FI106233B

FI106233B - Tiedonsiirtomenetelmä ja lähetin

Info

Publication number: FI106233B
Application number: FI974495A
Authority: FI
Inventors: Olli Piirainen; Kari Niemelae
Original assignee: Nokia Networks Oy
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 2000-12-15
Also published as: NO20002974L; WO1999033237A1; JP2002500453A; FI974495A0; FI974495A; NO20002974D0; AU748114B2; EP1036452A1; AU1490799A; CN1281610A

Description

106233

Tiedonsiirtomenetelmä ja lähetin

Keksinnön ala

Keksinnön kohteena on tiedonsiirtomenetelmä, jossa käytetään jat-kuvavaiheista modulaatiota, ja joka menetelmä käsittää lähetettävän signaalin 5 kertomisen modulaatioindeksillä, ja jolla signaalilla voi olla erisuuria datanope-uksia.

Keksinnön tausta

Radiotietoliikennejärjestelmissä kanavan eli radiotien laatu vaihtelee jatkuvasti. Usein on tilanteita, jolloin kanavan laatu on hyvä ja toisaalta kana-10 van laatu saattaa olla heikkokin. Radiojärjestelmien kanavan laatuun vaikuttavat useat seikat. Signaalin kulkuun lähettimestä vastaanottimeen vaikuttavat monitie-eteneminen, häipymiset, ympäristön häiriöt ja monet muut seikat.

Tunnettuja radiojärjestelmiä suunniteltaessa pyrkimys on ollut turvata signaalin laatu myös silloin, kun kanavan laatu on heikko. Suunniteltaes-15 sa tiedonsiirtojärjestelmiä eräs oleellinen parametri on siirtotiellä käytettävä modulointimenetelmä. Siirrettäviä informaatiosymboleita ei sellaisinaan voi siirtää siirtotien yli, johtuen siirtotiellä tapahtuvista häviöistä ja siirtotien kapasiteetista, vaan symbolit täytyy moduloida sopivalla menetelmällä, jotta siirtotien kapasiteetti ja siirronlaatu saadaan tyydyttäväksi. Tunnettuja järjestelmiä ke-20 liitettäessä on modulaatiomenetelmää valittaessa painopisteenä siis ollut siir-i ronlaadun turvaaminen, jolloin modulointimenetelmien suorituskyky huonoissa • · · v : kanavaolosuhteissa on tärkeää. Tästä johtuen nykyisten menetelmien kyky välittää suuren datanopeuden omaavia signaaleita on varsin heikko. Turvatta- ·:· essa siirron laatua on siis jouduttu tinkimään kapasiteetista. Nykyisten mene- • · · « 25 telmien haittapuolena on se, että silloinkaan kun kanavan laatu on hyvä, ei ka-navassa voida siirtää suuren informaationopeuden signaaleita, koska modu- • ♦ ♦ laatiomenetelmät eivät ole tähän soveliaita.

Tunnetun tekniikan mukaisissa ratkaisussa yllä esitettyä ongelmaa - on pyritty lievittämään kanavakoodauksen avulla. Tämä on kuitenkin sangen • ♦ *·;·* 30 rajoittunut menetelmä, eikä ole johtanut tyydyttäviin lopputuloksiin.

:*·*: Eräs esimerkki tunnetuista modulaatiomenetelmistä on GMSK

• · (Gaussian Minimum Shift Keying), jota käytetään GSM-solukkoradiojärjestel- • « · φ \ mässä. Sillä on suppea taajuusspektri ja hyvä suorituskyky, mutta datan siir- tonopeudet eivät ole kovin suuria. Koodatuilla CPM (Continuous Phase 35 Modulation) -menetelmillä on yleensä suppea taajuusspektri ja hyvä suoritus- 2 106233 kyky, ja niillä on mahdollista saavuttaa suuria datanopeuksia, mutta vaadittavat laitteistot tulevat rakenteeltaan monimutkaisiksi, josta syystä näitä menetelmiä ei ole käytetty tunnetuissa järjestelmissä.

Keksinnön lyhyt selostus 5 Keksinnön tavoitteena on toteuttaa tiedonsiirtomenetelmä ja lähetin siten, että erilaisten datanopeuksien lähetys olisi mahdollista. Tämä saavutetaan johdannossa esitetyn tyyppisellä menetelmällä, jolle on tunnusomaista, että käytettyä modulaatioindeksiä vaihdetaan lähetettävän signaalin datano-peuden mukaan.

