DE3522859A1 - Schmalbandiges rbertragungsverfahren fuer ein digitales mobiles funksystem - Google Patents

Description

Die Erfahrung bezieht sich auf ein schmalbandiges Übertragungsverfahren für ein mobiles Funksystem zur Nachrichtenübertragung zwischen mobilen Teilnehmerstationen untereinander und mit Feststationen (Basisstationen).

Bei den in mobilen Funksystemen üblichen digitalen Schmalbandübertragungsverfahren wird pro FDM-Kanal ein kontinuierlicher Datenstrom (Funkbitrate) und Kanalkodierung (Redundanz) übertragen. Die Höhe der übertragenen Funkbitrate bestimmt die mobilfunkspezifischen Übertragungsparameter sowie auch wichtige Geräteparameter, die wiederum die Wirtschaftlichkeit der Netzauslegung bestimmen. Diese Einflußgrößen sind die erforderliche Sendeleistung, die Gleichkanalstörfestigkeit des Übertragungsverfahrens sowie die Immunität gegen Nachbarzeichenstörung.

Bedingt durch die notwendige Übertragungsbandbreite ist die erforderliche Sendeleistung proportional zur Höhe der übertragenen Zeichenfolge (Funkbitrate) auf dem Funkweg. Diese Sendeleistung bestimmt die maximale Reichweite des Dienstes und die zur Flächenversorgung notwendige Dichte der Basisstationen. Sie ist damit ein direktes Maß für die Standortökonomie. Die Höhe der Sendeleistung ist aber auch ein Maß für die Aufwendungen in den Einheiten Sender und Stromversorgung der Mobilstationen sowie auch ein direktes Maß für den Raum- und Leistungsbedarf in den ortsfesten Basisstationen. Ferner ist sie auch ein Maß für den Aufwand zur Antennen-Mehrfachausnutzung. Die Sendeleistungen in Basis- und Mobilstationen sind in erster Näherung gleich. Ganz generell können Sendeleistungen an allen Orten durch die Einführung von geeigneten Diversity- Anordnungen reduziert werden.

Die Gleichkanalstörfestigkeit des Übertragungsverfahrens als weitere Einflußgröße bestimmt den räumlichen Abstand für die Frequenzwiederbenutzung. Sie ist damit ein direktes Maß für die maximal erzielbare Verkehrsdichte in flächendeckenden Mobilfunksystemen. Die Gleichkanalstörfestigkeit bestimmt darüber hinaus die realisierbare Clustergröße. Das ist die Zahl der Funkzellen, auf die das verfügbare Kanalvolumen aufgeteilt werden muß. Je höher die Gleichkanalstörfestigkeit, desto geringere Clustergrößen können realisiert werden. Geringe Clustergrößen wiederum führen zum Anstieg der Zahl der Kanäle pro Funkzelle, wodurch in Kleinzellen-Ballungsgebieten höhere Verkehrsdichten, oder bei vorgegebenen Verkehrsdichten ganz allgemein geringere Dichten der Basisstationen erzielt werden. Damit ist die Gleichkanalstörfestigkeit ein Maß für die Standortökonomie und Wirtschaftlichkeit eines Mobilfunksystems.

Bezüglich der Immunität gegen Nachbarzeichenstörung als dritte Einflußgröße gilt folgendes: Nachbarzeichenstörungen entstehen in der Weise, daß bei steigender Funkreichweite die Dämpfung des direkten Weges des Ausbreitungsmechanismus ansteigt. Hierdurch besteht eine stark ansteigende Wahrscheinlichkeit, daß längere Umwegsignale mit gleicher Energie an den Empfangsort gelangen. Sobald die Umwegverzögerung die Zeichendauer annähernd erreicht, geht die Lesbarkeit der Zeichen verloren. Die Nachbarzeichenstörung ist damit in gebirgigen Geländen, unabhängig von der Höhe der Sendeleistung, ein Maß für die erzielbare Reichweite. Sie bestimmt in diesen Fällen die erforderliche Dichte der Basisstationen, ist also ein Maß für die Standortökonomie. Die aus der Sicht der Nachbarzeichenstörung erzielbare Reichweite ist folglich direkt abhängig von der Dauer der auf dem Funkweg übertragenen Modulationszeichen bzw. ein reziprokes Maß der Funkbitrate.

