DE10331313B3

DE10331313B3 - Verfahren zur Synchronisation eines in Funkzellen aufgeteilten Funkkommunikationssystems

Info

Publication number: DE10331313B3
Application number: DE10331313A
Authority: DE
Inventors: Mario Konegger; Walter Kunz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2023-07-11
Also published as: CN1836386B; CN1836386A; US20060252437A1; WO2005006594A1; KR20060031859A; JP2009514259A; EP1645054A1; US7742779B2; JP4567680B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation eines in Funkzellen aufgeteilten Funkkommunikationssystems, bei dem jede Funkzelle eine Basisstation zur Versorgung mehrerer, der Funkzelle zugeordneter Mobilstationen aufweist. DOLLAR A Erfindungsgemäß empfängt eine Basisstation neben Mobilstationssignalen der eigenen Funkzelle auch Mobilstationssignale aus benachbarten Funkzellen. Die Basisstation bestimmt anhand der Mobilstationssignale eine Mobilstationsanzahl und vergleicht diese mit einem vorgegebenen Schwellwert. Bei einem Unterschreiten des Schwellwerts wird ein erstes Synchronisationsverfahren zur Synchronisation der Basisstation und der zugeordneten Mobilstationen verwendet, das einem zugeordneten Übertragungsstandard des Funkkommunikationssystems entspricht. Bei einem Überschreiten des Schwellwerts wird ein zweites Synchronisationsverfahren zur Synchronisation der Basisstation und der zugeordneten Mobilstationen verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation eines in Funkzellen aufgeteilten Funkkommunikationssystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem zellularen Funkkommunikationssystem werden aufgrund einer notwendigen Mehrfachnutzung von Trägerfrequenzen in benachbarten Funkzellen Gleichkanalstörungen als sogenannte "Cochannel-Interference" verursacht. Um diese Interferenzen zu reduzieren, werden die zur Verfügung stehenden Trägerfrequenzen einzelnen Trägerfrequenz-Teilressourcen zugeordnet. Jede Trägerfrequenz-Teilressource wird dann mit Hilfe einer sogenannten "Frequency-Reuse"-Planung jeweils einer Funkzelle derart fest zugeordnet, dass in den Funkzellen unter Berücksichtigung von minimalen räumlichen Abständen der Funkzellen lediglich minimale Gleichkanalstörungen verursacht werden.

Diese feste Zuordnung von Trägerfrequenzen, bzw. deren Übertragungsressourcen, ist insbesondere dann von Nachteil, wenn innerhalb benachbarter Funkzellen eine inhomogen verteilte Teilnehmeranzahl auftritt. Eine betrachtete Basisstation einer der Funkzellen, die eine erhöhte Teilnehmeranzahl zu versorgen hat, weist dann einen erhöhten Bedarf an Übertragungsressourcen auf. Entsteht dann ein Mangel an Übertragungsressourcen, so werden in der betrachteten Funkzelle Teilnehmer, die eine neue Datenübertragung anfordern, abgewiesen.

Entsprechend entstehen bei einer erhöhten Teilnehmeranzahl erhöhte Gleichkanalstörungen innerhalb des Funkkommunikati onssystems, die aufgrund der "Frequency-Reuse"-Planung mit einem festgelegten Frequenzwiederholungsfaktor ("Frequency-Reuse-Factor") nur begrenzt beeinflussbar sind.

Eine Erhöhung von Übertragungsressourcen, die beispielsweise bei Großveranstaltungen durch nachträgliches Einbringen weiterer Basisstationen durchgeführt wird, ist mit einfachen Mitteln aufgrund der Zunahme an Gleichkanalstörungen nicht ohne weiteres möglich. Gegebenenfalls muss die aufwändige "Frequency-Reuse"-Planung erneut durchgeführt werden.

Speziell für zellular aufgebaute Mobilfunknetze zukünftiger Generationen ist eine Verwendung von sogenannten "Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing", kurz "OFDM", Übertragungstechniken von großer Bedeutung. Derartige OFDM-Mobilfunknetze fordern beispielsweise für eine Videoübertragung hohe Datenraten, die mit Hilfe von OFDM-Übertragungstechniken kosteneffizient übertragbar sind. Dabei werden zur Übertragung eines Teilnehmer-Datenstroms mehrere sogenannte Subträgerfrequenzen parallel zueinander gleichzeitig verwendet. Ein bandbreiter Übertragungskanal wird durch mehrere Funkübertragungskanäle mit einer im allgemeinen gleichen Bandbreite realisiert. Ein derartiges OFDM-Mobilfunknetz ist wiederum abhängig von einer durchzuführenden "Frequency-Reuse"-Planung im Bezug auf Gleichkanalstörungen auszubilden.

