DE60021342T2

DE60021342T2 - Drahtloses Kommunikationssystem mit Doppler-diversity

Info

Publication number: DE60021342T2
Application number: DE60021342T
Authority: DE
Inventors: Chaitali Sengupta; Carl M. Panasik
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: US6288674B1; EP1111811A3; EP1111811A2; EP1111811B1; DE60021342D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kommunikationssysteme und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein drahtloses Kommunikationssystem, das die Doppler-Diversity nutzt.
Zellentelephone sind in der heutigen Gesellschaft alltäglich. Folglich besteht der Wunsch, in einem gegebenen geographischen Bereich mehr Nutzer mit höheren Datenraten versorgen zu können. Außerdem wird die drahtlose Kommunikation für Dienste außer der Sprache implementiert. Zum Beispiel wird jetzt geplant und implementiert, dass die drahtlose Kommunikation von mobilen Vorrichtungen den Zugang zum Internet und zu anderen Netzen ermöglicht.
Während die Verwendungen für die drahtlose Kommunikation weiter erweitert werden, muss die Zuverlässigkeit der Kommunikation ständig verbessert werden. Ein Problem, das die Leistungsfähigkeit von Mobilkommunikationssystemen stark verschlechtert, ist der Multipfad-Schwund. Diese Erscheinung wird durch die Reflexion des Signals an mehreren Streuern verursacht. Außerdem ändert sich diese Umgebung wegen der Bewegung der mobilen Empfänger und Sender ständig.
Eine Technik, die in der Praxis verwendet wird, um den Schwund zu bekämpfen, ist die Diversity. Diversity bedeutet die Auswertung mehrerer Kopien des gesendeten Signals in dem Empfänger. Übliche Beispiele der Diversity umfassen die Zeit-Diversity, die Frequenz-Diversity (Doppler-Diversity) und die räumliche Diversity. Der mobile drahtlose Kanal liefert eine inhärente Diversity in Form mehrerer Pfade (Zeit-Diversity), die in momentanen Zellensystemen durch die Verwendung von Rake-Empfängern ausgewertet wird.
In momentanen Systemen werten Rake-Empfänger die Multipfad-Diversity durch Kombination der verschiedenen Multipfad-Komponenten aus. Allerdings nimmt die Verwendung von Rake-Empfängern an, dass sich die Kanaleigen schaften langsam über die Zeit ändern, wobei sie für Situationen mit langsamem Schwund geeignet sind. Im Ergebnis verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit bei Anwesenheit eines Doppler-Effekts, der durch schnelle Kanaländerungen wegen schneller Relativbewegung zwischen dem Sender und dem Empfänger verursacht wird.
Kürzlich ist in der Forschungsgemeinschaft eine neue Technik für CDMA-Systeme zur Auswertung schneller Kanaländerungen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit durch gemeinsame Multipfad-Doppler-Diversity-Verarbeitung vorgeschlagen worden. Diese Technik ermöglicht die maximale Auswertung der Kanal-Diversity in Szenarien mit langsamem sowie schnellem Schwund, so dass der Schwund in beiden Situationen bekämpft wird.
Die internationale Patentanmeldung Nr. WO 98/14795 beschreibt ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Anwenderendgeräts in einem Satellitenkommunikationssystem in einer niedrigen Erdumlaufbahn. Das System enthält ein Nutzerendgerät, wenigstens einen Satelliten mit einer bekannten Position und Geschwindigkeit und ein Gateway für die Kommunikation mit dem Nutzerendgerät über den Satelliten. Das Verfahren enthält die Schritte des Bestimmens eines Bereichsparameters und eines Radialgeschwindigkeitsparameters. Ein Bereichsparameter repräsentiert eine Entfernung zwischen dem Satelliten und dem Nutzerendgerät. Ein Radialgeschwindigkeitsparameter repräsentiert eine relative radiale Geschwindigkeit zwischen diesem Satelliten und dem Nutzerendgerät. Daraufhin wird anhand des Bereichsparameters, des Radialgeschwindigkeitsparameters und der bekannten Position und Geschwindigkeit des Satelliten die Position des Nutzerendgeräts auf der Erdoberfläche bestimmt.
Das US-Patent Nr. 5.535.408 beschreibt ein Verfahren für die Erfassung, Lokalisierung und Geschwindigkeitsbestimmung bewegter Objekte aus Radarrohdaten von einem kohärenten Ein- oder Mehrkanalbildsystem zur Darstellung der Erdoberfläche mit verschiedenen Rückstreuverhältnissen. In dem Verfahren werden während einer definierten Zeitdauer ununterbrochen chronologisch aufeinander folgende Azimut-Spektren gebildet, wobei durch Bestimmung der Position des Maximums der Korrelationen zwischen jeweils zwei chronologisch direkt aufeinander folgend gebildeten Azimutspektren eine Frequenzverschiebung des Rückstreuverhältnisabschnitts erhalten wird. Daraufhin werden die Frequenzverschiebungen des gesamten Radarrohdatensatzes ausgewertet, um eine Frequenzverschiebungskarte zu erzeugen.