Die Sendeleistungs/Reichweitenproblematik ist also eine Folger der Funkbitrate, die ihrerseits bestimmt wird durch den jeweiligen Stand der Sprachwandelverfahren. Ebenfalls von der Funkbitrate hängt die Immunität gegen Nachbarzeichenstörung ab, die auch durch das Sprachwandelverfahren bestimmt wird. Lediglich die Gleichkanalstörfestigkeit beträgt unabhängig von der Funkbitrate ca. -8 dB für konventionelle FM-Übertragungsverfahren unter Einfluß von Rayleigh- Fading.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für ein schmalbandiges Übertragungsverfahren für ein digitales mobiles Funksystem anzugeben, mit dem eine Erniedrigung der Sendeleistung für die Mobilfunkgeräte bei Aufrechterhaltung der Reichweite ermöglicht, eine Verbesserung der Resistenz gegen Nachbarzeichenstörung erreicht und eine höhere Gleichkanalstörfestigkeit erzielt werden.

Diese Aufgabe wird mit einem schmalbandigen Übertragungsverfahren der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß der kodierte Datenstrom in Symbolblöcke von n Bit zusammengefaßt wird unter Entstehung einer Symbolrate, daß jedes der zur Darstellung eines kontinuierlichen Datenstromes notwendigen 2 ⁿ Symbole auf dem Funkweg als Wort mit 2 ⁿ Chip und der 2 ⁿ -fachen Chiprate übertragen wird in der Weise, daß einem aus mehreren Worten gebildeten Block ein etwa der Wortlänge entsprechender Barkercode vorangestellt und gesendet wird, und daß empfangsseitig der Barkercode durch einen Korrelator mit hohem Auflösungsvermögen korreliert zur Gewinnung eines Zeitzeichens für die korrelative Auswertung der Chipworte und die derart zurückgewonnenen Symbole anschließend in den kontinuierlichen Datenstrom der ursprünglichen Bitrate zurückgewandelt werden.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird zum einen durch Symbolbildung der zu übertragenden Information die effektive Übertragungsbandbreite reduziert und, bedingt durch die verlangsamte Symbolfolge (Symbolrate) eine erhöhte Immunität gegen Nachbarzeichenstörung erzielt und zum anderen erreicht, daß sich durch die Übertragung der einzelnen Symbole als Codeworte der bei der Korrelation im Empfänger auftretende Codegewinn als erhöhte Gleichkanalstörfestigkeit auswirkt.

In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß für mobile oder stationäre Kurzwellenübertragung zusätzlich die durch die großen Umwegelängen bestehende Möglichkeit der zeitlichen Auflösung von Mehrwegekomponenten und deren Diversity-Kombination in der Weise genutzt wird, daß Schwunderscheinungen weitgehend aufgehoben und die Sendeleistung annähernd um den Schwundzuschlag reduziert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die sich daraus ergebenden Vorteile werden nachstehend noch näher erläutert.

Bei dem erfindungsgemäßen schmalbandigen Übertragungsverfahren können die allein vom Sprachwandelverfahren bestimmten Übertragungseigenschaften zum Teil unabhängig von der Bitrate der Sprachkodierung optimiert werden. Der kodierte Datenstrom wird dabei in Symbolblöcke von z. B. n Bit (n= 4. . .6) zusammengefaßt, wobei eine Symbolrate entsteht, die um den Faktor n niedriger ist als die Bitrate. Zur Darstellung eines kontinuierlichen Datenstromes sind dazu 2 ⁿ Symbole notwendig. Jedes der 2 ⁿ Symbole wird auf dem Funkweg als Wort mit 2 ⁿ Chip und der 2 ⁿ -fachen Chiprate übertragen. Mehrere Worte bilden einen Block, an dessen Anfang je ein Barkercode gesendet wird, der etwa der Wortlänge entspricht. Am Empfangsort wird der Barkercode durch einen Korrelator mit hohem Auflösungsvermögen korreliert und so ein Zeitzeichen für die korrelative Auswertung der Chipworte gewonnen. Die so zurückgewonnenen Symbole werden anschließend in den kontinuierlichen Datenstrom der ursprünglichen Bitrate zurückgewandelt.