10 Keksinnön kohteena on myös lähetin, joka käsittää kooderin, en simmäiset välineet kertoa lähetettävä signaali modulaatioindeksillä ja taajuus-modulaattorin, ja jolla lähetettävällä signaalilla voi olla erisuuria datanopeuksia. Keksinnön mukaiselle lähettimelle on tunnusomaista, että lähetin käsittää välineet kertoa lähetettävä signaali modulaatioindeksillä, joka riippuu lähetet-15 tävän signaalin datanopeudesta.

Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksinnön mukaisen menetelmällä ja järjestelyllä saavutetaan useita etuja. Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan taajuuskaistan siirtoka-20 pasiteetti optimoida kulloisiinkin etenemisolosuhteisiin ja siirtotarpeisiin nähden optimaaliseksi. Kanavanlaadun ollessa huono voidaan siirtää pienempi määrä informaatiota luotettavasti, ja kanavan laadun ollessa hyvä voidaan siirtokapa- • I t ‘ siteettia nostaa. Täten hyvissä etenemisolosuhteissa ei esiinny kanavan vajaa käyttöä, kuten nykyisissä menetelmissä on laita.

• · · • « · · 25 Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joissa ..... kuvio 1 havainnollistaa esimerkkiä järjestelmästä, jossa keksintöä * · '//. voidaan soveltaa, • · **:*’ 30 kuvio 2 havainnollistaa ensimmäistä esimerkkiä keksinnön mukai- • · · : *.·* sen lähettimen rakenteesta lohkokaavion avulla, kuvio 3 havainnollistaa toista esimerkkiä keksinnön mukaisen lähet- »I» . *.. timen rakenteesta lohkokaavion avulla, kuvio 4 havainnollistaa kolmatta esimerkkiä keksinnön mukaisen lä-35 hettimen rakenteesta lohkokaavion avulla.

3 106233

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa missä tahansa tiedonsiirtojärjestelmässä, jossa käytetään jatkuvavaiheista modulaatiota, ja joka menetelmä käsittää lähetettävän signaalin kertomisen modulaatioindek-5 sillä, ja jolla signaalilla voi olla erisuuria datanopeuksia. Erityisen edullinen keksintö on sovellettaessa sitä langattomissa tiedonsiirtojärjestelmissä, kuten GSM-tyyppisissä solukkoradiojärjestelmissä, joissa käytetään joko FDMA tai TDMA-monikäyttömenetelmää tai niiden yhdistelmää. Tarkastellaan aluksi kuviota 1, jossa havainnollistetaan esimerkkiä solukkoradiojärjestelmästä, jossa 10 keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa. Kuviossa on esitetty tukiasema 100, joka on yhteydessä 102 - 106 alueellaan oleviin päätelaitteisiin 108 - 112. Tukiasema on yhteydessä 114, joka ohjaa tukiaseman toimintaa ja välittää yhteydet edelleen järjestelmän muihin osiin. Yksi tukiasemaohjain voi ohjata useaa tukiasemaa. Tukiasemaohjain ja sen alaiset tukiasemat muo-15 dostavat yhdessä tukiasemajärjestelmän.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä moduloinnissa käytettävää modulaatioindeksiä muuttamalla voidaan siis samaa taajuuskaistaa käyttämällä välittää eri suuria datanopeuksia.

Keksinnön mukaisessa järjestelmässä on käytössä eri suuria da-20 tanopeuksia. Eri yhteyksillä 102 - 106 voi datanopeus olla erilainen, ja toisaalta datanopeus voi vaihtua kesken yhteyden. Mikäli datanopeus eri suuntiin . on erilainen, voidaan siis eri siirtosuunnilla käyttää eri modulaatioindeksiä.

Päätös kullakin yhteydellä käytettävästä modulaatioindeksistä voidaan tehdä * * t yhteydenluontivaiheessa. Toisaalta modulaatioindeksiä voidaan tarvittaessa 25 myös vaihtaa yhteyden aikana, jos halutaan käyttää eri datanopeutta.

Sovellettaessa menetelmää solukkoradiojärjestelmässä päätös kul- • · :t " lakin päätelaitteen ja tukiaseman välisellä yhteydellä käytettävästä modulaa- '* tioindeksistä tehdään tukiasemajärjestelmässä. Päätökseen voi vaikuttaa pait si tarvittava datanopeus myös siirtokanavan laatu. Tukiasema ja päätelaite 30 mittaavat yhteyden laatua, ja mikäli yhteyden laatu on huono, eri pieniä mo-dulaatioindeksejä voi käyttää, koska pienillä modulaatioindekseillä, joilla saa- .vf vutetaan suuri datanopeus, on yhteys virhealttiimpi kuin suuremmilla modulaa- • « tioindekseillä.