Der bandbreite Funkübertragungskanal ist "time-dispersive" und unterliegt einem frequenzselektivem Fading, so dass empfangsseitig typischerweise eine komplexe Entzerrung erforderlich ist. Bei einer OFDM-Übertragung wird der Funkübertragungskanal in eine Vielzahl schmälerer Subkanäle unterteilt, so dass auf jedem der Subkanäle ein "flat-fading" anstelle eines frequenzselektiven Fadings erfahren wird, wodurch eine sehr einfache, typischerweise eine "single-tap"-Entzerrung ermöglicht wird.

Im einfachsten Fall wird jedem dieser Funkübertragungskanäle jeweils ein gleiches Modulationsschema und damit eine gleiche Übertragungsbitrate zugeordnet. Dabei werden die zugeordneten Übertragungsbitraten in Abhängigkeit von Störungen der jeweiligen Funkübertragungskanäle festgelegt. Bei Funkübertragungskanälen mit geringen Störungen wird ein höherstufiges Modulationsverfahren verwendet, als in Funkübertragungskanälen, die höhere Störungen aufweisen. Dadurch kann für jeden Funkübertragungskanal eine Übertragung mit einer geforderten Dienstgüte, beispielsweise unter Berücksichtigung einer Fehlerrate, durchgeführt werden. Ein derartiges OFDM-Mehrträgerverfahren ist im Falle einer drahtgebundenen Übertragung im Basisband auch unter der Bezeichnung "discrete multitone transmission", kurz "DMT", bekannt.

In 3 wird stellvertretend für alle Mobilfunksysteme ein zellulares OFDM-Funkkommunikationssystem gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Drei benachbarte Funkzellen FZ1 bis FZ3 weisen jeweils eine zugeordnete Basisstation BTS01 bis BTS03 auf. Jede einzelne der Basisstationen BTS01 bis BTS03 versorgt eine Anzahl von der jeweiligen Funkzelle FZ1 bis FZ3 zugeordneten Mobilstationen T01 bis T012. Dabei sind anhand einer Frequency-Reuse-Planung einer ersten Basisstation BTS01 einer ersten Funkzelle FZ1 insgesamt vier Trägerfrequenzen f9 bis f12, einer zweiten Basisstation BTS02 einer zweiten Funkzelle FZ2 insgesamt vier Trägerfrequenzen f1 bis f4 und einer dritten Basisstation BTS03 einer dritten Funkzelle FZ3 insgesamt vier Trägerfrequenzen f5 bis f8 exklusiv zur Datenübertragung zugeordnet.

Jede der Trägerfrequenzen f1 bis f12 weist in einer als "Downlink" DL bezeichneten Verbindungsrichtung von der Basisstation zur Mobilstation als Übertragungsressourcen sieben Zeitschlitze TS1 bis TS7 auf, während jede der Trägerfrequenzen f1 bis f12 in einer als "Uplink" UL bezeichneten Verbindungsrichtung von der Mobilstation zur Basisstation als Übertragungsressourcen fünf Zeitschlitze TS1 bis TS5 aufweist. Freie ungenutzte Zeitschlitze sind beispielhaft den Trägerfrequenzen f2, f7 und f11 zugeordnet und sind mit dem Buchstaben "F" bezeichnet.

In 4 wird in einer Übersicht eine dem Stand der Technik entsprechende Synchronisationssituation der in 3 dargestellten Funkzellen FZ1 bis FZ3 gezeigt.

Die einzelnen Basisstationen BTS01 bis BTS03 sind untereinander weder frequenz- noch zeitsynchronisiert. Vertikal ist für jede einzelne der Basisstationen BTS01 bis BTS03 jeweils eine basisstationsspezifische Trägerfrequenzabweichung Delta01 bis Delta03 aufgetragen. Diese Trägerfrequenzabweichung Delta01 bis Delta03 wird bei jeder einzelnen der Basisstationen BTS01 bis BTS03 von elektrischen Komponenten der jeweiligen Basisstation, beispielsweise basisstationsspezifischen Lokaloszillatoren, verursacht. Da die Mobilstationen T01 bis T012 auf die jeweilige zuordenbare Basisstation BTS01 bis BTS03 synchronisiert werden, weisen die Basisstation BTS01 bis BTS03 und die entsprechend zugeordneten Mobilstationen T01 bis T012 untereinander auch die jeweilige Trägerfrequenzabweichungen Delta01 bis Delta03 auf.

