DE69733277T2

DE69733277T2 - Verzögerungsschätzungsverfahren und empfänger

Info

Publication number: DE69733277T2
Application number: DE69733277T
Authority: DE
Inventors: Jorma Lilleberg; Esko Nieminen
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2017-07-12
Also published as: EP0988710A2; EP0988710B1; WO1998002967A3; FI101659B; US6411186B1; WO1998002967A2; FI101659B1; CN1225209A; DE69733277D1; FI962845A; JP2000514968A; FI962845A0; CN1153368C; AU3445497A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verzögerungsschätzung, das in einem Funksystem eingesetzt wird, welches als Sender und Empfänger mindestens eine Basisstation und ein Teilnehmerendgerät umfasst, wobei die Signale in dem System Wellenformen umfassen, und wobei ein empfangenes oder vorverarbeitetes Signal abgetastet wird, und wobei Schätzungen der wechselseitigen Verzögerungen aus den empfangenen Signalen ermittelt werden, welche von einem oder mehreren Sendern ausgehen und sich in der Regel entlang mehrerer Signalwege ausgebreitet haben.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Empfänger, der zur Verwendung in einem Funksystem ausgelegt ist, welches als Sender und Empfänger mindestens eine Basisstation und ein Teilnehmerendgerät umfasst und Signale aufweist, die Wellenformen enthalten, wobei in dem System ein Empfänger dazu ausgelegt ist, ein empfangenes oder vorverarbeitetes Signal abzutasten und Schätzungen der wechselseitigen Verzögerungen aus den Signalen zu ermitteln, welche von einem oder mehreren Sendern ausgehen, und bei denen es sich typischerweise um Mehrwegsignale handelt, die sich entlang mehrerer Signalwege ausgebreitet haben.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In einem Funksystem wird ein Signal nach Verlassen des Senders bei der Ausbreitung in mehrere Signalanteile gestreut, weswegen beim Empfänger mehrere Kopien desselben Signals zu geringfügig unterschiedlichen Zeiten ankommen, da sich die Kopien mit gleicher Geschwindigkeit entlang unterschiedlicher Wege ausgebreitet haben. Die Signalstreuung schwankt in Abhängigkeit der Umgebung (z.B.: Berge, offenes Land, Vororte, Stadtzentrum usw.). Je größer die von der Umgebung verursachte Streuung ist, desto mehr Wege werden für die Modellierung eines Signals benötigt.
Eines der Hauptprobleme bei Entwurf und Implementierung von Datenübertragungssystemen besteht darin, Signale mehrerer gleichzeitig aktiver Benutzer auf eine solche Weise gleichzeitig übertragen und zu empfangen, dass die Signale miteinander so wenig wie möglich interferieren. Aus diesem Grunde, und wegen der benutzten Übertragungskapazität, wurden mehrere verschiedene Übertragungsprotokolle und Mehrfachzugriffsverfahren entwickelt, wie etwa das Codemultiplex-Mehrfachzugriffsverfahren (CDMA).
CDMA ist ein Mehrfachzugriffsverfahren, das auf dem Bandspreizverfahren beruht und in Zellularfunksystemen seit einiger Zeit zusätzlich zu den bereits etablierten Verfahren FDMA (Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff) und TDMA (Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff) angewendet wird. CDMA weist im Vergleich zu den älteren Verfahren mehrere Vorteile auf, wie etwa einfache Frequenzplanung und Frequenzökonomie. Die Erfindung wird im Folgenden anhand ihrer beispielhaften Anwendung in einem CDMA-System mit direkter Bandspreizung beschrieben. Die Anwendung der Erfindung auf andere Systeme, wie etwa digitales Autoradio, ist ebenfalls möglich.
Bei dem CDMA-Verfahren mit direkter Bandspreizung wird ein schmalbandiges Datensignal eines Benutzers durch Multiplikation mit einem Spreizcode von wesentlich größerer Bandbreite auf ein vergleichsweise breites Band aufgeweitet. In bekannten Testsystemen werden u.a. Bandbreiten von 1,25 MHz, 10 MHz und 25 MHz benutzt. Bei der Multiplikation wird das Datensignal auf das gesamte zu benutzende Band aufgespreizt. Alle Benutzer übertragen gleichzeitig auf demselben Frequenzband. Auf jeder Verbindung zwischen der Basisstation und einer Mobilstation wird ein separater Spreizcode eingesetzt, und die Benutzersignale lassen sich bei den Empfängern anhand der Spreizcodes der einzelnen Benutzer voneinander unterscheiden. Die Spreizcodes werden vorzugsweise derart ausgewählt, dass sie untereinander im Wesentlichen orthogonal sind, d.h. miteinander so wenig wie möglich korrelieren.
In auf herkömmliche Weise implementierten CDMA-Empfängern werden die dort bereitgestellten Korrelatoren mit einem Nutzsignal synchronisiert, das basierend auf dem Spreizcode identifiziert wird. Das Datensignal wird im Empfänger in das ursprüngliche Band rücküberführt, indem es erneut mit demselben Spreizcode multipliziert wird, der zur Übertragung benutzt wurde. Signale, die mit anderen Spreizcodes multipliziert wurden, korrelieren nicht ideal und werden daher nicht in das schmale Band rücküberführt. Für das erfasste Signal erscheinen sie daher als Rauschen. Die Streuung der Signale in ein Mehrwegsignal und die Signale der anderen Benutzer erschweren die Detektion des Nutzsignals, indem sie das empfangene Signal verzerren.
Die Detektion der Benutzersymbole ist möglich, wenn die Verbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger synchronisiert ist, d.h., wenn die Signalverzögerung bekannt ist. Ein Verfahren nach Stand der Technik besteht darin, einen herkömmlichen Einbenutzer-Verzögerungsschätzer zu benutzen. Dieses Verfahren funktioniert nur dann gut, wenn gewisse Randbedingungen erfüllt sind, und da es sich um eine einfache Implementierung handelt, ist zudem seine Kapazität nicht ausreichend. Eine erfolgreiche Synchronisation erfordert in der Regel Vorausinformationen über die Benutzersymbole und die komplexen Dämpfungskoeffizienten des Kanals.
Insbesondere in asynchronen Systemen, d.h. in Systemen, bei denen die Signale der Benutzer nicht wechselseitig synchronisiert sind, ist ein zuverlässiger Signalempfang schwer zu erreichen, da die Benutzersymbole durch mehrere Symbole der anderen Benutzer gestört werden. Der Verwendung von an Spreizcodes angepassten Filtern und von Filtern mit gleitender Korrelation als Detektoren in herkömmlichen Empfängern ist jedoch nicht effektiv. Zu den effektiveren bekannten Verfahren zählen Mehrbenutzer-Detektoren, wie z.B. ein Dekorrelationsdetektor, der Mehrfachzugriffsinterferenzen aus dem empfangenen Signal entfernt, indem er es mit der Kreuzkorrelationsmatrix der benutzen Spreizcodes multipliziert. Ein Dekorrelationsdetektor und seine bekannten Implementierungen wird eingehender in folgenden Veröffentlichungen beschrieben: Multiuser detectors for synchronous code-division multiple access channels („Mehrbenutzer-Detektoren für synchrone Codemultiplex-Mehrfachzugriffskanäle"), Verdu Lupas, IEEE Transactions on Information Theory, Bd. 35, Nr. 1, S. 123 bis 136, Jan. 1989 und Near-far resistance of multiuser detectors in asynchronous channels („Nah-Fern-Widerstand von Mehrbenutzer-Detektoren bei asynchronen Kanälen"), Verdu Lupas, IEEE Transactions on Communications, Bd. 38, Apr. 1990.
In US-Patentschrift 5,231,648 wird ein adaptiver Entzerrer für digitalen Zellularfunk offenbart.
In der Patentschrift WO 95/24086 werden ein digitales Übertragungssystem mit Mehrfachzugriff sowie eine Funkba sisstation und ein Empfänger zur Verwendung in einem solchen System offenbart.
MERKMALE DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verzögerungsschätzung bereitzustellen, wobei die Verzögerungsschätzungen gleichzeitig für alle Benutzer und Signalwege vor der Detektion von Benutzersymbolen und ohne Informationen über die Eigenschaften des Kanals gebildet werden.
Dies wird mit einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 erreicht, das durch Folgendes gekennzeichnet ist: Ermitteln der Wege, für die die Schätzung durchzuführen ist, Ermitteln der verwendeten Wellenformen, die in einem Codebankmodell enthalten sind, Auswählen jeweils eines der ermittelten Wege zur Schätzung, und, bezüglich dieser Wege, Lösen des Problems der Minimierung der Fehlerquadrate zwischen dem empfangenen Signal und den benutzten Wellenformen, die in dem Codebankmodell enthalten sind, dergestalt, dass jeweils immer nur die Verzögerung eines gewählten Weges innerhalb des gewünschten Suchintervalls geändert wird, während die Verzögerungen der anderen Wege unverändert bleiben, so dass verzögerungsspezifische Minimierungsergebnisse gebildet werden, Suchen nach einer Verzögerung, die den Minimierungsergebnissen entspricht, und für die das minimierte Ergebnis kleiner oder gleich den Ergebnissen für die anderen Verzögerungen desselben Wegs ist, Speichern der Verzögerung, bei der es sich um die gesuchte Verzögerungsschätzung handelt, und Nutzen der Verzögerung als konstanten Wert des Wegs bei der Suche nach den Verzögerungen der anderen Wege.
Der Empfänger ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass er Wegemodellmittel, Codebankmodellmittel und Verzögerungsmittel umfasst, wobei die Verzögerungsmittel dazu ausgelegt sind, ein Signal und von den Wegemodellmitteln Informationen über die Wege, für die die Schätzung durchzuführen ist, sowie von den Codebankmodellmitteln das Codebankmodell zu empfangen, wobei das Codebankmodell Informationen über die benutzten Wellenformen enthält, wobei die Verzögerungsmittel außerdem dazu ausgelegt sind, spezifisch für jeden Weg die folgenden Verfahrensschritte zur Verzögerungsschätzung auszuführen: Lösen des Problems der Minimierung der Fehlerquadrate zwischen dem empfangenen Signal und den benutzten Wellenformen, die in dem Codebankmodell der Codebankmodellmittel enthalten sind, um Minimierungsergebnisse bereitzustellen, wobei bei dem Minimierungsproblem jeweils immer nur die Verzögerungen eines gewählten Weges zu ändern sind, während die Verzögerungen der anderen Wege unverändert bleiben, Suchen nach einer Verzögerung, für die das Minimierungsergebnis kleiner oder gleich den Ergebnissen für die anderen Verzögerungen desselben Wegs ist, und Speichern der Verzögerung, bei der es sich um die gesuchte Verzögerungsschätzung handelt, und Verwenden der Verzögerung als konstanten Wert bei der Suche nach den Verzögerungen der anderen Wege.
