle Antennen” verwendet, besser bekannt als ”intelligente Antennen” (englisch: Smart Antennas) oder ”Gruppenantennen” (englisch: Array Antennas).
-
Die sogenannten ”vektoriellen Antennen” sind Antennen, die aus mehreren abstrahlenden Elementen (Strahler), bestehen, genau wie die Antennen, die für MIMO-Übertragungen verwendet werden.
-
Durch entsprechende Versorgung der unterschiedlichen Strahler mit Energie ist es möglich, Richtwirkungsübertragungen zu erzielen, wobei das Hervorheben elektronisch ohne die Notwendigkeit physikalischer Bewegungen des Antennensystems eingestellt werden kann.
-
”Vektorielle Antennen” können auch im Empfang verwendet werden und durch Verfahren ähnlich zu denen, die bei der Übertragung verwendet werden (d. h. die durch Phasenverschiebung durch jedes Element aufgegriffenen Signale), ist es möglich, die Signalverstärkung des Gesamtsystems in einigen Empfangsrichtungen zu steigern. Wie auch immer, die vorliegende Erfindung ist fokussiert auf Abwärtsstreckenabdeckung und daher auf Übertragungssysteme.
-
In einer Übertragung mit einer ”vektoriellen Antenne” strahlt jedes einzelne Element das gleiche durch die anderen Antennenelemente übertragene Signal ab, aber mit einer entsprechend ausgerichteten Trägerfrequenzphasenverschiebung. Aufgrund des unterschiedlichen Ausgangspunktes der verschiedenen Übertragungen kombinieren sich diese Komponenten zusammen mit einer Phasenverschiebung neu, die in Abhängigkeit von der Ausbreitungsrichtung variiert: dies tritt auf, weil die ursprüngliche Phasenverschiebungsgruppe mit der durch die Geometrie des Übertragungssystems, welches als eine Funktion der Übertragungsrichtung variiert, gegebenen Phasenverschiebung zusammengefügt wird. Es ist daher möglich, die gesamte Übertragung in einer Weise abzustimmen, so dass dort Übertragungsrichtungen sind, in denen die Interferenz maximal konstruktiv ist und andere Übertragungsrichtungen, in denen die Interferenz maximal destruktiv ist. Das System, betrachtet als Ganzes, erzeugt eine einstellbare gerichtete Antenne, die innerhalb bestimmter Winkel keine mechanischen Bewegungen benötigt, sondern nur Abgleichungen (durchzuführen mittels einer Software) der anfänglichen Phasenverschiebungen.
-
Der Effekt des Formens einer Übertragungs-Strahlungskeule (englisch: transmission lobe) in eine bestimmte Richtung ist bekannt als ”Beamforming”.
-
Es muss darauf hingewiesen werden, dass die gerichtete Kapazität (englisch: directive capacity) solcher Antennensysteme strikt der Anzahl der Antennenelemente zugeordnet ist, weil Antennen, die aus einer großen Anzahl von Elementen ausgebildet sind, mehr gerichtet sind (und daher sind gerichtete Antennen größer).
-
Aus dem oben Erwähnten ist offensichtlich, dass dort eine Analogie zwischen ”Vorkodierung” und ”Beamforming” besteht: tatsächlich ist in beiden Fällen eine Übertragung eines Signals aus mehreren unterschiedlichen Punkten, wobei eine unterschiedliche Phase auf jede Komponente angewendet werden kann. Gleichwohl dieser physikalischen Analogie sind die zwei Verfahren, d. h. ”Beamforming” und ”Vorkodierung”, in der Praxis zwei verschiedene Verfahren und sie werden als unterschiedliche Techniken betrachtet, weil sie auf verschiedene Ziele abzielen.
-
Das erste Verfahren, ”Beamforming”, wird allgemein mit einer großen Anzahl an Strahlern umgesetzt, um relativ enge Übertragungsstrahlen zu erreichen. Für eine gute Richtungswirkung, wie zuvor gesagt, ist es notwendig, eine Anzahl von Elementen in der Größenordnung von 10, oder zweckmäßiger einige 10, zu verwenden. Weiterhin kann die Phasenverschiebungen-Berechnung sehr einfach in einer offenen Schleife durchgeführt werden, wobei die Geometrie der ”vektoriellen Antenne” bekannt ist als eine Funktion der Ausbreitungsrichtungen, in welchen man die maximale Strahlung erreichen möchte.
-
Die Übertragungseffizienz einer ”vektoriellen Antenne” wird nicht durch die Tatsache beeinflusst, dass eine aus mehreren Elementen ausgebildete Antenne im Empfang verwendet wird.
-
Das zweite Verfahren, ”Vorkodierung”, kann ebenfalls mit nur wenigen Strahlern umgesetzt werden, selbst mit nur zwei Antennen (dies ist der am meisten verbreitete Fall).
-
In dem ”Vorkodierungs”-Verfahren wird allgemein Phasenverschiebungen-Berechnung in einer geschlossenen Schleife bereitgestellt, um die Trennung von zwei oder mehr Signalen an einem Mehrfach-Antennenempfangsgerät zu optimieren, welches daher den Übertrager mit einer kontinuierlichen (oder sehr häufigen) Rückmeldung zur Verfügung stellen muss.
-
Es ist klar, dass ”Vorkodierungs”-Techniken eine Anzahl an Berechnungen benötigen, die mit der Anzahl an Antennen schnell ansteigen (d. h. mit der Anzahl an Elementen, die die Antenne bilden).
-
MIMO-Techniken wurden bereits in einigen Mobilfunksystemen verwendet, und sie werden in einem größeren Ausmaß in den derzeit standardisierten Systemen verwendet werden: wie auch immer, aufgrund der Komplexität der Gestaltung kann vorhergesehen werden, dass ihre Verwendung begrenzt sein wird auf die Anwendungen mit einer reduzierten Anzahl an Antennen: dies bedeutet, dass zwei oder vier Übertragungselemente und die gleiche Anzahl an Empfangselementen größtenteils Anwendung finden werden.
-
Es sollte erwähnt werden, dass eine reduzierte Anzahl einer reduzierten Frequenz Wiederverwendung entspricht, und daher eine Begrenzung der Effizienz des Systems als Ganzes darstellt.