• 4

Tarkastellaan aluksi esimerkkiä keksinnön mukaisen lähettimen ra-:.:V 35 kenteesta kuviossa 2 esitetyn lohkokaavion avulla. Kuviossa on esitetty radio- *:·*: järjestelmän lähettimen rakennetta keksinnön kannalta oleellisin osin. Lähetin 106233 4 voi olla joko tukiaseman tai päätelaitteen lähetin. Toteutettavan laitteen tulee toimiakseen käsittää luonnollisesti muitakin komponentteja kuin mitä kuviossa 2 on esitetty, kuten alan ammattimiehelle on selvää. Selkeyden takia ne on kuitenkin jätetty kuviosta ja selostuksesta pois.

5 Järjestely käsittää jonkin datalähteen 200, joka tuottaa lähetettävän digitaalisen signaalin 202. Datalähde voi olla esimerkiksi mikrofoni yhdistettynä puhekooderiin, jolloin lähetettävä signaali on digitaalisessa muodossa olevaa puhetta. Muita datalähteitä saattavat olla esimerkiksi tietokone tai modeemi. Oletetaan tässä, että lähettävä signaali muodostuu informaatiosymboleista dj = 10 [0,1]. Oletetaan edelleen että symbolinopeus on 1/T, missä T on datasymbolin pituus. Keksinnön mukaisessa järjestelyssä signaali 202 viedään ensin differentiaaliselle kooderille 204, jossa jokaiselle informaatiosymbolille dj = [0,1] siis suoritetaan differentiaalinen koodaus. Differentiaalisen kooderin ulostulossa on siis symbolit: Λ

15 dj = dj Θ dM

missä ® merkitsee modulo-2 yhteenlaskua. Koodatut symbolit ovat muotoa 0 tai 1. Näin saadut arvot viedään edelleen muunnosvälineille 206, joissa suoritetaan muunnos, jossa symbolit [0, 1] kuvataan symbolien [-1, 1] avulla. Toisin

A

sanoen muunninvälineiden ulostulossa on arvot dj = 1 -2d,, .jossa ae {-1,1}. 20 Näin saadut symbolit viedään keksinnön edullisessa toteutusmuodossa en- # ^ simmäiselle kytkimelle 208. Vastaanotin käsittää ensimmäisen ja toisen kytki- men 208, 218, joiden avulla valitaan käytettävä modulaatioindeksi. Kuvion 2 • · · ’·’/ esimerkissä lähetin voi käyttää kahta modulaatioindeksiä, jolloin kytkimet 208, 218 voivat valita jomman kumman kahdesta mahdollisesta vaihtoehdosta.

..'.V 25 Luonnollisesti vaihtoehtoja voi olla useampiakin kuin kaksi. Vaihdettaessa mo- • · • *·· dulaatioindeksiä vaihdetaan samanaikaisesti lähetettävän signaalin 202 da- :T: tanopeutta.

Kukin signaalitie käsittää sekä suodattimen 210, 214 että kertojan :*··. 212, 216, jossa signaali kerrotaan halutulla modulaatioindeksillä. Suodatin va- • · · .···. 30 Iitaan käytetyn modulaatioindeksin mukaan. Suodatin voi myös olla sama eri modulaatioindekseillä. Tarkastellaan esimerkiksi ylempää signaali haaraa. Sig- • ·* naali viedään ensimmäiseltä kytkimeltä 208 suodattimelle 210, jossa signaa-

Mt lille suoritetaan suodatus halutun spektrikuvion mukaisesti. Suodattimen siir- ; tofunktioksi voidaan edullisesti valita esimerkiksi gaussin jakauman mukainen • · « 35 siirtofunktio. Siirtofunktio voidaan tällöin määritellä muodossa t · 5 106233 g(t) = h(t)®rect(|] jossa t on aika, ® merkitsee konvoluutiota ja funktio rect(x) on määritelty: rect^-j = - kun t < | rect^j = 0 muutoin.

Gaussjakaumaa käytettäessä funktio h(t) voidaan valita määrittää seuraavasti: r_±q __· e^7*' . |n(2) „ = ~s2xaT m'SSä σ ~ ~2πΒΤ >a BT = ^ Tässä B on suodattimen 3 dB:n kaistanleveys impulssivasteella h(t) ja T on siis datasymbolin pituus.

Näin saatu signaali viedään edelleen kertojalle 212 kerrottavaksi kertoimella h, joka on muotoa π/(2ιη), jossa m on positiivinen yhtä suurempi 10 kokonaisluku. Näin saatu signaali viedään edelleen toiselle kytkimelle 218.

