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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Abschätzung einer
Charakteristik eines Signals und im Besonderen zur Abschätzung einer
Senderidentifizierung oder einer Ankunftszeit eines Signals in einem
zellularen Kommunikationssystem.
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Hintergrund
der Erfindung
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In
einem zellularen Kommunikationssystem kommuniziert jede der Teilnehmereinheiten
(typischerweise mobile Stationen oder kleine tragbare Endgeräte) typischerweise
mit einer festen Basisstation. Kommunikationen von der Teilnehmereinheit
zu der Basisstation sind als Uplink und Kommunikationen von der
Basisstation zu der Teilnehmereinheit sind als Downlink bekannt.
Der gesamte Versorgungsbereich des Systems wird in eine Anzahl getrennter
Zellen geteilt, wobei jede vorwiegend durch eine einzelne Basisstation
versorgt wird. Die Zellen sind typischerweise geographisch verschieden,
mit einem überlappenden
Versorgungsbereich mit benachbarten Zellen. 1 stellt
ein zellulares Kommunikationssystem 100 dar. In dem System
kommuniziert eine Basisstation 101 über die Funkkanäle 105 mit
einer Anzahl von Teilnehmereinheiten 103. In dem zellularen
System versorgt die Basisstation 101 Anwender in einem
bestimmten geographischen Bereich 107, während andere
geographische Bereiche 109, 111 durch andere Basisstationen 113, 115 versorgt
werden.
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Wenn
sich eine Teilnehmereinheit aus dem Versorgungsbereich einer Zelle
zu dem Versorgungsbereich einer anderen Zelle bewegt, ändert sich
die Kommunikationsverbindung so, dass sie nicht länger zwischen
der Teilnehmereinheit und der Basisstation der ersten Zelle, sondern
zwischen der Teilnehmereinheit und der Basisstation der zweiten Zelle
besteht. Dies ist als ein Handover bekannt. Im Besonderen können einige
Zellen vollständig
in dem Versorgungsbereich anderer größerer Zellen liegen.
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Alle
Basisstationen sind durch ein festes Netzwerk verbunden. Dieses
feste Netzwerk umfasst Kommunikationsleitungen, Schalter, Schnittstellen
zu anderen Kommunikationsnetzwerken und verschiedene zum Betreiben
des Netzwerkes erforderliche Steuereinheiten. Ein Anruf von einer
Teilnehmereinheit wird durch das feste Netzwerk zu dem für diesen Anruf
spezifischen Ziel geführt.
Wenn der Anruf zwischen zwei Teilnehmereinheiten des selben Kommunikationssystems
geführt
wird, wird der Anruf durch das feste Netzwerk zu der Basisstation
der Zelle geführt,
in der sich der andere Anwender gerade befindet. Somit wird eine
Verbindung zwischen den zwei Versorgungszellen durch ein festes
Netzwerk etabliert. Alternativ wird der Anruf, wenn der Anruf zwischen
einer Teilnehmereinheit und einem Telefon geführt wird, das mit dem öffentlichen
Telefonnetz (PSTN) verbunden ist, von der versorgenden Basisstation
zu der Schnittstelle zwischen dem zellularen mobilen Kommunikationssystem
und dem PSTN geführt.
Er wird dann durch das PSTN von der Schnittstelle zu dem Telefon
geführt.
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In
einem Kommunikationssystem, wie zum Beispiel dem GSM-Mobilkommunikationssystem, führen die
Teilnehmereinheiten und Basisstationen eine Zahl von Messungen durch,
um die Leistung der Kommunikationsverbindung zwischen den Teilnehmereinheiten
und Basisstationen abzuschätzen.
Diese Messungen werden zur Bestimmung der besten versorgenden Basisstation,
Handover-Entscheidungen, Leistungssteuerung und so weiter verwendet. Weiterhin
wird außerdem
vorgeschlagen, eine Zahl von Messungen durchzuführen, die verwendet werden
können,
um Informationen über
die empfangenen Signale abzuleiten, die für andere Zwecke verwendet werden
können.
Namentlich ist vorgeschlagen worden, die Standortbestimmung einer
Teilnehmereinheit aus Messungen durchzuführen, die bezüglich der
von Basisstationen übertragenen
Signalen vorgenommen wurden.
