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Diese
Erfindung betrifft die Kollisionsauflösung in einem zeitkritischen
Funkkommunikationssystem und insbesondere die Auflösung von
Kollisionen in dem Random Access Channel (RACH) im General Packet Radio
Service (GPRS) und Enhanced Data Rate for GSM Evolution (EDGE).
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Zelluläre Mobilkommunikationssysteme
wie das Global System for Mobile Communications (GSM) verwenden
RACH, um den Erstzugang der Mobilstationen zum Netzwerk zu ermöglichen.
Paketorientierte Funknetze (wie GPRS und EDGE) verwenden ähnliche
Kanäle,
sogenannte Packet Random Access Channels (PRACH), nicht nur für den Erstzugang,
sondern auch während
des Anrufs, da die Kanäle
den Anwendern nicht dauerhaft (wie im leitungsvermittelten GSM),
sondern nach Bedarf zugeordnet werden. Der Random-Access-Mechanismus
in diesen Systemen basiert auf Slotted ALOHA gemäß den Ausführungen von L. G. Roberts in „ALOHA
packet system, with and without slots and capture", ACM Computer Communication
Review, Ausgabe 5, Nr. 2, S. 28-42, April 1975. Die Mobilstation
(MS) übermittelt
eine Kurznachricht über
den (P)RACH, die einen Funk-Burst (eine Funksignalfolge) belegt.
Für gewöhnlich wird
die Position (Frequenz und Zeitschlitz) des PRACH vom Organisationskanal
(Broadcast Channel, BCCH) angezeigt. Das Hauptproblem bei ALOHA-Verfahren
liegt darin, dass die Übertragung
auf dem PRACH nicht zentral koordiniert wird und daher möglicherweise
mehrere MS gleichzeitig auf den PRACH zugreifen. Dies nennt man
Kollision. Kollisionen können
die Leistung des Gesamtsystems bedeutend beeinträchtigen, insbesondere bei Echtzeitdiensten.
Als Beispiel dient die Übertragung
von Sprachpaketen über
eine paketvermittelte Funkschnittstelle. Da Sprachübertragungen
eine Wechselfolge von aktiven und inaktiven Perioden (Sprachphasen
bzw. Ruhephasen) aufweisen, wird ein Kanal (eine Kombination aus
Frequenz und Zeitschlitz) für
gewöhnlich
nur dann einer MS zugewiesen, wenn ein Talkspurt, also eine Datenfolge
in der Sprach phase, zu übertragen
ist. Sobald der Talkspurt übertragen
wurde, wird der Kanal einer anderen MS zugeordnet. Zu Beginn des
Talkspurt ist für
die MS ein Zugang zu dem PRACH erforderlich, um ihre Aktivität anzuzeigen
und einen Kanal anzufordern. Erhält
die Basisstation die Zugangsnachricht und ist ein Kanal zur Zeit
verfügbar,
sendet die Basisstation eine Bestätigungsmeldung an die MS, die
anzeigt, dass ihr ein Kanal zur Benutzung zugewiesen wurde. In einem
leitungsvermittelten Szenario findet dieser Vorgang nur zu Beginn
eines Anrufs statt, während
er bei einem paketvermittelten Sprachsystem durchschnittlich alle
2 Sekunden stattfindet. Der gesamte Zugangsmechanismus unterliegt
jedoch mehreren Fehlermechanismen:
- a) Fehler
auf der physikalischen Schicht können
bei der Uplink-Übertragung
der Zugangsnachricht auf Grund von Gleichkanalstörung und thermischem Rauschen
auftreten;
- b) Mehrere MS greifen gleichzeitig auf den PRACH zu, wodurch
eine Kollision verursacht wird;
- c) Fehler auf der physikalischen Schicht können bei der Downlink-Übertragung
der Bestätigungsnachricht auftreten.
