WO1999067921A2

WO1999067921A2 - Verfahren zur digitalen funk-übertragung von daten mehrerer teilnehmer

Info

Publication number: WO1999067921A2
Application number: PCT/DE1999/001814
Authority: WO
Inventors: Theo Kreul; Holger Landenberger; Markus Reinhardt; Lutz Jarbot
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 1999-12-29
Also published as: EP1092290B1; WO1999067921A3; CN1130044C; DE19827701A1; CN1307763A; EP1092290A2; DE59910755D1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Funk-Übertragung von Daten mehrerer Teilnehmer im Zeitmultiplex werden in einem Zeitschlitz eines Zeitmultiplex-Rahmens die Daten mehrerer verschiedener Teilnehmer übertragen, wobei die Position der Daten in einem Zeitschlitz den entsprechenden Teilnehmer bestimmt. Dadurch ist eine flexible Zuweisung der Übertragungskapazität realisiert. Zusätzlich können die Datensymbole mittels eines Spreizcodes variabler Länge codiert und so in einem CDMA-basierten System mit vorgegebener Übertragungsbandbreite übertragen werden. Dies erlaubt eine optimale Ausnutzung der vorhandenen Übertragungskapazität.

Description

Beschreibung

Verfahren zur digitalen Funk-Übertragung von Daten mehrerer Teilnehmer

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rahmenorientierten Übermittlung der Teilnehmerdaten mehrerer Teilnehmer.

Die digitale schnurlose Übertragung von Daten für die Sprach- kommunikation oder schnurlose Fax- oder Computeranwendungen hat im Rahmen der Installierung flächendeckender zellulärer digitaler Mobilfunknetze weite Verbreitung gefunden. Grundsätzlich sind dabei drei Verfahren zur Aufteilung der zur Verfügung stehenden Übertragungsbandbreite innerhalb einer Kommunikationszelle auf die einzelnen Teilnehmer bekannt. Beim TDMA (Time Division Multiple Access) -Verfahren werden die Daten verschiedener Teilnehmer in unterschiedlichen Zeitschlitzen im Zeitmultiplex übertragen. Beim FDMA (Frequency Division Multiple Access) -Verfahren werden Teilnehmer auf verschiedene Frequenzbänder aufgeteilt und beim CDMA (Code Division Multiple Access) -Verfahren werden die Daten unterschiedlicher Teilnehmer mit unterschiedlichen Codes codiert. In der Praxis werden häufig Kombinationen von zwei dieser Verfahren verwendet. Der Mobiltelefonstandard GSM (Global Sy- stem for Mobile Communikations) , der in vielen Ländern international benutzt wird, wendet z.B. eine Kombination aus TDMA und FDMA an. Im folgenden wird beispielhaft die GSM-Luftschnittstelle, d. h. das Übertragungsprotokoll für die Funk- Signalübertragung anhand der Figur 1 kurz erläutert. Die in Deutschland und in den meisten europäischen Ländern betriebenen GSM-Netze arbeiten in zwei Übertragungsbändern zwischen 890 und 915 MHz und 935 und 960 MHz. Es ist jedoch auch möglich, eine andere Frequenz zu wählen. Beispielsweise arbeitet das DCS-1800-System ebenfalls nach dem GSM-Standard in einem Frequenzbereich von 1800 MHz (E-Netze) . Im GSM-System stehen beispielsweise 124 Kanäle mit einem Kanalabstand von 200 kHz für die Aufwärtsverbindung (uplink) und ebenfalls 124 Kanäle mit einem Kanalabstand von 200 kHz für die Abwärtsverbindung (downlink) zur Verfügung (s. Fig. 1) . Jeder dieser Frequenzkanäle ist wiederum in Zeitmulti- plex-Rah en oder TDMA-Frames einer Dauer von 4,615 ms aufgeteilt. Jeder Zeitmultiplex-Rahmen besteht wiederum aus acht Zeitschlitzen von 577 μs Dauer. Jeder Zeitschlitz enthält in der Mitte eine Trainingssequenz zur Synchronisierung, Präam- bei- bzw. Postambeldaten am Beginn und Ende des Zeitschlitzes sowie ein Schutzintervall (Guard Period) zwischen zwei benachbarten Zeitschlitzen (Bursts) . Weitere sind beispielsweise in David, Benker, "Digitale Mobilfunksysteme", Stuttgart, 1994, S. 326 bis 362 beschrieben.

