DE20212013U1 - Einzelträger - Frequenzbereichsentzerrungs (SC-FDE) - Benutzergerät unter der Verwendung eines automatischen Wiederholungsanforderungsmechanismus der physischen Schicht - Google Patents

Description

[0001 ] EINZELTRAGER-FREQUENZBEREICHSENTZERRUNGS(SC-FDe)-BENUTZERGERÄT UNTER DER VERWENDUNG EINES AUTOMATISCHEN WIEDERHOLUNGSANFORDERUNGSMECHANISMUS DER PHYSISCHEN SCHICHT

[0002] HINTERGRUND

[0003] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf drahtlose

Kommunikationssysteme. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Modifikation solcher Systeme durch die Verwendung eines Verfahrens zur automatischen Wiederholungsanforderung (automatic repeat request /ARQ) der physischen Schicht (PHY).

[0004] Vorgeschlagene Kommunikationssysteme mit festem drahtlosem

Breitbandzugriff (broadband fixed wireless access / BFWA), die entweder Einzelträger-Frequenzbereichsentzerrung (single carrier-frequency domain equalization / SC-FDE) oder orthogonale Frequenzmultiplexierung (orthogonal frequency multiplex / OFDM) verwenden, planen, eine Hochgeschwindigkeits-Abwärtsverbindungs-Paket-Zugriffs-Anwendung (high speed downlink packet access / HSDPA) zu verwenden. Diese Anwendung wird Abwärtsverbindungs-Paketdaten mit hohen Geschwindigkeiten senden. Bei BFWA wird ein Gebäude oder eine Gruppe von Gebäuden entweder drahtlos oder verdrahtet verbunden und als ein einziger Teilnehmerstandort betrieben. Die Datennachfrage ist bei einem solchen System für die vielen Endbenutzer des einzelnen Standorts ziemlich hoch, weswegen große Bandbreiten benötigt werden.
[0005] Das derzeit vorgeschlagene System verwendet ein automatisches

Wiederholungsanforderungssystem (ARQ-System) der zweiten Schicht. Erfolglos an die Teilnehmer gesendete Datenblöcke werden gepuffert und von der zweiten Schicht erneut gesendet. Die in der zweiten Schicht gespeicherten Datenblöcke sind typischerweise groß, werden für einen Empfang mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio / SNR) gesendet, werden mit einer geringen Blockfehlerrate (block error rate / BLER) empfangen und werden selten wiederholt gesendet. Außerdem ist eine ARQ-Signalisierung

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der zweiten Schicht typischerweise langsam und benötigt große Puffer und lange Wiederholungssendungsintervalle.

[0006] Es ist demnach wünschenswert, zusätzlich zu einem ARQ-System der

zweiten Schicht Alternativen zu haben.
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[0007] ZUSAMMENFASSUNG

[0008] Ein Einzelträger-Frequenzbereichsentzerrungs(SC-FDE)-Benutzergerät

hat einen automatischen Wiederholungsanforderungsmechanismus (ARQ-Mechanismus) der physischen Schicht. Das Benutzergerät hat einen Empfänger. Der Empfänger hat einen Empfänger der physischen Schicht zum Demodulieren von Paketen. Jedes Paket hat eine eigene Codierung/ Datenmodulation. Die eigene Codierung/ Datenmodulation verwendet eine SC-FDE-Modulation und eine Vorwärtsfehlerkorrektur(forward error correction / FEC)-Codierung. Ein Hybrid-ARQ-Kombinierer/Decodierer puffert, dekodiert und erfasst Paketfehler. Ein Bestätigungssender sendet für jedes Paket eine Bestätigung, wenn das Paket eine akzeptable Fehlerrate aufweist.

[0009] KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0010] Fig. la und Ib sind vereinfachte Blockdiagramme physischer

Abwärtsverbindungs- und Aufwärtsverbindungs-ARQs.

