DE102004013701B4

DE102004013701B4 - Koordinierter Diversity-Nachrichtenempfang durch mehrere Basisstationen

Info

Publication number: DE102004013701B4
Application number: DE102004013701A
Authority: DE
Inventors: Oliver Bartels
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2024-03-19
Also published as: DE102004013701A1

Abstract

Basisstation eines Funksystems mit mindestens einem Funkempfänger zum Empfang von Nachrichten, welche als Datenpakete übertragen werden, wobei jedes Paket wiederum in Form einzelner Nachrichtensymbole übertragen wird, welche auf mindestens einen Träger moduliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass
(1) diese Basisstation über einen Pufferspeicher verfügt, in dem das in mindestens einem gewählten Funkkanal empfangene und bedarfsweise weiterverarbeitete – insbesondere gefilterte und in die Frequenzebene orthogonal transfomierte – Signal über einen Zeitraum von mehr als nur einem Symbol gespeichert wird,
(2) die Basisstation über einen Paketstarterkenner verfügt, welcher den Start eines Datenpaketes im empfangenen Funksignal zu einem bestimmten Zeitpunkt durch Auswertung des empfangenen Funksignals, insbesondere durch Suchen nach einer Startsequenz, erkennt,
(3) die Basisstation über einen Zeitgeber (Uhr) verfügt, welcher einem erkannten Nachrichtenpaket einen Zeitstempel zuordnet, aus welchem sich der Empfangszeitpunkt des ersten Symbols eines empfangenen Datenpaketes direkt oder durch Berechnung ergibt,
(4) die Basisstation mindestens einer weiteren...

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch unter erschwerten Bedingung zuverlässig Nachrichten von Mobilstationen durch Basisstationen zu empfangen, wenn die Übertragung zu einer Basisstation stark gestört ist.
Derartige Störungen können zum einen durch fremde Sender entstehen, zum anderen auf natürliche Weise durch Fading. Es liegt in der Natur der elektromagnetischen Wellen, dass diese von bestimmten Hindernissen reflektiert werden, sowohl teilweise als auch vollständig, dies kann auch mehrfach geschehen. Insofern nimmt ein Funksignal häufig nicht nur den direkten Weg, sondern mindestens einen weiteren über mehrfache Reflektionen, welcher naturgemäß eine andere Länge und Laufzeit hat. Hierdurch kommt es bei bestimmten Frequenzen zu Auslöschungen, bei einer breitbandigen Übertragung kann dies sogar innerhalb der Empfangsbandbreite mehrfach geschehen.
Es gibt daher verschiedene Modulationsverfahren, die sowohl durch Aufteilung der HF-Leistung über einen erweiterten Frequenzbereich (Spread Spectrum, CDMA) wie auch über eine mittels Forwärtsfehlerkorrektur gesicherte Vielfachträger-Übertragung den Ausfall einzelner Frequenzbereiche des Funksignals kompensieren, dies jedoch zu Lasten der spektralen Effizienz. Näheres zu dieser Codierung siehe beispielsweise EP0578313B1 .
Ein weitere Möglichkeit bietet sich an, indem mehrere Empfangsantennen verwendet und die Signale auf der Hochfrequenz- oder Zwischenfrequenzebene kombiniert werden, dies ist unter dem Begriff Diversity bekannt. Die Diversity-Verfahren werden ständig fortentwickelt, ein Beispiel hierfür ist EP0987851B1 .
Nachteilig dabei ist jedoch, dass die Antennen infolge der direkten Kopplung auf der HF oder ZF Signalebene dicht beieinander stehen müssen.
