DE19625859C1

DE19625859C1 - Verfahren und Signalauswerteeinrichtung zur Ermittlung des Störanteils im Signalgemisch des Empfangssignals einer CDMA-Empfangseinrichtung

Info

Publication number: DE19625859C1
Application number: DE19625859A
Authority: DE
Inventors: Bertram Dipl Ing Gunzelmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 1997-08-21
Anticipated expiration: 2016-06-28
Also published as: KR980007012A; US5966370A; KR100477233B1

Description

CDMA-Verfahren (CDMA steht für code division multiple access) sind in Satelliten- und Mobilfunksystemen übliche Übertra gungsverfahren für die Funkschnittstelle zwischen einer Sendeeinrichtung und einer Empfangseinrichtung CDMA-Ver fahren sind dabei Bandspreizverfahren (spread spectrum) bei denen ein schmalbandiges Nutzsignal um einen üblicherweise ganzzahligen Faktor mit Hilfe eines Spreizcodes spektral gespeizt wird und eine rauschähnliche Charakteristik erhält. Für nicht beabsichtigte Empfänger stellt das bandgespreizte Signal ein zusätzliches Rauschen dar, das die Nutzsignale anderer Sendeeinrichtungen additiv überlagert. Aber auch einer beabsichtigten Störung des bandgespeizten Signals kann entgegengewirkt werden.

In üblichen CDMA-Empfängern wird das Empfangssignal ent spreizt bzw. mit dem Spreizcode der Sendeeinrichtung korre liert. Ein schmalbandiger Störer wird durch die Entspreizung spektral gespreizt, so daß sich seine Störwirkung durch Tiefpaßfilterung verringert.

Die breitbandige Übertragung über die Funkschnittstelle er möglicht der Empfangseinrichtung bedeutend mehr Mehrwegepfade aufzulösen, als dies bei einer schmalbandigen Übertragung möglich wäre. Die Übertragung erfolgt für mehrere Verbin dungen zur gleichen Zeit und mit der gleichen Trägerfrequenz. In einem Mobilfunknetz können somit mehrere Basisstationen gleichzeitig Verbindungen zu einer Mobilstation unterhalten. Damit sind weitere Verbesserungen der Qualität der Verbindung erzielbar.

Diese Komplexität der Empfangsbedingungen bei der Empfangs station mit in der Regel mehreren Ausbreitungswegen, mit Störungen zwischen den einzelnen übertragenen Symbolen und mit Interferenzen weiterer Verbindungen der gleichen Träger frequenz, sowie Rauschstörungen, erschwert die getrennte Auswertung der Anteile für das Nutzsignal und für die Stör signale.

Es ist bekannt, die Messung der Rauschleistung mit Hilfe eines Referenzkanals durchzuführen. Der Referenzkanal wird entweder in einem benachbarten Frequenzband oder durch Zeit multiplex von den Nutzsignalen getrennt im selben Frequenz band eingerichtet. Mit einem solchen Verfahren kann jedoch nur der thermische Rauschanteil der Störungen bestimmt wer den, so daß für das CDMA-Verfahren nur eine ungenaue Ermitt lung des Störanteils erreicht wird. Aus der US 5,530,697 ist eine CDMA-Empfangseinrichtung bekannt, in der die Empfangs signale von Kommunikationsverbindungen in einer Art ausge wertet werden, daß eine Schätzung des Störanteils vorgenommen werden kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Signalauswerteeinrichtung anzugeben, die die Er mittlung des Störanteils für eine CDMA-Empfangseinrichtung verbessert. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Signalauswerteeinrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wird auf der Empfangsseite zusätzlich zu den individuellen Speizcodes der einzelnen CDMA-Verbindungen ein zusätzlicher Spreizcode gebildet, mit dem das Empfangssignal entspreizt wird. Das dabei entstehende Referenzsignal wird daraufhin ausgewertet und der Störanteil wird aus dem Re ferenzsignal ermittelt.

Durch diese Ermittelung des Störanteils wird berücksichtigt, daß beim CDMA-Verfahren die Störungen überwiegen, die durch Interferenzen zwischen den Verbindungen bzw. zwischen be nachbarten übertragenen Symbolen einer Verbindung hervor gerufen werden. Erfindungsgemäß wird die Ermittelung des Störanteils im Kanal der Nutzsignale selbst und nicht durch Frequenz- oder Zeitmultiplex getrennt durchgeführt. Damit ergibt sich eine hohe Genauigkeit der ermittelten Werte.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Entspreizung für eine In-Phase- und eine Quadratur-Komponente des Empfangssignals. Die Referenzsignale für beide Komponenten werden anschließend durch Überlagerung, ggf. nach einer geeigneten Umformung, ausgewertet. Durch diese Aus prägung kann die Erfindung in üblichen Empfangseinrichtungen für Anwendungen in der mobilen Kommunikation, wie z. B. in Mobilfunksystemen, realisiert werden.

Die Datenmenge, auf deren Basis die Ermittlung des Störan teils vorgenommen wird, ist vorteilhafterweise zumindest ein Teil eines übertragenen digitalen Symbols, über das die Entspreizung durchgeführt wird. Zur Ermittlung des Störan teils können neben einer Zeitdauer, die einem Symbol oder einer Vielzahl davon entsprechen, auch Teile eines Symbols ausgewertet werden. Die Ermittlung des Störanteils muß somit nicht synchron zur Detektion erfolgen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine Aufsummierung des jeweiligen Referenzsignals über zumindest ein übertragenes digitales Symbol und der Störanteil wird durch eine Leistungsermittelung für das je weilige Referenzsignal ermittelt. Die Aufsummierung mittelt den Störanteil über zumindest ein Symbol, so daß Abweichungen des Meßergebnisses für einzelne Abschnitte eines Symbols vom durchschnittlichen Störanteil verringert werden. Wird das jeweilige aufsummierte Referenzsignal (z. B. für die In-Phase- und die Quadratur-Komponente) daraufhin einer Leistungs ermittelung unterworfen, dann liegt der Störanteil in einer Form vor, der üblicherweise für die Angabe des Signal-Rausch-Verhältnisses benötigt wird. Die Leistungsermittelung ist eine Umformung, die das Ermittelungsergebnis oder evt.

Zwischenresultate in eine besonders vorteilhafte Form bringen.

Soll das Ermittelungsergebnis für den Störanteil für beide Komponenten des Empfangssignal gemeinsam angegeben werden, dann werden vorteilhafterweise auf die Referenzsignale be zogene Größen (Signale die durch Umformung aus den Refe renzsignalen hervorgegangen sind oder die Referenzsignale selbst) für die In-Phase- und die Quadratur-Komponente über eine wahlweise festgelegte Fensterlänge addiert. Die Fenster länge ist entsprechend den Anforderungen an die Genauigkeit der Bestimmung - lange Fensterlänge bedeutet eine Mittelung über viele Symbole - oder die Reaktionsschnelligkeit auf Veränderungen auf der Funkschnittstelle - kurze Fensterlänge bedeutet schnelles Reagieren auf veränderte Störbedingungen - angepaßt.

Für den zusätzlichen Spreizcode kann ein beliebiger, bisher noch nicht verwendeter Spreizcode eingesetzt werden. Dieser Spreizcode sollte von keiner Verbindung benutzt werden, die das Ermittelungsergebnis wesentlich beeinflussen könnte. Vor teilhafterweise wird ein quasi-orthogonaler Code gewählt. Quasi-Orthogonalität ist gegeben, wenn bei der Entspreizung einer Verbindung mit einem Nutzsignal zusätzlich zum Nutz signal Interferenzterme entstehen, die bedeutend kleiner sind als das Nutzsignal selbst. Ein solcher quasi-orthogonaler Spreizcode eignet sich besonders für eine Anwendung ent sprechend der Erfindung, da die bei der Entspreizung ent stehenden Interferenzterme mit hoher Genauigkeit den Stör anteil angeben. Auch die Anwendung orthogonaler Spreiz sequenzen, wie z. B. Walsh-Sequenzen ist möglich, da die Orthogonalität nur bei ausreichender Synchronisation gilt und eine solche Orthogonalität durch die Mehrwegeausbreitung im Mobilfunkkanal nicht vorliegt.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 eine beispielhafte Darstellung der Funkschnitt stelle in einem Mobilfunksystem mit zwei Verbin dungen von Mobilstationen zu einer Basisstation.