Für jeden Teilnehmer in einer Mobilfunkzelle wird jeweils ein Zeitschlitz in einem der 124 Kanäle für die Aufwärtsverbindung und ein Zeitschlitz für die Abwärtsverbindung benötigt. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt daher darin, daß jedem Teilnehmer eine feste Übertragungskapazität von einem Zeitschlitz je Übertragungsrahmen zugeordnet wird, die oft nicht ausgenutzt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur digitalen Funk-Übertragung von Daten zwischen einer Basisstation und einer Mehrzahl von Teilnehmern vorzuschlagen, wobei die Übertragungskapazität flexibel auf verschiedene Nutzer mit unterschiedlichen Datenraten, beispielsweise Sprachkommunikation oder Datenkommunikation, aufgeteilt wer- den kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch das in Anspruch 1 definierte digitale Funkübertragungsverfahren. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die zwischen mehreren verschiedenen Teilnehmern und der Basisstation zu über- tragenden Daten in Zeitschlitz-Rahmen übertragen, wobei die Position der Daten in einem Zeitschlitz den entsprechenden Teilnehmer bestimmt. Der Teilnehmer erkennt an der Position eines detektierten Datensymbols innerhalb eines von dem E p- fänger empfangenen Zeitschlitzes, ob das Symbol zu der ihm zugeordneten Datenfolge gehört. Umgekehrt erkennt die Basisstation an der Position eines detektierten Datensymbols, von welchem Teilnehmer bzw. Mobilteil die Daten ausgesandt sind. Es handelt sich also um eine zweite Zeitmultiplex-Stufe in- nerhalb eines Zeitrahmens. Die Länge dieser Zeitmultiplex- Datenpakete ist aber im Gegensatz zu derjenigen der TDMA- Rah en variabel.

Die Daten der verschiedenen Teilnehmer können symbolweise oder blockweise innerhalb eines Zeitrahmens verschachtelt übertragen werden. Bei der blockweisen Verschachtelung können Teilnehmer, die eine hohe Übertragungsgüte, beispielsweise für die Datenkommunikation, erfordern, in der Nähe einer Syn- chronisations-Trainingssequenz übertragen werden. Die sich zeitlich verändernden Mehrwegeausbreitungspfade werden mit

Hilfe einer Trainings- oder Pilotsequenz geschätzt und lassen für die in unmittelbarer Nähe angeordneten Datensymbole eine sehr gute Vorhersage der durch den Kanal bedingten Verzerrungen zu. Damit ist für diese Datensymbole eine höhere Zuver- lässigkeit der Detektion erreichbar als bei weiter entfernt angeordneten Datensymbolen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich bei Anwendung in CDMA-basierten Systemen mit variabler Spreizcodelänge. Dabei werden die zu übertragenden Datensymbole mittels eines Spreizcodes codiert übertragen. Durch eine Anpassung der Spreizcodelänge kann bei konstant vorgegebener Chiprate des Übertragungssystems (bei konstanter Übertragungsbandbreite) eine Anpassung an die vom Teilnehmer gewünschte Datensymbolrate erreicht werden. Vorzugsweise werden beim CDMA-System zur gleichzeitigen Übertragung der Datensymbole mehrerer Teilnehmer mehrere orthogonale Spreizcodes variabler Länge verwendet. Orthogonale Spreizcodes können vom Empfänger leicht separiert werden. Es stehen dabei insgesamt n orthogonale Spreizcodes bei einer Länge von n Symbolen zur Verfügung, so daß die zur Verfügung stehende Bandbreite trotz Frequenzspreizung optimal ausgenutzt werden kann. Die Elemente des orthogonalen Spreizcodes können beispielsweise auf dem Einheitskreis in der komplexen Zahlenebene liegen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch die bekannte GSM-Luftschnittstelle zeigt;

Fig. 2 schematisch einen TDMA-Zeitschlitz des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;

Fig. 3 schematisch einen spreizcodierten CDMA/TDMA-Zeitschlitz des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt; und

Fig. 4 ein Blockdiagramm des Übertragungsweges zwischen Sender und Empfänger bei dem erfindungsgemäßen Funkübertragungs- verfahren ist.

Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Zeitmultiplex-TDMA-Rahmen mit acht Zeitschlitzen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Anordnung der Zeitschlitze oder Zeitmultiplex-Rah- men beschränkt. Ein Zeitschlitz kann die folgenden Komponenten enthalten: Datenbits, Präambel, Mittambel, Postambel und ein Schutzband oder Schutzintervall (GP) . Beim GSM-System ist eine Trainingssequenz als Mittambel vorgesehen. Die Trainingssequenz oder Pilotsequenz kann jedoch auch in einem an- deren Bereich des Zeitschlitzes angeordnet sein. Bei dem erfindungsgemäßen digitalen Funkübertragungsverfahren weist ein Zeitschlitz mindestens einen Datenbereich auf. Dieser ist wiederum in Blöcke bestehend aus einer Anzahl N Übertragungsdatensymbolen verschiedener Teilnehmer aufgeteilt. In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel sind die Datensymbole oder Datenbits von vier Teilnehmern in einem Datenblock angeordnet.

Für die Anordnung der Datensymbole mehrerer Teilnehmer innerhalb eines Zeitschlitzes gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten:

1. vollständiges Verschachteln:

(Beispiel: drei Teilnehmer, Teilnehmer 1 und 2 mit Datenrate

X und Teilnehmer 3 mit der doppelten Datenrate 2X)

Teilnehmer 1 belegt die Übertragungsdatensymbole 1, 5, 9, 13

... N-3. Teilnehmer 2 belegt die Übertragungsdatensymbole 3, 7, 11, 15

... N-l.

Teilnehmer 3 belegt die Ubertragungsdatensymbole 2, 4, 6, 8,

10, 12, 14, 16, ... N-2, N.

2. Blockbildung:

(Beispiel: drei Teilnehmer, Teilnehmer 1 und 2 mit Datenrate

X und Teilnehmer 3 mit Datenrate 2X)

Teilnehmer 1 belegt die Ubertragungsdatensymbole 1, 2, 3, ...

N/4. Teilnehmer 2 belegt die Ubertragungsdatensymbole N/4+1,

N/4+2, ... N/2.

Teilnehmer 3 belegt die Ubertragungsdatensymbole N/2+1,

N/2+2, ... N.

Aus den Beispielen wird deutlich, daß die Datenkapazität durch die gleichzeitige Nutzung eines Datenblockes in einem Zeitschlitz durch mehrere Teilnehmer optimal ausgenutzt werden kann. Gleichzeitig kann die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität flexibel zugewiesen werden. In den obigen Beispielen wird dem Teilnehmer 3 die doppelte Datenrate zuge^¬ wiesen wie den Teilnehmern 1 und 2. Die Position der einzelnen Datensymbole oder Datenblöcke innerhalb des Zeitschlitzes gibt den jeweiligen Teilnehmer an. Diese Information kann in einem Steuersignalfeld in einem Präambelbereich, Postambelbereich oder dgl . des Zeitschlitzes untergebracht werden. Bei der beschriebenen blockweisen Anordnung der Datensymbole verschiedener Teilnehmer können die Daten von Teilnehmern, die eine besonders hohe Übertragungsgüte erfordern, in der Nähe der Trainingssequenz angeordnet sein (beispielsweise Teilnehmer 1 in dem Beispiel von Fig. 2) . Die sich zeitlich verändernden Mehrwegeausbreitungspfade werden mit Hilfe einer Trainings- oder Pilotsequenz geschätzt und lassen für die in unmittelbarer Nähe angeordneten Datensymbole eine sehr gute Vorhersage der durch den Kanal bedingten Verzerrungen zu. Damit ist für diese Datensymbole eine höhere Zuverlässigkeit der Detektion erreichbar, als bei weiter entfernt angeordneten Datensymbolen. Dieser Effekt ist zunächst unabhängig vom gewählten Detektor, solange er die Schätzung der Kanaleigenschaften einbezieht.

