WO1999022479A1 - Verfahren und funkstation zur zeitsynchronisation für funkstationen in einem funk-kommunikationssystem - Google Patents

Verfahren und funkstation zur zeitsynchronisation für funkstationen in einem funk-kommunikationssystem Download PDF

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WO1999022479A1
WO1999022479A1 PCT/DE1998/003053 DE9803053W WO9922479A1 WO 1999022479 A1 WO1999022479 A1 WO 1999022479A1 DE 9803053 W DE9803053 W DE 9803053W WO 9922479 A1 WO9922479 A1 WO 9922479A1
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radio
time
time synchronization
channel
signal
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PCT/DE1998/003053
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Johannes Schlee
Bernd Steiner
Stefan Bahrenburg
Paul-Walter Baier
Jürgen Mayer
Tobias Weber
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04B7/24—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts
    • H04B7/26—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts at least one of which is mobile
    • H04B7/2628—Radio transmission systems, i.e. using radiation field for communication between two or more posts at least one of which is mobile using code-division multiple access [CDMA] or spread spectrum multiple access [SSMA]
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    • H04B7/2668—Arrangements for Wireless Code-Division Multiple Access [CDMA] System Synchronisation
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    • H04B7/2671—Arrangements for Wireless Time-Division Multiple Access [TDMA] System Synchronisation
    • H04B7/2678—Time synchronisation
    • H04B7/2681—Synchronisation of a mobile station with one base station
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04L7/00—Arrangements for synchronising receiver with transmitter
    • H04L7/04—Speed or phase control by synchronisation signals
    • H04L7/041—Speed or phase control by synchronisation signals using special codes as synchronising signal
    • H04L7/042—Detectors therefor, e.g. correlators, state machines

Definitions

  • the invention relates to a method for time synchronization for radio stations of a radio communication system, and to mobile stations and base stations designed in this way.
  • messages for example voice, image information or other data
  • the electromagnetic waves are emitted at carrier frequencies that lie in the frequency band provided for the respective system.
  • GSM Global System for Mobile Communication
  • the carrier frequencies are in the range of 900, 1800 and 1900 MHz.
  • UMTS Universal Mobile Telecommunication System
  • 3rd generation systems frequencies in the frequency band of approx. 2000 MHz are provided.
  • the currently existing GSM mobile radio system is a
  • Radio communication system with a TDMA component for subscriber separation (Time Division Multiple Access).
  • subscriber separation Time Division Multiple Access
  • user information of the subscriber connections is transmitted in time slots.
  • the transmission takes place in blocks. From the GSM mobile radio system are in
  • frequency channels (SCH synchronization channel) adapted to the time grid of the frame structure for time synchronization for the mobile stations and subscriber access channels (RACH random access channel) for initiating a connection establishment are also known.
  • the receiving radio station can be used for self-synchronization. Evaluate the data transmitted or to set a timing advance.
  • a mobile communication system which uses a TDMA / CDMA subscriber separation (CDMA code division multiple access) and uses a JD method (joint detection) on the receiving side in order to obtain a knowledge of spreading codes of several subscribers to make improved detection of the transmitted useful information.
  • CDMA code division multiple access CDMA code division multiple access
  • JD method joint detection
  • the invention is based on the object of specifying a method and radio stations which simplify a reception-side realization of the time synchronization in a TDMA / CDMA radio communication system. This object is achieved by the method with the features of claim 1 and the radio stations with the features of claim 11 and 12, respectively. Further developments of the invention can be found in the subclaims.
  • the method according to the invention for time synchronization for radio stations of a radio communication system relates to a radio interface with TD / CDMA subscriber separation, so that frequency channels formed by time slots and by broadband frequency ranges are provided.
  • Frequency channels for time synchronization in which known signal forms and possibly data parts are transmitted, are provided in a recurrent up and down direction.
  • Received signals are evaluated on the receiving side, a channel estimation is carried out based on the known signal forms and additionally at least one point in time of the arrival of the signal form is determined. The at least one point in time is then used for time synchronization.
  • channel estimation and time synchronization are possible by evaluating a single radio block, for which purpose a common algorithm is advantageously used. This reduces the effort on the receiving side and delays in the synchronization or connection establishment.
  • the time synchronization according to the invention is offered in the downward direction in a frequency channel for chip synchronization for all mobile stations or in the upward direction in a frequency channel for subscriber access (random access) is used independently by each mobile station for establishing a connection.
  • the effort for synchronization can be reduced by a corresponding design of the signal form and a connection can be made with the channel estimation.
  • the signal form is designed as a chip sequence that is elongated in comparison to training sequences of time slots for useful data transmission.
  • the extended chip sequence creates a capture range for the channel estimation, which allows a valid channel estimation with a correspondingly long channel impulse response to be carried out even in the absence of time synchronization at the receiving radio station.
  • the catch area is also sufficient for participant access and the subsequent compensation of a lead time.
  • the data part In addition to chip synchronization, it is advantageous to provide the data part with information about a frame structure of the frequency channels in the downward direction.
  • the frame synchro can thus also be evaluated by evaluating a single radio block. be carried out. The delay time until a mobile station is ready for use in a radio cell thus drops further.
