DE10014394B4

DE10014394B4 - Verfahren zur Störsignalleistungsermittlung von über eine Funkschnittstelle eines Funk-Kommunikationssystems übertragenen Signalen

Info

Publication number: DE10014394B4
Application number: DE10014394A
Authority: DE
Inventors: Christina Dr.-Ing. Breining
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2020-03-24
Also published as: DE10014394A1

Abstract

Verfahren zur Störsignalleistungsermittlung von über eine Funkschnittstelle eines Funk-Kommunikationssystems übertragenen Signalen, wobei
die über die Funkschnittstelle übertragenen Signale (SI_TX) mittels einer Antenneneinrichtung (A) empfangen und demoduliert werden,
die empfangenen, demodulierten Signale (SI_RX) anhand ihrer Phasenlage in Real- (SI_RES,R) und Imaginärteil (SI_RES,I) aufgespalten werden,
die Störsignalleistung (PV1) aus der Leistung der Imaginärteile (SI_RES,I) der empfangenen, demodulierten Signale berechnet wird.

Description

Ein Schlüsselproblem bei der Signalübertragung mittels Bandspreiztechnik in Funk-Kommunikationssystemen besteht in der Leistungsregelung von Teilnehmerstationen. Die Bandspreiztechnik wurde entwickelt, um die für die Datenübertragung vorhandenen Übertragungsfrequenzen effizienter auszunutzen. Weitere Motive sind eine Erhöhung der Datenübertragungsraten sowie eine Verbesserung der Störsicherheit und der Signalqualität.

Durch die Bandspreiztechnik werden zu übertragene Signale senderseitig mittels eines Codes hinsichtlich ihres Signalspektrums gespreizt und verschlüsselt. Charakteristisch für die Bandspreiztechnik ist, daß zur Signalübertragung eine wesentlich größere Bandbreite als bei konventionellen Übertragungstechniken genutzt wird. Die senderseitige Spreizung der Signale wird im Empfänger wieder rückgängig gemacht. Voraussetzung dafür ist, daß der jeweilige senderseitig verwendete Spreizcode auch im Empfänger bekannt ist und daß Sender und Empfänger aufeinander synchronisiert sind. Werden mehrere Funkverbindungen mit zueinander unkorrelierten Spreizcodes betrieben, so tritt die Summe der Nutzsignale aller fremden Funkverbindungen als unkorreliertes Störsignal einer imaginären Funkverbindung in Erscheinung. Die Obergrenze für die Anzahl gleichzeitig betreibbarer Funkverbindungen ist vom zulässigen Signal-Stör-Verhältnis am Ausgang eines Empfängers abhängig. Aus diesem Grund kommt der Störsignalleistungsermittlung in Funk-Kommunikationssystemen mit codebezogener Teilnehmerseparierung eine zentrale Bedeutung für die Regelung der Sendeleistungen von Teilnehmerstationen zu. Bereits geringe Ungenauigkeiten bei der Leistungsregelung führen wie derum zu einer nachhaltigen Reduzierung der erzielbaren Übertragungskapazität.

In Funk-Kommunikationssystemen mit codebezogener Teilnehmerseparierung reguliert jede Teilnehmerstation ihre Sendeleistung in Abhängigkeit der Auslastung der Funkschnittstelle durch andere Teilnehmerstationen. Aus diesem Grund mißt eine Basisstation die Störsignalleistung im Empfangssignal jeder Teilnehmerstation und teilt der Teilnehmerstation nach einem Vergleich mit einem Ziel-Signal-Stör-Verhältnis mit, ob ihre Sendeleistung zu hoch oder zu niedrig ist. Dies dient der Sicherstellung einer ausreichend geringen Bitfehlerrate für Funkverbindungen. In entsprechender Weise ist auch die Leistungsregelung für die von der Basisstation ausgestrahlten Sendesignale realisiert.

