DE10123333A1

DE10123333A1 - Mehrteilnehmer-Detektion mittels RAKE-Empfänger-Struktur

Info

Publication number: DE10123333A1
Application number: DE10123333A
Authority: DE
Inventors: Peter Jung; Tideya Kella; Joerg Plechinger; Thomas Ruprich; Michael Schneider
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2002-11-28
Also published as: ATE326084T1; EP1388215B1; WO2002093766A1; EP1388215A1; US20040097204A1; DE50206747D1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Mehrteilnehmer-Detektion mittels einer RAKE-Empfänger-Struktur werden ein oder mehrere RAKE-Finger zur Verminderung des Leistungsverbrauchs der RAKE-Empfänger-Struktur im Betrieb deaktiviert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung des Si gnalverarbeitungsaufwands bei Mehrteilnehmer-Detektion mit tels einer RAKE-Empfänger-Struktur und eine RAKE-Empfänger- Struktur für die Mehrteilnehmer-Detektion mit vermindertem Signalverarbeitungsaufwand.

Der Einsatz von Mehrteilnehmer-Detektionstechniken, auch als JD-(Joint Detection-)Entzerrung bezeichnet, ermöglicht einer seits hohe Nutzdatenraten in Mobilfunksystemen, andererseits erfordern JD-Entzerrungsverfahren einen extrem hohen Signal verarbeitungsaufwand. Bei CDMA-(Code Division Multiple Ac cess-)Systemen, etwa bei UMTS (Universal-Mobile-Telecommuni cations-System), ergeben sich die hohen Nutzdatenraten durch die Möglichkeit, kurze Spreizcodes zu verwenden und damit ho he Symbolraten zu erzielen. Der extrem hohe Signalverarbei tungsaufwand einer JD-Entzerrung beruht auf dem Funkti onsprinzip der JD-Entzerrung. Dieses besteht darin, die durch andere aktive Mobilfunkteilnehmer verursachten Störungen (sogenannte Intrazell-Interferenz) durch explizite Detektion dieser Teilnehmersignale zu eliminieren. Das heisst, durch Ausnutzen der Tatsache, dass die durch die Aktivitäten ande rer Teilnehmer verursachten Störungen deterministisch (kein Rauschen) sind, können diese Störungen erheblich verringert oder im Idealfall eliminiert werden.

Der extrem hohe Signalverarbeitungsaufwand macht bisher den Einsatz von JD-Algorithmen in Mobilstationen nahezu unmög lich. Die gegenwärtig in Mobilstationen eingesetzten Signal prozessoren sind für bekannte JD-Algorithmen zu wenig lei stungsfähig. Ihr Ersatz durch leistungsfähigere (und damit teurere) Signalprozessoren erscheint zu Zeit ebenfalls nicht realisierbar, da in diesem Fall ein zu hoher Stromverbrauch auftreten würde.

Neben der gleichzeitigen Aktivität mehrerer Mobilfunkteilneh mer besteht eine weitere Besonderheit im Mobilfunk darin, dass Funksignale der Mehrwege-Ausbreitung unterliegen. Das heisst, dass durch Reflexion, Streuung und Beugung des gesen deten Funksignals an diversen Hindernissen im Ausbreitungsweg am Empfänger mehrere Signal-Empfangsversionen auftreten, die zeitlich zueinander verschoben und unterschiedlich abge schwächt sind. Das Funktionsprinzip eines RAKE-Empfängers be ruht darauf, diese Empfangssignal-Versionen (Pfade) getrennt auszuwerten und dann zeitrichtig zu überlagern. Die Bezeich nung RAKE ("Harke") beschreibt dabei in bildhafter Weise die Struktur eines solchen Empfängers, wobei die "Zinken" der Harke die RAKE-Finger repräsentieren und der "Stiel" der Har ke das ausgangsseitig bereitgestellte, überlagerte Empfangs signal darstellt.

Mit RAKE-Empfängern lassen sich ausgezeichnete Detektionser gebnisse erzielen. Problematisch für den Mobilfunk ist jedoch ihr hoher Stromverbrauch, der auf die parallele Struktur der RAKE-Finger und dem dadurch vervielfachten Signalverarbei tungsaufwand zurückzuführen ist.

Ein Verfahren zur JD-Entzerrung ist in dem Buch "Analyse und Entwurf digitaler Mobilfunksysteme" von P. Jung, B. G. Teubner Verlag, Stuttgart 1997, auf den Seiten 188 bis 215 sowie 315 bis 318 ausführlich beschrieben. Dieses Verfahren wird als blockweise JD-Entzerrung bezeichnet, da die von sämtlichen Teilnehmern innerhalb eines Datenblocks gesendeten Daten durch Lösung eines die Übertragung des gesamten Datenblocks beschreibenden linearen Gleichungssystems im Empfänger rekon struiert werden. Die Lösung des linearen Gleichungssystems erfolgt dabei durch sogenannte Cholesky-Zerlegung der das Gleichungssystem repräsentierenden Matrix.