Aus EP 0 732 817 A2 ist ein Verfahren zur Synchronisierung in einem so genannten "time shared system" mit zwei Funkkommunikationssystemen bekannt. Dabei wird ein erstes Funkkommunikationssystem als so genanntes Master-System bezeichnet, auf das sich Komponenten eines zweiten, als "Slave-System" bezeichneten Funkkommunikationssystem synchronisieren. Zur Synchronisation überwacht eine zu synchronisierende so genannte "fixed unit" FP neben weiteren "fixed units" FP zusätzlich so genannte "portable units" PP. Anhand einer Liste mit Empfangsfeldstärken wird dann die Synchronisation durchgeführt.

Aus US 2002/0003848 A1 ist ein synchrones Netzwerk bekannt, das eine Vielzahl so genannter "nodes" beinhaltet. Jeder einzelne dieser "nodes" senden dabei ein Synchronisationssignal, das als Referenzsignal zur Synchronisation verwendet wird. Ein erster zu synchronisierender "node" überwacht einen oder mehrere der weiteren "nodes", die das Synchronisationssignal aussenden. Basierend auf den empfangenen Synchronisationssignalen wird dann die Synchronisation des ersten "nodes" durchgeführt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zellulares Funkkommunikationssystem, insbesondere ein OFDM-Funkübertragungssystem, derart zu realisieren, dass unter Beachtung minimaler Gleichkanalstörungen Teilnehmer sowohl bei einem hohen als auch bei einem niedrigen Verkehrsaufkommen unter optimaler Nutzung von Funkübertragungsressourcen funkversorgt werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird seitens einer Basisstation eine Anzahl an aktiven Mobilstationen festgestellt und mit mindestens einem vorgegebenen Schwellwert verglichen. Abhängig vom Schwellwert bzw. von den Schwellwerten wird ein erstes oder ein zweites Synchronisationsverfahren ausgewählt bzw. verwendet.

Im folgenden wird stellvertretend und beispielhaft von einem vorgegebenen Schwellwert ausgegangen.

Bei einer niedrigen Anzahl an aktiven Mobilstationen, d.h. bei einem Unterschreiten des vorgegebenen Schwellwerts, wird ein erstes Synchronisationsverfahren verwendet, das entsprechend einem dem Funkkommunikationssystem zugeordneten Übertragungsstandard ausgebildet ist. Beispielsweise erfolgt bei einem UMTS-Funkkommunikationssystem eine Synchronisation von Basis- und Mobilstationen anhand des zugeordneten UMTS-Standards.

Bei einer hohen Anzahl an aktiven Mobilstationen, d.h. bei einem Überschreiten des vorgegebenen Schwellwerts, wird ein nachfolgend beschriebenes zweites Synchronisationsverfahren verwendet.

Beim ersten Synchronisationsverfahren wird von einer im Vergleich zum zweiten Synchronisationsverfahren geringeren An zahl an aktiven Mobilstationen ausgegangen, so dass in diesem Fall für eine Übertragung von Synchronisationsinformationen ausreichende Übertragungskapazitäten vorhanden sind.

Durch Verwendung des ersten Synchronisationsverfahren bei einer geringen Anzahl an aktiven Mobilstationen wird eine erforderliche Genauigkeit der Synchronisation gewährleistet.

Durch das zweite Synchronisationsverfahren wird mit einfachen Mitteln eine Zeit- und eine Frequenzsynchronisation beim zellularen Funkkommunikationssystem realisiert. Da das zweite Synchronisationsverfahren auf eine Übertragung von zusätzlichen Signalisierungsinformationen zur Synchronisation verzichtet, die bislang zwischen Basisstation und Mobilstation auf einer höheren Protokollschicht ausgetauscht werden mussten, bleiben Funkübertragungsressourcen frei, die zur Durchführung von Nutzdatenübertragungen zur Verfügung stehen.

Beim zweiten Synchronisationsverfahren wird besonders vorteilhaft ermöglicht, dass insbesondere benachbarte Basisstation Funkübertragungsressourcen eines Vorrats verwenden, der den Basisstationen zur Datenübertragung gemeinsam zugeordnet ist. Dadurch wird ein besonders effektives Radio-Ressource-Management ermöglicht. Es wird eine dynamische Nutzung verfügbarer Funkübertragungsressourcen in den einzelnen Funkzellen eingeführt bzw. realisiert.

