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Dokumentenidentifikation DE19955503A1 13.06.2001
Titel Funkrelais mit adaptiven Gruppenantennen für Mobilfunksystme mit gepaartem Code- und Zeitvielfachzugriff
Anmelder Rembold, Bernhard, Prof. Dr.-Ing., 52072 Aachen, DE;
Walke, Christoph, Dipl.-Ing., 52062 Aachen, DE
DE-Anmeldedatum 18.11.1999
DE-Aktenzeichen 19955503
Offenlegungstag 13.06.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.06.2001
IPC-Hauptklasse H04B 7/15
IPC-Nebenklasse H04B 7/204   H04B 7/26   H04B 7/06   
Zusammenfassung In Funksystemen werden zur Vergrößerung der Reichweite der Basisstation (BS) Funkrelaisstationen (FR) als drahtlose BS eingesetzt. Die Übertragung der durch FR vermittelten Datenpakete zwischen BS und FR belegt auf Auf- und Abwärtsstrecken ebenso viele Übertragungskanäle wie Mobilteilnehmer versorgt werden und reduziert dadurch den Durchsatz des Systems, ferner wird durch das FR innerhalb und außerhalb der Zelle zusätzliche Interferenz erzeugt.
Durch Verwendung von Gruppenantennen kann Antennenmikro- und Antennenmakrodiversität am FR realisiert werden, wodurch die Übertragungskapazität der Verbindung zwischen Basisstation und Funkrelais gesteigert und die Zahl der durch die Relaistechnik belegten Übertragungskanäle verringert wird. Im Fall der Antennenmikrodiversität wird zusätzlich die durch das FR beim Senden zur BS und zu den Mobilteilnehmern erzeugte Interferenz im Vergleich zu Rundstrahlantennen reduziert. Bei Verwendung von Gruppenantennen an der BS und am FR werden Sende- und Empfangsfilter auf die Einrichtung räumlicher Kanäle zusätzlich zu den bestehenden Übertragungskanälen im Code-, Zeit-, Polarisations- oder Frequenzbereich ausgelegt.
Das FR eignet sich besonders zum Einsatz in Funksystemen mit Code- und Zeitvielfachzugriff, in dem die BS bereits mit einer Gruppenantenne ausgerüstet ist. BS und FR teilen sich dann die bestehenden Code-Zeitkanäle zur Versorgung der Mobilteilnehmer und benutzen zum Datentransfer untereinander zusätzlich die räumlichen Kanäle.

Beschreibung[de]

In zellularen Mobilfunksystemen besteht generell das Problem, eine ausreichende Funkabdeckung der einer Basisstation (BS) zugeordneten Zellfläche zu garantieren. Durch Abschattungseffekte, Ausbreitungsdämpfung und Mehrwegeausbreitung entstehen jedoch Zellbereiche, in denen Mobilteilnehmer gar nicht oder nur unzureichend versorgt werden können. Dieses Problem wird nach heutigem Stand der Technik mit Hilfe einer Relaisstation gelöst ([2]). Ein Funkrelais (FR) versorgt dabei eine Gruppe von Mobilstationen (MS), deren Dienstgüte von der BS nicht mehr garantiert werden kann (vgl. Abb. 1). Aus Sicht der MS bietet ein FR die Funktionalität einer BS und versorgt über dynamische Kanalvergabe teilautonom mehrere MS. Die Anbindung des FR an die BS geschieht bisher über Rundstrahl- oder Richtantennen. Der wesentliche Nachteil dieser Relaistechnik in Systemen mit gepaartem Code- und Zeitvielfachzugriff ([1]) liegt in der Tatsache, daß jedes Datenpaket einer MS einen Code-Zeitkanal zur Übertragung zwischen BS und FR und einen Code-Zeitkanal zur Übertragung zwischen FR und MS benötigt. Der resultierende Interferenzbeitrag inner- und außerhalb der Zelle und die Einschränkung in der dynamischen Kanalvergabe durch die Einführung dieser Relaisverbindung sind evident.

