Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Strahlformung für mehrere Antennenelemente enthaltende adaptive Antennengruppen in der Abwärtsstrecke von Fre- quenzduplexsystemen, mit einer Signalprozessoreinheit zum Ermitteln von Antennengewichten für die Antennenelemente für das Senden in der Abwärtsstrecke auf Basis von Richtungsinformation der Aufwärtsstrecke.

Es ist bekannt, aus mehreren Einzelantennen bestehende Gruppenantennen in ihrer Richtcharakteristik elektronisch zu ändern, um sie so adaptiv an die jeweilige Kanalsituation opti- mal anzupassen. Adaptive Antennen wurden zuerst in der Radar- technik eingesetzt, und seit einiger Zeit wird auch ihre Anwen- dung im Mobilfunk untersucht. Der Einsatz adaptiver Antennen kann dabei zu einer Reduktion der empfangenen Interferenz durch gerichteten Empfang, zu einer Reduktion der erzeugten Interfe- renz durch gerichtetes Senden und zu einer Reduktion der Zeit- dispersion des Mobilfunkkanals und somit Verringerung der In- tersymbolinterferenz, die die Bitfehlerrate maßgeblich mitbe- stimmt, führen.

Diese Verbesserungen können für einen Kapazitätsgewinn, zur Erhöhung der spektralen Effizienz, zur Verringerung der notwen- digen Sendeleistung um den Gewinn der Antennengruppe, für eine bessere Übertragungsqualität (kleinere Bitfehlerrate), für eine Datenratenerhöhung und für eine Reichweitenerhöhung eingesetzt werden.

Wenn auch nicht alle Vorteile gleichzeitig ausgenützt werden könnten, so könnten doch jeweils einige der oben angeführten Verbesserungen erreicht werden. Ganz wesentlich wäre, dass es mit adaptiven Antennen möglich ist, das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum effizienter zu nützen und dabei mit dem selben Frequenzband und der gleichen Anzahl von Basisstationen die Ka- pazitat und somit die mögliche Anzahl der Benutzer in einer Zelle zu erhöhen.

Zellulare Mobilfunknetze sind im Allgemeinen interferenzbe- grenzt, d. h. dass die räumliche Wiederverwendung ein und des- selben Funkkanals einerseits und die spektrale Effizienz ande- rerseits durch Gleichkanalstörer limitiert wird. Ein Funkkanal ist durch seine Frequenz und/oder seinen Zeitschlitz (im Zeit- multiplex-TDMA-Time Division Multiple Access) bzw. seinen Code (im Codemultiplex-CDMA-Code Division Multiple Access) festgelegt. Zur Versorgung von mehr als einem Teilnehmer auf einund demselben Funkkanal in TDMA-und FDMA (Frequency Division Multiple Access)-Systemen wurden Verfahren vorgeschlagen, die auf der räumlichen Trennbarkeit und dem richtungsselektiven Empfangen in der Aufwärtsstrecke (Mobilstation sendet, Basis- station empfängt) und des richtungsselektiven Sendens der Teil- nehmersignale in der Abwärtsstrecke (Basisstation sendet, Mo- bilstation empfängt) beruhen (sog. SDMA-Space Division Multiple Access-System ; System mit Raumvielfachzugriff). Das srichtungsselektive Senden/Empfangen kann in CDMA-Systemen auch dazu verwendet werden, um die mögliche Anzahl der Teilnehmer auf einer Frequenz zu erhöhen und damit die spektrale Effizienz und die Kapazitat eines zellularen Mobilfunksystemes zu erhõhen. Es wird also bei gleichbleibender Interferenz die mögliche Anzahl der Teilnehmer auf einem Verkehrskanal erhöht, die von der Ba- sisstation mit der linearen, adaptiven Antennengruppe in der Aufwärtsstrecke detektiert und in der Abwärtsstrecke versorgt werden können.

Für die Trennung der Signale der einzelnen Teilnehmer durch Gleichkanalstörunterdrückung und deren Detektion sind drei grundsätzliche Methoden bekannt : (1) Verfahren, die auf der Kenntnis der räumlichen Struktur der Antennengruppe beruhen (sog. spatial-reference Verfahren), vgl. R. Roy und R. Kailath, "ESPRIT-Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques", IEEE Trans. Acoust., Speech and Signal Processing, Bd. 37, July 1989, S. 984-995 erläutert sind ; (2) Verfahren, die auf der Kenntnis einer bekannten Signalfolge be- ruhen (sog. temporal-reference Verfahren), vgl. in S. Ratnavel, A. Paulraj und A. B. Constantinides,"MMSE Space-Time Equalization for GSM Cellular Systems", Proc. IEEE, Vehicular Technology Conference 1996, VTC'96, Atlanta, Georgia, S. 331- 335 ; und (3) sog."blinde"Verfahren, die bekannte strukturelle Signaleigenschaften zur Signaltrennung und Detektion verwenden, vgl. in A-J. van der Veen, S. Talwar, A. Paulraj"A Subspace Approach to Blind Space-Time Signal Processing for Wireless Communications Systems", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 45, No. 1, Janner 1997, S. 173-190.

Für die Abwartsstrecke werden verschiedene Methoden verwen- det, die auf unterschiedlichen Schatzungen des Mobilfunkkanals aufbauen. Grundsätzlich werden entweder die Einfallsrichtungen der Signale der Mobilstationen (vgl. z. B. US 5 515 378 A oder EP 755 090 A) verwendet, oder es wird die räumliche Kovarianzmatrix (räumliche Korrelationsmatrix) zur Strahlformung verwendet (vgl.

US 5 634 199 A).

