-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft eine Basisstation und mindestens ein Endgerät oder Weiterleitungsknoten für ein Mobilfunk-Kommunikationssystem.
-
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Basistation und mindestens eines Endgerätes oder Weiterleitungsknoten. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
-
Stand der Technik
-
Um Daten in der drahtlosen Mobilkommunikation effektiv zu übertragen ist es notwendig, dass man den Funkkanal zwischen der Basisstation (BS) und dem Endgerät (Terminal) oder Weiterleitungsknoten möglichst genau kennt.
-
Dies betrifft Kenntnis des Funkkanals in der Abwärtsstrecke (Downlink) genauso wie den Funkkanal in der Aufwärtsstrecke (Uplink).
-
Schätzung des Funkkanals beim Empfänger wird meist durch Übertragung von sogenannten Pilot-Symbolen ermöglicht, deren Übertragungsposition (Zeit, Unterträger, Sendeantenne o. Ä.), Übertragungsformat (z. B. Spreizcode o. Ä.) und Wert dem Empfänger bekannt sind.
-
Alternativ oder ergänzend wird Kanalschätzung beim Empfänger auch durch Übertragung von dem Empfänger bekannten Präambel-Signalen oder sogenannten breitbandigen Sondierungssignalen (Sounding) ermöglicht.
-
Die oben genannten Methoden ermöglichen eine Kanalschätzung beim Empfänger der Signale zur Kanalschätzung. Für eine kanaladaptive Übertragung ist es nötig, die Kanalkenntnis vom Empfänger zum Sender zu bringen. Üblicherweise geschieht dies in einem Datenformat (quantisiert/komprimiert) über einen Kontrollkanal.
-
Die Basisstation kommandiert alle Übertragungen (Daten- sowie Kontrollübertragungen und Sondierungssignale), jeweils mit Festlegung von Übertragungsformat und -position.
-
Für adaptive Übertragung in der Abwärtsstrecke schätzt ein Terminal den Kanal von der Basisstation zum Terminal basierend auf Downlink-Piloten. Dies ist immer möglich, auch wenn gerade keine Daten an dieses Terminal übertragen werden. Auf Kommando der Basisstation wird über einen Uplink-Kontrollkanal Information über die Downlink-Kanalqualiät übertragen.
-
Für adaptive Übertragung im Uplink steht weniger Information zur Verfügung. Den Kanal von einem Terminal zur Basistation kann diese nur schätzen, wenn dieses Terminal ein Signal überträgt (Daten, Kontrollinformation oder Sondierung).
-
Da die Basisstation alle Übertragungen kommandiert (abgesehen von einem Random Access Kanal der z. B. neuen Terminal den Zugang zum System erlaubt), entscheidet die Basisstation selbst, wann und von welchem Terminal (und in welcher Form) sie aktualisierte Informationen über dessen Uplink-Kanal erhält.
-
Das Format von Kanalqualitätsinformation wird an das verwendete Übertragungsverfahren angepasst (bspw. Single-Carrier, CDMA, OFDMA, DFT-S OFDMA, ev. mit MIMO).
-
Als Stand der Technik betrachten wir im Folgenden den neuesten Mobilfunkstandard LTE näher (3GPP Technical Specification 36.213, ’Physical Layer Procedures’ Release 8, www.3gpp.org). LTE verwendet in der Abwärtsstrecke MIMO-OFDMA Übertragung, in der Aufwärtsstrecke DFT-S OFDMA.
-
Ein MIMO-OFDM Kanal ist eine dreidimensionale Ressource mit den Dimensionen Zeit, Unterträger (Frequenz), und Antennen (MIMO). Daten zur Beschreibung der Kanalqualität sind daher auch dreidimensional zu betrachten.
-
Wann, wie und in welcher Form ein Terminal Feedback über die Downlink-Kanalqualität schickt, entscheidet die Basisstation.