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Ein
bekanntes Verfahren zur Standortbestimmung besteht in einem Bestimmen
einer Entfernung zwischen einem Objekt und einer Zahl von festen
Positionen. Zum Beispiel kann in einem zellularen Funkkommunikationssystem,
wie zum Beispiel dem GSM-Kommunikationssystem, der Standort einer Teilnehmereinheit
durch Abschätzen
der Entfernung von der Teilnehmereinheit zu einer Zahl fester Basisstationen
mit bekann ten Standorten bestimmt werden. Wenn der Standort dreidimensional
bestimmt werden muss, muss die Entfernung zwischen der Teilnehmereinheit
und mindestens drei Basisstationen bestimmt werden. Dies ist als
Triangulation bekannt.
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Ein
Beispiel einer Standortbestimmung in einem zellularen Kommunikationssystem
wird in dem US-amerikanischen Patent 5,970,414 gegeben, das eine
Abschätzung
eines Standortes eines Mobiltelefons durch Verwenden einer Vorwärtsverbindungssteuerung
offenbart. Drei Signale werden von drei Basisstationen übertragen
und der Standort wird aus der Ankunftszeit der Signale bei dem Mobiltelefon
bestimmt.
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Es
ist somit bekannt, die Entfernung zwischen den Basisstationen aus
den Ankunftszeiten von Signalen zu bestimmen, die zwischen der Teilnehmereinheit
und der Basisstation übertragen
werden. Wenn zum Beispiel ein Signal durch eine Basisstation an
die Teilnehmereinheit übertagen
wird, hängt
die Ankunftszeit von der Ausbreitungsverzögerung ab, die proportional
zu der durch das Funksignal zurückgelegten
Entfernung ist. Wenn die Übertragungszeit
bekannt ist, kann die relative Ankunftszeit berechnet werden, die
der Entfernung zwischen der Basisstation und der Teilnehmereinheit
entsprechen wird. Typischerweise sind die Teilnehmereinheiten nicht
mit den Basisstationen synchronisiert und der Standort wird aus
der Differenz der Ankunftszeiten von Signalen von verschiedenen
Basisstationen bestimmt. In diesem Falle müssen Signale von mindestens
einer zusätzlichen
Basisstation durch die Teilnehmereinheit empfangen werden. Das selbe
allgemeine Prinzip gilt, wenn eine Standortbestimmung auf einem Übertragen
von Signalen von der Teilnehmereinheit an die Basisstationen basiert.
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Um
den Standort einer Teilnehmereinheit gemäß diesem Verfahren zu bestimmen,
muss die Teilnehmereinheit eine Zahl von Merkmalen der empfangenen
Signale bestimmen. Namentlich muss die Teilnehmereinheit in der
Lage sein, eine Ankunftszeit eines Signale und außerdem die
Identifizierung der Basisstation, die das Signal übertrug,
zu bestimmen.
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Es
ist bekannt, verschiedene Signalcharakteristika aus einem Vergleich
eines empfangenen Signals mit einem bekannten Wert, der Auskunft über das übertragene
Signal gibt, zu bestimmen. Zum Beispiel kann eine GSM-Teilnehmereinheit
die Ankunftszeit von Signalen, die von verschiedenen Basisstationen übertragen
werden, durch Kreuzkorrelieren des empfangenen Signals mit der lokalen
Kopie des zu detektierenden Signals bestimmen. Zu diesem Zweck kann
die Trainingssequenz des GSM-Bursts verwendet werden, ganz gleich,
ob es sich um einen normalen Burst, einen Dummy-Burst oder einen
Synchronisationsburst (SCH) handelt, da diese Information für alle Bursts
bekannt ist.
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Ein
anderes Beispiel betrifft eine GSM-Teilnehmereinheit, die die Identifizierung
der übertragenden
Basisstation abschätzt.
