DE102005007219A1

DE102005007219A1 - Verfahren zur Übertragung von Daten

Info

Publication number: DE102005007219A1
Application number: DE200510007219
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Michel; Bernhard Raaf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2006-08-17
Also published as: WO2006087268A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Übertragung von Daten von einer Sendeeinrichtung an eine Teilnehmerstation beschrieben, bei dem die Daten innerhalb von verschiedenen Zeitschlitzen übertragen werden, bei dem Daten, die an die gleiche Teilnehmerstation gerichtet sind, in verschiedenen Zeitschlitzen verschiedene Codefolgen aufgeprägt werden, wobei die verschiedenen Codefolgen durch aufeinander folgende Zeilen einer Codematrix gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft sowohl Codefolgen als auch Folgen von Codefolgen als auch Funkstationen, insbesondere Mobilstationen oder Basisstationen, die zur Verwendung von Codefolgen entsprechend eingerichtet sind.
Die rasante technische Entwicklung auf dem Gebiet der Mobilfunkkommunikation führte in den letzten Jahren zur Entwicklung und Standardisierung der so genannten dritten Generation von Mobilfunksystemen, insbesondere dem UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), mit denen unter anderem das Ziel verfolgt wird, den Nutzern von Mobilstationen, wie beispielsweise Mobiltelefonen, erhöhte Datenraten zur Verfügung zu stellen.
Gerade in den letzten Monaten bildet ein so genannter Enhanced-Up-Link einen Schwerpunkt dieser Entwicklungs- und Standardisierungsaktivitäten. Mit diesem Enhanced-Up-Link sollen für die Verbindung von einer Mobilstation zu einer Basisstation erhöhte Datenraten zur Verfügung gestellt werden. Zum Aufbau bzw. zur Aufrechterhaltung eines solchen Enhanced-Up-Links sind die Signalisierungskanäle E-HICH (Enhanced Up Link Dedicated Channel Hybrid ARQ Indicator Channel) und E-RGCH (Enhanced Up Link Dedicated Channel Relative Grant Channel) in der Richtung von der Basisstation an die Mobilstation vorgesehen.
Mit dem E-HICH wird ein "ACK: Acknowledge" oder ein "NACK: Not-Acknowlegde" an die Mobilstation signalisiert, je nach dem, ob ein Paket von der Basisstation korrekt empfangen wurde oder nicht.
Mit dem E-RGCH wird an die Mobilstation signalisiert, ob sie mit höherer, gleicher oder niedrigerer Datenrate senden darf.
Die Daten, insbesondere Datenbits, die über diese genannten Signalisierungskanäle, insbesondere über denselben Funkkanal, an verschiedene Mobilstationen gesendet werden, werden zur Teilnehmerseparierung mit einer Codefolge, auch Signatursequenz genannt, gespreizt.
Da beispielsweise innerhalb des gleichen Funkkanals verschiedene Daten an verschiedene Mobilstationen gesendet werden, ist es erforderlich, den verschiedenen Daten entsprechend verschiedene Codefolgen aufzuprägen, um den Mobilstationen so zu ermöglichen, die über diesen Funkkanal empfangenen Daten voneinander zu trennen und in einer Mobilstation nur die an diese Mobilstation gerichteten Daten weiterzuverarbeiten.
Während der Enhanced-Up-Link-Kanal eine Datenübertragung von der Mobilstation zur Basisstation betrifft, beschreiben die genannten Signalisierungskanäle, E-HICH und E-RGCH, die Richtung von der Basisstation zu verschiedenen Mobilstationen.
Siehe hierzu auch:
R1-041421 „E-HICH/E-RGCH Signature Sequences", Ericsson
R1-041177, "Downlink Control Signaling", Ericsson
alle von 3GPP, 3^rd Generation Partnership Programm
Es ist nun das Ziel weltweiter Entwicklungsbemühungen, einen Satz von Codefolgen oder Signatursequenzen anzugeben, der ei ne effiziente Realisierung dieser genannten Signalisierungskanäle ermöglichen.
Um zu vermeiden, dass zwischen den Signalen, die an verschiedene Mobilstationen gerichtet sind, für zwei Mobilstationen eine besonders hohe Beeinflussung entsteht, wird in dem Dokument R1-041177 von Ericsson vorgeschlagen, ein sog. "Codefolgen-Hüpfverfahren" ("Sequenz hopping") einzuführen.
Siehe hierzu auch:
R1-041421 „E-HICH/E-RGCH Signature Sequences", Ericsson
R1-050101 „E-RGCH/E-HICH Sequence Hopping", Ericsson
R1-041177, „Downlink Control Signaling", Ericsson
alle von 3GPP, 3^rd Generation Partnership Programm
In R1-041177, Kapitel 4, „ACK/NAK Signaling" (ACK/NAK Signalisierung) wird beschrieben, dass bei einem solchen "Codefolgen-Hüpfverfahren" (sequence hopping) die Signale, die an eine Mobilstation gerichtet sind, nicht immer mit der gleichen Codefolge gespreizt werden, sondern dass die zur Spreizung verwendete Codefolge regelmäßig geändert wird.
Es bietet sich dabei an, die Sequenz (Codefolge) zu jedem Zeitschlitz zu ändern, da die Sequenzen ja eine Dauer von einem Zeitschlitz haben. Dies ist somit die maximal mögliche Rate, mit der unterschiedliche Sequenzen zugewiesen werden können.