-
Die ”vektorielle Antennen”-Technologie, obwohl sie bereits in vielen Anwendungen ausgereift ist, wurde bisher noch nicht in zellularen Abdeckungssystemen verwendet. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Position der mobilen Station innerhalb der Zelle nicht mit der notwendigen Genauigkeit bestimmt werden könnte, noch sind irgendwelche Technologiestandards verfügbar, die die Verwendung hinreichend genauer Informationen über den Endgeräteort erlauben; weiterhin sind die in Übertragungen an zellularen Abdeckungsnetzwerken involvierte Funkwege normalerweise reflektierte Wege, und daher ist es nahezu immer nicht wahr, dass es zweckmäßig ist, in die Richtung der Übertrager-Empfängerverbindungslinie, während des Übertragens in Richtung eines Endgeräts zu übertragen.
-
Diese und andere Probleme der variablen Beschaffenheit haben die Entdeckung eines brauchbaren Verfahrens zum Bestimmen der Hinweisrichtung der Antennen in Mobilfunknetzwerken verhindert, de facto die Verhinderung der Verwendung von ”vektoriellen Antennen” für zellulare Abdeckungsanwendungen.
-
Die Industrie ist derzeit tief in den Versuch einer Kombination von MIMO-Techniken mit ”Beamforming” verwickelt, welche für ”vektorielle Antennen” typisch ist, aber all die angenommenen Lösungen wurden bislang nicht als zufriedenstellend effizient und einfach zu implementieren geprüft.
-
Tatsächlich, wie zuvor erwähnt, wenn die zur Bestimmung des ”Beamformings” benötigten Parameter (d. h. die Phasenverschiebungen gelangen bei den Komponenten des von mehreren Abstrahlungselementen übertragenen Signals zum Einsatz, um es in einer gerichteten Weise zu übertragen) in einer geschlossenen Schleife durch die Verwendung kontinuierlicher Rückmeldungen von dem Endgerät berechnet werden, ist die Berechnungskomplexität so, dass es notwendig ist, die Größenordnung der Antennen zu begrenzen (d. h. die Anzahl der abstrahlenden Elemente). Damit werden auch die potentielle Frequenzwiederverwendung und Richtwirkungsübertragung begrenzt.
-
Sollte man umgekehrt dem Weg des Bestimmens des ”Beamformings” durch Berechnung der notwendigen Phasenverschiebungsparameter in einer offenen Schleifen folgen, würde dies zu dem Problem führen, die optimale Hinweisrichtung in einer komplexen, durch viele Reflektionen gekennzeichneten Ausbreitungsumgebung korrekt wählen zu müssen.
-
Diesem letzteren Problem kann durch einige Arten der impliziten Rückmeldung von dem Endgerät begegnet werden, wobei der Ausdruck ”implizite Rückmeldung” sich hierbei auf die Tatsache bezieht, dass das Endgerät nicht explizit ein Signal überträgt, das anzeigt, wie es empfangen wird, aber solch eine Information gleichwohl erhalten wird. Es ist tatsächlich möglich, dass an dem Übertragungspunkt ebenfalls ein gerichteter Empfänger ist, der in der Lage ist, auf die Signale zu ”hören”, die von dem mobilen Endgerät kommen, welches daher zusätzlich zum Handeln als ein Empfänger ebenfalls in Richtung der Funkbasisstation übertragen muss, und die optimale Ausbreitungsrichtung bestimmt durch das Wählen der einen, in welcher die Empfangsstärke am höchsten ist.
-
-
Gleichwohl das Festlegen der für die Implementierung der darin genannten Technik notwendige Verfahrenstätigkeiten weiterhin eher komplex ist, könnte es wesentliche Vorteile erbringen: tatsächlich ist es möglich, Antennen höherer Ordnung zu implementieren und sehr interessante Niveaus der Spektrumsverwendungseffizienz zu erreichen.
-
Wie auch immer, solch eine Technik hat eine strukturelle Grenze: tatsächlich ist es erforderlich, dass die Ausbreitungskanäle symmetrisch sind, in denen die Übertragungsrichtung abhängig von der Qualität des Empfangs in der gleichen Richtung bestimmt wird.
-
Diese Annahme ist nicht allgemein wahr: tatsächlich ist es möglich (und vorteilhaft), dass die Abdeckungen der Nächsten-Generations-Netzwerke durch die Verwendung von verschiedenen, in unterschiedlichen Punkten positionierten Funkstationen gekennzeichnet sind, um die Aufwärtsstrecken-Funkübertragung (UL = vom Endgerät zu der Funkbasisstation) und Abwärtsstrecken-Übertragung (DL = von der Funkbasisstation zu dem Endgerät) zu unterstützen.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die zuvor genannten Probleme des Standes der Technik durch die Bereitstellung eines Verfahrens und eines Systems für Mehrfach-Antennen-Übertragung zu beseitigen, die insbesondere für die Bereitstellung einer zellularen Abwärtsstrecken-Abdeckung in einem mobilen Kommunikationsnetzwerk verwendet werden, die es erlauben, gleichzeitig MIMO-Techniken und gerichtete Übertragungen typisch für eine ”vektorielle Antenne” auszuführen, welche ebenfalls aus vielen Elementen ausgebildet sein können (und daher im hohen Maße gerichtet sind).
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zur Mehrfach-Antennen-Übertragung zur Verfügung zu stellen, das insbesondere zur Bereitstellung einer zellularen Abwärtsstrecken-Abdeckung in einem mobilen Kommunikationsnetzwerk verwendet wird, wobei die Berechnung und Optimierung der Parameter der ”Vorkodierungsmatrix” (d. h. das Feststellen von Parametern, die regelmäßig aktualisiert werden müssen, um eine effiziente Signalübertragung sicherzustellen) deutlich einfacher sind, als die in der Gestaltung bekannten Verfahren, sogar in dem Fall von hohen MIMO-Ordnungen.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System für Mehrfach-Antennen-Übertragung bereitzustellen, das insbesondere zum Bereitstellen einer zellularen Abwärtsstrecken-Abdeckung in einem mobilen Kommunikationsnetzwerk verwendet wird, welches eine wesentliche Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) erlaubt.
