DE60128557T2 - Verfahren zur signalverarbeitung in einem endge-rät eines cdma-mobilkommunikationssystems - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die zellulare CDMA-Mobilfunkkommunikationstechnologie und insbesondere ein Verfahren zur Signaldetektion und -verarbeitung in einem zellularen CDMA-Spreizspektrum-Mobilfunkkommunikationssystem. Das Verfahren ist eine Kombination aus Zeit-Diversity und Mehrbenutzerdetektion.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• In einem zellularen CDMA-Spreizspektrum-Mobilfunkkommunikationssystem, besonders in einem Mobilfunk-Kommunikationssystem mit Zeitduplex (TDD) und Codemultiplex-Mehrfachzugriff, können grundsätzlich sowohl eine Basis-Sendeempfängerstation (BTS) als auch eine Teilnehmereinrichtung (UE) Zeit-Diversity-Verfahren zur Überwindung von Mehrweg- und Mehrfachzugriffsstörung einsetzen, um das Leistungsvermögen des Systems zu steigern, und einen Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus als grundlegendes Signaldetektionsverfahren einsetzen, um Mehrfachzugriffsstörung (MAI) und Intersymbolstörung (ISI) zu unterdrücken. Insbesondere kann die BTS-Seite eine intelligente Antennentechnologie einsetzen. In diesem Fall wird durch die Verwendung mehrerer Antenneneinheiten ein Raum-Diversity-Gewinn erzielt, und mit einem entsprechenden Strahlsynthetisierungsalgorithmus wird die Empfangsempfindlichkeit gesteigert (man kann dies als gleichzeitige Verringerung der Störung und Unterdrückung weißen Rauschens verstehen). Allerdings wird auf der UE-Seite normalerweise nur eine Antenne zum Empfang verwendet, um Kosten und Größe zu verringern. In diesem Fall können, da keine Mehrfachantennen-Empfangstechnologie verwendet werden kann, Gleichfrequenzstörung und heißes Rauschen nicht durch Raum-Diversity unterdrückt werden, und somit sind der Aufwärtsstrecken- und der Abwärtsstrecken-Empfangsgewinn nicht abgestimmt.
• Speziell in einem zellularen CDMA-Spreizspektrum-Mobilfunkkommunikationssystem, das einen Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus anwendet, kann in der BTS die Mehrweg- und Mehrfachzugriffsstörung in einem Höchstmaß unterdrückt werden, da ein Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus die Mehrweg- und Mehrfachzugriffsstörung schätzen kann, die von allen Teilnehmern in dieser Zelle ausgehen. Allerdings kann in der UE zwar die von den Zellenteilnehmern ausgehende Meterweg- und Mehrfachzugriffsstörung durch Verwendung eines Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus in einem Höchstmaß unterdrückt werden, aber für die Teilnehmer am Zellenrand kann der Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus nicht das Signal schätzen und unterdrücken, das mit der gleichen Frequenz von der Nachbarzelle ausgeht und dem System als Rauschen beigefügt wird. Dieses Signal verringert das Leistungsvermögen des Systems sehr stark, und der Rauschkoeffizient des Empfängers begrenzt die Empfangsempfindlichkeit. In diesem Fall wird, wenn es kein geeignetes Signalverarbeitungsverfahren gibt, die Fehlerrate des Empfangssignals stark erhöht, und die Kommunikation kann sogar unterbrochen werden.
• Zwar können Leistungssteuerung und intelligente Antennenalgorithmen die von Nachbarzellen ausgehende Störung in einem Höchstmaß unterdrücken, aber ohne ein geeignetes Verfahren zur Steigerung des UE-Empfangsgewinns wird die Kommunikationsqualität stark verringert, und die Kommunikation kann sogar unterbrochen werden. Soll in einem zellularen CDMA-Spreizspektrum-Mobilfunkkommunikationssystem die gleiche Frequenz multiplexiert werden, ist die einzige Möglichkeit, dies zu tun, die Zahl der gleichzeitig aktivierten Arbeitskanäle zu verringern, um die Kommunikationsqualität der UE im Zellen-Überlappungsbereich zu garantieren. Allerdings verringert dies die Systemkapazität.
• Mehrere Algorithmen zur Detektion mit kleinster Standardabweichung (MMSE) von CDMA-Signalblöcken mit Raum- und Zeit-Diversity wurden im Artikel mit dem Titel „A novel fast joint detector for smart antenna based CDMA systems" von Weidong Yang et al. vorgestellt, der 1999 im IEEE-Journal an Signals, Systems, and Computers veröffentlicht wurde.
• Ein Artikel mit dem Titel „Known and novel diversity approaches in a JD-CDMA system concept developed within COST 231" von Anja Klein et al. wurde 1995 im IEEE-Journal an Personal, Indoor and Mobile Radio Communications veröffentlicht. Die Autoren untersuchten die Gewinne, die im Mehrbenutzerdetektions-(JD-)CDMA-Konzept durch unterschiedliche Arten von Diversity erreichbar sind, und zeigten, daß durch unterschiedliche Arten von Antennen-Diversity und durch Ausnutzung des zusätzlichen Diversity-Potentials von CDMA erhebliche Gewinne erzielt werden können.
• Alkussayer H. M. et al. stellten einen Artikel mit dem Titel „Time diversity decorrelator (TDD); a near-far resistant detector for asynchronous CDMA system" vor, 1996 im IEEE-Journal veröffentlicht, der einen nah-fern-festen Detektor für asynchrone CDMA-Systeme offenbart, der auf Kanälen mit zusätzlichem Weißem Gaußschem Rauschen arbeitet.
