DE19858726A1 - Optimierung von Funkübertragungen bei sich schnell bewegenden Teilnehmern eines Mobilfunksystems - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Phasenkompensation übertragener, durch ein Kanalmodulationsverfahren gebildeter Symbole eines Bursts eines Mobilfunksystems, mit den Schritten a) Bestimmen der Phasendifferenz eines Schätzwerts eines Symbols eines Bursts und b) Korrigieren des Schätzwerts des Symbols um die Phasendifferenz. Im Schritt a) wird eine mittlere Phasenverschiebung einer Gruppe von n >= 1 Symbolschätzwerten des Bursts bestimmt, und im Schritt b) wird jeder empfangene Schätzwert der Nutzsymbole mit entsprechenden Phasenkorrekturen korrigiert, wobei sich die Phasenkorrektur eines Schätzwerts aus dem Abstand des Schätzwerts zur Burstmitte sowie der mittleren Phasendifferenz ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft die Optimierung der Funkübertragung bei sich schnell bewegenden Teilnehmern eines Mobilfunksy­ stems, insbesondere die Korrektur von Amplituden- und Fre­ quenzverschiebungen bei Empfangssignalen des Mobilfunksy­ stems.

In vielen digitalen Mobilfunknetzen werden Bits vor der Über­ tragung paarweise zu Symbolen zusammengefaßt und dann mittels eines phasenmodulierten HF-Trägersignals übertragen. Dieses Kanalmodulationsverfahren wird als QPSK-Verfahren (Quaternary Phase Shift Keying) bezeichnet.

Fig. 1 zeigt, daß die einzelnen Symbole der QPSK-Codierung, dargestellt durch die zugehörigen Bitkombinationen in den ec­ kigen Klammern ([0,0], [0,1], [1,0], [1,1]), fehlerfrei deco­ diert werden können, wenn der durch die Übertragung entste­ hende Phasenfehler zu einer Phasendrehung von weniger als ±45° führt. Bei anderen Phasenmodulationsverfahren, bei denen beispielsweise pro Symbol mehr als 2 Bit zusammengefaßt sind, ist der maximal zulässige Phasenfehler entsprechend kleiner. Bei steigender Relativgeschwindigkeit zwischen einer Mobil­ station (MS) und der ihr zugeordneten Basisstation (BS) des Mobilfunksystems verändern sich in zunehmendem Maß die Para­ meter des Mobilfunkkanals innerhalb der Übertragungsdauer ei­ ner Übertragungseinheit, die üblicherweise als Burst bezeich­ net wird, zwischen Basis- und Mobilstation. In Abhängigkeit von der Position des einzelnen Symbols innerhalb eines Bursts werden dessen Amplituden entsprechend stark gedämpft und die Phasen unterschiedlich gedreht.

Fig. 2 zeigt als Beispiel einen normalen Burst innerhalb des GSM-System und die Phasenverschiebung seiner Symbole bei ei­ ner Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, wobei der zeit­ liche Ablauf t in Millisekunden des Bursts gegenüber der Pha­ senverschiebung ϕ dargestellt ist. Der normale Burst besteht aus mehreren Bitfelder mit unterschiedlichen Funktionen, näm­ lich einem ersten Datenbereich, der sog. Midamble und einem zweiten Datenbereich. In der Midamble ist eine Trainingsse­ quenz angeordnet, die eine feste Bitfolge beinhaltet, die so­ wohl der Mobilstation als auch der Basisstation bekannt ist. Diese Trainingssequenz ist für die Synchronisierung und für die Kanalschätzung notwendig. Durch die Faltung der empfange­ nen Trainingssequenz mit einer dem Empfänger bekannten, aus der Trainingssequenz abgeleiteten Sequenz kann der Empfänger die Kanalimpulsantwort und die Phasenverzerrung durch den Ka­ nal errechnen. Die so errechnete Kanalimpulsantwort und die Phasenverzerrung wird bei konventioneller Detektion für die gesamte Burstdauer als konstant angenommen. Mit diesem Wissen ist eine Rekonstruktion der auf gleiche Weise gestörten Sym­ bole, die in den "Coded-Data"-Feldern abgelegt sind, möglich.