Beispielsweise werden die Sequenzen zyklisch zugewiesen, d.h. die Sequenzen werden folgendermaßen zugeordnet: seq = (k + t) mod n
Dabei ist k ein Index für die Mobilstation (an welche die entsprechenden Daten gerichtet sind), t die fortlaufend gezählte Zeitschlitznummer, n die Anzahl der Sequenzen und seq die im Zeitschlitz t der Mobilstation mit dem Index k zugewiesene Sequenz. Die Zeitschlitznummer t kann dabei innerhalb eines Funkrahmens hochgezählt werden, und beim nächsten Rahmen wieder auf Null gesetzt werden; man kann aber auch andere Zeiträume wählen, zu denen t wieder zurückgesetzt wird, z.B. die Dauer einer auf diesem Kanal übertragenen Nachricht, die bei UMTS 3 Zeitschlitze beträgt.
Auf diese Weise können unterschiedlich große Kreuzkorrelationen zwischen zwei verschiedenen Codefolgen, mit denen zwei entsprechend verschiedene Datenfolgen gespreizt werden, welche an zwei verschieden Mobilstationen gerichtet sind, (insbesondere bei Vorliegen eines Frequenzfehlers) möglichst ausgemittelt werden.
Es wird angenommen, dass die Codefolgen aus einem Satz von Codefolgen oder die Codefolgen, welche durch die Zeilen einer Codematrix gebildet werden, von 0 bis 1 (1 kann z.B. n – 1 sein) durchnummeriert werden. Zudem wird angenommen, dass beispielsweise die Kreuzkorrelation zwischen den Sequenzen (Codefolgen) Nr. 3 und 7 besonders schlecht, also relativ groß ist, die Kreuzkorrelation zwischen den Sequenzen (Codefolgen) Nr. 4 und 8 bzw. Nr. 5 und 9 aber relativ niedrig ist.
Ohne Sequenz-Hopping könnte nun folgender ungünstiger Fall eintreten:
Ein Signal wird basierend auf der Sequenz 7 an eine erste Mobilstation mit relativ hoher Leistung gesendet, und eine zweite Mobilstation versucht ein Signal basierend auf der Sequenz 3 zu detektieren. Das Detektionsergebnis in der zweiten Mobilstation wird nun durch das Signal, welches an die erste Mobilstation gerichtet ist, stark gestört. Wenn man über mehrere Zeitschlitze hinweg den Signalen, die an die erste bzw. zweite Mobilstation gerichtet sind, weiter die Sequenz 3 bzw. 7 zuordnet (sie also damit spreizt, oder die entsprechenden Daten spreizt), so beleibt das Detektionsergebnis für mehrere Zeitschlitze relativ schlecht.
Verwendet man dagegen ein Codefolgen-Hüpf-Verfahren, werden beispielsweise den an die erste Mobilstation gerichteten Signalen oder Daten in drei aufeinander folgenden Zeitschlitzen verschiedene Sequenzen zugeordnet, beispielsweise die Sequenzen 7, 8 und 9. Den an die zweite Mobilstation gerichteten Signalen oder Daten werden in den entsprechenden drei aufeinander folgenden Zeitschlitzen beispielsweise die Sequenzen 3, 4 und 5 zugeordnet. Die zweite Mobilstation versucht also Daten jeweils unter Benutzung der Sequenzen 3, 4 und 5 zu detektieren. In diesem Fall ergibt sich im ersten Zeitschlitz eine Beeinträchtigung der Detektion durch die schlechte Korrelation der Sequenzen 3 und 7. In den nachfolgenden Zeitschlitzen werden aber die Sequenz-Paare 4 und 8 bzw. 5 und 9 verwendet, die im Allgemeinen keine so schlechten Eigenschaften wie das erst genannte Sequenzpaar haben.
Allerdings kann es sein, dass beim zweiten oder dritten Zeitschlitz andere Paare von Mobiltelefonen das ungünstige Sequenzpaar 3 gegenüber 7 zugewiesen bekommen. Diesen werden aber dann zu anderen Zeitschlitzen günstigere Sequenzpaare zugeordnet.
Allerdings kann es vorkommen, dass sowohl das Sequenzpaar 3,7 als auch das Sequenzpaar 4,8 schlechte Eigenschaften hat. Daher wurde im Dokument R1-050101 vorgeschlagen, nicht eine zyklische Zuweisung vorzunehmen, sondern stattdessen eine explizite Zuweisung der Sequenzen zu den drei Zeitschlitzen, welche bei UMTS für eine Nachricht auf dem E-RGCH oder E-AGCH verwendet werden, durchzuführen.
Dieses Beispiel für eine Hoppingsequenz ist der genannten Veröffentlichung R1-050101 entnommen:
Dies bedeutet z.B., dass die Mobilstation mit Index 1 in den ersten drei Zeitschlitzen die Sequenzen (Codefolge) 1, 6, 21 zugewiesen bekommt. Es werden also Daten oder Signale, die an die Mobilstation 1 gerichtet sind, in einem ersten Zeitschlitz mit der Codefolge 1, in einem zweiten Zeitschlitz mit der Codefolge 6 und in einem dritten Zeitschlitz mit der Codefolge 21 gespreizt.
