DE60100361T2 - Signal zur Synchronisation von Feststationen - Google Patents

Signal zur Synchronisation von Feststationen

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DE60100361T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Methode zur Synchronisierung von Basisstationen in einem mobilen Funkfernmeldesystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Methode zur Synchronisierung von Basisstationen für ein Fernmeldesystem vom Zeitduplextechnik-(TDD)-Typ. Dieses Fernmeldesystem ist beispielsweise das gerade in Standardisierung befindliche, allgemein 3GPP W- CDMA TDD genannte System.
  • In Fig. 1 ist ein Funkraster eines solchen Fernmeldesystems dargestellt. Er ist aus fünfzehn Übertragungszeitintervallen (time slots = Zeitschlitzen) gebildet, von denen manche, beispielsweise die Intervalle IT&sub0;, IT&sub1;, IT&sub2;, IT&sub5;, IT&sub6; und IT&sub8; für den Datentransport (im weitesten Sinn) in die Abwärtsrichtung (Basisstation zu mobilem Endgerät) bestimmt sind, während andere, wie die Intervalle IT&sub3;, IT&sub4;, IT&sub7;, IT&sub9;, IT&sub1;&sub0;, IT&sub1;&sub1;, IT&sub1;&sub2;, IT&sub1;&sub3; und IT&sub1;&sub4;, für den Datentransport in die Aufwärtsrichtung (Mobilstation zu Basisstation) bestimmt sind. Bei einem Übertragungsintervall werden die Daten (D) in Form einer Symbolsequenz übertragen. Das Intervall schließt auch ein Midambul (M) ein, umfassend Pilotsymbole, die die Bewertung des Kanals, ein Leistungskontrollwort (TPC) und ein Schutzintervall (GP') ermöglichen. In einem solchen System können mehrere mobile Endgeräte oder Basisstationen Daten im selben Zeitintervall senden oder empfangen. Die Verbindungen werden durch einen Codemultiplex-Vielfachzugriff (Code Division Multiple Access = CDMA) differenziert. Die von oder zu den verschiedenen Benutzer übertragenen Symbole werden spektral annähernd mit einer "Chip"-Frequenz hic gestaffelt, wobei Tc die Elementarübertragungszeit ist.
  • Aufgrund der Tatsache, dass dieselbe Frequenz sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung verwendet werden kann, ist es erforderlich, die Synchronisierung der Basisstationen sicher zu stellen. Wäre dies nämlich nicht der Fall, könnte ein erstes mobiles Endgerät, das mit starker Leistung in einem Aufwärts-Kanal sendet, mit einem zweiten mobilen Endgerät in der Nähe des ersten interferieren, welches Daten auf einem Abwärts-Kanal empfängt. Die Synchronisierspannung zwischen benachbarten Basisstationen beträgt im System W-CDMA TDD ungefähr einige Mikrosekunden (ungefähr 5).
  • Um die Synchronisierung zwischen Basisstationen durchzuführen, wurden im Stand der Technik mehrere Methoden vorgeschlagen. Nach einer ersten Methode wird die Synchronisierung mit Hilfe von GPS-Empfängern erzielt, mit denen die Basisstationen ausgestattet sind. Nach einer zweiten Methode wird zuerst in einer Anfangsphase, wie beispielsweise bei der Einrichtung des Netzes oder einer neuen Basisstation, eine Grobsynchronisierung (von einigen Dutzend ms, d. h. einigen Zehntausenden "Chips") vorgenommen. Diese anfängliche Grobsynchronisierung wird durch das Netz sicher gestellt, genauer durch den Funkzugriffcontroller (RNC), der mehrere benachbarte Basisstationen (auch "B-Knoten" genannt) kontrolliert. Eine Feinsynchronisierung erfolgt sodann regelmäßig durch die Funkschnittstelle zwischen benachbarten Basisstationen. Diese Feinsynchronisierung soll insbesondere die Abweichung der Sequenzbildungszeitgaben zwischen benachbarten Basisstationen korrigieren. Dazu sind gewisse Zeitintervalle für die Übertragung und den Empfang eines Synchronisierungssignals reserviert. Ein Übertragungssignal, das für die Synchronisierung bestimmt ist, umfasst im Wesentlichen eine Synchronisiersequenz (Sync) und einen Schutzzeitraum (GP). Die Synchronisierung wird auf an sich bekannte Weise durch Korrelation der empfangenen Sequenz mit einer Antwortsequenz der übertragenen Sequenz erzielt. Die Korrelation erfolgt bezüglich eines Zeitfensters von gegebener Länge durch den Präzisionsspielraum der Grobsynchronisierung. Wenn somit eine Basisstation eine Synchronisiersequenz empfängt und eine Korrelationsspitze in diesem Fenster entdeckt, kann sie ihre Sequenzbildung mit jener der angrenzenden Basisstationen synchronisieren.