-
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System für Mehrfach-Antennen-Übertragung bereitzustellen, das insbesondere zum Bereitstellen einer zellularen Abwärtsstrecken-Abdeckung in einem mobilen Kommunikationsnetzwerk verwendet wird, welches erlaubt, die Beschränkungen der symmetrischen Abdeckung zu beheben, und damit den für die Bestimmung des ”Beamformings” benötigten Prozess weiter zu vereinfachen.
-
Diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung, welche aus der folgenden Beschreibung deutlich werden, werden erreicht durch ein Mehrfach-Antennen-Übertragungsverfahren wie in Anspruch 1 eingeführt.
-
Zusätzlich werden diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung erreicht durch ein Mehrfach-Antennen-Übertragungssystem wie in Anspruch 9 eigeführt.
-
Ebenfalls werden diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung erreicht durch ein mobiles Endgerät wie in Anspruch 10 eingeführt.
-
Bevorzugte Ausführungsformen und nicht naheliegende Varianten der vorliegenden Erfindung werden in abhängigen Ansprüchen spezifiziert.
-
Es wird sogleich deutlich, dass, was hierin beschrieben ist, Gegenstand von unzähligen Variationen und Modifikationen sein kann (z. B. in Form, Dimensionen, Anordnungen und Teilen, die äquivalente Funktionen aufweisen), ohne von dem Schutzumfang der Erfindung wie in den beigefügten Ansprüchen eingeführt, abzurücken.
-
Die vorliegende Erfindung wird mehr im Detail in Bezug auf wenige bevorzugte Ausführungsformen davon beschrieben werden, welche lediglich über den einen Weg von nicht-begrenzenden Beispielen zur Verfügung gestellt werden.
-
Das Verfahren und System für Mehrfach-Antennen-Übertragung gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht sich allgemein auf mobile Kommunikationen, insbesondere auf ein Übertragungssystem, das zum Bereitstellen der sogenannten Abwärtsstrecken Abdeckung verwendet wird (von einer Netzwerkstation zu einer mobilen Station eines Anwenders), d. h. die Funkabdeckung ist notwendig zum Herstellen von Kommunikationen von einem Netzwerk zu mobilen Endgeräten. Insbesondere, wie nachfolgend detaillierter beschrieben werden wird, macht das Verfahren und das System für Mehrfach-Antennen-Übertragung gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere Gebrauch von der ”vektoriellen Antennen”-Technologie (welche, wie zuvor gesagt, eine spezielle Technik zum Erzeugen gerichteter Antennen ist), die mit der MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output) zusammengefasst ist.
-
Das Verfahren und System gemäß der vorliegenden Erfindung basiert auf der Verfügbarkeit, welche in zukünftigen Netzwerken gesichert werden wird, von Informationen über die Position der in die Mobilfunknetzwerke eingebundenen Einrichtungen, insbesondere der durch die mobilen Endgeräte vertretenden Empfangsgeräte. Der LTE/LCS (Long Term Evolution/LoCalization Services) Standard benötigt zum Beispiel, dass die Position des Endgeräts konstant zu dem Netzwerk über die Kontrollkanäle des Systems kommuniziert wird. Diese Position kann zum Beispiel zu dem Netzwerk durch das mobile Endgerät über Erfassungsmittel des letzteren (GNSS-Ortungsgerät, Drei- oder Mehrfach-Laterationssysteme, usw.) kommuniziert werden oder es kann durch das Netzwerk über irgendein Verfahren entdeckt werden, üblicherweise in Kooperation mit dem mobilen Endgerät (z. B. Drei- oder Mehrfach-Lateration mit verschiedenen Funkbasisstationen).
-
In Zukunft kann das mobile Endgerät zum Beispiel verpflichtet sein, seine eigene Position in bestimmten Zeitintervallen (für etwaige Datenbasisaktualisierungen) zu kommunizieren, oder bei einem Zellenwechsel, oder ganz allgemein immer, wenn diese durch das Mobilfunknetzwerk zweckdienlich in Betracht gezogen werden soll. Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Positionsübertragung über eine explizite Nachfrage von der Funkbasisstation stattfinden, z. B. auf einen Funksignalkanal, falls über eine spezielle Nachfragenachricht oder wenn Signalnachrichten oder Datenpakete an das Übertragungssystem gesendet werden, z. B. das erste Mal, wenn es damit in Kontakt kommt.
-
Der LTE-Fall wird hierin als ein symbolisches Beispiel erwähnt, in dem der LTE-Standard wahrscheinlich der am weitesten gestreute Standard der zukünftigen Mobilfunknetzwerke werden wird; es kann indes vorhergesagt werden, dass eine Ortsinformation, aufgrund ihrer großen Wichtigkeit im Verhältnis zu der Entwicklung einer großen Anzahl an Dienstleistungen, in allen zukünftigen mobilen Kommunikationssystemen präsent sein wird, und indem sich diese Technologie entwickelt, eine solche Information mehr und mehr verfügbar sein wird (höchstwahrscheinlich am Anfang nur in Umgebungen mit GPS oder Galileo-Abdeckung oder in anderen Satellitenpositionierungssystemen, aber die Verfügbarkeit wird zunehmend ebenfalls in Innenumgebungen ansteigen), und sie wird zunehmend genauer über die Zeit werden.
-
Wenn die Position des Mobilfunkendgerätes bekannt ist, kann eine mit einer ”vektoriellen” Antenne ausgestattete Funkbasisstation die Übertragung direkt in die am meisten geeignete Richtung senden, um dem Mobilfunkendgerät zu erlauben, in dieser Position die dorthin gerichtete Übertragung am besten zu empfangen.
-
In einer offenen Umgebung zwischen einer Station und einem mobilen Endgerät ist die Richtung die, die durch die Station-Endgerät-Verbindungslinie bestimmt wird, wohingegen in komplexen Ausbreitungsumgebungen das System gemäß der vorliegenden Erfindung verlangt, dass die optimale Ausbreitungsrichtung von vorneherein für jeden ”Ort” des mobilen Endgeräts bekannt ist.
