DE19917334A1 - Mittambelstruktur für TD-CDMA-Mobilfunksysteme - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Kanalschätzung in TD-CDMA-Mobilfunksystemen werden zur Schätzung einer einzigen Kanalimpulsantwort die für die Kanalschätzung verwendbaren Empfangwerte mehrerer Bursts verwendet, falls der Zeitraum T¶auf¶, in dem die aufeinanderfolgenden Datenbursts übertragen werden, wesentlich kleiner als die Kohärenzzeit T¶k¶ ist.

Description

In TDMA-basierten CDMA-Mobilfunksystemen (TDMA = Time Divi­ sion Multiple Access, CDMA = Code Division Multiple Access) wird zur Durchführung der Datenschätzung eine Kanalschätzung benötigt. Die Kanalschätzung in den TDMA-basierten Systemen beruht auf einer Trainingssequenz, die im allgemeinen als Mittambel bezeichnet wird, wobei die Mittambel zwischen zwei Datenblöcken angeordnet ist. Die Einheit aus Mittambel sowie den beiden Datenblöcken wird als Burst bezeichnet. Dabei er­ gibt sich aus Bernd Steiner: "Ein Beitrag zur Mobilfunkkanal­ schätzung unter besonderer Berücksichtigung synchroner CDMA- Mobilfunksysteme mit Joint Detection", Fortschrittsberichte VDI, Reihe 10, Nr. 337, Düsseldorf: VDI-Verlag 1995, daß die Länge L_m der Mittambel in TD-CDMA-Mobilfunksystemen, bedingt durch den verwendeten Algorithmus zur Kanalschätzung, direkt von der Anzahl der aktiven Teilnehmer K und der maximal erwarteten Länge W der Kanalimpulsantwort durch die Näherung

L_m ≈ W (K +1)

bestimmt ist. Somit ist die Länge L_m der Mittambel ein be­ grenzender Faktor für die Anzahl der aktiven Teilnehmer, die im Uplink pro Burst vorhanden sein können. Falls Techniken wie "Voice Activity" oder adaptive Datenraten eingesetzt wer­ den sollen, ist es eventuell sogar erforderlich, mehr Teil­ nehmer zu unterstützen, als in der Regel pro Burst tatsäch­ lich aktiv sind, mit anderen Worten in die Kanalschätzung einzubeziehen.

Werden ferner in der Basisstation intelligente Antennen, das heißt Antennen, die beispielsweise selektiv in Richtung des Mobilfunkteilnehmers wirken, eingesetzt, so werden im Down­ link ebenfalls teilnehmerspezifische Mittambeln benötigt, so daß auch hier die Mittambellänge ein begrenzender Faktor wird.

Ferner ist es in TD-CDMA-Mobilfunksystemen mit einem Fre­ quenz-Reusefaktor von r = 1 eventuell erstrebenswert, Inter­ zell-Interferenzsignale aus Nachbarzellen in die Datenselek­ tion mit einzubeziehen. Dazu ist es notwendig, Kanäle zu den Nachbarstationen oder den Mobilstationen der Nachbarzellen mitzuschätzen.

Dies ist aber nur dann möglich, wenn hinreichend lange Mitt­ ambeln zur Verfügung stehen. Folglich ergibt sich die unbe­ friedigende Situation, daß der verbleibende, für die Daten­ übertragung zur Verfügung stehende Anteil des Bursts desto geringer wird, je mehr Kanäle geschätzt werden müssen. Daher sollen einerseits viele Kanäle geschätzt werden, aber ande­ rerseits soll nur ein möglichst kleiner Anteil des Bursts für die Mittambel geopfert werden. Dieses Problem besteht prinzi­ piell nicht nur bei dem oben erwähnten Kanalschätzverfahren der oben genannten Veröffentlichung, sondern bei allen Schätzverfahren. Um ein hinreichend genaues Schätzergebnis erzielen zu können, ist daher eine Mindestanzahl von Meßwer­ ten von der empfangenen Mittambel erforderlich.