Bei bisherigen Verfahren zur Störsignalleistungsermittlung werden vorbekannte Symbole oder vorläufige Decodierungsergebnisse verwendet (Fumiyuki Adachi et al: "Wideband DS-CDMA for Next-Generation Mobile Communications Systems", IEEE Communications Magazine, Sept. 1998, S. 56–69; insbesondere der Abschnitt "FAST TPC (transmit power control)"). Da jedoch nur ein Bruchteil der über die Funkschnittstelle übertragenen Symbole Pilotsymbole sind und die Anzahl der für die Störsignalleistungsermittlung verwertbaren Symbole damit zeitlich gesehen gering ist, weisen die bisher zur Störsignalleistungsermittlung genutzten Verfahren den Nachteil einer großen Schätzvarianz auf. Aufgrund der Zeitvarianz von Übertragungskanälen und der zeitlich variierenden Sendeleistungen von Basis- und Teilnehmerstationen kann die Schätzvarianz jedoch nicht beliebig durch einen längeren Schätzzeitraum ausgeglichen werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein genaues und möglichst verzögerungsarmes Verfahren zur Störsignalleistungsermittlung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 zu entnehmen.

Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß mittels einer Antenneneinrichtung empfangene und nachfolgend demodulierte Signale anhand ihrer Phasenlage in Real- und Imaginärteil aufgespalten werden. Während die Realteile der empfangenen, demodulierten Signale beispielsweise zu einer Decodierung weitergeleitet werden, werden die bisher ungenutzten Imaginärteile der empfangenen, demodulierten Signale für eine Berechnung einer Störsignalleistung ausgewählt. Diese Vorgehensweise ist möglich, da die Leistung der Imaginärteile der empfangenen, demodulierten Signale annähernd gleich der Störsignalleistung ist. Der zusätzliche Hardwareaufwand zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist äußerst gering.

Zur Kompensation der Mehrwegeausbreitung von Funksignalen werden bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens Signalkomponenten, die zu einem gemeinsamen Originärsignal gehören, zu einem resultierenden Signal zusammengefaßt. Das Originärsignal entspricht dabei dem ursprünglichen sendeseitig abgestrahlten Signal, während das resultierende Signal eine Rekonstruktion des ursprünglichen Signals darstellt.