Unter einem Aspekt gesehen nutzt die vorliegende Erfindung die Tatsache, dass künftige Zellenhandapparate, die in den Vereinigten Staaten verkauft werden, GPS-Empfänger enthalten werden, um sie an eine von der Regierung geforderte Anforderung anzupassen, Notbenachrichtigungsdienste (z. B. E911) in Mobilumgebungen zu unterstützen. Diese GPS-Einheit kann genutzt werden, um den momentanen Bewegungsvektor eines mobilen Endgeräts zu bestimmen, der ebenfalls an die Basisstation übermittelt wird. Die GPS-Informationen können verwendet werden, um das Doppler-Profil des drahtlosen Kanals zwischen der mobilen Station und der Basisstation zu schätzen.
Der momentane Bewegungsvektor (die Relativgeschwindigkeit der mobilen Station in Bezug auf die Basisstation) wird in Kenntnis der Doppler-Spreizung übersetzt, die wiederum in die Anzahl von Doppler-Komponenten übersetzt wird, die in dem Empfänger ausgewertet werden können. Die gemeinsame Kenntnis von Doppler- und Multipfad-Profilen des Kanals kann verwendet werden, um Diversity-Auswertungsschemata wie etwa das Rake-Schema, jedoch in einem zweidimensionalen Zeit-Frequenz-Rahmen, anzuwenden. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Doppler- sowie die Multipfad-Komponenten unter Verwendung einer Kombination mit maximalem Verhältnis kombiniert, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu verbessern.
Als ein Beispiel enthält ein Verfahren zur Kommunikation zwischen einer mobilen Kommunikationseinheit und einer zweiten (entweder stationären oder mobilen) Kommunikationseinheit das Bestimmen des Ortes und der Geschwindigkeit der mobilen Einheit zu einem besonderen Zeitpunkt. Diese Informationen werden vorzugsweise unter Verwendung von Informationen eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) bestimmt. Aus den GPS-Informationen kann ein Ge schwindigkeitsvektor der mobilen Kommunikationseinheit relativ zu der zweiten Kommunikationseinheit berechnet werden. Aus diesem Geschwindigkeitsvektor kann ein Doppler-Profil berechnet werden. Daraufhin könnte das System das Doppler-Profil in der Kommunikation zwischen der mobilen Kommunikationseinheit und der zweiten Kommunikationseinheit verwenden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann entweder mit einer mobilen Einheit oder mit einer stationären Einheit verwendet werden. Die Kommunikationseinheit dieses Aspekts der Erfindung nutzt Informationen des globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) in einem Doppler-Profil-Generator. Zum Beispiel werden die GPS-Informationen in einer mobilen Einheit typisch in der Vorrichtung erzeugt. Mit dem Doppler-Profil-Generator ist ein Empfänger, z. B. ein Rake-Empfänger, gekoppelt. Der Empfänger nutzt die Doppler-Profil-Informationen beim Übersetzen eines empfangenen drahtlosen Signals in Nutzerinformationen.
Besondere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt. Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen sind in den davon abhängigen Ansprüchen identifiziert.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft in Bezug auf den Stand der Technik eine Anzahl von Vorteilen. In einigen Aspekten sind dies Vorteile hinsichtlich einer verbesserten Leistungsfähigkeit des Zellensystems in einem Szenarium mit schnellem Schwund, d. h. in einem Szenarium, in dem der herkömmliche Rake-Empfänger drastisch leidet. Die Auswertung der Doppler-Diversity zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit ist in irgendeiner Situation möglich, in der die effektive Verarbeitungszeit (typisch die Symbolperiode) im Vergleich zur Änderungsrate des Kanals lang genug ist. Außerdem erleichtert die zu Grunde liegende Kanaldarstellung für die gemeinsame Multipfad-Doppler-Verarbeitung die genauere Modellierung der Signalstruktur des gewünschten sowie der interferierenden Nutzer, was zu einer verbesserten Interferenzunterdrückung führt.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
1 ein vereinfachtes Diagramm eines drahtlosen Kommunikationssystems ist;
2 eine Multipfad-Doppler-Darstellung eines drahtlosen Kommunikationskanals ist;
3 das gemessene Zeit-Frequenz-Kanalprofil eines tatsächlichen drahtlosen Kanals zeigt;
4 einen Blockschaltplan eines Senders einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 einen Blockschaltplan eines Empfängers einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 eine beispielhafte Ausführungsform einer mobilen Einheit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
7 eine beispielhafte Ausführungsform einer stationären Einheit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
8 die Berechnung der radialen Geschwindigkeit für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
9 die Berechnung der radialen Geschwindigkeit für eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
10 einen Blockschaltplan einer GPS-Einheit und eines Doppler-Profil-Generators zeigt.
Im Folgenden werden ausführlich die Herstellung und die Verwendung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen diskutiert. Allerdings ist klar, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte schaf fen, die in einer breiten Vielfalt spezifischer Kontexte verkörpert werden können. Die diskutierten spezifischen Ausführungsformen sind lediglich veranschaulichend für spezifische Arten, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und schränken den Umfang der in den Ansprüchen definierten Erfindung nicht ein.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf Kommunikationssysteme. In einem Aspekt versucht die Erfindung, die Wirkungen der Doppler-Frequenzverschiebung zwischen dem Sender und dem Empfänger in einem drahtlosen Kommunikationssystem zu mildern.
