DE10131207A1

DE10131207A1 - Vorentzerrung von Synchronisationssignalen

Info

Publication number: DE10131207A1
Application number: DE2001131207
Authority: DE
Inventors: Frank Kowalewski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: DE10131207B4

Abstract

Zur eindeutigen Synchronisation eines Empfängers mit einem Sender wird mindestens ein Schätzwert in Bezug auf Übertragungseigenschaften eines oder mehrerer Übertragungskanäle zwischen Sender und Empfänger gewonnen. Anhand des Schätzwerts wird ein Referenzsignal zur Synchronisation geformt und an den Empfänger gesendet. Der Empfänger wird nun auf der Grundlage des geformten Referenzsignals eindeutig synchronisiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Synchronisieren eines Empfängers auf der Grundlage eines von einem Sender an den Empfänger gesendeten Referenzsignals.

Bei der Übertragung von Datensignalen ist es wesentlich, dass der Empfänger die Zeitpunkte kennt, zu denen die empfangenen Signale bestimmte Informationen enthalten. Zu diesem Zweck muss der Empfänger auf die empfangenen Signale synchronisiert werden (vgl. H. D. Lüke: "Signalübertragung", 6. Aufl., Springer, Berlin usw., 1995, S. 195).

Zur Bestimmung des Synchronisationszeitpunktes sendet der Sender Signale, die dem Empfänger bekannte Eigenschaften haben. Der Empfänger bestimmt mit Hilfe der Sendesignaleigenschaften aus den empfangenen Signalen den Synchronisationszeitpunkt. In den meisten Fällen wird ein dem Empfänger vollständig bekanntes Referenzsignal gesendet. Am Empfänger wird das Empfangssignal mit dem zugehörigen Signal-angepassten Filter gefiltert. Synchronisationszeitpunkt ist oftmals der Zeitpunkt maximaler Amplitude des Filtersignals (vgl. J. G. Proakis: "Digital Communications", 3rd ed., McGraw-Hill, New York usw., 1995, S. 744 ff.).

Mobilfunkkanäle bestehen i. a. aus mehreren Pfaden. Bei Übertragung eines Referenzsignals wird dieses daher mehrfach und zeitlich gegeneinander versetzt empfangen. Entsprechend liefert das Signal-angepasste Filter mehrere Zeitpunkte lokal maximaler Amplitude. Der gefundene Synchronisationszeitpunkt ist i. a. nicht mehr eindeutig und wird durch Störsignale stark beeinflusst.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, den Empfänger mit einem im wesentlichen eindeutigen Synchronisationssignal zu versorgen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Synchronisieren eines Empfängers durch Gewinnen mindestens eines Schätzwertes in Bezug auf Übertragungseigenschaften eines oder mehrerer Übertragungskanäle, Formen eines Referenzsignals anhand des mindestens einen Schätzwertes, Senden des geformten Referenzsignals an den Empfänger und Synchronisieren des Empfängers auf der Grundlage des geformten Referenzsignals. Der Schätzwert stellt in der Regel einen Vektor dar.

Darüber hinaus wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Senden eines Signals über einen Übertragungskanal mit einer Referenzsignalerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Referenzsignals für die Synchronisation eines Empfängers, und einer Schätz- und Signalformeinrichtung zum Gewinnen mindestens eines Schätzwerts in Bezug auf Übertragungseigenschaften des Übertragungskanals und Formen des Referenzsignals anhand des mindestens einen Schätzwerts.