Die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung hat zum Ziel, in Systemen mit gepaartem Code- und Zeitvielfachzugriff die Übertragungskapazität der Relaisverbindung zwischen BS und einem FR zu erhöhen, so daß weniger Code-Zeitkanäle zur Übertragung der Datenpakete der MS vergeben werden müssen, und dabei die inner- und außerhalb der Zelle durch das FR erzeugte Interferenz gering zu halten.

Dieses Ziel wird durch den Einsatz eines FR mit Gruppenantennen, wie in Patentanspruch 1 beschrieben, erreicht. Geht man von einer BS mit Rundstrahlantenne oder sektorisierten Antennen mit gleicher Frequenz in allen Sektoren aus, verwendet das FR mit Gruppenantennen zwei unterschiedliche Übertragungsverfahren:

  • 1. Antennen mit Einzelelementabstand kleiner als eine Wellenlänge der Trägerfrequenz (Mikrodiversität am FR, vgl. Abb. 2). Durch räumliche Filterung der Signale der BS und gleichzeitig zugreifender MS auf der Strecke BS-FR wird die Mehrwegeausbreitung und Intersymbolinterferenz erheblich reduziert. Auf der Strecke FR-BS und der Strecke FR-MS wird Strahlformung zum raumselektiven Senden verwendet. Durch Abgabe der für jeden Teilnehmer minimal erforderlichen Sendeleistung wird dabei zusätzlich die inner- und außerhalb der Zelle durch das FR erzeugte Interferenz im Vergleich zur Abstrahlung einer Rundstrahlantenne verringert. Auch die dem FR zugeordneten MS benötigen in diesem Fall eine geringere Sendeleistung.
  • 2. Antennen mit Einzelelementabstand größer als eine Wellenlänge der Trägerfrequenz (Makrodiversität am FR, vgl. Abb. 3). Bei Empfang von BS/MS-Signalen nutzt das FR die aufgrund des großen Einzelelementabstandes unkorrelierten Übertragungskanäle zwischen BS/MS und Antenneneinzelelement aus. Die an den Einzelelementen anliegenden Signale können dann gewichtet nach ihrem Signal- Störabstand kombiniert werden (Maximum Ratio Combining, MRC). Im Sendefall werden Space-Time Codes, Verfahren zur Verzögerungsdiversität oder Vorverzerrung der Signale an den Einzelelementen als Diversitätstechniken verwendet.

Funksysteme mit gepaartem Code- und Zeitvielfachzugriff verwenden teilnehmerspezifische orthogonale Spreizcodes, um mehrere Teilnehmersignale in einem Zeitschlitz übertragen zu können. Der verwendete Spreizfaktor bestimmt die Anzahl der zur Verfügung stehenden Spreizcodes und ist umgekehrt proportional zur übertragenen Datenrate. Bei schlechten Ausbreitungskanälen muß der Spreizfaktor hoch gewählt werden, um eine Datenrekonstruktion am Empfänger zu ermöglichen. Durch Mehrwegeausbreitung geht die Orthogonalität der gespreizten Teilnehmersignale im allgemeinen verloren, zur Begrenzung der Gleichkanalinterferenz werden deshalb in einem Zeitschlitz nicht alle zur Verfügung stehenden Spreizcodes verwendet. Mikro- und Makrodiversitätstechniken am FR erlauben die Verkleinerung der Spreizfaktoren der jeweiligen Verbindungen bzw. die gleichzeitige Verwendung von mehr Codes pro Zeitschlitz, wodurch die Übertragungskapazität der vom FR unterstützten Verbindungen erhöht wird und der Interferenzbeitrag der Relaisverbindung zwischen FR und BS zum gesamten Funksystem gering gehalten werden kann.

Mit Gruppenantennen auf der Sende- und Empfangsseite einer Verbindung kann die Übertragungskapazität einer Verbindung noch weiter gesteigert werden. Dies setzt jedoch die Verwendung einer Gruppenantenne an der BS voraus. Die Auslegung der Sende- und Empfangsfilter kann nach gemeinsamen oder getrennten Optimierungskriterien erfolgen. Dabei kommen jeweils Mikro- und Makrodiversität für BS und FR in Rage. Mögliche Diversitätspaarungen und zugehörige Übertragungsverfahren sind:

  • 1. Makrodiversität an BS und FR.