-
Das System der vorliegenden Erfindung umfasst daher vorteilhafterweise wenigstens eine mit wenigstens einer Abdeckungszelle des mobilen Kommunikationsnetzwerkes verbundene Datenbasis, welche die mit jedem ”Ort” oder Position, die durch den Empfänger des Mobilfunkendgeräts besetzt ist, zu verbindende Ausbreitungsrichtungen umfasst, welche in die Zellenposition übergehen können. Diese Erfindung ist nichtsdestotrotz ebenfalls auf nur eine oder mehrere Gebiete einer oder mehrerer Mobilfunkzellen anwendbar, worin es durch die Implementierung der vorliegenden Erfindung möglich ist, technische Probleme zu lösen, welche auf einem anderen Weg nicht in geeigneter Weise durch bekannte Techniken oder in einer vorteilhafteren Weise als durch die Verwendung bekannter Techniken beseitigt werden können.
-
Selbstverständlich können die Positionen, an denen ein mobiles Endgerät angeordnet sein kann, über die durch Anordnung gesicherte Genauigkeit definiert werden, welche beispielhalber in der Größenordnung weniger Meter sein kann. Es muss indes beachtet werden, dass nicht alle Positionen notwendigerweise mit dergleichen Genauigkeit definiert werden müssen; tatsächlich werden durch eine gleiche Abstrahlung ziemlich weite ”Orte” erreicht. Beispielsweise wird ein innerhalb eines Raums angeordnetes mobiles Endgerät, sogar in einem sehr großen Raum, welcher nur ein Fenster hat, durch einen in Richtung des Fensters des hypothetischen Raumes gerichteten Übertragungsstrahlung exakt erreicht werden, unabhängig von dem genauen Punkt, an dem das Endgerät in dem Raum angeordnet ist.
-
Weiterhin, wie später detaillierter diskutiert werden wird, umfasst das Mehrfach-Antennen-Übertragungsverfahren zur Abwärtsstrecken-Funkabdeckung (von der Funkbasisstation zum Endgerät) gemäß der vorliegenden Erfindung in einem mobilen Kommunikationsnetzwerk durch ein Übertragungssystem wie das zuvor beschriebene, die Schritte:
- a) Erfassen der Position des mobilen Endgerätes;
- b) Speichern der Position in der Datenbasis;
- c) Bestimmen wenigstens einer Übertragungsrichtung wenigstens eines Übertragungsstrahls von wenigstens einer der Mehrfach-Strahler-Übertragungsantennen abhängig von der in der Datenbasis gespeicherten Position, vorzugsweise durch eine Übertragungstechnik des MIMO-Typs.
-
Die Datenbasis wird in einer Netzwerkinstallierungszeit gebildet oder durch die Aktivierung passender lernfähiger Algorithmen, während das System bereits in Betrieb ist. In diesem letzteren Fall ist die Datenbasis anfänglich leer oder teilweise leer (d. h. dort sind keine Teile davon, mit denen keine Ausbreitungsrichtungen und entsprechende Übertragungsparameter verbunden sind), und daher muss die optimale Richtung durch die Verwendung von sehr teuren Verfahren bestimmt werden, die indes nur einmal für jeden ”Ort” oder Gebiete aktiviert werden müssen, der die gleiche optimale Hinweisrichtung hat. Eine geringere Effizienz in dieser Phase wird daher tolerierbar, obwohl die für das Herstellen der Verbindung benötigte Belegung der Funkquellen bezeichnend langsam ist.
-
Die Verwendung der zuvor genannten lernfähigen Algorithmen können auf vielen Techniken basieren und sie können optimiert werden und schneller und effizienter gemacht werden. Jedenfalls kann die technische Ausführbarkeit solcher Algorithmen zweifellos durch die Verwendung sehr einfacher Modalitäten sichergestellt werden, zum Beispiel durch die Verwendung einer gerichteten Übertragung, die einen weiten Winkel abfragt: in diesem Fall kann das mobile Endgerät beginnen, die mit jeder Richtung verbundene Empfangsqualität zu kommunizieren, und der Algorithmus wird die beste Richtung nur wählen müssen und diese mit der Endgerätposition in der Datenbasis in Verbindung bringen.
-
Es muss beachtet werden, dass das zuvor verwendete Prinzip zum Beschreiben eines möglichen lernfähigen Algorithmus hierin zwecks Ausführbarkeitsgründen erwähnt worden ist, aber bestimmt viele andere Verbesserungen gemacht werden können, um seine Komplexität und Ausführungszeit zu reduzieren. In jedem Fall ist die Komplexität des zuvor kurz beschriebenen Algorithmus ähnlich zu dem, der in der zuvor erwähnten Technik durch
"Tomoko Matsumoto et al." akzeptiert wird, welcher indes den Nachteil hat, dass er bei jeder Verbindung angesteuert werden muss und nicht nur in einer anfänglichen Phase zum Bestücken einer Datenbasis.
-
Algorithmen wie diese oben genannten sind nicht nur zum anfänglichen Bestücken der Datenbasis verwendbar, sie können ebenfalls regelmäßig zum Aktualisieren der Daten der Datenbasis regelmäßig verwendet werden. Tatsächlich kann die beste Übertragungsrichtung über die Zeit abhängig von Variationen in der Ausbreitungsumgebung wechseln, zum Beispiel ein neues Gebäude.
-
Auch die zum Aktualisieren der Datenbasis verwendeten Kriterien können Gegenstand der Verbesserung und Optimierung sein. Die Berechnung (oder Wiederberechnung) der besten mit einer bestimmten Position verbundenen Ausbreitungsrichtung kann unter verschiedenen Umständen stattfinden, z. B. wenn das Datum nicht vorhanden ist (am Anfang, oder wenn der Operator entscheidet, die Daten zu löschen, weil das Abdeckungsgebiet wesentlichen Änderungen in der Ausbreitungscharakteristik unterzogen wurde), oder wenn das Endgerät es fordert, weil das Signal nicht mit einer angemessenen Qualität empfangen worden ist, oder von Zeit zu Zeit, wenn das Netzwerk nicht geladen ist und Frequenzen für den Zweck der Verbesserung oder der Verfeinerung des Detailniveaus und/oder der Genauigkeit der Datenbasis verwendet wird, oder bezogen auf ein anderes Kriterium, das nach Belieben durch den Anwender definiert werden kann.
