DE69233707T2 - Schnurloses Kommunikationssystem mit Vielfachzugriff durch Raummultiplexierung - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Das Gebiet dieser Erfindung betrifft allgemein drahtlose Informations- und Kommunikationssysteme mit Vielfachzugriff und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswerten von Informationen, die von Anordnungen von räumlich verteilten Sensoren gesammelt wurden, um die Anzahl und Qualität von Kommunikationskanälen in drahtlosen Netzen wesentlich zu erhöhen, indem räumlich gerichtete Verbindungen hergestellt werden, die zu einem Vollduplex-Betrieb in nichtstationären Umgebungen in der Lage sind, ohne dass der Umfang des zugewiesenen Frequenzspektrums erhöht wird.
  • STAND DER TECHNIK
  • Drahtlose Kommunikationssysteme bestehen im Allgemeinen aus einem oder mehreren lokalen zentralen Standorten, hier als Basisstationen bezeichnet, über welche drahtlose Sender/Empfänger Zugang zu einem umfangreicheren Informationsnetz erlangen. Die Basisstationen bedienen ein lokales Gebiet, in dem sich eine Anzahl von drahtlosen Benutzern, die fest oder beweglich sind, befindet. Die Funktion der Basisstation ist es, Nachrichten zu und von allen Benutzern über das gesamte Netz weiterzuleiten. In zellularen Mobilfunksystemen wird diese Aufgabe zum Beispiel realisiert, indem Nachrichten zu einem Mobile Telephone Switching Office (MTSO, Mobiltelefon-Vermittlungsamt) weitergeleitet und Signale von einem solchen empfangen werden. Ein drahtloser Benutzer stellt eine Zweiwege-(Vollduplex-)Kommunikationsverbindung mit einem oder mehreren anderen Benutzern her, die ebenfalls einen gewissen Zugang zu dem Netz haben, indem sie zuerst einen Zugang zu dem Netz über die lokale Basisstation anfordern. Diese Kommunikation wird in zellularen Mobilkommunikationsnetzen und drahtlosen lokalen Computernetzen (LANs) zum Beispiel bewerkstelligt, indem elektromagnetische Wellen auf geeignete Weise moduliert werden.
  • Herkömmliche drahtlose Kommunikationssysteme erfordern, dass Benutzer Signale in verschiedenen Frequenzkanälen übertragen, unterschiedliche Codierungsschemata in denselben Frequenzkanälen verwenden, oder dass Signale in sich nicht überlappenden Zeitintervallen übertragen werden, damit die Signale korrekt empfangen werden. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen mehrerer Nachrichten in demselben Frequenz-, Code- oder Zeitkanal unter Ausnutzung der Tatsache, dass sie sich in unterschiedlichen räumlichen Kanälen befinden. Im Folgenden wird der Begriff Kanal verwendet, um einen beliebigen der herkömmlichen Kanäle (Frequenz-, Zeit-, Codekanal) oder eine beliebige Kombination davon zu bezeichnen. Der Begriff räumlicher Kanal bezieht sich auf das neue Konzept, das für die vorliegende Erfindung spezifisch ist.
  • Drahtlose Kommunikation wird derzeit zu einer immer gebräuchlicheren Form der Kommunikation (D. Goodman, "Trends in Cellular and Cordless Communications", IEEE Communications Magazine, Juni 1991), und die Nachfrage nach einem solchen Dienst nimmt weiter zu. Zu den Beispielen gehören zellulare Mobilkommunikationsnetze, drahtlose lokale Computernetze, drahtlose Telefonnetze, Schnurlostelefone, Satellitenkommunikationsnetze, drahtloses Kabelfernsehen, Funkrufsysteme (Paging-Systeme) für mehrere Benutzer, Hochfrequenz-(HF-)Modems und andere. Gegenwärtige Implementierungen dieser Kommunikationssysteme sind alle auf begrenzte Frequenzbänder des Betriebs beschränkt, entweder aus praktischen Erwägungen oder, was häufiger der Fall ist, aufgrund staatlicher Regulierung. Da die Kapazität dieser Systeme erreicht worden ist, muss die Nachfrage nach mehr Diensten erfüllt werden, indem der betreffenden Anwendung ein größeres Frequenzspektrum zugewiesen wird, wobei außerdem Versuche unternommen werden, das zugewiesene Spektrum effizienter zu nutzen. In Anbetracht des physikalischen Grundprinzips, dass eine Übertragung von Informationen Bandbreite erfordert, stellen die grundlegenden Beschränkungen eines endlichen Umfangs des praktisch nutzbaren Spektrums ein beträchtliches Hindernis für die Erfüllung eines exponentiell zunehmenden Bedarfs an drahtloser Informationsübertragung dar. Da, wie sich im Verlaufe des letzten Jahrzehnts gezeigt hat, der Umfang des praktisch nutzbaren Frequenzspektrums nicht mit der Nachfrage Schritt halten kann, besteht ein dringender Bedarf an neuer Technologie zur Erhöhung der Fähigkeit solcher Systeme, Informationen zu übertragen (D. Goodman, op. cit., G. Calhoun, Digital Cellular Radio, Artech House 1988). Diese Erfindung ist unmittelbar auf diesen Bedarf zugeschnitten und ist mit gegenwärtigen ebenso wie zukünftigen Modulationsschemata und Standards kompatibel (D. Goodman, "Second Generation Wireless Information Networks", IEEE Trans. an Veh. Tech., Bd. 40, Nr. 2, Mai 1991).
  • In herkömmlichen drahtlosen Kommunikationssystemen bedient eine Basisstation viele Kanäle mittels verschiedener Schemata des Vielfachzugriffs, von denen die gebräuchlichsten Frequenzmultiplex-Vielfachzugriff (Frequency-Division Multiple Access, FDMA), Zeitmultiplex-Vielfachzugriff (Time-Division Multiple Access, TDMA) und in jüngerer Zeit Codemultiplex-Vielfachzugriff (Code-Division Multiple Access, CDMA) sind. Alle gegenwärtigen Systeme verwenden FDMA, wobei die verfügbare Frequenzbandbreite in mehrere Frequenzkanäle aufgeteilt wird und Signale gleichzeitig übertragen werden, und zwar zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt maximal eines pro Kanal. Alle drahtlosen Systeme wenden gegenwärtig außerdem TDMA an, ein Verfahren, bei dem mehrere Benutzer zusammen einen gemeinsamen Frequenzkanal nutzen, indem sie dies zu unterschiedlichen Zeiten tun, wobei, wenn ein Benutzer den ihm zugewiesenen Kanal nicht mehr benötigt, der Kanal einem anderen Benutzer zugewiesen wird.
  • In herkömmlichen drahtlosen Kommunikationssystemen wird TDMA auch auf einer detaillierteren Ebene verwendet. Analoge Daten wie etwa Sprachdaten werden digitalisiert, komprimiert und danach in Bursts über einen zugewiesenen Frequenzkanal in zugewiesenen Zeitschlitzen (Timeslots) gesendet. Durch Verschachteln mehrerer Benutzer in den verfügbaren Zeitschlitzen können Erhöhungen der Kapazität (d.h. der Anzahl der gleichzeitigen Benutzer) des Systems erreicht werden. Dies erfordert jedoch beträchtliche Änderungen an der Hardware des Empfängers der Basisstation sowie an den mobilen Geräten selbst, da die gegenwärtigen analogen Geräte nicht in der Lage sind, diese Technologie zu nutzen. Demzufolge musste ein Dual-Mode-Standard (Standard für zwei Übertragungsverfahren) eingeführt werden, der sowohl die neuen digitalen als auch die alten analogen Übertragungsschemata unterstützt.
  • CDMA ermöglicht mehreren Benutzern, unter Verwendung codierter Modulationsschemata zusammen einen gemeinsamen Frequenzkanal zu nutzen. Die Technologie beinhaltet eine Vorverarbeitung des zu übertragenden Signals durch Digitalisierung desselben, ein Modulieren einer Breitbandcodierten Pulsfolge und ein Übertragen des modulierten codierten Signals in dem zugewiesenen Kanal. Mehreren Benutzern werden unterschiedliche Codes gegeben, wobei Decoder in den Empfängern dafür programmiert sind, diese zu detektieren. Bei einer geeigneten Gestaltung kann die Anzahl gleichzeitiger Benutzer eines solchen Systems im Vergleich zu herkömmlichen drahtlosen Kommunikationssystemen erhöht werden. Obwohl die Technologie theoretisch solide ist, muss sie jedoch noch erprobt werden. Es sind erhebliche praktische Probleme bei diesem Schema vorhanden, wobei das wichtigste eine strenge Forderung nach einer genauen und schnellen Leistungssteuerung der drahtlosen Sender ist. Diese Probleme beeinträchtigen die Nützlichkeit von CDMA in drahtlosen Kommunikationsnetzen. Sollte CDMA jedoch von Bestand sein, kann das hier beschriebene Konzept SDMA direkt angewendet werden, um Kapazität und Systemleistung weiter zu erhöhen.
  • Die oben erwähnten Verfahren stellen verschiedenartige Versuche dar, eine zunehmende Anzahl von Signalen effizienter in Frequenzkanäle von fester Breite zu packen. Diese Verfahren nutzen nicht die räumliche Dimension, wenn Kanäle festgelegt werden. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben entdeckt, dass zusätzlich zu herkömmlichen Schemata die räumliche Dimension genutzt werden kann, um die Qualität der Kommunikationsverbindungen wesentlich zu erhöhen, die erforderliche Höhe der Sendeleistung zu verringern und, was am wichtigsten ist, die Anzahl der Kanäle zu erhöhen, welche eine Basisstation ohne Zuweisung von mehr Frequenzkanälen bedienen kann. Dieses Verfahren wird im Weiteren als Raummultiplex-Vielfachzugriff (Spatial-Division Multiple Access, SDMA) bezeichnet.
  • In herkömmlichen drahtlosen Kommunikationssystemen ist die Nutzung der räumlichen Dimension darauf beschränkt, was als räumliche Diversität und Sektorisierung bezeichnet wird. Bei räumlicher Diversität, die zumeist mit Mobilfunksystemen verknüpft ist, werden zwei Antennen nur beim Empfang verwendet, und diejenige mit dem stärksten Signal in der interessierenden Bandbreite wird für die weitere Verarbeitung gewählt, oder es wird ein bestimmtes Verfahren zum Kombinieren der zwei Ausgänge angewendet (P. Balaban und J. Salz, "Dual Diversity Combining and Equalization in Digital Cellular Mobile Radio". IEEE Trans. an Veh. Tech., Bd. 40, Nr. 2, Mai 1991). Obwohl dies zu einer geringfügigen Verbesserung der Qualität des empfangenen Signals führt, ist keine Erhöhung der Systemkapazität vorhanden.
  • Um die Kapazität zellularer Systeme zu erhöhen, installieren Diensteanbieter mehr Zellenstandorte, wodurch das von den einzelnen Standorten versorgte Gebiet verkleinert wird, so dass mehr Benutzer auf das System zugreifen können. Der Grundgedanke ist, dass Signale, die genügend weit entfernt sind, lokale Quellen nicht stören werden, da Leistung recht schnell im Raum dissipiert wird, je weiter der Empfänger vom Sender entfernt ist. Diese einfache Methode zur Erhöhung der Kapazität ist jedoch recht teuer, da die benötigte Menge an Hardware für die Zellenstandorte proportional zur Anzahl der Zellenstandorte ist, welche wiederum umgekehrt proportional zum Quadrat des Faktors ist, um welchen der effektive Radius jeder Zelle verkleinert wird. Tatsächlich führen die ökonomischen Gegebenheiten der Situation zwangsläufig dazu, dass Diensteanbieter Kaufangebote für kostbares Frequenzspektrum abgeben, bevor sie eine Installation neuer Zellenstandorte auch nur in Betracht ziehen (G. Calhoun, Digital Cellular Radio, Artech House 1988). Ferner erschwert diese Strategie auch erheblich das Problem der Gesprächsumschaltung, das weiter unten erläutert wird, da Benutzer häufiger in Zellen eintreten und Zellen verlassen, wenn die Zellen kleiner sind.
  • Die Sektorisierung ist von der Idee her ähnlich und ist ein anderes herkömmliches Verfahren, um die Kapazität zu erhöhen, indem im Wesentlichen die von den einzelnen Zellen versorgten lokalen Gebiete kleiner gemacht werden, wodurch mehr Zellen zum Netz hinzugefügt werden. Dies wird an einem gemeinsamen Standort bewerkstelligt, indem an dem Zellenstandort Richtantennen verwendet werden, d.h. Empfangsantennen, welche Mobilfunkübertragungen nur in einem bestimmten Sektor empfangen. Patente, welche dieses grundlegende zellulare Konzept betreffen, wurden 1977 der Firma Motorola erteilt (V. Graziano, "Antenna Array for a Cellular RF Communications System", US-Patentschrift 4,128,740 , 13/1977, U.S. Cl. 179-2 EB), 1985 der Firma Harris Corporation (M. Barnes, "Cellular Mobile Telephone System and Method", US-Patentschrift 4,829,554 , 55/1985, U.S. Cl. 379-58), 1986 der Firma NEC Corporation (M. Makino, "Mobile Radio Communications System", US-Patentschrift 4,575,582 , C.I.P. 4,796,291 , 3/1986, U.S. Cl. 358-58) sowie der Sony Corporation (T. Kunihiro, "Cordless Telephone", US-Patentschrift 4,965,849 , 9/1989, U.S. Cl. 455-34), um nur einige zu nennen. Im Zusammenhang damit, dass jüngste Entwicklungen auf dem Gebiet der digitalen Technik eine digitale Übertragung und einen digitalen Empfang von Informationen wirtschaftlich realisierbar machen, wurde ebenfalls eine beträchtliche Anzahl von Patenten auf diesem Gebiet erteilt, darunter S. Hattori et al., "Mobile Communication System", US-Patentschrift 4,947,452 , 10/1989, U.S. Cl. 455-33; S. Hattori et al., "Mobile Communication System", US-Patentschrift 4,955,082 , 1/1989, U.S. Cl. 455-33; T. Shimizu et al., "High Throughput Communication Method and System for a Digital Mobile Station When Crossing a Zone Boundary During a Session", US-Patentschrift 4,989,204 , 12/1989, U.S. Cl. 370-94.1; T. Freeburg et al., "Cellular Data Telephone System and Cellular Data Telephone Therefor", US-Patentschrift 4,837,800 , 13/1988, U.S. Cl. 379-59; und R. Mahany, "Mobile Radio Data Communication System and Method", US-Patentschrift 4,910,794 , 6/1988, U.S. Cl. 455-67. Obwohl eine Sektorisierung die Kapazität erhöht, verfügt sie über ein begrenztes Potential für die Erfüllung des zukünftigen Bedarfs und ist grundsätzlich durch die physikalischen Grundprinzipien begrenzt, welche die Bildung von übermäßig kleinen Sektoren nicht ohne übermäßig große Antennen ermöglichen. Ferner wird, da die Sektorisierung einfach ein anderes Verfahren zur Erhöhung der Zellenanzahl ist, das Problem der Gesprächsumschaltung, welches weiter unten ausführlich erläutert wird, erschwert.
  • Bei den oben erwähnten herkömmlichen Systemen wird angenommen, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt nur ein mobiles Gerät in einer gegebenen Zelle auf einer gegebenen Frequenz sendet. Andere Sender, welche in demselben Frequenzkanal zur selben Zeit aktiv senden, werden als Gleichkanalinterferenz (Gleichkanalstörung) betrachtet, eine Situation, welche gegenwärtige Systeme zu vermeiden versuchen, da sie zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Leistungsfähig keit führt. Tatsächlich ist Gleichkanalinterferenz ein wesentlicher Faktor, um zu bestimmen, wie oft (räumlich) Frequenzkanäle wiederverwendet, d.h. verschiedenen Zellen zugewiesen werden können (W. Lee, Mobile Cellular Telecommunication Systems, McGraw-Rill, 1989). Das Problem der Gleichkanalinterferenz tritt bei allen drahtlosen Kommunikationssystemen auf, nicht nur bei zellularen Mobilkommunikationssystemen, und Versuche, es in gegenwärtigen Systemen zu lösen, wurden alle unter der Prämisse formuliert, dass die Gleichkanalsignale Störungen darstellen, die zu beseitigen sind, und dass nur ein Antennen-/Empfänger-Ausgang für die Aufgabe verfügbar ist.