  • the data part contains information about an identifier assigned to the mobile station, which will be referred to in the further course of a connection establishment. If a larger amount of additional data is transmitted in the data parts, secure reception is ensured by setting a corresponding length of the radio block containing the signal form and the data part. This is achieved despite the unknown length of the channel impulse response and thus the intersymbol interference between the signal form for time synchronization and the data part.
  • the time of arrival of the signal form is determined from a comparison of the energy of individual values of the channel impulse response with a threshold value or by an arrival of the maximum value of the channel impulse response. Both determination methods are robust and lead to reliable results under the most varied transmission conditions.
  • a sub-area that contains a maximum value of the channel impulse response is advantageously selected from the determined channel impulse response for further data detection.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a mobile radio network according to the prior art
  • 2 shows a schematic representation of the frame structure of the radio transmission
  • FIG. 3.4 shows schematic representations of the structure of frequency channels for time synchronization
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the energy of
  • FIG. 6 block diagrams of the mobile station and base station.
  • FIG. 1 shows, by way of example, three connections for the transmission of useful information and signaling information between three mobile stations MS and a base station BS.
  • An operations and maintenance center implements control and maintenance functions for the cellular network or for parts thereof. The functionality of this structure can be transferred to other radio communication systems in which the invention can be used.
  • the frame structure of the radio transmission is shown in FIG 2.
  • Each time slot ts within the frequency range B forms a frequency channel FK.
  • TCH which are used only for data transmission are provided, information of several connections are transmitted in radio blocks.
  • radio blocks for the transmission of user data consist of sections with data d, in which sections with training sequences tseql to tseqK known on the reception side are embedded.
  • the data d are spread on a connection-specific basis with a fine structure, a subscriber code c, so that, for example, K connections can be separated at the receiving end by this CDMA component.
  • the spreading of individual symbols of the data d has the effect that Tgy m Q chips of the duration T c i p are transmitted within the symbol duration.
  • the Q chips form the connection-individual subscriber code c.
  • a protection time gp is provided within the time slot ts to compensate for different signal propagation times of the connections.
  • the successive time slots ts are structured according to a frame structure. Eight time slots ts are thus combined to form a frame, for example a time slot ts4 of the frame forming a frequency channel TCH for useful data transmission and being used repeatedly by a group of connections.
  • a frequency channel SCH is provided for time synchronization of the mobile stations MS. This does not take place in every frame, but at a predetermined level
  • Time within a multi-frame The spacing between the frequency channels SCH, R ⁇ CH for time synchronization determines the capacity that the mobile network provides for this. The distances can be larger compared to the GSM mobile radio system. 3 shows the use of a frequency channel SCH for time synchronization in the downward direction.
  • the broadband frequency range B is used for time synchronization during a time slot.
  • Frequency channels TCH for the transmission of useful data or signaling data are implemented in the following time slots.
  • a radio block is transmitted in the downward direction, which contains a signal form fl as the training sequence or midamble, which is known in the mobile stations MS.
  • the radio block also contains two data parts d1 and d2, which contain spread data symbols for frame synchronization.
  • the waveform fl is a chip sequence.
  • the spreading factor Q is equal to 14.
  • m4 is derived from the midamble basic code O, which is cyclically rotated by 4 * W to the right.
  • the numerical values in the brackets (34: 215; 0: 6) indicate partial ranges from chip position to chip position within a midamble code m4.
  • the format of the radio block can also be modified in such a way that the signal form fl is reduced to two times m.4 and also the data part d by a few data symbols becomes. This makes the radio block about 100 ⁇ s shorter (1 chip corresponds to 6/13 ⁇ s). If the information about frame synchronization is not detected during the first reception, then this is achieved during a subsequent reception with the synchronization already set. 4 shows the upward direction, with time synchronization on the part of the base station BS being carried out in a time slot for a subscriber access channel R ⁇ CH. In this time slot, a mobile station MS sends a radio block with a signal form fl 'and a data part d. The data part is in turn spread and the signal form fl 'is a chip sequence.
  • the data d also contains a random number which represents an identifier k1 assigned to the mobile station MS for the subsequent connection establishment. On the basis of this identifier kl, the mobile station MS can recognize the assignment of further signaling or user data channels.
  • the time synchronization on the reception side is to be clarified.
  • a channel estimator is used to estimate the transmission channels and determines channel coefficients h of length W for user data channels TCH. For K users in a user data channel, this is
  • the channel estimation using inverse filtering uses the
  • (M) turned midamble m, which emerges from a cyclic central label code m.
  • the cyclic midamble basic code of length L depends on the number W of Estimating channel coefficients h and the maximum number of participants K, which is to be distinguished by CDMA codes.
  • a discrete Fourier transform DFT of the signal shape is carried out, i.e. of the cyclic basic middle code mw to a first intermediate result g and then the formation of an inverse g of the first intermediate result g.
  • the inverse g is subjected to an inverse discrete Fourier transformation IDFT and a second intermediate result g 'is formed.
  • a third intermediate result g ′′ is then produced by appending the second intermediate result g ′ twice and filling up the vector with values “zero”. The length of the vector then corresponds to 2, y where: 2> 2L.
  • a fourth Intermediate result g "" which forms the estimation coefficients, is formed from the third intermediate result g "" by fast Fourier transformation FFT.
  • the fourth intermediate result g "" is stored in the memory SP.
  • the channel impulse responses with channel coefficients h can then be taken from this vector for data detection.
  • Alternative solution methods for channel estimation are based on solving a linear system of equations.