-
Bezüglich der Frequenzauflösung der Feedback-Information wird zwischen ’wideband’ (Breitband), ’UE-selected subband’ (ein Teilband mit guter Qualität, ausgewählt vom Terminal) sowie ’higher layer configured subband’ (festgelegtes Teilband) unterschieden.
-
Zur räumlichen Beschreibung des Kanals (MIMO, Mehrantennenübertragung) werden ’rank index’ (Rang Index einer MIMO-Kanalmatrix; beschreibt die Möglichkeit, mehrere Datenströme zeitgleich räumlich getrennt zu übertragen) sowie ’precoding matrix indication’ (entspricht Auswahl einer [mehrerer] ’guten’ Abstrahlrichtung[en]) übertragen.
-
Bezüglich der zeitlichen Auflösung wählt die Basisstation zwischen periodischer Feedback-Übertragung sowie aperiodischer (jeweils auf explizite Anfrage) Übertragung.
-
Das übertragene Feedback selbst enthält keine Beschreibung der zeitlichen Dimension, es beschreibt die Dimensionen Frequenz (Unterträger) sowie Antennen (MIMO). In zeitlicher Hinsicht entspricht dies also einer Abtastung (Abtast-Zeitpunkte entsprechen den Zeitpunkten der Feedback-Übertragung).
-
Für jedes gewählte Subband und jeden gewählten räumlichen Datenstrom für den Feedback zu übertragen ist, wird einer von 15 CQI-Werten gewählt, der die passende Modulation (QPSK/16QAM/64QAM) und Code-Rate beschreibt.
-
Das Aperiodische Feedback über die DL Kanalqualität wird als Antwort des UEs auf das CQI Request der BS im Datenkanal (PUSCH) übertragen, während die BS beim periodischen Feedback die höheren Layer des UEs entsprechend konfiguriert und das UE das Feedback über den Kontrollkanal (PUCCH) überträgt.
-
Das UL Sondierungssignal zur Messung der UL Kanalqualität erfolgt auch auf Anfrage, in zeitlicher Richtung entweder einmalig (’single’) oder periodisch.
-
Bezüglich der Auflösung in Frequenzrichtung wählt die Basisstation Start-Block, Kammstruktur, Bandbreite und zyklischen Shift des Signals.
-
Bezüglich der räumlichen Auflösung gibt es eine Sendeantennenauswahl.
-
Insgesamt ist das Feedback eine (unregelmässige) dreidimensionale Abtastung des 3D-Kanals eines Terminals, getrennt für DL und UL.
-
Nutzung der Information durch die Basisstation: Die Basisstation ist bestrebt Modulation und Code-Rate so zu wählen, dass unter Berücksichtigung von H-ARQ der Durchsatz optimal wird (unter der Randbedingung einer begrenzten mittleren Verzögerung). Typischerweise wird dies bei einer Paketfehlerwarscheinlichkeit von ca 10% erreicht.
-
Ziel der kanaladaptiven Übertragung ist eine Optimierung des Nettodurchsatzes (abzüglich Protokoll-Overhead), also ein optimaler Abtausch zwischen Adaptionsgewinn auf der einen Seite und Signalisierungs-Overhead auf der anderen.
-
Problematisch dabei ist eine Reduktion des möglichen Adaptionsgewinns durch veraltete Kanalkenntnis, verursacht durch Übertragungsverzögerungen (round-trip delay), Verarbeitungsverzögerung (processing delay), Protokollverzögerung (Feedback-Periodizität) sowie den zeitveränderlichen Kanal. Bei einem schnell veränderlichen Kanal und grossen Verzögerungen kann sich wie bei jeder Regelschleife eine Misadaption ergeben und sehr hohe Fehlerraten verursachen (bis hin zur Instabilität der Regelschleife).