Dies ist für
eine Standortbestimmung wesentlich, da die Teilnehmereinheit sicher
sein muss, dass das Signal, das sie zu detektieren versucht, von
einer gegebenen Basisstation und nicht von einem der Co-Kanalstörer herrührt. Eine Möglichkeit
besteht darin, jeden SCH zu prüfen
und durch Verwenden des übertragenen
Basisstationsidentifizierungscodes (BSIC) und durch Vergleichen dieses
Codes mit dem bekannten BSIC der gewünschten Basisstation zu decodieren.
Bedauerlicherweise kann, da der Rundfunkträger (BCCH-Träger), auf
dem der BSIC übertragen
wird, einen hochfrequenten Wiederverwendungsfaktor hat, die Stärke des
Signals von Nachbarbasisstationen ziemlich gering sein, was zu einem
falschen Decodieren des Rahmens führt. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist häufig ausreichend,
um eine Bestimmung einer Ankunftszeit zu ermöglichen, aber nicht ausreichend, um
den BSIC zu decodieren, und daher ist dieses Verfahren sehr ineffizient.
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Bekannte
Verfahren zum Abschätzen
von Signalcharakteristika, wie zum Beispiel Ankunftszeit und Senderidentifizierung,
sind daher ineffizient, ungenau und unzuverlässig und ein verbessertes Verfahren
ist wünschenswert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung strebt danach, die Nachteile der bekannten
Verfahren zu Abschätzung von
Signalcharakteristika, wie zum Beispiel Ankunftszeit und Sonderidentifizierung,
abzumildern und genauere und zuverlässigere Schätzwerte zur Verfügung zu
stellen.
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Dementsprechend
wird ein Verfahren zur Abschätzung
einer Charakteristik eines Signals zur Verfügung gestellt, das mindestens
zum Teil über
einen variierenden Informationsgehalt verfügt, wobei das Verfahren die
folgenden Schritte umfasst: Empfangen des Signals; Empfangen von
Hilfsdaten, die zu dem Informationssignal in bekannter Weise in
Beziehung stehende komprimierte Daten umfassen; Ableiten eines erwarteten
Signals in Reaktion auf die Hilfsdaten; und Bestimmen der Charakteristik
des Signals in Reaktion auf sowohl das erwartete als auch das empfangene
Signal.
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Die
Charakteristik ist vorzugsweise entweder eine Ankunftszeit oder
eine Senderidentifizierung. Gemäß einem Merkmal
der Erfindung, wird das Verfahren in einem GSM-Kommunikationssystem verwendet, wobei
die Hilfsdaten eine Rahmenzahl, einen Rahmenzahl-Offset und/oder
den Basisstationsidentifizierungscode umfassen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Kommunikationssystem zur Verfügung gestellt,
das betreibbar ist, um ein Verfahren zur Bestimmung einer Charakteristik
eines Signals gemäß dem obigen
Verfahren zu verwenden.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung wird eine Basisstation zur Verfügung gestellt,
die betreibbar ist, um ein Verfahren zur Bestimmung einer Charakteristik
eines Signals gemäß dem obigen
Verfahren zu verwenden.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der Erfindung wird eine Teilnehmereinheit zur Verfügung gestellt, die
betreibbar ist, um ein Verfahren zur Bestimmung einer Charakteristik
eines Signals gemäß dem obigen
Verfahren zu verwenden.
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Die
Erfindung stellt somit eine verbesserte Bestimmung von Signalcharakteristika,
wie zum Beispiel Ankunftszeit und Senderidentifizierung, durch Verwenden
von Hilfsdaten bei der Abschätzung
der Signalcharakteristik zur Verfügung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Unten
wird eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nur beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen
beschreiben, wobei:
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1 eine
Darstellung eines zellularen Kommunikationssystems nach dem Stand
der Technik ist;
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2 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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3 einen
Teil eines Kommunikationssystems zeigt, auf das die Erfindung anwendbar
ist; und
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4 den
Dateninhalt eines GSM SCH-Bursts darstellt.
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Ausführliche Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
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Die
folgende Beschreibung fokussiert auf eine Ausführungsform, die mit dem GSM-Kommunikationssystem
konform ist, und wird im Besonderen in dem Kontext einer handgerätgestützten Standorttechnik
für GSM
gegeben. Es ist jedoch klar, dass die Erfindung nicht auf diese
Anwendung beschränkt
ist.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm 200 eines Verfahrens gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. 3 zeigt ein Beispiel eines Teils
eines GSM-Kommunikationssystems 300, in dem das Verfahren
angewendet wird.
