DE10147139A1 - Verfahren und Funk-Kommunikationssystem zur Synchronisation von Teilnehmerstationen - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß wird von einer ersten Teilnehmerstation zur Synchronisation einer empfangenen zweiten Teilnehmerstation zumindest ein Funkblock mit einer im Vergleich zu einem von einer Basisstation zur Synchronisation der ersten Teilnehmerstation gesendeten Funkblock längeren Synchronisationssequenz gesendet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation von Teilnehmerstationen sowie ein Funk-Kommunikationssystem zur Durchführung des Verfahrens.
• Funk-Kommunikationssysteme sind beispielsweise Mobilfunksysteme oder auch drahtlose Anschlusssysteme. Mobilfunksysteme nach dem Stand der Technik sind beispielsweise das weltweit verbreitete GSM (Global System for Mobile Communications) der so genannten zweiten Generation sowie das zukünftige UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) der so genannten dritten Generation. Diese Systeme nutzen Frequenzbänder im 1 und 2 GHz-Band. Zur Teilnehmertrennung wird bei GSM neben einem FDMA (Frequency Division Multiple Access) auch eine TDMA- Komponente (Time Division Multiple Access) eingesetzt. Das UMTS-System basiert auf einem sogenannten FDD-(Frequency Division Duplex) und einem TDD-(Time Division Duplex) Modus. In dem FDD-Modus erfolgt die Teilnehmerseparierung durch Spreizkodes bzw. CDMA-Kodes (Code Division Multiple Access) bei einer kontinuierlichen Übertragung und getrennten breitbandigen Frequenzbändern für die Übertragung in Aufwärts-(UL Uplink) und Abwärtsrichtung (DL Downlink). In dem TDD-Modus erfolgt neben der Trennung nach CDMA-Kodes eine Trennung nach Zeitschlitzen. Diese Kombination wird auch TD/CDMA-Teilnehmerseparierung genannt. Durch die TDD-Struktur erfolgt dabei allerdings die Übertragung in Aufwärts- und in Abwärtsrichtung zeitlich getrennt in einem gemeinsamen Frequenzband. Diese Struktur ist unter anderem aus M. Haardt "The TDD-CDMA based UTRA TDD Mode", IEEE Journal of Selected Areas in Communications, Vol. 18, No. 8, August 2000, Seiten 1375-1385, bekannt.
• In diesen bekannten Systemen erfolgt eine Synchronisation einer empfangenden Teilnehmerstation mittels spezieller Synchronisationssequenzen. Die Synchronisationssequenzen werden auf einem logischen Kanal ausgesendet - dieser Kanal wird häufig als Synchronisation Channel SCH bezeichnet - und sind der Teilnehmerstation bekannt. Die Träger- und Zeit-Synchronisation der Teilnehmerstation auf das Netz ist erforderlich, damit die Basisstation einen Erstzugriff der Teilnehmerstation auf einem Zufallszugriffskanal (RACH Random Access Channel) dekodieren kann. Zur Synchronisation empfängt die Teilnehmerstation die Synchronisationssequenzen über einen längeren Zeitraum, beispielsweise mehrere Zeitrahmen. Nach einem erfolgreichen Verbindungsaufbau wird die Synchronisation der Teilnehmerstation durch periodisch in Funkblöcken gesendete Synchronisationssequenz aufrechterhalten. Bei dem TDD-Modus enthält jeder Funkblock neben zwei Datenfeldern eine mittig in dem Funkblock angeordnete so genannte Mittambel mit der Teilnehmerstation bekannten Symbolen bzw. Symbolfolge. Bei dem FDD-Modus ist dahingegen in jedem Funkblock eine so genannte Präambel vor dem Datenfeld angeordnet.
• Zukünftige Erweiterungen dieser Systeme sowie andere Systeme wie das WLAN-System Hiperlan/2 sollen beispielsweise auch eine direkte Kommunikation zwischen Teilnehmerstationen ermöglichen. Das von dem BMBF geförderte Projekt FleetNet beispielsweise sieht eine direkte Kommunikation zwischen mit Teilnehmerstationen ausgerüsteten Fahrzeugen vor. Mittels der direkten Kommunikation sollen unter anderem Verkehrsinformationen wie Staus, Notbremsung, Unfälle etc. sehr schnell von einem Fahrzeug, das beispielsweise an einem Unfall beteiligt ist, ohne Beteiligung des Netzes zu nachfolgenden Fahrzeugen kommuniziert werden, so dass diese auf das Ereignis entsprechend reagieren können. Durch diese Voraussetzung einer schnellen Datenübertragung ist eine beschriebene langwierige Synchronisation von empfangenden Teilnehmerstationen über mehrere Zeitrahmen vor dem eigentlichen Empfang von Daten nicht akzeptabel.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, das eine schnellere Synchronisation einer empfangenden Teilnehmerstation ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und das Funk-Kommunikationssystem gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen entnehmbar.
