DE69533142T2

DE69533142T2 - Verfahren zur synchronisierung von sender und empfänger in mobilen funksystemen

Info

Publication number: DE69533142T2
Application number: DE69533142T
Authority: DE
Inventors: Bo ENGSTRÖM; Mikael Isaksson; Roger Larsson; Sven-Rune Olofsson; Michael UNNEBÄCK; Göran ÖQVIST; Christer Östberg; Lennart Olsson
Original assignee: Telia AB
Current assignee: Telia AB
Priority date: 1994-11-29
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2015-11-22
Also published as: EP0795239B1; WO1996017455A1; US6084871A; SE9404121D0; DE69533142D1; SE9404121L; EP0795239A1; DK0795239T3; EP0795239B9; SE502656C2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft die Synchronisation von MC/DS-CDMA-Systemen. Die Erfindung betrifft demgemäss mobile Funksysteme mit Vielfachträger/Direktsequenz codegeteiltem Zugriff, MC/DS-CDMA (Multicarrier/direct sequence divided multiple access). Die Technik ist eine Kombination von OFDM, orthogonalem Frequenzteilungsmultiplex (orthogonal frequency division multiplexing) und traditionellen DS-CDMA, Direktsequenz CDMA.
STAND DER TECHNIK
Es ist vorbekannt, Informationen in einem Datenkanal zu übertragen, wo die digitale Information in eine Anzahl unterschiedlicher Blöcke aufgeteilt ist. Die Blöcke sind durch Sicherheitsabstände getrennt. Die Aufgabe der Sicherheitsabstände ist es, mit der Zeitdispersion auf dem Kanal fertig zu werden. Weiter ist es bekannt, einen Pilotkanal mit der selben Blockaufteilung und den selben Sicherheitsabständen wie beim Datenkanal vorzusehen. Sendeeinheiten senden eine zyklische Pilotsequenz, die innerhalb des Bereiches, den man abhören kann, eindeutig ist.
Eine Basisstation sendet immer eine eindeutige Pilotsequenz. Dies bewirkt, dass eine kürzlich eingeschaltete Mobilstation die Basisstation/Basisstationen identifiziert, die innerhalb des Bereiches sind, in den hineingehört werden kann. Eine Mobilstation sendet einen von zwei unterschiedlichen Typen von Pilotsequenzen. Eine sogenannte Frequenz mit wahlfreiem Zugriff wird gesendet, wenn eine Mobilstation eine Verbindung zu einer Basisstation aufbauen will. Dadurch, dass die Sequenz mit wahlfreiem Zugriff nur für diesen Zweck verwendet wird und da sie eindeutig ist für jede Mobilstation, weiß die Basisstation, dass eine Mobilstation eine Verbindung zu ihr einrichten möchte. Den anderen Typ von Pilotsequenz sendet die Mobilstation während einer eingerichteten Verbindung. Der Mobilstation sind beide Sequenzen der Aufwärtsverbindung von der Basisstation gegeben.
Im deutschen Patentdokument DE 34 01 727 ist ein TDM-System zum Senden von digitaler Information beschrieben, das einen Synchronisationskanal verwendet. Der Synchronisationskanal kann auch andere Informationen enthalten, z. B. Informationen über andere aktive Kanäle.
Im europäischen Patentdokument EP 606941 ist eine Vorrichtung für Synchronisierung eines lokalen Oscillators in einem OFDM-System beschrieben.
Das Dokument WO 92/5646 beschreibt Empfang von OFDM-Signalen. Um Synchronisierung zu erzielen, wird eine Multiplikation mit dem komplex Konjugierten einer bekannten Bezugsgröße durchgeführt.
Im Dokument WO 92/16063 ist Empfang und Synchronisierung in einem OFDM-System beschrieben. Gemäss dem Dokument werden Bezugszeichen wenigstens einen Träger vom Rand des Frequenzrasters und wenigstens zwei Träger von anderen Bezugszeichen angeordnet.
Das europäische Dokument EP 218966 beschreibt ein TDMA-System, das für Funkübertragung beabsichtigt ist. Um eine so gut wie mögliche Synchronisation zu erzielen, wird ein besonderes Signal in jeden freien Zeitschlitz eingeführt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Bei Übertragung von paketvermittelten Digitalsignalen einer sendenden und einer empfangenen Ausrüstung in einem Kommunikationssystem ist es notwendig, die Möglichkeit zu haben, die Signalübertragung zu synchronisieren, um nutzbare Informationen in der empfangenen Ausrüstung zu erhalten. Für den Nachrichtentransport zwischen dem Sender und dem Empfänger ist eine Mehrzahl von Zugangsmethoden entwickelt worden, von denen MC/DS-CDMA eine ist. Das Verfahren ist eine Kombination von OFDM und traditionellen DS-CDMA.