[0011] Fig. 2 ist ein Fließdiagramm zur Verwendung von

Wiederholungssendungsstatistiken für eine adaptive Modulation und Codierung.
[0012] Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das eine Mehrkanal-Stopp- und -Wartearchitektur zeigt.

[0013] DETAmLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN

AUSFÜHRUNGSFORMEN

[0014] Fig. la und Ib zeigen eine physische Abwärtsverbindungs-ARQ 10 bzw.

physische Aufwärtsverbindungs-ARQ 20.

[0015] Die physische Abwärtsverbindungs-ARQ 10 weist eine Basisstation 12

auf, die von einem im Netzwerk 14 vorgesehenen ARQ-Sender 14a einer höheren Schicht Pakete empfängt. Die Pakete vom Sender 14a werden an den ARQ-Sender 12a der physischen Schicht in der Basisstation 12 angelegt. Der ARQ-Sender 12a kodiert die Daten mit einem Vorwärts-Fehlerkorrekturcode (FEC), hängt Fehlerprüfsequenzen (error check sequences / ECSs) an, moduliert die Daten, wie durch den Adaptiv-Modulations- und -

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Codierungs(adaptive modulation and coding / AMC)-Controller 12c angewiesen, zum Beispiel unter der Verwendung einer Zweiphasenumtastung (binary phase shift keying / BPSK), Vierphasenumtastung (quadrature phase shift keying / QPSK) oder m-ary-Quadratur-Amplitudenmodulation (d.h. 16-QAM oder 64-QAM). Zusätzlich kann der AMC-Controller 12a beim orthogonalen Frequenzmultiplex-Vielfachzugriff (OFDMA) die zum Tragen der Pakete verwendeten Unterkanäle variieren. Der ARQ-Sender 12a der physischen Schicht sendet Pakete an die Teilnehmereinheit 16 über eine Luftschnittstelle 14 über einen Switch, Zirkulator oder Duplexor 12d und eine Antenne 13. Der Sender 12a speichert ebenfalls die Nachricht zeitweise gegebenenfalls zur erneuten Sendung in einem im Sender 12a integrierten Pufferspeicher.

[0016] Eine Antenne 15 der Teilnehmereinheit 16 empfängt das Paket. Das

Paket wird über einen Switch, Zirkulator oder Duplexor 16b in den ARQ-Empfänger 16a der physischen Schicht eingegeben. Beim Empfänger 16a wird das Paket FEC-decodiert und unter Verwendung der ECS nach Fehlern geprüft. Dann steuert der Empfänger 16a den Bestätigungssender 16c entweder zum Bestätigen (ACK) des Empfangs eines Pakets mit einer akzeptablen Fehlerrate oder zum Anfordern einer erneuten Sendung vorzugsweise durch Zurückhalten eines Bestätigungssignals oder Senden einer negativen Bestätigung (NAK).
[0017] Die ACK wird durch den ACK-Sender 16c über den Switch 16b und die

Antenne 15 an die Basisstation 12 gesendet. Die ACK wird über die Luftschnittstelle 14 an die Antenne 13 der Basisstation 12 gesendet. Die empfangene ACK wird durch einen Bestätigungsempfänger 12b in der Basisstation verarbeitet. Der ACK-Empfänger 12b liefert die ACK/NAKs an den Adaptiv-Modulations- und &mdash;Codierungs(AMC)-Controller 12c und an den Sender 12a. Der AMC-Controller 12c analysiert die Kanalqualität zur Teilnehmereinheit 16 unter der Verwendung von Statistiken der empfangenen ACKs und kann die FEC-Codierungs- und -Modulationsverfahren folgender Sendungen der Nachricht variieren, wie noch detaillierter beschrieben wird. Wenn die Teilnehmereinheit 16 den Empfang des Pakets bestätigt, verursacht der Empfang dieser ACK an der Basisstation 12, dass das ursprüngliche Paket, das zeitweise in einem Pufferspeicher gespeichert war, zur Vorbereitung auf das nächste Paket gelöscht wird.