Das Verfahren gemäß der Erfindung und der Empfänger, der das Verfahren anwendet, bieten erhebliche Vorteile. Die Verzögerungen aller Wege aller Benutzer können gleichzeitig berücksichtigt werden. Zur Bildung der Verzögerungsschätzungen ist es nicht nötig, die Benutzersymbole und die komplexen Dämpfungskoeffizienten zu kennen. Zudem können bekannte Parameter berücksichtigt und mit dem Verfahren kombiniert werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 einen zweidimensionalen Verzögerungsraum,
2 einen Verzögerungsraum und eine korrekte Lagebestimmung der Verzögerung,
3 den Wert von g bei verschiedenen Verzögerungen als Funktion des Spreizcodes eines Weges,
4 einen Lösungsvektor z des Minimierungsproblems und g bei verschiedenen Verzögerungen,
5 eine typische Empfängerstruktur und
6 ein Funksystem.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Anordnung gemäß der Erfindung kann insbesondere in einem CDMA-System oder in einem digitalen Autoradiosystem angewendet werden, ohne dass die Erfindung jedoch hierauf beschränkt wäre. Beispiele für andere Systeme, in denen die Erfindung angewendet werden kann, sind u.a. FDMA- und TDMA-Systeme.
Wir betrachten nun die Anordnung gemäß der Erfindung hauptsächlich bei der Anwendung in einem CDMA-System. In der Anordnung gemäß der Erfindung wird ein Signal abgetastet, das zuvor empfangen und möglicherweise auf die ein oder andere Art und Weise vorverarbeitet wurde. Die Vorverarbeitung kann zum Beispiel in einer analogen oder digitalen Filterung bestehen. Das empfangene und abgetastete Signal wird während eines Beobachtungsintervalls untersucht, das sich über mindestens ein Datensymbol erstreckt, und die Schätzung der empfangenen Verzögerungen wird basierend auf dieser Untersuchung durchgeführt.
Das Empfangsverfahren gemäß der Erfindung kann sowohl in einem synchronen als auch in einem asynchronen System angewendet werden. Das Verfahren ist unabhängig von der Benutzerzahl oder der Zahl der Mehrwegausbreitungs-Signalkomponenten der einzelnen Benutzer anwendbar.
Das empfangene asynchrone CDMA-Signal r(t) ist im Allgemeinen von der Form
wobei a_klm die komplexe Kanaldämpfung, b_km ein Benutzerbit oder eine Bitkombination, s_k(t) die Spreizcodesequenz/Wellenform des Benutzers, d_klm eine durch Asynchronizität hervorgerufene Verzögerung, n(t) Rauschen und T eine Symbolperiode ist. Die Anzahl der Benutzer K(t) ist eine Funktion, die sich mit der Zeit verändert, M(k) ist die Anzahl der zu übertragenden Symbole und L(t, k) ist die Anzahl der empfangenen Signalkomponenten, die von der Zeit und vom Benutzer abhängt, d.h., L(t, k) entspricht den Wegen, entlang derer sich die Signale ausgebreitet haben. L(t, k) ist eine Funktion der Zeit, da die Anzahl der Mehrwegausbreitungs-Signalkomponenten für verschiedene Benutzer zeitlich variabel ist. Gleichung (1) kann auch in Matrixform angegeben werden: r = SdAb + n (2)
Hierbei gilt b = (b_km), A = diag(a) ist eine diagonale Matrix mit a = (a_klm), n ist ein Rauschterm und S_d ist die Matrix der Spreizcodes, d.h. ein Codebankmodell, das mit einem Verzögerungsvektor d = (d₁, d₂, ... d_p) parametrisiert ist. Es stellt sich heraus, dass die Verzögerungen d mit Hilfe der folgenden doppelten Minimierungsfunktion abgeschätzt werden können:
Die Fehlerquadratminimierung bezüglich der Variablen z kann mit einem beliebigen Verfahren nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ausgeführt werden, was eingehender in „Numerical Methods for Least Squares Problems" („Numerische Verfahren für Fehlerquadratminimierungsprobleme"), Åke Björck, SIAM, Philadelphia, USA, 1996 beschrieben ist. Insbesondere ist in diesem Fall das Verfahren der konjugierten Gradienten nach Hestenes-Stiefel vorteilhaft, da es schnell gegen die Lösung konvergiert. Das Verfahren der konjugierten Gradienten nach Hestenes-Stiefel wird eingehender in „Introduction to Numerical Analysis" („Einführung in die numerische Analysis"), J. Stoer und R. Bulirsch, Springer-Verlag, 1983, S. 572 bis 576 beschrieben. Die Minimierung bezüglich der Verzögerungen d = (d₁, d₂, ... d_p) wird ausgeführt, indem die möglichen Verzögerungen d_k = 0, 1, ...(Länge der Abtastsequenz – 1) von jeweils einem Weg untersucht und die minimierende Verzögerung ausgewählt wird.
Ein typischer Algorithmus zum Lösen eines für ein bestimmtes System spezifischen Problems lautet zum Beispiel wie folgt:
Sei A die Menge der Indizes aller zuvor ermittelter Wege aller Benutzer A = {1,2, ..., p}, und sei d = (d₁, d₂, ... d_p) anfänglich als d = 0 zugewiesen. Sei S_d das verwendete Codebankmodell, das den Verzögerungen d entspricht.

