PT1466454E

PT1466454E - Método e configuração para correcção de frequência automática

Info

Publication number: PT1466454E
Application number: PT02755370T
Authority: PT
Inventors: Alan Edward Jones; Paul Howard; Robert Armstrong
Original assignee: Ipwireless Inc
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2009-03-31
Also published as: ES2363892T3; EP1914950B1; EP1914950A1; EP1466454B1; ATE507640T1; US20030099206A1; ES2315380T3; US7266093B2; DE60230189D1; DE60239901D1; ATE416548T1; DK1466454T3; GB0122090D0; GB2379840A; WO2003024045A1; EP1466454A1

Description

PE1466454 - 1 -

DESCRIÇÃO

"MÉTODO E CONFIGURAÇÃO PARA CORRECÇÃO DE FREQUÊNCIA AUTOMÁTICA"

Campo do Invento

Este invento refere-se a redes de comunicações sem fios e, particularmente, a redes UTRA (Acesso Rádio Terrestre de Sistema Universal de Telecomunicações Móveis) funcionando em modo TDD (Duplexagem por Divisão no tempo).

Antecedentes do Invento

No modo TDD UTRA, o canal de sincronização (SCH) tem duas funções. A função principal é proporcionar um sinal que permita que um 'UE' (equipamento de utilizador, tal como um terminal sem fios) procure e identifique um 'Nó B' (i. e., uma Estação Base sem fios de um sistema UTMS). A função secundária é proporcionar informação suficiente para permitir que um 'UE' desmodule uma transmissão P-CCPCH (Canal Fisico de Controlo Comum Primário) e obtenha a informação de sistema enviada no canal de transporte BCH (Canal de Difusão) que é transportado pelo P-CCPCH, necessária de modo a poder comunicar com a rede. 0 canal P-CCPCH fisico tem as características da Função de Baliza, como definido na especificação técnica '3GPP TS 25.221' disponível publicamente no sítio da Web (www.3gpp.org) do 3rd Generation Partnership Project.

Existem dois casos de alocações SCH e P-CCPCH que são os seguintes: - 2 - ΡΕ1466454

Caso 1) SCH e P-CCPCH alocados no intervalo de tempo #k, em que k = 0,..., 14

Caso 2) SCH alocado em dois intervalos de tempo: intervalo de tempo #k e intervalo de tempo #k+8, em que k = 0,...,6; P-CCPCH alocado no intervalo de tempo #k em que o intervalo de tempo #k é o intervalo de tempo de ordem k. Devido a este esquema SCH, a posição de P-CCPCH é conhecida do SCH. 0 SCH consiste num código (PSC) de sincronização primário de valor real e três códigos (SSC) de sincronização secundários complexos, todos com um comprimento de 256 segmentos. 0 PSC é comum para todos os Nós B, mas os SSC são específicos dos Nós B. 0 PSC e SSC são transmitidos simultaneamente desde um dado Nó B com um deslocamento (t0ffSet) no tempo fixo específico desde o início do intervalo de tempo. 0 deslocamento no tempo é incluído para impedir o possível efeito de captura que, caso contrário, poderia ocorrer em consequência de todos os Nós B transmitirem o código primário comum ao mesmo tempo. A Correcção de Frequência Automática (AFC) é, tipicamente, empregue no modo TDD UTRA para corrigir deslocamentos de frequência que ocorrem na presença de ruído no sinal recebido. No modo TDD UTRA, o PSC funciona, tipicamente, em valores negativos de SNR, com os quais os métodos convencionais de AFC dão origem a um grande deslocamento de frequência, degradando o desempenho.

Existe, por conseguinte, a necessidade de uma correcção de frequência em que a(s) desvantagem(ns) supracitada(s) podem ser mitigadas.

Cada um dos documentos US-A-5751776, - 3 - PE1466454 DE 100 01 854A, WO 98/34357 e WO 01/61880 divulga um método de correcção de frequência automática utilizando uma estimativa de canal de um canal fisico e uma saida de um dispositivo de correlação de código de sincronização primário e produzindo um sinal de correcção de frequência a partir dai.