Die korrelative Auswertung der Codeworte entspricht dabei einer Bandbreitenreduzierung von 2 ⁿ , wobei die Korrelation wie ein Filter wirkt. Dies bedeutet für die Übertragungsparameter, daß die wirksame Übertragungsbandbreite der Symbolrate proportional ist und um den Faktor n niedriger ist als die für die Übertragung der Bitrate erforderliche Bandbreite. Für Werte von n=4. . .6, wie sie für praktische Anwendungen in Frage kommen, entspricht, bei gleicher Bitfehlerrate, die spektrale Leistungsdichte E _s /N ₀ in der Symbolebene in erster Näherung der spektralen Leistungsdichte E _B /N ₀ der bisher angewandten FM-Übertragung in der Bitebene.

Als vorteilhafte Konsequenz der kodierten Übertragung kann somit die Sendeleistung ca. um den Faktor n abgesenkt werden. Für Faktoren von n=4. . .6 beträgt die Sendeleistung ca. 2,5, verglichen mit ca. 10 W Sendeleistung bei konventioneller Übertragung.

Es ergibt sich somit als erster Freiheitsgrad, daß sich entweder die Sendeleistung bei gleicher Basisstationen- Dichte reduzieren läßt, was besonders vorteilhaft für die Mobilstationen und für den Einsatz von Portables ist, oder bei gleichbleibender Sendeleistung die Dichte der Basisstationen reduziert werden kann, was der Standortökonomie zugute kommt. Da diese Reduzierung der Sendeleistung auch die Basisstationen betrifft, kann der Raum- und Leistungsbedarf in den Basisstationen drastisch gesenkt und die Problematik der Wärmeabführung entsprechend entspannt werden. Gleichzeitig erleichtern sich die Probleme der Antennenmehrfachausnutzung, weil nunmehr insbesondere bei Kleinzellen die aufwendigen Antennenkoppelfilter durch räumlich kleine 3 dB-Koppler ersetzt werden können.

Hinsichtlich der Resistenz gegen Nachbarzeichenstörung läßt sich feststellen, daß die um den Faktor n niedrigere Symbolrate dazu führt, daß die auf dem Funkweg gesendete Wortdichte um den Faktor n gegenüber der Bitrate abgesenkt wird. Dies bedeutet, daß die Zeit zwischen zwei Korrelationsergebnissen um den Faktor n größer wird als die Bitdauer. Damit tritt Nachbarzeichenstörung erst bei Umwegdifferenzen auf, die der Wortlänge entsprechen. Beträgt für n=5 die Bitrate z. B. 5 kbit/s, so ist die Symbolrate 1 ksymb/s; die zulässige Umwegdifferenz beträgt somit 300 km im Vergleich zu 30 km entsprechend einer Bit/2-Verschiebung bei konventionellen Verfahren. Damit bewirkt das erfindungsgemäße Übertragungsverfahren praktisch eine Vermeidung von Nachbarzeichenstörungen im Mobilfunk, die in gebirgigem Gelände zu erhöhten Dichten von Basisstationen führen würde. Die Resistenz gegen Nachbarzeichenstörung verbessert somit die Standortökonomie.

Die Auflösung von Mehrwegeprofilen der Übertragungsstrecke, wie sie bei breitbandigen Spreizkode-Verfahren angestrebt wird, ist bei diesem schmalbandigen Verfahren nicht möglich und auch nicht erforderlich, da der Hauptgewinn, die Reduzierung der Sendeleistung, durch die Symbolbildung erzielt wird und das Verfahren typischerweise weit unterhalb der kritischen Kohärenzbandbreite arbeitet.

