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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlformung für mehrere Antennenelemente enthaltende adaptive Antennengruppen in der Abwärtsstrecke von Frequenzduplexsystemen, wobei für die Antennenelemente Antennengewichte für das Senden in der Abwärtsstrecke auf Basis von Richtungsinformatton der Aufwärtsstrecke ermittelt werden.
Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Strahlformung für mehrere Antennenelemente enthaltende adaptive Antennengruppen in der Abwärtsstrecke von Frequenzduplexsystemen, mit einer Signalprozessoreinheit zum Ermitteln von Antennengewichten für die Antennenelemente für das Senden in der Abwärtsstrecke auf Basis von Richtungsinformation der Aufwärtsstrecke.
Es ist bekannt, aus mehreren Einzelantennen bestehende Gruppenantennen in ihrer Richtcharakteristik elektronisch zu ändern, um sie so adaptiv an die jeweilige Kanalsituation optimal anzupassen. Adaptive Antennen wurden zuerst in der Radartechnik eingesetzt, und seit einiger Zeit wird auch ihre Anwendung im Mobilfunk untersucht Der Einsatz adaptiver Antennen kann dabei zu einer Reduktion der empfangenen Interferenz durch gerichteten Empfang, zu einer Reduktion der erzeugten Interferenz durch gerichtetes Senden und zu einer Reduktion der Zeitdispersion des Mobilfunkkanals und somit Verringerung der Intersymbolinterferenz, die die Bitfehlerrate massgeblich mitbestimmt, führen
Diese Verbesserungen können für einen Kapazitätsgewinn, zur Erhöhung der spektralen Effizienz, zur Verringerung der notwendigen Sendeleistung um den Gewinn der Antennengruppe,
für eine bessere Übertragungsqualität (kleinere Bitfehlerrate), für eine Datenratenerhöhung und für eine Reichweitenerhöhung eingesetzt werden.
Wenn auch nicht alle Vorteile gleichzeitig ausgenutzt werden könnten, so könnten doch jeweils einige der oben angeführten Verbesserungen erreicht werden. Ganz wesentlich wäre, dass es mit adaptiven Antennen möglich ist, das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum effizienter zu nützen und dabei mit dem selben Frequenzband und der gleichen Anzahl von Basisstationen die Kapazität und somit die mögliche Anzahl der Benutzer in einer Zelle zu erhöhen
Zellulare Mobilfunknetze sind im Allgemeinen interferenzbegrenzt, d. h. dass die räumliche Wiederverwendung ein und desselben Funkkanals einerseits und die spektrale Effizienz andererseits durch Gleichkanalstörer limitiert wird.
Ein Funkkanal ist durch seine Frequenz und/oder seinen Zeitschlitz (im Zeitmultiplex - TDMA - Time Division Multiple Access) bzw seinen Code (im Codemultiplex - CDMA - Code Division Multiple Access) festgelegt. Zur Versorgung von mehr als einem Teilnehmer auf ein und demselben Funkkanal in TDMA- und FDMA (Frequency Division Multiple Access) -Systemen wurden Verfahren vorgeschlagen, die auf der räumlichen Trennbarkeit und dem richtungsselektiven Empfangen in der Aufwärtsstrecke (Mobilstation sendet, Basisstation empfängt) und des richtungsselektiven Sendens der Teilnehmersignale in der Abwärtsstrecke (Basisstation sendet, Mobilstation empfängt) beruhen (sog. SDMA - Space Division Multiple Access-System, System mit Raumvielfachzugriff).
Das richtungsselektive Senden/Empfangen kann in CDMA-Systemen auch dazu verwendet werden, um die mögliche Anzahl der Teilnehmer auf einer Frequenz zu erhöhen und damit die spektrale Effizienz und die Kapazität eines zellularen Mobilfunksystemes zu erhöhen. Es wird also bei gleichbleibender Interferenz die mögliche Anzahl der Teilnehmer auf einem Verkehrskanal erhöht, die von der Basisstation mit der linearen, adaptiven Antennengruppe in der Aufwärtsstrecke detektiert und in der Abwärtsstrecke versorgt werden können.
Für die Trennung der Signale der einzelnen Teilnehmer durch Gleichkanalstörunterdrückung und deren Detektion sind drei grundsätzliche Methoden bekannt (1) Verfahren, die auf der Kenntnis der räumlichen Struktur der Antennengruppe beruhen (sog. spatial-reference Verfahren), vgl. R.
Roy und R. Kailath, "ESPRIT - Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques", IEEE Trans. Acoust., Speech and Signal Processing, Bd. 37, July 1989, S. 984-995 erläutert sind; (2) Verfahren, die auf der Kenntnis einer bekannten Signalfolge beruhen (sog. temporal- reference Verfahren), vgl. in S. Ratnavel, A. Paulraj und A.B. Constantinides, "MMSE Space-Time
Equalization for GSM Cellular Systems", Proc.
IEEE, Vehicular Technology Conference 1996, VTC'96, Atlanta, Georgia, S. 331-335, und (3) sog. "blinde" Verfahren, die bekannte strukturelle
Signaleigenschaften zur Signaltrennung und Detektion verwenden, vgl. in A-J. van der Veen, S. Talwar, A. Paulraj "A Subspace Approach to Blind Space-Time Signal Processing for Wireless Communications Systems", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.45, No. 1, Jänner 1997,
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S. 173-190.
Für die Abwärtsstrecke werden verschiedene Methoden verwendet, die auf unterschiedlichen Schätzungen des Mobilfunkkanals aufbauen. Grundsätzlich werden entweder die Einfallsrichtungen der Signale der Mobilstationen (vgl. z. B. US 5 515 378 A oder EP 755 090 A) verwendet, oder es wird die räumliche Kovarianzmatrix (räumliche Korrelationsmatrix) zur Strahlformung verwendet (vgl. US 5 634 199 A).
Ein schwieriges Problem stellen die unterschiedlichen Trägerfrequenzen in Frequenzduplexsystemen (FDD-Systeme) dar. In FDD-Systemen werden die Signale in der Aufwärts- und in der Abwärtsstrecke auf unterschiedlichen Frequenzen gesendet, und dadurch erfolgt die notwendige Trennung zwischen gesendeten und empfangenen Daten an der Mobil- sowie an der Basisstation.