Im folgenden wird die Anwendung der Erfindung auf CDMA-ba- sierte Systeme mit Spreizcodierung variabler Spreizcodelänge anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf Fig. 3 näher erläutert. Um das erfindungsgemäße Übertragungsverfahren, bei dem die Datensymbole mehrerer Teilnehmer in einem Zeitschlitz übertragen werden, auch dann vorteilhaft nutzen zu können, wenn die aktuell benötigte Datenrate unterhalb der maximalen Übertragungskapazität liegt, kann eine Spreizung der Datensymbole mittels eines Spreizcodes einer festgelegten Länge von n Symbolen vorgenommen werden. In einem TDMA-Zeitschlitz wird daher zusätzlich zu den Zeitmultiplex-Blöcken oder Chips noch eine CDMA-Aufteilung vorgenommen. In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel werden so die Daten von neun verschiedenen Teilnehmern in 24 Blöcken (sechs Zeitmultiplex-Blöcke x vier verschiedene Spreizcodes) in einem TDMA-Zeitschlitz übertra- gen, wobei den jeweiligen Teilnehmern zwischen einem (Teilnehmer 8 und 9) und 4 Blöcken (Teilnehmer 7) zugewiesen sind. Die Funkübertragung ist weniger empfindlich gegenüber schmal- bandigen Störungen innerhalb des Übertragungsfrequenzbandes . Die Übertragung wird lediglich beeinträchtigt, ein Totalausfall tritt jedoch nicht auf. Durch eine Anpassung der Spreizcodelänge kann bei konstant vorgegebener Chiprate des Übertragungssystems (bei konstanter Übertragungsbandbreite) eine Anpassung an die vom Teilnehmer gewünschte Datensymbol- rate erreicht werden. Bei hoher Nutzerdatenrate wird die Spreizcodelänge reduziert und somit ein Datensymbol des Nutzers mit einer geringeren Anzahl von Chips übertragen. Um die gleiche Energie pro Nutzbit zu erreichen, ist die Sendeleistung um den entsprechenden Faktor zu erhöhen. Bei geringer Nutzdatenrate des Teilnehmers wird die Spreizcodelänge vergrößert und die Leistung reduziert.

Werden mehrere orthogonale Spreizcodes benutzt, die vom Empfänger leicht separiert werden können, wird die zur Verfügung stehende Übertragungsbandbreite bestmöglich ausgenutzt, da bei einer Spreizcodelänge von n Codesymbolen insgesamt n orthogonale Spreizcodes zur Verfügung stehen, mit denen die Da- tensymbole verschiedener Teilnehmer parallel übertragen werden können. Die Zuordnung der Datensymbole zu den jeweiligen Teilnehmern erfolgt dabei sowohl durch die Position der Symbole bzw. Symbolblöcke innerhalb eines Zeitschlitzes als auch durch den jeweils gewählten Spreizcode. Dabei können mehrere Teilnehmer-Datenströme gleichzeitig parallel mit unterschiedlich langen, aber zueinander orthogonalen Spreizcodes übermittelt werden.

Bei einem TDMA-Syste kann durch die Einführung der variablen Spreizung ein gepulster Betrieb bei sehr niedriger Nutzerdatenrate vermieden werden. Jedes Nutzerbit verteilt sich durch die Spreizung auf mehrere „Chips" und ermöglicht das unterbrechungsfreie Aussenden der Chip-Symbole mit der vorgegebenen Taktrate des Übertragungskanals. Die Sendeleistung kann auch hier um den Spreizfaktor reduziert werden. Im folgenden sind drei Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Spreizcodierung erläutert. Der Spreizcode oder CDMA-Code besteht in den Beispielen aus vier Symbolen (1, j, -1, -j im ersten und zweiten Beispiel, wobei j=V-l ist) . Jedes Teilnehmer-Datensymbol (Bit) wird durch die Codesprei- zung, also Multiplikation mit den Spreizcodesymbolen, auf ein sogenanntes "Chip", bestehend aus vier Symbolen, aufgeweitet.

Beispiel (1) : Q=4, 1 User

Beispiel (2) : Q=4, Anzahl User = 2

Beispiel (3) : Q=4, Anzahl User =6, Anzahl CDMA-Codes =3

Im ersten Beispiel werden die Datensymbole (1. Bit, 2. Bit, ... ) lediglich eines Teilnehmers in dem Datenabschnitt des Zeitschlitzes übertragen. Die Bits werden aufeinanderfolgend mit dem Spreizcode (1, j, -1, -j ) multipliziert und so auf vier Symbole aufgeweitet, die jeweils einen Chip bilden, der dann übertragen wird.

Im zweiten Beispiel sind zwei Teilnehmer vorhanden. Die Datensymbole werden jeweils mit dem gleichen Spreizcode multipliziert und abwechselnd an aufeinanderfolgenden Positionen innerhalb eines Zeitschlitzes als aufgeweitete Chips übertra- gen.