Die Mobilstation mit Index 2 bekommt die Sequenzen 2, 0 und 8 zugewiesen. Wie man sieht, wird im ersten Zeitschlitz der Mobilstation immer die Sequenz, die ihrem Index entspricht zugeordnet. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann man annehmen, dass das so ist, andernfalls könnte man auch die Indizes so permutiert zuordnen, dass man diese Zuordnung erhält.
Für die Zuordnung des Index für die folgenden 2 Zeitschlitze hat man aber jeweils n! (n Fakultät = n·(n – 1)·(n – 2)· ... ·3·2·1) unterschiedliche Möglichkeiten der Zuordnung. Man kann nun solche Permutationen für die folgenden Zeitschlitze suchen, die eine möglichst gleichmäßige Verteilung der mittleren Kreuzkorrelationen für alle möglichen Paare von Mobilstationen bewirken. Genauer gesagt sollte das Maximum der gemittelten Kreuzkorrelationen möglichst gering sein. Das Maximum wird dabei über alle Paarungen von Mobilstationen berechnet, also alle Paare ungleicher Indizes. Die Mittelung wird über die Zeitschlitze, die zu einer Übertragung einer Nachricht benutzt werden durchgeführt, im Fall von UMTS sind das drei Zeitschlitze.
Dieses Vorgehen gemäß dem Stand der Technik hat aber verschiedene Nachteile: Sowohl in der Mobilstation als auch in der Basisstation müssen Tabellen gespeichert werden, die die Zuordnung der Sequenzen in Abhängigkeit von den Indizes und Zeitschlitzen bestimmen. Diese Zuordnung muss dann auch während des Betriebs berechnet werden. Des Weiteren ergeben sich im Fall von UMTS mit drei Zeitschlitzen und 40 Sequenzen 40!·40! = 6,65718E + 95 Möglichkeiten für die Permutationsauswahl. Diese Anzahl ist bei weitem zu groß um sie erschöpfend zu untersuchen, selbst mit vielfältigen Optimierungen wird man nur eine verschwindend kleine Auswahl von Möglichkeiten untersuchen können. Die Anzahl der Möglichkeiten ist also unnötig hoch, man kann ohne Nachteile auch Beschränkungen z.B. Nebenbedingungen einführen, ohne erwarten zu müssen, dass man dadurch in Praxis weniger gute Zuordnungen findet.
Der Erfindung liegt nun auch das Problem zugrunde, eine technische Lehre anzugeben, die eine effiziente Realisierung der genannten Signalisierungskanäle ermöglicht. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung ein effizientes Verfahren zur Zuweisung von Folgen von Codefolgen zu Mobilstationen oder zu Signalen, die an Mobilstationen gerichtet sind, anzugeben, die eine effiziente Realisierung der genannten Signalisierungskanäle ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche definiert. Im Rahmen der Erfindung liegen auch Weiterbildungen der unabhängigen Vorrichtungsansprüche, die den abhängigen Verfahrensansprüchen entsprechen.
Die Erfindung beruht dabei zunächst auf dem Gedanken, Codefolgen zu verwenden, die zueinander orthogonal sind. Dies hat den Vorteil, dass ein Empfänger (beispielsweise eine Mobil station), der mit seiner Codefolge auf eine Empfangssignalfolge korreliert, die nicht für ihn bestimmt ist, im Idealfall kein Korrelationssignal erhält. Daher erweist sich in einem ersten Schritt die Verwendung von Codefolgen als vorteilhaft, welche die Zeilen einer Hadamardmatrix bilden, da die Zeilen einer Hadamardmatrix zueinander orthogonal sind.
Hadamardmatrizen sind insbesondere definiert als Matrizen mit Elementen der Größe 1, deren Zeilen zueinander orthogonal sind, und deren Spalten zueinander orthogonal sind. Im Rahmen der Anmeldung soll aber der Begriff "Hadamardmatrix" allgemeiner alle Matrizen mit Elementen der Größe 1 beschreiben, deren Zeilen zueinander orthogonal sind.
Es können für die Realisierung der oben genannten Signalisierungskanäle Codefolgen verwendet werden, deren Orthogonalität zueinander auch beim Vorliegen eines Frequenzfehlers möglichst nicht oder möglichst wenig beeinträchtigt wird.
Es kann ein Satz von Codefolgen, insbesondere der Länge 40, angegeben werden, für den gilt, dass die Codefolgen zueinander orthogonal sind und dass das Maximum von
relativ klein ist, wobei das Maximum für alle möglichen Paare s und e, wobei s ungleich e ist, gebildet wird, wobei C(s, i) das Element der Codematrix in Zeile s und Spalte i ist, und wobei die Summe über alle Spalten der Codematrix ausgeführt wird. Dabei bezeichnet f den Wert des Frequenzfehlers, t(i) = Ti ist die Zeit, zu der das i-te Bit übertragen wird, T die Dauer eines Bits. Wie in der Signalverarbeitung üblich wird komplex gerechnet. Hierbei wird davon ausgegangen, dass das i-te Symbol zur Zeit T mal i gesendet wird. Dies ist streng genommen nur dann der Fall, wenn die Bit seriell hintereinander übertragen werden. Es ist auch möglich, beispielsweise zwei Bit parallel zur gleichen Zeit zu übertragen, beispielsweise durch Anwendung eines so genannten I – Q Multiplex-Verfahrens, d.h. in einem komplexen Sendesignal wird das eine Bit als Realteil und das andere als Imaginärteil übertragen. In diesem Fall werden jeweils zwei Bit zur gleichen Zeit übertragen, so dass t(i) = (int(i/2)·2 + 0,5)·T ist. int() bezeichnet hier den ganzzahligen Anteil. Der Unterschied zwischen diesen beiden Fällen beträgt aber nur 0,5T und ist im Allgemeinen zu vernachlässigen, so dass auf diese Feinheit im Folgenden nicht weiter eingegangen wird. Eine äquivalente Formulierung ist die, dass die beiden Bits i und i + 1 des Symbols (i/2) zur Zeit i·T gesendet werden. Der Unterschied zwischen beiden Nomenklaturen ist lediglich ein Versatz von 0,5·T. Dieser Versatz ist aber irrelevant, er würde nur die Aussendung aller Symbole verschieben, das Problem ist aber invariant gegenüber einer Zeitverschiebung.