  • Zu den herkömmlichen Systemen, in welchen eine Interferenzunterdrückung unter Verwendung adaptiver Filter im Zeitbereich und des Ausgangs einer einzelnen Antenne durchgeführt wird, gehören F. Gutleber, "Interference Cancelling System for a Mobile Subscriber Access Communications System", US-Patentschrift 4,434,505 , 14/1982, U.S. Cl. 455-50; und Y. Shimura, "Base Station Capable of Monitoring Occurrence of Interference an Every Transmission", US-Patentschrift 4,837,801 , 8/1987, U.S. Cl. 379-61. Diese Verfahren beruhen auf einer Annahme der statistischen Stationarität, d.h. dass die Kanaleigenschaften sich nicht sehr schnell ändern. In der Mobilkommunikationsumgebung, in der ein tiefes Rayleigh-Fading (Rayleigh-Schwund) (40 dB) bei Frequenzen von bis zu 200 Hz ein dominierender Faktor ist, ist die Stationaritätsannahme bekanntlich nicht gültig, und es ist bekannt, dass das Verhalten dieser herkömmlichen Verfahren recht empfindlich gegenüber Fehlern in den getroffenen Annahmen ist. Insbesondere können bei Vorhandensein von mehreren verzögerten Kopien desselben Signals (d.h. Specular Multipath) diese adaptiven Filter das gewünschte Signal annullieren.
  • Es wurden auch Verfahren mit adaptiven Filtern im Zeitbereich entwickelt, um die Kanalqualität für eine digitale Übertragung bei Vorhandensein des oben erwähnten Rayleigh-Fadings, welches eine Intersymbolinterferenz am Empfänger verursacht, zu verbessern. Zu den Beispielen herkömmlicher Verfahren, die diesem Störungstyp Rechnung tragen, gehören J. Proakis, "Adaptive Equalization for TDMA Digital Mobile Radio", IEEE Trans. an Veh. Tech., Bd. 40, Nr. 2, Mai 1991, und zahlreiche weitere technische Referenzen in der offenen Literatur. Ähnliche Entzerrungsverfahren wurden bei dem gegenwärtigen digitalen GSM-System gewählt. Die genannten Systeme sind vollständig mit dem SDMA-Verfahren kompatibel und können in den Demodulationsschritt integriert werden, der gegenwärtig in der Praxis durchgeführt wird.
  • In jüngerer Vergangenheit wurden Untersuchungen hinsichtlich der Möglichkeit durchgeführt, die Ausgänge von mehr als einer Antenne zu kombinieren, um die Signalqualität durch Beseitigung der Gleichkanalinterferenz zu verbessern. Im Zusammenhang mit drahtlosen LANs und PBX wurde ein Mehrkanal-Schema der adaptiven Entzerrung beschrieben von J. Winter, "Wireless PBX/LAN System with Optimum Combining", US-Patentschrift 4,639,914 , 9/1984, U.S. C. 370-110.1. Dieses Verfahren beruht auf einer Codezuweisung (CDMA) zu einer bekannten Anzahl von Sendern und Schaltungen mit präziser Leistungssteuerung. Es erfordert außerdem Zeitduplex, d.h. Senden und Empfang an der Basisstation und den drahtlosen Endgeräten müssen zu unterschiedlichen Zeiten auf derselben Frequenz erfolgen. Diese Forderung resultiert aus der Tatsache, dass die Informationen in der räumlichen Dimension nicht vollständig genutzt werden; Quellenstandorte werden nicht berechnet. Die oben erwähnte Stationaritätsannahme ist für das Verfahren ebenfalls entscheidend, und dieses ist daher für die Mobilfunkumgebung nicht anwendbar. Ferner ist es modulationsabhängig und ist nur für drahtlose Interoffice-LANs bestimmt, die digitale Übertragungstechnik verwenden.
  • Im Zusammenhang mit der einfachen Bekämpfung des beim zellularen Mobilfunk auftretenden Problems des Rayleigh-Fadings am Mobilempfänger wird außerdem von P. Balaban und J. Salz, op. cit., ein Verfahren zum Zusammenschließen mehrerer Antennen beschrieben. Hierbei werden wie bei ähnlichen wohlbekannten Verfahren verschiedene Annahmen betreffs der Zeitcharakteristiken des interessierenden Signals und seiner Beziehung zu den Gleichkanal-Interferenzsignalen getroffen, und auf deren Grundlage wird ein zeitvariables Filter mit bestmöglicher Rekonstruktion des interessierenden Signals als seinem alleinigen Zweck konstruiert. Die Leistungsfähigkeit dieses Verfahrens ist ebenfalls bekanntlich recht empfindlich gegenüber Fehlern in den getroffenen Annahmen, insbesondere der Annahme eines stationären Kanals. Tatsächlich bewirkt eine Implementierung des SDMA-Verfahrens für mobile Geräte eine weitgehende Verminderung des Problems des Rayleigh-Fadings.
  • Die unerwünschten Eigenschaften der oben erwähnten adaptiven Verfahren sind eine Folge der Tatsache, dass nur angenommene Zeitbereichs-Eigenschaften der empfangenen Signale genutzt werden, und dass eines der Signale, die in den Daten vorhanden sind, anders behandelt wird als die übrigen Signale, d.h. die Gleichkanal-Interferenzsignale. Es wurde festgestellt, dass Gleichkanal-Interferenzsignale einfach eine Vielzahl von Benutzern darstellen, die versuchen, gleichzeitig auf demselben Kanal auf das System zuzugreifen. Dementsprechend ermöglicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, diese Situation unabhängig vom Modulationstyp (analog oder digital) und bei Vorliegen eines mehrfachen Eintreffens desselben Signals (d.h. Specular Multipath) zu handhaben. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber den oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren.
  • Eine effiziente Nutzung der räumlichen Dimension zur Erhöhung der Kapazität erfordert die Fähigkeit, eine Anzahl von Benutzern zu trennen, die gleichzeitig auf demselben Kanal zu derselben Zeit in demselben lokalen Bereich (Zelle) kommuniziert. Wie weiter unten erläutert wird, wird bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung diese Trennung durchgeführt, indem die Signale anhand ihres Ankunftswinkels unterschieden werden, wobei diese Information verwendet wird, um den Standort der Sender zu ermitteln. Der Prozess der Lokalisierung des Senders gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung liefert bislang unerwartete Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren.
  • Eine Lokalisierung von Signalen im Raum unter Verwendung von Daten, die von einer Anordnung von Sensoren gesammelt wurden, wurde bereits auf anderen Gebieten als bei drahtlosen Kommunikationen durchgeführt. Ein solcher Fall liegt zum Beispiel vor, wenn Flugzeuge und andere Objekte der Luft- und Raumfahrt unter Verwendung von Phased-Array-Radar (Radar mit phasengesteuerter Gruppenantenne) verfolgt werden. Zu den Beispielen von Anordnungen mit einer solchen Struktur gehören R. Roy, et al., "Methods for Estimating Signal Source Locations and Signal Parameters Using an Array of Signal Sensor Pairs", US-Patentschrift 4,750,147 , 3/1985, U.S. Cl. 364-800, und R. Roy, et al., "Methods and Arrangements for Signal Reception and Parameter Estimation", US-Patentschrift 4,965,732 , 7/1987, U.S. Cl. 364-460. Es ist jedoch erforderlich, dass die dabei verwendeten Anordnungen eine spezielle Struktur besitzen, nämlich dass Sensoren in Paaren von identischen Elementen vorhanden sind. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer solchen speziellen Struktur der Anordnung beschränkt.
  • EP 0405372 offenbart eine Mehrfachstrahl-Gruppenantenne, welche unter Verwendung geeigneter Gewichtungen in einem Bewertungsfilter mehrere Strahlen erzeugen kann.
  • Ein Artikel von Swales et al. mit dem Titel "The Performance Enhancement of Multibeam Adaptive Base-Station Antennas for Cellular Land Mobile Radio Systems" (IEEE Transactions an Vehicular Technology, Februar 1990, Bd. 39, Nr. 1, Seiten 56 bis 67) offenbart ein zellulares Kommunikationssystem, in welchem Richtsendung verwendet wird, um eine Gleichkanalinterferenz zwischen Zellen zu verringern. Für jeden Sender innerhalb einer Zelle wird CDMA verwendet, und es erfolgt eine Gleichkanal-Wiederverwendung zwischen Zellen. Es erfolgt keine Wiederverwendung eines einzelnen herkömmlichen Kanals.
  • In Anderson et al., "An adaptive array for mobile communication systems" wird die Anwendung von Verfahren mit adaptiven Antennen zur Erhöhung der Kanalkapazität erörtert, indem eine Antennenanordnung an der Basisstation verwendet wird, um Richtungsempfindlichkeit zu erzielen und Gleichkanalinterferenz zu verhindern.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein drahtloses Kommunikationssystem zum Übertragen von Signalen an eine Vielzahl von Empfängern, die an jeweiligen Standorten angeordnet sind, bereit, wobei das Kommunikationssystem Frequenzkanäle und/oder Codekanäle und/oder Zeitkanäle für eine Kommunikation mit den Empfängern verwendet, wobei das System umfasst: Kombinationsmittel zum Kombinieren von Signalen, die an einen Satz von Empfängern zu übertragen sind, in einem einzigen Kommunikationskanal, der einen Frequenzkanal umfasst, wenn Frequenzkanäle in dem Kommunikationssystem verwendet werden, in Kombination mit einem Codekanal, wenn Codekanäle in dem Kommunikationssystem verwendet werden, in Kombination mit einem Zeitkanal, wenn Zeitkanäle in dem Kommunikationssystem verwendet werden, um eine Vielzahl von verschiedenen Signalkombinationen zu bilden; und Übertragungsmittel einschließlich von mehreren Übertragungsanten nen und jeweiligen mehreren Sendern zum Übertragen der kombinierten Signale an jeden Empfänger des Satzes von Empfängern in dem Kommunikationskanal; wobei die Kombinationsmittel dafür vorgesehen sind, jeder der Übertragungsantennen eine jeweilige der verschiedenen Signalkombinationen derart zuzuführen, dass in der Kombination die Übertragungsantennen die Signale an jeden Empfänger des Satzes von Empfängern in dem Kommunikationskanal in einer räumlich gerichteten Weise übertragen, so dass jeder Empfänger des Satzes von Empfängern Signale empfängt, die zu ihm gerichtet sind; und wobei die Kombinationsmittel ferner dafür vorgesehen sind, die Vielzahl von verschiedenen Signalkombinationen unter Verwendung von Informationen, die die Übertragungsmittel kennzeichnen, und mindestens eines vorbestimmten Parameters, der zu dem Standort jedes Empfängers des Satzes von Empfängern in Beziehung steht, zu bilden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein drahtloses Kommunikationssystem zum Übertragen von Signalen an eine und Empfangen von Signalen von einer Vielzahl von Sende-/Empfangsmitteln, die an jeweiligen Standorten angeordnet sind, bereit, wobei das Kommunikationssystem Frequenzkanäle und/oder Codekanäle und/oder Zeitkanäle für eine Kommunikation mit den Sende-/Empfangsmitteln verwendet, wobei das System umfasst: Empfangsmittel einschließlich von mehreren räumlich verteilten Empfangsantennen zum Vornehmen von Messungen von empfangenen Signalen in einem oder mehreren Empfangskanälen, wobei die empfangenen Signale aus Signalen resultieren, die von jedem Sende-/Empfangsmittel eines Satzes der Sende-/Empfangsmittel übertragen wurden, wobei die von den Empfangsantennen vorgenommenen Messungen verschiedene Kombinationen der übertragenen Signale in dem oder jedem Empfangskanal umfassen; Verarbeitungsmittel einschließlich von Mitteln zu Schätzen der Zahl der empfangenen Signale durch statistische Analyse und/oder durch Nutzung von Kenntnissen von Eigenschaften der Signale, die von jedem Sende-/Empfangsmittel des Satzes der Sende-/Empfangsmittel übertragen wurden, und Parameter-Schätzmittel zum Schätzen von Parametern der empfangenen Signale, wobei mindestens einer der Parameter zu dem Standort jedes Sende-/Empfangsmittels des Satzes der Sende-/Empfangsmittel in Beziehung steht; Trennungsmittel zum gleichzeitigen Schätzen der übertragenen Signale in dem oder jedem Empfangskanal aus den Messungen durch Trennen der empfangenen Signale unter Verwendung der geschätzten Zahl empfangener Signale und durch Assoziieren der jeweiligen empfangenen Signale mit jedem Sende-/Empfangsmittel des Satzes der Sende-/Empfangsmittel; Kombinationsmittel zum Kombinieren von Signalen, die an jedes Sende-/Empfangsmittel des Satzes der Sende-/Empfangsmittel zu übertragen sind, in einem Signalübertragungskanal, der einen Frequenzkanal umfasst, wenn Frequenzkanäle in dem Kommunikationssystem verwendet werden, in Kombination mit einem Codekanal, wenn Codekanäle in dem Kommunikationssystem verwendet werden, in Kombination mit einem Zeitkanal, wenn Zeitkanäle in dem Kommunikationssystem verwendet werden, unter Verwendung der Parameter, um eine unterschiedliche Signalkombination für jedes Sende-/Empfangsmittel des Satzes von Sende-/Empfangsmitteln zu bilden; und Übertragungsmittel einschließlich von mehreren Übertragungsantennen und jeweiligen mehreren Mehrkanalsendern zum Übertragen der kombinierten Signale an jedes Sende-/Empfangsmittel des Satzes von Sende-/Empfangsmitteln in dem Übertragungskanal; wobei die Kombinationsmittel dafür vorgesehen sind, den Übertragungsmitteln eine jeweilige der verschiedenen Signalkombinationen derart zuzuführen, dass in der Kombination die Übertragungsantennen die Signale an jedes Sende-/Empfangsmittel des Satzes der Sende-/Empfangsmittel in dem Übertragungskanal in einer räumlich gerichteten Weise übertragen, so dass jedes Sende-/Empfangsmittel des Satzes von Sende-/Empfangsmitteln Signale empfängt, die zu ihm gerichtet sind; wobei die Kombinationsmittel ferner dafür vorgesehen sind, die Vielzahl von verschiedenen Signalkombinationen unter Verwendung von Informationen, die die Übertragungsmittel kennzeichnen, und mindestens eines vorbestimmten Parameters, der zu dem Standort jedes Sende-/Empfangsmittels des Satzes von Sende-/Empfangsmitteln in Beziehung steht, zu bilden; und wobei das System so gestaltet ist, dass ein Empfang von Signalen in dem oder jedem Empfangskanal von jedem Sende-/Empfangsmittel und ein Senden von Signalen in dem Übertragungskanal zu jedem Sende-/Empfangsmittel des Satzes der Sende-/Empfangsmittel gleichzeitig stattfinden kann, wodurch Vollduplex-Kommunikationsverbindungen in dem oder jedem Kanal hergestellt werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Kapazität und Verbesserung der Qualität von drahtlosen Kommunikationsnetzen bereitstellen. Durch eine geeignete Erfassung und anschließende Verarbeitung von Messwerten räumlich verteilter Sensoren können die räumlichen Standorte mehrerer Quellen, die gleichzeitig in einem gemeinsamen Kanal Informationen übertragen, geschätzt und die einzelnen Signalwellenformen rekonstruiert werden. Unter Verwendung von Standortinformationen und einer auf geeignete Weise gestalteten Senderanordnung werden Informationen gleichzeitig auf einem gemeinsamen Kanal zu den Quellen übertragen, ohne dass eine Gleichkanalinterferenz verursacht wird, welche Zweiwege-(Vollduplex-)Kommunikationsverbindungen andernfalls aufweisen würden. Spezifisch für einen Aspekt der Erfindung sind die Schätzung von Quellenstandorten und ein räumliches Demultiplexen von mehreren Signalen in demselben Kanal, und ein Verfahren zum Herstellen einer Kommunikation zwischen mehreren Sendern und Empfängern auf demselben Kanal.
