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DE10222970A1 - Verfahren zur Netzverbindung eines UMTS-Mobilfunkgeräts - Google Patents

Verfahren zur Netzverbindung eines UMTS-Mobilfunkgeräts Download PDF

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DE10222970A1
DE10222970A1 DE10222970A DE10222970A DE10222970A1 DE 10222970 A1 DE10222970 A1 DE 10222970A1 DE 10222970 A DE10222970 A DE 10222970A DE 10222970 A DE10222970 A DE 10222970A DE 10222970 A1 DE10222970 A1 DE 10222970A1
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DE
Germany
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receiver
time
umts
signals
switched
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Withdrawn
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DE10222970A
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English (en)
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Frank Dr.-Ing. Heinle
Axel Dipl.-Ing. Hertwig
Kees Prof. Dr. van Berkel
Patrick Meuwissen
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
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Abstract

Um bei einem Verfahren zur Netzverbindung eines UMTS-Mobilfunkgeräts eine Verkürzung der Anfangssynchronisationszeit und/oder eine Verlängerung der Bereitschaftszeit zu erreichen, empfängt und speichert das UMTS-Mobilfunkgerät in einem oder mehreren zeitlich begrenzten HF-Empfangszeitfenstern die Signale, die danach bei abgeschaltetem HF-Empfänger ausgewertet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Netzverbindung, insbesondere zur Verkürzung der Anfangssynchronisationszeit und/oder zur Verlängerung der Bereitschaftszeit, eines UMTS-Mobilfunkgeräts, wobei das UMTS-Mobilfunkgerät, wenn sein HF-Empfänger eingeschaltet ist, von den Basisstationen der Umgebung auf verschiedenen physikalischen Kanälen des UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) liegende, insbesondere der Anfangssynchronisation, der Nachbarzellenmessung und dem Paging-Empfang dienende Signale empfängt, die in bestimmten Rahmen (Frames) des UMTS auftreten.
  • Ein derartiges Verfahren ergibt sich aus der technischen Spezifikation 3 GPPTS 25.214 V3.10.0 (2002 bis 2003), insbesondere Annex C, 5.49, und aus dem Fachbuch WCDMA for UMTS, Radio Access For Third Generation Mobile Communications, Harri Holma, Antti Toskala, John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, New York, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto.
  • Im Gegensatz zum GSM-System ist bei UMTS ein Codemehrfachzugriff mit CDMA (Code Division Multiple Access) vorgesehen. Die Informationen liegen dabei in den verschiedenen physikalischen Kanälen immer gleichzeitig vor. Die verschiedenen physikalischen Kanäle dienen insbesondere der Anfangssynchronisation, der Nachbarzellenmessung und dem Paging-Empfang. Die Kanäle sind insbesondere
    PSCH primary synchronization channel
    SSCH secondary synchronization channel
    CPICH common pilot channel
    PICH paging indication channel
    PCH paging channel,
    wobei weitere Kanäle für weitere Funktionen hinzu kommen, die jedoch im hier interessierenden Zusammenhang vernachlässigt werden können.
  • Bei Mobilfunkgeräten ist die Bereitschaftszeit, also die Zeitspanne bis zur Notwendigkeit eines erneuten Laden des Akkus, eine wichtige Gebrauchseigenschaft. Mobilfunkgeräte schalten üblicherweise in einen Energiesparbetrieb, wenn keine aktive Sprach- oder Datenverbindung besteht. Jedoch muss das Mobilfunkgerät in periodischen Abständen Informationen vom Netzwerk empfangen, um über einen etwa eingehenden Anruf informiert zu werden und um Änderungen der Basisstationen der Umgebung festzustellen. Hierfür muss der Hochfrequenz (HF)-Empfänger des Mobilfunkgeräts eingeschaltet sein. Die Bereitschaftszeit wird vom Leistungsverbrauch des HF-Empfängers bestimmt. Der Leistungsverbrauch des HF-Empfängers ist im Vergleich zu den anderen Systemen des Mobilfunkgeräts hoch. Je kürzer die HF-Empfangsfenster sind, desto länger wird die Bereitschaftszeit sein.
  • Die Zeit, die eine Anfangssynchronisation des Mobilfunkgeräts benötigt, soll kurz sein, damit das Mobilfunkgerät nach einem Ortswechsel möglichst schnell eine Netzverbindung findet und in den Bereitschaftszustand geht.
