DE19917882A1

DE19917882A1 - Signalidentifikation in CDMA-Funksystemen

Info

Publication number: DE19917882A1
Application number: DE1999117882
Authority: DE
Inventors: Paul Walter Baier; Jochen Oster
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-04-22
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2000-11-02

Abstract

Bei der erfindungsgemäßen Signalidentifikation in Funk-Kommunikationssystemen werden zusätzlich zu den gesendeten Bursts teilnehmerspezifische schmalbandige Pilotsignale vorgegebener Leistung gesendet. Empfangsseitig werden aus dem empfangenen Signalgemisch unterschiedlicher Teilnehmersignale charakteristische Größen der gesendeten Pilotsignale gewonnen. Diese charakteristischen Größen werden zur Herkunfts-Identifikation der einfallenden Teilnehmersignale und/oder zum Ermitteln von deren Empfangsleistungen und/oder zum Ermitteln von deren Dopplerverschiebungen und/oder zum Gewinnen weiterer Informationen verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Signalidentifikation in CDMA-Funksystemen.

Ein wichtiger Konzeptbestandteil zellularer Mobilfunksysteme ist die Ausführung der Funkschnittstelle. Ein beispielhaftes Funkschnittstellenkonzept ist TD-CDMA (time division - code division multiple access), siehe DE 198 22 276. Es zeichnet sich dadurch aus, daß die Intrazellinterferenz, d. h. die in einer betrachteten Referenzzelle entspringende Interferenz durch gemeinsame Detektion (engl. Joint Detection), siehe DE 41 21 356, in den Empfängern der Referenzzelle eliminiert wird. Als kapazitätsbegrenzender Faktor verbleibt dann die von anderen Zellen herrührende Interzellinterferenz, die nach dem Stand der Technik durch den Joint-Detection-Prozeß in der Referenzzelle nicht eliminiert werden kann. Gelänge es, in der Referenzzelle wenigstens die am stärksten einfallenden Interzellinterferer zu eliminieren, so würde dies beträcht liche Kapazitätssteigerungen ermöglichen.

Das Eliminieren der Intrazellinterferenz durch Joint Detec tion beruht darauf, daß man empfängerseitig

- in einem ersten Schritt auf der Basis bekannter gesendeter Mittambelsignale die Kanalimpulsantworten der Referenz zelle schätzt und
- in einem zweiten Schritt auf der Basis der geschätzten Ka nalimpulsantworten und der bekannten CDMA-Codes der Teil nehmer der Referenzzelle die Daten dieser Teilnehmer schätzt.

Beide Schätzvorgänge basieren auf dem Lösen von Gleichungssy stemen, bei denen die Zahl der Unbekannten, d. h. der Kanal koeffizienten bzw. Datensymbole, nicht größer als die Zahl der verfügbaren Gleichungen sein darf. Diese Bedingungen kön nen durch eine geeignete Wahl der Mittambellänge L_m, Anzahl K der gleichzeitig aktiven Teilnehmer und der Länge Q der CDMA-Codes eingehalten werden.

Das Einbeziehen der Interzellinterferenz in den in der Refe renzzelle durchzuführenden Interferenzzeliminationsprozeß scheiterte bisher daran, daß es in den näheren und weiteren Nachbarzellen der Referenzzelle eine sehr große Anzahl poten tieller Quellen der Interzellinterferenz gibt. Solche poten tiellen Quellen der Interzellinterferenz sind all jene Sender der Nachbarzellen, die dasselbe Frequenzband und - im TDMA-Rah men - den gleichen Zeitschlitz benutzen, wie die betrach teten Teilnehmer der Referenzzelle. Wollte man all diese Quellen im Eliminationsprozeß der Referenzzelle berücksichti gen - dieser Prozeß erfordert die Kanal- und Datenschätzung für die aus fremden Zellen an den Empfängern der Referenz zelle einfallenden Teilnehmersignale - so führte dies zu Gleichungssystemen, bei denen die Anzahl der Gleichungen kleiner als die Anzahl der Unbekannten ist, so daß eine Lö sung illusorisch ist.