Ein in diesem Sinne besonders geeigneter Satz von Codefolgen, wird durch eine Codematrix beschrieben, wobei die Codematrix durch folgende Schritte erhältlich ist:

– Bilden einer Hadamardmatrix der Länge n;
– Vertauschen von Spalten der Hadamardmatrix.

Die Erfindung basiert auch auf der Erkenntnis, dass man die Nachteile einer oben beschriebenen zyklischen Zuweisung vermeiden kann, wenn man die Sequenzen umnummeriert. Dies ist gleichbedeutend mit einer Permutation der Sequenzen bzw. einer Vertauschung der Zeilen einer Codematrix.
Wie im obigen Beispiel gezeigt, kann es sein, dass sowohl das Sequenzpaar 3,7 als auch das Sequenzpaar 4,8 schlechte Eigenschaften hat. Durch Vertauschen der Sequenzen 8 und 9 wird erreicht, dass den Mobilstationen nach der Paarung 3,7 im nächsten Zeitschlitz die Paarung 4,9 zugewiesen wird, die im allgemeinen bessere Eigenschaften haben wird (falls nicht kann man mit einer anderen Sequenz vertauschen). Somit kann man auch durch geeignete Vertauschungen der Sequenzen eine Häufung von Zuweisungen schlechter Paarungen und somit eine schlechte gemittelte Kreuzkorrelation vermeiden. Natürlich wird es dann auch weniger Paare von Mobilstationen geben, die in allen Zeitschlitzen Paare mit besonders guten Korrelationen zugewiesen bekommen, mit anderen Worten das Minimum der gemittelten Korrelationen wird schlechter. Bei der Systemperformanz kommt es aber hauptsächlich auf die Fälle an, wo besonders hohe Störungen auftreten, der Gewinn den die Reduktion der Maximalen Störungen bring wird durch eine Erhöhung der Störung bei kleinen Störungen nicht ausgeglichen.
Die Erfindung basiert demnach auch auf dem Gedanken, die Zuordnung der Sequenzen zu permutieren. Dies erlaubt auch eine effiziente Implementierung der Zuweisung der Sequenzen: Die 40 Sequenzen können beispielsweise in einem Speicher hintereinander abgelegt werden. Für 40 Sequenzen mit je 40 Werten benötigt man 40·40 = 1600 Bit = 200 Byte Speicher (ROM), ein für heutige Implementierungen geringer Wert. Für das Aussenden einer Nachricht oder eines Signals oder von Daten, die mit einer solchen Sequenz gespreizt wird, bzw. das Korrelieren beim Empfangen mit solch einer Sequenz muss dann einfach die zugeordnete Sequenz aus dem Speicher ausgelesen werden.
Wenn die Sequenzen hintereinander abgespeichert werden, so wird beim Übergang von einem Zeitschlitz zum nächsten einfach die folgende Sequenz ausgelesen. Lediglich nach der letzten Sequenz muss eine Sonderbehandlung durchgeführt werden: Entweder beginnt man nach dem Auslesen der letzten Sequenz wieder am Anfang (sog. wrap around) oder man speichert die ersten beiden Sequenzen noch mal nach der letzten Sequenz ab. Das kostet zwar 2·40 Bit = 80 Bit = 10 Byte, aber man erspart sich damit die Sonderbehandlung. De facto verwendet man damit Sequenzen der Länge 3·40 = 120, die aber überlappend sind und somit effizient gespeichert werden können.
Um eine gute Zuordnung zu finden, kann man in den 40! möglichen Permutationen der Sequenzen suchen. Das sind immer noch bei weitem zu viele Permutationen für eine erschöpfende Suche. Aufwändige Suchen mit extra dafür entwickelten Suchalgorithmen haben ergeben, dass man die mittlere Kreuzkorrelation gegenüber dem Fall, dass kein Hopping angewandt wird, noch deutlich reduzieren kann, selbst wenn die Sequenzen schon dahingehend optimiert wurden, dass das Maximum der Kreuzkorrelation möglichst gering ist (ohne eine solche Optimierung würde Hopping sogar noch mehr Verbesserung bringen, aber natürlich wird man danach trachten, alle Optimierungen zugleich einsetzen zu können).
Ohne Hopping ergibt sich für den optimierten Satz von Sequenzen eine maximale Kreuzkorrelation von einem gewissen Wert. Durch einfache Permutation dieser Sequenzen erreicht man, dass das Maximum zurückgeht. Dazu müssen nur die Sequenzen in einer veränderten Reihenfolge im Speicher abgelegt werden und es werden aus dem Speicher Sequenzen der Länge 120 ausgelesen, statt eine Sequenz der Länge 40 drei mal zu wiederholen, ersteres ist für die meisten Architekturen sogar leichter zu implementieren, da die dreifache Wiederholung nicht implementiert werden muss.