Dieser Konflikt konnte bisher nicht zufriedenstellend gelöst werden. Vielmehr wurde bisher ein Kompromiß zwischen Mittam­ bellänge und dem zur Datenübertragung zur Verfügung stehenden Burstanteil gefunden. Üblicherweise ist die Mittambellänge so dimensioniert, daß mindestens so viele Kanäle geschätzt wer­ den können, wie CDMA-Codes in einer Zelle gleichzeitig detek­ tierbar sind. Die Anzahl gleichzeitig detektierbarer CDMA- Codes wird im wesentlichen durch den verwendeten Spreizfaktor und die Interzell-Interferenz bestimmt. Daher ist ein brauch­ barer Kompromiß zwischen Mittambellänge und der Anzahl schätzbarer Kanäle nur dann möglich, falls der Spreizfaktor nicht zu groß ist, mit anderen Worten, wenn sich relativ we­ nige Teilnehmer die Datenübertragungskapazität eines Bursts teilen. Dies bedingt eine für viele Anwendungen zu hohe mini­ male Datenrate und bietet wenig Spielraum zur Anwendung der oben erwähnten kapazitätssteigernden Maßnahmen wie Voice Activity, adaptive Datenraten, Antennendiversität und Elimi­ nation der Interzell-Interferenz.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine Schätzung ei­ ner erhöhten Kanalanzahl möglich ist, ohne daß der Anteil des Bursts für die Mittambel vergrößert wird.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprü­ che 1 und 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Als Kohärenzzeit T_K wird der minimale zeitliche Abstand zwi­ schen zwei Kanalimpulsantworten definiert, innerhalb dem die Kanalimpulsantworten als unkorreliert betrachtet werden kön­ nen. Ferner gilt, daß die Kohärenzzeit T_K umgekehrt propor­ tional zur Geschwindigkeit eines Teilnehmers ist.

Sind nun die Kanalimpulsantworten aufeinanderfolgender Bursts nahezu gleich, das heißt, der Zeitraum T_auf, in dem die auf­ einanderfolgenden Datenbursts übertragen werden, ist wesent­ lich kleiner als die oben definierte Kohärenzzeit T_K, so wer­ den zur Schätzung einer einzigen Kanalimpulsantwort die für die Kanalschätzung verwendbaren Empfangswerte mehrerer Bursts verwendet. Dabei erfüllen insbesondere Teilnehmer mit gerin­ ger Geschwindigkeit die Bedingung

T_auf « T_K.

Vorzugsweise können innerhalb des Bursts kurz Mittambeln ge­ sendet werden, wobei die Kanalschätzung dann eine aktuelle Kanalimpulsantwort aus den von den Mittambeln herrührenden Empfangswerten e(x) mehrerer aufeinanderfolgender Bursts x ermittelt. Dabei müssen die Empfangswerte so vieler Bursts bei der Kanalschätzung berücksichtigt werden, daß die erfor­ derliche Qualität zur Kanalschätzung erreicht wird. Diese Vorgehensweise ist genau dann möglich, wenn die Kanalim­ pulsantworten innerhalb des Zeitraums, in dem die benötigten Empfangswerte e(x), x = 1. . .X empfangen werden, weitestge­ hend identisch sind, mit anderen Worten die Bedingung T_auf « T_K erfüllt ist. Ferner kann die Mittambel um so kürzer sein, je geringer die Geschwindigkeit einer Mobilstation ist, da dadurch die Kohärenzzeit T_K um so größer ist, und eine um so höhere Datenrate erreichbar ist.

Durch das Prinzip des stückweisen Sendens der Mittambel kann folglich die Teilnehmerzahl erhöht werden. Läßt man die Länge der Mittambel innerhalb der Bursts allerdings gleich und in­ terpretiert diese als Abschnitte einer langen Mittambel, so ist es möglich, wesentlich mehr Teilnehmer unterzubringen. Daher kann das Problem der normalerweise durch die Kanal­ schätzung hart begrenzten Teilnehmeranzahl in TD-CDMA-Mobil­ funksystemen als gelöst betrachtet werden.