1 veranschaulicht eine vereinfachte Ansicht eines drahtlosen Kommunikationssystems 10. In dieser Figur sendet eine sendende Einheit 12 eine Nachricht an eine empfangende Einheit 14. Die sendende Einheit 12 kann entweder eine mobile Kommunikationseinheit (z. B. einen Handapparat) oder eine stationäre Kommunikationseinheit (z. B. eine Basisstation) umfassen. Gleichfalls umfasst die empfangende Einheit 14 typisch eine stationäre Kommunikationseinheit, wenn der Sender 12 eine mobile Kommunikationseinheit ist, während sie eine mobile Kommunikationseinheit umfasst, wenn der Sender 12 eine stationäre Kommunikationseinheit ist. Natürlich dienen z. B. in einer Zellentelephonanwendung der Handapparat und die Basisstation sowohl als Sender 12 als auch als Empfänger 14.
Außerdem wird angemerkt, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Situation anwendbar ist, in der sowohl der Sender 12 als auch der Empfänger 14 mobile Einheiten sind. Zum Beispiel kann die Kommunikation direkt zwischen zwei Handapparaten stattfinden. Obgleich nicht alle Vorteile implementiert werden, kann eine solche Ausführungsform der Erfindung auch angewendet werden, wenn sowohl der Sender 12 als auch der Empfänger 14 stationäre Einheiten sind.
1 veranschaulicht drei Kommunikationspfade zwischen dem Sender 12 und dem Empfänger 14. Der erste Kommunikationspfad 16 bedeutet einen direkten Pfad zwischen den zwei Einheiten. In einer idealen Welt ohne irgendwelche Reflektoren wäre dieser direkte Pfad der einzige Pfad. In der realen Welt veranlassen Hindernisse wie etwa Gebäude, Bäume u. a. dagegen Reflexionen des gesendeten Signals. Es wird angemerkt, dass der Winkelbereich der Ankunft der verschiedenen Pfade endlich ist.
In 1 sind zwei solche Hindernisse 18 und 20 gezeigt. Diese Hindernisse 18 und 20 veranlassen, dass das gesendete Signal zusätzliche Pfade 22 bzw. 24 nimmt. Da die Länge jedes der Pfade 16, 22 und 24 anders ist, kommen bei dem Empfänger 14 mehrere Kopien des ursprünglich gesendeten Signals an, wobei sich die Verzögerung jeder Kopie etwas von denen der anderen unterscheidet. Außerdem unterscheidet sich jeder Pfad in dem Zeitbereich, wenn die Signalbandbreite die Kohärenzbandbreite des drahtlosen Kanals überschreitet.
Die verschiedenen bei dem Empfänger 14 empfangenen Signale haben jeweils andere Verzögerungen und andere Dämpfungen. Im Ergebnis veranlasst die Kombination dieser Signale entweder eine konstruktive oder eine destruktive Interferenz. Diese Interferenz führt zu Schwunden und/oder zur Verstärkung des empfangenen Signals. Diese Erscheinung wird als Multipfad-Schwund bezeichnet.
Ein weiteres Problem entsteht, wenn sich der Sender 12 und der Empfänger 14 relativ zueinander bewegen. Diese Situation kann z. B. auftreten, wenn ein Teilnehmer sein Zellentelephon in einem bewegten Fahrzeug verwendet. Wegen des Doppler-Effekts beeinflusst die Geschwindigkeit einschließlich des Geschwindigkeitsbetrags und der Richtung des Fahrzeugs in diesem Fall die Frequenz des Signals, das bei dem Empfänger 14 empfangen wird.
2 zeigt eine mögliche Darstellung der Multipfad-Doppler-Komponenten des Kanals in der Zeit-Frequenz-Ebene für ein CDMA-System (System mit Codemultiplex-Vielfachzugriff). 3, die J. G. Proakis, Digital Communications, McGraw-Hill, Inc., Boston, MA., 1995, 3. Auflage, S. 767, entnommen wurde, zeigt das gemessene Zeit-Frequenz-Kanalprofil eines tatsächlichen drahtlosen Kanals.
Analog dem Rake-Empfänger ist es das Ziel, aus dem verfügbaren Kontinuum unabhängige Doppler-verschobene Komponenten zu identifizieren, um eine Doppler-Diversity zu erzeugen. Die Anzahl der Multipfad-Komponenten (L + 1) ist durch die Multipfad-Spreizung (T_m) des Kanals vorgeschrieben und die Anzahl der Doppler-Komponenten (2P + 1) ist durch die Doppler-Spreizung (B_d) definiert. Die folgenden Gleichungen helfen, die Einzelheiten des Kanalmodells zu erläutern.
