DE19907083A1 - Verfahren zur Bildung bzw. Ermittlung einer Signalfolge, Verfahren zur Synchronisation, Sendeeinheit und Empfangseinheit - Google Patents

Abstract

Bildung von Signalfolgen der Länge 256, die auf ausgewählten Signalteilfolgen der Länge 16 basieren, wobei die zweite Signalteilfolge wiederholt wird und dabei durch die erste Signalteilfolge moduliert wird. Verwendung dieser Signalteilfolgen zur vereinfachten Berechnung von Korrelationssummen, insbesondere zum Zwecke der Synchronisation in einem zweistufigen Berechnungsverfahren, wobei zunächst eine Teilkorrelationssummenfolge berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Bildung einer zum Zwecke der Synchronisation zumindest zweier Über­ tragungseinheiten zu übertragenden Signalfolge, sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer derart bildbaren Signalfolge und entsprechende Sende- bzw. Empfangseinheiten.

Bei Signalübertragungssystemen, wie beispielsweise Mobilfunk­ systemen, ist es erforderlich, daß einer der Kommunikations­ partner (erste Übertragungseinheit) bestimmte festgelegte Si­ gnale erkennt, die von einem anderen Kommunikationspartner (zweite Übertragungseinheit) ausgesandt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um sogenannte Synchronisierungs-Bursts (Synchronisierungs-Funkblöcke) zur Synchronisierung zweier Synchronisationspartner, wie beispielsweise Funkstationen, oder um sogenannte Access-Bursts handeln.

Um derartige Empfangssignale gegenüber dem Umgebungsrauschen zuverlässig zu erfassen bzw. zu identifizieren, ist es be­ kannt, das Empfangssignal fortlaufend über eine festgelegte Zeitdauer mit einer vorgegebenen Signalfolge zu korrelieren und die Korrelationssumme über die Zeitdauer der vorgegebenen Signalfolge zu bilden. Der Bereich des Empfangssignals, der eine maximale Korrelationssumme ergibt, entspricht dem ge­ suchten Signal. Dem Synchronisationssignal von der Basissta­ tion eines digitalen Mobilfunksystems ist beispielsweise eine Signalfolge als sogenannte Trainingssequenz vorgeschaltet, die auf die eben beschriebene Weise in der Mobilstation durch Korrelation mit der abgespeicherten Signalfolge erfaßt wird. So können die Mobilstationen mit der Basisstation synchroni­ siert werden.

Auch in der Basisstation sind derartige Korrelationsberech­ nungen beispielsweise bei der Random-Access-Channel (RACH)- Detektion erforderlich. Außerdem wird eine Korrelationsbe­ rechnung auch zur Bestimmung der Kanalimpulsantwort und der Signallaufzeiten empfangener Signalbursts durchgeführt. Die Korrelationssumme wird dabei wie folgt berechnet:

wobei E(i) eine aus dem Empfangssignal abgeleitete Empfangs­ signalfolge und K(i) die vorgegebene Signalfolge ist, wobei i von 0 bis n-1 läuft. Die Korrelationssumme Sm wird aufeinan­ derfolgend für mehrere zeitlich versetzte, aus dem Empfangs­ signal gewonnene Signalfolgen E(i) berechnet, und dann der maximale Wert von Sm bestimmt. Sollen k aufeinanderfolgende Korrelationssummen berechnet werden, so beträgt der Berech­ nungsaufwand k . n Operationen, wobei eine Multiplikation und Addition zusammen als eine Operation gezählt wird.

Die Berechnung der Korrelationssummen ist daher sehr aufwen­ dig und erfordert, insbesondere bei Real-Time-Anwendungen wie Sprachkommunikation oder Bildtelefonie oder in CDMA-Systemen, leistungsfähige und daher teure Prozessoren, die bei der Be­ rechnung einen hohen Stromverbrauch aufweisen. Beispielsweise ist zur Synchronisation des sich in der Standardisierung be­ findlichen UMTS-Mobilfunksystems eine bekannte Signalfolge der Länge 256 Chips (bei CDMA wird ein übertragenes Bit auch Chip genannt) zu ermitteln. Die Folge wird alle 2560 Chips wiederholt. Da die Mobilstation anfangs asynchron zum Chiptakt arbeitet, muß das Empfangssignal überabgetastet wer­ den, um auch bei ungünstiger Abtastlage noch ein ausreichen­ des Signal zu erhalten. Dies führt aufgrund der Abtastung der I- und Q-Komponente zu 256 . 2560 . 2 . 2 = 2621440 Operationen.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Anordnungen anzugeben, die es erlauben, Signalfolgen der Länge 256 zu bilden, und damit Signalfolgen der Länge 256 an­ zugeben, die in übertragenen Empfangssignalfolgen leicht zu ermitteln sind. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrun­ de, ein Verfahren und Anordnungen anzugeben, die es erlauben, diese Signalfolgen der Länge 256 durch die Bildung von Korre­ lationssummen vergleichsweise einfach zu ermitteln.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, Signalfolgen der Länge 256 zu bilden, indem eine zweite Signalteilfolge der Länge 16 16 mal wiederholt wird und dabei mit der ersten Signalteil­ folge moduliert wird, und dabei bestimmte ausgewählte Si­ gnalteilfolgenpaare zu verwenden.

Dadurch können Signalfolgen gebildet werden, die, wenn sie in einer Empfangssignalfolge enthalten sind, leicht ermittelt werden können.

Durch die Angabe des Verfahrens zur Bildung von Signalfolgen liegen auch die Signalfolgen, die durch ein derartiges Ver­ fahren gebildet werden können oder erhältlich sind, im Rahmen der Erfindung. Insbesondere auch deren Verwendung in Daten­ übertragungssystemen, insbesondere zum Zwecke der Synchroni­ sation einer Mobilstation mit einer Basisstation

Zur Ermittlung einer in einer Empfangssignalfolge enthaltenen vorgegebenen Signalfolge mittels der Bestimmung von Korrela­ tionssummen wird eine Teilkorrelationssummenfolge der zweiten Signalteilfolge mit entsprechenden Teilen der Empfangssignal­ folge berechnet. Zur Berechnung einer Korrelationssumme wer­ den n1 Elemente der Teilkorrelationssummenfolge ausgewählt und im Sinne eines Skalarproduktes mit der ersten Signalteil­ folge multipliziert.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden einmal berechne­ te Teilkorrelationssummen abgespeichert und zur Berechnung weiterer Korrelationssummen verwendet.

