WO2001063796A1 - Datenübertragungsverfahren und -system mit sendeantennen-diversität - Google Patents

Datenübertragungsverfahren und -system mit sendeantennen-diversität Download PDF

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WO2001063796A1
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transmission
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Frank Kowalewski
Josef Laumen
Gunnar Schmidt
Siegfried Baer
Mark Beckmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal

Definitions

  • the invention relates to a data transmission method and system, in particular for use in a CDMA system in TDD operation, a data signal in the form of a data stream of data bursts from different users being transmitted between a first station and a second station via a plurality of antennas, and in A reference signal is sent in connection with the respective data burst
  • CDMA Code Division Multipl Access
  • CDMA Code division multiple access
  • the symbols of the data streams to be transmitted are modulated with so-called spreading codes.
  • the data streams transmitted at the same time with different codes generally interfere with each other: multipath propagation leads to the superimposition of data symbols sent one after the other (inter sy bol interference, ISI).
  • ISI inter sy bol interference
  • CDMA coding and multipath propagation are the cause of multiple access interference (MAI).
  • the interference can e.g. eliminate in the receiver if the impulse response of the channel is known there, as from K. D. Kammeyer: "message transmission", 2.
  • the channel impulse response can e.g. can be estimated in the receiver from a received reference signal.
  • data can also be transmitted simultaneously via several mobile radio channels. This can be achieved with several transmit antennas (transmit antenna diversity). Such transmit antenna diversity remarkably improves the quality of mobile radio channel transmissions.
  • the following transmitter racing diversity schemes for the forward link (downlink), that is to say, for example, from a base station to a mobile station, are known.
  • TxAA Transmit Adaptive Array
  • the signals of the individual users are included in the baseband before their summation a phase and amplitude factor modified. The factors are user and antenna specific.
  • phase alignment transmit diversity (PATD) according to Motorola: "Transmit Diversity Schemes applied to the TDD mode", 3GPP TSG RAN WG1 document TSGR1 # 3 (99) 186, the overall antenna signals in the baseband are modified with a phase factor.
  • the factor can be different Antennas are different, it is identical for all users on one antenna.
  • the transmission qualities of the mobile radio channels in the opposite link are determined in the transmitter.
  • the parameters of the schemes are then selected on the basis of the qualities measured (closed loop technology).
  • JD joint detection method
  • PATD When using PATD, only one channel needs to be estimated in the forward link in the JD receiver. Compared to TxAA and STD, PATD has the disadvantage of not using any amplitude modifications to optimize the transmission.
  • TxAA Transmit Adaptive Array
  • STD Selection Transmit Diversity
  • PATD Phase Alignment Transmit Diversity
  • the idea on which the present invention is based is that the transmission signals of the individual antennas are modified both in their phase and in their amplitude.
  • the method according to the invention with the features of claim 1 and the corresponding device according to claim 6 have the particular advantage that an improvement in data transmission by transmitting over several antennas without the need for several channel estimates in the forward range at JD reception is achievable.
  • an improvement in data transmission by transmitting over several antennas without the need for several channel estimates in the forward range at JD reception is achievable.
  • only a channel estimate has to be made in the JD receiver.
  • better transmission is possible than when using PATD.
  • phase and amplitude factors are kept constant during successive time segments.
  • phase factors ⁇ n and amplitude factors A n are chosen such that the product is maximized
  • the first station is a base station and the second station is one
  • Mobile station of a mobile radio system in TDD mode in particular a UMTS mobile radio system.
  • the transmission is carried out using the CDMA method.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention for transmitting data via a plurality of antennas
  • Figure 2 is a schematic representation of the timing of an embodiment of the method according to the invention for transmitting data via a plurality of antennas using the device shown in Fig. 1.
  • N1 to NK denote respective users of the device, 101 to 10K a respective adder, 201 to 20K a respective multiplier, AI to AN and AM a respective antenna, BS a base station, MS a mobile station, S a transmission step, KS a channel estimation step, SDIV a transmission step with antenna diversity and E a reception step.
  • This embodiment is a UMTS (Universal Mobile Telephone System) system in TDD mode, a data signal in the form of a data stream of data bursts from different users between a base station BS and a mobile station MS via the plurality of antennas A1- AN is transferred and being related a reference signal is sent with the respective data burst.
  • UMTS Universal Mobile Telephone System
  • the transmission with transmitter antenna diversity is implemented as follows.
  • the channels of all users N1 to NK in the reverse link are estimated by the base station BS using a reference signal sent by the mobile station in the usual way.
  • the channel path of the highest power for each user channel is then determined.
  • Fig. 2 shows the timing of the data transfer process. Compared to PATD, this method not only varies the antenna-specific phases ⁇ ⁇ , but also the amplitudes A n .
  • the mobile station MS sends a data burst with a reference signal data block to the base station BS, which uses this for the channel estimation.
  • the base station performs the channel estimation KS based on the result of the channel estimation. Then the above-described transmission of data with antenna diversity SDIV from the base station to the mobile station takes place and reception E takes place there.
  • the method according to the invention can be used in all data transmission systems and is not restricted to CDMA data transmission systems in TDD mode.
  • the determination method for the amplitudes and phases can also be varied.