Ferner müssen unter der Voraussetzung der Gültigkeit der Ab­ schätzung T_auf « T_K innerhalb eines Bursts nicht zwangsläufig Mittambeln verwendet werden, sondern die Verwendung von Prä­ ambeln ist generell möglich. Vorteilhafterweise können Präam­ beln aufgrund ihrer Eigenschaft, daß sie nicht von der Inter­ ferenz vorhergehender Symbole gestört werden, kürzer als Mit­ tambeln gewählt werden, wodurch beispielsweise die Datenrate erhöht wird. Sind Präambel und Mittambel gleich lang, so er­ möglicht die Verwendung von Präambeln eine höhere Teilnehmer­ zahl.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Aufteilen einer Mittambel in mehrere kür­ zere Mittambeln, und

Fig. 2 zeigt die Verwendung periodischer Mittambel-Codes.

Fig. 1 zeigt das Aufteilen einer Mittambel m in mehrere Mitt­ ambeln m(x), wobei x von 1 bis X läuft. Durch das abschnitts­ weise Senden der Mittambel m in aufeinanderfolgenden Bursts wird die Mittambel eines Bursts verkürzt, so daß die Anzahl der schätzbaren Kanäle aufgrund der kurzen Mittambeln erhöht wird.

Die Mittambel m besteht im hier beispielhaft beschriebenen Fall aus X = 5 Blöcken der Länge W. Das nur von der noch nicht aufgeteilten Mittambel m herrührende Empfangssignal be­ rechnet sich für einen beliebigen Teilnehmer k zu

Das gesamte, von den Mittambeln der Teilnehmer herrührende Empfangssignal ergibt sich durch die Überlagerung der Signale der K Teilnehmer zu

Ferner ist die Empfangsfolge e _m um W Elemente kürzer als die Mittambel, da Empfangswerte mit Interferenz aus den Daten­ blöcken nicht zur Kanalschätzung verwendet werden können.

Damit zur Kanalschätzung nach Aufteilen der Mittambel auf mehrere Bursts derselbe Algorithmus eingesetzt werden kann wie bisher, der auf der Empfangsfolge e _m der Länge KW ba­ siert, muß durch die abschnittsweise Übertragung der Mittam­ bel ebenfalls das Signal e _m entstehen. In dem Beispiel der Fig. 1 setzt sich das Signal e _m aus vier Untersignalen e _m = [e _m(1). . .e _m(4)] zusammen, wenn die Mittambel m auf X = 4 Bursts verteilt wird. Dabei resultieren die Empfangs­ werte von e _m(1) aus der Sendefolge des Mittambelteils m(1) und, da die Kanalimpulsantwort die Länge W hat, aus den W - 1 vorherigen Abtastwerten aus dem Block m(0). Die Empfangswerte von e _m(2) resultieren aus der Sendefolge m(2) und, da die Ka­ nalimpulsantwort die Länge W hat, aus den W - 1 vorherigen Abtastwerten aus dem Block m(1). Analoges gilt für die Emp­ fangswerte e _m(3) und e _m(4).

Nach der Übertragung der vier Bursts, wie dies in Fig. 1 dar­ gestellt ist, kann aus den vier Empfangsfolgen das identische Signal e _m = [e _m(1). . .e _m(4)] zusammengesetzt werden, wenn die Kanalimpulsantwort konstant ist. Die Kanalschätzung kann aufwandsgünstig nach einem in dem oben genannten Artikel ge­ schilderten Verfahren erfolgen.

Die Schätzung der Kanalimpulsantwort kann im eingeschwungenen Zustand nach dem Empfang eines jeden Bursts und damit eines jeden Teilstücks e _m(x) durchgeführt werden, wenn zum Beispiel ein zeitlich älteres e _m(1) durch ein gerade empfangenes gleichlautendes Teilstück ersetzt wird. Daher wird das Ergeb­ nis der Kanalschätzung dem sich langsam ändernden Kanal adap­ tiv nachgeführt.

Fig. 2 zeigt, wie Blöcke der Mittambel aus einem in der oben genannten Veröffentlichung beschriebenen periodischen Mittam­ belgrundcode hervorgehen. Wenn die unterstützte Teilnehmeran­ zahl K ein Vielfaches der Anzahl X der Bursts ist, auf die die Mittambel aufgeteilt wird, so äußert sich die Mittambel­ aufteilung am Kanalschätzer als zyklisches Vertauschen der von den Teilnehmern verwendeten Mittambeln. Es kann also bei jedem Burst exakt der gleiche Kanalschätzer verwendet werden, der jeweils die Mittambelempfangssignale der letzten X Bursts verwendet. Der Schätzwert h der Kanalimpulsantworten ergibt sich mit der konstanten, rechtszirkulanten, nur von den ver­ wendeten Mittambelcodes abhängigen Matrix G ^-1 zu

h = G ^-1 e _m (3)