So ist es möglich, bei der Berechnung weiterer Korrelations­ summen vorher schon berechnete Teilkorrelationssummen zu ver­ wenden und so den Rechenaufwand enorm zu verringern.

Unter Empfangssignalfolge versteht man auch eine Signalfolge, die beispielsweise durch eine Demodulation, Filterung, Dero­ tation, Skalierung oder Analog-/Digitalwandlung aus einem empfangenen Signal abgeleitet wurde.

Im folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener Ausfüh­ rungsbeispiele näher beschrieben, zu deren Erläuterung die nachfolgend aufgelisteten Figuren dienen:

Fig. 1 schematische Darstellung eines Mobilfunknetzes.

Fig. 2 Blockschaltbild einer Funkstation.

Fig. 3 herkömmliches Verfahren zur Berechnung von Korrelati­ onssummen.

Fig. 4 Darstellung erfindungsgemäßer Signalfolgen und Si­ gnalteilfolgen.

Fig. 5 schematische Darstellung der Bildung der erfindungs­ gemäßen Signalfolge.

Fig. 6, 7 und 8 schematische Darstellung eines Verfahrens zur Berechnung einer Korrelationssumme.

Fig. 9 und 10 schematische Darstellung einer Ausführungsva­ riante eines Verfahrens zur Bildung der Korrelationssunme

Fig. 11 Performancediagramm.

In Fig. 1 ist ein zellulares Mobilfunknetz, wie beispiels­ weise das GSM (Global System for Mobile Communication)-System dargestellt, das aus einer Vielzahl von Möbilvermittlüngs­ stellen MSC besteht, die untereinander vernetzt sind, bzw. den Zugang zu einem Festnetz PSTN/ISDN herstellen. Ferner sind diese Mobilvermittlungsstellen MSC mit jeweils zumindest einem Basisstationscontroller BSC verbunden, der auch durch ein Datenverarbeitungssystem gebildet sein kann. Eine ähnli­ che Architektur findet sich auch in einem UMTS (Universal Mo­ bile Telecommunication System).

Jeder Bäsisstationscontroller BSC ist wiederum mit zumindest einer Basisstation BS verbunden. Eine solche Basisstation BS ist eine Funkstation, die über eine Funkschnittstelle eine Funkverbindung zu anderen Funkstationen, sogenannten Mobil­ stationen MS aufbauen kann. Zwischen den Mobilstationen MS und der diesen Mobilstationen MS zugeordneten Basisstation BS können mittels Funksignalen Informationen innerhalb von Funk­ kanälen f die innerhalb von Frequenzbändern b liegen, über­ tragen werden. Die Reichweite der Funksignale einer Basissta­ tion definieren im wesentlichen eine Funkzelle FZ.

Basisstationen BS und ein Basisstationscontroller BSC können zu einem Basisstationssystem BSS zusammengefaßt werden. Das Basisstationssystem BSS ist dabei auch für die Funkkanalver­ waltung bzw. -zuteilung, die Datenratenanpaßung, die Überwa­ chung der Funkübertragungsstrecke, Hand-Over-Prozeduren, und im Falle eines CDMA-Systems für die Zuteilung der zu verwen­ denden Spreizcodesets, zuständig und übermittelt die dazu nö­ tigen Signalisierungsinformationen zu den Mobilstationen MS.

Im Falle eines Duplex-Systems können bei FDD (Frequency Divi­ sion Duplex)-Systemen, wie dem GSM-System, für den Uplink u (Mobilstation (Sendeeinheit) zur Basisstation (Empfangs­ einheit)) andere Frequenzbänder vorgesehen sein als für den Downlink d (Basisstation (Sendeeinheit) zur Mobilstation (Empfangseinheit)). Innerhalb der unterschiedlichen Frequenz­ bänder b können durch ein FDMA (Frequency Division Multiple Access) Verfahren mehrere Frequenzkanäle f realisiert werden.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung versteht man unter Über­ tragungseinheit auch Kommunikationseinheit, Sendeeinheit, Empfangseinheit, Kommunikationsendgerät, Funkstation, Mobil­ station oder Basisstation. Im Rahmen dieser Anmeldung verwen­ dete Begriffe und Beispiele beziehen sich auch oft auf ein GSM-Mobilfunksystem; sie sind jedoch keineswegs darauf be­ schränkt, sondern können anhand der Beschreibung von einem Fachmann auch leicht auf andere, gegebenenfalls zukünftige, Mobilfunksysteme, wie CDMA-Systeme, insbesondere Wide-Band- CDMA-Systeme abgebildet werden.

Mittels Vielfachzugriffsverfahren können Daten über eine Funkschnittstelle effizient übertragen, separiert und einer oder mehreren bestimmten Verbindungen bzw. dem entsprechenden Teilnehmer zugeteilt werden. Dazu kann ein Zeitvielfachzu­ griff TDMA, ein Frequenzvielfachzugriff FDMA, ein Codeviel­ fachzugriff CDMA oder eine Kombination aus mehreren dieser Vielfachzugriffsverfahren eingesetzt werden.

Beim FDMA wird das Frequenzband b in mehrere Frequenzkanäle f zerlegt; diese Frequenzkanäle werden durch den Zeitvielfach­ zugriff TDMA in Zeitschlitze ts aufgeteilt. Die innerhalb ei­ nes Zeitschlitzes ts und eines Frequenzkanals f übertragenen Signale können durch verbindungsindividuelle den Daten aufmo­ dulierte Spreizcodes, sogenannte CDMA-Codes cc separiert wer­ den.