-
Der Signalisierungs-Overhead wird massgeblich durch die Feedback-Periodizität bestimmt. Durch eine Erhöhung der Periodizität kann die Verzögerung der Anpass-Schleife reduziert werden, allerdings nur bis zur Summe aus Übertragungsverzögerung und Verarbeitungsverzögerung.
-
Erfindung
-
Daher mag es einen Bedarf geben eine Basisstation und ein Endgerät (oder Weiterleitungsknoten) bereitzustellen, welche eine verbesserte Kommunikation in einem Mobilfunkkommunikationsnetzwerk ermöglichen.
-
Dieser Bedarf mag durch eine Basisstation, durch mindestens ein Endgerät (oder Weiterleitungsknoten), durch ein Verfahren zum Betreiben einer Basisstation, durch ein Verfahren zum Betreiben des Endgerätes (oder Weiterleitungsknoten), sowie ein Programmelement und computerlesbares Medium gedeckt werden.
-
Ausgangspunkt zur Verbesserung der Kommunikation ist die Tatsache, dass die Möglichkeit zur Kanalschätzung zwischen Terminal und Basisstation ungleich verteilt ist: ein Terminal kann den Downlink-Kanal durch die Pilotsymbole kontinuierlich schätzen (auch wenn gerade keine Daten zu ihm übertragen werden). Weiterhin kann das Terminal durch die Piloten auch die mehrdimensionale (kurzzeitige, zeitvariante) Kanalkorrelation schätzen. Die Kanalkorrelation gibt an, wie schnell sich der Kanal in allen Dimensionen verändert (im Beispiel über Zeit, Frequenz und Antennen).
-
Weiterhin gibt es eine Korrelation dieser Parameter zwischen Downlink-Kanal und Uplink-Kanal, da z. B. die Kanalkorrelation in zeitlicher Richtung in beiden Fällen von der gleichen physikalischen Bewegung des Terminals (oder der von Reflektoren im Kanal) abhängt. Im Frequenzduplexfall (FDD) ist zur Umrechnung des Doppler-Spreads das Verhältnis der Trägerfrequenzen von Downlink und Uplink zu beachten (Doppler-Effekt).
-
Das Terminal kann daher (ev. mit einer gewissen stochastischen Unsicherheit) auch die Kanalkorrelation des Uplink-Kanals kontinuierlich schätzen.
-
Kanalkorrelation eines MIMO-OFDM Kanals besteht in erster Näherung aus Kohärenzzeit, Kohärenzbandbreite und Kohärenzraumwinkel.
-
Eine Kenntnis der Kanalkorrelation an der Basisstation könnte diese zu einer verbesserten Adaption sowie zu einem verbesserten Scheduling nutzen, da damit auch eine Abweichung von Allokation und Feedback-Position (z. B. ”Alterungsgeschwindigkeit” des Feedbacks in zeitlicher Richtung) erfasst wird.
-
Der Nutzen einer zusätzlichen Kanalkorrelationsinformation an der Basisstation besteht darin, dass die Kanalqualität auch an nicht von der Feedback-Abtastung erfassten Kanalresourcen stochastisch bekannt ist. So wird insbesondere eine Wahl von Modulation und Code-Rate entsprechend einer Ziel-Paketfehlerrate auch unter Berücksichtung von Feedback-Verzögerungen möglich (round-trip delay, processing delay, protocol delay).
-
Weiterhin kann auch die Kommandierung von Feedback-Übertragungen mittels der Kanalkorrelation optimiert werden: es wird bspw. die Kanalposition für Feedback ausgewählt, deren Erwartungswert den Nettodurchsatz maximiert.
-
In vielen Fällen ist daher ein Feedback vom Terminal an die Basisstation über die Kanalautokorrelation (in Downlink und/oder Uplink) sinnvoll.
-
Der Signalisierungs-Overhead würde also zunächst durch die Extra-Signalisierung von Korrelationsparametern steigen.