  • Im Hinblick auf den Markt der zellularen Mobilkommunikation im Besonderen besteht allgemeiner Konsens, dass vier Bereiche von größerer Bedeutung existieren, zu denen ein Zugang mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich zu sein scheint (G. Calhoun, op. cit.):
    • 1. Mängel in der Versorgung (Flächendeckung) des Gebietes, das von dem Basisstationsnetz bedient wird;
    • 2. Mängel bei der Abwicklung der Verbindungen durch die Basisstationen und das MTSO;
    • 3. mangelhafte Vertraulichkeit und Sicherheit der Kommunikationen, und
    • 4. das Problem der digitalen Datenübertragung.
  • Unter den Fachleuten auf dem Gebiet der Entwicklung von Kommunikationssystemen besteht Konsens darüber, dass ein technologischer Durchbruch erforderlich ist, um diese kritischen Probleme zu lösen. Interessanterweise wird das Kapazitätsproblem in dieser speziellen Liste nicht erwähnt, obwohl es das Hauptthema der gesamten Monographie (G. Calhoun, op. cit.) ist. Diese Erfindung ist ein technologischer Durchbruch, welcher unmittelbar die drei ersten Fragen betrifft, mit einer beliebigen potentiellen Lösung der vierten Frage kompatibel ist und unmittelbar das Hauptproblem betrifft, das der Erhöhung der Kapazität gegenwärtiger drahtloser Kommunikationsnetze ohne Vergrößerung der zugewiesenen Bandbreite.
  • Mängel in der Versorgung (Flächendeckung) des Gebietes sind einfach auf die Tatsache zurückzuführen, dass zellulare Systeme gegenwärtig auf der Grundlage eines einfachen geometrischen Modells des Versorgungsbereiches konstruiert werden, z.B. der von einer bestimmten Basisstation versorgte Bereich ist ein symmetrisches geometrisches Objekt, wobei Gesamtheiten von solchen Objekten in der Lage sind, ein großes geographisches Gebiet mit einem Minimum an Überlappung "fliesenartig auszulegen". Das Sechseck ist das wichtigste Beispiel. Leider ist dies eine mit Mängeln behaftete Konstruktionsstrategie, welche weder die Topolo gie des Stadtgebietes berücksichtigt (Gestalt von Wolkenkratzern, Hügeln, Gebieten dichter Belaubung usw.), noch die nicht gleichmäßige Verteilung potentieller Benutzer des Systems, z.B. Schnellstraßen, welche zur Hauptverkehrszeit zu Parkplätzen werden, wobei sie Verspätungen in den Zeitplänen der Menschen verursachen und einen Bedarf an Mobilkommunikationsdiensten erzeugen, der in einem bestimmten Gebiet oder Hot Spot stark konzentriert ist. Es ist nunmehr bekannt, dass diese Fragen von größter Wichtigkeit für die richtige Gestaltung von Netzen von Zellenstandorten sind, jedoch zeigen herkömmliche Verfahren keine Lösung auf. Zellen haben keine wohldefinierten Grenzen, und die Unregelmäßigkeiten der realen Welt können die Effizienz des zellularen Systems ernsthaft beeinträchtigen. Eine Studie von AT&T (J. Whitehead, "Cellular System Design: An Emerging Engineering Discipline", IEEE Communications Magazine, Bd. 24, Nr. 2, Februar 1986, S. 10) gelangte zu dem Schluss, dass "unregelmäßige Verkehrs-, Gelände- und Wachstumssituationen die Effizienz des Spektrums von orthodoxen [Zellenkonstruktionen] auf ungefähr die Hälfte des idealen Wertes begrenzen".
  • Ein Aspekt dieser Erfindung überwindet das Problem der Flächendeckung. Indem die Ausgangssignale mehrerer Antennen an den Basisstationen auf geeignete Weise verarbeitet werden, wird eine Erhöhung der effektiven Empfängerverstärkung erzielt, und Signale mit einer wesentlich niedrigeren Leistung als diejenigen, die in herkömmlichen Vorrichtungen empfangen werden können, werden detektiert und können verarbeitet werden. Hierdurch wird das Problem des Signalausfalls direkt und in erheblichem Maße vermindert. Ferner können bei zusammenwirkenden Basisstationen mehrere Basisstationen durch dynamische Zuweisung von Kanälen zwischen Basisstationen in Zeiten einer maximalen Nutzung dasselbe geographische Gebiet bedienen, wodurch Hot Spots dann, wenn und dort, wo sie auftreten, beseitigt werden.
  • Mängel bei der Abwicklung von Verbindungen sind ein großes Problem für die Mobilfunkbranche. Das grundlegende Problem ergibt sich aus der Tatsache, dass Verbindungen in einem Verbindungsumschaltung (Hand-off) genannten Prozess von einer Basisstation zu einer anderen übergeben werden müssen, wenn sich das mobile Gerät von einer Zelle zu einer benachbarten Zelle bewegt. Das Problem bei den gegenwärtigen zellularen Systemen ist, dass der Standort des mobilen Gerätes nicht bekannt ist, und seine Bewegungsrichtung daher natürlich ebenfalls nicht (und eigentlich nicht einmal, ob es sich bewegt oder stationär ist). Ohne diese Information hat das zellulare System keine Vorstellung, zu welcher Zelle die Verbindungsumschaltung durchgeführt werden soll. Gegenwärtige Systeme stützen sich einzig und allein auf die empfangenen Leistungspegel, um zu ermitteln, ob eine Verbindungsumschaltung versucht werden soll und zu welcher Zelle das Gespräch oder die Verbindung übertragen werden soll (G. Huensch et al., "High Density Cellular Mobile Radio Communications", US-Patentschrift Nr. 4,475,010 , 27/1983, U.S. Cl. 179-2 EB). Aufgrund der oben erwähnten Unregelmäßigkeiten bei der Flächendeckung besteht eine erhebliche Wahrscheinlichkeit, dass die Verbindung zu einer falschen Zelle umgeschaltet wird, zu einer, welche genügend weit entfernt dafür ist, dass, sobald das mobile Gerät seinen Standort geringfügig ändert, der Fehler bei der Umschaltung offensichtlich wird.
  • Nach Aussagen einiger Mobilfunkbetreiber ist dies ein beträchtliches Problem. Das zellulare System in Los Angeles hatte "erhebliche Probleme mit Nebensprechen. Sie kommen zu einer hohen Erhebung, Ihr eigenes Signal wird schwächer, und Sie beginnen, ein anderes Gespräch zu hören. Unmittelbar danach verlieren Sie die Verbindung." (S. Titch, "For PacTel Mobile, Bigger is not Better", Communications Week, 27. Januar 1986, S. 54). Der ehemalige Direktor für Mobilfunkentwicklung von Motorola erklärte, dass "in ungefähr 10% bis 25% der Fälle das System Fehlentscheidungen traf, wenn sich ein Teilnehmer aus einer Zelle in eine andere bewegte. Wenn die Vermittlung einen Fehler beging, wies sie die Verbindung des Teilnehmers einem entfernten Zellenstandort und nicht dem nächstliegenden zu. Das System begann dann zu versuchen, einen anderen Teilnehmer auf derselben Frequenz in derselben Zelle zu bedienen wie den ersten Teilnehmer. Das Ergebnis war ein Mobilfunkchaos. Wenn diese Situation eintritt, hören Teilnehmer die Gespräche anderer Teilnehmer auf ihren Kanälen. Ihre Verbindung bricht ab, oder wenn sie Glück haben (?), wird der Kanal verrauscht. Dieses Problem tritt so oft auf, dass es wütend macht." (M. Cooper, "Cellular Does Work – If the System is Designed Correctly", Personal Communications, Juni 1985, S. 41). Zusätzlich zum Problem des Nebensprechens gibt es immer mehr Anzeichen dafür, dass lokale Schwankungen der Signalstärke wesentlich höhere Häufigkeiten der Gesprächsumschaltung verursachen, als aufgrund der eigentlichen Zellengrenzen vorhergesagt wurde, und diese erhöhte Belastung der zentralen Vermittlung gibt Anlass zu der Befürchtung, dass die Kapazität des zellularen Systems beeinträchtigt werden kann.
  • Ein Aspekt dieser Erfindung überwindet das Problem der Mängel bei der Verbindungsabwicklung. Dadurch, dass Schätzungen der Standorte und Geschwindigkeiten der mobilen Geräte zur Verfügung gestellt werden, die bisher nicht verfügbar waren, können intelligente Strategien der Verbindungsumschaltung implementiert werden. Dadurch wird unmittelbar das Bedürfnis der Mobilfunkbetreiber erfüllt, den Standort und die Geschwindigkeit des mobilen Geräts zu kennen. In Verbindung mit der verbesserten Fähigkeit, Signale mit geringerer Leistung zu verarbeiten, bewirken die genannten Aspekte der vorliegenden Erfindung eine wesentliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit zellularer Kommunikationssysteme.
  • Vertraulichkeit ist ein weiteres Problem, das für die Mobilfunkbranche von großer Bedeutung ist. Die unsichere Natur der gegenwärtigen Systeme (jeder kann legal alle Mobilfunkkanäle abhören) ist ein kritischer Faktor, welcher den Absatz des Systems an Kunden, die sensible geschäftliche Transaktionen tätigen, sowie an viele staatliche und behördliche Kunden beeinträchtigt. Die Mobilfunkbetreiber sind sich darüber im Klaren, dass irgendeine positive Lösung gefunden werden muss (G. Calhoun, op. cit.). Die Ursache des Problems ist, dass bei den gegenwärtigen Systemen die Signale von omnidirektionalen (nicht gerichteten) Antennen so gleichmäßig wie möglich über dem Bereich oder Sektor, den sie bedienen, gesendet werden, und von Empfängern abgefangen werden können, die sich praktisch an einem beliebigen Ort in der Nähe befinden können. Eine Lösung für dieses Problem ist eine Verschlüsselung. Dies erfordert jedoch entweder Hardware für die Ver- und Entschlüsselung analog zu digital bzw. digital zu analog sowohl am Zellenstandort als auch im mobilen Gerät oder eine Konvertierung zu einem neuen digitalen Standard, wobei beide Lösungen recht teuer sind.
  • Ein anderer Aspekt dieser Erfindung gewährleistet eine erhebliche Verbesserung bei der Erhaltung der Vertraulichkeit. Unter Nutzung der Kenntnis des Standortes des beabsichtigten Empfängers wird der Sender der Basisstation so gestaltet, dass er das beabsichtigte Signal im Wesentlichen nur in die betreffende Richtung sendet. Dadurch, dass das Signal nur in eine Richtung gesendet wird, wird in Abhören beträchtlich erschwert. Um das Signal abzufangen, muss sich der Lauscher in demselben geographischen Gebiet befinden, eine Bedingung, welche in der Praxis selten erfüllt sein wird. Das Ausmaß, in welchem das von der Basisstation zu dem mobilen Gerät gesendete Signal im Raum lokalisiert werden kann, ist eine direkte Funktion der verfügbaren Anzahl von Sendeantennen. Wie wohlbekannt ist, hängen bei herkömmlichen Einrichtungen wie etwa phasengesteuerten Gruppenantennen so genannte Strahlbreiten von gesendeter Energie direkt von der Antennenapertur sowie von der Anzahl und dem Standort der Sendeantennen ab. Daher kann die Systemsicherheit von der Basisstation zum mobilen Gerät leicht erhöht werden, indem die Sender-Hardware an den Basisstationen verbessert wird. Obwohl dies bei dieser Erfindung nicht erforderlich ist, kann dasselbe System auch an dem mobilen Gerät angewendet werden, indem mehrere Sende- und Empfangsantennen verwendet werden, um die (elektrisch) nächste Basisstation zu lokalisieren und selektiv in die betreffende Richtung zu senden. Der Nachteil ist die wesentliche Erhöhung der Komplexität des mobilen Gerätes.
  • Der Mangel an Kompatibilität gegenwärtiger analoger zellularer Systeme mit digitaler Datenübertragung ist derzeit kein Problem, das von großer Bedeutung ist. Die meisten Benutzer beschäftigen sich mit Sprachübertragung, und die gegenwärtig zugewiesenen Bandbreiten (30 kHz pro Kanal) sind für diesen Zweck ausreichend. Sie begrenzen jedoch grundsätzlich die Menge an Daten, welche erfolgreich übertragen werden kann, auf theoretisch ungefähr 10 kb/s und auf praktisch ungefähr 1200 b/s infolge der schlechten Qualität des Kanals. In dem Maße, wie sich die Anforderungen der Benutzer erhöhen, wird sich auch die Notwendigkeit einer Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über das zellulare Netz erhöhen, und das derzeitige System muss dann überprüft werden.
  • In dieser Hinsicht ist ein anderer Aspekt dieser Erfindung unabhängig vom Schema der Signalmodulation. Sie funktioniert gleichermaßen gut mit digitaler oder analoger Modulation der Quellensignale. Tatsächlich ist eines der größten Probleme bei der Anwendung von digitalen Spreizspektrum-Verfahren in der Mobilfunkbranche das der Intersymbolinterferenz infolge von Mehrwegereflexionen. Dieses Problem wird bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ver mindert, da durch Verwendung mehrerer Antennen die verschiedenen Ankunftsrichtungen, die mit unterschiedlichen Wegen von derselben Quelle verknüpft sind, detektiert werden können und dadurch eine räumliche Isolation der mehreren Ankünfte vorgenommen werden kann. Ein zweites Anliegen bei digitaler Modulation ist die Notwendigkeit, ein möglichst hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufrechtzuerhalten, um die Bitfehlerraten möglichst niedrig zu halten. Durch Anwendung einer Ausführungsform dieser Erfindung kann die Stärke empfangener Signale an der Basisstation für dieselbe Stärke der Sendeleistung im Vergleich zu existierenden Systemen wesentlich verbessert werden, wodurch eine wesentliche Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Systems erzielt wird.
  • Da in herkömmlichen Systemen die Standorte der drahtlosen Geräte nicht bekannt sind, ist ein gleichmäßiges, omnidirektionales (im Azimut) Senden von den Zellenstandorten zu den drahtlosen Geräten die einzige sinnvolle Strategie. Spezifisch für eine Ausführungsform dieser Erfindung ist jedoch die Fähigkeit, den Standort mehrerer Sender in demselben Kanal zu schätzen. Diese Informationen, die bisher nicht genutzt werden könnten, werden verwendet, um effiziente Strategien für eine Gleichkanalübertragung mehrerer Signale vom Zellenstandort zu dem drahtlosen Gerät zu entwickeln. Wohlbekannt ist bei herkömmlichen Systemen die Konstruktion von Gruppenantennen (Arrays), um in Abhängigkeit von der Frequenz Energie selektiv in vorgeschriebene Richtungen zu senden (H. Rosen, "Steered-Beam Satellite Communication System", US-Patentschrift 4,972,151, 9/1985 , U.S. Cl. 342-354). Als ein unerwartetes Ergebnis dieser Erfindung wird eine räumlich selektive Übertragung mehrerer Gleichkanalsignale von einem Zellenstandort zu drahtlosen Geräten ermöglicht. Außerdem wird die Leistung, die in andere Richtungen als die des beabsichtigten Empfängers gesendet wird, auf ein Minimum begrenzt, wodurch das Problem der Gleichkanalinterferenz noch weiter vermindert wird.
  • Zusammengefasst, tragen Ausführungsformen dieser Erfindung zur Lösung entscheidender Fragen und Probleme bei, mit denen die Branche der zellularen Mobilkommunikation sowie andere drahtlose Kommunikationsnetze konfrontiert sind, indem im Wesentlichen die Eigenschaft des drahtgebundenen Dienstes, die der Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, wiederhergestellt wird, die verloren geht, wenn Leitungsdrähte zugunsten einer weiträumigen (omnidirektionalen) Übertragung und eines Empfangs von (elektromagnetischer) Strahlung eliminiert werden. Bei herkömmlichen Verfahren wird kein Versuch unternommen, um:
    • 1. Informationen, die durch eine Anordnung von Sensoren gesammelt werden, zum Zwecke des Detektierens und Schätzens des Ortes mehrerer Signale auf demselben (Frequenz-)Kanal zu demselben Zeitpunkt zu nutzen;
    • 2. gleichzeitig alle gesendeten Signale zu schätzen, oder
    • 3. räumliche Informationen zu verwenden, um gleichzeitig selektiv verschiedene Signale zu einem oder mehreren Benutzern auf demselben (Frequenz-)Kanal zu senden.