Aus EP0998057A1 ist zudem bekannt, dass ein Diversity auch auf der Ebene der Fehlererkennung und Korrektur hinter dem Demodulator erfolgen kann, allerdings ist an der darin beschriebenen Form nachteilig, dass ständig eine Vielzahl an Daten bis zum Base Station Controller, der hier als kombinierende Einheit dient, parallel von allen Basistationen übertragen werden müssen. Hierdurch werden erhebliche Zusatzkosten infolge höherbitratiger und notwendig sternförmiger Anbindungen der Basisstationen bedingt. Dies gilt selbst dann, wenn eine Basisstation bereits alle Daten korrekt empfangen hat und diese z. B. unmittelbar in ein lokales IP Netz ableiten könnte. Weiterhin wird der Diversity-Gewinn nicht vollständig ausgenutzt, da nur harte Entscheidungen über fehlerhafte Bits übertragen werden. Um dies zu vermeiden, wird unter anderem in EP0643542A1 eine Lösung mit Soft Bits beschrieben, nachteilig ist hierbei allerdings die extrem erhöhte Bandbreite der Anbindung der Basisstationen, da zu jedem Bit parallel weitere Bits mit der Zuverlässigkeitsinformation übertragen werden müssen.
In DE19858113C1 ist ein ähnliches Verfahren auf Zeitschlitzebene beschrieben, naturgemäß funktioniert dieses aber nur in zeitschlitzbasierten TDMA Netzen und wiederum entsteht durch die ständig stattfindende Kombination der Daten im Festnetz ein erheblicher Zusatzbedarf an Bandbreite in diesem.
Ein Diversity Verfahren läßt sich auch auf Sendeebene realisieren, eine solche Form ist in WO03/010899A1 beschrieben, zudem als Gleichwellenfunk schon lange in der Technik bekannt und unter anderem auch bei den auf OFDM basierenden Rundfunksystemen DAB und DVB-T in der Praxis realisiert. Diese Verfahren decken allerdings nur den Weg von der Sendestation zum mobilen Empfänger ab und nicht die Rückrichtung, was bei unidirektionalen Rundfunksystemen naturgemäß unerheblich ist, für Mobilfunk- und Datennetze allerdings ein Problem darstellt.
Eine weitere Möglichkeit ist die automatische Umschaltung zwischen mehreren Basisstationen, dies ist in der Fachwelt als Roaming bekannt. Die Umschaltung kann sowohl über das Kriterium der geographischen Distanz wie auch über die Empfangsfeldstärke erfolgen. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Basisstationen über ein konventionelles Festnetz beispielsweise mit Standleitungen oder über ein paketvermittelndes Netz miteinander verbunden werden können. Da dies weltweit gut ausgebaut verfügbar ist, sind die Kosten für eine Vernetzung verhältnismäßig gering.
Nachteilig ist jedoch, dass weitere Basisstationen nicht aktiv zur Verbesserung der Übertragungsqualität beitragen können, wenn diese selber nicht in der Lage sind, auf das einzelne Datenpaket zu synchronisieren.
Dies gilt selbst für den Fall des sogenannten Soft-Handover, eine Weiterentwicklung davon ist in EP1049349B1 beschrieben. Dabei nimmt eine Mobilstation gleichzeitig mit mehreren Basisstationen Kontakt auf, üblicherweise sogar auf einer gemeinsamen Frequenz, allerdings jeweils unter einer anderem Spreading-Code. Ein weiterer Nachteil des Soft-Handover im Allgemeinen ist, dass während des Handover die doppelte Kanalkapazität belegt wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die mehrfach im Umfeld der Mobilstation vorhandenen Basisstationen auch dann zur Verbesserung der Übertragungsqualität mit heranzuziehen, wenn diese keinen unmittelbaren Kontakt mit der Mobilstation haben, und dabei weiterhin eine konventionelle Vernetzung der Basisstationen auf Basis des vorhandenen Festnetzes oder konventioneller Richtfunktechnologie zu verwenden.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch die in Patentanspruch 1. beschriebene Basisstation gelöst, deren Funktion im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird, welches zusätzlich in Bild 1 graphisch veranschaulicht wird.
Eine Mobilstation sendet ein Datenpaket, welches primär von einer Basisstation BTS1 empfangen wird. In einer besonders bevorzugten Form der Erfindung gemäß Unteranspruch 3 wird zur Übertragung eine Vielfachträger-Modulation (OFDM) verwendet. Diese zeichnet sich durch einen relativ langsamen Symboltakt aus, welcher zu einer Symboldauer führt, die wesentlich länger als die maximale Signallaufzeit und Dauer der relevanten Echos ist. Um trotzdem eine hohe Datenrate zu erzielen, wird die Information auf viele, im Extremfall mehrere tausend Träger verteilt. Die Synthese und Analyse eines solchen Signals erfolgt mittels schneller Fouriertransformation.