Für asynchrone BPSK-Signale (Signale mit binärer Pulslagenmodulation) ist das empfangene Signal r(t) durch
gegeben, wobei K die Anzahl der Nutzer ist, x_k(t) das empfangene Signal des k-ten Nutzers mit der Verzögerung τ_k ist und n(t) additives weißes Gaußsches Rauschen ist. Hinsichtlich der Kanaldarstellungen kann das Signal des k-ten Nutzers als
ausgedrückt werden, wobei b_k(i) das i-te Bit bezeichnet, H_k ^p,l die Zeit-Frequenz-Spreizfunktion des dem i-ten Bit entsprechenden Kanals ist, wie sie von dem k-ten Nutzer gesehen wird, und u_k ^p,l die Zeit-Frequenz-verschobenen Kopien des gesendeten Signals sind. Außerdem ist T die Symbolperiode und T_c die Chipperiode. H_k ^p,l sind in 2 die Gewichtungen an jedem Gitterpunkt in der Zeit-Frequenz-Ebene.
Wie in A. M. Sayeed und B. Aazhang, "Exploiting Doppler Diversity in Mobile Wireless Communications", Conference on Informations Sciences and Systems, Baltimore, März 1997, erläutert ist, sollten CDMA-Empfänger vorzugsweise eine gemeinsame Multipfad-Doppler-Verarbeitung implementieren, um die durch den drahtlosen Kanal bereitgestellte inhärente Diversity am besten auszuwerten. Die Doppler- sowie die Multipfad-Kombinationen können unter Verwendung einer Kombination mit maximalem Verhältnis kombiniert werden, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu verbessern.
In einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine praktische Implementierung eines solchen Systems. In diesem System wird in der Kanalschätzungsphase eine Identifizierung jeder Multipfad-Doppler-Komponente geliefert. In momentanen CDMA-Systemen werden nur die Multipfad-Komponenten identifiziert, wobei sich die Anzahl dieser Komponenten gemäß der Umgebung unterscheidet. Andererseits schafft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Technik zum Identifizieren der Doppler-Komponenten. Zunächst wird die Frequenzspreizung P identifiziert, wobei diese diejenigen Punkte auf der Frequenzachse definiert, die für den entsprechenden Wert von H abgetastet werden müssen.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nutzt einen GPS-Empfänger (Empfänger eines globalen Positionsbestimmungssystems), um die Doppler-Komponenten bestimmen zu helfen. Zellenhandapparate, die in den Vereinigten Staaten verkauft werden, enthalten GPS-Empfänger, um sie an eine von der US-Regierung geforderte Anforderung (Oktober 2001) zur Unterstützung von E911 in Mobilumgebungen anzupassen und die Grundlage für eine große Vielfalt ortsbasierter Dienste zu liefern. Diese obligatorische Aufnahme des GPS kann auch auf andere Weise genutzt werden, um die Leistungsfähigkeit des gesamten Zellennetzes zu verbessern.
Die Auswertung der Doppler-Diversity kann ein leistungsfähiges Hilfsmittel sein, um schnelle Schwunde zu bekämpfen, denen künftige Generationen von Zellensystemen gegenüberstehen, während die unterstützten Fahrzeuggeschwindigkeiten zunehmen. Die momentane radiale Geschwindigkeit (die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sender und dem Empfänger, auf eine Linie zwischen den zwei projiziert), die in dem Empfänger wegen des Handapparat-GPS bekannt ist, kann verwendet werden, um das Doppler-Profil des drahtlosen Kanals zwischen dem Sender und dem Empfänger zu schätzen. Die momentane radiale Geschwindigkeit wird in Kenntnis der Doppler-Spreizung Bd übersetzt, die wiederum direkt den Wert von P gibt. Siehe T. S. Rappaport, Wireless Communications – Principles and Practice, Prentice Hall, Inc., Upper Saddle River, NJ, 1996, S. 165. Die Geschwindigkeitsinformationen geben unter Verwendung einer sehr gut bekannten Beziehung, dass B_d = v/λ ist, wobei λ die Wellenlänge ist, die Doppler-Spreizung.
Wenn die Zeit-Frequenz-Gitterpunkte (in 2) identifiziert worden sind, kann das Multipfad-Doppler-Kanalprofil unter Verwendung vorhandener Kanalschätztechniken geschätzt werden. Eine solche Kanalschätztechnik ist die Korrelation gleitender Fenster, in der ein Signal mit Hilfe der Sendung einer bekannten Folge in Bezug auf Zeit und Frequenz lokalisiert wird. Die gemeinsame Kenntnis der Doppler- und Multipfadprofile des Kanals wird verwendet, um Schemata wie etwa das Rake-Schema, die die Diversity auswerten, jedoch in einem zweidimensionalen Zeit-Frequenz-Rahmen, anzuwenden. Die Doppler- sowie Multipfad-Komponenten können unter Verwendung einer Kombination mit maximalem Verhältnis kombiniert werden, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu verbessern.