Ein schwieriges Problem stellen die unterschiedlichen Trä- gerfrequenzen in Frequenzduplexsystemen (FDD-Systeme) dar. In FDD-Systemen werden die Signale in der Aufwarts-und in der Ab- wärtsstrecke auf unterschiedlichen Frequenzen gesendet, und da- durch erfolgt die notwendige Trennung zwischen gesendeten und empfangenen Daten an der Mobil-sowie an der Basisstation. Auf Grund des Frequenzunterschieds ist das Antennenrichtdiagramm bei Verwendung derselben physikalischen Antennengruppe und der sel- ben Antennengewichte (Amplitude und Phase) bei unterschiedlichen Frequenzen unterschiedlich. Deshalb ist es nicht ratsam, die selben Antennengewichte für das Senden und Empfangen an der Ba- sisstation eines zellularen Mobilfunksystems zu verwenden. Die ausschließliche Verwendung der in der Aufwartsstrecke geschatz- ten Einfallsrichtung hat mit diesem Frequenzversatz keinerlei Probleme, beschrankt die Strahlformung jedoch auf eine einzelne diskrete Einfallsrichtung, was der physikalischen Natur des Mo- bilfunkkanals widerspricht und daher zu einem beschrankten Ka- pazitätsgewinn durch die adaptive Antenne fuhrt. Die Verwendung der räumlichen Kovarianzmatrix der Aufwartsstrecke bringt jedoch das Problem des Frequenzversatzes mit sich.

Für die Kompensation dieses Frequenzduplexabstandes in der räumlichen Kovarianzmatrix wurden bereits verschiedene Ansatze beschrieben. So wird vorgeschlagen, in der Aufwartsstrecke die Einfallsrichtung, die Signalleistung und die zugehörige Win- kelaufspreizung (Angular Spread) jedes einzelnen Teilnehmers zu schatzen, vgl. T. Trump und B. Ottersten,"Maximum Likelihood Estimation of Nominal Direction of Arrival and Angular Spread Using an Array of Sensors", Signal Processing, Vol. 50, No. 1-2, April 1996, S. 57-69. Aus dieser Schatzung für die Aufwarts- strecke wird eine Schätzung der räumlichen Kovarianzmatrix für die Abwartsstrecke gebildet, vgl. auch P. Zetterberg,"Mobile Cellular Communications with Base Station Antenna Arrays : Spectrum Efficiency, Algorithms and Propagation Models", Dissertation, Royal Institute of Technology, Stockholm, Schweden 1997. Diese Methode funktioniert jedoch nur, wenn jede Mobil- station nur eine einzige nominelle Einfallsrichtung in Bezug auf die Basisstation besitzt. Durch Reflexionen an Bergen in länd- lichen Gebieten oder großen Gebäudekomplexen in städtischen Ge- bieten ist diese Voraussetzung oft nicht erfüllt, und daher ist dann dieser Ansatz nicht anwendbar.

Ein weiterer Vorschlag im Stand der Technik geht dahin, der Basisstation zwei unterschiedliche, mit der verwendeten Wellen- lange skalierte Antennengruppen zum Senden und Empfangen in einem Frequenzduplexsystem zu verwenden, vgl. G. G. Rayleigh, S. N. Diggavi, V. K. Jones und A. Paulraj,"A Blind Adaptive Transmit Antenna Algorithm for Wireless Communication", Proceedings IEEE International Conference on Communications (ICC'95), IEEE 1995, S. 1494-1499, bzw. die entsprechende WO 97/00543 A. Hier musse jedoch die beiden"angepassten" Antennengruppen sehr exakt gefertigt und kalibriert werden und an exakt der selben Position aufgestellt werden. Außerdem ist eine zweite Antennengruppe notwendig, was die Kosten uber- proportional erhöht.

Gemäß der bereits erwähnten US 5 634 199 A soll direkt die räumliche Kovarianzmatrix der Abwärtsstrecke durch das Senden von Testsignalen von der Basisstation und das Rücksenden der gemessenen Signale durch die Mobilstation gemessen werden (vgl. auch W096/37975, wo ebenfalls auf das Senden von Testsignalen hingewiesen wird). Diese Testsignal-Methode benötigt jedoch Systemkapazitat für diesen Rückmeldungsprozess und verringert daher die mögliche Kapazitãtserhõhung. Weiters mussé der Standard bereits bestehender Mobilfunksysteme geändert werden, da bis jetzt in keinem zellularen Mobilfunksystem eine Ruckmeldung der Mobilstation dieser Art vorgesehen ist.

In der US 5 848 060 A wird beschrieben, dass aus den Emp- fangssignalen der Aufwartsstrecke deren räumliche Kovarianzma- trix geschatzt wird ; die auftretenden relativen Phasen der Ma- trixelemente werden sodann mit dem Verhaltnis der Sendefrequenz zur Empfangsfrequenz (fS/fE) skaliert. Durch die Mehrwe- geausbreitung der einzelnen Signale geht jedoch die Frequenz nichtlinear in die Phasenbeziehung der einzelnen Antennenele- mente ein. Daher beschränkt sich diese Anwendung auf Falle mit einer direkten Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger ohne Reflexionen aus unterschiedlichen Richtungen, wie zum Bei- spiel in der Satellitenkommunikation.

Um eine Kovarianzmatrix für die Abwärtsstrecke zu erhalten, wurde auch vorgeschlagen, eine Rotationsmatrix auf die Kova- rianzmatrix der Aufwärtsstrecke anzuwenden, die die Phasen einer aus einer bestimmten Richtung einfallenden Welle mit dem Ver- hältnis der Sendefrequenz zur Empfangsfrequenz fS/fE korrigiert, vgl. die bereits erwahnte Literaturstelle G. G. Rayleigh, S. N.

Diggavi, V. K. Jones und A. Paulraj,"A Blind Adaptive Transmit Antenna Algorithm for Wireless Communication", Proceedings IEEE International Conference on Communications (ICC'95), IEEE 1995, S. 1494-1499. Jedoch wird hier nur genau die Phasenbeziehung einer Einfallsrichtung in Bezug auf die Basisstation richtig korrigiert. Beim Auftreten von mehreren unterschiedlichen Ein- fallsrichtungen versagt diese Methode, und sie ist deshalb auch nur für landliche Gebiete mit einer dominanten Einfallsrichtung anwendbar.