Durch dieses Modulationsverfahren treten bereits innerhalb eines Symbols trotz der Echos stabile Übertragungsverhältnisse ein, üblicherweise läßt man die Echos in einem vorgeschalteten Schutzintervall totlaufen.
Das zum Datenpaket gehörende Funksignal wird nun von einer Basisstation BTS1 empfangen, digitalisiert und in einem Pufferspeicher zwischengespeichert. Der Pufferspeicher wird typischerweise entweder die Empfangsrohdaten, bandgefilterte Empfangsdaten oder im Fall einer OFDM Vielfachträgermodulation bereits fouriertransformierte Empfangsdaten speichern. Für den Pufferspeicher bevorzugt ist die Form eines Ringpuffers oder ringförmig verkettete Einzelpuffer, welche eine zyklische Wiederverwendung des Speicherplatzes ermöglichen. Typischerweise wird pro Symbol ein Eintrag vorgenommen, genauso möglich ist aber auch die periodische überlagernde Ablage von Empfangsdaten nach jeder halben oder viertel Symboldauer zur Gewährleistung eines genaueren Timings und beispielsweise eine spätere Reduktion durch Polyphasenfilter.
Ein Paketstarterkenner ermittelt nun die Position des ersten Symbols im Paket, ab diesem Symbol wird der Versuch einer Demodulation und Decodierung des Paketes durchgeführt. Anhand einer im System vorhanden Uhr wird zudem der Übertragungszeitpunkt dieses ersten Symbols in Form eines Zeitstempels dokumentiert. Die Uhr muss dabei nicht eine tatsächliche Tageszeit dokumentieren, vielmehr reicht es aus, wenn die Uhr als Zeitgeber eine Periodendauer besitzt, welche etwas länger ist als die Speicherdauer des Pufferspeichers. Wichtig ist auch, dass die Uhren aller Basisstationen synchronisiert sind, dies kann per Multicast oder über einschlägig bekannte Protokolle wie IP/NTP geschehen.
Im Idealfall (nahe Mobilstation mit gutem Empfangssignal) kann nun der Decoder von BTS1 das Datenpaket auswerten. Typischerweise ist ein derartiges Datenpaket mit einer Prüfsumme oder Informationen zur Vorwärtsfehlerkorrektur ausgestattet, welche es der Basisstation ermöglichen, die korrekte Auswertung zu überprüfen. Stimmt die aus dem decodierten Paket errechnete Prüfsumme mit der übertragenen Prüfsumme überein, so ist von einem korrekten Auswertung auszugehen, der Decoder wird das Datenpaket unmittelbar an das nachfolgende Netz bereitstellen (im Bild O1).
In einer bevorzugten Form der Erfindung wird BTS1 gemäß Unteranspruch 6 weitere Basisstationen hierüber informieren, um eine doppelte Bereitstellung des empfangenen Paketes in das nachfolgende Festnetz zu vermeiden.
Sollte die Auswertung jedoch nicht möglich sein (O1 liefert fehlerhafte Daten infolge ferner Mobilstation mit Fading Auslöschungen im Empfangssignal), so sendet die Basisstation die Information über den Empfangszeitpunkt des ersten Symbols des Datenpaketes an weitere Basisstationen im Umfeld der Mobilstation. Gemäß einer besonders bevorzugten Form der Erfindung gemäß Unteranspruch 4 geschieht dies durch die Nutzung einer IP Multicast Gruppe, sinnvollerweise wie in Unteranspruch 5 beschrieben auch nur dann, wenn keine eigene Auswertung möglich war. Weiterhin möglich ist die Datenreduktion durch die Übertragung nur der Rohdaten (Einzelträger), welche nicht durch die Basisstation BTS1 decodiert werden konnten.