  • Bei UMTS-Mobilfunkgeräten ist üblicherweise der größte Teil der Signalverarbeitungsfunktionen in Echtzeit-Hardware implementiert. Wegen der hohen Datenrate am Eingang des digitalen Basisbandempfängers des UMTS-Mobilfunkgeräts werden die eingehenden Daten wie sie ankommen verarbeitet (on the fly). Gespeichert werden nur die Endergebnisse der jeweiligen Rechnungen. Alle Verarbeitungsschritte, die Informationen aus vorhergehenden Schritten benötigen, werden sequentiell ausgeführt. Währenddessen muss der HF-Empfänger eingeschaltet sein. Da die sequentielle Verarbeitung eine lange Zeit benötigt, muss das HF-Empfangszeitfenster entsprechend lang sein. Wegen des hohen Leistungsverbrauchs bei eingeschaltetem HF-Empfänger, reduziert sich entsprechend die Bereitschaftszeit. Dies gilt sowohl für die Anfangssynchronisation als auch für die während der Bereitschaftszeit durchzuführende Nachbarzellenmessung und den Paging-Empfang.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Anfangssynchronisationszeit zu verkürzen und/oder die Bereitschaftszeit zu verlängern.
  • Obige Aufgabe ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dabei werden in einem zeitbegrenzten Empfangszeitfenster die Signale aller interessierenden Kanäle gleichzeitig empfangen und gespeichert. Am Anfang des Empfangszeitfensters wird der HF-Empfänger eingeschaltet. Am Ende des Empfangszeitfensters wird der HF-Empfänger abgeschaltet. Die Auswertung der gespeicherten Signale erfolgt dann anschließend bei abgeschaltetem HF-Empfänger, also zu einer Zeit, in der der Stromverbrauch des Mobilfunkgeräts vergleichsweise niedrig ist. Dies führt insgesamt zu einer Verlängerung der Bereitschaftszeit. Die digitale Signalverarbeitung erfolgt also online.
  • Neben der Verkürzung der Anfangssynchronisationszeit und der Verlängerung der Bereitschaftszeit ergeben sich folgende weitere Vorteile:
    • a) Da die gleichen Empfangsdaten für die verschiedenen Verarbeitungsschritte verwendet werden, ist es sehr leicht, Zwischenergebnisse konsistent zu halten, was bei einer Echtzeit-Hardware-Lösung problematisch ist, weil sich die Kanalbedingungen zwischen den Verarbeitungsschritten signifikant ändern können.
    • b) Aufgrund der Online-Verarbeitung und der Datenzwischenspeicherung lässt sich die digitale Signalverarbeitung deutlich flexibler skalieren und zeitlich planen und ausführen, als in konventionellen UMTS-Mobilfunkgeräten. Dies erlaubt es, die Verarbeitung abhängig von den jeweiligen Bedingungen effizient durchzuführen.
  • Das HF-Empfangszeitfenster hat vorzugsweise die zeitliche Länge eines Rahmens (Frame) des UMTS. Dieser Rahmen beträgt 10 ms. Das HF-Empfangszeitfenster kann jedoch auch eine in Abhängigkeit von den Empfangsbedingungen variable zeitliche Länge haben.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 idealisierte zeitliche Verhältnisse bei einer üblichen UMTS-Anfangssynchronisation,
  • 2 die zeitlichen Verhältnisse bei einer erfindungsgemäßen Anfangssynchronisation,
  • 3 die während der Bereitschaftszeit periodisch wiederkehrenden, üblichen zeitlichen Verhältnisse bei einem Paging-Signal und einer Nachbarzellenmessung bei UMTS,
  • 4 die sich während der Bereitschaftszeit bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ergebenden Verhältnisse und
  • 5 eine weitere Möglichkeit unter der Annahme, dass durch das Paging-Signal das betreffende Mobilfunkgerät nicht gerufen wird, und der Annahme, dass die Messperiode der Nachbarzellenmessung länger ist als die Paging-Periode.
  • In den 1 bis 4 ist zur Vereinfachung der Darstellung von nur drei relevanten Nachbarzellen ausgegangen. In der Praxis müssen bis zu 32 Nachbarzellen erfasst werden.