In der vorstehend angeführten Dissertation von P. Zetter- berg,"Mobile Cellular Communications with Base Station Antenna Arrays : Spectrum Efficiency, Algorithms and Propagation Models", Royal Institute of Technology, Stockholm, Schweden 1997, ist auch der Vorschlag enthalten, eine Kompensationsmatrix auf die Kovarianzmatrix der Aufwartsstrecke anzuwenden. Diese Kompensa- tionsmatrix ist nur für sehr kleine relative Duplexabstande 2 (fS-fE)/(fs+fE) gultig und ist gemittelt aber den ganzen Einsatzwinkelbereich der adaptiven Antenne. Diese Methode kor- rigiert die Frequenzdifferenz nicht, sondern verringert nur die Abweichung und"verschmiert"dabei die in der Kovarianzmatrix enthaltene räumliche Struktur des Mobilfunkkanals aber den gan- zen Winkelbereich. Aus diesem Grund ist diese Methode kei- nesfalls einsetzbar.

Schließlich wurde bereits vorgeschlagen, die Kovarianzmatrix der Aufwartsstrecke in Fourierkoeffizienten zu zerlegen und bei der Sendefrequenz wiederherzustellen, vgl. J. M. Goldberg und J. R. Fonollosa,"Downlink beamforming for spatially distributed sources in cellular mobile communications", Signal Processing Vol. 65, No. 2, März 1998, S. 181-199. Diese Methode versucht die exakte Phasenbeziehung der einzelnen Signalpfade auf der Sende- frequenz wiederherzustellen, verschmiert aber ebenfalls die räumliche Struktur der Kovarianzmatrix.

Es ist nun Ziel der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vor- richtung wie eingangs angegeben vorzusehen, mit dem bzw. mit der in effizienter Weise bei FDD-Systemen eine derartige Strahlformung in der Abwärtsstrecke ermöglicht wird, dass die Interferenzen auch bei den von der Basisstation gesendeten, von den Mobilstationen empfangenen Signalen reduziert werden und eine Erhöhung der Anzahl der versorgbaren Benutzer, d. h. Mobil- stationen, ermöglicht wird.

Hierzu ist das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs an- geführten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Antennengewichte für das Senden in der Abwartsstrecke auf Basis des Leistungs- Winkelspektrums der Aufwärtsstrecke der einzelnen Benutzer ermittelt werden, wobei das Leistungs-Winkelspektrum durch Ausblenden unerwunschter Bereiche modifiziert wird.

In entsprechender Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs erwahnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Signalprozessoreinheit zum Ermitteln der Antennengewichte für das Senden in der Abwartsstrecke auf Basis des Leistungs- Winkelspektrums der Aufwartsstrecke der einzelnen Benutzer unter dessen Modifikation durch Ausblenden unerwünschter Bereiche eingerichtet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Technik wird somit zur Strahlfor- mung in der Abwärtsstrecke das Leistungs-Winkelspektrum der Aufwärtsstrecke der einzelnen Benutzer zu Grunde gelegt, wobei in diesem Leistungs-Winkelspektrum unerwünschte Winkelbereiche ausgeblendet werden, d. h. etwaige Störer werden im Leistungs- Winkelspektrum ausgeblendet, um eine optimale Ausrichtung der Hauptkeule in Richtung des jeweiligen Benutzers zu gewahr- leisten. Es werden also erfindungsgemäß die wichtigen, nützli- chen Bereiche des Leistungs-Winkelspektrums extrahiert und der Ermittlung der Antennengewichte für die Strahlformung in der Abwartsstrecke zu Grunde gelegt. Untersuchungen haben dabei gezeigt, dass es möglich ist, besonders gute Ergebnisse hinsichtlich Störunterdrückung zu erzielen, wenn nur ein dominanter Teil im Leistungs-Winkelspektrum aus diesem her- aus"geschnitten"wird.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Leistungs-Winkelspektrum unter Verwendung einer bekannten Signalfolge des Sendesignals, wie Spreizcode, Mittambel etc., geschätzt wird. Auch ist es von Vorteil, wenn das Leistungs-Winkelspektrum der Aufwartsstrecke auf Basis der räumlichen Kovarianzmatrizen der Aufwartsstrecke der einzelnen Benutzer bzw. gegebenenfalls von Mittelwerten derselben geschatzt wird. Ferner hat es sich als günstig erwiesen, wenn auf Basis des modifizierten Leistungs-Winkel- spektrums der einzelnen Benutzer bzw. von dessen Mittelwert die jeweilige räumliche Kovarianzmatrix der Abwärtsstrecke ermittelt wird. Schließlich ist es vorteilhaft, wenn die räumliche Kova- rianzmatrix der Abwärtsstrecke bzw. deren Mittelwert zur Be- rechnung der Antennengewichte für das Senden verwendet wird.

Bevorzugt wird somit eine Strahlformung der räumlichen Ei- genschaften des Mobilfunkkanals in Bezug auf die räumliche Ko- varianzmatrix vorgenommen, die aus den vier Schritten -Schãtzung der räumlichen Kovarianzmatrix der Aufwartsstrecke ; -Bestimmung des Leistungs-Winkelspektrums mit Methoden der spektralen Suche auf der Empfangsfrequenz ; -Rekonstruktion der räumlichen Kovarianzmatrix der Abwartsstrecke unter Verwendung des geschatzten, modifizierten Leistungs-Winkelspektrums auf der Sendefrequenz ; und -Berechnung der Antennengewichte für jeden Benutzer des physikalischen Kanals besteht. Die erfindungsgemaße Technik ist uneingeschränkt von den Ausbreitungsverhaltnissen der elektromagnetischen Wellen anwendbar. Sie unterliegt keinerlei Einschränkungen in Bezug auf eine einzige dominante Einfallsrichtung pro Teilnehmer und ist ohne zusatzlichen Hardwareaufwand einsetzbar. Es gibt keinerlei Annahmen aber den Frequenzunterschied zwischen Sende-und Empfangsfall, und daher funktioniert die hier beschriebene Technik auch unabhangig vom relativen Duplexabstand. Es werden dabei weder aufwendige iterative Näherungsverfahren noch hochauflösende Richtungs- schatzungsalgorithmen benötigt, so dass eine sehr recheneffi- ziente Lösung erzielt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erlautert. Es zeigen : Fig. 1 in einem Schema eine adaptive Antenne mit Strahl- formung in der Abwartsstrecke ; Fig. 2 schematisch eine lineare Antennengruppe mit einer einfallenden Welle, zur Veranschaulichung von Wegunterschieden ; Fig. 3 schematisch eine Vorrichtung zur Strahlformung, wobei eine Basisstation und mehrere Mobilstationen gezeigt sind ; Fig. 4A ein Antennendiagramm bei einer Aufwärtsstrecken- Frequenz ; Fig. 4B ein entsprechendes Antennendiagramm bei der Frequenz der Abwärtsstrecke ; Fig. 5 in einem Ablaufdiagramm die Ermittlung der Antennen- gewichte für die Strahlformung in der Abwärtsstrecke ; Fig. 6 in einem detaillierten Ablaufdiagramm den Vorgang bei der in Fig. 5 gezeigten Frequenztransformation ; Fig. 7 ein Leistungs-Winkelspektrum eines Benutzers zusammen mit"Störern"; Fig. 8 ein zu Fig. 7 gehöriges Antennendiagramm noch vor der Modifikation ; die Fig. 9 und 10 den Fig. 7 und 8 entsprechende Diagramme des Leistungs-Winkelspektrums und der Antennencharakteristik, nun jedoch nach dem Ausblenden eines Störers ; und Fig. 11 schematisch die Struktur der Signalprozessoreinheit zur Berechnung der Antennengewichte für die Strahlformung.