Im dritten Beispiel sind insgesamt sechs Teilnehmer vorhanden. Um eine genügende Übertragungskapazität bereitzustellen, werden insgesamt drei orthogonale Spreizcodes oder CDMA-Codes verwendet. Zwei Codes sind orthogonal, wenn ihr Produkt null ergibt. Dadurch sind die mit orthogonalen Codes erzeugten Chips verschiedener Teilnehmer leicht separierbar. Für die Teilnehmer 1 und 4 wird in Beispiel 3 der Spreizcode (1, j, - 1, -j ) benutzt, für die Teilnehmer 2 und 5 der Code (1, j, 1, j) und für die Teilnehmer 3 und 6 der Code (1, -j , -1, j) . So können in dem Zeitschlitz die Daten der sechs Teilnehmer gespreizt und zeitgemultiplext übertragen werden. Es sei angemerkt, daß bei einem Code der Länge n=4 Symbole vier orthogonale Codes existieren, so daß in einem Zeitschlitz-Rahmen bei vierfacher Bandbreite die vierfache Datenmenge verglichen mit der ungespreizten Datenübertragung transportiert werden kann.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockbild des Übertragungsweges eines digitalen Funkübertragungsverfahrens am Beispiel der Sprachkommunikation. Ein Sprachaktivitätsdetektor 1 erfaßt, ob der Teilnehmer spricht, und aktiviert oder deaktiviert entsprechend den Hochfrequenzsender 11. Das Sprachsignal wird durch die Codierer 1, 3, 4 codiert und die Bits in der Einrichtung 5 angeordnet. In dem Spreizcodierer 6 werden die Daten spreizcodiert, mittels der Verschachtelungseinrich- tung 7 verschachtelt und der Verschlüsselungseinrichtung 8 verschlüsselt. In der Zeitschlitz-Zusammenfügungseinrichtung (Burst Assembler) 9 werden die codierten, verschachtelten und verschlüsselten Datensymbole innerhalb des Datenbereiches des Zeitschlitzes eingeordnet. Zusätzlich wird die Positionsinformation einem Abschnitt des Zeitschlitzes hinzugefügt. Die Daten werden durch den GMSK-Modulator moduliert und von dem HF-Sender 11 über einen Kanal 20 zu dem HF-Empfänger 11 übertragen, von dem GMSK-Demodulator und Equalizer 10' demoduliert. Die Zeitschlitze oder Bursts werden durch die Burst- Zerlegungseinrichtung 9' zerlegt, die so gewonnenen Daten durch die Entschlüsselungseinrichtung 8' entschlüsselt und durch die Entschachtelungseinrichtung 7' entschachtelt. Mit Hilfe eines inversen Spreizcodes werden die Daten durch die Spreizdecodierschaltung 6' decodiert, die Bits angeordnet und die Daten durch die Decoder 1'; 3' und 4' decodiert. Für Sprachkommunikation kann eine Rauschunterdrückungseinrichtung 12 vorgesehen sein.

Die Erfindung schlägt ein digitales Funkübertragungsverfahren vor, bei dem innerhalb eines Zeitschlitzes eines Zeitmulti- plex-Rahmens die Datensymbole mehrerer verschiedener Teilnehmer übertragen werden, wobei die Position der Daten den entsprechenden Teilnehmer bestimmt. Dies ermöglicht eine flexible Zuweisung von Übertragungskapazität an die Teilnehmer. Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wer- den die Datensymbole der verschiedenen Teilnehmer mittels eines Spreizcodes variabler Länge codiert und so in einem CDMA- basierten System mit vorgegebener Übertagungsbandbreite übertragen. Dies erlaubt eine optimale Ausnutzung der vorhandenen Übertragungskapazität .

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur digitalen Funk-Übertragung von Daten zwischen einer Basisstation und einer Mehrzahl von Teilnehmern in Zeitschlitz-Rahmen, wobei in einem Zeitschlitz die Daten mehrerer verschiedener Teilnehmer übertragen werden und die Position der Daten in einem Zeitschlitz den entsprechenden Teilnehmer bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zu übertragenden Datensymbole verschiedener Teilnehmer symbolweise verschachtelt innerhalb eines Zeitschlitzes übertragen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zu übertragenden Datensymbole verschiedener Teilnehmer blockweise verschachtelt innerhalb eines Zeitschlitzes übertragen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Datensymbolblöcke von Teilnehmern, die eine höhere Übertragungsgüte erfordern, in der Nähe einer Synchronisa- tions-Trainingssequenz übertragen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zu übertragenden Datensymbole verschiedener Teilnehmer mittels eines Spreizcodes codiert übertragen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur gleichzeitigen Übertragung der Datensymbole mehrerer Teilnehmer mehrere orthogonale Spreizcodes mit variabler Länge verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elemente des orthogonalen Spreizcodes auf dem Ein- heitskreis in der komplexen Zahlenebene liegen.