Es ist aus EP 96 118 916 bekannt, daß jeweils nur eine Teil menge der potentiellen Quellen der Interzellinterferenz mit störwirksamer Leistung an den Empfängern der Referenzzelle berücksichtigt wird. Die aktuelle Störwirkung hängt von der Position der Störquelle und von Abschattungseffekten ab. Würde man sich auf das Eliminieren nur der leistungsmäßig relevanten Interzellinterferer beschränken, so ließe sich erreichen, daß bei der Kanal- und Datenschätzung in der Referenzzelle die Zahl der Unbekannten nicht größer ist als die Zahl der verfügbaren Gleichungen. Eine solche Beschränkung setzt jedoch voraus, daß in den Empfängern der Referenzzelle bekannt ist, welche der vielen potentiellen Interzellinterferer momentan mit starker Leistung einfallen und damit relevant sind. Kennt man diese relevanten Interzellinterferer, so kennt man auch deren Mittambel- und CDMA-Codes. Diese Kenntnis gestattet es dann, diese Interferer in den Interferenz-Eliminationsprozeß der Referenzzelle einzubeziehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die relevanten In terzellinterferer in der Referenzzelle zu identifizieren und eventuell zusätzliche Information über diese Interferer zu gewinnen. Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merk malen des Anspruchs 1 und die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Bei der erfindungsgemäßen Signalidentifikation in Funk-Kom munikationssystemen werden zusätzlich zu den gesendeten Teil nehmersignalen teilnehmerspezifische schmalbandige Pilotsig nale vorgegebener Leistung gesendet. Empfangsseitig werden aus dem empfangenen Signalgemisch unterschiedlicher Teilneh mersignale charakteristische Größen der gesendeten Pilotsig nale gewonnen. Diese charakteristischen Größen werden zur Herkunfts-Identifikation der einfallenden Teilnehmersignale und/oder zum Ermitteln von deren Empfangsleistungen und/oder zum Ermitteln von deren Dopplerverschiebungen und/oder zum Gewinnen weiterer Informationen verwendet.

Durch dieses Verfahren ist es möglich, eine Vorselektion von Teilnehmersignalen vorzunehmen, die den Aufwand einer nach folgenden Kanalschätzung und Detektion stark verringert. Damit lassen sich Interzellinterferenzen bei der Detektion mit vertretbarem Aufwand der Signalverarbeitung berücksich tigen. Die Systemkapazität steigt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand beiliegender Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen Fig. 1 zwei unterschiedliche Signale bestehend aus Mitt ambeln und datentragenden Abschnitten, sowie Pilot signale,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Signalverarbei tung für zwei Signale,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Signalverarbei tung für eine große Signalmenge.

Fig. 1 und 2 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der der Erfindung zugrundeliegenden Idee an einem einfachen Beispiel eines Funk-Kommunikationssystems mit TD-CDMA-Teilnehmerse parierung mit nur zwei potentiellen Interzellstörern (Inter ferern) 1 und 2. Fig. 1a zeigt einen Funkblock (Burst) eines aus zwei datentragenden Abschnitten und einer Mittambel be stehenden Nutzsendesignals i₁(t) der Bandbreite B sowie ein dem Burst i₁(t) überlagertes Pilotsignal p₁(t) eines Inter zellinterferers 1, wobei die Burstdauer mit T_bu bezeichnet wird.

Fig. 1b zeigt das entsprechende für den Interzellinterferer 2. Die Pilotsignale p₁(t) und p₂(t) sind in diesem Beispiel Si nussignale unterschiedlicher Frequenz. Die Frequenzen der Sinussignale sollten soweit auseinanderliegen, daß sie trotz einer möglichen Dopplerverschiebung noch unterscheidbar sind. Es wird von einer konstanten und bekannten Sendeleistung für die Pilotsignale ausgegangen. Es ist jedoch lediglich notwen dig, daß empfangsseitig die Sendeleistungen für die Pilotsig nale nachvollziehbar sind, z. B. anhand einer Signalisierung etc. Die Parameter der Pilotsignale müssen also nicht unver ändert bleiben, eine Anpassung an eine veränderte Umgebung der Funkschnittstelle ist möglich. Alternativ zu Sinussig nalen können als Pilotsignale auch beliebige komplexwertige Signale, z. B. Kanalmeßsequenzen, bekannte Chipfolgen, PN-Folgen (binäre Signale) verwendet werden.