  • the maximum is searched for within the 216 chip long channel impulse response according to FIG. Additionally or alternatively, the selection of a value of the channel impulse response can be linked to a comparison with a threshold value.
  • the threshold value is, for example, 10 times the mean reception energy. If this requirement is not met, the channel impulse response is considered to be undetected.
  • TK Imax - LM / 2, where 0 ⁇ TK ⁇ LM-1 applies.
  • the R ⁇ CH subscriber access channel is sent by the mobile station with a retention time of 195 chips.
  • Figure 6 shows the radio transmission in the downlink direction from the base station BS to mobile stations MSI to MSK in 'a frequency quenzkanal SCH for frequency synchronization.
  • the mobile stations MS first determine one or more frequency ranges B with a sufficiently high or maximum reception power. These are the frequency ranges B of the closest base station BS, in the cell of which the mobile station MS is currently located.
  • Mobile stations MSI to MSK evaluate received signals in these frequency ranges B and carry out a constant channel estimation using the values of the received signal.
  • the first time t1 and the time correction values TK derived therefrom form the
  • a mobile station MS3 For a request to allocate radio resources, a mobile station MS3 sends up in one
  • Frequency channel R ⁇ CH a radio block shown in FIG 4, which is received and evaluated in the base station.
  • the base station BS determines a lead time to be sent to this mobile station MS3 in the downward direction
  • the base station BS contains a transceiver SE / EE, which converts the transmission signals to be emitted digitally / analogously, converts them from the baseband into the frequency range B of the radiation and modulates and amplifies the transmission signals.
  • a signal generating device SA previously has the transmission signals, for example, radio blocks with a known signal form fl, compiled and assigned to the corresponding frequency channel SCH.
  • a signal processing device SP evaluates received signals received via the transmitting / receiving device SE / EE in that, as already described above, the corresponding frequency range B is selected and a channel estimation is carried out.
  • the received signals are converted into symbols with a discrete set of values, for example digitized.
  • a signal processing device SP which as a digital signal processor contains a JD processor for detecting the useful information and the signaling information according to the JD-CDMA method (joint detection), also evaluates the data parts d.
  • the interaction of the components is controlled by a control device SE.
  • the mobile station MS contains the modules explained for the base station and also an operating panel T.
  • the user can make entries on the operating panel T, including an input for activating the mobile station MS, which must then first carry out a synchronization with the mobile radio network surrounding it.
  • the control device SE accepts this request and initiates the time synchronization. For the establishment of the connection, after an input via the control panel T, the control device SE starts by dialing a number, the formation of a radio block according to FIG. 4 and a transmission in the corresponding frequency channel R ⁇ CH.

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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zeitsynchronisation für Funkstationen eines Funk-Kommunikationssystems bezieht sich auf eine Funkschnittstelle mit TD/CDMA-Teilnehmerseparierung, so daß durch Zeitschlitze und durch breitbandige Frequenzbereiche gebildete Frequenzkanäle bereitgestellt werden. Es werden dabei in Auf- und Abwärtsrichtung wiederkehrend Frequenzkänale zur Zeitsynchronisation bereitgestellt, in denen bekannte Signalformen übertragen werden. Empfangsseitig werden empfangene Signale ausgewertet, eine Kanalschätzung basierend auf den bekannten Signalformen durchgeführt und zusätzlich zumindest ein Zeitpunkt des Eintreffens der Signalform ermittelt. Der zumindest eine Zeitpunkt wird anschließend zur Zeitsynchronisation benutzt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Funkstation zur Zeitsynchronisation für Funkstationen in einem Funk-Kommunikationssyste
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zeitsynchronisation für Funkstationen eines Funk-Kommunikationssystems, sowie derartig ausgestaltete Mobilstationen und Basisstationen.
In Funk-Kommunikationssystemen werden Nachrichten (beispielsweise Sprache, Bildinformationen oder andere Daten) mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnittstelle zwischen sendender und empfangender Funkstation (Basisstation bzw. Mobilstation) übertragen. Das Abstrahlen der elektro- magnetischen Wellen erfolgt dabei mit Trägerfrequenzen, die in dem für das jeweilige System vorgesehenen Frequenzband liegen. Beim GSM (Global System for Mobile Communication) liegen die Trägerfrequenzen im Bereich von 900, 1800 bzw. 1900 MHz. Für zukünftige Mobilfunknetze mit TDMA- oder TD/CDMA-Übertragungsverfahren über die Funkschnittstelle, beispielsweise das UMTS (Universal Mobile Telecom unication System) oder andere Systeme der 3. Generation sind Frequenzen im Frequenzband von ca. 2000 MHz vorgesehen.
Das gegenwärtig existierende GSM-Mobilfunksystem ist ein
Funk-Kommunikationssystem mit einer TDMA-Komponente zur Teil- nehmerseparierung (Time Division Multiple Access) . Gemäß einer Rahmenstruktur werden Nutzinformationen der Teilnehmerverbindungen in Zeitschlitzen übertragen. Die Übertragung erfolgt blockweise. Aus dem GSM-Mobilfunksystem sind in
Abwärtsrichtung weiterhin dem Zeitraster der Rahmenstruktur angepaßte Frequenzkanäle (SCH synchronization Channel) zur Zeitsynchronisation für die Mobilstationen und Teilnehmerzugriffskanäle (RÄCH random access Channel) zur Einleitung eines Verbindungsaufbaus bekannt. In diesen Frequenzkanälen kann die jeweils empfangende Funkstation zur Selbstsynchro- nisation bzw. zum Einstellen einer Vorhaltzeit (timing advance) übertragene Daten auswerten.