Die Aufgabe der Strahlformung in der Abwärtsstrecke von zellularen Mobilfunksystemen mit adaptiven Antennen an der Ba- sisstation besteht darin, die Signale der einzelnen Benutzer so von der Basisstation zu senden, dass die meiste Energie vom ge- wünschten Benutzer empfangen und möglichst wenig Energie zu an- deren Benutzern, die dort als Interferenz auftritt, gesendet wird. Eine Strahlungsformung in der Abwärtsstrecke, die diese Anforderungen erfüllt, gewahrleistet fur jeden Benutzer ein ausreichendes Storverhaltnis und somit eine ausreichende Uber- tragungsqualitat (Bitfehlerrate BER). Um dieses Ziel zu erfül- len, muss man die Hauptkeule des Antennendiagrammes in die Richtung des gewunschten Benutzers und Nullstellen im Antennen- diagramm in Richtung jener Benutzer legen, die auf der selben Frequenz versorgt werden. Dieses Prinzip ist in Fig. 1 illu- striert.

In Fig. 1 ist im Einzelnen schematisch eine adaptive Antenne 1 mit Strahlformung in der Abwartsstrecke gezeigt, wobei ein Signalprozessor 2 die einzelnen Antennenelemente 1.1,1.2 bis 1. M mit unterschiedlichen Phasen und Amplituden ansteuert und somit das gewunschte Antennendiagramm 3 bzw. 4 erzeugt. Die Hauptkeulen 5 bzw. 6 des Antennendiagramms 3 bzw. 4 zeigen in Richtung eines jeweiligen Benutzers 7 bzw. 8, wobei Nullstellen 9 bzw. 10 im Antennendiagramm 3 bzw. 4 in Richtung des jeweils anderen Benutzers 8 bzw. 7 zeigen.

Durch die unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Elemente der Antennengruppe 1 wird die Form des Antennendiagrammes 3 bzw.

4 festgelegt. Dies wird nachfolgend am Beispiel einer linearen Antennengruppe an Hand der Fig. 2 erklart. Fig. 2 zeigt dabei schematisch eine aus einer Richtung 6 auf die Antennenelemente 1. M einfallende Welle.

In Fig. 2 ist ferner mit d der Abstand zwischen den einzel- nen Antennenelementen und mit AL der Wegunterschied der Welle von einem Antennenelement, z. B. 1.2, zum nächsten Antennenele- ment, z. B. 1.3, bezeichnet. Der Abstand d liegt dabei beispielsweise in der Größenordnung der Wellenlänge und ist vorzugsweise kleiner als die Wellenlange (z. B. ungefahr gleich der halben Wellenlange).

Der Wegunterschied AL der elektromagnetischen Welle von einem Antennenelement zum nächsten entspricht einem Phasenun- terschied des Empfangssignals, der wie folgt angeschrieben wer- den kann Ocp = 27rd f sin (0) c und der von der Wellenlänge des gesendeten Signales abhangt. In dieser Beziehung bezeichnet weiters f die Tragerfrequenz des gesendeten Signals und c die Lichtgeschwindigkeit. Auf Grund dieser Beziehung ergibt sich für die Gruppenantwort der adapti- ven Antenne 1 auf diese einfallende Welle, die auch"Array <BR> <BR> <BR> Steering Vector"a (O, f) genannt wird,<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> [1ej#2#d#f/c#sin(#)ej#2#d#f/c#(M-1)#sin(#)].a(#,f)= Wie aus dieser Beziehung ersichtlich, ist die Gruppenantwort der Antennengruppe 1 sowohl von der Einfallsrichtung der Welle als auch von der Tragerfrequenz abhangig.

In zellularen Mobilfunknetzen gibt es nicht nur einen ein- zigen Ausbreitungspfad, sondern es tritt Mehrwegeausbreitung auf. Das bedeutet, dass mehrere Ausbreitungspfade mit unter- schiedlicher Wegldnge und unterschiedlichen Richtungen zwischen der Basisstation und der Mobilstation existieren. Systematisch ist diese Mehrwegeausbreitung in Fig. 3 skizziert.

Im Einzelnen ist in Fig. 3 eine Basisstation 11 mit einer adaptiven Antenne 1 mit neun Antennenelementen 1.1... 1.9 und mit einer Mehrwegeausbreitung zwischen der Basisstation 11 und Mo- bilstationen (MS) 7,8 veranschaulicht, wobei die Mehrwegeaus- breitung beispielsweise zufolge von Reflexionen an Gebauden 12 zustandekommt.