1. Auswählen eines Weges, wie etwa k, aus der Wegemenge A;
2. Lösen des folgenden Fehlerquadratminimierungsproblems für jedes j = 0, 1, 2, ..., cl_k – 1:
wobei d = (d₁, d₂, ..., d_k, ..., d_p),
und
ist die ursprüngliche Verzögerung des Weges k;
3. Ermitteln von j₀ mit der Eigenschaft, dass g(j) ≥ g(j₀) für alle j = 0, 1, 2, ..., cl_k – 1 gilt, und Zuweisen von
4. Durchgehen aller Wege aus A.

In dem Algorithmus bezeichnet cl_k die Länge der Folge aus Signalabtastungen des k-ten Weges, da das Signal mit der Abtastfrequenz abgetastet wird. Im CDMA-System bestimmt das Wegemodell die Anzahl der Wege von z.B. einem Spreizcode. Die Nichtgleichzeitigkeit der Signalkomponenten, die sich entlang unterschiedlicher Wege ausgebreitet haben, wird mittels der Verzögerungen kontrolliert, welche für jeden Weg im Wegemodell abzuschätzen sind. Das Codebankmodell legt die zu benutzenden Spreizcodes und deren Verhalten, zum Beispiel ihre Periodizität/Nichtperiodizität, fest. Das Codebankmodell enthält außerdem Informationen darüber, wie der Spreizcode das gestreute Signal, das sich entlang der Wege ausgebreitet hat, modelliert. In einem solchen Fall ist es möglich, die Mehrwegausbreitung eines Codes zu modellieren, selbst wenn das CDMA-Signal mehrere verschiedene Spreizcodes mit deren Wegen enthielt. Der Weg kann auch mit einem unvollständigen Signalmodell modelliert werden, d.h., Teile des Codebankmodells können ausgelassen werden.
Der Algorithmus wird von Schritt 1 bis Schritt 4 mindestens einmal ausgeführt, so dass in der auf das erste Mal folgenden Iteration die Verzögerungen d durch die Werte der Verzögerungen des vorhergehenden Iterationsdurchgangs gegeben sind. Wenn der Algorithmus einmal ausgeführt wird, werden bei der Ausführung der Minimierungsfunktion die stärksten Wege aus dem Verzögerungsraum gefunden. Andererseits wird die Lage schwacher Wege nicht notwendigerweise umgehend erkannt, aber wenn der Algorithmus wiederholt wird, ist es auch möglich, die schwächsten Wege zu finden, so dass die benötigten Verzögerungen der zuvor ermittelten Wege abgeschätzt werden können.
Die Lösung mit den kleinsten Fehlerquadraten kann vorzugsweise mit dem Verfahren der konjugierten Gradienten nach Hestenes-Stiefel (HS-KG-Algorithmus) o.Ä. abgeschätzt werden. Der Konjugierte-Gradienten-Algorithmus nutzt die Ergebnisse des vorhergehenden bzw. n-ten Iterationsdurchgangs für die Iteration (n + 1). Andernfalls sind die Anfangswerte des HS-CG-Algorithmus null. Bei dem Spreizcode handelt es sich vorzugsweise um den Gold-Code o.Ä.
Wir betrachten nun eingehender die Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung auf ein Funksystem. Ein CDMA-Signal umfasst in der Regel mehrere Spreizcodes auf demselben Band, und das von jedem Spreizcode erzeugte Signal kann gestreut werden. Für die den einzelnen Spreizcodes entsprechenden gestreuten Signale sind die Verzögerungen abzuschätzen. Die Codebank wird benutzt, um die Art und Weise der Streuung und die Eigenschaften der verwendeten Spreizcodes zu modellieren, welche in jedem System separat festgelegt sind. Es ist besonders zu betonen, dass das Codebankmodell unvollständig sein darf, d.h., es ist nicht notwendig, dass es gleichzeitig alle Spreizcodes des CDMA-Signals enthält, vielmehr kann beispielsweise lediglich ein Spreizcode vorliegen, und selbst dieser kann auf unvollständige Weise modelliert sein. Mit anderen Worten: Von einem perfekten Modell bis hin zu einem Modell, das lediglich einen Spreizcode enthält, können viele verschiedene Codebankmodelle auf dasselbe CDMA-Signal angewendet werden. Zusätzlich zu den Spreizcodes beeinflussen auch die Verzögerungen und das Wegemodell die Struktur des Codebankmodells.
Das verwendete Wegemodell legt fest, wie viele Wege die Codebank für jeden Spreizcode enthält, und die verschiedenen Spreizcodes können jeweils unterschiedlich viele Wege aufweisen. Der Verzögerungsalgorithmus ist in wegespezifischer Form gegeben: Entsprechend der Gesamtzahl von Wegen werden die Lagen der Verzögerungen für jeden einzelnen Weg separat ermittelt, und in Verbindung mit jedem einzelnen Weg wird der Spreizcode oder ein vom Wegemodell benötigter Teil davon benutzt.