Aus DE 195 49 148 AI ist ein Mobil-Kommunikationssystem be- kannt, das eine TDMA/CDMA-Teilnehmerseparierung (CDMA code division multiple access) nutzt und empfangsseitig ein JD- Verfahren (Joint detection) anwendet, um unter Kenntnis von Spreizkodes mehrerer Teilnehmer eine verbesserte Detektion der übertragenen Nutzinformationen vorzunehmen. 'In einem Fre- quenzkanal (TCH traffic Channel) werden gleichzeitig Informationen mehrerer Nutzdatenverbindungen übertragen, die durch ihren Spreizkode unterscheidbar sind.
Zur Kanalschätzung werden in diesem TD/CDMA-Kom unikations- syste bekannte Signalformen in Form von Trainingssequenzen verwendet. Aus DE 197 34 936 sind Kanalschätzungsalgorithmen bekannt, die jedoch voraussetzen, daß die empfangende Funkstation zuvor eine Zeitsynchronisation durchgeführt hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Funkstationen anzugeben, die in einem TDMA/CDMA-Funk-Kommunikationssystem eine empfangsseitige Realisierung der Zeitsynchronisation vereinfachen. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und die Funkstationen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 bzw. 12 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zeitsynchronisation für Funkstationen eines Funk-Kommunikationssystems bezieht sich auf eine Funkschnittstelle mit TD/CDMA-Teilnehmerseparierung, so daß durch Zeitschlitze und durch breitbandige Frequenzbereiche gebildete Frequenzkanäle bereitgestellt werden. Es werden dabei in Auf- und Abwärtsrichtung wiederkehrend Fre- quenzkanäle zur Zeitsynchronisation bereitgestellt werden, in denen bekannte Signalformen und ggf. Datenteile übertragen werden. Empfangsseitig werden empfangene Signale ausgewertet, eine Kanalschätzung basierend auf den bekannten Signalformen durchgeführt und zusätzlich zumindest ein Zeitpunkt des Eintreffens der Signalform ermittelt. Der zumindest eine Zeitpunkt wird anschließend zur Zeitsynchronisation benutzt.
Für ein TD/CDMA-Übertragungsverfahren ist damit die Kanalschätzung und die Zeitsynchronisation durch Auswertung eines einzigen Funkblockes möglich, wozu vorteilhafterweise ein gemeinsamer Algorithmus verwendet wird. Dies verringert den empfangsseitigen Aufwand und Verzögerungen der Synchronisation bzw. des Verbindungsaufbaus.
Die erfindungsgemäße Zeitsynchronisation wird in Abwärtsrichtung in einem Frequenzkanal zur Chipsynchronisation für alle Mobilstationen angeboten bzw. in Aufwärtsrichtung in einem Frequenzkanal zum Teilnehmerzugriff (random access) von jeder Mobilstation selbständig zum Verbindungsaufbau benutzt. Für beide Frequenzkanäle kann durch eine entsprechende Gestaltung der Signalform der Aufwand zur Synchronisation gesenkt werden und eine Verbindung mit der Kanalschätzung erfolgen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Signalform als eine im Vergleich zu Trainingssequenzen von Zeitschlitzen zur Nutzdatenübertragung verlängerte Chipfolge ausgebildet. Durch die verlängerte Chipfolge entsteht ein Fangbereich für die Kanalschätzung, der es gestattet, auch bei nicht vorliegender Zeitsynchronisation bei der empfangenden Funkstation eine gültige Kanalschätzung mit entsprechend langer Kanalimpulsantwort durchzuführen. Der verlängerte
Fangbereich ist auch für den Teilnehmerzugriff und den anschießenden Ausgleich einer Vorhaltzeit ausreichend.
Zusätzlich zur Chipsynchronisation ist es vorteilhaft in Ab- wärtsrichtung den Datenteil mit Angaben über eine Rahmenstruktur der Frequenzkanäle auszustatten. Damit kann durch Auswertung eines einzigen Funkblockes auch die Rahmensynchro- nisation durchgeführt werden. Die Verzörgerungszeit bis zur Einsatzbereitschaft einer Mobilstation in einer Funkzelle sinkt damit weiter. Für die Aufwärtsrichtung enthält der Datenteil Angaben über eine der Mobilstation zugeordnete Kennung, auf die im weiteren Verlauf eines Verbindungsaufbaus Bezug genommen wird. Wird eine größere Menge zusätzlicher Daten in den Datenteilen übertragen, dann wird durch Einstellung einer entsprechenden Länge des die Signalform und den Datenteil enthaltenden Funkblocks ein gesicherter Empfang gewährleistet. Dies wird trotz unbekannter Länge der Kanalimpulsantwort und damit der Intersymbolinterferenzen zwischen der Signalform zur Zeitsynchronisation und dem Datenteil erreicht .
Nach weiteren vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung wird der Zeitpunkt des Eintreffens der Signalform aus einem Vergleich der Energie von einzelnen Werten der Kanalimpulsantwort mit einem Schwellwert oder durch ein Eintreffen des Maximalwertes der Kanalimpulsantwort bestimmt. Beide Besti - mungsmethoden sind robust und führen unter vielfältigsten Übertragungsbedingungen zu zuverlässigen Ergebnissen.