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Jeder
dieser Fehlermechanismen trägt
zur Minderung der Systemleistung bei. Verläuft die Zugangsphase nicht
erfolgreich, muss die MS erneut auf den PRACH zugreifen, wobei Sprachpakete
in einem Zwischenspeicher gespeichert werden. Ist der Zwischenspeicher
jedoch überfüllt, fallen
Sprachpakete heraus. Dies nennt man Speech Front-End Clipping, also
Abschneiden von Sprachdaten, und kann die Qualität der Sprachkommunikation bedeutend
vermindern.
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Es
ist bekannt, dass es unter bestimmten Bedingungen möglich ist,
ein Zugangspaket auch dann vollständig zu entschlüsseln, wenn
mehrere Nachrichten (von verschiedenen MS) gleichzeitig auf dem
Random-Access-Channel vorhanden sind. Man nennt dies den Capture-Effekt.
Capture kann die Leistung von ALOHA-artigen Systemen und Verfahren
verbessern, was von C. Namislo in „Analysis of mobile radio
slotted ALOHA 20 systems",
IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Ausgabe SAC-2,
Nr. 4, S. 583-588, Juli 1984 und von H. Zhou, R. H. Deng in „Capture
model for mobile radio slotted ALOHA systems", IEE Proc. Communications, Ausgabe
145, Nr. 2, S. 91-97, April 1998 beschrieben wurde. Die meisten
bisher in der öffentlich
zugänglichen
Literatur beschriebenen Capture-Modelle basieren auf Energieunterschieden
bei den Paketen, die gleichzeitig auf den Zugangskanal 25 zugreifen
(Energie-Capture). Die Energie-Capture ist jedoch nicht für mikrozelluläre oder
picozelluläre
Umgebungen geeignet, in denen sich die meisten MS nahe der Basisstation
befinden, und ferner werden (signalbasierte) Energiesteuerungsverfahren
verwendet, die darauf abzielen, die Energie von verschiedenen MS über eine
Zellfläche
hinweg auszugleichen.
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Esmailzadeh
(WO 98/18280) beschreibt Verfahren zur Unterscheidung von gleichzeitigen
Random-Access-Anfragen mit Hilfe verschiedener Präambel-Symbolraster.
Wang (US Patent 5.721.733) beschreibt ein Drahtlosdatennetz, das
das ALOHA-Protokoll durch Verwendung eines FM-Capture-Effekts implementiert. Gugliemi
et al beschreibt Verfahren für
das Joint-Space-Diversity-Basisband-Combining und Taktsynchronisation
bei digitalen Mikrowellenfunkübertragungen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die Kollisionsauflösung unter
Verwendung des Capture-Verfahrens
und eine Vorrichtung zur Ausführung
des Verfahrens bereitzustellen.
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Gemäß der Erfindung
eine Signalverarbeitungseinheit für die Kollisionsauflösung zur
Verwendung mit einem Mehrzugangstelekommunikationskanal, gekennzeichnet
durch Antennenmittel mit mehreren Zweigen; eine Vielzahl raumzeitlicher
Filtermittel, die jeweils für
das Schätzen
eines Signals, das von den Antennenmitteln empfangen wird, durch
Verwendung einer unterschiedlichen Folge trainingsähnlicher
Symbole (TLS), wobei jedes trainingsähnliche Symbol ein Trainingssymbol
und mindestens ein Nutzdatensymbol umfasst, und für das Senden
eines entsprechenden Kandidatensignals vorgesehen sind; und Signalauswahlmittel,
die für
das Auswählen
eines oder mehrerer Signale gemäß einem
im Voraus festgelegten Kriterium aus den Kandidatensignalen vorgesehen
sind.
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Des
Weiteren gemäß der Erfindung
ein Funkkommunikationssystem, das mehrere zeitkritische Benutzer;
Verschlüsselungsmittel
zum Verschlüsseln
von Signalen der Benutzer in mehrere Zeitschlitze; erste Übertragungs-/Empfängervorrichtungen;
zweite Übertragungs-/Empfängervorrichtungen;
Dekodiermittel; und eine Daten- oder Sprachsenke aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass das System ferner eine Signalverarbeitungseinheit
gemäß der Erfindung
aufweist, die mit den zweiten Übertragungs-/Empfängervorrichtungen
verbunden ist.