• Die oben erwähnten Artikel offenbarten die Verwendung von Zeit-Diversity in Kombination mit Mehrbenutzerdetektion.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Um das oben erwähnte Problem zu lösen, ist es nötig, ein Basisband-Verarbeitungsverfahren vorzuschlagen, das die Komplexität der Berechnung nicht erhöht.
• Der Zweck der Erfindung besteht darin, ein Signalverarbeitungsverfahren in einem zellularen CDMA-Spreizspektrum-Mobilfunkkommunikationssystem bereitzustellen. Das Verfahren erhöht den UE-(Empfänger-)Diversity-Gewinn, und wenn es in einem mobilen Endgerät verwendet wird, löst das Verfahren das Problem der nicht aufeinander abgestimmten Aufwärtsstrecke und Abwärtsstrecke. Das Verfahren erfüllt den Zweck der Gleichfrequenz-Multiplexierung, ohne den Rechenaufwand stark zu erhöhen, und wenn es in einer BTS verwendet wird, wird der Empfangsgewinn ebenfalls erhöht.
• Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Signalverarbeitungsverfahren bereitgestellt wie in Anspruch 1 dargelegt. Bevorzugte Merkmale dieses Aspektes werden in Anspruch 2 dargelegt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren, das Zeit-Diversity und einen Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus kombiniert, wendet einen optimalen Algorithmus an, der den im Zeitbereich erlangten Diversity-Gewinn verwendet, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Empfangssignals einer Teilnehmereinrichtung zu steigern.
• Ein Signalverarbeitungsverfahren gemäß der Erfindung ist ein Verfahren, das Zeit-Diversity und Mehrbenutzerdetektion kombiniert. Ohne die Komplexität der Berechnung stark zu erhöhen, kann die Teilnehmereinrichtung in einem zellularen CDMA-Spreizspektrum-Mobilfunkkommunikationssystem einen Diversity-Gewinn erlangen, so daß die Empfängerempfindlichkeit gesteigert wird, die Systemkapazität erhöht wird und das Problem des nicht aufeinander abgestimmten Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstrecken-Leistungsvermögens gehst wird. Wie gesagt, kann ein relativ einfacher Algorithmus zur Mehrbenutzerdetektion verwendet werden, da Zeit-Diversity genutzt wird, und somit hat das System, ohne den Gesamt-Rechenaufwand zu erhöhen, ein größeres Störungsunterdrückungs-Leistungsvermögen, verglichen damit, daß nur der Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus verwendet wird. Das Verfahren der Erfindung kann auch einer BTS verwendet werden, um den Empfangsgewinn zu steigern.
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1 ist ein Blockschaltbild des Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus.
• 2 ist eine grafische Darstellung der Burstdatenstruktur in einem TDD-CDMA-Mobilfunkkommunikationssystem.
• 3 ist ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens, das Zeit-Diversity und Mehrbenutzerdetektion kombiniert.
• AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung wird nunmehr hierin nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen verwirklicht werden und sollte nicht so ausgelegt werden, als sei sie auf die hierin erläuterten Ausführungsformen beschränkt; vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung umfassend und vollständig ist und dem Fachmann den Schutzbereich der Erfindung vollständig vermittelt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen überall gleiche Elemente.
• Die Ausführungsform nimmt ein System mit Zeitmultiplex und synchronisiertem CDMA (TD-SCDMA) als Beispiel. Das TD-SCDMA-System wurde vom CWTS vorgeschlagen und ist eine der IMT-2000-Funkübertragungstechnologien.
• 1 zeigt Implementierungsschritte des Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus in einem TD-SCDMA-System. Angenommen, Original-Sendedaten sind d, eine Systemmatrix A stellt Spreizspektrum-, Verwürfelungs- und Raumkanalfunktionen dar, n stellt die Gleichfrequenzstörung zwischen Nachbarzellen und heißes Rauschen dar, dann können die durch die Teilnehmereinrichtung (Empfänger) empfangenen Daten e durch die folgende Formel (1) ausgedrückt werden: e = Ad + n (1)
• Schritt 1 von 1 stellt die Lösung eines Impulsantwort-Schätzwerts h_i aus den empfangenen Abtastdaten e_i dar. In einem TD-SCDMA-System definiert die in 2 gezeigte Burstdatenstruktur die Trainingssequenz-Mittambel für die Kanalschätzung. Die Trainingssequenz-Mittambel befindet sich in einer Zeitschlitzbreite (normalerweise beträgt sie mehrere hundert Mikrosekunden, und in der Figur beträgt sie 675 μs). Vor und nach der Trainingssequenz-Mittambel (deren Länge betragt in der Figur 144 Chips) gibt es Datensymbole (deren Länge betragt in der Figur 352 Chips). Wenn m_i eine durch einen Teilnehmer i gesendete Trainingssequenz-Mittambel darstellt, e_mid eine empfangene Trainingssequenz-Mittambel darstellt und n_m die Rauschstörung bei der Trainingssequenz-Mittambel darstellt, dann gibt es die folgende Formel:

  

  wobei das Symbol ⊗ die Faltung darstellt.
• Der Schätzwert der Kanal-Impulsantwort h_i im Empfangsteil der UE kann durch Formel (3) gelöst werden:

  
• Die Matrix G in Formel (3) ist eine Koeffizientenmatrix, die durch die Trainingssequenz-Mittambel jedes Teilnehmen erzeugt wird.
• In 1 stellen die Schritte 1 und 2 die Prozedur zum Erlangen des Impulsantwort-Schätzwerts h_i auf der UE-Seite und die Prozedur zur Erzeugung der Systemmatrix A_i durch den erlangten h_i bzw. den Teilnehmer-Spreizspektrumcode der UE dar. (Die Technologie zur Erzeugung der Systemmatrix A_i wird in einem anderen Patent des Erfinden offenbart).
• Der Zweck der Mehrbenutzerdetektion besteht darin, d gemäß e und A zu schätzen. Schritt 3 in 1 ist eine Implementierung der Mehrbenutzerdetektion, das heißt der Schätzung des Sendesignals. Es gibt verschiedene Algorithmen, um die Schätzung von d_est zu implementieren, einschließlich: dest = (diag(A*T A))–1 A*T e (4)oder dest = (A*T A)–1 A*T e (5)und so weiter, wobei *T die konjugierte Transposition darstellt und diag ein Symbol für eine Diagonalmatrix ist.
• Wenn man Formel (5) als ein spezifisches Algorithmenbeispiel ansieht, so beschreibt sie das Kombinationsverfahren von Zeit-Diversity und Mehrbenutzerdetektion.
• Mit Bezug auf 3 umfaßt das Verfahren der Erfindung, das Zeit-Diversity und Mehrbenutzerdetektion kombiniert, die folgenden Schritte:
• 1) Die UE nimmt den i-ten Abtastwert des Empfangssignals e im Zeitbereich und erlangt Abtastdaten e_i;
• 2) Erlangen des Impulsantwort-Schätzwerts eines Raumkanals, der den Abtastdaten e_i entspricht, und Erlangen des Schätzwerts für die Raumkanal-Impulsantwort h_i;
• 3) Erlangen der Matrix A_i aus dem erlangten Schätzwert für die Raumkanal-Impulsantwort h_i;
• 4) Insgesamt M-maliges Wiederholen der Schritte 1), 2), 3), das beißt, nach M-maligem Abtasten eines Empfangssignals können die Abtastdaten durch e_i, i = 1, ..., M ausgedrückt werden. Im Empfangssignal kann der Teil, welcher der Trainingssequenz-Mittambel entspricht, als e_{mid -i}, i = 1, ..., M ausgedrückt werden. Gemäß Formel (3) können nach dem M-maligen Abtasten des Empfangssignals M Schätzwerte für die Raumkanal-Impulsantwort h_i, i = 1, ..., M erlangt werden. Dann können gemäß den M Schätzwerten für die Raumkanal-Impulsantwort h_i M Matrizen A_i erlangt werden;
• 5) Bilden einer Systemmatrix A aus den M Matrizen A_i;
• 6) Ausführen eines Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus auf der Grundlage der Systemmatrix A und Erlangen eines Schätzwerts der Original-Sendedaten. Wenn einfach Formel (5) für die Berechnung verwendet wird, können M Schätzwerte der Original-Sendedaten d_i, i = 1 ... M erlangt werden. Dann werden diese M Schätzwerte d_i mit der folgenden Formel verarbeitet:
  
• Gemäß dem Vorzeichen von d_sum wird eine Entscheidung getroffen, dann werden die Original-Sendedaten wiederhergestellt. Mit Formel (6) wird der Diversity-Gewinn gesteigert, aber gleichzeitig wird der Verarbeitungsaufwand um das M-fache erhöht. Um den Diversity-Gewinn m steigern, ohne den Verarbeitungsaufwand zu erhöhen, wendet die Erfindung das folgende Verfahren an: Angenommen: Asum = (A1 T, A2 T, ..., AM T)T (7) esum = (e1 T, e2 T, ..., eM T)T (8)
• Dann kann ein Schätzwert der Original-Sendedaten folgendermaßen ausgedrückt werden:

  
• Beim Vergleich der Formeln (6) und (9) ist zu sehen, daß Formel (9) die Berechnung von Matrix-Inversionen, die einen größeren Verarbeitungsaufwand erfordert, stark verringert. Daher wird der Gesamt-Verarbeitungsaufwand von Formel (9) im Vergleich zu Formel (6) starker verringert.
• Wenn die Abtastzahl M großer ist, kann die Formel (4) verwendet werden, die Zeit-Diversity und Mehrbenutzerdetektion kombiniert, nämlich:

  
• Der Verarbeitungsaufwand von Formel (10) ist niedriger als der von Formel (9). Wenn M einen geeigneten Wert annimmt, ist der Verarbeitungsaufwand von Formel (10) nahe dem Verarbeitungsaufwand von Formel (5), aber das Leistungsvermögen von Formel (10) ist besser als das von Formel (5).
• Aus der obigen Analyse ist ersichtlich, daß unter Verwendung des durch die Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens wegen der Kombination von Zeit-Diversity und Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus das Problem des nicht abgestimmten Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstrecken-Empfangsgewinns gelöst werden kann und das Signal-Rausch-Verhältnis des UE-Empfangssignals gesteigert werden kann, ohne den Verarbeitungsaufwand zu erhöhen. Infolgedessen wird in einem zellularen CDMA-Spreizspektrum-Mobilfunkkommunikationssystem die Gleichfrequenz-Multiplexierung von Nachbarzellen implementiert, ohne die Kommunikationsqualität zu verringern.
• Obwohl die Ausführungsform der Erfindung für eine auf einem TD-SCDMA-System beruhende UE ausgelegt ist, kann sie direkt in anderen CDMA-Systemen mit TDD-Betriebsart verwendet werden, wie etwa UTRA-TDD, einem anderen CDMA-TDD-System in IMT-2000. Die Erfindung kann außerdem direkt in einer BTS eines CDMA-TDD-Systems verwendet werden. Nach geeigneter Überarbeitung kann die Erfindung in vollem Umfang in einer UE und einer BTS eines anderen CDMA-Mobilfunkkommunikationssystems verwendet werden, das einen Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus anwendet.

Claims (2)

1. Signalverarbeitungsverfahren in einem Mobilfunk-Kommunikationssystem mit Codemultiplex-Mehrfachzugriff, mit den folgenden Schritten: A. Abtasten eines empfangenen Signals zu M Zeitpunkten im Zeitbereich, dann Erlangen von M abgetasteten Datenelementen e_i; B. Schätzen der Raumkanalimpulsantwort für jedes abgetastete Datenelement e_i, das bei jeder Abtastung erlangt wird, dann Erlangen von M Schätzwerten für die Raumkanalimpulsantwort h_i; C. Erlangen von M Systemmatrizen A_i aus jedem erlangten Schätzwert für die Raumkanalimpulsantwort h_i und dem Teilnehmer-Spreizspektrumcode der Teilnehmereinrichtung; D. Ausführen eines Mehrbenutzerdetektionsalgorithmus entsprechend der Systemmatrix A_i und Erlangen eines Originalsendedaten-Schätzwerts d_est, wobei i = 1 ... M; wobei der Originalsendedaten-Schätzwert d_est unter Verwendung der folgenden Formeln geschätzt wird:

   

   wobei A_sum = (A₁ ^T, A₂ ^T ... A_M ^T)^T, e_sum = (e₁ ^T, e₂ ^T ... e_M ^T)^T, *T für "konjugiert transponiert" steht und diag ein Diagonalmatrix-Symbol ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Raumkanalimpulsantwort-Schätzwert h_i erlangt wird, indem zuerst die Formel

   

   und dann die Formel h_i = G^–1e_mid verwendet wird; wobei ⊗ die Faltung darstellt, e_mid die durch die Teilnehmereinrichtung empfangene Trainingssequenz-Mittambel ist, G die durch die Trainingssequenz-Mittambel der Teilnehmereinrichtung erzeugte Koeffizientenmatrix ist, m_i eine durch die i-te Teilnehmereinrichtung gesendete Trainingssequenz-Mittambel ist und n_m die Rauschstörung bei der Trainingssequenz-Mittambel darstellt.