Soll für eine anschließende Übertragung von Daten mit Nutzinformationen oder Signalisierungsinfor ationen eine Kanal- impulsantwort vorbereitet werden, so wird vorteilhafterweise aus der ermittelten Kanalimpulsantwort ein Teilbereich für eine weitere Datendetektion ausgewählt wird, der einen Maximalwertes der Kanalimpulsantwort enthält.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels bezugnehmend auf zeichnerische Darstellungen näher erläutert.
Dabei zeigen
FIG 1 ein Blockschaltbild eines Mobilfunknetzes nach dem Stand der Technik, FIG 2 eine schematische Darstellung der Rahmenstruktur der Funkübertragung, FIG 3,4 schematische Darstellungen der Struktur von Frequenzkanälen zur Zeitsynchronisation, FIG 5 eine schematische Darstellung der Energie von
Werten einer geschätzten Kanalimpulsantwort, und FIG 6 Blockschaltbilder von Mobilstation und Basisstation.
Das in FIG 1 dargestellte Funk-Kommunikationssys'tem ent- spricht in seiner Struktur einem bekannten GSM-Mobilfunknetz, das aus einer Vielzahl von Mobilvermittlungsstellen MSC besteht, die untereinander vernetzt sind bzw. den Zugang zu einem Festnetz PSTN herstellen. Weiterhin sind diese Mobil- vermittlungsstellen MSC mit jeweils zumindest einem Basis- Stationscontroller BSC verbunden. Jeder Basisstationscon- troller BSC ermöglicht wiederum eine Verbindung zu zumindest einer Basisstation BS . Eine solche Basisstation BS ist eine Funkstation, die über eine Funkschnittstelle eine Nachrichtenverbindung zu Mobilstationen MS aufbauen kann.
In FIG 1 sind beispielhaft drei Verbindungen zur Übertragung von Nutzinformationen und Signalisierungsinformationen zwischen drei Mobilstationen MS und einer Basisstation BS dargestellt. Ein Operations- und Wartungszentrum realisiert Kontroll- und Wartungsfunktionen für das Mobilfunknetz bzw. für Teile davon. Die Funktionalität dieser Struktur ist auf andere Funk-Kommunikationssysteme übertragbar, in denen die Erfindung zum Einsatz kommen kann.
Die Rahmenstruktur der Funkübertragung ist aus FIG 2 ersichtlich. Gemäß einer TDMA-Komponente ist eine Aufteilung eines breitbandigen Frequenzbereiches, beispielsweise der Bandbreite B = 1,6 MHz in mehrere Zeitschlitze ts, beispielsweise 8 Zeitschlitze tsl bis ts8 vorgesehen. Jeder Zeitschlitz ts innerhalb des Frequenzbereiches B bildet einen Frequenzkanal FK. Innerhalb der Frequenzkanäle TCH, die allein zur Nutz- datenübertragung vorgesehen sind, werden Informationen mehrerer Verbindungen in Funkblöcken übertragen.
Diese Funkblöcke zur Nutzdatenübertragung bestehen aus Ab- schnitten mit Daten d, in denen Abschnitte mit empfangsseitig bekannten Trainingssequenzen tseql bis tseqK eingebettet sind. Die Daten d sind verbindungsindividuell mit einer Feinstruktur, einem Teilnehmerkode c, gespreizt, so daß empfangsseitig beispielsweise K Verbindungen durch diese CDMA-Kompo- nente separierbar sind.
Die Spreizung von einzelnen Symbolen der Daten d bewirkt, daß innerhalb der Symboldauer Tgym Q Chips der Dauer Tc ip übertragen werden. Die Q Chips bilden dabei den verbindungsindi- viduellen Teilnehmerkode c. Weiterhin ist innerhalb des Zeitschlitzes ts eine Schutzzeit gp zur Kompensation unterschiedlicher Signalaufzeiten der Verbindungen vorgesehen.
Innerhalb eines breitbandigen Frequenzbereiches B werden die aufeinanderfolgenden Zeitschlitze ts nach einer Rahmenstruktur gegliedert. So werden acht Zeitschlitze ts zu einem Rahmen zusammengefaßt, wobei beispielsweise ein Zeitschlitz ts4 des Rahmens einen Frequenzkanal TCH zur Nutzdatenübertragung bildet und wiederkehrend von einer Gruppe von Verbindungen genutzt wird.
Wird die Funkschnittstelle in Abwärtsrichtung betrachtet (siehe FIG 2), so wird ein Frequenzkanal SCH zur Zeitsynchronisation der Mobilstationen MS bereitgestellt. Dies er- folgt nicht in jedem Rahmen, jedoch zu einem vorgegebenen
Zeitpunkt innerhalb eines Multirahmens . Die Abstände zwischen den Frequenzkanälen SCH, RÄCH zur Zeitsynchronisation bestimmt die Kapazität, die das Mobilfunknetz dafür zur Verfügung stellt. Im Vergleich zum GSM-Mobilfunksystem können die Abstände größer sein. Anhand von FIG 3 wird die Nutzung eines Frequenzkanals SCH zur Zeitsynchronisation in Abwärtsrichtung gezeigt. Der breitbandige Frequenzbereich B wird während eines Zeitschlitzes für die Zeitsynchronisation benutzt. In den fol- genden Zeitschlitzen werden Frequenzkanäle TCH zur Nutz- bzw. Signalisierungsdatenübertragung realisiert .