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Ferner
gemäß der Erfindung
ein Verfahren zur Kollisionsauflösung
in einem zeitkritischen Kommunikationssystem mit einem Mehrzugangskanal,
in dem Kollisionen vorkommen können,
gekennzeichnet durch die Schritte des Empfangens von Signalen aus
dem Mehrzugangskanal über
eine Antenne, die mehrere Zweige aufweist; des Schätzens der
empfangenen Signale durch Verwendung mehrerer verschiedener Folgen
trainingsähnlicher
Symbole zur Bereitstellung mehrerer Kandidatensignale, wobei jedes
trainingsähnliche
Symbol ein Trainingssymbol und mindestens ein Nutzdatensymbol aufweist;
und des Auswählens
eines oder mehrerer Kandidatensignale gemäß einem im Voraus festgelegten
Kriterium.
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In
den Figuren wird der Stand der Technik mit Bezug auf
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1 und 2 beschrieben,
wobei
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1 ein
PRACH-Kollisionsdatenmodell darstellt; und
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2 eine
herkömmliche
Filterstruktur darstellt.
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Die
Erfindung wird ausschließlich
beispielhaft mit Verweis auf 3 bis 9 beschrieben,
wobei
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3 eine
Signalverarbeitungseinheit darstellt;
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4 die
Ausgabe eines trainingsähnlichen
Sequenzcombiners, wobei h = 2 und T = 2, darstellt;
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5 drei Beispiele einer Auswahlstatistik,
die an der Signalauswahlvorrichtung von 3 berechnet wurde,
wobei T = 4, darstellt;
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6 Simulationsergebnisse
für eine
Antenne mit zwei Zweigen in 3 darstellt;
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7 Simulationsergebnisse
für eine
Antenne mit vier Zweigen in 3 darstellt;
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8 Simulationsergebnisse
für die
PRACH-Leistung darstellt; und
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9 eine
GSM-Übertragungsvorrichtung
und -Empfängervorrichtung
schematisch darstellt.
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1 stellt
ein PRACH-Kollisionsmodell dar. Der Zugangs-Burst 10 von
Benutzer m, der Zugangs-Burst 12 von Benutzer n und der
Burst 14 von einer benachbarten Zelle, das die Gleichkanalstörung (CCI)
darstellt, kommen alle gleichzeitig an einer Empfangsantenne (nicht
dargestellt) an. Die Benutzer-Bursts 10, 12 haben
alle dieselbe Struktur mit zwei Datenteilen 16, 18,
die durch eine Trainingssequenz 20 getrennt sind. Die Benutzer
m und n befinden sich in derselben Telekommunikationszelle, daher
sind ihre Trainingssequenzen identisch und mit seq.k gekennzeichnet.
Der CCI-Burst 14 hat dieselbe Struktur, allerdings weist
seine Trainingssequenz 22 andere Trainingssymbole seq.p
auf, da er aus einer anderen Zelle stammt.
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2 ist
ein Blockdiagramm einer herkömmlichen
Ausstattung, die zur Auflösung
eines der Kollisionssignale verwendet wird. Signale, die an der
Antenne 30 ankommen, werden einem raumzeitlichen Filter 32 zugeführt, der
außerdem
als Input die erforderliche Trai ningssequenz 34 empfängt. Das
raumzeitliche Filter 32 schätzt das Signal mittels der
Trainingssequenz und leitet das geschätzte Signal an eine Kanalentschlüsselungsvorrichtung 36.
Das Dekodiersignal aus dem Dekodierer 36 wird an einen
Paritätsprüfer 38 und
eine Schaltung 40 weitergeleitet, die von dem Paritätsprüfer 38 gesteuert
werden. Stellt der Paritätsprüfer 38 fest, dass
die erforderliche Symbolkombination vorhanden ist, wird die Schaltung 40 geschlossen,
so dass das entschlüsselte
Signal aus dem Dekodierer 36 die Ausgabe, das erfasste
Signal 42, bildet.
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Der
Kanaldekodierer 36, der Paritätsprüfer 38 und die Schaltung 40 bilden
gemeinsam eine Schätzeinrichtung
für das
erfasste Signal 44. Eine derartige Schätzeinrichtung kann nur ein
Signal auflösen,
wenn an der Antenne 30 eine Kollision auftritt, da alle
Zugangs-Bursts dieselbe
Trainingssequenz 34 aufweisen.
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Das
raumzeitliche Filter 32 kann alle bekannten trainingsbasierten
oder quasi-blinden Algorithmen anwenden.
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Es
ist bekannt, dass blinde Verfahren potentiell zur Auflösung einiger
oder aller gleichzeitigen Benutzer und der Gleichkanalstörung (CCI)
in einer Kollision angewendet werden können. In diesem Fall kann die bekannte
Trainingssequenz ignoriert werden und es können einige allgemeine Signaleigenschaften,
wie beispielsweise der Konstant-Modulus, herangezogen werden. Die
Nachteile dieses Ansatzes sind, dass die Gesamtzahl der Signale
hoch sein kann (gleichzeitige Benutzer, CCI und ihre mehrfachen
Wege) und eine umfassende Datenmenge erforderlich ist, um lokale
Minima einer Optimierungsfunktion zu vermeiden. Für gewöhnlich gilt
letzteres nicht für
Mobilfunkkommunikationssysteme, wenn nur eine begrenzte Menge an
Daten, die in konstanten Zuständen
empfangen werden, verfügbar
ist.
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In 3 wird
eine Signalverarbeitungseinheit gemäß der Erfindung dargestellt,
die mehr als einen Benutzer in einer Kollision auflösen kann.
Eine Antenne mit mehreren Zweigen 50 ist mit M raumzeitlichen
Filtern verbunden. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
sind nur zwei, 52 und 54, dargestellt. Die M Filterausgaben
Signalkandidaten SC1 bis SCM sind mit einer Signalauswahlvorrichtung 56 verbunden,
die über
N Ausgaben verfügt,
wobei jede davon mit einer Schätzeinrichtung
für erfasste
Signale verbunden ist. Es sind jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei, 58 und 60,
dargestellt. Die Ausgaben der N Signalschätzeinrichtungen sind mit einer
Auswahlvorrichtung für
andere Signale 62 verbunden.
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Die
Trainingssequenz 64 der Telekommunikationszelle wird einem
trainingsähnlichen
Sequenzcombiner 66 zugeführt, der M verschiedene trainingsähnliche
Sequenzen TLS1 bis TLSM bereitstellt, wobei jede davon einem raumzeitlichen
Filter 52, 54 zugeführt wird. Jedes Filter wendet
denselben Algorithmus an. Dabei kann es sich um irgendeinen der
bekannten trainingsbasierten oder quasi-blinden Algorithmen handeln.
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Wenn
mit erneutem Bezug auf 1 ein Teil des Nutzdatenvolumens
(Payload) für
die Benutzer m, n ausgewählt
wird, wobei die Teile 70, 72 dieselbe Anzahl an
Symbolen aufweisen, ist die Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass
die Informationssymbole unterschiedlich sind. Diese ausgewählten Symbole
werden als trainingsähnliche
Symbole bezeichnet. Es können
also daher verschiedene (linear unabhängige, nicht orthogonale) trainingsähnliche
Sequenzen für
die Auflösung
der entsprechenden Signale verwendet werden.
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Die
Position der trainingsähnlichen
Symbole in dem Nutzdatenvolumen kann entweder ausgewählt werden
oder zufällig
sein. Diese Entscheidung fällt
der Hersteller der Basisstation, in der die Vorrichtung gemäß der Erfindung
eingebaut ist.