Da pro Burst nur ein Teil der Empfangsfolge e _m neu gewonnen wird, ist es nicht unbedingt erforderlich, bei jedem Burst eine vollständige Kanalschätzung durchzuführen. Da es sich um einen linearen Schätzalgorithmus handelt, kann man statt des­ sen aus der Differenz zwischen alter und neuer Empfangsfolge e _m direkt die Differenz zwischen alter und neuer Schätzung der Kanalimpulsantwort bestimmen und das Schätzergebnis h ak­ tualisieren.

Im Beispiel der Fig. 2 ist X = K = 4. Der periodische Grund­ code PGC ist in vier Bestandteile unterteilt, beginnend je­ weils mit m ₁, m _W+1, m _2W+1, sowie m _3W+1. Dabei endet der peri­ odische Grundcode PGC mit dem Zeichen m _KW. Zwischen den Teil­ nehmern T1, T2, T3 und T4 ist der genannte Grundcode PGC je­ weils immer periodisch um einen Block verschoben, wobei in der Mittambel M1 der Teilnehmers T1 die Bestandteile m ₁ sowie m _W+1 sendet, während der Teilnehmer T2 die Bestandteile m _W+1 und m _2W+1, der Teilnehmer T3 die Bestandteile m _2W+1 und m _3W+1 sowie der Teilnehmer T4 die Bestandteile m _2W+1 und m ₁ in die­ ser Reihenfolge sendet. Entsprechend werden in den Mittambeln M2 bis M4 die in Fig. 2 jeweils darüber angeordneten 8 Be­ standteile des periodischen Grundcodes PGC gesendet. Dabei wird Mittambel M1 im ersten Burst B1 gesendet, während die Mittambeln M2 bis M4 in den entsprechenden nachfolgenden zweiten bis vierten Bursts gesendet werden. In Fig. 2 ist im Teilbild rechts unten die Bestandteile der ersten im ersten Burst B1 gesendeten Mittambel M1 dargestellt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Kanalschätzung in TD-CDMA-Mobilfunksyste­ men, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schätzung einer einzigen Kanalimpulsantwort h die für die Kanalschätzung verwendbaren Empfangswerte e _m(x), x = 1,. . .,X mehrerer Bursts verwendet werden, falls der Zeitraum T_auf, in dem die aufeinanderfolgenden Datenbursts übertragen werden, wesentlich kleiner als die Kohärenzzeit T_K ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bedingung T_auf « T_K für Teilnehmer mit gerin­ ger Geschwindigkeit zutrifft.

3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Kanalschätzung notwendige Mittambel m auf mehrere Teil-Mittambeln m(x) mit x = 1,. . .,X aufgeteilt wird, wobei jede Teil-Mittambel m(x) in einem Burst einer Folge von X Bursts gesendet wird, so daß sich die Gesamt-Mittambel m aus den Teil-Mittambeln m(x) der aufeinanderfolgenden Bursts zusammensetzt.

4. Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Teilempfangswerte e _m(x), x = 1,. . .,X des Empfangssignals e _m so vieler Bursts bei der Kanalschätzung berücksichtigt werden, daß die erforderli­ che Qualität zur Kanalschätzung erreicht wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzung der Ka­ nalimpulsantwort h im eingeschwungenen Zustand nach dem An­ fang eines jeden Bursts und eines jeden Teilstücks e _m(x) durchgeführt werden.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Mittambeln Präambeln verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal adaptiv nach­ geführt wird, indem ein zeitlich älteres Teilstück e _m(x) des Empfangssignals e _m eines Bursts durch das gerade empfangene Teilstück ersetzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Mitt­ ambeln der Teilnehmer ein periodischer Grundcode verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Mittambel-Aufteilung am Kanalschätzer als zyklisches Vertauschen der von den Teilnehmern verwendeten Mittambeln äußert, wenn die unterstützte Teilnehmeranzahl K ein Vielfaches der Anteile X der Bursts ist, auf die sich die Mittambel aufteilt.

10. TD-CDMA-Mobilfunksystem unter Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche.