DE10046575A1 - Verfahren zur Frequenzakquisition, insbesondere zur Initialfrequenzakquisition, einer mobilen Kommunikationseinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Frequenzakquisition, insbesondere zur Initialfrequenzakquisition, mittels einer bekannten Synchronisationsfolge zur Einsynchronisation einer mobilen Kommunikationseinrichtung mit einem Empfangsoszillator auf die vorab bekannten Sendefrequenzen einer Basisstation, die in einem bekannten Kanalraster mit definierten Frequenzpunkten senden, mit folgenden Schritten: DOLLAR A a) Ermittlung der Inband-Leistung der bekannten Synchronisationsfolge mittels eines Sensors durch Scannen eines Frequenzbereichs, DOLLAR A b) Grobbestimmung des lokalen Power-Maximums der Inband-Leistung und somit der empfangenen Trägerfrequenz über dem gescannten Frequenzbereich, DOLLAR A c) Schließen auf die vermutliche Kanalfrequenz, mit der die Basisstation sendet, aufgrund der Kenntnis des Kanalrasters der Sendefrequenzen der Basisstation, DOLLAR A d) Feinbestimmung der empfangenen Trägerfrequenz durch einen Vergleich mit der bekannten Synchronisationsfolge, DOLLAR A e) Korrektur der Frequenzabweichung des Empfangsoszillators von der gesendeten Trägerfrequenz.

Description

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Frequenz­ akquisition, insbesondere zur Initialfrequenzakquisition, mittels einer bekannten Synchronisationsfolge zur Einsynchro­ nisation einer mobilen Kommunikationseinrichtung mit einem Empfangsoszillator auf die vorab bekannten Sendefrequenzen einer Basisstation, die in einem bekannten Kanalraster mit definierten Frequenzpunkten senden.

Bei mobilen Kommunikationseinrichtungen stellt ein Standard für die mobile Kommunikation eine netzweit bekannte Synchro­ nisationsfolge zur Verfügung. Zusätzlich ist die Sendefre­ quenz der Basisstation mit einer ausreichend hohen, durch die Standardisiserungsgremien spezifizierten Genauigkeit bekannt. Diese beträgt zur Zeit beim UMTS-Standard 0,05 ppm. Das Kanal­ raster, in dem die Basisstation sendet, ist der Mobilstation dabei a priori bekannt. Bei einem UMTS-Mobilfunknetz besteht es aus Kanälen im Abstand von 200 kHz an definierten Fre­ quenzpunkten. Dagegen ist es nicht bekannt, welcher Kanal ak­ tuell von der Basisstation verwendet wird und welche Fre­ quenzdrift der Oszillator der mobilen Empfangsstation auf­ weist. Durch die Produktions- und Temperaturstreuungen, sowie mögliche andere äußere Einflüsse kommt es beim Empfangsoszil­ lator zu einer Frequenzungenauigkeit, die typischerweise bei +/- 25 ppm liegt. Bei der Verwendung von kostengünstigen lo­ kalen Oszillatoren (LO) liegt die Frequenzungenauigkeit sogar meist noch über diesem Wert. Eine so große Ungenauigkeit ist nachteilig, da dies zu einem aufwendigen und langwierigen Aufsynchronisieren des Mobilteils auf die Basisstation führt.

Dieses Problem wurde bisher dadurch gelöst, dass die Mobil­ teile der Kommunikationseinrichtung in der Fertigung kalib­ riert werden und somit die Frequenzdrift des Empfangsoszilla­ tors auf ca. +/- 3 ppm abgesenkt wird. Dies ist jedoch sehr Zeit- und kostenintensiv.

