DE10002327A1

DE10002327A1 - Verfahren zur Bestimmung des aktuellen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und zur Leistungsregelung in Mobilfunksystemen mit Codemultiplex

Info

Publication number: DE10002327A1
Application number: DE2000102327
Authority: DE
Inventors: Markus Doetsch; Peter Jung; Joerg Plechinger; Peter Schmidt; Michael Schneider; Tideya Kella
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2001-08-09
Also published as: WO2001054289A2; WO2001054289A3

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des aktuellen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und zur Leistungsregelung in Mobilfunksystemen mit Codemultiplex, bei denen von einer Basisstation zwischen unbekannten Datensymbolen Sequenzen von bekannten Symbolen gesendet werden, wobei die Bestimmung des aktuellen Signal-zu-Rausch-Vehältnisses durch Vergleich der bekannten Symbole mit den entsprechenden, durch Rauschen und Kanalfading veränderten empfangenen Daten erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestim mung des aktuellen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und zur Leistungsregelung in Mobilfunksystemen mit Codemultiplex, bei denen von einer Basisstation zwischen unbekannten Datensymbo len Sequenzen von bekannten Symbolen gesendet werden.

In Wideband CDMA Systemen wird eine schnelle Leistungsrege lung benötigt, um die Systemleistungsfähigkeit zu erhalten. Nicht geregelte Leistung einzelner Teilnehmer kann unter Um ständen dazu führen, daß die Versorgung aller Teilnehmer ei nes Systems unterbunden wird. Um eine zuverlässige Leistungs regelung zu ermöglichen, sendet die Basisstation an die mobi len Teilnehmer denen bekannte Signale, die von diesen zur Leistungsmessung herangezogen werden. Mit Hilfe dieser Mes sungen erlangen die mobilen Teilnehmer Kenntnis über das ak tuelle Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR). Diese Kenntnis wird von den mobilen Teilnehmern dazu verwendet, Leistungssteue rungskommandos an die Basisstation zu senden. Es ist klar, daß eine genaue Messung der Leistung unabdingbar für eine op timierte Systemperformance ist.

Stand der Technik bei heutigen Systemen mit CDMA (ANSI-95) ist die Schätzung des SNR's mit Hilfe von kontinuierlich ge sendeten Pilotsignalen. Da das Empfangssignal sowohl unbe kannte Anteile, in Form von Rauschen und Kanalfading, als auch bekannte Anteile, nämlich die dem Empfänger bekannten Pilotsignale, enthält, läßt sich mit Hilfe der bekannten An teile eine Schätzung des SNR ermitteln. Dieser Stand der Technik zur Leistungsregelung ergibt sich beispielsweise aus dem Buch "CDMA" von Andrew J. Viterbi aus der Addison-Wesley Wireless Communications Series, Seiten 116 bis 119.

Gemäß diesem Stand der Technik beruhte die Leistungsregelung stets auf der Empfangsqualität des gemeinsamen Pilotkanals. Dieser wird jedoch von den Basisstationen stets mit konstan ter Stärke gesendet, während die dezidierten Kanäle, auf de nen die Daten für die einzelnen Mobilfunkempfänger gesendet werden, mit unterschiedlicher Leistung ausgestrahlt werden. Eine Leistungsregelung anhand des gemeinsamen Pilotkanals, wie im Stand der Technik dargestellt, ist daher nicht opti mal.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbes sertes Verfahren zur Bestimmung des aktuellen Signal-zu- Rausch-Verhältnisses und zur Leistungsregelung in Mobilfunk systemen mit Codemultiplex, insbesondere für Mobilfunksysteme nach dem neuen UMTS-Standard zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein solches Verfah ren gelöst, bei dem die Bestimmung des aktuellen Signal-zu- Rausch-Verhältnisses durch Vergleich der bekannten Symbole mit den entsprechenden, durch Rauschen und Kanalfading verän derten empfangenen Daten erfolgt.

Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn zusätzlich zu den be kannten Symbolen auch noch benachbarte Symbole zur Bestimmung des aktuellen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses herangezogen werden.

Besonders bevorzugt ist es dabei, das Empfangssignal für Re al- und Imaginärteil getrennt mit dem Scramblingcode und dem Channelization-Code für jeden RAKE-Finger zu dekorrelieren, so daß für jeden Finger ein dekorreliertes Signal im Codeele menttakt vorhanden ist, und die Signale sodann für Real- und Imaginärteil getrennt entspreizt werden, so daß ein weiterzu verarbeitendes Signal im Symboltakt für Real- und Imaginär teil getrennt vorliegt, und sodann Real- und Imaginärteil kombiniert werden, um so die zur Bestimmung des Signal-zu- Rausch-Verhältnisses dienenden empfangenen Daten zu erhalten.