[0018] Wenn keine ACK empfangen wird oder eine NAK empfangen wird,

wiederholt der Sender 12a der physischen Schicht das Senden der ursprünglichen Nachricht oder einer selektiv modifizierten Version der ursprünglichen Nachricht an den Teilnehmer 16. Bei der Teilnehmereinheit 16 wird die wiederholte Sendung mit der

ursprünglichen Sendung kombiniert, wenn diese zur Verfügung steht. Dieses Verfahren erleichtert den Empfang einer korrekten Nachricht durch die Verwendung von Datenredundanz oder selektiver Wiederholungskombination. Die Pakete mit einer akzeptablen Fehlerrate werden zur weiteren Verarbeitung auf höhere Schichten 16d übertragen. Die akzeptablen empfangenen Pakete werden in der gleichen Datenreihenfolge, in welcher die Daten an den Sender 12a in der Basisstation geliefert wurden, an die höheren Schichten 16d geliefert (d.h. Auslieferung in Abfolge). Die maximale Anzahl wiederholter Sendungen ist auf einen vom Operator definierten ganzzahligen Wert, wie zum Beispiel im Bereich von 1 bis 8 eingeschränkt. Nachdem die maximale Anzahl wiederholter Sendungen versucht wurde, wird der Pufferspeicher zur Verwendung durch das nächste Paket gelöscht. Die Decodierung einer Bestätigung unter der Verwendung kleiner Pakete auf der physischen Schicht verringert Sendeverzögerungen und Nachrichten-Aufbereitungszeiten.
[0019] Da die PHY-ARQ auf der physischen Schicht stattfindet, stellt die

Anzahl des Auftretens wiederholter Sendungen für einen bestimmten Kanal, d.h. Wiederholungssendungsstatistiken, eine gute Messgröße für die Qualität dieses Kanals dar. Unter Verwendung der Wiederholungssendungsstatistiken kann der AMC-Controller 12c die Modulation- und Codierungsverfahren für diesen Kanal variieren, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Außerdem können die Wiederholungssendungsstatistiken mit anderen Verbindungsqualitätsmessungen, wie zum Beispiel Bitfehlerraten (BERs) und Blockfehlerraten (BLERs) vom AMC-Controller 12c kombiniert werden, um die Kanalqualität zu messen und um zu bestimmen, ob ein Wechsel des Modulations- und Codierungsverfahrens nötig ist.
[0020] Zur Veranschaulichung im Fall von SC-FDE wird das Auftreten

wiederholter Sendungen für einen bestimmten Kanal gemessen, um die Wiederholungssendungsstatistiken zu erzeugen (60). Eine Entscheidung darüber, ob das Modulationsverfahren zu wechseln ist, wird unter Verwendung der Wiederholungssendungsstatistiken getroffen (62). Wenn die Wiederholungssendungen überhand nehmen, wird ein robusteres Codierungs- und Modulationsverfahren verwendet (64), normalerweise mit einer verringerten Datenübertragungsrate. Der AMC-Controller 12c kann den Spreizfaktor erhöhen und mehr Pakete zum Übertragen der Paketdaten verwenden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der AMC-Controller von einem Modulationsverfahren mit einem hohen Datendurchsatz zu einem niedrigeren umschalten, so wie zum Beispiel von 64-QAM auf 16-QAM oder QPSK. Wenn die Rate von

Wiederholungssendungen gering ist, wird eine Umschaltung auf ein Modulationsverfahren einer höheren Kapazität vorgenommen, wie zum Beispiel von QPSK auf 16-QAM oder 64-QAM (66). Zur Entscheidung werden vorzugsweise sowohl die Wiederholungssendungsrate als auch andere vom Empfänger kommende Verbindungsqualitätsmessungen, wie zum Beispiel BER oder BLER verwendet (62). Die Entscheidungsgrenzen werden vorzugsweise vom Systemoperator gesetzt.
[0021] Für OFDMA wird das Auftreten der Wiederholungssendungen zum