In einem Zeitschlitz ts des Frequenzkanals SCH zur Zeitsynchronisation wird ein Funkblock in Abwärtsrichtung über- tragen, der als Trainingssequenz bzw. Mittambel eine Signalform fl enthält, die in den Mobilstationen MS bekannt ist. Weiterhin enthält der Funkblock zwei Datenteile dl und d2, die gespreizte Datensymbole zur Rahmensynchronisation enthalten. Die Signalform fl ist eine Chipfolge.
Das Format des Funkblockes ist wie folgt: s = (dl, m4(34:215), m4, m4, m4(0:6), d2), wobei ein Mittambelcode m4 der Länge L = 216 Chip und dl/2 einer gespreizten Folge von Datensymbolen mit 20*Q=280 Chip entspricht. Der Spreizfaktor Q ist gleich 14. m4 geht dabei aus dem zyklisch um 4*W nach rechts rotierten Mittambelgrund- code O hervor. Die Zahlenwerte in den Klammern (34:215; 0:6) geben Teilbreiche von Chipposition zu Chipposition innerhalb eines Mittambelcodes m4 an.
Damit unter allen denkbaren Kanalbedingungen die Informationen für die Rahmensynchronisation schon beim ersten Auswerten eines solchen Funkblockes detektiert werden können, kann das Format des Funkblockes auch dahingehend modifiziert werden, daß die Signalform fl auf zwei mal m.4 und auch der Datenteil d um einige Datensymbole reduziert wird. Dadurch wird der Funkblock um etwa 100 μs kürzer (1 Chip entspricht 6/13 μs) . Wird die Information zur Rahmensynchronisation nicht beim ersten Empfang detektiert, so wird dies bei einem folgenden Empfang mit dann bereits eingestellter Synchronisation erreicht. FIG 4 zeigt die Aufwärtsrichtung, wobei in einem Zeitschlitz für einen Teilnehmerzugriffskanal RÄCH eine Zeitsynchronisation auf Seiten der Basisstation BS durchgeführt wird. In diesem Zeitschlitz sendet eine Mobilstation MS einen Funk- block mit einer Signalform fl' und einem Datenteil d. Der Datenteil ist wiederum gespreizt und die Signalform fl' ist eine Chipfolge.
Das Format dieses Funkblockes ist s = (mO, mO, d) , wobei mO ein der Basisstation bekannter Mittambelgrundcode der Länge L = 216 Chip und d eine gespreizte Datenfolge mit (N+1)*Q=476 Chip ist. In den Daten d ist neben dem Schlüssel für den Zugriffsgrund des Teilnehmers auch eine Zufallszahl enthalten, die für den anschließenden Verbindungsaufbau eine der Mobilstation MS zugeordnete Kennung kl darstellt. Anhand dieser Kennung kl kann die Mobilstation MS die Zuweisung von weiteren Signalisierungs- oder Nutzdatenkanäle erkennen.
Nachdem gezeigt wurde, wie die Funkblöcke sendeseitig gene- riert und werden, soll die Zeitsynchronisation auf der Empfangsseite verdeutlicht werden.
Ein Kanalschätzer dient zur Schätzung der Übertragungskanäle und bestimmt für Nutzdatenkanäle TCH Kanalkoeffizienten h der Länge W. Für K Teilnehmer in einem Nutzdatenkanal ist die
Länge der Mittambel L > LM - W + 1, wobei bei LM = 243 und W = 27 die Länge gleich 217 ist. L ist die Länge des auszuwertenden Teils des ausschließlich von den Mittambeln m abhängigen Empfangssignals . Ist L = L - W + 1, so wird die Energie der Mittambel optimal ausgenutzt.
Im Beispiel ist die ausgenutzte Länge gleich M = 8 * 27, also 216. Die Kanalschätzung mittels inverser Filterung nutzt die
Kenntnis über die von einer sendenten Funkstation BS, MS ver-
(M) wendeten Mittambel m , die aus einem zyklischen Mitta bel- grundcode m hervorgeht. Der verwendete zyklische Mittambelgrundcode der Länge L ist abhängig von der Anzahl W der zu schätzenden Kanalkoeffizienten h und der maximalen Teilnehmerzahl K, die durch CDMA-Codes unterschieden werden soll.
Zur Vorbereitung der Kanalschätzung erfolgt eine diskrete Fouriertransformation DFT der Signalform, d.h. des zyklischen Grundmittambelcodes mw zu einem ersten Zwischenergebnis g und anschließend das Bilden einer Inversen g des ersten Zwischenergebnisses g. Die Inverse g wird einer inversen diskreten Fouriertransformation IDFT unterzogen und ein zweites Zwischenergebnis g' gebildet. Daraufhin wird ein drittes Zwischenergebnis g' ' durch zweifaches Aneinanderhängen des zweiten Zwischenergebnisses g' und Auffüllen des Vektors mit Wer- y ten „Null" erzeugt. Der Länge des Vektors entspricht dann 2 , y wobei gilt: 2 > 2L. Daraufhin wird ein viertes Zwischenergebnis g' ' ' , das die Schätzkoeffizienten bildet, durch schnelle Fouriertransformation FFT aus dem dritten Zwischenergebnis g' ' gebildet. Das vierte Zwischenergebnis g' ' ' wird im Speicher SP gespeichert .