8 kann verwendet werden, um ein veranschaulichendes Verfahren zu beschreiben, wie die Doppler-Diversity verwendet werden kann. In 8 sind zwei Kommunikationseinheiten 12 und 14 in dreidimensionaler räumlicher Beziehung gezeigt. Der Einfachheit halber ist in der Figur angenommen, dass z₀ gleich z₁ ist, obgleich dies (falls die mobile Einheit 12 z. B. in einem Fahrstuhl ist) selbstverständlich keine Anforderung ist. Hier ist angenommen, dass der Empfänger 14 stationär ist (z. B. eine Basisstation) und dass der Sender 12 mobil ist (z. B. ein Handapparat). Die gleichen Prinzipien gelten, falls der Empfänger 14 mobil und der Sender 12 stationär ist.
Um das Doppler-Profil in der bevorzugten Ausführungsform zu berechnen, wird die Geschwindigkeit entlang eines Vektors zwischen den zwei Einheiten berechnet. Zunächst sollte der Ort der zwei Einheiten bestimmt werden. Da der Empfänger 14 stationär ist, ist sein Ort bekannt. Der Ort des Senders 12 kann unter Verwendung von GPS-Informationen bestimmt werden. Zweitens sollten außerdem die Relativgeschwindigkeiten der zwei Einheiten bestimmt werden. Dies kann durch Bestimmen eines Geschwindigkeitsvektors 30 der mobilen Einheit 12 ausgeführt werden. Dieser Vektor ist dreidimensional und hat Komponenten in der x-, y- und z-Richtung (z. B. in der Breiten-, Längen- und Höhenrichtung).
Drittens kann aus den Orts- und Geschwindigkeitsinformationen der zwei Einheiten 12 und 14 eine radiale Geschwindigkeit 32 bestimmt werden, die auf einen Vektor zwischen der mobilen Kommunikationseinheit 12 und der stationären Kommunikationseinheit 14 projiziert wird. Diese radiale Geschwindigkeit 32 ist ebenfalls dreidimensional. Die radiale Geschwindigkeit 32 kann wie hier diskutiert zum Berechnen des Doppler-Profils verwendet werden.
In der bevorzugten Ausführungsform werden die Orts- und Geschwindigkeitsinformationen durch eine GPS-Einheit (siehe z. B. 10) geliefert. In einer alternativen Ausführungsform könnte die GPS-Einheit nur Ortsinformationen liefern. Der Geschwindigkeitsvektor kann durch Bestimmen des Ortes der mobilen Kommunikationseinheit zu einem ersten Zeitpunkt und erneut zu einem zweiten Zeitpunkt bestimmt werden. Anhand der zwei Orte und der Zeitdifferenz kann die Geschwindigkeit der mobilen Kommunikationseinheit relativ zu der stationären Kommunikationseinheit berechnet werden.
In dem Beispiel aus 8 war angenommen worden, dass die Einheit 12 mobil ist und die Einheit 14 stationär ist. 9 veranschaulicht ein Beispiel, wo beide Einheiten mobil sind. In diesem Fall wird für die Einheit 12 ein Geschwindigkeitsvektor 30 berechnet und wird für die Einheit 14 ein zweiter Geschwindigkeitsvektor 34 berechnet. Diese Geschwindigkeiten 30 und 34 können daraufhin subtrahiert werden, um eine Relativgeschwindigkeit zu erhalten, die daraufhin auf eine Linie zwischen den zwei Einheiten projiziert wird, um den radialen Geschwindigkeitsvektor zu erhalten.
Viele Aspekte der vorliegenden Erfindung schaffen Vorteile gegenüber momentanen kommerziellen Systemen. Zum Beispiel nehmen die Rake-Empfänger in momentanen Systemen einen langsamen Schwund an und verarbeiten das empfangene Signal nur entlang der Zeitachse in 2. Die Rake-Empfänger werten lediglich die große Bandbreite von CDMA-Systemen, nicht aber das große Zeit-Bandbreite-Produkt eines solchen Systems aus. Im Ergebnis leidet die Leistungsfähigkeit von Rake-Empfängern in Anwesenheit von schnellem Schwund, der durch eine schnelle Relativbewegung zwischen der mobilen Station und der Basisstation erzeugt wird, beträchtlich. Andererseits werden künftige Generationen von Zellensystemen immer höhere Geschwindigkeiten der mobilen Einheit unterstützen wollen.
Durch die Aspekte der Erfindung werden hauptsächlich Vorteile hinsichtlich einer verbesserten Leistungsfähigkeit des Zellensystems in einem Szenarium mit schnellem Schwund geschaffen. Die Kenntnis des Bewegungsvektors einer mobilen Einheit durch GPS ermöglicht die Identifizierung der Doppler-Komponenten in dem Kanal. Die Doppler-Komponenten können in dem Empfänger kombiniert werden, um den schnellen Schwund, d. h. ein Szenarium, in dem der herkömmliche Rake-Empfänger drastisch leidet, zu bekämpfen. Die Auswertung der Doppler-Diversity zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit ist in irgendeiner Situation möglich, in der die effektive Verarbeitungszeit (typisch die Symbolperiode) im Vergleich zur Änderungsrate des Kanals lang genug ist. Außerdem erleichtert die zu Grunde liegende Kanaldarstellung für gemeinsame Multipfad-Doppler-Verarbeitung eine genauere Modellierung der Signalstruktur der gewünschten sowie der interferierenden Nutzer, was zur verbesserten Interferenzunterdrückung führt.
