DE10138962B4 - Verfahren zur Erkennung von aktiven Codesequenzen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Erkennen aktiver Codesequenzen von mehreren überlagerten Codesequenzen (c_a(ν)·g_a) in einem Mobilfunksystem mit CDMA, wobei die aktiven Codesequenzen einen höheren Verstärkungsfaktor (g_a) als die inaktiven Codesequenzen haben, mit folgenden Verfahrensschritten:
– Bilden einer Kostenfunktion (L) in Abhängigkeit von unbekannten Schätzwerten (g ~_a, g ^_a) der Verstärkungsfaktoren (g_a) sämlicher Codesequenzen (c_p(ν)·g_a),
– partielles Differenzieren der Kostenfunktion (L) nach den unbekannten Schätzwerten (g ~_a, g ^_a) der Verstärkungsfaktoren (g_a),
– Bilden eines Gleichungssystems aus dem Ansatz, daß alle partiellen Differentiale der Kostenfunktion (L) Null sind und somit ein Minimum der Kostenfunktion (L) vorliegt,
– Bestimmen der Schätzwerte (g ~_a, g ^_a) der Verstärkungsfaktoren (g_a) durch Lösen des Gleichungssystems, und
– Feststellen, daß eine aktive Codesequenz vorliegt, wenn der Schätzwert (g ~_a, g ^_a) des zugehörigen Verstärkungsfaktors (g_a) größer als ein vorgegebenen Schwellwert ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen aktiver Codesequenzen, insbesondere von Identifizierungssequenzen (Midamples) in Mobilfunksystemen, insbesondere für den TDD-Modus des Standards 3GPP.
• Die Verwendung von Time Division Duplex (TDD) für den Uplink (Verbindung der Mobilstation zur Basisstation) und den Downlink (Verbindung der Basisstation zur Mobilstation) ist für verschiedene Mobilfunkstandards beispielsweise aus T. Ojanperä, R. Prasad, ”Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communications”, Artech House, 1998, ISBN 0-89006-735-X, Seiten 261 bis 277 bekannt. Dabei wird ein TDD-Modus vorgestellt, bei welchem sich jeder Downlink- und Uplink-Slot des TDD-Rahmens in mehrere Codekanäle mit orthogonalem Spreadingcode unterteilt. Jeder Codekanal besteht aus einem ersten Datenbereich und einem zweiten Datenbereich und einer zwischen den Datenbereichen angeordneten Identifizierungssequenz (Midample). Während die Daten-Chipsequenzen durch Multiplikation mit den orthogonalen Spreadingcodes orthogonal zueinander sind, sind die Identifizierungssequenzen (Midamples) zueinander nicht orthogonal.
• Ein ähnlicher Stand der Technik ist bekannt aus der DE 197 57 630 A1 , aus JOOS, Georg: Lehrbuch der theoretischen Physik, Akademische Verlagsgesellschaft mbH, Frankfurt am Main, 1959, 10. Aufl., Seiten 69–73 und 105–110, der GB 2 351 422 A , der WO 99/52249 A1 , der WO 99/40698 A1 und der WO 01/52489 A1 . Der Inhalt dieser Druckschriften geht jedoch nicht über den vorstehend genannten Stand der Technik hinaus.
• In bestimmten Betriebssituationen muß überprüft werden, welche Identifizierungssequenzen (Midamples) aktiv sind. Grundsätzlich könnte dies durch Korrelation der in dem Midample-Bereich empfangenen Datensequenz mit allen zulässigen Midamples (Identifizierungssequenzen) erfolgen. Durch Quadrieren des Korrelationskoeffizienten kann eine leistungsmäßige Bewertung erzielt werden. Wenn das Quadrat eines bestimmten Korrelationskoeffizienten in Relation zur Gesamtleistung der Summe der Midamples in einem logarithmischen Maßstab eine gewisse Schwelle überschreitet, könnte auf eine aktive Midample und somit auf einen aktiven Codekanal geschlossen werden. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nur dann zur Detektion der aktiven Midamples, wenn die Midample-Codesequenzen eine gute gemeinsame Kreuzkorrelationseigenschaft aufweisen. Bei kurzen Midample-Codesequenzen und hoher Störung kommt es aufgrund der schlechten Kreuzkorrelationseigenschaften verstärkt zu Fehldetektionen, da keine eindeutige Schwelle mehr gefunden werden kann, welche eine gültige Hypothese von einer ungültigen Hypothese trennt.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erkennen von Codesequenzen und ein entsprechendes Computerprogramm zu schaffen, das auch bei geringem Signal/Rausch-Verhältnis und schlechten Kreuzkorrelationseigenschaften der zur erkennenden Codesignalsequenzen mit hoher Zuverlässigkeit arbeitet.
