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Verfahren
zur Strahlungsdiagrammformung in einem Funkkommunikationssystem.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlungsdiagrammformung in
einer Verbindung zwischen einem Teilnehmer und einer Basisstation
mit adaptiver Antennenanordnung in einem Funkkommunikationssystem
mit Vielfachzugriffsverfahren.
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Bei
Funkkommunikationssystemen, insbesondere Mobilfunksystemen, sind
verschiedene Konzepte zur Empfangsverbesserung bei Verbindungen zwischen
einem Teilnehmer und einer Basisstation bekannt.
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Ein
erstes Konzept verwendet dazu beispielsweise bei der Basisstation
zum Empfang von Teilnehmersignalen in einer Uplink-Verbindung eine Phased-Array-Antennenanordnung
als Antennenanordnung, wobei die Antennenanordnung mehrere Einzelantennen
und mehrere Strahlungsdiagramme aufweist. Jedes einzelne der Strahlungsdiagramme ist
dabei fest auf einen räumlichen
Bereich für
dessen Versorgung ausgerichtet. Ein von einem einzelnen Teilnehmer
gesendetes Teilnehmersignal wird entsprechend der Anzahl der Einzelantennen über diese als
Antennensignale empfangen, die mit Hilfe einer gemeinsamen Strahlformungseinheit
als gewichtete Summensignale an Ausgänge der Strahlformungseinheit
gelangen. Dabei ist jedem Ausgang der Strahlformungseinheit genau
ein Strahlungsdiagramm zugeordnet.
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Die
gewichteten Summensignale gelangen an eine der Strahlformungseinheit
nachgeschaltete, benutzerspezifische Strahlungsdiagramm-Auswahlschaltung
zur weiteren Verarbeitung, deren Ausgangssignal wiederum neben dem
Signal eines gewünschten Teilnehmers
noch eine Untermenge an Signalen von weiteren Teilnehmern enthält, die
räumlich
dem gleichen Strahlungsdiagramm zugeordnet sind wie der gewünschte Teilnehmer.
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Bei
diesem ersten Konzept wird also für alle Teilnehmer, bzw. für deren
Teilnehmersignale, an der Basisstation eine gemeinsame Strahlungsdiagrammformung
durchgeführt.
Die einzelnen Teilnehmersignale werden, abhängig von ihrem jeweiligen Standort,
durch die Strahlungsdiagramme bzw. deren Strahlungsdiagrammcharakteristik
im Empfangsfall quasi verstärkt
oder gedämpft,
wobei jedes einzelne Strahlungsdiagramm wiederum genau einem der Ausgänge der
Strahlformungseinheit zugeordnet ist.
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Durch
die sehr robust durchführbare
Realisierung dieses ersten Konzepts kann im Funkkommunikationssystem
sowohl die Versorgung als auch die Systemkapazität verbessert werden. Weiter
können
störende
Interferenzsignale von Teilnehmern unterdrückt werden, die sich im Vergleich
zu einem ersten Teilnehmer in einem räumlichen Bereich befinden,
der einem benachbarten Strahlungsdiagramm zugeordnet ist. Eine Unterdrückung von
störenden Interferenzsignalen
von Teilnehmern, die gemeinsam mit Hilfe des gleichen Strahlungsdiagramms
versorgt werden, ist nicht möglich.
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Durch
eine Auswahl einer begrenzten Anzahl an vorgeformten Strahlungsdiagrammen
wird die räumliche
Auflösung
reduziert.
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Bei
einem zweiten Konzept wird zum Empfang von Teilnehmersignalen an
der Basisstation eine Antennenanordnung mit Einzelantennen verwendet.
Jedoch erfolgt nun keine starre Zuordnung von festen Strahlungsdiagrammen
bzw. räumlichen Bereichen
zu den Teilnehmern mehr, sondern es werden die durch die Einzelantennen
empfangenen Antennensignale direkt und benutzerspe zifisch verarbeitet,
die einzelnen Antennensignale also adaptiv miteinander kombiniert.
Bei Funkkommunikationssystemen mit CDMA-Vielfachzugriffsverfahren
geschieht dies beispielsweise mit Hilfe eines „Eigen-Beamformers".
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Dieses
zweite Konzept wird charakterisiert durch eine volle Anpassungsfähigkeit
des Funkkommunikationssystems an die jeweilige Übertragungs- bzw. Interferenzsituation.
