SE513768C2 - Förfarande för effektiv synkronisering i ett kommunikationssystem - Google Patents

Description

20 25 30 513 768 '- 21 ningen (DLC = data link control), som innefattar logisk länkstyrning (LLC = logical link control) och MAC och ett konvergenslager (CL = convergence layer). CL:n är gränsskiktet mellan högre lager och DLC:n. T ex kan det vara en CL för TCP/IP, vilken delar upp IP-paket till (data)-PDUer. DLC-lagret lägger till lite headerinfor- mation och tillhandahåller PDUer av bestämd storlek till det fysiska lagret.

Det fysiska lagret hos det nya kommunikationssystemet kommer att baseras på orto- gonal frekvensuppdelningsmultiplexering (OFDM = orthogonal frequency division multiplexing). En OFDM-signal innefattar ett givet antal (t ex 64) av underbärvâgor, som är en sekvens av ortogonala, smalbandsmodulerade bärvågor som fyller den tillgängliga, spektrala bandbredden hos en given kanal. Den centrala underbäwågen kallas också för DC-underbärvâgen. Komigheten hos dataenheter på det fysiska lag- ret är därför en OFDM-symbol.

Det finns WLAN-system, som arbetar enligt olika standarder. IEEE802.ll är ett ex- empel och sådana system kommer att ha en 5 GHz mod, som kommer att innefatta liknande parametrar för fysiska lager som systemet, i vilket uppfinningen används.

IEEESOZI l-systemet är emellertid utformat för överföring av IP-paket med radio.

Protokollprincíperna är liknande Ethernet; alltså är MAC mycket annorlunda från uppfinningens system. I ett IEEE802.11-system t ex överförs IP paket eller segment av dessa med variabel längd.

En MAC-ram innefattar ett flertal fält, som innefattar trafikstyrningsinforrnatíon för att tilldela logiska kanaler såväl som datablock. För synkronisering och kanalupp- skattningssyften kan en inledning läggas till vid början av varje block.

För att förenkla dataformatet innefattar inledningarna hos olika kanaler upprepade sekvenser av samma periodlängd, t ex repetitioner med en fjärdedel av en 64- punkts-FFT-(Fast Fourier Transforrn = snabb Fourier transform)-längd. Vid an- vändning i en miljö med andra samverkande kommunikationssystem, som kan inter- 10 15 20 25 30 513 768 " 3 ferera med det nya kommunikatíonssystemet, kan de samverkande systemen likväl använda samma upprepningsavstånd (L) där avståndet är längden hos den upprepa- de sekvensen.

P g a återanvändningen av samma upprepningsavstånd kan en mobilterminal upple- va svåra problem vid synkronisering med MAC-ramstrukturen hos en viss AP i en cell eftersom den kan rnísstolka upprepningsavståndet, som används i BCCH-TS:n med en som t ex används av en annan TA i ULCH-TS:n. Om detta är fallet bör TA:n ges medel för att återhämta sig från en sådan feldetekteringshändelse, tex få falsk alarmdetektering så snabbt/snart som möjligt.

Ett andra problem är spektrumbehov, vilka kan begränsa effektspektraltätheten (PSD = power spectral density) i W/Hz i det givna frekvensbandet. Om den inle- dande sekvensen alltid använder samma underuppsättning av underbärvågor kom- mer dessa att ha en ökad effektspektraltäthet för ett typiskt luftföremål (airfrarne), t ex kommer var fjärde underbärvåg att ha en ökad PSD.

Ett tredje problem är att DC-underbärvågen, p g a standardregleringar, inte kan an- vändas och därmed är det ett gap på två gånger så många underbäwågor runt DC i effektspektrumet hos de upprepade inledningssekvenserna. Därmed utnyttjas mindre frekvensdiversitet i denna del av spektrumet.

Sammanfattning av uppfinningen Föreliggande uppfinning avser att lösa de ovan beskrivna synkroniserings-, effekt- spektraltäthets- och frekvensdiversitetsproblemen.

Ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande för förbättrad särskilj- ning av upprepade sekvenser, som har samma upprepningsavstånd och som är be- ständigt mot olika ineffektnivåer och frekvensförskjutníngar. 10 15 20 25 513 768 '- L; Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande som också be- gränsar effektspektraltätheten och frekvensdiversiteten i ett givet frekvensband.

De ovan nämnda syftena uppnås med det uppfunna förfarandet, enligt vilket de upp- repade sekvensema primärt modifieras genom att ändra fasen och motsvarande au- tokorrelationsstorlek och tecken används för detekteringen och särskiljníngen av se- kvensema.