Die einzelnen Signale überlagern sich in der Aufwartsstrecke an den Antennenelementen 1.1 bis 1.9 der linearen Antennengruppe 1 und in der Abwartsstrecke an der Antenne des jeweiligen Handys 7,8. Ob sich die einzelnen Signale konstruktiv oder destruktiv uberlagern, hãngt von der Phasenbeziehung der einzelnen Wellen zueinander ab. Da in einem FDD-System fur die Aufwarts-und die Abwartsstrecke unterschiedliche Tragerfrequenzen verwendet wer- den, andern sich auch die Phasenbeziehungen der Wellen zueinan- der. Aus diesem Grund ist der Schwund (die konstruktive und de- struktive Uberlagerung) in der Aufwarts-und Abwartsstrecke ab- solut unkorreliert. Aber nicht nur der Schwund auch das Anten- nendiagramm verandert sich durch die Frequenzverschiebung. So- wohl die Position der Hauptkeule als auch die Position der Nullstellen und deren Form in der Gruppenrichtcharakteristik andern sich sehr stark, wie in den Fig. 4A und 4B illustriert ist. Dabei zeigt Fig. 4A ein Antennendiagramm fur die Frequenz der Aufwartsstrecke und Fig. 4B ein entsprechendes Antennendia- gramm fur die Frequenz der Abwartsstrecke. Wie aus Fig. 4A ersichtlich kommen für einen Benutzer B1 die Signale aus den Richtungen-20° und 40° und für einen Benutzer B2 aus den Richtungen-50° und 10°. Hingegen liegen die Hauptkeulen bei Verwendung der selben Antennengewichte in der Abwartsstrecke (s.

Fig. 4B) für den Benutzer B1 bei-18° und 35° und far den Benutzer B2 bei-45° und 8°. (Als Tragerfrequenzen wurden hierbei folgende Werte zugrundegelegt : fE=1920MHz, fs=211OMHz.) Wie aus den Fig. 4A und 4B zu ersehen ist, sind sowohl die Nullstellen als auch die Hauptkeulen in ihrer Richtung auf Grund der unterschiedlichen Frequenzen verschoben. Der Einfluss auf die Hauptkeulen ist jedoch nicht so stark, da sie ohnehin sehr breit sind und sich deshalb nur ein um maximal 0,5dB kleinerer Antennengewinn ergibt. Die Nullstellen in Richtung des jeweils anderen Benutzers sind jedoch sehr schmal, und bei Verwendung der selben Antennengewichte für die Abwärtsstrecke wie für die Aufwärtsstrecke wird die erzeugte Störung für den jeweils ande- ren Benutzer drastisch erhöht. Aus diesem Grund ist es nicht ratsam, die selben Antennengewichte für das Empfangen und für das Senden an der Basisstation 11 zu verwenden.

Wegen der Frequenzverschiebung ist also der Schwund zwischen Sende-und Empfangsfall unkorreliert, und es ergibt sich ein anderes Antennendiagramm bei Verwendung der selben Antennenge- wichte.

Der unkorrelierte Schwund kann nicht kompensiert werden, da samtliche Pfadlängen bekannt sein mussten, was unmöglich ist.

Mit einer geeigneten Strahlformung kann jedoch der Einfluss der Tragerfrequenz auf das Antennendiagramm kompensiert werden, wo- durch in der Folge die für die anderen Benutzer erzeugte Störung verringert und die Übertragungsqualität und Systemkapazitat ge- steigert wird.

Für diese Signalformung wird in der Basisstation 11 eine Si- gnalprozessoreinheit 2 verwendet, vgl. Fig. 3, die auf Basis der empfangenen Signale für die Ansteuerung der Antennenelemente 1.1 bis 1. M Antennengewichte insbesondere auch für die Abwarts- strecke ermittelt. Dabei werden beispielsweise im Mobilfunk- system K Benutzer B1 bis BK gleichzeitig versorgt, und die An- tennengruppe 1 besteht, allgemein formuliert, aus M Antennen- elementen 1.1 bis 1. M. Die empfangenen Signale werden bei 13 bandbegrenzt (Filterung mit Kanalselektionsfilter) und bei 14 ins Basisband gemischt, bei 15 verstarkt und bei 16 digitali- siert, und in der Signalprozessoreinheit 2 werden die Signale mit Hilfe adaptiver Algorithmen detektiert. In der Abwarts- strecke werden dann die Signale entsprechend gewichtet, modu- liert (bei 14) und von der Antenne 1 abgestrahlt. In Fig. 3 ist dabei schematisch der Signalaustausch zwischen der Basisstation 11 und dem Zugangsnetz 17 erganzend veranschaulicht.

In Fig. 5 ist ein Ablaufdiagramm gezeigt, dass die Auswer- tung der Eingangssignale bis hin zur Ermittlung der Antennen- gewichte fur die gewunschte Strahlformung in der Abwartsstrecke schematisch veranschaulicht.

Wie in Fig. 5 dargestellt, dient eine Matrix X von ver- rauschten Eingangssignalen mehrerer Gleichkanalsignale als Ein- gangsdatensatz, der in der Signalprozessoreinheit 2 weiter be- arbeitet werden soll. Die Matrix X enthält N Abtastwerte mit kritischer Abtastung (Abtastrate 1/T) von K Gleichkanalsignalen, die von den M Einzelelementen der Gruppenantenne 1 abgeleitet sind, sowie Interferenzsignale aus benachbarten Zellen, die dieselben Frequenzen verwenden. Unter Zuhilfenahme einer be- kannten Signalfolge Sk (Block 31 in Fig. 5) des gesendeten Signals, mit k=1 bis K, wie dem Spreizcode in CDMA-Systemen oder den Pra-oder Mittambeln in TDMA-Systemen, werden nun die Kanalimpulsantworten jedes der K Benutzer B1 bis BK an jedem Antennenelement 1.1 bis 1. M im Schritt 30 geschatzt ("Teilneh- mererkennung"). Dabei konnen die Kanalimpulsantworten jedes Teilnehmers B1 bis BK mit an sich bekannten Methoden unabhangig voneinander geschatzt werden (zum Beispiel durch Korrelation mit der bekannten Signalfolge Sk) oder in einem Schritt alle gleichzeitig (zum Beispiel mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate).