Wird nun der von den Mittambeln m abhängige Teil des Empfangssignals ausgewertet, so findet eine Auswertung nach folgender Gleichung statt:
h = IFFT ( FFT (em) * g' " ) .
Der Vektor h enthält dabei die Kanalkoeffizienten h, beispielsweise mit W=27, der Kanalimpulsantworten aller K Verbindungen VI, V2, V3, .. VKm, wobei die Auflösung eines Koeffizienten 16 bit beträgt. Diesem Vektor können daraufhin zur Datendetektion die Kanalimpulsantworten mit Kanalkoeffizienten h entnommen werden. Alternative Lösungsmethoden für die Kanalschätzung beruhen auf dem Lösen eines linearen Gleichungssystems .
Für die Frequenzkanäle SCH, RÄCH zur Zeitsynchronisation ist jedoch nur ein Teilnehmer aktiv und somit K = 1. Somit können bei gleicher Länge der Signalformen fl, fl' empfangsseitig Kanalimpulsantworten der Länge 216 bestimmt werden. Bei nicht bekanntem Zeitversatz der empfangenden Funkstation ergibt dies u.U. schon einen ausreichend größeren Fangbereich.
Nachdem die oben geschilderte Kanalschätzung durchgeführt wurde, alternativ können auch andere Verfahren verwendet werden, wird gemäß FIG 5 innerhalb der 216 Chip langen Kanalimpulsantwort nach dem Maximum gesucht. Zusätzlich oder alternativ kann die Auswahl eines Wertes der Kanalimpulsantwort mit einem Vergleich mit einem Schwellwert verknüpft werden. Der Schwellwert ist beispielsweise gleich dem 10- fachen der mittleren Empfangsenergie. Ist diese Forderung nicht erfüllt, wird die Kanalimpulsantwort als nicht detek- tiert gewertet.
Ein Index Imax bestimmt die Lage des Maximalwertes und damit der Kanalimpulsantwort. Imax gibt damit den ersten Zeitpunkt tl an, der zur Zeitsynchronisation benötigt wird. Da die danachfolgenden Algorithmen auf eine Kanalimpulsantwort der Länge W=27 eingestellt sind, wird ein geeigneter Abschnitt der Länge W=27 aus der Kanalimpulsantwort selektiert. Beispielsweise wird zur Auswahl davon ausgegangen, daß das Maximum im ersten Drittel des gewünschten Teiles der Kanal- impulsantwort liegt. Somit erstreckt sich die Kanalimpulsantwortwort von IA=Imax-9 bis IE=Imax+17. Diese Positionsbestimmung ist robust und einfach. Sie kann jedoch auch durch komplexere Entscheidungskriterien ersetzt werden.
Die Benutzung der Mittambel m4 bewirkt, daß im synchronisierten Fall die Kanalimpulantwort der Länge W in der Mitte der geschätzten LM Elemente liegt. Dadurch kann ein symmetrischer Fangbereich von +LM/2 erreicht werden. Ein Zeitkorrekturwert berechnet sich zu TK = Imax - LM/2, wobei 0 < TK < LM-1 gilt.
Der Teilnehmerzugriffskanal RÄCH wird von der Mobilstation mit einer Vorhaltzeit von 195 Chip gesendet. In der Basis- Station BS wird die Signalform fl' auch 195 Chip vor der normalen Mittambel erwartet. War die tatsächliche Vorhaltzeit TA=0, dann folgt aufgrund der Verwendung der Mittambel mO für die Position des Maximums der Kanalimpulsantwort lmax=0. War dagegen das tatsächliche TA=ta, dann folgt idealerweise Imax=ta .
FIG 6 zeigt die Funkübertragung in Abwärtsrichtung von der Basisstation BS zu Mobilstationen MSI bis MSK in' einem Fre- quenzkanal SCH zur Frequenzsynchronisation. Die Mobilstationen MS bestimmen zuerst einen oder mehrere Frequenzbereiche B mit einer ausreichend hohen oder maximalen Empfangsleistung. Dies sind die Frequenzbereiche B der nächstliegen- den Basisstation BS, in deren Zelle sich die Mobilstation MS momentan befindet.
Mobilstationen MSI bis MSK werten in diesen Frequenzbereichen B Empfangssignale aus und führen eine ständige Kanalschätzung mit den Werten des Empfangssignals durch. Der erste Zeitpunkt tl und daraus abgeleitete Zeitkorrekturwerte TK bilden die
Grundlage für einen Abgleich einer internen Zeitreferenz der Mobilstation MS.
Für eine Anforderung zur Zuteilung funktechnischer Ressourcen sendet eine Mobilstation MS3 in Aufwärtsrichtung in einem
Frequenzkanal RÄCH einen in FIG 4 gezeigten Funkblock, der in der Basisstation empfangen und ausgewertet wird. Neben der Zuweisung von Signalisierungskanälen zu einem Verbindungsaufbau bestimmt die Basisstation BS eine Vorhaltzeit, um in Abwärtsrichtung an diese Mobilstation MS3 entsprechend der
Signallaufzeit zur Mobilstation MS3 synchronisiert zu senden.