Auf Grund des Frequenzunterschieds ist das Antennenrichtdiagramm bei Verwendung derselben physikalischen Antennengruppe und der selben Antennengewichte (Amplitude und Phase) bei unterschiedlichen Frequenzen unterschiedlich. Deshalb ist es nicht ratsam, die selben Antennengewichte für das Senden und Empfangen an der Basisstation eines zellularen Mobilfunksystems zu verwenden. Die ausschliessliche Verwendung der in der Aufwärtsstrecke geschätzten Einfallsrichtung hat mit diesem Frequenzversatz keinerlei Probleme, beschränkt die Strahlformung jedoch auf eine einzelne diskrete Einfallsrichtung, was der physikalischen Natur des Mobilfunkkanals widerspricht und daher zu einem beschränkten Kapazitätsgewinn durch die adaptive Antenne führt. Die Verwendung der räumlichen Kovarianzmatrix der Aufwärtsstrecke bringt jedoch das Problem des Frequenzversatzes mit sich.
Für die Kompensation dieses Frequenzduplexabstandes in der räumlichen Kovarianzmatrix wurden bereits verschiedene Ansätze beschrieben. So wird vorgeschlagen, in der Aufwärtsstrecke die Einfallsrichtung, die Signalleistung und die zugehörige Winkelaufspreizung (Angular Spread) jedes einzelnen Teilnehmers zu schätzen, vgl. T. Trump und B. Ottersten, "Maximum Likelihood Estimation of Nominal Direction of Arrival and Angular Spread Using an Array of Sensors", Signal Processing, Vol. 50, No. 1-2, April 1996, S. 57-69. Aus dieser Schätzung für die Aufwärtsstrecke wird eine Schätzung der räumlichen Kovarianzmatrix für die Abwärtsstrecke gebildet, vgl. auch P.
Zetterberg, "Mobile Cellular Communications with Base Station Antenna Arrays : Effici- ency, Algorithms and Propagation Models", Dissertation, Royal Institute of Technology, Stockholm, Schweden 1997. Diese Methode funktioniert jedoch nur, wenn jede Mobilstation nur eine einzige nominelle Einfallsrichtung in Bezug auf die Basisstation besitzt. Durch Reflexionen an Bergen in ländlichen Gebieten oder grossen Gebäudekomplexen in städtischen Gebieten ist diese Voraussetzung oft nicht erfüllt, und daher ist dann dieser Ansatz nicht anwendbar.
Ein weiterer Vorschlag im Stand der Technik geht dahin, der Basisstation zwei unterschiedliche, mit der verwendeten Wellenlänge skalierte Antennengruppen zum Senden und Empfangen in einem Frequenzduplexsystem zu verwenden, vgl. G. G. Rayleigh, S. N. Diggavi, V. K. Jones und A.
Paulraj, "A Blind Adaptive Transmit Antenna Algorithm for Wireless Communication", Proceedings IEEE International Conference on Communications (ICC'95), IEEE 1995, S. 1494-1499, bzw. die entsprechende WO 97/00543 A. Hier müssen jedoch die beiden "angepassten" Antennengruppen sehr exakt gefertigt und kalibriert werden und an exakt der selben Position aufgestellt werden.
Ausserdem ist eine zweite Antennengruppe notwendig, was die Kosten überproportional erhöht
Gemäss der bereits erwähnten US 5 634 199 A soll direkt die räumliche Kovarianzmatnx der Abwärtsstrecke durch das Senden von Testsignalen von der Basisstation und das Rücksenden der gemessenen Signale durch die Mobilstation gemessen werden (vgl. auch W096/37975, wo ebenfalls auf das Senden von Testsignalen hingewiesen wird). Diese Testsignal-Methode benötigt jedoch Systemkapazität für diesen Rückmeldungsprozess und verringert daher die mögliche Kapazitätserhöhung. Weiters müsste der Standard bereits bestehender Mobilfunksysteme geändert wer- den, da bis jetzt in keinem zellularen Mobilfunksystem eine Rückmeldung der Mobilstation dieser
Art vorgesehen ist.
In der US 5 848 060 A wird beschrieben, dass aus den Empfangssignalen der Aufwärtsstrecke deren räumliche Kovarianzmatrix geschätzt wird ; auftretenden relativen Phasen der Matrix- elemente werden sodann mit dem Verhältnis der Sendefrequenz zur Empfangsfrequenz (fS/fE) skaliert. Durch die Mehrwegeausbreitung der einzelnen Signale geht jedoch die Frequenz nicht- linear in die Phasenbeziehung der einzelnen Antennenelemente ein. Daher beschränkt sich diese
Anwendung auf Fälle mit einer direkten Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger ohne
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Reflexionen aus unterschiedlichen Richtungen, wie zum Beispiel in der Satellitenkommunikation.
Um eine Kovananzmatrix für die Abwärtsstrecke zu erhalten, wurde auch vorgeschlagen, eine Rotationsmatrix auf die Kovarianzmatrix der Aufwärtsstrecke anzuwenden, die die Phasen einer aus einer bestimmten Richtung einfallenden Welle mit dem Verhältnis der Sendefrequenz zur Empfangsfrequenz fs/fE korrigiert, vgl die bereits erwähnte Literaturstelle G. G Rayleigh, S.N.
Diggavi, V.K Jones und A. Paulraj, "A Blind Adaptive Transmit Antenna Algorithm for Wireless Communication", Proceedings IEEE International Conference on Communications (ICC'95), IEEE 1995, S. 1494-1499. Jedoch wird hier nur genau die Phasenbeziehung einer Einfallsrichtung in Bezug auf die Basisstation richtig korrigiert. Beim Auftreten von mehreren unterschiedlichen Ein- fallsrichtungen versagt diese Methode, und sie ist deshalb auch nur für ländliche Gebiete mit einer dominanten Einfallsrichtung anwendbar.