Beim zweiten Synchronisationsverfahren werden entsprechend einer momentanen Verkehrslast verfügbare Funkübertragungsressourcen jeweils optimal zugeordnet, wobei besonders vorteilhaft ungleichmäßig verteilte Teilnehmerbelegungen ausgeglichen werden.

Beim zweiten Synchronisationsverfahren erfolgt die Zuteilung von Funkübertagungsressourcen in einer bevorzugten Ausführungsform unter Berücksichtigung einer Interferenzsituation bei einer auszuwählenden Funkübertragungsressource. Dadurch wird ermöglicht, dass beispielsweise zwei benachbarte Basisstationen, von denen jede einzelne jeweils eine ihr zugeordnete Mobilstation funkversorgt, gleichzeitig einen Zeitschlitz einer Trägerfrequenz als Funkübertragungsressource für die Funkversorgung der Mobilstationen gemeinsam verwenden, sofern die Interferenzsituation im ausgewählten Zeitschlitz dies erlaubt.

Die Funkübertragungsressourcen sind beispielsweise durch Zeitschlitze von gemeinsam zugeordneten Trägerfrequenzen festgelegt.

Durch das zweite Synchronisationsverfahren, das selbstständig und lediglich durch empfangsseitige Signalverarbeitung und Nachregelung eines Synchronisationszustands der Basisstationen bzw. der Mobilstationen durchgeführt wird, erfolgt eine dynamische Nutzung verfügbarer Funkübertragungsressourcen in den einzelnen Funkzellen. Entsprechend einer momentanen Verkehrslast werden verfügbare Funkübertragungsressourcen stets optimal zugeordnet. Besonders vorteilhaft werden dabei ungleichmäßig verteilte Teilnehmerbelegungen in den benachbarten Funkzellen ausgeglichen.

Das zweite Synchronisationsverfahren ermöglicht eine Anwendung von Interferenzunterdrückungsverfahren seitens der Basisstation und/oder seitens der Mobilstation, da Interferenzunterdrückungsverfahren insbesondere für zueinander synchrone Nutz- und Störsignale optimiert sind.

Das zweite Synchronisationsverfahren ermöglicht beispielsweise bei Großveranstaltungen auf einfache Weise ein nachträgliches Hinzufügen weiterer Basisstationen, bzw. eine damit einhergehende Änderung der Funkzellenanzahl.

Sowohl beim ersten als auch beim zweiten Synchronisationsverfahren wählt die hinzugefügte Basisstation Funkübertragungsressourcen dynamisch derart aus, dass Gleichkanalinterferenzen zu benachbarten Funkzellen bzw. zu den den Funkzellen jeweils zugeordneten Mobilstationen minimiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders vorteilhaft bei einem OFDM-Funkkommunikationssystem verwendet, das besonders bevorzugt für Dienste mit hohen Datenraten eingesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren schließt die auf mehreren Schwellwerten basierende Auswahl bzw. Verwendung des Synchronisationsverfahrens mit ein. Beispielsweise wird durch zwei Schwellwerte ein Schwellwertbereich festgelegt, wodurch eine "sanfte" Auswahl bzw. umschalten zwischen den Synchronisationsverfahren realisierbar ist.

Mit Hilfe eines entsprechend gestalteten Schwellwertbereichs wird beispielsweise eine Verwendung einer gegebenenfalls zeitabhängig ausgeführten Hysterese-Funktion bei der Auswahl des Synchronisationsverfahrens ermöglicht.

Besonders vorteilhaft wird der Einfluss von zeitweise schlecht empfangbaren Mobilstationen auf die Auswahl des Synchronisationsverfahrens reduziert.

Im Folgenden wird das zweite Synchronisationsverfahren anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 ein OFDM-Funkkommunikationssystem mit erfindungsgemäßer zweiter Synchronisation,

2 eine seitens einer Basisstation der 1 durchgeführte erfindungsgemäße zweite Synchronisation,

3 das in der Beschreibungseinleitung stellvertretend beschriebene zellulare OFDM-Funkkommunikationssystem gemäß dem Stand der Technik, und

4 die in der Beschreibungseinleitung beschriebene und dem Stand der Technik entsprechende Synchronisationssituation.

1 zeigt stellvertretend für weitere Mobilfunksysteme ein OFDM-Funkkommunikationssystem mit erfindungsgemäßer zweiter Synchronisation.
Drei benachbarte Funkzellen FZ1 bis FZ3 weisen jeweils eine zugeordnete Basisstation BTS1 bis BTS3 auf. Jede einzelne der Basisstationen BTS1 bis BTS3 versorgt eine Anzahl von der jeweiligen Funkzelle FZ1 bis FZ3 zugeordneten Mobilstationen T11 bis T33. Dabei sind einer ersten Basisstation BTS1 zur Funkversorgung insgesamt vier Mobilstationen T11 bis T14 zugeteilt, während einer zweiten Basisstation BT52 zur Funkversorgung insgesamt fünf Mobilstationen T21 bis T25 zugeteilt sind. Einer dritten Basisstation BTS3 sind zur Funkversorgung insgesamt drei Mobilstationen T31 bis T33 zugeteilt.
Alle drei Basisstationen BTS1 bis BTS3 verwenden zur Übertragung von Teilnehmerdaten gleichberechtigt eine gemeinsame Trägerfrequenzressource, die insgesamt zwölf Trägerfrequenzen f1 bis f12 aufweist. Jede der Trägerfrequenzen f1 bis f12 weist in einer als "Downlink" DL bezeichneten Verbindungsrichtung von der Basisstation zur Mobilstation als Übertragungsressourcen sieben Zeitschlitze TS1 bis TS7 auf, während jede der Trägerfrequenzen f1 bis f12 in einer als "Uplink" UL bezeichneten Verbindungsrichtung von der Mobilstation zur Basisstation als Übertragungsressourcen fünf Zeitschlitze TS1 bis TS5 aufweist. Freie, ungenutzte Zeitschlitze, die beispielhaft für die Trägerfrequenzen f2, f8 und f12 gezeigt sind, werden mit dem Buchstaben "F" bezeichnet.
Vergleichend zu 3 ist hier durch die erfindungsgemäße zweite Synchronisation die ausschließliche Zuordnung von Trägerfrequenzen f1 bis f12 zu Basisstationen bzw. zu Funkzellen aufgehoben.
Stellvertretend für die zweite und die dritte Funkzelle FZ2 und FZ3 wird anhand der ersten Funkzelle FZl das erfindungsgemäße zweite Synchronisationsverfahren nachfolgend näher erläutert. Dabei ist hier unter "Synchronisation" sowohl eine zeitliche Synchronisation der Zeitschlitze der Trägerfrequenzen als auch eine Frequenzsynchronisation der Trägerfrequenzen zu verstehen.
Die erste Basisstation BTS1 der ersten Funkzelle FZ1 empfängt im Uplink UL neben Signalen der ihr zugeordneten Mobilstationen T11 bis T14 noch zusätzlich Signale von Mobilstationen der benachbarten Funkzellen FZ2 und FZ3. Dieser Empfang erfolgt ohne zusätzliches Überwachen von anderen Frequenzbändern automatisch.
Beispielsweise empfängt die erste Basisstation BTS1 im Uplink noch Signale der Mobilstationen T21 und T22 der zweiten Funk zelle FZ2 und Signale der Mobilstationen T31 und T32 der dritten Funkzelle FZ3. Die erste Basisstation BTS1 bestimmt basierend auf den empfangenen Mobilstationssignalen der benachbarten Funkzellen FZ2 und FZ3 eine erste Zeitabweichung und eine erste Frequenzabweichung und leitet aus diesen Werten einen geeigneten Zeitsynchronisationswert und einen Frequenzsynchronisationswert ab, auf den sich die erste Basisstation BTS1 letztendlich aufsynchronisiert. Dies wird beispielhaft in der nachfolgenden 2 erläutert.
Stellvertretend für alle Mobilstationen betrachtet, empfängt in einem Downlink DL eine dritte Mobilstation T13 der ersten Funkzelle FZ1 neben Signalen der Basisstation BTS1 der eigenen Funkzelle FZ1 auch Signale der benachbarten Basisstationen BTS2 und BTS3 der Funkzellen FZ2 und FZ3. Die dritte Mobilstation T13 bestimmt nun basierend auf den empfangenen Basisstationssignalen eine zweite Zeitabweichung und eine zweite Frequenzabweichung und leitet aus diesen Werten einen geeigneten Zeitsynchronisationswert und einen Frequenzsynchronisationswert ab, auf den sich die Mobilstation T13 letztendlich aufsynchronisiert.
Das erfindungsgemäße zweite Synchronisationsverfahren wird beispielsweise rahmenweise wiederholt, wodurch sich im zeitlichen Mittel eine genaue, selbstorganisierte Zeit- und Frequenzsynchronisation ergibt.
Durch das zweite Synchronisationsverfahren wird besonders vorteilhaft ein besonders flexibel und adaptiv realisiertes Radio-Ressource-Management realisiert, da alle Basisstationen auf einen gemeinsamen Vorrat an Funkübertragungsressourcen zugreifen können. Dabei erfolgt beispielsweise eine Trägerfrequenzauswahl unter Berücksichtigung minimaler Gleichfre quenzstörungen. Eine Zuteilung von Übertragungsressourcen an Mobilstationen wird ausschließlich durch die der jeweiligen Mobilstation jeweils zugeordneten Basisstation durchgeführt.
Durch die aufgehobene ausschließliche Zuordnung von Trägerfrequenzen zu Basisstationen bzw. zu Funkzellen wird ermöglicht, dass beispielsweise die Basisstation BTS1 zur Funkversorgung der Mobilstation T14 und die Basisstation BTS3 zur Funkversorgung der Mobilstation T32 den Zeitschlitz TS5 der Trägerfrequenz f5 gleichzeitig verwenden, wenn die Interferenzsituation im Zeitschlitz TS5 dies erlaubt. Diese Interferenzsituation wird beispielsweise beeinflusst durch sektorisierte Empfangs- und/oder Sendeantennen an den Basisstationen oder durch Ausbreitungscharakteristiken der Funksignale oder durch den räumlichen Abstand zwischen den Teilnehmern, usw.
Bei einer Sektorisierung weist eine Basisstation zum Senden und/oder zum Empfangen von Funksignalen beispielsweise drei Antennenanordnungen auf, von denen jede einzelne einen Sektor mit einem Öffnungswinkel von 120° funkversorgt. Dadurch wird eine räumliche Trennung bzw. Unterscheidung von Funksignalen erzielt und je nach Wahl des Öffnungswinkels des Sektors einen Verbesserung einer Interferenzsituation erreicht.