Mit Hilfe von technisch ausgereiften Algorithmen und einer benutzerspezifischen,
adaptiven Berechnung von beliebigen Strahlungsdiagrammen (Beams),
ergeben sich gute Möglichkeiten
zur Unterdrückung
von störenden
Interferenzsignalen. Eine Optimierung eines Empfangssignals bezüglich Rauschen
und Interferenz ist dadurch möglich
und erfolgt anhand eines „Signal-To-Noise-and-Interference-Ratio-Werts" (SINR).
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Dies
bedingt jedoch eine hohe Komplexität und erhöhten Rechenaufwand durch die
benutzerspezifische Verarbeitung der Teilnehmersignale, beispielsweise
durch den Eigen-Beamformer, was besonders bei einer Verarbeitung
von Spread-Spectrum-Empfangssignalen
der Fall ist.
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Aus
DE 3110532C2 ist
eine phasengesteuerte Antenne bekannt, mit deren Hilfe eine Raumposition
eines Ziels derart bestimmt wird, dass durch Mehrwegeausbreitung
verursachte Störsignale
aus unerwünschten
Richtungen unterdrückt
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Verbindung innerhalb
eines Funkkommunikationssystems den Empfang von Teilnehmersignalen
bezüglich
eines Signal-To-Noise-and-Interference-Ratio-Werts
unter Einsatz einer benutzerspezifischen adaptiven Auswertung zu
optimieren, bei einer gleichzeitigen Reduzierung der dadurch verursachten
Komplexität.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Durch
die erfindungsgemäße Kombination des
gemeinsamen Strahlformungsnetzwerks, mit dessen Hilfe eine Signalvorverarbeitung
bzw. eine Strahlungsdiagrammvorauswahl stattfindet, einerseits und
der benutzerspezifischen Strahlformungseinheit andererseits, wird
eine Empfangssituation auf einen vorgegebenen SINR-Wert angepasst.
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Durch
die erfindungsgemäße Kombination wird,
vergleichend mit der ausschließlichen
benutzerspezifischen Verarbeitung der Antennen- bzw. Teilnehmersignale,
bei einem im wesentlichen gleichbleibenden SINR-Wert eine Verringerung
der Komplexität
und eine Verringerung an Rechenleistung bei nur geringem Mehraufwand
an Hard- und Software und eine Reduzierung von Datenraten erreicht.
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Durch
die mit Hilfe eines Selectors vorteilhaft erfolgende benutzerspezifische
Auswahl einer Untermenge von Strahlungsdiagrammen und einer weiteren
Verarbeitung mit Hilfe von beispielsweise einem Eigen-Beamformer,
erfolgt eine Konzentration von Energie. Mit Hilfe des gemeinsamen
Strahlformungsnetzwerks wird eine räumliche Vorverarbeitung realisiert.
Mit Hilfe des Selectors werden diejenigen Eingangssignale der Strahlformungseinheit
ausgewählt, die
ein optimales Verhältnis
vom jeweiligen Teilnehmernutzsignal zu störenden Interferenzsignalen
und Rauschen bilden oder deren benutzerspezifische gewichtete Kombination
ein optimales Verhältnis
vom jeweiligen Teilnehmernutzsignal zu störenden Interferenzsignalen
und Rauschen bilden.
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Durch
eine Benutzung des gemeinsamen Strahlformungsnetzwerks und optimierter
benutzerspezifischer Algorithmen der Strahlformungseinheit erfolgt
ein anpassungsfähiger
Austausch zwischen der Komplexität
einerseits und der Systemkapazität an dererseits.
Durch die erfindungsgemäße Kombination
des ersten als auch des zweiten Konzepts erfolgt, verglichen mit
den einzelnen Konzepten, der Austausch im wesentlichen ohne Beschränkungen bzw.
Nachteile. Beispielsweise sind die Einzelantennen und die einzelnen
Strahlungsdiagramme (transformed domain), von einem theoretischen
Standpunkt aus betrachtet, einander gleichartig, falls alle Kb Ausgänge des
gemeinsamen Strahlformungsnetzwerks durch den Selector zur Weiterverarbeitung in
der benutzerspezifischen Strahlformungseinheit ausgewählt werden.
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Der
Vorteil der räumlichen
Vorverarbeitung mit Hilfe des gemeinsamen Strahlformungsnetzwerks
ist die Einrichtung von geeigneten Signalverhältnissen (Energiekonzentrationen),
die es erlauben, die adaptiven, benutzerspezifischen Algorithmen
einfacher zu gestalten bzw. deren Dimensionen zu reduzieren.