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In
der in 3 gezeigten Ausführungsform führt die
Teilnehmereinheit 301 eine Standortbestimmung durch. Daher
muss sie ein Signal von drei oder mehr Basisstationen empfangen
und mindestens eine Ankunftszeit des von diesen Basisstationen empfangenen
Signals bestimmen. Wie in 3 gezeigt,
kommuniziert eine versorgende Basisstation 303 mit der
Teilnehmereinheit 301 durch eine Funkkommunikationsverbindung 305.
Typischerweise gibt es einen Austausch von Informationen in beiden Richtungen
zwischen der Teilnehmereinheit 301 und der versorgenden
Basisstation 303.
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Zusätzlich überträgt eine
nicht versorgende Basisstation 307 ein Rundfunksignal,
das die Teilnehmereinheit 301 durch eine Kommunikationsverbindung 309 erreicht.
Die Teilnehmereinheit 301 bestimmt eine Charakteristik
dieses Signals, die in der beschriebenen Ausführungsform eine An kunftszeit des
Signals ist. Die Ankunftszeit wird daraufhin zur Standortbestimmung
verwendet, wie dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist. Typischerweise
kann es sein, dass, obwohl die Teilnehmereinheit 301 in
der Lage ist, das Signal von der nicht versorgenden Basisstation 307 zu
detektieren, sie dieses nicht mit einem ausreichenden Signal-Rausch-Verhältnis empfängt, um
die Daten zu demodulieren und zu decodieren. Weiterhin gibt es typischerweise
keine Kommunikation von der Teilnehmereinheit 301 zu der
nicht versorgenden Basisstation 307.
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2 zeigt
das Verfahren zur Bestimmung der Ankunftszeit des Signals von der
nicht versorgenden Basisstation 307 gemäß der beschriebenen Ausführungsform
der Erfindung. In dem Schritt 201 empfängt die Teilnehmereinheit 301 ein
Signal von der nicht versorgenden Basisstation 307. Die
empfangenen Signalabtastwerte werden zur nachfolgenden Verarbeitung
gespeichert. In dem Schritt 203 empfängt die Teilnehmereinheit 301 Hilfsdaten,
die Daten sind, die die Teilnehmereinheit 301 dabei unterstützen, in
der Lage zu sein, eine lokale Kopie des Signals, für das eine
Charakteristik zu bestimmen ist, zu erzeugen. In der beschriebenen
Ausführungsform werden
diese Hilfsdaten von der versorgenden Basisstation 303 und
daher mit einer hohen Zuverlässigkeit
empfangen. Die Hilfsdaten beziehen sich auf das Signal, für das eine
Charakteristik abzuleiten ist, in diesem Falle auf das von der nicht
versorgenden Basisstation 307 übertragene Signal. Die Hilfsdaten können vor,
nach oder zugleich mit einem Empfang des Signals von der nicht versorgenden
Basisstation 307 empfangen werden. Das von der nicht versorgenden
Basisstation 307 übertragene
Signal enthält mindestens
einen Teil, der über
einen variierenden In formationsgehalt verfügt und der somit der Teilnehmereinheit 301 nicht
bekannt ist. Zusätzlich
kann das Signal einen vorbestimmten Teil enthalten, der der Teilnehmereinheit 301 im
Voraus bekannt ist. Ein Beispiel ist ein SCH-Burst 400 in
einem GSM-System, der, wie in 4 gezeigt,
aus 3 Startbits 401, 78 Datenbits 403, 64 Trainingsbits 405 und
3 Trailbits 407 besteht. Die Werte der Startbits, der Trainingsbits und
der Trailbits sind bekannt, während
die Datenbits nicht bekannt sind. Der Informationsgehalt der Datenbits
des SCH-Bursts wird durch Codieren von 6 Basisstationsidentifizierungsbits
(dem BSIC) und 19 Bits, die sich auf die aktuelle Rahmenzahl beziehen, gegeben.