In einem OFDM-System werden die Pilotfrequenzen häufig lang, z. B. N = 512 und 1024. Solche langen Korrelationen sind möglich, jedoch sehr umfangreich mit Hilfe von digitaler Hardware für Faltung zu implementieren. Da man in einem OFDM-System immer die Signale sowohl in der Zeit- als auch der Frequenzebene zur Verfügung hat, ist es attraktiv, die Korrelation mit Hilfe von Multiplikation in der Frequenzebene zu implementieren. Ein Verfahren, das N*N komplexe Multiplikationen pro Rahmen verlangt, wird dann durch ein anderes ersetzt, das N komplexe Multiplikationen pro Rahmen erfordert. Dies ist jedoch nicht leicht durchzuführen, da das OFDM-System mit Sicherheitsabständen (Δ) arbeitet. Die Fouriertransformation des Datenkanals wird mit der Blocklänge N durchgeführt. Wenn der Pilotkanal mit dem Datenkanal synchron ist, ist der Pilotkanal zyklisch mit dem Wiederholungsabstand N + Δ. Um die Korrelation in der Frequenz ebene durchzuführen, muss man eine Blocklänge verwenden, die gleich dem Wiederholungsabstand ist. Mit diesem Abstand kann man demgemäss nicht den selben Block für die Daten für die Fouriertransformationen verwenden, und das Verfahren ist daher nicht benutzbar.
Es ist daher wünschenswert, Verfahren zu finden, wo die selbe Blocklänge sowohl im Datenkanal als auch im Pilotkanal verwendet werden kann. Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, das oben angedeutete Problem zu lösen.
DIE LÖSUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für Synchronisation von MC/DS-CDMA-Systemen. Die Information wird in einem Datenkanal in Blöcken übertragen, die durch Sicherheitsabstände getrennt sind. In einem weiteren Kanal sind Blöcke angeordnet, die einander succesive ohne Sicherheitsabstände zwischen den Blöcken folgen. Die Blöcke in den weiteren Kanälen sind in Beziehung auf die Blöcke im Datenkanal angeordnet, wobei die Beziehung zwischen den Blöcken die Position des Datenkanals anzeigt, und es wird Synchronisation des Empfängers und des Senders erzielt.
Die Erfindung bezieht sich demgemäss auf ein System, wobei Sender und Empfänger bei einem mobilen Funksystem Informationen digital in Rahmen übertragen. Eine Anzahl von Rahmen bildet einen Block, und unterschiedliche Blöcke im Datenkanal sind durch Sicherheitsabstände getrennt. Ein Synchronisations- und ein Pilotkanal werden geschaffen. Die Information in diesen Kanälen wird in Blöcke aufgeteilt, und die Blöcke werden in direkter Sequenz nacheinander ohne Sicherheitsabstände zwischen Blöcken angeordnet. Die Blöcke im Pilotkanal sind in Bezug auf die Blöcke im Datenkanal verschoben. Die Information in den Blöcken im Synchronisationskanal zeigt die Beziehung der Blöcke zum Datenkanal an, und Blöcke des Pilotkanals sind mit den Blöcken des Synchronisationskanals synchronisiert, sodass die Beziehung der Blöcke zueinander die Position des Datenkanals identifiziert, und Synchronisation von Empfänger und Sender wird erreicht.
Die Information im Synchronisations- und Pilotkanal ist zyklisch. Die Blöcke im Datenkanal und im Pilotkanal haben die selbe Länge. Der Zyklus des Synchronisationskanals entspricht einer gewissen Anzahl von Blöcken im Datenkanal.
Informationen in den Blöcken in dem Synchronisationskanal zeigt die Beziehung des Blocks zum Datenkanal an. Dekodierung der Information im Synchronisationskanal zeigt die Position des Datenkanals an. Die Blöcke des Pilotkanals sind nacheinander ohne Sicherheitsabstände zwischen den Blöcken angeordnet. Die Blöcke des Pilotkanals sind mit den Blöcken im Synchronisationssignal synchronisiert, wie dies oben erwähnt wurde.
Die Blöcke des Pilotkanals werden zyklisch mit einer Periode wiederholt, die der Länge eines Blocks im Datenkanal entspricht. Die Position des Pilotkanals zeigt die Position des Synchronisationskanals an. Dieselben Blöcke und Daten werden für Dekodieren von Informationen und Synchronisation verwendet, was dadurch ermöglicht wird, dass der Länge der Blöcke im Datenkanal und im Pilotkanal dieselbe Länge gegeben ist. Das System ist ein MC/DS-CDMA-System.