Bei sich schnell bewegenden Mobilstationen tritt das Problem auf, daß durch die Zeitvarianz die einzelnen Symbole eines Bursts eine deutliche Phasenverschiebung erfahren, die zu fehlerhaften Symbolzuordnungen führen kann, wie dies in der Fig. 2 durch die Gerade dargestellt ist. Die Steigung der Ge­ raden hängt von der Bewegungsgeschwindigkeit und Richtung der Mobilstation ab. Dort ist zu sehen, daß für die äußeren Ele­ mente einer QPSK-Modulation eine Phasenverschiebung von mehr als +45° bzw. -45° gegeben ist, was zu einer eindeutig fal­ schen Symbolzuordnung führt. Diese beiden Grenzen G1 und G2 für die QPSK-Codierung sind in Fig. 2 gestrichelt darge­ stellt. Durch die Anordnung der Trainingssequenz in der Mitte des Bursts (Midamble) wird in der Mitte die Symbolphase annä­ hernd richtig geschätzt, während mit zunehmender Entfernung von der Burstmitte die Symbole einen zunehmenden Phasenfehler aufweisen, bis der Phasenfehler eventuell den maximal zuläs­ sigen Phasenfehler überschreitet, wie dies in Fig. 2 darge­ stellt ist.

Im folgenden werden Beispielswerte für das GSM-System und das projektierte UMTS-System gegeben:
Eine Burstdauer beträgt 546,12 µs. Die Zeitdauer, die zwi­ schen der Kanalschätzung in der Mitte des Bursts und den Sym­ bolen an den Bursträndern vergeht, beträgt somit jeweils 273,06 µs.

Die Wellenlänge λ der Trägerfrequenz bei GSM- oder UMTS-Net­ zen ergibt sich aus dem Quotient der Lichtgeschwindigkeit c und ihrer Frequenz f, nämlich bei GSM ca. 900 MHz und bei UMTS ca. 2 GHz. Somit ergeben sich die folgenden Wellenlän­ gen:

λ_GSM = 0,333 m
λ_UMTS = 0,125 m.

Eine Mobilstation, die sich mit 100 km/h unter einem Winkel δ = 45° zu einer Basisstation bewegt, nähert sich dieser inner­ halb der halben Burstdauer um 0,536 cm, was in Wellenlängen ausgedrückt 0,016 GSM-Wellenlängen bzw. 0,043 UMTS-Wellenlän­ gen bedeutet.

Unter Annahme eines dominierenden "Line of Sight"-Signalpfa­ des, d. h. Ausschluß eines Mehrwegeempfangs, welches das Pro­ blem verschärft, resultiert daraus eine Phasenverschiebung der äußersten Symbole von Δϕ_GSM = 5,80° und Δϕ_UMTS = 15,4°.

Bei einer 200 km/h schnellen Mobilstation, die sich ebenfalls unter einem Winkel δ = 45° zu einer Basisstation bewegt, be­ trägt entsprechend die Phasenverschiebung der äußersten Sym­ bole Δϕ_GSM = 11,6° und Δϕ_UMTS = 30,8°.

Durch die sich allein aufgrund der Relativgeschwindigkeit er­ gebenden Phasenfehlern zusammen mit zusätzlichen Phasenfeh­ lern durch Rauschen und Mehrwegeempfang wird die ±45° Phasen­ toleranz bei QPSK modulierten Signalen entsprechend der Fig. 1 so weit reduziert, daß die Wahrscheinlichkeit einer fal­ schen Symbolzuordnung deutlich steigt.

Bei Verwendung höherratiger Modulationsverfahren mit entspre­ chend geringerer Phasentoleranz und/oder bei zukünftigen sa­ tellitengestützten Mobilfunknetzen, beispielsweise Iridium, die in Frequenzbändern über 5 GHz operieren, verschärft sich das geschilderte Problem der Phasendrehung und der daraus re­ sultierenden Bitfehler dramatisch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die gesendeten Symbole trotz hoher Rela­ tivgeschwindigkeit zwischen Basis- und Mobilstation richtig erkannt werden.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Phasen­ kompensation übertragener, durch ein Kanalmodulationsverfah­ ren gebildeter Symbole eines Bursts eines Mobilfunksystems, das die folgenden Schritte aufweist:

• a) Bestimmen der Phasendifferenz eines Schätzwerts eines Symbols eines Bursts;
• b) Korrigieren des Schätzwerts des Symbols um die Phasen­ differenz.