Die so entstehenden physikalischen Kanäle werden nach einem festgelegten Schema logischen Kanälen zugeordnet. Bei den lo­ gischen Kanälen unterscheidet man grundsätzlich zwei Arten: Signalisierungskanäle (bzw. Steuerkanäle) zur Übertragung von Signalisierungsinformationen (bzw. Steuerinformationen) und Verkehrskanäle (Traffic Channel TCH) zur Übertragung von Nutzdaten.

Die Signalisierungskanäle werden weiter unterteilt in:

• - Broadcast Channels
• - Common Control Channels
• - Dedicated/Access Control Channel DCCH/ACCH

Zu der Gruppe der Broadcast Channels gehören der Broadcast Control Channel BCCH, durch den die MS funktechnische Infor­ mationen vom Basisstationssystem BSS erhält, der Frequency Correction Channel FCCH und der Synchronization Channel SCH. Zu den Common Control Channels gehört der Random Access Chan­ nel BACH. Die zur Realisierung dieser logischen Kanäle über­ tragenen Funkblöcke oder Signalfolgen können dabei für unter­ schiedliche Zwecke Signalfolgen K(i) sog. Korrelationsfolgen enthalten, bzw. auf diesen logischen Kanälen können für un­ terschiedliche Zwecke Signalfolgen K(i) übertragen werden.

Im folgenden wird beispielhaft ein Verfahren zur Synchronisa­ tion einer Mobilstation MS mit einer Basisstation BS erläu­ tert: Während eines ersten Schritts der anfänglichen Basis­ stationssuche oder Zellensuche (initial cell search procedu­ re) verwendet die Mobilstation den primären Synchronisations­ kanal (primary synchronisation channel SCH (PSC)), um eine Zeitschlitzsynchronisation mit der stärksten Basisstation zu erreichen. Dies kann durch einen angepaßten Filter (matched filter) oder eine entsprechende Schaltung gewährleistet wer­ den, der an den primären Synchronisationscode cp, der von al­ len Basisstationen ausgesendet wird, angepaßt ist. Dabei wird von allen Basisstationen BS der gleiche primäre Synchronisa­ tionscode cp der Länge 256 ausgesendet.

Die Mobilstation ermittelt mittels Korrelation aus einer Emp­ fangsfolge die empfangenen Signalfolgen K(i) nach einem Prin­ zip, das in den Fig. 6 bis 10 und zugehöriger Beschreibung erläutert ist. Dabei werden am Ausgang eines angepaßten Fil­ ters (matched Filter) für jede empfangene Signalfolge jeder sich innerhalb des Empfangsbereichs der Mobilstation befind­ lichen Basisstation Peaks ausgegeben. Die Detektion der Posi­ tion des stärksten Peaks ermöglicht die Ermittlung des Ti­ mings der stärksten Basisstation modulo der Schlitzlänge. Um eine größere Verlässlichkeit zu gewährleisten, kann der Aus­ gang des angepaßten Filters über die Anzahl der Zeitschlitze nicht-kohärent akkumuliert werden. Die Mobilstation führt al­ so eine Korrelation über eine Signalfolge der Länge 256 Chips als Matched-Filter-Operation durch.

Der Synchronisationscode cp ist dabei entsprechend einer Si­ gnalfolge K(i) nach einem Prinzip, wie in Fig. 5 und zugehö­ riger Beschreibung erläutert, gebildet oder kann derart ge­ bildet sein oder ist derart erhältlich. Die Signalfolge K(i) bzw. der Synchronisationscode cp der Länge 256 ist dabei aus zwei Signalteilfolgen K1(j), K2(k), die jeweils die Länge 16 aufweisen, gebildet oder kann derart gebildet werden. Diese Signalteilfolgen bilden dabei ein Signalteilfolgenpaar (K1(j); K2(k)).

Eine derart erhältliche Signalfolge K(i) kann dabei auch "hierarchische Signalfolge" genannt werden. Eine Signalteil­ folge kann auch "kurze Korrelationsfolge" genannte werden.

Durch die Verwendung einer bzw. eines derart gebildeten oder bildbaren Signalfolge bzw. Synchronisationscodes cp kann der Rechenaufwand bei der Korrelationssummenberechnung zur Er­ mittlung der Signalfolge K(i) in der empfangenden Mobilstati­ on MS zum Zwecke der Synchronisation erheblich verringert werden.

Die Autokorrelationsfunktion einer durch zwei Signalteilfol­ gen gebildeten Signalfolge K(i) hat allerdings im Gegensatz zu einem in herkömmlichen Verfahren verwendeten orthogonalen Gold-Code im allgemeinen schlechtere Autokorrelationseigen­ schaften. Sie weist beispielsweise höhere Nebenmaxima und ei­ nen höheren Effektivwert der Nebenminima auf. Außerdem zeigen UMTS-Link-Level-Simulationen, daß bei Verwendung derartiger Signalfolgen K(i) im PSC- zur Slotsynchroriisation bei einem Frequenzversatz zwischen Sender und Empfänger der Synchroni­ sationsfehler im Gegensatz zur Verwendung eines orthogonalen Gold-Codes im allgemeinen höher ist.

Durch aufwendige eigens für diesen Zweck geschaffene Simula­ tionswerkzeuge konnten jedoch Signalteilfolgenpaare (K1(j); K2(k)) ermittelt werden, auf deren Basis, wie oben er­ läutert, Signalfolgen K(i) gebildet werden können oder bild­ bar sind, die insbesondere zur Synchronisation zwischen Ba­ sisstation und Mobilstation auch bei einem höherem Frequenz­ versatz zwischen Sender und Empfänger zuverlässig ermittelt werden können. Dabei wurde bei den Simulationen für das UMTS- System auch von einem Frequenzversatz von 10 kHz ausgegangen. Durch die Verwendung derartiger Signalfolgen K(i) wird der Berechnungsaufwand zur Berechnung der Korrelationssummen er­ heblich verringert ohne eine gleichzeitige Erhöhung des Syn­ chronisationsfehlers in Kauf nehmen zu müssen. Außerdem kann auf den Einsatz teurer Quarze im Empfänger zur Frequenzstabi­ lisierung verzichtet werden.

