DE69219577T2

DE69219577T2 - Verfahren zur Synchronisierung und Kanalschätzung in einem TDMA-Radiokommunikationssystem

Info

Publication number: DE69219577T2
Application number: DE69219577T
Authority: DE
Inventors: Johan Skoeld
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1992-01-13
Filing date: 1992-12-14
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2012-12-15
Also published as: US5373507A; SE9200079D0; SE9200079L; FI106165B; FI930005L; JP3106024B2; MY130197A; SE469678B; DE69219577D1; EP0551803B1; EP0551803A1; FI930005A0; JPH05268157A; ES2103356T3

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisierung und Kanalschätzung in einem TDMA- Funkkommunikations-System.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In TDMA-Funkkommunikations-Systemen (TDMA = Zeitvielfachzugriff) wird Information auf einem Kanal in der Form von Signalrahmen übertragen, die von dem Sender während gleichmäßig verteilten Zeitintervallen übertragen werden. An den Stellen zwischen diesen Signalrahmen ist der Sender "still". Um den Empfänger auf diese Signalrahmen zu synchronisieren umfaßt jeder Signalrahmen ein bekanntes Synchronisationswort an vorgegebenen Positionen innerhalb des Signalrahmens. Beispielsweise ist in dem europäischen GSM- System für Mobiltelephonie dieses Synchronisationswort 26 Bit lang. Wenn der Empfänger einen neuen Signalrahmen von dem Sender erwartet, wird eine Trainingssequenz, die identisch zu den 16 zentralen Bits des Synchronisationsworts ist, von einem Trainingssequenzgenerator in dem Empfänger erzeugt. Die empfangenen Signale werden mit der lokal erzeugten Trainingssequenz verglichen und wenn die bestmögliche Korrelation zwischen dieser Sequenz und den empfangenen Signalen erhalten wird, wird angenommen, daß eine Synchronisation zwischen dem lokal erzeugten und dem empfangenen Signal existiert.
Zusätzlich zu der Synchronisation selbst wird die Trainingssequenz auch für eine Kanalschätzung verwendet. Da der Funkkanal oft einer Mehrwegausbreitung ausgesetzt ist, umfaßt der Empfänger irgendeine Art Ausgleicher (Equalizier), um dieses Phänomen zu beseitigen. Der Ausgleicher benötigt eine zeitbegrenzte Schätzung der Impulsantwort des Kanals. Diese Impulsantwort kann aus dem Korrelationssignal erhalten werden. Für diesen Zweck wird nicht nur eine Synchronisationsposition, sondern ein Intervall oder ein Fenster, welches die Mehrwegausbreitung definiert und anzeigt, wo der Ausgleicher arbeiten soll, benötigt.
Ein voranstehend bekanntes Verfahren zum Auffinden der Position des Fensters des Ausgleichers (siehe beispielsweise die Dokumente (US-A 4873683 und EP-A-0295226) besteht darin, dasjenige Intervall einer festen Länge zu wählen, welches die meiste Energie aus der Korrelation enthält. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß Störungen in dem empfangenen Signal ein Korrelationsmaximum weit weg von dem tatsächlichen Maximum ergeben können. Deshalb weist die Störung einen großen momentanen Einfluß auf die Position des Fensters auf und erzeugt eine Varianz (Unsicherheit) in dieser Position, was zu einem verschlechterten Betriebsverhalten des Empfängers führt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Bestimmen einer robusteren Kanalschätzung in einem TDMA-Funkkommunikations-System bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Bestimmen der Synchronisationsposition in einem Signalrahmen eines TDMA-Funkkommunikations-Systems bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung, zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen davon, läßt sich am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Korrelationszeit-Diagramm, welches ein vorher bekanntes Verfahren zum Bestimmen der Synchronisationsposition und Kanalschätzung in einem TDMA-Funkkommunikations-System darstellt;
Fig. 2 ein entsprechendes Korrelationszeit-Diagramm für einen Fall, bei dem ein Funkkanal einer Störung ausgesetzt ist;
Fig. 3 ein Korrelationszeit-Diagramm, welches das Verfahren der Erfindung in dem gestörten Fall der Fig. 2 zeigt; und
Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens gemäß der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt ein Korrelationszeit-Diagramm, bei dem die Abtastaugenblicke n entlang der X-Achse aufgetragen sind und die quadrierte Größe der Korrelation zwischen der lokal erzeugten Trainingsfrequenz und dem empfangenen Signal entlang der Y-Achse aufgetragen ist.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf das europäische GSM-System beschrieben. In diesem System umfaßt ein Synchronisationswort 26 Bit. Die 16 zentralen Bits in diesem Wort weisen gute Korrelationseigenschaften auf, wenn sie mit dem gesamten Synchronisationswort korreliert sind, das heißt eine maximale Korrelation = 16 in der zentralen Position und eine Korrelation von 0 in den übrigen 10 Positionen (C(k) = [0 0 0 0 0 16 0 0 0 0 0]). Diese 16 zentralen Bits werden als eine Trainingssequenz in einem Trainingssequenzgenerator in dem Empfänger erzeugt. Diese Trainingssequenz wird zum Bilden von beispielsweise 11 Korrelationswerten mit dem empfangenen Signalrahmen verwendet. Die quadrierten Größen dieser Korrelationswerte c(n) sind in Fig. 1 gezeigt. Die abschließende Synchronisationsposition wird durch Vergleichen von zueinander versetzten Fenstern, die jeweils 5 Korrelationswerte enthalten, hinsichtlich der Energieinhalte gewählt. Die zentrale Position dieses Fensters, die die meiste Energie enthält, wird als die Synchronisationsposition ausgegeben. Zusätzlich werden die 5 Korrelationswerte c(n) innerhalb dieses Fensters als eine Kanalschätzung an den Ausgleicher ausgegeben. In Fig. 1 sind die verschiedenen Fenster mit Referenzbezeichnungen 2-8 bezeichnet, wobei diese Zahlen die zentralen Positionen der Fenster in dem Korrelationsvektor, der durch die 11 Korrelationswerte gebildet wird, anzeigen. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird deshalb das bislang bekannte Verfahren die Synchronisationsposition M = 3 wählen, da das Korrelationsmaximum an der Position 3 liegt und auch die Energie um diese Position herum konzentriert ist.
In der Praxis ist das Korrelationsmaximum nicht so unverkennbar wie in Fig. 1 definiert. Das empfangene Signal wird nämlich durch Rauschen oder durch andere Sender gestört, was zu gestörten Kanalschätzungen führt. Fig. 2 zeigt einen ungünstigen Fall, bei dem ein Störungsmaximum in der Korrelationsposition 8 eingeführt worden ist. Wenn dieses Maximum ausreichend hoch ist, kann das Ergebnis des bislang bekannten Verfahrens sein, daß die Gesamtenergie für 5 Korrelationswerte unter Umständen größer um die Störung herum als um das Korrelationsmaximum herum ist. In diesem Fall kann das bislang bekannte Verfahren deshalb anstelle des richtigen Werts 3 m = 8 einstellen. Ferner wird der Kanalausgleicher Korrelationswerte um das Störungsmaximum bei m = 8 empfangen, was bedeutet, daß der Ausgleicher eine sehr schlechte Schätzung empfängt, da die Schätzung auf einem Störungsmaximum basiert.
Fig. 3 illustriert eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann in mehrere Schritte unterteilt werden. In einem ersten Schritt wird das Zentrum der Energie w gemäß der folgenden Formel berechnet:
wobei M die Anzahl von Korrelationswerten ist. Es wurde festgestellt, daß ein geeigneter Wert für M beispielsweise der Wert 11 ist. Der ermittelte Wert wird auf eine vorläufige Fensterposition mw gerundet, indem der erhaltene Wert w zu der nächsten ganzen Zahl gerundet wird.
In einem zweiten Schritt wird die Energie der Korrelationswerte c(n), die in zwei Fenstern um diese vorläufige zentrale Fensterposition erhalten werden, gemäß der folgenden Formel berechnet:
wobei 2K+1 = N ist, das heißt, die Anzahl von Korrelationswerten in jedem Fenster, beispielsweise 5. in Fig. 3 bringt dieses Verfahren mit sich, daß w in der Nähe von 3 liegen wird, die vorläufige Fensterzentralposition auf 3 gerundet sein wird und die zwei Fenster, die um die Positionen 3 und 4 zentriert sind, werden bezüglich der Energieinhalte verglichena Die Koeffizienten c(n) von demjenigen Fenster, welches den größten Energieinhalt aufweist, wird an den Ausgleicher als eine Kanalschätzung ausgegeben.
Die abschließende Synchronisationsposition m kann mit verschiedenen Vorgehensweisen bestimmt werden. Eine Vorgehensweise besteht darin, wie bei dem bislang bekannten Verfahren, einfach die Zentralposition des Fensters zu wählen. Eine andere Vorgehensweise besteht darin, das Zentrum der Energie in dem gewählten Fenster gemäß der folgenden Formel zu bestimmen:
wobei mw + n die Zentralposition in einem gewählten Fenster bezeichnet.
In dem beschriebenen Beispiel werden nur zwei Fenster um die vorläufige Fensterzentralposition mw untersucht. Jedoch ist es möglich, mehr als zwei Fenster zu untersuchen. Beispielsweise können fünf Fenster um die vorläufige Fenstermittenposition mw herum gewählt werden. Die Anzahl von Fenstern kann beispielsweise unabhängig von der gegenwärtigen Zeitverteilung gewählt werden. Beispielsweise kann die Anzahl von Fenstern proportional zu der Verzögerungsstreuung s gewählt werden, die gemäß der nachstehenden Formel definiert ist:
Ferner ist die Anzahl von Korrelationswerten in jedem Fenster natürlich nicht auf 5 beschränkt, sondern andere Werte sind ebenfalls möglich.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Bestimmung des Zentrums der Energie und das Verriegeln des Suchfensters auf Werte um dieses Zentrum herum eine robustere Bestimmung sowohl der Synchronisationsposition als auch der Kanalschätzung ergibt. Der Grund dafür besteht darin, daß ein einzelnes Störungsmaximum in der Korrelation keinen so starken Einfluß auf die Berechnung des Zentrums der Energie aufweist.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens gemäß der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben.
Das Signal, welches von dem Empfänger über eine Antenne empfangen wird, wird in einem Mischer in ein Basisband umgewandelt und wird in zwei A/D-Wandlern in eine komplexes Eingangssignal y(n) in einer herkömmlichen Weise aufgeteilt. Das Eingangssignal wird in einem Korrelator CORR mit einer Trainingssequenz von einem Trainingssequenzgenerator TR, der für den Empfänger lokal vorgesehen ist, korreliert. Dieser Trainingssequenzgenerator gibt 16 Werte an den Korrelator CORR aus. Die Korrelationswerte c(n) des Korrelators CORR werden in einem Puffer BUF1 gespeichert. In dem Beispiel enthält dieser Puffer 11 Speicherpositionen für 11 komplexe Korrelationswerte c(n).
In einer Einheit 10 wird das Quadrat der Größe jedes Korrelationswerts c(n) gebildet. Die quadrierten Werte werden an eine Summationseinheit 20 ausgegeben, die einen gewichteten Mittelwert der 11 Eingangssignale berechnet, wobei die Gewichtungskoeffizienten in ganzzahligen Schritten von 10 bis nach 0 herunter verlaufen. Die Summationseinheit 20 kann beispielsweise als ein FIR-Filter realisiert sein. In einer ähnlichen Weise werden die Summe der quadrierten Werte der Korrelationskoeffizienten c(n) in einer Summationseinheit 30 gebildet. Diese Einheit kann ebenfalls als ein FIR-Filter realisiert werden, in dem die Filterkoeffizienten alle gleich 1 eingestellt sind.
Das Ausgangssignal A von der Summationseinheit 20 wird in einer Teilungseinheit 40 durch das Ausgangssignal B von der Summationseinheit 30 geteilt, um das Zentrum der Energie w zu bilden. In einer Rundungseinheit 50 wird w auf die nächste ganze Zahl mw gerundet. Dieser Wert verriegelt die Referenzposition für eine Summationseinheit 60, beispielsweise ein FIR-Filter, welches die Energieberechnung für beispielsweise 5 Fenster berechnet, die um die Position mw verteilt und zueinander um einen Abtastschritt versetzt sind, wobei jedes Fenster die quadrierten Größen von jeweils 5 Korrelationswerten c(n) enthält. Diese 5 Summen, die die Energie in jedem Fenster darstellen, werden in einem Puffer BUF2 gespeichert. In einer Einheit MAX werden diese 5 Werte verglichen und der größte Wert wird gewählt, das heißt, dasjenige Fenster wird gewählt, welches den größten Energieinhalt aufwies. Als Ausgangssignal kann beispielsweise die Mittenposition m in diesem Fenster ausgegeben werden. In dieser Ausführungsform definiert dieses Ausgangssignal auch die Synchronisationsposition. Alternativ kann das Zentrum der Energie innerhalb des Fensters wie oben angedeutet für die abschließende Bestimmung der Synchronisationsposition berechnet werden.
Die Fensterzentralposition m wird auch dem Puffer BUF1 eingegeben, von dem 5 Korrelationswerte c(n), die um diese Position herum zentriert sind, für einen Transfer an eine Speichereinheit EST zum Speichern der Kanalschätzung gewählt werden. Diese 5 komplexen Werte werden dann an den Ausgleicher zur Kanalausgleichung transferiert.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf das europäische GSM-System beschrieben. Jedoch versteht es sich von selbst, daß die gleichen Prinzipien auch beispielsweise für das amerikanische Mobilfunk-Kommunikationssystem gemäß dem Standard IS-54 verwendet werden können. In der Tat kann die Erfindung für irgendein TDMA-Funkkommunikations-System verwendet werden, welches auf einer Synchronisation eines empfangenen Signals zu einer lokal erzeugten Trainingssequenz basiert.
Durchschnittsfachleuten ist offensichtlich, daß verschiedene Modifikationen und Änderungen bei der vorliegenden Erfindung ohne Abweichung von ihrem Schutzumfang, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