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In
dem Schritt 205 wird in Reaktion auf die Hilfsdaten ein
erwartetes Signal abgeleitet. In dem Beispiel, in dem das von der
nicht versorgenden Basisstation 307 übertragene Signal ein SCH-Burst
ist, umfassen die Hilfsdaten somit Informationen, die der Teilnehmereinheit 301 erlauben,
eine lokale Kopie des übertragenen
SCH-Bursts und somit einen erwarteten Wert des Signals zu erzeugen,
das empfangen wird. Die Hilfsdaten können somit irgendwelche Daten
sein, die ganz oder teilweise erlauben, dass ein erwarteter Wert
mindestens eines Teils des Signals dem abzuleitenden variierenden
Informationsgehalt entspricht. In dem Beispiel werden der Teilnehmereinheit
einige Hilfsdaten zur Verfügung
gestellt, nämlich
die Rahmenzahl (FN) des SCH der gewünschten Basisstation, das heißt, der
nicht versorgenden Basisstation 307 in dem in 3 gezeigten Beispiel.
Eine Art und Weise, dies in GSM zu tun, ist die, neue Nachrichten
zu definieren, die in das Nachrichtensignal der versorgenden Basisstation 303 eingefügt werden
können.
Wahlweise kann, anstatt die Rahmenzahl der nicht versorgenden Basis station 307 weiterzugeben,
ein Rahmen-Offset zwischen der versorgenden 303 und der
nicht versorgenden Basisstation 307 der Teilnehmereinheit 301 zur
Verfügung gestellt
werden. Zusätzlich
werden der Teilnehmereinheit 301, wenn nicht schon bekannt,
BSIC-Informationen zur Verfügung
gestellt, und somit verfügt die
Teilnehmereinheit 301 über
alle notwendigen Informationen, um eine lokale Kopie des ganzen SCH-Bursts
zu erzeugen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung werden die Informationen weiterhin verwendet, um das Signal
auszuwählen,
für das
eine Charakteristik zu bestimmen ist. Im Besonderen kann die Teilnehmereinheit
durch Bereitstellen eines Rahmen-Offsets an diese bestimmen, wann
ein SCH-Burst der nicht versorgenden Basisstation erwartet werden
kann, und sie kann somit die Suche nach dem Signal auf ein Fenster
um die Ankunftszeit beschränken.
Wenn der Rahmen-Offset weiterhin einen Zeitschlitz-Offset zwischen
der versorgenden und der nicht versorgenden Basisstation umfasst,
wird die Unsicherheit der Ankunftszeit wesentlich verringert und
das Fenster kann somit verkleinert werden.
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Weiterhin
braucht ein Weiterreichen dieser Daten an die Teilnehmereinheit
nur einmal durchgeführt
werden, da die Teilnehmereinheit in der Lage ist, die Rahmenzahl
zu verfolgen. Diese Information, zusammen mit dem schon bekannten
BSIC, erlaubt es der Teilnehmereinheit, den ganzen SCH-Burst (148 Bits)
zu synthetisieren und ihn als eine lokale Kopie des erwarteten Signals
zu verwenden, anstatt nur die übliche
Trainingssequenz zu verwenden.
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In
dem Schritt 207 wird eine Signalcharakteristik von dem
Signal in Reaktion auf das Signal selbst und dem abgeleiteten erwarteten
Signal abgeleitet.
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Im
Besonderen kann eine Ankunftszeit durch Kreuzkorrelieren der empfangenen
Signalabtastwerte mit entsprechenden Abtastwerten des abgeleiteten
erwarteten Signals bestimmt werden. Die Ankunftszeit kann von dem
Zeit-Offset zwischen der gespeicherten lokalen Kopie und den empfangenen
Signalabtastwerten erkannt werden, wie dem Fachmann auf dem Gebiet
gut bekannt ist.
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Wahlweise
kann außerdem
die Identifizierung des Senders des Signals durch Kreuzkorrelation
bestimmt werden. Aufgrund der verschiedenen BSIC und Rahmenzahlen
von verschiedenen Basisstationen sind die SCH-Bursts für Bursts
von verschiedenen Basisstationen deutlich verschieden. Die Korrelation
zwischen einem Signal von einer Basisstation und einem für eine zweite
verschiedene Basisstation abgeleiteten erwarteten Signal ist daher wesentlich
niedriger als für
ein von der zweiten Basisstation empfangenes Signal. Die Amplitude
der Korrelation ist somit ein Hinweis auf die Identifizierung des
Senders des empfangenen Signals.