Durch die aufwendigen Simulationen konnte eine Menge von Si­ gnalteilfolgenpaaren (K1(j); K2(k)), die in Tabelle 1 in hexa­ dezimaler Darstellung angeführt ist, ermittelt werden, auf deren Basis Signalfolgen K(i) bildbar sind, die sowohl bei Frequenzversatz null zwischen Sender und Empfänger, als auch bei einem größeren Frequenzversatz beim Einsatz für Synchro­ nisationszwecke einen kleinen Synchronisationsfehler aufwei­ sen (siehe auch Performancediagramm in Fig. 11). Die in he­ xadezimaler Darstellung aufgeführten 4-stelligen Signalteil­ folgen stehen jeweils für die im Rahmen der Erfindung in der Regel verwendete entsprechende 16-stellige binäre Signalteil­ folge.

Bei aufwendigen Simulationen stellte sich heraus, daß die Verwendung einer Signalfolge K(i), die sowohl bei kleineren als auch bei größeren Frequenzfehlern (Frequenzversatz) gute Synchronisationseigenschaften aufweist besonders vorteilhaft ist. Daraus folgt eine bevorzugte Wahl von Signalteilfolgen­ paaren (K1(j); K2(k)), aus denen derartige Signalfolgen K(i) erhältlich oder bildbar sind. Die Berechnung der Autokorrela­ tionsfunktion in Abhängigkeit von dem Frequenzfehler stellte sich dabei als besonders geeignet zur Beurteilung der Syn­ chronisationseigenschaften einer durch ein Signalteilfolgen­ paar (K1(j); K2(k)) gebildeten Signalfolge K(i) heraus.

Zur Auswahl dieser Signalteilfolgenpaare (K1(j); K2(k)) können dabei auch folgende Kriterien herangezogen werden:

• - Autokorrelationsfunktion: Die Berechnung der Autokorrela­ tionsfunktion unter Berücksichtigung eines Frequenzversatzes zwischen Sende- und Empfangseinheit kann dabei auch gemäß folgender Formel durchgeführt werden:
  

κ Versatz
n Länge der Folge
i Index
f_d

Frequenzversatz
t_a

Abtastintervall

Dabei können die Werte a(κ) für κ = 0..n-1 berechnet werden. Ergeben sich mehrere Signalteilfolgenpaare, die ein gleich gutes Verhältnis von Hauptmaximum zum maximalen Nebenmaximum in der Autokorrelationsfunktion der resultierenden Signalfol­ ge K(i) zur Folge haben, so können im weiteren die Si­ gnalteilfolgenpaare, die einen geringeren Effektivwert der Nebenminima zur Folge haben, ausgewählt werden. Dabei soll das Verhältnis von Hauptmaximum zum maximalen Nebenmaximum möglichst groß sein und der Effektivwert der Nebenminima mög­ lichst klein. Durch anschließende Link-Level-Simulationen für beispielsweise das UMTS System können Signalteilfolgenpaare ermittelt werden, die sich bei Frequenzfehler 0 kHz und 5 KHz und 10 kHz hinsichtlich des Synchronisationsfehlers ähnlich gut verhalten, wie ein herkömmlicher orthogonaler Gold-Code, der nichthierarchisch aufgebaut ist, und für die Synchronisa­ tion bekanntermaßen sehr gute Eigenschaften aufweist.

• - Missed Detektion Rate: Wähle die Signalteilfolgenpaare aus durch Vergleich der Missed Detektion Rate bei Durchführung vollständiger Simulationen.
• - Detektionswahrscheinlichkeiten bei gegebenem Frequenzfeh­ ler und gegebenem SNR bei AWGN Kanälen.

Es zeigte sich, daß neben den Signalteilfolgenpaaren (K1(j), K2(k)), die aus einer Menge von Signalteilfolgenpaaren (K1(j), K2(k)), die in Tabelle 1 der Beschreibung angeführt ist, entnommen sind, auch bestimmte Signalteilfolgenpaare, die von einem aus dieser Menge entnommenen Signalteilfolgen­ paar (K1(j); K2(k)) abgeleitet sind, zu Signalfolgen mit ähn­ lich guten Eigenschaften hinsichtlich ihrer Verwendung zum Zwecke der Synchronisation führen. Es zeigte sich, daß aus jedem der in Tabelle 1 aufgeführten Signalteilfolgenpaare 15 weitere Signalteilfolgenpaare mit ähnlich guten Eigenschaften ableitbar sind. Im folgenden werden diese aus einem aus der in Tabelle 1 angeführten Menge entnommenen Signalteilfolgen­ paar (K1(j); K2(k)) abgeleiteten Signalteilfolgenpaare (2-15) aufgeführt:

• 1. (K1 (j); K2 (k))
• 2. (K1(j); K2(k)g)
• 3. (K1(j); K2(k)k)
• 4. K1(j); K2(k)gk)
• 5. (K1(j)i; K2(k))
• 6. (K1 (j) i; K2 (k) g)
• 7. (K1(j) i; K2 (k) k)
• 8. (K1(j)i; K2(k)gk)
• 9. (K1(j)g; K2(k))
• 10. (K1(j) g; K2 (k) g)
• 11. (K1(j)g; K2(k)i)
• 12. (K1(j)g; K2(k)gi)
• 13. (K1(j) gi; K2 (k))
• 14. (K1 (j) gi; K2 (k) g)
• 15. (K1(j)gi; K2(k)i)
• 16. (K1(j)gi; K2(k)gi)

Dabei steht eine Signalteilfolge Xg für die zur Signalteil­ folge X gespiegelten Signalteilfolge; eine Signalteilfolge Xi steht für die zur Signalteilfolge X invertierte (+1 wird zu -1; -1 wird zu +1) Signalteilfolge; eine Signalteilfolge Xig steht für die zur Signalteilfolge X invertierte und gespie­ gelte Signalteilfolge.