• Erfindungsgemäß wird für die Datenübertragung zwischen zwei Teilnehmerstationen zumindest ein Funkblock genutzt, der zumindest eine im Vergleich zu einem Funkblock für eine Datenübertragung zwischen einer Basisstation und einer Teilnehmerstation verlängerte Synchronisationssequenz aufweist.
• Die Synchronisationssequenz kann dabei derart dimensioniert sein, dass bereits der Empfang eines einzigen Funkblocks eine Synchronisation der empfangenden Teilnehmerstation ermöglicht. Dieses unterstützt Anwendungen, bei denen keine längerfristige Kommunikationsbeziehung zwischen einer sendenden und einer empfangenden Funkstation hergestellt werden soll. Vielmehr sendet eine Funkstation die Daten einmalig in einem Funkblock, ohne vorher eine Synchronisation mit der empfangenden Funkstation hergestellt zu haben. Dieser Funkblock muss demnach sowohl die Daten als auch ausreichende Synchronisationsinformationen enthalten, so dass die Synchronisation durch den einmaligen Empfang des Funkblocks hergestellt werden kann.
• Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung weist nur der erste von der ersten Funkstation gesendete Funkblock eine verlängerte Synchronisationssequenz auf, die nachfolgenden Funkblöcke enthalten eine Synchronisationssequenz normaler Länge. Durch dieses Merkmal kann vorteilhaft die Datenrate bei der Datenübertragung von der ersten zu der zweiten Teilnehmerstation erhöht werden, da mit dem ersten Funkblock mit einem geringeren Anteil Daten bereits eine ausreichende Synchronisation der zweiten Teilnehmerstation erzielt wird, so dass in den nachfolgenden Funkblöcken mit einem höheren Anteil Daten nur eine Aufrechterhaltung der Synchronisation in der bekannten Art und Weise erforderlich ist.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht ein Funkblock aus zumindest einem Datenfeld und einer Synchronisationssequenz. Die Synchronisationssequenz kann dabei vor dem Datenfeld entsprechend einer Präambel, oder mittig zwischen zwei Datenfeldern entsprechend einer Mittambel angeordnet sein.
• Gemäß zweier Weiterbildungen der Erfindung besteht die verlängerte Synchronisation aus einer Kombination einer Präambel und einer Mittambel. Die Präambel kann dabei anstelle eines Datenfeldes, wie es in einem normalen Funkblock angeordnet ist, eingesetzt werden. Durch diese Weiterbildungen bleibt vorteilhaft die Grundstruktur eines Funkblocks erhalten, die empfangenden Teilnehmerstation muss nur neben der Mittambel eine weitere Synchronisationssequenz empfangen und gemeinsam auswerten. Als Mittambel kann dabei eine in dem System bereits definierte Mittambel oder, für den beispielhaften Fall, dass die Mittambeln mittels einer zyklischen Ableitung aus einem Mittambelgrundkode abgeleitet werden, eine zyklische Fortsetzung der bekannten Mittambeln sein.
• In einer zu der vorhergehenden Ausgestaltung alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird von der ersten Teilnehmerstation ein Funkblock mit der verlängerten Synchronisationssequenz mit einem anderem Spreizkode gesendet als ein Funkblock für die Übertragung von Nutz- und/oder Signalisierungsdaten. Dieses Verfahren kann durchgeführt werden, wenn eine CDMA- und/oder OFDM-basierte Signalseparierung auf der Funkschnittstelle durch das Funk-Kommunikationssystem unterstützt wird. Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung weist die Synchronisationssequenz dabei die Länge des Funkblocks auf, gegebenenfalls um eine Schutzeit verkürzt. Durch die parallel zu den Daten gesendete Synchronisationssequenz wird zusätzlich zu der in dem Funkblock zur Datenübertragung enthaltenen Synchronisationssequenz in Form einer Prä- oder Mittambel eine schnelle Synchronisation der empfangenden zweiten Teilnehmerstation sichergestellt, ohne das die Datenrate beeinträchtigt wird. Der Spreizkode für die verlängerte Synchronisationssequenz kann systemweit Vorgegeben bzw. reserviert sein, oder die erste Teilnehmerstation vor der Verwendung des Spreizkodes ermittelt, ob dieser aktuell von einer anderen Funkstation, d. h. einer Basisstation oder Teilnehmerstation, genutzt wird. Ist dieses nicht der Fall, so kann die erste Teilnehmerstation diesen Spreizkode zur Übertragung der verlängerte Synchronisationssequenz verwenden und anschließend wieder freigeben.