Außerdem wurde vorgeschlagen, beim erstmaligen Einschalten des Mobilteils bei einer Frequenzungenauigkeit von bspw. +/- 25 ppm zur Autoinitialkalibrierung einen Algorithmus zu ver­ wenden, bei dem ein mit einem SCH-Kanal (Synchronisation Channel) modulierter Träger der Basisstation mittels eines SCH-Korrelators unter Variation der Empfangsfrequenz abgetas­ tet wird. Dabei wird bisher als SCH-Korrelator lediglich ein einziges sog. "matched filtert verwendet, welches auf die Synchronisationsfrequenz des primary SCH-Kanals, der im wei­ teren kurz mit SCH-Kanal bezeichnet wird, angepasst ist. Nach erfolgter Autoinitialkalibrierung kann in den darauf folgen­ den Synchronisationsvorgängen von einer Frequenzgenauigkeit von +/- 3 ppm ausgegangen werden. Da die Korrelationsband­ breite für die verwendeten Codes laut Spezifikation klein - in einer Größenordnung von 10-20 kHz - gegenüber dem Scanbe­ reich ist, der gescannte Frequenzbereich jedoch die komplette UMTS-Bandbreite von 60 MHz umfassen kann, ist dieses Verfah­ ren sehr Zeit- und aufwandsintensiv. Zur Korrelation müssen in diesem Fall Schrittweiten kleiner als 14 kFz verwendet werden. Diese Schrittweite kann aus Simulationsergebnissen gewonnen werden. Bei einer verwendeten Schrittweite von z. B. 10 kFz benötigt die initiale Frequenzakquisition 6000 Schritte.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Ver­ fügung zu stellen, durch die eine Frequenzakquisition im Mo­ bilteil einer mobilen Kommunikationseinrichtung beschleunigt weden kann.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Un­ teransprüche.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, dass parallel zur herkömmlichen SCH-Korrelation, die nach wie vor als ein integraler Bestandteil des neu entwickelten Verfah­ rens verwendet wird, die Inband-Leistung mittels eines Sen­ sors ermittelt wird. Aus der Bestimmung des lokalen Power- Maximums über den gesamten gescannten Frequenzbereich wird auf die vermutliche Kanalfrequenz geschlossen, mit der die Basisstation sendet. Dazu wird ergänzend der a priori bekann­ te Rasterabstand der möglichen diskreten Kanalfrequenzen der Basisstation verwendet. Bei einem UMTS-Mobilfunknetz beträgt der Rasterabstand zwischen den Frequenzpunkten 200 kHz. Au­ ßerdem ist die Sendefrequenz der Basisstation mit einer aus­ reichend hohen, durch die Standardisierungsgremien spezifi­ zierten Genauigkeit von +/- 0,05 ppm bekannt. Bei einer maxi­ malen Frequenz von 2,17 GHz ergibt sich eine max. Unsicher­ heit bezüglich des von der Basisstation gesendeten Signals in Höhe von ca. 20 Hz. Diese hohe Genauigkeit wird durch GPS, bzw. DVF77-Signale erzielt. Dadurch können die von der Basis­ station ausgesandten Kanalfrequenzen als Differenzsignale zum Tuning des lokalen Empfangsoszillators der Mobilstation ver­ wendet werden. Dies bringt den Vorteil, dass die Aufsynchro­ nisation deutlich schneller erfolgt, was zu einem stark ver­ minderten Stromverbrauch im Mobilteil führt. Dies bedeutet, dass sich die stand-by-Zeiten des Mobilteils signifikant er­ höhen lassen.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren bei der ersten Inbetriebnahme und/oder jeder weiteren x-ten Inbetriebnahme der mobilen Kommunikationseinrichtung angewandt. Damit werden Alterungseffekte und Temperaturabweichungen der Bauteile, die zur Frequenzerzeugung benutzt werden, automatisch nachkalib­ riert. Nachdem dies beim Verbindungsaufbau automatisch statt­ findet, wird kein zusätzlicher Mehraufwand verursacht. Dage­ gen wäre eine Kalibrierung über die Temperatur in der Ferti­ gung Zeit- und kostenintensiv. Außerdem kann sich bei dem be­ schriebenen Verfahren die Kommunikationseinrichtung adaptiv der Umgebung des Benutzers anpassen. Des weiteren führt die­ ses Verfahren zu einer Erhöhung der Produktlebensdauer durch die ermöglichte Nachkalibrierung. Die Bestimmung des Platz­ halters x hängt von mehreren Faktoren ab, beispielsweise von den Temperaturschwankungen in der Umgebung des Oszillators und dessen Alter. Der Wert kann 1 betragen, so dass bei jedem Aufsynchronisieren eine Nachkalibrierung erfolgt oder auch beispielsweise 2, 10, usw. Je größer der Wert von x ist, des­ to geringer ist der Stromverbrauch und es können längere stand-by-Zeiten des Mobilteils erzielt werden.

Bevorzugt ist es weiterhin, wenn nach der Synchronisation die genau ermittelte Frequenz des Empfangsoszillators als Re­ ferenz übernommen wird, indem die ermittelten Hardware- Kalibrierungsparameter in einem Speicher der mobilen Kommuni­ kationseinrichtung abgelegt werden. Dadurch kann eine Erstka­ librierung des Empfangsoszillators im HF-Teil der Mobilstati­ on vorgenommen werden, d. h. der Algorithmus übernimmt in diesem Fall die Einstellungen zum Kalibrieren des Empfangsos­ zillators automatisch, die ansonsten während des Produktions­ prozesses vorgenommen werden müssten.