  • Das prinzipielle Verfahren bei der Anfangssynchronisation in konventionellen UMTS-Mobilfunkgeräten ist folgendes (vgl. 1):
    • 1. Zu einem beliebigen Zeitpunkt t0 schaltet der Nutzer das Mobilfunkgerät ein. In einem ersten Schritt wird der primäre Synchronisationskanal, der sogenannte Primary Synchronization Channel (PSCH) ausgewertet, um alle Ausbreitungspfade von allen Basisstationen bzw. Zellen der Umgebung zu finden. Dieser erste Schritt erfolgt in einem der vorgegebenen UMTS-Zeitrahmen (Frame), der 10 ms dauert. Mit der auf dem PSCH übertragenen Dateninformation ist es noch nicht möglich, die verschiedenen Basisstationen zu unterscheiden und den Anfang des UMTS-Zeitrahmens (Frame) festzustellen.
    • 2. Deshalb werden nach ihrer Leistung effektiv erscheinende Ausbreitungspfade aus der Menge der im ersten Schritt gefundenen Ausbreitungspfade ausgewählt. Basierend auf dieser Auswahl wird im sekundären Synchronisationskanal, dem sogenannten Secondary Synchronization Channel (SSCH) die Scrambling-Codegruppe und die zeitliche Lage des Rahmens, d.h. Frames, d.h. das Frametiming derjenigen Basisstation identifiziert, die zu den ausgewählten Pfaden gehört. Die Auswertung des SSCH beginnt etwa zum Zeitpunkt t1 nach dem ersten Frame und dauert wieder 1 Frame bis zum Zeitpunkt t2.
    • 3. In einem dritten Schritt werden über den gemeinsamen Steuerkanal, den sogenannten Common Pilot Channel (CPICH) die ausgewählten Pfade hinsichtlich ihrer Zeitlage und der Scrambling-Codegruppe der betreffenden Basisstation (Cell 1) identifiziert.
    • 4. In einem vierten Schritt, beginnend beim Zeitpunkt t3, werden dann alle innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls auftretenden Pfade mit Hilfe des CPICH detektiert. Die gefundenen Pfade werden aus einer Pfadliste gestrichen und vorgemerkt. Danach werden die genannten Schritte für weitere Pfade der benachbarten Basisstationen (Cell 2, Cell 3, Cell 4) durchgeführt, was bis zum Zeitpunkt t5 dauert. Zum Zeitpunkt t4 ist dann die Anfangssynchronisation durchgeführt. Während der zwischen dem Zeitpunkt t0 und t4 liegenden Zeitspanne T muss der HF-Empfänger des Mobilfunkgeräts eingeschaltet sein. Diese Zeit beträgt im idealisierten Fall wenigstens 7 Frames, d.h. 70 ms. In der Praxis kann sie, wenn das Mobilfunkgerät im ausgeschalteten Zustand in den Bereich weit entfernter Basisstationen gebracht wird, sogar einige Minuten betragen.
  • Im Gegenstand dazu wird bei der vorgeschlagenen Lösung die Anfangssynchronisation folgendermaßen durchgeführt (vgl. 2):
    Zu einem beliebigen Zeitpunkt schaltet der Benutzer das LTMTS-Mobilfunkgerät ein. Nach einer gewissen Einschwingzeit zum Zeitpunkt t0 empfängt ein Speicher des Mobilfunkgeräts alle in einem einzigen Frame auftretenden Informationen des PSCH, SSCH, CPICH der je angenommenen vier Zellen (vgl. Frame Buffering in 2). Dies erfolgt in der Zeitdauer t0 bis t1, innerhalb eines einzigen Frames, d.h. 10 ms. Zum Zeitpunkt t1 schaltet sich der HF-Empfänger ab. Die Zeitspanne Ta zwischen t0 und t1 ist das Empfangszeitfenster. Die gespeicherte Information wird nach dem Zeitpunkt t 1 im Mobilfunkgerät bei abgeschaltetem HF-Empfänger ausgewertet.
  • Der Vergleich der 1 und 2 zeigt, dass bei dem Verfahren nach 2 das nötige Empfangszeitfenster um den Faktor 7 kürzer ist als bei dem Verfahren nach 1.