Enunciado do Invento

De acordo com um primeiro aspecto do presente invento, proporciona-se um método para correcção de frequência automática no modo TDD UTRA, como reivindicado na reivindicação 1.

De acordo com um segundo aspecto do presente invento, proporciona-se uma configuração para correcção de frequência automática no modo TDD UTRA, como reivindicado na reivindicação 3.

Descrição Resumida dos Desenhos

Um método e configuração para correcção de frequência com multiandares incorporando o presente invento irão, agora, ser descritos, apenas a titulo de exemplo, fazendo-se referência aos desenhos em anexo, nos quais: A FIG. 1 mostra, de forma esquemática, o formato de SCH no modo TDD UTRA; A FIG. 2 mostra, de forma esquemática, uma configuração da técnica anterior para Controlo

Automático de Frequência no modo TDD UTRA; - 4 - ΡΕ1466454 A FIG. 3 mostra uma representação gráfica do desempenho de Deslocamento de Frequência da configuração de AFC da FIG. 2 em função da Relação Sinal-Ruido (SNR); A FIG. 4 mostra, num diagrama de blocos esquemático, o fluxo de processo da AFC empregue no presente invento; A FIG. 5 mostra, num diagrama de blocos esquemático, um primeiro andar na AFC empregue no presente invento; A FIG. 6 mostra, num diagrama de blocos esquemático, um segundo andar na AFC empregue no presente invento; e A FIG. 7 mostra uma representação gráfica do desempenho de Deslocamento de Frequência da configuração de AFC das FIGs. 4, 5 & 6 em função da Relação Sinal-Ruído (SNR).

Descrição das Formas de Realização Preferenciais 0 formato geral do SCH é mostrado, esquematicamente, na FIG. 1. Como mostrado, o código (PSC) de sincronização primário, Cp, é uma sequência de valor real com um comprimento de 256 segmentos transmitida com a potência PPSC· 0 código (SSC) de sincronização secundário, CSr± (i= 1, 2, 3), com um comprimento de 256 segmentos é transmitido simultaneamente com o PSC; a potência total do SSC é regulada para Pssc· Além disso, estes códigos são multiplicados por um valor complexo, bj(j= 1, 2, 3) . 0

índice s em CS/± refere-se a um conjunto de código, do qual há 32, como especificado na especificação técnica '3GPP TS - 5 - ΡΕ1466454 25.223' disponível publicamente no sítio da Web (www.3gpp.org) do 3rd Generation Partnership Project. Os conjuntos de código, s, em associação com os valores multiplicadores complexos, bj, são utilizados para transferir os bits de informação para o UE. A localização do SCH relativamente ao início do intervalo de tempo é definida por t0ffSet,n· É calculada do seguinte modo: 'offstt.n

IV nX, 976-256 15 976 + 512 + (n-l 6|?76^2-6 \ «<16 16 que pode ser simplificado para: t offsei,n nAS.Tc n< 16 ’ (720 + «.48)7; « > 16 em que Tc é a duração de segmentos e n = 0,1,...,31. 0 valor de n está relacionado com o grupo de códigos e é obtido pela desmodulação da informação no SSC. 0 PSC, p, é construído como uma sequência de Golay hierárquica generalizada. Tem sido escolhida uma sequência utilizada para p que tem boas propriedades de autocorrelação aperiódicas. Definindo uma sequência 'G' como - 6 - PE1466454

G* [##£*-#«] - [ 1 ! 1-1-1 1-1-1 1 1 1-1 1-1 1 1 J e definindo uma sequência 'a' como **[111111-1-11-11-11-1-11] a sequência de código primário é obtida pelo espalhamento da sequência 'G' pela sequência 'a', produzindo a sequência primária resultante dada por p =(1 +J). [gt-a gía g,a ... gwa ]

No que se refere, agora, à FIG. 2, um sistema 200 de Correcção de Frequência Automática (AFC) é constituído por um estimador 210 de frequência, um filtro 220 e um Oscilador 230 Controlado por Tensão (VCO).