• Die Erfindung wird bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Computerprogramms durch die Merkmale des Anspruchs 8 oder 9 gelöst.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Aufstellen einer Kostenfunktion und der partielle Differenzierung nach den Verstärkungsfaktoren der einzelnen Codesequenzen ein besonders sicheres Verfahren zum Detektieren der aktiven Codesequenzen geschaffen werden kann.
• Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Besonders vorteilhaft ist es, die Koeffizienten der Matrix des Gleichungssystems, das sich aus der partiellen Differenzierung der Kostenfunktion ergibt, nur einmal zu berechnen und abzuspeichern. Während des eigentlichen Detektionsverfahrens kann dann auf diese vorher berechneten und abgespeicherten Koeffizienten zurückgegriffen werden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren mit relativ geringem Implementierungsaufwand bzw. einer relativ geringen Rechenzeit auskommt.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
• 1 einen TDD-Rahmen des ETSI Wideband-CDMA TDD-Modus, bei welchem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann,
• 2 ein dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegendes Modell des Senders und
• 3 ein dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegendes Modell des Übertragungskanals.
• 1 zeigt einen TDD-Rahmen (Frame) des ETSI Wideband-CDMA (Code Division Multiple Access) TDD (Time Division Duplex)-Modus, wobei anhand von 1 ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden soll. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch nicht nur für den TDD-Modus bei Mobilfunksystemen, sondern ganz allgemein zur Erkennung von Codesignalen mit geringem Signal/Rausch-Verhältnis einsetzbar.
• Bei dem TDD-Modus werden für den Downlink (Verbindung zwischen Basisstation BS und Mobilstation MS) und den Uplink (Verbindung zwischen der Mobilstation MS und der Basisstation BS) in einem Zeitmultiplexverfahren unterschiedliche Slots (Zeitschlitze) des TDD-Frame (Rahmen) verwendet. Bei dem in 1 dargestellten, beispielhaften Schema sind einige Slots ständig dem Downlink, andere Slots ständig dem Uplink zugeordnet, während eine Vielzahl von Slots variabel dem Uplink (MS TX) und Downlink (BS TX) zugeordnet werden können. Jeder Slot gliedert sich in verschiedene Codekanäle K₀ bis K_N1-1. Jeder Codekanal besteht aus einem ersten Datenbereich Dat.1 und einem zweiten Datenbereich Dat.2 und einer zwischen den Datenbereichen angeordneten Identifikationssequenz, die nachfolgend als Midample bezeichnet wird. Jedem Codekanal K_a kann eine unterschiedliche Midample c_a(l)·g_a zugeordnet sein, wobei c_a(l) die Codesequenz der Midample und g_a den Verstärkungsfaktor (Gainfactor) darstellt. Je nach dem, ob der entsprechende Codekanal K_a aktiv ist, ist auch seine zugeordnete Midample aktiv, d. h. für aktive Codekanäle gilt g_a > 0, für nicht aktive Codekanäle gilt g_a = 0.
• Während in den Datenbereichen Dat.1 und Dat.2 die Datensymbole mit orthogonalen Spreadingcodes multipliziert werden und die Chipsequenzen deswegen orthogonal sind, sind die Codesequenzen der Midamples der verschiedenen Codekanäle K₀ bis K_N1-1 nicht orthogonal.
• In bestimmten Betriebssituationen muß festgestellt werden, welche Midample aktiv sind, und welche Midample nicht aktiv sind. Hierzu kann das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, das nachfolgend beschrieben wird.
• In der nachfolgenden Beschreibung werden folgende Formelzeichen verwendet:

ν

Zeitindex auf Chipebene

ca(ν)

Leistungsnormiertes, entwürfeltes, ungestörtes Chipsignal des a-ten Midamplecodes

ga

Verstärkungsfaktor des a-ten Midamplecodes.

g~a, g^a

den geschätzten Verstärkungsfaktor des a-ten Midamplecodes

j

Quadratwurzel aus –1

M

relative Leistungsschwelle

n(ν)

additive Störung

N

Länge der Midamplecodes

N1

Anzahl der Midamplecodes

r(ν)

Meßsignal

REAL{...}

Realteiloperator

s(ν)

Referenzsignal

• In 2 ist das Blockschaltbild des dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden Modells des Senders 1 schematisch dargestellt. Die ungestörten Midamplecodes c_a(ν) werden mit den Verstärkungsfaktoren g_a multipliziert, in einem Addierer 3 zum Referenzsignal s(ν) zusammengefaßt und parallel übertragen. Die Codes der Midamples c_a(ν) sind zueinander im Allgemeinen nicht orthogonal.
• Das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegende Modell des Übertragungskanals 4, wie es schematisch in 3 dargestellt ist, berücksichtigt eine additive Störung n(ν), die in einen Addierer 5 dem Referenzsignal s(ν) überlagert wird und das Meßsignal r(ν) beeinflußt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion der Midambles verwendet eine gemeinschaftliche Maximum-Likelihoodschätzung, welche die folgende Kostenfunktion

  

  benutzt, um die Verstärkungsfaktoren der Midamples zu schätzen. Hierbei sind r(ν) das Meßsignal, c_a(ν) das komplexwertige, leistungsnormierte, ungestörte Signal der a-ten Midample und g_a der Verstärkungsfaktor der a-ten Midample. g ~_a bedeutet den Versuchswert des Verstärkungsfaktors g_a.
• Zur Berechnung der partiellen Ableitungen der Kostenfunktion nach den unbekannten Parametern wird der folgende Formalismus eingesetzt: Ein unbekannter Parameter x ist eine reellwertige Zahl, die Konstanten c und d seien komplexwertig und eine allgemeine Kostenfunktion L = |c·x + d|² = (c·x + d)·(c·x + d) = |c|²·x² + c*·d·x + c·d*·x + |d|² (2) verwendet das Betragsquadrat. Dann errechnet sich die partielle Ableitung zu: ∂L / ∂x = 2·|c|²·x + 2·REAL{c·d*}.(3)
• Mit Gleichung (3) ergeben sich die partiellen Ableitungen nach den Schätzwerten g ^_a der Verstärkungsfaktoren der Midamples zu

  
• Die Gleichung (4, 5) kann in Matrix-Vektor-Schreibweise, [A_a,μ]·[g ^_μ] = [b_a] (6) zusammengefaßt werden, wobei die Koeffizienten der Zeilen sich zu

  

  ergeben. Wird das lineare Gleichungssystem gelöst, sind die gesuchten optimalen Schätzwerte g ^_a der Verstärkungsfaktoren g_a bekannt.
• Ausgehend von den geschätzten Verstärkungsfaktoren g ^_a der Midamples, kann näherungsweise die Gesamtleistung