Voraussetzung für eine erfolgreiche Zusammenfassung von Signalkomponenten zu einem resultierenden Signal ist eine hinreichende Korrelation zwischen den einzelnen Signalkomponenten.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt nach einem Zusammenfassen von zu einem Originärsignal gehörigen Signalkomponenten zu einem resultierenden Signal eine Leistungsmessung. Auf Grundlage eines Quotienten aus der Störsignalleistung und aus einer Differenz zwischen einem bei der Leistungsmessung ermittelten Wert und der Störsignalleistung wird ein Signal-Stör-Verhältnis berechnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß 1 werden über eine Funkschnittstelle eines Funk-Kommunikationssystems übertragene Signale SI_TX von einer Antenneneinrichtung A empfangen, die entweder einer Basisstation oder einer Teilnehmerstation zugeordnet ist. Von der Antenneneinrichtung A empfangene Signale SI_RX werden demoduliert und einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung DSP zugeführt. Dort werden zu einem Originärsignal gehörige Signalkomponenten zu einem resultierenden Signal zusammengefaßt. Das resultierende Signal wird anhand seiner Phasenlage in einen Realteil SI_RES,R und in einen Imaginärteil SI_RES,I aufgespalten. Die digitale Signalverarbeitungseinrichtung DSP ist typischerweise ein Bestandteil eines Rake-Empfängers, der zur Kompensation von durch Mehrwegeausbreitung bedingten Störungen der übertragenen Signale SI_TX dient.
Nach dem Zusammenfassen der Signalkomponenten erfolgt in einer ersten Leistungsmeßeinrichtung PM1 eine Berechnung einer Störsignalleistung PV1. Für die Berechnung der Störsignalleistung werden die Imaginärteile SI_RES,I der resultierenden Signale ausgewählt. In einer zweiten Leistungsmeßeinrichtung PM2 wird eine Nutz- und Störsignalanteile umfassende Leistungsmessung durchgeführt, aus der ein Leistungswert PV2 hervorgeht. Aus der Störsignalleistung PV1 und dem Leistungswert PV2 wird das Signal-Stör-Verhältnis SIR in einer Recheneinrichtung SIRM ermittelt.
Wie 1 zu entnehmen ist, kann das ermittelte Signal-Stör-Verhältnis SIR einer Decodierungseinrichtung DEC zu Normierungszwecken zugeführt werden. Im Realteil SI_RES,R des resultierenden Signals sind zu codierten Symbolen gehörige Informationen enthalten. Die zu decodierenden Symbole werden mittels des berechneten Signal-Stör-Verhältnisses SIR zur Bereitstellung eines decodierten Signals SI_DEC normiert. Die Berechnung des Signal-Stör-Verhältnisses SIR wird nachfolgend detailliert erläutert.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden über die Funkschnittstelle zu übertragenen Signale für eine Teilnehmerseparierung mit einem Bandspreizcode moduliert. Die empfangenen Signale SI_RX werden in der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung DSP durch eine erneute Modulation mit dem Bandspreizcode entspreizt. Dies bewirkt eine Rücktransformation in das ursprüngliche Frequenzspektrum. Vorzugsweise erfolgen die Störsignalleistungsermittlung und die Leistungsmessung in Zeitintervallen, die durch eine feste Zeitdauer von zeitkontinuierlichen, einen Bandspreizcode bildenden Elementen vorgegeben sind.
Für Verkehrs- und Signalisierungskanäle werden nachfolgend unterschiedliche Bandspreizcodes verwendet. Die jeweiligen Bandspreizcodes lassen sich durch Spreizfaktoren beschreiben, wobei SF_q den Spreizfaktor für einen Signalisierungskanal und SF_i den Spreizfaktor für einen Verkehrskanal beschreibt. Für die nachfolgenden Betrachtungen wird angenommen, daß die zeitkontinuierlichen, einen Bandspreizcode bildenden Elemente durch Chips realisiert sind. Je Chip ergibt sich wiederum eine feste Anzahl von Subchips. Die Anzahl von Subchips pro Chips ist durch einen Oversamplingfaktor OSF (Überabtastfaktor) bestimmt, durch welchen die Abtastintervalle für die Leistungsmessung festgelegt sind. Für die weiteren Betrachtungen wird angenommen, daß der Oversamplingfaktor OSF identisch mit der Anzahl der Subchips pro Chip ist. Die Zeitpunkte, zu denen die Leistung der empfangenen Signale SI_RX abgetastet wird, ist durch den Ausdruck k·SF_q festgelegt, wobei k ein Zeitargument darstellt. Die Leistung wird somit als mittlere Energie der empfangenen Signale SI_RX während der Dauer eines Subchips berechnet.
Die Leistung der empfangenen Signale SI_RX gibt somit die auf ein Subchip normierte Energie der empfangenen Signale SI_RX während eines Zeitraums wieder, für den die Energie als ausreichend konstant angesehen werden kann. Vorzugsweise ist in der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung DSP eine Tiefpaßfilterung der empfangenen Signale SI_RX vorzunehmen. Das Tiefpaßfilter kann beispielsweise eine Raised-Cosine-Charakteristik aufweisen. Der Übertragungskanal auf der Funkschnittstelle wird für die weiteren Betrachtungen durch ein Filter mit zeitlich begrenzter Impulsantwort (finite impulse response filter – FIR-Filter) und den Koeffizienten h_i(k) modelliert. Bei einer Antenneneinrichtung A mit mehreren Antennenelementen, existiert je verwendeter Antenne ein Übertragungskanal. Ferner wird davon ausgegangen, daß sowohl die Nutzsignale als auch die Störsignale statistisch gesehen weiße Prozesse im betrachteten Frequenzband darstellen. Die Übertragungskanalkoeffizienten h_i(k) werden für die Zeitdauer eines Zeitschlitzes als konstant angenommen. Außerdem wird davon ausgegangen, daß zwei trennbare Verbindungspfade in zeitlicher Hinsicht mehr als eine Chipdauer voneinander entfernt sind. Unter diesen Voraussetzungen können die Verstärkungen des Übertragungskanals und des Tiefpaßfilters miteinander multipliziert werden.