An einem Empfänger der Referenzzelle kommen folgende Signale an:

s(t): Summe der erwünschten Empfangssignale aus der Referenzzelle, Bandbreite B
a₁[i₁(t)+p₁(t)]: Um den Übertragungsfaktor 0 < a₁ < 1 abge schwächtes Sendesignal des Interzellinter ferers 1
a₂[i₂(t)+p₂(t)]: Um den Übertragungsfaktor 0 < a₂ < 1 abge schwächtes Sendesignal des Interzellinter ferers 2

Somit kann ein an einem Empfänger der Referenzzelle einfal lende Gesamtsignal mit

e(t) = s(t)+a₁[i₁(t)+p₁(t)]+a₂[i₂(t)+p₂(t)] (1)

angegeben werden.

Fig. 2 zeigt einer Vorrichtung zum Gewinnen charakteristischer Größen der Pilotsignale p₁(t) und p₂(t). In dieser Vorrich tung wird das Empfangssignal e(t) nach (1) jeweils einem an p₁(t) bzw. p₂(t) signalangepaßten Filter zugeführt. Ohne Ein schränkung der Allgemeingültigkeit kann

gesetzt werden.

Tastet man die Filterausgangssignale am Burstende, d. h. zum Zeitpunkt t gleich T_bu ab, so erhält man die beiden aus den Nutztermen a₁ und a₂ und den Störtermen n₁ bzw. n₂ bestehenden Testvariablen.

Der Prozeßgewinn bei dieser Testvariablenbildung ist das Pro dukt aus Bandbreite B und Burstdauer T_bu. Mit der Leistung N₁ des Signals e(t)-a₁p₁(t) und der Leistung N₂ des Signals e(t)-a₂p₂(t) gilt für die Varianzen von n₁ bzw. n₂ deshalb nähe rungsweise

Wählt man beispielsweise in Anlehnung an die von ETSI für UMTS vorgeschlagenen Parameter B gleich 5 MHz und T_bu gleich 625 µs, so ergibt sich der Prozeßgewinn

BT_bu = 3125 ≅ 35dB (7)

Ein derart hoher Prozeßgewinn bedeutet, daß man im Vergleich zu den Nutzsignalen nur sehr schwache Pilotsignale benötigt, um hinreichend vertrauenswürdige Testvariablen T₁ bzw. T₂ zu gewinnen. T₁ und T₂ sind damit zuverlässige Maße für die In tensitäten der beiden in der Referenzzelle einfallenden In terzellinterferenzsignale i₁(t) bzw. i₂(t) und entsprechen charakteristischen Größen.

In der Einrichtung nach Fig. 2 sind weiterhin zwei Schwell wertdiskriminatoren mit dem Schwellwert λ vorgesehen. Ist T₁ größer als λ, so wird der Interzellinterferer 1 als relevant angesehen und in der Referenzzelle in den Eliminationsprozeß einbezogen, andernfalls nicht. Entsprechendes gilt für den Interzellinterferer 2. Die beiden Schwellwertdiskriminatoren bewirken eine Herkunfts-Identifikation.

Die Ausgestaltung nach Fig. 1 und 2 läßt sich nach Fig. 3 auf Fälle mit K₁ größer als zwei potentiellen Interzellinter ferern erweitern. Wählt man die Frequenzen f_µ der K₁ Pilotsig nale pµ, µ = 1...K1, so, daß die Differenz f_µ und _γ der Be dingung

|_µ-_ν|.T_bu ∈ N,µ,ν ∈ {1,2 . . . K₁} (8)

genügt, so stören sich die Pilotsignale beim Gewinnen der charakteristischen Größen nicht.