Im folgenden sei beispielhaft der Ablauf in einer weiteren Basisstation BTS2 herausgegriffen: Diese erhält über die IP Multicast-Gruppe die Information über den Paketempfang bei BTS1 zu dem im Zeitstempel angegebenen Startzeitpunkt. Da jedes Symbol im Pufferspeicher von BTS2 eine definierte Zeitdauer hat und die aktuelle Zeit anhand der auch in BTS2 vorhandenen Uhr bekannt ist, kann mithilfe des Zeitstempels problemlos derjenige Eintrag im Pufferspeicher ermittelt werden, welcher mit dem Startzeitpunkt des von BTS1 empfangenen Paketes korrespondiert. Die ab diesem Zeitpunkt im Pufferspeicher abgelegten Daten können nun dazu genutzt werden, die fehlenden Information über das von BTS1 empfangene Paket zu komplettieren.
An diesem Punkt zeigt sich der besondere Vorteil der Erfindung: Auch wenn BTS2 infolge eines noch schlechteren Signales keinen Paketstart erkennen konnte, so können doch die empfangenen Informationen zur Vervollständigung genutzt werden. Bei dem Empfang durch noch weitere Basisstationen ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass insgesamt ein brauchbares Datenpaket rekonstruiert werden kann. Damit wird es aber möglich, auch unter Bedingungen noch Nachrichten zu empfangen, unter denen konventionelle Systeme bereits versagen.
Erfindungsgemäß werden nun die empfangenen Daten der verschiedenen Basisstationen in einer kombinierenden Einheit zusammengefügt. Gemäß Unteranspruch 2. kann dies auch dadurch geschehen, dass die Basisstation BTS2 oder eine weitere Station bereits mit dem Zeitstempel die Empfangsrohdaten von BTS1 erhält und selber einen Kombinationsversuch durchführt.
Bei einer für diese Erfindung sinnvollen Vielfachträger-Modulation wird die Kombination bevorzugterweise gemäß Unteranspruch 9. durch komplexe Addition nach vorheriger Gewichtung der empfangenen Signale je nach Frequenz und Basisstation in der Frequenzebene erfolgen, die notwendigen Gewichtungsparameter können gemäß Unteranspruch 10. durch die Auswertung von Pilotträgern gewonnen werden. Eine andere Möglichkeit ist die Auswertung vorheriger erfolgreich ausgewerteter Sendungen gemäß Unteranspruch 12. durch Korrelation der von den verschiedenen Basisstationen empfangenen Signale desselben Pakets. Im Bild stehen die erfolgreich demodulierten Daten danach bei OC bereit.
Bei schnell bewegten Mobilstationen empfiehlt sich zudem eine Dopplerkorrektur gemäß Unteranspruch 11., diese wird entweder in der Zeitebene durch komplexe Multiplikation mit einem künstlich, beispielsweise mittels numerisch gesteuertem Oszillator (DDS), erzeugten Differenzfrequenzsignal oder in der Frequenzebene durch gewichtete komplexe Addition von Nachbarträger-Basisbanddaten mit den jeweils eigenen Basisbanddaten im Signalvektor bewerkstelligt.
Eine weitere Verwendungsmöglichkeit für die so gewonnenen komplexen Gewichtungsparameter und Dopplerkorrekturfaktoren besteht insbesondere durch Auswertung der Phase der komplexen Gewichtung mittels Unteranspruch 13. zur Bestimmung der Position der Mobilstation mittels Phasenentfernungsmessung.
Die Dopplerkorrekturfaktoren eigenen sich hingegen hervorragend zur Messung der Geschwindigkeit. In besonders vorteilhafter Weise gemäß Unteranspruch 14. können die so gewonnen Daten genutzt werden, um bei einem nachfolgenden Empfang die neue Position der Mobilstation zu schätzen und die Parameter nachzuführen, sodass diese nicht umständlich neu errechnet werden müssen. Anhand der Paketauswertung kann dann eine Validierung der Parameter erfolgen.
