DE19849552A1

DE19849552A1 - Verfahren zum Regeln der Sendeleistung von mobilen Sende-/Empfangsgeräten in Telekommunikationssystemen mit drahtloser Telekommunikation zwischen mobilen und/oder stationären Sende-/Empfangsgeräten, insbesondere in Mobilfunksystemen der dritten Generation

Info

Publication number: DE19849552A1
Application number: DE1998149552
Authority: DE
Inventors: Reinhold Braam; Andreas Falkenberg; Ulf Niemeyer; Michael Wiemeler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2000-03-30

Abstract

Um die Sendeleistung von mobilen Sende-/Empfangsgeräten in Telekommunikationssystemn mit drahtloser Telekommunikation zwischen mobilen und/oder stationären Sende-/Empfangsgeräten, insbesondere in Mobilfunksystemen der dritten Generation, so zu regeln, daß die beim Stand der Technik auftretenden Nachteile vermieden werden, wertet das mobile Sende-/Empfangsgerät von dem stationären Sende-/Empfangsgerät empfangene Regelkommandos aus und berechnet adaptiv, insbesondere unter Berücksichtigung der Historie und unabhängig von dem stationären Sende-/Empfangsgerät, als Zwischenstufe bei der Sendeleistungsregelung gemäß dem Regelkommando veränderbare Schrittweiten.

Description

Telekommunikationssysteme mit drahtloser Telekommunikation zwischen mobilen und/oder stationären Sende-/Empfangsgeräten sind spezielle Nachrichtensysteme mit einer Nachrichtenüber tragungsstrecke zwischen einer Nachrichtenquelle und einer Nachrichtensenke, bei denen beispielsweise Basisstationen und Mobilteile zur Nachrichtenverarbeitung und -übertragung als Sende- und Empfangsgeräte verwendet werden und bei denen

1) die Nachrichtenverarbeitung und Nachrichtenübertragung in einer bevorzugten Übertragungsrichtung (Simplex-Betrieb) oder in beiden Übertragungsrichtungen (Duplex-Betrieb) erfol gen kann,
2) die Nachrichtenverarbeitung vorzugsweise digital ist,
3) die Nachrichtenübertragung über die Fernübertragungs strecke drahtlos auf der Basis von diversen Nachrichtenüber tragungsverfahren FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) und/oder CDMA (Code Di vision Multiple Access) - z. B. nach Funkstandards wie DECT [Digital Enhanced (früher: European) Cordless Telecommu nication; vgl. Nachrichtentechnik Elektronik 42 (1992) Jan./Feb. Nr. 1, Berlin, DE; U. Pilger "Struktur des DECT- Standards", Seiten 23 bis 29 in Verbindung mit der ETSI- Publikation ETS 300175-1 . . . 9, Oktober 1992 und der DECT- Publikation des DECT-Forum, Februar 1997, Seiten 1 bis 16), GSM [Groupe Spéciale Mobile oder Global System for Mobile Communication; vgl. Informatik Spektrum 14 (1991) Juni, Nr. 3, Berlin, DE; A.Mann: "Der GSM-Standard - Grundlage für di gitale europäische Mobilfunknetze", Seiten 137 bis 152 in Verbindung mit der Publikation telekom praxis 4/1993, P.Smolka "GSM-Funkschnittstelle - Elemente und Funktionen", Seiten 17 bis 24],
UMTS [Universal Mobile Telecommunication System; vgl. (1): Nachrichtentechnik Elektronik, Berlin 45, 1995, Heft 1, Sei ten 10 bis 14 und Heft 2, Seiten 24 bis 27; P.Jung,
B.Steiner: "Konzept eines CDMA-Mobilfunksystems mit gemeinsa mer Detektion für die dritte Mobilfunkgeneration"; (2): Nach richtentechnik Elektronik, Berlin 41, 1991, Heft 6, Seiten 223 bis 227 und Seite 234; P.W.Baier, P.Jung, A.Klein: "CDMA- ein günstiges Vielfachzugriffsverfahren für frequenzselek tive und zeitvariante Mobilfunkkanäle"; (3): IEICE Transacti ons on Fundamentals of Electonics, Communications and Compu ter Sciences, Vol. E79-A, No. 12, December 1996, Seiten 1930 bis 1937; P.W.Baier, P.Jung: "CDMA Myths and Realities Revi sited"; (4): IEEE Personal Communications, February 1995, Seiten 38 bis 47; A.Urie, M.Streeton, C.Mourot: "An Advanced TDMA Mobile Access System for UMTS"; (5): telekom praxis, 5/1995, Seiten 9 bis 14; P.W.Baier: "Spread-Spectrum-Technik und CDMA - eine ursprünglich militärische Technik erobert den zivilen Bereich"; (6): IEEE Personal Communications, February 1995, Seiten 48 bis 53; P.G.Andermo, L.M.Ewerbring: "An CDMA- Based Radio Access Design for UMTS"; (7): ITG Fachberichte 124 (1993), Berlin, Offenbach: VDE Verlag ISBN 3-8007-1965-7, Seiten 67 bis 75; Dr. T.Zimmermann, Siemens AG: "Anwendung von CDMA in der Mobilkommunikation"; (8): telcom report 16, (1993), Heft 1, Seiten 38 bis 41; Dr. T. Ketseoglou, Siemens AG und Dr. T.Zimmermann, Siemens AG: "Effizienter Teilnehmer zugriff für die 3. Generation der Mobilkommunikation - Viel fachzugriffsverfahren CDMA macht Luftschnittstelle flexi bler"; (9): Funkschau 6/98: R.Sietmann "Ringen um die UMTS- Schnittstelle", Seiten 76 bis 81) WACS oder PACS, 15-54, 15-95, PHS, PDC etc. [vgl. IEEE Communications Magazine, January 1995, Seiten 50 bis 57; D.D. Falconer et al: "Time Division Multiple Access Methods for Wireless Personal Communicati ons"] erfolgt.

"Nachricht" ist ein übergeordneter Begriff, der sowohl für den Sinngehalt (Information) als auch für die physikalische Repräsentation (Signal) steht. Trotz des gleichen Sinngehal tes einer Nachricht - also gleicher Information - können un terschiedliche Signalformen auftreten. So kann z. B. eine ei nen Gegenstand betreffende Nachricht

(1) in Form eines Bildes,
(2) als gesprochenes Wort,
(3) als geschriebenes Wort,
(4) als verschlüsseltes Wort oder Bild übertragen werden.

Die Übertragungsart gemäß (1) . . . (3) ist dabei normalerweise durch kontinuierliche (analoge) Signale charakterisiert, wäh rend bei der Übertragungsart gemäß (4) gewöhnlich diskontinu ierliche Signale (z. B. Impulse, digitale Signale) entstehen.

Im UMTS-Szenario (3. Mobilfunkgeneration bzw. IMT-2000) gibt es z. B. gemäß der Druckschrift Funkschau 6/98: R.Sietmann "Ringen um die UMTS-Schnittstelle", Seiten 76 bis 81 zwei Teilszenarien. In einem ersten Teilszenario wird der lizen sierte koordinierte Mobilfunk auf einer WCDMA-Technologie (Wideband Code Division Multiple Access) basieren und, wie bei GSM, im FDD-Modus (Frequency Division Duplex) betrieben, während in einem zweiten Teilszenario der unlizensierte unko ordinierte Mobilfunk auf einer TD-CDMA-Technologie (Time Di vision-Code Division Multiple Access) basieren und, wie bei DECT, im TDD-Modus (Frequency Division Duplex) betrieben wird.

Für den WCDMA/FDD-Betrieb des Universal-Mobil-Telekommunika tion-Systems enthält die Luftschnittstelle des Telekommunika tionsystems in Auf- und Abwärtsrichtung der Telekommunikation gemäß der Druckschrift ETSI STC SMG2 UMTS-L1, Tdoc SMG2 UMTS- L1 163/98: "UTRA Physical Layer Description FDD Parts" Vers. 0.3, 1998-05-29 jeweils mehrere physikalische Kanäle, von de nen ein erster physikalischer Kanal, der sogenannte Dedicated Physical Control CHannel DPCCH, und ein zweiter physikali scher Kanal, der sogenannte Dedicated Physical Data CHannel DPDCH, in bezug auf deren Zeitrahmenstrukturen (frame structure) in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind.

Im Downlink (Funkverbindung von der Basisstation zur Mobil station) des WCDMA/FDD Systems von ETSI bzw. ARIB wird der Dedicated Physical Control Channel (DPCCH) und der Dedicated Physical Data Channel (DPDCH) zeitlich gemultiplext, während im Uplink ein I/Q-Multiplex stattfindet, bei dem der DPDCH im I-Kanal und der DPCOH im Q-Kanal übertragen werden.

Der DPCCH enthält N_pilot Pilot-Bits zur Kanalschätzung, N_TPC Bits für eine schnelle Leistungsregelung und N_TFI Format-Bits, die die Bitrate, Art des Services, Art der Fehlerschutzcodie rung, etc. anzeigen (TFI = Traffic Format Indicator).

Fig. 3 zeigt auf der Basis eines GSM-Funkszenarios mit z. B. zwei Funkzellen und darin angeordneten Basisstationen (Base Transceiver Station), wobei eine erste Basisstation BTSI (Sender/Empfänger) eine erste Funkzelle FZ1 und eine zweite Basisstation BTS2 (Sende-/Empfangsgerät) eine zweite Funkzel le FZ2 omnidirektional "ausleuchtet", ein FDMA/TDMA/CDMA- Funkszenario, bei dem die Basisstationen BTS1, BTS2 über eine für das FDMA/TDMA/CDMA-Funkszenario ausgelegte Luftschnitt stelle mit mehreren in den Funkzellen FZ1, FZ2 befindlichen Mobilstationen MS1 . . . MS5 (Sende-/Empfangsgerät) durch draht lose uni- oder bidirektionale - Aufwärtsrichtung UL (Up Link) und/oder Abwärtsrichtung DL (Down Link) - Telekommunikation auf entsprechende Übertragungskanäle TRC (Transmission Chan nel) verbunden bzw. verbindbar sind. Die Basisstationen BTS1, BTS2 sind in bekannter Weise (vgl. GSM-Telekommunikations system) mit einer Basisstationssteuerung BSC (BaseStation Controller) verbunden, die im Rahmen der Steuerung der Basis stationen die Frequenzverwaltung und Vermittlungsfunktionen übernimmt. Die Basisstationssteuerung BSC ist ihrerseits über eine Mobil-Vermittlungsstelle MSC (Mobile Switching Center) mit dem übergeordneten Telekommunikationsnetz) z. B. dem PSTN (Public Switched Telecommunication Network), verbunden. Die Mobil-Vermittlungsstelle MSC ist die Verwaltungszentrale für das dargestellte Telekommunikationssystem. Sie übernimmt die komplette Anrufverwaltung und mit angegliederten Registern (nicht dargestellt) die Authentisierung der Telekommunikati onsteilnehmer sowie die Ortsüberwachung im Netzwerk.

Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau der als Sende- /Empfangsgerät ausgebildeten Basisstation BTS1, BTS2, während Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau der ebenfalls als Sende- /Empfangsgerät ausgebildeten Mobilstation MT1 . . . MT5 zeigt. Die Basisstation BTS1, BTS2 übernimmt das Senden und Empfan gen von Funknachrichten von und zur Mobilstation MTS1 . . . MTS5, während die Mobilstation MT1 . . . MT5 das Senden und Empfangen von Funknachrichten von und zur Basisstation BTS1, BTS2 über nimmt. Hierzu weist die Basisstation eine Sendeantenne SAN und eine Empfangsantenne EAN auf, während die Mobilstation MT1 . . . MT5 eine durch eine Antennenumschaltung AU steuerbare für das Senden und Empfangen gemeinsame Antenne ANT aufweist. In der Aufwärtsrichtung (Empfangspfad) empfängt die Basissta tion BTS1, BTS2 über die Empfangsantenne EAN beispielsweise mindestens eine Funknachricht FN mit einer FDMA/TDMA/CDMA- Komponente von mindestens einer der Mobilstationen MT1 . . . MT5, während die Mobilstation MT1 . . . MT5 in der Abwärtsrichtung (Empfangspfad) über die gemeinsame Antenne ANT beispielsweise mindestens eine Funknachricht FN mit einer FDMA/TDMA/CDMA- Komponente von mindestens einer Basisstation BTS1, BTS2 emp fängt. Die Funknachricht FN besteht dabei aus einem breitban dig gespreizten Trägersignal mit einer aufmodulierten aus Da tensymbolen zusammengesetzten Information.

In einer Funkempfangseinrichtung FEE (Empfänger) wird das empfangene Trägersignal gefiltert und auf eine Zwischenfre quenz heruntergemischt, die ihrerseits im weiteren abgetastet und quantisiert wird. Nach einer Analog/Digital-Wandlung wird das Signal, das auf dem Funkweg durch Mehrwegeausbreitung verzerrt worden ist, einem Equalizer EQL zugeführt, der die Verzerrungen zu einem großen Teil ausgleicht (Stw.: Synchro nisation).

Anschließend wird in einem Kanalschätzer KS versucht die Übertragungseigenschaften des Übertragungskanals TRC auf dem die Funknachricht FN übertragen worden ist, zu schätzen. Die Übertragungseigenschaften des Kanals sind dabei im Zeitbe reich durch die Kanalimpulsantwort angegeben. Damit die Ka nalimpulsantwort geschätzt werden kann, wird der Funknach richt FN sendeseitig (im vorliegenden Fall von der Mobilsta tion MT1 . . . MT5 bzw. der Basisstation BTS1, BTS2) eine spezi elle, als Trainingsinformationssequenz ausgebildete Zusatzin formation in Form einer sogenannten Mitambel zugewiesen bzw. zugeordnet.

In einem daran anschließenden für alle empfangenen Signale gemeinsamen Datendetektor DD werden die in dem gemeinsamen Signal enthaltenen einzelnen mobilstationsspezifischen Signalanteile in bekannter Weise entzerrt und separiert. Nach der Entzerrung und Separierung werden in einem Symbol-zu- Daten-Wandler SDW die bisher vorliegenden Datensymbole in bi näre Daten umgewandelt. Danach wird in einem Demodulator DMOD aus der Zwischenfrequenz der ursprüngliche Bitstrom gewonnen, bevor in einem Demultiplexer DMUX die einzelnen Zeitschlitze den richtigen logischen Kanälen und damit auch den unter schiedlichen Mobilstationen zugeordnet werden.

In einem Kanal-Codec KC wird die erhaltene Bitsequenz kanal weise decodiert. Je nach Kanal werden die Bitinformationen dem Kontroll- und Signalisierungszeitschlitz oder einem Sprachzeitschlitz zugewiesen und - im Fall der Basisstation (Fig. 4) - die Kontroll- und Signalisierungsdaten und die Sprachdaten zur Übertragung an die Basisstationssteuerung BSC gemeinsam einer für die Signalisierung und Sprachcodierung/ -decodierung (Sprach-Codec) zuständigen Schnittstelle SS über geben, während - im Fall der Mobilstation (Fig. 5) - die Kontroll- und Signalisierungsdaten einer für die komplette Signalisierung und Steuerung der Mobilstation zuständigen Steuer- und Signalisiereinheit STSE und die Sprachdaten einem für die Spracheingabe und -ausgabe ausgelegten Sprach-Codec SPC übergeben werden.

In dem Sprach-Codec der Schnittstelle SS in der Basisstation BTS1, BTS2 werden die Sprachdaten in einem vorgegebenen Da tenstrom (z. B. 64 kbit/s-Strom in Netzrichtung bzw. 13 kbit/s- Strom aus Netzrichtung).

In einer Steuereinheit STE wird die komplette Steuerung der Basisstation BTS1, BTS2 durchgeführt.

In der Abwärtsrichtung (Sendepfad) sendet die Basisstation BTS1, BTS2 über die Sendeantenne SAN beispielsweise minde stens eine Funknachricht FN mit einer FDMA/TDMA/CDMA-Kompo nente an mindestens eine der Mobilstationen MT1 . . . MT5, wäh rend die Mobilstation MT1 . . . MT5 in der Aufwärtsrichtung (Sendepfad) über die gemeinsame Antenne ANT beispielsweise mindestens eine Funknachricht FN mit einer FDMA/TDMA/CDMA- Komponente an mindestens einer Basisstation BTS1, BTS2 sen det.

Der Sendepfad beginnt bei der Basisstation BTS1, BTS2 in Fig. 4 damit, daß in dem Kanal-Codec KC von der Basisstati onssteuerung BSC über die Schnittstelle SS erhaltene Kon troll- und Signalisierungsdaten sowie Sprachdaten einem Kon troll- und Signalisierungszeitschlitz oder einem Sprachzeit schlitz zugewiesen werden und diese kanalweise in eine Bitse quenz codiert werden.

Der Sendepfad beginnt bei der Mobilstation MT1 . . . MT5 in Fig. 5 damit, daß in dem Kanal-Codec KC von dem Sprach-Codec SPC erhaltene Sprachdaten und von der Steuer- und Signalisierein heit STSE erhaltene Kontroll- und Signalisierungsdaten einem Kontroll- und Signalisierungszeitschlitz oder einem Sprach zeitschlitz zugewiesen werden und diese kanalweise in eine Bitsequenz codiert werden.

Die in der Basisstation BTS1, BTS2 und in der Mobilstation MT1 . . . MT5 gewonnene Bitsequenz wird jeweils in einem Daten zu-Symbol-Wandler DSW in Datensymbole umgewandelt. Im An schluß daran werden jeweils die Datensymbole in einer Sprei zeinrichtung SPE mit einem jeweils teilnehmerindividuellen Code gespreizt. In dem Burstgenerator BG, bestehend aus einem Burstzusammensetzer BZS und einem Multiplexer MUX, wird da nach in dem Burstzusammensetzer BZS jeweils den gespreizten Datensymbolen eine Trainingsinformationssequenz in Form einer Mitambel zur Kanalschätzung hinzugefügt und im Multiplexer MUX die auf diese Weise erhaltene Burstinformation auf den jeweils richtigen Zeitschlitz gesetzt. Abschließend wird der erhaltene Burst jeweils in einem Modulator MOD hochfrequent moduliert sowie digital/analog umgewandelt, bevor das auf diese Weise erhaltene Signal als Funknachricht FN über eine Funksendeeinrichtung FSE (Sender) an der Sendeantenne SAN bzw. der gemeinsamen Antenne ANT abgestrahlt wird.

In der Mobilfunktechnik sind verschiedenste Anforderungen an die Leistungsausstrahlung eines Senders zu erfüllen. Das SIR am Empfangsort, der Grad der Signalverzerrung und des Signal verlustes über die Sendestrecke als auch Störung benachbarter Mobilfunkzellen und -teilnehmer müssen als Parameter in eine Regelung eingehen. Die Regelung an sich wird durch Signale (Bits) innerhalb der Mobilfunktelegramme durchgeführt, wobei die Regelkommandos an das Mobilteil die Struktur "Erhöhe die Leistung um eine Schrittweite" bzw. "Erniedrige die Leistung um eine Schrittweite" besitzen. Die Regelcharakteristik kann mit diesem Schema nur über die innerhalb der Mobilfunkzelle definierten Schrittweite zur Leistungserhöhung/-erniedrigung erreicht werden. Auf starken und schnelle Veränderungen des Mobilfunkkanals kann mit diesem Regelschema nur über mehreren Kontrollzyklen hinweg entgegengewirkt werden, wodurch sich BER bzw. FER drastisch erhöhen können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Regeln der Sendeleistung von mobilen Sende- /Empfangsgeräten in Telekommunikationssystemen mit drahtloser Telekommunikation zwischen mobilen und/oder stationären Sen de-/Empfangsgeräten, insbesondere in Mobilfunksystemen der dritten Generation, anzugeben, bei dem die beim Stand der Technik auftretende Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Patentanspruch dadurch gelöst, daß das mobile Sende-/Empfangsgerät von dem stationären Sen de-/Empfangsgerät empfangene Regelkommandos auswertet und als Zwischenstufen bei der Sendeleistungsregelung gemäß dem Re gelkommando veränderbare Schrittweiten adaptiv, insbesondere unter Berücksichtigung der Historie und unabhängig von dem stationären Sende-/Empfangsgerät, berechnet.