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 (An, φn) entsprechend der Kanalschätzung modifizierbar sind.

Description

DATENÜBERTRAGUNGSVERFAHREN UND -SYSTEM MIT SENDEANTENNEN-DIVERSITAT
STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Datenübertragungsverfahren und system, insbesondere zur Verwendung in einem CDMA-System i TDD-Betrieb, wobei ein Datensignal in Form eines Datenstroms von Datenbursts verschiedener Nutzer zwischen einer ersten Station und einer zweiten Station über eine Mehrzah 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 Problemati in Bezug auf ein zellulares CDMA-Datenübertragungssyste (CDMA = Code Division Multipl 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 Datenstrome stören sich i.a. gegenseitig: Mehrwegeausbreitung führt zur Überlagerung von nacheinander gesendeten Datensymbolen (inter sy bol interference, ISI). CDMA-Kodierung und Mehrwegeausbreitung sind die Ursache von Mehrfachnutzerinterferenz (multiple access interference, MAI) .
Die Interferenzen lassen sich z.B. im Empfänger eliminieren, 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 Empfanger aus einem empfangenen Referenzsignal geschätzt werden.
Um eine konstant gute Übertragung zu gewahrleisten, kann man auch Daten über mehrere Mobilfunkkanale gleichzeitig übertragen. Dies laßt sich mit mehreren Sendeantennen erreichen (Sendeantennendiversitat) . Solche Sendeantennendi- versität verbessert die Qualität von Mobilfunkkanalubertra- gungen in bemerkenswerter Weise.
Für CDMA-Mobilfunksysteme im TDD-Bereich sind folgende Sen- deanrennendiversitat-Scnemata für die Vorwartsstrecke (Downlink) , also z.B. von einer Basisstation zu einer Mobilstation, 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 abgestrahlt. Für verschiedene Nutzer können verschiedene Antennen gewählt werden.
Bei der Phase Alignment Transmit Diversity (PATD) gemäß Motorola: „Transmit Diversity Schemes applied to the TDD mode", 3GPP TSG RAN WG1 document TSGR1#3 ( 99) 186 werden die Gesamtantennεnsignale im Basisband mit einem Phasenfaktor modifiziert. Der Faktor kann für verschiedene Antennen verschieden 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 Parameter 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 erforderlich, im Empfänger für jeden Nutzer eine eigene Kanalschätzung 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 Amplitudenmodifizierungen zur Optimierung der Übertragung zu verwenden.
Übliche Diversity-Verfahren zur CDMA-Übertragung in der Vorwärts-strecke im TDD-Betrieb erfordern also entweder einen hohen Kanalschätzungsauf and 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 besteht darin, daß die Sendesignale der einzelnen Antennen sowohl in ihrer Phase als auch ihrer Amplitude modifiziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. die entsprechende Vorrichtung nach Anspruch 6 weisen den besonderen Vorteil auf, daß eine Verbesserung der Datenübertragung durch Senden über mehrere Antennen ohne Notwendigkeit mehrerer Kanalschätzungen in der Vorwärts- strecke beim JD-Empfang erzielbar ist. Bei Verwendung des Verfahrens in der Vorwärtsstrecke muß im JD-Empfanger nur eine Kanalschätzung vorgenommen werden. Insbesondere ist eine bessere Übertragung als bei Verwendung von PATD möglich.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden die Phasen- und Amplitudenfaktoren während aufeinanderfolgender Zeitabschnitte konstant gehalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Phasenfaktoren φn und Amplitudenfaktoren An so gewählt, daß eine Maximierung des Produkts