In vorteilhafter Weise sind Referenzsignale zur Synchronisation im Sender somit derart formbar, dass die Synchronisation der Empfänger optimal wird. Dies bedeutet, dass die Synchronisation eindeutig und dadurch weniger fehlerhaft wird. Ausserdem müssen Störungen durch zu dem Referenzsignal hinzukommende bekannte Signale nicht im Empfänger eliminiert werden. Dadurch wird der Empfänger weniger komplex.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
Fig. 1 eine Burst-Struktur für zu sendende Signalabschnitte;
Fig. 2 eine Sende- und Empfangsvorrichtung zur Kanalschätzung und Vorentzerrung; und
Fig. 3 den zeitlichen Ablauf einer Referenzsignalformung.
Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das Ausführungsbeispiel entspricht dem UMTS TDD-Modus. Es wird ein zellulares Funksystem vorausgesetzt. Das Funksystem wird im TDD-Modus betrieben, d. h. die Vorwärtsstrecke von Basisstation BS zu Mobilstation MS und Rückwärtsstrecke von MS zu BS verwenden dasselbe Frequenzband. Die Daten werden burstweise übertragen. Jeder Burst besteht aus einem Referenzsignal zur Synchronisation bzw. Kanalschätzung und zwei Blöcken von zu übertragenden Datensymbolen (Fig. 1). Jeder Nutzer, der Daten in der Vorwärtsstrecke empfängt, überträgt Referenzsignale in der Rückwärtsstrecke. Anhand der Referenzsignale in der Rückwärtsstrecke werden die Impulsantworten der einzelnen Mobilfunkkanäle geschätzt. Die Kanalschätzungen werden zur Formung von Referenzsignalen der Vorwärtsstrecke verwendet. Die Referenzsignale in der Rückwärtsstrecke zur Kanalschätzung unterscheiden sich in der Regel von den Referenzsignalen in der Vorwärtsstrecke zur Synchronisation des Empfängers.
Fig. 2 zeigt eine Sende- und Empfangsvorrichtung zur Kanalschätzung in der Rückwärtsstrecke und zum Senden der Referenzsignale in der Vorwärtsstrecke. Ein Modulator MOD moduliert die zu sendenden Daten DA und sendet sie über einen Multiplexer MUX zu einem Switch SW, von welchem die modulierten Daten über eine TDD-Funkverbindung TF zu einem Empfänger gesendet werden. Ein zu sendendes Referenzsignal REF wird über einen Vorentzerrer VE in den Multiplexer MUX eingespeist. Somit werden die Daten DA mit dem Referenzsignal REF entsprechend Fig. 1 gemultiplext. Erfindungsgemäß entzerrt der Vorentzerrer VE das Referenzsignal derart, dass der Empfänger trotz mehrerer Übertragungspfade ein eindeutiges Synchronisationssignal gewinnen kann. Hierzu wird über die TDD- Funkverbindung TF ein zur Kanalschätzung verwendetes Referenzsignal über den Switch SW zu einem Kanalschätzer KS geleitet. Entsprechend der Kanalschätzung steuert der Kanalschätzer KS den Vorentzerrer VE an. Damit wird das Referenzsignal REF anhand der Kanalschätzung geformt und für die Synchronisation des Empfängers optimiert.
Fig. 3 zeigt den zeitlichen Ablauf des Verfahrens der Kanalschätzung in der Rückwärtsstrecke zur Vorentzerrung in der Vorwärtsstrecke. Zeitlich parallel zum Senden S von Daten durch die Mobilstation MS erfolgt die Kanalschätzung KS durch die Basisstation BS. Nach der Kanalschätzung KS erfolgt in der Basisstation BS eine Vorentzerrung VE zum Vorentzerren der Datensignale DA und/oder des Referenzsignals REF. Das Vorentzerren VE und Senden von Daten- und Referenzsignalen durch die Basisstation läuft parallel zum Empfang E durch die Mobilstation.
Im Folgenden wird ein möglicher Algorithmus zur Vorentzerrung der Referenzsignale beschrieben. Die Beschreibung erfolgt diskret im Basisband.
Sei c ^(k) = (c^(k) ₁, ...,c^(k) _Q) das dem k-ten Empfänger zugeordnete Referenzsignal der Länge Q. Alle K Referenzsignale (k = 1, . . ., K = Anzahl der Empfänger) werden gleichzeitig gesendet, indem aus ihnen vorentzerrte Gesamt-Referenzsignale s ⁽ⁿ⁾ geformt werden, die gleichzeitig über mehrere Sendeantennen n (n = 1, . . ., N, N = Anzahl der Antennen) abgestrahlt werden.
Seien h ^(k,n) = (h₁ ^(k,n), . . ., h_W ^(k,n)) (W = Impulsantwortlänge) die Impulsantworten und n ^(k,n) = (n^(k,n) ₁, . . ., n^(k,n) _L+W-1) (L = Länge der Sendesignale s ⁽ⁿ⁾) die additiven Rauschsignale der Mobilfunkkanäle von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer. Mit der Matrix

und der Zusammenfassung
s = (s ⁽¹⁾, . . ., s ^(N))
empfängt der k-te Empfänger des Systems das Signal
Zur Bestimmung der Synchronisationszeitpunkte der Empfänger werden Signal-angepasste Filter verwendet. Die entsprechende Filter-Matrix des k-ten Empfängers ist:
Das Filter liefert das Synchronisationssignal

der Länge M.M ≤ L + W - Q ist vorzugeben und bestimmt die zeitliche Länge des Suchfensters zur Synchronisation.
Mit den Zusammenfassungen

