DE10009150A1 - Datenübertragungsverfahren und -system - Google Patents

Datenübertragungsverfahren und -system

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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung schafft ein Datenübertragungsverfahren, insbesondere zur Verwendung in einem CDMA-System im TDD-Betrieb, wobei ein Datensignal in Form eines Datenstroms von Datenbursts verschiedener Nutzer (N1-NK) zwischen einer ersten Station (BS) und einer zweiten Station (MS) über eine Mehrzahl von Antennen (A1-AN) übertragen wird und wobei in Zusammenhang mit dem jeweiligen Datenburst ein Referenzsignal gesendet wird. In einem ersten Schritt wird ein Referenzsignal von der zweiten Station (MS) an die erste Station (BS) gesendet. In einem zweiten Schritt wird in der ersten Station (BS) eine Kanalschätzung (KS), basierend auf dem von der zweiten Station (MS) empfangenen Referenzsignal, durchgeführt. In einem dritten Schritt sendet die erste Station (BS) einen Datenburst an die zweite Station (MS) über die Mehrzahl von Antennen (A1-AN), wobei die Sendesignale verschiedener Antennen mit verschiedenen Amplituden- und Phasenfaktoren (A¶n¶, phi¶n¶) entsprechend der Kanalschätzung modifizierbar sind.

Description

STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Datenübertragungsverfahren und system, insbesondere zur Verwendung in einem CDMA-System im TDD-Betrieb, wobei ein Datensignal in Form eines Daten­ stroms von Datenbursts verschiedener Nutzer zwischen einer ersten Station und einer zweiten Station über eine Mehrzahl von Antennen übertragen wird und wobei in Zusammenhang mit dem jeweiligen Datenburst ein Referenzsignal gesendet wird.
Obwohl prinzipiell auf beliebige Datenübertragungen anwend­ bar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zu Grunde liegende Problematik in Bezug auf ein zellulares CDMA-Datenübertragungssystem (CDMA = Code Division Multiple Access) erläutert, die einen Übertragungsmodus verwenden, der die Übertragung eines Referenzsignals erfordert.
Durch Code-Vielfachzugriff (CDMA = Code Division Multiple Access) lassen sich mehrere Datenströme gleichzeitig über ein gemeinsames Frequenzband übertragen. Dabei werden die zu übertragenden Symbole der Datenströme mit sogenannten Spreizungscodes moduliert.
Die mit verschiedenen Codes gleichzeitig übertragenen Da­ tenströme stören sich i. a. gegenseitig: Mehrwegeausbreitung führt zur Überlagerung von nacheinander gesendeten Daten­ symbolen (inter symbol interference, ISI). CDMA-Kodierung und Mehrwegeausbreitung sind die Ursache von Mehrfachnut­ zerinterferenz (multiple access interference, MAI).
Die Interferenzen lassen sich z. B. im Empfänger eliminie­ ren, wenn dort die Impulsantwort des Kanals bekannt ist, wie aus K. D. Kammeyer: "Nachrichtenübertragung", 2. Aufl., Reihe Informationstechnik, Teubner, Stuttgart, 1996 und aus A. Klein, G. K. Kaleh und P. W. Baier: "Zero Forcing and Minimum Mean-Square-Error Equalization for Multiuser Detection in Code Division Multiple Access Channels", IEEE Trans. Vehic. Tech., Bd. 45 (1996), 276-287 entnehmbar. Die Kanalimpulsantwort kann z. B. im Empfänger aus einem empfan­ genen Referenzsignal geschätzt werden.
Um eine konstant gute Übertragung zu gewährleisten, kann man auch Daten über mehrere Mobilfunkkanäle gleichzeitig übertragen. Dies läßt sich mit mehreren Sendeantennen er­ reichen (Sendeantennendiversität). Solche Sendeantennendi­ versität verbessert die Qualität von Mobilfunkkanalübertra­ gungen in bemerkenswerter Weise.