Fördelar som åstadkommes med denna uppfinning är att de ovan beskrivna proble- men kan lösas. Uppfinningen förbättrar särskiljningen av inledningar och ökar be- ständigheten hos kommunikationssystemet. Vidare möjliggör uppfinningen en mer effektiv utnyttjning av det tillgängliga frekvensspektrumet.

Kort beskrivning av ritningarna För en mer fullständig förståelse av uppfinningen refereras nu till följande detaljera- de beskrivning tagen tillsammans med de bifogade iitningarna där: Fig. l illustrerar ett exempel av en MAC-ram i ett dynamiskt TDMA/TDD system; Fig. 2a, b och c illustrerar olika upprepade sekvenser och deras motsvarande auto- korrelationsvärden; Fíg. 3 är ett flödesschema, som illustrerar beräkningen av autokorrelationen.

Beskrivning av föredragna utföringsformer 10 15 20 25 30 513 768 l S' Uppfinningen kommer nu att beskrivas mer i detalj. Endast i syfte att underlätta för- ståelsen av problemet, som löses genom användningen av det uppfunna förfarandet, kommer nu ett mer detaljerat exempel av en flexibel MAC-ram att beskrivas med referens till Fig. 1.

Ramen startar med en utsändningsstyrkanal (B CCH = broadcast control channel), som innefattar information, som sänds över hela cellen, som täcks av en AP. Till- delningen av logiska kanaler till olika MTer överförs i FCCH:n (frame control channel = ramstyrkanal), i bland refererad till som kravbeviljekanal. Det betyder att varje MT exakt vet den dedicerade tidsperioden i ramen när den förväntas motta ett nedlänksdatablock och/eller sända ett upplänksdatablock. Nedan kallas blocket av data som designeras till eller sänds av en MT för ”dataskur”.

Kanaler med slumpmässig åtkomst (RACH = random access channels) är belägna vid änden av ramen. En MT kan begära kapacitet i sin tilldelade upplänkskanal (ULCH = up-link channel eller UL) eller via en kanal med direkt åtkomst.

I varje fält överförs data från APzn till en MT eller vice versa. Detta överförda data täcker hela cellen. Varje skur" innefattar en eller flera PDUer. På DLC-lagret kan sammansättningen av flera PDUer också kallas PDU-tåg eller ”ATM-cellïtåg när ATM-celler överförs. På det fysiska lagret kan en inledning läggas till vid början av varje dataskur för synkronisering och kanaluppskattningssyften. Kanaltillgångs- schemat är dynamiskt TDMA. Därmed har dataskurarna variabel längd.

Inledningen lagd till dataskurarna kallas träningssekvenser (terrnerna inledning och träningssekvens används altemativt nedan) och märks med resp. kanal, till vilken den hör, t ex BCCH-TS (BroadCast Channel Training Sequence = träningssekvens för utsändningskanal), ULCH-TS (Up-Link Channel Training Sequence = tränings- sekvens för upplänkskanal) etc. skapas genom att använda endast varje mzte (m är ett heltal > O) underbärvåg av en OFDM-symbol. Det kan visas att detta leder till ett 10 15 20 25 30 513 768 ß mönster som repeterar sig själv m gånger inom FFI-längden, som för detta system är 64. Att t ex använda var fjärde underbärvåg leder till en upprepningssekvenslängd L = 16.

Det verkliga syftet med TS:n är detektering av ramstarten, mätningar av mottagen effektnivå och frekvensförskjutningsuppskattning. I uppfinningens kommunika- tionssystem innefattar den föreslagna inledningsstrukturen tre delar, A-, B- och C- delarna, där A-delen används för detektering, effektnivåuppskattning (AGC) och en grov tídsuppskattning. Denna detektering (och särskiljning av olika TS) och upp- skattningama måste vara opåverkade av olika ineffektnivåer och frekvensförskjut- ningar.

Det bör noteras att den beskrivna MAC-ramen är ett exempel på ett antal möjliga arrangemang av fält. En annan ordning av fälten kan likväl uppträda. Vidare är det möjligt att några av de beskrivna fälten inte uppträder och andra kan läggas till me- dan uppfinningen fortfarande är tillämplig.

Det upprepade mönstret orsakar ett antal problem som har beskrivits ovan.

Den uppfunna lösningen för dessa problem är såsom följer: För att återanvända ett upprepningsavstånd, som används för andra träningssekven- ser, modifieras fasinforrnationen som innefattas i de upprepade sekvensema.

I en föredragen utföringsform genereras de individuella sekvensema på ett sådant sätt att fasen för upprepade prov i intilliggande sekvenser skiljer sig med l80°.