Die Erfindung bezieht sich demgemäss auf ein Verfahren in mobilen Funksystemen für Synchronisation von Sender und Empfänger. Das System bezieht sich auf ein MC/DS-CDMA- System. Im System wird Information digital in Rahmen übertragen, und es werden ein Datenkanal, ein Pilotkanal und ein Synchronisierungskanal geschaffen. Im Datenkanal sind die Blöcke D0, D1, D2 usw. durch Sicherheitsabstände Δ getrennt. Im Pilot- bzw. Synchronisationskanal ist die Information in synchronen Blöcken angeordnet. Der Wiederholungsabstand des Pilotkanals, A, entspricht der Länge eines der Datenblöcke D0. D1, D2 usw. Der Wiederholungsabstand des Synchronisationskanals, S, entspricht einer Anzahl von Blöcken im Datenkanal. Im Synchronisationskanal wird Information in die Blöcke eingeführt und zeigt ihre Beziehung zum Datenkanal an. Identifizierung der Position des Pilotkanals zeigt die Position des Datenkanals an, und Information im Synchronisationskanal zeigt die Position des Datenkanals an.
VORTEILE
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass Korrelation mit Hilfe von Multiplikation in der Frequenzebene mit N komplexen Multiplikationen pro Rahmen durchgeführt werden kann. Dies sollte mit N*N komplexen Multiplikationen verglichen werden, die in anderen Fällen erforderlich wären.
Die Fouriertransformation wird auf dem Datenkanal und dem Pilotkanal auf Blöcken derselben Länge durchgeführt. Im normalen Fall muss die Fouriertransformation an unterschiedlichen Längen von Blöcken im Datenkanal und entsprechend für den Pilotkanal durchgeführt werden.
Außerdem verwendet man dieselben Blöcke der Daten für die Fouriertransformation auf den Kanälen.
Der Synchronisationskanal zeigt eine relative Beziehung zu den Rahmen im Datenkanal an. Dies wird verwendet, um anzuzeigen, wo sich der Datenkanal im Moment befindet.
Der Pilotkanal zeigt die Position des Synchronisationskanal an. Außerdem werden die selben Daten für Information, Dekodierung und Synchronisation verwendet.
BESCHREIBUNG VON FIGUREN
Es zeigen:
1 Blockaufteilung für einen Datenkanal mit den Blöcken D1, D2, D3 usw. die durch einen Sicherheitsabstand Δ getrennt sind;
2 einen Datenkanal mit den Blöcken D0, D1, D2 usw., die durch einen Sicherheitsabstand Δ getrennt sind. Weiter ist ein Pilotkanal mit den Blöcken P0 gezeigt, die direkt aufeinander folgen. Zusätzlich ist in der Figur ein Synchronisationskanal mit den Blöcken S0, S1, S2 usw. gezeigt;
3 im Prinzip eine Basisstation, BS und eine Mobilstation, MS.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren und die darin verwendeten Bezeichnungen beschrieben.
In einem mobilen Funksystem sind gemäss 3 Basisstationen BS angeordnet. Die erwähnten Basisstationen kommunizieren mit mobilen Stationen, MS. Information wird digital in Rahmen übertragen. MC/DS-CDMA bedeutet Vielfachträger/Direktsequenz codegeteilter Vielfach-Zugriff (Multi Carrier/Direct Sequence Code Dicided Multiple Access).
Diese Technik ist eine Kombination von OFDM, orthogonalem Frequenzteilungsmultiplexen (Orthogonal Frequencey Division Multiplexing) und traditionellem DS-CDMA (Direktsequenz CDMA). Das Prinzip für MC/DS-CDMA beruht darauf, dass die Information in Rahmen aufgeteilt ist. Die übertragenen zeitgetrennten Signale s_k(i) für den Rahmen k mit der Länge T und mit N Abtastung, können beschrieben werden als:
Wobei i = (N – Δ, .., (N – 1), 0 ... (N – 1).
Ein Rahmen Fk wird dann dargestellt durch: Fk = [sk (N – Δ), ... sk (N – 1), sk (0), ... sk (N – 1)].