As amostras recebidas são aplicadas ao dispositivo 240 de correlação de PSC. O vector de amostras recebidas que produziu o pico de correlação mais elevado é aplicado ao estimador 210 de frequência. Deixando que r= (r0f £255) seja a sequência de amostras recebidas que produzem o pico complexo mais elevado na saída do dispositivo de correlação de PSC e p= (p0, ...,P255) seja o PSC complexo. Então, pode escrever-se r~p+n - 7 - PE1466454 em que n= (n0,n255) é um vector ruído/interferência com média nula e variância 2o2. De modo a obter uma estimativa do deslocamento de frequência, extraem-se correlações parciais do PSC de tal modo que 127 pç, =Σηρ' i=0 127 PC 2 = Σ ^+128^1+128 /=0 em que pd e pc2 são o resultado de 2 correlações parciais de comprimento 128. A diferença de fase entre pc± e pc2 é dada por: C = pcx x pc\ &Φ * ían ím{c)\

Mc),

Uma tabela de consulta fornece, de um modo geral, a função tan"1 (. ) . O deslocamento de frequência instantâneo é dado por: hz 2π dt 2π mTc em que Tc é o periodo de segmentos e 128 é a distância em segmentos entre os picos pci e pc2 de correlação. 0 deslocamento de frequência instantâneo é filtrado para se - 8 - ΡΕ1466454 obter um valor médio e, depois, aplicado a um Oscilador Controlado por Tensão que é regulado para remover a diferença de frequência.

Considerando o estimador de frequência com mais pormenor e assumindo que não há deslocamento de frequência, mas existe ruido Gaussiano, então, a saida dos dois dispositivos de correlação parciais é dada por PC, =Ul+Nl pc 2 = U2 + N2

em que Ui = U2 = 12 8, e '** .A perturbação de fase pelo termo ruido é dada por C = (l282 +128(wj + ΛΤ,)) Αφ ~ tan"1

' M*;**,)] J ([Re(l 28 + ΛΤ2* + N, )jj ocorre quando

Observa-se que a perturbação de fase máxima{n; + /V,) é meramente imaginário. Escreve-se - 9 - PE 1466454 ^'Φ’παχ tan

Reconhecendo que a variância dos itens no interior dos parênteses dá origem a + 2(j! pode reescrever-se a perturbação de fase na saida do dispositivo de correlação parcial como

1JmxSNR^ \ / em que a SNR na entrada do dispositivo de correlação parcial é dada por

1 2σ2 e o operador de estimativa, E(.) é extraído sobre 128 segmentos. A FIG. 3 mostra o deslocamento de frequência gerado pela variação de níveis de SNRlp. No modo TDD UTRA, o PSC funciona, tipicamente, com valores negativos de SNR que, com o método convencional de AFC descrito anteriormente, dão origem a um grande deslocamento de frequência, degradando o desempenho. - 10- PE1466454 0 presente invento propõe um método e configuração para AFC no modo TDD UTRA que facilita o melhoramento do desempenho com valores baixos de SNR.

No que se refere, agora, à FIG. 4, numa forma de realização preferencial do invento, a AFC é constituída por dois andares:

Andar 1 - só funciona no modo Inactivo Andar 2 - funciona no modo Inactivo/Conectado O primeiro andar é utilizado para obter uma aquisição rápida ao utilizar-se, inicialmente, uma largura de banda larga e, depois, estreitando-a para suprimir ruído e interferência. O segundo andar é utilizado para melhorar o desempenho ainda mais sob condições de ruído difíceis. A análise que se segue utiliza as seguintes variáveis: mx0: Pico complexo da saída do dispositivo de correlação de PSC, mxi: Pico complexo da saída do estimador de canal de função de Baliza, e mx2: Pico complexo da saída do estimador de canal localizado no intervalo de tempo adjacente à função de Baliza (embora o intervalo de tempo seja aqui utilizado, pode demonstrar-se que também se aplicam outros emparelhamentos).