Das im folgenden dargestellte und beschriebene neue Rege lungskonzept (vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfin dung) löst das Problem, indem innerhalb einer "Uplink closed loop power control" unter Berücksichtigung der Historie eine adaptive, d. h. eine aus der Vergangenheit lernende, Berech nung der Schrittweite vorgenommen wird. Da benachbarte Basis stationen durchaus unterschiedliche Schrittweiten definieren können, werden diese unterschiedlichen Schrittweiten zusätz lich mit einer Gewichtung hinsichtlich ihrer Relevanz während der aktuellen Übertragung mit in die Berechnung einbezogen.

Die Erweiterung besteht in der Einführung von endlich vielen Zwischenstufen in Form von veränderbaren Schrittweiten x (Kriterium "erhöhe/erniedrige um x dB), wobei x von der Mo bilstation berechnet wird und, abgesehen von Extremalbedin gungen, keine Vorgabe durch die Basisstationen erfolgt.

Das Regelkonzept besteht gemäß Fig. 6 aus einer Aufteilung in "Step-Size-Adaption" und "Combining". Die Aufgabe des Com bining ist die Auswertung empfangener Regelkommandos, d. h. das Extrahieren der Regelungsbits aus dem seriellen Empfangs datenstrom und das Kombinieren der Bits im Falle des Empfangs von unterschiedlichen Basisstationen. Zur Entscheidung werden Multi-Path Kombinationen der empfangenen TPC Bits herangezo gen. Diese Kombination führt zu einer Entscheidung über die Richtung zur Schrittweiteneinstellung durch die Step-Size- Adaption. Das Bitmuster der kombinierten Bits steuert eine Registerbank an, wodurch die Zuordnung der Entscheidung mit den zugehörigen berechneten Schrittweiten getroffen wird.

Die Step-Size-Adaption berechnet anhand von aktuellen (d. h. auf die aktuelle Mobilfunkzelle bezogenen) Übertragungspara metern für jede Stufe die nächste Schrittweite zur Verände rung der Sendeleistung. Für jede Entscheidung wird die Wahr scheinlichkeit des Eintreffens (entspricht der Transienten wahrscheinlichkeit innerhalb des verwendeten Markov-Modells) berechnet und die zugehörige Schrittweite als Registerwert gespeichert. Diese Berechnung ist prädiktiv und berücksich tigt zurückliegende Entscheidungen. Insbesondere erfahren zu rückliegende mehrfach hintereinander eingetroffene Ereignisse "Erhöhe" bzw. "Erniedrige" eine gesonderte Gewichtung, um schnell veränderlichen Übertragungsbedingungen gegensteuern zu können. Der Algorithmus ist lernend und benutzt als An fangsbedingung zur Optimierung das übliche Regelkonzept. Nach einer Trainingsphase wird das optimierte Regelkriterium über nommen. Eine notwendige Re-initialisierung der Trainingsphase wird erkannt und auch für besondere Betriebsmodi des Mobil teils (Slotted-Mode) zur Verfügung gestellt.

Grundlage zur Zuordnung der berechneten Schrittweite zu dem vom Combiner analysierten Regelkommando ist ein Markov-Modell mit gewichteten Transientenkoeffizienten.

Claims

Verfahren zum Regeln der Sendeleistung von mobilen Sende- /Empfangsgeräten in Telekommunikationssystemen mit drahtloser Telekommunikation zwischen mobilen und/oder stationären Sen de-/Empfangsgeräten, insbesondere in Mobilfunksystemen der dritten Generation, mit folgenden Merkmal:
Das mobile Sende-/Empfangsgerät wertet von dem stationären Sende-/Empfangsgerät empfangene Regelkommandos aus und be rechnet adaptiv, insbesondere unter Berücksichtigung der Hi storie und unabhängig von dem stationären Sende- /Empfangsgerät, als Zwischenstufen bei der Sendeleistungsre gelung gemäß dem Regelkommando veränderbare Schrittweiten.