  • Die allgemein verwendete Synchronisiersequenz ist lang (mehrere Tausende "Chips"), um eine gute Korrelationsgenauigkeit für eine Leistung pro annehmbarem Symbol zu erzielen. Der Schutzzeitraum muss größer als die Ausbreitungszeit von einer Basisstation zu einer benachbarten Station sein, um beim Empfang einen Spielraum der Synchronisiersequenz auf einem benachbarten Zeitintervall zu vermeiden. Da die Distanz zwischen zwei Basisstationen größer als der Radius einer Zelle ist, wird der Schutzzeitraum (GP) größer als der normale Schutzzeitraum (GP') gewählt. Der Schutzzeitraum (GP) muss auch die Abweichung der Rasteruhren bzw.-zeitgaben berücksichtigen.
  • Die Synchronisiersequenz wird derart gewählt, dass sich gute Auto- Korrelationseigenschaften ergeben, nämlich eine sehr starke Auto- Korrelationsspitze. Im Allgemeinen werden die verwendeten Synchronisiersequenzen aus primitiven Polynomen auf GF(2), Galois-Körper der Kardinalzahl 2, erhalten. Eine solche Sequenz weist eine Länge L aus der N-ten Leistung von 2 minus 1, d. h. L = 2N - 1, auf. Dies ist insbesondere bei den sogenannten Gold- Sequenzen der Fall, die in dem Bericht TSGR1#15(00)0946 mit dem Titel "Sequences for the cell sync burst" der Arbeitsgruppe TSG-RAN von ETSI vorgeschlagen wurden, um benachbarte Basisstationen zu synchronisieren.
  • Die Gold-Sequenzen besitzen gute periodische Auto-Korrelationseigenschaften (die Korrelation einer Sequenz, die von der Wiederholung einer Gold-Sequenz mit einer Antwort der Sequenz dieser letztgenannten gebildet ist, weist keine großen sekundären Spitzen auf). Diese Sequenzen weisen hingegen leider nicht so gute aperiodische Auto-Korrelationseigenschaften auf (Korrelation einer isolierten Gold- Sequenz mit einer Antwort). Außerdem wirkt die allgemein eingesetzte Korrelationseinrichtung im Zeitbereich in Form eines herkömmlichen angepassten Filters FIR, das eine Komplexität bei 0(L) aufweist, die sehr hoch sein kann. Ferner ist die Auswahl der Längen solcher Sequenzen verringert, da sie, wie zu sehen war, nur Werte von 2N - 1 annehmen können, und ein Abkürzen würde zu einem erheblichen Verlust der Auto-Korrelationseigenschaften führen.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Signal zur Synchronisierung einer Basisstation vorzuschlagen, die sehr gute Korrelationseigenschaften aufweist.
  • Ein zweites Ziel der Erfindung besteht darin, eine große Auswahl möglicher Längen für die Synchronisiersequenzen zu bieten, und zwar bei einem geringen Komplexitätsgrad der Korrelationseinrichtung.
  • Die vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Vorteilhafte Ausführungsarten sind Gegenstand der Nebenansprüche.