-
Durch die Verwendung der Endgerätlokalisierungsinformation ist es daher möglich, die MIMO-Technik mit der ”intelligenten Antennen”-Technik (englisch: Smart Antennas) zu kombinieren, die das Ausführen gerichteter Übertragungen erlaubt: das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst daher passende Verfahrensmittel, die mit den Übertragungsantennen und der Datenbasis kooperieren, um die Übertragungsrichtung des wenigstens einen Übertragungsstrahls abhängig von der Position zu bestimmen, vorzugsweise durch eine Übertragungstechnik des MIMO-Typs, wobei die Verfahrensmittel daher vorbereitet sind, um die Übertragungsrichtung mit der Position des mobilen Endgerätes in einer Weise in Verbindung zu bringen, so dass die Übertragungsrichtung geeignet ist, oder sogar optimal ist, den mobilen Endgerätempfänger zu erreichen.
-
Die Erfindung wird nun detaillierter bezüglich eines speziellen Falls beschrieben werden, wobei die abstrahlende Antenne aus ”M” abstrahlenden Elementen zusammengesetzt ist und ”N” der gewünschte Wiederverwendungsfaktor ist.
-
Allgemein, wenn das Mehrfach-Antennen-Übertragungssystem aus ”M” abstrahlenden Elementen (Antennen) zusammengesetzt ist und man eine Anzahl ”N” an Signalen auf eine gleiche Trägerfrequenz übertragen möchte, wird jeder der ”N” Signale ”M” mal übertragen, weil dort ”M” verfügbare Antennen sind, und die gesamte Übertragung ”N” × ”M” (komplexe) Parameter benötigen wird, wobei jeder verbindbar ist mit der Phase (und der Amplitude) an der jede einzelne Komponente des jeweils einzelnen Signals durch jedes einzelne abstrahlende Element übertragen werden wird.
-
Bei Beibehalten des konstanten Aktualisierens dieser Parameter wird die Matrix der ”N” × ”M”-Größe (bezüglich der Phasen der übertragenen Signale) besonders anspruchsvoll, weil ”N” und ”M” ansteigen und die Untersuchungen für optimale Kombinationen, welche die sind, die es einfacher machen eine Lösung zu den zu lösenden Problemen beim Empfang zu finden, ein ziemlich komplexes Thema sein können, wenn es in Echtzeit geschehen muss.
-
Wie zuvor erwähnt sind die bekannten Techniken normalerweise anwendbar in Anwesenheit von geringen Ordnungen, d. h. wenn ”N” und ”M” klein sind. Daher stellt die technische Ausführbarkeit solcher Lösungen eine Grenze an die Größe der Matrix ”N” × ”M” dar.
-
In der vorliegenden Erfindung, genauso wie in dem Stand der Technik-Dokument von
"Tomoko Matsumoto et al.", das indes nicht allgemein anwendbar ist und ein bestimmtes Niveau an Komplexität zeigt, liegt der Hauptfokus auf der physikalischen Bedeutung der ”N” × ”M”-Parameter der zuvor beschriebenen Matrix (nachstehend als ”Vorkodierungs”-Matrix bezeichnet), die auf die Vereinfachung der Berechnung der ”Vorkodierungs”-Matrix abzielt.
-
Tatsächlich verwendet die Erfindung in dieser Weise die ”vektoriellen Antennen”-Technologie, welche, in den interessantesten Implementierungen, mit der MIMO-Technologie zusammengefasst ist. Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung wird die Berechnung und Optimierung der Parameter der ”Vorkodierungs”-Matrix durch die Verwendung von bestimmten Lokalisierungsinformationen erleichtert. Diese Erleichterung besteht aus der Verwendung einer Datenbasis, die mit jeder durch ein mobiles Endgerät besetzten Position in Zusammenhang stellt, wobei die Information notwendig ist zum Konfigurieren einer ”vektoriellen Antenne”, so dass sie in die am besten passende Richtung übertragen werden kann, um die betroffenen mobilen Endgeräte zu erreichen.
-
In dieser Weise, wenn der Funkbasisstation angezeigt wird, dass ein bestimmtes mobiles Endgerät in einer bereits in der Datenbasis gespeicherten Position oder in einer als zufriedenstellend nah daran angesehenen Position ist, werden die Verfahrensmittel die Hinweisrichtung verwenden, die damit mit dem Punkt der Übertragungen in Richtung des mobilen Endgeräts verbunden ist, ohne irgendwelche Geschlossenen-Schleifenparameterberechnungen machen zu müssen, und daher die für das Herstellen der Übertragung notwendige Zeit extrem reduzieren, wenn die Parameter für eine gegebene Hinweisrichtung bekannt sind. Als Alternative oder zusätzlich zu der Information über die am besten verwendete Übertragungsrichtung, können ein oder mehrere Parameter, die notwendig sind zum Konfigurieren des optimalen Hinweises auf das Mehrfach-Antennensystem direkt in der Datenbasis gespeichert werden, damit sogar weiterhin die Zeit reduziert wird, die zwischen dem Empfang des Signalisierens von dem Endgerät und der Übertragung des folgenden Antwortsignals verstreicht, weil dieses die Notwendigkeit für das Durchführen solcher Berechnungen eliminiert oder die Komplexität davon wesentlich reduziert.
-
Es sollte beachtet werden, dass die ”M”-Parameter, die die Übertragungsphase der Komponenten jedes einzelnen Signals an den ”M”-Antennenelementen bestimmen, als ”M-1”-Werte der relativen Phasenverschiebung zwischen den variierenden Komponenten ausgedrückt werden können, und daher die ersten ”M-1”-Parameter bestimmen (aus den vorstehend erklärten Gründen), welche die Richtung der maximalen Abstrahlung sind, während ein weiterer Mter Parameter die Phase der Trägerfrequenz des Signals in der Richtung der maximalen Abstrahlung bestimmt.