1. Verfahren in einem TDMA-Funkkommunikations-System, um aus einem ersten Vektor umfassend (M) Korrelationswerte zwischen einer Synchronisationssequenz und M Teilen eines Signalrahmens, die teilweise überlappen und zueinander um ein Abtastintervall versetzt sind, einen zweiten Vektor von N Korrelationswerten für eine Kanalschätzung auszuwählen, gekennzeichnet durch:

- Berechnen des Zentrums der Energie w des ersten Vektors gemäß der Gleichung

wobei c(k) einen Korrelationswert k in dem ersten Vektor bezeichnet;

- Runden des berechneten Werts w zu der nächsten ganzen zahl zum Bilden einer vorläufigen Fensterzentralposition mw in dem ersten Vektor; und

- Wählen von N aufeinanderfolgenden Korrelationswerten, die um die vorläufige Fensterzentralposition mw verteilt sind, zum Bilden des zweiten Vektors.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

- Wählen von 2L+1 teilweise überlappenden Vektoren, die zueinander zeitlich um ein Abtastintervall versetzt sind, wobei jeder N = 2K + 1 aufeinander folgende Korrelationswerte, die um die vorläufige Fensterzentralposition mw verteilt sind, umfaßt;

- Wählen desjenigen der 2L+l gewählten Vektoren, welcher den größten Energieinhalt En aufweist, das heißt, desjenigen Vektors, der die Beziehung

maximiert, als den zweiten Vektor.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß L in Abhängigkeit von der gegenwärtigen Zeitverteilung gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß L proportional zu der Verzögerungsstreuung 5 gewählt wird, die gemäß

definiert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Wählen von zwei teilweise überlappenden Vektoren, die zueinander um ein Abtastintervall zeitlich versetzt sind, wobei jeder N = 2K + 1 aufeinanderfolgende Korrelationswerte, die die vorläufige Fensterzentralposition mw umgeben, umfaßt;

- Wählen desjenigen der zwei Vektoren, der den größten Energieinhalt En aufweist, das heißt, desjenigen Vektors, der den Ausdruck

maximiert, als den zweiten Vektor.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 - 5, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt: Ausgeben der Position der Zentralposition des zweiten Vektors in dem ersten Vektor als eine abschließende Synchronisationsposition m.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 - 5, gekennzeichnet durch die folgenden Schritt:

- Berechnen des Zentrums der Energie x innerhalb des gewählten zweiten Vektors gemäß der Formel

wobei mw + 1 die Zentralposition des zweiten Vektors in dem ersten Vektor bezeichnet;

- Addieren des Wertes von x zu der Zentralposition mw + 1 des zweiten Vektors; und

- Ausgeben der Position, die in dem letzten Schritt erhalten wird, als eine abschließende Synchronisationsposition m.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Vektor 11 Korrelationswerte umfaßt, das heißt M = 11 ist.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Vektor 5 Korrelationswerte umfaßt, das heißt N = 5 ist.

10. Verfahren in einem TDMA-Funkkommunikations-System, um aus einem Vektor umfassend M Korrelationswerte zwischen einer Synchronisationssequenz und M Teilen eines Signalrahmens, wobei die Teile teilweise überlappen und zueinander zeitlich um ein Abtastintervall versetzt sind, die Synchronisationsposition m des Rahmens in dem Vektor zu bestimmen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Berechnen des Zentrums der Energie w gemäß der folgenden Formel

wobei c(k) einen Korrelationswert k in dem Vektor bezeichnet und wobei das berechnete Zentrum des Energiewerts w die gewünschte Synchronisationsposition m bildet.