Ein besonderer Vorteil der Übertragung in Codeworten der Chiprate 2 ⁿ x Symbolrate liegt in der durch den Kodierungsgewinn gegebenen Verbesserung der Gleichkanalstörfestigkeit. Diese Verbesserung beträgt 10 × lg2 ⁿ (=12 dB für n=4); das bedeutet, daß aufgrund der Wortkodierung die Störleistung gegenüber der Signalleistung von -8 dB bei konventionellen Systemen auf ca. +4 dB bei etwa gleicher Fehlerrate ansteigen darf. Mit dieser Eigenschaft ist eine deutliche Reduzierung der Clustergröße möglich. Bei einer Reduzierung der Clustergröße von sieben Zellen auf ca. drei Zellen durch Anwendung einer Zellgrenzdetektion wie der relativen Entfernungsmessung bedeutet dies für die Versorgung eines Gebietes mit vorgegebener Verkehrsleistung eine Reduzierung der Funkkonzentrator-Dichte bzw. eine Verbesserung der Standortökonomie um den Faktor 2,4 verglichen mit einem konvent-ionellen Übertragungssystem, bei dem aber ebenfalls bereits die relative Entfernungsmessung zur Erzielung minimaler Gleichkanalstörung angewendet wird. Die reduzierte Clustergröße führt über die maximale Zahl der Kanäle pro Zelle zur Erhöhung der Verkehrsdichte bei vorgegebenem Zellradius, z. B. bei minimal realisierbaren Radius.

Das erfindungsgemäße Übertragungsverfahren kommt also mit deutlich niedrigeren Sendeleistungen aus, die insbesondere für die Versorgung von Kleinzellen-Ballungsgebieten im Signalleistungsbereich liegen und die Leistungs- und Antennenkoppelprobleme in jeder Hinsicht deutlich herabsetzen. Portables können mit voller Systemleistung bei geringer Batterieleistung eingesetzt werden. Aufgrund der Symbolbildung weist das Verfahren eine deutlich erhöhte Resistenz gegen Nachbarzeichenstörung auf. Darüber hinaus besitzt das Verfahren eine merklich erhöhte Gleichkanalstörfestigkeit, die über die Clustergröße bzw. Basisstationen-Dichte die Gesamtökonomie eines Netzes deutlich verbessert.

Hauptanwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der digitale Mobilfunk. Das Verfahren kann aber mit gleichen Vorteilen auch für die Kurzwellenübertragung eingesetzt werden. Für Kurzwellenübertragung, die aufgrund ihrer großen Umwegelängen auch beim kodierten Schmalbandverfahren eine Darstellung des Mehrwegeprofils erlaubt, kann durch die Möglichkeit der zeitlichen Mehrwegetrennung und Diversity-Kombination der einzelnen Mehrwegekomponenten die Schwunderscheinung weitgehend aufgehoben und der Systemwert verbessert bzw. die Sendeleistung reduziert werden.
2 Patentansprüche

Claims (1)

1. Schmalbandiges Übertragungsverfahren für ein digitales mobiles Funksystem zur Nachrichtenübertragung zwischen mobilen Teilnehmerstationen untereinander und mit Feststationen (Basisstationen),
dadurch gekennzeichnet,
daß der kodierte Datenstrom in Symbolblöcke von n Bit zusammengefaßt wird unter Entstehung einer Symbolrate, die um den Faktor n niedriger ist als die Bitrate, daß jedes der zur Darstellung eines kontinuierlichen Datenstromes notwendigen 2 ⁿ Symbole auf dem Funkweg als Wort mit 2 ⁿ Chip und der 2 ⁿ -fachen Chiprate übertragen wird in der Weise, daß einem aus mehreren Worten gebildeten Block ein etwa der Wortlänge entsprechender Barkercode vorangestellt und gesendet wird, und daß empfangsseitig der Barkercode durch einen Korrelator mit hohem Auflösungsvermögen korreliert zur Gewinnung eines Zeitzeichens für die korrelative Auswertung der Chipworte und die derart zurückgewonnen Symbole anschließend in den kontinuierlichen Datenstrom der ursprünglichen Bitrate zurückgewandelt werden.
2. Schmalbandiges Übertragungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für mobile oder stationäre Kurzwellenübertragung zusätzlich die durch die großen Umwegelängen bestehende Möglichkeit der zeitlichen Auflösung von Mehrwegekomponenten und deren Diversity-Kombination in der Weise genutzt wird, daß Schwunderscheinungen weitgehend aufgehoben und die Sendeleistung annähernd um den Schwundzuschlag reduziert werden kann.