• Besonders vorteilhaft wird das Verfahren in einem TDD-basierten System eingesetzt, beispielsweise gemäß dem beschriebenen UMTS-TDD-Modus.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
• Dabei zeigt
• Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Funk-Kommunikationssystems,
• Fig. 2 die Struktur einer Funkschnittstelle eines TDD-basierten Funk-Kommunikationssystems, und
• Fig. 3 drei alternative Realisierungen eines Funkblocks mit einer verlängerten Synchronisationssequenz.
• Die Fig. 1 zeigt die Struktur eines Funk-Kommunikationssystems, beispielsweise eines UMTS-Standards. Eine Mobilvermittlungsstelle MSC (Mobile Switching Center) ist über mehrere Funknetzsteuerungen RNC (Radio Network Controller) mit einer Vielzahl von Basisstationen NB (Node B) verbunden. Anstelle einer Mobilvermittlungsstelle sind zukünftig auch Internetbasierte verteilte Funktionalitäten denkbar. Jede Basisstation NB ermöglicht ein Aufbauen und Auslösen von Verbindungen zu Teilnehmerstationen UE (User Equipment). Die Teilnehmerstationen UE können als mobile und stationäre Endgeräte ausgestaltet sein, und beispielsweise in Fahrzeugen integriert sein.
• In dem Beispiel der Fig. 1 sendet die Basisstation beispielsweise periodisch einen logischen Synchronisationskanal SCH (Synchronisation Channel) mit Synchronisationssequenzen SYNC, die einer in dem Funkversorgungsbereich der Basisstation NB befindlichen ersten Teilnehmerstation UE1 bekannt sind und die sie zur träger- und zeitbezogenen Synchronisation auf das Netzwerk bzw. die Basisstation verwenden kann. Zwischen der Basisstation NB und der ersten Teilnehmerstation UE1 wird nach einem erfolgreichen Verbindungsaufbau eine Datenübertragung in Funkblöcken FB eines physikalischen Verkehrskanals TCH (Traffic Channel) durchgeführt. Die Signalübertragung von der ersten Teilnehmerstation UE1 zu der Basisstation NB wird dabei als Aufwärtsrichtung UL (Uplink) und die Signalübertragung von der Basisstation NB zu der ersten Teilnehmerstation UE1 als Abwärtsrichtung DL (Downlink) bezeichnet.
• Zwischen der ersten Teilnehmerstation UE1 und einer zweiten Teilnehmerstation UE2 werden ebenfalls in einem Verkehrskanal TCH Funkblöcke FB zur Datenübertragung in beiden Übertragungsrichtungen gesendet, wobei im Folgenden nur die Signalübertragung von der ersten UE1 zu der zweiten Teilnehmerstation UE2 betrachtet werden soll. Da sich die zweite Teilnehmerstation UE2 beispielsweise außerhalb des Funkversorgungsbereichs der Basisstation NB befindet oder die Aussendung der ersten Teilnehmerstation UE1 nicht synchron zu der Aussendung der Basisstation NB erfolgt, wird angestrebt, dass sich die zweite Teilnehmerstation UE2 bereits bei einem Empfang eines einzigen Funkblocks FB auf die erste Teilnehmerstation UE1 synchronisieren kann. Dieses erfolgt erfindungsgemäß durch die Aussendung eines Funkblocks FB mit einer längeren Synchronisationssequenz SYNCL in einem Verkehrskanal TCH durch die erste Teilnehmerstation UE1. Dieses ermöglicht vorteilhaft eine sehr schnelle Datenübertragung bzw. Weitergabe von Daten zu der zweiten Teilnehmerstation UE2, wie es beispielsweise bei dem beschriebenen FleetNet-Projekt bei der Weitergabe von Verkehrsdaten erforderlich sein kann, ohne das sich die empfangende zweite Teilnehmerstation UE2 über mehrere Zeitrahmen auf die erste Teilnehmerstation UE1 synchronisieren muss.