  • Die oben erwähnten sowie weitere Merkmale gehen deutlicher aus der Studie der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren hervor, wobei:
  • Fig. 1 schematisch einen Senderaster eines Übertragungssystems des Typs W-CDMA TDD darstellt;
  • Fig. 2A ein Beispiel eines Synchronisationssignals darstellt;
  • Fig. 2B eine zweite Ausführungsart der Erfindung darstellt;
  • Fig. 2C ein weiteres Beispiel eines Synchronisationssignals darstellt;
  • Fig. 3 eine Korrelationseinrichtung darstellt, die eine Synchronisation mit Hilfe des Synchronisationssignals der Fig. 2C ermöglicht.
  • Der allgemeine Grundgedanke, auf dem die Erfindung beruht, besteht darin, für die Synchronisierung von benachbarten Basisstationen ein Paar komplementärer Codes zu verwenden, wie beispielsweise komplementäre Mehrphasencodes, insbesondere ein Paar komplementärer Golay-Codes. Die komplementären Codes, die als solche bekannt sind, haben als bemerkenswerte Eigenschaft, dass die Summe ihrer aperiodischen Auto-Korrelationsfunktionen eine Dirac-Funktion ist. Mit anderen Worten ergibt sich dann, wenn (A,B) ein Paar solcher komplementärer Codes ist, φAA(m)+ φBB(m) = δ(m), wobei m der Zeitindex ist, δ das Kronecker-Symbol ist und φ die aperiodische Auto-Korrelationsfunktion ist.
  • In der nachfolgenden Beschreibung werden im Wesentlichen komplementäre Golay-Codes erwähnt. Die Erfindung ist allerdings auch für die komplementären Codes im Allgemeinen anwendbar.
  • Andererseits kann, wie es in dem Artikel von S. Z. Budisin mit dem Titel "Efficient pulse compressor for Golay complementary sequences", veröffentlicht in Electronics Letters, Band 27, Nr. 3, Seiten 219-220, im Januar 1991 beschrieben ist, die Korrelationseinrichtung mit einem Gitterfilter verwirklicht sein, das eine Komplexität bei O(logL) und nicht bei O(L) aufweist, wie in einem herkömmlichen angepassten Filter FIR. Dieses Gitterfilter wird auch EGC-Filter für Efficient Golay Correlator genannt. Ein Ausführungsbeispiel eines EGC-Filters ist in dem Artikel von B. M. Popovic mit dem Titel "Efficient Golay Correlator", veröffentlicht in IEEE Electronics Letters, Band 35, Nr. 17, Januar 1999, angeführt.
  • Ferner sind für eine gegebene autorisierte Länge mehrere mögliche Golay- Sequenzen vorhanden. Da die Golay-Sequenzen nämlich von Erzeugungscodes erzeugt werden, kann gezeigt werden, dass zwei unterschiedliche Erzeugungscodes derselben Länge ebenfalls unterschiedliche Golay-Sequenzen derselben Länge erzeugen. Diese Sequenzen besitzen gute Inter-Korrelationseigenschaften (d. h. geringe Inter-Korrelationswerte), die es beispielsweise Gruppen von Basisstationen ermöglichen, unterschiedliche Codes zu verwenden oder auch eine Synchronisierung der Basisstationen zu unterschiedlichen Zeitpunkten ihrer Sequenzbildung durchzuführen.
  • Ein erstes Beispiel für ein Signal ist in Fig. 2A dargestellt. Nach diesem Beispiel ist eine Synchronisiersequenz von zwei komplementären Golay-Sequenzen A und B, die zeitmultiplext sind, gebildet, wobei vor und nach jeder Sequenz ein Schutzintervall kommt, wie in der französischen Patentanmeldung FR-A-991 16851, die am 30.12.1999 im Namen des Anmelders vorgelegt wurde, beschrieben. Diese Sequenz wird von einer Basisstation übertragen und von einer benachbarten Basisstation empfangen. Beim Empfang wird die Synchronisiersequenz mit einer Antwort der Sequenz A und einer Antwort der Sequenz B korreliert, wobei das Korrelationsergebnis mit der Sequenz A verzögert wird, um zeitlich mit dem Korrelationsergebnis der Sequenz B angeglichen zu werden, bevor sie summiert werden, wobei die Dirac-Spitze erhalten wird, wenn die Antworten von A und B mit den entsprechenden Sequenzen angeglichen werden. Das Vorhandensein des Schutzintervalls GP2 stellt sicher, dass bei der Korrelation die Sequenzen A und B nicht die entsprechenden komplementären Antworten, nämlich B bzw. A, in einem Zeitfenster überschneiden, das auf die zeitliche Angleichungsposition zentriert ist. So werden die sekundären Korrelationsspitzen, die sich aus der Inter-Korrelation zwischen komplementären Sequenzen und Antworten ergeben können, aus diesem Fenster eliminiert. Genauer weist dann, wenn GP&sub2; = 2·GP&sub3; = 2·GP&sub1; = 2·GP gilt, die Summe der beiden Korrelationsergebnisse eine in einem Fenster der Breite 2·GP um die zeitliche Angleichungsposition isolierte Dirac-Spitze auf. Die Korrelationen erfolgen vorzugsweise durch Korrelationseinrichtungen EGC, wie es oben angegeben ist.