In dem Buch "Nachrichtenübertragung" von K. D. Kammeyer, B. G. Teubner Verlag, Stuttgart, 1996, 2. Auflage, sind auf den Seiten 658 bis 684 verschiedene RAKE-Empfänger beschrieben. Dort ist erwähnt, dass in dem RAKE-Empfänger eine gewichtete Pfadsummation günstig ist, sofern sich die Gesamt-Empfangs energie ungleichmäßig über die detektierten Pfade (das heißt die Finger des RAKE-Empfängers) verteilt. Dadurch kann zwar das Rauschen, nicht jedoch die Leistungsaufnahme des RAKE- Empfängers verringert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu geben, welches dazu beiträgt, den Signalverarbeitungsaufwand bei einer Mehrteilnehmer-Detektion zu vermindern. Darüber hinaus zielt die Erfindung darauf ab, einen für die Mehrteil nehmer-Detektion geeigneten Empfänger mit reduziertem Signal verarbeitungsaufwand zu schaffen.

Die Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Durch das Deaktivieren von einem oder mehreren RAKE-Fingern der zur Mehrteilnehmer-Detektion eingesetzten RAKE-Empfänger- Struktur kann der Signalverarbeitungsaufwand für die Entzer rung erheblich reduziert werden, da nur die energierelevanten Bereiche der Kanalimpulsantwort, die für die Gewährleistung einer geforderten Dienstqualität (Quality of Service: QoS) notwendig sind, in den JD-Algorithmus einfließen.

Wie im folgenden noch näher erläutert, basiert die Mehrteil nehmer-Detektion auf dem Lösen eines linearen Gleichungssy stems, welches durch eine JD-Systemmatrix gegeben ist. Die JD-Systemmatrix kann auf die Struktur eines RAKE-Empfängers abgebildet werden, so dass jeder RAKE-Finger einem definier ten Abschnitt der Matrix zugeordnet ist. Durch Deaktivieren eines RAKE-Fingers wird dieser Abschnitt der Systemmatrix nicht mehr berücksichtigt, das heisst die Systemmatrix (und damit das zu lösende lineare Gleichungssystem der JD-Ent zerrung) wird in seiner Dimension reduziert. Dies bewirkt die Verminderung des Leistungsverbrauchs durch Deaktivieren eines RAKE-Fingers.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich durch die Schritte des Messens der Energien der den RAKE-Fingern zugeordneten Signalen und des Bestimmens des oder der zu deaktivierenden RAKE-Finger in Abhängigkeit von den gemessenen Energien. Das heisst, die Auswahl der Finger, die zu deaktivieren bzw. abzuschalten sind, erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit der Energien der in den einzelnen RAKE-Fingern verarbeiteten Signale.

Neben der Auswahl ist die Anzahl der RAKE-Finger festzulegen, die deaktiviert werden können. Die Bestimmung der Anzahl der zu deaktivierenden Finger erfolgt vorzugsweise in Abhängig keit von einer für die Dienstqualität des detektierten Sig nals charakteristischen Bewertungsgröße, beispielsweise der Bit-Fehlerrate (Bit Error Rate: BER). Dabei wird ein Wert für diese Bewertungsgröße ermittelt und die Anzahl der aktiven RAKE-Finger in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert der Be wertungsgröße bestimmt.

Vorzugsweise kommt das erfindungsgemäße Verfahren in einer Mobilstation eines Mobilfunksystems zum Einsatz, da dort be sonders strenge Anforderungen an die Minimierung der Lei stungsaufnahme des Empfängers gestellt sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine Zero Forcing (ZF) JD- Entzerrung oder eine MMSE (Minimum Mean Square Error) JD- Entzerrung der erhaltenen Datensignale vorgenommen wird. Die Reduzierung des Rechenaufwands für die ZF bzw. MMSE Entzer rung wird, wie bereits erwähnt, durch das Deaktivieren eines oder mehrerer RAKE-Finger bewirkt.

Eine erfindungsgemäße RAKE-Empfänger-Struktur umfasst Mittel zum Deaktivieren eines oder mehrerer RAKE-Finger zur Vermin derung des Leistungsverbrauchs während des Mehrteilnehmer- Detektionsbetriebs.

Dabei umfasst die erfindungsgemäße RAKE-Empfänger-Struktur vorzugsweise ein Mittel zum Messen der Energien der den RAKE- Fingern zugeordneten Signalen, sowie ein Mittel zum Bestimmen des oder der zu deaktiviernden RAKE-Finger in Abhängigkeit von den gemessenen Energien.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; in die ser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Luftschnittstelle eines Mobilfunksystems mit einer Mobilstation und einer Basisstation;

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild zur Erläuterung der Struktur des Basisband-Abschnittes einer erfin dungsgemäßen RAKE-Empfänger-Struktur;

Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung des erfindungsge mäßen Abschaltens eines RAKE-Fingers bei einer Mehrteilnehmer-Entzerrung in einer RAKE-Empfänger- Struktur; und

Fig. 4 ein Diagramm, in welchem die aus einer Simulation ermittelte Bit-Fehlerrate (BER) gegenüber dem Si gnal-zu-Rausch Verhältnis (SNR) für eine unter schiedliche Anzahl von aktiven RAKE-Fingern darge stellt ist.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Luftschnitt stelle eines zellularen Mobilfunksystems. Eine einem bestimm ten Teilnehmer zugeordnete Mobilstation MS steht mit einer Basisstation BS in Funkverbindung. Dargestellt ist die Ab wärtsstrecke, das heisst die Verbindung von der Basisstation BS (Sender) zu der Mobilstation MS (Empfänger).