In der vorstehend angeführten Dissertation von P. Zetterberg, "Mobile Cellular Communications with Base Station Antenna Arrays : Efficiency, Algorithms and Propagation Models", Royal Institute of Technology, Stockholm, Schweden 1997, ist auch der Vorschlag enthalten, eine Kompensationsmatrix auf die Kovananzmatrix der Aufwärtsstrecke anzuwenden. Diese Kompensationsmatrix ist nur für sehr kleine relative Duplexabstände 2(fs-fE)/(fs+fE) gültig und ist gemittelt über den ganzen Einsatzwinkelbereich der adaptiven Antenne. Diese Methode korrigiert die Frequenzdifferenz nicht, sondern verringert nur die Abweichung und "verschmiert" dabei die in der Kovarianzmatrix enthaltene räumliche Struktur des Mobilfunkkanals über den ganzen Winkeibereich.
Aus diesem Grund ist diese Methode keinesfalls einsetzbar.
Schliesslich wurde bereits vorgeschlagen, die Kovarianzmatrix der Aufwärtsstrecke in Fourierkoeffizienten zu zerlegen und bei der Sendefrequenz wiederherzustellen, vgl J. M Goldberg und J. R. Fonollosa, "Downlink beamforming for spatially distributed sources in cellular mobile communications", Signal Processing Vol 65, No. 2, März 1998, S. 181-199. Diese Methode versucht die exakte Phasenbeziehung der einzelnen Signalpfade auf der Sendefrequenz wiederherzustellen, verschmiert aber ebenfalls die räumliche Struktur der Kovarianzmatrix.
Es ist nun Ziel der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung wie eingangs angegeben vorzusehen, mit dem bzw. mit der in effizienter Weise bei FDD-Systemen eine derartige Strahlformung in der Abwärtsstrecke ermöglicht wird, dass die Interferenzen auch bei den von der Basisstation gesendeten, von den Mobilstationen empfangenen Signalen reduziert werden und eine Erhöhung der Anzahl der versorgbaren Benutzer, d.h. Mobilstationen, ermöglicht wird.
Hierzu ist das erfindungsgemässe Verfahren der eingangs angeführten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Antennengewichte für das Senden in der Abwärtsstrecke auf Basis des Leistungs-Winkelspektrums der Aufwärtsstrecke der einzelnen Benutzer ermittelt werden, wobei das Leistungs-Winkelspektrum durch Ausblenden unerwünschter Bereiche modifiziert wird.
In entsprechender Weise ist die erfindungsgemässe Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Signalprozessoreinheit zum Ermitteln der Antennengewichte für das Senden in der Abwärtsstrecke auf Basis des Leistungs-Winkelspektrums der Aufwärtsstrecke der einzelnen Benutzer unter dessen Modifikation durch Ausblenden unerwünschter Bereiche eingerichtet ist.
Bei der erfindungsgemässen Technik wird somit zur Strahlformung in der Abwärtsstrecke das Leistungs-Winkelspektrum der Aufwärtsstrecke der einzelnen Benutzer zu Grunde gelegt, wobei in diesem Leistungs-Winkelspektrum unerwünschte Winkelbereiche ausgeblendet werden, d. h. etwaige Störer werden im Leistungs-Winkelspektrum ausgeblendet, um eine optimale Ausrichtung der Hauptkeule in Richtung des jeweiligen Benutzers zu gewährleisten. Es werden also erfindungsgemäss die wichtigen, nützlichen Bereiche des Leistungs-Winkelspektrums extrahiert und der Ermittlung der Antennengewichte für die Strahlformung in der Abwärtsstrecke zu Grunde gelegt.
Untersuchungen haben dabei gezeigt, dass es möglich ist, besonders gute Ergebnisse hinsichtlich Stör- unterdrückung zu erzielen, wenn nur ein dominanter Teil im Leistungs-Winkelspektrum aus diesem heraus"geschnitten" wird
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Leistungs-Winkelspektrum unter Verwendung einer bekannten Signalfolge des Sendesignals, wie Spreizcode, Mittambel etc , geschätzt wird Auch ist es von Vorteil, wenn das Leistungs-Winkelspektrum der Aufwartsstrecke auf Basis der räumlichen Kovari- anzmatrizen der Aufwärtsstrecke der einzelnen Benutzer bzw. gegebenenfalls von Mittelwerten derselben geschätzt wird.
Ferner hat es sich als günstig erwiesen, wenn auf Basis des modifizier-
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ten Leistungs-Winkelspektrums der einzelnen Benutzer bzw. von dessen Mittelwert die jeweilige räumliche Kovarianzmatrix der Abwärtsstrecke ermittelt wird. Schliesslich ist es vorteilhaft, wenn die räumliche Kovarianzmatrix der Abwärtsstrecke bzw. deren Mittelwert zur Berechnung der Antennengewichte für das Senden verwendet wird.
Bevorzugt wird somit eine Strahlformung der räumlichen Eigenschaften des Mobilfunkkanals in Bezug auf die räumliche Kovarianzmatrix vorgenommen, die aus den vier Schritten
Schätzung der räumlichen Kovarianzmatrix der Aufwärtsstrecke;
Bestimmung des Leistungs-Winkelspektrums mit Methoden der spektralen Suche auf der
Empfangsfrequenz ;
Rekonstruktion der räumlichen Kovarianzmatrix der Abwärtsstrecke unter Verwendung des geschätzten, modifizierten Leistungs-Winkelspektrums auf der Sendefrequenz ; Berechnung der Antennengewichte für jeden Benutzer des physikalischen Kanals besteht.