Wenn gemäß dem UMTS-Standard von der Basisstation zusätzlich im Dauerbetrieb für alle Teilnehmer eine Sequenz von bekann ten Symbolen auf einem gemeinsamen Kanal (Common pilot chan nel) gesendet wird, kann die Bestimmung des Signal-zu-Rausch- Verhältnisses zwischen den Ausstrahlungen der bekannten Sym bole anhand der Veränderung des anhand des im Dauerbetrieb auf dem gemeinsamen Kanal ermittelten Signal-zu-Rausch- Verhältnisses nachgeführt werden, um so Schwankungen der Übertragungsqualität zwischen den einzelnen Aussendungen be kannter Sequenzen ausgleichen zu können.

Weiter lehrt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Lei stungsregelung in Mobilfunksystemen mit Codemultiplex, wobei das gemäß den oben beschriebenen Verfahren ermittelte Signal- zu-Rausch-Verhältnis dazu verwendet wird, um entsprechende Leistungssteuerungskommandos zu berechnen, die an die Basis station gesendet werden, und dort die Sendeleistung der Ba sisstation entsprechend geregelt wird.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu tert. Es zeigt

Fig. 1 die Datenstruktur der einzelnen RAKE-Finger für Real- sowie Imaginärteil; und

Fig. 2 die Träger-Leistungsschätzung für die komplexen Signa le.

Im folgenden soll zuerst die erfindungsgemäße Leistungsrege lung im Empfangspfad dargestellt werden.

Die Leistungsregelung beruht auf einer Leistungsregelung mit geschlossenem Regelkreis, die die Sendeleistung der mobilen Station einstellt, daß das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (si gnal-to-interference ratio = SIR) für das in der Basisstation empfangene Signal auf einem vorgegebenen SIR-Sollwert gehal ten wird. Zu diesem Zweck schätzt die mobile Station die emp fangene Leistung des dedizierten physikalischen Kanals (dedi cated physical channel = DPCH) in Abwärtsrichtung mittels Kombination der Maximalverhältnisse (maximum ratio combining = MRC). Gleichzeitig schätzt die mobile Station die insgesamt in Abwärtsrichtung empfangene Interferenz in dem aktuellen Frequenzband. Auf Basis dieser Messungen werden die Befehle zur Steuerung der Sendeleistung der Basisstation (transmissi on power control = TPC) erzeugt.

Sämtliche o. g. Verarbeitungsschritte können durch Firmware in einem Signalprozessor durchgeführt werden.

Das Signalniveau wird auf der Basis der augenblicklichen Energie der Pilotsymbole gemäß maximum ratio combining (MRC) geschätzt. Dies kann ebenfalls durch Firmware in einem Si gnalprozessor erfolgen.

Die Schätzung für das Signalniveau wird anhand der folgenden Formel berechnet:

wobei N_pilot die Anzahl der Pilotsymbole darstellt, die zur Energieschätzung benutzt werden und _k die Anzahl der emp fangenen Pilotsymbole darstellt.

Das Interferenzniveau wird aufgrund der Schwankung der Ener gie der Pilotbits mittels maximum ratio combining (MRC) ge schätzt.

Das Interferenzniveau wird dabei wie folgt berechnet:

σ_n ² = variance(S_i), i = 0 . . . N_Pilot - 1,

wobei S_i die geschätzte Energie der Pilotsymbole darstellt.

Die Varianz wird mit einem IIR-Filter (Infinite impulse re sponse Filter = Filter mit unbegrenzter Impulsantwort) erster Ordnung gefiltert wie folgt:

γ_n+1 = α.γ_n + (1 - α).σ_n ².

Das geschätzte Signal-zu-Rausch-Verhältnis entspricht dann:

Die Befehle zur Steuerung der Sendeleistung (TPC commands) werden gemäß der folgenden Regeln erzeugt:

SIR_est < SIR_target → TPC = down

SIR_est < SIR_target → TPC = up.

Der Wert SIR_target wird vom Netzwerk in Abhängigkeit von der Dienstgüte eingestellt. Die entsprechenden Steuerbefehle für die Sendeleistung werden mit dem nächsten Zeitschlitz über tragen.

In Senderichtung der mobilen Station erfolgt die Sendelei stungsregelung wie folgt:

Nachdem ein Sendeleistungssteuerbefehl (TPC command) erzeugt worden ist, wird die Sendeleistung sowohl des aufwärtsgerich teten dedizierten physikalischen Steuerkanals (dedicated phy sical control channel = DPCCH) als auch des aufwärtsgerichte ten dedizierten physikalischen Datenkanals (dedicated physi cal data channel = DPDCH) in der vorgegebenen Richtung mit einer Schrittweite von Δ_TPC eingestellt. Die Schrittweite Δ_TPC ist ein Parameter, der zellspezifisch ist, und zwischen 0,25 und 1,5 dB liegen sollte.

Im Falle eines "soft hand over" werden die Steuerkommandos von verschiedenen Basisstationen verglichen und die Sendelei stung wird nur dann heraufgesetzt, wenn alle Basisstationen ein entsprechendes Kommando zur Heraufsetzung der Sendelei stung geben.