Für das empfangene CDMA-Signal werden das zu verwendende Codebankmodell und das zu verwendende Wegemodell ausgewählt. Es werden lediglich die Verzögerungen derjenigen Wege, die den Spreizcodes im Codebankmodell entsprechen, abgeschätzt. Am Anfang werden die Verzögerungen aller Wege auf null gesetzt, sofern keine genaueren Informationen über die Verzögerungswerte vorliegen. Weg für Weg werden daraufhin die Lagen der Verzögerungen ermittelt, indem die Verzögerung des jeweils gerade untersuchten Wegs ausgehend vom Anfangswert schrittweise um jeweils einen Verzögerungsschritt verschoben wird, bis alle zu prüfenden Verzögerungswerte geprüft worden sind und das Problem der Minimierung der Fehlerquadrate zwischen dem CDMA-Signal und dem Codebankmodell für alle geprüften Verzögerungen gelöst ist. Die Verzögerung, die dem Wert mit dem geringsten Fehlerquadrat entspricht, wird als Verzögerung des Wegs zugewiesen. Die Verzögerungen der anderen, nicht aktuell untersuchten Wege werden konstant gehalten, mit anderen Worten: Nur die Verzögerung des jeweils gerade untersuchten Wegs wird verändert. Alle Wege werden der soeben beschriebenen Operation unterzogen, und vorzugsweise werden alle Wege zumindest einmal geprüft; wenn der Algorithmus mehrmals hintereinander ausgeführt wird, können die Verzögerungen des vorangehenden Durchgangs als Anfangswerte für den nächsten Durchgang herangezogen werden. Der oben beschriebene Algorithmus kann derart abgeändert werden, dass die Verzögerungen einiger Wege in dem Wegemodell als bekannt angenommen werden und deswegen nicht nach den Verzögerungen dieser Wege gesucht wird, wenn der Algorithmus ausgeführt wird.
1 erläutert, wie die Verzögerungssuche im Verzögerungsraum vonstatten geht. Es gibt nur zwei Wege, deswegen ist der Verzögerungsraum lediglich zweidimensional. Die Verzögerung des Weges p_a ist auf der dx-Achse, die Verzögerung des Weges p_b auf der dy-Achse aufgetragen. Die Suche wird vorzugsweise derart durchgeführt, dass die Verzögerungen von allen anderen Wegen bis auf einen auf einem zuvor festgelegten Wert gehalten werden. In einem solchen Fall wird der Wert dieses einen Weges, hier p_b, bezüglich der Verzögerungen der anderen Wege, hier p_a, geändert. Die feste Verzögerung des Weges p_a sei d_a. In diesem Fall wird das Durchsuchen des Verzögerungsraums zum Beispiel bei der Verzögerung d_b = 0 des Weges p_b gestartet, und der Vorgang schreitet im Bild nach oben hin fort, bis das andere Ende des dem Weg p_b entsprechenden Codes erreicht ist. Wichtig sind hier nicht die Start- und Endpunkte, sondern die Tatsache, dass mit Hilfe des Algorithmus der gewünschte Suchbereich geprüft wird. Die in Schritt 2 gebildeten Minima des Algorithmus entsprechen einer Art von Korrelation, wobei der kleinste Wert für die beste Korrelation steht. In Schritt 3 des Algorithmus wird das kleinste dieser Minima ausgewählt. In einem solchen Fall nimmt die Minimierungsfunktion auf dem Bereich zwischen Anfang und Ende des Spreizcodes von Weg p_b ihren kleinsten Wert bezüglich der Verzögerung an, d.h., dieser Wert liegt am Punkt db = d_b;min vor. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung finden Bewegungen im Verzögerungsraum nur in Richtung der Koordinatenachsen des Raums statt, so dass die Funktion wesentlich schneller gelöst werden kann. Wenn insgesamt 100 Wege p vorliegen und die Symbollänge m 200 beträgt, müssen m^p = 200¹⁰⁰ Punkte untersucht werden, um die Funktion in allgemeiner Form zu lösen. Wenn Bewegungen nur in Richtung der Koordinatenachsen des Verzögerungsraums stattfinden, ist die Anzahl der erhaltenen Punkte wesentlich geringer als zuvor, nämlich mp = 200·100 = 20000.
2 zeigt einen zweidimensionalen Verzögerungsraum und – in einer dreidimensionalen Weise – das Verhalten der Funktion g in Bezug auf das Minimierungsproblem bei verschiedenen Verzögerungskombinationen. Die Funktion g nimmt auf der von den Verzögerungsachsen dx und dy gebildeten Oberfläche gebietsweise kleine Werte an. Wir betrachten nun die Suche nach der Verzögerung von Weg p_b. Beginnend beispielsweise beim Punkt dx_a in Richtung der Verzögerungsachse dy gelangt man zu einem Punkt d_b;min = 23, an dem typischerweise über die Breite von zwei Chips ein niedrigerer Bereich vorliegt. Nachdem die Lage dieses Bereichs ermittelt wurde, wird die Verzögerung für den Spreizcode dieses Wegs gespeichert, und es ist daher möglich, die Lage des Bereichs des kleinsten Werts des Wegs p_a in Richtung der Verzögerungsachse dx zu ermitteln; dieser Wert wird am Punkt d_a;min 22 gefunden. Der Minimalwert der Funktion g für die Wege p_a und p_b wird somit aus dem Punkt (d_a;min, d_b;min) = (22, 23) gefunden, welcher zudem die Lösung der Minimierungsfunktion aus Schritt 3 des Algorithmus darstellt. In der Regel dominiert ein Minimum (d_a;min, d_b;min) der Funktion g, und die übrigen Punkte im Verzögerungsraum nehmen wesentlich größere Werte an. Dennoch ist es in der Regel nützlich. weitere Verzögerungen der Signalwege zu suchen. Das CDMA-System nutzt für gewöhnlich ein Band von z.B. 1,25 MHz und sieht vorzugsweise die Verwendung von drei Wegen für einen Spreizcode vor. Auf einem größeren Frequenzbad können mehr Wege benutzt werden.
