DE69900302T2

DE69900302T2 - Empfänger und Verfahren für CDMA Übertragung mit verbessertem Wegsucher

Info

Publication number: DE69900302T2
Application number: DE69900302T
Authority: DE
Inventors: Elie Bejjani; Alexandre Da Rocha; Jean-Hugues Perrin
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1999-06-24
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2019-06-25
Also published as: DE69900302D1; EP1069697A1; ES2162512T3; US6430166B1; CN1301091A; CN1142647C; JP2001036433A; EP1069697B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Empfänger und ein Verfahren zur CDMA- Übertragung mit verbessertem Pfad-Sucher, wie im Gegenstand der unabhängigen Ansprüche beschrieben.
Bei der terrestrischen Kommunikation wird des gesendete Signal von einer Vielzahl glatter oder rauher Gelände reflektiert und gebrochen, so dass es am Empfänger mit mehreren Zeitverzögerungen wiederholt wird. Jeder einzelne Pfad trifft auch mit seiner eigenen Amplitude und Träger-Phase ein. Die Ausbreitungseigenschaften sind für alle Signalstrukturen qualitativ gleich, obwohl sie quantitativ mit der Trägerfrequenz und den Eigenschaften des Geländes variieren. Die Strukturen der einzelnen Ausbreitungspfade können nur bis zu dem Grade erkannt und möglicherweise ausgewertet werden, dass sie voneinander unterschieden werden können. Insbesondere werden bei Signalen mit gespreiztem Spektrum Pseudozufallsfolgen benutzt, deren Chip-Zeit Tc umgekehrt proportional zur Spreizungsbandbreite ist. In diesem Fall können die einzelnen Pfade voneinander unterschieden werden, wenn sie gegenseitig durch Verzögerungen getrennt sind, die größer als Tc sind. Dann sind die verschiedenen verzögerten Versionen des Signals gegenseitig unkorreliert.
Die Pfad-Amplituden hängen von den relativen Ausbreitungsabständen und den Reflexions- und Brechungseigenschaften des Gebietes ab. In vielen Fällen, insbesondere in begrenzten Gebieten, wird jede der unterscheidbaren Mehrwege-Komponenten tatsächlich jedoch selbst die Linearkombination mehrerer nicht unterscheidbarer Pfade mit unterschiedlichen Amplituden sein. Um die Energie in den Mehrfach-Komponenten der Mehrwege-Ausbreitung auszuwerten, müssen sie erkannt und erfasst werden. Es ist insbesondere wichtig, die relativen Verzögerungen zu bestimmen und anschließend, wenn möglich, ihre Amplituden und Phasen. Dies kann sogar mit voll modulierten Signalen durchgeführt werden, die Schätzung ist jedoch viel präziser und die sich ergebende Leistungsfähigkeit wird stark verbessert, wenn die Pfad- Erkennung und die Parameter-Schätzung mit einem unmodulierten Signal durchgeführt wird. Unmodulierte Segmente können in das modulierte Signal eingefügt werden, insbesondere beim Zeitmultiplex. In Spread-Spectrum-Systemen ist es jedoch viel effektiver und einfacher, die unmodulierten Pilotsignale von dem mit Daten modulierten Signal zu trennen, indem man ihm eine individuelle Pseudozufallsfolge zuordnet.
Eine Pilotsequenz zur Bestimmung der Eigenschaften der Mehrwege-Komponenten ist für Übertragungskanäle von einem zu vielen gerechtfertigt, wie z. B. die Vorwärts-Downlink- Verbindung von einer Basisstation zu mehreren Teilnehmern. Die optimale Demodulatorstruktur für einen L-Mehrwege-Ausbreitungskanal ist als Rake-Empfänger bekannt. Jeder Mehrwege-Komponenten-Demodulator wird als ein "Finger" der Harke (Rake) bezeichnet. Die Verfolgung der Pilotsequenz eines bestimmten Demodulators startet mit der Bestimmung der Zeitverzögerung eines gegebenen Pfades, wie von der Sucheinrichtung der Pilotsequenzen bestimmt. Der Demodulator bildet die gewichtete phasenjustierte und verzögerungsjustierte Summe von L Komponenten.
Nach dem bisherigen Stand der Technik wird das Profil der Leistungen jedes der L Pfade erfasst, indem die Pilotsequenz eines Pilotkanals auf einer Zeitschlitz-für-Zeitschlitz-Basis überprüft wird. Dieses Leistungsprofil wird durch nichtkohärente Mittelwertbildung der momentanen Kanalprofile berechnet, was auf dieser Zeitschlitz-für-Zeitschlitz-Basis durchgeführt wird. Der Demodulator muss also auf die nächste Pilotsequenz im nächsten Zeitschlitz warten, um mehr Informationen zur Optimierung des Leistungsprofils zu erhalten. Für den Downlink-Modus ist die Leistungsfähigkeit dieser Lösung extrem abhängig von dem Signal-Rauschverhältnis der Pilotsequenz. Dies bedeutet, dass das Ergebnis der Demodulation im Empfänger von der Länge der Pilotsequenz selbst und von den Störungen im zugeordneten Kanal abhängt.