Zusammengefasst lässt sich sagen, dass sich durch die Erfindung ohne Erhöhung der Komplexität eine Verbesserung der Eigenschaften erreichen lässt. Die Erfindung erreicht also die Vorteile eines Hopping-Verfahrens unter Verwendung einer Tabelle, wie in R1-050101 vorgeschlagen, ohne die Nachteile dieses Verfahrens in Kauf nehmen zu müssen.
Die Optimierung wendet man zweckmäßigerweise auf eine Codematrix an, deren Zeilen Codefolgen (Sequenzen) bilden, welche bereits hinsichtlich der Kreuzkorrelation optimiert worden ist, beispielsweise auf die folgende Codematrix (ursprüngliche Codematrix). Diese Codematrix weist sehr gute Eigenschaften hinsichtlich der Kreuzkorrelation bei Frequenzfehler auf. Dies wurde dadurch erreicht, dass ausgehend von einer Williamson-Hadamard-Matrix der Länge 40 Spaltenvertauschungen angewandt wurden, wobei die Spaltenvertauschungen so gewählt wurden, dass das Maximum der Kreuzkorrelation bei Frequenzfehler möglichst klein wird. Zudem wurde nachfolgend noch eine zweite Optimierung vorgenommen: Durch Multiplizieren einer Auswahl von Zeilen der Matrix mit –1 (d.h. alle Elemente der ausgewählten Zeilen wurden invertiert d.h. mit –1 multipliziert) wird folgende Optimierung erreicht: Falls an alle oder fast alle Mobilstationen das selbe Signal gesendet wird, so führt das zu einer Überlagerung der Codefolgen. Durch eine geschickte Auswahl der invertierten Zeilen kann man erreichen, dass bei dieser Überlagerung die Leistung über die Zeit möglichst konstant ist. Bei Verwendung von I – Q Multiplex ist das dann erreicht, wenn die Spaltensummen der Matrix den Absolutbetrag 4 oder 8 haben. Ferner muss von den Spalten 2k und 2k + 1 (wobei k die ganzen Zahlen zwischen 0 und 19 sind) genau eine den Absolutbetrag der Spaltensumme von 4 aufweisen und die andere 8.
Im Folgenden ist die Konstruktion dieser ursprünglichen Codematrix, ausgehend von einer Williamson Hadamardmatrix nochmals beschrieben:

– Generierung einer Hadamardmatrix C'20 der Länge 20 als eine sog. Williamson-Matrix als:

Wobei A bzw. C jeweils 5 mal 5 Matrizen sind mit Zeilen die aus den zyklische Vertauschungen der Folgen [–1 1 1 1 1] bzw. [1 –1 1 1 –1] bestehen und D = 2I – C wobei I die 5 mal 5 Einheitsmatrix darstellt, damit enthält D die zyklischen Vertauschungen der Folge [1 1 –1 –1 1].
Dies führt zur folgenden Matrix C'₂₀
Aus dieser Matrizen wird dann gemäß der Standard-Konstruktion eine Hadamardmatrix der Länger 40 gebildet:
Danach werden die Zeilen der Matrix C'₄₀ durch Anwenden der folgenden Permutation permutiert:
28, 21, 26, 37, 24, 11, 19, 32, 34, 14, 6, 23, 31, 16, 20, 15, 2, 25, 18, 12, 39, 8, 7, 22, 33, 36, 29, 35, 27, 17, 3, 13, 5, 10, 38, 0, 30, 1, 4, 9.
Das heißt, die Spalte Nr. 28 der ursprünglichen Matrix C'₄₀ wird an die Spalte Nr. 0 gesetzt, die Spalte Nr. 21 der ursprünglichen Matrix an die Spalte Nr. 1 usw. Dabei werden die Spalten jeweils wieder von 0 bis 39 durchnummeriert.
Dadurch entsteht eine Matrix C''₄₀. Die Spaltenvertauschungen werden durchgeführt, um das Maximum der Kreuzkorrelation bei Vorliegen eines Frequenzfehlers zu reduzieren.
Anschließend werden die Zeilen der Matrix C''₄₀ mit dem entsprechenden Element des folgenden Musters multipliziert:
1, 1, 1, 1, –1, 1, –1, 1, 1, 1, –1, –1, 1, 1, 1, –1, 1, –1, –1, –1, 1, –1, –1, –1, –1, –1, –1, 1, –1, –1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, –1, –1
Dabei gibt das Muster jeweils die Werte (+1 oder –1) mit denen die entsprechenden Zeilen der Matrix multipliziert werden. Diese Werte werden mit den entsprechenden Zeilen der frequenzoptimierten Matrix C''₄₀ multipliziert. Anders ausgedrückt werden die Zeilen, bei denen das Muster eine –1 aufweist mit –1 multipliziert. Das Muster wird dabei so gewählt, dass die Beträge der Spaltensummen der Spalten 2k und 2k + 1 (für k = 0, 1, 2,... 19) den Wert 8 und 4 haben, was die Maximalleistung bei Aussendung von gleichen Signalen an alle Mobilstationen minimiert. Dies ergibt die genannte ursprüngliche Codematrix.