Die Werte
bei verschiedenen Verzögerungen sind eingehender in 3 gezeigt. Diese Werte stellen eine Art von Korrelation zwischen den Spreizcodes verschiedener Wege dar. In der Figur ist auf der y-Achse der Wert von g und auf der x-Achse in Abtastgenauigkeit der Spreizcodes des Wegs aufgetragen. Der Wert g nimmt sein Minimum ein, wenn die Signaldichtefunktion ihren wegespezifischen Maximalwert einnimmt.
4 zeigt den Lösungsvektor z, der zu den kleinsten Fehlerquadraten führt, und die Werte g bei verschiedenen Verzögerungen. Wenn die Verzögerung des Spreizcodes verändert wird, verändern sich die Lösungsvektoren z₁, z₂ und z₃ des Minimierungsproblems, und die entsprechenden Minimalwerte werden zu anderen Punkten verschoben, z.B. zu g(d₁), g(d₂), g(d₃). Somit müssen in Schritt 2 des Algorithmus für jeden Weg und jede Verzögerung getrennt ein Lösungsvektor des Minimierungsproblems und ein Minimum berechnet werden. Die Matrix S_d wird mit Hilfe des Wegemodells, des Codebankmodells und der Verzögerungen direkt ermittelt; sie modelliert die Wege der Spreizcodes mit den Verzögerungen.
In einem mehrdimensionalen Verzögerungsraum ist es zudem möglich, dass für bestimmte Wege eine exakte Verzögerungsschätzung d bekannt ist; in diesem Fall wird für die fragliche Verzögerungsachse keine Minimierung gemäß Schritt 2 des Algorithmus der Erfindung ausgeführt.
5 zeigt eine typische Empfängerstruktur. Der Empfänger umfasst eine Antenne 60, Hochfrequenzmittel 61, Detektionsmittel 62, Verzögerungsmittel 64, Wegemodellmittel 63, Codebankmodellmittel 65 und Steuermittel 66. Wir betrachten nun eingehender den Betrieb des Empfängers gemäß der Erfindung. Die Antenne 60 empfängt Signale, deren Frequenz in den Hochfrequenzmitteln 61 in eine Zwischenfrequenz umgewandelt wird, indem zum Beispiel die empfangenen Signale mit der Frequenz des lokalen Oszillators multipliziert und hohe Frequenzen mittels Tiefpassfilterung entfernt werden. Dieses Zwischenfrequenzsignal wird sowohl zur Detektion 62 als auch zu den Verzögerungsmitteln 64 weitergeleitet. In der Detektion 62 wird das Zwischenfrequenzsignal zunächst in ein digitales Signal umgewandelt, um die Detektion zu ermöglichen, und anschließend mit Mitteln zur digitalen Signalverarbeitung verarbeitet. Hierzu wird das Signal zum Beispiel demoduliert, die übertragenen Bits werden erfasst, und die erfassten Bits werden – abhängig vom Empfänger – an den Benutzer oder an andere Teile des Netzes weitergeleitet. Die Verzögerungsmittel 64 wiederum bilden mit Hilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung Verzögerungen gemäß den Wegen für verschiedene Spreizcodes, und der Detektor 62 nutzt die Verzögerungen beispielsweise bei der Kombination der Mehrwegsignale, die entlang verschiedener Wege eingegangen sind. Beim Mehrwegempfang kombinieren die gängigsten Diversity-Empfänger die Signale vor oder nach der Detektion und benutzen dafür zum Beispiel Kombination durch Auslese oder konstruktive Kombination (Maximal Ratio Combining und Equal Gain Combining). Die Mehrwegsignale werden üblicherweise mit Hilfe von Viterbi-Detektion erfasst; in diesem Falle werden die Signale nach der Detektion kombiniert. Es ist jedoch äußerst wünschenswert, die Signale vor der Detektion zu kombinieren, da so eine größere Signalverstärkung erzielt wird. Die Verzögerungsmittel 64 nutzen die für jedes System spezifischen Informationen der Codebankmodellmittel 65 und der Wegemodellmittel 63. Der Inhalt der Wegemodellmittel 63 ist zudem von der Umgebung abhängig. Zum Beispiel sollte der Inhalt der Wegemodellmittel 63 in einer Stadt ein anderer sein als auf offenem Land. Das Wegemodell bezieht sich in der Regel auf die Anzahl der Wege pro Spreizcode. Die Codebankmodellmittel 65 enthalten Daten über die verwendeten Spreizcodes, die Art der Streuung, die möglichen Perioden der Codes und darüber, wie die einzelnen Wege modelliert werden. Der Inhalt von sowohl den Codebankmodellmitteln als auch den Wegemodellmitteln kann situations- und umgebungsabhängig nach Bedarf verändert werden. Die Steuermittel 66 steuern den Betrieb des Empfängers.