-
Gemäß einer solchen Modellierung kann im Ergebnis festgestellt werden, dass der Hauptwert eines elektrischen Feldes, der mit einem gegebenen Signal mit einem relativ großen Gebiet (bestimmt durch die Abstrahlungsamplitude des Strahls) verbunden ist, eine Funktion der ”M-1”-Parameter ist, wobei die Phase der Trägerfrequenz in der Richtung der maximalen Abstrahlung eine Funktion eines einzelnen Parameters ist, und daher lediglich ein Parameter das ”schnelle Fading” beeinflusst, d. h. die Feldinhomogenität (englisch: field dishomogeneity) in kurzen mit der Wellenlänge der Trägerfrequenz vergleichbaren Distanzen.
-
Solange es nicht notwendig ist, die Parameter kontinuierlich zu aktualisieren, die die Richtung der maximalen Abstrahlung bestimmen, ist es dennoch notwendig, die Parameter kontinuierlich zu optimieren, die die Phase der Trägerfrequenz in der Richtung der maximalen Abstrahlung bestimmen. Als eine Konsequenz müssen nur die letzten Parameter mit bekannten Verfahren zum Bestimmen der ”Vorkodierungs”-Parameter durch Geschlossene-Schleifenberechnungen aktualisiert werden, wobei die bekannten MIMO-Techniken auf der Verwendung von Mehrfach-Antennensystemen im Empfang basieren, die verwendet werden zum Unterscheiden zwischen dem verwendbaren Signal und den in dem Empfangsgebiet vorhandenen Störsignalen.
-
Diese Modellierung klärt, warum die beste Auswahl des ersten ”M-1”-Parameters im Zuge eines Anrufs darin ziemlich stabil ist, dass sie nicht mit kleinen Bewegungen des mobilen Endgerätes variiert, während lediglich die Optimierung des letzten Parameters schnellere und konstantere Aktualisierungen benötigt.
-
Zusätzlich: die ersten ”M-1”-Parameter, die eine Funktion der Position des mobilen Endgeräts mit einer Annäherung der Größenordnung von Metern sind, kann theoretisch in einer offenen Schleife durch das Starten von der Endgerätposition (mit der Annäherung) berechnet werden, während lediglich der letzte Parameter mit regelmäßiger Rückmeldung von dem Endgerät aktualisiert werden muss wie in klassischen Übertragungen, die MIMO-Techniken verwenden.
-
An diesem Punkt ist klar, dass es von einem konzeptionellen Standpunkt aus notwendig ist, mit jedem Übertragungssystem eine Datenbasis zu verbinden, die wiederum die Empfängerposition mit der festzustellenden Übertragungsrichtung verbindet, und dass, die Übertragungsrichtung ist bekannt, es relativ einfach ist, die in der ”vektoriellen Antenne” festzustellenden Parameter zu berechnen, um in diese Richtung zu übertragen. Von einem praktischen Standpunkt aus ist daher klar, dass ebenfalls solche Berechnungen, obwohl sie einfach sind, vermieden werden können durch die direkte Speicherung in der Datenbasis der Übertragungsparameter, die in der ”vektoriellen Antenne” festzustellen sind, um in die gewünschte Richtung zu übertragen.
-
Mit dieser Maßnahme können die meisten der Parameter der ”Vorkodierungs”-Matrix (”M”-1 × ”N”) einfach in einer offenen Schleife berechnet werden oder, wenn sie vorberechnet worden sind und bereits in der Datenbasis verfügbar sind, müssen sie sogar gar nicht mehr berechnet werden.
-
Es sollte herausgestellt werden, dass das Durchsuchen der Datenbasis, welche offensichtlich sehr groß ist, ein einfacher Vorgang ist, weil der anfängliche zum Wiedererfassen der Daten verwendete Suchschlüssel aus der Position des mobilen Endgerätes besteht, und daher aufgrund seiner Natur ein angeordneter und anordnungsbarer Schlüssel ist.
-
Es ist offensichtlich, dass MIMO-Techniken allgemein in komplexen Ausbreitungsumgebungen anwendbar sind (so sehr, so dass sie nicht in Abwesenheit von ”Mehrweg”-Ausbreitungen arbeiten können); es ist ebenfalls offensichtlich, dass wie auch immer, solche Techniken in Umgebungen gebraucht werden, die gekennzeichnet sind durch viel Verkehr: es ist daher realistisch, die Anwendung von lernfähigen Algorithmen vorzuschlagen, wobei die optimale Ausbreitungsrichtung anfänglich mit komplexeren Annäherungen (Benötigung längerer Berechnungszeiten) bestimmt wird, und dann jede Übertragungsseite eine Abbildung von sich selbst umfasst, wo jede angenäherte Position einer vorbestimmten optimalen (zuvor gelernten) Ausbreitungsrichtung entspricht.
-
Das Übertragungssystem und -verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sind daher vorzugsweise in eine zellulare DL-Abdeckungsinfrastruktur für Mobilfunknetzwerke implementiert, wobei eine ”vektorielle Antenne” zur Bestimmung eines passenden ”Beamformings” verwendet wird, zusammen mit der MIMO-Technik mit ”Vorkodierung” (insbesondere der MU-MIMO-Technik), und wobei der Algorithmus zum Bestimmen der optimalen ”Vorkodierungsmatrix” wesentlich vereinfacht ist, wobei die ”M-1” × ”N”-Parameter in einer offenen Schleife durch Verwertung der Lokalisierungsinformation bestimmt wird, die verfügbar gemacht werden kann durch die Anwendung verschiedener Lokalisierungstechniken (auch entwicklungsmäßige), und lediglich die ”N”-Parameter kontinuierlich aktualisiert werden durch die Durchführung fortwährender in ein Rückmeldungsverfahren eingeschlossener Berechnungen, das typisch ist für MIMO-Techniken.
-
Es ist klar, dass die praktische Implementierung der Lehre der vorliegenden Erfindung an die Fähigkeit des Bestimmens der Position des Endgerätes in der Abwärtsstrecken-Zelle gebunden ist.
-
Im Ergebnis repräsentieren alle Techniken zur Lokalisierung eines mobilen Endgerätes zusätzlichen Stand der Technik, der für die Erfindung nützlich ist: es ist offensichtlich, dass dort hohe Erwartungen für zukünftige progressive Verbesserungen solcher Lokalisierungstechniken sind, von denen die Leistung der Erfindung ebenfalls profitieren kann.