Für CDMA-Mobilfunksysteme im TDD-Bereich sind folgende Sen­ deantennendiversität-Schemata für die Vorwärtsstrecke (Downlink), also z. B. von einer Basisstation zu einer Mo­ bilstation, bekannt.
Beim Transmit Adaptive Array (TxAA) gemäß Motorola: "Trans­ mit Diversity Schemes applied to the TDD mode (II)", 3GPP TSG RAN WG1 document TSGR1#5(99)632 werden die Signale der einzelnen Nutzer vor ihrer Summation im Basisband mit einem Phasen- und Amplitudenfaktor modifiziert. Die Faktoren sind nutzer- und antennenspezifisch.
Bei der Selection Transmit Diversity (STD) gemäß Motorola: "Transmit Diversity Schemes applied to the TDD mode (II)", 3GPP TSG RAN WG1 document TSGR1#5(99)632 werden die Signale der einzelnen Nutzer immer nur über eine Antenne abge­ strahlt. Für verschiedene Nutzer können verschiedene Anten­ nen gewählt werden.
Bei der Phase Alignment Transmit Diversity (PATD) gemäß Mo­ torola: "Transmit Diversity Schemes applied to the TDD mode", 3GPP TSG RAN WG1 document TSGR1#3(99)186 werden die Gesamtantennensignale im Basisband mit einem Phasenfaktor modifiziert. Der Faktor kann für verschiedene Antennen ver­ schieden sein. Er ist für alle Nutzer an einer Antenne identisch.
Bei all diesen Schemata werden die Übertragungsqualitäten der Mobilfunkkanäle in der Gegenstrecke im Sender bestimmt. Aufgrund der gemessenen Qualitäten werden dann die Parame­ ter der Schemata gewählt (Closed Loop-Technik).
Um mit TxAA oder STD versendete Daten nach einem Joint De­ tection-Verfahren (JD), detektieren zu können, ist es er­ forderlich, im Empfänger für jeden Nutzer eine eigene Ka­ nalschätzung vorzunehmen.
Bei Verwendung von PATD muß in der Vorwärtsstrecke im JD- Empfänger nur ein Kanal geschätzt werden. Gegenüber TxAA und STD hat PATD jedoch den Nachteil keine Amplitudenmodi­ fizierungen zur Optimierung der Übertragung zu verwenden.
Übliche Diversity-Verfahren zur CDMA-Übertragung in der Vorwärtsstrecke im TDD-Betrieb erfordern also entweder einen hohen Kanalschätzungsaufwand im Empfänger (TxAA = Transmit Adaptive Array, STD = Selection Transmit Diver­ sity) oder sollten qualitativ weiter verbessert werden (PATD = Phase Alignment Transmit Diversity).
VORTEILE DER ERFINDUNG
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee be­ steht darin, daß die Sendesignale der einzelnen Antennen sowohl in ihrer Phase als auch ihrer Amplitude modifiziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des An­ spruches 1 bzw. die entsprechende Vorrichtung nach Anspruch 6 weisen den besonderen Vorteil auf, daß eine Verbesserung der Datenübertragung durch Senden über mehrere Antennen oh­ ne Notwendigkeit mehrerer Kanalschätzungen in der Vorwärtsstrecke beim JD-Empfang erzielbar ist. Bei Verwendung des Verfahrens in der Vorwärtsstrecke muß im JD-Empfänger nur eine Kanalschätzung vorgenommen werden. Insbesondere ist eine bessere Übertragung als bei Verwendung von PATD mög­ lich.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil­ dungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden die Phasen- und Amplitudenfaktoren während aufeinanderfolgender Zeitab­ schnitte konstant gehalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Phasenfaktoren ϕn und Amplitudenfaktoren An so gewählt, daß eine Maximierung des Produkts
durch Variation der antennenspezifischen Phasen ϕn und Amplituden An unter den Nebenbedingungen
erzielt wird, wobei der Kanalschätzungskoeffizient größter Leistung des Kanals von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer mit αn k bezeichnet ist und wobei gilt: n = 1, . . ., N und k = 1, . . ., K mit N = Anzahl der Antennen und K = Anzahl der Nutzer.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die ers­ te Station eine Basisstation und die zweite Station eine Mobilstation eines Mobilfunksystems im TDD-Betrieb, insbe­ sondere eines UMTS-Mobilfunksystems.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Übertragung mittels dem CDMA-Verfahren durchgeführt.