Der Empfänger kann unter Nutzung von üblicherweise in Funksystemen benutzten Komponenten und Teilen implementiert werden. Bei der Antenne 60 handelt es sich um eine herkömmliche Antenne nach Stand der Technik, die eine oder mehrere Komponenten enthält. Die Hochfrequenzmittel 61 umfassen herkömmliche Hochfrequenzelektronik. Die Mittel 62 bis 66 zur digitalen Signalverarbeitung können mit ASIC- oder VLSI-Schaltungen implementiert werden, deren Betrieb bzw. Betriebssteuerung beispielsweise mit Hilfe von Software und Mikroprozessortechnik realisiert wird.
6 zeigt ein typisches Funksystem, das eine Basisstation 70, Teilnehmerendgeräte 71 und 72 und Mehrwegsignale 73 bis 77 auf verschiedenen Wegen umfasst. Die Basisstation 70 ist an ein weiteres Netz-Teilsystem des Funksystems angeschlossen (nicht gezeigt). Das Netz-Teilsystem umfasst zum Beispiel mindestens eine Basisstations-Kontrolleinrichtung und eine Mobilfunkvermittlungsstelle, die mit anderen Vermittlungsstellen und anderen Telefonsystemen o.Ä. verbunden ist. Die Basisstation 70 und die Teilnehmerendgeräte 71 und 72 umfassen mindestens einen Sender und Empfänger. Bei den Teilnehmerendgeräten 71 und 72 handelt es sich für gewöhnlich um Mobiltelefone, die von Teilnehmern oder Benutzern benutzt werden. Die Doppelpfeile in 6 bedeuten, dass die Teilnehmerendgeräte 71 und 72 und die Basisstation 70 über eine bidirektionale Verbindung miteinander kommunizieren. In einem solchen Fall kann sich beispielsweise ein Signal von Teilnehmerendgerät 71 entlang dreier unterschiedlicher Wege 75 bis 77 zur Basisstation 70 ausbreiten. Die verschiedenen Komponenten dieses Signals, das sich entlang dreier Wege 75 bis 77 ausgebreitet hat, weisen aufgrund der unterschiedlichen Signallaufstrecken an der Basisstation 70 wahrscheinlich unterschiedliche Verzögerungen auf. Somit werden in dem Verfahren gemäß der Erfindung die Verzögerungen aller Wege 73 bis 77 der Signale aller Benutzer 71 und 72 im Empfänger der Basisstation 70 gleichzeitig gebildet, bevor dem Empfänger 70 Informationen über die Kanaleigenschaften oder die Inhalte der Benutzersignale vorliegen.
In dem Verfahren gemäß der Erfindung kann ein Benutzer mehrere Spreizcodes unterschiedlicher Länge einsetzen, die zum Beispiel periodisch wiederkehren oder sich laufend ändern.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist außerdem auf andere Funksysteme als solche, die einen tatsächlichen Spreizcode einsetzen, anwendbar. Bei dem Spreizcode handelt es sich lediglich um ein Beispiel für eine Signalwellenform, die eine Einheit darstellt, zu der aus Bits oder Bitkombinationen gebildete kodierte Informationen hinzugefügt werden. Im CDMA-System nimmt die Funktion der Wellenform ein Spreizcode an, wohingegen das TDMA-System vier verschiedene Wellenform-Alternativen einsetzt. Die Wellenformen sind für die einzelnen Systeme spezifisch. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist nicht von dem Funksystem abhängig, aber es ist für das Verfahren erforderlich, die für die Datenübertragung benutzten Wellenformen zu kennen. Bekanntermaßen sind bei der digitalen Datenübertragung die benutzten Wellenformen und die Art ihrer Verwendung bekannt.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Schätzung für die verschiedenen Wege gleichzeitig in Parallelverarbeitung durchgeführt werden, um so die Schätzung zu beschleunigen. Eine Beschleunigung der Schätzung kann zudem dadurch erfolgen, dass bestimmt wird, dass die Verzögerungen zwischen mindestens einigen Wegen konstant sind; in diesem Fall ermöglicht die Ermittlung der Verzögerung eines Weges die Modellierung der Verzögerungen aller dieser Wege, und die Verzögerungen dieser Wege werden somit bei der Suche gleichzeitig geändert.
Zwar wurde die Erfindung obenstehend unter Bezugnahme auf das Beispiel gemäß der beigefügten Zeichnungen beschrieben, doch ist es offensichtlich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, sondern im Rahmen des Umfangs der beigefügten Ansprüche auf verschiedene Arten modifiziert werden kann.