Die Funkverbindung unterliegt der Mehrwegeausbreitung, das heisst ein von der Basisstation BS ausgesendetes Funksignal kann die Mobilstation MS auf unterschiedlichen Übertragungs wegen oder Pfaden P1, P2 der Luftschnittstelle erreichen. Aufgrund von Reflexion, Streuung und Beugung weisen die ein zelnen Pfade P1, P2 ein unterschiedliches Übertragungsverhal ten auf und können als unabhängige Übertragungskanäle be trachtet werden. Insbesondere weisen diese Übertragungskanäle (Pfade der Luftschnittstelle) unterschiedliche Laufzeiten und unterschiedliche Signal-Abschwächungen auf. Ersteres hat zur Folge, dass an der Mobilstation MS zeitlich versetzte Emp fangssignal-Versionen empfangen werden, letzteres bewirkt, dass diese Empfangssignal-Versionen unterschiedliche Energien aufweisen.

Es wird ein Mobilfunksystem betrachtet, welches eine CDMA- Spreizcodierung der Teilnehmersignale einsetzt. Bei der CDMA- Spreizcodierung wird jedem ausgesendeten Symbol senderseitig ein CDMA-Spreizcode aufgeprägt, der dieses Symbol unterscheidbar gegenüber den Symbolen anderer Teilnehmer (oder allgemeiner anderer "logischer" Kanäle) macht. Das Aufprägen eines CDMA-Spreizcodes auf ein auszusendendes Datensymbol kann beispielsweise durch Aufmultiplikation der den CDMA- Spreizcode repräsentierenden CDMA-Spreizcodefolge auf das Symbol durchgeführt werden. Die Elemente der CDMA-Spreiz codefolge werden als Chips bezeichnet.

Bei UMTS beträgt die Zeitdauer Tc eines Chips etwa 0,26 µs, das heißt, die Chiprate 1/Tc ist etwa 3,84 MHz. Die Anzahl der Chips pro Symbol wird als Spreizfaktor Q bezeichnet. Q ist variabel, es gilt Q = Ts/Tc, wobei Ts die Symbolzeitdauer bezeichnet.

Fig. 2 zeigt einen Basisband-Abschnitt einer erfindungsgemä ßen RAKE-Empfänger-Struktur. Der Basisband-Abschnitt weist einen Eingangsspeicher IN_RAM auf, dem ein Signal, bestehend aus einem Strom komplexer Daten r, zugeführt wird. Der Ein gangsspeicher IN_RAM führt eine Zwischenspeicherung der Daten r durch.

Eine Such- und Synchronisationseinheit SE greift auf die in dem Eingangsspeicher IN_RAM abgelegten Daten r zu und führt anhand einer Auswertung darin enthaltener und zuvor aus dem Datensignal separierter Pilotsymbole (das heißt dem Empfän ger bekannter Symbole) eine Erkennung der Datenstruktur un terschiedlicher, über verschiedene Pfade P1, P2 erhaltener Signalversionen und der zeitlichen Lagen der Signalversionen durch.

Von der Such- und Synchronisationseinheit SE ermittelte Pfad information ADD_P betreffend das Auftreten und die Anzahl un terschiedlicher Signalversionen wird dem Eingangsspeicher IN_RAM zugeleitet, und Synchronisationsinformation sync wird einem RAKE-Finger-Abschnitt RF des RAKE-Empfängers zugeführt.

Ferner greift eine Steuer- und Bewertungseinheit SB auf den Eingangsspeicher IN_RAM zu. Der Steuer- und Bewertungseinheit SB wird auch die Pfadinformation ADD_P zugeleitet. Die Steuer- und Bewertungseinheit SB gibt ein Steuersignal st aus, wel ches einer Deaktivierungseinrichtung DEAK zugeführt wird. Die Deaktivierungseinrichtung DEAK erzeugt daraufhin ein Schalt signal sw, welches dem RAKE-Finger-Abschnitt RF zugeleitet ist. Ferner teilt die Deaktivierungseinrichtung DEAK eine dem Schaltsignal sw entsprechende Information einer Berechnungs einheit CU mit.

Die Berechnungseinheit CU dient der Berechnung von Entzerrer- Koeffizienten. Zu diesem Zweck steht sie ferner mit einem Ka nalschätzer CE in Verbindung, welcher der Berechnungseinheit CU fortlaufend aktualisierte Kanalinformation z. B. in Form von Kanal-Koeffizienten (das heißt der diskretisierten Ka nalimpulsantwort) liefert.