Fig. 2 ein Blockschaltbild für die Entstehung des Signalgemisches des Empfangssignals bei einem CDMA-Übertragungsverfahren,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer CDMA-Empfangseinrichtung mit Signalauswerteeinrichtung, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild für die Ermittelung des Störanteils im Signalgemisch des Empfangssignals.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand eines Mobilfunksystem erläutert, das nach dem DS-CDMA-Verfahren betrieben wird (DS steht für direct sequence). Es ist jedoch ebenso möglich, das CDMA-Verfahren mit anderen Übertragungsverfahren (TDMA, FDMA, SDMA für time, frequency and space division multiple access) zu kombinieren.

Nach Fig. 1 stellen zwei Mobilstationen Sendeeinrichtungen SE des Mobilfunksystemes dar, die zu gleichen Zeit mit einer gemeinsamen Trägerfrequenz eine Verbindung mit einer Basis station unterhalten. Es wird lediglich der Empfangsfall für die Basisstation betrachtet, so daß die Basisstation mit der CDMA-Empfangseinrichtung EE Empfangssignale r, die eine Zeitabhängigkeit haben (t steht für die Zeit), aufnimmt.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild für die Verbindung zwischen Mobilstationen und der Basisstation, den sogenannten Uplink. Die Erfindung ist jedoch ebenso auf die Verbindung von einer Basisstation zu einer Mobilstation anwendbar. K Teilnehmer (Mobilstationen) senden gleichzeitig zeitabhängige Symbole b_{1,2 . . .k} mit der Sendeleistung P_{1,2 . . . k} nach einer Spreizung mit den für die jeweilige Verbindung individuellen Spreizcodes a′_{1,2 . . .k} und moduliert mit der gemeinsamen Träger frequenz ω_s, die jedoch geringfügige individuelle Abwei chungen in Bezug auf Frequenz und Phase θ haben kann. Diese den einzelnen Verbindungen zugeordneten Signale unterliegen weiterhin einer Mehrwegeausbreitung, die durch eine Wichtung mit für jeden Ausbreitungsweg charakteristischen Kanalkoeffi zienten h_{1,2 . . .k} modelliert werden kann. τ gibt dabei die individuelle Verzögerung des einzelnen Ausbreitungsweges l an. Auf der Luftschnittstelle findet eine Überlagerung der genannten Signale statt und ein Rauschsignal n wird zusätzlich addiert. So entsteht das Empfangssignal r, wie es in der Empfangseinrichtung erfaßt wird:

Eine typische CDMA-Empfangseinrichtung besteht aus einem Quadraturdemodulator und einem Entspreizer oder Korrelator, der an die Speizcodes a′_k der Sendeeinrichtungen angepaßt ist. Nach der Basisbandumsetzung bzw. Quadraturdemodulation findet die Entspreizung mit in der Empfangseinrichtung vorliegenden für die Verbindungen individuellen Spreizcodes a_k statt. Das Ausgangssignal des Korrelators ergibt sich zum Zeitpunkt nT zu (n bezeichnet im folgenden diskrete Zeitpunkte):

wobei ω_E die Kreisfrequenz des Empfängeroszillators dar stellt.

Dabei ist für das Ausgangssignal des auf den Teilnehmer k bezogenen Korrelators ein Aufteilung in folgende Terme möglich:

z_k ^(I)(n) = d_k ^(I)(n) + i(n) + η(n),

wobei d_k ^(I)(n) das Nutzsignal des k-ten Teilnehmers und l-ten Ausbreitungsweges darstellt. Der Term i(n) steht für die Summe der Mehrfachzugriffsinterferenzen (multiple access interferences) inklusive evt. Intersymbolinterferenzen, also für Interferenzen, die durch die Entspreizung entstehen. Mit dem Term η(n) wird der thermische Rauschanteil beschrieben.