P((pι, <PN, AI, , AN)
Figure imgf000007_0001
durch Variation der antennenspezifischen Phasen φn und Amplituden An unter den Nebenbedingungen φi 0 und ^ An 2 = const
«=ι
erzielt wird, wobei der Kanalschätzungskoeffizient größter Leistung des Kanals von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer mit αn 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, insbesondere 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:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Aus führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Senden von Daten über eine Mehrzahl von Antennen; und
Figur 2 eine schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Senden von Daten über eine Mehrzahl von Antennen unter Benutzung 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 Nl bis NK jeweilige Nutzer der Vorrichtung, 101 bis 10K einen jeweiligen Addierer, 201 bis 20K einen jeweiligen Multiplizierer, AI bis AN sowie AM eine jeweilige Antenne, BS eine Basisstation, MS eine Mobilstation, 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 Al-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 Nl bis NK in der Rückwärtsstrecke durch die Basisstation BS anhand eines von der Mobilstation gesendeten Referenzsignals in üblicher Weise statt.
Danach wird eine Bestimmung des Kanalpfades jeweils höchster Leistung für jeden Nutzerkanal durchgeführt. Der zugehörige Kanalschätzungskoeffizient des Kanals von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer sei mit αn bezeichnet, wobei gilt : n = 1 , ... , N und k = 1 , ... , K mit N = Anzahl der Antennen und K = Anzahl der Nutzer (jeweils natürliche Zahlen) .
Dann wird eine Maximierung des Produkts
K 2
P(pι, φN, Alf , AH) = ι Σ Q An n=l k = \
durch Variation der antennenspezifischen Phasen (pn und Amplituden An unter den Nebenbedingungen
© = 0 und ^T An 2 = const.
»=ι
durchgeführt .
Anschließend erfolgt die Sendung des durch die Phase cpn und die Amplitude An modifizierten Gesamt-CDMA-Signals An • elφ 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 Datenübertragungsverfahrens. Gegenüber PATD variiert dieses Verfahren nicht nur die antennenspezifischen Phasen φπ, sondern auch die Amplituden An.
Zunächst sendet die Mobilstation MS einen Datenburst mit einem Referenzsignaldatenblock an die Basisstation BS, wel- ehe diesen zur Kanalschätzung verwendet. Basierend auf dem Ergebnis der Kanalschätzung führt die Basisstation die Kanalschätzung KS durch. Dann erfolgt das oben erläuterte Senden von Daten mit Antennendivεrsität SDIV von der Basisstation 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 modifizierbar .
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren in allen Datenübεrtragungssystemen angewεndet werden und ist nicht auf CDMA-Datenübertragungssysteme im TDD-Modus beschränkt.
Auch kann das Ermittlungsverfahren für die Amplituden und Phasen variiert werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Datenübεrtragungsvεrfahren, insbesondere zur Verwendung in einε CDMA-Systεm im TDD-Bεtrieb, wobei ein Daten- signal in Form eines Datenstroms von Datenbursts verschiedener Nutzer (Nl-NK) zwischen einεr εrsten Station (BS) und einer zweiten Station (MS) über eine Mehrzahl von Antennen (Al-AN) übertragen wird und wobei in Zusammenhang mit dem jeweiligεn Datεnburst ein Referεnzsignal gεsεndεt wird;
und wobei weiterhin
i) in einem erstεn Schritt ein Referenzsignal von der zweiten Station (MS) an die erste Station (BS) gesεndet wird;
ii) 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