Überwachen der Kanalqualität eines jeden Unterkanals verwendet. Wenn die Wiederholungssendungsrate oder die Wiederholungssendungsrate/

Verbindungsqualität für einen bestimmten Unterkanal eine schlechte Qualität anzeigt, kann dieser Unterkanal aus dem OFDM-Frequenzsatz selektiv annulliert werden (64), um Unterkanäle einer solcher schlechten Qualität in Zukunft auszuschließen. Wenn die Wiederholungssendungsrate oder die Wiederholungssendungsrate/Verbindungsqualität eine hohe Qualität anzeigt, kann ein zuvor annullierter Unterkanal dem OFDM-Frequenzsatz wieder hinzugefügt werden (66).

[0022] Die Verwendung des Auftretens der Wiederholungssendungen als eine

Grundlage für AMC ermöglicht eine Flexibilität zum Abstimmen des Modulations- und Codierungsverfahrens auf die durchschnittlichen Kanalbedingungen für jeden Benutzer. Außerdem ist die Wiederholungssendungsrate gegenüber einem Messfehler und einer Berichtsverzögerung von der Teilnehmereinheit 16 unempfindlich.

[0023] Die Aufwärtsverbindungs-ARQ 20 ist in ihrer Art der

Abwärtsverbindungs-ARQ 10 ähnlich und besteht aus einer Teilnehmereinheit 26, in welcher Pakete von einem Hoch-Schicht-ARQ-Sender 28a der höheren Schichten 28 zu einem ARQ-Sender 26a der physischen Schicht übertragen werden. Die Nachricht wird über einen Switch 26d, eine Teilnehmerantenne 25 und eine Luftschnittstelle 24 an die Basisstationsantenne gesendet. Der AMC-Controller kann auch das Modulations- und Codierungsverfahren unter der Verwendung der Wiederholungssendungsstatistiken eines Kanals variieren.
[0024] Der ARQ-Empfänger 22a der physischen Schicht bestimmt ähnlich wie

der Empfänger 16a von Fig. la, ob die Nachricht eine akzeptable Fehlerrate aufweist und wiederholt gesendet werden muss. Der Bestätigungssender berichtet einen Status an die Teilnehmereinheit 26, wodurch veranlasst wird, dass der Sender 26a erneut sendet oder alternativ dazu in Vorbereitung auf die Aufnahme der nächsten Nachrichten von den höheren Schichten 28 die ursprüngliche Nachricht löscht, die zeitweise beim Sender 26a

gespeichert wurde. Erfolgreich empfangene Pakete werden zur weiteren Verarbeitung an das Netzwerk 24 gesendet.

[0025] Auch wenn das aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt ist, wird

das System vorzugsweise für eine HSDPA-Anwendung in einem BFWA-System verwendet, auch wenn andere Umsetzungen verwendet werden können. Das BFWA-System kann ein Frequenzduplex- oder Zeitduplex-SC-FDE- oder OFDMA-Verfahren verwenden. In einem solchen System sind die Basisstation und alle Teilnehmer an stationären Standorten. Das System kann eine Basisstation und eine große Anzahl von Teilnehmereinheiten aufweisen. Jede Teilnehmereinheit kann zum Beispiel in einem Gebäude und in mehreren benachbarten Gebäuden eine Vielzahl von Benutzern bedienen. Diese Anwendungen erfordern typischerweise eine große Bandbreite aufgrund der großen Anzahl von Endbenutzern an einem Teilnehmereinheitsstandort.

[0026] Ein in einem solchen System verwendeter PFIY-ARQ ist für die höheren

Schichten transparent, wie zum Beispiel für die Mediums-Zugriffscontroller (MACs).

