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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der Richtfunkkommunikation
und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein Verfahren der
Signalverarbeitung zur Verwendung in zellularen Kommunikationsnetzwerken,
die Raumteilungsmehrfachzugriff verwenden.
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Auf
Raumteilungsmehrfachzugriff basierende zellulare Kommunikationsnetzwerke
und die damit verbundenen Vorteile sind wohlbekannt. Der durch ein
zellulares Netzwerk abgedeckte Bereich ist in eine Vielzahl von
Zellen oder Zellsektoren unterteilt. Jede Zelle wird durch eine
Basisstation bedient, die Signale zu und Signale von Mobilstationen
sendet und empfängt,
die in der Zelle oder dem Zellsektor lokalisiert sind, die oder
der mit der jeweiligen Basisstation assoziiert ist. In einem Raumteilungsmehrfachzugriffssystem
sendet die Basissendeempfängerstation
für eine
gegebene Mobilstation vorgesehene Signale über die Zelle oder den Zellsektor
hinweg, sondern sendet das Signal lediglich in eine Strahlrichtung,
aus der ein Signal von der Mobilstation empfangen ist.
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Da
der Strahl, der durch die Basissendeempfängerstation gesendet ist, womöglich lediglich
in eine bestimmte Richtung gesendet wird und dementsprechend vergleichsweise
schmal sein kann, wird die Sendeenergie in jenen schmalen Strahl
konzentriert. Dies führt
sowohl bei den von der Basissendeempfängerstation gesendeten Signalen
als auch den durch die Basissendeempfängerstation empfangenen Signalen
zu einem besseren Signal-zu-Rauschverhältnis. Außerdem kann als Ergebnis der
Richtungsabhängigkeit
der Basissendeempfänger station eine
Verbesserung bei dem Signal-zu-Interferenzverhältnis des durch die Basissendeempfängerstation empfangenen
Signals erreicht werden. Es wird ebenso die Interferenz verringert,
die durch das durch die Basisstation zu der Mobilstation gesendete
Signal bei anderen Mobilstationen in derselben Zelle oder benachbarten
Zellen verursacht wird. Dies erhöht
die Kapazität
des Systems und/oder erhöht
die Qualität der
Kommunikation.
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SDMA-(Raumteilungsmehrfachzugriff, „Space
Division Multiple Access")-Systeme
können in
analogen und digitalen zellularen Netzwerken implementiert werden
und können
in den unterschiedlichen existierenden Standards wie GSM, DCS 1800, TACS,
AMPS und NMT umfasst sein. SDMR-Systeme können ebenso in Verbindung mit
anderen existierenden Mehrfachzugriffstechniken verwendet werden,
die beispielsweise auf Zeitteilungsmehrfachzugriffs-(TDMA, „Time Division
Multiple Access"),
Codeteilungsmehrfachzugriffs-(CDMA, „Code Division Multiple Access"), wie jene durch
den US IS-95-CDMA-Standard
und den vorgeschlagenen Standard dritter Generation beschriebenen,
und Frequenzteilungsmehrfachzugriffs-(FDMA, „Frequency Division Multiple
Access") -Techniken
basieren.
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Ein
Signal von einer Mobilstation folgt bekanntermaßen im Allgemeinen mehreren
Wegen zu der BTS (Basissendeempfängerstation, „Base Transceiver
Station"). Diese
Vielzahl von Wegen wird im Allgemeinen Mehrfachwege genannt. Ein
gegebenes Signal, das durch die Mobilstation gesendet ist, kann dann
aufgrund dieser Mehrfachwegewirkungen durch die Basissendeempfängerstation
aus mehr als einer Richtung empfangen werden.
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Von
einer Mobilstation zu einer Basissendeempfängerstation gesendete Signale
sind als „Uplink"-Signale, und von
einer Basissendeempfängerstation
zu einer Mobilstation gesendete Signale sind als „Downlink"-Signale bekannt.
Der durch die Basissendeempfängerstation
von der Mobilstation empfangene Uplink-Kommunikationsstrom umfasst eine
Reihe von in aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen empfangenen Kommunikationsbursts.
Jeder empfangene Burst des Uplink-Kommunikationsstroms enthält ein Referenzsignal
und ein Datensignal, und diese Abschnitte umfassen wiederum je eine
Folge von Signalkomponenten, die nachstehend Bits genannt sind.
In gleicher Weise umfasst der von der Sendeempfängerstation zu der Mobilstation
gesendete Downlink-Kommunikationsstrom eine Reihe von in aufeinanderfolgenden
Zeitschlitzen gesendeten Kommunikationsbursts. Jeder jeweilige Burst
des Downlink-Kommunikationsstroms
enthält
ein Referenzsignal und ein Datensignal, von denen jedes wiederum
eine Folge von Signalkomponenten umfasst, die nachstehend Bits genannt
sind. Die Referenzsignale des Uplink- und des Downlink-Kommunikationsstroms
sind in diesem Beispiel Pilotsignale genannt, um Konsistenz mit
der CDMA-Terminologie herzustellen.
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Es
wurde vorgeschlagen, dass von der Mobilstation MS gesendete Pilotsignale
durch die empfangende Basisstation zum Überwachen der Raumeigenschaften
des Empfangskommunikationsstroms verwendet werden, um optimale Sendeparameter
zu bestimmen. Konventionelle adaptive Basissendeempfängerstationen
verarbeiten jeden in der Uplink-Richtung empfangenen Kommunikationsburst,
um Parameter für
den entsprechenden Burst in der Downlink-Richtung zu bestimmen.