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In 3 generiert
der Combiner 66 mit Hilfe der trainingsähnlichen Symbole in dem Nutzdatenvolumen
M verschiedene trainingsähnliche
Sequenzen TLS1 bis TLSM. Jedes Filter 52, 54 schätzt ein
Signal von Antenne 50 mit Hilfe der ihm zugeführten Symbole,
wobei M Ausgaben von Signalkandidaten SC1 bis SCM bereitgestellt
werden, und die Signalauswahlvorrichtung 56N Signalkandidaten
auswählt,
wobei N ≤ M
gemäß einem
der Auswahlkriterien ist.
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Das
Auswahlkriterium kann beispielsweise der Abstand von dem endlichen
Alphabet (FA) oder das mittlere Fehlerquadrat (MSE) sein.
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Die
N ausgewählten
Signale werden jeweils den Schätzeinrichtungen
für erfasste
Signale 58, 60 weitergeleitet, wobei jede eine
Ausgabe zu den erfassten Signalen an die Auswahlvorrichtung für andere
Signale 62 bereitstellt. Die Auswahlvorrichtung 62 eliminiert
die Signale, die doppelt sind, und wählt P Signale aus, wobei P
= 0....N.
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Man
nehme an, dass die Antenne 50 ein Signal empfängt, das
trainingsähnliche
Symbole aus Kollisionssignalen in einem Mehrzugangskanal aufweist.
Man nehme es, es gibt T Informationssymbole und ein endliches Alphabet
(FA) mit h Symbolen, die als trainingsähnliche Symbole ausgewählt werden.
In diesem Beispiel werden alle möglichen
Werte des FA der T Informationssymbolen in den Nutzdatenvolumen
der kollidierenden Signale zur bestehenden Trainingssequenz gemäß 4 für T = 2
und h = 2 verwendet. In 3 wird die Anzahl M der raumzeitlichen
Filter mit M = hT bestimmt.
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Die
Komplexität
der Lösung
beträgt
0(hT).
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Eine
Schätzung
des Abstandes von dem endlichen Alphabet ist als Auswahlkriterium
geeignet. Ein Alternativkrite rium ist das mittlere Fehlerquadrat,
wenn die Menge an Trainingsdaten ausreichend groß ist.
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In 4 werden
vier trainingsähnliche
Sequenzen TLS1 bis TLS4 dargestellt, wobei M = 4 (T = 2) und h =
2 (das binäre
FA).
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Die
Capture-Simulation wurde für
GMSK-Signale (GMSK = Gaussian Minimum Shift Keying, GMSK-Modulation)
berechnet, die von Antennenarrays mit zwei oder vier Zweigen in
einem typischen urbanen GSM-Szenario TU50 mit SNR = 35dB (Signal-Rausch-Verhältnis) und
SIR = 6dB (Signal-Interferenz-Verhältnis) empfangen wurden. In
dieser Simulation wurde angenommen, dass die PRACH-Burststruktur
dem normalen GSM-Burst entspricht. Die übertragenen Bits werden bei
jedem Burst durch Kanalkodierung eines Datenblocks erhalten. Zum
Kanalkodierschema gehört
ein (34, 28) systematischer Code für die zyklische Redundanzprüfung (CRC)
(der 28 Bits an der Eingabe annimmt und 6 Paritätskontrollbits an der Ausgabe
bereitstellt) und ein (3, 1, 5) Faltungscode (Rate 1/3, Einflusslänge 5 Faltungscode).
Das raumzeitliche Filter besteht aus verzweigten FIR-Filtern (FIR
= endliche Impulsantwort) mit fünf
Koeffizienten, die durch den Algorithmus der kleinsten Quadrate
angepasst werden. Die Parameter des Algorithmus sind T = 2 und 4
(bzw. M = 4 und 16).
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In 5 werden drei Beispiele der an der Signalauswahlvorrichtung 56 berechneten
Auswahlstatistik für
eine Antenne mit zwei Zweigen und T = 4 dargestellt. Die Kurvenaufzeichnungen
des Abstands d von dem FA im Vergleich zur Anzahl q der trainingsähnlichen
Sequenz werden dargestellt.
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In 5a findet
keine zuverlässige
Capture statt. In 5b gibt es zwei Benutzer, und
einer davon ist erfasst, was durch das Kurvental angezeigt wird.
In 5c werden beide vorhandenen Benutzer erfasst;
dies wird durch die zwei Kurventäler
dargestellt.
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6 zeigt
simulierte Kurvenaufzeichnungen der Capture-Wahrscheinlichkeit p
im Vergleich zur Anzahl der kollidierenden Benutzer r bei einer
Antenne mit zwei Zweigen. In der oberen Zeile wird die herkömmliche
Lösung
dargestellt, in der mittleren Zeile die Lösung der Erfindung für T = 2,
und die untere Zeile zeigt die Lösung
der Erfindung für
T = 4.
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Die
erste Spalte bezieht sich auf die Capture-Wahrscheinlichkeit für einen
Benutzer p(1). Alle drei Lösungen
können
ohne Schwierigkeiten ein Signal erfassen, wenn nur ein Benutzer
vorhanden ist. Gibt es jedoch mehrere Benutzer, verringert sich
die Capture-Wahrscheinlichkeit
bei allen Lösungen.
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Die
zweite Spalte betrifft die Capture-Wahrscheinlichkeit für zwei Benutzer
p(2). Bei der herkömmlichen
Lösung
kann ein zweiter Benutzer nicht erfasst werden. In der Lösung der
Erfindung, für
T = 2, beträgt die
Capture-Wahrscheinlichkeit für
zwei Benutzer 0,5, und für
T = 4, liegt die Wahrscheinlichkeit bei 0,6.
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Die
dritte Spalte betrifft die Capture-Wahrscheinlichkeit für drei Benutzer
p(3). Bei der herkömmlichen Lösung kann
ein dritter Benutzer nicht erfasst werden. In der Lösung der
Erfindung besteht eine geringe Capture-Wahrscheinlichkeit für diese
Antennenvorrichtung mit zwei Zweigen.
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In 7 werden
Kurvenaufzeichnungen ähnlich
denjenigen in 6 dargestellt, jedoch dieses
Mal für eine
Antenne mit 4 Zweigen. Die Ergebnisse der herkömmlichen Lösung bleiben unverändert. In
der Lösung der
Erfindung beträgt
die Capture-Wahrscheinlichkeit für
zwei Benutzer für
T = 2 jetzt 0,7 und für
drei Benutzer unter 0,1. Beträgt
T jedoch 4, liegt die Capture-Wahrscheinlichkeit für zwei Benutzer über 0,9,
und die Capture-Wahrscheinlichkeit für drei Benutzer bei etwa 0,2.
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Man
betrachte die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nun in einem
paketbasierten Sprachsystem.
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Man
betrachte ein TDMA-basiertes (basiert auf dem Zeitmultiplexverfahren)
System (mit GSM-ähnlicher
Kanalstruktur). Einer der verfügbaren
Kanäle
(Zeitschlitz) wird für
die Aufnahme des PRACH verwendet. Mehrere Benutzer verwenden denselben
Kanal mittels Paketvermittlung. Daher wird der PRACH jedes Mal benutzt,
wenn ein Sprachbenutzer der Basisstation anzeigen muss, dass er
einen Kanal benötigt.
Man nimmt an, dass sich die Dauer der Sprach- und Ruhephasen exponentiell
mit Durchschnittswerten von 1 Sek. bzw. 1,35 Sek. verteilt. Die
Granularität
des PRACH beträgt
5 mSek. Sobald eine MS eine Sprachdatenfolge (einen Talkspurt) generiert,
verschafft sie sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit Zugang
zu einem zufällig
gewählten PRACH-Zeitschlitz.