Auf einige weitere Ausgestaltungen der Erfindung wird im fol genden eingegangen:

Bei dem Verfahren nach Fig. 1 und 2 wurde die Frequenzselek tivität der Mobilfunkkanäle nicht berücksichtigt. Durch diese Frequenzselektivität werden die Pilotsignale aufgrund ihrer Schmalbandigkeit zwar nicht verzerrt, sie können jedoch u. U. sehr stark gedämpft werden, so daß ein relevanter Interzell interferer nicht als solcher erkannt wird. Dieses Problem kann man dadurch lösen, daß man als Pilotsignal für jede Teilnehmerstation eine teilnehmerspezifische Kombination mehrerer verschiedener Sinussignale verwendet. Dadurch ist sichergestellt, daß die gesamte empfangene Pilotleistung dank Frequenzdiversität weniger von der momentanen Frequenzcharak teristik des Funkkanals abhängt, sondern nur davon, ob der betreffende Interzellinterferer stark oder schwach in der Referenzzelle einfällt.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 1 und 2 ist vorausgesetzt, daß man in den Empfängern der Referenzzelle die Eintreffzeitpunk te der Bursts der potentiellen Interzellinterferer kennt, d. h., daß die Sender über die Zellgrenzen hinweg synchroni siert sind. Wenn die Pilotsignale, nicht nur während der Bursts des jeweiligen Interzellinterferers, sondern auch außerhalb dieses Bursts oder kontinuierlich von den Inter zellinterferern ausgestrahlt werden, dann kann auf die Syn chronisation auch verzichtet werden. Andere Ausgestaltungen sehen vor, daß die Pilotsignale

- nur während eines Bruchteils der Dauer der gesendeten Teilnehmersignals (weniger Interferenz),
- während der gesamten Dauer der gesendeten Teilnehmer signals,
- auch in Zeitbereichen außerhalb der Dauer der gesendeten Teilnehmersignals,
- während aller oder einer Teilmenge aller Funkblöcke des jeweiligen Teilnehmersignals (höhere Meßgenauigkeit),
- mit zeitlichen Unterbrechungen

ausgesendet werden.

Die Pilotsignale stellen eine gewisse Störung für die Nutzsig nale dar, und andererseits werden die Pilotsignale durch die Nutzsignale gestört. Es kann deshalb sinnvoll sein, die Pi lotsignale spektral von den zugehörigen Nutzsignalen zu tren nen, indem man beispielsweise einen von den Pilotsignalen ex klusiv zu benutzenden Frequenzbereich vorsieht.

Wenn man beim Verwenden unmodulierter Sinussignale als Pilot signale das an den Empfängern der Referenzzelle einfallende Gesamtsignal einer Fouriertransformation unterzieht, wobei das Beobachtungsintervall jeweils eine Burstdauer T_bu sei, so werden sich die Pilotsignale aller relevanten Interzellinter ferer im Spektrum als isolierte Spektrallinien darstellen. Aus der Höhe und Lage dieser Linien ergibt sich, welche der potentiellen Interzellinterferer relevant sind. Aus der Lage der Spektrallinien kann man auch Informationen über die Dopplerverschiebungen der einzelnen Interzellinterferenz signale und damit die Bewegungsrichtung der Teilnehmerstation gewinnen. Alternativ können zum Gewinnen der charakteristi schen Größen der gesendeten Pilotsignale Frequenzschätz algorithmen, wie z. B. Esprit oder Music, verwendet werden.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 1 und 2 ist vorausgesetzt, daß die Entscheidung bzgl. der Relevanz eines Interzellinterfe rers nach einem einzigen empfangenen Burst getroffen wird. Die Sicherheit dieser Entscheidung kann verbessert werden, wenn man die auf Burstbasis gewonnenen Testvariablen als Zwi schengrößen betrachtet, und aus einer Anzahl N solcher Zwi schengrößen die gesuchten charakteristischen Größen bildet. Eine derartige Ausgestaltung ist in Fig. 3 veranschaulicht.

Die Erfindung ist auch bei Basis- oder Teilnehmerstationen anwendbar, die Gruppenantennen mit mehreren Antennenelementen verwenden. Über die verschiedenen Antennenelemente werden unterschiedliche Pilotsignale abgestrahlt bzw. nur ein Teil der Antennenelemente wird mit Pilotsignalen beaufschlagt. Für die Empfangsseite bedeutet die Verwendung von Gruppenantennen, daß die Empfangssignale der einzelnen Antennenelemente nach unterschiedlichen Algorithinen ausgewertet werden.