Folglich kann PHY-ARQ zusammen mit ARQs einer höheren Schicht, wie zum Beispiel der Schicht 2, verwendet werden. In solchen Fällen verringert der PHY-ARQ die zusätzlichen Wiederholungssendungen der ARQs der höheren Schicht.
[0027] Fig. 3 ist eine Veranschaulichung einer N-Kanal-Stopp- und -Warte-

Architektur für einen PHY-ARQ 30. Die Sendefunktion 38 des ARQs der physischen Schicht kann an der Basisstation, der Teilnehmereinheit oder beiden untergebracht sein, was davon abhängt, ob Abwärtsverbindungs-, Aufwärtsverbindungs-PHY-ARQs oder beide verwendet werden. Datenblöcke 34a treffen vom Netzwerk ein. Die Netzwerkblöcke werden in eine Schlange 34 zur Sendung über den Datenkanal 41 der Luftschnittstelle 43 gebracht. Ein N-Kanal-Sequenzer 36 sendet Daten der Blöcke sequenziell an die N-Sender 40-1 bis 40-n. Jeder Sender 40-1 bis 40-n ist einer Sendesequenz im Datenkanal 41 zugeordnet. Jeder Sender 40-1 bis 40-n führt eine FEC-Codierung durch und liefert eine ECS für die Blockdaten zur Erzeugung von Paketen zur AMC-Modulation und zur Sendung im Datenkanal 41. Die FEC-codierten ECS-Daten werden in einem Puffer der Sender 40-1 bis 40-n zur möglichen wiederholten Sendung gespeichert. Zusätzlich wird Steuerungsinformation vom PHY-ARQ-Sender 38 gesendet, um den Empfang, die Demodulation und die Dekodierung bei den Empfängern 46-1 bis 46-n zu Synchronisieren. [0028] Jeder der N-Empfänger 46-1 bis 46-n empfängt das Paket in seinem

zugeordneten Zeitschlitz. Das empfangene Paket wird an einen entsprechenden Hybrid-ARQ-Decodierer 50-1 bis 50-n (50) gesendet. Der Hybrid-ARQ-Decodierer 50 stellt die

Fehlerrate, wie zum Beispiel BER oder BLER, für das empfangene Paket fest. Wenn das Paket eine akzeptable Fehlerrate aufweist, wird es zur weiteren Verarbeitung in die höheren Schichten entlassen, und vom ACK-Sender 54 wird eine ACK gesendet. Wenn die Fehlerrate inakzeptabel ist oder kein Paket empfangen wurde, wird keine ACK gesendet 5 oder es wird eine NAK gesendet. Pakete mit inakzeptablen Fehlerraten werden beim Decodierer 50 zur potenziellen Kombination mit einem erneut gesendeten Paket gepuffert. [0029] Eine Vorgehensweise zum Kombinieren von Paketen unter der

Verwendung von Turbocodes ist die Folgende. Wenn ein turbocodiertes Paket mit einer inakzeptablen Fehlerrate empfangen wird, wird das Paket zur Unterstützung einer Codekombination erneut gesendet. Das die gleichen Daten enthaltende Paket wird anders codiert. Zum Decodieren der Paketdaten werden beide Pakete zur Wiederherstellung der ursprünglichen Daten durch den Turbodecodierer verarbeitet. Da das zweite Paket eine andere Codierung hat, werden seine weichen Symbole auf verschiedene Punkte im Decodierungsverfahren abgebildet. Die Verwendung von zwei Paketen mit unterschiedlicher Codierung bringt eine Codierungsvielfalt und Sendevielfalt zum Verbessern der Gesamt-BER. Bei einer anderen Vorgehensweise wird das identische Signal gesendet. Die zwei empfangenen Pakete werden unter der Verwendung einer Maximal-Verhältnis-Kombination von Symbolen kombiniert. Das kombinierte Signal wird dann nachfolgend decodiert.