Vorzugsweise wird im Schritt a) eine mittlere Phasenverschie­ bung einer Gruppe von n ≧ 1 Symbolschätzwerten des Bursts be­ stimmt, und im Schritt b) wird jeder empfangene Schätzwert der Nutzsymbole mit entsprechenden Phasenkorrekturen korri­ giert, wobei sich die Phasenkorrektur eines Schätzwerts aus dem Abstand des Schätzwerts zur Burstmitte sowie der mittle­ ren Phasendifferenz ergibt.

Die Gruppe besteht vorzugsweise aus benachbarten Symbol­ schätzwerten.

Zur weiteren Verbesserung der Phasenkorrektur kann das Ver­ fahren rekursiv erneut für mindestens eine weitere Gruppe von n ≧ 1 Schätzwerten durchgeführt werden, wobei vorzugsweise die Gruppen benachbart sind. Die Gruppengröße aufeinanderfol­ gender Gruppen kann ungleich sein, vorzugsweise werden jedoch gleiche Gruppengrößen verwendet.

Ferner beginnt das Verfahren mit dem innersten Schätzwerten der Symbole eines Bursts, d. h. benachbart zu der Trainingsse­ quenz, und die weiteren Symbolschätzwerte werden von innen nach außen bearbeitet, wobei der Teil des Bursts vor der Trainingssequenz unabhängig von dem Teil nach der Trainings­ sequenz bearbeitet werden kann.

Vorzugsweise beträgt die Gruppengröße 5 ≦ n ≦ 10.

Allgemein wird die Phasendifferenz aus dem gemessenen Symbol­ schätzwert und dem Symbol, dem es in der durch das Kanalmodu­ lationsverfahren vorgegebenen Detektion zugeordnet werden würde, bestimmt, wie dies aus der Fig. 1 für die QPSK-Codie­ rung ersichtlich ist. Liegt beispielsweise der gemessene Schätzwert in Fig. 1 zwischen ±45°, so würde ihm der Symbol­ wert [0,0] zugeordnet werden.

Nach der Phasenkorrektur aller Schätzwerte der Symbole eines Bursts wird in einem weiteren Schritt die Zuordnung der pha­ senkorrigierten Schätzwerte zu den Symbolen vorgenommen. Durch das Verfahren wird die Phasendrehung der Symbole er­ kannt und vor der Auswertung der einzelnen Symbole die für sie berechnete Phasenverschiebung von der gemessenen Phase des Symbols abgezogen. Es erfolgt also mit steigender Entfer­ nung der Symbole von der Trainingssequenz eine zunehmende Rückdrehung der Phase, bevor die korrigierten Symbole weiter­ verarbeitet werden.

Dabei nutzt das Verfahren die Tatsache aus, daß die inneren Nutzsymbole einen geringen Phasenoffset haben und mit hoher Wahrscheinlichkeit trotz Rauschen und Mehrwegempfang richtig zugeordnet werden.

In der einfachsten Form des Verfahrens wird beispielsweise die Phasendifferenz des Schätzwert eines direkt benachbart zur Trainingssequenz liegenden Nutzsymbols bestimmt. Diese Phasendifferenz wird dann von sämtlichen Schätzwerten der Nutzsysmbole der Coded-Data-Felder abgezogen, mit anderen Worten, die Gerade wird um die gemessene Steigung des be­ trachteten Nutzsysmbols "zurückgedreht".

Um zufällige Phasenschwankungen durch Rauschen weitgehend zu eliminieren, wird eine mittlere Phasendifferenz einer Gruppe von n Nutzsymbolen bestimmt, wobei der übliche Werte für n 5 ≦ n ≦ 10 beträgt. Dabei kann der Teil des Bursts vor der Trainingssequenz unabhängig von dem Teil dahinter bearbeitet werden. Von den innersten n Symbolen wird jeweils die gemes­ sene Phase bestimmt. Anschließend wird die Phasendifferenz zwischen dem gemessenen Symbol und dem Symbol, dem es in der QPSK-Detektion zugeordnet wird, bestimmt (Fig. 1). Die gemes­ sene Phasendifferenz wird durch die Entfernung des Symbols von der Burstmitte, also der Mitte der Trainingssequenz, ge­ teilt. Die derart für die erste Gruppe von Symbolen erhalte­ nen Werte werden gemittelt und von den Phasen aller Symbole nach Multiplikation mit deren Entfernung des Symbols von der Burstmitte subtrahiert.