Zur Vereinfachung der Notation wird die empfängerseitige Störsignalenergie während eines Subchips mit 2σ² _n bezeichnet. Die Nutzsignalenergie während eines Subchips wird für die Verkehrskanal- bzw. die Signalisierungskanalkomponente als σ² _i (Verkehrssignalkomponente) bzw. σ² _q (Signalisierungskanalkomponente) notiert. Für die weiteren Überlegungen wird angenommen, daß auftretende Störungen durch Interferenz anderer Teilnehmerstationen verursacht werden, deren zugehörige Sendesignale durch ein einheitlich verwendetes Sendefilter behandelt wird. Aus diesem Grund ist die Annahme berechtigt, daß auf alle weißen Signalanteile eine Spektralformung entsprechend des in der Signalverarbeitungseinrichtung DSP verwendeten Tiefpaßfilters wirkt.
Bedingt durch die für Verkehrs- und Signalisierungskanäle unterschiedlichen Spreizfaktoren SF_l und SF_q teilt sich der Datenstrom ab der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung DSP in einen Datenstrom für die Verkehrskanäle und in einen Datenstrom für die Signalisierungskanäle auf. Da für die empfangenen Signale SI_RX angenommen werden kann, daß sie hinsichtlich ihrer Phasenlage gleich verteilt sind, wird vor Entspreizen der zuvor bandgespreizten Signale in guter Nährung jeweils die Hälfte der Störsignalenergie im Verkehrssignalkanal und im Signalisierungskanal anfallen.
In der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung DSP werden zu einem Originärsignal gehörige Signalkomponenten kohärent bezüglich Amplitude und Nullphase durch Maximalverhältnis kombinieren (maximum ratio combining – MRC) zusammengefaßt. Die Sendeleistung im Signalisierungskanal wird durch den Signalisierungskanal selbst, durch einen mittleren Koeffizienten des Tiefpaßfilters und durch zum Maximalverhältniskombinieren verwendete Filterkoeffizienten verstärkt. Die mittlere Leistung eines Signalisierungskanalsymbols während eines Subchips des resultierenden Signals nach dem Maximalverhältniskombinieren (MRC) läßt sich damit wie folgt berechnen:
Hierin bezeichnet j∈MRC die Menge der für das Maximalverhältniskombinieren geschätzten Übertragungskanalkoeffizienten h_est,i(k), wobei für einen idealen Schätzer die Beziehung h_i(k) = c·h_est,i(k) gilt. Der Faktor c stellt eine reelle Konstante dar, die proportional zum Verhältnis aus den Sendeleistungen von Verkehrs- und Kontrollkanal sowie antiproportional zur empfangenen Störsignalleistung am entsprechenden Antennenelement ist.
Nur der Term in der ersten Zeile der obigen Formel enthält einen Nutzsignalleistungsanteil. Durch die zweite Zeile werden durch variierende Laufzeitverzögerungen bedingte Störungen von Signalen mit zueinander orthogonalen Codierungen bei der zweiten Leistungsmessung berücksichtigt. Dies ist sinnvoll, da sich Verkehrs- und Kontrollkanäle trotz zueinander orthogonaler Codierungen stören, sobald es zu zeitlichen Verschiebungen infolge von Mehrwegeausbreitung kommt. Der letzte Term in der obigen Formel spiegelt die durch das Maximalverhältniskombinieren verstärkte Störsignalleistung am Eingang der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung DSP wieder.
In analoger Weise kann die mittlere Leistung eines Verkehrskanalsymbols für die Zeitdauer eines Subchips nach folgender Formel berechnet werden:
Nachfolgend wird eine Vereinfachung vorgenommen, um eine gegenseitige Verrechnung unterschiedlicher Meßwerte zu ermöglichen. Unter der Annahme, daß die Phase der geschätzten Übertragungskanalkoeffizienten h_est,i(k) gleichverteilt ist, wird folgende Vereinfachung eingeführt:
Für das hier vorgeschlagene Verfahren wird die Leistung der Imaginärteile SI_RES,I der resultierenden Signale folgendermaßen berechnet:
Unter der obigen Annahme, daß die Phase der geschätzten Übertragungskanalkoeffizienten h_est,i(k) gleichverteilt ist, sowie unter der Annahme, daß der erste Term in der voranstehenden Formel aufgrund einer hinreichend guten Qualität der Kanalschätzung und aufgrund von Mittelwerteffekten vernachlässigbar ist, entspricht die Leistung der Imaginärteile SI_RES,I der resultierenden Signale der über den Verkehrskanal empfangenen Störsignalleistung. Das Signal-Stör-Verhältnis SIR kann damit wie folgt berechnet werden:
In vielen Anwendungsfällen ist eine besonders schnelle Schätzung des Signal-Stör-Verhältnisses erforderlich, wobei unter Umständen Verkehrskanalsymbole für eine Schätzung noch nicht zur Verfügung stehen. Bei alleiniger Verwendung von Signalisierungskanalsymbolen vereinfacht sich die Formel zur Bestimmung des Signal-Stör-Verhältnisses auf folgende Weise:
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß zur Ermittlung des Signal-Stör-Verhältnisses nicht notwendigerweise Signalkomponenten ausgewählt werden müssen, die deterministischen – vorbekannten – Pilotsymbolen zugeordnet sind. Es ist durchaus möglich, Signalkomponenten auszuwählen, die stochastischen – nicht vorbekannten – Verkehrs- und Signalisierungskanalsymbolen und deterministischen Pilotsymbolen zugeordnet sind. Ausreichend ist bereits, Signalkomponenten auszuwählen, die stochastischen Signalisierungskanalsymbolen und deterministischen Pilotsymbolen oder ausschließlich stochastischen Signalisierungskanalsymbolen zugeordnet sind.
Außerdem können mittels des berechneten Signal-Stör-Verhältnisses Antennenelemente einer adaptiven Antenneneinrichtung aus einer Vielzahl von Antennenelementen ausgewählt werden. Bei dynamischen Kanalzuteilungsverfahren ist es möglich, mittels des berechneten Signal-Stör-Verhältnisses einen Übertragungskanal zuzuweisen.