Δ bildet eine sogenannten Sicherheitsabstand, der darauf zielt, mit der Zeitdispersion auf dem Kanal fertig zu werden. Damit eine FFT durchgeführt werden kann, dann N = 2^p, wo I eine ganze Zahl ist. Die Anzahl von Zeichen, die pro Rahmen übertragen wird, wird durch M bezeichnet. Die Beziehung zwischen der totalen Anzahl von Unterträgern N und der Anzahl von Unterträgern, über die jedes Zeichen ausgebreitet ist (der Verteilungsfaktor) R wird dann angezeigt durch MR = N – l
N – l ist die Anzahl von Unterträgern, die in einem Rahmen aktiv sind, d. h. Informationsträger. Demgemäss ist dann die Anzahl von unaktiven Unterträgern l (klein geschriebenes L). c_n ist die Verteilungssequenz, durch die jedes Zeichen verteilt ist. Diese kann über jedes Zeichen wiederholend sein oder dieselbe Länge wie der Rahmen haben. Die Funktion ξ_k(f_n) führt das Verschachteln in der Frequenzebene gemäss einem geeigneten ausgewählten Algorithmus durch. Die Kombination zwischen der letzten Summe in der Formel ξ_k(f_n) trägt der Formung der Spektren mit einem notwendigen Durchlassband neben den aktiven Unterträgern Rechnung, damit man danach im Stande ist, Nyquist-Kopien wegzufiltern.
Die Technik soll in einem zellularen System für mobile Funkkommunikation mit vollem Duplex verwendet werden, wo die Verbindung von der stationären Einheit (der Basisstation, BS) zur mobilen Einheit (der mobilen Station, MS) als die Abwärtsverbindung bezeichnet wird. Die umgekehrte Richtung wird die Aufwärtsverbindung genannt.
Das Synchronisationsverfahren beruht darauf, dass jede Aufwärtsverbindung oder Abwärtsverbindung aus wenigstens zwei kodierten physikalischen Kanälen besteht. Diese werden Datenkanal und Pilotkanal gemäss 1 genannt. Jede sendende Einheit, Basisstation oder Mobilstation, sendet eine zyklische Pilotsequenz, die eindeutig innerhalb des Bereiches ist, in den hineingehört werden kann.
In dem Datenkanal werden die Blöcke D0, D1, D2 usw. genannt, die durch Sicherheitsabstände Δ getrennt sind. Weiter ist ein Pilotkanal mit den Blöcken P0 angeordnet, wo ein Sicherheitsabstand Δ zwischen den Blöcken fehlt.
Eine Basisstation sendet immer eine eindeutige Pilotsequenz. Dies ermöglicht es, dass eine kürzlich eingeschaltete Mobilstation die Basisstation/Stationen identi fiziert, die sich innerhalb des Abdeckungs- oder Versorgungsbereichs befinden. Eine Mobilstation sendet einen von zwei unterschiedlichen Typen von Pilotsequenz. Eine sogenannte Sequenz mit wahlfreiem Zugriff wird von einer Mobilstation gesendet, die eine Verbindung mit einer Basisstation herstellen wird. Da die Sequenz mit wahlfreiem Zugriff nur für diesen Zweck verwendet wird und eindeutig für jede Basisstation ist, weiß die Basisstation, dass eine Mobilstation mit ihr in Kontakt treten will. Der andere Typ von Pilotsequenz wird von der Mobilstation während einer hergestellten Verbindung gesendet. Die Sequenz ist eindeutig für jede sendende Mobilstation. Beide Aufwärtsstreckensequenzen sind der Mobilstation durch die Basisstation mitgeteilt worden. Zuordnung der Aufwärtsstreckensequenz wird gemäss Verfahren durchgeführt, die Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt sind.
Damit man im Stande ist, eine Pilotsequenz zu finden, und damit man auch danach im Stande ist, diese Sequenz für Synchronisation in Zeit und Frequenz und für Kanaleinschätzung auch zu verwenden, muss man im Empfänger in einem OFDM-System Korrelationen durchführen, wobei die Pilotsequenzen lang werden, z. B. 512 oder 1024. Solche langen Korrelationen sind möglich, aber umfangreich mit Hilfe von digitaler Hardware für Faltung einzurichten. Da die Signale in einem OFDM-System immer sowohl in der Zeit- als auch der Frequenzebene zur Verfügung stehen, ist es wünschenswert, die Korrelation mit Hilfe von Multiplikation in der Frequenzebene durchzuführen. In diesem Fall tauscht man ein Verfahren, dass N*N komplexe Multiplikationen pro Rahmen erfordert, gegen ein anderes Verfahren mit N komplexen Multiplikationen pro Rahmen aus. Dies in einem OFDM-System durchzuführen, ist jedoch nicht einfach, wenn Sicherheitsabstände verwendet werden. Die Fouriertransformation des Datenkanals wird mit einer Blocklänge N durchgeführt. Wenn der Pilotkanal synchron mit dem Datenkanal ist, ist der Pilotkanal zyklisch, und der Wiederholungsabstand ist N + Δ. Um Korrelationen in der Frequenzebene durchzuführen, hat man eine Blocklänge, die gleich dem Wiederholungsabstand ist. Die Anordnung erlaubt daher nicht Verwendung derselben Blocklänge von Daten für die Fouriertransformationen, und das Verfahren ist daher nicht praktisch zu verwenden.
Die fundamentale Idee der Erfindung ist in 2 gezeigt. In diesem Falle wird der Pilotkanal mit sich wiederholendem Abstand N wiederholt, ohne dass irgendein Sicherheitsabstand A hinzugefügt wird. Die Position des Pilotkanals in Beziehung zum Datenkanal wird dann von Rahmen zu Rahmen geändert. In der Figur ist dies aus der Tatsache ersichtlich, dass die Pilotkanäle P0 unterschiedliche Positionen in Beziehung auf die Datenkanäle D0, D1, D2 usw. erhalten. Weiter wird ein Synchronisationskanal eingeführt, wo die Rahmen moduliert sind und unter anderem mit der relativen Position des Rahmens in Bezug auf die Rahmen im Datenkanal markiert sind. In der Figur sind die Synchronisationsrahmen als S0, S1, S2 usw. bezeichnet. Der Synchronisationskanal ist synchron mit dem Pilotkanal. Indem die Position des Pilotkanals identifiziert wird, ist die Position des Synchronisationskanal ebenfalls identifizierbar. Die Information des Synchronisationskanals wird dekodiert, wobei dann die Position des Datenkanals identifizierbar ist. Aufgrund der Tatsache, dass der Wiederholungsstand des Pilotkanals gleich der Blocklänge des Datenkanals ist, ist der selbe Block für Informationsdekodierung und Synchronisation verwendbar.

Claims

Verfahren zur Synchronisierung von Sender und Empfänger in Mobilfunksystemen, wobei Informationsübertragung digital in Rahmen durchgeführt wird und eine Anzahl von Rahmen einen Block erzeugt, wobei Blöcke (D0, D1, D2,...) in einem Datenkanal durch Sicherheitsabstände (Δ) getrennt werden und wobei weitere Kanäle bereitgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kanäle einen Synchronisierungskanal und einen Pilotkanal umfassen, dass die Informationen in den Synchronisierungs- und Pilotkanälen in Blöcke (S0, S1, S2, ...; P0, P1, P2, ...) aufgeteilt werden, die in direkter Reihenfolge nacheinander ohne Sicherheitsabstände zwischen den Blöcken angeordnet sind, dass die Blöcke im Datenkanal und im Pilotkanal dieselbe Länge aufweisen, dass die Blöcke (P0, P1, P2, ...) im Pilotkanal in bezug auf die Blöcke (D0, D1, D2, ...) im Datenkanal versetzt sind, dass die Information in den Blöcken (S0, S1, S2, ...) des Synchronisierungskanals die Beziehung der Blöcke zum Datenkanal anzeigen, und dass die Blöcke (P0, P1, P2, ...) des Pilotkanals mit den Blöcken (S0, S1, S2,...) im Synchronisierungskanal synchronisiert sind, wobei die Pilot- und Synchronisierungskanäle decodiert werden, wodurch die Lage des Datenkanals identifiziert wird und Synchronisation von Empfänger und Sender erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Blöcke (S0, S1, S2, ...) im Synchronisierungskanal in zyklischer Reihenfolge angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zyklus von Blöcken (S0, S1, S2, ...) im Synchronisierungskanal dieselbe Länge wie einer gewissen Anzahl von Blöcken (D0, D1, D2, ...) im Datenkanal gegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Decodierung der Information im Synchronisierungskanal die Lage des Datenkanals anzeigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blöcke (P0, P1, P2, ...) des Pilotkanals zyklisch mit einer der Länge eines Blocks (D0, D1, D2, ...) im Datenkanal entsprechenden Periode (A) wiederholt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Pilotkanals die Lage des Synchronisierungskanals anzeigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe Datenblock für die Informationsdecodierung und die Synchronisierung benutzt wird, was dadurch ermöglicht wird, dass der Blocklänge im Datenkanal und dem Pilotkanal dieselbe Länge erteilt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein MC/DS- CDMA-System ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation von Daten- und Pilotkanälen mittels einer Multiplikation in der Frequenzebene realisiert wird