erhält man als Gesamtvektor

aller Synchronisationssignale:
Wir wählen nun
s ^T = A^t.d ^T
A = D.H
d = (d ⁽¹⁾, . . ., d ^(K))
d ^(k) = (0, . . ., 0, 1, 0, . . ., 0.
Dabei bedeutet A' die Pseudoinverse der Matrix A.d ^(k) ist das gewünschte bzw. ideale Synchronisationssignal des k-ten Empfängers. Die Position der 1 bestimmt, zu welchem Zeitpunkt das Synchronisationssignal maximale Amplitude hat. Selbstverständlich kann für das Synchronisationssignal d^(k) jede beliebige Form vorgegeben werden. Dabei ist es sinnvoll für den Synchronisationszeitpunkt ein eindeutiges Kennzeichen vorzugsweise ein absolutes Maximum vorzugeben.
Unter realistischen Bedingungen hat A maximalen Rang. Dann ist A.A^H invertierbar, wenn K.M ≤ N.L erfüllt ist, und es gilt
A^t = A^H.[A.A^H]^-1
Es folgt für das durch Schätzung erhaltene Synchronisationsignal ≙^T
D liefert also die gewünschten Synchronisationssignale d ^T und additives Rauschen.
Als Synchronisationszeitpunkt wird der Zeitpunkt gewählt, für den die Amplitude von ≙^(k) am größten ist. Dieser Zeitpunkt entspricht der Position der 1 in d(^k).
Zur Vorentzerrung der Referenzsignale können auch andere als der hier beschriebene Algorithmus eingesetzt werden.
Anstelle der oben angegebenen Signal-angepassten Filter D^(k) der Länge Q können auch zyklische Signal-angepasste Filter verwendet werden. Die zugehörige Detektionsmatrix D'^(k) hat dann die Form
Die Algorithmen können sinngemäß auch zur Synchronisation mit anderen linearen Detektoren als den hier verwendeten Signalangepassten Filtern eingesetzt werden. Z. B. kann die Signal- Optimierung auch für Interferenz-eliminierende Detektoren vorgenommen werden.
Die Sendesignale können auch für mehr als einen Detektortyp gleichzeitig optimiert werden.
I.a. werden gleichzeitig mit einem Referenzsignal weitere Signale gesendet. Dies können andere Referenzsignale sein wie im TDD-Modus des UMTS (vgl. 3GPP Technical Specification TS 25.221, V.3.1.0, "Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (TDD)", 2000), oder Datensignale wie in der Rückwärtsstrecke des UMTS FDD-Modus (vgl. 3GPP Technical Specification TS 25.211, V.3.1.0, "Physical channels and mapping of transport channels onto physical cahnnels (FDD)", 2000). Diese zusätzlichen Signale stören die Synchronisation. Die Störungen (Interferenzen) durch andere dem Empfänger bekannte Signale können im Empfänger eliminiert werden (vgl. B. Steiner: "Ein Beitrag zur Mobilfunk- Kanalschätzung unter Berücksichtigung synchroner CDMA- Mobilfunksysteme mit Joint Detection", Fortschritt-Berichte VDI, VDI-Verlag, Reihe 10, Nr. 337, 1995). Die Datensignale können dabei vorentzerrt gesendet sein.
Die durch Datensignale hervorgerufenen Störungen können ähnlich den durch Referenzsignale hervorgerufenen Störungen auch im Sender eliminiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Synchronisieren eines Empfängers durch Gewinnen mindestens eines Schätzwertes in Bezug auf Übertragungseigenschaften eines oder mehrerer Übertragungskanäle,
Formen eines Referenzsignals (REF) anhand des mindestens einen Schätzwertes und
Senden des geformten Referenzsignals an den Empfänger und
Synchronisieren des Empfängers auf der Grundlage des geformten Referenzsignals (REF).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Übertragungskanal mehrere Übertragungspfade umfasst und der mindestens eine Schätzwert die mehreren Übertragungspfade betrifft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Referenzsignal (REF) beim Formen hinsichtlich eines der Übertragungskanäle vorentzerrt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zum Synchronisieren aus dem empfangenen geformten Referenzsignal (REF), insbesondere durch ein signalangepasstes Filter, ein Synchronisationssignal gewonnen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Synchronisationszeitpunkt zu einem Zeitpunkt festgelegt wird, zu dem das Synchronisationssignal einen vorgegebenen Wert, insbesondere ein Maximum, annimmt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Formen des Referenzsignals (REF) derart erfolgt, dass das Synchronisieren des Empfängers mit einem eindeutigen Synchronisationssignal durchgeführt wird.

7. Vorrichtung zum Senden eines Signals über einen Übertragungskanal mit
einer Referenzsignalerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Referenzsignals (REF) für die Synchronisation eines Empfängers,
gekennzeichnet durch
eine Signalformeinrichtung (KS, VE) zum Gewinnen mindestens eines Schätzwerts in Bezug auf Übertragungseigenschaften des Übertragungskanals und Formen des Referenzsignals (REF) anhand des mindestens einen Schätzwerts.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Referenzsignal (REF) durch die Signalformeinrichtung (KS, VE) vorentzerrbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Referenzsignal (REF) derart vorentzerrbar ist, dass der Empfänger durch das vorentzerrte Referenzsignal eindeutig synchronisierbar ist.

10. Datenübertragungssystem zum Übertragen von Daten mit einer Sendevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 und dem Empfänger zum Empfangen des Referenzsignals (REF).

11. Datenübertragungssystem, wobei der Übertragungskanal zwischen der Sendeeinrichtung und dem Empfänger einen oder mehrere Übertragungspfade umfasst.

12. Datenübertragungssystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Empfänger ein signalangepasstes Filter umfasst, durch das aus dem empfangenen geformten Referenzsignal (REF) ein Synchronisationssignal zum eindeutigen Synchronisieren des Empfängers erzeugbar ist.