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Im
folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Dabei
zeigt:
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1 ein
Verfahren zur gemeinsamen Strahlungsdiagrammformung nach dem Stand
der Technik,
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2 ein
Verfahren zur benutzerspezifischen Strahlungsdiagrammformung nach
dem Stand der Technik,
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3 ein
Schaltbeispiel zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
und
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4 ein
Schaltbeispiel zur Realisierung der benutzerspezifischen Strahlformungseinheit
in einer Schaltung nach 3.
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1 zeigt
ein Verfahren zur gemeinsamen Strahlungsdiagrammformung nach dem
Stand der Technik.
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Ein
von einem ersten Teilnehmer TN1 gesendetes Signal T × 1 wird
mit Hilfe einer adaptiven Antennenanordnung ANT empfangen. Die Antennenanordnung
ist beispielsweise als Phased-Array-Antennenanordnung
ausgeführt
und weist insgesamt Kb Strahlungsdiagramme auf, die zueinander horizontal versetzt
angeordnet sind, wodurch jedes einzelne Strahlungsdiagramm jeweils
einen räumlichen
Bereich des Funkkommunikationssystems fest abdeckt.
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Die
Antennenanordnung ANT weist zur Erzeugung der Kb Strahlungsdiagramme
insgesamt Ka Einzelantennen ANT1, ANT2,..., ANTa auf, über die Teilnehmersignale
von insgesamt Ku Teilnehmern empfangen werden. Die Einzelantennen
ANT1 bis ANTa empfangen das vom ersten Teilnehmer TN1 gesendete
Signal T × 1
als Ka Antennensignale R × 1,
R × 2,...,
R × a,
die als Eingangssignale an ein gemeinsames Netzwerk zur Strahlungsdiagrammformung,
dem Strahlformungsnetzwerk CBF1, gelangen, das daher Ka Eingänge E1,
E2,..., Ea zur Aufnahme der Ka Antennensignale R × 1 bis
R × a
und insgesamt Kb Ausgänge
A1, A2,..., Ab aufweist. Dabei wird jedem einzelnen der Kb Ausgänge A1 bis
Ab genau eines der Kb Strahlungsdiagramme fest zugeordnet.
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Mit
Hilfe des gemeinsamen Strahlformungsnetzwerks CBF1 werden die Ka
Antennensignale R × 1,
R × 2,...,
R × a
des ersten Teilnehmers TN1 zu Kb gewichteten Summensignalen RXS1,
RXS2, ...,RXSb zusammengefasst, die an die einzelnen Kb Ausgänge A1 bis
Ab des gemeinsamen Strahlformungsnetzwerks CBF1 gelangen. Somit
ist jedem einzelnen Summensignal RXS1 bis RXSb abhängig vom
jeweiligen Ausgang A1 bis Ab genau eines der Kb Strahlungsdiagramme
zuordenbar. Abhängig
von der Position des Teilnehmers TN1 im Funkkommunikationssystem
sind seine Summensignale unterschiedlich stark und damit gewichtet.
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Diese
Zuordnung wird für
alle Ku Teilnehmer gemeinsam durchgeführt, wobei die so gebildeten Summensignale
RXS1 bis RXSb eines einzelnen Teilnehmers zusammen mit denen aller
anderen Teilnehmer als Gesamtsignale RS1, RS2,...,RSb über die
jeweils zugeordneten Ausgänge
A1, A2,..., Ab des gemeinsamen Strahlformungsnetzwerks CBF1 als
Eingangssignale an Kb Eingänge
EE1, EE2,..., Eeb einer benutzerspezifische Strahlungsdiagramm-Auswahlschaltung
USS1 zur weiteren Verarbeitung gelangen. Mit deren Hilfe wird für jeden
einzelnen Teilnehmer ein Ausgangssignal erzeugt, das neben dem Signal
eines gewünschten
Teilnehmers nur noch eine Untermenge an Signalen derjenigen Teilnehmer
enthält,
die räumlich
demselben Strahlungsdiagramm zugeordnet sind. Beispielsweise enthält das Ausgangssignal
für den
gewünschten
Teilnehmer TN1 noch Signalanteile eines Teilnehmers TN2.
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Das
gemeinsame Strahlformungsnetzwerk CBF1 kann dabei eine Butler-Matrix
enthalten, wobei vorzugsweise eine N × N Butlermatrix mit der jeweils gleichen
Anzahl an Eingängen
und Ausgängen
zur Anwendung kommt. Das jeweilige Summensignal wird hier trägerfrequent
gebildet, anschließend
ins Basisband umgesetzt und analog-digital gewandelt und ist hier
nicht dargestellt, während
eine benutzerspezifische Weiterverarbeitung dann im Basisband erfolgt.