  • Eine Ausführungsart der Erfindung ist in Fig. 2B dargestellt. Nach dieser Ausführungsart ist eine Synchronisiersequenz von zwei zeitgemultiplexten komplementären Golay-Sequenzen gebildet, wobei vor und nach jeder Sequenz eine periodische Erweiterung kommt, wie in der französischen Patentanmeldung mit dem Titel "Séquence d'estimation de canal et procédé d'estimation de canal de transmission utilisant une telle séquence" (Kanalbewertungssequenz und Verfahren zur Bewertung eines Übertragungskanals unter Verwendung einer solchen Sequenz), vorgelegt im Namen des Anmelders, beschrieben. Die periodische Erweiterung einer gegebenen Sequenz ist eine Kürzung der periodischen Sequenz, die durch Wiederholung der Sequenz erhalten wird. Dazu reicht es aus, an die zu erweiternde Sequenz ein Präfix, das dem Ende entspricht, und ein Suffix, das dem Anfang der Sequenz entspricht, zu reihen. In Fig. 2b ist schematisch die Aneinanderreihung von Präfixen und Suffixen für zwei komplementäre Golay-Sequenzen A und B dargestellt. Die Synchronisiersequenz ist selbst aus zwei auf diese Weise erweiterten Sequenzen ext(A) und ext(B) gebildet. Die periodischen Erweiterungen bringen denselben Vorteil wie das Schutzintervall GP&sub2;, nämlich das Nichtvorhandensein von sekundären Korrelationsspitzen um die Dirac-Spitze in einem gewissen Zeitfenster. Genauer gesagt weist dann, wenn die Suffixe und Präfixe eine identische Größe und ein gleiches E aufweisen, die Summe der Korrelationsergebnisse eine isolierte Dirac-Spitze in einem Fenster der Breite 2·E um die zeitliche Angleichungsposition auf. Dies ist leicht verständlich, wenn davon ausgegangen wird, dass die Synchronisiersequenz komplett periodisierte Sequenzen A und B umfasst. Die Korrelation mit Antworten A und B erzeugt nun eine Reihe von Dirac-Spitzen mit der Periode L. Eine periodische Erweiterung mit der Weite E bedeutet, diese Reihe durch ein Fenster mit der Breite 2·E um die zeitliche Angleichungsspitze abzukürzen. Der Vorteil dieser Ausführungsart im Vergleich mit der vorhergehenden besteht darin, dass keine plötzlichen Signalleistungsänderungen zwischen den Sequenzen A und B auf Höhe des Verstärkers des Senders hervorgerufen werden. Diese plötzlichen Änderungen können zu hohen Frequenzen, einer Interferenz zwischen Symbolen führen und in der Folge beim Empfang die Korrelationsergebnisse beeinträchtigen.