In einem Codespeicher CDS sind die in dem Mobilfunksystem verfügbaren Spreizcodes ("spreading codes") C_SP und Verwürfe lungscodes ("scrambling codes") C_SC abgelegt. Die Codeelemen te dieser Codes sind Chips. Die genannten Codes sind für die Berechnungseinheit CU zur Berechnung der Entzerrer-Koeffi zienten verfügbar.

Der RAKE-Finger-Abschnitt RF umfasst eingangsseitig ein Schaltmittel SM, mittels welchem in Abhängigkeit von dem Schaltsignal sw im Signalweg hinter dem Schaltmittel SM ange ordnete RAKE-Finger selektiv aktiviert bzw. deaktiviert wer den können. Das Schaltmittel SM ist in Fig. 2 in mehr oder weniger symbolischer Weise in Form einer Reihe aus Schaltern dargestellt, das Aktivieren bzw. Deaktivieren einzelner RAKE- Finger kann jedoch hardwaretechnisch auch durch andere Maß nahmen erreicht werden.

In den Signalwegen hinter dem Schaltmittel SM sind Synchroni sationseinheiten angeordnet. Die Synchronisationseinheiten dienen der Synchronisierung der einzelnen RAKE-Finger und sind zu diesem Zweck beispielsweise aus einem Zwischenspei cher S und einem Interpolator I aufgebaut.

Im Signalweg hinter den Synchronisationseinheiten ist eine Gewichtungseinheit WG vorgesehen. Die Gewichtungseinheit WG umfasst ein Array aus Multiplizierern M, mittels welchem die einzelnen RAKE-Finger-Signale durch Aufmultiplikation von Entzerrer-Koeffizienten einer Mehrteilnehmer-Entzerrung un terworfen werden.

Die Gewichtungseinheit WG gibt RAKE-Finger-individuell JD- entzerrte Ausgangssignale _F1, _F2, . . ., _F8 aus. Diese werden in üblicher Weise von einem Combiner CB (beispielweise Maxi mum Ratio Combiner: MRC) kombiniert und zu einem Ausgangs signal zusammengeführt. Das Ausgangssignal besteht aus den im Empfänger geschätzten Rekonstruktionen der gesendeten Symbole.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des in Fig. 2 dargestell ten Basisband-Abschnitts einer erfindungsgemäßen RAKE- Empfänger-Struktur näher erläutert.

Die eingangsseitige, hier nicht dargestellte Erzeugung der Basisband- oder Zwischenfrequenz-Daten r kann auf üblichem Wege erfolgen, z. B. mittels einer (nicht dargestellten) Hete rodyn-Stufe. Diese umfasst z. B. eine Hochfrequenz-Mischstufe, welche aus einem über eine Antenne empfangenen Signal analoge Inphase(I)- und Quadratur(Q)-Signalkomponenten erzeugt und diese durch Frequenzmischung auf eine geeignete Zwischenfre quenz oder in das Basisband heruntermischt. Die herunterge mischten analogen I- und Q-Signalkomponenten werden von Analog-Digital-Umsetzern digitalisiert. Die Digitalisierung er folgt z. B. mit einer Abtastrate von 2/T_C, d. h. beispielsweise etwa 8 MHz, wobei die einzelnen Chips der für den CDMA- Vielfachzugriff verwendeten Spreizcodes aufgelöst werden.

Die digitalisierten I- und Q-Signalkomponenten werden dann in ebenfalls bekannter Weise mittels eines digitalen Tief passfilters geglättet und gegebenenfalls durch eine Frequenz korrektureinheit frequenzkorrigiert.

Die Aufteilung der auf diese Weise erzeugten Abtastwerte (Daten r) auf die Signalkomponenten r _F1, r _F2, . . ., r _F8 für die einzelnen RAKE-Finger erfolgt unter Steuerung der Such- und Synchronisationseinheit SE mittels der Pfadinformation ADD_P.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird an dieser Stelle das Prinzip eines herkömmlichen RAKE-Empfängers beschrieben.

Dieses besteht darin, dass jeder RAKE-Finger genau einem Pfad ("Subkanal") der Luftschnittstelle zugeordnet ist. Das heisst, es werden mittels der Pfadinformation ADD_P aus dem Eingangsspeicher IN_RAM Abtastwerte pfadbezogen ausgelesen und die entsprechenden Daten r _F1, r _F2, . . ., r _F8 den einzelnen RAKE-Fingern zugeleitet.

Nachfolgend erfolgt eine pfadindividuelle Synchronisation der RAKE-Finger. Zu diesem Zweck umfasst die von der Such- und Synchronisationseinheit SE ausgegebene Synchronisationsinfor mation sync Grob- und Feinsynchronisationssignale für jeden RAKE-Finger. Die Grobsynchronisationssignale stellen indivi duelle zeitgesteuerte Ausleseanweisungen für die Zwischen speicher S dar und bewirken eine Grobsynchronisation der ein zelnen RAKE-Finger z. B. bis zu einer Genauigkeit von Tc. Die Feinsynchronisation erfolgt jeweils mittels der Interpolato ren I durch Interpolation der Abtastwerte in den jeweiligen RAKE-Fingern in Abhängigkeit von individuellen Interpolati onsanweisungen. Die Interpolationsanweisungen (Feinsynchro nisationssignale) werden in der Such- und Synchronisations einheit SE beispielsweise durch einen Früh-Spät-Korrelator ermittelt.