    Folgende Sende- und Empfangsfilterstrukturen sind möglich:
    • - Optimaler Sender und Empfänger: Alle Kanäle zwischen den einzelnen Antennenelementen von BS und FR werden geschätzt und in ein gemeinsames Optimierungskriterium für Sende- und Empfangsfilter eingebracht. Es entstehen räumlich eigenständige Kanäle zusätzlich zu den bestehenden Code-Zeitkanälen.
    • - Optimaler Empfänger: Sendesignale werden auf die Sendeantennen verteilt und simultan übertragen, der Empfänger rekonstruiert die Sendesignale nach dem Maximum-Likelihood-Prinzip.
    • - Kaskadierter Raum-Zeit-Empfänger: Sendesignale werden auf die Sendeantennen verteilt und simultan übertragen, eine rückgekoppelte Signalrekonstruktion der Sendesignale findet am Empfänger statt.
  • 2. Mikrodiversität an BS und FR.

    Hier wird ein Raum-Zeit-Sendefilter mit angepaßtem, entfärbendem Raum-Zeit-Empfangsfilter oder Strahlformung auf der Sende- und räumliche Filterung auf der Empfangsseite verwendet.
  • 3. Mikrodiversität an BS und Makrodiversität am FR.

    Auf der Aufwärtstrecke verwendet die BS gemeinsame Teilnehmerdatenrekonstruktion (Joint Detection, JD) für die vom FR verwendete Space-Time Kodierung. Auf der Abwärtsstrecke benutzt die BS Strahlformung und das FR MRC.
  • 4. Makrodiversität an der BS und Mikrodiversität am FR.

    Umgekehrt zum vorangegangenen Fall Space-Time Kodierung an der BS und JD am FR auf der Abwärtsstrecke, Strahlformung des FR und MRC der BS auf der Aufwärtsstrecke.

Mit Ausnahme des Falles der Makrodiversität an BS und FR erlauben alle obigen Diversitätspaarungen neben einer Erhöhung der Übertragungsrate durch die Möglichkeit zur Verwendung von mehr Spreizcodes pro Zeitschlitz oder von geringeren Spreizfaktoren auch eine gerichtete Abstrahlung, wodurch die Interferenz inner- und außerhalb der Zelle reduziert wird. Im Fall der reinen Makrodiversität an BS und FR werden die Code-Zeitkanäle noch in weitere räumliche Kanäle aufgespalten, was zu einer hohen Übertragungsrate führt. Für dieses Verfahren wird in Patentanspruch 2 Schutz begehrt. Literatur [1] TSG RAN WGl. TDD, Transport channels and physical channels description. Technical Report S1.21 V0.0.1, 3GPP, January 1999.

[2] B. Walke. Mobilfunknetze und ihre Protokolle, Band II Bündelfunk, Schnurlose Telefonsysteme, W ATM, HIPERLAN, Satellitenfunk. Teubner-Verlag, Stuttgart, 1998.


Anspruch[de]
  1. 1. Mobiles Funkrelais für Funksysteme mit gepaartem Code- und Zeitvielfachzugriff und einer Basisstation, die mit Rundstrahlantennen, Sektorantennen oder Gruppenantennen ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet,

    daß das Funkrelais als drahtlose Basisstation die gleichzeitige Funkversorgung mehrerer Mobilteilnehmer übernimmt,

    daß sich Basisstation und Funkrelais zur Kommunikation untereinander und zur Versorgung der Mobilteilnehmer die zur Verfügung stehenden Code-Zeitkanäle teilen

    und daß zur Erhöhung der Übertragungskapazität der auf Code- und Zeitvielfachzugriff basierenden Funkverbindung zwischen Basisstation und Funkrelais und zur Reduzierung der von dem Funkrelais innerhalb und außerhalb der Zelle erzeugten Interferenz Gruppenantennen verwendet werden.
  2. 2. Funkrelais nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einsatz von Gruppenantennen am Funkrelais in Verbindung mit einer Gruppenantenne an der Basisstation eine Funkverbindung mit mehreren räumlichen Kanälen zusätzlich zu den bestehenden Code-Zeitkanälen zwischen Basisstation und Funkrelais geschaffen wird.






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