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Weiterhin
hat die Korrelation zwischen dem erwarteten Signal und dem empfangenen
Signal außerdem
den Effekt, zwischen dem gewünschten
Signal und Gleichkanalstörern
zu unterscheiden. Ein Vergrößern des
Fensters, über
das die Korrelation durchgeführt
werden kann, von der Trainingssequenz zu dem ganzen Burst verbessert
somit außerdem
die Unterscheidung zwischen den gewünschten und ungewünschten
Signalen.
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Es
ist klar, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, die Charakteristik
durch Korrelation zu bestimmen, sondern dass jedes beliebige bekannte
Verfahren, wie zum Beispiel Vergleich oder zum Beispiel der Algorith mus
zur Abschätzung
der kleinsten Quadrate, ersatzweise eingesetzt werden kann, ohne
dass die Erfindung dadurch geschmälert wird.
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In
der beschriebenen Ausführungsform
wird nicht nur eine wesentliche Verbesserung in der Abschätzung erreicht,
sondern gleichzeitig erlaubt das Verfahren eine zuverlässige Identifizierung
der übertragenden
Basisstation.
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Die
Verbesserung in der Sensitivität
der Abschätzung
der Ankunftszeit in dem spezifischen Fall des Verwendens eines vollen
SCH-Bursts anstatt nur der Trainingsdaten kann von der Cramér-Rao-Schranke
erkannt werden, die auf die Maximum-Likelihood-Schätzung der
Ankunftszeit τ des Signals
angewendet wird. In dem einfachen Fall, wo das Signal Gegenstand
eines additiven weißen Gaußschen Rauschens
ist, ist die Cramér-Rao-Schranke:
wo E
s die
Signalenergie, N
0 die Spektraldichte der Rauschleistung
und β
2 das zweite Moment des Signalspektrums S(ω) ist, definiert
durch:
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Da
sich das interessierende Signal hier in dem Kontext von digitalen
Kommunikationen befindet, ist es zweckmäßiger, die Energie pro Bit
E
b anstelle der Signalenergie E
s =
nE
b (n = Zahl von Bits) zu verwenden. Da
das Signal, das die 64-Bit-Trainingssequenz verwendet von dem Signal
verschieden ist, das den ganzen Burst verwendet, wobei letzterer von
dem BSIC und der Rahmenzahl abhängt, sollten
die zweiten Momente ihres Spektrums verschieden sein. Streng genommen,
ist es wahr, aber sie sind nicht sehr verschieden und nachdem die
Signale durch den RF-Eingang des Empfängers tiefpassgefiltert worden
sind, ist der Unterschied noch weniger sichtbar. Somit besteht der
Hauptunterschied in der Zahl von Bits n zwischen den zwei Signalen.
Die Verbesserung beträgt
dann grob etwa:
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Als
ein Ergebnis der Verwendung der aktuellen Erfindung in der beschriebenen
spezifischen Ausführungsform
wird eine verbesserte Genauigkeit von 4dB für das Signal-Rausch-Verhältnis erhalten,
oder kann wahlweise die selbe Leistung bei einem Signal-Rausch-Verhältnis erreicht
werden, das 4dB schlechter als für
bekannte Techniken ist.
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Die
Erfindung stellt somit eine verbesserte Bestimmung von Signalcharakteristika,
wie zum Beispiel Ankunftszeit und Senderidentifizierung, durch Verwenden
von Hilfsdaten bei der Abschätzung
der Signalcharakteristik zur Verfügung. Es ist klar, dass die
Erfindung nicht auf ein Abschätzen
einer Ankunftszeit oder einer Senderidentifizierung beschränkt ist,
sondern zur Abschätzung
vieler verschiedenen Charakteristika, die Signaldetektion, Ankunftswinkelbestimmung,
und so weiter umfassen, nützlich
ist.