Vastaavasti toisessa haarassa suoritetaan signaalille mahdollisesti jokin toinen suodatus, esimerkiksi nostettu kosini-tyyppinen suodatus, kuten RRC (Root Raised Cosine). Suodatettu signaali kerrotaan modulaatioindeksil-lä, joka on muotoa π/(2ηη), jossa m on positiivinen yhtä suurempi kokonaislu-15 ku, mutta eri suuri kuin ylemmässä haarassa. Näin saatu signaali viedään edelleen toiselle kytkimelle 218.

• t I

**<: : Toiselta kytkimeltä signaali viedään edelleen taajuusmodulaattorille • «« 220, jossa suoritetaan tunnetun tekniikan mukainen taajuusmodulointi esimer-kiksi jänniteohjatun oskillaattorin avulla. Moduloidun signaalin vaihe on muotoa

t-iT

φ{ν) = ΣΦ Jg(u)du : *·· 20 ' -°° :T: missä h on siis muotoa π/(2ιτι), m= 2,3,4,... Aikareferenssi t' on lähetettävän datan alku.

.·*·. Moduloitu signaali viedään edelleen radiotaajuusosille 222, jotka - .···. voidaan toteuttaa tunnetun tekniikan mukaisesti. Keksinnön eräs etu on siinä, * · 25 että radiotaajuusosina voidaan käyttää esimerkiksi GSM-järjestelmän radio-taajuusosia, vaikka datanopeus T voidaan keksinnön mukaista modulointime- • · · netelmää ja m:n arvoa 2 käytettäessä nostaa kaksinkertaiseksi GSM:ään ver-. .·. rattuna. Moduloitu RF-signaali voidaan esittää muodossa *:"‘: x(t' ) = -^Οθ5(2πί0ί,+ίζ?(ί') + φ0) 6 106233 jossa Ec on moduloivan symbolin energia, f0 on keskitaajuus ja φ0 on satunnainen vaihe, joka on vakio yhden purskeen ajan. Radiotaajuusosissa voidaan siis käyttää C-luokan vahvistinta, mikä on merkittävä etu ajateltaessa etenkin kannettavia päätelaitteita.

5 Radiotaajuusosilta signaali viedään antennille 224.

Keksinnön mukainen lähetin käsittää edelleen ohjausprosessorin 226, joka ohjaa laitteen muiden osien toimintaa. Ohjausprosessori ohjaa kytkimiä 208, 218, joilla valitaan käytettävä modulaatioindeksi ja datanopeus tukiasemajärjestelmältä tulevan ohjauksen perusteella. Tukiasemajärjestelmä 10 välittää ohjauksen päätelaitteen ohjausprosessorille tunnettuja menetelmiä, eli ohjauskanavia käyttäen.

Kuviossa 3 havainnollistetaan keksinnön toista toteutusvaihtoehtoa. Tässä vaihtoehdossa ensimmäinen kytkin sijaitsee datalähteen 200 jälkeen. Kytkimeltä signaali kytketään johonkin kahdesta tai useammasta haarasta. 15 Kussakin haarassa on suodattimen 210, 214 ja kertojan 212, 216 ohella myös kooderi 204, 300, eli käytettyä koodausta vaihdetaan datanopeuden ja käytetyn modulaatioindeksin mukaan. On myöskin mahdollista, että haarassa ei ole lainkaan suodatinta kooderin jälkeen. Kussakin haarassa on kooderin jälkeen myös omat muunnosvälineet 206, 302. Muutoin ratkaisu on edellä kuvatun 20 kaltainen.

Kuvioiden 2 ja 3 ratkaisut voidaan edullisesti toteuttaa digitaalisen signaalinkäsittelyn keinoin siten, että kooderin, kuvausvälineet, suodattimet ja kertojat toteutetaan ohjelmallisesti signaali- tai yleisprosessorin avulla. Tällöin • vaihdettaessa modulaatioindeksiä ei varsinaista kertojaa vaihdeta vaan suori-•«·« 25 tetaan kertoimen vaihto ohjelmallisesti.

I"’ Kuviossa 4 havainnollistetaan keksinnön mukaisen lähettimen taa- • · · juusmodulaattorin erästä toista vaihtoehtoista toteutusvaihtoehtoa. Tässä vaih-** * toehdossa toiselta kytkimeltä 218 tuleva signaali 400 viedään integraattorille 402, ja edelleen vaihemodulaattorille 404, joista signaali viedään edelleen ra-30 diotaajuusosille. Näin aikaansaadaan haluttu taajuusmodulaatio. Muutoin rat- • · « kaisu on edellä kuvioiden 2 ja 3 yhteydessä kuvatun kaltainen.

