Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zur Diversitätsübertragung codierter Information
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung eines Übertragungssignals, das mehrere für die Abstrahlung über jeweils eine Sendeantenne vorgesehene Antennen- datensignale umfaßt, nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9.
In Mobilfunksystemen wird die Übertragungsqualität durch Zeitvarianz und Frequenzselektivität des Mobilfunkkanals sowie durch zeitlich veränderliche Vielfachzugriffsinterferenz be- einflußt . Digitale Mobilfunksysteme nutzen in der Regel mehrere Arten von Diversität aus, um das Systemverhalten zu verbessern. Bekannte Maßnahmen zur Ausnutzung der Frequenzdiversität des Mobilfunkkanals sind die Verwendung einer CDMA- oder TDMA- Komponente beim Vielfachzugriff. Die Zeitdiversität des Kanals wird üblicherweise durch eine Kanalcodierung und Verschachte- lung des zu übertragenden Datensignals ausgenutzt. Ein weiterer Di ersitätstyp ist die Raumdiversität . Bei der Raumdiver- sität wird zwischen der Antennendiversität ("antenna diversity"), der Richtungsdiversität ("directional diversity") und der Polarisationsdiversität ("polarisation diversity") unterschieden.
Im folgenden wird die Antennendiversität betrachtet . Antennendiversität ist nutzbar, weil der Zustand des Mobilfunkkanals für verschiedene Standorte der Mobil- und Basisstationen unterschiedlich ist. Man unterscheidet bei Antennendiversität zwischen dem Fall der Verwendung mehrerer Empfangsantennen ("empfängerseitige Antennendiversität") und dem Fall der Verwendung mehrerer Sendeantennen ("senderseitige Antennendiver- sität"), wobei beide Möglichkeiten auch in Kombination auftre-
ten können. Während empfängerseitige Antennendiversität aus theoretischer Sicht gut verstanden ist und in der Praxis vielfach genutzt wird, ist das Konzept der senderseitigen Antennendiversität bisher weniger gut erforscht .
Es sind bereits spezielle für senderseitige Antennendiversität konzipierte Turbo-Codes vorgeschlagen worden. Dabei erfolgt die Erzeugung der mehreren Sendedatenströme für die Sendeantennen bereits bei der Codierung. Diese Vorgehensweise kann als Antennendiversitätscodierung ("antenna diversity coding") bezeichnet werden.
Nachteilig bei diesem Konzept ist, daß die Anzahl der benötigten Sendeantennen von der Coderate Rc = k/n abhängt. Die Code- rate Rc ist der Quotient aus der Anzahl k von Eingabe- Datensymbolen und der Anzahl n von Ausgabe-Datensymbolen (bezogen auf die k Eingabe-Datensymbole) des Codierers. Bei einer Coderate von z.B. Rc = 1/2 müssen zwei Sendeantennen eingesetzt werden, während eine Coderate Rc = 1/3 eine Anzahl von drei Sendeantennen erfordert. Ist, wie im UMTS- (Universal Mobile Telecomunnications System) -Standard, eine variable, dienstabhängige Coderate möglich und vorgesehen, ist das Verfahren der Antennendiversitätscodierung nicht praktikabel, weil jeder Dienst (z.B. Sprache, Video) eine unterschiedliche Sendeantennenanzahl benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die Realisierung von Mobilfunksendern, die senderseitige Antennendiversität ausnutzen, erleichtert und das ins- besondere den Anforderungen zur Übertragung unterschiedlicher Dienste gerecht wird. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, eine diese Eigenschaften aufweisende Sendeeinrichtung für senderseitige Antennendiversitätsübertragung zu schaffen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabestellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst .
Durch die im Signalweg zwischen der Kanalcodierung und den Sendeantennen eingesetzte Datenratenanpassung wird eine Entkopplung der Größen N (Anzahl der Sendeantennen) und Rc (Coderate des Kanalcodierers) erreicht. Dies ermöglicht, die Datensymbole des codierten Nutzdatensignals unabhängig von der verwendeten Coderate Rc auf eine beliebige, aber feste Anzahl N von Sendeantennen zu verteilen. Aus herstellungstechnischer Sicht ergibt sich selbst bei einer festen Coderate Rc bereits der Vorteil, daß die Anzahl N der Sendeantennen nicht durch eine Software-bestimmte Größe (der Coderate Rc) zwingend vorgeschrieben wird, welche bei der Fertigung des Senders (z.B. eines Mobiltelefons) in vielen Fällen noch unbekannt ist. Unter dem Gesichtspunkt, daß moderne Mobilfunksysteme zur Übertragung einer Vielzahl von Diensten mit unterschiedlichen Anforderungen an die Kanalcodierung geeignet sein müssen, ergibt sich der Vorteil, daß die Anzahl der Sendeantennen auch bei variabler Coderate Rc konstant sein kann.
Für die Datenratenanpassung kann in bevorzugter Weise eine Punktierung und/oder eine Wiederholung ("repetitive coding") von Datensymbolen des codierten Nutzdatensignals vorgesehen sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß im Signalweg zwischen der Kanalcodierung und der Abstrahlung der Antennendatensignale über die Sendeantennen eine Demultiplexierung und/oder eine Verschach- telung des codierten Nutzdatensignals erfolgt. Durch diese Maßnahmen können, sofern erforderlich, die Verteilung des codierten Nutzdatensignals auf die N abzustrahlenden Sendedatenströme in geeigneter Weise gesteuert und die Übertragungsei- genschaften des Übertragungssignals verbessert werden.
Eine besonders leistungsfähige Form der Codierung, die auch mit variabler Coderate erfolgen kann, wird durch eine Turbo- Codierung realisiert. In diesem Fall kennzeichnet sich eine zweckmäßige AusführungsVariante der Erfindung dadurch, daß bei der Turbo-Codierung ein systematisches Datensignal, ein Redundanzdatensignal und ein verschachteltes Redundanzdatensignal erzeugt werden, daß aus diesen drei Datensignalen durch Verteilung der Datensymbole untereinander drei Mischdatensignale mit unveränderter Datenrate erzeugt werden, und daß, sofern N < 3, durch eine Punktierung aller drei Mischdatensignale und anschließende Multiplexierung oder, sofern N > 3, durch eine Wiederholung von Datensymbolen der drei Mischdatensignale und anschließende Demultiplexierung, die vorgegebene Anzahl von N Antennendatensignalen erzeugt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; in dieser zeigt:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Einrichtung zur Erzeugung von N Antennendatensignalen nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Erzeugung einer vorgebbaren Anzahl von N Antennendatensignalen;
Fig. 3 ein Schaltbild zur Erläuterung des Aufbaus eines Turbo- Codierers; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung in Form eines kombinierten Blockschaltbild- und Datensignaldiagramms zur Erläuterung von zwei Varianten der erfindungsgemäßen Einrichtung.
In Fig. 1 ist eine kürzlich vorgeschlagene Einrichtung zur Erzeugung eines senderseitige Antennendiversität ausnutzenden Übertragungsdatensignals dargestellt. Ein Nutzdatensignal X wird einem Diversitäts-Kanalcodierer DCOD zugeführt. Das Nutz- datensignal X besteht aus einer Folge von Datensymbolen, X = (xx, x2, ..), beispielsweise Bits. Der Diversitäts-Kanalcodierer DCOD führt eine Kanalcodierung mit der Coderate Rc = l/n durch. Dies bedeutet, daß jedem Datensymbol des Nutzdatensignals X n-1 Redundanzdatensymbole hinzugefügt werden. Im dargestellten Beispiel ist n = 3. Am Ausgang des Diversitäts- Kanalcodierers DCOD steht ein Übertragungssignal bereit, das aus n = 3 Antennendatensignalen AI (X) , A2 (X) und A3 (X) jeweils gleicher Datenrate besteht. Insgesamt wird durch das Hinzufügen von Redundanz in dem Diversitäts-Kanalcodierer DCOD die Datenrate des Übertragungssignals (bestehend aus den drei Antennendatensignalen) im Vergleich zu der Datenrate des Nutzdatensignals X um den Faktor 3 erhöht. Die Antennendatensignale AI (X) , A2 (X) und A3 (X) weisen eine durch das bei der Codierung eingesetzte Schema der Redundanzeinfügung fest vorgegebene Struktur auf. Nach einer Modulation in einem Modulator MOD werden sie über N = n = 3 Sendeantennen abgestrahlt .
Bei der Erfindung wird gemäß Fig. 2 das Nutzdatensignal X ebenfalls einer Codierung durch einen Kanalcodierer COD unter- zogen. Der Kanalcodierer COD erzeugt ein codiertes Nutzdatensignal, das beispielsweise in Form von mehreren Datenströmen Cl (X) , C2 (X) und C3 (X) oder multiplexiert als ein einziges Nutzdatensignal C (X) , siehe Fig. 3, bereitgestellt wird. Die Datenrate des codierten Nutzdatensignals Cl (X) , C2 (X) und
C3 (X) bzw. C(X) ist gegenüber dem eingangsseitig zugeführten
Nutzdatensignal X um den Faktor der Coderate Rc = k/n erhöht.
Erfindungsgemäß wird das codierte Nutzdatensignal einer Daten- ratenanpassungsstufe RM zugeführt. Die Datenratenanpassungs- stufe konvertiert das codierte Nutzdatensignal (bzw. die einzelnen codierten Datenströme Cl (X) , C2 (X) und C3 (X) ) in ein ÜbertragungsSignal, welches zur Abstrahlung über eine vorgegebene Anzahl N von Sendeantennen (in Fig. 2 sind N = 2 Antennen dargestellt) geeignet ist. Die Anzahl N ist beliebig vorgebbar. Die Datenratenanpassung erfolgt mit der Anpassungsrate RA = n/N, wobei n die Anzahl der in RM einlaufenden Datensymbole und N die Anzahl der von RM daraufhin ausgegebenen Datensymbole ist .
Das von der Datenratenanpassungsstufe RM ausgegebene Übertragungssignal, das wie in Fig. 2 dargestellt entweder bereits aus N Antennendatensignalen AI (X) , .., AN(X) besteht oder in einem späteren Multiplexier- oder Demultiplexierschritt in die richtige Anzahl von Antennendatensignalen aufgeteilt wird, wird in einem Spreizcodierer SC einer Spreizcodierung unterzogen, in einem Modulator MOD in geeigneter Weise auf einen Träger moduliert und über die N Sendeantennen abgestrahlt. Bei der Spreizcodierung kann es sich beispielsweise um DS-CDMA (Direct Sequencing-Code Division Multiple Access) handeln, bei welchem jedem Datensymbol ein Schlüssel in Form eines Teilnehmer-spezifischen Codes aufgeprägt wird.
Die erfindungsgemäße Datenratenanpassung des codierten Nutzda- tensignals an die konstruktiv vorgegebenen Erfordernisse (N Sendeantennen im Sender) ermöglicht die Ausnutzung sendersei- tiger Antennendiversität für die Übertragung unterschiedlicher Dienste. Unterschiedliche Dienste werden üblicherweise mit unterschiedlichen Coderaten Rc übertragen, um eine möglichst "sparsame" Codierung zu realisieren, die den dienstspezifi-
sehen Anforderungen an die Bit-Fehler-Rate im Empfänger gerade noch gerecht wird. Durch Einstellung einer bezüglich der vorgegebenen Antennenanzahl N an die Coderate Rc angepaßten Datenrate des Übertragungssignals können beliebige Dienste über die feste Anzahl von N Sendeantennen unter Ausnutzung senderseitiger Antennendiversität abgestrahlt werden.
Im Gegensatz dazu müßte im Stand der Technik (Fig. 1) für jeden zu übertragenden Dienst ein eigener Diversitäts-Kanalcode zur Verfügung gestellt und zudem die Anzahl der Sendeantennen entsprechend der Coderate des jeweiligen Diversitäts-Kanal- codes eingestellt werden. Beides würde in der Praxis erhebliche Schwierigkeiten bereiten.
Vorzugsweise wird für die erfindungsgemäße KanalCodierung ein Turbo-Codierer eingesetzt. Ein möglicher Aufbau eines Turbo- Codierers TCOD ist in Fig. 3 in Form eines Blockschaltbilds dargestellt .
Der Turbo-Codierer TCOD weist zwei identische, binäre, rekursive, systematische Faltungscodierer RSC1 und RSC2 auf, die in der Codiertechnik als RSC- (Recursive Systematic Convolu- tional-) Codierer bekannt sind. Dem ersten RSC-Faltungsco- dierer RSC1 ist eingangsseitig ein Turbo-Code-Verschachteler IL vorgeschaltet, der eine blockweise Verschachtelung des
Nutzdatensignals X vornimmt. An die Ausgänge der beiden Faltungscodierer RSC1 und RSC2 sind jeweils optionale Punktierer PKT1 bzw. PKT2 angeschlossen. Die drei codierten Datenstrδme Cl (X) , C2 (X) und C3 (X) des in Fig. 2 dargestellten Codierers COD werden im Fall von TCOD durch die beiden Ausgänge der
Punktierer PKT1, PKT2 und durch das Nutzdatensignal X realisiert.
An ihren Ausgängen stellen der erste Faltungscodierer RSC1 eine erste, verschachtelte Redundanz-Datenfolge Yl = (yli, yl2, ..) und der zweite Faltungscodierer RSC2 eine zweite
Redundanz-Datenfolge Y2 = (y2ι, y22, ..) bereit. Pro Nutzdatensymbol xi wird in jedem Faltungskodierer ein Redundanz- Datensymbol yli bzw. y2i erzeugt. Dabei bezeichnet i den betrachteten Zeitschritt, d.h. i = l, 2,...
Eine erste Möglichkeit der Durchführung der Turbo-Codierung besteht darin, daß die in Fig. 3 eingezeichneten Punktierer PKTl und PKT2 entfallen. In diesem Fall gilt Cl (X) = Yl, C2 (X) = Y2 und C3 (X) = X. Die Coderate von TCOD beträgt Rc = 1/3.
Das codierte Nutzdatensignal muß nicht in Form von drei Einzelsignalen Cl (X) , C2 (X) und C3 (X) von dem Turbo-Codierer TCOD ausgegeben werden, sondern kann wie bereits erwähnt durch Mul- tiplexieren dieser Datensignale in ein einzelnes codiertes Nutzdatensignal C (X) umgesetzt werden. Die Multiplexierung mittels des in Fig. 3 dargestellten Multiplexers MUX kann beispielsweise nach der Vorschrift
C = (xi, y2ι, yli, x2, y22, yl2, χ3, y23, yl3, ••)
durchgeführt werden.
Die Punktierer PKTl, PKT2 dienen zur variablen Einstellung der Coderate des Turbo-Codierers TCOD. Soll der Turbo-Codierer TCOD eine Coderate von Rc = 1/2 aufweisen, werden die beiden Redundanz-Teilfolgen Yl und Y2 beispielsweise alternierend punktiert und vorab im Multiplexer MUX multiplexiert . Die sich dabei ergebende Redundanz-Datenfolge Y = (yli, y2 , yl3, y24, ..) wird nachfolgend - ebenfalls noch im Multiplexer MUX - alternierend mit der systematischen Datenfolge X multiplexiert. Das sich bei dieser (speziellen) Form der Turbocodierung ergebende fehlerschutzcodierte Nutzdatensignal weist demzufolge die Form C (X) = (xx, ylx, x2, y22, χ3, yl3, x4, y24, .. ) auf.
Sofern der Codierer COD eine variable Coderate Rc aufweist, (was in dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel wie erläutert durch Zuschaltung bzw. Überbrückung der Punktierer PKTl, PKT2 erreicht werden kann) , wird der Datenratenanpassungsstufe RM die aktuelle Coderate Rc mitgeteilt, damit eine entsprechende Anpassung der Datenrate zur Erzeugung eines für die feste Anzahl N geeigneten Übertragungssignals vorgenommen werden kann.
Neben der Datenratenanpassung können im Signalweg zwischen dem Kanalcodierer COD und dem Modulator MOD eine Verschachtelung des codierten Nutzdatensignals und/oder eine Multiplexie- rung/Demultiplexierung zur Verteilung der Datensymbole auf die N Antennensignale AI (X) , .., AN(X) vorgenommen werden. In Fig. 4 sind für zwei Beispiele, nämlich N = 2 und N = 4, geeignete Schemata für die Verschachtelung, die Demultiplexierung/Mul- tiplexierung und die Ratenanpassung des codierten Nutzdatensignals angegeben.
Beiden Beispielen liegt der in Fig. 3 gezeigte Turbo-Codierer TCOD mit einer Coderate Rc = 1/3 zugrunde. Die beiden Punktierer PKTl und PKT2 sind also deaktiviert .
Die im Signalweg hinter dem Turbo-Codierer TCOD durchgeführten Signalbearbeitungsschritte werden in Fig. 4 mittels Schaubildern Sl bis S5 (für N = 2) und Sl ' bis S5 ' für (N = 4) erläutert. Im Schaubild Sl sind jeweils drei zeitlich aufeinanderfolgende Datensymbole der Ausgänge Cl (X) , C2 (X) und C3 (X) des Turbo-Codierers TCOD graphisch dargestellt. Zur Unterscheidung von Datensymbolen unterschiedlicher Ausgänge werden Quadrate bzw. Kreise bzw. Dreiecke verwendet. Die Nummern in diesen graphischen Elementen bezeichnen die Zeitschritte i = 1, 2, 3. Die Datenrate am Ausgang des Turbo-Codierers TCOD beträgt 3/Ts, wobei Ts die SymbolZeitdauer bezeichnet.
Im Signalweg hinter dem Turbo-Codierer TCOD befindet sich ein Verschachteler IL1. Der Verschachteler IL1 führt für jeden erhaltenen Datenstrom eine Permutierung der Datensymbole durch. Dadurch wird einerseits eine zeitliche Beabstandung ehemals benachbarter Datensymbole erreicht . Andererseits läßt sich durch eine geeignete Wahl der bezüglich Cl (X) , C2 (X) und C3 (X) unterschiedlichen Permutationsvorschriften auch erreichen, daß in jedem Zeitschritt nunmehr aus unterschiedlichen Zeitschrit- ten stammende Datensymbole in den drei Datenströmen auftreten, siehe Schaubild S2.
Nachfolgend werden die Datensymbole der drei Datenströme untereinander verteilt. Dieser Datenbearbeitungsschritt kann mittels einer Demultiplexer-Multiplexer-Kombinationseinrich- tung D/MUX durchgeführt werden. Hinter der Demultiplexer- Multiplexer-Kombinationseinrichtung D/MUX sind in jedem Datenstrom die zu einem bestimmten Zeitschritt an den Ausgängen des Turbo-Codierers TCOD auftretenden Datensymbole aufgereiht, siehe Schaubild S3.
Eine erste Datenratenanpassungsstufe RM1 arbeitet als Punktierer. Zu jedem Zeitschritt wird genau ein Datensymbol aus den drei parallelen Datenstromen punktiert, wobei die Punktierung bezüglich der Datenstrδme zyklisch erfolgt. Demnach wird in jedem Datenstrom ein Datensymbol aus drei Datensymbolen punktiert. Das punktierte Datensymbol wird verworfen und ist in dem Schaubild S4 durch ein Kreuz dargestellt . Am Ausgang der ersten Datenratenanpassungsstufe RM1 beträgt die Datenrate 2/Ts.