Zwar gibt es verschiedene Regeln, wie die Zugangswahrscheinlichkeit
kontrolliert wird, jedoch wird in dieser Untersuchung ein einfaches
Verfahren herangezogen, wobei auf jeden PRACH-Zeitschlitz mit einer
konstanten Wahrscheinlichkeit von 3/8 zugegriffen wird. In einem
Zeitraum von 20 mSek. gibt es 4 PRACH-Zeitschlitze und die MS kann
sich mit einer Wahrscheinlichkeit von 3/8 Zugang dazu verschaffen.
War mindestens einer der Zugriffsversuche erfolgreich, wird die
MS von der Basisstation innerhalb der nächsten 20 mSek. darüber informiert.
In diesem Fall wird eine Downlink-Nachricht versendet, die Informationen über das Ergebnis
des Uplink-Zugriffs enthält.
Stehen Kanäle
zur Zuweisung zur Verfügung,
wird die MS darüber
benachrichtigt, welcher Kanal zu wählen ist und mit der Übertragung
der Sprachpakete zu beginnen. Stehen keine Verkehrskanäle zur Verfügung, sendet
die Basisstation eine Warteschleifennachricht an die MS, die diese davon
unterrichtet, dass der Uplink-Versuch erfolgreich war, und ein erneuter
Zugangsversuch seitens der MS auf den PRACH nicht mehr erforderlich
ist.
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Wie
oben bereits erwähnt
ist die Zugangsphase bei Echtzeitdiensten sehr rasch abzuschließen, da sich
Verzögerungen
beim Uplink-Zugriff direkt in einem Abfall der Serviceleistung niederschlagen.
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Zugriffsversuch nicht innerhalb
von 60mSek. abgeschlossen werden kann, wird als Leistungsindex gewählt. Die
Leistungen
- a) eines Systems ohne Capture-Fähigkeiten,
- b) eines Systems, das einen herkömmlichen Algorithmus anwendet,
und
- c) eines Systems, das das Verfahren der Erfindung anwendet
werden
untersucht.
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Für sowohl
Uplink als auch Downlink wird davon ausgegangen, dass die erforderliche
Signalgebung bei 28 Datenbits liegt, die mittels Kanalkodierung
auf einem übertragenen
Burst abgebildet werden. Als Beispiel eines Codierschemas wird ein
(34, 28) systematischer Blockcode für die zyklische Redundanzprüfung (CRC)
betrachtet, der 6 Paritätskontrollen
aus jedem 28-Bits-Block
liefert. Die sich ergebenden 34 Bits plus 4 zusätzliche Tail-Bits werden sodann
durch eine Rate 1/3 geschützt,
Einflusslänge
5 Faltungscode. Die 2 × 57 =
114 verschlüsselten
Datenbits werden schließlich
in einem Burst mit 2 × 4
Tail-Bits und einer 26-Bits-Trainingssequenz übertragen.
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Aus
Gründen
der Einfachheit wird eine „Capture-Matrix" eingeführt, die
die Capture-Eigenschaften eines Kanals beschreibt. Bis zu 3 Nachrichten
können
erfolgreich aufgelöst
werden. Man nimmt ebenfalls an, dass, wenn mehr als 5 gleichzeitige Übertragungen
in demselben PRACH-Burst stattfinden, alle Nachrichten beschädigt sind.