Im Rahmen der Erfindung liegen somit 75008 = 16 . 4688 Si­ gnalteilfolgenpaare, die aus einer grundsätzlich möglichen Menge von 4294967296 ( = 2ˆ16 . 2ˆ6) 16-stelligen binären Si­ gnalteilfolgenpaaren ausgewählt wurden. Die ausgewählten Si­ gnalteilfolgen bilden also nur eine sehr kleine Teilmenge der grundsätzlich möglichen Menge von 16-stelligen binären Si­ gnalteilfolgenpaaren (75008 / 4294967296 = 1,746 . 10ˆ-5).

Als besonders vorteilhaft erwies sich die Verwendung einer Signalfolge K(i), die aus dem Signalteilfolgenpaar (K1(j); K2(k)) = (35f1; 3d22) oder einem davon abgeleiteten Signalteilfolgenpaar erhältlich oder bildbar ist.

Fig. 2 zeigt eine Funkstation, die eine Mobilstation MS sein kann, bestehend aus einer Bedieneinheit oder Interface- Einheit MMI, einer Steuereinrichtung STE, einer Verarbei­ tungseinrichtung VE, einer Stromversorgungseinrichtung SVE, einer Empfangseinrichtung EE und ggf. einer Sendeeinrichtung SE.

Die Steuereinrichtung STE besteht im wesentlichen aus einem programmgesteuerten Mikrocontroler MC, der schreibend und le­ send auf Speicherbausteine SPE zugreifen kann. Der Microcon­ troler MC steuert und kontrolliert alle wesentlichen Elemente und Funktionen der Funkstation.

Die Verarbeitungseinrichtung VE kann auch durch einen digita­ len Signalprozessor DSP gebildet sein, der ebenfalls auf Speicherbausteine SPE zugreifen kann.

In den flüchtigen oder nicht flüchtigen Speicherbausteinen SPE sind die Programmdaten, die zur Steuerung der Funkstation und des Kommunikationsablaufs, insbesondere auch der Signali­ sierungsprozeduren, benötigt werden und während der Verarbei­ tung von Signalen entstehende Informationen gespeichert. Au­ ßerdem können darin Signalfolgen K(i), die zu Korrelations­ zwecken verwendet werden, und Zwischenergebnisse von Korrela­ tionssummenberechnungen gespeichert werden. Die im Rahmen der Erfindung liegenden Signalfolgen K(i) können also in der Mo­ bilstation und/oder der Basisstation abgespeichert sein. Es ist auch möglich, daß ein oder mehrere der in Tabelle 1 auf­ geführten Signalteilfolgenpaare (K1(j); K2(k)) in der Mobil­ station und/oder der Basisstation abgespeichert sind. Es ist auch möglich, daß in der Mobilstation und/oder der Basissta­ tion eine Signalfolge K(i) aus einem Signalteilfolgenpaar (K1 (j); K2 (k)) gebildet wird.

Insbesondere kann in einer Basisstation oder in allen Basis­ stationen eines Systems eine Signalfolge K(i) abgespeichert sein, die in festen oder variablen Abständen zu Synchronisa­ tionszwecken ausgesendet wird. In der Mobilstation MS ist das Signalteilfolgenpaar (K1(j); K2(k)), aus dem die in der Basis­ station abgespeicherte Signalfolge K(i) bildbar ist oder ge­ bildet werden kann, abgespeichert und wird zur Synchronisati­ on der Mobilstation mit einer Basisstation zur rechenauf­ wandsgünstigen Korrelationssummenberechnung herangezogen.

Der Hochfrequenzteil HF besteht ggf. aus der Sendeeinrichtung SE, mit einem Modulator und einem Verstärker V und einer Emp­ fangseinrichtung EE mit einem Demodulator und ebenfalls einem Verstärker. Durch Analog/Digitalwandlung werden die analogen Audiosignale und die analogen von der Empfangseinrichtung EE stammenden Signale in digitale Signale gewandelt und vom di­ gitalen Signalprozessor DSP verarbeitet. Nach der Verarbei­ tung werden ggf. die digitalen Signale durch Digital/Analog­ wandlung in analoge Audiosignale oder andere Ausgangssignale und analoge der Sendeeinrichtung SE zuzuführende Signale ge­ wandelt. Dazu wird gegebenfalls eine Modulation bzw. Demodu­ lation durchgeführt.

Der Sendeeinrichtung SE und der Empfangseinrichtung EE wird über den Synthesizer SYN die Frequenz eines spannungsgeregel­ ten Oszilators VCO zugeführt. Mittels des spannungsgesteuer­ ten Oszillators VCO kann auch der Systemtakt zur Taktung von Prozessoreinrichtungen der Funkstation erzeugt werden.

Zum Empfang und zum Senden von Signalen über die Luftschnitt­ stelle eines Mobilfunksystems ist eine Antenneneinrichtung ANT vorgesehen. Bei einigen bekannten Mobilfunksystemen, wie dem GSM (Global System for Mobile Communication) werden die Signale zeitlich gepulst in sogenannten bursts empfangen und gesendet.

Bei der Funkstation kann es sich auch um eine Basisstation BS handeln. In diesem Fall wird das Lautsprecherelement und das Mikrophonelement der Bedieneinheit MMI durch eine Verbindung zu einem Mobilfunknetz, beispielsweise über einen Basisstati­ onscontroler BSC bzw. eine Vermittlungseinrichtung MSC er­ setzt. Um gleichzeitig Daten mit mehreren Mobilstationen M5 auszutauschen, verfügt die Basisstation BS über eine entspre­ chende Vielzahl von Sende- bzw. Empfangseinrichtung.

In Fig. 3 ist eine Empfangssignalfolge E(1), bei der es sich auch um ein von einem Empfangssignal abgeleitete Signalfolge handeln kann, der Länge w dargestellt. Zur Berechnung einer ersten Korrelationssumme S0 entsprechend eingangs angegebener Formel werden Elemente eines ersten Abschnitts dieser Emp­ fangssignalfolge E(1) paarweise mit den entsprechenden Ele­ menten der Signalfolge K(i) der Längen multipliziert, und die Länge der resultierenden Teilergebnisse zur Korrelations­ summe S0 aufaddiert.