Während die Empfangseinrichtung nur den Nutzsignalanteil d_k ^(I)(n) auswertet, um z. B. in einem RAKE-Empfänger die Kanal schätzung und die Detektion durchzuführen, wirken die Inter ferenzen i(n) und der thermische Rauschanteil η(n) als Störung. Da die Störleistung zur Durchführung der Kanal schätzung und zur Durchführung der Detektion der übertragenen digitalen Symbole ebenfalls benötigt werden, erfolgt nach der Erfindung eine Ermittelung des Störanteils im Signalgemisch des Empfangssignals.

Zur Ermittelung des Störanteils nimmt die Empfangseinrichtung EE nach Fig. 3 über eine Antenne A die Empfangssignale r auf und führt, wie angegeben, die Demodulation mit einer Übertra gung ins Basisband durch. Die Empfangseinrichtung EE enthält eine Signalauswerteeinrichtung DSP, die beispielsweise als digitaler Signalprozessor oder als anwendungsspezifischer Schaltkreis (ASIC) ausgestaltet sein kann. Innerhalb der Signalauswerteeinrichtung DSP stehen ein Entspreizungsmittel ENT, ein Auswertemittel AW und ein Speichermittel SP zur Ver fügung. Zumindest Teile dieser Mittel ENT, AW, SP können ebenso durch entsprechende Algorithmen im digitalen Signal prozessor DSP verwirklicht werden.

Durch den digitalen Signalprozessor DSP wird ein zusätzlicher Spreizcode a_R gebildet und im Speichermittel SP abgelegt. Der zusätzliche Spreizcode a_R kann dem Signalprozessor DSP auch übermittelt und dort gespeichert werden, so daß der zusätz liche Spreizcode a_R im weiteren nur aus dem Speichermittel SP durch Auslesen gebildet wird. Im Entspreizungsmittel ENT findet eine Entspreizung des Empfangssignals r statt, so daß ein Referenzsignal rs entsteht, das dem Auswertemittel AW zugeführt wird. Im Auswertemittel AW wird daraufhin der Störanteil σ ermittelt. Der ermittelte Störanteil σ kann beispielsweise dazu verwendet werden, das Signal-Rausch-Ver hältnis für die jeweiligen Verbindungen zu bestimmen und eine Anpassung der Empfangsparameter vorzunehmen. Es kann ein Funkbereichswechsel oder eine Anpassung der Sendeleistung erfolgen. Weiterhin gestattet der ermittelte Störanteil σ die Verbesserung der Kanalschätzung oder die Verbesserung der Detektion für einen Maximum-a-posteriori-Detektor.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 soll die Ermittelung des Störan teils σ verdeutlicht werden. Das zeitabhängige Empfangs signal r wird durch Quadraturmodulation in eine In-Phase- und eine Quadratur-Komponente im Basisband umgesetzt. Dies geschieht, indem in Mischstufen ein Signal mit der empfangs seitigen Trägerfrequenz (für die Quadratur-Komponente etwa 90° phasenverschoben) multipliziert wird. Anschließend werden beide Komponenten im Entspreizungsmittel ENT nach Fig. 3 mit dem zusätzlichen Speizcode a_R entspreizt, einschließlich einer Integration (Aufsummierung) über eine Periodendauer T, wodurch jeweils Referenzsignale rs gebildet werden. Zur Ent spreizung können die von CDMA-Empfangseinrichtungen bekannten Korrelatoren eingesetzt werden.

Diese Entspreizung entspricht der für die Verbindungen der Nutzsignale, jedoch wird ein Code verwendet der keiner auszu wertenden Verbindung entspricht. Der zusätzliche Speizcode a_R ist vorzugsweise ein zu den übrigen Spreizcodes a_k quasi orthogonaler Code, z. B. eine GOLD-Sequenz, oder ist eine Walsh-Sequenz.

Zur Leistungsbestimmung für den Störanteil wird jeweils das Integrationsergebnis, das Referenzsignal rs, quadriert.

Daraufhin werden die in Leistungswerte umgeformten Referenz signale beider Komponenten addiert. Somit steht ein Lei stungswert w(n) zu weiteren Auswertung zur Verfügung:

Die Periodendauer T kann dabei nur Teile eines übertragenen Symboles erfassen oder auch ein vollständiges Symbol; letz teres, wenn zur Symbolauswertung eine synchrone Abarbeitung bevorzugt wird.