Sinngemäß ist dabei
auch eine zuerst erfolgende Umsetzung der einzelnen Antennensignale ins
Basisband und eine nachfolgend Summensignalbildung und benutzerspezifische
Weiterverarbeitung möglich.
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Das
hier geschilderte Verfahren wird durch die geringe Komplexität des Funkkommunikationssystems
charakterisiert, die durch das gemeinsames Strahlformungsnetzwerk
CBF1 und der nachfolgenden benutzerspezifischen Auswahl von jedem
einzelnen der Ku Teilnehmersignale erzielt wird.
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Durch
die Auswahl von in der Anzahl begrenzten, vorgeformten Strahlungsdiagrammen
wird die räumliche
Auflösung
reduziert. Weiter können
bei diesem Verfahren keine Interferenzsignale unterdrückt werden,
die räumlich
demselben Strahlungsdiagramm zugeordnet sind.
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2 zeigt
ein Verfahren zur benutzerspezifischen Strahlungsdiagrammformung
nach dem Stand der Technik. Vergleichend mit 1 gelangt ein
mit Hilfe der Antennenanordnung ANT, bzw. ein durch die Ka Einzelantennen
ANT1, ANT2, ..., ANTa empfangenes Teilnehmersignal eines Teilnehmers TN1
als Ka Antennensignale R × 1,
R × 2,...,
R × a
an insgesamt Ka Eingänge
einer benutzerspezifischen, adaptiven Strahlformungseinheit ABF1,
mit deren Hilfe eine Berechnung von benutzerspezifischen Strahlungsdiagrammen
erfolgt.
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Die
benutzerspezifische, adaptive Strahlformungseinheit ABF1 kann beispielsweise
bei Funkkommunikationssystemen mit CDMA-Zugriffsverfahren mit Hilfe eines Eigen-Beamformers
erfolgen.
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Das
hier geschilderte benutzerspezifische adaptive Verfahren wird charakterisiert
durch die Möglichkeit,
störende
Interfernzsignale benutzerspezifisch gezielt auszublenden, durch
eine volle Adaptivität
der für
jeden der Ku Teilnehmer jeweils berechneten Strahlungsdiagramme.
Dies bedingt allerdings eine hohe Komplexität des Funkkommunikationssystems.
Beispielsweise werden hier mit Hilfe der Strahlungsdiagramme störende Interferenzsignale
TX2 und TX3 von Teilnehmern TN2 und TN3 gezielt von einem Nutzsignal
TX1 eines Teilnehmers TN1 getrennt und ausgeblendet.
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3 zeigt
ein Schaltbeispiel zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Vergleichend mit 1 und 2 wird die
gemeinsame Strahlungsdiagrammformung mit der benutzerspezifischen
Strahlungsdiagrammformung kombiniert.
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Die
mit Hilfe der Ka Einzelantennen ANT1 bis ANTa empfangenen Ka Antennensignale
R × 1 bis
R × a
eines Teilnehmers TN1, der ein Teilnehmersignal TX1 gesendet hat,
gelangen als Ka Eingangssignale an ein gemeinsames Strahlformungsnetzwerk
CBF1, das insgesamt Ka Eingänge
E1, E2,..., Ea zur Aufnahme der Ka Antennensignale R × 1 bis R × a aufweist.
Das gemeinsame Strahlformungsnetzwerk CBF1 bildet daraus Kb Summensignale RXS1,
RXS2, RXSb, die an insgesamt Kb Ausgänge A1, A2,..., Ab des gemeinsamen
Strahlformungsnetzwerks gelangen. Jedem einzelnen der Kb Ausgänge A1,
A2,..., Ab ist dabei jeweils eines von Kb Strahlungsdiagrammen fest
zugeordnet.
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Diese
Zuordnung wird für
alle Ku Teilnehmer gemeinsam durchgeführt, wobei die so gebildeten Summensignale
RXS1 bis RXSb eines einzelnen Teilnehmers zusammen mit denen aller
anderen Teilnehmer als Gesamtsignale RS1, RS2,...,RSb über die
jeweils zugeordneten Ausgänge
A1, A2,..., Ab des gemeinsamen Strahlformungsnetzwerks CBF1 als
Eingangssignale an Kb Eingänge
EI1, EI2,..., Eib einer benutzerspezifischen Strahlformungseinheit ABF1
gelangen, mit deren Hilfe eine benutzerspezifischen Auswahl einer
Untermenge von Strahlungsdiagrammen bzw. eine benutzerspezifische
Verarbeitung dieser Untermenge erfolgt.