Darüber hinaus ist für eine hohe Bitrate die Korrelationslänge wegen des kleineren Spreizungsfaktors des Signals kürzer. Somit kann die Leistungsfähigkeit des Pfadauswahl- Algorithmus für verschiedene Bitraten unterschiedlich sein. In einem CDMA-Empfänger ist die Auswahl von Pfaden und Verzögerungen des Übertragungskanals erforderlich, um die Kanalbewertung und die Datenerkennung bei Vorliegen von Rauschen und Störungen durchzuführen. In einem mobilen Endgerät müssen zwei verschiedene Arten von Downlink- Kanälen empfangen werden: der zugeordnete Kanal DPCH, der benutzerspezifische Daten und Steuerinformationen überträgt, und gemeinsame Downlink-Kanäle, wie z. B. primäre und sekundäre gemeinsame physikalische Steuerkanäle CCPCH, der gemeinsame Pilotkanal CPICH, sowie Synchronisationskanäle. Die Ausbreitungsbedingungen für diese beiden Kanalarten können prinzipiell unterschiedlich sein, zum Beispiel wenn für die zugeordneten Kanäle Antennen-Arrays benutzt werden, die für die gemeinsamen Kanäle nicht eingesetzt werden können. Es soll darauf hingewiesen werden, dass diese gemeinsamen Downlink- Kanäle nicht für die Kanalbewertung benutzt werden sollten, sondern nur für die Bestimmung der Pfad-Verzögerung. Tatsächlich sind Fading-Prozesse auf gemeinsamen Steuerkanälen und zugeordneten Kanälen nicht gleich, wenn für die letzteren Antennen-Array-Techniken eingesetzt werden.
Im allgemeinen wird die Auswahl von Kanal-Pfaden mit Hilfe bekannter Pilotsequenzen realisiert, die in jedem Zeitschlitz des berücksichtigten physikalischen Kanals enthalten sind. Vor der Pfadauswahl-Operation benötigt der Pfad-Sucher ein Leistungsprofil. Das Leistungsprofil kann durch nichtkohärente Mittelwertbildung der momentanen Kanalprofile auf Zeitschlitz-für-Zeitschlitz-Basis berechnet werden. Außerdem wird eine adaptive Schwelle auf das Leistungsprofil angewendet, womit versucht wird, die auftretenden echten Ausbreitungskanäle voneinander zu trennen. Die klassische Lösung ist es, eine unabhängige Pfad-Verzögerungs-Auswahl für zugeordnete und gemeinsame Kanäle durchzuführen, wie in Fig. 2 gezeigt.
Diese Lösung hat zwei Hauptnachteile. Da die gesamte Struktur gedoppelt wird, ist die Struktur komplex. Die Leistungsfähigkeit des zweiten Pfad-Suchers (3b) wird durch ein schlechteres Signal-Rauschverhältnis der zugeordneten Kanäle im Vergleich zu den gemeinsamen Kanälen verschlechtert, die mit einem ausreichenden Pegel übertragen werden damit sie von allen mobilen Endgeräten innerhalb der Zelle gut empfangen werden.
Um eine bessere Leistungsfähigkeit des zweiten Pfad-Suchers (3b) zu erzielen und gleichzeitig die Komplexität der Berechnungen zu verringern, ist die vorgeschlagene Lösung, die beiden Pfad-Such-Operationen gemeinsam durchzuführen.
Die Erfindung erhöht wie unten beschrieben die Leistungsfähigkeit eines Demodulators in einem CDMA-Empfänger durch Kaskadierung von Pfad-Suchern und somit durch Erzielung eines optimierten Kanalprofils.
Die Verbesserungen erfolgen durch:
Einen Empfänger für eine erhöhte Leistungsfähigkeit für die CDMA-Funkübertragung, bestehend aus einem Rake-Empfänger (1) mit einem Pfad-Sucher (3), einem Kanal-Bewerter (4) und einem Kombinierer (5) zur Auswahl der optimalen Kanal-Pfade, wobei der Pfad- Sucher (3) einen Satz von Pfad-Verzögerungen (7) auswählt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Pfad-Sucher (3a, 3b) so miteinander verbunden sind, dass der Ausgang des ersten Pfad-Suchers (3a) an einen Eingang des zweiten Pfad-Suchers (3b) angeschlossen ist und dieser Eingang den Auswahlbereich begrenzt.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist in den Figuren gezeigt und wird im folgenden beschrieben.
Fig. 1 Empfänger
Fig. 2 Parallel-Struktur der bisherigen Technik
Fig. 3 Kaskadierte Struktur der Erfindung
Fig. 4 Pfad-Such-Verfahren
In der bisherigen Technik werden der zugeordnete physikalische Kanal (DPCH) und seine Pilotsequenz dazu benutzt, ein Leistungsprofil der Kanäle zu extrahieren.
Fig. 1 zeigt ein Funktions-Blockdiagramm eines Rake-Empfängers 1. Der Rake-Empfänger 1 ist ein Grundelement des Demodulators der Mobilstation. Ein typischer Rake-Empfänger umfasst drei Grundalgorithmen: Einen Pfad-Sucher 3, einen Kanal-Bewerter 4 und einen Kombinierer 5. Zuerst bestimmt der Pfad-Sucher 3 aus einer bekannten Pilotsequenz die Anzahl und die Lagen (Zeitverzögerungen) 7 der Pfade in einem frequenzselektiven Kanal. Diese Verzögerungs-Bewertungen 7 werden dann vom Kanal-Bewerter 4 dazu benutzt, die komplexen Koeffizienten Ci des Ausbreitungskanals zu bestimmen. Schließlich werden im Kombinierer die für jeden Kanal bestimmten Schätzwerte der Kanal-Koeffizienten kohärent kombiniert, um die Information über das Nutzdatensignal vor der Demodulation zu verbessern.