Die Elemente der Capture-Matrix P = [p(m,n)]3×5 sind
wie folgt definiert:
p(m, n) = Pr{ m erfolgreiche Nachrichten
| n gleichzei tige Zugriffe}
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Findet
keine Capture statt, wird angenommen, dass alle Zugriffsnachrichten
beschädigt
sind, wenn mehr als eine MS gleichzeitig auf denselben PRACH-Zeitschlitz
zugreifen. Ferner gilt für
alle Uplink-Übertragungen
eine Blockfehlerrate von 1% und für alle Downlink-Übertragungen
eine Blockfehlerrate von 0,4%. In diesem Fall ergibt sich für die Capture-Matrix:
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Im
zweiten Fall betrachtet man einen herkömmlichen Algorithmus. Die Downlink-Blockfehlerrate
beträgt
0,4%. Für
die Capture-Matrix in diesem Fall (nach Simulation des Capture-Verfahrens
für SRN
= 35dB und SIR = 6dB und 2 Empfängerantennen
bestimmt) gilt nach den Kurvenaufzeichnungen in der ersten Zeile von
6:
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Wie
man an Hand der Capture-Matrix erkennen kann, ist es zwar möglich, eine
Nachricht aufzulösen, eine
Mehrfacherfassung ist jedoch nicht möglich.
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Schließlich betrachtet
man den Algorithmus gemäß der Erfindung.
Es wurden zwei Fälle
untersucht, wobei jeweils 2 Antennen verwendet wurden. Im ersten
Fall, bei dem zwei trainingsähnliche
Symbole verwendet werden, gilt für
die Capture-Matrix gemäß den Kurvenaufzeichnungen
in der zweiten Zeile von
6:
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In
dem Fall in dem 4 trainingsähnliche
Symbole verwendet werden, gilt für
die Capture-Matrix gemäß den Kurvenaufzeichnungen
in der dritten Zeile von
6:
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Die
Ergebnisse der Systemsimulationen werden in 8 dargestellt,
wobei die Wahrscheinlichkeit eines missglückten Zugriffs innerhalb von
60mSek. als Funktion der Anzahl an gleichzeitigen Benutzern (Anrufe) im
System dargestellt ist. Die vier Kurven zeigen keine Capture (NC);
herkömmlichen
Algorithmus (CA); und Kurvenaufzeichnungen gemäß der Erfindung für trainingsähnliche
kleinste Quadrate (TLLS) für
eine Antenne mit zwei Zweigen und T = 2 oder T = 4 (TLLS (2, 2)
und TLLS (2, 4)). Diese Ergebnisse zeigen eindeutig die überragende
Leistung 10, die erzielt wird, wenn der Algorithmus der Erfindung
angewendet wird.
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In
der folgenden Tabelle werden die Ergebnisse zusammengefasst und
die Höchstzahl
der Anrufe wird dargestellt, die von einem PRACH unterstützt werden
kann, wenn die Wahrscheinlichkeit für einen misslungenen Zugriff
nicht über
einem Wert von 0,01 liegt.
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Schließlich sei
erwähnt,
dass die Verwendung von 4 Antennen zu einer noch besseren Leistung
führen würde, als
in den in 7 dargestellten Capture-Wahrscheinlichkeiten
dargestellt.
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In 9 wird
ein GSM-Übertragungsgerät 70 und
ein Empfänger 72 dargestellt.
Das herkömmliche Übertragungsgerät umfasst
zwei sprach- oder zeitkritische Datenquellen m, n, ein Kodiergerät 76,
einen Interleaver 78 und ein Kanalauswahlgerät 80,
das an mehrere Kanäle 82 Signale
aussendet. Im Empfänger 72 durchläuft ein
Signal, das von einem Antennenarray 50 empfangen wird,
eine Signalverarbeitungseinheit zur Kollisionsauflösung 48 gemäß der Erfindung
weiter zu einem Deinterleaver 84, einem Dekodiergerät 86 und einer
Senke 88.
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Wenngleich
die Erfindung mit Bezug auf einen PRACH und Sprachbenutzer beschrieben
wurde, lässt sie
sich auf für
andere Mehrzugangskanäle,
in denen es zu Kollisionen kommen kann, und für Daten, die zeitkritisch sind,
wie beispielsweise Echtzeitvideos, verwenden. Die Erfindung zeigt
eine Wahrscheinlichkeit der Kollisionsauflösung für zwei oder mehr Benutzer im
Vergleich zu herkömmlichen
Anordnungen, bei denen eine Kollisionsauflösung in einem Mehrzugangskanal
nicht möglich
ist.