Die erfindungsgemässe Technik ist uneingeschränkt von den Ausbreitungsverhältnissen der elektromagnetischen Wellen anwendbar. Sie unterliegt keinerlei Einschränkungen in Bezug auf eine einzige dominante Einfallsrichtung pro Teilnehmer und ist ohne zusätzlichen Hardwareaufwand einsetzbar. Es gibt keinerlei Annahmen über den Frequenzunterschied zwischen Sende- und Empfangsfall, und daher funktioniert die hier beschriebene Technik auch unabhängig vom relativen Duplexabstand. Es werden dabei weder aufwendige iterative Näherungsverfahren noch hochauflösende Richtungsschätzungsalgorithmen benötigt, so dass eine sehr recheneffiziente Lösung erzielt ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die Zeich- nung noch weiter erläutert. Es zeigen : 1 in einem Schema eine adaptive Antenne mit Strahlformung in der Abwärtsstrecke ; 2 schematisch eine lineare Antennengruppe mit einer einfallenden Welle, zur Veranschaulichung von Wegunterschieden ; 3 schematisch eine Vorrichtung zur Strahlformung, wobei eine Basisstation und mehrere Mobilstationen gezeigt sind ; 4A ein Antennendiagramm bei einer Aufwärtsstrecken-Frequenz; Fig. 4B ein entsprechendes Antennen- diagramm bei der Frequenz der Abwärtsstrecke ; 5 in einem Ablaufdiagramm die Ermittlung der Antennengewichte für die Strahlformung in der Abwärtsstrecke;
Fig. 6 in einem detaillierten Ablauf- diagramm den Vorgang bei der in Fig. 5 gezeigten Frequenztransformation ; 7 ein LeistungsWinkelspektrum eines Benutzers zusammen mit "Störern" ; 8 ein zu Fig. 7 gehöriges Antennendiagramm noch vor der Modifikation ; Fig. 9 und 10 den Fig. 7 und 8 entsprechende Dia- gramme des Leistungs-Winkelspektrums und der Antennencharakteristik, nun jedoch nach dem Ausblenden eines Störers ; Fig. 11 schematisch die Struktur der Signalprozessoreinheit zur Berechnung der Antennengewichte für die Strahlformung.
Die Aufgabe der Strahlformung in der Abwärtsstrecke von zellularen Mobilfunksystemen mit adaptiven Antennen an der Basisstation besteht darin, die Signale der einzelnen Benutzer so von der Basisstation zu senden, dass die meiste Energie vom gewünschten Benutzer empfangen und möglichst wenig Energie zu anderen Benutzern, die dort als Interferenz auftritt, gesendet wird. Eine Strahlungsformung in der Abwärtsstrecke, die diese Anforderungen erfüllt, gewährleistet für jeden Benutzer ein ausreichendes Störverhältnis und somit eine ausreichende Übertragungsqualität (Bitfehlerrate BER). Um dieses Ziel zu erfüllen, muss man die Hauptkeule des Antennendiagrammes in die Richtung des gewünschten Benutzers und Nullstellen im Antennendiagramm in Richtung jener Benutzer legen, die auf der selben Frequenz versorgt werden. Dieses Prinzip ist in Fig. 1 illustriert.
In Fig. 1 ist im Einzelnen schematisch eine adaptive Antenne 1 mit Strahlformung in der Abwärtsstrecke gezeigt, wobei ein Signalprozessor 2 die einzelnen Antennenelemente 1. 1, 1. 2 bis
1. M mit unterschiedlichen Phasen und Amplituden ansteuert und somit das gewünschte Antennendiagramm 3 bzw. 4 erzeugt. Die Hauptkeulen 5 bzw. 6 des Antennendiagramms 3 bzw. 4 zeigen in
Richtung eines jeweiligen Benutzers 7 bzw. 8, wobei Nullstellen 9 bzw. 10 im Antennendiagramm 3 bzw. 4 in Richtung des jeweils anderen Benutzers 8 bzw. 7 zeigen.
Durch die unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Elemente der Antennengruppe 1 wird die
Form des Antennendiagrammes 3 bzw. 4 festgelegt. Dies wird nachfolgend am Beispiel einer line- aren Antennengruppe an Hand der Fig. 2 erklärt. Fig. 2 zeigt dabei schematisch eine aus einer
Richtung 9 auf die Antennenelemente 1. 1, 1. 2, 1. 3...1.M einfallende Welle.
In Fig. 2 ist ferner mit d der Abstand zwischen den einzelnen Antennenelementen und mit AL
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der Wegunterschied der Welle von einem Antennenelement, z. B. 1. 2, zum nächsten Antennenelement, z. B. 1. 3, bezeichnet.
Der Wegunterschied AL der elektromagnetischen Welle von einem Antennenelement zum nächsten entspricht einem Phasenunterschied des Empfangssignals, der wie folgt angeschrieben werden kann
EMI5.1
und der von der Wellenlänge des gesendeten Signales abhängt. In dieser Beziehung bezeichnet weiters f die Trägerfrequenz des gesendeten Signals und c die Lichtgeschwindigkeit. Auf Grund dieser Beziehung ergibt sich für die Gruppenantwort der adaptiven Antenne 1 auf diese einfallende Welle, die auch "Array Steering Vector" genannt wird,
EMI5.2
Wie aus dieser Beziehung ersichtlich, ist die Gruppenantwort der Antennengruppe 1 sowohl von der Einfal!srichtung der Welle als auch von der Trägerfrequenz abhängig.
In zellularen Mobilfunknetzen gibt es nicht nur einen einzigen Ausbreitungspfad, sondern es tritt Mehrwegeausbreitung auf. Das bedeutet, dass mehrere Ausbreitungspfade mit unterschiedlicher Weglänge und unterschiedlichen Richtungen zwischen der Basisstation und der Mobilstation existieren. Systematisch ist diese Mehrwegeausbreitung in Fig. 3 skizziert.
Im Einzelnen ist in Fig. 3 eine Basisstation 11mit einer adaptiven Antenne 1 mit neun Antennenelementen 1.1...1.9 und mit einer Mehrwegeausbreitung zwischen der Basisstation 11 und Mobilstationen (MS) 7, 8 veranschaulicht, wobei die Mehrwegeausbreitung beispielsweise zufolge von Reflexionen an Gebäuden 12 zustande kommt.
Die einzelnen Signale überlagern sich in der Aufwärtsstrecke an den Antennenelementen 1. 1 bis 1. 9 der linearen Antennengruppe 1 und in der Abwärtsstrecke an der Antenne des jeweiligen Handys 7,8. Ob sich die einzelnen Signale konstruktiv oder destruktiv überlagern, hängt von der Phasenbeziehung der einzelnen Wellen zueinander ab. Da in einem FDD-System für die Aufwärtsund die Abwärtsstrecke unterschiedliche Trägerfrequenzen verwendet werden, ändern sich auch die Phasenbeziehungen der Wellen zueinander. Aus diesem Grund ist der Schwund (die konstruktive und destruktive Überlagerung) in der Aufwärts- und Abwärtsstrecke absolut unkorreliert. Aber nicht nur der Schwund, auch das Antennendiagramm verändert sich durch die Frequenzverschiebung.