Como mostrado na FIG. 4, o algoritmo da AFC é dado por: - 11- PE1466454 C = Jxf (410) em que X e Y e { (pclf pc2), (mx2, mx2), (mx0, mxí)}. Uma estimativa da diferença de fase é dada por Αφ - taii lffa(C)W), rads (420)

Uma tabela de consulta pode proporcionar esta função. O deslocamento de frequência instantâneo é dado por: àfk

2« ât 2π MTC

Hz (430) em que N é a distância em segmentos entre as amostras X e Y e Tc é o período de segmentos. A média móvel do deslocamento de frequência é dada por: k /»1 em que a barra superior indica valor médio. A média do deslocamento de frequência é utilizada para desencadear determinados eventos durante a sincronização inicial. O deslocamento de frequência instantâneo é filtrado, dando (440) - 12- PE1466454 A saída do filtro é multiplicada pela constante K de ganho em malha fechada, dando origem à saída /><* 555^ (4505

Esta saída flrk é, subsequentemente, aplicada a um único bit DAC (não mostrado) que é utilizado para obter um nível de tensão adequado para sintonizar o VCO.

Andar 1 de AFC

Como mostrado na FIG. 5, implementam-se dois processos no Andar 1 (500) : a) Redução de largura de banda (processos 510 e 520, mostrados em conjunto como 530), e b) Sinalização de bloqueio de AFC (540) para poder introduzir o Andar 2.

Andar 1/Processo A O UE é activado e inicia uma procura de célula inicial. Depois de se adquirir o bloqueio de Trama, o UE tenta obter um bloqueio de frequência com o Nó B. Deixando a primeira trama de rádio depois do bloqueio de trama ser k = 1 e fazendo com que os parâmetros de malha fechada iniciais sejam X = pci, Y = pc2, N = 128, para além de assegurar um tempo de aquisição rápida, as constantes A e B de filtro e o ganho K em malha fechada são configuradas como: - 13- ΡΕ1466454

A~ WideJ, Β = WideJ, Α> WideJ

Em que Wide_ 1, Wide_2 e Wide_3 foram escolhidas para assegurar uma largura de banda larga. Depois de NB amostras de Afk, calcula-se a média AfkfB. Se Afk/B for inferior a um primeiro valor Set_Frequencyl predeterminado, o contador NA é incrementado. Depois de NA ter atingido um valor especificado, o ganho em malha fechada e também as constantes de filtro são actualizados para:

A « NarrowJ, B - NarrowJ, K ** NarrowJ

Em que Narrow_l, Narrow_2 e Narrow_3 foram escolhidas para assegurar uma largura de banda estreita. Se AfkrB for superior a Set_Frequencyl, o valor Afk+1 seguinte é calculado e Afk+lrB é calculada, repetindo o teste anterior. Este processo funciona sob uma janela deslizante de amplitude NB e é dado por

k*N„ 0 processo B só pode ser introduzido quando o ganho em malha fechada e as constantes de filtro tiverem sido actualizadas no Processo A.

Andar 1/Processo B

Este processo é utilizado para assinalar que o bloqueio de AFC foi adquirido. NA é reposto a 0 e - 14- PE1466454 considera-se que NB + Δ é o número de amostras exigidas para desencadear o Processo 1, em que Δ são amostras adicionais. Depois de NB + Δ + NL amostras, àfk é calculada ao longo de um leque de NL. Isto é dado por 4fk * k à N£ + & + 2Nl

Quando Afk é inferior a um segundo valor Set_Frequency2 predeterminado, o contador NA é incrementado. Sai-se do andar 1 quando NÃ atinge um valor especificado que significa que o bloqueio de AFC ocorreu.