Das Prinzip des Rake-Empfängers ist es, die maximale Anzahl unterschiedlicher Pfade zu kombinieren, indem Verzögerungen im Empfänger eingeführt werden. Diese Pfade und Verzögerungen (τi ist die Verzögerung im i-ten Pfad) werden jeweils von dem Pfad-Sucher 3 genannten Funktionsblock erkannt und bestimmt. Der zweite Block des Rake-Empfängers ist der Kanal-Bewerter 4, der die Bestimmung der Kanal-Impulsantwort über alle vom Pfad- Sucher 3 erkannten Pfade durchführt. Diese Schätzwerte werden ebenfalls dazu benutzt, jeden empfangenen Pfad kohärent zu kombinieren. Die Kombination der Pfade wird vom Kombinierer 5 durchgeführt.
Der Pfad-Sucher-Algorithmus ist ein wichtiger Funktionsbestandteil in einem Rake- Empfänger. Das Ziel dieses Algorithmus ist die Bestimmung der Anzahl und der Lage der Pfade in einem Mehrwege-Kanal. Diese Schätzwerte werden auch vom Kanal-Bewerter 4 und vom Kombinierer 5 benutzt. Diese sind an den Pfad-Sucher 3 angeschlossen. Um Pfade zu erkennen, benutzt der Pfad-Sucher 3 die Pilotsequenz des zugeordneten physikalischen Kanals und/oder den gemeinsamen Pilotkanal CPICH. Diese Pilotsequenz wird auf I&Q-Zweige aufgeteilt, mit einem Hadamard-Code gespreizt und mit einem Gold- Code gemäß der ETSI-Spezifikation verwürfelt.
Vor der Pfadauswahl-Operation benötigt der Pfad-Sucher ein Leistungsprofil. Die Struktur eines Pfad-Suchers 3 wird in Fig. 4 im Detail gezeigt. Der Pfad-Sucher besteht aus einem Momentan-Profil-Analysator 8, der an ein Mittelwertbildungs-Filter 9 und einen Pfad- Selektor 10 angeschlossen ist. Der Momentan-Profil-Analysator 8 extrahiert die Energieverteilung des gemessenen Signals des Zeitschlitzes i der Pilotsequenz 21. Das Ergebnis ist ein Momentan-Leistungsprofil, das in Fig. 4 über eine bestimmte Fenstergröße gezeigt wird. Um ein zuverlässigeres Profil zu erhalten, wird eine nichtkohärente Mittelwertbildung der auf Zeitschlitz-flir-Zeitschlitz-Basis ermittelten momentanen Kanalprofile durchgeführt. Die nichtkohärente Mittelwertbildung wird von einem Mittelwertbildungs-Filter 9 über AVG LENGTH Zeitschlitze durchgeführt. Es werden die Momentan-Profile Pi, pi+1... benutzt. Der letzte Schritt ist der Pfad-Selektor, der die Pfade mit Leistungsdichten über einer vorher festgelegten Schwelle auswählt. Das Ergebnis ist ein Satz von Verzögerungen.
Die grundlegende Beobachtung ist, dass die Leistungs-Verzögerungs-Spreizung für die zugeordneten Kanäle eine Untermenge der bei den gemeinsamen Kanälen auftretenden Leistungs-Verzögerungs-Spreizung ist.
Um die Leistungsfähigkeit dieses Pfad-Suchers zu verbessern, ist der Empfänger strukturiert, wie in Fig. 3 gezeigt. Es gibt eine Vielzahl von Eingangssignalen 2, z. B. DPCH, CPICH, PCCPCH oder SCH, die an den Pfad-Sucher 3a angeschlossen sind. Der Pfad-Sucher 3a ist mit der weiteren Demodulation der gemeinsamen Kanäle 4a verbunden. Es ist auch möglich, nur einen gemeinsamen Kanal zu benutzen, wie in der bisherigen Technik beschrieben. Der Pfad-Sucher 3a hat eine Verbindung zum Pfad-Sucher 3b, der einen zweiten Eingang vom zugeordneten Kanal DPCH hat. Der Pfad-Sucher ist mit der DPCH-Demodulation 4b verbunden.
Bei UTRA/FDD werden mehrere gemeinsame physikalische Kanäle parallel in Downlink- Richtung übertragen, im allgemeinen mit ausreichender Leistung, um überall in der Zelle erkannt zu werden und mit einer konstanten Rate (fester Spreizungsfaktor, mit Ausnahme des Sekundär-CCPCH). Gemeinsame Downlink-Kanäle werden mit einem relativ höheren Leistungspegel gesendet, damit sie von allen Teilnehmern in einer Zelle gut empfangen werden. Darüber hinaus haben die meisten dieser Kanäle eine konstante und niedrige Bitrate, was bedeutet, dass Pilotsequenzen langer Dauer bezüglich der Korrelationseigenschaften (längere Dauer der Korrelation) genauere Ergebnisse liefern als bei einer Abschätzung eines Leistungsprofils bei variabler Bitrate (variable Dauer der Korrelation).
Wegen des besseren Signal-Rauschverhältnisses der gemeinsamen Kanäle kann die Auswahl der Pfad-Verzögerungen für die gemeinsamen Kanäle in einer ersten Stufe durchgeführt werden. Dies bedeutet die Auswahl eines Satzes S1 von möglichen Pfad-Verzögerungen auf der Basis einer vollständigen Pfad-Suchprozedur, wie in der parallelen Patentanmeldung beschrieben; angewendet auf die gemeinsamen Kanäle. In der zweiten Stufe wird eine Untermenge S2 des anfänglichen Satzes S1 in einer reduzierten Pfad-Suchprozedur beibehalten, die auf die L anfangs ausgewählten Verzögerungen im Satz S1 beschränkt ist. Diese Lösung hat den Vorteil, dass durch die bessere Leistungsfähigkeit des Pfad-Suchers 3b ein besser zugeordnetes Leistungsprofil erhalten werden kann. Die Komplexität wird ungefähr durch zwei geteilt, da der Betrieb des Pfad-Suchers 3b jetzt nur auf die vorher ausgewählten L Auswahlen begrenzt ist.

