WO2001063796A1

WO2001063796A1 - Datenübertragungsverfahren und -system mit sendeantennen-diversität

Info

Publication number: WO2001063796A1
Application number: PCT/DE2001/000588
Authority: WO
Inventors: Martin Hans; Frank Kowalewski; Josef Laumen; Gunnar Schmidt; Siegfried Baer; Mark Beckmann
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2000-02-26
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2001-08-30
Also published as: DE10009150A1; EP1262031B1; EP1262031A1; JP4746243B2; JP2003524989A; DE50102267D1; US20030128677A1; US7274678B2

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 φ_n und Amplitudenfaktoren A_n so gewählt, daß eine Maximierung des Produkts

P⁽⁽pι, <PN, AI, , A_N)

durch Variation der antennenspezifischen Phasen φ_n und Amplituden A_n unter den Nebenbedingungen φi 0 und ^ A_n ² = const

«=ι

erzielt wird, wobei der Kanalschätzungskoeffizient größter Leistung des Kanals von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer mit α_n 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 α_n 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, φ_N, Alf , A_H) = ι Σ Q A_n n=l k = \

durch Variation der antennenspezifischen Phasen (p_n und Amplituden A_n unter den Nebenbedingungen

»=ι

durchgeführt .

Anschließend erfolgt die Sendung des durch die Phase cp_n und die Amplitude A_n modifizierten Gesamt-CDMA-Signals A_n • e^lφ _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 φ_π, sondern auch die Amplituden A_n.

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 (A_n, φ_n) 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 φ_n und Amplitudenfaktorεn A_n so gewählt werden, daß eine Maximierung des Produkts

K

P⁽<Pι, ΦN, A_X, ,A_N) = π Σ α_r A_n i k = \

durch Variation der antennenspezifischen Phasen cp_n und Amplituden A_n unter den Nebenbedingungen

N φi = 0 und ^ A_n ² = const .

11=]

erzielt wird, wobei der Kanalschätzungskoeffizient größter Leistung des Kanals von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer mit α_n 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 (A_n, φ_n) 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 φ_n und Amplitudenfaktoren A_n so wählt, daß eine Maxi- miεrung des Produkts

P(φι, ΦN, AI, , A_N) CX An ,ι

durch Variation dεr antennenspezifischen Phasen cp_n und Amplituden A_n unter den Nεbεnbedingungen

N

Φi = 0 und ^ A_n 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.