In 4 bzw. in 5 sind veranschaulichende Ausführungsformen eines Senders und eines Empfängers gezeigt. In der bevorzugten Ausführungsform sind der Sender und der Empfänger beide in einer einzigen Einheit enthalten. Diese Einheit kann entweder ein Handapparat oder eine Basisstation sein. Natürlich enthalten ein Handapparat und eine Basisstation verschiedene Betriebsparameter, wobei aber diese Unterschiede für diesen Aspekt der vorliegenden Erfindung nicht entscheidend sind.
Wie in 4 enthält ein Sender 400 einen digitalen Grundbandabschnitt 410 und einen analogen Grundbandabschnitt und HF-Abschnitt 420. In der veranschaulichten Ausführungsform empfängt der digitale Grundbandabschnitt 410 Daten und Steuersignale von dem Nutzer oder von dem Netz. Daraufhin kann eine digitale Verarbeitung (Kanalcodierung) wie etwa Viterbi-Codierung, Verschachtelung und Streuung ausgeführt werden. Obgleich dies nicht gezeigt ist, kann der analoge Abschnitt 420 eine Digital/Analog-Umsetzung, eine Frequenzumsetzung und eine Verstärkung enthalten.
In 5 enthält ein Empfänger 500 einen HF- und analogen Grundbandabschnitt 510, einen zweidimensionalen Rake-Empfänger 520 (d. h. einen Rake-Empfänger, der zwei Typen der Diversity, z. B. Multipfad und Doppler, nutzt) und einen Kanaldecodierer 530. Die Elemente werden verwendet, um das in der Antenne 540 empfangene Signal zu nehmen und Daten (z. B. Nutzerinformationen) zu erzeugen.
Wie in 5 veranschaulicht ist, enthält der Empfänger außerdem einen Doppler-Profil-Generator 550. Der Doppler-Profil-Generator 550 empfängt den Geschwindigkeitsvektor und verarbeitet diese Informationen, so dass sie durch den Rake-Empfänger 520 genutzt werden können. Der Geschwindigkeitsvektor wird bei der mobilen Einheit von der GPS-Einheit (nicht gezeigt) abgeleitet. Mit anderen Worten, falls der Empfänger 500 Teil des mobilen Handapparats ist, enthält der Empfänger 500 eine GPS-Einheit. Falls der Empfänger 500 andererseits Teil einer Basisstation ist, empfängt der Empfänger 500 die Geschwindigkeitsinformationen von der mobilen Einheit. In 6 und in 7 sind Beispiele des Unterschieds zwischen der mobilen Einheit und der stationären Einheit gezeigt.
6 veranschaulicht die mobile Einheit 600. In diesem Beispiel liefert die GPS-Einheit 570 z. B. unter Verwendung der in 5 gezeigten Techniken GPS-Informationen an den Empfänger 520. Außerdem liefert die GPS-Einheit 570 In formationen an den Senderabschnitt 400 der mobilen Einheit 600. Diese Informationen werden (z. B. im Datengenerator 430) richtig formatiert und daraufhin zur Sendung an den digitalen Grundbandabschnitt 410 geliefert. Die Geschwindigkeitsinformationen können entweder in der GPS-Einheit 570 oder in dem Empfänger 520 berechnet werden.
Es wird angemerkt, dass 6 eine vereinfachte Ansicht bietet, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch beschreiben soll. Selbstverständlich sind viele Änderungen und zusätzliche Einzelheiten möglich.
Eine GPS-Empfängereinheit arbeitet wie folgt. Die GPS-Satelliten befinden sich in einer Umlaufbahn um die Erde, wobei sie ihre genauen Positionen und Höhen senden. Die GPS-Empfängereinheit erfasst das Signal und misst daraufhin das Intervall zwischen der Sendung und dem Empfang des Signals, um die Entfernung zwischen dem Empfänger und dem Satelliten zu bestimmen. Wenn die GPS-Empfängereinheit diese Daten für wenigstens 3 Satelliten berechnet hat, kann ihr Ort auf der Erdoberfläche bestimmt werden.
10 zeigt eine besondere GPS-Einheit 570 gemeinsam mit einem Doppler-Profil-Generator 550. Der Blockschaltplan der GPS-Einheit 570 ist Peter H. Dana, Department of Geography, University of Texas at Austin (http://www.utexas.edu/depts/grg/gcraft/notes/gps/gps.html) entnommen. Die am 13. Dezember 1999 von dieser Website heruntergeladenen Informationen können für den Leser dieser Beschreibung von Interesse sein.
Wie nun in 7 gezeigt ist, empfängt die stationäre Einheit 700 die GPS-Informationen von einer mobilen Einheit. Zum Beispiel kann der Datenprozessor 580 so konstruiert sein, dass er aus dem durch die Einheit 700 empfangenen Datenstrom die GPS-Informationen auskoppelt. Die Umsetzung aus Ort/Zeit in Geschwindigkeit kann entweder durch die mobile oder durch die stationäre Einheit ausgeführt werden. Die ausgekoppelten Informationen werden daraufhin in den Empfänger 520 rückgekoppelt.