Bei dieser (ursprünglichen) Codematrix lässt sich nun die folgende Zeilenvertauschung vornehmen:
[29, 25, 26, 0, 9, 1, 20, 17, 7, 14, 18, 12, 34, 8, 6, 21, 5, 23, 15, 28, 3, 36, 37, 33, 30, 4, 19, 10, 35, 39, 38, 11, 2, 32, 24, 31, 16, 22, 27, 13]
Diese Permutation gibt an, welche Zeile der ursprünglichen Matrix die entsprechende Zeile der optimierten Matrix bildet. Dabei werden die Nummern der Zeilen der ursprünglichen Codematrix für die Zeilen Null bis 39 der optimierten Codematrix in dieser Reihenfolge angegeben.
Der Erste Wert (29) gibt also an, welche Zeile der ursprünglichen Codematrix die erste Zeile (die Zeile Nr. 0) der optimierten Codematrix bildet (nämlich die Zeile 29). Der nächste Wert (25) gibt an, welche Zeile der ursprünglichen Codematrix die nächste Zeile der optimierten Matrix (die Zeile Nr. 1) bildet usw., bis zur letzten Zeile der optimierten Codematrix, welche die Zeile 13 der ursprünglichen Codematrix ist. Dabei wird die Konvention angewandt, dass die Zeilen beginnend mit 0 bis 39 gezählt werden.
Mit Anwendung dieser Permutation zur Zeilenvertauschung ergibt sich die folgende optimierte Codematrix:
Erfindungsgemäß werden die Zeilen dieser optimierten Codematrix als (Spreiz-)Sequenzen oder Codefolgen verwendet, wobei in aufeinander folgenden Zeitschlitzen jeweils aufeinander folgende Sequenzen verwendet werden (auf die letzte Sequenz folgt dabei insbesondere die erste).
Beispielsweise wird eine Nachricht, Daten oder ein Signal, das an eine erste Mobilstation gerichtet ist, als Codefolge in einem ersten Zeitschlitz mit der ersten Zeile dieser optimierten Codematrix gespreizt, im zweiten Zeitschlitz mit der zweiten Zeile und im dritten Zeitschlitz mit der dritten Zeile. Beispielsweise wird eine Nachricht, Daten oder ein Signal, das an eine zweite Mobilstation gerichtet ist, als Codefolge in einem ersten Zeitschlitz mit der zweiten Zeile dieser optimierten Codematrix gespreizt, im zweiten Zeitschlitz mit der dritten Zeile und im dritten Zeitschlitz mit der vierten Zeile.
Das Optimierungskriterium, welches für diese optimierte Codematrix angewandt wurde, ist das folgende: Sei mit E(e, s) die Störung bezeichnet, die gemäß der oben angegebenen Formel für E für einen Zeitschlitz berechnet wird. Der Betrag der gesamten Störung nach dem Empfang von drei Zeitschlitzen zwischen zwei Mobilstationen mit Index ie und is ist dann gegeben durch: S(ie, is) = abs (E (ie, is) + E((ie + 1) mod 40, (is + 1) mod 40) + E((ie + 1) mod 40, (is + 1) mod 40))
Denn für den ersten Zeitschlitz werden die Sequenzen ie bzw. is zugewiesen, für den zweiten Zeitschlitz die Sequenzen (ie + 1) mod 40 bzw. (is + 1) mod 40 und so weiter. Diese Formel lässt sich auch leicht für andere Anzahlen von Zeitschlitzen, Sequenzen oder Hoppingalgorithmen verallgemeinern. Die Funktion abs() bezeichnet dabei den Absolutbetrag.
Ziel ist es auch, dass das Maximum von S(ie, is) klein ist, wobei das Maximum für alle möglichen Paare ie und is gebildet wird, wobei is ungleich ie ist. Ohne die Optimierung ergibt sich bei der Annahme eines Frequenzfehlers von 200 Hz ein Wert von S von 2,73, mit Optimierung der Hoppingsequenz ein Wert von unter 1.87. Dies entspricht einer Reduktion der Störleistung um 3,3 dB.
Diese Formel für S gilt bei sog. Kohärenter Detektion, d.h. im Empfänger werden die komplexen Empfangswerte für alle drei Zeitschlitze addiert. Dies ist die gängige Methode der Detektion. Bei anderen Empfangsalgorithmen muss man evtl. eine andere Optimierung wählen. Bei der sog. Inkohärenten Detektion werden z.B. Beträge des Empfangs der drei Zeitschlitze addiert, die relevante Formel wäre dann. S(ie, is) = abs (E (ie, is)) + abs (E((ie + 1) mod 40, (is + 1) mod 40)) + abs (E((ie + 1) mod 40, (is + 1) mod 40))
Es müsste dann also nicht der Betrag der Summe sondern die Summe der Beträge minimiert werden.
Auch die Berechung von S gemäß dieser Formel an Stelle der Formel oben liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung.
Selbstverständlich kann die Optimierung im Sinne dieser Erfindung nicht nur auf die o.g. ursprüngliche Codematrix angewandt werden, sondern auch auf eine andere Codematrix, welche z.B. durch eine andere Optimierung erreicht wurde (Ausgehend von einer anderen Hadamard-Matrix (es gibt in der Literatur verschiedene) und/oder durch Anwendung anderer Spaltenvertauschungen und/oder durch Auswahl anderer Zeilen zur Multiplikation mit –1).