ZEICHNUNGEN
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Senden von Daten über eine Mehrzahl von Antennen; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs einer Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zum Senden von Daten über eine Mehrzahl von Antennen unter Benut­ zung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
In Fig. 1 und 2 bezeichnen N1 bis NK jeweilige Nutzer der Vorrichtung, 101 bis 10K einen jeweiligen Addierer, 201 bis 20K einen jeweiligen Multiplizierer, A1 bis AN sowie AM ei­ ne jeweilige Antenne, BS eine Basisstation, MS eine Mobil­ station, S einen Sendeschritt, KS einen Kanalschätzschritt, SDIV einen Sendeschritt mit Antennendiversität und E einen Empfangsschritt.
Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um ein UMTS(Universal Mobile Telephone System)-System im TDD- Betrieb, wobei ein Datensignal in Form eines Datenstroms von Datenbursts verschiedener Nutzer zwischen einer Basis­ station BS und einer Mobilstation MS über die Mehrzahl von Antennen A1-AN übertragen wird und wobei in Zusammenhang mit dem jeweiligen Datenburst ein Referenzsignal gesendet wird.
Das Senden mit Sendeantennendiversität wird dabei folgen­ dermaßen realisiert.
Es findet zunächst eine Schätzung der Kanäle aller Nutzer N1 bis NK in der Rückwärtsstrecke durch die Basisstation BS anhand eines von der Mobilstation gesendeten Referenzsig­ nals in üblicher Weise statt.
Danach wird eine Bestimmung des Kanalpfades jeweils höchs­ ter Leistung für jeden Nutzerkanal durchgeführt. Der zuge­ hörige Kanalschätzungskoeffizient des Kanals von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer sei mit αn k bezeichnet, wobei gilt: n = 1, . . ., N und k = 1, . . ., K mit N = Anzahl der An­ tennen und K = Anzahl der Nutzer (jeweils natürliche Zah­ len).
Dann wird eine Maximierung des Produkts
durch Variation der antennenspezifischen Phasen ϕn und Amplituden An unter den Nebenbedingungen
durchgeführt.
Anschließend erfolgt die Sendung des durch die Phase ϕn und die Amplitude An modifizierten Gesamt-CDMA-Signals An . ei ϕ n . s(t), wobei s(t) = Gesamt-CDMA-Signal, über die n-te Sendeantenne der Vorwärtsstrecke, wie in Fig. 1 gezeigt, an die Mobilstation.
Abb. 2 zeigt den zeitlichen Ablauf des Datenübertragungs­ verfahrens. Gegenüber PATD variiert dieses Verfahren nicht nur die antennenspezifischen Phasen ϕn, sondern auch die Amplituden An.
Zunächst sendet die Mobilstation MS einen Datenburst mit einem Referenzsignaldatenblock an die Basisstation BS, wel­ che diesen zur Kanalschätzung verwendet. Basierend auf dem Ergebnis der Kanalschätzung führt die Basisstation die Ka­ nalschätzung KS durch. Dann erfolgt das oben erläuterte Senden von Daten mit Antennendiversität SDIV von der Basis­ station an die Mobilstation und der dortige Empfang E.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise mo­ difizierbar.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren in allen Datenübertragungssystemen angewendet werden und ist nicht auf CDMA-Datenübertragungssysteme im TDD-Modus beschränkt.
Auch kann das Ermittlungsverfahren für die Amplituden und Phasen variiert werden.

Claims (10)

1. Datenübertragungsverfahren, insbesondere zur Verwen­ dung in einem CDMA-System im TDD-Betrieb, wobei ein Daten­ signal in Form eines Datenstroms von Datenbursts verschie­ dener Nutzer (N1-NK) zwischen einer ersten Station (BS) und einer zweiten Station (MS) über eine Mehrzahl von Antennen (A1-AN) übertragen wird und wobei in Zusammenhang mit dem jeweiligen Datenburst ein Referenzsignal gesendet wird; und wobei weiterhin
  • a) in einem ersten Schritt ein Referenzsignal von der zweiten Station (MS) an die erste Station (BS) gesendet wird;
  • b) in einem zweiten Schritt in der ersten Station (BS) eine Kanalschätzung (KS) basierend auf dem von der zweiten Station (MS) empfangenen Referenzsignal durchgeführt wird; und
  • c) in einem dritten Schritt die erste Station (BS) einen Datenburst an die zweite Station (MS) über die Mehrzahl von Antennen (A1-AN) sendet, wobei die Sendesignale verschiedener Antennen mit verschiedenen Amplituden- und Phasenfakto­ ren (An, ϕn) entsprechend der Kanalschätzung modifizierbar sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen- und Amplitudenfaktoren während aufeinanderfol­ gender Zeitabschnitte konstant gehalten werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Phasenfaktoren ϕn und Amplitudenfaktoren An so gewählt werden, daß eine Maximierung des Produkts
durch Variation der antennenspezifischen Phasen ϕn und Amplituden An unter den Nebenbedingungen
erzielt wird, wobei der Kanalschätzungskoeffizient größter Leistung des Kanals von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer mit αn k bezeichnet ist und wobei gilt: n = 1, . .. , N und k = 1, . . ., K mit N = Anzahl der Antennen und K = Anzahl der Nutzer.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Station (BS) eine Basisstation und die zweite Station (MS) eine Mobilstation eines Mobilfunk­ systems im TDD-Betrieb, insbesondere eines UMTS-Mobilfunk­ systems, ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung mittels dem CDMA- Verfahren durchgeführt wird.
6. Datenübertragungsvorrichtung, insbesondere zur Verwen­ dung in einem CDMA-System im TDD-Betrieb, wobei ein Daten­ signal in Form eines Datenstroms von Datenbursts verschie­ dener Nutzer (N1-NK) zwischen einer ersten Station (BS) und einer zweiten Station (MS) über eine Mehrzahl von Antennen (A1-AN) übertragbar ist und wobei in Zusammenhang mit dem jeweiligen Datenburst ein Referenzsignal sendbar ist;
wobei die erste Station (BS) weiterhin aufweist:
eine Empfangseinrichtung zum Empfangen eines Referenzsig­ nals, das von der zweiten Station (MS) an die erste Station (BS) gesendet wird;
eine Kanalschätzungseinrichtung zum Durchführen einer Ka­ nalschätzung (KS) basierend auf dem von der zweiten Station (MS) empfangenen Referenzsignal; und
eine Modifizierungseinrichtung zum Modifizieren der Sende­ signale verschiedener Antennen mit verschiedenen Amplitu­ den- und Phasenfaktoren (An, ϕn) entsprechend der Kanal­ schätzung für einen an die zweite Station (MS) über die Mehrzahl von Antennen (A1-AN) zu sendenen Datenburst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Modifizierungseinrichtung die Phasen- und Amplitu­ denfaktoren während aufeinanderfolgender Zeitabschnitte konstant hält.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Modifizierungseinrichtung die Phasenfak­ toren ϕn und Amplitudenfaktoren An so wählt, daß eine Maxi­ mierung des Produkts
durch Variation der antennenspezifischen Phasen ϕn und Amplituden An unter den Nebenbedingungen
erzielt wird, wobei der Kanalschätzungskoeffizient maxima­ ler Leistung des Kanals von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer mit αn k bezeichnet ist und wobei gilt: n = 1, . . ., N und k = 1, . . ., K mit N = Anzahl der Antennen und K = Anzahl der Nutzer.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Station (BS) eine Basisstation und die zweite Station (MS) eine Mobilstation eines Mobilfunk­ systems im TDD-Betrieb, insbesondere eines UMTS-Mobilfunk­ systems, ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung mittels dem CDMA- Verfahren durchführbar ist.
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