Die Basisstation BS enthält eine Sende/Empfangseinrichtung SE/EE, die abzustrahlende Sendesignale digital/analog wan- delt, vom Basisband in den Frequenzbereich B der Abstahlung umsetzt und die Sendesignale moduliert und verstärkt. Eine Signalerzeugungseinrichtung SA hat zuvor die Sendesignale, beispielsweise Funkblöcke mit einer bekannten Signalform fl, zusammengestellt und den entsprechenden Frequenzkanal SCH zugeordnet. Eine Signalverarbeitungseinrichtung SP wertet über die Sende/Empfangseinrichtung SE/EE empfangene Empfangs- Signale daraufhin aus, daß, wie bereits zuvor beschrieben, der entsprechende Frequenzbereich B ausgewählt wird und eine Kanalschätzung durchgeführt wird.
Zur Signalverarbeitung werden die Empfangssignaie in Symbole mit diskretem Wertevorrat umgewandelt, beispielsweise digitalisiert. Eine Signalverarbeitungseinrichtung SP, die als digitaler Signalprozessor einen JD-Prozessor zum Detektieren der Nutzinformationen und der Signalisierungsinformationen nach dem JD-CDMA-Verfahren (Joint detection) enthält, wertet auch die Datenteile d aus. Das Zusammenwirken der Komponenten wird durch eine Steuereinrichtung SE gesteuert.
Die Mobilstation MS enthält die für die Basisstation erläuterten Baugruppen und zusätzlich ein Bedienfeld T. Am Bedien- feld T kann der Teilnehmer Eingaben vornehmen, u.a. eine Eingabe zum Aktivieren der Mobilstation MS, die daraufhin als erstes eine Synchronisation auf das sie umgebende Mobilfunknetz durchführen muß. Die Steuereinrichtung SE nimmt diese Anforderung auf und veranlaßt die Zeitsynchronisation. Auch für den Verbindungsaufbau geht nach einer Eingabe über das Bedienfeld T durch Wählen einer Rufnummer von der Steuereinrichtung SE das Formieren eines Funkblockes nach FIG 4 und ein Senden im entsprechenden Frequenzkanal RÄCH aus.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Zeitsynchronisation für Funkstationen (MS, BS) eines Funk-Kommunikationssystems, wobei das Funk-Kommunikationssystem durch Zeitschlitze (ts) und durch breitbandige Frequenzbereiche (B) gebildete Frequenzkanäle (FK) mit einer TD/CDMA-Teilnehmerseparierung bereitstellt, bei dem - in Auf- und/oder Abwärtsrichtung wiederkehrend Frequenzkanäle (RÄCH, SCH) zur Zeitsynchronisation bereitgestellt werden,
- innerhalb dieser Frequenzkanäle (RÄCH, SCH) bekannte Signalformen (fl, fl' ) übertragen werden, - empfangsseitig aus empfangenen Signalen eine Kanalschätzung basierend auf den bekannten Signalformen (fl, fl') durchgeführt und zusätzlich zumindest ein Zeitpunkt (tl) des Eintreffens der Signalform (fl) ermittelt wird, und
- der zumindest eine Zeitpunkt (tl) zur Zeitsynchronisation benutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Signalform (fl, fl') als eine im Vergleich zu Trainingssequenzen von Zeitschlitzen (ts) zur Nutzdatenübertragung verlängerte Chipfolge (mO, m4) ausgebildet ist und Datenteile (d, dl, d2) übertragen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in Abwärtsrichtung der Datenteil (dl, d2) Angaben über eine Rahmenstruktur der Frequenzkanäle (FK) enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in Aufwärtsrichtung der Datenteil (d) Angaben über eine der Mobilstation (MS) zugeordnete Kennung (kl) enthält.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Zeitsynchronisation nach der Kanalschätzung während der Auswertung eines Funkblockes durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in Abwärtsrichtung ein Frequenzkanal zur Chipsynchronisation (SCH) für alle Mobilstationen (MS) angeboten wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in Aufwärtsrichtung ein Frequenzkanal zum Teilnehmerzugriff (RÄCH) von jeder Mobilstation (MS) selbständig zum Verbindungsaufbau benutzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Zeitpunkt (tl) des Eintreffens der Signalform (fl, fl' ) aus einem Vergleich der Energie von einzelnen Werten einer ermittelten Kanalimpulsantwort mit einem Schwellwert bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Zeitpunkt (tl) des Eintreffens der Signalform (fl, fl') durch ein Eintreffen des Maximalwertes der Kanalimpulsantwort bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem aus einer ermittelten Kanalimpulsantwort ein Teilbereich für eine weitere Datendetektion ausgewählt wird, der einen Maximalwertes der Kanalimpulsantwort enthält.
11. Funkstation (MS, BS) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (SP) - zum Ermitteln zumindest eines Zeitpunkts (tl) des Eintreffens der Signalform (fl, fl'), mit einer Steuereinrichtung (SE) - zur Zeitsynchronisation unter Berücksichtigung des zumindest einen ermittelten Zeitpunkts (tl) .
12. Funkstation (MS, BS ) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Signalerzeugungseinrichtung (SA) zum Erzeugen einer vorbestimmten Signalform (fl, fl'), und mit einer Sendeeinrichtung (EE) zum Senden der Signalform (fl, fl') im Frequenzkanal (RÄCH, SCH) zur Zeitsynchronisation.
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