Andar 2 de AFC

No que se refere, agora, igualmente à FIG. 6, quando se sai do Andar 1, o UE irá tentar desmodular o SSC para determinar o deslocamento no tempo de célula. Depois do UE estar ciente do deslocamento no tempo de célula, irá tentar desmodular a função de baliza em cada trama de rádio. De igual modo, depois de o UE passar do modo inactivo para modo conectado, informação de estimativa de canal pode estar disponível a partir de outros canais físicos. Por conseguinte, no modo conectado, o UE terá à sua disposição a estimativa de canal a partir da função de baliza (mx i), a estimativa de canal a partir de outros canais físicos, por exemplo, o intervalo de tempo adjacente à função (mx2) de Baliza e a saída do dispositivo de correlação de PSC (mx0, pci, pc2) . 0 algoritmo para o Andar 2 (600) é dado por ΡΕ1466454 - 15- i£ 44 < SetJYrequencyl I f iWj > 0 & mXi > 0 X - mxt Y ~ mx, N ~ -2560

elseif mxl>Q X “»jx0 Y - mx,

else X~pct Y^pci N -128 end else X~ PS\ ?mP*t N = 128 end

Essencialmente, a qualidade da estimativa degrada-se quando se prossegue no fluxo de controlo, sendo a melhor estimativa a dada por mx 1 e mx2. A média da estimativa de frequência é examinada continuamente de modo a detectar quaisquer alterações súbitas de frequência. Isto consegue-se ao testar continuamente Set_Frequency2, se este valor for excedido, empregam-se as correlações parciais do PSC. Quando se utiliza informação de estimativa de canal de outros intervalos de tempo, utilizam-se apenas estimativas de canal de intervalos adjacentes de modo a impedir distorções. Os emparelhamentos de intervalos de tempo permitidos são dados no quadro seguinte. - 16- PE 1466454

Emparelhamento mx i mx2 0 0 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 8 8 8 9 0 valor de N é fixo em -2560 para qualquer emparelhamento e só se deve utilizar uma estimativa por trama. Se estiverem disponíveis múltiplos emparelhamentos, então, deve fazer-se a média. O melhoramento da SNR através do andar 2 da AFC é mostrado na FIG. 7, na qual se comparam três casos (i) , (ii) e (iii) diferentes: (i) Método Convencional: X = pclf Y = pc2r N = 128 (ίί) X = mxo, Y = mxi, n = 16, N = 413 (iii) X = mx2, Y = mxi, N = -2560

No caso (i) , o melhoramento para o valor mais pequeno de N pode ser visto, ocorrendo quando n = 15.

Como se irá mostrar posteriormente, é possível um melhoramento ainda maior do processo de AFC de dois andares descrito anteriormente para remover uma componente contínua que, tipicamente, é resultado de imperfeições no hardware. PE1466454 - 17- A remoção da componente contínua é conseguida do seguinte modo:

Pressupondo que a sequência cronológica discreta recebida é dada por r = /) + n + /* em que Xdc é uma interferência CC complexa. Se a sequência tiver um comprimento de 128 segmentos, então, pode escrever-se a função de autocorrelação (ACF) num deslocamento nulo de pt como 127 pc ftPi i~0

Reescrevendo, dá $27 ,127 127pc = Σρ,ρΙ +Σ"-Α + Α,Σα /=0 <®0 /=0

Ao conceber a sequência de modo a que a soma dos elementos seja nula, a interferência CC pode efectivamente removida e tem-se 127 127PC = Y^P,P', +Σ"'Α /=0 /=0 ser PE1466454 - 18-

Deixando 127 8 Σλ«ι«=4χ<1+λχΣ^« i=0 j=1 em que ]7a = 4 e α = (0, 1,..., 8) . O saldo da sequência é dado no quadro que se segue. a Saldo da Sequência = 8 j+a 7=1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 2 6 0 7 2 8 4

Ao examinar o quadro anterior, vê-se que a abordagem convencional utiliza sequências α=(0,6) o que dá um par de sequências equilibradas com distância máxima em termos de N. As correlações parciais modificadas transformam-se em PE 1466454 - 19- 127 pc, =Σγ·ρ· /=0 127 PC2 ~ ^iri+96Pi+96 /=0 em que o deslocamento no tempo da segunda correlação parcial foi reduzido de 128 para 96 para assegurar a anulação da CC. Em termos de estimativa de frequência, isto significa que N também é reduzido de 128 para 96.

Deve compreender-se que o método para controlo de frequência automática descrito anteriormente irá, tipicamente, ser implementado em software executado num processador (não mostrado) e que o software pode ser proporcionado como um elemento de programa de computador implementado num qualquer suporte de dados adequado (não mostrado), tal como um disco de computador magnético ou óptico.

Deve compreender-se que o método e configuração de AFC descritos anteriormente se baseiam num esquema de AFC melhorado para correcção de deslocamentos de frequência no modo TDD UTRA.

Deve compreender-se que o esquema de AFC melhorado proporciona as vantagens seguintes: o esquema multiandares para correcção de deslocamentos de frequência no modo TDD UTRA permite o funcionamento com niveis de ruido muito elevados e também é imune a componentes continuas resultantes de imperfeições no hardware.

Claims

PE 1466454 - 1 - REIVINDICAÇÕES 1. Método para uma correcção de frequência automática de um controlo automático de frequência em malha fechada de uma unidade de comunicação sem fios funcionando em modo TDD UTRA, compreendendo o método num primeiro andar (500): receber um código PSC de sincronização primário num canal de sincronização; produzir a partir do PSC uma primeira estimativa de frequência; determinar se a primeira estimativa (Afk) de frequência é inferior a um limiar (Set_Frequency2) predeterminado; e produzir, a partir do PSC, um primeiro e segundo valores de correlação parciais a utilizar na correcção (pcl, pc2) de frequência; sendo o método caracterizado por, num segundo andar (600) : receber um segundo sinal compreendendo uma baliza num canal (P-CCPCH) físico de controlo comum primário, obter uma estimativa de canal a partir da baliza; - 2 - PE 1466454 produzir, a partir da estimativa de canal e de uma saida de um dispositivo de correlação de PSC ou de uma estimativa de canal de outros canais físicos, uma segunda estimativa de frequência; e executar uma correcção de frequência utilizando a segunda estimativa de frequência.
2. Método da reivindicação 1, em que o passo de produzir uma segunda estimativa de frequência é executado em intervalos de tempo consecutivos.
3. Configuração para correcção de frequência automática no modo TDD UTRA, compreendendo a configuração, num primeiro andar (500) : um meio para receber um código PSC de sincronização primário num canal de sincronização; um meio para produzir, a partir do PSC, uma primeira estimativa de frequência; um meio para determinar se a primeira estimativa (áfk) de frequência é inferior a um limiar predeterminado; e um meio para produzir, a partir do PSC, um primeiro e segundo valores de correlação parciais a utilizar na correcção (pcl, pc2) de frequência; - 3 - ΡΕ1466454 sendo a configuração caracterizada por possuir, num segundo andar (600) : um meio para receber um segundo sinal compreendendo uma baliza num canal (P-CCPCH) fisico de controlo comum primário, um meio para obter uma estimativa de canal a partir da baliza; um meio para produzir, a partir da estimativa de canal e de uma saida de um dispositivo de correlação de PSC ou de uma estimativa de canal de outros canais físicos, uma segunda estimativa de frequência; e um meio para executar uma correcção de frequência utilizando a segunda estimativa de frequência.
4. Equipamento de utilizador a utilizar num sistema UMTS, compreendendo uma configuração como reivindicado na reivindicação 3.
5. Elemento de programa de computador compreendendo um meio de programa de computador que, quando executado num computador, realiza todos os passos metódicos de um método para controlo automático de frequência como reivindicado em qualquer uma das reivindicações 1 a 2.