[0030] Die ACK für jeden Empfänger 46-1 bis 46-n wird in einem

Schnellrückkopplungskanal (FFC) 45 gesendet. Der Schnellrückkopplungskanal 45 ist vorzugsweise ein Kanal mit niedriger Latenz. Für ein Zeitduplexsystem können die ACKs in Leerlaufperioden zwischen Aufwärts- und Abwärts-Übertragungen gesendet werden. Der FFC 45 ist vorzugsweise ein CDMA-Kanal mit geringer Geschwindigkeit und großer Bandbreite der andere In-Band-Übertragungen überlagert. Die FFC-CDMA-Codes und Modulationen werden zum Minimieren der Interferenz mit anderen In-Band-Übertragungen ausgewählt. Zum Erhöhen der Kapazität eines solchen FFC 45 können vielfache Codes verwendet werden.
[0031] Der ACK-Empfänger 56 erfasst die ACKs und zeigt dem entsprechenden

Sender 40-1 bis 40-n an, ob die ACK empfangen wurde. Wenn die ACK nicht empfangen wurde, wird das Paket erneut gesendet. Das erneut gesendete Paket kann ein anderes Modulations- und Codierungsverfahren verwenden, wie vom AMC-Controller 12c, 26c angewiesen. Wenn die ACK empfangen wird, löscht der Sender 40-1 bis 40-n das vorhergehende Paket aus dem Puffer und nimmt ein folgendes Paket zur Sendung an.

[0032] Die Anzahl von Sendern und Empfängern N hängt von verschiedenen

Konstruktionsüberlegungen ab, wie zum Beispiel der Kanalkapazität und der ACK-Antwortzeit. Für das zuvor beschriebene bevorzugte System wird vorzugsweise eine Zwei-Kanal-Architektur mit geradzahligen und ungeradzahligen Sendern und Empfängern verwendet.

[0033] Das PHY-ARQ-Verfahren der bevorzugten Ausführungsform liefert eine

Verstärkung von 7db für das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) im Vergleich zu einem System, das nur einen ARQ einer höheren Schicht verwendet. Dies geschieht dadurch, dass mit höheren Blockfehlerraten (BLER) (5-20% BLER) gearbeitet wird und kleinere Blockgrößen für die Schicht 1 verwendet werden, als das bei einer ARQ mit einer höheren Schicht allein praktikabel wäre. Die Anforderung eines geringeren SNR ermöglicht Folgendes: eine erhöhte Kapazität durch Schalten auf eine Modulation höherer Ordnung unter Verwendung eines adaptiven Modulations- und Codierungsverfahrens (AMC); geringere Kosten für Kundenendgeräte (customer premise equipment / CPE) durch die Verwendung von HF-Komponenten (Hochfrequenzkomponenten) niedrigeren Grads bei der PHY-ARQ, welche die verringerte Implementierungsleistung ausgleichen; eine erhöhte Abwärtsverbindungsreichweite, die den Zellradius vergrößert; eine verringerte Abwärtsverbindungsleistung in der Basisstation (BS) zum Minimieren der Zell-Zell-Interferenz; und eine erhöhte Leistungsminderung beim Leistungsverstärker bei der Verwendung eines Mehrfach-Träger-Verfahrens.

Claims (1)

1. Einzelträger-Frequenzbereichsentzerrungs(SC-FDE)-Benutzergerät mit einem automatischen Wiederholungsanforderungs(ARQ)-Mechanismus der physischen Schicht, wobei das Benutzergerät die folgenden Elemente aufweist: einen Empfänger mit:

   - einem Empfänger der physischen Schicht zum Demodulieren von Paketen, wobei jedes Paket eine eigene Codierung/Datenmodulation aufweist, wobei die eigene Codierung/Datenmodulation eine SC-FDE-Modulation und eine Vorwärts-Fehlerkorrektur(FEC)-Codierung verwendet;

   - einem Hybrid-Automatik-Wiederholungsanforderungs(ARQ)- Kombinierer/Decodierer zum Puffern, Decodieren und Erfassen von Paketfehlern; und

   - einem Bestätigungssender zum Senden einer Bestätigung für jedes Paket, wenn das Paket eine akzeptable Fehlerrate aufweist.