• In der Fig. 2 ist beispielhaft die Struktur der Funkschnittstelle des UTRA-TDD-Modus dargestellt. Eine Abfolge von Zeitrahmen TF mit einer Länge von jeweils 10 ms ist in 16 Zeitschlitze ts0. . .ts1 mit einer jeweiligen Länge von 0,625 ms aufgeteilt. Gemäß dem TDD-Verfahren werden diese Zeitschlitze sowohl für die Übertragung in Aufwärts-UL als auch in Abwärtsrichtung DL genutzt, wobei die Zuteilung flexibel gestaltet werden kann. Dieses ist insbesondere bei asymmetrischen Datenraten für die jeweilige Übertragungsrichtung, wie sie beispielsweise häufig bei Internetanwendungen auftreten, vorteilhaft. In einem Zeitschlitz ts wird ein Funkblock FB übertragen, der aus zwei Datenfeldern D1, D2, einer Mittambel MA und einer Schutzzeit GP (Guard Period) besteht. In den Datenfeldern D1, D2 werden Nutz- bzw. Signalisierungsdaten übertragen, die Mittambel MA mit der empfangenden Funkstation bekannten Symbolen bzw. Folge von Symbolen dient dahingegen zur Kanalschätzung und Synchronisation. Nachdem die Synchronisation der zweiten Teilnehmerstation UE2 nach dem Empfang des Funkblocks FB mit der verlängerten Synchronisationssequenz SYNCL hergestellt wurde, kann die erste Teilnehmerstation UE1 weitere Daten in normalen, d. h. wie in Fig. 2 dargestellt, Funkblöcken FB senden. Gegebenenfalls kann die erste Teilnehmerstation UE1 den ersten Funkblock FB auch zeitlich aufeinander folgend zwei oder mehrere Male senden, um sicher zu stellen, dass sich die zweite Teilnehmerstation UE2 synchronisieren konnte, da diese gegebenenfalls keine Rückmeldung zu der ersten Teilnehmerstation UE1 über einen erfolgreichen Empfang der Daten senden wird.
• In den Fig. 3a bis 3c werden drei alternative Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Funkblocks FB mit einer verlängerten Synchronisationssequenz SYNCL gezeigt. Die verlängerte Synchronisationssequenz SYNCL in der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 3a besteht aus einer Präambel PA und einer Mittambel MA. Als Mittambel MA wird eine bereits in dem System definierte Mittambel oder beispielsweise eine weitere zyklische Ableitung des selben Mittambelgrundkodes verwendet. Die zusätzliche Präambel PA kann ebenfalls von dem System vorgegeben werden, in jedem Fall müssen sowohl die Präambel PA als auch die Mittambel MA der empfangenden zweiten Teilnehmerstation UE2 bekannt sein, so dass diese in dem Synchronisationsmechanismus im Empfänger der zweiten Teilnehmerstation UE2 in einem Schritt ausgewertet werden können. Die Präambel PA ersetzt ein in einem normalen Funkblock für die Datenübertragung genutztes erstes Datenfeld D1 gemäß der Fig. 2. Durch die Kombination von Präambel PA und Mittambel MA entsteht eine ausreichend lange Synchronisationssequenz SYNCL zur Sicherstellung einer Synchronisation innerhalb eines Funkblocks FB. Zusätzlich können in diesem Funkblock FB noch Daten in dem zweiten Datenfeld D2 übertragen werden, so dass zur Weitergabe kurzer Informationen ausreichend Übertragungskapazität zur Verfügung gestellt wird.
• Gemäß der Fig. 3b wird eine einzige Präambel PA am Anfang des Funkblocks FB, der gleichzeitig die verlängerte Synchronisationssequenz SYNCL darstellt, definiert. Diese Präambel PA ersetzt sowohl das erste Datenfeld D1 als auch die Mittambel MA entsprechend der Fig. 2, und kann gegebenenfalls aus mehreren Unterfeldern bestehen. Die Präambel ist wiederum von dem System vorgegeben. Die Präambel PA und das zweite Datenfeld D2 können eine unterschiedliche Länge aufweisen und müssen nicht notwendigerweise an den in dem UTRA-TDD-Standard definierten Feldgrößen oder Summen von Feldgrößen orientiert sein.
