DE19647833A1

DE19647833A1 - Verfahren zur gleichzeitigen Funkübertragung digitaler Daten zwischen mehreren Teilnehmerstationen und einer Basisstation

Info

Publication number: DE19647833A1
Application number: DE19647833A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kaiser; Kahled Fazel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1996-11-19
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2016-11-20
Also published as: DE19647833B4; US6188717B1; FR2756131B1; GB9724492D0; FR2756131A1; GB2319709B; GB2319709A

Description

Die Erfindung betrifft auf ein Verfahren zur gleichzeitigen Funkübertragung digitaler Daten zwischen mehreren Teilneh merstationen und einer Basisstation gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei modernen Funkübertragungssystemen, insbesondere bei zel luaren Mobilfunksystemen, muß für die digital erfolgende Übertragung von Signalen (Daten) ein Übertragungsverfahren verwendet werden, das eine große Anzahl aktiver Teilnehmer stationen mit variablen Datenraten für Multimediadienste (Audio, Video, Text, Daten usw.) versorgen kann. Bei heuti gen und zukünftigen Mobilfunksystemen sollen die mobilen Teilnehmerstationen klein, flexibel, zuverlässig sowie ro bust sein und wenig Energie verbrauchen, so daß ein längerer Batteriebetrieb möglich wird.

Insbesondere zukünftige zellulare Mobilfunksysteme müssen so ausgelegt werden, daß sie trotz Mobilfunkkanal-Störungen und der beabsichtigten sehr hohen Anzahl von Teilnehmern hin sichtlich des verwendeten Übertragungsverfahrens eine hohe spektrale Effizienz aufweisen, so daß eine Vielzahl aktiver Teilnehmerstationen über den zur Verfügung stehenden Mobil funkkanal übertragen kann. Zum Vermeiden hoher Komplexität und zum Benützen gleicher Komponenten soll das verwendete Übertragungsverfahren außerdem sowohl für eine Aufwärts strecke, d. h. in Richtung von einer Teilnehmerstation zur Basisstation, als auch für eine Abwärtsstrecke, d. h. in Richtung von einer Basisstation zur Teilnehmerstation, ein setzbar sein.

Das Modulationsverfahren zukünftiger Mobilfunksysteme soll eine kohärente Detektion und zwar unter Verwendung einer Ka nalzustandsinformation mit geringem Aufwand und hoher Zuver lässigkeit ermöglichen und Interferenzen (MAI, Multiple Ac cess Interference) zwischen den Teilnehmerstationen einer Basisstation verhindern.

Das Detektionsverfahren eines zukünftigen zellularen Mobil funksystems soll darüber hinaus eine Maximum-Likelihood- Sequenzschätzung (Optimalschätzung) zur gemeinsamen Detekti on der Daten einer Teilnehmerstation mit geringem Aufwand ermöglichen. Dabei müssen die unterschiedlichen Datenmengen (Audio, Video, Text, Daten usw.) mit variabler Datenrate (von einigen kbit/s bis ca. 2 Mbit/s) annähernd fehlerfrei über den zur Verfügung stehenden Mobilfunkkanal übertragen werden.

Es sind bereits Ansätze bei verschiedenen bekannten digita len Funkübertragungsverfahren vorhanden, um diese insbeson dere an ein zukünftiges zellulares Mobilfunksystem gestell ten Forderungen zu erfüllen. Als Modulationsverfahren mit hoher spektraler Effizienz kann das Mehrträgermodulations verfahren OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) mit Schutzintervall eingesetzt werden, das aus dem Aufsatz von S. Weinstein und P.M. Ebert, "Data Transmission by Fre quency-Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transforin", in IEEE Trans. Commun. Tech., Vol. COM-19, Sei ten 628-634, Oktober 1971 bekannt ist.

Eine Kanalcodierung ermöglicht bei einem gegebenen Signal- Stör-Verhältnis und den jeweiligen Kanaleigenschaften den Empfang des Signals mit der gewünschten Bitfehlerwahrschein lichkeit. Außerdem ist der Vorschlag bekannt, das Mehrträ germodulationsverfahren OFDM mit dem CDMA(Code Division Mul tiple Access, Codemultiplex)-Vielfachzugriffsverfahren zu kombinieren. (Vgl. z. B. den Beitrag von K. Fazel und L. Pap ke, "On the performance of convolutionally-coded CDMA/OFDM for mobile communication system", in Proc. IEEE Int. Symp. on Personal, Indoor and Mobile Radio Commun. (PIMRC '93), S.D3.2.1-D3.2.5, September 1993.

Es ist bekannt, daß bei der Übertragung in Funkkanälen, ins besondere in Mobilfunkkanälen, häufig Signalpegelschwankun gen auftreten, die durch Mehrwegeausbreitung, zeitliche Ver änderung des Kanalübertragungsverhaltens und besonders beim Mobilfunk durch Bewegung einer Teilnehmerstation verursacht werden. Die zeitvariante Mehrwegeausbreitung verursacht im Empfangssignal Intersymbol-Interferenzen (ISI, Intersymbol Interference) durch unterschiedliche Signallaufzeiten über die einzelnen Reflexionswege und dadurch auch Signalschwund (Fading) aufgrund destruktiver Signalüberlagerung. Das Ka nalfading besitzt Korrelationen im Zeit- und Frequenzbe reich. Die Fehler auf solchen Kanälen sind daher häufig ge bündelt und statistisch abhängig.

Zur Beseitigung der Kanalstörungen sind mehrere Möglichkei ten bekannt. Es läßt sich ein schmalbandiges System mit Ent zerrung verwenden. Ein solches System mit TDMA (Time Division Multiple Access, Zeitmultiplex)-Zugriffsverfahren ist be reits im zellularen Mobilfunkstandard GSM (Global System for Mobile Communication) im Einsatz. Bei GSM ist die gesamte Übertragungsbandbreite von 25 MHz in 125 Kanäle von 200 kHz unterteilt. In jedem 200 kHz breiten Kanal wird das TDMA- Zugriffsverfahren mit GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)- Modulation verwendet. Die maximale Anzahl der aktiven Teil nehmer pro Kanal beträgt 8 (mit einer Datenrate von 13 kbit/s). Daraus ergibt sich eine spektrale Effizienz von etwa 0,52 bit/s/Hz pro Kanal.

Eine zweite bekannte Möglichkeit zur Beseitigung der Kanal störungen besteht in der Verwendung eines breitbandigen Sy stems mit Spread-Spectrum und Rake-Empfänger, dem das CDMA(Code Division Multiple Access, Codemultiplex)-Zu griffsverfahren zugrunde liegt. Dieses System ist im US- Mobilfunkstandard IS-95 enthalten, bei dem alle Teilneh merstationen einer Zelle die gesamte Bandbreite von 1,25 MHZ verwenden. Jede Teilnehmerstation hat ihren eigenen Code. Als Modulationsverfahren wird QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) und Offset-QPSK benutzt. Die maximale Anzahl der ak tiven Teilnehmerstationen in einer Zelle, also im Bereich einer Basisstation, beträgt weniger als 60 (mit einer Daten rate von 9,6 kbit/s). Daraus ergibt sich eine spektrale Ef fizienz von weniger als 0,46 bit/s/Hz pro Kanal.

Eine dritte bekannte Möglichkeit zur Beseitigung der Kanal störungen besteht in der Verwendung eines breitbandigen Sy stems mit orthogonaler Frequenzmultiplextechnik (OFDM, Or thogonal Frequency Division Multiplexing). Ein solches Sy stem mit Schutzintervall wurde bereits für die digitalen Au dio- und terrestrischen Videorundfunk-Standards DAB (Digital Audio Broadcasting) und DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial) gewählt. Bei DAB wird das DQPSK(Differentially Encoded Quadrature Phase Shift Keying)-Modulationsverfahren mit robuster Kanalcodierung verwendet. Die spektrale Effizi enz bei DAB-T beträgt ungefähr 0,75 bit/s/Hz pro Kanal. Bei DVB wird eine Multi-Resolution-QAM(Quadrature Amplitude Mo dulation) verwendet, wobei man flexibel bis zu einer 64 QAM- Konstellation wählen kann. Hierbei ergibt sich eine spektra le Effizienz von bis zu 4,5 bit/s/Hz pro Kanal.

Eine vierte bekannte Möglichkeit zur Beseitigung der Kanal störung besteht in der bereits unter Angabe von Literatur stellen erwähnten Kombination des breitbandigen Spread- Spectrum-Systems mit der orthogonalen Frequenzmultiplextech nik OFDM und dem CDMA-Zugriffsverfahren. Die spektrale Effi zienz dieses Verfahrens mit BPSK(Binary Phase Shift Keying)- Modulation ist etwa halb so groß wie die spektrale Effizienz von DAB. Mit QPSK läßt sich etwa die gleiche spektrale Effi zienz wie bei DAB erreichen.

Von den vorstehend erwähnten bekannten vier Möglichkeiten zur Beseitigung der Kanalstörungen benötigen das schmalban dige System mit Entzerrung (GSM) und das breitbandige System mit Spread-Spectrum und Rake-Empfänger (IS-95) in nachteili ger Weise eine äußerst komplexe Schätzung der Kanalzustand sinformation im Fall der kohärenten Detektion. Zur Verringe rung des Aufwandes wurde bei IS-95 die kohärente Schätzung nur für die Abwärtsstrecke verwendet. Für die Aufwärtsstrec ke nimmt man eine höhere Sendeleistung in Kauf. Die spektra le Effizienz von diesen beiden Systemen ist ziemlich gering, nämlich 0,52 bit/s/Hz und weniger.

Der Vorteil der Kombination des breitbandigen Spread- Spectrum-Systems mit Mehrträgermodulation mit Schutzinter vall liegt darin, daß es keine Intersymbolinterferenz(ISI)- Entzerrung und keinen Rake-Empfänger benötigt und relativ einfach zu realisieren ist. Die derzeitig bekannten Spread- Spectrum-Vielfachzugriffssysteme mit dem OFDM-Mehrträgermo dulationsverfahren und Schutzintervall sind allerdings nur für die Abwärtsstrecke eines zellularen Mobilfunksystems ausgelegt, da hier die Kanalschätzung keine Schwierigkeiten bereitet.

Zur Zeit ist noch kein Konzept bekannt, das den Einsatz syn chroner Spread-Spectrum-Vielfachzugriffssysteme mit Mehrträ germodulation und Schutzintervall in der Aufwärtsstrecke mit kohärenter Detektion zuläßt, da es nicht möglich ist, die Kanalzustandsinformationen der unterschiedlichen Übertra gungskanäle aller aktiven mobilen Teilnehmer gleichzeitig in der Basisstation zu schätzen.

Der Erfindung legt die Aufgabe zugrunde, ein digitales, so wohl für die Aufwärtsstrecke als auch für die Abwärtsstrecke einsetzbares Funkübertragungsverfahren insbesondere für den zellularen Mobilfunk zu schaffen, das eine hohe spektrale Effizienz aufweist, so daß eine sehr große Anzahl von akti ven Teilnehmerstationen über den zur Verfügung stehenden Funkkanal übertragen kann, dessen Modulationsverfahren eine kohärente Detektion mit geringem Aufwand und hoher Zuverläs sigkeit ermöglicht, das Interferenzen zwischen den Teilneh merstationen einer Basisstation verhindert und das eine an nähernd fehlerfreie Übertragung unterschiedlicher Datenmen gen (Audio, Video, Text, Daten usw.) über den zur Verfügung stehenden Funkkanal sicherstellt. Darüber hinaus soll das zu schaffende Übertragungsverfahren ein empfängerseitiges De tektionsverfahren in Form einer Maximum-Likelihood-Sequenz schätzung (Optimalschätzung) zur gemeinsamen Detektion der Daten einer Teilnehmerstation mit geringem Aufwand ermögli chen.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Beim Verfahren nach der Erfindung wird das Mehrträgermodula tionsverfahren mit der Spread-Spectrum-Technik in optimaler Weise kombiniert. Diese Kombination erlaubt eine Maximum- Likelihood-Sequenzschätzung mit geringer Komplexität zur ko härenten Detektion der Daten im Empfänger und kann sowohl für die Aufwärtsstrecke als auch für die Abwärtsstrecke ver wendet werden. Die notwendige Kanalschätzung läßt sich in zweckmäßiger Weise durch eine einfache Wiener-Filterung rea lisieren.

Die Parameter für die physikalische Ebene (Modulation, Ka nalcodierung, Zugriffsverfahren usw.) eines gemäß dem Ver fahren nach der Erfindung arbeitenden Systems können in vor teilhafter Weise so ausgelegt werden, daß pro Übertragungs kanal deutlich mehr Daten übertragen werden können, als zur reinen Sprachübertragung notwendig sind. Im Falle der Sprachübertragung (9,6 kbit/s) kann dann pro Übertragungska nal das TDMA(Time Division Multiple Access, Zeitmultiplex)- Zugriffsverfahren angewendet werden, um mehrere Sprachkanäle im Übertragungskanal unterzubringen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfah rens sind Gegegenstand der Ansprüche 2 bis 36.

Das Verfahren nach der Erfindung und dessen wesentliche Vor teile werden für ein zellulares Mobilfunksystem im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a ein Übertragungsszenario für eine Aufwärtsstrecke in einer Zelle eines Mobilfunksystems;

Fig. 1b ein Übertragungsszenario für eine Abwärtsstrecke in einer Zelle eines Mobilfunksystems;

Fig. 2 in Form eines Blockschaltbildes eine Sendeseite für die Übertragung der Daten einer Teilnehmerstation;

Fig. 3 in Form eines Blockschaltbildes eine Empfangsseite für den Empfang der Daten einer Teilnehmerstation;

Fig. 4 in Form eines Blockschaltbildes eine sendeseitig vor genommene Spreizung der Datensymbole und eine nach folgende Sequenzüberlagerung;

Fig. 5 in Form eines Blockschaltbildes eine sendeseitig vor genommene Mehrträgermodulation mit Frequenzmapping einschließlich dem Einfügen von der Kanalschätzung dienenden Referenzdaten;

Fig. 6 eine Spektrumsansicht über die Breite des Übertra gungsbandes für K Teilnehmerstationen zur Erläuterung eines sendeseitig vorgenommenen Frequenzmapping und des empfangsseitig entsprechend erfolgenden Frequenz demapping;

Fig. 7 in Form eines Blockschaltbildes eine empfangsseitig vorgenommene Mehrträgerdemodulation mit Frequenzde mapping einschließlich Herausführen der empfangenen Referenzdaten für die Kanalschätzung;

Fig. 8 in Form eines Blockschaltbildes das Prinzip der Maxi mum-Likelihood-Sequenzschätzung einschließlich Daten symbol-Demapping;

Fig. 9a in Form eines Blockschaltbildes für die Sendeseite ein konkretes zahlenmäßiges Ausführungs- und Anwen dungsbeispiel des Übertragungsverfahrens nach der Er findung für einen TDMA-Zeitschlitz;

Fig. 9b in Form eines Blockschaltbildes für die Empfangsseite ein konkretes zahlenmäßiges Ausführungs- und Anwen dungsbeispiel des Übertragungsverfahrens nach der Er findung für einen TDMA-Zeitschlitz, und

Fig. 10 eine Darstellung des Prinzips des TDMA-Zugriffs im Anwendungsbeispiel nach Fig. 9a und 9b.

Ein zellulares Netz nach dem OSI(Open System Intercon nection)-Referenzmodell besteht aus mehreren Ebenen, nämlich erstens aus der Netz-Verwaltung, zweitens aus der Protokoll- Ebene und drittens aus der physikalischen Ebene. Die Proto koll-Ebene setzt sich aus verschiedenen Synchronisationsebe nen wie der Vielfachzugriffssynchronisation und der Rahmen synchronisation zusammen.

Bei den bereits vorher erwähnten GSM- und IS-95-Systemen sind dafür bestimmte Synchronisationskanäle vorgesehen. Da im Zusammenhang mit der Erfindung nur die physikalische Ebe ne (Modulation, Kanalcodierung, Zugriffsverfahren usw.) zu betrachten ist, kann angenommen werden, daß die Synchronisa tion und die Netzverwaltung vorhanden sind.

In Fig. 1a ist ein Übertragungsszenario für eine Aufwärts strecke jeweils von einer mobilen Teilnehmerstation T1, T2,. . .,TK zu einer Basisstation B und in Fig. 1b ist ein Über tragungsszenario für die Abwärtsstrecke von der Basisstati on B jeweils zu einer der mobilen Teilnehmerstationen T1, T2,. . .,TK dargestellt.

Im Falle der Aufwärtsstrecke (Fig. 1a) werden die von den Teilnehmerstationen T1, T2,. . .,TK über Antennen ausgesendeten Daten in der Basisstation B von einer Antenne A empfangen und dann mittels Detektionseinrichtungen D1, D2,. . .,DK teil nehmerspezifisch detektiert. Im Falle der Abwärtsstrecke (Fig. 1b) werden in der Basisstation B die von Signalgebern S1, S2,. . .,SK stammenden teilnehmerspezifischen Daten mittels einer Überlagerungseinrichtung Ü zusammengefaßt und von dort über die Antenne A ausgesendet und von den Teilnehmersta tionen T1, T2,. . .,TK empfangen und dort teilnehmerstations spezifisch ausgewertet.

Da das Übertragungsverfahren nach der Erfindung Interferen zen zwischen den Signalen der verschiedenen Teilnehmersta tionen einer Basisstation vermeidet, ist es sowohl für die Aufwärtsstrecke als auch für die Abwärtsstrecke eines zellu laren Mobilfunknetzes einsetzbar. Die folgende Beschreibung des Funkübertragungsverfahrens nach der Erfindung ist daher für die Aufwärtsstrecke genauso wie für die Abwärtsstrecke gültig.

Die Übertragungsstrecke des Vielfachzugriff-Verfahrens nach der Erfindung mit Spread-Spectrum-Technik und mit Mehrträ germodulation ist in Fig. 2 und 3 für die Übertragung der Da ten einer Teilnehmerstation dargestellt. Fig. 2 zeigt dabei das Blockschaltbild der Sendeseite und Fig. 3 das Block schaltbild der Empfangsseite.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, werden sendeseitig die bei spielsweise vom Ausgang eines Sprachcodierers kommenden di gitalen Daten mittels eines Kanalcodierers 1 mit einem Feh lerschutz gegen Kanalstörungen versehen. Als Kanalcodes kom men beispielsweise Faltungscodes, Turbo-Codes oder Block codes zum Einsatz. Die Codebits werden mit einem Interleaver 2 beispielsweise blockweise oder pseudozufällig verwürfelt, um längere Fehlerblöcke am Eingang des später noch beschrie benen Kanaldecodierers im Empfänger zu vermeiden. Die ver würfelten Codebits werden in einem Datensymbolmapper 3 zu komplexen Datensymbolen gemapped, beispielsweise mit einer BPSK-Modulation (Binary Phase Shift Keying) oder einer QPSK- Modulation (Quadrature Phase Shift Keying).

Jedes komplexe Datensymbol wird dann in einer in Fig. 4 im einzelnen dargestellten Baugruppe 4 mit einer Spreizsequenz der Länge L (L Chips) multipliziert. Wie Fig. 4 zeigt, wer den zunächst die vom Datensymbolmapper 3 seriell kommenden komplexen Datensymbole in einem Seriell/Parallel-Wandler 9 blockweise in eine Parallelform umgewandelt. In den Multi plizierern 10 erfolgt dann die Multiplikation der Datensym bole k, k+1,. . .,k+L mit den Spreizsequenzen der Länge L.

Als Spreizsequenzen werden beispielsweise orthogonale Walsh- Hadamard-Sequenzen verwendet, von denen L orthogonale Spreizsequenzen der Länge L existieren. Jeweils maximal L mit Datensymbolen modulierte, parallel vorliegende Spreizse quenzen werden in der Baugruppe 4 (Fig. 2) mittels eines in Fig. 4 dargestellten Addierers 11 symbol- und somit auch chipsynchron überlagert, was eine aus L Chips bestehende Sendesequenz ergibt, welche die Information von maximal L Datensymbolen beinhaltet.

Die Robustheit des Übertragungsverfahrens nach der Erfin dung z. B. gegenüber Interzellinterferenzen, kann dadurch er höht werden, daß weniger als L mit Datensymbolen modulierte Spreizsequenzen der Länge L überlagert werden. In Fig. 4 ist derjenige Fall dargestellt, bei dem L mit Datensymbolen mo dulierte Spreizsequenzen der Länge L überlagert werden.

Die Chips mehrerer von der Baugruppe 4 kommender Sendese quenzen werden dann mit einem Frequenz- und Zeit-Inter leaver 5 beispielsweise blockweise oder pseudozufällig in Frequenz- und Zeitrichtung über mehrere mehrträgermodulierte OFDM-Symbole verwürfelt, um größere Fehlerblöcke durch zeit selektiven Schwund (entsteht aufgrund von Dopplerverschie bungen) und frequenzselektiven Schwund (entsteht aufgrund von Reflexionen im Kanal) zu vermeiden.

In einem nachfolgenden Frequenzmapper und Mehrträgermodula tor 6, dessen Prinzip in Fig. 5 detailliert dargestellt ist, werden jeweils M vom Ausgang des Interleavers 5 kommende Chips in einem Seriell/Parallel-Wandler 12 seriell/parallel gewandelt. Es ist nicht zwingend notwendig, daß die Anzahl M der Unterträger einer Teilnehmerstation ein Vielfaches der Spreizungscodelänge L ist, was eine flexible Nutzung der Übertragungskapazität bezüglich unterschiedlicher Datenra ten, z. B. variabler Datenraten, der einzelnen Teilnehmersta tionen ermöglicht. In jeden der M Datenströme werden mittels eines Multiplexers 13 Referenzdaten 14 eingefügt, welche für die Kanalschätzung und Synchronisation im Empfänger benötigt werden.

In Fig. 5 ist unten beispielhaft ein Datenstrom dargestellt, wobei die informationstragenden Chips als weiße Kästchen und die eingefügten Referenzsymbole als schwarze Kästchen einge zeichnet sind. Die der Kanalschätzung dienenden Referenzda ten sind im Empfänger bekannt. Anschließend an den Multiple xer 13 wird jeder der nun mit Referenzdaten versehenen M Da tenströme in einem Mehrträgermodulator 15 auf eine eigene Unterträgerfrequenz moduliert, wobei die Frequenzzuweisung teilnehmerstationsspezifisch vorgenommen wird.

In Fig. 6 ist in einer Spektrumsansicht über die Breite des Übertragungsfrequenzbandes für K Teilnehmerstationen das sen deseitig vorgenommene teilnehmerstationsspezifische Fre quenzmapping und das empfangsseitig entsprechend erfolgende Frequenzdemapping dargestellt. Die den einzelnen Teilnehmer stationen zugeordneten Teilmengen an Unterträgern sind dis junkt, wodurch Interferenzen zwischen den Teilnehmerstatio nen einer Basisstation vermieden werden.

Die Unterträger einer Teilnehmerstation werden vom Frequenz mapper über das gesamte Übertragungsfrequenzband verteilt, um den Diversity-Gewinn durch Spreizung im Empfänger zu er höhen, wobei die Abstände zwischen benachbarten Unterträgern einer Teilnehmerstation äquidistant, aber auch pseudozufäl lig gewählt werden können. Der Abstand zwischen benachbarten Unterträgern einer Teilnehmerstation muß ein ganzzahliges Vielfaches des Kehrwertes der Dauer eines mehrträgermodu lierten Symbols sein, um die Orthogonalität zwischen den Un terträgern einer Teilnehmerstation und der aller Teilnehmer stationen zu gewährleisten.

Zur im Mehrträgermodulator 15 durchgeführten Mehrträgermodu lation kann beispielsweise das orthogonale Frequenzmulti plexverfahren OFDM eingesetzt werden, welches in der Praxis mit einer inversen Fast Fourier Transformation IFFT und ei ner Fast Fourier Transformation FFT verhältnismäßig einfach zu realisieren ist. In einer Einrichtung 16 werden die mehr trägermodulierten Datensymbole um einen Schutzintervall Δ zy klisch verlängert, um Intersymbol-Interferenzen (ISI) zwi schen benachbarten mehrträgermodulierten OFDM-Symbolen durch die Mehrwegeausbreitung zu vermeiden. In einer Summierein richtung 17 werden die M modulierten Datenströme dann auf summiert. Die jeweils aufsummierten digitalen Datenströme werden vor der Aussendung in den Übertragungskanal in einem Digital/Analog-Wandler 7 noch in eine analoge Übertragungs form umgewandelt.

Das vorher erwähnte Schutzintervall Δ wird im übrigen noch zusätzlich dazu benötigt, um größere Toleranzen beim syn chronen Senden der Teilnehmerstationen zuzulassen, da die mobilen Teilnehmerstationen unterschiedliche Entfernungen und somit auch unterschiedliche Signallaufzeiten zur und von der zugeordneten Basisstation haben.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, werden empfängerseitig die empfangenen Daten nach der in einem Analog/Digital-Wandler 18 vorgenommenen Umwandlung in Digitalform in einem Mehrträ gerdemodulator 19 mehrträgerdemoduliert und frequenzdemap ped. Im einzelnen sind die Funktionen des Mehrträgerdemodu lators 19 in Fig. 7 dargestellt. Die vom Analog/Digital- Wandler 18 kommenden Daten werden zunächst in einer Schutzintervall-Entfernungseinrichtung vom Schutzintervall Δ befreit und dann in einer Mehrträger-Demodulationseinrich tung 26 mehrträgerdemoduliert und teilnehmerstationsspezi fisch frequenzdemapped.

Das empfängerseitige Frequenzdemapping erfolgt analog zum sendeseitigen Frequenzmapping und geht deswegen im einzelnen aus der bereits beschriebenen Fig. 6 hervor. Die für die Ka nalschätzung im Kanalschätzer 20 (Fig. 3) notwendigen Refe renzdaten werden von den informationstragenden Daten in ei nem Demultiplexer 27 extrahiert. Die in Parallelform vorlie genden, informationstragenden Daten werden dann mittels ei nes Parallel/Seriell-Wandlers 28 in eine serielle Form ge bracht.

Der in Fig. 3 als Block dargestellte Kanalschätzer 20 filtert beispielsweise mit der verhältnismäßig einfach durchzufüh renden Wiener-Filterung die empfangenen Referenzdaten für jeden zu detektierenden Unterträger über die Zeit und ermit telt daraus die Kanalzustandsinformationen für die informa tionstragenden Daten. Im Zusammenhang mit der Kanalschätzung wird darauf hingewiesen, daß im Sender Gruppen (bzw. eine Gruppe) von Unterträgern gebildet werden können, wobei die Unterträger einer Gruppe im Übertragungsfrequenzband neben einander liegen und im Empfänger bei der Kanalschätzung zu sätzlich auch in Frequenzrichtung gefiltert werden können, was eine genauere Kanalzustandsinformation bzw. weniger Red undanz durch Referenzdaten zur Folge hat. Die durch die Ka nalschätzung gewonnene Kanalzustandsinformation selbst wird zur empfangsseitigen Datendetektion und Kanaldecodierung be nötigt.

Nach einer in Frequenz- und Zeitrichtung erfolgenden Entwür felung in einem Frequenz- und Zeit-Deinterleaver 21 werden die empfangenen informationstragenden Daten in einem Datende tektor 22 detektiert. Zur Datendetektion wird z. B. vorteil haft ein Maximum-Likelihood-Sequenzschätzer eingesetzt, der die wahrscheinlichste aller gesendeten Sequenzen ermittelt und die zugehörigen Daten als weiche Entscheidungen ausgibt. Bei Verwendung von z. B. QPSK-modulierten Datensymbolen kann die Maximum-Likelihood-Sequenzschätzung getrennt in den I und Q-Signalkomponenten durchgeführt werden.

In Fig. 8 ist das Prinzip der Maximum-Likelihood-Sequenz schätzung dargestellt. Dabei sind in einem Speicherbaustein 29 2^L mögliche gesendete Sequenzen gespeichert, die in einer Schaltung 30 zur Metrikberechnung mit der jeweils empfange nen Sequenz 31 verglichen werden. In einer Einrichtung 32 wird dann die maximale Metrik ermittelt, aus der sich dann auf die wahrscheinlichste aller 2^L möglichen gesendeten Se quenzen schließen läßt.

Bei der Maximum-Likelihood-Sequenzschätzung gemäß Fig. 8 wird zur Metrikberechnung die Kanalzustandsinformation 33 benö tigt. Anstelle des Maximum-Likelihood-Sequenzschätzers kann auch ein konventionelles Detektionsverfahren eingesetzt wer den, welches nach einer Entzerrung mittels einer Rückent spreizung sämtliche Datensymbole einer Teilnehmerstation de tektiert und weiche Entscheidungen an den Symboldemapper weitergibt.

Die im Datendetektor 22 mit Symboldemapper detektierten und demodulierten Codebits werden in einem Deinterleaver 23 ent würfelt, und in einem Kanaldecodierer 24 (Viterbi-Decoder, SOVA (Soft-Output-Viterbi-Algorithm) für iterative Turbo- Decodierung bzw. Blockdecoder) werden daraus die Informati onsdaten detektiert.

Werden beim Verfahren nach der Erfindung konventionelle De tektionsverfahren verwendet, können diese auch iterativ ein gesetzt werden, um eine Interferenzreduktion bei den überla gerten Spreizsequenzen zu erzielen.

In Fig. 9 ist das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Systems dargestellt, das mit dem Übertragungsverfahren nach der Erfindung und zusätzlich noch mit TDMA arbeitet. Dabei ist in der Fig. 9 oben der Aufbau des Senders und dar unter der Aufbau des dazu passenden Empfängers dargestellt. Die gesamte zur Verfügung stehende Übertragungsbandbreite beträgt 2 MHz und die Trägerfrequenz liegt bei f_c = 1,8 GHz.

Der Kanalcodierer 34 codiert die vom Sprachcodierer einer Teilnehmerstation mit einer Datenrate von 10,46 kbit/s kom menden binären Daten mit der Rate 1/2. Der Kanalcodierer ist ein Faltungscoder mit einer Gedächtnislänge von 6. Ein pseu dozufälliger Interleaver 35 verwürfelt 348 aufeinanderfol gende Codebits, welche danach in einem Symbolmapper 36 QPSK- moduliert werden. Die eingesetzte Mehrträgermodula tionstechnik OFDM verwendet 256 Unterträger mit einem Trä gerabstand von 7,81 kHz und wird durch eine inverse Fast Fourier Transformation IFFT der Größe 256 realisiert. Daraus resultiert eine OFDM-Symboldauer von T_s = 128 µs, welche um ein Schutzintervall mit der Dauer von Δ = 20 µs verlängert wird.

Verwendet jede Teilnehmerstation M = 8 Unterträger, so kön nen pro OFDM-Symbol 32 Teilnehmerstationen gleichzeitig übertragen, was eine Netto-Datenrate von 41,84 kbit/s pro Teilnehmerstation zur Folge hat, sofern die 32 Teilnehmer stationen kontinuierlich auf ihren Unterträgern übertragen. Da für eine Sprachübertragung aber 9,6 kbit/s ausreichend sind, wird eine TDMA-Komponente in das Übertragungsverfahren eingeführt, wobei 4 Gruppen von je 32 Teilnehmerstationen alle 31 OFDM-Symbole abwechselnd übertragen.

Dieses Prinzip des TDMA-Zugriffs ist für dieses Ausführungs beispiel in Fig. 10 dargestellt. Mit diesem zusätzlichen TDMA-Einbringkonzept können anstelle von 32 Teilnehmersta tionen (Nutzern) dann insgesamt 128 Teilnehmerstationen in einer Bandbreite von 2 MHz mit einer Datenrate von 10,46 kbit/s pro Teilnehmerstation übertragen.

Um die Komplexität des Maximum-Likelihood-Sequenzschätzers im Empfänger gering zu halten, wird jedes QPSK-gemappte Da tensymbol in einer Spreiz- und Sequenzüberlagerungseinrich tung 37 mit einer kurzen Spreizsequenz der Chiplänge L = 8 multipliziert. Danach werden in der Einrichtung 37 acht par allel modulierte Spreizsequenzen symbol- und chipsynchron überlagert, wodurch eine aus 8 Chips bestehende Sendesequenz generiert wird.

Nachfolgend werden in einem Interleaver 38 192 Chips von 24 aufeinanderfolgenden Sendesequenzen pseudozufällig verwür felt und in einem OFDM-Mehrträgermodulator mit Frequenzmap per 39 auf M = 8 Unterträger verteilt. Der Abstand der Un terträger ist äquidistant und beträgt 250 kHz. Für die Ka nalschätzung im Empfänger wird im Sender auf jedem der acht Unterträger am Anfang und dann nach jedem vierten gesendeten Datensymbol ein Referenzsymbol gesendet, welches auch dem Empfänger bekannt ist. Die Referenzsymbole werden dem Ein gang 40 des Mehrträgermodulators 39 zugeführt.

Somit wird mit 31 OFDM-Symbolen ein Block von 348 Codebits übertragen, wenn man die Übertragung auf jedem Unterträger mit einem Referenzsymbol abschließt. Über einen Digi tal/Analog-Wandler 41 werden die Daten dann auf den Funkka nal gegeben.

Im Empfänger werden die über den Funkkanal ankommenden Si gnale zunächst mittels eines Analog/Digital-Wandlers 42 in Digitalform gebracht und dann einem invers arbeitenden OFDM- Mehrträgerdemodulator 43 mit Frequenzdemapper zugeführt. Dort werden auch die Referenzdaten für einen Kanalschätzer 44 extrahiert. Vom Ausgang des Mehrträgerdemodulators 43 werden die Daten über einen eine Entwürfelung ausführenden Deinterleaver 45 einem Maximum-Likelihood-Sequenzschätzer 46 zugeführt.

Die Daten werden mit dem Maximum-Likelihood-Sequenzschätzer 46 in den I- und Q-Komponenten getrennt detektiert und mit einem Viterbi-Decoder decodiert. Der Kanalschätzer 44 ver wendet zur Filterung der Kanalzustandsinformation auf jedem Unterträger über die Zeit ein Wiener-Filter mit 5 Filter koeffizienten. Die Filterkoeffizienten sind so gewählt, daß sie bei einer Geschwindigkeit von 200 km/h das Nyquist- Kriterium bezüglich der zeitlichen Änderungen des Kanals zweifach erfüllen.

Die weichen Entscheidungen des Maximum-Likelihood-Sequenz schätzers 46 werden an einen QPSK-Symboldemapper 47 weiter gegeben. Die detektierten und demodulierten Codebits werden dann in einem Deinterleaver 48 entwürfelt, und in einem als Faltungsdecoder mit der Rate 1/2 ausgeführten Kanaldecodie rer 49 werden die Informationsdaten dann detektiert. Diese Vorgänge laufen in inverser Form zur Sendeseite ab.

Mit diesem Ausführungsbeispiel wird beispielsweisen in länd lichen Gebieten bei Tempo 250 km/h ein Signal-Stör- Verhältnis von weniger als 14 dB benötigt, um eine Bit fehlerwahrscheinlichkeit von P_b < 10^-3 zu gewährleisten.

Claims

1. Verfahren zur gleichzeitigen Funkübertragung digitaler Daten zwischen mehreren Teilnehmerstationen und einer Basis station unter Anwendung einer Kombination des Mehrträgermo dulationsverfahrens, bei dem in einem Frequenzband zur Modu lation mehrere Unterträger zur Verfügung stehen, mit der Bandspreizungs(Spread-Spectrum)-Technik und mit einer Über tragung von Referenzdaten zur jeweils empfangsseitig durch zuführenden Kanalschätzung, dadurch gekennzeichnet,
daß sendeseitig
vor der Übertragung die digitalen Daten einer Teilneh merstation in der Weise gespreizt werden, daß sie auf einen Satz von orthogonalen Spreizsequenzen moduliert und mit die sen überlagert werden;
die gespreizten Daten einer Teilnehmerstation dann auf einer Teilmenge von Unterträgern im Mehrträger-Frequenzband aufmo duliert übertragen werden, wobei die den einzelnen Teilneh merstationen zugeordneten Teilmengen an Unterträgern dis junkt und über das gesamte Frequenzband verteilt sind, und
in den Datenstrom jeder Teilnehmerstation und zwar für jeden der dieser zugeordneten Unterträger vor der eigentlichen Übertragung sendeseitig noch die auch empfangsseitig bekann ten Referenzdaten zur Kanalschätzung eingefügt werden, und
daß empfängerseitig
die empfangenen digitalen Daten mehrträgerdemoduliert und dabei hinsichtlich der jeweiligen Teilnehmerstations- Unterträger getrennt und aus den informationstragenden Daten die Referenzdaten zur Kanalschätzung für jeden zu detektie renden Unterträger und zur Herleitung einer zur späteren Da tendetektion und zur Kanaldecodierung benötigten Kanalzu standsinformation für die jeweiligen informationstragenden Daten extrahiert werden, und
dann die informationstragenden digitalen Daten einer Teil nehmerstation gemeinsam unter Anwendung eines geeigneten entspreizenden Detektionsverfahrens detektiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus seriellen komplexen Datensymbolen bestehenden infor mationstragenden digitalen Datenfolgen einer Teilnehmersta tion sendeseitig blockweise seriell/parallel gewandelt wer den,
daß jedes der maximal L komplexen Datensymbole des in Paral lelform vorliegenden Blocks mit einer Spreizsequenz der Län ge L (L Chips) multipliziert wird, und
daß jeweils pro Block maximal L mit Datensymbolen modulierte Spreizsequenzen symbol- und damit auch chipsynchron überla gert werden, woraus eine aus L Chips bestehende Sendesequenz resultiert, welche die Information von maximal L Datensymbo len enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die digitalen Daten sendeseitig zuerst mittels ei nes Kanalcodierers mit einem Fehlerschutz-Kanalcode gegen Kanalstörungen versehen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kanalcodes entweder Faltungscodes, Turbo-Codes oder Blockcodes eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß die dem Kanalcodierer entnommenen Codebits mit ei nem Interleaver verwürfelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwürfelung blockweise oder pseudozufällig erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die verwürfelten Codebits in einem Symbolmapper zu komplexen Datensymbolen gemapped und digital moduliert wer den.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Symbolmapper eine digitale Modulation vorgenommen wird, z. B. eine Phasenumtastung in Form einer BPSK-Modulation (Binary Phase Shift Keying) oder einer QPSK-Modulation (Quadrature Phase Shift Keying), so daß am Ausgang des Sym bolmappers die komplexen Datensymbole dann in der jeweiligen modulierten Form vorliegen.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spreizsequenzen orthogonale Walsh-Hadamard-Sequenzen verwendet werden, von denen L orthogonale Spreizsequenzen der Länge L (L Chips) existieren.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß weniger als L mit Datensymbolen modulierte Spreizsequenzen der Länge L überlagert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Chips mehrerer Sendesequenzen mit einem Frequenz- und Zeit-Interleaver in Frequenz- und Zei trichtung über mehrere mehrträgermodulierte Datensymbole verwürfelt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwürfelung blockweise oder pseudozufällig erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Spreizung und Sequenz überlagerung bzw. gegebenenfalls nach der Verwürfelung im Frequenz- und Zeit-Interleaver in einem Frequenzmapper und Mehrträgermodulator jeweils M Chips seriell/parallel gewan delt werden, wobei nicht zwingend notwendig ist, daß die An zahl M der Unterträger einer Teilnehmerstation ein Vielfa ches der Spreizungscodelänge L ist,
daß in jeden der M informationstragenden Datenströme die für die empfangsseitige Kanalschätzung und Synchronisation er forderlichen Referenzdaten eingefügt werden,
daß anschließend jeder der M Datenströme einschließlich Re ferenzdaten auf eine eigene Unterträgerfrequenz moduliert wird, wobei die Frequenzzuweisung teilnehmerstationsspezi fisch vorgenommen wird und die den einzelnen Teilnehmersta tionen zugeordneten Teilmengen an Unterträgern disjunkt sind, und
daß abschließend vor einer Digital/Analog-Wandlung und der endgültigen Aussendung die M modulierten, mit den Referenz daten versehenen Datenströme aufsummiert werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterträger einer Teilnehmerstation über das gesamte Übertragungsfrequenzband verteilt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen benachbarten Unterträgern einer Teil nehmerstation äquidistant sind.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen benachbarten Unterträgern einer Teil nehmerstation pseudozufällig gewählt sind.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen benachbarten Unterträgern einer Teil nehmerstation ein ganzzahliges Vielfaches des Kehrwertes der Dauer eines mehrträgermodulierten Datensymbols ist.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zur sendeseitig durchgeführten Mehrträgermodulation das orthogonale Frequenzmulti plexverfahren OFDM (Orthogonal Frequency Division Multi plexing) eingesetzt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren mit einer inver sen Fast Fourier Transformation (IFFT) und einer Fast Fou rier Transformation (FFT) realisiert wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrträgermodulierten Datensymbole sendeseitig noch um ein Schutzintervall zyklisch verlängert werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Empfangsseite nach einer Ana log/Digital-Wandlung der empfangenen Datenströme und nach einer Beseitigung des gegebenenfalls vorhandenen Schutzin tervalls die Datensymbole mehrträgerdemoduliert und teilneh merstationsspezifisch frequenzdemapped werden,
daß die für die Kanalschätzung erforderlichen Referenzdaten von den informationstragenden Daten extrahiert werden, und
daß dann die informationstragenden Daten parallel/seriell gewandelt werden.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kanalschätzung die empfangenen Referenzdaten für je den zu detektierenden Unterträger über die Zeit gefiltert werden und daraus die zur Datendetektion und Kanaldecodie rung benötigte Kanalzustandsinformation für die information stragenden Daten ermittelt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß, sofern die einer Teilnehmerstation zugeordneten Unterträger sendeseitig nicht über die gesamte Übertragungsfrequenzband breite verteilt sind, sondern dort Gruppen oder eine Gruppe von im Übertragungsfrequenzband nebeneinander liegenden Un terträgern gebildet werden, bei der Kanalschätzung im Emp fänger die empfangenen Referenzdaten für jeden zu detektie renden Unterträger über die Zeit und zusätzlich auch in Fre quenz-Richtung gefiltert werden und daraus die zur Datende tektion und Kanaldecodierung benötigte Kanalzustandsinforma tion für die informationstragenden Daten ermittelt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekenn zeichnet, daß bei der Kanalschätzung zur Filterung eine so genannte Wiener-Filterung herangezogen wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß im Empfänger nach der Mehrträger demodulation und dem teilnehmerspezifischen Frequenzdemap ping sowie gegebenenfalls nach Entwürfelung in einem Fre quenz- und Zeit-Deinterleaver, falls sendeseitig eine ent sprechende Verwürfelung vorgesehen ist, die empfangenen in formationstragenden Daten detektiert werden.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß zur Datendetektion eine sogenannte Maximum-Likelihood- Sequenzschätzung verwendet wird, welche die wahr scheinlichste aller möglichen ges endeten Sequenzen ermittelt und die zugehörigen Daten als weiche Entscheidungen ausgibt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Maximum-Likelihood-Sequenzschätzung getrennt in den I- und Q-Signalkomponenten durchgeführt wird, z. B. bei Vorlie gen von QPSK-modulierten Datensymbolen.

28. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß zur Datendetektion ein konventionelles Detektionsverfahren verwendet wird, das nach einer Entzerrung mittels einer Rüc kentspreizung sämtliche Datensymbole einer Teilnehmerstation detektiert und weiche Entscheidungen abgibt.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines konventionellen Daten detektionsverfahrens dieses auch iterativ eingesetzt wird, so daß eine Interferenzreduzierung bei den überlagerten Spreizsequenzen zu erzielen.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß im Empfänger aus den detektierten Daten symbolen einer Teilnehmerstation nach einem gegebenenfalls vorhandenen Datensymboldemapping, nach einer gegebenenfalls vorhandenen Codebits-Entwürfelung in einem Deinterleaver und gegebenenfalls nach einer Kanaldecodierung, sofern entspre chende derartige Maßnahmen sendeseitig vorhanden sind, die digitalen informationstragenden Daten hervorgehen.

31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Systemparameter derart ausge legt werden, daß pro Übertragungskanal deutlich mehr Daten übertragen werden können, als zur reinen Sprachübertragung notwendig sind (9,6 kbit/s), und daß dann im Falle einer Sprachübertragung pro Übertragungska nal das TDMA(Time Division Multiple Access = Zeitmultiplex)- Zugriffsverfahren angewandt wird, um mehrere Sprachkanäle in einem Übertragungskanal unterzubringen.

32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch eine flexible Zuweisung der Anzahl von Unterträgern an eine mobile Teilnehmerstation je nach benö tigter bzw. verfügbarer Kapazität, unabhängig von der ge wählten Spreizungscodelänge.

33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch eine Verwendung sowohl für die Aufwärts strecke von der Teilnehmerstation zur Basisstation als auch für die Abwärtsstrecke von der Basisstation zur Teilnehmer station.

34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch eine Anwendung auf dem Gebiet des Mobil funks.

35. Verfahren nach Anspruch 34, gekennzeichnet durch eine Anwendung beim zellularen Mobilfunk.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 34, gekenn zeichnet durch eine Anwendung beim schnurlosen Telefon (CT, Cordless Telephone).