Sowohl die Position der Hauptkeule als auch die Position der Nullstellen und deren Form in der Gruppenrichtcharakteristik ändern sich sehr stark, wie in den Fig. 4A und 4B illustriert ist. Dabei zeigt Fig. 4A ein Antennendiagramm für die Frequenz der Aufwärtsstrecke und Fig. 4B ein entsprechendes Antennendiagramm für die Frequenz der Abwartsstrecke. Wie aus Fig. 4A ersichtlich, kommen für einen Benutzer B1 die Signale aus den Richtungen -20 und 40 und für einen Benutzer B2 aus den Richtungen -50 und 10 . Hingegen liegen die Hauptkeulen bei Verwendung der selben Antennengewichte in der Abwärtsstrecke (s. Fig. 4B) für den Benutzer B1 bei -18 und 35 und für den Benutzer B2 bei -45 und 8 .
(Als Trägerfrequenzen wurden hierbei folgende Werte zugrundegelegt: fE=1920 MHz, fs=21 10 MHz )
Wie aus den Fig. 4A und 4B zu ersehen ist, sind sowohl die Nullstellen als auch die Hauptkeulen in ihrer Richtung auf Grund der unterschiedlichen Frequenzen verschoben. Der Einfluss auf die Hauptkeulen ist jedoch nicht so stark, da sie ohnehin sehr breit sind und sich deshalb nur ein um maximal 0,5 dB kleinerer Antennengewinn ergibt Die Nullstellen in Richtung des jeweils anderen Benutzers sind jedoch sehr schmal, und bei Verwendung der selben Antennengewichte für die Abwärtsstrecke wie für die Aufwärtsstrecke wird die erzeugte Störung für den jeweils anderen Benutzer drastisch erhöht. Aus diesem Grund ist es nicht ratsam, die selben Antennengewichte für das Empfangen und für das Senden an der Basisstation 11zu verwenden.
Wegen der Frequenzverschiebung ist also der Schwund zwischen Sende- und Empfangsfall unkorreliert, und es ergibt sich ein anderes Antennendiagramm bei Verwendung der selben Antennengewichte.
Der unkorrelierte Schwund kann nicht kompensiert werden, da samtliche Pfadlängen bekannt
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sein müssten, was unmöglich ist. Mit einer geeigneten Strahlformung kann jedoch der Einfluss der Trägerfrequenz auf das Antennendiagramm kompensiert werden, wodurch in der Folge die für die anderen Benutzer erzeugte Störung verringert und die Übertragungsqualität und Systemkapazität gesteigert wird
Für diese Signalformung wird in der Basisstation 11 eine Signalprozessoreinheit 2 verwendet, vgl. Fig. 3, die auf Basis der empfangenen Signale für die Ansteuerung der Antennenelemente 1 1 bis 1. M Antennengewichte insbesondere auch für die Abwärtsstrecke ermittelt. Dabei werden beispielsweise im Mobilfunksystem K Benutzer B1 bis BK gleichzeitig versorgt, und die Antennengruppe 1 besteht, allgemein formuliert, aus M Antennenelementen 1. 1 bis 1.M.
Die empfangenen Signale werden bei 13 bandbegrenzt (Filterung mit Kanalselektionsfilter) und bei 14 ins Basisband gemischt, bei 15 verstärkt und bei 16 digitalisiert, und in der Signalprozessoreinheit 2 werden die Signale mit Hilfe adaptiver Algorithmen detektiert. In der Abwärtsstrecke werden dann die Signale entsprechend gewichtet, moduliert (bei 14) und von der Antenne 1 abgestrahlt. In Fig. 3 ist dabei schematisch der Signalaustausch zwischen der Basisstation 11 und dem Zugangsnetz 17 ergänzend veranschaulicht.
In Fig. 5 ist ein Ablaufdiagramm gezeigt, das die Auswertung der Eingangssignale bis hin zur Ermittlung der Antennengewichte für die gewünschte Strahlformung in der Abwärtsstrecke schematisch veranschaulicht.
Wie in Fig. 5 dargestellt, dient eine Matrix X von verrauschten Eingangssignalen mehrerer Gleichkanalsignale als Eingangsdatensatz, der in der Signalprozessoreinheit 2 weiter bearbeitet werden soll. Die Matrix X enthält N Abtastwerte mit kritischer Abtastung (Abtastrate 1/T) von K Gleichkanalsignalen, die von den M Einzelelementen der Gruppenantenne 1 abgeleitet sind, sowie Interferenzsignale aus benachbarten Zellen, die dieselben Frequenzen verwenden. Unter Zuhilfe- nahme einer bekannten Signalfolge Sk (Block 31 in Fig. 5) des gesendeten Signals, mit k=1 bis K, wie dem Spreizcode in CDMA-Systemen oder den Prä- oder Mittambeln in TDMA-Systemen, werden nun die Kanalimpulsantworten jedes der K Benutzer B1 bis BK an jedem Antennenelement 1. 1 bis 1. M im Schritt 30 geschätzt ("Teilnehmererkennung").
Dabei können die Kanalimpulsantworten jedes Teilnehmers B1 bis BK mit an sich bekannten Methoden unabhängig voneinander geschätzt werden (zum Beispiel durch Korrelation mit der bekannten Signalfolge Sk) oder in einem Schritt alle gleichzeitig (zum Beispiel mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate).
Mehr im Detail werden die Kanalimpulsantworten aus den empfangenen Daten X und der bekannten Signalfolge Sk geschätzt (Prä-, Mittambel in TDMA, oder Spreizcode in CDMA-Systemen), wobei das Empfangssignal folgendermassen dargestellt werden kann:
EMI6.1
darin bezeichnen hk(t, #) und Sk(t) die zeitvariante Impulsantwort zum Zeitpunkt t und das gesen- dete Signal des k-ten Benutzers ; N (t) den Vektor mit dem thermischen Rauschen an den Antennenelementen 1. 1 bis 1.M. Die Summation berücksichtigt, dass man die Signale von allen K Benutzern B1 bis BK empfängt. Aus dieser Beziehung kann man nun die Kanalimpulsantworten der Benutzer B1 bis BK schätzen.
In TDMA-Systemen kann man dazu die erwähnten Prä- oder Mittambeln verwenden - entweder für alle Benutzer zugleich (gemeinsame Schätzung) oder für jeden Benutzer separat. Die separate Schätzung kann ebenfalls mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate durchgeführt werden, was in zeitdiskreter Schreibweise wie folgt dargestellt werden kann:
EMI6.2
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Die gemeinsame Schätzung kann folgendermassen erfolgen:
EMI7.1
Das entspricht einer gemeinsamen Schätzung mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate Das Bilden der Pseudoinversen einer Matrix wird dabei durch "#" bezeichnet.
In CDMA-Systemen verwendet man das Ausgangssignal eines auf den verwendeten Spreizcode signalangepassten Filters. Dieses signalangepasste Filter ist ein Standardempfängerbestand- teil von CDMA-Systemen ; eineBeschreibung der entsprechenden Beziehungen für die Schätzung kann sich hier erübrigen.
Die Kanalimpulsantwortmatrizen Hk mit k=1 bis K (für die Benutzer B1 bis BK) beinhalten die gesamte benötigte Information für den Strahlformungsprozess. Die Kanalimpulsantwortmatrizen besitzen folgende Struktur
Hk = [hk(0) hk (T ) ... hk((L - 1)#T)], wobei hk (t) Vektor der Kanalimpulsantwort zum Zeitpunkt t ist. Bei dieser Darstellung wird an- genommen, dass die Kanalimpulsantwort eine Länge von L Abtastwerten besitzt
Mit Hilfe dieser Kanalimpulsantworten werden nun die räumlichen Kovananzmatrizen der Aufwärtsstrecke der einzelnen Benutzer berechnet, s Schritt 40 in Fig. 5.
Ein Signal, dass aus einer Richtung 9 an der Antennengruppe 1 einfällt, ergibt eine Gruppenantwort, die gleich dem bereits erwähnten Array Steering Vector a(#, f) ist Die räumliche Kovarianzmatrix dieses Signals ist in diesem Fall als
R(f) = E{a(#,f)#aH(#,f)} definiert. Normalerweise gibt es viele Ausbreitungspfade mit unterschiedlichen Empfangsleistungen. Aus diesem Grund kann die räumliche Kovarianzmatrix wie folgt dargestellt werden R(f ) = E{ ##=-## P(#)# a(#, f)#aH(#,f)H. d#}.
In der Kanalimpulsantwort sind sämtliche Signale mit den Gruppenantworten und den zugehörigen Signalstärken enthalten. Aus diesem Grund und durch das Ersetzen der Erwartungswertbildung durch den zeitlichen Mittelwert (im zeitdiskreten Mittelwert der Abtastwerte) kann man die räumliche Kovarianzmatrix wie folgt darstellen
EMI7.2
Mit dieser beziehung werden daher die Kovarianzmatrizen der AutwartsstrecKe der benutzer B1 bis BK geschätzt. Die räumliche Kovarianzmatrix Rk ist ebenfalls frequenzabhängig Die räumliche Kovananzmatrix Rk der Aufwärtsstrecke wird im Allgemeinen zur Berechnung der komplexen Antennengewichte für den Empfang mit adaptiven Antennen verwendet. Die Verwendung dieser Antennengewichte für die Abwärtsstrecke verschiebt aber die Nullstellen, wie bereits erläutert.
Aus diesem Grund muss man versuchen, die räumliche Kovarianzmatrix Rk von der Empfangsfrequenz fE der Basisstation auf die Sendefrequenz fs zu transformieren, um die Antennengewichte für die Abwärtsstrecke berechnen zu können.
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Diese Frequenztransformation ist in Fig. 5 beim Schritt 50 angedeutet, wobei die Frequenztransformation die räumliche Struktur des Mobilfunkkanals, die in der räumlichen Kovarianzmatrix Rk enthalten ist, von der Empfangsfrequenz der Basisstation (Frequenz der Aufwärtsstrecke) fE auf die Sendefrequenz der Basisstation (Frequenz der Abwärtsstrecke) fs transformiert. Diese Technik ist in Fig. 6 genauer gezeigt und wird in der Folge detaillierter beschrieben.
Die geschätzten räumlichen Kovarianzmatrizen Rk der K Benutzer der Abwärtsstrecke werden so gebildet, dass sie hermitisch sind. Das bedeutet, dass alle Einfallsrichtungen als voneinander unabhängig angesehen werden. Die Kovarianzmatrizen Rk(fs) bei der Sendefrequenz fs, die am Ende von Schritt 50 erhalten werden, werden dazu verwendet, um die optimalen Antennengewichte für das Senden in der Abwärtsstrecke zu berechnen. Dies wird im Schritt 60 in Fig. 5 durchgeführt. Es können dazu sämtliche Strahlformungsalgonthmen benutzt werden, die auf der Kenntnis der räumlichen Kovarianzmatrix beruhen. Die Signale für die einzelnen Benutzer werden nun mit deren Antennengewichten multipliziert (gewichtet) und von der Basisstation 11gesendet.
Zur Frequenztransformation gemäss Fig. 6 ist im Detail folgendes auszuführen : Wie bereits beschrieben, ist der Schwund (die Phasenbeziehung) der einzelnen Signalpfade in Ab- und Aufwärtsstrecke unkorreliert. Nur die Einfallsrichtungen der einzelnen Teilwellen und deren mittlere Signalstärke (Leistung) sind in der Auf- und Abwärtsstrecke gleich. Zur Strahlformung wird daher das geschätzte Leistungs-Winkelspektrum verwendet, um die räumliche Kovarianzmatrix zu rekonstruieren. Das Leistungs-Winkelspektrum enthält die Leistung, die aus dem jeweiligen Winkelbereich empfangen wird. Genau dieser Parameter ist in Ab- und Aufwärtsstrecke gleich. Aus diesem Grund ist die gesamte Information, die für das Senden in der Abwärtsstrecke genutzt werden kann, in der rekonstruierten Kovarianzmatrix wieder enthalten.
Da nur die mittlere Signalstärke gleichbleibt und nicht die momentane, kann (muss) eine zeitliche Mittelung inkludiert werden. Die zeitliche Mittelung kann an drei Stellen durchgeführt werden: (1) Mittelung der Kovarianzmatrizen bei der Empfangsfrequenz (Aufwärtsstrecke) (2) Mittelung des Leistungs-Winkelspektrums (nach Schritt 52 in Fig. 6) (3) Mittelung der Kovarianzmatrizen bei der Sendefrequenz (Abwärtsstrecke).
Wo die Mittelung erfolgt ist im Prinzip egal - es hat sich bei Untersuchungen gezeigt, dass die Mittelung der Kovarianzmatrix bei der Empfangsfrequenz besonders gute Ergebnisse liefert.
In Fig. 6 ist die Leistungs-Winkelspektrum-Schätzung bei Block 52 gezeigt, wobei von den Kovarianzmatrizen Rk(fE) der Aufwärtsstrecke für den k-ten Benutzer ausgegangen wird. Bei dieser Leistungs-Winkelspektrum-Schätzung können prinzipiell alle an sich bekannten Verfahren der spektralen Suche herangezogen werden.
Das Leistungs-Winkelspektrum APSk (Azimuthal Power Spectrum) kann durch die Maximum Likelihood Methode (auch Minimum Varianz Methode oder Capon's Methode genannt, gezeigt in D. H. Johnson, D. E. Dudgeon, "Array Signal Processing - Concepts and Techniques", Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs (New Jersey), 533 S. ) wie folgt geschätzt werden:
EMI8.1
In dieser Beziehung ist a(#, fE) der "Array Steering Vector" der Aufwärtsstrecke, der von der Empfangsfrequenz fE, dem Interelementabstand d der linearen Antennengruppe mit M Elementen und der Richtung 6 wie folgt abhängig ist:
EMI8.2
Das bedeutet, dass bei Kenntnis der Geometrie der gleichförmigen, linearen Antennengruppe 1 (Verhältnis des Antennenelementabstandes zur Empfangswellenlänge, d. h. d/XE) das LeistungsWinkelspektrum APSk jedes der K Benutzer geschätzt wird. Dieser Schritt kann selbstverständlich auch mit anderen, ähnlichen Verfahren der spektralen Suche durchgeführt werden. Das LeistungsWinkelspektrum enthält keinerlei Phasenbeziehungen der einzelnen Signalpfade des Mobilfunkkanals zueinander, was weder notwendig noch sinnvoll ist, da durch die unterschiedliche Sendeund Empfangsfrequenz in einem Frequenzduplexsystem der Schwund und die Phasenbeziehungen durch die Mehrwegeausbreitung absolut unkorreliert sind.
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In Fig. 7 ist ein Beispiel für ein geschätztes Leistungs-Winkelspektrum APSk eines Benutzers BK gezeigt, der sich in der Richtung +10 von der Basisstation 11 aus gesehen befindet. Die strichlierte Linie in Fig. 7 skizziert das geschätzte Leistungswinkelspektrum einiger Gleichkanalsstörer, die sich auf -30 , +12 und 50 befinden.
Im Schritt 54 in Fig. 6 werden sodann die dominanten Bereiche des Leistungs-Winkelspektrums APSk extrahiert. Dabei muss nicht unbedingt das gesamte Leistungs-Winkelspektrum APSk zur Rekonstruktion der räumlichen Kovarianzmatnx herangezogen werden, sondern es können auch nur jene Winkelbereiche verwendet werden, aus denen der grösste Teil der Signale in der Aufwartsstrecke empfangen wird, wobei daher die Antennenkeulen in diese Winkelbereiche gerichtet werden bzw. in Bezug auf die Interferenz nur in solche Winkelbereiche Nullstellen im Antennendiagramm gelegt werden. Diese Technik, einige Winkelbereiche auszublenden, um z.
B. nur Nullstellen in die Richtung der dominanten Störer zu legen oder Nullstellen in Richtung jener Störer zu vermeiden, die in ungefähr der selben Richtung liegen wie der gewünschte Benutzer und dadurch das Antennendiagramm negativ beeinflussen, ist beispielhaft in Fig. 8 (in Verbindung mit Fig. 7) sowie in den Fig. 9 und 10 veranschaulicht Während Fig. 7 das geschätzte Leistungs-Winkelspektrum des gewünschten Benutzers und der Störer zeigt, veranschaulicht Fig. 8 die Antennenrichtcharakteristik zu diesem Szenario.
In Fig. 7 ist ersichtlich, dass ein Störer und der gewünschte Benutzer ungefähr in der seiben Richtung (+12 bzw. +10 ) liegen. Versucht man die in die Richtung dieses einen Störers gesendete Energie, der auf +12 von der Basisstation aus gesehen liegt, zu verringern, so zeigt die Hauptkeule nicht exakt in die Richtung des gewünschten Benutzers.
Um diesen Effekt zu unterdrücken, besteht die Möglichkeit, den Anteil des einen Störers im Leistungs-Winkelspektrum zu unterdrücken, und dadurch die Verschiebung der Hauptkeule zu verhindern. Diese Anwendung der Modifikation des Leistungs-Winkelspektrums ist in Fig. 9 dargestellt, und Fig. 10 zeigt das entsprechend modifizierte Antennendiagramm
Bei der Verwendung des modifizierten Leistungs-Winkelspektrums zur Strahlformung in der Abwärtsstrecke zeigt nun die Hauptkeule im Antennendiagramm (Fig. 10) wieder in Richtung des gewünschten Benutzers (+10 ). Besonders in CDMA-Systemen (die Systeme der 3.
Mobilfunkgeneration wie UMTS beruhen alle auf CDMA) mit vielen Benutzern, die auf einem Kanal versorgt werden, kann die Trennbarkeit der Benutzer im Winkel (mehrere Benutzer liegen nicht in der selben Richtung, was einen Mindestabstand der Winkel, in der die Benutzer liegen, bedingt) bei weitem nicht gewährleistet werden. Aus diesem Grund kann der hier dargestellte Fall in CDMASystemen häufig auftreten.
Schätzfehler in den Kovarianzmatrizen der Benutzer bzw. der Störer verstärken den hier gezeigten Effekt. In real operierenden Systemen ist das eventuelle Ausblenden von bestimmten Bereichen im Leistungs-Winkelspektrum deshalb oft erforderlich.
Danach wird im Schritt 56 von Fig 6 mit dem geschätzten, modifizierten Leistungs-Winkelspektrum APSk, mod die räumliche Kovarianzmatrix (Korrelationsmatrix) Rk(fs) des Mobilfunkkanals der Abwärtsstrecke der K Benutzer rekonstruiert Dies geschieht nach folgendem Verfahren:
EMI9.1
Das Leistungs-Winkelspektrum kann natürlich nicht kontinuierlich, sondern nur diskret mit einer bestimmten Winkelauflösung bestimmt werden. In ausführlichen Computersimulationen hat sich dabei gezeigt, dass eine Auflösung von rund einem Grad ausreichend ist. Daraus ergibt sich, dass das vorstehende Integral durch eine diskrete Summe mit verhältnismässig wenig Summanden ersetzt werden kann Die diskrete Summe sieht folgendermassen aus: Rk (fs) = #Pk,mod(#i)#a(#i,fS)#aH(#i,fS) #i Pk,mod(#) bezeichnet hier das modifizierte Leistungs-Winkelspektrum des k-ten Benutzers.
Das beschriebene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die gesamte Richtungsinformation des Mobilfunkkanals für die Strahlformung in der Abwärtsstrecke genutzt wird, ohne einen Fehler durch die Duplexfrequenz zu begehen, und daher derselbe Gewinn in der Abwärtsstrecke von zellularen Mobilfunksystemen mit Frequenzduplex möglich ist wie in Zeitduplexsystemen.
Dabei werden keinerlei Annahmen über die Anzahl von diskreten Einfallsrichtungen oder geringen
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Duplexabstand verwendet, und daher ist die beschriebene Technik ohne Einschränkungen einsetzbar. Weiters werden die räumliche Kovananzmatrix bzw. die Kanalimpulsantworten zur Strahlformung der Abwärtsstrecke verwendet, die auch zur Detektion in der Aufwärtsstrecke benötigt werden und daher nicht extra berechnet werden müssen.
Am Ausgang der Frequenztransformation gemäss Block 50 werden somit die Kovarianzmatrizen Rk der Abwärtsstrecke (Rk(fs)) für den k-ten Teilnehmer erhalten, und diese werden abschliessend im Schritt 60 gemäss Fig. 5 der Strahlformung, d. h. der Ermittlung der Antennengewichte für die Abwärtsstrecke, zu Grunde gelegt. Wie bereits erwähnt, können sämtliche bekannte Algorithmen zur Strahlformung verwendet werden, die auf der Kenntnis der räumlichen Kovarianzmatrix beruhen. Im Folgenden wird als Beispiel ein Algorithmus erläutert, der in der Literatur ein Standardalgorithmus zur Berechnung der Antennengewichte in der Aufwärtsstrecke ist (vgl. z. B. P. Zetterberg, und B.
Ottersten: "The Spectrum Efficiency of a Basestation Antenna Array System for Spatially Selective Transmission", IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 44, pp. 651-660, August 1995).
Kennt man die Kovarianzmatrix der einzelnen Benutzer und der Störer, so kann man aus dieser Information die Antennengewichte berechnen. Rk(fs) bezeichnet die Kovarianzmatrix des k-ten Benutzers und Qk (fs) Kovarianzmatrix der Störung für den k-ten Benutzer bei der Sende- frequenz fs. Der Gewichtsvektor wird aus dieser Information als der dominante verallgemeinerte Eigenvektor des Matrixpaares [Rk(fs), Qk(fs)] berechnet. Beim Empfang in der Aufwärtsstrecke maximiert diese Methode das Verhältnis von empfangenem Nutzstörleistungs-Verhältnis SNIRk. In der Abwärtsstrecke wird das Verhältnis von erzeugter Signalleistung für den gewünschten Benutzer zu erzeugter Interferenzleistung für die anderen Benutzer maximiert.
Mathematisch kann man dieses Problem wie folgt darstellen:
EMI10.1
Zur Detektion in der Aufwärtsstrecke verwendet man die Kovarianzmatnzen bei der Empfangsfrequenz und für das Berechnen der Antennengewichte für die Abwärtsstrecke die frequenztransformierten Kovarianzmatrizen (bei der Sendefrequenz der Basisstation). Es wird jedoch der selbe Algorithmus zur Berechnung der komplexen Antennengewichte für das Empfangen und das Senden mit der adaptiven Antenne 1 verwendet.
Aus diesem Grund, und weil die räumliche Kovarianzmatrix für den Empfang in der Aufwärtsstrecke im Allgemeinen verwendet wird, ist dieses Verfahren zur Strahlformung für die Abwärtsstrecke von Systemen mit Frequenzduplex sehr einfach, und man benötigt im Vergleich zur Aufwärtsstrecke nur die Frequenztransformation der räumlichen Kovarianzmatrix zusätzlich, wie schematisch in Fig. 11bei 70 dargestellt ist.
In Fig. 11ist dabei ganz allgemein die Struktur der Signalprozessoreinheit 2 zur Berechnung der Antennengewichte für die adaptive Antenne 1 gezeigt, wobei die Empfangssignale bei 71 schematisch angedeutet sind. Bei 72 ist die Einheit zur Schätzung der Aufwärts-Kovarianzmatrizen Rk veranschaulicht, und die Strahlformungseinheit ist bei 73 gezeigt. Die ermittelten Antennengewichte sind mit Wk(fs) für die Abwärtsstrecke und mit Wk(fE) für die Aufwärtsstrecke bezeichnet.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Strahlformung für mehrere Antennenelemente (1. 1 bis 1.M) enthaltende adaptive Antennengruppen in der Abwärtsstrecke von Frequenzduplexsystemen, wobei für die Antennenelemente (1. 1 bis 1. M) Antennengewichte (Wk(fs)) für das Senden in der Ab- wärtsstrecke auf Basis von Richtungsinformation der Aufwärtsstrecke ermittelt werden, da- durch gekennzeichnet, dass die Antennengewichte (Wk(fs)) für das Senden in der Abwärts- strecke auf Basis des Leistungs-Winkelspektrums (APSk) der Aufwärtsstrecke der einzel- nen Benutzer (B1 bis BK) ermittelt werden, wobei das Leistungs-Winkelspektrum (APSk) durch Ausblenden unerwünschter Bereiche modifiziert wird.