-
Ein direkter Weg, wie bereits erwähnt, ist dem mobilen Endgerät, geeignet ausgestattet mit Erfassungsmitteln, die Aufgabe des Bestimmens seiner eigenen Position und der Kommunikation dieser zu dem Netzwerk, insbesondere zu der Datenbasis, durch geeignete Mittel der Kommunikation und durch geeignete Verfahren selbst zuzuweisen, einige von denen sind bereits im Standardisierungsniveau behandelt worden. Das mobile Endgerät kann seine eigene Position bestimmen auf der Basis von z. B. Lokalisierung durch das Galileo-System (wenn das letztere funktionsbereit ist oder durch ein anderes Sattelitennavigationssystem sowie zum Beispiel das GPS-System), mit welchen einige weitere Algorithmen verbunden werden können, wenn das Endgerät nicht in Sichtweite des Satelliten ist (d. h. in ”tiefen, inneren” Umgebungen angeordnet), oder durch speziell entwickelte Algorithmen, die auf Triangulationen mit terrestrischen Netzwerken basieren.
-
Zusätzlich ist es vorstellbar, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung Übergabeverfahren aktiviert um ein mobiles Endgerät von einem Funkkanal zu einem anderen während einer Übertragung zu bewegen. Tatsächlich, unter Berücksichtigung, dass die vorliegende Erfindung das Bekanntmachen aller Positionen aller durch eine Zelle aufgenommenen Endgeräte und die entsprechenden, für jedes mobile Endgerät zu verwendenden Übertragungsrichtungen erlaubt, wird es dann möglich die Übertragungen in solch einer Weise zu organisieren, so dass die gleiche Trägerfrequenz durch eine Übertragung in Richtungen so weit wie möglich in Kommunikationen mit in unerreichbaren Positionen angeordneten Endgeräten verwendet wird . Wenn zum Beispiel eine Zelle auf zwei Trägerfrequenzen überträgt und zehn mobile Endgeräte aufnimmt, wird das Netzwerk zur Organisation der Übertragungen in solch einem Weg dienen, dass die Übertragungsrichtungen in den zwei Trägerfrequenzen gewechselt werden: es ist klar, dass um diese Art der Optimierung zu unterstützen, man den Bewegungen des Endgerätes als auch den Aktivierungen und Deaktivierungen der Verbindungen folgen muss, so dass Übergaben nicht nur notwendig werden, wenn das mobile Endgerät sich bewegt, sondern auch, wenn der Zusammenhang der anderen aktiven Verbindungen wechselt.
-
Andere Modalitäten, durch die ein mobiles Endgerät mit zufriedenstellender Genauigkeit mit Blick auf eine vorteilhafte Anwendung der Lehren der vorliegenden Erfindung lokalisiert werden kann, wird bestimmt entwickelt werden, wenn nach einer Lösung für das Lokalisierungsproblem gesucht wird (welches ein separates Problem ist), z. B. durch das Hinzuziehen der ”Fingerabdruck”-Technik (basierend auf der Entwicklung von Umgebungsabbildungen in dem Detail, Punkt für Punkt, dass die Anwesenheit der elektromagnetischen Felder besondere spektrale Charakteristiken aufweisen) oder durch die Übernahme von ”Ad-hoc”-Infrastrukturen, oder durch Verfahren gemeinschaftlicher Lokalisierung.
-
Eine andere alternative Lösung ist, das Netzwerk die Position des mobilen Endgerätes abschätzen zu lassen. Diese Lösung ist bestimmt interessant, aber benötigt die Verfügbarkeit von genügend Informationen für diesen Zweck, und insbesondere benötigt es weitere Entwicklungen. Der durch die vorliegenden Erfindung herbeigeführte Hauptvorteil ist, dass sie ermöglicht, optimale Separation in dem Empfangssystem zwischen dem verwendbaren Signal und den Störsignalen zu erzielen (darin, dass die letzteren deutlich schwächer werden), sehr schnell und mit einer wesentlichen Vereinfachung der für die Übertragung durchzuführenden Berechnungen: diese Vorteile erlauben die Anzahl der Übertragungen auf Trägerfrequenzen auf der gleichen Frequenz zu steigern, wobei das tolerierbare SNR gleich ist, und die Erzeugung von komplexen Anlagen (Übertragungsantennen mit vielen Elementen und Steuerung vieler Signale auf derselben Trägerfrequenz) zu erleichtern; das letztendliche und konkrete Ergebnis ist, dass die gesamte Leistung des Systems in Anwesenheit des gleichen verfügbaren Frequenzbereichs ansteigt.
-
Ein weiterer Vorteil ist, dass während MIMO-Techniken sehr gut in Anwesenheit von komplexen ”Mehrwegen” arbeiten, es durch die Anwendung der Lehre der vorliegenden Erfindung möglich ist, diese Begrenzung zu beseitigen, weil, wenn der mobile Empfänger in Sichtweite des Übertragers ist, die einfache Anwendung des genügend gerichteten ”Beamformings” für den Empfänger ausreichend ist, um zu unterscheiden und das darauf gerichtete verwendbare Signal zu isolieren.
-
Selbstverständlich bezieht sich die vorliegende Erfindung ebenfalls auf ein Empfangsgerät, das insbesondere zu dem zuvor beschriebenen Mehrfach-Antennen-Übertragungssystem zur Abwärtsstrecken-Funkabdeckung gehört, welches dazu geeignet ist, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu implementieren.
-
Insbesondere kann das mobile Endgerät gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahrensmittel umfassen, das geeignet ist, mit der Datenbasis zusammenzuwirken, um Rückmeldungsinformationen über seinen eigenen Betrieb an das System zu übertragen, z. B. Empfangsqualität, und das System und das Verfahren verifizieren kann, dass die gesendete Empfangsqualität für die durch dieses besetzte Position wie erwartet ist und in der Datenbasis gespeichert ist: alternativ ist es möglich, eine Aktualisierung der in der Datenbasis gespeicherten Parameter zu befehlen. Das mobile Endgerät kann ebenfalls Informationen über seine eigene derzeitige, durch jede verfügbaren Mittel erfasste Position an das Übertragungssystem senden.