Zur Berechnung einer weiteren Korrelationssumme S1 wird die Signalfolge K(i) wie in der Figur bildlich dargestellt um ein Element nach rechts verschoben und die Elemente der Signal­ folge K(i) mit den entsprechenden Elementen der Signalfolge E(1) paarweise multipliziert, und durch eine Summation der entstehenden Teilergebnisse wieder die Korrelationssumme S1 gebildet.

Die paarweise Multiplikation der Elemente der Signalfolge mit entsprechenden Elementen der Empfangssignalfolge und die an­ schließende Summation kann auch in Vektorschreibweise als die Bildung eines Skalarproduktes beschrieben werden, sofern man jeweils die Elemente der Signalfolge und die Elemente der Empfangssignalfolge zu einem Vektor eines kartesischen Koor­ dinatensystems zusammenfaßt:

In den so ermittelten Korrelationssummen S kann das Maximum gesucht werden, das Maximum der Korrelationssummen S mit ei­ nem vorgegebenen Schwellwert verglichen werden, und so ermit­ telt werden, ob in dem Empfangssignal E(1) die vorgegebene Signalfolge K(i) enthalten ist und wenn ja, wo im Empfangs­ signal E(1) sie sich befindet, und so zwei Funkstationen mit­ einander synchronisiert werden bzw. Daten, denen ein indivi­ dueller Spreizcode in Form einer Signalfolge K(i) aufmodu­ liert wurde, detektiert werden.

In Fig. 4 ist wieder die Empfangssignalfolge E(1)und als Korrelationsfolge eine Signalfolge K(i), die auf den Si­ gnalteilfolgen K1(j), K2(k) basiert, dargestellt.

In Fig. 5 ist die Bildung einer Signalfolge K(i) darge­ stellt, die auf zwei Signalteilfolgen K2(k) der Länge n2 und K1(j) der Länge n1 basiert. Dazu wird die Signalteilfolge K2(k) n1 mal wiederholt, und dabei durch die Signalteilfolge K1(j) moduliert. Die Bildung der Signalfolge K(i) läßt sich mathematisch auch durch folgende Formel ausdrücken:

K (i) = K2 (i mod n1) . K1 (i div n2)

Dabei bezeichnet mod den ganzzahligen Rest einer Division und div das ganzzahlige Ergebnis einer Division.

Dies ist bildlich dargestellt durch eine Folge f2, die aus den wiederholten, nacheinander abgebildeten Signalteilfolgen K2(k) besteht, und eine Folge f1, die durch eine gedehnte Si­ gnalteilfolge K1(j) über der Folge f2 abgebildet ist.

Durch eine Multiplikation der Elemente der Folge f2 mit den entsprechenden über der Folge f2 abgebildeten Elementen der Folge f1 entsteht die neue Signalfolge K(i) der Längen. Die­ se Erzeugung einer Signalfolge K(i) ist unten im Bild noch einmal anhand eines Beispiels zweier binärer Signalteilfolgen der Länge 4 dargestellt.

Derart gebildete Signalfolgen K(i) können zur vereinfachten Berechnung von Korrelationssummen dieser Signalfolgen K(i) mit Empfangssignalfolgen E(1) genutzt werden.

Eine schematische Darstellung einer derartigen vereinfachten und somit auch schnelleren und aufwandgünstigeren Berechnung von Korrelationssummen S ist in den Fig. 6 bis 8 darge­ stellt, auf die im folgenden eingegangen wird.

Zunächst wird eine Teilkorrelationssumme TS(z) gebildet. Dazu wird beispielsweise für das erste Element der Teilkorrelati­ onssummenfolge TS(0) die Korrelationssumme der zweiten Si­ gnalteilfolge K2(k) mit dem entsprechenden Abschnitt der Emp­ fangssignalfolge E(1) gebildet.

Für das zweite Element der Teilkorrelationssummenfolge TS(1) wird die zweite Signalteilfolge K2(k) wie bildlich darge­ stellt um ein Element verschoben und ebenfalls die Korrelati­ onssumme mit dem entsprechenden Element der Empfangssignal­ folge E(1) gebildet usw.

Das n-te Element der Teilkorrelationssummenfolge TS(n1*n2-1) wird nach n-1 Verschiebungen der zweiten Signalteilfolge K2(k) gegenüber der Empfangssignalfolge E (1) entsprechend be­ rechnet.

Die so entstehende Teilkorrelationssummenfolge TS(z) ist im oberen Bereich der Fig. 7 dargestellt. Aus dieser Teilkorre­ lationssummenfolge wird nun jedes n2-te-Element ausgewählt und mit dem entsprechenden Element der ersten Signalteilfolge K1(j) paarweise multipliziert.

Faßt man die ausgewählten Elemente der Teilkorrelationssum­ menfolge TS(z) und die erste Signalteilfolge K1(j) jeweils zu Vektoren zusammen, so wird die erste Korrelationssumme S0 durch das Skalarprodukt dieser beiden Vektoren erzeugt.

Fig. 7 zeigt im unteren Bereich die entsprechende Berechnung weiterer Korrelationssummen S1 bzw. S2 durch die Auswahl n2- ter um 1 bzw. 2 rechts von den als erstes ausgewählten Ele­ menten liegenden Elemente:

Durch die Speicherung einmal berechneter Teilkorrelationssum­ men TS kann auf diese bei der späteren Berechnung von weite­ ren Korrelationssummen zurückgegriffen werden, und somit auf die entsprechenden Rechenschritte verzichtet werden.

Je nach Ausführungsvariante kann entweder zunächst die kom­ plette Teilkorrelationssumnenfolge TS(z) über die ganze Emp­ fangssignalfolge E(1) berechnet werden und dann die einzelnen Korrelationssummen oder erst bei Bedarf zur Berechnung einer neuen Korrelationssumme die entsprechenden zusätzlich benö­ tigten Teilkorrelationssummen berechnet werden.