Mehr im Detail werden die Kanalimpulsantworten aus den emp- fangenen Daten X und der bekannten Signalfolge Sk geschätzt (Prã-, Mittambel in TDMA, oder Spreizcode in CDMA-Systemen), darin bezeichnen hk (t, r) und Sk (t) die zeitvariante Impuls- antwort zum Zeitpunkt t und das gesendete Signal des k-ten Be- nutzers ; und N (t) bezeichnet den Vektor mit dem thermischen Rauschen an den Antennenelementen 1.1 bis 1. M. Die Summation berucksichtigt, dass man die Signale von allen K Benutzern B1 bis BK empfangt. Aus dieser Beziehung kann man nun die Kanalim- pulsantworten der Benutzer B1 bis BK schatzen.

In TDMA-Systemen kann man dazu die erwahnten Pro-odeur Mittambeln verwenden-entweder für alle Benutzer zugleich (ge- meinsame Schatzung) oder far jeden Benutzer separat. Die sepa- rate Schatzung kann ebenfalls mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate durchgeführt werden, was in zeitdiskreter Schreibweise wie folgt dargestellt werden kann : Die gemeinsame Schatzung kann folgendermaßen erfolgen : Das entspricht einer gemeinsamen Schatzung mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate. Das Bilden der Pseudoinversen einer Matrix wird dabei durch"&num "bezeichnet.

In CDMA-Systemen verwendet man das Ausgangssignal eines auf den verwendeten Spreizcode signalangepassten Filters. Dieses signalangepasste Filter ist ein Standardempfangerbestandteil von CDMA-Systemen ; eine Beschreibung der entsprechenden Beziehungen für die Schatzung kann sich hier erubrigen.

Die Kanalimpulsantwortmatrizen Hk mit k=l bis K (für die Benutzer B1 bis BK) beinhalten die gesamte benötigte Information für den Strahlformungsprozess. Die Kanalimpulsantwortmatrizen besitzen folgende Struktur Hk = [hk (O) hk (T) hk ((L1) T)] wobei hk (t) der Vektor der Kanalimpulsantwort zum Zeitpunkt t ist. Bei dieser Darstellung wird angenommen, dass die Kanalim- pulsantwort eine Lange von L Abtastwerten besitzt.

Mit Hilfe dieser Kanalimpulsantworten werden nun die rhum- lichen Kovarianzmatrizen der Aufwartsstrecke der einzelnen Be- nutzer berechnet, s. Schritt 40 in Fig. 5.

Ein Signal, dass aus einer Richtung 6 an der Antennengruppe 1 einfallt, ergibt eine Gruppenantwort, die gleich dem bereits erwähnten Array Steering Vector a (0, f) ist. Die raumliche Kova- rianzmatrix R (f) dieses Signals ist in diesem Fall als R (f) = E{a(#,f)#aH(#,f)} definiert. Normalerweise gibt es viele Ausbreitungspfade mit unterschiedlichen Empfangsleistungen. Aus diesem Grund kann die raumliche Kovarianzmatrix wie folgt dargestellt werden In der Kanalimpulsantwort sind samtliche Signale mit den Gruppenantworten und den zugehörigen Signalstärken enthalten.

Aus diesem Grund und durch das Ersetzen der Erwartungswertbil- dung durch den zeitlichen Mittelwert (im zeitdiskreten Mit. tel- wert der Abtastwerte) kann man die räumliche Kovarianzmatrix wie folgt darstellen mit k = 1... K, Mit dieser Beziehung werden daher die Kovarianzmatrizen der Aufwartsstrecke der Benutzer B1 bis BK geschatzt. Die räumliche Kovarianzmatrix Rk ist ebenfalls frequenzabhangig. Die räumliche Kovarianzmatrix Rk der Aufwärtsstrecke wird im Allgemeinen zur Berechnung der komplexen Antennengewichte für den Empfang mit adaptiven Antennen verwendet. Die Verwendung dieser Antennenge- wichte für die Abwärtsstrecke verschiebt aber die Nullstellen, wie bereits erlautert. Aus diesem Grund muss man versuchen, die räumliche Kovarianzmatrix Rk von der Empfangsfrequenz fE der Basisstation auf die Sendefrequenz fg zu transformieren, um die Antennengewichte für die Abwartsstrecke berechnen zu können.

Diese Frequenztransformation ist in Fig. 5 beim Schritt 50 angedeutet, wobei die Frequenztransformation die raumliche Struktur des Mobilfunkkanals, die in der räumlichen Kovarianz- matrix Rk enthalten ist, von der Empfangsfrequenz der Basis- station (Frequenz der Aufwartsstrecke) fE auf die Sendefrequenz der Basisstation (Frequenz der Abwartsstrecke) fS transformiert.

Diese Technik ist in Fig. 6 genauer gezeigt und wird in der Folge detaillierter beschrieben.

Die geschätzten räumlichen Kovarianzmatrizen Rk der K Be- nutzer der Abwartsstrecke werden so gebildet, dass sie hermi- tisch sind. Das bedeutet, dass alle Einfallsrichtungen als von- einander unabhangig angesehen werden. Die Kovarianzmatrizen Rk (fs) bei der Sendefrequenz fs, die am Ende von Schritt 50 erhalten werden, werden dazu verwendet, um die optimalen Anten- nengewichte für das Senden in der Abwärtsstrecke zu berechnen.

Dies wird im Schritt 60 in Fig. 5 durchgefuhrt. Es können dazu sämtliche Strahlformungsalgorithmen benutzt werden, die auf der Kenntnis der räumlichen Kovarianzmatrix beruhen. Die Signale für die einzelnen Benutzer werden nun mit deren Antennengewichten multipliziert (gewichtet) und von der Basisstation 11 gesendet.