Insbesondere ist dieses Verfahren vorteilhaft anzuwenden bei einem UMTS-Mobilfunknetz, wobei die Ermittlung der Inband- Leistung mittels eines Powersensors und die Feinbestimmung der empfangengen Trägerfrequenz mittels eines SCH-Korrelators erfolgt.

Eine mögliche Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die mo­ bile Kommunikationseinrichtung auf eine erste Basisstation aufzusynchronisieren und den Verbindungsaufbau zu dieser Ba­ sisstation durchzuführen, dass jedoch während der Verbindung zu einer zweiten Basisstation gewechselt wird. Dies ist dann von Vorteil, wenn sich während der Verbindung herausstellt, dass eine andere Basisstation stärker empfangen wird, als die Basisstation, auf die ursprünglich aufsynchronisiert wurde. Dadurch wird gegenüber dem bekannten Verfahren eine höhere Zuverlässigkeit und Frequenzgenauigkeit erzielt, als bei ei­ nem herkömmlichen Verfahren, bei dem nur ein SCH-Korrelator verwendet wird. Dies ergibt sich daraus, dass die Ergebnisse unabhängig voneinander gleichzeitig durch den SCH-Korrelator und den Powersensor bestätigt wird. Dies bedeutet bei einem UMTS-Mobilfunknetz, dass jeder der möglichen Kanäle dieses Netzes zur Aufsynchronisation herangezogen werden kann. Bei­ spielsweise kann auf Kanal 2 einer Basisstation eines ersten Netzbetreibers aufsynchronisiert werden; der eigentliche Ver­ bindungsaufbau findet jedoch anschließend auf Kanal 5 einer anderen Basisstation eines zweiten Netzbetreibers statt. Dies ist deshalb möglich, da die UMTS-Basisstationen mit annähernd gleicher Frequenz senden, deren Unterschied bei nur +/- 1 ppm liegt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels näher beschrieben, zu dessen Erläuterung die nachstehend aufgeführten Figuren dienen. Es zeigen

Fig. 1 Eine schematische Übersicht über den Ablauf eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels und

Fig. 2 die zu scannenden Frequenzbereiche für die einzel­ nen Schritte während des Verfahrens nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Messgerät eines Powersensors über einen Fre­ quenzverlauf und

Fig. 4 das Messergebnis aus Fig. 3, kombiniert mit dem Messergebnis eines pSCH-Korrelators über einen Fre­ quenzbereich.

In Fig. 1 sind die einzelnen Gruppen von Informationen ange­ geben, die in einem Evaluator 1 zusammenfließen und aus denen die Frequenzakquisition vorgenommen werden kann. Zum einen fließt das a-priori-Wissen 2 über das Kanalraster der Basis­ station in die Evaluation ein; des weiteren das mit einem Po­ wersensor 3 gemessene Ergebnis der Inband-Leistung über einen Frequenzbereich, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Außerdem fließt die Information ein, die über einen primary synchroni­ sation channel (pSCH) 4 gewonnen wird, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. In dem pSCH 4 werden Signalpakete 5 in einem zeitlichen Abstand T_sl slotweise übertragen. Die in Fig. 1 dargestellten Signalpakete 5 weisen ein zweistrahliges Signal 6 von einer ersten Basisstation und ein einstrahliges Signal 7 von einer zweiten Basisstation auf. Die empfangenen Signal­ pakete 5 werden über ein matched filter 8 einer slotweisen Akkumulation 9 unterzogen. Nachdem die so erhaltenen Daten über einen Integrator 10 und einen peak detector 11 bearbei­ tet wurden, wird die daraus gewonnene Information an den Eva­ luator 1 weitergegeben. In diesem erfolgt dann die genaue Be­ stimmung der Empfangsfrequenz des Empfangsoszillators in der Mobilstation 16 der mobilen Kommunikationseinrichtung.