-
Eine Reduktion des Signalisierungs-Overhead ist durch eine besondere Art von differenzieller Signalisierung möglich: es wird die am Terminal vorhandene Kenntnis genutzt, wann eine Aktualisierung der an die Basisstation übertragenen Parameter nötig ist (Neuübertragung nur bei Bedarf, vom Terminal entschieden).
-
Diese Form der differenziellen Signalisierung kann sowohl für die Kanalqualitätswerte selbst als auch für die Korrelationswerte verwendet werden.
-
Differenzielles Feedback insbesondere für Korrelation interessant, da diese sich als stochastische Grösse seltener ändert (entspricht Änderung des Kurzzeit-Leistungsdichtespektrums).
-
Ob ein Terminal in den ihm zugeteilten UL-Ressourcen Daten oder Kanalinformation überträgt, bleibt also ihm überlassen. Die Kommandierung der Basisstation kann abgeändert werden (innerhalb der diesem Terminal zugeteilten Kanalressourcen).
-
Weiterhin ist auch eine Abänderung des kommandierten MCS in der Aufwärtsstrecke durch das Terminal möglich: bei signifikanten Änderungen in der Kanalkorrelation kann das MCS direkt abgeändert werden, wodurch round-trip delay und processing delay für die Änderungssignalisierung gespart würden.
-
Zur Veranschaulichung des Nutzens der Kanalkorrelationsinformation für Link-Adaption und Scheduling illustrieren wir kurz die Ableitung von Paketfehlerrate und Durchsatz in Abhängigkeit von Kanalkorrelation, Verzögerungen und MCS.
-
Potentieller Gewinn durch kanaladaptive Übertragung und dessen Grenzen sind in Illustration 1 und Illustration 2 verdeutlicht.
-
Sie zeigen den Erwartungswert der Kanalqualität des in Frequenzrichtung ausgewählten ’besten’ Ressource-Blocks bezogen auf den Erwartungswert aller Ressource-Blocke zum Auswahlzeitpunkt. Dies stellt den potentiellen maximalen Gewinn durch Adaption an einen frequenzselektiven Kanal da. Nach einer gewissen Zeit (je nach Kanalkorrelation in Zeitrichtung) geht dieser Erwartungswert der ’besten’ Frequenzposition in den Erwartungswert aller Frequenzpositionen über (kein Adaptionsgewinn). Die gezeigten Verläufe basieren auf dem Standard-Modell des Rayleigh-Fadings (Jakes Doppler-Leistungsdichtespektrum), was einer Autokorrelation in Zeitrichtung entsprechend einer Besselfunktion entspricht. Andere Modelle (z. B. flaches Leistungsdichtesprektrum) ergeben sehr ähnliche Verläufe bei gleicher Kanalkohärenzzeit.
-
Bei MIMO-Übertragungsverfahren gibt es zusätzlich die Möglichkeit der kanaladaptiven Wahl des MIMO-Modus. Illustration 3 verdeutlicht, dass in diesem Fall der potentielle Adaptionsgewinn zwar steigt (durch mehr Adaptionsmöglichkeiten), die Zeit zur Ausnutzung allerdings gleich bleibt (Kanalkohärenzzeit) – sie hängt massgeblich von der Geschwindigkeit des Terminals ab.
-
Je nach SNR gibt es ein optimales MCS. Bei modernen Übertragungsverfahren (z. B. mit Turbo-Codierung oder LDPC Code) zeigt ein MCS ein ”on/off” Verhalten: ab einem SNR-Schwellwert sinkt die Paketfehlerrate sehr schnell von 100% auf 0% (”Turbo-Klippe”).
-
Die optimale Wahl des MCS bei ”veralteter” Kanalkenntnis hängt also von der Kanalkorrelation in zeitlicher Richtung sowie der Verzögerung selbst ab. Kenntnis dieser Parameter ermöglicht offensichtlich eine verbesserte MCS-Wahl und damit höheren Nettodurchsatz (vgl. Illustration 4, Illustration 5).
-
Um mit bisherigen Signalisierungsverfahren eine möglichst gute MCS-Wahl zu ermöglichen, bleibt nur die Möglichkeit der Erhöhung der Häufigkeit der Feedbback-Übertragung – natürlich auf Kosten des Signalisierungs-Overhead. Dadurch ist eine Reduktion der Verzögerung (also des ”Alters” der Kanalkenntnis) bis auf die round-trip Verzögerung möglich. Eine Kenntnis der Autokorrelation bringt allerdings in jedem Fall eine Verbesserung (vgl. Illustration 6).
-
Die Kanalkorrelation selbst ändert sich im Normalfall auch (Kurzzeit-Korrelation, Kurzzeit-Leistungsdichtespektrum), z. B. aufgrund von Geschwindigkeitsänderung des Terminals (Änderung des maximalen Doppler-Shifts) oder Änderung der Mehrwegeausbreitung (mehr oder weniger Delay-Spread oder Angular Spread, verursacht z. B. durch Positionsänderung).
-
Änderungen der Kanalkorrelation werden vom Terminal erkannt und können (auf Terminal-Entscheidung) innerhalb der dem Terminal zugewiesenen Ressourcen an die Basisstation übermittelt werden. Das Terminal kann also Feedback anstelle von Daten schicken. Die Basisstation erkennt diese Abänderung der Kommandierung (bspw. mittels eines data/control Indikationsbits). Auf die Signalisierung einer Änderung kann die Basisstation abgesehen von Änderungen der Adaption und Ressourcen-Allokation auch durch Anpassung der Feedback-Kommandierung reagieren (z. B. Kommandierung eines Uplink-Sounding-Signals).
-
Falls ein Feedback durch die Basisstation kommandiert wurde, das Terminal aber keine Änderung zu Berichten hat, kann es (auf eigene Entscheidung) Daten anstelle des Feedback schicken um Overhead zu reduzieren.
-
In Illustration 7 ist illustriert, wie die Signalisierung einer Kanalkorrelationsänderung durch das Terminal den Nettodurchsatz (mittels schneller Wahl eines passenden MCS an der BS) verbessert.
-
Eine Steigerung des Nettodurchsatzes kommt insbesondere durch die folgenden Eigenschaften der Erfindung zustande:
Änderungen der Kanalqualität können schneller zur Basisstation gemeldet werden.
-
Kenntnis der Kanalkorrelation wird der Basisstation bekannt und ermöglicht bessere Ressourcenallokation und Wahl der Übertragungsparameter (MCS, MIMO Modus etc.). Änderungen der Kanalkorrelation können der Basisstation schnell bekannt gemacht werden. Feedback-Overhead wird reduziert, da nur signifikante Änderungen gemeldet werden. Andere Nutzer werden nicht negativ beeinflusst, da Abänderungen der Kommandierung von einem Terminal nur in den diesem Terminal zugewiesenen Resourcen vorgenommen werden können.
-
Gemäss einem exemplarischen Aspekt der Erfindung wird also ein Endgerät geschaffen, wobei das Endgerät die mehrdimensionale DL-Kanalqualität und DL-Kanalkorrelation quasi-kontinuierlich messen kann.
-
Gemäss einem anderen exemplarischen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für ein Endgerät geschaffen, welches entscheiden kann, ob Aktualisierung von Feedback über DL-Qualität oder DL-Korrelation nötig ist und dann ein Feedback (eventuell anstatt Daten) überträgt, andernfalls Daten (eventuell anstatt eines Feedbacks).
-
Weiterhin kann das Verfahren die UL-Kanalkorrelation schätzen und bei Bedarf eine Änderung signalisieren (eventuell anstatt Daten).
-
Ferner kann das Verfahren entscheiden, ob ein UL-Sounding durchgeführt werden soll, und ob Daten übertragen werden sollen statt ein UL-Sounding durchzuführen.
-
Gemäss einem anderen exemplarischen Aspekt der Erfindung werden eine Basisstation und ein Verfahren zum Betreiben einer Basisstation geschaffen, wobei die Basisstation erkennen kann, ob Daten statt Feedback, oder ob Feedback statt Daten, oder ob Daten statt UL-Sounding über den Kanal übertragen wurden. Feedback kann dabei sowohl Information zur Kanalqualität als auch zur Kanalkorrelation sein.
-
Das Verfahren nutzt die erweiterte Feedback-Information zur Wahl von Modulation, Codierung sowie MIMO Mehrantennenübertragungsverfahren.
-
Weiterhin kann das Verfahren entscheiden, ob es Kanalkorrelationsinformation für Uplink und/oder Downlink anfordert.
-
Anwendungsmöglichkeiten für diese Erfindung gibt es überall dort, wo mobil und drahtlos Daten übertragen werden. Konkrete Beispiele sind drahtlose LAN/WAN-Systeme und Mobilkommunikation. Der Gewinn durch diese Erfindung ist grösser, je höher die unterstützte Kanalkorrelationsspanne (Mobilitätsspanne, Ausbreitungsszenarios, Reichweite) des Systems sowie je größer die Adaptivität ist (z. B. adaptive Modulation/Kodierung, frequenzselektives Scheduling, adaptiver MIMO-Modus etc).
-
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
-
Gemäss einem Ausführungsbeispiel von Endgerät und Basisstation verwenden diese MIMO-OFDM als Übertragungsverfahren. Als Repräsentation der Kanalkorrelation können Kohärenzzeit, Kohärenzbandbreite und/oder Kohärenzraumwinkel übertragen werden.
-
Gemäss einem Ausführungsbeispiel von Endgerät oder Basisstation handelt es sich dabei um einen Weiterleitungsknoten (Relay oder Brücke), wobei das Signalisierungsverfahren sowohl bei der Kommunikation mit den Endgeräten als auch bei der Kommunikation mit anderen Weiterleitungsknoten oder Basisstationen verwendet werden kann.
-
Gemäss einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betrieb des Endgeräts verwendet dieses eine random-access Präambel, um der Basisstation eine Änderung von Kanalparametern mitzuteilen. Gemäss einem entsprechenden Ausführungsbeispiel der Basisstation erkennt diese die übermittelte Information und kann sie von anderen Präambeln unterscheiden.
-
Gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel des Endgeräts mag dieses das kommandierte Übertragungsformat in der Aufwärtsstrecke abändern.
-
Gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Verfahrens zum Betrieb von Basisstation und Endgerät kann die Basisstation mittels vom Endgerät übertragenen Data/Control Switch Bit die übertragenen Informationen interpretieren.
-
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
-
Beschreibung der Figuren
-
Illustration 1: langsam zeitveränderlicher Kanal.
-
Illustration 2: schnell zeitveränderlicher Kanal.
-
Illustration 3: Potentieller Adaptionsgewinn bei Auswahl über Frequenzen und Antennen, in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit.
-
Illustration 4: Je nach Verzögerungszeit sind verschiedene MCS möglich. Der Schnittpunkt mit der MCS-Linie beschreibt den Übergang von Paketfehlerrate 0% zu 100%.
-
Illustration 5: Erwartungswert der Paketfehlerrate in Abhängigkeit von der Verzögerung.
-
Illustration 6: Kanalkenntnis am Sender für bekannte Autokorrelation und periodisches Feedback.
-
Illustration 7: die Signalisierung einer Kanalkorrelationsänderung (Erhöhung der Terminal-Geschwindigkeit) zur Basisstation auf Terminal-Entscheidung erhöht den Durchsatz.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- 3GPP Technical Specification 36.213, ’Physical Layer Procedures’ Release 8, www.3gpp.org [0013]