  • Ein weiteres Beispiel für ein Synchronisationssignal ist in Fig. 2C dargestellt. Nach dieser Ausführungsart wird aus einer Golay-Sequenz A oder B und einer Hilfssequenz X eine zusammengesetzte Sequenz nach der Herstellungsart der hierarchischen Sequenzen erzeugt. Genauer wird aufeinanderfolgend das erste Bit der Hilfssequenz X mit allen Bits der Sequenz A, sodann das zweite Bit der zweiten Sequenz mit allen Bits der Sequenz A und so weiter multipliziert, und die erhaltenen Sequenzen werden aneinander gereiht. In der Folge wird eine solche zusammengesetzte Sequenz mit A*X bezeichnet, wobei A die Basissequenz und X die erzeugende Hilfssequenz ist. Die komplementären Golay-Sequenzen A und B können somit mit Hilfssequenzen X, Y, die identisch oder unterschiedlich sind, multipliziert werden, wobei letztgenannte überdies selbst Golay-Sequenzen sein können.
  • Somit sind A*X und B*X zusammengesetzte Sequenzen, die aus einem Paar A, B von komplementären Golay-Sequenzen der Länge L erhalten wurden, die durch Präfixe und Suffixe der Größe E erweitert wurden. A*X und B*X werden zeitmultiplext und durch ein Intervall W getrennt. Das empfangene Signal wird mit der Sequenz A einerseits und der Sequenz B andererseits korreliert. Das Ergebnis der ersten Korrelation wird um (L + 2E) + W verzögert und mit dem Ergebnis der zweiten Korrelation summiert. Die erhaltene Summe ist eine Sequenz R, die eine Reihe von Dirac-Spitzen der Periode L' = L + 2E umfasst, die durch die Werte x&sub0;, x&sub1;, ..., xK moduliert werden, wobei K die Länge der Sequenz X ist, wobei jede Spitze von einem Fenster der Breite 2·E, das nur Nullen umfasst, umgeben ist. Die Sequenz R wird sodann einer Filterung durch einen linearen Antwortfilter unterzogen:
  • H(Z) = x&sub0; + x&sub1;·z-L' + ... + xK·z-K.L'
  • Die gefilterte Sequenz R umfasst eine Dirac-Spitze der Höhe 2·K·L in der Mitte eines Nullfensters der Breite 2·E, wodurch sie einfach zu erfassen ist. Ferner weist die gesamte Sequenz, die von den zeitmultiplexten Sequenzen A*X und B*X gebildet ist, die Gesamtlänge 2·(L + 2·E)·K + W auf, was eine breite Auswahl an gestatteten Sequenzlängen bietet.
  • Nach einer weiteren Ausführungsvariante werden vier zusammengesetzte Sequenzen A*X, A*Y, B*X, B*Y erzeugt, wobei A, B ein erstes Paar komplementärer Golay-Sequenzen, erweitert oder nicht, bilden und X, Y ein zweites Paar komplementärer Golay-Sequenzen bilden, die als erzeugende Hilfssequenzen dienen.
  • Die zusammengesetzten Sequenzen werden zeitmultiplext und durch Intervalle getrennt, die wir als gleich und mit der Breite W annehmen. Die Sequenzen A und B weisen die Länge L' = L + 2·E auf, wobei L die Länge der Basissequenz und E die Erweiterungsgröße ist, wobei die Sequenzen X, Y die Länge K aufweisen. Die Länge der Gesamtsequenz ist somit 4(L + 2E)K + 3W, was eine breite Auswahl an gestatteten Sequenzlängen bietet.
  • Die vorliegende Variante nutzt die Tatsache, dass L' komplementäre Sequenzpaare (X, Y) in der Form von Untersequenzen Sm und S'm vorhanden sind, wobei Sm(n) = (A*X)n.L'+m und S'm(n) = (B*X)n.L'+m, m = 0, ..., L'-1, die durch Dezimierung der ursprünglichen Gesamtsequenz erhalten werden. An Stelle der Durchführung einer Korrelation mit einer Korrelationseinrichtung EGC wird eine "hierarchische" Korrelationseinrichtung verwendet, wobei die erste Stufe der Korrelationseinrichtung mit EGC-Funktion, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, geändert ist.