  • Im Bereitschaftszustand sind die meisten Komponenten eines LTMTS-Mobilfunkgeräts normalerweise abgeschaltet, um Strom zu sparen. Sie werden periodisch aktiviert, um Pagings, d.h. Rufankündigungen, zu empfangen und Systemmessungen hinsichtlich der Nachbarzellen auszuführen. Das prinzipielle Verfahren in den kommerzionellen LTMTS-Empfängern ist im wesentlichen folgendes (vgl. 3):
    • 1. Das Mobilfunkgerät resynchronisiert sich im Bereitschaftszustand periodisch auf die aktuelle, bei der vorherigen Anfangssynchronisation ermittelten Basisstation bzw. Zelle des Netzwerks. Dies ist im folgenden Beispiel cell 1. In der Regel wird nicht jeweils eine vollständige Anfangssynchronisation durchgeführt, weil diese nicht notwendig ist, sondern es wird nur auf dem CPICH eine Pfadsuche durchgeführt (vgl. 3, CPICH propagation path detection on serving cell). Dieser Vorgang dauert 1 Frame, d.h. 10 ms.
    • 2. Danach wird dann der Paging-Empfang (vgl. 3, paging reception) durchgeführt, was auf einem übergeordneten Ruflcanal, dem Paging Indication Channel (PICH) und dem speziellen Ruflcanal, dem sogenannten Paging Channel (PCH) erfolgt. Der PICH betrifft eine Gruppe von Mobilfunkgeräten und der PCH spricht dann aus dieser Gruppe ein einzelnes der Mobilfunkgeräte an. Im PCH ist die konkrete Identifizierungsnummer des anzusprechenden Mobilfunkgeräts vollständig enthalten.
  • Gleichzeitig mit der Auswertung der Paging-Signale auf den Kanälen PICH, PCH beginnt eine Messung der Nachbarzellen cell 2, cell 3, cell 4. Die Paging-Periode umfasst mindestens 8 Frames (in 3 nicht dargestellt). Bei dem Verfahren nach 3 muss der HF-Empfänger wenigstens vier Frames in einer Paging-Periode, die acht Frames umfasst, eingeschaltet sein.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dagegen folgendermaßen vorgegangen (vgl. 4):
    • 1. Der HF-Empfänger wird zu einem definierten Zeitpunkt t0' kurz bevor die benötigte Information des PCH von der Basisstation gesendet wird, eingeschaltet.
    • 2. Nach einer Einschwingzeit des Empfängers wird die komplette Infomation eines Frames des UMTS-Signals im Mobilfunkgerät empfangen und abgespeichert. Dies erfolgt zwischen den Zeitpunkten t0' und t 1 ' (vgl. 4, frame buffering).
    • 3. Der HF-Empfänger wird nach dem Ende eines Frames, bei t 1', wieder abgeschaltet. Der zwischen t0' und t1' liegende Frame wird abgespeichert. Die darin enthaltenen Informationen über die betreffenden Kanäle können dann bei abgeschaltetem HF-Empfänger weiter verarbeitet werden. (vgl. 4, processing time window).
    • 4. Die im PICH enthaltene Information kann ignoriert werden, da die benötigte Information auch auf dem PCH vorliegt.
  • Die empfangenen Daten werden zum Resynchronisieren auf die aktuelle Zelle des Netzwerks verwendet. Mittels der zwischen t0' und t1' empfangenen Daten werden auch die nötigen UMTS-Systemmessungen der Nachbarzellen ausgewertet.
  • Der Vergleich der beschriebenen Ausführungsbeispiele (vgl. 3, 4) zeigt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach 4 das HF-Empfangszeitfenster um den Faktor 4 kleiner ist als bei dem Verfahren nach 3, was eine beträchtliche Verlängerung der Bereitschaftszeit bedeutet. Die vorgeschlagene Lösung erlaubt eine Verkürzung des HF-Empfangszeitfensters um die Anzahl der Nachbarzellen. Falls zusätzlich noch die Lücke zwischen dem PICH-Signal und dem PCH-Signal ignoriert wird, lässt sich eine weitere Verkürzung der Einschaltdauer des HF-Empfängers erzielen, wenn die UMTS-Messperiode für die Nachbarzellenmessungen länger ist als die Paging-Periode (vgl. 5).