  • Die obigen Prozesse sind für Ausführungsformen dieser Erfindung spezifisch und liefern nützliche neue und unerwartete Ergebnisse in drahtlosen Kommunikationsnetzen. Obwohl die erzielten Verbesserungen die Komplexität der Hardware erhöhen können, werden diese Kosten durch die zu erwartende Erhöhung von Leistungsfähigkeit und Kapazität leicht kompensiert. Ferner können, da das räumliche Multiplexing und Demultiplexing nicht an den mobilen Geräten angewendet zu werden braucht, die Kosten einer Erhöhung der Qualität und Kapazität gegenwärtiger drahtloser Netze auf ein Minimum begrenzt werden, obwohl eine weitere Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Systems auch durch Implementierung des räumlichen Multiplexing und Demultiplexing an den mobilen Geräten realisiert werden kann.
  • Dementsprechend weisen dieses Verfahren und diese Vorrichtung gegenüber der gegenwärtigen Technologie die folgenden Vorteile auf:
    • 1. Ausführungsformen der Erfindung werden eine gleichzeitige Verwendung eines beliebigen herkömmlichen (Frequenz-, Zeit- oder Code-) Kanals durch mehrere Benutzer ermöglichen, von denen keiner denselben Standort im Raum einnimmt, wodurch die Kapazität der gegenwärtigen drahtlosen Informationsnetze erhöht wird.
    • 2. Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen die Verfolgung mobiler Quellen, wodurch die Probleme der Verbindungsumschaltung und des Signalmanagements, die bei herkömmlichen zellularen Mobilkommunikationssystemen vorhanden sind, vermindert werden.
    • 3. Die Erfindung ist unabhängig von dem speziellen Typ der Signalmodulation und daher mit gegenwärtigen und zu erwartenden zukünftigen Modulationsschemata in drahtlosen Kommunikationssystemen kompatibel.
    • 4. Ausführungsformen der Erfindung sorgen für eine verbesserte Signalqualität sowohl an den Sendern als auch an den Empfängern.
    • 5. Ausführungsformen der Erfindung sorgen für eine verbesserte Kommunikationssicherheit durch Übertragen von Signalen nur in bevorzugten Richtungen, wodurch die Menge an unbeabsichtigter Strahlung begrenzt wird.
    • 6. Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen, dass eine Verringerung der Sendeleistung am Zellenstandort durch gerichtete Übertragung vorgenommen wird, während die Signalqualität nach wie vor verbessert wird.
    • 7. Ausführungsformen der Erfindung bewirken eine wesentliche Verringerung der Signalverschlechterung infolge von Gleichkanalinterferenz, wodurch ermöglicht wird, dass Frequenzen in benachbarten Zellen häufiger wiederverwendet werden, was die Systemkapazität zusätzlich erhöht.
    • 8. Es kann eine Implementierung von Ausführungsformen der Erfindung in mobilen Geräten durchgeführt werden, wobei viele der oben erwähnten Vorteile auch auf das mobile Gerät zutreffen.
  • Obwohl die Vorteile oben in Verbindung mit drahtlosen Kommunikationen beschrieben wurden, existiert eine Reihe von Anwendungen auf anderen Gebieten. Zum Beispiel kann das System einer Ausführungsform der Erfindung als eine diagnostische Messvorrichtung verwendet werden, um die Qualität der Versorgung von Zellenstandorten zu ermitteln. Hierbei ist eine selektive Übertragung nicht erforderlich; das Empfangssystem wird durch den Versorgungsbereich transportiert, und es werden die Stärken und Ankunftsrichtungen von Signalen überwacht, die von der Basisstation gesendet werden. Es existieren keine bekannten Systeme, die gegenwärtig für die Ausführung dieser Funktion verfügbar sind. Die auf diese Weise erhaltenen Informationen sind auch für die Beurteilung der Dienstgüte von vorgesehenen Zellenstandorten wichtig. Weitere Aufgaben und Vorteile werden aus einer Betrachtung der Zeichnungen und dem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Schema mehrerer herkömmlicher drahtloser Geräte, die auf unterschiedlichen Kanälen erfolgreich senden und empfangen.
  • 2 ist eine graphische Darstellung von Gleichkanalinterferenz, die daraus resultiert, dass mehrere drahtlose Geräte auf demselben Kanal senden, und ein kritischer Faktor bei der Begrenzung der Kapazität gegenwärtiger drahtloser Kommunikationssysteme ist.
  • 3 ist eine graphische Darstellung von Gleichkanalinterferenz, die aus einer Rundfunkübertragung mehrerer Signale auf demselben Kanal zu mehreren drahtlosen Geräten resultiert und ein kritischer Faktor bei der Begrenzung der Kapazität gegenwärtiger drahtloser Kommunikationssysteme ist.
  • 4 ist ein Blockschaltbild des SDMA-Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das erfolgreich mehrere Signale in einem Kanal empfängt und sendet, so dass eine Erhöhung der Kapazität dadurch erreicht wird, dass mehreren Benutzern ermöglicht wird, gleichzeitig auf einen Kanal zuzugreifen.
  • 5 ist eine detaillierte Darstellung des SDMA-Signalprozessors (SDMAP) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 6 ist eine graphische Darstellung des Empfangs mehrerer Gleichkanalsignale an dem zentralen Standort gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 7 ist eine detaillierte Darstellung des SDMA-Mehrkanalempfängers am zentralen Standort gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 8 ist eine graphische Darstellung der Übertragung mehrerer Gleichkanalsignale von dem zentralen Standort aus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 9 ist eine detaillierte Darstellung des SDMA-Mehrkanalsenders am zentralen Standort gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 10 ist eine graphische Darstellung mehrerer SDMA-Prozessoren, die verwendet werden, um die Kapazität einer Basisstation zu erhöhen, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 11 zeigt die Ergebnisse einer Verfolgung der Ankunftsrichtung (Direction of Arrival, DOA) und von Signalkopien für zwei nahezu zusammenfallende, sich bewegende FM-Sender in einer Umgebung mit starkem Rayleigh-Fading.
  • 12 veranschaulicht eine Verfolgung der Ankunftsrichtung (DOA) von FM-Sendern, deren Wege sich kreuzen, in einer Umgebung mit starkem Rayleigh-Fading.
  • 13 veranschaulicht die Kompatibilität des SDMA-Konzepts mit vorgeschlagener CDMA-Technologie, wobei drei digitale Spreizspektrum-Sender erfolgreich lokalisiert und räumlich demultiplext werden.
  • 14 veranschaulicht die Effizienz des robusten SDMA-Schemas des räumlichen Multiplexings, das für diese Erfindung spezifisch ist, für eine gerichtete Übertragung von Signalen zu drahtlosen Empfängern auf derselben Frequenz.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 1 zeigt ein Beispiel von gegenwärtigen drahtlosen Kommunikationsnetzen. Drahtlose Sende-/Empfangsgeräte (20, 22, 24), für die Zwecke der Veranschaulichung als in Fahrzeuge eingebaute mobile Geräte dargestellt, sind unterschiedlichen (Frequenz-)Kanälen zugewiesen und haben dadurch die Möglichkeit, gleichzeitig zu kommunizieren. Ein Mehrkanalempfänger (26) nutzt die Tatsache, dass die Signale auf unterschiedlichen Frequenzkanälen übertragen werden, um die Signale (28, 30, 32) korrekt zu trennen, welche anschließend demoduliert und entlang des restlichen Netzes geleitet werden. Ein Mehrkanalsender (40) sendet Signale (34, 36, 38) zu den drahtlosen Geräten (20, 22, 24) in einem anderen Satz von unterschiedlichen Frequenzen. Zum Beispiel empfangen in gegenwärtigen zellularen Mobilkommunikationssystemen mobile Geräte Übertragungen von Basisstationen in Kanälen von 45 MHz; oberhalb dieser Frequenzkanäle senden sie Informationen an die Basisstationen. Dies ermöglicht ein gleichzeitiges Senden und Empfangen von Informationen sowohl an der Basisstation als auch an den mobilen Geräten.
  • 2 zeigt einen Nachteil gegenwärtiger drahtloser Kommunikationssysteme. Drahtlose Geräte (20, 22, 24), die auf demselben herkömmlichen Kanal (derselben Trägerfrequenz fc1 in diesem Schema) senden, können an dem Empfänger (26) nicht aufgelöst werden, infolge der Tatsache, dass bei gegenwärtigen Systemen keine Möglichkeit besteht, ein Signal vom anderen zu unterscheiden, wenn sie denselben Kanal gemeinsam nutzen. Der Empfängerausgang (28) ist eine Kombination aller Signale, die in dem Kanal vorhanden sind, auch nach der Abwärtsmischung zur Basisbandfrequenz fb.
  • 3 zeigt einen ähnlichen Nachteil gegenwärtiger drahtloser Kommunikationssysteme in Bezug auf Kommunikation vom Basisstationssender (40) zu den entfernten Empfängern. Die Funktion des Mehrkanalsenders ist es, eine Aufwärtsmischung von Signalen von der Basisbandfrequenz fb zu einer der Mehrkanal-Trägerfrequenzen zur Übertragung zu dem mobilen Gerät durchzuführen. Drahtlose Geräte (20, 22, 24) empfan gen auf einem bestimmten Kanal (derselben Trägerfrequenz fc1 in diesem Schema) eine Kombination mehrerer Signale, die von dem Basisstationssender (40) in diesem Frequenzkanal (34) gesendet werden. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass es in gegenwärtigen Systemen kein Verfahren gibt, um zu verhindern, dass alle in demselben Frequenzkanal gesendeten Signale alle Empfänger in einer gegebenen Zelle oder einem Sektor derselben erreichen, die darauf eingestellt sind, Signale in diesem bestimmten Kanal zu empfangen. Signale, die an den drahtlosen Geräten empfangen werden, sind Kombinationen aller Signale, die in diesem Kanal gesendet werden.
  • 6 ist eine Darstellung des Verfahrens, das durch eine Ausführungsform dieser Erfindung angewendet wird, um das oben erwähnte Problem des mehrfachen Signalempfangs an einer oder mehreren Basisstationen zu überwinden. Mehrere Signale von drahtlosen Geräten (20, 22, 24), die in demselben Kanal senden, werden von einer Anordnung von Sensoren und Empfängern (42) empfangen. Diese Gleichkanalsignale werden von einem räumlichen Demultiplexer (46) räumlich demultiplext, welcher von einem Raummultiplex-Vielfachzugriff-Signalprozessor (Spatial Division Multiple Access Signal Processor, SDMAP) (48) gesteuert wird. Die demultiplexten Signale (50) werden anschließend auf wohlbekannte Weise zu Signaldemodulatoren gesendet.
  • 8 ist eine Darstellung des Verfahrens, das durch eine Ausführungsform dieser Erfindung angewendet wird, um das oben erwähnte Problem des mehrfachen Signalempfangs an dem mobilen drahtlosen Gerät zu überwinden. Mehrere Signale (64) von Signalmodulatoren, für welche hier für Zwecke der Veranschaulichung angenommen wird, dass sie sich alle in demselben Frequenzkanal befinden, werden von einem räumlichen Multiplexer (66) unter der Steuerung des SDMAP (48) auf geeignete Weise kombiniert, so dass die gesamte Gleichkanalinterferenz an den drahtlosen Geräten (20, 22, 24) beseitigt wird. Diese Signale (68) werden zu Mehrkanalsendern (70) gesendet und anschließend von einer Anordnung von Antennen zu den drahtlosen Geräten (20, 22, 24) übertragen. Wie in der Darstellung angegeben, empfängt aufgrund einer geeigneten Konstruktion des räumlichen Multiplexers das drahtlose Gerät (20) keines der Signale, die zu den Geräten (22) oder (24) gesendet werden, und Ähnliches gilt für die anderen beiden Geräte. In Verbindung mit 6 wird hierdurch eine Vielzahl von Vollduplex-Verbindungen hergestellt. Die Fähigkeit, mehr als eine Vollduplex-Verbindung gleichzeitig in demselben (Frequenz-)Kanal herzustellen, ist für das SDMA-System spezifisch.
  • 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines SDMA-Systems, das erfolgreich mehrere Signale in einem Kanal empfängt und mehrere Signale in einem anderen Kanal sendet, indem unterschiedliche räumliche Kanäle verwendet werden. Mit der Figur ist beabsichtigt darzustellen, dass diese Nachrichten auf denselben (Frequenz-)Kanälen ausgestrahlt werden, von den drahtlosen Geräten zur Basisstation mit fc1 und von der Basisstation zu den drahtlosen Geräten mit fc2, zu demselben Zeitpunkt. Dies ist eine Situation, die bisher nicht zulässig war, da die Nachrichten in gegenwärtigen Systemen einander stören, wie in 2 und 3 angegeben ist. Signale, die in demselben Kanal von drahtlosen Geräten (20, 22, 24) gesendet werden, werden an der Basisstation von mehreren Antennen empfangen. Das Ausgangssignal jeder von mr Antennen wird zu einem Mehrkanalempfänger gesendet, wie es bei gegenwärtigen Systemen für eine einzige Antenne üblich ist. Die mr Antennen können einzelne Antennen sein, oder eine Antenne mit mehreren Einspeisungen und einer Einzelschüssel von wohlbekannter Art. Hierbei wird jede Einspeisung einer Einzelschüssel-Antenne mit mehreren Einspeisungen als eine Antenne bezeichnet.
  • Der Mehrkanalempfänger nimmt einen Antenneneingang auf und hat einen Ausgang für jeden Frequenzkanal, welchen er zu verarbeiten in der Lage ist. Zum Beispiel besteht bei gegenwärtigen analogen zellularen Systemen der Empfänger aus einer Bank von Bandpassfiltern, wobei auf jeden der Frequenzkanäle, die der betreffenden Basisstation zugewiesen sind, ein solches Filter abgestimmt ist. Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung ist jeder Antenne ein solcher Empfänger zugeordnet, wie in 7 dargestellt (102, 104, 106). Bei einer anderen Ausführungsform sind mehrere Antennen über einen Hochgeschwindigkeits-Schaltkreis an einen einzigen Empfänger geschaltet. Der Ausgang der Mehrkanalempfänger für einen bestimmten (Frequenz-)Kanal ist eine Vielzahl von Signalen (112, 114, 116), ein Signal von diesem Kanal für jedes Paar Antenne/Empfänger. Diese Signale werden von dem SDMAP/Räumlichen Demultiplexer (120) als eine Gruppe verarbeitet, so dass die ursprünglichen gesendeten Signale (122, 124, 126) wiederhergestellt werden. Obwohl das Schema impliziert, dass ein einziger SDMAP und räumlicher Demultiplexer jedem Kanal zugeordnet ist, werden bei einer anderen Ausführungsform mehrere Kanäle auf einen einzigen SDMAP und räumlichen Demodulator gemultiplext.
  • Es wird erneut auf 4 Bezug genommen; bei einer Ausführungsform werden Empfängerausgänge (44) nach Abwärtsmischung zum Basisband in den Mehrkanalempfängern (42) digitalisiert und in digitaler Form zu SDMAPs (48) und räumlichen Multiplexern (46) übertragen. Die Ausgänge der räumlichen Demultiplexer (50) werden bei einer Ausführungsform digital demoduliert und zu analog gewandelt, zur Übertragung über das Koppelnetz (58), und bei einer anderen Ausführungsform vor der Demodulation zu analog gewandelt. Bei noch einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung wird die A/D-Wandlung der analogen Empfängerausgänge (44) in den SDMAPs durchgeführt, und analoge Signale (44) werden zu räumlichen Demultiplexern (46) gesendet, wo digital gesteu erte analoge Gewichts- und Summenschaltungen die analogen Signale (44) räumlich demultiplexen und analoge Ausgangssignale (50) zu analogen Demodulatoren gesendet werden.
  • Im Allgemeinen besteht eine Funktion des SDMAP (48) darin, geeignete Steuersignale für den räumlichen Demultiplexer (46) und den räumlichen Multiplexer (66) durch Verarbeitung der Informationen, die von den Empfängern (42) empfangen werden, und der Informationen, die von dem SDMA-Controller (72) geliefert werden, zu berechnen. Der SDMAP sendet außerdem Verfolgungs- und andere Signalparameter-Informationen an den SDMA-Controller (72), zur Verwendung bei der Kanalzuweisung und intelligenten Verbindungsumschaltung. Eine ausführliche Beschreibung des SDMAP wird weiter unten gegeben.
  • Räumliche Demultiplexer (46 in 4) demultiplexen die Ausgänge (44) der Mehrkanalempfänger (42). Diese Funktion wird für jeden (Frequenz-)Empfangskanal ausgeführt, der dem Zellenstandort zugewiesen ist. Bei einer Ausführungsform werden in jedem Kanal die Signale (44) von dem räumlichen Demultiplexer auf geeignete Weise kombiniert, um einen Ausgang für jedes Signal zur Verfügung zu stellen, das in dem betreffenden Kanal vorhanden ist (C1 in 7). Hierbei bedeutet "auf geeignete Weise kombiniert": derart kombiniert, dass das Signal von jedem drahtlosen Gerät in einem Kanal an dem entsprechenden Ausgang des räumlichen Demultiplexers erscheint. Dies ist ein für diese Erfindung spezifischer Aspekt.
  • Die Ausgänge (50) des räumlichen Demultiplexers (46 in 4) für einen bestimmten Kanal sind die getrennten Signale, die von den drahtlosen Geräten zur Basisstation in diesem Kanal übertragen werden, und sie werden zu Demodulatoren gesendet, wie es in gegenwärtigen Systemen der Fall ist. Die demodulierten Signale werden dann über ein Koppelnetz (58) zu ihrem entsprechenden Ziel geroutet, wie es gegenwärtig der Fall ist.
  • Signale, die für die drahtlosen Geräte bestimmt sind, werden von demselben Koppelnetz (58) erhalten und zu Signalmodulatoren (62) geleitet, wie in gegenwärtigen Systemen. Modulierte Basisbandsignale (64) werden zu räumlichen Multiplexern (66) gesendet, wo sie entsprechend verarbeitet werden, wie es durch den SDMAP (48) angewiesen wird, zur Übertragung zu den drahtlosen Geräten. In dieser Darstellung wird angenommen, dass diese drahtlosen Geräte dieselben sind wie diejenigen, deren Signale in den Empfängern (42) empfangen wurden. Dies muss jedoch nicht der Fall sein und ist keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung; sie sind hier nur für Zwecke der Veranschaulichung dieselben.
  • Es werden Mehrkanalsender (70) verwendet, die in ihrer Struktur den Empfängern (42) ähnlich sind, wobei ein Sender für jede der
    Figure 00330001
    Sendeantennen vorhanden ist, wie in 9 (152, 154, 156) dargestellt. Jeder Sender kombiniert auf geeignete Weise die Ausgänge jedes Kanals, welcher der Basisstation zugewiesen ist, zum Zwecke der Übertragung der Signale über die zugehörige Antenne zu den drahtlosen Geräten, wie in gegenwärtigen Systemen.
  • Die Funktion des räumlichen Multiplexers (66), der in 9 dargestellt ist, besteht darin, ein oder mehrere Signale (64) in einen bestimmten Kanal (C1 in 9), jedoch verschiedene räumliche Kanale zu multiplexen. Der räumliche Multiplexer (66) kombiniert auf geeignete Weise die Signale (64) und stellt einen Ausgang für den bestimmten Kanal (C1 in 9) in jedem Sender (40) zur Verfügung. Hierbei bedeutet "auf geeignete Weise kombiniert": derart kombiniert, dass jedes drahtlose Gerät nur das Signal empfängt, das für es bestimmt ist. Keine anderen Signale treffen an diesem bestimmten drahtlosen Gerät ein, das in diesem (Frequenz-)Kanal empfängt. Dies ist ein für die Erfindung spezifischer Aspekt.
  • Räumliches Multiplexing wird für jeden Kanal (C1, C2, ..., Cn in 9) durchgeführt. Bei einer Ausführungsform ist ein separater räumlicher Multiplexer für jeden Kanal vorgesehen. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Aufgabe des Multiplexings für mehrere Kanäle von derselben Multiplexer-Hardware durchgeführt. Wenn die Signale (64) von dem Signalmodulator (62) analog sind, besteht bei einer Ausführungsform der räumliche Multiplexer aus digital gesteuerten analogen Komponenten. Bei einer anderen Ausführungsform werden die Signale (62), fall erforderlich, digitalisiert, in dem räumlichen Multiplexer auf geeignete Weise kombiniert und dann zu den Sendern gesendet, zwecks D/A-Wandlung und Übertragung zu den drahtlosen Geräten.
  • DER RAUMMULTIPLEX-VIELFACHZUGRIFF-SIGNALPROZESSOR (SDMAP)
  • 5 zeigt eine detaillierte Darstellung eines Raummultiplex-Vielfachzugriff-Signalprozessors (Spatial Division Multiple Access Signal Processor, SDMAP) (48). Die Funktion des SDMAP beinhaltet das Bestimmen, wie viele Signale in einem bestimmten Kanal vorhanden sind, das Schätzen von Signalparametern wie etwa der räumlichen Position der Sender (d.h. von Ankunftsrichtungen DOA und Entfernung von der Basisstation) und das Bestimmen der geeigneten Schemata des räumlichen Demultiplexings und räumlichen Multiplexings. Die Eingänge (44) des SDMAP beinhalten Ausgänge von Basisstationsempfängern, einen für jede Empfangsantenne. Bei einer Ausführungsform führen die Empfänger eine Quadraturdetektion der Signale wie in gegenwärtigen Systemen durch, wobei in diesem Falle Inphase- (I) und Quadratur- (Q) Komponenten (Signale) von jedem Kanal hinter jeder Antenne ausgegeben werden. Bei einer anderen Ausführungsform wird eine einzige abwärtsgemischte Komponente, I oder Q oder irgendeine Kombination davon, verwendet. Bei einer Ausführungsform digitalisieren die Empfänger die Daten, bevor sie sie zu dem SDMAP weiterleiten. Bei einer anderen Ausführungsform wird eine Digitalisierung wie oben erwähnt in dem Datenkompressor (160) durchgeführt.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung erfüllt der SDMAP seine Aufgabe, indem er zuerst Schätzungen von wichtigen, die Signale betreffenden Parametern gewinnt, wie etwa von ihren Ankunftsrichtungen (Directions of Arrival, DOAs), ohne temporale Eigenschaften der Signale zu nutzen. Dies ist zum Beispiel in Situationen angebracht, in denen analoge Modulationsschemata angewendet werden und über die Wellenform des Signals wenig bekannt ist. Bei einer zweiten Ausführungsform können bekannte Trainingssequenzen, die in digitalen Datenströmen zum Zwecke der Kanalentzerrung platziert sind, in Verbindung mit Informationen der Sensoranordnung verwendet werden, um Schätzungen für Signalparameter wie etwa DOAs und Signalleistungspegel zu berechnen. Diese Informationen werden danach verwendet, um geeignete Gewichte (76) für einen räumlichen Demultiplexer zu berechnen, der bei dieser Ausführungsform als ein Linearkombinierer implementiert ist, d.h. als eine Gewichts- und Summen-Operation. Bei einer dritten Ausführungsform werden Parameter von dem Parameterschätzer, welche die Ankunftszeit (Time of Arrival, TOA) betreffen, in Verbindung mit Parametern der Signalkorrelation verwendet, um zu ermitteln, welche Signale Multipath-Versionen eines gemeinsamen Signals sind. Relative Verzögerungen werden dann derart berechnet, dass die Signale kohärent korreliert werden können, so dass die Qualität der geschätzten Signale noch weiter verbessert wird. Die Fähigkeit, auf diese Weise Informationen der Sensoranordnung zu nutzen, ist für diese Erfindung spezifisch.
  • Bei einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung wird jedoch die Funktion des räumlichen Demultiplexers in Verbindung mit der Schätzung anderer Quellenparameter wie etwa der DOAs durchgeführt. Als ein Beispiel einer solchen Ausführungsform dieses Typs kann die Eigenschaft des konstanten Absolutbetrages (d.h. konstanter Amplitude) verschiedener Kommunikationssignale wie etwa digitaler phasenumgetasteter (Phase-Shift Keyed, PSK) und analoger FM-Wellenformen zusammen mit Eigenschaften der Anordnung von Empfangsantennen genutzt werden, um gleichzeitig die Quellwellenformen sowie deren DOAs unter Verwendung von Mehrkanal-Konstant-Modulus-Algorithmen (Constant Modulus Algorithms, CMA), welche wohlbekannt sind, zu schätzen.
  • Bei einer anderen Ausführungsform können erweiterte Kalman-Filter, die ebenfalls wohlbekannt sind (C. Chui und C. Chen, Kalman Filtering with Real-Time Applications, Springer-Verlag, 1991), verwendet werden, um diese und ähnliche Eigenschaften auszunutzen. Bei dieser und ähnlichen Ausführungsformen wird angenommen, dass die Funktion des räumlichen Demultiplexers (46) in dem SDMAP (48) realisiert wird, und die Ausgänge des SDMAP (76) sind die räumlich demultiplexten Signale, die zu den Demodulatoren zu senden sind.
  • Es wird erneut auf 5 Bezug genommen; eine Datenkompression (160) wird durchgeführt, um die Menge an Daten zu verringern, und besteht bei einer Ausführungsform aus einer Akkumulation einer Sample-Kovarianzmatrix, welche Summen von äußeren Produkten der abgetasteten Empfängerausgänge in einem bestimmten Kanal beinhaltet. Des Weiteren werden die abgetasteten Ausgänge als Datenvektoren bezeichnet, und es ist ein solcher Datenvektor zu jedem Abtastzeitpunkt für jeden der Kanäle, die einer bestimmten Basisstation zugewiesen sind, vorhanden. Bei einer anderen Ausführungsform sind die komprimierten Daten einfach die unverarbeiteten Datenvektoren. Wenn Signale I und Q (44) von den Empfängern ausgegeben werden, ist jeder Datenvektor eine Sammlung von mr komplexen Zahlen, einer für jedes der mr Paare Empfänger/Antenne.
  • Bei einer dritten Ausführungsform beinhaltet eine Datenkompression auch die Verwendung von bekannten Signalinformationen wie etwa Trainingssequenzen, die in drahtlosen digitalen Systemen (D. Goodman, "Second Generation Wireless Information Networks", IEEE Trans. of Veh. Tech., Bd. 40, Nr. 2, Mai 1991) und Transponderantworten mobiler Geräte in gegenwärtigen analogen Systemen vorhanden sind, um die Ankunftszeit (Time of Arrival, TOA) eines ausgeprägten periodischen Signalmerkmals zu berechnen, einen Parameter, der wertvolle Informationen in Bezug auf den Abstand zwischen Zellenstandorten und dem drahtlosen Sender enthält, welche bei dieser Ausführungsform genutzt werden.
  • Die komprimierten Daten (162) werden zu einem Signaldetektor (164) zur Detektion der Anzahl von Signalen, die in dem Kanal vorhanden sind, weitergeleitet. Bei einer Ausführungsform werden statistische Detektionsschemata in Verbindung mit Informationen von einem SDMA-Controller (72) verwendet, um die Anzahl der in dem Kanal vorhandenen Quellen zu schätzen. Diese Informationen und die (komprimierten) Daten (168) werden zu einem Parameterschätzer (170) gesendet, wo Schätzungen von Signalparametern einschließlich derjenigen, welche die Quellenstandorte (z.B. DOAs und Entfernung) betreffen, erhalten werden.
  • Den Standort betreffende Parameterschätzungen (172) werden zu einem Quellenverfolger (174) weitergeleitet. Bei einer Ausführungsform besteht die Funktion des Quellenverfolgers darin, die Position eines jeden Senders als Funktion der Zeit zu verfolgen. Dies ist mittels bekannter nichtlinearer Filtertechniken implementiert, wie etwa mittels des oben erwähnten erweiterten Kalman-Filters (Extended Kalman Filter, EKF). Bei einer anderen Ausführungsform werden auch Geschwindigkeiten und Beschleunigungen eines jeden der drahtlosen Geräte in einem bestimmten Kanal verfolgt. Eingänge des EKF sind bei einer Ausführungsform die DOAs und TOAs von der lokalen Basisstation. Bei einer anderen Ausführungsform werden DOA- und TOA-Messwerte von anderen nahe gelegenen Zellenstandorten, die ebenfalls Sendungen von den mobilen Geräten empfangen, mit einbezogen, zusammen mit bekannten Positionen der Zellenstandorte, um die Schätzungsgenauigkeit des EKF auf wohlbekannte Weise weiter zu verbessern. Die Ausgänge des Verfolgers (174) werden zusammen mit den (komprimierten) Daten (176) zu einem Controller (178) des räumlichen Demultiplexers gesendet, um die Funktion des räumlichen Demultiplexers zu steuern, und zu einem Controller (180) des räumlichen Multiplexers, um die Funktion des räumlichen Multiplexers zu steuern.
  • SDMA-CONTROLLER
  • 10 zeigt einen SDMA-Controller (72), welcher die Kanalzuweisung überwacht, und eine Vielzahl von SDMA-Systemen (202, 204, 206). Wie oben erwähnt, empfängt jedes SDMA-System Signale (44a, 44b, 44c) von den Mehrkanalempfängern (42) und sendet Signale (68a, 68b, 68c) zu den Mehrkanalsendern (70) zur Übertragung zu den drahtlosen Geräten. Die SDMA-Systeme übermitteln außerdem (Verfolgungs-) Informationen (182a, 182b, 182c), wie oben erwähnt, zu dem SDMA-Controller und empfangen Informationen (184a, 184b, 184c) von dem SDMA-Controller. Nicht dargestellt ist in diesem Schema eine Verbindung zwischen den Basisstationen und deren Zugang zu einem Weitverkehrsnetz über ein Koppelnetz. Obwohl solche Verbindungen in gegenwärtigen zellularen Mobilkommunikationsnetzen und drahtlosen LANs vorhanden sind, sind sie bei dieser Erfindung natürlich nicht erforderlich. Eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen drahtlosen Geräten über die Basisstation ist möglich, ohne in ein Weitverkehrsnetz einzutreten.
  • Die Funktion des SDMA-Systems wird für jeden Kanal (202, 204, 206) ausgeführt, in 10 mit CH 1, CH 2, ..., CH n bezeichnet, der einer Basisstation für den Empfang zugewie sen ist. Bei einer Ausführungsform ist ein separates SDMA-System für jeden Kanal vorhanden. Bei einer Ausführungsform werden mehrere Kanäle in demselben SDMA-System verarbeitet.
  • Eine Aufgabe des SDMA-Controllers (72) ist es zu verhindern, dass es zu einer Koinzidenz drahtloser Geräte im (Frequenz- oder Code-)Kanalraum, zeitlichen und räumlichen (Positions-)Raum kommt. Je nach Erfordernis weist der Controller über standardmäßige Messaging-Schemata, wie sie in gegenwärtigen drahtlosen Systemen vorhanden sind, die drahtlosen Geräte an, zu anderen (Frequenz- oder Code-) Kanälen zu wechseln.
  • Bei einer Ausführungsform senden SDMA-Controller an verschiedenen Zellenstandorten (190, 194, 200) Verfolgungs- und Frequenzzuweisungs-Informationen, zusätzlich zu anderen relevanten Quellenparametern wie etwa Signalleistung, bezüglich sämtlicher drahtloser Geräte in ihrer Zelle (192, 196, 198) an eine Basisstations-Überwachungseinheit (220). Zum Beispiel ist bei zellularer Mobilkommunikation die Überwachungseinheit das MTSO (Mobiltelefon-Vermittlungsamt). Diese Informationen werden verwendet, um die oben erwähnten Probleme bei der Verbindungsumschaltung zu vermindern, die in gegenwärtigen drahtlosen Systemen vorhanden sind. Mit Kenntnis der Positionen und Geschwindigkeiten aller Sender und Kenntnis der Bereiche, die von den einzelnen Zellenstandorten versorgt werden, können effiziente und zuverlässige Strategien der Verbindungsumschaltung implementiert werden.
  • Bei einer anderen Ausführungsform beinhaltet die Funktion des SDMA-Controllers das Weiterleiten der Positionen und Kanalzuweisungen von Autos in benachbarten Zellen an jede Basisstation. Diese Informationen werden in den Controllern des räumlichen Multiplexers und Demultiplexers in dem SDMAP verwendet, um die Leistungsfähigkeit der räumlichen Multiplexer und Demultiplexer zu verbessern. Weitere Erhöhungen der Kapazität werden hier auch dadurch realisiert, dass eine dynamische Zuweisung von Sende- und Empfangskanälen zwischen den verschiedenen Zellenstandorten und mobilen Geräten ermöglicht wird. Die Fähigkeit, mehrere Sender in drahtlosen Kommunikationsnetzen zu verfolgen, und die signifikanten Verbesserungen, die im Hinblick auf Kapazität und Qualität des Systems erzielt wurden, sind für diese Erfindung spezifisch.
  • SIMULATIONSERGEBNISSE
  • 11 veranschaulicht die Fähigkeit des Systems einer Ausführungsform der Erfindung, gleichzeitig mehrere Sender in demselben Kanal zu verfolgen und die empfangenen Signale räumlich zu demultiplexen, um die übertragenen Wellenformen einzeln zu schätzen. Die Empfangsanordnung besteht aus einer 10 Elemente umfassenden gleichförmigen linearen Anordnung von Elementen mit einem Abstand von einer halben Wellenlänge, d.h. 17 cm bei 850 MHz. Die zwei FM-Sender bewegen sich aufeinander zu, und ihre Wege überkreuzen sich sogar, d.h. die DOAs sind an einem Punkt während des Intervalls dieselben. Es wird eine Umgebung mit einem starken Rayleigh-Fading simuliert, mit einer Schwundrate von mehr als 100 Hz. Die Empfängerausgänge werden in Blöcken von 400 Datenvektoren verarbeitet (0,05 s für Daten, die mit 8 kHz abgetastet werden). Trotz der Tatsache, dass die Sender bei 1,7 s einen Abstand von weniger als 2° haben, was einem Abstand voneinander von ungefähr 30 m in 1 km Entfernung von der Basisstation entspricht, werden die einzelnen Signalwellenformen präzise rekonstruiert, wie in der unteren Abbildung dargestellt ist. Diese Figur macht die Effizienz dieser Ausführungsform deutlich sichtbar, da eine solche Leistung in derzeitigen Systemen noch nicht erreicht worden ist. Die Fähigkeit, Quellen im gleichen Kanal, die sich sehr nahe beieinander befinden, zu trennen und die empfangenen Signale erfolgreich räumlich zu demultiplexen, ist für diese Erfindung spezifisch.
  • 12 ist eine Fortsetzung von 11, welche die Fähigkeit des Systems einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, gleichzeitig mehrere Sender in demselben Kanal zu verfolgen, wo sich die Trajektorien kreuzen. Am Mittelpunkt des Schätzungsintervalls weisen die Sender dieselbe DOA auf. Wie man leicht sieht, verfolgt das SDMA-System die DOAs der Sender erfolgreich. Die Fähigkeit, sich schneidende Trajektorien von Sendern im gleichen Kanal anhand von DOA-Messungen zu verfolgen, die mit einer Sensoranordnung vorgenommen werden, ist für diese Ausführungsform der Erfindung spezifisch und wurde in gegenwärtigen drahtlosen Systemen nicht erreicht.
  • 13 veranschaulicht die Kompatibilität des SDMA-Konzeptes mit vorgeschlagener CDMA-Technologie. Es werden drei Quellen bei 20°, 40° und 60° bezüglich der Achslinie einer 10 Elemente umfassenden gleichförmigen linearen Anordnung von omnidirektionalen Antennenelementen simuliert. Die Baudraten betragen 1 MHz, 1 MHz bzw. 500 kHz, und das effektive Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) beträgt ungefähr 0 dB. Die obere graphische Darstellung zeigt den Ausgang des ersten Antennenelements, und es ist klar zu erkennen, dass das SRV nahezu 0 dB beträgt, d.h. die Signal- und die Rauschamplitude sind nahezu gleich. Die unteren vier kleineren graphischen Darstellungen zeigen die drei räumlich demultiplexten Signale und den Winkel des Ausgangs der ersten Antenne zum Vergleich. Sie machen nicht nur deutlich die Fähigkeit des SDMA-Systems sichtbar, die digitalen CDMA-Übertragungen räumlich zu demultiplexen, sondern lassen auch die erreichbare Verbesserung der Leistungsfähigkeit erkennen. Ein Faktor von ungefähr 10 der Verbesserung des SRV beim Ausgang des räumlichen Demultiplexers ist recht offensichtlich. Die DOA-Schätzungen beruhten auf nur 200 Momentaufnahmen, und es wurde nicht nur die Anzahl der Signale (3) von dem SDMA-Detektor korrekt detektiert, sondern die geschätzten DOAs hatten alle einen Abstand von nicht mehr als 0,5° von den tatsächlichen Werten. Die Fähigkeit, Schätzungen von einer solchen Qualität zu erhalten und in diesen Umgebungen mit Gleichkanalinterferenz digitale Spreizspektrum-Signale räumlich zu demultiplexen, ist für diese Ausführungsform dieser Erfindung spezifisch.
  • 14 veranschaulicht die Verbesserung, die durch das robuste räumliche Multiplexing-Schema SDMA gegenüber herkömmlichen Verfahren erzielt wird. Bei der Simulation befanden sich drei Sender bei 40°, 50° bzw. 90° bezüglich der Achslinie einer 10 Elemente umfassenden gleichförmigen linearen Anordnung mit Abstand λ/2. Die geschätzten Ankunftsrichtungen, die auf 1000 Datenvektoren beruhten, hatten einen Abstand von nicht mehr als 0,05° von den tatsächlichen Werten, und die Gewichtsvektoren des räumlichen Multiplexings wurden auf deren Basis berechnet. Die Abbildung zeigt die Ergebnisse der Konstruktion eines räumlichen Multiplexers für eine Übertragung zu dem Empfänger bei 90°, wobei ein Konstruktionsziel die Minimierung der Leistung in der Richtung der Empfänger bei 40° und 50° war. Die Überlegenheit des robusten räumlichen Multiplexers von SDMA gegenüber dem herkömmlichen deterministischen Multiplexer ist klar erkennbar.
  • FUNKTIONSWEISE VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • DEFINITIONEN
  • In der folgenden Erörterung wird der Begriff Basisstation verwendet, um einen Standort zu bezeichnen, mit welchem (mobile) drahtlose Geräte (hier Benutzer genannt) kommunizieren. Basisstationen unterscheiden sich von drahtlosen Geräten nur dadurch, dass sie oft einen kontinuierlichen Standleitungs-Zugang (Dedicated Access) zu einem Breitband-Weitverkehrsnetz haben, über welchen viele Signale gleichzeitig übertragen werden können. Dies ist, wie oben erwähnt, keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung. Der Begriff Kanal wird verwendet, um einen beliebigen der herkömmlichen Kanäle (Frequenz-, Zeit-, Codekanal) oder eine beliebige Kombination derselben zu bezeichnen. Der Begriff räumlicher Kanal bezeichnet das neue Konzept, das für dieses Patent spezifisch ist.
  • BEZEICHNUNGEN
  • Innerhalb des von einer Basisstation versorgten Gebiets senden Benutzer des drahtlosen Systems Signale an diese Basisstation und empfangen Signale von ihr. Wir bezeichnen die einzelnen Basisband-Benutzersignale mit sr (ωi, θi j, t), wobei
    • • ω1, i = 1, ..., n, den i-ten von n Kanälen bezeichnet und zum Beispiel einen Frequenzkanal in einem FDMA-System, einen Frequenz-Zeitschlitz in einem FDMA/TDMA-System oder einen Frequenzkanal und einen Code in einem FDMA/CDMA-System bezeichnen kann,
    • • θi j, j = 1, ..., di, die Richtung zu dem j-ten von di Benutzern bezeichnet, die den Kanal ωi benutzen, und
    • • t ein Zeitindex ist.
  • Diese Basisbandsignale sind die Ausgänge von Signalmodulatoren, welche für die Modulationsart des Systems geeignet sind, wie bei herkömmlicher Vorgehensweise. Die Eingänge dieser Modulatoren sind die Nachrichten, welche Benutzer über das Netz senden möchten. Es gibt keine Einschränkung für die einzelnen Nachrichten: Sie können digital oder analog sein, Daten oder Sprache enthalten. Diese Basisbandsignale werden aufwärts gemischt, z.B. verwendet, um einen HF-Träger zu modulieren, und die resultierenden Signale werden von den Benutzern in herkömmlichen Systemen omnidirektional ausgestrahlt.
  • In herkömmlichen Systemen wird jedem gleichzeitigen Benutzer ein anderer Kanal ωi zugewiesen, auf welchem sie Signale zur Basisstation übertragen. Gemäß der aktuellen Praxis wird ein zweiter Kanal für den Empfang von Informationen von der Basisstation zugewiesen. Gemäß der aktuellen Praxis werden, wenn eine Anforderung eines Benutzers für die Kanäle aufhört zu bestehen, die Kanäle neu zugewiesen.
  • Die Signale in den verschiedenen Kanälen werden gleichzeitig von der Basisstation empfangen, und die Funktion des Empfängers ist es, die Eingänge zu demultiplexen und zu Basisbandsignalen abwärts zu mischen, Sr(ω1, t), ..., Sr(ωn, t). Ein solcher Empfänger kann als einen Eingang und n Ausgänge aufweisend angesehen werden. Ein Empfänger, welche diese Funktion ausführt, wird hier als ein Mehrkanalempfänger bezeichnet. Dies ist in 1 graphisch dargestellt.
  • Analog werden die Basisbandsignale, welche von der Basisstation zu den Benutzern gesendet werden, mit
    Figure 00440001
    (ωi, θi j, t) bezeichnet, wobei
    • • ωi, i = 1, ..., n, den i-ten von n Kanälen bezeichnet und zum Beispiel einen Frequenzkanal in einem FDMA-System, einen Frequenz-Zeitschlitz in einem FDMA/TDMA-System oder einen Frequenzkanal und einen Code in einem FDMA/CDMA-System bezeichnen kann, und
    • • θi j, j = 1, ..., di die Richtung zu dem j-ten von di Benutzern bezeichnet, die den Kanal ωi benutzen.
  • Die Basisbandsignale in den verschiedenen Kanälen sind Eingänge des Senders, welcher die Signale für eine Übertragung aufwärts mischt und multiplext. Ein solcher Sender kann als n Eingänge und einen Ausgang aufweisend angesehen werden. Ein Empfänger, welcher diese Funktion ausführt, wird hier als ein Mehrkanalsender bezeichnet. Dies ist in 1 graphisch dargestellt.
  • Für die Zwecke der nachfolgenden Erörterung wird angenommen, dass die Anzahl der Benutzer, die Informationen zur Basisstation senden, gleich der Anzahl der Benutzer ist, die Informationen von der Basisstation empfangen. Dies ist jedoch keine Bedingung für die Erfindung. Ferner wird für Zwecke der Veranschaulichung angenommen, dass die n Kanäle, die einer Basisstation zugewiesen sind, in Form von Paaren zugewiesen sind, wobei einer zum Senden und der andere zum Empfangen bestimmt ist. Dies ist ebenfalls keine Bedingung für die Erfindung. Tatsächlich werden bei einer Ausführungsform der Erfindung weniger Basisstations-Empfangskanäle (Benutzer-Sendekanäle) zugunsten von mehr Basisstations-Sendekanälen (Benutzer-Empfangskanälen) zugewiesen, was zu einer eventuellen Erhöhung der Systemkapazität für eine feste Anzahl von Kanälen führt. Die Fähigkeit, diese Erhöhung der Kapazität zu erreichen, ist ein weiterer Aspekt, der für eine Ausführungsform der Erfindung spezifisch ist.
  • Es werde eine Basisstation betrachtet, die aus einer Sammlung von mr Antennen für den Empfang von ankommenden Signalen besteht. Eine solche Sammlung wird hier als eine Empfangsantennenanordnung bezeichnet. Außerdem steht eine Sammlung von
    Figure 00450001
    Antennen für das Senden von Signalen zur Verfügung, die hier als eine Sendeantennenanordnung bezeichnet wird. Im Allgemeinen sind dies zwei physisch verschiedene Anordnungen mit unterschiedlichen Konfigurationen und unterschiedlichen Betriebsfrequenzen. In Systemen, in denen Empfang und Senden nicht gleichzeitig erfolgen müssen, könnte jedoch dieselbe Anordnung sowohl als Empfangs- als auch als Sendeantennenanordnung dienen. Ferner erfordert die Erfindung nicht, dass Senden und Empfang auf getrennten Frequenzen erfolgen.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung können jedem Kanal ωi mehrere Benutzer zugewiesen sein. Der i-te Ausgang des k-ten Mehrkanalempfängers (der das Signal von der k-ten von mr Antennen empfängt) hat die folgende Form:
    Figure 00460001
    wobei
    • • ak(ωi, θi j) die Verstärkung und Phasenantwort der k-ten Antenne und des Mehrkanalempfängers für den i-ten Kanal auf ein von θ ankommendes Signal ist, und
    • • ni k(t) ein unerwünschter Rauschterm ist, welcher Mängel der Antenne und der Empfangsausrüstung, Störquellen und Rauschen beinhaltet.
  • Wenn man die i-ten Ausgänge der mr Mehrkanalempfängers (welche die Signale von den mr Antennen empfangen) in einem Vektor zusammenfasst, erhält man die folgende Gleichung:
    Figure 00460002
  • Die obige Erörterung betrifft die mathematische Beschreibung der Signale, die an der Basisstation in dem SDMA-System empfangen werden. Die Gleichungen, die das Senden von der Basisstation in dem SDMA-System beschreiben, haben weitgehend dieselbe Struktur. Die Sendeanordnung besteht aus
    Figure 00460003
    Sendeelementen. Das modulierte Signal, das in den k-ten Sender in einem Kanal ωi eingespeist wird, wird mit x k / tx (ωi,t) bezeichnet. Dieses Signal tritt in den k-ten Sender ein, wird mit den anderen Kanälen räumlich gemultiplext, zur Trägerfrequenz aufwärts gemischt und von der k-ten Antenne gesendet. Aufgrund der charakteristischen Merkmale von Sender und Antenne ist das Basisbandsignal im Kanal ωi, das von der Antenne gesendet wird, eine Funktion der Richtung, in welcher es in dem Medium ausgestrahlt wird,
    Figure 00470001
    wobei
    Figure 00470002
    die Verstärkung und die Phasencharakteristiken der k-ten Antenne und des k-ten Senders für den i-ten Kanal als eine Funktion der Richtung θ bezeichnet. Wenn man die i-ten Eingänge der
    Figure 00470003
    Sender (welche die
    Figure 00470004
    Antennen speisen) in einem Vektor zusammenfasst und die Beiträge von sämtlichen Basisbandsignalen im Kanal ωi addiert, erhält man die folgende Gleichung:
    Figure 00470005
  • Unterschiedliche Kanäle werden von dieser Stufe an getrennt bearbeitet. Dieselbe Verarbeitung (siehe 4) findet für jeden Kanal ωi statt. Daher wird der Index i in der folgenden Erörterung weggelassen, und Gleichung (0.2) kann wie folgt geschrieben werden:
    Figure 00470006
  • 4 zeigt ein Blockschaltbild des SDMA-Prozessors für einen Kanal. Der Ausgang des Empfängerblockes (4, 42 und 7, 102, 104, 106) ist xr(t). Dieses Signal ist ein Eingang des Raummultiplex-Vielfachzugriff-Signalprozessors (SDMAP) (5, 48).
  • Ein Modell des Vektors von Verstärkung und Phasencharakteristiken für das Empfangen, ar(θ), und Senden, a * / tx(θ), wird als bekannt vorausgesetzt für θ in dem interessierenden Bereich. Der SDMAP verwertet diese Informationen zusammen mit bekannten Eigenschaften von sr(θj, t), z.B. Trainingssequenzen und konstanten Moduleigenschaften, um:
    • 1. die ankommenden Daten auf geeignete Weise zu komprimieren (5, 160),
    • 2. die Anzahl der Signale zu schätzen, die in dem Kanal vorhanden sind (5, 164),
    • 3. die Ankunftsrichtungen (DOAs) der ankommenden Wellenfronten und andere Signalparameter zu schätzen ( 5, 170),
    • 4. die Positionen der Benutzer in dem Kanal zu verfolgen (5, 174),
    • 5. die räumliche Korrelationsstruktur der empfangenen Signale, ε{s(t)s(t)*}, zu schätzen (5, 180),
    • 6. ein geeignetes Schema des räumlichen Demultiplexings (5, 180) zu berechnen, basierend auf den obigen Schätzungen und Informationen von dem SDMA-Controller (5, 72), und den räumlichen Demultiplexer ( 5, 46 und 7, 46) auf geeignete Weise einzustellen, so dass einzelne ankommende Signale getrennt werden können, wie in 6, 50 dargestellt, und
    • 7. ein geeignetes Schema des räumlichen Multiplexings (5, 180) zu berechnen, basierend auf den obigen Schätzungen und Informationen von dem SDMA-Controller (5, 72), und den räumlichen Multiplexer (5, 66 und 9, 66) auf geeignete Weise einzustellen, so dass die mehreren gesendeten Signale an den beabsichtigten Empfangsstandorten nicht miteinander interferieren, wie in 8 dargestellt.
  • Der räumliche Demultiplexer (4, 46) nimmt als Eingang den Ausgang der Empfänger, xr(t), und das Demultiplexing-Schema, das in dem SDMAP berechnet wurde. Der Mehrkanalausgang des Demultiplexers enthält eine Schätzung der Basisbandsignale der d räumlichen Kanäle, sr(θj, t), j = 1, ..., d, die erhalten wird, indem die Empfängerausgänge auf eine geeignete Weise kombiniert werden, um das gewünschte Signal durchzulassen, während unerwünschte Benutzer in demselben Kanal kohärent unterdrückt werden. Ferner wird der relative Betrag des Hintergrundrauschens in dem räumlichen Multiplexer verringert, wodurch die Qualität des Ausgangssignals, verglichen mit gegenwärtigen Systemen, verbessert wird. Die einzelnen Basisbandsignale werden zu standardmäßigen Signaldemodulatoren (4, 52) weitergeleitet, welche die Nachrichten demodulieren und entzerren, wie es in gegenwärtigen Systemen der Fall ist.
  • Der räumliche Demultiplexer ist entweder in analoger oder in digitaler Hardware implementiert. Bei einer analogen Ausführungsform findet die Analog-Digital-(A/D-)Wandlung in dem SDMAP statt, und bei der digitalen Ausführungsform findet die A/D-Wandlung in den Empfängern statt. Das räumliche Demultiplexing wird entweder analog oder digital durchgeführt, und die entsprechende A/D- oder D/A-Wandlung der Basisbandsignale findet statt, um die Kopplung mit den Signaldemodulatoren zu ermöglichen.
  • Der räumliche Multiplexer (4, 66) verwendet als Eingang die Basisband-Nachrichtensignale von den Signalmodulatoren (4, 62) und das Multiplexing-Schema, das in dem SDMAP (48) berechnet wird. Der Mehrkanalausgang wird räumlich gemultiplext, so dass, wenn sie zeitlich gemultiplext, aufwärts gemischt und über die Sendeanordnung gesendet wird, die für den Benutzer in Richtung θj bestimmte Nachricht:
    • 1. in der Richtung von θj kohärent addiert wird,
    • 2. in den Richtungen der anderen Benutzer desselben Kanals kohärent unterdrückt wird, und
    • 3. in allen anderen Richtungen minimiert wird.
  • Der räumliche Multiplexer realisiert Obiges gleichzeitig für alle räumlichen Kanäle θj, j = 1, ..., d. Daher ist ytx(θ,t) in Gleichung (0.6) gleich stx(θ, t) für θ = θj, j = 1, ..., d, durch geeignete Wahl des Multiplexing-Schemas, wenn xtx (t) gebildet wird.
  • Der räumliche Multiplexer kann unter Anwendung entweder analoger oder digitaler Techniken implementiert werden. Es wird eine geeignete A/D- oder D/A-Wandlung des Eingangs/Ausgangs durchgeführt, um eine Kopplung mit dem Signalmodulator und den Sendern zu ermöglichen.
  • Einzelheiten einer speziellen Ausführungsform der SDMA-Erfindung
  • Um die SDMA-Prozedur zu veranschaulichen, werden im Folgenden detaillierte Beispiele der verschiedenen durchgeführten Schritte angegebenen.
  • Datenkompression
  • Bei einer speziellen Ausführungsform wird eine Datenkompression durchgeführt, indem eine Kovarianzmatrix aus den empfangenen Daten gebildet wird:
    Figure 00510001
    wobei N die Anzahl der Datenvektoren (oder Momentaufnahmen) x(tk) ist, die verwendet wurden. Eine räumliche Glättung und/oder Vorwärts-Rückwärts-Mittelung die beide wohlbekannt sind, wird je nach Erfordernis durchgeführt. Diese Operationen können mathematisch durch eine Transformation von R ^ beschrieben werden, die gegeben ist durch:
    Figure 00510002
  • Der Signal- und der Rauschunterraum, Es und En, werden unter Anwendung wohlbekannter mathematischer Verfahren berechnet, wie etwa von Eigendekompositionen (Eigendecompositions, EVDs) und Singulärwertdekompositionen (Singular-Value Decompositions, SVDs):
    Figure 00510003
  • Diese Gleichungen beschreiben die Verarbeitung eines Blockes von Daten, d.h. einen Batch-Modus (Stapelbetrieb). Stattdessen können die Daten auch rekursiv verarbeitet werden, wobei die obigen Größen aktualisiert werden, wenn neue Daten verfügbar werden. Solche Verfahren sind wohlbekannt.
  • Signaldetektor
  • Bei einer speziellen Ausführungsform wird eine Signaldetektion unter Anwendung statistischer Kriterien durchgeführt, wie etwa Minimale Länge der Beschreibung (Minimum Description Length, MDL), Akaikes Informationskriterium (Akaike's Information Criterion, AIC) oder Weighted Subspace Fitting (WSF) Detektion, die alle wohlbekannt sind. Informationen von dem SDMA-Controller, welche die Anzahl der Quellen betreffen, die dem betreffenden Kanal lokal zugewiesen sind, werden auch in dem Detektor verwendet, um eine untere Schranke für die geschätzte Anzahl vorhandener Signale festzulegen.
  • Signalparameterschätzer
  • Bei einer speziellen Ausführungsform wird ein Maximum-Likelihood-Schätzer verwendet, um die Signalparameterschätzungen θ ^, die Schätzung für die Kovarianz des Emittersignals S ^ und die Schätzung für die Rauschvarianz θ ^2 zu erhalten. Diese werden erhalten, indem die folgende Kostenfunktion minimiert wird:
    Figure 00520001
    Verfahren für die Durchführung der Minimierung sind wohlbekannt. Bei anderen Ausführungsformen können Algorithmen, welche Signal- und Rauschunterraum verwenden, benutzt werden, um die Signalparameter zu schätzen.
  • Quellenverfolger
  • Bei einer speziellen Ausführungsform verwendet ein erweitertes Kalman-Filter (Extended Kalman Filter, EKF) DOA-Schätzungen von dem DOA-Schätzer als Eingänge und gibt Schätzungen des kinematischen Zustands des Senders aus, d.h. seine Position und Geschwindigkeit als Funktion der Zeit. Solche Filter sind wohlbekannt (Chui, op. cit.). Bei einer anderen Ausführungsform werden DOA-Schätzungen von mehreren Basisstationen, die Signale von mehreren Benutzern empfangen, in einem EKF in dem SDMA-Controller verarbeitet, um Standortschätzungen der Benutzer zu erhalten, und die Standortschätzungen werden von dem SDMA-Controller zurück zu den Basisstationen übertragen. Bei einer weiteren Ausführungsform werden Informationen über die Ankunftszeit (Time-Of-Arrival, TOA), die an den Basisstationen aus bekannten Signaleigenschaften unter Anwendung wohlbekannter, weiter oben beschriebener Verfahren erhalten werden, zusätzlich zu DOA-Schätzungen verwendet, um die Benutzerstandorte zu schätzen. Im Allgemeinen ist diejenige Ausführungsform zu bevorzugen, welche sämtliche verfügbaren Informationen in Bezug auf den Standort des Senders verwertet. Die Fähigkeit, Benutzer unter Verwendung solcher Messungen zu lokalisieren, die an Basisstationen vorgenommen wurden, ist für eine Ausführungsform der Erfindung spezifisch.
  • Demultiplexer-Controller
  • Bei einer speziellen Ausführungsform wird eine Berechnung einer geeigneten Menge von Gewichten Wr = [wr(θ1)... wr(θd)] durchgeführt, mit einer Menge wr(θk) für jedes Signal sr(θk,t), das zu demultiplexen ist. Die Berechnung der entsprechenden Gewichte bei dieser Ausführungsform erfordert eine Schätzung von Rauschkovarianz und Signalkorrelation, aus welcher stochastische Signalkopie-Gewichte mit robuster Struktur wie folgt berechnet werden:
    Figure 00530001
    Figure 00540001
    und ⊙ eine elementweise Multiplikation bezeichnet.
  • Multiplexer-Controller
  • Bei einer speziellen Ausführungsform werden dieselben mathematischen Formeln, die von dem Demultiplexer-Controller verwendet wurden, um die Demultiplexing-Gewichte zu berechnen, verwendet, um die entsprechende Sammlung von Multilexing-Gewichten
    Figure 00540002
    zu berechnen. In jeder Menge
    Figure 00540003
    wird ein Gewicht
    Figure 00540004
    für jede der
    Figure 00540005
    Sendeantennen berechnet. Eine Menge von Gewichten wird für jedes zu übertragende Signal berechnet.
  • Demultiplexer
  • Bei einer speziellen Ausführungsform wird das räumliche Demultiplexing eines Signals sr(θk,t) durchgeführt, indem der Ausgang der Empfänger xr(t) mit dem entsprechenden Gewicht wr (θk) multipliziert wird und danach ihre Summe gebildet wird:
    Figure 00540006
  • Dieser Prozess wird im Weiteren als Signalkopie bezeichnet.
  • Multiplexer
  • Bei einer speziellen Ausführungsform wird das räumliche Multiplexing der Sendesignale
    Figure 00540007
    durchgeführt, indem die einzelnen Signale
    Figure 00540008
    mit der entsprechenden Menge von Multiplexing-Gewichten
    Figure 00550001
    multipliziert werden. Das resultierende räumlich modulierte Signal hat die Form
  • Figure 00550002
  • SDMA-Controller
  • Eine Funktion des SDMA-Controllers ist es zu verhindern, dass es zu einer Koinzidenz drahtloser Geräte im (Frequenz- oder Code-)Kanalraum, zeitlichen und räumlichen (Positions-)Raum kommt. Je nach Erfordernis weist der Controller über standardmäßige Messaging-Schemata, wie sie in gegenwärtigen drahtlosen Systemen vorhanden sind, die drahtlosen Geräte an, zu anderen (Frequenz- oder Code-)Kanälen zu wechseln. Bei einer speziellen Ausführungsform wird dies durchgeführt, indem ein gewichtetes Maß der Nähe aller Benutzer in der Zelle berechnet wird. Paarweise Trennungen der räumlichen Positionen von Benutzern (d.h. DOA-Differenzen) werden umgekehrt proportional zur maximalen Strahlbreite der Empfangsantennenanordnung an den zwei DOAs gewichtet, und das Maß der Frequenzdifferenz wird binär bewertet, wobei der Wert 1 genommen wird, wenn die Frequenzen verschieden sind, und 0, wenn sie gleich sind.
  • Wenn der einem Benutzer i zugewiesene Kanal mit ωi, seine DOA mit θi(t) und die Strahlbreite der Anordnung bei der DOA i mit
    Figure 00550003
    bezeichnet wird, kann ein Abstandsmaß Dij(t) wie folgt geschrieben werden:
    Figure 00550004
    wobei δ(ωi, ωj) gleich 1 ist, wenn ωi = ωj, und 0, wenn ωi ≠ ωj Wenn Dij(t) < γ für irgendein Paar von Benutzern {i, j} ist, wobei γ bei einer Ausführungsform eine feste Konstante ist, die nahe bei eins liegt, wird eine Neuzuweisung der Frequenz durchgeführt, indem
    Figure 00560001
    ermittelt wird, wobei ts der Zeitpunkt ist, zu welchem Dij(t) < γ ist. Das heißt, es wird der Wert von k gewählt, welcher das neue Abstandsmaß maximiert, und der entsprechende Benutzer, entweder i oder j, wird zum Senden zur Basisstation zum Kanal ωk umgeschaltet. Derselbe Algorithmus wird angewendet, um Kanäle zu wählen, in welchen Basisstationen an Benutzer senden, indem in Gleichung (0.27) einfach Parameter der Empfangsantennenanordnung durch Parameter der Sendeantennenanordnung ersetzt werden. Bei einer anderen Ausführungsform werden Signalstärke und Bewegungsrichtung verwendet, um robustere Umschaltstrategien zu entwickeln. Bei alternativen Ausführungsformen wird eine ähnliche Optimierung durchgeführt, indem Informationen von mehreren Basisstationen an einer Basisstations-Überwachungseinheit verwendet werden, um Sende- und Empfangskanäle zwischen den mehreren Basisstationen und mehreren Benutzern, aus denen das drahtlose System besteht, zuzuweisen.
  • Daher ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Kapazität und Verbesserung der Qualität von drahtlosen Kommunikationsnetzen bereitstellt. Die Standorte mehrerer Quellen, die in einem gemeinsamen Kanal gleichzeitig Informationen übertragen, können geschätzt werden, und die einzelnen Signalwellenformen können rekonstruiert werden. Informationen werden gleichzeitig auf einem gemeinsamen Kanal zu den Quellen übertragen, ohne dass eine Gleichkanalinterferenz erzeugt wird, welche andernfalls Zweiwege-(Vollduplex-) Kommunikationsverbindungen beeinträchtigen würde. Ferner kann die Erfindung eine Verfolgung mobiler Quellen und eine Verminderung der Probleme der Verbindungsumschal tung und des Signalmanagements gewährleisten, und sie ist mit gegenwärtigen und zukünftigen Modulationsschemata in drahtlosen Kommunikationssystemen kompatibel.
  • Obwohl die obige Beschreibung gewisse spezifische Details enthält, dürfen diese nicht als Einschränkungen des Rahmens der Erfindung ausgelegt werden, sondern vielmehr als erläuternde Beispiele einer bevorzugten Ausführungsform und Anwendung derselben. Es sind viele andere äquivalente Anordnungen möglich, ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Zum Beispiel können alternative Ausführungsformen:
    • 1. verwendet werden, um die Dienstgüte zu überwachen, die von vorgeschlagenen Zellenstandorten gewährleistet wird;
    • 2. verwendet werden, um die Sicherheit zu erhöhen, indem Signale nur in bevorzugten Richtungen gesendet werden, wodurch auch die Menge an unerwünschter Strahlung begrenzt wird;
    • 3. in mobilen Geräten implementiert werden, wodurch die mobilen Geräte mit vielen der oben erwähnten Vorteile ausgestattet werden und zusätzlich die Fähigkeit für Punkt-zu-Punkt-Dienst zur Verfügung gestellt wird, wobei mobile Geräte gerichtet zueinander und voneinander senden und empfangen.
  • BEZUGZEICHEN IN DEN ZEICHNUNGEN
    • 20 Sender und Empfänger des mobilen Geräts 1
    • 22 Sender und Empfänger des mobilen Geräts 2
    • 24 Sender und Empfänger des mobilen Geräts d
    • 26 Herkömmlicher Mehrkanalempfänger
    • 28 Kanal 1, Ausgang des herkömmlichen Mehrkanalempfängers
    • 30 Kanal 2, Ausgang des herkömmlichen Mehrkanalempfängers
    • 32 Kanal d, Ausgang des herkömmlichen Mehrkanalempfängers
    • 34 Kanal 1, Eingang des herkömmlichen Mehrkanalsenders
    • 36 Kanal 2, Eingang des herkömmlichen Mehrkanalsenders
    • 38 Kanal d, Eingang des herkömmlichen Mehrkanalsenders
    • 40 Herkömmlicher Mehrkanalsender
    • 42 Herkömmliche Mehrkanalempfänger
    • 44 Ausgänge herkömmlicher Mehrkanalempfänger
    • 46 Räumliche Demultiplexer
    • 48 Raummultiplex-Vielfachzugriff-Signalprozessor (Spatial Division Multiple Access Signal Processor, SDMAP)
    • 50 Räumlich demultiplexte Signale
    • 52 Signaldemodulatoren
    • 54 Demodulierte Signale, zum Koppelnetz
    • 56 Weitverkehrsnetz
    • 58 Koppelnetz
    • 60 Signale vom Koppelnetz
    • 62 Signalmodulatoren
    • 64 Zu übertragende modulierte Signale
    • 66 Räumliche Multiplexer
    • 68 Räumlich gemultiplexte Signale, zu den Sendern
    • 70 Herkömmliche Mehrkanalsender
    • 72 Zentraler Controller (Zentrale Steuereinheit)
    • 74 Steuersignale des räumlichen Multiplexers
    • 76 Steuersignale des räumlichen Demultiplexers
    • 78 Kommunikationsverbindung Zentraler Controller-SDMAP
    • 100 Räumlich kombinierte Signale, die an der Basisstation empfangen werden
    • 102 Mehrkanalempfänger für Antenne 1
    • 104 Mehrkanalempfänger für Antenne 2
    • 106 Mehrkanalempfänger für Antenne mr
    • 112 Kanal 1, Ausgang von Empfänger 1
    • 114 Kanal 1, Ausgang von Empfänger 2
    • 116 Kanal 1, Ausgang von Empfänger mr
    • 120 SDMAP und räumlicher Demultiplexer
    • 122 Ausgang 1 des räumlichen Demultiplexers
    • 124 Ausgang 2 des räumlichen Demultiplexers
    • 126 Ausgang d des räumlichen Demultiplexers
    • 132 Signal 1, Eingang für Kanal 1 des räumlichen Multiplexers
    • 134 Signal 2, Eingang für Kanal 1 des räumlichen Multiplexers
    • 136 Signal d, Eingang für Kanal 1 des räumlichen Multiplexers
    • 138 SDMAP und räumlicher Multiplexer
    • 142 Signal, Eingang für Sender 1, Kanal 1
    • 144 Signal, Eingang für Sender 2, Kanal 1
    • 146 Signal, Eingang für Sender
      Figure 00590001
      Kanal 1
    • 152 Mehrkanalsender für Antenne 1
    • 154 Mehrkanalsender für Antenne 2
    • 156 Mehrkanalsender für Antenne
      Figure 00590002
    • 160 Datenkompressor
    • 162 Signale zum Signaldetektor vom Datenkompressor
    • 164 Signaldetektor
    • 166 Signale zum Quellenverfolger vom Datenkompressor
    • 168 Signale zum Parameterschätzer vom Signaldetektor
    • 170 Parameterschätzer
    • 172 Signale zum Quellenverfolger vom Parameterschätzer
    • 174 Quellenverfolger
    • 176 Ausgänge des Quellenverfolgers
    • 178 Controller des räumlichen Demultiplexers
    • 180 Controller des räumlichen Multiplexers
    • 182 Ausgänge des Verfolgers zum zentralen Controller
    • 184 Signale des zentralen Controllers zum SDMAP
    • 190 Basisstation 1
    • 192 Verbindung Basisstation 1 – Basisstations-Überwachungseinheit
    • 194 Basisstation 2
    • 196 Verbindung Basisstation 2 – Basisstations-Überwachungseinheit
    • 198 Verbindung Basisstation nb – Basisstations-Überwachungseinheit
    • 200 Basisstation nb
    • 202 SDMA-Prozessor für Kanal 1
    • 204 SDMA-Prozessor für Kanal 2
    • 206 SDMA-Prozessor für Kanal n
    • 220 Basisstations-Überwachungseinheit
  • Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 5 definiert. Weitere Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.

Claims (12)

  1. Drahtloses Kommunikationssystem zur Übertragung von Signalen an eine Vielzahl von Empfängern (20, 22, 24), die an jeweiligen Standorten angeordnet sind, wobei das Kommunikationssystem mindestens eines von Frequenzkanälen, Codekanälen und Zeitkanälen für Kommunikation mit den Empfängern (20, 22, 24) verwendet, das System umfasst: Kombinationsmittel (66, 138, 180) zum Kombinieren von Signalen, die an einen Satz von Empfängern (20, 22, 24) zu übertragen sind, in einem einzelnen Kommunikationskanal, der einen Frequenzkanal umfasst, wenn Frequenzkanäle in dem Kommunikationssystem verwendet werden, in Kombination mit einem Codekanal, wenn Codekanäle in dem Kommunikationssystem verwendet werden, in Kombination mit einem Zeitkanal, wenn Zeitkanäle in dem Kommunikationssystem verwendet werden, um eine Vielzahl von verschiedenen Signalkombinationen zu bilden; und Übertragungsmittel (70, 152, 154, 156) einschließlich von mehreren Übertragungsantennen und jeweiligen mehreren Sendern zum Übertragen der kombinierten Signale an jeden Satz von Empfängern (20, 22, 24) in dem Kommunikationskanal; wobei die Kombinationsmittel (66, 138, 180) angeordnet sind, um jeder der Übertragungsantennen eine jeweilige Differenzsignalkombination derart zuzuführen, dass die Übertragungsantennen in Kombination die Signale an jeden Satz von Empfängern (20, 22, 24) in dem Kommunikationskanal in einer räumlich gerichteten Weise übertragen, so dass jeder Satz der Empfänger (20, 22, 24) Signale empfängt, die dahin gerichtet sind; und die Kombinationsmittel (66, 138, 180) weiterhin angeordnet sind, um die Vielzahl von verschiedenen Signalkombinationen unter Verwendung von Informationen, die das Übertragungsmittel (70, 152, 154, 156) kennzeichnen, und mindestens eines vorbestimmten Parameters, der zu dem Standort von jedem Satz von Empfängern (20, 22, 24) in Beziehung steht, zu bilden.
  2. Drahtloses System nach Anspruch 1, wobei das Übertragungsmittel (70, 152, 154, 156) einen Mehrkanalsender (70, 152, 154, 156) für jede der Übertragungsantennen zur Übertragung der kombinierten Signale in mehreren Kanälen umfasst.
  3. Drahtloses Kommunikationssystem nach Anspruch 2, wobei das System eine Vielzahl der Kombinationsmittel (66, 138, 180) und der Übertragungsmittel (70, 152, 154, 156) an einer korrespondierenden Vielzahl von Standorten umfasst und Folgendes enthält: Mittel (220) zum Auswählen eines bestimmten der Übertragungsmittel (70, 152, 154, 156), von dem die Signale an jeden Satz der Empfänger (20, 22, 24) zu übertragen sind, in Bezug auf jedes der Signale, die an jeden Satz der Empfänger (20, 22, 24) zu übertragen sind; und an jedem Standort Mittel (72), um Bestandteilsignale für jeden der mehreren Kanäle zu erhalten, wobei die Bestandteilssignale in dem Kombinationsmittel (66, 138, 180) unter Verwendung der Informationen, die das Übertragungsmittel (70, 152, 154, 156) kennzeichnen, und des mindestens einen vorbestimmten Parameters, der zu dem Standort von jedem Satz der Empfänger (20, 22, 24) in Beziehung steht, kombiniert werden.
  4. Drahtloses Kommunikationssystem nach Anspruch 3, weiterhin umfassend ein Mittel (72) zum Zuweisen von jedem Satz der Empfänger (20, 22, 24) zu einem der Kanäle.
  5. Drahtloses Kommunikationssystem zum Übertragen von Signalen an eine und Empfangen von Signalen einer Vielzahl von Sende-/Empfangsmitteln (20, 22, 24), die an jeweiligen Standorten angeordnet sind, wobei das Kommunikationssystem mindestens eines von Frequenzkanälen, Codekanälen und Zeitkanälen für Kommunikation mit den Sende-/Empfangsmitteln (20, 22, 24) verwendet, das System umfasst: Empfangsmittel (42, 102, 104, 106) einschließlich von mehreren räumlich verteilten Empfangsantennen zum Vornehmen von Messungen von empfangenen Signalen in einem oder mehr Empfangskanälen, wobei die empfangenen Signale aus Signalen resultieren, die von jedem Satz der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) übertragen wurden, wobei die von den Empfangsantennen vorgenommen Messungen verschiedene Kombinationen der übertragenen Signale in dem oder jedem Empfangskanal umfassen; Verarbeitungsmittel (48, 120, 72) einschließlich von Mitteln (144) zum Schätzen der Zahl der empfangenen Signale durch statistische Analyse und/oder durch Nutzung von Kenntnissen der Eigenschaften der Signale, die von jedem Satz der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) übertragen werden, und Parameter-Schätzungsmittel (170) zum Schätzen von Parametern der empfangenen Signale, wobei mindestens einer der Parameter zu dem Standort von jedem Satz der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) in Beziehung steht; Trennungsmittel (46, 178) zum gleichzeitigen Schätzen der übertragenen Signale in dem oder jedem Empfangskanal aus den Messungen durch Trennen der empfangenen Signale unter Verwendung der geschätzten Zahl der empfangenen Kanäle und durch Assoziieren jeweiliger der empfangenen Signale mit jedem Satz der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24); Kombinationsmittel (66, 138, 180) zum Kombinieren von Signalen, die an jeden Satz der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) zu übertragen sind, in einem Signalüber tragungskanal, der einen Frequenzkanal umfasst, wenn Frequenzkanäle in dem Kommunikationsmittel verwendet werden, in Kombination mit einem Codekanal, wenn Codekanäle in dem Kommunikationssystem verwendet werden, in Kombination mit einem Zeitkanal, wenn Zeitkanäle in dem Kommunikationssystem verwendet werden, unter Verwendung der Parameter, um eine Differenzsignalkombination für jeden Satz der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) zu bilden; und Übertragungsmittel (70, 152, 154, 156) einschließlich von mehreren Übertragungsantennen und jeweiligen mehreren Mehrkanalsendern zum Übertragen der kombinierten Signale an jeden Satz von Sende-/Empfangsmitteln (20, 22, 24) in dem Übertragungskanal; wobei die Kombinationsmittel (66, 138, 180) angeordnet sind, um jedem der Übertragungsmittel (70, 152, 154, 156) ein jeweiliges der verschiedenen Signalkombinationen derart zuzuführen, dass die Übertragungsantennen in Kombination die Signale an jeden Satz der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) in dem Übertragungskanal in einer räumlich gerichteten Weise übertragen, so dass jeder Satz von Sende-/Empfangsmitteln (20, 22, 24) Signale empfängt, die dahin gerichtet sind; die Kombinationsmittel (66, 138, 180) weiterhin angeordnet sind, um die Vielzahl von verschiedenen Signalkombinationen unter Verwendung von Informationen, die das Übertragungsmittel (70, 152, 154, 156) kennzeichnen, und mindestens eines vorbestimmten Parameters, der zu dem Standort von jedem Satz von Sende-/Empfangsmitteln (20, 22, 24) in Beziehung steht, zu bilden; und das System derart angeordnet ist, dass Empfang von Signalen in dem oder jedem Empfangskanal von jedem Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) und Übertragung von Signalen in dem Übertragungskanal zu jedem Satz der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) simultan stattfin den kann, wodurch Vollduplex-Kommunikationsverbindungen in dem oder jedem Kanal hergestellt werden.
  6. Drahtloses Kommunikationssystem nach Anspruch 5, wobei: das Mittel (164) zum Schätzen der Zahl von empfangenen Signalen Mittel zur statistischen Analyse zur Bestimmung der scheinbaren Zahl von empfangenen Signalen durch Anwendung statistischer Verfahren unter Verwendung von Eigenwerten einer Kovarianzmatrix, die unter Verwendung der Messungen berechnet wurde, umfasst; und das Parameter-Schätzungsmittel (170) Mittel zum Bestimmen der tatsächlichen Zahl der empfangenen Signale aus den Messungen unter Verwendung von Optimierungsmitteln zum Ermitteln der Parameter aus einem geeigneten Kriterium, das auf den Messungen beruht, und ein Modell der Messungen in Form der Parameter umfasst.
  7. Drahtloses Kommunikationssystem nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei das Verarbeitungsmittel (48, 120, 72) Verfolgungsmittel (174) für nichtlineares Filtrieren des mindestens einen der geschätzten Parameter, die zu dem Standort von jedem Satz der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) in Beziehung stehen, enthält, um verfolgte Parameter zu bestimmen; und das Trennungsmittel (46, 178) angepasst ist, um die verfolgten Parameter und die geschätzte Zahl von empfangenen Signalen zu verwenden, um die empfangenen Signale zu trennen.
  8. Drahtloses Kommunikationssystem nach Anspruch 7, wobei das Verfolgungsmittel (174) wirksam ist, um die Standorte und den kinematischen Zustand der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) zu verfolgen.
  9. Drahtloses Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Trennungsmittel (46, 178) Mittel zum weiteren Kombinieren einer Vielzahl der empfangene Signale, die mit jedem der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) assoziiert sind, enthält.
  10. Drahtloses Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei das System eine Vielzahl der Kombinationsmittel (66, 138, 180) und der Übertragungsmittel (70, 152, 154, 156) an einer korrespondierenden Vielzahl von Standorten umfasst und Folgendes enthält: Mittel zum Auswählen eines bestimmten der Übertragungsmittel (70, 152, 154, 156), von dem die Signale an jeden Satz der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) zu übertragen sind, in Bezug auf jedes der Signale, die an jeden Satz der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) zu übertragen sind; und an jedem Standort Mittel (72), um Bestandteilssignale für den Übertragungskanal zu erhalten, wobei das Kombinationsmittel (66, 138) angeordnet ist, um die Bestandteilssignale unter Verwendung der Informationen, die das Übertragungsmittel (70, 152, 154, 156) kennzeichnen, und des mindestens einen vorbestimmten Parameters, der zu dem Standort von jedem Satz der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) in Beziehung steht, zu kombinieren.
  11. Drahtloses Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei das System eine verteilte Vielzahl der Empfangsmittel (42, 102, 104, 106), der Verarbeitungsmittel (48, 120, 72) und der Trennungsmittel (46, 178) umfasst; und Mittel (220) zum Zuweisen jedes Satzes der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) zu einem der Empfangskanäle und zum Auswählen von mindestens einem der Tren nungsmittel (48, 120, 72) zum Trennen der Messungen enthält, um die übertragenen Signale in jeweiligen der Empfangskanäle zu erhalten.
  12. Drahtloses Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei das System eine Vielzahl der Kombinationsmittel (66, 138, 180) an einer korrespondierenden Vielzahl von Standorten umfasst; und Mittel (72) an jedem Standort zum Zuweisen von jedem der Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) zu einem der Übertragungskanäle und zum Auswählen von mindestens einem der Kombinationsmittel (66, 138, 180) zum Kombinieren der Signale, die an jedes Sende-/Empfangsmittel (20, 22, 24) in jeweiligen der Übertragungskanäle zu übertragen sind, enthält.
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