Obgleich Aspekte dieser Erfindung mit Bezug auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben worden sind, soll diese Erfindung nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden. Für den Fachmann auf dem Gebiet sind mit Bezug auf die Beschreibung verschiedene Änderungen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie weitere Ausführungsformen der Erfindung sichtbar. Somit sollen die beigefügten Ansprüche irgendwelche solche Änderungen oder Ausführungsformen einschließen.
Soweit Ausführungsformen der oben beschriebenen Erfindung wenigstens teilweise unter Verwendung einer software-gesteuerten programmierbaren Verarbeitungsvorrichtung wie etwa eines digitalen Signalprozessors, eines Mikroprozessors, anderer Verarbeitungsvorrichtungen, einer Datenverarbeitungsvorrichtung oder eines Computersystems implementierbar sind, ist klar, dass ein Computerprogramm zum Konfigurieren eines programmierbaren Geräts, einer programmierbaren Vorrichtung oder eines programmierbaren Systems zum Implementieren der vorstehend beschriebenen Verfahren als ein Aspekt der vorliegenden Erfindung beabsichtigt ist. Das Computerprogramm kann als Quellcode verkörpert sein und zur Implementierung in einem Verarbeitungsgerät, in einer Verarbeitungsvorrichtung oder in einem Verarbeitungssystem einer Kompilierung ausgesetzt werden oder kann z. B. als Objektcode verkörpert sein. Der Fachmann versteht leicht, dass der Begriff Computer in seinem allgemeinsten Sinn programmierbare Geräte wie etwa die oben erwähnten sowie Datenverarbeitungsvorrichtungen und Computersysteme einschließt.
Das Computerprogramm ist geeignet auf einem Trägermedium in maschinen- oder gerätelesbarer Form, z. B. in einem Festkörperspeicher oder in einem Magnetspeicher wie etwa auf einer Diskette oder auf einem Band, gespeichert, wobei das Verarbeitungsgerät das Programm oder einen Teil davon nutzt, um es für den Betrieb zu konfigurieren. Das Computerprogramm kann von einer fernen Quelle in einem Kommunikationsmedium verkörpert wie etwa als ein elektronisches Signal, als eine Funkfrequenz-Trägerwelle oder als eine optische Trägerwelle ge liefert werden. Solche Trägermedien sind ebenfalls als Aspekte der vorliegenden Erfindung beabsichtigt.

Claims

Verfahren zur Kommunikation zwischen einer mobilen Kommunikationseinheit und einer zweiten Kommunikationseinheit in einem Mobilkommunikationssystem, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen eines Ortes der mobilen Kommunikationseinheit zu einem ersten Zeitpunkt; Bestimmen eines Geschwindigkeitsvektors der mobilen Kommunikationseinheit zu dem ersten Zeitpunkt; Bestimmen einer radialen Geschwindigkeit, die auf einen Vektor zwischen der mobilen Kommunikationseinheit und der zweiten Kommunikationseinheit projiziert wird; Berechnen eines Doppler-Profils unter Verwendung der radialen Geschwindigkeit; Bestimmen eines Multipfad-Profils eines drahtlosen Pfades zwischen der mobilen Kommunikationseinheit und der zweiten Kommunikationseinheit; und Kombinieren des Doppler-Profils und des Multipfad-Profils durch Kombination mit maximalem Verhältnis, um Diversity-Auswertungsschemata auf die Kommunikation zwischen der mobilen Kommunikationseinheit und der zweiten Kommunikationseinheit anzuwenden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Bestimmen eines Ortes der mobilen Kommunikationseinheit zu einem ersten Zeitpunkt die Verwendung von Informationen eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die mobile Kommunikationseinheit und die zweite Kommunikationseinheit über einen Codemultiplex-Vielfachzugriff (CDMA) kommunizieren.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Verwenden des Doppler-Profils bei der Kommunikation das Verwenden des Doppler-Profils beim Empfangen einer Kommunikation von der mobilen Kommunikationseinheit umfasst.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Verwenden des Doppler-Profils in der Kommunikation das Verwenden des Doppler-Profils beim Empfang einer Kommunikation von der zweiten Kommunikationseinheit umfasst.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Berechnen eines Doppler-Profils das Berechnen einer Doppler-Spreizung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Berechnen eines Doppler-Profils ferner das Berechnen einer Anzahl von Doppler-Komponenten aus der Doppler-Spreizung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Doppler-Komponenten unter Verwendung einer Korrelationstechnik gleitender Fenster berechnet werden.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die zweite Kommunikationseinheit eine stationäre Kommunikationseinheit ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die zweite Kommunikationseinheit eine mobile Kommunikationseinheit ist.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner umfasst: Bestimmen eines Ortes der zweiten Kommunikationseinheit zu dem ersten Zeitpunkt; und Bestimmen eines Geschwindigkeitsvektors der zweiten Kommunikationseinheit zu dem ersten Zeitpunkt; wobei die radiale Geschwindigkeit einen Beitrag des Geschwindigkeitsvektors der mobilen Kommunikationseinheit und der zweiten Kommunikationseinheit enthält.