In Fig. 2 ist der Ablauf einer genauen Ermittlung der Fre­ quenzdrift des Empfängeroszillators und somit der Kalibrie­ rung desselben anhand eines UMTS-Mobilfunknetzes gezeigt. Das von UMTS abgedeckte Frequenzband ist 60 MHz breit und weist durchnumerierte Kanäle auf. Die Mitten-Trägerfrequenz der Ba­ sisstation liegt bei ca. 2,1 GHz. Zur groben Bestimmung der Sendefrequenz der Basisstation wird in einem ersten Iterati­ onsschritt die Inband-Leistung, die eine Bandbreite von ca. 3,84 MHz aufweist, mittels des Powersensors 3 gemessen. Da­ durch wird eine Grobsuche der eigentlichen Korrelation vorge­ schaltet. Die erhaltenen Resultate legen in Verbindung mit dem a-priori-Wissen des Kanalrasters, die empfangenen Kanal­ frequenzen, die von unterschiedlichen Basisstationen herrüh­ ren, bereits in der Vorauswahl aus +/- 200 kHz fest, da dies genau dem Kanalraster entspricht. Dies bedeutet, dass durch den Powersensor 3 die empfangenen Kanäle im 200 kHz-Raster ermittelt werden. Das durch den Powersensor 3 ermittelte Ma­ ximum liegt bei etwa 10 MHz, wobei diese Frequenz schon um die Mitten-Trägerfrequenz der Basisstation reduziert ist. Aufgrund des a-priori-Wissens des Kanalrasters kann die Schrittweite bei 1 MHz liegen, wobei die Kanalfrequenz bis auf +/- 200 kHz bestimmt werden kann, d. h. durch den Power­ sensor 3 werden die empfangenen Kanäle im 200-kHz-Raster er­ mittelt, auf dem die Basisstationen senden. Es kann auch eine Schrittweite von über 1 MHz verwendet werden; allerdings wird es bevorzugt, die geringere Schrittweite von 1 MHz zu verwen­ den, wenn mehre Basisstationen senden.

Die Feinjustierung der Frequenz des Empfangsoszillators er­ folgt über den pSCH-Korrelator, der nach einem vorgegebenen Standard spezifiziert ist. Die Ergebnisse dieses Korrelators werden dazu verwendet, Frequenzabweichungen des Empfangsos­ zillators zu korrigieren, die aufgrund von Bauteiltoleranzen und Temperaturschwankungen existieren.

Aufgrund des so gefundenen Kanalrasters ist durch einen zwei­ ten Iterationsschritt das Feintuning der Oszillatordrift mit­ tels pSCH-Oszillator ergibt, mit bedeutend geringerem Aufwand möglich. Beim zweiten Iterationsschritt wird das empfangene Signal mit der schon bekannten und netzweit einheitlichen pSCH-Sequenz verglichen. Der pSCH-Korrelator weist eine sehr enge Korrelationsbandbreite auf, d. h. nur bei sehr kleiner Frequenzverstimmung wird hier ein deutliches, aber leistungs­ mäßig sehr großes Scanresultat erhalten. Die Korrelations­ bandbreite liegt bei 10-20 kHz, insbesondere bei ca. 16 kHz, was aus Simulationsergebnissen gewonnen werden kann. Wenn sich die Synchronisationscodes während des Standardisier­ rungsprozesses ändern, können sich für die Korrelationsband­ breite auch andere Werte ergeben.

Nachdem die Kanalfrequenz schon bis auf +/- 200 kHz bestimmt ist, kann nun in einem dritten Iterationsschritt mit einer unterhalb der Korrelationsbandbreite liegenden Schrittweite, bspw. hier 10 kHz mit wenigen Schritten die genaue Frequenz, auf der die Basisstation sendet, bestimmt werden.

Der dritte Iterationsschritt ist jedoch entbehrlich, wenn das a-priori-Wissen über das Kanalraster verwendet wird und der lokale Oszillator (LO) der Mobilstation bereits so gut kalib­ riert wurde, dass er nur noch eine Ungenauigkeit von +/- 3 ppm aufweist; dies entspricht 6 kHz.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in dem zum einen die in Fig. 3 dargestellte Inband-Leistung 12 und deren Maximum 13 gezeigt sind. Zum anderen ist unter der Inband-Leistung 12 des Power­ sensors 3 der Output 14 des pSCH-Korrelators im Basisband aufgetragen. Auch hier wurde eine Korrektur um die Trägerfre­ quenz der Basisstation von ca. 2,1 GHz vorgenommen. Der Out­ put 14 des pSCH-Korrelators weist eine Korrelationsspitze 15 bei 10 MHz auf. Aus diesem Ergebnis kann auf die tatsächliche Schwingfrequenz des Empfangsoszillators in der Mobilstation geschlossen werden, da das Kanalraster, in welchem die Basis­ station sendet, der Mobilstation a priori bekannt ist. Dabei ist die Trägerfrequenz der Basisstation mit einer Genauigkeit von 0,05 ppm genau kalibriert. Durch den Vergleich der gefun­ denen Position der gemessenen Korrelationsspitze 15 mit der bekannten Kanalfrequenz der Basisstation wird die Abweichung des Empfangsoszillators der Mobilstation 16 von der bekannten Referenzfrequenz ermittelt. Somit werden die Daten für eine Autokalibrierung gewonnen. Die Produktionsstreuungen in der Eigenfrequenz des Empfangsoszillators von +/- 25 ppm können insoweit ausgeglichen werden, dass für künftige Synchronisa­ tionsvorgänge von einer max. Abweichung von +/- 3 ppm ausge­ gangen werden kann. Damit werden künftige Synchronisations­ prozesse wesentlich beschleunigt.