iii) in einem dritten Schritt die erste Station (BS) einen Datenburst an die zweire Station (MS) über die Mehrzahl von Antennen (Al-AN) sendet, wobei die Sendesignale verschiede- nεr Antennen mit verschiedenen Amplituden- und Phasenfaktoren (An, φn) entsprechend der Kanalschätzung modifizierbar sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen- und Amplitudenfaktoren während aufeinanderfol- gεndεr Zεitabschnitte konstant gεhalten werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, daß die Phasenfaktoren φn und Amplitudenfaktorεn An so gewählt werden, daß eine Maximierung des Produkts
K
P(<Pι, ΦN, AX, ,AN) = π Σ αr An i k = \
durch Variation der antennenspezifischen Phasen cpn und Amplituden An unter den Nebenbedingungen
N φi = 0 und ^ An 2 = const .
11=]
erzielt wird, wobei der Kanalschätzungskoeffizient größter Leistung des Kanals von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer mit αn bezeichnet ist und wobei gilt: n = 1, ..., N und k = 1, ...,K mit N = Anzahl der Antennen und K = Anzahl der Nutzεr .
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekεnn- zeichnet, daß die erste Station (BS) eine Basisstation und die zweite Station (MS) eine Mobilstation eines Mobilfunksystems im TDD-Betrieb, insbesondere eines UMTS-Mobilfunksystems, ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung mittels dem CDMA-
Vεrfahrεn durchgεführt wird.
6. Datenübertragungsvorrichtung, insbesondεre zur Verwendung in einem CDMA-System im TDD-Betrieb, wobei ein Daten- signal in Form eines Datenstroms von Datenbursts verschie- dener Nutzer (Nl-NK) zwischen einer ersten Station (BS) und einer zweiten Station (MS) über eine Mehrzahl von Antennen (Al-AN) übertragbar ist und wobei in Zusammenhang mit dem jewεiligεn Datεnburst εin Rεfεrenzsignal sendbar ist;
wobei die erste Station (BS) weiterhin aufweist:
eine Empfangseinrichtung zum Empfangen eines Referenzsignals, das von der zweitεn Station (MS) an diε εrstε Station (BS) gεsεndet wird;
eine Kanalschätzungseinrichtung zum Durchführen einer Kanalschatzung (KS) basierend auf dem von der zweitεn Station (MS) εmpfangenen Referenzsignal; und eine Modifizierungseinrichtung zum Modifizieren der Sendesignale verschiedener Antennen mit verschiedenen Amplituden- und Phasenfaktoren (An, φn) entsprechend der Kanalschätzung für einen an die zweite Station (MS) über die Mehrzahl von Antennen (Al-AN) zu sendenen Datenburst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Modifiziεrungsεinrichtung diε Phasεn- und Amplitudenfaktoren während aufeinanderfolgender Zeitabschnitte konstant hält.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Modifizierungseinrichtung die Phasenfaktoren φn und Amplitudenfaktoren An so wählt, daß eine Maxi- miεrung des Produkts
P(φι, ΦN, AI, , AN) CX An ,ι
Figure imgf000016_0001
durch Variation dεr antennenspezifischen Phasen cpn und Amplituden An unter den Nεbεnbedingungen
N
Φi = 0 und ^ An 2 = const . erziεlt wird, wobei der Kanalschätzungskoeffizient maximaler Leistung des Kanals von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer mit n 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 β, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Station (BS) einε Basisstation und die zweite Station (MS) eine Mobilstation eines Mobilfunk- systεms im TDD-Betrieb, insbesondere einεs UMTS-Mobilfunk- systεms, ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzεichnet, daß die Übertragung mittels dem CDMA- Verfahren durchführbar ist.
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