Zur Frequenztransformation (Schritt 50) gemfiß Fig. 6 ist im Detail folgendes auszuführen : Wie bereits beschrieben, ist der Schwund (die Phasenbeziehung) der einzelnen Signalpfade in Ab- und Aufwartsstrecke unkorreliert. Nur die Einfallsrichtungen der einzelnen Teilwellen und deren mittlere Signalstarke (Leistung) sind in der Auf-und Abwartsstrecke gleich. Zur Strahlformung wird daher das geschatzte Leistungs-Winkelspektrum verwendet, um die räumliche Kovarianzmatrix zu rekonstruieren. Das Lei- stungs-Winkelspektrum enthalt die Leistung, die aus dem jewei- ligen Winkelbereich empfangen wird. Genau dieser Parameter ist in Ab-und Aufwartsstrecke gleich. Aus diesem Grund ist die ge- samte Information, die für das Senden in der Abwartsstrecke ge- nutzt werden kann, in der rekonstruierten Kovarianzmatrix wieder enthalten. Da nur die mittlere Signalstärke gleichbleibt und nicht die momentane, kann eine zeitliche Mittelung inkludiert werden. Die zeitliche Mittelung kann an drei Stellen durchgeführt werden : (1) Mittelung der Kovarianzmatrizen bei der Empfangsfrequenz (Aufwartsstrecke) (2) Mittelung des Leistungs-Winkelspektrums (nach Schritt 52 in Fig. 6) (3) Mittelung der Kovarianzmatrizen bei der Sendefrequenz (Abwartsstrecke) Wo die Mittelung erfolgt ist im Prinzip egal-es hat sich bei Untersuchungen gezeigt, dass die Mittelung der Kovarianzma- trix bei der Empfangsfrequenz besonders gute Ergebnisse liefert.

In Fig. 6 ist die Leistungs-Winkelspektrum-Schatzung bei Block 52 gezeigt, wobei von den Kovarianzmatrizen Rk (fE) der Aufwartsstrecke fur den k-ten Benutzer ausgegangen wird. Bei dieser Leistungs-Winkelspektrum-Schatzung können prinzipiell alle an sich bekannten Verfahren der spektralen Suche herange- zogen werden.

Das Leistungs-Winkelspektrum APSk (Azimuthal Power Spectrum) kann durch die Maximum Likelihood Methode (auch Minimum Varianz Methode oder Capon's Methode genannt, gezeigt in D. H. Johnson, D. E. Dudgeon,"Array Signal Processing-Concepts and Techniques", Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs (New Jersey), 533 S.) wie folgt geschätzt werden : In dieser Beziehung ist a (0, fE) der"Array Steering Vector"der Aufwartsstrecke, der von der Empfangsfrequenz fE, dem Interelementabstand d der linearen Antennengruppe mit M Elementen und der Richtung 6 wie folgt abhangig ist : Das bedeutet, dass bei Kenntnis der Geometrie der gleich- förmigen, linearen Antennengruppe 1 (Verhaltnis des An- tennenelementabstandes d zur Empfangswellenlange Xg, d. h. d/XE) das Leistungs-Winkelspektrum APSk jedes der K Benutzer geschätzt wird. Dieser Schritt kann selbstverständlich auch mit anderen, ähnlichen Verfahren der spektralen Suche durchgeführt werden.

Das Leistungs-Winkelspektrum APSk enthalt keinerlei Phasenbe- ziehungen der einzelnen Signalpfade des Mobilfunkkanals zuei- nander, was weder notwendig noch sinnvoll ist, da durch die unterschiedliche Sende-und Empfangsfrequenz in einem Frequenz- duplexsystem der Schwund und die Phasenbeziehungen durch die Mehrwegeausbreitung absolut unkorreliert sind.

In Fig. 7 ist ein Beispiel für ein geschatztes Leistungs- Winkelspektrum APSk eines Benutzers Bk gezeigt, der sich in der Richtung +10° von der Basisstation 11 aus gesehen befindet. Die strichlierte Linie in Fig. 7 skizziert das geschatzte Leistungs- Winkelspektrum einiger Gleichkanalsstörer, die sich auf-30°, +12° und 50° befinden.

Im Schritt 54 in Fig. 6 werden sodann die dominanten Berei- che des Leistungs-Winkelspektrums APSk extrahiert. Dabei muss nicht unbedingt das gesamte Leistungs-Winkelspektrum APSk zur Rekonstruktion der räumlichen Kovarianzmatrix herangezogen wer- den, sondern es können auch nur jene Winkelbereiche verwendet werden, aus denen der grote Teil der Signale in der Aufwarts- strecke empfangen wird, wobei daher die Antennenkeulen in diese Winkelbereiche gerichtet werden bzw. in Bezug auf die Interfe- renz nur in solche Winkelbereiche Nullstellen im Antennendia- gramm gelegt werden. Diese Technik, einige Winkelbereiche aus- zublenden, um z. B. nur Nullstellen in die Richtung der dominan- ten Störer zu legen oder Nullstellen in Richtung jener Store zu vermeiden, die in ungefähr der selben Richtung liegen wie der gewünschte Benutzer und dadurch das Antennendiagramm negativ beeinflussen, ist beispielhaft in Fig. 8 (in Verbindung mit Fig.

7) sowie in den Fig. 9 und 10 veranschaulicht. Während Fig. 7 das geschätzte Leistungs-Winkelspektrum des gewünschten Be- nutzers und der Störer zeigt, veranschaulicht Fig. 8 die Anten- nenrichtcharakteristik zu diesem Szenario.

In Fig. 7 ist ersichtlich, dass ein Störer und der ge- wunschte Benutzer ungefähr in der selben Richtung (+12° bzw.

+10°) liegen. Versucht man die in die Richtung dieses einen Sot6- rers gesendete Energie, der auf +12° von der Basisstation aus gesehen liegt, zu verringern, so zeigt die Hauptkeule nicht exakt in die Richtung des gewünschten Benutzers.

Um diesen Effekt zu unterdrücken, besteht die Möglichkeit, den Anteil des einen Störers im Leistungs-Winkelspektrum zu un- terdrucken, und dadurch die Verschiebung der Hauptkeule zu ver- hindern. Diese Anwendung der Modifikation des Leistungs-Win- kelspektrums ist in Fig. 9 dargestellt, und Fig. 10 zeigt das entsprechend modifizierte Antennendiagramm.