Um nun in Richtung der Übertragung der Daten von den Basisstationen zur Mobilstation eine ähnlich hohe Qualität zu erhalten, bietet es sich an, das bekannte und beispielsweise im DAB Rundfunkstandard erprobte Verfahren des digitalen Gleichwellenfunks in Zusammenhang mit dieser Erfindung gemäß Unteranspruch 7. zu nutzen. Dazu strahlen jene Basisstationen ein an die Mobilstation zu sendendes Paket gleichzeitig aus, welche zuvor auch erfolgreich zum Empfang von Paketen der Mobilstation beigetragen haben, die Gewichtung des Beitrags ergibt sich aus den Gewichtungsfaktoren der kombinierenden Einheit.
Die Aussendung erfolgt dann gemäß Unteranspruch 8. synchronisiert durch Mitbenutzung des ohnehin vorhandenen Zeitstempel-Systems, dabei ist jedoch durch die Sendelogik sicherzustellen, dass es nicht zur Kollision von Sendeanfragen bei einer Basisstation kommt. Gegebenfalls ist hierzu die Kollision an die den Sendevorgang koordinierende Stelle oder an andere Basisstationen zwecks neuer Festlegung eines Zeitschlitzes zu melden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Mehrfachzugriffsverfahrens wie MC-CDMA, in diesem Fall kann eine einfache Addition der Signale vor der Aussendung in der jeweiligen Basisstation ausreichend sein.
Durch die Kombination des Gleichwellenfunks mit dieser Erfindung ergibt sich in jedem Fall ein sehr hochwertiges Funksystem, welches auch in extrem kritischen Empfangssituationen noch den Kontakt zu dem durch die Basisstationen repräsentierten Netz wahren kann.

Claims

Basisstation eines Funksystems mit mindestens einem Funkempfänger zum Empfang von Nachrichten, welche als Datenpakete übertragen werden, wobei jedes Paket wiederum in Form einzelner Nachrichtensymbole übertragen wird, welche auf mindestens einen Träger moduliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass (1) diese Basisstation über einen Pufferspeicher verfügt, in dem das in mindestens einem gewählten Funkkanal empfangene und bedarfsweise weiterverarbeitete – insbesondere gefilterte und in die Frequenzebene orthogonal transfomierte – Signal über einen Zeitraum von mehr als nur einem Symbol gespeichert wird, (2) die Basisstation über einen Paketstarterkenner verfügt, welcher den Start eines Datenpaketes im empfangenen Funksignal zu einem bestimmten Zeitpunkt durch Auswertung des empfangenen Funksignals, insbesondere durch Suchen nach einer Startsequenz, erkennt, (3) die Basisstation über einen Zeitgeber (Uhr) verfügt, welcher einem erkannten Nachrichtenpaket einen Zeitstempel zuordnet, aus welchem sich der Empfangszeitpunkt des ersten Symbols eines empfangenen Datenpaketes direkt oder durch Berechnung ergibt, (4) die Basisstation mindestens einer weiteren gleichermaßen aufgebauten Basisstation nach dem Empfang einer Nachricht über eine mit dieser weiteren Basisstation bestehende Datenverbindung, insbesondere über ein paketvermittelndes Netz bestehende Festnetzverbindung oder Funkverbindung, die Zeitstempel-Information übermittelt, (5) die weitere Basisstation infolgedessen einen Teil des Inhalts ihres Pufferspeichers ab einem aus dem Zeitstempel errechneten Zeitpunkt, insbesondere ab dem Startzeitpunkt des ersten Symbols des ursprünglich vom Paketstarterkenner erkannten Datenpakets, an mindestens eine kombinierende Einheit, welche auch innerhalb einer Basisstation realisiert sein kann, überträgt, wobei die Daten vor der Übertragung auch vorverarbeitet werden können, (6) die kombinierende Einheit die so erhaltene Pufferspeicher-Information gemeinsam mit einer von der ersten Basisstation vergleichbar empfangenen Information zur Demodulation oder Decodierung zusammenführt, wodurch die gesendete Nachricht mit hoher Sicherheit ermittelt werden kann.
Einrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Übermittlung mit dem Zeitstempel in Form mindestens eines Datenpaketes erfolgt, welches bereits die zu diesem Datenpaket empfangenen, aber noch nicht decodierten Daten aus dem Pufferspeicher dieser Basisstation ab dem Empfangszeitpunkt des ersten Symbols beinhaltet.
Einrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die zu empfangenden Funknachrichten mittels OFDM Vielfachträger-Modulation oder Multi-Channel-CDMA Vielfachträger-Modulation übertragen werden.
Einrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Übermittlung des Zeitstempels an weitere Basisstationen mittels Multicast Übertragung, insbesondere IP Protokoll Multicast Übertragung erfolgt.
Einrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass nur dann eine Übermittlung des Zeitstempels an weitere Basisstationen erfolgt, wenn die empfangende Basisstation nicht in der Lage ist, die Nachricht selber vollständig zu decodieren. Diese Übermittlung kann bezüglich der Pufferspeicher-Daten auf den nicht decodierbaren Teil der Nachricht eingeschränkt sein.
Einrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die erste Basisstation, welche das empfangene Paket vollständig decodiert, alle weiteren am Empfang beteiligten Basisstationen darüber informiert, dies kann insbesondere durch Übertragung einer Prüfsumme oder Paketfolgenummer geschehen.
Einrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass zum Senden von Nachrichten von einer Basisstation an eine Mobilstation ein gleichzeitiger Sendevorgang derselben Nachricht durch weitere Basisstationen auf derselben Frequenz als Gleichwellenfunk stattfindet, insbesondere durch jene Basisstationen, welche zuvor erfolgreich Datenpakete oder Signalanteile von der Mobilstation empfangen haben.
Einrichtung nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, dass zum gleichzeitigen Senden die Pakete zunächst mit einem Zeitstempel in einem Sendepufferspeicher der jeweiligen Basisstation vorgelagert werden, welcher insbesondere Kollisionen mit anderen Sendeanfragen erkennt. Die Aussendung erfolgt dann zum im Zeitstempel vorgemerkten Zeitpunkt, wobei bei codiertem Mehrfachzugriff auf den Funkkanal mittels Multi-Channel-CDMA Vielfachträger-Modulation durch Signaladdition auch eine überlagerte Aussendung kollidierender Sendeanfragen möglich ist.
Einrichtung nach Anspruch 1. und 3., dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierende Einheit die Kombination durch komplexe oder vektorielle Addition in der Frequenzebene durchführt, wobei die zu mischenden empfangenen Symbolinformationen vorher komplex gewichtet werden.
Einrichtung nach Anspruch 9., dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der komplexen Gewichtungsfaktoren Pilotträger ausgewertet werden.
Einrichtung nach Anspruch 1. oder 3., dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierende Einheit vor der Kombination der emfangenen Symbolinformationen eine Dopplerkorrektur durchführt.
Einrichtung nach Anspruch 9. bis 11., dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierende Einheit die Gewichtungs- und Dopplerkorrekturparameter dadurch gewinnt, dass die empfangenen Symboldaten verschiedener Basisstationen von vorher erfolgreich decodierten Datenpaketen durch Korrelation miteinander verglichen werden.
Einrichtung nach Anspruch 11. und 12., dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungs- und Dopplerkorrekturparameter zu Bestimmung der Position und Geschwindigkeit der Mobilstation genutzt werden, indem aus den Gewichtungsparametern die Phase zur Phasenentfernungsmessung bestimmt wird, die Dopplerkorrekturparameter hingegen zur Bestimmung der Geschwindigkeit genutzt werden.
Einrichtung nach Anspruch 13., dadurch gekennzeichnet, dass anhand des letzten Empfangszeitpunkts eines Datenpakets, der bekannten Position und Geschwindigkeit der Mobilstation und der bekannten Positionen der Basisstationen die Gewichtungs- und Dopplerkorrekturparameter anhand der hieraus geschätzten neuen Position der Mobilstation zum Zeitpunkt des Empfangs eines neuen Datenpakets umgerechnet werden.