Detta kan uppnås för det speciella exemplet, som används för att beskriva den före- dragna utföringsforrnen, genom att ändra uppsättningen av lagrade underbärvågor i frekvensdomänen med två underbärvågor. Därmed introduceras en linjärt ökande 10 15 20 25 513 768 f: fasförskjutning per prov i tidsdomän, vilken är exakt 180° vid ett avstånd på D = 16 prover och därmed förverkligas den önskade fasegenskapen hos TS:n. Notera att genom detta förfarande modifieras fasinformationen för varje sekvens involverad i TS:n och inte bara fasinformationen hos varje annan sekvens. Den huvudsakliga strukturen hos TS:n bevaras emellertid med den föredragna utföringsformen.

Genom att göra så kommer autokorrelationen av en sådan modifierad, upprepad trä- ningssekvens att ha motsatta tecken jämfört med den icke modifierade, upprepade sekvensen. De motsatta tecknen kan användas för att särskilja t ex BCCH-TS och ULCH-TS. Denna särskiljning är möjlig också för TS mottaget med en frekvensför- skjutning. Förskjutningen roterar autokorrelationen, men så länge som rotationen inte når upp till +/- 90° är särskilj ningen möjlig genom att helt enkelt titta på tecknet hos den reella delen av autokorrelationsvärdet. I det nya kommunikationssystemet kan frekvensförskjutningar på upp till 240 kHz uppstå. Med en autokorrelationsför- skjutning D = 16 skulle rotationen bli mindre än 70°. Särskiljningsegenskapema be- varas också när signalvärdet kapas d v s begränsas till ett maxvärde. Detta kan vara fallet när en signal med okänd ineffektnivå mottas.

Genom att endast använda den modifierade TS:n (TS') för BCCH-TS är det möjigt att detektera ramstarten utan falska alarm eftersom alla andra detekteringar kasseras genom att använda särskiljningsegenskaper hos TS och TS”. Andra detekteringar kan komma från andra dataslcurer i MAC-ramen eller från vilket armat system som helst, som använder upprepade inledningar.

För enkelhets skull avser uttrycken ”teckenomvänd” och andra liknande uttryck nedan fasmodifieringen applicerad på de upprepade sekvenserna såsom beskrivits ovan även om fasmodifieringen inte nödvändigtvis uppnås genom en enkel tecke- nornkastning utan en linjärt ökande fas över hela TS:n. 10 l5 20 25 30 513 768 ' S' Som redan nämnts ovan är denna modifiering i frekvensdomänen motsvarande en förskjutning av spektrumet med halva avståndet mellan underbärvågorna. Som ett exempel förskjuts underbärvågen med två när man startar med var fjärde underbar- våg efter teckenändringen. Därmed överlappar inte det modifierade spektrumet och det ursprungliga och de använder olika delar av det ursprungligt tillåtna spektrumet och gör det därför möjligt att använda PSD:n mer enhetligt än tidigare.

Vidare förskjuts nu den ursprungliga DC-underbänfågen, som inte kunde användas, till en underbärvåg, som tillåts i det nya kommunikationssystemet. Resultatet är att det inte finns några ytterligare gap av underbärvågori rnitten av spektrumet hos den modifierade träningssekvensen och därmed kan mer frekvensdiversitet utnyttjas.

Fig. 2a, b och c visar ett antal exempel på TS:er (inledningar) tillsammans med dia- gram på motsvarande autokorrelationsvärden.

Fig. 2a beskriver en TS, som innefattar två upprepningar av en given sekvens (längd L). Autokorrelationen av TS:n är ritad med en hel linje i diagrammet. I diagrammet är autokorrelationslängden M lika med L och autokorrelationsförskjutningen D lika med L. En modifierad inledning TS” skapas genom att modifiera TS:n genom att omkasta tecknet hos någon av de två upprepningarna (den första i Fig. 2a).

I figuren (och i Pig. Zb och c) indikeras den omkastade teckensekvensen av en ver- tikal pil. Autokorrelationen av TS” roteras 180° jämfört med den för TS (den omodi- ñerade inledningen), d v s teckenomkastad och beskriven med en streckad linje i di- agrammet. Både den ursprungliga och modifierade TS:n kan skapas som en vanlig OFDM-symbol d v s med en omvänd FFT.

I Fig. 2b skapas en TS från fyra upprepningar av en given sekvens (längd L). Auto- korrelationen (M = 3L, D = L) av denna TS ritas som en hel linje i diagrammet. Ge- nom att kasta om tecknet hos varje annan upprepning (med början med den första i 10 15 20 25 30 513 768 6/ detta exempel) roteras motsvarande autokorrelation l80°, d v s teckenomvänd (streckad linje i diagrammet). Både den ursprungliga och modifierade TS:n kan ska- pas som en vanlig OFDM-symbol, d v s med en omvänd FFT.