Durch die Interpolation der Abtastwerte wird eine Verminde rung der Abtastrate in jedem RAKE-Finger auf 1/Tc vorgenom men, d. h. jeder Chip wird durch einen Signalwert repräsen tiert. Die Signale hinter den Interpolatoren I sind mit einer Genauigkeit von mindestens Tc/2 synchron.

Bei der erfindungsgemäßen JD-RAKE-Struktur sind die RAKE- Finger hingegen nicht bestimmten Pfaden der Luftschnittstelle zugeordnet. Statt einer pfadindividuellen Synchronisierung wird zwischen jedem Finger ein fester relativer Zeitversatz von jeweils einer Symbolzeitdauer, d. h. Q Chips, eingestellt. Dies kann mittels der Speicher S erfolgen (in diesem Fall er halten die RAKE-Finger dieselben Daten r _F1, r _F2, . . ., r _F8) oder die Zeitversätze können durch einen entsprechend zeitversetz ten Datenabruf aus dem Eingangsspeicher IN_RAM bewerkstelligt werden. Nur der erste ("früheste") Finger muss pfadbezogen synchronisiert werden, die Synchronisation der anderen Finger orientiert sich dann an diesem Finger.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Signalverarbeitung in den RAKE-Fingern betrachtet.

Wie viele RAKE-Finger des RAKE-Finger-Abschnitts RF zur Ent zerrung des erhaltenen Signals aktiv sind, wird durch die Steuer- und Bewertungseinheit SB bestimmt. In der Steuer- und Bewertungseinheit SB werden die Energien der den einzelnen Fingern zugeordneten symbolweise zeitversetzten Signalsequen zen geschätzt. Das heisst, es werden jeweils die Energie von Chip-Teilsequenzen der Länge Q des Kanals, beginnend mit dem ersten Tap des Kanals, geschätzt. Die Energieschätzung er folgt mit Hilfe der von dem Kanalschätzer CE geschätzten Ka nalimpulsantworten.

Ferner wird der Steuer- und Bewertungseinheit SB Information über die erreichte Dienstqualität, beispielsweise Information zur Ermittlung des BER oder ein von einer anderen Funktions einheit bereits ermittelter Wert für das BER mitgeteilt. Für die Ermittlung von Information über die erreichte Dienstqua lität stehen verschiedene bekannte Verfahren zur Verfügung, z. B. kann sie bei der Kanaldecodierung, gegebenenfalls im Rahmen einer blockweisen Turbo-Decodierung, erhalten werden.

Die Auswahl der RAKE-Finger erfolgt anhand der ermittelten Energien der Signalsequenzen. Es werden die Signalsequenzen mit den höchsten Energien für die Entzerrung verwendet.

Die Anzahl der RAKE-Finger, die für eine ausreichende Detek tionsqualität zugeschaltet werden müssen, ergibt sich aus der ermittelten Dienstqualität, ausgedrückt z. B. durch das BER. Liegt das ermittelte BER über einem geforderten Sollwert, müssen weitere RAKE-Finger zugeschaltet werden, um die Dienstqualität zu verbessern. Im umgekehrten Fall, das heisst sofern das geschätzte BER unter dem Sollwert des geforderten BER liegt, können ein oder mehrere RAKE-Finger abgeschaltet werden.

Die Abschaltung wird in dem hier dargestellten Beispiel über die Deaktivierungseinrichtung DEAK und das Schaltmittel SM vorgenommen. Gleichzeitig wird der Berechnungseinheit CU mit geteilt, dass für die abgeschalteten RAKE-Finger eine Berech nung von Entzerrer-Koeffizienten nicht mehr erforderlich ist. Infolgedessen können auch die entsprechenden Multiplizierer der Gewichtungseinheit WG deaktiviert werden.

Das beschriebene Verfahren (Bestimmung der Auswahl und der Anzahl der aktiven RAKE-Finger) wird in einer Abarbeitungs schleife ständig wiederholt ausgeführt, so dass stets aktua lisierte Angaben (Gesamtanzahl, Fingernummern) über die benö tigten aktiven RAKE-Finger vorliegen. Dadurch wird der im Mo bilfunk auftretenden Zeitvarianz der Empfangsbedingungen Rechnung getragen.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, dass ein wech selnde Anzahl von RAKE-Fingern im RAKE-Finger-Abschnitt RF aktiv bzw. deaktiv sind. Um diesbezüglich einen unnötig hohen Hardware-Aufwand zu vermeiden, sowie auch aus anderen Grün den, kann in nicht dargestellter Weise eine Multiplexierung der RAKE-Finger im RAKE-Finger-Abschnitt RF vorgesehen sein. Beispielsweise können (wie dargestellt) acht tatsächliche RAKE-Finger und eine vierfache Multiplexierung dieser Hardwa restruktur eine Gesamtzahl von 32 RAKE-Fingern (davon 24 vir tuelle RAKE-Finger) ermöglichen.