Zur weiteren Verbesserung der Phasenkorrektur arbeitet das Verfahren rekursiv von den Rändern der Trainingssequenz nach außen in Gruppen von n Symbolen. Beispielsweise kann also eine mittlere Phasendifferenz der Gruppe der innersten 5 Sym­ bole bestimmt werden. Diese Phasendifferenz wird dann von al­ len Symbolen abgezogen. Dann wird die Phasendifferenz der nächsten Gruppe von 5 Symbolen bestimmt und wieder von allen Symbolen abgezogen.

Die Phasenkompensation des rekursiven Verfahrens ist schließ­ lich beendet, wenn die Anpassung über alle Symbole des Bursts erfolgt ist, d. h. der Rand des Bursts erreicht ist. Erst jetzt wird eine Umwandlung der korrigierten Symbole in Bit­ folgen vorgenommen, die dann an die Decodierungsinstanzen in den höheren Schichten weitergereicht werden.

Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im folgenden zu sehen:
Das Verfahren kann sehr leicht in bestehende und zukünftige Mobilfunknetze integriert werden, ohne daß dabei Modifikatio­ nen der Standards erforderlich werden.

Es ist möglich, Mobilstationen und Basisstationen, die das erfindungsgemäße Verfahren verwenden, zusammen mit solchen Mobilstationen und Basisstationen zu verwenden, die das Ver­ fahren noch nicht einsetzen.

Vorzugsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren in Basissta­ tionen implementiert werden, die sich in der Umgebung von Au­ tobahnen oder Eisenbahnen befinden.

In zukünftigen Mobilnetzen, beispielsweise Mobilfunknetzen der 3. Generation, die in Frequenzbändern oberhalb von 2 GHz betrieben werden, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit eröffnet, den Betrieb auch bei mittleren bis höheren Geschwindigkeiten effizient zu gewährleisten.

Claims (12)

1. Verfahren zur Phasenkompensation übertragener, durch ein Kanalmodulationsverfahren gebildeter Symbole eines Bursts ei­ nes Mobilfunksystems, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• a) Bestimmen der Phasendifferenz eines Schätzwerts eines Symbols eines Bursts;
• b) Korrigieren des Schätzwerts des Symbols um die Phasen­ differenz.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß im Schritt a) eine mittlere Phasenverschiebung ei­ ner Gruppe von n ≧ 1 Schätzwerte von Symbolen des Bursts be­ stimmt wird, und im Schritt b) jeder empfangene Schätzwert der Nutzsymbole mit entsprechenden Phasenkorrekturen korri­ giert wird, wobei sich die Phasenkorrektur eines Schätzwerts aus dem Abstand des Schätzwerts zur Burstmitte sowie der mittleren Phasendifferenz ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gruppe aus benachbarten Schätzwerten besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verfahren erneut für mindestens eine weitere Gruppe von n ≧ 1 Schätzwerten durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gruppen benachbart sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mit dem innersten Schätzwerten der Symbole eines Bursts, d. h. benachbart zu der Trainingssequenz, beginnt und die Schätzwerte von innen nach außen abarbeitet.

7. Verfahren nach einem das vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Bursts vor der Trainingssequenz unabhängig von dem Teil nach der Trai­ ningssequenz bearbeitet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppengröße vorzugsweise 5 ≦ n ≦ 10 beträgt.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz aus dem gemessenen Symbol und dem Symbol, dem es in der durch das Kanalmodulationsverfahren vorgegebenen Detektion zugeordnet werden würde, bestimmt wird.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Phasenkorrek­ tur aller Schätzwerte der Symbole eines Bursts in einem wei­ teren Schritt die Zuordnung der Schätzwerte zu den Symbolen vorgenommen wird.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kanalmodulation das QPSK-Verfahren verwendet wird.

12. Mobilfunksystem zur Durchführung des Verfahrens nach ei­ nem der vorangegangenen Ansprüche mit mindestens einer Basis­ station und mindestens einer Mobilstation.