-
Die Erfindung erlaubt daher für die Umsetzung ein asymmetrisches Abdeckungsschema zu nutzen, welches makro-zellular in einer Abwärtsstrecke und piko-zellular in einer Aufwärtsstrecke ausgebildet ist. In ihrer bevorzugten Anwendung zeigt die Erfindung tatsächlich die am meisten interessantesten Vorteile in der DL-Abdeckung, und dies kann nützlich sein, um extreme Reduzierungen in der Größe der DL-Zellen zu vermeiden. Soweit die UL-Abdeckung berücksichtigt wird, kann man vorteilhafterweise entscheiden, die Leistung durch Steigerung der Anzahl von Empfangsstationen zu steigern.
-
Die Erfindung dient erheblich zur Verwendung der ”vektoriellen Antennen”-Technologie, und dadurch zum Beseitigen und Kontrollieren der Gründe, die bislang ihren Gebrauch gehindert haben, solche Technologie bringt allgemein Vorteile für jedes zellulare Abdeckungssystem, in dem es durch Frequenz-Wiederbenutzung begründete Zwischen-Zellen Interferenzen drastisch reduziert. Diese Tatsache hat einen positiven Einfluss auf zellulares Planen, mit positiven Effekten ebenfalls auf die Leistungsfähigkeit des Netzwerkes als Ganzes.
-
Es ist offensichtlich, dass die wichtigsten Vorteile der vorliegenden Erfindung mit der Version, die die MU-MIMO-Techniken übernimmt, erzielt werden, wobei die verschiedenen auf der gleichen Frequenz übertragenen Signale für unterschiedliche Anwender bestimmt werden, die allgemein in unterschiedlichen Punkten angeordnet sind.
-
Es muss herausgestellt werden, dass die Anwendung der Lehre der vorliegenden Erfindung zusätzlich zum Zusammenzählen der aus der Anwendung der MIMO-Techniken erzielten Vorteile und jener aus der Verwendung von ”vektoriellen Antennen” erzielten, ebenfalls die Leistung des MIMO-Empfangs wesentlich durch die Kombination dieser zwei Technologien verbessert, dadurch, dass das empfangene Signal gekennzeichnet ist durch ein sehr viel besseres SNR als das, dass der gleichen MIMO-Übertragung, durchgeführt mit nicht-gerichteten Antennen, entspricht.
-
Das Ausmaß der SNR-Verbesserung ist davon abhängig, wie die unterschiedlichen für verschiedene Anwender vorgesehenen Signale in den verschiedenen Richtungen gestreut werden: es ist klar, dass die besten Vorteile erzielt werden, wenn die Signale auf der gleichen Trägerfrequenz in Richtungen so breit wie möglich übertragen werden. Dieser letztere Effekt kann durch das Definieren neuer zellularer Abdeckungstypologien und neuer Kanalbelegungsalgorithmen optimiert werden. Zum Beispiel können Übergabeverfahren ausgeführt werden, um eine Kanalbelegung zu optimieren zur Handhabung der Bewegungen der mobilen Stationen, oder wenn Verbindungen hergestellt werden oder durch andere benachbarte Anwender ausgelöst werden.
-
Es sollte ebenfalls bemerkt werden, wie der Satz der zu übertragenden Signale auf der gleichen Trägerfrequenz gemäß der MIMO-Technik räumlich getrennt werden kann (d. h. übertragen von unterschiedlichen virtuellen physischen Punkten, somit mit unterschiedlichen ”Mehrweg-Fadings” der Trägerfrequenz an verschiedenen Empfangspunkten) oder (am wichtigsten) in verschiedenen Richtungen abgestrahlt.
-
Der MIMO-Empfänger kann daher Gebrauch machen von einer weiteren Erleichterung, die nützlich ist zur Unterscheidung zwischen den verschiedenen Signalen; tatsächlich wird das in Richtung des Empfängers gerichtete Signal allgemein stärker auftreten als die anderen, die bei der gleichen Frequenz, aber in verschiedene Richtungen übertragen werden.
-
Die Verwendung von ”vektoriellen Antennen” wie ”MIMO Mehrfach-Antennen” geben ebenfalls eine Serie von Möglichkeiten an technologischen Optimierungen und Innovationen frei für eine effiziente physikalische Implementierung solcher Mehrfach-Antennensysteme. Tatsächlich kann die Vielfalt der Elemente verwertet werden um die räumliche Trennung zu erzielen, die nützlich für MIMO-Techniken ist, und um das ”Beamforming” zu kontrollieren. Es muss herausgestellt werden, dass tatsächlich eine ”vektorielle Antenne”, die bereits ein Mehrfach-Antennensystem ist, prinzipiell wie ein MIMO-Übertrager gehandhabt werden kann.
-
Es sollte ebenfalls bemerkt werden, dass der MIMO-Empfänger theoretisch in diesem MIMO-Übertragungsmodus kombiniert mit der ”vektoriellen Antennen”-Technologie verwendet wird, ohne Hardware-Modifikationen zu benötigen; tatsächlich, wie zuvor gesagt, erlegt die Effizienz einer ”vektoriellen Antenne” keine Anforderungen auf wie die Charakteristiken des Empfängers.
-
Die bevorzugten Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung können selbstverständlich Gegenstand weiterer Modifikationen und Variationen sein, ohne von der erfinderischen Idee abzuweichen. Insbesondere wird es augenscheinlich für diese Fachleute sein, dass die vorliegende Erfindung Gegenstand vieler Variationen und Modifikationen sein kann, die funktionell gleichbedeutend zu denjenigen, die hierin beschrieben sind, welche unter den Schutzbereich der Erfindung fallen, wie in den angehängten Ansprüchen dargelegt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- ”A Proposal of DPC Beamforming for Open Loop Multiuser MIMO Transmissions” – Tomoko Matsumoto, Noriaki Miyazaki and Satoshi Konishi – KDDI R&D Laboratories, Inc. – IEEE ICC 2010 [0058]
- ”Tomoko Matsumoto et al.” [0083]
- ”Tomoko Matsumoto et al.” [0091]