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Erfindungsgemäß vereint
diese Kombination die Vorteile der beiden in den 1 und 2 geschilderten
Verfahren, im besonderen die volle Adaptivität und die Unterdrückung von
störenden
Interferenzsignalen, bei einer gleichzeitigen Reduzie rung der Komplexität, die durch
das gemeinsame Strahlformungsnetzwerk CBF1 in Kombination mit der
benutzerspezifischen Auswahl erreicht wird.
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4 zeigt
ein Schaltbeispiel zur Realisierung der benutzerspezifischen Strahlformungseinheit ABF1
in einer Schaltung nach 3. Dabei wird beispielhaft ein
Funkkommunikationssystem mit CDMA-Zugriffsverfahren vorausgesetzt.
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Die
Gesamtsignale RS1, RS2,...,RSb aller Ku Teilnehmer gelangen als
Eingangssignale an die Kb Eingänge
EI1, EI2,..., Eib der benutzerspezifischen Strahlformungseinheit
ABF1, die einen Eigen-Beamformer EBF und einen Selector S aufweist. Mit
Hilfe des Selectors S erfolgt eine benutzerspezifische Auswahl einer
Teilmenge Kc aus den Kb Gesamtsignalen der insgesamt Ku Teilnehmer.
Diese ausgewählte
Teilmenge Kc wird dem Eigen-Beamformer EBF als Eingangssignale zugeführt.
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Der
Eigen-Beamformer EBF bildet aus den Signalen der Teilmenge Kc mit
Hilfe einer dort angeordneten Interferenz-Kovarianz-Schätzeinrichtung IKS eine Interferenz-Kovarianz-Matrix und mit Hilfe einer
ebenfalls dort angeordneten Signal-Kovarianz-Schätzeinrichtung SKS eine Signal-Kovarianzmatrix aus
den jeweils zugeführten
Signalen der Teilmenge Kc.
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Mit
Hilfe der Signal-Kovarianz-Matrix und der Interferenz-Kovarianz-Matrix
werden durch eine Gewichtungseinrichtung GEW über Eigenwertzerlegungen jeweils
adaptiv und benutzerspezifisch Gewichte berechnet, die an einen
Combiner CB gelangen.
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Die
Signale der Teilmenge Kc gelangen als Ausgangssignale des Selectors
an eine Entspreizeinrichtung ENT, mit deren Hilfe sie als entspreizte Eingangssignale
ebenfalls an den Combiner CB gelangen. Mit Hilfe des Combiners werden
die Kc Ausgangssignale des Selectors gewichtet und aufaddiert. Diese
benutzerspezifischen Summensignale werden weiterverarbeitet.
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Zusammengefasst
werden also mit Hilfe des gemeinsamen Strahlformungsnetzwerks CBF1
den Antennensignalen Strahlungsdiagramme zugeordnet. Ein auswählender
Selector S wählt
aus den Gesamtsignalen RS1 bis RSb benutzerspezifisch eine Teilmenge
Kc aus, die kleiner gleich der Anzahl der Strahlungsdiagramme Kb
der Antennenanordnung ist. Dies erfolgt für jeden einzelnen der insgesamt
Ku Teilnehmer. An den Signalen der Teilmenge Kc wird mit Hilfe der
Strahlformungseinheit ABF1 ein Eigenstrahlungsdiagramm-Formungsalgorithmus
durchgeführt.
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Sowohl
Entspreizung, Schätzung
der Kovarianzmatrix als auch Eigenwertzerlegung wird durch die Vorauswahl
von Strahlungsdiagrammen mit Hilfe des gemeinsamen Strahlformungsnetzwerks
CBF1 vereinfacht, die Komplexität
wird insgesamt reduziert.
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Mit
Hilfe des Selectors S ist dabei erfindungsgemäß ein fließender Übergang zwischen einer reinen
gemeinsamen Strahlungsdiagrammformung und einer reinen benutzerspezifischen
Strahlungsdiagrammformung möglich.
Dieser Übergang wird
eingestellt durch die jeweils aus den Gesamtsignalen ausgewählte Teilmenge
Kc. Wird Kc mit dem Wert 1 belegt, so wird einer der Kb Eingänge EI1
bis Eib betrachtet, was einer gemeinsamen Strahlungsdiagrammformung
entspricht. Wird als Teilmenge Kc mit Kb belegt, so entspricht dies
einer rein benutzerspezifischen Strahlungsdiagrammformung.