Bei der Verwendung des modifizierten Leistungs-Winkelspek- trums zur Strahlformung in der Abwartsstrecke zeigt nun die Hauptkeule im Antennendiagramm (Fig. 10) wieder in Richtung des gewunschten Benutzers (+10°). Besonders in CDMA-Systemen (die Systeme der 3. Mobilfunkgeneration wie UMTS beruhen alle auf CDMA) mit vielen Benutzern, die auf einem Kanal versorgt werden, kann die Trennbarkeit der Benutzer im Winkel (mehrere Benutzer liegen nicht in der selben Richtung, was einen Mindestabstand der Winkel, in der die Benutzer liegen, bedingt) bei weitem nicht gewahrleistet werden. Aus diesem Grund kann der hier dar- gestellte Fall in CDMA-Systemen haufig auftreten.

Schätzfehler in den Kovarianzmatrizen der Benutzer bzw. der Store verstärken den hier gezeigten Effekt. In real operieren- den Systemen ist das eventuelle Ausblenden von bestimmten Be- reichen im Leistungs-Winkelspektrum deshalb oft erforderlich.

Danach wird im Schritt 56 von Fig. 6 mit dem geschatzten, modifizierten Leistungs-Winkelspektrum APSk mod die raumliche Kovarianzmatrix (Korrelationsmatrix) Rk (fS) des Mobilfunkkanals der Abwärtsstrecke der K Benutzer rekonstruiert. Dies geschieht nach folgendem Verfahren : Das Leistungs-Winkelspektrum kann natürlich nicht kontinu- ierlich, sondern nur diskret mit einer bestimmten Winkelauflö- sung bestimmt werden. In ausführlichen Computersimulationen hat sich dabei gezeigt, dass eine Auflösung von rund einem Grad ausreichend ist. Daraus ergibt sich, dass das vorstehende Inte- gral durch eine diskrete Summe mit verhältnismäßig wenig Sum- manden ersetzt werden kann. Die diskrete Summe sieht folgender- mayen aus : Pk, mod bezeichnet hier das modifizierte Leistungs-Winkel- spektrum des k-ten Benutzers.

Das beschriebene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die gesamte Richtungsinformation des Mobilfunkkanals für die Strahlformung in der Abwartsstrecke genutzt wird, ohne einen Fehler durch die Duplexfrequenz zu begehen, und daher derselbe Gewinn in der Abwärtsstrecke von zellularen Mobilfunksystemen mit Frequenzduplex möglich ist wie in Zeitduplexsystemen. Dabei werden keinerlei Annahmen tuber die Anzahl von diskreten Ein- fallsrichtungen oder geringen Duplexabstand verwendet, und daher ist die beschriebene Technik ohne Einschrankungen einsetzbar.

Weiters werden die raumliche Kovarianzmatrix bzw. die Kanalim- pulsantworten zur Strahlformung der Abwärtsstrecke verwendet, die auch zur Detektion in der Aufwärtsstrecke benötigt werden und daher nicht extra berechnet werden mussen.

Am Ausgang der Frequenztransformation gemãß Block 50 werden somit die Kovarianzmatrizen Rk der Abwärtsstrecke (Rk (fS)) für den k-ten Teilnehmer erhalten, und diese werden abschließend im Schritt 60 gemäß Fig. 5 der Strahlformung, d. h. der Ermittlung der Antennengewichte für die Abwartsstrecke, zu Grunde gelegt.

Wie bereits erwahnt, können samtliche bekannte Algorithmen zur Strahlformung verwendet werden, die auf der Kenntnis der rhum- lichen Kovarianzmatrix beruhen. Im Folgenden wird als Beispiel ein Algorithmus erlautert, der in der Literatur ein Standardal- gorithmus zur Berechnung der Antennengewichte in der Aufwarts- strecke ist (vgl. z. B. P. Zetterberg, und B. Ottersten :"The Spectrum Efficiency of a Basestation Antenna Array System for Spatially Selective Transmission", IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 44, pp. 651-660, August 1995).

Kennt man die Kovarianzmatrix der einzelnen Benutzer und der Store, so kann man aus dieser Information die Antennengewichte berechnen. Rk (fS) bezeichnet die Kovarianzmatrix des k-ten Benutzers und Qk (fS) die Kovarianzmatrix der Störung für den k- ten Benutzer bei der Sendefrequenz fs. Der Gewichtsvektor wird aus dieser Information als der dominante verallgemeinerte Ei- genvektor des Matrixpaares [Rk (fS), Qk (fs)] berechnet. Beim Empfang in der Aufwartsstrecke maximiert diese Methode das Ver- haltnis von empfangenem Nutzstõrleistungs-Verhãltnis SNIRk. In der Abwartsstrecke wird das Verhältnis von erzeugter Signallei- stung für den gewunschten Benutzer zu erzeugter Interferenzlei- stung für die anderen Benutzer maximiert. Mathematisch kann man dieses Problem wie folgt darstellen : Zur Detektion in der Aufwartsstrecke verwendet man die Ko- varianzmatrizen bei der Empfangsfrequenz und für das Berechnen der Antennengewichte für die Abwartsstrecke die frequenztrans- formierten Kovarianzmatrizen (bei der Sendefrequenz der Basis- station). Es wird jedoch der selbe Algorithmus zur Berechnung der komplexen Antennengewichte für das Empfangen und das Senden mit der adaptiven Antenne 1 verwendet. Aus diesem Grund, und weil die räumliche Kovarianzmatrix für den Empfang in der Auf- wartsstrecke im Allgemeinen verwendet wird, ist dieses Verfahren zur Strahlformung für die Abwärtsstrecke von Systemen mit Fre- quenzduplex sehr einfach, und man benötigt im Vergleich zur Aufwärtsstrecke nur die Frequenztransformation der räumlichen Kovarianzmatrix zusätzlich, wie schematisch in Fig. 11 bei 70 dargestellt ist.

In Fig. 11 ist dabei ganz allgemein die Struktur der Si- gnalprozessoreinheit 2 zur Berechnung der Antennengewichte für die adaptive Antenne 1 gezeigt, wobei die Empfangssignale bei 71 schematisch angedeutet sind. Bei 72 ist die Einheit zur Schät- zung der Aufwärts-Kovarianzmatrizen Rk veranschaulicht, und die Strahlformungseinheit ist bei 73 gezeigt. Die ermittelten An- tennengewichte sind mit Wk (fg) für die Abwärtsstrecke und mit Wk (fE) für die Aufwärtsstrecke bezeichnet.