Handelt es sich um einen Erstsynchronisationsfall, d. h. die Erstinbetriebnahme des Geräts beim Kunden, ergibt sich damit eine max. Abweichung von 50 ppm von der Referenzfrequenz. Dies bedeutet, dass die pSCH-Korrelation bspw. in 50 Schrit­ ten der Schrittweite 1 ppm, d. h. 2 kHz, erfolgen kann. Nach erfolgter Erstkalibrierung beträgt die max. zulässige Abwei­ chung dann nur noch 3 ppm. Die pSCH-Korrelation benötigt dann nur noch sechs Schritte bei einer gleichen Schrittweite von 2 kHz. Dies bedeutet, dass nach erfolgter Erstsynchronisation die beschriebene Autofrequenzakquisition fast 10 mal schnel­ ler arbeitet.

Während der Erstkalibrierung des Empfangsoszillators im HF- Teil des Mobilteils 16 kann der Algorithmus Einstellungen zum Kalibrieren des Empfangsoszillators vornehmen, die ansonsten während des Produktionsprozesses vorgenommen werden müssten. Anstatt die Kalibrierung während des Produktionsprozesses vorzunehmen, geschieht dies automatisch während der ersten Inbetriebnahme des Geräts beim Kunden. Nach der Synchronisa­ tion wird die genau ermittelte Frequenz des Empfangsoszilla­ tors als Referenz übernommen, indem die Hardware- Kalibrierungsparameter abgespeichert werden.

Claims (5)

1. Verfahren Frequenzakquisition, insbesondere zur Initi­ alfrequenzakquisition, mittels einer bekannten Synchronisati­ onsfolge zur Einsynchronisation einer mobilen Kommunikations­ einrichtung mit einem Empfangsoszillator auf die vorab be­ kannten Sendefrequenzen einer Basisstation, die in einem be­ kannten Kanalraster mit definierten Frequenzpunkten senden, mit folgenden Schritten:

• a) Ermittlung der Inband-Leistung der bekannten Synchronisa­ tionsfolge mittels eines Sensors durch Scannen eines Fre­ quenzbereichs,
• b) Grobbestimmung des lokalen Power-Maximums der Inband- Leistung und somit der empfangenen Trägerfrequenz über dem gescannten Frequenzbereich,
• c) Schließen auf die vermutliche Kanalfrequenz, mit der die Basisstation sendet, aufgrund der Kenntnis des Kanalras­ ters der Sendefrenquenzen der Basisstation,
• d) Feinbestimmung der empfangenen Trägerfrequenz durch einen Vergleich mit der bekannten Synchronisationsfolge,
• e) Korrektur der Frequenzabweichung des Empfangsoszillators von der gesendeten Trägerfrequenz.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es bei der ersten Inbetriebnahme und/oder jeder weiteren In­ betriebnahme der mobilen Kommunikationseinrichtung angewandt wird.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genau ermittelte Frequenz des Empfangsoszillators als Re­ ferenz übernommen wird, indem sie in einem Speicher der mobi­ len Kommunikationseinrichtung abgelegt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem UMTS-Mobilfunknetz angewandt wird, die Ermittlung der Inband-Leistung mittels eines Power Sensors und die Fein­ bestimmung der empfangenen Trägerfrequenz mittels eines SCH- Korrelators erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Kommunikationseinrichtung auf eine erste Basissta­ tion aufzusynchronisieren und den Verbindungsaufbau zu dieser Basisstation durchzuführen, dass jedoch während der Verbin­ dung zu einer zweiten Basisstation gewechselt wird.