• Gemäß der Fig. 3c wird die Möglichkeit genutzt, dass die erste Teilnehmerstation UE1 parallel auf unterschiedlichen Kodes c1, c2 - beispielsweise CDMA-Kodes - Daten und eine Synchronisationssequenz SYNCL zu der zweiten Teilnehmerstation UE4 sendet. Hierdurch kann beispielsweise die gleiche Synchronisationssequenz SYNC übertragen werden, die von der Basisstation NB in dem Synchronisationskanal SCH ausgesendet wird. Die Länge der Synchronisationssequenz SYNCL entspricht dabei beispielsweise der Länge des gesamten Funkblocks, gegebenenfalls abzüglich einer Schutzzeit. Als Spreizkode c zur Übertragung des Synchronisationssequenz SYNCL wird ein dafür speziell reservierter Spreizkode verwendet, der gegebenenfalls von der Basisstation NB signalisiert wird, oder die erste Teilnehmerstation UE1 ermittelt einen aktuell nicht verwendeten Spreizkode und nutzt diesen für die Übertragung der Synchronisationssequenz SYNCL. Vorteilhaft wird durch diese Realisierung eine uneingeschränkte Übertragungsrate ermöglicht, da der Funkblock FB vollständig bzw. entsprechend der Fig. 2 mit zwei Datenfeldern D1, D2 für die Datenübertragung genutzt werden kann. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die empfangende zweite Teilnehmerstation UE2 in der Lage ist, Signale auf zwei Spreizkodes gleichzeitig zu empfangen und auszuwerten.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann in gleicher Weise vorteilhaft für die Synchronisation mehrerer empfangender Teilnehmerstationen verwendet werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Synchronisation von Teilnehmerstationen (UE1, UE2) in einem Funk-Kommunikationssystem, bei dem von einer Basisstation (NB) des Funk-Kommunikationssystems zur Synchronisation einer empfangenden ersten Teilnehmerstation (UE1) der ersten Teilnehmerstation (UE1) bekannte Synchronisationssequenzen (SYNC, MA) in einem Synchronisationskanal (SCH) sowie in Funkblöcken (FB) eines Verkehrskanal (TCH) zur Datenübertragung gesendet werden, und von der ersten Teilnehmerstation (UE1) zur Synchronisation einer empfangenden zweiten Teilnehmerstation (UE2) zumindest eine der zweiten Teilnehmerstation (UE2) bekannte Synchronisationssequenz (SYNCL) mit einer gegenüber der Länge der von der Basisstation (NB) in den Funkblöcken (FB) gesendeten Synchronisationssequenzen (MA) größeren Länge in zumindest einem Funkblock (FB) eines Verkehrskanals (TCH) zur Datenübertragung gesendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem von der ersten Teilnehmerstation (UE1) nur ein Funkblock (FB) mit zumindest einer Synchronisationssequenz (SYNCL) größerer Länge zur Erstsynchronisation der empfangenden zweiten Teilnehmerstation (UE2) gesendet wird, und anschließend Funkblöcke (FB) mit einer den Synchronisationssequenzen (MA) der Basisstation (NB) entsprechenden Länge gesendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Funkblock (FB) aus zumindest einem Datenfeld (D1, D2) und zumindest einer Synchronisationssequenz (MA, PA) besteht.

4. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die von der ersten Teilnehmerstation (UE1) gesendete verlängerte Synchronisationssequenz (SYNCL) aus einer Präambel (PA) und einer Mittambel (MA) besteht.

5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Länge der Präambel (PA) der Länge eines ersten Datenfeldes (D1) und die Mittambel (MA) einer Mittambel eines von der Basisstation (NB) gesendeten Funkblocks (FB) entsprechen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem von der ersten Funkstation (UE1) der Funkblock (FB) mit der Synchronisationssequenz (SYNCL) größerer Länge mit einem anderen Spreizkode (c2) als der Funkblock (FB) für die Datenübertragung gesendet.

7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Synchronisationssequenz (SYNCL) die Länge eines Funkblocks (FB) aufweist.

8. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Funkschnittstelle des Funk-Kommunikationssystems gemäß einem TDD-Verfahren strukturiert ist.

9. Funk-Kommunikationssystem mit zumindest einer Basisstation (NB) und zumindest zwei Teilnehmerstationen (UE1, UE2) zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1.