  • Es wird angenommen, dass das Sequenzpaar X und Y herkömmlicherweise durch eine Elementarsequenz s&sub0;, ..., sk-1, wobei K = 2k - 1, und Verzögerungen D'&sub0;, D'&sub1;, ..., D'k-1, erzeugt wurde, wobei D'i = 2Pi, wobei (P&sub0;, P&sub1;, ..., Pk-1) eine Permutation an der Einheit (0, 1, ..., k-1) auf folgende rekursive Weise ist:
  • X&sub0;(i) = δ(i); Y&sub0;(i) = δ(i);
  • Xn(i) = Xn-1(i) + sn-1·Xn-1(i - D'i); Yn(i) = Yn-1(i) - sn-1·Yn-1(i - D'i);
  • Ebenso wird angenommen, dass das Sequenzpaar A, B durch die Elementarsequenz t&sub0;, ..., tl-1, wobei L = 2l - 1, und Verzögerungen D&sub0;, D&sub1;, ..., Dk-1 mit Di = 2Pi erzeugt wurde, wobei (P&sub0;, P&sub1;, ..., Pl-1) eine Permutation an der Einheit (0, 1, ..., l-1) ist.
  • Die erste Korrelationsstufe führt eine Korrelation mit dem Sequenzpaar X, Y durch, unterscheidet sich aber von einer herkömmlichen EGC-Korrelationseinheit darin, dass die Verzögerungen mit einem Faktor L' multipliziert wurden, um die Musterstreuung zu berücksichtigen. Die beiden Korrelationsergebnisse werden nach zeitlicher Angleichung mit einer Verzögerung Dxy summiert, wobei die Verzögerung Dxy die Sequenzen A*X und A*Y einerseits und die Sequenzen B*X und B*Y andererseits trennt. Die zweite Stufe der Korrelationseinheit führt die Korrelation mit dem Sequenzpaar A, B durch und ist an sich herkömmlich. Die Korrelationsergebnisse werden zeitlich mit einer Verzögerung DAB angeglichen und summiert, wobei die Verzögerung DAB dem zeitlichen Abstand zwischen den Sequenzen A*X und B*X einerseits und den Sequenzen A*Y und B*Y andererseits entspricht.
  • Die auf diese Weise gebildete Korrelationseinrichtung führt zuerst eine Grobkorrelation mit einem Schritt L' und dann eine Feinkorrelation mit dem Bemusterungsschritt durch. Ihre Komplexität ist gering, da die Anzahl von durchgeführten Vorgängen bei O(log(K) + log(L)) liegt.
  • Obwohl das oben beschriebene Beispiel nur zwei Sequenzebenen und zwei Korrelationsebenen besitzt, kann die Erfindung sofort für eine beliebige Anzahl von Sequenzebenen und entsprechenden Stufen der hierarchischen Korrelationseinrichtung verallgemeinert werden.

Claims (4)

1. Synchronisationssignal, das verwendet wird, um Feststationen in einem Funkfernmeldesystem zu synchronisieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal eine erste erweiterte Sequenz (ext(A)), gefolgt von einer zweiten erweiterten Sequenz (ext(B)) umfasst, wobei die erste erweiterte Sequenz in einem gekürzten Teil einer Sequenz besteht, die durch Wiederholung einer ersten Sequenz (A) erhalten wird, und wobei die zweite erweiterte Sequenz in einem gekürzten Teil einer Sequenz (B) besteht, die durch Wiederholung einer zweiten Sequenz (B) erhalten wird, wobei die erste und die zweite Sequenz komplementäre Sequenzen sind, so daß, wenn das Signal mit einer Antwort der ersten Sequenz und einer Antwort der zweiten Sequenz korreliert wird, die Summe der Korrelationsergebnisse ein isoliertes Dirac-Peak in einem Zeitfenster erzeugt.
2. Synchronisationssignal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste erweiterte Sequenz die Verknüpfung eines Präfixes der ersten Sequenz und eines Suffixes ist, wobei das Präfix und das Suffix einem Endabschnitt bzw. einem Anfangsabschnitt der ersten Sequenz entsprechen.
3. Synchronisationssignal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite erweiterte Sequenz die Verknüpfung eines Präfixes der zweiten Sequenz und eines Suffixes ist, wobei das Präfix und das Suffix einem Endabschnitt bzw. einem Anfangsabschnitt der zweiten Sequenz entsprechen.
4. Synchronisationssignal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Sequenz Golay-Sequenzen sind.
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