Die Senderichtung, die bei der Downlink-Kommunikation für einen
gegebenen Zeitschlitz zu verwenden ist, wird auf der Grundlage von
Ankunftsrichtungsinformationen bestimmt, die aus der Uplink-Kommunikation
des entsprechenden Zeitschlitzes geschätzt sind, wobei sich die Uplink-
und Downlink-Signale auf unterschiedlichen Frequenzen befinden.
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Eine
Schaltung innerhalb der Basissendeempfängerstation bestimmt für jeden
Empfangszeitschlitz ein Winkelenergieprofil des Uplink-Signals, das
auf dem Basisstationsantennenarray von der Mobilstation auftrifft,
und zeigt Sendeparameter an, die in jedem Sendezeitschlitz zu verwenden
sind. In der Praxis wird das bestimmte Winkelenergieprofil einer
Signalverarbeitungs- und Entscheidungsschaltung zugeführt, die
einen Strahlauswahlalgorithmus ausführt, um die Downlink-Sendeparameter
zu bestimmen. Somit wird die Senderichtung für einen gegebenen Kommunikationsburst,
der das Pilot- und das Datensignal innerhalb jenes Bursts enthält, aus Schätzungen
von Parametern von Pilotsymbolen bestimmt, die von der Mobilstation
während
des entsprechenden Uplink-Kommunikationsbursts
empfangen sind, und werden zumindest für die Dauer jenes Bursts auf
festem Niveau gehalten, d.h. für
den gesamten Sendezeitschlitz.
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Da
jedoch die Einhüllende
des bei der Basissendeempfängerstation
empfangenen Signals von der Kombinationssumme einer großen Anzahl
von Signalen abhängt,
die auf deren jeweilige Trägerfrequenzen
bezogene Phasen aufweisen, lässt
sich sagen, dass die Kurzzeitantworten (z.B. unmittelbares Verhalten)
der Uplink- und Downlink-Kanäle
unkorreliert sind. Das heißt,
dass die Uplink- und Downlink-Kanäle lediglich auf lange Sicht
wechselseitig sind. Ein Ergebnis besteht darin, dass der Kanal und die
Signalankunftsrichtungen (DoA, „Direction of Arrival"), die aus dem Uplink
geschätzt
sind, nicht jenen entsprechen, die zum geeigneten Kommunizieren mit
der Mobilstation in der Downlink-Richtung erforderlich sind. Dieses
Problem tritt noch stärker
in Umgebungen auf, die durch größere Winkelstreuausmaße (z.B.
Mikro- und Pikozellen) gekennzeichnet sind, und ebenso, wenn die
Winkelauflösung
einer Basisstation erhöht
wird (wenn z.B. die Anzahl von Antennenelementen groß ist).
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Die
Leistungsfähigkeit
des Downlinks wird nicht lediglich hinsichtlich der bei der empfangenden Mobilstation
registrierten Signalqualität
gemessen, sondern ebenso unter Berücksichtigung der zum Erreichen
jenes Qualitätsniveaus
erforderlichen Betriebskosten. Die Basisstation strebt danach, bei
der Mobilstation mit einem minimalen Einsatz von Ressourcen eine
Signalqualität
zu erreichen, die zum Erzeugen einer akzeptablen und/oder vorbestimmten Dienstgüte hinreichend
ist. Die Spektraleffizienz weist eine direkte Wirkung auf die Systemkapazität und Anbindungsleistungsfähigkeit
auf. Ein Verbessern der Anbindungsleistungsfähigkeit erfordert im Allgemeinen
ein Erhöhen
bei der Sendeleistung oder eine erhöhte Verwendung von Diversität, die zum
Erhöhen
des Pegels von erzeugter Interferenz tendieren. Die Natur der Interferenz
reicht von breitwinkelig (z.B. omnidirektionale/Sektorantennen)
bis hin zu schmalwinkelig (z.B. adaptive Antennen). In dem Fall von
breitwinkeligen Antennen ist die Interferenz durch eine geringe
Winkeldichte charakteristisiert, da die Energie gleichmäßig über die/den
gesamte/n Zelle/Sektor verteilt wird. Im Gegensatz dazu wird in dem
Fall von schmalwinkeligen Antennen die interferierende Energie in
den verwendeten schmalen Strahlen konzentriert. In Mehrfachratensystemen,
die in Breitband-CDMA-Standards vorgeschlagen sind, in denen Hoch-Bitratenbenutzer
mit entsprechend hohen Energiepegeln senden, erzeugt die vorstehend
beschriebene konventionelle Verwendung von adaptiven Antennen eine
räumliche
Interferenz mit hohem Farbausmaß.
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Die
Druckschrift WO-A-96/37969 beschreibt ein Verfahren zum Senden eines
Pilotsignals in einem zellularen Funksystem, das in jeder Zelle
zumindest eine Basisstation umfasst, die mit innerhalb ihres Bereichs
befindlichen Mobilstationen kommuniziert, und wobei die Basisstationen
ein Pilotsignal zu der Mobilstation senden. Das System umfasst zumindest
eine Basisstation, die zu der Mobilstation unter Verwendung von
Abstrahlmustern sendet, die sich über die Zeit ändern.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung streben nach einem Bereitstellen eines verbesserten
Verfahrens zur Richtfunkkommunikation.
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Es
ist ein Verfahren zur Richtfunkkommunikation in einem drahtlosen
Kommunikationsnetzwerk zwischen einer ersten Station und einer zweiten
Station bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte Senden
einer Vielzahl von Kommunikationsbursts von der ersten Station zu
der zweiten Station umfasst, wobei jeder der Bursts im Wesentlichen
kontinuierlich ist und ein Referenzsignal, das eine Vielzahl von
Referenzsignalkomponenten aufweist, und ein Datensignal, das eine
Vielzahl von Datensignalkomponenten aufweist, umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb desselben Bursts jeweilige Signalkomponenten des
Referenzsignals in im Wesentlichen unterschiedlichen Richtungen
gesendet werden, wobei die Datensignalkomponenten in den im Wesentlichen
unterschiedlichen Richtungen gesendet werden.
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Bevorzugte
Verfahren verbessern die Anbindungsqualität, da sie zu Verbesserungen
bei räumlichen
Korrelationen zwischen den Uplink- und Downlink-Kanälen führen. Bevorzugte
Verfahren stellen ebenso eine schnelle Winkeldiversität und die
effiziente Weiß-Verarbeitung
der erzeugten Mitkanalinterferenz bereit. Verfahren, die Ausführungsbeispiele der
Erfindung bilden, weisen besondere Vorteile bei Funkumgebungen auf,
die durch große
Winkelstreuausmaße
gekennzeichnet sind, und/oder in denen Basissendeempfängerstationen
vergleichsweise hohe Winkelauflösungen
aufweisen.
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Es
kann eine Anzahl von Pilot- und/oder Datensignalsendemodellen in
unterschiedlichen Umgebungen verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel
wird eine Anzahl von Pilotreferenzsignalkomponenten in unterschiedliche
Richtungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten gesendet, wobei fortlaufende
Referenzsignalkomponenten in unterschiedliche Richtungen gesendet
werden und eine Anzahl der Datensignalkomponenten in unterschiedliche Richtungen
zu unterschiedlichen Zeitpunkten gesendet wird, wobei die Reihenfolge
der verwendeten Richtsendung jener entspricht, die während einer Sendung
der Referenzsignalkomponenten verwendet wurde.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird eine Anzahl von Pilotsignalkomponenten in unterschiedliche
Richtungen zu im Wesentlichen demselben Zeitpunkt gesendet und wird
eine Anzahl der Datensignalkomponenten in unterschiedliche Richtungen
zu unterschiedlichen Zeitpunkten gesendet. Dies ermöglicht den
Datensignalkomponenten, ohne Rücksichtnahme
auf die Reihenfolge der verwendeten Richtsendung gesendet zu werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird ein unterschiedlicher Spreizcode zur Sendung in jede Richtung
verwendet.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird die Sendung von Pilotsignalen über den Kommunikationsburst
hinweg verteilt, wobei Sätze
von Datensignalkomponenten dazwischen angeordnet sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Sendeempfängerstation
zur Richtfunkkommunikation in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk
zwischen einer ersten Station und einer zweiten Station bereitgestellt,
wobei die Sendeempfängerstation
eine Einrichtung zum Senden einer Vielzahl von Kommunikationsbursts
von der ersten Station zu der zweiten Station umfasst, wobei jeder der
Bursts im Wesentlichen kontinuierlich ist und ein Referenzsignal,
das eine Vielzahl von Referenzsignalkomponenten aufweist, und ein
Datensignal, das eine Vielzahl von Datensignalkomponenten aufweist, umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Senden innerhalb
desselben Bursts von jeweiligen Signalkomponenten des Referenzsignals
in im Wesentlichen unterschiedlichen Richtungen betreibbar ist,
und die Datensignalkomponenten in den im Wesentlichen unterschiedlichen
Richtungen gesendet werden.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung und dafür,
wie selbige ausgeführt
werden kann, ist nachstehend lediglich beispielbezogen auf die beiliegenden
Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Basissendeempfängerstation und ihrer zugehörigen Zellsektoren,
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2 eine
schematische Ansicht der Basissendeempfängerstation gemäß 1,
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3 eine
schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens
der Richtfunkkommunikation,
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4 ein
Beispiel von Ankunftsrichtungsdaten,
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5 eine
ausführlichere
Darstellung eines in einem zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten Downlink-Kommunikationsbursts,
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6 eine
Darstellung eines in einem dritten Ausführungsbeispiel verwendeten
Downlink-Kommunikationsbursts des Verfahrens der Richtfunkkommunikation,
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7 eine
Darstellung eines in einem vierten Ausführungsbeispiel verwendeten
Downlink-Kommunikationsbursts des Verfahrens der Richtfunkkommunikation,
und
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8 eine
Darstellung eines in einem fünften
Ausführungsbeispiel
verwendeten Downlink-Kommunikationsbursts des Richtfunkkommunikationsverfahrens.
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Zunächst ist
Bezug auf 1 genommen, die drei Zellsektoren 2 eines
zellularen Mobiltelefonnetzwerks zeigt. Die drei Zellsektoren 2 werden durch
jeweilige Basissendeempfängerstationen (BTS) 4 bedient.
Es sind drei separate Basissendeempfängerstationen 4 am
selben Ort bereitgestellt. Jede BTS 4 weist einen Sendeempfänger auf,
der Signale zu und von einem jeweiligen der drei Zellsektoren 2 sendet
und empfängt.
Somit ist eine gewidmete Basissendeempfängerstation für jeden
Zellsektor 2 bereitgestellt. Jede BTS 4 ist somit
in der Lage, mit Mobilstationen (MS, „Mobile Station") zu kommunizieren,
wie Mobiltelefonen, die sich in jeweiligen Zellsektoren 2 befinden.
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Es
werden Daten zwischen der BTS 4 und der MS in Kommunikationsbursts
gesendet. Die Kommunikationsbursts enthalten ein Referenzsignal, das
eine bekannte Sequenz von Daten ist. Der Zweck des Referenzsignals
besteht im Allgemeinen darin, dass Daten erhalten werden können, die
den Betrieb des Systems unterstützen.
Diese Art von Informationen enthält
beispielsweise Ankunftsrichtungsinformationen, Signalstärkeninformationen
und Verzögerungsinformationen.
In gegenwärtigen GSM-Systemen
wird das Referenzsignal Trainingssequenz genannt, wohingegen in
CDMA-Systemen das Referenzsignal dem Pilotsignal entspricht.
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Nachstehend
sind bevorzugte Ausführungsbeispiele
in Zusammenhang mit einem Codeteilungsmehrfachzugriffssystem be schrieben,
das ein Antennenarray bei der Basisstation verwendet. Jeder Kommunikationsburst
wird in einem gegebenen Kommunikationskanal gesendet, der durch
die ausgewählte Richtung
und den angewendeten Spreizcode definiert ist.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht einer Basissendeempfängerstation 4, die
für Code-/Raumteilungsmehrfachzugriffssysteme
geeignet ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 2 gezeigten
unterschiedlichen Blöcke
nicht notwendigerweise getrennten Elementen einer tatsächlichen
Basissendeempfängerstation
zum Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
entsprechen. Die in 2 gezeigten unterschiedlichen
Blöcke
entsprechen durch die Basissendeempfängerstation ausgeführten unterschiedlichen
Funktionen. Die Basissendeempfängerstation 4 weist
ein Antennenarray 6 auf. Die Basisstation 4 bedient
lediglich einen der in 1 gezeigten drei Zellsektoren 2.
Weitere zwei Basisstationen 4 sind zum Bedienen der weiteren
zwei Zellsektoren 2 bereitgestellt. In diesem Beispiel
weist das Antennenarray 6 acht Antennenelemente auf. Die Elemente
sind angeordnet, um eine Beabstandung von etwa einer halben Wellenlänge zwischen
jedem Antennenelement aufzuweisen und sind in einer horizontalen
Reihe in einer geraden Linie angeordnet. Jedes Antennenelement ist
zum Senden und Empfangen von Signalen eingerichtet und kann jedweden geeigneten
Aufbau aufweisen. Jedes Antennenelement kann eine Dipolantenne,
eine Patch-Antenne oder
jedwede andere geeignete Antenne sein. Die acht Antennenelemente
definieren zusammen ein Phasenantennenarray 6.
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Jedes
Antennenelement der Phasenarrayantenne 6 wird bekanntermaßen mit
demselben zu einer Mobilstation MS zu sendenden Signal versorgt. Es
sind jedoch die Phasen der den jeweiligen Antennenelementen zugeführten Signalen
hinsichtlich einander verschoben. Die Differenzen in der Phasenbe ziehung
zwischen den jeweiligen Antennenelementen zugeführten Signalen lässt ein
Richtabstrahlmuster entstehen. Das Antennenarray 6 kann
gesteuert werden, um einen Strahl b1 bis
b8 in einer oder mehreren der gezeigten
acht Richtungen bereitzustellen. Das Antennenarray 6 kann
beispielsweise gesteuert werden, um ein Signal zu einer MS lediglich
in der Richtung von Strahl b5 oder lediglich
in der Richtung von Strahl b6 oder in mehr
als eine Strahlrichtung zum selben Zeitpunkt zu senden. Ein Signal
kann beispielsweise in zwei Richtungen gesendet werden, die durch
Strahl b5 und Strahl b6 definiert
sind.
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2 zeigt
lediglich eine schematische Ansicht der acht möglichen Strahlrichtungen, die
mit dem Antennenarray 6 erreicht werden können. In
der Praxis existiert jedoch tatsächlich
eine Überlappung zwischen
benachbarten Strahlen. In einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung
kann die Breite der Strahlen sowie die Anzahl von Strahlen variiert
werden, die zum Abdecken eines gegebenen Bereichs bereitgestellt
sind.
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Die
Steuer- und Demodulationsschaltung 8 enthält eine
Strahlbildungsschaltung, wie eine Butler-Matrixschaltung, Verstärkerstufen,
Analog-zu-Digitalumwandlerarrays und Digital-zu-Analogumwandlerarrays.
In der Empfangsrichtung erfasst die Strahlbildungsschaltung die
Phasendifferenz zwischen jedem der durch die jeweiligen Antennenelemente
empfangenen Signale und verwendet diese Informationen, um die oder
jede Strahlrichtung zu bestimmen, aus der das Signal empfangen wurde. Empfangene
Signale werden dann typischerweise durch die Verstärkerstufen
zu der Demodulationsschaltung hindurchgereicht, in der die Trägerfrequenzkomponente
entfernt wird. Das empfangene analoge Signal wird in ein digitales
Signal umgewandelt und wird zu der Signalverarbeitungs- und Entscheidungsschaltung 10 ausgege ben.
In der Senderichtung wird die relative Phase des einem jeden Antennenelement
zugeführten
Signals und somit ebenso die gewünschte
Strahlrichtung durch die Strahlbildungsschaltung gesteuert. Bevor
sie den Antennenelementen zugeführt
werden, werden digitale Daten aus der Signalverarbeitungsschaltung
in analoge Signale umgewandelt und auf die Trägerfrequenz moduliert.
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Die
Signalverarbeitungs- und Entscheidungsschaltung 10 entfernt
die Spreizcodes aus dem empfangenen Signal. Die Signalverarbeitungs-
und Entscheidungsschaltung bestimmt die Kanalimpulsantwort für die empfangenen
Signale, aus der Parameter bestimmt werden können, die zum Definieren eines
Kanals zur Sendung von nachfolgenden Signalen verwendet werden.
Sie Signalverarbeitungs- und Entscheidungsschaltung 10 führt ebenso eine
Kreuzkorrelation und Analyse aus. Die Kreuzkorrelation wird zum
Erzeugen von Abgriffen verwendet, die die Kanalimpulsantwort für jene Korrelation darstellen,
und vergleicht empfangene Signale und gespeicherte Informationen.
Eine Kanalimpulsantwort wird für
jeden Kanal entsprechend einem gegebenen Kommunikationsburst erzeugt,
der in jeder der acht Antennenrichtungen b1 bis
b8 empfangen ist. Ein gegebener Kommunikationsburst
kann in einer oder mehreren Strahlrichtungen empfangen werden.
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Die
innerhalb der Signalverarbeitungs- und Entscheidungsschaltung 10 ausgeführte Analyse dient
zum Bestimmen und Speichern der aus der Kanalimpulsantwort berechneten
Maximalenergie. Die Signalverarbeitungs- und Entscheidungsschaltung 10 analysiert
ebenso die Kanalimpulsantworten, um die minimale Verzögerung sicherzustellen,
mit der ein gegebenes Signal empfangen wird. Der Kanal mit der minimalen
Verzögerung
kann den Sichtverbindungsweg zwischen einer Mobilstation und deren Basissendeempfängerstation
darstellen.
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Eine
Entscheidungsschaltung der Signalverarbeitungs- und Entscheidungsschaltung 10 vergleicht
die bestimmten Parameter für
jeden Kanal, um Sendeparameter für
nachfolgend zu sendende Signale auszuwählen. Die Entscheidungsschaltung wählt Sendeparameter
auf der Grundlage von Informationen aus den empfangenen Signalen
aus, wie Strahlrichtung und Energiepegel. Diese Auswahl kann einfache
Verfahren zur Auswahl verwenden, wie ein Auswählen der Strahlrichtung(en),
die die Maximalenergie und minimale Verzögerung aufweist (aufweisen),
in den empfangenen Signalen. Alternativ können kompliziertere Verfahren
des Auswählens verwendet
werden.
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3 zeigt
schematisch ein Verarbeitungsverfahren auf Bitebene zur Verwendung
in Richtfunkkommunikationsnetzwerken. Wie in 3 gezeigt, empfängt die
Basissendeempfängerstation
einen Uplink-Kommunikationsstrom 30 von einer Mobilstation
MS. Der Uplink-Kommunikationsstrom 30 umfasst eine Reihe
von Kommunikationsbursts in einem (i-1)-ten, einem i-ten bzw. einem
(i+1)-ten Empfangszeitschlitz. Jeder Kommunikationsburst enthält ein Pilotsignal
P und ein Datensignal D, von denen jedes wiederum eine Vielzahl
von Signalbits umfasst. Die Signalverarbeitungs- und Entscheidungsschaltung 10 der
Basissendeempfängerstation 4 verwendet
einen Strahlauswahlalgorithmus 34, um Senderichtungen für einen
gegebenen Downlink-Kommunikationszeitschlitz auf der Grundlage des
in dem entsprechenden Uplink-Kommunikationsburst empfangenen Pilotsignals
und möglicherweise
ebenso unter Berücksichtigung
von Informationen aus vorigen Zeitschlitzen 36 zu bestimmen.
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Zur
Kommunikation in der Downlink-Richtung wird die zur Sendung ausgewählte Richtung
innerhalb des Kommunikationsbursts (d.h. innerhalb eines gegebenen
Zeitschlitzes) variiert. Es werden beispielsweise jeweilige Bits
des Pilotsig nals P und/oder Datensignals D des Downlink-Kommunikationsbursts
in unterschiedlichen Richtungen gesendet. Dies ist schematisch für das Datensignal
durch die Richtantennenkeulen b1, b2 und b3 gemäß 3 gezeigt.
Vorzugsweise wird die Senderichtung von Bit zu Bit derart geändert, dass
die verwendeten Richtungen sich selbst auf eine zyklische Weise
wiederholen. Die Gesamtanzahl von auswählbaren Strahlrichtungen kann
eine vorbestimmte Anzahl sein. In 3 sind drei
Richtungen in einem Teil der Zeitschlitze verwendet. Die Anzahl
verwendeter Richtungen kann von Zeitschlitz zu Zeitschlitz variieren.
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Gemäß dem allgemeinen
Modell von 3 schätzt die Basissendeempfängerstation 4 ein
Winkelenergieprofil bei Empfang eines Uplink-Kommunikationsbursts
und bestimmt unter Verwendung dieser Informationen die in dem entsprechenden
Downlink-Kommunikationsburst zu verwendenden Senderichtungen. Dieses
Winkelenergieprofil basiert auf den Pilotsignalen und enthält Ankunftsrichtungsinformationen,
wobei ein Beispiel derer in 4 bereitgestellt
ist. Das in 4 gezeigte Energieprofil zeigt
die geschätzte
Signalenergie (oberhalb eines gegebenen Schwellenwerts Th) als eine
Funktion der in einem Azimutalankunftswinkel gemessenen Antennenstrahlrichtung.
Gemäß dem Winkelenergieprofil von 4 werden
Signale von merklicher Stärke, d.h.
oberhalb des Schwellenwerts Th, gleichzeitig in Antennenstrahlrichtungen
b1, b2 und b3 empfangen, wobei das Signal mit maximaler
Energie aus Richtung b3 empfangen ist. Der
vorbestimmte Schwellenwert Th wird verwendet, um sicherzustellen,
dass lediglich merkliche Signalstärken aufweisende Ankunftsrichtungen
berücksichtigt
werden.
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Die
Basissendeempfängerstation 4 sendet ein
Pilotsignal, das die in der nachfolgenden Sendung des Datensignals
D jenes Kommunikationsbursts zu verwendenden Senderichtungen angibt. Dies
ermöglicht
der Mobilstation MS, den Kanal zu schätzen, der jeder der zu verwendenden
Senderichtungen entspricht. In einigen Ausführungsbeispielen wird eine
Vielzahl von Pilotsignalkomponenten gleichzeitig gesendet, und in
anderen wird eine vorbestimmte Pilotsendesequenz verwendet, Die
Pilotsendung kann durch eine Anzahl von unterschiedlichen Modellen
ausgeführt
werden. Eine Datensendung in der Downlink-Richtung umfasst, soweit
möglich,
fortlaufende Bits des Datensignals, die in unterschiedliche Richtungen
gesendet werden. Wird eine vorbestimmte Pilotsendesequenz verwendet,
dann werden Vorteile aus dieser Art des Richtungsspringens maximiert,
falls das bei der Datensendung eingesetzte Richtsendemuster jenem
entspricht, das durch die Pilotsignalkomponenten desselben Bursts definiert
ist, wie nachstehend ausführlicher
beschrieben.
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Die
Mobilstation weist Vorwissen darüber auf,
dass die Basissendeempfängerstation 4 variierende
Senderichtungen im Laufe eines Downlink-Kommunikationsbursts verwendet.
Bei dem ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung bildenden Verfahren findet eine Bitebenen-Downlink-Verarbeitung
des zu sendenden Signals statt. Wird die räumliche und zeitliche Granularität des gesendeten
Signals, wie hier beschrieben, auf die Bitebene zerlegt, dann wird ein
Gewinn nicht lediglich hinsichtlich der Diversität bei den gewünschten
Signalen (Bitebenenstrahlspringen), sondern ebenso von dem Standpunkt
der Interferenz aus erzielt. Die Hauptvorteile dieses Verfahrens
liegen in der Verbesserung der Anbindungsqualität in der Downlink-Richtung
und in dem Zuwachs der Systemkapazität. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
stellen schnelle Winkeldiversität
und eine effiziente Weißverarbeitung
(Zufallsverarbeitung) der erzeugten Mitkanalinterferenz bereit.
Erstere ist in Umgebungen mit niedriger Mobilität vorteilhaft, während Letztere
die Wirkungen von Interferenz auf andere Benutzer durch Weißverarbeitung
der Struktur des gesendeten Signals in dem Raum- sowie dem Zeitbereich
beseitigt.
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Gemäß einem
in 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Winkelstrahlprofil
wie jenes in 4 durch die Verarbeitungs- und
Entscheidungsschaltung 10 der Basissendeempfängerstation 4 eingerichtet,
und die den empfangenen Richtungen b1, b2 und b3 entsprechenden
Strahlrichtungen b1, b2 und
b3 werden als die Downlink-Richtungen zur
Sendung für
den i-ten Zeitschlitz bestimmt. Vorzugsweise ist zumindest eine
Komponente des Pilotsignals P in jede dieser Richtungen zu senden.
In diesem Beispiel werden Pilotsignalkomponenten dreimal in dem
Zeitschlitz gesendet. Die Pilotsignalbits oder -bitsequenz P1, P2 und P3 können die
gleichen sein oder sich unterscheiden. Vorzugsweise unterscheiden
sie sich. Das Pilotsignal des Downlink-Kommunikationsbursts umfasst
ein in die erste Richtung b1 gesendetes
erstes Pilotsignalbit P1, ein in die zweite
Richtung b2 gesendetes zweites Pilotsignalbit
P2 und ein in die dritte Richtung b3 gesendetes drittes Pilotsignalbit P3. Die drei Pilotsignalbits P1,
P2 und P3 werden
somit fortlaufend gesendet. Die empfangende Mobilstation verwendet
die Pilotsignalbits des Kommunikationsbursts zum Schätzen der mit
jeder gesendeten Richtung assoziierten Kanalimpulsantwort. Die Datenbits
d1, d2 und d3 des i-ten Zeitschlitzes werden dann jeweils
in die entsprechenden Richtungen b1, b2 und b3 gesendet.
Die vorbestimmte Sendereihenfolge der Pilotsignalbits P1,
P2 und P3 definiert
ein Richtsprungmuster, das während
der Sendung der Datenbits d1, d2 und
d3 des gleichen Kommunikationsbursts nachgebildet
wird. Nachfolgende Datenbits werden in unterschiedliche Richtungen
gesendet. Dies ermöglicht
der Mobilstation MS, jedes empfangene Datenbit unter Verwendung
von Informationen zu verarbeiten, die aus dem aus derselben jeweiligen
Richtung empfangenen Pilotsignal erhalten sind.
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Zur
Vereinfachung und zur Minimierung der Verwendung von Overhead-Informationen
kann die Anzahl von gesendeten Pilotsignalen Np von einem Kommunikationsburst
zu dem nächsten
auf einem festen Niveau gehalten werden. Np kann beispielsweise
gleich 3 sein. Überschreitet
die Anzahl von zur Verfügung
stehenden Senderichtungen die Anzahl von Pilotsignalbits Np, dann
werden lediglich die besten Np Richtungen zur Downlink-Sendung ausgewählt. Alternativ
können
einige Richtungen bei der Sendung wiederholt werden, falls die Anzahl
von zur Verfügung
stehenden Senderichtungen kleiner als die Anzahl von Pilotsignalbits
Np ist. In diesem Fall wird die Downlink-Senderichtung derart variiert,
dass dieselbe Richtung nicht für
die Sendung von fortlaufenden Datenbits verwendet wird.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
werden die Senderichtungen für
die Downlink-Richtung auf der Grundlage der Energie des entsprechenden
empfangenen Signals in der Uplink-Richtung ausgewählt. Wie
jedoch in Zusammenhang mit der Signalverarbeitungs- und Steuerschaltung 10 erwähnt, kann
jedwedes geeignete Kriterium zum Bestimmen der Strahlrichtungen
zur Sendung verwendet werden. Andere Ausführungsbeispiele berücksichtigen
beispielsweise eine Minimierung der erzeugten Interferenz in bestimmten
Richtungen.