Es sei noch darauf hingewiesen, dass das Vertauschen von Zeilen der Codematrix im Sinne dieser Erfindung zur Optimierung der Codematrix bzw. der Hopping-Sequenzen verwendet wird. Daneben gibt es noch weitere Operationen, die keinen Einfluss darauf haben und auch die Orthogonalitätseigenschaften nicht beeinträchtigen. Daher lässt sich eine erfindungsgemäße Codematrix mit diesen Operationen in verschiedene andere Codematrix umwandeln, die ebenfalls die erfindungsgemäßen Eigenschaften haben. Zu diesen Operationen gehören:

– Multiplizieren von einer Auswahl von Spalten mit dem konstanten Wert –1
– Umkehren der Reihenfolge der Spalten oder Zeilen der gesamten Matrix.
– Zyklisches Vertauschen der Zeilen der gesamten Matrix.

Aus diesem Grund liegen Codematrizen, die durch Anwendung einer oder mehrerer dieser Operationen aus erfindungsgemäßen Codematrizen hervorgehen, und deren erfindungsgemäße Verwendung, selbstverständlich ebenfalls im Rahmen der Erfindung.
Im Rahmen der Erfindung liegen selbstverständlich auch Funkstationen, insbesondere Basisstationen und Mobilstationen, die geeignet eingerichtet sind, erfindungsgemäße Codefolgen und Folgen von Codefolgen, insbesondere zur Realisierung bzw. Übertragung der oben genannten Signalisierungskanäle zu verwenden. Dabei können die über diese Signalisierungskanäle zu übertragenden Datenbits sendeseitig zur besseren Separierbarkeit mit den erfindungsgemäßen Codefolgen multipliziert (gespreizt) werden. Empfangsseitig kann der Empfänger zur besseren Separierung der empfangenen Signale eine erfindungsgemäße Codefolge mit den empfangenen Signalen korrelieren, d.h. Korrelationssummen bilden und diese entsprechend weiterverarbeiten. Die Bildung der Korrelationssummen erfolgt beispielsweise, wie weiter oben beschrieben, durch die Berechnung des Empfangssignals E. Eine Möglichkeit der Weiterverarbeitung ist dann beispielsweise die Signalstärke mit einer Schwelle zu vergleichen. Wird diese überschritten weiß der Empfänger, dass die ihm zugewiesene Sequenz (Codefolge) empfangen wurde und wertet die Information aus. Am Beispiel des UMTS E-HICH Kanals ist der Informationsgehalt des Empfangssignals ein ACK oder NACK der Basisstation an die Mobilstation als Antwort auf ein von der Mobilstation an die Basisstation auf dem E-DCH gesendetes Datenpaket. Die Information ACK bzw. NACK kann durch das Vorzeichen des empfangenen Signals E signalisiert werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von einer Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine vereinfachte Darstellung einer Up-Link- bzw. Down-Link-Verbindung;
1 zeigt zwei (Enhanced Uplink-) Datenkanäle EU0 und EU1 von zwei Mobilstationen (Teilnehmerstationen) MS0 und MS1 zu einer Basisstation (Sendeeinrichtung) BS eines UMTS-Systems.
Zum Aufbau bzw. zur Aufrechterhaltung eines solchen Enhanced-Up-Links sind die Signalisierungskanäle E-HICH0 und E-HICH1 (Enhanced Up Link Dedicated Channel Hybrid ARQ Indicator Channel) und E-RGCH0 und E-RGCH1 (Enhanced Up Link Dedicated Channel Relative Grant Channel) in der Richtung von der Basisstation BS zu den Mobilstationen MS0, MS1 vorgesehen.
Um die von der Basisstation BS an die Mobilstationen MS0, MS1 innerhalb eines Funkkanals (gleiche Zeit- und Frequenzressource) realisierten Signalisierungskanäle empfangsseitig für die verschiedenen Mobilstationen MS0, MS1 separierbar zu machen, werden den über diese Signalisierungskanäle zu übertragenden Datenbits sendeseitig (basisstationsseitig) verschiedene Codefolgen aufgeprägt.
Die Funkstationen (Mobilstationen, Basisstationen) sind hardwaretechnisch, beispielsweise durch geeignete Empfangs- und/oder Sendeeinrichtungen oder durch geeignete Prozessoreinrichtungen, und/oder softwaretechnisch so eingerichtet, dass zur Übertragung von Daten erfindungsgemäße Codefolgen oder Folgen von Codefolgen verwendet werden, insbesondere zu sendende Daten mit einer erfindungsgemäßen Codefolge oder Folge von Codefolge multipliziert werden (gespreizt werden) oder empfangene Signale mit einer erfindungsgemäßen Codefolge oder Folge von Codefolge korreliert werden.
Beispiel:
Daten, die an die erste Mobilstation gerichtet sind und in einem ersten Zeitschlitz gesendet werden, werden (sendeseitig oder basisstationsseitig) mit einer ersten Zeile einer Codematrix gespreizt.
Daten, die an die erste Mobilstation gerichtet sind und in einem zweiten Zeitschlitz gesendet werden, werden mit einer zweiten Zeile einer Codematrix gespreizt.
Daten, die an die erste Mobilstation gerichtet sind und in einem dritten Zeitschlitz gesendet werden, werden mit einer dritten Zeile einer Codematrix gespreizt.
Daten, die an die zweite Mobilstation gerichtet sind und in einem ersten Zeitschlitz gesendet werden, werden mit einer zweiten Zeile einer Codematrix gespreizt.