Claims

1. Empfänger für eine verbesserte Leistungsfähigkeit bei der CDMA-Funkübertragung, bestehend aus einem Rake-Empfänger (1) mit einem Pfad-Sucher (3), einem Kanal- Bewerter (4) und einem Kombinierer (5) zur Auswahl optimaler Kanal-Pfade, wobei der Pfad-Sucher (3) einen Satz von Pfad-Verzögerungen (7) auswählt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Pfad-Sucher (3a, 3b) auf eine Art und Weise angeschlossen sind, dass der Ausgang des ersten Pfad-Suchers (3a) mit einem Eingang des zweiten Pfad-Suchers (3b) verbunden ist.

2. Empfänger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pfad-Sucher (3a) einen gemeinsamen Kanal analysiert.

3. Empfänger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pfad-Sucher (3a) mindestens zwei gemeinsame Kanäle analysiert.

4. Verfahren zur Verbesserung von Pfad-Suchern in einer Mehrwege-Übertragung, um einen optimalen Übertragungspfad zu suchen, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als ein Pfad-Sucher (3) auf eine Art und Weise kaskadiert sind, dass ein erster Satz (S1) von Pfad-Verzögerungen von einem ersten Pfad-Sucher (3a) in den zweiten Pfad- Sucher (3b) eingegeben wird, und dass der zweite Pfad-Sucher (3b) einen Kanal nur im Bereich des ersten Satzes (S1) von Pfad-Verzögerungen analysiert.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz von Pfad- Verzögerungen (S1) größer als ein zweiter Satz (S2) ist, der vom zweiten Pfad-Sucher ausgegeben wird.