Fig. 8 zeigt nochmals das aus zwei Schritten bestehende Ver­ fahren zur Berechnung von Korrelationssummen S. diesmal an­ hand des in Fig. 5 dargestellten Beispiels zweier binärer Signalteilfolgen der Länge 4.

In einem ersten Schritt werden die Teilkorrelationssummen TS(z) der zweiten Signalteilfolge K2(k) ++-+ mit entsprechen­ den Abschnitten der Empfangssignalfolge E(1) berechnet, und dann in einem zweiten Schritt jedes vierte Element der so er­ zeugten Teilkorrelationssummenfolge TS(z) ausgewählt, mit dem entsprechenden Element der ersten Signalteilfolge K1(j) +--+ multipliziert und zur Korrelationsfolge S0 aufsummiert.

Die dick gezeichneten Linien stellen dabei die neu durchzu­ führenden Berechnungsschritte dar für die Berechnung einer weiteren Korrelationssumme S1, für den Fall, daß die übrigen Teilkorrelationssummen TS schon zuvor berechnet und abgespei­ chert wurden.

Diese Ausführungsvariante kann möglichst speichereffizient durchgeführt werden, wenn zunächst jede n2-te Teilkorrelati­ onssumme berechnet wird. Dazu werden die Abtastwerte zwi­ schengespeichert.

Die Fig. 9 bis 10 stellen eine andere Ausführungsvariante zur vereinfachten Berechnung von Korrelationssummen S anhand des schon oben erwähnten Beispiels zweier binärer Signalteil­ folgen der Länge 4 vor.

Dabei wird zunächst jedes 4. Element der Empfangssignalfolge E(1) ausgewählt und die Teilkorrelationssummenfolge TS(z) der so ausgewählten Elemente mit der Signalteilfolge K1 (j) ge­ bildet. Aus der so entstehenden Teilkorrelationssummenfolge TS(z) werden jeweils 4 aufeinander folgende Elemente ausge­ wählt, paarweise mit entsprechenden Elementen der Signalteil­ folge K2(k) multipliziert und die resultierenden Teilergeb­ nisse zur Korrelationssumme S aufsummiert. Dabei stellen wie­ der die dick gezeichneten Linien die zusätzlich nötigen Schritte zur Berechnung einer weiteren Korrelationssumme S1 dar, für den Fall, daß die anderen Teilkorrelationssummen TS zuvor schon berechnet und abgespeichert wurden.

Fig. 10 zeigt nochmals die Berechnung einer ersten Korrela­ tionssumme S0 bei der zunächst jedes 4. Element der Empfangs­ signalfolge E(1) ausgewählt wird, diese Elemente mit entspre­ chenden Elementen der ersten Signalteilfolge K1(j) +--+ mul­ tipliziert werden und durch Summation der Teilergebnisse die Teilkorrelationssunme TS(0) berechnet wird. In einem zweiten Schritt werden die ersten vier aufeinander folgenden Elemente der Teilkorrelationssummenfolge TS(z) mit den entsprechenden Elementen der zweiten Signalteilfolge K2(k) ++-+ multipli­ ziert und die entstehenden Teilergebnisse zur Korrelations­ summe S0 aufsummiert.

Bei dieser Ausführungsvariante wird weniger Speicher zum Zwi­ schenspeichern der Teilkorrelationssummen benötigt, wenn die Summen sukzessive berechnet werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung macht von der durch das regelmäßige Konstruktionsprinzip der Signalfolge K(i) be­ dingten regelmäßigen (fast periodischen) Struktur der ape­ riodischen Autokorrelationsfunktion dieser Signalfolge Ge­ brauch. Dies bedeutet, daß sich bei der Suche eines Signals nicht nür ein Haupt-Maximum ergibt, sondern in regelmäßigen Abständen auch Nebenmaxima auftreten. Zur beschleunigten Su­ che nach der Signalfolge in der Empfangssignalfolge kann man die Regelmäßigkeit der Lage der Maxima ausnutzen. Sobald ein Nebenmaxima gefunden wurde, kann man aufgrund der Periodizi­ tät die Lage der anderen Maxima vorhersagen, d. h. man berech­ net die Korrelationssumme lediglich an diesen Stellen. Auf diese Weise kann man schnell das Hauptmaximum detektieren. Allerdings kann es sich bei dem vermeintlichen Nebenmaximum auch nur um einen zufällig (wegen des Rauschanteils) erhöhten Wert handeln. In diesem Fall wird man an den potentiellen Stellen des erwarteten Hauptmaximums tatsächlich kein Maximum finden. Daher wird in diesem Fall die Hypothese verworfen und die Berechnung konventionell fortgesetzt.

Man kann die durch das Konstruktionsprinzip der Signalfolgen bedingte Regelmäßigkeit der Nebenmaxima aber auch zur Elimi­ nierung und Korrektur störender Nebenmaxima im Korrelati­ onsergebnis ausnutzen. Nach der Detektion des Maximums kann man aus dem Maximum die Nebenmaxima berechnen und diesen Wert von den entsprechenden Korrelationsergebnissen subtrahieren. Auf diese Weise erhält man das Korrelationsergebnis einer (hypothetischen) Folge mit perfekter Autokorrelationsfunkti­ on. Dadurch ergibt sich durch die Regelmäßigkeit der Nebenma­ xima eine stark vereinfachte Berechnung.

Fig. 11 zeigt ein Performancediagramm der erindungsgemäßen Signalteilfolgenpaare in ihrer Verwendung zur Bildung von Si­ gnalfolgen, die zu Synchronisationszwecken übertragen werden. An der x-Achse ist das chip/noise Verhältnis aufgetragen. An der y-Achse ist der Synchronisationsfehler aufgetragen. Es sind jeweils bei einem Frequenzversatz von 0, 5, 10 kHz die Performance-Graphen eines herkömmlichen Gold Codes und einer auf einem erindungsgemäßen Signalteilfolgenpaar (Neuer H- Code) basierenden Signalteilfolge dargestellt. Es zeigt sich, daß sich die beiden Folgen hinsichtlich der Synchronisations­ fehler kaum unterscheiden. Allerdings kann durch die Verwen­ dung der auf einem erindungsgemäßen Signalteilfolgenpaar (Neuer H-Code) basierenden Signalteilfolge die Ermittlung dieser Signalfolge in einer Empfangssignalfolge mit erheblich weniger Rechenleistung durchgeführt werden.