  • In 5 sind eine Paging-Periode PP, die 8 bis 512 Frames umfasst, und eine der Nachbarzellenmessung dienende Messperiode MP gezeigt, die 8 Paging-Perioden umfasst. PICH- und PCH-Signale treten in jeder Paging-Periode auf. HF-Empfangszeitfenster (RF receive windows) bestehen bei jedem PICH-Signal und nur bei einem PCH-Signal der Messperiode MP. Im Anschluss an das jeweilige HF-Empfangszeitfenster erfolgt, wie auch bei 4, die Nachsynchronisation auf die aktuelle Zelle (vgl. 5, CPICH propagation path detection on serving cell), die Paging-Auswertung (vgl. 5 paging processing) und die Nachbarzellenmessung (vgl. 5, CPICH system measurements on neighbor cells). Die HF-Empfangszeitfenster sind bei PICH höchstens 533 μs lang. Das HF-Empfangszeitfenster hat bei PCH die Länge eines Frames. Nach Speicherung werden die Signale wie beschrieben off live verarbeitet. Die Gesamt-HF-Empfangszeit beträgt 10 ms + 7 × 533 μs, d.h. 13,73 ms. Im Vergleich zu den 8 Frames (80 ms), die für einen vollständigen PCH-Empfang benötigt werden, ist dies eine weitere Einsparung um den Faktor 80/13,73 = 5,82.
  • Die HF-Empfangszeitfenster müssen nicht die zeitliche Länge eines Rahmens haben. Sie können auch länger oder kürzer oder variabel sein. Beispielsweise kann das HF-Empfangszeitfenster so lang wie der zeitaufwändigste Einzelverarbeitungsschritt gewählt werden, um diese Information vollständig für die folgende Auswertung zu speichern.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Netzverbindung, insbesondere zur Verkürzung der Anfangssynchronisationszeit und/oder zur Verlängerung der Bereitschaftszeit eines UMTS-Mobilfunkgeräts, wobei das UMTS-Mobilfunkgerät, wenn sein HF-Empfänger eingeschaltet ist, von den Basisstationen der Umgebung auf verschiedenen physikalischen Kanälen des UMTS liegende, insbesondere der Anfangssynchronisation, der Nachbarzellenmessung und dem Paging-Empfang dienende, Signale empfängt, die in bestimmten Rahmen des UMTS (frames) auftreten, dadurch gekennzeichnet, dass vom UMTS-Mobilfunkgerät die in einem oder mehreren HF-Empfangszeitfenstern liegenden Signale empfangen und gespeichert werden und nach der Speicherung der Signale des oder der HF-Empfangszeitfenster der HF-Empfänger abgeschaltet wird und dass danach anschließend bei abgeschaltetem HF-Empfänger die gespeicherten Signale im UMTS-Mobilfunkgerät ausgewertet werden).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das HF-Empfangszeitfenster höchstens die zeitliche Länge des zeitaufwändigsten Einzelverarbeitungsschrittes hat.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das HF-Empfangszeitfenster höchstens die zeitliche Länge eines Rahmens (frames) des UMTS hat.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Empfangszeitfenster eines in Abhängigkeit von den Empfangsbedingungen variable zeitliche Länge haben.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anfangssynchronisation der HF-Empfänger zu einem beliebigen Zeitpunkt eingeschaltet wird und dass nach einer Einschwingzeit ein Rahmen des UMTS-Signals der Basisstationen empfangen und gespeichert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereitschaftszustand des UMTS-Mobilfunkgeräts eine periodische Einschaltung des HF-Empfängers bei definierten Zeitpunkten erfolgt, um Paging-Signale (PICH,PCH) zu empfangen und eine Nachbarzellensynchronisation durchzuführen, wobei die definierten Zeitpunkte kurz vor dem Empfang der benötigten PCH (paging channel)-Information liegen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der PICH (Paging Indication Channel) ignoriert wird, d.h. seine Information nicht empfangen und gespeichert wird, wenn der PCH (paging channel) im empfangenen Rahmen (frame) empfangen und gespeichert ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn eine Messperiode, in der insbesondere die Nachbarzellenmessung erfolgt, zeitlich länger ist als eine Paging-Periode, nur einmal pro Messperiode der PCH empfangen und gespeichert und ausgewertet wird und sonst in jeder Paging-Periode nur der PICH gespeichert und ausgewertet wird.
  9. Mobilfunkgerät, wobei das Mobilfunkgerät, wenn sein HF-Empfänger eingeschaltet ist, von den Basisstationen der Umgebung Signale empfängt, die in bestimmten Rahmen (frames) auftreten, dadurch gekennzeichnet, dass vom Mobilfunkgerät die in einem oder mehreren HF-Empfangszeitfenstern liegenden Signale empfangen und gespeichert werden und nach der Speicherung der Signale des oder der HF-Empfangszeitfenster der HF-Empfänger abgeschaltet wird und dass danach anschließend bei abgeschaltetem HF-Empfänger die gespeicherten Signale im Mobilfunkgerät ausgewertet werden.
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