Ein weiterer Gesichtspunkt besteht darin, dass z. B. bei UMTS, aber auch in anderen CDMA-Systemstandards, variable Spreiz faktoren eingesetzt werden können. Da die Multiplizierer M der Gewichtungseinheit WG bei der Mehrteilnehmer-Entzerrung eine chipweise Multiplikation durchführen (das heisst jeder Chip eines RAKE-Finger-Signals wird mit einem von der Berech nungseinheit CU ermittelten Entzerrer-Koeffizienten multipli ziert), und jede Multiplikation komplexwertig auszuführen ist (eine komplexwertige Multiplikation entspricht vier reellen Multiplikationen), kann darüber hinaus innerhalb des RAKE- Finger-Abschnitts RF eine Multiplexierung der einzelnen Mul tiplizierer M innerhalb der Gewichtungseinheit WG günstig sein. In diesem Fall ist im Signalweg hinter den Multiplizie rern M in nicht dargestellter Weise eine Demultiplexer-Schal tung angeordnet. Beispielsweise können 16 Hardware-Multipli zierer M vorgesehen sein, wobei jeder Multiplizierer M Signale von maximal zwei (der 32 gemultiplexten) RAKE-Fingern ver arbeiten kann.

Die Verwendung eines RAKE-Empfängers zur Durchführung einer JD-Entzerrung beruht wie bereits erwähnt darauf, dass die Sy stemmatrix eines JD-Übertragungssystems auf die Systemmatrix eines Q-fach überabgetasteten RAKE-Empfängers abgebildet wer den kann. Dies wird im folgenden erläutert:
Ein Übertragungskanal bezüglich des k-ten Teilnehmers wird im Chiptakt-Kanalmodell, dargestellt im Matrix-Vektor-Formalis mus, durch eine Matrix A (k)|G der Dimension W_s.Q × (L_s + W_s - 1) be schrieben, welche sowohl die senderseitige Signalbearbeitung durch Aufmultiplizieren von Spreizcodes und Verwürfelungs codes auf die auszusendenen Datensymbole s als auch die bei der Übertragung über die Luftschnittstelle erlittenen Signal verzerrungen beschreibt. Mit L_s wird die Kanallänge in Symbo len, d. h. das Kanalgedächtnis im Symboltakt-Kanalmodell, und mit W_s die (wählbare) Anzahl der für die Entzerrung berück sichtigten Symbole bezeichnet. Ein hochgestelltes T bezeich net den transponierten Vektor bzw. die transponierte Matrix, Unterstreichungen deuten an, dass eine Größe komplexwertig ist.

Eine Sequenz bestehend aus L_s + W_s - 1 auszusendenden Datensymbo len

des k-ten Teilnehmers wird im Vektor-Matrix-Formalismus durch den (Spalten-)Vektor

der Dimension (L_s + W_s - 1) × 1 zum n-ten Zeitschritt beschrieben.

Bezüglich aller K Teilnehmer wird mit

s _n = (s (1)T|n . . . s (k)T|n . . . s (K)T|n)^T (1)

der sogenannte "kombinierte" Vektor sämtlicher gesendeter Da tensymbole, bezogen auf den n-ten Zeitschritt, gebildet. Sei ne Dimension ist K.(L_s + W_s - 1) × 1.

Die gesendeten Datensymbole werden spreizcodiert, über je weils mehrere Pfade zum Empfänger übertragen und dort mittels JD entzerrt.

Die Gleichung für die Rekonstruktion k|n des vom k-ten Teil nehmer zum Zeitschritt n ausgesendeten Datensymbols im Emp fänger lautet:

k|n = m ^(k) r _n mit r _n = A _G s _n (2)

Dabei wird das gesamte Mehrteilnehmer-System bestehend aus K Teilnehmern (einschließlich Spreizcodierungen und bei der Si gnalübertragung auftretender Signalverzerrungen) durch die sogenannte Mehrteilnehmer-Systemmatrix A _G der Dimension W_s.Q × K(L_s + W_s - 1) beschrieben.

Der Vektor r _n repräsentiert die auf alle Teilnehmer zurück gehenden empfangenen Daten im Chiptakt. Die empfängerseitige JD-Entzerrung der empfangenen Daten bezüglich des k-ten Teil nehmers wird in diesem Modell durch einen Entzerrer-Vektor m ^(k) der Dimension 1 × W_s.Q realisiert, der auf der Basis der geschätzten Kanalkoeffizienten von der Berechnungseinheit CU berechnet wird. Die W_s.Q Elemente des Entzerrer-Vektors m ^(k) sind die Entzerrer-Koeffizienten für den k-ten Teilnehmer.

Die Berechnungsvorschrift für den Entzerrer-Vekor m ^(k) ist abhängig von dem gewählten Entzerrer-Algorithmus. Für den Fall einer ZF-Entzerrung wird sie später noch angegeben.