·*.·; Edellä keksintöä on selostettu käyttäen erästä jatkuvavaiheista mo- • · .···. dulaatiomenetelmää esimerkkinä. Keksinnön mukaista menetelmää voidaan kuitenkin soveltaa muissakin yksityiskohdiltaan edellä kuvatusta poikkeavissa 35 modulaatiomenetelmissä, kuten alan ammattimiehelle on selvää.

7 106233

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaiseen esimerkkiin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella monin tavoin oheisten patenttivaatimusten esittämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

* t t «41 ( « ICC 4 • · · ···· • · • · • · · • · · • · · • · · • · · • · • · *·· • · « — · · • · • · · * ·« · • · · « · • · · • 1 • « • · · « • · ·

Claims

1. Tiedonsiirtomenetelmä, jossa käytetään jatkuvavaiheista modulaatiota, ja joka menetelmä käsittää lähetettävän signaalin kertomisen modu-laatioindeksillä, ja jolla signaalilla voi olla erisuuria datanopeuksia, t u n - 5. e 11 u siitä, että käytettyä modulaatioindeksiä vaihdetaan lähetettävän signaalin datanopeuden mukaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytettävä taajuuskaista on vakio.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 10 että signaalille suoritetaan suodatus ennen modulaatioindeksillä kertomista.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytettävä suodatus on eri modulaatioindekseille erilainen.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmää sovelletaan kaksisuuntaisessa tietoliikenneyhteydessä, ja 15 että eri siirtosuunnissa käytettävä modulaatioindeksi on erisuuri.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmää sovelletaan kaksisuuntaisessa tietoliikenneyhteydessä, ja että eri siirtosuunnissa käytetään samaa modulaatioindeksiä.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 20 että päätös kullakin yhteydellä käytettävästä modulaatioindeksistä tehdään yhteydenluontivaiheessa.

.·: 8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, .'.;, että modulaatioindeksiä vaihdetaan yhteyden aikana. '"i

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, • · · i;*: 25 että menetelmää sovelletaan solukkoradiojärjestelmässä, jossa tukiasemaoh- • « jäin ohjaa ainakin yhtä tukiasemaa, joka on yhteydessä yhteen tai useampaan ’·* * päätelaitteeseen, ja että tukiasema ja tukiasemaohjain muodostavat tukiase majärjestelmän, ja että päätös kullakin päätelaitteen ja tukiaseman välisellä • · · yhteydellä käytettävästä modulaatioindeksistä tehdään tukiasemajärjestel-30 mässä.

• · · :·[·. 10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, • · että tukiasemajärjestelmä ja päätelaite mittaavat kanavan laatua ja että käy-*:** tetyn modulaatioindeksin valintaan vaikuttaa kanavan laatu.

11. Lähetin, joka käsittää kooderin (204), ensimmäiset välineet ·:**: 35 (212) kertoa lähetettävä signaali modulaatioindeksillä ja taajuusmodulaattorin (220), ja jolla lähetettävällä signaalilla voi olla erisuuria datanopeuksia, t u n - 9 106233 nettu siitä, että lähetin käsittää välineet (212,216) kertoa lähetettävä signaali modulaatioindeksillä, joka riippuu lähetettävän signaalin datanopeudesta.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen lähetin, tunnettu siitä, että järjestely käsittää suodattimen (210), joka on toiminnallisesti kytketty koo- 5 derin ulostuloon.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen lähetin, tunnettu siitä, että lähetin käsittää kutakin käytettävää modulaatioindeksiä kohden oman suodattimen (210, 214).

14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen lähetin, tunnettu siitä, 10 että lähetin käsittää kutakin käytettävää modulaatioindeksiä kohden oman kooderin (204, 300).

15. Patenttivaatimuksen 13 ja 14 mukainen lähetin, tunnettu siitä, että lähetin käsittää välineet (208, 218) valita kulloinkin käytettävä koode-ri, suodatin ja kertoja signaalin datanopeuden mukaan.

16. Patenttivaatimuksen 11 mukainen lähetin, tunnettu siitä, että taajuusmodulaattori (120) toteutetaan integraattorin (300) ja vaihemodu-laattorin (302) avulla. ( e · t ·*· • ♦ · · • · • · • · · * * · ♦ « · » ♦ · « « · « • · • « • · · - · · · • · » · ·*· ♦ · · • · · • « • · • I « · « « · « ♦ · · • · 106233