Im Signalweg hinter der ersten Datenratenanpassungsstufe RM1 befindet sich ein Multiplexer MUX1, der für die Bereitstellung der richtigen Anzahl von Antennendatensignalen sorgt. Im vor- liegenden Beispiel umfaßt das Übertragungssignal zwei Anten-
nendatensignale AI (X) und A2 (X) . Die Erzeugung der beiden An- tennendatensignale AI (X) und A2 (X) erfolgt in der Weise, daß der Multiplexer MUX1 die an seinem mittleren Eingang eingegebenen Datensymbole wechselweise auf das erste Antennendatensi- gnal AI (X) und das zweite Antennendatensignal A2 (X) verteilt, siehe Schaubild S5.
In dem zweiten Beispiel (unterer Teil von Fig. 4) wird der Fall N = 4 betrachtet. Die Funktionsweise des Turbo-Codierers TCOD, des Verschachtelers IL1 und der Demultiplexer-Multi- plexer-Kombinationseinrichtung D/MUX ist identisch mit der Funktionsweise der entsprechenden Komponenten im ersten Beispiel. Mithin sind die in den Schaubildern Sl und Sl1 bzw. S2 und S2 ' bzw. S3 und S3 ' dargestellten Datenströme identisch.
Eine zweite Datenratenanpassungsstufe RM2 führt eine Erhöhung der Datenrate durch. Die Erhöhung der Datenrate wird durch eine Wiederholungscodierung ("repetitive coding") erreicht. Dabei werden in jedem Datenstrom jeweils das in einem bestimm- ten, für alle Datenströme identischen Zeitschritt auftretende Datensymbol wiederholt. Die zu replizierenden Datensymbole sind in dem Schaubild S3 ' mit einem Pfeil gekennzeichnet . Das Ergebnis der Wiederholungscodierung der einzelnen Datenströme ist in dem Schaubild S4 ' dargestellt. Die Datenrate am Ausgang der zweiten Datenratenanpassungsstufe RM2 beträgt 4/Ts.
Im Signalweg hinter der zweiten Datenratenanpassungsstufe RM2 ist ein Demultiplexer DMUX angeordnet. Der Demultiplexer DMUX nimmt die Datensignale der drei von der Datenratenanpassungs- stufe RM2 ausgegebenen Datenströme entgegen und stellt an seinem Ausgang vier Antennendatensignale AI (X) , A2 (X) , A3 (X) und A4 (X) zur Verfügung. Dabei ist das erste Antennendatensignal AI (X) aus den zu einem bestimmten, für alle Datenströme identischen Zeitschritt in den Eingangsdatenströmen des Demulti- plexers DMUX vorhandenen Datensymbolen gebildet. Die entspre-
chenden Datensymbole sind in dem Schaubild S4 ' mit einem Pfeil gekennzeichnet. Die Antennendatensignale A2 (X) bis A4 (X) werden demgegenüber aus jeweils drei zeitlich benachbart auftretenden Datensymbolen der drei Eingangsdatenströme gebildet . Wie aus dem Schaubild S5 ' ersichtlicht folgt A2 (X) aus dem in Fig. 4 zuunterst eingezeichneten Datenstrom, A3 (X) ergibt sich aus dem mittleren Datenstrom und A4 (X) wird aus dem zuoberst dargestellten Datenstrom gebildet .
Die weitere Signalverarbeitung der zwei bzw. vier Antennenda- tensignale der Fig. 4 erfolgt in Analogie zu Fig. 2, d.h. die Antennendatensignale werden spreizcodiert, auf einen Träger moduliert und über zwei Antennen (erstes Beispiel) bzw. vier Antennen (zweites Beispiel) abgestrahlt.
Für den Empfang der abgestrahlten Datensignale können in dem Empfänger sowohl eine als auch mehrere Sendeantennen eingesetzt werden. Zur Decodierung können MAP- (Maximum A-Posterio- ri-)Decodierer oder auch SOVA- (Soft Output Viterbi Algo- rithm) Decodierer eingesetzt werden.