Die Mehrteilnehmer-Systemmatrix A _G ergibt sich in folgender Weise aus Systemmatrizen A (k)|G der Dimension W_s.Q × (L_s + W_s - 1) be züglich der einzelnen Teilnehmer:

Die Teilnehmer-Systemmatrizen A (k)|G sind definiert durch:

wobei A'^(k) im allgemeinen Fall eine Matrix der Dimension Q × L_s ist, die hier zur besseren Darstellbarkeit für den Sonderfall L_s = 2 (d. h. der Dimension Q × 2) angegeben ist.

Die Elemente der Matrizen A'^(k) ergeben sich aus den jeweili gen Spreizcodes der Teilnehmer und den Kanaleigenschaften:

a ^(k) = C'^(k) h ^(k)T (6)

Dabei ist a ^(k) = (a (k)|1 . . . a (k)|Q+L-1)^T ein Vektor der Dimension (Q + L - 1) × 1 und C'^(k) ist eine durch den Spreizcode C_SP des be trachteten k-ten Teilnehmers, hier mit c ^(k) = (c k|1 . . . c k|Q) be zeichnet, gegebene Matrix

der Dimension (Q + L - 1) × L. Dabei wird mit L die Kanallänge in Chips im Chiptakt-Kanalmodell bezeichnet.

h ^(k) = (h k|1 . . . h k|L)^T ist der (Spalten-)Vektor, der aus den L Ka nalimpulsantworten h k|1, h k|2, . . ., h k|L bezüglich des k-ten Teil nehmers gebildet ist.

Es wird zur einfacheren mathematischen Darstellung angenom men, daß kein Verwürfelungscode eingesetzt wird.

Eine analoge Beschreibung eines Übertragungssystems (jedoch bezogen auf eine blockweise Datenübertragung) ist im Stand der Technik bekannt und ausführlich in den Buch "Analyse und Entwurf digitaler Mobilfunksysteme" von P. Jung, B. G. Teubner Verlag Stuttgart, 1997, auf den Seiten 188-215 beschrieben. Diese Literaturstelle wird durch Bezugnahme Gegenstand der vorliegenden Schrift.

Es wird deutlich, dass der zur Berechnung eines gesendeten Datensymbols des k-ten Teilnehmers benötigte "Entzerrer" m ^(k) aus Q "Sub-Entzerrern" jeweils der Länge W_s besteht. D. h., dass zur JD-Entzerrung ein mit Q-facher Überabtastung betrie bener RAKE-Empfänger benötigt wird. Ferner wird aus der vor stehenden Analyse deutlich, dass die Entspreizung ein inte graler Bestandteil der Entzerrung wird.

Bei einer ZF Mehrteilnehmer-Entzerrung werden die Entzerrer- Koeffizienten (d. h. die Elemente des Entzerrervektors m ^(k)) durch Lösen des Gleichungssystems

m ^(k) A _G = ζ_j (8)

berechnet. Dabei ist ζ_j ein 1 × K.(L_s + W_s - 1) (Zeilen-)Vektor, der die ZF-Bedingung bezüglich eines bestimmten (k-ten) Teilneh mers vorgibt. Der ZF-Vektor ζ_j läßt sich folgendermaßen dar stellen

ζ_j = (0 . . . 010 . . . 0) (9)

wobei die 1 an der j-ten Position,
j = (k - 1)(L_s + W_s - 1) + 1, . . ., k(L_s + W_s - 1) steht.

Ein anderer Algorithmus, der zur Mehrteilnehmer-Entzerrung verwendet werden kann, ist MMSE und deren DF-(Decision Feed back-)Varianten.

Fig. 3, oberer Teil A, veranschaulicht die Berechnung von k|n eines beliebigen Teilnehmers k, im folgenden mit _n bezeich net, für Q = 4, W_s = 3, L_s = 3 und K = 1 durch die RAKE- Empfänger-Struktur anhand einer Darstellung eines Ausschnitts der Systemmatrix A _G, der Entzerrer-Koeffizienten m1 bis m12, der von dem Teilnehmer gesendeten Daten s _n-2 bis s _n+2 (in Symbolrate), der empfangenen Daten r1 bis r12 (in Chiprate) und des für den n-ten Zeitschritt geschätzten Datensymbols _n (Unterstreichungen werden in Fig. 3 ignoriert). Der RAKE- Finger #1 verarbeitet die erste aus Q Chips bestehende Sig nalsequenz, der RAKE-Finger #2 verarbeitet die zweite, um Q.T_c verzögerten Q Daten, usw. D. h., das Eingangssignal an jedem RAKE-Finger ist hinsichtlich der Symbolrate ein Q-fach überabgetastetes Signal. Jeder Abtastwert enthält dieselbe Information bezüglich des gesendeten Datensymbols, jedoch un terschiedliche Information bezüglich des verwendeten Spreiz codes und des Übertragungskanals.