Daten, die an die zweite Mobilstation gerichtet sind und in einem zweiten Zeitschlitz gesendet werden, werden mit einer dritten Zeile einer Codematrix gespreizt.
Daten, die an die zweite Mobilstation gerichtet sind und in einem dritten Zeitschlitz gesendet werden, werden mit einer vierten Zeile einer Codematrix gespreizt.
Daten, die an eine dritte Mobilstation gerichtet sind und in einem ersten Zeitschlitz gesendet werden, werden mit einer vorletzten, insbesondere 39., Zeile einer Codematrix gespreizt.
Daten, die an eine dritte Mobilstation gerichtet sind und in einem zweiten Zeitschlitz gesendet werden, werden mit einer letzten, insbesondere 40. Zeile einer Codematrix gespreizt.
Daten, die an eine dritte Mobilstation gerichtet sind und in einem dritten Zeitschlitz gesendet werden, werden mit einer ersten Zeile einer Codematrix gespreizt.
Empfangsseitig oder teilnehmerstationsseitig werden empfangene Empfangssignale oder Empfangssignalfolgen, die auf Daten, welche innerhalb aufeinander folgender Zeitschlitze – wie oben beschrieben – gesendet wurden, mit der entsprechenden dieser Teilnehmerstation (Mobilstation) zugeordneten Folge von Codefolgen korreliert oder basierend auf der entsprechenden dieser Teilnehmerstation (Mobilstation) zugeordneten Folge detektiert.
Zusätzlich zu der Spreizung mit den beschriebenen Codefolgen kann noch eine weitere Spreizung mit sog. OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor, Orthogonaler Variabler SpreizFaktor) Sequenzen durchgeführt werden, da es sich beim UMTS um ein CDMA-System handelt. Diese Spreizung findet aber nur auf Symbolebene statt, also einem sehr kurzen Zeitintervall, so dass diese Spreizung nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Frequenzfehlereigenschaften hat und daher an dieser Stelle nur der Vollständigkeit halber genannt wird.

Claims

Verfahren zur Übertragung von Daten von einer Sendeeinrichtung an eine Teilnehmerstation, bei dem die Daten innerhalb von verschiedenen Zeitschlitzen übertragen werden, bei dem Daten, die an die gleiche Teilnehmerstation gerichtet sind, in den verschiedenen Zeitschlitzen verschiedene Codefolgen aufgeprägt werden, wobei die verschiedenen Codefolgen durch aufeinander folgende Zeilen einer Codematrix gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Daten an verschiedene Teilnehmerstationen übertragen werden, und bei dem Daten, die an verschiedene Teilnehmerstationen gerichtet sind, in gleichen oder entsprechenden Zeitschlitzen verschiedene Codefolgen aufgeprägt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Daten innerhalb von drei aufeinander folgenden Zeitschlitzen übertragen werden, bei dem im ersten Zeitschlitz eine x-te Zeile der Codematrix, im zweiten Zeitschlitz eine x + 1-te Zeile der Codematrix und im dritten Zeitschlitz eine Zeile x + 2-te Zeile der Codematrix verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Codematrix dadurch erhältlich ist, dass Zeilen einer ursprünglichen Codematrix vertauscht werden, wobei die Vertauschung der Zeilen derart erfolgt, dass – das Maximum von S(ie, is) klein ist, insbesondere kleiner als 2 ist, wobei S(ie, is) für alle möglichen Paare ie und is gebildet wird, und wobei is ungleich ie ist, wobei gilt: S(ie, is) = abs (E(ie, is) + E((ie + 1) mod n, (is + 1) mod n) + E((ie + 1) mod n, (is + 1) mod 40)), undwobei gilt: – n bezeichnet die Anzahl der Spalten und Zeilen der Codematrix, insbesondere ist n = 40, – die Funktion abs() bezeichnet den Absolutbetrag, – E(e, s) bezeichnet die Störung für einen Zeitschlitz, insbesondere gilt:
wobei gilt: – C(s, i) ist das Element der Codematrix in Zeile s und Spalte i, – die Summe wird über alle Spalten der Codematrix ausgeführt – f bezeichnet den Wert des Frequenzfehlers, insbesondere f = 200 Hz, – t(i) = T·i ist die Zeit, zu der das i-te Bit übertragen wird, T die Dauer eines Bits, insbesondere 16,7 Mikrosekunden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Codematrix auf folgender Codematrix basiert oder durch folgende Codematrix gebildet ist:
Funkstation, insbesondere Basisstation, mit einer Sendeeinrichtung zum Senden von Daten in verschiedenen Zeitschlitzen an zumindest eine Teilnehmerstation, mit einer Prozessoreinrichtung, die derart eingerichtet ist, dass Daten, die an die gleiche Teilnehmerstation gerichtet sind, in den verschiedenen Zeitschlitzen verschiedene Codefolgen aufgeprägt werden, wobei die verschiedenen Codefolgen durch aufeinander folgende Zeilen einer Codematrix gebildet sind.
Teilnehmerstation, insbesondere Mobilstation, mit einer Empfangseinrichtung zum Empfang einer Empfangssignalfolge, welche auf übertragenen Daten basiert, und mit einer Prozessoreinrichtung, die derart eingerichtet ist, dass die Empfangssignalfolge mit einer Folge von Codefolgen korreliert wird, wobei die Folge von Codefolgen durch aufeinander folgende Zeilen einer Codematrix gebildet ist oder darauf basiert.