  

  der Midamples berechnet werden. Übersteigt die Leistung eines Midamplecodes

  

  die relative logarithmische Leistungsschwelle M, dann wird der Midamplecode als aktiver Midamplecode eingestuft.
• Die Fehldetektionswahrscheinlichkeit des hier vorgestellten Verfahrens ist im Vergleich zu einem einfachen Korrelationsverfahren deutlich geringer.
• Der größte Aufwand des Verfahrens liegt in der Berechnung der Korrelationskoeffizienten b_a zwischen den ungestörten Midamplecodes und dem Meßsignal nach Gleichung (8). Zur Lösung des Gleichungssystems können die Koeffizienten der inversen Matrix A^–1 im Voraus berechnet und gespeichert werden. Damit benötigt man zur Lösung des Gleichungssystems nur die zweite Potenz der Anzahl N₁ der Midamplecodes Operationen. Die numerische Komplexität des vorgestellten Verfahrens ist also im Vergleich zu dem einfachen Korrelationsverfahren nur geringfügig höher, falls die Anzahl N₁ der Midamplecodes im Vergleich zu Länge N der Midamplecodes gering ist.

Claims (9)

1. Verfahren zum Erkennen aktiver Codesequenzen von mehreren überlagerten Codesequenzen (c_a(ν)·g_a) in einem Mobilfunksystem mit CDMA, wobei die aktiven Codesequenzen einen höheren Verstärkungsfaktor (g_a) als die inaktiven Codesequenzen haben, mit folgenden Verfahrensschritten: – Bilden einer Kostenfunktion (L) in Abhängigkeit von unbekannten Schätzwerten (g ~_a, g ^_a) der Verstärkungsfaktoren (g_a) sämlicher Codesequenzen (c_p(ν)·g_a), – partielles Differenzieren der Kostenfunktion (L) nach den unbekannten Schätzwerten (g ~_a, g ^_a) der Verstärkungsfaktoren (g_a), – Bilden eines Gleichungssystems aus dem Ansatz, daß alle partiellen Differentiale der Kostenfunktion (L) Null sind und somit ein Minimum der Kostenfunktion (L) vorliegt, – Bestimmen der Schätzwerte (g ~_a, g ^_a) der Verstärkungsfaktoren (g_a) durch Lösen des Gleichungssystems, und – Feststellen, daß eine aktive Codesequenz vorliegt, wenn der Schätzwert (g ~_a, g ^_a) des zugehörigen Verstärkungsfaktors (g_a) größer als ein vorgegebenen Schwellwert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kostenfunktion (L) vor dem partiellen Differenzieren durch Reihenentwicklung linearisiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kostenfunktion L die Funktion

   

   ist, wobei r(ν) das mit einem Störsignal beaufschlagte Summenssignal der Codesequenzen c_a(ν)·g_a, g_a der Verstärkungsfaktor der a-ten Codesequenz c_a(ν)·g_a, c_a(ν) die auf den Verstärkungsfaktor g_a = 1 normierte Codesequenz und g ~_a der unbekannte Schätzwert des Verstärkungsfaktors g_a der a-ten Codesequenz c_a(ν)·g_a ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch partielles Differenzieren der linearisierten Kostenfunktion L nach den unbekannten Schätzwerten g ^_a der Verstärkungsfaktoren g_a das zu lösende Gleichungssystem [A_a,μ]·[g ^_a] = [b_a] gewonnen wird, wobei die Koeffizienten des Gleichungssystems

   

   sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten

   

   nur einmal berechnet werden und bei jeder Durchführung des Verfahrens erneut verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Lösen des Gleichungssystems erhaltenen Schätzwerte g ^_a der Verstärkungsfaktoren g_a quadriert werden und die Summe der Quadrate

   

   gebildet wird, wobei eine aktive Codesequenz festgestellt wird, wenn

   

   gilt, wobei M ein vorgegebener Schwellwert ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Codesequenzen (c_a(ν)·g_a) Identifizierungssequenzen (Midamples) eines Codekanals eines CDMA-Mobilfunkssystems sind.
8. Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
9. Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung aller Schritte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.

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