Claims

Verfahren zur Störsignalleistungsermittlung von über eine Funkschnittstelle eines Funk-Kommunikationssystems übertragenen Signalen, wobei die über die Funkschnittstelle übertragenen Signale (SI_TX) mittels einer Antenneneinrichtung (A) empfangen und demoduliert werden, die empfangenen, demodulierten Signale (SI_RX) anhand ihrer Phasenlage in Real- (SI_RES,R) und Imaginärteil (SI_RES,I) aufgespalten werden, die Störsignalleistung (PV1) aus der Leistung der Imaginärteile (SI_RES,I) der empfangenen, demodulierten Signale berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nutz- und Störsignalanteile umfassende Leistungsmessung nach einem Zusammenfassen von zu einem empfangenen, demodulierten Signal gehörigen Signalkomponeneten in einer Signalverarbeitungseinrichtung (DSP) erfolgt, und daß auf Grundlage eines Quotienten aus der Störsignalleistung (PV1) und aus einer Differenz zwischen einem bei der Leistungsmessung ermittelten Wert (PV2) und der Störsignalleistung (PV1) ein Signal-Stör-Verhältnis (SIR) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem empfangenen, demodulierten Signal gehörige Signalkomponeneten durch Maximalverhältniskombinieren zusammengefaßt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Funkschnittstelle übertragenen Signale (SI_TX) für eine Teilnehmerseparierung mit einem Bandspreizcode moduliert sind, und daß vor der Leistungsmessung eine Entspreizung der Signale durch eine erneute Modulation mit dem Bandspreizcode erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Leistungsmessung und/oder für die Berechnung der Störsignalleistung (PV1) über Signalisierungskanäle übertragene Signale ausgewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Leistungsmessung und/oder für die Berechnung der Störsignalleistung (PV1) über Verkehrskanäle übertragene Signale ausgewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Störsignalleistungsbestimmung und/oder die Signal-Stör-Verhältnisbestimmung Signalkomponenten ausgewählt werden, die sowohl mit stochastischen Nutz- und Kontrollkanalsymbolen als auch mit deterministischen Pilotsymbolen korrespondieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Störsignalleistungsbestimmung und/oder die Signal-Stör-Verhältnisbestimmung Signalkomponenten ausgewählt werden, die sowohl mit stochastischen Signalisierungskanalsymbolen als auch mit deterministischen Pilotsymbolen korrespondieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Störsignalleistungsbestimmung und/oder die Signal-Stör-Verhältnisbestimmung Signalkomponenten ausgewählt werden, die mit stochastischen Signalisierungskanalsymbolen korrespondieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Störsignalleistungsbestimmung und/oder die Signal-Stör-Verhältnisbestimmung Signalkomponenten ausgewählt werden, die mit stochastischen Verkehrskanalsymbolen korrespondieren.