Durch das Zusammenwirken von Sendeseite, Senden von schmal bandigen Pilotsignalen zusätzlich zu Teilnehmersignalen, und Empfangsseite, individuelle Auswertung der Pilotsignale vor der Datendetektion, entsteht eine Vorrichtung (ein Funk-Kom munikationssystem), die nur die wesentlichen Interferer für eine Erhöhung der Detektionsgüte eliminiert.

Ist anhand der ausgewerteten Pilotsignale eine Auswahl der relevanten Teilnehmersignale getroffen worden, so kann die Kanalschätzung und Datendetektion anschließend erleichtert werden, indem nur die relevanten Teilnehmersignale berück sichtigt werden, siehe dazu EP 96 118 916. Ein Signalauswer tung erfolgt dann beispielsweise mit dem JD-Verfahren (JD joint detection), das als gemeinsame Detektion den Einfluß von Interferenzen auf die auszuwertenden Teilnehmersignale herausrechnen kann.

Claims

1. Verfahren zur Signalidentifikation in Funk-Kommunikations systemen, bei dem Basisstationen und Teilnehmerstationen über eine Funkschnitt stelle verbunden sind und über die Funkschnittstelle Teilneh mersignale übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß

- zusätzlich zu den gesendeten Teilnehmersignalen teilneh merspezifische schmalbandige Pilotsignale gesendet werden,
- empfangsseitig aus einem empfangenen Signalgemisch charak teristische Größen der gesendeten Pilotsignale gewonnen werden,
- diese charakteristischen Größen zur Herkunfts-Identifika tion der am Empfänger einfallenden Teilnehmersignale und/oder zum Ermitteln von deren Empfangsleistungen und/oder zum Ermitteln von deren Dopplerverschiebungen und/oder zum Gewinnen weiterer Informationen verwendet wer den.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalbandige Pilotsignale mit einer der Empfangs seite bekannten vorgegebenen Leistung gesendet werden.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkschnittstelle nach einem TD-CDMA-Teilnehmerseparierungsverfahren ausge bildet ist.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Basisstation eine Gruppenantenne mit mehreren Antennen elementen verwendet,
über die verschiedenen Antennenelemente unterschiedliche Pilotsignale abgestrahlt werden und/oder nicht alle Anten nenelemente mit Pilotsignalen beaufschlagt werden,
empfangsseitig die Empfangssignale der einzelnen Antennen elemente nach unterschiedlichen Algorithmen ausgewertet werden.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotsignale unmodulierte Sinussignale mit einer für die jeweilige Teilnehmerstation charakteristischen Frequenz sind.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotsignale aus mehreren verschiedenfrequenten unmodulierten Sinussignalen gleicher oder unterschiedlicher Leistung bestehen, deren Frequenzen oder Frequenzkombina tionen charakteristisch für die jeweilige Teilnehmerstation sind.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotsignale schmalbandig modulierte Signale sind, wobei zur Modulation analoge oder digitale Verfahren der Amplituden-, Phasen- und Frequenzmodulation oder Kombina tionen dieser Verfahren verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotsignale in einem Teilbereich jenes Frequenz bereichs ausgesendet werden, den das jeweilige Teilnehmer signal beansprucht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotsignale nur oder auch Spektralanteile außerhalb der Frequenzbereiche haben, die das jeweilige Teilnehmer signal beansprucht.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Gewinnen der charakteristischen Größen der gesendeten Pilotsignale aus dem empfangenen Signalgemisch Filter oder Korrelatoren verwendet werden.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Gewinnen der charakteristischen Größen der gesendeten Pilotsignale aus dem empfangenen Signalgemisch die Fourier transformation angewandt wird.

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Gewinnen der charakteristischen Größen zunächst durch Verwerten kürzerer zeitlicher Abschnitte des Empfangssignals Zwischengrößen gebildet werden, aus denen anschließend die gesuchten charakteristischen Größen gebildet werden.

13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften der Pilotsignale, wie z. B. Frequenz, Spektrum, Modulation, zeitveränderlich sind.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorherigen Ansprüche.