Wenn eines der Kommandos der verschiedenen Basisstationen ei ne Herabsetzung der Sendeleistung verlangt, wird die Sende leistung um eine entsprechende Schrittweite Δ_TPC herabgesetzt. Sofern mehr als ein Befehl zur Verringerung der Sendeleistung empfangen wird, wird das Kommando mit der größten Schrittwei te ausgewählt und die Sendeleistung um diese größte Schritt weite herabgesetzt.

Im folgenden werden die mathematischen Grundlagen für die Be stimmung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR) gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert:

Wie bei Codemultiplexsignalen im Mobilfunkverkehr üblich, wird das empfangene Signal in einem RAKE-Empfänger slotweise verarbeitet. Es ergibt sich dabei folgendes Empfangssignal:

e = (e ₁, e ₂, . . . e _N); N = 2560

Das Empfangssignal wird mit dem Scramblingcode und dem Chan nelizationcode für jeden Finger dekorreliert, so daß für je den Finger ein dekorreliertes Signal im Chiptakt vorhanden ist. Die Dekorrelation wird für Real- und Imaginärteil ge trennt durchgeführt.

Es gilt:

c_i ist dabei die Codefolge, die zum aktuellen Slot gehört.

Die Datenstruktur sowohl für Real- als auch für Imaginärteil ist in Fig. 1 dargestellt.

Nun erfolgt ein Desprading der Signale für Real- und Imagi närteil, so daß das weiter zu verarbeitende Signal im Symbol takt vorliegt:

Nun liegt für jeden Finger ein Signal im Symboltakt für I (= Inphase) und Q (= Quadratur)-Kanal vor. Real- und Imaginär teil werden kombiniert und zur Kanalschätzung verrechnet.

d ^j = (d₁ ^j, d₂ ^j . . . d_N ^j _-symbol-slot)

Die Kanalschätzung wird mit den bekannten Pilotsymbolen fol gendermaßen ausgeführt:

Sodann erfolgt die Gewichtung und Kombination der Symbole:

Nun kann die Schätzung der Leistung erfolgen:

Die Trägerleistungsschätzung wird mit auf die reelle Achse projizierten Ausgangswerten aus dem Combiner durchgeführt:

Der erste Term in der Formel für C_est nutzt die bekannten Pi lotsymbole;
Annahme ist:

wobei (s _pilot) ein Betragsquadrat von 1 aufweist.

Der zweite Term dreht die Outputs aus dem Combiner in Rich tung auf die reelle Achse:

Dies ist in Fig. 2 dargestellt.

Der Realteil beider Ausdrücke aufsummiert ergibt normiert auf die Anzahl der zur Berechnung benutzten Symbole die empfange ne Nutzleistung.

Die Interferenzschätzung wird nur mit Hilfe der Pilotsymbole durchgeführt:

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des aktuellen Signal-zu-Rausch- Verhältnisses in Mobilfunksystemen mit Codemultiplex, bei de nen von einer Basisstation zwischen unbekannten Datensymbolen Sequenzen von bekannten Symbolen gesendet werden, da durch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des aktuellen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses durch Vergleich der bekannten Symbole mit den entsprechenden, durch Rauschen und Kanalfading veränderten empfangenen Daten erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zusätzlich zu den bekannten Symbolen auch noch benachbarte Datensymbole zur Bestimmung des aktuel len Signal-zu-Rausch-Verhältnisses herangezogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das Empfangssignal für Real- und Imaginärteil getrennt mit dem Scrambling-Code und dem Channe lization-Code für jeden RAKE-Finger dekorreliert wird, so daß für jeden Finger ein dekorreliertes Signal im Chiptakt vor handen ist und die Signale sodann für Real- und Imaginärteil getrennt entspreizt werden, so daß ein weiterzuverarbeitendes Signal im Symboltakt für Real- und Imaginärteil getrennt vor liegt, und sodann Real- und Imaginärteil kombiniert werden, um so die zur Bestimmung des Singal-zu-Rausch-Verhältnisses dienenden empfangenen Daten erhalten werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei von der Basisstation zusätzlich im Dauerbetrieb für alle Teilnehmer eine Sequenz von bekannten Symbolen auf einen gemeinsamen Ka nal (common pilot channel) gesendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Signal- zu-Rausch-Verhältnisses zwischen den Ausstrahlungen der be kannten Symbole anhand der Veränderung des anhand des im Dau erbetrieb auf dem gemeinsamen Kanal ermittelten Signal-zu- Rausch-Verhältnisses nachgeführt wird.

5. Verfahren zur Leistungsregelung in Mobilfunksystemen mit Codemultiplex, dadurch gekennzeichnet, daß das gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 ermittelte Signal zu-Rausch-Verhältnis dazu verwendet wird, um entsprechende Leistungssteuerungskommandos zu berechnen, die an die Basis station gesendet werden, und dort die Sendeleistung der Ba sisstation entsprechend geregelt wird.