Tabelle 1

Menge von Signalteilfolgenpaaren (K1(j); K2(k)) in hexadezimaler Darstellung

K1(j); K2(k)) 1 |

Claims (16)

1. Verfahren zur Bildung einer Signalfolge K(i) der Länge 256, bei dem
die Signalfolge K(i) auf einer ersten Signalteilfolge K1(j) der Länge 16 und einer zweiten Signalteilfolge K2(k) der Län­ ge 16 basiert, wobei
sich die zweite Signalteilfolge K2(k) 16 mal wiederholt und dabei mit der ersten Signalteilfolge K1(j) moduliert wird, und
die erste Signalteilfolge K1(j) und die zweite Signalteilfol­ ge K2(k) ein Signalteilfolgenpaar (K1(j),K2(k)) bilden, das aus einer Menge von Signalteilfolgenpaaren (K1(j),K2(k)), die in Tabelle 1 der Beschreibung angeführt ist, entnommen ist, oder von einem aus dieser Menge entnommenen Signalteilfolgen­ paar (K1(j); K2(k)) abgeleitet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bildung der Signalfolge K(i) durch Modulation der zweiten Signalteilfolge K2(k) nach folgender Vorschrift erfolgt:
K (i) = K2 (i mod n1) . K1 (i div n2).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Bildung und/oder Übertragung der Signalfolge K(i) zur Synchronisation mindestens zweier Übertragungseinheiten erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Signalteilfolgenpaar (K1(j); K2(k)) = (35f1; 3d22) oder ein davon abgeleitetes Signalteilfolgenpaar zur Bildung der Signalfolge K(i) verwendet wird.

5. Verfahren zur Ermittlung einer in einer Empfangssignalfol­ ge E(1) enthaltenen vorgegebenen Signalfolge K(i), die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 erhältlich ist,
durch die Bestimmung der Korrelationssummen S der Signalfolge K(i) mit entsprechenden Abschnitten der Empfangssignalfolge E(1), bei dem
eine Teilkorrelationssummenfolge TS(z) der Signalteilfolge K2(k) mit entsprechenden Teilen der Empfangssignalfolge E(1) berechnet wird, und
zur Berechnung einer Korrelationssumme S 16 Elemente der Teilkorrelationssummenfolge TS(z) ausgewählt werden und im Sinne eines Skalarproduktes mit der Signalteilfolge K1(j) multipliziert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem zur Berechnung einer Korrelationssumme S 16 jeweils 16-te Elemente der Teilkorrelationssummenfolge TS(z) ausgewählt werden.

7. Verfahren zur Ermittlung einer in einer Empfangssignalfol­ ge E(1) enthaltenen vorgegebenen Signalfolge K(i), die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 erhältlich ist,
durch die Bestimmung der Korrelationssummen S der Signalfolge K(i) mit entsprechenden Abschnitten der Empfangssignalfolge E(1), bei dem
eine Teilkorrelationssummenfolge TS(z) der Signalteilfolge K1(j) mit ausgewählten Elementen der Empfangssignalfolge E(1) berechnet wird, und
zur Berechnung einer Korrelationssumme S 16 Elemente der Teilkorrelationssummenfolge TS(z) im Sinne eines Skalarpro­ duktes mit der Signalteilfolge K2(k) multipliziert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem zur Berechnung einer Teilkorrelationssumme TS 16 jeweils 16- te Elemente der Empfangssignalfolge E(1) ausgewählt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem berechnete Teilkorrelationssummen TS abgespeichert werden und zur Berechnung einer weiteren Korrelationssumme S verwendet werden.

10. Verfahren zur Synchronisation einer Basisstation (BS) mit einer Mobilstation (MS), bei dem
die Basisstation eine Signalfolge K(i), die durch ein Verfah­ ren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 erhältlich ist, aussen­ det, und
die Mobilstation die Signalfolge K(i) nach einem der Ansprü­ che 5 bis 9 ermittelt.

11. Sendeeinheit (BS) mit
Mitteln (SPE) zur Speicherung einer Signalfolge K(i), die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 erhält­ lich ist, und
Mitteln zur Aussendung dieser Signalfolge K(i) zum Zwecke der Synchronisation mit einer Empfangseinheit (MS).

12. Sendeeinheit (BS) mit
Mitteln (SPE) zur Speicherung eines Signalteilfolgenpaares (K1(j), K2(k)),
Mitteln zur Bildung einer Signalfolge K(i) nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, und
Mitteln zur Aussendung dieser Signalfolge K(i) zum Zwecke der Synchronisation mit einer Empfangseinheit (MS).

13. Empfangseinheit (MS) mit
Mitteln (SPE) zur Speicherung eines Signalteilfolgenpaares (K1(j); K2(k)), das aus einer Menge von Signalteilfolgenpaaren (K1(j); K2(k)), die in Tabelle 1 der Beschreibung angeführt ist, entnommen ist, oder von einem aus dieser Menge entnomme­ nen Signalteilfolgenpaar (K1(j); K2(k)) abgeleitet ist,
Mitteln zum Empfang einer Empfangssignalfolge E(1), und
Mitteln zur Ermittlung einer Signalfolge K(i).

14. Empfangseinheit (MS) nach Anspruch 13 mit Mitteln zur Speicherung eines Signalteilfolgenpaares (K1(j); K2(k)) = (35f1; 3d22) oder eines davon abgeleiteten Signalteilfolgenpaares.

15. Empfangseinheit (MS) nach einem der Ansprüche 13 oder 14 mit
Mitteln zur Ermittlung einer Signalfolge K(i) nach einem der Ansprüche 5 bis 8.

16. Empfangseinheit (MS) nach einem der Ansprüche 13 bis 15 mit
Mitteln (SPE) zur Speicherung von Zwischenergebnissen (TS).