Durch den festen zeitlichen Bezug zwischen dem Empfangssignal r und dem lokal gebildeten zusätzlichen Spreizcode a_R wird eine Scharmittelung durchgeführt. Beim Einsatz eines fest stehenden zusätzlichen Spreizcodes a_R wirkt dieser wie ein passiver Korrelator und schafft zusätzlich eine zeitliche Mittelung.

Ist die Zeitabhängigkeit des Funkkanals gering, dann kann eine weitere Tiefpaßfilterung der Schätzgröße w(n) für den Leistungswert des Störanteils durch eine Mittelung über ein Zeitfenster durchgeführt werden:

wobei N für die Fensterlänge des Tiefpaßfilters steht. Diese Tiefpaßfilterung bietet sich auch an, da die Interferenzterme f(n) zeitabhängig sind. Die Länge des Schätzfensters kann der Zeitinvarianz des Funkkanals und der geforderten Genauigkeit für das Schätzergebnis angepaßt werden.

Claims

1. Verfahren zur Ermittelung des Störanteils (σ) im Signal gemisch des Empfangssignals (r) für eine CDMA-Empfangs einrichtung, wobei jeder CDMA-Verbindung ein individueller Spreizcode (a) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zusätzlicher Spreizcode (a_R) gebildet wird,
daß das Empfangssignal (r) zusätzlich mit dem zusätzlichen Spreizcode (a_R) zu einem Referenzsignal (rs) entspreizt wird, und
daß der Störanteil (σ) durch Auswertung des Referenzsignals (rs) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Entspreizung für eine In-Phase- und eine Qua dratur-Komponente des Empfangssignals (r) durchgeführt wird und die Referenzsignale (rs) durch Überlagerung, ggf. nach einer geeigneten Umformung, ausgewertet werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Entspreizung zumindest über einen Teil eines übertragenen digitalen Symbols durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Entspreizung über zumindest ein übertragenes digitales Symbol erfolgt, und eine Leistungsermittelung für das jeweilige Referenzsignal (rs) vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Referenzsignale (rs), ggf. nach einer geeigneten Umformung, für die In-Phase- und die Quadratur-Komponente über eine wahlweise festgelegte Fensterlänge addiert werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für den zusätzlichen Spreizcode (a_R) ein quasi orthogonaler Code oder eine Walsh-Sequenz gewählt wird.

7. Signalauswerteeinrichtung (DSP) für ein Mobilfunksystem unter Verwendung des CDMA-Prinzips zur Ermittelung des Störanteils (σ) im Signalgemisch des Empfangssignals (r), wobei jeder CDMA-Verbindung ein individueller Spreizcode (a) zugeordnet ist, gekennzeichnet durch,
ein Mittel (SP) zur Bildung eines zusätzlichen Spreizcodes (a_R),
zumindest ein Entspreizungsmittel (ENT) zur Entspreizung des Empfangssignals (r) mit dem zusätzlichen Spreizcode (a_R) zu einem Referenzsignal (rs), und
ein Auswertemittel (AW) für das Referenzsignal (rs) zur Er mittelung des Störanteils (σ).

8. Signalauswerteeinrichtung (DSP) nach Anspruch 7, mit individuellen Entspreizungsmitteln (ENT) für eine In-Phase- und eine Quadratur-Komponente des Empfangssignals (r), wobei das Auswertemittel (AW) zur Auswertung der Referenz signale (rs) durch Überlagerung, ggf. nach einer geeigneten Umformung, vorgesehen ist.

9. Signalauswerteeinrichtung (DSP) nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Entspreizungsmittel (ENT) derart ausgestaltet sind, daß die Entspreizung zumindest über ein übertragenes digitales Symbol durchgeführt wird, und durch das Auswertemittel (AW) eine Leistungsermittelung für die jeweiligen Referenzsignale (rs) vorgesehen ist.

10. Signalauswerteeinrichtung (DSP) nach Anspruch 7, 8 oder 9, bei der das Auswertemittel (AW) derart ausgestaltet ist, daß die Referenzsignale (rs), ggf. nach einer geeigneten Um formung, für die In-Phase- und die Quadratur-Komponente über eine wahlweise festgelegte Fensterlänge addiert werden.