Verfahren nach Anspruch 11, wenn abhängig von Anspruch 2, bei dem der Ort der zweiten Kommunikationseinheit unter Verwendung von GPS-Informationen bestimmt wird.
Drahtloser Empfänger (500), mit: einer analogen Schaltung (510), die so angeschlossen ist, dass sie ein ankommendes Signal von einer Antenne (540) empfängt; einem Empfänger (520), der mit der analogen Schaltung (540) gekoppelt und so betreibbar ist, dass er das ankommende Signal manipuliert; einem Doppler-Profil-Generator (550), der mit dem Empfänger (520) gekoppelt ist und Doppler-Diversity-Informationen für den Empfänger bereitstellt; einem Multipfad-Profil-Generator (560), der mit dem Empfänger gekoppelt ist und Multipfad-Diversity-Informationen für den Empfänger bereitstellt; wobei der Empfänger (520) unter Verwendung der Doppler-Informationen und der Multipfad-Informationen eine Kombination mit maximalem Verhältnis ausführt; und einem Kanaldecodierer (530), der mit dem Empfänger (520) gekoppelt ist und einen digitalen Datenausgang enthält, der Daten auf der Grundlage des ankommenden Signals transportiert.
Drahtloser Empfänger nach Anspruch 13, bei dem der Doppler-Profil-Generator (550) die Doppler-Diversity-Informationen wenigstens teilweise aus einem Geschwindigkeitsvektor ableitet, der aus Informationen eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) berechnet wird.
Drahtloser Empfänger nach Anspruch 14, bei dem die analoge Schaltung (510) einen HF-Abschnitt und einen analogen Grundbandabschnitt enthält.
Drahtloser Empfänger nach Anspruch 14 oder 15, bei dem der Empfänger (520) einen Rake-Empfänger umfasst.
Drahtloser Empfänger nach Anspruch 16, bei dem der Empfänger (520) einen zweidimensionalen Rake-Empfänger umfasst, der sowohl Multipfad-Diversity als auch Doppler-Diversity auswertet.
Drahtloser Empfänger nach Anspruch 16 oder 17, bei dem der Rake-Empfänger einen Fingerabschnitt enthält, der Informationen von dem Doppler-Profil-Generator (550) empfängt.
Drahtloser Empfänger nach Anspruch 18, bei dem der Fingerabschnitt ferner Informationen von einem Multipfad-Profil-Generator (560) empfängt.
Drahtloser Empfänger nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem der Kanaldecodierer (530) umfasst: einen Entschachtler, der einen Eingang besitzt, der mit einem Ausgang der Einheit für die Kombination mit maximalem Verhältnis gekoppelt ist; und einen Viterbi-Decodierer, der einen Eingang besitzt, der mit einem Ausgang des Entschachtlers gekoppelt ist.
Drahtloser Empfänger nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei der drahtlose Empfänger Teil einer mobilen Einheit ist und wobei der drahtlose Empfänger ferner eine GPS-Einheit (570) aufweist, die mit dem Doppler-Profil-Generator (560) gekoppelt ist.
Drahtloser Empfänger nach Anspruch 21, bei dem die mobile Einheit ferner einen Sender (400) aufweist, der die GPS-Informationen für eine stationäre Einheit bereitstellt.
Drahtloser Empfänger nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei der drahtlose Empfänger Teil einer stationären Einheit ist und wobei die GPS-Informationen von einer mobilen Einheit zu der stationären Einheit gesendet werden.
Drahtloser Empfänger nach einem der Ansprüche 13 bis 20 oder Anspruch 23, wobei der drahtlose Empfänger Teil einer Basisstation ist.
Mobile Kommunikationsvorrichtung (600), mit: einer Einheit (570) mit globalem Positionsbestimmungssystem (GPS); einem Doppler-Profil-Generator (550), der einen Eingang besitzt, der mit einem Ausgang der GPS-Einheit gekoppelt ist; einem Multipfad-Profil-Generator (560); und einem Empfänger (520), der einen Eingang besitzt, der mit einem Ausgang sowohl des Doppler-Profil-Generators (550) als auch des Multipfad-Profil-Generators (560) gekoppelt ist, wobei der Empfänger (560) Doppler-Informationen und Multipfad-Profil-Informationen mit maximalem Verhältnis kombiniert, wenn er ein empfangenes drahtloses Signal in digitale Daten übersetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der der Empfänger (520) einen Rake-Empfänger enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 26, bei der die mobile Kommunikationsvorrichtung ein Zellentelephon enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 27, bei der die mobile Kommunikationsvorrichtung (600) in einem System mit Codemultiplex-Vielfachzugriff (CDMA) verwendet wird.
Computerprogramm, das computer- oder maschinenlesbare Computerprogrammelemente enthält, um einen Computer so zu konfigurieren, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 implementiert ist.
Computerprogramm, das computer- oder maschinenlesbare Computerprogrammelemente enthält, die übersetzbar sind, um einen Computer so zu konfigurieren, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 implementiert ist.
Trägermedium, das ein Computerprogramm nach Anspruch 29 oder 30 trägt.