Für den Fall einer inhomogenen Funkzellenauslastung kann jede der drei Basisstationen je nach Bedarf auf Übertragungsressourcen der Trägerfrequenzen ganz oder nur teilweise zugreifen, wodurch Engpässe in den einzelnen Funkzellen bei einer gleichzeitig vorherrschenden Überkapazität in einzelnen Funkzellen vermieden werden.
Das erfindungsgemäße zweite Synchronisationsverfahren wird selbständig durchgeführt und benötigt weder eine aufwändige Signalisierung noch eine aufwändige GPS-Zeitsynchronisation.
2 zeigt bezogen auf 1 eine seitens der Basisstation BTS1 durchgeführtes zweites Synchronisationsverfahren.
Vertikal ist für jede einzelne der Mobilstationen jeweils eine mobilstationsspezifische Trägerfrequenzabweichung aufgetragen. Die betrachtete erste Basisstation BTS1 empfängt im Uplink UL von den Mobilstationen T21, T22, T12, T13, T11, T31 und T32 gesendete Signale und bestimmt daraus einen Synchronisationswert d1, der hier beispielhaft als Mittelwert durch ein schraffiertes Rechteck dargestellt ist. Die Basisstation BTS1 korrigiert ihre Synchronisation entsprechend in Richtung des positiven Synchronisationswerts d1. Für die weiteren Basisstationen BTS2 und BTS3 gilt entsprechendes.
Vergleichbar dazu erfolgt die hier nicht näher beschriebene Synchronisation der jeweiligen Mobilstationen.
Verwendet man beim oben genannten zellularen Funkkommunikationssystem einzeln oder in Kombination miteinander ein TDMA-/FDMA-Vielfachzugriffsverfahren und betrachtet man zur Übertragung einen sogenannten Time-Division-Duplex-Übertragungsmodus (TDD-Mode), so besteht ein an der Basisstation empfangenes Signal r(t) aus einer Überlagerung von mehreren Signalen der im FDMA-Vielfachzugriffsverfahren gleichzeitig sendenden Mobilstationen aller Funkzellen.
Jede Basisstation ermittelt aus dem empfangenen Signal r(t) den mittleren Empfangszeitpunkt überlagerter OFDM-Symbole der in den benachbarten Funkzellen befindlichen Mobilstationen.
Mit Hilfe einer Korrelation von benachbarten, im Abstand einer OFDM-Symbollänge N angeordneten Abtastwerte entsteht für einen Abtastwert k eine Metrik λ(k), deren Werte auch im Fall eines FDMA-Uplinks mit der OFDM-Symbollänge N periodische Werte aufweist.
Es gilt:
Dabei steht M für eine Fensterlänge, über die Metrikwerte zum Zwecke der Rauschreduktion Bemittelt werden. Diese ist in der Regel identisch mit der Länge eines sogenannten "Guard-Intervalls". Unter Umständen wird eine abweichende Länge eines Abstands N von korrelierten Werten und der Fensterlänge M zur Verbesserung von Detektionseigenschaften gewählt.
Der Betragswert der Metrik |λ(k)| nimmt an der Stelle der mittleren Zeitabweichung der Signalanteile der Mobilstationen an einer jeweiligen Basisstation einen Wert an, der proportional zur Summenleistung der Signale der aus dieser Zelle empfangenen Mobilstationen ist. Aus diesem Grund wird der maximale Betragswert der Metrik |λ(k)| nach Berechnung der Metrikwerte gesucht und die Stelle des maximalen Betragswertes als Schätzwert für den Zeitoffset der jeweiligen Basisstation weiterverwendet. Die Metrikwerte sind im Fall einer verbleibenden restlichen Trägerfrequenzabweichung komplex, weshalb aus der im Metrikmaximum gemessenen Phase für kleine Werte der Trägerfrequenzabweichung eine Näherung der mittleren Trägerfrequenzabweichung der im OFDM-Symbol empfangenen Signale ermittelt werden kann.
Vorteilhaft wird zur Trennung der FDMA-Signale verschiedener Mobilstationen eine Auswertung des empfangenen Signals im Frequenzbereich vorgenommen, da diese verschiedenen Subträgern zugeordnet sind. Die jeweilige Trägerfrequenzabweichung wird in diesem Fall aus einer Phasendrehung der auf jedem Subträger empfangenen OFDM-Symbole erfolgen.
Die Frequenzabweichung einer Teilträgerfrequenz δf(k) ergibt sich dabei aus der Phasenänderung der Übertragungsfaktoren H(n,k) einer Teilträgerfrequenz k zwischen zwei aufeinanderfolgenden OFDM Symbolen mit Zeitindex n und n + 1 im zeitlichen Abstand T_S. Es gilt somit:
Aus den nach der Schätzung im Frequenzbereich vorliegenden Werten der Trägerfrequenzabweichung der benachbarten Funkzellen wird nach einer Bewertung entsprechend der Qualität der Schätzung eine beispielsweise mittlere Trägerfrequenzabweichung der aus den Nachbarfunkzellen empfangenen Mobilstationen bestimmt.
Die Ermittelung der jeweilige Zeitabweichung wird aus der Phasendrehung zwischen den Subträgern eines empfangenen OFDM-Symbols von einer der gleichen Basisstaion zugeordneten Mobilstation erfolgen. Aus den nach der Schätzung im Frequenzbereich vorliegenden Werten der Zeitabweichung wird nach einer Bewertung entsprechend der Qualität der Schätzung eine beispielsweise mittlere Zeitabweichung der aus den Nachbarfunkzellen empfangenen Mobilstationen bestimmt.
Mit Hilfe der ermittelten Zeit- und Trägerfrequenzabweichung regelt jede Basisstation die jeweilige eigene Trägerfrequenz sowie den eigenen Sendezeitpunkt entsprechend den ermittelten Werten nach. Bei einem geeigneten Entwurf eines Regelkreis-Schleifenfilters führt dieser Vorgang automatisch zu einer konvergierenden Schätzung.
Für das erfindungsgemäße zweite Synchronisationsverfahren sind für eine neu hinzukommende Basisstation in einem TDD-Funkkommunikationssystem folgende Schritte erforderlich:

– Abhören von Uplink und Downlink zur Feststellung eines TDD-Rahmenaufbaus,
– Bestimmung des absoluten Sendezeitpunkts aller gemessener Empfangszeitpunkte, und
– Auswertung der Signale nach dem oben genannten Muster.

Jede Basisstation bestimmt in jeder Uplink-Phase Nutzleistungen der in der Funkzelle aktiven Mobilstationen und die aus den benachbarten Funkzellen stammenden Gleichkanal-Interferenzleistungen je Subträger.
Auf Basis dieser Informationen trifft jede Basisstation eine selbstständige Entscheidung über eine zu belegende Bandbreite. Es werden diejenigen Subträger mit einer minimalen Interferenzleistung ausgewählt. Die Basisstation trifft dabei in Abhängigkeit einer erreichbaren Kanalgüte eine adaptive Entscheidung über Position und Anzahl der zu belegenden Subträger und der zu verwendenden physikalische Übertragungsparameter, um die innerhalb der Funkzelle befindlichen Mobilstationen optimal versorgen zu können. Eine zellübergreifende Organisation ist nicht erforderlich.
Diese Art des Vielfachzugriffs vermeidet Interferenzen innerhalb einer Funkzelle und zwischen Mobilstationen benachbarter Funkzellen. Es wird eine Funkzellen übergreifende, selbstorganisierende Optimierung eines verwendeten Vielfachzugriffsverfahrens durchgeführt. Diese erfolgt unter Berücksichtigung der Funkübertragungskanaleigenschaften und unter Berücksichtigung der augenblicklichen Interferenzsituation in einer zellularen Umgebung.

Claims

Verfahren zur Synchronisation eines in Funkzellen aufgeteilten Funkkommunikationssystems, bei dem mittels Zeitschlitzvielfachzugriffsverfahren Daten übertragen werden und bei dem jede Funkzelle eine Basisstation zur Funkversorgung mehrerer der Funkzelle zugeordneter Mobilstationen aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Basisstation neben Mobilstationssignalen der eigenen Funkzelle auch Mobilstationssignale aus benachbarten Funkzellen empfängt, – dass die Basisstation anhand der Mobilstationssignale eine Mobilstationsanzahl bestimmt und diese mit mindestens einem vorgegebenen Schwellwert vergleicht, – dass bei einem Unterschreiten von mindestens einem Schwellwert ein erstes Synchronisationsverfahren zur Synchronisation der Basisstation und der zugeordneten Mobilstationen verwendet wird, das einem zugeordneten Übertragungsstandard des Funkkommunikationssystems entspricht, und – dass bei einem Überschreiten von mindestens einem Schwellwert ein zweites Synchronisationsverfahren zur Synchronisation der Basisstation und der zugeordneten Mobilstationen verwendet wird, das auf eine regelmäßige Übertragung von Synchronisationsinformationen zwischen Basisstation und Mobilstation verzichtet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass beim zweiten Synchronisationsverfahren eine Basisstation aus den empfangenen Mobilstationssignalen einen Zeitsynchronisationswert und einen Frequenzsynchronisa tionswert bestimmt, auf die sich die Basisstation synchronisiert, – dass beim zweiten Synchronisationsverfahren eine Mobilstation neben Basisstationssignalen der eigenen Funkzelle auch Basisstationssignale aus benachbarten Funkzellen empfängt, – dass beim zweiten Synchronisationsverfahren die Mobilstation aus den empfangenen Basisstationssignalen einen Zeitsynchronisationswert und einen Frequenzsynchronisationswert bestimmt, auf die sich die Mobilstation synchronisiert, und – dass Basisstationen benachbarter Funkzellen Funkübertragungsressourcen eines Vorrats verwenden, der den Basisstationen zur Datenübertragung gemeinsam zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim zweiten Synchronisationsverfahren die Basisstationen Zeitschlitze von gemeinsam zugeordneten Trägerfrequenzen als Funkübertragungsressourcen verwenden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim zweiten Synchronisationsverfahren mindestens zwei benachbarte Basisstationen (BTS1, BTS3) gleichzeitig und gemeinsam einen Zeitschlitz (TS5) einer Trägerfrequenz (f5) zur Funkversorgung einer jeweils zugeordneten Mobilstation (T14, T32) verwenden und der Zeitschlitz (TS5) unter Berücksichtigung einer Interferenzsituation im Zeitschlitz (TS5) aus den gemeinsam zugeordneten Funkübertragungsressourcen ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim zweiten Synchronisationsverfahren sowohl die Basisstation als auch die Mobilstation teilnehmerspezifisch verwendete Trägerfrequenzen und Zeitschlitz-Sendezeitpunkte nachregelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Basisstation und/oder an der Mobilstation Gleichkanalstörungen mittels Interferenzunterdrückungsverfahren minimiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basisstationsseitig Funkübertragungsressourcen derart zugeordnet werden, dass Gleichkanalstörungen bei benachbarten Funkzellen minimiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Funkkommunikationssystem ein OFDM-Funkübertragungsverfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Funkkommunikationssystem ein TDD- oder ein FDD-Funkübertragungsverfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim zweiten Synchronisationsverfahren eine Zeitabweichung durch Korrelation bestimmt wird und eine Frequenzabweichung durch Ermittlung einer Phasenrotation aufeinanderfolgender Symbole nach einer Transformation in den Frequenzbereich bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Synchronisationsverfahren ohne zusätzliche Signalisierung mittels einer höhe ren Protokollschicht zwischen Basisstation und zugeordneter Mobilstation durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des Synchronisationsverfahrens mittels einer durch einen Schwellwertbereich festgelegten zeitabhängigen Hysterese-Funktion durchgeführt wird.