Die aktuellen Energien der in den RAKE-Fingern verarbeiteten Signale ergeben sich als Summe der jeweiligen Matrixelemente in der durch den Pfeil P gekennzeichneten Spalte, d. h. für den RAKE-Finger #1 als Summe der Matrixelemente a1, a2, a3, a4, für den RAKE-Finger #2 als Summe der Matrixelemente a5, a6, a7, a8, und für den RAKE-Finger #3 als Summe der Matrixe lemente a9, a10, a11. Ein Maß für die Interferenz in jedem RAKE-Finger wird durch die Summe der Matrixelemente in den restlichen Spalten angegeben (d. h. für den RAKE-Finger #1 als Summe der Matrixelemente a9, a10, a11, a5, a6, a7, a8; für den RAKE-Finger #2 als Summe der Matrixelemente a9, a10, a11, a1, a2, a3, a4; für den RAKE-Finger #3 als Summe der Matrixe lemente a5, a6, a7, a8, a1, a2, a3, a4). Die aktuelle Energie wird wie bereits erwähnt in jedem RAKE-Finger durch eine Mes sung über eine Sequenz von Q Chips ermittelt. Die Energiemes sung erfolgt somit in Symbolrate.

Sofern im RAKE-Finger #2 eine geringe Energie gemessen wird und andererseits eine ausreichend hohe Dienstqualität ermit telt wird, wird der RAKE-Finger #2 abgeschaltet. Dies ist in Fig. 3, oberer Teil A, durch die Streichung des entsprechen den Matrix-Abschnittes angedeutet.

Durch die Streichung des dem RAKE-Finger #2 zugeordneten Ma trix-Abschnittes wird die Dimension der Systemmatrix redu ziert. Fig. 3, unterer Teil B, zeigt einen dem oberen Teil A entsprechenden Ausschnitt aus der Systemmatrix nach ihrer Re duzierung. Die empfangenen Daten r5, r6, r7, r8 werden für die Entzerrung nicht mehr berücksichtigt, der Entzerrer- Vektor ist infolgedessen um die entsprechenden Vektorelemente verkürzt.

In Fig. 4 ist die Roh-Bitfehlerrate (BER) dargestellt, welche bei einer Simulation des RAKE-Empfängers in Abhängigkeit von dem Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR: Signal-to-Noise Ratio) erhalten wurde. Die Simulation wurde für die Kanallänge L_s = 5 und drei bis fünf aktive RAKE-Finger eines aus insgesamt fünf Fingern bestehenden RAKE-Empfängers durchgeführt. Der Kanal wurde basierend auf dem CODIT MIC Modell simuliert.

Fig. 4 zeigt, dass im Bereich eines Signal-zu-Rausch Verhält nisses zwischen 6 und 10 dB die Leistungseinbuße bei Aktivie rung von 4 Fingern etwa 1,5 dB und bei Aktivierung von 3 Fin gern etwa 4 dB beträgt. Für fehlerschutzcodierte Signale sind diese Ergebnisse akzeptabel.

Die ZF-Entzerrung sowie ein mögliches Verfahren zur Lösung der Gleichung 8 durch Cholesky-Zerlegung sind in der deut schen Patentanmeldung DE 101 06 391.1 ausführlich beschrieben und werden durch Bezugnahme Inhalt der vorliegenden Schrift.

Claims

1. Verfahren zur Mehrteilnehmer-Detektion mittels einer RAKE- Empfänger-Struktur, mit dem Schritt:

- Deaktivieren von ein oder mehreren RAKE-Fingern zur Vermin derung des Leistungsverbrauchs der RAKE-Empfänger-Struktur im Betrieb.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Messen der Energien der den RAKE-Fingern zugeordneten Si gnalen;
- Bestimmen des oder der zu deaktivierenden RAKE-Finger in Abhängigkeit von den gemessenen Energien.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Ermitteln eines Wertes einer für die Dienstqualität des de tektierten Signals charakteristischen Bewertungsgröße;
- Bestimmen der Anzahl der aktiven RAKE-Finger in Abhängig keit von dem ermittelten Wert der Bewertungsgröße.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Bewertungsgröße um die Bitfehlerrate (BER) handelt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Mobilstation eines Mobilfunksy stems eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine ZF Mehrteilnehmer-Entzerrung oder eine MMSE Mehr teilnehmer-Entzerrung der empfangenen Signale vorgenommen wird.

7. RAKE-Empfänger-Struktur, ausgelegt für eine Mehrteilneh mer-Detektion, gekennzeichnet durch ein Mittel (SM) zum Deaktivieren eines oder mehrerer RAKE- Finger des Empfängers zur Verminderung des Leistungsver brauchs im Betrieb.

8. RAKE-Empfänger-Struktur nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch
ein Mittel (CE, SB) zum Messen der Energien der den RAKE- Fingern zugeordneten Signalen,
ein Mittel (SB) zum Bestimmen des oder der zu deaktivieren den RAKE-Finger in Abhängigkeit von den gemessenen Energi en.

9. RAKE-Empfänger-Struktur nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch
ein Mittel zum Ermitteln einer für die Dienstqualität des detektierten Signals charakteristischen Bewertungsgröße, und
ein Mittel (SB) zum Bestimmen des oder der zu deaktivieren den Finger in Abhängigkeit von der ermittelten Bewertungs größe.

10. RAKE-Empfänger-Struktur nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch ein Mittel (CU) zum Berechnen von Mehrteilnehmer-Entzerrer- Koeffizienten für eine ZF-Entzerrung oder eine MMSE- Entzerrung von empfangenen Signalen.