I Fig. 2c innefattar en TS sex upprepningar av en given sekvens (längd L), men med den sista upprepningen teckenomvänd. Omkastningen av den sista upprepníngen i TS:n resulterar i att autokorrelationsstorleken faller med en större lutning efter top- pen och också ger en mindre sídolob. Autokorrelatíonen (M = 4L, D = L) av denna TS ritas som en hel linje i diagrammet. Genom att ornkasta tecknet hos varje annan upprepning (med början med den första i detta exempel) roteras motsvarande auto- korrelation l80°, d v s teckenomvänd (streckad linje i diagrammet). Notera att i detta exempel kan den ursprungliga och modifierade TS:n inte direkt skapas som en vanlig OFDM-symbol d v s av en omvänd FFT. Den centrala delen (fyra upprep- ningar) är emellertid en vanlig symbol. Detta exempel påvisar att också en TS med några upprepningar, som redan är teckenomvända och som inte behöver vara en vanlig OFDM-symbol har en motsvarande TS med teckenornvänd autokorrelation.

Eftersom autokorrelationstecknet beror på fasmodifieringen hos inledningsupprep- ningen kan autokorrelationstecknet användas för att särskilja inledningar. Autokor- relationsstorleken är samma för inledningarna, vilket betyder att utförandet är iden- tiskt.

Beständigheten uppnås både genom en mer tillförlitlig detektering av inledningar och faktumet att särskiljningsegenskaperna (hos TS:n och den modifierade TS'- versionen) bevaras efter förvrängning av flervägsfädning, frekvensförskjutningar BIC .

För tydlighets skull är det inte nödvändigt att använda FFfzer eller vanliga OFDM- symboler för att bygga en TS med de föreslagna särskiljníngsegenskapema. Uppfin- ningen kan användas för varje upprepad struktur, som innefattar likadana block oav- 10 15 20 513 768 lf? sett om det är en OFDM-signal eller inte. Samma sak gäller för de förbättrade spekt- ralegenskaperna, i vilka OFDM och användningen av FFT endast spelar en roll för att förklara.

Ett exempel på ett flödesschema för att beräkna autokorrelationsvärdet ges i Fig. 3.

Avståndet D skapas genom att fördröja D inmatningsprov. Det komplexa konjugatet hos de fördröjda proven beräknas och kombineras med de ofördröjda inmatnings- proven i en komplex multiplikation. Resultatet från den komplexa multiplikationen används sedan för att skapa en rörlig summa hos de sista M komplexa värdena.

Både amplituden och fasen hos korrelationsresultatet kommer att utnyttjas. Ampli- tudinforrnationen tas för att faktiskt detektera inledningen medan fasinforrnationen tjänar att särskilja inledningar hos olika kanaler. Speciellt för det beskrivna scenariet i den föredragna utföringsfonnen kan tecknet hos den reella delen hos korrelations- resultatet, vilket i själva verket är fasinformation, användas för särskíljningen.

En annan egenskap hos paren av TS (ursprungliga och modifierade) är den att de är ortogonala i förhållande till varandra. Detta betyder att kryssprodukten av ett sådant par ger noll som resultat. Därför är det möjligt att skilja mellan de två i ett par an- tingen genom att använda en förskjuten autokorrelation såsom beskrivet ovan eller med en krysskorrelation med den kända sekvensen, d v s ett passande filter.

Claims (3)

10 15 20 25 30 513 768 ll Patentkrav

1. Förfarande för att särskilja upprepade sekvenser i ett trådlöst kommunikations- system, varvid de upprepade sekvensema har samma upprepningslängd, känne- tecknat av att skapa modifierade upprepade sekvenser genom att ändra fasen hos minst en av se- kvenserna; beräkna autokorrelationsvärdena hos de upprepade sekvensema och hos de modifie- rade upprepade sekvenserna; och jämföra autokorrelationsvärdena hos de upprepade sekvensema och hos de modifie- rade sekvensema.

2. Förfarande för att särskilja inledningar i ett trådlöst kommunikationssystem, var- vid ínledningarna har samma upprepningslängd, kännetecknat av att skapa modifierade inledningar genom att ändra fasen hos minst en av inledningarna; beräkna autokorrelationsvärdena hos inledningarna och hos de modifierade inled- ningarna; och jämföra autokorrelatíonsvärdena hos inledningarna och hos de modifierade inled- ningarna.

3. En mottagare för att särskilja upprepade sekvenser i ett trådlöst kommunikations- system, varvid de upprepade sekvenserna har samma upprepningslängd, känne- tecknad av medel för att skapa modifierade upprepade sekvenser genom att ändra fasen hos minst en av sekvensema; medel för att beräkna autokorrelationsvärdena hos de upprepade sekvensema och hos de modifierade upprepade sekvensema; och 513 768 /šL medel för att jämföra autokorrelationsvärdena hos de upprepade sekvenserna och hos de modifierade sekvenserna.