Claims

Verfahren zur Verzögerungsschätzung, das in einem Funksystem eingesetzt wird, welches als Sender und Empfänger mindestens eine Basisstation (70) und ein Teilnehmerendgerät (71, 72) umfasst, wobei die Signale in dem System Wellenformen umfassen, und wobei ein empfangenes oder vorverarbeitetes Signal abgetastet wird, und wobei Schätzungen der wechselseitigen Verzögerungen aus den empfangenen Signalen ermittelt werden, welche von einem oder mehreren Sendern ausgehen und sich in der Regel entlang mehrerer Signalwege (73–77) ausgebreitet haben, gekennzeichnet durch: Ermitteln der Wege (73–77), für die die Schätzung durchzuführen ist, Ermitteln der Arten der benutzten Wellenformen, wobei diese Information in einem nutzbaren Modell enthalten sind, das nachstehend Codebankmodell genannt wird, Auswählen jeweils eines der ermittelten Wege (73–77) zur Schätzung, und, bezüglich dieser Wege, Lösen des Problems der Minimierung der Fehlerquadrate zwischen dem empfangenen Signal und den benutzten Wellenformen, die in dem Codebankmodell enthalten sind, dergestalt, dass jeweils immer nur die Verzögerung eines gewählten Weges (73–77) innerhalb des gewünschten Suchintervalls geändert wird, während die Verzögerungen der anderen Wege (73–77) unverändert bleiben, so dass verzögerungsspezifische Minimierungsergebnisse (30) gebildet werden, Suchen nach einer Verzögerung, die den Minimierungsergebnissen (30) entspricht, und für die das minimierte Ergebnis (31) kleiner oder gleich den Ergebnissen für die anderen Verzögerungen desselben Wegs (73–77) ist, Speichern der Verzögerung, bei der es sich um die gesuchte Verzögerungsschätzung (22, 23) handelt, und Nutzen der Verzögerung als konstanten Wert des Wegs (73–77) Wert bei der Suche nach den Verzögerungen der anderen Wege (73–77).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens zweimal ausgeführt wird, und dass die während des ersten Durchgangs abgeschätzten Verzögerungen während des zweiten Durchgangs genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Problem der Minimierung der Fehlerquadrate zwischen dem empfangenen Signal und den benutzten Wellenformen, die im Codebankmodell enthalten sind, mit Hilfe des Verfahrens der konjugierten Gradienten nach Hestenes-Stiefel gelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungen der verschiedenen Wege mit der Genauigkeit des Abtastfrequenzintervalls ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich die unbekannten Verzögerungen der Wege abgeschätzt werden, falls die Verzögerungen einiger Wege bekannt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem CDMA-System o.Ä., wenn der Spreizcode der Wellenform entspricht, der Gold-Code als Spreizcode benutzt wird.
Empfänger, der zur Verwendung in einem Funksystem ausgelegt ist, welches als Sender und Empfänger mindestens eine Basisstation (70) und ein Teilnehmerendgerät (71, 72) umfasst und Signale aufweist, die Wellenformen enthalten, wobei in dem System der Empfänger dazu ausgelegt ist, ein empfangenes oder vorverarbeitetes Signal abzutasten und Schätzungen der wechselseitigen Verzögerungen aus den Signalen zu ermitteln, welche von einem oder mehreren Sendern ausgehen, und bei denen es sich typischerweise um Mehrwegsignale handelt, die sich entlang mehrerer Signalwege (73–77) ausgebreitet haben, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger Wegemodellmittel (63), Codebankmodellmittel (65) und Verzögerungsmittel (64) umfasst, wobei die Verzögerungsmittel (64) dazu ausgelegt sind, Folgendes zu empfangen: das empfangene oder vorverarbeitete Signal, von den Wegemodellmitteln (63) Informationen über die Wege, für die die Schätzung durchzuführen ist, und Informationen über die benutzten Wellenformen, die in einem nutzbaren Modell enthalten sind, das nachstehend Codebankmodell genannt wird und in den Codebankmodellmitteln (65) gespeichert ist, wobei die Verzögerungsmittel (64) außerdem dazu ausgelegt sind, spezifisch für jeden Weg die folgenden Verfahrensschritte zur Verzögerungsschätzung auszuführen: Lösen des Problems der Minimierung der Fehlerquadrate zwischen dem empfangenen Signal und den benutzten Wellenformen, die in dem Codebankmodell der Codebankmodellmittel (65) enthalten sind, um Minimierungsergebnisse (30) bereitzustellen, wobei bei dem Minimierungsproblem jeweils immer nur die Verzögerungen eines gewählten Weges zu ändern sind, während die Verzögerungen der anderen Wege unverändert bleiben, Suchen nach einer Verzögerung, für die das Minimierungsergebnis (31) kleiner oder gleich den Ergebnissen für die anderen Verzögerungen desselben Wegs ist, und Speichern der Verzögerung, bei der es sich um die gesuchte Verzögerungsschätzung (22, 23) handelt, und Verwenden der Verzögerung als konstanten Wert bei der Suche nach den Verzögerungen der anderen Wege.
Empfänger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsmittel (64) dazu ausgelegt sind, das Verfahren zur Verzögerungsschätzung mindestens zweimal durchzuführen, wobei in diesem Fall die während des vorangehenden Durchgangs abgeschätzten Verzögerungen genutzt werden.
Empfänger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsmittel (64) dazu ausgelegt sind, das Verfahren der konjugierten Gradienten nach Hestenes-Stiefel zu benutzen, um das Problem der Minimierung der Fehlerquadrate zwischen dem empfangenen Signal und dem Codebankmodell zu lösen.
Empfänger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsmittel (64) dazu ausgelegt sind, die Verzögerungen der Wege mit einer durch die Abtastfrequenz gegebenen Genauigkeit zu ermitteln.
Empfänger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsmittel (63) dazu ausgelegt sind, lediglich die unbekannten Verzögerungen der Wege zu ermitteln, falls die Verzögerungen einiger Wege bekannt sind.
Empfänger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem CDMA-System o.Ä. die Codebankmodellmittel dazu ausgelegt sind, ein Codebankmodell bereitzustellen, dass Wellenform-Informationen auf der Basis von Gold-Spreizcodes enthält, und wobei die Verzögerungsmittel (64) zur Arbeit mit den Gold-Spreizcodes ausgelegt sind.