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5 zeigt
somit ein zweites Ausführungsbeispiel,
in dem Pilotsignalbits eines Kommunikationsbursts auf eine serielle
Weise gesendet werden, wobei ein jedes Pilotsignalbit zu einem bestimmten Zeitpunkt
und in eine unterschiedliche Richtung hinsichtlich des vorangegangenen
Pilotsignals gesendet wird. Die Datensignalbits für jenen
Kommunikationsburst werden nachfolgend in entsprechende Richtungen
und in derselben Reihenfolge wie die Pilotsignale gesendet. Dieses
Ausführungsbeispiel
wird hier zeitorthogonales Pi lotsende-(TOPT „Time Orthogonal Pilot Transmission")-Verfahren genannt,
Die Strahlen selbst sind womöglich
nicht orthogonal. Die Breite der Strahlen kann änderbar sein.
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6 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel, das
eine modifizierte Version des zeitorthogonalen Pilotsendeverfahrens
ist, in dem die einer jeden Richtung entsprechenden Pilotsignale über den
Kommunikationsburst hinweg verteilt sind. In dem gezeigten i-ten
Zeitschlitz wird das Pilotsignal P in drei Richtungen gesendet,
um drei Pilotsignalbits P1, P2 und
P3 zu definieren. Diese drei Pilotsignalbits
sind gleichmäßig über den
gesamten Schlitz hinweg verteilt, und einem jeden von ihnen folgt
ein Datenblock, der fortlaufende Datenbits umfasst. Gemäß 6 wird
ein erstes Pilotbit P1 in die Richtung b1 gesendet, ebenso wie der nachfolgende Datenblock,
der Datenbits d1N, d2N,
d2N, bis dNN umfasst.
Das zweite Pilotbit P2 wird in eine zweite
Richtung b2 gesendet, und der Datenbits d1R, d2R, d3R bis dRR umfassende
nächste
Datenblock wird ebenso in die Richtung b2 gesendet.
Das dritte Pilotbit P3 definiert in gleicher
Weise die Richtung zur Sendung für
einen dritten Datenblock, der Datenbits d1V,
d2V, d3V bis dVV umfasst. Es liegt ein Dreirichtungsspringen
innerhalb des Zeitschlitzes eines einzelnen Kommunikationsbursts
vor. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass das Ausführungsbeispiel
gemäß 6 eine
langsamere Rate des Richtungsspringens innerhalb eines Zeitschlitzes
verwendet als das Ausführungsbeispiel
gemäß 5.
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Sind
die aus der Uplink-Kommunikationsrichtung bestimmten Richtungen
räumlich
orthogonal zueinander, dann kann ein in 7 gezeigtes
viertes Ausführungsbeispiel
verwendet werden. Die bestimmten Richtungen werden als orthogonal
betrachtet, falls deren Winkeltrennung zwischen den Strahlmaxima
größer als
die halbe Energiestrahlbreite ist. Wird an genommen, dass die Funkumgebung
eine hinreichend große
Winkelspreizung führt,
dann erreicht die Verwendung einer konventionellen analogen Strahlbildungseinrichtung
(z.B. Butler-Matrixschaltung) orthogonale Antennenstrahlrichtungen sowohl
während
der Sendung als auch während
des Empfangs. Das Ausführungsbeispiel
gemäß 7 wird
hier raumorthogonales Pilotsende-(SOPT, „Space Orthogonal Pilot Transmission")-Verfahren genannt.
Die Pilotsignal-P-Sendung in der Downlink-Richtung umfasst die gleichzeitige
Sendung von Pilotsignalbits Pn in alle der
bestimmten Senderichtungen b1, b2 und b3. Somit tritt
die Sendung von Pilotsignalbits zum selben Zeitpunkt auf, und die
Strahlrichtungen b1, b2 und
b3 sind orthogonal. Die nachfolgende Datensignalsendung
D wird durch Verwenden von unterschiedlichen Richtungen für fortlaufende Datenbits
durchgeführt,
aber in diesem Fall muss die Reihenfolge zur Sendung nicht notwendigerweise
einem vorbestimmten Richtsendemuster folgen, wie es mit dem Ausführungsbeispiel
gemäß 6 vorgeschlagen
wurde. Hierbei kann die Auswahl der Senderichtungen von Datenbits
jedweder Reihenfolge unter der Voraussetzung folgen, dass alle Richtungen
durch das Pilotsignal definiert und orthogonal sind. In diesem Beispiel
erfolgt die Auswahl der Richtung zur Datenbitsendung zufällig mit
jeder Richtung b1, b2 und
b3, die im Mittel für eine äquivalente Anzahl von Durchgängen verwendet
werden. Dies ist möglich,
da bei der empfangenden Mobilstation jedes empfangene Bit mit der
Kanalantwort des gesamten Kanals gefaltet (korreliert) wird, wobei
alle umfassten Richtungen enthalten sind. Da diese Richtungen zu dem
empfangenen Signal orthogonal sind, ist deren Auswirkung prinzipiell
beseitigt.
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In
einem in 8 gezeigten fünften Ausführungsbeispiel
wird eine festgelegte Anzahl Np von Pilotsignalen gleichzeitig in
die Senderichtungen gesendet, die bei der Sendung von Datenbits
innerhalb des selben Kommunikationsbursts zu verwenden sind. Das
Pilotsignal für
eine jede Richtung weist einen eindeutigen Code auf, der orthogonal
zu anderen Codes ist, die bei der Pilotsignalsendung verwendet werden.
Daher ist dieses Beispiel hierbei codeorthogonale Pilotsendung (COPT, „Code Orthogonal
Pilot Transmission")
genannt. Unter Bezugnahme auf 8 umfassen
die Pilotsignalbits Pn drei Pilotsignale,
die die Spreizcodes C1, C2 und
C3 aufweisen, die gleichzeitig in die Richtungen
b1, b2 und b3 gesendet werden. Danach werden fortlaufende
Bits der Datensendung d1, d2,
d3, d4 bis dm in
unterschiedliche Richtungen und unter Verwendung der Spreizcodes
gesendet, die für
die während
der Pilotsendung betroffenen bestimmten Richtung definiert sind.
Die Mobilstation MS ist in der Lage, die einer jeden Richtung entsprechenden
Kanalimpulsantworten individuell zu schätzen, und es können wie
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 7 fortlaufende
Datenbits durch die Basissendeempfängerstation zu der Mobilstation MS
in unterschiedliche Richtungen unter Verwendung eines beliebigen
Richtsendemusters unter der Voraussetzung gesendet werden, dass
bei Sendung in die N-te Richtung der zugehörige N-te Code verwendet wird.
Die empfangende Mobilstation MS faltet die Informationen eines gegebenen
Bits mit der Kanalimpulsantwort des vollständigen Kanals, wobei alle verwendeten
Senderichtungen und deren zugehörige
Codes umfasst sind, es werden aber aufgrund der Codeorthogonalität lediglich
Informationen der relevanten gesendeten Bits zurückbehalten.
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Die
Leistungsfähigkeit
der beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispiele führt zu Verbesserungen
bei Korrelationen zwischen den aus den Uplink-Kommunikationen geschätzten Ankunftsrichtungen
und bei der Auswahl von Senderichtungen für die Downlink-Kanäle. Bedeutsame
Vorteile umfassen die Bereitstellung einer schnellen Winkeldiversität und der
effizienten Weißverarbeitung
der erzeugten Mitkanalinterferenz insbesondere in Mehrfachratensystemen (z.B.
W-CDMA und zukünftigen drahtlosen
Netzwerken), in denen Hochbitratenbenutzer mit vergleichsweise hohen
Energiepegeln senden und die konventionelle Verwendung von adaptiven
Antennen eine räumliche
Interferenz mit hohem Farbausmaß erzeugt.
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Ausführungsbeispiel
der Erfindung bildende Verfahren weisen insbesondere Vorteile in
Funkumgebungen auf, die durch große Winkelspreizausmaße (z.B.
Mikro- und Pikozellen) charakterisiert sind, und wenn eine Winkelauflösung der
Basissendeempfängerstation
vergleichsweise hoch ist. Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens verbessert
das Winkelspreizausmaß einer
Funkumgebung und einen Zuwachs der räumlichen Auflösung einer
BTS. Dies ist dadurch begründet,
dass da sich das Winkelspreizausmaß erhöht und die erzeugten Strahlen
schmaler werden, die BTS die Vorteile des Betriebs im räumlichen
Bereich effizient ausnutzen kann. Es stehen beispielsweise in dem
Maße mehr
Springrichtungen zur Verfügung,
indem diese Bedingungen angewendet werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung können in
Mikro- und/oder Pikozellumgebungen vorteilhaft verwendet werden.
Derartige Funkumgebungen führen
nicht lediglich große
Winkelspreizausmaße,
sondern sind ebenso durch kleine Verzögerungsspreizausmaße aufgrund
der kleinen Größe jener
Umgebungen gekennzeichnet. Dies ist insbesondere bei Modellen in
hohem Maße
vorteilhaft, die eine Orthogonalität (z.B. Codeorthogonalität) ausnutzen.
Auch sind es jene Umgebungen, in denen Hochbitratenbenutzer zu erwarten
sind. Der zum Bedienen dieser Benutzer erzeugte Pegel von Mitkanalinterferenz wird
durch Einsetzen von Ausführungsbeispiele
der Erfindung bildenden Verfahren verringert.
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Die
Qualität
der Kanalschätzung
bei der empfangenden Mobilstation MS hängt im hohen Maße von dem
zur Sendung der Pi lotsignalbits verwendeten Energiebetrag ab. Da
die Pilotsendung hinsichtlich des Zeit-, Raum- und/oder Codebereichs gemultiplext
ist, ist die effektive Energie pro Pilot kleiner, wenn dieselbe
Energie unter den Piloten verteilt wird, wie jene in den herkömmlichen
Verfahren (Schlitzebenenverarbeitung) verwendete. Diese Herabminderung
bei der Pilotsignalenergie wird durch den Arrayzuwachs kompensiert.
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Die
Pilot- und/oder Datensignalsendungen innerhalb eines Kommunikationsbursts
können
hinsichtlich Zeit, Frequenz, Raum oder Spreizcode gemultiplext sein.
Hinsichtlich einer Pilotsignalsendung gezeigte Verfahren können in
gleicher Weise bei einer Datensignalsendung angewendet werden. Die vorstehend
beschriebenen unterschiedlichen Verfahren können getrennt oder in jedweder
Kombination verwendet werden.
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Während Ausführungsbeispiele
der Erfindung vorstehend in Zusammenhang mit einem CDMA-System beschrieben
sind, können
Ausführungsbeispiele
der Erfindung mit jedweder anderen Art von Zugriffssystem verwendet
werden. Ausführungsbeispiele
der Erfindung können
in einer Mobilstation sowie in einer Basisstation implementiert
werden.